JP2011003574A - 積層型圧電素子、これを用いた噴射装置および燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

【課題】 高電界が印加された状態で長時間連続駆動させても、外部電極と外部の駆動装置等とを電気的に接続する外部接続部材が破断されることを効果的に抑制できる積層型圧電素子を得ること。
【解決手段】 積層型圧電素子１は、圧電体層３と内部電極層５とが交互に複数積層された活性部２Ａおよび活性部２Ａの両端に積層された誘電体層３から成る不活性部２Ｂを有する積層体２と、積層体２の一対の側面に交互に露出した内部電極層５の少なくとも一方に接合された、積層体２の端面に対向する端面部９Ａおよび端面部９Ａから延びて側面における活性部２Ａの領域で内部電極層５に接合されているとともに不活性部２Ｂに対向する部位が非接合領域９Ｃとされた脚部９Ｂを有する端面電極部材９とを具備している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車エンジンの燃料噴射装置等に用いられる積層型圧電素子、これを用いた噴射装置および燃料噴射システムに関するものである。

従来の積層型圧電素子は、例えば、圧電体層と内部電極層とが交互に複数積層された活性部およびその活性部の両端に積層された誘電体層から成る不活性部を有する積層体と、積層体の一対の側面に交互に露出した内部電極層に接合された一対の外部電極と、外部電極に接続された外部リード部材とを有する構成である。

そして、積層型圧電素子の外部電極と外部の駆動装置等とを電気的に接続する外部接続部材としては、外部リード部材の他に、特許文献１に記載されているように、積層体の上下端面部に外部電極からの延在部であるメッキ導体層、または外部電極に接続されたキャップ状導体を設けていた。

このような積層型圧電素子は、近年、小型化が進められるとともに、高電界の印加の下において大きな変位量を確保するように求められている。また、高電界が印加された状態で長時間連続駆動させる過酷な条件下で使用できることが要求されている。

特公平6−105800号公報

しかしながら、特許文献１に記載された、積層体の上下端面部に外部電極に接続されたメッキ導体層またはキャップ状導体が設けられた積層型圧電素子においては、高電界が印加された状態で長時間連続駆動させた場合、外部電極とメッキ導体層またはキャップ状導体とが切断され、外部電極に通電できなくなり、積層型圧電素子が駆動できなくなるという問題点があった。

これは、通電によって積層型圧電素子が駆動されて積層方向に伸長する際に、外部電極に引張り応力が発生するためである。さらに、長時間の連続駆動により、引張り応力が外部電極に繰り返し加わるために、外部電極と厚みの薄いメッキ導体層、あるいは外部電極とキャップ状導体とが駆動中に破断し、通電ができなくなることが原因である。

従って、本発明は、上記の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、高電界が印加された状態で長時間連続駆動させても、外部電極と外部の駆動装置等とを電気的に接続する外部接続部材が破断されることを効果的に抑制できる積層型圧電素子を得ることである。

本発明の積層型圧電素子は、圧電体層と内部電極層とが交互に複数積層された活性部および該活性部の両端に積層された誘電体層から成る不活性部を有する積層体と、該積層体の一対の側面に交互に露出した前記内部電極層の少なくとも一方に接合された、前記積層体の端面に対向する端面部および該端面部から延びて前記側面における前記活性部の領域で前記内部電極層に接合されているとともに前記不活性部に対向する部位が非接合領域とされた脚部を有する端面電極部材とを具備していることを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記端面電極部材が、前記積層体の一対の側面に交互に露出した前記内部電極層の一方に接合された、前記積層体の第１の端面に対向する第１の端面部および該第１の端面部から延びて前記一対の側面の一方における前記活性部の領域で前記内部電極層に接合されているとともに前記不活性部に対向する部位が非接合領域とされた第１の脚部を有する第１の端面電極部材と、前記積層体の一対の側面に交互に露出した前記内部電極層の他方に接合された、前記積層体の第２の端面に対向する第２の端面部および該第２の端面部から延びて前記一対の側面の他方における前記活性部の領域で前記内部電極層に接合されているとともに前記不活性部に対向する部位が非接合領域とされた第２の脚部を有する第２の端面電極部材とからなることを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記脚部が導電性樹脂で前記内部電極層に接合されていることを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記積層体の前記側面における前記活性部の領域に形成された外部電極に前記内部電極層が接合され、前記外部電極に前記脚部が接合されていることによって、前記外部電極を介して前記内部電極層に前記脚部が接合されていることを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記外部電極がメタライズ層から成ることを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記端面電極部材は、前記脚部に貫通孔および切込みの少なくとも一方が多数形成されて、前記積層体の積層方向に伸縮可能であることを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記脚部の前記非接合領域は、前記積層体の前記側面における前記不活性部との間に隙間を有していることを特徴とするものである。

本発明の噴射装置は、噴射孔を有する容器と、上記本発明の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に蓄えられた流体が前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から吐出されることを特徴とするものである。

本発明の燃料噴射システムは、高圧燃料を蓄えるコモンレールと、該コモンレールに蓄えられた前記高圧燃料を噴射する上記本発明の噴射装置と、前記コモンレールに前記高圧燃料を供給する圧力ポンプと、前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットとを備えたことを特徴とするものである。

本発明の積層型圧電素子によれば、圧電体層と内部電極層とが交互に複数積層された活性部および活性部の両端に積層された誘電体層から成る不活性部を有する積層体と、積層体の一対の側面に交互に露出した内部電極層の少なくとも一方に接合された、積層体の端面に対向する端面部および端面部から延びて側面における活性部の領域で内部電極層に接合されているとともに不活性部に対向する部位が非接合領域とされた脚部を有する端面電極部材とを具備していることから、端面電極部材の脚部の非接合領域が積層型圧電素子の駆動時に撓むことによって、端面電極部材の脚部にかかる引張り応力の影響を効果的に緩和することができる。その結果、積層型圧電素子を高電界が印加された状態で長時間連続駆動させても、端面電極部材の破断を効果的に抑えることができるので、積層型圧電素子を長期間安定して駆動させることができる。

また、本発明の積層型圧電素子は、端面電極部材が、積層体の一対の側面に交互に露出した内部電極層の一方に接合された、積層体の第１の端面に対向する第１の端面部および第１の端面部から延びて一対の側面の一方における活性部の領域で内部電極層に接合されているとともに不活性部に対向する部位が非接合領域とされた第１の脚部を有する第１の端面電極部材と、積層体の一対の側面に交互に露出した内部電極層の他方に接合された、積層体の第２の端面に対向する第２の端面部および第２の端面部から延びて一対の側面の他方における活性部の領域で内部電極層に接合されているとともに不活性部に対向する部位が非接合領域とされた第２の脚部を有する第２の端面電極部材とからなるときには、端面電極部材が積層体に一対設けられているため、２つの端面電極部材の脚部の非接合領域が積層型圧電素子の駆動時にそれぞれ撓むことによって、端面電極部材の脚部にかかる引張り応力の影響をより効果的に緩和することができる。その結果、積層型圧電素子を高電界が印加された状態で長時間連続駆動させても、端面電極部材の破断をより効果的に抑えることができるので、積層型圧電素子をより長期間安定して駆動させることができる。

また、本発明の積層型圧電素子は、脚部が導電性樹脂で内部電極層に接合されているときには、長期間使用しても導電性樹脂の接合力によって脚部が積層体および内部電極から剥がれにくくなり、安定した通電および駆動ができる。

また、本発明の積層型圧電素子は、積層体の側面における活性部の領域に形成された外部電極に内部電極層が接合され、外部電極に脚部が接合されていることによって、外部電極を介して内部電極層に脚部が接合されているときには、脚部を材質が不均質な表面となる、積層体の側面および内部電極に、直接接合する場合と比較して、均質な表面である外部電極に接合することができ、脚部の積層体に対する接合力を高めることができる。また、脚部と積層体との間に外部電極があることにより、積層型圧電素子の駆動により発生する引張り応力を、外部電極と脚部の二重構造によって緩和することができる。従って、長期間使用しても脚部が積層体から剥がれにくくなり、安定した通電および駆動ができる。

また、本発明の積層型圧電素子は、外部電極がメタライズ層から成るときには、誘電体層がセラミックスから成る場合、メタライズ層から成る外部電極を誘電体層に強固に接合させることができる。その結果、従って、長期間使用しても外部電極および脚部が積層体からより剥がれにくくなり、より安定した通電および駆動ができる。

また、本発明の積層型圧電素子は、端面電極部材は、脚部に貫通孔および切込みの少なくとも一方が多数形成されて、積層体の積層方向に伸縮可能であるときには、端面電極部材の脚部の非接合領域が積層型圧電素子の駆動時により撓みやすくなることによって、端面電極部材の脚部にかかる引張り応力の影響をより効果的に緩和することができる。

また、本発明の積層型圧電素子は、脚部の非接合領域は、積層体の側面における不活性部との間に隙間を有しているときには、端面電極部材の端面部と脚部との間の折り曲げ部が積層体から浮いた状態となり、積層型圧電素子の駆動時に折り曲げ部が自在に変形して、脚部の変形による応力を吸収するダンパーとして機能する。また、端面電極部材の折り曲げ部に集中しやすい応力を緩和することができ、折り曲げ部の破断を抑えることができる。また、脚部および折り曲げ部が積層型圧電素子の駆動時の伸縮に追従して動きやすくなるため、脚部が接合された外部電極の破断を抑えることができる。

本発明の噴射装置よれば、噴射孔を有する容器と、上記本発明の積層型圧電素子とを備え、容器内に蓄えられた流体が積層型圧電素子の駆動により噴射孔から吐出されることから、長期間安定して駆動させることができる信頼性の高い噴射装置となる。

本発明の燃料噴射システムによれば、高圧燃料を蓄えるコモンレールと、コモンレールに蓄えられた高圧燃料を噴射する上記本発明の噴射装置と、コモンレールに高圧燃料を供給する圧力ポンプと、噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットとを備えたことから、長期間安定して駆動させることができる信頼性の高い燃料噴射システムとなる。

本発明の積層型圧電素子について実施の形態の１例を示す斜視図である。 図１に示す積層型圧電素子の積層方向に平行な断面における断面図である。 本発明の積層型圧電素子について実施の形態の他例を示し、外部電極がメタライズ層からなる積層型圧電素子の積層方向に平行な断面における断面図である。 本発明の積層型圧電素子における端面電極部材について実施の形態の１例を示し、脚部に切り込みを形成した端面電極部材の側面図である。 本発明の積層型圧電素子における端面電極部材について実施の形態の他例を示し、脚部に貫通孔を形成した端面電極部材の側面図である。 本発明の噴射装置の実施の形態の１例を示す概略的な断面図である。 本発明の燃料噴射システムの実施の形態の１例を示す概略的なブロック図である。

以下、本発明の積層型圧電素子（以下、素子ともいう）について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の積層型圧電素子について実施の形態の１例を示す斜視図である。図２は、図１に示す積層型圧電素子の積層方向に平行な断面における断面図である。

本実施の形態（第１の例）の積層型圧電素子１は、図１に示すように、圧電体層３と内部電極層５とが交互に複数積層された活性部２Ａおよび活性部２Ａの両端に積層された誘電体層３から成る不活性部２Ｂを有する積層体２と、積層体２の一対の側面に交互に露出した内部電極層５の少なくとも一方に接合された、積層体２の端面に対向する端面部９Ａおよび端面部９Ａから延びて側面における活性部２Ａの領域で内部電極層５に接合されているとともに不活性部２Ｂに対向する部位が非接合領域９Ｃとされた脚部９Ｂを有する端面電極部材９とを具備している。

この構成により、端面電極部材９の脚部９Ｂの非接合領域９Ｃが積層型圧電素子１の駆動時に撓むことによって、端面電極部材９の脚部９Ｂにかかる引張り応力の影響を効果的に緩和することができる。その結果、積層型圧電素子１を高電界が印加された状態で長時間連続駆動させても、端面電極部材９の破断を効果的に抑えることができるので、積層型圧電素子１を長期間安定して駆動させることができる。

また、高電圧を広面積の端面部９Ａに入力することができ、さらに積層型圧電素子１の駆動の安定性および信頼性が向上する。

端面電極部材９の端面部９Ａの面積は、積層体２の端面の面積の80〜100％程度の大きさを有していることが好ましい。この範囲内とすることにより、積層体２の端面と端面部９Ａとが接触する接触面積が広くなり、端面部９Ａを介して積層体２の端面に荷重が加わった際に荷重を分散させて積層体２の端面に割れ等の破損が発生することを抑えることができる。

また、端面電極部材９の厚みは、30〜300μｍ程度であることが好ましい。この範囲内とすることにより、端面電極部材９の脚部９Ｂの非接合領域９Ｃが積層型圧電素子１の駆動時に撓みやすくなり、積層体２の変位に追従しやすくなる。

端面部９Ａの形状は、図１においては四角形であるが、三角形、五角形以上の多角形、円形、楕円形等の種々の形状とすることができる。

また、端面部９Ａの厚みと脚部９Ｂの厚みとは異なっていてもよい。端面部９Ａの厚みが脚部９Ｂの厚みよりも小さいと、端面部９Ａに積層体２から荷重が加わった際に、端面部９Ａに発生する反力が小さくなり、端面部９Ａと脚部９Ｂの曲げ部に発生する曲げ応力を小さくすることができる。

また、非接合領域９Ｃの長さは不活性部２Ｂにほぼ相当する長さであり、例えば、0.1〜３ｍｍ程度である。

また、脚部９Ｂの形状は帯状であり、その寸法は、例えば、長さが３〜50ｍｍ程度、幅が0.5〜５ｍｍ程度である。

また、端面部９Ａと脚部９Ｂとの間の折り曲げ部は、曲線的に折り曲げられていることが好ましい。この場合、積層型圧電素子１の駆動時に折り曲げ部が脚部９Ｂの変形による応力を吸収するダンパーとして機能しやすくなる。

また、端面電極部材９の材質は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ等の金属、またはステンレススチール，リン青銅，真鍮，ベリリウム銅等の合金であることが好ましい。これらの金属および合金は、比較的柔軟であり、積層型圧電素子１の駆動時に端面電極部材９の脚部９Ｂの非接合領域９Ｃが撓みやすくなる。

また、端面電極部材９は、上記の金属または合金の板状体を金型で打ち抜いて所望の形状とし、次に端面部９Ａを脚部９Ｂから折り曲げる曲げ加工を施すことによって、作製することができる。

また、内部電極５の材質は、銀，銀−パラジウム合金，銀−白金合金，銅等である。

また、本実施の形態（第２の例）の積層型圧電素子１は、好ましくは、図２に示すように、端面電極部材が、積層体２の一対の側面に交互に露出した内部電極層５の一方に接合された、積層体２の第１の端面に対向する第１の端面部９Ａおよび第１の端面部９Ａから延びて一対の側面の一方における活性部２Ａの領域で内部電極層５に接合されているとともに不活性部２Ｂに対向する部位が非接合領域９Ｃとされた第１の脚部９Ｂを有する第１の端面電極部材９と、積層体２の一対の側面に交互に露出した内部電極層５の他方に接合された、積層体２の第２の端面に対向する第２の端面部19Ａおよび第２の端面部19Ａから延びて一対の側面の他方における活性部２Ａの領域で内部電極層５に接合されているとともに不活性部２Ｂに対向する部位が非接合領域19Ｃとされた第２の脚部19Ｂを有する第２の端面電極部材19とからなる。

この構成により、端面電極部材が積層体２に一対設けられているため、２つの端面電極部材９，19の脚部９Ｂ，19Ｂの非接合領域９Ｃ，19Ｃが積層型圧電素子１の駆動時にそれぞれ撓むことによって、端面電極部材９，19の脚部９Ｃ，19Ｃにかかる引張り応力の影響をより効果的に緩和することができる。その結果、積層型圧電素子１を高電界が印加された状態で長時間連続駆動させても、端面電極部材９，19の破断をより効果的に抑えることができるので、積層型圧電素子１をより長期間安定して駆動させることができる。

なお、図２において、端面電極部材９，19は積層体２の互いに対向する一対の側面にそれぞれ設置されているが、積層体２の隣接する２つの側面または同じ側面に設置されていてもよい。

また、図２に示すように、積層型圧電素子１は、脚部９，19が導電性樹脂13で内部電極層５に接合されていることが好ましい。この場合、積層型圧電素子１を長期間使用しても導電性樹脂13の接合力によって脚部９，19が積層体２および内部電極５から剥がれにくくなり、安定した通電および駆動ができる。

導電性樹脂13の厚みは0.1〜0.5ｍｍ程度が好ましい。この範囲内とすることにより、脚部９，19を積層体２に強固に接合でき、また、素子１の変位に追従しやすくなる。

また、導電性樹脂13は、銀，ニッケル等の導電性粒子をポリアミド樹脂，ポリイミド樹脂，エポキシ樹脂等の樹脂に混入させたものである。

また、本実施の形態の積層型圧電素子１は、図３に示すように、積層体２の側面における活性部２Ａの領域に形成された外部電極17に内部電極層５が接合され、外部電極17に脚部９Ｂ，19Ｂが接合されていることによって、外部電極17を介して内部電極層５に脚部が接合されていることが好ましい。

この構成により、脚部９Ｂ，19Ｂを材質が不均質な表面となる、積層体２の側面および内部電極５に、直接接合する場合と比較して、均質な表面である外部電極17に接合することができ、脚部９Ｂ，19Ｂの積層体２に対する接合力を高めることができる。また、脚部９Ｂ，19Ｂと積層体２との間に外部電極17があることにより、積層型圧電素子１の駆動により発生する引張り応力を、外部電極17と脚部９Ｂ，19Ｂの二重構造によって緩和することができる。従って、長期間使用しても脚部９Ｂ，19Ｂが積層体２から剥がれにくくなり、安定した通電および駆動ができる。

外部電極17の厚みは10〜50μｍ程度が好ましい。この範囲内とすることにより、外部電極17の抵抗を小さくして外部電極17を通じて高電圧を内部電極５に印加することができ、また、素子１の変位に追従しやすくなる。

また、外部電極17の材質は、銀，銀−パラジウム合金等である。

また、本実施の形態の積層型圧電素子１は、外部電極がメタライズ層から成るときには、誘電体層３がセラミックスから成る場合、メタライズ層から成る外部電極17を誘電体層３に強固に接合させることができる。その結果、長期間使用しても外部電極17および脚部９Ｂが積層体２からより剥がれにくくなり、より安定した通電および駆動ができる。

図３に示すように、積層体２の側面に、例えば、Ａｇおよびガラスの焼結体から成るメタライズ層によって形成された外部電極17を形成する。外部電極17は積層体２の側面の露出した内部電極層５の端部に接続され電気的な導通をとることができる。端面電極部材９の脚部９Ｂは、銀粒子等の導電性粒子を含むエポキシ樹脂等から成る導電性樹脂13を介して外部電極17に接合される。この場合、導電性樹脂13に代えて、Ａｕ−Ｓｎ合金，Ａｇ−Ｓｎ合金，Ｓｎ−Ｐｂ合金等から成るハンダを用いてもよい。

これにより、積層体２の側面の通電部を、メタライズ層17から成る外部電極17、導電体樹脂13及び端面電極部材９の脚部９Ｂの３層構造とすることにより、積層体１の側面および内部電極層５が外部電極17と強固に接合され、さらに外部電極17が導電性樹脂13を介して脚部９Ｂに強固に接合されているために、積層型圧電素子１を長時間使用しても、積層体２の側面の通電部が剥がれにくくなり、安定した通電および駆動ができる。

また、本実施の形態の積層型圧電素子１は、図４および図５に示すように、端面電極部材９は、脚部９Ｂに貫通孔９Ｅおよび切込み９Ｄの少なくとも一方が多数形成されて、積層体２の積層方向に伸縮可能であることが好ましい。

この場合、端面電極部材９の脚部９Ｂの非接合領域９Ｃが積層型圧電素子１の駆動時により撓みやすくなることによって、端面電極部材９の脚部９Ｂにかかる引張り応力の影響をより効果的に緩和することができる。すなわち、切込み９Ｄまたは貫通孔９Ｅを有する脚部９Ｂは、バネ性を有するものとなり、変形しやすくなるため、積層型圧電素子１の伸縮に追従しやすくなる。また、積層型圧電素子１の伸縮に伴ない発生する、積層体２および外部電極17に加わる脚部９Ｂの反力が小さくなるため、積層型圧電素子１を長時間連続駆動しても、外部電極17の破断を抑えることができる。

図４に示す端面電極部材９は、脚部９Ｂに長方形状の切込み９Ｄを上下方向に交互に多数形成したものであり、端面電極部材９がミランダ形状に形成されている。この場合、切込み９Ｄの角部および切り込み方向の最深部が円弧状等の曲線状になっていてもよく、脚部９Ｂの伸縮性が向上する。

長方形状の切込み９Ｄの大きさは、例えば、縦0.1ｍｍ、横0.5ｍｍ程度である。

脚部９Ｂに切込み９Ｄを形成する方法としては、金属または合金の板状体を金型で打ち抜いて形成する方法、金属または合金の板状体にエッチング処理を施すことによって形成する方法等を採用することができる。

図５に示す端面電極部材９は、脚部９Ｂに四角形状の貫通孔９Ｅを多数形成したものである。この場合、貫通孔９Ｅの形状は、三角形状、五角形以上の多角形状、円形状、楕円形状等の種々の形状とすることができる。

また、貫通孔９Ｅは、隣接するもの同士の間の距離がほぼ一定である形態、複数の貫通孔９Ｅから成る群が所定のパターンをなし、そのパターンが繰り返されるような形態で形成されていることが好ましい。その場合、積層型圧電素子１の駆動時に脚部９Ｂの全体に応力を分散させることができる。

四角形状の貫通孔９Ｅの大きさは、例えば、縦0.3ｍｍ、横0.3ｍｍ程度である。

脚部９Ｂに貫通孔９Ｅを形成する方法としては、金属または合金の板状体を金型で打ち抜いて形成する方法、金属または合金の板状体にエッチング処理を施すことによって形成する方法等を採用することができる。

また、脚部９Ｂは、貫通孔９Ｅおよび切込み９Ｄの両方が形成されていてもよい。

また、本実施の形態の積層型圧電素子１は、図２および図３に示すように、脚部９Ｂの非接合領域９Ｃは、積層体２の側面における不活性部２Ｂとの間に隙間を有していることが好ましい。この場合、端面電極部材９の端面部９Ａと脚部９Ｂとの間の折り曲げ部が積層体２から浮いた状態となり、積層型圧電素子１の駆動時に折り曲げ部が自在に変形して、脚部９Ｂの変形による応力を吸収するダンパーとして機能する。また、端面電極部材９の折り曲げ部に集中しやすい応力を緩和することができ、折り曲げ部の破断を抑えることができる。また、脚部９Ｂおよび折り曲げ部が積層型圧電素子１の駆動時の伸縮に追従して動きやすくなるため、脚部９Ｂが接合された外部電極17の破断を抑えることができる。

脚部９Ｂの非接合領域９Ｃと積層体２の側面における不活性部２Ａとの間に隙間は、図２の場合には導電性樹脂13の厚み分の大きさに相当し、また、図３の場合には外部電極17および導電性樹脂13の厚み分の大きさに相当する。

次に、本実施の形態にかかる積層型圧電素子１の製造方法について説明する。

まず、圧電体層３となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系，ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してセラミックスラリーを作製する。そして、周知のドクターブレード法、カレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このセラミックスラリーからセラミックグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては、圧電特性を有するものであればよく、例えば、ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３からなるペロブスカイト型酸化物などを用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ），フタル酸ジオチル（ＤＯＰ）などを用いることができる。

次に、内部電極５となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって、導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷法を用いて印刷し、次に、導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを複数枚積層して積層成形体を得る。この積層成形体を所定の温度で脱バインダー処理した後、900〜1200℃で焼成することによって積層体２が得られる。

次に、積層体２の側面に脚部９Ｂを接合する。端面電極部材９の端面部９Ａを素子１の端面より浮かせた状態で、端面電極部材９を積層体２にセットし、銀粒子を含有したエポキシ樹脂などからなる導電性樹脂13を介して脚部９Ｂと内部電極５とを電気的に接続して、積層体２の側面に脚部９Ｂを接合する。同様にして、積層体２の上記側面に対向する他の側面に、第２の端面電極部材19の脚部19Ｂを接合する。

また、メタライズ層から成る外部電極17、導電性樹脂層13および端面電極部材９の３層構造によって、通電部を形成してもよい。その場合、まず銀粒子およびガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス含有導電性ペーストを作製し、これを積層体２の側面にスクリーン印刷法によって印刷し、500〜800℃程度の温度で焼き付け処理を行なう。これにより、メタライズ層から成る外部電極17を形成する。その後、端面電極部材９の脚部９Ｂを導電性樹脂13を介して外部電極17に接合する。

次に、シリコーンゴムからなる外装樹脂を含む樹脂溶液に、積層体２を浸漬する。そして、シリコーン樹脂溶液を真空脱気することにより、積層体２の外周側面の凹凸部にシリコーン樹脂を密着させ、その後、シリコーン樹脂溶液から積層体２を引き上げる。これにより、積層体２の側面にシリコーン樹脂がコーティングされる。そして、端面電極部材９，19の端面部９Ａ，19Ａにそれぞれ外部リード部材等の外部接続部材を導電性接着剤等によって接続する。

一対の端面電極部材９，19に0.1〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体２を分極することによって、本実施の形態の積層型圧電素子１が完成する。端面電極部材９，19に接続された外部リード部材を、リード線を介して外部電源とを接続して、圧電体層３に電圧を印加することにより、各圧電体層３を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。これにより、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させることが可能となる。

本実施の形態の積層型圧電素子は、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、振動防止装置等に搭載される圧電駆動素子（圧電アクチュエータ）、または燃焼圧センサ、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用いられる圧電センサ素子、または圧電ジャイロ、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圧電回路素子等として用いられる。

次に、本発明の噴射装置の実施の形態の１例について説明する。図６は、本実施の形態の噴射装置を示す概略的な断面図である。

図６に示すように、本実施の形態の噴射装置23は、一端に噴射孔25を有する収納容器27の内部に上記の実施の形態の素子１が収納されている。

収納容器27内には、噴射孔25を開閉することができるニードルバルブ29が配設されている。噴射孔25には流体通路31がニードルバルブ29の動きに応じて連通可能になるように配設されている。この流体通路31は外部の流体供給源に連結され、流体通路31に常時高圧で流体が供給されている。従って、ニードルバルブ29が噴射孔25を開放すると、流体通路31に供給されていた流体が外部または隣接する容器、例えば内燃機関の燃料室（不図示）に、噴出される。

また、ニードルバルブ29の上端部は内径が大きくなっており、収納容器27に形成されたシリンダ33と摺動可能なピストン35が配置されている。そして、収納容器27内には、上記した素子１が収納されている。

このような噴射装置23では、素子１が電圧を印加されて伸長すると、ピストン35が押圧され、ニードルバルブ29が噴射孔25を閉塞し、流体の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると素子１が収縮し、皿バネ37がピストン35を押し返し、噴射孔25が流体通路31と連通して流体の噴射が行なわれるようになっている。

なお、素子１に電圧を印加することによって流体流路37を開放し、電圧の印加を停止することによって流体流路37を閉鎖するように構成しても良い。

また、本実施の形態の噴射装置23は、噴射孔25を有する容器と、上記の素子１とを備え、容器内に充填された流体を素子１の駆動により噴射孔25から吐出させるように構成されていてもよい。すなわち、素子１が必ずしも容器の内部にある必要はなく、素子１の駆動によって容器の内部に圧力が加わるように構成されていればよい。なお、本実施の形態において、流体とは、燃料、インク、導電性ペーストなどの他、種々の液体および気体が含まれる。噴射装置23を用いることによって、流体の流量および噴出タイミングを制御することができる。

本実施の形態の素子１を採用した噴射装置23を内燃機関に用いれば、従来の噴射装置23に比べてエンジン等の内燃機関の燃料室に燃料をより長い期間精度よく噴射させることができる。

次に、本発明の燃料噴射システムの実施の形態の１例ついて説明する。図７は、本実施の形態の燃料噴射システムを示す概略的なブロック図である。

図７に示すように、本実施の形態の燃料噴射システム39は、高圧流体を蓄えるコモンレール41と、このコモンレール41に蓄えられた流体を噴射する複数の上記噴射装置23と、コモンレール41に高圧の流体を供給する圧力ポンプ43と、噴射装置23に駆動信号を与える噴射制御ユニット45と、を備えている。

噴射制御ユニット45は、外部情報または外部からの信号に基づいて流体噴射の量やタイミングを制御する。例えば、エンジンの燃料噴射に噴射制御ユニットを用いた場合、エンジンの燃焼室内の状況をセンサ等で感知しながら燃料噴射の量やタイミングを制御することができる。圧力ポンプ43は、燃料タンク47から流体燃料を高圧でコモンレール41に送り込む役割を果たす。例えばエンジンの燃料噴射システムの場合には1000〜2000気圧（約101ＭＰａ〜約203ＭＰａ）程度、好ましくは1500〜1700気圧（約152ＭＰａ〜約172ＭＰａ）程度にしてコモンレール41に燃料を送り込む。コモンレール41は、圧力ポンプ43から送られてきた燃料を蓄え、適宜噴射装置23に送り込む。噴射装置23は、上述したように噴射孔25から一定の流体を噴射装置23から外部または隣接する容器に噴射する。例えば、エンジンの場合には燃料を燃焼室内に霧状に噴射する。

なお、本発明は、上記の実施の形態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内で種々の変更を行うことは何ら差し支えない。

本発明の積層型圧電素子からなる圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。まず、平均粒径が0.4μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダー及び可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み150μｍの圧電体層となるセラミックグリーンシートを作製した。

このセラミックグリーンシートの片面に、銀−パラジウム合金（銀95質量％−パラジウム５重量％）にバインダーを加えて作製した内部電極となる導電性ペーストを、スクリーン印刷法により印刷したセラミックグリーンシートを300枚積層し、積層成形体を作製した。

次に、所定の大きさとなるようにダイシングソーマシンで積層成形体を切断した後、積層成形体を乾燥させ、焼成して積層体２を作製した。焼成は、800℃の温度を90分保持した後、1000℃で200分間焼成した。積層体２は直方体状であり、その大きさは、端面が縦５ｍｍ、横５ｍｍであり、高さが35ｍｍであった。

第１の端面電極部材９は、厚み0.2ｍｍのステンレススチール（ＳＵＳ３０４）の板状体を金型で打ち抜いて作製した。第１の端面電極部材９の端面部９Ａは四角形状であり、その大きさは、縦4.8ｍｍ、横4.8ｍｍである。第１の端面電極部材９の脚部９Ｂは長方形の帯状であり、その長さは34ｍｍ、幅は１ｍｍである。同様の方法で、同じ形状および寸法の第２の端面電極部材19を作製した。

また、図４に示すように脚部９Ｂ，19Ｂに多数の切込み９Ｄが形成された第１および第２の端面電極部材９，19、また、図５に示すように脚部９Ｂ，19Ｂに多数の貫通孔９Ｅが形成された第１および第２の端面電極部材９，19も、上記の板状体を金型で打ち抜いて作製した。切込み９Ｄは、縦0.1ｍｍ、横0.5ｍｍの長方形状であり、貫通孔９Ｅは、縦0.3ｍｍ、横0.3ｍｍの四角形状である。

次に、第１および第２の端面電極部材９，19の脚部９Ｂ，19Ｂを、銀含有エポキシ樹脂から成る厚み0.2ｍｍの導電性樹脂13を介して、積層体２の一対の側面にそれぞれ接合して、素子１を作製した。また、銀粒子およびガラスを含む導電性ペーストのシートを積層体の側面に転写して貼り付け、700℃の温度で30分焼き付け処理を行なうことによって、厚み30μｍのメタライズ層から成る外部電極17を形成した後、その上に銀含有エポキシ樹脂から成る厚み0.2ｍｍの導電性樹脂13を介して脚部９Ｂ，19Ｂを接合した素子１も作製した（表１）。

また、比較例１の積層型圧電素子として、第１および第２の端面電極部材９，19の代わりに、積層体の一対の側面にそれぞれ、Ｎｉから成る厚み20μｍのメッキ導体層を形成し、そのメッキ導体層を積層体の一対の端面にそれぞれ延在させた素子を作製した。

また、比較例２の積層型圧電素子として、第１および第２の端面電極部材９，19の代わりに、積層体の一対の側面にそれぞれ、銀含有エポキシ樹脂から成る厚み0.2ｍｍの導電性樹脂層を形成し、積層体の一対の端面にそれぞれキャップ状導体を配置し、導電性樹脂層の端部をキャップ状導体に接続した素子を作製した。

次に、これらの素子１の第１および第２の端面電極部材９，19の端面部９Ａ，19Ａまたはメッキ導体層、キャップ状導体に、それぞれ外部リード部材およびリード線を接続し、３ｋＶ／ｍｍの直流電界を15分間印加して分極処理を行ない、素子１を用いた圧電アクチュエータを作製した。

素子１に170Ｖの直流電圧を印加したところ、すべての圧電アクチュエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。

さらに、これらの圧電アクチュエータを室温で０〜＋170Ｖの交流電圧を150Ｈｚの周波数で印加して、１×10^９回まで連続駆動した試験を行なった。その結果を表１に示す。

表１から、本発明の実施例の圧電アクチュエータ（試料番号１〜５）は、１×10^９回の連続駆動試験後に変位量の変化がほとんどなく、積層型圧電素子として必要な有効変位量を維持しており、また、第１および第２の端面電極部材９，19の剥がれ、切断も発生せず、誤作動が生じない耐久性に優れたものであることが分かった。

一方、比較例１の圧電アクチュエータ（試料番号６）は、1.3×10^８回の連続駆動後に動作が停止し、比較例２の圧電アクチュエータ（試料番号７）は、1.5×10^８回の連続駆動後に動作が停止した。また、比較例１の圧電アクチュエータはメッキ導体層が切断されており、比較例２の圧電アクチュエータは導電性樹脂層とキャップ状導体との接続部が切断されていた。

１・・・積層型圧電素子
２・・・積層体
２Ａ・・・活性部
２Ｂ・・・不活性部
３・・・圧電体層
５・・・内部電極層
９・・・端面電極部材
９Ａ・・・端面部
９Ｂ・・・脚部
９Ｃ・・・非接合領域
９Ｄ・・・切込み
９Ｅ・・・貫通孔
１３・・・導電性樹脂
１７・・・外部電極
２３・・・噴射装置
２５・・・噴射孔
２７・・・収納容器
２９・・・ニードルバルブ
３１・・・流体通路
３３・・・シリンダ
３５・・・ピストン
３７・・・皿バネ
３９・・・燃料噴射システム
４１・・・コモンレール
４３・・・圧力ポンプ
４５・・・噴射制御ユニット
４７・・・燃料タンク

Claims (9)

1. 圧電体層と内部電極層とが交互に複数積層された活性部および該活性部の両端に積層された誘電体層から成る不活性部を有する積層体と、該積層体の一対の側面に交互に露出した前記内部電極層の少なくとも一方に接合された、前記積層体の端面に対向する端面部および該端面部から延びて前記側面における前記活性部の領域で前記内部電極層に接合されているとともに前記不活性部に対向する部位が非接合領域とされた脚部を有する端面電極部材とを具備していることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記端面電極部材が、前記積層体の一対の側面に交互に露出した前記内部電極層の一方に接合された、前記積層体の第１の端面に対向する第１の端面部および該第１の端面部から延びて前記一対の側面の一方における前記活性部の領域で前記内部電極層に接合されているとともに前記不活性部に対向する部位が非接合領域とされた第１の脚部を有する第１の端面電極部材と、前記積層体の一対の側面に交互に露出した前記内部電極層の他方に接合された、前記積層体の第２の端面に対向する第２の端面部および該第２の端面部から延びて前記一対の側面の他方における前記活性部の領域で前記内部電極層に接合されているとともに前記不活性部に対向する部位が非接合領域とされた第２の脚部を有する第２の端面電極部材とからなることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
3. 前記脚部が導電性樹脂で前記内部電極層に接合されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層型圧電素子。
4. 前記積層体の前記側面における前記活性部の領域に形成された外部電極に前記内部電極層が接合され、前記外部電極に前記脚部が接合されていることによって、前記外部電極を介して前記内部電極層に前記脚部が接合されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層型圧電素子。
5. 前記外部電極がメタライズ層から成ることを特徴とする請求項４に記載の積層型圧電素子。
6. 前記端面電極部材は、前記脚部に貫通孔および切込みの少なくとも一方が多数形成されて、前記積層体の積層方向に伸縮可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の積層型圧電素子。
7. 前記脚部の前記非接合領域は、前記積層体の前記側面における前記不活性部との間に隙間を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の積層型圧電素子。
8. 噴射孔を有する容器と、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に蓄えられた流体が前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から吐出されることを特徴とする噴射装置。
9. 高圧燃料を蓄えるコモンレールと、該コモンレールに蓄えられた前記高圧燃料を噴射する請求項８に記載の噴射装置と、前記コモンレールに前記高圧燃料を供給する圧力ポンプと、前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットとを備えたことを特徴とする燃料噴射システム。

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