JP6017937B2

JP6017937B2 - 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: JP6017937B2
Application number: JP2012259920A
Authority: JP
Inventors: 幸範福永
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: JP2014107438A

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（ａ）に示すように、圧電体層８１および内部電極層８２が積層された積層体８３と、積層体８３と接合されかつ内部電極層８２と電気的に接続された接合領域８４１と、一部が積層体８３と接合されていない非接合領域８４２を有する外部電極板８４を含む構成のものが知られている。ここで、外部電極板８４の非接合領域８４２の形状として、断面がストレートな形状になっているものが知られている（例えば特許文献１を参照）。

特開２００２−２０２０２４号公報

積層型圧電素子は、図７（ａ）に示すように積層体８３が伸びる時に積層体８３側面の中央付近が凹んだ形状になり、積層体８３が元に戻る時に積層体８３側面がフラットになる。それに伴い、外部電極板８４の非接合領域８４２は、積層体８３の積層方向に対して垂直な方向に揺さぶられる。これにより、外部電極板８４と積層体８３との接合端に応力が加わる。そこで、図７（ｂ）に示すように、外部電極板８４の非接合領域８４２に複数の曲がり部８４０を設けることで、外部電極板８４と積層体８３との接合端に加わる応力を低減させることが考えられる。なお、図７（ｂ）に示す構成は、外部電極板８４の非接合領域８４２に同じ形状の複数の曲がり部８４０を有する構成になっている。

一方で、市場要求として積層型圧電素子の駆動パルスの間隔を短くすることが望まれているが、図７（ｂ）に示す構成では、パルス間隔が短いと非接合領域８４２がばねの反動のように共振し、外部電極板と積層体との接合端に繰返し応力が加わる虞がある。その結果、外部電極板８４が剥れ、積層型圧電素子の変位量が低下する虞がある。

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、外部電極の剥れによる変位量低下を抑制し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積層体と、該積層体の側面に接合された接合領域および該接合領域から延出された非接合領域を有する外部電極板とを含み、前記非接合領域には複数の曲がり部が設けられていて、該複数の曲がり部のうちの少なくとも一つの曲がり部が他の曲がり部とは異なる延出方向長さになっており、前記外部電極板が前記積層体を挟んで一対あって、該一対の外部電極板の非接合領域には前記積層体の積層方向の軸に対して対称な位置に前記他の曲がり部とは異なる延出方向長さの曲がり部が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記他の曲がり部よりも延出方向長さの長い曲がり部が前記積層体に最も近い側にあることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、それぞれ異なる延出方向長さの曲がり部が複数あって、積層体に近づくにしたがって配置された曲がり部の延出方向長さが長くなっていることを特徴とする。

また、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積層体と、該積層体の側面に接合された接合領域および該接合領域から延出された非接合領域を有する外部電極板とを含み、前記非接合領域には複数の曲がり部が設けられていて、該複数の曲がり部のうちの少なくとも一つの曲がり部が他の曲がり部とは異なる延出方向長さになっており、前記他の曲がり部よりも延出方向長さの長い曲がり部が前記積層体に最も近い側にあるとともに、それぞれ異なる延出方向長さの曲がり部が複数あって、前記積層体に近づくにしたがって配置された前記曲がり部の延出方向長さが長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、外部電極板の非接合領域に複数の曲がり部が設けられていることで、外部電極板と積層体との接合端に加わる応力を低減させることができる。さらに、個々の曲がり部の長さは共振ピークの周波数に影響することから、他と異なる長さの曲がり部があることで、積層型圧電素子の駆動パルスの間隔が短くても、共振ピークのシャープさがなまり、共振の振幅を小さくすることができ、接合端に繰返し加わる応力を低減させることができる。したがって、外部電極板が剥れず、変位量が低下せず、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、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の剥れ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。

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。本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。本発明の噴射装置の実施の形態の一例を示す概略的な断面図である。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的なブロック図である。（ａ）は従来の積層型圧電素子の縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す積層型圧電素子の動作説明図である。

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実施の形態の一例を示す断面図である。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の側面に接合された接合領域５１および接合領域５１から延出された非接合領域５２を有する外部電極板５とを含み、非接合領域５２には複数の曲がり部５２ａ、５２ｂ、５２ｃが設けられていて、複数の曲がり部５２ａ、５２ｂ、５２ｃのうちの少なくとも一つの曲がり部５２ｃが他の曲がり部５２ａ、５２ｂとは異なる延出方向長さになっている。

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と、活性部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（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）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、積層体４の側面に設けられた一対の導体層６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４の側面には、内部電極層３と電気的に接続された一対の導体層６が設けられている。この一対の導体層６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の側面に接合されて、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。導体層６の厚みは、例えば５〜５００μｍとされる。

導体層６の表面上には、導電性接合材７を介して外部電極板５が取り付けられている。

ここで用いられる導電性接合材７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。この導電性接合材７は、例えば５〜５００μｍの厚さに形成される。

また、外部電極板５は、積層体４の側面に接合された接合領域５１および接合領域５１から積層方向に延出された非接合領域５２を有している。外部電極板５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。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、例えば接合領域５１に幅方向にスリットの入った形状や、接合領域５１が網目状に加工された形状になっていてもよい。

なお、本発明においては、図２に示すように、導体層６が設けられずに、内部電極層３が直接導電性接合材７を介して外部電極板５と電気的に接続された構成であってもよい。

そして、外部電極板５の非接合領域５２には複数の曲がり部５２ａ、５２ｂ、５２ｃが
設けられていて、複数の曲がり部５２ａ、５２ｂ、５２ｃのうちの少なくとも一つの曲がり部が他の曲がり部とは異なる延出方向長さになっている。図１では、曲がり部５２ｃが他の曲がり部５２ａ、５２ｂよりも長くなっている。例えば、曲がり部５２ａの延出方向長さＬ１および曲がり部５２ｂの延出方向長さＬ２が０．９〜１．１ｍｍである場合に、曲がり部５２ｃの延出方向長さＬ３とＬ１およびＬ２との差が１００μｍ〜１ｍｍであるのが効果的である。なお、他の曲がり部とは異なる延出方向長さとしては、長くなっていても短くなっていてもよいが、長くなっているほうが外部電極板５の非対称性から起こるひねりを吸収する為、接合端に応力が加わらない点で好ましい。

この構成によれば、外部電極板５の非接合領域５２に複数の曲がり部５２ａ、５２ｂ、５２ｃが設けられていることで、外部電極板５と積層体４との接合端５０に加わる応力を低減させることができる。

さらに、個々の曲がり部５２ａ、５２ｂ、５２ｃの長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３は共振ピークの周波数に影響することから、他と異なる長さの曲がり部（曲がり部５２ｃ）があることで、積層型圧電素子１の駆動パルスの間隔が短くても、共振ピークのシャープさがなまり、共振の振幅を小さくすることができ、接合端５０に繰返し加わる応力を低減させることができる。したがって、外部電極板５が剥れず、変位量が低下せず、長期間の耐久性に優れた積層型圧電素子１が得られる。

なお、本発明においては、図１に示す形態のように曲がり部が３つある構成に限らず、曲がり部が４つ以上ある構成であってもよい。また、図１に示す形態のように曲がり部が外部電極板５の接合領域５１と同一な平面上より外側に向かって突出するように折り曲げられた外側凸形状のもののみからなる構成だけでなく、外部電極板５の接合領域５１と同一な平面上より内側に向かって突出するように折り曲げられた内側凸形状のもののみからなる構成や、外側凸形状と内側凸形状との組合せからなる構成であってもよい。

ここで、図３に示すように、他の曲がり部よりも延出方向長さの長い曲がり部が積層体４に最も近い側にあることが好ましい。なお、図３では曲がり部５２ａの延出方向長さＬ１が他の曲がり部５２ｂ、曲がり部５２ｃの延出方向長さＬ２、Ｌ３よりも長くなっている。

積層体４に最も近い側にある曲がり部５２ａの延出方向長さＬ１が曲がり部５２ｂの延出方向長さＬ２や曲がり部５２ｃの延出方向長さＬ３よりも長いことで、外部電極板５の接合端５０に近い領域の曲げに対する剛性は低くなる。また、共振に含まれるひねりも吸収する為、外部電極板５の接合領域５１でひねりによる応力が低減される。したがって、接合端５０に繰返し加わる応力をより低減させることができる。

また、図４に示すように、それぞれ異なる延出方向の長さの曲がり部が複数あって、積層体４に近づくにしたがって配置された曲がり部の延出方向長さが長くなっているのが好ましい。なお、図４では曲がり部５２ｃの延出方向長さＬ３よりも曲がり部５２ｂの延出方向長さＬ２のほうが長く、曲がり部５２ｂの延出方向長さＬ２よりも曲がり部５２ａの延出方向長さＬ１のほうが長くなっている。これにより、曲がり部の中で局所的に極端に共振の振幅が変化する箇所がなくなり、局所的に応力が加わる曲がり部がなくなることで、曲がり部が変形しにくく、曲がり部の変形による外部電極板５と接合端５０のせん断応力が小さくなり、外部電極板６が剥れず、積層型圧電素子１の変位量が下がらない。この場合の隣り合う曲がり部の長さの差は、１００μｍ〜５００μｍであるのがよい。

また、図１乃至図４に示すように、外部電極板５が積層体４を挟んで一対あって、一対の外部電極板５の非接合領域５２には積層体４の積層方向の軸に対して対称な位置に他の
曲がり部とは異なる延出方向長さの曲がり部が設けられているのが好ましい。これにより、一対の外部電極板５のそれぞれの非接合領域５２において、共振ピークのシャープさがなまり、共振の振幅を小さくすることができるとともに、一対の外部電極板５間での歪みを抑制し、さらに外部電極板５の剥がれを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（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）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、必要により、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６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６を形成する。

次に、導電性接合材７を介して外部電極板５を導体層６の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、半田などを用い、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５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、曲がり部５２ａ、５２ｂ、５２ｃは外部電極板５の先端部に設けられていて、この曲がり部５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、例えば打ち抜き金型で外部電極板５を打ち抜くと同時に曲がり部５２ａ、曲がり部５２ｂ、曲がり部５２ｃの形状の独立した曲げ金型で形成することができる。

その後、一対の導体層６にそれぞれ接続した外部電極板５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５を介して導体層６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（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）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と平行に接続し固定した。

そして、試料１として、図１に示す断面形状を有する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、外部電極板の厚みは１００μｍ、幅は１．２ｍｍであって、非接合領域における曲がり部の延出方向長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３をそれぞれ１．０ｍｍ、１．０ｍｍ、１．１ｍｍとした。

また、試料２は、図３に示す断面形状を有する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、外部電極板の厚みは１００μｍ、幅は１．２ｍｍであって、非接合領域における曲がり部の延出方向長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３をそれぞれ１．１ｍｍ、１．０ｍｍ、１．０ｍｍとした。

また、試料３は、図４に示す断面形状を有する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、外部電極板の厚みは１００μｍ、幅は１．２ｍｍであって、非接合領域における曲がり部の延出方向長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３をそれぞれ１．１ｍｍ、１．０ｍｍ、０．９５ｍｍとした。

また、比較例として、図７（ｂ）に示す断面を有する外部電極を用いた積層型圧電素子（試料４）も作製した。具体的には、外部電極板の厚みは１００μｍ、幅は１．２ｍｍであって、非接合領域における曲がり部の延出方向長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３をそれぞれ１．０ｍｍ、１．０ｍｍ、１．０ｍｍとした。

これらの積層型圧電素子について、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。

その後、各試料を同時に駆動させ、外部電極の非接合領域の振動が起きる周波数で、振動の様子を比較確認した。

その結果は、室温で０Ｖ〜＋１６０Ｖの交流電圧で周波数を徐々に上げていくと、ある周波数で試料４は外部電極板の非接合領域が撓み振動し始め、試料１〜３はそれぞれ異なる周波数で外部電極板の非接合領域が撓み振動し始めた。試料１〜３の振動の様子は、試料４に対して、歪んでいるものの、撓み振動の振幅は小さかった。

また、試料１〜３の中でも、試料２，３での撓み振動は、外部電極板と積層体との接合端側の振動が試料１での撓み振動と比べ、その振幅が小さかった。さらに、試料３での撓み振動は、試料１，２での撓み振動に比べ、共振の振幅が変化する箇所およびその変化量が小さかった。

振幅の大きさが大きいほど、外部電極板と積層体との接合端に掛かる負荷は大きい為、試料４が長期振動後、外部電極板と積層体との接合部に亀裂が入り、積層型圧電素子の変位量が小さくなることは容易に想定できる。

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
５・・・外部電極板
５１・・・接合領域
５２・・・非接合領域
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ・・・曲がり部
６・・・導体層
７・・・導電性接合材
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

圧電体層と内部電極層とが積層されてなる積層体と、該積層体の側面に接合された接合領域および該接合領域から延出された非接合領域を有する外部電極板とを含み、
前記非接合領域には複数の曲がり部が設けられていて、該複数の曲がり部のうちの少なくとも一つの曲がり部が他の曲がり部とは異なる延出方向長さになっており、
前記外部電極板が前記積層体を挟んで一対あって、該一対の外部電極板の非接合領域には前記積層体の積層方向の軸に対して対称な位置に前記他の曲がり部とは異なる延出方向長さの曲がり部が設けられていることを特徴とする積層型圧電素子。
前記他の曲がり部よりも延出方向長さの長い曲がり部が前記積層体に最も近い側に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。
それぞれ異なる延出方向長さの曲がり部が複数あって、前記積層体に近づくにしたがって配置された前記曲がり部の延出方向長さが長くなっていることを特徴とする請求項２に記載の積層型圧電素子。
圧電体層と内部電極層とが積層されてなる積層体と、該積層体の側面に接合された接合領域および該接合領域から延出された非接合領域を有する外部電極板とを含み、
前記非接合領域には複数の曲がり部が設けられていて、該複数の曲がり部のうちの少なくとも一つの曲がり部が他の曲がり部とは異なる延出方向長さになっており、
前記他の曲がり部よりも延出方向長さの長い曲がり部が前記積層体に最も近い側にあるとともに、
それぞれ異なる延出方向長さの曲がり部が複数あって、前記積層体に近づくにしたがって配置された前記曲がり部の延出方向長さが長くなっていることを特徴とする積層型圧電素子。
噴射孔を有する容器と、請求項１乃至請求項４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５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。