JP5430106B2

JP5430106B2 - 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

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Publication number: JP5430106B2
Application number: JP2008242171A
Authority: JP
Inventors: 健岡村
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Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2014-02-26
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Also published as: JP2010074033A

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、積層型圧電素子には、より大きな変位量に応じた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使用できることが要求されている。

高電圧かつ高圧力の条件で長時間連続駆動させる場合には、積層型圧電素子の駆動に伴って、内部電極層および圧電体層で構成された積層体の側面に接合された外部電極に大きな応力がかかることとなり、そのため外部電極が破断してしまうことがある。そこで、積層型圧電素子の外部電極に破断が生じないように積層体による応力を緩和する目的で、例えば特許文献１に開示されているような、圧電体層にスリット状の応力緩和部を設けた構造や、特許文献２に開示されているような、あらかじめ圧電体層の内部に目標破断層として多孔質な層を設けた積層型圧電素子が提案されている。さらに、外部電極が応力で破断しても駆動できるように、例えば特許文献３に開示されているような、複数の電極を組み合わせた構造の外部電極も提案されている。
特開2005−223013号公報特表2006−518934号公報特開2006−128466号公報

しかしながら、外部電極の破断を防止するために積層型圧電素子の駆動時に圧電体層によって外部電極に加わる応力のみを緩和しようとすると、積層型圧電素子に外部から応力が加わったときに、圧電体層が応力で変形しようとしても外部電極に拘束された部分が変形できなくなり、外部電極の無い部分と外部電極のある部分との境において圧電体層に応力が集中して積層型圧電素子の積層体に亀裂が発生するという問題が生じるようになる。また、積層型圧電素子の駆動中においては、駆動による自己発熱による積層体の熱膨張に対して外部電極の熱膨張が異なることからも、外部電極の無い部分と外部電極のある部分との境に応力が集中し、外部電極が積層体から剥がれたり、外部電極にクラックが発生して内部電極層に電圧が供給されずに駆動が低下したりするという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高電圧かつ高圧力の条件での長時間の駆動でも安定した変位量が得られる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、圧電体層と内部電極層とが交互に積層された積層体の側面に、前記内部電極層に電気的に接続された外部電極を備えた積層型圧電素子であって、前記外部電極にスリットが形成されており、該スリットは、一端のみが前記外部電極の縁に達しており、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されることによって応力を緩和する予定破断層を含んでおり、前記スリットは、側面視で前記予定破断層と重なる部分に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、上記各構成において、一対の前記外部電極が前記積層体を挟んで対向して配置されているとともに、前記スリットが一対の前記外部電極において互いに対向した位置に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、上記各構成において、一対の前記外部電極が対向して配置されるとともに、前記スリットが一対の前記外部電極において互いに前記積層体の積層方向の中心軸を対称軸として回転対称の位置に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、上記各構成において、前記スリットは、底面の幅よりも前記外部電極の表面における開口の幅の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、前記スリットは、幅が前記外部電極の縁部側で大き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、上記各構成において、前記スリットは、複数形成されており、隣接するもの同士の間隔が前記積層体の積層方向の端部側で大き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、上記各構成において、前記スリットは、前記内部電極層と平行に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、上記各構成において、前記スリットは、隣接する前記内部電極層同士の間に位置してい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、外部電極にスリットが形成されていることにより、外部電極の積層体の積層方向に直交する方向の両方の端部、すなわち積層体の側面における外部電極の無い部分と外部電極のある部分との境に発生する応力を外部電極に形成されたスリットが吸収することができるので、外部電極が積層体から剥離したり積層体に亀裂が発生したりするのを抑制することができる。さらに、外部電極の外周距離、すなわち外部電極の表面の距離が、スリットが形成されていることによって増加することで、外部電極と圧電体層との熱膨張差による応力を緩和することができる。さらに、外部電極の表面積が、スリットが形成されていることによって増加するので、積層型圧電素子の駆動中に積層体において発生した自己発熱を積層体から外部電極を通して外部電極の表面から効果的に放散させることができる。この結果、高電圧かつ高圧力の条件での長時間の駆動でも、外部電極の剥離や積層体の亀裂が発生することを抑制することができるので、変位量を安定させることができる。

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が剥離したり積層体に亀裂が発生したりすることを防止でき、また、積層体の自己発熱による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３と内部電極層５とが交互に積層された積層構造の積層体７の側面に、内部電極層５に電気的に接続された外部電極11を備えた積層型圧電素子１であって、外部電極11の表面にはスリット（外部電極11の厚み方向にわたる細隙）12が形成されている。

このように外部電極11に、スリット12が形成されていることによって、スリット12の周辺に外部電極11内に局所的に変形する領域を形成して、外部電極11に加わる応力を吸収することができる。さらに、外部電極11の表面に沿った長さが、あるいは外部電極11の外周距離、すなわち外部電極11の外周に沿った距離（外周に沿った長さ）が増加することで、外部電極11と圧電体層３との熱膨張差による応力を緩和することができる。さらに、積層型圧電素子１の駆動中に積層体７において発生した自己発熱を積層体７から外部電極11を通して外部電極11の表面から効果的に放散させることができる。この結果、高電圧かつ高圧力の条件での長時間の駆動でも、外部電極11の剥離や積層体７の亀裂が発生することを抑制することができるので、変位量を安定させることができる。

また、スリット12は、積層体７の積層方向に直交する方向に沿って、すなわち内部電極層５と平行に形成されていることが好ましい。これは、積層型圧電素子１が駆動して積層体７が伸び縮みする方向に外部電極11に設けられたスリット12の幅が広がったり狭まったりして変形しやすいためであり、この変形により外部電極11が積層体７と一緒に伸び縮みすることが可能となり、応力緩和効果を効果的に得ることができるからである。

さらに、図２（ａ）および（ｂ）にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例の側面図で示すように、スリット12は、一端のみが外部電極11の縁に達している。これは、積層型圧電素子１が駆動して積層体７が伸び縮みする時に、スリット12が、応力が集中しやすい外部電極11の縁において容易に変形することができ、外部電極11の応力を効果的に緩和することができるからである。また、駆動による自己発熱による積層体７の熱膨張に対して外部電極11の熱膨張が異なることに起因する応力についても、この応力は外部電極11の縁に集中するので、外部電極11の縁の外周距離（外周に沿った長さ）が増加することによっても、応力を効果的に緩和することができる。

また、図３（ａ）および（ｂ）にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例の側面図で示すように、積層体７の対向する側面にそれぞれ異なる極性の外部電極11同士が対向して配置された場合に、スリット12も対向した位置にそれぞれ形成されていることが好ましい。これは、積層型圧電素子１に応力が加わった場合に、異なる極性の外部電極11同士が積層体７の対向する側面に形成されて対向していることで、応力をそれぞれの外部電極11に均等に分散させることができ、さらに、スリット12を互いに対向した位置に配置することで、応力緩和の箇所を積層体７に対して対称に配置することができるので、積層体７に加わる応力を均等に分散することができ、応力が一箇所に集中することを避けることができることによって、優れた応力緩和効果を得ることができる。

また、図４（ａ）および（ｂ）にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例の側面図で示すように、異なる極性の外部電極11同士が積層体７の対向する側面に対向して配置された場合には、スリット12が積層体７の積層方向に延びる中心軸に対して回転対称の位置にそれぞれ形成されていることによって、積層型圧電素子１の駆動軸の中心が積層体７の中心軸と一致するので、駆動軸がぶれることがなく、耐久性の高い積層型圧電素子１とすることができる。さらに、図５（ａ）および（ｂ）にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例の側面図で示すように、スリット12を積層体７を挟んで対向した位置で、かつ積層体７の積層方向に延びる中心軸に対して回転対称の位置に配置することで、積層体７に加わる応力を均等に分散することで応力を緩和できるだけでなく、さらに、駆動軸がぶれない利点も併せ持つことで、積層型圧電素子１が駆動する際の自己発熱を抑制することができるので、耐久性の優れた積層型圧電素子１を得ることができる。

また、スリット12は、底面の幅、すなわち外部電極11の積層体７との接合面側の開口の幅よりも外部電極11の表面における開口の幅の方が大きいことが好ましい。スリット12の底面の幅よりも外部電極11の表面における開口の幅を大きくすることで、外部電極11と積層体７との界面に集中した応力によって生じた熱を、スリット12を介して外部電極11の表面に伝搬させて散逸させることができ、応力を緩和することができるからである。また、スリット12を介して熱を散逸させることによって、熱膨張に起因する応力も抑止できるので、応力緩和に優れているものとすることができる。

また、図６（ａ）および（ｂ）に、ならびに図７（ａ）および（ｂ）にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例の側面図で示すように、スリット12の幅は、外部電極11の縁部側で大きくなっていることが好ましい。これによると、外部電極11の縁部に集中する応力を効果的に緩和することができるので、積層型圧電素子１の耐久性を高いものとすることができる。さらに好ましくは、スリット12の開口の縁部を面取りされた形状にすることで、スリット12の開口の縁部での応力集中を避けることができる。

また、図８（ａ）および（ｂ）にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例の側面図で示すように、スリット12は、複数形成されているとともに、隣接するスリット12同士の間隔が積層体７の積層方向の端部側（上端部側および下端部側）に向けて大きくなっていることが好ましい。これは、積層型圧電素子１の駆動時の変形の形態が、積層体７の積層方向の端部側では積層方向に伸び縮みするのに対し、積層体７の中央部では積層方向に直交する方向に伸び縮みすることから、スリット12を中央部に多く配置することで、外部電極11の縁部に集中した応力を緩和することができるので、積層体７の駆動変形を大きくするとともに、外部電極11が縁部から剥がれることを防止することができ、積層型圧電素子１の耐久性を高めることができる。

また、スリット12は、内部電極層５と平行に形成されていることが好ましい。この場合は、積層体７に加わる電界と直交する方向にスリット12を形成することができるので、積層型圧電素子１が駆動変形する方向と直交する方向にスリット12が形成されることになり、外部電極11が伸び縮みしやすくなるので、外部電極11の応力を緩和することができる。さらに、内部電極層５が部分電極構造の場合には、異なる極の内部電極層５に挟まれた活性領域とそれ以外の不活性領域とが圧電体層３に形成されるので、スリット12を内部電極層５と平行な位置で不活性領域に配置すると、スリット12に加わった応力を圧電体層３が圧力で伸び縮みする効果を用いて緩和することができるので、さらに高い耐久性を持った外部電極11とすることができることから、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。

またスリット12は、隣接する内部電極層５同士の間に位置していることが好ましい。この場合は、スリット12に加わった応力がスリット12に接している圧電体層３の変形を誘発し、圧電体層３の圧電効果により発生した起電力が隣接する内部電極層５に伝わることで、積層型圧電素子１に印加された電圧に補正が加わる効果が発生して駆動電圧が低下するので、積層型圧電素子１に応力緩和効果が発生する。また、スリット12に急激な応力が加わったことで積層体７の表面に亀裂や剥がれが生じても、スリット12が直接内部電極層５に接していないので、内部電極層５間の短絡が生じることがない。

また、図９（ａ）および（ｂ），図10（ａ）および（ｂ），ならびに図11（ａ）および（ｂ）にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例の側面図で示すように、積層体７に、駆動時に積層体７内において内部電極層５よりも優先的に破断することによって積層体７における応力を緩和する予定破断層13を設けた積層型圧電素子１において、スリット12を予定破断層13の近傍に形成すると、スリット12の最も奥の部分に応力が集中することを利用して、外部電極11に加わった応力を、スリット12を介して予定破断層13に伝えることができる。このことにより、積層型圧電素子１を長期間にわたって高い負荷の加わった環境で使用した場合においても、圧電体層３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７の予定破断層13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、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、スリット12を設けた位置から予定破断層13に対して破断を開始させることができるので、積層型圧電素子１に予定破断層13を設けた場合に、どの位置から破断を開始できるかまでを設定することができるようになり、予定破断層13の配置設計を容易にすることができる、量産性に優れた積層型圧電素子１を得ることができる。特に、予定破断層13の部分に位置するようにスリット12を形成すると、予定破断層13に応力をより効果的に集中できることで好ましいものとなる。

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。

このとき、予定破断層13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13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13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５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13から、圧電体層３を介して隣接している内部電極層５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13となる層の銀濃度をその他の内部電極層５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３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13が形成できる。

その後、積層型圧電素子１の積層体７の外表面に、端部が露出している内部電極層５との導通が得られるように外部電極11を形成する。この外部電極11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７の側面に印刷して、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。

外部電極11にスリット12を設けるには、銀ガラス導電性ペーストを印刷する際にパターン印刷して形成する方法が最も量産的である。他には、外部電極11を形成した後にスリット12のパターンにエッチングする方法、外部電極11を形成した後にスリット12の形状のパターンを設けたメタルマスクを載せて、サンドブラストやドライアイスブラストを行なう方法、あるいは、外部電極11を形成した後にダイヤモンドディスクを用いてスリット12のパターンにダイシング加工する方法がある。

次に、金属の線材からなるリード線や、金属メッシュあるいはメッシュ状の金属板等からなる導電部材を、外部電極11の表面に半田や導電性接着剤等の結合材を用いて接合し接続固定する。ここで、導電部材の材質は、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、導電部材の表面には、銀やニッケル等のメッキが施されていてもよい。

なお、導電部材は、外部電極11の積層方向の全てにわたって接合されていてもよいし、外部電極11の一部分に接合されていても構わない。

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11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、外部電極11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、外部電極11に接続した導電部材を介して一対の外部電極11から内部電極層５によって圧電体層３に0.1〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、積層体７の圧電体層３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、導電部材を外部の電圧供給部に接続し、導電部材および外部電極11を介して内部電極層５によって圧電体層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機構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12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12に示すように、本例の噴射装置21は、一端に噴射孔23を有する収納容器（容器）25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。

収納容器25内には、噴射孔23を開閉することができるニードルバルブ27が配設されている。噴射孔23には流体通路29がニードルバルブ27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29は、外部の流体供給源に連結され、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27が噴射孔23を開放すると、流体通路29に供給されていた流体が、噴射孔23の外部または噴射孔23に隣接する容器、例えば内燃機関の燃料室（不図示）に、噴射孔23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27の上端部は内径が大きくなっており、その部分に収納容器25に形成されたシリンダ31と摺動可能なピストン33が配置されている。そして、収納容器25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21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33が押圧され、ニードルバルブ27が噴射孔23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35がピストン33を押し返すことによって流体通路29が開放され、噴射孔23が流体通路29と連通して、噴射孔23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通路29を開放して噴射孔23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通路29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21は、噴射孔23を有する容器（収納容器）25と、本発明の積層型圧電素子１とを備え、容器25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23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25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25の内部に噴射孔23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29を通して噴射孔23に供給されるだけでなく、容器25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25内に充填された流体を噴射孔23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21を用いることによって、流体の流量および噴射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21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例について説明する。図13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13に示すように、本例の燃料噴射システム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に蓄えられた高圧燃料を噴射する複数の本発明の噴射装置21と、コモンレール43に高圧燃料を供給する圧力ポンプ45と、噴射装置21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、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47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45は、流体タンク49から流体燃料を高圧でコモンレール43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41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43に流体燃料を送り込む。

コモンレール43では、圧力ポンプ45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21に適宜送り込む。噴射装置21は、前述したように噴射孔23から所定量の流体である高圧燃料を噴射孔23の外部または噴射孔23に隣接する容器に高圧で吐出（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、流体である高圧燃料を噴射孔23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の例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にバインダーおよ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が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５のパターンで印刷した。そして、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積層して生積層体を作製した。なお、積層数としては、内部電極層５の数が300となるように積層し、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、試料番号１〜５とした。

次に、予定破断層13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、試料番号６，７においては、積層方向の50番目および250番目に位置する内部電極層５を導電性ペーストＢを用いて印刷した。同様に、試料番号８，９においては、積層方向の50番目，100番目，150番目，200番目および250番目に位置する内部電極層５を導電性ペーストＢを用いて印刷した。

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、800〜1000℃で焼成して、積層体７を得た。ここで、試料番号６〜９では、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13が形成された。

そして、各々の試料番号の積層体７に、所望の寸法に加工した上で、表１に示すようにスリット12が形成できるように、外部電極11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11用の導電性ペーストを作製した。この導電性ペーストを、積層体７の側面の外部電極11を形成する箇所にスクリーン印刷等によってパターン印刷した。その後、600〜800℃で焼成して、外部電極11を形成した。

また、外部電極11にスリット12を形成するために、スクリーン印刷の外部電極パターン自体にスリット形状も加えたパターンを用いて、スクリーン印刷によって外部電極11にスリット12を形成した。スリット12の形状は底面の幅より開口部の幅が10％大きくなっているものであったが、これは、印刷直後の導電性ペーストのパターンエッジ部が表面張力で丸みを帯びた形状になるため、開口縁部が面取りされたためである。なお、スリット12の底面の形状は長方形としたので、スリット12の寸法として、長方形状の底面の幅および長さを表１に示した。

なお、試料番号６〜９については、スリット12を予定破断層13の位置に設けた（これについては表１の本数の欄に（予定破断層）と示している。）。

このようにして作製した各試料を用いて駆動評価を行なった。駆動評価としては、高速応答性評価と耐久性評価とを行なった。まず、外部電極11にリード線を接続し、正極および負極の外部電極11からリード線を介して圧電体層３に３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を15分間印加して分極処理を行ない、積層型圧電素子１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０〜＋170Ｖの電圧の交流電圧を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０〜＋170Ｖの電圧の交流電圧を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なった。これらの試験の結果を試料番号の条件とともに表１に示す。

表１に示すように、外部電極11にスリット12を形成しなかった比較例の試料番号１についてのみ、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の発生が認められた。これは、試料番号１の積層型圧電素子では、積層体７が外部電極11に拘束されているために、駆動に伴って内部電極層５間に局部発熱が生じた際に、圧電体層３毎の変位速度に乱れが生じ、印加した交流電圧の周波数に変位が追従できなかったためにうなり音が発生したものと考えられる。

なお、駆動周波数を確認するために、横河電機製オシロスコープＤＬ1640Ｌを用いて試料番号１の駆動信号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。これについて、表１では高調波成分のノイズ発生の欄に「あり」で示した。

また、耐久性評価の結果としては、試料番号１では、耐久性評価試験後の変位量（１×10^９回後の変位量）は５μｍとなり、耐久性評価試験前と比較して90％近く（｛（45−５）／45｝×100＝88.9）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、連続駆動後（１×10^９回）に、外部電極11に剥がれが、また積層体７において積層部分の一部に剥がれが見られた。

一方、本発明の実施例である試料番号２〜９の圧電アクチュエータでは、いずれも連続駆動後（１×10^９回）に、外部電極11の剥がれ、および積層体７における積層部分の剥がれは確認されなかった。また、耐久性評価試験後の変位量の低下がいずれも３μｍ以下であり、耐久性評価試験前と比較して変位量の低下は７％以下（｛（48−45）／48｝×100＝6.25）に抑えられていた。このように、試料番号６〜９の圧電アクチュエータでは、１×10^９回後も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。

なお、耐久生評価試験後、試料番号６〜９の積層型圧電素子は、予定破断層13に亀裂が生じていた。亀裂の位置はスリット12を設けた部分であることが確認できたので、予定破断層13がスリット12を用いることによって優先的に破断し、積層体７における応力を緩和したことを確認できた。

本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す斜視図である。（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の積層型圧電素子の参考例を示す側面図である。（ａ）に示す側面の反対面が（ｂ）に示す側面である。（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の積層型圧電素子の参考例を示す側面図である。（ａ）に示す側面の反対面が（ｂ）に示す側面である。（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の積層型圧電素子の参考例を示す側面図である。（ａ）に示す側面の反対面が（ｂ）に示す側面である。（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の積層型圧電素子の参考例を示す側面図である。（ａ）に示す側面の反対面が（ｂ）に示す側面である。（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の積層型圧電素子の参考例を示す側面図である。（ａ）に示す側面の反対面が（ｂ）に示す側面である。（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の積層型圧電素子の参考例を示す側面図である。（ａ）に示す側面の反対面が（ｂ）に示す側面である。（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の積層型圧電素子の参考例を示す側面図である。（ａ）に示す側面の反対面が（ｂ）に示す側面である。（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す側面図である。（ａ）に示す側面の反対面が（ｂ）に示す側面である。（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例を示す側面図である。（ａ）に示す側面の反対面が（ｂ）に示す側面である。（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例を示す側面図である。（ａ）に示す側面の反対面が（ｂ）に示す側面である。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
３・・・圧電体層
５・・・内部電極層
７・・・積層体
11・・・外部電極
12・・・スリット
13・・・予定破断層
21・・・噴射装置
23・・・噴射孔
25・・・収納容器（容器）
27・・・ニードルバルブ
29・・・流体通路
31・・・シリンダ
33・・・ピストン
35・・・皿バネ
41・・・燃料噴射システム
43・・・コモンレール
45・・・圧力ポンプ
47・・・噴射制御ユニット
49・・・燃料タンク

Claims

圧電体層と内部電極層とが交互に積層された積層体の側面に、前記内部電極層に電気的に接続された外部電極を備えた積層型圧電素子であって、
前記外部電極にスリットが形成されており、
該スリットは、一端のみが前記外部電極の縁に達しており、
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されることによって応力を緩和する予定破断層を含んでおり、前記スリットは、側面視で前記予定破断層と重なる部分に形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
一対の前記外部電極が前記積層体を挟んで対向して配置されているとともに、前記スリットが一対の前記外部電極において互いに対向した位置に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。
一対の前記外部電極が対向して配置されるとともに、前記スリットが一対の前記外部電極において互いに前記積層体の積層方向の中心軸を対称軸として回転対称の位置に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。
前記スリットは、底面の幅よりも前記外部電極の表面における開口の幅の方が大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の積層型圧電素子。
前記スリットは、幅が前記外部電極の縁部側で大きくなっていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の積層型圧電素子。
前記スリットは、複数形成されており、隣接するもの同士の間隔が前記積層体の積層方向の端部側で大きくなっ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。
前記スリットは、前記内部電極層と平行に形成され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。
前記スリットは、隣接する前記内部電極層同士の間に位置していることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の積層型圧電素子。
噴射孔を有する容器と、請求項１乃至請求項８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９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。