JPWO2010013670A1 - 積層型圧電素子およびこれを用いた噴射装置ならびに燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

【課題】 高電界かつ高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも外部電極が積層体の側面から剥離する可能性が小さい、耐久性に優れた積層型圧電素子を提供する。【解決手段】 圧電体層３と内部電極層５とが交互に積層された積層体７の側面とこの側面に接合された外部電極９との接合界面に空孔２が形成されている積層型圧電素子１である。空孔２により駆動時に積層体７の側面と外部電極９との接合界面に生じる応力を低減することができるので、長期間連続駆動させた場合でも外部電極９が積層体７の側面から剥離する可能性が小さい。【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば、駆動素子（圧電アクチュエータ），センサ素子および回路素子に用いられる積層型圧電素子に関するものである。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。

従来の積層型圧電素子における外部電極としては、特許文献１に開示されているように、銀等の導電材とガラスとを備えた導電性ペーストからなる、積層体の側面に被着させたものが用いられている。この導電性ペーストを積層体の側面に塗布し、焼き付けを行なうことで外部電極が形成される。

積層型圧電素子は、小型化が進められると同時に、高い圧力下において大きな変位量を確保するように求められている。そのため、より高い電界が印加され、しかも長時間連続駆動させる過酷な条件下で使用できることが要求されている。

特開2005−174974号公報

しかしながら、特許文献１に開示された外部電極を用いた積層型圧電素子では、高電界、高圧力または長時間の連続駆動のような過酷な条件下での使用において、外部電極の一部が積層体の側面から剥離する可能性がある。

これは、電圧を印加することによって積層体が積層方向に伸長および収縮する際に、積層体と外部電極との接合界面に応力が生じるためである。つまり、高電界で長時間連続駆動させた場合に、積層体の側面と外部電極との接合界面に繰り返し生じる応力によって、外部電極の一部が積層体の側面から剥離し、一部の圧電体に外部電極から電圧が供給されなくなって変位特性が低下するといった問題が生じていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、上記の過酷な条件下での使用における変位量の低下を改善した積層型圧電素子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、圧電体層と内部電極層とが交互に積層された積層体と、この積層体の側面に接合されて前記内部電極層に電気的に接続された外部電極とを含む積層型圧電素子であって、前記積層体の側面と前記外部電極との接合界面に空孔が形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記空孔は、前記積層体の側面の面方向に長い扁平な形状を有することを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記空孔は、前記積層体の側面における前記圧電体層の部位に形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記外部電極は、前記圧電体層との接合面の表層部にガラス層が形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記空孔は、前記積層体の側面における互いに隣接する前記内部電極層の間の前記圧電体層の部位に形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記空孔は複数形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記空孔は閉じた空間であることを特徴とするものである。

本発明の噴射装置は、上記いずれかの本発明の積層型圧電素子と噴射孔とを備え、前記容器内に蓄えら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ことを特徴とするものである。

本発明の燃料噴射システムは、高圧燃料を備えるコモンレールと、この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本発明の噴射装置と、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ものである。

本発明の積層型圧電素子によれば、積層体の側面と外部電極との接合界面に空孔が形成されていることから、積層体の伸長時および収縮時に積層体の側面と外部電極との接合界面に生じる応力を空孔の存在によって低減することができるため、積層体の側面から外部電極の一部が剥離することを有効に防止することができ、積層体の変位特性が低下するといった問題が生じるのを防止することができる。

また、本発明の噴射装置によれば、容器内に蓄えられた液体を噴射孔から吐出させる積層型圧電素子として本発明の積層型圧電素子を備えていることから、積層型圧電素子において積層体の側面から外部電極の一部が剥離することを防止でき、積層体の変位特性が低下するのを防止することができるので、液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。

さらに、本発明の燃料噴射システムによれば、コモンレールに蓄えられた高圧燃料を噴射する装置として本発明の噴射装置を備えていることから、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斜視図である。 本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例であって、積層体の積層方向に平行な断面を示す断面図である。 図２に示す積層型圧電素子における積層体の側面と外部電極との接合界面近傍の拡大断面図である。 外部電極の積層体の側面との接合部の表層部にガラス層が形成されている例を示す断面拡大図である。 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構成図である。

以下、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の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斜視図である。図２は図１に示す積層型圧電素子の積層体の積層方向に平行な断面を示す断面図である。図３は図２に示す積層型圧電素子における積層体の側面と外部電極との接合界面近傍の拡大断面図である。

図３に示すように、本例の積層型圧電素子１は、圧電体層３と内部電極層５とが交互に積層された積層体７と、この積層体７の側面に接合されて内部電極層５に電気的に接続された外部電極９とを含む積層型圧電素子１であって、積層体７の側面と外部電極９との接合界面に、積層体７の側面と外部電極９の接合面とを分離させる空孔２が形成されている。

このように、外部電極９と積層体７との接合界面に空孔２を設けることにより、積層体７が伸長および収縮した際に積層体７と外部電極９との接合界面に繰り返し生じる応力を空孔２の存在によって低減することができ、これにより応力のために外部電極９の一部が積層体７の側面から剥離することを抑制することができる。

この空孔２は、その部分で積層体７の側面と外部電極９の接合面とを分離させるものとして、積層体７と外部電極９との間に介在しているものである。空孔２の外部電極９側から見た形状は、特に限定されるものではないが、例えば、円形状や楕円形状といった形状であればよい。また空孔２の大きさとしては、外部電極９の厚みが例えば10〜50μｍのときに厚み（外部電極９の厚み方向の大きさ）が0.1〜５μｍ程度であることが好ましく、外部電極９側から見た大きさが円形状の場合であれば直径（外部電極９側から見た大きさ）で0.5〜50μｍ程度であることが好ましい。

また、空孔２は、積層体７の側面の面方向に長い扁平な形状であることが好ましい。すなわち、空孔２の形状が積層体７の側面の面方向に長い扁平な形状であることにより、積層体７と外部電極９との接合界面において空孔２が占める面積の割合を大きくすることができるので、外部電極９の厚みを不要に厚くすることなく有効に外部電極９と積層体７の側面との間に発生する応力を低減することができる。

ここで、積層体７の側面の面方向とは、積層体７の側面に平行な方向のことをいう。従って、上下方向や左右方向等の特定の方向を示す訳ではない。つまり、積層体７の側面に平行な方向は、すべて積層体７の側面の面方向ということになる。従って、例えば、積層体７の積層方向に長い扁平な形状であってもよく、積層体７の積層方向に直交する方向に長い扁平な形状であってもよく、また、それら以外の方向に長い扁平な形状であってもよい。なお、ここで積層体７の積層方向に直交する方向とは、図１に示す積層体７の側面において、積層体７の側面から露出している内部電極層５に沿う方向のことである。

また、積層体７の側面の面方向に長い扁平な形状の空孔２が、外部電極９側から見て円形状の場合、厚みが0.5〜５μｍ程度であり、外部電極９側から見た直径は、0.5〜50μｍ程度で、空孔２の直径は、空孔２の厚みの２倍以上の大きさであることが好ましい。
この範囲内とすることにより、外部電極９と積層体７の側面との間に発生する応力をより効果的に低減することができる。

なお、空孔２が積層体７の側面の面方向に長い形状である場合に、その長い方向は、積層体７の積層方向に沿って長いものであってもよく、積層方向に直交する方向に沿って長いものであってもよい。中でも、積層体７の伸縮によって生じる応力を効率的に分散させるという点からは、積層体７の積層方向に直交する方向に沿って長い形状であるものが好ましい。また、積層体７の積層方向に沿って長い形状の空孔２と、積層方向に直交する方向に沿って長い形状の空孔２とが混在していてもよい。

さらに、空孔２は、積層体７の側面における圧電体層３の部位に、圧電体層３に接するように形成されていることが好ましい。このように空孔２の形成部位を積層体７の側面における圧電体層３の部位としておくことにより、外部電極９と内部電極層５との導通接続を良好に保ったまま、外部電極９と積層体７の側面との間に発生する応力を低減することができる。このように空孔２が積層体７の側面における圧電体層３の部位に形成されている場合は、外部電極９の厚みが部分的に不要に厚くならないように、空孔２の形状は圧電体層３の側面に沿った方向に長い扁平な形状であることが好ましい。つまり、空孔２の形状が圧電体層３の側面に沿った方向に長く、圧電体層３と外部電極９との間の厚みが薄い扁平な形状であることによって、外部電極９の厚みを含めた積層体７の寸法のばらつきが小さくなり、寸法精度の良い積層型圧電素子１を供給することができる。

また、外部電極９は、図４に図３と同様の拡大断面図で示すように、積層体７の圧電体層３との接合面の表層部にガラス層10が形成されていることが好ましい。図４は外部電極９の積層体７の圧電体層３との接合面の表層部にガラス層10が形成されている例を示す拡大断面図である。つまり、圧電体層３との接合強度の高いガラス層10を積層体７の側面のうち圧電体層３との接合面となる外部電極９の表層部（外部電極９の最も積層体７側の表面に相当する層状の部位）に形成しておくことによって、空孔２が形成されている部位以外での圧電体層３に対して外部電極９の積層体７の側面への接合強度をより強固なものとすることができる。

このように積層体７の側面のうちでも圧電体層３との接合面の外部電極９の表層部にガラス層10を形成するには、外部電極９を形成する銀ガラス導電性ペーストに含まれるガラス成分の軟化温度以上の温度で外部電極９の焼き付けを行なえばよい。

さらに、有効にガラス層10を形成するには、銀ガラス導電性ペーストの層を２層以上重ね合わせた構造を有する外部電極９を形成し、焼き付けを行なえばよい。その場合には、最も積層体７の側面側に形成される銀ガラス導電性ペーストの層を、他の銀ガラス導電性ペーストの層と比較して、ガラスの含有率が大きいものとしておくとよい。これによって、銀ガラス導電性ペーストのガラス成分として圧電体層３との濡れ性の良いガラス成分を用いた場合に、外部電極９を形成する複数の銀ガラス導電性ペーストの層から成る構造体の焼き付けを行なう際に、銀ガラス導電性ペースト中のガラス成分が軟化して、積層体７の側面のうちでも圧電体層３の側面側に流動する。従って、焼き付け時にガラス成分を積層体７の圧電体層３との接合面に偏析させることができる。その結果、外部電極９の積層体７の側面のうちでも圧電体層３との接合面の表層部にガラス層10を有効に形成することができる。

外部電極９にガラス層10を形成するために銀ガラス導電性ペーストに含有させるガラス成分としては、軟化温度が600〜950℃のシリカガラス，ソーダ石灰ガラス，鉛アルカリけい酸ガラス，アルミノほうけい酸塩ガラス，ほうけい酸塩ガラス，アルミノけい酸塩ガラス，ほう酸塩ガラスまたはりん酸塩ガラス等を用いることができる。また、外部電極９のうち、最も積層体７の側面側に形成される銀ガラス導電性ペーストの層に含有されているガラス成分の量は５〜20質量％程度であり、その他の層に含有されているガラス成分の量は0.01〜５質量％程度であることが好ましい。

また、内部電極層５および外部電極９の電気的な接続を良好にするために、銀ガラス導電性ペースト中に銀の粒子を80〜95質量％程度の量で含有させることが好ましい。これにより、ガラス層10が形成された場合であっても、外部電極９の内部電極層５に対する電気的な接続を良好に確保することができる。

また、ガラス層10の厚みは、例えば外部電極９の厚みが10〜50μｍであるのに対して１〜５μｍとし、外部電極９の厚みの10分の１程度としておくと、外部電極９の積層体７の側面に対する接合強度を良好に高める上で好ましい。

なお、図４では、空孔２は外部電極９の表層部であるガラス層10と積層体７との界面に位置している例を示しているが、ガラス層10を形成した場合の空孔２は、ガラス層10に対して外部電極９寄りに位置していてもよく、積層体７の側面に接していることによって、積層体７の側面と外部電極９との接合界面に位置して積層体７と外部電極９との間の応力を低減できるように形成されていればよい。

さらに、空孔２は、積層体７の側面における互いに隣接する内部電極層５の間の圧電体層３の部位に、すなわち積層体７の側面のうち圧電体層３の側面の部位に形成されていることが望ましい。これにより、外部電極９と内部電極層５との導通を良好に保ったまま、外部電極９と積層体７の側面との間に生じる応力を有効に低減することが可能となる。このように空孔２が積層体７の側面における互いに隣接する内部電極層５の間の圧電体層３の部位に形成されている場合は、外部電極９の厚みを部分的に不要に厚くすることがないように、空孔２の形状は互いに隣接する内部電極層５の間でそれらの間の圧電体層３の側面に沿った方向に長い扁平な形状であることが好ましい。この場合の空孔２は、例えば圧電体層３に沿った細長い帯状であり、その幅が圧電体層３の厚みと同程度以下である、圧電体層３と外部電極９との間の厚みが薄い扁平な形状であればよい。

また、空孔２は、外部電極９に対して１つのみ形成されているだけでは必ずしも十分ではない場合があるので、積層体７の側面と外部電極９との接合界面に複数形成されていることが好ましい。空孔２が複数形成されていることにより、外部電極９と積層体７の側面との間の応力低減効果を高めることができ、積層型圧電素子１を高電界で高速で連続駆動させた場合においても、外部電極９の一部が積層体７の側面から剥離して変位特性が低下するという問題が生じるのをより有効に防ぐことができる。複数形成されている空孔２の個数密度は50〜1000個／ｍｍ^２程度であることが好ましい。また、積層体７の側面と外部電極９との接合界面において空孔２が占める面積の割合は、0.1〜５％程度であることが好ましい。空孔２の個数密度および占有面積割合をこの範囲内とすることにより、外部電極９と積層体７の側面との間の接合強度を確保しながら応力低減効果をより高めることができる。

空孔２が複数形成されているときであって、空孔２が内部電極層５の間の圧電体層３の部位に形成されている場合には、少なくとも各内部電極層５の間の圧電体層３の部位に空孔２が１つ以上存在することが好ましい。これにより、各内部電極層５の間の圧電体層３のそれぞれの部位において応力を緩和できるようになる。また、積層体７の積層方向および積層方向に直交する方向ともに、略均一に空孔２が分布していることが好ましい。これにより、空孔２が分布している範囲の全面にわたって応力を緩和できるようになる。

さらに、空孔２は、閉じた空間であることが望ましい。これは、空孔２が閉じた空間として形成されていることにより、この閉じた空間内に存在する空気がクッションの役目を果たし、外力によって生じる応力によって空孔２がつぶれるのを有効に防ぐことができ、長期間にわたって、外部電極９と積層体７の側面との間に発生する応力を低減することができる。なお、空孔２が閉じた空間でない場合としては、空孔２の一部が外部電極９の大気側の表面に露出していて空孔２が外部電極９の表面に開口を有している場合や、空孔２が外部電極９の外周縁部に形成されていて空孔２が外部電極９の外周縁に開口を有している場合等がある。また、空孔２が閉じた空間である場合であれば、複数の空孔２が繋がった状態であって全体として閉じた空間を形成しているものであってもよい。この場合も、外部電極９と積層体７の側面との間に発生する応力を低減する効果がより高まる。

次に、本例の積層型圧電素子１の製法について説明する。

まず、圧電体層３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スラリーを作製する。そして、ドクターブレード法や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、このスラリーから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、ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３からなるペロブスカイト型酸化物などを用いることができる。また、可塑剤としては、ＤＢＰ（フタル酸ジブチル），ＤＯＰ（フタル酸ジオチル）などを用いることができる。

次に、内部電極層５となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀（Ａｇ）−パラジウム（Ｐｄ）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で導電性ペーストを作製することができる。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５のパターンで配設する。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を行なった後、900〜1200℃の温度で焼成することによって、交互に積層された圧電体層３および内部電極層５を備えた積層体７を形成することができる。

なお、積層体７は、上記製法によって作製されるものに限定されるものではなく、複数の圧電体層３と複数の内部電極層５とを交互に積層してなる積層体７を作製できれば、どのような製法によって形成されても良い。

次に、焼成して得られた積層体７に、平面研削盤などを用いて、所定の形状になるよう研削を行なう。

その後、銀を主成分とする導電剤粉末およびガラス粉末にバインダー，可塑剤および溶剤を加えて作製した銀ガラス導電性ペーストを、外部電極９のパターンで積層体７の側面にスクリーン印刷等によって印刷する。その後、所定の温度で乾燥し、焼き付けを行なうことにより、外部電極９を形成することができる。

ここで、積層体７の側面と外部電極９の接合面とをその間に介在することによって分離させる空孔２を接合界面に形成するには、焼き付け後に外部電極９となる銀ガラス導電性ペーストを、外部電極９を形成する積層体７の側面に印刷する前に、予め空孔２を形成させたい部分に、外部電極９の焼き付け時に焼失（消失）する空孔材を塗布しておくことにより形成することができる。すなわち、外部電極９の焼き付け時に燃えてなくなる材質により構成した空孔材を積層体７の側面に空孔２の大きさおよび形状で印刷し、その上から外部電極９を形成する銀ガラス導電性ペーストを印刷して焼き付けることにより、焼き付け時に空孔材が燃えてなくなることによって、積層体７の側面と外部電極９との間の接合界面に所望の空孔２を形成することができる。

ここで、空孔材としては、カーボン粉末が、あるいはアクリルビーズなどの有機樹脂からなるビーズなどが好ましい。これらの空孔材にバインダーを添加混合することにより得られる空孔材ペーストを、スクリーン印刷やインクジェット印刷などによって積層体７の側面の空孔２を形成したい部分に予め塗布しておき、その後、外部電極９となる銀ガラス導電性ペーストを印刷して焼き付けを行なうことによって、積層体７の側面と外部電極９との接合界面の所望の場所に空孔２を形成することができる。

なお、積層体７の側面の面方向に長い扁平な形状を有する空孔２は、空孔材に扁平なアクリルビーズを用いて面方向に平行に配置されるように塗布することによっても得ることができる。

また、積層体７の側面と外部電極９との接合界面に空孔２を形成するために、以下のようにしてもよい。

例えば、外部電極９として所定の形状および大きさに成形した後に積層体７に被着させるものを用いる場合であれば、外部電極９の表面のうちで積層体７の側面と接する面を空孔２に相当する凹部が形成された粗面とする方法が採用できる。例えば、サンドブラスト等によって外部電極９の面を粗面に加工する方法を採用するとよい。この場合には、外部電極９の表面のうち積層体７の側面と接する面に、多数の微小な凹部が形成される。従って、積層体７の側面に、このサンドブラスト等によって粗面に加工した外部電極９の面を当接させると、外部電極９の面における微小な凹部が存在する部分に空気が入り込みやすくなっているので、積層体７の側面への接合後に接合界面に空孔２が形成されることとなる。

また、サンドブラストによって外部電極９の積層体７との接合面を加工することによって、積層体７の側面と外部電極９との接合界面に空孔２を形成する場合は、サンドブラストを行なうための粒子の大きさを調節することによって、空孔２の大きさを、ある程度調節することができるので好ましい。

次に、シリコーンゴムからなる外装樹脂を含む樹脂溶液に、外部電極９を形成した積層体７を浸漬する。そして、シリコーン樹脂溶液を真空脱気することにより、積層体７の外周側面の凹凸部にシリコーン樹脂を密着させ、その後、シリコーン樹脂溶液から積層体７を引き上げる。これにより、外部電極９を形成した積層体７の側面にシリコーン樹脂がコーティングされる。そして、外部電極９に通電部としてリード線を導電性接着剤等で接続する。

その後、一対の外部電極９に0.1〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、積層体７を構成する圧電体層３を分極することによって、本例の積層型圧電素子１が完成する。この積層型圧電素子１によれば、リード線を介して外部電極９と外部の電源とを接続して、圧電体層３に電圧を印加することにより、各圧電体層３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一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、本例の噴射装置19は、一端に噴射孔21を有する収納容器23の内部に上記の実施の形態の例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に通じる流体通路27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から噴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が配置されている。そして、収納容器23内には、前述したような本発明の積層型圧電素子１が収納されている。

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が開放されて噴射孔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流路27を開放し、電圧の印加を停止することによって流体流路27を閉塞するように構成しても良い。

また、本発明の噴射装置19は、噴射孔21を有する容器と、本発明の積層型圧電素子１とを備え、容器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が必ずしも容器の内部に収納されている必要はなく、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、本発明において、流体とは、燃料，インクなどの他、種々の液状流体（導電性ペースト等）および気体が含まれる。本発明の噴射装置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。

本発明の積層型圧電素子１を採用した本発明の噴射装置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一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構成図である。

図６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本発明の噴射装置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）程度、好ましくは1500〜1700（約152ＭＰａ〜約172ＭＰａ）気圧程度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、適宜噴射装置19に送り込む。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、外部電極９は、図１および図２に示す例のように積層体７の対向する側面にそれぞれ形成するものに限られるものではなく、２つの外部電極９を積層体７の隣り合う側面に形成してもよいし、積層体７の同一の側面に形成してもよい。また、積層体７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などの多角形状，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。また、外部電極９の外側に、大電流を流すための導電性補助部材が設けられても構わない。この導電性補助部材は、金属製の線材やメッシュ，メッシュ状の板などからなり、導電性接着剤や半田などで外部電極９に接続固定して用いられる。

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スラリーを作製した。このスラリーを用いてドクターブレード法により厚み150μｍの圧電体層３となるセラミックグリーンシートを作製した。

また、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、これら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300枚積層した。そして、980〜1100℃で焼成することにより積層体を得た。

得られた積層体を平面研削盤を用いて所定の形状に研削した後、外部電極を形成する積層体の側面に、球形のアクリルビーズ（直径５μｍ）および扁平な形状のアクリルビーズ（長径10μｍ、短径８μｍ、厚み２μｍ）にバインダーを混合添加した空孔材ペーストを塗布し、その上に外部電極となる銀ガラス導電性ペーストを印刷して、700℃にて焼き付けを行なった。なお、このときの銀ガラス導電性ペーストに含まれるガラスの軟化点は730℃であった。

ここで、このように空孔材ペーストを塗布せずに作製した本発明の比較例の試料番号１の圧電アクチュエータには、積層体の側面と外部電極との接合界面に空孔は見られなかった。一方、球形のアクリルビーズを用いた空孔材ペーストを塗布した本発明の実施例の試料番号２の圧電アクチュエータには、球形状の空孔（直径３μｍ）が、扁平な形状のアクリルビーズを用いた空孔材ペーストを塗布した本発明の実施例の試料番号３の圧電アクチュエータには、積層体の側面の面方向に長い扁平な形状を有する空孔（長径６μｍ、短径４μｍ、厚み１μｍ）が、それぞれ積層体の側面と外部電極との接合界面に形成されていた。

また、扁平な形状のアクリルビーズを用いた空孔材ペーストを塗布し、その後、外部電極となる銀ガラス導電ペーストに含まれるガラス成分の軟化点を600℃とし、700℃にて焼き付けを行なった本発明の実施例の試料番号４の圧電アクチュエータでは、外部電極の積層体の圧電体層との接合面の表層部にガラス層が厚み１μｍで形成されていた。なお、ここでは、ガラス成分としてシリカガラスを用いることによって、ガラス層を形成するものとした。また、このガラス層を形成する場合には、外部電極となる銀ガラス導電性ペーストの層のうち、最も積層体の側面側の層には10質量％のシリカガラスを含有させ、他の層には２質量％のシリカガラスを含有させて、複数のペースト層を用いて形成するものとした。

その後、外部電極にリード線を接続し、正極および負極の外部電極にそれぞれリード線を介して３ｋＶ／ｍｍの直流電界を15分間印加して、分極処理を行なった。このようにして積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータを作製した。得られた圧電アクチュエータに160Ｖの直流電圧を印加したところ、積層体の積層方向に40μｍの変位量が得られた。さらに、この圧電アクチュエータを室温で０〜＋160Ｖの交流電圧を150Ｈｚの周波数で印加して、１×10^９回および１×10^１０回まで連続駆動した試験を行なった。得られた結果を表１に示す。

表１に示す結果から分かるように、本発明の比較例である試料番号１の圧電アクチュエータでは、積層体の側面と外部電極との接合界面に空孔が存在していないために、駆動時に積層体の側面と外部電極との間に生じる応力を緩和することができずに、１×10^９回駆動後には外部電極の一部が積層体の側面から剥離し、変位特性が１／２に低下してしまっていた。一方、本発明の実施例である試料番号２〜４の圧電アクチュエータでは、積層体の側面と外部電極との接合界面に、積層体の側面と外部電極の接合面とをその部分で分離させる空孔が形成されているため、駆動時に積層体の側面と外部電極との接合界面に繰り返し生じる応力を空孔が吸収して緩和できるため、１×10^９回駆動後には外部電極の一部が積層体の側面から剥離して変位特性が低下すると言った問題は生じていなかった。

さらに、空孔の形状を積層体の側面の面方向に長い扁平な形状にした試料番号３の圧電アクチュエータ、およびそれに加えて外部電極の積層体の側面との接合面の表層部にガラス層を形成した試料番号４の圧電アクチュエータでは、１×10^１０回の連続駆動後にも外部電極の一部が積層体の側面から剥離して変位特性が低下することはなく、さらに高耐久性を備えていることが分かった。

１・・・積層型圧電素子
２・・・空孔
３・・・圧電体層
５・・・内部電極層
７・・・積層体
９・・・外部電極
10・・・ガラス層
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 (9)

1. 圧電体層と内部電極層とが交互に積層された積層体と、該積層体の側面に接合されて前記内部電極層に電気的に接続された外部電極とを含む積層型圧電素子であって、前記積層体の側面と前記外部電極との接合界面に空孔が形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記空孔は、前記積層体の側面の面方向に長い扁平な形状を有することを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。
3. 前記空孔は、前記積層体の側面における前記圧電体層の部位に形成され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。
4. 前記外部電極は、前記圧電体層との接合面の表層部にガラス層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の積層型圧電素子。
5. 前記空孔は、前記積層体の側面における互いに隣接する前記内部電極層の間の前記圧電体層の部位に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の積層型圧電素子。
6. 前記空孔は複数形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の積層型圧電素子。
7. 前記空孔は閉じた空間であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の積層型圧電素子。
8. 噴出孔を有する容器と、請求項１乃至請求項７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ことを特徴とする噴射装置。
9. 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８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。
   

Images