JP6619515B2

JP6619515B2 - 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

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Publication number: JP6619515B2
Application number: JP2018519194A
Authority: JP
Inventors: 山元　堅; 堅山元
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-05-25
Filing date: 2017-05-15
Publication date: 2019-12-11
Anticipated expiration: 2037-05-15
Also published as: WO2017204015A1; JPWO2017204015A1

Description

本開示は、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。

積層型圧電素子として、圧電体層および内部電極層が交互に積層された活性部および圧電体層が積層された不活性部を有する積層体と、該積層体の側面を取り囲むように設けられた被覆層とを備えたものが知られている。

なお、被覆層は例えば内部電極層間のマイグレーションや放電を抑制することを目的として設けられている。

特開２０００−３２３７６２号公報

本開示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活性部および圧電体層が積層された不活性部を有する積層体と、該積層体の側面を取り囲むように設けられた被覆層とを備え、該被覆層は内側の第１の層と外側の第２の層とからなる２層構造を有しており、前記第１の層の外面が複数の凸部または複数の凹部を有しており、前記複数の凸部または前記複数の凹部が格子状に配置されている。

また、本開示の噴射装置は、噴射孔を有する容器と、上記の積層型圧電素子とを備え、該積層型圧電素子の駆動によって前記噴射孔が開閉されるようになっている。

また、本開示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。

本実施形態の積層型圧電素子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一部破断概略斜視図である。図１に示す積層型圧電素子のiii−iii線で切断した概略縦断面図である。本実施形態の積層型圧電素子の他の例の概略縦断面図である。本実施形態の積層型圧電素子の他の例の概略縦断面図である。本実施形態の積層型圧電素子の他の例の概略縦断面図である。本実施形態の積層型圧電素子の他の例の概略縦断面図である。本実施形態の積層型圧電素子の他の例の側面透視図である。本実施形態の積層型圧電素子の他の例の側面透視図である。本実施形態の積層型圧電素子の他の例の概略縦断面図である。本実施形態の積層型圧電素子の他の例の概略縦断面図である。本実施形態の噴射装置の一例を示す概略断面図である。本実施形態の燃料噴射システムの一例を示す概略図である。

従来の積層型圧電素子において、積層体の側面に被覆層を形成する際に塗布された被覆層の形成材料は、表面から硬化が進行する。そのため、被覆層の表面は硬く緻密な構造になる。したがって、被覆層を多層構造にする（２回に分けて形成する）ことで、被覆層の内部にも硬く緻密な構造の領域を有する構成とすることができ、この構成によりさらに放電を生じにくくすることができるようにも思われる。

しかしながら、上述の積層型圧電素子は例えば固定されて使用される。被覆層の内部には硬く緻密な構造の領域が積層体の積層方向に沿って存在していて当該積層方向への柔らかさが低下しているので、このような状態で積層型圧電素子を長期間駆動させると、被覆層と積層体との界面に応力負荷がかかってクラックが入り、このクラックを通して放電し、積層型圧電素子の変位量が低下するおそれがあった。

本開示は上記事情に鑑みてなされたもので、被覆層と積層体との界面への応力負荷が抑制され、放電の生じにくい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。

以下、本実施形態の積層型圧電素子の一例について図面を参照して説明する。

図１は本実施形態の積層型圧電素子の一例を示す概略斜視図、図２は図１に示す積層型圧電素子の一部破断概略斜視図、図３は本実施形態の積層型圧電素子の一例の概略縦断面図である。

図１乃至図３に示す積層型圧電素子１は、圧電体層１１および内部電極層１２が交互に積層された活性部１３および圧電体層１１が積層された不活性部１４を有する積層体１０と、該積層体１０の側面を取り囲むように設けられた被覆層１６とを備えている。そして、該被覆層１６は内側の第１の層１６１と外側の第２の層１６２とからなる２層構造を有しており、第１の層１６１の外面が複数の凹部１６３を有している。

積層型圧電素子１を構成する積層体１０は、圧電体層１１および内部電極層１２が交互に複数積層されてなる活性部１３と、活性部１３の積層方向外側に位置するように積層体１０の積層方向両端部に設けられた圧電体層１１が積層されてなる不活性部１４とを有している。ここで、活性部１３は駆動時に圧電体層１１が積層方向に伸長または収縮する部位であり、不活性部１４は駆動時に圧電体層１１が積層方向に伸長または収縮しない部位である。この積層体１０は、例えば縦０．５〜１０ｍｍ、横０．５〜１０ｍｍ、高さ１〜１００ｍｍの直方体状に形成されている。また、活性部１３の高さは、例えば積層体１０の高さの７５〜９５％の高さとされる。なお、積層体１０としては六角柱形状や八角柱形状などであってもよい。

積層体１０を構成する圧電体層１１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（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１１の厚みは、例えば３〜２５０μｍとされる。

積層体１０を構成する内部電極層１２は、圧電体層１１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１１と交互に積層されて圧電体層１１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１１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−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。図に示す例では、正極および負極（もしくはグランド極）がそれぞれ積層体１０の対向する一対の側面に互い違いに導出されて、積層体１０の側面に設けられた一対の外部電極１５と電気的に接続されている。この内部電極層１２の厚みは、例えば０．１〜５μｍとされる。

なお、積層体１０には、応力を緩和するための層であって内部電極層１２として機能しない金属層等が含まれていてもよい。

そして、内部電極層１２の正極または負極（もしくはグランド極）が導出された積層体１０の対向する一対の側面には、それぞれ外部電極１５が設けられ、導出された内部電極層１２と電気的に接続されている。この外部電極１５は、活性部１３から不活性部１４にかけてそれぞれ設けられている。外部電極１５は、例えばＡｇやＣｕなど金属の金属を含んだ導電性ペーストを焼き付けてなるのが好ましい。ここで、外部電極１５を積層体１０の側面に垂直な横断面で見たときに、外部電極１５の厚みは５〜７０μｍの厚さに形成される。

そして、外部電極１５にリード部材１７が接合され、リード部材１７が引き出されることで、外部回路との電気的な接続がなされる。

また、積層体１０の側面を取り囲むように、被覆層１６が設けられている。被覆層１６は、内部電極層１２の正極および負極の両方の端部が達する積層体１０の側面におけるマイグレーションや放電を抑制する効果を奏する。この被覆層１６は、内部電極層１２の端部を覆って露出させないように設けられたものであり、図に示す例では外部電極１５も含めて積層体１０の側面を取り囲むように被覆している。

被覆層１６は、複数の層が重なって構成されていて、内側の第１の層１６１と外側の第２の層１６２とからなる２層構造を有している。第１の層１６１は例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂などにより形成され、第２の層１６２は例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂などで形成される。複数の層が重なって被覆層１６が構成されていることにより、被覆層１６と積層体１０との界面に加わる応力が、被覆層１６を構成する各層に分散されて低減される。

そして、被覆層１６において、第１の層１６１の外面が複数の凹部１６３を有している。これにより、第１の層１６１の表面が硬く緻密な構造であっても、複数の凹部１６３に沿って硬く緻密な構造が屈曲していることから、被覆層１６が積層体１０の積層方向への柔軟性を備えつつ、内部に硬く緻密な構造の領域を有することとなる。したがって、被覆層１６と積層体１０との界面への応力負荷が抑制され、長期間にわたって放電の生じにくい積層型圧電素子を実現することができる。

複数の凹部１６３を除く領域での第１の層１６１の厚みは例えば１０〜１５０μｍ、第２の層１６２の厚みは例えば２０〜２００μｍである。複数の凹部１６３の幅は例えば５０〜５００μｍ、深さは５〜６０μｍである。また、複数の凹部１６３は第１の層１６１の周方向にわたってあるのがよく、周方向に一様にあるのがよい。

内側の第１の層１６１がシリコーン樹脂のように柔らかい素材からなる場合、複数の凹部１６３では、第１の層１６１を構成するシリコーン樹脂が表面の硬い部分はあまり変形しなくても内部の柔らかい部分が変形自在であるので、例えば積層型圧電素子１を高速で伸縮させても複数の凹部１６３に応力を集中させないようにすることができる。

なお、上述の複数の凹部１６３にかえて、後述する図７に示すような複数の凸部１６４であってもよい。

ここで、図３は、不活性部１４の側方に複数の凹部１６３が配置されているものであるが、図４に示すように、活性部１３の側方に複数の凹部１６３が配置されているのがよい。この構成によれば、駆動時に変形しやすい活性部１３の側方に複数の凹部１６３があることで、被覆層１６と積層体１０との界面への応力負荷を抑制する効果が大きくなる。なお、複数の凹部１６３にかえて複数の凸部１６４であってもよい。

また、図５に示すように、複数の凹部１６３が活性部１３を積層方向に３等分したときの中央部の側方に配置されているのがよい。複数の凹部１６３が活性部１３を積層方向に３等分したときの中央部は活性部１３の中でも最も伸縮変形しやすい部分であるので、この部分の側方に複数の凹部１６３があることで、被覆層１６と積層体１０との界面への応力負荷を抑制する効果がより大きくなる。なお、複数の凹部１６３にかえて複数の凸部１６４であってもよい。

また、図６に示すように、複数の凹部１６３が第１の層１６１の第２の層１６２との界面の全域に一様に設けられていてもよい。また、図７に示すように、複数の凸部１６４が第１の層１６１の第２の層１６２との界面の全域に一様に設けられていてもよい。

また、図８および図９に示すように、複数の凹部１６３が格子状に配置されているのがよい。ここで、複数の凹部１６３が格子状に配置されるとは、仮想的に互いに交わる格子を描いたときのそれぞれの格子の互いに交わる点（格子点）に相当する位置に複数の凹部１６３が配置されることである。

これらの構成によれば、被覆層１６が縦にも横にも自在に変形するので、被覆層１６と積層体１０との界面への応力負荷を抑制する効果が大きく、より長期間変位量が安定する。

また、図１０に示すように、複数の凹部１６３および複数の凸部１６４は、被覆層１６に垂直な断面で見て台形状の凹凸が連続したような形状であるのがよい。これにより、複数の凹部１６３および複数の凸部１６４が積層体１０の伸縮に追従しやすく、被覆層１６と積層体１０との界面への応力負荷をさらに抑制する効果が高まる。なお、断面台形状の他に、断面半円状、断面半楕円状、断面三角形状などの先細り形状とすることもできる。

また、図１１に示すように、複数の凹部１６３の底および複数の凸部１６４の天面は丸みを帯びているのがよい。これにより、応力が集中しにくく、被覆層１６にクラックを入りにくくすることができる。

次に、本実施形態の積層型圧電素子１の製造方法の一例について説明する。

まず、圧電体層１１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（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），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１２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１２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１１および内部電極層１２を備えた活性部１３を作製する。不活性部１４は内部電極層１２となる導電性ペーストを塗布していないシートを積層することで作製する。活性部１３と不活性部１４とを組み合わせることで積層体１０を製造する。

なお、積層体１０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１１と内部電極層１２とを複数積層してなる積層体１０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。

次に、外部電極１５は、ＡｇやＣｕのような金属を含んだ導電性ペーストを用い、これを積層体１０の側面における内部電極層１２の両極のうちの一方の端部が導出された領域に焼き付けて５〜７０μｍの厚さに形成する。スクリーン印刷やディスペンス方式により、所定の厚みや幅に制御して形成することができる。

次に、被覆層１６を構成する第１の層１６１は、例えばナイロンやシリコーンの樹脂を使用し、印刷やディスペンス方式により、所定の厚みや幅に制御して形成することができる。乾燥硬化後に、第２の層１６２を同様に、印刷やディスペンス方式により、所定の厚みや幅に制御して形成することができる。

ここで、第１の層１６１の外面が複数の凸部１６４または複数の凹部１６３を有している構成（第１の層１６１と第２の層１６２との界面に凹凸がある構成）とするには、凹凸を設けたい箇所にディスペンサーで塗布重量を調整し塗布厚みを制御しつつ塗布することで作製することができる。また、メッシュのサイズを変更して重ね塗りすることで、凹凸を作製することもできる。

その後、外部電極１５に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体１０を構成する圧電体層１１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、外部電極１５を介して外部の電源と接続して、圧電体層１１に電圧を印加することにより、各圧電体層１１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、本実施形態の噴射装置の一例について説明する。図１２は、本実施形態の噴射装置の一例を示す概略断面図である。

図１２に示すように、本例の噴射装置１９は、一端に噴射孔２１を有する収納容器（容器）２３の内部に上記の例の積層型圧電素子１が収納されている。

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

ニードルバルブ２５の上端部は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１子の駆動によって噴射孔２１が開閉される。具体的には、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、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、本開示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１３は、本実施形態の燃料噴射システムの一例を示す概略図である。

図１３に示すように、本例の燃料噴射システム３５は、高圧流体としての高圧燃料を蓄えるコモンレール３７と、このコモンレール３７に蓄えられた高圧流体を噴射する複数の上記の例の噴射装置１９と、コモンレール３７に高圧流体を供給する圧力ポンプ３９と、噴射装置１９に駆動信号を与える噴射制御ユニット４１とを備えている。

噴射制御ユニット４１は、外部情報または外部からの信号に基づいて高圧流体の噴射の量およびタイミングを制御する。例えば、エンジンの燃料噴射に本例の燃料噴射システム３５を用いた場合であれば、エンジンの燃焼室内の状況をセンサ等で感知しながら燃料噴射の量およびタイミングを制御することができる。圧力ポンプ３９は、燃料タンク４３から流体燃料を高圧でコモンレール３７に供給する役割を果たす。例えばエンジンの燃料噴射システム３５の場合には１０００〜２０００気圧（約１０１ＭＰａ〜約２０３ＭＰａ）、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。

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。

以下、本開示の実施例について説明する。

積層型圧電素子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５０μｍ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。

次に、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２００枚積層した。また、内部電極層となる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２００枚を中心にして、その上下に、内部電極層となる導電性ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシート合計１５枚を積層した。そして、９８０〜１１００℃で焼成し、平面研削盤を用いて所定の形状に研削して、５ｍｍ角の積層体を得た。

次に、積層体の表面にＡｇを含む導電性ペーストを外部電極としてスクリーン印刷により形成した。

次に、図５に示す２層構造の被覆層を形成した。具体的には、ディスペンサーにて積層体の側面にシリコーンからなる樹脂を、積層体中央部の側方に幅１００μｍおよび高さ３０μｍの凸部ができるように塗布し、１５０℃で硬化させて第１の層を形成した。さらに、その上から同様にシリコーンからなる同じ樹脂を同様に塗布して第２の層を形成した。なお、第１の層における凸部を除く領域の厚みは１００μｍ、第２の層における第１の層の凸部に対応する凹部を除く領域の厚みは１５０μｍとした。

そして、外部電極に溶接で接合された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、分極処理を行ない、実施例（試料１）の積層型圧電素子を作製した。

一方、比較例（試料２）として、凹凸のない２層構造の被覆層を備えた積層型圧電素子を作製した。

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３０μｍの変位量が得られた。

さらに、３０℃、９０％の湿度内で０Ｖ〜＋１６０Ｖの交流電圧を１５０Ｈｚの周波数で印加して、連続駆動した耐久性試験を行なった。

その結果、比較例である試料２の積層型圧電素子は、１×１０^５回の連続駆動で被覆層と積層体との界面にクラックが入り、内部電極層の端部が空気中に露出して放電することで変位量が低下した。

これに対し、実施例である試料１の積層型圧電素子は、連続駆動１×１０^７回をすぎても変位量は変わらず駆動していた。なお、駆動後にシリコンリムーバー（樹脂溶解剤）でシリコーン樹脂を溶かし、積層体の表面を観察してみたところ、内部電極層の放電の跡がなく、クラックもなかった。

以上の結果から、本開示によれば、長期間の耐久性に優れた積層型圧電素子を実現することができることがわかる。

１・・・積層型圧電素子
１０・・・積層体
１１・・・圧電体層
１２・・・内部電極層
１３・・・活性部
１４・・・不活性部
１５・・・外部電極
１６・・・被覆層
１６１・・・第１の層
１６２・・・第２の層
１６３・・・凹部
１６４・・・凸部
１７・・・リード部材

Claims

圧電体層および内部電極層が交互に積層された活性部および圧電体層が積層された不活性部を有する積層体と、該積層体の側面を取り囲むように設けられた被覆層とを備え、該被覆層は内側の第１の層と外側の第２の層とからなる２層構造を有しており、前記第１の層の外面が複数の凸部または複数の凹部を有しており、前記複数の凸部または前記複数の凹部が格子状に配置されている積層型圧電素子。
前記複数の凸部または前記複数の凹部が前記活性部の側方に配置されている請求項１に記載の積層型圧電素子。
前記複数の凸部または前記複数の凹部が前記活性部を積層方向に３等分したときの中央部の側方に配置されている請求項２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３のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子とを備え、該積層型圧電素子の駆動によって前記噴射孔が開閉される噴射装置。
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４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燃料噴射システム。