WO2010013670A1 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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piezoelectric element
multilayer
layer
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中村　成信
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京セラ株式会社
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    • H10N30/063—Forming interconnections, e.g. connection electrodes of multilayered piezoelectric or electrostrictive parts

Definitions

  • the present invention relates to a laminated piezoelectric 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 inkjet, 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.
  • an external electrode in a conventional multilayer piezoelectric element As an external electrode in a conventional multilayer piezoelectric element, as disclosed in Patent Document 1, it is made of a conductive paste comprising a conductive material such as silver and glass, and is attached to the side surface of the multilayer body. Is used. An external electrode is formed by applying this conductive paste to the side surface of the laminate and baking it.
  • the multilayer piezoelectric element is required to ensure a large amount of displacement under high pressure at the same time as miniaturization is advanced. For this reason, it is required that a higher electric field is applied and that the device can be used under severe conditions in which continuous driving is performed for a long time.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a multilayer piezoelectric element in which a decrease in displacement amount in use under the above severe conditions is improved.
  • the laminated piezoelectric element of the present invention includes a laminated body in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately laminated, an external electrode joined to a side surface of the laminated body and electrically connected to the internal electrode layer, And a hole is formed at the bonding interface between the side surface of the multilayer body and the external electrode.
  • the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the holes have a flat shape that is long in the surface direction of the side surface of the multilayer body.
  • the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in each of the above-described configurations, the holes are formed in a portion of the piezoelectric layer on a side surface of the multilayer body.
  • the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in each of the above-described configurations, the external electrode has a glass layer formed on a surface layer portion of a joint surface with the piezoelectric layer.
  • the holes are formed in a portion of the piezoelectric layer between the adjacent internal electrode layers on the side surface of the multilayer body. It is a feature.
  • the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in each of the above-described configurations, a plurality of the holes are formed.
  • the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in each of the above-described configurations, the hole is a closed space.
  • An injection device includes any one of the multilayer piezoelectric elements according to the present invention and an injection hole, and the liquid stored in the container is discharged from the injection hole by driving the multilayer piezoelectric element. It is characterized by.
  • a fuel injection system includes a common rail provided with high-pressure fuel, the injection device according to the present invention 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 an injection control unit for supplying a drive signal to the injection device.
  • the multilayer piezoelectric element of the present invention since the voids are formed at the bonding interface between the side surface of the multilayer body and the external electrode, the side surface of the multilayer body and the external electrode are not expanded when the multilayer body is expanded and contracted. Since the stress generated at the bonding interface can be reduced by the presence of the pores, it is possible to effectively prevent a part of the external electrode from being peeled from the side surface of the laminate, and the displacement characteristics of the laminate are reduced. Problems can be prevented from occurring.
  • the multilayer piezoelectric element of the present invention is provided as the multilayered piezoelectric element for discharging the liquid stored in the container from the ejection hole. Since part of the external electrode can be prevented from peeling from the side surface of the substrate, and the displacement characteristics of the laminate can be prevented from being lowered, desired liquid ejection can be stably performed over a long period of time.
  • the injection device of the present invention is provided as a device for injecting the high-pressure fuel stored in the common rail, the desired injection of high-pressure fuel can be stably performed over a long period of time. Can do.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of a bonding interface between a side surface of a multilayer body and an external electrode in the multilayer piezoelectric element illustrated in FIG. 2. It is a cross-sectional enlarged view which shows the example in which the glass layer is formed in the surface layer part of a junction part with the side surface of the laminated body of an external electrode. It is a schematic sectional drawing which shows an example of embodiment of the injection apparatus of this invention. It is a schematic structure figure showing an example of an embodiment of a fuel injection system of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of an embodiment of a laminated piezoelectric element of the present invention.
  • 2 is a cross-sectional view showing a cross section parallel to the stacking direction of the multilayer body of the multilayer piezoelectric element shown in FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the bonding interface between the side surface of the multilayer body and the external electrode in the multilayer piezoelectric element shown in FIG.
  • 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.
  • This hole 2 is interposed between the laminate 7 and the external electrode 9 so as to separate the side surface of the laminate 7 and the joint surface of the external electrode 9 at that portion.
  • the shape of the hole 2 viewed from the side of the external electrode 9 is not particularly limited, but may be any shape such as a circular shape or an elliptical shape.
  • the size of the hole 2 is preferably about 0.1 to 5 ⁇ m when the thickness of the external electrode 9 is, for example, 10 to 50 ⁇ m, and is about 0.1 to 5 ⁇ m. If the size viewed from the side is circular, the diameter (size viewed from the external electrode 9 side) is preferably about 0.5 to 50 ⁇ m.
  • the air holes 2 have a flat shape that is long in the surface direction of the side surface of the laminate 7. That is, the ratio of the area occupied by the holes 2 at the bonding interface between the stacked body 7 and the external electrode 9 is increased by making the shape of the holes 2 flat and long in the surface direction of the side surface of the stacked body 7. Therefore, the stress generated between the external electrode 9 and the side surface of the multilayer body 7 can be effectively reduced without unnecessarily increasing the thickness of the external electrode 9.
  • the surface direction of the side surface of the laminate 7 refers to a direction parallel to the side surface of the laminate 7. Therefore, it does not indicate a specific direction such as a vertical direction or a horizontal direction. That is, all the directions parallel to the side surface of the multilayer body 7 are the surface directions of the side surface of the multilayer body 7. Therefore, for example, it may be a flat shape that is long in the stacking direction of the stacked body 7, may be a flat shape that is long in a direction orthogonal to the stacking direction of the stacked body 7, and is long in other directions. It may be a flat shape.
  • the direction orthogonal to the stacking direction of the stacked body 7 is a direction along the internal electrode layer 5 exposed from the side surface of the stacked body 7 on the side surface of the stacked body 7 shown in FIG.
  • the thickness is about 0.5 to 5 ⁇ m, and the diameter as viewed from the external electrode 9 side. Is about 0.5 to 50 ⁇ m, and the diameter of the holes 2 is preferably at least twice as large as the thickness of the holes 2.
  • the long direction may be long along the lamination direction of the laminated body 7, and it is a direction orthogonal to a lamination direction. It may be long along.
  • those having a long shape along the direction orthogonal to the laminating direction of the laminated body 7 are preferable.
  • the long hole 2 along the stacking direction of the stacked body 7 and the long hole 2 along the direction orthogonal to the stacking direction may be mixed.
  • the holes 2 are formed in contact with the piezoelectric layer 3 at the site of the piezoelectric layer 3 on the side surface of the multilayer body 7.
  • the hole 2 is formed in contact with the piezoelectric layer 3 at the site of the piezoelectric layer 3 on the side surface of the multilayer body 7.
  • the external electrode 9 and the internal electrode layer 5 can be maintained while maintaining good electrical connection.
  • the stress generated between the side surface of the laminated body 7 can be reduced.
  • the shape of the hole 2 is piezoelectric so that the thickness of the external electrode 9 is not partially increased unnecessarily.
  • a flat shape that is long in the direction along the side surface of the body layer 3 is preferable.
  • the shape of the hole 2 is long in the direction along the side surface of the piezoelectric layer 3 and the thickness between the piezoelectric layer 3 and the external electrode 9 is thin, thereby reducing the thickness of the external electrode 9.
  • the variation of the dimension of the laminated body 7 included is reduced, and the multilayer piezoelectric element 1 with high dimensional accuracy can be supplied.
  • the external electrode 9 preferably has a glass layer 10 formed on the surface layer portion of the bonding surface of the multilayer body 7 with the piezoelectric layer 3.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing an example in which a glass layer 10 is formed on the surface layer portion of the joint surface of the laminate 7 of the external electrode 9 with the piezoelectric layer 3.
  • the glass layer 10 having a high bonding strength with the piezoelectric layer 3 is connected to the surface layer portion of the external electrode 9 which is the bonding surface with the piezoelectric layer 3 among the side surfaces of the stacked body 7 (Layered portion corresponding to the surface), the bonding strength of the external electrode 9 to the side surface of the laminated body 7 with respect to the piezoelectric layer 3 other than the portion where the holes 2 are formed is further increased. It can be strong.
  • the glass layer 10 on the surface layer portion of the external electrode 9 on the joint surface with the piezoelectric layer 3 among the side surfaces of the laminate 7 it is included in the silver glass conductive paste that forms the external electrode 9.
  • the external electrode 9 may be baked at a temperature equal to or higher than the softening temperature of the glass component.
  • the external electrode 9 having a structure in which two or more layers of silver glass conductive paste are superposed is formed and baked.
  • the layer of the silver glass conductive paste formed on the side of the laminate 7 most preferably has a higher glass content than other silver glass conductive paste layers. . Accordingly, when a glass component having good wettability with the piezoelectric layer 3 is used as the glass component of the silver glass conductive paste, the structure composed of a plurality of silver glass conductive paste layers forming the external electrode 9 is obtained.
  • the glass component in the silver glass conductive paste is softened and flows to the side surface side of the piezoelectric layer 3 among the side surfaces of the laminate 7.
  • the glass component can be segregated on the bonding surface of the laminate 7 with the piezoelectric layer 3 during baking.
  • the glass layer 10 can be effectively formed on the surface layer portion of the joint surface with the piezoelectric layer 3 among the side surfaces of the laminate 7 of the external electrode 9.
  • the glass components contained in the silver glass conductive paste to form the glass layer 10 on the external electrode 9 are silica glass, soda lime glass, lead alkali silicate glass, aluminoborosilicate having a softening temperature of 600 to 950 ° C. Salt glass, borosilicate glass, aluminosilicate glass, borate glass, phosphate glass, or the like can be used.
  • the amount of the glass component contained in the layer of the silver glass conductive paste that is formed on the side surface of the laminate 7 among the external electrodes 9 is about 5 to 20% by mass, and is contained in the other layers.
  • the amount of the glass component is preferably about 0.01 to 5% by mass.
  • the internal electrode layer 5 and the external electrode 9 it is preferable to contain silver particles in an amount of about 80 to 95% by mass in the silver glass conductive paste. Thereby, even when the glass layer 10 is formed, the electrical connection of the external electrode 9 to the internal electrode layer 5 can be ensured satisfactorily.
  • the thickness of the glass layer 10 is, for example, 1 to 5 ⁇ m while the thickness of the external electrode 9 is 10 to 50 ⁇ m, and the thickness of the external electrode 9 is about one-tenth of the thickness of the external electrode 9, It is preferable for improving the bonding strength to the side surface of the body 7 satisfactorily.
  • FIG. 4 shows an example in which the holes 2 are located at the interface between the glass layer 10 which is the surface layer portion of the external electrode 9 and the laminate 7, but the holes when the glass layer 10 is formed are shown.
  • 2 may be positioned closer to the external electrode 9 with respect to the glass layer 10, and is positioned at the bonding interface between the side surface of the multilayer body 7 and the external electrode 9 by being in contact with the side surface of the multilayer body 7. What is necessary is just to be formed so that the stress between the laminated body 7 and the external electrode 9 can be reduced.
  • the holes 2 are formed in the portion of the piezoelectric layer 3 between the adjacent internal electrode layers 5 on the side surface of the multilayer body 7, that is, in the portion of the side surface of the piezoelectric body layer 3 among the side surfaces of the multilayer body 7. It is desirable that This makes it possible to effectively reduce the stress generated between the external electrode 9 and the side surface of the multilayer body 7 while maintaining good conduction between the external electrode 9 and the internal electrode layer 5. As described above, when the holes 2 are formed in the portion of the piezoelectric layer 3 between the adjacent internal electrode layers 5 on the side surface of the multilayer body 7, the thickness of the external electrode 9 is partially increased unnecessarily.
  • the shape of the hole 2 is preferably a flat shape that is long in the direction along the side surface of the piezoelectric layer 3 between the internal electrode layers 5 adjacent to each other.
  • the hole 2 in this case is, for example, an elongated strip shape along the piezoelectric layer 3, and the width between the piezoelectric layer 3 and the external electrode 9 is less than or equal to the thickness of the piezoelectric layer 3. Any thin flat shape is acceptable.
  • a plurality of holes 2 are formed at the bonding interface between the side surface of the multilayer body 7 and the external electrode 9. It is preferable.
  • the effect of reducing the stress between the external electrode 9 and the side surface of the multilayer body 7 can be enhanced, and the multilayer piezoelectric element 1 is continuously driven at a high electric field and at a high speed. In this case, it is possible to more effectively prevent a problem that a part of the external electrode 9 is peeled off from the side surface of the laminated body 7 and the displacement characteristics are deteriorated.
  • the number density of the plurality of holes 2 formed is preferably about 50 to 1000 / mm 2 .
  • the ratio of the area occupied by the holes 2 at the bonding interface between the side surface of the multilayer body 7 and the external electrode 9 is about 0.1 to 5%.
  • the holes 2 When a plurality of the holes 2 are formed and the holes 2 are formed in the portion of the piezoelectric layer 3 between the internal electrode layers 5, at least the piezoelectric between the internal electrode layers 5 is formed. It is preferable that one or more holes 2 exist in the body layer 3. As a result, the stress can be relaxed at each part of the piezoelectric layer 3 between the internal electrode layers 5. Moreover, it is preferable that the holes 2 are distributed substantially uniformly in both the stacking direction of the stacked body 7 and the direction orthogonal to the stacking direction. As a result, the stress can be relaxed over the entire surface where the holes 2 are distributed.
  • the hole 2 is a closed space. This is because the air holes 2 are formed as a closed space, so that the air existing in the closed space serves as a cushion and effectively prevents the air holes 2 from being crushed by the stress generated by the external force. The stress generated between the external electrode 9 and the side surface of the multilayer body 7 can be reduced over a long period of time.
  • the hole 2 is not a closed space, a part of the hole 2 is exposed on the atmosphere side surface of the external electrode 9, and the hole 2 has an opening on the surface of the external electrode 9.
  • the holes 2 are formed in the outer peripheral edge of the external electrode 9, and the holes 2 have an opening in the outer peripheral edge of the external electrode 9.
  • the hole 2 is a closed space
  • a plurality of holes 2 may be connected to form a closed space as a whole. Also in this case, the effect of reducing the stress generated between the external electrode 9 and the side surface of the multilayer body 7 is further enhanced.
  • a ceramic green sheet to be the piezoelectric layer 3 is produced. Specifically, a calcined powder of piezoelectric ceramic, a binder made 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 molding methods, such as a doctor blade method and a calender roll method.
  • the piezoelectric ceramic may be any piezoelectric ceramic, and for example, a perovskite oxide made of PbZrO 3 —PbTiO 3 can be used.
  • a plasticizer DBP (dibutyl phthalate), DOP (diethyl phthalate), etc. can be used.
  • a conductive paste to be the internal electrode layer 5 is produced.
  • a conductive paste can be produced by adding and mixing a binder and a plasticizer to silver (Ag) -palladium (Pd) metal powder.
  • the conductive paste is disposed on the ceramic green sheet in the pattern of the internal electrode layer 5 using a screen printing method. Further, a plurality of ceramic green sheets on which this conductive paste is printed are stacked, debindered at a predetermined temperature, and then fired at a temperature of 900 to 1200 ° C., thereby alternately stacking piezoelectric layers. 3 and the laminated body 7 provided with the internal electrode layer 5 can be formed.
  • the laminated body 7 is not limited to what is produced by the said manufacturing method, If the laminated body 7 which laminates
  • the laminate 7 obtained by firing is ground to a predetermined shape using a surface grinder or the like.
  • a silver glass conductive paste prepared by adding a binder, a plasticizer and a solvent to a conductive powder and glass powder mainly composed of silver is printed on the side surface of the laminate 7 by screen printing or the like in the pattern of the external electrode 9.
  • the external electrode 9 can be formed by drying at a predetermined temperature and baking.
  • a silver glass conductive paste that becomes the external electrode 9 after baking is formed.
  • a silver glass conductive material is formed by printing a hole material made of a material that does not burn when the external electrode 9 is baked on the side surface of the laminate 7 with the size and shape of the hole 2 and forming the external electrode 9 thereon.
  • the pore material is not burned during baking, so that the desired void 2 can be formed at the bonding interface between the side surface of the laminate 7 and the external electrode 9.
  • the pore material is preferably carbon powder or beads made of an organic resin such as acrylic beads.
  • a pore material paste obtained by adding and mixing a binder to these pore materials is preliminarily applied to a portion where the pores 2 on the side surface of the laminate 7 are to be formed by screen printing or inkjet printing, and then, By printing and baking a silver glass conductive paste to be the external electrode 9, the void 2 can be formed at a desired location on the bonding interface between the side surface of the multilayer body 7 and the external electrode 9.
  • hole 2 which has a flat shape long in the surface direction of the side surface of the laminated body 7 can also be obtained by apply
  • the following may be performed.
  • the surface of the external electrode 9 that is in contact with the side surface of the laminate 7 is a hole.
  • a method of forming a rough surface with a recess corresponding to 2 can be employed.
  • a method of processing the surface of the external electrode 9 into a rough surface by sandblasting or the like may be employed. In this case, a large number of minute recesses are formed on the surface of the external electrode 9 on the surface in contact with the side surface of the multilayer body 7.
  • the size of the air holes 2 can be adjusted to some extent by adjusting the size of.
  • the laminate 7 on which the external electrodes 9 are 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 portions on the outer peripheral side surface of the laminate 7, and then the laminate 7 is pulled up from the silicone resin solution. Thereby, the silicone resin is coated on the side surface of the laminate 7 on which the external electrode 9 is formed. Then, the lead wire is connected to the external electrode 9 as a current-carrying portion with a conductive adhesive or the like.
  • each piezoelectric layer 3 is made to have an inverse piezoelectric effect. It can be displaced greatly. This makes it possible to function as an automobile fuel injection valve that injects and supplies fuel to the engine, for example.
  • FIG. 5 is a schematic sectional view showing an example of the embodiment of the injection device of the present invention.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of the present invention represented by the above-described embodiment is accommodated in a storage container 23 having an injection hole 21 at one end. ing.
  • a needle valve 25 capable of opening and closing the injection hole 21 is disposed in the storage container 23 in the storage 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 fluid is always supplied to the fluid passage 27 at a high pressure. Therefore, when the needle valve 25 opens the fluid passage 27 communicating with the injection hole 21, the fluid supplied to the fluid passage 27 passes from the injection hole 21 to an external or adjacent container, for example, a fuel chamber (not shown) of the internal combustion engine. It is configured to be ejected.
  • the upper end portion of the needle valve 25 has a large inner diameter, and a cylinder 29 formed in the storage container 23 and a slidable piston 31 are arranged.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of the present invention as described above is stored.
  • the fluid channel 27 may be opened by applying a voltage to the multilayer piezoelectric element 1 and the fluid channel 27 may be closed by stopping the application of the voltage.
  • the injection device 19 includes a container having the injection holes 21 and the multilayer piezoelectric element 1 according to the present invention.
  • the fluid filled in the container is driven from the injection holes 21 by driving the multilayer piezoelectric element 1.
  • You may be comprised so that it may discharge. That is, the multilayer piezoelectric element 1 does not necessarily have to be housed in the container, and the multilayer piezoelectric element 1 is configured to apply a pressure for controlling the ejection of fluid into the container by driving the multilayer piezoelectric element 1. That's fine.
  • the fluid includes various liquid fluids (such as conductive paste) and gas in addition to fuel and ink.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing an example of an embodiment of the fuel injection system of the present invention.
  • the fuel injection system 35 of this example includes a common rail 37 that stores high-pressure fuel as a high-pressure fluid, and a plurality of injection devices 19 of the present invention that inject the high-pressure fluid stored in the common rail 37.
  • a pressure pump 39 for supplying high-pressure fluid to the common rail 37 and an injection control unit 41 for supplying a drive signal to the injection device 19 are provided.
  • the injection control unit 41 controls the amount and timing of high-pressure fluid injection based on external information or an external signal. For example, when the injection control unit 41 is used for fuel injection of the engine, the amount and timing of fuel injection can be controlled while sensing the situation in the combustion chamber of the engine with a sensor or the like.
  • the pressure pump 39 serves to supply fluid fuel from the fuel tank 43 to the common rail 37 at a high pressure.
  • fluid fuel is fed into the common rail 37 at a high pressure of about 1000 to 2000 atmospheres (about 101 MPa to about 203 MPa), preferably about 1500 to 1700 (about 152 MPa to about 172 MPa).
  • the high-pressure fuel sent from the pressure pump 39 is stored and appropriately sent to the injection device 19.
  • the injection device 19 injects a certain fluid from the injection hole 21 to the outside or an adjacent container as described above.
  • the target for injecting and supplying fuel is an engine
  • high-pressure fuel is injected in a mist form from the injection hole 21 into the combustion chamber of the engine.
  • the external electrodes 9 are not limited to those formed on the opposing side surfaces of the multilayer body 7 as in the examples shown in FIGS. 1 and 2, and the two external electrodes 9 are adjacent to the side surfaces of the multilayer body 7. It may be formed on the same side surface of the laminate 7.
  • the cross-sectional shape in the direction orthogonal to the stacking direction of the stacked body 7 is not limited to the quadrangular shape as an example of the above embodiment, but a polygonal shape such as a hexagonal shape or an octagonal shape, a circular shape, or a straight line and an arc.
  • a conductive auxiliary member for flowing a large current may be provided outside the external electrode 9.
  • the conductive auxiliary member is made of a metal wire, mesh, mesh-like plate, or the like, and is used by being connected and fixed to the external electrode 9 with a conductive adhesive or solder.
  • a piezoelectric actuator provided with the multilayer piezoelectric element of the present invention was produced as follows. First, a slurry in which a calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ) having an average particle diameter of 0.4 ⁇ m, a binder, and a plasticizer was prepared. Using this slurry, a ceramic green sheet serving as the piezoelectric layer 3 having a thickness of 150 ⁇ m was prepared by a doctor blade method.
  • a calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ) having an average particle diameter of 0.4 ⁇ m, a binder, and a plasticizer was prepared. Using this slurry, a ceramic green sheet serving as the piezoelectric layer 3 having a thickness of 150 ⁇ m was prepared by a doctor blade method.
  • a binder was added to the silver-palladium alloy to produce a conductive paste to be an internal electrode layer.
  • a conductive paste serving as an internal electrode layer was printed on one side of the ceramic green sheet by a screen printing method, and 300 ceramic green sheets on which these conductive pastes were printed were laminated. Then, the laminate was obtained by firing at 980 to 1100 ° C.
  • the pores having a flat shape long in the surface direction of the side surface of the laminate (major axis 6 ⁇ m, minor axis 4 ⁇ m, thickness 1 ⁇ m) However, they were formed at the bonding interface between the side surface of the laminate and the external electrode.
  • the glass layer was formed with a thickness of 1 ⁇ m on the surface layer portion of the joint surface with the piezoelectric layer of the laminate of the external electrodes.
  • the glass layer was formed by using silica glass as the glass component.
  • the layer on the side surface side of the laminated body contains 10% by mass of silica glass, and the other layers was formed using a plurality of paste layers containing 2% by mass of silica glass.
  • the pores can absorb and relieve the stress repeatedly generated at the joint interface between the side surface of the laminate and the external electrode during driving, and therefore a part of the external electrode remains after driving 1 ⁇ 10 9 times. There was no problem that the displacement characteristics deteriorated by peeling from the side surface of the laminate.
  • the piezoelectric actuator of Sample No. 3 in which the shape of the hole is a flat shape that is long in the surface direction of the side surface of the laminated body, and in addition, a glass layer is formed on the surface layer portion of the joint surface with the side surface of the laminated body of the external electrode
  • a part of the external electrode does not peel from the side surface of the laminate even after 1 ⁇ 10 10 continuous drivings, and the displacement characteristics are not deteriorated, and further high durability is provided. I found out.

Abstract

　【課題】　高電界かつ高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも外部電極が積層体の側面から剥離する可能性が小さい、耐久性に優れた積層型圧電素子を提供する。 　【解決手段】　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の側面とこの側面に接合された外部電極９との接合界面に空孔２が形成されている積層型圧電素子１である。空孔２により駆動時に積層体７の側面と外部電極９との接合界面に生じる応力を低減することができるので、長期間連続駆動させた場合でも外部電極９が積層体７の側面から剥離する可能性が小さい。

Description

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
　本発明は、例えば、駆動素子（圧電アクチュエータ），センサ素子および回路素子に用いられる積層型圧電素子に関するものである。駆動素子としては、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置，インクジェットのような液体噴射装置，光学装置のような精密位置決め装置，振動防止装置が挙げられる。センサ素子としては、例えば、燃焼圧センサ，ノックセンサ，加速度センサ，荷重センサ，超音波センサ，感圧センサ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。
　従来の積層型圧電素子における外部電極としては、特許文献１に開示されているように、銀等の導電材とガラスとを備えた導電性ペーストからなる、積層体の側面に被着させたものが用いられている。この導電性ペーストを積層体の側面に塗布し、焼き付けを行なうことで外部電極が形成される。
　積層型圧電素子は、小型化が進められると同時に、高い圧力下において大きな変位量を確保するように求められている。そのため、より高い電界が印加され、しかも長時間連続駆動させる過酷な条件下で使用できることが要求されている。
特開2005－174974号公報
　しかしながら、特許文献１に開示された外部電極を用いた積層型圧電素子では、高電界、高圧力または長時間の連続駆動のような過酷な条件下での使用において、外部電極の一部が積層体の側面から剥離する可能性がある。
　これは、電圧を印加することによって積層体が積層方向に伸長および収縮する際に、積層体と外部電極との接合界面に応力が生じるためである。つまり、高電界で長時間連続駆動させた場合に、積層体の側面と外部電極との接合界面に繰り返し生じる応力によって、外部電極の一部が積層体の側面から剥離し、一部の圧電体に外部電極から電圧が供給されなくなって変位特性が低下するといった問題が生じていた。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、上記の過酷な条件下での使用における変位量の低下を改善した積層型圧電素子を提供することを目的とする。
　本発明の積層型圧電素子は、圧電体層と内部電極層とが交互に積層された積層体と、この積層体の側面に接合されて前記内部電極層に電気的に接続された外部電極とを含む積層型圧電素子であって、前記積層体の側面と前記外部電極との接合界面に空孔が形成されていることを特徴とするものである。
　また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記空孔は、前記積層体の側面の面方向に長い扁平な形状を有することを特徴とするものである。
　また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記空孔は、前記積層体の側面における前記圧電体層の部位に形成されていることを特徴とするものである。
　また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記外部電極は、前記圧電体層との接合面の表層部にガラス層が形成されていることを特徴とするものである。
　また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記空孔は、前記積層体の側面における互いに隣接する前記内部電極層の間の前記圧電体層の部位に形成されていることを特徴とするものである。
　また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記空孔は複数形成されていることを特徴とするものである。
　また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記空孔は閉じた空間であることを特徴とするものである。
　本発明の噴射装置は、上記いずれかの本発明の積層型圧電素子と噴射孔とを備え、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。
　本発明の燃料噴射システムは、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前記高圧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。
　本発明の積層型圧電素子によれば、積層体の側面と外部電極との接合界面に空孔が形成されていることから、積層体の伸長時および収縮時に積層体の側面と外部電極との接合界面に生じる応力を空孔の存在によって低減することができるため、積層体の側面から外部電極の一部が剥離することを有効に防止することができ、積層体の変位特性が低下するといった問題が生じるのを防止することができる。
　また、本発明の噴射装置によれば、容器内に蓄えられた液体を噴射孔から吐出させる積層型圧電素子として本発明の積層型圧電素子を備えていることから、積層型圧電素子において積層体の側面から外部電極の一部が剥離することを防止でき、積層体の変位特性が低下するのを防止することができるので、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。
　さらに、本発明の燃料噴射システムによれば、コモンレールに蓄えられた高圧燃料を噴射する装置として本発明の噴射装置を備えていることから、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。
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。 本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例であって、積層体の積層方向に平行な断面を示す断面図である。 図２に示す積層型圧電素子における積層体の側面と外部電極との接合界面近傍の拡大断面図である。 外部電極の積層体の側面との接合部の表層部にガラス層が形成されている例を示す断面拡大図である。 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。 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構成図である。
　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る。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を示す断面図である。図３は図２に示す積層型圧電素子における積層体の側面と外部電極との接合界面近傍の拡大断面図である。
　図３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とを含む積層型圧電素子１であって、積層体７の側面と外部電極９との接合界面に、積層体７の側面と外部電極９の接合面とを分離させる空孔２が形成されている。
　このように、外部電極９と積層体７との接合界面に空孔２を設けることにより、積層体７が伸長および収縮した際に積層体７と外部電極９との接合界面に繰り返し生じる応力を空孔２の存在によって低減することができ、これにより応力のために外部電極９の一部が積層体７の側面から剥離することを抑制することができる。
　この空孔２は、その部分で積層体７の側面と外部電極９の接合面とを分離させるものとして、積層体７と外部電極９との間に介在しているものである。空孔２の外部電極９側から見た形状は、特に限定されるものではないが、例えば、円形状や楕円形状といった形状であればよい。また空孔２の大きさとしては、外部電極９の厚みが例えば10～50μｍのときに厚み（外部電極９の厚み方向の大きさ）が0.1～５μｍ程度であることが好ましく、外部電極９側から見た大きさが円形状の場合であれば直径（外部電極９側から見た大きさ）で0.5～50μｍ程度であることが好ましい。
　また、空孔２は、積層体７の側面の面方向に長い扁平な形状であることが好ましい。すなわち、空孔２の形状が積層体７の側面の面方向に長い扁平な形状であることにより、積層体７と外部電極９との接合界面において空孔２が占める面積の割合を大きくすることができるので、外部電極９の厚みを不要に厚くすることなく有効に外部電極９と積層体７の側面との間に発生する応力を低減することができる。
　ここで、積層体７の側面の面方向とは、積層体７の側面に平行な方向のことをいう。従って、上下方向や左右方向等の特定の方向を示す訳ではない。つまり、積層体７の側面に平行な方向は、すべて積層体７の側面の面方向ということになる。従って、例えば、積層体７の積層方向に長い扁平な形状であってもよく、積層体７の積層方向に直交する方向に長い扁平な形状であってもよく、また、それら以外の方向に長い扁平な形状であってもよい。なお、ここで積層体７の積層方向に直交する方向とは、図１に示す積層体７の側面において、積層体７の側面から露出している内部電極層５に沿う方向のことである。
　また、積層体７の側面の面方向に長い扁平な形状の空孔２が、外部電極９側から見て円形状の場合、厚みが0.5～５μｍ程度であり、外部電極９側から見た直径は、0.5～50μｍ程度で、空孔２の直径は、空孔２の厚みの２倍以上の大きさであることが好ましい。
この範囲内とすることにより、外部電極９と積層体７の側面との間に発生する応力をより効果的に低減することができる。
　なお、空孔２が積層体７の側面の面方向に長い形状である場合に、その長い方向は、積層体７の積層方向に沿って長いものであってもよく、積層方向に直交する方向に沿って長いものであってもよい。中でも、積層体７の伸縮によって生じる応力を効率的に分散させるという点からは、積層体７の積層方向に直交する方向に沿って長い形状であるものが好ましい。また、積層体７の積層方向に沿って長い形状の空孔２と、積層方向に直交する方向に沿って長い形状の空孔２とが混在していてもよい。
　さらに、空孔２は、積層体７の側面における圧電体層３の部位に、圧電体層３に接するように形成されていることが好ましい。このように空孔２の形成部位を積層体７の側面における圧電体層３の部位としておくことにより、外部電極９と内部電極層５との導通接続を良好に保ったまま、外部電極９と積層体７の側面との間に発生する応力を低減することができる。このように空孔２が積層体７の側面における圧電体層３の部位に形成されている場合は、外部電極９の厚みが部分的に不要に厚くならないように、空孔２の形状は圧電体層３の側面に沿った方向に長い扁平な形状であることが好ましい。つまり、空孔２の形状が圧電体層３の側面に沿った方向に長く、圧電体層３と外部電極９との間の厚みが薄い扁平な形状であることによって、外部電極９の厚みを含めた積層体７の寸法のばらつきが小さくなり、寸法精度の良い積層型圧電素子１を供給することができる。
　また、外部電極９は、図４に図３と同様の拡大断面図で示すように、積層体７の圧電体層３との接合面の表層部にガラス層10が形成されていることが好ましい。図４は外部電極９の積層体７の圧電体層３との接合面の表層部にガラス層10が形成されている例を示す拡大断面図である。つまり、圧電体層３との接合強度の高いガラス層10を積層体７の側面のうち圧電体層３との接合面となる外部電極９の表層部（外部電極９の最も積層体７側の表面に相当する層状の部位）に形成しておくことによって、空孔２が形成されている部位以外での圧電体層３に対して外部電極９の積層体７の側面への接合強度をより強固なものとすることができる。
　このように積層体７の側面のうちでも圧電体層３との接合面の外部電極９の表層部にガラス層10を形成するには、外部電極９を形成する銀ガラス導電性ペーストに含まれるガラス成分の軟化温度以上の温度で外部電極９の焼き付けを行なえばよい。
　さらに、有効にガラス層10を形成するには、銀ガラス導電性ペーストの層を２層以上重ね合わせた構造を有する外部電極９を形成し、焼き付けを行なえばよい。その場合には、最も積層体７の側面側に形成される銀ガラス導電性ペーストの層を、他の銀ガラス導電性ペーストの層と比較して、ガラスの含有率が大きいものとしておくとよい。これによって、銀ガラス導電性ペーストのガラス成分として圧電体層３との濡れ性の良いガラス成分を用いた場合に、外部電極９を形成する複数の銀ガラス導電性ペーストの層から成る構造体の焼き付けを行なう際に、銀ガラス導電性ペースト中のガラス成分が軟化して、積層体７の側面のうちでも圧電体層３の側面側に流動する。従って、焼き付け時にガラス成分を積層体７の圧電体層３との接合面に偏析させることができる。その結果、外部電極９の積層体７の側面のうちでも圧電体層３との接合面の表層部にガラス層10を有効に形成することができる。
　外部電極９にガラス層10を形成するために銀ガラス導電性ペーストに含有させるガラス成分としては、軟化温度が600～950℃のシリカガラス，ソーダ石灰ガラス，鉛アルカリけい酸ガラス，アルミノほうけい酸塩ガラス，ほうけい酸塩ガラス，アルミノけい酸塩ガラス，ほう酸塩ガラスまたはりん酸塩ガラス等を用いることができる。また、外部電極９のうち、最も積層体７の側面側に形成される銀ガラス導電性ペーストの層に含有されているガラス成分の量は５～20質量％程度であり、その他の層に含有されているガラス成分の量は0.01～５質量％程度であることが好ましい。
　また、内部電極層５および外部電極９の電気的な接続を良好にするために、銀ガラス導電性ペースト中に銀の粒子を80～95質量％程度の量で含有させることが好ましい。これにより、ガラス層10が形成された場合であっても、外部電極９の内部電極層５に対する電気的な接続を良好に確保することができる。
　また、ガラス層10の厚みは、例えば外部電極９の厚みが10～50μｍであるのに対して１～５μｍとし、外部電極９の厚みの10分の１程度としておくと、外部電極９の積層体７の側面に対する接合強度を良好に高める上で好ましい。
　なお、図４では、空孔２は外部電極９の表層部であるガラス層10と積層体７との界面に位置している例を示しているが、ガラス層10を形成した場合の空孔２は、ガラス層10に対して外部電極９寄りに位置していてもよく、積層体７の側面に接していることによって、積層体７の側面と外部電極９との接合界面に位置して積層体７と外部電極９との間の応力を低減できるように形成されていればよい。
　さらに、空孔２は、積層体７の側面における互いに隣接する内部電極層５の間の圧電体層３の部位に、すなわち積層体７の側面のうち圧電体層３の側面の部位に形成されていることが望ましい。これにより、外部電極９と内部電極層５との導通を良好に保ったまま、外部電極９と積層体７の側面との間に生じる応力を有効に低減することが可能となる。このように空孔２が積層体７の側面における互いに隣接する内部電極層５の間の圧電体層３の部位に形成されている場合は、外部電極９の厚みを部分的に不要に厚くすることがないように、空孔２の形状は互いに隣接する内部電極層５の間でそれらの間の圧電体層３の側面に沿った方向に長い扁平な形状であることが好ましい。この場合の空孔２は、例えば圧電体層３に沿った細長い帯状であり、その幅が圧電体層３の厚みと同程度以下である、圧電体層３と外部電極９との間の厚みが薄い扁平な形状であればよい。
　また、空孔２は、外部電極９に対して１つのみ形成されているだけでは必ずしも十分ではない場合があるので、積層体７の側面と外部電極９との接合界面に複数形成されていることが好ましい。空孔２が複数形成されていることにより、外部電極９と積層体７の側面との間の応力低減効果を高めることができ、積層型圧電素子１を高電界で高速で連続駆動させた場合においても、外部電極９の一部が積層体７の側面から剥離して変位特性が低下するという問題が生じるのをより有効に防ぐことができる。複数形成されている空孔２の個数密度は50～1000個／ｍｍ２程度であることが好ましい。また、積層体７の側面と外部電極９との接合界面において空孔２が占める面積の割合は、0.1～５％程度であることが好ましい。空孔２の個数密度および占有面積割合をこの範囲内とすることにより、外部電極９と積層体７の側面との間の接合強度を確保しながら応力低減効果をより高めることができる。
　空孔２が複数形成されているときであって、空孔２が内部電極層５の間の圧電体層３の部位に形成されている場合には、少なくとも各内部電極層５の間の圧電体層３の部位に空孔２が１つ以上存在することが好ましい。これにより、各内部電極層５の間の圧電体層３のそれぞれの部位において応力を緩和できるようになる。また、積層体７の積層方向および積層方向に直交する方向ともに、略均一に空孔２が分布していることが好ましい。これにより、空孔２が分布している範囲の全面にわたって応力を緩和できるようになる。
　さらに、空孔２は、閉じた空間であることが望ましい。これは、空孔２が閉じた空間として形成されていることにより、この閉じた空間内に存在する空気がクッションの役目を果たし、外力によって生じる応力によって空孔２がつぶれるのを有効に防ぐことができ、長期間にわたって、外部電極９と積層体７の側面との間に発生する応力を低減することができる。なお、空孔２が閉じた空間でない場合としては、空孔２の一部が外部電極９の大気側の表面に露出していて空孔２が外部電極９の表面に開口を有している場合や、空孔２が外部電極９の外周縁部に形成されていて空孔２が外部電極９の外周縁に開口を有している場合等がある。また、空孔２が閉じた空間である場合であれば、複数の空孔２が繋がった状態であって全体として閉じた空間を形成しているものであってもよい。この場合も、外部電極９と積層体７の側面との間に発生する応力を低減する効果がより高まる。
　次に、本例の積層型圧電素子１の製法について説明する。
　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，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、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、ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３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、ＤＢＰ（フタル酸ジブチル），ＤＯＰ（フタル酸ジオチル）などを用いることができる。
　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（Ａｇ）－パラジウム（Ｐｄ）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内部電極層５のパターンで配設する。さらに、この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複数枚積層し、所定の温度で脱バインダーを行なった後、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を備えた積層体７を形成することができる。
　なお、積層体７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、複数の圧電体層３と複数の内部電極層５とを交互に積層してなる積層体７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、焼成して得られた積層体７に、平面研削盤などを用いて、所定の形状になるよう研削を行なう。
　その後、銀を主成分とする導電剤粉末およびガラス粉末にバインダー，可塑剤およ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９のパターンで積層体７の側面にスクリーン印刷等によって印刷する。その後、所定の温度で乾燥し、焼き付けを行なうことにより、外部電極９を形成することができる。
　ここで、積層体７の側面と外部電極９の接合面とをその間に介在することによって分離させる空孔２を接合界面に形成するには、焼き付け後に外部電極９となる銀ガラス導電性ペーストを、外部電極９を形成する積層体７の側面に印刷する前に、予め空孔２を形成させたい部分に、外部電極９の焼き付け時に焼失（消失）する空孔材を塗布しておくことにより形成することができる。すなわち、外部電極９の焼き付け時に燃えてなくなる材質により構成した空孔材を積層体７の側面に空孔２の大きさおよび形状で印刷し、その上から外部電極９を形成する銀ガラス導電性ペーストを印刷して焼き付けることにより、焼き付け時に空孔材が燃えてなくなることによって、積層体７の側面と外部電極９との間の接合界面に所望の空孔２を形成することができる。
　ここで、空孔材としては、カーボン粉末が、あるいはアクリルビーズなどの有機樹脂からなるビーズなどが好ましい。これらの空孔材にバインダーを添加混合することにより得られる空孔材ペーストを、スクリーン印刷やインクジェット印刷などによって積層体７の側面の空孔２を形成したい部分に予め塗布しておき、その後、外部電極９となる銀ガラス導電性ペーストを印刷して焼き付けを行なうことによって、積層体７の側面と外部電極９との接合界面の所望の場所に空孔２を形成することができる。
　なお、積層体７の側面の面方向に長い扁平な形状を有する空孔２は、空孔材に扁平なアクリルビーズを用いて面方向に平行に配置されるように塗布することによっても得ることができる。
　また、積層体７の側面と外部電極９との接合界面に空孔２を形成するために、以下のようにしてもよい。
　例えば、外部電極９として所定の形状および大きさに成形した後に積層体７に被着させるものを用いる場合であれば、外部電極９の表面のうちで積層体７の側面と接する面を空孔２に相当する凹部が形成された粗面とする方法が採用できる。例えば、サンドブラスト等によって外部電極９の面を粗面に加工する方法を採用するとよい。この場合には、外部電極９の表面のうち積層体７の側面と接する面に、多数の微小な凹部が形成される。従って、積層体７の側面に、このサンドブラスト等によって粗面に加工した外部電極９の面を当接させると、外部電極９の面における微小な凹部が存在する部分に空気が入り込みやすくなっているので、積層体７の側面への接合後に接合界面に空孔２が形成されることとなる。
　また、サンドブラストによって外部電極９の積層体７との接合面を加工することによって、積層体７の側面と外部電極９との接合界面に空孔２を形成する場合は、サンドブラストを行なうための粒子の大きさを調節することによって、空孔２の大きさを、ある程度調節することができるので好ましい。
　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９を形成した積層体７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、シリコーン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がコーティングされる。そして、外部電極９に通電部としてリード線を導電性接着剤等で接続する。
　その後、一対の外部電極９に0.1～３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、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、本例の積層型圧電素子１が完成する。この積層型圧電素子１によれば、リード線を介して外部電極９と外部の電源とを接続して、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。
　図５に示すように、本例の噴射装置19は、一端に噴射孔21を有する収納容器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。
　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に通じる流体通路27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（不図示）に、噴射孔21から噴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、前述したような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が開放されて噴射孔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流路27を開放し、電圧の印加を停止することによって流体流路27を閉塞するように構成しても良い。
　また、本発明の噴射装置19は、噴射孔21を有する容器と、本発明の積層型圧電素子１とを備え、容器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が必ずしも容器の内部に収納されている必要はなく、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、本発明において、流体とは、燃料，インクなどの他、種々の液状流体（導電性ペースト等）および気体が含まれる。本発明の噴射装置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。
　本発明の積層型圧電素子１を採用した本発明の噴射装置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一例について説明する。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構成図である。
　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本発明の噴射装置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噴射制御ユニット41を用いた場合は、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（約152ＭＰａ～約172ＭＰａ）気圧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、適宜噴射装置19に送り込む。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、外部電極９は、図１および図２に示す例のように積層体７の対向する側面にそれぞれ形成するものに限られるものではなく、２つの外部電極９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などの多角形状，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。また、外部電極９の外側に、大電流を流すための導電性補助部材が設けられても構わない。この導電性補助部材は、金属製の線材やメッシュ，メッシュ状の板などからなり、導電性接着剤や半田などで外部電極９に接続固定して用いられる。
　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（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スラリーを作製した。このスラリーを用いてドクターブレード法により厚み150μｍの圧電体層３となるセラミックグリーンシートを作製した。
　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、これらの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枚積層した。そして、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した後、外部電極を形成する積層体の側面に、球形のアクリルビーズ（直径５μｍ）および扁平な形状のアクリルビーズ（長径10μｍ、短径８μｍ、厚み２μｍ）にバインダーを混合添加した空孔材ペーストを塗布し、その上に外部電極となる銀ガラス導電性ペーストを印刷して、700℃にて焼き付けを行なった。なお、このときの銀ガラス導電性ペーストに含まれるガラスの軟化点は730℃であった。
　ここで、このように空孔材ペーストを塗布せずに作製した本発明の比較例の試料番号１の圧電アクチュエータには、積層体の側面と外部電極との接合界面に空孔は見られなかった。一方、球形のアクリルビーズを用いた空孔材ペーストを塗布した本発明の実施例の試料番号２の圧電アクチュエータには、球形状の空孔（直径３μｍ）が、扁平な形状のアクリルビーズを用いた空孔材ペーストを塗布した本発明の実施例の試料番号３の圧電アクチュエータには、積層体の側面の面方向に長い扁平な形状を有する空孔（長径６μｍ、短径４μｍ、厚み１μｍ）が、それぞれ積層体の側面と外部電極との接合界面に形成されていた。
　また、扁平な形状のアクリルビーズを用いた空孔材ペーストを塗布し、その後、外部電極となる銀ガラス導電ペーストに含まれるガラス成分の軟化点を600℃とし、700℃にて焼き付けを行なった本発明の実施例の試料番号４の圧電アクチュエータでは、外部電極の積層体の圧電体層との接合面の表層部にガラス層が厚み１μｍで形成されていた。なお、ここでは、ガラス成分としてシリカガラスを用いることによって、ガラス層を形成するものとした。また、このガラス層を形成する場合には、外部電極となる銀ガラス導電性ペーストの層のうち、最も積層体の側面側の層には10質量％のシリカガラスを含有させ、他の層には２質量％のシリカガラスを含有させて、複数のペースト層を用いて形成するものとした。
　その後、外部電極にリード線を接続し、正極および負極の外部電極にそれぞれリード線を介して３ｋＶ／ｍｍの直流電界を15分間印加して、分極処理を行なった。このようにして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。得られた圧電アクチュエータに160Ｖの直流電圧を印加したところ、積層体の積層方向に40μｍの変位量が得られた。さらに、この圧電アクチュエータを室温で０～＋160Ｖの交流電圧を150Ｈｚの周波数で印加して、１×10９回および１×10１０回まで連続駆動した試験を行なった。得られた結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示す結果から分かるように、本発明の比較例である試料番号１の圧電アクチュエータでは、積層体の側面と外部電極との接合界面に空孔が存在していないために、駆動時に積層体の側面と外部電極との間に生じる応力を緩和することができずに、１×10９回駆動後には外部電極の一部が積層体の側面から剥離し、変位特性が１／２に低下してしまっていた。一方、本発明の実施例である試料番号２～４の圧電アクチュエータでは、積層体の側面と外部電極との接合界面に、積層体の側面と外部電極の接合面とをその部分で分離させる空孔が形成されているため、駆動時に積層体の側面と外部電極との接合界面に繰り返し生じる応力を空孔が吸収して緩和できるため、１×10９回駆動後には外部電極の一部が積層体の側面から剥離して変位特性が低下すると言った問題は生じていなかった。
　さらに、空孔の形状を積層体の側面の面方向に長い扁平な形状にした試料番号３の圧電アクチュエータ、およびそれに加えて外部電極の積層体の側面との接合面の表層部にガラス層を形成した試料番号４の圧電アクチュエータでは、１×10１０回の連続駆動後にも外部電極の一部が積層体の側面から剥離して変位特性が低下することはなく、さらに高耐久性を備えていることが分かった。
１・・・積層型圧電素子
２・・・空孔
３・・・圧電体層
５・・・内部電極層
７・・・積層体
９・・・外部電極
10・・・ガラス層
19・・・噴射装置
21・・・噴射孔
23・・・収納容器
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 (9)

  1. 　圧電体層と内部電極層とが交互に積層された積層体と、該積層体の側面に接合されて前記内部電極層に電気的に接続された外部電極とを含む積層型圧電素子であって、前記積層体の側面と前記外部電極との接合界面に空孔が形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
  2. 　前記空孔は、前記積層体の側面の面方向に長い扁平な形状を有することを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。
  3. 　前記空孔は、前記積層体の側面における前記圧電体層の部位に形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。
  4. 　前記外部電極は、前記圧電体層との接合面の表層部にガラス層が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。
  5. 　前記空孔は、前記積層体の側面における互いに隣接する前記内部電極層の間の前記圧電体層の部位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４のいずれかに記載の積層型圧電素子。
  6. 　前記空孔は複数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。
  7. 　前記空孔は閉じた空間であ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。
  8. 　噴出孔を有する容器と、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噴射装置。
  9. 　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８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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