JP6913515B2 - Laminated piezoelectric element, injection device equipped with it, and fuel injection system - Google Patents

Laminated piezoelectric element, injection device equipped with it, and fuel injection system Download PDF

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Description

本開示は、圧電駆動素子(圧電アクチュエータ),圧力センサ素子,圧電回路素子等として用いられる積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システムに関する。 The present disclosure relates to a laminated piezoelectric element used as a piezoelectric drive element (piezoelectric actuator), a pressure sensor element, a piezoelectric circuit element, etc., an injection device including the same, and a fuel injection system.

積層型圧電素子として、圧電体層および内部電極層が交互に積層されるとともに、少なくとも一部の隣り合う圧電体層間に予定破断層を有する積層体と、内部電極層と電気的に接続され、積層体の側面に設けられた外部電極とを備えたものが知られている(特許文献1を参照)。ここで、予定破断層とは、周囲の層よりも容易に破断しやすくなっている層である。このような積層型圧電素子は、予定破断層でクラックを発生させることで他の部位にかかる応力およびクラックを低減し、性能を長期間にわたって維持することを目的としている。 As a laminated piezoelectric element, a piezoelectric layer and an internal electrode layer are alternately laminated, and a laminate having a planned breaking layer between at least a part of adjacent piezoelectric layer layers is electrically connected to the internal electrode layer. Those provided with an external electrode provided on the side surface of the laminated body are known (see Patent Document 1). Here, the planned fracture layer is a layer that is more easily fractured than the surrounding layer. Such a laminated piezoelectric element is intended to reduce stress and cracks applied to other parts by generating cracks in a planned breaking layer, and to maintain performance for a long period of time.

特表2006−518934号公報Special Table 2006-518934

近年、更なる高変位、高周波数での駆動の要求があり、そのような駆動においても長期間安定的に使用できる積層型圧電素子が求められている。 In recent years, there has been a demand for driving at higher displacements and higher frequencies, and there is a demand for a laminated piezoelectric element that can be stably used for a long period of time even in such driving.

しかしながら、上記のような駆動においては、全ての活性領域の圧電体層のヤング率を同じくして形成した場合、予定破断層にクラックが進展する際に、当該クラックの進展速度が速く一気に進展するので、外部電極が切れてノイズを発生させるおそれがあった。また、このノイズの発生により、積層型圧電素子の変位量が瞬間的に大きくなってしまうおそれもあった。 However, in the above-mentioned drive, when the Young's modulus of the piezoelectric layer in all the active regions is formed to be the same, when the crack grows in the planned fracture layer, the crack growth rate is fast and the crack grows at once. Therefore, there is a risk that the external electrode will be cut off and noise will be generated. In addition, the generation of this noise may cause the displacement amount of the laminated piezoelectric element to increase momentarily.

本開示は上記事情に鑑みてなされたもので、予定破断層のクラックの進展速度を遅くするようにした積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システムを提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a laminated piezoelectric element capable of slowing the growth rate of cracks in a planned fracture layer, an injection device provided with the same, and a fuel injection system. ..

本開示の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が交互に積層されるとともに、少なくとも一部の隣り合う圧電体層間に予定破断層を有する積層体と、前記内部電極層と電気的に接続され、前記積層体の側面に設けられた外部電極とを備え、前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、ヤング率が他の圧電体層とは異なっており、前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、前記内部電極層または前記予定破断層に含まれる金属成分と同じ金属成分を除いた圧電体成分の組成が他の圧電体層を構成する圧電体成分の組成とは異なっていることを特徴とする。
また、本開示の他の例の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が交互に積層されるとともに、少なくとも一部の隣り合う圧電体層間に予定破断層を有する積層体と、前記内部電極層と電気的に接続され、前記積層体の側面に設けられた外部電極とを備え、前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、ヤング率が他の圧電体層とは異なっており、前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、他の圧電体層よりもヤング率が大きいことを特徴とする。
また、本開示の他の例の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が交互に積層されるとともに、少なくとも一部の隣り合う圧電体層間に予定破断層を有する積層体と、前記内部電極層と電気的に接続され、前記積層体の側面に設けられた外部電極とを備え、前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、ヤング率が他の圧電体層とは異なっており、前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、平均粒子径が他の圧電体層の平均粒子径よりも小さいことを特徴とする。
また、本開示の他の例の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が交互に積層されるとともに、少なくとも一部の隣り合う圧電体層間に予定破断層を有する積層体と、前記内部電極層と電気的に接続され、前記積層体の側面に設けられた外部電極とを備え、前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、ヤング率が他の圧電体層とは異なっており、前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、厚みが他の圧電体層よりも厚いことを特徴とする。
In the laminated piezoelectric element of the present disclosure, a piezoelectric layer and an internal electrode layer are alternately laminated, and a laminate having a planned breaking layer between at least a part of adjacent piezoelectric layers, and the internal electrode layer and the electric Each piezoelectric layer, which is connected to and provided with an external electrode provided on the side surface of the laminated body and is adjacent to each other via the planned breaking layer, has a different Young ratio from other piezoelectric layers . Each piezoelectric layer adjacent to each other via the planned breaking layer has a composition of a piezoelectric component excluding the same metal component as the metal component contained in the internal electrode layer or the planned breaking layer of another piezoelectric layer. It is characterized in that it is different from the composition of the constituent piezoelectric components.
Further, in the laminated piezoelectric element of another example of the present disclosure, the piezoelectric layer and the internal electrode layer are alternately laminated, and at least a laminated body having a planned breaking layer between adjacent piezoelectric layer layers and the above-mentioned Each piezoelectric layer electrically connected to the internal electrode layer and provided with an external electrode provided on the side surface of the laminated body and adjacent to each other via the planned breaking layer has a Young ratio of another piezoelectric layer. The piezoelectric layers adjacent to each other via the planned breaking layer have a higher Young ratio than the other piezoelectric layers.
Further, the laminated piezoelectric element of another example of the present disclosure includes a laminate in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately laminated, and at least a part of adjacent piezoelectric layers has a planned breaking layer. Each piezoelectric layer electrically connected to the internal electrode layer and provided with an external electrode provided on the side surface of the laminated body and adjacent to each other via the planned breaking layer has a Young ratio of another piezoelectric layer. The piezoelectric layers adjacent to each other via the planned breaking layer are characterized in that the average particle size is smaller than the average particle size of the other piezoelectric layers.
Further, the laminated piezoelectric element of another example of the present disclosure includes a laminate in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately laminated, and at least a part of adjacent piezoelectric layers has a planned breaking layer. Each piezoelectric layer electrically connected to the internal electrode layer and provided with an external electrode provided on the side surface of the laminated body and adjacent to each other via the planned breaking layer has a Young ratio of another piezoelectric layer. It is characterized in that each piezoelectric layer adjacent to each other via the planned breaking layer is thicker than the other piezoelectric layers.

また本開示の噴射装置は、噴射孔を有する容器と、上記構成の積層型圧電素子とを備え、該積層型圧電素子の駆動によって前記噴射孔が開閉されることを特徴とする。 Further, the injection device of the present disclosure includes a container having an injection hole and a laminated piezoelectric element having the above configuration, and the injection hole is opened and closed by driving the laminated piezoelectric element.

また本開示の燃料噴射システムは、高圧燃料を蓄えるコモンレールと、該コモンレールに蓄えられた前記高圧燃料を噴射する上記構成の噴射装置と、前記コモンレールに記高圧燃料を供給する圧力ポンプと、前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットとを備えることを特徴とする。 Further, the fuel injection system of the present disclosure includes a common rail for storing high-pressure fuel, an injection device having the above configuration for injecting the high-pressure fuel stored in the common rail, a pressure pump for supplying the high-pressure fuel to the common rail, and the injection. It is characterized by including an injection control unit that gives a drive signal to the device.

本開示の積層型圧電素子によれば、予定破断層を一気にクラックが進展することができずに少しずつ進展するので、外部電極も切れにくくなり、ノイズも発生しにくくなる。 According to the laminated piezoelectric element of the present disclosure, cracks cannot grow at once in the planned break layer and gradually grow, so that the external electrodes are less likely to be cut and noise is less likely to be generated.

また本開示の噴射装置および燃料噴射システムによれば、ノイズの発生しにくい積層型圧電素子を備えていることから、精度よく安定した駆動を実現することができる。 Further, according to the injection device and the fuel injection system of the present disclosure, since the laminated piezoelectric element that is less likely to generate noise is provided, accurate and stable driving can be realized.

積層型圧電素子の実施形態の一例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows an example of embodiment of a laminated piezoelectric element. 図1に示す積層体の一例の概略断面図である。It is the schematic sectional drawing of the example of the laminated body shown in FIG. 図1に示す積層体の他の例の概略断面図である。It is the schematic sectional drawing of another example of the laminated body shown in FIG. 図1に示す積層体の他の例の概略断面図である。It is the schematic sectional drawing of another example of the laminated body shown in FIG. 噴射装置の一例を示す概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which shows an example of an injection device. 燃料噴射システムの一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of a fuel injection system.

以下、積層型圧電素子の実施形態の一例について図面を参照して説明する。 Hereinafter, an example of the embodiment of the laminated piezoelectric element will be described with reference to the drawings.

図1は積層型圧電素子の実施形態の一例を示す概略斜視図、図2は図1に示す積層体の一例の概略断面図である。 FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of an embodiment of a laminated piezoelectric element, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an example of the laminated body shown in FIG.

図1および図2に示す積層型圧電素子10は、圧電体層1および内部電極層2が交互に積層されるとともに、少なくとも一部の隣り合う圧電体層1間に予定破断層4を有する積層体3と、内部電極層2と電気的に接続され、積層体3の側面に設けられた外部電極5とを備えている。 In the laminated piezoelectric element 10 shown in FIGS. 1 and 2, the piezoelectric layer 1 and the internal electrode layer 2 are alternately laminated, and at least a part of the laminated piezoelectric element 1 having a planned breaking layer 4 is provided between adjacent piezoelectric layers 1. The body 3 is electrically connected to the internal electrode layer 2, and includes an external electrode 5 provided on the side surface of the laminated body 3.

積層体3は、内部電極層2(第1の内部電極層21および第2の内部電極層22)が圧電体層1を介して交互に積層されたものである。この積層体3は、積層方向から見て第1の内部電極層21と第2の内部電極層22とが重なる活性領域と、積層方向から見て第1の内部電極層21と第2の内部電極層22とが重ならない不活性領域とを有している。ここで、活性領域は駆動時に積層方向に伸長または収縮する部位である。また、不活性領域は駆動時に積層方向に伸長または収縮しないかまたはしにくい部位である。 The laminated body 3 is formed by alternately laminating the internal electrode layers 2 (the first internal electrode layer 21 and the second internal electrode layer 22) via the piezoelectric layer 1. The laminated body 3 has an active region in which the first internal electrode layer 21 and the second internal electrode layer 22 overlap when viewed from the stacking direction, and the first internal electrode layer 21 and the second interior when viewed from the stacking direction. It has an inert region that does not overlap with the electrode layer 22. Here, the active region is a site that expands or contracts in the stacking direction during driving. In addition, the inert region is a portion that does not expand or contract in the stacking direction during driving, or is difficult to expand.

積層体3は、内部電極層2(第1の内部電極層21および第2の内部電極層22)が圧電体層1を介して交互に積層された部分を有しているとともに、この部分の積層方向両端部に圧電体層1のみが積層された部分を有している。この積層方向両端部に位置する圧電体層1のみが積層された部分も、駆動時に積層方向に伸長または収縮しないかまたはしにくい不活性領域である。 The laminated body 3 has a portion in which the internal electrode layers 2 (the first internal electrode layer 21 and the second internal electrode layer 22) are alternately laminated via the piezoelectric layer 1, and the laminated body 3 has a portion of this portion. It has portions in which only the piezoelectric layer 1 is laminated at both ends in the stacking direction. The portion where only the piezoelectric layer 1 located at both ends in the stacking direction is laminated is also an inert region that does not expand or contract in the stacking direction during driving or is difficult to shrink.

積層体3は、例えば縦0.5〜10mm、横0.5〜10mm、高さ1〜100mmの四角柱状(直方体状)にされている。積層体3の形状としては、六角柱形状や八角柱形状、円柱状などであってもよい。 The laminated body 3 has, for example, a rectangular parallelepiped shape having a length of 0.5 to 10 mm, a width of 0.5 to 10 mm, and a height of 1 to 100 mm. The shape of the laminated body 3 may be a hexagonal column shape, an octagonal column shape, a columnar shape, or the like.

圧電体層1は、圧電特性を有するセラミックスからなるものである。このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO−PbTiO)からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム(LiNbO)、タンタル酸リチウム(LiTaO)などを用いることができる。この圧電体層1の厚みは、例えば3〜250μmとされる。 The piezoelectric layer 1 is made of ceramics having piezoelectric characteristics. As such ceramics, for example, a perovskite-type oxide made of lead zirconate titanate (PbZrO 3- PbTIO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), and the like can be used. The thickness of the piezoelectric layer 1 is, for example, 3 to 250 μm.

内部電極層2は、圧電体層1を形成するセラミックスと同時焼成により形成されたものである。内部電極層2は、第1の内部電極層21および第2の内部電極層22からなり、圧電体層1と交互に積層されて圧電体層1を上下から挟んでいる。例えば第1の内部電極層21を正極、第2の内部電極層22を負極またはグランド極として交互に配置されることにより、それらの間に挟まれた圧電体層1に駆動電圧が印加される。このような材料として、例えば低温焼成が可能な銀−パラジウム合金を主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができる。第1の内部電極層21および第2の内部電極層22の厚みは、例えば0.1〜5μmとされる。 The internal electrode layer 2 is formed by simultaneous firing with the ceramics forming the piezoelectric layer 1. The internal electrode layer 2 is composed of a first internal electrode layer 21 and a second internal electrode layer 22, and is alternately laminated with the piezoelectric layer 1 to sandwich the piezoelectric layer 1 from above and below. For example, by alternately arranging the first internal electrode layer 21 as the positive electrode and the second internal electrode layer 22 as the negative electrode or the ground electrode, a driving voltage is applied to the piezoelectric layer 1 sandwiched between them. .. As such a material, for example, a conductor containing a silver-palladium alloy as a main component, which can be fired at a low temperature, or a conductor containing copper, platinum, or the like can be used. The thickness of the first internal electrode layer 21 and the second internal electrode layer 22 is, for example, 0.1 to 5 μm.

図に示す例では、第1の内部電極層21および第2の内部電極層22がそれぞれ積層体3の対向する一対の側面に互い違いに引き出されて、積層体3の側面に設けられた後述の一対の外部電極5と電気的に接続されている。なお、積層体3の対向する他の一対の側面に第1の内部電極層21および第2の内部電極層22の両方の端面が露出していてもよく、第1の内部電極層21および第2の内部電極層22の両方の端面が露出せずに側面から離れて内側に位置してもよい。 In the example shown in the figure, the first internal electrode layer 21 and the second internal electrode layer 22 are alternately drawn out to the pair of opposite side surfaces of the laminated body 3, and are provided on the side surfaces of the laminated body 3, which will be described later. It is electrically connected to a pair of external electrodes 5. The end faces of both the first internal electrode layer 21 and the second internal electrode layer 22 may be exposed on the other pair of opposite side surfaces of the laminated body 3, and the first internal electrode layer 21 and the first internal electrode layer 22 may be exposed. Both end faces of the internal electrode layer 22 of 2 may be located inside away from the side surface without being exposed.

また、積層体3は、少なくとも一部の隣り合う圧電体層1(11)間に予定破断層4を有している。ここで、予定破断層4とは、積層型圧電素子10の駆動によって積層体3に生じる応力を緩和するための層である。この予定破断層4としては、例えば内部電極層として機能しない多孔質な金属層、あらかじめ亀裂の入った金属層などが挙げられる。 Further, the laminated body 3 has a planned breaking layer 4 between at least a part of adjacent piezoelectric layer 1 (11). Here, the planned breaking layer 4 is a layer for relaxing the stress generated in the laminated body 3 by driving the laminated piezoelectric element 10. Examples of the planned breaking layer 4 include a porous metal layer that does not function as an internal electrode layer, a metal layer that has been cracked in advance, and the like.

また、上述したように、第1の内部電極層21および第2の内部電極層22のいずれか一方の端面が達する一対の側面には、それぞれ外部電極5が設けられ、引き出された第1の内部電極層21または第2の内部電極層22と電気的に接続されている。この外部電極5は、例えばAgやCuなどの金属を含んだ導電性ペーストを焼き付けて作製することができる。ここで、外部電極5を積層体3の側面に垂直な横断面で見たときに、外部電極5の厚みは例えば5〜70μmとされる。また、図示しないが、外部電極5の端部にリード部材が接合され、リード部材を介して外部回路との電気的な接続がなされる。 Further, as described above, the outer electrode 5 is provided on each of the pair of side surfaces reached by the end faces of either the first internal electrode layer 21 and the second internal electrode layer 22, and the first one is pulled out. It is electrically connected to the internal electrode layer 21 or the second internal electrode layer 22. The external electrode 5 can be produced by baking a conductive paste containing a metal such as Ag or Cu. Here, when the external electrode 5 is viewed in a cross section perpendicular to the side surface of the laminated body 3, the thickness of the external electrode 5 is, for example, 5 to 70 μm. Further, although not shown, a lead member is joined to the end of the external electrode 5, and an electrical connection with an external circuit is made via the lead member.

なお、第1の内部電極層21および第2の内部電極層22の両方の端面が露出または両方の端面が露出していない側面には、必要により被覆材が設けられていてもよい。被覆材は、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ナイロン樹脂などからなり、単層のみならず、複数層で構成されていてもよい。この被覆材はマイグレーションや放電を抑制する効果を奏する。 If necessary, a covering material may be provided on the side surface where both end faces of the first internal electrode layer 21 and the second internal electrode layer 22 are exposed or both end faces are not exposed. The covering material is made of, for example, a silicone resin, an epoxy resin, a nylon resin, or the like, and may be composed of not only a single layer but also a plurality of layers. This coating material has the effect of suppressing migration and discharge.

そして、予定破断層4を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層1(11)は、ヤング率が他の圧電体層1(12)とは異なっている。 The Young's modulus of each of the piezoelectric layers 1 (11) adjacent to each other via the planned breaking layer 4 is different from that of the other piezoelectric layers 1 (12).

これにより、予定破断層4を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層11のヤング率を他の圧電体層12のヤング率と異ならせているので、当該予定破断層4に隣接する圧電体層11が変形しにくく、予定破断層4に瞬間的に大きな力が集中するのを抑制することができる。したがって、予定破断層4を一気にクラックが進展することができずに少しずつ進展するので、外部電極5が切れにくくなり、ノイズも発生しにくくなる。なお、圧電体層1のヤング率は、積層体3を切断して断面研磨し、測定しようとする圧電体層1を露出させたうえで、ナノインデンテーション試験を用いて測定することができる。 As a result, the Young's modulus of each of the piezoelectric layers 11 adjacent to each other via the planned breaking layer 4 is made different from the Young's modulus of the other piezoelectric layers 12, so that the piezoelectric layer adjacent to the planned breaking layer 4 is used. 11 is not easily deformed, and it is possible to prevent a large force from being momentarily concentrated on the planned break layer 4. Therefore, since the crack cannot grow at once in the planned break layer 4 and grows little by little, the external electrode 5 is less likely to be cut and noise is less likely to be generated. The Young's modulus of the piezoelectric layer 1 can be measured by cutting the laminate 3 and polishing the cross section to expose the piezoelectric layer 1 to be measured, and then using a nanoindentation test.

予定破断層4を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層1(11)はヤング率が他の圧電体層1(12)とは異なっている構成とするために、予定破断層4を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層11は、内部電極層2または予定破断層4に含まれる金属成分と同じ金属成分を除いた圧電体成分の組成が他の圧電体層12を構成する圧電体成分の組
成とは異なっていてもよい。
Each piezoelectric layer 1 (11) adjacent to each other via the planned break layer 4 has a Young's modulus different from that of the other piezoelectric layer 1 (12), so that the piezoelectric layer 1 (11) has a structure that is different from that of the other piezoelectric layer 1 (12). In each of the piezoelectric layers 11 adjacent to each other, the composition of the piezoelectric component excluding the same metal component as the metal component contained in the internal electrode layer 2 or the planned breaking layer 4 constitutes the other piezoelectric layer 12. It may be different from the composition of.

予定破断層4を挟んで配置された二つの圧電体層11の上下に同じ極となる内部電極層2が配置されて両圧電体層11に電界が印加されないような場合、電界がかかる活性領域の圧電体層12の変形に追従して圧電体層11も変形するが、ひとかたまりの圧電体のように変形できず、予定破断層4に瞬間的に大きな力が集中しにくい。したがって、予定破断層4を一気にクラックが進展することができずに少しずつ進展し、ノイズが発生しにくくなる。 When the internal electrode layers 2 having the same poles are arranged above and below the two piezoelectric layers 11 arranged with the planned breaking layer 4 in between and no electric field is applied to both piezoelectric layers 11, an active region in which an electric field is applied. The piezoelectric layer 11 also deforms following the deformation of the piezoelectric layer 12, but cannot be deformed like a mass of piezoelectric material, and it is difficult for a large force to be instantaneously concentrated on the planned breaking layer 4. Therefore, cracks cannot grow at once in the planned fracture layer 4, but gradually grow, and noise is less likely to occur.

一方、予定破断層4を挟んで配置された二つの圧電体層11の上下に異なる極となる内部電極層2が配置されて両圧電体層11に電界が印加されるような場合であっても、圧電体成分の組成が異なる圧電体層11は他の圧電体層12と同じような変位量であっても、変位速度(敏感さ)が異なるので、予定破断層4に瞬間的に大きな力が集中しにくい。したがって、予定破断層4を一気にクラックが進展することができずに少しずつ進展し、ノイズが発生しにくくなる。 On the other hand, there is a case where internal electrode layers 2 having different poles are arranged above and below the two piezoelectric layers 11 arranged with the planned breaking layer 4 interposed therebetween and an electric field is applied to both piezoelectric layers 11. However, even if the piezoelectric layer 11 having a different composition of the piezoelectric components has the same displacement amount as the other piezoelectric layers 12, the displacement velocity (sensitivity) is different, so that the planned breaking layer 4 is instantaneously large. It is difficult to concentrate the force. Therefore, cracks cannot grow at once in the planned fracture layer 4, but gradually grow, and noise is less likely to occur.

ここで、積層型圧電素子10の製造過程において、圧電体層11を形成するグリーンシートに鉄、マンガン、クロム、コバルトなどのアクセプターを添加し、他の圧電体層12を形成するグリーンシートには当該アクセプターを添加しないようにすることができる。このようにすることで、酸素空孔を生成し、プラスの電荷が結晶格子内に生成され、これがBサイトのZr4+あるいはTi4+のプラスと反発することで、結晶格子の動きが制限されるピニング効果が得られる。その効果を利用し、予定破断層4に隣接する圧電体層11をこれ以外の圧電体層12よりもヤング率の高い層とすることができる。このとき、圧電体層11と圧電体層12とは、圧電体成分の組成が異なる構成となる。 Here, in the manufacturing process of the laminated piezoelectric element 10, an acceptor such as iron, manganese, chromium, or cobalt is added to the green sheet forming the piezoelectric layer 11, and the green sheet forming the other piezoelectric layer 12 is formed. It is possible not to add the acceptor. By doing so, oxygen vacancies are generated and a positive charge is generated in the crystal lattice, which repels the positive of Zr 4+ or Ti 4+ at the B site, thereby limiting the movement of the crystal lattice. A pinning effect can be obtained. Utilizing this effect, the piezoelectric layer 11 adjacent to the planned break layer 4 can be made into a layer having a higher Young's modulus than the other piezoelectric layers 12. At this time, the piezoelectric layer 11 and the piezoelectric layer 12 have different configurations of the piezoelectric components.

また、積層型圧電素子10の製造過程において、圧電体層11を形成するグリーンシートにニオブ、タングステンなどのドナーを添加し、他の圧電体層12を形成するグリーンシートには当該ドナーを添加しないようにすることができる。このようにすることで、酸素空孔の生成を抑制し、ヤング率の上昇を抑制することができる。これにより、予定破断層4に隣接する圧電体層11をこれ以外の圧電体層12よりもヤング率の低い層とすることができる。このとき、圧電体層11と圧電体層12とは、圧電体成分の組成が異なる構成となる。 Further, in the manufacturing process of the laminated piezoelectric element 10, donors such as niobium and tungsten are added to the green sheet forming the piezoelectric layer 11, and the donor is not added to the green sheet forming the other piezoelectric layer 12. Can be done. By doing so, it is possible to suppress the formation of oxygen vacancies and suppress the increase in Young's modulus. As a result, the piezoelectric layer 11 adjacent to the planned break layer 4 can be made into a layer having a Young's modulus lower than that of the other piezoelectric layers 12. At this time, the piezoelectric layer 11 and the piezoelectric layer 12 have different configurations of the piezoelectric components.

圧電体層11と圧電体層12とで圧電体成分の組成が異なることは、それぞれの層を断面研磨したうえで、エネルギー分散型X線分光器(EDS)または波長分散型X線分析装置(WDS)を用いて測定することにより、判別できる。 The difference in the composition of the piezoelectric component between the piezoelectric layer 11 and the piezoelectric layer 12 is that after polishing the cross section of each layer, an energy dispersive X-ray spectroscope (EDS) or a wavelength dispersive X-ray analyzer ( It can be discriminated by measuring using WDS).

なお、予定破断層4に隣接する圧電体層11以外の圧電体層12のヤング率が例えば40〜60Gpaであった場合において、圧電体層12と予定破断層4に隣接する圧電体層11との差は例えば10〜40Gpaとされる。 When the Young's modulus of the piezoelectric layer 12 other than the piezoelectric layer 11 adjacent to the planned break layer 4 is, for example, 40 to 60 Gpa, the piezoelectric layer 12 and the piezoelectric layer 11 adjacent to the planned break layer 4 The difference is, for example, 10 to 40 Gpa.

ここで、予定破断層4を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層11は、他の圧電体層12よりもヤング率が大きくても小さくてもよいが、圧電体層11のヤング率が大きいほうが変形しにくい点で、クラックの進展を抑制する効果が大きくなる。 Here, each of the piezoelectric layers 11 adjacent to each other via the planned breaking layer 4 may have a Young's modulus larger or smaller than that of the other piezoelectric layers 12, but the Young's modulus of the piezoelectric layer 11 is large. The more difficult it is to deform, the greater the effect of suppressing the growth of cracks.

また、予定破断層4を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層11は、平均粒子径が他の圧電体層12の平均粒子径よりも小さくてもよい。圧電体層11を構成する圧電体粒子の平均粒子径が小さいと、粒子が密に配置され粒子間の隙間が少なくなることとなり、変形しにくくなる。他の圧電体層12の平均粒子径が例えば1〜5μmである場合において、圧電体層11の平均粒子径は圧電体層12の平均粒子径の75〜95%の大きさとす
ることができる。なお。この平均粒子径は、断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察し、任意の線分間に含まれる粒子の数と粒子に含まれる線分の長さを測定し、この長さの合計距離を粒子数で割ることによって求めることができる。
Further, the average particle size of each of the piezoelectric layers 11 adjacent to each other via the planned breaking layer 4 may be smaller than the average particle size of the other piezoelectric layers 12. When the average particle size of the piezoelectric particles constituting the piezoelectric layer 11 is small, the particles are densely arranged and the gaps between the particles are reduced, so that the particles are less likely to be deformed. When the average particle size of the other piezoelectric layer 12 is, for example, 1 to 5 μm, the average particle size of the piezoelectric layer 11 can be 75 to 95% of the average particle size of the piezoelectric layer 12. note that. For this average particle size, the cross section is observed with a scanning electron microscope (SEM), the number of particles contained in an arbitrary line segment and the length of the line segment contained in the particles are measured, and the total distance of these lengths is calculated. It can be obtained by dividing by the number of particles.

また、図3に示すように、予定破断層4を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層11は、厚みが他の圧電体層12よりも厚くてもよい。圧電体層11の厚みが増すと剛性が高くなって変形しにくくなるとともに、圧電体層12の変形の力が予定破断層4に伝わりにくくなる。予定破断層4を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層11の厚みは、他の圧電体層12の厚みの例えば105%〜250%の厚みに設定される。 Further, as shown in FIG. 3, the respective piezoelectric layers 11 adjacent to each other via the planned break layer 4 may be thicker than the other piezoelectric layers 12. As the thickness of the piezoelectric layer 11 increases, the rigidity increases and it becomes difficult to deform, and the deformation force of the piezoelectric layer 12 becomes difficult to be transmitted to the planned breaking layer 4. The thickness of each piezoelectric layer 11 adjacent to each other via the planned break layer 4 is set to, for example, 105% to 250% of the thickness of the other piezoelectric layer 12.

また、図4に示すように、予定破断層4を介して互いに隣り合う圧電体層11は、厚みが異なっていてもよい。予定破断層4を介して互いに隣り合う上下の圧電体層11の厚みの違いにより、予定破断層4に対して力が不均一にかかるとともに、これらの圧電体層11の変形の度合いが違うことで、クラックの進展速度をより遅くすることができる。なり、一気にクラックが進展することがなくなる。予定破断層4を介して互いに隣り合う上下の圧電体層11のうちの一方の厚みに対し、他方の厚みは例えば105〜200%の厚みに設定される。 Further, as shown in FIG. 4, the piezoelectric layers 11 adjacent to each other via the planned break layer 4 may have different thicknesses. Due to the difference in the thickness of the upper and lower piezoelectric layers 11 adjacent to each other via the planned breaking layer 4, the force is applied non-uniformly to the planned breaking layer 4, and the degree of deformation of these piezoelectric layers 11 is different. Therefore, the crack growth rate can be slowed down. As a result, cracks do not grow at once. The thickness of the other of the upper and lower piezoelectric layers 11 adjacent to each other via the planned break layer 4 is set to, for example, 105 to 200%.

次に、本実施形態の積層型圧電素子の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the laminated piezoelectric element of the present embodiment will be described.

まず、圧電体層1となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系,ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してセラミックスラリーを作製する。そして、ドクターブレード法、カレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このセラミックスラリーを用いてセラミックグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては圧電特性を有するものであればよく、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO−PbTiO)からなるペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル(DBP),フタル酸ジオクチル(DOP)等を用いることができる。 First, a ceramic green sheet to be the piezoelectric layer 1 is produced. Specifically, a ceramic slurry is prepared by mixing a calcined powder of piezoelectric ceramics, a binder made of an organic polymer such as acrylic or butyral, and a plasticizer. Then, a ceramic green sheet is produced using this ceramic slurry by using a tape molding method such as a doctor blade method or a calendar roll method. The piezoelectric ceramic may be any one having piezoelectric properties, and for example, a perovskite-type oxide made of lead titanate (PbZrO 3- PbTIO 3 ) or the like can be used. Further, as the plasticizer, dibutyl phthalate (DBP), dioctyl phthalate (DOP) and the like can be used.

ここで、予定破断層4の上下に隣接する圧電体層11となるセラミックグリーンシートは、鉄、マンガン、クロム、コバルトなどのアクセプターまたはニオブ、タングステンなどのドナーを添加したものとし、それ以外の圧電体層12となるセラミックグリーンシートはアクセプターおよびドナーの添加されていないものとすることができる。アクセプターである鉄、マンガン、クロム、コバルトなどを添加することで、予定破断層4の上下の圧電体層11層以外の圧電体層12よりヤング率の高い層を意図的に作製することができる。一方、ドナーであるニオブ、タングステンなどを添加することで、予定破断層4の上下の圧電体層11層以外の圧電体層12よりヤング率の低い層を意図的に作製することができる。 Here, the ceramic green sheet to be the piezoelectric layer 11 adjacent to the upper and lower sides of the planned breaking layer 4 is assumed to have an acceptor such as iron, manganese, chromium or cobalt or a donor such as niobium or tungsten added, and other piezoelectric materials. The ceramic green sheet to be the body layer 12 can be free of acceptors and donors. By adding acceptors such as iron, manganese, chromium, and cobalt, it is possible to intentionally prepare a layer having a higher Young's modulus than the piezoelectric layer 12 other than the piezoelectric layers 11 above and below the planned break layer 4. .. On the other hand, by adding donors such as niobium and tungsten, it is possible to intentionally prepare a layer having a Young's modulus lower than that of the piezoelectric layer 12 other than the piezoelectric layers 11 above and below the planned break layer 4.

次に、内部電極層2となる導電性ペーストを作製する。具体的には、例えば銀−パラジウム合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上に、例えばスクリーン印刷法を用いて内部電極層2のパターンで塗布する。 Next, a conductive paste to be the internal electrode layer 2 is produced. Specifically, for example, a conductive paste is prepared by adding and mixing a binder and a plasticizer to a metal powder of a silver-palladium alloy. This conductive paste is applied onto the above-mentioned ceramic green sheet in the pattern of the internal electrode layer 2 by using, for example, a screen printing method.

また、予定破断層4用の金属ペーストを作製する。この金属ペーストは、例えば銀を主成分とする金属粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合したものでもよく、内部電極2用の導体ペーストよりも銀の比率を高めた銀パラジウムからなる金属粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合したものでもよい。この金属ペーストを上記のセラミックグリーンシート状に、例えばスクリーン印刷法を用いて予定破断層4のパターンで塗布する。 In addition, a metal paste for the planned break layer 4 is prepared. This metal paste may be, for example, a metal powder containing silver as a main component, to which a binder, a plasticizer, etc. are added and mixed, and is a metal powder made of silver palladium having a higher ratio of silver than the conductor paste for the internal electrode 2. A binder, a plasticizing agent, or the like may be added and mixed. This metal paste is applied to the above ceramic green sheet in the pattern of the planned break layer 4 by using, for example, a screen printing method.

さらに、これらの導電性ペースト、金属ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを複数枚積層し、所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、900〜1200℃の温度で焼成し、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう研削処理を施すことによって作製する。 Further, a plurality of ceramic green sheets printed with these conductive pastes and metal pastes are laminated, debindered at a predetermined temperature, and then fired at a temperature of 900 to 1200 ° C. to grind a surface grinding machine or the like. It is manufactured by subjecting it to a grinding process so that it has a predetermined shape.

なお、圧電体層11と圧電体層12とは、圧電体成分の組成が異なる構成とするには、上記のアクセプターまたはドナーの添加によってもよいが、ジルコン、チタン比の異なる2つのチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の粉末を用いて、セラミックグリーンシートを作製してもよい。 The piezoelectric layer 11 and the piezoelectric layer 12 may have a structure in which the composition of the piezoelectric component is different from that of the above-mentioned acceptor or donor, but the lead zirconate and two lead zirconate titans having different titanium ratios may be added. Ceramic green sheets may be prepared using lead acid (PZT) powder.

また、圧電体層11の平均粒子径が他の圧電体層12の平均粒子径よりも小さい構成とするには、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の粉末の粉砕時間を長くすることで粒径の小さい粉末を作製し、これを予定破断層4に隣接する圧電体層11となるセラミックグリーンシートに用い、その他の圧電体層12となるセラミックグリーンシートには粉砕時間が短い粒径の大きい粉末を用いればよい。 Further, in order to make the average particle size of the piezoelectric layer 11 smaller than the average particle size of the other piezoelectric layers 12, the particle size is increased by lengthening the crushing time of the lead zirconate titanate (PZT) powder. A small powder of Should be used.

また、予定破断層4を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層11は、厚みが他の圧電体層12よりも厚い構成とするには、圧電体層11となるセラミックグリーンシートの厚みを圧電体層12となるセラミックグリーンシートの厚みよりも厚くすればよい。 Further, in order to make the thickness of each piezoelectric layer 11 adjacent to each other via the planned breaking layer 4 thicker than that of the other piezoelectric layer 12, the thickness of the ceramic green sheet to be the piezoelectric layer 11 is made piezoelectric. It may be thicker than the thickness of the ceramic green sheet to be the body layer 12.

また、予定破断層4を介して互いに隣り合う圧電体層11は厚みが異なる構成とするには、それぞれの圧電体層11となるセラミックグリーンシートの厚みを異ならせればよい。 Further, in order to configure the piezoelectric layers 11 adjacent to each other via the planned break layer 4 to have different thicknesses, the thickness of the ceramic green sheet to be the respective piezoelectric layers 11 may be different.

なお、積層体3は上記の製造方法によって作製されるものに限定されるものではなく、圧電体層1と内部電極層2とを複数積層してなる積層体3を作製できれば、どのような製造方法によって作製されてもよい。 The laminate 3 is not limited to the one produced by the above-mentioned production method, and any production can be performed as long as the laminate 3 formed by laminating a plurality of the piezoelectric layer 1 and the internal electrode layer 2 can be produced. It may be produced by a method.

次に、外部電極5を形成する。具体的には、AgやCuのような金属を含んだ導電性ペーストを用いる。これを積層体3の側面における第1の内部電極層21および第2の内部電極層22のうちの一方の端面が引き出された領域に焼き付けて、例えば5〜70μmの厚さの外部電極5を形成する。スクリーン印刷やディスペンス方式により、所定の厚みや幅に制御して形成することができる。例えば、銀を主成分とする導電性粒子とガラスとを混合したものに、バインダー,可塑剤および溶剤を加えて作製した銀ガラス含有導電性ペーストを用いる。そして、外部電極5のパターンで積層体3の側面にスクリーン印刷法によって印刷後、乾燥させた後、650〜750℃の温度で焼き付け処理を行なう。 Next, the external electrode 5 is formed. Specifically, a conductive paste containing a metal such as Ag or Cu is used. This is baked into the region where one end face of the first internal electrode layer 21 and the second internal electrode layer 22 on the side surface of the laminated body 3 is pulled out, and an external electrode 5 having a thickness of, for example, 5 to 70 μm is formed. Form. It can be formed by controlling it to a predetermined thickness and width by screen printing or a dispense method. For example, a silver glass-containing conductive paste prepared by adding a binder, a plasticizer, and a solvent to a mixture of conductive particles containing silver as a main component and glass is used. Then, the pattern of the external electrode 5 is printed on the side surface of the laminated body 3 by a screen printing method, dried, and then baked at a temperature of 650 to 750 ° C.

次に、必要により被覆材を形成する。具体的には、例えばエポキシ、シリコーン、ナイロンなどの樹脂を使用し、印刷やディスペンス方式により、所定の厚みに制御して形成する。 Next, if necessary, a covering material is formed. Specifically, for example, a resin such as epoxy, silicone, or nylon is used, and the resin is controlled to a predetermined thickness by printing or a dispensing method.

その後、外部電極5に0.1〜3kV/mmの直流電界を印加し、積層体3を構成する圧電体層1を分極することによって、積層型圧電素子10が完成する。 After that, a DC electric field of 0.1 to 3 kV / mm is applied to the external electrode 5 to polarize the piezoelectric layer 1 constituting the laminated body 3, thereby completing the laminated piezoelectric element 10.

次に、本実施形態の噴射装置の一例について説明する。 Next, an example of the injection device of the present embodiment will be described.

図5は、本実施形態の噴射装置の一例を示す概略断面図である。図5に示すように、本例の噴射装置19は、一端に噴射孔21を有する容器としての収納容器23の内部に上記の例の積層型圧電素子10が収納されている。 FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of the injection device of the present embodiment. As shown in FIG. 5, in the injection device 19 of this example, the laminated piezoelectric element 10 of the above example is housed inside a storage container 23 as a container having an injection hole 21 at one end.

収納容器23内には、噴射孔21を開閉することができるニードルバルブ25が配設されている。噴射孔21には流体通路27がニードルバルブ25の動きに応じて連通可能になるように配設されている。この流体通路27は外部の流体供給源に連結され、流体通路27に常時高圧で流体が供給されている。従って、ニードルバルブ25が噴射孔21を開放すると、流体通路27に供給されていた流体が外部または隣接する容器、例えば内燃機関の燃料室(図示せず)に、噴射孔21から吐出されるように構成されている。 A needle valve 25 capable of opening and closing the injection hole 21 is provided in the storage container 23. A fluid passage 27 is provided in the injection hole 21 so as to be able to communicate with the needle valve 25 in accordance with the movement of the needle valve 25. The fluid passage 27 is connected to an external fluid supply source, and the fluid is constantly supplied to the fluid passage 27 at a high pressure. Therefore, when the needle valve 25 opens the injection hole 21, the fluid supplied to the fluid passage 27 is discharged from the injection hole 21 to an external or adjacent container, for example, a fuel chamber (not shown) of an internal combustion engine. It is configured in.

ニードルバルブ25の上端部は内径が大きくなっており、収納容器23に形成されたシリンダ29と摺動可能なピストン31になっている。そして、収納容器23内には、上述した例の積層型圧電素子10がピストン31に接して収納されている。 The upper end of the needle valve 25 has a large inner diameter, and is a piston 31 that can slide with the cylinder 29 formed in the storage container 23. Then, in the storage container 23, the laminated piezoelectric element 10 of the above-described example is stored in contact with the piston 31.

このような噴射装置19では、積層型圧電素子10の駆動によって噴射孔21が開閉される。具体的には、積層型圧電素子10が電圧を印加されて伸長すると、ピストン31が押圧され、ニードルバルブ25が噴射孔21に通じる流体通路27を閉塞し、流体の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると積層型圧電素子10が収縮し、皿バネ33がピストン31を押し返し、流体通路27が開放され噴射孔21が流体通路27と連通して、噴射孔21から流体の噴射が行なわれるようになっている。 In such an injection device 19, the injection hole 21 is opened and closed by driving the laminated piezoelectric element 10. Specifically, when the laminated piezoelectric element 10 is expanded by applying a voltage, the piston 31 is pressed, the needle valve 25 closes the fluid passage 27 leading to the injection hole 21, and the fluid supply is stopped. Further, when the application of the voltage is stopped, the laminated piezoelectric element 10 contracts, the disc spring 33 pushes back the piston 31, the fluid passage 27 is opened, the injection hole 21 communicates with the fluid passage 27, and the injection hole 21 communicates with the injection hole 21. The fluid is injected.

なお、積層型圧電素子10に電圧を印加することによって流体通路27を開放し、電圧の印加を停止することによって流体通路27を閉鎖するように構成してもよい。 The fluid passage 27 may be opened by applying a voltage to the laminated piezoelectric element 10, and the fluid passage 27 may be closed by stopping the application of the voltage.

また、積層型圧電素子10が必ずしも収納容器23の内部にある必要はなく、積層型圧電素子10の駆動によって収納容器23の内部に流体の噴射を制御するための圧力が加わるように構成されていればよい。なお、本例の噴射装置19において、流体とは、燃料,インク等の他、導電性ペースト等の種々の液体および気体が含まれる。本例の噴射装置19を用いることによって、流体の流量および噴出タイミングを長期にわたって安定して制御することができる。 Further, the laminated piezoelectric element 10 does not necessarily have to be inside the storage container 23, and the pressure for controlling the injection of the fluid is applied to the inside of the storage container 23 by driving the laminated piezoelectric element 10. Just do it. In the injection device 19 of this example, the fluid includes various liquids and gases such as conductive paste in addition to fuel and ink. By using the injection device 19 of this example, the flow rate of the fluid and the injection timing can be stably controlled for a long period of time.

また、上記の例の積層型圧電素子10を採用した本例の噴射装置19を内燃機関に用いれば、従来の噴射装置に比べてエンジン等の内燃機関の燃焼室に燃料をより精度よく噴射させることができる。 Further, if the injection device 19 of this example adopting the laminated piezoelectric element 10 of the above example is used for the internal combustion engine, fuel is injected more accurately into the combustion chamber of the internal combustion engine such as an engine as compared with the conventional injection device. be able to.

次に、本実施形態の燃料噴射システムの一例について説明する。 Next, an example of the fuel injection system of the present embodiment will be described.

図6は、本実施形態の燃料噴射システムの一例を示す概略図である。図6に示すように、本例の燃料噴射システム35は、高圧流体としての高圧燃料を蓄えるコモンレール37と、このコモンレール37に蓄えられた高圧流体を噴射する複数の上記の例の噴射装置19と、コモンレール37に高圧流体を供給する圧力ポンプ39と、噴射装置19に駆動信号を与える噴射制御ユニット41とを備えている。 FIG. 6 is a schematic view showing an example of the fuel injection system of the present embodiment. As shown in FIG. 6, the fuel injection system 35 of this example includes a common rail 37 that stores high-pressure fuel as a high-pressure fluid, and a plurality of injection devices 19 of the above-mentioned example that inject the high-pressure fluid stored in the common rail 37. A pressure pump 39 for supplying a high-pressure fluid to the common rail 37 and an injection control unit 41 for giving a drive signal to the injection device 19 are provided.

噴射制御ユニット41は、外部情報または外部からの信号に基づいて高圧流体の噴射の量およびタイミングを制御する。例えば、エンジンの燃料噴射に本例の燃料噴射システム35を用いた場合であれば、エンジンの燃焼室内の状況をセンサ等で感知しながら燃料噴射の量およびタイミングを制御することができる。圧力ポンプ39は、燃料タンク43から流体燃料を高圧でコモンレール37に供給する役割を果たす。例えばエンジンの燃料噴射システム35の場合には1000〜2000気圧(約101MPa〜約203MPa)、好ましくは1500〜1700気圧(約152MPa〜約172MPa)の高圧にしてコモンレール37に流体燃料を送り込む。コモンレール37では、圧力ポンプ39から送られてきた高圧燃料を蓄え、噴射装置19に適宜送り込む。噴射装置19は、前述したように噴射孔21から一定の流体を外部または隣接する容器に噴射する。例えば、燃料を噴
射供給する対象がエンジンの場合には、高圧燃料を噴射孔21からエンジンの燃焼室内に霧状に噴射する。
The injection control unit 41 controls the amount and timing of injection of the high-pressure fluid based on external information or an external signal. For example, when the fuel injection system 35 of this example is used for fuel injection of an engine, the amount and timing of fuel injection can be controlled while detecting the state of the combustion chamber of the engine with a sensor or the like. The pressure pump 39 serves to supply fluid fuel from the fuel tank 43 to the common rail 37 at high pressure. For example, in the case of the fuel injection system 35 of an engine, the fluid fuel is sent to the common rail 37 at a high pressure of 1000 to 2000 atm (about 101 MPa to about 203 MPa), preferably 1500 to 1700 atm (about 152 MPa to about 172 MPa). The common rail 37 stores the high-pressure fuel sent from the pressure pump 39 and appropriately sends it to the injection device 19. As described above, the injection device 19 injects a constant fluid from the injection hole 21 into an external or adjacent container. For example, when the target for injecting and supplying fuel is an engine, high-pressure fuel is injected into the combustion chamber of the engine in the form of mist from the injection holes 21.

本例の燃料噴射システム35によれば、高圧燃料の所望の噴射を安定して行なうことができる。 According to the fuel injection system 35 of this example, the desired injection of high-pressure fuel can be stably performed.

本実施形態の積層型圧電素子を以下のようにして作製した。 The laminated piezoelectric element of this embodiment was manufactured as follows.

まず、平均粒子径が0.4μmのチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO3−PbTiO3)を主成分とする圧電セラミックの仮焼粉末、バインダー、及び可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み85μmの圧電体層となるセラミックグリーンシートを作製した。 First, a slurry in which a piezoelectric ceramic calcined powder containing lead titanate (PbZrO3-PbTiO3) having an average particle size of 0.4 μm as a main component, a binder, and a plasticizer was mixed was prepared, and the thickness was prepared by a doctor blade method. A ceramic green sheet to be an 85 μm piezoelectric layer was produced.

このセラミックグリーンシートの片面に、銀−パラジウム合金(銀95質量%−パラジウム5重量%)にバインダーを加えた導電性ペーストを、内部電極層となる部分にスクリーン印刷法により形成したセラミックグリーンシートを作製した。また、セラミックグリーンシートの片面に、銀−パラジウム合金(銀99質量%−パラジウム1重量%)の金属ペーストを、予定破断層となる部分にスクリーン印刷法により形成したセラミックグリーンシートを作製した。ここで、積層数は300層とし、予定破断層は30層目、100層目、200層目に配置した。 On one side of this ceramic green sheet, a conductive paste obtained by adding a binder to a silver-palladium alloy (95% by mass of silver-5% by weight of palladium) was applied, and a ceramic green sheet formed by a screen printing method on a portion to be an internal electrode layer. Made. Further, a ceramic green sheet was prepared in which a metal paste of a silver-palladium alloy (99% by mass of silver-1% by weight of palladium) was formed on one side of the ceramic green sheet by a screen printing method on a portion to be a planned breaking layer. Here, the number of layers was 300, and the planned break layers were arranged in the 30th, 100th, and 200th layers.

ここで、予定破断層に隣接する圧電体層となるセラミックグリーンシートにアクセプターを添加したもの(試料No.2〜5)と、アクセプターを添加していないもの(試料No.1)を用意した。 Here, a ceramic green sheet to be a piezoelectric layer adjacent to the planned break layer to which an acceptor was added (Sample Nos. 2 to 5) and a sample to which an acceptor was not added (Sample No. 1) were prepared.

また、予定破断層に隣接する圧電体層となるセラミックグリーンシートに用いる圧電セラミックの仮焼粉末の粉砕時間を長くして平均粒子径が0.3μmとし、他の圧電体層の平均粒子径が0.4μmとなるもの(試料No.3)を用意した。 Further, the crushing time of the calcined powder of the piezoelectric ceramic used for the ceramic green sheet which is the piezoelectric layer adjacent to the planned breaking layer is lengthened so that the average particle size is 0.3 μm, and the average particle size of the other piezoelectric layers is increased. A material having a size of 0.4 μm (Sample No. 3) was prepared.

また、予定破断層に隣接する圧電体層の厚みが170μmで、他の圧電体層の厚みが85μmとなるもの(試料No.4)を用意した。 Further, a piezoelectric layer having a thickness of 170 μm adjacent to the planned break layer and another piezoelectric layer having a thickness of 85 μm (Sample No. 4) was prepared.

また、予定破断層に隣接する圧電体層において、上側の圧電体層の厚みが85μmで下側の圧電体層の厚みが170μmとなるもの(試料No.5)を用意した。 Further, among the piezoelectric layers adjacent to the planned breaking layer, those having a thickness of the upper piezoelectric layer of 85 μm and a thickness of the lower piezoelectric layer of 170 μm were prepared (Sample No. 5).

そして、この積層体を焼成した。焼成は、800℃で保持した後に、950℃で焼結させた後、さらに900℃で1時間加熱保持してから冷却した。 Then, this laminated body was fired. The firing was carried out by holding at 800 ° C., sintering at 950 ° C., further heating and holding at 900 ° C. for 1 hour, and then cooling.

次に、銀ガラスペーストを積層体の外部電極形成面となる側面に印刷して乾燥した後、700℃で30分焼き付けを行い、外部電極15を形成した。 Next, the silver glass paste was printed on the side surface of the laminate to be the external electrode forming surface, dried, and then baked at 700 ° C. for 30 minutes to form the external electrode 15.

その後、外部電極にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極にリード線を介して3kV/mmの直流電界を15分間印加して分極処理を行い、図1に示すような形態の積層型圧電素子を作製した。 After that, a lead wire is connected to the external electrode, and a DC electric field of 3 kV / mm is applied to the external electrodes of the positive electrode and the negative electrode via the lead wire for 15 minutes to perform polarization treatment. A piezoelectric element was manufactured.

得られた積層型圧電素子に170Vの直流電圧を印加したところ、すべての圧電アクチュエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。 When a DC voltage of 170 V was applied to the obtained laminated piezoelectric element, a displacement amount was obtained in the laminated direction in all the piezoelectric actuators.

さらに、この圧電アクチュエータを室温で0〜+170Vの交流電圧を150Hzの周
波数で印加して、1×10回まで連続駆動した試験を行い、ノイズの発生回数を測定した。なお、ノイズの発生回数は、駆動回路に並列に測定プローブを介してオシロスコープを接続し、駆動波形をモニタリングしてカウントした。その結果を表1に示す。
Further, the piezoelectric actuator was continuously driven up to 1 × 10 9 times by applying an AC voltage of 0 to + 170 V at a frequency of 150 Hz at room temperature, and the number of times noise was generated was measured. The number of times noise was generated was counted by monitoring the drive waveform by connecting an oscilloscope in parallel with the drive circuit via a measurement probe. The results are shown in Table 1.

Figure 0006913515
Figure 0006913515

表1に示す結果より、本実施形態の積層型圧電素子によれば、ノイズの発生回数が少なく、予定破断層のクラックの進展速度を遅くできていることがわかる。 From the results shown in Table 1, it can be seen that according to the laminated piezoelectric element of the present embodiment, the number of times of noise generation is small and the crack growth rate of the planned break layer can be slowed down.

10・・・積層型圧電素子
1・・・圧電体層
11・・・第1の圧電体層
12・・・第2の圧電体層
2・・・内部電極層
21・・・第1の内部電極層
22・・・第2の内部電極層
3・・・積層体
4・・・予定破断層
5・・・外部電極
19・・・噴射装置
21・・・噴射孔
23・・・収納容器
25・・・ニードルバルブ
27・・・流体通路
29・・・シリンダ
31・・・ピストン
33・・・皿バネ
35・・・燃料噴射システム
37・・・コモンレール
39・・・圧力ポンプ
41・・・噴射制御ユニット
43・・・燃料タンク
10 ... Laminated piezoelectric element 1 ... Piezoelectric layer 11 ... First piezoelectric layer 12 ... Second piezoelectric layer 2 ... Internal electrode layer 21 ... First internal Electrode layer 22 ... Second internal electrode layer 3 ... Laminated body 4 ... Scheduled breaking layer 5 ... External electrode 19 ... Injection device 21 ... Injection hole 23 ... Storage container 25・ ・ ・ Needle valve 27 ・ ・ ・ Fluid passage 29 ・ ・ ・ Cylinder 31 ・ ・ ・ Piston 33 ・ ・ ・ Counter spring 35 ・ ・ ・ Fuel injection system 37 ・ ・ ・ Common rail 39 ・ ・ ・ Pressure pump 41 ・ ・ ・ Injection Control unit 43 ・ ・ ・ Fuel tank

Claims (7)

圧電体層および内部電極層が交互に積層されるとともに、少なくとも一部の隣り合う圧電体層間に予定破断層を有する積層体と、
前記内部電極層と電気的に接続され、前記積層体の側面に設けられた外部電極とを備え、前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、ヤング率が他の圧電体層とは異なっており、
前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、前記内部電極層または前記予定破断層に含まれる金属成分と同じ金属成分を除いた圧電体成分の組成が他の圧電体層を構成する圧電体成分の組成とは異なっていることを特徴とする積層型圧電素子。
A laminate in which the piezoelectric layer and the internal electrode layer are alternately laminated, and at least a part of the laminate having a planned break layer between adjacent piezoelectric layers,
Each piezoelectric layer electrically connected to the internal electrode layer and provided with an external electrode provided on the side surface of the laminated body and adjacent to each other via the planned break layer has a Young's modulus of another piezoelectric material. Different from the layer ,
Each piezoelectric layer adjacent to each other via the planned breaking layer has a composition of a piezoelectric component excluding the same metal component as the metal component contained in the internal electrode layer or the planned breaking layer of another piezoelectric layer. A laminated piezoelectric element characterized in that the composition of the constituent piezoelectric components is different.
圧電体層および内部電極層が交互に積層されるとともに、少なくとも一部の隣り合う圧電体層間に予定破断層を有する積層体と、
前記内部電極層と電気的に接続され、前記積層体の側面に設けられた外部電極とを備え、前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、ヤング率が他の圧電体層とは異なっており、
前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、他の圧電体層よりもヤング率が大きいことを特徴とする積層型圧電素子。
A laminate in which the piezoelectric layer and the internal electrode layer are alternately laminated, and at least a part of the laminate having a planned break layer between adjacent piezoelectric layers,
Each piezoelectric layer electrically connected to the internal electrode layer and provided with an external electrode provided on the side surface of the laminated body and adjacent to each other via the planned break layer has a Young's modulus of another piezoelectric material. Different from the layer,
Said predetermined breaking layer each piezoelectric layers adjacent to each other via shall be the wherein the Young's modulus is larger than the other piezoelectric layer product layer piezoelectric element.
圧電体層および内部電極層が交互に積層されるとともに、少なくとも一部の隣り合う圧電体層間に予定破断層を有する積層体と、
前記内部電極層と電気的に接続され、前記積層体の側面に設けられた外部電極とを備え、前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、ヤング率が他の圧電体層とは異なっており、
前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、平均粒子径が他の圧電体層の平均粒子径よりも小さいことを特徴とする積層型圧電素子。
A laminate in which the piezoelectric layer and the internal electrode layer are alternately laminated, and at least a part of the laminate having a planned break layer between adjacent piezoelectric layers,
Each piezoelectric layer electrically connected to the internal electrode layer and provided with an external electrode provided on the side surface of the laminated body and adjacent to each other via the planned break layer has a Young's modulus of another piezoelectric material. Different from the layer,
Said predetermined breaking layer each piezoelectric layers adjacent to each other via shall be the wherein the average particle diameter is smaller than the average particle diameter of the other piezoelectric layer product layer piezoelectric element.
圧電体層および内部電極層が交互に積層されるとともに、少なくとも一部の隣り合う圧電体層間に予定破断層を有する積層体と、
前記内部電極層と電気的に接続され、前記積層体の側面に設けられた外部電極とを備え、前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、ヤング率が他の圧電体層とは異なっており、
前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、厚みが他の圧電体層よりも厚いことを特徴とする積層型圧電素子。
A laminate in which the piezoelectric layer and the internal electrode layer are alternately laminated, and at least a part of the laminate having a planned break layer between adjacent piezoelectric layers,
Each piezoelectric layer electrically connected to the internal electrode layer and provided with an external electrode provided on the side surface of the laminated body and adjacent to each other via the planned break layer has a Young's modulus of another piezoelectric material. Different from the layer,
It said predetermined breaking layer each piezoelectric layers adjacent to each other through the you wherein it is thicker than the other piezoelectric layer thickness product layer piezoelectric element.
前記予定破断層を介して互いに隣り合う圧電体層は、厚みが異なっていることを特徴とする請求項1乃至請求項のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子。 The laminated piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4 , wherein the piezoelectric layers adjacent to each other via the planned breaking layer have different thicknesses. 噴射孔を有する容器と、請求項1乃至請求項のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子とを備え、該積層型圧電素子の駆動によって前記噴射孔が開閉されることを特徴とする噴射装置。 A container having an injection hole and the laminated piezoelectric element according to any one of claims 1 to 5 are provided, and the injection hole is opened and closed by driving the laminated piezoelectric element. Injection device. 高圧燃料を蓄えるコモンレールと、該コモンレールに蓄えられた前記高圧燃料を噴射する請求項に記載の噴射装置と、前記コモンレールに記高圧燃料を供給する圧力ポンプと、前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットとを備えることを特徴とする燃料噴射システム。 Providing a common rail for storing high pressure fuel, an ejection apparatus according to claim 6 which injects the high-pressure fuel stored in the common rail, a pressure pump for supplying serial high-pressure fuel to the common rail, a drive signal to the injection device A fuel injection system characterized by including an injection control unit.
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