JP2000150977A

JP2000150977A - 圧電素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2000150977A
Application number: JP10314310A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Hayashibara; 光男林原; Tomio Ishida; 富雄石田; Hideo Suzuki; 秀夫鈴木; Osamu Shiono; 修塩野; Motoyuki Miyata; 素之宮田; Seiji Watabiki; 誠次綿引; Minoru Osuga; 大須賀　　稔; Takuya Shiraishi; 拓也白石; Yoshiyuki Tanabe; 好之田辺; Yasuhisa Hamada; 泰久濱田
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1998-11-05
Filing date: 1998-11-05
Publication date: 2000-05-30

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】インジェクタにおいて大きなダイナミックレン
ジを実現できる圧電素子を提供する。【解決手段】圧電材料体１の積層方向に垂直な面の全面
に電極を形成した素子において、圧電材料と内部電極２
からなる焼結体を圧電材料体の積層方向に複数個接合し
た一体物に、内部電極の一辺を覆う電気絶縁層３を設
け、該電気絶縁層の存在しない辺で内部電極２と外部電
極４とを電気的に接合し、外部電極もしくは外部電極に
電気的に繋がる部分にリード線５を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はインジェクタ，位置
決め用アクチュエータ，インクジェットプリンタ等で用
いられる圧電素子に関し、特に自動車用のインジェクタ
に適した圧電素子の構造とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子の用途は広く、それぞれの用途
にあった素子が開発されている。その中で、比較的大き
な変位（ストローク）を実現できる圧電素子に関する従
来技術として、圧電的不活性部を有する内部電極構造の
サブユニットを複数個積み重ねた圧電素子が、特開平4
−167580 号公報に記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】自動車用のインジェク
タとして、圧電素子によって直接的に弁の開閉を行う直
動式インジェクタが、高速応答を実現できるものとして
有望視されている。このインジェクタにおいては、圧電
素子の応答特性を弁動作に直接反映できるという利点は
あるものの、圧電素子には大きなストロークが要求され
る。しかし、従来技術の圧電的不活性部を有するサブユ
ニットを積層した構造では、以下の問題が生じる。

【０００４】インジェクタの性能を示す指標であるダイ
ナミックレンジ（最大流量／最小流量）は２.５〜３.５
であり、この値は、年々厳しくなっている要求値(＞６.
０）を満たすことができない。さらに、インジェクタを
連続駆動させると、圧電素子が破損するという問題も生
じる。

【０００５】近年の環境問題に対する意識の高まりか
ら、インジェクタに対する要求は年々厳しくなってお
り、従来の電磁式インジェクタでは対応が困難とされて
いる。そのため、大きなダイナミックレンジを有するイ
ンジェクタの開発は急務の課題である。

【０００６】そこで、本発明の第１の目的は、インジェ
クタに好適な高速応答性を有する圧電素子を提供するこ
とである。

【０００７】本発明の第２の目的は、十分な機械的強度
を有する圧電素子を提供することである。

【０００８】本発明の第３の目的は、高速応答性と十分
な機械的強度を有する圧電素子の製造方法を提供するこ
とである。

【０００９】本発明の第４の目的は、大きなダイナミッ
クレンジを有し、圧電素子の健全性を保持できるインジ
ェクタを提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、圧電材
料体と該圧電材料体に電圧を印加する内部電極を有する
圧電素子チップを、複数積層した圧電素子ブロックを接
合層を介して複数接合した圧電素子であって、前記内部
電極は、前記圧電材料体の積層方向に垂直な断面を覆う
ように形成され、前記圧電素子の側面に露出した内部電
極の一部に電気絶縁層が設けられ、前記露出した内部電
極の他の部分において、外部電極に接続され、前記外部
電極に接続されたリード線を有することである。

【００１１】ここで、複数積層した圧電素子ブロックと
は、２個以上の圧電素子チップを有し、通常は１０個以
上の圧電素子チップを有することが望ましい。更に、５
０個から２００個の圧電素子チップを有することが望ま
しく、更に１００個前後程度の個数の圧電素子チップを
有することが望ましい。また、隣接する圧電素子チップ
の間にある内部電極は両者で兼用することも可能であ
る。更に、圧電素子チップの積層方向の厚みはチップに
印加する電圧を２００Ｖとすると、１５０μｍ以下が望
ましい。一方、絶縁破壊を避けるためには６０μｍ以
上、特に７０μｍ以上が望ましい。

【００１２】また、２個以上の圧電素子ブロックを用い
るが、望ましくは、４個から６個の圧電素子ブロックを
接合層を介して接合する。

【００１３】また、製造容易性から、圧電素子の断面形
状は、正方形又は長方形とすることが望ましい。

【００１４】以下、本願発明の他の特徴を述べる。

【００１５】第１の目的を達成する第１の特徴は、圧電
材料体の積層方向に垂直な面の全面に電極を形成した圧
電素子を、圧電材料体と内部電極からなる焼結体を圧電
材料体の積層方向に複数個接合した一体物に内部電極の
一辺を覆う電気絶縁層を設け、該電気絶縁層の存在しな
い辺で内部電極と外部電極とを電気的に接合し、外部電
極もしくは外部電極に電気的に繋がる部分にリード線を
設けた圧電素子とすることである。

【００１６】第１の目的を達成する第２の特徴は、第１
の目的を達成する第１の特徴において、接合層の厚さを
以下の関係にすることである。

【００１７】（Ｌ２×Ｙ１）／（Ｌ１×Ｙ２）＜０.２Ｌ１：圧電素子チップの厚さの和（mm）Ｌ２：接合層の厚さの和（mm）Ｙ１：圧電材料体のヤング率（Ｎ／mm²）Ｙ２：接合材料のヤング率（Ｎ／mm²）第１の目的を達成する第３の特徴は、第１の目的を達成
する第１の特徴において、接合層と圧電材料体との間に
内部電極層を設け、該接合層の一辺に電気絶縁層を設
け、該絶縁層の存在しない辺で内部電極層および該接合
層と外部電極とを電気的に接合し、外部電極もしくは外
部電極に電気的に繋がる部分にリード線を設けることで
ある。

【００１８】第１の目的を達成する第４の特徴は、第１
の目的を達成する第１の特徴において、圧電材料体（圧
電素子チップ）を接合する接合材料として、導電性の接
着剤を用い、該接合層の一辺に電気絶縁層を設け、該絶
縁層の存在しない辺で該接合層と外部電極とを電気的に
接合し、外部電極もしくは外部電極に電気的に繋がる部
分にリード線を設けることである。

【００１９】第１の目的を達成する第５の特徴は、第１
の目的を達成する第１の特徴において、リード線の取り
出し部を圧電素子の１つの側面にのみ設けることであ
る。

【００２０】第１の目的を達成する第６の特徴は、電気
的に並列に接続された圧電材料体（圧電素子チップ）を
積層した圧電素子を、定常時の最大変位量が４０μｍ以
上で、立ち上がり時間（素子先端が素子に電圧を印加し
ていない状態での力学的平衡位置から、定常時の変位点
に至るまでの時間）と、立ち上がりの逆過程である立ち
下がりの時間との平均値が０.１６ｍｓ以下であり、電
圧印加時の立ち上がりあるいは立ち下がり時に見られる
変位のリンギング（オーバーシュート，アンダーシュー
ト）が、定常時の最大変位量に対して３０％以下とする
ことである。第１の目的を達成する第７の特徴は、第１
の目的を達成する第６の特徴において、前記圧電素子が
圧電材料体の積層方向に垂直な面の全面に電極を形成し
た素子であり、圧電材料体と内部電極で構成された焼結
体に内部電極の辺の一部を覆う電気絶縁層を設け、該絶
縁層の存在しない辺で内部電極と外部電極とを電気的に
接合し、外部電極もしくは外部電極に電気的に繋がる部
分にリード線を設けることである。

【００２１】第２の目的を達成する第１の特徴は、第１
の目的を達成する第１の特徴において、接合層面積を圧
電材料体（圧電素子チップ）の積層方向に垂直な面（圧
電材料体の接合層側の面）の面積よりも小さくする、接
合層側の面の周端部で接合する、接合層を点在させる、
あるいは接合層をストライプ状にすることである。

【００２２】第２の目的を達成する第２の特徴は、第１
の目的を達成する第１の特徴において、圧電材料体と内
部電極からなる焼結体を接合する接合層の両側に、該圧
電材料体とは圧電特性の異なる層を設けることである。

【００２３】第３の目的を達成する特徴は、圧電材料の
グリーンシートに内部電極を印刷し、それを複数枚積層
加圧し、脱バインダーおよび焼成を行って得られた焼結
体を圧電材料体の積層方向に接合し、この接合層も含め
た一体物に、内部電極の一辺を覆う電気絶縁層を設け、
該絶縁層の存在しない辺で内部電極と外部電極とを電気
的に接合し、外部電極もしくは外部電極に電気的に繋が
る部分にリード線を設けることである。

【００２４】第４の目的を達成する第１の特徴は、第１
の目的を達成する第１の特徴に記載の圧電素子を有し、
以下の関係で規定されるジョイントを介して、プランジ
ャーを駆動させるインジェクタとすることである。

【００２５】｜((αｃ−αｐ）×Ｌｐ−(αｊ−αｃ)×
Ｌｊ)／Ｌｐ｜＜１×１０^-5 αｃ：インジェクタのケーシングの熱膨張率（１／Ｋ） αｐ：圧電素子の熱膨張率（１／Ｋ）Ｌｐ：圧電素子の長さ（mm） αｊ：ジョイントの熱膨張率（１／Ｋ）Ｌｊ：ジョイントの長さ（mm）第４の目的を達成する第２の特徴は、第４の目的を達成
する第１の特徴において、圧電素子の先端の少なくとも
一方に、半球状の支持部材を設け、この部材を通して圧
電素子の変位（または力）をインジェクタ構成部材に伝
達する構造とすることである。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本願発明の望ましい実施形
態を示すが、本願発明は、これらに限定されるものでは
なく、その技術思想の範囲内において、種々の変形が可
能である。

【００２７】本発明の実施例を図１に示す。これは、圧
電材料体１の積層方向に垂直な面の全面を覆うように内
部電極２を形成し、圧電素子チップとする。圧電作用を
生じさせるためには圧電材料体１を内部電極２で挟む構
造とする。内部電極２は、圧電作用が半導体チップ断面
にほぼ均等に生じる程度に圧電材料体１を被覆すれば良
い。すなわち、実質的に全面を覆えば良い。圧電材料体
１と内部電極２からなる複数の圧電素子チップを一ブロ
ックとして、２個のブロックを接合層８によって接合し
たものである。一ブロック内では、隣接する圧電素子チ
ップで、内部電極２を共用しても良い。図１では一ブロ
ック内に圧電材料体１と内部電極２からなる圧電素子チ
ップは、３個形成されている。一ブロック内の両側の最
も外側の圧電材料体１は、内側のみ内部電極を有するの
で、圧電作用に貢献しない。すなわち、最も外側の圧電
材料体１は、圧電的に不活性な部分であり、絶縁体とし
て作用する。よって、必ずしも他の圧電材料体１と同じ
厚みは不要であり、薄くてもよい。同じ厚みの場合は、
異なる厚みとする工程が不要ゆえ、製造工程が簡易化さ
れる利点がある。また、内部電極２の周囲の一部には、
電気絶縁層３を設けた。図１では、１つの内部電極２毎
に、上下の外部電極４との間に形成される。電気絶縁層
３が存在しない内部電極２の周囲の他の部分において、
内部電極２と外部電極４とを電気的に接合し、外部電極
４にリード線５を設けたものである。本実施例では、接
合層８は１つであるが、ブロックを３つ以上接合する場
合は、接合層８の数も２以上になる。

【００２８】具体的な製造方法を以下に示す。まず、圧
電材料体１と内部電極２からなる焼結体をつくるため
に、圧電材料（ＰＺＴあるいはビスマス層状化合物等）
およびバインダーからなるグリーンシートを作製し、こ
れに電極を印刷する。電極材料としては、Ａｇ−Ｐｄ合
金，白金等を用いる。次に電極材を印刷したグリーンシ
ートを積層・加圧して図２（ａ）に示す圧電材料体１と
内部電極２からなる積層体を作製する。個々の圧電材料
体１と内部電極２との合計の厚みは、圧電素子チップの
積層方向の厚みはチップに印加する電圧を２００Ｖとす
ると、１５０μｍ以下が望ましい。一方、絶縁破壊を避
けるためには６０μｍ以上、特に７０μｍ以上が望まし
い。そして、この積層体を図２（ｂ）に示す形状（例え
ば短辺を１０mm程度の長方形の断面を有する長方体に）
加工する。この工程は、図２(ａ)の状態のままで焼成す
ると、積層体中央部からバインダーが抜けず、均質な焼
結体ができない、あるいは中心部と周辺部で粒成長の度
合いが異なり、圧電素子の性能，強度的な問題が生じる
ためである。次に、この積層体の脱バインダー，本焼き
を行い、図２（ｃ）の様な角柱状（断面は長方形又は正
方形）に切断する。そして、図３（ａ)，(ｂ）で示す様
に、接合層８を介してこのブロックを接合し、積層焼結
体を作製する。最後に図３（ｃ）に示す様な電気絶縁層
３，内部電極７と外部電極４とを形成し、外部電極４に
リード線５を取付ける。

【００２９】この素子の応答性を図４に示す試験器を用
いて測定した。これは、圧電素子２０をケーシング２
４，支持台２５の内部に配置し、バネ２３で押さえた時
の変位を光ファイバー方式の変位センサ２１および変位
計２２で検出する試験器である。図５が測定結果で、バ
ネ定数を１５（ｋＮ／ｍ）以上にすることにより、イン
ジェクタの駆動で要求される応答性が得られることがわ
かった。

【００３０】ここで、実施例（本発明に基づいた素子）
と従来素子との比較結果を述べる。従来素子として図６
および図７に示すサブユニット接合型と圧電チップ接合
型の素子（いずれも定常時の変位：＞４０μｍ）を用い
て、図４の試験器により電圧信号に対する素子変位の応
答時間を測定した。

【００３１】図８は応答時間がほぼ飽和した１０Ａ（圧
電素子へ流れる最大電流）での実験結果を示し、従来素
子はいずれも本実施例に比べ応答性が劣った。

【００３２】これは以下の理由による。サブユニット接
合型の従来素子の場合、圧電材料体１１の断面周辺部に
は内部電極１２に覆われていない領域が存在する。その
ため、電圧を印加し、素子を伸長させると、サブユニッ
ト５０が太鼓状に変形し、構造部材となる外部電極１３
を引き伸ばす。

【００３３】圧電素子は素子が受ける荷重（〜数kg）に
比べて大きな力（〜８０kg）を有することから、伸長時
は圧電材料本来の応答性を得やすい。一方、最大変位状
態から元へ戻る、立ち下がりの場合は、圧電材料体１１
が収縮しても、構造部材となる外部電極１３の収縮が遅
い。そのため十分な応答性が得られない。

【００３４】また、チップ接合型の素子は、圧電材料体
１４，接合層１５および内部電極１６からなる構造物の
側面に、電気絶縁層１７と外部電極１８を装着したもの
で、一般に接合層１５の厚さが素子全体の約１％を占め
る。圧電素子の変位量は０.０７％程度であることか
ら、接合層が言わばクッションの役割を果たし、このた
め十分な応答性が得られなかったと考えられる。

【００３５】また、従来素子においては、定格変位量に
対して５０％以上のリンギング（変位のオーバーシュー
トあるいはアンダーシュート）が発生することもあっ
た。

【００３６】リンギングはインジェクタの信号と噴射量
との関係に影響を与え、ダイナミックレンジを悪くす
る。そこで、リンギングの影響のでない条件を明らかに
するため、接合層の厚さの異なる素子を試作し、リンギ
ング量を測定した。

【００３７】その結果、接合層のトータル厚さ（各接合
層の厚みの和）を素子の長さの１／２００にした場合の
リンギングは約５０％、接合層を１／５００にした場合
は約３０％となり、接合層の割合を小さくするとリンギ
ングが小さくなることがわかった。

【００３８】本実施例の素子では有機系の接着剤を用い
たが、無機系接着剤で接合した場合についても同様に検
討を行い、インジェクタにとってリンギングが問題にな
らない圧電素子の条件として、以下に示す条件式を見出
した。

【００３９】（Ｌ２×Ｙ１）／（Ｌ１×Ｙ２）＜０.２Ｌ１：素子長さ（mm）Ｌ２：接合層の厚さの和（mm）Ｙ１：圧電材料体のヤング率（Ｎ／mm²）Ｙ２：接合材料のヤング率（Ｎ／mm²）また、接合層の断面積も考慮した、より厳密な条件式と
して次式を見出した。（Ｌ２×Ｙ１／ａ２）／（Ｌ１×Ｙ２／ａ１）＜０.２ａ１：圧電素子断面積（mm²）ａ２：接合断面積（mm²）次に、図９に本発明による別の実施例を示す。これは、
接合層３１と圧電材料体３３の間に内部電極３２を設
け、接合層３１の一辺に電気絶縁層３５を設け、電気絶
縁層３５の存在しない辺において、内部電極３２と外部
電極３４とを電気的に接合したものである。本実施例の
場合、接合層３１に隣接する圧電材料体３３にも電場を
形成することが可能であることから、図１の素子と同一
長さで比べた場合、本実施例の素子の方が大きな変位を
得ることができる。

【００４０】図１０は導電性の接着剤により接合層３７
を形成し、接合層３７を介して圧電材料体３３を接合
し、電気絶縁層３８と外部電極３４とを形成した素子を
示す実施例である。この場合も圧電的に不活性な部分を
少なくできることから、図９の実施例と同様に大きな変
位を得ることができる。

【００４１】図１１は圧電材料体６，内部電極７，接合
層８等からなるブロックの１つの側面に、外部電極９を
設けたもので、図のＡ−Ａ′断面とＢ−Ｂ’断面におけ
る電気絶縁層３の位置を互い違いにしたものである。本
実施例の場合、リード線５が同一面から取り出せること
から、インジェクタの組み立てが容易である。

【００４２】次に図１２に示す素子、すなわち圧電材料
体１，内部電極２，電気絶縁層３，外部電極４およびリ
ード線５で構成された圧電素子を用いたインジェクタの
応答時間とダイナミックレンジとの関係を示す実験結果
を示す。図１３の縦軸はダイナミックレンジ、横軸は圧
電素子の応答時間（立ち上がり時間と立ち下がり時間の
平均値）である。

【００４３】この結果から、圧電素子の応答時間を０.
１６ｍｓ以下にすれば、インジェクタに要求されるダ
イナミックレンジ(６.０以上）を実現できることを見出
した。また、リンギング量の異なる素子を用いてダイナ
ミックレンジを測定した結果、リンギングが最大変位量
の３０％を超えると、燃料噴射が安定せず（弁のバウン
ドによる推定される）ダイナミックレンジの低下が起こ
り、素子のリンギングを３０％以下にする必要があるこ
ともわかった。

【００４４】図１４は圧電材料体１を周端部で接合層８
によって接合した実施例で、圧電材料と接合材料の熱膨
張係数の差、あるいは圧電素子が伸縮運動をした際に接
合層に発生する応力を緩和でき、強度的に優れる。ま
た、反応性ガスあるいは液体の接合層界面への侵入を抑
制でき、全面接合型と同様の環境で使用できる。

【００４５】図１５は圧電材料体１を市松模様の接合層
８によって接合したもので、図１６は圧電材料体１をス
トライプ状の接合層８によって接合した実施例を示す。
いずれの場合も、接合層に発生する応力を緩和でき、耐
久性に優れる。

【００４６】図１４から図１６は、いずれも接合層の面
積が圧電材料体の積層方向に垂直な面の面積よりも小さ
い例を示す。更に図１４は、接合層を圧電材料体の積層
方向に垂直な面の周端部で接合する例を示す。図１５
は、接合層を圧電材料体の積層方向に垂直な面において
点在した領域で接合する例を示す。図１６は、接合層を
圧電材料体の積層方向に垂直な面においてストライプ状
の領域で接合する例を示す。接合部分以外は、圧電材料
が接することとなるが、圧電材料以外の絶縁材を充填す
ることも可能である。

【００４７】図１７は接合層３１と圧電材料体３３（圧
電素子チップ）の間に圧電材料体３０，内部電極３２の
層を設け、素子側面に外部電極３４，電気絶縁層３５を
形成した実施例を示す。この構造の場合、圧電材料体３
３の伸張によって接合層３１に生じる応力を、圧電材料
体３０により緩和できる。特に、圧電材料体３０の圧電
定数を圧電材料体３３よりも小さくすると（例えば圧電
材料体３３として圧電定数ｄ３３が５００ｐＣ／Ｎの材
料を用い、圧電材料体３０として圧電定数ｄ３３が２０
０ｐＣ／Ｎの材料を用いる）、圧電材料体３０の部分が
接合層３１と圧電材料体３３の間で、中間的な伸縮動作
をするため応力緩和がなされ、接合層の破損発生頻度を
低減できる。

【００４８】また、図１８はリード線５を設けた面に対
向する面においても電気絶縁層３，外部電極９を設けた
素子を示し、この構造により、電気絶縁層３，外部電極
９が存在することによって素子に生じる変形を、対向す
る面で発生する力によって抑制でき、耐久性が向上す
る。

【００４９】図１９に示す実施例は、リード線５の取付
け部に外部電極９と電気的に繋がるリード線接合層１０
を設けたもので、接合層８を大きくすれば、半田付けの
際に起こりやすい電気絶縁層３の破損を防止できた。

【００５０】次に、本発明をインジェクタに適用した実
施例を示す。図２０は本発明による圧電式インジェクタ
の断面構造の一例を示す。圧電素子４０は圧電材料体
１，内部電極２，電気絶縁層３，外部電極４およびリー
ド線５から構成され、ジョイント４３およびジョイント
４５によって、それぞれプランジャー４２，ダンパー４
４と連結される。この構造によって、圧電素子４０はプ
ランジャー４２を直接駆動させることが可能であり、圧
電素子４０の動作を、直接、弁に伝達できることから、
大きなダイナミックレンジを実現できる。

【００５１】一般に、インジェクタの構成部材と圧電素
子との熱膨張係数は異なり、使用温度によっては、素子
に過大な荷重が加わる、あるいは逆に隙間が生じる等の
問題が発生する。この点を検討する中、以下に示す関係
を有するジョイント４３またはジョイント４５を用いる
ことにより、熱膨張差が問題にならない程度に緩和で
き、インジェクタの不具合は発生しなかった。

【００５２】左辺の分子の第１項はインジェクタのハウ
ジング４６と圧電素子４０の熱膨張特性の差に起因する
項、第２項はジョイント４３，ジョイント４５とハウジ
ング４６の熱膨張特性の差に起因する項を示す。いずれ
も次元としては単位温度当たりの熱膨張の差であり、左
辺の分母は圧電素子の長さを示す。

【００５３】｜((αｃ−αｐ)×Ｌｐ−(αｊ−αｃ)×
Ｌｊ)／Ｌｐ｜＜１×１０^-5 αｃ：インジェクタのケーシングの熱膨張率（１／Ｋ） αｐ：圧電素子の熱膨張率（１／Ｋ）Ｌｐ：圧電素子の長さ（mm） αｊ：ジョイントの熱膨張率（１／Ｋ）Ｌｊ：ジョイントの長さ（mm）また、図２１に示す様に、圧電素子４０の先端に半球状
の支持部材４１を設け、この部材を通してダンパー４４
に支持される構造により、圧電素子４０に加わる偏荷重
を小さくでき、素子の破損発生頻度を低減できる。

【００５４】以上によれば、インジェクタに好適な高速
応答性を有する圧電素子を提供できる。また、十分な機
械的強度を有する圧電素子を提供できる。また、高速応
答性と十分な機械的強度を有する圧電素子の製造方法を
提供できる。また、大きなダイナミックレンジを有し、
圧電素子の健全性を保持できるインジェクタを提供でき
る。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、インジェクタに好適な
圧電素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の圧電素子の基本的な断面構造
を示す図である。

【図２】本発明の実施例の圧電素子の製造方法を示す図
である。

【図３】本発明の実施例の圧電素子の製造方法を示す図
である。

【図４】本発明の実施例の圧電素子の応答性を計測する
試験器の概略構成を示す図である。

【図５】本発明の実施例の応答性の測定結果である。

【図６】比較例（サブユニット接合型素子）の断面構造
を示す図である。

【図７】比較例（チップ接合型素子）の断面構造を示す
図である。

【図８】比較例および本発明の実施例の応答性の測定結
果である。

【図９】本発明の実施例の接合層の両側に内部電極層を
設けた素子の断面構造を示す図である。

【図１０】本発明の実施例の導電性の接合層を形成した
素子の断面構造を示す図である。

【図１１】本発明の実施例のリード線の取り出し部を１
側面に配置した素子の断面図である。

【図１２】本発明の実施例の断面構造を示す図である。

【図１３】ダイナミックレンジと応答性の関係を示す図
である。

【図１４】本発明の実施例の接合層形状の一例を示す図
である。

【図１５】本発明の実施例の接合層形状の一例を示す図
である。

【図１６】本発明の実施例の接合層形状の一例を示す図
である。

【図１７】本発明の実施例の２種類の圧電材料体を用い
た素子の断面構造を示す図である。

【図１８】本発明の実施例の変形例の断面構造を示す図
である。

【図１９】本発明の実施例の変形例の断面構造を示す図
である。

【図２０】本発明の実施例のインジェクタの断面構造を
示す図である。

【図２１】本発明の実施例の半球状の支持部材を用いた
インジェクタの断面構造を示す図である。

【符号の説明】

１，６，１１，１４，３０，３３…圧電材料体、２，
７，１２，１６，３２…内部電極、３，１７，３５，３
８…電気絶縁層、４，９，１３，１８，３４…外部電
極、５…リード線、８，１５，３１，３７…接合層、１
０…リード線接合層、２０，４０…圧電素子、２１…変
位センサ、２２…変位計、２３…バネ、２４…ケーシン
グ、２５…支持台、４１…半球状の支持部材、４２…プ
ランジャー、４３，４５…ジョイント、４４…ダンパ
ー、４６…ハウジング、５０…サブユニット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石田富雄茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者鈴木秀夫茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者塩野修茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者宮田素之茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者綿引誠次茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者大須賀稔茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者白石拓也茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者田辺好之茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者濱田泰久茨城県ひたちなか市高場2477番地株式会社日立カーエンジニアリング内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電材料体と該圧電材料体に電圧を印加す
る内部電極とを有する圧電素子チップを、複数積層した
圧電素子ブロックを、接合層を介して複数接合した圧電
素子であって、前記内部電極は、前記圧電材料体の積層方向に垂直な断
面を覆うように形成され、露出した内部電極の一部の前
記圧電素子の側面側に設けられた電気絶縁層と、前記内
部電極の他の部分の前記圧電素子の側面側と接続する外
部電極と、前記外部電極に接続されたリード線とを有す
ることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】請求項１において、前記接合層の厚さの和
が、以下の関係で与えられることを特徴とする圧電素
子。（Ｌ２×Ｙ１）／（Ｌ１×Ｙ２）＜０.２Ｌ１：圧電素子チップの厚さの和（mm）Ｌ２：接合層の厚さの和（mm）Ｙ１：圧電材料体のヤング率（Ｎ／mm²）Ｙ２：接合材料のヤング率（Ｎ／mm²）
【請求項３】請求項１において、接合層と圧電材料体と
の間に内部電極層を設け、該接合層の一辺に電気絶縁層
を設け、該電気絶縁層の存在しない辺で内部電極層およ
び該接合層と外部電極とを電気的に接合し、外部電極も
しくは外部電極に電気的に繋がる部分にリード線を設け
たことを特徴とする圧電素子。
【請求項４】請求項１において、前記接合層として、導
電性の接着剤を用い、該接合層の一辺に電気絶縁層を設
け、該電気絶縁層の存在しない辺で該接合層と外部電極
とを電気的に接合し、外部電極もしくは外部電極に電気
的に繋がる部分にリード線を設けたことを特徴とする圧
電素子。
【請求項５】請求項１において、圧電素子の１つの側面
側に複数のリード線を有することを特徴とする圧電素
子。
【請求項６】電気的に並列に接続された圧電素子チップ
を積層した圧電素子において、定常時の最大変位量が４
０μｍ以上で、立ち上がり時間（素子先端が素子に電圧
を印加していない状態での力学的平衡位置から、定常時
の変位点に至るまでの時間）と、立ち上がりの逆過程で
ある立ち下がりの時間との平均値が０.１６ｍｓ以下で
あり、電圧印加時の立ち上がりあるいは立ち下がり時に
見られる変位のリンギング（オーバーシュート，アンダ
ーシュート）が、定常時の最大変位量に対して３０％以
下であることを特徴とする圧電素子。
【請求項７】請求項６において、前記圧電素子が圧電材
料体の積層方向に垂直な面に電極を形成した素子であ
り、圧電材料体と内部電極で構成された焼結体に内部電
極の辺の一部を覆う電気絶縁層を設け、該絶縁層の存在
しない辺において内部電極と外部電極とを電気的に接合
し、外部電極もしくは外部電極に電気的に繋がる部分に
リード線を設けたことを特徴とする圧電素子。
【請求項８】請求項１乃至請求項５のいずれかにおい
て、（１）接合層の面積が圧電材料体の積層方向に垂直な面
の面積よりも小さい、（２）接合層を圧電材料体の積層
方向に垂直な面の周端部で接合する、（３）接合層を圧
電材料体の積層方向に垂直な面において点在した領域で
接合する、あるいは（４）接合層を圧電材料体の積層方
向に垂直な面においてストライプ状の領域で接合するこ
とを特徴とする圧電素子。
【請求項９】請求項１乃至請求項５のいずれかにおい
て、前記接合層の両側に、前記圧電材料体とは圧電特性
の異なる層を設けたことを特徴とする圧電素子。
【請求項１０】圧電材料のグリーンシートに内部電極を
印刷し、それを複数枚積層加圧し、脱バインダーおよび
焼成を行って得られた焼結体を圧電材料の積層方向に接
合層を介して接合し、この接合層も含めた一体物に、内
部電極の一辺を覆う電気絶縁層を設け、該絶縁層の存在
しない辺で内部電極と外部電極とを電気的に接合し、外
部電極もしくは外部電極に電気的に繋がる部分にリード
線を設けたことを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項１１】請求項１に記載の圧電素子を有し、以下
の関係で規定されるジョイントを介して、プランジャー
を駆動させることを特徴とするインジェクタ。｜((αｃ−αｐ)×Ｌｐ−(αｊ−αｃ)×Ｌｊ)／Ｌｐ｜
＜１×１０^-5 αｃ：インジェクタのケーシングの熱膨張率（１／Ｋ） αｐ：圧電素子の熱膨張率（１／Ｋ）Ｌｐ：圧電素子の長さ（mm） αｊ：ジョイントの熱膨張率（１／Ｋ）Ｌｊ：ジョイントの長さ（mm）
【請求項１２】請求項１１において、圧電素子の先端の
少なくとも一方に、半球状の支持部材を設け、この部材
を通して圧電素子の変位または力をインジェクタ構成部
材に伝達する構造であることを特徴とするインジェク
タ。