JP4345434B2

JP4345434B2 - 積層型圧電体素子の駆動方法

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Publication number: JP4345434B2
Application number: JP2003361125A
Authority: JP
Inventors: 英生成瀬; 章藤井; 昇長瀬
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2009-10-14
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Description

本発明は，圧電層と内部電極層からなる積層型圧電体素子の駆動方法に関する。

圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる積層型圧電体素子が知られており、積層型圧電体素子に電圧を印加して伸張する際の直線運動を利用して、これを内燃機関の燃料噴射装置のインジェクタ開閉弁の切替に用いるアクチュエータの駆動源として使用することがある。

ところで、圧電層の静電容量は温度の変化に伴い大きく変化する。例えば−２０℃〜１６０℃の温度範囲で静電容量が数倍程度変化することがある。
このため、積層型圧電体素子の積層方向の両端面間電圧、積層型圧電体素子の駆動に際して供給される電気エネルギーは、静電容量の変化に応じて、大きく変化する。
従って、なんらかの制御手段を用いて、積層型圧電体素子の静電容量の温度変化を吸収する必要があった。

一例として特許文献１を示すが、ここでは、スイッチング素子、ダイオード、インダクタ等からなる複雑な制御回路を用いて、静電容量の温度変化を吸収し、温度に寄らず一定の伸びを積層型圧電体素子が呈するよう、駆動している。

特開２００２−１０１６７３号公報

しかしながら、従来技術に記載したような複雑な制御回路を用いる方法は、（１）演算負荷が大きく、特に車載用の用途に適さない。何故なら、処理能力に優れた高価なマイコンが必要とる。また、別途積層型圧電体素子の制御用マイコンを設ける必要が生じ、コストアップに結びつく。
（２）車載用の場合、積層型圧電体素子の制御回路をＥＣＵに内蔵すると、消費電力が大となり好ましくない。
（３）特に、制御回路のノイズが大きい場合、誤動作が生じ、適切に積層型圧電体素子を制御することが困難となる。
（４）また、ＥＣＵに内蔵するということは、ノイズの大きい動作波形に基づいて制御することになりがちである。従って、制御精度を高めることが難しい。

このため、複雑な制御回路を使用することなく、省電力、省エネで静電容量の温度変化を吸収可能な積層型圧電体素子の駆動方法が求められていた。

本発明は、圧電層と、内部電極層とを交互に積層してなる圧電スタックと、該圧電スタックの側面に設けて、上記内部電極層を一層おきに通電するよう構成した側面電極とからなる積層型圧電体素子を駆動するにあたり、
上記圧電層は、圧電率ｄ３３の温度変化率をａ、静電容量の温度変化率をｃ、定数ｋとすると、ａ＝ｋ（ｃ）^1/2という関係が成立する圧電材料から構成し、
上記通電は、積層型圧電体素子のエネルギーが一定となるように行うことを特徴とする積層型圧電体素子の駆動方法にある（請求項１）。

本発明は、圧電層を圧電率ｄ３３の温度変化率が、ｋ（ｃ）^1/2となる圧電材料から構成する。すなわち、圧電率ｄ３３の温度変化を示す線図（後述する図３）と、（静電容量の温度変化率）^1/2の値を示した線図で、両者の曲線が定数ｋの分だけ、上下にずれた略平行状態となる（後述する図５参照）。
このような材料からなる圧電層に通電した際の電気エネルギーは、圧電層１枚あたり、「（静電容量）×（圧電層の両面から印加される電圧）²／２」となる。
この値が一定となるように制御することで、圧電層の伸びを温度にかかわらず略一定とすることができる。

これは、圧電層の伸びはｄ３３と圧電層に対する印加電圧とを掛けた値に比例し、圧電層に印加する電圧がｕであれば、「（電気エネルギー）＝（静電容量）×ｕ²／２）」となる。従って、圧電層の伸びは、「ｄ３３×（２×電気エネルギー／（静電容量））^1/2」となる。すなわち、圧電層の伸びは電気エネルギーが一定であれば、ｄ３３／（静電容量）^1/2に比例することになる。
従って、圧電層の伸びを一定としたければ、圧電率ｄ３３の温度変化率をａ、静電容量の温度変化率をｃ、定数をｋとすると、ａ＝ｋ（ｃ）^1/2という関係が成立する材料を用いた上で、定エネルギー駆動により、変位に温度が依存し難い積層型圧電体素子を得ることができる。

そして、上記定エネルギー駆動は、エネルギーが静電容量の大きさと印加電圧に依存するため、最終的には電圧を制御することで、目的を達成できる。
そのため、従来、積層型圧電体素子の変位から温度依存性をなくすために設けられた各種制御回路や駆動回路と比較して、格段に簡便な回路構成で制御を実現することができる。更に、本発明にかかる駆動方法を実現する駆動回路は、大きな電力を消費するマイコンや高いマイコンを殆ど使用せずとも実現することができる。

以上、本発明によれば、複雑な制御回路を使用することなく、省電力、省エネで静電容量の温度変化を吸収可能な積層型圧電体素子の駆動方法を得ることができる。

本発明にかかる積層型圧電体素子は、内部電極層とを交互に積層してなる圧電スタックと、該圧電スタックの側面に設けて、上記内部電極層を一層おきに通電するよう構成した側面電極とからなる。
また、内部電極層の側端面が圧電スタックの側面の全周において露出する全面電極構成の積層型圧電体素子、内部電極層の側端面が圧電スタックの側面に部分的に露出した、部分電極構成の積層型圧電体素子のいずれに対しても本発明を適用することができる。
そして、内部電極層に通電することで、圧電層の積層方向両端から異なる電位が印加され、圧電層が伸張する。積層型圧電体素子は複数個の圧電層が積層されており、個々の圧電層の伸びを合計したものが全体の伸びとなる。

また、上記圧電層を構成する圧電材料は、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）あるいはＢａＴｉＯ₃（チタン酸バリウム）等のＡＢＯ₃ペロブスカイト構造を持つ酸化物が挙げられる。一般的にはそれらの圧電材料に対して、そのｄ定数やＴｃの向上，温度特性や機械的強度の改善を目的として、第３成分が添加される。ＰＺＴの場合には、そのＢサイトにＮｉ，Ｎｂ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｃｒなどの成分が添加される。ＢａＴｉＯ₃の場合には、そのＡサイトをＣａ，Ｓｒ，Ｐｂを置換するのが一般的である。

また、圧電率ｄ３３や静電容量の温度変化率について説明する。
温度ｔ０における圧電率ｄ３３がａ０、温度ｔ１（ｔ０より大）における圧電率ｄ３３がａ１である場合、（ａ１−ａ０）／ａ０を温度ｔ１における圧電率ｄ３３の温度変化率ａとする。
同じく、温度ｔ０における静電容量がｃ０、温度ｔ１（ｔ０より大）における静電容量がｃ１である場合、（ｃ１−ｃ０）／ｃ０を温度ｔ１における静電容量の温度変化率ｃとする。
また、ｋは温度に寄らない定数である。

次に、ｋは、０．７〜１．３であることが好ましい（請求項２）。
ｋが小さい圧電材料からなる圧電層は高温で伸びが小さくなる。ｋが大きい圧電材料からなる圧電層は高温で伸びが大きくなる傾向がある。
ｋが０．７未満である場合、高温で圧電層の変位が小さくなるため、高温での使い勝手が悪く、使用可能温度範囲が限られるおそれがある。
ｋが１．３より大である場合、高温で変位が大となった時、周囲の部材に衝突する等の問題が生じることがある。
更に、後述する実施例３に示すごとき、アクチュエータの駆動源として使用する際、積層型圧電体素子の変位を伝達する相手部材との間に油（実施例３では燃料）を挟んだ構成の場合、高温となって油の粘度が低下した際はより大きく伸びないと相手部材に対し変位を伝達することができない。この場合で、高温で伸びが小さくなると動作不良の原因となるため、ｋは１〜１．３とすることが好ましい。

また、上記積層型圧電体素子は、内燃機関の燃料噴射用のインジェクタの駆動源として使用することができる（請求項３）。
インジェクタの駆動源に積層型圧電体素子を使用することで、温度に寄らず、燃料噴射量が一定となる優れたインジェクタを得ることができる。

（実施例１）
本発明にかかる積層型圧電体素子駆動方法について、図１、図２を用いて説明する。
本例は、図１に示すごとく、圧電層１１と、内部電極層１２１、１２２とを交互に積層してなる圧電スタック１０と、該圧電スタック１０の側面１０１、１０２に設けて、上記内部電極層１２１、１２２を一層おきに通電するよう構成した側面電極１５１とからなる積層型圧電体素子１を駆動するにあたり、上記圧電層１１は、圧電率ｄ３３の温度変化率をａ、静電容量の温度変化率をｃ、定数ｋとすると、ａ＝ｋ（ｃ）^1/2という関係が成立する圧電材料から構成し、上記通電は、積層型圧電体素子１のエネルギーが一定となるように行う。

本例にかかる駆動方法を適用する積層型圧電体素子１について説明する。
図１に示すごとく、本例の積層型圧電体素子１は部分電極構成であり、圧電層１１と内部電極層１２１、１２２とを交互に積層してなる圧電スタックの側面１０１、１０２に側面電極１５１（側面１０１に設けたもののみを図示、側面１０２に設けたものは図面から見えない場所にあるため省略する）を配置して、側面１０１の側面電極１５１と内部電極層１２１の側端部とを電気的に導通させ、側面１０２の側面電極と内部電極層１２２の側端部とを電気的に導通させる。

また、圧電スタック１０の積層方向両端には、片側のみ内部電極層１２１、１２２と接触するダミー層１０８、１０９がある。ダミー層１０８、１０９は駆動時に変位しない。
このような積層型圧電体素子１において、側面電極にそれぞれ異なる電位を与えることで、圧電層１１が変位する。これが積層型圧電体素子１の駆動である。

また、本例にかかる圧電層１１は、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）で、基本組成は、Ｐｂ［（Ｚｒ_xＴｉ_1-x）_0.97（Ｚｎ_0.33Ｎｂ_0.67）_0.03］Ｏ₃＋０．０１Ｍｎであり、Ｘ＝０．３〜０．７の範囲にて、且つ焼成温度を１１７０〜１３２０℃（３０℃ＳＴＥＰ）として調整した圧電材料からなる。
この圧電材料について、圧電率ｄ３３の温度変化率をａ、静電容量の温度変化率をｃ、定数ｋとすると、ａ＝ｋ（ｃ）^1/2という関係が成立した。ここでｋは温度−５０℃〜３００℃の範囲において０．７〜１．３であった（詳細な測定方法は実施例２参照）。
また、内部電極層１２１、１２２はＡｇＰｄ材料からなり、側面電極１５１はＡｇ材料からなる。

次に、本例にかかる駆動方法を実現する駆動回路２を図２に示す。
本例の積層型圧電体素子１は、該積層型圧電体素子１に電圧を印加して伸張する際の直線運動を利用して、車載用エンジンの燃料噴射装置において、インジェクタ開閉弁の切替を行うアクチュエータの駆動源として使用するもので、インジェクタの構造等は後述する実施例３において具体的に記載した。
また、ここで説明する駆動回路２は、４個の積層型圧電体素子を同時に駆動する構成である。すなわち、４気筒のエンジンで、４基のインジェクタを備える場合、積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄは、各気筒に設けられたインジェクタ４の燃料噴射と停止の切り替え用としてインジェクタ４のそれぞれに搭載される。本例の駆動回路２はこのような構成で、４個の積層型圧電体素子を同時に駆動できる。

上記駆動回路２は、車載のバッテリ２１１、バッテリ２１１から数十〜数百Ｖの直流電圧を発生するＤＣ−ＤＣコンバータ２１２、およびその出力端に並列に接続されたバッファコンデンサ２１３により直流電源２１を構成し、積層型圧電体素子２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの充電用の電圧を出力する。
ＤＣ−ＤＣコンバータ２１２はバッテリ２１１と直列にインダクタ２１２１とスイッチング素子２１２２が接続され、スイッチング素子２１２２のオン時にインダクタ２１２１に蓄積されたエネルギーが、スイッチング素子２１２２のオフ時に、前記エネルギーにより逆起電力を発生するインダクタ２１２１からダイオード２１２３を介してコンデンサ２１３に充電される。バッファコンデンサ２１３は比較的静電容量の大きなもので構成され、積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄへの充電作動時にも略一定の電圧値を保つようになっている。

直流電源２１のバッファコンデンサ２１３から積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄにインダクタ２３を介して通電する第１の通電経路２２ａが設けてあり、通電経路２２ａには、バッファコンデンサ２１３とインダクタ２３間にこれらと直列に第１のスイッチング素子２４が介設されている。第１のスイッチング素子２４はＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード（以下、第１の寄生ダイオードという）２４１がバッファコンデンサ２１３の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。
また、インダクタ２３と積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄは第２の通電経路２２ｂを形成しており、この通電経路２２ｂは、インダクタ２３と第１のスイッチング素子２４の接続中点に接続される第２のスイッチング素子２５を有し、インダクタ２３、積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄ、第２のスイッチング素子２５により閉回路を形成している。第２のスイッチング素子２５もＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード（以下、第２の寄生ダイオードという）２５１がバッファコンデンサ２１３の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。

通電経路２２ａ、２２ｂは積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄのそれぞれに共通であり、また、次のように駆動対象としての積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄが選択できる。すなわち、積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄのそれぞれには直列にスイッチング素子（以下、適宜、選択スイッチング素子という）２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄが１対１に接続されて、噴射気筒のインジェクタのピエスタック２Ａ〜２Ｄに対応する選択スイッチング素子２６Ａ〜２６Ｄがオンされる。
選択スイッチング素子２６Ａ〜２６ＤはＭＯＳＦＥＴが用いられており、その寄生ダイオード（以下、選択寄生ダイオードという）２６１Ａ、２６１Ｂ、２６１Ｃ、２６１Ｄは、バッファコンデンサ２１３に対して逆バイアスとなるように接続されている。

スイッチング素子２４、２５、２６Ａ〜２６Ｄの各ゲートには制御回路２８からそれぞれ制御信号が入力しており、前記のごとく選択スイッチング素子２６Ａ〜２６Ｄのいずれかをオンして駆動対象の積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄが選択されるとともに、スイッチング素子２４、２５のゲートにはパルス状の制御信号が入力してスイッチング素子２４、２５をオンオフし、積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄの充電制御および放電制御を行うようになっている。

また、制御回路２８には、燃料噴射制御全体を司る後述するＥＣＵからの噴射信号が入力している。噴射信号は噴射期間に対応する「Ｌ」と「Ｈ」よりなる二値信号であり、制御回路２８は噴射信号の立ち上がりで積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄの充電を開始し、噴射信号の立ち下がりで積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄを放電する。

制御回路２８の充電制御について説明する。
制御回路２８は第１のスイッチング素子２４のオン期間とオフ期間とを次のように設定し、第１のスイッチング素子２４の制御信号を出力する。すなわち、オン期間は一定とするとともに、オフ期間は充電電流が０になると第１のスイッチング素子２４をオンして終了し次のオン期間に入るように設定してある。前記制御信号はタイマ制御にて予め設定された時間の間、出力され、該時間に応じた回数で第１のスイッチング素子２４のオンオフが繰り返される。

充電電流Ｉｐの経時変化について説明する。
スイッチング素子２４のオン期間には、第１の通電経路２２ａに、バッファコンデンサ２１３からインダクタ２３を介して積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄに漸増する充電電流が流れ、スイッチング素子２４のオフ期間には、インダクタ２３に発生する誘導起電力が第２の寄生ダイオード２５１に対し順バイアスとなり、第２の通電経路２２ｂに、フライホイール作用により漸減する充電電流が流れる。ここで、第１のスイッチング素子２４のオンオフ周波数に比してインダクタ２３および積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄを含む回路の共振周波数は十分に高く、波形は三角形とみなせる。

ここで、オンオフ１周期における充電電流のピーク値（ピーク電流）ＩｐPEAKは、オン期間の終期における電流であり、直流電源２１の出力電圧（以下、直流電源出力電圧という）すなわちバッファコンデンサ２１３の両端間電圧をＶDC-DC、積層型圧電体素子電圧をＶｐ、オン期間の長さをＴON、インダクタ２３のインダクタンスをＬとして、ＩｐPEAK＝（ＶDC-DC−Ｖｐ）×ＴON／Ｌとなる。式中、直流電源出力電圧ＶDC-DCは前記のごとく一定とみなせる。

また、積層型圧電体素子電圧Ｖｐは、積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄの充電を開始する時の初期値が０で、時間をおって漸増する経時プロファイルを示すから、スイッチング素子２４のオン期間にインダクタ２３に印加される電圧（ＶDC-DC−Ｖp）は、積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄの充電が進むにつれて漸次低くなる。
これにより、インダクタ２３の誘導起電力も漸次小さくなるから、オン期間における充電電流Ｉｐの勾配も積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄの充電が進むにつれて小さくなる。
本例では、オン期間を一定とすることで、充電電流は、三角波形をとりながら全体的にみて積層型圧電体素子電圧Ｖｐとは逆に減少する経時プロファイルを示す。

ここで、積層型圧電体素子電圧Ｖｐは積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄの静電容量Ｃに反比例するから、静電容量Ｃが増大したとすると、これは積層型圧電体素子電圧Ｖｐの上昇速度を抑制する方向に作用する。

この、積層型圧電体素子電圧Ｖｐの上昇速度を抑制する方向の作用は、スイッチング素子２４のオン期間におけるインダクタ２３への印加電圧の低下が緩和する方向に作用し、全体的にみた充電電流Ｉｐの減少速度を抑制する方向に作用する。これは積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄへの電荷供給速度を上昇する方向、したがって積層型圧電体素子電圧Ｖｐの上昇速度を増加する方向に作用するから、積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄの静電容量の増大によっては積層型圧電体素子電圧Ｖｐの経時プロファイルはあまり変化しない。

一方、積層型圧電体素子電圧Ｖｐが積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄの静電容量の増大によって大きく変化しないことから、充電電流Ｉｐの経時プロファイルも余り変化しないことになる。

しかも、この積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄの静電容量の増大による積層型圧電体素子電圧Ｖｐ、充電電流Ｉｐへの小さな影響は次の性質を有している。
すなわち、積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄへの、充電による単位時間当たりのエネルギー供給量は積層型圧電体素子電圧Ｖｐと充電電流Ｉｐの積で表されるところ、積層型圧電体素子電圧Ｖｐの上昇速度を抑制する方向は、単位時間当たりのエネルギー供給量を減少する方向であり、充電電流Ｉｐの減少を緩和する方向は、単位時間当たりのエネルギー供給量を増加する方向であるから、両者は互いに相殺する方向に作用している。したがって、単位時間当たりのエネルギー供給量が、環境温度の変動等に基因した積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄの静電容量の変動に依存するのをさらに抑制することができる。

したがって、駆動回路２にて積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄの充電時間を一定に制御するだけで、フィードバック制御を伴わずに積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄの静電容量が変化しても積層型圧電体素子２Ａ〜２Ｄへの供給エネルギーを一定値にすることができる。

そして、図２にかかる駆動回路２で、定エネルギーとなるように電圧を印加して、積層型圧電体素子１を制御した。
ここで積層型圧電体素子の静電容量Ｄは、あらかじめ圧電層を構成する材料から試料を作成し、その試料をインピーダンスアナライザ等の測定器具に接続して測定する。具体的な測定方法は実施例２と同様である。

また、ここで記載した定エネルギー制御とは、−５０℃〜３００℃の範囲における積層型圧電体素子へ供給されるエネルギーＤＶ₂／２の変動率が−１５〜＋１５％の範囲に収まるように充電時間を調整することである。
この条件にかかる駆動方法で、積層型圧電体素子１の変位は−５０℃〜３００℃の範囲において、積層型圧電体素子１の電圧を印加する前の厚みを基準とすると、そこから−５〜＋５％の範囲に収まることが分かった。

本例にかかる駆動回路２は、図２から明らかであるが、非常にシンプルな構成であり、マイコンを使用することなく定エネルギー制御が可能となる。このためＥＣＵとの通信を簡素化でき、ＥＣＵとの分離制御が容易となる。
そして、駆動回路を分離すると、性能向上による消費電力アップも可能となり、ＥＣＵがノイズにより誤動作する心配がない。
以上、本例によれば、複雑な制御回路を使用することなく、省電力、省エネで静電容量の温度変化を吸収可能な積層型圧電体素子の駆動方法を得ることができた。

なお、本例で図１に例示したのは、部分電極構成の積層型圧電体素子である。
他に、全面電極構成や、圧電層と内部電極層とを交互に積層した、単体でも積層型圧電体素子として機能可能な圧電ユニットを積層して所定の高さに積み上げてなるユニット式積層型圧電体素子についても、本例にかかる駆動方法を適用することができる。

（実施例２）
本例は、所定の圧電材料の圧電率ｄ３３と静電容量との測定方法について説明する。
即ち、圧電材料（組成は実施例１に記載した）を所定の厚みに研削し、両面にＡｇＰｄ電極を温度８５０℃で焼き付ける。続いてこれを直径１６ｍｍの円盤形状に加工する。得られた試料を１３０℃のシリコーンオイル中に浸して、２０００Ｖを３０分印加して、分極処理する。なお、ここで分極処理を行うのは、積層型圧電体素子にかかる圧電層も製造の際にシリコーンオイル中に浸して、分極処理してあるからである。

分極処理を終えた試料の両端面をインピーダンスアナライザ（ｈｐ社製４１９４Ａ）と結線し、圧電率ｄ３３について、径方向に振動の出現する１００〜２００ＫＨｚにて共振−反共振法を用いて算出した。静電容量は、１ＫＨｚにて測定した。
以上の測定結果を、図３（圧電率ｄ３３の温度−５０〜３００℃の温度変化率）、図４（静電容量の温度−５０〜３００℃の温度変化率）として、記載した。
ここで、温度ｔ０における圧電率ｄ３３がａ０、温度ｔ１（ｔ０より大）における圧電率ｄ３３がａ１である場合、（ａ１−ａ０）／ａ０を温度ｔ１における圧電率ｄ３３の温度変化率ａ、温度ｔ０における静電容量がｃ０、温度ｔ１（ｔ０より大）における静電容量がｃ１である場合、（ｃ１−ｃ０）／ｃ０を温度ｔ１における静電容量の温度変化率ｃとした。

図３、図４に基づいて、図５にかかる線図に、ｄ３３の温度変化率、（静電容量の温度変化率）^1/2を記載した。
図５より明らかであるが、両者の曲線は殆ど一致している。
すなわち圧電率ｄ３３の温度変化率をａ、静電容量の温度変化率をｃとすると、「ａ＝ｋ（ｃ）^1/2、ｋ≒１．０」となる。なお、ｋの変動量は、大体−１％〜＋１％であった。

そして上記試料にかかる円盤状の圧電材料に対し、定エネルギー制御と定電圧制御における伸びについてそれぞれ比較した。
ここで定エネルギー制御とは、試料の両端面から印加する電圧をｍ、その温度における試料の静電容量をｎとすると、ｎｍ²／２が一定となるように制御することである。なお、ｎｍ²／２の値の変動は、基準値に対して±１０％まで許容できる。
また、定電圧制御とは、温度にかかわらず一定の電圧を与えた状態である。電圧の変動は、基準値に対して、±５％まで許容される。

このような状態で、室温２０℃における伸びを基準とした変化率を縦軸に、温度を横軸にとって、上記二つの制御方法にかかる変化率を、図６にかかる線図に記載した。
図６より明らかであるが、定エネルギー制御の場合、伸びが殆ど温度に依存しないが、定電圧制御では、温度が高くなるに従って、伸びが大きくなる傾向が認められた。
以上、圧電率ｄ３３の温度変化率をａ、静電容量の温度変化率をｃ、定数ｋとすると、ａ＝ｋ（ｃ）^1/2という関係が成立する圧電材料を、エネルギーが一定となるよう駆動を制御することで、温度に依存しない変位がえられることが分かった。
従って、上記材料からなる圧電層で構成した積層型圧電体素子も、同様に、温度に依存しない変位がえられる。

（実施例３）
実施例１にかかる駆動方法を適用した積層型圧電体素子を内蔵したインジェクタについて説明する。
以下、インジェクタ３の構造について説明する。
図７は、インジェクタ３の断面及びその周辺構成を示す図面である。
インジェクタ３には、コモンレール４００から例えば１５０ＭＰａ程度の高圧の燃料４０１が供給される。インジェクタ３は、ＥＣＵ３００及び駆動回路２からの制御信号に応じて開閉し、その開動作に伴い図示を略したエンジンに燃料４０１を噴射供給する。
ＥＣＵ３００は、周知のマイクロコンピュータ等を備えて構成され、エンジン回転数、アクセル開度、エンジン水温等のエンジン運転情報を取り込み、インジェクタ３による燃料噴射時期及び燃料噴射量を最適に制御する。

インジェクタ３において、インジェクタボディ３１には、積層型圧電体素子１と、インジェクタボディ３１内を摺動する大径ピストン３３とが収容され、これらは互いの端面が密着するよう皿バネ３４により付勢されている。積層型圧電体素子１は、ＥＣＵ３００及び駆動回路２から取り込まれる制御信号（駆動電圧）に応じて伸縮し、制御信号に従い積層型圧電体素子１が伸長すると、大径ピストン３３が皿バネ３４の付勢力に抗して図の下方に移動する。符号３２１はピエゾスタック保持板である。

大径ピストン３３の下方には、該大径ピストン３３よりも径の小さい小径ピストン３５が配設され、大径ピストン３３と小径ピストン３５との間には変位拡大室３６が形成されている。変位拡大室３６は、大径ピストン３３が図の下方に変位する時、その下向きの力を内部の燃料圧を介して小径ピストン３５に伝達するものである。この場合、大径ピストン３３と小径ピストン３５との断面積の比率に応じて、小径ピストン３５の変位量が拡大される。
すなわち、変位拡大室３６は、積層型圧電体素子１の微小な変位を拡大し、小径ピストン３５に伝える役割を果たす。

小径ピストン３５は、ボール弁４０を押圧して高圧室４１内の高圧燃料を燃料リーク室３７にリークさせるものであり、小径ピストン３５の先端に形成された円柱状の縮径部３５１がボール弁４０の外周面（球面）に当接している。ここで、高圧室４１には、高圧通路４２を介して噴射圧相当の高圧燃料４０１、すなわちコモンレール４００より供給される高圧燃料４０１が導入され、この高圧燃料４０１によりボール弁４０が押し上げられている。この高圧燃料４０１の押し上げにより、ボール弁４０がインジェクタボディ３１のシート面４３に着座し、高圧室４１と燃料リーク室３７との間が遮断される（図示の状態）。

また、小径ピストン３５によりボール弁４０が図の下方に押圧されると、ボール弁４０が押し込まれてボール弁４０がシート面４３から離れ、高圧室４１内の高圧燃料４０１が燃料リーク室３７にリークする。燃料リーク室３７にリークした燃料４０２はドレイン通路３８を介して排出される。なお、符号３９は、小径ピストン３５をボール弁４０外周面に当接させるためのスプリングを示す。

高圧室４１には、燃料通路４４を介して圧力制御室４５が連通されている。圧力制御室４５には高圧通路４２を介してコモンレール４００からの高圧燃料が導入され、この高圧燃料と圧力制御室４５内のスプリング４６とによりノズルニードル４７が図の下方向に付勢されている。これにより、インジェクタ３の先端部の噴孔４８が閉鎖状態となっている。

上記構成のインジェクタ３において、積層型圧電体素子１が縮小状態にある場合、ボール弁４０はシート面４３に着座した状態で保持される。この状態では、ノズルニードル４７は圧力制御室４５の高圧燃料により閉弁位置に付勢保持され、噴孔４８から燃料が噴射されることはない。
そして、積層型圧電体素子１が伸長すると、小径ピストン３５が図の下方向に移動してボール弁４０を押圧し、ボール弁４０がシート面４３から離れて高圧室４１内の高圧燃料が燃料リーク室３７にリークする。このとき、圧力制御室４５内の圧力が低下し、それに伴いノズルニードル４７が開弁方向（図の上方向）に移動する。よって、噴孔４８から燃料が噴射される。

このような構成にかかるインジェクタ３に用いる積層型圧電体素子１は、圧電材料としてｋが１〜１．３であるものを使用することが好ましい。
これは、高温になるほど燃料の体積弾性係数が大きくなるため、大径ピストン３３（積層型圧電体素子１）の変位を大きくしないと変位拡大室３６の内圧が上がらないためである。

積層型圧電体素子の斜視説明図。積層型圧電体素子の駆動回路の説明図。実施例２にかかる、圧電率ｄ３３の温度変化率と温度との関係を示す線図。実施例２にかかる、静電容量の温度変化率と温度との関係を示す線図。実施例２にかかる、圧電率ｄ３３の温度変化率と静電容量の温度変化率の平方根とのそれぞれについての温度との関係を示す線図。実施例２にかかる、定エネルギー制御した試料と定電圧制御した試料にかかる伸びの温度変化率を記載した説明図。実施例３にかかる、インジェクタの説明図。

符号の説明

１積層型圧電体素子
１０圧電スタック
１０１、１０２側面
１１圧電層
１２１、１２２内部電極層
２駆動回路
３インジェクタ

Claims

圧電層と、内部電極層とを交互に積層してなる圧電スタックと、該圧電スタックの側面に設けて、上記内部電極層を一層おきに通電するよう構成した側面電極とからなる積層型圧電体素子を駆動するにあたり、
上記圧電層は、圧電率ｄ３３の温度変化率をａ、静電容量の温度変化率をｃ、定数ｋとすると、ａ＝ｋ（ｃ）^1/2という関係が成立する圧電材料から構成し、
上記通電は、積層型圧電体素子のエネルギーが一定となるように行うことを特徴とする積層型圧電体素子の駆動方法。
請求項１において、ｋは０．７〜１．３であることを特徴とする積層型圧電体素子の駆動方法。
請求項１または２において、上記積層型圧電体素子は、内燃機関の燃料噴射用のインジェクタの駆動源として使用することを特徴とする積層型圧電体素子の駆動方法。