JP5084745B2 - 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

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、感圧センサ及びヨーレートセンサが挙げられる。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、圧電トランス及び圧電ブレーカーが挙げられる。

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、高い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、より高い電界が印加され、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。

高電界又は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応力がかかる。特に、圧電体層の、積層方向に隣り合う２つの内部電極に挟まれた対向部分と、この対向部分以外の非対向部分との境界付近には大きな応力がかかる。そのため、上記の境界付近にかかる応力を分散させることが求められている。そこで、特許文献１に開示されているように、非対向部分に応力緩和層が設けられた構造の素子が提案されている。
特開２００１−２６７６４６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の応力緩和層を設けた場合、応力緩和層に発生したクラックが、圧電体層を貫通して隣接する内部電極又は外部電極にまで伸展することがある。そのため、積層方向に隣り合う内部電極間で電気的な短絡が生じて、変位量が低下する可能性がある。

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改善した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、積層構造体と、積層構造体の側面に形成される陽極側及び陰極側の外部電極とを具備する。積層構造体は、積層部位と、低剛性層とを具備する。低剛性層は、空隙と、該空隙を介して互いに離隔する金属部とを有している。積層部位は、複数の圧電体層と複数の内部電極とが交互に積層されている。陽極側及び陰極側の外部電極には、内部電極が接続される。また、積層構造体は、積層方向に隣り合う一対の前記内部電極が積層方向に対向する複数の対向部分と、対向部分以外の非対向部分とを有している。複数の対向部分のうちの少なくとも一つでは、積層方向に隣り合う内部電極が、低剛性層及び圧電体層を介して対向している。そして、対向部分が、対向部分と非対向部分の境界の少なくとも一部に接している第１の部位と、第１の部位以外の第２の部位とを有している。

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斜視図である。 図１に示す実施形態の、積層方向に垂直な方向の、低剛性層を含む断面図である。 図１に示す実施形態の分解斜視図である。 図１に示す実施形態の積層方向に平行な方向の拡大断面図である。 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、積層方向に平行な方向の断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す、積層方向に垂直な方向の、低剛性層を含む断面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す、積層方向に垂直な方向の、低剛性層を含む断面図である。 図６Ａに示す実施形態の分解斜視図である。 本発明の第４の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す、積層方向に垂直な方向の、低剛性層を含む断面図である。 図７Ａに示す実施形態の分解斜視図である。 本発明の第５の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す、積層方向に垂直な方向の、低剛性層を含む断面図である。 図８Ａに示す実施形態の分解斜視図である。 本発明の第６の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す、積層方向に平行な方向の断面図である。 本発明の第７の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す、積層方向に垂直な方向の、低剛性層を含む断面図である。 図１０Ａに示す実施形態の分解斜視図である。 本発明の第８の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す、積層方向に垂直な方向の、低剛性層を含む断面図である。 図１１Ａに示す実施形態の分解斜視図である。 本発明の第９の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す、積層方向に垂直な方向の、低剛性層を含む断面図である。 図１２Ａに示す実施形態の分解斜視図である。 本発明の第１０の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す、積層方向に平行な方向の断面図である。 本発明の第１１の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す、積層方向に平行な方向の断面図である。 図１４Ａに示す実施形態の分解斜視図である。 本発明の第１２の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す、積層方向に平行な方向の断面図である。 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。

図１〜３に示すように、本発明の第１の実施形態の積層型圧電素子１（以下、素子１ともいう。）は、積層構造体７と外部電極９とを備えている。積層構造体７は、複数の圧電体層３と複数の内部電極５とが交互に積層されている。外部電極９は、積層構造体７の側面に位置する。また、複数の内部電極５は、陽極側及び陰極側の外部電極９の一方に接続される。

また、積層構造体７は、圧電体層３及び内部電極５よりも剛性の低い低剛性層１５を備えている。低剛性層１５は、２つの圧電体層３の間に位置している。このような低剛性層１５が少なくとも１層存在することによって、対向部分１１と非対向部分１３の境界に集中する応力を緩和させることができる。これは、圧電体層３及び内部電極５と比較して、低剛性層１５においてクラックが発生しやすいからである。そのため、圧電体層３や内部電極５にクラックが発生することを抑制できる。結果として、高電圧、高圧力下で素子１を長時間駆動させた場合における耐久性を改善できる。

そして、複数の対向部分１１のうちの少なくとも一つは、第１の部位１７と、それ以外の第２の部位１９とを有している。ここで、第１の部位１７とは、積層方向に隣り合う内部電極５が、低剛性層１５及び圧電体層３を介して対向するとともに対向部分１１と非対向部分１３の境界の少なくとも一部に接している部位を示す。図３においては、対向部分１１のうち、積層方向に隣り合う内部電極５が低剛性層１５及び圧電体層３を介して対向する部位が第１の部位１７である。また、積層方向に隣り合う内部電極５が圧電体層３のみを介して対向する部位が第２の部位１９である。

上記のような第１の部位１７を有していることにより、対向部分１１と非対向部分１３の境界における応力を緩和することができる。また、第１の部位１７を有していることにより、圧電変位する圧電体層３への応力を緩和することができる。そのため、対向部分１１に位置する圧電体層３でのクラックの発生を抑制することができる。

また、積層方向に垂直な方向での積層構造体７の断面において断面全体が低剛性層１５である場合のように、第２の部位１９がなく、対向部分１１の全体が第１の部位１７である場合、素子１の変位量が小さくなる。これは、圧電変位して素子１を駆動させる圧電体層３が低剛性層１５に置き換えられるためである。しかしながら、上記のような第２の部位１９を有していることにより、圧電体層３による圧電変位を確保することができるので、低剛性層１５を有しつつも素子１の変位量が小さくなることを抑制できる。

第２の部位１９は、外部電極と接続しない内部電極５又は空隙を有する圧電体層３を備えていてもよい。しかしながら、図３に示すように、第２の部位１９は、積層方向に隣り合う内部電極５が圧電体層３のみを介して対向している形態であることが好ましい。これにより、素子１に応力が加わった際に、結晶構造を応力の方向に応じて変形させることができるので、第２の部位１９における応力を吸収する効果が高められる。結果として、長時間駆動しても変位量の低下の小さい素子が得られる。

本実施形態において低剛性層１５とは、圧電体層３及び内部電極５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う。低剛性層１５として具体的に、圧電体層３及び内部電極５よりも剛性の低い材質により形成されたものや、圧電体層３及び内部電極５と比較して空隙２１を多く含有することによって層としての剛性を小さくしたものが挙げられる。

低剛性層１５、圧電体層３及び内部電極５の剛性は、例えば素子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により容易に比較できる。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１のなかで最も剛性が低い箇所である。

本実施形態の素子１は低剛性層１５を備えているので、ＪＩＳ３点曲げ試験を行うと、圧電体層３及び内部電極５よりも、この低剛性層１５又は低剛性層１５と圧電体層３との界面で破断が起きやすい。そのため、破断した箇所が圧電体層３又は内部電極５であるか、若しくは、低剛性層１５又は低剛性層１５と圧電体層３との界面であるかにより、低剛性層１５の有無を確認することができる。

なお、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、以下の方法により確認すればよい。即ち、上記の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する。そして、この試験片を一定距離に配置された２支点上に置く。さらに、支点間の中央の１点に荷重を加える。以上により、低剛性層１５の有無を確認することができる。

図４に示すように、低剛性層１５は、空隙２１と、空隙２１を介して互いに離隔する金属部２３を有している。金属成分は変形しやすいので、応力を緩和する効果が大きいから
である。また、隣接する圧電体層３を構成する圧電体粒子とは異なる材質であるので、金属部２３で発生したクラックが金属部２３の内部又は金属部２３の表面までに留められやすい。その結果として、圧電体層３にクラックが伸展することを抑制できる。さらに、複数の金属部２３が空隙２１を介して互いに離隔していることにより、各々の金属部２３がより変位しやすくなる。

また、低剛性層１５が、積層構造体７の側面に露出して外部電極９と接触する形態であっても、複数の金属部２３が、空隙２１を介して互いに離隔する構成であることにより、金属部２３を通じての電気的な短絡を抑制することができる。

圧電体層３、内部電極５及び低剛性層１５における各々の空隙２１の比率（空隙率）は、例えば下記のようにして測定することができる。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。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。この研磨処理により露出した断面に対して、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、光学顕微鏡又は金属顕微鏡を用いて画像処理をして、断面画像を得る。この断面画像において、空隙２１の面積が占める割合（％）を測定する。このようにして、圧電体層３、内部電極５及び低剛性層１５の各々の空隙２１の比率を測定することができる。

具体的には、光学顕微鏡にて撮影した内部電極５及び低剛性層１５の画像に対して、空隙２１の部分を黒色に塗りつぶすとともに空隙２１以外の部分を白色に塗りつぶす。そして、黒色部分の比率、即ち、（黒色部分の面積）／（黒色部分の面積＋白色部分の面積）を求め、百分率で表すことにより空隙率を算出することができる。断面画像がカラーである場合は、グレースケールに変換して黒色部分と白色部分に分ければよい。このとき、黒色部分と白色部分に２階調化するための境界のしきい値を設定する必要がある場合には、画像処理ソフトウェアや目視により、空隙２１の有無を判断して境界のしきい値を設定して２値化すればよい。

低剛性層１５の材料としては、特に限定されることはないが、例えば、Ｃｕ若しくはＮｉのような単体の金属、又は、銀−白金若しくは銀−パラジウムのような合金が挙げられる。特に、耐マイグレーション性や耐酸化性があり、ヤング率が低く、かつ、安価であるという点から銀−パラジウムを主成分とすることが好ましい。また、上記のような金属成分の他にも、セラミックスからなり、圧電体層３よりも空隙２１を多く含有するものを低剛性層１５として用いることができる。

また、低剛性層１５が、空隙２１を介して互いに離隔する複数の金属部２３を有しており、低剛性層１５の空隙率は２０％〜９９．９％であることが好ましい。２０％以上にすることで、この空隙２１により十分なスペースが確保されるため、各々の金属部２３が大きく変位することができるからである。また９９．９％以下にすることで、空隙率の高い低剛性層１５での接着性を高めることができるので、素子としての形状を維持することが容易となる。

また、低剛性層１５は、厚みが０．１〜４０μｍであることが好ましい。０．１μｍ以上であることにより、駆動時に低剛性層１５にクラックがより進展しやすくなるからである。また、４０μｍ以下であることにより、空隙率の高い層を設けながらも通常の取り扱い上必要とされる強度を維持することができるので、量産性に長けている。

次に、本発明の第２の実施形態について説明をする。

図５に示すように、対向部分１１の中央部２５では、積層方向に隣り合う内部電極同士が、圧電体層により接合されていることが好ましい。言い換えれば、中央部２５は、第２の部位であることが好ましい。本実施形態において中央部２５とは、以下の部分を意味する。

即ち、素子１の積層方向に垂直且つ低剛性層１５を含む断面において、対向部分１１を対向部分１１の中心に向かって１／２の寸法に縮小した相似形の部位を中央部２５とする。また、対向部分１１のうち、この中央部２５以外の領域を周縁部２７とする。なお、本実施形態において、対向部分１１の中心とは、対向部分１１が長方形の場合には対角線の交点を意味し、対向部分１１が円形の場合には円の中心を意味している。

中央部２５は、圧電体層が最も伸びやすい部分である。この部分に低剛性層１５が配設されず、圧電体層のみが配設されることで、素子として大きな変位量を確保することができる。そのため、積層数を増やして素子を必要以上に大きくすることなく、低剛性層１５により応力を緩和しつつも、所望の変位量を確保することができる。結果として、積層数を増やす必要がなく、生産性に優れた構造とすることができる。

また、図５に示すように、低剛性層１５が、周縁部２７に配置されていることが好ましい。言い換えれば、第１の部位１７が周縁部２７に位置していることが好ましい。周縁部２７は、対向部分１１の中でも応力の集中しやすい部分であるが、この部分に低剛性層１５を設けることで、効果的に応力を緩和させることができるからである。これにより、素子１の変位量を大きく低減させることなく、応力の集中しやすい対向部分１１と非対向部分１３との境界において効果的に応力を緩和することができる。

また、図５に示すように、低剛性層１５は、対向部分１１のみに配設されているのではなく、対向部分１１と非対向部分１３の境界にまたがって配置されていることが好ましい。非対向部分１３により対向部分１１の伸縮が抑えられているため、対向部分１１と非対向部分１３の境界に応力が集中しやすい。上記のように低剛性層１５を配置することにより、対向部分１１側からだけでなく、非対向部分１３側からも応力を緩和させることができるので、効果的に応力を緩和させることができる。また、同時に、非対向部分１３による対向部分１１の変位の抑制を小さくすることができるので、素子の変位量を増加させることができる。これにより、大きな変位量を確保しながらも耐久性に優れた、信頼性の高い積層型圧電素子を得ることができる。

この時、低剛性層１５は、非対向部分１３に５μｍ以上またがっていることが好ましい。つまり、非対向部分１３の対向部分１１との境界線から垂直な方向に５μｍ以上またがっていることが好ましい。これにより、上記応力を緩和する効果を高めることが出来る。

また、図５に示すように、低剛性層１５が対向部分１１と非対向部分１３の境界に沿って帯状に配置されていることが好ましい。駆動時の応力集中により低剛性層１５でクラックが伸展した場合であっても、低剛性層１５が帯状に配置されていることにより、帯状の長手方向にクラックが伸展するからである。そのため、低剛性層１５の内部にクラックを留めやすくなる。これにより、第２の部位に位置する圧電体層及び低剛性層１５と積層方向に隣接する圧電体層３にクラックが伸展する可能性を小さくすることができる。

また、図５に示すように、この帯状の低剛性層１５が境界に沿って配置されていることにより、対向部分１１と非対向部分１３の境界での応力の集中を広範囲にわたって抑制することができる。ここで、帯状の低剛性層１５とは、製造工程上、不可避な程度の凹凸を除いて、ほぼ一定の幅で形成されている低剛性層１５をいう。帯状の低剛性層１５の幅は５μｍ以上であることが好ましい。低剛性層１５が５μｍ以上の幅を持つことで、低剛性層１５の内部にクラックをより留めやすくなる。

次に、本発明の第３の実施形態について説明をする。

図６Ａ及び図６Ｂに示すように、積層方向に垂直な断面において、互いに離隔した複数の低剛性層１５が、対向部分１１と非対向部分１３の境界に沿って存在する形態もまた好ましい。低剛性層１５が対向部分１１と非対向部分１３の境界に沿って存在しているときには、応力が集中しやすい境界に対して局所的に応力緩和機能を付与できる。

さらに、複数の低剛性層１５が互いに離隔しているので、低剛性層１５の積層方向の両側に位置する２つの圧電体層３が、それぞれの低剛性層１５の間に位置する圧電体により接合される。このように、複数の低剛性層１５の間に配設された上記圧電体が積層方向両面のそれぞれの圧電体層３との橋渡しとなる。そのため、この界面での接合強度が高くなり、ハンドリングの際に発生する折れや変形の可能性を低減することができる。

また、このように互いに離隔した複数の低剛性層１５が存在している場合においても、各々の低剛性層１５が境界を跨ぐように配設されるときには、対向部分１１と非対向部分１３の境界において、より大きな応力緩和の効果が得られる。また、図６に示すように、互いに離隔した複数の低剛性層１５を有している場合には、各々の低剛性層１５が２５μｍ^２以上の大きさであることが好ましい。上記の大きさとすることで、低剛性層１５中にクラックが発生した場合でも、圧電体層３へのクラックの伸展を抑制することができる。

一般的に、各々の内部電極は圧電体層の主面全体には形成されておらず、いわゆる部分電極構造となっている。この部分電極構造の複数の内部電極は、一層おきに積層構造体の対向する側面にそれぞれ露出するように配置されている。

そして、図２Ａ、図２Ｂに示すように、内部電極５が、異極の外部電極９の配設された側面に対してのみ、露出していない場合には、図２の一点鎖線で示されているように、対向部分１１と非対向部分１３の境界が二本の線で示される。このような場合には、２つの低剛性層１５がそれぞれ境界上に配設されるので、効率良く応力を緩和させることができる。

次に、本発明の第４の実施形態について説明をする。

また、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、内部電極５が、外部電極９と接続する積層構造体７の側面にのみ露出し、それ以外の側面には露出していない場合には、図７Aの一点鎖線で示されているように、対向部分１１と非対向部分１３の境界が閉じた線で表される。このような場合には、低剛性層１５が境界上に沿って配設されるので、より確実に変位量の低下を抑制することができる。

次に、本発明の第５の実施形態について説明をする。

図８Ａ及び図８Ｂに示すように、低剛性層１５を対向部分１１と非対向部分１３の境界に沿って圧電体層３中に配設した形態も有効である。この場合には、４つの帯状の低剛性層１５を配設することにより、所望の低剛性層１５を形成することができる。帯状の低剛性層１５は配設が容易であることから、所望の位置に正確に配設しやすい。そのため、簡易な工程でありながらも、境界での応力を緩和しつつ変位量の変化を抑制することができる。

また、低剛性層１５が、積層構造体の積層方向の中心軸に対して回転対称となるように配置されていることが好ましい。これにより、応力分布の偏りが低減されるからである。そのため、応力の一部への集中を抑制するとともに、素子の変位の方向や変位の量を安定させることができる。ここで、回転対称性は、例えば、図２に示すように１８０°回転対称であってもよいし、図７及び図８に示すように９０°回転対称であってもよい。

このように低剛性層１５を配設することにより、素子の駆動の伸縮方向が積層方向に対して、より平行に近くなるので、応力緩和の効果が高くなる。これにより、長時間連続の駆動をさせた場合における耐久性を改善することができる。

次に、本発明の第６の実施形態について説明をする。

図９に示すように、低剛性層１５が、対向部分１１と非対向部分１３の境界で、かつ対向する陽極側及び陰極側の外部電極９のどちらか一方に近接する箇所に配設されていることによっても、低剛性層１５による応力緩和の効果が得られる。

また、素子の変位方向の偏向を抑制したい場合には、低剛性層１５が、圧電体層３に埋設されていることが好ましい。低剛性層１５が圧電体層３に埋設されていることにより、素子の形状の変化を抑制することができるからである。これは、積層構造体７の側面部分が密度の高い圧電体層３で保持されるため、駆動時の低剛性層１５の変形が積層構造体７の側面に現れることが抑えられるからである。このように素子の形状の変形を抑制することで、変位方向の偏向が抑制される。これにより、駆動時の変位量の低下の小さい素子１を提供することができる。また、この場合には、低剛性層１５が積層構造体７の側面から１０μｍ以上、内部に埋設されていることが好ましい。

一方で、素子に大きな変位量を求める場合には、低剛性層１５が、積層構造体７の側面に露出していることが好ましい。低剛性層１５が積層構造体７の側面に露出している場合には、積層構造体７の側面部分全体が圧電体層３により保持されているものではないので、素子の変位量を大きくすることができるからである。

次に、本発明の第７、第８及び第９の実施形態について説明をする。

図１０〜１２に示すように低剛性層１５を配設することにより、より大きな変位量を有する積層型圧電素子を得ることができる。具体的には、低剛性層１５は、対向部分１１と非対向部分１３の境界上であって、かつ、積層構造体７の対向する側面全体に露出するように配設されている。

これらのような形態では、積層構造体７の側面における圧電体層３による拘束が小さくなるので、より大きな変位量を有する素子を得ることができる。また、対向する側面において露出していることにより、素子の変位方向の偏向が大きくなることも抑制できる。

特に、図１１Ａ及び図１２Ａに示すように、積層方向に垂直であって、低剛性層１５を含む断面において、積層構造体７の側面全体に露出するように低剛性層１５が配設されていることにより、さらに大きな変位量を有する素子を得ることができる。

また、図１２Ａに示すように、積層方向に垂直であって、低剛性層１５を含む断面において、低剛性層１５と圧電体層３の境界が曲線状であることにより、圧電体層３にクラックが生じる可能性を低減できる。

また、図２Ａに示すように、２つの低剛性層１５が、異極の外部電極９の配設されていない側面に対して露出していることが好ましい。外部電極９の配設された側面は、外部電極９によって圧電体層３が拘束されているが、外部電極９の配設されていない側面では、このような拘束がないので、側面の変位が大きい。そのため、この外部電極９の配設されていない側面には比較的大きな応力がかかる。ここに、低剛性層１５が露出していることで応力を緩和する効果が高まる。また、外部電極９の配設された側面に低剛性層１５が露出していないことにより、低剛性層１５を介して、一対の外部電極９の間での電気的な短絡の可能性を大きく低減できる。

次に、本発明の第１０の実施形態について説明をする。

図１３に示すように、第１の部位と積層方向に隣り合う２つの内部電極５が、同極側の外部電極９とそれぞれ接続されることが好ましい。この２つの内部電極５が同極側の外部電極９と接続されている場合、これらの内部電極５に挟まれた部分は殆ど圧電変位しない。そのため、これらの内部電極５に挟まれた部分に特に応力が集中しやすい。そして、特に応力が集中しやすいこの部分に低剛性層１５が配設されていることにより、応力を緩和する効果を改善させることができる。そして、応力が集中して低剛性層１５に亀裂が生じても低剛性層１５を介して隣り合う内部電極５同士は同極であるため、電気的な短絡を抑制できる。

第１の部位と積層方向に隣り合う２つの内部電極５が、互いに同極の外部電極９と接続される場合には、効果的に応力を緩和させることができるが、一方で、殆ど圧電変位しない部分が増加するので変位量が小さくなる。対して、第１の部位と積層方向に隣り合う２つの内部電極５が、互いに異極の外部電極９とそれぞれ接続される場合には、殆ど圧電変位しない部分の増加を抑えることができるので、変位量を大きくさせることができる。そのため、第１の部位と積層方向に隣り合う２つの内部電極５が、互いに異極の外部電極９とそれぞれ接続されることも好ましい。

これは、対向部分と非対向部分の境界に大きな応力がかかりやすいが、この応力を低剛性層１５に集中させることができるので、応力を効果的に制御することができるからである。さらに、低剛性層１５だけが選択的に変形するだけで、周囲の圧電体層の変形を抑えることができるので、駆動中の素子寸法の変化を抑制することができる。結果として、高精度な駆動が可能となる。

次に、本発明の第１１の実施形態について説明をする。

図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、内部電極５の少なくとも１つとこの内部電極５に対して圧電体層３を介して積層方向の両側に隣り合う２つの内部電極５との間には、低剛性層１５がそれぞれ配置されていることが望ましい。低剛性層１５を、内部電極５の両側で隣り合うように配置することで、非対向部分と対向部分の境界に発生する応力について、素子内での応力をより均等に分散させることができるからである。

さらに、低剛性層１５は、複数存在し、これらが積層方向に規則的に配置されていることが好ましい。規則的に配置することで積層構造体７全体の拘束力を分散できるため、長時間駆動の際に変位の変化率が小さく、駆動時の耐久性を向上させることができるからである。

このとき、内部電極５の両側で隣り合うようにそれぞれ配置された低剛性層１５は、積層方向に垂直且つ当該内部電極５を含む平面を介して面対称であることが好ましい。このように、配設することで、素子内での応力を低剛性層１５全体でより均等に吸収することができる。

次に、本発明の第１２の実施形態について説明をする。

図１５に示すように、低剛性層１５を素子１内で積層方向に均等の間隔で配置することが好ましい。これにより、素子１内に発生する応力を均等に緩和することができるので、駆動時の耐久性を向上させることができる。

具体的には、低剛性層１５は、４０層以下の圧電体層３ごとに配設することが好ましい。配置する間隔を大きくすることにより応力緩和効果は減少する。しかしながら、４０層以下の圧電体層３毎に低剛性層１５を配設することにより、応力を緩和させる効果を高めることができる。

また、積層構造体７の積層方向の両端面には、低活性層２９が形成されていることが好ましい。低剛性層１５は、圧電体層３と比較して圧電変位による変位量が小さく、変形が小さい。そのため、低活性層２９が形成されていることにより、電圧を印加した時に生じる積層構造体７の歪みを抑えることができる。低活性層２９には、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ_３を主成分とする圧電セラミック材料などを用いることができる。

さらに、低活性層２９は圧電体層３と同一の材料を用いて、具体的には圧電体層３を複数積層することにより、形成されることが好ましい。圧電体層３と同じ材料を用いることで積層構造体７と低活性層２９との間の焼成時や電圧を印加した時に生じる歪みを抑え、より緻密な素子１を形成することができる。

さらにこの時、低活性層２９を形成する圧電体層３のグリーンシート中に、内部電極５を構成する金属粉末が添加されることが好ましい。或いは、低活性層２９を形成する圧電体層３のグリーンシートを積層する際に、銀−パラジウムのように内部電極５を構成する金属粉末および無機化合物とバインダーと可塑剤からなるスラリーをグリーンシート上に印刷することが好ましい。このように低活性層２９を形成することで、低活性層２９と積層構造体７の焼結時の収縮挙動ならびに収縮率を近づけることができるので、より一層緻密な素子１を形成することができる。

さらに、低活性層２９を有している場合には、素子１が複数の低剛性層１５を有し、且つ、積層構造体７の積層方向の中心部から両端面に向かって、各々の低剛性層１５間の間隔が徐々に短くなっていることが好ましい。これにより、積層方向の両端部にある低活性層２９との境界で発生する応力を低減させることができる。つまり、積層構造体７の積層方向の中心部から両端面に向かって、隣り合う低剛性層１５間に位置する圧電体層３の数を減少させた構造の積層構造体７が好ましい。

また、上に示したように、内部電極５の少なくとも１つと当該内部電極５に対して圧電体層３を介して隣り合う２つの内部電極５との間に、低剛性層１５がそれぞれ配置されている場合には、この一対の低剛性層１５が積層方向に規則的に配置されていることが好ましい。このように低剛性層１５を配設することにより、素子１内での応力を分散し、偏りを小さくすることができる。その結果として、低温の長時間駆動においても変位量の低下を小さくすることができる。

圧電体層３の材料としては、圧電性を有するセラミックスであればよい。好ましくは、圧電歪み定数ｄ_３３が高いセラミックスを用いることが良い。具体的には、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、又は、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ_３を主成分とする圧電セラミック材料を用いることができる。

また、圧電体層３の厚みは、０．０５ｍｍ以上であることが好ましい。圧電体層３の厚みを０．０５ｍｍ以上とすることで、素子１に高い電圧を印加しても、隣り合う内部電極５間の電気的な絶縁性を保つことができる。これにより、より大きな変位量を得ることができる。また、圧電体層３の厚みは、０．２５ｍｍ以下であることが好ましい。圧電体層３の厚みを０．２５ｍｍ以下とすることで、素子１の小型化を図ることができる。

低剛性層１５と隣り合う内部電極５の間に存在する圧電体層３の厚みは、低剛性層１５が存在しない圧電体層３の厚みの１０％〜５００％が好ましい。１０％以上とすることで、圧電体層３の高い耐久性を確保することができる。また、５００％以下とすることで、低剛性層１５により確実に応力を集中させることができる。これにより、応力緩和の効果をより確実に得ることができる。

内部電極５の材料としては、導電性を有するものであればよい。例えば、Ｃｕ若しくはＮｉのような単体の金属、又は、銀−白金若しくは銀−パラジウムのような合金を用いることができる。特に、耐マイグレーション性や耐酸化性があり、ヤング率が低く、かつ、安価であるという点から銀−パラジウムを主成分とすることが好ましい。

積層構造体７の側面には、陽極側及び陰極側の外部電極９が形成されている。これらの外部電極９には、内部電極５が電気的に接続される。なお、陽極側及び陰極側の外部電極９は、内部電極５が一層おきに交互に電気的に接続されれば良いことから、隣接する側面に形成してもよい。

外部電極９の材質としては、導電性の良いものを用いることができる。例えば、Ｃｕ若しくはＮｉのような金属又はこれらの合金を用いることができるが、電気抵抗が低く、取り扱いが容易であることから、銀、若しくは銀が主成分の合金を用いることが好ましい。

次に、本発明の一実施形態にかかる積層型圧電素子の製法を説明する。まず、ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３等からなるペロブスカイト型酸化物の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、ＤＢＰ（フタル酸ジブチル）、ＤＯＰ（フタル酸ジオチル）等の可塑剤とを混合してスラリーを作製する。このスラリーから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圧電体層３となるセラミックグリーンシートを作製する。

次に、銀−パラジウム等の内部電極５を構成する金属粉末にバインダー及び可塑剤を添加混合し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。バインダー及び可塑剤と金属粉末との比を変えることや、スクリーンのメッシュの度数を変えることや、スクリーンのパターンを形成するレジスト厚みを変えることで、内部電極５の厚み及び内部電極５中の空隙２１の量等を変化させることができる。

低剛性層１５は銀−パラジウム等の金属粉末に、バインダー及び可塑剤を添加混合して導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを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。空隙率は、バインダー及び可塑剤と金属粉末との比をかえること、スクリーンの開口率やパターン、レジスト厚みなどで調整している。

内部電極５が銀−パラジウムを主成分とする時には、内部電極５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層１５として用いることにより、複雑な工程を経ることなく低剛性層１５を形成することができる。

これは、低剛性層１５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が拡散していくからである。銀が拡散することによって、空隙２１が形成され、互いに離隔する複数の金属部２３が形成される。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５と比較して剛性の低い低剛性層１５となる。

そして、導電性ペーストが印刷されたグリーンシートを複数積層して積層体を作製する。この積層体に、重石をのせて、所定の温度で脱バインダーを行った。さらに、重石をはずして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。

次に、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、これをシート状に成形する。乾燥させて溶媒を飛散させることにより、生密度を６〜９ｇ／ｃｍ^３に制御したシートを、柱状積層構造体７の外部電極９の形成面に転写する。ガラスの軟化点よりも高く、銀の融点（９６５℃）以下であって、且つ積層構造体７の焼成温度（℃）の４／５以下の温度で焼き付けを行う。銀ガラス導電性ペーストを用いて作製したシート中のバインダー成分が飛散消失することにより、３次元網目構造をなす多孔質導電体からなる外部電極９を形成することができる。

また、外部電極９は複数の層からなることが好ましい。さらにこのとき、外部電極９を構成するペーストを多層のシートに積層してから焼付けを行っても、１層ごとに積層して焼付けを行っても良いが、多層のシートに積層してから一度に焼付けを行うほうが量産性に優れている。

また、外部電極９が複数の層からなる場合には、各々の層におけるガラス成分の量が異なることが好ましい。そして、層ごとにガラス成分を変える場合は、シートごとにガラス成分の量を変えたものを用いればよい。特に、圧電体層３と接する面にごく薄いガラスリッチ層を構成したい場合は、まず、積層構造体７にスクリーン印刷等の方法でガラスリッチペーストを印刷する。そして、このガラスリッチペースト上に、多層のシートを積層すればよい。このとき、印刷に代えて５μｍ以下のシートを用いても良い。

なお、銀ガラス導電性ペーストの焼き付け温度は、５００〜８００℃が望ましい。これは、ネック部を有効的に形成し、銀ガラス導電性ペースト中の銀と内部電極５を拡散接合させるとともに、外部電極９中の空隙２１を有効に残存させるためである。

ここでネック部とは、焼結の初期段階で、銀とガラスの粉末粒子同士の接点が接合した時点で形成されるくびれた部分をさす。銀ガラス導電性ペーストが加熱されてバインダーが揮発した後に残った銀とガラスの粉末粒子が接した部分から焼結が進行する。そして、焼結の初期段階で、粒子同士の接点が接合した時点でくびれた部分であるネック部が形成される。このネック部分を焼結後も形成維持することで、巨大な粒子を成長させずに、３次元網目構造となる多孔質導電体を得ることができる。

また、上記の温度は、外部電極９と柱状の積層構造体７の側面とを部分的に接合させるという観点からも好ましい。また、銀ガラス導電性ペースト中のガラス成分の軟化点は、５００〜８００℃であることが望ましい。

焼き付け温度が８００℃以下である場合には、銀ガラス導電性ペーストの銀粉末の過度の焼結が抑制される。これにより、３次元網目構造をなす多孔質導電体を効率良く形成するので、外部電極９が緻密になりすぎることが抑制される。そのため、外部電極９のヤング率が高くなり過ぎないので、駆動時における応力を吸収する効果を高めることができる。結果として、外部電極９の断線を抑制することができる。また、好ましくは、ガラスの軟化点の１．２倍以内の温度で焼き付けを行うのがよい。

一方、焼き付け温度が５００℃以上である場合には、低剛性層１５の端部と外部電極９の間で十分に拡散接合がなされる。これにより、ネック部が好適に形成されるので、駆動時における低剛性層１５と外部電極９の間でのスパークの発生を抑制できる。

次に、外部電極９を形成した積層構造体７をシリコーンゴム溶液に浸漬するとともに、シリコーンゴム溶液を真空脱気する。その後、シリコーンゴム溶液から積層構造体７を引き上げ、積層構造体７の側面にシリコーンゴムをコーティングする。その後、積層構造体７の側面にコーティングしたこのシリコーンゴムを硬化させる。

そして、外部電極９にリード線３１を接続して、積層構造体７を分極処理する。分極処理としては、リード線３１を介して一対の外部電極９に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加すればよい。

このようにして、本実施形態の積層型圧電素子１を備えた圧電アクチュエータが得られる。リード線３１を外部の電圧供給部に接続し、リード線３１及び外部電極９を介して低剛性層１５に電圧を印加させることにより、各圧電体層３が逆圧電効果によって大きく変位する。これによって、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できる。

さらに、外部電極９の外面に、金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板が埋設された導電性接着剤からなる導電性補助部材を形成してもよい。アクチュエータに大電流を投入し、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、外部電極９に流れる電流を低減できるからである。これにより、外部電極９が局所発熱を起こして断線する可能性を低減できるので、素子１の耐久性を大幅に向上させることができる。

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１６に示すように、本実施形態の噴射装置３３は、一端に噴射孔３５を有する収納容器３７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３７内には、噴射孔３５を開閉することができるニードルバルブ３９が配設されている。噴射孔３５には燃料通路４１がニードルバルブ３９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４１は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路４１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３９が噴射孔３５を開放すると、燃料通路４１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３９の上端部は内径が大きくなっており、収納容器３７に形成されたシリンダ４３と摺動可能なピストン４５が配置されている。そして、収納容器３７内には、上記した素子１が収納されている。

このような噴射装置３３では、電圧が印加されることによって素子１が伸長すると、ピストン４５が押圧され、ニードルバルブ３９が噴射孔３５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素子１が収縮し、皿バネ４７がピストン４５を押し返し、噴射孔３５が燃料通路４１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３３は、噴射孔３５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素子１の駆動により噴射孔３５から吐出させるように構成されていてもよい。すなわち、素子１が必ずしも容器の内部にある必要はなく、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１７に示すように、本実施形態の燃料噴射システム４９は、高圧燃料を蓄えるコモンレール５１と、このコモンレール５１に蓄えられた燃料を噴射する複数の上記の噴射装置３３と、コモンレール５１に高圧の燃料を供給する圧力ポンプ５３と、噴射装置３３に駆動信号を与える噴射制御ユニット５５と、を備えている。

噴射制御ユニット５５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５３は、燃料タンク５７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５１に送り込む役割を果たす。コモンレール５１では、圧力ポンプ５３から送られてきた燃料を蓄え、適宜噴射装置３３に送り込む。噴射装置３３は、上述したように噴射孔３５から少量の燃料を燃焼室に霧状に噴射する。

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。

上記実施形態の積層型圧電素子１を備える圧電アクチュエータ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（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）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た。このスラリーを用いて、ドクターブレード法により厚み１５０μｍの圧電体層３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内部電極５となる導電性ペーストをスクリーン印刷した。空隙率の高い低剛性層１５となるペーストとして、銀−パラジウム合金（銀９５質量％−パラジウム５重量％）の導電性ペーストであって、内部電極５となるペーストよりもバインダー添加率を増加させたものを用いた。セラミックグリーンシートの片面に低剛性層１５となるペーストをスクリーン印刷のパターンを変更して印刷した。内部電極５となるペーストが印刷されたセラミックグリーンシートと低剛性層１５となるペーストが印刷されたセラミックグリーンシートとを３００層、積層して焼成した。焼成は、８００℃で９０分、保持した後に、１０００℃で２００分間焼成した。

また、本実施例では、低剛性層１５のパターンは図５に示しているパターンを用いた。さらに、この低剛性層１５を、内部電極５の積層方向の一方に隣接する圧電体層３内に配置する場合と、低剛性層１５を図９に示すように両側に配置する場合とに分けた。

また、このように、内部電極５の片側（図９に示す実施形態）又は両側（図１０に示す実施形態）に配設される低剛性層１５をそれぞれ１組として、以下の積層構造体７を作製した。試料番号２、６は、圧電体層３の１５０層目に低剛性層１５を１組配設した。試料番号４、８は、１、３００層目に低剛性層１５を合計で２組配設した。試料番号３、７は、５０、１００、１５０、２００、２５０層目に低剛性層１５を合計で５組配設した。試料番号５、９は、１、５０、１００、１５０、２００、２５０、３００層目に低剛性層１５を合計で７組配設した。

次に、平均粒径２μｍのフレーク状の銀粉末と、残部が平均粒径２μｍのケイ素を主成分とする軟化点が６４０℃の非晶質のガラス粉末とを混合した。さらに、この混合物に銀粉末とガラス粉末の合計質量１００質量部に対してバインダーを８質量部添加した。十分に上記の混合物とバインダーとを混合して銀ガラス導電性ペーストを作製した。このようにして作製した銀ガラス導電性ペーストを離型フィルム上にスクリーン印刷によって形成した。乾燥後、離型フィルムより剥がすことにより、銀ガラス導電性ペーストのシートを得た。

そして、銀ガラスペーストのシートを積層構造体７の外部電極９の形成面に転写した。さらに、７００℃で３０分焼き付けを行い、外部電極９を形成した。その後、外部電極９にリード線３１を接続し、正極及び負極の外部電極９にリード線３１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。以上により、圧電アクチュエータを作製した。

得られた素子１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回まで連続駆動する試験を行った。結果は表１に示すとおりである。

この表１から、比較例である試料番号１は、非対向部分１３と対向部分１１の界面における応力を緩和する低剛性層１５が配置されていない。そのため、所定の１×１０^９サイクルの連続駆動試験を待たずに３×１０^７サイクルにて壊れた。これに対し、本発明の実施例である試料番号２〜９は、所定の１×１０^９サイクルの連続駆動試験を満たした。さらに、初期の変位量から極端な劣化を見せることは無く、素子１として要求されている変位量を有していることが分かった。このようにして、耐久性に優れた積層型圧電素子を作製することが出来た。

なかでも、試料番号の７や９は、有効な変位量を初期から確保しながらも、連続駆動後も素子性能が殆ど変化しておらず、極めて耐久性に優れていたことがわかった。このようにして、変位量が非常に安定した積層型圧電素子を作製することが出来た。

Claims (15)

1. 複数の圧電体層と複数の内部電極とが交互に積層された積層構造体と、該積層構造体の側面に形成されるとともに前記複数の内部電極が接続された陽極側及び陰極側の外部電極とを備え、
   前記積層構造体は、前記圧電体層及び空隙と、該空隙を介して互いに離隔する金属部とを有しており前記内部電極よりも剛性の低い低剛性層を備えるとともに、積層方向に隣り合う一対の前記内部電極が積層方向に対向する複数の対向部分と、該対向部分以外の非対向部分からなり、
   前記複数の対向部分のうちの少なくとも一つは、
   積層方向に隣り合う内部電極が、前記低剛性層及び前記圧電体層を介して対向し、前記対向部分と前記非対向部分の境界の少なくとも一部に接している第１の部位と、
   該第１の部位以外の第２の部位とを有していることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記対向部分の中央部では、積層方向に隣り合う内部電極同士が、前記圧電体層により接合され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。
3. 前記低剛性層が、前記対向部分の周縁部に配置され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。
4. 前記低剛性層は、前記対向部分と前記非対向部分の境界にまたがって配置され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。
5. 前記低剛性層は、前記対向部分と前記非対向部分の境界に沿って帯状に配置され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。
6. 互いに離隔した複数の前記低剛性層が、前記対向部分と前記非対向部分の境界に沿って点在し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。
7. 前記低剛性層が、前記積層構造体の積層方向の中心軸に対して回転対称となるように配置され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。
8. 前記低剛性層は、前記圧電体層に埋設され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。
9. 前記低剛性層は、前記積層構造体の側面に露出し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。
10. 前記第１の部位と積層方向に隣り合う２つの内部電極は、互いに同極の外部電極とそれぞれ接続され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。
11. 前記第１の部位と積層方向に隣り合う２つの内部電極は、互いに異極の外部電極とそれぞれ接続され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。
12. 前記内部電極の少なくとも１つと当該内部電極に対して前記圧電体層を介して積層方向の両側に隣り合う２つの内部電極との間には、前記低剛性層がそれぞれ配置され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。
13. 前記低剛性層が複数存在し、これらが前記積層方向に規則的に配置され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。
14. 請求項１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ことを特徴とする噴射装置。
15. 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燃料を噴射する請求項１４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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