WO2013115341A1 - 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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- H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
Definitions
- the present invention relates to a laminated piezoelectric element used as, for example, a piezoelectric driving element (piezoelectric actuator), a pressure sensor element, a piezoelectric circuit element, and the like, an injection device including the same, and a fuel injection system.
- a piezoelectric driving element piezoelectric actuator
- a pressure sensor element a piezoelectric sensor
- a piezoelectric circuit element a piezoelectric circuit element
- a laminated piezoelectric element As a laminated piezoelectric element, a laminated body in which a piezoelectric layer and an internal electrode layer are laminated, a conductor layer provided on a side surface of the laminated body and electrically connected to the internal electrode layer, and a conductive bonding material
- a device including an external electrode electrically connected to a conductor layer is known (see Patent Document 1).
- an external lead member is bonded to an end portion (external bonding portion) of the external electrode and electrically connected to an external device.
- the external electrode 90 is extended from the end face of the laminated body 80, and as shown in FIG. 15, the external electrode main body 901 and the external joint 902 are connected by a connecting portion 903 (corresponding to the remaining portion due to the notch).
- a multilayer piezoelectric element is also known (see Patent Document 2).
- connection portion 903 when the multilayer piezoelectric element is pulse-driven, stress is applied to the joint portion between the external lead member and the external joint portion.
- a method of reducing the rigidity by narrowing the width of the connection portion 903 (increasing the notch) can be considered. If it tries to do so, there exists a problem that the mechanical strength and electrical conductivity of the connection part 903 fall.
- the present invention has been made in view of the above circumstances, and reduces the stress generated at the joint between the external lead member and the external joint without reducing the mechanical strength and electrical conductivity of the connection. It is an object of the present invention to provide a multilayer piezoelectric element capable of performing the above, an injection device including the same, and a fuel injection system.
- the present invention includes a laminate in which a piezoelectric layer and an internal electrode layer are laminated, a conductor layer provided on a side surface of the laminate and electrically connected to the internal electrode layer, and the conductor layer electrically
- a laminated piezoelectric element including a connected external electrode, wherein the external electrode is electrically connected to an external electrode body having at least a part of one main surface bonded to the conductor layer and an external terminal.
- the external joint portion includes a connection portion connecting the external electrode body and the external joint portion, and the connection portion protrudes from a region between an end surface of the external electrode body and an end surface of the external joint portion. It is what has.
- the present invention is an injection device that includes a container having an injection hole and the multilayer piezoelectric element described above, and a fluid stored in the container is discharged from the injection hole by driving the multilayer piezoelectric element. .
- the present invention also provides a common rail that stores high-pressure fuel, the above-described injection device 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 a drive signal to the injection device.
- a fuel injection system comprising an injection control unit for providing.
- the present invention it is possible to reduce the stress generated at the joint between the external lead member and the external joint without reducing the mechanical strength and electrical conductivity of the connection. Therefore, it is possible to realize a laminated piezoelectric element having high bonding reliability with an external device.
- FIG. 1 It is a perspective view which shows an example of embodiment of the lamination type piezoelectric element of this invention. It is a front view which shows the principal part of the laminated piezoelectric element shown in FIG. It is a front view which shows the principal part of the other example of embodiment of the lamination type piezoelectric element of this invention. It is a front view which shows the principal part of the other example of embodiment of the lamination type piezoelectric element of this invention. It is a front view which shows the principal part of the other example of embodiment of the lamination type piezoelectric element of this invention. It is a front view which shows the principal part of the other example of embodiment of the lamination type piezoelectric element of this invention. It is a front view which shows the principal part of the other example of embodiment of the lamination type piezoelectric element of this invention.
- FIG. 9 It is a perspective view which shows the other example of embodiment of the lamination type piezoelectric element of this invention.
- A)-(d) is explanatory drawing of the manufacturing method and variation of the external electrode shown in FIG.
- FIG. 9 It is a perspective view which shows the other example of embodiment of the lamination type piezoelectric element of this invention.
- (A) is a principal part enlarged view of the external electrode shown in FIG. 9,
- (b) is a side view which shows the other example of an external electrode.
- A) is a principal part expansion perspective view of the other example of the external electrode in this invention,
- (b) is a principal part enlarged front view of the external electrode shown to (a). It is a principal part expansion perspective view of the other example of the external electrode in this invention.
- FIG. 1 is a perspective view showing an example of an embodiment of a multilayer piezoelectric element of the present invention
- FIG. 2 is a front view showing a main part of the multilayer piezoelectric element shown in FIG.
- the front view referred to here is a view (viewed from the side of the multilayer body 4) viewed from a direction perpendicular to the conductor layer 8 (side surface of the multilayer body 4) to which the external electrode main body 71 is bonded. means.
- the multilayer piezoelectric element shown in FIGS. 1 and 2 includes a laminate 4 in which a piezoelectric layer 3 and an internal electrode layer 5 are laminated, and is provided on a side surface of the laminate 4 and is electrically connected to the internal electrode layer 5.
- a laminated piezoelectric element including a conductor layer 8 and an external electrode 7 electrically connected to the conductor layer 8, wherein the external electrode 7 has at least a part of one main surface bonded to the conductor layer 8.
- 71 has a portion protruding from a region between the end surface 711 of 71 and the end surface 721 of the external joint portion 72.
- the multilayer body 4 is configured by laminating the piezoelectric layers 3 and the internal electrode layers 5.
- an active portion in which a plurality of piezoelectric layers 3 and internal electrode layers 5 are alternately stacked, and a stacking direction of the active portions
- Inactive portions formed by laminating a plurality of piezoelectric layers 3 disposed at both ends of the substrate, for example, formed in a columnar shape having a length of 0.5 to 10 mm, a width of 0.5 to 10 mm, and a height of 5 to 100 mm It is.
- Conductive layers 8 are provided on side surfaces (opposite side surfaces) opposite to each other of the laminate 4.
- the internal electrode layer 5 is composed of a positive electrode and a negative electrode (ground), and the respective electrodes are led out to the opposite side surfaces (opposite side surfaces) of the multilayer body 4 and are electrically connected to the conductor layer 8. ing.
- the piezoelectric layer 3 is formed of a ceramic having piezoelectric characteristics.
- a ceramic for example, a perovskite oxide made of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3). ), Lithium tantalate (LiTaO 3 ), or the like can be used.
- the internal electrode layer 5 is formed by simultaneous firing with the ceramic forming the piezoelectric layer 3, and as this forming material, for example, a conductor mainly composed of a silver-palladium alloy having low reactivity with a piezoelectric ceramic, or A conductor containing copper, platinum, or the like can be used.
- the laminated body 4 may include a planned fracture layer (not shown) that breaks preferentially over the internal electrode 5 when driven.
- the planned rupture layer is disposed at least in one of the layers of the plurality of piezoelectric layers 3, preferably at a constant interval, has a lower strength than the internal electrode layer 5, and is a stress relaxation function that easily generates cracks due to stress It is formed as a layer having For example, it is composed of a piezoelectric layer that is insufficiently sintered, a piezoelectric layer or metal layer with many voids, or a layer in which piezoelectric particles or metal particles are distributed independently.
- a conductive layer 8 electrically connected to the internal electrode layer 5 is provided on the side surface of the laminate 4.
- the conductor layer 8 is attached to the side surface of the multilayer body 4 in the laminating direction and is electrically connected to the end portion of the internal electrode layer 5 led out to the side surface of the multilayer body 4.
- the conductor layer 8 is preferably formed of a conductive material such as silver, for example, and preferably contains a glass component in order to improve adhesion with the laminate 4.
- the conductor layer 8 can be formed, for example, by applying and baking a paste made of silver and glass, and has a thickness of, for example, 10 to 500 ⁇ m.
- an external electrode 7 is provided in electrical connection with the conductor layer 8.
- the external electrode 7 is bonded to the conductor layer 8 using the conductive bonding material 2.
- the conductive bonding material 2 used here include solder (preferably lead-free solder from the viewpoint of environmental problems) and conductive resin, and each has a thickness of, for example, 5 ⁇ m to 500 ⁇ m.
- the external electrode 7 is made of a metal such as copper, iron, stainless steel, phosphor bronze, etc., and is a plate-like body having a width of 0.5 to 10 mm and a thickness of 0.01 to 1.0 mm, for example. Furthermore, in order to improve electrical conductivity and thermal conductivity, tin or silver plating may be used.
- the external electrode 7 includes an external electrode main body 71 in which at least a part of one main surface is bonded to the conductor layer 8, an external bonding portion 72 that is electrically bonded to the external lead member 9, an external electrode main body 71, and It is comprised from the connection part 73 which connected the external junction part 72.
- FIG. 1 shows a shape in which slits are provided in the width direction and through holes are provided between adjacent slits in the stacking direction.
- the external joint member 72 is connected to an external lead member 9 as an external terminal, for example, via a solder 10 and is electrically connected to an external device.
- a connecting portion 73 is provided between the external joint portion 72 and the external electrode main body 71.
- the connection portion 73 relaxes stress transmission between the external joint portion 72 joined to the external lead member 9 whose other end is fixed to the external device by expansion and contraction of the laminate 4 and the external electrode body 71. While maintaining the required electrical conductivity, the rigidity is lower than that of the external electrode main body 71 and the external joint portion 72, or the laminate 4 is stretched and bent in the direction perpendicular to the side surface of the laminate 4. On the other hand, the rigidity is low.
- connection portion 73 As a configuration in which the rigidity of the connection portion 73 is lower than that of the external electrode main body 71 and the external joint portion 72, specifically, as shown in FIG.
- the width of the connection section 73 is narrower, that is, the area of the cross section of the connection portion 73 is smaller than the areas of the end surface of the external electrode main body 71 and the end surface of the external joint portion 72.
- the external electrode main body 71 since the external electrode main body 71 is formed with a width larger than that of the connection portion 73, the external electrode main body 71 can be easily bonded to the laminate 4 with the conductive bonding material 2, and has sufficient bonding strength. Can do.
- the external joint portion 72 is formed with a width larger than that of the connection portion 73, the external lead member 9 can be easily joined to the external joint portion 72 with the solder 10, and sufficient joint strength can be obtained.
- the external electrode main body 71 has a low rigidity with respect to expansion and contraction in the stacking direction of the stacked body 4 and bending in a direction perpendicular to the side surface of the stacked body 4.
- the shape of the connection part 73 that connects the external joint part 72 is bent or curved when viewed in a cross section cut along the longitudinal direction perpendicular to the side surface of the laminate 4 to which the external electrode main body 71 is joined.
- the structure which is is mentioned.
- the connection portion 73 has the same width (cross-sectional area) as the external electrode main body 71 and the external joint portion 72, but is perpendicular to the stacking direction expansion and contraction of the stacked body 4 and the side surface of the stacked body 4. Stiffness can be reduced with respect to directional bending.
- connection part 73 has a part which protrudes from the area
- the end surface 711 of the external electrode main body 71 and the end surface 721 of the external joint portion 72 are end surfaces located at the end in the stacking direction of the multilayer body 4, and the external electrode main body 71 and the external joint portion 72 are on the same plane.
- the external electrode body 71 and the external joint portion 72 are not on the same plane, they are inner surfaces that are close to each other.
- connection portion 73 includes both main surfaces of the external electrode main body 71 and two end surfaces in the width direction, both main surfaces of the external joint portion 72 and two end surfaces in the width direction, and the respective main surfaces and the width direction. It has a site
- connection part 73 By providing such a connection part 73, the rigidity (rigidity against elongation and bending) against vibration in the longitudinal direction of the external electrode 7 and vibration perpendicular to the surface of the external electrode 7 is reduced, and mechanical strength and electrical conduction are reduced. It makes it possible to keep sex.
- the external electrode 7 is formed as an integral plate, and for example, the width of the connection portion 73 is narrower than the width of the external electrode main body 71 and the external joint portion 72 and is formed with low rigidity.
- the connecting portion 73 is formed as having a portion protruding from a region constituted by the end surface in the width direction of the external electrode main body 71, the end surface in the width direction of the external joint portion 72, and a surface connecting these. . According to this configuration, it is possible to lengthen the notch shape constituted by the external electrode main body 71, the external joint portion 72, and the connection portion 73 without reducing the cross-sectional area (electrical conductivity) of the connection portion 73. it can.
- the stroke length from the joint portion of the external lead member 9 and the external joint portion 72 to the notch end portion can be increased, the strain generated in the connection portion 73 due to the expansion and contraction of the laminate 4 can be reduced, and the external lead
- produces as a reaction force in the joining location of the member 9 and the external junction part 72 is expectable.
- the external electrode main body 71, the external joining part 72, and the connection part 73 are integrally formed with the conductor board, since there is no joint, the stress concentration concerning these boundary parts can also be eliminated.
- the connecting portion 73 protrudes, there is a possibility that there is a difference in current density and there is a distribution in heat generation. That is, there is a possibility that a region where the current hardly flows and hardly generates heat is generated at the protruding portion. This region is constrained to suppress deformation of the heat generating region, and acts to receive heat from the heat generating region and reduce the amount of generated heat. Therefore, the durability of the multilayer piezoelectric element can be improved without increasing the risk of breakage due to the heat of the connection portion 73.
- the external electrode main body 71, the external joint portion 72, and the connection portion 73 are formed in a plate shape, and the connection portion 73 is between the end surface of the external electrode main body 71 and the end surface of the external joint portion 72.
- it has a part which protrudes so as to deviate from the region, it is preferable that it protrudes 10% or more of the cross-sectional area or 10% or more of the entire width when viewed from the front.
- it when viewed from the front, it is viewed from a direction perpendicular to the conductor layer 8 (side surface of the multilayer body 4) to which the external electrode body 71 is bonded (viewed from the side surface side of the multilayer body 4).
- connection part 73 is seen from the front (viewed from the side surface side of the laminated body 4). It may be a bent or curved shape.
- connection portion 73 is connected to a surface excluding the end surface 711 of the external electrode main body 71 and the end surface 721 of the external joint portion 72.
- the connection portion 73 is connected to a surface excluding the end surface 711 of the external electrode main body 71 and the end surface 721 of the external joint portion 72.
- connection portion 73 is connected to a side surface other than the one main surface of the external electrode main body 71. According to this configuration, the cross-sectional area of the connection portion 73 is reduced, and the external electrode Since the rigidity of the connecting portion 73 including the main body 71 and the external joint portion 72 can be lowered, it is possible to make it difficult for stress due to driving to be transmitted to the joint portion between the external lead member 9 and the external joint portion 72.
- connection portion 73 is arcuate when viewed from the front (as viewed from the side surface side of the laminate 4). According to this configuration, the connection portion 73 is formed inside the connection portion 73. Stress concentration can be eliminated.
- the connecting portions 73 are connected to both side surfaces of the external electrode main body 71 other than one main surface. According to the configuration in which the connection portions 73 are provided on both side surfaces, it is possible to reduce the extra stress due to bending and twisting.
- the connecting portion 73 is bent when viewed from the stacking direction of the stacked body 4. According to this configuration, since the connection portion 73 between the external electrode main body 71 and the external joint portion 72 is not on the same plane as the external electrode main body 71, the vibration of the stacked body 4 is distributed and transmitted in different directions. The generated stress can be reduced. That is, the effect of reducing the rigidity of elongation and bending with respect to the vibration in the longitudinal direction of the external electrode 7 and the vibration perpendicular to the surface of the external electrode 7 is enhanced.
- the external lead member 9 is bonded to the main surface of the main surface of the external bonding portion 72 on the side where the connection portion 73 is bent. Since the connection surface of the external joint portion 72 with the external terminal is on the side where the connection portion 73 is bent, the bending force of the external joint portion 72 generated when a force is applied in the expansion / contraction direction of the external electrode 7 during driving is external. The durability is improved because the electrode main body 71 is not peeled off from the side surface of the laminate 4.
- the external electrode 7 shown in FIGS. 1 to 6 is formed by, for example, punching a single flat plate, and the connection portion 73 is substantially flush with the external electrode main body 71 and the external joint portion 72. It is the structure which is located.
- the connection part 73 in the form shown in FIG. 7 is such that the connection part 73 in the form shown in FIG. 6 is bent so as to be perpendicular to the plane including the external electrode main body 71 and the external joint part 72.
- Shape. Specifically, the external electrode 7 shown in FIG. 7 is formed by bending the broken line portion shown in FIG. 8A by 90 degrees. That is, in the form shown in FIG.
- connection portion 73 is narrower (smaller in cross-sectional area) than the external electrode main body 71 and the external joint portion 72, and is bent when viewed from the stacking direction of the stacked body 4.
- Shape In other words, it is a shape that is bent with respect to the side surface of the multilayer body 4 (the main surface of the external electrode main body 71).
- the outer peripheral corner portion of the connection portion 73 may be chamfered or inclined.
- the connecting portion 73 may be curved.
- the area of the main surface of the external joint 72 may be increased.
- the connecting portion 73 has the same width (the same cross-sectional area) as the external electrode main body 71 and the external joint portion 72, and the connecting portion 73 has the end 711 of the external electrode main body 71 and the external portion. It is continuously connected to the end 721 of the joint 72, and has a bent or curved shape when the connection 73 is viewed from the side.
- a portion protruding from the region between the end of the external electrode main body 71 and the end of the external joint 72 is formed by being bent or curved when viewed in cross section. It has a shape to have. Thereby, rigidity can be lowered with respect to expansion and contraction in the stacking direction of the stacked body 4 and bending in a direction perpendicular to the side surface of the stacked body 4 at the connection portion 3.
- the end of the external electrode main body 71 is a part including the end face 711 of the external electrode main body 71
- the end of the external joint part 72 is a part including the end face 721 of the external joint part 72.
- the end surface 711 of the external electrode main body 71 and the end surface 721 of the external joint portion 72 are the boundary surface between the external electrode main body 71 and the connection portion 73 and the external joint portion 72 and the connection portion as shown in FIG. 73 is a boundary surface with 73 and is a virtual end surface and is not exposed.
- the boundary between the external electrode main body 71 and the connection portion 73 (end surface 711 of the external electrode main body 71) and the boundary between the external joint portion 72 and the connection portion 73 (of the external joint portion 72).
- the end surface 721) is bent and bent as shown in FIG. 10 (a), but as shown in FIG. 10 (b), it is a smoothly curved shape when viewed from the side at these boundaries. You may be doing. As a result, there is no stress concentration at the boundary part, and more elongation and vibration with respect to the longitudinal vibration of the external electrode 7 and vibration perpendicular to the surface of the external electrode 7 (particularly vibration perpendicular to the surface of the external electrode 7). The bending rigidity can be reduced.
- connection part 73 shown to Fig.11 (a) is a thing formed by arrange
- the connection part 73 of the structure which has three spans may be sufficient, and the connection part 73 of the structure which consists of one span part may be sufficient.
- the multilayer piezoelectric element 1 includes an external electrode main body 71 having the other main surface on the side opposite to the one main surface, and an external bonding portion 72 having a main surface and a side surface connected to the main surface.
- the other main surface of the external electrode main body 71 and the main surface of the external joint portion 72 face in the same direction, and the connection portion 73 extends from the side of the external electrode main body 71 in a direction away from the laminate 4.
- the first pillar part, the second pillar part extending in a direction away from the stacked body 4 from the side part of the external joint part 72, and the connecting part that connects the first pillar part and the second pillar part are included.
- the side part of the external electrode body 71 and the side part of the external joint part 72 are the side surface of the external electrode body 71 and the side surface of the external joint part 72, respectively.
- the side part of 71 and the side part of the external joint part 72 are side parts on the end face 711 of the external electrode main body 71 and the end face 721 of the external joint part 72, respectively.
- the side portion may be a portion on the side surface side of the other main surface of the external electrode main body 71 and a portion on the side surface side of the main surface of the external joint portion 72.
- part over several surfaces among a main surface, a side surface, and an end surface may be sufficient.
- the external electrode main body 71 has the other main surface on the side opposite to the one main surface, and the external joint 72 has the main surface.
- the other main surface and the main surface of the external joint portion 72 face the same direction, and an external terminal (external lead member 9) is joined to the main surface of the external joint portion 72.
- connection portion 73 has a portion protruding in a direction away from the stacked body 4, but the external electrode main body 71 and the external joint portion 72 are configured on substantially the same plane. ing.
- the external joint portion 72 is far away from the side surface of the multilayer body 4 in the direction perpendicular to the external electrode main body 71, the external joint portion 72 is connected to the external joint portion 72 along with expansion / contraction of the multilayer body 4 (extension / contraction of the external electrode body 71) Stress in a direction perpendicular to the side surface of the multilayer body 4 is repeatedly applied, and the bonding strength between the external joint portion 72 and the external lead member 9 may be reduced, whereas in the direction perpendicular to the side surface of the multilayer body 4 With respect to the position, the external joint 72 approaches the external electrode main body 71, so that the stress in the direction perpendicular to the side surface of the stacked body 4 applied to the external joint 72 is reduced.
- connection portion 73 is bent or curved when viewed in cross section, and has another shape that is folded back so that the external joint portion 72 approaches the external electrode body 71 with respect to the position in the direction perpendicular to the side surface of the multilayer body 4. It is good.
- the external electrode main body 71 and the external joint portion 72 are preferably on the same plane.
- a ceramic green sheet to be the piezoelectric layer 3 is produced. Specifically, a ceramic slurry is prepared by mixing a calcined powder of piezoelectric ceramic, a binder made of an organic polymer such as acrylic or butyral, and a plasticizer. And a ceramic green sheet is produced using this ceramic slurry by using tape molding methods, such as a doctor blade method and a calender roll method.
- the piezoelectric ceramic any material having piezoelectric characteristics may be used.
- a perovskite oxide made of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ) can be used.
- the plasticizer dibutyl phthalate (DBP), dioctyl phthalate (DOP), or the like can be used.
- a conductive paste to be the internal electrode layer 5 is produced.
- a conductive paste is prepared by adding and mixing a binder and a plasticizer to a silver-palladium alloy metal powder. This conductive paste is applied on the ceramic green sheet in the pattern of the internal electrode layer 5 using a screen printing method. Further, a plurality of ceramic green sheets on which the conductive paste is printed are laminated, subjected to binder removal treatment at a predetermined temperature, fired at a temperature of 900 to 1200 ° C., and then subjected to a predetermined grinding using a surface grinder or the like. By performing a grinding process so as to have a shape, a laminated body 4 including piezoelectric body layers 3 and internal electrode layers 5 that are alternately laminated is manufactured.
- the laminate 4 is not limited to the one produced by the above manufacturing method, and any laminate 4 can be produced by laminating a large number of piezoelectric layers 3 and internal electrode layers 5. It may be produced by a manufacturing method.
- the external electrode 7 is attached to the upper surface of the conductor layer 8 via the conductive bonding material 2.
- the external electrode 7 is composed of an external electrode body 71, an external joint portion 72, and a connection portion 73, and the connection portion 73 protrudes from a region between the end face of the external electrode body 71 and the end face of the external joint portion 72.
- a desired shape can be obtained by punching a conductive plate with a punching die.
- the connection part 73 into the shape bent when seeing from the lamination direction of the laminated body 4, after forming the connection part 73 with a punching die, it can produce.
- the external lead member 9 is connected to the surface of the conductor layer 8 through the solder 10 and fixed.
- the laminated body 4 to which the external lead member 9 is connected is immersed in a resin solution containing a silicone resin as an exterior resin (not shown). Then, the resin solution is vacuum degassed to bring the silicone resin into close contact with the outer peripheral side surface of the laminate 4, and then the laminate 4 is pulled up from the resin solution. As a result, the exterior resin is coated on the side surface of the laminate 4 in which the external lead member 9 is connected and fixed to the surface of the conductor layer 8.
- the multilayer piezoelectric element 1 connects the metallized layer 8 and an external power source via an external lead member 9, and applies a voltage to the piezoelectric layer 3, thereby causing each piezoelectric layer 3 to have an inverse piezoelectric effect. It can be displaced greatly.
- FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing an example of an embodiment of an 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.
- a fluid passage 27 is disposed in the injection hole 21 so as to be able to communicate with the movement of the needle valve 25.
- the fluid passage 27 is connected to an external fluid supply source, and fluid is constantly supplied to the fluid passage 27 at a high pressure. Accordingly, 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 diameter, and is a piston 31 slidable with a cylinder 29 formed in the storage container 23. And in the storage container 23, the multilayer piezoelectric element 1 of this Embodiment mentioned above is accommodated.
- 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 ejection device 19 includes a container 23 having ejection holes and the multilayer piezoelectric element 1 according to the present embodiment, and the fluid filled in the container 23 is driven to drive the multilayer piezoelectric element 1. May be configured to discharge from the injection hole 21. That is, the multilayer piezoelectric element 1 does not necessarily have to be inside the container 23, as long as the multilayer piezoelectric element 1 is configured to apply pressure for controlling the ejection of fluid to the inside of the container 23 by driving the multilayer piezoelectric element 1. Good.
- the fluid includes various liquids and gases such as a conductive paste 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. 14 is a schematic view showing an example of an embodiment of a 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 number 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 condition 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 the fuel injection system 35 of the engine, the fluid fuel is fed into the common rail 37 at a high pressure of 1000 to 2000 atmospheres (about 101 MPa to about 203 MPa), preferably 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 ejection device 19 ejects a certain fluid from the ejection holes 21 to the outside or an adjacent container.
- the target for injecting and supplying fuel is an engine
- high-pressure fuel is injected from the injection hole 21 into the combustion chamber of the engine in the form of a mist.
- one external electrode 8 is formed on each of two opposing side surfaces of the stacked body 4 in the above example.
- two external electrodes 8 may be formed on adjacent side surfaces of the stacked body 4 or stacked layers. It may be formed on the same side of the body 4.
- the cross-sectional shape in the direction orthogonal to the stacking direction of the stacked body 4 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 is used for, for example, a piezoelectric drive element (piezoelectric actuator), a pressure sensor element, a piezoelectric 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 ceramic slurry was prepared by mixing 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. Using this ceramic slurry, a ceramic green sheet serving as a piezoelectric layer having a thickness of 100 ⁇ m was prepared by a doctor blade method. Further, a binder was added to the silver-palladium alloy to produce a conductive paste to be an internal electrode layer.
- a ceramic slurry was prepared by mixing 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.
- 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 printed with the conductive paste were laminated. Then, after firing at 980 to 1100 ° C., it was ground into a predetermined shape using a surface grinder to obtain a laminate.
- a conductive paste in which a binder was mixed with silver and glass was printed by a screen printing method on the conductive layer forming portion on the side surface of the laminate, and a baking process was performed at 700 ° C. to form a conductive layer.
- an external electrode was disposed on the surface of the conductor layer via a solder foil, the solder foil was melted in a thermo mode, and the conductor layer and the external electrode were bonded.
- the external electrodes having the shapes shown in FIGS. 2 to 7 (examples of the present invention) and the shapes shown in FIG. 15 (comparative examples) were prepared.
- the external lead member was connected and fixed to the external joint portion of the external electrode via solder.
- solder a silver-mixed tin-lead alloy solder having an operating temperature (melting point) of 300 ° C. was used.
- the silicone resin was coated on the side surface of the laminate including the surface of the external electrode by immersing the laminate in a resin solution containing a silicone resin.
- Each laminated piezoelectric element produced was subjected to polarization treatment by applying a DC electric field of 3 kV / mm for 15 minutes to the external electrode via the external lead member.
- a DC voltage of 160 V was applied to these stacked piezoelectric elements, a displacement of 40 ⁇ m was obtained in the stacking direction of the stacked body.
Abstract
【課題】 接続部の機械的強度および電気伝導性を低下させることなく、外部リード部材と外部接合部との接合箇所に発生する応力を低減させることのできる積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システムを提供する。 【解決手段】 本発明は、圧電体層３および内部電極層５が積層された積層体４と、積層体４の側面に設けられて内部電極層５と電気的に接続された導体層８と、導体層８と電気的に接続された外部電極７とを含む積層型圧電素子であって、外部電極７は、導体層８に一方主面の少なくとも一部が接合された外部電極本体７１と、外部端子と電気的に接合される外部接合部７２と、外部電極本体７１および外部接合部７２を接続した接続部７３とからなり、接続部７３は、外部電極本体７１の端面と外部接合部７２の端面との間の領域から突出する部位を有することを特徴とするものである。
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。
積層型圧電素子として、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設けられて内部電極層と電気的に接続された導体層と、導電性接合材を介して導体層と電気的に接続された外部電極とを含むものが知られている（特許文献１を参照）。外部電極の端部（外部接合部）に例えば外部リード部材が接合されて外部機器と電気的に接続される。
また、外部電極９０を積層体８０の端面から延出させるとともに、図１５に示すように、外部電極本体９０１と外部接合部９０２とを接続部９０３（切欠きによる残部に相当）で接続した構造の積層型圧電素子も知られている（特許文献２を参照）。
ここで、積層型圧電素子がパルス駆動することで、外部リード部材と外部接合部との接合箇所には応力がかかる。この外部リード部材と外部接合部９０２との接合箇所に発生する応力を低減させるために、接続部９０３の幅を狭くして（切欠きを長くして）剛性を下げる方法が考えられるが、このようにしようとすると、接続部９０３の機械的強度および電気伝導性が低下するという問題がある。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、接続部の機械的強度および電気伝導性を低下させることなく、外部リード部材と外部接合部との接合箇所に発生する応力を低減させることのできる積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システムを提供することを目的とする。
本発明は、圧電体層および内部電極層が積層された積層体と、該積層体の側面に設けられて前記内部電極層と電気的に接続された導体層と、該導体層と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、前記外部電極は、前記導体層に一方主面の少なくとも一部が接合された外部電極本体と、外部端子と電気的に接合される外部接合部と、前記外部電極本体および前記外部接合部を接続した接続部とからなり、該接続部は、前記外部電極本体の端面と前記外部接合部の端面との間の領域から突出する部位を有するものである。
また本発明は、噴射孔を有する容器と、上記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噴射装置である。
また本発明は、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ている燃料噴射システムである。
本発明によれば、接続部の機械的強度および電気伝導性を低下させることなく、外部リード部材と外部接合部との接合箇所に発生する応力を低減させることができる。したがって、外部機器との接合信頼性が高い積層型圧電素子を実現することができる。
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り、図２は図１に示す積層型圧電素子の要部を示す正面図である。なお、ここでいう正面図とは、外部電極本体７１が接合された導体層８（積層体４の側面）に垂直な方向から見た（積層体４の側面側から見た）図のことを意味する。
図１および図２に示す積層型圧電素子は、圧電体層３および内部電極層５が積層された積層体４と、積層体４の側面に設けられて内部電極層５と電気的に接続された導体層８と、導体層８と電気的に接続された外部電極７とを含む積層型圧電素子であって、外部電極７は、導体層８に一方主面の少なくとも一部が接合された外部電極本体７１と、外部リード部材９と電気的に接合される外部接合部７２と、外部電極本体７１および外部接合部７２を接続した接続部７３とからなり、接続部７３は、外部電極本体７１の端面７１１と外部接合部７２の端面７２１との間の領域から突出する部位を有する。
積層体４は、圧電体層３および内部電極層５が積層されて構成されるもので、例えば圧電体層３および内部電極層５が交互に複数積層された活性部と、活性部の積層方向の両端に配置され圧電体層３が複数積層されてなる不活性部とを有し、例えば縦０．５～１０ｍｍ、横０．５～１０ｍｍ、高さ５～１００ｍｍの柱状に形成されたものである。積層体４の互いに反対側となる側面（対向する側面）には導体層８が設けられている。また、内部電極層５は正極と負極（グランド）とで構成され、それぞれの極が積層体４の互いに反対側となる側面（対向する側面）に導出され、導体層８と電気的に接続されている。
圧電体層３は、圧電特性を有するセラミックスで形成されたもので、このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）などを用いることができる。
内部電極層５は、圧電体層３を形成するセラミックスと同時焼成により形成されたもので、この形成材料として、例えば圧電磁器との反応性が低い銀－パラジウム合金を主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができる。
なお、積層体４は、駆動時に内部電極５よりも優先的に破断する予定破断層（図示せず）を含む構成であってもよい。予定破断層は、複数の圧電体層３の層間のうちの少なくとも一箇所、好ましくは一定の間隔で複数配置され、内部電極層５よりも強度が低く、応力によってクラックが発生しやすい応力緩和機能を有する層として形成される。例えば、焼結が不十分な圧電体層、空孔の多い圧電体層もしくは金属層、または圧電体粒子や金属粒子が独立して分布している層などからなる。このような予定破断層を設けることで、駆動電圧印加により積層体４が伸長して積層方向に引っ張り応力が加わったときに、優先して予定破断層にクラックが生じるために、内部電極層５や圧電体層３にクラックが生じて電気的ショートや絶縁破壊が起こるのを防ぐことができる。
積層体４の側面には、内部電極層５と電気的に接続された導体層８が設けられている。導体層８は積層体４の側面に積層方向に長く被着されていて、内部電極層５の積層体４側面へ導出された端部に電気的に接続されている。導体層８は、例えば銀などの導電性材料で形成され、積層体４との密着性を上げるためにガラス成分を含んでいることが好ましい。この導体層８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ることで形成することができ、厚みは例えば１０～５００μｍである。
また、導体層８と電気的に接続されて外部電極７が設けられている。外部電極７は導電性接合材２を用いて導体層８と接合されている。ここで用いられる導電性接合材２としては、はんだ（環境問題の点で好ましくは非鉛系のはんだ）や導電性樹脂が挙げられ、いずれも厚さは例えば５μｍ～５００μｍに形成される。
外部電極７は、銅、鉄、ステンレス、リン青銅等の金属からなり、例えば幅０．５～１０ｍｍ、厚み０．０１～１．０ｍｍに形成された板状体である。さらに、電気伝導性や熱伝導性を向上させるため、すずや銀のメッキを施したものであってもよい。
そして、外部電極７は、一方主面の少なくとも一部が導体層８に接合された外部電極本体７１と、外部リード部材９と電気的に接合される外部接合部７２と、外部電極本体７１および外部接合部７２を接続した接続部７３とから構成されている。
ここで、上述の導体層８と接合されているのは外部電極本体７１であり、外部電極本体７１は、積層体４の伸縮に追従するため、幅方向にスリットの入った形状、網目状に加工された金属板、断面波型の入った形状などであるのが好ましい。なお、図１では幅方向にスリットが入っているとともに積層方向に隣り合うスリット間に貫通孔が入った形状を示している。
外部接合部７２には、例えばはんだ１０を介して外部端子としての外部リード部材９が接続され、外部機器と電気的に接続される。
また、この外部接合部７２と外部電極本体７１との間には、接続部７３が設けられている。接続部７３は、積層体４の伸縮により外部機器に他端が固定された外部リード部材９と接合された外部接合部７２と外部電極本体７１との間での応力伝達を緩和するように、必要とされる電気導電性を保ちつつ外部電極本体７１および外部接合部７２よりも剛性が低くなっているか、または積層体４の積層方向の伸縮および積層体４の側面に垂直な方向の曲げに対して剛性が低くなっているものである。
外部電極本体７１および外部接合部７２よりも接続部７３の剛性を低くした構成として、具体的には、図１に示すように、接続部７３の形状が外部電極本体７１および外部接合部７２よりも幅の狭い（断面積の小さい）形状、すなわち接続部７３の横断面の面積が外部電極本体７１の端面および外部接合部７２の端面の面積よりも小さい形状である構成が挙げられる。この場合、外部電極本体７１が接続部７３よりも大きな幅をもって形成されていることで、外部電極本体７１を導電性接合材２で積層体４に接合しやすく、また十分な接合強度を有することができる。また、外部接合部７２が接続部７３よりも大きな幅をもって形成されていることで、外部リード部材９をはんだ１０で外部接合部７２に接合しやすく、また十分な接合強度を有することができる。
また、積層体４の積層方向の伸縮および積層体４の側面に垂直な方向の曲げに対して剛性が低くなっている構成として、具体的には、図９に示すように、外部電極本体７１と外部接合部７２とを接続する接続部７３の形状が、外部電極本体７１が接合される積層体４の側面に垂直であって長手方向に沿って切断した断面で見て屈曲または湾曲した形状である構成が挙げられる。この場合、接続部７３が外部電極本体７１および外部接合部７２と同一の幅（断面積）を有しつつも、この部分で積層体４の積層方向の伸縮および積層体４の側面に垂直な方向の曲げに対して剛性を低くすることができる。
そして、接続部７３は、外部電極本体７１の端面７１１と外部接合部７２の端面７２１との間の領域から突出する部位を有する。ここで、外部電極本体７１の端面７１１、外部接合部７２の端面７２１とは、積層体４の積層方向の端に位置する端面であって、外部電極本体７１および外部接合部７２が同一平面上に位置する場合は互いに対向する面のことであり、外部電極本体７１および外部接合部７２が同一平面上にない場合であっても互いに近接する内側の面のことである。
言い換えると、接続部７３は、外部電極本体７１の両主面及び幅方向の２つの端面と、外部接合部７２の両主面及び幅方向の２つの端面と、各々の主面及び幅方向の端面を結ぶ面とで繋ぎ合わされる面の間の領域から突出する部位を有する。
このような接続部７３を設けることで、外部電極７の長手方向の振動及び外部電極７の面に垂直な振動に対する剛性（伸び及び曲げに対する剛性）を低下させ、なお且つ機械的強度および電気伝導性を保つことを可能にする。
また、外部電極７は一体の板状のものとして形成されるのが望ましく、例えば接続部７３の幅は外部電極本体７１や外部接合部７２の幅よりも狭くして剛性が低く形成される。この場合には、外部電極本体７１の幅方向の端面と外部接合部７２の幅方向の端面とこれらを結ぶ面とで構成される領域から突出する部位を有するものとして接続部７３が形成される。この構成によれば、接続部７３の断面積（電気伝導性）が低減されることなく、外部電極本体７１と外部接合部７２と接続部７３とから構成される切欠き形状を長くすることができる。したがって、外部リード部材９と外部接合部７２との接合箇所から切欠き端部までのストローク長を長くすることができ、積層体４の伸縮によって接続部７３に発生するひずみが低減でき、外部リード部材９と外部接合部７２の接合箇所に反力として発生する応力が低減できる効果が期待できる。そして、外部電極本体７１、外部接合部７２および接続部７３が導体板で一体に形成されている場合には、継ぎ目がないのでこれらの境界部にかかる応力集中をなくすこともできる。
さらに、接続部７３が突出する部位を有する構造では、電流密度に差ができて、発熱にも分布ができる可能性がある。すなわち、突出する部位では、ほとんど電流が流れず、発熱しにくい領域ができる可能性がある。この領域は、発熱する領域に対して変形を抑制するように拘束するとともに、発熱する領域から熱を受け取ってその発熱量を低減させるように作用するものと思われる。したがって、接続部７３の熱起因による破断のリスクを増大させることなく、積層型圧電素子の耐久性を向上させることができる。
ここで、例えば外部電極本体７１、外部接合部７２および接続部７３が一体に形成された板状であって、接続部７３が外部電極本体７１の端面と外部接合部７２の端面との間の領域からずれるようにして突出する部位を有する場合、断面積の10％以上または正面から見て幅全体の10％以上突出しているのが好ましい。なお、ここでいう正面から見てとは、外部電極本体７１が接合された導体層８（積層体４の側面）に垂直な方向から見ている（積層体４の側面側から見ている）ことを意味する。
なお、突出する部位の形状に限定はなく、図２に示す接続部７３の形状の他に、図３に示すように接続部７３を正面から見て（積層体４の側面側から見て）屈曲または湾曲した形状であってもよい。
また、図４に示すように、接続部７３が外部電極本体７１の端面７１１および外部接合部７２の端面７２１を除く面に接続されているのが好ましく、この構成によれば、さらに接続部７３の剛性が下げられるとともに、駆動による応力が外部電極本体７１から外部接合部７２に直線的に伝わるのを避けられるため、積層体４の振動を外部接合部７２に伝わりにくくすることができる。
さらに、図に示すように、接続部７３が外部電極本体７１の一方主面以外の側面に接続されているのが好ましく、この構成によれば、接続部７３の断面積を小さく、また外部電極本体７１および外部接合部７２を合わせた接続部７３の剛性を低くすることができるので、駆動による応力を外部リード部材９と外部接合部７２の接合箇所に伝わりにくくすることができる。
また、図５に示すように、接続部７３が正面から見て（積層体４の側面側から見て）弧状になっているのが好ましく、この構成によれば、接続部７３の内部での応力集中をなくすることができる。
また、図６に示すように、接続部７３が外部電極本体７１の一方主面以外の両側面にそれぞれ接続されているのが好ましい。両方の側面に接続部７３が設けられた構成によれば、曲げ、ねじりによる余計な応力を小さくすることができる。
また、図７に示すように、接続部７３が積層体４の積層方向から見て折れ曲がっているのが好ましい。この構成によれば、外部電極本体７１と外部接合部７２との間の接続部７３が外部電極本体７１と同一平面上にないので、積層体４の振動を異なる方向に分散して伝えるため、発生する応力を低減できる。つまり、外部電極７の長手方向の振動及び外部電極７の面に垂直な振動に対して伸び及び曲げの剛性を低下させる効果が高くなる。
また、図７に示す構成において、外部接合部７２の主面のうち、接続部７３が折れ曲がった側の主面に外部リード部材９が接合されているのが好ましい。外部接合部７２の外部端子との接続面は接続部７３が折れ曲がった側にあることで、駆動中の外部電極７の伸縮方向に力が加わると発生する外部接合部７２の曲げの力が外部電極本体７１を積層体４の側面から剥がす方向になく、耐久性が向上する。
なお、図１乃至図６に示す外部電極７は、例えば１枚の平板を打ち抜き加工するなどによって形成されたもので、接続部７３が外部電極本体７１および外部接合部７２とほぼ同一平面上に位置する構成である。これに対し、図７に示す形態の接続部７３は、ちょうど図６に示す形態の接続部７３を外部電極本体７１および外部接合部７２を含む平面に対して垂直になるように折り曲げたような形状である。具体的には、図７に示す外部電極７は、図８（ａ）に示す破線部を９０度折り曲げるようにして形成されたものである。すなわち、図７に示す形態は、接続部７３が外部電極本体７１および外部接合部７２よりも幅の狭い（断面積の小さい）形状であって、積層体４の積層方向から見て折れ曲がっている形状である。言い換えると、積層体４の側面（外部電極本体７１の主面）に対して折れ曲がっている形状である。
なお、折り曲げ可能な形状のバリエーションとして、図８（ｂ）に示すように、接続部７３の外周の角部を面取りしたような形状にしたり傾斜させた形状にしたりしてもよい。また、図８（ｃ）に示すように、接続部７３を湾曲させた形状にしてもよい。さらに、図８（ｄ）に示すように、外部接合部７２の主面の面積を広げてもよい。これらは、全て破線部で折り曲げ可能なものである。なお、後から折り曲げずに、あらかじめ積層体４の積層方向から見て破線部で屈曲した形状に加工したものでもよい。
そして、図９に示す形態は、接続部７３が外部電極本体７１および外部接合部７２と同じ幅（同じ断面積）の形状であって、接続部７３が外部電極本体７１の端部７１１および外部接合部７２の端部７２１に連続して接続されており、接続部７３を側面から見たときに屈曲または湾曲した形状をしている。
図９に示す形態の例の場合は、断面で見て屈曲または湾曲した形状であることによって、外部電極本体７１の端部と外部接合部７２の端部との間の領域から突出する部位を有する形状となっている。これにより、接続部３で積層体４の積層方向の伸縮および積層体４の側面に垂直な方向の曲げに対して剛性を低くすることができる。外部電極本体７１の端部は外部電極本体７１の端面７１１を含む部位であり、外部接合部７２の端部は外部接合部７２の端面７２１を含む部位である。このときの外部電極本体７１の端面７１１および外部接合部７２の端面７２１は、図１０（ａ）に示すような、外部電極本体７１と接続部７３との境界面および外部接合部７２と接続部７３との境界面であり、仮想的な端面であって露出していないものである。
ここで、図９に示す外部電極７では、外部電極本体７１と接続部７３との境界（外部電極本体７１の端面７１１）および外部接合部７２と接続部７３との境界（外部接合部７２の端面７２１）において、図１０（ａ）に示すように屈曲して折れ曲がるような形状になっているが、図１０（ｂ）に示すように、これらの境界において側面から見てなめらかに湾曲した形状をしていてもよい。これにより、境界部分での応力集中がなく、また外部電極７の長手方向の振動及び外部電極７の面に垂直な振動（特に外部電極７の面に垂直な振動）に対して、より伸び及び曲げの剛性を低下させることができる。
また、図１１（ａ）に示すように、図１０（ａ）に示す接続部７３に貫通孔が設けられているような形状であってもよい。図１１（ａ）に示す接続部７３は、側面から見て湾曲した２本の掛け渡し部が並行して配置されてなるものである。この構成によれば、図１１（ｂ）に示す破線部で折り曲げて外部電極７を作製する際に、図１０（ａ）に示す形態よりも作製しやすく、さらに伸び及び曲げの剛性を低下させることができる。なお、掛け渡し部が３本ある構成の接続部７３でもよく、一本の掛け渡し部からなる構成の接続部７３でもよい。
また、接続部７３のバリエーションとしては、図１１（ａ）に示すような湾曲した形状の他に、図１２に示すような屈曲した形状も採用できる。図７および図１２の例の積層型圧電素子１は、外部電極本体７１が一方主面と反対側に他方主面を有するとともに、外部接合部７２が主面とこの主面につながる側面とを有し、外部電極本体７１の他方主面および外部接合部７２の主面とが同じ方向に面しており、接続部７３が、外部電極本体７１の側部より積層体４から離れる方向に伸びる第１柱部と、外部接合部７２の側部より積層体４から離れる方向に伸びる第２柱部と、第１柱部と第２柱部とをつなぐ連結部とを含んでいる。図７の例では、外部電極本体７１の側部および外部接合部７２の側部は、それぞれ、外部電極本体７１の側面および外部接合部７２の側面であり、図１２の例では、外部電極本体７１の側部および外部接合部７２の側部は、それぞれ、外部電極本体７１の端面７１１および外部接合部７２の端面７２１における側面側の部位である。図示はしないが、側部が外部電極本体７１の他方主面の側面側の部位および外部接合部７２の主面の側面側の部位であってもよい。また、主面、側面および端面のうちの複数の面にまたがる部位であってもよい。
図１および図９に示す例の積層型圧電素子１は、外部電極本体７１が一方主面と反対側に他方主面を有するとともに、外部接合部７２が主面を有し、外部電極本体７１の他方主面および外部接合部７２の主面とが同じ方向に面しており、外部接合部７２の主面に外部端子（外部リード部材９）が接合されている。
なお、図７乃至図１２では、接続部７３は積層体４から離れる方向に突出する部分を有しているが、外部電極本体７１と外部接合部７２とがほぼ同一平面上にある構成を示している。外部接合部７２が外部電極本体７１よりも積層体４の側面から垂直な方向に大きく離れている場合には、積層体４の伸縮（外部電極本体７１の伸縮）にともなって外部接合部７２に積層体４の側面に垂直な方向の応力が繰返し加わることとなり、外部接合部７２と外部リード部材９との接合強度が低下するおそれがあるのに対し、積層体４の側面に垂直な方向の位置に関して、外部接合部７２が外部電極本体７１に近づくことによって、外部接合部７２に加わる積層体４の側面に垂直な方向の応力が減少することとなる。したがって、接続部７３は、断面で見て屈曲または湾曲した形状であって、積層体４の側面に垂直な方向の位置に関して外部接合部７２が外部電極本体７１に近づくように折り返し他形状であるのがよい。特に、外部電極本体７１と外部接合部７２とが同一平面上にあるのがよい。
本発明は上述の実施形態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において種々の変更・改良等が可能である。
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セラミックスラリーを作製する。そして、ドクターブレード法、カレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このセラミックスラリーを用いてセラミックグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては圧電特性を有するものであればよく、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（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），フタル酸ジオクチル（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－パラジウム合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上に、スクリーン印刷法を用いて内部電極層５のパターンで塗布する。さらに、この導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを複数枚積層し、所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、９００～１２００℃の温度で焼成し、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう研削処理を施すことによって、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４を作製する。
なお、積層体４は、上記の製造方法によって作製されるものに限定されるものではなく、圧電体層３と内部電極層５とを多数積層してなる積層体４を作製できれば、どのような製造方法によって作製されてもよい。
その後、積層体４側面に銀とガラスから成るペーストを塗布し、焼き付けて導体層８を形成する。
次に、導体層８の上面に導電性接合材２を介して外部電極７を取り付ける。ここで、外部電極７が外部電極本体７１、外部接合部７２および接続部７３からなる構成、さらに接続部７３が外部電極本体７１の端面と外部接合部７２の端面との間の領域から突出する部位を有する構成とするために、例えば導体板を打ち抜き金型によって打ち抜くことで所望の形状とすることができる。また、接続部７３が積層体４の積層方向から見て折れ曲がっている形状とするには、打ち抜き金型によって接続部７３を形成した後、折り曲げることで作製することができる。
次に、はんだ１０を介して外部リード部材９を導体層８の表面に接続して固定する。
その後、必要により、外装樹脂（図示せず）となるシリコーン樹脂を含む樹脂溶液に、外部リード部材９を接続した積層体４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４の外周側面にシリコーン樹脂を密着させ、その後、樹脂溶液から積層体４を引き上げる。これにより、導体層８の表面に外部リード部材９を接続固定した積層体４の側面に外装樹脂がコーティングされる。
その後、一対の導体層８にそれぞれ接続した外部リード部材９に０．１～３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体４を構成する圧電体層３を分極することによって、積層型圧電素子１が完成する。この積層型圧電素子１は、外部リード部材９を介してメタライズ層８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。
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１３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１３に示すように、本実施の形態の噴射装置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１９は、噴射孔を有する容器２３と、本実施の形態の積層型圧電素子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、本実施の形態の噴射装置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１４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１４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多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）、好ましくは１５００～１７００気圧（約１５２ＭＰａ～約１７２ＭＰａ）の高圧にしてコモンレール３７に流体燃料を送り込む。コモンレール３７では、圧力ポンプ３９から送られてきた高圧燃料を蓄え、噴射装置１９に適宜送り込む。噴射装置１９は、前述したように噴射孔２１から一定の流体を外部または隣接する容器に噴射する。例えば、燃料を噴射供給する対象がエンジンの場合には、高圧燃料を噴射孔２１からエンジンの燃焼室内に霧状に噴射する。
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８は、上記の例では積層体４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８を積層体４の隣り合う側面に形成してもよいし、積層体４の同一の側面に形成してもよい。また、積層体４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、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（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、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℃で焼成した後、平面研削盤を用いて所定の形状に研削して、積層体を得た。
次に、積層体の側面の導体層の形成部に、銀とガラスにバインダーを混合した導電性ペーストをスクリーン印刷法により印刷し、７００℃で焼き付け処理を行なって、導体層を形成した。
次に、導体層の表面にはんだ箔を介して外部電極を配置し、サーモードではんだ箔を溶融させて、導体層と外部電極とを接着した。ここで、外部電極として、図２～図７に示す形状のもの（本発明実施例）および図１５に示す形状のもの（比較例）を用意した。
次に、はんだを介して外部リード部材を外部電極の外部接合部に接続し固定した。はんだとしては、作業温度（融点）３００℃の銀混入錫－鉛合金系のはんだを用いた。
次に、積層体をシリコーン樹脂を含む樹脂溶液に浸漬することによって、外部電極の表面を含む積層体の側面にシリコーン樹脂をコーティングした。
以上の工程により、それぞれ外部電極の接続部形状が異なる積層型圧電素子を作製した。
作製した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、分極処理を行なった。これらの積層型圧電素子に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。
そして、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耐久性試験を行なったところ、比較例である図１５に示す構造の外部電極を備えた積層型圧電素子では接続部にクラックが見られた。これに対し、本発明実施例である図２から図７に示す構造の外部電極を備えた積層型圧電素子では接続部にクラックが見られなかった。
１・・・積層型圧電素子
２・・・導電性接合材
３・・・圧電体層
４・・・積層体
５・・・内部電極層
７・・・外部電極
７１・・・外部電極本体
７１１・・・端面
７２・・・外部接合部
７２１・・・端面
７３・・・接続部
８・・・導体層
９・・・外部リード部材
１０・・・はんだ
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・・・導電性接合材
３・・・圧電体層
４・・・積層体
５・・・内部電極層
７・・・外部電極
７１・・・外部電極本体
７１１・・・端面
７２・・・外部接合部
７２１・・・端面
７３・・・接続部
８・・・導体層
９・・・外部リード部材
１０・・・はんだ
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 (17)
- 圧電体層および内部電極層が積層された積層体と、該積層体の側面に設けられて前記内部電極層と電気的に接続された導体層と、該導体層と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、前記外部電極は、前記導体層に一方主面の少なくとも一部が接合された外部電極本体と、外部端子と電気的に接合される外部接合部と、前記外部電極本体および前記外部接合部を接続した接続部とからなり、該接続部は、前記外部電極本体の端面と前記外部接合部の端面との間の領域から突出する部位を有することを特徴とする積層型圧電素子。
- 前記接続部の横断面の面積が前記外部電極本体の端面および前記外部接合部の端面の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
- 前記接続部が前記外部電極本体の端面および前記外部接合部の端面を除く面に接続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。
- 前記接続部が前記外部電極本体の一方主面以外の側面に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 前記接続部の形状が前記積層体の側面側から見て弧状であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 前記外部電極本体、前記外部接合部および前記接続部が導体板によって一体に形成されてなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 前記接続部が前記積層体の積層方向から見て折れ曲がっていることを特徴とする請求項３乃至請求項６のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 前記接続部が前記外部電極本体の一方主面以外の両側面にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 前記接続部が前記外部電極本体の端部および前記外部接合部の端部に連続して接続されており、前記接続部を側面から見たときに屈曲または湾曲した形状を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。
- 前記接続部が前記外部電極本体の端部および前記外部接合部の端部に連続して湾曲するようになめらかに接続されていることを特徴とする請求項９に記載の積層型圧電素子。
- 前記接続部には貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の積層型圧電素子。
- 前記外部電極本体が前記一方主面と反対側に他方主面を有するとともに、前記外部接合部が主面を有し、前記外部電極本体の前記他方主面および前記外部接合部の前記主面とが同じ方向に面しており、前記外部接合部の前記主面に外部端子が接合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 前記外部電極本体が前記一方主面と反対側に他方主面を有するとともに、前記外部接合部が主面と該主面につながる側面とを有し、前記外部電極本体の前記他方主面および前記外部接合部の前記主面とが同じ方向に面しており、前記接続部が、前記外部電極本体の側部より前記積層体から離れる方向に伸びる第１柱部と、前記外部接合部の側部より前記積層体から離れる方向に伸びる第２柱部と、前記第１柱部と前記第２柱部とをつなぐ連結部とを含んで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。
- 前記連結部は前記第１柱部および前記第２柱部の端部とそれぞれつながっている請求項１３に記載の積層型圧電素子。
- 前記外部電極本体の他方主面と前記外部接合部の主面とが同一平面上にあることを特徴とする請求項１２乃至請求項１４のうちいずれか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１５のうち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１６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。
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