(57)【要約】【課題】長期間動作によっても、絶縁が低下したり、端子間のショートが生じたりすることがない、積層型圧電素子とそれを用いたインジェクタ装置を提供すること。【解決手段】積層型圧電素子の内部に、内部電極層を２層以上続けて同極の外部電極に接続した部分、または、内部電極層の間隔を拡大した部分を、少なくとも１箇所設ける。これによって、電圧を印加した場合の特定領域への応力集中が緩和され、クラックなどの部分的な破壊による、絶縁低下や端子間ショートが減少し、積層型圧電素子の信頼性を大幅に向上できる。また、これをインジェクタ装置に用いることで、内燃機関の性能や信頼性を向上できる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｍが１からｎまでの自然数であり、総数で（ｎ＋２）層の圧電セラミック層と、（ｎ＋１）層の内部電極層が交互に積層された積層体の、第（２ｍ−１）層の内部電極層が、前記積層体の一方の側面に設けられた第１の外部電極に接続され、前記一方の側面に対向する側面に設けられた第２の外部電極に、第２ｍ層の内部電極層が接続された積層型圧電素子の前記圧電セラミック層、内部電極層に加えて、前記内部電極層の任意の一対の間に挿入され、かつ前記第１および第２の外部電極のいずれかに接続された内部電極層を有する圧電セラミック層からなる、不活性導入層、または、任意の隣接する内部電極層間の距離を拡大した内部電極層間拡大部の少なくともいずれかを、１箇所以上設けてなることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
前記内部電極層間拡大部の厚さは、前記圧電セラミック層の厚さの１．５倍以上であることを特徴とする、請求項１に記載の積層圧電型素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の積層型圧電素子をアクチュエータとして用いたことを特徴とするインジェクタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層型圧電素子に関し、さらに詳しくは、内燃機関に用いられるインジェクタに好適な積層型圧電素子と、それを用いたインジェクタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電セラミック層と内部電極層を、交互に積層して積層体を構成し、積層体の対向する側面に設けられた二つの外部電極に、内部電極を１層おきに交互に接続した構造の積層型圧電素子は、電圧を印加したときの変形を利用して、各種のアクチュエータとして利用されている。
【０００３】
その用途として検討されているものの一つに、内燃機関における燃焼室への燃料の高圧噴射を制御するインジェクタがある。燃料噴射システムを構成する主要コンポーネントとして、高圧ポンプ、燃料搬送管路、燃料圧力センサ、インジェクタ、電子制御ユニットなどが挙げられ、内燃機関の出力や燃費を向上するため、様々な開発が行われ、実用に供されている。
【０００４】
そして、インジェクタに用いるアクチュエータに適した積層型圧電素子に関する技術が、下記特許文献１と特許文献２に開示されている。
【０００５】
特許文献１には、素子全体の小型化、製造の容易化、発生力の向上などを目的として、各部材の構成および製造方法についての技術が開示されている。また、特許文献２には、素子の耐久性を向上するための、外部電極の構成や、外部電極と内部電極との接続構造に関する技術が開示されている。
【０００６】
これらの特許文献に開示されている積層体の構造は、圧電セラミック層と内部電極層を交互に積層し、内部電極層を１層おきに、積層体の対向する側面に設けられた一対の外部電極に接続したものであり、内部電極層間の距離が一定である。図７、図８は、このような従来の積層型圧電素子の例を示す斜視図である。
【０００７】
図７、図８において、１は圧電セラミック層、２は内部電極層、３は外部電極、４ａおよび４ｂは不活性層、５はリード線、６は外装樹脂である。また、図８において、７ａおよび７ｂは絶縁体である。
【０００８】
図７に示した例では、内部電極層２が、積層体の対向する側面に、交互に露出するように形成されて、外部電極３に接続されている。また、図８に示した例では、内部電極層２が積層体の全側面に露出するように形成され、積層体側面の内部電極層２の露出部が、１層おきに被覆されるように、絶縁体７ａと７ｂが形成されている。そして、絶縁体７ａ、７ｂを形成した後に外部電極３を形成することにより、内部電極層２は交互に一対の外部電極３に接続された構造となる。
【０００９】
積層体を、このような構造としたときの問題点として、積層型圧電素子の長期間の動作に伴い、積層方向に対して一定間隔で、クラックが生じることがあり、結果として積層型圧電素子の絶縁を低下させたり、端子間をショートさせたりすることが挙げられる。この原因は、積層体内部に内部電極層を一定間隔で配置しているため、電圧を印加したときの応力が特定の領域に集中するためであると解される。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−２０３９９８号公報
【特許文献２】
特開２００２−２８９９３４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は、長期間動作によっても、絶縁が低下したり、端子間のショートが生じたりすることがない、積層型圧電素子とそれを用いたインジェクタ装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、動作時に一定強度を超える応力が圧電セラミック層に加わらないように、特定の領域に応力が集中しない積層体の構造を検討した結果なされたものである。
【００１３】
即ち、本発明は、ｍが１からｎまでの自然数であり、総数で（ｎ＋２）層の圧電セラミック層と、（ｎ＋１）層の内部電極層が交互に積層された積層体の、第（２ｍ−１）層の内部電極層が、前記積層体の一方の側面に設けられた第１の外部電極に接続され、前記一方の側面に対向する側面に設けられた第２の外部電極に、第２ｍ層の内部電極層が接続された積層型圧電素子の前記圧電セラミック層、内部電極層に加えて、前記内部電極層の任意の一対の間に挿入され、かつ前記第１および第２の外部電極のいずれかに接続された内部電極層を有する圧電セラミック層からなる、不活性導入層、または、任意の隣接する内部電極層間の距離を拡大した内部電極層間拡大部の少なくともいずれかを、１箇所以上設けてなることを特徴とする積層型圧電素子である。
【００１４】
また、本発明は、前記内部電極層間拡大部の厚さは、前記圧電セラミック層の厚さの１．５倍以上であることを特徴とする、前記の積層圧電型素子である。
【００１５】
また、本発明は、前記の積層型圧電素子をアクチュエータとして用いたことを特徴とするインジェクタ装置である。
【００１６】
本発明の積層型圧電素子においては、前記の不活性導入層や内部電極層間拡大部を設けることで、電極間に不活性層を配置することになるので、電圧を加えた際の応力が分散され、クラックの発生が抑制される。このために、この積層型圧電素子を用いたインジェクタ装置は、信頼性が大幅に向上する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の積層型圧電素子の製造工程には、従来技術がそのまま適用可能である。従来の製造工程と異なるところは、前記不活性導入層、前記内部電極層間拡大部のいずれかを設けることである。
【００１８】
前記不活性導入層を設けるのは、該当部分の内部電極層の接続方向を適宜変更するか、積層体側面の内部電極層が露出した部分に被覆する絶縁体の位置を適宜調整するか、いずれの方法でも可能である。
【００１９】
また、前記内部電極層間拡大部を設けるのは、積層する圧電セラミック層の厚さを、該当部分のみ厚くするか、間に内部電極層を介さないで圧電セラミックを２層重ねるか、いずれの方法でも可能である。
【００２０】
【実施例】
次に、具体的な実施例を示した図を参照して、本発明について説明する。
【００２１】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例に係る、積層型圧電素子の斜視図である。ここでは、圧電セラミック層１には、ジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする材料を、内部電極層２には、銀−パラジウム合金、外部電極３には、銀系の合金を用いている。また、製造方法は、原料粉末を含むスラリーから得られる、圧電セラミックのグリーンシートに、導電体粉末を含むスラリーを用いて内部電極層２を印刷し、所要の大きさに切断した後、積層して脱バインダー、焼成を施すという既知の方法である。
【００２２】
本実施例においては、外部電極３が形成される側面の、いずれか一方まで露出するように、内部電極層２を形成していて、図１における上方から、第６層と第７層、第１０層と第１１層の内部電極層２を、図１における右側の外部電極３に、続けて接続し、不活性導入層を形成している。このような構成とすることで、前記の内部電極層間は不活性層となり、電圧を印加しても応力が生じない。これに応じて、積層体内部における応力が分散され、長期間動作おいてもクラックの発生が大幅に減少する。
【００２３】
（実施例２）
図２は、本発明の第２の実施例に係る、積層型圧電素子の斜視図である。圧電セラミック層１、内部電極層２、外部電極３の材質は、第１の実施例と同様である。本実施例では、図２に示したように、内部電極層２を積層体の全側面まで露出するように形成し、外部電極との絶縁が必要な部分に、熱硬化性高分子材料からなる絶縁体７ａ，７ｂを設けている。内部電極層２と外部電極３との接続の順番は、第１の実施例と同一である。
【００２４】
なお、第１の実施例、第２の実施例において、内部電極層２を続けて同極の外部電極に接続する箇所、即ち、不活性導入層の位置は、図１および図２における高さ方向で、約２ｍｍの間隔に設定するのが望ましい。つまり、高さが３０ｍｍの積層型圧電素子の場合には、素子高さの１／１５〜１４／１５の位置に、１４箇所設けることが望ましい。
【００２５】
これは、圧電セラミック層の厚さが８５μｍの積層型圧電素子を、１５０Ｖの電圧で動作させた場合に、２ｍｍ間隔でクラックが生じる頻度が比較的多いこと、高さが２ｍｍ以下の積層型圧電素子では、クラックが生じ難いことから導かれた設計である。また、同極の外部電極に続けて接続する内部電極層の層数は、２層以上が望ましい。
【００２６】
これは、その層数を増加することによって、その部分の応力集中を緩和できるからである。しかし、これも過度になると、それに応じて積層型圧電素子全体の変位量が減少するので、注意が必要である。
【００２７】
（実施例３）
図３は、本発明の第３の実施例に係る、積層型圧電素子の斜視図である。本実施例においては、図３における上方から、第４層と第５層、第８層と第９層の内部電極層２の間隔を拡大し、内部電極層間拡大部８を形成している。ここでは、圧電セラミック層１と内部電極層を積層する際に、所要の箇所に、内部電極層２を介さないで、圧電セラミック層１を２層続けて積層するという方法で、内部電極層間拡大部８を形成した。
【００２８】
また、本実施例においても、外部電極３が形成される側面の、いずれか一方まで露出するように、内部電極層２を形成し、内部電極層２と外部電極３との接続を確保している。このような構成とすることで、実質的に内部電極層２の間に不活性層を挿入したのと同様の効果が得られる。
【００２９】
（実施例４）
図４は、本発明の第４の実施例に係る、積層型圧電素子の斜視図である。本実施例においても、第３の実施例と同様に、内部電極層間拡大部８を形成した。本実施例では、図４に示したように、内部電極層２を積層体の全側面まで露出するように形成し、外部電極との絶縁が必要な部分に絶縁体７ａ，７ｂを設けている。内部電極層２と外部電極３との接続の順番は、第３の実施例と同一である。
【００３０】
第１の実施例、第４の実施例の場合と同様の理由で、第３の実施例、第４の実施例において、内部電極層間拡大部８を設ける位置は、図３および図４における高さ方向で、約２ｍｍ間隔に設定するのが望ましい。つまり、高さが３０ｍｍの積層型圧電素子の場合には、素子高さの１／１５〜１４／１５の位置に、１４箇所設けることが望ましい。
【００３１】
また、内部電極層間拡大部の厚さを、どの程度とするのが適正かを検証するために、内部電極層間拡大部の厚さとクラック発生数の関係を検討した。方法は、圧電セラミック層の厚さが８５μｍ、高さが３０ｍｍ、内部電極層間拡大部の厚さを圧電セラミック層の厚さの１．０〜１．７倍とした積層型圧電素子を各１０個準備し、それぞれについて、ＤＣ１５０Ｖの電圧を６時間連続印加させた後の、クラックが発生した積層型圧電素子の数を求めるというものである。
【００３２】
表１は、圧電セラミック層の厚さとクラック発生数をまとめて示したものである。
【００３３】
【表１】
2004303849.tif 000002
【００３４】
表１の結果から、クラック発生をなくすには、内部電極層間拡大部の厚さを圧電セラミック層の１．５倍以上にする必要があることが分かる。
【００３５】
同時に、必要以上に厚くすることは、クラック発生抑制という目的には、何ら利点がないばかりか、積層型圧電素子の小型化を妨げることも明らかである。従って、内部電極層間拡大部の厚さや数は、使用条件などを考慮して決定する必要がある。
【００３６】
図５は、本発明の第５の実施例に係る、積層型圧電素子の斜視図である。本実施例の内部電極層の構成は、基本的に第１の実施例と同一である。異なる点は、図５における上方から、第１０層、第１１層の内部電極層２を、第１の実施例の場合とは逆に、図５における左側の外部電極（図示せず）に接続したところである。
【００３７】
図６は、本発明に係る積層型圧電素子を、内燃機関のインジェクタ装置に組み込んだ例を、模式的に示した断面図である。図６において、９はシリンダー、１０は積層型圧電素子を用いたアクチュエータ、１１はピストン、１２はコイル圧縮ばね、１３は燃料供給管路、１４はニードルバルブ、１５は噴射ノズルである。
【００３８】
この例では、アクチュエータ１０とコイル圧縮ばね１２を用いて、ニードルバルブ１４を、図６における上下方向に動作させ、燃料の燃焼室への噴射を制御する。このような構成とすることで、燃料の噴射を高精度で制御することが可能となり、内燃機関の性能を向上できるとともに、本発明による積層型圧電素子の信頼性向上により、内燃機関としての信頼性も確保できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明による積層型圧電素子は、動作時の特定領域への応力集中が緩和され、圧電セラミックの強度を超えた応力が加わらなくなる。このため、クラックが発生して、絶縁が低下したり、端子間のショートが生じたりすることがなくなり、積層型圧電素子の信頼性が大幅に向上する。
【００４０】
また、本発明の積層型圧電素子を、内燃機関のインジェクタ装置に使用することにより、内燃機関の性能や信頼性を向上することもできる。さらに、本発明による信頼性向上のため、積層型圧電素子の用途拡大も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る、積層型圧電素子の斜視図。
【図２】本発明の第２の実施例に係る、積層型圧電素子の斜視図。
【図３】本発明の第３の実施例に係る、積層型圧電素子の斜視図。
【図４】本発明の第４の実施例に係る、積層型圧電素子の斜視図。
【図５】本発明の第５の実施例に係る、積層型圧電素子の斜視図。
【図６】本発明に係る積層型圧電素子を、内燃機関のインジェクタ装置に組み込んだ例を、模式的に示した断面図。
【図７】従来の積層型圧電素子の例を示す斜視図。
【図８】従来の積層型圧電素子の例を示す斜視図。
【符号の説明】
１    圧電セラミック層
２    内部電極層
３    外部電極
４ａ，４ｂ    不活性層
５    リード線
６    外装樹脂
７ａ，７ｂ    絶縁体
８    内部電極層間拡大部
９    シリンダー
１０    アクチュエータ
１１    ピストン
１２    コイル圧縮ばね
１３    燃料供給管路
１４    ニードルバルブ
１５    ノズル
【図１】
2004303849.tif 000003
【図２】
2004303849.tif 000004
【図３】
2004303849.tif 000005
【図４】
2004303849.tif 000006
【図５】
2004303849.tif 000007
【図６】
2004303849.tif 000008
【図７】
2004303849.tif 000009
【図８】
2004303849.tif 000010