(57)【要約】【課題】熱履歴による特性変化が生じ難い圧電アクチュエータ及び圧電磁器を提供すること。【解決手段】圧電層と内部電極層とを交互に積層した圧電アクチュエータで、温度Ｔ１における１．０ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度下での電気容量をＣ１、Ｔ１と１００℃以上の差がある温度Ｔ２の熱履歴を受けた直後のＴ１における１．０ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度下での電気容量をＣ２、Ｃ１からＣ２への電気容量の変化率が５．５％以下、誘電損失が８．２％以下である。圧電層はＰｂの一部をＢａ、Ｃａ、Ｓｒより選択される一種以上で置換した化学式ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3−Ｐｂ（Ｙ1/2Ｎｂ1/2）Ｏ3−Ｐｂ（Ｍｎ1-zＷz）Ｏ3系であって０．２５≦ｚ≦０．４０である圧電材料に対し助剤酸化物を添加して焼成した圧電磁器からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電磁器からなる圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる圧電アクチュエータであって、
任意の温度：Ｔ１における、１．０ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度下での電気容量をＣ１とし、Ｔ１と１００℃以上の差がある温度Ｔ２の熱履歴を受けた直後のＴ１における、１．０ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度下での電気容量をＣ２とした時、Ｃ１からＣ２への変化率が５．５％以下であることを特徴とする圧電アクチュエータ（但し、−４０℃≦Ｔ１＜Ｔ２≦２００℃）。
【請求項２】
請求項１において、上記変化率が５％以下であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１において、上記変化率が４．８％以下であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において、誘電損失が８．２％以下であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項において、誘電損失が８％以下であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項において、誘電損失が０．５〜４．０％であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項において、上記圧電層は、Ｐｂの一部をＢａ、Ｃａ、Ｓｒより選択される一種以上で置換した化学式ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3−Ｐｂ（Ｙ1/2Ｎｂ1/2）Ｏ3−Ｐｂ（Ｍｎ1-zＷz）Ｏ3系であって０．２５≦ｚ≦０．４０である圧電材料に対し、Ｐｂ酸化物及びＷ酸化物の双方を含む助剤酸化物を添加して焼成した圧電磁器からなることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項において、上記圧電アクチュエータは燃料噴射装置用のインジェクタの駆動源として用いられることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項９】
任意の温度：Ｔ１における、１．０ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度下での比誘電率をε１とし、Ｔ１と１００℃以上の差がある温度Ｔ２の熱履歴を受けた直後のＴ１における、１．０ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度下での比誘電率をε２とした時、ε１からε２への変化率が５．５％以下であることを特徴とする圧電磁器（但し、−４０℃≦Ｔ１＜Ｔ２≦２００℃）。
【請求項１０】
請求項９において、上記変化率が５％以下であることを特徴とする圧電磁器。
【請求項１１】
請求項９において、上記変化率が４．８％以下であることを特徴とする圧電磁器。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれか１項において、誘電損失が８．２％以下であることを特徴とする圧電磁器。
【請求項１３】
請求項９〜１１のいずれか１項において、誘電損失が８％以下であることを特徴とする圧電磁器。
【請求項１４】
請求項９〜１１のいずれか１項において、誘電損失が０．５〜４．０％であることを特徴とする圧電磁器。
【請求項１５】
請求項９〜１４のいずれか１項において、Ｐｂの一部をＢａ、Ｃａ、Ｓｒより選択される一種以上で置換した化学式ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3−Ｐｂ（Ｙ1/2Ｎｂ1/2）Ｏ3−Ｐｂ（Ｍｎ1-zＷz）Ｏ3系であって０．２５≦ｚ≦０．４０である圧電材料に対し、Ｐｂ酸化物及びＷ酸化物の双方を含む助剤酸化物を添加して焼成してなることを特徴とする圧電磁器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射装置用のインジェクタの駆動源として使用できる圧電アクチュエータ及び該圧電アクチュエータに使用できる圧電磁器に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用エンジン等の内燃機関で用いる燃料噴射装置用のインジェクタにおける駆動源として、圧電アクチュエータを用いることがある。圧電アクチュエータは、圧電磁器からなる圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる積層型圧電体素子から構成される。
また、上記圧電磁器としては、ジルコン酸チタン酸鉛等からなる圧電磁器を用いることが多い。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１８３６６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した使用環境におけるインジェクタ近傍は、環境温度の変化がめまぐるしく、該インジェクタの特性が熱履歴によって変化して、燃料の噴射量制御に問題が生じることがあった。この問題は圧電アクチュエータの特性が熱履歴によって変動することに起因する。
【０００５】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、熱履歴を受けても特性が安定した圧電アクチュエータ及び圧電磁器を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、圧電磁器からなる圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる圧電アクチュエータであって、
任意の温度：Ｔ１における、１．０ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度下での電気容量をＣ１とし、Ｔ１と１００℃以上の差がある温度Ｔ２の熱履歴を受けた直後のＴ１における、１．０ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度下での電気容量をＣ２とした時、Ｃ１からＣ２への変化率が５．５％以下であることを特徴とする圧電アクチュエータ（但し、−４０℃≦Ｔ１＜Ｔ２≦２００℃）にある（請求項１）。
【０００７】
第１の発明にかかる作用効果につき説明する。
第１の発明にかかる圧電アクチュエータは、上記温度範囲で与えた熱履歴の前後で１．０ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度下での電気容量の変化率が５．５％以下である。
第１の発明にかかる圧電アクチュエータは安定した電気容量を有している。
電気容量が安定することで、変位の過渡特性のばらつきが小さくなり、エネルギーを投入した際の圧電層の伸び速度、すなわち圧電アクチュエータの伸び速度が略一定となる。
【０００８】
また、第２の発明は、任意の温度：Ｔ１における、１．０ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度下での比誘電率をε１とし、Ｔ１と１００℃以上の差がある温度Ｔ２の熱履歴を受けた直後のＴ１における、１．０ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度下での比誘電率をε２とした時、ε１からε２への変化率が５．５％以下であることを特徴とする圧電磁器（但し、−４０℃≦Ｔ１＜Ｔ２≦２００℃）にある（請求項９）。
【０００９】
第２の発明にかかる圧電磁器は、上記温度範囲で与えた熱履歴の前後で１．０ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度下での比誘電率の変化率が５．５％以下であり、この圧電磁器からなる圧電層を有する積層型圧電体素子は安定した電気容量を有し、該電気容量が安定することで変位の過渡特性のばらつきが小さくなる。そのため、エネルギーを投入した際の圧電層の伸び速度、すなわち圧電層の伸び速度が略一定となる。
【００１０】
以上、第１、第２の発明によれば、熱履歴を受けても特性が安定した圧電アクチュエータ及び圧電磁器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
第１の発明にかかる駆動時の電界強度は圧電アクチュエータを通常の使用環境で駆動する際に印加する電界強度範囲であり、温度範囲は圧電アクチュエータの通常の使用環境にかかる温度範囲である。
従って、上記電界強度範囲、温度範囲で熱履歴前後における電気容量の変化率が５．５％以下であれば、圧電アクチュエータの実使用の際に熱履歴による特性変化が生じ難い。
仮に電気容量の変化率が５．５％より大きい場合、変位の過渡特性の変化が大きくなり、本発明にかかる効果が失われるおそれがある。
また、熱履歴前後で電気容量の変化率が０％となる場合がもっとも好ましい。
【００１２】
熱履歴前後の電気容量について説明する。
圧電アクチュエータを所定の駆動電圧（電界強度）にて駆動しつつ、温度Ｔ１から温度Ｔ２に加熱し、再び温度Ｔ１に戻した。
加熱前の圧電アクチュエータの電気容量をＣ１、加熱して、冷却して、再び温度Ｔ１に戻した後の圧電アクチュエータの電気容量をＣ２として、１００×（Ｃ２−Ｃ１）／Ｃ１の値が第１の発明にかかる圧電アクチュエータは５．５％以下である。
【００１３】
第１（また第２）の発明において温度Ｔ１〜温度Ｔ２〜温度Ｔ１の範囲は−４０℃〜２００℃より選択し、電気容量は、圧電アクチュエータを駆動しつつ測定するが、この駆動時の電界強度を１．５ｋＶ／ｍｍ以上とする。
なお、詳細な測定方法は実施例１に記載した。
【００１４】
また、上記変化率が５％以下であることがより好ましい（請求項２）。
これにより、変位の過渡特性の変化が小さくなり、本発明の効果をより大きくすることができる。
更に、上記変化率が４．８％以下であることがより好ましい（請求項３）。
これにより、変位の過渡特性の変化が小さくなり、本発明の効果を更に大きくすることができる。
【００１５】
また、上記圧電アクチュエータにおいては、誘電損失が８．２％以下であることが好ましい（請求項４）。
誘電損失が低い場合は、圧電アクチュエータの自己発熱を抑制することができる。８．２％より誘電損失が大きい場合、圧電アクチュエータ駆動時の自己発熱量が多くなり、圧電アクチュエータの耐久性が低下するおそれがある。
【００１６】
また、誘電損失が８％以下であることが好ましい（請求項５）。
これにより、圧電アクチュエータ駆動時の自己発熱量がより小さくなり、本発明の効果をより大きくすることができる。
また、誘電損失が０．５％以上であることが好ましい（請求項６）。
誘電損失が０．５％未満の場合、一般的に圧電層に用いられる圧電磁器（チタン酸ジルコン酸鉛酸化物系材料等）において、圧電アクチュエータの基本性能である変位性能が大きく低下するおそれがある。
【００１７】
次に、熱履歴前後の電気容量の変化率が５．５％以下となる圧電アクチュエータを得るには、Ｐｂの一部をＢａ、Ｃａ、Ｓｒより選択される一種以上で置換した化学式ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3−Ｐｂ（Ｙ1/2Ｎｂ1/2）Ｏ3−Ｐｂ（Ｍｎ1-zＷz）Ｏ3系であって０．２５≦ｚ≦０．４０である圧電材料に対し、Ｐｂ酸化物及びＷ酸化物の双方を含む助剤酸化物を添加して焼成した圧電磁器から圧電層を形成することが好ましい（請求項７）。
【００１８】
請求項７にかかる圧電磁器は、上記化学式ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3−Ｐｂ（Ｙ1/2Ｎｂ1/2）Ｏ3−Ｐｂ（Ｍｎ1-zＷz）Ｏ3にかかる組成を備えたペロブスカイト型構造の化合物においてＰｂの一部を他の元素（Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ）で置換した材料である。
Ｂａ、Ｃａ、ＳｒでＰｂを置換することで、ペロブスカイト結晶格子内に大きな歪みが導入されて、より大きな圧電効果を発揮することができる。そのため、請求項７にかかる圧電磁器からなる圧電層を備えた圧電アクチュエータは、大きな変位量を発揮することができる。
【００１９】
また、請求項７にかかる圧電磁器では、ドナー元素であるＷとアクセプタ元素であるＭｎの比率を適正範囲に設定した。これにより、圧電材料中の結晶格子における酸素欠陥の生成量を低減させて、電気容量の経時変化を抑制することができる。
また、請求項７にかかるＰｂ酸化物及びＷ酸化物の双方を含む助剤酸化物を用いることで、圧電材料の焼成温度を下げて、より安価な電極材料（Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ含有量が１０ｗｔ％以下のＡｇ−Ｐｄ合金等）を用いて圧電アクチュエータを作製することができる。よってコスト安な圧電アクチュエータを得ることができる。
なお、ｚ＜０．２５である場合は圧電アクチュエータの電気容量の経時変化が大きくなるおそれがある。ｚ＞０．４である場合は圧電アクチュエータの変位性能が低下するおそれがある。
【００２０】
また、圧電材料に対する助剤酸化物の添加量は、圧電材料１００ｗｔ％に対して０．０５〜５ｗｔ％（外ｗｔ％）とすることが好ましい。
０．０５ｗｔ％未満である場合は、焼結温度低下効果が得難くなるおそれがある。５ｗｔ％より多い場合は圧電アクチュエータの変位性能が低下するおそれがある。変位に寄与しない助剤酸化物が圧電材料中に増えるためである。
【００２１】
ここにＰｂ酸化物及びＷ酸化物の双方を含む助剤酸化物とは、Ｐｂ酸化物とＷ酸化物とを含有する混合物、あるいはＰｂとＷとの複合酸化物である。
具体的には、Ｐｂ酸化物とＷ酸化物とからなる助剤酸化物、Ｐｂ及びＷの複合酸化物からなる助剤酸化物、Ｐｂ酸化物とＰｂ及びＷの複合酸化物とからなる助剤酸化物、Ｗ酸化物とＰｂ及びＷの複合酸化物とからなる助剤酸化物、Ｐｂ酸化物とＷ酸化物とＰｂ及びＷの複合酸化物とからなる助剤酸化物が請求項７にかかる助剤酸化物に相当する。
【００２２】
また、上記圧電アクチュエータは燃料噴射装置用のインジェクタの駆動源として用いることができる（請求項８）。
第１の発明にかかる圧電アクチュエータは、上述した特定範囲の温度における熱履歴に対し、特定の電界強度下での電気容量が安定している。
そのため、変位の過渡特性のばらつきが小さくなり、電圧を印加した際の圧電層の伸び速度、すなわち圧電アクチュエータの伸び速度が略一定となる。
このような圧電アクチュエータを車両用エンジン等の内燃機関における燃料噴射装置用のインジェクタの駆動源として使用することで、燃料噴射タイミングのばらつきを減らし、燃料の噴射量のばらつきを減らして、燃焼状態制御をより精密に行うことができる。
【００２３】
つまり、圧電アクチュエータの使用環境として従来の位置決め用等の用途に比べ、車両用エンジン等の内燃機関の場合は、苛酷な環境となり、始動前の常温（場合によっては−４０℃の低温）から使用中の高温（場合によっては、約２００℃）になり、エンジンの停止後は常温に戻るといった、熱履歴に曝されることになる。
【００２４】
ここで圧電アクチュエータの電気容量の変化が燃料の噴射量バラツキにつながる点について説明する、
図９は、電気容量の異なる２台の圧電アクチュエータに定エネルギーを注入した場合の時間の変化と変位との関係を示す線図である。圧電アクチュエータＡの電気容量はＣａ、圧電アクチュエータＢの電気容量はＣｂで、Ｃｂ＞Ｃａである。
同図より明らかであるが、変位ｘに到達するまでの時間は、電気容量の小さいほうが、電気容量の大きなものと比較して短い。すなわち、圧電アクチュエータＡ（電気容量Ｃａ）が変位ｘに到達するまでの時間をＴａ、圧電アクチュエータＢ（電気容量Ｃｂ）が変位ｘに到達するまでの時間をＴｂとすると、Ｔａ＜Ｔｂとなる。
電気容量が異なることで電荷の注入速度が変わり、その結果、変位に至る過渡特性が違ってくる。
【００２５】
同一個体の圧電アクチュエータが熱履歴を受けることで、電気容量が仮にＣａからＣｂに増加したと仮定すると、所定変位のｘに到達するまでの時間が熱履歴の前後で変化することになる。変位ｘが圧電アクチュエータが燃料噴射装置における燃料噴射バルブを開閉するに必要な変位量であるとすると、電気容量が変化するごとに噴射タイミングも変化することになる。
従って、第１の発明にかかる圧電アクチュエータは、前記したごとく熱履歴を受けた際に優れて安定した電気容量を維持することができるため、第１の発明にかかる圧電アクチュエータを燃料噴射装置用のインジェクタの駆動源として用いることで、燃料噴射装置の噴射量バラツキが抑制され、精度の高い制御が可能となる。
従って、燃費の改善や排出ガスの低減等、エンジンの性能向上といった優れた効果を得ることができる。
【００２６】
第２の発明にかかる圧電磁器は、所定の電界強度範囲、温度範囲で熱履歴前後における比誘電率の変化率が５％以下である。上記電界強度範囲は圧電アクチュエータを通常の使用環境で駆動する際に印加する電界強度範囲であり、温度範囲は圧電アクチュエータの通常の使用環境にかかる温度範囲である。
従って、上記電界強度範囲、温度範囲で熱履歴前後における比誘電率の変化率が５％以下の圧電磁器からなる圧電層を有する圧電アクチュエータは、実使用の際に熱履歴による特性変化が生じ難い。
【００２７】
仮に比誘電率の変化率が５．５％より大きい場合、この圧電磁器からなる圧電層を有する圧電アクチュエータにおいて、変位の過渡特性の変化が大きくなり、本発明にかかる効果が失われるおそれがある。また、熱履歴前後で比誘電率の変化率が０％となる場合がもっとも好ましい。
【００２８】
また、上記変化率が５％以下であることがより好ましい（請求項１０）。
これにより、変位の過渡特性の変化が小さくなり、本発明の効果をより大きくすることができる。
更に、上記変化率が４．８％以下であることがより好ましい（請求項１１）。
これにより、変位の過渡特性の変化が小さくなり、本発明の効果を更に大きくすることができる。
【００２９】
第２の発明にかかる圧電磁器において、誘電損失が８．２％以下であることが好ましい（請求項１２）。
誘電損失が低い場合は、この圧電磁器からなる圧電層を有する圧電アクチュエータにおいて駆動時に自己発熱を抑制することができる。８．２％より誘電損失が大きい場合、圧電アクチュエータ駆動時の自己発熱量が多くなり、圧電アクチュエータの耐久性が低下するおそれがある。
【００３０】
また、誘電損失が８％以下であることが好ましい（請求項１３）。
これにより、圧電アクチュエータ駆動時の自己発熱量がより小さくなり、本発明の効果をより大きくすることができる。
また、誘電損失が０．５％以上であることが好ましい（請求項１４）。
誘電損失が０．５％未満の場合、一般的に圧電層に用いられる圧電磁器（チタン酸ジルコン酸鉛酸化物系材料等）において、圧電アクチュエータの基本性能である変位性能が大きく低下するおそれがある。
【００３１】
そして、熱履歴前後の比誘電率の変化率が５．５％以下となる圧電磁器を得るには、Ｐｂの一部をＢａ、Ｃａ、Ｓｒより選択される一種以上で置換した化学式ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3−Ｐｂ（Ｙ1/2Ｎｂ1/2）Ｏ3−Ｐｂ（Ｍｎ1-zＷz）Ｏ3系であって０．２５≦ｚ≦０．４０である圧電材料に対し、Ｐｂ酸化物及びＷ酸化物の双方を含む助剤酸化物を添加して焼成してなるものを用いることが好ましい（請求項１５）。
【００３２】
上記圧電磁器は、上記化学式ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3−Ｐｂ（Ｙ1/2Ｎｂ1/2）Ｏ3−Ｐｂ（Ｍｎ1-zＷz）Ｏ3にかかる組成を備えたペロブスカイト型構造の化合物において、Ｐｂの一部を他の元素（Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ）で置換した化合物である。
この置換により、ペロブスカイト結晶格子内に大きな歪みが導入されて、より大きな圧電効果を発揮することができる。そのため、上記圧電磁器からなる圧電層を備えた圧電アクチュエータは、大きな変位量を発揮することができる。
【００３３】
また、ドナー元素であるＷとアクセプタ元素であるＭｎの比率を適正範囲に設定しているため、圧電材料中の結晶格子における酸素欠陥の生成量を低減させて、比誘電率の経時変化を抑制することができる。
また、助剤酸化物を用いることで、圧電材料の焼成温度を下げて、より安価な電極材料（Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ含有量が１０ｗｔ％以下のＡｇ−Ｐｄ合金等）を用いて圧電アクチュエータを作製することができる。よってコスト安な圧電アクチュエータに向く圧電材料を得ることができる。
なお、ｚ＜０．２５である場合は比誘電率の経時変化が大きくなるおそれがある。ｚ＞０．４である場合は変位性能が低下するおそれがある。
【００３４】
また、圧電材料に対する助剤酸化物の添加量は、圧電材料１００ｗｔ％に対して０．０５〜５ｗｔ％（外ｗｔ％）とすることが好ましい。
０．０５ｗｔ％未満である場合は、焼結温度低下効果が得難くなるおそれがある。５ｗｔ％より多い場合は圧電磁器の変位性能が低下するおそれがある。変位に寄与しない助剤酸化物が圧電材料中に増えるためである。
ここにＰｂ酸化物及びＷ酸化物の双方を含む助剤酸化物とは、Ｐｂ酸化物とＷ酸化物とを含有する混合物、あるいはＰｂとＷとの複合酸化物である。
具体的には、Ｐｂ酸化物とＷ酸化物とからなる助剤酸化物、Ｐｂ及びＷの複合酸化物からなる助剤酸化物、Ｐｂ酸化物とＰｂ及びＷの複合酸化物とからなる助剤酸化物、Ｗ酸化物とＰｂ及びＷの複合酸化物とからなる助剤酸化物、Ｐｂ酸化物とＷ酸化物とＰｂ及びＷの複合酸化物とからなる助剤酸化物が請求項７にかかる助剤酸化物に相当する。
【実施例】
【００３５】
以下に、図面を用いて本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本例にかかる圧電アクチュエータは、圧電磁器からなる圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる積層型圧電体素子からなる。
そして、任意の温度：Ｔ１における、１．０ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度下での電気容量をＣ１とし、Ｔ１と１００℃以上の差がある温度Ｔ２の熱履歴を受けた直後のＴ１における、１．０ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度下での電気容量をＣ２とした時、Ｃ１からＣ２への変化率が５．５％以下である（但し、−４０℃≦Ｔ１＜Ｔ２≦２００℃）。また、誘電損失が８．２％以下である。
【００３６】
更に、上記圧電層は、Ｐｂの一部をＢａ、Ｃａ、Ｓｒより選択される一種以上で置換した化学式ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3−Ｐｂ（Ｙ1/2Ｎｂ1/2）Ｏ3−Ｐｂ（Ｍｎ1-zＷz）Ｏ3系であって０．２５≦ｚ≦０．４０である圧電材料に対し、Ｐｂ酸化物及びＷ酸化物の双方を含む助剤酸化物を添加して焼成した圧電磁器からなる。
そして、本例の圧電アクチュエータは燃料噴射装置用のインジェクタの駆動源として用いることができる。
【００３７】
以下、本例の圧電アクチュエータについて詳細に説明する。
図１に示すごとく、本例の圧電アクチュエータ１は、２０個の圧電素子ユニット１５を接合して構成したユニット積層体１１からなる。
各圧電素子ユニット１５は、上述した化学式の圧電磁器からなる圧電層１５１と、Ａｇ及びＰｄからなる内部電極層１５３、１５４とを交互に積層してなる。図面作成上の便宜のため図中には詳細に示していないが、各圧電素子ユニット１５における、圧電素子として活性な圧電層１５１の積層数は２０層である。
【００３８】
内部電極層１５３、１５４は、図２、図３に示すごとく、圧電層１５１の片側の側面だけに到達するように形成されている。また、圧電素子ユニット１５の側面にはこれを挟むように、電位の異なる外部電源に接続された、Ａｇからなる外部電極５、６が設けられている。そして、内部電極層１５３、１５４は、上記圧電素子ユニット１５の側面において、上記外部電極５、６に、積層方向において交互に電気的に接続されている。したがって、圧電アクチュエータ１内において、隣接する２つの内部電極層１５３、１５４は、互いに電位が異なる電極に接続される。
【００３９】
また、図１に示すごとく、本例の圧電アクチュエータ１は、ユニット積層体１１の積層方向の最も端部に、圧電素子ユニット１５よりもヤング率が大きい、アルミナからなる接続部材４を積層してなる。そして、ユニット積層体１１と接続部材４との間には、圧電素子ユニット１５よりも変位量の小さいバッファユニット２と、接続部材４よりもヤング率の小さいダミーユニット３とが介在している。バッファユニット２及びダミーユニット３は、圧電素子ユニット１５の圧電層１５１と同じ圧電磁器からなる。
【００４０】
バッファユニット２は、図１に示すごとく、圧電層２５１と内部電極層２５３、２５４とからなる。バッファユニット２内の圧電層２５１の厚みは、ユニット積層体１１側では圧電素子ユニット１５内の圧電層１５１と略同等であり、接続部材４側では圧電層１５１よりも大きい。また、外部電極５、６は、上記圧電素子ユニット１５と同様にバッファユニット２の側面を挟んでそれぞれ内部電極層２５３、２５４に接続されている。
【００４１】
また、ダミーユニット３は圧電層１５１や圧電層２５１と同様の圧電層を積層して構成してあるが、内部電極層がなく、外部電極５、６によって側面を挟持されていない。したがって、圧電アクチュエータ１の駆動時に動かない場所である。
【００４２】
次に、本例の圧電アクチュエータ１の製造方法について説明する。
本例の圧電アクチュエータ１は、広く用いられているグリーンシート法から製造することができる。このグリーンシートは以下のようにして準備する。
【００４３】
即ち、公知の方法により圧電磁器の主原料となる酸化鉛、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、炭酸ストロンチウム等の粉末を得ようとする圧電磁器の組成が得られるように秤量する。この時、鉛の蒸発を考慮して鉛が１〜２ｗｔ％リッチになるように秤量する。これらの原料を湿式混合した後、７５０〜９５０℃で仮焼し、仮焼粉となす。
また、助剤酸化物の原料である酸化鉛、酸化タングステンの粉末を、得ようとする助剤酸化物の組成になるように秤量し、これらを湿式混合した後、５００℃で仮焼する。この仮焼粉を湿式粉砕後、乾燥したものを助剤酸化物として用いる。
【００４４】
次いで、仮焼粉に、純水を加えてスラリーとし、媒体攪拌ミルにより湿式粉砕する。この粉砕物を乾燥、粉脱脂した後、溶剤、助剤酸化物、バインダー、可塑剤、分散剤等を加えてボールミルにより混合する。その後、このスラリーを真空装置内で攪拌機により攪拌しながら真空脱泡、粘度調整をする。
【００４５】
次いで、スラリーをドクターブレード装置により一定の厚みのグリーンシートに成形する。このグリーンシートはプレス機で打ち抜くか、切断機により切断し、所定の大きさの矩形体に成形する。
【００４６】
次いで例えば銀／パラジウム＝７／３の比率からなる銀及びパラジウムのペースト（以下、Ａｇ／Ｐｄペーストという）により、成形後のグリーンシートの一方の表面にパターンをスクリーン印刷形成する。
グリーンシートの表面には、上記Ａｇ／Ｐｄペーストにより、略全面にこれよりもやや小さなパターンを形成した（図２参照）。これが内部電極層１５３（１５４）用の印刷部である。グリーンシートの表面の対向辺の一方の側には、内部電極層１５３（１５４）用の印刷部が形成されておらず、焼成後は電極非形成部となる。つまり、グリーンシートの対向辺の一方の端部（圧電アクチュエータの側面に相当する部分）には、内部電極層１５３（１５４）が到達せず、対向する他方の端部には内部電極層１５３（１５４）が到達するようにこれを形成した。
【００４７】
このような内部電極層１５３用の印刷部を形成したグリーンシートは、ユニット積層体１１及びバッファユニット２の変位量の要求仕様に基づいて所定の積層枚数分用意する。また、内部電極層１５３（１５４）を印刷していないグリーンシートも必要枚数準備する。
次いで、これらのグリーンシートを図１にかかるユニット圧電体素子１５が得られるように積層した。
このようにして、内部電極層１５３（１５４）用の印刷部を形成したグリーンシートを２１枚重ね合わせて、更にその上に上記印刷部を形成していないグリーンシートを上下に重ねて、合計３０層のグリーンシートからなる積層体を作製した。
【００４８】
次に、上記積層体を熱圧着後、電気炉により温度４００〜７００℃のもとで脱脂し、温度９００〜１１００℃のもとで焼成し、その後、所望の形状に研削した。これにより、グリーンシートは圧電層１５１となり、圧電層１５１と内部電極層１５３、１５４とを交互に積層してなる圧電素子ユニット１５を得た。この圧電素子ユニット１５は、圧電素子として活性な圧電層を２０層有している。また、上記と同様にして、２０個の圧電素子ユニット１５を作製した。
【００４９】
次に、上記圧電素子ユニット１５の作製に用いたものと同様の、内部電極層用の印刷部を形成したグリーンシートを１９枚重ねてバッファユニット２用の積層体を作製した。このバッファユニット２用の積層体においては、上記圧電アクチュエータ１の組み立て後に接続部材４側となる側の２層分に、内部電極層を形成していないグリーンシートを介在させ、接続部材４側の厚みを圧電素子ユニットの圧電層１５３（１５４）の２倍となるようにした。
また、接続部材４側の最も外側には、内部電極層を形成していないグリーンシートを更に重ねてある。
続いて、バッファユニット用の積層体を、上記と同様にして、熱圧着し、脱脂し、その後焼成してバッファユニットを作製した。
【００５０】
次に、内部電極層を形成していないグリーンシートを２０枚重ねて、ダミーユニット用の積層体を作製した。そして、このダミーユニット用の積層体を、上記と同様にして、熱圧着し、脱脂し、その後焼成してダミーユニット３とした。
また、上記接続部材４は、アルミナ焼結体ブロックを所望の形状に加工することにより作製した。
【００５１】
次に、上記のようにして作製した圧電素子ユニット１５、バッファユニット２、ダミーユニット３、及び接続部材４を積み重ね、以下のようにして圧電アクチュエータ１を作製した。
具体的には、まず、上記圧電素子ユニット１５及びバッファユニット２の側面を挟むようにＡｇからなる外部電極５、６を焼き付けて形成した。
【００５２】
外部電極５は、上記圧電素子ユニット１５及びバッファユニット２において、一方の極の内部電極層１５３又は内部電極層２５３が露出している位置に形成し、各内部電極層１５３又は内部電極層２５３の導通をとる。
外部電極６は、他方の極の内部電極層１５４又は内部電極層２５４が露出している位置に形成し、各内部電極層１５４又は内部電極層２５４の導通をとる。
その後、外部電極５、６を形成した圧電素子ユニット１５の内部電極層１５３、１５４及びバッファユニット２の内部電極層２５３、２５４に、外部電極５、６から直流電圧を印加して、分極した。
【００５３】
次に、図１に示すごとく、上記のようにして分極を施した２０個の圧電素子ユニット１５を接合面１５５で積み重ね、その両端にバッファユニット２を重ね、更にその両端にダミーユニット３、また更にその両端に接続部材４を積み重ねた。
このようにして、図１〜図３に示すごとく圧電アクチュエータ１を作製した。
そして、この圧電アクチュエータ１の評価については実施例２に記載する。
【００５４】
（実施例２）
本例は、試料１〜８にかかる圧電材料を用いて実施例１に示すごとき圧電アクチュエータを作製し、その性能について評価した。
本例の圧電層は、圧電磁器である（Ｐｂ0.91Ｓｒ0.045Ｂａ0.045）1.001（Ｚｒ0.526Ｔｉ0.474）0.99-x（Ｙ1/2Ｎｂ1/2）0.01（Ｍｎ1-zＷz）xＯ3.001に助剤酸化物である０．８３５ＰｂＯ・０．１６５ＷＯ3を、圧電磁器１００ｗｔ％に対して０．５ｗｔ％（外ｗｔ％）混ぜてなる。また、ＸとＺは、表１に示すごとき値をとる。
【００５５】
次に、圧電アクチュエータの電気容量測定方法について説明する。
図４にかかる測定回路７を準備する。
この測定回路７において、圧電アクチュエータ１の電気容量はＣｐ、測定回路７で圧電アクチュエータ１と直列に接続されたコンデンサ７３の電気容量はＣ０、圧電アクチュエータ１に加わる電圧は入力端子７１２とアース端子７１１との間の電位差に等しくＶin、コンデンサ７３の両端に接続された端子７３１、アース端子７３２の電位差をＶoutとする。
【００５６】
更に、端子７１２とアース端子７１１との間に電圧が印加されている時の電圧をＶin（ＯＮ）、Ｖout（ＯＮ）、されていないときの電圧をＶin（ＯＦＦ）、Ｖout（ＯＦＦ）とすると、これらの電気容量や電位差との間には次の関係が成立する。
Ｃｐ＝Ｃ０×｛Ｖout（ＯＮ）−Ｖout（ＯＦＦ）｝／〔Ｖin（ＯＮ）−｛Ｖout（ＯＮ）−Ｖout（ＯＦＦ）｝〕
【００５７】
そして、圧電アクチュエータ１を測定回路７に接続したまま恒温漕にセットして温度２５℃に保持し、電界強度が１．８ｋＶ／ｍｍとなる電圧の１５０Ｖ（＝Ｖin（ＯＮ））を与えて圧電アクチュエータ１を駆動した。この状態で電気容量を測定した。
【００５８】
次に、圧電アクチュエータ１を正負短絡した状態で温度１６０℃に昇温、３０分保持し、その後温度２５℃に戻すことで熱履歴を与えた。その後、熱履歴前と同様に電圧１５０Ｖ（＝Ｖin（ＯＮ））で圧電アクチュエータ１を駆動した。この状態で電気容量を測定した。
【００５９】
以上の測定から得た熱履歴前後の電気容量を、〔｛熱履歴後の電気容量（２５℃）−熱履歴前の電気容量（２５℃）｝／熱履歴前の電気容量（２５℃）〕×１００という式に代入して電気容量の変化率を求めた。結果を表１に記載した。
【００６０】
次に、圧電アクチュエータ１のＰ−Ｅヒステリシス（電荷−電圧ヒステリシス）から誘電損失を求め、自己発熱による圧電アクチュエータの温度上昇との関係について測定した。
まず、Ｐ−Ｅヒステリシスは次のように求めた。
図５に示すごとき測定治具８を準備した。
測定治具８は、台座８１上に立設した２本のガイドポール８２を有している。このガイドポール８２には、ブリッジ部８３が配設されており、このブリッジ部８３の中央に押圧板８４１を有する押圧部８６を配設してある。圧電アクチュエータ１は、押圧板８４１と台座８１との間に挟むように配置する。そして、押圧板８４１は、これとブリッジ部８３との間に配設した皿バネ８５によって、１０ＭＰａの予荷重（プリセット荷重）を付与する。
【００６１】
この状態で、圧電アクチュエータ１に電界強度０〜１．５ｋＶ／ｍｍ、周波数１００Ｈｚ、ｓｉｎ波の電圧を印加し、図６に示すごときヒステリシスを求める。同図は、横軸にＥ：電界（Ｖ／ｍｍ）、縦軸にＰ：電流の積分値（電荷密度）（Ｃ／ｍｍ2）をとったものである。そして、電圧を分極方向と同じ方向に徐々に増加させ、その後徐々に減少させた場合の上記Ｐの軌跡をプロットした。同図に示すごとく、得られたヒステリシス曲線に囲まれた部分の面積をＳ１とする。
【００６２】
次に、図７に示すごとく、原点ＯとＰの最高値点Ｑとを結んだ線、上記Ｑから横軸に垂下した線及び横軸により囲まれる三角形の面積Ｓ２を求める。これらの値を用いることにより誘電損失を算出することができる。即ち、誘電損失（％）はＳ１／Ｓ２／（２π）×１００により算出することができる。
このようにして得られた誘電損失は、通常行われるようなインピーダンスアナライザにて１Ｖにて測定される誘電損失に比べて、圧電アクチュエータを実使用した場合に生じる誘電損失を見積もることが可能である。
この方法によって得た誘電損失を表１に記載した。
【００６３】
次に、圧電アクチュエータの変位の過渡特性の測定について説明する。
圧電アクチュエータの応答性と該圧電アクチュエータを駆動源として採用したインジェクタの応答性とには相関がある。
【００６４】
圧電アクチュエータの変位の過渡特性のばらつきが小さくなれば、圧電アクチュエータの伸び速度、すなわち電圧を印加した際の圧電層の伸び速度が略一定となる。圧電アクチュエータの伸び速度が一定であれば、インジェクタにおける燃料噴射のタイミングが早くなったり遅くなったりすることなく一定となるため、噴射量のばらつきを防いで、燃焼状態の制御を更に厳密に行うことができる。
以上の観点から、各試料にかかる圧電磁器からなる圧電アクチュエータの１６０℃の熱履歴前後における過渡特性変化（ばらつき）を、温度２５℃、注入エネルギー８０ｍＪで評価して、表１に記載した。
【００６５】
図５に示すような冶具８に圧電アクチュエータをセットし、予荷重（プリセット荷重）として１０ＭＰａを加える。圧電アクチュエータの制御回路を接続し、５Ｈｚで充放電を繰り返すことで、圧電アクチュエータを伸縮させる。ヘッド８６の上部に図示しない、静電容量式のギャップセンサを配置し、充電時に圧電アクチュエータが変位する過程の挙動（時間に対する変位量の挙動）をデジタルオシロスコープで測定した。
【００６６】
なお、表１において過渡特性が×とは、熱履歴の前後で過渡特性の変化が大きく、燃料噴射用のインジェクタに用いた場合、噴射量がばらつくおそれがあるという状態を示しており、○とは、熱履歴の前後で過渡特性の変化が少しあり、燃料噴射用のインジェクタに用いた場合、噴射量が少しばらつくおそれがあるが、問題となる程でもない状態を示しており、◎とは、熱履歴の前後で過渡特性の変化が殆どなく、燃料噴射用のインジェクタに用いた場合、噴射量がばらつくおそれがないという状態を示している。
【００６７】
ところで表１より明らかであるが、試料１と２は電気容量の変化率が５．５％を大きく越えている。これら２つの試料からなる圧電アクチュエータの変位の過渡特性のばらつきは×と大きかった。また、試料３は電気容量の変化率が５．５％であるため、変位の過渡特性のばらつきは○となり、試料４〜８は電気容量の変化率が４．８％以下で、変位の過渡特性のばららつきは◎と小さかった。
【００６８】
更に、表１より明らかであるが、圧電アクチュエータにおいて電気容量の変化率が小さくなればなるほど誘電損失が大きくなった。
そこで、電気容量の変化率１％以下の試料５〜８について、１２０℃にて８０ｍＪのエネルギーを与えて２００Ｈｚで駆動し、安定後の温度を測定し、表２に記載した。
表２より、誘電損失が最も小さい試料５にかかる圧電アクチュエータの温度が最も低く、耐久性に優れていた。
【００６９】
ここに耐久性とは、圧電アクチュエータが自己発熱により劣化して、変位性能や機械的強度が低下した状態を×、変位性能や機械的強度の低下の兆候が現れた（しかし圧電アクチュエータ使用に問題が生じる程の低下ではない。）状態を○、変位性能や機械的強度の低下がない状態を◎と評価したものである。
誘電損失が８．２％を越えた試料８は、自己発熱により圧電アクチュエータの温度が１５０℃を越え、変位性能や機械的強度の低下や電気容量の変化という問題が生じた。
試料７は誘電損失が８．２％で、変位性能や機械的強度に低下の兆候が現れた。試料５、６は誘電損失が７．８％以下で、変位性能や機械的強度に変化が殆ど生じなかった。
【００７０】
このように、任意の温度：Ｔ１における、１．０ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度下での電気容量をＣ１とし、Ｔ１と１００℃以上の差がある温度Ｔ２の熱履歴を受けた直後のＴ１における、１．０ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度下での電気容量をＣ２とした時、Ｃ１からＣ２への電気容量の変化率が５．５％以下（但し、−４０℃≦Ｔ１＜Ｔ２≦２００℃）である場合、圧電アクチュエータは安定した電気容量を得ることができる。また、４．８％以下とすることで、更に優れた圧電アクチュエータを得ることができる。
【００７１】
電気容量が安定することで変位の過渡特性のばらつきが小さくなり、そのため、電圧を印加した際の圧電層の伸び速度、すなわち圧電アクチュエータの伸び速度が略一定となる。
更に、誘電損失を８．２％以下とすることができれば、圧電アクチュエータの温度上昇を抑制して、自己発熱を防止して、耐久性に優れた圧電アクチュエータを得ることができる。更に、誘電損失を７．８％以下とすることで、更に優れた圧電アクチュエータを得ることができる。
以上、本例によれば、熱履歴を受けても特性が安定した圧電アクチュエータを得ることができる。
【００７２】
【表１】
2004319966.tif 000003
【００７３】
【表２】
2004319966.tif 000004
【００７４】
（実施例３）
本例は実施例１にかかる圧電アクチュエータを駆動源として内蔵したインジェクタについて説明する。
インジェクタ９は、図８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９は、同図に示すごとく、駆動部としての上記圧電アクチュエータ１が収容される上部ハウジング９２と、その下端に固定され、内部に噴射ノズル部９４が形成される下部ハウジング９３を有している。
【００７５】
上部ハウジング９２は略円柱状で、中心軸に対し偏心する縦穴９２１内に、圧電アクチュエータ１が挿通固定されている。縦穴９２１の側方には、高圧燃料通路９２２が平行に設けられ、その上端部は、上部ハウジング９２上側部に突出する燃料導入管９２３内を経て外部のコモンレール（図略）に連通している。
【００７６】
上部ハウジング９２上側部には、また、ドレーン通路９２４に連通する燃料導出管９２５が突設し、燃料導出管９２５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９２４は、縦穴９２１と駆動部（圧電アクチュエータ）１との間の隙間９０を経由し、更に、この隙間９０から上下ハウジング９２、９３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９５１に連通してしる。
【００７７】
噴射ノズル部９４は、ピストンボデー９３１内を上下方向に摺動するノズルニードル９４１と、ノズルニードル９４１によって開閉されて燃料溜まり９４２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９４３を備えている。燃料溜まり９４２は、ノズルニードル９４１の中間部周りに設けられ、上記高圧燃料通路９２２の下端部がここに開口している。ノズルニードル９４１は、燃料溜まり９４２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９４４から閉弁方向の燃料圧を受けており、背圧室９４４の圧力が降下すると、ノズルニードル９４１がリフトして、噴孔９４３が開放され、燃料噴射がなされる。
【００７８】
背圧室９４４の圧力は３方弁９５１によって増減される。３方弁９５１は、背圧室９４４と高圧燃料通路９２２、又はドレーン通路９２４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９２２又はドレーン通路９２４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９５２、油圧室９５３、小径ピストン９５４を介して、駆動される。
【００７９】
このようなインジェクタに実施例２の試料４〜８にかかる圧電磁器からなる圧電層を持った圧電アクチュエータを設けることで、燃料噴射タイミングのばらつきを減らし、燃料の噴射量のばらつきを減らして、燃焼状態制御をより精密に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】実施例１における、圧電アクチュエータを示す説明図。
【図２】実施例１における、圧電層と内部電極層とを示す説明図。
【図３】実施例１における、圧電層と内部電極層とを示す説明図。
【図４】実施例２における、駆動時の圧電アクチュエータの電気容量を測定する測定回路の説明図。
【図５】実施例２における、圧電アクチュエータのＰ−Ｅヒステリシス、及び変位の過渡特性の測定治具の説明図。
【図６】実施例２における、圧電アクチュエータのＰ−Ｅヒステリシス及び面積Ｓ１を示す線図。
【図７】実施例２における、圧電アクチュエータのＰ−Ｅヒステリシス及び面積Ｓ２を示す線図。
【図８】実施例３における、インジェクタの構造を示す説明図。
【図９】電気容量の異なる圧電アクチュエータにおける、変位ｘに達するまでの時間Ｔａ、Ｔｂを示す線図。
【符号の説明】
【００８１】
１  圧電アクチュエータ
１５１  圧電層
１５３、１５４  内部電極層
【図１】
2004319966.tif 000005
【図２】
2004319966.tif 000006
【図３】
2004319966.tif 000007
【図４】
2004319966.tif 000008
【図５】
2004319966.tif 000009
【図６】
2004319966.tif 000010
【図７】
2004319966.tif 000011
【図８】
2004319966.tif 000012
【図９】
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