JP6259092B2 - 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９に示すように、圧電体層９１と内部電極層９２が積層されてなる活性部９３および活性部９３の積層方向両端部に配置され内部電極層９２を含まない圧電体層９１からなる不活性部９４を含む積層体９０と、積層体９０の側面に活性部９３から不活性部９４にかけて設けられた導体層９５と導電性接着剤からなる導電性接合材層９６と、導電性接合材層９６を介して積層体９０の側面に取り付けられた外部電極９７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、不活性部９４と活性部９３の間の内部電極層９２からクラックが入り、導体層９５を貫通して、導電性接着剤からなる導電性接合材層９６にクラックが進展することで、外部電極９７の外部回路と接続される側の端部がはがれる場合がある。この場合に、スパークが生じ、駆動が不安定に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、長期間安定して駆動す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、該積層体の側面に設けられた導体層と、該導体層の表面上に設けられた導電性接合材層と、該導電性接合材層を介して前記導体層に接合された外部電極とを備え、前記導電性接合材層ははんだと導電性接着剤とを含み、前記外部電極の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層の端部がはんだであるとともに、当該導電性接合材層の端部以外の部位が導電性接着剤であ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。
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。
本発明の積層型圧電素子によれば、長期間安定して駆動させることができる。
また、上記の積層型圧電素子を備えた噴射装置および燃料噴射システムによれば、積層型圧電素子が長期信頼性に優れたものとなることから、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説明する。
図１は本発明の積層型圧電素子の実施形態の一例を示す概略縦断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す積層型圧電素子の右側面図である。
図１に示す積層型圧電素子１は、圧電体層１１および内部電極層１２が積層された積層体１０と、積層体１０の側面に設けられた導体層１５と、導体層１５の表面上に設けられた導電性接合材層２と、導電性接合材層２を介して導体層１５に接合された外部電極３とを備え、導電性接合材層２ははんだ２１と導電性接着剤２２とを含み、外部電極３の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層２の端部がはんだ２１であり、導電性接合材層２の端部以外の部位が導電性接着剤２２である。
積層型圧電素子１を構成する積層体１０は、圧電体層１１および内部電極層１２が複数積層されてなる活性部１３と、活性部１３の外側に位置する積層体１の積層方向両端部に設けられた圧電体層１１からなる不活性部１４とを有している。この積層体１０は、例えば縦１．５〜１０ｍｍ、横１．５〜１０ｍｍ、高さ１．５〜１００ｍｍの直方体状に形成されている。
積層体１０を構成する圧電体層１１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１１の厚みは、例えば３〜２５０μｍとされる。
積層体１０を構成する内部電極層１２は圧電体層１１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、活性部１３において内部電極層１２と圧電体層１１とが交互に積層され、積層順に正極および負極が交互に配置されることにより、内部電極層１２の間に挟まれた圧電体層１１に駆動電圧を印加するものである。内部電極層１２の形成材料として、例えば低温焼成に適した銀−パラジウム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１０の対向する一対の側面に互い違いに導出されて、積層体１０の側面に設けられた一対の導体層１５と電気的に接続されている。この内部電極層１２の厚みは、例えば０．１〜５μｍとされる。
また、積層体１０の側面には導体層１５が設けられている。図１に示す例では、積層体１０の対向する一対の側面に、導体層１５がそれぞれ活性部１３から不活性部１４にかけて設けられて内部電極層１２と電気的に接続されている。導体層１５は、例えば銀ペーストを焼き付けてなるものであり、積層体１０との接合を強固にするため、銀ペーストに積層体１０を構成する粉末をフィラーとして添加してもよい。なお、導体層１５の厚みは例えば１０〜５０μｍ、幅は例えば０．６〜８．０ｍｍとされる。
積層体１０の側面に設けられた導体層１５は、表面に導電性接合材層２が設けられ、さらに導電性接合材層２を介して外部電極３が接合されている。
導電性接合材層２は、積層体１０の側面にある導体層１５と外部電極３とを電気的に接続している。図１に示す例では、活性部１３から不活性部１４にかけて設けられている。なお、導電性接合材層２の具体的な構成については後述する。
外部電極３は、積層体１０の対向する一対の側面にそれぞれ設けられて、導電性接合材層２を介して導体層１５と電気的に接続され、内部電極層１２と電気的に接続されている。この一対の外部電極３は、例えば銅、鉄、ステンレス、リン青銅等の金属板からなる。外部電極３の幅は、例えば０．５〜６ｍｍとされる。また、外部電極３の厚みは、導体層１５や導電性接合材層２よりも厚く、例えば０．１〜０．３ｍｍとされる。なお、外部電極３としては、板状の金属板のみならず、積層体１０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の金属板、網目状に加工された金属板、断面波形の金属板などを採用することもできる。
そして、導電性接合材層２ははんだ２１と導電性接着剤２２とを含み、外部電極３の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層２の端部がはんだ２１である。ここで、はんだ２１としては、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系に代表されるＰｂフリーはんだが用いられる。
また、導電性接合材層２を構成する導電性接着剤２２は、外部電極３の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層２の端部を除く部位に設けられている。この導電性接着剤２２としては、導電粒子（例えばＡｇ粒子やＣｕ粒子など導電性の良好な金属粒子）を含んだエポキシ樹脂やポリイミド樹脂からなるものが挙げられる。外部電極３の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層２の端部を除く部位に導電性接着剤２２が設けられていることで、積層体１０の駆動時の伸縮に追従し、伸縮の妨げを抑えることができる。
後述するように、外部電極３の一方の端部にはリード４が接合されて外部回路と接続される。このリード４を介して、入出力の電力が外部電極３に供給される。すなわち、外部電極３の外部回路と接続される側の端部とは、リード４が接合される一方の端部のことを意味している。また、外部電極３の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層２の端部とは、導電性接合材層２の長手方向の両端部のうち、外部電極３が外部回路と接続される側のほうに位置する端部のことを意味している。
積層型圧電素子１の駆動中においては、活性部１３と不活性部１４との境界に応力が集中して、この部位にある内部電極層１２からクラックが生じやすい。そして、このクラックが導体層１５を貫通して進展してきたとき、導電性接合材層２の端部まで導電性接着剤２２がある場合は、導電性接着剤２２を構成する導電粒子と樹脂との境界などに沿って導電性接合材層２の端部をクラックが進展しやすい。
これに対して、導電性接合材層２がはんだ２１と導電性接着剤２２とを含み、外部電極３の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層２の端部がはんだ２１であることで、駆動中に活性部１３と不活性部１４との境界にある内部電極層１２から発生したクラックが導体層１５を貫通して導電性接着剤２２まで進展しても、当該クラックがはんだ２１に到達したところで進展が抑制される。したがって、外部電極３の外部回路と接続される側の端部がはがれずにスパークの発生を抑制することができ、長期間安定して駆動することが可能となる。
なお、導電性接合材層２の厚みは例えば２〜３０μｍ、導電性接合材層２の幅は例えば０．４〜７ｍｍで、外部電極３の幅の４０〜１１０％とされる。
また、はんだ２１の長さ（積層体１０の積層方向に沿った長さ）は、例えば０．５〜２．５ｍｍで、不活性部１４の領域内に対応する部位にのみにはんだ２１が設けられていてもよいが、後述するように活性部１３と不活性部１４との境界まではんだ２１が設けられていてもよく、さらには活性部１３まで延出されていてもよい。また、図に示すように、はんだ２１は導体層１５のある領域に沿って幅方向に濡れ広がってよい。
図２に示すように、導電性接合材層２におけるはんだ２１と導電性接着剤２２との境界が活性部１３と不活性部１４との境界に対応する位置にあってもよい。前述のように、積層型圧電素子１の駆動中においては、活性部１３と不活性部１４との境界に応力が集中して、この部位にある内部電極層１２からクラックが生じやすい。ここで、導電性接合材層２におけるはんだ２１と導電性接着剤２２との境界が活性部１３と不活性部１４との境界に対応する位置にあると、この境界で分断が起きやすくなり、分断されることで駆動中の応力が緩和されることとなる。したがって、応力が緩和されることによってクラックの進展が抑制され、より信頼性が良くなる。
ここで、導電性接合材層２におけるはんだ２１と導電性接着剤２２との境界が活性部１３と不活性部１４との境界に対応する位置にあるとは、積層体１０の活性部１３と不活性部１４との境界および導電性接合材層２を含むように積層型圧電素子１を積層方向に沿って切断した断面を見たときに、活性部１３および不活性部１４の境界にある内部電極層１２と、はんだ２１および導電性接着剤２２の境界の少なくとも一部とが重なっていることを意味する。言い換えると、はんだ２１と導電性接着剤２２との境界の少なくとも一部が、活性部１３と不活性部１４との境界にある内部電極層１２の延長上に位置していることを意味する。
なお、はんだ２１と導電性接着剤２２との境界が内部電極層１２に平行で積層方向に垂直である場合のみならず、当該境界が上述の断面で見て傾斜している場合や湾曲している場合も含まれる。
また、図３に示すように、はんだ２１と導電性接着剤２２との境界を積層方向に沿った断面（外部電極１に垂直な断面）で見たときに、導体層１５に面する側を下側と仮定すると、導体層１５に面する側で導電性接着剤２２が活性部１３から不活性部１４に渡って設けられており、はんだ２１の下に入り込むように境界が傾斜ないし湾曲している形状になっていてもよい。この形状によれば、導体層１５に面する側で導電性接着剤２２の占める面積が大きくなることから、積層体１０の伸縮をより妨げずに、クラックがはんだ２１に到達したところでその進展を抑制することができる。したがって、外部電極３の外部回路と接続される側の端部をはがれにくくすることができる。
このとき、はんだ２１と導電性接着剤２２との境界は、活性部１３と不活性部１４との境界に位置する内部電極層１２から活性部１３側および不活性部１４側にそれぞれ圧電体層１１の厚み３層分までの範囲内にあるのがよい。
なお、活性部１３と不活性部１４との境界に対応する部位にはんだ２１と導電性接着剤２２とがある構成の他、はんだ２１のみがある構成であってもよい。言い換えると、積層体１０は活性部１３と不活性部１４とを有し、導電性接合材層２におけるはんだ２１と導電性接着剤２２との境界が活性部１３と不活性部１４との境界よりも活性部１３の側にあってもよい。この場合は、駆動中に活性部１３と不活性部１４との境界にある内部電極層１２から発生したクラックが導体層１５を貫通しても、当該クラックがはんだ２１に到達したところで進展が抑制される。
また、図４に示すように、導電性接合材層２におけるはんだ２１と導電性接着剤２２との境界にボイド２３があることが望ましい。ボイド２３があることにより、はんだ２１と導電性接着剤２２との境界の分断がさらに起きやすくなるため、駆動中の応力がさらに緩和されることによってさらにクラックの進展が抑制され、外部電極３の外部回路と接続される側の端部がさらにはがれにくくなり、さらに信頼性が良くなる。なお、はんだ２１と導電性接着剤２２との境界にボイド２３があるとは、導電性接着剤２２とはんだ２１との境界に面する導電性接着剤２２にボイド２３を有する構成も含まれる。導電性接合材層２の横断面でみて、ボイド２３の直径は例えば０．３〜１５μｍで、導電性接合材層２（導電性接着剤２２）を境界にそって切断したときの厚みに対するボイド２３の占める距離は例えば２０％〜７０％である。
また、図５に示すように、はんだ２１は積層体１０の側面と外部電極３との間（外部電極３よりも内側）のみならず、外部電極３の外側にまわりこんで設けられてもよい。外部電極３の外側がはんだ２１と接合されることにより、外部電極３の外部回路と接続される側の端部のはがれをより抑制できる。この場合も、図に示すように、はんだ２１は導体層１５のある領域に濡れ広がってよい。
また、図６に示すように、外部電極３の外部回路と接続される側の端部にリード４がはんだ２１で接合されていることが望ましい。導電性接合材層２の端部にはんだ２１を設けることと、リード４を外部電極３へ接合することを同時に行うことができ、製造工程の簡素化とコスト低減に寄与することができる。また、電流が流れた時、はんだ２１が発熱するが、金属化合物であるはんだ２１の熱膨張が樹脂を含む導電性接着剤２２の熱膨張より大きいため、導電性接着剤２２とはんだ２１とが分断されやすくなる。分断されることで活性部１３と不活性部１４の境界の応力が緩和され、外部電極３の外部回路と接続される側の端部がさらにはがれにくくなり、より信頼性が良くなる。
また、図示しないが、はんだ２１からなる導電性接合材層２の端部に対応する導体層１５の端部には、はんだ２１との反応層があるのが望ましい。導体層１５の端部にはんだ２１との反応層がある、すなわち、はんだ２１と導体層１５の金属同士が溶けて強固に接合していることで、外部電極３の外部回路と接続される側の端部がよりはがれにくくなる。特に、はんだ２１が外部電極３の外側にまわりこんで設けられている場合には、外部電極３の外部回路と接続される側の端部のはがれをさらに抑制できる。
なお、反応層があることは、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）によるマッピングなどで確認することができる。
また、上述した実施形態では、導電性接合材層２におけるはんだ２１と導電性接着剤２２とが接している、あるいは部分的に接している例を基に説明したが、導電性接合材層２におけるはんだ２１と導電性接着剤２２との境界に隙間があって、はんだ２１と導電性接着剤２２とが離間していてもよく（不図示）、この場合でも外部電極３の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層２の端部がはんだであればよく、さらには、導電性接合材層２におけるはんだ２１と導電性接着剤２２との境界が活性部１３と不活性部１４との境界に対応する位置にある、あるいは導電性接合材層２におけるはんだ２１と導電性接着剤２２との境界が活性部１３に対応する位置にあってもよい。
次に、本実施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１１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１２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１２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１１および内部電極層１２を備えた活性部１３を作製する。不活性部１４は内部電極層１２となる導電性ペーストを塗布していないセラミックグリーンシートを積層することで作製する。活性部１３と不活性部１４とを組み合わせることで積層体１０を製造する。
なお、積層体１０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１１と内部電極層１２とを複数積層してなる積層体１０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、導体層１５を積層体１０の側面に設ける。導体層１５は、例えばＡｇ粉末にガラスやチタン酸ジルコン酸鉛の粉末を混ぜたペーストを、スクリーン印刷を用いて塗布する。塗布した積層体１０を５５０〜６５０℃の温度で積層体１０に焼き付ける。
次に、導電性接合材層２を介して外部電極３を積層体１０の側面の導体層１５に接合し、固定する。
ここで、導電性接合材層２を構成する導電性接着剤２２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、５〜７０μｍの厚さに形成する。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。
なお、導電性接合材層２を構成する導電性接着剤２２とはんだ２１との境界を、積層体１０の活性部１３と不活性部１４との境界および導電性接合材層２を含むように積層方向に沿って切断した断面で見て傾斜ないし湾曲した形状とするには、導電性接着剤２２を所望の端部形状に形成した後、隙間にはんだ２１を充填するようにすればよい。
また、導電性接合材層２を構成する導電性接着剤２２とはんだ２１との境界（導電性接着剤２２とはんだ２１との境界に面する導電性接着剤２２）にボイド２３を設ける方法として以下の方法が挙げられる。例えば、導電性接着剤２２をスクリーン印刷する場合、導電性接着剤２２とはんだ２１との境界の近傍に対応するスクリーン印刷の製版に所定の穴のあいたパターンを設けて印刷する方法が挙げられる。また、ディスペンス方式の場合において、導電性接合材層２を構成する導電性接着剤２２とはんだ２１との境界にボイド２３を設けるためには、ニードル径を塗布したい幅に適合するものを使い、ボイドを設ける場所には塗布せず、塗布したいところのみにディスペンスする方法が挙げられる。また、使用する導電性接着剤を攪拌し接着剤内に気泡を作っておき、それを真空脱泡する際の時間を調整して接着剤内に残る気泡を制御したうえで、そのままディスペンスすれば気泡込みの状態で塗布する方法も挙げられる。
導電性接合材層２を構成するはんだ２１は、すず、銀、銅からなるものが好ましい。ワイヤー形状、リボン形状、ペースト等、一般的にあるはんだを、はんだごてで２００〜２３０℃ではんだ付けする方法が挙げられる。このとき、外部電極３の側面にはんだを配置して加熱することで、導体層１５と外部電極３との隙間にはんだ２１が濡れ広がるようにして入り込み、導電性接合材層２の端部に位置してはんだ２１が設けられる。なお、外部電極３の外側もはんだ付けすることで、はんだ２１を外部電極３の外側にまわりこませて設けることもできる。さらに、後述するようにリード４を接合することもできる。
外部電極３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０．１〜０．３ｍｍに形成されたものである。ここで、外部電極３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３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い。
リード４は外部との導通をとるためのもので、銅線などが好ましく、はんだ付けするために、銀メッキしてあることが望ましい。外部電極３との接合部を除いた部位を被覆する場合はＰＴＦＥなど一般的なもので被覆すればよい。
その後、外部電極３に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体１０を構成する圧電体層１１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３、リード４を介して外部の電源と接続して、圧電体層１１に電圧を印加することにより、各圧電体層１１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７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７に示すように、本例の噴射装置１９は、一端に噴射孔２１を有する収納容器（容器）２３の内部に上記の例の積層型圧電素子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（図示せず）に、噴射孔２１から吐出されるように構成されている。
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、本例の噴射装置１９は、噴射孔２１を有する容器２３と、上記の例の積層型圧電素子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、本例の噴射装置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。本例の噴射装置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。
上記の例の積層型圧電素子１を採用した本例の噴射装置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８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８に示すように、本例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上記の例の噴射装置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本例の燃料噴射システム３５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。
本例の燃料噴射システム３５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。
本発明の実施例について説明する。
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粉末とガラス成分を含んだペーストをスクリーン印刷で塗布して、５８０〜６３０℃で焼き付けし、導電体層を幅４．０ｍｍ、厚み３０μｍで形成した。
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スにて塗布し、外部電極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に示すように、リン青銅からなる幅４．０ｍｍ、厚み０．１ｍｍの外部電極を用いて積層型圧電素子を作製した。活性部の側面と外部電極との間には導電性接合材層を形成するように、銀ポリイミドからなる導電性接着剤が塗布されており、当該導電性接着剤は幅３．５ｍｍ、厚み０．０３ｍｍとした。また、外部電極の端部までは導電性接着剤を塗布しておらず、端部には、すず、銀、銅からなるはんだを用いて、外部電極と導体層とが接合するようにはんだごてにてはんだ付けをした。当該はんだは不活性部の領域内に配置し、その積層方向に沿った長さは２．０ｍｍ、幅は４．０ｍｍとした。
また、試料２として、図２に示すように、導電性接着剤とはんだとの境界が積層体の活性部と不活性部の境界と一致するよう作製した。
また、試料３として、図４に示すように、導電性接着剤とはんだとの境界にボイドを配置した。活性部と不活性部の境界に気泡がはいっている導電性接着剤をディスペンサにて塗布することで作製した。なお、この境界を断面で見てボイドの直径は３μｍ〜１０μｍ、境界に沿った断面に占めるボイドの割合は４０〜６０％程度とした。
また、試料４として、図６に示すように、外部電極の端部のはんだ部にリードを接合したものを作製した。
また、比較例として、図９に示す積層型圧電素子（試料５）も作製した。ここで、外部電極は厚み０．１ｍｍ、幅４．０ｍｍであるものを用い、導電性接着剤の厚みは０．２ｍｍ、幅は４ｍｍとなるように設けた。
これらの積層型圧電素子に、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。
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５の積層型圧電素子は、１×１０４回の連続駆動で外部電極の端部の剥がれが発生し、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、試料４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の端部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
１０・・・積層体
１１・・・圧電体層
１２・・・内部電極層
１３・・・活性部
１４・・・不活性部
１５・・・導体層
２・・・導電性接合材層
２１・・・はんだ
２２・・・導電性接着剤
２３・・・ボイド
３・・・外部電極
４・・・リード
１０・・・積層体
１１・・・圧電体層
１２・・・内部電極層
１３・・・活性部
１４・・・不活性部
１５・・・導体層
２・・・導電性接合材層
２１・・・はんだ
２２・・・導電性接着剤
２３・・・ボイド
３・・・外部電極
４・・・リード
Claims (10)
- 圧電体層および内部電極層が積層された積層体と、該積層体の側面に設けられた導体層と、該導体層の表面上に設けられた導電性接合材層と、該導電性接合材層を介して前記導体層に接合された外部電極とを備え、
前記導電性接合材層ははんだと導電性接着剤とを含み、前記外部電極の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層の端部がはんだであるとともに、当該導電性接合材層の端部以外の部位が導電性接着剤であることを特徴とする積層型圧電素子。 - 前記はんだが前記外部電極の外側に回り込んで設けら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。
- 前記積層体は活性部と不活性部とを有し、前記導電性接合材層における前記はんだと前記導電性接着剤との境界が前記活性部と前記不活性部との境界に対応する位置にあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層型圧電素子。
- 前記積層型圧電素子を積層方向に沿って切断した断面で見たときに、前記導電性接着剤が前記導体層に面する側で前記活性部から前記不活性部に渡って設けられており、前記導電性接着剤と前記はんだとの境界が傾斜ないし湾曲していることを特徴とする請求項３に記載の積層型圧電素子。
- 前記導電性接合材層における前記はんだと前記導電性接着剤との境界にはボイドがあることを特徴とする請求項２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。
- 前記積層体は活性部と不活性部とを有し、前記導電性接合材層における前記はんだと前記導電性接着剤との境界が前記活性部と前記不活性部との境界よりも前記活性部の側にあることを特徴とする請求項２に記載の積層型圧電素子。
- 前記はんだからなる前記導電性接合材層の端部に対応する前記外部電極の外部回路と接続される側の端部にリードがはんだで接合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 前記はんだからなる前記導電性接合材層の端部に対応する前記導体層の端部には、前記はんだとの反応層があることを特徴とする請求項１乃至請求項７のうち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。
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