JP5133399B2

JP5133399B2 - 積層型圧電素子、これを備えた噴射装置及び燃料噴射システム

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Publication number: JP5133399B2
Application number: JP2010500729A
Authority: JP
Inventors: 健岡村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: WO2009107700A1; JPWO2009107700A1

Description

本発明は、例えば、駆動素子（圧電アクチュエータ）、センサ素子及び回路素子に用いられる積層型圧電素子に関するものである。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及び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、感圧センサ及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、圧電トランス及び圧電ブレーカーが挙げられる。

従来から、積層型圧電素子は、小型化が進められると同時に大きな圧力下において大きな変位量を確保できることが求められている。そのため、より高い電圧が印加され、しかも長時間連続駆動させる過酷な条件下で積層型圧電素子を使用できることが要求されている。

コンデンサ等の通常の積層型電子部品と異なり、積層型圧電素子は駆動時に素子自体が繰り返し寸法変化を起こす。このように積層型圧電素子は一体として大きく駆動変形するため、高電圧又は高圧力の条件で長時間連続駆動させる場合には、内部電極及び圧電体に大きな応力がかかる。

そこで、特許文献１に開示されているように、同極の外部電極に接続された一対の内部電極（内部電極層）と、この一対の内部電極に挟まれた圧電体（圧電セラミック層）とを備えた低変位部（不活性導入層）を有する構造の素子が提案されている。
特開２００４−３０３８４９号公報

特許文献１に開示されているような低変位部で応力を緩和させることができるため、この低変位部を設けることにより、積層型圧電素子の端部に加わる応力を小さくすることができる。しかしながら、従来よりも高い電圧下又は高い圧力下における積層型圧電素子の使用においては、低変位部及びこの低変位部と積層方向に隣り合う圧電体の耐久性が低下するという新たな課題があった。

これは、低変位部と、この低変位部と積層方向に隣り合うとともに異極の外部電極と接続された内部電極で挟まれた圧電体では、電圧の印加時における変位量が異なるからである。そのため、従来よりも高い電圧又は高い圧力の条件下での積層型圧電素子の使用においては、低変位部と、この低変位部と積層方向に隣り合う圧電体との間において応力が集中しやすくなる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、耐久性を改善した積層型圧電素子を提供することを目的とする。

本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電体と複数の内部電極とを有してなりその圧電体と内部電極が交互に積層された積層体と、該積層体の側面に形成された正極及び負極の外部電極とを備えた素子である。そして、前記積層体において、前記複数の内部電極のうち、積層方向に隣り合う少なくとも一対の内部電極が同極の前記外部電極と接続され、前記少なくとも一対の内部電極を除く他の内部電極が交互に正極及び負極の外部電極に接続されてかつ、前記一対の内部電極の少なくとも一方の面積を前記他の内部電極に比較して小さくしている。

以上のように構成された本発明の積層型圧電素子によれば、前記同極の外部電極と接続された前記一対の内部電極とその一対の内部電極に挟まれた圧電体によって構成される低変位部で応力を緩和させることができるうえにさらに以下のような特有の効果が得られる。

すなわち、本発明の積層型圧電素子では、低変位部を構成するための前記一対の内部電極の少なくとも一方の面積が前記他の内部電極に比較して小さくなっているので、低変位部と隣接する圧電体の変位量が抑制される。これにより、本発明の積層型圧電素子によれば、低変位部に向かって変位量を段階的に小さくできる。したがって、この低変位部と積層方向に隣接する圧電体との間における応力の集中を小さくでき、積層型圧電素子の耐久性を高めることができる。

本発明の第１の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。図１に示す実施形態における積層方向に平行であるＡ−Ａ線における断面図である。図１に示す実施形態における積層方向に垂直な方向であって、非形成部位を有する内部電極を含むＢ−Ｂ線における断面図である。本発明の第１の実施形態にかかる変形例の積層方向に垂直な方向であって、非形成部位を有する内部電極を含む断面図である。本発明の第２の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す積層方向に平行な断面図である。図１に示す実施形態の積層方向に垂直な方向であって、非形成部位を有する内部電極を含む断面図である。本発明の第２の実施形態にかかる第１の変形例の積層方向に垂直な方向であって、非形成部位を有する内部電極を含む断面図である。本発明の第２の実施形態にかかる第２の変形例の積層方向に垂直な方向であって、非形成部位を有する内部電極を含む断面図である。本発明の第３の実施形態にかかる積層型圧電素子を示し、積層方向に垂直な方向であって、非形成部位を有する内部電極を含む断面図である。本発明の第４の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。図１０に示す実施形態における積層方向に垂直な方向であって、非形成部位を有する内部電極を含むＡ−Ａ線における断面図である。図１０に示す実施形態における積層方向に垂直な方向であって、非形成部位を有する内部電極を含むＢ−Ｂ線における断面図である。本発明の一実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システムを示す概略ブロック図である。

符号の説明

１・・・積層型圧電素子
３・・・圧電体
５・・・内部電極
７・・・積層体
９・・・外部電極
１１・・・低変位部
１３・・・内部電極非形成部位
１５・・・対向部分
１７・・・非対向部分
１９・・・第１の部位
２１・・・第２の部位
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・・・流体噴射システム
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

以下、本発明に係る実施形態の積層型圧電素子について図面を用いて詳細に説明する。
尚、以下の説明では、低変位部を構成する一対の内部電極５ａの面積を他の内部電極５に比較して小さくする具体的な形態について説明するが、本発明は以下に説明する具体的な形態に限定されるものではなく、低変位部を構成するための一対の内部電極５ａの少なくとも一方の面積が他の内部電極５に比較して小さくなっていればよい。

まず、図１〜２に示すように、本発明に係る積層型圧電素子１（以下、単に素子１ともいう）は、複数の圧電体３と複数の内部電極５とを有してなり、その圧電体３と内部電極５とが交互に積層された積層体７を備えている。そして、積層体７の側面に形成されるとともに内部電極５が接続された正極及び負極の外部電極９とを備えている。

ここで、正極及び負極の外部電極９とは、相対的に電位差を有していることを意味しており、負極の外部電極９が必ずしもグランド電位以下である必要はない。

また、複数の内部電極５のうち、積層方向に隣り合う少なくとも一対の内部電極５ａが同極の外部電極９と接続されている。以下の実施形態において、同極の外部電極９に接続された一対の内部電極５ａ及びこの一対の内部電極５ａに挟まれた圧電体３からなる部分を低変位部１１とする。このように、本実施形態の素子１は、低変位部１１を有していることにより、積層体７に加わる応力を緩和させることができる。
一対の内部電極５ａの少なくとも一方の面積が他の内部電極５に比較して小さくなっているが、面積が小さい内部電極５ａの面積は、他の内部電極５の面積の２５％〜９５％程度であればよい。この範囲内とすることにより、積層体７に加わる応力を緩和させることができ、また、応力緩和のために圧電体結晶粒子が変形した際に発生する起電力を、内部電極５ａを介して積層型圧電素子１の外部に導き出すことができるので、素子１内において、積層体７に加わる応力によって余分な電荷（起電力）が発生すること、およびその余分な電荷（起電力）によって積層型圧電素子１の動作不良が発生することを抑えることができる。
また、一対の内部電極５ａのうち一方のみの面積が小さい場合、面積が小さい内部電極５ａを跨いで異なる極性の内部電極５間に挟まれた電極間距離の大きな圧電体３領域が生じることによって、変位量の小さな領域が現れる。このとき、同一の圧電体３内に変位量の大きな領域と変位の無い領域と、その間に変位量の小さな領域が形成されるので、極めて優れた応力緩和効果が生じる。またこの場合、一対の内部電極５ａのうち積層体７の端部側の内部電極５ａの面積が小さいが方が、活性層と不活性層との間で生じるせん断応力を緩和することができるのでより好ましい。
以下、低変位部を構成するための一対の内部電極５ａの少なくとも一方の面積を他の内部電極５に比較して小さくするという本願発明の特徴に係る種々の形態について説明する。

＜第１の実施形態＞
本発明に係る第１の実施形態の積層型圧電素子１では、低変位部１１を構成するために同極の外部電極に接続されて隣接する一対の内部電極５ａの少なくとも一方が、積層方向に垂直な方向であって内部電極５を含む断面において、内部電極非形成部位１３（以下、非形成部位１３ともいう）を有している。これにより、一対の内部電極５ａの少なくとも一方の面積が他の内部電極５より小さくなり、低変位部１１に隣接する圧電体３の変位量を対向する他の内部電極５に挟まれた圧電体３より小さくできる。したがって、第１の実施形態の積層型圧電素子１では、低変位部１１に向かって圧電体３の変位量を段階的に小さくでき、低変位部１１と、低変位部１１と積層方向に隣接する圧電体３と、の間に生じる応力の集中を抑制できる。すなわち、内部電極５ａの面積が小さい分、低変位部１１に隣接する圧電体３に加わる電力が抑制される。そのため、低変位部１１と隣接する圧電体３の変位量が抑制され、この圧電体３の変位量と低変位部１１の変位量の差が小さくなる。

本発明において、非形成部位１３には、樹脂のような弾性体又は圧電体を充填することができる。弾性体を充填することにより、素子１の作製時及び使用時に素子１に加わる応力を緩和させられる。また、圧電体３が充填されている場合には、非形成部位１３を有する内部電極５ａと積層方向に隣接する２つの圧電体３を、非形成部位１３に充填された圧電体３を介して接合することができるので、素子１の耐久性を向上させることができる。また、非形成部位１３が、空隙であることも有効である。これにより、非形成部位１３に弾性体を充填した場合と比較して、素子１に加わる応力をさらに緩和させることができる。

また、本発明では、図３に示すように、非形成部位１３を有する内部電極５ａは、この非形成部位１３を格子目とする格子形状であることが好ましい。非形成部位１３が格子目である、言い換えれば、各々の非形成部位１３が略等間隔で位置していることにより、応力のばらつきを小さくできる。なお、本実施形態において格子形状とは、格子目が一列に並んでいる場合も含む。また、非形成部位１３が格子形状である場合には、内部電極５ａの一部が破断したとしても、安定して通電することができるので、素子１の変位量が低下することを抑制できる。

なお、本実施形態において格子形状とは、格子目が四角形の形態に限られるものではなく、例えば、図４に示すように、格子目が円形の形態も含まれる。また、内部電極５ａの第１の部位１９（図６）における格子目が、略四角形であって角部が曲線の形状であることも有効である。
以上説明したように、本実施形態における格子形状とは、内部電極非形成部位１３の形状を問はず複数の内部電極非形成部位１３が一直線上（一次元配列）またはマトリクス状（二次元配列）に配列されたものをいう。

さらに、図３に示すように、非形成部位１３を有する内部電極５ａは、積層方向に垂直な方向であって内部電極５ａが露出する断面において、全面が格子形状（内部電極非形成部位１３が全面に均等に形成されていること）であることがより好ましい。これにより、内部電極５ａおよび低変位部１１の圧電体３にかかる応力を全体に分散させることができ、局所的に応力がかかるのを抑制できる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明に係る第２の実施形態の積層型圧電素子１について説明をする。

図５、６に示すように、本第２の実施形態においては、積層体７が、積層方向に隣り合う一対の内部電極５ａが積層方向に対向する対向部分１５とそれ以外の非対向部分１７とに区分して説明する。

ここで、対向部分１５と非対向部分１７とは以下のように区別される。
すなわち、積層型圧電素子１は、正極と負極の２つの外部電極９を備え、例えば、負極の外部電極９が積層体７の第１側面に形成され、正極の外部電極９が第１側面に対向する第２側面に形成される。積層体７において負極となる内部電極５は、第１側面に達するように形成されて負極の外部電極９に接続され、第２側面からは離れて形成されて正極の外部電極９とは電気的に分離される。これに対して、正極となる内部電極５は、第２側面に達するように形成されて正極の外部電極９に接続され、第１側面からは離れて形成されて負極の外部電極９とは電気的に分離される。そして、積層体７において、負極となる内部電極５と正極となる内部電極５とが交互に配置されて、変位させるべき圧電体３が負極と正極の内部電極５に挟まれた構造が実現される。尚、本明細書において、内部電極５が第１側面又は第２側面から離れて形成されることにより形成された圧電体３上の電極が形成されていない部分を絶縁分離部と呼ぶ。
以上のように構成された積層型圧電素子１において、負極となる内部電極５と正極となる内部電極５とに挟まれた部分により電圧が印加される活性領域が第１側面及び第２側面から絶縁分離部の幅だけ離れて形成され、絶縁分離部を間に挟んで同極の内部電極５が対向して圧電体３に電圧が印加されない不活性領域が第１側面及び第２側面に沿って形成される。本明細書では、このように形成された活性領域を対向部分１５と呼び不活性領域を非対向部分１７と呼ぶ。

第２の実施形態の積層型圧電素子１においては、一対の内部電極５ａのうち少なくとも一つは、複数の非形成部位１３が対向部分１５と非対向部分１７との境界に沿って、あるいは境界と平行な方向に、好ましくは境界線上に配列されている点が第１の実施形態とは異なっている。
例えば、積層体７が、他の内部電極５が隣接間で対向している対向部分１５と、他の内部電極５が１つ置きに対向してなり、正極及び負極の外部電極９が設けられた側面にそれぞれ沿って形成された非対向部分１７と、を含んでなり、複数の内部電極非形成部位１３が対向部分１５と非対向部分１７との境界と平行な方向に配列されている構成である。
また、第２の実施形態の積層型圧電素子１において、一対の内部電極５ａのうち少なくとも一つは、以下のように定義される第１の部位１９と、それ以外の第２の部位２１とを有している。そして、積層方向に垂直であって、この内部電極５ａを含む断面において、第１の部位１９における内部電極５ａの占める比率が、第２の部位２１における内部電極５ａの占める比率よりも小さい。

ここで、第１の部位１９は、複数の内部電極非形成部位１３を有する領域であって、第２の部位２１との境界は以下のように定められる。
外部電極９に電圧が印加されると、内部電極５ａに伝達される電界は、内部電極非形成部位１３により、一度電界分布は乱されるが、内部電極非形成部位１３を通過した後に電界強度が一つの線上にそろう現象が生じる。第１の部位１９と第２の部位２１との境界はこの電界強度が一つにそろう線の位置により定義される。例えば、内部電極非形成部位１３を対向部分１５と非対向部分１７との境界に沿って設けると、概ね、対向部分１５と非対向部分１７との境界から絶縁分離部の幅だけ外部電極９から離れた位置になる。

以上のように構成された本発明に係る第２の実施形態の積層型圧電素子１では、逆圧電効果による変位量が異なることに起因して応力がかかりやすい対向部分１５と非対向部分１７の境界に応力が集中するのを抑制できる。すなわち、第２の実施形態のように、第１の部位１９における内部電極５ａの占める比率を、第２の部位２１における内部電極５ａの占める比率よりも小さくすることにより、第１の部位１９における圧電体３の変位量を小さくすることができる。そのため、対向部分１５と非対向部分１７の境界に加わる応力を小さくできる。

そして、このとき、第１の部位１９が非形成部位１３を有し、この非形成部位１３が対向部分１５と非対向部分１７との境界上に位置することがより好ましい。対向部分１５のうち、最も応力の集中しやすい非対向部分１７との境界での駆動力を小さくできるので、素子１の耐久性をより向上させることができるからである。

また、例えば素子１が駆動を開始した時のように、素子１に過剰に強い電圧が印加された場合であっても、下記の理由により圧電体３にクラックが生じる可能性を小さくできる。具体的には、非形成部位１３が、対向部分１５と非対向部分１７との境界上に位置していることから、この境界上で内部電極５ａが比較的断線しやすくなる。そのため、素子１に過剰に強い電圧が印加された場合、この境界上で内部電極５ａの断線が起きやすくなる。これにより、対向部分１５に過剰な電圧が印加されることが抑制される。結果として、対向部分１５に位置する圧電体３が過剰に変位することによる、圧電体３におけるクラックの発生が抑制される。

また、第１の実施形態と同様に、本実施形態においても、図７に示すように、格子目が円形であっても何ら問題ない。

また、図８に示すように、第１の部位１９における非形成部位１３が、対向部分１５と非対向部分１７との境界と平行に複数の列で配列されていてもよい。第１の部位１９における非形成部位１３をこのように配列することによって、より広範囲の圧電体３に応力を分散させることができるので、対向部分１５と非対向部分１７との境界近傍における応力分布の偏りを更に小さくすることができる。

特に、第１の部位１９における非形成部位１３が、対向部分１５と非対向部分１７との境界と平行に複数の列で配列している場合に、この複数の列の１つが対向部分１５と非対向部分１７との境界上に位置することが好ましい。

また、図８に示すように、内部電極５ａが、外部電極９と接続する面以外で露出していない場合、本実施形態が特に有効となる。これは、内部電極５ａが上記の構造である場合、対向部分１５と非対向部分１７の境界が積層体７の側面に露出しないため、この境界部分に応力が集中しやすいからである。内部電極５ａのうち対向部分１５に位置して素子１の駆動に寄与する部分と、外部電極９と接続する部分との間に第１の部分１９が位置することにより、非形成部位１３で応力を緩和することができる。これにより、内部電極５ａの周縁部分に応力が集中することを抑制できる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態について説明をする。

図９に示すように、本実施形態においては、対向部分１５と非対向部分１７との境界上に位置する列を構成する非形成部位１３が、他の非形成部位１３よりも大きい。これにより、対向部分１５のうち、最も応力の集中しやすい非対向部分１７との境界での駆動力を小さくできるので、素子１の耐久性をより高めることができる。

＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態について説明をする。

図１０、図１１Ａ、図１１Ｂに示すように、本実施形態においては、一対の内部電極５ａが、いずれも積層方向に垂直な方向であって内部電極５ａが露出する断面において非形成部位１３を有している。これにより、低変位部１１と積層方向に隣り合う２つの圧電体３について、それぞれ変位量が小さくなるので、低変位部１１とこれら２つの圧電体３とのそれぞれの境界近傍における応力の集中を抑制できる。

次に、本実施形態にかかる積層型圧電素子１の製法について説明する。

まず、圧電体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スラリーを作製する。そして、このスラリーを周知のドクターブレード法や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、セラミックグリーンシートが作製される。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等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）、フタル酸ジオクチル（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−パラジウム等の金属粉末にバインダー及び可塑剤等を添加混合することで、導電性ペーストを作製することができる。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配設する。さらに、この導電性ペーストがスクリーン印刷されたセラミックグリーンシートを複数積層する。そして、後述するように、焼成することで圧電体３及び内部電極５，５ａを備えた積層体７を形成することができる。

また、格子形状の第１の部位１９を有する内部電極５ａは、例えば、スクリーンのパターン形状を変更することによって、形成することができる。格子目の粗さに関しても、このスクリーンのパターン形状を変更することによって変えることができる。

なお、積層体７は、上記製法によって作製されるものに限定されることはなく、複数の圧電体３と複数の内部電極５とを交互に積層してなる積層体７を作製できれば、どのような製法によって形成されても良い。

その後、積層型圧電素子１の外表面に端部が露出する圧電体３と導通が得られるように外部電極９を形成する。この外部電極９は、ガラス粉末に、バインダーを加えて銀ガラス導電性ペーストを作製し、これを印刷し乾燥接着あるいは、焼き付けることによって得ることができる。

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、外部電極９を形成した積層体７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７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７を引き上げる。これにより、積層体７の側面にシリコーン樹脂（不図示）がコーティングされる。そして、外部電極９に通電部としてリード線を導電性接着剤（不図示）等で接続する。

リード線を介して一対の外部電極９に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、積層体７を分極することによって、本実施形態の積層型圧電素子１が完成する。リード線を外部の電圧供給部（不図示）に接続し、リード線及び外部電極９を介して圧電体３に電圧を印加することにより、各圧電体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。

次に、本発明の一実施形態にかかる流体の噴射装置について説明する。

図１２に示すように、本実施形態の噴射装置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形態に代表される積層型圧電素子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、噴出されるように構成されている。

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、上記した積層型圧電素子１が収納されている。

このような噴射装置２３では、圧電アクチュエータ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圧電アクチュエータが収縮し、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通路３１を開放し、電圧の印加を停止することによって流体通路３１を閉鎖するように構成しても良い。

また、本発明の噴射装置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、本発明において、流体とは、燃料、インクなどの他、種々の液状流体（導電性ペースト等）および気体が含まれる。噴射装置２３を用いる事によって、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。

本発明の素子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、本発明の一実施形態にかかる流体噴射システムについて説明する。

図１３に示すように、本実施形態の流体噴射システム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の噴射装置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、流体タンク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に流体を送り込む。

コモンレール４１では、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。また、本発明は、積層型圧電素子、噴射装置及び燃料噴射システムに関するものであるが、上記の実施形態に限定されるものでなく、圧電特性を利用した素子であれば、実施可能である。

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）粉末を主成分とする原料粉末、バインダー及び可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み１５０μｍのセラミックグリーンシートを作製した。

次に、Ａｇ９５質量％−Ｐｄ５質量％の金属組成である銀−パラジウム合金粉末を含有する原料粉末にバインダーを加えた導電性ペーストを作製した。

そして、上記セラミックグリーンシートの片面に、上記の導電性ペーストをスクリーン印刷法により３０μｍの厚みになるように印刷した。そして、導電性ペーストが印刷された各グリーンシートを積層して積層体を作製した。なお、積層数としては、内部電極の数が３００となるように積層し、積層体の積層方向の両端部には、導電性ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシートのみをそれぞれ２０枚積層した。

また、各試料においては、積層方向の２と３番目、及び、２９８と２９９番目に位置する内部電極が、それぞれ同極の外部電極と接続されるように導電性ペーストを印刷した。加えて、試料番号１においては、これらの内部電極が格子形状の第１の部位を有さず、各内部電極の断面積が一定となるように導電性ペーストが印刷された。一方、試料番号２〜６においては、積層方向の２と３、及び、２９８と２９９番目に位置する内部電極が、それぞれ表１に示すような格子形状の第１の部位を有するように導電性ペーストが印刷された。

試料番号２は、図３に示すように、積層方向の２と３番目、及び、２９８と２９９番目に位置する内部電極の全面にわたって格子目の非形成部位を有している。また、対向部分と非対向部分との境界上にも非形成部位が位置している。試料番号３は、図６に示すように、積層方向の２と３番目、及び、２９８と２９９番目に位置する内部電極における第１の部位のみに四角形の非形成部位が存在している。また、非形成部位は、対向部分と非対向部分との境界上に位置している。試料番号４は、図７に示すように、積層方向の２と３番目、及び、２９８と２９９番目に位置する内部電極における第１の部位のみに円形の非形成部位が存在している。また、非形成部位は、対向部分と非対向部分との境界上に位置している。

試料番号５は、図８に示すように、積層方向の２と３番目、及び、２９８と２９９番目に位置する内部電極における対向部分と非対向部分の境界近傍に平行に複数の列で配列された格子目が位置している。また、試料番号６は、図９に示すように、積層方向の２と３番目、及び、２９８と２９９番目に位置する内部電極が、格子形状であって、第１の部位と、第１の部位よりも格子目の細かい第２の部位とを有している。そして、第１の部位が、対向部分と非対向部分との境界上に位置している。

次に、それぞれの試料番号の生積層体に所定の温度で脱バインダー処理を施した後、８００〜１２００℃で焼成して積層体を得た。

そして、各々の試料番号の積層体を、所望の寸法に加工した上で外部電極をそれぞれ形成した。まず、銀を主成分とする金属粉末にバインダー、可塑剤、ガラス粉末等を添加混合して外部電極用の導電性ペーストを作製した。この導電性ペーストを、上記積層体の側面の外部電極を形成する箇所にスクリーン印刷等によって印刷した。さらに、６００〜８００℃で焼成して外部電極を形成した。

このようにして作製した試料を用いて駆動評価を行った。駆動評価としては、高速応答性評価と耐久性評価を行った。まず、外部電極にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極にリード線を介して３ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分間印加して分極処理を行い、積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータを作製した。得られた圧電アクチュエータに１７０Ｖの直流電圧を印加して初期状態の変位量を測定した。

高速応答性評価としては、各々の圧電アクチュエータに室温で０Ｖ〜＋１７０Ｖの交流電圧を１５０Ｈｚから徐々に周波数を増加させて印加した。耐久性評価としては、各々の圧電アクチュエータに室温で０Ｖ〜＋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った。

表１に示すように、応答性評価を行った結果として、試料番号１の圧電アクチュエータでは、周波数が１ｋＨｚを超えた時にうなり音を発していた。これは、試料番号１の積層型圧電素子が、同極の外部電極と接続された一対の内部電極が第１の部位を有していなかったからである。

そのため、低変位部と、この低変位部と積層方向に隣接する圧電体との間での応力の緩和が不十分となり、素子の積層方向の端部における圧電体の変形が大きくなった。これによって、素子の高速応答性が阻害されたため、印加した交流電圧の周波数に追従できなかったと考えられる。

なお、駆動周波数を確認するために、横河電機株式会社製オシロスコープ「ＤＬ１６４０Ｌ」を用いて試料番号１のパルス波形を確認したところ、駆動周波数の整数倍の周波数に相当する箇所に高調波ノイズが確認された。

また、表１に示すように、耐久性評価の結果として、試料番号１では、評価試験後の変位量は５μｍと、評価試験前と比較して５０％近く低下していた。また、試料番号１の圧電アクチュエータでは、素子の一部に剥がれが見られた。剥がれた位置は、低変位部１１と低変位部１１と積層方向に隣り合う圧電体３との境目となる部分であった。

一方、試料番号２〜６の圧電アクチュエータでは、剥がれは確認されなかった。また、評価試験後の変位量の低下が、２μｍ以下であり、評価試験前と比較して変位量の低下は５％以下に抑えられていた。特に、内部電極全面にわたって格子目の非形成部位を有している試料番号２及び６の圧電アクチュエータでは、変位量の低下が確認されず、非常に高い耐久性を有していることが分かった。

さらに、耐久性評価の後、積層型圧電素子を切断して、積層方向の端部に最も近い１層目の内部電極を、顕微鏡を用いて観察した。試料番号２〜６いずれにおいても、上記の切断面における内部電極の非形成部位間に位置する部分の一部が破断していた。このように、内部電極の一部が破断することによって、応力が吸収され、圧電体にクラックが発生することが抑制されるとともに、内部電極の圧電体からの剥離が抑制されていることが確認された。

なお、試料番号２及び６においては、初期状態の変位量が相対的に小さかった。これは、内部電極において、変位量を小さくして耐久性を向上させる格子形状の部分が多かったことが理由として挙げられる。

Claims

複数の圧電体と複数の内部電極とを有してなりその圧電体と内部電極が交互に積層された積層体と、該積層体の側面に形成された正極及び負極の外部電極とを備え、前記複数の内部電極のうち、積層方向に隣り合う少なくとも一対の内部電極が同極の前記外部電極と接続され、前記少なくとも一対の内部電極を除く他の内部電極が交互に正極及び負極の外部電極に接続された積層型圧電素子であって、
前記一対の内部電極の少なくとも一方は、前記他の内部電極に比較して面積が小さいことを特徴とする積層型圧電素子。
前記一対の内部電極の前記少なくとも一方は、当該内部電極の中に設けられた内部電極非形成部位を有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。
前記一対の内部電極の前記少なくとも一方において、複数の前記内部電極非形成部位が一直線上またはマトリクス状に配列されたことを特徴とする請求項２に記載の積層型圧電素子。
前記一対の内部電極の前記少なくとも一方において、複数の前記内部電極非形成部位が当該内部電極の全体に分布していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の積層型圧電素子。
前記積層体は、
前記他の内部電極が隣接間で対向している対向部分と、
前記他の内部電極が１つ置きに対向してなり、前記正極及び負極の外部電極が設けられた側面にそれぞれ沿って形成された非対向部分と、を含んでなり、
前記複数の前記内部電極非形成部位が前記対向部分と前記非対向部分との境界と平行な方向に配列されたことを特徴とする請求項３に記載の積層型圧電素子。
前記複数の内部電極非形成部位が前記対向部分と前記非対向部分との境界を跨ぐように形成されたことを特徴とする請求項５に記載の積層型圧電素子。
前記一対の内部電極はそれぞれ前記内部電極非形成部位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。
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噴射孔とを備え、前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を吐出させることを特徴とする噴射装置。
高圧燃料を備えるコモンレールと、このコモンレールに蓄えられた燃料を噴射する請求項８に記載の噴射装置と、前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御システムとを備えたことを特徴とする燃料噴射システム。