JP2002319715A - 圧電体素子及びこれを用いたインジェクタ - Google Patents

圧電体素子及びこれを用いたインジェクタ

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JP2002319715A JP2001121440A JP2001121440A JP2002319715A JP 2002319715 A JP2002319715 A JP 2002319715A JP 2001121440 A JP2001121440 A JP 2001121440A JP 2001121440 A JP2001121440 A JP 2001121440A JP 2002319715 A JP2002319715 A JP 2002319715A
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piezoelectric element
insulating layer
inorganic insulating
layer
injector
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Kazuhide Sato
一秀 佐藤
Akinosuke Tera
亮之介 寺
Naoyuki Kawazoe
尚幸 川添
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Denso Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高湿下においても短絡しない高信頼性と，小
型化，低コスト，高熱放散性を達成することができる圧
電体素子及びこれを用いたインジェクタを提供するこ
と。 【解決手段】 圧電セラミックス１１よりなるセラミッ
ク層と内部電極層２１，２２とを交互に積層してなるセ
ラミック積層体１０と，セラミック積層体１０の表面の
少なくとも一部に，少なくとも一層設けられた有機材料
よりなる有機絶縁層４１と，有機絶縁層４１の上層にお
いて少なくとも一層設けられた無機材料よりなる無機絶
縁層４２とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】本発明は，圧電アクチュエータに用いられ
る圧電体素子，及びこれを用いたインジェクタに関す
る。
【０００２】
【従来技術】近年，圧電アクチュエータとして用いられ
る圧電体素子は，低電圧で高い変位を得るために，一層
の厚みが一般に２０〜２００μｍの薄板の圧電セラミッ
クスと金属の内部電極層を交互に設け，一般的には１０
０〜７００枚積層してなる積層体の構造をとっている。
内部電極層は，その端部が積層体の側面に露出している
ので，これらの内部電極層間においてい短絡（ショー
ト）の可能性があり，それを防止する対策が種々とられ
ている。
【０００３】例えば，積層体の側面に有機材料を配置し
て絶縁する構造をとる場合がある。しかしながら，この
有機材料は，通常の空気雰囲気中では絶縁効果があるも
のの，圧電体素子を高湿下や軽油，ガソリン等の液体中
においては，あまり効果がない。
【０００４】高湿化では有機材料は湿気を透過し，内部
電極層にＡｇ系材料をもちいると，マイグレーションが
発生し，短絡する（特開平３−１２９７４号公報参
照）。軽油やガソリン中には，水分も含まれているた
め，高湿下と同様である。更に，内部電極層間距離が極
端に短い場合（例えば１００μｍ以下）に高電圧を印加
した場合は，マイグレーションでないにもかかわらず，
短絡してしまう。これは，水分吸収により圧電素子の絶
縁抵抗が低下する為である。従って，内層電極材料がＡ
ｇ系でなくても，例えば銅，ニッケル等の卑金属でも短
絡してしまう。
【０００５】短絡防止策は，圧電体素子を金属の密閉容
器（乾燥空気中）に内蔵してしまう方法（以下カプセル
構造）が一般的である。しかしながら，カプセル構造の
場合，アクチュエータ全体の体積が大きくなり小型化が
困難なこと，部品点数が増加することによるコストアッ
プや変位ロス，さらにはカプセルと圧電体素子との隙間
の為に熱放散性も悪化する。
【０００６】カプセル以外での短絡防止方法としては，
２層以上の有機高分子膜で絶縁する方法がある（特開平
６２−８８３８２号公報，特開平４−２７９０７０号公
報）。これらの方法では，どちらも外側に架橋密度の高
い有機材料を用いることで，水分の透過を防止するもの
である。しかし，有機材料を用いている限りにおいて
は，何らかの水分透過があり短絡は避けられない。
【０００７】また，有機絶縁材料上に金属皮膜を設けて
水分の透過を防止する方法もある（特開平２−１３０９
７０号公報）が，有機絶縁材料にクラックが入った場
合，金属皮膜と積層体の内部電極層間で短絡してしま
う。さらに，無機絶縁材料を複数重合させて皮膜を形成
する方法（特開平３−１５５１８０号公報）もあるが，
無機材料は硬いために，積層体作動での変位を吸収でき
ずクラックが発生してしまう。クラックが発生した場
合，その部分より水分は透過してしまう。また，上記公
報には，意図的にスリットを設けて変位を吸収する方法
も記載されているが，この方法ではクラックと同様にス
リットより水分は透過してしまう。
【０００８】
【解決しようとする課題】本発明は，高湿下においても
短絡しない高信頼性と，小型化，低コスト，高熱放散性
を達成することができる圧電体素子及びこれを用いたイ
ンジェクタを提供しようとするものである。
【０００９】
【課題の解決手段】第１の発明は，圧電セラミックスよ
りなるセラミック層と内部電極層とを交互に積層してな
るセラミック積層体と，該セラミック積層体の表面の少
なくとも一部に，少なくとも一層設けられた有機材料よ
りなる有機絶縁層と，該有機絶縁層の上層において少な
くとも一層設けられた無機材料よりなる無機絶縁層とを
有していることを特徴とする圧電体素子にある（請求項
１）。
【００１０】本発明の圧電体素子は，上記有機絶縁層を
その表面に有し，さらにその上層には無機絶縁層を有し
ている。そのため，圧電体素子は，作動特性を維持しつ
つ外部からの水分の透過を防止することができる。即
ち，上記有機絶縁層は弾性を有しており，圧電体素子の
変位をその弾性により吸収することができる。しかしな
がら，有機絶縁層は，水分の遮断を確実に行うことはで
きず，透過させてしまう。一方，上記無機絶縁層は，水
分の透過を確実に防止することができる。しかしなが
ら，無機絶縁層は，弾性を殆ど有しておらず，圧電体素
子の変位に直接的には対応できない。
【００１１】ここで，本発明では，上記有機絶縁層を圧
電体素子の表面に直接配設し，その上層に上記無機絶縁
層を配設している。そのため，上記圧電体素子が変位し
た際には，その変位を有機絶縁層の弾性により吸収し，
その最外層の無機絶縁層への影響を抑制することができ
る。それ故，上記無機絶縁層は，圧電体素子の変位に殆
ど左右されることなく良好な成膜状態を維持し，水分透
過を十分に遮断することができる。
【００１２】また，このような構成であるので，上記圧
電体素子を使用する際に，これが高湿下に晒される場
合，あるいは燃料等の液体中に晒される場合には，その
晒される表面を上記有機絶縁層と無機絶縁層により覆う
ことにより，水分の圧電体素子表面への浸入を防止する
ことができる。そのため，圧電体素子の側表面に露出し
た内部電極層が短絡することを防止することができる。
そして，そのため，従来のように圧電体素子の周囲を別
部材により覆うカプセル構造をとる必要がなく，圧電体
素子の全体構造の小型化，低コストか，高放熱性を得る
ことができる。
【００１３】第２の発明は，圧電体素子の変位を利用し
て弁体を開閉させ，燃料の噴射制御を行うよう構成され
たインジェクタにおいて，上記圧電体素子は，燃料通路
に内蔵されていると共に燃料に晒された状態で作動する
よう構成されていることを特徴とするインジェクタにあ
る（請求項９）。
【００１４】本発明のインジェクタは，上記のごとく圧
電体素子をアクチュエータ（圧電アクチュエータ）とし
て用い，圧電体素子の変位により弁体を開閉するよう構
成されている。そして，圧電体素子は，インジェクタの
ハウジング内の燃料通路内に燃料に晒された状態で配設
されている。また，圧電体素子の周囲にはカバー等を配
設しない。これにより，圧電体素子を収納するハウジン
グの大きさはコンパクトにすることができ，インジェク
タ全体の小型化を図ることができる。
【００１５】また，燃料と圧電体素子とを直接接触させ
ることによって，圧電体素子の変位に伴う自己発熱時の
放熱作用を高めることができ，ひいては圧電体素子の性
能を高めることができる。したがって，本発明によれ
ば，コンパクトで高性能のインジェクタを提供すること
ができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】上記第１の発明（請求項１）にお
いて，上記有機絶縁層のトータル厚みは１μｍ以上であ
り，上記無機絶縁層のトータル厚みは１００μｍ以下で
あることが好ましい（請求項２）。上記有機絶縁層のト
ータル厚みが１μｍ未満である場合には，圧電体素子を
変位させた際にその変位を吸収することが困難となる。
一方，有機絶縁層の厚みを厚くしすぎると，その内部に
ボイドが発生して絶縁性等に問題が生じる。そのため，
有機絶縁層のトータル厚みは１００μｍ以下とすること
が好ましい。
【００１７】上記無機絶縁層のトータル厚みが１００μ
ｍを超える場合には，少しの変位でクラックが入りやす
くなり，圧電体素子の変位に対する対抗性が低下すると
いう問題が生ずる。そのため，より好ましくは３０μｍ
以下がよい。一方，無機絶縁層が水の透過を遮断するた
めには少なくとも５０ｎｍ以上の厚みが必要である。し
たがって，上記無機絶縁層のトータル厚みは５０ｎｍ〜
３０μｍの範囲内にあることがより好ましい（請求項
３）。
【００１８】また，上記無機絶縁層の成膜温度は３００
℃以下であることが好ましい（請求項４）。上記無機絶
縁層の成膜温度が３００℃を超える場合には，その下層
の有機絶縁層を分解してしまうおそれがある。さらに
は，圧電体素子に電極を取り出すための半田や導電性接
着剤が用いられている場合にも，それらを分解するおそ
れがある。それ故，上記のごとく無機絶縁層の成膜温度
は３００℃以下とすることが好ましい。
【００１９】また，上記無機絶縁層は，ＡＬＥ（Atoｍi
c Layer Epitaxy）法により成膜されていることが好ま
しい（請求項５）。上記圧電体素子の外形状は，断面形
状が四角形，六角形，八角形その他の多角形，円形，楕
円形，樽形の柱状を呈し，非常に複雑な形状である。か
かる形状の圧電体素子に無機絶縁層をピンホール等の欠
陥のない状態で成膜する必要がある。成膜方法として
は，乾式の成膜方法としてスパッタ,ＣＶＤ，蒸着等い
ろいろあるが，成膜メカニズムで分類すると，吸着法と
堆積法である。
【００２０】堆積法では，複雑な形状に均一な膜を短時
間では形成できない。積層体を回転させたり，何度も成
膜を繰り返したりする必要がある。これに対し，吸着法
は複雑な形状でも均一な膜を形成することができる。一
方，成膜にはめっき等の湿式も考えられるが，成膜時に
積層体が湿気を含んでしまうので，成膜後に乾燥等の工
程を追加する必要があり，また複雑な形状への均一厚み
形成が困難である。
【００２１】乾式吸着による成膜方法の中で，本発明者
らは特にＡＬＥ法が望ましいことを見出した。ＡＬＥ法
は，２種以上の原料（元素または化合物）を交互に供給
して，基板表面の吸着反応と，原料と目的生成物との蒸
気圧の差とを利用することにより，１原子層または１分
子層ずつ結晶成長させる方法である。そして，ＡＬＥ法
は，ピンホールはできにくく，緻密な膜が形成できる。
一般的なＡＬＥ法ではその被成膜体は，３００〜６００
℃程度まで加熱しなければならず，今回のセラミック圧
電素子には従来適用できなかった。本発明者らは，反応
性の高い原料を用い成膜することで解決することができ
た。
【００２２】また，上記無機絶縁層を構成する無機材料
はＡｌ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｓｉの
酸化物，または酸窒化物であることが好ましい（請求項
６）。これらは，上記ＡＬＥ法によって緻密な状態で成
膜することができる。
【００２３】また，上記無機絶縁層の上層には，さらに
有機材料よりなる有機絶縁層を有していることが望まし
い（請求項７）。これにより，上記無機絶縁層を最外層
の有機絶縁層が保護することができ，無機絶縁層の損傷
を防止することができる。
【００２４】また，上記圧電体素子は，インジェクタ内
における燃料通路に配設し，燃料に晒された状態で圧電
アクチュエータとして使用することができる（請求項
７）。即ち，上記第２の発明（請求項８）において，イ
ンジェクタに内蔵される圧電体素子としては，請求項１
〜８のいずれか１項に記載の圧電体素子を用いることが
できる（請求項９）。
【００２５】これにより，上記圧電体素子に設けた有機
絶縁層及び無機絶縁層からなる絶縁層が，上記インジェ
クタ内部の燃料に晒された場合にも十分に機能し，内部
電極層間の短絡を防止することができる。さらには，上
述したごとく，圧電体素子の周囲にはカバー等を配設す
る必要がないので，圧電体素子を収納するハウジングの
大きさはコンパクトにすることができ，インジェクタ全
体の小型化を図ることができる。また，燃料と圧電体素
子とを直接接触させることによって，圧電体素子の変位
に伴う自己発熱時の放熱作用を高めることもできる。
【００２６】
【実施例】（実施例１）本発明の圧電体素子にかかる実
施例につき，図１〜図３を用いて説明する。本例の圧電
体素子１は，図１に示すごとく，圧電セラミックスより
なるセラミック層１１と内部電極層２１，２２とを交互
に積層してなるセラミック積層体１０を有している。ま
た圧電体素子１は，該セラミック積層体１０の表面の少
なくとも一部に，少なくとも一層設けられた有機材料よ
りなる有機絶縁層４１と，該有機絶縁層４１の上層にお
いて少なくとも一層設けられた無機材料よりなる無機絶
縁層４２とを有している。以下，これを詳説する。
【００２７】圧電体素子１のセラミック積層体１０は，
図２，図３に示すごとく，セラミック層１１の層間に内
部電極層２１，２２を交互に正負となるように形成して
なる。同図に示すごとく，一方の内部電極層２１は一方
の側面１０１に露出するように配設され，他方の内部電
極層２２は他方の側面１０２に露出するように配設され
ている。そして，セラミック積層体１０の側面１０１，
１０２には，露出した内部電極層２１，２２の端部を導
通させるようにＡｇペーストを焼き付けてなる側面電極
３１，３２をそれぞれ設ける。上記側面電極３１，３２
上には，図１に示すごとく，ＳＵＳよりなる外部電極３
４を導電性接着剤３５（エポキシ樹脂＋Ａｇ７０ｗｔ
％）を用いて接合した。
【００２８】また，セラミック積層体１０においては，
図２に示すごとく，積層方向の中央部分を駆動部１１
１，これを挟持するように配置された部分をバッファー
部１１２，さらにこのバッファー部１１２を挟持するよ
うに配置された部分をダミー部１１３とした。なお，こ
のバッファー部１１２およびダミー部１１３は必ずしも
設ける必要はない。
【００２９】また，上記セラミック積層体１０における
セラミック層１１は，グリーンシート法を用いて製造す
ることができる。本例では，セラミック層１１の組成が
最終的にいわゆるＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）系の
圧電セラミックスとなるように調整した。なお，その他
の材質の圧電セラミックスを採用することも可能であ
る。
【００３０】また，内部電極層２１，２２としては，銀
およびパラジウムのペーストを，セラミック層用のグリ
ーンシートの表面にスクリーン印刷することにより配設
することができる。なお，内部電極層２１，２２の材質
としては，他の導電性材料，例えば，銅，ニッケル，白
金，銀等，あるいは，これらの混合物を用いてもよい。
【００３１】図３には，パターン印刷後のグリーンシー
トの一例及び積層体の展開図を示す。同図（ａ）（ｂ）
に示すごとく，セラミック層１１の表面には，一端側に
控え部１１９というセラミック層が露出した面を残し
て，Ａｇ／Ｐｄペーストよりなる内部電極層２１，２２
が形成される。そして，これらは，同図（ｃ）に示すご
とく，控え部１１９が，側面１０１と１０２に交互に位
置するように積層される。実施例では，部分電極構造を
示したが，全面電極構造等の他の電極構造に対しても本
発明は有効である。
【００３２】そして，セラミック層１１と内部電極層２
１，２２の積層体は，熱圧着工程，脱脂工程，焼成工程
等を経て一体焼成積層型のセラミック積層体１０とな
る。その後，上記側面電極３１，３２及び外部電極３４
を図１，図２のごとく配設した後，上記有機絶縁層４１
をセラミック積層体１０の側面全体に形成し，さらにそ
の上層に上記無機絶縁層４２を形成する。
【００３３】本例では，上記有機絶縁層４１として，シ
リコーン樹脂を用いる。具体的な形成方法としては，デ
ィッピング方法を用いて行う。そして，セラミック積層
体１０の積層方向の両端面の中央部分には形成されず，
側面全体を覆うように有機絶縁層４１を配置した。ま
た，その厚みは８０μｍとした。なお，本例では上記シ
リコーン樹脂を用いたが，ポリイミド樹脂，エポキシ樹
脂あるいはウレタン樹脂等の他の樹脂を用いることもで
きる。
【００３４】そして，本例においては，上記有機絶縁層
４１の上層に１００ｎｍ厚みのＡｌ 2Ｏ3よりなる無機絶
縁層４２を設けた。無機絶縁層４２の成膜は，ＡＬＥ
（Atoｍic Layer Epitaxy）法により行った。
【００３５】ＡＬＥ法を簡単に説明すると，これは，基
板（本例では有機絶縁層４１に相当）に化学吸着する十
分な飽和分子量以上のガスと，そのガスと反応する同じ
く飽和分子量以上のガスを交互に反応炉に導入し，成膜
をする手法である。また，気相での反応（ＣＶＤモー
ド）を防ぐため，各ガスの導入後，反応炉内を，Ｎ2や
Ａｒなどのガスでパージをする。
【００３６】今回の成膜はＴＭＡ（トリメチルアルミニ
ウム）とＨ2Ｏの気体を使用し形成した。ＴＭＡは室温
でもＨ2Ｏと激しく反応する性質があり１００℃程度の
基板温度でも十分Ａｌ2Ｏ3薄膜を形成することが可能で
ある。酸化剤として用いるガスは，Ｈ2Ｏでなくともよ
い。たとえばＨ2Ｏ2，Ｏ2や，より活性なＯ3，ＣＨ3Ｏ
ＨやＣ2Ｈ5ＯＨなどのアルコールでも薄膜形成が可能で
ある。
【００３７】そして，本例では，上記基板に相当する有
機絶縁層４１を損傷させないために，無機絶縁層４２の
成膜温度を３００℃以下の低温になるよう工夫した。Ｔ
ＭＡおよびＨ2Ｏはボトル内にて室温で気化されたもの
をキャリアガスであるＮ2各４００ｓｃｃｍで反応炉に
導入した。またパージガスとしてＮ2を使用した。この
時，導入時間は気化ＴＭＡが０．６ｓｅｃ，ＴＭＡのパ
ージが２．４ｓｅｃ，気化Ｈ2Ｏが１．０ｓｅｃ，Ｈ2Ｏ
のパージが４．０ｓｅｃにて成膜し，このサイクルを５
０００回繰り返し成膜を行った。
【００３８】この際，リードフレーム部はマスクするこ
とにより成膜されないようにした。これは，電極取り出
し部は後ほどの工程ではんだ付けなどの方法で配線を接
合するためである。なお。マスク等を用いなくともウェ
ットエッチングや研磨によって後から無機絶縁層を取り
除いてもよい。
【００３９】ＡＬＥ法による無機絶縁層の成膜はＮＨ3
ガスを用いＡｌxＯyＮz膜を成膜してもよい。ＡＬＥ法
で，ＮをＡｌ2Ｏ3中に添加するには，例えばＴＭＡ導入
→パージ→Ｈ2Ｏ＋ＮＨ3導入→パージ→…といったサイ
クルでＡｌxＯyＮz膜を形成する方法と，ＴＭＡ導入→
パージ→Ｈ2Ｏ導入→パージ→ＴＭＡ導入→パージ→Ｎ
Ｈ3導入→パージ→…といった，Ａｌ2Ｏ3層とＡｌＮ層
を交互に成膜する手法，あるいは，ＴＭＡ導入→パージ
→Ｈ2Ｏ＋ＮＨ3導入→パージ→…を所望のサイクル数だ
け繰り返し次にＴＭＡ導入→パージ→ＮＨ3導入→パー
ジ→…を所望のサイクル数繰り返す，言わば，Ａｌ2Ｏ3
+ＡｌＮの積層薄膜を形成する方法がある。
【００４０】また，本例では，上記無機絶縁層４２とし
てＡｌ2Ｏ3を用いたが，これに代えて，ＡｌＯＮ，Ｓｉ
Ｏ2，ＴｉＯ2，Ｔａ2Ｏ5，ＳｎＯ2，ＺｎＯ，ＺｒＯ2を
用いることもできる。さらに，半導体デバイスなどで一
般的に用いられているＳｉ3Ｎ4を適用することもでき
る。
【００４１】次に，本例の作用効果につき説明する。本
例の圧電体素子１は，上記有機絶縁層４１をその側面全
体に有し，さらにその上層には無機絶縁層４２を有して
いる。そのため，圧電体素子１は，作動特性を維持しつ
つ外部からの水分の透過を防止することができる。
【００４２】即ち，上記有機絶縁層４１は弾性を有して
おり，圧電体素子１の変位をその弾性により吸収するこ
とができる。しかしながら，有機絶縁層４１は，水分の
遮断を確実に行うことはできず，透過させてしまう。こ
れは，有機絶縁層４１を上記１０μｍから例えば２００
μｍまで増加させても同様である。一方，上記無機絶縁
層４２は，水分の透過を確実に防止することができる。
しかしながら，無機絶縁層は，弾性を殆ど有しておら
ず，圧電体素子１の変位に直接的には対応できない。
【００４３】本例では，上記のごとく，有機絶縁層４１
を圧電体素子１の側面に直接配設し，その上層に無機絶
縁層４２を配設している。そのため，圧電体素子１が変
位した際には，その変位を有機絶縁層４１の弾性により
吸収し，その最外層の無機絶縁層４２への影響を抑制す
ることができる。それ故，上記無機絶縁層４２は，圧電
体素子１の変位に殆ど左右されることなく良好な成膜状
態を維持し，水分透過を十分に遮断することができる。
【００４４】また，上記圧電体素子１は，高湿下に晒さ
れる場合，あるいは燃料等の液体中に晒される場合にお
いても，上記有機絶縁層４１と無機絶縁層４２の存在に
よって，水分の圧電体素子１の側表面への浸入を防止す
ることができる。そのため，圧電体素子１の側表面に露
出した内部電極層２１，２２が短絡することを防止する
ことができる。そして，そのため，従来のように圧電体
素子の周囲を別部材により覆うカプセル構造をとる必要
がなく，圧電体素子の全体構造の小型化，低コストか，
高放熱性を得ることができる。
【００４５】（実施例２）本例では，実施例１の圧電体
素子１の変位を利用して弁体を開閉させ，燃料の噴射制
御を行うよう構成されたインジェクタ５の一例を示す。
本例のインジェクタ５は，図４に示すごとく，ディーゼ
ルエンジンのコモンレール噴射システムに適用したもの
である。このインジェクタ５は，同図に示すごとく，駆
動部としての上記圧電体素子１が収容される上部ハウジ
ング５２と，その下端に固定され，内部に噴射ノズル部
５４が形成される下部ハウジング５３を有している。
【００４６】上部ハウジング５２は略円柱状で，中心軸
に対し偏心する縦穴５２１内に，圧電体素子１が挿通固
定されている。縦穴５２１の側方には，高圧燃料通路５
２２が平行に設けられ，その上端部は，上部ハウジング
５２上側部に突出する燃料導入管５２３内を経て外部の
コモンレール（図略）に連通している。
【００４７】上部ハウジング５２上側部には，また，ド
レーン通路５２４に連通する燃料導出管５２５が突設
し，燃料導出管５２５から流出する燃料は，燃料タンク
（図略）へ戻される。ドレーン通路５２４は，縦穴５２
１と駆動部（圧電体素子）１との間の隙間５０を経由
し，さらに，この隙間５０から上下ハウジング５２，５
３内を下方に延びる図示しない通路によって後述する３
方弁５５１に連通してしる。
【００４８】噴射ノズル部５４は，ピストンボデー５３
１内を上下方向に摺動するノズルニードル５４１と，ノ
ズルニードル５４１によって開閉されて燃料溜まり５４
２から供給される高圧燃料をエンジンの各気筒に噴射す
る噴孔５４３を備えている。燃料溜まり５４２は，ノズ
ルニードル５４１の中間部周りに設けられ，上記高圧燃
料通路５２２の下端部がここに開口している。ノズルニ
ードル５４１は，燃料溜まり５４２から開弁方向の燃料
圧を受けるとともに，上端面に面して設けた背圧室５４
４から閉弁方向の燃料圧を受けており，背圧室５４４の
圧力が降下すると，ノズルニードル５４１がリフトし
て，噴孔５４３が開放され，燃料噴射がなされる。
【００４９】背圧室５４４の圧力は３方弁５５１によっ
て増減される。３方弁５５１は，背圧室５４４と高圧燃
料通路５２２，またはドレーン通路５２４と選択的に連
通させる構成である。ここでは，高圧燃料通路５２２ま
たはドレーン通路５２４へ連通するポートを開閉するボ
ール状の弁体を有している。この弁体は，上記駆動部１
により，その下方に配設される大径ピストン５５２，油
圧室５５３，小径ピストン５５４を介して，駆動され
る。
【００５０】そして，本例においては，上記構成のイン
ジェクタ５における駆動源として，上記圧電体素子１を
用いている。ここで重要な点は，上記圧電体素子１が，
縦穴５２１という低圧の燃料通路の中に配設されてお
り，燃料に晒された状態で作動するよう構成されている
ことである。そして，圧電体素子１は，そのセラミック
積層体１０の側面全体を覆うように上記有機絶縁層４１
及び無機絶縁層４２を有している。
【００５１】そのため，本例のインジェクタ５において
は，圧電体素子１を従来のようにカプセル構造にする必
要がなくコンパクトにできるので，インジェクタ５全体
の小型化を図ることができる。そして，圧電体素子１
は，インジェクタ５内部の燃料通路内に燃料に晒された
状態で配設されている。そのため，圧電体素子１が変位
の繰り返しにより発熱した場合においても，燃料への伝
熱によって自己放熱性を高めることができる。それ故，
圧電体素子１の温度上昇を抑制することができ，高性能
な状態を維持することができる。そして，実際に圧電体
素子１を，雰囲気温度が８５℃，湿度が８５％の条件
で，１０００ｈｒまで作動させたが，短絡は発生しなか
った。
【００５２】このうように，本例のインジェクタ５は，
上記実施例１の構造の圧電体素子１を採用すると共に，
これをカプセル構造とすることなく直接燃料内に晒して
配設することによって，コンパクトで高性能のインジェ
クタとなる。
【００５３】（比較例１）上記実施例１にかかる圧電体
素子１の優れた特性を評価すべく，従来構造を有する比
較例としての圧電体素子９を作製し，実施例１の圧電体
素子１と比較した。本比較例１の圧電体素子９を図５に
示す。同図に示すごとく，圧電体素子９は，セラミック
積層体１０の側面全体に有機絶縁層４１を設けたが，そ
の外層には何も設けなかった。即ち，上記無機絶縁層４
２を設けなかった以外は実施例１と同様の構造とした。
【００５４】この圧電体素子９（比較例１）を，図６に
示すごとく，蛇腹状のカバー９５に挿入してカプセル構
造とした状態で，実施例２のインジェクタ５に組み込ん
だ。そして，実施例２（実施例１）における圧電体素子
１と比較した。比較項目は，発熱量である。
【００５５】同一作動条件において，圧電体素子９（比
較例１）は３５℃の温度上昇が見られたが，圧電体素子
１（実施例１）は５℃の温度上昇で収まった。この結果
から，実施例１の圧電体素子１の構造は，アクチュエー
タとして非常に優れていることがわかる。
【００５６】（実施例３）本例の圧電体素子１は，図７
に示すごとく，セラミック積層体１０の側面だけでな
く，積層方向の両端面も含めてすべての表面を覆うよう
に，上記有機絶縁層４１及び無機絶縁層４２を配設した
例である。その他は実施例１と同様である。この場合に
は，水分の浸入をさらに確実に防止することができる。
その他は実施例１と同様の作用効果が得られる。
【００５７】（実施例４）本例の圧電体素子１は，図８
に示すごとく，積層体の側面だけに上記有機絶縁層４１
及び無機絶縁層４２を配設し，積層方向の両端面には全
く絶縁層を設けない例である。その他は実施例１と同様
である。この場合には，圧電体素子１の積層方向の端面
を平坦に維持することができ，変位力を伝える面積を大
きくとることができる。その他は実施例１と同様の作用
効果が得られる。
【００５８】（実施例５）本例の圧電体素子１は，図９
に示すごとく，積層体の積層方向の端面にベローズ部材
７を配設した。そして，ベローズ部材７の基端部をも覆
うように有機絶縁層４１と無機絶縁層４２を配設した。
その他は実施例１と同様である。この場合には，上記ベ
ローズ部材７の配設によって積層体の変位をベローズに
より吸収できるので，有機材料及び無機材料の変位を抑
えることができる。その他は実施例１と同様の作用効果
が得られる。
【００５９】なお，上記各実施例では，四角柱形状の積
層体よりなるセラミック積層体１０を有する圧電体素子
を例に取ったが，図１０に示すごとく，セラミック積層
体１０の断面形状が樽形の場合や，図１１に示すごと
く，セラミック積層体１０の断面形状が八角形の場合，
その他の形状の場合でも同様の作用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，圧電体素子の構造を示す説
明図。
【図２】実施例１における，セラミック積層体の構造を
示す説明図。
【図３】実施例１における，セラミック積層体の構造を
示す展開図。
【図４】実施例２における，インジェクタの構造を示す
説明図。
【図５】比較例１における，圧電体素子の構造を示す説
明図。
【図６】比較例１における，インジェクタの構造を示す
説明図。
【図７】実施例３における，圧電体素子の構造を示す説
明図。
【図８】実施例４における，圧電体素子の構造を示す説
明図。
【図９】実施例５における，圧電体素子の構造を示す説
明図。
【図１０】各実施例における，セラミック積層体の別例
を示す説明図。
【図１１】各実施例における，セラミック積層体の別例
を示す説明図。
【符号の説明】
１．．．圧電体素子， １０．．．セラミック積層体， １１．．．セラミック層， ２１，２２．．．内部電極層， ３１，３２．．．側面電極， ４１．．．有機絶縁層， ４２．．．無機絶縁層， ５．．．インジェクタ，
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川添 尚幸 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 3G066 AA07 AB02 AC09 BA46 BA61 BA67 CC06T CC06U CC14 CC63 CD18 CD23 CD30 CE13 CE27 CE30

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧電セラミックスよりなるセラミック層
    と内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体
    と，該セラミック積層体の表面の少なくとも一部に，少
    なくとも一層設けられた有機材料よりなる有機絶縁層
    と，該有機絶縁層の上層において少なくとも一層設けら
    れた無機材料よりなる無機絶縁層とを有していることを
    特徴とする圧電体素子。
  2. 【請求項２】 請求項１において，上記有機絶縁層のト
    ータル厚みは１μｍ以上であり，上記無機絶縁層のトー
    タル厚みは１００μｍ以下であることを特徴とする圧電
    体素子。
  3. 【請求項３】 請求項２において，上記無機絶縁層のト
    ータル厚みは５０ｎｍ〜３０μｍの範囲内にあることを
    特徴とする圧電体素子。
  4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項において，
    上記無機絶縁層の成膜温度は３００℃以下であることを
    特徴とする圧電体素子。
  5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項において，
    上記無機絶縁層は，ＡＬＥ（Atoｍic Layer Epitaxy）
    法により成膜されていることを特徴とする圧電体素子。
  6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１項において，
    上記無機絶縁層を構成する無機材料はＡｌ，Ｔｉ，Ｔ
    ａ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｓｉの酸化物，または酸
    窒化物であることを特徴とする圧電体素子。
  7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれか１項において，
    上記無機絶縁層の上層には，さらに有機材料よりなる有
    機絶縁層を有していることを特徴とする圧電体素子。
  8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれか１項において，
    上記圧電体素子は，インジェクタ内における燃料通路に
    配設され，燃料に晒された状態で圧電アクチュエータと
    して使用されることを特徴とする圧電体素子。
  9. 【請求項９】 圧電体素子の変位を利用して弁体を開閉
    させ，燃料の噴射制御を行うよう構成されたインジェク
    タにおいて，上記圧電体素子は，燃料通路に内蔵されて
    いると共に燃料に晒された状態で作動するよう構成され
    ていることを特徴とするインジェクタ。
  10. 【請求項１０】 請求項９において，上記圧電体素子と
    しては，請求項１〜８のいずれか１項に記載の圧電体素
    子を用いることを特徴とするインジェクタ。
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