JP6698843B2 - 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

Description

本開示は、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、第１の内部電極層および第２の内部電極層が圧電体層を介して交互に積層された積層体と、積層体の側面に設けられた被覆材を有しているものが知られている。そして、積層型圧電素子として、積層方向から見て第１の内部電極層と第２の内部電極層とが重なる活性領域と、積層方向から見て第１の内部電極層と第２の内部電極層とが重ならない不活性領域とを有しているものが知られている（例えば特許文献１を参照）。

特開平７−７１９３号公報

本開示の積層型圧電素子は、第１の内部電極層および第２の内部電極層が圧電体層を介して交互に積層されてなる積層体を備えている。積層体は、積層方向から見て前記第１の内部電極層と前記第２の内部電極層とが重なる活性領域と、積層方向から見て前記第１の内部電極層と前記第２の内部電極層とが重ならない不活性領域とを有している。また、積層体は、前記第１の内部電極層および前記第２の内部電極層の両方の端面が達する第１の側面を有している。そして、積層型圧電素子は、積層体の少なくとも前記第１の側面を被覆する被覆材を備えていて、積層方向から見て、前記第１の側面を被覆する前記被覆材の厚みが、前記活性領域の中央部よりも前記活性領域と前記不活性領域との境界付近で厚く 、前記被覆材の厚みが前記活性領域と前記不活性領域との境界付近よりも前記第１の側面 の端側で薄くなっている。

また、本開示の噴射装置は、噴射孔を有する容器と、上記の積層型圧電素子とを備え、該積層型圧電素子の駆動によって前記噴射孔が開閉されるものである。

また、本開示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。

積層型圧電素子の一例の斜視図である。 図１に示す積層型圧電素子の分解図である。 図１に示す積層型圧電素子の平面図である。 積層型圧電素子の他の例の平面図である。 積層型圧電素子の他の例の平面図である。 積層型圧電素子の他の例の平面図である。 積層型圧電素子の他の例の平面図である。 積層型圧電素子の他の例の平面図である。 積層型圧電素子の他の例の斜視図である。 図９に示す積層型圧電素子の分解図である。 図９に示す積層型圧電素子の平面図である。 噴射装置の実施形態の一例を示す概略的な断面図である。 燃料噴射システムの実施形態の一例を示す概略的なブロック図である。

従来の積層型圧電素子においては、活性領域と不活性領域との境界は応力が集中することから、この境界に位置する積層体の表面にはクラックが生じやすくなっている。このように、積層体にクラックが生じると、絶縁破壊を起こすおそれがあり、積層型圧電素子の長期信頼性が低下してしまう。

本開示は上記事情に鑑みてなされたもので、積層体の絶縁破壊を抑制し、長期信頼性に優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を目的とする。

以下、本実施形態の積層型圧電素子の一例について図面を参照して説明する。

図１は積層型圧電素子の実施形態の一例を示す斜視図、図２は図１に示す積層型圧電素子の分解図、図３は図１に示す積層型圧電素子の平面図である。

図１乃至図３に示す積層型圧電素子１は、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２が圧電体層１１を介して交互に積層されてなる積層体１０を備えている。積層体１０は、積層方向から見て第１の内部電極層１２１と第２の内部電極層１２２とが重なる活性領域１３と、積層方向から見て第１の内部電極層１２１と第２の内部電極層１２２とが重ならない不活性領域１４とを有している。また、積層体１０は、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の両方の端面が達する第１の側面１５１を有している。そして、積層型圧電素子１は、積層体１０の少なくとも第１の側面１５１を被覆する被覆材１６を備えていて、積層方向から見て、第１の側面１５１を被覆する被覆材１６の厚みが、活性領域１３の中央部よりも活性領域１３と不活性領域１４との境界付近で厚くなっている。

積層型圧電素子１を構成する積層体１０は、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２が圧電体層１１を介して交互に積層されたものである。この積層体１０は、積層方向から見て第１の内部電極層１２１と第２の内部電極層１２２とが重なる活性領域１３と、積層方向から見て第１の内部電極層１２１と第２の内部電極層１２２とが重ならない不活性領域１４とを有している。ここで、活性領域１３は駆動時に積層方向に伸長または収縮する部位である。また、不活性領域１４は駆動時に積層方向に伸長または収縮しないかまたはしにくい部位である。

なお、積層体１０は、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２が圧電体層１１を介して交互に積層された部分と、積層方向両端部に設けられた圧電体層１１のみが積層された部分とを有している。この積層方向両端部に位置する圧電体層１１のみが積層された部分も、駆動時に積層方向に伸長または収縮しない部位である。

この積層体１０は、例えば縦０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、横０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、高さ１ｍｍ〜１００ｍｍの四角柱状（直方体状）にされている。積層体１０としては、六角柱形状や八角柱形状、円柱状などであってもよい。

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からなるものである。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１１の厚みは、例えば３μｍ〜２５０μｍとされる。

積層体１０を構成する第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２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ある。第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２は、圧電体層１１と交互に積層されて圧電体層１１を上下から挟んでいる。例えば正極を第１の内部電極層１２１、負極を第２の内部電極層１２２として積層体１０に交互に配置されることにより、それらの間に挟まれた圧電体層１１に駆動電圧が印加される。この材料として、例えば銀−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。図に示す例では、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２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引き出されて、後述する積層体１０の側面に設けられた一対の外部電極１７と電気的に接続されている。第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の厚みは、例えば０．１μｍ〜５μｍとされる。

ここで、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２のいずれか一方の端面が達する側面（第２の側面１５２）は、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２がそれぞれ互い違いに引き出された積層体１０の対向する一対の側面である。

また、積層体１０の第２の側面１５２（対向する一対の側面）以外の他の対向する一対の側面は第１の側面１５１であり、この第１の側面に第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の両方の端面が達している。

なお、積層体１０には、応力を緩和するための層であって内部電極層として機能しない金属層等が含まれていてもよい。

そして、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２のいずれか一方の端面が達する第２の側面１５２にはそれぞれ外部電極１７が設けられ、引き出された第１の内部電極層１２１または第２の内部電極層１２２と電気的に接続されている。この外部電極１７は、例えば銀や銅などの金属を含んだ導電性ペーストを焼き付けて作製することができる。ここで、外部電極１７を積層体１０の側面に垂直な横断面で見たときに、外部電極１７の厚みは５μｍ〜７０μｍの厚さにされる。図示しないが、外部電極１７の端部にリード部材が接合され、リード部材を介して外部回路との電気的な接続がなされる。

そして、積層型圧電素子１は、積層体１０の少なくとも第１の側面１５１を被覆する被覆材１６を備えている。この被覆材１６の厚みは、積層体１０の積層方向から見て、活性領域１３の中央部よりも活性領域１３と不活性領域１４との境界付近で厚くなっている。

なお、積層体１０の積層方向から見た場合の活性領域１３の中央部は、厳密には積層体１０の内部に位置しているものの、ここでいう積層方向から見た場合の活性領域１３の中央部とは、積層方向から見た場合の第１の側面１５１に面した活性領域１３の中央部、言い換えれば、第１の側面１５１における第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２が達している部分の中央部のことを意味している。図１〜図３に示す例においては、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２は、それぞれ反対側の第２の側面１５２から互い違いに積層体１０の内部へ向かって延びる長さが同じであって、第１の側面１５１で見て左右対称（線対称）になっている。したがって、積層方向から見た場合の活性領域１３の中央部は、第１の側面１５１の中央に位置している。

また、被覆材１６における活性領域１３と不活性領域１４との境界付近とは、被覆材１６が設けられた側面における活性領域１３と不活性領域１４との境界に対向する部位およびその近傍領域のことを意味している。具体的には、積層体１０を平面視したときに、被覆材１６が設けられた側面における活性領域１３と不活性領域１４との境界から当該側面の長さ（幅）の１／１０以内の範囲を、活性領域１３と不活性領域１４との境界付近とする。

被覆材１６は、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ナイロン樹脂などからなり、単層のみならず、複数層で構成されていてもよい。この被覆材１６は、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の両方の端面が達する積層体１０の第１の側面１５１におけるマイグレーションや放電を抑制する効果を奏する。図１〜図３に示す例では、この被覆材１６は、第１の側面１５１のみにおいて第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の端面を覆って露出させないように設けられている。

ここで、活性領域１３と不活性領域１４との境界は応力が集中することから、この境界に位置する積層体１０の表面（第１の側面１５１）にはクラックが生じやすくなっている。これに対し、本例の積層型圧電素子１は、駆動による伸縮によく追従する活性領域１３の中央部では被覆材１６の厚みが薄く、応力が集中する活性領域１３と不活性領域１４との境界付近では被覆材１６の厚みが厚くなっている。これにより、活性領域１３と不活性領域１４の間に生じる歪を小さくでき、応力を低減することができる。したがって、積層体１０にクラックが生じるのを抑制し、絶縁破壊を抑制することができる。したがって、長期信頼性に優れた積層型圧電素子１とすることができる。

なお、被覆材１６の厚みとしては、活性領域１３の中央部に対向する相対的に薄い部位で例えば２０μｍ〜４００μｍに設定され、活性領域１３と不活性領域１４との境界付近に対向する相対的に厚い部位で例えば薄い部位の厚みの１．１〜５．０倍の厚みとされる。

また、図３に示す例では、活性領域１３と不活性領域１４との境界付近に対向する相対的に厚い部位は断面矩形状の積層方向に延びた突起（突条部）になっているが、このような突条部に限定されない。例えば図４に示すように、断面で見て先端に向かって幅が細くなるような断面形状の積層方向に延びた突起（突条部）であってもよい。

ここで、図５に示すように、積層体１０の積層方向から見て、被覆材１６の厚みがなだらかに変化している構成とすることができる。この構成によれば、被覆材１６に応力が集中しやすい箇所がなくなるので、被覆材１６のクラックが抑制され、活性領域１３と不活性領域１４との境界付近の歪や応力を抑制する効果を長期間にわたって維持することができる。

また、図６に示すように、積層体１０の積層方向から見て、被覆材１６の厚みが活性領域１３と不活性領域１４との境界付近よりも第１の側面１５１の端側で薄くなっている構成とすることができる。ここで、図６に示す例では、被覆材１６の厚みが活性領域１３と不活性領域１４との境界付近から端にかけて徐々に薄くなって、最も端においては活性領域１３の中央部よりも薄くなっている。この構成によれば、被覆材１６が第１の側面１５１の端側の部位で積層体１０の伸縮に追従しやすくなっているので、被覆材１６の第１の側面１５１の端からの剥がれが抑制される。したがって、活性領域１３と不活性領域１４との境界付近の歪や応力を抑制する効果を長期間にわたって維持することができる。

また、本例は、積層体１０が四角柱状であって、第１の側面１５１および第２の側面１５２をそれぞれ一対ずつ有している構成、すわなち、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の両方の端面が達している第１の側面１５１を一対有しており、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２のうちのいずれか一方の端面が達している第２の側面１５２を一対有している構成である。このような構成とすることで、第２の側面１５２には活性領域１３と不活性領域１４との境界が存在しないことから、歪や応力を生じる部分を少なくできる。

図１乃至図６に示す例では、被覆材１６は積層体１０における一対の第１の側面１５１に設けられているが、このような一対の第１の側面１５１のみに被覆材１６が設けられる構成に限られず、一対の第２の側面１５２にも被覆材１６が設けられた構成であってもよい。すなわち、積層体１０の側面の全周にわたって被覆材１６が設けられた構成であってもよい。

さらに、図７および図８に示すように、被覆材１６は一対の第１の側面１５１および一対の第２の側面１５２を全て被覆しており、積層方向から見て、一対の第１の側面１５１および一対の第２の側面１５２のそれぞれの被覆材１６の厚み変化が同じ形状で変化している構成とすることができる。ここで、図７に示す例は、図４に示す形状の被覆材１６を一対の第１の側面１５１および一対の第２の側面１５２の全ての側面に設けた例を示している。また、図８に示す例は、図６に示す形状の被覆材１６を一対の第１の側面１５１および一対の第２の側面１５２の全ての側面に設けた例を示している。

これにより、４面における被覆材１６の変位拘束力が均一に近づくことから、長期間にわたって安定した変位で駆動し続けることができる。

以上の説明は、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の両方の端面が達する第１の側面１５１と、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２のいずれか一方の端面が達する第２の側面１５２とを有している積層体１０を備えた積層型圧電素子１の例である。

この例に限らず、例えば、四角柱状の積層体１０の４つの側面の全てが第１の側面１５１である積層型圧電素子１でもよい。すなわち、図９〜図１１に示す例のように、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の両方の端面が、四角柱状の積層体１０の４つの側面全てに達していてもよい。つまり、この例では、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２のいずれか一方の端面が達する第２の側面１５２は備えていない。

この場合の第１の内部電極層１２１の積層方向から見た場合の形状は、圧電体層１１と同じ大きさで同じ四角形の１つの角部を切欠いた（隅切りした）形状である。また、第２の内部電極層１２２の形状は、第１の内部電極層１２１を積層方向から見た中心を対称の中心として１８０度回転させた形状（点対称な形状）である。四角柱状の積層体１０を積層方向から見ると、第１の内部電極層１２１の切欠いた部分と第２の内部電極層１２２の切欠いた部分は、四角形の対角に位置している。このような形状により、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の端面は、四角柱状の積層体１０の４つの側面全てに達しており、４つの側面全てが第１の側面１５１となっている。

また、この例の場合には、各側面（第１の側面１５１）において、活性領域１３と不活性領域１４とがある。この不活性領域１４は、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２のいずれかが切欠かれていることで第１の内部電極層１２１または第２の内部電極層１２２の端面の一部が側面に達していない部分である。そして、この例では、積層方向から見て相対的に幅の広い不活性領域１４があるほうの対向する一対の側面（第１の側面１５１）の当該不活性領域１４に外部電極１７が設けられていて、この不活性領域１３に達している第１の内部電極層１２１の端面または第２の内部電極層１２２の端面と外部電極１７とが電気的に接続されている。なお、積層方向から見た不活性領域１４の幅や外部電極１７の設けられる位置については特に限定はない。

この例の場合も、被覆材１６の厚みが活性領域１３の中央部よりも活性領域１３と不活性領域１４との境界付近で厚くなっている。なお、ここでいう活性領域１３の中央部とは、積層方向から見たときの第１の側面１５１における活性領域１３の中央部（第１の側面１５１に面した活性領域１３の中央部）、言い換えれば、第１の側面１５１における第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２が達している部分の中央部のことを意味している。

また、図９〜図１１に示すように、この例の場合も、積層方向から見て、被覆材１６の厚みがなだらかに変化していてもよいし、積層方向から見て、被覆材１６の厚みが活性領域１３と不活性領域１４との境界付近よりも第１の側面１５１の端側（被覆材１６の端）で薄くなっていてもよい。

次に、本実施形態の積層型圧電素子１の製造方法の一例について説明する。

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（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、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２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第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２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℃の温度で焼成する。そして、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、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２を備えた活性部を作製する。また、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２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不活性部を作製する。そして、活性部と不活性部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、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２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、外部電極１７を形成する。具体的には、銀や銅のような金属を含んだ導電性ペーストを用いる。これを積層体１０の側面における第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２のうちの一方の端面が導出された領域（第２の側面１５２）に焼き付けて、例えば５μｍ〜７０μｍの厚さの外部電極１７を形成する。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。例えば、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用いる。そして、外部電極１７のパターンで積層体１０の側面にスクリーン印刷法によって印刷後、乾燥させた後、６５０〜７５０℃の温度で焼き付け処理を行なう。

次に、被覆材１６を形成する。具体的には、例えばエポキシ、シリコーン、ナイロンなどの樹脂を使用し、少なくとも第１の側面１５１に、印刷やディスペンス方式により、所定の厚みに制御して形成することができる。

ここで、積層型圧電素子１は、積層体１０の少なくとも第１の側面１５１を被覆する被覆材１６を備えていて、積層体１０の積層方向から見て、第１の側面１５１を被覆する被覆材１６の厚みが、活性領域１３の中央部よりも活性領域１３と不活性領域１４との境界付近で厚くなっている構成とするには、ディスペンサーで厚みを厚くしたい部分の塗布量が多くなるように制御しつつ塗布することで作製することができる。また、厚みを厚くしたい部分に重ね塗りすることでも、作製することができる。また、積層方向から見て、被覆材１６の厚みがなだらかに変化している形状とするには、例えばそのような形状の金型を用いてインサート成型することで、作製することができる。

その後、外部電極１７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１７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、本実施形態の噴射装置の一例について説明する。図１２は、本実施形態の噴射装置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の駆動によって噴射孔２１が開閉される。具体的には、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、積層型圧電素子１が必ずしも収納容器２３の内部にある必要はなく、積層型圧電素子１の駆動によって収納容器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、本開示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、本実施形態の燃料噴射システム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気圧〜２０００気圧（約１０１ＭＰａ〜約２０３ＭＰａ）、好ましくは１５００気圧〜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。

次に、実施例について説明する。

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、第１および第２の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、第１および第２の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、外部電極を形成した。

次に、外部電極の表面に、銀粉末とポリイミド樹脂を混合ペースト状にした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側面と平行にして取り付けた。

次に、一対の第１の側面にシリコーン樹脂による被覆材を形成した。

ここで、比較例として、被覆材の厚みを均一に５０μｍの厚みで形成したものを用意した（試料１）。

これに対し、実施例として、図３に示すように活性領域と不活性領域との境界付近に対向する相対的に厚い部位が断面矩形状の積層方向に延びた突起（突条部）を有するシリコーン樹脂製の被覆材を形成したものを用意した（試料２）。ここで、厚みの薄い部分の厚みは５０μｍ、厚みの厚い部分の厚み（突起の高さ）は１００μｍとした。

また、実施例として、図５に示すように活性領域と不活性領域との境界付近に対向する相対的に厚い部位が断面矩形状の積層方向に延びた突起（突条部）を有し、その厚みがなだらかに変化するシリコーン樹脂製の被覆材を形成したものを用意した（試料３）。なお、厚いところと薄いところの接続部は４５°の角度でなだらかに接続する。厚みの薄い部分は５０μｍ、厚みの厚い部分の厚み（突起の高さ）は１００μｍとした。また、積層方向から見た断面で突起は約４５°の角度で幅が狭くなるように立ち上がる形状であり、突起とそれ以外の領域との境界が丸みを帯びてなだらかになっている形状であった。

試料１〜試料３の積層型圧電素子に、外部電極に溶接で接合されたリード部材を介して３ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分間印加して、分極処理を行なった。そして、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、これらの積層型圧電素子に、温度２５℃、湿度６０％の試験環境下で、周波数１５０Ｈｚのサイン波形にて１時間駆動させ、１時間停止する冷熱サイクルを連続で５０回実施した。

その結果、試料１の積層型圧電素子は４５回で絶縁不良による破壊でストップした。これに対し、試料２および試料３の積層型圧電素子は破壊せず、試験終了した。なお、試験前後の変位の変化率は、試料２が−５％で、試料３が−１％となった。

試料１の積層型圧電素子は、駆動中に積層体の活性領域と不活性領域との境界付近にクラックが発生し、絶縁抵抗が低下したことで焼損し、ストップしたものと思われる。一方、試料２および試料３の積層型圧電素子は、同様のクラックの発生はなく、絶縁性が保たれていた。

なお、試料２における被覆材では厚みが変化する箇所で応力集中によるクラックが確認されたが、試料３における被覆材では厚みが変化する箇所でクラックが確認されなかった。

以上の結果から、実施例の積層型圧電素子によれば、長期信頼性に優れたものとなることがわかる。

１・・・積層型圧電素子
１０・・・積層体
１１・・・圧電体層
１２１・・・第１の内部電極層
１２２・・・第２の内部電極層
１３・・・活性領域
１４・・・不活性領域
１５１・・・第１の側面
１５２・・・第２の側面
１６・・・被覆材
１７・・・外部電極
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 (10)

1. 第１の内部電極層および第２の内部電極層が圧電体層を介して交互に積層されてなり、積層方向から見て前記第１の内部電極層と前記第２の内部電極層とが重なる活性領域と、
   積層方向から見て前記第１の内部電極層と前記第２の内部電極層とが重ならない不活性領域とを有しているとともに、前記第１の内部電極層および前記第２の内部電極層の両方の端面が達する第１の側面を有している積層体と、
   該積層体の少なくとも前記第１の側面を被覆する被覆材とを備え、
   積層方向から見て、前記第１の側面を被覆する前記被覆材の厚みが、前記活性領域の中央部よりも前記活性領域と前記不活性領域との境界付近で厚く、前記被覆材の厚みが前記 活性領域と前記不活性領域との境界付近よりも前記第１の側面の端側で薄くなっている積層型圧電素子。
2. 前記積層方向から見て、前記被覆材の厚みがなだらかに変化している請求項１に記載の積層型圧電素子。
3. 第１の内部電極層および第２の内部電極層が圧電体層を介して交互に積層されてなり、 積層方向から見て前記第１の内部電極層と前記第２の内部電極層とが重なる活性領域と、 積層方向から見て前記第１の内部電極層と前記第２の内部電極層とが重ならない不活性 領域とを有しているとともに、前記第１の内部電極層および前記第２の内部電極層の両方 の端面が達する第１の側面を有している積層体と、
   該積層体の少なくとも前記第１の側面を被覆する被覆材とを備え、
   積層方向から見て、前記第１の側面を被覆する前記被覆材の厚みが、前記活性領域の中 央部よりも前記活性領域と前記不活性領域との境界付近で厚くなっており、
   前記積層体が四角柱状であって、４つの側面の全てが前記第１の内部電極層および前記 第２の内部電極層の両方の端面が達する第１の側面になっている積層型圧電素子。
4. 前記積層方向から見て、前記被覆材の厚みがなだらかに変化している請求項３に記載の 積層型圧電素子。
5. 前記積層方向から見て、前記被覆材の厚みが前記活性領域と前記不活性領域との境界付 近よりも前記第１の側面の端側で薄くなっている請求項３または請求項４に記載の積層型 圧電素子。
6. 前記積層体が、前記第１の内部電極層および前記第２の内部電極層のいずれか一方のみの端面が達する第２の側面も有している請求項１または請求項２に記載の積層型圧電素子。
7. 前記積層体が四角柱状であって、前記第１の側面および前記第２の側面をそれぞれ一対ずつ有している請求項６に記載の積層型圧電素子。
8. 前記被覆材は一対の前記第１の側面および一対の前記第２の側面を全て被覆しており、積層方向から見て、一対の前記第１の側面および一対の前記第２の側面のそれぞれの被覆材の厚み変化が同じ形状で変化している請求項７に記載の積層型圧電素子。
9. 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、該積層型圧電素子の駆動によって前記噴射孔が開閉される噴射装置。
10. 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燃料噴射システム。

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