JP2012204770A - 積層型圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータ、噴射装置、燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

【課題】 高電界かつ高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、外部電極が外れることなく安定して駆動する積層型圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータ、噴射装置、燃料噴射システムを提供する。
【解決手段】 本発明の積層型圧電素子１は、圧電体層２および内部電極３が積層された積層体４と、この積層体４の側面に設けられて内部電極３と電気的に接続されたメタライズ電極５と、このメタライズ電極５に導電性接合材６で接合されたリード部材７とを含み、リード部材７の一部は導電性接合材６に埋設されており、導電性接合材６とリード部材７との間の一部に開口する隙間８があることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば圧電駆動素子（圧電アクチュエータ），圧力センサ素子および圧電回路素子等として用いられる積層型圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータ、噴射装置、燃料噴射システムに関する。

従来の積層型圧電素子は、例えば、圧電体層および内部電極が積層された積層体と、該積層体の側面に設けられて内部電極と電気的に接続されたメタライズ電極と、該メタライズ電極に導電性接合材で接合されたリード部材とを含む構成になっている（例えば、特許文献１を参照）。

特開平０４−１５１８８４号公報

ここで、特許文献１に記載された積層型圧電素子においては、自動車の内燃機関等の燃料噴射装置（インジェクタ）に用いられる場合、すなわち、高電界および高圧力が長時間加わった状態で連続駆動されるような過酷な条件下で使用される場合、駆動時に積層体、メタライズ電極およびリード部材は発熱して熱膨張差による応力（熱応力）が生じる。また、積層体の振動によりリード部材が共振する。さらに、リード部材の一端が外部に固定されているので、リード部材が振動することで、導電性接合材を介してメタライズ電極に応力が加わる。これらのことにより、リード部材がメタライズ電極からはずれたり、界面強度の弱いメタライズ電極が積層体から剥がれたりするという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、高電界かつ高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、リード部材がメタライズ電極からはずれたりメタライズ電極が積層体から剥がれたりすることなく安定して駆動する積層型圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータ、噴射装置、燃料噴射システムを提供することである。

本発明の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極が積層された積層体と、該積層体の側面に設けられて前記内部電極と電気的に接続されたメタライズ電極と、該メタライズ電極に導電性接合材で接合されたリード部材とを含み、該リード部材の一部は前記導電性接合材に埋設されており、前記導電性接合材と前記リード部材との間の一部に開口する隙間があることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記隙間の内側の端部がメタライズ電極の端部より内側に位置していることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記隙間が少なくとも前記リード部材と前記メタライズ電極との間にあることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記隙間が少なくとも前記リ
ード部材の側方にあることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記隙間が前記リード部材を取り囲むように前記リード部材の周囲にあることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記リード部材の表面には、前記隙間までの領域にかけて被覆層が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記導電性接合材の内部にボイドがあることを特徴とする。

本発明の製造方法は、圧電体層および内部電極が積層された積層体の側面に設けられたメタライズ電極に、端部を除いて被覆層が設けられたリード部材を半田で接合する積層型圧電素子の製造方法であって、前記リード部材の前記端部および前記被覆層の一部を前記導電性接合材に埋設するようにしてレーザ照射することで前記メタライズ電極と前記リード部材とを導電性接合材で接合することを特徴とする。

また、本発明の圧電アクチュエータは、上記の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を内部に収容するケースとを備えたことを特徴とするものである。

また、本発明の噴射装置は、噴射孔を有する容器と、上記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。

また、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、導電性接合材とリード部材との間の一部に開口する隙間があることで、導電性接合材の表面積が大きくなって放熱性がよくなり、熱応力を小さくできる。さらに、導電性接合材にくびれができるので、リード部材が振動してもメタライズ電極に加わる応力が低減される。
したがって、積層型圧電素子を高電界かつ高圧力下で長期間連続駆動させた場合であっても、リード部材がメタライズ電極からはずれたりメタライズ電極が積層体から剥がれたりするのを抑制することができる。

また、本発明の噴射装置によれば、積層型圧電素子におけるリード部材がメタライズ電極からはずれたりメタライズ電極が積層体から剥がれたりするのを抑制することができるので、流体の所望の噴射を長期にわたって安定して行なうことができる。

また、本発明の燃料噴射システムによれば、積層型圧電素子におけるリード部材がメタライズ電極からはずれたりメタライズ電極が積層体から剥がれたりするのを抑制することができるので、高圧燃料の所望の噴射を長期にわたって安定して行なうことができる。

本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す概略斜視図である。 図１に示すＡ−Ａ線概略断面図である。 本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例を示す概略断面図である。 本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例を示す概略断面図である。 本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例を示す概略断面図である。 本発明の噴射装置の実施の形態の一例を示す概略断面図である。 本発明の燃料噴射システムの実施の形態の一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の実施の形態の例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の実施の形態の一例を示す概略斜視図であり、図２は図１に示すＡ−Ａ線概略断面図である。

図１および図２に示すように、本実施の形態の積層型圧電素子１は、圧電体層２および内部電極３が積層された積層体４と、この積層体４の側面に設けられて内部電極３と電気的に接続されたメタライズ電極５と、このメタライズ電極５に導電性接合材６で接合されたリード部材７とを含み、リード部材７の一部は導電性接合材６に埋設されており、導電性接合材６とリード部材７との間の一部に開口する隙間８がある。

積層型圧電素子１を構成する積層体４は、圧電体層２と内部電極３とが積層されたもので、例えば圧電体層２および内部電極３が交互に複数積層されてなる活性部と、活性部の積層方向両端に設けられた圧電体層２からなる不活性部とを有し、例えば縦０．５〜５０ｍｍ、横０．５〜３０ｍｍ、高さ１〜２００ｍｍの直方体状に形成されている。

積層体４を構成する圧電体層２は、圧電特性を有する圧電セラミックスからなり、例えばＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛）などのペロブスカイト型酸化物を用いることができる。この圧電体層２の厚みは、例えば１〜２５０μｍとされる。

積層体４を構成する内部電極３は、圧電体層２と交互に積層されて圧電体層２を上下から挟んでおり、例えば積層順に正極および負極が配置されることにより、それらの間に挟まれた圧電体層２に駆動電圧を印加するものである。内部電極３は、例えば銀、銀−パラジウム合金、銀−白金、銅などを含む導体からなるものであり、本例では正極および負極（もしくはグランド極）の内部電極３の端面の一部がそれぞれ積層体４の対向する側面に達して互い違いに導出され、積層体４の側面に設けられたメタライズ電極８と電気的に接続されている。この内部電極３の厚みは、例えば０．１μｍ〜５μｍとされる。

なお、積層体４において、複数の内部電極３のうちの一部に代えて、例えば複数の気孔を有する導体層（多孔質層）が配置されていてもよい。この多孔質層は、内部電極３よりも強度が低く、応力によって内部にクラックが発生しやすいことから、駆動に伴って積層体４に発生する応力によって内部電極３よりも先にクラック等による破壊が生じるものであり、それによって積層体４内において応力を緩和する層として機能するものである。

積層体４の側面に設けられて内部電極３と電気的に接続されたメタライズ電極５は、例えば銀とガラスとからなるペーストを塗布して焼き付けて形成されたもので、積層体４の対向する側面にそれぞれ接合されて、積層体４の対向する側面に互い違いに導出された内部電極３とそれぞれ電気的に接続されている。このメタライズ電極５の厚みは、例えば０．１μｍ〜５００μｍとされる。なお、図１において、メタライズ電極５の幅はこのメタライズ電極５が形成された面の幅よりも狭く形成されているが、これらの幅は同一であってもよく、例えば、積層体４の形状を六角柱や八角柱とした場合には、同一の幅に形成す
るのがよい。

メタライズ電極８に導電性接合材６で接合されたリード部材７は、メタライズ電極５と外部回路とを電気的に接続するためのもので、リード部材７を介して一対のメタライズ電極５に電圧が印加されるようになっている。リード部材７は、例えば銅、コバルト、ニッケルなどの金属からなり、導電性接合材６としては、例えば銀−銅−スズはんだが用いられる。

そして、リード部材７の一部は導電性接合材６に埋設されており、導電性接合材６とリード部材７との間の一部には開口する隙間８がある。ここで、図１および図２に示すように、リード部材７は例えば長軸方向がメタライズ電極５の主面と平行となるように配置される。そして、リード部材７の一部が導電性接合材６に埋設されているとは、図２に示すように、リード部材７の一部の上面が導電性接合材６によって覆われている状態のことを意味する。

開口する隙間８とは、リード部材７が導電性接合材６から延出した側に向かって開口する隙間のことであり、一定厚みの領域および段差のある形状であってもよく、内側に向かって徐々に狭くなるような形状であってもよい。例えば、導電性接合材６とリード部材７との間隔Ｔの最大値は１〜１５０μｍであり、導電性接合材６に埋設されているリード部材７の長さＬ１に対する隙間８のリード部材７に沿った長さＬ２の比（Ｌ２／Ｌ１）は１〜５０％である。これらは、例えば導電性接合材６とリード部材７とを含むＡ−Ａ’線に沿って積層型圧電素子１を切断して、その断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によるＳＥＭ像から求めることができる。

このように、導電性接合材６とリード部材７との間の一部に開口する隙間８があることで、導電性接合材６の表面積が大きくなって放熱性がよくなり、導電性接合材６とリード部材７の熱応力を小さくできる。さらに、導電性接合材６にくびれができるので、リード部材７が振動してもメタライズ電極に加わる応力が低減されるので、駆動時にメタライズ電極５が外れるのを抑制することができる。

ここで、隙間８の内側の端部がメタライズ電極５の端部より内側に位置しているのが好ましい。隙間８の内側の端部がメタライズ電極５の端部より内側に位置していることで、隙間８の内側の端部にかかる応力集中がメタライズ電極５の端部より内側でおきて、メタライズ電極５の端部にかかる応力（メタライズ電極５が剥がれるように作用する応力）が低減される。したがって、メタライズ電極５の端部が剥れず、積層型圧電素子１が長期間安定して駆動することができる。

また、導電性接合材６とリード部材７との間の一部に設けられた隙間８が、少なくともリード部材７とメタライズ電極５との間にあるのが好ましい。隙間８が少なくともリード部材７とメタライズ電極５との間にあることで、導電性接合材６におけるメタライズ電極５に近い側での応力を低減させることができ、リード部材７がメタライズ電極５からはずれたりメタライズ電極５が積層体４から剥がれたりするのを抑制する効果を高めることができる。

また、開口する隙間８は、図３に示すように、少なくともリード部材７の側方にあってもよい。なお、リード部材７の側方とは、リード部材７の長軸方向がメタライズ電極５の主面と平行となるようにリード部材７が配置された場合において、長軸方向に垂直な断面で見たときのリード部材７から見てメタライズ電極５の主面と平行な方向の位置のことである。隙間８が少なくともリード部材の側方にあることで、駆動時に積層体４の伸縮による振動で発生する応力を低減させることができ、共振によりリード部材７がメタライズ電
極５からはずれたりメタライズ電極５が積層体４から剥がれたりするのをより抑制することができる。

また、図４に示すように、隙間８がリード部材７を取り囲むようにリード部材７の周囲にあってもよい。なお、リード部材７の周囲とは、リード部材７の長軸方向がメタライズ電極５の主面と平行となるようにリード部材７が配置された場合において、長軸方向に垂直な断面で見たときのリード部材７の周囲のことである。隙間８がリード部材７を取り囲むようにリード部材７の周囲にあることで、駆動時に積層体４が積層方向だけでなく積層方向に垂直な方向にも伸縮することによりリード部材７が引っ張られても、リード部材７がメタライズ電極５からはずれたりメタライズ電極５が積層体４から剥がれたりするのをより抑制することができる。

また、リード部材７の表面には、隙間８までの領域にかけて被覆層９が設けられているのが好ましく、これにより、被覆層９がリード部材７にかかる振動を吸収でき、共振によりリード部材７がメタライズ電極５からはずれたりメタライズ電極５が積層体４から剥がれたりするのをより抑制することができる。なお、被覆層９は、樹脂からなるのがよく、例えば、ウレタン、エポキシ、ビニル、ナイロン、シリコーン系の材質があげられる。被覆層９の厚みは、振動を吸収する効果の点で０．１〜１００μｍであるのがよい。

また、導電性接合材６の内部にボイド６１があることで、積層体４の伸縮による振動で発生する応力がボイド６１の変形により低減されるため、共振によりリード部材７がメタライズ電極５からはずれたりメタライズ電極５が積層体４から剥がれたりするのをより抑制することができる。ボイド６１は、球形や、半球形、楕円形状であることが好ましく、応力をボイドの変形により低減できるためである。例えば、球形の場合のボイド径としては０．０５〜２μｍのものであり、この値はセラミックコート層６の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡や金属顕微鏡により観察し、任意の線分間に含まれるボイドの個数およびボイドに含まれる線分の長さを測定し、このボイドに含まれる線分の長さの合計距離をボイドの個数で割ることによって求めることができる。また、任意の断面における面積比率は１〜２０％であるのがよく、この値も断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡や金属顕微鏡により観察することによって求めることができる。

また、導電性接合材６の内部において複数のボイド６１がメタライズ電極５とリード部材７との間に偏って設けられているのが好ましく、これにより、メタライズ電極５とリード部材７との間で確実に振動を吸収でき、駆動時にメタライズ電極５から導電性接合材６が外れるのを抑制することができる。なお、メタライズ電極５とリード部材７との間におけるボイドの占める面積比率が他の部分の１．３倍以上であるのが好ましく、全ボイドの２／３以上がメタライズ電極５とリード部材７との間に偏って設けられているのが好ましい。

なお、本発明は、上記の実施の形態の例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なうことは何ら差し支えない。例えば、メタライズ電極５は、上記の例では積層体４の対向する２つの側面に１つずつ形成したが、２つのメタライズ電極５を積層体４の隣り合う側面に形成してもよいし、積層体４の同一の側面に形成してもよい。また、積層体４の積層方向に直交する方向における断面の形状は、上記の実施の形態の例である四角形状以外に、六角形状や八角形状等の多角形状、円形状、あるいは直線と円弧とを組み合わせた形状であっても構わない。

本実施の形態の積層型圧電素子１は、例えば、圧電駆動素子（圧電アクチュエータ），圧力センサ素子および圧電回路素子等に用いられる。駆動素子としては、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置，インクジェットのような液体噴射装置，光学装置のような精密
位置決め装置，振動防止装置が挙げられる。センサ素子としては、例えば、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，感圧センサおよびヨーレートセンサが挙げられる。また、回路素子としては、例えば、圧電ジャイロ，圧電スイッチ，圧電トランスおよび圧電ブレーカーが挙げられる。

次に、本実施の形態の積層型圧電素子１の製造方法について説明する。

まず、圧電体層２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、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を用いて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、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）からなるペロブスカイト型酸化物等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），フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）等を用いることができる。

次に、内部電極３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内部電極３のパターンで塗布する。さらに、この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、所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、例えば９００〜１２００℃の温度で焼成することによって、例えば交互に積層された圧電体層２および内部電極３を備えた積層体４を作製する。

なお、積層体４は、上記の製造方法によって作製されるものに限定されるものではなく、圧電体層２と内部電極３とを交互に複数積層してなる積層体４を作製できれば、どのような製造方法によって作製されてもよい。

次に、焼成して得られた積層体４に、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう研削処理を施す。

その後、銀を主成分とする導電性粒子とガラスとを混合したものに、バインダー，可塑剤および溶剤を加えて作製した銀ガラス含有導電性ペーストを、メタライズ電極８のパターンで積層体４の側面にスクリーン印刷法等によって印刷後、乾燥させた後、例えば６５０〜７５０℃の温度で焼き付け処理を行ない、メタライズ電極５を形成する。

なお、積層体４の側面にシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の外装樹脂でコートしてもよい。

次に、メタライズ電極５とリード部材７とを導電性接合材６で接合する。ここで、リード部材７がメタライズ電極５と平行になるように配置して、リード部材７とメタライズ電極５とを導電性接合材６にて接続して固定するのがよい。接合方法としては、リード部材７の端部および被覆層１３の一部を導電性接合材６に埋設するようにしてレーザ照射するのがよく、これにより被覆層１３の一部が溶接の熱によって燃えて飛散し、飛散した部分に隙間８を形成することができる。

なお、被覆層１３の端部の形状を所望の隙間８の形成位置にあわせた形状とすることで、隙間８の形成位置を調整することができる。

その後、一対のメタライズ電極５にそれぞれ接続したリード部材７に０．１〜３ｋＶ／
ｍｍの直流電界を印加し、積層体４を構成する圧電体層２を分極することによって、積層型圧電素子１が完成する。この積層型圧電素子１は、リード部材７を介してメタライズ電極５と外部の電源とを接続して、圧電体層２に電圧を印加することにより、各圧電体層２を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。

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等として用いられる。

次に、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の例について説明する。

図５は、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例を示す概略断面図であり、図５に示す例の圧電アクチュエータ１１は、積層型圧電素子１をケース１３に収容してなるものである。

具体的には、ケース１３は、上端が塞がれ下端が開口したケース本体１５と、ケース本体１５の開口を塞ぐようにケース本体１５に取り付けられた蓋部材１７とで構成され、積層型圧電素子１の両端面をケース１３の上端内壁および下端内壁にそれぞれ当接させるようにして積層型圧電素子１がケース１３の内部に例えば不活性ガスとともに封入され収容されている。

ケース本体１５および蓋部材１７は、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの金属材料で形成されたものである。

ケース本体１５は、上端が塞がれ下端が開口した筒状体であり、積層体４の積層方向に伸縮可能に例えばベローズ（蛇腹）形状となっている。また、蓋部材１７は、ケース本体１５の開口を塞ぐように例えば板状に形成されていて、ケース本体１５に下端にレーザ溶接などにより溶接されている。蓋部材１７にはリード部材８を挿通可能な貫通孔が２つ形成されており、リード部材８を貫通孔に挿通させてメタライズ層５と外部とを電気的に導通させている。そして、貫通孔の隙間には軟質ガラス等を充填していて、このリード部材８を固定するとともに、外気の侵入を防いでいる。

本例の圧電アクチュエータ１１によれば、長期間安定して駆動することができる。

次に、本発明の噴射装置の実施の形態の例について説明する。図６は、本発明の噴射装置の実施の形態の一例を示す概略断面図である。

図６に示すように、本実施の形態の噴射装置１９は、一端に噴射孔２１を有する収納容器（容器）２３の内部に上記の本実施の形態の積層型圧電素子１が収納されている。

収納容器２３内には、噴射孔２１を開閉することができるニードルバルブ２５が配設されている。噴射孔２１には流体通路２７がニードルバルブ２５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２７は外部の流体供給源に連結され、流体通路２７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２５が噴射孔２１を開放すると、流体通路２７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、噴射孔２１から吐出されるように構成されている。

また、ニードルバルブ２５の上端部は内径が大きくなっており、収納容器２３に形成されたシリンダ２９と摺動可能なピストン３１になっている。そして、収納容器２３内には、上述した本実施の形態の積層型圧電素子１がピストン３１に接して収納されている。

このような噴射装置１９では、積層型圧電素子１が電圧を印加されて伸長すると、ピストン３１が押圧され、ニードルバルブ２５が噴射孔２１に通じる流体通路２７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積層型圧電素子１が収縮し、皿バネ３３がピストン３１を押し返し、流体通路２７が開放され噴射孔２１が流体通路２７と連通して、噴射孔２１から流体の噴射が行なわれるようになっている。

なお、積層型圧電素子１に電圧を印加することによって流体通路２７を開放し、電圧の印加を停止することによって流体通路２７を閉鎖するように構成してもよい。

また、本実施の形態の噴射装置１９は、噴射孔を有する容器２３と、本実施の形態の積層型圧電素子１とを備え、容器２３内に充填された流体を積層型圧電素子１の駆動により噴射孔２１から吐出させるように構成されていてもよい。すなわち、積層型圧電素子１が必ずしも容器２３の内部にある必要はなく、積層型圧電素子１の駆動によって容器２３の内部に流体の噴射を制御するための圧力が加わるように構成されていればよい。なお、本実施の形態の噴射装置１９において、流体とは、燃料，インク等の他、導電性ペースト等の種々の液体および気体が含まれる。本実施の形態の噴射装置１９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長期にわたって安定して制御することができる。

本実施の形態の積層型圧電素子１を採用した本実施の形態の噴射装置１９を内燃機関に用いれば、従来の噴射装置に比べてエンジン等の内燃機関の燃焼室に燃料をより長い期間にわたって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例について説明する。図７は、本発明の燃料噴射システムの実施の形態の一例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３５は、高圧流体としての高圧燃料を蓄えるコモンレール３７と、このコモンレール３７に蓄えられた高圧流体を噴射する複数の本実施の形態の噴射装置１９と、コモンレール３７に高圧流体を供給する圧力ポンプ３９と、噴射装置１９に駆動信号を与える噴射制御ユニット４１とを備えている。

噴射制御ユニット４１は、外部情報または外部からの信号に基づいて高圧流体の噴射の量および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４１を用いた場合であれば、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およびタイミングを制御することができる。圧力ポンプ３９は、燃料タンク４３から流体燃料を高圧でコモンレール３７に供給する役割を果たす。例えばエンジンの燃料噴射システム３５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）程度の高圧にしてコモンレール３７に流体燃料を送り込む。コモンレール３７では、圧力ポンプ３９から送られてきた高圧燃料を蓄え、噴射装置１９に適宜送り込む。噴射装置１９は、前述したように噴射孔２１から一定の流体を外部または隣接する容器に噴射する。例えば、燃料を噴射供給する対象がエンジンの場合には、高圧燃料を噴射孔２１からエンジンの燃焼室内に霧状に噴射する。

本例の燃料噴射システム３５によれば、高圧燃料の所望の噴射を長期にわたって安定して行なうことができる。

本発明の積層型圧電素子の実施例について、以下に説明する。

本発明の積層型圧電素子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（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダーおよび可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製した。このセラミックスラリーを用いてドクターブレード法により厚み５０μｍ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。

また、銀−パラジウム合金にバインダーを加えて、内部電極となる導電性ペーストを作製した。

次に、セラミックグリーンシートの片面に、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、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２００枚積層した。次に、内部電極となる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２００枚を中心にして、その上下の層に、内部電極となる導電性ペーストが印刷されていない圧電セラミックグリーンシート合計１５枚を積層した。

そして、１０００℃で焼成することにより積層体を得た。得られた積層体を平面研削盤を用いて直方体状に研削した。その大きさは、端面が縦５ｍｍ、横５ｍｍであり、高さが４０ｍｍであった。

次に、積層体の側面のメタライズ電極の形成部に、銀とガラスにバインダーを混合した導電性ペーストをスクリーン印刷法により印刷し、７００℃で焼き付け処理を行なって、メタライズ電極を形成した。

次に、積層体の側面にエポキシ樹脂をスクリーン印刷法により印刷し１４０℃で硬化させた。

次に、メタライズ電極に、導電性接合材を介してリード部材を積層体表面と平行になるように接続して固定した。ここで、リード部材は、被覆層を有し、先端に予備半田を形成しているものを使用し、導電性接合材の内部に隙間を設けるには、次の様な方法を用いた。

導電性接合材が溶融したときに球形になるように、導電性接合材塗布部以外のメタライズ電極表面を樹脂で被覆してパッド面積を小さくしてから半田ペーストを塗布し、レーザーで溶融させて、略球形とした。このとき、導電性接合材の融点近傍の温度に制御することで、導電性接合材が流動しないようにした。また、導電性接合材を介してリード部材をセットする際に、予備半田を有する部分を導電性接合材に位置合わせして、被覆層の一部を導電性接合材に入れておくことで、導電性接合材が溶融したときに、被覆層は完全に飛散せずに残渣部分が隙間を形成するようにした。

このようにして、本発明の実施例の積層型圧電素子（試料１）を作った。

また比較として、被覆層のないリード部材を使用し、パッドの面積を２倍に大きくして、半田ペーストを同量塗布した後、半田ペーストが流動できるようにリフロー炉で半田付けして、隙間を形成していない比較例の積層型圧電素子（試料２）を作った。

そして、試料１、２の各積層型圧電素子について、リード部材を介してメタライズ電極に３ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分間印加して、分極処理を行なった。これらの積層型圧電素子に１６０Ｖの直流電圧を印加したところ、積層体の積層方向に３０μｍの変位量が得られた。さらに、室温で０Ｖ〜＋５０Ｖの交流電圧を１０ｋＨｚの周波数で印加して、１×１０^８回まで連続駆動した耐久性試験を行なった。

その結果、本発明の実施例の積層型圧電素子（試料１）は、１×１０^８回連続駆動しても、メタライズ電極が外れず異常は見られなかった。

これに対し、比較例の積層型圧電素子（試料２）は隙間がないので、積層体が振動した際にリード部材が共振してメタライズ電極が外れて、駆動が停止した。

以上のことから、本発明の積層型圧電素子は、駆動時にメタライズ電極が外れるのを抑制することができることがわかる。

１・・・積層型圧電素子
２・・・圧電体層
３・・・内部電極
４・・・積層体
５・・・メタライズ電極
６・・・導電性接合材
６１・・・ボイド
７・・・リード部材
８・・・隙間
９・・・被覆層
１１・・・圧電アクチュエータ
１３・・・ケース
１５・・・ケース本体
１７・・・蓋部材
１９・・・噴射装置
２３・・・収納容器
２１・・・噴射孔
２５・・・ニードルバルブ
２７・・・流体通路
２９・・・シリンダ
３１・・・ピストン
３３・・・皿バネ
３５・・・燃料噴射システム
３７・・・コモンレール
３９・・・圧力ポンプ
４１・・・噴射制御ユニット
４３・・・燃料タンク

Claims (11)

1. 圧電体層および内部電極が積層された積層体と、該積層体の側面に設けられて前記内部電極と電気的に接続されたメタライズ電極と、該メタライズ電極に導電性接合材で接合されたリード部材とを含み、
   該リード部材の一部は前記導電性接合材に埋設されており、前記導電性接合材と前記リード部材との間の一部に開口する隙間があることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記隙間の内側の端部は、メタライズ電極の端部より内側に位置してい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. 前記隙間が少なくとも前記リード部材と前記メタライズ電極との間にあることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
4. 前記隙間が少なくとも前記リード部材の側方にあることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
5. 前記隙間が前記リード部材を取り囲むように前記リード部材の周囲にあることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
6. 前記リード部材の表面には、前記隙間までの領域にかけて被覆層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
7. 前記導電性接合材の内部にボイドがあることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
8. 圧電体層および内部電極が積層された積層体の側面に設けられたメタライズ電極に、端部を除いて被覆層が設けられたリード部材を半田で接合する積層型圧電素子の製造方法であって、前記リード部材の前記端部および前記被覆層の一部を前記導電性接合材に埋設するようにしてレーザ照射することで前記メタライズ電極と前記リード部材とを導電性接合材で接合することを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
9. 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と、該積層型圧電素子を内部に収容するケースとを備えたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
10. 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。
11. 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９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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