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WO2008072767A1 - 積層型圧電素子、これを備えた噴射装置及び燃料噴射システム - Google Patents

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

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Publication number
WO2008072767A1
WO2008072767A1 PCT/JP2007/074242 JP2007074242W WO2008072767A1 WO 2008072767 A1 WO2008072767 A1 WO 2008072767A1 JP 2007074242 W JP2007074242 W JP 2007074242W WO 2008072767 A1 WO2008072767 A1 WO 2008072767A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
piezoelectric element
piezoelectric
low
multilayer
Prior art date
Application number
PCT/JP2007/074242
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Masahiro Sato
Original Assignee
Kyocera Corporation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corporation filed Critical Kyocera Corporation
Priority to JP2008549393A priority Critical patent/JP5084744B2/ja
Publication of WO2008072767A1 publication Critical patent/WO2008072767A1/ja

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H10N30/508—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure adapted for alleviating internal stress, e.g. cracking control layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/05—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes
    • H10N30/053—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes by integrally sintering piezoelectric or electrostrictive bodies and electrodes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means

Definitions

  • Multilayer piezoelectric element injection device including the same, and fuel injection system
  • the present invention relates to a multilayer piezoelectric element, an injection device including the same, and a fuel injection system.
  • the laminated piezoelectric element is used for, for example, a driving element (piezoelectric actuator), a sensor element, and a circuit element.
  • the driving element include a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an ink jet, a precision positioning device such as an optical device, and a vibration prevention device.
  • the sensor element include a combustion pressure sensor, a knock sensor, an acceleration sensor, a load sensor, an ultrasonic sensor, a pressure sensor, and a short sensor.
  • Examples of the circuit element include a piezoelectric gyro, a piezoelectric switch, a piezoelectric transformer, and a piezoelectric breaker.
  • multilayer piezoelectric elements have been required to ensure a large amount of displacement under a large pressure at the same time as miniaturization is advanced. For this reason, it is required to be able to be used under severe conditions where a higher electric field is applied and force is continuously driven for a long time.
  • the multilayer piezoelectric element undergoes dimensional changes intermittently.
  • the multilayer piezoelectric element is largely driven and deformed as a whole. Therefore, the deformation of the end portion of the element is particularly large, and a large stress force is applied to the end portion of the element.
  • Patent Document 1 proposes a piezoelectric element in which the thickness of the piezoelectric layer is changed.
  • Patent Document 1 JP-A-60-86880
  • Patent Document 1 By the method disclosed in Patent Document 1, a certain amount of force or stress is applied to the end of the piezoelectric element. You can power to ease. Therefore, it is necessary to more effectively relieve the force and stress applied to the element.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and a multilayer piezoelectric element in which a decrease in displacement is suppressed even when continuously driven for a long time under a high electric field and high pressure,
  • the purpose of this is to provide a fuel injection system and a fuel injection system.
  • the multilayer piezoelectric element of the present invention includes a multilayer structure and positive and negative external electrodes.
  • a plurality of piezoelectric layers and a plurality of internal electrodes are alternately laminated.
  • the external electrode is formed on the side surface of the laminated structure and is connected to the internal electrode.
  • the laminated structure has a plurality of portions where the thicknesses of the piezoelectric layers are different from each other.
  • a stress relaxation part is provided between the two parts adjacent to each other in the stacking direction.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element that exerts a force on a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a portion where the stress relaxation portion of the embodiment shown in FIG. 1 is disposed.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view in which a portion where the low-rigidity layer of the embodiment shown in FIG. 4 is disposed is enlarged.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a multilayer piezoelectric element that exerts a force in a seventh embodiment of the present invention and is parallel to the lamination direction.
  • FIG. 10 is an enlarged sectional view of a portion where a stress relaxation portion according to an eighth embodiment of the present invention is provided.
  • FIG. 11 is an enlarged view of a portion where a stress relaxation portion according to a ninth embodiment of the present invention is provided.
  • FIG. 11 is an enlarged view of a portion where a stress relaxation portion according to a ninth embodiment of the present invention is provided.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing an injection device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic view showing a fuel injection system according to one embodiment of the present invention.
  • the laminated piezoelectric element 1 (hereinafter also referred to as element 1) according to the first embodiment of the present invention includes a plurality of piezoelectric layers 3 and a plurality of internal electrodes 5. Are laminated alternately, and a positive electrode and a negative external electrode 9 formed on the side surface of the laminated structure 7 and connected to the internal electrode 5 are provided.
  • the laminated structure 7 has a plurality of portions where the thicknesses of the piezoelectric layers 3 are different from each other. That is, the laminated structure 7 has a portion A where the thickness of the piezoelectric layer 3 is L1 and a portion B where the thickness of the piezoelectric layer 3 is L2 (L1> L2).
  • the thickness of the piezoelectric layer 3 can be measured, for example, as follows. In the case where the external electrode 9 is formed! /, NA! /, And the internal electrode 5 is exposed on the side surface of the laminated structure 7! /, The internal electrode is formed at the center in the width direction perpendicular to the stacking direction. The thickness of the piezoelectric layer 3 between 5 may be measured. In addition, when the internal electrode 5 is not exposed on the side surface of the multilayer structure 7, the multilayer structure 7 is cut along a plane parallel to the stacking direction so that the internal electrode 5 is exposed. In addition, the thickness of the piezoelectric layer 3 between the internal electrodes 5 may be measured at the center in the width direction perpendicular to the stacking direction.
  • a stress relaxation portion 11 is provided between two portions adjacent to each other in the stacking direction.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of the present embodiment has the portions A and B in which the thickness of the piezoelectric layer 3 is different from each other, and the stress relaxation portion 11 is provided between these portions A and B, thereby providing durability. Has been improved.
  • Site A and site B differ in the amount of displacement of the piezoelectric layer. Therefore, stress tends to concentrate in the vicinity of the piezoelectric layers having different displacement amounts. However, the stress applied to the portions A and B can be effectively relieved by providing the stress relaxation portion 11 between the portions A and B.
  • the stress relaxation portion 11 includes a pair of adjacent internal electrodes 5 and a piezoelectric layer 3 sandwiched between the pair of internal electrodes 5, and further includes a pair of
  • the internal electrode 5 is preferably connected to the external electrode 9 having the same polarity. Adjacent, connected to the same polarity external electrode 9
  • the piezoelectric layer 3 sandwiched between the two internal electrodes 5 shows almost no reverse piezoelectric effect. For this reason, it is easy to follow the fluctuations of the adjacent parts in the stacking direction, and a higher stress relaxation effect can be obtained.
  • a part consisting of two internal electrodes 5 connected to the external electrode 9 of the same polarity and the piezoelectric layer 3 sandwiched between the external electrodes 9 is referred to as a part C.
  • the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5 of the part C that hardly show such a reverse piezoelectric effect have the same main components as the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5 that form the parts A and B, respectively. It is preferable to force S. By using a material having the same main component, it is possible to obtain a high stress relaxation effect while having a simple shape that does not require a separate member. In addition, since the material having the same main component is used as the piezoelectric layer 3, the bonding force between the piezoelectric layers 3 can be increased.
  • a ceramic having piezoelectricity can be used as a material of the piezoelectric layer 3.
  • a ceramic having a high piezoelectric strain constant d is used. Specifically, dititanate
  • perovskite oxide such as lead ruconate (PbZrO 2 -PbTiO 3)
  • the piezoelectric layer 3 may be perovsk represented by barium titanate (BaTiO).
  • the piezoelectric strain constant d indicating the piezoelectric characteristics is high, and therefore, the force s can be increased.
  • the piezoelectric layer 3 is formed of a ceramic material, the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5 are fired simultaneously.
  • a conductive material can be used as the material of the internal electrode 5.
  • a conductive material can be used as the material of the internal electrode 5.
  • simple metals such as Cu and Ni, and alloys such as silver platinum and silver palladium alloys.
  • silver-palladium is preferred as the main component because it has migration resistance and oxidation resistance, has a low Young's modulus, and is inexpensive.
  • composition of the low-rigidity layer 17 including the metal part 19 can be measured as follows.
  • the composition of a part of the internal electrode 5 is measured by cutting the laminated structure 7 so that the internal electrode 5 is exposed.
  • chemical analysis such as ICP (inductively coupled plasma) emission analysis can be used.
  • the cut surface of the multilayer piezoelectric element 1 may be analyzed and measured using an EPMA (Electron Probe Micro Analysis) method.
  • An external electrode 9 is formed on the side surface of the multilayer structure 7.
  • the external electrode 9 It is formed as a pair of electrodes on the pole side. Since the anode-side and cathode-side external electrodes 9 may be disposed so as not to be electrically short-circuited with each other, they may be disposed on opposing side surfaces or on adjacent side surfaces. . However, it is preferable that the external electrode 9 is disposed on the opposite side surface in order to suppress the electrical short circuit and to disperse force and stress on the piezoelectric element as much as possible.
  • the material of the external electrode 9 a material having good conductivity can be used.
  • metals such as Cu and Ni, and alloys thereof can be used.
  • silver or an alloy containing silver it is preferable to use silver or an alloy containing silver as a main component because of its low electric resistance and easy handling.
  • low active layers 23 made of a piezoelectric material are laminated on both ends of the laminated structure 7 in the lamination direction.
  • the internal electrode 5 is disposed on one main surface side, and the internal electrode 5 is not disposed on the other main surface side. Almost no indication.
  • the lead wires may be connected and fixed to the pair of external electrodes 9 by soldering, and the lead wires may be connected to an external power source.
  • each piezoelectric layer 3 is displaced by the inverse piezoelectric effect.
  • the multilayer piezoelectric element 1 includes a stress relaxation portion 11.
  • a stress relaxation portion 11 As the stress relaxation portion 11, a plurality of portions C that hardly exhibit the above-described reverse piezoelectric effect are provided between the adjacent portions A and B.
  • the stress applied to the stress relaxation portion 11 can be dispersed in a wider range.
  • the durability of the multilayer piezoelectric element 1 can be further increased.
  • the thickness force of the piezoelectric layer 3 constituting the part C is preferable that the thickness is the same.
  • the piezoelectric generated at the time of cooling after sintering of the multilayer piezoelectric element 1 The stress caused by the difference in thermal expansion between the body layer 3 and the internal electrode 5 can be reduced.
  • the stress applied to the multilayer piezoelectric element 1 in the manufacturing process can be reduced.
  • the stress relaxation portion 11 includes a high elastic layer 15 having a higher elastic modulus than the piezoelectric layer 3! /.
  • a higher stress relaxation effect can be obtained.
  • the high elastic modulus means that the Young's modulus is small.
  • the reason why the Young's modulus is small is, for example, as in the eighth embodiment described later.
  • a method for measuring the Young's modulus for example, a nanoindentation method can be used.
  • a measuring device for example, “Nanoindenter II” manufactured by Nano Instruments Co., Ltd. can be used.
  • the low rigidity layer 17, the piezoelectric layer 3 or the internal electrode 5 may be exposed in a cross section perpendicular to or parallel to the stacking direction of the stacked structure 7, and the yang ratio may be measured using the above measuring device.
  • a material having a higher elastic modulus than the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5 specifically, a resin such as silicone rubber, epoxy resin, or polyimide resin can be used.
  • the elastic modulus can be made higher than that of the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5 due to the formation of many voids.
  • the multilayer piezoelectric element 1 includes a stress relaxation portion 11.
  • the stress relieving part 11 includes a low-rigidity layer 17 having rigidity lower than that of the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5!
  • the low rigidity layer 17 is easier to break than the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5. Therefore, when the low-rigidity layer 17 breaks, the force that restrains the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5 can be weakened.
  • the presence or absence of the low-rigidity layer 17 can be confirmed by applying a load to the element 1 from a direction perpendicular to the stacking direction by a JIS 3-point bending test (JIS R 1601). This is because it is sufficient to confirm at which part the element 1 breaks when the above test is performed.
  • the broken part is the part with the lowest rigidity in the element.
  • the low-rigidity layer 17 since the low-rigidity layer 17 is provided in the stress relaxation portion 11, the low-rigidity layer 17 breaks when a JIS 3-point bending test is performed. Thus, the presence or absence of the low-rigidity layer 17 can be confirmed by the force at which the fractured part is the part A or the part B or the low-rigidity layer 17 between the parts.
  • the presence or absence of the low-rigidity layer 17 can be confirmed by the following method. First, the specimen is processed into a column. Then, in accordance with the JIS 3-point bending test, place the specimen on 2 fulcrums arranged at a fixed distance. In addition, load is applied to one central point between the fulcrums. From the above, the presence or absence of the low-rigidity layer 17 can be confirmed.
  • the low-rigidity layer 17 is made of a material having lower rigidity than the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5, or many voids are formed as in an eighth embodiment to be described later. Therefore, the rigidity can be made lower than that of the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5.
  • the multilayer piezoelectric element according to the present embodiment includes a stress relaxation layer 11.
  • the stress relaxation portion 11 includes at least two portions C each including two internal electrodes 5 connected to the same-polarity external electrode 9 and piezoelectric layers 3 adjacent on both sides in the stacking direction, and these portions. And a low-rigidity layer 17 disposed via the piezoelectric body layer 3 between them and a force.
  • the stress relaxation portion 11 is formed in this way, the stress concentrated between the adjacent portions can be concentrated on the portion C. Furthermore, the stress shown above can be absorbed more by the low-rigidity layer 17 breaking.
  • the multilayer piezoelectric element having the force according to this embodiment includes a stress relaxation layer 11. Yes.
  • the stress relaxation portion 11 includes the two internal electrodes 5 connected to the external electrode 9 of the same polarity and the piezoelectric layer 3 adjacent on both sides in the stacking direction, and the piezoelectric layer 3 has low rigidity.
  • Layer 17 is provided. Since stress is concentrated between a plurality of portions where the thicknesses of the piezoelectric layer 3 are different from each other, the stress relaxation effect of the low-rigidity layer 17 can be further enhanced.
  • the multilayer piezoelectric element according to the present embodiment has a stress relaxation portion 11, and a plurality of low rigidity layers 17 are provided in the stress relaxation portion 11.
  • a greater stress relaxation effect can be obtained. This is particularly effective when the thickness of the piezoelectric layer 3 disposed in each of two portions adjacent to each other via the stress relaxation portion 11 is greatly different.
  • the thickness of the piezoelectric layer 3 gradually increases in accordance with the directional force from the central portion to the end portion. It is getting bigger. In this way, by changing the thickness of the piezoelectric layer 3, it is possible to disperse the stress and suppress the stress from being concentrated at a certain place. For this reason, the force S that exerts a strong stress on the end of the element is suppressed, and the possibility that an excessive stress S is applied to the stress relaxation portion 11 is further reduced.
  • the difference in thickness of the piezoelectric layer 3 between two adjacent portions is preferably 10% or more of the portion where the piezoelectric layer 3 is thick.
  • the stress relaxation effect by the stress relaxation portion 11 can be further improved.
  • the difference in thickness of the piezoelectric layer 3 between two adjacent portions is 50% or more.
  • the stress relaxation effect by the stress relaxation portion 11 can be further increased.
  • the piezoelectric layer 3 is disposed in each part so that the thickness of the piezoelectric layer 3 is substantially an integer multiple from the part located in the center in the stacking direction of the piezoelectric element 1 to the part located at the end. It is more preferable to change the thickness of the piezoelectric layer 3 formed. Specifically, when the thickness of the piezoelectric layer 3 disposed in the central portion is set to 1, the thickness of the piezoelectric layer 3 disposed in the portion adjacent to this portion is set to 2, and , The end of the laminated structure 7 The thickness of the piezoelectric layer 3 disposed in the adjacent part on the part side may be set to 3.
  • the piezoelectric layer 3 having a certain thickness may be prepared, and the multilayer structure 7 can be manufactured very easily. This is because the piezoelectric element 1 can be manufactured by changing the number of stacked piezoelectric layers 3 as approaching the end of the multilayer structure 7. With such a configuration, a low-cost and small piezoelectric element 1 can be manufactured. If there is a variation in the thickness of the piezoelectric layer 3 disposed in each part, the average of the piezoelectric layers 3 disposed in each part may be taken.
  • the piezoelectric element 1 is arranged in each part so that the force is directed from the part located in the center in the stacking direction to the part located at the end, and the thickness of the piezoelectric layer 3 in each part is doubled. It is also preferable to change the thickness of the piezoelectric layer 3 provided. Specifically, assuming that the thickness of the piezoelectric layer 3 located at the center is 1, the thickness of the piezoelectric layer 3 formed in a portion adjacent to this portion is set to 2, and further, The thickness of the piezoelectric layer 3 in a portion adjacent to the end side of the laminated structure 7 may be set to 4.
  • the multilayer structure 7 can be produced very simply by preparing the piezoelectric layer 3 having a certain thickness. Can do. With such a configuration, it is possible to manufacture the multilayer piezoelectric element 1 having a higher stress relaxation effect with the force S.
  • the thickness force S of the piezoelectric layer 3a disposed in the stress relaxation portion 11, and the portion of the piezoelectric layer 3 having the larger thickness among the portions adjacent to the stress relaxation portion 11 It is preferable that the thickness is the same as the thickness of the piezoelectric layer 3 located in the region.
  • the piezoelectric layer 3 constituting each of the plurality of portions is arranged in the stacking direction of the stacked structure 7. It is preferable that the directional force and thickness distribution from the center to the first end portion and the directional force and thickness distribution from the center to the second end portion are substantially the same. In this way, the stress distribution can be made more uniform by making the thickness distribution of the piezoelectric layer 3 disposed in each part symmetrical in the vertical direction. As a result, the strain becomes smaller and the durability can be improved.
  • “being symmetrical in the vertical direction” means that the piezoelectric layers 3 at the adjacent portions toward each end of the laminated structure 7 with respect to the portion located at the center in the stacking direction. Thickness is almost equal.
  • the number of parts, the number of stress relaxation numbers 11, the number of low-rigidity layers 17, and the like are not limited to the present embodiment.
  • the multilayer piezoelectric element of the present embodiment has a low rigidity layer 17.
  • the low-rigidity layer 17 includes a plurality of metal portions 19 that are spaced apart from each other.
  • the low-rigidity layer 17 having the above configuration is more likely to break as compared with the piezoelectric layer 3.
  • the stress can be dispersed by the metal part 19 deforming or breaking following the fluctuation of the piezoelectric layer 3.
  • a laminated piezoelectric element 1 with improved durability and reliability can be obtained.
  • Examples of the metal part 19 include simple metals such as Cu and Ni, and alloys such as silver-white gold and silver palladium. Silver palladium is preferably used as a main component because it has migration resistance and oxidation resistance, has a low Young's modulus, and is inexpensive.
  • silver is preferably the main component! Since silver has excellent heat conduction properties, it can absorb heat efficiently even if the element is locally heated due to stress concentration. Further, it is preferable that no oxide layer film is formed on the surface. Metal particles with little oxide film are more flexible, so they can absorb stress more easily.
  • the composition of the low-rigidity layer 17 including the metal part 19 can be specified by using the EPMA analysis method already shown. Specifically, the composition of a part of the low-rigidity layer 17 may be measured by cutting the laminated structure 7 so that the metal part 19 of the low-rigidity layer 17 is exposed. Note that, on the cut surface of the multilayer piezoelectric element 1, the low-rigidity layer 17 is a In some cases, elements other than metals such as ceramic components may be included. Even in such a case, sites other than voids can be analyzed by the EPMA method.
  • the low-rigidity layer 17 may be one in which a large number of metal parts 19 having different sizes are randomly arranged. In the case where stress with a variation is applied to the low-rigidity layer 17, it is particularly effective to form the low-rigidity layer 17 in this way. This is because the possibility that the stress is locally concentrated on a part of the low-rigidity layer 17 is reduced and the stress can be distributed over a wider range.
  • the low-rigidity layer 17 preferably includes a plurality of metal portions 19 that are separated from each other via a gap. This is because the gap 19 makes it easier for the metal part 19 to be deformed or broken following the fluctuation of the piezoelectric layer 3. As a result, stress can be dispersed in the metal part 19 over a wider range of the low-rigidity layer 17, and the durability of the multilayer piezoelectric element 1 can be further improved.
  • the porosity of the low-rigidity layer 17 is preferably 10% to 95%. If it is 10% or more, it is possible to suppress the progress of cracks. If it is 95% or less, the force S can hold the outer shape of the multilayer piezoelectric element 1 stably.
  • the porosity is the ratio (%) of the area of the void to the cross-sectional area of the low-rigid layer 17 in a cross section perpendicular to or parallel to the lamination direction of the laminated structure 7.
  • the porosity may be measured as follows. First, the laminated structure 7 is polished using a known polishing means so that a cross section perpendicular to the stacking direction is exposed. For example, the polishing is performed with diamond paste using a table polishing machine KEME T-V-300 manufactured by Kemet Japan Co., Ltd. as a polishing apparatus.
  • the cross-section image is obtained by subjecting the cross-section exposed by this polishing process to a cross-section using a scanning electron microscope (SEM), an optical microscope, or a metal microscope.
  • SEM scanning electron microscope
  • optical microscope an optical microscope
  • metal microscope a metal microscope.
  • the percentage of the area occupied by the voids is measured. In this way, the porosity of each of the piezoelectric layer 3, the internal electrode 5, and the low rigidity layer 17 can be measured.
  • the low-rigidity layer includes a plurality of ceramic parts separated from each other. Since the ceramic part itself is damaged sequentially, The stress caused by the displacement can be dispersed. As a result, it is possible to obtain a laminated piezoelectric element having high durability and high reliability.
  • the ceramic portion is formed of a piezoelectric body.
  • the force can be obtained to obtain a higher stress relaxation effect for the following reason.
  • the degree of freedom of the ceramic parts is increased.
  • the degree of freedom of the ceramic portion increases, when stress is applied to the ceramic portion, the arrangement of ions in the crystal of the piezoelectric body moves, and the crystal structure is easily deformed according to the stress direction. As a result, the ceramic part more easily absorbs stress, and a high stress relaxation effect can be obtained.
  • a velovskite oxide such as lead zirconate titanate (PbZrO-PbTiO) can be used as the ceramic portion formed of the piezoelectric body.
  • PbZrO-PbTiO lead zirconate titanate
  • the components of the ceramic part to be formed can be analyzed and measured by using an analysis method such as EPMA as described above.
  • the low-rigidity layer may be one in which a large number of ceramic parts having different sizes are randomly arranged.
  • stresses with variations are applied to the low-rigidity layer, it is particularly effective to form the low-rigidity layer as described above. This is because the possibility that the stress is locally concentrated on a part of the low-rigidity layer is reduced, and the stress can be distributed over a wider range.
  • the low-rigidity layer includes a plurality of ceramic portions that are separated from each other via a gap. Since the ceramic part itself is more easily damaged, it is possible to distribute the stress generated by the displacement of the piezoelectric layer over a wider range.
  • the porosity of the low rigidity layer is more preferably 30% to 90%.
  • the porosity of the low-rigidity layer is 30% or more, there is sufficient space to absorb and relax the stress, so that a highly reliable multilayer piezoelectric element can be obtained. Furthermore, the porosity is more preferably 50% or more. When the stress is transmitted to the piezoelectric layer in contact with the low-rigidity layer, it can be sufficiently deformed against the stress of the ceramic part in contact with the gap. As a result, since the effect of stress absorption by the ceramic portion is further enhanced, the highly reliable multilayer piezoelectric element 1 can be obtained.
  • the porosity of the low-rigidity layer is 90% or less, the element dimensions are changed by long-time driving.
  • the shape can be suppressed and driven stably. This is because the piezoelectric layers in contact with the low rigidity layer are stably supported by the ceramic portion.
  • the possibility that the column is gradually broken from the stress-concentrated portion that does not break suddenly and the device is suddenly broken can be reduced.
  • the element drive control system it becomes possible to detect an abnormality with a margin, and the drive of the element can be finely controlled from the outside of the element by the signal control system circuit.
  • the porosity in this embodiment is the same as described above. Also, use the method shown above for the porosity measurement method!
  • the multilayer piezoelectric element of the present embodiment has a low rigidity layer 17.
  • the low-rigidity layer 17 includes a plurality of metal portions 19 and a plurality of ceramic portions 21 that are spaced apart from each other.
  • the multilayer piezoelectric element 1 with improved durability can be obtained. This is because the abrupt stress is absorbed mainly by the ceramic part and the constantly applied stress is absorbed mainly by the metal part 19. As a result, since it can cope with various forms of stress, it is possible to obtain the laminated piezoelectric element 1 having extremely excellent durability.
  • the metal portion 19 and the ceramic portion 21 in the low-rigidity layer 17 are preferably in contact with each other or separated from each other through a gap.
  • each stress relaxation effect by the metal part 19 and the ceramic part 21 can be enhanced.
  • the metal part 19 and the ceramic part 21 are each characterized by the effect of stress relaxation. Since the metal part 19 and the ceramic part 21 are in contact with each other, the metal part 19 and the ceramic part 21 are not connected to each other because the metal part 19 and the ceramic part 21 do not act separately. It is because it can be made to act as one. Further, when the metal part 19 and the ceramic part 21 are separated from each other via a force gap, the effect of stress relaxation by the metal part 19 and the ceramic part 21 can be further enhanced.
  • the ratio of the metal part 19 and the ceramic part 21 is approximately the same.
  • the ratio is the sum of the areas of the metal part 19 and the ceramic part 21 in the cross section perpendicular to or parallel to the lamination direction of the laminated structure 7. Means the ratio.
  • the internal electrode 5 located in the portion where the thickness of 3 is larger has more voids than the internal electrode 5 located in the portion where the thickness of the piezoelectric layer 3 is smaller. Since the gaps in the internal electrode 5 are formed as described above, the electric field strength applied to the internal electrode 5 positioned at the portion where the thickness of the piezoelectric layer 3 is larger is reduced. The displacement of the body layer 3 is reduced. For this reason, the stress force applied to the low-rigidity layer 17 is biased toward the piezoelectric layer 3 located in the thicker portion than the piezoelectric layer 3 located in the smaller portion of the piezoelectric layer 3.
  • the porosity is as shown in the sixth embodiment.
  • the porosity measurement method may be the method shown in the sixth embodiment.
  • the piezoelectric layer 3 constituting the portion closer to the end of the multilayer structure 7 constitutes the other portion. Thickness is greater than the piezoelectric layer 3!
  • a binder and a plasticizer are added to and mixed with the metal powder and ceramic powder constituting the internal electrode 5 such as silver / palladium to prepare a conductive paste.
  • This is printed on the upper surface of each green sheet to a thickness of about 1 to 40 m by screen printing.
  • a single piezoelectric green sheet 3 is formed at a central location, and two ceramic green sheets are stacked at a location adjacent to this location.
  • the piezoelectric layer 3 is formed. Furthermore, it is only necessary to form one piezoelectric layer 3 by stacking three ceramic green sheets at a position adjacent to this portion and the end of the laminated structure 7.
  • the multilayer structure 7 can be manufactured very simply by preparing a ceramic green sheet having a certain thickness. This is because the piezoelectric element 1 of the present embodiment can be manufactured by changing the number of stacked piezoelectric layers 3 as the end of the laminated structure 7 is approached. With such a configuration, a low-cost and small piezoelectric element 1 can be manufactured.
  • the piezoelectric element 1 is arranged at each part so that the force is directed from the part located at the center in the stacking direction to the part located at the end, and the thickness of the ceramic green sheet at each part doubles. It is also effective to change the number of laminated ceramic green sheets. Specifically, when the number of laminated ceramic green sheets per layer of the piezoelectric layer 3 located in the center is 1, the number of laminated ceramic green sheets formed in the part adjacent to this part is Further, the number of laminated ceramic green sheets in the part adjacent to the end of the laminated structure 7 at this part may be four.
  • a paste to be the ceramic part 21 is prepared by adding and mixing a binder and a plasticizer to the calcined powder of the electroceramic. This is printed at a desired position on the upper surface of each green sheet to a thickness of about 1 to 40 m by screen printing or the like and dried. After As a result, a green sheet to be the ceramic part 21 is produced.
  • the size of the ceramic portion 21 and the size of the gap are increased.
  • the porosity can be changed.
  • a paste to be the metal part 19 is prepared by adding a binder and a plasticizer to a silver-palladium metal powder. This is printed at a desired position on the upper surface of each green sheet to a thickness of about 1 to 40 am by screen printing or the like.
  • the ratio of the binder and the plasticizer to the metal powder is changed, the frequency of the screen mesh is changed, or a screen pattern is formed.
  • the metal thickness can be changed by changing the resist thickness. As a result, the size of the metal part 19, the size of the gap, the porosity, etc. can be changed.
  • the internal electrode 5 is made of silver-palladium
  • a conductive paste having a silver ratio of silver palladium higher than that of the conductive paste to be the internal electrode 5 can be used without complicated steps.
  • a low rigidity layer 17 can be formed. This is because when the above-described conductive paste having a high silver ratio is disposed at the position where the low-rigidity layer 17 is formed and the laminated structure 7 is formed by simultaneous firing, the high silver ratio is obtained from the conductive paste. This is because silver diffuses! As a result of the diffusion of silver, voids are formed. As a result, the conductive paste having a high silver ratio becomes a low-rigidity layer 17 having a lower rigidity than the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5.
  • the print pattern of the paste to be the ceramic part 21 and the print pattern of the paste to be the metal part 19 do not overlap with each other.
  • the low rigidity layer 17 from having a large thickness, a small portion and a small thickness, and a portion due to not overlapping each other. Thereby, it is possible to suppress unnecessary peeling between the low-rigidity layer 17 and the adjacent piezoelectric layer 3.
  • a green sheet for forming the low active layer 23 a green sheet on which a conductive paste is printed, and a green sheet for forming the low rigidity layer 17 are laminated in a desired configuration.
  • Guidance By printing a conductive paste on a plurality of green sheets that are not printed with a conductive paste, portions having different thicknesses are formed. Of course, green sheets with different thicknesses are prepared in advance, and conductive paste is printed on them to form parts with different thicknesses. After debinding at a specified temperature while pressing the laminated structure 7 by placing a weight, etc., remove the pressure load so that there is a difference in the thickness of the metal layer 900 ⁇ ; 1200 ° By firing with C, the laminated structure 7 is produced.
  • the low active layer 23 and the piezoelectric layer 3 are sintered by adding a metal powder constituting the internal electrode 5 such as silver-palladium to the green sheet of the low active layer 23 portion.
  • the shrinkage behavior during shrinkage and the shrinkage rate can be approached. In this way, a denser laminated structure 7 can be formed.
  • a slurry including a metal powder, an inorganic compound, a binder, and a plasticizer constituting the internal electrode 5 such as silver palladium is printed on the green sheet. Therefore, the shrinkage behavior and shrinkage rate of the low active layer 23 and the piezoelectric layer 3 during sintering can be made closer to each other.
  • the multilayer structure 7 is not limited to the one manufactured by the above manufacturing method, and the multilayer structure 7 is formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric layers 3 and a plurality of internal electrodes 5. If it can be formed, V can be formed by the manufacturing method of deviation.
  • grooves are formed on the two side surfaces of the multilayer structure 7 along the internal electrode 5 every other layer so as to alternate.
  • An insulator such as resin or rubber having a Young's modulus lower than that of the piezoelectric layer 3 is disposed in the groove.
  • a silver glass conductive paste to be the external electrode 9 is prepared.
  • a silver glass conductive paste is prepared by adding a binder to the glass powder. This silver glass conductive paste is formed into a sheet and dried. Here, the step of drying the above-mentioned silver glass conductive paste is preferably controlled so that the solvent is scattered and the raw density of the sheet is 6 to 9 g / cm 3. The sheet thus produced is transferred to the surface of the laminated structure 7 where the external electrodes 9 are formed. Then, baking is performed at a temperature higher than the softening point of the glass, lower than the melting point of silver (965 ° C), and lower than 4/5 of the firing temperature of the laminated structure 7 (° C). Go. As a result, the binder component in the sheet produced using the silver glass conductive paste is scattered and disappears, and the external electrode 9 having a porous conductor force forming a three-dimensional network structure is formed. The power S to do.
  • the paste constituting the external electrode 9 may be baked after being laminated on a multilayer sheet, or may be baked after being laminated one by one.
  • the multilayer sheet when the glass component is changed for each layer, a sheet in which the mass ratio of the glass component is changed for each sheet may be used. If you want to form a very thin glass-rich layer on the surface closest to the piezoelectric layer 3, print a glass-rich paste on the laminated structure 7 using a method such as screen printing, and then stack multiple layers. Can be used. At this time, a sheet of 5 m or less may be used instead of printing.
  • the baking temperature of the silver glass conductive paste is preferably set in the range of 500 to 800 ° C. This is because the neck portion can be formed effectively and the silver in the silver glass conductive paste and the internal electrode 5 can be diffusion bonded. Thereby, voids in the external electrode 9 can be effectively left. Further, the external electrode 9 and the side surface of the columnar laminated structure 7 can be partially joined.
  • the softening point of the glass component in the silver glass conductive paste is preferably 500 to 800 ° C! /.
  • the baking temperature By setting the baking temperature to 800 ° C or lower, it is possible to prevent the silver powder of the silver glass conductive paste from being excessively sintered. As a result, a porous conductor having a three-dimensional network structure can be formed, so that the external electrode 9 can be made reasonably dense. Therefore, the Young's modulus of the external electrode 9 is suppressed from becoming too high, and the disconnection of the external electrode 9 is suppressed. As a result, the stress during driving can be dispersed over a wider range. More preferably, baking is performed at a temperature within 1.2 times the softening point of the glass.
  • the baking temperature to 500 ° C or higher, it is possible to further improve the bondability by diffusion between the end of the internal electrode 5 and the external electrode 9. As a result, a stronger neck portion can be formed. As a result, the power S can be used to more stably energize the internal electrode 5 and the external electrode 9 during driving.
  • a lead wire is connected to the external electrode 9, and a DC voltage of 0.1 to 3 kV / mm is applied to the pair of external electrodes 9 via the lead wire to polarize the laminated structure 7.
  • a piezoelectric actuator using the bright laminated piezoelectric element 1 is completed.
  • the lead wire is connected to an external voltage supply unit and a voltage is applied to the piezoelectric layer 3 via the lead wire and the external electrode 9, each piezoelectric layer 3 is greatly displaced by the inverse piezoelectric effect.
  • it can function as an automobile fuel injection valve that supplies fuel to the engine.
  • the multilayer piezoelectric element 1 typified by the above-described embodiment is stored in a storage device 29 having an injection hole 27 at one end.
  • a needle valve 31 capable of opening and closing the injection hole 27 is disposed in the storage container 29 in the storage container 29, a needle valve 31 capable of opening and closing the injection hole 27 is disposed.
  • a fluid passage 33 is arranged in the injection hole 27 so that it can communicate with the movement of the needle valve 31.
  • the fluid passage 33 is connected to an external fluid supply source, and the fluid is always supplied to the fluid passage 33 at a high pressure. Therefore, when the needle valve 31 opens the injection hole 27, the fluid supplied to the fluid passage 33 is ejected to the outside or an adjacent container, for example, a fuel chamber (not shown) of the internal combustion engine. .
  • the upper end portion of the needle valve 31 has a large inner diameter, and a cylinder 35 formed in the storage device 29 and a slidable piston 37 are disposed. In the storage device 29, the laminated piezoelectric element 1 described above is stored.
  • the fluid flow path 33 may be opened by applying a voltage to the multilayer piezoelectric element 1, and the fluid flow path may be closed by stopping the application of the voltage.
  • the injection device 25 of the present invention includes a container having the injection holes 27 and the multilayer piezoelectric element 1, and fluid filled in the container is driven by the multilayer piezoelectric element 1 to eject the injection holes 27. It may be configured to discharge from. That is, the multilayer piezoelectric element 1 does not necessarily have to be inside the container, and the multilayer piezoelectric element 1 may be configured so that pressure is applied to the inside of the container by driving the multilayer piezoelectric element 1.
  • the fluid means fuel, ink.
  • various liquid fluids (such as conductive paste) and gases are included.
  • an injection device that employs the multilayer piezoelectric element of the present invention is used in an internal combustion engine, it is possible to accurately inject fuel into a fuel chamber of an internal combustion engine such as an engine for a longer period of time compared to a conventional injection device. Touch with S.
  • the fluid ejection system 41 of the present embodiment includes a common rail 43 that stores high-pressure fluid, a plurality of the above-described injection devices 25 that inject the fluid stored in the common rail 43, and a high pressure applied to the common rail 43.
  • the injection control unit 47 controls the amount and timing of fluid injection based on external information or an external signal. For example, when an injection control unit is used for engine fuel injection, the amount of fuel injection can be controlled while sensing the state of the combustion chamber of the engine with a sensor or the like.
  • the pressure pump 45 plays a role of feeding fluid fuel from the fluid tank 49 to the common rail 43 at a high pressure. For example, in the case of an engine fuel injection system, it is about 1000 to 2000 atm., Preferably ⁇ 1500 to about 1700 atm.
  • the fuel sent from the pressure pump 45 is stored and sent to the injector 25 as appropriate.
  • the injection device 25 injects a certain fluid from the injection hole 27 to the outside of the injection device force or an adjacent container. For example, in the case of an engine, fuel is injected into the combustion chamber in the form of a mist.
  • a piezoelectric actuator provided with a multilayer piezoelectric element was manufactured as follows. First, piezoelectric containing lead zirconate titanate (? 2 0 -PbTiO 3) with an average particle size of 0.4 111
  • a slurry was prepared by mixing a calcined ceramic powder, a binder, and a plasticizer. Using this slurry, a ceramic green sheet to be a piezoelectric layer 3 having a thickness of 150 m was produced by a doctor blade method.
  • the thickness of the green sheet is made constant by printing the conductive paste on one side of each green sheet. And 300 sheets of these sheets were laminated and fired. Firing was performed at 1000 ° C after holding at 800 ° C.
  • the ceramic green sheet serving as a reference is obtained by stacking two or three green sheets based on the thickness of the ceramic green sheet. Green sheets that are twice or three times as thick as the above were produced. The conductive paste was printed on one side of each of the green sheets. These green sheets with different thicknesses were stacked for each of the different thicknesses, thereby forming portions with different thicknesses of the piezoelectric layer 3.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of Sample No. 3 has the structure shown in FIG. As shown in FIG. 2, stress relaxation comprising two internal electrodes 5 connected to an external electrode 9 of the same polarity between a part A and a part B where the thicknesses of the piezoelectric layer 3 are different from each other. Part C, which is part 11, is provided.
  • the laminated piezoelectric element 1 of Sample No. 46 has the structure shown in FIG. That is, these laminated piezoelectric elements 1 have a low-rigidity layer 17. Also, the multilayer piezoelectric element 1 of sample number 7 has the structure shown in FIG. That is, it has two internal electrodes 5 connected to the same-polarity external electrode 9 and a piezoelectric layer 3 adjacent to each other on both sides in the stacking direction, and a low-rigidity layer 17 formed in the piezoelectric layer 3. ing.
  • the laminated piezoelectric element 1 of the sample number 4 7 has a green sheet for forming the low-rigidity layer 17 as shown in Table 1 with the metal part 19 and / or ceramic. Part 21 is formed by printing.
  • the low-rigidity layer 17 of the multilayer piezoelectric element 1 of sample numbers 6 and 7 includes a metal part 19 and a ceramic part 21 as shown in FIG. [0122]
  • the ceramic portion 21 is a pressure containing lead zirconate titanate (PbZrO 2 -PbTiO 3), which is the same as the ceramic green sheet used for forming the piezoelectric layer 3.
  • a sheet made of calcined powder of an electroceramic, a binder and a plasticizer is used. Also
  • the conductive paste used for forming the internal electrode 5 was used as the metal part 19, and the plate having a resist thickness of 5 m was formed at the place where the desired metal part 19 was to be formed. Print to the thickness of!
  • flaky silver powder having an average particle diameter of 2,1 m was mixed with glass powder having a softening point of 40 ° C, the balance of which was mainly composed of keye having an average particle diameter of 2 ⁇ m. .
  • a binder was added so as to be 8 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the total mass of silver powder and glass powder.
  • a silver glass conductive paste was prepared by thoroughly mixing the mixture with the binder. The silver glass conductive paste thus produced was screen-printed on a release film and dried. Then, it peeled off from the release film and obtained the silver glass conductive sheet. Then, the silver glass conductive sheet was transferred to the external electrode 9 forming surface of the laminated structure 7 and laminated, and baked at 700 ° C. for 30 minutes to form the external electrode 9.
  • a lead wire is connected to the external electrode 9, a 3 kV / mm DC electric field is applied to the positive and negative external electrodes 9 through the lead wire for 15 minutes, and polarization treatment is performed.
  • a piezoelectric actuator provided with the electric element 1 was produced.
  • the porosity of the plurality of internal electrodes 5 was the same.
  • the porosity force of the internal electrode 5 that is one layer adjacent to the stress relaxation part 11 The internal electrode 5 and the stress relaxation part 11 are laminated. It was smaller than the porosity of the internal electrode 5 which was two layers with respect to the stress relaxation portion 11 adjacent on the opposite side of the direction. In this way, since the void ratio of the internal electrode 5 closer to the stress relaxation portion 11 where the stress is concentrated is large and easily displaced! /, A greater stress relaxation effect was obtained.
  • the low-rigidity layer 17 has a metal part.

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Abstract

　本発明の積層型圧電素子は、積層構造体と正極及び負極の外部電極とを備えている。積層構造体は複数の圧電体層と複数の内部電極とが交互に積層された構造である。外部電極は、積層構造体の側面に形成されるとともに前記内部電極が接続される。また、積層構造体が、前記圧電体層の厚みを互いに異ならせた複数の部位を有している。そして、積層方向に隣り合う２つの前記部位間には、応力緩和部が設けられている。積層型圧電素子は、このような構造を備えることにより、圧電体層の変位量の違いにより集中する応力を分散させることができる。

Description

明 細 書
積層型圧電素子、これを備えた噴射装置及び燃料噴射システム
技術分野
[0001] 本発明は、積層型圧電素子、これを備えた噴射装置及び燃料噴射システムに関す るものである。積層型圧電素子は、例えば、駆動素子 (圧電ァクチユエータ）、センサ 素子及び回路素子に用いられる。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、及び振動防止装置が挙げられる。センサ素子としては、例えば、燃焼圧センサ 、ノックセンサ、加速度センサ、荷重センサ、超音波センサ、感圧センサ及びョーレー 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、圧電スィッチ 、圧電トランス及び圧電ブレーカーが挙げられる。
背景技術
[0002] 従来から、積層型圧電素子は、小型化が進められると同時に、大きな圧力下にお いて大きな変位量を確保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、し力、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
[0003] コンデンサ等の通常の積層型電子部品と異なり、積層型圧電素子は素子自体が断 続的に寸法変化を起こす。そして、全ての圧電体層が内部電極を介して密着して駆 動することにより、積層型圧電素子は全体として大きく駆動変形する。そのため、素子 の端部の変形が特に大きくなり、素子の端部に大きな応力力かかる。
[0004] そこで、特許文献 1で、圧電体層の厚みを変化させた圧電素子が提案されている。
厚みが異なることにより変位量が変化することを利用して、素子端部にかかる応力の 緩和が試みられている。
特許文献 1 :特開昭 60— 86880号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] 特許文献 1に開示されている方法により、圧電素子の端部に力、かる応力をある程度 緩和すること力できる。そのため、素子に力、かる応力をより効果的に緩和させることが 必要となっている。
[0006] 本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高電界、高圧力下で長時間連 続駆動させた場合であっても変位量の低下が抑制された積層型圧電素子、これを用 V、た噴射装置及び燃料噴射システムを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明の積層型圧電素子は、積層構造体と正極及び負極の外部電極とを備えて いる。積層構造体は複数の圧電体層と複数の内部電極とが交互に積層されている。 外部電極は、積層構造体の側面に形成されるとともに前記内部電極が接続される。 また、前記積層構造体が、前記圧電体層の厚みを互いに異ならせた複数の部位を 有している。積層方向に隣り合う 2つの前記部位間には、応力緩和部が設けられてい 図面の簡単な説明
[0008] [図 1]本発明の第 1の実施形態に力、かる積層型圧電素子を示す斜視図である。
[図 2]図 1に示す実施形態の応力緩和部が配設された部分を拡大した断面図である
[図 3]本発明の第 2の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。
[図 4]本発明の第 3の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。
[図 5]図 4に示す実施形態の低剛性層が配設された部分を拡大した分解斜視図であ
[図 6]本発明の第 4の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。
[図 7]本発明の第 5の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。
[図 8]本発明の第 6の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。
[図 9]本発明の第 7の実施形態に力、かる積層型圧電素子を示し、積層方向に平行な 断面図である。
[図 10]本発明の第 8の実施形態にかかる応力緩和部が配設された部分を拡大した断 面図である。
[図 11]本発明の第 9の実施形態にかかる応力緩和部が配設された部分を拡大した断 面図である。
[図 12]本発明の一実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。
[図 13]本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システムを示す概略図である。
発明を実施するための最良の形態
[0009] 図 1、 2に示すように、本発明の第 1の実施形態にかかる積層型圧電素子 1 (以下、 素子 1ともいう）は、複数の圧電体層 3と複数の内部電極 5とが交互に積層された積層 構造体 7と、積層構造体 7の側面に形成されるとともに内部電極 5が接続された正極 及び負極の外部電極 9と、を備えている。また、積層構造体 7は、圧電体層 3の厚み を互いに異ならせた複数の部位を有している。すなわち、積層構造体 7は、圧電体層 3の厚みが L1である部位 Aと、圧電体層 3の厚みが L2である部位 Bを有している（L1 〉L2)。
[0010] 圧電体層 3の厚みは、例えば、以下のようにして測定することができる。外部電極 9 の形成されて!/、な!/、積層構造体 7の側面に内部電極 5が露出して!/、る場合には、積 層方向に垂直な幅方向の中心で、内部電極 5の間の圧電体層 3の厚みを測定すれ ば良い。また、積層構造体 7の側面に内部電極 5が露出していない場合には、内部 電極 5が露出するように、積層方向に平行な平面で積層構造体 7を切断し、切断面 において、同様に、積層方向に垂直な幅方向の中心で、内部電極 5の間の圧電体 層 3の厚みを測定すれば良い。
[0011] そして、積層方向に隣り合う 2つの部位間には、応力緩和部 11が設けられている。
このように、本実施形態の積層型圧電素子 1は、圧電体層 3の厚みが互いに異なる 部位 A、 Bを有し、これらの部位 A、 B間に応力緩和部 11を設けることにより耐久性を 向上させている。
[0012] 部位 Aと部位 Bとは、圧電体層の変位量が異なる。そのため、互いに変位量の異な る圧電体層の近傍に応力が集中しやすい。し力、しながら、この部位 Aと Bの間に応力 緩和部 11を設けることで、部位 A、 Bにかかる応力を効果的に緩和することができる。
[0013] また、図 1、 2に示すように、応力緩和部 11は、隣接する一対の内部電極 5と、一対 の内部電極 5に挟まれた圧電体層 3とを備え、さらに、一対の内部電極 5が、同極の 外部電極 9に接続されることが好ましい。同極の外部電極 9に接続された、隣接する 2つの内部電極 5に挟まれた圧電体層 3は、逆圧電効果を殆ど示さない。そのため、 積層方向に隣り合う部位の変動に追従しやすいので、より高い応力緩和の効果が得 られる。以下、同極の外部電極 9に接続された 2つの内部電極 5及びこれらの外部電 極 9に挟まれた圧電体層 3からなる部位を部位 Cとする。
[0014] また、このような逆圧電効果を殆ど示さない部位 Cの圧電体層 3及び内部電極 5が、 部位 A、 Bを形成する圧電体層 3及び内部電極 5とそれぞれ同じ主成分を有している こと力 Sより好ましい。主成分が同じである材料を用いることにより、別途、部材を用意 する必要がなぐ単純な形状でありながらも高い応力緩和の効果を得ることが出来る 力、らである。また、圧電体層 3として同じ主成分の材料を用いているため、圧電体層 3 同士の結合力を高めることもできる。
[0015] 圧電体層 3の材料としては、圧電性を有するセラミックスを用いることができる。好ま しくは、圧電歪み定数 d が高いセラミックスが用いられる。具体的には、チタン酸ジ
33
ルコン酸鉛（PbZrO -PbTiO )のようなぺロブスカイト型酸化物を主成分とすること
3 3
が好ましい。例えば、圧電体層 3がチタン酸バリウム（BaTiO )を代表とするぺロブス
3
カイト型圧電セラミックス材料で形成されるときには、その圧電特性を示す圧電歪み 定数 d が高いことから、変位量を大きくすること力 sできる。また、ぺロブスカイト型圧電
33
セラミックス材料で圧電体層 3を形成する場合には、圧電体層 3と内部電極 5を同時 に焼成することあでさる。
[0016] 内部電極 5の材料としては、導電性を有するものを用いることができる。例えば Cu 及び Niといった単体の金属、並びに銀 白金及び銀 パラジウム合金といった合金 を用いること力 Sできる。特に、耐マイグレーション性や耐酸化性があり、ヤング率が低 ぐかつ、安価であるという点から銀一パラジウムを主成分とすることが好ましい。
[0017] 金属部 19を備えた低剛性層 17の組成は、以下のようにして測定することができる。
[0018] まず、内部電極 5が露出するように、積層構造体 7を切断するなどして、内部電極 5 の一部の組成を測定する。測定方法としては、 ICP (誘導結合プラズマ)発光分析の ような化学分析を用いることができる。また、積層型圧電素子 1の切断面を、 EPMA ( Electron Probe Micro Analysis)法を用いて分析、測定してもよい。
[0019] 積層構造体 7の側面には、外部電極 9が形成される。外部電極 9は、陽極側及び陰 極側の一対の電極として形成される。陽極側及び陰極側の外部電極 9は、互いに電 気的に短絡しないように配設されれば良いので、対向する側面に配設されていても、 隣り合う側面に配設されていてもよい。しかし、上記の電気的な短絡を抑制する点、 及び圧電素子に力、かる応力を出来る限り分散させる点から、外部電極 9は対向する 側面に配設されることが好ましい。
[0020] 外部電極 9の材質としては、導電性の良いものを用いることができる。例えば、 Cu や Niといった金属やこれらの合金等を用いることができる。特に、電気抵抗が低ぐ 取り扱いが容易であることから、銀、若しくは銀が主成分の合金を用いることが好まし い。
[0021] また、積層構造体 7の積層方向の両端側には圧電体で形成された低活性層 23が 積層されている。低活性層 23は一方の主面側に内部電極 5が配置されているのみ であり、他方の主面側には内部電極 5が配置されていないので、電圧を印加しても逆 圧電効果を殆ど示さない。
[0022] この積層型圧電素子 1を圧電ァクチユエータとして使用する場合には、一対の外部 電極 9にリード線を半田によりそれぞれ接続固定し、リード線を外部の電源に接続す ればよい。この外部の電源からリード線を通じて隣り合う内部電極 5間に所定の電圧 を印加することにより、各圧電体層 3が逆圧電効果によって変位する。
[0023] 次に、他の構造を有する実施形態について説明する。なお、第 1の実施形態と重 複する説明については省略する。まず、本発明の第 2の実施形態について説明する
[0024] 図 3に示すように、本実施形態にかかる積層型圧電素子 1は、応力緩和部 11を備 えている。応力緩和部 11として、隣り合う部位 Aと Bの間には、上記の逆圧電効果を 殆ど示さない部位 Cが複数設けられる。このように部位 Cが複数形成されることで、応 力緩和部 11にかかる応力をより広範囲に分散させることができる。その結果、積層型 圧電素子 1の耐久性をより高くすることができる。
[0025] また、上記の部位 Cを構成する圧電体層 3の厚み力 この部位と隣り合う 2つの部位 のうち、圧電体層 3の厚みの大きい方の部位に配設される圧電体層 3の厚みと同じで あることが好ましい。これにより、積層型圧電素子 1の焼結後の冷却時に生じる圧電 体層 3と内部電極 5との熱膨張差に起因する応力を小さくすることができる。すなわち
、製造工程において積層型圧電素子 1に加わる応力を低減することができる。
[0026] また、応力緩和部 11が、圧電体層 3よりも弾性率の高い高弾性層 15を備えている ことが好まし!/、。圧電体層 3よりも弾性率の高!/、高弾性層 15を備えて!/、ることにより、 より高い応力緩和の効果を得ることが出来る。
[0027] なお、本実施形態において、弾性率が高いとは、ヤング率が小さいことを意味して いる。このヤング率が小さい理由としては、例えば、後述する第 8の実施形態のように
、多くの空隙が形成されていることなどが挙げられる。
[0028] ヤング率の測定方法としては、例えば、ナノインデンテーション法を用いることがで きる。測定装置としては、例えば、ナノインスツルメント社製の「ナノインデンター II」を 用いること力 Sできる。積層構造体 7の積層方向に垂直若しくは平行な断面において、 低剛性層 17、圧電体層 3又は内部電極 5を露出させ、上記の測定装置を用いてヤン グ率を測定すれば良い。
[0029] 高弾性層 15としては、圧電体層 3や内部電極 5よりも弾性率の高い材料、具体的に は、シリコーンゴム、エポキシ樹脂、又はポリイミド樹脂などの樹脂を用いることができ
[0030] また、後述するように、多くの空隙が形成されていることなどにより、圧電体層 3や内 部電極 5よりも弾性率を高くすることができる。
[0031] 次に、本発明の第 3の実施形態について説明する。
[0032] 図 4、 5に示すように、本実施形態にかかる積層型圧電素子 1は、応力緩和部 11を 備えている。そして、応力緩和部 11が、圧電体層 3及び内部電極 5よりも剛性が低い 低剛性層 17を備えて!/、る。低剛性層 17は圧電体層 3及び内部電極 5よりも破断しや すい。そのため、低剛性層 17が破断することにより、圧電体層 3や内部電極 5を拘束 する力を弱めることができる。
[0033] また、低剛性層 17を優先的に破断させることにより、部位 A及び Bに配設された圧 電体層 3又は内部電極 5にクラックが生じることを抑制することができる。結果として、 素子 1を安定して駆動させることができる。また同時に、変位量の低下を抑制すること ができる。 [0034] 低剛性層 17、圧電体層 3及び内部電極 5の剛性は、例えば素子 1に対して、積層 方向に垂直な方向に荷重を加えることで容易に比較できる。具体的には、 JIS3点曲 げ試験 (JIS R 1601)などにより、素子 1に対して積層方向に垂直な方向から荷重 を加えることで低剛性層 17の有無を確認できる。上記の試験を行ったときに、どの部 分で素子 1が破断するかを確認すればよいからである。その破断箇所が素子の中で 最も剛性が低い箇所である。
[0035] 本実施形態では、応力緩和部 11に低剛性層 17が備えられているので、 JIS3点曲 げ試験を行うと、低剛性層 17で破断が起きる。このように、破断した箇所が部位 A又 は部位 Bである力、、若しくは、部位間の低剛性層 17であるかにより低剛性層 17の有 無を確認できる。
[0036] なお、試験片が小さぐ上言 点曲げ試験を用いることができない場合には、例 えば、下記の方法により低剛性層 17の有無を確認することができる。まず、試験片を 柱状に加工する。そして JIS3点曲げ試験に準拠して、この試験片を一定距離に配置 された 2支点上に置く。さらに、支点間の中央の 1点に荷重を加える。以上により、低 剛性層 17の有無を確認することができる。
[0037] 低剛性層 17は、圧電体層 3や内部電極 5よりも剛性の低い材料を用いること、或い は、後述する第 8の実施形態のように、多くの空隙が形成されていることなどにより、 圧電体層 3や内部電極 5よりも剛性を低くすることができる。
[0038] 次に、本発明の第 4の実施形態について説明する。
[0039] 図 6に示すように、本実施形態にかかる積層型圧電素子は応力緩和層 11を備えて いる。そして、応力緩和部 11は、同極の外部電極 9に接続された 2つの内部電極 5と 積層方向両側でそれぞれ隣接する圧電体層 3を備えた少なくとも 2つの部位 Cと、こ れらの部位の間に圧電体層 3を介して配置された低剛性層 17と、力もなる。
[0040] 応力緩和部 11が、このように形成されていることで、隣り合う部位間に集中させた応 力を上記の部位 Cに集中させることができる。さらに、低剛性層 17が破断することによ り、上に示した応力を、より吸収できる。
[0041] 次に、本発明の第 5の実施形態について説明する。
[0042] 図 7に示すように、本実施形態に力、かる積層型圧電素子は応力緩和層 11を備えて いる。そして、応力緩和部 1 1が、同極の外部電極 9に接続された 2つの内部電極 5と 積層方向両側でそれぞれ隣接する圧電体層 3を備え、この圧電体層 3の内部に低剛 性層 17が設けられている。圧電体層 3の厚みを互いに異ならせた複数の部位間に 応力が集中するため、低剛性層 17の応力緩和の効果をより高めることができる。
[0043] 次に、本発明の第 6の実施形態について説明する。
[0044] 図 8に示すように、本実施形態にかかる積層型圧電素子は応力緩和部 1 1を有し、 この応力緩和部 1 1には、複数の低剛性層 17が設けられている。応力緩和部 1 1に複 数の低剛性層 17を設けることで、より大きな応力緩和の効果を得ることができる。応 力緩和部 1 1を介して隣り合う 2つの部位のそれぞれに配設された圧電体層 3の厚み が大きく異なる場合には、特に有効となる。
[0045] 次に、本発明の第 7の実施形態について説明する。
[0046] さらに、図 9に示すように、本実施形態にかかる素子 1は、中央に位置する部位から 端部に位置する部位に向力、うに従い、段階的に圧電体層 3の厚みが大きくなつてい る。このように、圧電体層 3の厚みを変化させていくことで、応力を分散させ、一定の 場所に応力が集中することを抑制できる。そのため、素子の端部に強い応力がかか ること力 S抑制され、かつ、応力緩和部 1 1に過度の応力力 Sかかる可能性がより小さくな
[0047] 本実施形態において、隣り合う 2つの部位間の圧電体層 3の厚みの差が、圧電体 層 3の厚みの大きい部位の 10%以上であることが好ましい。上記の差が 10%以上で ある場合には、応力緩和部 1 1による応力緩和の効果をより向上させることができる。 また、隣り合う 2つの部位間の圧電体層 3の厚みの差が、 50%以上であること力 より 好ましい。上記の差が 50%以上である場合には、応力緩和部 1 1による応力緩和の 効果をより大きくできる。
[0048] さらには、圧電素子 1の積層方向の中央に位置する部位から端部に位置する部位 に向かい圧電体層 3の厚みが実質的に整数倍となるように、それぞれの部位に配設 された圧電体層 3の厚みを変化させていくことがより一層好ましい。具体的には、中央 に位置する部位に配設される圧電体層 3の厚みを 1とした場合に、この部位と隣り合う 部位に配設される圧電体層 3の厚みを 2とし、さらに、この部位の、積層構造体 7の端 部側で隣り合う部位に配設される圧電体層 3の厚みを 3とすればよい。
[0049] このように積層構造体 7を形成する場合には、一定の厚みの圧電体層 3を用意すれ ばよく、非常に簡単に積層構造体 7を作製することができる。積層構造体 7の端部に 近づくに従って、この圧電体層 3の積層する枚数を変えていくことで、上記の圧電素 子 1を作製することができるからである。このような構成により、低コストかつ小型の圧 電素子 1を作製することができる。なお、それぞれの部位に配設される圧電体層 3の 厚みにばらつきがある場合には、それぞれの部位に配設される圧電体層 3の平均を とれば'よい。
[0050] また、圧電素子 1の積層方向の中央に位置する部位から端部に位置する部位に向 力、つて各部位の圧電体層 3の厚みが倍となるように、それぞれの部位に配設された 圧電体層 3の厚みを変化させていくことも好ましい。具体的には、中央に位置する圧 電体層 3の厚みを 1とした場合に、この部位と隣り合う部位に形成されている圧電体 層 3の厚みを 2とし、さらに、この部位の、積層構造体 7の端部側で隣り合う部位の圧 電体層 3の厚みを 4とすればよい。
[0051] このように積層構造体 7を形成する場合には、既に示したように、一定の厚みの圧 電体層 3を用意すればよぐ非常に簡単に積層構造体 7を作製することができる。こ のような構成により、より高い応力緩和の効果を有する積層型圧電素子 1を作製する こと力 Sでさる。
[0052] さらにこの時、この応力緩和部 11に配設される圧電体層 3aの厚み力 S、この応力緩 和部 11と隣り合う部位のうちの圧電体層 3の厚みの大きい方の部位に位置する圧電 体層 3の厚みと同じであることが好ましい。応力緩和部 11に配設される圧電体層 3a の厚みを上記のようにすることで、既に示したように、積層型圧電素子 1の焼結後の 冷却時に生じる圧電体層 3と内部電極 5との熱膨張差に起因する応力を小さくするこ と力 Sできる力、らである。さらに、駆動時に生じる圧電体層 3特有の圧電振動波 (Acous tic wave)の位相を安定して揃えることができる。これにより、ノイズの発生を抑制で きるので、駆動電源やケーブルにノイズ防止の被覆をしなくても信頼性の高!/、信号伝 達と素子駆動を実現することができる。
[0053] また、複数の部位をそれぞれ構成する圧電体層 3は、積層構造体 7の積層方向の 中心から第 1の端部に向力、う厚み分布と、この中心から第 2の端部に向力、う厚み分布 とがほぼ同一であることが好ましい。このように、各部位に配設される圧電体層 3の厚 みの分布を上下対称にすることによって応力分布をより均一に近くできる。結果として 、ひずみがより小さくなり、耐久性を改善することができる。
[0054] 本実施形態において、上下対称にするとは、積層方向の中心に位置する部位を基 準として、積層構造体 7の各々の端部に向かって、それぞれ隣り合う部位の圧電体層 3の厚みがほぼ同等であることをいう。なお、部位の数、応力緩和数 11の数、低剛性 層 17の数などについては、本実施形態に限定されるものではない。
[0055] 次に、本発明の第 8の実施形態について説明する。
[0056] 図 10に示すように、本実施形態の積層型圧電素子は低剛性層 17を有している。そ して低剛性層 17は、互いに離隔した複数の金属部 19を備えている。上記の構成の 低剛性層 17は、圧電体層 3と比較して破断しやすい。そして、金属部 19が圧電体層 3の変動に追従して変形する、或いは破断することにより、応力を分散させることがで きる。その結果、耐久性および信頼性を改善した積層型圧電素子 1を得ることができ
[0057] この金属部 19としては、例えば、 Cu及び Niのような単体の金属、並びに、銀—白 金及び銀 パラジウムのような合金が挙げられる。耐マイグレーション性や耐酸化性 があり、ヤング率が低ぐかつ、安価であるという点から銀 パラジウムを主成分とする ことが好ましい。
[0058] また、熱伝導性の観点からは、銀が主成分であることが好まし!/、。銀は熱伝導特性 が優れているので、応力集中により素子が局所的に加熱されたとしても、熱を効率良 く吸収できる力、らである。さらに、表面に酸化層の皮膜が形成されていないことが好ま しい。酸化皮膜の少ない金属粒子は柔軟性に富んでいるので、より応力を吸収しや すくなる。
[0059] 金属部 19を備えた低剛性層 17の組成は、既に示した EPMA法の分析方法を用 いることで特定できる。具体的には、低剛性層 17の金属部 19が露出するように、積 層構造体 7を切断するなどして、低剛性層 17の一部の組成を測定すればよい。なお 、積層型圧電素子 1の切断面において、低剛性層 17は、金属成分だけでなぐボイ ドゃ、セラミックス成分等の金属以外の要素も含まれている場合がある。このような場 合であっても、ボイド以外の部位を EPMA法により分析することができる。
[0060] また、低剛性層 17は、大きさの異なる多数の金属部 19がランダムに配設されたもの であってもよい。ばらつきのある応力が低剛性層 17に加わるような場合には、このよう に低剛性層 17を形成することが特に有効である。低剛性層 17の一部に応力が局所 的に集中する可能性を小さくし、より広範囲に応力を分散させることができるからであ
[0061] さらに、低剛性層 17は、空隙を介して互いに離隔した複数の金属部 19を備えてい ること力 S好ましい。空隙を介していることにより、金属部 19が圧電体層 3の変動に追従 して変形したり、或いは破断したりすることがより容易となるからである。これにより、低 剛性層 17のより広範囲にわたる金属部 19に応力を分散させることができ、積層型圧 電素子 1の耐久性をより向上させることができる。
[0062] また、上記のように低剛性層 17が形成されて!/、る場合、この低剛性層 17の空隙率 は 10%〜95%であることが好ましい。 10%以上であれば、クラックの進展をより抑制 させること力 Sできる。また、 95%以下であれば、積層型圧電素子 1の外形の形状を安 定して保持すること力 Sでさる。
[0063] なお、本実施形態において、空隙率とは、積層構造体 7の積層方向に垂直若しくは 平行な断面において、低剛性層 17の断面積に対して空隙の面積が占める割合（％) を意味する。空隙率を測定するには、例えば以下のようにして行えばよい。まず、積 層方向に垂直な断面が露出するように、積層構造体 7を公知の研磨手段を用いて研 磨処理する。例えば、研磨装置としてケメット'ジャパン (株)社製卓上研磨機 KEME T—V— 300を用いてダイヤモンドペーストで研磨する。この研磨処理により露出した 断面に対して、走査型電子顕微鏡（SEM)、光学顕微鏡又は金属顕微鏡を用いて 断面処理をして、断面画像を得る。この断面画像において、空隙が占める面積の割 合を測定する。このようにして、圧電体層 3、内部電極 5及び低剛性層 17の各々の空 隙率を測定することができる。
[0064] なお、図示しないが、低剛性層が、互いに離隔していた複数のセラミック部が備えら れた構成であることも好ましい。セラミック部自体が順次破損するので、圧電体層の 変位により生じる応力を分散させることができる。これにより、高い耐久性を有するとと もに高い信頼性を備えた積層型圧電素子を得ることができる。
[0065] さらに、セラミック部が圧電体により形成されることが好ましい。圧電体からなるセラミ ック部が互いに離隔して配設される場合には、下記の理由により、さらに高い応力緩 和効果を得ること力できる力、らである。互いに離隔するようにセラミック部を配設するこ とで、セラミック部の自由度が高くなる。セラミック部の自由度が高くなると、セラミック 部に応力が加わったときに、圧電体の結晶内のイオンの配置が移動して、応力方向 に応じて結晶構造が変形しやすくなる。そのため、セラミック部がより応力を吸収しや すくなるので、高い応力緩和効果が得られる。
[0066] 圧電体により形成されるセラミック部としては、具体的には、チタン酸ジルコン酸鉛（ PbZrO — PbTiO )等のベロブスカイト型酸化物を用いることができる。圧電体により
3 3
形成されるセラミック部の成分は、既に述べたように EPMA法のような分析方法を用 V、ることで分析及び測定をすることができる。
[0067] また、低剛性層が、大きさの異なる多数のセラミック部がランダムに配設されたもの であってもよい。ばらつきのある応力が低剛性層に加わるような場合には、上記のよう に低剛性層を形成することが特に有効である。低剛性層の一部に応力が局所的に 集中する可能性を小さくし、より広範囲に応力を分散させることができるからである。
[0068] さらに、低剛性層は、空隙を介して互いに離隔した複数のセラミック部を備えている ことがより好ましい。セラミック部自体がより破損しやすくなるので、圧電体層が変位す ることにより生じる応力をより広範囲に分散させること力 Sできる。この場合、低剛性層の 空隙率は 30%〜90%であることがより一層好ましい。
[0069] 低剛性層の空隙率が 30%以上であれば、応力を吸収して緩和するのに十分な空 隙が存在するので、信頼性の高い積層型圧電素子とすることができる。さらに、空隙 率は 50%以上であることがより好ましい。低剛性層に接する圧電体層に応力が伝わ つた時に、空隙に接するセラミック部力 応力に対して十分に変形することができる。 結果、セラミック部による応力吸収の効果がより高められるので、信頼性の特に高い 積層型圧電素子 1が得られる。
[0070] また、低剛性層の空隙率が 90%以下であれば、素子寸法の長時間駆動による変 形を抑制して、安定に駆動させることができる。これは、セラミック部により、低剛性層 に接する圧電体層同士が安定して支持されるからである。これにより、低剛性層が破 損する場合であっても、急激に破損することなぐ応力の集中した箇所から徐々に柱 が破損し、素子の急激な破壊が生じる可能性を小さくすることができる。結果、素子 駆動制御系において、余裕をもって異常検知をすることが可能となり、信号制御系回 路で素子外部から素子の駆動を細かく制御することができる。なお、本実施形態にお ける空隙率は、先に説明したものと同じものである。また、空隙率の測定方法も先に 示した方法を用いればよ!/、。
[0071] 次に、本発明の第 9の実施形態について説明する。
[0072] 図 11に示すように、本実施形態の積層型圧電素子は低剛性層 17を有している。そ して低剛性層 17は、互いに離隔した複数の金属部 19及び複数のセラミック部 21を 備えている。これにより、耐久性の改善された積層型圧電素子 1を得ることができる。 これは、急激な応力は主にセラミック部により吸収され、常時加わる応力は主に金属 部 19により吸収されるからである。結果、様々な形態の応力に対応できるので、耐久 性の非常に優れた積層型圧電素子 1を得ることができる。
[0073] 低剛性層 17における金属部 19とセラミック部 21とは、互いに接するか、空隙を介し て隔離した状態であるのが好ましい。金属部 19とセラミック部 21とが互いに接する場 合、金属部 19及びセラミック部 21による各々の応力緩和効果を高めることができる。
[0074] 既に示したように、金属部 19、セラミック部 21は応力緩和の作用効果にそれぞれ特 徴がある。金属部 19とセラミック部 21とが互いに接していることで、金属部 19とセラミ ック部 21とが別々に作用するのではなぐこの接している部分で金属部 19とセラミツ ク部 21とを一体となって作用させることができるからである。また、金属部 19とセラミツ ク部 21と力 空隙を介して互いに離隔している場合、金属部 19及びセラミック部 21 による応力緩和の効果をより高めることができる。
[0075] このとき、金属部 19とセラミック部 21の比率が同程度であることが好ましい。それぞ れの応力緩和の効果が効率よく発揮されて、非常に耐久性の高い積層型圧電素子 1を得ること力 Sできる。なお、ここでの比率は、積層構造体 7の積層方向に垂直若しく は平行な断面における金属部 19とセラミック部 21のそれぞれの面積を合計したもの の比率を意味している。
[0076] また、低剛性層 17に対して積層方向に隣り合う 2つの内部電極 5のうち、圧電体層
3の厚みが大きい方の部位に位置する内部電極 5は、圧電体層 3の厚みが小さい方 の部位に位置する内部電極 5よりも空隙が多いことが好ましい。内部電極 5の空隙が 上記のように形成されていることによって、圧電体層 3の厚みが大きい方の部位に位 置する内部電極 5に印加される電界強度が小さくなるので、厚みの大きい圧電体層 3 の変位量が小さくなる。そのため、低剛性層 17に加わる応力力 圧電体層 3の厚み の小さい方の部位に位置する圧電体層 3よりも、厚みの大きい部位に位置する圧電 体層 3に偏るからである。
[0077] これにより、低剛性層 17に対して積層方向に隣り合う 2つの内部電極 5のうち、圧電 体層 3の厚みの大きい方の部位に位置する内部電極 5の空隙によって、応力をより効 果的に分散させることができるので、より耐久性の高い積層型圧電素子 1を得ること ができる。
[0078] なお、本実施形態において、空隙率とは、第 6の実施形態において示した通りであ る。また、空隙率の測定方法も第 6の実施形態において示した方法を用いればよい。
[0079] また、応力緩和部 11に対して積層方向に隣り合う 2つの部位のうち、積層構造体 7 の端部に近い方の部位を構成する圧電体層 3が、他方の部位を構成する圧電体層 3 よりも厚みが大き!/、ことが好まし!/、。
[0080] 次に、本発明の積層型圧電素子にかかる製法の一例を説明する。
[0081] 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。 PbZrO—PbTiOの
3 3 ぺロブスカイト型酸化物を用いた圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系及びブチ ラール系の有機高分子からなるバインダーと、 DBP (フタル酸ジブチル）及び DOP ( フタル酸ジォチル）の可塑剤とを混合してスラリーを作製する。次に、このスラリーをド クタ一ブレード法又はカレンダーロール法といった周知のテープ成型法を用いること により圧電体層 3となるセラミックグリーンシートを作製する。
[0082] 次に、銀 パラジウム等の内部電極 5を構成する金属粉末、セラミック粉末にバイン ダー及び可塑剤を添加混合して導電性ペーストを作製する。これを各グリーンシート の上面にスクリーン印刷等によって 1〜40 m程度の厚みに印刷する。 [0083] バインダー及び可塑剤と金属粉末及びセラミック粉末との比を変えること、スクリー ンのメッシュの度数を変えること、又はスクリーンのパターンを形成するレジスト厚みを 変えることにより、内部電極 5及び圧電体層 3の厚みを変化させることができる。
[0084] また、同じ厚みのセラミックグリーンシートを複数重ねて、圧電体層 3の厚みを変える ことが有効である。つまり、圧電素子 1の積層方向の中央に位置する部位から端部に 位置する部位に向かって圧電体層 3の厚みが整数倍となるようにセラミックグリーンシ 一トの積層数を変える。これにより、より簡易に素子 1を作製することができる。
[0085] 具体的には、中央に位置する部位にはセラミックグリーンシート 1枚で一層の圧電 体層 3を形成し、この部位と隣り合う部位にはセラミックグリーンシートを 2枚重ねて一 層の圧電体層 3を形成する。さらに、この部位と積層構造体 7の端部側で隣り合う部 位ではセラミックグリーンシートを 3枚重ねて一層の圧電体層 3を形成すればよい。
[0086] このように積層構造体 7を形成する場合には、一定の厚みのセラミックグリーンシー トを用意すればよぐ非常に簡単に積層構造体 7を作製することができる。積層構造 体 7の端部に近づくに従って、この圧電体層 3の積層する枚数を変えていくことで、本 実施形態の圧電素子 1を作製することができるからである。このような構成により、低 コストかつ小型の圧電素子 1を作製することができる。
[0087] また、圧電素子 1の積層方向の中央に位置する部位から端部に位置する部位に向 力、つて各部位のセラミックグリーンシートの厚みが倍となるように、それぞれの部位に 配設されたセラミックグリーンシートの積層枚数を変化させていくことも有効である。具 体的には、中央に位置する圧電体層 3の一層あたりのセラミックグリーンシートの積層 数を 1とした場合に、この部位と隣り合う部位に形成されているセラミックグリーンシー トの積層数を 2とし、さらに、この部位の、積層構造体 7の端部側で隣り合う部位での セラミックグリーンシートの積層数を 4とすればよい。
[0088] 次に、低剛性層 17となるペーストを作製する。低剛性層 17に関して、まず、セラミツ ク部 21について説明する。 PbZrO -PbTiOのぺロブスカイト型酸化物を用いた圧
3 3
電セラミックスの仮焼粉末に、バインダー及び可塑剤を添加混合することでセラミック 部 21となるペーストを作製する。これを上記の各グリーンシートの上面における所望 の位置にスクリーン印刷等によって 1〜40 m程度の厚みに印刷し、乾燥させる。以 上により、セラミック部 21となるグリーンシートが作製される。
[0089] バインダー及び可塑剤とセラミック粉末との比を変えること、スクリーンのメッシュの 度数を変えること、或いはスクリーンのパターンを形成するレジスト厚みを変えることで 、セラミック部 21の大きさ、空隙の大きさ、空隙率等を変化させることができる。
[0090] 次に、低剛性層 17の一つである金属部 19について説明する。銀—パラジウムの金 属粉末にバインダー及び可塑剤を添加混合した金属部 19となるペーストを作製する 。これを、上記の各グリーンシートの上面の所望の位置にスクリーン印刷等によって 1 〜40 a m程度の厚みに印刷する。
[0091] このとき、空隙を介して複数の金属部 19を互いに離隔させるためには、バインダー 及び可塑剤と金属粉末との比を変える、スクリーンのメッシュの度数を変える、或いは スクリーンのパターンを形成するレジスト厚みを変えて金属ペーストを作製すればよ い。これにより、金属部 19の大きさ、空隙の大きさ、空隙率等を変化させることができ
[0092] また、内部電極 5が銀 パラジウムからなる時には、内部電極 5となる導電性ペース トと比較して銀 パラジウムの銀比率の高い導電性ペーストを用いることにより、複雑 な工程を経ることなく低剛性層 17を形成することができる。これは、低剛性層 17が形 成される位置に上記の銀比率の高い導電性ペーストを配設して同時焼成により積層 構造体 7を形成すると、銀比率の高!/、導電性ペーストから銀が拡散して!/、くからであ る。銀が拡散することによって空隙が形成され、結果、上記の銀比率の高い導電性 ペーストは圧電体層 3や内部電極 5と比較して剛性の低い低剛性層 17となる。
[0093] なお、本実施形態においては、セラミック部 21となるペーストの印刷パターンと金属 部 19となるペーストの印刷パターンは、互いに重なり合わないことが好ましぐ相互の 間に隙間を持つことが好ましい。これは、互いに重なり合わないことで、低剛性層 17 に厚みの大きレ、箇所と厚みの小さレ、箇所が生じてしまうことを抑制できるからである。 これにより、低剛性層 17と隣接する圧電体層 3との間で不要な剥離が生じることを抑 制できる。
[0094] 次に、低活性層 23を形成するグリーンシート、導電性ペーストが印刷されたダリー ンシートおよび低剛性層 17を形成するグリーンシートを所望の構成で積層する。導 電性ペーストを印刷していないグリーンシートを複数枚重ねた上に導電性ペーストを 印刷することにより、厚みの異なる部位が形成される。もちろんあらかじめ厚みの異な るグリーンシートを作製し、これに導電性ペーストを印刷することにより、厚みの異なる 部位を形成してもょレ、。重石をのせるなどして積層構造体 7に加圧した状態で所定の 温度で脱バインダーを行った後、金属層の厚みに差ができるように加圧による負荷を はずして 900〜； 1200°Cで焼成することにより、積層構造体 7が作製される。
[0095] このとき、低活性層 23の部分のグリーンシート中に、銀一パラジウムのような内部電 極 5を構成する金属粉末を添加することにより、低活性層 23と圧電体層 3の焼結時の 収縮挙動ならびに収縮率を近づけることができる。このようにして、より緻密な積層構 造体 7を形成することができる。また、低活性層 23の部分のグリーンシートを積層する 際に、銀 パラジウムのような内部電極 5を構成する金属粉末、無機化合物、バイン ダー及び可塑剤を備えたスラリーをグリーンシート上に印刷することによつても、低活 性層 23と圧電体層 3の焼結時の収縮挙動ならびに収縮率を近づけることができる。
[0096] なお、積層構造体 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 5とを交互に積層してなる積層構造体 7を形成 できれば、 V、ずれの製法によって形成されても良レ、。
[0097] 次に、積層構造 7の 2つの側面に、互い違いになるように一層おきに内部電極 5に 沿ってそれぞれ溝部を形成する。この溝部に、圧電体層 3よりもヤング率の低い、樹 脂またはゴム等の絶縁体を配設する。
[0098] また、外部電極 9となる銀ガラス導電性ペーストを作製する。ガラス粉末に、バインダ 一を加えることで銀ガラス導電性ペーストを作製する。この銀ガラス導電性ペーストを シート状に成形し、乾燥させる。ここで、上記の銀ガラス導電性ペーストを乾燥させる 工程は、溶媒を飛散させ、シートの生密度が 6〜9g/cm3となるように制御すること が好ましい。このようにして作製されたシートを、積層構造体 7の外部電極 9の形成面 に転写する。そして、ガラスの軟化点よりも高い温度であって、銀の融点（965°C)以 下の温度、且つ、積層構造体 7の焼成温度（°C)の 4/5以下の温度で焼き付けを行 う。これにより、銀ガラス導電性ペーストを用いて作製したシート中のバインダー成分 が飛散して消失し、 3次元網目構造をなす多孔質導電体力 なる外部電極 9を形成 すること力 Sでさる。
[0099] このとき、外部電極 9を構成するペーストを多層のシートに積層してから焼付けを行 つても、 1層ごとに積層しては焼付けを行っても良い。特に、多層のシートに積層して 力、ら焼付けを行うことが好ましい。多層のシートに積層してから一度に焼付けを行う方 ヽ量産性に優れているからである。
[0100] また、上記の多層のシートに関して、一層ごとにガラス成分を変える場合は、シート ごとにガラス成分の質量比を変えたものを用いればよい。圧電体層 3に最も接した面 にごく薄くガラスリッチな層を形成したい場合は、積層構造体 7にスクリーン印刷等の 方法でガラスリッチなペーストを印刷した上で、多層のシートを積層する方法を用い ればよい。このとき、印刷に代えて 5 m以下のシートを用いても良い。
[0101] なお、銀ガラス導電性ペーストの焼き付け温度は、 500〜800°Cの範囲に設定する ことが望ましい。これは、ネック部を効果的に形成し、銀ガラス導電性ペースト中の銀 と内部電極 5を拡散接合させることができるからである。これにより、外部電極 9中の 空隙を有効に残存させることができる。また、外部電極 9と柱状の積層構造体 7の側 面とを部分的に接合させることもできる。また、銀ガラス導電性ペースト中のガラス成 分の軟化点は、 500〜800°Cであるのが望まし!/、。
[0102] 焼き付け温度を 800°C以下とすることにより、銀ガラス導電性ペーストの銀粉末の焼 結が進みすぎることを抑えることができる。これにより、 3次元網目構造をなす多孔質 導電体を形成できるので、外部電極 9を適度に緻密にさせることができる。そのため、 外部電極 9のヤング率が高くなりすぎることが抑制されて、外部電極 9の断線が抑制 される。結果、駆動時の応力をより広範囲に分散させることができる。より好ましくは、 ガラスの軟化点の 1. 2倍以内の温度で焼き付けを行うことがよい。
[0103] また、焼き付け温度を 500°C以上とすることにより、内部電極 5の端部と外部電極 9 との間での拡散による接合性をより高めることができる。これにより、より強固なネック 部を形成することができる。結果、駆動時に内部電極 5と外部電極 9との間でより安定 して通電させること力 Sでさる。
[0104] そして、外部電極 9にリード線を接続し、リード線を介して一対の外部電極 9に 0. 1 〜3kV/mmの直流電圧を印加し、積層構造体 7を分極処理する。これにより、本発 明の積層型圧電素子 1を利用した圧電ァクチユエータが完成する。リ一ド線を外部の 電圧供給部に接続し、リード線及び外部電極 9を介して圧電体層 3に電圧を印加さ せれば、各圧電体層 3は逆圧電効果によって大きく変位する。以上により、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できる。
[0105] 次に、本発明の一実施形態にかかる流体の噴射装置について説明する。図 12に 示すように、本実施形態の噴射装置 25は、一端に噴射孔 27を有する収納装置 29の 内部に上記の実施形態に代表される積層型圧電素子 1が収納されている。
[0106] 収納容器 29内には、噴射孔 27を開閉することができるニードルバルブ 31が配設さ れている。噴射孔 27には流体通路 33がニードルバルブ 31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 33は外部の流体供給源に連結され、流 体通路 33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 31が噴射 孔 27を開放すると、流体通路 33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、噴出されるように構成されている。
[0107] また、ニードルバルブ 31の上端部は内径が大きくなつており、収納装置 29に形成 されたシリンダ 35と摺動可能なピストン 37が配置されている。そして、収納装置 29内 には、上記した積層型圧電素子 1が収納されている。
[0108] このような噴射装置 25では、圧電ァクチユエータが電圧を印加されて伸長すると、 ピストン 37が押圧され、ニードルバルブ 31が噴射孔 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圧電ァクチユエータが収縮し、皿バネ 39が ピストン 37を押し返し、噴射孔 27が流体通路 33と連通して流体の噴射が行われるよ うになつている。
[0109] 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 33を開放し、電圧 の印加を停止することによって流体流路を閉鎖するように構成しても良い。
[0110] また、本発明の噴射装置 25は、噴射孔 27を有する容器と、上記積層型圧電素子 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 27から 吐出させるように構成されていてもよい。すなわち、積層型圧電素子 1が必ずしも容 器の内部にある必要はなぐ積層型圧電素子 1の駆動によって容器の内部に圧力が 加わるように構成されていればよい。なお、本発明において、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。噴射装置を 用いる事によって、流体の流量および噴出タイミングを制御することができる。
[0111] 本発明の積層型圧電素子を採用した噴射装置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料室に燃料をより長い期間精度よく噴射 させること力 Sでさる。
[0112] 次に、本発明の一実施形態に力、かる流体噴射システムについて説明する。図 13に 示すように、本実施形態の流体噴射システム 41は、高圧流体を蓄えるコモンレール 4 3と、このコモンレール 43に蓄えられた流体を噴射する複数の上記噴射装置 25と、コ モンレール 43に高圧の流体を供給する圧力ポンプ 45と、噴射装置 25に駆動信号を 与える噴射制御ユニット 47と、を備えている。
[0113] 噴射制御ユニット 47は、外部情報または外部からの信号に基づいて流体噴射の量 や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を用いた 場合、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ゃタイミ ングを制御することができる。圧力ポンプ 45は、流体タンク 49から流体燃料を高圧で コモンレール 43に送り込む役割を果たす。例えばエンジンの燃料噴射システムの場 合 ίこ ίま 1000〜2000気圧程度、好まし < ίま 1500〜； 1700気圧程度 ίこして モンレー ル 43に流体を送り込む。コモンレール 43では、圧力ポンプ 45から送られてきた燃料 を蓄え、適宜噴射装置 25に送り込む。噴射装置 25は、上述したように噴射孔 27から 一定の流体を噴射装置力 外部または隣接する容器に噴射する。例えば、エンジン の場合には燃料を燃焼室内に霧状に噴射する。
実施例
[0114] 積層型圧電素子を備えた圧電ァクチユエータを以下のようにして作製した。まず、 平均粒径が 0. 4 111のチタン酸ジルコン酸鉛（？ 2 0 -PbTiO )を含有する圧電
3 3
セラミックスの仮焼粉末、バインダー及び可塑剤を混合したスラリーを作製した。この スラリーを用いて、ドクターブレード法により、厚み 150 mの圧電体層 3になるセラミ ックグリーンシートを作製した。
[0115] 次に、銀—パラジウムの合金 (銀 95質量0 /0—パラジウム 5重量0 /0)にバインダーを 加えて内部電極 5となる導電性ペーストを作製した。この導電性ペーストを、先に作 製したグリーンシートの片面に、レジスト厚み 20 mの製版で、 10 mの厚さとなるよ うにスクリーン印刷法により印刷を行った。
[0116] このとき、試料番号 1の積層型圧電素子 1では、各々のグリーンシートの片面にそれ ぞれ上記導電性ペーストを印刷することにより、グリーンシートの厚みを一定にしてい る。そして、これらのシートを 300枚積層し、焼成した。焼成は、 800°Cで保持した後 に、 1000°Cで焼成した。
[0117] 一方、試料番号 2— 7の積層型圧電素子 1では、上記セラミックグリーンシートの厚 みを基準としてグリーンシートの一部を 2枚又は 3枚重ねることにより、基準となるセラ ミックグリーンシートと比較して厚みが 2倍又は 3倍となるグリーンシートをそれぞれ作 製した。これらのグリーンシートの片面にそれぞれ上記導電性ペーストを印刷した。こ れらの厚みの異なるグリーンシートをそれぞれ厚みの異なるもの毎に積層することで 圧電体層 3の厚みの異なる部位を形成した。
[0118] そして、これらの部位を積層方向の中心から一方及び他方の端部のそれぞれに向 力、うに従ってグリーンシートの厚みが段階的に大きくなるように積層した。その後、試 料番号 1の積層型圧電素子 1と同様にして焼成を行った。
[0119] 試料番号 3の積層型圧電素子 1は、図 2に示した構造を有する。図 2に示したように 、圧電体層 3の厚みを互いに異ならせた部位 Aと部位 Bとの間に同極の外部電極 9に 接続された 2つの内部電極 5と、を備えた応力緩和部 11である部位 Cが配設されて いる。
[0120] 試料番号 4 6の積層型圧電素子 1は、図 4に示した構造を有する。すなわち、これ らの積層型圧電素子 1は低剛性層 17を具備している。また、試料番号 7の積層型圧 電素子 1は、図 7に示した構造を有する。すなわち、同極の外部電極 9に接続された 2つの内部電極 5と積層方向両側でそれぞれ隣接する圧電体層 3と、この圧電体層 3 内に形成された低剛性層 17と、を有している。
[0121] 試料番号 4 7の積層型圧電素子 1には、図 9または 10に示したように、低剛性層 1 7を形成するグリーンシートは表 1に示すように金属部 19および/またはセラミック部 21が印刷により形成されている。特に、試料番号 6及び 7の積層型圧電素子 1の低 剛性層 17は、図 10に示したように金属部 19とセラミックス部 21とを備えている。 [0122] 本実施例においては、セラミック部 21としては、圧電体層 3の形成に用いたセラミツ クグリーンシートと同じぐチタン酸ジルコン酸鉛（PbZrO -PbTiO )を含有する圧
3 3
電セラミックスの仮焼粉末、バインダー及び可塑剤からなるシートを用いている。また
、セラミック部 21となるペーストをレジスト厚み 10 mの製版で 5 H mの厚さとなるよう に印刷を行った後、 80°Cで 20分間乾燥して!/、る。
[0123] また、本実施例においては、金属部 19として、内部電極 5の形成に用いた導電性 ペーストを用い、所望の金属部 19を形成する箇所にレジスト厚み 5 mの製版で、 5 mの厚さとなるように印刷をして!/、る。
[0124] なお、試料番号 4 7の積層型圧電素子 1の低剛性層 17の空隙率を既に示した方 法により測定したところ、試料番号 4、 5の積層型圧電素子 1では、どちらも 0. 5であつ た。また、試料番号 6、 7の積層型圧電素子 1では、どちらも 0. 25であった。
[0125] 次に、平均粒径 2 ,1 mのフレーク状の銀粉末と、残部が平均粒径 2 μ mのケィ素を 主成分とする軟化点力 40°Cのガラス粉末とを混合した。この混合物に、バインダー を、銀粉末とガラス粉末の合計質量 100質量部に対して 8質量部となるように添加し た。このバインダーを加えた混合物を十分に混合して銀ガラス導電性ペーストを作製 した。このようにして作製した銀ガラス導電性ペーストを離型フィルム上にスクリーン印 刷し、乾燥させた。その後、離型フィルムより剥がして、銀ガラス導電性シートを得た。 そして、銀ガラス導電性シートを積層構造体 7の外部電極 9形成面に転写して積層し 、 700°Cで 30分焼き付けを行い、外部電極 9を形成した。
[0126] その後、外部電極 9にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極 9にリード線を 介して 3kV/mmの直流電界を 15分間印加して分極処理を行い、各々の積層型圧 電素子 1を備えた圧電ァクチユエータを作製した。
[0127] このようにして得られたそれぞれの圧電ァクチユエータに 170Vの直流電圧を印加 したところ、すべての圧電ァクチユエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。 この時の変位量を初期状態の変位量として表 1に示す。この圧電ァクチユエ一タを室 温で 0〜 + 170Vの交流電圧を 150Hzの周波数で印加して、 1 X 109回まで連続駆 動する試験を行った。結果は表 1に示すとおりである。
[表 1] 連続駆動後 圧電体層の 初期伏態の
性層 内部電極の ( 1 X 109回)
No 厚みを互いに 部位 C 低剛
低剛性層 変位量
の空隙率 空隙率 ( Ai m) の変位 異ならせた部位 量
( jU m)
3 x 108
1 無し 無し 無し ― 同じ 54
で破損
2 あり 無し し ― 6 X 109 同じ 55
で破損
3 あり あり 無し ― 同じ 60 57
あり 1層となりぐ
4 あり 無し 0.5 60 58
(金属部） 2層となり あり
5 あり 無し 0.5 同じ 58 56
(セラミック部) あり 0.25 1層となリ<
6 あり 無し (金属部、 59 58
0.25 2層となり
セラミック部） あり 0.25 1層となリ<
7 あり あり (金属部、 59 59
0.25 2層となり
セラミック部） 表 1に示すように、試料番号 1及び 2の素子 1は連続駆動の試験中に破損してしま つている。これは、比較例である試料番号 1では、積層型圧電素子 1の端部に位置す る圧電体層 3に応力が集中してしまったと考えられる。また、試料番号 2では、積層型 圧電素子 1の端部に位置する圧電体層 3への応力の集中は低減できたものの、圧電 体層 3の厚みを互いに異ならせた部位の境界に位置する圧電体層 3に応力が集中し てしまったからである。 [0129] 結果として、試料番号 1及び 2では、それぞれ一部の圧電体層 3にかかる負荷が増 大して圧電体層 3の一部が破損した。そのため、積層型圧電素子 1が破断し、その結 果、破断した圧電体層 3と積層方向の両方に隣接する内部電極 5間で電気的な短絡 が起きた。
[0130] これに対して、試料番号 3〜7の素子 1では、積層方向に隣り合う 2つの部位間に応 力緩和部 11を備えていることにより、 I X 109回連続駆動試験の後においても、素子 変位量が著しく低下することなぐ圧電ァクチユエータとして必要とされる実効変位量 を有していた。このようにして、耐久性の改善された圧電ァクチユエータを作製するこ とができた。
[0131] また、試料番号 1 3及び 5の積層型圧電素子 1においては、複数の内部電極 5の 空隙率はそれぞれ同等であった。一方で、試料番号 4、 6及び 7の積層型圧電素子 1 においては、応力緩和部 11と隣り合う 1層となりの内部電極 5の空隙率力 この内部 電極 5と上記応力緩和部 11とは積層方向の反対側で隣り合う、応力緩和部 11に対 して 2層となりの内部電極 5の空隙率よりも小さくなつていた。このように、応力の集中 する応力緩和部 11により近い内部電極 5の方力 空隙率が大きく変位しやす!/、ので 、より大きな応力緩和効果が得られた。
[0132] 特に、試料番号 6及び 7の積層型圧電素子 1においては、低剛性層 17が、金属部
19とセラミックス部 21とを備えていることにより、 I X 109回連続駆動させた後も、素子 変位量が殆ど低下しておらず、非常に高い性能が得られていることが分かる。

Claims

請求の範囲
[1] 複数の圧電体層と複数の内部電極とが交互に積層された積層構造体と、該積層構 造体の側面に形成されるとともに前記内部電極が接続された正極及び負極の外部 電極とを備えた積層型圧電素子において、
前記積層構造体は、前記圧電体層の厚みを互いに異ならせた複数の変位可能な 部位を有し、
積層方向に隣り合う 2つの前記部位の間には、応力緩和部が設けられていることを 特徴とする積層型圧電素子。
[2] 前記応力緩和部は、隣接する一対の前記内部電極と、該一対の内部電極に挟持 された圧電体層とを備え、前記一対の内部電極は、同極の前記外部電極に接続さ れ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] 前記応力緩和部は、前記圧電体層よりも弾性率の高レ、高弾性層を備えて!/、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] 前記応力緩和部は、前記圧電体層及び前記内部電極の!/ゝずれよりも剛性が低!/ヽ 低剛性層を備えて!/、ることを特徴とする請求項 1に記載の積層型圧電素子。
[5] 前記応力緩和部は、同極の前記外部電極に接続された 2つの前記内部電極と積 層方向両側でそれぞれ隣接する前記圧電体層を備えた少なくとも 2つの部分と、これ らの部分の間に前記圧電体層を介して配置された前記低剛性層と、力 なることを特 徴とする請求項 4に記載の積層型圧電素子。
[6] 前記応力緩和部は、同極の前記外部電極に接続された 2つの前記内部電極と積 層方向両側でそれぞれ隣接する前記圧電体層を備え、当該圧電体層内に前記低剛 性層が設けられていることを特徴とする請求項 4に記載の積層型圧電素子。
[7] 前記低剛性層は、互いに離隔した複数の金属部を備えて!/、ることを特徴とする請 求項 4に記載の積層型圧電素子。
[8] 前記低剛性層は、空隙を介して互いに離隔した複数の前記金属部を備えて!/、るこ とを特徴とする請求項 7に記載の積層型圧電素子。
[9] 前記低剛性層は、互いに離隔した複数のセラミック部を備えて!/、ることを特徴とする 請求項 4に記載の積層型圧電素子。
[10] 前記低剛性層は、空隙を介して互いに離隔した複数の前記セラミック部を備えてレ、 ることを特徴とする請求項 9に記載の積層型圧電素子。
[11] 前記低剛性層に対して積層方向に隣り合う 2つの内部電極のうち、圧電体層の厚 みが大きい方の部位に位置する内部電極は、圧電体層の厚みが小さい方の部位に 位置する内部電極よりも空隙が多いことを特徴とする請求項 4に記載の積層型圧電 素子。
[12] 前記応力緩和部に対して積層方向に隣り合う 2つの前記部位のうち、前記積層構 造体の端部に近!/、方の部位を構成する圧電体層は、他方の部位を構成する圧電体 層よりも厚みが大き!/、ことを特徴とする請求項 1に記載の積層型圧電素子。
[13] 前記複数の部位をそれぞれ構成する圧電体層は、前記積層構造体の積層方向の 中心から第 1の端部に向かう厚み分布と、前記中心から第 2の端部に向かう厚み分布 とが同一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。
[14] 請求項 1に記載の積層型圧電素子と噴射孔とを備え、前記積層型圧電素子の駆動 により前記噴射孔力 液体を吐出させることを特徴とする噴射装置。
[15] 高圧燃料を蓄えるコモンレールと、
このコモンレールに蓄えられた燃料を噴射する請求項 14に記載の噴射装置と、 前記コモンレールに高圧の燃料を供給する圧力ポンプと、
前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットと、
を備えた燃料噴射システム。
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