WO2010101056A1 - 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
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- H—ELECTRICITY
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- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
- H10N30/872—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices
Definitions
- the present invention relates to a laminated piezoelectric element used for, for example, a drive element (piezoelectric actuator), a sensor element, a circuit element, and the like, an injection apparatus including the same, and a fuel injection system.
- a conductive paste including a conductive material such as silver and glass is used as an external electrode in a conventional laminated piezoelectric element.
- An external electrode is formed by applying this conductive paste to the side surface of the laminate and baking it.
- a lead member for supplying a voltage to the external electrode is connected and fixed to the outer side of the external electrode using solder, a conductive adhesive, or the like.
- the multilayer piezoelectric element using the external electrode described in Patent Document 1 is fixedly connected to the external electrode when used under severe conditions such as a high electric field, high pressure, or continuous driving for a long time.
- the external lead member is peeled off, voltage is not supplied to the external electrode, and the laminated piezoelectric element is not displaced.
- the multilayer piezoelectric element in a compressed state by applying a load to the multilayer piezoelectric element in advance.
- tensile and compressive stresses are repeatedly applied from the external lead member connected and fixed to the multilayer piezoelectric element, and as a result, the external lead member is more easily peeled off.
- the present invention has been devised in view of the above-mentioned conventional problems, and the purpose thereof is that the external electrode is disconnected or peeled off from the side surface of the laminate even in use under severe conditions.
- the laminated piezoelectric element of the present invention includes a laminated body in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately laminated, an external electrode joined to a side surface of the laminated body and electrically connected to the internal electrode layer, A laminated piezoelectric element including a conductive connecting member deposited on the surface of the external electrode, wherein the surface of the conductive connecting member is at least uneven in the stacking direction of the laminate. It is a feature.
- the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the unevenness is periodically repeated in the stacking direction of the multilayer body.
- the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the surface of the external electrode is repeatedly uneven in the stacking direction of the multilayer body.
- the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the surface of the external electrode corresponding to the convex portion of the surface of the conductive connecting member is a concave portion.
- the height of the convex portion on the surface of the conductive connection member is higher at the center than at both ends in the stacking direction of the multilayer body. It is a feature.
- the height difference of the unevenness on the surface of the conductive connection member is larger at the center than at both ends in the stacking direction of the stacked body. It is a feature.
- the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in the above configuration, a part of the external lead member is embedded in a portion where the surface of the conductive connecting member is convex. .
- the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the external lead member has a portion embedded in the conductive connection member capable of following expansion and contraction of the multilayer body. It is.
- the conductive connecting member is a conductive resin in which non-spherical conductive particles made of silver or an alloy containing silver as a main component are dispersed in a resin. It is characterized by being formed.
- the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the resin is a resin having an imide bond.
- An ejection device includes a container having an ejection hole and the multilayer piezoelectric element according to the present invention, and fluid stored in the container is discharged from the ejection hole by driving the multilayer piezoelectric element. It is characterized by this.
- the fuel injection system of the present invention includes a common rail that stores high-pressure fuel, the injection device of the present invention that injects the high-pressure fuel stored in the common rail, a pressure pump that supplies the high-pressure fuel to the common rail, and the injection And an injection control unit for supplying a drive signal to the apparatus.
- the surface of the conductive connecting member is not affected even if tensile and compressive stress is repeatedly applied from the external lead member connected and fixed to the laminated piezoelectric element. Can be prevented from peeling off and disconnecting the external lead member due to the stress relaxation effect due to the unevenness at least in the stacking direction of the stacked body.
- the surface of the conductive connection member is uneven because the surface of the conductive connection member is uneven. Increases heat dissipation characteristics. As a result, the external electrode and the conductive connecting member can be prevented from being thermally destroyed by heat generation.
- the surface of the conductive connecting member is provided with irregularities, so that the bonding strength of the insulating resin to the conductive connecting member is improved by the anchor effect. .
- the insulating resin can be prevented from being peeled off from the conductive connection member.
- the multilayer piezoelectric element of the present invention has a uniform distribution of the stress caused by the expansion and contraction of the laminate when the irregularities on the surface of the conductive connection member are periodically repeated in the laminate direction of the laminate. Can be absorbed.
- the bonding strength of the conductive connecting member to the external electrode is improved by the anchor effect.
- the conductive connecting member can be prevented from peeling from the external electrode.
- the multilayer piezoelectric element according to the present invention has a structure in which the conductive connecting member acts like a spring when the surface of the external electrode corresponding to the convex portion on the surface of the conductive connecting member is a concave portion.
- the laminated piezoelectric element in a state of being compressed by applying a load in advance, even if tensile and compressive stress is repeatedly applied from the external lead member connected and fixed to the laminated piezoelectric element, Due to the stress relaxation effect, the external lead member can be prevented from being peeled off and disconnected.
- the multilayer piezoelectric element of the present invention can enhance the stress relaxation effect when the height of the convex portion on the surface of the conductive connecting member is higher at the center than at both ends in the stacking direction of the multilayer body. it can.
- the laminated piezoelectric element when used in a state in which it is compressed with a load applied in advance, the outer peripheral distance of the central portion of the laminated body becomes larger than the outer peripheral distance of the end portion of the laminated body when the laminated body is compressed. When the body is stretched, it becomes smaller than the outer peripheral distance of the end portion of the laminate, and the central portion of the laminate is the portion with the greatest deformation rate.
- the height of the convex portion on the surface of the conductive connecting member is made higher at the center than at both ends in the stacking direction of the stacked body, so that the most deformed portion of the stacked piezoelectric element being driven is
- the stress relaxation effect can be enhanced. Therefore, disconnection, peeling and thermal destruction of the external electrode and the conductive connection member and peeling of the external lead member can be further suppressed.
- the laminated piezoelectric element according to the present invention has a laminated piezoelectric element that is being driven when the height difference of the unevenness on the surface of the conductive connecting member is larger at the center than at both ends in the lamination direction of the laminated body.
- the stress relaxation effect of the most deformed portion of the element can be enhanced. Therefore, disconnection, peeling and thermal destruction of the external electrode and the conductive connection member and peeling of the external lead member can be further suppressed.
- the multilayer piezoelectric element of the present invention when a part of the external lead member is embedded in a portion where the surface of the conductive connecting member is convex, a large current is passed and the state is high speed and high load.
- the laminated piezoelectric element is continuously driven over a long period of time, even if the recess of the conductive connection member is cracked, the external electrode is not electrically disconnected. It can suppress that a displacement characteristic falls, without supplying a voltage to a body layer.
- the multilayer piezoelectric element of the present invention when the external lead member is capable of following the expansion and contraction of the multilayer body, the multilayer piezoelectric element is applied by the binding force of the external lead member. It can be suppressed that the displacement characteristics of the conductive connection member are deteriorated or the conductive connection member is subjected to a load and the conductive connection member is peeled off from the external electrode.
- the conductive connecting member is formed of a conductive resin in which non-spherical conductive particles made of silver or an alloy containing silver as a main component are dispersed in a resin, Compared to an electrode formed by firing containing glass, the conductive connecting member becomes flexible, so that the followability to expansion and contraction of the laminate is further improved, and stress can be absorbed effectively.
- the conductive material contained in the conductive resin is conductive even when used at high temperatures by using conductive particles made of silver or a silver-based alloy with excellent resistance to oxidation and low resistance. Low resistance can be achieved without oxidation of the particles. As a result, a voltage can be stably supplied to the laminate.
- the shape of the conductive particles non-spherical such as scales or needles, adjacent conductive particles do not contact at one point, but contact at a plurality of points, lines or surfaces. And the shear strength of the conductive connecting member can be greatly increased. As a result, even when the laminated piezoelectric element is continuously driven with a high electric field, it is possible to prevent the conductive connection member from being cracked.
- the conductive connecting member can be made to have a low resistance. Even when the multilayer piezoelectric element is driven at a high speed flow, since the heat generation of the conductive connection member is suppressed can Rukoto, conductive connection member is thermally deteriorated, it is possible to prevent the or disconnected.
- the resin of the conductive connection member is a resin having an imide bond
- the conductive connection member is easy even when the multilayer piezoelectric element is continuously driven at a high temperature. Therefore, a multilayer piezoelectric element having high reliability over a long period of time can be obtained.
- the container having the injection hole and the multilayer piezoelectric element of the present invention are provided, and the fluid stored in the container is discharged from the injection hole by driving the multilayer piezoelectric element. Therefore, it is possible to suppress the peeling of the conductive connection member from the external electrode on the side surface of the multilayer body in the multilayer piezoelectric element. In addition, since it is possible to suppress the external electrode from being thermally destroyed by heat generation, desired liquid ejection can be stably performed over a long period of time.
- a common rail that stores high-pressure fuel
- the injection device of the present invention that injects high-pressure fuel stored in the common rail
- a pressure pump that supplies high-pressure fuel to the common rail
- a drive to the injection device Since the injection control unit that gives a signal is provided, desired injection of high-pressure fuel can be stably performed over a long period of time.
- FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of a bonding interface between a multilayer body, an external electrode, and a conductive connection member in the multilayer piezoelectric element illustrated in FIG. 2. It is sectional drawing parallel to the lamination direction which shows the other example of embodiment of the lamination type piezoelectric element of this invention. It is sectional drawing parallel to the lamination direction which shows the other example of embodiment of the lamination type piezoelectric element of this invention.
- FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of a bonding interface between a multilayer body, an external electrode, and a conductive connection member in the multilayer piezoelectric element illustrated in FIG. 2. It is sectional drawing parallel to the lamination direction which shows the other example of embodiment of the lamination type piezoelectric element of this invention. It is sectional drawing parallel to the lamination direction which shows the other example of embodiment of the lamination type piezoelectric element of this invention.
- FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a state in which an external lead member is embedded in a portion where the surface of the conductive connecting member shown in FIG. 3 is convex.
- (A)-(d) is a top view which shows the various shapes of the external lead member in the multilayer piezoelectric element of this invention. It is a rough sectional view showing an example of an embodiment of an injection device of the present invention. It is a schematic block diagram which shows an example of embodiment of the fuel-injection system of this invention.
- FIG. 1 is a perspective view showing an example of an embodiment of a laminated piezoelectric element of the present invention.
- FIG. 2 is a cross-sectional view parallel to the stacking direction of the multilayer piezoelectric element shown in FIG.
- FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the bonding interface between the multilayer body, the external electrode, and the conductive connection member in the multilayer piezoelectric element shown in FIG.
- the laminated piezoelectric element 1 of this example includes a laminated body 7 in which piezoelectric layers 3 and internal electrode layers 5 are alternately laminated, and an internal electrode joined to a side surface of the laminated body 7.
- the laminated piezoelectric element 1 includes an external electrode 9 electrically connected to the layer 5 and a conductive connection member 8 deposited on the surface of the external electrode 9, wherein the surface of the conductive connection member 8 is at least laminated. Repetitions in the stacking direction of the body 7 are unevenness 8a.
- the conductive connecting member 8 has flexibility with respect to the stress generated by the expansion and contraction in the stacking direction of the stacked body 7, even when the stacked piezoelectric element 1 is continuously driven at high speed, the external electrode 9 and the conductive connection member 8 can be prevented from breaking or peeling from the side surface of the laminate 7.
- the conductive connecting member 8 has the unevenness 8a on the surface, so that the conductive The surface area of the conductive connecting member 8 is increased and the heat dissipation characteristics are improved. As a result, the external electrode 9 and the conductive connection member 8 can be prevented from being thermally destroyed by heat generation.
- the surface of the conductive connecting member 8 is coated with an insulating resin
- the surface of the conductive connecting member 8 is provided with irregularities 8a, so that the insulating resin is bonded to the conductive connecting member 8 by the anchor effect. Strength is improved. As a result, even when the multilayer piezoelectric element 1 is repeatedly driven continuously, the insulating resin can be prevented from peeling from the conductive connection member 8.
- the unevenness 8a provided on the surface of the conductive connecting member 8 is, for example, formed in a curved shape in a cross-sectional view, and the average line with respect to the unevenness 8a (the sum of the areas of the protrusions in the longitudinal section is equal to the sum of the areas of the recesses)
- the height of the convex portion is about 5 ⁇ m to 200 ⁇ m, preferably about 10 ⁇ m to 50 ⁇ m, from the viewpoint of effectively relieving the stress with respect to the imaginary line drawn as above.
- the depth of the recess is about 5 ⁇ m to 200 ⁇ m, preferably about 10 ⁇ m to 50 ⁇ m.
- the stress generated when the laminate 7 expands and contracts in the stacking direction can be effectively relaxed. For this reason, it is possible to suppress the occurrence of problems such as the conductive connecting member 8 being cracked and disconnected, or the conductive connecting member 8 being peeled off from the external electrode 9.
- the irregularities 8 a are periodically repeated in the stacking direction of the stacked body 7. This is because the stress generated by the expansion and contraction of the laminated body 7 can be absorbed with an even distribution in the laminating direction by forming the irregularities 8a periodically and repeatedly in the laminating direction of the laminated body 7. .
- the repetition interval (period) of the unevenness 8a in the stacking direction is about 0.8 to 20 times the thickness of the piezoelectric layer 3 from the viewpoint of effectively relieving the stress generated by the expansion and contraction of the stacked body 7, and preferably 2 to 8 times is preferable.
- the conductive connecting member 8 in which the unevenness 8a is periodically repeated in the stacking direction of the laminate 7 is made of resin or solder in which a conductive material is dispersed.
- a conductive paste containing resin is screened flatly. After printing by printing and drying, a conductive paste containing a resin on the surface thereof can be obtained by pattern printing only on a portion corresponding to the convex portion, and drying and baking.
- the repetition interval (period) of the unevenness 8a in the stacking direction may be constant or may be changed in the stacking direction.
- the repetition interval (period) in the stacking direction of the unevenness 8a changes so as to decrease toward the center in the stacking direction, the repetition cycle of the unevenness 8a toward the center in the stacking direction where the heat generation is greatest.
- the heat dissipation characteristics of the conductive connection member 8 are improved as it goes toward the center in the stacking direction.
- the central portion refers to the middle region when divided into three equal parts in the stacking direction, and for example, it is preferable that the period changes so as to be halved toward the central portion in the stacking direction.
- the laminated piezoelectric element 1 when used in a state of being compressed under a load in advance, even if tensile and compressive stress is repeatedly applied from the external lead member 10 connected and fixed to the laminated piezoelectric element 1, further stress relaxation is achieved. Due to the effect, it is possible to prevent the external lead member 10 from being peeled off and disconnected.
- the surface of the external electrode 9 corresponding to the convex portion on the surface of the conductive connecting member 8 is a concave portion, so that the conductive connecting member 8 acts like a spring. Therefore, in particular, when the multilayer piezoelectric element 1 is used in a state in which it is compressed in advance by applying a load, tensile and compressive stresses are repeatedly applied from the external lead member 10 connected and fixed to the multilayer piezoelectric element 1. However, the external lead member 10 can be prevented from being peeled off and disconnected due to a further stress relaxation effect.
- the height of the convex part and the depth of the concave part of the irregularities 8a may be constant or may vary in the stacking direction.
- the heat dissipation characteristics of the conductive connection member 8 increase toward the center in the stacking direction. Will improve. Therefore, it is possible to achieve an effect that thermal breakdown is unlikely to occur at the central portion in the stacking direction of the stacked body 7 that generates the largest amount of heat.
- the outer peripheral distance of the central portion of the laminate 7 becomes larger than the outer peripheral distance of the end portion of the laminate 7 when the laminate 7 is compressed.
- the laminated body 7 is extended, it becomes smaller than the outer peripheral distance of the end portion of the laminated body 7, and the central portion of the laminated body 7 is the portion having the largest deformation rate.
- the height of the central portion is higher than both end portions in the stacking direction of the stacked body 7 because the anchor effect can be enhanced most in the region where the stacked piezoelectric element 1 is most deformed.
- the height of the convex portion at the central portion may be increased in accordance with the proportion of deformation of the piezoelectric layer 3, but is preferably approximately double.
- the level difference of the unevenness on the surface of the conductive connection member 8 is larger at the center than at both ends in the stacking direction of the stacked body 7, so that the multilayer piezoelectric element 1 being driven is most deformed.
- the stress relaxation effect of the part can be enhanced.
- corrugation in a center part should just be enlarged according to the ratio which the piezoelectric material layer 3 deform
- the vertex of the convex part on the surface of the conductive connection member 8 has an arc shape.
- the curvature of the arc part changes.
- the stress relaxation effect can be enhanced.
- the curvature of the apex of the convex portion on the surface of the conductive connecting member 8 is smaller at the center than at both ends in the stacking direction of the laminate 7, preferably the curvature at the center is half of the curvature at both ends.
- the deformation rate of the surface shape can be reduced at the most deformed portion of the driving multilayer piezoelectric element 1, so that the stress relaxation effect of the most deformed portion of the driving multilayer piezoelectric element 1 can be reduced. Can be increased. Therefore, disconnection, peeling and thermal destruction of the external electrode 9 and the conductive connection member 8 and peeling of the external lead member 10 can be further suppressed.
- a part of the external lead member 10 is embedded in a portion where the surface of the conductive connecting member 8 is convex. According to this configuration, when the multilayer piezoelectric element 1 is continuously driven over a long period of time with a large current flowing at a high speed and a high load, the concave portion of the conductive connection member 8 is cracked. Even in this case, the external electrode 8 is not electrically disconnected. As a result, it is possible to suppress the displacement characteristics from being lowered without supplying a voltage to some of the piezoelectric layers 3.
- a part of the external lead member 10 may be embedded in a part of the convex portion of the conductive connection member 8, but more preferably, the conductive connection member It is preferable that a part of the external lead member 10 is embedded in almost all of the 8 convex portions.
- the external lead member 10 partially embedded in the convex portion (convex portion) of the concave and convex portion 8a has a concave portion so that electricity can be supplied to the external electrode 9 even when the concave portion is cracked. It is preferable that other parts are commonly connected electrically and mechanically by a common electrode (bus bar electrode) or the like.
- the common configuration is not limited to the common electrode (bus bar electrode), but may be a configuration in which the external lead member 10 is connected to a portion other than the concave portion.
- the volume ratio of the external lead member 10 embedded in the conductive connecting member 8 to the conductive connecting member 8 is preferably 2% by volume to 30% by volume when the conductive connecting member is 100% by volume. . By making it within this range, it is possible to effectively suppress the external electrode 8 from being electrically disconnected, and the volume ratio of the external lead member 10 becomes too large, and the laminate 7 in the conductive connection member 8 is It can suppress that the followable
- the conductive material containing a resin adhesive on the surface of the external electrode 9 by screen printing or the like. After the conductive paste is printed uniformly, the external lead member 10 is installed at a predetermined position, and the conductive paste containing the resin adhesive is printed on the surface corresponding to the external lead member 10 by pattern printing.
- the conductive paste containing the resin adhesive is printed on the surface corresponding to the external lead member 10 by pattern printing.
- the external lead member 10 can take various configurations as shown in FIG. FIG. 7 (a) shows a configuration in which metal wires are arranged in parallel, FIG. 7 (b) shows a configuration consisting of metal wires knitted in a mesh, FIG. 7 (c) and FIG. 7 (d).
- FIG. 7 (a) shows a configuration in which metal wires are arranged in parallel
- FIG. 7 (b) shows a configuration consisting of metal wires knitted in a mesh
- FIG. 7 (c) and FIG. 7 (d) Is a structure in which a part of a metal plate is cut out by an etching method or a punching method using a punching die. These have a reduced elastic modulus in the stretching direction of the laminate 7 and can be elastically deformed in the stretching direction of the laminate 7.
- the external lead member 10 may have a structure other than that shown in FIG. 7 as long as the elastic modulus is lowered in the expansion / contraction direction of the laminate 7 by, for example, providing a gap.
- the conductive connecting member 8 is preferably formed of a conductive resin in which non-spherical conductive particles made of silver or an alloy containing silver as a main component are dispersed in a resin. In this case, since the conductive connecting member 8 becomes flexible as compared with an electrode formed by baking including glass, the followability to expansion and contraction of the laminate 7 is further improved, and stress can be absorbed effectively.
- the conductive material contained in the conductive resin is conductive even when used at high temperatures by using conductive particles made of silver or a silver-based alloy with excellent resistance to oxidation and low resistance. Low resistance can be achieved without oxidation of the particles. As a result, a voltage can be stably supplied to the stacked body 7.
- the shape of the conductive particles is a non-spherical shape such as a scaly shape or a needle shape
- the adjacent conductive particles are not in contact with each other at one point, but are entangled so as to be in contact at a plurality of points, lines or surfaces.
- the shear strength of the conductive connecting member 8 can be greatly increased. As a result, even when the multilayer piezoelectric element 1 is continuously driven with a high electric field, it is possible to prevent the conductive connecting member 8 from being cracked.
- the shape of the conductive particles is a non-spherical shape such as a scaly shape or a needle shape
- the contact area between the conductive particles increases, so that the conductive connecting member 8 can have a low resistance and a large current flows.
- the heat generation of the conductive connecting member 8 can be suppressed, so that it is possible to prevent the conductive connecting member 8 from being thermally deteriorated and disconnected. .
- the conductive particles are made of pure silver or silver containing impurities.
- the conductive particles are made of an alloy such as an Ag—Pd alloy, an Ag—Pt alloy, or an Ag—Cu alloy.
- the silver as a main component means a case where the silver content exceeds 50% by mass or a case where the silver content is maximum.
- the average particle diameter of the conductive particles is preferably 0.1 ⁇ m to 20 ⁇ m. Within this range, the conductive connecting member 8 can have a low resistance and the shear strength of the conductive connecting member 8 can be increased.
- the average particle diameter is obtained by measurement with a metal microscope or a scanning electron microscope (SEM). When the conductive particles are non-spherical, for example, the particle diameter of one conductive particle is defined as the maximum diameter and the minimum diameter. Can be calculated based on the average value.
- the content of the conductive particles contained in the conductive connecting member 8 is preferably 85% by mass to 98% by mass. Within this range, the conductive connecting member 8 can have a sufficiently low resistance, and the followability to expansion and contraction of the laminate 7 in the conductive connecting member 8 made of a conductive resin is reduced. Can be suppressed.
- the conductive connecting member 8 may contain non-spherical conductive particles and spherical conductive particles having a smaller particle diameter than the non-spherical conductive particles. In this case, when conductive particles having a small particle size enter a gap formed between the non-spherical conductive particles, the amount of electrically conductive particles increases, and the conductive connection member 8 can be further reduced in resistance.
- the resin in the case where the conductive connecting member 8 is formed of a conductive resin is preferably a resin having an imide bond such as polyimide or polyamideimide.
- a resin having an imide bond such as polyimide or polyamideimide having high heat resistance as a resin forming the conductive connecting member 8.
- the conductive connecting member 8 is not easily thermally deteriorated. As a result, the multilayer piezoelectric element 1 having high reliability over a long period can be provided.
- a ceramic green sheet to be the piezoelectric layer 3 is produced. Specifically, a calcined powder of piezoelectric ceramic, a binder made of an acrylic or butyral organic polymer, and a plasticizer are mixed to prepare a slurry. And a ceramic green sheet is produced from this slurry by using tape molding methods, such as a doctor blade method and a calender roll method. Piezoelectric ceramics may be used as long as they have piezoelectric characteristics. For example, a perovskite oxide composed of PbZrO 3 —PbTiO 3 can be used. As the plasticizer, dibutyl phthalate (DBP), dioctyl phthalate (DOP), or the like can be used.
- DBP dibutyl phthalate
- DOP dioctyl phthalate
- a conductive paste to be the internal electrode layer 5 is produced.
- a conductive paste can be produced by adding and mixing a binder and a plasticizer to silver-palladium metal powder. This conductive paste is arranged on the ceramic green sheet in the pattern of the internal electrode layer 5 by using a screen printing method. Further, a plurality of ceramic green sheets on which this conductive paste is printed are stacked, debindered at a predetermined temperature, and then fired at a temperature of 900 to 1200 ° C., thereby alternately stacking piezoelectric layers. 3 and the laminated body 7 provided with the internal electrode layer 5 can be formed.
- the laminated body 7 is not limited to the one produced by the above manufacturing method, and a laminated body 7 in which a plurality of piezoelectric layers 3 and a plurality of internal electrode layers 5 are alternately laminated can be produced. It may be formed by any manufacturing method.
- the laminated body 7 obtained by firing is ground to a predetermined shape using a surface grinder or the like.
- a silver glass-containing conductive paste prepared by adding a binder, a plasticizer, and a solvent to conductive particles and glass powder containing silver as a main component is screen-printed on the side surface of the laminate 7 in a pattern of the external electrode 9.
- the external electrode 9 can be formed by drying at a predetermined temperature and baking.
- a conductive paste containing a resin adhesive that becomes the conductive connection member 8 after baking and curing is printed on the surface of the external electrode 9 by screen printing or the like so that the surface can be repeatedly formed in the laminating direction. Then, by curing, the conductive connection member 8 having unevenness on the surface can be formed repeatedly in the stacking direction. That is, as a method for forming irregularities on the surface of the conductive connection member 8, for example, first, a conductive paste containing a resin adhesive is printed flat by screen printing, dried, and then further resin-containing on the surface. There is a method in which a conductive paste is printed in a pattern only on a portion corresponding to a convex portion, and dried and baked.
- the conductive connection member 8 having smooth unevenness on the surface can be formed by using a paste having a good leveling property as the conductive paste containing the resin adhesive.
- a conductive paste containing a resin adhesive with poor leveling properties it is possible to form the conductive connection member 8 having irregularities with clear steps formed on the surface.
- the leveling property can be adjusted by adjusting the amount of the solvent component contained in the conductive paste.
- a conductive paste containing a resin adhesive is uniformly applied to the surface of the external electrode 9 by screen printing or the like.
- the external lead member 10 may be installed at a predetermined position, and a conductive paste containing a resin adhesive may be pattern printed on a portion corresponding to the external lead member 10 on the surface.
- the conductive connecting member 8 having irregularities on the surface is formed, and the multilayer piezoelectric element 1 in which a part of the external lead member 10 is embedded in a portion corresponding to the convex portion of the conductive connecting member 8 is produced. Can do.
- the external lead member 10 is a metal wire rod arranged substantially parallel to the direction perpendicular to the stacking direction, a metal wire knitted in a mesh shape, or a punching method using an etching method or a punching die.
- a structure in which a part of a metal plate is cut out can be used. These are of a shape having elasticity in the stacking direction.
- the metal wire knitted in a mesh shape may be plain or twill.
- the angle formed between the metal wire forming the mesh and the stacking direction is preferably 10 degrees or more, more preferably 30 to 60 degrees, from the viewpoint of flexibility in the stacking direction.
- the material of the external lead member 10 is preferably a metal or alloy such as silver, nickel, copper, phosphor bronze, iron, stainless steel. Further, a plating film made of silver, nickel or the like may be formed on the surface of the external lead member 10.
- the laminate 7 in which the external electrode 9 and the conductive connection member 8 are formed is dipped in a resin solution containing a silicone resin as an exterior resin. Then, by vacuum degassing the resin solution, the outer peripheral side surface silicone resin of the laminate 7 is brought into close contact, and then the laminate 7 is pulled up from the resin solution. Thereby, the silicone resin is coated on the side surface of the laminate 7 on which the external electrode 9 and the conductive connection member 8 are formed.
- each external piezoelectric element 3 is connected to the external electrode 9 via an electric lead connected as the conductive connecting member 8 and a voltage is applied to the piezoelectric layer 3.
- the layer 3 can be greatly displaced by the inverse piezoelectric effect. This makes it possible to function as an automobile fuel injection valve that injects and supplies fuel to the engine, for example.
- FIG. 8 is a schematic sectional view showing an example of the embodiment of the injection device of the present invention.
- the multilayer piezoelectric element 1 of the present embodiment is stored in a storage container (container) 23 having an injection hole 21 at one end.
- a needle valve 25 capable of opening and closing the injection hole 21 is disposed in the storage container 23 in the storage container 23 .
- a fluid passage 27 is disposed in the injection hole 21 so that it can communicate with the movement of the needle valve 25.
- the fluid passage 27 is connected to an external fluid supply source, and fluid is always supplied to the fluid passage 27 at a high pressure. Therefore, when the needle valve 25 opens the injection hole 21, the fluid supplied to the fluid passage 27 is discharged from the injection hole 21 to an external or adjacent container, for example, a fuel chamber (not shown) of the internal combustion engine. It is configured.
- the upper end portion of the needle valve 25 has a large inner diameter, and a cylinder 29 formed in the storage container 23 and a slidable piston 31 are arranged.
- the multilayer piezoelectric element 1 of the present embodiment described above is stored in the storage container 23.
- the fluid passage 27 may be opened by applying a voltage to the multilayer piezoelectric element 1 and the fluid passage 27 may be closed by stopping the application of the voltage.
- the injection device of the present embodiment includes a container having an injection hole and the multilayer piezoelectric element 1 of the present embodiment, and the fluid filled in the container is ejected by driving the multilayer piezoelectric element 1. It may be configured to be discharged from. That is, the multilayer piezoelectric element 1 does not necessarily have to be inside the container 23, and may be configured to apply pressure for controlling the ejection of fluid to the inside of the container by driving the multilayer piezoelectric element 1. .
- the fluid includes various liquid fluids (such as conductive paste) and gas in addition to fuel and ink.
- the injection device 19 of the present embodiment that employs the multilayer piezoelectric element 1 of the present embodiment is used for an internal combustion engine, the fuel is supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine such as an engine over a longer period than the conventional injection device. It is possible to inject with high accuracy.
- FIG. 9 is a schematic view showing an example of an embodiment of the fuel injection system of the present invention.
- the fuel injection system 35 of the present embodiment includes a common rail 37 that stores high-pressure fuel as a high-pressure fluid, and a plurality of injections of the present embodiment that inject high-pressure fluid stored in the common rail 37.
- a device 19 a pressure pump 39 that supplies a high-pressure fluid to the common rail 37, and an injection control unit 41 that supplies a drive signal to the injection device 19 are provided.
- the injection control unit 41 controls the amount and timing of high-pressure fluid injection based on external information or an external signal. For example, if the injection control unit 41 is used for fuel injection of the engine, the amount and timing of fuel injection can be controlled while sensing the situation in the combustion chamber of the engine with a sensor or the like.
- the pressure pump 39 serves to supply fluid fuel from the fuel tank 43 to the common rail 37 at a high pressure. For example, in the case of an engine fuel injection system 35, fluid fuel is fed into the common rail 37 at a high pressure of about 1000 to 2000 atmospheres (about 101 MPa to about 203 MPa), preferably about 1500 to 1700 atmospheres (about 152 MPa to about 172 MPa).
- the high-pressure fuel sent from the pressure pump 39 is stored and sent to the injection device 19 as appropriate.
- the injection device 19 injects a certain fluid from the injection hole 21 to the outside or an adjacent container as described above.
- the target for injecting and supplying fuel is an engine
- high-pressure fuel is injected in a mist form from the injection hole 21 into the combustion chamber of the engine.
- one external electrode 9 is formed on each of two opposing side surfaces of the multilayer body 7 in the above example.
- two external electrodes 9 may be formed on adjacent side surfaces of the multilayer body 7, or It may be formed on the same side of the body 7.
- the cross-sectional shape in the direction orthogonal to the stacking direction of the stacked body 7 is not limited to the quadrangular shape which is an example of the above embodiment, but a polygonal shape such as a hexagonal shape or an octagonal shape, a circular shape, or a straight line and an arc. You may be the shape which combined.
- the multilayer piezoelectric element 1 of the present embodiment is used for, for example, a drive element (piezoelectric actuator), a sensor element, a circuit element, and the like.
- the driving element include a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an inkjet, a precision positioning device such as an optical device, and a vibration prevention device.
- the sensor element include a combustion pressure sensor, a knock sensor, an acceleration sensor, a load sensor, an ultrasonic sensor, a pressure sensor, and a yaw rate sensor.
- Examples of the circuit element include a piezoelectric gyro, a piezoelectric switch, a piezoelectric transformer, and a piezoelectric breaker.
- a piezoelectric actuator provided with the multilayer piezoelectric element of the present invention was produced as follows. First, a slurry in which a calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ) having an average particle diameter of 0.4 ⁇ m, a binder, and a plasticizer was prepared. Using this slurry, a ceramic green sheet to be a piezoelectric layer 3 having a thickness of 100 ⁇ m was prepared by a doctor blade method.
- a calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ) having an average particle diameter of 0.4 ⁇ m, a binder, and a plasticizer was prepared. Using this slurry, a ceramic green sheet to be a piezoelectric layer 3 having a thickness of 100 ⁇ m was prepared by a doctor blade method.
- a binder was added to the silver-palladium alloy to produce a conductive paste to be an internal electrode layer.
- a conductive paste serving as an internal electrode layer was printed on one side of the ceramic green sheet by a screen printing method, and 300 ceramic green sheets on which these conductive pastes were printed were laminated. Then, the laminate was obtained by firing at 980 to 1100 ° C.
- the obtained laminate was ground using a surface grinder to obtain a rectangular parallelepiped shape having a length of 8 mm, a width of 8 mm, and a height of 30 mm, and then a silver glass-containing conductive paste was applied to the side surface of the laminate forming the external electrode. Baking was performed at 0 ° C. to form an external electrode having a thickness of 20 ⁇ m and a width of 2 mm.
- a conductive paste containing a resin adhesive in which a scaly silver powder having an average particle diameter of 5 ⁇ m was dispersed in a polyimide resin was printed on the surface of the external electrode by screen printing and dried.
- a conductive paste containing a resin adhesive was printed on the surface of the surface by a screen printing method only on portions that become convex portions in the unevenness repeated in the stacking direction, leveled, and dried.
- baking was performed at 200 ° C. to form a conductive connecting member having a width of 2 mm on the surface of the external electrode.
- a piezoelectric actuator (Sample No. 1) provided with a conductive connection member having no irregularities on the surface, outside the scope of the present invention was produced.
- the conductive connecting member is formed without pattern printing of the conductive adhesive paste for forming the convex portion.
- the surface of the conductive connection member provided on the surface of the external electrode is not repeatedly formed in the stacking direction, After driving 1 ⁇ 10 8 times, the conductive connecting member could not withstand the expansion and contraction of the laminated body, cracks were generated, developed and disconnected, and sparks were generated.
- the conductive connection member having irregularities that are repeatedly formed in the lamination direction is formed on the surface of the external electrode.
- the irregularities absorbed.
- a piezoelectric actuator in which a part of the external lead member was embedded in the convex portion of the conductive connecting member was produced as follows. Until the formation of the external electrode, it was manufactured by the same manufacturing method as the piezoelectric actuator of sample number 2. Thereafter, the same conductive paste containing the resin adhesive used when the piezoelectric actuator of sample number 2 was produced was uniformly applied to the surface of the external electrode. Thereafter, an external lead member was placed on the surface of the conductive paste containing the resin adhesive.
- a conductive paste containing a resin adhesive is pattern printed, dried, and then similar to the method of manufacturing the piezoelectric actuator of sample number 2 Baking was performed at 200 ° C. under the following conditions.
- the piezoelectric actuator of sample number 4 is an external lead member in which a phosphor bronze wire with a wire diameter of 50 ⁇ m is knitted into a 180th-number plain weave mesh so that the angle between the wire and the stacking direction is 45 degrees. (Fig. 7 (b)).
- a phosphor bronze plate having a thickness of 50 ⁇ m was used as an external lead member (FIG. 7C) in which a part was cut out by an etching method so that the plate could be expanded and contracted.
- the piezoelectric actuator (Sample No. 1) provided with the conductive connection member having no unevenness on the surface, the conductive connection member was disconnected after 1 ⁇ 10 8 continuous driving, and spark was generated.
- a piezoelectric actuator (sample number 2) having a conductive connecting member in which irregularities are formed on the surface repeatedly in the stacking direction but a portion of the external lead member is not embedded in the irregularities is 1 ⁇ 10 After 8 times of continuous driving, the amount of displacement of the laminate decreased to 5/6.
Landscapes
- Fuel-Injection Apparatus (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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導電性接続部材が断線することのない、耐久性に優れた積層型圧電素子を提供する。 【解決手段】 積層型圧電素子１は、圧電体層３および内部電極層５が交互に積層された積層体７と、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、外部電極９の表面に少なくとも積層体７の積層方向に繰り返して凹凸になっている導電性接続部材８を備えている。この構成により、積層体７の伸縮によって生じる応力を導電性接続部材８が吸収できるため、導電性接続部材８に亀裂が生じて断線するのを抑えることができる。
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等に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ものである。
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によって外部電極が形成される。この外部電極のさらに外側に、外部電極へ電圧を供給するためのリード部材を、半田や導電性接着剤等を用いて接続固定していた。
しかしながら、特許文献１に記載された外部電極を用いた積層型圧電素子においては、高電界、高圧力下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、外部電極に接続固定した外部リード部材が剥離し、外部電極に電圧が供給されなくなって積層型圧電素子が変位しなくなるといった問題点が生じていた。
特に、積層型圧電素子の変位距離を大きくして高速で駆動させる場合には、あらかじめ積層型圧電素子に荷重を加えて圧縮した状態で使用することが考えられるが、この状態で積層型圧電素子を連続駆動させると、積層型圧電素子に接続固定した外部リード部材から引っ張りおよび圧縮の応力が繰り返し加わり、その結果、外部リード部材がいっそう剥離しやすくなるといった問題点も生じていた。
一方、大電流を流して、積層型圧電素子を高速で駆動させる場合には、外部電極の厚みを厚くすることが考えられるが、単に外部電極を厚くしただけでは、駆動による応力が高くなり、その結果、外部電極が積層体の側面から剥離したり、断線したりするといった問題点が生じていた。
ここで、外部電極を厚くする代わりに、特許文献２に示されているように、第１の外部電極の平坦な表面に第２の外部電極を設ける構成も採り得る。しかし、このような構成であっても、高電界で長時間、高変位で連続駆動させた場合、第１の外部電極で生じた亀裂が第２の外部電極にも進展してしまい、結局、外部電極が断線し、一部の圧電体に電圧が供給されずに変位特性が低下するといった問題点が生じていた。
さらに、外部電極に大電流を流して高速で駆動させる場合において、外部電極が発熱し、熱破壊されるといった問題点も生じていた。
従って、本発明は、上記従来の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、過酷な条件下での使用においても外部電極が断線したり、積層体側面から剥離したりすることなく、また、外部リード部材が外部電極から剥離したり、外部電極が熱破壊したりすることのない積層型圧電素子を提供することである。
本発明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、該外部電極の表面に被着された導電性接続部材とを含む積層型圧電素子であって、前記導電性接続部材の表面が少なくとも前記積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっ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、上記の構成において、前記凹凸は、前記積層体の積層方向に周期的に繰り返し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、上記の構成において、前記外部電極の表面が前記積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっ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、上記の構成において、前記導電性接続部材の表面の凸部に対応する前記外部電極の表面が凹部となっ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、上記の構成において、前記導電性接続部材の表面における凸部の高さは、前記積層体の積層方向の両端部よりも中央部の方が高い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、上記の構成において、前記導電性接続部材の表面における前記凹凸の高低差は、前記積層体の積層方向の両端部よりも中央部の方が大きい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、上記の構成において、前記導電性接続部材の表面が凸になっている部位に外部リード部材の一部が埋設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、上記の構成において、前記外部リード部材は、前記導電性接続部材に埋設されている部分が前記積層体の伸縮に追従可能であ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、上記の構成において、前記導電性接続部材は、銀または銀を主成分とする合金からなる非球形の導電性粒子を樹脂に分散させた導電性樹脂で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、上記の構成において、前記樹脂は、イミド結合を有した樹脂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、噴射孔を有する容器と、上記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、圧電体層および内部電極層が交互に積層された積層体と、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、外部電極の表面に被着された導電性接続部材とを含む積層型圧電素子であって、導電性接続部材の表面が少なくとも積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっていることから、導電性接続部材が積層体の積層方向の伸縮によって生じる応力に対して柔軟性（応力緩和効果）を有するために、積層型圧電素子を高速で連続駆動させた場合においても、外部電極及び導電性接続部材が断線したり、積層体の側面から剥離したりすることを抑えることができる。
また、あらかじめ積層型圧電素子に荷重を加えて圧縮した状態で使用する場合において、積層型圧電素子に接続固定した外部リード部材から引っ張りおよび圧縮の応力が繰り返し加わっても、導電性接続部材の表面が少なくとも積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっていることによる応力緩和効果により、外部リード部材が剥離して断線することを抑えることができる。
また、外部電極および導電性接続部材に大電流を流して、積層型圧電素子を高速で駆動させた場合においても、導電性接続部材の表面に凹凸を設けているため、導電性接続部材の表面積が大きくなって放熱特性が向上する。その結果、外部電極および導電性接続部材が発熱により熱破壊されることを抑えることができる。
さらに、導電性接続部材の表面に絶縁性樹脂をコーティングした場合には、導電性接続部材の表面に凹凸を設けているため、アンカー効果により絶縁性樹脂の導電性接続部材に対する接合強度が向上する。その結果、積層型圧電素子を繰り返し連続駆動させた場合においても、絶縁性樹脂が導電性接続部材から剥離することを抑えることができる。
また、本発明の積層型圧電素子は、導電性接続部材の表面の凹凸が積層体の積層方向に周期的に繰り返しているときには、積層体の伸縮によって生じる応力を、積層方向において均等な分布で吸収することができる。
また、本発明の積層型圧電素子は、外部電極の表面が積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっているときには、アンカー効果により導電性接続部材の外部電極に対する接合強度が向上する。その結果、積層型圧電素子を繰り返し連続駆動させた場合においても、導電性接続部材が外部電極から剥離することを抑えることができる。
また、本発明の積層型圧電素子は、導電性接続部材の表面の凸部に対応する外部電極の表面が凹部となっているときには、導電性接続部材があたかもばねのように作用する構造にすることができるので、特に、あらかじめ積層型圧電素子に荷重を加えて圧縮した状態で使用する場合において、積層型圧電素子に接続固定した外部リード部材から引っ張りおよび圧縮の応力が繰り返し加わっても、さらなる応力緩和効果により、外部リード部材が剥離して断線することを抑えることができる。
また、本発明の積層型圧電素子は、導電性接続部材の表面における凸部の高さが積層体の積層方向の両端部よりも中央部の方が高いときには、より応力緩和効果を高めることができる。すなわち、あらかじめ積層型圧電素子に荷重を加えて圧縮した状態で使用する場合、積層体の中央部の外周距離は積層体の圧縮時には積層体の端部の外周距離より大きくなり、逆に、積層体が伸びた時には積層体の端部の外周距離より小さくなり、積層体の中央部は最も変形率が大きい部分となる。ここで、導電性接続部材の表面における凸部の高さを、積層体の積層方向の両端部よりも中央部の方を高くすることで、駆動中の積層型圧電素子で最も変形する部分の応力緩和効果を高めることができる。したがって、外部電極および導電性接続部材の断線、剥離および熱破壊や外部リード部材の剥離をさらに抑えることができる。
同様の理由で、本発明の積層型圧電素子は、導電性接続部材の表面における凸凹の高低差が積層体の積層方向の両端部よりも中央部の方が大きいときには、駆動中の積層型圧電素子で最も変形する部分の応力緩和効果を高めることができる。したがって、外部電極および導電性接続部材の断線、剥離および熱破壊や外部リード部材の剥離をさらに抑えることができる。
また、本発明の積層型圧電素子は、導電性接続部材の表面が凸になっている部位に外部リード部材の一部が埋設されているときには、大電流を流して、高速かつ高負荷の状態で、長期間にわたって積層型圧電素子を連続駆動させた場合、導電性接続部材の凹部に亀裂が入った場合においても、外部電極が電気的に断線することがなく、その結果、一部の圧電体層に電圧が供給されずに変位特性が低下することを抑えることができる。
また、本発明の積層型圧電素子は、外部リード部材は、導電性接続部材に埋設されている部分が積層体の伸縮に追従可能であるときには、外部リード部材の拘束力によって、積層型圧電素子の変位特性が低下したり、導電性接続部材に負荷がかかって、導電性接続部材が外部電極から剥離したりすることを抑えることができる。
また、本発明の積層型圧電素子は、導電性接続部材は、銀または銀を主成分とする合金からなる非球形の導電性粒子を樹脂に分散させた導電性樹脂で形成されているときには、ガラスを含む、焼成により形成された電極に比較して、導電性接続部材が柔軟になるため、積層体の伸縮に対する追従性がさらに良くなり、有効に応力を吸収できる。
また、導電性樹脂に含まれる導電性材料として、耐酸化性に優れ、抵抗の低い銀または銀を主成分とする合金から成る導電性粒子を用いることにより、高温で使用した場合にも導電性粒子が酸化されることなく、低抵抗を実現できる。その結果、安定して積層体に電圧を供給することができる。
さらに、導電性粒子の形状を、鱗片状や針状などの非球形とすることにより、隣り合う導電性粒子同士が１点で接触するのではなく、複数の点、線あるいは面で接触するように絡み合い、導電性接続部材の剪断強度を大幅に増大させることができる。その結果、積層型圧電素子を高電界で連続駆動させた場合においても、導電性接続部材に亀裂等が生じることを抑えることができる。
また、導電性粒子の形状を、鱗片状や針状などの非球形とすることにより、導電性粒子同士の接触面積が増え、導電性接続部材を低抵抗にすることができるので、大電流を流して積層型圧電素子を高速で駆動させた場合でも、導電性接続部材の発熱を抑えることができるので、導電性接続部材が熱劣化し、断線したりするのを防止することができる。
また、本発明の積層型圧電素子は、導電性接続部材の樹脂が、イミド結合を有した樹脂であるときには、積層型圧電素子を高温で連続駆動させた場合においても、導電性接続部材が容易に熱劣化することがなく、長期間にわたって高い信頼性を有する積層型圧電素子とすることができる。
本発明の噴射装置によれば、噴射孔を有する容器と、上記本発明の積層型圧電素子とを備え、容器内に蓄えられた流体が積層型圧電素子の駆動により噴射孔から吐出されることから、積層型圧電素子における積層体の側面の外部電極から導電性接続部材が剥離することを抑えることができる。また、外部電極が発熱により熱破壊されることを抑え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。
本発明の燃料噴射システムによれば、高圧燃料を蓄えるコモンレールと、コモンレールに蓄えられた高圧燃料を噴射する上記本発明の噴射装置と、コモンレールに高圧燃料を供給する圧力ポンプと、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。
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方向に平行な断面図である。図３は図２に示す積層型圧電素子における積層体と外部電極および導電性接続部材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、外部電極９の表面に被着された導電性接続部材８を含む積層型圧電素子１であって、導電性接続部材８の表面が少なくとも積層体７の積層方向に繰り返して凹凸８ａになっている。
上記の構成により、導電性接続部材８が積層体７の積層方向の伸縮によって生じる応力に対して柔軟性を有するために、積層型圧電素子１を高速で連続駆動させた場合においても、外部電極９および導電性接続部材８が断線したり、積層体７の側面から剥離したりすることを抑えることができる。
また、外部電極９および導電性接続部材８に大電流を流して、積層型圧電素子１を高速で駆動させた場合においても、導電性接続部材８の表面に凹凸８ａを設けているため、導電性接続部材８の表面積が大きくなって放熱特性が向上する。その結果、外部電極９および導電性接続部材８が発熱により熱破壊されることを抑えることができる。
さらに、導電性接続部材８の表面に絶縁性樹脂をコーティングした場合には、導電性接続部材８の表面に凹凸８ａを設けているため、アンカー効果によって絶縁性樹脂の導電性接続部材８に対する接合強度が向上する。その結果、積層型圧電素子１を繰り返し連続駆動させた場合においても、絶縁性樹脂が導電性接続部材８から剥離することを抑えることができる。
導電性接続部材８の表面に設けた凹凸８ａは、例えば断面視で曲線状に形成されたもので、凹凸８ａに対する平均線（縦断面における凸部の面積の総和と凹部の面積の総和が等しくなるように引いた仮想線）に対して、応力を有効に緩和するという点から、凸部の高さは５μｍ～200μｍ程度、好ましくは10μｍ～50μｍ程度がよい。同様に凹部の深さは５μｍ～200μｍ程度、好ましくは10μｍ～50μｍ程度がよい。凸部の高さ、凹部の深さをこのような範囲内にすることにより、積層体７が積層方向に伸縮した際に生じる応力を有効に緩和することができる。そのため、導電性接続部材８に亀裂が生じて断線したり、導電性接続部材８が外部電極９から剥がれたりするといった問題が生じるのを抑えることができる。
また、凹凸８ａは、積層体７の積層方向に周期的に繰り返していることが好ましい。これは、凹凸８ａを積層体７の積層方向に周期的に繰り返して形成しておくことにより、積層体７の伸縮によって生じる応力を、積層方向において均等な分布で吸収することができるからである。この場合、凹凸８ａの積層方向における繰り返しの間隔（周期）は、積層体７の伸縮によって生じる応力を有効に緩和するという点から、圧電体層３の厚みの0.8倍～20倍程度、好ましくは２倍～８倍程度がよい。
凹凸８ａが積層体７の積層方向に周期的に繰り返している導電性接続部材８は、導電性材料を分散させた樹脂あるいは半田などからなり、例えば、樹脂を含有した導電性ペーストを平坦にスクリーン印刷により印刷し、乾燥した後に、さらにその表面に樹脂を含有した導電性ペーストを凸部に相当する部分にのみパターン印刷し、乾燥および焼き付けを行なう方法等によって得ることができる。
また、凹凸８ａの積層方向における繰り返しの間隔（周期）は、一定であってもよいが、積層方向において変化していてもよい。凹凸８ａの積層方向における繰り返しの間隔（周期）が積層方向の中央部に向かうに従って小さくなるように変化している場合は、最も発熱が大きい積層方向の中央部に向かうに従って凹凸８ａの繰り返しの周期を密にすることとなり、導電性接続部材８の放熱特性が積層方向の中央部に向かうにつれて向上する。その結果、最も発熱が大きい積層体７の積層方向の中央部で熱破壊が生じにくいという効果があり、好ましい。なお、中央部とは、積層方向に３等分したときの真ん中の領域のことをいい、例えば積層方向の中央部に向かうに従って周期が半分になるように変化しているのが好ましい。
また、図４に示すように、外部電極９の表面が、積層体７の積層方向に繰り返して凹凸になっている場合には、アンカー効果によって導電性接続部材８の外部電極９に対する接合強度が向上する。その結果、積層型圧電素子１を繰り返し連続駆動させた場合においても、導電性接続部材８が外部電極から剥離することをより抑えることができる。
さらに、あらかじめ積層型圧電素子１に荷重を加えて圧縮した状態で使用する場合において、積層型圧電素子１に接続固定した外部リード部材10から引っ張りおよび圧縮の応力が繰り返し加わっても、さらなる応力緩和効果により、外部リード部材10が剥離して断線することを抑えることができる。
また、図５に示すように、導電性接続部材８の表面の凸部に対応する外部電極９の表面が凹部となっていることにより、導電性接続部材８があたかもばねのように作用する構造であることから、特に、あらかじめ積層型圧電素子１に荷重を加えて圧縮した状態で使用する場合において、積層型圧電素子１に接続固定した外部リード部材10から引っ張りおよび圧縮の応力が繰り返し加わっても、さらなる応力緩和効果により、外部リード部材10が剥離して断線することを抑えることができる。
また、凹凸８ａの凸部の高さ、凹部の深さは、一定であってもよいが、積層方向において変化していてもよい。凹凸８ａの凸部の高さ、凹部の深さが、積層方向の中央部に向かうに従って大きくなるように変化している場合は、積層方向の中央部に向かうに従って導電性接続部材８の放熱特性が向上する。そのため、最も発熱が大きい積層体７の積層方向の中央部で熱破壊が生じにくいという効果を奏することができる。
また、あらかじめ積層型圧電素子１に荷重を加えて圧縮した状態で使用する場合、積層体７の中央部の外周距離は積層体７の圧縮時には積層体７の端部の外周距離より大きくなり、逆に、積層体７が伸びた時には積層体７の端部の外周距離より小さくなり、積層体７の中央部は最も変形率が大きい部分となるから、導電性接続部材８の表面における凸部の高さを積層体７の積層方向の両端部よりも中央部の方を高くすることで、駆動中の積層型圧電素子１で最も変形する領域で最もアンカー効果を高めることができるので好ましい。なお、中央部における凸部の高さは圧電体層３の変形する割合に応じて高くすればよいが、概ね２倍であるのが好ましい。
同様の理由で、導電性接続部材８の表面における凹凸の高低差が積層体７の積層方向の両端部よりも中央部の方が大きいことで、駆動中の積層型圧電素子１で最も変形する部分の応力緩和効果を高めることができる。なお、中央部における凹凸の高低差は圧電体層３の変形する割合に応じて大きくすればよいが、概ね２倍であるのが好ましい。
なお、導電性接続部材８の表面における凸部の頂点が円弧状となっているのが好ましく、この場合、積層型圧電素子１が駆動時に変形したときに、円弧部分の曲率が変化することによって、応力緩和効果を高めることができる。さらに、導電性接続部材８の表面における凸部の頂点の曲率が積層体７の積層方向の両端部よりも中央部の方が小さいとき、好ましくは中央部の曲率が両端部の曲率の二分の一であるときには、駆動中の積層型圧電素子１で最も変形する部分で、表面形状の変形率を小さくすることができるので、駆動中の積層型圧電素子１で最も変形する部分の応力緩和効果を高めることができる。したがって、外部電極９および導電性接続部材８の断線、剥離および熱破壊や外部リード部材10の剥離をさらに抑えることができる。
また、図６に示すように、導電性接続部材８の表面が凸になっている部位に外部リード部材10の一部が埋設されていることが好ましい。この構成によれば、大電流を流して、高速かつ高負荷の状態で、長期間にわたって積層型圧電素子１を連続駆動させた場合であって、導電性接続部材８の凹部に亀裂が入った場合においても、外部電極８が電気的に断線することがない。その結果、一部の圧電体層３に電圧が供給されずに変位特性が低下することを抑えることができる。
なお、上述の外部リード部材10は、導電性接続部材８の凸になっている部位の一部に外部リード部材10の一部が埋設されていても良いが、より好ましくは、導電性接続部材８の凸になっている部位のほぼ全部に外部リード部材10の一部が埋設されていることがよい。
さらに、凹凸８ａの凸になっている部位（凸部）に一部が埋設されている外部リード部材10は、凹部に亀裂が生じた場合でも、外部電極９に電気を供給できるように、凹部以外の部位で、共通電極（バスバー電極）等によって電気的および機械的に繋がって共通化されていることが好ましい。共通化の構成は、共通電極（バスバー電極）によるものに限らず、凹部以外の部位で外部リード部材10が繋がっているような構成であればよい。
導電性接続部材８中に埋設された外部リード部材10の、導電性接続部材８に対する体積比は、導電性接続部材を100体積％とした場合、２体積％～30体積％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８が電気的に断線することを有効に抑えることができ、また、外部リード部材10の体積比が大きくなりすぎて導電性接続部材８における積層体７の伸縮に対する追従性が低下することを抑えることができる。
導電性接続部材８の表面が凸になっている部位に外部リード部材10の一部が埋設されている構成は、まず、外部電極９の表面にスクリーン印刷法等によって樹脂接着剤を含有した導電性ペーストを均一に印刷した後、所定の位置に外部リード部材10を設置し、さらにその表面の外部リード部材10に相当する部分に樹脂接着剤を含有した導電性ペーストをパターン印刷するという方法等によって得ることができる。
また、外部リード部材10は、図７に示すように、種々の構成を採り得る。図７（ａ）は、金属の線材を平行に配置した構成のもの、図７（ｂ）は、メッシュ状に編んだ金属線から成る構成のもの、図７（ｃ）および図７（ｄ）は、エッチング法あるいは打ち抜き金型を用いた打ち抜き法によって、金属板の一部をくり抜いた構成のものである。これらは、積層体７の伸縮方向において弾性率を下げたものであり、積層体７の伸縮方向において弾性的に変形し得るものである。
すなわち、図７に示すような構成の外部リード部材10を用いることによって、積層体７の伸縮に追従可能なものとすることができる。その結果、外部リード部材10の拘束力によって積層型圧電素子１の変位特性が低下したり、導電性接続部材８に負荷がかかって導電性接続部材８が外部電極９から剥離したりすることを抑えることができる。
なお、外部リード部材10は図７に示す以外の構造でも、例えば空隙を設けるなどして積層体７の伸縮方向において弾性率を下げた構造であればよい。
また、導電性接続部材８は、銀または銀を主成分とする合金からなる非球形の導電性粒子を樹脂に分散させた導電性樹脂で形成されていることが好ましい。この場合、ガラスを含む、焼成により形成された電極に比較して、導電性接続部材８が柔軟になるため、積層体７の伸縮に対する追従性がさらに良くなり、有効に応力を吸収できる。
また、導電性樹脂に含まれる導電性材料として、耐酸化性に優れ、抵抗の低い銀または銀を主成分とする合金から成る導電性粒子を用いることにより、高温で使用した場合にも導電性粒子が酸化されることなく、低抵抗を実現できる。その結果、安定して積層体７に電圧を供給することができる。
さらに、導電性粒子の形状を、鱗片状や針状などの非球形とすると、隣り合う導電性粒子同士が１点で接触するのではなく、複数の点、線あるいは面で接触するように絡み合い、導電性接続部材８の剪断強度を大幅に増大させることができる。その結果、積層型圧電素子１を高電界で連続駆動させた場合においても、導電性接続部材８に亀裂等が生じることを抑えることができる。
また、導電性粒子の形状を、鱗片状や針状などの非球形とすると、導電性粒子同士の接触面積が増えるので、導電性接続部材８を低抵抗にすることができ、大電流を流して積層型圧電素子１を高速で駆動させた場合でも、導電性接続部材８の発熱を抑えることができるので、導電性接続部材８が熱劣化し、断線したりするのを防止することができる。
導電性粒子を構成する、銀または銀を主成分とする合金について、導電性粒子が銀から成る場合は、導電性粒子は純銀または不純物等を含む銀から成る。また、導電性粒子が銀を主成分とする合金から成る場合は、導電性粒子はＡｇ－Ｐｄ合金，Ａｇ－Ｐｔ合金，Ａｇ－Ｃｕ合金等の合金から成る。
なお、銀を主成分とするとは、銀の含有量が50質量％を超える場合、または銀の含有量が最大である場合を意味する。
導電性粒子の平均粒径は0.1μｍ～20μｍであることが好ましい。この範囲内とすると、導電性接続部材８を低抵抗にし、かつ、導電性接続部材８の剪断強度を高くすることができる。なお、平均粒径は金属顕微鏡または走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で測定して求められ、導電性粒子が非球形の場合は、例えば、１つの導電性粒子の粒径を最大径と最小径との平均値として規定し、その平均値に基づいて算出することができる。
導電性接続部材８に含まれる導電性粒子の含有量は85質量％～98質量％であることが好ましい。この範囲内とすると、導電性接続部材８を十分に低抵抗なものとすることができ、また、導電性樹脂から成る導電性接続部材８における積層体７の伸縮に対する追従性が低下することを抑えることができる。
また、導電性接続部材８に、非球形の導電性粒子と、非球形の導電性粒子よりも粒径の小さい球形の導電性粒子とを含有させてもよい。この場合には、非球形の導電性粒子同士の間に形成された隙間に小さい粒径の導電性粒子が入り込むことにより、電気的に導通した導電性粒子の量が多くなり、導電性接続部材８をより低抵抗化することができる。
また、導電性接続部材８を導電性樹脂で形成する場合の樹脂は、ポリイミド，ポリアミドイミドなどのイミド結合を有した樹脂であることが好ましい。このように、導電性接続部材８を形成する樹脂を、耐熱性の高いポリイミド，ポリアミドイミドなどのイミド結合を有する樹脂とすることによって、積層型圧電素子１を高温で連続駆動させた場合においても、導電性接続部材８が容易に熱劣化することがないものとなる。その結果、長期間にわたって高い信頼性を有する積層型圧電素子１を提供することができる。
次に、本実施の形態の積層型圧電素子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って、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、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），フタル酸ジオチル（ＤＯＰ）等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－パラジウム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、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、どのような製造方法によって形成されてもよい。
次に、焼成して得られた積層体７に、平面研削盤等を用いて、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性粒子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含有導電性ペーストを、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法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って、外部電極９を形成することができる。
次に、外部電極９の表面に、焼き付け硬化後に導電性接続部材８となる樹脂接着剤を含有した導電性ペーストを、積層方向に繰り返して表面に凹凸ができるように、スクリーン印刷法等で印刷した後に、硬化させることにより、積層方向に繰り返して表面に凹凸を備えた導電性接続部材８を形成することができる。即ち、導電性接続部材８の表面に凹凸を形成する方法としては、例えば、まず、樹脂接着剤を含有した導電性ペーストを平坦にスクリーン印刷により印刷し、乾燥した後に、さらにその表面に樹脂含有導電性ペーストを凸部に相当する部分にのみパターン印刷し、乾燥および焼き付けを行なう方法がある。
なお、樹脂接着剤を含有した導電性ペーストとして、レベリング性のよいものを用いることにより、表面になめらかな凹凸を有する導電性接続部材８を形成することができる。逆にレベリング性の悪い樹脂接着剤を含有した導電性ペーストを用いることにより、明瞭な段差を有する凹凸が表面に形成された導電性接続部材８を形成することができる。なお、レベリング性は、導電性ペーストに含まれる溶剤成分の量を調整することで調整することができる。
また、導電性接続部材８の凸部に外部リード部材10の一部を埋設する方法としては、まず、外部電極９の表面にスクリーン印刷法等によって樹脂接着剤を含有した導電性ペーストを均一に印刷した後、所定の位置に外部リード部材10を設置し、さらにその表面の外部リード部材10に相当する部分に樹脂接着剤を含有した導電性ペーストをパターン印刷すればよい。これにより、表面に凹凸を有する導電性接続部材８を形成するとともに、導電性接続部材８の凸部に相当する部分に外部リード部材10の一部を埋設した積層型圧電素子１を作製することができる。
なお、外部リード部材10は、金属の線材を積層方向と垂直な方向に略並行に配置したもの、金属線をメッシュ状に編んだもの、あるいは、エッチング法あるいは打ち抜き金型を用いた打ち抜き法によって、金属板の一部をくり抜いた構成のものを使用できる。これらは、積層方向に伸縮性を有する形状のものである。
なお、金属線をメッシュ状に編んだものは、平織りでも綾織りでも構わない。また、メッシュを形成する金属線と積層方向とのなす角度は、積層方向に対して柔軟性を有するという点から、10度以上が好ましく、より好ましくは30度～60度がよい。
さらに、外部リード部材10の材質は、銀，ニッケル，銅，リン青銅，鉄，ステンレススチール等の金属や合金が好ましい。また、外部リード部材10の表面には、銀やニッケル等から成るメッキ膜が形成されていてもよい。
次に、外装樹脂となるシリコーン樹脂を含む樹脂溶液に、外部電極９、導電性接続部材８を形成した積層体７を浸漬する。そして、樹脂溶液を真空脱気することにより、積層体７の外周側面シリコーン樹脂を密着させ、その後、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および導電性接続部材８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。
その後、一対の外部電極９に接続した導電性接続部材８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、導電性接続部材８である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例について説明する。図８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８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の内部に上記の本実施の形態の積層型圧電素子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（不図示）に、噴射孔21から吐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、前述した本実施の形態の積層型圧電素子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、本実施の形態の噴射装置は、噴射孔を有する容器と、本実施の形態の積層型圧電素子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、本実施の形態において、流体とは、燃料，インク等の他、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。本実施の形態の噴射装置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。
本実施の形態の積層型圧電素子１を採用した本実施の形態の噴射装置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９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９に示すように、本実施の形態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実施の形態の噴射装置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。
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、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。
本実施の形態の積層型圧電素子１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（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が100μｍ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研削し、縦８ｍｍ横８ｍｍ高さ３０ｍｍの直方体形状とした後、外部電極を形成する積層体の側面に銀ガラス含有導電性ペーストを塗布し、650℃にて焼き付けを行ない、厚み20μｍ、幅２ｍｍの外部電極を形成した。
その後、外部電極の表面に、平均粒径５μｍの鱗片状の銀粉末をポリイミド樹脂に分散させた樹脂接着剤を含有した導電性ペーストをスクリーン印刷法より印刷し、乾燥させた。その後、さらにその表面にスクリーン印刷法により、積層方向に繰り返す凹凸における凸部となる部分のみに樹脂接着剤を含有した導電性ペーストをパターン印刷し、レベリングした後、乾燥させた。その後、200℃で焼き付けを行ない、外部電極の表面に幅２ｍｍの導電性接続部材を形成した。
得られた導電性接続部材の表面には、凸部の平均高さが25μｍ、凹部の平均深さが25μｍである凹凸が形成されていて、導電性接続部材における外部電極と接する側の面から凹部の底までの厚みは５０μｍであった。また、凹凸の繰り返しの間隔（周期）は、平均して400μｍであった。このようにして、積層方向に繰り返して凹凸が形成された導電性接続部材を備えた圧電アクチュエータ（試料番号２）を作製した。
また、比較例として本発明の範囲外の、表面に凹凸を有していない導電性接続部材を備えた圧電アクチュエータ（試料番号１）を作製した。これは、上述の本発明の積層型圧電素子の製法において、凸部を形成するための導電性接着剤ペーストのパターン印刷をせずに、導電性接続部材を形成したものである。
次に、各積層型圧電素子の導電性接続部材の積層方向の端部に、上述の樹脂接着剤を含有した導電性ペーストを用いてリード線を接続し固定した。
その後、各積層型圧電素子に対して、導電性接続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、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に室温で０Ｖ～＋160Ｖの交流電圧を150Ｈｚの周波数で印加して、１×10８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。
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に室温で０Ｖ～＋160Ｖの交流電圧を150Ｈｚの周波数で印加して、１×10８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、外部電極の表面に設けた導電性接続部材の表面に積層方向に繰り返して凹凸を形成していないために、１×10８回駆動後に導電性接続部材が積層体の伸縮に耐えきれずに、クラックが発生し進展して断線し、スパークが発生した。
一方、本発明の実施例である試料番号２の圧電アクチュエータでは、外部電極の表面に、積層方向に繰り返して凹凸を備えた導電性接続部材を形成しているため、積層体の伸縮によって生じる応力を凹凸が吸収した。その結果、１×10８回駆動した後でも、導電性接続部材にクラックは生じておらず、スパーク発生等の異常は見られなかった。
さらに、導電性接続部材の凸部に外部リード部材の一部が埋設された圧電アクチュエータを以下のように作製した。外部電極を形成するまでは、試料番号２の圧電アクチュエータと同じ製法で作製した。その後、外部電極の表面に、試料番号２の圧電アクチュエータを作製した際に用いた樹脂接着剤を含有した導電性ペーストと同じものを均一に塗布した。その後、樹脂接着剤を含有した導電性ペーストの表面に外部リード部材を配置した。さらに、外部リード部材の一部を埋設する部分に凸部を形成するために、樹脂接着剤を含有した導電性ペーストをパターン印刷し、乾燥した後、試料番号２の圧電アクチュエータの製造方法と同様の条件で200℃で焼き付けを行なった。
このとき、試料番号３の圧電アクチュエータにおいては、厚み50μｍ、幅50μｍのリン青銅よりなる線材を、400μｍのピッチで積層方向に直交する方向に平行に複数配置した
外部リード部材（図７（ａ））とした。
外部リード部材（図７（ａ））とした。
試料番号４の圧電アクチュエータにおいては、線径50μｍのリン青銅の線材を、180番
手の平織りのメッシュ状に編んだ外部リード部材であって、線材と積層方向との成す角度が45度になるように形成したもの（図７（ｂ））とした。
手の平織りのメッシュ状に編んだ外部リード部材であって、線材と積層方向との成す角度が45度になるように形成したもの（図７（ｂ））とした。
試料番号５の圧電アクチュエータにおいては、厚み50μｍのリン青銅の板を、積層方向に伸縮できるようにエッチング法によって一部をくり抜いた外部リード部材（図７（ｃ））とした。
これらの試料番号３～５の圧電アクチュエータを上述のように分極処理した後、試料番号１～５の圧電アクチュエータについて、室温で０Ｖ～＋160Ｖの交流電圧を150Ｈｚの周波数で印加して、１×10９回まで連続駆動した試験を行なった。得られた結果を表２に示す。
表２に示すように、導電性接続部材の凹凸の凸部に外部リード部材の一部を埋設させた試料番号３～５の本発明の積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータにおいては、過酷な条件下で、１×10９回まで連続駆動させた場合においても、外部電極が断線することなく、長期信頼性に優れていた。
一方、表面に凹凸を有していない導電性接続部材を備えた圧電アクチュエータ（試料番号１）は、１×10８回の連続駆動後に導電性接続部材が断線してスパークが発生した。
積層方向に繰り返して凹凸が表面に形成されているが、凹凸の凸部に外部リード部材の一部が埋設されていない導電性接続部材を備えた圧電アクチュエータ（試料番号２）は、１×10８回の連続駆動後に積層体の変位量が５／６に低下した。
１・・・積層型圧電素子
３・・・圧電体層
５・・・内部電極層
７・・・積層体
８・・・導電性接続部材
９・・・外部電極
10・・・外部リード部材
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
３・・・圧電体層
５・・・内部電極層
７・・・積層体
８・・・導電性接続部材
９・・・外部電極
10・・・外部リード部材
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 (12)
- 圧電体層および内部電極層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内部電極層に電気的に接続された外部電極と、該外部電極の表面に被着された導電性接続部材とを含む積層型圧電素子であって、導電性接続部材の表面が少なくとも積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっていることを特徴とする積層型圧電素子。
- 前記凹凸は、前記積層体の積層方向に周期的に繰り返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。
- 前記外部電極の表面が、前記積層体の積層方向に繰り返して凹凸になっ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。
- 前記導電性接続部材の表面の凸部に対応する前記外部電極の表面が凹部となっていることを特徴とする請求項３に記載の積層型圧電素子。
- 前記導電性接続部材の表面における凸部の高さは、前記積層体の積層方向の両端部よりも中央部の方が高いことを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
- 前記導電性接続部材の表面における前記凹凸の高低差は、前記積層体の積層方向の両端部よりも中央部の方が大きいことを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
- 前記導電性接続部材の表面が凸になっている部位に外部リード部材の一部が埋設され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。
- 前記外部リード部材は、前記導電性接続部材に埋設されている部分が前記積層体の伸縮に追従可能であることを特徴とする請求項７に記載の積層型圧電素子。
- 前記導電性接続部材は、銀または銀を主成分とする合金からなる非球形の導電性粒子を樹脂に分散させた導電性樹脂で形成され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。
- 前記樹脂は、イミド結合を有した樹脂であることを特徴とする請求項９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１０のいずれかに記載の積層型圧電素子とを備え、容器内に蓄えられた流体が積層型圧電素子の駆動により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高圧燃料を噴射する請求項１１に記載の噴射装置と、コモンレールに高圧燃料を供給する圧力ポンプと、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。
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