JP2018206800A

JP2018206800A - 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: JP2018206800A
Application number: JP2017106704A
Authority: JP
Inventors: 新作里井; Shinsaku Satoi
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2018-12-27
Anticipated expiration: 2037-05-30
Also published as: JP6913515B2

Abstract

【課題】予定破断層のクラックの進展速度を遅くするようにした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。【解決手段】本開示の積層型圧電素子１０は、圧電体層１および内部電極層２が交互に積層されるとともに、少なくとも一部の隣り合う圧電体層１間に予定破断層４を有する積層体３と、内部電極層２と電気的に接続され、積層体３の側面に設けられた外部電極５とを備え、予定破断層４を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層１１は、ヤング率が他の圧電体層１２とは異なっている。【選択図】図１

Description

本開示は、圧電駆動素子（圧電アクチュエータ），圧力センサ素子，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るとともに、少なくとも一部の隣り合う圧電体層間に予定破断層を有する積層体と、内部電極層と電気的に接続され、積層体の側面に設けられた外部電極とを備えたものが知られている（特許文献１を参照）。ここで、予定破断層とは、周囲の層よりも容易に破断しやすくなっている層である。このような積層型圧電素子は、予定破断層でクラックを発生させることで他の部位にかかる応力およびクラックを低減し、性能を長期間にわたって維持することを目的としている。

特表２００６−５１８９３４号公報

近年、更なる高変位、高周波数での駆動の要求があり、そのような駆動においても長期間安定的に使用できる積層型圧電素子が求められている。

しかしながら、上記のような駆動においては、全ての活性領域の圧電体層のヤング率を同じくして形成した場合、予定破断層にクラックが進展する際に、当該クラックの進展速度が速く一気に進展するので、外部電極が切れてノイズを発生させるおそれがあった。また、このノイズの発生により、積層型圧電素子の変位量が瞬間的に大きくなってしまうおそれもあった。

本開示は上記事情に鑑みてなされたもので、予定破断層のクラックの進展速度を遅くするようにした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。

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るとともに、少なくとも一部の隣り合う圧電体層間に予定破断層を有する積層体と、前記内部電極層と電気的に接続され、前記積層体の側面に設けられた外部電極とを備え、前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、ヤング率が他の圧電体層とは異なっていることを特徴とする。

また本開示の噴射装置は、噴射孔を有する容器と、上記構成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ことを特徴とする。

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構成の噴射装置と、前記コモンレールに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ることを特徴とする。

本開示の積層型圧電素子によれば、予定破断層を一気にクラックが進展することができずに少しずつ進展するので、外部電極も切れにくくなり、ノイズも発生しにくくなる。

また本開示の噴射装置および燃料噴射システムによれば、ノイズの発生しにくい積層型圧電素子を備えていることから、精度よく安定した駆動を実現することができる。

積層型圧電素子の実施形態の一例を示す概略斜視図である。図１に示す積層体の一例の概略断面図である。図１に示す積層体の他の例の概略断面図である。図１に示す積層体の他の例の概略断面図である。噴射装置の一例を示す概略断面図である。燃料噴射システムの一例を示す概略図である。

以下、積層型圧電素子の実施形態の一例について図面を参照して説明する。

図１は積層型圧電素子の実施形態の一例を示す概略斜視図、図２は図１に示す積層体の一例の概略断面図である。

図１および図２に示す積層型圧電素子１０は、圧電体層１および内部電極層２が交互に積層されるとともに、少なくとも一部の隣り合う圧電体層１間に予定破断層４を有する積層体３と、内部電極層２と電気的に接続され、積層体３の側面に設けられた外部電極５とを備えている。

積層体３は、内部電極層２（第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２）が圧電体層１を介して交互に積層されたものである。この積層体３は、積層方向から見て第１の内部電極層２１と第２の内部電極層２２とが重なる活性領域と、積層方向から見て第１の内部電極層２１と第２の内部電極層２２とが重ならない不活性領域とを有している。ここで、活性領域は駆動時に積層方向に伸長または収縮する部位である。また、不活性領域は駆動時に積層方向に伸長または収縮しないかまたはしにくい部位である。

積層体３は、内部電極層２（第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２）が圧電体層１を介して交互に積層された部分を有しているとともに、この部分の積層方向両端部に圧電体層１のみが積層された部分を有している。この積層方向両端部に位置する圧電体層１のみが積層された部分も、駆動時に積層方向に伸長または収縮しないかまたはしにくい不活性領域である。

積層体３は、例えば縦０．５〜１０ｍｍ、横０．５〜１０ｍｍ、高さ１〜１００ｍｍの四角柱状（直方体状）にされている。積層体３の形状としては、六角柱形状や八角柱形状、円柱状などであってもよい。

圧電体層１は、圧電特性を有するセラミックスからなるものである。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１の厚みは、例えば３〜２５０μｍとされる。

内部電極層２は、圧電体層１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ある。内部電極層２は、第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２からなり、圧電体層１と交互に積層されて圧電体層１を上下から挟んでいる。例えば第１の内部電極層２１を正極、第２の内部電極層２２を負極またはグランド極として交互に配置されることにより、それらの間に挟まれた圧電体層１に駆動電圧が印加される。このような材料として、例えば低温焼成が可能な銀−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。第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２の厚みは、例えば０．１〜５μｍとされる。

図に示す例では、第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２がそれぞれ積層体３の対向する一対の側面に互い違いに引き出されて、積層体３の側面に設けられた後述の一対の外部電極５と電気的に接続されている。なお、積層体３の対向する他の一対の側面に第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２の両方の端面が露出していてもよく、第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２の両方の端面が露出せずに側面から離れて内側に位置してもよい。

また、積層体３は、少なくとも一部の隣り合う圧電体層１（１１）間に予定破断層４を有している。ここで、予定破断層４とは、積層型圧電素子１０の駆動によって積層体３に生じる応力を緩和するための層である。この予定破断層４としては、例えば内部電極層として機能しない多孔質な金属層、あらかじめ亀裂の入った金属層などが挙げられる。

また、上述したように、第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２のいずれか一方の端面が達する一対の側面には、それぞれ外部電極５が設けられ、引き出された第１の内部電極層２１または第２の内部電極層２２と電気的に接続されている。この外部電極５は、例えばＡｇやＣｕなどの金属を含んだ導電性ペーストを焼き付けて作製することができる。ここで、外部電極５を積層体３の側面に垂直な横断面で見たときに、外部電極５の厚みは例えば５〜７０μｍとされる。また、図示しないが、外部電極５の端部にリード部材が接合され、リード部材を介して外部回路との電気的な接続がなされる。

なお、第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２の両方の端面が露出または両方の端面が露出していない側面には、必要により被覆材が設けられていてもよい。被覆材は、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ナイロン樹脂などからなり、単層のみならず、複数層で構成されていてもよい。この被覆材はマイグレーションや放電を抑制する効果を奏する。

そして、予定破断層４を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層１（１１）は、ヤング率が他の圧電体層１（１２）とは異なっている。

これにより、予定破断層４を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層１１のヤング率を他の圧電体層１２のヤング率と異ならせているので、当該予定破断層４に隣接する圧電体層１１が変形しにくく、予定破断層４に瞬間的に大きな力が集中するのを抑制することができる。したがって、予定破断層４を一気にクラックが進展することができずに少しずつ進展するので、外部電極５が切れにくくなり、ノイズも発生しにくくなる。なお、圧電体層１のヤング率は、積層体３を切断して断面研磨し、測定しようとする圧電体層１を露出させたうえで、ナノインデンテーション試験を用いて測定することができる。

予定破断層４を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層１（１１）はヤング率が他の圧電体層１（１２）とは異なっている構成とするために、予定破断層４を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層１１は、内部電極層２または予定破断層４に含まれる金属成分と同じ金属成分を除いた圧電体成分の組成が他の圧電体層１２を構成する圧電体成分の組
成とは異なっていてもよい。

予定破断層４を挟んで配置された二つの圧電体層１１の上下に同じ極となる内部電極層２が配置されて両圧電体層１１に電界が印加されないような場合、電界がかかる活性領域の圧電体層１２の変形に追従して圧電体層１１も変形するが、ひとかたまりの圧電体のように変形できず、予定破断層４に瞬間的に大きな力が集中しにくい。したがって、予定破断層４を一気にクラックが進展することができずに少しずつ進展し、ノイズが発生しにくくなる。

一方、予定破断層４を挟んで配置された二つの圧電体層１１の上下に異なる極となる内部電極層２が配置されて両圧電体層１１に電界が印加されるような場合であっても、圧電体成分の組成が異なる圧電体層１１は他の圧電体層１２と同じような変位量であっても、変位速度（敏感さ）が異なるので、予定破断層４に瞬間的に大きな力が集中しにくい。したがって、予定破断層４を一気にクラックが進展することができずに少しずつ進展し、ノイズが発生しにくくなる。

ここで、積層型圧電素子１０の製造過程において、圧電体層１１を形成するグリーンシートに鉄、マンガン、クロム、コバルトなどのアクセプターを添加し、他の圧電体層１２を形成するグリーンシートには当該アクセプターを添加しないようにすることができる。このようにすることで、酸素空孔を生成し、プラスの電荷が結晶格子内に生成され、これがＢサイトのＺｒ^４＋あるいはＴｉ^４＋のプラスと反発することで、結晶格子の動きが制限されるピニング効果が得られる。その効果を利用し、予定破断層４に隣接する圧電体層１１をこれ以外の圧電体層１２よりもヤング率の高い層とすることができる。このとき、圧電体層１１と圧電体層１２とは、圧電体成分の組成が異なる構成となる。

また、積層型圧電素子１０の製造過程において、圧電体層１１を形成するグリーンシートにニオブ、タングステンなどのドナーを添加し、他の圧電体層１２を形成するグリーンシートには当該ドナーを添加しないようにすることができる。このようにすることで、酸素空孔の生成を抑制し、ヤング率の上昇を抑制することができる。これにより、予定破断層４に隣接する圧電体層１１をこれ以外の圧電体層１２よりもヤング率の低い層とすることができる。このとき、圧電体層１１と圧電体層１２とは、圧電体成分の組成が異なる構成となる。

圧電体層１１と圧電体層１２とで圧電体成分の組成が異なることは、それぞれの層を断面研磨したうえで、エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）または波長分散型Ｘ線分析装置（ＷＤＳ）を用いて測定することにより、判別できる。

なお、予定破断層４に隣接する圧電体層１１以外の圧電体層１２のヤング率が例えば４０〜６０Ｇｐａであった場合において、圧電体層１２と予定破断層４に隣接する圧電体層１１との差は例えば１０〜４０Ｇｐａとされる。

ここで、予定破断層４を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層１１は、他の圧電体層１２よりもヤング率が大きくても小さくてもよいが、圧電体層１１のヤング率が大きいほうが変形しにくい点で、クラックの進展を抑制する効果が大きくなる。

また、予定破断層４を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層１１は、平均粒子径が他の圧電体層１２の平均粒子径よりも小さくてもよい。圧電体層１１を構成する圧電体粒子の平均粒子径が小さいと、粒子が密に配置され粒子間の隙間が少なくなることとなり、変形しにくくなる。他の圧電体層１２の平均粒子径が例えば１〜５μｍである場合において、圧電体層１１の平均粒子径は圧電体層１２の平均粒子径の７５〜９５％の大きさとす
ることができる。なお。この平均粒子径は、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、任意の線分間に含まれる粒子の数と粒子に含まれる線分の長さを測定し、この長さの合計距離を粒子数で割ることによって求めることができる。

また、図３に示すように、予定破断層４を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層１１は、厚みが他の圧電体層１２よりも厚くてもよい。圧電体層１１の厚みが増すと剛性が高くなって変形しにくくなるとともに、圧電体層１２の変形の力が予定破断層４に伝わりにくくなる。予定破断層４を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層１１の厚みは、他の圧電体層１２の厚みの例えば１０５％〜２５０％の厚みに設定される。

また、図４に示すように、予定破断層４を介して互いに隣り合う圧電体層１１は、厚みが異なっていてもよい。予定破断層４を介して互いに隣り合う上下の圧電体層１１の厚みの違いにより、予定破断層４に対して力が不均一にかかるとともに、これらの圧電体層１１の変形の度合いが違うことで、クラックの進展速度をより遅くすることができる。なり、一気にクラックが進展することがなくなる。予定破断層４を介して互いに隣り合う上下の圧電体層１１のうちの一方の厚みに対し、他方の厚みは例えば１０５〜２００％の厚みに設定される。

次に、本実施形態の積層型圧電素子の製造方法について説明する。

まず、圧電体層１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。

ここで、予定破断層４の上下に隣接する圧電体層１１となるセラミックグリーンシートは、鉄、マンガン、クロム、コバルトなどのアクセプターまたはニオブ、タングステンなどのドナーを添加したものとし、それ以外の圧電体層１２となるセラミックグリーンシートはアクセプターおよびドナーの添加されていないものとすることができる。アクセプターである鉄、マンガン、クロム、コバルトなどを添加することで、予定破断層４の上下の圧電体層１１層以外の圧電体層１２よりヤング率の高い層を意図的に作製することができる。一方、ドナーであるニオブ、タングステンなどを添加することで、予定破断層４の上下の圧電体層１１層以外の圧電体層１２よりヤング率の低い層を意図的に作製することができる。

次に、内部電極層２となる導電性ペーストを作製する。具体的には、例えば銀−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、例えばスクリーン印刷法を用いて内部電極層２のパターンで塗布する。

また、予定破断層４用の金属ペーストを作製する。この金属ペーストは、例えば銀を主成分とする金属粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合したものでもよく、内部電極２用の導体ペーストよりも銀の比率を高めた銀パラジウムからなる金属粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合したものでもよい。この金属ペーストを上記のセラミックグリーンシート状に、例えばスクリーン印刷法を用いて予定破断層４のパターンで塗布する。

さらに、これらの導電性ペースト、金属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作製する。

なお、圧電体層１１と圧電体層１２とは、圧電体成分の組成が異なる構成とするには、上記のアクセプターまたはドナーの添加によってもよいが、ジルコン、チタン比の異なる２つのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の粉末を用いて、セラミックグリーンシートを作製してもよい。

また、圧電体層１１の平均粒子径が他の圧電体層１２の平均粒子径よりも小さい構成とするには、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の粉末の粉砕時間を長くすることで粒径の小さい粉末を作製し、これを予定破断層４に隣接する圧電体層１１となるセラミックグリーンシートに用い、その他の圧電体層１２となるセラミックグリーンシートには粉砕時間が短い粒径の大きい粉末を用いればよい。

また、予定破断層４を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層１１は、厚みが他の圧電体層１２よりも厚い構成とするには、圧電体層１１となるセラミックグリーンシートの厚みを圧電体層１２となるセラミックグリーンシートの厚みよりも厚くすればよい。

また、予定破断層４を介して互いに隣り合う圧電体層１１は厚みが異なる構成とするには、それぞれの圧電体層１１となるセラミックグリーンシートの厚みを異ならせればよい。

なお、積層体３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１と内部電極層２とを複数積層してなる積層体３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５を形成する。具体的には、ＡｇやＣｕのような金属を含んだ導電性ペーストを用いる。これを積層体３の側面における第１の内部電極層２１および第２の内部電極層２２のうちの一方の端面が引き出された領域に焼き付けて、例えば５〜７０μｍの厚さの外部電極５を形成する。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。例えば、銀を主成分とする導電性粒子とガラスとを混合したものに、バインダー，可塑剤および溶剤を加えて作製した銀ガラス含有導電性ペーストを用いる。そして、外部電極５のパターンで積層体３の側面にスクリーン印刷法によって印刷後、乾燥させた後、６５０〜７５０℃の温度で焼き付け処理を行なう。

次に、必要により被覆材を形成する。具体的には、例えばエポキシ、シリコーン、ナイロンなどの樹脂を使用し、印刷やディスペンス方式により、所定の厚みに制御して形成する。

その後、外部電極５に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体３を構成する圧電体層１を分極することによって、積層型圧電素子１０が完成する。

次に、本実施形態の噴射装置の一例について説明する。

図５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５に示すように、本例の噴射装置１９は、一端に噴射孔２１を有する容器としての収納容器２３の内部に上記の例の積層型圧電素子１０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１０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１０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１０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１０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１０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１０が必ずしも収納容器２３の内部にある必要はなく、積層型圧電素子１０の駆動によって収納容器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。

また、上記の例の積層型圧電素子１０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精度よく噴射させることができる。

次に、本実施形態の燃料噴射システムの一例について説明する。

図６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６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安定して行なうことができる。

本実施形態の積層型圧電素子を以下のようにして作製した。

まず、平均粒子径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックの仮焼粉末、バインダー、及び可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み８５μｍ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た導電性ペーストを、内部電極層となる部分にスクリーン印刷法により形成したセラミックグリーンシートを作製した。また、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９９質量％−パラジウム１重量％）の金属ペーストを、予定破断層となる部分にスクリーン印刷法により形成したセラミックグリーンシートを作製した。ここで、積層数は３００層とし、予定破断層は３０層目、１００層目、２００層目に配置した。

ここで、予定破断層に隣接する圧電体層となるセラミックグリーンシートにアクセプターを添加したもの（試料Ｎｏ．２〜５）と、アクセプターを添加していないもの（試料Ｎｏ．１）を用意した。

また、予定破断層に隣接する圧電体層となるセラミックグリーンシートに用いる圧電セラミックの仮焼粉末の粉砕時間を長くして平均粒子径が０．３μｍとし、他の圧電体層の平均粒子径が０．４μｍとなるもの（試料Ｎｏ．３）を用意した。

また、予定破断層に隣接する圧電体層の厚みが１７０μｍで、他の圧電体層の厚みが８５μｍとなるもの（試料Ｎｏ．４）を用意した。

また、予定破断層に隣接する圧電体層において、上側の圧電体層の厚みが８５μｍで下側の圧電体層の厚みが１７０μｍとなるもの（試料Ｎｏ．５）を用意した。

そして、この積層体を焼成した。焼成は、８００℃で保持した後に、９５０℃で焼結させた後、さらに９００℃で１時間加熱保持してから冷却した。

次に、銀ガラスペーストを積層体の外部電極形成面となる側面に印刷して乾燥した後、７００℃で３０分焼き付けを行い、外部電極１５を形成した。

その後、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い、図１に示すような形態の積層型圧電素子を作製した。

得られた積層型圧電素子に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、この圧電アクチュエータを室温で０〜＋１７０Ｖ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い、ノイズの発生回数を測定した。なお、ノイズの発生回数は、駆動回路に並列に測定プローブを介してオシロスコープを接続し、駆動波形をモニタリングしてカウントした。その結果を表１に示す。

表１に示す結果より、本実施形態の積層型圧電素子によれば、ノイズの発生回数が少なく、予定破断層のクラックの進展速度を遅くできていることがわかる。

１０・・・積層型圧電素子
１・・・圧電体層
１１・・・第１の圧電体層
１２・・・第２の圧電体層
２・・・内部電極層
２１・・・第１の内部電極層
２２・・・第２の内部電極層
３・・・積層体
４・・・予定破断層
５・・・外部電極
１９・・・噴射装置
２１・・・噴射孔
２３・・・収納容器
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

圧電体層および内部電極層が交互に積層されるとともに、少なくとも一部の隣り合う圧電体層間に予定破断層を有する積層体と、
前記内部電極層と電気的に接続され、前記積層体の側面に設けられた外部電極とを備え、前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、ヤング率が他の圧電体層とは異なっていることを特徴とする積層型圧電素子。
前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、前記内部電極層または前記予定破断層に含まれる金属成分と同じ金属成分を除いた圧電体成分の組成が他の圧電体層を構成する圧電体成分の組成とは異なっ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。
前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、他の圧電体層よりもヤング率が大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層型圧電素子。
前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、平均粒子径が他の圧電体層の平均粒子径よりも小さいことを特徴とする請求項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。
前記予定破断層を介して互いに隣り合うそれぞれの圧電体層は、厚みが他の圧電体層よりも厚いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子。
前記予定破断層を介して互いに隣り合う圧電体層は、厚みが異なっていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれか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６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ことを特徴とする噴射装置。
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７に記載の噴射装置と、前記コモンレールに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ることを特徴とする燃料噴射システム。