JP2012182164A - 積層型圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータ、噴射装置、燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

【課題】 欠陥の進展によるマイグレーションの抑制されたセラミックコート層を備えた積層型圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータ、噴射装置、燃料噴射システムを提供する。
【解決手段】 積層型圧電素子１は、圧電体層２と正極および負極を有する内部電極３とが複数積層され、内部電極３の端面の一部が側面に達してなる積層体４と、内部電極３と電気的に接続されるように積層体４の側面に被着された一対のメタライズ層５と、少なくとも一対のメタライズ層５の存在しない部位で正極および負極の両方の内部電極３の端面を覆うように積層体４の側面に被着されたセラミックコート層６とを含み、セラミックコート層６には複数のボイドがある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば自動車エンジンの燃料噴射装置等に用いられる積層型圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータ、噴射装置、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、圧電体層と正極および負極を有する内部電極とが複数積層され、内部電極の端面の一部が側面に達してなる積層体と、内部電極と電気的に接続されるように積層体の側面に被着された一対のメタライズ層と、少なくとも該一対のメタライズ層の存在しない部位で正極および負極の両方の内部電極の端面を覆うように積層体の側面に被着された無機材料からなるコート層とを含むものが知られている。

そして、この積層型圧電素子を圧電アクチュエータとして使う場合は、外部から積層体への接触傷、異物付着等による導通を防ぐとともに、内部電極の両極間の沿面放電を防ぐなどの目的で、積層体の側面に無機材料からなるコート層を被着させることが知られている（例えば特許文献１を参照）。

特開2007−173842号公報

近年、積層型圧電素子には、大きな変位量を確保するように求められている。

ここで、コート層がセラミックスからなる場合は、積層型圧電素子の駆動による変位に伴い結晶粒界に欠陥が生じてこの欠陥が進展するおそれがある。欠陥が進展すると、正極および負極の両方の内部電極の端面に被着されたコート層の内部では、内部電極の金属イオン（たとえばＡｇイオン）が進展した欠陥を伝ってマイグレーションが発生し、積層型圧電素子の駆動能力が低下するおそれがあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、欠陥の進展によるマイグレーションの抑制されたセラミックコート層を備えた積層型圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータ、噴射装置、燃料噴射システムを提供することを目的とする。

本発明の積層型圧電素子は、圧電体層と正極および負極を有する内部電極とが複数積層され、該内部電極の端面の一部が側面に達してなる積層体と、前記内部電極と電気的に接続されるように前記積層体の側面に被着された一対のメタライズ層と、少なくとも該一対のメタライズ層の存在しない部位で前記正極および前記負極の両方の前記内部電極の端面を覆うように前記積層体の側面に被着されたセラミックコート層とを含み、該セラミックコート層には複数のボイドが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、上記構成において、前記複数のボイドが前記側面の側に偏って分布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、上記構成において、前記複数のボイドが前記圧電体層
の側方に位置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、上記構成において、前記複数のボイドが前記セラミックコート層の厚み方向に沿って互いに連通しないように分散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、上記構成において、前記セラミックコート層が圧電体からな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、前記積層型圧電素子を内部に収容するケースを備えた圧電アクチュエータであることを特徴とする。

また、本発明は、噴射孔を有する容器と、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である。

本発明の積層型圧電素子は、セラミックコート層の内部に複数のボイドが設けられていることにより、積層体の伸縮や振動による応力をボイドが吸収するとともに粒界欠陥の進展をボイドが食い止めることにより、セラミックコート層の粒界欠陥が進展しなくなる。その結果、マイグレーションが抑制され、長期間安定した駆動をすることができる。

本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す概略斜視図である。 図１に示す積層型圧電素子のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例の要部拡大断面図である。 本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例の要部拡大断面図である。 本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例を示す概略断面図である。 本発明の噴射装置の実施の形態の一例を示す概略断面図である。 本発明の燃料噴射システムの実施の形態の一例を示す概略図である。

以下、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す概略斜視図であり、図２は図１に示す積層型圧電素子のＡ−Ａ線断面図である。

図１および図２に示す積層型圧電素子１は、圧電体層２と正極および負極を有する内部電極３とが複数積層され、内部電極３の端面の一部が側面に達してなる積層体４と、内部電極３と電気的に接続されるように積層体４の側面に被着された一対のメタライズ層５と、少なくとも一対のメタライズ層５の存在しない部位で正極および負極の両方の内部電極３の端面を覆うように積層体４の側面に被着されたセラミックコート層６とを含み、セラミックコート層６には複数のボイド７がある。

積層型圧電素子１を構成する積層体４は、例えば圧電体層２および内部電極３が交互に複数積層されてなる活性部と、活性部の積層方向両端に設けられた圧電体層２からなる不活性部とを有し、例えば縦0.5〜10ｍｍ、横0.5〜10ｍｍ、高さ１〜100ｍｍの直方体状に
形成されている。

積層体４を構成する圧電体層２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（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などを用いることができる。この圧電体層３の厚みは、例えば３〜250μｍとされる。

積層体４を構成する内部電極３は、圧電体層２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、圧電体層２と交互に積層されて圧電体層２を上下から挟んでおり、積層順に正極および負極が配置されることにより、それらの間に挟まれた圧電体層２に駆動電圧を印加するものである。この形成材料として、例えば銀、銀−パラジウム合金、銀−白金、銅などを含む導体を用いることができる。図１に示す例では、正極および負極（もしくはグランド極）の内部電極３の端面の一部がそれぞれ積層体４の対向する一対の側面に達して互い違いに導出され、積層体４の側面に設けられた一対のメタライズ層５と電気的に接続されている。また、正極および負極の両方の内部電極３の端面のうちの他の一部が、一対のメタライズ層５の存在しない部位で積層体４の側面に達している。この内部電極３の厚みは、例えば0.1〜５μｍとされる。

なお、積層体４において、複数の内部電極３のうちの一部に代えて、例えば複数の気孔を有する導体層（多孔質層）が配置されていてもよい。この多孔質層は、内部電極３よりも強度が低く、応力によって内部にクラックが発生しやすいことから、駆動に伴って積層体４に発生する応力によって内部電極３よりも先にクラック等による破壊が生じるものであり、それによって積層体４内において応力を緩和する層として機能するものである。

積層体４の側面に設けられて内部電極３と電気的に接続された一対のメタライズ層５は、例えば銀とガラスからなるペーストを塗布して焼き付けて形成されたもので、積層体４の側面に接合されて、積層体４の対向する側面に互い違いに導出された内部電極３とそれぞれ電気的に接続されている。このメタライズ層５の厚みは、例えば５〜500μｍとされ
る。なお、図１において、メタライズ層５の幅はこのメタライズ層５が形成された面の幅よりも狭く形成されているが、これらの幅は同一であってもよく、例えば、積層体４の形状を六角柱や八角柱とした場合に、同一の幅に形成するのがよい。

少なくとも一対のメタライズ層５の存在しない部位で正極および負極の両方の内部電極３の端面を覆うように積層体４の側面にセラミックコート層６が被着されている。このセラミックコート層６は、保護層としての効果や追従性を考慮して、例えば５〜30μｍの厚みに形成されたものである。また、このセラミックコート層６の形成材料としては、例えば、アルミナ、ＰＬＴ（（Ｐｂ Ｌａ）ＴｉＯ_３）などの酸化物、圧電体が挙げられるが
、特に圧電体層２を構成する圧電体と同種の圧電体、例えばＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛）を用いるのが好ましい。セラミックコート層６を圧電体（好ましくは圧電体層２を形成する圧電体と同種の圧電体）で形成することによって、内部電極３からの漏れ電界（電極に挟まれていない領域に生じる電界）によりセラミックコート層６が圧電効果を示し、積層体４の伸縮に追従して変形することが可能となり、よりセラミックコート層６の粒界欠陥を抑制することができる。

なお、少なくとも一対のメタライズ層５の存在しない部位で正極および負極の両方の内部電極３の端面を覆うように積層体４の側面にセラミックコート層６が被着されたとは、
積層体４の側面における正極および負極の両方の内部電極３の端面が達している部位のみならず、正極または負極の片方の内部電極３の端面が達している部位まで被着されてもよく、さらにメタライズ層５の設けられた部位まで被着されてもよいことを意味する。具体的には、図１では正極および負極の両方の内部電極３の端面が達している側面にセラミックコート層６が設けられているが、メタライズ層５の設けられた側面であってメタライズ層５によって覆われていない正極または負極の片方の内部電極３の端面が達している部位にもセラミックコート層６が設けられてもよく、メタライズ層５を覆うようにセラミックコート層６が設けられてもよい。

そして、セラミックコート層６には、図３に示すように、複数のボイド７がある。複数のボイド７は例えば0.05〜２μｍの径のものであり、この値はセラミックコート層６の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡や金属顕微鏡により観察し、任意の線分間に含まれるボイドの個数およびボイドに含まれる線分の長さを測定し、このボイドに含まれる線分の長さの合計距離をボイドの個数で割ることによって求めることができる。また、セラミックコート層６における任意の断面において複数のボイド７が占める面積比率は例えば５〜60％であり、この値も断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡や金属顕微鏡により観察することによって求めることができる。

セラミックコート層６に複数のボイド７があることで、積層体４の伸縮や振動による応力を複数のボイド７が吸収する。また、結晶粒界の欠陥が進展しようとする応力をボイドが解放することで、結晶粒界の欠陥が進展しそうになるのをボイドが食い止めて欠陥が進展しなくなる。その結果、金属（Ａｇ）イオンによるマイグレーションが抑制され、積層型圧電素子１が長期間安定した駆動をすることができる。

ここで、複数のボイド７は、図４に示すように、積層体４の側面の側に偏って分布しているのが好ましい。複数のボイド７が駆動で変形しやすい積層体４の側面の側に偏って分布していることで、より応力を吸収することができ、マイグレーションを抑制することができる。なお、セラミックコート層６の表面側に複数のボイド７が存在せず、積層体４の側面の側のみにボイド７が存在する構成に限定されず、積層体４の側面の側の存在比率が表面側の存在比率よりも多くなっているものであってもよいが、セラミックコート層６の表面側に複数のボイド７がない場合には、ボイド７同士が連通した場合であっても金属イオンの拡散を加速させてしまうような外部からの水分侵入を確実に防ぐことができる。

なお、複数のボイド７がセラミックコート層６において積層体４の側面の側に偏って分布していることは、積層型圧電素子１の断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡や金属顕微鏡により観察して、セラミックコート層６における積層体４の側面の側から厚みの３分の１までの距離に含まれる金属粒子の個数と、セラミックコート層６における表面側から厚みの３分の１までの距離に含まれる金属粒子の個数とを測定して、積層体４の側面の側のボイドが多いことを確認することによって判別できる。

また、複数のボイド７は、図４に示すように、圧電体層２の側方に位置しているのが好ましい。積層型圧電素子１の駆動により圧電体層２が伸縮するため、複数のボイド７が最も駆動変形する圧電体層２の側方に位置していることで、効果的に応力を吸収でき、マイグレーションを抑制することができる。

また、複数のボイド７は、セラミックコート層６の厚み方向に沿って互いに連通しないように分散していることが好ましい。この構成によれば、外気中の水分が複数のボイド７に侵入するのを抑制でき、金属イオンの拡散が加速されるのを抑制することができる。また、ボイド７の内表面は酸素欠陥に起因した酸素空孔イオンによりマイナスにチャージされているので、複数のボイド７が分散していることで、金属イオン（例えばＡｇイオン）
がボイド７でトラップされるようになる。したがって、マイグレーションを抑制し、長期間安定して積層型圧電素子１を駆動させることができる。

そして、メタライズ層５に半田や導電性接着剤等で図５に示すようなリード部材８を接続固定し、リード部材８から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２を分極することによって、積層型圧電素子１の全体を分極することができる。

この積層型圧電素子１は、図５に示すようなリード部材８を介してメタライズ層５と外部の電源とを接続して、圧電体層２に駆動電圧を印加することにより、各圧電体層２を逆圧電効果によって大きく変位させることができるものである。なお、図示しないが、メタライズ層５の上に導電性接合材を介してメタライズ層５を覆うように平板状、金網状縦断面波型形状などの外部電極を配置し、この外部電極にリード部材８を接合するようにしてもよい。

次に、本例の積層型圧電素子１の製造方法について説明する。

まず、圧電体層２となる圧電セラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系またはブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合して、セラミックスラリーを作製する。そして、ドクターブレード法あるいはカレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このセラミックスラリーを用いて圧電セラミックグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては圧電特性を有するものであればよく、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）からなるペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）またはフタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）等を用いることができる。

次に、内部電極３となる内部電極用導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって、内部電極用導電性ペーストを作製する。なお、銀−パラジウム合金に代えて銀粉末とパラジウム粉末とを混合しても良い。

次に、内部電極用導電性ペーストを、上記の圧電セラミックグリーンシート上に内部電極３のパターンで例えばスクリーン印刷法にて塗布する。

次に、内部電極用導電性ペーストが塗布された圧電セラミックグリーンシートを所定枚数積層する。

そして、これに所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、900〜1200℃の温度で焼
成する。

次に、焼成して得られた積層体に、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう側面に研削加工処理を施す。これにより、圧電体層２および内部電極３が交互に積層された積層体４が得られる。

次に、積層体４の側面における正極および負極の両方の内部電極３の端面が露出した領域に、例えばセラミックコート層６を形成するセラミックコート層用インクをディピングやスクリーン印刷によって塗布した後、900〜1200℃で焼成し、積層体４の側面にセラミ
ックコート層を形成する。このとき、メタライズ層５の形成面には、セラミックコート層用インクは塗布しないか、若しくは、エッジのみ塗布とする。なお、セラミックコート層
用インクに含まれるセラミック粉末は、圧電セラミックの仮焼粉末であることが好ましく、さらには、圧電体層２と同一の組成のセラミック粉末であることが好ましい。

なお、セラミックコート層用インクは、例えばセラミックの粉体を溶剤、分散剤、可塑剤、及びバインダーの溶液に分散させた後、３本ロールを数回通すことにより、粉体の凝集を解砕するとともに、粉体を分散させて作製される。

ディッピングでは、セラミックコート層用インクの中へ、積層体４の内部電極３の両極の端面が露出した面を浸し、引き上げた後、乾燥させて、生のセラミックコート層を形成する。インクの粘度や引き上げ速度を制御することにより、セラミックコート層の厚みを制御することができる。

また、スクリーン印刷では、積層体４の内部電極３の両極の端面が露出した面と同じ大きさ、もしくは、若干、大きくしたメッシュが形成されて製版を作製し、製版の上にインクを乗せ、スキージで積層体４の内部電極３の両面が露出した面にセラミックコート層用インクを印刷し、乾燥させることで、生のセラミックコート層を形成する。セラミックコート層用インクの粘度、メッシュの厚み及びスキージの移動速度などにより、セラミックコート層の厚みを制御することができる。

また、セラミックコート層６にボイド７を形成するには、ボイドのできやすいアクリル系、ブチラール系などのバインダーの量を増加させたセラミックコート層用インク、あるいは所定の寸法のアクリルビーズを添加したセラミックコート層用インクを作製すればよい。バインダー量の多いセラミックコート層用インクは、通常のセラミックコート層用インクより印刷後の生密度が低いため、焼成時にボイドが形成されやすくなる。また、アクリルビーズを混ぜたセラミックコート層用インクは、焼成時にアクリルビーズが分解されることによりボイドが形成される。

ボイド７を側面の側に偏って分布させて設けるには、例えば２種類のセラミックコート層用インクを作製する。１種類目（第１のインク）に通常のインクを作製し、２種類目（第２のインク）にバインダーの量を増加させた、あるいは所定の寸法のアクリルビーズを添加したボイドのできやすいセラミックコート層用インクを作製する。そして、１層目に第２のインクを塗布し、２層目に第１のインクを塗布し、焼結すればよい。

圧電体層２の側方にボイドを設けるには、例えば、セラミックコート層６の焼結の際、内部電極３付近を先に焼結させればよく、このようにすると内部電極３の側方が密になり、圧電体層２の側方が粗となってボイドが設けられる。例えば、内部電極３付近を先に焼結させるには、セラミックコート層６が焼結する温度よりも100〜200℃低い温度で１〜５時間保持した後にセラミックコート層６が焼結する温度まで昇温させればよい。このようにすることで、内部電極３の成分がセラミックコート層６に拡散して内部電極３付近を先に焼結させることができる。圧電体層２の側方にボイドを設ける別の方法として、内部電極３の側方およびその近傍には上記第１のインクを、それ以外の領域には上記第２のインクをそれぞれパターン印刷してもよい。

なお、セラミックコート層用インクの焼結は、生の積層体にセラミックコート層用インクを塗布した後、同時に焼成を行なう方法、あるいは、焼結後の積層体に、セラミックコート層用インクを塗布した後、再度焼成を行なう方法のいずれでも可能である。

その後、積層体４の側面に内部電極３が電気的に接続された一対のメタライズ層５を形成する。この場合、まず銀粒子およびガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス含有導電性ペーストを作製し、これを積層体４の側面にスクリーン印刷法によって印刷し、500〜8
00℃程度の温度で焼き付け処理を行なう。これにより、メタライズ層５が形成され、積層型圧電素子１が完成する。

一対のメタライズ層５には、リード部材８を半田や導電性接着剤等で接続固定し、その後、一対のメタライズ層５にそれぞれ接続したリード部材８から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２を分極することによって、積層型圧電素子１全体が分極する。この積層型圧電素子１は、リード部材８を介してメタライズ層５と外部の電源とを接続して、圧電体層２に駆動電圧を印加することにより、各圧電体層２を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。

本実施の形態の積層型圧電素子は、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置等として用いられる。

次に、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の例について説明する。

図５は、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例を示す概略断面図であり、図５に示す例の圧電アクチュエータ11は、積層型圧電素子１をケース13に収容してなるものである。

具体的には、ケース13は、上端が塞がれ下端が開口したケース本体15と、ケース本体15の開口を塞ぐようにケース本体15に取り付けられた蓋部材17とで構成され、積層型圧電素子１の両端面をケース13の上端内壁および下端内壁にそれぞれ当接させるようにして積層型圧電素子１がケース13の内部に例えば不活性ガスとともに封入され収容されている。

ケース本体15および蓋部材17は、ＳＵＳ304やＳＵＳ316Ｌなどの金属材料で形成されたものである。

ケース本体15は、上端が塞がれ下端が開口した筒状体であり、積層体４の積層方向に伸縮可能に例えばベローズ（蛇腹）形状となっている。また、蓋部材17は、ケース本体15の開口を塞ぐように例えば板状に形成されていて、ケース本体15に下端にレーザ溶接などにより溶接されている。蓋部材17にはリード部材８を挿通可能な貫通孔が２つ形成されており、リード部材８を貫通孔に挿通させてメタライズ層５と外部とを電気的に導通させている。そして、貫通孔の隙間には軟質ガラス等を充填していて、このリード部材８を固定するとともに、外気の侵入を防いでいる。

本例の圧電アクチュエータ11によれば、長期間安定して駆動することができる。

次に、本発明の噴射装置の実施の形態の例について説明する。

図６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り、図６に示す例の噴射装置19は、一端に噴射孔21を有する収納容器（容器）23の内部に上記の例の積層型圧電素子１が収納されている。

収納容器23内には、噴射孔21を開閉することができるニードルバルブ25が配設されている。噴射孔21には流体通路27がニードルバルブ25の動きに応じて連通可能になるように配設されている。この流体通路27は外部の流体供給源に連結され、流体通路27に常時高圧で流体が供給されている。従って、ニードルバルブ25が噴射孔21を開放すると、流体通路27に供給されていた流体が外部または隣接する容器、例えば内燃機関の燃料室（図示せず）に、噴射孔21から吐出されるように構成されている。

ニードルバルブ25の上端部は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になっている。そして、収納容器23内には、上述した例の積層型圧電素子１がピストン31に接して収納されている。

このような噴射装置19では、積層型圧電素子１が電圧を印加されて伸長すると、ピストン31が押圧され、ニードルバルブ25が噴射孔21に通じる流体通路27を閉塞し、流体の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると積層型圧電素子１が収縮し、皿バネ33がピストン31を押し返し、流体通路27が開放され噴射孔21が流体通路27と連通して、噴射孔21から流体の噴射が行なわれるようになっている。

なお、積層型圧電素子１に電圧を印加することによって流体通路27を開放し、電圧の印加を停止することによって流体通路27を閉鎖するように構成してもよい。

また、本例の噴射装置19は、噴射孔21を有する容器23と、上記の例の積層型圧電素子１とを備え、容器23内に充填された流体を積層型圧電素子１の駆動により噴射孔21から吐出させるように構成されていてもよい。すなわち、積層型圧電素子１が必ずしも容器23の内部にある必要はなく、積層型圧電素子１の駆動によって容器23の内部に流体の噴射を制御するための圧力が加わるように構成されていればよい。なお、本例の噴射装置19において、流体とは、燃料，インク等の他、導電性ペースト等の種々の液体および気体が含まれる。本例の噴射装置19を用いることによって、流体の流量および噴出タイミングを長期にわたって安定して制御することができる。

上記の例の積層型圧電素子１を採用した本例の噴射装置19を内燃機関に用いれば、従来の噴射装置に比べてエンジン等の内燃機関の燃焼室に燃料をより長い期間にわたって精度よく噴射させることができる。

次に、本発明の燃料噴射システムの実施の形態の例について説明する。

図７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り、図７に示す例の燃料噴射システム35は、高圧流体としての高圧燃料を蓄えるコモンレール37と、このコモンレール37に蓄えられた高圧流体を噴射する複数の上記の例の噴射装置19と、コモンレール37に高圧流体を供給する圧力ポンプ39と、噴射装置19に駆動信号を与える噴射制御ユニット41とを備えている。

噴射制御ユニット41は、外部情報または外部からの信号に基づいて高圧流体の噴射の量およびタイミングを制御する。例えば、エンジンの燃料噴射に本例の燃料噴射システム35を用いた場合であれば、エンジンの燃焼室内の状況をセンサ等で感知しながら燃料噴射の量およびタイミングを制御することができる。圧力ポンプ39は、燃料タンク43から流体燃料を高圧でコモンレール37に供給する役割を果たす。例えばエンジンの燃料噴射システム35の場合には1000〜2000気圧（約101ＭＰａ〜約203ＭＰａ）程度、好ましくは1500〜1700気圧（約152ＭＰａ〜約172ＭＰａ）程度の高圧にしてコモンレール37に流体燃料を送り込む。コモンレール37では、圧力ポンプ39から送られてきた高圧燃料を蓄え、噴射装置19に適宜送り込む。噴射装置19は、前述したように噴射孔21から一定の流体を外部または隣接する容器に噴射する。例えば、燃料を噴射供給する対象がエンジンの場合には、高圧燃料を噴射孔21からエンジンの燃焼室内に霧状に噴射する。

本例の燃料噴射システム35によれば、高圧燃料の所望の噴射を長期にわたって安定して行なうことができる。

なお、本発明は、上記の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸
脱しない範囲内で種々の変更を行なうことは何ら差し支えない。例えば、積層型圧電素子１におけるメタライズ層５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つのメタライズ層５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。

本例の積層型圧電素子１は、例えば、圧電駆動素子（圧電アクチュエータ），圧力センサ素子および圧電回路素子等に用いられる。駆動素子としては、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置，インクジェットのような液体噴射装置，光学装置のような精密位置決め装置，振動防止装置が挙げられる。センサ素子としては、例えば、燃焼圧センサ，ノックセンサ，加速度センサ，荷重センサ，超音波センサ，感圧センサおよびヨーレートセンサが挙げられる。また、圧電回路素子としては、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からなる圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。

まず、平均粒径が0.4μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）を
主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダー及び可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み150μｍ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。

このセラミックグリーンシートの片面に、銀−パラジウム合金（銀95質量％−パラジウム５重量％）にバインダーを加えて作製した内部電極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たセラミックグリーンシートを300枚積層し、積層成形体を作製し
た。

次に、内部電極となる導電性ペーストが印刷された圧電セラミックグリーンシート300
枚を中心にして、その上下の層に、内部電極となる導電性ペーストが印刷されていない圧電セラミックグリーンシート合計15枚を積層した。

次に、所定の大きさとなるようにダイシングソーマシンで積層成形体を切断した後、積層成形体を乾燥させ、焼成して積層体を作製した。焼成は、800℃の温度を90分保持した
後、1000℃で200分間焼成した。積層体は直方体状であり、その大きさは、端面が縦５ｍ
ｍ、横５ｍｍであり、高さが40ｍｍであった。焼成後に、積層体を平面加工した後、積層体をアセトン洗浄し、乾燥させた。その後、積層体を750℃で120分間熱処理した。

次に、チタン酸ジルコン酸鉛にブチラール系のバインダー、フタル酸ジブチル可塑剤を添加してなるセラミックコート層用インクを作製し、１層目にバインダー量をチタン酸ジルコン酸鉛100質量部に対して外添で75質量部添加したセラミックコート層用インクを、
厚みが10μｍとなるようにスクリーン印刷にて内部電極の両極が露出している積層体側面に印刷し、２層目にバインダー量をチタン酸ジルコン酸鉛100質量部に対して外添で50質
量部添加したセラミックコート層インクを、内部電極層の両極が露出している積層体側面に１層目の上に印刷した。その後、1000℃で焼成し、積層体の側面側に偏って分布する複数のボイドを有するセラミックコート層を形成した。

次に、銀粉末にガラス，バインダーおよび可塑剤を添加して作製した銀ガラスペーストをメタライズ層のパターンで積層体の側面に印刷し、乾燥後700℃で焼き付けを行ない、
メタライズ層を形成した。そして、このメタライズ層上に外部電極を形成し、半田を用い
てリード部材と接続固定した。

以上の方法により、本発明実施例となる積層型圧電素子を作製した。

また、比較例として、被覆層として、上記の２層目の材料で形成したセラミックコート層の設けられた積層型圧電素子を作製した。

そして、これらの積層型圧電素子の二本のリードピンを接続し、３ｋＶ／ｍｍの直流電界を15分間印加して分極処理を行ない、本発明実施例の圧電アクチュエータおよび比較例の圧電アクチュエータを作製した。

作製した圧電アクチュエータに170Ｖの直流電圧を印加したところ、すべての圧電アク
チュエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。

さらに、これらの圧電アクチュエータを150℃の環境下で250Vの直流電圧を印加し続け
る高温連続駆動試験を行なった。

その結果、本発明実施例の圧電アクチュエータは、2000時間後の高温連続駆動試験後にセラミックコート層に異常は見られなかった。

一方、比較例の圧電アクチュエータは、153時間の連続駆動後に動作が停止した。比較
例の圧電アクチュエータの破壊源を確認したところ、セラミックコート層に粒界欠陥が生じ、この欠陥の進展部分よりマイグレーションを引き起こし、スパークして停止した。

以上のことから、本発明の積層型圧電素子は、積層体の伸縮や振動による応力をボイドが吸収することにより、セラミックコート層の粒界欠陥の進展を抑制することができることがわかる。

１・・・積層型圧電素子
２・・・圧電体層
３・・・内部電極
４・・・積層体
５・・・メタライズ層
６・・・セラミックコート層
７・・・ボイド
８・・・リード部材
11・・・圧電アクチュエータ
13・・・ケース
15・・・ケース本体
17・・・蓋部材
19・・・噴射装置
21・・・噴射孔
23・・・収納容器（容器）
25・・・ニードルバルブ
27・・・流体通路
29・・・シリンダ
31・・・ピストン
33・・・皿バネ
35・・・燃料噴射システム
37・・・コモンレール
39・・・圧力ポンプ
41・・・噴射制御ユニット
43・・・燃料タンク

Claims (8)

1. 圧電体層と正極および負極を有する内部電極とが複数積層され、該内部電極の端面の一部が側面に達してなる積層体と、前記内部電極と電気的に接続されるように前記積層体の側面に被着された一対のメタライズ層と、少なくとも該一対のメタライズ層の存在しない部位で前記正極および前記負極の両方の前記内部電極の端面を覆うように前記積層体の側面に被着されたセラミックコート層とを含み、該セラミックコート層には複数のボイドがあることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記複数のボイドは前記側面の側に偏って分布していることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
3. 前記複数のボイドは前記圧電体層の側方に位置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。
4. 前記複数のボイドは前記セラミックコート層の厚み方向に沿って互いに連通しないように分散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。
5. 前記セラミックコート層は圧電体からなることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
6. 請求項１に記載の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を内部に収容するケースとを備えていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
7. 噴射孔を有する容器と、請求項１に記載の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に蓄えられた流体が前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から吐出されることを特徴とする噴射装置。
8. 高圧燃料を蓄えるコモンレールと、該コモンレールに蓄えられた前記高圧燃料を噴射する請求項７に記載の噴射装置と、前記コモンレールに前記高圧燃料を供給する圧力ポンプと、前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットとを備えたことを特徴とする燃料噴射システム。

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