JP5403986B2 - 積層型圧電素子およびこれを用いた噴射装置ならびに燃料噴射システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば、圧電体を用いた駆動素子（圧電アクチュエータ），センサ素子または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，インクジェットプリンタの印字装置のような液体噴射装置，光学装置における位置決め装置のような精密位置決め装置およ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。

従来から、積層型圧電素子として、圧電体層および内部電極層が交互に多数積層された積層体と、この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を備えたものが知られている。そして、外部の駆動電源と外部電極とを電気的に接続するために、外部電極には駆動電源からの給電線としてリード線が接続される。

ここで、積層体は駆動に際して変位するため、外部電極にリード線を直接に接続するとリード線の接合部が剥がれることがあるので、給電電極として、金属線を用いて複数本の縦線および複数本の横線を組み合わせてなる帯状のメッシュを銀ペーストまたは半田で外部電極に接続し、このメッシュにリード線を接続することが提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

このような積層型圧電素子には、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することが求められている。そのため、より高い電界が印加され、しかも長時間連続駆動させる過酷な条件下で使用できることが要求されている。
実開平３−116058号公報

積層型圧電素子には大きな変位量と高い耐久性とが求められるために、積層体において、駆動時の応力により特定の圧電体層または内部電極層が破断することによって駆動素子としての耐久性を確保する予定破断層の挿入が行なわれる。

これに対し、給電電極として金属線をメッシュに編んだものを用いた場合には、メッシュ自体は積層体の変位に応じて伸び縮みするものの、編目の部分（縦線と横線とが交差する部分）でスパークが発生することがあるという問題点があった。また、編目を接合したメッシュを用いた場合には、積層体の変位に応じて十分に伸び縮みできないために、応力が吸収しきれずに外部電極から剥れることがあるという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高電界，高圧力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も、積層体の変位に良好に対応して給電電極の外部電極からの剥離あるいは破断の発生を防止し、耐久性を改善することができる積層型圧電素子を提供することを目的とするものである。

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、一方端側が給電線に接続され、前記積層体の側面に積層方向に交わる向きに配置されて積層方向に並んで、途中が前記外部電極に接続された複数本の導体線からなる給電電極とを含む積層型圧電素子であって、前記給電電極は、少なくとも一部の前記導体線の他方端側が連結部で連結されており、複数本の前記導体線は、前記外部電極から前記他方端側で前記積層体から遠ざかるように折れ曲がって前記積層体の側面との間隔が広く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、上記構成において、前記連結部が導体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、上記構成において、前記連結部が前記導体線と同じ導体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、上記構成において、前記連結部は、前記積層体の積層方向に延びて全ての前記導体線を連結し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、上記構成において、前記連結部は、複数本の前記導体線の他方端を連結し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、上記構成において、前記連結部は、導体であり、両端が複数本の前記導体線の並びの両端に配置された前記導体線のそれぞれ外側の辺に合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、上記構成において、前記連結部は、前記導体線と同じ導体であり、両端が複数本の前記導体線の並びの両端に配置された前記導体線のそれぞれ外側の辺に合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、上記構成において、前記積層体は、前記導体線の間に位置する予定破断層を有し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、上記構成において、前記導体線は、予定破断層の間に複数本が配置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、上記構成において、前記連結部は、前記導体線と一体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、上記構成において、前記連結部と前記導体線との接続部は、前記連結部から前記導体線にかけて滑らかな曲線状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、上記いずれかの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、高圧燃料を備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システム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、一方端側が給電線に接続され、積層体の側面に積層方向に交わる向きに配置されて積層方向に並んで、途中が外部電極に接続された複数本の導体線からなる給電電極が、少なくとも一部の導体線の他方端側が連結部で連結されていることから、積層型圧電素子の駆動に際して積層体の変位に応じて十分に伸び縮みすることができ、積層体が伸び縮みするのを邪魔しない導体構造となっているので、給電電極の外部電極からの剥離あるいは給電電極の破断の発生を防止することができる。また、駆動に伴って積層体が発熱し、積層体から外部電極を通して給電電極に熱が伝わったとしても、連結部で連結された導体線間で連結部を介して熱および応力を分散できるので、特定の導体線に負荷が集中しないものとすることができる。その結果、耐久性を改善することができる。また、複数本の導体線は、外部電極から他方端側で積層体Ｓから遠ざかるように折れ曲がって積層体Ｓの側面との間隔が広くなっていることから、積層体Ｓの変位に伴って導体線が振動しても、積層体Ｓの側面と接触しにくいため、積層体Ｓの側面に内部電極層が露出していても、導体線と内部電極層とのショートを防ぐことができる。

また、本発明の噴射装置によれば、容器内に蓄えられた流体を噴射孔から吐出させる積層型圧電素子として本発明の積層型圧電素子を備えていることから、積層型圧電素子において外部電極に接続された給電電極が剥離したり給電電極に破断が発生したりすることを防止でき、また、給電電極において積層体からの熱や応力を分散して、問題が生じるのを抑制することができるので、流体の噴射孔からの所望の吐出を長期にわたって安定して行なうことができる。

さらに、本発明の燃料噴射システムによれば、コモンレールに蓄えられた高圧燃料を噴射する装置として本発明の噴射装置を備えていることから、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つつ詳細に説明する。

図１は、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例の概略構成を示す斜視図である。
図１に示すように、本例の積層型圧電素子１は、圧電体層２および内部電極層３が交互に積層された積層体Ｓと、この積層体Ｓの側面に接合されて内部電極層３に電気的に接続された外部電極４と、一方端側が給電線５に接続され、積層体Ｓの側面に積層体Ｓの積層方向に交わる向きに配置されて積層方向に並んで、途中が外部電極４に接続された複数本の導体線６からなる給電電極７とを含む積層型圧電素子１であって、給電電極７は、少なくとも一部の導体線６の他方端側が連結部８で連結されている。

このように、積層体Ｓの側面に積層体Ｓの積層方向に交わる向き、すなわち内部電極層３に平行な向きに配置されて積層方向に並んだ複数本の導体線６が、一方端側が給電線５に接続され、途中が外部電極４に接続されており、少なくとも一部の他方端側が連結部８で連結されていることによって、給電電極７として外部電極４に接続されているのは積層体Ｓの変位に十分に追従できる複数本の導体線６であり、積層体Ｓの積層方向に配置されて積層体Ｓの変位を抑制する可能性がある給電線５および連結部８は積層体Ｓと接していないので、給電電極７は積層体Ｓの変位に応じて十分に伸び縮みすることができ、積層体Ｓが伸び縮みするのを阻害せず、従って、給電電極７の外部電極４からの剥離あるいは給電電極７の破断の発生を防止することができる。また、積層型圧電素子１の駆動に伴って積層体Ｓが発熱し、積層体Ｓから外部電極４を通して給電電極７の導体線６に熱が伝わったとしても、連結部８で連結された導体線６間で連結部８を介して熱を分散でき、応力を分散できるので、特定の導体線６に負荷が集中しないものとすることができる。その結果、積層型圧電素子１の耐久性を向上させることができ、寿命を伸ばすことができる。

給電電極７を構成する給電線５および導体線６は導電性の良い金属線からなり、これらの材質は、銀，ニッケル，銅，リン青銅，鉄，ステンレス等の金属や合金が好ましい。また、給電線５および導体線６の表面には、銀やニッケル，金等のメッキが施されていてもよい。複数本の導体線６は、その一方端側がそれぞれ給電線５に半田付けまたは溶接等により強固に接続される。また、複数本の導体線６は、それぞれ途中の部位が積層体Ｓの側面に形成された外部電極４に導電性接着剤または半田等によって固定されて接続される。

また、給電電極７を構成する複数本の導体線６は、少なくとも一部の導体線６の他方端側が連結部８で連結されている。図１に示す積層型圧電素子１は複数本の導体線６の全てが連結部８で連結されている例であるが、例えば、複数本の導体線６のうち、積層体Ｓの活性領域の中央部に位置するものが連結されていることが好ましい。積層体Ｓの中で圧電体層２が異なる極性の内部電極層３に挟まれたものが積層されている領域である活性領域は、積層型圧電素子１が駆動する際に伸び縮みする領域であるために、最も伸び縮みの変形度合いが大きく、発熱の度合いが大きな領域である。従って、この活性領域の中央部に位置する導体線６が連結部８で連結されていることにより、熱の分散による効果が大きくなり、外部電極４の剥離も抑止できる。さらに、積層体Ｓには活性領域の中央を中心として発熱領域が存在することから、活性領域の中央部を含む半分の領域、好ましくは活性領域の中央から両端側へ活性領域の長さの１／４ずつの範囲の領域に位置する導体線６が連結部８で連結されていることが好ましい。また、積層体Ｓの中で活性領域が複数に分かれている場合は、それぞれの活性領域に位置する導体線６を連結することが、連結部８を介した熱の分散による効果が高まるので好ましい。
このように、複数本の導体線６の一方端側が給電線５に接続され、それら導体線６が積層体Ｓの側面に積層方向に交わる向きに配置されて積層方向に並んで、それぞれの途中が外部電極４に接続されていることによって、メッシュに編んだ金属線のように導体線６が交差してスパークが発生するようなことはなく、積層体Ｓの変位に応じて十分にかつ良好に追従して伸び縮みする給電電極７となる。また、複数本の導体線６のうち少なくとも一部の導体線６の他方端側が連結部８で連結されていることによって、導体線６に加わる熱や応力を連結部８を介して分散させ緩和させることができるので、特定の導体線６に熱や応力の負荷が集中しないものとすることができるので、給電電極７の耐久性に優れたものとなる。

このような連結部８は、導体であっても導体でなくてもよい。導体でない連結部８としては、例えばポリイミド樹脂のような耐熱性のある材質で、細長い矩形状あるいは線状のものを、例えばエポキシ樹脂のような耐熱性があり強い接着力を持つ接着剤で導体線６に接続する。また、導体である連結部８としては、例えばリン青銅Ｃ5191のような高強度で導電性の良い材質で、細長い矩形状あるいは線状のものを、例えば抵抗溶接や半田付けのような方法で導体線６に接続する。

本発明の積層型圧電素子１において、給電電極７の連結部８は導体であることが好ましい。これにより、複数本の導体線６の一部で給電線５との接続部での断線あるいは給電線５と外部電極４との間の部分での断線が発生しても、その導体線６の外部電極４との接続部には他の導体線６から連結部８を経由して駆動電力の通電が可能となるので、積層型圧電素子１を長時間にわたって安定して作動させることができる。

さらに、連結部８は導体線６と同じ導体であることが好ましい。連結部８が導体線６と同じ導体であることにより、両者の熱膨張が一致するので、積層体Ｓが過熱したとしても連結部８と導体線６との接続部が剥がれにくくなり、耐久性に優れたものとなる。

また、連結部８は、積層体Ｓの積層方向に延びて全ての導体線６を連結していることが好ましい。つまり、積層体Ｓの積層方向に延びた一つながりの連結部８で全ての導体線６がつながっていることが好ましい。これにより、積層体Ｓが局所的に発熱してもその発熱箇所に対応した導体線６から連結部８を介して他の導体線６のどれにも熱を伝えることができるので、熱の散逸を給電電極７においてほぼ均一に行なうことができるようになる。

また、連結部８は、複数本の導体線６の他方端を連結していることが好ましい。つまり、連結部８は導体線６の他方端側の端に設けることが好ましい。これにより、連結部８から突き出した導体線６の他方端側の端部での放電の発生や放電によるショートの発生を防ぐことができる。

さらに、連結部８は、導体であり、両端が複数本の導体線６の並びの両端に配置された導体線６のそれぞれ外側の辺に合っていることが好ましい。これにより、連結部８の端が積層型圧電素子１以外の周囲の部材と接触してショートを発生させることを防ぐことができる。また、駆動電力の電流を給電電極７内の必要な部分だけに、例えば導体線６の並びの両端に配置された導体線６と連結部８と給電線５とで囲まれ、かつ外部電極４と全ての導体線６とが接触している部分に供給することができる。この場合において、連結部８は導体線６と同じ導体であることがより好ましい。これにより、複数本の導体線６から外部電極４へ効率よく電流を供給することができる。

また、本発明の積層型圧電素子１は、積層体Ｓが、導体線６の間に位置する予定破断層９を有していることが好ましい。すなわち、積層体Ｓには、圧電体層２間に一部の内部電極層３を予め大きな応力が加わったときにその層内で破断するように強度を低下させておくことによって形成された予定破断層９を有しており、この予定破断層９が外部電極４に接続された導体線６の間に位置していることが好ましい。これにより、積層型圧電素子１の駆動に伴って積層体Ｓに大きな応力が発生したときに、予定破断層９が破断することによって、圧電体層２に応力および応力に起因した亀裂を発生させることなく、積層体Ｓの予定破断層９だけに亀裂を効果的に発生させた応力緩和が可能となり、給電電極７の導体線６の外部電極４への接続を維持して積層型圧電素子１を耐久性の高いものとすることができる。さらに、導体線６および予定破断層９を互いに積層体Ｓにおける応力の緩和に好適なように配置することによって、積層型圧電素子１を耐久性に優れたものとすることができる。

このように積層体Ｓが導体線６の間に位置する予定破断層９を有している場合に、導体線６は、予定破断層９の間に２本以上の複数本が配置されていることが好ましい。これにより、予定破断層９の間で１本の導体線６が破断したとしても、同じ予定破断層９の間で他の導体線６によって外部電極４への給電を行なうことができるので、耐久性に優れた積層型圧電素子１を得ることができる。

また、複数本の導体線６は、外部電極４から他方端側で積層体Ｓの側面との間隔が広くなっている。導体線６の給電線５に接続された一方端側とは逆の他方端側が積層体Ｓの側面に近いと、積層体Ｓの変位に伴って導体線６が振動して積層体Ｓの側面に露出している内部電極層３と接触するおそれがあるため、接触を避ける上で導体線６の外部電極４から他方端側を積層体Ｓの側面から離れるように、導体線６の外部電極４から他方端側を積層体Ｓから遠ざけるように折り曲げておく。これにより、積層体Ｓの変位に伴って導体線６が振動しても、積層体Ｓの側面と接触しにくいため、積層体Ｓの側面に内部電極層３が露出していても、導体線６と内部電極層３とのショートを防ぐことができる。

また、本発明の積層型圧電素子１において、連結部８が導体線６と同じ導体である場合には、連結部８は導体線６と一体であることが好ましい。連結部８が導体線６と一体であるので接続部が外れたりすることがなくなることにより、連結部８と導体線６とが破断しにくくなり、耐久性に優れた給電電極７を有する積層型圧電素子１となる。

ここで、図２に本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例における給電電極の導体線と連結部との接続部の一部を要部側面図で示す。図２に示すように、連結部８が導体線６と一体である場合に、連結部８と導体線６との接続部は、連結部８から導体線６にかけて滑らかな曲線状であることが好ましい。このように連結部８と導体線６との接続部に連結部８から導体線６にかけてなめらかな曲線状部分10があることにより、連結部８と導体線６との接続部に応力がかかったとしても接続部が裂けにくくなり、連結部８と導体線６とが破断しにくくなるので、より耐久性に優れた給電電極７を有する積層型圧電素子１となる。
次に、本発明の積層型圧電素子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、アクリル系あるいは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、このスラリーに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等を用いることができる。また、可塑剤としては、ＤＢＰ（フタル酸ジブチル），ＤＯＰ（フタル酸ジオクチル）等を用いることができる。

次に、内部電極層３となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム等の金属粉末にバインダーおよ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所定のパターンに印刷する。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、交互に積層された圧電体層２および内部電極層３を備えた積層体Ｓを形成することができる。

このとき、予定破断層９として、例えば、多数の独立した金属粒子を含む多孔質金属粒子層を形成する場合であれば、導電性ペースト中にカーボン粉末を含有させて、焼成中にそのカーボン粉末を消失させたり、導電性ペーストの印刷時にドットパターンとなるようにパターン印刷したり、導電性ペーストを印刷乾燥した後にドライアイスブラストを行なって印刷面を荒らしたりする方法がある。また、予定破断層９として、多数の独立した金属粒子を含む多孔質金属粒子層を量産して形成する場合であれば、予定破断層９となる多孔質金属粒子層の導電性ペーストとその他の内部電極層３の導電性ペーストとの金属成分比率を変えて、焼成中に濃度差を利用して、予定破断層９から、圧電体層２を介して隣接している内部電極層３へ金属を拡散させることによって多孔質とすることができる。この方法は、量産性に優れている点で好ましい。特に、主に銀−パラジウムからなる導電性ペーストを用いて、予定破断層９となる層の銀濃度をその他の内部電極層３の銀濃度よりも高くすると、焼成時に銀が液相を形成するとともに圧電体層２の圧電体粒子間を容易に移動することができるので、極めて均一な多孔質金属粒子層からなる予定破断層９が形成できる。

その後、積層型圧電素子１の積層体Ｓの外表面に、端部が露出している内部電極層３との導通が得られるように外部電極４を形成する。この外部電極４は、銀粉末および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、これを積層体Ｓの側面にスクリーン印刷等によって印刷して、乾燥接着する、あるいは焼き付けることによって得ることができる。
給電電極７を構成する複数本の導体線６は、前述のように導電性の良い金属線からなり、一端部側を給電線５に半田付けあるいは溶接等により接続し、途中を外部電極４上に半田あるいは導電性接着剤等で固定して接続する。そして、複数本の導体線６の少なくとも一部を連結部８で接続し、あるいは連結部８と一体に形成して連結する。

このとき、外部電極４が例えば長さが30ｍｍで幅が２ｍｍであるのに対して、例えば太さが0.2ｍｍφで長さが10ｍｍの導体線６を、例えば60本を並びの間隔が0.1ｍｍで配置して、それら導体線６の途中、例えば中央部を外部電極４に接続する。

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４を形成した積層体Ｓ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Ｓ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Ｓを引き上げる。これにより、外部電極４を形成した積層体Ｓの側面にシリコーン樹脂がコーティングされる。そして、外部電極４に給電部として給電電極７の複数本の導体線６を半田あるいは導電性接着剤等で接続する。

その後、外部電極４に接続した給電電極７を介して一対の外部電極４から内部電極層３によって圧電体層２に0.1〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、積層体Ｓの圧電体層２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。そして、給電電極７と外部の駆動電力を供給する電源とを接続して、給電電極７および外部電極４を介して内部電極層３によって圧電体層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。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、本発明の噴射装置としての流体の噴射装置の実施の形態の一例について説明する。図３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３に示すように、本例の噴射装置19は、一端に噴射孔21を有する容器23の内部に上記の実施の形態の例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。

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に常時高圧で流体である例えば液体が供給されている。従って、積層型圧電素子１の駆動によ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、噴射孔21の外部または噴射孔21に隣接する容器、例えば内燃機関の燃料室（図示せず）に、噴射孔21から吐出され噴射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、収納装置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、収納装置23内には、上記した素子１が収納されている。

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、その部分に容器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、容器23内には、本発明の積層型圧電素子１が収納されている。

このような噴射装置19では、圧電アクチュエータとして機能する積層型圧電素子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を押し返すことによって流体通路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、流体噴射の動作としては、積層型圧電素子１に電圧を印加することによって流体流路27を開放して噴射孔21から流体を吐出し、電圧の印加を停止することによって流体流路27を閉鎖して流体の吐出を停止するように構成してもよい。

また、本発明の噴射装置19は、噴射孔21を有する容器23と、本発明の積層型圧電素子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は必ずしも容器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の内部に噴射孔21への流体の供給および停止を行なうための圧力が加わるように構成されていればよい。また、液体を始めとする流体は、流体通路27を通して噴射孔21に供給されるだけでなく、容器23内の適当な箇所に流体を一時的に溜めておく部分を設けて、容器23内に充填された流体を噴射孔21から吐出させてもよい。

なお、本発明において、流体とは、燃料あるいはインク等の液体の他、種々の液状体（導電性ペースト等）および気体が含まれる。これら流体に対して本発明の噴射装置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。

本発明の積層型圧電素子１を採用した本発明の噴射装置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料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４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４に示すように、本例の燃料噴射システム35は、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に蓄えられた高圧燃料を噴射する複数の本発明の噴射装置19と、コモンレール37に高圧燃料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燃料の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用いる噴射制御ユニット35の場合には、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気圧程度、好ましくは1500〜1700気圧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、積層型圧電素子１の駆動に応じて噴射装置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から所定量の流体である高圧燃料を噴射装置19の噴射孔21から外部または噴射孔21に隣接する容器に高圧で吐出し噴射する。例えば、高圧燃料を噴射供給する対象がエンジンの場合には、流体である高圧燃料を噴射孔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。また、本発明は、積層型圧電素子および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が、上記の実施の形態の例に限定されるものでなく、例えば、インクジェットプリンタの印字装置、あるいは圧力センサ等に用いるものであっても、圧電特性を利用した積層型の圧電素子であれば、同様の構成で実施可能である。

本発明の積層型圧電素子としての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（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）粉末を主成分とする原料粉末である圧電セラミックの仮焼粉末に、有機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150μｍ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。

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内部電極となる導電性ペーストＡと、Ａｇ100質量％の金属組成である銀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Ｂとを作製した。

そして、セラミックグリーンシートの片面に、導電性ペーストＡをスクリーン印刷法により30μｍの厚みになるように内部電極層３のパターンで印刷した。次いで、これらの導電性ペーストＡが印刷された各セラミックグリーンシートを300枚積層して生積層体を作製した。なお、生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。

次に、予定破断層９として、孤立した金属粒子からなる低剛性金属層を設けるために、積層方向の50番目および250番目に位置する内部電極層３を導電性ペーストＢを用いて印刷した。これにより、導電性ペーストＢを用いた層の電極成分の銀が焼成中に隣接する銀濃度の低い金属層に拡散するために、導電性ペーストＢを用いた層に、孤立した金属粒子からなる低剛性金属層である予定破断層９が形成されることとなる。

そして、それぞれ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、980〜1100℃で焼成することにより、積層体Ｓを得た。

得られた積層体Ｓを平面研削盤を用いて所定の形状に研削した後、外部電極４を形成する積層体Ｓの側面に、外部電極４となる銀−ガラス導電性ペーストを印刷し、700℃にて焼付けを行なった。なお、このときの銀ガラス導電性ペーストに含まれるガラスの軟化点は730℃であった。

次に、外部電極４上に、導体線６である幅が0.2ｍｍで厚みが0.05ｍｍの複数本の金属線を、積層方向に直交する方向に配置して積層方向に並べて、Ａｇを導電成分とする導電性接着剤で固定して接続した。導体線６は、リン青銅Ｃ5191からなる金属線を母材とし、表面に銀のメッキを施してあるものを用いた。また、導体線６の一方端側には給電線５を半田で固定した。この給電線５は、導体線６と同じ材質の、電気を取り出す時の接続部分を確保するために一端を導体線６の外側の辺から突き出した寸法形状の金属線の表面に、銀のメッキが施してあるものを用いた。なお、導体線６の外部電極４から他方端側は、積層体Ｓの側面に露出している内部電極層３に接触しないように、積層体Ｓの側面との間隔が広くなるように折り曲げておいた。

そして、連結部８としては、リン青銅Ｃ5191からなる幅が0.2ｍｍで厚みが0.05ｍｍの金属線を母材とし、表面に銀のメッキを施してあるものを用い、導体線６に溶接して接続した。
その後、給電電極７の給電線５に駆動電力の電源からのリード線を接続し、正極および負極の給電線５にリード線を介して３ｋＶ／ｍｍの直流電界を15分間印加して、圧電体層３の分極処理を行なった。このようにして、本発明の積層型圧電素子１による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駆動電力として160Ｖの直流電圧を印加したところ、積層体Ｓの積層方向に40μｍの変位量が得られた。これは、導体線６の代わりに金属線を編んでなるメッシュを用いた場合と比較して同等以上の変位量であった。その後、圧電アクチュエータに給電電極７を介して室温で０〜＋160Ｖの交流電圧を150ｋＨｚの周波数で印加して、１×10^８回まで連続駆動した試験を行なった結果、予定破断層９にクラックが入って破断していたものの、給電電極７および給電電極７と外部電極４との接続部に破断が生じることがなく、正常に駆動し続けた。

これにより、本発明の積層型圧電素子１は、外部電極に対する給電電極７の接続が長時間にわたって安定した、耐久性に優れた積層型圧電素子１であることが確認できた。

本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例の概略構成を示す斜視図である。 本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例における給電電極の導体線と連結部との接続部の一部を示す要部側面図である。 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図である。

符号の説明

１・・・積層型圧電素子
２・・・圧電体層
３・・・内部電極層
４・・・外部電極
５・・・給電線
６・・・導体線
７・・・給電電極
８・・・連結部
９・・・予定破断層
19・・・噴射装置
21・・・噴射孔
23・・・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 (13)

1. 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、一方端側が給電線に接続され、前記積層体の側面に積層方向に交わる向きに配置されて積層方向に並んで、途中が前記外部電極に接続された複数本の導体線からなる給電電極とを含む積層型圧電素子であって、
   前記給電電極は、少なくとも一部の前記導体線の他方端側が連結部で連結されており、
   複数本の前記導体線は、前記外部電極から前記他方端側で前記積層体から遠ざかるように折れ曲がって前記積層体の側面との間隔が広くなっていることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記連結部が導体で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。
3. 前記連結部が前記導体線と同じ導体であることを特徴とする請求項２に記載の積層型圧電素子。
4. 前記連結部は、前記積層体の積層方向に延びて全ての前記導体線を連結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。
5. 前記連結部は、複数本の前記導体線の他方端を連結していることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の積層型圧電素子。
6. 前記連結部は、導体であり、両端が複数本の前記導体線の並びの両端に配置された前記導体線のそれぞれ外側の辺に合っていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の積層型圧電素子。
7. 前記連結部は、前記導体線と同じ導体であり、両端が複数本の前記導体線の並びの両端に配置された前記導体線のそれぞれ外側の辺に合っていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の積層型圧電素子。
8. 前記積層体は、前記導体線の間に位置する予定破断層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。
9. 前記導体線は、予定破断層の間に複数本が配置されていることを特徴とする請求項８に記載の積層型圧電素子。
10. 前記連結部は、前記導体線と一体であることを特徴とする請求項３または請求項７に記載の積層型圧電素子。
11. 前記連結部と前記導体線との接続部は、前記連結部から前記導体線にかけて滑らかな曲線状であることを特徴とする請求項１０に記載の積層型圧電素子。
12. 噴射孔を有する容器と、請求項１乃至請求項１１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。
13. 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１２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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