JP5055370B2 - 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

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 Download PDF

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Description

本発明は、積層型圧電素子、噴射装置、および燃料噴射システムに関し、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置、振動防止装置等に搭載される駆動素子（圧電アクチュエータ）、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、ヨーレートセンサ等に搭載されるセンサ素子、及び圧電ジャイロ、圧電スイッチ、圧電トランス、圧電ブレーカー等に搭載される回路素子等に用いられる積層型圧電素子、これを備えた噴射装置並びに燃料噴射システムに関するものである。
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するように求められている。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。
コンデンサ等の通常の積層型電子部品と異なり、積層型圧電素子は駆動時に素子自体が連続的に寸法変化を起こす。そして、全ての圧電体層が内部電極を介して密着して駆動することにより、積層型圧電素子は一体として大きく駆動変形する。そのため、素子には大きな応力がかかる。
上記課題を解決する手段の一つとして、あらかじめ圧電体層の一部に目標破断層として多孔質な層を設けた素子が提案されている（特許文献１）。特許文献１では、目標破断層で積層型圧電素子を破断させることにより、各圧電体層にかかる応力の緩和が試みられている。また、目標破断層が圧電体層の一部ではなく、内部電極の一部に設けられた積層型圧電素子が提案されている。
特表２００６−５１８９３４号公報
特許文献１に開示されている方法により、圧電体層にかかる応力をある程度緩和することができる。しかしながら、積層型圧電素子には、さらに高い電圧を印加する条件下で使用できることが要求されている。そして、このような過酷な条件においては、上記の目標破断層を用いた場合、この目標破断層で生じさせたクラックが予想外の方向に進む可能性がある。
これは、特許文献１に記載のように目標破断層を圧電体層の一部に設けた場合、目標破断層を形成する部材と圧電体層を形成する部材とが同じであるため、目標破断層で生じさせたクラックが圧電体層に伸展する可能性があるからである。また、目標破断層を内部電極の一部に設けた場合、圧電体層を形成する圧電体結晶粒子のうち、この目標破断層と隣接する粒子間にクラックが生じる可能性がある。
圧電体層の結晶粒子と比較すると、内部電極や目標破断層は連続した大きな構造である。また、圧電体層を形成する各々の粒子は、積層型圧電素子への通電により圧電変位するが、これらの粒子のうち、目標破断層と接合する粒子は、内部電極に拘束されるため、駆動電圧に応じて単独で変形することができない。そのため、これらの粒子間には、目標破断層に拘束されることによる応力がかかる。結果、今後求められるような高電圧下で積層型圧電素子を圧電駆動させると、この目標破断層だけにクラックが伸展せず、粒子間に伸展する可能性がある。
粒子間にクラックが伸展して、このクラックが積層方向に隣り合う内部電極間に達すると、異なる極の内部電極間が短絡し、変位量が低下する可能性がある。特に高電圧、高圧力下で圧電素子を駆動させた場合、瞬間的に大きな応力が圧電素子にかかるため、クラックの方向を安定させにくい。そのため、素子にかかる応力をより効果的に緩和させることが必要となっている。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高電圧、高圧力下で長時間連続駆動させた場合であっても変位量の変化が抑制され、耐久性に優れた積層型圧電素子、これを用いた噴射装置及び燃料噴射システムを提供することを目的とする。
本発明者らは、鋭意検討した結果、互いに離隔した複数の金属部を有する低剛性金属層が配設されることにより、例えば、高電圧、高圧力下で圧電素子を駆動させた場合に素子にかかる応力を効果的に分散させることを見出した。
すなわち、本発明の第１の積層型圧電素子は、複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層構造体を有し、前記複数の金属層が、内部電極と、前記圧電体層及び前記内部電極と比較して剛性が低い低剛性金属層と、を備え、前記低剛性金属層が、互いに離隔した複数の金属部を有し、前記金属部の少なくとも１つが、積層方向に隣り合う２つの前記圧電体層のうち、一方の圧電体層とのみ接合されていることを特徴とする。
本発明の第２の積層型圧電素子は、複数のセラミック層と複数の内部電極とが交互に積層された積層構造体を有し、前記複数のセラミック層が、圧電体層と、該圧電体層及び前記内部電極と比較して剛性が低い低剛性セラミック層と、を備え、前記低剛性セラミック層が、互いに離隔した複数のセラミック部を有し、前記セラミック部の少なくとも１つが、積層方向に隣り合う２つの前記圧電体層のうち、一方の圧電体層とのみ接合されていることを特徴とする。
本発明の噴射装置は、上記いずれかに記載の積層型圧電素子と噴射孔とを備え、前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を吐出させるように構成したことを特徴とする。
本発明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、このコモンレールに蓄えられた燃料を噴射する請求項９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、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、高電圧、高圧力下で長時間連続駆動させた場合であっても変位量の変化が抑制され、耐久性に優れた積層型圧電素子、これを用いた耐久性に優れた噴射装置及び燃料噴射システムを提供することができる。
本発明の第１の積層型圧電素子にかかる実施形態の一例を示す斜視図である。 図１に示す実施形態にかかる積層型圧電素子の積層方向に平行な断面図である。 図１に示す実施形態にかかる積層型圧電素子の積層方向に垂直であって低剛性金属層を含む断面図である。 図３に示す実施形態にかかる領域Ａの拡大断面図である。 図４に示す実施形態にかかる金属部と圧電体層の接合を示す拡大断面図である。 本発明の第１の積層型圧電素子にかかる実施形態の他の一例を示す拡大断面図である。 本発明の第１の積層型圧電素子にかかる実施形態の他の一例を示す拡大断面図である。 本発明の第２の積層型圧電素子にかかる実施形態の一例を示し、積層方向に平行な断面図である。 図８に示す実施形態にかかる領域Ｂの拡大断面図である。 本発明の第２の積層型圧電素子にかかる実施形態の他の一例を示す拡大断面図である。 本発明の噴射装置を示す断面図である。 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・・・圧電体層
５・・・金属層
７・・・積層構造体
９・・・外部電極
１１・・・内部電極
１３・・・低剛性金属層
１５・・・金属部
１７・・・圧電体結晶粒子
１９・・・接合材
２１・・・セラミック層
２３・・・低剛性セラミック層
２５・・・セラミック部
２７・・・空隙
２９・・・通電部
３１・・・噴射装置
３３・・・噴射孔
３５・・・収納容器
３７・・・ニードルバルブ
３９・・・燃料通路
４１・・・シリンダ
４３・・・ピストン
４５・・・皿バネ
４７・・・燃料噴射システム
４９・・・コモンレール
５１・・・圧力ポンプ
５３・・・噴射制御ユニット
５５・・・燃料タンク
以下、本発明の第１の積層型圧電素子について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１の積層型圧電素子にかかる実施形態の一例を示す斜視図である。図２は、図１に示す実施形態の積層型圧電素子であって、積層方向に平行な縦断面図である。図３は、図１に示す実施形態の積層型圧電素子であって、積層方向に垂直かつ低剛性金属層を含む横断面図である。
図１〜３に示すように、本実施形態の積層型圧電素子１（以下、素子１ともいう。）は、複数の圧電体層３と複数の金属層５とが交互に積層された積層構造体７と、積層構造体７の側面に形成された外部電極９と、を備えている。また、複数の金属層５は、外部電極９に電気的に接続された内部電極１１と、圧電体層３及び内部電極１１と比較して剛性が低い低剛性金属層１３と、を備えている。
本実施形態において低剛性金属層１３は、圧電体層３や内部電極１１と比較して層内の結合力及び／又は隣接する層との結合力が弱く、剛性が小さい層をいい、互いに離隔する複数の金属部１５を有している。これらの金属部１５間には、例えば、空隙２７が存在する。また、金属部１５間には、空隙２７以外にもセラミックスや樹脂などが存在する形態もある。このように、本発明における低剛性金属層１３とは、これらの種々の形態を含む概念である。
積層型圧電素子１の使用時などに、積層型圧電素子１に外部から強い衝撃や応力が加えられた時には、低剛性金属層１３により応力が吸収される。これにより、内部電極１１や圧電体層３にクラックが生じることを抑制して、積層方向に隣り合う内部電極１１間で電気的短絡が生じることを抑制することができる。
また、積層型圧電素子１により大きな応力が加わった場合に、低剛性金属層１３が優先的に破断される。このように低剛性金属層１３を破断させることにより、応力を分散させることができるため、内部電極や圧電体層が破損することを抑制することができる。
低剛性金属層１３、圧電体層３及び内部電極１１の剛性は、例えば素子に対して、積層方向に垂直な方向に荷重を加えることで容易に比較できる。具体的には、ＪＩＳ３点曲げ試験（ＪＩＳ Ｒ １６０１）などにより、素子１に対して積層方向に垂直な方向から荷重を加えることで判断できる。上記の試験を行ったときに、どの部分で素子１が破断するかを確認すればよいからである。その破断箇所が素子の中で最も剛性が低い箇所である。
本実施形態の積層型圧電素子１は低剛性金属層１３を備えているので、ＪＩＳ３点曲げ試験を行うと、圧電体層３や内部電極１１よりも、この低剛性金属層１３や低剛性金属層１３と圧電体層３との界面近傍で優先的に破断が起きる。このように、破断した箇所が圧電体層３や内部電極１１であるか、或いは、低剛性金属層１３や低剛性金属層１３と圧電体層３との界面近傍であるかにより評価することができる。
なお、どの部分で素子１が破断するかを確認すればよいことから、試験片が小さく、上記ＪＩＳ３点曲げ試験を用いることができない場合には、このＪＩＳ３点曲げ試験に準拠して、素子１を長方形の角柱となるように加工して試験片を作製し、この試験片を一定距離に配置された２支点上に置き、支点間の中央の１点に荷重を加えて評価すればよい。
また、剛性が低いとは、ヤング率が小さいと言い換えることができる。ヤング率の測定方法としては、例えば、ナノインデンテーション法を用いることができる。測定装置としては、例えば、ナノインスツルメント社製の「ナノインデンターII」を用いることができる。積層構造体７の積層方向に垂直若しくは平行な断面において、低剛性金属層１３、圧電体層３又は内部電極１１を露出させ、上記の測定装置を用いてヤング率を測定すれば良い。
図４は、図２に示す実施形態の積層型圧電素子１にかかる低剛性金属層１３が配設された部分Ａを拡大した拡大断面図である。図３、４に示すように、低剛性金属層１３は、空隙２７と、空隙２７を介して互いに離隔した複数の金属部１５と、を有している。低剛性金属層１３がこのように形成されることにより、低剛性金属層１３内での結合力及び／又は隣接する圧電体層３との結合力が低下するため、低剛性金属層１３の剛性をより低くすることができる。
すなわち、低剛性金属層１３においては、圧電体層３は空隙２７を介して互いに離隔した（点在した）複数の金属部１５によって部分的に結合されているだけであるから、低剛性金属層１３に接している圧電体層３は比較的自由に変形できる。
したがって、積層型圧電素子１に応力が加わった際には、低剛性金属層１３に接している圧電体層３が変形することによって応力が吸収される。また、圧電体層３において金属部１５に接している部分では、圧電体層３の変形が抑制されるので、金属部１５及び金属部１５が接している一部の圧電体層３には引っ張り又は圧縮歪が生じるが、その歪は熱エネルギーに変換されて発散される。このようにして、金属部１５が点在した低剛性金属層１３により、積層型圧電素子１に加わった応力は緩和される。
また、低剛性金属層１３では、複数の金属部１５が互いに離隔しているため、例えば、低剛性金属層１３を越えてクラックが進展することは抑制され、予想外の方向にクラックが進展することを抑制することが可能になる。
さらに、低剛性金属層１３を積層方向から見たときに、圧電体層３に生じる歪が均等に分散されるように、金属部１５が低剛性金属層１３の全面に偏りなく形成されることが好ましい。また、このように低剛性金属層１３が形成されることによって、様々な方向からの積層型圧電素子１への応力に対する応力緩和の効果を高めることができるからである。これにより、積層方向に隣り合う異なる極性の内部電極１１の双方にそれぞれ達するような亀裂が発生する可能性をより確実に抑制することができる。
図４に示すように、本発明の実施形態の積層型圧電素子によれば、低剛性金属層が、互いに離隔した複数の金属部を有し、その金属部１５の少なくとも１つは、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合されている。言い換えれば、本実施形態の積層型圧電素子１にかかる金属部１５の少なくとも１つは、上記一方の圧電体層３のみと接合され、他方の圧電体層３とは接合していない。積層型圧電素子では、通電による圧電体層の圧電変位に伴い、圧電素子には応力がかかる。特に、積層型圧電素子においては、各々の圧電体層が圧電変位することにより、一体として大きく駆動変形するため、積層型圧電素子の圧電体層には大きな応力がかかる。このとき、全ての金属部１５が一方及び他方の圧電体層３の両方と接合している場合、積層方向に隣り合う圧電体層３を拘束する力が強い。そのため、金属部１５が破断する瞬間、圧電体層３の金属部１５と接合する部分の近くに応力が集中してしまう可能性がある。
これに対して、本実施形態にかかる積層型圧電素子では、金属部１５の一部が、上記のように他方の圧電体層３と接合していないため、効果的に応力を緩和させることができる。これは、素子１に引っ張り応力が加えられた場合には、圧電体層３と、この圧電体層３と接合していない金属部１５との間に空隙ができ、この空隙の部分で応力を開放することができるからである。
このように、好ましい形態の積層型圧電素子では、金属部１５が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層のうち、一方の圧電体層３とのみ接合され、他方の圧電体層３とは接合されていないため、低剛性金属層１３と隣接する２つの圧電体層３を拘束する力が働かない。これは、低剛性金属層１３が他方の圧電体層３と接合していないためである。これにより、圧電体層３にクラックが生じる可能性を低減させ、より確実に応力を緩和させることができる。
また、素子１に圧縮応力が加えられた場合には、金属部１５が上記の圧電体層３と接合していないため、この圧電体層３に拘束されることがないので、圧電体層３の金属部１５に近接する部分への応力の集中を抑制することができる。これにより、圧電体層３の破断や圧電体層３の金属部１５と接合する部分での剥がれを抑制することができる。結果として、安定して駆動する信頼性の高い積層型圧電素子１を提供することができる。
金属部１５が一方及び他方の圧電体層３と接合しているかどうかは、上記のＪＩＳ３点曲げ試験、或いはＪＩＳ３点曲げ試験に準拠した３点曲げ試験を行い、この破断面を観察することで評価できる。本実施形態の積層型圧電素子１は低剛性金属層１３が圧電体層３及び内部電極１１と比較して剛性が低いため、この３点曲げ試験を行った場合、低剛性金属層１３の層内及び／又は隣接する層との界面で破断が起きる。
金属部１５が一方及び他方の圧電体層３の両方と接合している場合、金属部１５が破断する瞬間、圧電体層３の、この金属部１５と接合する部分の近くに応力が集中するため、圧電体層３に亀裂が入ったり、圧電体層３の金属部１５との接合箇所が剥離する部分が生じることがある。一方、本実施形態の積層型圧電素子１は、一方の圧電体層３とのみ接合しているため、金属部１５と接合したまま、圧電体層３の一部が剥離する、ということを抑制することができる。つまり、破断面において露出する金属部１５に、剥離した圧電体層３の一部が接合しているか否かで評価することができる。
図５、６は、それぞれ本発明の積層型圧電素子にかかる実施形態の他の一例を示す拡大断面図である。また、一方の圧電体層３とは、任意の金属部１５と積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、どちらか一方の圧電体層３ということを意味している。そのため、図５に示すように、１つの低剛性金属層１３において空隙２７を介して互いに離隔する全ての金属部１５が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうちの一方（図５では、下方の圧電体層）のみと接合していてもよいし、図６に示すように、低剛性金属層１３において空隙２７を介して互いに離隔する複数の金属部１５が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうちの異なる圧電体層３のみとそれぞれ接合していてもよい。
本実施形態において金属部１５は、金属を主成分としている。そのため、金属部１５は金属成分のみからなるものであってもよいし、セラミックスやガラスなどの成分などを含有してもよい。
また、図４〜６に示すように、金属部１５が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、他方の圧電体層３と離隔していることが好ましい。このように、金属部１５が他方の圧電体層３と離隔していることにより、圧電体層３の耐久性を向上させることができる。
これは、以下の理由による。積層型圧電素子１は、一般的に通電を繰り返すことにより、伸縮を繰り返すようにして用いられている。そのため、金属部１５が他方の圧電体層３と離隔しておらず当接していると、上記の積層型圧電素子１の連続した駆動において、金属部１５と他方の圧電体層３とが衝突を繰り返すことになる。しかしながら、金属部１５が他方の圧電体層３と離隔している場合には、このような衝突を抑制することができるため、圧電体層３が損傷することを抑制し、耐久性を向上させることができる。
また、圧電体層３が、複数の圧電体結晶粒子１７により構成され、金属部１５の一方の端部が、少なくとも２つ以上の圧電体結晶粒子１７と接合されていることが好ましい。圧電体層３が、複数の圧電体結晶粒子１７により構成されることで、圧電体層３内において応力を分散させる効果を高めることができるからである。また、同時に、一つの圧電体結晶粒子１７に応力が集中して圧電体結晶粒子１７自体の破壊による新たな亀裂の起点が生み出されることを抑制することができる。また、金属部１５の一方の端部が、少なくとも２つ以上の圧電体結晶粒子１７と接合されている場合には、圧電体層３の圧電変位に伴い金属部１５にかかる応力を、圧電体層３のより広い範囲に分散させることができる。
また、金属部１５の一方の端部が、隣り合う圧電体結晶粒子１７間に入り込んでいることが好ましい。このように金属部１５が形成されていることにより、金属部１５と圧電体層３との接合性を高めることができる。特に、金属部１５と圧電体層３との接合性を高めるためには、金属部１５の一方の端部が、くさび状になっていることがより好ましい。
図７は、本発明の第１の積層型圧電素子にかかる実施形態の他の一例を示す拡大断面図である。さらに、図５〜７に示すように、圧電体層３が、複数の圧電体結晶粒子１７間に位置して隣り合う圧電体結晶粒子１７を接合する接合材１９を有し、金属部１５が接合材１９と接合されていることがより好ましい。このように、金属部１５が接合材１９を介して圧電体結晶粒子１７と接合していることにより、金属部１５と圧電体層３の接合性を高めることができるからである。また、各圧電体結晶粒子１７が接合材１９を介して接合していることにより、金属部１５にかかる応力を、金属部１５に接していない圧電体層３のより広い範囲の圧電体結晶粒子１７にさえも分散させることができる。
接合材１９としては、金属部１５や圧電体結晶粒子１７と接合性のよいものであればよく、具体的には、ガラスや鉛の酸化物などを用いることができる。
特に、接合材１９としては、ガラスを主成分とすることが好ましい。ガラス成分は金属部１５及び圧電体層３との接合性がよいため、接合材１９としてガラスを主成分とするものを用いることにより、接合材１９と金属部１５の接合性が向上するからである。これにより、金属部１５をより確実に一方の圧電体層３に接合することができる。なおここで、主成分とは、含有する成分のうち、質量％の最も大きい成分を意味するものとする。
また、接合材１９が、金属部１５の主成分を含有していることが好ましい。金属部１５の主成分を含有していることにより、金属部１５と接合材１９に含有される金属部１５の主成分とが結合し、アンカー効果を得ることができるからである。これにより、金属部１５と接合材１９の接合性をさらに高めることができる。
さらに、接合材１９が、金属部１５の主成分の酸化物を含有していることがより好ましい。金属部１５の主成分の酸化物を含有している場合には、金属結合よりも結合力の強いイオン結合により、金属部１５と接合材１９に含有される金属部１５の主成分の酸化物とが結合するので、金属部１５と接合材１９の接合性をより高めることができるからである。
特に、ガラスの主成分が珪素酸化物であることが好ましい。積層型圧電素子を焼成して形成する際に金属部１５の主成分の酸化物とともに液相を形成して、焼結を進行させるだけでなく、金属部１５との親和性が高くなるからである。これにより、図５〜７のように金属部１５と接する圧電体層３の表層部分に選択的に接合材１９を集中させることができる。
次に、本発明の第２の積層型圧電素子について図面を用いて詳細に説明する。図８は、本発明の第２の積層型圧電素子にかかる実施形態の一例を示す断面図であって、積層方向に平行な縦断面図である。
図８に示すように、本実施形態の積層型圧電素子１は、複数のセラミック層２１と複数の内部電極１１とが交互に積層された積層構造体７と、積層構造体７の側面に形成された外部電極９と、を備えている。また、複数のセラミック層２１が、圧電体層３と、圧電体層３及び内部電極１１と比較して剛性が低い低剛性セラミック層２３と、を備えている。
本実施形態において低剛性セラミック層２３とは、圧電体層３や内部電極１１と比較して層内の結合力及び／又は隣接する層との結合力が弱く、剛性が小さい層をいい、互いに離隔する複数のセラミック部２５を有している。これらのセラミック部２５間には、例えば、空隙２７が存在する。また、セラミック部２５間には、空隙２７以外にもセラミックスや樹脂などが存在する形態もある。このように、本発明における低剛性セラミック層２３とは、これらの種々の形態を含む概念である。
積層型圧電素子１の使用時などに、積層型圧電素子１に外部から強い衝撃や応力が加えられた時には、低剛性セラミック層２３により応力を吸収することができる。これにより、内部電極１１や圧電体層３にクラックが生じることを抑制して、積層方向に隣り合う内部電極１１間で電気的短絡が生じることを抑制することができる。
すなわち、本発明の第２の積層型圧電素子によれば、低剛性セラミック層２３が、互いに離隔した複数のセラミック部２５を有し、セラミック部２５の少なくとも１つが、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合されている。そのため、セラミック部２５と隣接する２つの圧電体層３を拘束する力が働かない。これにより、圧電変位に伴い生じる応力を緩和することができる。
また、低剛性セラミック層２３で生じたクラックが圧電体層に伸展する可能性が低減され、圧電変位に伴い生じる応力を効果的に緩和させることができるようになる。
低剛性セラミック層２３、圧電体層３及び内部電極１１の剛性は、例えば素子に対して、積層方向に垂直な方向に荷重を加えることで容易に比較できる。具体的には、既に示しているように、ＪＩＳ３点曲げ試験（ＪＩＳ Ｒ １６０１）などにより、素子１に対して積層方向に垂直な方向から荷重を加えることで判断できる。
本実施形態の積層型圧電素子１は低剛性セラミック層２３を備えているので、ＪＩＳ３点曲げ試験などを行うと、圧電体層３や内部電極１１よりも、この低剛性セラミック層２３や低剛性セラミック層２３と圧電体層３との界面近傍で優先的に破断が起きる。このように、破断した箇所が圧電体層３や内部電極１１であるか、或いは、低剛性セラミック層や低剛性セラミック層２３と圧電体層３との界面近傍であるかにより評価することができる。
また、剛性が低いとは、ヤング率が小さいと言い換えることができ、既に示したように、ナノインデンテーション法を用いてヤング率を測定することによっても評価できる。
図９は、図８に示す実施形態の積層型圧電素子１にかかる低剛性セラミック層２３が配設された部分（領域Ｂ）を拡大した拡大断面図である。図９に示すように、低剛性セラミック層２３は、空隙２７を介して互いに離隔した複数のセラミック部２５を有している。低剛性セラミック層２３がこのように形成されることにより、低剛性セラミック層２３内での結合力及び／又は隣接する圧電体層３との結合力が低下するため、低剛性セラミック層２３の剛性をより低くすることができる。
全てのセラミック部２５が一方及び他方の圧電体層３の両方と接合している場合、積層方向に隣り合う圧電体層３を拘束する力が強い。そのため、セラミック部２５を構成するセラミックスの粒子は単独で変形することが非常に困難となる。その結果、これらの粒子間には、大きな応力がかかることになる。このような状態の積層型圧電体素子に通電などによる応力が加わった場合、セラミック部２５にかかる大きな応力が圧電体層３に伝播する。
つまり、セラミック部２５が破断する瞬間、圧電体層３のセラミック部２５と接合する部分の近くに応力が集中してしまう可能性がある。そして、ひとたび、セラミック部２５にクラックが発生すると、圧電体層３にクラックが伸展する可能性が生じる。このクラックが積層方向に隣り合う内部電極間に達することがある。
これに対して、本実施形態の積層型圧電素子にかかるセラミック部２５の一部は、上記のように他方の圧電体層３と接合していないため、応力を緩和させることができる。これは、素子１に引っ張り応力が加えられた場合には、圧電体層３と、この圧電体層３と接合していないセラミック部２５との間に空隙ができ、この空隙の部分で応力を開放することができるからである。
また、素子１に圧縮応力が加えられた場合には、セラミック部２５が上記の圧電体層３と接合していないため、この圧電体層３に拘束されることがないので、圧電体層３のセラミック部２５に近接する部分への応力の集中を抑制することができる。これにより、圧電体層３の破断や圧電体層３のセラミック部２５と接合する部分での剥がれを抑制することができる。
つまり、本発明のように一方の圧電体層３とのみ接合している場合、他方の圧電体層３とは接合していないため、圧電体層３のセラミック部２５と接合する部分の近くへの応力の集中を抑制することができる。そのため、セラミック部２５にクラックが発生したとしても、圧電体層３へのクラックの伝播が遮断される。これにより、積層方向に隣り合う内部電極１１間に達するような圧電体層３でのクラックの発生を抑えることができる。また、複数のセラミック部２５が互いに離隔しているため、予想外の方向にクラックが進展することを抑制することができる。
すなわち、低剛性セラミック層２３においては、圧電体層３は空隙２７を介して互いに離隔した（点在した）複数のセラミック部２５によって部分的に結合されているだけであるから、低剛性セラミック層２３に接している圧電体層３は比較的自由に変形できる。
したがって、積層型圧電素子１に応力が加わった際には、低剛性セラミック層２３に接している圧電体層３が応力で変形することによって応力が吸収される。また、圧電体層３においてセラミック部２５に接している部分では、圧電体層３の変形が抑制されるので、セラミック部２５及びセラミック部２５が接している一部の圧電体層３には引っ張り又は圧縮歪が生じるが、その歪は熱エネルギーに変換されて発散される。このようにして、セラミック部２５が点在した低剛性セラミック層２３により、積層型圧電素子１に加わった応力は緩和される。
また、低剛性セラミック層２３では、複数のセラミック部２５が互いに離隔しているため、例えば、低剛性セラミック層２３を越えてクラックが進展することは抑制され、予想外の方向にクラックが進展することを抑制することが可能になる。
低剛性セラミック層２３を積層方向から見たときに、セラミック部２５が低剛性セラミック層２３の全面に偏りなく形成されることが好ましい。このように低剛性セラミック層２３が形成されることによって、様々な方向からの積層型圧電素子１への応力に対する応力緩和の効果を高めることができるからである。これにより、積層方向に隣り合う異なる極性の内部電極１１の双方に達するような亀裂が発生する可能性をより確実に抑制することができる。結果として、安定して駆動する信頼性の高い積層型圧電素子１を提供することができる。
セラミック部２５が一方及び他方の圧電体層３と接合しているかどうかは、上記のＪＩＳ３点曲げ試験、或いはＪＩＳ３点曲げ試験に準拠した３点曲げ試験を行い、この破断面を観察することで評価できる。本実施形態の積層型圧電素子１は低剛性セラミック層２３が圧電体層３及び内部電極１１と比較して剛性が低いため、この３点曲げ試験を行った場合、低剛性セラミック層２３の層内及び／又は隣接する圧電体層３との界面付近で破断が起きる。
セラミック部２５が一方及び他方の圧電体層３の両方と接合している場合、積層型圧電素子１を上記の試験方法により破断させると、セラミック部２５や圧電体層３のセラミック部２５との接合箇所近傍などに亀裂や破断が生じる。そのため、積層型圧電素子１の２つの破断面には、同一形状の圧電体層３やセラミック部２５の破壊面がそれぞれの破断面に同様に現れる。
特に、圧電体層３やセラミック部２５が複数の粒子から構成される場合には、このようなセラミック部２５や圧電体層３のセラミック部２５との接合箇所近傍などで生じる亀裂や破断は、それぞれの粒子間だけでなく、この結晶粒子の粒内に生じることがある。そのため、セラミック部２５が一方及び他方の圧電体層３の両方と接合している場合、同一形状であって結晶方向の一致する圧電体層３やセラミック部２５の破壊面がそれぞれの破断面に現れる。
一方、本実施形態の積層型圧電素子１は、一方の圧電体層３とのみ接合しているため、上記の破断が生じず、同一形状の圧電体層３やセラミック部２５の破壊面がそれぞれの破断面に現れることもない。つまり、破断した面のそれぞれの表面に同一形状の破壊形状が露出しているか否かで評価することができる。
また、一方の圧電体層３とは、任意のセラミック部２５と積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、どちらか一方の圧電体層３ということを意味している。そのため、１つの低剛性セラミック層２３における全てのセラミック部２５が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうちの一方のみと接合していてもよい。
図１０は、本発明の第２の積層型圧電素子にかかる実施形態の他の一例を示す拡大断面図である。また、図１０に示すように、低剛性セラミック層２３における複数のセラミック部２５が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうちの異なる圧電体層３のみとそれぞれ接合していてもよい。
また、セラミック部２５が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、他方の圧電体層３と離隔していることが好ましい。このように、セラミック部２５が他方の圧電体層３と離隔していることにより、本発明の第１の積層型圧電素子１と同様の理由により、圧電体層３の耐久性を向上させることができるからである。
また、低剛性セラミック層２３やセラミック部２５が、圧電体であることが好ましい。圧電体であることにより、素子１への通電時に圧電変位するため、変位量を増加させることができるからである。
さらに、低剛性セラミック層２３やセラミック部２５が、圧電体層３と同じ成分であることが好ましい。低剛性セラミック層２３やセラミック部２５が、圧電体層３と同じ成分であることにより、圧電体層３とセラミック部２５との接合性を高めることができる。
次に、本発明の積層型圧電素子１の製法について説明する。
まず、圧電体層３となるセラミックグリーンシート（以下、単に「シート」ともいう。）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成るバインダーと、可塑剤と、を混合してスラリーを作製する。そして、このスラリーを周知のドクターブレード法や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、シートが作製される。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、ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３等からなるペロブスカイト型酸化物などを用いることができる。また、可塑剤としては、ＤＢＰ（フタル酸ジブチル）、ＤＯＰ（フタル酸ジオチル）などを用いることができる。
上記シートを焼成することにより、圧電体層３を形成することができるが、互いに離隔するセラミック部２５を有する低剛性セラミック層２３を形成するためには、上記のシートに、バインダーや樹脂としてアクリルビーズやカーボンなどの飛散成分を混入すればよい。焼成や脱脂の工程で上記の飛散成分が飛散するので、互いに離隔したセラミック部２５を形成することができる。
次に、内部電極１１となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム等の金属粉末にバインダー及び可塑剤等を添加混合することで、導電性ペーストを作製することができる。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の全面域にスクリーン印刷法を用いて配設し、後述するように、焼成することで金属層５が形成される。
上記導電性ペーストを焼成することにより、内部電極１１を形成することができるが、互いに離隔する金属部１５を有する低剛性金属層１３を形成するためには、上記の導電性ペーストに、バインダーや樹脂にアクリルビーズやカーボンなどの飛散成分を混入すればよい。上記の飛散成分が混入された導電性ペーストをシート上にスクリーン印刷法を用いて配設することにより、焼成や脱脂の工程で上記の飛散成分が飛散するので、互いに離隔した金属部１５を形成することができる。
なお、互いに離隔した金属部１５やセラミック部２５を形成する方法は、上記の方法に限られない。例えば、スクリーンのメッシュの度数や、パターン形状を変更することによっても上記の金属部１５やセラミック部２５を形成することができる。具体的には、スクリーンのメッシュサイズを１５μｍ以下とすることで、インクペースト量の通過が不十分となり、いわゆる、かすれパターン形状の状態となるので、互いに離隔した金属部１５やセラミック部２５を形成することができる。また、スクリーンにインクペーストを通さないようにマスキングすることによっても、同様にインクペーストの通過が不十分となるので、互いに離隔した金属部１５やセラミック部２５を形成することができる。マスキングの形状は、楕円や円形といった略円形が応力を緩和する効果が高いので好ましい。
そして、本発明の第１の積層型圧電素子にかかる実施形態としては、低剛性金属層１３に対して積層方向に隣り合う２つの圧電体層３となる２つのセラミックグリーンシートのうち、一方に接合材１９を混入させることにより、図５に示すように、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合された金属部１５を形成することができる。
また、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合された金属部１５は、上記の方法のほか、以下の方法によっても作製することができる。低剛性金属層１３となる導電性ペーストと、低剛性金属層１３と積層方向に隣り合う圧電体層３となるそれぞれのセラミックグリーンシートと、を積層する際、一方のシートと導電性ペーストとの間に接合材１９を含有するペーストを積層する。このように、一方のシートは、接合材１９を含有するペーストを介して導電性ペーストに積層されることで、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合された金属部１５を形成することができる。
また、低剛性金属層１３と積層方向に隣り合う２つの圧電体層３となる２つのセラミックグリーンシートのうち、他方に低剛性金属層１３との濡れ性を低下させる成分を混入させることによっても、図５に示すように、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合された金属部１５を形成することができる。低剛性金属層１３との濡れ性を低下させる部材としては、ＢＮやカーボンを挙げることができる。
或いは、低剛性金属層１３となる導電性ペーストと、低剛性金属層１３と積層方向に隣り合う圧電体層３となるそれぞれのシートと、を積層する際、他方のシートと導電性ペーストとの間に、低剛性金属層１３との濡れ性を低下させる成分を含有するペーストを積層することによっても、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合された金属部１５を形成することができる。
なお、ＢＮなどの低剛性金属層１３との濡れ性を低下させる部材を用いたかどうかは下記の測定をすることで評価できる。
まず、低剛性金属層１３と隣り合う２つの圧電体層３がそれぞれ露出するように、積層構造体７を切断するなどして、上記２つの圧電体層３の一部をそれぞれ採取する。そして、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）発光分析等の化学分析をすることで、圧電体層３の組成を測定し、それぞれの圧電体層３に含有される上記の濡れ性を低下させる成分の含有量を測定する。本実施形態のように、低剛性金属層１３と積層方向に隣り合う２つの圧電体層３となる２つのセラミックグリーンシートのうち、他方に低剛性金属層１３との濡れ性を低下させる成分を混入させた場合、２つの圧電体層３における、この濡れ性を低下させる成分の含有量に差が出る。また、他方のシートと導電性ペーストとの間に、低剛性金属層１３との濡れ性を低下させる成分を含有するペーストを積層した場合であっても同様である。
なお、積層型圧電素子１の切断面を、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）発光分析等の化学分析の代わりにＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ）法等の分析方法を用いて分析、測定してもよい。
また、低剛性金属層１３と積層方向に隣り合う２つの圧電体層３となる２つのセラミックグリーンシートのそれぞれに接合材１９を混入させることにより、図６に示すように、各々の金属部１５が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、どちらか一方の圧電体層３とのみ接合されるようにして形成される。
また、内部電極１１が銀−パラジウムからなる時には、内部電極１１となる導電性ペーストと比較して銀−パラジウムの銀比率の高い導電性ペーストを低剛性金属層１３として用いることにより、複雑な工程を経ることなく互いに離隔する複数の金属部１５を有する低剛性金属層１３を形成することができる。
これは、低剛性金属層１３が形成される位置に上記の銀比率の高い導電性ペーストを配設して同時焼成により積層構造体７を形成すると、銀比率の高い導電性ペーストから銀比率の低い導電性ペーストへと銀が拡散していくからである。銀が拡散することによって互いに離隔する複数の金属部１５が形成され、結果、上記の銀比率の高い導電性ペーストは圧電体層３や内部電極１１と比較して剛性の低い低剛性金属層１３となる。
さらに、このとき、低剛性金属層１３となる導電性ペーストに接合材１９を混入させておくことにより、効率良く、接合材１９を介して金属部１５と圧電体層３とを接合することができる。これは、導電性ペーストに混入された接合材１９が、銀とともに拡散するからである。既に示したように、内部電極１１となる導電性ペーストと比較して銀−パラジウムの銀比率の高い導電性ペーストを低剛性金属層１３として用いた場合、銀比率の高い導電性ペーストから銀が拡散する。この銀の拡散に伴い、連動して接合材１９が拡散する。
接合材１９は、銀と比較して圧電体結晶粒子１７との接合性が高いため、拡散の過程で圧電体結晶粒子１７と接合する。そして、圧電体結晶粒子１７と接合した接合材１９と上記の拡散している銀が接合することにより、接合材１９を介して金属部１５と圧電体層３とが接合される。
また、このようにして金属部１５と圧電体層３とが接合材１９を介して接合される場合には、銀や接合材１９は圧電体結晶粒子１７間を拡散するため、金属部１５の端部が、隣り合う圧電体結晶粒子１７間に入り込んだ形状に形成されやすい。結果、金属部１５の一方の端部が、くさび状となるため、金属部１５の一方の端部と圧電体層３との接合性をより強固なものとすることができる。
また、図７に示すように、金属部１５の一部が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３の両方と接合材１９を介して接合されていることが好ましい。このように金属部１５が形成されていることにより、この金属部１５を介して積層方向に隣り合う２つの圧電体層３が連結されるため、高い応力緩和効果を維持しながらも、積層型圧電素子１の形状を安定して保持することができるからである。
このような低剛性金属層１３となる導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシートの上面にスクリーン印刷等によって１〜４０μｍの厚みに印刷する。そして、導電性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積層し、２００〜８００℃で脱バインダーを行う。この時、金属部１５間の空隙２７を有効に残存させるために、飛散する成分のガラス転移温度（Ｔｇ温度）より高い温度で脱脂することが好ましい。
さらに、脱脂した後、９００〜１２００℃で焼成することによって積層構造体７が作製される。焼成温度が９００℃以上であることにより、圧電体層３の焼結を十分にすることができ、変位特性への影響が抑制される。また、１２００℃以下であることにより、低剛性金属層１３の融解や分解が抑制されるため、低剛性金属層１３の形状を保持することができる。また、焼成を行うときも、金属部１５の間の空隙２７を有効に残存させるために、飛散する成分のＴｇ温度より高い温度で保持することが望ましい。
なお、積層構造体７は、上記製法によって作製されるものに限定されることはなく、複数の圧電体層３と複数の金属層５とを交互に積層してなる積層構造体７を作製できれば、どのような製法によって形成されても良い。
また、本発明の第２の積層型圧電素子にかかる実施形態として、低剛性セラミック層２３に関しては、圧電体層３よりも剛性の低い材料で構成するほか、粒子径１μｍ程度のアクリルビーズをセラミック粉末とともに加えたセラミックシートを形成した後、積層して焼成するなどの製法を用いることができる。
そして、低剛性セラミック層２３に対して積層方向に隣り合う２つの圧電体層３となる２つのセラミックグリーンシートのうち、一方に接合材１９を混入させることにより、図８〜１０に示すように、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合されたセラミック部２５を形成することができる。
また、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合されたセラミック部２５は、上記の方法のほか、以下の方法によっても作製することができる。低剛性セラミック層２３となるシートと、低剛性セラミック層２３と積層方向に隣り合う圧電体層３となるそれぞれのシートと、を積層する際、一方の圧電体層３と低剛性セラミック層２３との間に接合材１９を含有するペーストを積層する。
このように、一方の圧電体層３は、接合材１９を含有するペーストを介して低剛性セラミック層２３に積層されることで、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合されたセラミック部２５を形成することができる。
また、低剛性セラミック層２３と積層方向に隣り合う２つの圧電体層３となる２つのシートのうち、他方に低剛性セラミック層２３との接合性を低下させる成分を混入させることによっても、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合されたセラミック部２５を形成することができる。低剛性セラミック層２３との接合性を低下させる部材としては、ＢＮやカーボンを挙げることができる。
或いは、低剛性セラミック層２３となるシートと、低剛性セラミック層２３と積層方向に隣り合う圧電体層３となるそれぞれのシートと、を積層する際、他方の圧電体層３と低剛性セラミック層２３との間に、低剛性セラミック層２３との接合性を低下させる成分を含有するペーストを積層することによっても、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合されたセラミック部２５を形成することができる。
また、低剛性セラミック層２３に対して積層方向に隣り合う２つの圧電体層３となる２つのシートのそれぞれに接合材１９を混入させることにより、図１０に示すように、各々のセラミック部２５が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、どちらか一方の圧電体層３とのみ接合されるように形成することができる。
また、図１０に示すように、セラミック部２５の一部が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３の両方と接合材１９を介して接合されていることが好ましい。このようにセラミック部２５が形成されていることにより、このセラミック部２５を介して積層方向に隣り合う２つの圧電体層３が連結されるため、積層型圧電素子１の形状を安定して保持することができるからである。
圧電体層３となるシート、内部電極１１となる導電性ペースト及び低剛性セラミック層２３となるシートを複数積層し、２００〜８００℃で脱バインダーを行う。この時、セラミック部２５間の空隙２７を有効に残存させるために、飛散する成分のＴｇ温度より高い温度で脱脂することが好ましい。
さらに、脱脂した後、９００〜１２００℃で焼成することによって積層構造体７が作製される。焼成温度が９００℃以上であることにより、圧電体層３の焼結を十分にすることができ、変位特性への影響が抑制される。また、焼成を行うときは、セラミック部２５の間の空隙２７を有効に残存させるために、飛散する成分のＴｇ温度より高い温度で保持することが望ましい。
なお、積層構造体７は、上記製法によって作製されるものに限定されることはなく、複数のセラミック層２１と複数の内部電極１１とを交互に積層してなる積層構造体７を作製できれば、どのような製法によって形成されても良い。
例えば、低剛性セラミック層２３は、既に示したような圧電体層３よりも剛性の低い材料で構成したり、アクリルビーズを加えたセラミックシートを形成した後に積層して焼成する製法の他にも、後述するように、メッシュのあるスクリーン印刷などの一般的な製法を用いることができる。
その後、積層型圧電素子１の側面に端部が露出する内部電極１１と導通が得られるように外部電極９を形成する。この外部電極９は、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、これを印刷し焼き付けることによって得ることができる。
次に、シリコーンゴムからなる外装樹脂を含む樹脂溶液に、外部電極９を形成した積層構造体７を浸漬する。そして、シリコーン樹脂溶液を真空脱気することにより、積層構造体７の側面外周表面の凹凸部にシリコーン樹脂を密着させ、その後シリコーン樹脂溶液から積層構造体７を引き上げる。これにより、積層構造体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。そして、外部電極９に通電部２９としてリード線を導電性接着剤（不図示）等で接続する。
リード線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、積層構造体７を分極処理することによって、本実施形態の積層型圧電素子１が完成する。リード線を外部の電圧供給部（不図示）に接続し、通電部２９であるリード線及び外部電極９を介して内部電極１１に電圧を印加することにより、各圧電体層３は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。
さらに、金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板からなる導電性補助部材（不図示）を導電性接着剤に埋設してもよい。導電性接着剤に上記の導電性補助部材を埋設することにより、素子を高速で駆動させる場合においても、導電性補助部材に大電流を流すことができるので、外部電極９に過度の電流が流れることを抑制できる。これにより、外部電極９が局所発熱を起こし断線することを効果的に防ぐことができ、耐久性を大幅に向上させることができる。
また、導電性接着剤中に金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板を埋設しているときには、上記導電性接着剤に亀裂が生じる可能性を小さくすることができる。なお、金属のメッシュとして、金属線を編み込んだものを、メッシュ状の金属板として、金属板に孔を形成してメッシュ状にしたものが挙げられる。
次に、本発明の一実施形態にかかる噴射装置について説明する。
図１１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１１に示すように、本実施形態にかかる噴射装置３１は、一端に噴射孔３３を有する収納容器３５の内部に上記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３５内には、噴射孔３３を開閉することができるニードルバルブ３７が配設されている。噴射孔３３には燃料通路３９がニードルバルブ３７の動きに応じて連通可能に配設されている。この燃料通路３９は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路３９に常時一定の高圧で燃料が供給されている。従って、ニードルバルブ３７が噴射孔３３を開放すると、燃料通路３９に供給されていた燃料が一定の高圧で図示しない内燃機関の燃料室内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３７の上端部は内径が大きくなっており、収納容器３５に形成されたシリンダ４１と摺動可能なピストン４３が配置されている。そして、収納容器３５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３１では、積層型圧電素子１が電圧を印加されて伸長すると、ピストン４３が押圧され、ニードルバルブ３７が噴射孔３３を閉塞し、燃料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１が収縮し、さらばね４５がピストン４３を押し返し、噴射孔３３が燃料通路３９と連通して燃料の噴射が行われるようになっている。
また、本実施形態の噴射装置３１は、噴射孔３３を有する容器と、積層型圧電素子１と、を備え、容器内に充填された液体が積層型圧電素子１の駆動により噴射孔３３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、本実施形態において、液体とは、燃料、インクなどの他、導電性ペースト等の種々の液状流体が含まれる。
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１２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１２に示すように、本実施形態にかかる燃料噴射システム４７は、高圧燃料を蓄えるコモンレール４９と、このコモンレール４９に蓄えられた燃料を噴射する複数の上記噴射装置３１と、コモンレール４９に高圧の燃料を供給する圧力ポンプ５１と、噴射装置３１に駆動信号を与える噴射制御ユニット５３と、を備えている。
噴射制御ユニット５３は、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ものである。圧力ポンプ５１は、燃料タンク５５から燃料を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４９に送り込む役割を果たす。コモンレール４９では、圧力ポンプ５１から送られてきた燃料を蓄え、適宜噴射装置３１に送り込む。噴射装置３１は、上述したように噴射孔３３から少量の燃料を燃焼室内に霧状に噴射する。
なお、本発明は、積層型圧電素子１、噴射装置３１、及び燃料噴射システム４７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はなく、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止装置等に搭載される駆動素子、または、燃焼圧センサ、ノックセンサ、加速度センサ、加重センサ、超音波センサ、感圧センサ、ヨーレートセンサ等に搭載されるセンサ素子、ならびに圧電ジャイロ、圧電スイッチ、圧電トランス、圧電ブレーカー等に搭載される回路素子以外であっても、圧電特性を利用した素子であれば、実施可能である。
また、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。
本発明の積層型圧電素子を以下のようにして作製した。
まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）粉末を主成分とする原料粉末、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１５０μｍのセラミックグリーンシートＡを作製した。また、上記のＰＺＴ粉末に対して、接合材１９として０．０１重量％（ｗｔ％）のＳｉＯ２が含有されるように、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）をスラリーに混合して、厚み１５０μｍのセラミックグリーンシートＢを作製した。
次に、Ａｇ９５ｗｔ％−Ｐｄ５ｗｔ％の金属組成である銀合金粉末を含有する原料粉末にバインダーを加えた導電性ペーストＡを作製した。また、Ａｇ９８ｗｔ％−Ｐｄ２ｗｔ％の金属組成である銀合金粉末を含有する原料粉末にバインダーを加えた導電性ペーストＢを作製した。さらに、Ａｇ９８ｗｔ％−Ｐｄ２ｗｔ％の金属組成である銀合金粉末を含有する原料粉末に、銀合金粉末に対して接合材１９として０．０１ｗｔ％のＳｉＯ２が含有されるように、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）をバインダーとともに加えた導電性ペーストＣを作製した。
試料番号１においては、上記シートＡの片面に、導電性ペーストＡをスクリーン印刷法により３０μｍの厚みになるように印刷した。そして、導電性ペーストＡが印刷された各シートＡを積層して積層構造体７を作製した。なお、積層数としては、金属層５の数が３００となるように積層し、積層構造体７の積層方向の両端部には、導電性ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシートＡのみをそれぞれ２０枚積層した。
試料番号２においては、上記シートＡの片面に、導電性ペーストＡをスクリーン印刷法により３０μｍの厚みになるように印刷した。また、上記シートＢの片面に、導電性ペーストＢをスクリーン印刷法により３０μｍの厚みになるように印刷した。金属層５のうち積層方向の５０、１００、１５０、２００、２５０番目の５箇所にシートＢに印刷された導電性ペーストＢが位置するように、導電性ペーストＡが印刷されたシートＡ及び導電性ペーストＢが印刷されたシートＢを積層して、積層構造体７を作製した。なお、試料番号１と同様に、積層数としては、金属層５の数が３００となるように積層され、積層構造体７の積層方向の両端部には、導電性ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシートＡのみをそれぞれ２０枚積層した。
試料番号３においては、試料番号２と同様にして積層構造体７が作製された。ただし、試料番号２の導電性ペーストＢは積層方向の一方のみがシートＢと隣り合っているのに対して、試料番号３では、導電性ペーストＢがシートＢに挟まれるように位置する点で相違している。
試料番号４においては、上記シートＡの片面に、導電性ペーストＡをスクリーン印刷法により３０μｍの厚みになるように印刷した。また、別の上記シートＡの片面に、導電性ペーストＣをスクリーン印刷法により３０μｍの厚みになるように印刷した。金属層５のうち積層方向の５０、１００、１５０、２００、２５０番目には導電性ペーストＣが位置するようにして導電性ペーストＡが印刷されたシートＡと導電性ペーストＣが印刷されたシートＡを積層して、積層構造体７を作製した。なお、試料番号１と同様に、積層数としては、金属層５の数が３００となるように積層され、積層構造体７の積層方向の両端部には、導電性ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシートＡのみをそれぞれ２０枚積層した。
次に、それぞれの試料番号の積層構造体７を所定の温度で脱バインダーを行った後、８００〜１２００℃で焼成して焼結体を得た。このとき、試料番号２、３の積層構造体７では、銀濃度の異なる導電性ペーストＡと導電性ペーストＢを、試料番号４の積層構造体７では、銀濃度の異なる導電性ペーストＡと導電性ペーストＣを用いたため、銀濃度の高い導電性ペーストＢ又は導電性ペーストＣから銀濃度の低い導電性ペーストＡへ銀が拡散した。これにより、表１に示すように空隙率が８０％と空隙率の高い低剛性金属層１３が形成された。
次に、各々の焼結体を所望の寸法に加工した上で外部電極９をそれぞれ形成した。まず、主に銀からなる金属粉末にバインダー、可塑剤、ガラス粉末等を添加混合して外部電極９用の導電性ペーストを作製した。この導電性ペーストを、上記焼結体側面の外部電極９を形成する箇所にスクリーン印刷等によって印刷して６００〜８００℃で焼成すると外部電極９が形成できる。以上のようにして、積層型圧電素子１が作製された。
上記の試料番号の積層型圧電素子１をそれぞれ２個ずつ作製した。これは、１個はＳＥＭ観察に用い、残りの１個は、駆動評価に用いたためである。各試料番号の積層型圧電素子１の作製に用いた導電性ペーストの成分、焼成後の金属層５の空隙率、低剛性金属層１３の形状について表１に示す。
なお、空隙率とは、積層構造体７の積層方向に垂直若しくは平行な断面において、積層構造体７の断面積に対して空隙１７の面積が占める割合（％）を意味する。空隙率を測定は以下のようにして行った。
まず、積層方向に垂直な断面が露出するように、積層構造体７を公知の研磨手段を用いて研磨処理する。具体的には、例えば研磨装置としてケメット・ジャパン(株)社製卓上研磨機ＫＥＭＥＴ−Ｖ−３００を用いてダイヤモンドペーストで研磨することができる。この研磨処理により露出した断面を、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、光学顕微鏡、金属顕微鏡などにより観察して断面画像を得て、この断面画像を画像処理することによって蒸気の空隙率を測定した。
表１
Figure 0005055370
表１に示すように、試料番号１の積層型圧電素子１は同一成分の導電性ペーストを用いたため、低剛性金属層１３が形成されていなかった。一方、試料番号２−４の積層型圧電素子１では、銀の拡散により、低剛性金属層１３が形成されている。また、このため、金属層１１の空隙率１５％に対して低剛性金属層１３の空隙率は８０％となり、金属層１１及び圧電体層３と比較して剛性の小さい低剛性金属層１３を形成することができたことがわかる。
表１に示すように、ＳＥＭ観察の結果、試料番号２においては、図５のように、１つの低剛性金属層１３における全ての金属部１５が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうちの一方（図５では、下方の圧電体層）のみと接合していた。これは、低剛性金属層１３と積層方向に隣り合う圧電体層３のうち、一方のみに接合材１９が混入されていたためである。
また、試料番号３においては、図６に示すように、低剛性金属層１３における複数の金属部１５が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうちの異なる圧電体層３のみとそれぞれ接合していた。これは、低剛性金属層１３と積層方向に隣り合う圧電体層３のうち、両方に接合材１９が混入されていたためである。
また、試料番号４においては、図７に示すように、低剛性金属層１３における複数の金属部１５の一部が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３の両方と接合材１９を介して接合されていた。これは導電性ペーストに混入された接合材１９が、銀とともに拡散するからである。
次に、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。
まず、外部電極９にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極９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、積層型圧電素子１を用いた圧電アクチュエータを作製した。得られた積層型圧電素子１に１７０Ｖの直流電圧を印加して初期状態の変位量を測定したところ、試料番号１の圧電アクチュエータは４５μｍであり、試料番号２−４の圧電アクチュエータは４０μｍであった。試料番号１の圧電アクチュエータの変位量が他の試料番号の圧電アクチュエータよりも大きいのは、試料番号２−４の積層型圧電素子１では、低剛性金属層１３が内部電極１１として作用しなかったためである。
高速応答性評価としては、各々の圧電アクチュエータに室温で０〜＋１７０Ｖ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、各々の圧電アクチュエータに室温で０〜＋１７０Ｖの交流電圧を１５０Ｈｚの周波数で印加して、１×１０９回まで連続駆動した試験を行った。結果は表２に示すとおりである。
表２
Figure 0005055370
表２に示すように、高速応答性評価の結果として、試料番号１の圧電アクチュエータでは、周波数が１ｋＨｚを超えた時にうなり音を発していた。これは、試料番号１の積層型圧電素子１は、低剛性金属層１３を備えていないため、内部電極５による圧電体層３への拘束力が大きいからである。圧電体層３の拘束力が大きいことにより高速応答性が阻害されて、結果、印加した交流電圧の周波数に追従できなかったためと考えられる。
なお、駆動周波数を確認するために、試料番号１の圧電アクチュエータのパルス波形をヨコガワ製オシロスコープＤＬ１６４０Ｌを用いて確認したところ、駆動周波数の整数倍の周波数に相当する箇所に高調波ノイズが確認された。
また、表２に示すように、耐久性評価の結果として、試料番号１の圧電アクチュエータでは、評価試験後の変位量は５μｍと、評価試験前と比較して９０％近く低下していた。また、積層圧電素子の一部に剥がれが見られた。
一方、試料番号２−４の圧電アクチュエータでは、剥がれは見られず、評価試験後の変位量も、３５〜４０μｍと、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４の圧電アクチュエータでは、変位量の低下が殆ど見られず、非常に高い耐久性を有していることが分かった。

Claims (17)

  1. 複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層構造体を有する積層型圧電素子であって、
    前記複数の金属層は、内部電極と、前記圧電体層及び前記内部電極と比較して剛性が低い低剛性金属層と、を備え、
    前記低剛性金属層は、互いに離隔した複数の金属部を有し、
    前記金属部の少なくとも１つは、積層方向に隣り合う２つの前記圧電体層のうち、一方の圧電体層とのみ接合されていることを特徴とする積層型圧電素子。
  2. 前記金属部間に空隙が存在することを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
  3. 前記金属部は、前記積層方向に隣り合う２つの圧電体層のうち、他方の圧電体層と離隔していることを特徴とする請求項１または２に記載の積層型圧電素子。
  4. 前記圧電体層は、複数の圧電体結晶粒子により構成され、前記金属部の一方の端部が、少なくとも２つ以上の圧電体結晶粒子と接合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の積層型圧電素子。
  5. 前記金属部の一方の端部が、隣り合う圧電体結晶粒子間に入り込んでいることを特徴とする請求項４に記載の積層型圧電素子。
  6. 前記金属部は、前記一方の端部がくさび状になっていることを特徴とする請求項５に記載の積層型圧電素子。
  7. 前記圧電体層は、前記複数の圧電体結晶粒子間に位置して隣り合う前記圧電体結晶粒子を接合する接合材を有し、前記金属部が前記接合材と接合されていることを特徴とする請求項５に記載の積層型圧電素子。
  8. 前記接合材は、ガラスを主成分とすることを特徴とする請求項７に記載の積層型圧電素子。
  9. 前記ガラスは、主成分が珪素酸化物であることを特徴とする請求項８に記載の積層型圧電素子。
  10. 前記接合材は、前記金属部の主成分を含有していることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の積層型圧電素子。
  11. 前記接合材は、前記金属部の主成分の酸化物を含有していることを特徴とする請求項１０に記載の積層型圧電素子。
  12. 複数のセラミック層と複数の内部電極とが交互に積層された積層構造体を有する積層型圧電素子であって、
    前記複数のセラミック層は、圧電体層と、該圧電体層及び前記内部電極と比較して剛性が低い低剛性セラミック層と、を備え、
    前記低剛性セラミック層は、互いに離隔した複数のセラミック部を有し、
    前記セラミック部の少なくとも１つは、積層方向に隣り合う２つの前記圧電体層のうち、一方の圧電体層とのみ接合されていることを特徴とする積層型圧電素子。
  13. 前記セラミック部間に空隙が存在することを特徴とする請求項１２に記載の積層型圧電素子。
  14. 前記セラミック部は、前記積層方向に隣り合う２つの圧電体層のうち、他方の圧電体層と離隔していることを特徴とする請求項１２に記載の積層型圧電素子。
  15. 前記低剛性セラミック層および前記セラミック部は、圧電体から成ることを特徴とする請求項１２乃至請求項１４のいずれかに記載の積層型圧電素子。
  16. 請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載の積層型圧電素子と噴射孔とを備え、前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を吐出させるように構成したことを特徴とする噴射装置。
  17. 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１６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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