JPWO2011093293A1 - 積層型圧電素子およびその製造方法、ならびにこの積層型圧電素子を備えた噴射装置、燃料噴射システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 積層体の伸縮により発生する応力を緩和でき、長期の駆動によっても剥離するのを抑制された被覆層を備えた積層型圧電素子およびその製造方法、ならびにこの積層型圧電素子を備えた噴射装置、燃料噴射システムを提供する。【解決手段】 本発明は、圧電体層３および内部電極層５が複数積層され、側面に内部電極層５の端面の一部が達してなる積層体７を有しており、この積層体７の側面に一対の外部電極８がそれぞれ内部電極層５に一層おきに交互に電気的に接続されている。そして、少なくとも一対の外部電極８の存在しない部位で内部電極層５の端面を覆うように積層体７の側面に無機材層11が被着されており、無機材層11と積層体７の側面との間に気孔１２を有することを特徴とする積層型圧電素子である。【選択図】 図２
Description
本発明は、例えば、圧電駆動素子（圧電アクチュエータ），圧力センサ素子および圧電回路素子等として用いられる積層型圧電素子およびその製造方法、ならびにこの積層型圧電素子を備えた噴射装置、燃料噴射システムに関する。
積層型圧電素子として、圧電体層および内部電極層が交互に複数積層され、内部電極層の端面の一部が側面に露出した柱状の積層体と、この積層体の側面に積層方向にそれぞれ長く被着されて内部電極層が一層おきに交互に電気的に接続された一対の外部電極とを含むものが従来から知られている。
そして、積層体の側面に有機系（樹脂）の被覆層を形成し、積層体を電気的、機械的に保護することも知られている（例えば特許文献１を参照。）。
ここで、被覆層は、積層型圧電素子におけるプラス側とマイナス側の電極間、あるいは積層型圧電素子とこれを収容する金属ケースとの間に放電が生ずる（ショートする）のを抑制する役割を有するものであって、有機系（樹脂）の被覆層は無機系の被覆層に比べて積層体の伸縮に追従するため、応力を緩和できるとのメリットを有するものである。
しかしながら、有機系（樹脂）の被覆層は、長期の駆動による熱劣化によってその密着力が低下しやすい。すなわち、有機系（樹脂）の被覆層は、積層体と密着して形成されたとしても、長期の駆動により積層体から剥離してしまう傾向がある。そして、この剥離によって積層体と被覆層との間に空隙が形成され、この空隙がショートを招き、結果的に積層型圧電素子の駆動が不安定になるかまたは停止するという事態を招いてしまうという問題がある。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、積層体の伸縮により発生する応力を緩和でき、長期の駆動によっても剥離するのを抑制された被覆層を備えた積層型圧電素子およびその製造方法、ならびにこの積層型圧電素子を備えた噴射装置、燃料噴射システムを提供することを目的とする。
本発明の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が複数積層され、該内部電極層の端面の一部が側面に達してなる柱状の積層体と、前記内部電極層が一層おきに交互に電気的に接続されるように前記積層体の側面に被着された一対の外部電極と、少なくとも該一対の外部電極の存在しない部位で前記内部電極層の端面を覆うように前記積層体の側面に被着された無機材層とを含む積層型圧電素子であって、前記無機材層と前記積層体の前記側面との間に気孔があることを特徴とするものである。
本発明の圧電アクチュエータは、上記本発明の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を内部に収容するケースとを備えたことを特徴とするものである。
本発明の噴射装置は、噴射孔を有する容器と、上記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流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。
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、該コモンレールに蓄えられた前記高圧燃料を噴射する上記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。
本発明の積層型圧電素子によれば、ショート抑制のための被覆層が耐熱性の高い無機材層であることによって、長期にわたって高温下にさらされたとしても劣化しにくく、圧電体層との結合力（密着性）も強固なものとなる。また、耐溶剤性に優れている無機材層であることによって、液中での駆動も可能とすることができる。そして、この無機材層と積層体の側面との間には多数の気孔があることで、駆動中に発生する無機材層と積層体との間（界面）の応力を有効に緩和することができる。さらに、積層体に発生した熱の伝達を気孔が遅らせることで、無機材層が急激な熱上昇により膨張して剥離するのを防止することができる。
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て詳細に説明する。
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は図１に示す積層型圧電素子の積層体の積層方向に平行な断面（無機材層を切断する断面）における一部拡大断面図である。
図１および図２に示すように、本例の積層型圧電素子１においては、圧電体層３および内部電極層５が複数積層され、側面に内部電極層５の端面の一部が達してなる積層体７を有しており、この積層体７の側面に一対の外部電極８がそれぞれ内部電極層５に一層おきに交互に電気的に接続されている。そして、少なくとも一対の外部電極８の存在しない部位で内部電極層５の端面を覆うように積層体７の側面に無機材層11が被着されており、無機材層11と積層体７の側面との間に気孔１２を有する。
図１および図２に示す積層体７は、圧電体層３および内部電極層５が交互に複数積層されてなる活性部と、活性部の両端に設けられた圧電体層３からなる不活性部とを含むものである。ここで、内部電極層５の端面の一部は積層体７の側面に達していて、この端面は外部電極８に電気的接続される領域と無機材層11に覆われる領域とを有している。
積層体７を構成する圧電体層３は圧電特性を有する圧電磁器（圧電セラミックス）からなり、圧電体層３を構成する圧電磁器は平均粒径が例えば1.6〜2.8μｍに形成されたものである。圧電磁器としては、例えばＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛）等からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）などを用いることができる。図１に示す積層体７は、四角柱形状であるが、例えば六角柱形状や八角柱形状などであってもよい。
内部電極層５は、圧電体層３と交互に積層されて圧電体層３を上下から挟んでおり、積層順に正極および負極が配置されることにより、それらの間に挟まれた圧電体層３に駆動電圧を印加するものである。内部電極層５は、例えば銀パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）、銅、白金などの金属からなるものであり、本例では正極および負極（もしくはグランド極）がそれぞれ積層体７の対向する側面に互い違いに導出されて、その端面の一部が積層体７の側面に接合された一対の外部電極８に電気的に接続されている。
一対の外部電極８は、例えば銀とガラスからなるペーストを塗布して焼き付けて形成されたもので、積層体２の対向する側面に積層方向に長く被着されている。そして、積層体７の対向する側面に互い違いに導出された内部電極層５に、それぞれの外部電極８が電気的に接続されている。なお、図１において、外部電極８の幅はこの外部電極８が形成された面の幅よりも狭く形成されているが、これらの幅は同一であってもよい。特に、積層体７の形状を六角柱や八角柱とした場合に、同一の幅に形成するのがよい。
少なくとも一対の外部電極８の存在しない部位で内部電極層５の端面を覆うように積層体７の側面に被着された無機材層11は、厚みが例えば数μｍ〜数百μｍに形成され、積層体７と強固に結合されたものである。この無機材層11の形成材料としては、例えば、圧電材料、ガラス、アルミナなどが挙げられるが、特に圧電体層３を構成する圧電磁器と同種の圧電材料、例えばＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛）を用いるのが好ましい。無機材層11を圧電材料（好ましくは圧電体層３を構成する圧電磁器と同種の圧電材料）で形成することによって、液中もしくは湿中での駆動を可能にすることに加え、内部電極層５からの漏れ電界（電極に挟まれていない領域に生じる電界）により無機材層11が圧電効果を示し、素子の伸縮に追従することが可能となる。なお、少なくとも一対の外部電極８の存在しない部位で内部電極層５の端面を覆うように積層体７の側面に被着されたとは、内部電極層５の端面の一部が達している積層体７の側面のうち、外部電極８が形成された面において内部電極層５の端面が外部電極８に覆われていない領域がある場合には、その領域に被着されたことを意味し、さらに図１に示すように外部電極８が形成された面以外の面にも内部電極層５の端面の一部が達している場合にはその面まで含むことを意味している。また、無機材層11は、外部電極８で覆われた内部電極層５の端面を覆うものではないが、例えば外部電極８の周縁部と重なるように積層体７の側面と外部電極８との間に一部が入り込むように形成されていてもよい。
無機材層11と積層体７の側面との間に存在する気孔12は、例えば直径0.3〜1.5μｍで、断面を見たときに積層体７の側面の長さに対して気孔12の積層体７の側面に接する部分の合計が例えば１〜40％、好ましくは10〜20％の比率に複数形成されたものである。このような複数（多数）の気孔12があることにより、駆動中に発生する無機材層11と積層体７との間（界面）の応力を有効に緩和することができる。
また、積層体７に発生した熱の伝達を気孔12が妨げることで、無機材層11が急激な熱上昇により膨張して剥離するのを防止することができる。積層型圧電素子１は伸縮によって熱を発生するが、例えば、無機材層11が無機材料ではなく樹脂からなる被覆材である場合はこの熱が被覆材の熱劣化を生じさせる要因となる。一方、被覆材が無機材層11である場合は熱伝導が良いため無機材層11が急激な熱膨張を引き起こし剥がれの要因となるおそれがある。これに対し、無機材層11と積層体７の側面との間に熱伝導が悪い多数の気孔12があることで、熱の伝達が妨げられ、無機材層11が急激な熱上昇により膨張して剥離するのを防止する。
ここで、複数の気孔12は、内部電極層５の側方に位置するよりも圧電体層３の側方に位置する（内部電極層５間に位置する）、換言すれば圧電体層３と無機材層11との間にあるのが好ましい。積層型圧電素子１の駆動により圧電体層３が伸縮するため、気孔12が圧電体層３と無機材層11との間に位置していることで、圧電体層の伸縮で発生する応力をより緩和することができる。なお、内部電極層５と無機材層11との間に位置する部位に気孔12が存在せず、圧電体層３と無機材層11との間のみに気孔12が存在する構成に限定されず、圧電体層３と無機材層11との間の存在比率が内部電極層５と無機材層11との間における存在比率よりも多くなっているものであってもよい。
また、複数の気孔12は、圧電体層３および内部電極層５が交互に複数積層されてなる活性部にあるのが好ましく、特に本例の積層型圧電素子１においては積層体７の積層方向の中央部にあるのが好ましい。積層体７の積層方向の端部と比較して積層体７の積層方向の中央部の方がより伸縮するため、気孔12が積層体７の積層方向の中央部にあることで、応力緩和を向上させることができる。なお、中央部とは積層体７を積層方向に３等分したときの中央の部分を意味する。また、中央部のみに気孔12が存在し、それ以外の部分に気孔12が存在しない構成に限定されず、中央部の存在比率がそれ以外の部分よりも多くなっているものであってもよい。
また、気孔12の大きさが圧電体層３を構成している圧電磁器の平均粒径よりも小さいのが好ましい。これにより、絶縁性を確保しつつ応力をより分散させて緩和することができる。圧電磁器および気孔12の平均粒径は、積層型圧電素子１を側面方向に研磨し、電子顕微鏡で観察することで求められる。
さらに、無機材層11が圧電材料からなるのが好ましい。これにより、漏れ電界により無機材層が圧電効果を示し、素子の伸縮に追従することができる。これによって、より長期間の安定駆動を可能にする。特に、接合力の点で、無機材層11が圧電体層３と同種の圧電材料からなるのが好ましい。
なお、積層体７において、複数の内部電極層５のうちの一部に代えて、図３に示すように例えば複数の気孔を有する導体層からなる多孔質層13が配置されていてもよい。この多孔質層13は、内部電極層５よりも強度が低く、応力によって内部にクラックが発生しやすいことから、駆動に伴って積層体７に発生する応力によって内部電極層５よりも先にクラック等による破壊が生じるものであり、それによって積層体７内において応力を緩和する層として機能するものである。
このように、積層体７に多孔質層13が設けられ、多孔質層13と無機材層11との間に複数の気孔がある（複数の気孔が多孔質層13の側方に位置している）ことで、多孔質層13が積層体７の応力を緩和した際に多孔質層13の内部にクラックが生じても、多孔質層13の側方に位置する無機材層11の部位に選択的にクラックを誘導できるために、無機材層11における内部電極層５の側方に位置する部位（内部電極層５の端部と対向する部位）にクラックが生じることなく、無機材層11の表面で放電することを抑制できる。
また、多孔質層13としては、図４に示すように、主として空隙を介して離隔した金属粒子からなり、無機材層11と同一成分の粒子15が多孔質層13の内部にあることが好ましい。この構成によれば、多孔質層13に加わった応力のうち、衝撃速度の速い応力は、無機材層11と同一成分の粒子15の結晶格子がひずむことで吸収し、衝撃速度が遅くても衝撃強度の大きい応力に対しては、金属粒子14の形状が変形することで応力吸収できる。
ここで、金属粒子14の粒径は例えば0.1〜50μｍであり、この値は断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡や金属顕微鏡により観察し、任意の線分間に含まれる粒子間の個数および粒子間の距離を測定し、任意の線分間に含まれる粒子の数と粒子に含まれる線分の長さを測定し、この線分の長さの合計距離を粒子数で割ることによって求めることができる。
また、空隙により形成される金属粒子14同士の間隔は例えば１〜100μｍであり、この値は、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡や金属顕微鏡により観察し、任意の線分間に含まれる粒子間の個数および粒子間の距離を測定し、この粒子間の距離の合計距離を粒子間の個数で割ることによって求めることができる。
そして、多孔質層13の内部にある無機材層11と同一成分の粒子15は例えば0.05〜50μｍであり、好ましくは点在している。この粒子15が多孔質層13の内部に点在しているとは、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡や金属顕微鏡により観察したときに、複数の粒子15が、金属粒子14とともに、空隙を介して分散していることである。
特に、無機材層11と同一成分の粒子15を多孔質層13と無機材層11との間にある気孔12に接するように配置することで、多孔質層13の側方に位置する無機材層11の部位も、多孔質層13と同じような応力吸収効果が生じ、積層体７の応力を緩和することができる。さらに、多孔質層13内部にクラックが生じた時は、無機材層11と同一成分の粒子15にクラックが発生すると同時に多孔質層13の側方に位置する無機材層11の部位に選択的にクラックを誘導できるために、多孔質層13に沿って粒子15が連続的に破断することで、無機材層11を一直線にクラックを誘導できる。その結果、無機材層11における内部電極５の端部と対向する部位にクラックが生じることがなく、無機材層11の表面で放電することを抑制できる。
次に、本例の積層型圧電素子１の製造方法の例について説明する。
まず、圧電体層３となる圧電体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、アクリル系また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、セラミックスラリーを作製する。そして、ドクターブレード法あるいは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、このセラミックスラリーを用いて圧電体グリーンシートを作製する。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、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）など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）またはフタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）等を用いることができる。
次に、内部電極層５となる内部電極ペーストを作製する。具体的には、例えば銀−パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって、内部電極ペーストを作製する。なお、銀−パラジウム合金に代えて銀粉末とパラジウム粉末とを混合してもよい。
次に、内部電極ペーストを、上記の圧電体グリーンシート上に、内部電極層５のパターンで、例えばスクリーン印刷法にて塗布する。
なお、多孔質層を設ける場合には、この多孔質層としての導体層に複数の気孔を形成するために、焼成時に消失あるいは飛散する物質、例えばアクリルビーズ等を混合した多孔質層用導電性ペーストを用意し、スクリーン印刷法にて塗布すればよい。このとき、多孔質層のパターンは、積層体７の積層方向に垂直な断面に対して全面となるように形成してもよいし、部分的なパターンとなるように形成してもよい。一対の外部電極８間でのショートの発生を確実に防止する点で、正極および負極の外部電極８間が非形成部によって分割されているパターンで形成することが好ましい。
次に、内部電極ペーストが塗布された圧電体グリーンシートを所定枚数積層して積層成形体を作製する。このとき、複数の圧電体グリーンシートと複数の内部電極ペーストとが交互に積層され、内部電極ペーストの端面の一部が側面に達してなる柱状の積層成形体が作製される。なお、所定の間隔（圧電体グリーンシートの枚数）をおいて、多孔質層用導電性ペーストが塗布された圧電体グリーンシートを積層してもよい。また、上下に導電性ペーストが塗布されていない圧電体グリーンシートを配置して積層成形体を作製してもよい。
次に、積層成形体の内部電極ペーストの端面が達した側面に内部電極層５の端面を被覆するように無機材層11となる無機材ペーストを塗布する。無機材ペーストは無機材粉、溶剤、バインダーを混ぜ合わせて作製する。そして、スクリーン印刷、ディッピング、ディスペンサー塗布等の方法によって積層成形体の側面に均膜を作製する。なお、無機材ペーストは後述の外部電極ペーストを塗布する以外の部分に塗布される。
ここで、積層体７と側面と無機材層11との間の界面に気孔12を形成するために、無機材層11となる無機材ペーストを塗布する前に、焼成時に消失あるいは飛散する固形物、例えばアクリルビーズ、カーボン粉末等を混合したエチルセルロースなどのバインダーを積層成形体の側面に塗布するのが好ましい。このとき、焼成時に消失あるいは飛散する固形物（アクリルビーズ、カーボン粉末等）が含まれていた箇所は焼成後に気孔12となり、このアクリルビーズ、カーボン粉末等の平均粒径を調整することで積層体７と側面と無機材層11との間の界面に例えば直径0.3〜1.5μｍ程度の直径の気孔を一様に分散した状態で形成することができる。また、このアクリルビーズ、カーボン粉末等の比率を調整することで、気孔の存在比率（分布）を調整することができる。
焼成時に消失あるいは飛散する固形物を混合したバインダーは、積層体７の側面全体ではなく部分的に塗布することで、気孔12の形成位置を内部電極層５間としたり、積層体７の積層方向の中央部としたりすることができる。また、焼成時に消失あるいは飛散する固形物（アクリルビーズ、カーボン粉末等）の比率を部分的に異ならせて塗布することで、気孔の存在比率（分布）を調整することができる。このように塗布するために、塗布したくない部分（例えば内部電極層の側面に位置する部位）をマスキングしたうえでスクリーン塗布する方法を採用することができる。なお、マスキングする箇所を変えて、複数回塗布してもよい。
なお、焼成時に消失あるいは飛散する固形物を混合したエチルセルロースなどのバインダーを積層成形体の側面に塗布することに代えて、無機材層11にクラックが生じて本発明の効果を妨げることのない程度に無機材層11となる無機材ペーストに焼成時に消失あるいは飛散する固形物（アクリルビーズ、カーボン粉末等）を混合して、積層体７と側面と無機材層11との間の界面に気孔12を形成することもできる。
また、多孔質層13と無機材層11との間に複数（多数）の気孔を設けるには、無機材ペーストを塗布する前に、アクリルビーズ、カーボン粉末等を混合したエチルセルロースなどのバインダーを積層成形体の側面に塗布もしくは、バインダーの入った容器に漬け込んだまま、デシケーター等の容器に入れて0.1気圧（約10kＰａ）まで、真空ポンプで減圧すれば、多孔質層13内部にバインダーとともにアクリルビーズ、カーボン粉末等を浸入できるので、その後に無機材ペーストを塗布した後に焼成することで、多孔質層13と無機材層11との間に複数の気孔を設けることができる。
さらに、多孔質層13は主として空隙を介して離隔した金属粒子からなり、無機材層11と同一成分の粒子15が多孔質層13の内部に点在している構成とするには、無機材ペーストを塗布する前に、アクリルビーズ、カーボン粉末等を混合したエチルセルロースなどのバインダーを積層成形体の側面に塗布もしくは、バインダーの入った容器に漬け込んだまま、デシケーター等の容器に入れて0.1気圧（約10kＰａ）まで、真空ポンプで減圧して、多孔質層13内部にバインダーとともにアクリルビーズ、カーボン粉末等を浸入させた後、無機材ペーストを塗布した後に再度、デシケーター等の容器に入れて0.1気圧（約10kＰａ）まで、真空ポンプで減圧して、無機材ペーストの成分を多孔質層13に分散させ、焼成することで、得られる。
無機材ペースト中にアクリルビーズ、カーボン粉末等を混合したエチルセルロースなどのバインダーを多量に加える場合は、あらかじめアクリルビーズ、カーボン粉末等を塗布
せずに、無機材ペーストを塗布して、デシケーター等の容器に入れて0.1気圧（約10kＰａ）まで、真空ポンプで減圧して、無機材ペーストの成分を多孔質層13に分散させ、焼成することでも、得られる。
せずに、無機材ペーストを塗布して、デシケーター等の容器に入れて0.1気圧（約10kＰａ）まで、真空ポンプで減圧して、無機材ペーストの成分を多孔質層13に分散させ、焼成することでも、得られる。
そして、無機材ペーストが塗布された積層成形体を所定の温度で脱バインダー処理した後、900〜1200℃の温度で焼成することによって、交互に積層された圧電体層３および内部電極層５が交互に積層され、側面に無機材層11が被着された柱状の積層体７を作製する。
次に、焼成して得られた積層体７の側面に研磨加工を施して、無機材層11を積層体７の積層方向に長く部分的に一対除去して内部電極層５の端面を一層おきに交互に露出させる。例えば、積層体７の側面に対して、内部電極層５と平行な方向に、平面研削盤やポリゴン加工機を用い、例えば番手が＃200〜＃1000の砥石を用いて、積層体７が所定の形状となるまで研削を行なった後、砥石の切り込み量を少なく、好ましくは50μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下にして、複数回（好ましくは、３回以上）の研摩加工を行なう。
その後、外部電極ペーストを、内部電極層５を露出させた部分を被覆するように外部電極８のパターンで印刷し、650〜750℃で焼き付けを行なって、外部電極８を形成する。なお、外部電極ペーストとしては、例えば、銀を主成分とし、ガラスを含む銀ガラス導電性ペーストが好ましい。
ここで、無機材層11および外部電極８を形成する方法として、積層成形体の内部電極ペーストの端面が露出した側面にこの側面を被覆するように無機材ペーストを塗布する工程と、無機材ペーストが塗布された積層成形体を焼成して、圧電体層および内部電極層が交互に積層され、側面に無機材層が被着された柱状の積層体を得る工程と、無機材層を積層体の積層方向に長く部分的に一対除去して内部電極層を一層おきに交互に露出させる工程と、内部電極層を露出させた部分を被覆するように外部電極ペーストを塗布する工程とを代えて、積層成形体の内部電極ペーストの端面が露出した、外部電極ペーストを塗布する領域を除く側面にこの側面を被覆するように無機材ペーストを塗布する工程と、無機材ペーストが塗布された積層成形体を焼成して、圧電体層および内部電極層が交互に積層され、外部電極ペーストを塗布する領域を除く側面に無機材層が被着された柱状の積層体を得る工程と、内部電極層を露出させた外部電極ペーストを塗布する領域を被覆するように外部電極ペーストを塗布する工程とを有する方法としてもよい。
次に、導電性接合材（半田）10を介して外部リード部材９を外部電極８の表面に接続して固定する。
その後、一対の外部電極８にそれぞれ接続した外部リード部材９から外部電極８および内部電極層５を介して圧電体層３に0.1〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体７を構成する圧電体層３を分極することによって、積層型圧電素子１が完成する。この積層型圧電素子１は、外部リード部材９を介して外部電極８と外部の電源とを接続して、内部電極層５を介して圧電体層３に駆動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燃料噴射弁として機能させることが可能となる。
本例の積層型圧電素子１の用途としては、例えば、圧電駆動素子（圧電アクチュエータ），圧力センサ素子および圧電回路素子等が挙げられる。圧電駆動素子としては、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。圧力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、圧電回路素子としては、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。
次に、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の例について説明する。図５は、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例を示す概略断面図である。
図５に示すように、本例の圧電アクチュエータ16は、積層型圧電素子１をケース17に収容してなるものである。
具体的には、ケース17は、上端が塞がれ下端が開口したケース本体171と、ケース本体171の開口を塞ぐようにケース本体171に取り付けられた蓋部材172とで構成され、積層型圧電素子１の両端面をケース17の上端内壁および下端内壁にそれぞれ当接させるようにして積層型圧電素子１がケース17の内部に例えば不活性ガスとともに封入され収容されている。
ケース本体171および蓋部材172は、例えばＳＵＳ304やＳＵＳ316Ｌなどの金属材料で形成されたものである。
ケース本体171は、上端が塞がれ下端が開口した筒状体であり、積層体７の積層方向に伸縮可能に例えばベローズ（蛇腹）形状となっている。また、蓋部材172は、ケース本体171の開口を塞ぐように例えば板状に形成されている。蓋部材172には外部リード部材９を挿通可能な貫通孔が２つ形成されており、外部リード部材９を貫通孔に挿通させて外部電極８と外部とを電気的に導通させている。そして、貫通孔の隙間には軟質ガラス等を充填していて、この外部リード部材９を固定するとともに、外気の侵入を防いでいる。
本例の圧電アクチュエータ16によれば、外部リード部材９を介して外部の電源とを接続して、内部電極層５を介して圧電体層３に駆動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、圧電アクチュエータとして機能することができ長期間安定して駆動することができる。
次に、本発明の噴射装置の実施の形態の例について説明する。図６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。
図６に示すように、本例の噴射装置19は、一端に噴射孔21を有する収納容器（容器）23の内部に上記の例の積層型圧電素子１が収納されている。
収納容器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、流体通路27に常時高圧で流体が供給されている。従って、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外部または隣接する容器、例えば内燃機関の燃料室（図示せず）に、噴射孔21から吐出されるように構成されている。
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、収納容器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、収納容器23内には、上述した例の本発明の積層型圧電素子１が収納されている。
このような噴射装置19では、積層型圧電素子１が電圧を印加されて伸長すると、ピストン31が押圧され、ニードルバルブ25が噴射孔21に通じる流体通路27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を押し返し、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ようになっている。
なお、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、電圧の印加を停止することによって流体通路27を閉鎖するように構成してもよい。
また、本例の噴射装置19は、噴射孔21を有する容器23と、上記の例の積層型圧電素子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が必ずしも容器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の内部に流体の噴射を制御するための圧力が加わるように構成されていればよい。なお、本例の噴射装置19において、流体とは、燃料，インク等の他、導電性ペースト等の種々の液体および気体が含まれる。本例の噴射装置19を用いることによって、流体の流量および噴出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。
上記の例の積層型圧電素子１を採用した本例の噴射装置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い期間にわたって安定して精度よく噴射させることができる。
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。図７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図である。
図７に示すように、本例の燃料噴射システム35は、高圧流体としての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に蓄えられた高圧流体を噴射する複数の上記の例の噴射装置19と、コモンレール37に高圧流体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。
噴射制御ユニット41は、外部情報または外部からの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、エンジンの燃料噴射に本例の燃料噴射システム35を用いた場合であれば、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ことができる。圧力ポンプ39は、燃料タンク43から流体燃料を高圧でコモンレール37に供給する役割を果たす。例えばエンジンの燃料噴射システム35の場合には1000〜2000気圧（約101ＭＰａ〜約203ＭＰａ）程度、好ましくは1500〜1700気圧（約152ＭＰａ〜約172ＭＰａ）程度の高圧にしてコモンレール37に流体燃料を送り込む。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から一定の流体を外部または隣接する容器に噴射する。例えば、燃料を噴射供給する対象がエンジンの場合には、高圧燃料を噴射孔21からエンジンの燃焼室内に霧状に噴射する。
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。例えば、積層型圧電素子１における外部電極８は、上記の例では積層体７の対向する２つの側面に１つずつ形成したが、２つの外部電極８を積層体７の隣り合う側面に形成してもよいし、積層体７の同一の側面に形成してもよい。また、積層体７の積層方向に直交する方向における断面の形状は、上記の実施の形態の例である四角形状以外に、六角形状や八角形状等の多角形状、円形状、あるいは直線と円弧とを組み合わせた形状であっても構わない。
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。
本発明の積層型圧電素子を備えた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（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダーおよび可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製した。このセラミックスラリーを用いてドクターブレード法により厚み100μｍの圧電体層３となるセラミックグリーンシートを作製した。また、銀−パラジウム合金にバインダーを加えて、内部電極層となる導電性ペーストを作製した。
次に、セラミックグリーンシートの片面に、内部電極層となる導電性ペーストをスクリーン印刷法により印刷し、導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを300枚積層して積層成形体を作製した。
次に、気孔を形成するための平均粒径２〜５μｍのアクリルビーズを含んだバインダーを積層成形体の側面に塗布し、その後、セラミックグリーンシートと同一の圧電セラミックスの仮焼粉末にバインダー、溶剤を加えペースト状にしたものを積層成形体の側面（バインダーの上）にスクリーン印刷法により印刷した。
次に、980〜1100℃で焼成することにより積層体を得た。得られた積層体を、平面研削盤を用いて所定の形状に研削するとともに、無機材層を積層体の積層方向に長く部分的に一対除去して内部電極層の端面を一層おきに交互に露出させた。
次に、銀を主成分とし、ガラスを含む外部電極ペーストを、積層体の内部電極層が導出された側面に印刷し、650〜750℃で焼き付けを行なって、外部電極を形成した。
最後に、外部電極の一部に、半田を介して外部リード部材を接続し固定した後、分極処理した。半田としては、作業温度（融点）300℃の銀混入錫−鉛合金系の半田を用いた。
以上のようにして、積層型圧電素子を作製した。
なお、積層型圧電素子として、気孔の比率が異なる試料を作製した。具体的には、断面で見て気孔が積層方向に一様（10％の比率）に分布している積層型圧電素子（試料Ｎｏ．１）、断面で見て気孔が全ての内部電極層間に20％の比率で存在し、内部電極層の側面に位置する部位に10％の比率で存在する積層型圧電素子（試料Ｎｏ．２）、断面で見て気孔が積層体の積層方向の中央部に20％の比率で存在し、その他の部位に10％の比率で存在する積層型圧電素子（試料Ｎｏ．３）および気孔のない積層型圧電素子（試料Ｎｏ．４）を作製した。
ここで、試料Ｎｏ．１は、アクリルビーズ含有率が10％のバインダーを塗布し、試料Ｎｏ．２は、内部電極層間をマスキングして内部電極層の側面に位置する部位にアクリルビーズ含有率が10％のバインダーを塗布し、その後、内部電極層の側面に位置する部位をマスキングして内部電極層間にアクリルビーズ含有率が20％のバインダーを塗布し、試料Ｎｏ．３は、中央部以外の部分をマスキングしてアクリルビーズ含有率が20％のバインダーを中央部のみに塗布し、その後、中央部（積層体を積層方向に３等分したときの真ん中の部分）をマスキングしてそれ以外の部分にアクリルビーズ含有率が10％のバインダーを塗布した。
得られた積層型圧電素子について、積層方向で切断した断面を走査型電子顕微鏡で観察して気孔の平均径を測定したところ、平均径は2.2μｍであった。また、積層方向で切断した断面を走査型電子顕微鏡で観察して所定距離における気孔の比率を求めたところ、上記の比率となっていた。
そして、得られた積層型圧電素子を１×108サイクル電気駆動させたところ、気孔のない積層型圧電素子（試料Ｎｏ．４）ではショートが発生したのに対し、気孔がある試料Ｎｏ．１〜３では、ショートの発生は見られなかった。また、さらにサイクルを重ねたところ、試料Ｎｏ．１よりも試料Ｎｏ．２や試料Ｎｏ．３の方が、応力緩和、剥離抑制の効果が持続することがわかった。
１・・・積層型圧電素子
３・・・圧電体層
５・・・内部電極層
７・・・積層体
８・・・外部電極
９・・・外部リード部材
10・・・半田
11・・・無機材層
12・・・気孔
13・・・多孔質層
14・・・金属粒子
15・・・無機材層と同一成分の粒子
16・・・圧電アクチュエータ
17・・・ケース
171・・・ケース本体
172・・・蓋部材
19・・・噴射装置
21・・・噴射孔
23・・・収納容器（容器）
25・・・ニードルバルブ
27・・・流体通路
29・・・シリンダ
31・・・ピストン
33・・・皿バネ
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
43・・・燃料タンク
３・・・圧電体層
５・・・内部電極層
７・・・積層体
８・・・外部電極
９・・・外部リード部材
10・・・半田
11・・・無機材層
12・・・気孔
13・・・多孔質層
14・・・金属粒子
15・・・無機材層と同一成分の粒子
16・・・圧電アクチュエータ
17・・・ケース
171・・・ケース本体
172・・・蓋部材
19・・・噴射装置
21・・・噴射孔
23・・・収納容器（容器）
25・・・ニードルバルブ
27・・・流体通路
29・・・シリンダ
31・・・ピストン
33・・・皿バネ
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
43・・・燃料タンク
Claims (12)
- 圧電体層および内部電極層が複数積層され、該内部電極層の端面の一部が側面に達してなる柱状の積層体と、前記内部電極層が一層おきに交互に電気的に接続されるように前記積層体の側面に被着された一対の外部電極と、少なくとも該一対の外部電極の存在しない部位で前記内部電極層の端面を覆うように前記積層体の側面に被着された無機材層とを含む積層型圧電素子であって、前記無機材層と前記積層体の前記側面との間に気孔があることを特徴とする積層型圧電素子。
- 前記気孔は、前記圧電体層と前記無機材層との間にあることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
- 前記気孔は、前記積層体の積層方向の中央部にあることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
- 前記気孔の大きさは、前記圧電体層を構成している圧電磁器の平均粒径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
- 前記無機材層は、圧電材料からなることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
- 前記積層体には多孔質層が設けられ、該多孔質層と前記無機材層との間に前記気孔があることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
- 前記多孔質層は主として空隙を介して離隔した金属粒子からなり、前記無機材層と同一成分の粒子が前記多孔質層の内部にあることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
- 複数の圧電体グリーンシートと複数の内部電極ペーストとを交互に積層して該内部電極ペーストの端面の一部が側面に露出した柱状の積層成形体を作製する工程と、前記積層成形体の前記内部電極ペーストの端面が露出した側面にこの側面を被覆するように無機材ペーストを塗布する工程と、前記無機材ペーストが塗布された前記積層成形体を焼成して、圧電体層および内部電極層が交互に積層され、側面に無機材層が被着された柱状の積層体を得る工程と、前記無機材層を前記積層体の積層方向に長く部分的に一対除去して前記内部電極層を一層おきに交互に露出させる工程と、前記内部電極層を露出させた部分を被覆するように外部電極ペーストを塗布し、該外部電極ペーストが塗布された前記積層体を焼成して、前記内部電極層が一層おきに交互に電気的に接続された一対の外部電極を前記積層体の前記側面に被着させる工程とを備えることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
- 複数の圧電体グリーンシートと複数の内部電極ペーストとを交互に積層して該内部電極ペーストの端面の一部が側面に露出した柱状の積層成形体を作製する工程と、前記積層成形体の前記内部電極ペーストの端面が露出した、外部電極ペーストを塗布する領域を除く側面にこの側面を被覆するように無機材ペーストを塗布する工程と、前記無機材ペーストが塗布された前記積層成形体を焼成して、圧電体層および内部電極層が交互に積層され、外部電極ペーストを塗布する領域を除く側面に無機材層が被着された柱状の積層体を得る工程と、前記内部電極層を露出させた前記外部電極ペーストを塗布する領域を被覆するように外部電極ペーストを塗布し、該外部電極ペーストが塗布された前記積層体を焼成して、前記内部電極層が一層おきに交互に電気的に接続された一対の外部電極を前記積層体の前記側面に被着させる工程とを備えることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
- 請求項１に記載の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を内部に収容するケースとを備えた圧電アクチュエータ。
- 噴射孔を有する容器と、請求項１に記載の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に蓄えられた流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。
- 高圧燃料を蓄えるコモンレールと、該コモンレールに蓄えられた前記高圧燃料を噴射する請求項１１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。
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