JPWO2009069693A1 - 積層型圧電素子及びその製造方法、並びに噴射装置及び燃料噴射システム - Google Patents
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Abstract
高電圧および高圧力下で長期間連続駆動できる耐久性の高い積層型圧電素子とその製造方法、並びに噴射装置及び燃料噴射システムを提供する。その積層型圧電素子は、複数の内部電極層と内部電極層を介して積層された複数の圧電体層とを備えた積層構造体を有する積層型圧電素子であって、積層構造体における内部電極層と平行な断面の断面積は、積層方向の両端部側が積層方向の中央部よりも小さい。
Description
本発明は、積層型圧電素子及びその製造方法、並びに噴射装置及び燃料噴射システムに関する。
従来から、複数の圧電体層が内部電極層を介して積層された積層構造体を備え、該積層構造体の側面に一対の外部電極が形成された積層型圧電素子（以下、単に「素子」ということもある）が知られている。一般に、素子は、内部電極層同士が対向する対向部と、この対向部に対して積層方向両端側に位置する非対向部とを備えている。素子に電圧が印加されると、対向部は駆動し非対向部は駆動しないので、これらの境界付近には応力がかかりやすい。そこで、非対向部の弾性率を対向部の弾性率よりも低くすることで境界付近に生じる応力を低減することを目的とした素子が開示されている（特許文献１）。
特開２００１−９４１６４号公報
しかしながら、近年、高電圧および高圧力下で長期間連続駆動できることが素子に要求されており、さらなる耐久性の向上が望まれている。
そこで、本発明は、高電圧および高圧力下で長期間連続駆動できる耐久性の高い積層型圧電素子とその製造方法、並びに噴射装置及び燃料噴射システムを提供することを目的とする。
本発明の積層型圧電素子は、複数の内部電極層と、前記内部電極層を介して積層された複数の圧電体層とを備えた積層構造体を有する積層型圧電素子であって、前記積層構造体における前記内部電極層と平行な断面の断面積は、積層方向の両端部側が積層方向の中央部よりも小さいことを特徴とする。
本発明の積層型圧電素子によれば、対向部と非対向部の境界付近に生じる応力を低減することができるという効果がある。
１１ 圧電体層、
１３ 内部電極層、
１５ 積層構造体、
１７ 外部電極、
１９ 対向部、
２１ 非対向部、
２０ 断面積減少部。
１３ 内部電極層、
１５ 積層構造体、
１７ 外部電極、
１９ 対向部、
２１ 非対向部、
２０ 断面積減少部。
＜積層型圧電素子＞
以下、本発明の一実施形態にかかる積層型圧電素子について図面を参照し詳細に説明する。図１は、本実施形態にかかる積層型圧電素子を示す側面図であり、図２は、図１に示す積層型圧電素子の平面図である。この積層型圧電素子１は、圧電体層１１と内部電極層１３が交互に複数積層された積層構造体１５を有している。積層構造体１５の側面には、一対の外部電極１７（負極の外部電極１７ａ，正極の外部電極１７ｂ）が形成されている。積層構造体１５は、内部電極層１３同士が対向する対向部１９と、この対向部１９に対して積層方向の両端部側に位置する非対向部２１とを備えている。
以下、本発明の一実施形態にかかる積層型圧電素子について図面を参照し詳細に説明する。図１は、本実施形態にかかる積層型圧電素子を示す側面図であり、図２は、図１に示す積層型圧電素子の平面図である。この積層型圧電素子１は、圧電体層１１と内部電極層１３が交互に複数積層された積層構造体１５を有している。積層構造体１５の側面には、一対の外部電極１７（負極の外部電極１７ａ，正極の外部電極１７ｂ）が形成されている。積層構造体１５は、内部電極層１３同士が対向する対向部１９と、この対向部１９に対して積層方向の両端部側に位置する非対向部２１とを備えている。
この対向部１９は、対向する内部電極層１３に挟まれた圧電体層１１がそれぞれ、両側の内部電極層１３に印加される電圧に応答して伸縮して素子の積層方向の長さを変化させる駆動部である。
これに対して、非対向部２１は圧電体層１１を間に挟んで両側から電圧を印加する内部電極層１３が存在しないので、圧電体部が自ら変位することはない非駆動部である。
したがって、本実施形態では、非対向部２１は、対向部１９の伸縮を可能な限り阻害しないよう、かつ対向部１９との境界に生じる応力が小さくなるように、変形が容易な形状に構成される。
これに対して、非対向部２１は圧電体層１１を間に挟んで両側から電圧を印加する内部電極層１３が存在しないので、圧電体部が自ら変位することはない非駆動部である。
したがって、本実施形態では、非対向部２１は、対向部１９の伸縮を可能な限り阻害しないよう、かつ対向部１９との境界に生じる応力が小さくなるように、変形が容易な形状に構成される。
この素子において、積層構造体１５における内部電極層１３と平行な断面の断面積は、積層方向の両端部側が積層方向の中央部よりも小さい。これにより、対向部と非対向部の境界付近に生じる応力を低減することができる。その理由は、電圧印加時に自らは駆動しない非対向部に近い両端部側の断面積を従来よりも小さくすることで、対向部の駆動による変形を拘束する力が弱まるからである。
尚、本明細書では、積層構造体１５における内部電極層１３と平行な断面を横断面という。
尚、本明細書では、積層構造体１５における内部電極層１３と平行な断面を横断面という。
また、本実施形態では、より好ましい形態として、非対向部２１は横断面の断面積が積層方向の両端に向かうにつれて小さくなる断面積減少部２０を有している。このように非対向部２１において断面積を徐々に小さくすることで積層構造体１５に大きな段差が形成されないので、積層構造体１５の一部に応力が集中するのを抑制することができる。
尚、図１に示す形態では、対向部１９と非対向部２１の境界から徐々に断面積が減少する断面積減少部２０を形成するようにして、対向部１９では断面積（内部電極層１３と平行な断面の断面積）がほぼ一定になるようにしたが、断面積減少部２０が対向部１９と非対向部２１とに跨って形成されていてもよい。すなわち、本発明では、積層構造体１５における内部電極層１３と平行な断面の断面積が、積層方向の両端部側にある非対向部２１で積層方向の中央部（対向部の中央部）よりも小さくなっていればよい。
次に、本実施形態にかかる素子の製造方法について説明する。本実施形態にかかる製造方法は、積層構造体１５における内部電極層１３と平行な断面の断面積が積層方向の両端部側が積層方向の中央部よりも小さくなるように、後述する積層構造体１５の側面を研磨する工程を備えている。
まず、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の粉末と、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、ＤＢＰ（フタル酸ジブチル）、ＤＯＰ（フタル酸ジオクチル）等の可塑剤とを混合してスラリーを作製する。ついで、このスラリーを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てセラミックグリーンシートを作製する。ついで、内部電極層１３用の金属ペーストを作製する。この金属ペーストは、主に銀パラジウムからなる金属粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合して得る。この金属ペーストをセラミックグリーンシートの片面にスクリーン印刷等によって内部電極層の形状に印刷する。
次に、金属ペーストが印刷されたグリーンシートを図１，２に示す構造となるように積層し乾燥させることで積層成形体を得る。この積層成形体の積層方向両端側に金属ペーストを印刷していないセラミックグリーンシートを複数層積層する。この金属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複数層積層した部分は、焼成後に非対向部２１となる。この積層成形体は、必要に応じて裁断して所望の形態にすることができる。ついで、積層成形体を所定の温度で脱バインダー処理した後、９００〜１１５０℃で焼成することにより積層構造体１５を得る。
次に、この積層構造体１５の側面を研磨する。図３はこの研磨工程を示す概略図である。図３に示すように、積層構造体１５は、その両端面１５ａ，１５ｂが保持具６１ａ，６１ｂによりそれぞれ保持されている。このとき、積層構造体１５の両端面１５ａ，１５ｂは、積層構造体１５の中央部側に向かって加圧されている。このクランプ圧力Ｆは、積層構造体１５の両端部側（非対向部２１となる部分）の断面積が積層方向に垂直な方向に拡大する程度に大きな圧力に設定される。
このように積層構造体１５の両端側の断面積が拡大した状態で、積層構造体１５における複数の側面のうちの一つに研磨砥石６３を接触させて研磨する。一つの側面の研磨が終了すると、積層構造体１５を９０度回転させて次の側面を同様に研磨する。この作業を全ての側面について行う。これにより、積層方向の両端側の断面積が積層方向の中央よりも小さい積層構造体１５が得られる。
積層構造体１５の端面におけるビッカース硬さＨｖが２０〜５０ＧＰａであるとき、１０ＭＰａ以上、１００ＭＰａ以下のクランプ圧力Ｆで積層構造体１５を保持するのが好ましい。また、保持具６５ａ，６５ｂにおける保持面のビッカース硬さＨｖは、１〜２０ＧＰａであるのが好ましい。クランプ圧力Ｆが１０ＭＰａ以上であることで積層構造体１５の両端側の断面積が効果的に拡大される。また、クランプ圧力Ｆが１００ＭＰａ以下であることで積層構造体１５の過度の変形を抑制できる。積層構造体１５の両端部側の断面積を調整する際には、クランプ圧力Ｆを調整する。また、側面の研磨中にクランプ圧力Ｆを変化させて断面積の拡大度合いを変えることで、両端部側の形状を様々な形に設計することが可能になる。
図４は、本発明の他の実施形態にかかる製造方法における研磨工程を示す概略図である。図４に示すように、積層構造体１５は、その両端面１５ａ，１５ｂが保持具６５ａ，６５ｂによりそれぞれ保持されている。このとき、積層構造体１５は、その中央部が積層方向の両端側よりも一方向（図中Ｄで示す研磨砥石６７から遠ざかる方向）に突出して湾曲した状態で積層構造体１５が保持されている。このような状態で保持されていることで積層構造体１５の側面の研磨深さが部位によって変わる。
このように積層構造体１５の中央部を一方向Ｄに突出させた状態で、積層構造体１５における複数の側面のうちの一つの側面に研磨砥石６７を接触させて研磨する。一つの側面の研磨が終了すると、積層構造体１５を９０度回転させて次の側面を同様に研磨する。この作業を全ての側面について行う。これにより、積層方向の両端側の断面積が積層方向の中央よりも小さい積層構造体１５が得られる。
次に、積層構造体１５の側面に外部電極１７を形成する。外部電極１７は、主に銀からなる金属粉末にバインダー、可塑剤、ガラス粉末等を添加混合して金属ペーストを作製し、この金属ペーストを上記積層構造体の側面にスクリーン印刷等によって印刷して６００〜８００℃で焼成することにより形成できる。
さらに、外部電極１７の外面に、金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板が埋設された導電性接着剤からなる導電性補助部材を形成してもよい。金属のメッシュとは金属線を編み込んだものであり、メッシュ状の金属板とは、金属板に孔を形成してメッシュ状にしたものをいう。
その後、外部電極１７にリード線を半田等で接続した後、外部電極１７を含む積層構造体側面にシリコーンゴム等からなる外装樹脂をディッピング等の手法を用いてコーティングすることにより積層型圧電素子を得る。
＜噴射装置＞
図５は、本発明の一実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。図５に示すように、本実施形態にかかる噴射装置２５は、一端に噴射孔２７を有する収納容器２９の内部に上記実施形態に代表される本発明の積層型圧電素子１が収納されている。収納容器２９内には、噴射孔２７を開閉することができるニードルバルブ３７が配設されている。噴射孔２７には燃料通路３３がニードルバルブ３７の動きに応じて連通可能に配設されている。この燃料通路３３は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路３３に常時一定の高圧で燃料が供給されている。従って、ニードルバルブ３７が噴射孔２７を開放すると、燃料通路３３に供給されていた燃料が一定の高圧で図示しない内燃機関の燃料室内に噴出されるように構成されている。
図５は、本発明の一実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。図５に示すように、本実施形態にかかる噴射装置２５は、一端に噴射孔２７を有する収納容器２９の内部に上記実施形態に代表される本発明の積層型圧電素子１が収納されている。収納容器２９内には、噴射孔２７を開閉することができるニードルバルブ３７が配設されている。噴射孔２７には燃料通路３３がニードルバルブ３７の動きに応じて連通可能に配設されている。この燃料通路３３は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路３３に常時一定の高圧で燃料が供給されている。従って、ニードルバルブ３７が噴射孔２７を開放すると、燃料通路３３に供給されていた燃料が一定の高圧で図示しない内燃機関の燃料室内に噴出されるように構成されている。
また、ニードルバルブ３７の上端部は径が大きくなっており、収納容器２９に形成されたシリンダ３５と摺動可能に配置されている。そして、収納容器２９内には、上記した積層型圧電素子１を備えた圧電アクチュエータが収納されている。
このような噴射装置では、圧電アクチュエータが電圧を印加されて伸長すると、ニードルバルブ３７の上端部が押圧され、ニードルバルブ３７が噴射孔２７を閉塞し、燃料の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると圧電アクチュエータが収縮し、皿バネ３９がニードルバルブ３７の上端部を押し返し、噴射孔２７が燃料通路３３と連通して燃料の噴射が行われるようになっている。
また、本発明の噴射装置２５は、噴射孔２７を有する容器と、上記積層型圧電素子１とを備え、容器内に充填された液体が積層型圧電素子１の駆動により噴射孔２７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の内部に圧力が加わるように構成されていればよい。なお、本発明において、液体とは、燃料、インクなどの他、種々の液状流体（導電性ペースト等）が含まれる。
＜燃料噴射システム＞
図６は、本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システムを示す概略図である。図６に示すように、本実施形態にかかる燃料噴射システム４１は、高圧燃料を蓄えるコモンレール４３と、このコモンレール４３に蓄えられた燃料を噴射する複数の上記噴射装置２５と、コモンレール４３に高圧の燃料を供給する圧力ポンプ４５と、噴射装置２５に駆動信号を与える噴射制御ユニット４７と、を備えている。
図６は、本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システムを示す概略図である。図６に示すように、本実施形態にかかる燃料噴射システム４１は、高圧燃料を蓄えるコモンレール４３と、このコモンレール４３に蓄えられた燃料を噴射する複数の上記噴射装置２５と、コモンレール４３に高圧の燃料を供給する圧力ポンプ４５と、噴射装置２５に駆動信号を与える噴射制御ユニット４７と、を備えている。
噴射制御ユニット４７は、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やタイミングを制御するものである。圧力ポンプ４５は、燃料タンク４９から燃料を１０００〜２０００気圧（約１０１ＭＰａ〜約２０３ＭＰａ）程度、好ましくは１５００〜１７００気圧（約１５２ＭＰａ〜約１７２ＭＰａ）程度にしてコモンレール４３に送り込む役割を果たす。コモンレール４３では、圧力ポンプ４５から送られてきた燃料を蓄え、適宜噴射装置２５に送り込む。噴射装置２５は、上述したように噴射孔２７から少量の燃料を燃焼室内に霧状に噴射する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。また、本発明における非対向部とは、電圧印加時に駆動に寄与する内部電極層同士が対向していない部位、すなわち自らは駆動しない部位をいう。したがって、非対向部に金属層などが含まれていてもよい。
また、図３および図４に示した研磨工程では、前述のように、積層構造体１５を９０度回転させて次の側面を研磨する他にも、一つの側面の次に１８０度回転させて対向する側面を研磨し、それから９０度回転させて次の側面を研磨し、次に、１８０度回転させて対向する側面を研磨するようにしてもよい。
また、図３および図４に示した研磨工程では、前述のように、積層構造体１５を９０度回転させて次の側面を研磨する他にも、一つの側面の次に１８０度回転させて対向する側面を研磨し、それから９０度回転させて次の側面を研磨し、次に、１８０度回転させて対向する側面を研磨するようにしてもよい。
Claims (8)
- 複数の内部電極層と、前記内部電極層を介して積層された複数の圧電体層とを備えた積層構造体を有する積層型圧電素子であって、前記積層構造体における前記内部電極層と平行な断面の断面積は、積層方向の両端部側が積層方向の中央部よりも小さいことを特徴とする積層型圧電素子。
- 前記断面積が積層方向の両端に向かうにつれて小さくなる断面積減少部を有する請求項１に記載の積層型圧電素子。
- 前記積層構造体は、前記内部電極層同士が対向する対向部と、この対向部に対して積層方向両端側に位置する非対向部とを備え、前記断面積減少部が前記非対向部に存在する請求項２に記載の積層型圧電素子。
- 複数の内部電極層と、前記内部電極層を介して積層された複数の圧電体層とを備えた積層構造体を有する積層型圧電素子の製造方法であって、
前記積層構造体における前記内部電極層と平行な断面の断面積が積層方向の両端部側が積層方向の中央部よりも小さくなるように、前記積層構造体の側面を研磨する工程を備えていることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。 - 前記積層構造体の積層方向の両端面を積層構造体の中央部側に向かって加圧した状態で前記積層構造体の側面を研磨する請求項４に記載の積層型圧電素子の製造方法。
- 前記積層方向の中央部が前記積層方向の両端部側よりも一方に突出した状態で前記積層構造体の側面を研磨する請求項４に記載の積層型圧電素子の製造方法。
- 噴射孔を有する容器と、請求項１〜３のいずれかに記載の積層型圧電素子と、を備え、前記容器内に充填された液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ように構成されてい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、このコモンレールに蓄えられた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高圧の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、を備えた燃料噴射システム。
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