JP4554232B2

JP4554232B2 - 圧電スタック及び圧電スタックの製造方法

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Publication number: JP4554232B2
Application number: JP2004040441A
Authority: JP
Inventors: 庸一小羽根; 章藤井; 英夫神谷; 浩明牧野
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2024-02-17
Also published as: DE102005007081A1; US7514848B2; US20050206274A1; DE102005007081B4; JP2005235863A

Description

本発明は、自動車用燃料噴射装置等に使用する圧電アクチュエータに用いることができる圧電スタック及びその製造方法に関する。

自動車等の車両用内燃機関に対する燃料噴射装置の駆動源として圧電スタックを採用した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内の圧電スタックは、高温の燃料や外部の湿気から保護するために気密パッケージに密閉してある。

特開２００１−１８１０４１号公報

しかしながら、圧電スタックの圧電層は多結晶なセラミックよりなり、従って内部には多数の結晶粒界が存在する。結晶粒界には後述する図６に示すように空隙がある。
高温かつ密閉された環境に圧電スタックを晒した場合、元々吸着していた水分や構成樹脂材料の分解生成物や内部電極層及び圧電層を構成する各種の物質が上記結晶粒界に入り込むことがあり、この現象によって圧電層の絶縁抵抗値等の物性が変わってしまう。
この現象は、圧電スタックの性能劣化や信頼性低下の原因となる。
特に、入り込んだ物質が導電物質である場合、圧電層の絶縁抵抗値が低下を招くおそれがある。
従来技術として開示した特許文献１では、素子３重点のみにガラス相が存在し、その他結晶粒界の大半はガラス相が存在しない。そのため、ガラス相のない結晶粒界に導電物質が入り込んで絶縁抵抗値低下を発生させるおそれがある。

本発明は、性能劣化し難く信頼性高い圧電スタック及びその製造方法を提供することにある。

第１の発明は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）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スタックにおいて、
電圧が印加される領域の上記圧電スタックの破面について観察し、着目する１つの結晶粒の界面におけるＰｂ系ガラスが付着している部分の粒界長さ（Ｊ１）を、当該１つの結晶粒の全体の粒界長さ（Ｊ）で割った値（％）を粒界充填率として、該粒界充填率が９５％以上となっており、
かつ、上記圧電スタックは部分電極構成であり、内部電極層端部に形成されたボイドの長さは３０μｍ以内であることを特徴とする圧電スタックにある。

第１の発明にかかる圧電スタックは、結晶粒界がＰｂ系ガラスによって充填されており、水分や他の物質が入る余地が殆どない。
そのため、圧電層の絶縁抵抗値等の物性の変化を防止して、圧電スタックの性能劣化や信頼性低下を防止することができる。

第２の発明は、第１の発明の圧電スタックを作製するに当たり、
ＰｂをＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）における化学量論比よりも過剰に含有してなると共に内部電極層用の導電ペーストを印刷した圧電層用の未焼成シートを積層して未焼成積層体を作製し、
該未焼成積層体を、圧電層内部における結晶粒界に対するＰｂ系ガラスの粒界充填率が９５％以上となるように、酸素濃度が４０〜１００Ｖｏｌ％の酸素雰囲気で焼成することを特徴とする圧電スタックの製造方法にある。

酸素濃度を上記範囲内として焼成を行うことで、Ｐｂ系ガラスがより結晶粒界に充填しやすくなる。結晶粒界をＰｂ系ガラスによって充填することで、水分や他の物質が結晶粒界に入る余地をなくすことができる。
そのため、圧電層の絶縁抵抗値等の物性の変化を防止して、圧電スタックの性能劣化や信頼性低下を防止することができる。

以上、本発明によれば、性能劣化し難く信頼性高い圧電スタック及びその製造方法を提供することができる。

第１、第２の発明にかかる圧電スタックは、圧電層と内部電極層を交互に積層してなるもので、内部電極層に通電することで、各圧電層に電位差を付与し、圧電層を伸張させるものである。内部電極層に対する通電は、圧電スタックの側面に設けた側面電極に通電することで行う。
また、圧電スタックには、圧電層の全面に対し内部電極層を形成する全面電極構成と、圧電層に部分的に内部電極層を設ける部分電極構成（後述する図１、図２参照）とが知られており、第１、第２の発明はいずれの圧電スタックも製造することができる。
また、圧電スタックの積層方向の端面に、通電によって伸張しないダミー層等の別層を設けることがある。

また、第１、第２の発明で得られた圧電スタックにおいて、圧電層は焼結したＰＺＴの多結晶からなり、結晶粒と結晶粒の間に結晶粒界があり、該結晶粒界におけるＰｂ系ガラスの粒界充填率が９５％以上となっている。
ここで粒界充填率とは、後述する実施例４や図６、図７に示すごとく、Ｐｂ系ガラスによって充填された領域の粒界長さを、着目した結晶粒全体の粒界長さで割った値（％）である。
ここで全体の粒界長さとは、着目した結晶粒において、「充填されている粒界長さ（つまり結晶粒の界面にＰｂ系ガラスが付着している部分の長さ）＋充填されていない粒界長さ」である。
粒界充填率が９５％未満の場合、水分や他の物質が入って圧電層の特性が変化するおそれがある。
また、第１の発明において、粒界充填率が１００％であることがもっとも好ましい（請求項２）。

また、上記Ｐｂ系ガラスは、圧電層や内部電極層に含まれる物質から構成され、例えばＰｂ−ＷＯ₃やＰｂ−ＭｏＯ₃を主として含有するガラス物質からなる。このガラス物質は略非晶質である。また、ＰｂやＷ、Ｍｏ以外の物質をも含有している。

また、未焼成積層体を上記圧電層内部における結晶粒界にＰｂ系ガラスが析出するよう焼成して焼成スタックを得る方法について説明する。
圧電層はＰＺＴからなるため、圧電層の原料としてＰｂを含む化合物を用いる必要がある。この場合、ＰＺＴの化学量論比より若干多めにＰｂが含まれるような原料を用いることで、Ｐｂと他の物質とが結びついたガラス成分を、結晶粒界に析出させることができる。
また、未焼成積層体を焼成して焼成スタックとする際の焼成雰囲気にＰｂが含まれるようにして、未焼成積層体からのＰｂの揮発を防ぐ、または積極的にＰｂ過剰雰囲気を形成することで、Ｐｂと他の物質とが結びついたガラス成分が、隙間である結晶粒界に入り込み、焼成の終了に伴う温度低下によって、結晶粒界で析出することができる。

また、上記圧電スタックは部分電極構成であり、内部電極層端部に形成されたボイドの長さを３０μｍ以内とする。
上記長さにボイドを制限することで、圧電スタックの絶縁抵抗値の低下を防止することができる。そして、ボイドの長さは０μｍ、つまりボイドがない状態が最も好ましい。
なお、ボイドの定義については後述する（実施例７、図１０参照）。

また、第１の発明にかかる圧電スタックは内燃機関の燃料噴射装置における駆動源として使用する圧電アクチュエータに用いることができる（請求項３）。
燃料噴射装置の圧電アクチュエータに用いる際は、圧電スタックを密閉容器に封入する必要があり、かつ燃料噴射装置を用いる環境は内燃機関近傍となって、高温雰囲気である。
したがって、従来技術に記載したように、水分や内部電極層及び圧電層を構成する各種の物質が圧電層の結晶粒界に入り込みやすい環境で、圧電スタックが用いられる。
そのため、第１の発明のように、結晶粒界をＰｂ系ガラスで充填した圧電スタックを用いることで、圧電スタックの劣化を防ぎ、ひいては燃料噴射装置の信頼性を高めることができる。

（実施例１）
本発明にかかる圧電スタックついて説明する。
すなわち、本例にかかる圧電スタックは、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる。そして、上記圧電層の結晶粒界は、Ｐｂ系ガラスにより粒界充填率が９５％以上となっている。

以下、詳細に説明する。
本例の圧電スタックは、図１、図２に示すように、電極控え部１１０以外の部分に内部電極層１２１を設けた圧電層１１１と電極控え部１１０以外の部分に内部電極層１２２を設けた圧電層１１２とを交互に積層してなる。
内部電極層１２１は側面１０１に端部が露出し、内部電極層１２２は側面１０２に端部が露出する。この露出した端部はそれぞれ側面電極１５、１６によって導通させることができる。圧電層１１１、１１２はＰＺＴからなり、内部電極層１２１、１２２はＡｇ−Ｐｄ、側面電極はＡｇからなる。なお、積層方向両端面に配置した圧電層１３１、１３２は通電により伸張しないダミー層である。

圧電スタック１における圧電層１１１、１１２のＰＺＴは多結晶であり、隣接する結晶粒と結晶粒との間の結晶粒界に広がる隙間を有する。この隙間の部分はＰｂ系ガラスにより充填され、粒界充填率は９５％以上である。なお、粒界充填率の詳細は、実施例４に記載した。

本例にかかる圧電スタック１は、結晶粒界がＰｂ系ガラスによって充填されており、水分や他の物質が入る余地が殆どない。そのため、圧電層１１１、１１２の絶縁抵抗値等の物性の変化を防止して、圧電スタック１の性能劣化や信頼性低下を防止することができる。
以上、本例によれば、性能劣化し難く信頼性高い圧電スタックを得ることができる。

（実施例２）
本例は、実施例１にかかる圧電スタックの製造方法について説明するものである。
すなわち、実施例１に示されるような、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）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スタックを作製するには、ＰｂをＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）における化学量論比よりも過剰に含有してなると共に内部電極層用の導電ペーストを印刷した圧電層用の未焼成シートを積層して未焼成積層体を作製し、該未焼成積層体を、圧電層内部における結晶粒界に対するＰｂ系ガラスの粒界充填率が９５％以上となるように、酸素濃度が４０〜１００Ｖｏｌ％の酸素雰囲気で焼成する。

以下、詳細に説明する。
まず、圧電層用のスラリーの作製について説明する。
圧電層の原料粉末を秤量し、原料粉末と分散剤とを混合機で混合させ、その後、乾燥させ、更にライカイ機で解砕する。
この時、圧電層の原料粉末は、ＰＺＴの化学量論比よりもＰｂ過剰となったものを用い、未焼成シートを作製する。
つまり、ＡＢＯ3型の誘電体セラミックである圧電層に、通常Ａ：Ｂ：Ｏ＝１：１：３のモル比となるように配合されるべきところを、鉛を含むＡサイトの成分の合計がＢサイトを１とした時に１．００モル比以上となるようにＡサイトに鉛を過剰に含有させることで、Ｐｂ過剰にしている。

解砕した原料粉末を仮焼成して、仮焼粉となし、分散剤を仮焼粉に混ぜて、湿式粉砕し、乾燥後に再びライカイ機にかけて、解砕する。次いで、分散剤、溶剤、可塑剤、バインダーを加えて、混合してスラリーとなす。これに脱泡処理を行い、粘度を調整してフィルターで濾過することで圧電層用のスラリーを得る。
次に、内部電極層用のペーストを作製する。

次に、圧電層用のスラリーからドクターブレード法を利用して、グリーンシートを作製する。このグリーンシートを適当な大きさに切断、乾燥後、型で打ち抜いて、圧電層用の未焼成シートを得た。
上記未焼成シートに、内部電極層用のペーストを印刷、乾燥後、所定の枚数を圧着・積層して未焼成積層体を得た。

未焼成積層体の焼成について説明する。
未焼成積層体は、上記圧電層内部における結晶粒界にＰｂ系ガラスが析出するよう焼成して焼成スタックを得る。
具体的には、図３に示すような焼成装置２を用いて行う。
この焼成装置２は、口径５０ｍｍの管状炉２０の両端を栓２０１、２０２を用いて封し、管状炉２０の上下にヒータ２９１、２９２を配置して、加熱する。管状炉２０の内部には、未焼成積層体２５を載置する載置板２１（アルミナ製）と、載置した未焼成積層体２５を覆うアルミナボート２２を配置する。アルミナボート２２と載置板２１との間に形成された空間２２０が未焼成積層体２５の焼成場所で、この部分の容積は１２ｃｍ³である。なお、符号２３は温度計で、焼成温度の調整に用いる。

また管状炉２０には２台のロータリーポンプ２４１、２４２が接続され、これらを用いて管状炉２０の内部雰囲気を酸素濃度が４０〜１００Ｖｏｌ％となるように調整する。
具体的には、一方のロータリーポンプ２４１で管状炉２０内部の大気を引いて減圧し、その後、管状炉２０の内部が大気圧となるまでもう一方のロータリーポンプ２４２で酸素を導入する。
これにより酸素が４０ｖｏｌ％以上となるような雰囲気を形成した。

その後、以下に記載するような昇温プロセスを経て、焼成を行って、焼成スタックを得た。
すなわち、２００℃／時間で３時間、６００℃に達した後、４０℃／時間で９時間昇温する。９６０℃に達した後に更に加熱して最高温度に昇温し、最高温度を２時間維持する。そして、少なくとも６５℃／時間で１時間、更に１５０℃／時間で６時間かけて室温へと冷却した。また、焼成中は、酸素ガスを毎分２０ｃｃで供給した。
最後に、側面電極用の印刷ペーストを図１にかかる側面電極が得られるように塗布して、焼き付ける。最後に洗浄、乾燥して、圧電スタック１を得た。

次に、上記の方法で圧電スタックをいくつか作製し、それぞれの性能試験を行った結果について説明する。
各試料は未焼成積層体を焼成する際に、上述した昇温プロセスを経て焼成されるが、この時の最高温度を１０６５℃、１１００℃、１０１５℃、９６５℃とそれぞれ変更して作製した。なお、いずれの圧電スタックにおける焼成雰囲気も、酸素濃度を９０Ｖｏｌ％とした。
これらの圧電スタックについて、実施例４にかかる方法で粒界充填率を測定したところ、いずれも９５％より大きかった。
また性能を実施例３にかかる方法で調べたところ、いずれの圧電スタックも耐久時間が１０００時間を越えても殆ど絶縁抵抗値が低下せず、優れた耐久性を示した。

本例のように、酸素濃度を上記範囲内として焼成を行うことで、Ｐｂ系ガラスがより結晶粒界に充填しやすくなる。結晶粒界をＰｂ系ガラスによって充填することで、水分や他の物質が結晶粒界に入る余地をなくすことができる。
そのため、圧電層の絶縁抵抗値等の物性の変化を防止して、圧電スタックの性能劣化や信頼性低下を防止することができる。

以上、本例によれば、性能劣化し難く信頼性高い圧電スタックの製造方法を提供することができる。

なお、圧電スタックを焼成する焼成炉の別の例を、図４に示す。
図４に示すような焼成炉３に、雰囲気調整剤３３を配置したセッター３１及び未焼積層体２５を配置したセッター３２を積み重ねてセットする。雰囲気調整剤３３はジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ₃）を用いた。
そして、図３と同様に２台のロータリーポンプを接続して、これらを用いて焼成炉３の内部雰囲気を酸素濃度が４０〜１００Ｖｏｌ％となるように調整する。
その他詳細は図３にかかる管状炉２を用いた場合と同様にして焼成を行うことができる。

（実施例３）
本例は、Ｐｂ系ガラスの結晶粒界充填率と圧電スタックの性能とについて評価する。
圧電スタックは実施例１に記載した部分電極構成を有し、それぞれ粒界充填率が異なる試料１（粒界充填率９５％）、比較試料Ｃ１（粒界充填率４７％）、比較試料Ｃ２（粒界充填率１２％）、を準備した。なお、各試料、比較試料にかかる圧電スタックは２個準備してそれぞれについて以下に示す測定を行った。

各試料を、気密パッケージに封入し、温度１９０℃の環境下にて１〜１０００時間放置して、放置前の絶縁抵抗値をＩＲ０、放置後の絶縁抵抗値をＩＲ１とすると、ＩＲ１／ＩＲ０の値を縦軸に、横軸を耐久時間として、図５の線図に記載した。
図５に示されるごとく、本発明にかかる試料１は１０００時間経過も殆ど絶縁抵抗値が低下せず、耐久性に優れた圧電スタックであることがわかった。粒界充填率が９５％未満の比較試料Ｃ１、Ｃ２は時間の経過と共に絶縁抵抗値が低下することがわかった。
なお、粒界充填率の測定方法は後述する実施例４に、絶縁抵抗値の測定方法は後述する実施例５に記載した。

（実施例４）
圧電層の微細構造と粒界充填率の測定方法について説明する。
圧電スタックにおける圧電層の微細構造は、図６に示すように、不定形の結晶粒３１と結晶粒３１との間である結晶粒界３１０に形成された隙間に充填されたＰｂ系ガラス３２とからなる。
ここで、粒界充填率は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に組み込まれた反射電子検出器から得られた圧電層における結晶粒３１の反射電子像（組成像）から測定した。
実施例３の測定で使用した反射電子検出器の条件は、以下に記載した。
使用機器：走査型電子顕微鏡
メーカー：日立製作所
型式：Ｓ４３００
試料（圧電スタック破面）への蒸着有無：無蒸着
加速電圧：５ｋＶ
観察倍率：数百倍から１万倍
ＷＤ（ワーキングディスタンス）：１５ｍｍ
反射電子検出器：ＹＡＧヤングシンチレータタイプ

観察は電界が印加される領域の圧電スタック破面について実施しており、粒界充填率は、圧電層の結晶粒子３１の１個について、次のように算出した。
すなわち、図７に示すごとく、粒界充填率とは、Ｐｂ系ガラスによって充填された領域の粒界長さＪ１を、全体の粒界長さＪで割った値（％）である。
ここで全体の粒界長さＪとは、図７に示すごとく、着目するひとつの結晶粒３１において、「充填されている粒界長さＪ１（つまり結晶粒の界面にＰｂ系ガラスが付着している部分の長さ）＋充填されていない粒界長さＪ０」である。
実際の測定は、１万倍の倍率にて圧電スタックの破面を観察し、ひとつの破面につき２個の結晶粒子をピックアップして測定し、この測定を３つの破面について実施した。
こうして、合計６個の結晶粒子から得た粒界充填率の平均値を、「圧電スタックの粒界充填率」として用いた。

（実施例５）
絶縁抵抗値の測定方法について説明する。
図８に示すごとく、圧電スタック１を回路保護抵抗４２と１０ｋΩの抵抗器４３、直流電源４１を直列に接続すると共に、１０ｋΩの抵抗器４３に対し並列に接続したデジタルマルチメーター４４からなる測定回路４に接続した。
この測定回路４において、圧電スタック１の側面電極１５、１６から１５０Ｖの直流電圧を印加する。そして２分後にデジタルマルチメーター４４の値を読み取り、この電圧から回路電流値を求めることで、絶縁抵抗値＝１５０／回路電流値より、圧電スタック１の絶縁抵抗値を算出することができる。

（実施例６）
本例は、圧電スタックの焼成雰囲気の違いと粒界充填率との関係について、試料２及び比較試料Ｃ３とを用いて測定した。
試料２は、実施例２にかかる製造方法で作製した圧電スタックで、管状炉の内部の圧力は１気圧、酸素濃度は９０Ｖｏｌ％である（残りは窒素や若干のＣＯ₂等である）。
また、比較試料Ｃ３は、実施例２と同様の製法で作製したが、管状炉の内部を大気雰囲気のままで焼成を行った。よって、酸素濃度は約２０Ｖｏｌ％である。なお、各試料、比較試料にかかる圧電スタックは２個準備してそれぞれについて測定を行った。

図９に示されるごとく、大気中で焼成した圧電スタックにおける結晶粒界の充填率は２０％以下と非常に低かった。酸素濃度が９０Ｖｏｌ％である酸素雰囲気中で焼成することで、９５％以上の高い充填率を持つ圧電スタックが得られることがわかった。

（実施例７）
次に、部分電極構成の圧電スタックで、内部電極層端部に形成されたボイドの長さと、絶縁抵抗値の低下との関係について測定した。
図１０に示すごとく、内部電極層１２１の端部にはボイド１２０が形成されることがある。
「ボイドの長さ」は、図１０に示すボイド１２０の長径寸法のｍであり、内部電極層１２１、１２２の端部に連続して形成されたボイドの始点から終点までの長さである。

圧電スタックを多数作製して、内部電極層の端部に形成されたボイドの長さを測定し、また、各圧電スタックに対して、実施例３に記載した方法でＩＲ１／ＩＲ０を測定し、耐久前後でＩＲ１／ＩＲ０が０．０１以下のものを×、そうでないものを○として、表１に記載した。
表１によれば、ボイド長さが３０μｍ以下であれば、耐久前後で絶縁抵抗値が下がらず、耐久性に優れた圧電スタックが得られることがわかった。

更に、実施例６において作製した比較試料Ｃ３と試料２に対して、図１０に示すごとき内部電極層１２１の端部に形成されたボイドの有無を、図１０の断面が得られるように試料をカットし、表面を研磨処理した上で一般的な金属顕微鏡にて調べた。
その結果、試料２はボイド長さが明らかに小さく、５μｍであった。比較試料Ｃ２はボイド長さが大きく４５μｍであった。
従って酸素濃度の高い雰囲気で焼成することで端部に形成されるボイドを小さくできることがわかった。

（実施例８）
本例は、本発明にかかる圧電スタックからなる圧電アクチュエータを内蔵した燃料噴射装置について説明する。
本例で説明する燃料噴射装置５は、図１１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。
この燃料噴射装置５は、同図に示すごとく、駆動部としての圧電スタック１が収容される上部ハウジング５２と、その下端に固定され、内部に噴射ノズル部５４が形成される下部ハウジング５３を有している。

上部ハウジング５２は略円柱状で、中心軸に対し偏心する縦穴５２１内に、圧電スタック１が挿通固定されている。
縦穴５２１の側方には、高圧燃料通路５２２が平行に設けられ、その上端部は、上部ハウジング５２上側部に突出する燃料導入管５２３内を経て外部のコモンレール（図略）に連通している。

上部ハウジング５２上側部には、また、ドレーン通路５２４に連通する燃料導出管５２５が突設し、燃料導出管５２５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５２４は、縦穴５２１と圧電スタック１との間の隙間５０を経由し、さらに、この隙間５０から上下ハウジング５２、５３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５５１に連通してしる。

噴射ノズル部５４は、ピストンボデー５３１内を上下方向に摺動するノズルニードル５４１と、ノズルニードル５４１によって開閉されて燃料溜まり５４２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５４３を備えている。燃料溜まり５４２は、ノズルニードル５４１の中間部周りに設けられ、上記高圧燃料通路５２２の下端部がここに開口している。ノズルニードル５４１は、燃料溜まり５４２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５４４から閉弁方向の燃料圧を受けており、背圧室５４４の圧力が降下すると、ノズルニードル５４１がリフトして、噴孔５４３が開放され、燃料噴射がなされる。

背圧室５４４の圧力は３方弁５５１によって増減される。３方弁５５１は、背圧室５４４と高圧燃料通路５２２、またはドレーン通路５２４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５２２またはドレーン通路５２４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５５２、油圧室５５３、小径ピストン５５４を介して、駆動される。

このような構造の燃料噴射装置５は、ディーゼルエンジンを備えた自動車等に配設され、高温の燃料や湿気に晒される過酷な環境下にある。
そのため、この燃料噴射装置５における圧電スタック１は気密パッケージに密閉した状態で縦穴５２１内に配置される。
そして、この燃料噴射装置５における圧電スタック１の変位精度はディーゼルエンジンの性能に大きく影響するので、可能な限り長期わたって正確であることが望まれている。
これに対し、本発明の実施例１の圧電スタック１は、圧電層の絶縁抵抗値等の物性の変化が生じ難く、圧電スタックの性能劣化や信頼性低下が起こり難い。したがって、本発明の圧電スタック１は、燃料噴射装置用として最適であり、優れた特性を発揮し、燃料噴射装置５の性能向上に大きく貢献することができる。

実施例１にかかる、圧電スタックの断面説明図。実施例１にかかる、圧電層と内部電極層の平面図。実施例２にかかる、未焼成積層体を管状炉を用いて焼成する際の説明図。実施例２にかかる、未焼成積層体を焼成炉を用いて焼成する際の説明図。実施例３にかかる、粒界充填率の異なる試料及び比較試料のＩＲ１／ＩＲ０を示す線図。実施例４にかかる、圧電層の結晶粒と結晶粒界を示す説明図。実施例４にかかる、結晶粒の充填されている粒界長さＪ１と充填されていない粒界長さＪ０とを示す説明図。実施例５にかかる、絶縁抵抗値を測定する測定回路の説明図。実施例６にかかる、大気中で焼成した圧電スタックと酸素雰囲気中で焼成した圧電スタックの粒界充填率を示す線図。実施例７にかかる、内部電極層の端部に形成されたボイドに関する説明図。実施例８にかかる、燃料噴射装置５の断面説明図。

符号の説明

１圧電スタック
１１１、１１２圧電層
１２１、１２２内部電極層

Claims

ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）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スタックにおいて、
電圧が印加される領域の上記圧電スタックの破面について観察し、着目する１つの結晶粒の界面におけるＰｂ系ガラスが付着している部分の粒界長さ（Ｊ１）を、当該１つの結晶粒の全体の粒界長さ（Ｊ）で割った値（％）を粒界充填率として、該粒界充填率が９５％以上となっており、
かつ、上記圧電スタックは部分電極構成であり、内部電極層端部に形成されたボイドの長さは３０μｍ以内であることを特徴とする圧電スタック。
請求項１において、上記粒界充填率が１００％であることを特徴とする圧電スタック。
請求項１又は２において、上記圧電スタックは内燃機関の燃料噴射装置における駆動源として使用する圧電アクチュエータに用いることを特徴とする圧電スタック。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電スタックを作製するに当たり、
ＰｂをＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）における化学量論比よりも過剰に含有してなると共に内部電極層用の導電ペーストを印刷した圧電層用の未焼成シートを積層して未焼成積層体を作製し、
該未焼成積層体を、圧電層内部における結晶粒界に対するＰｂ系ガラスの粒界充填率が９５％以上となるように、酸素濃度が４０〜１００Ｖｏｌ％の酸素雰囲気で焼成することを特徴とする圧電スタックの製造方法。