JPWO2008038683A1 - 積層型圧電素子、これを用いた噴射装置及び燃料噴射システム、並びに積層型圧電素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高温、高湿下で長期間連続駆動させたときにでも優れた耐久性を有する積層型圧電素子を提供する。【解決手段】複数の圧電体層が内部電極を介して積層された積層体を備え、隣り合う２つの圧電体層間に、内部電極と、該内部電極から離隔し電気的に絶縁されたダミー電極と、該ダミー電極と当該内部電極の間の絶縁部と、が設けられ、圧電体層を介して内部電極、ダミー電極及び絶縁部と積層方向に対向する位置に、内部電極よりも空隙の多い多孔質部が形成されている。【選択図】図２
Description
本発明は、積層型圧電素子および噴射装置、並びに積層型圧電素子の製造方法に関する。
従来から、複数の圧電体層が内部電極を介して積層された積層体を備え、該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が知られている。一般に、積層型圧電素子（以下、単に「素子」ということもある）は、内部電極が圧電体層の主面全体に形成されておらず、いわゆる部分電極構造となっている。この部分電極構造の内部電極は、一層おきに積層体の異なる側面に露出し、一対の外部電極に一層おきに接続されている。
このように部分電極構造を有する素子では内部電極が印刷されている部分と印刷されていない部分とを比較すると、焼成時における圧電体層の収縮率が異なる。このため、焼成後には、素子に残留応力が生じることになる。この残留応力を低減させるため、例えば特許文献１，２には、内部電極が印刷されていない部分に収縮率調整層（ダミー電極）を形成して残留応力の低減を図ることが提案されている。
特開平８−２４２０２３号公報
特開２００１−１０２６４６号公報
近年、高温、高湿の環境下で大きな変位量を確保すること、長期間連続駆動できることなどが要求されている。このため、素子に高い電界を印加して大きな変位量を得るとともに、長期間連続駆動させることが試みられている。このような高温、高湿、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させたときには、特許文献１，２に記載の素子のようにダミー電極を形成するだけでは、クラックの発生を抑制する効果は十分ではなかった。
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、内部電極と、該内部電極から離隔し電気的に絶縁されたダミー電極と、該ダミー電極と当該内部電極の間の絶縁部と、が設けられた積層型圧電素子においては、金属からなる内部電極及びダミー電極に接する圧電体層と、これらの間の絶縁部に接する圧電体層とは、焼成時における焼結挙動に差異が生じるため、この焼結挙動の差異が素子の残留応力の発生原因の一つになっていることに着目した。さらに、本発明者は、圧電体層を介して絶縁部と積層方向に対向する位置に、内部電極よりも空隙の多い多孔質部を形成することで、素子の残留応力を低減し、しかも駆動時に素子にかかる応力をも緩和することができるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電体層が内部電極を介して積層された積層体を備え、積層方向に隣り合う圧電体層間に、前記内部電極と、この内部電極から離隔し電気的に絶縁されたダミー電極と、このダミー電極と当該内部電極の間の絶縁部と、が並設された積層型圧電素子において、前記圧電体層を介して前記絶縁部と積層方向に対向する位置に、前記内部電極よりも空隙の多い多孔質部が形成されていることを特徴とする。
前記多孔質部は、前記圧電体層を介して、前記内部電極、前記ダミー電極及び前記絶縁部と積層方向に対向する位置に形成されているのが好ましい。
前記多孔質部は、前記圧電体層を介して前記絶縁部と積層方向両側に対向する位置にそれぞれ形成されているのが好ましい。
前記積層体はその側面に一対の外部電極を備え、前記ダミー電極は、該ダミー電極と同じ圧電体層間にある内部電極が電気的に接続された外部電極とは異なる外部電極に電気的に接続されているのが好ましい。
前記積層体はその側面に一対の外部電極を備え、前記ダミー電極は前記外部電極と電気的に絶縁されていてもよい。
本発明の他の積層型圧電素子は、複数の圧電体層が内部電極を介して積層された積層体を備えた積層型圧電素子において、前記積層体は、積層体の積層方向に隣り合う内部電極間に、これらの内部電極よりも空隙の多い多孔質部を備え、この多孔質部と前記隣り合う内部電極の少なくとも一方との間に、これらの内部電極から離隔し電気的に絶縁されたダミー電極を備えていることを特徴とする。
前記ダミー電極は、互いに離隔し電気的に絶縁された状態で存在する複数のダミー部からなるのが好ましい。
前記多孔質部は、金属からなる金属部及びセラミックスからなるセラミック部の少なくとも一方が、隣り合う２つの圧電体層間に空隙を介して複数点在してなるのが好ましい。
複数の前記金属部は、互いに離隔して電気的に絶縁された状態で点在しているのが好ましい。
前記積層体は前記多孔質部を複数備え、これらの多孔質部が前記積層体の積層方向に規則的に配置されているのが好ましい。
前記圧電体層を介して前記多孔質部と積層方向両側に隣り合う内部電極が同極であるのがよい。また、前記圧電体層を介して前記多孔質部の積層方向両側に隣り合う内部電極が異極であってもよい。
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を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せるように構成されたことを特徴とする。
本発明の燃料噴射システムは、高圧燃料を蓄えるコモンレールと、このコモンレールに蓄えられた燃料を噴射する前記噴射装置と、前記コモンレールに高圧の燃料を供給する圧力ポンプと、前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットと、を備えている。
本発明の積層型圧電素子の製造方法は、複数の圧電体層が内部電極を介して積層された積層体を備え、隣り合う２つの圧電体層間に、前記内部電極と、該内部電極から離隔し電気的に絶縁されたダミー電極と、該ダミー電極と当該内部電極の間の絶縁部と、が設けられた積層型圧電素子を製造するための製造方法であって、セラミックグリーンシートの表面に、金属成分Ｍ１を含有する内部電極ペースト層を形成するとともに、前記絶縁部を形成するために前記内部電極ペースト層から離隔させた状態で、金属成分Ｍ１を含有するダミー電極ペースト層を形成する工程と、他のセラミックグリーンシートの表面のうち、前記離隔部分に対応する位置に、金属成分Ｍ１を含有する応力緩和ペースト層を形成する工程と、これらのセラミックグリーンシートが隣り合うように積層された部分を含む積層成形体を作製する工程と、該積層成形体を焼成する工程と、を含み、前記応力緩和ペースト層は、ペースト中における金属成分総量に対する金属成分Ｍ１の比率Ｘが前記内部電極ペースト層及び前記ダミー電極ペースト層よりも高いことを特徴とする。
前記応力緩和ペースト層は、前記内部電極ペースト層、前記ダミー電極ペースト層及びこれらの前記離隔部分に対応する位置に形成されているのが好ましい。
本発明の積層型圧電素子によれば、圧電体層を介して絶縁部と積層方向に対向する位置に、内部電極よりも空隙の多い多孔質部が形成されているので、内部電極及びダミー電極に接する圧電体層と、内部電極及びダミー電極が形成されていない絶縁部に接する圧電体層との間で焼結挙動に差異が生じて残留応力が発生したとしても、この残留応力を多孔質部が吸収することができる。これにより、残留応力に起因してクラックが発生するのを抑制することができるので、高温、高湿、高電界下で駆動させた場合であっても優れた耐久性を有する積層型圧電素子を提供することができる。
また、多孔質部が、圧電体層を介して、内部電極、ダミー電極及び絶縁部と積層方向に対向する位置に形成されているときには、応力緩和効果をより高めることができる。
多孔質部が圧電体層を介して絶縁部と積層方向両側に対向する位置にそれぞれ形成されているときには、焼成時の残留応力がさらに低減され、素子の信頼性をより高めることができる。
積層体がその側面に一対の外部電極を備え、ダミー電極が、このダミー電極と同じ圧電体層間にある内部電極が電気的に接続された外部電極とは異なる外部電極に電気的に接続されているときには、圧電体層間において内部電極とダミー電極との間に存在する圧電体に電圧が印加されることになってこの圧電体が不必要に変位することになるが、この不必要な変位に起因する応力を多孔質部が吸収できる。これにより、内部電極とダミー電極との間に存在する圧電体近傍に生じる応力が緩和され、クラックの発生をより確実に抑制できる。
積層体がその側面に一対の外部電極を備え、ダミー電極が外部電極と電気的に絶縁されているときには、絶縁耐圧（絶縁耐力）に優れ、高電界でも耐久性に優れた積層型圧電素子を提供できる。
本発明の他の積層型圧電素子によれば、圧電体層を介して積層方向に隣り合う２つの内部電極間に、これらの内部電極よりも空隙の多い多孔質部を備え、この多孔質部と前記２つの内部電極の少なくとも一方との間に、これらの内部電極から離隔し電気的に絶縁されたダミー電極を形成しているので、内部電極に接する圧電体層、ダミー電極に接する圧電体層、内部電極及びダミー電極が形成されていない絶縁部の近傍に位置する圧電体層との間で焼結挙動に差異が生じて残留応力が発生したとしても、この残留応力を多孔質部が吸収することができる。これにより、残留応力に起因してクラックが発生するのを防止することができるので、高温、高湿、高電界下で駆動させた場合であっても優れた耐久性を有する積層型圧電素子を提供することができる。
ダミー電極が互いに離隔し電気的に絶縁された状態で点在しているときには、ダミー電極と圧電体層との接触面積を小さくすることができるので、高温、高湿、高電界下で長期間駆動させた場合であっても、マイグレーションが発生するのを抑制できる。
多孔質部が、金属からなる金属部及びセラミックスからなるセラミック部の少なくとも一方が隣り合う２つの圧電体層間に空隙を介して複数点在してなるときには、多孔質部に応力がかかった際に各金属部又はセラミック部に応力が分散されるので、応力が一点に集中することを防止できる。
多孔質部が金属部を備えているときには、金属のヤング率がセラミックスと比べて低いので、応力を低減する効果をより高めることができる。また、セラミック部は金属部と比べて、応力がかかった際にセラミック部自体に亀裂等が生じやすい。したがって、多孔質部がセラミック部を備えているときには、駆動時に他の部分よりも選択的にセラミックス部自体に亀裂等を生じさせることができるので、多孔質部において応力を緩和することができる。これにより、他の部分に亀裂等が生じるのを抑制できる。多孔質部が金属部とセラミック部の両方を備えているときには、金属部に起因する柔軟性とセラミック部の亀裂の生じ易さに起因する応力緩和効果とが相まって、圧電素子の耐久性をより高めることができる。
複数の金属部が互いに離隔して電気的に絶縁された状態で点在しているときには、この多孔質部は電極として機能しないので、これに隣接する圧電体層の変位量を低減させて、応力緩和効果をより高めることができる。
積層体が多孔質部を複数備え、これらの多孔質部が積層体の積層方向に規則的に配置されているときには、積層体の積層方向のほぼ全域において応力緩和効果をほぼ均一に得ることができる。
圧電体層を介して多孔質部と積層方向両側に隣り合う内部電極が同極であるときには、多孔質部に隣接する圧電体層が駆動しないので、応力がより低減される。
圧電体層を介して多孔質部の積層方向両側に隣り合う内部電極が異極であるときには、多孔質部に隣接する圧電体層が駆動するので、変位量を大きくすることができる。
本発明の噴射装置によれば、応力緩和効果に優れた積層型圧電素子を備えているので、高温、高湿、高電界下で使用した場合であっても優れた耐久性を発揮する。
＜積層型圧電素子＞
以下、本発明の一実施形態にかかる積層型圧電素子について図面を参照し詳細に説明する。図１は、本実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図であり、図２はそのＡ−Ａ線断面図である。図３は、多孔質部１７の周辺を拡大した拡大断面図である。
以下、本発明の一実施形態にかかる積層型圧電素子について図面を参照し詳細に説明する。図１は、本実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図であり、図２はそのＡ−Ａ線断面図である。図３は、多孔質部１７の周辺を拡大した拡大断面図である。
図１〜３に示すように、本実施形態の積層型圧電素子は、複数の圧電体層１１が内部電極１３を介して積層された積層体１０を備えている。隣り合う２つの圧電体層１１間には、内部電極１３と、この内部電極１３から離隔し電気的に絶縁されたダミー電極１５と、このダミー電極１５と当該内部電極１３の間の絶縁部２３と、が設けられている。圧電体層１１を介して内部電極１３、ダミー電極１５及び絶縁部２３と積層方向に対向する位置には、内部電極１３よりも空隙の多い多孔質部１７が形成されている。
多孔質部１７は金属及びセラミックスの少なくとも一方で構成されていることが好ましい。多孔質部１７が金属だけで構成されている場合、金属のヤング率が低いため、応力をさらに低減することができる。また、多孔質部１７がセラミックスだけで構成されている場合、圧電体と強固に接合しているため、クラックの発生を防止することができる。また、セラミック部は金属部と比べて、大きな応力がかかった際にセラミック部自体に亀裂等が生じやすい。したがって、多孔質部がセラミック部を備えているときには、駆動時に大きな応力がかかった場合には他の部分よりも選択的にセラミックス部自体に亀裂等を生じさせることができるので、多孔質部において応力を緩和することができる。これにより、他の部分に亀裂等が生じるのを抑制できる。また、多孔質部１７が金属及びセラミックスで構成されている場合、両者の特徴を兼ね備えるため、応力の低減及びクラックの発生を防止することが可能となる。
図３に示すように、多孔質部１７は、金属からなる金属部２１ａ及びセラミックスからなるセラミック部２１ｂの少なくとも一方が、隣り合う２つの圧電体層１１間に空隙２５を介して複数点在してなるのがより好ましい。多孔質部１７に応力がかかったときにでも、局所的に応力が集中することを抑制して信頼性をさらに高めることができる。複数の金属部２１ａは、図３に示すように、互いに離隔して電気的に絶縁された状態で点在してなるのがよい。
図４に示すように、多孔質部１７は、圧電体層１１を介して、少なくとも絶縁部２３と積層方向に対向する位置に形成されているだけであっても、本発明の効果を得ることができる。この形態の場合には、最小限必要な位置にのみ多孔質部１７を形成しているのでコスト低減につながるとともに、多孔質部１７を素子中に多数配置しても素子強度の低下がほとんど生じない。図５に示すように、積層型圧電素子は、多孔質部１７が、圧電体層１１を介して絶縁部２３と積層方向両側に対向する位置にそれぞれ形成されていてもよい。
図６に示すように、ダミー電極１５は、このダミー電極１５が配置されているのと同じ圧電体層１１間にある内部電極１３に電気的に接続された外部電極１９とは異なる外部電極１９に電気的に接続されていてもよい。また、図７に示すように、ダミー電極１５は外部電極１９と電気的に絶縁されていてもよい。
さらに、図８に示すように、ダミー電極１５は、互いに離隔し電気的に絶縁された状態で点在する複数のダミー部１５ａからなることが好ましい。ダミー電極が互いに離隔し電気的に絶縁されているため、高温、高湿、高電界で長期間駆動させても、マイグレーションの発生をさらに低減することが可能となる。
図９に示すように、圧電体層１１を介して多孔質部１７と積層方向両側に隣り合う内部電極１３が同極であってもよい。また、図１０に示すように、圧電体層１１を介して多孔質部１７の積層方向両側に隣り合う内部電極１３が異極であってもよい。
本実施形態の積層型圧電素子では、内部電極１３と絶縁されたダミー電極１５が配置されており、内部電極１３と積層方向に隣り合う位置に内部電極１３よりも空隙２５の多い多孔質部１７が配置されている。即ち、ダミー電極１５により焼成時の残留応力が低減され、且つ積層方向に隣り合う位置に、空隙２５の多い多孔質部１７が配置されているため、たとえ高温、高湿、高電界で駆動させた場合であっても、多孔質部１７が効果的に応力を吸収することができる。このため、クラックが発生し雰囲気中の水蒸気が入り込んだり、マイグレーションが発生したり、内部電極１３間で導通するといった問題が生じるのを抑制できる。
ダミー電極１５は焼成時の収縮を内部電極１３の部分に近づけるため、内部電極１３と同一金属成分を含むことが望ましい。好ましくは内部電極と同一組成であることが望ましい。内部電極と同一組成とすることで、焼成時の収縮を内部電極１３の部分と同一とできるため、残留応力を低減することが可能となる。
多孔質部１７の空隙率は、応力低減効果をより高めるために、１０〜９５％であるのが望ましい。空隙率がこの範囲内であることにより、多孔質部１７とそれと隣り合う圧電体層１１との接合強度を高く維持し、且つ効果的に応力を低減しクラックの発生を防止することができる。空隙率は、より好ましくは４０〜９０％であるのが望ましい。
多孔質部１７の空隙率は、素子の積層方向と平行な断面において、多孔質部１７全体の面積（圧電体層１１で挟まれた領域の面積）に対して空隙２５（ボイド）が占める割合を百分率で表したものである。
多孔質部１７の金属充填率は、５〜５５％であるのが好ましい。金属充填率を５％以上とすることで金属部２１ａとこれに隣り合う圧電体との接合強度が過度に低下するのを抑制することができる。金属充填率を５５％以下とすることで複数の金属部２１ａが適度に点在した状態となるので応力を吸収する効果を高めることができる。これにより、クラックの発生を効果的に抑制することができる。金属充填率は１０〜４０％であるのがより好ましい。金属充填率は、素子の積層方向に平行な断面において、多孔質部１７全体の面積に対して金属部２１ａが占める割合を百分率で表したものである。
金属部２１ａの大きさ（積層方向の長さ）は、１〜１００μｍであるのが好ましく、３〜５０μｍであるのがより好ましい。金属部２１ａの大きさが１μｍ以上であることで、金属部２１ａの厚みが過度に薄くなりすぎて応力緩和効果が小さくなるのを抑制できる。また、金属部２１ａの大きさが１００μｍ以下であることで、積層体の伸縮によって生じる応力を金属部２１ａが分散して吸収する効果が小さくなるのを抑制できる。金属部２１ａの形状は、略球形であっても、他の形状であっても構わない。
積層体１０の積層方向の両端部には、不活性層９が配置されている。不活性層９は内部電極１３が配されていない複数の圧電体からなる層であるため、電圧を印加しても変位を起こさない。
積層体の対向する側面には外部電極１９が接合されており、この外部電極１９には、積層されている内部電極１３が一層おきに電気的に接続されている。このため、接続されている各内部電極１３に圧電体層１１を逆圧電効果により変位させるに必要な電圧を共通に供給することができる。外部電極１９にはリード線が半田等により接続固定されているため、外部電極１９を外部の電圧供給部に接続することができる。
積層体の側面には一対の外部電極１９が形成され、これらの外部電極１９には複数の内部電極１３が交互に電気的に接続されており、ダミー電極１５は、このダミー電極１５と同じ圧電体層１１間にある内部電極１３が電気的に接続されている外部電極１９とは異なる外部電極１９に電気的に接続されていることが好ましい。これにより、面内での応力の不均等が低減され、クラック抑制効果をより高めることができる。
積層体の側面には一対の外部電極１９が形成され、これらの外部電極１９には複数の内部電極１３が交互に電気的に接続されており、ダミー電極１５は外部電極１９とは絶縁されていてもよい。これにより、外部電極１９とダミー電極１５が絶縁されているため、絶縁耐圧に優れており、高電界でも耐久性に優れた積層型圧電素子を提供できる。
さらに、多孔質部１７は、複数存在し、積層体の積層方向に規則的に配置されていることが好ましい。応力緩和効果のある多孔質部１７が積層体の積層方向に規則的に配置されていることで、積層体の積層方向全域にわたってほぼ均一に応力が緩和される。
多孔質部１７は、積層体の積層数（全内部電極１３の数）の１／２以下の層数毎に配置されていることが好ましい。多孔質部１７の間隔を積層体の積層数の１／２以下とすることにより、積層体の側面の全域にわたって均等に応力が低減できる。これにより、高温、高湿、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合においても、クラックが発生し水蒸気が入り込み、マイグレーションが発生し、内部電極１３間で導通し、積層体が機能しなくなるといった問題が生じることを防ぐことができる。多孔質部１７は、積層体の積層数の１／８以下であることがより好ましい。多孔質部１７は、積層体の積層方向に規則的に配置されていることが好ましいが、積層方向の両端部は積層体の中央での規則性から外れても構わない。
多孔質部１７に対して圧電体層１１を介して積層方向の両側に隣り合う内部電極１３は同極であることが好ましい。この場合、多孔質部１７が駆動しないため、応力緩和効果がより高められる。一方、より大きな変位量を得ることを優先する場合には、多孔質部１７に対して圧電体層１１を介して積層方向の両側に隣り合う内部電極１３を異極にするのがよい。この場合、多孔質部１７が駆動するため、変位量を増やすことができ、小型で大きな変位量が得られる積層型圧電素子を提供できる。
また、圧電体層１１の厚み、つまり内部電極１３間の距離は４０〜２５０μｍが望ましい。これにより、積層型圧電素子は電圧を印加してより大きな変位量を得るために積層数を増加しても、積層型圧電アクチュエータの小型化、低背化ができるとともに、圧電体層１１の絶縁破壊を防止できる。
図１１は、本発明の第２の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図であり、図１２はその断面図である。図１３は、多孔質部１７の周辺を拡大した拡大断面図である。 本実施形態の積層型圧電素子では、図１２，１３に示すように、内部電極１３よりも空隙の多い多孔質部１７を備え、この多孔質部１７と内部電極１３の少なくとも一方との間に、これらの内部電極１３から離隔し電気的に絶縁されたダミー電極１５が配置されている。即ち、ダミー電極１５により焼成時の残留応力が低減され、且つ積層方向に隣り合う位置に、空隙２５の多い多孔質部１７が配置されているため、高温、高湿、高電界で駆動させても多孔質部１７が応力を吸収することができる。このため、クラックが発生し雰囲気中の水蒸気が入り込み、マイグレーションが発生し、内部電極１３間で導通するといった問題が生じることを抑制できる。
また、図１３に示すように、多孔質部１７は、金属からなる金属部２１ａ及びセラミックスからなるセラミック部２１ｂの少なくとも一方が、隣り合う２つの圧電体層１１間に空隙２５を介して複数点在してなる。特に、複数の金属部２１ａは、互いに離隔して電気的に絶縁された状態で点在してなるのが好ましい。
積層体においては多孔質部１７を複数備え、これらの多孔質部１７が積層体の積層方向に規則的に配置されていることが好ましい。図１４に示すように、ダミー電極１５は、互いに離隔し電気的に絶縁された状態で点在してなるのが好ましい。図１５に示すように、圧電体層１１を介して多孔質部１７と積層方向両側に隣り合う内部電極１３が同極であってもよい。また、図１６に示すように、圧電体層１１を介して多孔質部１７の積層方向両側に隣り合う内部電極１３が異極であってもよい。
なお、ダミー電極１５を内部電極１３とは同一平面ではなく、積層方向に並べて配置してもよい。これにより、内部電極間に挟まれた圧電体層１１に印加される電界強度が、圧電体粒子の形状や分極能のばらつきに起因して同一面内で面内分布がばらついた場合でも、ダミー電極１５があることで同一面内の電界強度が補正される。これにより、同一面内においてほぼ均一な電界強度にすることができるので、素子の応力を集中させるために配置した多孔質部１７に対し、局部的に電界強度が集中することによって生じる応力集中を抑止することができる。その結果、多孔質部１７を応力緩和層として効果的に機能させることで、積層型圧電素子を極めて耐久性の高いものとすることができる。
多孔質部１７と積層方向の両側に隣り合う内部電極１３との間には、ダミー電極１５がそれぞれ配置されていることが好ましい。ダミー電極１５が多孔質部１７の上下に配置されるため、さらに焼成時の残留応力が低減され、多孔質部１７への応力も低減することができる。ダミー電極１５は多孔質部１７に対して積層方向の両側に隣り合う内部電極１３がそれぞれ配置された圧電体層１１間のみでなく、全ての内部電極１３が配置された圧電体層１１間に配置してもよい。
他の部位及び他の特性については、第１の実施形態で説明したのと同様であるので、説明を省略する。
＜製造方法＞
次に、上記した本発明の積層型圧電素子の製造方法について説明する。本発明の製造方法は、セラミックグリーンシート１１ａの表面に、金属成分Ｍ１を含有する内部電極ペースト層１３ａを形成するとともに、絶縁部２３を形成するために内部電極ペースト層１３ａから離隔させた状態で、金属成分Ｍ１を含有するダミー電極ペースト層を形成する工程と、他のセラミックグリーンシート１１ａの表面のうち、上記離隔部分に対応する位置に、金属成分Ｍ１を含有する応力緩和ペースト層１７ａを形成する工程と、これらのセラミックグリーンシート１１ａが隣り合うように積層して積層成形体を作製する工程と、該積層成形体を焼成する工程と、を含む。
次に、上記した本発明の積層型圧電素子の製造方法について説明する。本発明の製造方法は、セラミックグリーンシート１１ａの表面に、金属成分Ｍ１を含有する内部電極ペースト層１３ａを形成するとともに、絶縁部２３を形成するために内部電極ペースト層１３ａから離隔させた状態で、金属成分Ｍ１を含有するダミー電極ペースト層を形成する工程と、他のセラミックグリーンシート１１ａの表面のうち、上記離隔部分に対応する位置に、金属成分Ｍ１を含有する応力緩和ペースト層１７ａを形成する工程と、これらのセラミックグリーンシート１１ａが隣り合うように積層して積層成形体を作製する工程と、該積層成形体を焼成する工程と、を含む。
応力緩和ペースト層１７ａは、金属成分総量に対する金属成分Ｍ１の比率Ｘが内部電極ペースト層１３ａ及び前記ダミー電極ペースト層よりも高い。
応力緩和ペースト層１７ａは、内部電極ペースト層１３ａ、ダミー電極ペースト層及びこれらの離隔部分に対応する位置に形成されているのが好ましい。
圧電材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、以下ＰＺＴと略す）、或いはチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックス材料等を用いることができる。この圧電セラミックスは、その圧電特性を示す圧電歪み定数ｄ３３が高いものが望ましい。
以下、本発明の製造方法について、金属成分Ｍ１が銀である場合を例に挙げてさらに詳細に説明する。まず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の粉末と、アクリル系、ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、ＤＢＰ（フタル酸ジブチル）、ＤＯＰ（フタル酸ジオクチル）等の可塑剤とを混合してスラリーを作製する。ついで、このスラリーを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成型法を用いて、セラミックグリーンシートを作製する。
ついで、内部電極１３用の金属ペースト及びダミー電極１５用の金属ペーストを作製する。これらの金属ペーストは、主に銀パラジウムからなる金属粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合して得る。この金属ペーストをセラミックグリーンシート１１ａの片面にスクリーン印刷等によって印刷して内部電極ペースト層１３ａ及びダミー電極ペースト層１５ａを形成する。
また、空隙率の高い多孔質部１７用の金属ペーストを作製する。この金属ペーストは、例えば銀を主成分とする金属粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合して得るか、内部電極１３、ダミー電極１５用の金属ペーストよりも銀の比率を高めた銀パラジウムからなる金属粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合して得えてもよい。この金属ペーストをセラミックグリーンシート１１ａの片面にスクリーン印刷等によって印刷する。このとき、前記離隔部分に対応する位置に、銀を含有する応力緩和ペースト層１７ａを形成する。応力緩和ペースト層１７ａは、内部電極ペースト層１３ａ、ダミー電極ペースト層１５ａ及びこれらの離隔部分に対応する位置に形成されるのが好ましい。
次に各金属ペーストが印刷されたグリーンシートを例えば図２に示す構造となるように積層して乾燥することで、焼成前の積層成型体を得る。図１７(a)は、積層成形体の一部を拡大した断面図である。このとき、セラミック層厚みをさらに必要とする場合は、金属ペーストを印刷していないグリーンシートのみを厚みの必要な箇所に部分的に積層すればよい。また積層成型体は、裁断して所望の形態にすることができる。金属ペースト層の厚みは、スクリーン印刷であれば１〜４０μｍ程度にすることができる。
ついで、積層成形体を所定の温度で脱バインダー処理した後、８００〜１０００℃で焼成する。すると、銀濃度の高い金属層から合金層へ銀が拡散して（図１７(b)参照）、空隙率の高い多孔質部１７が形成され、比較的緻密な内部電極１３が形成される（図１７(c)）。
次に、焼結体を所望の寸法に加工した上で外部電極１９を形成する。外部電極１９は、主に銀からなる金属粉末にバインダー、可塑剤、ガラス粉末等を添加混合して金属ペーストを作製し、この金属ペーストを上記焼結体の側面にスクリーン印刷等によって印刷して６００〜８００℃で焼成することにより形成できる。なお、銀濃度の高い金属ペースト層から銀濃度の低い金属ペースト層へ銀が拡散して空隙率の高い多孔質部１７が形成される。
本発明の積層型圧電素子の他の製造方法は、次の通りである。多孔質部１７を形成する銀−パラジウム等の金属成分及び必要に応じて圧電セラミックスの仮焼粉末等を添加混合したペースト中にアクリルビーズ等の乾燥時には接着固定され、焼成時には揮発する有機物を含有させておくことにより、任意の空隙率をもった多孔質部１７を形成することができる。即ち、前記ペーストに添加するアクリルビーズの量を制御することにより、該多孔質部１７の空隙率を制御することができる。つまり、アクリルビーズが少ない場合には、空隙率は小さくなり、逆にアクリルビーズが多い場合には、空隙率は大きくなる。その他は、上記した方法と同様であるので説明を省略する。
なお、このとき、不活性層をなすグリーンシート中に、銀−パラジウム等の内部電極１３を構成する金属粉末を添加したり、不活性層９をなすグリーンシートを積層する際に、銀−パラジウム等の内部電極１３を構成する金属粉末および無機化合物とバインダーと可塑剤からなるスラリーをグリーンシート上に印刷することで、不活性層９とその他の部分の焼結時の収縮挙動ならびに収縮率を一致させることができるので、緻密な積層体を形成することができる。
積層体１０は、上記製法によって作製されるものに限定されるものではなく、複数の圧電体と複数の内部電極１３とを交互に積層してなる積層体を作製できれば、どのような製法によって形成されても良い。
次に、得られた積層焼成体を周知の平面研削盤などを用いて、所定の形状に研削を行う。
その後、銀を主成分とする導電剤粉末とガラス粉末にバインダー、可塑剤及び溶剤を加えて作製した銀ガラス導電性ペーストを、外部電極１９を形成する積層体側面にスクリーン印刷等によって、印刷する。その後、所定の温度で乾燥、焼き付けを行うことにより、外部電極１９を形成することができる。
さらに、外部電極１９の外面に、金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板が埋設された導電性接着剤からなる導電性補助部材を形成してもよい。この場合には、外部電極１９の外面に導電性補助部材を設けることによりアクチュエータに大電流を投入し、高速で駆動させる場合においても、大電流を導電性補助部材に流すことができ、外部電極１９に流れる電流を低減できるという理由から、外部電極１９が局所発熱を起こし断線することを防ぐことができ、耐久性を大幅に向上させることができる。
さらには、導電性接着剤中に金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板を埋設しているため、前記導電性接着剤に亀裂が生じるのを防ぐことができる。
金属のメッシュとは金属線を編み込んだものであり、メッシュ状の金属板とは、金属板に孔を形成してメッシュ状にしたものをいう。
その後、外部電極１９にリード線を半田等で接続した後、外部電極１９を含む積層体側面にシリコーンゴム等からなる外装樹脂をディッピング等の手法を用いてコーティングすることにより本発明の積層型圧電素子が完成する。
＜噴射装置＞
図１８は、本発明の噴射装置を示すもので、収納容器３１の一端には噴射孔３３が設けられ、また収納容器３１内には、噴射孔３３を開閉することができるニードルバルブ３５が収容されている。
図１８は、本発明の噴射装置を示すもので、収納容器３１の一端には噴射孔３３が設けられ、また収納容器３１内には、噴射孔３３を開閉することができるニードルバルブ３５が収容されている。
噴射孔３３には燃料通路３７が連通可能に設けられ、この燃料通路３７は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路３７に常時一定の高圧で燃料が供給されている。従って、ニードルバルブ３５が噴射孔３３を開放すると、燃料通路３７に供給されていた燃料が一定の高圧で内燃機関の図示しない燃料室内に噴出されるように形成されている。
また、ニードルバルブ３５の上端部は直径が大きくなっており、収納容器３１に形成されたシリンダ３９と摺動可能なピストン４１となっている。そして、収納容器３１内には、上記した圧電アクチュエータ４３が収納されている。
このような噴射装置では、圧電アクチュエータ４３が電圧を印加されて伸長すると、ピストン４１が押圧され、ニードルバルブ３５が噴射孔３３を閉塞し、燃料の供給が停止される。
また、電圧の印加が停止されると圧電アクチュエータ４３が収縮し、皿バネ４５がピストン４１を押し返し、噴射孔３３が燃料通路３７と連通して燃料の噴射が行われるようになっている。
＜燃料噴射システム＞
図１９は、本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システムを示す概略図である。図１８に示すように、本実施形態にかかる燃料噴射システム５１は、高圧燃料を蓄えるコモンレール５２と、このコモンレール５２に蓄えられた燃料を噴射する複数の上記噴射装置５３と、コモンレール５２に高圧の燃料を供給する圧力ポンプ５４と、噴射装置５３に駆動信号を与える噴射制御ユニット５５と、を備えている。
図１９は、本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システムを示す概略図である。図１８に示すように、本実施形態にかかる燃料噴射システム５１は、高圧燃料を蓄えるコモンレール５２と、このコモンレール５２に蓄えられた燃料を噴射する複数の上記噴射装置５３と、コモンレール５２に高圧の燃料を供給する圧力ポンプ５４と、噴射装置５３に駆動信号を与える噴射制御ユニット５５と、を備えている。
噴射制御ユニット５５は、エンジンの燃焼室内の状況をセンサ等で感知しながら燃料噴射の量やタイミングを制御するものである。圧力ポンプ５４は、燃料タンク５６から燃料を１０００〜２０００気圧程度、好ましくは１５００〜１７００気圧程度にしてコモンレール５２に送り込む役割を果たす。コモンレール５４では、圧力ポンプ５４から送られてきた燃料を蓄え、適宜噴射装置５３に送り込む。噴射装置５３は、上述したように噴射孔３３から少量の燃料を燃焼室内に霧状に噴射する。
本発明の積層型圧電素子からなる圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックの仮焼粉末、バインダー、及び可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み１２０μｍの圧電体１１になるセラミックグリーンシートを作製した。
このセラミックグリーンシートの片面に、銀−パラジウム合金（銀９５質量％−パラジウム５重量％）にバインダーを加えた導電性ペーストを内部電極及び、必要に応じてダミー電極となる部分に、スクリーン印刷法により形成したシートを、合計３００枚積層し、空隙の多い多孔質部の部分には、銀−パラジウム合金（銀９９質量％−パラジウム１重量％）の導電性ペーストをスクリーン印刷のパターンを変更して印刷を行い、焼成した。焼成は、８００℃で保持した後に、９５０℃で焼結させた後、さらに９００℃で１時間加熱保持してから冷却した。
このとき、空隙の多い多孔質部の配置、及びダミー電極の外部電極への接続、多孔質部の上下の内部電極の極性は表１の示すように配置した。
次に、平均粒径２μｍのフレーク状の銀粉末と、残部が平均粒径２μｍのケイ素を主成分とする軟化点が６４０℃の非晶質のガラス粉末との混合物に、バインダーを銀粉末とガラス粉末の合計質量１００質量部に対して８質量部添加し、十分に混合して銀ガラス導電性ペーストを作製し、このようにして作製した銀ガラス導電性ペーストを得た。
そして、前記銀ガラスペーストを積層体１３の外部電極１５面に印刷して乾燥した後、７００℃で３０分焼き付けを行い、外部電極１５を形成した。
その後、外部電極１５にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極１５にリード線を介して３ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分間印加して分極処理を行い、図１に示すような形態の積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータを作製した。
得られた積層型圧電素子に１７０Ｖの直流電圧を印加したところ、すべての圧電アクチュエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。
さらに、この圧電アクチュエータを室温で０〜＋１７０Ｖの交流電圧を１５０Ｈｚの周波数で印加して、１×１０９回まで連続駆動した試験を行った。また、一部は連続駆動の試験後に断面を研磨し、金属顕微鏡で内部を確認した。これとは別に、同一条件にて作製した圧電アクチュエータに電圧を印加していき、絶縁耐圧を測定した。結果は表１に示すとおりである。
表1から、比較例である試料番号１は、活性部内に応力を緩和できる多孔質部を配置していないことから、１×１０９サイクル後に変位量の大幅な低下が見られた。また、外部電極近傍にデラミネーション（層間剥離）が見つかった。
これに対し、本発明の実施例である試料番号２〜７は、連続駆動試験後も、初期の変位量から極端な劣化を見せることは無く、積層型圧電素子として必要な有効変位量を有しており、また、デラミネーションはなく、誤作動が生じない耐久性のある積層型圧電素子を作製することが出来た。
中でも、試料番号の４、６及び７は、優れた絶縁耐圧を有する積層型圧電素子を作製することが出来た。特に試料番号６は、有効な変位量を初期から確保しながら、連続駆動後も素子性能を変化させることがなく、また、絶縁耐圧も向上され、極めて耐久性に優れた積層型圧電素子とすることが出来た。
これとは別に、ダミー電極を内部電極とは別のセラミックグリーンシートに、内部電極と同一の導電性ペーストを塗布したものを所定の枚数印刷し、ダミー電極の配置、空隙の多い多孔質部の配置、及び多孔質部の上下の内部電極の極性は表２の示すように配置した以外は、実施例１と同様に圧電アクチュエータを作製した。
得られた積層型圧電素子に１７０Ｖの直流電圧を印加したところ、すべての圧電アクチュエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。
さらに、この圧電アクチュエータを室温で０〜＋１７０Ｖの交流電圧を１５０Ｈｚの周波数で印加して、１×１０９回まで連続駆動した試験を行った。また、一部は連続駆動の試験後に断面を研磨し、金属顕微鏡で内部を確認した。結果は表２に示すとおりである。
表２から、比較例である試料番号１１は、活性部内に応力を緩和できる多孔質部を配置していないことから、１×１０９サイクル後に変位量の大幅な低下が見られたことがわかる。また、また、外部電極近傍にデラミネーションが見つかった。
これに対し、本発明の実施例である試料番号１２〜１５は、連続駆動試験後も、初期の変位量から極端な劣化を見せることは無く、積層型圧電素子として必要な有効変位量を有しており、また、内部電極間にデラミネーションはなく、誤作動が生じない耐久性のある積層型圧電素子を作製することが出来た。
１１ 圧電体層
１１ａ セラミックグリーンシート
１３ 内部電極
１３ａ 内部電極ペースト層
１５ ダミー電極
１５ａ ダミー電極ペースト層
１７ 多孔質部
１７ａ 応力緩和ペースト層
１９ 外部電極
２１ 金属部
２３ 絶縁部
２５ 空隙
１１ａ セラミックグリーンシート
１３ 内部電極
１３ａ 内部電極ペースト層
１５ ダミー電極
１５ａ ダミー電極ペースト層
１７ 多孔質部
１７ａ 応力緩和ペースト層
１９ 外部電極
２１ 金属部
２３ 絶縁部
２５ 空隙
Claims (16)
- 複数の圧電体層が内部電極を介して積層された積層体を備え、積層方向に隣り合う圧電体層間に、前記内部電極と、この内部電極から離隔し電気的に絶縁されたダミー電極と、このダミー電極と当該内部電極の間の絶縁部と、が並設された積層型圧電素子において、
前記圧電体層を介して前記絶縁部と積層方向に対向する位置に、前記内部電極よりも空隙の多い多孔質部が形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。 - 前記多孔質部は、前記圧電体層を介して、前記内部電極、前記ダミー電極及び前記絶縁部と積層方向に対向する位置に形成されている請求項１に記載の積層型圧電素子。
- 前記多孔質部は、前記圧電体層を介して前記絶縁部と積層方向両側に対向する位置にそれぞれ形成されている請求項１又は２に記載の積層型圧電素子。
- 前記積層体はその側面に一対の外部電極を備え、前記ダミー電極は、該ダミー電極と同じ圧電体層間にある内部電極が電気的に接続された外部電極とは異なる外部電極に電気的に接続されている請求項１〜３のいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 前記積層体はその側面に一対の外部電極を備え、前記ダミー電極は前記外部電極と電気的に絶縁されている請求項１〜３のいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 複数の圧電体層が内部電極を介して積層された積層体を備えた積層型圧電素子において、
前記積層体は、積層体の積層方向に隣り合う内部電極間に、これらの内部電極よりも空隙の多い多孔質部を備え、この多孔質部と前記隣り合う内部電極の少なくとも一方との間に、これらの内部電極から離隔し電気的に絶縁されたダミー電極を備えていることを特徴とする積層型圧電素子。 - 前記ダミー電極は、互いに離隔し電気的に絶縁された状態で存在する複数のダミー部からなる請求項１〜６のいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 前記多孔質部は、金属からなる金属部及びセラミックスからなるセラミック部の少なくとも一方が、隣り合う２つの圧電体層間に空隙を介して複数点在してなる請求項１〜７のいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 複数の前記金属部は、互いに離隔して電気的に絶縁された状態で点在している請求項８に記載の積層型圧電素子。
- 前記積層体は前記多孔質部を複数備え、これらの多孔質部が前記積層体の積層方向に規則的に配置されている請求項１〜９のいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 前記圧電体層を介して前記多孔質部と積層方向両側に隣り合う内部電極が同極である請求項１〜１０のいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 前記圧電体層を介して前記多孔質部の積層方向両側に隣り合う内部電極が異極である請求項１〜１０のいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 噴出孔を有する容器と、請求項１〜１２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を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せるように構成されたことを特徴とする噴射装置。
- 高圧燃料を蓄えるコモンレールと、
このコモンレールに蓄えられた燃料を噴射する請求項１３に記載の噴射装置と、
前記コモンレールに高圧の燃料を供給する圧力ポンプと、
前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットと、
を備えた燃料噴射システム。 - 複数の圧電体層が内部電極を介して積層された積層体を備え、隣り合う２つの圧電体層間に、前記内部電極と、該内部電極から離隔し電気的に絶縁されたダミー電極と、該ダミー電極と当該内部電極の間の絶縁部と、が設けられた積層型圧電素子を製造するための製造方法であって、
セラミックグリーンシートの表面に、金属成分Ｍ１を含有する内部電極ペースト層を形成するとともに、前記絶縁部を形成するために前記内部電極ペースト層から離隔させた状態で、金属成分Ｍ１を含有するダミー電極ペースト層を形成する工程と、他のセラミックグリーンシートの表面のうち、前記離隔部分に対応する位置に、金属成分Ｍ１を含有する応力緩和ペースト層を形成する工程と、これらのセラミックグリーンシートが隣り合うように積層された部分を含む積層成形体を作製する工程と、該積層成形体を焼成する工程と、を含み、
前記応力緩和ペースト層は、ペースト中における金属成分総量に対する金属成分Ｍ１の比率Ｘが前記内部電極ペースト層及び前記ダミー電極ペースト層よりも高いことを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。 - 前記応力緩和ペースト層は、前記内部電極ペースト層、前記ダミー電極ペースト層及びこれらの前記離隔部分に対応する位置に形成されている請求項１５に記載の積層型圧電素子の製造方法。
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