JP5611427B2 - Multilayer piezoelectric element, injection device and fuel injection system including the same - Google Patents

Multilayer piezoelectric element, injection device and fuel injection system including the same Download PDF

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  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Description

本発明は、積層型圧電素子およびこれを用いた噴射装置ならびに燃料噴射システムに関するものである。本発明の積層型圧電素子は、例えば、駆動素子(圧電アクチュエータ),センサ素子および回路素子に用いられるものである。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,感圧センサおよ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,圧電トランスおよび圧電ブレーカーが挙げられる。   The present invention relates to a laminated piezoelectric element, an injection device using the same, and a fuel injection system. The multilayer piezoelectric element of the present invention is used for, for example, a drive element (piezoelectric actuator), a sensor element, and a circuit element. Examples of the driving element include a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an inkjet, a precision positioning device such as an optical device, and a vibration prevention device. Examples of the sensor element include a combustion pressure sensor, a knock sensor, an acceleration sensor, a load sensor, an ultrasonic sensor, a pressure sensor, and a yaw rate sensor. Examples of the circuit element include a piezoelectric gyro, a piezoelectric switch, a piezoelectric transformer, and a piezoelectric breaker.

従来から、複数の圧電体層が内部電極層を介して積層された積層体を備え、この積層体の側面に一対の外部電極が形成された積層型圧電素子(以下、素子ともいう。)が知られている。この積層型圧電素子は、積層体の対向する側面に正極の外部電極と負極の外部電極とがそれぞれ形成され、これらの外部電極に内部電極層が交互に電気的に接続された構造を有しており、外部電極を介して内部電極層間の圧電体層に電圧を印加することにより、積層方向に変位が得られる。この変位は、積層体を構成する圧電体層の結晶粒子が電圧印加方向へ伸縮する変形に起因する。   2. Description of the Related Art Conventionally, a multilayer piezoelectric element (hereinafter also referred to as an element) including a multilayer body in which a plurality of piezoelectric layers are stacked via an internal electrode layer, and a pair of external electrodes formed on the side surfaces of the multilayer body. Are known. This multilayer piezoelectric element has a structure in which a positive external electrode and a negative external electrode are formed on opposite side surfaces of a multilayer body, and internal electrode layers are alternately electrically connected to these external electrodes. A displacement is obtained in the stacking direction by applying a voltage to the piezoelectric layer between the internal electrode layers via the external electrode. This displacement is caused by deformation in which the crystal particles of the piezoelectric layer constituting the laminated body expand and contract in the voltage application direction.

圧電体層の結晶粒子内には、分極方向の異なる領域が複数存在し、分極領域の境となる部分にドメイン壁が形成される。   A plurality of regions having different polarization directions exist in crystal grains of the piezoelectric layer, and a domain wall is formed at a portion that becomes a boundary of the polarization region.

圧電体層の結晶粒子に電圧が印加された時に、分極軸方向が電圧印加方向と一致した領域は伸びる。一方、分極軸方向が電圧印加方向と180°逆方向になった領域は一旦縮むが
、分極軸が反転する電圧(いわゆる抗電界)を印加することで、分極軸方向に電圧が印加された状態に変化して、一転して伸びる。そして、ひとたび反転してしまえば、さらに逆向きの抗電界を与えない限り、電圧が印加された時に伸びる領域となる。
When a voltage is applied to the crystal grains of the piezoelectric layer, a region where the polarization axis direction coincides with the voltage application direction extends. On the other hand, the region in which the polarization axis direction is 180 ° opposite to the voltage application direction is temporarily shrunk, but the voltage is applied in the polarization axis direction by applying a voltage that reverses the polarization axis (so-called coercive electric field). It changes to, and turns around and grows. Once reversed, the region extends when a voltage is applied unless a reverse coercive electric field is applied.

ところが、分極方向の異なる領域が複数存在する場合、電界が印加する方向にすべての分極方向が揃うことは稀である。そのため、結晶粒子の多くの領域においては、電圧が印加されたときに、分極軸方向が電界印加方向を向いている割合が多くなるように、分極領域の境となるドメイン壁が移動する。その結果、圧電体層の結晶粒子が伸びる領域が拡大して素子は伸び、逆に、電圧の印加を解除した時には、もとの位置にドメイン壁が戻ることによって素子は縮む。この現象を利用して、積層型圧電素子が伸縮駆動される。   However, when there are a plurality of regions having different polarization directions, it is rare that all the polarization directions are aligned in the direction in which the electric field is applied. For this reason, in many regions of the crystal grains, when a voltage is applied, the domain wall serving as the boundary of the polarization region moves so that the ratio of the polarization axis direction to the electric field application direction increases. As a result, the region in which the crystal grains of the piezoelectric layer extend is expanded and the element expands. Conversely, when the voltage application is released, the element shrinks by returning the domain wall to the original position. Utilizing this phenomenon, the stacked piezoelectric element is driven to expand and contract.

従来、図7(a)〜(c)に示すように、ドメイン壁14は各結晶粒子11に加わった応力を緩和するために形成されており、となりの結晶粒子11からの応力を緩和するために結晶粒子11間においては不連続となっている。そのために、電界印加時のドメイン壁14の移動は、結晶粒子11間の粒界12により拘束されることが知られている(例えば、特許文献1を参照。)。   Conventionally, as shown in FIGS. 7A to 7C, the domain wall 14 has been formed to relieve stress applied to each crystal particle 11, and to relieve stress from the adjacent crystal particle 11. In addition, the crystal grains 11 are discontinuous. Therefore, it is known that the movement of the domain wall 14 when an electric field is applied is restricted by the grain boundary 12 between the crystal grains 11 (see, for example, Patent Document 1).

なお、図7において、(b)は(a)の圧電体層の断面図のB部を拡大した拡大断面図であり、(c)は(b)について原子の配列状態を示す断面図である。また、図7において、13はドメインの分極方向、15は酸素イオン、16はバリウムまたは鉛等のイオンのAサイトイオン、17はチタン,ジルコニウム等のイオンのBサイトイオンである。   In FIG. 7, (b) is an enlarged cross-sectional view enlarging a portion B of the cross-sectional view of the piezoelectric layer of (a), and (c) is a cross-sectional view showing an arrangement state of atoms with respect to (b). . In FIG. 7, 13 is a domain polarization direction, 15 is an oxygen ion, 16 is an A site ion of an ion such as barium or lead, and 17 is a B site ion of an ion such as titanium or zirconium.

特開2005−191397号公報JP 2005-191397

上記のような積層型圧電素子においては、圧電体層の結晶粒子間の粒界12により、ドメイン壁14の移動が拘束されて応答速度が遅くなるという問題点がある。   In the multilayer piezoelectric element as described above, there is a problem that the response speed becomes slow because the movement of the domain wall 14 is restricted by the grain boundary 12 between the crystal grains of the piezoelectric layer.

また、圧電体層の結晶粒子間の粒界12によりドメイン壁14の移動が拘束されることに対応して、積層型圧電素子の変位量が小さくなるという問題点がある。   Further, there is a problem that the displacement amount of the multilayer piezoelectric element is reduced in response to the movement of the domain wall 14 being restricted by the grain boundary 12 between the crystal grains of the piezoelectric layer.

また、連続駆動によって拘束された部分が自己発熱して、積層型圧電素子を構成する圧電磁器である圧電体層にクラックが発生し、変位量が徐々に低下するという問題点がある。   Further, there is a problem in that the portion restrained by the continuous drive self-heats, cracks are generated in the piezoelectric layer, which is a piezoelectric ceramic constituting the multilayer piezoelectric element, and the amount of displacement gradually decreases.

従って、本発明は、上記の問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、ドメイン壁の移動が拘束されにくく、応答速度が速くて変位量を大きくすることができ、機械的強度も十分で特性劣化を抑えることができる積層型圧電素子、これを用いた噴射装置および燃料噴射システムを提供することにある。   Accordingly, the present invention has been devised to solve the above-described problems, and the purpose of the present invention is to prevent the movement of the domain wall from being restrained, the response speed is high, and the displacement amount can be increased. An object of the present invention is to provide a laminated piezoelectric element that has sufficient mechanical strength and can suppress deterioration of characteristics, an injection device using the same, and a fuel injection system.

本発明の積層型圧電素子は、圧電体層と内部電極層とが交互に積層された積層体を含む積層型圧電体素子であって、前記圧電体層は、複数の結晶粒子に跨るドメイン壁が形成されおり、粒界を介して隣接する前記結晶粒子同士が接する部位に、隣接する前記結晶粒子の分極方向が第1の方向に揃った第1の領域と前記第1の方向とは異なる第2の方向に揃った第2の領域とが存在しており、前記複数の結晶粒子に跨るドメイン壁は、前記第1の領域と前記第2の領域との間に形成されるとともに、隣接する前記結晶粒子を跨る部位が一方の前記結晶粒子から他方の前記結晶粒子に向かって直線状に形成されていることを特徴とするものである。   The multilayer piezoelectric element of the present invention is a multilayer piezoelectric element including a multilayer body in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately stacked, and the piezoelectric layer is a domain wall straddling a plurality of crystal particles. The first region in which the polarization directions of the adjacent crystal grains are aligned in the first direction is different from the first direction at a portion where the adjacent crystal grains are in contact with each other through a grain boundary. A second region aligned in the second direction is present, and a domain wall straddling the plurality of crystal grains is formed between the first region and the second region, and is adjacent to the second region. The portion straddling the crystal grain is formed in a straight line from one crystal grain to the other crystal grain.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記ドメイン壁に囲まれた領域内における隣接する前記結晶粒子同士が接する部位に、分極軸がともに揃った領域が存在することを特徴とするものである。   The multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in the above-described configuration, a region where the polarization axes are aligned is present at a site where the adjacent crystal particles are in contact with each other in the region surrounded by the domain wall. To do.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記結晶粒子が、おもに90°ドメインで構成されていることを特徴とするものである。   In addition, the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in each of the above-described configurations, the crystal particles are mainly configured in a 90 ° domain.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記ドメイン壁は、隣接する前記内部電極層同士の間の前記圧電体層に形成されていることを特徴とするものである。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the domain wall is formed in the piezoelectric layer between the adjacent internal electrode layers in each of the above configurations.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記ドメイン壁は、前記圧電体層における前記内部電極層の端部近傍に存在することを特徴とするものである。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the domain wall is present in the vicinity of the end portion of the internal electrode layer in the piezoelectric layer in each of the above-described configurations.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記積層体は、駆動時に前記内部電極層よりも優先的に破断されることによって応力を緩和する予定破断層を含んでおり、前記ドメイン壁は、前記予定破断層の近傍に形成されていることを特徴とするものである。   Further, the multilayer piezoelectric element of the present invention includes, in each of the above-described configurations, the multilayer body including a planned fracture layer that relieves stress by being fractured preferentially over the internal electrode layer during driving, The domain wall is formed in the vicinity of the predetermined fracture layer.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記ドメイン壁は、複数の前記圧電体層に形成されていることを特徴とするものである。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the domain wall is formed in the plurality of piezoelectric layers in each of the above configurations.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記圧電体層は、鉛元素の酸化物成分を有しており、結晶粒子間の三重点の部位に前記鉛元素の酸化物成分が偏析していることを特徴とするものである。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, in each of the above structures, the piezoelectric layer has a lead element oxide component, and the lead element oxide component is located at a triple point between crystal grains. Is segregated.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記鉛元素の酸化物成分が非晶質相であることを特徴とするものである。   The multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in each of the above-described structures, the lead oxide component is an amorphous phase.

本発明の噴射装置は、噴出孔を有する容器と、上記のいずれかの本発明の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に蓄えら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ことを特徴とするものである。   An ejection device according to the present invention includes a container having an ejection hole and any one of the multilayer piezoelectric elements according to the present invention, and the liquid stored in the container is driven by the multilayer piezoelectric element to form the ejection hole. It is characterized by being discharged from.

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上記の本発明の噴射装置と、前記コモンレールに前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たことを特徴とするものである。   The fuel injection system of the present invention includes a common rail that stores high-pressure fuel, the injection device of the present invention that injects fuel stored in the common rail, a pressure pump that supplies the high-pressure fuel to the common rail, and the injection device And an injection control unit for supplying a drive signal to the vehicle.

本発明の積層型圧電素子によれば、圧電体層と内部電極層とが交互に積層された積層体を含む積層型圧電体素子であって、圧電体層は、複数の結晶粒子に跨るドメイン壁が形成されていることから、ドメイン壁の移動が結晶粒界で拘束されずに、隣り合った結晶粒子のドメイン壁が電界印加と同時に連動して移動する。そのため、電界によるドメイン壁の移動速度および移動量を大きくすることができる。これにより、積層型圧電素子の応答速度が速くなり、変位量を大きくすることができる。   According to the multilayer piezoelectric element of the present invention, the multilayer piezoelectric element includes a multilayer body in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately stacked, and the piezoelectric layer is a domain straddling a plurality of crystal particles. Since the wall is formed, the movement of the domain wall is not constrained by the crystal grain boundary, and the domain wall of the adjacent crystal grain moves in conjunction with the application of the electric field. Therefore, the moving speed and moving amount of the domain wall due to the electric field can be increased. As a result, the response speed of the multilayer piezoelectric element is increased, and the amount of displacement can be increased.

また、変位を拘束する領域が大幅に減少することによって、駆動中の積層型圧電素子の過熱を抑え、耐久性の高い素子とすることができる。   In addition, since the region for restraining the displacement is greatly reduced, overheating of the driving multilayer piezoelectric element can be suppressed, and a highly durable element can be obtained.

さらに、結晶粒子径を小さく抑えてもドメイン壁の移動量を確保することができるので、圧電体層の結晶粒子を小さくすることができ、これによって機械的強度が大きく、かつ変位量の大きな積層型圧電素子とすることができる。その結果、連続駆動しても変位量の劣化が抑えられた積層型圧電素子とすることができる。   Furthermore, since the amount of movement of the domain wall can be ensured even if the crystal particle diameter is kept small, the crystal particles of the piezoelectric layer can be made small, thereby increasing the mechanical strength and the large displacement amount. Type piezoelectric element. As a result, it is possible to obtain a laminated piezoelectric element in which the deterioration of the displacement amount is suppressed even when continuously driven.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、ドメイン壁に囲まれた領域内における隣接する結晶粒子同士が接する部位に、分極軸が揃った領域が存在するときには、電界印加と同時にドメイン壁の移動が隣り合う結晶粒子において連続的に発生することとなるために、高速での分極が可能となり、変位の応答速度を速くすることができる。また、分極処理等の前処理も不要となり、分極処理に起因した残留応力も無いので、長期間の駆動を行なっても、ドメイン壁が安定して隣り合う結晶粒子間に跨って存在でき、安定した駆動が実現する。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, in the above configuration, when there is a region where the polarization axes are aligned in a region where adjacent crystal particles are in contact with each other in the region surrounded by the domain wall, Since the movement of the wall continuously occurs in adjacent crystal grains, polarization at high speed is possible, and the response speed of displacement can be increased. In addition, pre-processing such as polarization treatment is not required, and there is no residual stress due to polarization treatment. Therefore, domain walls can stably exist between adjacent crystal grains even when driven for a long time. Drive is realized.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、ドメイン壁は、隣接する結晶粒子を跨る部位が直線状に形成されているときには、電界印加によってドメイン壁が移動する際に、イオンの変位が粒界で遮られずに直線状に連鎖的に生じる。その結果、ドメイン壁の移動にひずみが無く、ストレスが発生しないので、電界印加時に規則的に一斉に分極されるので、変位の応答速度を速くすることができる。   Further, in the multilayer piezoelectric element of the present invention, in each of the above configurations, when the domain wall is formed in a linear shape so as to straddle adjacent crystal particles, the domain wall moves when the domain wall moves by applying an electric field. Displacement occurs linearly and continuously without being interrupted by grain boundaries. As a result, there is no distortion in the movement of the domain wall, and no stress is generated. Therefore, since the polarization is regularly performed simultaneously when an electric field is applied, the response speed of the displacement can be increased.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、結晶粒子が、おもに90°ドメインで構成されているときには、ドメイン壁の移動を低電界で容易に行うことができるので、変位の応答速度を速くすることができる。また、180°ドメインのように分極反転す
る必要が無いために、高電圧の分極処理が不要となり、積層型圧電素子に高電圧を印加することによる損傷をまったく与えないので、耐久性の高い積層型圧電素子とすることができる。
Further, in the multilayer piezoelectric element of the present invention, in each of the above configurations, when the crystal grains are mainly composed of 90 ° domains, the domain wall can be easily moved in a low electric field. Speed can be increased. In addition, since there is no need to reverse the polarization as in the 180 ° domain, high voltage polarization processing is unnecessary, and no damage is caused by applying a high voltage to the multilayer piezoelectric element. Type piezoelectric element.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、ドメイン壁は、隣接する内部電極層同士の間の圧電体層に形成されているときには、隣接する内部電極層同士の間の圧電体層の領域は、積層型圧電素子に電界を印加した際に変形する領域であるので、複数の結晶粒子に跨るドメイン壁が形成されていることによって、電界印加と同時にドメイン壁が一斉に移動することができ、高速駆動が可能となる。特に、内部電極層に接する圧電体の結晶粒子において複数の結晶粒子に跨るドメイン壁が形成されていると、内部電極層の端部に電界が集中することによりその端部がドメイン壁移動の起点となり、電圧印加と同時にドメイン壁の移動が開始される。従って、内部電極層同士の間の圧電体層の中央部に向けて将棋倒しのようにドメイン壁の移動が伝播するので、極めて安定した高速駆動が可能となる。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, in each of the above configurations, when the domain wall is formed on the piezoelectric layer between the adjacent internal electrode layers, the piezoelectric body between the adjacent internal electrode layers is Since the region of the layer is a region that deforms when an electric field is applied to the multilayer piezoelectric element, the domain wall that moves across the plurality of crystal grains moves simultaneously with the application of the electric field. Can be driven at high speed. In particular, when a domain wall straddling a plurality of crystal grains is formed in the piezoelectric crystal grains in contact with the internal electrode layer, the electric field concentrates on the end portion of the internal electrode layer, so that the end portion is the origin of domain wall movement. Thus, the movement of the domain wall is started simultaneously with the voltage application. Accordingly, since the movement of the domain wall propagates like a shogi to the center of the piezoelectric layer between the internal electrode layers, extremely stable high-speed driving is possible.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、ドメイン壁は、圧電体層における内部電極層の端部近傍に存在するときには、内部電極層を挟んで圧電体層の分極方向が反対方向になるため、積層型圧電素子を駆動させた際に内部電極層の端部に最も応力が集中するが、応力を緩和するように内部電極層の端部の結晶粒子が変形を起こす際にドメイン壁が移動することによって、結晶粒子の変形が容易となる。その結果、内部電極層の端部において、複数の結晶粒子に跨るドメイン壁が形成されていると、高速でドメイン壁が移動できるので、応力緩和効果が高まり、長時間安定して積層型圧電素子の駆動が可能になる。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, in each of the above configurations, when the domain wall exists in the vicinity of the end portion of the internal electrode layer in the piezoelectric layer, the polarization direction of the piezoelectric layer is opposite to the internal electrode layer. Therefore, when the stacked piezoelectric element is driven, the stress is concentrated most at the end of the internal electrode layer, but when the crystal grains at the end of the internal electrode layer are deformed so as to relieve the stress. The movement of the domain wall facilitates the deformation of the crystal grains. As a result, when the domain wall straddling a plurality of crystal grains is formed at the end of the internal electrode layer, the domain wall can move at a high speed, so that the stress relaxation effect is enhanced and the multilayer piezoelectric element is stable for a long time. Can be driven.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、積層体は、駆動時に内部電極層よりも優先的に破断されることによって応力を緩和する予定破断層を含んでおり、ドメイン壁は、予定破断層の近傍に形成されているときには、駆動中の積層型圧電素子の予定破断層に亀裂が生じて応力緩和する際に、予定破断層で発生した亀裂が圧電体層に到達したときに亀裂が到達した部分の結晶粒子のドメイン壁が高速で移動することによって、結晶粒子の変形が可能となる。その結果、応力を緩和して圧電体層への亀裂の進展を抑制することができる。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, in each of the above configurations, the multilayer body includes a planned fracture layer that relaxes stress by being preferentially fractured over the internal electrode layer during driving, and the domain wall is When the crack is generated in the planned rupture layer when the crack is generated in the planned rupture layer of the multilayer piezoelectric element being driven and the stress is relieved when it is formed in the vicinity of the planned rupture layer, When the domain wall of the crystal grain in the part where the crack has reached moves at high speed, the crystal grain can be deformed. As a result, the stress can be relaxed and the progress of cracks in the piezoelectric layer can be suppressed.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、ドメイン壁は、複数の圧電体層に形成されているときには、積層型圧電素子を駆動させた際に生じる、積層型圧電素子に加わるあらゆる方向からの応力を分散することができるので、積層型圧電素子を耐久性の高いものとすることができる。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, in each of the above configurations, when the domain wall is formed in a plurality of piezoelectric layers, the domain wall is added to the multilayer piezoelectric element generated when the multilayer piezoelectric element is driven. Since stress from all directions can be dispersed, the multilayer piezoelectric element can be made highly durable.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、圧電体層は、鉛元素の酸化物成分を有しており、結晶粒子間の三重点の部位に鉛元素の酸化物成分が偏析しているときには、積層型圧電素子の駆動中にドメイン壁が移動する際、鉛元素の酸化物成分が偏析した三重点の部位で結晶粒子の変形を伴うドメイン壁の移動ができなくなり、際限なくドメイン壁が移動しないようにストッパーとして働く。その結果、駆動電圧をオンオフした際にドメイン壁の移動が同じ領域で生じるようにすることができ、積層型圧電素子を耐久性の高いものとすることができる。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, in each of the above structures, the piezoelectric layer has a lead element oxide component, and the lead element oxide component is segregated at a triple point between crystal grains. When the domain wall moves during the driving of the multilayer piezoelectric element, the domain wall cannot be moved with deformation of the crystal grains at the triple point where the oxide component of the lead element segregates. Acts as a stopper to prevent the domain wall from moving. As a result, when the drive voltage is turned on / off, the domain wall can move in the same region, and the stacked piezoelectric element can be made highly durable.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、鉛元素の酸化物成分が非晶質相であるときには、結晶粒子内のイオンの変位を伝播する格子振動が非晶質相で消滅するので、三重点の部位で結晶粒子の変形を伴うドメイン壁の移動ができなくなり、際限なくドメイン壁が移動しないようにストッパーとしてより有効に働く。その結果、駆動電圧をオンオフした際にドメイン壁の移動が同じ領域で生じるようにすることができ、積層型圧
電素子をより耐久性の高いものとすることができる。
In the multilayer piezoelectric element of the present invention, in each of the above structures, when the lead element oxide component is in an amorphous phase, the lattice vibration propagating the displacement of ions in the crystal grains disappears in the amorphous phase. Therefore, it becomes impossible to move the domain wall accompanied by the deformation of crystal grains at the triple point, and it works more effectively as a stopper so that the domain wall does not move indefinitely. As a result, when the drive voltage is turned on / off, the domain wall can be moved in the same region, and the stacked piezoelectric element can be made more durable.

また、本発明の噴射装置によれば、噴出孔を有する容器と、上記のいずれかの本発明の積層型圧電素子とを備え、容器内に蓄えられた液体が積層型圧電素子の駆動により噴射孔から吐出されることから、積層型圧電素子において大きな変位量と優れた耐久性とが得られるので、液体の所望の噴射を長期にわたって安定して行なうことができる。   Further, according to the ejection device of the present invention, the container having the ejection hole and any one of the multilayer piezoelectric elements of the present invention is provided, and the liquid stored in the container is ejected by driving the multilayer piezoelectric element. Since it is discharged from the hole, a large displacement amount and excellent durability can be obtained in the multilayer piezoelectric element, so that the desired liquid can be stably ejected over a long period of time.

また、本発明の燃料噴射システムによれば、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上記の本発明の噴射装置と、コモンレールに高圧燃料を供給する圧力ポンプと、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から、高圧燃料の所望の噴射を長期にわたって安定して行なうことができる。   Further, according to the fuel injection system of the present invention, the common rail that stores high-pressure fuel, the injection device of the present invention that injects the fuel stored in the common rail, the pressure pump that supplies high-pressure fuel to the common rail, and the injection Since the injection control unit for supplying a drive signal to the apparatus is provided, the desired injection of the high-pressure fuel can be stably performed over a long period of time.

本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of embodiment of the lamination type piezoelectric element of this invention. (a)〜(c)は、それぞれ図1の積層型圧電素子を構成する圧電体層における結晶粒子とドメイン壁の模式的な拡大断面図である。(A)-(c) is a typical expanded sectional view of the crystal grain and domain wall in the piezoelectric material layer which respectively comprise the lamination type piezoelectric element of FIG. (a)〜(c)は、それぞれ結晶粒子とドメイン壁とが電圧印加によって構造変化する様子を示す図2(a)と同様の模式的な拡大断面図である。(A)-(c) is a typical expanded sectional view similar to Fig.2 (a) which shows a mode that a crystal grain and a domain wall each change a structure by voltage application. 図1の積層型圧電素子の積層体における内部電極層の端部近傍を示す模式的な断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the vicinity of an end portion of an internal electrode layer in the multilayer body of the multilayer piezoelectric element in FIG. 1. 本発明の噴射装置の実施の形態の一例を示す概略的な断面図である。It is a rough sectional view showing an example of an embodiment of an injection device of the present invention. 本発明の燃料噴射システムの実施の形態の一例を示す概略的なブロック図である。It is a schematic block diagram which shows an example of embodiment of the fuel-injection system of this invention. (a)〜(c)は、それぞれ従来の積層型圧電素子を構成する圧電体層における結晶粒子とドメイン壁の模式的な拡大断面図である。(A)-(c) is a typical expanded sectional view of the crystal grain and domain wall in the piezoelectric material layer which respectively comprises the conventional laminated piezoelectric element.

<積層型圧電素子>
以下、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の例について図面を参照しつつ詳細に説明する。
<Laminated piezoelectric element>
Hereinafter, an example of an embodiment of a multilayer piezoelectric element of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す斜視図であり、図2(a)〜(c)は、それぞれ図1に示す積層型圧電素子を構成する圧電体層の結晶粒子と分極ドメインを模式的に示す断面図である。   FIG. 1 is a perspective view showing an example of an embodiment of a multilayer piezoelectric element of the present invention, and FIGS. 2A to 2C are piezoelectric layers constituting the multilayer piezoelectric element shown in FIG. It is sectional drawing which shows typically the crystal particle and polarization domain of.

図1に示すように、本例の積層型圧電素子1は、圧電体層3と内部電極層5とが交互に積層された積層体7と、この積層体7の側面に接合されて内部電極層5に電気的に接続された外部電極9とを含むものである。そして、図2(a)〜(c)に示すように、圧電体層3において、複数の結晶粒子11に跨ったドメイン壁14が形成されている。   As shown in FIG. 1, the laminated piezoelectric element 1 of this example includes a laminated body 7 in which piezoelectric layers 3 and internal electrode layers 5 are alternately laminated, and an internal electrode joined to a side surface of the laminated body 7. And an external electrode 9 electrically connected to the layer 5. Then, as shown in FIGS. 2A to 2C, in the piezoelectric layer 3, domain walls 14 straddling a plurality of crystal particles 11 are formed.

なお、図2において、(b)は(a)の圧電体層の断面図のA部を拡大した拡大断面図であり、(c)は(b)について原子の配列状態を示す断面図である。また、図2において、12は粒界、13はドメインの分極方向、15は酸素イオン、16はバリウムまたは鉛等のイオンのAサイトイオン、17はチタン,ジルコニウム等のイオンのBサイトイオンである。   2, (b) is an enlarged cross-sectional view enlarging part A of the cross-sectional view of the piezoelectric layer of (a), and (c) is a cross-sectional view showing an arrangement state of atoms with respect to (b). . In FIG. 2, 12 is a grain boundary, 13 is a domain polarization direction, 15 is an oxygen ion, 16 is an A site ion of an ion such as barium or lead, and 17 is a B site ion of an ion such as titanium or zirconium. .

上記の構成により、素子1に電界を印加した際に、図3(a)〜(c)に示すように、隣り合った結晶粒子11間を跨るドメイン壁14が連続して移動できる。このような分域構造を有する圧電体層3では、複数の結晶粒子11に跨るドメイン壁14の粒界12での拘束力が小さくなり、圧電体層3に印加される電界に対するドメイン壁14の移動速度が速くなる。つまり、変位の応答速度を速くすることができる。   With the above configuration, when an electric field is applied to the element 1, as shown in FIGS. 3A to 3C, the domain wall 14 straddling between adjacent crystal grains 11 can continuously move. In the piezoelectric layer 3 having such a domain structure, the binding force at the grain boundary 12 of the domain wall 14 straddling the plurality of crystal grains 11 is reduced, and the domain wall 14 against the electric field applied to the piezoelectric layer 3 is reduced. Increases movement speed. That is, the response speed of displacement can be increased.

なお、図3(b),(c)において、白抜きの矢印は電界の印加方向を示す。   In FIGS. 3B and 3C, white arrows indicate the direction in which the electric field is applied.

また、変位を拘束する領域が大幅に減少することによって、駆動中の素子1の過熱を抑え、耐久性の高い素子1とすることができる。   Moreover, since the area | region which restrains a displacement reduces significantly, overheating of the element 1 during a drive can be suppressed and it can be set as the element 1 with high durability.

さらに、素子1が駆動により変形する際に、粒界12近傍が分極されて変形に寄与するので、粒界12付近が酸素空孔等の欠陥に起因したイオンの溜まり場にならない。その結果、粒界12に偏析したイオンによるドメイン壁14の拘束現象が発生せず、長期間の駆動でも変位量が変化しない耐久性の高い素子1とすることができる。   Further, when the element 1 is deformed by driving, the vicinity of the grain boundary 12 is polarized and contributes to the deformation, so that the vicinity of the grain boundary 12 does not become an ion pool due to defects such as oxygen vacancies. As a result, it is possible to obtain a highly durable element 1 in which the domain wall 14 is not restrained by ions segregated at the grain boundaries 12 and the displacement is not changed even after long-term driving.

特に、図2(c)に示すように、ペロブスカイト型の圧電体においては、粒界12を介して隣り合う結晶粒子11のBサイトイオン17の配置が同じ向きになることによって、分極方向が一致するので、電界印加時にドメイン壁14の移動が粒界12を介して隣り合う結晶粒子11の間で連続的に発生する。その結果、ドメイン壁14の移動速度が速くなる。つまり、変位の応答速度を速くすることができる。   In particular, as shown in FIG. 2 (c), in the perovskite-type piezoelectric body, the arrangement of the B site ions 17 of the adjacent crystal particles 11 through the grain boundary 12 is in the same direction, so that the polarization directions coincide. Therefore, the movement of the domain wall 14 continuously occurs between the adjacent crystal grains 11 via the grain boundaries 12 when an electric field is applied. As a result, the moving speed of the domain wall 14 is increased. That is, the response speed of displacement can be increased.

また、圧電体層3は、ドメイン壁14に囲まれた領域内における隣接する結晶粒子11同士が接する部位に、分極軸が揃った領域が存在することが好ましい。   In addition, in the piezoelectric layer 3, it is preferable that a region where the polarization axes are aligned exists in a region where adjacent crystal particles 11 are in contact with each other in a region surrounded by the domain wall 14.

上記の構成により、電界印加と同時にドメイン壁14の移動が隣り合う結晶粒子11において連続的に発生する。その結果、高速での分極が可能となり、変位の応答速度を速くすることができる。分極処理等の前処理も不要であり、分極処理に起因した残留応力も無いので、長期間の駆動を行なってもドメイン壁14が安定して隣り合う結晶粒子11間に跨って存在でき、安定した駆動が実現する。   With the above configuration, the movement of the domain wall 14 is continuously generated in the adjacent crystal particles 11 simultaneously with the application of the electric field. As a result, high-speed polarization is possible, and the response speed of displacement can be increased. Pre-processing such as polarization treatment is not required, and there is no residual stress caused by polarization treatment. Therefore, the domain wall 14 can stably exist between adjacent crystal grains 11 even if it is driven for a long time, and is stable. Drive is realized.

また、複数の結晶粒子11に跨るドメイン壁14は、隣接する結晶粒子11を跨る部位が直線状に形成されていることが好ましい。   In addition, it is preferable that the domain wall 14 straddling the plurality of crystal particles 11 is formed such that a portion straddling the adjacent crystal particles 11 is linear.

上記の構成により、電界印加の際にドメイン壁14が移動するときにイオンの変位が粒界12で遮られずに直線状に連鎖的に行われる。その結果、ドメイン壁14の移動にひずみが無く、ストレスが発生しないので、電界印加時に規則的に一斉に分極され、変位の応答速度を速くすることができる。   With the above configuration, when the domain wall 14 moves during the application of an electric field, the displacement of ions is not interrupted by the grain boundary 12 but is linearly chained. As a result, since there is no distortion in the movement of the domain wall 14 and no stress is generated, the domain wall 14 is regularly and simultaneously polarized when an electric field is applied, and the response speed of displacement can be increased.

また、結晶粒子11は、おもに90°ドメインで構成されていることが好ましい。   The crystal particles 11 are preferably mainly composed of 90 ° domains.

上記の構成により、ドメイン壁14の移動を低電界で容易に行なうことができるので、変位の応答速度を速くすることができる。また、180°ドメインのように分極反転する必要
が無いため、高電圧の分極処理が不要である。そのため、素子1に高電圧による損傷をまったく与えないので、耐久性の高い積層型圧電素子1とすることができる。
With the above configuration, the domain wall 14 can be easily moved with a low electric field, so that the displacement response speed can be increased. Further, since there is no need to reverse the polarization as in the 180 ° domain, a high-voltage polarization process is unnecessary. Therefore, since the element 1 is not damaged at all by the high voltage, the highly durable multilayer piezoelectric element 1 can be obtained.

この場合、90°ドメインで構成されている結晶粒子11の割合(含有量)は、80体積%以上であることが好ましく、より好ましくは全て90°ドメインで構成されていることによって、ドメイン壁14の移動を低電界でより容易に行なうことができる。   In this case, the ratio (content) of the crystal particles 11 composed of 90 ° domains is preferably 80% by volume or more, and more preferably, all of the 90 ° domains are composed of the domain walls 14. Can be more easily performed in a low electric field.

また、ドメイン壁14は、隣接する内部電極層5同士の間の圧電体層3に形成されていることが好ましい。   The domain wall 14 is preferably formed in the piezoelectric layer 3 between the adjacent internal electrode layers 5.

上記の構成により、隣接する内部電極層5同士の間の圧電体層3の領域は、積層型圧電素子1に電界を印加した際に変形する領域であるので、複数の結晶粒子11に跨るドメイン
壁14が形成されていることによって、電界印加と同時にドメイン壁14が一斉に移動することができるので、高速駆動が可能となる。特に、内部電極層5に接する結晶粒子11において、複数の結晶粒子11に跨るドメイン壁14が形成されていると、内部電極層5の端部に電界が集中することにより、その端部がドメイン壁移動の起点となり、電圧印加と同時にドメイン壁14の移動が開始される。その結果、内部電極層5同士の間の圧電体層3の中央部に向けて将棋倒しのようにドメイン壁14の移動が伝播するので、極めて安定した高速駆動が可能となる。
With the above configuration, the region of the piezoelectric layer 3 between the adjacent internal electrode layers 5 is a region that is deformed when an electric field is applied to the multilayer piezoelectric element 1. Since the wall 14 is formed, the domain wall 14 can move simultaneously with the application of the electric field, so that high-speed driving is possible. In particular, in the crystal particle 11 in contact with the internal electrode layer 5, when the domain wall 14 straddling the plurality of crystal particles 11 is formed, the electric field concentrates on the end of the internal electrode layer 5, so that the end becomes a domain The movement of the domain wall 14 is started simultaneously with the application of voltage. As a result, the movement of the domain wall 14 propagates toward the center of the piezoelectric layer 3 between the internal electrode layers 5 like a shogi, so that extremely stable high-speed driving is possible.

また、図4のように、複数の結晶粒子11に跨るドメイン壁14は、圧電体層3における内部電極層5の端部近傍18に存在することが好ましい。   Further, as shown in FIG. 4, the domain wall 14 straddling the plurality of crystal grains 11 is preferably present in the vicinity 18 of the end portion of the internal electrode layer 5 in the piezoelectric layer 3.

上記の構成により、内部電極層5を挟んで圧電体層3の分極方向が反対方向になるため、素子1の駆動の際に内部電極層5の端部近傍18にはもっとも応力が集中するが、加わった応力を緩和するように内部電極層5の端部近傍18の結晶粒子11が変形を起こす際にドメイン壁14が移動することによって、結晶粒子11の変形が可能となる。従って、内部電極層5の端部近傍18に複数の結晶粒子11に跨るドメイン壁14が形成されていると、高速でドメイン壁14が移動できるので、応力緩和効果が高まり、長時間安定して素子1の駆動が可能になる。   With the above configuration, since the polarization direction of the piezoelectric layer 3 is opposite to the internal electrode layer 5, the stress is most concentrated in the vicinity 18 of the end portion of the internal electrode layer 5 when the element 1 is driven. The crystal particles 11 can be deformed by moving the domain wall 14 when the crystal particles 11 in the vicinity of the end 18 of the internal electrode layer 5 are deformed so as to relieve the applied stress. Therefore, if the domain wall 14 straddling the plurality of crystal grains 11 is formed in the vicinity 18 of the end portion of the internal electrode layer 5, the domain wall 14 can move at a high speed, so that the stress relaxation effect is enhanced and stable for a long time. The element 1 can be driven.

この場合、内部電極層5の端部近傍18とは、内部電極層5の端部から結晶粒子11が5〜20個程度存在する大きさの領域である。   In this case, the vicinity 18 of the end portion of the internal electrode layer 5 is a region having about 5 to 20 crystal particles 11 from the end portion of the internal electrode layer 5.

さらに、積層体7は、駆動時に内部電極層5よりも優先的に破断されることによって応力を緩和する予定破断層6を含んでおり、複数の結晶粒子11に跨るドメイン壁14は、予定破断層6の近傍に形成されていることが好ましい。   Furthermore, the laminated body 7 includes a planned fracture layer 6 that relieves stress by being fractured preferentially over the internal electrode layer 5 during driving, and the domain wall 14 straddling the plurality of crystal grains 11 has the planned fracture. It is preferably formed in the vicinity of the fault 6.

上記の構成により、駆動中の素子1の予定破断層6に亀裂が生じて応力緩和する際に、予定破断層6で発生した亀裂が圧電体層3に到達した際に、亀裂が到達した部分の結晶粒子11のドメイン壁14が高速で移動することによって、結晶粒子11の変形が可能となる。その結果、応力を緩和して圧電体層3への亀裂進展を抑制することができる。このように、ドメイン壁14が移動することによって、結晶粒子11の変形が極めて容易に可能となる。従って、積層型圧電素子1を長期間にわたって高い負荷の加わった状態で使用した場合においても、圧電体層3に応力および応力に起因した亀裂を発生させることなく、積層体7の予定破断層6だけに亀裂を効果的に発生させて効果的な応力緩和が可能となり、積層型圧電素子1を耐久性の高いものとすることができる。   According to the above configuration, when the crack is generated in the planned fracture layer 6 of the driving element 1 to relieve the stress, the crack reaches when the crack generated in the planned fracture layer 6 reaches the piezoelectric layer 3. When the domain wall 14 of the crystal particle 11 moves at a high speed, the crystal particle 11 can be deformed. As a result, the stress can be relaxed and the crack propagation to the piezoelectric layer 3 can be suppressed. As described above, the movement of the domain wall 14 makes it possible to deform the crystal particles 11 very easily. Accordingly, even when the multilayer piezoelectric element 1 is used in a state where a high load is applied for a long period of time, the piezoelectric layer 3 does not generate stress and cracks due to the stress, and the planned fracture layer 6 of the multilayer body 7 is not generated. Thus, cracks can be effectively generated to effectively relieve stress, and the multi-layer piezoelectric element 1 can be made highly durable.

なお、積層体7における予定破断層6は、例えば、内部電極層5とは別に、あるいは内部電極層5に代えて、積層体7内に多数の独立した金属粒子を含む多孔質金属粒子層を形成することによって設けることができる。   The planned fracture layer 6 in the laminate 7 is, for example, a porous metal particle layer containing a large number of independent metal particles in the laminate 7 separately from the internal electrode layer 5 or instead of the internal electrode layer 5. It can be provided by forming.

また、複数の結晶粒子11に跨るドメイン壁14は、複数の圧電体層3に形成されていることが好ましい。   The domain walls 14 straddling the plurality of crystal grains 11 are preferably formed in the plurality of piezoelectric layers 3.

上記の構成により、積層型圧電素子1に加わるあらゆる方向からの応力を分散することができるので、積層型圧電素子1を耐久性の高いものとすることができる。   With the above configuration, stress from all directions applied to the multilayer piezoelectric element 1 can be dispersed, so that the multilayer piezoelectric element 1 can have high durability.

また、圧電体層3は、鉛元素の酸化物成分を有しており、結晶粒子11間の三重点の部位に鉛元素の酸化物成分が偏析していることが好ましい。   The piezoelectric layer 3 preferably has an oxide component of lead element, and the oxide component of the lead element is preferably segregated at a triple point between the crystal particles 11.

上記の構成により、駆動中にドメイン壁14が移動する際、鉛元素の酸化物成分が偏析し
た三重点の部位で結晶粒子11の変形を伴うドメイン壁14の移動ができなくなり、際限なくドメイン壁14が移動しないようにストッパーとして働く。これにより、駆動電圧をオンオフした際に、ドメイン壁14の移動が同じ領域で行なわれるようになり、積層型圧電素子1を耐久性の高いものとすることができる。
With the above configuration, when the domain wall 14 moves during driving, the domain wall 14 accompanying the deformation of the crystal particles 11 cannot move at the triple point where the oxide component of the lead element segregates. Acts as a stopper to prevent 14 from moving. Thereby, when the drive voltage is turned on / off, the domain wall 14 is moved in the same region, and the stacked piezoelectric element 1 can be made highly durable.

また、鉛元素の酸化物成分が非晶質相であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the oxide component of lead element is an amorphous phase.

上記の構成により、結晶粒子11内のイオンの変位を伝播する格子振動が非晶質相で消滅するので、三重点の部位で結晶粒子11の変形をともなうドメイン壁14の移動ができなくなり、際限なくドメイン壁14が移動しないようにストッパーとして働く。これにより、駆動電圧をオンオフした際に、ドメイン壁14の移動が同じ領域で行なわれるものとなり、積層型圧電素子1を耐久性の高いものとすることができる。   With the above configuration, the lattice vibration propagating the displacement of the ions in the crystal particles 11 disappears in the amorphous phase, so that the domain wall 14 with the deformation of the crystal particles 11 cannot be moved at the triple point, and the limit is limited. It acts as a stopper to prevent the domain wall 14 from moving. Accordingly, when the drive voltage is turned on / off, the domain wall 14 is moved in the same region, and the stacked piezoelectric element 1 can be made highly durable.

<積層型圧電素子の製造方法>
次に、本実施の形態の積層型圧電素子1の製造方法について説明する。
<Manufacturing method of multilayer piezoelectric element>
Next, a method for manufacturing the multilayer piezoelectric element 1 of the present embodiment will be described.

まず、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。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系あるいは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スラリーを作製する。そして、このスラリーに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、セラミックグリーン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、PbZrO−PbTiO等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。 First, a ceramic green sheet to be the piezoelectric layer 3 is produced. Specifically, a calcined powder of piezoelectric ceramic, a binder made of an organic polymer such as acrylic or butyral, and a plasticizer are mixed to prepare a slurry. And a ceramic green sheet is produced by using tape molding methods, such as a doctor blade method and a calendar roll method, for this slurry. The piezoelectric ceramic may be any piezoelectric ceramic, and for example, a perovskite oxide made of PbZrO 3 —PbTiO 3 or the like can be used. As the plasticizer, dibutyl phthalate (DBP), dioctyl phthalate (DOP), or the like can be used.

次に、内部電極層5となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム合金等から成る金属粉末にバインダーおよ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スクリーン印刷法を用いて所定のパターンに印刷する。さらに、この導電性ペーストがスクリーン印刷されたセラミックグリーンシートを複数積層する。そして、後述するように焼成することで、交互に積層された圧電体層3および内部電極層5を備えた積層体7を形成することができる。   Next, a conductive paste to be the internal electrode layer 5 is produced. Specifically, a conductive paste is prepared by adding and mixing a binder, a plasticizer, and the like to a metal powder made of silver-palladium alloy or the like. This conductive paste is printed on the ceramic green sheet in a predetermined pattern using a screen printing method. Further, a plurality of ceramic green sheets on which the conductive paste is screen-printed are stacked. And the laminated body 7 provided with the piezoelectric material layer 3 and the internal electrode layer 5 which were laminated | stacked alternately can be formed by baking as mentioned later.

このとき、予定破断層6として、例えば、多数の独立した金属粒子を含む多孔質金属粒子層を形成する場合、導電性ペースト中にカーボン粉末を含有させて、焼成中にそのカーボン粉末を消失させたり、導電性ペーストの印刷時にドットパターンとなるようにパターン印刷したり、導電性ペーストを印刷乾燥した後にドライアイスブラストを行なって印刷面を荒らしたりする方法がある。   At this time, for example, when forming a porous metal particle layer including a large number of independent metal particles as the expected fracture layer 6, carbon powder is contained in the conductive paste, and the carbon powder disappears during firing. There are also methods of pattern printing so that a dot pattern is formed during printing of the conductive paste, or dry-ice blasting after the conductive paste is printed and dried to roughen the printed surface.

また、予定破断層6として、多数の独立した金属粒子を含む多孔質金属粒子層の複数を一括的に形成する場合、予定破断層6となる多孔質金属粒子層を形成するための導電性ペーストと、その他の内部電極層5を形成するための導電性ペーストとの金属成分比率を変えて、焼成中にそれらの濃度差を利用して、予定破断層6から、圧電体層3を介して隣接している内部電極層5へ金属を拡散させることによって、多孔質金属粒子層を形成することができる。この方法は、量産性に優れている点で好ましい。特に、主に銀−パラジウムを含む導電性ペーストを用いて、予定破断層6となる導電性ペーストの層の銀濃度を、その他の内部電極層5となる導電性ペーストの層の銀濃度よりも高くすると、焼成時に銀が液相を形成するとともに圧電体層3の結晶粒子11間を容易に移動することができる。従って、極めて均一な多孔質金属粒子層からなる予定破断層6が形成できる。   Further, when a plurality of porous metal particle layers including a large number of independent metal particles are collectively formed as the planned rupture layer 6, a conductive paste for forming a porous metal particle layer that becomes the planned rupture layer 6. And other metal electrode ratios with the conductive paste for forming the internal electrode layer 5, and utilizing the difference in concentration during firing, from the expected fracture layer 6 through the piezoelectric layer 3. A porous metal particle layer can be formed by diffusing a metal into the adjacent internal electrode layer 5. This method is preferable in terms of excellent mass productivity. In particular, using a conductive paste mainly containing silver-palladium, the silver concentration of the conductive paste layer to be the expected fracture layer 6 is set to be higher than the silver concentration of the conductive paste layers to be the other internal electrode layers 5. When it is increased, silver forms a liquid phase during firing and can easily move between the crystal grains 11 of the piezoelectric layer 3. Accordingly, it is possible to form the planned fracture layer 6 made of a very uniform porous metal particle layer.

その後、積層型圧電素子1の積層体7の外表面に、端部が露出している内部電極層5との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、銀粉末および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、これを積層体7の側面に印刷して、乾燥接着する、あるいは焼き付けることによって得ることができる。   Thereafter, the external electrode 9 is formed on the outer surface of the multilayer body 7 of the multilayer piezoelectric element 1 so as to obtain conduction with the internal electrode layer 5 whose end is exposed. The external electrode 9 can be obtained by adding a binder to silver powder and glass powder to produce a silver glass conductive paste, printing this on the side surface of the laminate 7, drying and adhering, or baking.

ここで、複数の結晶粒子11に跨るドメイン壁14をどのようにしたら形成できるかを、順に説明する。   Here, how the domain wall 14 straddling a plurality of crystal particles 11 can be formed will be described in order.

まず、結晶粒子11中にドメイン壁14が形成されるのは、焼成により焼結した圧電体を冷却する際に圧電体の温度がキュリー点以下になる時である。これは、キュリー点以上では結晶粒子11内のイオン配列が対称性に優れ、分極自体が発生しないのに対し、キュリー点で結晶粒子11の相変態が発生し、一軸方向に伸びる構造となり、結晶粒子11内に分極の異なる領域すなわちドメインが形成されるとともに、ドメイン壁14が形成される。そこで、複数の結晶粒子11に跨るドメイン壁14を形成させるには、結晶粒子11間において、イオン配列が一致し、粒界12に異物や粒界層が発生するのを排除するように、圧電体を形成することが必要となる。   First, the domain wall 14 is formed in the crystal particles 11 when the temperature of the piezoelectric body becomes equal to or lower than the Curie point when the piezoelectric body sintered by firing is cooled. This is because the ionic arrangement in the crystal particle 11 is excellent in symmetry above the Curie point, and polarization itself does not occur, whereas the phase transformation of the crystal particle 11 occurs at the Curie point and becomes a structure extending in a uniaxial direction. Regions or domains having different polarizations are formed in the particles 11 and domain walls 14 are formed. Therefore, in order to form the domain wall 14 across the plurality of crystal particles 11, the ionic arrangement is consistent between the crystal particles 11, and the generation of a foreign substance or a grain boundary layer at the grain boundary 12 is excluded. It is necessary to form a body.

従来の焼結では、焼結直前の結晶粒子11の表面には酸素の吸着層があり、結晶粒子11同士が接合するのではなく、大きな結晶粒子11が小さな結晶粒子11を取り込み、最後に大きな結晶粒子11同士が接触した時に互いに取り込むことができずに癒着するために、互いの結晶粒子11のイオン配列を一致させることができない。従って、結晶格子が不整合になり、結晶粒子11表面の酸素吸着層と結晶成分とからなる酸素過剰な粒界層が形成される。このことにより、代表的な圧電体構造であるペロブスカイト構造では、酸素過剰となった粒界12との電荷の補償をとるために粒界12近傍でBサイトイオンが欠損する。分極の起因となるBサイトイオンを粒界12近傍で欠損していることによって、結晶粒子11ごとにそれに加わる応力を緩和する方向にそれぞれのドメイン壁14ができる。   In the conventional sintering, there is an oxygen adsorption layer on the surface of the crystal particles 11 just before sintering, and the crystal particles 11 are not joined to each other, but the large crystal particles 11 take in the small crystal particles 11 and finally the large particles When the crystal particles 11 come into contact with each other, they cannot be taken into each other and adhere to each other, so that the ion arrangement of the crystal particles 11 cannot be matched. Accordingly, the crystal lattice becomes mismatched, and an oxygen-excess grain boundary layer composed of the oxygen adsorption layer and the crystal component on the surface of the crystal particle 11 is formed. As a result, in the perovskite structure, which is a typical piezoelectric structure, B site ions are lost in the vicinity of the grain boundary 12 in order to compensate for the charge with the grain boundary 12 in which oxygen is excessive. Since the B site ions that cause polarization are missing in the vicinity of the grain boundary 12, each domain wall 14 is formed in the direction of relaxing the stress applied to each crystal grain 11.

そこで、となりあった結晶粒子11間でのイオン配列を一致させ、粒界12に異物や粒界層が生じるのを排除するように、以下の方法を行なう。   Therefore, the following method is performed so that the ionic arrangements between the adjacent crystal grains 11 are made to coincide with each other and foreign substances and grain boundary layers are prevented from being generated at the grain boundaries 12.

まず、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際に、圧電セラミックスの仮焼粉末として、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)であれば、圧電特性を発現するペロブスカイト構造に結晶化した粉末と、圧電特性を発現しないパイロクロア構造に結晶化した粉末、および、結晶化していない非結晶の粉末と、鉛,チタン,ジルコニウムのそれぞれの酸化物の粉末を混合して原料とする。このことにより、焼成温度が上昇し、焼結が進行すると、ペロブスカイト構造に結晶化した粉末を核として、結晶粒子11が核成長して焼結する反応焼結が行なわれる。   First, when the ceramic green sheet to be the piezoelectric layer 3 is manufactured, if the calcined powder of the piezoelectric ceramic is, for example, lead zirconate titanate (PZT), the powder crystallized into a perovskite structure that exhibits piezoelectric characteristics Then, a powder crystallized in a pyrochlore structure that does not exhibit piezoelectric characteristics, a non-crystallized amorphous powder, and a powder of each of lead, titanium, and zirconium oxides are used as raw materials. As a result, when the firing temperature rises and the sintering proceeds, reactive sintering is performed in which the crystal particles 11 grow and sinter using the powder crystallized into a perovskite structure as a nucleus.

そして、反応焼結過程で、となりあった結晶粒子11間のイオン配列を一致させるために、焼結中に結晶粒子11を回転させ、隣り合った結晶粒子11との整合を行うために、焼結過程で粒界12中を移動して粒子成長を行なわせるための液相を形成させる。液相成分としては、内部電極層5の成分中の銀が焼成中に酸化銀となり、圧電材料成分と液相成分となることを利用することが好ましい。よって、内部電極層5中の銀の比率を90質量%以上としたものが好ましい。   Then, in the reaction sintering process, in order to match the ionic arrangement between the adjacent crystal particles 11, the crystal particles 11 are rotated during the sintering, and the alignment with the adjacent crystal particles 11 is performed. During the setting process, a liquid phase is formed to move through the grain boundary 12 and cause particle growth. As the liquid phase component, it is preferable to utilize the fact that silver in the component of the internal electrode layer 5 becomes silver oxide during firing, and becomes a piezoelectric material component and a liquid phase component. Therefore, it is preferable that the silver ratio in the internal electrode layer 5 is 90% by mass or more.

焼成温度は1000℃以下が好ましい。1000℃を超えると、反応焼結中の雰囲気ガスの酸素分圧を大気よりも過剰にしなければ、粒界12に酸素空孔ができやすくなるため、となりあった結晶粒子11間のイオン配列を一致させた部分においても酸素欠陥により結晶粒子11表面での酸素イオンの拡散が活発になる。その結果、粒界12部分からネックが成長して巨大粒子へ成長してしまい、複数の結晶粒子11に跨るドメイン壁14が消滅することとなる。   The firing temperature is preferably 1000 ° C. or less. If the temperature exceeds 1000 ° C., oxygen vacancies in the grain boundary 12 are likely to be formed unless the oxygen partial pressure of the atmospheric gas during reaction sintering is set to be greater than that in the atmosphere. Even in the matched portions, oxygen ions diffuse on the surface of the crystal grains 11 due to oxygen defects. As a result, the neck grows from the grain boundary 12 portion to grow into a giant particle, and the domain wall 14 straddling the plurality of crystal particles 11 disappears.

ここで、内部電極層5の積層体7中における位置により銀比率の異なる導電性ペーストを用いることにより、液相中の銀成分に濃度勾配を持たせることができる。その結果、圧電体層3中を貫通して移動する液相を形成することができる。結晶粒子11が核成長して焼結する反応焼結を行ないながら、液相を移動させることにより、結晶粒子11は内部電極層5に接する部分を起点に結晶成長が広がる。このことにより、特に内部電極層5に接する結晶粒子11においては、となりあった結晶粒子11間でイオン配列を一致させることができる。   Here, by using a conductive paste having a different silver ratio depending on the position of the internal electrode layer 5 in the laminate 7, the silver component in the liquid phase can have a concentration gradient. As a result, a liquid phase that moves through the piezoelectric layer 3 can be formed. The crystal growth of the crystal particle 11 starts from the portion in contact with the internal electrode layer 5 by moving the liquid phase while performing reactive sintering in which the crystal particle 11 grows and sinters. As a result, particularly in the crystal particles 11 in contact with the internal electrode layer 5, the ionic arrangement can be matched between the adjacent crystal particles 11.

さらに、焼成の冷却段階においては、液相の銀成分は内部電極層5にとりこまれ、残った成分は結晶粒子11の成長と同時に取り込まれ、あまった成分は、結晶粒子11間の三重点に取り残される。PZTの焼結においては、酸化鉛の蒸気中で焼結させることで、液相中に過剰の鉛成分が含まれて焼結の進行が進むため、結晶粒子11間の三重点に取り残される。   Further, in the cooling stage of firing, the liquid phase silver component is taken into the internal electrode layer 5, the remaining component is taken in simultaneously with the growth of the crystal particles 11, and the remaining component is at the triple point between the crystal particles 11. Left behind. In the sintering of PZT, by sintering in the vapor of lead oxide, an excessive lead component is contained in the liquid phase and the progress of the sintering proceeds, so that it is left at the triple point between the crystal grains 11.

このように、となりあった結晶粒子11間でイオン配列を一致させて焼結させた部分では、冷却時にキュリー点以下となると、となりあった結晶粒子11に跨るドメイン壁14が形成される。さらに、銀のように熱膨張係数の大きな金属を内部電極層5に含ませることで、内部電極層5の熱膨張係数が圧電体層3の熱膨張係数よりも大きくなる。その結果、焼成後の冷却過程において、内部電極層5が圧電体層3よりも収縮することから、内部電極層5近傍の結晶粒子11は、強制的に積層方向に垂直な方向に分極される。電界による分極ではなく、応力による分極が、となりあった結晶粒子11間でイオン配列を一致させて焼結させた部分で起きる。そのために、これらの結晶粒子11に接した他の結晶粒子11は圧電体層3全体にわたって同じ方向に分極する。一方、内部電極層5に接していない、素子1の表面の結晶粒子11は、素子1の電荷の補償を行うためにさまざまな方向に分極してしまう。   As described above, in the portion where the ionic arrangement is matched between the adjacent crystal particles 11 and sintered, the domain wall 14 straddling the existing crystal particle 11 is formed when the temperature becomes below the Curie point during cooling. Furthermore, by including a metal having a large thermal expansion coefficient, such as silver, in the internal electrode layer 5, the thermal expansion coefficient of the internal electrode layer 5 becomes larger than the thermal expansion coefficient of the piezoelectric layer 3. As a result, the internal electrode layer 5 contracts more than the piezoelectric layer 3 in the cooling process after firing, so that the crystal particles 11 near the internal electrode layer 5 are forcibly polarized in a direction perpendicular to the stacking direction. . Instead of polarization due to an electric field, polarization due to stress occurs at a portion where the ionic arrangement is matched between the adjacent crystal grains 11 and sintered. Therefore, the other crystal particles 11 in contact with these crystal particles 11 are polarized in the same direction throughout the piezoelectric layer 3. On the other hand, the crystal grains 11 on the surface of the element 1 that are not in contact with the internal electrode layer 5 are polarized in various directions in order to compensate the charge of the element 1.

そこで、素子1の表面に、複数の結晶粒子11に跨るドメイン壁14を形成するには、焼成後の素子1の表面を研磨して削り落とし、その後、キュリー点以上の温度に再加熱して、分極方向を再配列させる。   Therefore, in order to form the domain wall 14 straddling the plurality of crystal grains 11 on the surface of the element 1, the surface of the fired element 1 is polished and scraped off, and then reheated to a temperature equal to or higher than the Curie point. , Rearrange the polarization direction.

結晶粒子11に跨るドメイン壁14が形成される領域を素子1の全体に広げるには、外部電極9を形成する前に素子1の表面にサンドブラスト等の処理を施し、内部電極層5を素子1の表面よりも深く削った後に、銀を主成分とする外部電極9を形成するための導電性ペーストを印刷した後に焼成する。これにより、外部電極9の焼結と同時に内部電極層5中の金属成分の素子1の外部への拡散を導くことができ、内部電極層5近傍に残留した液相の残留成分も外部電極9近傍に引っ張りだされ、同時にとなりあった結晶粒子11間の接する力が強くなり、結晶粒子11に跨るドメイン壁14が形成される領域が素子1の全体に広がる。   In order to expand the region where the domain wall 14 across the crystal particle 11 is formed over the entire element 1, the surface of the element 1 is subjected to a treatment such as sand blasting before the external electrode 9 is formed, and the internal electrode layer 5 is formed into the element 1. After cutting deeper than the surface, a conductive paste for forming the external electrode 9 mainly composed of silver is printed and then fired. Thereby, the diffusion of the metal component in the internal electrode layer 5 to the outside of the element 1 can be guided simultaneously with the sintering of the external electrode 9, and the liquid phase residual component remaining in the vicinity of the internal electrode layer 5 is also the external electrode 9. The force of contact between the crystal grains 11 that has been pulled out in the vicinity is increased, and the region where the domain wall 14 is formed across the crystal grains 11 is spread over the entire device 1.

さらに、分極処理を、キュリー点以上の温度に加熱してから電界を印加し、分極のための電圧を印加しながらキュリー点以下の温度まで冷却する。このとき、ドメイン壁14の形成が開始されるキュリー点で、電圧を印加しながら温度を10分以上保持し、100℃/時間
よりもゆっくりとした温度勾配で冷却すると、結晶粒子11に急激な応力を加えることなく分極ができる。その結果、内部電極層5間の圧電体層3において、複数の結晶粒子11に跨るドメイン壁14を形成することができる。
Further, in the polarization treatment, an electric field is applied after heating to a temperature equal to or higher than the Curie point, and cooling is performed to a temperature equal to or lower than the Curie point while applying a voltage for polarization. At this time, at the Curie point where the formation of the domain wall 14 is started, the temperature is maintained for 10 minutes or more while applying a voltage, and when the cooling is performed at a temperature gradient slower than 100 ° C./hour, Polarization can be performed without applying stress. As a result, in the piezoelectric layer 3 between the internal electrode layers 5, the domain wall 14 straddling the plurality of crystal particles 11 can be formed.

また、分極処理においては、焼結時の酸素分圧よりも酸素ガス濃度を高くしてから、キュリー点以上の温度に加熱し、酸素濃度を高くしたまま、キュリー点以下の温度まで冷却する。このことにより、隣り合った結晶粒子間のイオン配列を乱す酸素イオンの移動を抑制できる。その結果、内部電極層5間の結晶粒子11について、複数の結晶粒子11に跨るド
メイン壁14を形成することができる。従って、焼結時の酸素分圧よりも酸素ガス濃度を2倍以上に高めることがよく、素子1の表面および内部電極層5の近傍の圧電体層3の部位において、複数の結晶粒子11に跨るドメイン壁14を形成することができる。
In the polarization treatment, the oxygen gas concentration is made higher than the oxygen partial pressure during sintering, and then heated to a temperature above the Curie point, and cooled to a temperature below the Curie point while keeping the oxygen concentration high. This can suppress the movement of oxygen ions that disturb the ion arrangement between adjacent crystal grains. As a result, the domain wall 14 straddling the plurality of crystal particles 11 can be formed for the crystal particles 11 between the internal electrode layers 5. Therefore, it is preferable to increase the oxygen gas concentration more than twice as high as the oxygen partial pressure during sintering, and a plurality of crystal grains 11 are formed on the surface of the element 1 and the portion of the piezoelectric layer 3 near the internal electrode layer 5. A straddling domain wall 14 can be formed.

特に、予定破断層6として、多数の独立した金属粒子を含む多孔質金属粒子層を一括的に複数形成する場合、例えば、予定破断層6としての多孔質金属粒子層となる導電性ペーストと、その他の内部電極層5となる導電性ペーストとの金属成分比率を変えて、焼成中に金属成分の濃度差を利用して、予定破断層6から圧電体層3を介して隣接している内部電極層5へ金属を拡散させることによって多孔質金属粒子層を形成する。この場合、圧電体層3中を貫通して移動する液相を形成することができるため、結晶粒子11が核成長して焼結する反応焼結を行なうとともに液相を移動させることにより、結晶粒子11は多孔質金属粒子層の金属粒子と多孔質金属粒子層のとなりの内部電極層5を起点にして結晶成長が広がる。このことにより、予定破断層6の近傍の結晶粒子11において、となりあった結晶粒子11間でイオン配列を一致させることができ、複数の結晶粒子11に跨るドメイン壁14を形成することができる。   In particular, when a plurality of porous metal particle layers including a large number of independent metal particles are collectively formed as the planned fracture layer 6, for example, a conductive paste that becomes a porous metal particle layer as the planned fracture layer 6, The internal components adjacent to each other from the planned fracture layer 6 through the piezoelectric layer 3 by changing the metal component ratio with the conductive paste to be the other internal electrode layer 5 and utilizing the concentration difference of the metal component during firing. A porous metal particle layer is formed by diffusing metal into the electrode layer 5. In this case, a liquid phase that moves through the piezoelectric layer 3 can be formed. Therefore, by performing reactive sintering in which the crystal particles 11 nucleate and sinter, and moving the liquid phase, Crystal growth of the particles 11 starts from the metal particles of the porous metal particle layer and the internal electrode layer 5 adjacent to the porous metal particle layer. As a result, in the crystal particles 11 in the vicinity of the expected fracture layer 6, the ion arrangement can be matched between the adjacent crystal particles 11, and the domain wall 14 straddling the plurality of crystal particles 11 can be formed.

なお、結晶粒子11に跨るドメイン壁14の形成方法は、上記の例に限定されるものではなく、例えば、反応焼結の速度や液相の移動速度を制御する目的で、焼成雰囲気中の酸素ガス濃度を焼成の温度領域ごとで変化させる方法などを採用することができ、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行なうことは何ら差し支えない。   Note that the method of forming the domain wall 14 straddling the crystal particles 11 is not limited to the above example. For example, for the purpose of controlling the rate of reaction sintering and the moving speed of the liquid phase, oxygen in the firing atmosphere A method of changing the gas concentration for each temperature range of firing can be adopted, and various changes can be made without departing from the scope of the present invention.

次に、金属の線材からなるリード線、金属メッシュあるいはメッシュ状の金属板等からなる導電部材を、外部電極9の表面に半田あるいは導電性接着剤等の導電性接合材を用いて接合し接続固定する。導電部材の材質は、銀,ニッケル,銅,リン青銅,鉄,ステンレス等の金属あるいは合金が好ましい。また、導電部材の表面には、銀,ニッケル等から成るメッキ層が形成されていてもよい。   Next, a lead member made of a metal wire, a conductive member made of a metal mesh or a mesh-like metal plate, etc. is joined and connected to the surface of the external electrode 9 using a conductive bonding material such as solder or a conductive adhesive. Fix it. The material of the conductive member is preferably a metal or alloy such as silver, nickel, copper, phosphor bronze, iron or stainless steel. A plating layer made of silver, nickel, or the like may be formed on the surface of the conductive member.

なお、導電部材は、外部電極9の積層方向の外側表面の全てにわたって接合されていてもよいし、外部電極9の外側表面の一部分に接合されていても構わない。   The conductive member may be bonded over the entire outer surface of the external electrode 9 in the stacking direction, or may be bonded to a part of the outer surface of the external electrode 9.

次に、外装樹脂となるシリコーン樹脂を含む樹脂溶液に、外部電極9を形成した積層体7を浸漬する。そして、樹脂溶液を真空脱気することにより、積層体7の外周側面の凹凸部にシリコーン樹脂を密着させ、その後、樹脂溶液から積層体7を引き上げる。これにより、外部電極9を形成した積層体7の側面にシリコーン樹脂層がコーティングされる。   Next, the laminate 7 on which the external electrode 9 is formed is immersed in a resin solution containing a silicone resin that serves as an exterior resin. Then, the resin solution is vacuum degassed to bring the silicone resin into close contact with the uneven portions on the outer peripheral side surface of the laminate 7, and then the laminate 7 is pulled up from the resin solution. Thereby, the silicone resin layer is coated on the side surface of the laminate 7 on which the external electrode 9 is formed.

その後、外部電極9に接続した導電部材を介して一対の外部電極9から内部電極層5によって圧電体層3に0.1〜3kV/mmの直流電界を印加し、積層体7の圧電体層3を分
極することによって、本例の積層型圧電素子1が完成する。そして、導電部材を外部の電圧供給源に接続し、導電部材および外部電極9を介して内部電極層5によって圧電体層3に電圧を印加することにより、各圧電体層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の燃料噴射弁機構等として機能させることが可能となる。
Thereafter, a direct current electric field of 0.1 to 3 kV / mm is applied from the pair of external electrodes 9 to the piezoelectric layer 3 through the conductive member connected to the external electrode 9 by the internal electrode layer 5. By polarizing, the laminated piezoelectric element 1 of this example is completed. Then, the conductive member is connected to an external voltage supply source, and a voltage is applied to the piezoelectric layer 3 by the internal electrode layer 5 via the conductive member and the external electrode 9, thereby causing each piezoelectric layer 3 to have an inverse piezoelectric effect. It can be displaced greatly. Thereby, for example, it is possible to function as a fuel injection valve mechanism or the like for an automobile for supplying fuel to the engine.

次に、本発明の噴射装置としての流体の噴射装置の実施の形態の一例について説明する。図5は、本発明の噴射装置の実施の形態の一例を示す概略断面図である。   Next, an example of an embodiment of a fluid ejection device as the ejection device of the present invention will be described. FIG. 5 is a schematic sectional view showing an example of the embodiment of the injection device of the present invention.

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23の内部に上記の実施の形態の例に代表される本発明の積層型圧電素子1が収納されている。   As shown in FIG. 5, in the injection device 19 of this example, the multilayer piezoelectric element 1 of the present invention represented by the example of the above embodiment is accommodated in a container 23 having an injection hole 21 at one end. Yes.

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、常時高圧で流体である例えば液体が供給されている。従って、積層型圧電素子1の駆動によ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、噴射孔21の外部または噴射孔21に隣接する容器、例えば内燃機関の燃料室(不図示)に、噴射孔21から吐出され噴射される。
A needle valve 25 that can open and close the injection hole 21 is disposed in the container 23.
A fluid passage 27 is disposed in the injection hole 21 so that it can communicate with the movement of the needle valve 25. The fluid passage 27 is connected to an external fluid supply source, and is supplied with, for example, a liquid that is a fluid at a high pressure at all times. Therefore, when the needle valve 25 opens the injection hole 21 by driving the multilayer piezoelectric element 1, the fluid supplied to the fluid passage 27 is transferred to the outside of the injection hole 21 or a container adjacent to the injection hole 21, such as an internal combustion engine. A fuel chamber (not shown) is discharged from the injection hole 21 and injected.

また、ニードルバルブ25の上端部は内径が大きくなっており、その部分に容器23に形成されたシリンダ29と摺動可能なピストン31が配置されている。そして、容器23内には、本実施の形態の積層型圧電素子1が収納されている。   The upper end portion of the needle valve 25 has a large inner diameter, and a cylinder 29 formed in the container 23 and a slidable piston 31 are disposed in that portion. In the container 23, the multilayer piezoelectric element 1 of the present embodiment is housed.

このような噴射装置19では、圧電アクチュエータとして機能する積層型圧電素子1が電圧を印加されて伸長すると、ピストン31が押圧され、ニードルバルブ25が噴射孔21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1が収縮し、皿バネ33がピストン31を押し返すことによって流体通路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。   In such an injection device 19, when the multilayer piezoelectric element 1 that functions as a piezoelectric actuator is extended by applying a voltage, the piston 31 is pressed, the needle valve 25 closes the injection hole 21, and the supply of fluid is stopped. The When the application of voltage is stopped, the multilayer piezoelectric element 1 contracts, and the disc spring 33 pushes back the piston 31 to open the fluid passage 27, so that the injection hole 21 communicates with the fluid passage 27 and the injection hole. The fluid is ejected from 21.

なお、流体噴射の動作としては、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27を開放して噴射孔21から流体を吐出し、電圧の印加を停止することによって流体通路27を閉鎖して流体の吐出を停止するように構成してもよい。   The fluid ejection operation is to apply a voltage to the multilayer piezoelectric element 1 to open the fluid passage 27 to discharge the fluid from the ejection hole 21 and to close the fluid passage 27 by stopping the voltage application. Thus, the discharge of the fluid may be stopped.

また、本実施の形態の噴射装置19は、噴射孔21を有する容器23と、本実施の形態の積層型圧電素子1とを備え、容器23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21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は必ずしも容器23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23の内部に噴射孔21への流体の供給および停止を行なうための圧力が加わるように構成されていればよい。また、液体を始めとする流体は、流体通路27を通して噴射孔21に供給されるだけでなく、容器23内の適当な箇所に流体を一時的に溜めておく部分を設けて、容器23内に充填された流体を噴射孔21から吐出させてもよい。   The injection device 19 according to the present embodiment includes a container 23 having an injection hole 21 and the multilayer piezoelectric element 1 according to the present embodiment, and the fluid filled in the container 23 is used for the multilayer piezoelectric element 1. It may be configured to discharge from the injection hole 21 by driving. That is, the multilayer piezoelectric element 1 does not necessarily have to be inside the container 23, and the pressure for supplying and stopping the fluid to the injection hole 21 is applied to the inside of the container 23 by driving the multilayer piezoelectric element 1. It suffices to be configured. In addition, the fluid including the liquid is not only supplied to the injection hole 21 through the fluid passage 27, but also provided in the container 23 with a portion for temporarily storing the fluid in an appropriate place in the container 23. The filled fluid may be discharged from the ejection hole 21.

なお、本実施の形態において、流体とは、燃料あるいはインク等の液体の他、種々の液状体(導電性ペースト等)および気体が含まれる。これら流体に対して本実施の形態の噴射装置19を用いることによって、流体の流量および噴射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。   In the present embodiment, the fluid includes various liquid materials (such as conductive paste) and gas in addition to liquids such as fuel or ink. By using the ejection device 19 of the present embodiment for these fluids, the fluid flow rate and ejection timing can be stably controlled over a long period of time.

本実施の形態の積層型圧電素子1を採用した本実施の形態の噴射装置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長期間にわたって精度よく噴射させることができる。   If the injection device 19 of the present embodiment that employs the multilayer piezoelectric element 1 of the present embodiment is used for an internal combustion engine, the fuel is supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine such as an engine for a longer period of time than the conventional injection device. Can be sprayed with high accuracy.

次に、本発明の燃料噴射システムの実施の形態の例について説明する。   Next, the example of embodiment of the fuel-injection system of this invention is demonstrated.

図6は、本発明の燃料噴射システムの実施の形態の一例を示す概略的なブロック図である。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に蓄えられた高圧燃料を噴射する複数の本実施の形態の噴射装置19と、コモンレール37に高圧燃料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。   FIG. 6 is a schematic block diagram showing an example of an embodiment of the fuel injection system of the present invention. As shown in FIG. 6, the fuel injection system 35 of this example includes a common rail 37 that stores high-pressure fuel, a plurality of injection devices 19 of the present embodiment that inject high-pressure fuel stored in the common rail 37, and a common rail 37. A pressure pump 39 for supplying high-pressure fuel to the injection device 19 and an injection control unit 41 for supplying a drive signal to the injection device 19.

噴射制御ユニット41は、外部からの情報または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ものである。圧力ポンプ39は、燃料タンク43か
ら燃料を約101MPa〜203MPa(1000〜2000気圧)程度、好ましくは約152MPa〜172MPa(1500〜1700気圧)程度の高圧にしてコモンレール37に供給する役割を果たす。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から所定量の高圧燃料を外部または隣接する容器、例えばエンジンの燃焼室内に霧状に噴射する。
The injection control unit 41 controls the amount and timing of high-pressure fluid injection based on information or signals from the outside. For example, the amount and timing of fuel injection are controlled while sensing the condition in the combustion chamber of the engine with a sensor or the like. The pressure pump 39 serves to supply fuel from the fuel tank 43 to the common rail 37 at a high pressure of about 101 MPa to 203 MPa (1000 to 2000 atmospheres), preferably about 152 MPa to 172 MPa (1500 to 1700 atmospheres). In the common rail 37, the high-pressure fuel sent from the pressure pump 39 is stored and sent to the injection device 19 as appropriate. As described above, the injection device 19 injects a predetermined amount of high-pressure fuel from the injection hole 21 into the outside or an adjacent container, for example, the combustion chamber of the engine in a mist form.

なお、本発明は、上記の実施の形態の例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なうことは何ら差し支えない。また、本発明は、積層型圧電素子および噴射装置ならびに燃料噴射システムに関するものであるが、上記の実施の形態の例に限定されるものでなく、例えば、インクジェットプリンタの印字装置、あるいは圧力センサ等に用いるものであっても、圧電特性を利用した積層型圧電素子であれば、同様の構成で実施可能である。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. In addition, the present invention relates to a multilayer piezoelectric element, an injection device, and a fuel injection system, but is not limited to the above-described embodiment, for example, a printing device of an ink jet printer, a pressure sensor, or the like Even if it is what is used for, if it is a lamination type piezoelectric element using a piezoelectric characteristic, it can implement with the same structure.

本発明の積層型圧電素子の実施例について以下に説明する。   Examples of the multilayer piezoelectric element of the present invention will be described below.

本実施例の積層型圧電素子を以下のようにして作製した。   The multilayer piezoelectric element of this example was manufactured as follows.

まず、1200℃で仮焼した後に粉砕して平均粒径0.4μmとしたチタン酸ジルコン酸鉛(
PZT)粉末を主成分とする原料粉末にバインダーおよび可塑剤を混合したスラリーを作製した。そのスラリーを用いてドクターブレード法で厚みが150μmのセラミックグリー
ンシートAを作製した。
First, lead zirconate titanate with a mean particle size of 0.4 μm after calcining at 1200 ° C. (
A slurry in which a binder and a plasticizer were mixed with a raw material powder mainly composed of (PZT) powder was prepared. Using the slurry, a ceramic green sheet A having a thickness of 150 μm was prepared by a doctor blade method.

次に、1200℃で仮焼した後に粉砕して平均粒径0.4μmとしたチタン酸ジルコン酸鉛(
PZT)粉末を主成分とする原料粉末50質量%と、700℃で仮焼した後に粉砕して平均粒
径0.4μmとした他の粉末(酸化チタン,酸化ジルコニウム,酸化鉛およびパイロクロア
相からなるPZT粉末とガラス相とからなるPZT組成の粉末)を主成分とする原料粉末50質量%とを、ブレンドしてバインダーおよび可塑剤を混合したスラリーを作製した。そのスラリーを用いてドクターブレード法で厚みが150μmのセラミックグリーンシートB
を作製した。
Next, lead zirconate titanate with an average particle size of 0.4 μm after calcining at 1200 ° C. (
(PZT) consisting of 50% by mass of raw material powder mainly composed of PZT powder and other powders (titanium oxide, zirconium oxide, lead oxide and pyrochlore phase) after calcining at 700 ° C. and pulverized to an average particle size of 0.4 μm A slurry in which a binder and a plasticizer were mixed by blending 50% by mass of a raw material powder mainly composed of a powder and a glass phase and having a PZT composition). Ceramic green sheet B with a thickness of 150μm by the doctor blade method using the slurry
Was made.

次に、Ag95質量%−Pd5質量%の金属組成である銀−パラジウム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と、Ag96質量%−Pd4質量%の金属組成である銀−パラジウム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と、Ag100質量%の金属組成である銀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Cとを作製した。
Next, conductive paste A in which a binder is added to a raw material powder containing silver-palladium alloy powder having a metal composition of Ag 95% by mass-Pd 5% by mass, and silver 96% by mass Ag-96% by mass-Pd 4% by mass. A conductive paste B in which a binder was added to a raw material powder containing palladium alloy powder and a conductive paste C in which a binder was added to a raw material powder containing silver powder having a metal composition of Ag 100% by mass were prepared.

そして、セラミックグリーンシートの片面に、導電性ペーストをスクリーン印刷法により、30μmの厚みになるように内部電極層のパターンで印刷した。そして、導電性ペーストが印刷された各セラミックグリーンシートを積層して生積層体を作製した。なお、積層数としては、内部電極層5の数が300となるように積層し、生積層体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のみをそれぞれ20枚積層し、5種(試料番号1〜5)の生積層体を作製した。
Then, a conductive paste was printed on one side of the ceramic green sheet with a pattern of the internal electrode layer so as to have a thickness of 30 μm by screen printing. And each green sheet on which the conductive paste was printed was laminated to produce a green laminate. As for the number of laminated layers, the number of internal electrode layers 5 is laminated to be 300, and only 20 ceramic green sheets on which no conductive paste is printed are provided at both ends in the lamination direction of the green laminate. The green laminates were prepared by stacking five types (sample numbers 1 to 5).

試料番号1は、セラミックグリーンシートAと導電性ペーストAによって作製した。   Sample No. 1 was made of ceramic green sheet A and conductive paste A.

試料番号2,3は、セラミックグリーンシートBと、導電性ペーストAおよび導電性ペーストBとを用いて、導電性ペーストAの層と導電性ペーストBの層とが交互に積層されるようにして作製した。   Sample Nos. 2 and 3 were made so that the layers of the conductive paste A and the conductive paste B were alternately laminated using the ceramic green sheet B, the conductive paste A, and the conductive paste B. Produced.

試料番号4,5は、セラミックグリーンシートBと、導電性ペーストAおよび導電性ペーストBとを用いて、導電性ペーストAの層と導電性ペーストBの層とが交互に積層されるようにするとともに、予定破断層6としての孤立した金属粒子からなる多孔質金属粒子層を設けるために、積層方向の下から50番目、150番目および250番目の位置に導電性ペーストCの層を印刷した。   Sample Nos. 4 and 5 use the ceramic green sheet B, the conductive paste A, and the conductive paste B so that the layers of the conductive paste A and the layers of the conductive paste B are alternately stacked. At the same time, in order to provide a porous metal particle layer made of isolated metal particles as the expected fracture layer 6, layers of the conductive paste C were printed at the 50th, 150th and 250th positions from the bottom in the stacking direction.

次に、それぞれの試料番号の生積層体に所定の温度で脱バインダー処理を施した後、800〜1000℃で焼成して積層体7を得た。焼成の冷却速度は、試料番号1,2,4において
は100℃/時間、試料番号3,5においては200℃/時間とした。
Next, the raw laminate of each sample number was subjected to binder removal treatment at a predetermined temperature, and then fired at 800 to 1000 ° C. to obtain a laminate 7. The cooling rate of firing was 100 ° C./hour for sample numbers 1, 2, and 4, and 200 ° C./hour for sample numbers 3 and 5.

ここで、試料番号2〜5では、導電性ペーストの層の金属成分である銀が、焼成中に隣接する銀濃度の低い導電性ペーストの層に拡散する。特に、導電性ペーストCの層は、その銀濃度が他の導電性ペーストよりも高いので拡散が顕著になり、孤立した金属粒子からなる多孔質金属粒子層から成る予定破断層6が形成された。   Here, in sample numbers 2 to 5, silver, which is a metal component of the conductive paste layer, diffuses into the adjacent conductive paste layer having a low silver concentration during firing. In particular, the conductive paste C layer has a higher silver concentration than the other conductive pastes, so that the diffusion becomes remarkable, and the expected fracture layer 6 composed of a porous metal particle layer composed of isolated metal particles is formed. .

そして、各々の試料番号の積層体7に、所望の寸法になるよう研磨加工を施し、研磨加工後にブラスト処理して、表面に露出した内部電極層5の端部を研磨して、その端部が圧電体層3の表面よりも凹むようにした。   Then, the laminated body 7 of each sample number is subjected to a polishing process so as to have a desired dimension, blasted after the polishing process, and the end of the internal electrode layer 5 exposed on the surface is polished, and the end Is recessed from the surface of the piezoelectric layer 3.

次に、外部電極9を形成した。まず、銀を主成分とす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を形成するための導電性ペーストを作製した。この導電性ペーストを、積層体7の互いに対向する2つの側面の外部電極9を形成する箇所に、スクリーン印刷等によってパターン印刷し、その後、600〜800℃で焼成した。焼成の冷却過程は、酸素ガス20体積%、窒素ガス体積80%の合成空気の気流中で行ない、冷却速度を200℃/時間として外部電極9を形成した。   Next, the external electrode 9 was formed. First, a conductive paste for forming the external electrode 9 was prepared by adding and mixing a binder, a plasticizer, glass powder, and the like to metal powder containing silver as a main component. This conductive paste was subjected to pattern printing by screen printing or the like on the portion of the laminate 7 where the external electrodes 9 on the two side surfaces facing each other were formed, and then fired at 600 to 800 ° C. The cooling process of firing was performed in a stream of synthetic air with 20% oxygen gas and 80% nitrogen gas, and the external electrode 9 was formed at a cooling rate of 200 ° C./hour.

次に、外部電極9にリード線を接続し、300℃に加熱しながら正極および負極の外部電
極9からリード線を介して圧電体層3に3kV/mmの直流電界を15分間印加して分極処理を行ない、200℃/時間の速度で冷却し、積層型圧電素子1の各試料を作製した。
Next, a lead wire is connected to the external electrode 9, and a 3 kV / mm DC electric field is applied to the piezoelectric layer 3 from the positive and negative external electrodes 9 through the lead wire while heating at 300 ° C. for 15 minutes for polarization. The sample was processed and cooled at a rate of 200 ° C./hour to produce each sample of the multilayer piezoelectric element 1.

このようにして各試料ごとに積層型圧電素子1を2個ずつ作製し、1個については、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)によりドメイン壁14の観察を行なった。残りの1個を用いて駆動評価を行なった。   In this way, two laminated piezoelectric elements 1 were produced for each sample, and the domain wall 14 was observed with a transmission electron microscope (TEM) for each of the laminated piezoelectric elements 1. Drive evaluation was performed using the remaining one.

駆動評価としては、高速応答性評価と耐久性評価とを行なった。得られた積層型圧電素子1に170Vの直流電圧を印加して、圧電アクチュエータとしての初期状態の変位量を測
定した。
As drive evaluation, high-speed response evaluation and durability evaluation were performed. A DC voltage of 170 V was applied to the obtained multilayer piezoelectric element 1 to measure an initial displacement amount as a piezoelectric actuator.

高速応答性評価としての変位速度の乱れによるうなり音の発生の有無については、各々の積層型圧電素子1に室温で0V〜+170Vの交流電圧を150Hzから徐々に周波数を増加させて印加することにより測定した。   As for the presence or absence of beat noise due to the disturbance of the displacement speed as a high-speed response evaluation, an AC voltage of 0V to + 170V is gradually applied from 150 Hz to each laminated piezoelectric element 1 at a room temperature. It was measured.

耐久性評価としては、各々の積層型圧電素子1に室温で0V〜+170Vの交流電圧を150Hzの周波数で印加して、1×10回まで連続駆動した試験を行なった。さらに、1×10回まで連続駆動した後に、再度、室温で0V〜+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て、高速応答性評価(うなり音の発生の有無の評価)を行なった。 As the durability evaluation, a test was performed in which each laminated piezoelectric element 1 was continuously driven up to 1 × 10 9 times by applying an AC voltage of 0 V to +170 V at a frequency of 150 Hz at room temperature. Furthermore, after continuously driving up to 1 × 10 9 times, an AC voltage of 0 V to +170 V is applied again at room temperature by gradually increasing the frequency from 150 Hz to evaluate high-speed response (evaluation of the presence or absence of beat noise). ).

これらの試験の結果をドメイン壁14の観察結果とともに表1および表2に示す。   The results of these tests are shown in Tables 1 and 2 together with the observation results of the domain wall 14.

Figure 0005611427
Figure 0005611427

Figure 0005611427
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表1および表2に示すように、試料番号1についてのみ、周波数が1kHzを超えた時にうなり音の発生が認められた。これは、試料番号1の積層型圧電素子1では、複数の結晶粒子11のそれぞれに異なる方向にドメイン壁14が形成されているので、圧電体層3の粒界12によりドメイン壁14の移動が拘束されて応答速度が遅くなり、圧電体層3ごとの変位速度に乱れが生じ、印加した交流電圧の周波数に変位が追従できなかったためにうなり音が発生したものと考えられる。   As shown in Tables 1 and 2, only Sample No. 1 was observed to generate a roar when the frequency exceeded 1 kHz. This is because the domain wall 14 is formed in each of the plurality of crystal grains 11 in different directions in the multilayer piezoelectric element 1 of sample number 1, and therefore the domain wall 14 is moved by the grain boundary 12 of the piezoelectric layer 3. It is considered that the response speed becomes slow due to restraint, the displacement speed of each piezoelectric layer 3 is disturbed, and the beat sound is generated because the displacement cannot follow the frequency of the applied AC voltage.

なお、駆動周波数を確認するために横河電機株式会社製オシロスコープ「DL1640L」を用いて試料番号1の駆動信号のパルス波形を確認したところ、駆動周波数の整数倍の周波数に相当する箇所に高調波成分(ノイズ)が確認された。   In order to confirm the drive frequency, the pulse waveform of the drive signal of sample number 1 was confirmed using an oscilloscope “DL1640L” manufactured by Yokogawa Electric Corporation, and harmonics were found at locations corresponding to an integral multiple of the drive frequency. A component (noise) was confirmed.

また、耐久性評価の結果、試料番号1では、耐久性評価試験後の変位量(1×10回後の変位量)は5μmとなり、耐久性評価試験前と比較して90%近く(((45−5)/45)×100=88.9%)低下した。また、試料番号1の圧電アクチュエータでは、連続駆動(1
×10回)後に、外部電極9に剥がれが発生し、また積層体7においても積層部分の一部に剥がれが発生した。
In addition, as a result of the durability evaluation, in Sample No. 1, the displacement amount after the durability evaluation test (displacement amount after 1 × 10 9 times) is 5 μm, which is close to 90% compared to before the durability evaluation test (( (45-5) / 45) × 100 = 88.9%). In the piezoelectric actuator of sample number 1, continuous drive (1
After × 10 9 times), the external electrode 9 was peeled off, and the laminated body 7 was also peeled off at a part of the laminated portion.

この試料番号1について、耐久性評価として、連続駆動(1×10回)した後に、再度、室温で0V〜+170Vの交流電圧を150Hzから徐々に1kHzまで周波数を増加させて印加して、高速応答性評価を行った。その結果、周波数が100Hzを超えた時にうなり音
の発生が認められた。これは、試料番号1の積層型圧電素子1では、圧電体層3と内部電極層5との間に剥がれが生じために、圧電ブザーのようなうなり音が発生したものと考えられる。
For this sample No. 1, as a durability evaluation, after continuous driving (1 × 10 9 times), an AC voltage of 0 V to +170 V was applied again at room temperature by gradually increasing the frequency from 150 Hz to 1 kHz, and high speed was applied. Responsiveness evaluation was performed. As a result, generation of a roaring sound was observed when the frequency exceeded 100 Hz. This is presumably because, in the multilayered piezoelectric element 1 of sample number 1, peeling occurred between the piezoelectric layer 3 and the internal electrode layer 5, and thus a beat sound like a piezoelectric buzzer was generated.

なお、駆動周波数を確認するために横河電機株式会社製オシロスコープ「DL1640L」を用いて試料番号1の駆動信号のパルス波形を確認したところ、駆動周波数の整数倍の周波数に相当する箇所に高調波成分(ノイズ)が確認された。   In order to confirm the drive frequency, the pulse waveform of the drive signal of sample number 1 was confirmed using an oscilloscope “DL1640L” manufactured by Yokogawa Electric Corporation, and harmonics were found at locations corresponding to an integral multiple of the drive frequency. A component (noise) was confirmed.

一方、本発明の実施例である試料番号2〜5の圧電アクチュエータでは、いずれも連続駆動(1×10回)後に、外部電極9の剥がれ、および積層体7における積層部分の剥がれは確認されなかった。 On the other hand, in the piezoelectric actuators of sample numbers 2 to 5 which are the examples of the present invention, peeling of the external electrode 9 and peeling of the laminated portion in the laminated body 7 were confirmed after continuous driving (1 × 10 9 times). There wasn't.

また、耐久性評価試験後の変位量の低下がいずれも3μm以下であり、耐久性評価試験前と比較して変位量の低下は6%以下(((55−52)/55)×100=5.5)に抑えられた。特に、試料番号4,5の圧電アクチュエータでは、1×10回後も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。 The decrease in the displacement after the durability evaluation test is 3 μm or less, and the decrease in the displacement is 6% or less (((55−52) / 55) × 100 = 5.5). In particular, the piezoelectric actuators of Sample Nos. 4 and 5 were found to have very high durability because no decrease in displacement was confirmed even after 1 × 10 9 cycles.

なお、耐久性評価試験後、試料番号4,5の積層型圧電素子1は、予定破断層6に亀裂が生じていた。予定破断層6が優先的に破断し、積層体7における応力を緩和したことを確認できた。   In addition, after the durability evaluation test, the laminated piezoelectric element 1 of sample numbers 4 and 5 had cracks in the planned fracture layer 6. It was confirmed that the planned fracture layer 6 was preferentially fractured and the stress in the laminate 7 was relaxed.

さらに、全ての積層型圧電素子1の中央部に熱電対を貼り付けて、駆動中の積層型圧電素子1の最高温度を計測したところ、表1に示すように、積層型圧電素子1の中央部の発熱上昇を抑止できたことが確認できた。このことにより、複数の結晶粒子11に跨るドメイン壁14が形成されていることにより、変位を拘束する領域が無くなり、駆動中の積層型圧電素子1の過熱を抑えることができたと考えられる。その結果、耐久性の高い積層型圧電素子1とすることができた。   Further, when a thermocouple was attached to the central portion of all the multilayer piezoelectric elements 1 and the maximum temperature of the multilayer piezoelectric element 1 being driven was measured, as shown in Table 1, the center of the multilayer piezoelectric element 1 was measured. It was confirmed that the increase in heat generation in the area could be suppressed. Thus, it is considered that the domain wall 14 straddling the plurality of crystal grains 11 is formed, so that there is no region for restraining displacement, and overheating of the multilayer piezoelectric element 1 during driving can be suppressed. As a result, a highly durable multilayer piezoelectric element 1 was obtained.

1・・・積層型圧電素子
3・・・圧電体層
5・・・内部電極層
6・・・予定破断層
7・・・積層体
9・・・外部電極
11・・・結晶粒子
12・・・粒界
13・・・ドメインの分極方向
14・・・ドメイン壁
18・・・内部電極層の端部近傍
19・・・噴射装置
21・・・噴射孔
23・・・収納容器
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









DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laminated piezoelectric element 3 ... Piezoelectric layer 5 ... Internal electrode layer 6 ... Planned fracture layer 7 ... Laminated body 9 ... External electrode
11 ... Crystal particles
12 ... grain boundaries
13 ... Domain polarization direction
14 ... Domain wall
18 ... Near the edge of the internal electrode layer
19 ... Injection device
21 ... Injection hole
23 ・ ・ ・ Storage container
35 ... Fuel injection system
37 ... Common rail
39 ・ ・ ・ Pressure pump
41 ... Injection control unit









Claims (11)

圧電体層と内部電極層とが交互に積層された積層体を含む積層型圧電体素子であって、前記圧電体層は、複数の結晶粒子に跨るドメイン壁が形成されおり、粒界を介して隣接する前記結晶粒子同士が接する部位に、隣接する前記結晶粒子の分極方向が第1の方向に揃った第1の領域と前記第1の方向とは異なる第2の方向に揃った第2の領域とが存在しており、前記複数の結晶粒子に跨るドメイン壁は、前記第1の領域と前記第2の領域との間に形成されるとともに、隣接する前記結晶粒子を跨る部位が一方の前記結晶粒子から他方の前記結晶粒子に向かって直線状に形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。   A laminated piezoelectric element including a laminated body in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately laminated, wherein the piezoelectric layer is formed with a domain wall straddling a plurality of crystal grains, with a grain boundary interposed therebetween. The first region in which the polarization directions of the adjacent crystal particles are aligned in the first direction at the portion where the adjacent crystal particles are in contact with each other and the second region in which the second direction is different from the first direction. And the domain wall straddling the plurality of crystal particles is formed between the first region and the second region, and the region straddling the adjacent crystal particles is one A laminated piezoelectric element, wherein the laminated piezoelectric element is formed in a straight line shape from the crystal particle to the other crystal particle. 前記圧電体層は、前記ドメイン壁に囲まれた領域内における隣接する前記結晶粒子同士が接する部位に、分極軸がともに揃った領域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。   2. The stacked type according to claim 1, wherein the piezoelectric layer includes a region in which polarization axes are aligned at a portion where the adjacent crystal particles are in contact with each other in a region surrounded by the domain wall. Piezoelectric element. 前記結晶粒子は、おもに90°ドメインで構成されている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。   The multilayer piezoelectric element according to claim 1 or 2, wherein the crystal particles are mainly composed of a 90 ° domain. 前記ドメイン壁は、隣接する前記内部電極層同士の間の前記圧電体層に形成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。   4. The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the domain wall is formed in the piezoelectric layer between the adjacent internal electrode layers. 5. 前記ドメイン壁は、前記圧電体層における前記内部電極層の端部近傍に存在することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の積層型圧電素子。   5. The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the domain wall exists in the vicinity of an end portion of the internal electrode layer in the piezoelectric layer. 前記積層体は、駆動時に前記内部電極層よりも優先的に破断されることによって応力を緩和する予定破断層を含んでおり、前記ドメイン壁は、前記予定破断層の近傍に形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の積層型圧電素子。   The laminate includes a planned fracture layer that relaxes stress by being preferentially fractured over the internal electrode layer during driving, and the domain wall is formed in the vicinity of the planned fracture layer The multilayer piezoelectric element according to any one of claims 1 to 5, wherein: 前記ドメイン壁は、複数の前記圧電体層に形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の積層型圧電素子。   The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the domain wall is formed in a plurality of the piezoelectric layers. 前記圧電体層は、鉛元素の酸化物成分を有しており、結晶粒子間の三重点の部位に前記鉛元素の酸化物成分が偏析していることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の積層型圧電素子。   The piezoelectric element has an oxide component of lead element, and the oxide component of the lead element is segregated at a triple point portion between crystal grains. 8. The multilayer piezoelectric element according to any one of 7 above. 前記鉛元素の酸化物成分が非晶質相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。   The multilayer piezoelectric element according to claim 8, wherein the oxide component of the lead element is an amorphous phase. 噴出孔を有する容器と、請求項1乃至請求項9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ことを特徴とする噴射装置。   A container having an ejection hole and the multilayer piezoelectric element according to any one of claims 1 to 9, wherein the liquid filled in the container is discharged from the ejection hole by driving the multilayer piezoelectric element. An injection device. 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前記高圧燃料を噴射する請求項10に記載の噴射装置と、前記コモンレールに前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たことを特徴とする燃料噴射システム。
A common rail that stores high-pressure fuel, the injection device according to claim 10 that injects the high-pressure fuel stored in the common rail, a pressure pump that supplies the high-pressure fuel to the common rail, and a drive signal to the injection device A fuel injection system comprising an injection control unit.
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