JP5355681B2 - 積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システム - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、駆動素子（圧電アクチュエータ），センサ素子および回路素子等に用いられる積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに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における外部電極としては、特許文献１に開示されているように、銀等の導電材とガラスとを備えた導電性ペーストが用いられている。この導電性ペーストを積層体の側面に塗布し、焼き付けを行なうことによって外部電極が形成される。この外部電極のさらに外側に、外部電極へ電圧を供給するためのリード部材を、半田や導電性接着剤等を用いて接続固定していた。
しかしながら、特許文献１に記載された外部電極を用いた積層型圧電素子においては、高電界、高圧力下または長時間の連続駆動のような過酷な条件下での使用において、外部電極に接続固定した外部リード部材が剥離し、外部電極に電圧が供給されなくなって積層型圧電素子が変位しなくなるといった問題点が生じていた。
特に、積層型圧電素子の変位距離を大きくして高速で駆動させる場合には、あらかじめ積層型圧電素子に荷重を加えて圧縮した状態で使用することが考えられるが、この状態で積層型圧電素子を連続駆動させると、積層型圧電素子に接続固定した外部リード部材から引っ張りおよび圧縮の応力が繰り返し加わり、その結果、外部リード部材がいっそう剥離しやすくなるといった問題点も生じていた。
一方、大電流を流して、積層型圧電素子を高速で駆動させる場合には、外部電極の厚みを厚くすることが考えられるが、単に外部電極を厚くしただけでは、駆動による応力が高くなり、その結果、外部電極が積層体の側面から剥離したり、断線したりするといった問題点が生じていた。
ここで、外部電極を厚くする代わりに、特許文献２に示されているように、第１の外部電極の平坦な表面に第２の外部電極を設ける構成も採り得る。しかし、このような構成であっても、高電界で長時間、高変位で連続駆動させた場合、第１の外部電極で生じた亀裂が第２の外部電極にも進展してしまい、結局、外部電極が断線し、一部の圧電体に電圧が供給されずに変位特性が低下するといった問題点が生じていた。
さらに、外部電極に大電流を流して高速で駆動させる場合において、外部電極が発熱し、熱破壊されるといった問題点も生じていた。
従って、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、過酷な条件下での使用においても外部電極が断線したり、積層体側面から剥離したりすることなく、また、外部リード部材が外部電極から剥離したり、外部電極が熱破壊したりすることのない積層型圧電素子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層が交互に積層された積層体と、該積層体の側面に接合されて前記内部電極層に電気的に接続された外部電極と、該外部電極の表面に被着された導電性接続部材とを含む積層型圧電素子であって、前記導電性接続部材の表面が少なくとも前記積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっているとともに、前記外部電極の表面が前記積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっており、前記導電性接続部材の表面の凸部に対応する前記外部電極の表面が凹部となっ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、圧電体層および内部電極層が交互に積層された積層体と、該積層体の側面に接合されて内部電極層に電気的に接続された外部電極と、該外部電極の表面に被着された導電性接続部材とを含む積層型圧電素子であって、導電性接続部材の表面が少なくとも積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっており、前記導電性接続部材の表面における凸部の高さは、前記積層体の積層方向の両端部よりも中央部の方が高い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、圧電体層および内部電極層が交互に積層された積層体と、該積層体の側面に接合されて内部電極層に電気的に接続された外部電極と、該外部電極の表面に被着された導電性接続部材とを含む積層型圧電素子であって、導電性接続部材の表面が少なくとも積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっており、前記導電性接続部材の表面における前記凹凸の高低差は、前記積層体の積層方向の両端部よりも中央部の
方が大きいことを特徴とするものである。
方が大きい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、圧電体層および内部電極層が交互に積層された積層体と、該積層体の側面に接合されて内部電極層に電気的に接続された外部電極と、該外部電極の表面に被着された導電性接続部材とを含む積層型圧電素子であって、導電性接続部材の表面が少なくとも積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっており、前記導電性接続部材の表面が凸になっている部位に外部リード部材の一部が埋設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、前記外部リード部材は、前記導電性接続部材に埋設されている部分が前記積層体の伸縮に追従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、前記導電性接続部材は、銀または銀を主成分とする合金からなる非球形の導電性粒子を樹脂に分散させた導電性樹脂で形成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、前記樹脂は、イミド結合を有した樹脂であ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、圧電体層および内部電極層が交互に積層された積層体と、積層体の側面に接合されて内部電極層に電気的に接続された外部電極と、外部電極の表面に被着された導電性接続部材とを含む積層型圧電素子であって、導電性接続部材の表面が少なくとも積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっていることから、導電性接続部材が積層体の積層方向の伸縮によって生じる応力に対して柔軟性（応力緩和効果）を有するために、積層型圧電素子を高速で連続駆動させた場合においても、外部電極及び導電性接続部材が断線したり、積層体の側面から剥離したりすることを抑えることができる。
また、あらかじめ積層型圧電素子に荷重を加えて圧縮した状態で使用する場合において、積層型圧電素子に接続固定した外部リード部材から引っ張りおよび圧縮の応力が繰り返し加わっても、導電性接続部材の表面が少なくとも積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっていることによる応力緩和効果により、外部リード部材が剥離して断線することを抑えることができる。
また、外部電極および導電性接続部材に大電流を流して、積層型圧電素子を高速で駆動させた場合においても、導電性接続部材の表面に凹凸を設けているため、導電性接続部材の表面積が大きくなって放熱特性が向上する。その結果、外部電極および導電性接続部材が発熱により熱破壊されることを抑えることができる。
さらに、導電性接続部材の表面に絶縁性樹脂をコーティングした場合には、導電性接続部材の表面に凹凸を設けているため、アンカー効果により絶縁性樹脂の導電性接続部材に対する接合強度が向上する。その結果、積層型圧電素子を繰り返し連続駆動させた場合においても、絶縁性樹脂が導電性接続部材から剥離することを抑えることができる。
また、本発明の積層型圧電素子は、導電性接続部材の表面の凹凸が積層体の積層方向に周期的に繰り返しているときには、積層体の伸縮によって生じる応力を、積層方向において均等な分布で吸収することができる。
また、本発明の積層型圧電素子は、外部電極の表面が積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっているときには、アンカー効果により導電性接続部材の外部電極に対する接合強度が向上する。その結果、積層型圧電素子を繰り返し連続駆動させた場合においても、導電性接続部材が外部電極から剥離することを抑えることができる。
また、本発明の積層型圧電素子は、導電性接続部材の表面の凸部に対応する外部電極の表面が凹部となっているときには、導電性接続部材があたかもばねのように作用する構造にすることができるので、特に、あらかじめ積層型圧電素子に荷重を加えて圧縮した状態で使用する場合において、積層型圧電素子に接続固定した外部リード部材から引っ張りおよび圧縮の応力が繰り返し加わっても、さらなる応力緩和効果により、外部リード部材が剥離して断線することを抑えることができる。
また、本発明の積層型圧電素子は、導電性接続部材の表面における凸部の高さが積層体の積層方向の両端部よりも中央部の方が高いときには、より応力緩和効果を高めることができる。すなわち、あらかじめ積層型圧電素子に荷重を加えて圧縮した状態で使用する場合、積層体の中央部の外周距離は積層体の圧縮時には積層体の端部の外周距離より大きくなり、逆に、積層体が伸びた時には積層体の端部の外周距離より小さくなり、積層体の中央部は最も変形率が大きい部分となる。ここで、導電性接続部材の表面における凸部の高さを、積層体の積層方向の両端部よりも中央部の方を高くすることで、駆動中の積層型圧電素子で最も変形する部分の応力緩和効果を高めることができる。したがって、外部電極および導電性接続部材の断線、剥離および熱破壊や外部リード部材の剥離をさらに抑えることができる。
同様の理由で、本発明の積層型圧電素子は、導電性接続部材の表面における凸凹の高低差が積層体の積層方向の両端部よりも中央部の方が大きいときには、駆動中の積層型圧電素子で最も変形する部分の応力緩和効果を高めることができる。したがって、外部電極および導電性接続部材の断線、剥離および熱破壊や外部リード部材の剥離をさらに抑えることができる。
また、本発明の積層型圧電素子は、導電性接続部材の表面が凸になっている部位に外部リード部材の一部が埋設されているときには、大電流を流して、高速かつ高負荷の状態で、長期間にわたって積層型圧電素子を連続駆動させた場合、導電性接続部材の凹部に亀裂が入った場合においても、外部電極が電気的に断線することがなく、その結果、一部の圧電体層に電圧が供給されずに変位特性が低下することを抑えることができる。
また、本発明の積層型圧電素子は、外部リード部材は、導電性接続部材に埋設されている部分が積層体の伸縮に追従可能であるときには、外部リード部材の拘束力によって、積層型圧電素子の変位特性が低下したり、導電性接続部材に負荷がかかって、導電性接続部材が外部電極から剥離したりすることを抑えることができる。
また、本発明の積層型圧電素子は、導電性接続部材は、銀または銀を主成分とする合金からなる非球形の導電性粒子を樹脂に分散させた導電性樹脂で形成されているときには、ガラスを含む、焼成により形成された電極に比較して、導電性接続部材が柔軟になるため、積層体の伸縮に対する追従性がさらに良くなり、有効に応力を吸収できる。
また、導電性樹脂に含まれる導電性材料として、耐酸化性に優れ、抵抗の低い銀または銀を主成分とする合金から成る導電性粒子を用いることにより、高温で使用した場合にも導電性粒子が酸化されることなく、低抵抗を実現できる。その結果、安定して積層体に電圧を供給することができる。
さらに、導電性粒子の形状を、鱗片状や針状などの非球形とすることにより、隣り合う導電性粒子同士が１点で接触するのではなく、複数の点、線あるいは面で接触するように絡み合い、導電性接続部材の剪断強度を大幅に増大させることができる。その結果、積層型圧電素子を高電界で連続駆動させた場合においても、導電性接続部材に亀裂等が生じることを抑えることができる。
また、導電性粒子の形状を、鱗片状や針状などの非球形とすることにより、導電性粒子同士の接触面積が増え、導電性接続部材を低抵抗にすることができるので、大電流を流して積層型圧電素子を高速で駆動させた場合でも、導電性接続部材の発熱を抑えることができるので、導電性接続部材が熱劣化し、断線したりするのを防止することができる。
また、本発明の積層型圧電素子は、導電性接続部材の樹脂が、イミド結合を有した樹脂であるときには、積層型圧電素子を高温で連続駆動させた場合においても、導電性接続部材が容易に熱劣化することがなく、長期間にわたって高い信頼性を有する積層型圧電素子とすることができる。
本発明の噴射装置によれば、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、積層型圧電素子における積層体の側面の外部電極から導電性接続部材が剥離することを抑えることができる。また、外部電極が発熱により熱破壊されることを抑えることができるので、液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。
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、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。
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図である。図３は図２に示す積層型圧電素子における積層体と外部電極および導電性接続部材との接合界面近傍の拡大断面図である。
図３に示すように、本例の積層型圧電素子１は、圧電体層３と内部電極層５とが交互に積層された積層体７と、この積層体７の側面に接合されて内部電極層５に電気的に接続された外部電極９と、外部電極９の表面に被着された導電性接続部材８を含む積層型圧電素子１であって、導電性接続部材８の表面が少なくとも積層体７の積層方向に繰り返して凹凸８ａになっている。
上記の構成により、導電性接続部材８が積層体７の積層方向の伸縮によって生じる応力に対して柔軟性を有するために、積層型圧電素子１を高速で連続駆動させた場合においても、外部電極９および導電性接続部材８が断線したり、積層体７の側面から剥離したりすることを抑えることができる。
また、外部電極９および導電性接続部材８に大電流を流して、積層型圧電素子１を高速で駆動させた場合においても、導電性接続部材８の表面に凹凸８ａを設けているため、導電性接続部材８の表面積が大きくなって放熱特性が向上する。その結果、外部電極９および導電性接続部材８が発熱により熱破壊されることを抑えることができる。
さらに、導電性接続部材８の表面に絶縁性樹脂をコーティングした場合には、導電性接続部材８の表面に凹凸８ａを設けているため、アンカー効果によって絶縁性樹脂の導電性接続部材８に対する接合強度が向上する。その結果、積層型圧電素子１を繰り返し連続駆動させた場合においても、絶縁性樹脂が導電性接続部材８から剥離することを抑えることができる。
導電性接続部材８の表面に設けた凹凸８ａは、例えば断面視で曲線状に形成されたもので、凹凸８ａに対する平均線（縦断面における凸部の面積の総和と凹部の面積の総和が等しくなるように引いた仮想線）に対して、応力を有効に緩和するという点から、凸部の高さは５μｍ〜200μｍ程度、好ましくは10μｍ〜50μｍ程度がよい。同様に凹部の深さは５μｍ〜200μｍ程度、好ましくは10μｍ〜50μｍ程度がよい。凸部の高さ、凹部の深さをこのような範囲内にすることにより、積層体７が積層方向に伸縮した際に生じる応力を有効に緩和することができる。そのため、導電性接続部材８に亀裂が生じて断線したり、導電性接続部材８が外部電極９から剥がれたりするといった問題が生じるのを抑えることができる。
また、凹凸８ａは、積層体７の積層方向に周期的に繰り返していることが好ましい。これは、凹凸８ａを積層体７の積層方向に周期的に繰り返して形成しておくことにより、積層体７の伸縮によって生じる応力を、積層方向において均等な分布で吸収することができるからである。この場合、凹凸８ａの積層方向における繰り返しの間隔（周期）は、積層体７の伸縮によって生じる応力を有効に緩和するという点から、圧電体層３の厚みの0.8倍〜20倍程度、好ましくは２倍〜８倍程度がよい。
凹凸８ａが積層体７の積層方向に周期的に繰り返している導電性接続部材８は、導電性材料を分散させた樹脂あるいは半田などからなり、例えば、樹脂を含有した導電性ペーストを平坦にスクリーン印刷により印刷し、乾燥した後に、さらにその表面に樹脂を含有した導電性ペーストを凸部に相当する部分にのみパターン印刷し、乾燥および焼き付けを行なう方法等によって得ることができる。
また、凹凸８ａの積層方向における繰り返しの間隔（周期）は、一定であってもよいが、積層方向において変化していてもよい。凹凸８ａの積層方向における繰り返しの間隔（周期）が積層方向の中央部に向かうに従って小さくなるように変化している場合は、最も発熱が大きい積層方向の中央部に向かうに従って凹凸８ａの繰り返しの周期を密にすることとなり、導電性接続部材８の放熱特性が積層方向の中央部に向かうにつれて向上する。その結果、最も発熱が大きい積層体７の積層方向の中央部で熱破壊が生じにくいという効果があり、好ましい。なお、中央部とは、積層方向に３等分したときの真ん中の領域のことをいい、例えば積層方向の中央部に向かうに従って周期が半分になるように変化しているのが好ましい。
また、図４に示すように、外部電極９の表面が、積層体７の積層方向に繰り返して凹凸になっている場合には、アンカー効果によって導電性接続部材８の外部電極９に対する接合強度が向上する。その結果、積層型圧電素子１を繰り返し連続駆動させた場合においても、導電性接続部材８が外部電極から剥離することをより抑えることができる。
さらに、あらかじめ積層型圧電素子１に荷重を加えて圧縮した状態で使用する場合において、積層型圧電素子１に接続固定した外部リード部材10から引っ張りおよび圧縮の応力が繰り返し加わっても、さらなる応力緩和効果により、外部リード部材10が剥離して断線することを抑えることができる。
また、図５に示すように、導電性接続部材８の表面の凸部に対応する外部電極９の表面が凹部となっていることにより、導電性接続部材８があたかもばねのように作用する構造であることから、特に、あらかじめ積層型圧電素子１に荷重を加えて圧縮した状態で使用する場合において、積層型圧電素子１に接続固定した外部リード部材10から引っ張りおよび圧縮の応力が繰り返し加わっても、さらなる応力緩和効果により、外部リード部材10が剥離して断線することを抑えることができる。
また、凹凸８ａの凸部の高さ、凹部の深さは、一定であってもよいが、積層方向において変化していてもよい。凹凸８ａの凸部の高さ、凹部の深さが、積層方向の中央部に向かうに従って大きくなるように変化している場合は、積層方向の中央部に向かうに従って導電性接続部材８の放熱特性が向上する。そのため、最も発熱が大きい積層体７の積層方向の中央部で熱破壊が生じにくいという効果を奏することができる。
また、あらかじめ積層型圧電素子１に荷重を加えて圧縮した状態で使用する場合、積層体７の中央部の外周距離は積層体７の圧縮時には積層体７の端部の外周距離より大きくなり、逆に、積層体７が伸びた時には積層体７の端部の外周距離より小さくなり、積層体７の中央部は最も変形率が大きい部分となるから、導電性接続部材８の表面における凸部の高さを積層体７の積層方向の両端部よりも中央部の方を高くすることで、駆動中の積層型圧電素子１で最も変形する領域で最もアンカー効果を高めることができるので好ましい。なお、中央部における凸部の高さは圧電体層３の変形する割合に応じて高くすればよいが、概ね２倍であるのが好ましい。
同様の理由で、導電性接続部材８の表面における凹凸の高低差が積層体７の積層方向の両端部よりも中央部の方が大きいことで、駆動中の積層型圧電素子１で最も変形する部分の応力緩和効果を高めることができる。なお、中央部における凹凸の高低差は圧電体層３の変形する割合に応じて大きくすればよいが、概ね２倍であるのが好ましい。
なお、導電性接続部材８の表面における凸部の頂点が円弧状となっているのが好ましく、この場合、積層型圧電素子１が駆動時に変形したときに、円弧部分の曲率が変化することによって、応力緩和効果を高めることができる。さらに、導電性接続部材８の表面における凸部の頂点の曲率が積層体７の積層方向の両端部よりも中央部の方が小さいとき、好ましくは中央部の曲率が両端部の曲率の二分の一であるときには、駆動中の積層型圧電素子１で最も変形する部分で、表面形状の変形率を小さくすることができるので、駆動中の積層型圧電素子１で最も変形する部分の応力緩和効果を高めることができる。したがって、外部電極９および導電性接続部材８の断線、剥離および熱破壊や外部リード部材10の剥離をさらに抑えることができる。
また、図６に示すように、導電性接続部材８の表面が凸になっている部位に外部リード部材10の一部が埋設されていることが好ましい。この構成によれば、大電流を流して、高速かつ高負荷の状態で、長期間にわたって積層型圧電素子１を連続駆動させた場合であって、導電性接続部材８の凹部に亀裂が入った場合においても、外部電極８が電気的に断線することがない。その結果、一部の圧電体層３に電圧が供給されずに変位特性が低下することを抑えることができる。
なお、上述の外部リード部材10は、導電性接続部材８の凸になっている部位の一部に外部リード部材10の一部が埋設されていても良いが、より好ましくは、導電性接続部材８の凸になっている部位のほぼ全部に外部リード部材10の一部が埋設されていることがよい。
さらに、凹凸８ａの凸になっている部位（凸部）に一部が埋設されている外部リード部材10は、凹部に亀裂が生じた場合でも、外部電極９に電気を供給できるように、凹部以外の部位で、共通電極（バスバー電極）等によって電気的および機械的に繋がって共通化されていることが好ましい。共通化の構成は、共通電極（バスバー電極）によるものに限らず、凹部以外の部位で外部リード部材10が繋がっているような構成であればよい。
導電性接続部材８中に埋設された外部リード部材10の、導電性接続部材８に対する体積比は、導電性接続部材を100体積％とした場合、２体積％〜30体積％であることが好ましい。この範囲内とすることにより、外部電極８が電気的に断線することを有効に抑えることができ、また、外部リード部材10の体積比が大きくなりすぎて導電性接続部材８における積層体７の伸縮に対する追従性が低下することを抑えることができる。
導電性接続部材８の表面が凸になっている部位に外部リード部材10の一部が埋設されている構成は、まず、外部電極９の表面にスクリーン印刷法等によって樹脂接着剤を含有した導電性ペーストを均一に印刷した後、所定の位置に外部リード部材10を設置し、さらにその表面の外部リード部材10に相当する部分に樹脂接着剤を含有した導電性ペーストをパターン印刷するという方法等によって得ることができる。
また、外部リード部材10は、図７に示すように、種々の構成を採り得る。図７（ａ）は、金属の線材を平行に配置した構成のもの、図７（ｂ）は、メッシュ状に編んだ金属線から成る構成のもの、図７（ｃ）および図７（ｄ）は、エッチング法あるいは打ち抜き金型を用いた打ち抜き法によって、金属板の一部をくり抜いた構成のものである。これらは、積層体７の伸縮方向において弾性率を下げたものであり、積層体７の伸縮方向において弾性的に変形し得るものである。
すなわち、図７に示すような構成の外部リード部材10を用いることによって、積層体７の伸縮に追従可能なものとすることができる。その結果、外部リード部材10の拘束力によって積層型圧電素子１の変位特性が低下したり、導電性接続部材８に負荷がかかって導電性接続部材８が外部電極９から剥離したりすることを抑えることができる。
なお、外部リード部材10は図７に示す以外の構造でも、例えば空隙を設けるなどして積層体７の伸縮方向において弾性率を下げた構造であればよい。
また、導電性接続部材８は、銀または銀を主成分とする合金からなる非球形の導電性粒子を樹脂に分散させた導電性樹脂で形成されていることが好ましい。この場合、ガラスを含む、焼成により形成された電極に比較して、導電性接続部材８が柔軟になるため、積層体７の伸縮に対する追従性がさらに良くなり、有効に応力を吸収できる。
また、導電性樹脂に含まれる導電性材料として、耐酸化性に優れ、抵抗の低い銀または銀を主成分とする合金から成る導電性粒子を用いることにより、高温で使用した場合にも導電性粒子が酸化されることなく、低抵抗を実現できる。その結果、安定して積層体７に電圧を供給することができる。
さらに、導電性粒子の形状を、鱗片状や針状などの非球形とすると、隣り合う導電性粒子同士が１点で接触するのではなく、複数の点、線あるいは面で接触するように絡み合い、導電性接続部材８の剪断強度を大幅に増大させることができる。その結果、積層型圧電素子１を高電界で連続駆動させた場合においても、導電性接続部材８に亀裂等が生じることを抑えることができる。
また、導電性粒子の形状を、鱗片状や針状などの非球形とすると、導電性粒子同士の接触面積が増えるので、導電性接続部材８を低抵抗にすることができ、大電流を流して積層型圧電素子１を高速で駆動させた場合でも、導電性接続部材８の発熱を抑えることができるので、導電性接続部材８が熱劣化し、断線したりするのを防止することができる。
導電性粒子を構成する、銀または銀を主成分とする合金について、導電性粒子が銀から成る場合は、導電性粒子は純銀または不純物等を含む銀から成る。また、導電性粒子が銀を主成分とする合金から成る場合は、導電性粒子はＡｇ−Ｐｄ合金，Ａｇ−Ｐｔ合金，Ａｇ−Ｃｕ合金等の合金から成る。
なお、銀を主成分とするとは、銀の含有量が50質量％を超える場合、または銀の含有量が最大である場合を意味する。
導電性粒子の平均粒径は0.1μｍ〜20μｍであることが好ましい。この範囲内とすると、導電性接続部材８を低抵抗にし、かつ、導電性接続部材８の剪断強度を高くすることができる。なお、平均粒径は金属顕微鏡または走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で測定して求められ、導電性粒子が非球形の場合は、例えば、１つの導電性粒子の粒径を最大径と最小径との平均値として規定し、その平均値に基づいて算出することができる。
導電性接続部材８に含まれる導電性粒子の含有量は85質量％〜98質量％であることが好ましい。この範囲内とすると、導電性接続部材８を十分に低抵抗なものとすることができ、また、導電性樹脂から成る導電性接続部材８における積層体７の伸縮に対する追従性が低下することを抑えることができる。
また、導電性接続部材８に、非球形の導電性粒子と、非球形の導電性粒子よりも粒径の小さい球形の導電性粒子とを含有させてもよい。この場合には、非球形の導電性粒子同士の間に形成された隙間に小さい粒径の導電性粒子が入り込むことにより、電気的に導通した導電性粒子の量が多くなり、導電性接続部材８をより低抵抗化することができる。
また、導電性接続部材８を導電性樹脂で形成する場合の樹脂は、ポリイミド，ポリアミドイミドなどのイミド結合を有した樹脂であることが好ましい。このように、導電性接続部材８を形成する樹脂を、耐熱性の高いポリイミド，ポリアミドイミドなどのイミド結合を有する樹脂とすることによって、積層型圧電素子１を高温で連続駆動させた場合においても、導電性接続部材８が容易に熱劣化することがないものとなる。その結果、長期間にわたって高い信頼性を有する積層型圧電素子１を提供することができる。
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、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って、この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、ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３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），フタル酸ジオチル（ＤＯＰ）等を用いることができる。
次に、内部電極層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内部電極層５のパターンで配設する。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を行なった後、900〜1200℃の温度で焼成することによって、交互に積層された圧電体層３および内部電極層５を備えた積層体７を形成することができる。
なお、積層体７は、上記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、複数の圧電体層３と複数の内部電極層５とを交互に積層してなる積層体７を作製できれば、どのような製造方法によって形成されてもよい。
次に、焼成して得られた積層体７に、平面研削盤等を用いて、所定の形状になるよう研削を行なう。
その後、銀を主成分とする導電性粒子およびガラス粉末にバインダー，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、外部電極９のパターンで積層体７の側面にスクリーン印刷法等によって印刷する。その後、所定の温度で乾燥し、焼き付けを行なうことによって、外部電極９を形成することができる。
次に、外部電極９の表面に、焼き付け硬化後に導電性接続部材８となる樹脂接着剤を含有した導電性ペーストを、積層方向に繰り返して表面に凹凸ができるように、スクリーン印刷法等で印刷した後に、硬化させることにより、積層方向に繰り返して表面に凹凸を備えた導電性接続部材８を形成することができる。即ち、導電性接続部材８の表面に凹凸を形成する方法としては、例えば、まず、樹脂接着剤を含有した導電性ペーストを平坦にスクリーン印刷により印刷し、乾燥した後に、さらにその表面に樹脂含有導電性ペーストを凸部に相当する部分にのみパターン印刷し、乾燥および焼き付けを行なう方法がある。
なお、樹脂接着剤を含有した導電性ペーストとして、レベリング性のよいものを用いることにより、表面になめらかな凹凸を有する導電性接続部材８を形成することができる。逆にレベリング性の悪い樹脂接着剤を含有した導電性ペーストを用いることにより、明瞭な段差を有する凹凸が表面に形成された導電性接続部材８を形成することができる。なお、レベリング性は、導電性ペーストに含まれる溶剤成分の量を調整することで調整することができる。
また、導電性接続部材８の凸部に外部リード部材10の一部を埋設する方法としては、まず、外部電極９の表面にスクリーン印刷法等によって樹脂接着剤を含有した導電性ペーストを均一に印刷した後、所定の位置に外部リード部材10を設置し、さらにその表面の外部リード部材10に相当する部分に樹脂接着剤を含有した導電性ペーストをパターン印刷すればよい。これにより、表面に凹凸を有する導電性接続部材８を形成するとともに、導電性接続部材８の凸部に相当する部分に外部リード部材10の一部を埋設した積層型圧電素子１を作製することができる。
なお、外部リード部材10は、金属の線材を積層方向と垂直な方向に略並行に配置したもの、金属線をメッシュ状に編んだもの、あるいは、エッチング法あるいは打ち抜き金型を用いた打ち抜き法によって、金属板の一部をくり抜いた構成のものを使用できる。これらは、積層方向に伸縮性を有する形状のものである。
なお、金属線をメッシュ状に編んだものは、平織りでも綾織りでも構わない。また、メッシュを形成する金属線と積層方向とのなす角度は、積層方向に対して柔軟性を有するという点から、10度以上が好ましく、より好ましくは30度〜60度がよい。
さらに、外部リード部材10の材質は、銀，ニッケル，銅，リン青銅，鉄，ステンレススチール等の金属や合金が好ましい。また、外部リード部材10の表面には、銀やニッケル等から成るメッキ膜が形成されていてもよい。
次に、外装樹脂となるシリコーン樹脂を含む樹脂溶液に、外部電極９、導電性接続部材８を形成した積層体７を浸漬する。そして、樹脂溶液を真空脱気することにより、積層体７の外周側面シリコーン樹脂を密着させ、その後、樹脂溶液から積層体７を引き上げる。これにより、外部電極９および導電性接続部材８を形成した積層体７の側面にシリコーン樹脂がコーティングされる。
その後、一対の外部電極９に接続した導電性接続部材８に0.1〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、積層体７を構成する圧電体を分極することによって、本例の積層型圧電素子１が完成する。この積層型圧電素子１によれば、導電性接続部材８であるリード線を介して外部電極９と外部の電源とを接続して、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。
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８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８に示すように、本例の噴射装置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が配置されている。そして、収納容器23内には、前述した本実施の形態の積層型圧電素子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は、噴射孔を有する容器と、本実施の形態の積層型圧電素子１とを備え、容器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、本実施の形態において、流体とは、燃料，インク等の他、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。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９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図である。
図９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。
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、外部電極９は、上記の例では積層体７の対向する２つの側面に１つずつ形成したが、２つの外部電極９を積層体７の隣り合う側面に形成してもよいし、積層体７の同一の側面に形成してもよい。また、積層体７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、駆動素子（圧電アクチュエータ），センサ素子および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。
本発明の積層型圧電素子を備えた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（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）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スラリーを作製した。このスラリーを用いてドクターブレード法により厚みが100μｍの圧電体層３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、内部電極層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、内部電極層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、これら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300枚積層した。そして、980〜1100℃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研削し、縦８ｍｍ横８ｍｍ高さ３０ｍｍの直方体形状とした後、外部電極を形成する積層体の側面に銀ガラス含有導電性ペーストを塗布し、650℃にて焼き付けを行ない、厚み20μｍ、幅２ｍｍの外部電極を形成した。
その後、外部電極の表面に、平均粒径５μｍの鱗片状の銀粉末をポリイミド樹脂に分散させた樹脂接着剤を含有した導電性ペーストをスクリーン印刷法より印刷し、乾燥させた。その後、さらにその表面にスクリーン印刷法により、積層方向に繰り返す凹凸における凸部となる部分のみに樹脂接着剤を含有した導電性ペーストをパターン印刷し、レベリングした後、乾燥させた。その後、200℃で焼き付けを行ない、外部電極の表面に幅２ｍｍの導電性接続部材を形成した。
得られた導電性接続部材の表面には、凸部の平均高さが25μｍ、凹部の平均深さが25μｍである凹凸が形成されていて、導電性接続部材における外部電極と接する側の面から凹部の底までの厚みは５０μｍであった。また、凹凸の繰り返しの間隔（周期）は、平均して400μｍであった。このようにして、積層方向に繰り返して凹凸が形成された導電性接続部材を備えた圧電アクチュエータ（試料番号２）を作製した。
また、比較例として本発明の範囲外の、表面に凹凸を有していない導電性接続部材を備えた圧電アクチュエータ（試料番号１）を作製した。これは、上述の本発明の積層型圧電素子の製法において、凸部を形成するための導電性接着剤ペーストのパターン印刷をせずに、導電性接続部材を形成したものである。
次に、各積層型圧電素子の導電性接続部材の積層方向の端部に、上述の樹脂接着剤を含有した導電性ペーストを用いてリード線を接続し固定した。
その後、各積層型圧電素子に対して、導電性接続部材を介して外部電極に３ｋＶ／ｍｍの直流電界を15分間印加して、分極処理を行なった。このようにして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160Ｖの直流電圧を
印加したところ、積層体の積層方向に40μｍの変位量が得られた。さらに、この圧電アクチュエータに室温で０Ｖ〜＋160Ｖの交流電圧を150Ｈｚの周波数で印加して、１×10８回まで連続駆動した試験を行なった。得られた結果を表１に示す。
印加したところ、積層体の積層方向に40μｍの変位量が得られた。さらに、この圧電アクチュエータに室温で０Ｖ〜＋160Ｖの交流電圧を150Ｈｚの周波数で印加して、１×10８回まで連続駆動した試験を行なった。得られた結果を表１に示す。
表１に示すように、本発明の比較例である試料番号１の圧電アクチュエータでは、外部電極の表面に設けた導電性接続部材の表面に積層方向に繰り返して凹凸を形成していないために、１×10８回駆動後に導電性接続部材が積層体の伸縮に耐えきれずに、クラックが発生し進展して断線し、スパークが発生した。
一方、本発明の実施例である試料番号２の圧電アクチュエータでは、外部電極の表面に、積層方向に繰り返して凹凸を備えた導電性接続部材を形成しているため、積層体の伸縮によって生じる応力を凹凸が吸収した。その結果、１×10８回駆動した後でも、導電性接続部材にクラックは生じておらず、スパーク発生等の異常は見られなかった。
さらに、導電性接続部材の凸部に外部リード部材の一部が埋設された圧電アクチュエータを以下のように作製した。外部電極を形成するまでは、試料番号２の圧電アクチュエータと同じ製法で作製した。その後、外部電極の表面に、試料番号２の圧電アクチュエータを作製した際に用いた樹脂接着剤を含有した導電性ペーストと同じものを均一に塗布した。その後、樹脂接着剤を含有した導電性ペーストの表面に外部リード部材を配置した。さらに、外部リード部材の一部を埋設する部分に凸部を形成するために、樹脂接着剤を含有した導電性ペーストをパターン印刷し、乾燥した後、試料番号２の圧電アクチュエータの製造方法と同様の条件で200℃で焼き付けを行なった。
このとき、試料番号３の圧電アクチュエータにおいては、厚み50μｍ、幅50μｍのリン青銅よりなる線材を、400μｍのピッチで積層方向に直交する方向に平行に複数配置した
外部リード部材（図７（ａ））とした。
外部リード部材（図７（ａ））とした。
試料番号４の圧電アクチュエータにおいては、線径50μｍのリン青銅の線材を、180番
手の平織りのメッシュ状に編んだ外部リード部材であって、線材と積層方向との成す角度が45度になるように形成したもの（図７（ｂ））とした。
手の平織りのメッシュ状に編んだ外部リード部材であって、線材と積層方向との成す角度が45度になるように形成したもの（図７（ｂ））とした。
試料番号５の圧電アクチュエータにおいては、厚み50μｍのリン青銅の板を、積層方向に伸縮できるようにエッチング法によって一部をくり抜いた外部リード部材（図７（ｃ））とした。
これらの試料番号３〜５の圧電アクチュエータを上述のように分極処理した後、試料番号１〜５の圧電アクチュエータについて、室温で０Ｖ〜＋160Ｖの交流電圧を150Ｈｚの周波数で印加して、１×10９回まで連続駆動した試験を行なった。得られた結果を表２に示す。
表２に示すように、導電性接続部材の凹凸の凸部に外部リード部材の一部を埋設させた試料番号３〜５の本発明の積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータにおいては、過酷な条件下で、１×10９回まで連続駆動させた場合においても、外部電極が断線することなく、長期信頼性に優れていた。
一方、表面に凹凸を有していない導電性接続部材を備えた圧電アクチュエータ（試料番号１）は、１×10８回の連続駆動後に導電性接続部材が断線してスパークが発生した。
積層方向に繰り返して凹凸が表面に形成されているが、凹凸の凸部に外部リード部材の一部が埋設されていない導電性接続部材を備えた圧電アクチュエータ（試料番号２）は、１×10８回の連続駆動後に積層体の変位量が５／６に低下した。
１・・・積層型圧電素子
３・・・圧電体層
５・・・内部電極層
７・・・積層体
８・・・導電性接続部材
９・・・外部電極
10・・・外部リード部材
19・・・噴射装置
21・・・噴射孔
23・・・収納容器（容器）
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
３・・・圧電体層
５・・・内部電極層
７・・・積層体
８・・・導電性接続部材
９・・・外部電極
10・・・外部リード部材
19・・・噴射装置
21・・・噴射孔
23・・・収納容器（容器）
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 (9)
- 圧電体層および内部電極層が交互に積層された積層体と、該積層体の側面に接合されて内部電極層に電気的に接続された外部電極と、該外部電極の表面に被着された導電性接続部材とを含む積層型圧電素子であって、前記導電性接続部材の表面が少なくとも積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっているとともに、前記外部電極の表面が前記積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっており、前記導電性接続部材の表面の凸部に対応する前記外部電極の表面が凹部となっていることを特徴とする積層型圧電素子。
- 圧電体層および内部電極層が交互に積層された積層体と、該積層体の側面に接合されて内部電極層に電気的に接続された外部電極と、該外部電極の表面に被着された導電性接続部材とを含む積層型圧電素子であって、導電性接続部材の表面が少なくとも積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっており、前記導電性接続部材の表面における凸部の高さは、前記積層体の積層方向の両端部よりも中央部の方が高いことを特徴とする積層型圧電素子。
- 圧電体層および内部電極層が交互に積層された積層体と、該積層体の側面に接合されて内部電極層に電気的に接続された外部電極と、該外部電極の表面に被着された導電性接続部材とを含む積層型圧電素子であって、導電性接続部材の表面が少なくとも積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっており、前記導電性接続部材の表面における前記凹凸の高低差は、前記積層体の積層方向の両端部よりも中央部の方が大きいことを特徴とする積層型圧電素子。
- 圧電体層および内部電極層が交互に積層された積層体と、該積層体の側面に接合されて内部電極層に電気的に接続された外部電極と、該外部電極の表面に被着された導電性接続部材とを含む積層型圧電素子であって、導電性接続部材の表面が少なくとも積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっており、前記導電性接続部材の表面が凸になっている部位に外部リード部材の一部が埋設されていることを特徴とする積層型圧電素子。
- 前記外部リード部材は、前記導電性接続部材に埋設されている部分が前記積層体の伸縮に追従可能であることを特徴とする請求項４に記載の積層型圧電素子。
- 前記導電性接続部材は、銀または銀を主成分とする合金からなる非球形の導電性粒子を樹脂に分散させた導電性樹脂で形成されてい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。
- 前記樹脂は、イミド結合を有した樹脂であることを特徴とする請求項６に記載の積層型圧電素子。
- 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、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を特徴とする噴射装置。
- 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高圧燃料を噴射する請求項８に記載の噴射装置と、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を特徴とする燃料噴射システム。
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