WO2009082007A1 - 積層型圧電素子、これを備えた噴射装置及び燃料噴射システム - Google Patents

積層型圧電素子、これを備えた噴射装置及び燃料噴射システム Download PDF

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WO2009082007A1
WO2009082007A1 PCT/JP2008/073790 JP2008073790W WO2009082007A1 WO 2009082007 A1 WO2009082007 A1 WO 2009082007A1 JP 2008073790 W JP2008073790 W JP 2008073790W WO 2009082007 A1 WO2009082007 A1 WO 2009082007A1
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piezoelectric element
internal electrodes
stacked
internal electrode
multilayer
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PCT/JP2008/073790
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Inventor
Takeshi Okamura
Original Assignee
Kyocera Corporation
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/871—Single-layered electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices, e.g. internal electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H10N30/508—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure adapted for alleviating internal stress, e.g. cracking control layers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means

Definitions

  • the present invention relates to a laminated piezoelectric element (hereinafter also referred to as an element) used for, for example, a driving element (piezoelectric actuator), a sensor element, and a circuit element.
  • the driving element include a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an ink jet, a precision positioning device such as an optical device, and a vibration prevention device.
  • 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.
  • multilayer piezoelectric elements have been required to ensure a large amount of displacement under a large pressure at the same time as miniaturization proceeds. For this reason, it is required that a higher voltage is applied and that the device can be used under severe conditions in which continuous driving is performed for a long time.
  • the multilayer piezoelectric element continuously undergoes dimensional changes when driven.
  • the laminated piezoelectric element is largely driven and deformed integrally. Therefore, a large stress is applied to the end portion of the element.
  • Patent Document 1 proposes a multilayer piezoelectric element in which an inactive layer is provided at the end of the element and the thickness of the piezoelectric body is increased slightly toward the end of the element. Has been. Japanese Patent Laid-Open No. 2002-299706
  • the stress applied to the end portion of the multilayer piezoelectric element can be relieved by increasing the thickness of the piezoelectric body gradually toward the end portion of the element.
  • the size of the element is increased by increasing the thickness of the piezoelectric body for a while.
  • an object of the present invention is to provide a laminated piezoelectric element that can relieve stress applied to the end of the element without increasing the size of the element, and an injection device and a fuel injection system using the same.
  • the multilayer piezoelectric element of the present invention is a multilayer piezoelectric element including a multilayer body having a plurality of piezoelectric bodies and a plurality of internal electrodes, and the multilayer body includes alternating piezoelectric bodies and internal electrodes.
  • the first laminated portion and the second laminated portion are laminated.
  • the 2nd lamination part is located in the 1st edge part side including the 1st edge part which is one edge part of the lamination direction of the lamination object, and in the 2nd lamination part
  • the cross-sectional area of the internal electrode gradually decreases toward the first end.
  • the multilayered piezoelectric element of the present invention a large stress is applied to the end of the element by gradually reducing the area of the internal electrode in the second stacked part located on the first end side in the stacking direction. This can be suppressed. This is because the drive region becomes smaller because the area of the internal electrode becomes smaller toward the end.
  • the amount of displacement of the piezoelectric body is reduced stepwise by gradually reducing the area of the internal electrode without gradually increasing the thickness of the piezoelectric body toward the end.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element according to a first embodiment of the present invention. It is a disassembled perspective view of the laminated piezoelectric element of embodiment shown in FIG.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA shown in FIG. It is a disassembled perspective view which shows the lamination type piezoelectric element concerning the 2nd Embodiment of this invention. It is a disassembled perspective view which shows the lamination type piezoelectric element concerning the 3rd Embodiment of this invention. It is sectional drawing containing the internal electrode located in the 1st edge part side most in a 2nd laminated part.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view including the internal electrode adjacent to the internal electrode illustrated in FIG.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view including the internal electrode adjacent to the internal electrode illustrated in FIG. 6B on the second end side. It is sectional drawing of the direction parallel to the lamination direction of embodiment shown in FIG. It is a perspective view which shows the lamination type piezoelectric element concerning the 4th Embodiment of this invention.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of the multilayer piezoelectric element of the embodiment shown in FIG. 8. It is sectional drawing in the BB line shown in FIG. It is a disassembled perspective view which shows the lamination type piezoelectric element concerning the 5th Embodiment of this invention.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of the multilayer piezoelectric element of the embodiment shown in FIG. 8. It is sectional drawing in the BB line shown in FIG. It is a disassembled perspective view which shows the lamination type piezoelectric element concerning the 5th Embodiment of this invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view including an internal electrode positioned closest to the first end in the second stacked portion of the stacked piezoelectric element of the embodiment shown in FIG. 11.
  • FIG. 12B is a cross-sectional view including the internal electrode adjacent to the internal electrode illustrated in FIG. 12A on the second end side.
  • FIG. 12B is a cross-sectional view including internal electrodes adjacent to the internal electrode illustrated in FIG. 12B on the second end side.
  • It is a disassembled perspective view which shows the lamination type piezoelectric element concerning the 6th Embodiment of this invention. It is sectional drawing of the direction parallel to the lamination direction of the lamination type piezoelectric element of embodiment shown in FIG.
  • FIG. 17B is a plan view illustrating the shape of an internal electrode adjacent to the internal electrode illustrated in FIG. 17A. It is a top view which shows the shape of the internal electrode adjacent to the internal electrode shown in FIG. 17B.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the embodiment shown in FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA shown in FIG.
  • the multilayer piezoelectric element 1 includes a first multilayer part 3 and a first end 1a in the lamination direction. And the second laminated portion 5 located on the first end portion 1a side.
  • the second stacked unit 5 includes the first end 1a that is one end in the stacking direction of the stacked body 2 and is located on the first end 1a side, and the second stacked unit 5
  • the sectional area of the internal electrode 9 gradually decreases toward the first end 1a. That is, in the second stacked portion 5, the cross-sectional area of the internal electrode 9 in the direction orthogonal to the stacking direction gradually decreases from the second end portion 1b side in the stacking direction toward the first end portion 1a side. ing.
  • the upper side of FIGS. 1 to 3 is the first end 1a side, and the upper end of the multilayer piezoelectric element 1 is the first end 1a.
  • the lower side of FIGS. 1 to 3 is the second end 1b side.
  • the area of the internal electrode 9 in a cross section in which the internal electrode 9 is exposed in a direction orthogonal to the stacking direction is defined as a cross-sectional area of the internal electrode 9.
  • stacking part 5 is gradually reduced toward the 1st edge part 1a side.
  • the width direction is a direction parallel to the surface to which the external electrode 11 is connected among the side surfaces of the multilayer body 2 and orthogonal to the laminating direction, and the external electrode 11 is connected to the side surface of the multilayer body 2.
  • the direction orthogonal to the surface to be applied and orthogonal to the stacking direction is defined as the length direction.
  • the cross-sectional area of the internal electrode 9 in the second laminated portion 5 gradually decreases, the deformation of the piezoelectric body 7 in the second laminated portion 5 can be reduced as it approaches the first end 1a. Therefore, it is possible to suppress a large stress from being applied to the first end 1a of the element 1. This is because the cross-sectional area of the internal electrode 9 becomes smaller toward the first end 1a, so that the portion sandwiched between the pair of internal electrodes 9 connected to the external electrode 11 of a different polarity in the piezoelectric body 7 is formed. Because it gets smaller. As a result, since stress can be suppressed from concentrating on the first end 1a of the element 1, the durability of the element 1 can be improved.
  • the amount of displacement of the piezoelectric body 7 is reduced stepwise by reducing the cross-sectional area of the internal electrode 9 stepwise while keeping the thickness of the piezoelectric body 7 constant. It is possible. Therefore, it is not necessary to gradually increase the thickness of the piezoelectric body 7 toward the first end 1a, and the piezoelectric bodies 7 having the same thickness can be used. As a result, the element 1 can be reduced in size.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view showing the multilayer piezoelectric element 1 according to the second embodiment of the present invention.
  • the second stacked unit 5 located closer to the first end 1 a than the first stacked unit 3 is reduced toward the central axis C.
  • the cross-sectional area of the internal electrode 9 is gradually reduced.
  • the internal electrodes 9 are arranged so that the areas are sequentially reduced while matching the central axis C between the internal electrodes 9, and more preferably, the areas are sequentially reduced while maintaining the similar shape while matching the central axes C. Is formed, the stress can be evenly distributed as the distance from the central axis C increases. This also makes it possible to reduce the variation in stress in the stacking direction as compared with the first embodiment. Therefore, in the second embodiment, durability can be improved more effectively.
  • the stacked body 2 can be divided into a facing portion where a pair of internal electrodes 9 adjacent in the stacking direction are opposed to each other in the stacking direction and a non-facing portion other than that.
  • stress tends to concentrate near the boundary between these portions.
  • the internal electrode 9 is disposed as described above, it is possible to prevent the boundary from being formed on one plane. In other words, the above boundary can be shifted stepwise, so that stress can be dispersed over a wide range. Thereby, the dispersion
  • FIG. 5 is an exploded perspective view showing the multilayer piezoelectric element 1 according to the third embodiment of the present invention.
  • 6A to 6C are cross-sectional views taken along a plane perpendicular to the stacking direction of the embodiment shown in FIG. 7 is a cross-sectional view in a direction parallel to the stacking direction of the embodiment shown in FIG.
  • At least one of the plurality of internal electrodes 9 in the second stacked unit 5 located closer to the first end 1a than the first stacked unit 3 is used.
  • One is a lattice shape.
  • the length of the internal electrode 9 and / or the width of the internal electrode 9 is reduced stepwise toward the first end 1a.
  • the cross-sectional area of the internal electrode 9 can be reduced stepwise without having to reduce the length and width of the internal electrode 9 stepwise. Therefore, the stress variation in the cross section orthogonal to the stacking direction can be reduced.
  • the outer periphery of the lattice-shaped internal electrode 9 has a structure with little unevenness, that is, a structure formed with straight lines. . With such a structure, the number of corners of the internal electrode 9 can be reduced, so that voltage concentration due to the edge effect can be suppressed.
  • the outer periphery of the lattice-shaped internal electrode 9 has a stepped edge. Since the internal electrode 9 has such a structure, the bonding surface between the internal electrode 9 and the piezoelectric body 7 can be increased, so that the bonding strength between the internal electrode 9 and the piezoelectric body 7 can be increased.
  • the second laminated portion 5 has a plurality of lattice-shaped internal electrodes 9.
  • the effect of reducing the stress variation in the cross section orthogonal to the stacking direction is limited to a part of the stacking direction including the internal electrode 9.
  • the above-mentioned effect due to the internal electrodes 9 being in the lattice shape is the piezoelectric body positioned between these lattice-shaped internal electrodes 9. 7 is obtained. Therefore, stress can be relieved in a wider range in the stacking direction.
  • At least one set of adjacent internal electrodes 9 has a lattice shape. Since the adjacent internal electrodes 9 have a lattice shape, the piezoelectric body 7 sandwiched between the internal electrodes 9 has a small variation in piezoelectric displacement in a direction orthogonal to the stacking direction. Therefore, the stress variation can be reduced both in the direction orthogonal to the stacking direction and in the parallel direction. Further, since the adjacent lattice-shaped internal electrodes 9 face each other, the fluctuation of the drive shaft of the element 1 can be reduced, so that the durability can be improved.
  • the drive axis is an axis that serves as a center of gravity axis in the drive direction (stretching direction) of the element 1 that is deformed by expansion and contraction when the multilayer piezoelectric element 1 is used as an actuator that expands and contracts in the electric field application direction.
  • the adjacent grid-shaped internal electrodes 9 are arranged so as to correspond to each other.
  • the lattice-shaped internal electrodes 9 are opposed so that the central axes C1 of the opening portions 9a coincide with each other, and the electrode portions 9a around the opening portions 9a are opposed to each other. This is the case.
  • the internal electrode 9 is arrange
  • the grid-shaped internal electrode 9 located on the first end 1a side has a grid width smaller than the grid-shaped internal electrode 9 located on the second end 1b side. It is preferable. Thereby, the variation in the piezoelectric displacement in the direction orthogonal to the stacking direction is reduced, the piezoelectric displacement at the first end 1a of the element 1 is further reduced, and the stress relaxation effect can be further increased.
  • the lattice-shaped internal electrodes 9 are opposed so that the central axes C1 of the opening portions 9a coincide with each other and the electrode portions around the opening portions 9a are opposed to each other, for example, the area of the opening portions 9a
  • the area of the opening portions 9a By sequentially increasing the length toward the first end 1a, the area of the electrode portion and the facing area between the electrodes can be sequentially reduced.
  • the area of the internal electrode 9 is regularly reduced in the second stacked unit 5 from the second end 1b side to the first end 1a side. It is preferable. Thereby, the dispersion
  • the difference between the areas of the internal electrodes 9 adjacent to each other in the stacking direction of the second stacked unit 5 is substantially constant.
  • stacking part 5 can be made still smaller. This is because an inflection point can be suppressed from occurring in the stress distribution curve from the central portion of the element 1 toward the first end 1a, and the direction of the stress applied to the element 1 can be easily made constant. Therefore, it is possible to further reduce the possibility that stress concentrates on a specific portion of the second laminated portion 5 and cracks occur in the piezoelectric body 7.
  • the area of the region sandwiched between the substantial parts of the internal electrodes 9 having different polarities is 1,0.8, 0.6, 0.4, 0.2 stepwise toward the end of the element 1. It is preferable that the area of the internal electrode 9 adjacent in the stacking direction is reduced so as to decrease.
  • the area ratio of the internal electrodes 9 adjacent to each other in the stacking direction of the second stacked unit 5 is substantially constant. Thereby, a stress can be reduced in steps toward the 1st edge part 1a. Therefore, the stress applied to the first end 1a can be reduced. Moreover, the cross-sectional area of the internal electrode 9 can be reduced toward the first end portion 1a with a small number of internal electrodes 9. Therefore, it is possible to reduce the size of the element 1 while reducing variations in stress inside the second stacked portion 5.
  • the area of the region sandwiched between the substantial portions of the internal electrodes 9 having different polarities is 1, 1 toward the end of the element 1. / 2, 1/4, 1/8,..., Or 1,1 / 3, 1/9, 1/27,... It is preferable that the area of the electrode 9 is reduced.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element 1 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of the embodiment shown in FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line BB shown in FIG.
  • the element 1 according to the fourth embodiment includes a first stacked unit 3, a second stacked unit 5, and a second end 1 b in the stacking direction and the first stacked unit 3. And the third laminated portion 13 located on the second end 1b side of the laminated portion 3 of the first laminated portion 3.
  • the third stacked portion 13 a plurality of piezoelectric bodies 7 and a plurality of internal electrodes 9 are alternately stacked.
  • stacking part 13 from the 1st edge part 1a side of a lamination direction to the 2nd edge part 1b side, it is a surface orthogonal to a lamination direction, and the cross section which the internal electrode 9 exposes. The area of the internal electrode 9 is gradually reduced.
  • the fourth embodiment includes the third stacked portion 13 in which the area of the internal electrode 9 in the cross section where the internal electrode 9 is exposed gradually decreases, and thus the second end portion of the element 1. It can suppress that a big stress is applied to 1b. Since 4th Embodiment can suppress that big stress is applied in the both ends of the element 1, it can have high durability.
  • FIGS. 9 and 10 show the structure in which the internal electrodes 9 are formed in a lattice shape as the third laminated portion 13, but the present invention is not limited to this.
  • the configuration shown as the second stacked unit 5 in the first or second embodiment may be used as the third stacked unit 13.
  • FIG. 11 is an exploded perspective view showing the multilayer piezoelectric element 1 according to the fifth embodiment of the present invention.
  • 12A to 12C are cross-sectional views taken along a plane that is orthogonal to the stacking direction of the embodiment shown in FIG. 11 and includes internal electrodes.
  • FIG. 13 is an exploded perspective view showing the multilayer piezoelectric element 1 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • 14 is a cross-sectional view in a direction parallel to the stacking direction of the embodiment shown in FIG.
  • the plurality of lattice-shaped internal electrodes 9 are positioned so as to face each other, thereby ensuring the piezoelectric displacement amount in the second stacked unit 5 and the first end 1a. It can suppress that big stress is applied to.
  • the durability of the element 1 is required to be higher than the piezoelectric displacement amount of the element 1, the following fifth and sixth embodiments are effective.
  • the plurality of lattice-shaped internal electrodes 9 adjacent to each other in the stacking direction in the second stacked portion 5 are arranged with the lattice shape shifted in one direction.
  • the adjacent lattice-shaped internal electrodes 9 are stacked piezoelectric elements 1 in which the axis C2 of the opening 9a of the internal electrodes 9 is shifted between the internal electrodes 9 facing each other.
  • the lattice shape is shifted in the horizontal direction in the drawing, but in the present invention, it may be shifted in other directions such as the vertical direction or the oblique direction. That is, in the present invention, the adjacent grid-shaped internal electrodes 9 may be arranged so as to be shifted between the opposed internal electrodes 9 so that the axes C2 of the opening portions 9a of the internal electrodes 9 do not coincide with each other.
  • the plurality of lattice-shaped internal electrodes 9 adjacent to each other in the stacking direction in the second stacked portion 5 have a lattice shape. They are staggered. By disposing the internal electrode 9 in this way, the variation in the displacement amount of the piezoelectric body 7 sandwiched between the lattice-shaped internal electrodes 9 can be reduced, so that it occurs in the second laminated portion 5. Stress can be reduced.
  • a ceramic green sheet to be the piezoelectric body 7 is produced. Specifically, a calcined powder of piezoelectric ceramic, a binder composed of an acrylic or butyral organic polymer, and a plasticizer are mixed to prepare a slurry. And a ceramic green sheet is produced from this slurry by using tape forming methods, such as a known doctor blade method and a calender roll method.
  • the piezoelectric ceramic any material having piezoelectric characteristics may be used. For example, a perovskite oxide made of PbZrO 3 —PbTiO 3 or the like can be used.
  • the plasticizer dibutyl phthalate (DBP), dioctyl phthalate (DOP), or the like can be used.
  • a conductive paste to be the internal electrode 9 is produced.
  • a conductive paste can be prepared by adding and mixing a binder, a plasticizer, and the like to a metal powder such as a silver-palladium alloy.
  • the conductive paste is disposed on the ceramic green sheet by using a screen printing method, and is fired as described later, whereby the piezoelectric body 7 and the internal electrode 9 can be formed.
  • the internal electrodes 9 for constituting the second laminated portion 5 are, for example, printed on the lattice-shaped internal electrodes 9 so as to change the pattern shape of the screen, and on the first end 1a side. What is necessary is just to laminate.
  • the external electrode 11 is formed so as to be electrically connected to the piezoelectric body 7 whose end is exposed on the outer surface of the element 1.
  • This external electrode 11 is obtained by adding a binder to glass powder to produce a silver glass conductive paste, printing this, and then drying and bonding or baking.
  • the laminate 2 on which the external electrode 11 is formed is immersed in a resin solution containing an exterior resin made of silicone rubber. Then, the silicone resin solution is vacuum degassed to bring the silicone resin into close contact with the concavo-convex portion on the outer peripheral side surface of the laminate 2, and then the laminate 2 is pulled up from the silicone resin solution. Thereby, a silicone resin (not shown) is coated on the side surface of the laminate 2. Then, the lead wire is connected to the external electrode 11 as a current-carrying portion with a conductive adhesive (not shown) or the like.
  • the laminated piezoelectric element 1 of the present embodiment is completed by applying a DC voltage of 0.1 to 3 kV / mm to the pair of external electrodes 11 via the lead wires to polarize the laminated body 2.
  • a lead wire to an external voltage supply unit (not shown) and applying a voltage to the piezoelectric body 7 via the lead wire and the external electrode 11 which are current-carrying parts, the piezoelectric body 7 is greatly displaced by the inverse piezoelectric effect. Can be made. This makes it possible to function as an automobile fuel injection valve that injects and supplies fuel to the engine, for example.
  • FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing an injection device according to an embodiment of the present invention.
  • the multilayer piezoelectric element 1 typified by the above embodiment is stored in a storage container 19 having an injection hole 17 at one end.
  • a needle valve 21 that can open and close the injection hole 17 is disposed in the storage container 19.
  • a fuel passage 23 is arranged in the injection hole 17 so as to be communicable according to the movement of the needle valve 21.
  • the fuel passage 23 is connected to an external fuel supply source, and fuel is always supplied to the fuel passage 23 at a constant high pressure. Therefore, when the needle valve 21 opens the injection hole 17, the fuel supplied to the fuel passage 23 is jetted into a fuel chamber of an internal combustion engine (not shown) at a constant high pressure.
  • the upper end portion of the needle valve 21 has a large diameter, and a cylinder 25 formed in the storage container 19 and a piston 27 slidable are disposed. In the storage container 19, the laminated piezoelectric element 1 described above is stored.
  • the injection device 15 includes a container having the injection holes 17 and the multilayer piezoelectric element 1, and is configured so that the liquid filled in the container is discharged from the injection holes 17 by driving the multilayer piezoelectric element 1. May be. That is, the multilayer piezoelectric element 1 does not necessarily have to be inside the container, and may be configured so that pressure is applied to the inside of the container by driving the multilayer piezoelectric element 1.
  • the liquid includes various liquid fluids such as conductive paste in addition to fuel and ink.
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing a fuel injection system according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel injection system 31 of this embodiment includes a common rail 33 that stores high-pressure fuel, a plurality of the injectors 15 that inject fuel stored in the common rail 33, and high-pressure fuel in the common rail 33. And a pressure control unit 37 for supplying a drive signal to the spraying device 15.
  • the injection control unit 37 controls the amount and timing of fuel injection while sensing the state in the combustion chamber of the engine with a sensor or the like.
  • the pressure pump 35 plays a role of sending the fuel from the fuel tank 39 to the common rail 33 at a pressure of about 1000 to 2000 atmospheres (about 101 MPa to about 203 MPa), preferably about 1500 to 1700 atmospheres (about 152 MPa to about 172 MPa).
  • the fuel sent from the pressure pump 35 is stored and sent to the injector 15 as appropriate.
  • the injection device 15 injects a small amount of fuel from the injection hole 17 into the combustion chamber in the form of a mist.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention.
  • the present invention relates to the multilayer piezoelectric element 1, the injection device 15, and the fuel injection system 31, but is not limited to the above-described embodiment. If the element 1 uses piezoelectric characteristics, the present invention is implemented. Is possible.
  • the multilayer piezoelectric element 1 was produced as follows.
  • a slurry is prepared by mixing a raw material powder mainly composed of lead zirconate titanate (PZT) powder having an average particle diameter of 0.4 ⁇ m, a binder and a plasticizer, and a ceramic green sheet having a thickness of 150 ⁇ m is formed by a doctor blade method.
  • PZT lead zirconate titanate
  • a conductive paste was prepared by adding a binder to a raw material powder containing silver-palladium alloy powder having a metal composition of 95% by mass of Ag and 5% by mass of Pd.
  • the conductive paste was printed on one side of the ceramic green sheet to a thickness of 30 ⁇ m by screen printing. And each ceramic green sheet on which the conductive paste was printed was laminated to produce a laminate 2.
  • the number of internal electrodes 9 is increased to 300, and only 20 ceramic green sheets on which no conductive paste is printed are stacked at both ends in the stacking direction of the stacked body 2. did.
  • sample number 1 the conductive paste was printed so that the cross-sectional areas of the internal electrodes 9 were all the same.
  • Sample numbers 2 to 6 are provided with a second laminated portion 5 and a third laminated portion 13, and these laminated bodies 2 are each provided with a lattice-shaped internal electrode 9.
  • the second laminated portion 5 and the third laminated portion 13 each have two layers, specifically, lattice-shaped internal electrodes at the first, second, 299, and 300th in the lamination direction. 9 was disposed.
  • Document No. 2 shows that the lattice-shaped internal electrodes 9 have the same shape as that shown in FIG. 6, and the lattice holes (opening portions 9 a) are 10 in the vertical direction and 10 in the horizontal direction.
  • the area of the region sandwiched between the substantial parts of the internal electrodes 9 having different polarities is 1/2, respectively, toward the first end 1a and the second end 1b of the element 1 It was assumed to decrease to 1/4.
  • Document No. 3 shows that the lattice-shaped internal electrode 9 has the same shape as that shown in FIGS. 17A to 17C (FIGS. 13 and 14), and the lattice holes (opening portions 9a) are vertically arranged in plan view.
  • the area of the region sandwiched between the substantial portions of the internal electrodes 9 having different polarities is 10 pieces, 10 pieces in the horizontal direction and 10 pieces in the lateral direction.
  • Document No. 4 has a lattice-shaped internal electrode 9 having the same shape as that shown in FIG. 12, and has 10 lattice holes (opening portions 9a) 10 in the vertical direction and 10 in the horizontal direction.
  • the areas of the regions sandwiched between the substantial portions of the internal electrodes 9 having different polarities are 1 ⁇ 2, respectively, toward the first end 1a and the second end 1b of the element 1. It was assumed to decrease to 1/4.
  • each of the second stacked portion 5 and the third stacked portion 13 has four layers, specifically, 1, 2, 3, 4, 297, 298, 299, 300 in the stacking direction.
  • a grid-shaped internal electrode 9 is provided.
  • the 100th and 200th internal electrodes 9 located in the first laminate 3 were also formed in a lattice shape.
  • Document numbers 5 and 6 have grid-shaped internal electrodes 9 having the same shape as that shown in FIG. 6, and 10 holes (opening portions 9 a) in the vertical direction and 10 in the horizontal direction in plan view.
  • the areas of the regions sandwiched between the substantial portions of the internal electrodes 9 having different polarities are 1/2 toward the first end 1a and the second end 1b of the element 1, respectively. It was assumed to decrease to 2, 1/4, 1/8, and 1/16.
  • the 100th and 200th internal electrodes 9 have the same shape as that shown in FIG. 6, and the lattice holes (opening portions 9a) are 10 vertically in the plan view and horizontally
  • the area of the region sandwiched between the substantial portions of the internal electrodes with different polarities was made to be 1 ⁇ 2.
  • Sample numbers 2, 5 and 6 are positioned such that adjacent grid-shaped internal electrodes 9 face each other, as shown in FIG.
  • Sample No. 3 as shown in FIGS. 12A, 12B, and 12C, a plurality of adjacent internal electrodes 9 having a lattice shape are arranged with the lattice shape shifted in one direction.
  • Sample No. 4 as shown in FIG. 13, a plurality of lattice-shaped internal electrodes 9 adjacent in the stacking direction are positioned so that the lattice shapes are staggered.
  • the laminate 2 of each sample number was subjected to binder removal treatment at a predetermined temperature, and then fired at 800 to 1200 ° C. to obtain a sintered body.
  • a conductive paste for the external electrode 11 was prepared by adding and mixing a binder, a plasticizer, a glass powder and the like to a metal powder containing silver as a main component. This conductive paste was printed by screen printing or the like on a portion where the external electrode 11 on the side surface of the sintered body was to be formed. Further, the external electrode 11 was formed by baking at 600 to 800 ° C.
  • the drive evaluation was performed using the sample thus prepared. As drive evaluation, high-speed response evaluation and durability evaluation were performed. First, a lead wire was connected to the external electrode 11, and a polarization treatment was performed by applying a 3 kV / mm DC electric field to the positive electrode and the negative external electrode 11 via the lead wire for 15 minutes to use the multilayer piezoelectric element 1. A piezoelectric actuator was fabricated. A DC voltage of 170 V was applied to the obtained piezoelectric actuator, and the amount of displacement in the initial state was measured.
  • an AC voltage of 0 V to +170 V was applied to each piezoelectric actuator at a room temperature with the frequency gradually increased from 150 Hz.
  • an AC voltage of 0 V to +170 V was applied to each piezoelectric actuator at a frequency of 150 Hz at room temperature, and a test was continuously performed up to 1 ⁇ 10 9 times.
  • the piezoelectric actuator of sample number 1 emitted a beat sound when the frequency exceeded 1 kHz.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of sample number 1 has a large cross-sectional area of each internal electrode 9 and thus the deformation of the piezoelectric body 7 located near the end of the element 1 is large. This is probably because the high-speed response was hindered by the large deformation of the piezoelectric body 7 located in the vicinity of the end of the element 1, and as a result, the frequency of the applied AC voltage could not be followed.
  • the pulse waveform of sample number 1 was confirmed using an oscilloscope “DL1640L” manufactured by Yokogawa Electric Corporation. As a result, harmonic noise was found at a location corresponding to an integer multiple of the drive frequency. confirmed.

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Abstract

　素子の端部にかかる応力を緩和させることのできる積層型圧電素子を提供する。 　その素子は、複数の圧電体と複数の内部電極とを有する積層体を備えた積層型圧電素子であって、その積層体は、それぞれ圧電体と内部電極とが交互に積層されてなる第１の積層部と第２の積層部を含み、その第２積層部は、積層体の積層方向の一方の端部である第１の端部を含んで該第１の端部側に位置し、かつ第２の積層部において内部電極の断面積が第１の端部に向かって漸次減少している。

Description

積層型圧電素子、これを備えた噴射装置及び燃料噴射システム
　本発明は、例えば、駆動素子（圧電アクチュエータ）、センサ素子及び回路素子に用いられる積層型圧電素子（以下、素子ともいう）に関するものである。駆動素子としては、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェットのような液体噴射装置、光学装置のような精密位置決め装置及び振動防止装置が挙げられる。センサ素子としては、例えば、燃焼圧センサ、ノックセンサ、加速度センサ、荷重センサ、超音波センサ、感圧センサ及びヨーレートセンサが挙げられる。また、回路素子としては、例えば、圧電ジャイロ、圧電スイッチ、圧電トランス及び圧電ブレーカーが挙げられる。
　従来から、積層型圧電素子は、小型化が進められると同時に大きな圧力下において大きな変位量を確保できることが求められている。そのため、より高い電圧が印加され、しかも長時間連続駆動させる過酷な条件化で使用できることが要求されている。
　コンデンサ等の通常の積層型電子部品と異なり、積層型圧電素子は駆動時に素子自体が連続的に寸法変化を起こす。そして、全ての圧電体が内部電極を介して密着して駆動することにより、積層型圧電素子は一体として大きく駆動変形する。そのため、素子の端部には大きな応力がかかる。
　上記課題を解決する手段の一つとして、特許文献１では、素子の端部に不活性層を設けるとともに、素子の端部に向かうに従って圧電体の厚みを暫増させた積層型圧電素子が提案されている。
特開２００２－２９９７０６号公報
　特許文献１に開示されているように、素子の端部に向かうに従って圧電体の厚みを暫増させることにより、積層型圧電素子の端部にかかる応力を緩和させることができる。しかしながら、圧電体の厚みを暫増させることにより、素子の寸法が大きくなってしまうという問題点がある。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。つまりは、素子の寸法を大きくすることなく、素子の端部にかかる応力を緩和させることのできる積層型圧電素子、これを用いた噴射装置及び燃料噴射システムを提供することを目的とする。
　本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電体と複数の内部電極とを有する積層体を備えた積層型圧電素子であって、前記積層体は、それぞれ前記圧電体と前記内部電極とが交互に積層されてなる第１の積層部と第２の積層部を含んでいる。
　そして、その第２の積層部は、前記積層体の積層方向の一方の端部である第１の端部を含んで該第１の端部側に位置し、かつ前記第２の積層部において前記内部電極の断面積が前記第１の端部に向かって漸次減少している。
　この本発明の積層型圧電素子によれば、積層方向の第１の端部側に位置する第２の積層部において、内部電極の面積を漸次減少させることにより、素子の端部に大きな応力がかかることを抑制できる。これは、内部電極の面積が端部に向けて小さくなっていくため、駆動領域が小さくなっていくからである。
　また、圧電体の厚みを端部に向けて漸増させることなく、内部電極の面積を段階的に小さくすることにより、圧電体の変位量を段階的に小さくしているので、そのため、素子を小型化することができる。
本発明の第１の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。 図１に示す実施形態の積層型圧電素子の分解斜視図である。 図１に示すＡ－Ａ線における断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す分解斜視図である。 本発明の第３の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す分解斜視図である。 第２の積層部において最も第１の端部側に位置する内部電極を含む断面図である。 図６Ａに図示する内部電極に対して第２の端部側で隣り合う内部電極を含む断面図である。 図６Ｂに図示する内部電極に対して第２の端部側で隣り合う内部電極を含む断面図である。 図５に示す実施形態の積層方向に平行な方向の断面図である。 本発明の第４の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。 図８に示す実施形態の積層型圧電素子の分解斜視図である。 図８に示すＢ－Ｂ線における断面図である。 本発明の第５の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す分解斜視図である。 図１１に示す実施形態の積層型圧電素子の第２の積層部において最も第１の端部側に位置する内部電極を含む断面図である。 図１２Ａに図示する内部電極に対して第２の端部側で隣り合う内部電極を含む断面図である。 図１２Ｂに図示する内部電極に対して第２の端部側で隣り合う内部電極を含む断面図である。 本発明の第６の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す分解斜視図である。 図１３に示す実施形態の積層型圧電素子の積層方向に平行な方向の断面図である。 本発明の一実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。 本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システムを示す概略ブロック図である。 図１３に示す第６の実施形態の積層型圧電素子の第２の積層部における一内部電極の形状を例示した平面図である。 図１７Ａに図示する内部電極に隣接する内部電極の形状を例示した平面図である。 図１７Ｂに図示する内部電極に隣接する内部電極の形状を示す平面図である。
符号の説明
１・・・積層型圧電素子
２・・・積層体
３・・・第１の積層部
５・・・第２の積層部
７・・・圧電体
９・・・内部電極
１１・・・外部電極
１３・・・第３の積層部
１５・・・噴射装置
１７・・・噴射孔
１９・・・収納容器
２１・・・ニードルバルブ
２３・・・燃料通路
２５・・・シリンダ
２７・・・ピストン
２９・・・皿バネ
３１・・・燃料噴射システム
３３・・・コモンレール
３５・・・圧力ポンプ
３７・・・噴射制御ユニット
３９・・・燃料タンク
　以下、本発明の積層型圧電素子について図面を用いて詳細に説明する。
　＜第１の実施形態＞
　図１は、本発明の第１の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。図２は、図１に示す実施形態の分解斜視図である。図３は、図１に示すＡ－Ａの断面図である。
　図１～３に示すように、第１の実施形態にかかる積層型圧電素子１は、第１の積層部３と、積層方向の第１の端部１ａを含み、第１の積層部３よりも第１の端部１ａ側に位置する第２の積層部５とを有する。第１の積層部３及び第２の積層部５は、それぞれ複数の圧電体７と複数の内部電極９とが交互に積層される。そして、第２の積層部５は、積層体２の積層方向の一方の端部である第１の端部１ａを含んで第１の端部１ａ側に位置し、かつ第２の積層部５において内部電極９の断面積が第１の端部１ａに向かって漸次減少している。すなわち、第２の積層部５は、積層方向に直交する方向にかかる内部電極９の断面積が、積層方向の第２の端部１ｂ側から第１の端部１ａ側に向かって漸次減少している。
　なお、本実施形態においては、図１～３の上側を第１の端部１ａ側として、積層型圧電素子１の上端部を第１の端部１ａとする。また、図１～３の下側を第２の端部１ｂ側とする。また、この積層方向に直交する方向であって内部電極９が露出する断面での内部電極９の面積を、内部電極９の断面積とする。
　そして、本実施形態においては、第２の積層部５に関して上記の断面における内部電極９の幅が、第１の端部１ａ側に向かって段階的に小さくなっている。このように、内部電極９の幅を段階的に小さくすることにより、内部電極９の断面積を段階的に小さくしている。なお、本実施形態では、積層体２の側面のうち外部電極１１が接続される面と平行であって積層方向に直交する方向を幅方向とし、積層体２の側面のうち外部電極１１が接続される面と直交しかつ積層方向に直交する方向を長さ方向とする。
　このように、第２の積層部５における内部電極９の断面積が漸次減少していくことにより、第２積層部５における圧電体７の変形を第１の端部１ａに近づくにしたがって小さくでき、素子１の第１の端部１ａに大きな応力がかかることを抑制できる。これは、内部電極９の断面積が第１の端部１ａに向けて小さくなっていくため、圧電体７のうち異極の外部電極１１と接続された一対の内部電極９により挟まれる部分が小さくなっていくからである。結果として、素子１の第１の端部１ａに応力が集中することを抑制できるので、素子１の耐久性を向上させることができる。
　また、本実施形態の素子１は、圧電体７の厚さを一定に保ったまま、内部電極９の断面積を段階的に小さくすることにより、圧電体７の変位量を段階的に小さくすることが可能である。そのため、圧電体７の厚みを第１の端部１ａに向けて漸増させる必要がなく、同じ厚みの圧電体７を用いることができる。結果として、素子１を小型化することができる。
　＜第２の実施形態＞
　次に、本発明の第２の実施形態にかかる積層型圧電素子１について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態にかかる積層型圧電素子１を示す分解斜視図である。
　図４に示すように、第２の実施形態においては、第１の積層部３よりも第１の端部１ａ側に位置する第２の積層部５において、中心軸Ｃに向かって縮小するようにして内部電極９の断面積が段階的に小さくなっている。このように、内部電極９間で中心軸Ｃを一致させつつ面積が順次小さくなるように、より好ましくは中心軸Ｃを一致させつつ相似形状を保って面積が順次小さくなるように、内部電極９が形成されている場合には、中心軸Ｃから離れるにしたがって、応力を均等に分散させることができる。また、これにより、第１の実施形態と比較して積層方向における応力のばらつきを小さくできる。したがって、第２の実施形態では、より効果的に耐久性を向上させることができる。
　積層体２は、積層方向に隣り合う一対の内部電極９が積層方向に対向する対向部分と、それ以外の非対向部分とに区分することができる。そして、圧電体７のうち、これらの部分の境界の近くには応力が集中しやすい。第２の実施形態では、上記のように内部電極９が配設されることにより、この境界が一つの平面上に形成されることを防ぐことができる。言い換えれば、上記の境界を段階的にずらすことができるので、応力を広範囲に分散させることができる。これにより、第１の実施形態と比較して応力のばらつきを小さくできる。
　＜第３の実施形態＞
　次に、本発明の第３の実施形態にかかる積層型圧電素子１について説明する。図５は、本発明の第３の実施形態にかかる積層型圧電素子１を示す分解斜視図である。図６Ａ～Ｃは、図５に示す実施形態の積層方向に直交する面であって内部電極９を含む面での断面図である。図７は、図５に示す実施形態の積層方向に平行な方向における断面図である。
　図５～７に示すように、第３の実施形態においては、第１の積層部３よりも第１の端部１ａ側に位置する第２の積層部５における複数の内部電極９の少なくとも１つが格子形状である。このように内部電極９が形成されている場合には、より効果的に応力を分散させることができ、第２の実施形態と比較して応力のばらつきを更に小さくできるので、耐久性をより向上させることができる。
　第１及び第２の実施形態は内部電極９の長さ及び／又は内部電極９の幅を第１の端部１ａに向かって段階的に小さくしている。一方、第３の実施形態においては、内部電極９の長さ及び幅を段階的に小さくする必要なく、内部電極９の断面積を段階的に小さくすることができる。そのため、積層方向と直交する断面における応力のばらつきを小さくすることができる。
　また、変位量の大きくなりやすい中心軸Ｃ付近と変位量の小さくなりやすい側面付近との変位量の差を小さくできるので、第１の実施形態及び第２の実施形態と比較して、応力緩和の効果が大きい。また、内部電極９が格子形状である場合には、内部電極９自体が変形しやすくなる。そのため、素子１の駆動時に内部電極９が損傷する可能性を低減できる。
　特に、高電圧下で素子１を使用する場合には、図５及び６に示すように、格子形状の内部電極９の外周が凹凸の少ない構造、すなわち直線で形成された構造であることが好ましい。このような構造であると、内部電極９の角部の数を少なくできるので、エッジ効果による電圧の集中を抑制できる。
　一方、圧電体７と内部電極９との接合性を高めたい場合には、格子形状の内部電極９の外周が階段状の縁であることが好ましい。内部電極９が、このような構造であることにより、内部電極９と圧電体７の接合面を大きくすることができるので、内部電極９と圧電体７の接合強度を高めることができる。
　また、図７に示すように、第２の積層部５が、複数の格子形状の内部電極９を有していることが好ましい。これにより、積層方向のより広い範囲で応力を緩和させることができる。格子形状の内部電極９が１つである場合、積層方向と直交する断面における応力のばらつきを小さくする効果は、この内部電極９を含む積層方向の一部分に留められる。対して、複数の格子形状の内部電極９を有している場合には、内部電極９が格子形状であることによる上記の効果が、これらの格子形状の内部電極９の間に位置する圧電体７で得られる。そのため、積層方向のより広い範囲で応力を緩和させることができる。
　さらに、第２の積層部５において、少なくとも１組の隣り合う内部電極９がそれぞれ格子形状であることがより好ましい。隣り合う内部電極９がそれぞれ格子形状であることにより、これらの内部電極９に挟まれた圧電体７は、積層方向と直交する方向での圧電変位のばらつきが小さくなる。そのため、積層方向と直交する方向及び平行な方向に両方で応力のばらつきを小さくすることができる。また、隣り合う格子形状の内部電極９が対向していることにより、素子１の駆動軸のぶれを小さくできるので、耐久性を高めることができる。
　ここで、駆動軸とは、積層型圧電素子１を電界印加方向に伸縮するアクチュエータとして用いた時に、伸縮駆動で変形する素子１の駆動方向（伸縮方向）における重心軸となる軸である。
　さらに、図７に示すように、隣り合う格子形状の内部電極９が対応するように配置されていることが好ましい。ここでいう対応とは、例えば、格子形状の内部電極９間で、開口部分９ａの中心軸Ｃ１がそれぞれ一致するように対向されており、開口部９ａの周りの電極部分９ａが対向しているような場合をいう。このように内部電極９が配設されている場合には、内部電極９の対向する部分を増やすことができる。そのため、第２の積層部５において圧電変位量を確保しつつ、第１の端部１ａに大きな応力がかかることを抑制することができる。
　また、図７に示すように、第１の端部１ａ側に位置する格子形状の内部電極９が、第２の端部１ｂ側に位置する格子形状の内部電極９よりも格子の幅が小さいことが好ましい。これにより、積層方向と直交する方向での圧電変位のばらつきを小さくするとともに、素子１の第１の端部１ａにおける圧電変位がより小さくなり、応力緩和効果をより大きくできる。
　さらに、格子形状の内部電極９間で、開口部分９ａの中心軸Ｃ１がそれぞれ一致するように対向させて開口部分９ａの周りの電極部分を互いに対向させるようにすると、例えば、開口部分９ａの面積を第１の端部１ａに向かって順次大きくすることで、電極部分の面積及び電極間の対向面積を順次減少させることができる。
　以上の第１～第３の実施形態では、第２の積層部５は、第２の端部１ｂ側から第１の端部１ａ側に向かって、内部電極９の面積が規則的に減少していることが好ましい。これにより、第２の積層部５の内部における応力のばらつきを小さくすることができる。そのため、第２の積層部５の特定の箇所に応力が集中して圧電体７にクラックが発生する可能性を低減できる。
　特に、第２の積層部５は、各々の積層方向に隣り合う内部電極９の面積の差が略一定であることがより好ましい。これにより、第２の積層部５の内部における応力のばらつきをさらに小さくすることができる。これは、素子１の中央部から第１の端部１ａに向かう応力分布カーブに変曲点が生じることを抑制できるので、素子１に加わる応力の向きを一定にしやすいからである。そのため、第２の積層部５の特定の箇所に応力が集中して圧電体７にクラックが発生する可能性をより低減できる。
　例えば、異なる極性の内部電極９の実体部分に挟まれた領域の面積が、素子１の端部に向けて、１，０．８，０．６，０．４，０．２と段階的に減少するように積層方向に隣り合う内部電極９の面積が減少していることが好ましい。
　また、第２の積層部５は、各々の積層方向に隣り合う内部電極９の面積の比が略一定であることも好ましい。これにより、第１の端部１ａに向かって応力を段階的に減少させることができる。そのため、第１の端部１ａにかかる応力を小さくすることができる。また、少ない内部電極９の数で、第１の端部１ａ側に向かって内部電極９の断面積を小さくすることができる。そのため、第２の積層部５の内部における応力のばらつきを小さくしつつ、素子１を小型化することができる。
　例えば、素子１の積層方向における応力分布のカーブが正規分布であることから、異なる極性の内部電極９の実体部分に挟まれた領域の面積が、素子１の端部に向けて、１，１／２，１／４，１／８，・・・、あるいは、１，１／３，１／９，１／２７，・・・と、指数関数的に減少するように積層方向に隣り合う内部電極９の面積が減少していることが好ましい。
　＜第４の実施形態＞
　次に、本発明の第４の実施形態にかかる積層型圧電素子１について説明する。図８は、本発明の第４の実施形態にかかる積層型圧電素子１を示す斜視図である。図９は、図８に示す実施形態の分解斜視図である。図１０は、図８に示すＢ－Ｂ線での断面図である。
　図８～１０に示すように、第４の実施形態にかかる素子１は、第１の積層部３と、第２の積層部５と、積層方向の第２の端部１ｂを含むとともに第１の積層部３よりも第２の端部１ｂ側に位置する第３の積層部１３とを有する。第３の積層部１３は、それぞれ複数の圧電体７と複数の内部電極９とが交互に積層される。そして、第３の積層部１３において、積層方向の第１の端部１ａ側から第２の端部１ｂ側に向かって、積層方向と直交する面であって内部電極９が露出する断面での内部電極９の面積が漸次減少している。
　このように、第４の実施形態は、内部電極９が露出する断面での内部電極９の面積が漸次減少する第３の積層部１３を有しているため、素子１の第２の端部１ｂに大きな応力がかかることを抑制できる。第４の実施形態は、素子１の両端部において大きな応力がかかることを抑制できるため、高い耐久性を有することができる。
　以上の第４の実施形態に関して、図９及び図１０には第３の積層部１３として内部電極９が格子形状に形成された構造を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、第３の積層部１３として第１又は第２の実施形態において第２の積層部５として示した構成を用いてもよい。
　＜第５及び６の実施形態＞
　次に、本発明の第５の実施形態及び第６の実施形態にかかる積層型圧電素子１について説明する。図１１は、本発明の第５の実施形態にかかる積層型圧電素子１を示す分解斜視図である。図１２Ａ～Ｃは、図１１に示す実施形態の積層方向と直交する面であって内部電極を含む断面における断面図である。図１３は、本発明の第６の実施形態にかかる積層型圧電素子１を示す分解斜視図である。図１４は、図１３に示す実施形態の積層方向に平行な方向の断面図である。
　前述の第３の実施形態のように、複数の格子形状の内部電極９が対向するように位置することにより、第２の積層部５において圧電変位量を確保しつつ、第１の端部１ａに大きな応力がかかることを抑制することができる。一方で、素子１の圧電変位量よりも、素子１の高い耐久性が求められる場合には、以下に示す第５の実施形態及び第６の実施形態が有効である。
　すなわち、図１１、１２に示すように、第５の実施形態では、第２の積層部５において積層方向に隣り合う複数の格子形状の内部電極９が、格子形状を一方向にずらして配設されている。すなわち、隣り合う格子形状の内部電極９が、対向する内部電極９間において該内部電極９の開口部分９ａの軸Ｃ２をずらして配置した積層型圧電素子１である。このように内部電極９が配設されることにより、例えば、図１２Ａ，図１２Ｂ上における横ラインを形成する電極部分のみが内部電極９間で対向するようになり、内部電極９が対向するように配置される部分を小さくすることができるので、第２の積層部５における圧電体７の圧電変位量をより抑制することができる。
　以上の図１２Ａでは、格子形状を図面上、横方向にずらして配設したが、本発明では、縦方向、又は斜方向等、他の方向にずらしてもよい。すなわち、本発明では、隣り合う格子形状の内部電極９を、対向する内部電極９間において該内部電極９の開口部分９ａの軸Ｃ２が一致しないようにずらして配置すればよい。
　また、図１３、図１４、図１７Ａ～図１７Ｃに示すように、第６の実施形態では、第２の積層部５において積層方向に隣り合う複数の格子形状の内部電極９が、格子形状が互い違いになるように位置している。このように内部電極９が配設されることにより、上記格子形状の内部電極９に挟まれた圧電体７の変位量のばらつきを小さくすることができるので、第２の積層部５に発生する応力を小さくすることができる。
　次に、本実施形態にかかる積層型圧電素子の製法について説明する。
　まず、圧電体７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、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、周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このスラリーから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、ＰｂＺｒＯ３-ＰｂＴｉＯ３等からなるペロブスカイト型酸化物などを用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）、フタル酸ジオチル（ＤＯＰ）などを用いることができる。
　次に、内部電極９となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀－パラジウム合金等の金属粉末にバインダー及び可塑剤等を添加混合することで、導電性ペーストを作製することができる。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷法を用いて配設し、後述するように、焼成することで圧電体７及び内部電極９を形成することができる。
　また、第２の積層部５を構成するための内部電極９は、例えば、格子形状の内部電極９を、スクリーンのパターン形状を変更するようにして印刷して、第１の端部１ａ側に積層すればよい。
　次に、素子１の外表面に端部が露出する圧電体７と導通が得られるように外部電極１１を形成する。この外部電極１１は、ガラス粉末に、バインダーを加えて銀ガラス導電性ペーストを作製し、これを印刷し乾燥接着あるいは、焼き付けることによって得られる。
　次に、シリコーンゴムからなる外装樹脂を含む樹脂溶液に、外部電極１１を形成した積層体２を浸漬する。そして、シリコーン樹脂溶液を真空脱気することにより、積層体２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、シリコーン樹脂溶液から積層体２を引き上げる。これにより、積層体２の側面にシリコーン樹脂（不図示）がコーティングされる。そして、外部電極１１に通電部としてリード線を導電性接着剤（不図示）等で接続する。
　リード線を介して一対の外部電極１１に０．１～３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、積層体２を分極することによって、本実施形態の積層型圧電素子１が完成する。リード線を外部の電圧供給部（不図示）に接続し、通電部であるリード線及び外部電極１１を介して圧電体７に電圧を印加することにより、圧電体７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。
　次に、本発明の噴射装置について説明する。図１５は、本発明の一実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。図１５に示すように、本実施形態にかかる噴射装置１５は、一端に噴射孔１７を有する収納容器１９の内部に上記実施形態に代表される積層型圧電素子１が収納されている。収納容器１９内には、噴射孔１７を開閉することができるニードルバルブ２１が配設されている。噴射孔１７には燃料通路２３がニードルバルブ２１の動きに応じて連通可能に配設されている。この燃料通路２３は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路２３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２１が噴射孔１７を開放すると、燃料通路２３に供給されていた燃料が一定の高圧で図示しない内燃機関の燃料室内に噴出されるように構成されている。
　また、ニードルバルブ２１の上端部は径が大きくなっており、収納容器１９に形成されたシリンダ２５と摺動可能なピストン２７が配置されている。そして、収納容器１９内には、上記した積層型圧電素子１が収納されている。
　このような噴射装置１５では、電圧が印加されることによって積層型圧電素子１が伸長すると、ピストン２７が押圧され、ニードルバルブ２１が噴射孔１７を閉塞し、燃料の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると積層型圧電素子１が収縮し、皿バネ２９がピストン２７を押し返し、噴射孔１７が燃料通路２３と連通して燃料の噴射が行なわれるようになっている。
　また、噴射装置１５は、噴射孔１７を有する容器と、積層型圧電素子１と、を備え、容器内に充填された液体が積層型圧電素子１の駆動により噴射孔１７から吐出させるように構成されていてもよい。すなわち、積層型圧電素子１が必ずしも容器の内部にある必要はなく、積層型圧電素子１の駆動によって容器の内部に圧力が加わるように構成されていればよい。なお、本実施形態において、液体とは、燃料、インクなどの他、導電性ペースト等の種々の液状流体が含まれる。
　次に、本発明の燃料噴射システムについて説明する。図１６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１６に示すように、本実施形態の燃料噴射システム３１は、高圧燃料を蓄えるコモンレール３３と、このコモンレール３３に蓄えられた燃料を噴射する複数の上記噴射装置１５と、コモンレール３３に高圧の燃料を供給する圧力ポンプ３５と、噴射装置１５に駆動信号を与える噴射制御ユニット３７と、を備えている。
　噴射制御ユニット３７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３５は、燃料タンク３９から燃料を１０００～２０００気圧（約１０１ＭＰａ～約２０３ＭＰａ）程度、好ましくは、１５００～１７００気圧（約１５２ＭＰａ～約１７２ＭＰａ）程度にしてコモンレール３３に送り込む役割を果たす。コモンレール３３では、圧力ポンプ３５から送られてきた燃料を蓄え、適宜噴射装置１５に送り込む。噴射装置１５は、上述したように噴射孔１７から少量の燃料を燃焼室に霧状に噴射する。
　なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何ら差し支えない。また、本発明は、積層型圧電素子１、噴射装置１５及び燃料噴射システム３１に関するものであるが、上記の実施形態に限定されるものでなく、圧電特性を利用した素子１であれば、実施可能である。
　積層型圧電素子１を以下のようにして作製した。
　まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）粉末を主成分とする原料粉末、バインダー及び可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み１５０μｍのセラミックグリーンシートを作製した。
　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を作製した。
　そして、上記セラミックグリーンシートの片面に、上記の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積層体２を作製した。なお、積層数としては、内部電極９の数が３００となるように積層し、積層体２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枚積層した。
　試料番号１においては、各内部電極９の断面積が全て同じとなるように導電性ペーストを印刷した。
　試料番号２～６は、第２の積層部５及び第３の積層部１３を備え、これらの積層体２はそれぞれ格子形状の内部電極９を備えている。試料番号２～４においては、第２の積層部５及び第３の積層部１３は、それぞれ２層ずつ、具体的には積層方向の１、２、２９９、３００番目に、格子形状の内部電極９を配設した。
　資料番号２は、格子形状の内部電極９が図６に示した形状と同様の形状であり、格子の穴（開口部分９ａ）を平面視で縦方向に１０個、横方向に１０個の１００個あけたものであり、異なる極性の内部電極９の実体部分に挟まれた領域の面積が、素子１の第１の端部１ａおよび第２の端部１ｂに向けて、それぞれ１／２，１／４と減少するものとした。
　資料番号３は、格子形状の内部電極９が図１７Ａ～図１７Ｃ（図１３，図１４）に示した形状と同様の形状であり、格子の穴（開口部分９ａ）を平面視で縦方向に１０個、横方向に１０個の１００個あけたものであり、異なる極性の内部電極９の実体部分に挟まれた領域の面積が、素子１の第１の端部１ａおよび第２の端部１ｂに向けて、それぞれ１／２，１／４と減少するものとした。
　資料番号４は、格子形状の内部電極９が図１２に示した形状と同様の形状であり、格子の穴（開口部分９ａ）を平面視で縦方向に１０個、横方向に１０個の１００個あけたものであり、異なる極性の内部電極９の実体部分に挟まれた領域の面積が、素子１の第１の端部１ａおよび第２の端部１ｂに向けて、それぞれ１／２，１／４と減少するものとした。
　試料番号５及び６においては、第２の積層部５及び第３の積層部１３が、それぞれ４層ずつ、具体的には積層方向の１、２、３、４、２９７、２９８、２９９、３００番目に、格子形状の内部電極９を備えている。さらに、試料番号６は、第１の積層部３に位置する１００、２００番目の内部電極９も格子形状とした。
　資料番号５及び６は、格子形状の内部電極９が図６に示した形状と同様の形状であり、格子の穴（開口部分９ａ）を平面視で縦方向に１０個、横方向に１０個の１００個あけたものであり、異なる極性の内部電極９の実体部分に挟まれた領域の面積が、素子１の第１の端部１ａおよび第２の端部１ｂに向けて、それぞれ１／２，１／４，１／８，１／１６と減少するものとした。
　さらに、資料番号６について、１００、２００番目の内部電極９が図６に示した形状と同様の形状であり、格子の穴（開口部分９ａ）を平面視で縦方向に１０個、横方向に１０個の１００個あけたものであり、異なる極性の内部電極の実体部分に挟まれた領域の面積が、１／２となるようにした。
　試料番号２、５及び６は、図７に示すように、隣り合う格子形状の内部電極９が対向するように位置している。また、試料番号３は、図１２Ａ，図１２Ｂ，図１２Ｃに示すように、隣り合う複数の格子形状の内部電極９が、格子形状を一方向にずらして配設されている。また、試料番号４は、図１３に示すように、積層方向に隣り合う複数の格子形状の内部電極９が、格子形状が互い違いになるように位置している。
　次に、それぞれの試料番号の積層体２に所定の温度で脱バインダー処理を施した後、８００～１２００℃で焼成して焼結体を得た。
　次に、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１１用の導電性ペーストを作製した。この導電性ペーストを、上記焼結体側面の外部電極１１を形成する箇所にスクリーン印刷等によって印刷した。さらに、６００～８００℃で焼成して外部電極１１を形成した。
　このようにして作製した試料を用いて駆動評価を行った。駆動評価としては、高速応答性評価と耐久性評価を行った。まず、外部電極１１にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極１１にリード線を介して３ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分間印加して分極処理を行い、積層型圧電素子１を用いた圧電アクチュエータを作製した。得られた圧電アクチュエータに１７０Ｖの直流電圧を印加して初期状態の変位量を測定した。
　高速応答性評価としては、各々の圧電アクチュエータに室温で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た。耐久性評価としては、各々の圧電アクチュエータに室温で０Ｖ～＋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なった。
　表１
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　表１に示すように、応答性評価を行った結果として、試料番号１の圧電アクチュエータでは、周波数が１ｋＨｚを超えた時にうなり音を発していた。これは、試料番号１の積層型圧電素子１は、各内部電極９の断面積が一定であるため、素子１の端部付近に位置する圧電体７の変形が大きいからである。素子１の端部付近に位置する圧電体７の変形が大きいことにより高速応答性が阻害されて、結果、印加した交流電圧の周波数に追従できなかったためと考えられる。
　なお、駆動周波数を確認するために、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ノイズが確認された。
　また、耐久性評価の結果として、試料番号１では、評価試験後の変位量は５μｍと、評価試験前と比較して９０％近く低下していた。また、試料番号１の圧電アクチュエータでは、積層圧電素子１の一部に剥がれが見られた。
　一方、試料番号２～６では、剥がれは見られなかった。また、評価試験後の変位量の低下が、３μｍ以下であり、評価試験前と比較して変位量の低下は１０％以下に抑えられていた。特に、試料番号５又は６を用いた圧電アクチュエータでは、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。
　なお、試料番号５及び６においては、初期状態の変位量が相対的に小さかったが、これは、変位量を小さくして耐久性を向上させる格子形状の内部電極９の数が多かったことが理由として挙げられる。

Claims (13)

  1. 　複数の圧電体と複数の内部電極とを有する積層体を備えた積層型圧電素子であって、
    　前記積層体は、それぞれ前記圧電体と前記内部電極とが交互に積層されてなる第１の積層部と第２の積層部とを含み、
    　前記第２の積層部は、前記積層体の積層方向の一方の端部である第１の端部を含んで該第１の端部側に位置し、かつ前記第２の積層部において前記内部電極の面積が前記第１の端部に向かって漸次減少していることを特徴とする積層型圧電素子。
  2. 　前記第２の積層部における前記複数の内部電極の少なくとも１つが、格子形状で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。
  3. 　前記第２の積層部は、前記格子形状の内部電極を複数有していることを特徴とする請求項２に記載の積層型圧電素子。
  4. 　前記第２の積層部は、少なくとも１組の隣り合う前記内部電極がそれぞれ格子形状であることを特徴とする請求項３に記載の積層型圧電素子。
  5. 　前記隣り合う格子形状の前記内部電極が、前記内部電極の開口部の軸をそれぞれ一致させるように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の積層型圧電素子。
  6. 　前記隣り合う格子形状の前記内部電極が、対向する前記内部電極間において前記内部電極の開口部の軸が一致しないようにずらして配置されていることを特徴とする請求項４に記載の積層型圧電素子。
  7. 　前記第１の端部側に位置する前記格子形状の前記内部電極が、前記第１の端部から離れて位置する前記格子形状の前記内部電極よりも格子の幅が小さいことを特徴とする請求項３～６のいずれかに記載の積層型圧電素子。
  8. 　前記第２の積層部において、前記第１の端部側に向かって、前記内部電極の面積が規則的に減少していることを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の積層型圧電素子。
  9. 　前記第２の積層部において、積層方向に隣り合う前記内部電極の面積の差が略一定になるように、前記内部電極の面積が減少していることを特徴とする請求項８に記載の積層型圧電素子。
  10. 　前記第２の積層部において、積層方向に隣り合う前記内部電極の前記面積の比が略一定になるように、前記内部電極の面積が減少していることを特徴とする請求項８に記載の積層型圧電素子。
  11. 　前記第１の積層部よりも前記積層体の積層方向の他方の端部である第２の端部側に位置し、複数の前記圧電体と複数の前記内部電極とが交互に積層された第３の積層部を有し、
    　前記第３の積層部は、前記第１の端部側から前記第２の端部側に向かって、積層方向と直交する面であって前記内部電極が露出する断面での前記内部電極の面積が漸次減少していることを特徴とする請求項１～１０のいずれかに記載の積層型圧電素子。
  12. 　請求項１～１１のいずれかに記載の積層型圧電素子と噴射孔とを備え、前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を吐出させることを特徴とする噴射装置。
  13. 　高圧燃料を備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１２に記載の噴射装置と、前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御システム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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