JPWO2012099233A1 - 積層型圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータ、噴射装置ならびに燃料噴射システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 欠陥領域の発生を低減すると共に、湿気の侵入が起こってもリーク電流が発生せず、変位量が長期間変動せず、安定駆動できる積層型圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータ、噴射装置ならびに燃料噴射システムを提供する。【解決手段】 本発明は、圧電体層２および内部電極３が積層された積層体７と、正極の内部電極310および負極の内部電極320の両方の端部があらわれた積層体７の側面に設けられた無機コート５とを備えた積層型圧電素子であって、無機コート５の内部には内部電極３に含まれる金属元素を主成分とした金属粒子が分散して含まれていることを特徴とするものである。【選択図】 図１
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圧電アクチュエータ、噴射装置ならびに燃料噴射システムに関するものである。
積層型圧電素子は、基本的に、圧電体層および内部電極層が積層された積層体と、この積層体の側面に接合されて内部電極層に電気的に接続された外部電極とを含む構成のものである。
ここで、従来の積層型圧電素子は、積層体の表面でリーク電流が発生して変位量の変動が起こることを防ぐために、シリコーン樹脂等の有機材料やガラス等の無機材料からなる外装コートが施されている。そして、無機材料の外装コート（無機コート）として特に耐熱性、耐湿性の良好なセラミックコート（セラミック被覆層）を用いた積層型圧電素子が知られている（特許文献１を参照）。
しかしながら、積層体の表面にガラスやセラミックスからなる無機コートを設けた積層型圧電素子を高温、高湿下で長期間駆動させると、積層体の伸長時に生じる応力によって、無機コート中のガラス部分（セラミックスの場合には粒界部分）に欠陥領域が生じると共に、湿気の侵入により欠陥領域を伝って金属イオンが移動するマイグレーションが生じて、リーク電流が流れるようになるおそれがあった。また、リーク電流が生じることで積層型圧電素子の変位量が小さくなるおそれがあった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、欠陥領域の発生を低減すると共に、湿気の侵入が起こってもリーク電流が発生せず、変位量が長期間変動せず、安定駆動できる積層型圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータ、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。
本発明は、圧電体層と正極および負極としての内部電極とが積層された積層体と、該積層体の前記正極の内部電極および前記負極の内部電極の両方の端部があらわれた側面に設けられた無機コートとを備え、該無機コートの内部には前記内部電極に含まれる金属元素を主成分とした金属粒子が分散して含まれていることを特徴とする。
ここで、前記金属粒子は、前記無機コートの表面側に偏って分布していることが好ましい。
また、前記無機コートには、前記積層体の側面側にボイドが設けられていることが好ましい。
また、前記無機コートは圧電材料からなることが好ましい。
また、前記内部電極に含まれる金属元素が銀であり、前記金属粒子が銀粒子であることが好ましい。
本発明の圧電アクチュエータは、上記いずれかの本発明の積層型圧電素子とともに、前記積層型圧電素子を内部に収容するケースを備えたことを特徴とするものである。
本発明の噴射装置は、噴射孔を有する容器と、上記いずれかの本発明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ものである。
本発明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、無機コート中の金属粒子によって欠陥領域の発生を低減してリーク電流の発生を抑止できるため、長期間、積層型圧電素子の変位量が変動せず、安定駆動できる。
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り、二つの側面に無機コートを施した例である。図２は本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例を示す斜視図であり、すべての側面に無機コートを施した例である。図３は、図１および図２に示すＡ−Ａ線断面における断面図の一例である。また、図４および図５は２層構造の無機コートを形成した例である。
図１および図３に示すように、本例の積層型圧電素子１は、圧電体層２および内部電極３が積層された積層体７と、積層体７の一対の側面に内部電極３と電気的に接続された外部電極６が設けられた積層型圧電素子であって、正極の内部電極310および負極の内部電極320の両方の端部があらわれた積層体７の他の一対の側面には無機コート５が設けられ、無機コート５の内部には内部電極３に含まれる金属元素を主成分とした金属粒子51が分散して含まれている。
積層型圧電素子１を構成する積層体７は、例えば圧電体層２と内部電極３とが交互に積層され、内部電極３は正極の内部電極310と負極の内部電極320とが１層おきに交互に形成されてなるものである。積層体７は、例えば縦0.5〜10ｍｍ、横0.5〜10ｍｍ、高さ１〜100ｍｍの直方体状に形成されている。
積層体７を構成する圧電体層２は、圧電特性を有する圧電セラミックスからなり、例えばＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛）等のペロブスカイト型酸化物を用いることができる。この圧電体層２の厚みは、例えば３μｍ〜250μｍとされる。
また、積層体７を構成する内部電極３は、圧電体層２と交互に積層されて圧電体層２を上下から挟んでおり、積層順に正極の内部電極310および負極の内部電極320が配置されることにより、それらの間に挟まれた圧電体層２に駆動電圧を印加するものである。内部電極３（正極の内部電極310、負極の内部電極320）は、例えば銀パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）等の金属からなる。図１に示す例では、正極の内部電極310および負極（もしくはグランド極）の内部電極320がそれぞれ積層体７の対向する一対の側面に互い違いに導出されて、積層体７の側面に接合された一対の外部電極６に電気的に接続されている。この内部電極３の厚みは、例えば0.1μｍ〜５μｍとされる。
一対の外部電極６は、例えば銀とガラスからなるペーストを塗布して焼き付けて形成されたもので、積層体７の側面に接合されて、積層体７の対向する側面に互い違いに導出された内部電極３とそれぞれ電気的に接続されている。この外部電極６の厚みは、例えば１〜500μｍとされる。
また、図１に示す積層体７の対向する他の一対の側面には、正極の内部電極310および負極（もしくはグランド極）の内部電極320の両方が導出され、当該両方の電極の端部があらわれている。そして、無機コート５が正極の内部電極310および負極の内部電極320の両方の端部があらわれた積層体７の対向する他の一対の側面に被着されている。この側面は、外部電極６の形成されていない面である。
無機コート５の材料としては、例えば圧電材料、アルミナなどが挙げられるが、ヤング率の低い圧電材料からなるのが好ましい。無機コート５が圧電材料で形成されることによって、結晶が歪むことができるため、積層体７の変位に追従でき、無機コート５の剥離を生じにくくすることができる。更に、内部電極３からの漏れ電界（電極に挟まれていない領域に生じる電界）により無機コート５が隣接する圧電体層２と同方向の変位をするために、積層体７の伸縮に追従することが可能となる。特に、圧電体層２と同種の圧電材料、例えばＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛）とすることで、焼き付け冷却時の熱膨張差による無機コート５の剥離を抑制することができる。また、焼き付け時に発生する圧電体層２から無機コート５への微量成分の拡散による圧電体層２の特性低下を抑えることができる。この無機コート５の厚みは、例えば１〜500μｍとされる。
さらに、無機コート５の内部には、図３に示すように、内部電極３に含まれる金属元素を主成分とした金属粒子51が分散して含まれている。
ここでいう分散とは、金属粒子51同士の間隔の平均値が金属粒子51の粒径の平均値よりも大きくなることであり、例えば金属粒子51同士の間隔の平均値は0.1〜100μｍになっている。この値は断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡や金属顕微鏡により観察し、任意の線分間に含まれる粒子間の個数および粒子間の距離を測定し、この粒子間の距離の合計距離を粒子間の個数で割ることによって求めることができる。
このように、無機コート５の内部に内部電極３に含まれる金属元素を主成分とした金属粒子51が分散されていることで、無機コート５に外部から衝撃等の応力が加わっても、応力伝播を回折させる等の効果で、クラックの進展を抑制（欠陥領域の発生を低減）できる。そのため、欠陥領域を伝って金属イオンが移動するマイグレーションによってリーク電流が流れることを抑制することができる。
無機コート５の内部に含まれる金属粒子51としては、無機コート５を構成するセラミック粒子よりも小さい粒径を有することで、伝播してきた応力を回折させやすくなるので好ましい。具体的には、セラミック粒子の粒径は0.1〜20μｍであり、金属粒子51の粒径は0.05〜２μｍで、セラミック粒子の粒径よりも小さい値であることが好ましい。ここでいう粒径とは、それぞれ平均粒径のことであり、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡や金属顕微鏡により観察し、任意の線分間に含まれる粒子の数と粒子を横切る線分の長さを測定し、この線分の長さの合計距離を粒子数で割ることによって求めたものである。
また、固体中の金属イオンはフィックの法則に支配されて拡散が起こる。濃度の高い内部電極３及び圧電体層２から濃度の薄い無機コート５中に向かって金属イオンはイオン化した酸素空孔を逆方向に移動させて電荷補償しながら結晶粒界を移動する。そして無機コート５中の金属粒子51の近傍で金属イオンは電荷のやり取りを行って酸素空孔を消滅させるとともに金属粒子51に凝集する。したがって、無機コート５中の結晶粒界における金属イオンの存在を抑止できるため、湿気が侵入してもリーク電流の発生を抑止できることで、長期間、積層型圧電素子１の変位量が変動せず、安定駆動できる。
さらに、高温、高湿下で連続駆動した場合でも、無機コート５が強固に積層体７の側面に接合されており、無機コート５が剥離したり、側面からの湿気の侵入によりマイグレーションが生じてリーク電流が発生したりすることを抑制することができる。また、被覆層が無機コート５であることで、樹脂の被覆層では耐え得ない高温での使用でも問題はない。
ここで、金属粒子51としては、内部電極３に含まれる金属元素を主成分とするものであればよく、例えば内部電極３に含まれる金属元素が銅であれば金属粒子51は銅粒子、内部電極３に含まれる金属元素が銀であれば金属粒子51は銀粒子との組合せが挙げられる。特に、銀はやわらかいので、応力吸収することができる点で効果的である。さらに、銀は室温付近の温度域で酸化物よりも金属として安定に存在できることから、無機コート５中にあらかじめ銀粒子を金属粒子51として分散させておくことで、内部電極３から銀イオンが無機コート５中に拡散しても、銀イオンは無機コート５中で酸化銀としては析出せずに、金属粒子51の近傍で電荷のやり取りを行って金属粒子51に選択的に凝集して捕獲されることができるので好ましい。
ここで、無機コート５は図１に示すような外部電極６の形成されていない面のみに被着されることに限定はされず、図２に示すように、外部電極６の形成された面を含むすべての側面に被着されていてもよい。なお、図２では外部電極６の形成された面において、外部電極６の形成された領域およびその近傍領域では正極の内部電極310または負極の内部電極320のどちらか一方の端部があらわれていて、それ以外の領域では正極の内部電極310および負極の内部電極320の両方の端部があらわれた構成になっている。このような構成とすることで、内部電極３から移動する金属イオンを全ての方位から制御することができ、さらに剥離しにくくなるので好ましい。
また、外部電極６の表面および外部電極６に接続する外部リード部材の表面にも被着することで、異なる極への金属イオンの移動を完全に抑止でき、積層型圧電素子１を安定駆動することができる。
さらに、無機コート５は、正極の内部電極310および負極の内部電極320の両方の端部があらわれた積層体７の他の側面の全体に設けても良いが、積層体７の伸び縮みをし易くするという観点から、図１に示すように、前記他の側面のうち少なくとも正極の内部電極310および負極の内部電極320の両方の端部が覆われる程度に設けてあれば良い。すなわち前記他の側面のうち正極の内部電極310および負極の内部電極320の端部が現れていない積層体７の両端に近い領域には無機コート５が設けられていなくても構わない。
またさらに、無機コート５に含まれる金属粒子51は、無機コート５の表面側に偏って分布していることが好ましい。金属イオンの拡散は無機コート５中の金属粒子51に向かって起こるので、金属イオンの移動方向を確実に異なる極の電極から離れる方向にすることができる。
金属粒子51が無機コート５の表面側に偏って分布していることは、積層型圧電素子１の断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡や金属顕微鏡により観察して、無機コート５の表面側から厚みの３分の１までの距離に含まれる金属粒子51の個数と、他の任意の領域に含まれる金属粒子の個数とを測定して、比較することによって判別できる。
無機コート５に含まれる金属粒子51を無機コート５の表面側に偏って分布させるために、例えば図４に示すように、金属粒子51を含有しない積層体側面側の無機コート５Ａと金属粒子51を含有する表面側の無機コート５Ｂの２層構造の無機コート５とすることができる。
このとき、内部電極３間（正極の内部電極310と負極の内部電極320との間）の距離よりも、積層体側面側の無機コート５Ａが薄いほうが、拡散距離が短いので、より好ましい。なお、表面側の無機コート５Ｂにおける金属粒子51の分散の程度および粒径は、図１に示す例のものと同様である。
さらに、積層型圧電素子１の変位量は積層体７の積層方向の端部において最も大きくなるために、無機コート５の中でも積層方向の端部に最も応力が加わるので、積層体７の積層方向の端部に位置する内部電極３から無機コート５中のガラス部分（セラミックの場合には粒界部分）に欠陥領域が生じ、欠陥領域を伝って内部電極３に含まれる金属イオンが異なる極の内部電極３に到達して、リーク電流が流れやすくなる。そこで、図５に示すように、無機コート５に含まれる金属粒子は、積層体７の積層方向の端部に偏って分布していることが好ましい。
このことにより、濃度の高い内部電極３から濃度の薄い無機コート５中の金属粒子51に向かって金属イオンは拡散し凝集することを利用して、金属イオンの結晶粒界での存在を抑止しリーク電流の発生を抑止できる。その結果、より長期間、積層型圧電素子１の変位量が変動せず、安定駆動できる。
さらに、無機コート５には積層体７の側面側にボイドが設けられていることが好ましい。ボイドを設けることで、積層体７に接する無機コート５の応力を緩和できる。特に２層構造の場合には、１層目の結晶粒界の亀裂を抑止できるから、結晶粒子間の隙間を伝いながら異なる電極へ移動するイオンのパスを抑えることができるからである。
なお、ボイド径としては例えば0.05〜２μｍの径であり、内部電極３間（正極の内部電極310と負極の内部電極320との間）近傍の無機コート５に分布させることで、応力緩和効果が高くなり、結晶粒界の亀裂を抑止できるから、結晶粒子間の隙間を伝いながら異なる電極へ移動するイオンのパスを抑えることができる。
ボイドが無機コート５の積層体７の側面側に分布していることは、積層型圧電素子１の断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡や金属顕微鏡により観察することができ、無機コート５中において、ボイドが積層体側面側の方に多く存在していることは、無機コート５の積層体側面側から厚みの３分の１までの距離に含まれるボイドの個数（比率）と、他の任意の領域に含まれるボイドの個数（比率）とを測定して、比較することによって判別できる。
そして、外部電極６に半田や導電性接着剤等の導電性接続部材で図６に示すような外部リード部材９を接続固定し、外部リード部材９から0.1〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体７を構成する圧電体層２を分極することによって、積層型圧電素子１全体を分極することができる。
この積層型圧電素子１は、図６に示すような外部リード部材９を介して外部電極６と外部の電源とを接続して、圧電体層２に駆動電圧を印加することにより、各圧電体層２を逆圧電効果によって大きく変位させることができるものである。
次に、本例の積層型圧電素子１の製造方法について説明する。
まず、圧電体層２となる圧電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、アクリル系または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あるいは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圧電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（ＰＺＴ：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）または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３となる内部電極用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、内部電極用導電性ペーストを作製する。なお、銀−パラジウム合金に代えて銀粉末とパラジウム粉末とを混合しても良い。
次に、内部電極用導電性ペーストを、上記の圧電セラミックグリーンシート上に内部電極層３のパターンで例えばスクリーン印刷法にて塗布する。
次に、内部電極用導電性ペーストが塗布された圧電セラミックグリーンシートを所定枚数積層する。
そして、これに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。
次に、焼成して得られた積層体に、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう側面に研削加工処理を施す。これにより、圧電体層２および内部電極３が交互に積層されている積層体７を作製する。
その後、セラミックやガラス等の無機粉末に、内部電極に含まれる金属元素を主成分とした金属粒子を加え、バインダー、可塑剤を混合して作製した無機コート用ペーストを積層体７側面にスクリーン印刷やディッピング等の手法を用いて塗布し、500〜1200℃の温度で焼き付けを行う。このとき、外部電極６の形成面には、無機コート用ペーストは塗布しないか、若しくは、塗布して焼き付け後に研磨で取る。なお、無機コート用ペーストに含まれるセラミック粉末は、圧電セラミックの仮焼粉末であることが好ましく、さらには、圧電体層２と同一の組成のセラミック粉末であることが好ましい。
ここで、図４に示すように無機コート５に含まれる金属粒子51を無機コート５の表面側に偏って分布させるには、金属粒子を含まないペーストを塗布した後、その表面に金属粒子51の分散されたペーストを塗布し、焼成する方法が挙げられる。
なお、無機コート５中に金属粒子51を分散させる方法については、無機コート５の表面に金属粒子51を被覆させるものではなく、無機コート５の中に分散して金属粒子51を点在させるものであれば、これら以外の方法であってもよい。
その後、銀を主成分とし、ガラスを含む銀ガラス導電性ペーストを外部電極６のパターンで積層体７の内部電極３が導出された側面に印刷し、650〜750℃で焼き付けを行ない、外部電極６を形成する。
次に、外部電極６に外部リード部材９を半田や導電性接着剤等の導電性接続部材で接続固定する。
その後、一対の外部電極６にそれぞれ接続した外部リード部材９から0.1〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体７を構成する圧電体層２を分極することによって、積層型圧電素子１全体が分極する。この積層型圧電素子１は、外部リード部材９を介して外部電極６と外部の電源とを接続して、圧電体層２に駆動電圧を印加することにより、各圧電体層２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、例えば圧電アクチュエータに用いたり、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たりすることが可能となる。
次に、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の例について説明する。図６は、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例を示す概略断面図である。
図６に示すように、本例の圧電アクチュエータ11は、積層型圧電素子１をケース13に収容してなるものである。
具体的には、ケース13は、上端が塞がれ下端が開口したケース本体15と、ケース本体15の開口を塞ぐようにケース本体15に取り付けられた蓋部材17とで構成され、積層型圧電素子１の両端面をケース13の上端内壁および下端内壁にそれぞれ当接させるようにして積層型圧電素子１がケース13の内部に例えば不活性ガスとともに封入され収容されている。
ケース本体15および蓋部材17は、ＳＵＳ304やＳＵＳ316Ｌなどの金属材料で形成されたものである。
ケース本体15は、上端が塞がれ下端が開口した筒状体であり、積層体７の積層方向に伸縮可能に例えばベローズ（蛇腹）形状となっている。また、蓋部材17は、ケース本体15の開口を塞ぐように例えば板状に形成されている。蓋部材17には外部リード部材９を挿通可能な貫通孔が２つ形成されており、外部リード部材９を貫通孔に挿通させて外部電極６と外部とを電気的に導通させている。そして、貫通孔の隙間には軟質ガラス等を充填していて、この外部リード部材９を固定するとともに、外気の侵入を防いでいる。
本例の圧電アクチュエータ11によれば、長期間安定して駆動することができる。
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）程度、好ましくは1500〜1700気圧（約152ＭＰａ〜約172ＭＰａ）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、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。
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、積層型圧電素子１における外部電極６は、上記の例では積層体７の対向する２つの側面に１つずつ形成したが、２つの外部電極６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等の多角形状、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。
本例の積層型圧電素子１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に用いられる。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。
本発明の積層型圧電素子の実施例について以下に説明する。
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（ＰＺＴ：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100μｍの圧電体層となる圧電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、内部電極となる内部電極用導電性ペーストを作製した。このときの銀−パラジウム比率は、銀95質量％−パラジウム５質量％であった。
次に、圧電セラミックグリーンシートの片面に、内部電極用導電性ペーストをスクリーン印刷法により印刷した。
次に、内部電極用導電性ペーストが印刷された圧電セラミックグリーンシート300枚を中心にして、その上下の層に、内部電極用導電性ペーストが印刷されていない圧電セラミックグリーンシート合計15枚を積層した。
そして、これを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て形状加工した。
次に、前述の圧電セラミックスと同一組成の仮焼粉末と内部電極に含まれる金属元素を主成分とした金属の粉末をバインダー及び可塑剤を添加して無機コート用ペーストを作製した。具体的には、平均粒径0.4μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末に、平均粒径0.5μｍの銀、または銀−パラジウム合金の粉末を混合し、金属粉末の含有量が５〜20質量％となるようにしてから、バインダー及び可塑剤を添加して無機コート用ペーストを作製した。
この無機コート用ペーストを、外部電極形成面以外の積層体側面に印刷し、乾燥後980〜1100℃の温度で焼き付けを行った。焼き付け後の無機コートの厚みは、10μｍであった。
さらに、この無機コート用ペーストを印刷乾燥後、再度、無機コート用ペーストを印刷してから、乾燥後980〜1100℃の温度で焼き付けを行った試料の無機コートの厚みは、20μｍであった。
次に、銀粉末にガラス，バインダーおよび可塑剤を添加して作製した銀ガラスペーストを外部電極のパターンで積層体の側面に印刷し、乾燥後700℃で焼き付けを行ない、外部電極を形成した。そして、この外部電極に、半田を用いて外部リード部材としてリード線を接続固定した。
以上により、圧電体層および内部電極が積層された積層体と、この積層体の側面に接合されて内部電極に電気的に接続された外部電極と、積層体の側面に被着された無機コートとを含む本発明実施例の積層型圧電素子（試料番号２〜４）を作製した。
なお、試料番号２は、平均粒径２μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックスの粒界に、平均粒径0.5μｍの銀の粒子が約５μｍの間隔で分散した厚み10μｍの無機コートとしたものである。
試料番号３は、平均粒径２μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックスからなる厚み10μｍの無機コートの上に、平均粒径２μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックスの粒界に、平均粒径１μｍの銀の粒子が約２μｍの間隔で分散した厚み10μｍの無機コートが形成され、計20μｍの厚みの無機コートとしたものである。
試料番号４は、平均粒径２μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックスからなる厚み10μｍの無機コートの上に、平均粒径２μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックスの粒界に、平均粒径１μｍの銀パラジウムの粒子が約２μｍの間隔で分散した厚み10μｍの無機コートが形成され、計20μｍの厚みの無機コートとしたものである。
一方、比較例（試料番号１）として、平均粒径0.4μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末のみで無機コート用ペーストを作製して、平均粒径２μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックスからなる厚み10μｍの無機コートとしたものを用意した。
次に、試料番号１〜試料番号４の各積層型圧電素子について、外部リード部材を介して外部電極に３ｋＶ／ｍｍの直流電界を15分間印加して、圧電体層の分極処理を行なった。
これら試料番号１〜４の積層型圧電素子に、それぞれ150℃の雰囲気下で０Ｖ〜＋160Ｖの交流電圧を150Ｈｚの周波数で印加して、１×10６回まで連続駆動した後、85℃、85％ＲＨの雰囲気下で、ＤＣ150Ｖを300時間印加する試験を行った。その結果を表１に示す。
上記試験の結果、本発明の実施例の積層型圧電素子（試料番号２〜４）は、１×10６回まで連続駆動させた後、高温高湿の環境下でＤＣ電圧を加えて変位させても、積層体の側面でリーク電流が生じることなく、変位量が変動しない高い信頼性を備えていることが分かった。試験後、これらの試料を切断して走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で無機コート内を観察したが、クラックも無機コート内のマイグレーションもなかった。
これに対し、比較例の積層型圧電素子（試料番号１）は、０Ｖ〜＋160Ｖの交流電圧を印加して、１×10６回まで連続駆動したが変位量が低下したため、試料を切断して走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で無機コート内を観察したところ、積層体に伸縮によって生じる応力により、無機コートにおける内部電極の端部と端部との間に、リーク電流が発生したことに起因するクラックが複数生じていた。
試料番号１のサンプルを再度用意して、０Ｖ〜＋160Ｖの交流電圧を印加して、連続駆動したところ、同じように変位量が低下した。そこでさらに、85℃、85％ＲＨの雰囲気下で、ＤＣ150Ｖを印加する試験を行ったところ、100時間経過後に無機コート表面でスパークが生じてしまった。この試料を切断して走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で無機コート内を観察したところ、高温高湿の環境下でＤＣ電圧を加えたので、内部電極の銀がマイグレーションを起こし、無機コートに生じたクラック内を通じて移動していたことが確認できた。
１・・・積層型圧電素子
２・・・圧電体層
３・・・内部電極
310・・・正極の内部電極
320・・・負極の内部電極
５・・・無機コート
５Ａ・・・積層体側面側の無機コート
５Ｂ・・・表面側の無機コート
51・・・金属粒子
６・・・外部電極
７・・・積層体
９・・・外部リード部材
11・・・圧電アクチュエータ
13・・・ケース
15・・・ケース本体
17・・・蓋部材
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
２・・・圧電体層
３・・・内部電極
310・・・正極の内部電極
320・・・負極の内部電極
５・・・無機コート
５Ａ・・・積層体側面側の無機コート
５Ｂ・・・表面側の無機コート
51・・・金属粒子
６・・・外部電極
７・・・積層体
９・・・外部リード部材
11・・・圧電アクチュエータ
13・・・ケース
15・・・ケース本体
17・・・蓋部材
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 (8)
- 圧電体層と正極および負極としての内部電極とが積層された積層体と、該積層体の前記正極の内部電極および前記負極の内部電極の両方の端部があらわれた側面に設けられた無機コートとを備え、該無機コートの内部には前記内部電極に含まれる金属元素を主成分とした金属粒子が分散して含まれていることを特徴とする積層型圧電素子。
- 前記金属粒子は、前記無機コートの表面側に偏って分布し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。
- 前記無機コートには、前記積層体の側面側にボイドが設けられている請求項１に記載の積層型圧電素子。
- 前記無機コートは圧電材料からなる請求項１に記載の積層型圧電素子。
- 前記内部電極に含まれる金属元素が銀であり、前記金属粒子が銀粒子である請求項１に記載の積層型圧電素子。
- 請求項１に記載の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を内部に収容するケースとを備えた圧電アクチュエータ。
- 噴射孔を有する容器と、請求項１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７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。
Priority Applications (1)
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