JP5421390B2 - 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
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Description
本発明は、例えば、圧電駆動素子（圧電アクチュエータ）、圧力センサ素子、圧電回路素子等として用いられる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に関するものである。
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積層された積層体と、この積層体の側面に積層方向に長く被着されて内部電極層の前記側面へ露出した端部に電気的に接続された外部電極層と、この外部電極層に沿って導電性接合材によって接合された外部電極板とを含むものが従来から知られている。
この積層型圧電素子は、セラミックグリーンシートに内部電極層となる導電性ペーストを印刷し、この導電性ペーストが塗布されたセラミックグリーンシートを複数積層して積層成形体を作製し、この積層成形体を焼成し、研削加工等の加工を施した後、外部電極層を形成し、外部電極板を導電性接合材で接合することによって得られるものである。
ここで、導電性接合材として銀80％、エポキシ系樹脂20％の組成からなる樹脂銀を用い、外部電極板としてスリット付きの金属板または穴付きの金属板を用いることが提案されている（特許文献１を参照）。
そして、特許文献１には、スリット付きの金属板として、圧電体層および内部電極層と平行方向に揃えて、両側の長辺から中央に向かって交互に前記積層体の積層方向に見て先端同士が重なり合うように多数のスリットが形成されたものが記載され、スリットの例として、丸型や三角型、四角型等の各種形状のスリット、各種形状が混在するスリット、内部が円形になっているものが記載されている。また、穴付きの金属板として、丸型の穴、四角の穴、六角形の穴、楕円の穴、斜型の穴等が形成されたものが記載されている。
しかしながら、スリット付きの金属板を外部電極板として用いた積層型圧電素子では、積層型圧電素子を駆動した際に、外部電極板の両側の長辺付近が反って積層体から離間する方向に応力が加わるため、外部電極層と外部電極板とを接合する導電性接合材にクラックが発生して結果的に破断してしまい、破断した部位に生じる放電によって導電性接合材が焼損したりノイズが発生したりしてしまうとともに、すべての内部電極層に均等に入力信号（電圧）が伝わらなくなることによって積層体が安定して変位しなくなってしまうおそれがあるという問題がある。
一方、穴付きの金属板を外部電極板として用いた積層型圧電素子では、外部電極板の両側の長辺の自由度が少なく、積層体の変位に対する外部電極板の追従性が悪いという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、積層体の変位に対する外部電極板の追従性がよく、導電性接合材にクラックが発生して破断してしまうのを抑制された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を提供することを目的とする。
本発明は、圧電体層および内部電極層が積層された積層体と、該積層体の側面に積層方向に長く被着されて前記内部電極層の前記側面へ露出した端部に電気的に接続された外部電極層と、該外部電極層に沿って導電性接合材によって接合された外部電極板とを含む積層型圧電素子であって、前記外部電極板は、両側の長辺から中央に向かって交互に前記積層体の積層方向に見て先端同士が重なり合うように多数のスリットが形成されており、これらスリットの間の前記先端同士が重なり合っている部位に前記スリットの向きに沿って孔が形成されており、前記導電性接合材は前記孔の内部にも配置されており、該孔の内部に配置された前記導電性接合材に気孔が形成されていることを特徴とする積層型圧電素子である。
また本発明は、上記構成において、前記孔の前記スリットの向きに沿った両端が、前記積層体の積層方向に見てそれぞれ前記スリットの先端と該先端が対向する前記外部電極板の長辺との中間に位置していることを特徴とする積層型圧電素子である。
また本発明は、上記構成において、前記孔の前記積層方向の幅および前記スリットの前記積層方向の幅が、前記スリットと前記孔との間隔よりも大きいことを特徴とする積層型圧電素子である。
また本発明は、上記構成において、前記導電性接合材が、前記外部電極層および前記外部電極板の間と、前記外部電極板の外側とに配置されて、前記孔および前記スリットの前記先端同士が重なり合っている部分を介してつながっていることを特徴とする積層型圧電素子である。
また本発明は、上記構成において、前記導電性接合材が、前記外部電極板の中央部に沿って、前記孔および前記スリットの前記先端同士が重なり合っている部分を覆い、前記スリットの前記長辺近傍の部分を露出させていることを特徴とする積層型圧電素子である。
また本発明は、上記構成において、前記導電性接合材が、前記外部電極層および前記外部電極板の間に配置されて、前記孔および前記スリットの前記先端同士が重なり合っている部分を通って前記外部電極板の外側にはみ出していることを特徴とする積層型圧電素子である。
また本発明は、上記構成において、前記気孔が開気孔であることを特徴とする積層型圧電素子である。
また本発明は、上記構成において、前記積層体の前記側面に垂直な断面における前記気孔の形状が半円状もしくは半楕円状であることを特徴とする積層型圧電素子である。
また本発明は、上記構成において、前記気孔の前記積層方向の幅が前記孔の前記積層方向の幅と一致していることを特徴とする積層型圧電素子である。
また本発明は、上記構成において、前記孔の前記スリットの向きに平行な幅方向の中央部に前記気孔が形成されていることを特徴とする積層型圧電素子である。
また本発明は、上記構成において、前記導電性接合材は前記スリットの前記先端同士が重なり合っている部分の内部にも配置されており、前記スリットの内部に配置された前記導電性接合材に気孔が形成されていることを特徴とする積層型圧電素子である。
また本発明は、上記構成において、前記積層体は駆動時に前記内部電極層よりも優先的に破断する予定破断層を含んでおり、前記気孔が前記予定破断層に対応する部位に形成されていることを特徴とする積層型圧電素子である。
さらに、本発明は、噴射孔を有する容器と、上記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である。
さらに、本発明は、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燃料噴射システムである。
本発明によれば、外部電極板には、両側の長辺から中央に向かって交互に積層体の積層方向に見て先端同士が重なり合うように多数のスリットが形成されており、これらスリットの間の先端同士が重なり合っている部位にスリットの向きに沿って孔が形成されていることにより、積層体の変位に対する外部電極板の追従性が良いにもかかわらず、外部電極板の両側の長辺付近が反るように作用する応力（積層体から離間するように作用する応力）が分散される。したがって、導電性接合材にクラックが発生して破断し、破断した部位に生じる放電によって導電性接合材が焼損したりノイズが発生したりしてしまうことが抑制され、すべての内部電極層に均等に入力信号（電圧）が伝わらなくなることによって積層体が安定して変位しなくなってしまうことが抑制される。また、孔の内部に配置された導電性接合材に気孔を設けることで、孔に埋まった導電性接合材による拘束力を緩和させて小さくし、外部電極板が剥がれることなく、安定な駆動状態を維持することができる。
以下、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を図面に基づいて詳細に説明する。
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り、図１に示すように、本発明の積層型圧電素子１は、圧電体層21および内部電極層22ａ、22ｂが積層された積層体２と、積層体２の側面に積層方向に長く被着されて内部電極層22ａ、22ｂの側面へ露出した端部に電気的に接続された外部電極層３ａ、３ｂと、外部電極層３ａ、３ｂに沿って導電性接合材４によって接合された外部電極板５ａ、５ｂとを含んでいる。なお、図面には表れていないが、外部電極層３ｂおよび外部電極板５ｂが設けられた面と対向する反対側の面には、外部電極層３ａおよび外部電極板５ａが設けられている。
積層体２は、例えば圧電体層21および内部電極層22ａ、22ｂが交互に複数積層された活性部と、活性部の積層方向の両端に積層された圧電体層21からなる不活性部とを有し、例えば縦0.5〜10ｍｍ、横0.5〜10ｍｍ、高さ1〜10ｍｍの柱状に形成されたもので、内部電極層22ａの端部と内部電極層22ｂの端部とがそれぞれ積層体２の互いに反対側となる側面（対向する側面）に露出している。
圧電体層21は、圧電特性を有するセラミックスで形成されたもので、このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：PbZrO3−PbTiO3）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）、タンタル酸リチウム（LiTaO3）などを用いることができる。
内部電極層22ａ、22ｂは、圧電体層21を形成するセラミックスと同時焼成により形成されたもので、この形成材料として、例えば圧電磁器との反応性が低い銀−パラジウム合金を主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができる。
ここで、積層体２は、図７および図９に示すように、駆動時に内部電極層22ａ、22ｂよりも優先的に破断する予定破断層23を含む構成であってもよい。予定破断層23は、複数の圧電体層21の層間のうちの少なくとも一箇所、好ましくは一定の間隔で複数配置され、内部電極層22ａ、22ｂよりも強度が低く、応力によってクラックが発生しやすい応力緩和機能を有する層として形成される。例えば、焼結が不十分な圧電体層、空孔の多い圧電体層もしくは金属層、または圧電体粒子や金属粒子が独立して分布している層などからなる。このような予定破断層23を設けることで、積層体２が伸長して積層体２の積層方向に引っ張り応力が加わったときに、優先して予定破断層23にクラックが生じ、内部電極層22ａ、22ｂや圧電体層21にクラックが生じるのを防ぐことができる。
外部電極層３ａ、３ｂは、例えば銀とガラスからなるペーストを塗布して焼き付けて形成されたもので、積層体２の側面に積層方向に長く被着されている。そして、外部電極層３ａが内部電極層22ａの側面へ露出した端部に電気的に接続され、外部電極層３ａが内部電極層22ａの側面へ露出した端部に電気的に接続されている。
外部電極板５ａ、５ｂは、外部電極層３ａ、３ｂに沿って設けられていて、導電性接合材４によって外部電極板５ａが外部電極層３ａに接合され、導電性接合材４によって外部電極板５ｂが外部電極層３ｂに接合されている。
導電性接合材４は、熱硬化性樹脂中に導体からなるフィラーがほぼ均一に分散してなるものであり、例えばポリイミド樹脂中に銀フィラーがほぼ均一に分散してなるものである。
外部電極板５ａ、５ｂは、ステンレス、リン青銅等の金属からなり、例えば幅0.5〜10ｍｍ、厚み0.01〜1.0ｍｍに形成されたものである。
外部電極板５ａ、５ｂには、両側の長辺から中央に向かって交互に積層体２の積層方向に見て先端同士が重なり合うように多数のスリット51が形成されている。
スリット51は、外部電極板５ａ、５ｂの長辺の一方側および長辺の他方側から交互に延びて、例えば幅0.05〜1ｍｍ、長さ0.3〜9.5ｍｍに形成されたものである。長辺の一方側から延びるスリット51と長辺の他方側から延びるスリット51とは、通常同じ長さになっている。ここで、重なり合うようにとは、積層方向に見たときに隣り合うスリット51とスリット51との関係で互いに対向する領域があることを意味している。そして、積層方向に見て先端同士が重なり合うようにとは、長辺の一方側から延びるスリット51の長さの半分の位置よりも先端側の少なくとも一部と長辺の他方側から延びるスリット51の長さの半分の位置よりも先端側の少なくとも一部とが重なり合うことを意味するものであって、スリット51の先端のみが重なり合うということを意味するものではなく、またスリット51の長さの半分の位置よりも先端側のすべてが重なり合うということを意味するものでもない。
なお、図２に示すように、スリット51は、先端が平坦であってもよく丸みを帯びていてもよい。また、スリット51の先端が他の部位の幅よりも幅広に形成されていてもよく、スリット51の先端に他の部位の幅よりも大きな直径の円状の穴が形成されていてもよい。さらに、スリット51の先端に向かって幅が次第に狭くなるテーパー状であってもよく、スリット51の先端に向かって幅が次第に広くなるテーパー状であってもよい。このように様々なバリエーションが挙げられる。
そして、これらスリット51の間の先端同士が重なり合っている部位にスリット51の向きに沿って孔52が形成されている。
このように、スリット51の間の先端同士が重なり合っている部位に孔52が形成されていることで、積層体２の変位に対する外部電極板５ａ、５ｂの追従性が良いにもかかわらず、外部電極板５ａ、５ｂの両側の長辺付近が反るように作用する応力（積層体から離間するように作用する応力）が分散される。したがって、導電性接合材４にクラックが発生して破断し、破断した部位に生じる放電によって導電性接合材が焼損したりノイズが発生したりしてしまうのを抑制し、すべての内部電極層に均等に入力信号（電圧）が伝わらなくなることによって積層体が安定して変位しなくなってしまうのを抑制することができる。なお、スリット51の間の先端同士が重なり合っている部位とは、隣り合うスリット51とスリット51におけるそれぞれの対向する領域の間の外部電極板（部位）のことを意味している。スリット51の間の先端同士が重なり合っていない部位のみに孔52が形成されていても、外部電極板５ａ、５ｂの両側に作用する応力は十分に分散されない。また、ここでいう変位とは、駆動時の伸縮のことをいう。さらに、ここでいうスリット51の向きとは、外部電極板５ａ、５ｂの長辺から延びるスリット51の長手方向のことをいう。
図２に示すように、孔52は、矩形形状であっても矩形の端部が丸みを帯びたような形状であってもよく、真円、楕円または三角形であってもよい。また、孔52は、長軸が積層方向に垂直な方向に対して傾いて形成されていてもよい。さらに、孔52は、スリット51の間に一つ設けられていてもよく、二つまたはそれ以上設けられていてもよい。例えば、孔52が二つの場合、それぞれの孔52が積層方向に見てスリット51の間の重なり合っている部位にすっぽり収まるように形成されていてもよいが、図３（ｆ）に示すように、それぞれの孔52の一部が積層方向に見てスリット51の間の重なり合っている部位に重なるように形成されていてもよい。さらに、図示しないが、積層方向に孔が二つまたはそれ以上重なるように形成されていてもよい。このように様々なバリエーションが挙げられる。
ここで、孔52は、図３（ｃ）および図３（ｅ）に示すように、スリット51の向きに沿った両端が、積層体２の積層方向に見てそれぞれスリット51の先端とこの先端が対向する外部電極板５ａ、５ｂの長辺との中間に位置しているのが好ましい。このように孔52の形状を外部電極板５の幅方向に扁平に長くすることで、駆動時に孔52が積層方向にその開口をひろげ、外部電極板５ａ、５ｂの両側の長辺付近が反るように作用する応力（積層体２から離間するように作用する応力）がより分散されるから、より導電性接合材４にクラックが発生するのを抑制することができる。
また、孔52の積層方向の幅およびスリット51の積層方向の幅は、スリット51と孔52との間隔よりも大きいのが好ましい。このように孔52およびスリット51の幅をスリット51と孔52との間隔よりも大きくすることで、積層体２の変位に対する外部電極板５ａ、５ｂの追従性がより良くなるとともに、より導電性接合材４にクラックが発生するのを抑制することができる。
また、導電性接合材４は、図４に示すように、外部電極層３ａ、３ｂおよび外部電極板５ａ、５ｂの間に配置されて、孔52およびスリット51の前記先端同士が重なり合っている部分を通って外部電極板５ａ、５ｂの外側にはみ出しているか、または、図５に示すように、外部電極層３ａ、３ｂおよび外部電極板５ａ、５ｂの間と、外部電極板５ａ、５ｂの外側とに配置されて、孔52およびスリット51の先端同士が重なり合っている部分を介してつながっているのが好ましい。この形状によれば、導電性接合材４による接着の効果が、外部電極板５ａ、５ｂが当接される面だけでなく反対の外側の面からも得られる。したがって、外部電極層３ａ、３ｂおよび外部電極板５ａ、５ｂの間のみに導電性接合材４が設けられているよりも接合強度を向上させることができる。なお、図４および図５では、外部電極層３ａ、外部電極板５ａおよびこれらを接合する導電性接合材４などは省略している。
特に、導電性接合材４は、図６に示すように、外部電極板５ａ、５ｂの中央部に沿って、孔52およびスリット51の先端同士が重なり合っている部分を覆い、スリット51の長辺近傍の部分を露出させているのが好ましい。外部電極板５ａ、５ｂにおける最も駆動変形の大きい長辺近傍の部分を露出させることで、積層体２の変位に対する外部電極板５ａ、５ｂの追従性が良く、外部電極板５ａ、５ｂの両側の長辺付近が反るように作用する応力を緩和することができるとともに、外部電極板５ａ、５ｂの両側の長辺付近の反りに対する抑制効果も得ることができる。
ここで、上述のように導電性接合材４が孔52の内部にも配置されており、図７乃至図９に示すように、孔52の内部に配置された導電性接合材４には気孔101が形成されている。
積層型圧電素子１の駆動によって積層体２が伸縮するとともに、外部電極板５ａ、５ｂも積層体２の伸縮に追従しようとして、特に孔52の周囲が変形しようとする。ここで、孔52に導電性接合材４が埋まっていると、導電性接合材４による拘束力が働いて外部電極板５ａ、５ｂにおける孔52の周囲の変形を妨げ、結果的に積層体２の伸縮を妨げてしまう。そこで、妨げられる分だけ多く伸縮させるために駆動電圧を高くしようとすると、積層型圧電素子１の自己発熱温度が上昇し、外部電極板５ａ、５ｂが剥がれてしまう。これに対し、図７乃至図９に示すように孔52の内部に配置された導電性接合材４に気孔101を設けることで、孔52に埋まった導電性接合材４による拘束力を緩和させて小さくし、外部電極板５ａ、５ｂが剥がれることなく、安定な駆動状態を維持することができる。
導電性接合材４に形成される気孔101としては、小さな径のものが分散していてもよいが、導電性接合材４同士の接合領域がより小さい方が拘束力が働きにくいという観点から、大きな径のものが１個設けられるのがよく、特に孔52の内壁面に接する程度の大きな径であるのがよい。
また、図９に示すように、孔52の内部にある導電性接合材４に形成された気孔101は、開気孔であるのが好ましい。気孔101を開気孔とすることによって、より一層の拘束力緩和効果が得られるとともに、導電性接合材４の表面積が増えることによる放熱作用が高まり、積層型圧電素子１の耐久性をより一層向上させることができる。
このとき、開気孔とされた気孔101は、積層体２の側面に垂直な断面における形状が半円もしくは半楕円状であるのが好ましい。また、図９に示すように、気孔101の断面を半円もしくは半楕円状にすることで、外部電極層３a、３ｂと外部電極板５a、５ｂとの接合強度を保持しつつ、拘束力を緩和することができる。
また、図７乃至図９に示すように、気孔101の積層方向の幅は孔52の積層方向の幅と一致しているのが好ましい。なお、気孔101の積層方向の幅は、積層方向における幅（径）の最大値であり、気孔101が球形の場合は直径、図９に示すような積層体２の側面に垂直な断面における形状が半円もしくは半楕円状の場合は開口部の幅である。気孔101の積層方向の幅を孔52の積層方向の幅と一致させることによって、外部電極層３a、３ｂと外部電極板５a、５ｂとの接合強度を保持しつつ、拘束力を緩和することができる。
また、図７および図８に示すように、孔52のスリット51の向きに平行な幅方向の中央部に気孔52が形成されているのが好ましい。積層体２の伸縮にともなって外部電極板５a、５ｂに生じる応力によって、孔52の中央部が大きく歪むように作用する。これに対し、気孔101が孔52の中央部に位置することで、効果的に拘束力を緩和することができる。
また、図10に示すように、導電性接合材４はスリット51の先端同士が重なり合っている部分の内部にも配置されている場合において、スリット51の内部に配置された導電性接合材４に気孔101が形成されているのが好ましい。気孔101が孔52だけでなくスリット51にも形成されることで、より一層の拘束力緩和効果が発揮される。
さらに、図７および図９に示すように、駆動時に内部電極層22ａ、22ｂよりも優先的に破断する予定破断層23を含む構成の場合において、気孔101が予定破断層23に対応する部位に形成されているのが好ましい。孔52の位置と予定破断層23の位置とを対応させ、さらに気孔101の位置と予定破断層23の位置とを対応させることで、予定破断層23から導電性接合材４に進展するクラック102が、気孔101によって薄くなった導電性接合材４上を選択的に進展することとなり、外部電極板５a、５ｂへのクラック進展を抑え、外部電極板５a、５ｂの剥がれを抑制することができる。
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、外部電極板５ａ、５ｂは、上記の例では積層体２の対向する２つの側面に１つずつ形成したが、２つの外部電極板５ａ、５ｂを積層体２の隣り合う側面に形成してもよく、積層体２の同一の側面に形成してもよい。また、積層体２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、圧電駆動素子（圧電アクチュエータ），圧力センサ素子および圧電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。
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21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、有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してセラミックスラリーを作製する。そして、ドクターブレード法、カレンダーロール法等のテープ成型法を用いて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、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：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、バインダーとしては、アクリル系，ブチラール系等の有機高分子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22ａ，22ｂとなる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム合金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によって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内部電極層22ａ，22ｂのパターンで塗布する。
ここで、積層体２が予定破断層23を含む場合であって、予定破断層23を金属材料で形成する場合は、例えば内部電極層用導電性ペーストよりも銀比率が高くなるように作製した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によって、予定破断層用導電性ペーストを作製する。このとき、銀粉末とパラジウム粉末とを混合しても良いし、銀パラジウム合金の粉末を用いても良いし、内部電極層用導電性ペーストにさらに銀粉末を添加したものとしても良い。そして内部電極層22ａ，22ｂとは別のセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷法にて塗布する。
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多数枚積層する。このとき、所定の間隔をおいて、予定破断層用導電性ペーストが塗布されたセラミックグリーンシートを積層しておく。そして、所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、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21および内部電極層22ａ，22ｂを備えた積層体２を作製する。
なお、積層体２は、上記の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、圧電体層21と内部電極層22ａ，22ｂとを多数積層してなる積層体２を作製できれば、どのような製造方法によって作製されてもよく、多数個取りの積層体を作製した後に裁断して所望の形状にするようにしてもよい。
次に、焼成して得られた積層体２に、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう研削処理を施す。
その後、積層体２の側面に銀とガラスから成る導電性ペーストを塗布し、焼き付けて外部電極層３ａ、３ｂを形成する。導電性ペーストは、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なるもので、積層体２の側面にスクリーン印刷法等によって印刷して600〜800℃で焼成することにより外部電極層３ａ、３ｂを形成することができる。
次に、外部電極層３ａ、３ｂの上面に、熱硬化性樹脂中に導体からなるフィラーがほぼ均一に分散してなるスラリー状の導電性接合材４を塗布し、この上に外部電極板５ａ、５ｂを貼り合わせた後、導電性接合材４を100〜140℃の温度で乾燥させ、その後180〜220℃の温度で硬化させて、外部電極板５ａ、５ｂを固定する。
外部電極板５ａ、５ｂには、両側の長辺から中央に向かって交互に前記積層体の積層方向に見て先端同士が重なり合うように多数のスリット51が形成されており、これらスリット51の間の前記先端同士が重なり合っている部位にスリット51の向きに沿って孔52が形成されている。この外部電極板５ａ、５ｂは、まず、ステンレス、リン青銅等の金属でプレス、エッチング等の方法によって板状体を作製し、この板状体にプレス、エッチング等の方法でスリット51を形成するとともにプレス、エッチング等の方法で孔52を形成することによって得られる。
このとき、孔52のスリット51の向きに沿った両端が、積層体２の積層方向に見てそれぞれスリット51の先端とこの先端が対向する外部電極板５ａ、５ｂの長辺との中間に位置するようにしたり、孔52の積層体２の積層方向の幅およびスリット51の積層体２の積層方向の幅は、スリット51と孔52との間隔よりも大きくしたり、適宜調整することができる。
一方、導電性接合材４を形成する熱硬化性樹脂としては、ポリアミド、ポリイミド等が用いられ、導体からなるフィラーとしては、ニッケル、銀、白金、金等が用いられるが中でも銀が好まれる。その理由は低抵抗かつ耐酸化性に優れているためである。
ここで、導電性接合材４は、外部電極層３ａ、３ｂと外部電極板５ａ、５ｂとの間に介在するのみならず、以下のように形成されてもよい。
具体的には、導電性接合材４は、外部電極層３ａ、３ｂおよび外部電極板５ａ、５ｂの間に配置されて、孔52およびスリット51の前記先端同士が重なり合っている部分を通って外部電極板５ａ、５ｂの外側にはみ出すように形成されてもよい。このように形成するには、導電性接合材４の量を多くすればよい。
また、導電性接合材４は、外部電極層３ａ、３ｂおよび外部電極板５ａ、５ｂの間と、外部電極板５ａ、５ｂの外側とに配置されて、孔52およびスリット51の前記先端同士が重なり合っている部分を介してつながるように形成されてもよい。このように形成するには、導電性接合材４の量を多くして外部電極板５ａ、５ｂの外側にはみ出した導電性接合材４をスキージ等により整えてもよいが、導電性接合材４を塗布して、この上に外部電極板５ａ、５ｂを貼り合わせた後、さらに外部電極板５ａ、５ｂの外側に導電性接合材４を塗布した後、乾燥させて硬化させるのが好ましい。
このとき、導電性接合材４の塗布幅を外部電極板５ａ、５ｂの幅より小さくすることで、導電性接合材４が、外部電極板５ａ、５ｂの中央部に沿って、孔52およびスリット51の前記先端同士が重なり合っている部分を覆い、スリット51の長辺近傍の部分を露出させるように形成することもできる。
孔52の内部に配置された導電性接合材４に気孔101を形成する場合、スラリー状の導電性接合材４を塗布した後に孔52部分のみを吸引して気孔101を形成してもよいし、塗布圧力等を調整することによって孔52部分だけ塗布しないようにしてもよい。また、スラリー状の導電性接合材４のチクソ性を下げることによって、乾燥硬化時に孔52部分に気孔101を形成させることもできる。
なお、例えば予定破断層23の間隔を孔52の間隔の倍数にすることにより、孔52の位置と予定破断層23の位置とを対応させ、さらに気孔101と予定破断層23の位置を対応させることができる。
次に半田９を介して外部リード部材８を外部電極板５ａ、５ｂの表面に接続し、固定する。その後、外装樹脂（図示せず）となるシリコーン樹脂を含む樹脂溶液に、外部リード部材８を接続した積層体２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２の外周側面にシリコーン樹脂を密着させ、その後、樹脂溶液から積層体２を引き上げる。これにより、外部電極板５ａ、５ｂの表面に外部リード部材８を接続固定した積層体２の側面にシリコーン樹脂層がコーティングされる。
その後、一対の外部電極板５ａ、５ｂにそれぞれ半田等で接続した外部リード部材８に0.1〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体２を構成する圧電体層21を分極することによって、積層型圧電素子１が完成する。
得られた積層型圧電素子１は、外部リード部材８を介して外部電極板５ａ、５ｂを外部の電源に接続して電圧を印加することにより、各圧電体層21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一例について説明する。
図11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り、図11に示すように、本実施の形態の噴射装置６は、一端に噴射孔61を有する収納容器62の内部に上記の積層型圧電素子１が収納されている。
収納容器62内には、積層型圧電素子１の駆動により噴射孔61を開閉することができるニードルバルブ63が配設されている。噴射孔61には流体通路64がニードルバルブ63の動きに応じて連通可能に配設されている。この流体通路64は外部の流体供給源に連結され、流体通路64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63が噴射孔61を開放すると、流体通路64に供給されていた流体（例えば燃料）が不図示の外部または隣接する容器（例えば燃料室）に吐出されるようになっている。
また、ニードルバルブ63の上端部は、内径が大きくなっており、収納容器62に形成されたシリンダ65と摺動可能なピストン66になっている。そして、収納容器62内には、上記の積層型圧電素子１がピストン66に接して収納されている。
このような噴射装置６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66が押圧され、ニードルバルブ63が噴射孔61に通じる流体通路64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67がピストン66を押し返し、流体通路64が開放されて噴射孔61が流体通路64と連通して、噴射孔61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64を開放し、電圧の印加を停止することによって流体通路64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６は、噴射孔61を有する収容容器62と、本実施の形態の積層型圧電素子１とを備え、収容容器62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61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が必ずしも収容容器62の内部にある必要はなく、積層型圧電素子１の駆動によって収容容器62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。本実施の形態の噴射装置６において、流体とは、燃料，インク等の他、導電性ペースト等の種々の液体および気体が含まれる。本実施の形態の噴射装置６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。
特に、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６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一例について説明する。
図12は、本発明の実施の形態の燃料噴射システムを示す概略図であり、図12に示すように、本発明の実施の形態の燃料噴射システム７は、高圧燃料を蓄えるコモンレール71と、このコモンレール71に蓄えられた高圧流体（高圧燃料）を噴射する複数の噴射装置６と、コモンレール71に高圧流体（高圧燃料）を供給する圧力ポンプ72と、噴射装置６に駆動信号を与える噴射制御ユニット73とを備えている。
噴射制御ユニット73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73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72は、流体タンク74（燃料タンク）から流体を高圧でコモンレール71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７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71に送り込む。
コモンレール71は圧力ポンプ72から送られてきた流体（燃料）を蓄え、適宜噴射装置６に送り込み、噴射装置６は前述したように噴射孔61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。
本実施の形態の燃料噴射システム７を用いれば、従来の燃料噴射システムに比べて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。
本発明の積層型圧電素子の実施例について以下に説明する。
まず、平均粒径が0.4μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：PbZrO3−PbTiO3）を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、アクリル系バインダーおよびＤＢＰ（フタル酸ジブチル）からなる可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製した。このセラミックスラリーを用いてドクターブレード法により厚み100μｍの圧電体層となるセラミックグリーンシートを作製した。また、銀−パラジウム合金に有機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、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、1100℃で５時間かけて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所定の形状に研削した。
次に、積層体の側面に、銀からなる金属粉末に有機バインダー、可塑剤、ガラス粉末等を添加混合してなる導電性ペーストをスクリーン印刷法にて塗布し、800℃で2時間かけて焼成して外部電極層を形成した。
次に、外部電極層の表面にポリイミド樹脂中に銀フィラーが分散してなる導電性接合材を塗布し、その上に外部電極板を設置し、さらにその上に導電性接合材を塗布した。その後、導電性接合材を100℃の温度で乾燥させ、その後200℃の温度で硬化させ、外部電極板を固定した。
次に、作業温度（融点）300℃の銀混入錫−鉛合金系の半田を介してリード部材を外部電極板の表面に接続し固定した。
次に、積層体をシリコーン樹脂を含む樹脂溶液に浸漬することによって、外部電極板の表面を含む積層体の側面にシリコーン樹脂をコーティングした。
以上の工程によって、積層型圧電素子を作製した。
なお、外部電極板は、幅１ｍｍ、板厚0.05ｍｍで図３（ａ）〜（ｆ）に示すような６種類のパターンの形状のものを用意した。
ここで、図３（ａ）は、比較例であって、両側の長辺から中央に向かって交互に積層体の積層方向に見て先端同士が重なり合うように長さ0.6ｍｍ、幅0.12ｍｍの多数のスリットが形成されたものであり、スリットの間の先端同士が重なり合っている部位に孔は形成されていない。なお、スリットとスリットとの間隔は0.1ｍｍである。
図３（ｂ）は、両側の長辺から中央に向かって交互に積層体の積層方向に見て先端同士が重なり合うように長さ0.6ｍｍ、幅0.12ｍｍの多数のスリットが形成され、これらスリットの間の先端同士が重なり合っている部位にスリットの向きに沿って孔が形成されたものである。なお、孔の長軸の長さは0.3ｍｍ、幅は0.12ｍｍで、孔のスリットの向きに沿った両端は、積層体の積層方向に見てそれぞれスリットの先端と同じ位置になっている。なお、スリットと孔との間隔は0.1ｍｍである。
図３（ｃ）は、両側の長辺から中央に向かって交互に積層体の積層方向に見て先端同士が重なり合うように長さ0.6ｍｍ、幅0.12ｍｍの多数のスリットが形成され、これらスリットの間の先端同士が重なり合っている部位にスリットの向きに沿って孔が形成され、孔のスリットの向きに沿った両端が、積層体の積層方向に見てそれぞれスリットの先端とこの先端が対向する外部電極板の長辺との中間に位置しているものである。なお、孔の長軸の長さは0.6ｍｍ、幅は0.12ｍｍであり、スリットと孔との間隔は0.1ｍｍである。
図３（ｄ）は、両側の長辺から中央に向かって交互に積層体の積層方向に見て先端同士が重なり合うように長さ0.6ｍｍ、幅0.12ｍｍの多数のスリットが形成され、これらスリットの間の先端同士が重なり合っている部位にスリットの向きに沿って孔が形成され、孔の前記スリットの向きに沿った両端が、積層体の積層方向に見てそれぞれスリットの先端とこの先端が対向する外部電極板の長辺との中間に位置していて、この孔の長軸が積層方向に垂直な方向から５度傾斜しているものである。なお、孔の長軸の長さは0.6ｍｍ、幅は0.12ｍｍであり、スリットと孔との間隔は0.1ｍｍである。
図３（ｅ）は、両側の長辺から中央に向かって交互に積層体の積層方向に見て先端同士が重なり合うように長さ0.6ｍｍ、幅0.06ｍｍの多数のスリットが形成され、これらスリットの間の先端同士が重なり合っている部位にスリットの向きに沿って孔が形成され、孔の前記スリットの向きに沿った両端が、積層体の積層方向に見てそれぞれスリットの先端とこの先端が対向する外部電極板の長辺との中間に位置していて、スリットおよび孔の幅が図３（ｂ）に示す形状よりも表に示すように狭くなっているものである。なお、孔の長軸の長さは0.6ｍｍ、幅は0.06ｍｍであり、スリットと孔との間隔は0.16ｍｍである。
図３（ｆ）は、両側の長辺から中央に向かって交互に積層体の積層方向に見て先端同士が重なり合うように長さ0.6ｍｍ、幅0.12ｍｍの多数のスリットが形成され、これらスリットの間の先端同士が重なり合っている部位にスリットの向きに沿って孔が形成されたものである。なお、孔はスリットの間に２個設けられ、それぞれの孔の長軸の長さは0.2ｍｍ、幅は0.12ｍｍで、孔と孔との間隔は0.2ｍｍになっていて、スリットと孔との間隔は0.1ｍｍになっている。
なお、図３（ａ）〜図３（ｆ）に示すように、全てのパターンの外部電極板について、長辺近傍を露出させて中央部分に導電性接合材を塗布した。
作製した各積層型圧電素子について、外部リード部材を介して外部電極板に３ｋＶ／ｍｍの直流電界を15分間印加して、分極処理を行なった。これらの積層型圧電素子に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。
そして、室温で０Ｖ〜＋160Ｖの交流電圧を150Ｈｚの周波数で印加して、１×10８回まで連続駆動させて耐久性試験を行なったところ、図３（ａ）に示す外部電極板を用いた積層型圧電素子では、導電性接合材にクラックが発生し、放電および導電性接合材の焼損が見られたが、図３（ｂ）〜図３（ｆ）に示す外部電極板を用いた積層型圧電素子では、導電性接合材にクラックが発生せず、放電および導電性接合材の焼損は見られなかった。
また、作製した各積層型圧電素子について、１×10８回まで連続駆動させた後、外部電極板の長辺の積層体からの距離（反り量）を、スキマゲージを用いて測定したところ、図３（ａ）よりも図３（ｂ）〜図３（ｆ）の外部電極板の方が、明らかに外部電極板の長辺の積層体からの距離（反り量）が短いことが確認された。また、図３（ｂ）、図３（ｅ）よりも図３（ｃ）、図３（ｄ）の外部電極板の方が、外部電極板の長辺の積層体からの距離（反り量）が短いことが確認された。
次に、上記と同様の方法で、セラミックグリーンシートを300枚積層してなる積層体を作製した。
そして、上記と同様に外部電極層、外部電極板および導電性接合材を形成した。外部電極板の形状は図３（ｂ）の形状とし、導電性接合材のチクソ（Ｅ型粘度計３°コーンを使用したときの，0.5min-1時の粘度と5.0min-1時の粘度の比）を2.5にすることにより孔に塗布された導電性接合材に気孔を形成して、積層型圧電素子を作製した。このとき形成された気孔の積層方向幅は孔の幅と同一であり、断面形状は半楕円状であった。
得られた積層型圧電素子について、図３（ｂ）形態の孔に塗布された導電性接合材に気孔を設けた場合と、気孔を設けていない場合とを比較すると、気孔を設けた場合の方が外部電極板の長辺の積層体からの距離（反り量）が短いことが確認された。
１・・・積層型圧電素子
２・・・積層体
21・・・圧電体層
22ａ、22ｂ・・・内部電極層
23・・・予定破断層
３ａ、３ｂ・・・外部電極層
４・・・導電性接合材
５ａ、５ｂ・・・外部電極板
５１・・・スリット
５２・・・孔
６・・・噴射装置
61・・・噴射孔
62・・・収納容器
63・・・ニードルバルブ
64・・・流体通路
65・・・シリンダ
66・・・ピストン
67・・・皿バネ
７・・・燃料噴射システム
71・・・コモンレール
72・・・圧力ポンプ
73・・・噴射制御ユニット
74・・・流体タンク
８・・・外部リード部材
９・・・半田
101・・・気孔
102・・・クラック
２・・・積層体
21・・・圧電体層
22ａ、22ｂ・・・内部電極層
23・・・予定破断層
３ａ、３ｂ・・・外部電極層
４・・・導電性接合材
５ａ、５ｂ・・・外部電極板
５１・・・スリット
５２・・・孔
６・・・噴射装置
61・・・噴射孔
62・・・収納容器
63・・・ニードルバルブ
64・・・流体通路
65・・・シリンダ
66・・・ピストン
67・・・皿バネ
７・・・燃料噴射システム
71・・・コモンレール
72・・・圧力ポンプ
73・・・噴射制御ユニット
74・・・流体タンク
８・・・外部リード部材
９・・・半田
101・・・気孔
102・・・クラック
Claims (14)
- 圧電体層および内部電極層が積層された積層体と、該積層体の側面に積層方向に長く被着されて前記内部電極層の前記側面へ露出した端部に電気的に接続された外部電極層と、該外部電極層に沿って導電性接合材によって接合された外部電極板とを含む積層型圧電素子であって、前記外部電極板は、両側の長辺から中央に向かって交互に前記積層体の積層方向に見て先端同士が重なり合うように多数のスリットが形成されており、これらスリットの間の前記先端同士が重なり合っている部位に前記スリットの向きに沿って孔が形成されており、
前記導電性接合材は前記孔の内部にも配置されており、該孔の内部に配置された前記導電性接合材に気孔が形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。 - 前記孔の前記スリットの向きに沿った両端が、前記積層体の積層方向に見てそれぞれ前記スリットの先端と該先端が対向する前記外部電極板の長辺との中間に位置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。
- 前記孔の前記積層体の積層方向の幅および前記スリットの前記積層体の積層方向の幅は、前記スリットと前記孔との間隔よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
- 前記導電性接合材は、前記外部電極層および前記外部電極板の間と、前記外部電極板の外側とに配置されて、前記孔および前記スリットの前記先端同士が重なり合っている部分を介してつながっ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。
- 前記導電性接合材は、前記外部電極板の中央部に沿って、前記孔および前記スリットの前記先端同士が重なり合っている部分を覆い、前記スリットの前記長辺近傍の部分を露出させていることを特徴とする請求項４に記載の積層型圧電素子。
- 前記導電性接合材は、前記外部電極層および前記外部電極板の間に配置されて、前記孔および前記スリットの前記先端同士が重なり合っている部分を通って前記外部電極板の外側にはみ出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。
- 前記気孔が開気孔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。
- 前記積層体の前記側面に垂直な断面における前記気孔の形状が半円状もしくは半楕円状
であることを特徴とする請求項７に記載の積層型圧電素子。 - 前記気孔の前記積層方向の幅が前記孔の前記積層方向の幅と一致していることを特徴とする請求項７または請求項８のいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 前記孔の前記スリットの向きに平行な幅方向の中央部に前記気孔が形成されていることを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 前記導電性接合材は前記スリットの前記先端同士が重なり合っている部分の内部にも配置されており、前記スリットの内部に配置された前記導電性接合材に気孔が形成され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。
- 前記積層体は駆動時に前記内部電極層よりも優先的に破断する予定破断層を含んでおり、前記気孔が前記予定破断層に対応する部位に形成されていることを特徴とする請求項７乃至請求項１１のいずれか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１２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。
- 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１３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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