JP2005045086A - インジェクタ装置用積層型圧電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 高変位を有しながら、圧電セラミック層の破壊、それに伴う素子の絶縁低下や、内部電極間のショートが極めて少ない、インジェクタ装置用積層型圧電素子を提供すること。
【解決手段】 厚みを小さく設定した積層体素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃを、積層体素子を構成する圧電セラミック層１４よりも、ヤング率が小さい材料からなる接合層１９ａを介して積層する。積層体素子の厚みを小さくすることで、圧電セラミック層の強度を超える応力が生じないようにするとともに、接合層のヤング率を適切に設定することで、積層体素子に生じる応力を、積層型圧電素子全体に及ばないようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電圧を加えて変位または力を生じさせる圧電アクチュエータに関わり、特に内燃機関のインジェクタ装置に適した積層型圧電素子に関するものである。

圧電セラミック層と内部電極層を、交互に積層して積層体を構成し、積層体の対向する側面に設けられた二つの外部電極に、内部電極を１層おきに交互に接続した構造の積層型圧電素子は、電圧を印加したときの変形を利用して、各種のアクチュエータとして利用されている。

図５は、従来の積層型圧電素子の一例を示す斜視図である。図５において、１０ｄは積層型圧電素子、１４は圧電セラミック層、１５は内部電極層、１７は外部電極、１６は不活性層、１８はリード線である。この素子は、積層方向、即ち、図における上下方向の変位を利用して、アクチュエータとして用いることができる。

このような積層型圧電素子の用途として検討されているものの一つに、自動車などに用いられる内燃機関における、燃焼室への燃料の高圧噴射を制御するインジェクタがある。燃料噴射システムを構成する主要コンポーネントとして、高圧ポンプ、燃料搬送管路、燃料圧力センサ、インジェクタ、電子制御ユニットなどが挙げられ、内燃機関の出力や燃費を向上するため、様々な開発が行われ、実用に供されている。

このようなインジェクタに用いられる、アクチュエータとしては、３０〜４０ｍｍの素子高さで約４０μｍの変位を、１６０℃程度の高温環境において、長時間にわたり連続することを要求され、高変位で長寿命な素子を実現しなければならない。

前記のような構造を有する積層型圧電素子においては、内部電極と当該内部電極と接続されていない側の外部電極との距離が、ある程度確保されていなければ、積層型素子の絶縁抵抗、耐電圧、寿命などが不十分になってしまうことになる。また、外力が加わって、圧電セラミック層の内部電極が形成されていない部分にクラックが生じた場合においても、沿面放電もしくは空中放電が生じないように、内部電極と外部電極の間の距離を確保しておく必要がある。

また、この距離が小さいと前記の問題の他に、素子を変位させた場合に、この部分に生じる応力が、圧電セラミック層を構成する材料の強度を超えて圧電セラミック層の破壊が起こり、結果として、素子の絶縁を低下させたり、端子間のショートを起こしたりすることがある。

反面、内部電極と当該内部電極と接続されていない側の外部電極との距離をあまり大きくすると、素子の変位性能が発現し難くなる。従って、高変位を要求される積層型圧電素子においては、この距離を小さくしながら、圧電セラミック層の破壊など、前記の問題が生じ難い構造を実現する必要がある。

また、内部電極をスパッタなどで形成した圧電セラミック層を積層するのは、公知の構造及び製造方法である。しかし、この製造方法では、得られる圧電セラミック層の厚みが、１００μｍ以上となり、小型で高変位が必要な場合には適用できない。

しかも、これらを積層し一体化する場合には、圧電セラミック層及び内部電極の厚みむらのために、積層数が１００枚程度であっても、予圧を加える圧電セラミック層が割れることがあった。よって、薄膜の圧電セラミック層を多数積層した、小型で高変位特性を有する積層型圧電素子の実現には、一体焼結という製造方法が必要不可欠である。そして、一体焼結で製造した積層型圧電素子においては、前記の圧電セラミック層破壊への対策が一層重要となる。

このような積層型圧電素子を、内燃機関のインジェクタに用いる際の信頼性を確保するための技術が、下記特許文献１に開示されている。しかしながら、特許文献１に開示されているのは、積層方向における伸縮の繰り返しによる、外部電極と内部電極との断線を防ぐための、電極の接合構造であり、圧電セラミック層の破壊対策までは、言及されていない。

特開２００２−２８９９３４号公報

従って、本発明の課題は、高変位を有しながら、圧電セラミック層の破壊、それに伴う素子の絶縁低下や、内部電極間のショートが極めて少ない、インジェクタ装置用積層型圧電素子を提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するために、駆動時に発生する応力を圧電セラミック層の強度を超えない範囲に抑制するための構造を検討した結果なされたものである。

即ち、本発明は、Ｎが１以上の自然数であって、（Ｎ＋２）層の圧電セラミック層と、（Ｎ＋１）層の内部電極層が交互に積層された積層体の、奇数番目の内部電極層が、前記積層体の一方の側面に設けられた第１の外部電極に接続され、前記一方の側面に対向する側面に設けられた第２の外部電極に、偶数番目の内部電極層が接続された構造を有する積層体素子が複数個積層され、前記第１の外部電極のそれぞれが相互に接続され、前記第２の外部電極のそれぞれが相互に接続されてなることを特徴とする、インジェクタ装置用積層型圧電素子である。

また、本発明は、前記積層体素子の積層方向の高さが、５ｍｍ以下であることを特徴とする、前記のインジェクタ装置用積層型圧電素子である。

また、本発明は、前記積層体素子の間に、前記圧電セラミック層よりもヤング率が低い材料からなる部材を介在させたことを特徴とする、前記のインジェクタ装置用積層型圧電素子である。

また、本発明は、前記積層体素子の積層端面の圧電セラミック層が、他の積層体素子と接する側に、積層面に平行な平坦部を有する突起が形成され、該平坦部が他の積層体素子と接することで、各積層体素子が積層されてなることを特徴とする、前記のインジェクタ装置用積層型圧電素子である。

また、本発明は、前記平坦部の形状が多角形、円形、楕円形のいずれかであることを特徴とする、前記のインジェクタ装置用積層型圧電素子である。

本発明の積層型圧電素子においては、積層体素子の積層方向の厚さを小さくすることで、駆動時に発生する応力が、圧電セラミック層の強度を超えないようにし、厚さの減少に伴う変位量の減少には、積層体素子をさらに積層することで対応している。これによって、本発明の積層型圧電素子は、長時間駆動しても、圧電セラミック層にクラックなどの不具合発生が極めて少なくなる。

また、積層体素子を複数個積層した場合、各積層体素子で発生した応力が全体に及ばないようにするため、本発明の積層型圧電素子においては、各積層体素子をさらに積層する際の接合には、一体化焼結を用いない。具体的には、圧電セラミック層よりもヤング率が小さいガラス系の材料や高分子材料からなる接着剤で接合する。

さらに、本発明では、接合面の面積を、積層体素子の積層面の面積よりも小さくなるように、平坦面を有する突起を、積層体素子の積層端面に設ける。このような構造をとることで、各積層体素子の応力が、隣接する積層体素子に及ばないようにしている。その際の接合面の形状は、頂点の数をできるだけ多くして、頂点に集中する応力を減少すると、その効果を一層確実にできるので、多角形、円、楕円とするのが望ましい。

これらの構造を付与することで、本発明の積層型圧電素子は、長時間駆動しても、圧電セラミック層における、クラックなどの不具合発生が極めて少なくなる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を、図を用いて説明する。

図１は、本発明の積層型圧電素子における、第１の例の斜視図であり、図２は、図１に示した積層型圧電素子の、紙面に平行な面における断面図である。図１及び図２に示した積層型圧電素子は、積層体素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃを積層した構造である。積層方向の両端に配置される積層体素子１１ａ及び１１ｃは、不活性層１６を有するので、中間に配置される積層体素子１１ｂと形状が異なる。

なお、図１及び図２では、構造を模式的に示すため、それぞれの積層体素子における内部電極層１５の積層数を６層だけ、表示しているが、実際の場合は数十層である。また、不活性層１６は、圧電セラミック層を、内部電極層を形成しない状態で、２０層程度積層して作製する。

積層体素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、圧電セラミック層１４の表面に、銀とパラジウムを含むペーストで、内部電極層１５を形成した後、内部電極層１５が交互に積層体素子の対向する側面に露出するように積層し、焼成して得られる。ここで用いる圧電セラミック層１４は、ジルコン酸チタン酸鉛の原料粉末と結合剤及び溶媒からなるスラリーから形成する。また、内部電極層１５は、四辺形の薄板である圧電セラミック層１４の１辺に接するまで形成し、他の３辺の部分については、一定の幅で、内部電極層１５を形成しない部分を残しておく。

次に、対向する側面に交互に露出した内部電極層１５を、銀ペーストから形成される外部電極１７に、それぞれ接続して、積層体素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃを得る。積層体素子１１ｂを４個、接合層１９ａを介してさらに積層し、積層端面には不活性層１６を有する積層体素子１１ａ、１１ｃを配置して、外部電極３を相互に接続した後、リード線１８を接続し、さらに外装樹脂層（図示せず）を形成して、本発明の積層型圧電素子が得られる。ここでは、積層体素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃを作製する段階で、外部電極を形成したが、積層体素子を積層した後に外部電極を形成しても、積層型圧電素子としての特性に特に影響を及ぼさない。

なお、ここでは、接合層１９ａには、通常の板ガラスを構成する材料である、ソーダ石灰ガラスを用いた。これを選択した理由は、ソーダ石灰ガラスは、５００℃付近の温度で軟化が始まるので、接合が比較的容易であることと、ジルコン酸チタン酸鉛のヤング率が約９０ＧＰａであるのに対し、ソーダ石灰ガラスのヤング率が、約７２ＧＰａであることである。このように接合層のヤング率を調整することで、応力の集中を抑制できる。

なお、ここで用いた積層体素子１１ｂの積層数は５０層で、焼成後の高さが５ｍｍである。積層体素子１１ａ、１１ｃは、不活性層の部分が、前記のように内部電極を形成しない状態で、圧電セラミック層を２０層し、内部電極層を形成した圧電セラミック層を３５層積層したもので、焼成後の高さが５ｍｍである。

このようにして得られた積層型圧電素子、１０００個について、１５０ＶＤＣを繰り返し印加した後の、圧電セラミック層１４のクラック発生の有無を調査した。その結果、負荷の繰り返し回数を１０⁹回まで行っても、クラックなどの不具合の発生率は、０％であった。

比較のため、積層数を増加することで、積層体素子の焼成後の高さを６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍにした積層型圧電素子を調製して、同様の評価を行ったところ、６ｍｍでは１．１％、７ｍｍでは２．３％、８ｍｍでは３．１％の比率で、圧電セラミック層にクラックが発生しているのが認められた。この結果から、積層体素子の焼成後の高さは、５ｍｍ以下にする必要があることが分かる。

図３は、本発明の積層型圧電素子における、第２の例の断面図である。図３に示した積層型圧電素子１０ｂは、積層体素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃを、積層体素子よりも面積が狭く、エポキシ樹脂からなる接合層１９ｂを用いて、積層した例である。ここでは、それぞれの積層体素子における圧電セラミック層の積層数、積層体素子の積層数を、図１及び図２に示した積層型圧電素子と同様にした。また、接合層１９ｂの積層面の形状は正八角形である。

この積層型圧電素子についても、１５０ＶＤＣを繰り返し印加する試験を行ったが、圧電セラミック層にクラック発生が見られたのは、０％であった。また、ここでは、接合層１９ｂに、積層面形状が正八角形のエポキシ樹脂を用いたが、ヤング率が圧電セラミック層よりも低い材料で、多角形、円形、楕円形のものであれば、同様の効果が得られる。

図４は、本発明の積層型圧電素子における、第３の例の断面図である。図４に示した例では、積層体素子１３ａ、１３ｂにおける隣接する積層体素子との接合面に、段差部２０を設け接合する面積を小さくしている。この段差部２０は、圧電セラミック層をスラリーから形成した直後の、まだ可塑性を具備した状態であれば、金型を用いたプレスなどで、容易に形成可能であり、この場合は接合面の形状を円形とした。

また、積層体素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃにおける、圧電セラミック層の積層数、積層体素子の積層数は、図１及び図２に示した積層型圧電素子と同様にした。そして、この積層型圧電素子についても、１５０ＶＤＣを繰り返し印加する試験を行ったが、圧電セラミック層にクラック発生が見られたのは、０％であった。

以上に説明したように、本発明の積層型圧電素子は、長期間に亘って、優れた信頼性を発現できるので、インジェクタ装置用圧電アクチュエータとして極めて有用であり、内燃機関の性能向上に寄与できる。また、内燃機関と同様に使用条件が過酷な他の用途にも、展開が期待できる。

本発明の積層型圧電素子における第１の例の斜視図。 本発明の積層型圧電素子における第１の例の断面図。 本発明の積層型圧電素子における第２の例の断面図。 本発明の積層型圧電素子における第３の例の断面図。 従来の積層型圧電素子の一例を示す斜視図。

符号の説明

１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 積層型圧電素子
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 積層体素子
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 積層体素子
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 積層体素子
１４ 圧電セラミック層
１５ 内部電極層
１６ 不活性層
１７ 外部電極
１８ リード線
１９ａ，１９ｂ 接合層
２０ 段差部

Claims (5)

1. Ｎが１以上の自然数であって、（Ｎ＋２）層の圧電セラミック層と、（Ｎ＋１）層の内部電極層が交互に積層された積層体の、奇数番目の内部電極層が、前記積層体の一方の側面に設けられた第１の外部電極に接続され、前記一方の側面に対向する側面に設けられた第２の外部電極に、偶数番目の内部電極層が接続された構造を有する積層体素子が複数個積層され、前記第１の外部電極のそれぞれが相互に接続され、前記第２の外部電極のそれぞれが相互に接続されてなることを特徴とする、インジェクタ装置用積層型圧電素子。
2. 前記積層体素子の積層方向の高さは、５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のインジェクタ装置用積層型圧電素子。
3. 前記積層体素子の間に、前記圧電セラミック層よりもヤング率が低い材料からなる部材を介在させたことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のインジェクタ装置用積層型圧電素子。
4. 前記積層体素子の積層端面の圧電セラミック層は、他の積層体素子と接する側に、積層面に平行な平坦部を有する突起が形成され、該平坦部が他の積層体素子と接することで、各積層体素子が積層されてなることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のインジェクタ装置用積層型圧電素子。
5. 前記平坦部の形状が多角形、円形、楕円形のいずれかであることを特徴とする、請求項４に記載のインジェクタ装置用積層型圧電素子。

Images