JP5398543B2 - 積層型圧電素子及びその製造方法、並びに噴射装置及び燃料噴射システム - Google Patents

Description

本発明は、積層型圧電素子及びその製造方法、並びに噴射装置及び燃料噴射システムに関する。

従来から、複数の圧電体層が内部電極層を介して積層された積層構造体を備え、該積層構造体の側面に一対の外部電極が形成された積層型圧電素子（以下、単に「素子」ということもある）が知られている。一般に、素子は、内部電極層同士が対向する対向部と、この対向部に対して積層方向両端側に位置する非対向部とを備えている。素子に電圧が印加されると、対向部は駆動し非対向部は駆動しないので、これらの境界付近には応力がかかりやすい。そこで、非対向部の弾性率を対向部の弾性率よりも低くすることで境界付近に生じる応力を低減することを目的とした素子が開示されている（特許文献１）。

特開２００１−９４１６４号公報

しかしながら、近年、高電圧および高圧力下で長期間連続駆動できることが素子に要求されており、さらなる耐久性の向上が望まれている。

そこで、本発明は、高電圧および高圧力下で長期間連続駆動でき、耐久性の高い積層型圧電素子とその製造方法、並びに噴射装置及び燃料噴射システム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、複数の内部電極層とチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする複数の圧電性セラミック層を有してなる積層構造体を備えた積層型圧電素子であって、
前記積層構造体は、前記内部電極層と前記圧電性セラミック層とが交互に積層された駆動部と、前記圧電性セラミック層が複数積層されてなり前記駆動部の積層方向の両端部に設けられた非駆動部とを有し、前記非駆動部の前記圧電性セラミック層は、前記駆動部の前記圧電性セラミック層と同じ圧電材料を主成分として含み、前記駆動部の前記圧電性セラミック層よりも大きい平均結晶粒径を有するとともに、前記駆動部の前記圧電性セラミック層よりもアルカリ金属の含有量が多く、前記非駆動部の前記圧電性セラミック層のアルカリ金属の含有量が０．０１質量％〜０．５質量％であることを特徴とする。

本発明の積層型圧電素子によれば、駆動部と非駆動部の境界付近に生じる応力を低減することができるという効果がある。

本発明の一実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。 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図である。

＜積層型圧電素子＞
以下、本発明の一実施形態にかかる積層型圧電素子について図面を参照し詳細に説明する。図１は、本実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。この積層型圧電素子１は、圧電体セラミック層１１と内部電極層１３が交互に複数積層された積層構造体１５を有している。積層構造体１５の側面には、一対の外部電極１７が形成されている。積層構造体１５は、内部電極層１３同士が対向する対向部１９と、この対向部１９に対して積層方向の両端部側に位置する非対向部２１とを備えている。

この対向部１９は、隣接して対向する内部電極層１３に挟まれた圧電体セラミック層１１が、両側の内部電極層１３に印加される電圧に応答して伸縮して素子１の積層方向の長さを変化させる駆動部である。
これに対して、非対向部２１は圧電体部に電圧を印加する内部電極層１３が存在しないので、圧電体部が自ら変位することはない非駆動部である。
そこで、本実施形態では、非対向部２１は、対向部１９の伸縮を可能な限り阻害しないよう、かつ対向部１９との境界に生じる応力が小さくなるように、非対向部２１の剛性を低くしている。

具体的には、この実施形態の素子１において、非対向部２１は、対向部１９と同じ圧電性セラミックスを主成分とし、対向部１９よりも圧電性セラミックスの平均結晶粒径が大きくなるようにしている。これにより、対向部１９と非対向部２１の境界付近に生じる応力を低減することができる。その理由は、圧電性セラミックスは粒径が大きいほど剛性が低くなるからである。電圧印加時に自らは駆動しない非対向部２１の剛性を低くすることで、対向部１９と非対向部２１間の歪みを非対向部２１が吸収することができる。また、非対向部２１の剛性を低くすることで、対向部１９の駆動による変形を拘束する力が弱まる。

非対向部２１における圧電性セラミックスの平均結晶粒径は、対向部１９における圧電性セラミックスの平均結晶粒径の好ましくは１．３倍以上、より好ましくは１．５倍以上であるのがよい。これにより、非対向部２１において駆動時における歪みを効果的に吸収できる。一例として、対向部１９における圧電性セラミックスの平均結晶粒径が１〜３μｍ程度である場合、非対向部２１における圧電性セラミックスの平均結晶粒径は好ましくは３〜６μｍ程度、より好ましくは４〜５μｍ程度であるのがよい。圧電性セラミックスの平均結晶粒径の測定は次のように行えばよい。まず、公知の研磨法などを用いて、対向部１９および非対向部２１を露出させる。ついで、これらの断面を例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）などにより観察し、画像上に所定長さの直線を引く。この直線に重なる粒子の個数を数え、直線の長さを粒子の個数で除した値を平均結晶粒径とする。

非対向部２１の圧電性セラミック層１１の平均結晶粒径を、対向部１９よりも大きくする方法としては、例えば、後述するように、非対向部２１の圧電性セラミック層１１にアルカリ金属を含有させればよい。

また、このように非対向部２１のアルカリ金属の含有量を対向部１９よりも多くすると、対向部１９と非対向部２１との境界付近における応力をよりいっそう緩和することができる。アルカリ金属が存在すると、その近傍における圧電体の誘電損失が大きくなる。したがって、非対向部２１におけるアルカリ金属の含有量を対向部１９におけるアルカリ金属の含有量よりも多くしておくことで、対向部１９と非対向部２１との境界付近の変位量を小さくできる。これにより、対向部１９と非対向部２１との境界付近における応力をより効果的に緩和することができる。

例えばＰＺＴ粉末を主成分とする場合、非対向部２１におけるアルカリ金属の含有量は、０．０１質量％〜０．５質量％程度、好ましくは０．１質量％〜０．３質量％程度であるのがよい。対向部１９におけるアルカリ金属の含有量は、非対向部２１よりも少なければよいが、好ましくは０．０１質量％以下であるのがよい。非対向部２１におけるアルカリ金属の含有量は、対向部１９におけるアルカリ金属の含有量の２倍以上、好ましくは３倍以上であるのが好ましい。アルカリ金属の含有量の測定は次のように行えばよい。すなわち、測定したい部位を切り取り、粉砕した後、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）分析することにより測定できる。

次に、本実施形態にかかる素子１の製造方法について説明する。素子１の製造方法は、積層成形体を作製する積層工程を含む積層型圧電素子の製造方法であって、積層工程は、第１の圧電体グリーンシートと金属ペースト層とが交互に積層された駆動部成形部を形成する第１の積層工程と、駆動部成形部の積層方向の両端部にそれぞれ、アルカリ金属が第１の圧電体グリーンシートより多く含まれる第２の圧電体グリーンシートを複数積層することにより非駆動部成形部を形成する第２の積層工程と、を含むものである。まず、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の粉末と、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、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）、フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）等の可塑剤とを混合してスラリーを作製する。ついで、得られたスラリーをドクターブレード法、カレンダーロール法等のテープ成形法を用いてセラミックグリーンシート（圧電体グリーンシート）に成形する。

焼成後に対向部１９および非対向部２１のアルカリ金属の含有量が上記した範囲となるように、第２の圧電体グリーンシートとなる非対向部２１用のスラリーには、第１の圧電体グリーンシートとなる対向部１９用のスラリーよりも多くのアルカリ金属を添加する。これにより、焼成後の非対向部２１における圧電性セラミックスの平均結晶粒径を、焼成後の対向部１９における圧電性セラミックスの平均結晶粒径よりも大きくできる。アルカリ金属は焼結を促進するため、同じ焼成条件であればアルカリ金属の含有量が多いほど結晶粒径が大きくなるからである。対向部１９用のスラリーにはアルカリ金属を添加しなくてもよい。

次に、内部電極層１３用の金属ペーストを作製する。この金属ペーストは、主に銀パラジウムからなる金属粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合して得る。この金属ペーストをセラミックグリーンシートの片面にスクリーン印刷等によって内部電極層１３の形状に印刷する。

次に、金属ペーストが印刷されたグリーンシートを図１に示す構造となるように積層し乾燥させることで積層成形体を得る。この積層成形体の積層方向両端側に金属ペーストを印刷していない非対向部２１用のセラミックグリーンシートを複数層積層する。この積層成形体は、必要に応じて裁断して所望の形態にしてもよい。
次に、積層成形体を所定の温度で脱バインダー処理した後、９００〜１１５０℃で焼成することにより積層構造体１５を得る。必要に応じて、積層構造体１５の側面を研磨してもよい。

次に、積層構造体１５の側面に外部電極１７を形成する。外部電極１７は、主に銀からな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金属ペーストを作製し、この金属ペーストを上記積層構造体１５の側面にスクリーン印刷等によって印刷して６００〜８００℃で焼成することにより形成できる。

さらに、外部電極１７の外面に、金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板が埋設された導電性接着剤からなる導電性補助部材を形成してもよい。金属のメッシュとは金属線を編み込んだものであり、メッシュ状の金属板とは、金属板に孔を形成してメッシュ状にしたものをいう。

その後、外部電極１７にリード線を半田等で接続した後、外部電極１７を含む積層構造体１５側面にシリコーンゴム等からなる外装樹脂をディッピング等の手法を用いてコーティングすることにより積層型圧電素子１を得る。

以上の実施形態の積層型圧電素子１では、焼成後における非対向部２１のアルカリ金属の含有量が対向部１９より大きくなるようにして、非対向部２１における圧電性セラミックスの平均結晶粒径が対向部１９における圧電性セラミックスの平均結晶粒径よりも大きくなるようにし、対向部１９と非対向部２１との境界付近における応力を効果的に緩和できるようにした。

しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、アルカリ金属を利用することなく、非対向部２１における圧電性セラミックスの平均結晶粒径が大きくなるようにしてもよい。
例えば、アルカリ金属を利用することなく、非対向部２１における圧電性セラミックスの平均結晶粒径が大きくなるようにする方法としては、第２の圧電体グリーンシートとなる非対向部２１用のスラリーに含まれるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の粉末の平均結晶粒径を、第１の圧電体グリーンシートとなる対向部１９用のスラリーに含まれるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の粉末の平均結晶粒径よりも大きくしておく方法などがある。

＜噴射装置＞
図２は、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。図２に示すように、本実施形態にかかる噴射装置２５は、一端に噴射孔２７を有する収納容器２９の内部に上記実施形態に代表される本発明の積層型圧電素子１が収納されている。収納容器２９内には、噴射孔２７を開閉することができるニードルバルブ３１が配設されている。噴射孔２７には燃料通路３３がニードルバルブ３１の動きに応じて連通可能に配設されている。この燃料通路３３は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路３３に常時一定の高圧で燃料が供給されている。従って、ニードルバルブ３１が噴射孔２７を開放すると、燃料通路３３に供給されていた燃料が一定の高圧で図示しない内燃機関の燃料室内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３１の上端部は内径が大きくなっており、収納容器２９に形成されたシリンダ３５と摺動可能なピストン３７が配置されている。そして、収納容器２９内には、上記した積層型圧電素子１を備えた圧電アクチュエータが収納されている。

このような噴射装置２５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３７が押圧され、ニードルバルブ３１が噴射孔２７を閉塞し、燃料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３９がピストン３７を押し返し、噴射孔２７が燃料通路３３と連通して燃料の噴射が行われるようになっている。

また、本実施形態にかかる噴射装置２５は、噴射孔２７を有する容器と、上記積層型圧電素子１とを備え、容器内に充填された液体が積層型圧電素子１の駆動により噴射孔２７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、液体とは、燃料、インクなどの他、種々の液状流体（導電性ペースト等）が含まれる。

＜燃料噴射システム＞
図３は、本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システム４１を示す概略図である。図３に示すように、本実施形態にかかる燃料噴射システム４１は、高圧燃料を蓄えるコモンレール４３と、このコモンレール４３に蓄えられた燃料を噴射する複数の上記噴射装置２５と、コモンレール４３に高圧の燃料を供給する圧力ポンプ４５と、噴射装置２５に駆動信号を与える噴射制御ユニット４７と、を備えている。

噴射制御ユニット４７は、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ものである。圧力ポンプ４５は、燃料タンク４９から燃料を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４３に送り込む役割を果たす。コモンレール４３では、圧力ポンプ４５から送られてきた燃料を蓄え、適宜噴射装置２５に送り込む。噴射装置２５は、上述したように噴射孔２７から少量の燃料を燃焼室内に霧状に噴射する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。また、本発明における非対向部とは、電圧印加時に駆動に寄与する内部電極層同士が対向していない部位、すなわち自らは駆動しない部位をいう。したがって、非対向部に金属層などが含まれていてもよい。

１１ 圧電体セラミック層、
１３ 内部電極層、
１５ 積層構造体、
１７ 外部電極、
１９ 対向部、
２１ 非対向部。

Claims (4)

1. 複数の内部電極層とチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする複数の圧電性セラミック層を有してなる積層構造体を備えた積層型圧電素子であって、
   前記積層構造体は、前記内部電極層と前記圧電性セラミック層とが交互に積層された駆動部と、前記圧電性セラミック層が複数積層されてなり前記駆動部の積層方向の両端部に設けられた非駆動部とを有し、
   前記非駆動部の前記圧電性セラミック層は、前記駆動部の前記圧電性セラミック層と同じ圧電材料を主成分として含み、前記駆動部の前記圧電性セラミック層よりも大きい平均結晶粒径を有するとともに、
   前記駆動部の前記圧電性セラミック層よりもアルカリ金属の含有量が多く、
   前記非駆動部の前記圧電性セラミック層のアルカリ金属の含有量が０．０１質量％〜０．５質量％であることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 積層成形体を作製する積層工程を含む積層型圧電素子の製造方法であって、
   前記積層工程は、
   チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする第１の圧電体グリーンシートと金属ペースト層とが交互に積層された駆動部成形部を形成する第１の積層工程と、
   前記駆動部成形部の積層方向の両端部にそれぞれ、アルカリ金属が前記第１の圧電体グリーンシートより多く含まれチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする第２の圧電体グリーンシートを複数積層することにより非駆動部積層部を形成する第２の積層工程と、
   を含み、
   前記積層成形体を９００℃〜１１５０℃で焼成して、駆動部の圧電性セラミック層および非駆動部の圧電性セラミック層とを形成し、
   前記非駆動部の圧電性セラミック層のアルカリ金属の含有量が０．０１質量％〜０．５質量％であり、
   前記非駆動部の圧電性セラミック層は、前記駆動部の圧電性セラミック層よりも大きい平均結晶粒径を有することを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
3. 噴出孔を有する容器と、請求項１に記載の積層型圧電素子と、を備え、前記容器内に充填された液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ように構成されていることを特徴とする噴射装置。
4. 高圧燃料を蓄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３に記載の噴射装置と、前記コモンレールに高圧の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、を備えた燃料噴射システム。

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