JPS6178179A

JPS6178179A - 積層型圧電体

Info

Publication number: JPS6178179A
Application number: JP59201068A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Tomita; 正弘富田; Etsuro Yasuda; 悦朗安田; Hiroshige Matsuoka; 松岡　弘芝
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1984-09-25
Filing date: 1984-09-25
Publication date: 1986-04-21

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、圧電素子から成る板状部材を多数積層して形
成さね、印加される電圧に応じて伸縮し、各種のアクチ
ェエータとして作用する積層型圧電体に関するものであ
る。

（従来の技術）従来、この種の積層型圧電体は、シート法、粉末成型法
、切出し法等により得た圧電素子を多数積層して作製し
ている。ところが、このようにして得た積層型圧電体の
Ｆｑ重−変位量特性を測定すると、積層体によりばらつ
きが大きかった。特に、スライシングマシンを用いる切
出し法により得た積層体の荷重−変位量特性はスライシ
ングマシンのカット回数とともに悪くなるという問題点
があった。さらに、積層体の高荷重をかけて駆動させる
と圧電素子に微少亀裂が発生するとＶ）う問題点を有し
ていた。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は、上記問題点に鑑みて、積層型圧電体として変
位量が安定し、かつ耐久性の優れたものを提供すること
を目的とする。

（問題を解決するための手段）上記目的を達成するため、本発明では積層体に用いる圧
電素子の面粗度を５ミクロン未満、かつうねり度を０．
０７ｂ未満としたことに特徴がある。

（作　用）このような構成にすることにより、素子と１！極の接触
がスムーズに行なわれる。従って、積層体に加えられた
荷重は素子のほぼ全面で受けるため、応力の集中、ある
いは変位量の減少は起こりに（くなる。従って、駆動時
に素子に微少ｙｈ裂が生じたり、荷重−変位量特性がば
らついたりしなくなる。

（実姉例）以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第３図は、本発明の圧電素子ｌを多数積層してなる積層
型セラミック圧電体Ａの構造を示す図である。この積層
体Ａは、直径１５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍで、その両面に
直径約１３ｍｍ、厚さ３〜１５ミクロンの銀電罎を同心
円状に形成した圧電素子ｌと、厚さ２０〜５０ミクロン
の金属板１０よりなる電極を交互に積層した構造として
おり、その外形形伏は直径約１５ｍｍ、長さ約４０ｍｍ
である。この積層体Ａは、圧電素子１が７０〜７５枚程
変積層されたものである。

ここで、各々の圧電素子１を所定の厚さになるように切
断するスライシングマシンの力、トスピートを変えるこ
とにより、うねり度の異なった圧電素子ｌを４ｆｉ類成
形する。なお、このうねり度とは、素子表面にある比較
的大きな間隔で繰り返される起伏の最大値と最小値の差
（＝うねりＮ）を、素子の最大長さくこの場合は直径）
で割ってパーセント表示したもので、うねり度−（うね
り量／直径）Ｘ１００である。また、一般的に素子ｌの
うねり度は、スライシングマシンのカントスピードが速
い場合は、大きくなり、逆に遅い場合は小さくなる傾向
にある。

こうして、うねり度の異なる圧電素子１からなる積層体
を４種類作製する。この積層体は、うねり度−０，０２
％（７）積層体Ａ＋、うねり度−０，０４％の積層体Ａ
２、うねり度−０，０５９％の積層体Ａ３．うねり度−
０，０８７％の積層体Ａ　ａ　ノ４　ａｌ類である。尚
、これらの圧電素子１の面粗度はすべて２ミクロン未満
である。これらの積層体に軸方向に４００Ｋｇ重の荷重
を掛けた状態で、−２００〜＋５００■、周波数１００
Ｈｚ（７＞交流電圧を印加して、各積層体のうねり度と
軸方向の変位量の関係を調べ、耐久試験を行なった。

そのうねり度と変位量の関係の結果を第２図に示す、こ
のようにうねり度が大きくなると、その積層体Ａの変位
量は漸次減少していくことが判明した。また、積層体Ａ
４は約７０時間経過後、作動不能となったが、残る３つ
の積層体Ａ１．Ａ２゜Ａ３は３００時間経過後も良好に
作動した。そして、各積層体を分解した圧電素子１を検
査したところ、積層体Ａ４の圧電素子の約ｌＯパーセン
ト程度には微少な亀裂が発生して、そこから漏電が発生
して作動不能していることが判明した。このｌＩｉ層体
Ａ４は、第１図［０）に示す表面起伏である。

また、第７図に示す燃料噴射装置の駆動源としてｌｉＮ
体Ａを用いた場合、インジェクタを駆動するためには少
なくとも約４５ミクロンの変位が必要であることは、実
験より本発明者らによって確認されている。第７図に基
づいて燃料噴射装置について説明すると、積層型セラミ
ック圧電体Ａは金属製内側ケース９ａ内に電気的に絶縁
さて収容されており、かつ金属型押板１９を介してさら
にハネ１１により予め定められた圧縮荷重（以下プリセ
ット荷重という）が加えられている。内側ケースの外側
には間隔をあけて外側ケース９ｂが内側ケース９ａと同
心円状に設けられ、外側ケース９ｂの頂部に設けられた
燃料（ガソリン、軽油等）導入口１５から導入された燃
料は前記外側ケース９ｂと内側ケース９ａとの間を通っ
て逆上弁１２に達する。この逆止弁１２は燃料を一方向
にだけ流すために設けられる。燃料を噴射するためのノ
ズル１４はバネ１３によってノズルボルダ１６に通常は
密着するように押圧されている。取り付はカバー７１は
外側ケース９ｂにネジ留めされており、一方向（ＩＩケ
ース９ａと外債１ケース９ｂとは台座１８にって支承さ
れている。なお、第７図（ａｌでは外側ケース９ｂと内
側ケース９ａとは別体として示されているが実際には第
７図ｆｃ）に示す如く一体構造のケースとして構成され
、従って第７図（ａｌにおける外側ケース９ｂと内側ケ
ースとの間の間隔は燃料供給用管路として形成されてい
る。前記ケース９、台座１８およびノズルホルダ１６と
は）・７クピン等（図示せず）を用いてそれらの相対位
置を固定されている。また積層型セラミック圧電体Ａに
は第７図（Ｃ）に示すようにリード線４３を介してケー
ス９と絶縁して設けられた電極棒２０が接続され、さら
に外部型−Ｒ（図示せず）に接続されている。

次にこの積層型圧電体Ａをインジェクタとして用いた時
の作動について第７図（ａｌ、第７図ｔｅｌに基づいて
簡単に説明する。燃料は導入口１５から燃料噴射装置内
に燃料ポンプ（図示せず）により・圧送され、逆止弁Ｉ
２を通り押板Ｉ９と台座」８及びノズルホルダ１６によ
り形成された空間を満たす。この状態で外部の電極棒２
０をとして積層型圧電体Ａに電圧を印加すると、さらに
バネ１１によってプリセント荷重が加えられている積層
型圧電体Ａは軸方向に伸びる。ところが積層型圧電体Ａ
の上方はケース９によって固定されているので、この変
位はさらにハネ１１−によるプリセント荷重に抗して下
方に向かって伸びることになる。その結果、押板１９と
台座１８との隙間が減少し、燃料の圧力が急に上昇し、
ノズル１４は下方に動き、ノズル１４とノズルホルダ１
６により生じた隙間を通って燃料が噴射される。燃料の
圧力が下がるとノズル１４がバネ１３の作用により上方
にもどり、ノズルホルダ１６との隙間を閉じる。次に積
層型圧電体Ａの電圧印加を止めると、積層型圧電体Ａは
上方に縮み、押板１９と台座１８及びノズルホルダ１６
により形成された空間の圧力だ下がるため、新たな燃料
が逆止弁１２を通ってこの部分に供給される。このよう
にして作製した燃料噴射装置はガソリン噴射用インジェ
クタ・ディーゼルエンジンのインジェクタなど使用され
る。

前述の点より、積層体Ａの圧電素子１のうねり度は０．
０７％未満程度が良好である。この理由は、うねり度０
．０７％以上となると、その積層体への変位量は４５ミ
クロン以下となり、前記インジェクタの駆動源として用
いた場合には、実質的に使用不可能となる。また、うね
り度が０．０７％程度以上となると、圧電体Ａの軸方向
に高荷重が掛かっている状態では、各圧電素子１にうね
りによる局部応力が発生し、その結果として亀裂等が発
生し電極間で漏電が生じて作動不能となる確率が非窩に
高（、耐久性に問題が残る。ところが、うねり度が０．
０７％未満であると、その変位量も十分大きく、かつ圧
電素子１の亀裂による耐久性の低下問題もない。従って
、圧電素子１のうねり度は０．０７％未満が適当である
。

次に、圧１！素子１の素子表面にある比較的小さな間隔
で繰り返される起伏の最大値と最小値の差（−面粗度）
について説明する。

前述と同様の積層体Ａを、スライシングマシーンの刃の
表面摩耗の異なることにより面粗度の異なった４種類の
圧電素子ｌを製作し面粗度＝１μｍの積層体Ａｓ、面粗
度３μｍの積層体Ａ６、面粗度−５，５μｍの積層体Ａ
７、面粗度−８，５μｍの積層体Ａ８を製作する。そし
て、前述の実験と同一条件下で、その面粗度と変位量の
関係、及び耐久試験を行なっこ。なお、このときうねり
度は０、０３５％未満とした。

第５図は面粗度と変位量の関係の試験結果について示す
図であり、面粗度が大きくなると、その積層体Ａの変位
量は漸次減少していくことが判明した。また、積層体Ａ
８は、約４０時間経過後、作動不能と、なったが、残４
３つ積層体Ａｓ、Ａ６゜Ａ７は３００時間経過後も良好
に作動した。その後、各積層体を分解して圧電素子１を
検査したところ、積層体Ａｓ、Ａｓの圧電素子には何ら
異常がなかったが、積層体Ａ７．Ａ８の圧！素子の約１
０％程度には微少な亀裂が発生していた。

従って、第７図に示すインジェクタの駆動源として使用
する場合は、面粗度は５ミクロン未満が適当である。す
なわち、５ミクロン以上では、第５図に示すごとく変位
量４５ミクロンより小さく実質上使用不可能であるとと
もに、うねり度が０゜０７％以上の場合と同様に゛圧電
素子に微少の亀裂が生じて耐久性が劣化するからである
。尚、参考として第１図（ｂ）に圧電素子の面粗度が５
ミクロン以上のものの表面起伏を示す。

以上のことより、積層体への圧ｉｌ素子１のうねり度は
０．０７％未満、かつ面粗度は５ミクロン未満とすると
、積層体Ａの軸方向に高圧力を加えて使用する場合にお
いて、耐久性が向上する。即ち、前記範囲付近を越える
と、積層体の圧電素子に微少の亀裂が発生し、作動能力
が低下してしまうためである。なお、第１図１ａｌは０
．０７未満のうねり度、５ミクロン未満の表面粗度の圧
電素子の表面起伏を示す。

なお、上記実施例に基づいて圧電素子１のうねり度、面
粗度を各々０．０７％、５ミクロン未満としたが、実験
上は、約１割程度の実験誤差を含んでいるので実質には
１割程度の範囲において、前記数値を変化させて問題は
ない。

また、上述の実施例では圧電素子１としてＰＺＴを主成
分としたセラミック性圧電素子を用いたが、印加電圧に
基づいて電歪特性をもつ素子であれば他のものでもよい
。

尚、本実施例では、うねり度、面粗度の許容限界を４０
０ｋｇの荷重を積層体の軸方向に加えた状態での積層体
の変位量と圧＠素子１の耐久性より定めた。ところが、
変位量は第６図に示すように、その荷重を小さくすると
大きくなるため、使用する条件によって変わってくる。

なお、第６図の結果は、うねり度が０．０３％、面粗度
が５．５ミクロンの圧電素子を積層したものを使用した
。しかし、圧電素子の耐久性に関しては、荷重を変化し
てもうねり度、面粗度によって決まってしまう。

これは素子に通電した時の伸縮により生じた応力がうね
り度、面粗度の大きさに比例して集中する程度が大きく
なるためと推定される。

以上により、限定したうねり度、面粗度は荷重が変わっ
ても高荷重く１００〜５００ｋｇ重程度）において成り
立つことは明らかである。

（発明の効果）以上の述べた様に、積層型圧電体の圧電素子のうねり度
を０．０７％未満、面粗度を５ミクロン未満とすること
によって、積層型圧電体の軸方向に高荷重が掛かってい
る状態で作動させる場合においても、各圧電素子には局
部応力が発生しないため、積層型圧電体としては変位量
が安定して耐久性の向上したものを提供することができ
るという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧電素子の表面起伏を示す図で、（ａｌは本発
明の一実施例を示す図、（ｂ）は面粗度が５ミクロン以
上の圧電素子の表面起伏を示す図、（Ｃ１はうねり度が
０．０７％以上の圧電素子の表面起伏を示す図、第２図
は圧電素子のうねり度と積層体の変位量を示す図、第３
図、第４図は各々本発明の積層型圧電体を示す斜視図、
側面図、第５図は圧電素子の面粗度とＩｉｉ層体の変位
量を示す図、第６図は１層体の軸方向に加えられる＠重
とその変位量の関係を示す図、第７図は（ａ）、　ｆｂ
ｌ、　（ｃ）はインジェクタを示す図で、（δ）は断面
図、（ｂ）は正面図、（Ｃ１は（ｂ）におけるＩ−１線
に沿う要部断面図である。ｌ・・・圧電素子、１０・・・金属板。

Claims

【特許請求の範囲】

　印加電圧に基づいて伸縮変位する圧電素子と、電極板
となる金属板とを交互に積層した積層体の軸方向に高荷
重を加えて使用する積層型圧電体において、前記圧電素
子のうねり度を０．０７％未満、かつ前記圧電素子の面
粗度を５ミクロン未満としたことを特徴とする積層型圧
電体。