JP5856312B2 - 積層型圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータ、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圧電アクチュエータ、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、圧電体層および内部電極層が積層された積層体と、この積層体の側面に設けられて内部電極層と導電性接合材を介して電気的に接続された外部電極板とを含む構成のものが知られている。なお、外部電極板に金属被覆層（めっき膜）が設けられる場合は、その厚みは均一なものとなっていた。
ここで、特許文献１に記載された積層型圧電素子では、通常、突入電流が外部電極板の端部から入るように外部電極板にリード線が接続されていて、突入電流が入ると外部電極板の端部が発熱し、これにともなって導電性接合材も発熱していた。そして、局所的な発熱を繰り返すと、導電性接合材が劣化し、その保持力が低下して、外部電極板が剥がれるおそれがあるという問題があり、さらには導電性接合材と外部電極板との間にスパークが生じて、積層型圧電素子の駆動が停止するおそれがあるという問題もあった。
また、上述の積層型圧電素子を備えた圧電アクチュエータ、噴射装置ならびに燃料噴射システムでは、積層型圧電素子における外部電極板の剥がれによって、長期間安定して駆動しなくなるおそれがあった。
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、外部電極板の剥がれを抑制することのできる積層型圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータ、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。
本発明は、圧電体層と内部電極層とが積層されてなる積層体と、該積層体の側面に導電性接合材を介して取り付けられた外部電極板とを含み、該外部電極板の表面には金属被覆層が設けられており、該金属被覆層が前記積層体の積層方向の一方端部に対応する領域で前記積層体の中央部に対応する領域よりも厚みの厚い厚肉部を有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、上記の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を内部に収容するケースとを備えていることを特徴とする圧電アクチュエータである。
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る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、外部電極板の剥がれを抑制することができ、結果として外部電極板と導電性接合材との間にスパークが生じるのを抑制することができる。したがって、長期間に渡り駆動量が変動せず、安定して駆動する優れた積層型圧電素子が得られる。
また、本発明の圧電アクチュエータ、噴射装置およびに燃料噴射システムによれば、積層型圧電素子における外部電極板の剥がれが抑制されるので、長期間安定して駆動させることができる。
以下、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例について図面を参照して詳細に説明する。
図１（ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す概略斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した断面の要部拡大図である。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積層体４と、積層体４の側面に導電性接合材５を介して取り付けられた外部電極板６とを含み、外部電極板６の表面には金属被覆層７が設けられており、金属被覆層７の厚みが積層体４の積層方向の一方端部４ａに対応する領域で積層体４の中央部４ｂに対応する領域よりも厚みの厚い厚肉部７１を有している。
積層型圧電素子１を構成する積層体４は、圧電体層２および内部電極層３が積層されてなるもので、例えば圧電体層２および内部電極層３が交互に複数積層されてなる活性部４ｄと、活性部４ｄ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４ｅとを有し、例えば縦０．５〜１０ｍｍ、横０．５〜１０ｍｍ、高さ５〜１００ｍｍの直方体状に形成されている。
積層体４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４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当該圧電体層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４の対向する一対の側面に互い違いに導出されている。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４の側面に設けられて内部電極層３と電気的に接続された一対の導体層８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４の対向する側面に、積層体４の積層方向の一方端部から他方端部にかけて設けられている。そして、一対の導体層８は、積層体４の対向する側面に互い違いに導出された内部電極層３とそれぞれ電気的に接続されている。この導体層８の厚みは、例えば５〜５００μｍとされる。
導体層８の上には、導電性接合材５を介して外部電極板６が設けられている。ここで用いられる導電性接合材５としては、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５は、例えば５〜５００μｍの厚さに、導体層８の一方の端から他方の端にかけて形成される。なお、図に示す例では積層体４の側面に導体層８が設けられているが、必ずしも導体層８は設けられなくてもよく、直接、積層体４の側面に導電性接合材５を介して外部電極板６が設けられてもよい。この場合、導電性接合材５は、活性部４ｄの積層方向の一方端から他方端にかけて設けられる。
また、外部電極板６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４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４の側面に導電性接合材５を介して取り付けられている。この外部電極板６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。外部電極板６としては、積層体４の伸縮により生じる応力を緩和する効果の高い形状として、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が挙げられる。
そして、外部電極板６の表面には金属被覆層７が設けられている。ここで、金属被覆層７の主成分としては、外部電極板６の形成材料よりも抵抗値の小さい材料、例えば銀、ニッケル、錫が挙げられるが、好ましくは金属被覆層７が銀を主成分とするのがよい。銀は電気伝導度が高いので、上述の外部電極板６の本体よりも金属被覆層７の電気抵抗値が小さくなり（電気が流れやすくなり）、外部電極板６の発熱の抑制に寄与することができるからである。また、金属被覆層７としては、めっき膜であるのが好ましい。結晶状態がどこも同じであって抵抗率がどこも同じであるので、局所的に高抵抗な部位を無くすようになるからである。めっき膜としては、例えば銀めっきからなる膜が好ましく採用できる。
さらに、図１（ｂ）に示すように、本発明では金属被覆層７の厚みが積層体４の積層方向の一方端部４ａに対応する領域で積層体４の中央部４ｂに対応する領域よりも厚みの厚い厚肉部７１を有している。
ここで、金属被覆層７の厚みとは、外部電極板６の内側（積層体側）の表面の厚みと外部電極板６の外側の表面の厚みとの合計厚みのことを意味する。
また、積層体４の中央部４ｂとは、積層体４を積層方向に３等分したときの真ん中の領域のことであり、積層体４の積層方向の一方端部４ａとは、外部電極板６を被覆する金属被覆層７と外部リード部材９とが接合される端部と同じ側に位置する積層体４の端部のことである。
具体的には、金属被覆層７における厚肉部７１の厚みは例えば５〜２０μｍ、それ以外の部位（薄肉部）の厚みは例えば０．２〜１５μｍに形成され、これらの厚みの差が２μｍ以上になっている。特に、厚肉部７１の厚みが５〜１５μｍ、それ以外の部位（薄肉部）の厚みが２〜１０μｍであることが好ましい。また、厚肉部７１は外部電極板７の幅方向の端から端にかけて設けられ、厚肉部７１の積層方向の長さとしては、例えば０．１〜２ｍｍとされる。
これにより、外部電極板６の表面に設けられた金属被覆層７の厚みが厚い厚肉部７１は抵抗値が小さくなり、局所的に発熱し難くなるので、発熱の繰り返しによる導電性接合材５の劣化も少なくなり、外部電極板６が剥がれにくくなる。また、この部位における導電性接合材５と外部電極板６との熱膨張差も小さくなる。その結果、導電性接合材５と外部電極板６との間にスパークが生じるのを抑制することができる。
この効果は、抵抗値の小さい形成材料からなる厚肉部７１の厚みに起因し、例えば外部電極板６と金属被覆層７との厚みの合計は同じであっても、金属被覆層７の厚みの比率が大きければ得られるものである。
厚肉部７１は、図では導体層８の端部付近に設けられているが、この設けられる領域は外部リード部材と接合される端部まであるのが、低抵抗の外部リード部材との抵抗値の差が小さくなるので、外部リード部材との接合部から積層型圧電素子との接合部まで局所発熱が起きにくくなる点で好ましい。
また、厚肉部７１とそれ以外の部位（薄肉部）との間には段差が設けられて急に厚みが変化するようになっていてもよく、また傾斜的に厚みが変化するようになっていてもよい。また、厚肉部７１は、外部電極板６の積層体４と対向する積層体側の主面のみが厚く形成されることにより設けられてもよく、積層体４とは反対側の主面のみが厚く形成されることにより設けられてもよい。
ここで、図２に示すように、金属被覆層７が積層体４の積層方向の他方端部４ｃに対応する領域でも、積層体４の中央部４ｂに対応する領域よりも厚みの厚い厚肉部７１を有しているのが好ましい。
外部電極板６の端部領域（積層体４の一方端部４ａに対応する領域および他方端部４ｃに対応する領域）は、熱引きが悪く発熱し易いので、外部電極板６が剥がれ易くなる。これに対し、本発明では、外部電極板６の表面に設けられる金属被覆層７が、両端部領域（積層体４の一方端部４ａに対応する領域および他方端部４ｃに対応する領域）において厚みの厚い厚肉部７１を有することで、両端部領域の厚肉部７１で抵抗値が小さくなるため、局所的な発熱が生じにくくなり、外部電極板６が剥がれにくくなる。また、亀裂によるスパークもより抑制することができる。
ここで、積層体４の積層方向の一方端部４ａとは、積層体４を積層方向に３等分したときの一端側（図１においては下端側）の領域に含まれ、不活性部４ｅと活性部４ｄとにまたがる部位であって、不活性部４ｅから活性部４ｄの端部までを含む部位のことを意味する。また、積層体４の積層方向の中央部４ｂとは、積層体４を積層方向に３等分したときの中央部であって、活性部４ｄの領域内の中央部を意味する。また、積層体４の積層方向の他方端部４ｃとは、積層体４を積層方向に３等分したときの他端側（図１においては上端側）の領域に含まれ、不活性部４ｅと活性部４ｄとにまたがる部位であって、不活性部４ｅから活性部４ｄの端部までを含む部位のことを意味する。
また、図３に示すように、積層体４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４ｄと活性部４ｄの積層方向両端に位置して圧電体層２が積層されてなる不活性部４ｅとを有し、厚肉部７１が不活性部４ｅに対応する領域に設けられているのが好ましい。不活性部４ｂは内部電極層３が無く、熱引きが悪いので、外部電極板６が剥がれやすいが、厚肉部７１が不活性部に対応する領域に設けられていることで、活性部４ｄの積層方向両端に位置する不活性部４ｅに対応する外部電極板６および導電性接合材５の熱引きがよくなるので、外部電極板６をさらに剥がれにくくすることができる。また、亀裂によるスパークもさらに抑制することができる。
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を備えた積層体４を作製する。
なお、積層体４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４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。
その後、銀を主成分とする導電性粒子とガラスとを混合したものに、バインダー，可塑剤および溶剤を加えて作製した銀ガラス含有導電性ペーストを、導体層８のパターンで積層体４の側面にスクリーン印刷法等によって印刷後、乾燥させた後、６５０〜７５０℃の温度で焼き付け処理を行ない、導体層８を形成する。
次に、導電性接合材５を介して外部電極板６を導体層８の表面に接続し固定する。
導電性接合材５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導電性接着剤のペーストを用い、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６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に形成する。外部電極板６としては、積層体４の伸縮により生じる応力を緩和する効果の高い形状として、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を使用する。
ここで、外部電極板６の表面には金属被覆層７が設けられるが、この金属被覆層７は、例えば外部電極板６の全体を電解めっきにてめっき処理した後、厚肉部７１を形成する部位以外の部位にはめっきがかからないようにカバーを施した後、再度電解処理を行うことにより、厚肉部７１を有する形状に形成することができる。また、厚肉部７１はフラッシュめっき等にて作製しても構わない。
その後、一対の導体層８にそれぞれ接続した外部電極板６に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体４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６を介して導体層８と外部の電源とを接続して、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、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例について説明する。図４は、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例を示す概略断面図である。
図４に示すように、本例の圧電アクチュエータ１１は、積層型圧電素子１をケース１３に収容してなるものである。
具体的には、ケース１３は、上端が塞がれ下端が開口したケース本体１５と、ケース本体１５の開口を塞ぐようにケース本体１５に取り付けられた蓋部材１７とで構成され、積層型圧電素子１の両端面をケース１３の上端内壁および下端内壁にそれぞれ当接させるようにして積層型圧電素子１がケース１３の内部に例えば不活性ガスとともに封入され収容されている。
ケース本体１５および蓋部材１７は、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの金属材料で形成されたものである。ケース本体１５は、上端が塞がれ下端が開口した筒状体であり、積層体７の積層方向に伸縮可能に例えばベローズ（蛇腹）形状となっている。また、蓋部材１７は、ケース本体１５の開口を塞ぐように例えば板状に形成されている。蓋部材１７には外部リード部材９を挿通可能な貫通孔が２つ形成されており、外部リード部材９を貫通孔に挿通させて外部電極６と外部とを電気的に導通させている。そして、貫通孔の隙間には軟質ガラス等を充填していて、この外部リード部材９を固定するとともに、外気の侵入を防いでいる。
本例の圧電アクチュエータ１１によれば、長期間安定して駆動することができる。
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の場合には例えば１０００〜２０００気圧（約１０１ＭＰａ〜約２０３ＭＰａ）、好ましくは例えば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４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備えた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（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をそれぞれ１５枚ずつ積層した。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端面が５ｍｍ角の積層体を得た。
次に、積層体の側面の導体層の形成部に、銀とガラスにバインダーを混合した導電性ペーストをスクリーン印刷法により印刷し、７００℃で焼き付け処理を行なって、導体層を形成した。
次に、導体層の表面に、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着剤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と平行に接続し固定した。
ここで、試料１には、金属被覆層が積層体の積層方向の一方端部に対応する領域で積層体の中央部に対応する領域よりも厚みの厚い厚肉部を有している外部電極板を用いた。
また、試料２として、金属被覆層が積層体の積層方向の他方端部に対応する領域でも積層体の中央部に対応する領域よりも厚みの厚い厚肉部を有している（積層体の積層方向の両方の端部に対応する領域で積層体の中央部に対応する領域よりも厚みの厚い厚肉部を有している）外部電極板を用いた。
また、試料３として、積層体の積層方向の両方の端部に対応する領域であって、厚肉部が不活性部に対応する領域に設けられている外部電極板を用いた。
また、比較例として、金属被覆層の厚みが両端部と中央部でほぼ同等の厚み（一様）である外部電極板を用いた。
そして、ＳＵＳからなる４ｍｍ角の固定部材を素子の端面の中央にくるように極微量の接着剤で固定した。
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、比較例の積層型圧電素子は、１×１０４回の連続駆動で、積層体にクラックが発生し駆動が停止した。
これに対し、試料１の積層型圧電素子は、連続駆動１×１０７回でも停止しなかったが、積層体の駆動量は小さくなっていた。また、試料２の積層型圧電素子は、連続駆動１×１０７回でも亀裂が入ることなく駆動しており、また、駆動量の変化も確認されなかった。
さらに、試料３の積層型圧電素子では、連続駆動１×１０９回でも亀裂が入ることなく駆動しており、また、駆動量の変化も確認されなかった。
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・・・積層体
４ａ・・・一方端部
４ｂ・・・中央部
４ｃ・・・他方端部
４ｄ・・・活性部
４ｅ・・・不活性部
５・・・導電性接合材
６・・・外部電極板
７・・・金属被覆層
７１・・・厚肉部
８・・・導体層
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・・・積層体
４ａ・・・一方端部
４ｂ・・・中央部
４ｃ・・・他方端部
４ｄ・・・活性部
４ｅ・・・不活性部
５・・・導電性接合材
６・・・外部電極板
７・・・金属被覆層
７１・・・厚肉部
８・・・導体層
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 (8)
- 圧電体層と内部電極層とが積層されてなる積層体と、該積層体の側面に導電性接合材を介して取り付けられた外部電極板とを含み、該外部電極板の表面には金属被覆層が設けられており、該金属被覆層が前記積層体の積層方向の一方端部に対応する領域に前記積層体の中央部に対応する領域よりも厚みの厚い厚肉部を有していることを特徴とする積層型圧電素子。
- 前記金属被覆層が前記積層体の積層方向の他方端部に対応する領域にも前記積層体の中央部に対応する領域よりも厚みの厚い厚肉部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。
- 前記積層体は前記圧電体層と前記内部電極層とが積層されてなる活性部と該活性部の積層方向両端に位置して前記圧電体層が積層されてなる不活性部とを有し、前記厚肉部が前記不活性部に対応する領域に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の積層型圧電素子。
- 前記金属被覆層は銀を主成分とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 前記金属被覆層はめっき膜からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を内部に収容するケースとを備えていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 噴射孔を有する容器と、請求項１乃至請求項５のうち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７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ることを特徴とする燃料噴射システム。
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