JP5797339B2 - 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、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として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。
積層型圧電素子として、図７に示すように、圧電体層２と内部電極層３とが積層されてなる活性部４および活性部４の積層方向端部に配置された不活性部５を含む積層体６と、積層体６の側面に活性部４から不活性部５にかけて設けられた導電性接合材７と、導電性接合材７を介して積層体６の側面に取り付けられた平坦な外部電極板８０とを含む構成のものが知られている（特許文献１を参照）。
ここで、特許文献１に記載された積層型圧電素子の構成においては、駆動時により発生する積層体６の自己発熱により熱がこもり、内部電極層３を含む活性部４の熱膨張が内部電極層３を含まない不活性部５より大きいため、活性部４と不活性部５との境界付近の導電性接合材７に亀裂やはがれが発生して、結果的に外部電極板８０がはがれるおそれがある。
本発明は、上記の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、外部電極板がはがれるのを抑制された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、圧電体層と内部電極層とが積層されてなる活性部および該活性部の積層方向端部に配置された不活性部を含む積層体と、該積層体の側面に前記活性
部から前記不活性部にかけて設けられた導電性接合材と、該導電性接合材を介して前記積層体の側面に取り付けられた外部電極板とを含み、該外部電極板は、前記活性部における前記積層体の側面と前記外部電極板との間隔が前記積層体の積層方向中央部において最も狭くなるように湾曲し、かつ少なくとも一方端の前記不活性部の側面と前記外部電極板との間隔が前記活性部の側面と前記外部電極板との間隔よりも広くなっており、前記導電性接合材は、少なくとも一方端の前記不活性部の側面と前記外部電極板との間の前記導電性接合材の厚みが前記活性部の側面と前記外部電極板との間の前記導電性接合材の厚みよりも厚くなっているとともに、前記積層体の積層方向中央部において前記導電性接合材の厚みが最も薄くなっていることを特徴とする。
部から前記不活性部にかけて設けられた導電性接合材と、該導電性接合材を介して前記積層体の側面に取り付けられた外部電極板とを含み、該外部電極板は、前記活性部における前記積層体の側面と前記外部電極板との間隔が前記積層体の積層方向中央部において最も狭くなるように湾曲し、かつ少なくとも一方端の前記不活性部の側面と前記外部電極板との間隔が前記活性部の側面と前記外部電極板との間隔よりも広くなっており、前記導電性接合材は、少なくとも一方端の前記不活性部の側面と前記外部電極板との間の前記導電性接合材の厚みが前記活性部の側面と前記外部電極板との間の前記導電性接合材の厚みよりも厚くなっているとともに、前記積層体の積層方向中央部において前記導電性接合材の厚みが最も薄くなっていることを特徴とする。
また本発明は、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。
また本発明は、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上記の噴射装置と、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。
本発明の積層型圧電素子によれば、少なくとも一方端の不活性部の側面と外部電極板との間隔が活性部の側面と外部電極板との間隔よりも広くなっており、かつ少なくとも一方端の不活性部の側面と外部電極板との間の導電性接合材の厚みが活性部の側面と外部電極板との間の導電性接合材の厚みよりも厚くなっていることで、自己発熱した熱が外部電極板の活性部に対応する領域からは熱引きしやすく、外部電極板の不活性部に対応する領域からは熱引きしにくい。これにより、不活性部と活性部の熱膨張差が小さくなり、長期間の耐久性に優れた積層型圧電素子が得られる。また、積層型圧電素子の伸縮する中央部に対応する部位において、外部電極板が湾曲していることで、積層型圧電素子が伸びたときに外部電極板の中央部に発生する応力集中を緩和することができるため、さらに耐久性が向上する。
また、本発明の噴射装置によれば、積層型圧電素子の外部電極板がはがれるのを抑制することができるので、流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。
また、本発明の燃料噴射システムによれば、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。
[図1]本発明の積層型圧電素子の参考例を示す縦断面図である。
[図2]本発明の積層型圧電素子の他の参考例を示す縦断面図である。
[図3]本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す縦断面図である。
[図4]本発明の積層型圧電素子の他の参考例を示す縦断面図である。
[図5]本発明の噴射装置の実施の形態の一例を示す概略的な断面図である。
[図6]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的なブロック図である。
[図7] 従来の積層型圧電素子の縦断面図である。
[図2]本発明の積層型圧電素子の他の参考例を示す縦断面図である。
[図3]本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す縦断面図である。
[図4]本発明の積層型圧電素子の他の参考例を示す縦断面図である。
[図5]本発明の噴射装置の実施の形態の一例を示す概略的な断面図である。
[図6]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的なブロック図である。
[図7] 従来の積層型圧電素子の縦断面図である。
以下、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一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参考例を示す断面図であり、図１に示す積層型圧電素子１は、圧電体層２と内部電極層３とが積層されてなる活性部４および活性部４の積層方向端部に配置された不活性部５を含む積層体６と、積層体６の側面に活性部４から不活性
部５にかけて設けられた導電性接合材７と、導電性接合材７を介して積層体６の側面に取り付けられた外部電極板８とを含み、少なくとも一方端の不活性部５の側面と外部電極板８との間隔が活性部４の側面と外部電極板８との間隔よりも広くなっており、かつ少なくとも一方端の不活性部５の側面と外部電極板８との間の導電性接合材７の厚みが活性部４の側面と外部電極板８との間の導電性接合材７の厚みよりも厚くなっている。
部５にかけて設けられた導電性接合材７と、導電性接合材７を介して積層体６の側面に取り付けられた外部電極板８とを含み、少なくとも一方端の不活性部５の側面と外部電極板８との間隔が活性部４の側面と外部電極板８との間隔よりも広くなっており、かつ少なくとも一方端の不活性部５の側面と外部電極板８との間の導電性接合材７の厚みが活性部４の側面と外部電極板８との間の導電性接合材７の厚みよりも厚くなっている。
積層型圧電素子１を構成する積層体６は、圧電体層２および内部電極層３が積層されて成るもので、圧電体層２および内部電極層３が複数積層されてなる活性部４と、活性部４の積層方向両端に設けられた圧電体層２からなる不活性部５とを有している。この積層体６は、例えば縦０．５〜１０ｍｍ、横０．５〜１０ｍｍ、高さ１〜１００ｍｍの直方体状に形成されている。
積層体６を構成する圧電体層２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（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。この圧電体層２の厚みは、例えば３〜２５０μｍとされる。
積層体６を構成する内部電極層３は、圧電体層２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、圧電体層２と交互に積層されて圧電体層２を上下から挟んでおり、積層順に正極および負極が配置されることにより、それらの間に挟まれた圧電体層２に駆動電圧を印加するものである。この形成材料として、例えば圧電セラミックス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。図１に示す例では、正極および負極（もしくはグランド極）がそれぞれ積層体６の対向する一対の側面に互い違いに導出されて、積層体６の側面に設けられた一対の導電性接合材７と電気的に接続されている。この内部電極層３の厚みは、例えば０．１〜５μｍとされる。
積層体６の側面に、活性部４から不活性部５にかけて一対の導電性接合材７が設けられ、内部電極層３の導出された端部と電気的に接続されている。この一対の導電性接合材７は、例えばＡｇ粉末やＣｕ粉末など導電性の良好な金属粉末を含んだエポキシ樹脂やポリイミド樹脂からなる導電性接着剤からなるのが好ましい。導電性接合材７は、例えば５〜５００μｍの厚さに形成される。
また、積層体６の側面には導電性接合材７を介して外部電極板８が取り付けられている。具体的には、外部電極板８は、内部電極層３と電気的に接続されるとともに一部が積層体６の一方の端面から積層方向に延出されるようにして積層体６の側面に導電性接合材７を介して取り付けられている。この外部電極板８は、銅、鉄、ステンレス、リン青銅等の金属平板からなり、例えば幅０．５〜１０ｍｍ、厚み０．０１〜１．０ｍｍに形成されたものである。なお、外部電極板８としては、矩形板状の金属板のみならず、積層体６の伸縮により生じる応力を緩和する効果を得るために、例えば幅方向にスリットの入った形状、網目状に加工された金属板などを採用することもできる。
また、外部電極板８は、少なくとも一方端の不活性部５の側面と外部電極板８との間隔が活性部４の側面と外部電極板８との間隔よりも広くなるように設けられている。そして、少なくとも一方端の不活性部５の側面と外部電極板８との間の導電性接合材７の厚みが活性部４の側面と外部電極板８との間の導電性接合材７の厚みよりも厚くなっている。
例えば図１に示す形状においては、一方の不活性部５の側面と外部電極板８との間隔が広くなるように、外部電極板８が折れ曲がった形状になっており、不活性部５と外部電極板８との間には導電性接合材７が充填されている。例えば、不活性部５の側面と外部電極板８との間隔が２０〜５００μｍであるときには、活性部４の側面と外部電極板８との間隔が５μｍ以上２０μｍ未満となる。
このように、少なくとも一方の不活性部５の側面と外部電極板８との間隔が活性部４の側面と外部電極板８との間隔よりも広くなるように設けられ、少なくとも一方の不活性部５の側面に設けられた導電性接合材７の厚みが活性部４の側面に設けられた導電性接合材７の厚みよりも厚くなることで、積層型圧電素子１の駆動によって自己発熱した熱が、活性部４から外部電極板８の活性部４に対応する領域を経て熱引きしやすくなる。一方、不活性部５は活性部４よりも外部電極板８との距離が離れており、不活性部５と外部電極板８との間に導電性接合材７を有することから、熱引きしにくい。これにより、活性部４と不活性部５との熱膨張差が小さくなるため、外部電極板８がはがれにくく耐久性が良くなる。
ここで、図２に示すように、両方の不活性部５の側面と外部電極板８との間隔が活性部４の側面と外部電極板８との間隔よりも広くなっていることが望ましい。例えば、両方の不活性部５の側面と外部電極板８との間隔（導電性接合材７の厚み）が２０〜５００μｍの厚みであるときには、活性部４の側面と外部電極板８との間隔（導電性接合材７の厚み）が５μｍ以上２０μｍ未満となる。両方の不活性部５の側面に設けられた導電性接合材７の厚みが活性部５の側面に設けられた導電性接合材７の厚みよりも厚くなることで、積層方向両端の不活性部５の熱引きが小さくなるので、積層体６の積層方向の熱膨張差がさらに小さくなるため、さらに耐久性が良くなる。
なお、図１および図２においては、不活性部５の側面と外部電極板８との間隔が活性部４の側面と外部電極板８との間隔よりも広くなるように、不活性部５と活性部４との境界に対応する部位（境界の延長上）において、外部電極板８が折れ曲がって（屈曲して）、縦断面で見て段差が設けられている。
ここで、外部電極板８が屈曲し、縦断面で見て段差が設けられる部位については、不活性部５と活性部４との境界に対応する部位から多少ずれていてもよく、活性部４に含まれる圧電体層３の１層分の厚み程の距離の範囲内で活性部４側または不活性部５側にずれていてもよい。
さらに、積層体６の側面と外部電極板８との間隔が活性部４と不活性部５とで異なるように、外部電極板８は湾曲している。特に、図３に示す形態においては、活性部４における積層体６の側面と外部電極板８との間隔が積層体６の積層方向中央部において最も狭くなるように、外部電極板８が湾曲している。そして、活性部４と不活性部５との境界に対応する部位から外側の領域において、外部電極板８は平坦になっている。積層型圧電素子１の伸縮する中央部に対応する部位において、外部電極板８が湾曲していることで、積層型圧電素子１が伸びたときに外部電極板８の中央部に発生する応力集中を緩和することができるため、さらに耐久性が向上する。
図１乃至図３に示す形態における外部電極板８は、断面で見て全体にわたって厚みの同じ板状体を例えば曲げるなどの加工を施してなるものであるが、不活性部５の側面と外部電極板８との間隔が活性部４の側面と外部電極板８との間隔よりも広くなっている構成とするためには必ずしもこれらの形態には限られない。例えば、図４に示す形態のように、積層体６の活性部４に対応する領域と不活性部５に対応する領域とで外部電極板８の厚みを異ならせることで、不活性部５の側面と外部電極板８との間隔が活性部４の側面と外部電極板８との間隔よりも広くなっている構成を実現させてもよい。
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，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ることにより、このセラミックスラリー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（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），フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）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３のパターンで塗布する。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複数枚積層し、所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、９００〜１２００℃の温度で焼成し、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ことによって、交互に積層された圧電体層２および内部電極層３を備えた活性部４を作製する。不活性部５は内部電極層３となる導電性ペーストを塗布していないシートを積層することで作製する。活性部４と不活性部５とを組み合わせることで積層体６を製造する。
なお、積層体６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２と内部電極層３とを複数積層してなる積層体６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い。
次に、導電性接合材７を介して外部電極板８を積層体６の側面表面に接続し固定する。
導電性接合材７は、Ａｇ粉末やＣｕ粉末などの導電性の良好な金属粉末を含んだエポキシ樹脂やポリイミド樹脂からなる接着剤を用い、スクリーン印刷やディスペンス方式により所定の厚みや幅に制御して形成することができる。
外部電極板８は、銅、鉄、ステンレス、リン青銅等の金属平板からなり、例えば幅０．５〜１０ｍｍ、厚み０．０１〜１．０ｍｍに形成されたものである。ここで、外部電極板８として、例えば幅方向にスリットの入った形状や網目状にするには、外部電極版６にスリットの入った形状や網目状とするには、打ち抜き金型で打ち抜くかレーザ加工などの方法を用いればよく、湾曲や屈曲形状とするには、曲げ金型を用いるのがよい。
その後、外部電極板８に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体６を構成する圧電体層２を分極することによって、積層型圧電素子１が完成する。この積層型圧電素子１は、外部電極板８を介して外部の電源と接続して、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、本発明の噴射装置の実施の形態の例について説明する。図５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５に示すように、本実施の形態の噴射装置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になっている。そして、収納容器２３内には、上述した例の積層型圧電素子１がピストン３１に接して収納されている。
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１９は、噴射孔を有する容器２３と、本実施の形態の積層型圧電素子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２３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、本実施の形態の噴射装置１９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６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６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）、好ましくは１５００〜１７００気圧（約１５２ＭＰａ〜約１７２ＭＰａ）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、積層体６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。
本発明の実施例について説明する。
本発明の積層型圧電素子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５０μｍ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。
次に、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、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２００枚積層した。また、内部電極層となる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２００枚を中心にして、その上下に、内部電極層となる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合計１５枚を積層した。そして、９８０〜１１００℃で焼成し、平面研削盤を用いて所定の形状に研削して、５ｍｍ角の積層体を得た。
次に、積層体の表面にＡｇ粉末とポリイミド樹脂を混合ペースト状にした導電性接合材をディスペンサーにて塗布し、外部電極板を積層体の表面に接続し固定した。
ここで、試料１として、図１に示す断面を有するリン青銅からなる厚み０．１ｍｍの外部電極板を用いて積層型圧電素子を作製した。具体的には、外部電極板は、片側の不活性部の側面と外部電極板との間隔が活性部の側面と外部電極板との間隔より広くなるように曲げ部を有している。活性部の側面と外部電極板との間にはＡｇとポリイミドとからなる導電性接合材が充填されており、不活性部の側面と外部電極板との間には０．１ｍｍの間隔があり、活性部の側面と外部電極板との間には０．０３ｍｍの間隔を設けた構造になっている。
また、試料２として、図２に示す断面を有するリン青銅からなる厚み０．１ｍｍ外部電極板を用いて積層型圧電素子を作製した。具体的には、外部電極板は、両側の不活性部の側面と外部電極板との間隔が活性部の側面と外部電極板との間隔より広くなるように曲げ部を有している。活性部の側面と外部電極板との間にはＡｇとポリイミドとからなる導電性接合材が充填されており、不活性部の側面と外部電極板との間には０．１ｍｍの間隔があり、活性部の側面と外部電極板との間には０．０３ｍｍの間隔を設けた構造になっている。
また、試料３として、図３に示す断面を有するリン青銅からなる厚み０．１ｍｍの外部電極板を用いて積層型圧電素子を作製した。具体的には、外部電極板は、試料２の曲げ部をなめらかに湾曲させたものである。活性部の側面と外部電極板との間には導電性接合材が充填されており、不活性部の側面と外部電極板との間には最小で０．１ｍｍの間隔があり、活性部の側面と外部電極板との間には最大で０．０３ｍｍの間隔を設けた構造になっている。
また、比較例として、図７に示す断面を有する外部電極板を用いた積層型圧電素子（試料４）も作製した。
これらの積層型圧電素子に、外部電極板に溶接で接合された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３０μｍの変位量が得られた。
さらに、３０℃、９０％の湿度内で０Ｖ〜＋１６０Ｖの交流電圧を１５０Ｈｚの周波数で印加して、連続駆動した耐久性試験を行なった。
その結果、比較例である試料４の積層型圧電素子は、１×１０４回の連続駆動で外部電極板の剥がれが発生し、１×１０５回で駆動が停止した。
これに対し、本発明の実施例である試料１、試料２、試料３の積層型圧電素子は、ともに、連続駆動１×１０７回をすぎても外部電極板の剥がれは発生することなく駆動していた。
以上の結果から、本発明によれば、長期間の耐久性に優れた積層型圧電素子を実現することができることがわかる。
１・・・積層型圧電素子
２・・・圧電体層
３・・・内部電極層
４・・・活性部
５・・・不活性部
６・・・積層体
７・・・導電性接合材
８・・・外部電極板
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
２・・・圧電体層
３・・・内部電極層
４・・・活性部
５・・・不活性部
６・・・積層体
７・・・導電性接合材
８・・・外部電極板
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 (4)
- 圧電体層と内部電極層とが積層されてなる活性部および該活性部の積層方向端部に配置された不活性部を含む積層体と、該積層体の側面に前記活性部から前記不活性部にかけて設けられた導電性接合材と、該導電性接合材を介して前記積層体の側面に取り付けられた外部電極板とを含み、
該外部電極板は、前記活性部における前記積層体の側面と前記外部電極板との間隔が前記積層体の積層方向中央部において最も狭くなるように湾曲し、かつ少なくとも一方端の前記不活性部の側面と前記外部電極板との間隔が前記活性部の側面と前記外部電極板との間隔よりも広くなっており、
前記導電性接合材は、少なくとも一方端の前記不活性部の側面と前記外部電極板との間の前記導電性接合材の厚みが前記活性部の側面と前記外部電極板との間の前記導電性接合材の厚みよりも厚くなっているとともに、前記積層体の積層方向中央部において前記導電性接合材の厚みが最も薄くなっていることを特徴とする積層型圧電素子。 - 両端の前記不活性部の側面と前記外部電極板との間隔が前記活性部の側面と前記外部電極板との間隔よりも広くな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。
- 噴射孔を有する容器と、請求項１または請求項２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３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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