JP2009231612A - 積層型圧電素子、これを備えた噴射装置及び燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

【課題】長時間の駆動による変位量の低下を抑制でき、駆動素子（圧電アクチュエータ）、センサ素子及び回路素子に用いられる積層型圧電素子を提供する。
【解決手段】積層型圧電素子は、内部電極５、圧電体層３および内部電極５の表面に形成された金属被覆層１１からなる単位積層体を備えている。この単位積層体を複数積層する。金属被覆層１１は結晶が所定の方向に配向している。また、圧電体層３は分極軸方向に結晶が配向している。金属被覆層１１内部に結晶粒界や非晶質部分が多く存在すると、その部分が応力や雰囲気の流体によって侵食されやすくなるが、金属被覆層１１の結晶が所定の方向に配向していることで侵食が抑制される。これにより、金属被覆層１１の耐久性が向上するので、圧電体層３が剥離したり圧電体層３に亀裂が生じるなどの不具合を抑制でき、優れた耐久性を有する積層型圧電素子とすることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、駆動素子（圧電アクチュエータ）、センサ素子及び回路素子に用いられる積層型圧電素子に関するものである。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、振動防止装置などが挙げられる。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、ヨーレートセンサなどが挙げられる。また、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、圧電ブレーカーなどが挙げられる。

従来から、積層型圧電素子は、小型化が進められると同時に大きな圧力下において大きな変位量を確保できることが求められている。そのため、より高い電圧が印加され、しかも長時間連続駆動させる過酷な条件下で使用できることが要求されている。

高電圧及び高圧力の条件で長時間連続駆動させる場合には、内部電極及び圧電体層に大きな応力がかかる。圧電体は分極軸方向に駆動変形する。そのため、特許文献１に開示されているように、圧電体の結晶を分極軸方向に優先的に配向させた構造の素子が提案されている。
特開２０００−３３２３１３号公報

ところで、特許文献１に記載の発明では、基板上に圧電体をキュリー点以上の高温条件で薄膜形成した後、冷却時に基板との熱膨張係数の差から圧電体に生じる応力と、圧電体がキュリー点以下で相変態する現象とを利用して圧電体を分極させている。このような分極方法では、熱膨張係数の差から生じる応力の度合いが圧電体層の場所ごとに異なるため、圧電体層の場所によっては分極方向と異なる方向に結晶が配向する部分や、分極されていない部分が存在しやすい。このように圧電体層が十分に配向されていない場合や十分に分極されていない場合には、長期間の駆動により変位量が低下することがあった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、長時間の駆動による変位量の低下を抑制できる積層型圧電素子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、圧電体層と内部電極が交互に複数積層された積層体を有する積層型圧電素子であって、前記内部電極の表面には、所定の方向に結晶が配向した金属被覆層が形成されていることを特徴とする。

本発明の積層型圧電素子によれば、内部電極の表面に、所定の方向に結晶が配向した金属被覆層が形成されているので、金属被覆層の内部に、応力や外気によって侵食される起点となる部分（例えば結晶粒界に形成された結晶粒界層や非晶質部分）が少ないかあるいは存在しない。これにより、特許文献１に記載の素子と比較して、金属被覆層の耐久性が向上するので、金属被覆層上に形成される圧電体層が剥がれたり、亀裂が生じるのを抑制できる。

本発明の実施形態にかかる積層型圧電素子について図面を参照し詳細に説明する。なお、以下に示す各実施形態は、本発明を例示するものであって、本発明はこれらに限定されるものではない。また、各図において、共通する部分及び部材については同一の符号を付し重複した説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１に示すように、本実施形態にかかる積層型圧電素子１（以下、単に素子１ともいう）は、複数の圧電体３と複数の内部電極５とが交互に積層された積層体７を備えている。積層体７の対向する側面には外部電極９がそれぞれ配置されている。これらの外部電極９は内部電極５が一層おきに電気的に接続されている。また、外部電極９には電力を供給するためのリード線１３がそれぞれ接続されている。

図２に示すように、積層型圧電素子１は、内部電極５、圧電体層３および内部電極５の表面に形成された金属被覆層１１からなる単位積層体を備えている。この単位積層体を複数積層することで図３に示す構造となる。

金属被覆層１１は結晶が所定の方向に配向している。また、圧電体層３は分極軸方向に結晶が配向している。金属被覆層内部に結晶粒界や非晶質部分が多く存在すると、その部分が応力や雰囲気の流体によって侵食されやすくなるが、金属被覆層１１の結晶が所定の方向に配向していることで侵食が抑制される。これにより、金属被覆層１１の耐久性が向上するので、圧電体層が剥離したり圧電体層に亀裂が生じるなどの不具合を抑制できる。

また、金属被覆層１１の結晶が所定の方向に配向しているので、金属被覆層１１の熱伝導特性が単結晶のように優れたものとなる。これにより、積層型圧電素子１の駆動時に圧電体層３が変形して自己発熱する際に生じる熱が内部電極５にすばやく伝達され、圧電体層３の熱が散逸される。その結果、素子１を長時間駆動する場合であっても素子１の温度が過剰に上昇するのを抑制できる。また、素子１が停止と駆動を繰り返しても素子１の温度変化が小さく抑えられる。これにより、内部電極５と圧電体層３との間の熱膨張係数の差があっても、これらの間に生じる応力を低減できるので、耐久性が向上する。

特に、金属被覆層１１の結晶の配向方向と圧電体層３の分極軸方向をほぼ同一の方向にすることで、熱の散逸特性が非常に優れた状態になる。また、素子１に電圧が印加されたときに圧電体層３が変位する方向が金属被覆層１１の配向方向とほぼ一致することになる。金属被覆層１１は、配向方向からの外力に対しては変形しにくい、すなわち圧電体層３の変位により加わる力に対して変形しにくいので、各圧電体層３の変位を効率よく素子全体の変位につなげることができる。これにより、素子の変位量が大きくなる。

また、後述するように、金属被覆層１１の結晶が所定の方向に配向していることで、その表面に形成する圧電体層３の結晶も所定の方向に配向させることができる。すなわち、
金属被覆層１１が所定の方向に結晶が配向していることで、金属被覆層１１に接するように圧電体３を形成すると、圧電体３を配向成長、さらにはエピタキシャル成長させることができる。

すなわち、特許文献１に記載のように、膜の成長時には金属被覆層１１の結晶方向がランダムであり、冷却時に基板との熱膨張係数の差から圧電体に生じる応力と、圧電体がキュリー点以下で相変態する現象とを利用して圧電体を分極させるのではなく、本実施形態にかかる発明では、金属被覆層１１上に圧電体層３を成長させるときから圧電体を分極軸方向に結晶成長させることができる。これにより、圧電体層３に生じる残留応力を非常に小さくすることができる。そのため、
素子駆動時に圧電体３の結晶粒子に分極軸以外の方向から加わる応力を小さくすることができるので、素子の駆動前後で圧電体層３の配向度が変化するのを抑制でき、分極の度合いが劣化しにくい。これにより、素子の変位量の低下を抑制できる。

特に、金属被覆層１１の結晶格子間距離と圧電体層３の結晶格子間距離の差を百分率で示したミスフィットが１０％以下であると、圧電体層３がエピタキシャル成長しやすくなる。その結果、優れた駆動性能を示すとともに、圧電体粒子の位相が高度に揃った変位が可能となるので、自己発熱が抑制される。これにより、駆動中の素子温度の上昇が抑制されるので、駆動−停止を繰り返した場合であっても素子温度の変化を抑制できる。その結果、圧電体層３と内部電極５との熱膨張係数差に起因する応力が低減されるので、素子１の変位量の変動を抑制できる。

金属被覆層１１としては、例えば白金、ニッケル、金などの金属、これらの少なくとも一種を含む合金などを用いることができる。例えば白金は腐食に強い材料であるので、内部電極５を保護する効果が高く、また、内部電極５中の元素と圧電体層３中の元素が相互に拡散するのを抑制できる。これにより、欠陥原子の移動による圧電体層３の劣化を抑制できる。

また、白金は最密充填面である（１１１）面が配列する＜１１１＞軸方向に配向することで緻密に原子が充填される。金属被覆層１１が＜１１１＞軸方向に配向した白金からなることで、積層型圧電素子１が駆動により自己発熱しても、金属被覆層１１を介して素子の外部に熱を散逸させる効果を高めることができる。

金属被覆層１１と内部電極５との間には、チタンを主成分とする中間層１２が形成されていることが好ましい。これにより、活性金属であるチタンが内部電極５と金属被覆層１１に拡散してアンカー効果が生じるので、内部電極５と金属被覆層１１とが強固に接合される。その結果、金属被覆層１１が内部電極５から剥がれるのを抑制できるので、圧電体層３が内部電極５から剥がれたり、亀裂が生じるのを抑制できる。

また、チタンを主成分とする中間層１２を最密充填面である（００１）面が配列する＜００１＞軸方向に配向させることが好ましい。これにより、原子が緻密に充填されるので、より強固なアンカー効果を実現できる。

チタンの（００１）面は白金の最密充填面である（１１１）面とのミスフィットが１０％以下であることから、白金が＜１１１＞軸方向に配向しやすくなる。
白金が＜１１１＞軸方向に配向することで、圧電体層３も強固な密着性を保持したままで、配向成長、あるいはエピタキシャル成長させることができる。これにより、圧電体層３の結晶を分極軸方向に成長させることができる。

内部電極５はステンレス鋼、鉄−ニッケル合金などにより構成されているのが好ましい。例えばステンレス鋼は、耐食性が高いので、素子の耐久性を向上させることができるだけでなく、素子を制御する回路にフェライトや、コイル等の磁界がある近くでも素子を駆動させることができる。

（製造方法）
次に、本実施形態にかかる積層型圧電素子１の製造方法について説明する。まず、内部電極５となる金属板を準備する。具体的には、ステンレス鋼、Ｎｉ−Ｆｅを主成分とする合金（例えばコバール（登録商標））などの金属板を準備する。内部電極の電気抵抗を小さくしたい場合は、銀−パラジウム等の金属板を用いればよい。この金属板からなる内部電極５の表面にスパッタ、蒸着等の方法で金属被覆層１１を形成する。

結晶配列がランダムな内部電極５を加熱しながら金属被覆層を薄膜形成するだけでは、特定の方向のみに配向させることは困難である。結晶配列がランダムな内部電極５の表面に所定の方向に金属被覆層１１を配向させるには、次の第１の薄膜作製工程を経ることが好ましく、これに加えてさらに第２の薄膜作製工程を経ることがより好ましい。

第１の薄膜作製工程は、内部電極５を１×１０^−３Ｐａよりも高真空中で加熱することが好ましい。加熱温度は、絶対温度で内部電極５の融点をＭ（Ｋ）としたとき、０．５Ｍ（Ｋ）以上の温度に加熱することが好ましい。０．５Ｍ（Ｋ）以上の温度に加熱することで、内部電極５の表面の金属原子の結合状態が不安定な状態になる。その結果、高真空中の加熱状態では、表面に吸着したガスが放出され、また、酸素原子や水分子も解離して、金属の再配列が開始される。これにより、内部電極５が最密充填状態になる。加熱時間は３０分以上にするのが好ましい。

ついで、内部電極５の表面に白金、チタンなどの金属を薄膜形成する。白金またはチタンが最密充填する面方位で配列を開始させ、配向成長させる。この薄膜形成時の温度は、上記した内部電極５の加熱温度よりも１０Ｋ〜５０Ｋ下げて行うのがよい。この薄膜形成方法としては、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気でスパッタ法もしくは真空雰囲気で蒸着法により形成する方法が挙げられる。また、薄膜形成方法として、アルゴンなどの不活性ガスを用いたイオンビームを薄膜成長面に照射しながら不活性ガス雰囲気でスパッタ法により形成する方法を用いてもよい。この方法によれば、再配列した金属と白金またはチタンとの拡散を抑制しつつ、薄膜成長面での原子移動が活発化して、緻密な配向薄膜が形成できる。

１０Ｋ〜５０Ｋの温度降下させずに薄膜形成を行うと、活性化した金属同士が相互拡散して、特定の方位へ薄膜を成長させることが困難になり、優先的に配向させたい面方向以外のいくつかの面方位に結晶が成長する。また、上記のスパッタ法などにおいてプラズマを発生させるためにガスを導入する場合、アルゴン等の不活性ガスのみを導入し、酸素等を混合させないのが好ましい。金属粒子と反応するガスが導入されると内部電極５の表面の金属原子の結合状態は不安定な状態になるため、金属原子と例えば酸素などが結合を開始して、最密充填面の配列ができにくくなる。特に酸素が導入されると最密充填面の配列ができにくくなるだけでなく、薄膜成長時の成長をブロックすることとなり、表面平滑性も低下する。

上記した第１の薄膜作製工程において内部電極５の表面にチタン薄膜（中間層）を形成した場合には、その表面にさらに白金薄膜を形成するのが好ましい（第２の薄膜作製工程）。これにより、内部電極５に対する金属被覆層１１の密着強度を高め、金属被覆層１１の表面をより平滑にすることができる。

この第２の薄膜作製工程では、処理温度を第１の薄膜作製工程の処理温度よりも高く設定するのがよい。これにより、金属被覆層１１の配向の度合いがより向上する。また、第１の薄膜作製工程で中間層を形成しているので、内部電極５の金属原子が金属被覆層１１側に拡散するのを抑制できる。

金属被覆膜１１は、内部電極５の片面のみに形成してもよく、両面に形成してもよい。

次に、金属被覆膜１１の表面に圧電体層を形成する。圧電体層は、例えばスパッタ法、ゾルゲル法等の薄膜形成法を用いて形成できる。このとき、金属被覆膜１１が所定の方位に配向しているので、圧電体も高度に配向して膜が成長する。このようにして金属被覆層１１および圧電体層３が形成された内部電極５を複数積層することで積層体７が得られる。なお、積層体７の製法は、上記方法に限定されるものではない。

積層体７の側面には外部電極９を形成する。この外部電極９は、スパッタで金属膜を形成したり、ガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス導電性ペーストを作製し、これを印刷し乾燥接着または焼き付けることによって得られる。

次に、積層体７の表面を樹脂でコーティングする。すなわち、外部電極９が形成された積層体７を、シリコーン樹脂などの樹脂を含む樹脂溶液に浸漬する。このとき、積層体７の側面とコーティング樹脂との間に空気等が入り込まないように、雰囲気を真空脱気することが好ましい。その後、シリコーン樹脂溶液から積層体７を引き上げる。これにより、積層体７の側面にシリコーン樹脂（不図示）がコーティングされる。

次に、外部電極９に通電用のリード線１３を導電性接着材等で接続する。リード線１３を介して一対の外部電極９に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、積層体７を分極することによって本実施形態の積層型圧電素子１が得られる。リード線を外部の電圧供給部（不図示）に接続し、リード線及び外部電極９を介して圧電体３に電圧を印加することにより、各圧電体３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。

（第２の実施形態）
図４に示すように、第２の実施形態にかかる積層型圧電素子は、内部電極５の両面に金属被覆層１１が形成されている。このような構成であることにより、内部電極５と金属被覆層１１との間で生じる熱膨張差に起因する応力をさらに緩和できる。また、内部電極５の両面を保護できるので、耐久性がより向上する。

（第３の実施形態）
図６に示す第３の実施形態にかかる積層型圧電素子は、図５に示す単位積層体と、内部電極５とを交互に積層して得られるものである。このような構成であることにより、量産性に優れコストダウンを図ることができ、かつ、金属被覆層１１および圧電体層３が所定の方向に配向した素子を得ることができる。また、内部電極５の両面に金属被覆層１１を形成することにより、上記した通り、熱膨張差に起因する応力をさらに緩和できる。

（第４の実施形態）
図７に示すように、第４の実施形態にかかる積層型圧電素子は、図２に示す単位積層体が接着材１７を介して複数積層されたものである。接着材１７は、圧電体層３と金属被覆層１１とを接合している。このような構成とすることで、素子の駆動により生じる応力を接着剤７が緩和することができる。また、圧電体層３は、熱膨張時には配向方向への伸びが大きいので、接着剤１７が圧電体層３に隣接していることで、熱膨張に起因する応力を接着剤１７が緩和することができる。

（第５の実施形態）
図８に示すように、第５の実施形態にかかる積層型圧電素子は、図２に示す単位積層体の内部電極５の両面に金属被覆層１１を形成したものを、接着材１７を介して複数積層して得られる。このような構成とすることで、素子の駆動中に生じた応力を金属被覆層１１と接着材１７の二つの層で緩和することができる。

（第６の実施形態）
図９に示すように、第６の実施形態にかかる積層型圧電素子は、図５に示す単位積層体と、内部電極５とを接着材１７にてそれぞれ接合して得られる。このような構成とすることで、圧電体層３が分極軸方向に配向させるとともに、駆動時に生じる応力の大半を接着材１７にて緩和させることができる。

（第７の実施形態）
図１０に示すように、第７の実施形態にかかる積層型圧電素子は、図５に示す単位積層体を複数積層して得られる。この素子は、積層方向に隣り合う２つの内部電極５，５間に２つの圧電体層３，３が配置された
二層構造を有している。このような構成を有していることで、駆動時に圧電体層３に応力がかかって圧電体に亀裂が生じた場合であってもその亀裂が二層構造の圧電体層間に沿って伝播する。これにより、隣り合う２つの内部電極５，５間を貫くような亀裂が生じるのを抑制できる。

（第８の実施形態）
図１１に示すように、第８の実施形態にかかる積層型圧電素子は、図５に示す単位積層体を接着材１７を介して複数積層して得られる。単位積層体を単に積層させるだけでなく接着材１７を介在させることで、素子の駆動前後で圧電体の配向度が変化するのを抑制でき、分極の度合いが劣化するのを抑制できる。これにより、変位量の変動が少ない耐久性の高い積層型圧電素子を形成することができる。また、接着材１７により駆動時に生じる応力を緩和できる。

接着材としては、特に限定されるものではないが、例えば樹脂からなる接着材を用いるのが応力緩和効果を高める点で好ましい。さらに、接着材中にセラミック粉末を含有させることで、熱伝導性と強度にも優れた接着材となる。また、接着材に応力が集中した場合に、セラミック粉末部分が骨格となり、接着材が剥がれることを抑制できる。

（噴射装置）
次に、本発明の一実施形態にかかる流体の噴射装置について説明する。図１２は、本発明の一実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。

図１２に示すように、本実施形態の噴射装置２１は、一端に噴射孔２３を有する収納容器２５の内部に上記の実施形態に代表される積層型圧電素子１が収納されている。

収納容器２５内には、噴射孔２３を開閉することができるニードルバルブ２７が配設されている。噴射孔２３には流体通路２９がニードルバルブ２７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２９は外部の流体供給源に連結され、流体通路２９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２７が噴射孔２３を開放すると、流体通路２９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（不図示）に、噴出されるように構成されている。

また、ニードルバルブ２７の上端部は内径が大きくなっており、収納容器２５に形成されたシリンダ３１と摺動可能なピストン３３が配置されている。そして、収納容器２５内には、上記した積層型圧電素子１が収納されている。

このような噴射装置２１では、圧電アクチュエータが電圧を印加されて伸長すると、ピストン３３が押圧され、ニードルバルブ２７が噴射孔２３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圧電アクチュエータが収縮し、皿バネ３５がピストン３３を押し返し、噴射孔２３が流体通路２９と連通して流体の噴射が行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２９を開放し、電圧の印加を停止することによって流体通路２９を閉鎖するように構成しても良い。

また、本発明の噴射装置２１は、噴射孔２３を有する容器と、上記の積層型圧電素子１とを備え、容器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２３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の内部に圧力が加わるように構成されていればよい。なお、本発明において、流体とは、燃料、インクなどの他、種々の液状流体（導電性ペースト等）および気体が含まれる。噴射装置２１を用いる事によって、流体の流量および噴出タイミングを制御することができる。

本発明の積層型圧電素子１を採用した噴射装置２１を内燃機関に用いれば、従来の噴射装置２１に比べてエンジン等の内燃機関の燃料室に燃料をより長い期間精度よく噴射させることができる。

（燃料噴射システム）
次に、本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システムについて説明する。図１５は、本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システムを示す概略図である。

図１５に示すように、本実施形態の流体噴射システム４１は、高圧流体を蓄えるコモンレール４３と、このコモンレール４３に蓄えられた流体を噴射する複数の上記の噴射装置２１と、コモンレール４３に高圧の流体を供給する圧力ポンプ４５と、噴射装置２１に駆動信号を与える噴射制御ユニット４７と、を備えている。

噴射制御ユニット４７は、外部情報または外部からの信号に基づいて流体噴射の量やタイミングを制御する。例えば、エンジンの燃料噴射に噴射制御ユニットを用いた場合、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やタイミングを制御することができる。圧力ポンプ４５は、流体タンク４９から流体燃料を高圧でコモンレール４３に送り込む役割を果たす。例えばエンジンの燃料噴射システムの場合には１０００〜２０００気圧程度、好ましくは１５００〜１７００気圧程度にしてコモンレール４３に流体を送り込む。

コモンレール４３では、圧力ポンプ４５から送られてきた燃料を蓄え、適宜噴射装置２１に送り込む。噴射装置２１は、上述したように噴射孔２３から一定の流体を噴射装置２１から外部または隣接する容器に噴射する。例えば、エンジンの場合には燃料を燃焼室内に霧状に噴射する。

なお、本発明は、上記の実施形態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うことは何ら差し支えない。また、本発明は、積層型圧電素子、噴射装置及び燃料噴射システムに関するものであるが、上記の実施形態に限定されるものでなく、圧電特性を利用した素子であれば適用可能である。

積層型圧電素子を以下のようにして作製した。
まず、内部電極として０．０５ｍｍ厚のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなる金属板とＫＯＶＡＲ（登録商標）からなる金属板を準備した。スパッタ装置の真空度を１×１０^−４Ｐａとして、装置内に金属板を配置し７００℃で３０分間加熱した。

次に、表１に示す条件で金属板の表面にスパッタ法により白金またはチタンの薄膜を０.１μｍ形成した。その後、試料Ｎｏ．７については、チタン薄膜の表面にさらに白金の薄膜を０．１μｍ形成した。スパッタ時の雰囲気中は、Ａｒ５０％、酸素５０％の混合ガスまたはＡｒガス１００％とした。

得られた金属薄膜をＸＲＤで評価した結果、白金薄膜は（１１１）面、チタン薄膜は（００１）面のピークのみが確認でき、他の方位のピークはほとんど見られない配向膜が得られた。
特に白金薄膜は（１１１）面のピークがＫα１とＫα２のスプリットであることも確認でき、極めて配向方向の揃った配向膜であることが確認できた。

上記のようにして得られた金属薄膜の表面に、Ａｒ５０％、酸素５０％の混合ガスを用いてスパッタ法によって圧電体層を形成した。この圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒ_０．９Ｔｉ_０．１Ｏ_３）またはＺｎＯからなり厚み２μｍとした。
ターゲットはセラミックターゲットを用い、金属薄膜を形成したステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）板とＫＯＶＡＲ板（登録商標）を６００℃に加熱しながら圧電体層を形成した。

得られた圧電体層をＸＲＤで評価した結果、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒ_０．９Ｔｉ_０．１Ｏ_３）は菱面対称形の結晶構造を有して（１１１）面のみのピークが確認できた。ＺｎＯは（０００１）面のみピークが確認できた。分極軸方位以外の他の方位のピークは全く見られなかったことから、それぞれ分極軸方向の配向膜が得られたことがわかった。
ＺｎＯは（０００１）面のピークはＫα１とＫα２のスプリットも確認できたので、極めて配向方向の揃った配向膜であることが確認できた。

試料番号１においては、白金のＸＲＤピークは（１１１）面以外に（００１）ピークが確認できた。圧電体層は同一条件で作製したにもかかわらず、ＸＲＤで評価した結果、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒ_０．９Ｔｉ_０．１Ｏ_３）は（１１１）面のほかに、（１１０）面、（１０１）面、（１００）面、（００１）面などのピークが確認できた。

次に、エポキシ接着材を介して、圧電体層を形成した金属板を２０枚積層して積層体を得た。ついで、この積層体の側面に、銀と樹脂からなる導電性ペーストを印刷して外部電極を形成した。この外部電極にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極にリード線を介して３ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分間印加して分極処理を行った。このようにして積層型圧電素子を作製した。

得られた各試料を用いて駆動評価を行った。駆動評価としては、高速応答性評価と耐久性評価を行った。得られた素子に１０Ｖの直流電圧を印加して初期状態の変位量を測定した。
高速応答性評価としては、各々の素子に室温で０〜＋１０Ｖの交流電圧を１５０Ｈｚから徐々に周波数を増加させて印加した。耐久性評価としては、各々の素子に室温で０〜＋１５０Ｖの交流電圧を１５０Ｈｚの周波数で印加して、１×１０^９回まで連続駆動した試験を行った。

表１に示すように、耐久性評価の結果として、試料番号１では、評価試験後の変位量は評価試験前と比較して約９０％低下していた。また、試料番号１の素子では、素子の側面において、金属被覆層とともに圧電体層にも剥がれが見られ、デラミネーションが生じていた。

一方、試料番号２〜７の素子では、剥がれは確認されなかった。また、評価試験後の変位量の低下が、評価試験前と比較して変位量の低下は１０％以下に抑えられていた。特に、試料番号７の素子では、変位量の低下が確認されず、非常に高い耐久性を有していることが分かった。
さらに、耐久性評価の後、積層型圧電素子をＸＲＤ評価したが、金属被覆層も圧電体層も結晶性の変化が無く、配向を示すピークが確認できた。

本発明の第１の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す断面図である。 第１の実施形態にかかる積層型圧電素子における内部電極、圧電体層および金属被覆層を備えた単位積層体を示す断面図である。 図２に示す単位積層体を複数積層した状態を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる積層型圧電素子の一部を拡大した拡大断面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる積層型圧電素子における内部電極、圧電体層および金属被覆層を備えた単位積層体を示す断面図である。 図５に示す単位積層体を複数積層した状態を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態にかかる積層型圧電素子の一部を拡大した拡大断面図である。 本発明の第５の実施形態にかかる積層型圧電素子の一部を拡大した拡大断面図である。 本発明の第６の実施形態にかかる積層型圧電素子の一部を拡大した拡大断面図である。 本発明の第７の実施形態にかかる積層型圧電素子の一部を拡大した拡大断面図である。 本発明の第８の実施形態にかかる積層型圧電素子の一部を拡大した拡大断面図である。 本発明の一実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。 本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システムを示す概略図である。

符号の説明

１・・・積層型圧電素子
３・・・圧電体
５・・・内部電極
７・・・積層体
９・・・外部電極
１１・・・金属被覆層
１３・・・リード線
１５・・・金属層
１７・・・接着材
２１・・・噴射装置
２３・・・噴射孔
２５・・・収納容器
２７・・・ニードルバルブ
２９・・・流体通路
３１・・・シリンダ
３３・・・ピストン
３５・・・皿バネ
４１・・・燃料噴射システム
４３・・・コモンレール
４５・・・圧力ポンプ
４７・・・噴射制御ユニット
４９・・・燃料タンク

Claims (12)

1. 圧電体層と内部電極が交互に複数積層された積層体を有する積層型圧電素子であって、
   前記内部電極の表面には、所定の方向に結晶が配向した金属被覆層が形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記圧電体層は分極軸方向に結晶が配向している請求項１に記載の積層型圧電素子。
3. 前記金属被覆層が白金または白金を含む合金からなる請求項１または２に記載の積層型圧電素子。
4. 前記金属被覆層と前記内部電極との間にチタンまたはチタンを含む合金からなる中間層が形成されている請求項３に記載の積層型圧電素子。
5. 前記内部電極がステンレス鋼により構成されている請求項４に記載の積層型圧電素子。
6. 前記内部電極の両面に前記金属被覆層が形成されている請求項１〜５のいずれかに記載の積層型圧電素子。
7. 前記内部電極が接着材を介して前記圧電体層と接合されている請求項１〜６のいずれかに記載の積層型圧電素子。
8. 積層方向に隣り合う２つの前記内部電極間に２つの前記圧電体層が配置されている請求項１〜７のいずれかに記載の積層型圧電素子。
9. 前記接着材が樹脂を主成分とする請求項１〜８のいずれかに記載の積層型圧電素子。
10. 前記接着材はセラミック粉末を含有している請求項９に記載の積層型圧電素子。
11. 噴出孔を有する容器と、請求項１〜１０のいずれかに記載の積層型圧電素子と、を備え、前記容器内に充填された液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ように構成されていることを特徴とする噴射装置。
12. 高圧燃料を蓄えるコモンレールと、このコモンレールに蓄えられた燃料を噴射する請求項１１に記載の噴射装置と、前記コモンレールに高圧の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。

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