JP6913516B2

JP6913516B2 - 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

Info

Publication number: JP6913516B2
Application number: JP2017106705A
Authority: JP
Inventors: 牧野　豊; 豊牧野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2021-08-04
Anticipated expiration: 2037-05-30
Also published as: JP2018206801A

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，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、圧電体層および内部電極層が交互に複数積層された積層ユニットを複数備えているとともに、隣り合う積層ユニットと積層ユニットとの間に配置された予定破断層を備えたものが知られている（特許文献１を参照）。ここで、予定破断層とは、周囲の層よりも容易に破断しやすくなっている層である。このような積層型圧電素子は、予定破断層でクラックを発生させることで他の部位にかかる応力およびクラックを低減し、性能を長期間にわたって維持することを目的としている。

特表２００６−５１８９３４号公報

近年、更なる高変位、高周波数での駆動の要求があり、そのような駆動においても長期間安定的に使用できる積層型圧電素子が求められている。

しかしながら、上記のような駆動においては、全ての活性領域の圧電体層を全て同一の厚みにて形成した場合、例えば予定破断層の近傍にある内部電極層の端部に加わる応力が高まり、予定破断層以外の部位でクラックが発生するおそれがあった。

本開示は上記事情に鑑みてなされたもので、予定破断層以外の部位にクラックが発生するのを抑制でき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を目的とする。

本開示の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が交互に積層された積層ユニットを複数備えているとともに、隣り合う積層ユニットと積層ユニットとの間に配置された予定破断層を備え、それぞれの前記積層ユニットにおいて、前記予定破断層から数えて１番目の圧電体層である第１の圧電体層が、前記予定破断層から数えて２番目の圧電体層である第２の圧電体層よりも薄く、それぞれの前記積層ユニットにおいて、前記予定破断層から数えて３番目の圧電体層である第３の圧電体層が、前記第１の圧電体層の厚みと同じかまたはそれよりも厚く、かつ前記第２の圧電体層よりも薄い。
また、本開示の他の例の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が交互に積層された積層ユニットを複数備えているとともに、隣り合う積層ユニットと積層ユニットとの間に配置された予定破断層を備え、それぞれの前記積層ユニットにおいて、前記予定破断層から数えて１番目の圧電体層である第１の圧電体層が、前記予定破断層から数えて２番目の圧電体層である第２の圧電体層よりも薄く、それぞれの前記積層ユニットにおいて、前記第１の圧電体層および前記第２の圧電体層を除く全ての前記圧電体層は前記第１の圧電体層の厚みと同じかまたはそれよりも厚く、かつ前記第１の圧電体層および前記第２の圧電体層を除くすべての前記圧電体層は前記第１の圧電体層から遠ざかるにしたがって厚みが薄くなっている。

また本開示の噴射装置は、噴射孔を有する容器と、上記構成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ことを特徴とする。

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構成の噴射装置と、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ことを特徴とする。

本開示の積層型圧電素子によれば、予定破断層以外の部位にクラックが発生するのを抑
制して、長期信頼性に優れたものとすることができる。

また本開示の噴射装置および燃料噴射システムによれば、長期信頼性に優れた積層型圧電素子を備えていることから、長期間にわたって精度よく安定した駆動を実現することができる。

積層型圧電素子の実施形態の一例を示す概略斜視図である。図１に示す積層体の概略断面図である。積層型圧電素子の実施形態の他の例を示す概略斜視図である。図３に示す積層体の概略断面図である。図１に示す積層体の他の例の概略断面図である。噴射装置の一例を示す概略断面図である。燃料噴射システムの一例を示す概略図である。

以下、積層型圧電素子の実施形態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概略斜視図、図２は図１に示す積層体の概略断面図である。

図１および図２に示す積層型圧電素子１０は、圧電体層１および内部電極層２が交互に積層された積層ユニット３を複数備えた積層体３０を有している。

積層ユニット３は、内部電極層２（第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２）が圧電体層１を介して交互に積層されたものである。この積層ユニット３は、積層方向から見て第１の内部電極層２１と第２の内部電極層２２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２１と第２の内部電極層２２とが重ならない不活性領域とを有している。ここで、活性領域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。

積層体３０は、複数の積層ユニット３が積層された部分を有しているとともに、複数の積層ユニット３が積層された部分の積層方向両端部に圧電体層１のみが積層された部分を有している。この積層方向両端部に位置する圧電体層１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かまたはしにくい不活性領域である。

積層体３０は、例えば縦０．５〜１０ｍｍ、横０．５〜１０ｍｍ、高さ１〜１００ｍｍの四角柱状（直方体状）にされている。積層体３０の形状としては、六角柱形状や八角柱形状、円柱状などであってもよい。

圧電体層１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１の厚みは、例えば３〜２５０μｍとされる。

内部電極層２は、圧電体層１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。内部電極層２は、第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２からなり、圧電体層１と交互に積層されて圧電体層１を上下から挟んでいる。例えば第１の内部電極層２１を正極、第２の内部電極層２２を負極またはグランド極として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１に駆動電圧が印加される。このような材料として、例えば低温焼成が可能な銀−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。第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２の厚みは、例えば０．１〜５μｍとされる。

図に示す例では、第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２がそれぞれ積層ユニット３（積層体３０）の対向する一対の側面に互い違いに引き出されて、積層ユニット３（積層体３０）の側面に設けられた後述の一対の外部電極５と電気的に接続されている。なお、積層ユニット３（積層体３０）の対向する他の一対の側面に第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２の両方の端面が露出していてもよく、第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２の両方の端面が露出せずに側面から離れて内側に位置してもよい。

また、積層型圧電素子１０は、隣り合う積層ユニット３と積層ユニット３との間に配置された予定破断層４を備えている。ここで、予定破断層４とは、積層型圧電素子１０の駆動によってそれぞれの積層ユニット３に生じる応力を緩和するための層である。この予定破断層４としては、例えば内部電極層として機能しない多孔質な金属層、あらかじめ亀裂の入った金属層などが挙げられる。

また、上述したように、第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２のいずれか一方の端面が達する一対の側面には、それぞれ外部電極５が設けられ、引き出された第１の内部電極層２１または第２の内部電極層２２と電気的に接続されている。この外部電極５は、例えばＡｇやＣｕ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５を積層体３０の側面に垂直な横断面で見たときに、外部電極５の厚みは例えば５〜７０μｍとされる。また、図示しないが、外部電極５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。

なお、第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２の両方の端面が露出または両方の端面が露出していない側面には、必要により被覆材が設けられていてもよい。被覆材は、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。この被覆材はマイグレーションや放電を抑制する効果を奏する。

そして、図２に示すように、それぞれの積層ユニット３において、予定破断層４から数えて１番目の圧電体層である第１の圧電体層１１が、予定破断層４から数えて２番目の圧電体層である第２の圧電体層１２よりも薄い。

圧電体層１が厚くなると、当該圧電体層１に発生する応力が弱まる。ここで、予定破断層４を破断させるための応力が積層ユニット３内の各圧電体層１に発生する応力の合計であるとすると、第２の圧電体層１２（予定破断層から数えて２番目の圧電体層１）に発生する応力が弱まることで、予定破断層４に隣接する第１の圧電体層１１（予定破断層から数えて１番目の圧電体層１）にて発生する応力の比率が強まって支配的になる。これにより、予定破断層４の近傍に発生する応力が予定破断層４に集中しやすくなり、より確実に予定破断層４が破断して、予定破断層４の近傍にある内部電極層２などの予定破断層４以外の部位にクラックが発生するのを抑制できる。したがって、積層型圧電素子１０の長期信頼性が向上する。

なお、第１の圧電体層１１の厚みは、第２の圧電体層１２の厚みの例えば４０〜９５％に設定される。

ここで、それぞれの積層ユニット３において、図１および図２に示すように予定破断層４から数えて３番目の圧電体層１である第３の圧電体層１３が第２の圧電体層１２と同じ厚みである構成としてもよいが、図３および図４に示すように、予定破断層４から数えて３番目の圧電体層１である第３の圧電体層１３が、第１の圧電体層１１の厚みと同じかまたはそれよりも厚く、かつ第２の圧電体層１２よりも薄くなっている構成としてもよい。

この構成によれば、積層ユニット３内において、第１の圧電体層１１に発生する応力に比べて第３の圧電体層１３に発生する応力のほうが弱まることとなるため、第１の圧電体層１１にて発生する応力の比率がより強まって支配的になる。これにより、予定破断層４の近傍に発生する応力が予定破断層４により集中しやすくなり、より確実に予定破断層４が破断して、予定破断層４の近傍にある内部電極層２にクラックが発生するのを抑制できる。したがって、積層型圧電素子１０の長期信頼性が向上する。なお、積層型圧電素子１０の基本的性能（所望の変位量）を維持する点からも、図３および図４に示すように、予定破断層４から数えて３番目の圧電体層１である第３の圧電体層１３が、第１の圧電体層１１の厚みと同じかまたはそれよりも厚く、かつ第２の圧電体層１２よりも薄い構成になっているのがよい。

この場合の第３の圧電体層１３の厚みは、第１の圧電体層１１の厚みの例えば１００〜２５０％の厚みに設定され、第２の圧電体層１２の厚みの例えば４０〜９８％の厚みに設定される。

また、図５に示すように、それぞれの積層ユニット３において、第１の圧電体層１１および第２の圧電体層１２を除く全ての圧電体層１は第１の圧電体層１１の厚みと同じかまたはそれよりも厚く、かつ第１の圧電体層１１および第２の圧電体層１２を除くすべての圧電体層１は第１の圧電体層１１から遠ざかるにしたがって厚みが薄くなっていてもよい。

この構成によれば、積層ユニット３内の各圧電体層１にかかる応力に緩やかな勾配ができることで、第１の圧電体層１１に極端に応力がかかるのを抑制して、必要以上に予定破断層４が破断して不活性領域をクラックが進展するのを抑制することができる。

また、図２、図４および図５に示すように、予定破断層４と予定破断層４との間に配置された積層ユニット３において、全ての圧電体層１の厚みを見たときに、上下対称となっていてもよい。

この構成によれば、積層ユニット３内における上下の第１の圧電体層１１に同様の応力がかかるため、予定破断層４毎の破断の程度が均一化され、積層型圧電素子１０の長期信頼性がより向上する。

次に、本実施形態の積層型圧電素子の製造方法について説明する。

まず、圧電体層１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２となる導電性ペーストを作製する。具体的には、例えば銀−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２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作製する。

ここで、焼成後の圧電体層１の厚みを上述の実施形態の構成とするために、厚みの異なるセラミックグリーンシートを準備して積層することで積層体３０を作成すればよい。

なお、積層体３０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１と内部電極層２とを複数積層してなる積層体３０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５を形成する。具体的には、ＡｇやＣｕ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３０の側面における第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２のうちの一方の端面が引き出された領域に焼き付けて、例えば５〜７０μｍの厚さの外部電極５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５のパターンで積層体３０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、必要により被覆材を形成する。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、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。

その後、外部電極５に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体３０を構成する圧電体層１を分極することによって、積層型圧電素子１０が完成する。

次に、本実施形態の噴射装置の一例について説明する。

図６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６に示すように、本例の噴射装置１９は、一端に噴射孔２１を有する容器としての収納容器２３の内部に上記の例の積層型圧電素子１０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１０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１０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１０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１０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１０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１０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１０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。

また、上記の例の積層型圧電素子１０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、本実施形態の燃料噴射システムの一例について説明する。

図７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７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。

１０・・・積層型圧電素子
１・・・圧電体層
１１・・・第１の圧電体層
１２・・・第２の圧電体層
１３・・・第３の圧電体層
２・・・内部電極層
２１・・・第１の内部電極層
２２・・・第２の内部電極層
３０・・・積層体
３・・・積層ユニット
４・・・予定破断層
５・・・外部電極
１９・・・噴射装置
２１・・・噴射孔
２３・・・収納容器
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

圧電体層および内部電極層が交互に積層された積層ユニットを複数備えているとともに、隣り合う積層ユニットと積層ユニットとの間に配置された予定破断層を備え、
それぞれの前記積層ユニットにおいて、前記予定破断層から数えて１番目の圧電体層である第１の圧電体層が、前記予定破断層から数えて２番目の圧電体層である第２の圧電体層よりも薄く、
それぞれの前記積層ユニットにおいて、前記予定破断層から数えて３番目の圧電体層である第３の圧電体層が、前記第１の圧電体層の厚みと同じかまたはそれよりも厚く、かつ前記第２の圧電体層よりも薄いことを特徴とする積層型圧電素子。
圧電体層および内部電極層が交互に積層された積層ユニットを複数備えているとともに、隣り合う積層ユニットと積層ユニットとの間に配置された予定破断層を備え、
それぞれの前記積層ユニットにおいて、前記予定破断層から数えて１番目の圧電体層である第１の圧電体層が、前記予定破断層から数えて２番目の圧電体層である第２の圧電体層よりも薄く、
それぞれの前記積層ユニットにおいて、前記第１の圧電体層および前記第２の圧電体層を除く全ての前記圧電体層は前記第１の圧電体層の厚みと同じかまたはそれよりも厚く、かつ前記第１の圧電体層および前記第２の圧電体層を除くすべての前記圧電体層は前記第１の圧電体層から遠ざかるにしたがって厚みが薄くなっていることを特徴とする積層型圧電素子。
前記予定破断層と前記予定破断層との間に配置された前記積層ユニットにおいて、全ての前記圧電体層の厚みを見たときに、上下対称となってい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。
噴射孔を有する容器と、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４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ことを特徴とする燃料噴射システム。