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JP2005129871A - Multilayer piezoelectric element and jetting apparatus using the same - Google Patents

Multilayer piezoelectric element and jetting apparatus using the same Download PDF

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JP2005129871A
JP2005129871A JP2003366564A JP2003366564A JP2005129871A JP 2005129871 A JP2005129871 A JP 2005129871A JP 2003366564 A JP2003366564 A JP 2003366564A JP 2003366564 A JP2003366564 A JP 2003366564A JP 2005129871 A JP2005129871 A JP 2005129871A
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JP
Japan
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piezoelectric element
piezoelectric
internal electrode
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multilayer piezoelectric
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Application number
JP2003366564A
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Japanese (ja)
Inventor
Masaki Terasono
正喜 寺園
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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Publication date
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Priority to DE602004029076T priority patent/DE602004029076D1/en
Priority to EP04792970A priority patent/EP1686633B1/en
Priority to PCT/JP2004/015849 priority patent/WO2005041316A1/en
Priority to US10/577,843 priority patent/US20070080612A1/en
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Abstract

【課題】高電界、高圧力下で使用した場合でも変位のばらつきが小さく、また長期間連続駆動させた場合でも変位量の変化が小さく、信頼性、耐久性に優れた積層型圧電素子及び噴射装置を提供することを目的とする。
【解決手段】圧電体と内部電極とを交互に積層してなる積層体を有し、該積層体の側面に前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、内部電極を貫き、内部電極を挟んで対向する圧電体をつなぐセラミックからなる柱を設ける。
【選択図】図2
Disclosed is a multilayer piezoelectric element and jetting that have small variations in displacement even when used under a high electric field and high pressure, and have little change in displacement even when continuously driven for a long period of time, and are excellent in reliability and durability. An object is to provide an apparatus.
And a pair of external electrodes in which the internal electrodes are alternately connected to every other layer on a side surface of the multilayer body. In a multilayer piezoelectric element that is driven by applying an electric field to an external electrode, a pillar made of ceramic is provided that connects the opposing piezoelectric bodies through the internal electrode and sandwiching the internal electrode.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、積層型圧電素子および噴射装置に関し、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止装置等に搭載される駆動素子、ならびに燃焼圧センサ、ノックセンサ、加速度センサ、荷重センサ、超音波センサ、感圧センサ、ヨーレートセンサ等に搭載されるセンサ素子、ならびに圧電ジャイロ、圧電スイッチ、圧電トランス、圧電ブレーカー等に搭載される回路素子に用いられる積層型圧電素子および噴射装置に関するものである。   The present invention relates to a laminated piezoelectric element and an injection device, for example, a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an inkjet, a drive element mounted on a precision positioning device such as an optical device, a vibration prevention device, and the like, and a combustion Sensor elements mounted on pressure sensors, knock sensors, acceleration sensors, load sensors, ultrasonic sensors, pressure sensitive sensors, yaw rate sensors, etc., and circuit elements mounted on piezoelectric gyros, piezoelectric switches, piezoelectric transformers, piezoelectric breakers, etc. The present invention relates to a stacked piezoelectric element and a jetting device used.

従来より、積層型圧電素子としては、圧電体と内部電極を交互に積層した積層型圧電アクチュエータが知られている。積層型圧電アクチュエータには、同時焼成タイプと、圧電磁器と内部電極板を交互に積層したスタックタイプとの2種類に分類されており、低電圧化、製造コスト低減の面から考慮すると、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータが薄層化に対して有利であるために、その優位性を示しつつある。   Conventionally, as a multilayer piezoelectric element, a multilayer piezoelectric actuator in which piezoelectric bodies and internal electrodes are alternately stacked is known. Multilayer piezoelectric actuators are classified into two types: the simultaneous firing type and the stack type in which piezoelectric ceramics and internal electrode plates are alternately laminated. Since the multilayer piezoelectric actuator of the type is advantageous for thinning, its superiority is being shown.

図5は、従来の積層型圧電アクチュエータを示すもので、この積層型圧電アクチュエータでは、圧電体51と内部電極52が交互に積層されて積層体53が形成され、その積層方向における両端面には不活性層55が積層されている。内部電極52は、その一方の端部が積層体53の側面に左右交互に露出しており、この内部電極52の端部が露出した積層体53の側面に、外部電極70が形成されている。内部電極52の他方の端部は絶縁体61により被覆され、外部電極70とは絶縁されている。   FIG. 5 shows a conventional laminated piezoelectric actuator. In this laminated piezoelectric actuator, piezoelectric bodies 51 and internal electrodes 52 are alternately laminated to form a laminated body 53, which is formed on both end surfaces in the laminating direction. An inactive layer 55 is laminated. One end portion of the internal electrode 52 is alternately exposed on the side surface of the multilayer body 53, and the external electrode 70 is formed on the side surface of the multilayer body 53 where the end portion of the internal electrode 52 is exposed. . The other end of the internal electrode 52 is covered with an insulator 61 and insulated from the external electrode 70.

また、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータは、圧電体の仮焼粉末と有機バインダーからなるセラミックグリーンシートに、銀−パラジウム粉末にバインダーを添加混合した内部電極ペーストを印刷したものを所定枚数積層して得られた積層成形体について、所定の温度で脱脂を行った後、焼成することによって、積層体を得ていた。   A co-fired multilayer piezoelectric actuator is a ceramic green sheet consisting of a calcined powder of piezoelectric material and an organic binder, with a predetermined number of layers printed with internal electrode paste in which a binder is added to silver-palladium powder. The laminated body obtained in this manner was degreased at a predetermined temperature and then baked to obtain a laminated body.

従来の圧電体は、焼成温度として1200〜1300℃の温度が必要であったため、高価なパラジウムの比率の高い銀−パラジウムが内部電極として用いられていた。しかしながら、最近では低温焼成化の技術が進み、1100℃程度の温度で焼成可能な圧電体が開発されてきたが、この場合でも内部電極の融点を考慮すると、銀比率70重量%、パラジウム比率30重量%の銀−パラジウムが必要であった。   Since the conventional piezoelectric body required a temperature of 1200 to 1300 ° C. as a firing temperature, silver-palladium having a high ratio of expensive palladium was used as the internal electrode. However, recently, a technique for low-temperature firing has progressed, and a piezoelectric body that can be fired at a temperature of about 1100 ° C. has been developed. Even in this case, considering the melting point of the internal electrode, the silver ratio is 70 wt% and the palladium ratio is 30 Weight percent silver-palladium was required.

また内部電極が金属であるために圧電体との接合力が弱くまた、熱膨張の差による内部応力の発生により内部電極と圧電体との界面でクラックが発生したり、ひどい場合は、積層体が破壊するという問題も発生していた。そこでこの問題を解決するために、例えば特許文献1には、内部電極にセラミック粉末を混ぜ圧電体と内部電極との接合強度を増す方法が示されている。   In addition, since the internal electrode is a metal, the bonding force with the piezoelectric body is weak, and when the internal electrode and the piezoelectric body are cracked due to the generation of internal stress due to the difference in thermal expansion, There was also a problem of destruction. In order to solve this problem, for example, Patent Document 1 discloses a method in which ceramic powder is mixed with an internal electrode to increase the bonding strength between the piezoelectric body and the internal electrode.

ところで、近年においては、小型の圧電アクチュエータで大きな圧力下において大きな変位量を確保するためにより高い電界を印加し、長時間連続駆動させることが行われている。
特開平4−299588号公報
By the way, in recent years, in order to ensure a large displacement under a large pressure with a small piezoelectric actuator, a higher electric field is applied to continuously drive for a long time.
JP-A-4-299588

しかしながら、従来の積層型圧電アクチュエータでは、内部電極52部分が圧電体51に比べ柔らかいために圧電体51で発生する変位の一部が吸収され、変位のばらつきが大きくなると言う問題があった。また、耐久性においても問題があり、長時間の繰り返しの使用後に変位量のばらつきが大きくなると言う問題もあった。これら問題は、上記特許文献1に示すように内部電極52にセラミック粉末を混ぜて内部電極52と圧電体51との接合強度向上する方法でも解決することはできなかった。   However, the conventional multilayer piezoelectric actuator has a problem that since the internal electrode 52 portion is softer than the piezoelectric body 51, a part of the displacement generated in the piezoelectric body 51 is absorbed, and the variation in displacement becomes large. There is also a problem in durability, and there is also a problem that the variation of the displacement amount becomes large after repeated use for a long time. These problems cannot be solved even by a method of improving the bonding strength between the internal electrode 52 and the piezoelectric body 51 by mixing ceramic powder in the internal electrode 52 as shown in Patent Document 1 above.

即ち、近年のように、アクチュエータを小型化し、大きな圧力下で大きな変位量を確保するために、より高い電界を印加し、長時間連続駆動させているが、この場合、使用初期において個々のアクチュエータの変位のばらつきが問題となっている。更に、長時間の運転での変位量の変化も問題となっている。   That is, as in recent years, in order to reduce the size of the actuator and ensure a large amount of displacement under a large pressure, a higher electric field is applied and the actuator is continuously driven for a long time. The variation in the displacement of this is a problem. Furthermore, a change in the displacement amount during a long operation is also a problem.

そこで本発明は、高電界、高圧力下で使用した場合でも変位のばらつきが小さく、また長期間連続駆動させた場合でも変位量の変化が小さく、信頼性、耐久性に優れた積層型圧電素子及び噴射装置を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a multilayer piezoelectric element that is small in variation in displacement even when used under a high electric field and high pressure, and has little change in displacement even when continuously driven for a long period of time, and has excellent reliability and durability. And an injection device.

本発明の積層型圧電素子は、圧電体と内部電極とを交互に積層してなる積層体を有し、該積層体の側面に前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、前記内部電極を貫き、この内部電極を挟んで対向する圧電体をつなぐ柱を設けたことを特徴とする。   The laminated piezoelectric element of the present invention has a laminated body in which piezoelectric bodies and internal electrodes are alternately laminated, and a pair of external electrodes in which the internal electrodes are alternately connected to the side surfaces of the laminated body every other layer. In the multilayer piezoelectric element that is driven by applying an electric field to the external electrode, there is provided a column that penetrates the internal electrode and connects the opposing piezoelectric bodies with the internal electrode interposed therebetween.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記柱と圧電体の接合部分の径が柱の最大径の50%以上であるものの個数が全体の30%以上を占めることを特徴とする。   The multilayer piezoelectric element according to the present invention is characterized in that the number of joints between the pillar and the piezoelectric body is 50% or more of the maximum diameter of the pillar and occupies 30% or more of the whole.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記柱の最小径の平均値が0.2μm以上であることを特徴とする。   The multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that the average value of the minimum diameters of the columns is 0.2 μm or more.

また、本発明の積層型圧電素子は、柱が1mm当り5〜150本存在することを特徴とする。   The multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that 5 to 150 columns are present per 1 mm.

また、本発明の積層型圧電素子は、柱と圧電体との熱膨張差が3×10−5/℃以下であることを特徴とする。 The multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that the difference in thermal expansion between the column and the piezoelectric body is 3 × 10 −5 / ° C. or less.

また、本発明の積層型圧電素子は、柱が圧電体と同じ材料からなることを特徴とする。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the column is made of the same material as the piezoelectric body.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記内部電極中の金属組成物がVIII族金属及び/又はIb族金属を主成分とすることを特徴とする。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the metal composition in the internal electrode is mainly composed of a Group VIII metal and / or a Group Ib metal.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記内部電極中のVIII族金属の含有量をM1(重量%)、Ib族金属の含有量をM2(重量%)としたとき、0.001≦M1≦15、85≦M2≦99.999、M1+M2=100を満足することを特徴とする。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, when the content of the Group VIII metal in the internal electrode is M1 (wt%) and the content of the Group Ib metal is M2 (wt%), 0.001 ≦ M1 ≦ 15, 85 ≦ M2 ≦ 99.999, M1 + M2 = 100 is satisfied.

また、本発明の積層型圧電素子は、前記VIII族金属がNi、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Osの内少なくとも一種以上であり、前記Ib族金属がCu、Ag、Auの内少なくとも一種以上であることを特徴とする。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the group VIII metal is at least one of Ni, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, and Os, and the group Ib metal is at least one of Cu, Ag, and Au. It is one or more types.

また、本発明の積層型圧電素子は、前記VIII族金属がPt、Pdの内少なくとも一種以上であり、前記Ib族金属がAg、Auの内少なくとも一種以上であることを特徴とする。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the group VIII metal is at least one of Pt and Pd, and the group Ib metal is at least one of Ag and Au.

また、本発明の積層型圧電素子は、前記VIII族金属がNiであり、Ib族金属がCuであることを特徴とする。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the group VIII metal is Ni and the group Ib metal is Cu.

また、本発明の積層型圧電素子は、前記圧電体がペロブスカイト型酸化物を主成分とすることを特徴とする。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the piezoelectric body contains a perovskite oxide as a main component.

また、本発明の積層型圧電素子は、前記圧電体がPbZrO−PbTiOからなるペロブスカイト型酸化物を主成分としたものであることを特徴とする。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the piezoelectric body is mainly composed of a perovskite oxide made of PbZrO 3 —PbTiO 3 .

また、本発明の積層型圧電素子は、前記積層体の側面に端部が露出する前記内部電極と端部が露出しない前記内部電極とが交互に構成されており、前記端部が露出していない前記内部電極と前記外部電極間の圧電体部分に溝が形成されており、前記溝に前記圧電体よりもヤング率の低い絶縁体が充填されていることを特徴とする。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the internal electrodes whose ends are exposed on the side surfaces of the multilayer body and the internal electrodes whose ends are not exposed are alternately configured, and the ends are exposed. A groove is formed in a portion of the piezoelectric body between the internal electrode and the external electrode that is not, and the groove is filled with an insulator having a Young's modulus lower than that of the piezoelectric body.

また、本発明の噴射装置は、噴射孔を有する収納容器と、該収納容器内に収容された上記積層型圧電素子と、該積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を噴出させるバルブとを具備することを特徴とする。   In addition, the injection device of the present invention includes a storage container having an injection hole, the stacked piezoelectric element stored in the storage container, and a valve that ejects liquid from the injection hole by driving the stacked piezoelectric element. It is characterized by comprising.

このように、本発明の積層型圧電素子によれば、圧電体と内部電極とを交互に積層してなる積層体を有し、該積層体の側面に前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、内部電極を貫き、内部電極を挟んで対向する圧電体をつなぐ柱を設けることで、個々の変位量のばらつきを小さくすることができ、さらに、長時間の連続運転後も変位量の変化が小さい、高信頼性で耐久性の向上した圧電アクチュエータを提供することができる。   Thus, according to the multilayer piezoelectric element of the present invention, it has a multilayer body in which piezoelectric bodies and internal electrodes are alternately stacked, and the internal electrodes are alternately connected to the side surfaces of the multilayer body every other layer. In a laminated piezoelectric element that includes a pair of external electrodes that are driven by applying an electric field to the external electrodes, by providing columns that penetrate the internal electrodes and connect the opposing piezoelectric bodies with the internal electrodes sandwiched therebetween, In addition, it is possible to provide a highly reliable and highly durable piezoelectric actuator in which the variation in the amount of displacement can be reduced, and the change in the amount of displacement is small even after a long continuous operation.

更には、積層型圧電素子の変位のばらつきが小さく、連続駆動させてもその変位量の変化が小さいことから、耐久性に優れ、高信頼性の噴射装置を提供することができる。   Furthermore, since the variation of the displacement of the multilayer piezoelectric element is small and the change in the displacement is small even when continuously driven, it is possible to provide an injection device with excellent durability and high reliability.

図1は本発明の積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータの実施例を示すもので、(a)は斜視図、(b)は側面図である。また、図2は、内部電極2部分の断面図である。   FIG. 1 shows an embodiment of a multilayer piezoelectric actuator comprising the multilayer piezoelectric element of the present invention, wherein (a) is a perspective view and (b) is a side view. FIG. 2 is a cross-sectional view of the internal electrode 2 portion.

本発明の積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータは、図1に示すように、複数の圧電体1と複数の内部電極2とを交互に積層してなる四角柱状の積層体10の側面において、内部電極2の端部を一層おきに絶縁体3で被覆し、絶縁体3で被覆していない内部電極2の端部に、銀を主成分とする導電材とガラスからなり、且つ3次元網目構造をなす多孔質導電体からなる外部電極4を接合し、各外部電極4にリード線6を接続固定して構成されている。上記積層体が必ずしも四角柱である必要は無く、円柱、多角柱等さまざまな形が考えられる。   As shown in FIG. 1, the multilayer piezoelectric actuator comprising the multilayer piezoelectric element of the present invention is formed on the side surface of a quadrangular prism-shaped multilayer body 10 in which a plurality of piezoelectric bodies 1 and a plurality of internal electrodes 2 are alternately laminated. The inner electrode 2 is covered with the insulator 3 every other end, and the end of the inner electrode 2 not covered with the insulator 3 is made of a conductive material mainly composed of silver and glass, and is three-dimensional. An external electrode 4 made of a porous conductor having a mesh structure is joined, and a lead wire 6 is connected and fixed to each external electrode 4. The laminated body does not necessarily have to be a square column, and various shapes such as a cylinder and a polygonal column are conceivable.

圧電体1の間には内部電極2が配されているが、この内部電極2は銀−パラジウム等の金属材料で形成されており、各圧電体1に所定の電圧を印加し、圧電体1に逆圧電効果による変位を起こさせる作用を有している。   An internal electrode 2 is disposed between the piezoelectric bodies 1, and the internal electrode 2 is formed of a metal material such as silver-palladium, and a predetermined voltage is applied to each piezoelectric body 1. Has a function of causing displacement due to the inverse piezoelectric effect.

これに対して、不活性層9は内部電極2が配されていない複数の圧電体1の層であるため、電圧を印加しても変位を起こさない。   In contrast, since the inactive layer 9 is a layer of a plurality of piezoelectric bodies 1 on which the internal electrode 2 is not disposed, no displacement occurs even when a voltage is applied.

また、積層体10の対向する側面には外部電極4が接合されており、この外部電極4には、積層されている内部電極2が一層おきに電気的に接続されているため、接続されている各内部電極2に圧電体1を逆圧電効果により変位させるに必要な電圧を共通に供給することができる。   In addition, external electrodes 4 are joined to the opposite side surfaces of the laminated body 10, and the laminated internal electrodes 2 are electrically connected to every other layer so that they are connected to each other. A voltage necessary for displacing the piezoelectric body 1 by the inverse piezoelectric effect can be commonly supplied to the internal electrodes 2.

さらに、外部電極4にはリード線6が半田等により接続固定されているため、外部電極4を外部の電圧供給部に接続することができる。   Furthermore, since the lead wire 6 is connected and fixed to the external electrode 4 with solder or the like, the external electrode 4 can be connected to an external voltage supply unit.

そして本発明の積層型圧電アクチュエータでは、図2に示すように、内部電極2を貫き挟んで対向する圧電体1をつなぐ複数の柱20が設けられている。このように、圧電体1間に例えば、セラミックのように硬い物質で柱20を形成することにより、内部電極2の剛性が向上し、内部電極2で起こる変位量の吸収が少なくなるため、変位量が安定化する。その結果、各製品の変位量のばらつきが小さくなり、信頼性を向上することができる。また、長時間の使用後の変位量の変化も小さくなり、耐久性を向上することができる。   In the multilayer piezoelectric actuator of the present invention, as shown in FIG. 2, a plurality of pillars 20 are provided to connect the opposing piezoelectric bodies 1 through the internal electrode 2. Thus, by forming the pillars 20 with a hard material such as ceramic between the piezoelectric bodies 1, the rigidity of the internal electrode 2 is improved, and the amount of displacement that occurs in the internal electrode 2 is reduced. The amount stabilizes. As a result, variation in the amount of displacement of each product is reduced, and reliability can be improved. In addition, the change in displacement after a long period of use is reduced, and durability can be improved.

また、図2に示すように柱20と圧電体1との接合部分22の径Bが柱20の最大径Aの50%以上であるような柱20の個数が全体の30%以上を占めることが好ましい。これは、柱20と圧電体1との接合部分22の径Bが柱20の最大径Aの50%以上であるような柱20の個数が30%以上を占めることにより、柱20と圧電体1の強度が大きくなり、また剛性も大きくなるので、内部電極2で起こる変位量の吸収が少なくなり、変位量が安定化するためである。その結果、各製品の変位量のばらつきが小さくなり、信頼性を向上することができる。また、長時間の使用後の変位量の変化も小さくなり、耐久性を向上することができる。同様の理由から、柱20と圧電体1との接合部分22の径Bが柱20の最大径Aの50%以上である柱20の個数が50%以上であることがより好ましい。   Further, as shown in FIG. 2, the number of columns 20 in which the diameter B of the joint portion 22 between the columns 20 and the piezoelectric body 1 is 50% or more of the maximum diameter A of the columns 20 occupies 30% or more of the whole. Is preferred. This is because the number of the columns 20 such that the diameter B of the joint portion 22 between the columns 20 and the piezoelectric body 1 is 50% or more of the maximum diameter A of the columns 20 occupies 30% or more. This is because the strength of No. 1 increases and the rigidity also increases, so that the amount of displacement occurring in the internal electrode 2 is less absorbed and the amount of displacement is stabilized. As a result, variation in the amount of displacement of each product is reduced, and reliability can be improved. In addition, the change in displacement after a long period of use is reduced, and durability can be improved. For the same reason, it is more preferable that the number of columns 20 in which the diameter B of the joint portion 22 between the columns 20 and the piezoelectric body 1 is 50% or more of the maximum diameter A of the columns 20 is 50% or more.

ここで、測定方法について説明する。図2のように積層型圧電素子の内部電極2付近の断面写真において1mm程度の長さを測定し、各柱20について最大径Aと圧電体1との接合部分の径Bを測定し、(B/A)×100の計算をして、個々の柱20に関して、柱20の最大径Aと柱20と圧電体1との接合部分22の径Bの割合を求めた。そして、その値が50%以上のものの個数が測定した数の何%あるかを計算した。このようなことを、10箇所行って平均を取って数値として表した。   Here, the measurement method will be described. As shown in FIG. 2, a length of about 1 mm is measured in a cross-sectional photograph of the vicinity of the internal electrode 2 of the multilayer piezoelectric element, and the diameter B of the joint portion between the maximum diameter A and the piezoelectric body 1 for each column 20 is measured. B / A) × 100 was calculated and the ratio of the maximum diameter A of the column 20 and the diameter B of the joint portion 22 between the column 20 and the piezoelectric body 1 was determined for each column 20. Then, it was calculated what percentage of the number of those whose value was 50% or more was measured. Such a thing was performed 10 places and the average was taken and expressed as a numerical value.

また、本発明では、柱20の最小径の平均値が0.2μm以上であることが好ましい。更に0.3μm以上であることがより好ましい。このようにすることで、柱20の強度が大きくなり、破壊しにくくなるため、変位量のばらつきを小さくし、連続使用後の変位量の変化も小さくなり、信頼性と耐久性が向上する。   Moreover, in this invention, it is preferable that the average value of the minimum diameter of the pillar 20 is 0.2 micrometer or more. Furthermore, it is more preferable that it is 0.3 micrometer or more. By doing in this way, since the strength of the pillar 20 becomes large and it becomes difficult to break down, variation in the amount of displacement is reduced, change in the amount of displacement after continuous use is also reduced, and reliability and durability are improved.

また、本発明の積層型圧電素子では、内部電極2付近の断面において、柱20が1mm当り5〜150本存在することが好ましい。また、10〜100本存在することがより好ましい。これは、柱20の数を上記のようにすることで、剛性を高めることができ、変位量のばらつきの小さい信頼性に優れた積層型圧電素子が得られるためである。柱20の数が5本より少ないと上記の効果が小さくなり、一方、柱20の数が100本より多いと内部電極2の抵抗が大きくなり電極が加熱するなど電極としての機能が低下する。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, it is preferable that 5 to 150 columns 20 per 1 mm exist in the cross section in the vicinity of the internal electrode 2. Moreover, it is more preferable that 10-100 exists. This is because by setting the number of pillars 20 as described above, the rigidity can be increased, and a laminated piezoelectric element having a small variation in displacement and excellent reliability can be obtained. When the number of pillars 20 is less than 5, the above effect is reduced. On the other hand, when the number of pillars 20 is more than 100, the resistance of the internal electrode 2 is increased, and the function as an electrode is degraded, for example, the electrode is heated.

さらに、柱20と圧電体1との熱膨張差が3×10−5/℃以下、特に2×10−5/℃であることが好ましい。これにより、圧電体1と柱20の間での内部応力が小さくなり、界面での接合強度が大きくなり耐久性が向上できる。熱膨張差が3×10−5/℃以下の場合としては、圧電体1にPZTを用いた場合、柱20の材料は、PZT、Al、ZrO、TiO、SiO等を用いることができる。 Furthermore, it is preferable that the thermal expansion difference between the column 20 and the piezoelectric body 1 is 3 × 10 −5 / ° C. or less, particularly 2 × 10 −5 / ° C. As a result, the internal stress between the piezoelectric body 1 and the column 20 is reduced, the bonding strength at the interface is increased, and the durability can be improved. In the case where the thermal expansion difference is 3 × 10 −5 / ° C. or less, when PZT is used for the piezoelectric body 1, the material of the pillar 20 is PZT, Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , SiO 2 or the like. Can be used.

更には、柱20が圧電体1とが同じ材料から成ることが好ましい。これにより、柱20と圧電体1との間で発生する内部応力は、更に小さくなり、界面での接合強度が大きくなり耐久性が向上できる。   Furthermore, it is preferable that the pillar 20 is made of the same material as that of the piezoelectric body 1. Thereby, the internal stress generated between the column 20 and the piezoelectric body 1 is further reduced, the bonding strength at the interface is increased, and the durability can be improved.

前記柱20の形成は、製造工程で予め内部電極2中に上記柱20を成す材料の粉末を混合しておき、昇温中に焼成の最高温度の80%以上の温度で、一回以上保持することによって達成される。つまり、従来の焼成とは異なり、脱脂をした後に、最高焼成温度の80%以上で一旦保持することにより、内部電極2に混合された柱20を成す材料の粉末が周囲の金属組成物の影響を受け、粒成長を生じやすい状態となり、最高焼成温度で焼成することで粒成長が対向する圧電体1の間を連結することで、内部電極2を貫き、内部電極2を挟んで対向する圧電体1をつなぐ柱20を形成することができる。内部電極2に添加する柱20の材料粉末の添加量は、5〜40重量%が適当である。40重量%よりも多くなると電極の抵抗が上がり過ぎ、加熱する可能性があり、また5重量%より小さいと柱を十分に設けることができず、内部電極の剛性を向上する効果が小さくなり、信頼性及び耐久性を十分に向上させることができなくなる。   The column 20 is formed by mixing powder of the material forming the column 20 in the internal electrode 2 in advance in the manufacturing process, and holding at least once at a temperature of 80% or more of the maximum firing temperature during the temperature rise. Is achieved by doing That is, unlike conventional firing, after degreasing, the powder of the material forming the pillar 20 mixed with the internal electrode 2 is affected by the surrounding metal composition by holding once at 80% or more of the maximum firing temperature. In this way, it becomes a state in which grain growth is likely to occur, and the piezoelectric elements 1 that face each other with the internal electrode 2 sandwiched between the internal electrodes 2 by connecting the piezoelectric bodies 1 that face the grain growth by firing at the maximum firing temperature. A pillar 20 connecting the body 1 can be formed. The addition amount of the material powder of the pillar 20 added to the internal electrode 2 is suitably 5 to 40% by weight. If the amount exceeds 40% by weight, the resistance of the electrode increases excessively, and there is a possibility of heating. If the amount is less than 5% by weight, the columns cannot be provided sufficiently, and the effect of improving the rigidity of the internal electrode is reduced. Reliability and durability cannot be sufficiently improved.

本発明の内部電極2中の金属組成物は、VIII族金属とIb族金属からなるのがよい。上記の金属組成物は耐熱性があることから、圧電体1と内部電極2を同時焼成することができる。   The metal composition in the internal electrode 2 of the present invention is preferably composed of a Group VIII metal and a Group Ib metal. Since the metal composition has heat resistance, the piezoelectric body 1 and the internal electrode 2 can be fired simultaneously.

そして、本発明の内部電極2中の金属組成物がVIII族金属の含有量をM1(重量%、)Ib族金属の含有量をM2(重量%)としたとき、0.001≦M1≦15、85≦M2≦99.999、M1+M2=100を満足する金属組成物を主成分とすることが好ましい。   When the metal composition in the internal electrode 2 of the present invention has a group VIII metal content of M1 (wt%) and a group Ib metal content of M2 (wt%), 0.001 ≦ M1 ≦ 15 , 85 ≦ M2 ≦ 99.999 and M1 + M2 = 100 are preferably used as a main component.

本発明の内部電極2を成す金属成分の主成分の組成比を上記範囲に限定したのは、次の理由による。即ち、M1を0.001以上15以下としたのは、0.001未満では内部金属M2元素が圧電体中へマイグレーションし、また15を越えると、内部電極2の比抵抗が大きくなり、積層型圧電素子を連続駆動させた場合、内部電極2部が発熱して、電極と磁器界面が劣化することで、駆動中にデラミネーションが発生するからである。特にデラミネーションを防止して積層型圧電素子の耐久性を向上させるという点では、M1は0.1以上10以下が好ましい。また、熱伝導に優れ、より高い耐久性を必要とする場合は0.5以上9.5以下がより好ましい。また、さらに高い耐久性を求める場合は2以上8以下がさらに好ましい。   The reason why the composition ratio of the main component of the metal component constituting the internal electrode 2 of the present invention is limited to the above range is as follows. That is, M1 is set to 0.001 or more and 15 or less when the internal metal M2 element migrates into the piezoelectric body when it is less than 0.001, and when it exceeds 15, the specific resistance of the internal electrode 2 increases, and the laminated type This is because, when the piezoelectric element is continuously driven, the internal electrode 2 portion generates heat, and the electrode and porcelain interface deteriorates, thereby causing delamination during driving. In particular, M1 is preferably 0.1 or more and 10 or less in terms of preventing delamination and improving the durability of the multilayer piezoelectric element. Moreover, when it is excellent in heat conduction and needs higher durability, 0.5 or more and 9.5 or less are more preferable. Moreover, when higher durability is calculated | required, 2-8 is more preferable.

また、M2を85以上99.999以下としたのは、99.999を超えると内部金属M2元素は圧電体1中へのマイグレーションし、また85未満では、内部電極2の比抵抗が大きくなり、積層型圧電素子を連続駆動させた場合、内部電極2部が発熱して、電極と磁器界面が劣化することで、駆動中にデラミネーションが発生するからである。特に積層型圧電素子の耐久性を向上させるという点では、M2は、90以上99.9が好ましい。また、より高い耐久性を必要とする場合は90.5以上99.5以下がより好ましい。また、さらに高い耐久性を求める場合は92以上98以下がさらに好ましい。   Also, the reason why M2 is set to 85 or more and 99.999 or less is that when 99.999 is exceeded, the internal metal M2 element migrates into the piezoelectric body 1, and when it is less than 85, the specific resistance of the internal electrode 2 increases. This is because when the laminated piezoelectric element is continuously driven, the internal electrode 2 portion generates heat, and the electrode and porcelain interface deteriorates, thereby causing delamination during driving. In particular, M2 is preferably 90 or more and 99.9 from the viewpoint of improving the durability of the multilayer piezoelectric element. Moreover, when higher durability is required, 90.5 or more and 99.5 or less are more preferable. Moreover, when higher durability is calculated | required, 92-98 is further more preferable.

これら、内部電極2中の金属成分の重量%を示すM1、M2はEPMA(Electron Probe Micro Analysis)法等の分析方法で特定できる。   These M1 and M2 indicating the weight% of the metal component in the internal electrode 2 can be specified by an analysis method such as EPMA (Electron Probe Micro Analysis) method.

また、本発明の内部電極2中の金属成分は、VIII族金属がNi、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Osのうち少なくとも1種以上であり、Ib族金属がCu,Ag、Auのうち少なくとも1種以上であることが好ましい。これは、近年における合金粉末合成技術において量産性に優れた金属組成であるからである。   The metal component in the internal electrode 2 of the present invention is such that the Group VIII metal is at least one of Ni, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, and Os, and the Group Ib metal is Cu, Ag, or Au. Of these, at least one is preferable. This is because the metal composition has excellent mass productivity in recent alloy powder synthesis techniques.

上記内部電極2中の金属成分は、VIII族金属がPt、Pdのうち少なくとも1種以上であり、Ib族金属がAg、Auのうち少なくとも1種以上であることが、より好ましい。これにより、耐熱性が優れた電極を形成できるとともに、内部電極2の比抵抗を小さくできることから、連続駆動させても、内部電極2部の発熱を抑制することができるからである。更には、内部電極2の含有する金属成分が、Ib族金属であるAgを主成分とし、VIII族金属であるPt、Pdのうち1種以上を含有することが好ましい。   More preferably, the metal component in the internal electrode 2 is a group VIII metal of at least one of Pt and Pd, and a group Ib metal of at least one of Ag and Au. As a result, an electrode having excellent heat resistance can be formed, and the specific resistance of the internal electrode 2 can be reduced, so that heat generation in the internal electrode 2 portion can be suppressed even when continuously driven. Furthermore, it is preferable that the metal component contained in the internal electrode 2 is mainly composed of Ag, which is a group Ib metal, and contains at least one of Pt and Pd, which are group VIII metals.

更に、上記内部電極2中の金属成分は、VIII族金属がNiであり、Ib族金属がCuであることが、より好ましい。これにより、耐酸化性に優れた電極を形成することができ、連続駆動させても内部電極2の抵抗が劣化しにくく、耐久性を向上することができるからである。   Furthermore, as for the metal component in the said internal electrode 2, it is more preferable that a VIII group metal is Ni and a Ib group metal is Cu. This is because an electrode having excellent oxidation resistance can be formed, and even when continuously driven, the resistance of the internal electrode 2 is hardly deteriorated and durability can be improved.

また、本発明の圧電体1がペロブスカイト型酸化物を主成分とすることが好ましい。これは、例えば、チタン酸バリウム(BaTiO)を代表とするペロブスカイト型圧電セラミックス材料等で形成されると、その圧電特性を示す圧電歪み定数d33が高いことから、変位量を大きくできる。さらに、優れた圧電素子として機能するとともに圧電体と内部電極を同時焼成することができる。 Moreover, it is preferable that the piezoelectric body 1 of the present invention contains a perovskite oxide as a main component. For example, when formed of a perovskite-type piezoelectric ceramic material typified by barium titanate (BaTiO 3 ), the amount of displacement can be increased because the piezoelectric strain constant d 33 indicating the piezoelectric characteristics is high. Furthermore, the piezoelectric body and the internal electrode can be fired simultaneously while functioning as an excellent piezoelectric element.

また、本発明の圧電体がPbZrO−PbTiOからなるペロブスカイト型酸化物を主成分とすることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the piezoelectric body of the present invention contains a perovskite oxide composed of PbZrO 3 —PbTiO 3 as a main component.

これにより、このような積層型圧電素子では、さらに圧電歪み定数d33が高いことから、変位量を大きくできる。 Accordingly, in such a multilayer piezoelectric element can further because of high piezoelectric strain constant d 33, a large amount of displacement.

また、本発明の積層型圧電素子の側面に端部が露出する内部電極と端部が露出しない内部電極とが交互に構成されており、該端部が露出していない内部電極と外部電極間の圧電体部分に溝が形成されており、この溝内に、圧電体よりもヤング率の低い絶縁体が形成されていることが好ましい。   In addition, the internal electrodes whose end portions are exposed on the side surfaces of the multilayer piezoelectric element of the present invention and the internal electrodes whose end portions are not exposed are alternately configured, and between the internal electrodes and the external electrodes whose end portions are not exposed. It is preferable that a groove is formed in the piezoelectric body portion, and an insulator having a Young's modulus lower than that of the piezoelectric body is formed in the groove.

これにより、このような積層型圧電素子では、駆動中の変位によって生じる応力を緩和することができることから、連続駆動させても、内部電極部の発熱を抑制することができる。   Thereby, in such a multilayer piezoelectric element, stress generated by displacement during driving can be relieved, so that heat generation of the internal electrode portion can be suppressed even when continuously driven.

また、図3に示すように外部電極4が3次元網目構造をなす多孔質導電体からなるのが望ましい。外部電極4が3次元網目構造をなす多孔質導電体で構成されていなければ、外部電極4はフレキシブル性を有しないため、積層型圧電アクチュエータの伸縮に追従できなくなるので、外部電極4の断線や外部電極4と内部電極2の接点不良が生じる場合がある。ここで、3次元網目構造とは、外部電極4にいわゆる球形のボイドが存在している状態を意味するのではなく、外部電極4を構成する導電材粉末とガラス粉末が、比較的低温で焼き付けられている為に、焼結が進みきらずにボイドがある程度連結した状態で存在し、外部電極4を構成する導電材粉末とガラス粉末が3次元的に連結、接合した状態を示唆している。   Further, as shown in FIG. 3, the external electrode 4 is preferably made of a porous conductor having a three-dimensional network structure. If the external electrode 4 is not composed of a porous conductor having a three-dimensional network structure, the external electrode 4 does not have flexibility and cannot follow the expansion and contraction of the laminated piezoelectric actuator. A contact failure between the external electrode 4 and the internal electrode 2 may occur. Here, the three-dimensional network structure does not mean a state in which a so-called spherical void exists in the external electrode 4, but the conductive material powder and the glass powder constituting the external electrode 4 are baked at a relatively low temperature. For this reason, voids exist in a state of being connected to some extent without completing the sintering, suggesting a state in which the conductive material powder and the glass powder constituting the external electrode 4 are three-dimensionally connected and joined.

あるいは、外部電極4中の空隙率が30〜70体積%であることが望ましい。ここで、空隙率とは、外部電極4中に占める空隙4aの比率である。これは、外部電極4中の空隙率が30体積%より小さければ、外部電極4が積層型圧電アクチュエータの伸縮によって生じる応力に耐えきれずに、外部電極4が断線する可能性がある。また、外部電極4中の空隙率が70体積%を超えると、外部電極4の抵抗値が大きくなるため、大電流を流した際に外部電極4が局所発熱を起こして断線してしまう可能性がある。   Alternatively, the porosity in the external electrode 4 is desirably 30 to 70% by volume. Here, the porosity is the ratio of the voids 4 a in the external electrode 4. This is because if the porosity in the external electrode 4 is smaller than 30% by volume, the external electrode 4 cannot withstand the stress generated by the expansion and contraction of the multilayer piezoelectric actuator, and the external electrode 4 may be disconnected. In addition, when the porosity in the external electrode 4 exceeds 70% by volume, the resistance value of the external electrode 4 increases, and thus when the large current is passed, the external electrode 4 may cause local heat generation and break. There is.

さらに、外部電極4の圧電体1側表層部にガラスリッチ層が形成されていることが望ましい。これは、ガラスリッチ層が存在しないと、外部電極4中のガラス成分との接合が困難になるため、外部電極4が圧電体1との強固な接合が容易でなくなる可能性がある。   Furthermore, it is desirable that a glass rich layer is formed on the surface layer portion of the external electrode 4 on the piezoelectric body 1 side. This is because, if the glass-rich layer is not present, it is difficult to bond the glass component in the external electrode 4, so that there is a possibility that the external electrode 4 cannot easily be firmly bonded to the piezoelectric body 1.

また、外部電極4を構成するガラスの軟化点(℃)が、内部電極2を構成する導電材の融点(℃)の4/5以下であることが望ましい。これは、外部電極4を構成するガラスの軟化点が、内部電極2を構成する導電材の融点の4/5を超えると、外部電極4を構成するガラスの軟化点と内部電極2を構成する導電材の融点が同程度の温度になるため、外部電極4を焼き付ける温度が必然的に内部電極2を構成する融点に近づくので、外部電極4の焼き付けの際に、内部電極2及び外部電極4の導電材が凝集して拡散接合を妨げたり、また、焼き付け温度を外部電極4のガラス成分が軟化するのに十分な温度に設定できないため、軟化したガラスによる十分な接合強度を得ることができない場合がある。   In addition, the softening point (° C.) of the glass constituting the external electrode 4 is desirably 4/5 or less of the melting point (° C.) of the conductive material constituting the internal electrode 2. When the softening point of the glass constituting the external electrode 4 exceeds 4/5 of the melting point of the conductive material constituting the internal electrode 2, the softening point of the glass constituting the external electrode 4 and the internal electrode 2 are constituted. Since the melting point of the conductive material becomes the same temperature, the temperature at which the external electrode 4 is baked inevitably approaches the melting point that constitutes the internal electrode 2. The conductive material aggregates to prevent diffusion bonding, and the baking temperature cannot be set to a temperature sufficient to soften the glass component of the external electrode 4, so that sufficient bonding strength with the softened glass cannot be obtained. There is a case.

さらに、外部電極4を構成するガラスを非晶質にすることが望ましい。これは、結晶質のガラスでは、積層型圧電アクチュエータの伸縮によって生じる応力を外部電極4が吸収できないので、クラック等が発生する場合がある。   Furthermore, it is desirable that the glass constituting the external electrode 4 be amorphous. This is because, in crystalline glass, the external electrode 4 cannot absorb the stress generated by the expansion and contraction of the laminated piezoelectric actuator, so that cracks and the like may occur.

さらに、外部電極4の厚みが圧電体1の厚みよりも薄いことが望ましい。これは、外部電極4の厚みが圧電体1の厚みよりも厚いと、外部電極4の強度が増大するため、積層体10が伸縮する際に、外部電極4と内部電極2の接合部の負荷が増大し、接点不良が生じる場合がある。   Furthermore, it is desirable that the thickness of the external electrode 4 is thinner than the thickness of the piezoelectric body 1. This is because when the thickness of the external electrode 4 is larger than the thickness of the piezoelectric body 1, the strength of the external electrode 4 increases, so that the load on the joint between the external electrode 4 and the internal electrode 2 when the laminate 10 expands and contracts. May increase and contact failure may occur.

さらに、外部電極4の外面に、金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板が埋設された導電性接着剤からなる導電性補助部材7を設けることが望ましい。外部電極4の外面に導電性補助部材7を設けないと、積層体10に大電流を流して駆動する際に、外部電極4が大電流に耐えきれずに局所発熱してしまい、断線する可能性がある。   Furthermore, it is desirable to provide a conductive auxiliary member 7 made of a conductive adhesive in which a metal mesh or a mesh-like metal plate is embedded on the outer surface of the external electrode 4. If the conductive auxiliary member 7 is not provided on the outer surface of the external electrode 4, when the laminate 10 is driven by passing a large current, the external electrode 4 cannot withstand the large current and locally generates heat, which may cause disconnection. There is sex.

また、外部電極4の外面にメッシュ若しくはメッシュ状の金属板を使用しないと、積層体10の伸縮による応力が外部電極4に直接作用することにより、駆動中の疲労によって外部電極4が積層体10の側面から剥離しやすくなる可能性がある。   Further, if a mesh or a mesh-like metal plate is not used on the outer surface of the external electrode 4, the stress due to the expansion and contraction of the multilayer body 10 directly acts on the external electrode 4, so that the external electrode 4 is laminated due to fatigue during driving. There is a possibility that it will be easy to peel off from the side surface.

さらに、導電性接着剤が導電性粒子を分散させたポリイミド樹脂からなることが望ましい。これは、ポリイミド樹脂を使用することにより、積層体10を高温下で駆動させる際にも、比較的高い耐熱性を有するポリイミド樹脂を使用することによって、導電性接着剤が高い接着強度を維持しやすい。   Furthermore, it is desirable that the conductive adhesive is made of a polyimide resin in which conductive particles are dispersed. This is because the conductive adhesive maintains a high adhesive strength by using a polyimide resin having a relatively high heat resistance even when the laminate 10 is driven at a high temperature by using the polyimide resin. Cheap.

さらに、導電性粒子が銀粉末であることが望ましい。これは、導電性粒子に比較的抵抗値の低い銀粉末を使用することによって、導電性接着剤における局所発熱を抑制しやすい。   Furthermore, it is desirable that the conductive particles are silver powder. This makes it easy to suppress local heat generation in the conductive adhesive by using silver powder having a relatively low resistance value for the conductive particles.

また、本発明の積層型圧電素子は単板あるいは積層数が1またはそれ以上からなることが好ましい。これにより、素子に加えられた圧力を電圧に変換することも、素子に電圧を加えることで素子を変位させることもできるため、素子駆動中に予期せぬ応力を加えられたとしても、応力を分散して電圧変換することで、応力緩和させることができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。   In addition, the multilayer piezoelectric element of the present invention is preferably composed of a single plate or one or more layers. As a result, the pressure applied to the element can be converted into a voltage, or the element can be displaced by applying a voltage to the element. Therefore, even if an unexpected stress is applied during element driving, the stress is reduced. Since the stress can be relieved by dispersing and converting the voltage, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided.

さらに、図4は、本発明の積層型圧電素子を用いた噴射装置を示すもので、噴射孔33を有する収納容器31と、この収納容器31に収容された圧電アクチュエータ43と、この圧電アクチュエータの駆動により噴射孔33から液体を噴出させるバルブ35を有している。   Further, FIG. 4 shows an ejection device using the laminated piezoelectric element of the present invention, and a storage container 31 having an injection hole 33, a piezoelectric actuator 43 stored in the storage container 31, and a piezoelectric actuator of this piezoelectric actuator. A valve 35 for ejecting liquid from the ejection hole 33 by driving is provided.

噴射孔33には燃料通路37が連通可能に設けられ、この燃料通路37は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路37に常時一定の高圧で燃料が供給されている。従って、バルブ35が噴射孔33を開放すると、燃料通路37に供給されていた燃料が一定の高圧で内燃機関の図示しない燃料室内に噴出されるように形成されている。   A fuel passage 37 is provided in the injection hole 33 so as to be able to communicate. The fuel passage 37 is connected to an external fuel supply source, and fuel is always supplied to the fuel passage 37 at a constant high pressure. Accordingly, when the valve 35 opens the injection hole 33, the fuel supplied to the fuel passage 37 is formed to be injected into a fuel chamber (not shown) of the internal combustion engine at a constant high pressure.

また、バルブ35の上端部は直径が大きくなっており、収納容器31に形成されたシリンダ39と摺動可能なピストン41となっている。   Further, the upper end portion of the valve 35 has a large diameter, and serves as a piston 41 slidable with a cylinder 39 formed in the storage container 31.

このような噴射装置では、圧電アクチュエータ43が電圧を印加されて伸長すると、ピストン41が押圧され、ニードルバルブ35が噴射孔33を閉塞し、燃料の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると圧電アクチュエータ43が収縮し、皿バネ45がピストン41を押し返し、噴射孔33が燃料通路37と連通して燃料の噴射が行われるようになっている。   In such an injection device, when the piezoelectric actuator 43 is extended by applying a voltage, the piston 41 is pressed, the needle valve 35 closes the injection hole 33, and the supply of fuel is stopped. When the application of voltage is stopped, the piezoelectric actuator 43 contracts, the disc spring 45 pushes back the piston 41, and the injection hole 33 communicates with the fuel passage 37 so that fuel is injected.

これにより、噴射装置では、上記したように、積層型圧電素子において、連続駆動させても、所望の変位量が実効的に変化しないために、装置が誤作動することなく、耐久性に優れた高信頼性の噴射装置を提供することができる。   As a result, in the injection device, as described above, even if the multilayer piezoelectric element is continuously driven, the desired displacement amount does not change effectively, so that the device does not malfunction and has excellent durability. A highly reliable injection device can be provided.

本発明品の積層型圧電素子の製造方法について以下に説明する。   A method for manufacturing the multilayer piezoelectric element of the present invention will be described below.

本発明の積層型圧電素子は、まず、積層体10を作製する。複数の圧電体1と複数の内部電極2とを交互に積層して成る積層体10は、例えば、PbZrO−PbTiOからなるペロブスカイト型酸化物等の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成るバインダーと、DBP(フタル酸ジオチル)、DOP(フタル酸ジブチル)等の可塑剤とを混合してスラリーを作製し、該スラリーを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成型法により圧電体1となるセラミックグリーンシートを作製する。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, first, the multilayer body 10 is produced. A laminated body 10 formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric bodies 1 and a plurality of internal electrodes 2 includes, for example, a calcined powder of a piezoelectric ceramic such as a perovskite oxide made of PbZrO 3 —PbTiO 3 , an acrylic type, A binder made of an organic polymer such as butyral is mixed with a plasticizer such as DBP (dioctyl phthalate) or DOP (dibutyl phthalate) to prepare a slurry. A ceramic green sheet to be the piezoelectric body 1 is produced by a tape molding method such as the above method.

次に、例えば、銀−パラジウム等の内部電極を構成する金属粉末に柱20の材料としてPZT、Al、ZrO、TiO、SiO等のセラミック粉末をいずれか一種以上とバインダー、可塑剤等を添加混合して導電性ペーストを作製し、これを前記各グリーンシートの上面にスクリーン印刷等によって1〜40μmの厚みに印刷する。 Next, for example, a metal powder constituting an internal electrode such as silver-palladium or the like as a material of the pillar 20 and a ceramic powder such as PZT, Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , or SiO 2 as one or more binders, A conductive paste is prepared by adding and mixing a plasticizer and the like, and this is printed on the upper surface of each green sheet to a thickness of 1 to 40 μm by screen printing or the like.

そして、上面に導電性ペーストが印刷されたグリーンシートを複数積層し、この積層体について所定の温度で脱バインダーを行った後、最高温度の80%以上の温度で一旦保持した後、最高温度である900〜1200℃で焼成する。最高温度の80%以上での保持時間は0.25hより長い方が好ましい。更に2段以上のステップを設けても良い。例えば、最高保持温度の80%と90%で保持を入れて多段のパターンで加熱しても良い。柱の成長を促すためには、最高保持温度の80%以上で一旦保持することが必要である。これにより、対向する圧電体を強固に結合することができる。900℃以上1200℃以下に限定したのは、900℃より低温では、緻密な圧電体を作製することができず、1200℃を超えると焼成時の電極の収縮と圧電体の収縮のずれを起因とした応力が大きくなり、連続駆動時にクラックが発生する理由からである。   Then, after laminating a plurality of green sheets each having a conductive paste printed on the upper surface, the binder is debindered at a predetermined temperature, and once held at a temperature of 80% or more of the maximum temperature, the maximum temperature is reached. Firing is performed at 900 to 1200 ° C. The holding time at 80% or more of the maximum temperature is preferably longer than 0.25 h. Further, two or more steps may be provided. For example, the holding may be performed at 80% and 90% of the maximum holding temperature and heated in a multistage pattern. In order to promote the growth of the pillars, it is necessary to hold once at 80% or more of the maximum holding temperature. Thereby, the opposing piezoelectric bodies can be firmly coupled. The reason why the temperature is limited to 900 ° C. or more and 1200 ° C. or less is that a dense piezoelectric body cannot be manufactured at a temperature lower than 900 ° C., and if it exceeds 1200 ° C., the shrinkage between the contraction of the electrode and the contraction of the piezoelectric body during firing This is because the stress increases, and cracks occur during continuous driving.

また、電極中の組成のずれが焼成前後で5%以下であることが好ましい。これにより、電極が硬くなることを抑制することができる。これによって積層体10が作製される。   Moreover, it is preferable that the composition shift in the electrode is 5% or less before and after firing. Thereby, it can suppress that an electrode becomes hard. Thereby, the laminated body 10 is produced.

その後、積層型圧電素子の側面に端部が露出する内部電極と端部が露出しない内部電極2とが交互に構成して、該端部が露出していない内部電極2と外部電極4間の圧電体1部分に溝を形成して、この溝内に、圧電体1よりもヤング率の低い、例えば樹脂またはゴム等の絶縁体を形成させる場合には、内部ダイシング装置等により柱状積層体10の側面に一層おきに溝3を形成する。   Thereafter, the internal electrodes whose end portions are exposed on the side surfaces of the multilayer piezoelectric element and the internal electrodes 2 whose end portions are not exposed are alternately configured, and the internal electrodes 2 and the external electrodes 4 whose end portions are not exposed are alternately formed. When a groove is formed in the piezoelectric body 1 and an insulator having a Young's modulus lower than that of the piezoelectric body 1, such as a resin or rubber, is formed in the groove, the columnar laminate 10 is formed by an internal dicing device or the like. Grooves 3 are formed every other layer on the side surface.

外部電極4を構成する導電材はアクチュエータの伸縮によって生じる応力を十分に吸収するという点から、ヤング率の低い銀、若しくは銀が主成分の合金が望ましい。   The conductive material constituting the external electrode 4 is preferably silver having a low Young's modulus or an alloy containing silver as a main component from the viewpoint of sufficiently absorbing the stress generated by the expansion and contraction of the actuator.

ガラス粉末に、バインダーを加えて銀ガラス導電性ペーストを作製し、これをシート状に成形し、乾燥した(溶媒を飛散させた)シートの生密度を6〜9g/cmに制御し、このシートを、柱状積層体10の外部電極形成面に転写し、ガラスの軟化点よりも高い温度、且つ銀の融点(965℃)以下の温度で、且つ焼成温度(℃)の4/5以下の温度で焼き付けを行うことにより、銀ガラス導電性ペーストを用いて作製したシート中のバインダー成分が飛散消失し、3次元網目構造をなす多孔質導電体からなる外部電極4を形成することができる。 A binder is added to the glass powder to produce a silver glass conductive paste, which is formed into a sheet and dried (the solvent is scattered), and the raw density of the sheet is controlled to 6 to 9 g / cm 3. The sheet is transferred to the external electrode forming surface of the columnar laminate 10, and is at a temperature higher than the softening point of glass, at a temperature not higher than the melting point of silver (965 ° C.), and not higher than 4/5 of the firing temperature (° C.). By baking at a temperature, the binder component in the sheet produced using the silver glass conductive paste is scattered and disappeared, and the external electrode 4 made of a porous conductor having a three-dimensional network structure can be formed.

なお、前記銀ガラス導電性ペーストの焼き付け温度は、ネック部を有効的に形成し、銀ガラス導電性ペースト中の銀と内部電極2を拡散接合させ、また、外部電極4中の空隙を有効に残存させ、さらには、外部電極4と積層体10側面とを部分的に接合させるという点から、550〜700℃が望ましい。また、銀ガラス導電性ペースト中のガラス成分の軟化点は、500〜700℃が望ましい。   The baking temperature of the silver glass conductive paste effectively forms a neck portion, diffuses and joins silver in the silver glass conductive paste and the internal electrode 2, and effectively creates voids in the external electrode 4. 550-700 degreeC is desirable from the point that it is made to remain, and also the external electrode 4 and the laminated body 10 side surface are joined partially. The softening point of the glass component in the silver glass conductive paste is preferably 500 to 700 ° C.

焼き付け温度が700℃より高い場合には、銀ガラス導電性ペーストの銀粉末の焼結が進みすぎ、有効的な3次元網目構造をなす多孔質導電体を形成することができず、外部電極4が緻密になりすぎてしまい、結果として外部電極4のヤング率が高くなりすぎ駆動時の応力を十分に吸収することができずに外部電極4が断線してしまう可能性がある。好ましくは、ガラスの軟化点の1.2倍以内の温度で焼き付けを行った方がよい。   When the baking temperature is higher than 700 ° C., the sintering of the silver powder of the silver glass conductive paste proceeds so much that a porous conductor having an effective three-dimensional network structure cannot be formed, and the external electrode 4 Becomes too dense, and as a result, the Young's modulus of the external electrode 4 becomes too high to absorb the stress during driving sufficiently, and the external electrode 4 may be disconnected. Preferably, baking should be performed at a temperature within 1.2 times the softening point of the glass.

一方、焼き付け温度が550℃よりも低い場合には、内部電極2端部と外部電極4の間で十分に拡散接合がなされないために、ネック部が形成されず、駆動時に内部電極2と外部電極4の間でスパークを起こしてしまう可能性がある。   On the other hand, when the baking temperature is lower than 550 ° C., the diffusion electrode is not sufficiently bonded between the end portion of the internal electrode 2 and the external electrode 4, so that the neck portion is not formed, and the internal electrode 2 and the external electrode are not driven. There is a possibility of causing a spark between the electrodes 4.

なお、銀ガラス導電性ペーストのシートの厚みは、圧電体1の厚みよりも薄いことが望ましい。さらに好ましくは、アクチュエータの伸縮に追従するという点から、50μm以下がよい。   Note that the thickness of the silver glass conductive paste sheet is preferably thinner than the thickness of the piezoelectric body 1. More preferably, it is 50 μm or less from the viewpoint of following the expansion and contraction of the actuator.

次に、外部電極4を形成した積層体10をシリコーンゴム溶液に浸漬するとともに、シリコーンゴム溶液を真空脱気することにより、積層体10の溝内部にシリコーンゴムを充填し、その後シリコーンゴム溶液から積層体10を引き上げ、積層体10の側面にシリコーンゴムをコーティングする。その後、溝内部に充填、及び積層体10の側面にコーティングした前記シリコーンゴムを硬化させる。   Next, the laminated body 10 on which the external electrode 4 is formed is immersed in a silicone rubber solution, and the silicone rubber solution is vacuum degassed to fill the groove of the laminated body 10 with silicone rubber. The laminated body 10 is pulled up, and silicone rubber is coated on the side surface of the laminated body 10. Thereafter, the silicone rubber filled in the groove and coated on the side surface of the laminate 10 is cured.

その後、外部電極4にリード線を接続することにより本発明の積層型圧電素子が完成する。   Thereafter, a lead wire is connected to the external electrode 4 to complete the multilayer piezoelectric element of the present invention.

そして、リード線を介して一対の外部電極4に0.1〜3kV/mmの直流電圧を印加し、積層体4を分極処理することによって、製品としての積層型圧電アクチュエータが完成し、リード線を外部の電圧供給部に接続し、リード線及び外部電極4を介して内部電極2に電圧を印加させれば、各圧電体1は逆圧電効果によって大きく変位し、これによって例えばエンジンに燃料を噴射供給する自動車用燃料噴射弁として機能する。   Then, a direct current voltage of 0.1 to 3 kV / mm is applied to the pair of external electrodes 4 via the lead wires, and the laminated body 4 is subjected to polarization treatment, thereby completing a laminated piezoelectric actuator as a product. Is connected to an external voltage supply unit, and a voltage is applied to the internal electrode 2 via the lead wire and the external electrode 4, the piezoelectric bodies 1 are greatly displaced by the inverse piezoelectric effect, thereby supplying fuel to the engine, for example. It functions as a fuel injection valve for automobiles that supply fuel.

以上のように構成された積層型圧電素子は、内部電極2の剛性が高くなり、また、接合強度が向上するので、内部電極での変位量の吸収を少なくき、更に連続駆動させても、デラミネーションが発生しないので、変位量が実効的に変化せず、ゆえに、装置が誤作動することなく、高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。   The laminated piezoelectric element configured as described above increases the rigidity of the internal electrode 2 and improves the bonding strength, so that the amount of displacement absorbed by the internal electrode is reduced, and even when continuously driven, Since delamination does not occur, the amount of displacement does not change effectively. Therefore, a highly reliable piezoelectric actuator can be provided without malfunctioning the device.

本発明の積層型圧電素子はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。   The multilayer piezoelectric element of the present invention is not limited to these, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

また、上記例では、柱状積層体10の対向する側面に外部電極4を形成した例について説明したが、本発明では、例えば隣設する側面に一対の外部電極を形成してもよい。   Moreover, although the example which formed the external electrode 4 in the side surface which the columnar laminated body 10 opposes was demonstrated in the said example, in this invention, you may form a pair of external electrode in the side surface provided adjacently, for example.

また、本発明は、積層型圧電素子および噴射装置に関するものであるが、上記実施例に限定されるものではなく、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止装置等に搭載される駆動素子、ならびに燃焼圧センサ、ノックセンサ、加速度センサ、荷重センサ、超音波センサ、感圧センサ、ヨーレートセンサ等に搭載されるセンサ素子、ならびに圧電ジャイロ、圧電スイッチ、圧電トランス、圧電ブレーカー等に搭載される回路素子以外であっても、圧電特性を用いた素子であれば、用いることが可能であることは言うまでもない。   Further, the present invention relates to a multilayer piezoelectric element and an injection device, but is not limited to the above-described embodiments. For example, a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an ink jet, an optical device, etc. Drive elements mounted on precision positioning devices and vibration prevention devices, as well as sensor elements mounted on combustion pressure sensors, knock sensors, acceleration sensors, load sensors, ultrasonic sensors, pressure sensors, yaw rate sensors, and piezoelectric gyroscopes Needless to say, even a circuit element other than a circuit element mounted on a piezoelectric switch, a piezoelectric transformer, a piezoelectric breaker, or the like can be used as long as the element uses piezoelectric characteristics.

実施例
本発明の積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。
Example A multilayer piezoelectric actuator comprising the multilayer piezoelectric element of the present invention was produced as follows.

まず、柱状積層体を作製した。圧電体は厚み150μmのチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO−PbTiO)、で形成し、これに、内部電極は厚み3μmにて形成し、圧電体及び内部電極の各々の積層数は300層とした。内部電極には、表1に示すような金属(例えば90Ag−10Pd)とセラミック等の粉末の混合物を用いた。セラミック等の粉末の粒径は、1.5μm以下の柱を成す粒子はアスペクト比が3以下のものを用いた。その後、積層体は400〜700℃で脱脂した後、850℃で20分保持した後に1000℃保持し焼結体を得た。内部電極の金属組成物がNiの場合は、積層体は400〜700℃で脱脂した後、1050℃で20分保持した後に1200℃保持し焼結体を得た。 First, a columnar laminate was produced. The piezoelectric body is formed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 —PbTiO 3 ) having a thickness of 150 μm, and the internal electrodes are formed with a thickness of 3 μm. The number of stacked piezoelectric bodies and internal electrodes is 300 layers. did. As the internal electrode, a mixture of metal (for example, 90Ag-10Pd) as shown in Table 1 and powder such as ceramic was used. The particle diameter of a powder such as ceramic was 1.5 μm or less, and particles having an aspect ratio of 3 or less were used. Thereafter, the laminate was degreased at 400 to 700 ° C., held at 850 ° C. for 20 minutes, and then held at 1000 ° C. to obtain a sintered body. When the metal composition of the internal electrode was Ni, the laminate was degreased at 400 to 700 ° C., held at 1050 ° C. for 20 minutes, and then held at 1200 ° C. to obtain a sintered body.

その後、ダイシング装置により柱状積層体の側面の内部電極の端部に一層おきに深さ50μm、幅50μmの溝を形成した。   Thereafter, a groove having a depth of 50 μm and a width of 50 μm was formed at every other end of the internal electrode on the side surface of the columnar laminate by a dicing apparatus.

次に、平均粒径2μmのフレーク状の銀粉末を90体積%と、残部が平均粒径2μmのケイ素を主成分とする軟化点が640℃の非晶質のガラス粉末10体積%との混合物に、バインダーを銀粉末とガラス粉末の合計重量100質量部に対して8質量部添加し、十分に混合して銀ガラス導電性ペーストを作製した。このようにして作製した銀ガラス導電性ペーストを離型フィルム上にスクリーン印刷によって形成し、乾燥後、離型フィルムより剥がして、銀ガラス導電性ペーストのシートを得た。このシートの生密度をアルキメデス法にて測定したところ、6.5g/cmであった。 Next, a mixture of 90% by volume of flaky silver powder having an average particle diameter of 2 μm and 10% by volume of amorphous glass powder having a remaining softening point of 640 ° C. mainly composed of silicon having an average particle diameter of 2 μm. In addition, 8 parts by mass of the binder was added to 100 parts by mass of the total weight of the silver powder and the glass powder, and mixed sufficiently to prepare a silver glass conductive paste. The silver glass conductive paste thus produced was formed on a release film by screen printing, dried and then peeled off from the release film to obtain a sheet of silver glass conductive paste. The raw density of this sheet was measured by the Archimedes method and found to be 6.5 g / cm 3 .

次に、前記銀ガラスペーストのシートを柱状積層体の外部電極面に転写し、650℃で30分焼き付けを行い、3次元網目構造をなす多孔質導電体からなる外部電極を形成した。なお、この時の外部電極の空隙率は、外部電極の断面写真を画像解析装置を用いて測定したところ40%であった。   Next, the silver glass paste sheet was transferred to the external electrode surface of the columnar laminate, and baked at 650 ° C. for 30 minutes to form an external electrode made of a porous conductor having a three-dimensional network structure. The porosity of the external electrode at this time was 40% when a cross-sectional photograph of the external electrode was measured using an image analyzer.

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に示すような積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータを作製した。   Thereafter, a lead wire is connected to the external electrode, a 3 kV / mm DC electric field is applied to the positive electrode and the negative external electrode via the lead wire for 15 minutes to perform polarization treatment, and the laminated piezoelectric element as shown in FIG. A multilayer piezoelectric actuator made of

得られた積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータに170Vの直流電圧を印加し、それぞれの試料における変位量を測定し、そのばらつきを計算して、表1に示した。さらに、この積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータに室温で0〜+170Vの交流電圧を150Hzの周波数にて印加し駆動試験を行った。   A DC voltage of 170 V was applied to the obtained multilayer piezoelectric actuator composed of the multilayer piezoelectric element, the displacement amount in each sample was measured, and the variation was calculated and shown in Table 1. Further, a driving test was performed by applying an AC voltage of 0 to +170 V at a room temperature to a multilayer piezoelectric actuator composed of the multilayer piezoelectric element at a frequency of 150 Hz.

駆動回数が1×10回に達した積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータに170V印加の直流電圧を印可し、それぞれの試料における変位量を測定し、駆動試験前後の変位量の変化を算出した。計算は、駆動試験前の変位量を分子とし、駆動試験後の変位量を分母とし、これに100を乗じて%で表した。 A DC voltage of 170 V is applied to the laminated piezoelectric actuator composed of laminated piezoelectric elements that have been driven 1 × 10 9 times, the amount of displacement in each sample is measured, and the change in the amount of displacement before and after the driving test is measured. Calculated. In the calculation, the displacement amount before the driving test was used as a numerator, the displacement amount after the driving test was used as a denominator, and this was multiplied by 100 and expressed in%.

尚、内部電極を貫き圧電体間をつなぐ柱の径、個数は、下記のようにして測定した。   In addition, the diameter and the number of the pillars that penetrate the internal electrodes and connect the piezoelectric bodies were measured as follows.

接合部分が最大径の50%以上である柱の割合については、図2のように積層型圧電素子の内部電極2付近の断面写真において1mmの長さを測定し、各柱20について最大径A、柱20と圧電体1の接合部分22の径Bを測定し、(B/A)×100の計算をして、柱20の最大径Aと柱20と圧電体1との接合部分22の径Bの割合を求めた。そして、その値が50%以上のものが測定した数の何%あるかを計算した。このようなことを、10箇所行って平均を取って数値として表した。また、柱の最小径は、上記と同様の測定で行った。また測定は10箇所で行った。   As for the ratio of the columns where the joint portion is 50% or more of the maximum diameter, a length of 1 mm is measured in a cross-sectional photograph near the internal electrode 2 of the multilayer piezoelectric element as shown in FIG. The diameter B of the joint portion 22 between the pillar 20 and the piezoelectric body 1 is measured, and the calculation of (B / A) × 100 is performed, and the maximum diameter A of the pillar 20 and the joint portion 22 between the pillar 20 and the piezoelectric body 1 are calculated. The ratio of the diameter B was determined. Then, it was calculated how many percent of the measured values had a value of 50% or more. Such a thing was performed 10 places and the average was taken and expressed as a numerical value. The minimum diameter of the column was measured by the same measurement as described above. Moreover, the measurement was performed at 10 places.

以上の結果及び内部電極の材質、圧電体と柱との熱膨張差等を表1に示した。

Figure 2005129871
Table 1 shows the above results, the material of the internal electrode, the difference in thermal expansion between the piezoelectric body and the column, and the like.
Figure 2005129871

内部電極を貫き、内部電極を挟んで対向する圧電体をつなぐ柱を設けた本発明品の試料No.1〜25は、初期の変位量のばらつきは10%以下で、比較例(No.26)に比べて小さかった。また、連続耐久試験後の変位量の変化も5%以下と小さく、比較例に比べ信頼性及び耐久性に優れることがわかった。   Sample No. of the product of the present invention provided with a pillar that penetrates the internal electrode and connects the opposing piezoelectric bodies across the internal electrode. In Nos. 1 to 25, the initial displacement variation was 10% or less, which was smaller than that of the comparative example (No. 26). Moreover, the change of the displacement amount after the continuous durability test was as small as 5% or less, and it was found that the reliability and durability were excellent as compared with the comparative example.

特に接合部分が最大径の50%以上である柱の個数が30%以上の場合である試料No.2〜25は、初期の変位量のばらつきが8%以下、連続耐久試験後の変位量の変化も4%以下と更に小さく、信頼性及び耐久性が更に優れることがわかった。   In particular, sample no. In Nos. 2 to 25, it was found that the variation in the initial displacement amount was 8% or less and the change in the displacement amount after the continuous durability test was 4% or less, which further improved reliability and durability.

更に接合部分が最大径の50%以上である柱の個数が50%以上、柱の最小径の平均値が0.2μmの場合である試料No.3〜5及び7〜25は、初期の変位量のばらつきが7%以下と更に小さく、信頼性が更に優れることがわかった。   Furthermore, Sample No. in which the number of columns having a joint portion of 50% or more of the maximum diameter is 50% or more and the average value of the minimum diameter of the columns is 0.2 μm. 3 to 5 and 7 to 25 were found to have an even smaller initial variation of 7% or less and further improved reliability.

一方、本発明の範囲外である柱を設けていない試料No.26は、初期の変位量のばらつきが20%と悪くまた、連続耐久試験後の変位量の変化も10%と悪く、信頼性及び耐久性において本発明品に比べ劣っていた。   On the other hand, Sample No. which is not provided with a column which is outside the scope of the present invention. No. 26 had a poor initial displacement variation of 20%, and the displacement change after the continuous durability test was also 10%, which was inferior to the product of the present invention in terms of reliability and durability.

本発明の積層型圧電素子は、圧電トランスに利用できる。また、本発明の積層型圧電素子は、自動車用燃料やインクジェットプリンタのインク等の噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止用の駆動素子等に用いられる積層型圧電アクチュエータに利用できる。さらに、燃焼圧センサ、ノックセンサ、加速度センサ、荷重センサ、超音波センサ、感圧センサ、ヨーレートセンサ等に搭載されるセンサ素子、ならびに圧電ジャイロ、圧電スイッチ、圧電トランス、圧電ブレーカー等に搭載される回路素子に用いられる積層型圧電素子に利用できる。   The multilayer piezoelectric element of the present invention can be used for a piezoelectric transformer. In addition, the multilayer piezoelectric element of the present invention can be used in multilayer piezoelectric actuators used in fuel injectors for automobiles, ink jet printer ink ejectors, precision positioning devices such as optical devices, vibration preventing drive elements, and the like. Furthermore, it is mounted on sensor elements mounted on combustion pressure sensors, knock sensors, acceleration sensors, load sensors, ultrasonic sensors, pressure sensitive sensors, yaw rate sensors, etc., and piezoelectric gyros, piezoelectric switches, piezoelectric transformers, piezoelectric breakers, etc. It can be used for a laminated piezoelectric element used for a circuit element.

本発明の積層型圧電素子を示すもので、(a)は斜視図、(b)は側面図である。The laminated piezoelectric element of this invention is shown, (a) is a perspective view, (b) is a side view. 本発明の積層型圧電素子の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of laminated piezoelectric element of this invention. 外部電極の外面に導電性補助部材を形成した積層型圧電素子を示すもので、(a)は斜視図、(b)断面図である。2A and 2B show a laminated piezoelectric element in which a conductive auxiliary member is formed on the outer surface of an external electrode. FIG. 1A is a perspective view, and FIG. 本発明の噴射装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the injection apparatus of this invention. 従来の積層型圧電アクチュエータの側面図である。It is a side view of a conventional multilayer piezoelectric actuator.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・圧電体
2・・・内部電極
3・・・絶縁体
4・・・外部電極
6・・・リード線
7・・・導電性補助部材
9・・・不活性層
10・・・積層体
20・・・柱
22・・・柱と圧電体の接合部分
31・・・収納容器
33・・・噴射孔
35・・・バルブ
43・・・圧電アクチュエータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric body 2 ... Internal electrode 3 ... Insulator 4 ... External electrode 6 ... Lead wire 7 ... Conductive auxiliary member 9 ... Inactive layer 10 ... Lamination | stacking Body 20 ··· Column 22 ··· Joint portion 31 of column and piezoelectric body ··· Storage container 33 ··· Injection hole 35 ··· Valve 43 ··· Piezoelectric actuator

Claims (15)

圧電体と内部電極とを交互に積層してなる積層体を有し、該積層体の側面に前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、前記内部電極を貫き、この内部電極を挟んで対向する圧電体をつなぐ柱を設けたことを特徴とする積層型圧電素子。 A laminated body in which piezoelectric bodies and internal electrodes are alternately laminated; and a pair of external electrodes in which the internal electrodes are alternately connected on every other side of the laminated body. A laminated piezoelectric element driven by applying a layer, wherein a pillar is provided through the internal electrode to connect the opposing piezoelectric bodies with the internal electrode interposed therebetween. 上記柱と圧電体の接合部分の径が柱の最大径の50%以上であるものの個数が全体の30%以上を占めることを特徴とする請求項1記載の積層型圧電素子。 2. The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the number of the joints between the pillars and the piezoelectric body is 50% or more of the maximum diameter of the pillars occupies 30% or more. 上記柱の最小径の平均値が0.2μm以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の積層型圧電素子。 The multilayer piezoelectric element according to claim 1 or 2, wherein an average value of minimum diameters of the pillars is 0.2 µm or more. 上記柱が1mm当り5〜150本存在することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の積層型圧電素子。 4. The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein there are 5 to 150 columns per mm. 上記柱と圧電体との熱膨張差が3×10−5/℃以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の積層型圧電素子。 5. The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein a difference in thermal expansion between the column and the piezoelectric body is 3 × 10 −5 / ° C. or less. 上記柱が圧電体と同じ材料からなることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の積層型圧電素子。 6. The stacked piezoelectric element according to claim 1, wherein the pillar is made of the same material as that of the piezoelectric body. 上記内部電極中の金属組成物がVIII族金属及び/又はIb族金属を主成分とすることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の積層型圧電素子。 7. The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the metal composition in the internal electrode contains a Group VIII metal and / or a Group Ib metal as a main component. 上記内部電極中のVIII族金属の含有量をM1(重量%)、Ib族金属の含有量をM2(重量%)としたとき、0.001≦M1≦15、85≦M2≦99.999、M1+M2=100を満足することを特徴とする請求項7記載の積層型圧電素子。 When the content of the Group VIII metal in the internal electrode is M1 (wt%) and the content of the Group Ib metal is M2 (wt%), 0.001 ≦ M1 ≦ 15, 85 ≦ M2 ≦ 99.999, The multilayer piezoelectric element according to claim 7, wherein M1 + M2 = 100 is satisfied. 前記VIII族金属がNi、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Osの内少なくとも一種以上であり、前記Ib族金属がCu、Ag、Auの内少なくとも一種以上であることを特徴とする請求項7乃至8のいずれかに記載の積層型圧電素子。 The group VIII metal is at least one of Ni, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, and Os, and the group Ib metal is at least one of Cu, Ag, and Au. The multilayer piezoelectric element according to any one of 7 to 8. 前記VIII族金属がPt、Pdの内少なくとも一種以上であり、前記Ib族金属がAg、Auの内少なくとも一種以上であることを特徴とする請求項7乃至9のいずれかに記載の積層型圧電素子。 The laminated piezoelectric material according to any one of claims 7 to 9, wherein the Group VIII metal is at least one of Pt and Pd, and the Group Ib metal is at least one of Ag and Au. element. 前記VIII族金属がNiであり、Ib族金属がCuであることを特徴とする請求項7乃至9のいずれかに記載の積層型圧電素子。 The multilayer piezoelectric element according to claim 7, wherein the group VIII metal is Ni and the group lb metal is Cu. 前記圧電体がペロブスカイト型酸化物を主成分とすることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の積層型圧電素子。 The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric body contains a perovskite oxide as a main component. 前記圧電体がPbZrO−PbTiOからなるペロブスカイト型酸化物を主成分としたものであることを特徴とする請求項12記載の積層型圧電素子。 13. The multilayer piezoelectric element according to claim 12, wherein the piezoelectric body contains a perovskite oxide composed of PbZrO 3 —PbTiO 3 as a main component. 前記積層体の側面に端部が露出する前記内部電極と端部が露出しない前記内部電極とが交互に構成されており、前記端部が露出していない前記内部電極と前記外部電極間の圧電体部分に溝が形成されており、前記溝に前記圧電体よりもヤング率の低い絶縁体が充填されていることを特徴とする請求項1乃至13のいずれかに記載の積層型圧電素子。 The internal electrode whose end is exposed on the side surface of the laminate and the internal electrode whose end is not exposed are alternately configured, and the piezoelectric element between the internal electrode and the external electrode where the end is not exposed. 14. The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein a groove is formed in a body portion, and the groove is filled with an insulator having a Young's modulus lower than that of the piezoelectric body. 噴射孔を有する収納容器と、該収納容器内に収容された請求項1乃至14のうちいずれかに記載の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を噴出させるバルブとを具備してなることを特徴とする噴射装置。 A storage container having an injection hole, the laminated piezoelectric element according to any one of claims 1 to 14 accommodated in the storage container, and liquid is ejected from the injection hole by driving the multilayer piezoelectric element. An injection device comprising a valve.
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