WO2012011302A1 - 積層型圧電素子およびこれを備え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備えた噴射装置ならびに燃料噴射システム Download PDF

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WO2012011302A1
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piezoelectric element
piezoelectric
porous layer
multilayer
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PCT/JP2011/057281
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Inventor
中村　成信
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京セラ株式会社
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    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings
    • H10N30/883—Further insulation means against electrical, physical or chemical damage, e.g. protective coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/02—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively
    • F02M63/0225—Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails

Definitions

  • the present invention relates to a laminated piezoelectric element used as, for example, a piezoelectric driving element (piezoelectric actuator), a pressure sensor element, a piezoelectric circuit element, and the like, an injection device including the same, and a fuel injection system.
  • a piezoelectric driving element piezoelectric actuator
  • a pressure sensor element a piezoelectric sensor
  • a piezoelectric circuit element a piezoelectric circuit element
  • a laminated piezoelectric element basically includes a laminated body in which a piezoelectric layer and an internal electrode layer are laminated, and an external electrode joined to a side surface of the laminated body and electrically connected to the internal electrode layer. belongs to.
  • the conventional multilayer piezoelectric element is provided with an exterior coating in order to prevent discharge on the surface of the multilayer body.
  • a multilayer piezoelectric element using a ceramic coat (ceramic coating layer) having good heat resistance and moisture resistance as the exterior coat is known (see Patent Document 1).
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and is a laminate in which cracks are generated in a portion of the ceramic coating layer facing the end portion of the internal electrode layer and discharge is prevented from occurring on the surface of the ceramic coating layer.
  • An object of the present invention is to provide a piezoelectric element, an injection device including the piezoelectric element, and a fuel injection system.
  • the present invention relates to a laminated body in which a piezoelectric layer and an internal electrode layer are laminated, an external electrode joined to a side surface of the laminated body and electrically connected to the internal electrode layer, and attached to the side surface of the laminated body
  • An ejection device includes a container having an ejection hole and any one of the multilayer piezoelectric elements according to the present invention, and fluid stored in the container is driven from the ejection hole by driving the multilayer piezoelectric element. It is characterized by being discharged.
  • the fuel injection system of the present invention includes a common rail that stores high-pressure fuel, the injection device of the present invention that injects the high-pressure fuel stored in the common rail, a pressure pump that supplies the high-pressure fuel to the common rail, and the injection And an injection control unit for supplying a drive signal to the apparatus.
  • the crack of the ceramic coating layer generated by the stress generated by the elongation of the multilayer body is selectively generated at a site located on the side of the porous layer provided in the multilayer body. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the portion of the ceramic coating layer facing the end portion of the internal electrode layer, and to suppress the occurrence of discharge on the surface of the ceramic coating layer.
  • a common rail that stores high-pressure fuel
  • an injection device of the present invention that injects high-pressure fuel stored in the common rail
  • a pressure pump that supplies high-pressure fuel to the common rail
  • a drive signal to the injection device Therefore, the desired injection of the high-pressure fuel can be stably performed over a long period of time.
  • the multilayer piezoelectric element of the present invention can be reliably and stably manufactured.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA shown in FIG. It is an enlarged view of the porous layer shown in FIG. It is an enlarged view of the ceramic coating layer vicinity shown in FIG. 2, (a) shows the example which the porous layer has reached the surface of the laminated body, (b) has not reached the surface of the laminated body. An example is shown.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the vicinity of the ceramic coating layer shown in FIG. 2, showing an example in which a part of the ceramic coating layer enters a part of the porous layer.
  • It is a schematic sectional drawing which shows an example of embodiment of the injection apparatus of this invention. It is the schematic which shows an example of embodiment of the fuel-injection system of this invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of an embodiment of a laminated piezoelectric element of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a view of the porous layer shown in FIG. It is an enlarged view.
  • 4 is an enlarged view of the vicinity of the ceramic coating layer shown in FIG. 2, wherein (a) shows an example in which the porous layer has reached the surface of the laminate, and (b) shows that the porous layer is of the laminate. An example of not reaching the surface is shown.
  • FIG. 5 is an enlarged view of the vicinity of the ceramic coating layer shown in FIG. 2, and shows an example in which a part of the ceramic coating layer enters a part of the porous layer.
  • the laminated piezoelectric element 1 of this example includes a laminated body 7 in which a piezoelectric layer 2 and an internal electrode layer 3 are laminated, and an internal electrode layer bonded to a side surface of the laminated body 7.
  • a multilayer piezoelectric element including an external electrode 6 electrically connected to the ceramic body and a ceramic coating layer 5 deposited on the side surface of the multilayer body 7, wherein the porous body 4 is provided on the multilayer body 7. It is a feature.
  • the multilayer body 7 constituting the multilayer piezoelectric element 1 includes, for example, an active portion in which piezoelectric layers 2 and internal electrode layers 3 are alternately stacked, and piezoelectric layers 2 provided at both ends of the active portion in the stacking direction.
  • the internal electrode layer 3 is formed by alternately forming positive and negative electrodes every other layer.
  • the laminated body 7 is formed in a rectangular parallelepiped shape having a length of 0.5 to 10 mm, a width of 0.5 to 10 mm, and a height of 1 to 100 mm, for example.
  • the piezoelectric layer 2 constituting the laminated body 7 is made of piezoelectric ceramics having piezoelectric characteristics, and for example, a perovskite oxide such as PbZrO 3 -PbTiO 3 (PZT: lead zirconate titanate) can be used.
  • the thickness of the piezoelectric layer 2 is, for example, 3 ⁇ m to 250 ⁇ m.
  • the internal electrode layers 3 constituting the laminate 7 are alternately laminated with the piezoelectric layers 2 so as to sandwich the piezoelectric layers 2 from above and below, and the positive electrode and the negative electrode are arranged in the order of lamination, so that A drive voltage is applied to the piezoelectric layer 2 sandwiched between the two.
  • the internal electrode layer 3 is made of a metal such as silver palladium (Ag—Pd), for example.
  • the positive electrode and the negative electrode (or the ground electrode) are alternately led to the opposite side surfaces of the multilayer body 7, respectively. It is electrically connected to a pair of external electrodes 6 joined to the side surface of the laminate.
  • the internal electrode layer 3 has a thickness of 0.1 ⁇ m to 5 ⁇ m, for example.
  • the pair of external electrodes 6 is formed by applying and baking a paste made of silver and glass, for example, joined to the side surface of the laminated body 7 and alternately led to the opposite side surfaces of the laminated body 7.
  • the internal electrode layers 3 are electrically connected to each other.
  • the thickness of the external electrode 6 is, for example, 5 to 500 ⁇ m.
  • the ceramic coating layer 5 is adhered to the side surface of the laminate 7.
  • the ceramic coating layer 5 is deposited on the side of the laminate 7 where the external electrode 6 is not formed.
  • the end portions of the positive electrode and the negative electrode (or ground electrode) of the internal electrode layer 3 reach both sides. Since the ceramic coating layer 5 is deposited on this surface, the ceramic coating layer 5 is firmly bonded to the side surface of the laminate 7 even when continuously driven at high temperature and high humidity. It is possible to prevent peeling or migration due to moisture intrusion.
  • the coating layer is the ceramic coating layer 5, there is no problem even if it is used at a high temperature that cannot be withstood by the resin coating layer.
  • the ceramic coating layer 5 is not limited to be applied only to this side surface, and may be applied to all side surfaces, and may also be applied to the surface of the external electrode 6 and the surface of the external lead member 9. May be.
  • Examples of the material for forming the ceramic coating layer 5 include a piezoelectric material and alumina, and are preferably made of a piezoelectric material. Since the ceramic coating layer 5 is formed of a piezoelectric material, the crystal can be distorted, so that it is possible to follow the displacement of the laminated body and to prevent the ceramic coating layer 5 from peeling off. That is, the ceramic coating layer 5 exhibits a piezoelectric effect due to a leakage electric field from the internal electrode layer 3 (an electric field generated in a region not sandwiched between the electrodes), and can follow the expansion and contraction of the multilayer body 7.
  • the peeling of the ceramic coating layer 5 due to the difference in thermal expansion during baking cooling can be prevented. Can do. Moreover, the characteristic deterioration of the piezoelectric layer 2 due to the diffusion of a trace component can be prevented.
  • the thickness of the ceramic coating layer 5 is, for example, 5 to 300 ⁇ m.
  • the porous layer 4 is provided in the laminated body 7.
  • FIG. The porous layer 4 is disposed as a part between the piezoelectric layers 2 and is formed as a layer having a stress relaxation function that is lower in strength than the internal electrode layer 3 and easily generates cracks due to stress.
  • it is composed of a piezoelectric layer that is insufficiently sintered, a piezoelectric layer or metal layer with many voids, or a layer in which piezoelectric particles or metal particles are distributed independently.
  • the porous layer 4 contains more holes than the internal electrode layer 3. Since the porous layer 4 contains more holes than the internal electrode layer 3, cracks can be generated in the porous layer 4 stably and selectively.
  • the porosity of the porous layer 4 (ratio of the volume occupied by the pores in the volume of the porous layer 4) is a porosity that is twice or more the porosity of the internal electrode layer 3. It is preferable. By making the porosity of the porous layer 4 more than twice the porosity of the internal electrode layer 3, the strength of the porous layer 4 can be reliably reduced with respect to the strength of the internal electrode layer 3. When the stress is generated in the laminated body 7 along with the elongation, the porous layer 4 can be cracked before the internal electrode layer 3, thereby causing the stress generated in the laminated body 7. Can be relaxed.
  • the pores in the porous layer 4 have a shape in which a plurality of pores are connected to each other in order to selectively generate cracks in the porous layer 4 and effectively reduce the strength of the porous layer 4. It is preferable.
  • the porous layer 4 is preferably made of a metal material. Since the metal is soft, the stress caused by the displacement of the laminated body 7 can be absorbed, and the laminated body 7 can be prevented from being damaged.
  • the porous layer 4 contains the metal member 41 mutually independent as shown in FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the porous layer 4 and shows a state in which the metal members 41 are scattered. Since the rigidity of the porous layer 4 can be lowered by distributing the metal members 41 softer than the piezoelectric bodies constituting the piezoelectric layer 2 in an independent state, the porous layer 4 in the multilayer body 7 can be reduced. Can function well. Since the metal members 41 are independent from each other in the porous layer 4, there is no electrical conduction by the metal members 41.
  • the metal members 41 included in the porous layer 4 are partially joined to the adjacent piezoelectric layer 2. In this case, since the bonding area between the metal member 41 and the piezoelectric layer 2 can be further reduced, the strength of the porous layer 4 can be kept lower, and the porous layer 4 in the laminate 7 can be further reduced. It can function effectively.
  • the porous layer 4 may be composed of a piezoelectric material.
  • the piezoelectric members are scattered, and even when used in a compressed preload state, the piezoelectric body can be deformed to absorb the stress and prevent the laminate 7 from being damaged.
  • the porous layer 4 may be a mixed layer of a metal material and a piezoelectric material.
  • the two effects of the metal material and the piezoelectric material described above are combined, and damage to the laminate 7 can be prevented even in a harsher environment.
  • the porous layer 4 when the laminate 7 is stretched and a tensile stress is applied in the stacking direction of the laminate 7, the porous layer 4 is preferentially cracked, and the internal electrode layer 3 and the piezoelectric layer 2 can be prevented from being cracked. Since the porous layer 4 has lower rigidity than the internal electrode layer 3 and therefore lower rigidity than the piezoelectric layer 2, cracks generated from the side surface of the multilayer body 7 in the porous layer 4 are not reduced. In other words, it does not progress toward the internal electrode layer 3 by bending. Therefore, since the crack generated in the porous layer 4 propagates along the porous layer 4, the crack propagates through the piezoelectric layer 2 sandwiching the porous layer 4 to the adjacent internal electrode layer 3, The internal electrode layer 3 is not short-circuited.
  • the cracks that are selectively generated in the porous layer 4 reduce the stress caused by the expansion and contraction of the laminate 7, so that the displacement of the laminate 7 is not constrained over a long period of time. A long-term maintenance of high displacement can be achieved.
  • the internal electrode layers 3 adjacent to the upper and lower sides of the porous layer 4 have the same polarity (positive electrodes or negative electrodes). Thereby, an electric field is not generated between the piezoelectric layers 2 adjacent to the upper and lower sides of the porous layer 4, and the adjacent piezoelectric layers 2 can be prevented from being distorted. By not distorting the piezoelectric layer 2 sandwiching the porous layer 4, cracks generated in the porous layer 4 can be propagated only to the porous layer 4 without branching to the piezoelectric layer 2.
  • the porous layer 4 may reach the surface of the laminated body 7, but as shown in FIG. 4 (b), it does not reach the surface of the laminated body 7, and the surface It may be formed in a retracted state.
  • the porous layer 4 is retracted from the surface of the laminated body 7 when the metal member 41 constituting the porous layer 4 shown in FIG. It means that it is in a position retracted from the surface (a position away from).
  • the retraction distance D1 at this time is preferably 500 ⁇ m or less. By setting the retraction distance D1 to 500 ⁇ m or less, a crack can be induced in a portion of the ceramic coating layer 5 located on the side of the porous layer 4.
  • the distance D2 to be inserted is preferably 1 ⁇ m or more. By setting the entering distance D2 to be 1 ⁇ m or more, the bonding strength is increased by the anchor effect.
  • the porous layers 4 are arranged at equal intervals in the stacking direction of the stacked body 7, whereby stress can be relieved over the entire stacking direction of the stacked body 7. It is possible to effectively prevent cracks from occurring in the internal electrode layer 3 formed in large numbers.
  • the equal interval refers to the average value of the interval between the porous layer 4 and the porous layer 4 adjacent in the stacking direction in the active portion in which the piezoelectric layers 2 and the internal electrode layers 3 are alternately stacked. And within the range of ⁇ 20%, preferably within the range of ⁇ 15%, more preferably the same number of layers having the same thickness.
  • the porous layers 4 are provided for each number of layers equal to or less than 1 ⁇ 2 of the number of the internal electrode layers 3 formed in large numbers.
  • it is porous at intervals corresponding to the number of layers, preferably every 1/8 or less of the number of internal electrode layers 3, and more preferably every 1/15 or less of the total number of layers.
  • a quality layer 4 is preferably provided.
  • the number of the porous layers 4 in the laminated body 7 decreases when the interval at which the porous layers 4 are arranged is every number of layers exceeding 1/2 of the total number of the internal electrode layers 3, It will be difficult to relieve stress satisfactorily throughout the stacking direction of the bodies 7.
  • the vicinity of both ends in the stacking direction of the multilayer body 7 is an inactive portion where the piezoelectric layer 2 is not sandwiched between the internal electrode layers 3, and the piezoelectric layer 2 does not expand or contract, Since the stress is not generated, the arrangement of the porous layer 4 may be out of the regularity of the arrangement in the vicinity of the center of the laminate 7.
  • “with a predetermined interval” means not only when the interval between the porous layers 4 is constant, but also when the interval varies. 7 includes a case where the interval is approximated to such an extent that the stress can be relieved substantially uniformly over the entire area in the stacking direction. Specifically, the interval may be within a range of ⁇ 20%, preferably within a range of ⁇ 15% with respect to the average value of the interval between the porous layers 4.
  • the external lead member 9 is connected and fixed to the external electrode 6 with a soldering material 8 such as solder, and a DC electric field of 0.1 to 3 kV / mm is applied from the external lead member 9 to form the piezoelectric layer 2 constituting the laminate 7.
  • the laminated piezoelectric element 1 is obtained by polarization.
  • the multilayer piezoelectric element 1 connects each external electrode 6 and an external power source via an external lead member 9 and applies a driving voltage to the piezoelectric layer 2, thereby causing each piezoelectric layer 2 to have an inverse piezoelectric effect. It can be greatly displaced by.
  • the crack of the ceramic coating layer generated by the stress generated by the elongation of the multilayer body can be selectively generated at a site located on the side of the porous layer provided in the multilayer body. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the portion of the ceramic coating layer facing the end portion of the internal electrode layer, and to suppress the occurrence of discharge on the surface of the ceramic coating layer.
  • a piezoelectric ceramic green sheet to be the piezoelectric layer 2 is produced.
  • a ceramic slurry is prepared by mixing a calcined powder of piezoelectric ceramic, a binder made of an organic polymer such as acrylic or butyral, and a plasticizer. Then, by using a tape molding method such as a doctor blade method or a calender roll method, a piezoelectric ceramic green sheet is produced using this ceramic slurry.
  • any piezoelectric ceramic may be used.
  • a perovskite oxide made of lead zirconate titanate (PZT: PbZrO 3 -PbTiO 3 ) can be used.
  • a plasticizer dibutyl phthalate (DBP) or dioctyl phthalate (DOP) can be used.
  • an internal electrode layer conductive paste to be the internal electrode layer 3 is prepared.
  • a conductive paste requiring internal electrodes is prepared by adding and mixing a binder and a plasticizer to silver-palladium alloy metal powder. In place of the silver-palladium alloy, silver powder and palladium powder may be mixed.
  • the porous layer 4 is formed of a metal material, for example, by adding and mixing a binder and a plasticizer to a metal powder produced so that the silver ratio is higher than the conductive paste for internal electrode layers, the porous layer paste Is made.
  • silver powder and palladium powder may be mixed, silver palladium alloy powder may be used, or silver powder may be further added to the internal electrode layer conductive paste.
  • the internal electrode layer conductive paste is applied on the piezoelectric ceramic green sheet in the pattern of the internal electrode layer 3 by, for example, a screen printing method.
  • porous layer paste is applied in a pattern of the porous layer 4 by screen printing on another piezoelectric ceramic green sheet.
  • a predetermined number of piezoelectric ceramic green sheets coated with the internal electrode layer conductive paste are laminated.
  • the piezoelectric ceramic green sheets coated with the porous layer paste are laminated at a predetermined interval (the number of piezoelectric ceramic green sheets).
  • a piezoelectric ceramic green sheet not coated with the internal electrode layer conductive paste or the porous layer paste is stacked at the end in the stacking direction.
  • the binder removal treatment is performed at a predetermined temperature, it is fired at a temperature of 900 to 1200 ° C., thereby providing an active portion in which the piezoelectric layers 2 and the internal electrode layers 3 are alternately stacked.
  • a laminate 7 including a porous layer 4 disposed between some piezoelectric layers 2 is produced.
  • the fired porous layer 4 since there is a silver concentration gradient between the porous layer paste and the internal electrode layer conductive paste, the silver component in the porous layer paste is piezoelectrically transferred to the internal electrode layer conductive paste.
  • the fired porous layer 4 In order to diffuse through the ceramic green sheet, the fired porous layer 4 remains as metal members independent of each other and is distributed in an island shape. Becomes a layer with low rigidity. Moreover, in such a porous layer 4, there are many voids (voids).
  • porous layer 4 is not limited to the thing by said manufacturing method.
  • a mixture of a substance that disperses and disappears during firing for example, acrylic beads
  • silver palladium powder for example, silver palladium powder
  • a binder for example, a plasticizer
  • a plasticizer for example, acrylic beads
  • the amount of pores in the porous layer 4 can be adjusted by the amount of acrylic beads contained in the porous layer paste.
  • the porous layer 4 may be formed of a piezoelectric material.
  • the porous layer paste include a calcined powder of piezoelectric ceramic, a substance that disappears and disappears during firing (for example, acrylic beads), a binder, and the like.
  • a mixture of a plasticizer can be used.
  • the porous layer 4 may be a mixed layer of a metal material and a piezoelectric material.
  • the porous layer paste in this case include silver palladium powder, calcined powder of piezoelectric ceramic, and a substance that disperses and disappears during firing. (For example, acrylic beads), a mixture of a binder and a plasticizer can be used. Since the acrylic beads are scattered and disappeared during firing, the portions remain as voids, so that the porous layer 4 having many voids can be formed.
  • the amount of pores in the porous layer 4 can be adjusted by the amount of acrylic beads contained in the porous layer paste.
  • the laminated body 7 obtained by firing is subjected to a grinding process on the side surface so as to have a predetermined shape using a surface grinder or the like. Thereby, the laminated body 7 in which the piezoelectric layers 2 and the internal electrode layers 3 are alternately laminated and the porous layer 4 is disposed in a part between the piezoelectric layers 2 is produced.
  • a ceramic coating layer paste prepared by mixing a ceramic powder with a binder and a plasticizer is applied to the side of the laminate using a technique such as screen printing or dipping, and baked at a temperature of 900 to 1200 ° C. At this time, the ceramic coating layer paste is not applied to the surface on which the external electrode 6 is formed, or is applied and baked after being baked.
  • the ceramic powder contained in the ceramic coating paste is preferably a calcined powder of piezoelectric ceramic. More preferably, it is a ceramic powder having the same composition as the piezoelectric layer 2.
  • a silver glass conductive paste containing silver as a main component and containing glass is printed on the side surface of the laminate 7 where the internal electrode layer 3 is derived in the pattern of the external electrode 6, and baked at 650 to 750 ° C.
  • the electrode 6 is formed.
  • the external lead member 9 is connected and fixed to the external electrode 6 with a brazing material 8 such as solder.
  • the multilayer piezoelectric element 1 connects each external electrode 6 and an external power source via an external lead member 9 and applies a driving voltage to the piezoelectric layer 2, thereby causing each piezoelectric layer 2 to have an inverse piezoelectric effect. Can be greatly displaced. This makes it possible to function as an automobile fuel injection valve that injects and supplies fuel to the engine, for example.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of an embodiment of the injection device of the present invention.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of the above example is stored inside a storage container (container) 23 having an injection hole 21 at one end.
  • 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 injection hole 21, the fluid supplied to the fluid passage 27 is discharged from the injection hole 21 to the outside or an adjacent container, for example, a fuel chamber (not shown) of the internal combustion engine. It is configured.
  • the upper end portion of the needle valve 25 is a piston portion 31 having a larger inner diameter than other portions, and the piston portion 31 slides on the inner wall of the cylindrical storage container 23.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of the present invention of the above-described example is stored.
  • the fluid passage 27 may be opened by applying a voltage to the multilayer piezoelectric element 1 and the fluid passage 27 may be closed by stopping the application of the voltage.
  • the injection device 19 of this example includes a container 23 having an injection hole 21 and the multilayer piezoelectric element 1 of the above example, and the fluid filled in the container 23 is ejected by driving the multilayer piezoelectric element 1. It may be configured to discharge from the hole 21.
  • the multilayer piezoelectric element 1 does not necessarily have to be inside the container 23, as long as the multilayer piezoelectric element 1 is configured to apply pressure for controlling the ejection of fluid to the inside of the container 23 by driving the multilayer piezoelectric element 1. Good.
  • the fluid includes various liquids and gases such as a conductive paste in addition to fuel, ink, and the like.
  • the injection device 19 of this example that employs the multilayer piezoelectric element 1 of the above example is used for an internal combustion engine, the fuel is accurately injected into the combustion chamber of the internal combustion engine such as an engine over a longer period than the conventional injection device. Can be made.
  • FIG. 7 is a schematic view 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 above-described examples that inject high-pressure fluid stored in the common rail 37.
  • a pressure pump 39 for supplying a 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, if the fuel injection system 35 of this example is used for fuel injection of the engine, the amount and timing of fuel injection can be controlled while sensing the condition in the combustion chamber of the engine with a sensor or the like.
  • the pressure pump 39 serves to supply fluid fuel from the fuel tank 43 to the common rail 37 at a high pressure. For example, in the case of an engine fuel injection system 35, 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 atmospheres (about 152 MPa to about 172 MPa).
  • the high-pressure fuel sent from the pressure pump 39 is stored and sent to the injection device 19 as appropriate.
  • 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 6 in the multilayer piezoelectric element 1 are formed on the two opposite side surfaces of the multilayer body 7, but the two external electrodes 6 are formed on adjacent side surfaces of the multilayer body 7. Alternatively, they 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 that is 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. You may be the shape which combined.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of this example is used for, for example, a piezoelectric drive element (piezoelectric actuator), a pressure sensor element, a piezoelectric circuit element, and the like.
  • 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.
  • a piezoelectric actuator provided with the multilayer piezoelectric element of the present invention was produced as follows. First, a ceramic slurry was prepared by mixing calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PZT: PbZrO 3 —PbTiO 3 ) having an average particle size of 0.4 ⁇ m, a binder and a plasticizer. Using this ceramic slurry, a piezoelectric ceramic green sheet serving as a piezoelectric layer having a thickness of 100 ⁇ m was prepared by a doctor blade method.
  • PZT lead zirconate titanate
  • a binder was added to the silver-palladium alloy to produce an internal electrode layer conductive paste to be an internal electrode layer.
  • the silver-palladium ratio at this time was 95% by mass of silver-5% by mass of palladium.
  • a binder was added to the silver-palladium alloy to prepare a porous layer paste to be a porous layer.
  • the silver-palladium ratio at this time was 99% by mass of silver and 1% by mass of palladium.
  • a conductive paste for internal electrode layers was printed on one side of the first piezoelectric ceramic green sheet by a screen printing method.
  • porous layer paste was printed on one side of another second piezoelectric ceramic green sheet by a screen printing method.
  • the second piezoelectric ceramic green sheet on which the porous layer paste is printed is laminated at a ratio of one sheet to the 20 first piezoelectric ceramic green sheets on which the internal electrode layer conductive paste is printed. did. A total of 300 first piezoelectric ceramic green sheets on which the internal electrode layer conductive paste was printed, and a total of 15 second piezoelectric ceramic green sheets on which the porous layer paste was printed were laminated.
  • the laminated body was obtained by baking this at 980 degreeC.
  • the obtained laminated body was ground and processed into a predetermined shape using a surface grinder.
  • the porous layer has a structure exposed on the entire side surface of the laminate.
  • a paste for a ceramic coating layer was prepared by adding a binder and a plasticizer to the calcined powder having the same composition as the piezoelectric ceramic described above.
  • This ceramic coating layer paste was printed on the side of the laminate other than the external electrode forming surface, and baked at a temperature of 980 ° C.
  • the thickness of the ceramic coating layer after baking was 20 ⁇ m.
  • a silver glass paste prepared by adding glass, a binder, and a plasticizer to silver powder was printed on the side surface of the laminate with an external electrode pattern, and baked at 700 ° C. to form an external electrode. Then, a lead wire was connected and fixed to the external electrode as an external lead member using solder.
  • a laminated piezoelectric element (Sample No. 1) according to an embodiment of the present invention including a ceramic coating layer was prepared.
  • metal members mainly composed of silver were distributed (spotted) in an island shape independently of each other in the porous layer.
  • the independent metal member had an average diameter of 2 ⁇ m.
  • the ceramic coating layer was 4 ⁇ m in the porous layer.
  • the porosity of the porous layer was 60%.
  • the porosity of the internal electrode was 10%.
  • the porosity was calculated by cutting the laminate in a cross section parallel to the stacking direction, mirror-finishing the cross section, photographing with a metallurgical microscope, and calculating the porosity from the ratio of the area of the pores in the field of view. .
  • Comparative Example 1 a laminated piezoelectric element (Sample No. 2) in which a ceramic coating layer similar to the above was formed without laminating a porous layer was produced.
  • the multilayer piezoelectric element (sample No. 1) of the embodiment of the present invention can be displaced by applying a DC voltage in a high temperature and high humidity environment after being continuously driven up to 1 ⁇ 10 6 times. It was found that the laminate had high reliability without discharge on the side surface. This is because when the AC voltage of 0V to + 160V is applied for continuous driving, cracks develop in the porous layer due to the stress generated by the expansion and contraction of the laminate, and at the same time, the ceramic coating layer is located on the side of the porous layer. This is because cracks are also generated in the parts to be relieved and the stress is relaxed.
  • the multilayer piezoelectric element has high reliability.
  • the laminated piezoelectric element (sample number 2) that does not have the porous layer of the comparative example is applied with an AC voltage of 0V to + 160V and continuously driven by stress caused by expansion and contraction of the laminated body.
  • the ceramic coating layer a plurality of cracks occurred at a portion facing the end of the internal electrode layer.
  • cracks occurred in the portions of the ceramic coating layer facing the ends of the adjacent positive and negative internal electrodes.
  • a DC voltage was applied in a high temperature and high humidity environment, the silver of the internal electrode migrated and moved through the cracks formed in the ceramic coating layer. Sparks occurred on the surface of the layer.

Abstract

　【課題】　セラミック被覆層における内部電極層端部と対向する部位にクラックが生じてセラミック被覆層の表面で放電が生じてしまうのを抑制された積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システムを提供する。　【解決手段】　本発明は、圧電体層２および内部電極層３が積層された積層体７と、積層体７の側面に接合されて内部電極層に電気的に接続された外部電極６と、積層体７の側面に被着されたセラミック被覆層５とを含む積層型圧電素子であって、積層体７に多孔質層４を設けたことを特徴とする積層型圧電素子である。

Description

積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システム
　本発明は、例えば、圧電駆動素子（圧電アクチュエータ），圧力センサ素子および圧電回路素子等として用いられる積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システムに関するものである。
　積層型圧電素子は、基本的に、圧電体層および内部電極層が積層された積層体と、この積層体の側面に接合されて内部電極層に電気的に接続された外部電極とを含む構成のものである。
　ここで、従来の積層型圧電素子は、積層体の表面での放電を防ぐために、外装コートが施されている。そして、この外装コートとして耐熱性、耐湿性の良好なセラミックコート（セラミック被覆層）を用いた積層型圧電素子が知られている（特許文献１を参照）。
特開２００１－１３５８７２号公報
　しかしながら、積層体の表面にセラミック被覆層を設けた積層型圧電素子を駆動させると、積層体の伸長時に生じる応力によって、セラミック被覆層における内部電極層の端部と対向する部位にクラックが生じ、当該クラックを通してセラミック被覆層の表面で放電が生じてしまうおそれがあった。特に、高温、高湿、高電界下で放電が生じる危険が高かった。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、セラミック被覆層における内部電極層の端部と対向する部位にクラックが生じてセラミック被覆層の表面で放電が生じてしまうのを抑制された積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システムを提供することを目的とする。
　本発明は、圧電体層および内部電極層が積層された積層体と、該積層体の側面に接合されて内部電極層に電気的に接続された外部電極と、該積層体の側面に被着されたセラミック被覆層とを含む積層型圧電素子であって、前記積層体に多孔質層を設けたことを特徴とするものである。
　本発明の噴射装置は、噴射孔を有する容器と、上記いずれかの本発明の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に蓄えられた流体が前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から吐出されることを特徴とするものである。
　本発明の燃料噴射システムは、高圧燃料を蓄えるコモンレールと、該コモンレールに蓄えられた前記高圧燃料を噴射する上記本発明の噴射装置と、前記コモンレールに前記高圧燃料を供給する圧力ポンプと、前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットとを備えたことを特徴とするものである。
　本発明の積層型圧電素子によれば、積層体の伸長により生じる応力によって発生するセラミック被覆層のクラックを、積層体に設けた多孔質層の側方に位置する部位に選択的に発生させることができるため、セラミック被覆層における内部電極層の端部と対向する部位にクラックが生じるのを抑制し、セラミック被覆層の表面で放電が生じるのを抑制することができる。
　本発明の燃料噴射システムによれば、高圧燃料を蓄えるコモンレールと、コモンレールに蓄えられた高圧燃料を噴射する本発明の噴射装置と、コモンレールに高圧燃料を供給する圧力ポンプと、噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットとを備えたことから、高圧燃料の所望の噴射を長期にわたって安定して行なうことができる。
　本発明の積層型圧電素子の製造方法によれば、上記各工程を具備していることから、上記本発明の積層型圧電素子を確実に安定して製造することができる。
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。 図１に示すＡ－Ａ線断面における断面図である。 図２に示す多孔質層の拡大図である。 図２に示すセラミック被覆層近傍の拡大図であり、（ａ）は多孔質層が積層体の表面に達している例を示し、（ｂ）は多孔質層が積層体の表面に達していない例を示している。 図２に示すセラミック被覆層近傍の拡大図であり、多孔質層の一部にセラミック被覆層の一部が入り込んでいる例を示している。 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図である。
　以下、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例について図面を参照して詳細に説明する。
　図１は本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す斜視図であり、図２は図１に示すＡ－Ａ線断面における断面図、図３は図２に示す多孔質層の拡大図である。また、図４は図２に示すセラミック被覆層近傍の拡大図であり、（ａ）は多孔質層が積層体の表面に達している例を示し、（ｂ）は多孔質層が積層体の表面に達していない例を示している。さらに、図５は図２に示すセラミック被覆層近傍の拡大図であり、多孔質層の一部にセラミック被覆層の一部が入り込んでいる例を示している。
　図１および図２に示すように、本例の積層型圧電素子１は、圧電体層２および内部電極層３が積層された積層体７と、積層体７の側面に接合されて内部電極層に電気的に接続された外部電極６と、積層体７の側面に被着されたセラミック被覆層５とを含む積層型圧電素子であって、積層体７に多孔質層４を設けたことを特徴とするものである。
　積層型圧電素子１を構成する積層体７は、例えば圧電体層２と内部電極層３とが交互に積層されてなる活性部と、活性部の積層方向両端に設けられた圧電体層２からなる不活性部とを有し、内部電極層３は正極と負極とが１層おきに交互に形成されてなるものである。積層体７は、例えば縦0.5～10ｍｍ、横0.5～10ｍｍ、高さ１～100ｍｍの直方体状に形成されている。
　積層体７を構成する圧電体層２は、圧電特性を有する圧電セラミックスからなり、例えばＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３（ＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛）等のペロブスカイト型酸化物を用いることができる。この圧電体層２の厚みは、例えば３μｍ～250μｍとされる。
　また、積層体７を構成する内部電極層３は、圧電体層２と交互に積層されて圧電体層２を上下から挟んでおり、積層順に正極および負極が配置されることにより、それらの間に挟まれた圧電体層２に駆動電圧を印加するものである。内部電極層３は、例えば銀パラジウム（Ａｇ－Ｐｄ）等の金属からなるものであり、本例では正極および負極（もしくはグランド極）がそれぞれ積層体７の対向する側面に互い違いに導出されて、積層体の側面に接合された一対の外部電極６に電気的に接続されている。この内部電極層３の厚みは、例えば0.1μｍ～５μｍとされる。
　また、一対の外部電極６は、例えば銀とガラスからなるペーストを塗布して焼き付けて形成されたもので、積層体７の側面に接合されて、積層体７の対向する側面に互い違いに導出された内部電極層３とそれぞれ電気的に接続されている。この外部電極６の厚みは、例えば５～500μｍとされる。
　また、積層体７の側面には、セラミック被覆層５が被着されている。図１においては、積層体７の側面のうちの外部電極６が形成されていない面にセラミック被覆層５が被着されている。この側面には、内部電極層３の正極および負極（もしくはグランド極）の端部がともに達している。この面にセラミック被覆層５が被着されているので、高温、高湿化で連続駆動した場合でも、セラミック被覆層５が強固に積層体７の側面に接合されており、セラミック被覆層５が剥離したり、湿気の侵入によりマイグレーションが生じたりするのを防ぐことができる。また、被覆層がセラミック被覆層５であることで、樹脂の被覆層では耐え得ない高温での使用でも問題はない。
　ただし、セラミック被覆層５はこの側面のみに被着されることに限定はされず、すべての側面に被着されていてもよく、外部電極６の表面および外部リード部材９の表面にも被着されていてもよい。
　このセラミック被覆層５の形成材料としては、例えば圧電材料、アルミナなどが挙げられるが、圧電材料からなるのが好ましい。セラミック被覆層５が圧電材料で形成されることによって、結晶が歪むことができるため、積層体の変位に追従でき、セラミック被覆層５の剥離を生じにくくすることができる。すなわち、内部電極層３からの漏れ電界（電極に挟まれていない領域に生じる電界）によりセラミック被覆層５が圧電効果を示し、積層体７の伸縮に追従することが可能となる。特に、圧電体層２と同種の圧電材料、例えばＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３（ＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛）とすることで、焼付冷却時の熱膨張差によるセラミック被覆層５の剥離を防止することができる。また、微量成分の拡散による圧電体層２の特性低下を防ぐことができる。このセラミック被覆層５の厚みは、例えば５～300μｍとされる。
　そして、本例では、積層体７に多孔質層４を設けている。多孔質層４は、圧電体層２間の一部に配置され、内部電極層３よりも強度が低く、応力によってクラックが発生しやすい応力緩和機能を有する層として形成されている。例えば、焼結が不十分な圧電体層、空孔の多い圧電体層もしくは金属層、または圧電体粒子や金属粒子が独立して分布している層などからなる。
　ここで、多孔質層４は内部電極層３よりも空孔を多く含んでいることが好ましい。多孔質層４が内部電極層３よりも空孔を多く含むものであることで、安定して選択的に多孔質層４にクラックを発生させることができる。この場合、多孔質層４の空孔率（多孔質層４の体積中に空孔が占める体積の割合）は、内部電極層３の空孔率に対して２倍以上の空孔率であることが好ましい。多孔質層４における空孔率を内部電極層３における空孔率の２倍以上にすることにより、多孔質層４の強度を内部電極層３の強度に対して確実に低下させることができるので、伸長に伴って積層体７の内部に応力が生じたときに、内部電極層３よりも先に多孔質層４にクラックを生じさせることができ、それによって積層体７の内部に生じる応力を緩和することができる。
　多孔質層４における空孔は、多孔質層４に選択的にクラックを発生させ、多孔質層４の強度を効果的に低下させるために、複数の空孔が互いにつながった形状のものであることが好ましい。
　ここで、多孔質層４が金属材料からなるのが好ましい。金属は柔らかいので、積層体７の変位によって生じる応力を吸収することができ、積層体７の破損を防止することができる。
　そして、多孔質層４は、図３に示すように互いに独立した金属部材４１を含んでいることが好ましい。図３は、多孔質層４の拡大断面図であり、金属部材４１が点在した状態を示している。圧電体層２を構成する圧電体よりも柔らかい金属部材４１を互いに独立した状態で分布させておくことにより、多孔質層４の剛性を低くすることができるため、積層体７における多孔質層４として良好に機能させることができる。なお、金属部材４１は多孔質層４の中に互いに独立しているので、それら金属部材４１による電気的な導通はない。
　また、多孔質層４に含まれている互いに独立した金属部材４１は、隣接する圧電体層２と部分的に接合していることが好ましい。この場合には、金属部材４１と圧電体層２との接合面積をさらに小さくすることができるため、多孔質層４の強度をより低く保つことができ、積層体７における多孔質層４としてさらに有効に機能することができるものとなる。
　また、多孔質層４が圧電材料からなる構成であってもよい。この場合、圧電部材が点在した構成となり、圧縮予荷重状態で使用したとしても、圧電体が変形することにより応力を吸収することができ、積層体７の破損を防止することができる。
　また、多孔質層４が金属材料と圧電材料との混合層であってもよい。この場合、前述の金属材料と圧電材料の２つの効果が合わさり、より過酷な環境下でも、積層体７の破損を防止することができる。
　このような多孔質層４を設けたことで、積層体７が伸長して積層体７の積層方向に引っ張り応力が加わったときに、優先して多孔質層４にクラックが生じ、内部電極層３や圧電体層２にクラックが生じるのを防ぐことができる。なお、多孔質層４は、内部電極層３よりも剛性が低く、従って圧電体層２よりも剛性が低いので、多孔質層４において積層体７の側面から生じたクラックは、圧電体層２や内部電極層３に向けて曲がって進展することはない。従って、多孔質層４に生じたクラックはその多孔質層４に沿って進展するので、その多孔質層４を挟む圧電体層２を通って近接する内部電極層３にクラックが進展して、内部電極層３がショートすることはない。
　また、そのように多孔質層４に選択的に生じるクラックは、積層体７の伸長および収縮によって生じる応力を低減するものとなるので、長期間にわたって積層体７の変位が拘束されることがなく、高変位の長期間にわたる維持が達成できる。
　さらに、多孔質層４に生じたクラックにより、セラミック被覆層５における多孔質層４の側方に位置する部位に選択的にクラックを誘導できるため、セラミック被覆層５における内部電極層３の端部と対向する部位にクラックが生じることがなく、セラミック被覆層５の表面での放電が抑制される。
　なお、多孔質層４の上下に隣り合う内部電極層３は、同極（正極同士または負極同士）であることが好ましい。これにより、多孔質層４の上下に隣り合う圧電体層２間に電界を生じさせず、その隣り合う圧電体層２を歪ませないようにすることができる。そして、多孔質層４を挟む圧電体層２を歪ませないことにより、多孔質層４に生じたクラックを圧電体層２に枝分かれさせることなく、多孔質層４のみに進展させることができる。
　図４（ａ）に示すように、多孔質層４は積層体７の表面まで達していてもよいが、図４（ｂ）に示すように、積層体７の表面まで達しておらず、表面から引っ込んだ状態に形成されていてもよい。なお、多孔質層４が積層体７の表面から引っ込んでいるとは、積層方向に平行な断面で視たときに、例えば図３に示す多孔質層４を構成する金属部材４１が積層体７の表面から引っ込んだ位置（離れた位置）にあることを意味する。ただし、このときの引っ込み距離Ｄ１は500μｍ以下であるのが好ましい。引っ込み距離Ｄ１を500μｍ以下にすることで、セラミック被覆層５における多孔質層４の側方に位置する部位にクラックを誘導できる。
　さらに、図５に示すように、多孔質層４の一部にセラミック被覆層５の一部５ａが入り込んでいるのが好ましい。これによって、アンカー効果によりセラミック被覆層５の積層体７の側面への接合強度が向上するため、セラミック被覆層５が剥離することがなくなり、積層体７の表面での放電を防ぐことができる。このときの入り込ませる距離Ｄ２は、１μｍ以上であるのが好ましい。入り込ませる距離Ｄ２を１μｍ以上にすることで、アンカー効果により接合強度が増す。
　また、多孔質層４が積層体７の積層方向に等間隔に配置されているのが好ましく、これにより積層体７の積層方向全域にわたって応力を緩和することができ、積層体７の積層方向全域にわたって多数形成されている内部電極層３にクラックが生じるのを効果的に防ぐことができる。なお、等間隔とは、圧電体層２と内部電極層３とが交互に積層されてなる活性部において、積層方向に隣り合う多孔質層４と多孔質層４との間隔の平均値に対して±２０％の範囲内であることをいい、好ましくは±１５％の範囲内、より好ましくは同じ厚みの層が同数配置されているのがよい。
　ここで、多孔質層４を積層体７の積層方向に所定の間隔をおいて複数配置する場合には、多数形成されている内部電極層３の層数の１／２以下の層数毎に、好ましくは内部電極層３の層数の１／８以下の層数毎に、より好ましくは全層数の１／15以下の層数毎に、それぞれその層数に応じた間隔をおいて多孔質層４が設けられているのがよい。なお、多孔質層４の配置される間隔が内部電極層３の全層数の１／２を超える層数毎であると、積層体７中における多孔質層４の数が少なくなるので、積層体７の積層方向の全体にわたって良好に応力を緩和することは困難になることとなる。ただし、積層体７の積層方向の両端部付近は、圧電体層２が内部電極層３に挟まれていない不活性部となっていて、圧電体層２が伸長したり収縮したりせず、応力が発生しない部分となっているので、多孔質層４の配置に関して積層体７の中央付近での配置の規則性から外れていても構わない。
　なお、積層体７における多孔質層４の配置に関して「所定の間隔をおいて」とは、多孔質層４間の間隔が一定である場合はもちろんのこと、間隔にばらつきがあっても積層体７の積層方向の全域にわたって略均一に応力を緩和できる程度に間隔が近似している場合も含む。具体的には、多孔質層４間の間隔の平均値に対して±20％の範囲内、好ましくは±15％の範囲内の間隔であればよい。
　そして、外部電極６に半田等のロウ材８で外部リード部材９が接続固定され、外部リード部材９から0.1～３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体７を構成する圧電体層２を分極することによって、積層型圧電素子１が得られる。この積層型圧電素子１は、外部リード部材９を介して外部電極６と外部の電源とを接続して、圧電体層２に駆動電圧を印加することにより、各圧電体層２を逆圧電効果によって大きく変位させることができるものである。
　以上述べた積層型圧電素子によれば、積層体の伸長により生じる応力によって発生するセラミック被覆層のクラックを、積層体に設けた多孔質層の側方に位置する部位に選択的に発生させることができるため、セラミック被覆層における内部電極層の端部と対向する部位にクラックが生じるのを抑制し、セラミック被覆層の表面で放電が生じるのを抑制することができる。
　次に、本例の積層型圧電素子１の製造方法について説明する。
　まず、圧電体層２となる圧電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、アクリル系またはブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合して、セラミックスラリーを作製する。そして、ドクターブレード法あるいはカレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このセラミックスラリーを用いて圧電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、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３）からなるペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）またはフタル酸ジオチル（ＤＯＰ）等を用いることができる。
　次に、内部電極層３となる内部電極層用導電性ペーストを作製する。具体的には、銀－パラジウム合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって、内部電極要導電性ペーストを作製する。なお、銀－パラジウム合金に代えて銀粉末とパラジウム粉末とを混合しても良い。
　次に、多孔質層４となる多孔質層用ペーストを作製する。
　多孔質層４を金属材料で形成する場合、例えば内部電極層用導電性ペーストよりも銀比率が高くなるように作製した金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって、多孔質層用ペーストを作製する。このとき、銀粉末とパラジウム粉末とを混合しても良いし、銀パラジウム合金の粉末を用いても良いし、内部電極層用導電性ペーストにさらに銀粉末を添加したものとしても良い。
　次に、内部電極層用導電性ペーストを、上記の圧電セラミックグリーンシート上に、内部電極層３のパターンで、例えばスクリーン印刷法にて塗布する。
　さらに、別の圧電セラミックグリーンシート上に、多孔質層用ペーストを多孔質層４のパターンでスクリーン印刷法にて塗布する。
　次に、内部電極層用導電性ペーストが塗布された圧電セラミックグリーンシートを所定枚数積層する。このとき、所定の間隔（圧電セラミックグリーンシートの枚数）をおいて、多孔質層用ペーストが塗布された圧電セラミックグリーンシートを積層しておく。また、積層方向の端部には内部電極層用導電性ペーストや多孔質層用ペーストが塗布されていない圧電セラミックグリーンシートを積層する。
　そして、これに所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、900～1200℃の温度で焼成することによって、圧電体層２および内部電極層３とが交互に積層された活性部を備え、また一部の圧電体層２間に配置された多孔質層４を備えた積層体７を作製する。
　この焼成過程において、多孔質層用ペーストと内部電極層用導電性ペーストとの間で銀の濃度勾配があるため、多孔質層用ペースト中の銀成分が内部電極層用導電性ペーストへと圧電セラミックグリーンシートを通って拡散していくため、焼成後の多孔質層４には、金属成分が互いに独立した金属部材として残り、島状に分布しているものとなって、内部電極層３よりも剛性の低い層となる。また、このような多孔質層４ではボイド（空孔）も多いものとなる。
　なお、多孔質層４の形成は、上記の製造方法によるものに限定されるものではない。例えば、多孔質層用ペーストとしては、焼成中に飛散消失する物質（例えば、アクリルビーズ）と銀パラジウム粉末、バインダーおよび可塑剤とを混合したものを用いることができる。アクリルビーズは、焼成中に飛散消失することからその部分が空孔となって残るので、空孔の多い多孔質層４を形成することができる。多孔質層４における空孔の量は、多孔質層用ペーストに含有させるアクリルビーズの量によって調整できる。
　また、多孔質層４を圧電材料で形成してもよく、この場合の多孔質層用ペーストとしては、例えば圧電セラミックスの仮焼粉末、焼成中に飛散消失する物質（例えば、アクリルビーズ）、バインダーおよび可塑剤を混合したものを用いることができる。また、多孔質層４を金属材料と圧電材料との混合層としてもよく、この場合の多孔質層用ペーストとしては、例えば銀パラジウム粉末、圧電セラミックスの仮焼粉末、焼成中に飛散消失する物質（例えば、アクリルビーズ）、バインダーおよび可塑剤を混合したものを用いることができる。アクリルビーズは、焼成中に飛散消失することからその部分が空孔となって残るので、空孔の多い多孔質層４を形成することができる。多孔質層４における空孔の量は、多孔質層用ペーストに含有させるアクリルビーズの量によって調整できる。
　次に、焼成して得られた積層体７に、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう側面に研削加工処理を施す。これにより、圧電体層２および内部電極層３が交互に積層されているとともに圧電体層２間の一部に多孔質層４が配置されている積層体７を作製する。
　その後、セラミック粉末にバインダー、可塑剤を混合して作製したセラミック被覆層用ペーストを積層体側面にスクリーン印刷やディッピング等の手法を用いて塗布し、900～1200℃の温度で焼き付けを行う。このとき、外部電極６の形成面には、セラミック被覆層用ペーストは塗布しないか、若しくは、塗布して焼き付け後に研磨で取る。
　このとき、セラミック被覆用ペーストに含まれるセラミック粉末は、圧電セラミックの仮焼粉末であることが好ましい。さらに好ましくは、圧電体層２と同一の組成のセラミック粉末であることが好ましい。
　その後、銀を主成分とし、ガラスを含む銀ガラス導電性ペーストを外部電極６のパターンで積層体７の内部電極層３が導出された側面に印刷し、650～750℃で焼き付けを行ない、外部電極６を形成する。
　次に、外部電極６に外部リード部材９を半田等のロウ材８で接続固定する。
　その後、一対の外部電極６にそれぞれ接続した外部リード部材９から0.1～３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体７を構成する圧電体層２を分極することによって、積層型圧電素子１が完成する。この積層型圧電素子１は、外部リード部材９を介して外部電極６と外部の電源とを接続して、圧電体層２に駆動電圧を印加することにより、各圧電体層２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例について説明する。図６は、本発明の噴射装置の実施の形態の一例を示す概略断面図である。
　図６に示すように、本例の噴射装置19は、一端に噴射孔21を有する収納容器（容器）23の内部に上記の例の積層型圧電素子１が収納されている。
　収納容器23内には、噴射孔21を開閉することができるニードルバルブ25が配設されている。噴射孔21には流体通路27がニードルバルブ25の動きに応じて連通可能になるように配設されている。この流体通路27は外部の流体供給源に連結され、流体通路27に常時高圧で流体が供給されている。従って、ニードルバルブ25が噴射孔21を開放すると、流体通路27に供給されていた流体が外部または隣接する容器、例えば内燃機関の燃料室（図示せず）に、噴射孔21から吐出されるように構成されている。
　ニードルバルブ25の上端部は、他の部位よりも内径の大きなピストン部31であり、このピストン部31はシリンダ状の収納容器23の内壁と摺動するようになっている。そして、収納容器23内には、上述した例の本発明の積層型圧電素子１が収納されている。
　このような噴射装置19では、積層型圧電素子１が電圧を印加されて伸長すると、ピストン31が押圧され、ニードルバルブ25が噴射孔21に通じる流体通路27を閉塞し、流体の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると積層型圧電素子１が収縮し、皿バネ33がピストン31を押し返し、流体通路27が開放され噴射孔21が流体通路27と連通して、噴射孔21から流体の噴射が行なわれるようになっている。
　なお、積層型圧電素子１に電圧を印加することによって流体通路27を開放し、電圧の印加を停止することによって流体通路27を閉鎖するように構成してもよい。
　また、本例の噴射装置19は、噴射孔21を有する容器23と、上記の例の積層型圧電素子１とを備え、容器23内に充填された流体を積層型圧電素子１の駆動により噴射孔21から吐出させるように構成されていてもよい。すなわち、積層型圧電素子１が必ずしも容器23の内部にある必要はなく、積層型圧電素子１の駆動によって容器23の内部に流体の噴射を制御するための圧力が加わるように構成されていればよい。なお、本例の噴射装置19において、流体とは、燃料，インク等の他、導電性ペースト等の種々の液体および気体が含まれる。本例の噴射装置19を用いることによって、流体の流量および噴出タイミングを長期にわたって安定して制御することができる。
　上記の例の積層型圧電素子１を採用した本例の噴射装置19を内燃機関に用いれば、従来の噴射装置に比べてエンジン等の内燃機関の燃焼室に燃料をより長い期間にわたって精度よく噴射させることができる。
　次に、本発明の燃料噴射システムの実施の形態の例について説明する。図７は、本発明の燃料噴射システムの実施の形態の一例を示す概略図である。
　図７に示すように、本例の燃料噴射システム35は、高圧流体としての高圧燃料を蓄えるコモンレール37と、このコモンレール37に蓄えられた高圧流体を噴射する複数の上記の例の噴射装置19と、コモンレール37に高圧流体を供給する圧力ポンプ39と、噴射装置19に駆動信号を与える噴射制御ユニット41とを備えている。
　噴射制御ユニット41は、外部情報または外部からの信号に基づいて高圧流体の噴射の量およびタイミングを制御する。例えば、エンジンの燃料噴射に本例の燃料噴射システム35を用いた場合であれば、エンジンの燃焼室内の状況をセンサ等で感知しながら燃料噴射の量およびタイミングを制御することができる。圧力ポンプ39は、燃料タンク43から流体燃料を高圧でコモンレール37に供給する役割を果たす。例えばエンジンの燃料噴射システム35の場合には1000～2000気圧（約101ＭＰａ～約203ＭＰａ）程度、好ましくは1500～1700気圧（約152ＭＰａ～約172ＭＰａ）程度の高圧にしてコモンレール37に流体燃料を送り込む。コモンレール37では、圧力ポンプ39から送られてきた高圧燃料を蓄え、噴射装置19に適宜送り込む。噴射装置19は、前述したように噴射孔21から一定の流体を外部または隣接する容器に噴射する。例えば、燃料を噴射供給する対象がエンジンの場合には、高圧燃料を噴射孔21からエンジンの燃焼室内に霧状に噴射する。
　なお、本発明は、上記の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行なうことは何ら差し支えない。例えば、積層型圧電素子１における外部電極６は、上記の例では積層体７の対向する２つの側面に１つずつ形成したが、２つの外部電極６を積層体７の隣り合う側面に形成してもよいし、積層体７の同一の側面に形成してもよい。また、積層体７の積層方向に直交する方向における断面の形状は、上記の実施の形態の例である四角形状以外に、六角形状や八角形状等の多角形状、円形状、あるいは直線と円弧とを組み合わせた形状であっても構わない。
　本例の積層型圧電素子１は、例えば、圧電駆動素子（圧電アクチュエータ），圧力センサ素子および圧電回路素子等に用いられる。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。
　本発明の積層型圧電素子の実施例について以下に説明する。
　本発明の積層型圧電素子を備えた圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。まず、平均粒径が0.4μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダーおよび可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製した。このセラミックスラリーを用いてドクターブレード法により厚み100μｍの圧電体層となる圧電セラミックグリーンシートを作製した。
　次に、銀－パラジウム合金にバインダーを加えて、内部電極層となる内部電極層用導電性ペーストを作製した。このときの銀－パラジウム比率は、銀95質量％－パラジウム５質量％であった。
　また、銀－パラジウム合金にバインダーを加えて、多孔質層となる多孔質層用ペーストを作製した。このときの銀－パラジウム比率は、銀99質量％－パラジウム１質量％であった。
　次に、第１の圧電セラミックグリーンシートの片面に、内部電極層用導電性ペーストをスクリーン印刷法により印刷した。
　また、別の第２の圧電セラミックグリーンシートの片面に、多孔質層用ペーストをスクリーン印刷法にて印刷した。
　次に、内部電極層用導電性ペーストが印刷された第１の圧電セラミックグリーンシート20枚に対して１枚の割合で、多孔質層用ペーストが印刷された第２の圧電セラミックグリーンシートを積層した。内部電極層用導電性ペーストが印刷された第１の圧電セラミックグリーンシートは合計300枚を、多孔質層用ペーストが印刷された第２の圧電セラミックグリーンシートは合計15枚を積層した。
　そして、これを980℃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て形状加工した。
　ここで、多孔質層は、積層体の側面全周に露出している構造とした。
　次に、前述の圧電セラミックスと同一組成の仮焼粉末に、バインダー及び可塑剤を添加してセラミック被覆層用ペーストを作製した。このセラミック被覆層用ペーストを、外部電極形成面以外の積層体側面に印刷し、980℃の温度で焼き付けを行った。焼き付け後のセラミック被覆層の厚みは、20μｍであった。
　次に、銀粉末にガラス，バインダーおよび可塑剤を添加して作製した銀ガラスペーストを外部電極のパターンで積層体の側面に印刷し、700℃で焼き付けを行ない、外部電極を形成した。そして、この外部電極に、半田を用いて外部リード部材としてリード線を接続固定した。
　以上により、圧電体層および内部電極層が積層された積層体と、該積層体の側面に接合されて内部電極層に電気的に接続された外部電極と、該積層体の側面に被着されたセラミック被覆層とを含む本発明実施例の積層型圧電素子（試料番号１）を作製した。
　このとき、多孔質層には、銀を主成分とする金属部材が互いに独立して島状に分布（点在）していた。この独立した金属部材の大きさは、平均で直径２μｍであった。また、多孔質層にセラミック被覆層が４μｍ入り込んでいた。
　なお、多孔質層の空孔率は60％であった。また、内部電極の空孔率は10％であった。空孔率は、積層体を積層方向に平行な断面でカットし、その断面を鏡面仕上げし、金属顕微鏡にて撮影して、視野中に占める空孔の面積の割合から空孔率を算出した。
　一方、比較例１として、多孔質層を積層せずに、前述と同様のセラミック被覆層を形成した積層型圧電素子（試料番号２）を作製した。
　次に、試料番号１および試料番号２の各積層型圧電素子について、外部リード部材を介して外部電極に３ｋＶ／ｍｍの直流電界を15分間印加して、圧電体層の分極処理を行なった。
　これら試料番号１および試料番号２の積層型圧電素子に、それぞれ150℃の雰囲気下で、０Ｖ～＋160Ｖの交流電圧を150Ｈｚの周波数で印加して、１×10６回まで連続駆動した後、85℃、85%RHの雰囲気下で、ＤＣ150Ｖを300時間印加する試験を行った。
　上記試験の結果、本発明の実施例の積層型圧電素子（試料番号１）は、１×10６回まで連続駆動させた後、高温高湿の環境下でＤＣ電圧を加えて変位させても、積層体の側面で放電することなく、高い信頼性を備えていることが分かった。これは、０Ｖ～＋160Ｖの交流電圧を印加して連続駆動したときに、積層体に伸縮によって生じる応力により、多孔質層にクラックが進展すると同時に、セラミック被覆層における多孔質層の側方に位置する部位にもクラックが生じ、応力が緩和されているからである。そのため、セラミック被覆層における内部電極層の端部と対向する部位には、クラックは生じておらず、その後、高温高湿下でＤＣ電圧にて連続駆動させた場合でも、セラミック被覆層の表面で放電することはなかった。したがって、高い信頼性を兼ね備えている積層型圧電素子であることがわかった。
　これに対し、比較例の多孔質層を備えていない積層型圧電素子（試料番号２）は、０Ｖ～＋160Ｖの交流電圧を印加して、連続駆動したときに、積層体に伸縮によって生じる応力により、セラミック被覆層における内部電極層の端部と対向する部位にクラックが複数生じていた。また、セラミック被覆層における隣り合う正極及び負極の内部電極の端部に対向する部位にクラックが生じていた。その状態で、高温高湿の環境下でＤＣ電圧を加えたので、内部電極の銀がマイグレーションを起こし、セラミック被覆層に生じたクラック内を通じて移動し、ＤＣ電圧を加えて100時間経過後にセラミック被覆層表面でスパークが生じてしまった。
　１・・・積層型圧電素子
　２・・・圧電体層
　３・・・内部電極層
　４・・・多孔質層
　５・・・セラミック被覆層
　６・・・外部電極
　７・・・積層体
　８・・・ロウ材
　９・・・外部リード部材
　19・・・噴射装置
　21・・・噴射孔
　23・・・収納容器（容器）
　25・・・ニードルバルブ
　27・・・流体通路
　29・・・シリンダ
　31・・・ピストン
　33・・・皿バネ
　35・・・燃料噴射システム
　37・・・コモンレール
　39・・・圧力ポンプ
　41・・・噴射制御ユニット
　43・・・燃料タンク

Claims (10)

  1. 　圧電体層および内部電極層が積層された積層体と、該積層体の側面に接合されて内部電極層に電気的に接続された外部電極と、該積層体の側面に被着されたセラミック被覆層とを含む積層型圧電素子であって、前記積層体に多孔質層を設けたことを特徴とする積層型圧電素子。
  2. 　前記多孔質層の一部に前記セラミック被覆層の一部が入り込んでい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. 　前記セラミック被覆層が圧電材料からなることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
  4. 　前記圧電体層および前記セラミック被覆層が同じ圧電材料からな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. 　前記多孔質層が金属材料からなることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
  6. 　前記多孔質層が圧電材料からなることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子
  7. 　前記多孔質層が金属材料と圧電材料との混合層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。
  8. 　前記多孔質層が前記積層体の積層方向に等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
  9. 　噴射孔を有する容器と、請求項１乃至請求項８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流体が前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から吐出されることを特徴とする噴射装置。
  10. 　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９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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