JP2005159040A - Piezoelectric element and fuel injection system - Google Patents

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宏卓 津吉
Masashi Sakagami
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric element in which, even if there is an air gap between conductive layers containing a piezoelectric layer, a voltage resistance is high and a durability is excellent, and a fuel injection system using the same. <P>SOLUTION: In a piezoelectric element 1 comprising a piezoelectric layer 3, and a conductive layer 5 sandwiching the piezoelectric layer 3, there is the air gap between the conductive layers 3 containing the piezoelectric layer 3, and also in the air gap 7, when a denotes a length in a thickness direction of the piezoelectric layer 3, b denotes a length in an in-plane direction, and t denotes a thickness of the piezoelectric layer 3, a relationship of b/a≤4, b≥3 μm and a≤0.5t is satisfied. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、圧電素子および燃料噴射装置に関し、特に、自動車用燃料噴射弁、印刷装置のインク噴射装置やドットインパクト装置、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止用の駆動素子等に用いられる圧電素子及び噴射装置に関する。   The present invention relates to a piezoelectric element and a fuel injection device, and more particularly, a piezoelectric device used for a fuel injection valve for an automobile, an ink injection device for a printing device, a dot impact device, a precision positioning device such as an optical device, a drive element for vibration prevention, and the like. The present invention relates to an element and an injection device.

従来より、圧電特性を有する磁器の両面に導体層を形成し、この導体層間の圧電体層に電圧を印加し、圧電体層に生じる逆圧電効果を利用して、大きな変位を得る圧電素子が提案されている。特に、圧電体層と導体層とを交互に多数層積層すると圧電素子の変位量を大きくできることから、上記各種の駆動装置用圧電部品としての応用が図られている。   Conventionally, there has been a piezoelectric element that obtains a large displacement by forming a conductor layer on both surfaces of a porcelain having piezoelectric characteristics, applying a voltage to the piezoelectric layer between the conductor layers, and utilizing the inverse piezoelectric effect generated in the piezoelectric layer. Proposed. In particular, when a large number of piezoelectric layers and conductor layers are alternately laminated, the amount of displacement of the piezoelectric element can be increased. Therefore, application as piezoelectric components for various drive devices described above has been achieved.

特に、下記に示す特許文献１に記載された圧電素子では、それを構成する圧電体層に含まれる空隙の寸法を規定することにより、具体的には、一つの圧電体層に含まれる空隙について、その圧電体層の厚み方向の総長さを、その圧電体層の厚みの１／３以下とし、かつ、その実際の長さを５０μｍ以下に規定することにより、耐電圧性を高め、これにより圧電素子の絶縁破壊を抑制できると記載され、この場合、圧電体層の厚みが１８０μｍ以上、２８０μｍ以下の場合にはクラックの発生しない試料が得られると記されている。
特開２００２−５４５２６号 In particular, in the piezoelectric element described in Patent Document 1 shown below, by defining the size of the void included in the piezoelectric layer constituting the piezoelectric element, specifically, regarding the void included in one piezoelectric layer. By increasing the total length in the thickness direction of the piezoelectric layer to 1/3 or less of the thickness of the piezoelectric layer and defining the actual length to 50 μm or less, the withstand voltage is improved. It is described that the dielectric breakdown of the piezoelectric element can be suppressed. In this case, it is described that a sample without cracks is obtained when the thickness of the piezoelectric layer is 180 μm or more and 280 μm or less.
JP 2002-54526 A

しかしながら、上記圧電体層を含む導体層間に存在する空隙が偏平状であり、しかも、この空隙の偏平な方向が電界の向きに対して垂直に近い方向にあると、このような偏平な空隙の尖状となった領域では印加される電界が集中しやすくなり、このため圧電体層には局所的な高応力部が発生してクラック等が生じて機械的な破壊に至る。また、電界集中により耐電圧が低下し、耐久性など信頼性が低いという問題があった。   However, if the gap existing between the conductor layers including the piezoelectric layer is flat, and the flat direction of the gap is close to the direction perpendicular to the direction of the electric field, such a flat gap In the pointed region, the applied electric field tends to concentrate, and for this reason, a local high stress portion is generated in the piezoelectric layer, causing cracks and the like, leading to mechanical destruction. In addition, the withstand voltage is reduced due to electric field concentration, and there is a problem that reliability such as durability is low.

従って、本発明は、圧電体層を含む導体層間に空隙があっても耐電圧が高く、耐久性に優れた圧電素子およびそれを用いた燃料噴射装置を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a piezoelectric element having a high withstand voltage and excellent durability even when a gap is present between conductor layers including a piezoelectric layer, and a fuel injection device using the piezoelectric element.

本発明の圧電素子は、圧電体層と、該圧電体層を狭持してなる導体層とを備えた圧電素子において、前記圧電体層を含む前記導体層間に空隙を有するとともに、該空隙について、前記圧電体層の厚み方向における長さをａ、面内方向における長さをｂとし、さらに前記圧電体層の厚みをｔとしたときに、ｂ／ａ≦４、ｂ≧３μｍおよび、ａ≦０．５ｔの関係を満足することを特徴とする。   The piezoelectric element of the present invention is a piezoelectric element including a piezoelectric layer and a conductor layer sandwiching the piezoelectric layer, and has a gap between the conductor layers including the piezoelectric layer. When the length in the thickness direction of the piezoelectric layer is a, the length in the in-plane direction is b, and the thickness of the piezoelectric layer is t, b / a ≦ 4, b ≧ 3 μm, and a ≦ 0.5t is satisfied.

即ち、本発明によれば、空隙の偏平度を小さくすることにより、空隙の周辺における電界の集中を抑制でき、これにより圧電体層中の応力集中を抑制して、これにより局所的な高応力部を無くしクラック等を防止できる。また、電界集中による耐電圧の低下を抑制して、耐久性など信頼性を向上できる。   That is, according to the present invention, by reducing the flatness of the air gap, it is possible to suppress the concentration of the electric field around the air gap, thereby suppressing the stress concentration in the piezoelectric layer, thereby increasing the local high stress. The crack can be prevented by eliminating the portion. In addition, a reduction in withstand voltage due to electric field concentration can be suppressed, and reliability such as durability can be improved.

また、本発明の圧電素子は、圧電体層と、該圧電体層を狭持してなる導体層とを備えた圧電素子において、前記圧電体層を含む前記導体層間に空隙を有するとともに、該空隙について、所定の駆動電圧を印加した状態での電界の向きと同方向の長さをａ、電界の向きに垂直な方向の長さをｂとし、さらに前記圧電体層の厚みをｔとしたときに、ｂ／ａ≦４、ｂ≧３μｍ、ａ≦０．５ｔの関係を満足することを特徴とする。   The piezoelectric element of the present invention is a piezoelectric element comprising a piezoelectric layer and a conductor layer sandwiching the piezoelectric layer, and has a gap between the conductor layers including the piezoelectric layer, For the air gap, the length in the same direction as the direction of the electric field when a predetermined driving voltage is applied is a, the length in the direction perpendicular to the direction of the electric field is b, and the thickness of the piezoelectric layer is t. Sometimes, b / a ≦ 4, b ≧ 3 μm, and a ≦ 0.5 t are satisfied.

また、本発明では、導体層の端から放射状に出る電界に対しても本発明における空隙の寸法の規定により応力集中や電界集中を抑制できる。   Further, in the present invention, stress concentration and electric field concentration can be suppressed even with respect to the electric field that radiates from the end of the conductor layer by defining the size of the gap in the present invention.

上記圧電素子では、圧電体層の厚みが１５０μｍ以下であることを特徴とする。   The piezoelectric element is characterized in that the piezoelectric layer has a thickness of 150 μm or less.

特に、圧電体層の厚みが薄くなり、耐電圧の許容値が低くなるような場合においても、空隙の形状を本発明の範囲に規定することにより、空隙の周辺に発生する応力を低減でき、これにより耐電圧を高くかつ長寿命化できる。 In particular, even when the thickness of the piezoelectric layer is reduced and the allowable value of the withstand voltage is reduced, by defining the shape of the gap within the scope of the present invention, the stress generated around the gap can be reduced, Thereby, the withstand voltage can be increased and the life can be extended.

上記圧電素子では、導体層間の空隙について、該導体層面に投影された長さをｄ、前記導体層の積層方向の、前記空隙の単体長さの総和をｃとしたときに、ｄ／ｃ≦４の関係を満足することを特徴とする。また、上記圧電素子では、導体層間における空隙の全体積が、前記圧電体層の体積の１５％以下であることを特徴とする。即ち、本発明によれば、圧電体層中に複数存在する空隙に対しても空隙の大きさおよびその体積を規定することにより、さらに耐電圧性をはじめとして信頼性をさらに向上できる。   In the piezoelectric element, d / c ≦ when the gap projected between the conductor layers is d and the total length of the gaps in the stacking direction of the conductor layer is c. 4 is satisfied. The piezoelectric element is characterized in that the total volume of voids between the conductor layers is 15% or less of the volume of the piezoelectric layer. That is, according to the present invention, by defining the size and volume of a plurality of voids existing in the piezoelectric layer, the reliability including voltage resistance can be further improved.

上記圧電素子では、空隙どうしの最近接間距離が３μｍ以上であることを特徴とする。さらに本発明によれば、電界集中の起きやすい空隙を上記の最近接間距離以上とすることにより、１層の圧電体層中に複数の空隙が存在しても、その空隙間における電界の集中を抑制できる。   The piezoelectric element is characterized in that the closest distance between the gaps is 3 μm or more. Furthermore, according to the present invention, by setting the gap where electric field concentration is likely to occur to be equal to or greater than the distance between the closest points, even if a plurality of voids exist in one piezoelectric layer, the electric field concentration in the air gap Can be suppressed.

上記圧電素子では、空隙についての、圧電体層の厚み方向断面における曲率半径が２μｍ以上であることを特徴とする。即ち、空隙の尖状端部付近の曲率半径を上記のように大きくすることにより、この付近の電界集中をさらに抑えることができる。   The piezoelectric element is characterized in that the radius of curvature of the void in the cross section in the thickness direction of the piezoelectric layer is 2 μm or more. That is, by increasing the radius of curvature near the pointed end of the gap as described above, the electric field concentration in the vicinity can be further suppressed.

上記圧電素子では、導体層間に印加される電界が０．５ｋＶ／ｍｍ以上であることを特徴とする。本発明の圧電素子は、圧電体層中の空隙の大きさが所定の大きさに規定されているために耐電圧性を高くできるものであり、こうして圧電体層の厚みを薄くした効果とともに高耐電圧性によりさらに大きな変位量を得ることができる。   The piezoelectric element is characterized in that the electric field applied between the conductor layers is 0.5 kV / mm or more. The piezoelectric element of the present invention can increase the withstand voltage because the size of the voids in the piezoelectric layer is defined to a predetermined size, and thus has the effect of reducing the thickness of the piezoelectric layer. A larger displacement can be obtained due to the withstand voltage.

上記圧電素子では、圧電体層が、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とし、少なくともバリウム、ストロンチウムのいずれかもしくは両成分が添加されており、チタン酸鉛の割合が４２モル％〜５２モル％、ジルコン酸鉛の割合が４８モル％〜５８モル％の範囲であることを特徴とする。本発明によれば、圧電磁器を構成する上記Ａ、Ｂサイト比を調整することにより、さらに圧電歪み定数やキュリー温度などの圧電特性をさらに高めることができる。   In the piezoelectric element, the piezoelectric layer is mainly composed of lead zirconate titanate, and at least one of barium and strontium or both components are added, and the proportion of lead titanate is 42 mol% to 52 mol%, It is characterized in that the ratio of lead zirconate is in the range of 48 mol% to 58 mol%. According to the present invention, the piezoelectric characteristics such as the piezoelectric strain constant and the Curie temperature can be further enhanced by adjusting the A and B site ratios constituting the piezoelectric ceramic.

上記圧電素子では、圧電体層の即時破壊強度のワイブル係数ｍが、ｍ≧８であることを特徴とする。さらに本発明では、圧電体層の破壊に対する強度ばらつきを小さくでき、信頼性の高い圧電素子を得ることができ、高い工程能力が得られる。   The piezoelectric element is characterized in that the Weibull coefficient m of the instantaneous breaking strength of the piezoelectric layer is m ≧ 8. Furthermore, according to the present invention, it is possible to reduce the strength variation against the destruction of the piezoelectric layer, to obtain a highly reliable piezoelectric element, and to obtain a high process capability.

本発明の燃料噴射装置は、上記の圧電素子を具備することを特徴とする。即ち、本発明によれば、圧電体層中の空隙による応力集中が抑えられ、耐電圧性を向上でき、高発生力が得られる圧電素子を用いることにより、高性能で高信頼性の燃料噴射装置を構成できる。   The fuel injection device of the present invention comprises the above-described piezoelectric element. That is, according to the present invention, high-performance and high-reliability fuel injection is achieved by using a piezoelectric element that can suppress stress concentration due to voids in the piezoelectric layer, improve voltage resistance, and obtain high generation force. The device can be configured.

即ち、上述したように、本発明によれば、圧電体層を含む導体層間に存在する空隙の偏平度を小さくすることにより、空隙の周辺における電界の集中を抑制でき、これにより圧電体層中の応力集中が抑えられクラック等を防止でき、かつ電界集中を抑えて耐電圧性を向上できる。そして、このような圧電素子を用いて構成された燃料噴射装置は、発生力が大きいため、高圧力下で使用でき、かつ長寿命化を実現できる。   That is, as described above, according to the present invention, by reducing the flatness of the air gap existing between the conductor layers including the piezoelectric layer, the concentration of the electric field around the air gap can be suppressed. Stress concentration can be suppressed, cracks and the like can be prevented, and electric field concentration can be suppressed to improve voltage resistance. And since the fuel-injection apparatus comprised using such a piezoelectric element has a large generated force, it can be used under a high pressure and can realize a long life.

次に、本発明の圧電素子について詳細に説明する。図１は、本発明の圧電素子を示す断面模式図である。本発明の圧電素子１は、圧電体層３と、該圧電体層３を狭持してなる導体層５とを備えている。本発明の圧電素子１は、導体層５間の少なくとも圧電体層３中に空隙７を有することを特徴とするものであり、特に、この空隙７について、前記圧電体層３の厚み方向における長さをａ、面内方向における長さをｂとし、さらに圧電体層３の厚みをｔとしたときに、ｂ／ａ≦４、ｂ≧３μｍおよびａ≦０．５ｔの関係を満足することを特徴とし、特に、ｂ／ａ≦２、３≦ｂ≦２０（μｍ）およびａ≦０．２５ｔがより望ましい。   Next, the piezoelectric element of the present invention will be described in detail. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a piezoelectric element of the present invention. The piezoelectric element 1 of the present invention includes a piezoelectric layer 3 and a conductor layer 5 formed by sandwiching the piezoelectric layer 3. The piezoelectric element 1 of the present invention is characterized in that a gap 7 is provided at least in the piezoelectric layer 3 between the conductor layers 5, and in particular, the gap 7 is long in the thickness direction of the piezoelectric layer 3. When the thickness is a, the length in the in-plane direction is b, and the thickness of the piezoelectric layer 3 is t, the relationship of b / a ≦ 4, b ≧ 3 μm and a ≦ 0.5t is satisfied. In particular, b / a ≦ 2, 3 ≦ b ≦ 20 (μm) and a ≦ 0.25t are more desirable.

図２は、空隙７付近の電界分布の模式図である。空隙７から充分離れた圧電体層３においては、この圧電体層３を挟む導体層５間に印加された電圧Ｖと圧電体層の厚さｔから計算される、一様な電界（Ｅ＝Ｖ／ｔ）となっており、局所的な応力集中は発生しない。一方、空隙７付近の圧電体層３では空隙７を迂回するような電気力線となり、圧電体層３の厚み方向、つまり、導体層５の面に平行な方向の空隙７の端部付近で電界が高くなりやすい。   FIG. 2 is a schematic diagram of the electric field distribution near the gap 7. In the piezoelectric layer 3 sufficiently away from the gap 7, a uniform electric field (E = E =) is calculated from the voltage V applied between the conductor layers 5 sandwiching the piezoelectric layer 3 and the thickness t of the piezoelectric layer. V / t), and no local stress concentration occurs. On the other hand, in the piezoelectric layer 3 near the gap 7, electric lines of force bypass the gap 7, and in the thickness direction of the piezoelectric layer 3, that is, in the vicinity of the end of the gap 7 in the direction parallel to the surface of the conductor layer 5. The electric field tends to be high.

図３は、導体層近傍の空隙７付近の電界分布の模式図である。また、本発明の圧電素子１では、空隙７について、所定の駆動電圧を印加した状態での電界の向き（図３中の矢記号に示す電気力線）と同方向の長さをａ、電界の向きに垂直な方向の長さをｂとしたときに、ｂ／ａ≦４およびｂ≧３μｍの関係を満足することを特徴とし、この場合も、特に、ｂ／ａ≦２、３≦ｂ≦２０（μｍ）およびａ≦０．２５ｔが望ましい。   FIG. 3 is a schematic diagram of an electric field distribution near the gap 7 near the conductor layer. Further, in the piezoelectric element 1 of the present invention, the gap 7 has a length in the same direction as the direction of the electric field (electric lines of force indicated by the arrow in FIG. 3) in a state where a predetermined driving voltage is applied. When the length in the direction perpendicular to the direction of b is defined as b, the relationship of b / a ≦ 4 and b ≧ 3 μm is satisfied. In this case, in particular, b / a ≦ 2, 3 ≦ b ≦ 20 (μm) and a ≦ 0.25 t are desirable.

即ち、本発明では、偏平状をした空隙７が、例えば、導体層５に平行に存在しない状態（図３のＡ）であっても、偏平状をした空隙７の電界の向きに対する方向性をも規定することにより、空隙の周辺に発生する応力を低くしクラックなどの発生を抑制し、耐電圧を高めることができる。   That is, in the present invention, even when the flat gap 7 is not parallel to the conductor layer 5 (A in FIG. 3), the flat gap 7 has a directivity with respect to the direction of the electric field. By defining the above, it is possible to reduce the stress generated around the gap, suppress the occurrence of cracks, and increase the withstand voltage.

つまり、通常の圧電素子１では、空隙７の形状によっては一様な電界が阻害され、圧電体層３中を通る電気力線が空隙７を迂回していくことで、空隙７の端部において極度に電界が高くなるが、本発明では、このような電界の集中する空隙７を無くして最大主応力を低くできることから絶縁破壊やクラックの発生を防止できる。   In other words, in the normal piezoelectric element 1, a uniform electric field is hindered depending on the shape of the gap 7, and the lines of electric force passing through the piezoelectric layer 3 bypass the gap 7, so that at the end of the gap 7. Although the electric field becomes extremely high, in the present invention, since the maximum principal stress can be lowered by eliminating the gap 7 where the electric field concentrates, the occurrence of dielectric breakdown and cracks can be prevented.

なお、本発明において、圧電体層における応力分布は、試料の電子顕微鏡写真をもとに解析モデルを作製し、このモデルに対して有限要素解析を行い求める。   In the present invention, the stress distribution in the piezoelectric layer is obtained by preparing an analysis model based on an electron micrograph of the sample and performing finite element analysis on this model.

一方、本発明では、空隙の長辺方向の寸法ｂが３μｍより小さい場合には、本発明のような、ｂ／ａの関係は考慮する必要はないが、上記ｂが３μｍ以上であって、かつｂ／ａ＞４の場合には、空隙７の偏平度が大きくなり圧電体層３が破壊するほどの応力が発生し、過酷な条件での使用に耐えない恐れがある。   On the other hand, in the present invention, when the dimension b in the long side direction of the gap is smaller than 3 μm, it is not necessary to consider the relationship of b / a as in the present invention, but b is 3 μm or more, In the case of b / a> 4, the flatness of the air gap 7 is increased, and a stress is generated so that the piezoelectric layer 3 is broken, and there is a fear that it cannot be used under severe conditions.

また、ｂ／ａ≦４およびｂ≦３であっても、ａ＞０．５ｔのときには、最大主応力が小さくなるが、圧電体層の耐電圧が低下し、これによって耐久性が低下する。   Even when b / a ≦ 4 and b ≦ 3, when a> 0.5 t, the maximum principal stress is reduced, but the withstand voltage of the piezoelectric layer is lowered, thereby lowering the durability.

また、圧電体層３の厚みは１５０μｍ以下、特に、圧電歪特性を高めるという点でその厚みは、１２０μｍ以下、さらには、９０μｍ以下が望ましく、一方、電界強度による破壊を抑制する点で、２０μｍ以上、特に、４０μｍが望ましい。   Further, the thickness of the piezoelectric layer 3 is 150 μm or less, and in particular, the thickness is preferably 120 μm or less, more preferably 90 μm or less in terms of enhancing the piezoelectric strain characteristics. As described above, 40 μm is particularly desirable.

また、本発明の圧電素子１では、導体層５の厚みが１０μｍ以下であり、この導体層５の表面から１０μｍ以内の圧電体層３中に空隙７が存在するときに、ｂ／ａ≦２の関係を満足することが望ましい。   Further, in the piezoelectric element 1 of the present invention, when the thickness of the conductor layer 5 is 10 μm or less and the void 7 exists in the piezoelectric layer 3 within 10 μm from the surface of the conductor layer 5, b / a ≦ 2 It is desirable to satisfy this relationship.

通常、圧電素子１に電圧を印加すると、圧電体層３は伸びるが、隣の導体層５は伸びないために圧電体層３を拘束することが知られている。このとき、導体層５の近くに空隙７があると、その空隙７近傍の圧電体層３には、その空隙７近傍の電気力線の曲がりによる電界集中に起因した応力と、圧電体層３と導体層５との伸びの不一致に起因する応力とが重畳することになる。しかしながら、本発明では、この導体層５の厚みを１０μｍ以下とし、この導体層５の表面から１０μｍ以内の圧電体層３中に空隙７の形状を前記表記でｂ／ａ≦２の関係とすることにより、上記重畳する応力を低減できる。   Usually, when a voltage is applied to the piezoelectric element 1, the piezoelectric layer 3 is stretched, but the adjacent conductor layer 5 is not stretched. At this time, if there is a gap 7 near the conductor layer 5, the piezoelectric layer 3 in the vicinity of the gap 7 has a stress caused by electric field concentration due to the bending of electric field lines in the vicinity of the gap 7 and the piezoelectric layer 3. And the stress resulting from the mismatch in elongation between the conductor layer 5 and the conductor layer 5 are superimposed. However, in the present invention, the thickness of the conductor layer 5 is set to 10 μm or less, and the shape of the void 7 in the piezoelectric layer 3 within 10 μm from the surface of the conductor layer 5 has the relationship of b / a ≦ 2 in the above notation. As a result, the superimposed stress can be reduced.

図４は、（ａ）圧電体層中に複数個の空隙が存在する場合に、それらの空隙を導体層面に投影する状態を示す断面模式図、および（ｂ）導体層面への投影図である。また、上記圧電素子１では、導体層５間の空隙７について、導体層５面に投影された長さをｄ、前記導体層５の積層方向の、前記空隙７の単体長さの総和をｃとしたときに、ｄ／ｃ≦４の関係を満足することが望ましく、特に、ｄ／ｃ≦２がより望ましい。つまり、空隙７が圧電体層３中で一見重なった状態である場合には、集合した空隙７の外側を電気力線が迂回するために、一つの大きな空隙７とすることが妥当だからである。   FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing a state in which a plurality of voids exist in the piezoelectric layer, and these voids are projected onto the conductor layer surface, and FIG. 4B is a projection view onto the conductor layer surface. . In the piezoelectric element 1, for the gap 7 between the conductor layers 5, the length projected on the surface of the conductor layer 5 is d, and the total length of the single lengths of the gaps 7 in the stacking direction of the conductor layer 5 is c. In this case, it is desirable to satisfy the relationship of d / c ≦ 4. In particular, d / c ≦ 2 is more desirable. That is, when the gap 7 is in a state of being overlapped in the piezoelectric layer 3, it is appropriate to make one large gap 7 in order for the electric lines of force to bypass the outside of the gathered gap 7. .

また、上記圧電素子１では、導体層５間における空隙７の全体積が、前記圧電体層３の体積の１５％以下、特に、５％以下であることが望ましい。   In the piezoelectric element 1, the total volume of the gaps 7 between the conductor layers 5 is preferably 15% or less, particularly 5% or less of the volume of the piezoelectric layer 3.

また、上記圧電素子１では、空隙７どうしの最近接間距離が３μｍ以上、特に、２０μｍ以上であることが望ましい。   In the piezoelectric element 1, it is desirable that the closest distance between the gaps 7 is 3 μm or more, particularly 20 μm or more.

図５は、曲率半径を表す空隙形状を示す概略図である。また、上記圧電素子１では、空隙７についての、圧電体層３の厚み方向断面における曲率半径が２μｍ以上、特に、４μｍ以上であることが望ましい。つまり、曲率半径Ｒ≧２μｍであれば、局所的な曲率半径Ｒが大きくなり、圧電体層３における電気力線の曲がりが小さくなるために、それに伴い隣合う結晶粒間で分極の向きが異なることを抑制でき、そして、圧電体磁器中の隣合う粒子の電圧印加による歪の向きの不一致を小さくできることから、粒界などを破壊源とする絶縁破壊を抑えることができる。   FIG. 5 is a schematic diagram showing a void shape representing a radius of curvature. In the piezoelectric element 1, it is desirable that the curvature radius of the gap 7 in the cross section in the thickness direction of the piezoelectric layer 3 is 2 μm or more, particularly 4 μm or more. That is, if the radius of curvature R ≧ 2 μm, the local radius of curvature R increases and the bending of the electric lines of force in the piezoelectric layer 3 decreases, so that the direction of polarization differs between adjacent crystal grains accordingly. In addition, since it is possible to reduce the mismatch in the direction of strain due to the voltage application of adjacent particles in the piezoelectric ceramic, it is possible to suppress dielectric breakdown using grain boundaries as a breakdown source.

また、上記圧電素子１では、導体層５間に印加される電界が０．５ｋＶ／ｍｍ以上、特に、１．５ｋＶ／ｍｍ以上であることが望ましい。   In the piezoelectric element 1, it is desirable that the electric field applied between the conductor layers 5 is 0.5 kV / mm or more, particularly 1.5 kV / mm or more.

即ち、圧電体層３に印加される電界、つまり、圧電体層３を狭持する導体層５間に印加される電圧を、その圧電体層３の厚さで割ったものを０．５ｋＶ／ｍｍ以上とすると圧電体素子のひずみ量を大きくでき、例えば、燃料噴射装置のような厳しい環境にさらされる装置においても好適に用いることができる。   That is, the electric field applied to the piezoelectric layer 3, that is, the voltage applied between the conductor layers 5 sandwiching the piezoelectric layer 3 divided by the thickness of the piezoelectric layer 3 is 0.5 kV / If the thickness is greater than or equal to mm, the strain amount of the piezoelectric element can be increased, and for example, it can be suitably used in a device exposed to a severe environment such as a fuel injection device.

具体的には、燃料噴射装置に用いる圧電素子１には、通常、２０μｍ程度の変位量が必要とされているが、燃料噴射装置の構造上、圧電素子１の長さは５０ｍｍ以下であることが望ましい。このため圧電素子１としては、圧電定数ｄ３３が９００ｐＣ／Ｎ以上の圧電体層３に、０．５ｋＶ／ｍｍ以上の電界を印加することが望ましい。 Specifically, the piezoelectric element 1 used in the fuel injection device normally requires a displacement of about 20 μm, but the length of the piezoelectric element 1 is 50 mm or less due to the structure of the fuel injection device. Is desirable. As the piezoelectric element 1 for this, the piezoelectric constant d 33 is the piezoelectric layer 3 above 900pC / N, it is desirable to apply more field 0.5 kV / mm.

なお、導体層５間の少なくとも圧電体層３中に存在する空隙７は、いずれにしても結晶粒が空隙に現れているため細かい凹凸があるが、本発明の圧電体層３における空隙７は、例えば、０．１μｍ以下の凹凸を無視して曲面で表したものである。   Note that the gap 7 existing at least in the piezoelectric layer 3 between the conductor layers 5 has fine irregularities because crystal grains appear in the gap anyway, but the gap 7 in the piezoelectric layer 3 of the present invention is For example, it is expressed by a curved surface ignoring unevenness of 0.1 μm or less.

次に、本発明の圧電体層３となる圧電磁器について説明する。   Next, the piezoelectric ceramic that will be the piezoelectric layer 3 of the present invention will be described.

本発明の圧電体層３は、圧電体層が、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とし、少なくともバリウム、ストロンチウムのいずれかもしくは両成分が添加されており、チタン酸鉛の割合が４２モル％〜５２モル％、ジルコン酸鉛の割合が４８モル％〜５８モル％の範囲であることを特徴とする。   In the piezoelectric layer 3 of the present invention, the piezoelectric layer is composed mainly of lead zirconate titanate, and at least one of barium and strontium or both components is added, and the ratio of lead titanate is 42 mol% to 52 mol%, and the ratio of lead zirconate is in the range of 48 mol% to 58 mol%.

そして、本発明では、圧電素子１の品質ばらつきを小さくし、工程能力Ｃｐｋ≧１．６６を得るという理由から圧電体層３の即時破壊強度のワイブル係数ｍが、ｍ≧８、特に、ｍ≧１２であることが望ましい。   In the present invention, since the quality variation of the piezoelectric element 1 is reduced and the process capability Cpk ≧ 1.66 is obtained, the Weibull coefficient m of the immediate fracture strength of the piezoelectric layer 3 is m ≧ 8, particularly m ≧ 8. 12 is desirable.

なお、本発明の圧電素子１は、以下の構造を有する積層型の圧電素子１を含むものである。図６は、本発明の積層構造をした圧電素子である。即ち、積層型圧電素子２１は、複数の圧電体層２３と複数の導体層２５を交互に積層して構成されている。導体層２５の端部は素子本体の一部の側面に露出しており、また、導体層２５の上下両側に位置する圧電体層２３は、互いに向きが反対となるように分極処理され、図６に示す矢印の方向に分極処理されている。   The piezoelectric element 1 of the present invention includes a multilayer piezoelectric element 1 having the following structure. FIG. 6 shows a piezoelectric element having a laminated structure according to the present invention. That is, the multilayer piezoelectric element 21 is configured by alternately laminating a plurality of piezoelectric layers 23 and a plurality of conductor layers 25. The ends of the conductor layer 25 are exposed on a part of the side surface of the element body, and the piezoelectric layers 23 located on both upper and lower sides of the conductor layer 25 are polarized so that the directions are opposite to each other. Polarization processing is performed in the direction of the arrow shown in FIG.

導体層２５は積層順に交互に第１導体層２５ａまたは第２導体層２５ｂとされ、第１導体層２５ａと第２導体層２５ｂに異なる電位を与えることによって、圧電体層２３に厚さ方向の電界を印加できる。   The conductor layers 25 are alternately formed into the first conductor layers 25a or the second conductor layers 25b in the order of lamination, and by applying different potentials to the first conductor layers 25a and the second conductor layers 25b, the piezoelectric layers 23 are arranged in the thickness direction. An electric field can be applied.

積層型圧電素子本体は概四角柱状であり、その４側面のうち異なる２側面が外部電極形成用側面とされ、これらの外部電極形成用側面にそれぞれ外部電極２４ａ、２４ｂがそれぞれ形成されている。外部電極２４ａには第１導体層２５ａの端部が接続され、第２導体層２５ｂの端部とは絶縁され、また外部電極２４ｂには第２導体層２５ｂが接続され、第１導体層２５ａの端部とは絶縁されている。   The laminated piezoelectric element body has a substantially quadrangular prism shape, and two different side surfaces of the four side surfaces are used as external electrode forming side surfaces, and external electrodes 24a and 24b are formed on these external electrode forming side surfaces, respectively. The outer electrode 24a is connected to the end of the first conductor layer 25a, insulated from the end of the second conductor layer 25b, and the outer electrode 24b is connected to the second conductor layer 25b, and the first conductor layer 25a. It is insulated from the end of the.

この第１の外部電極２４ａと第２の外部電極２４ｂの間に電圧を印加することで、積層型圧電素子を伸縮させることが出来る。   By applying a voltage between the first external electrode 24a and the second external electrode 24b, the stacked piezoelectric element can be expanded and contracted.

また、本発明の圧電体層３、２３の平均結晶粒径は、圧電素子１の機械的強度を高めるためには６μｍ以下、特に、４μｍ以下が好ましく、一方、圧電歪定数を高めるという理由から、２μ以上、３μｍ以上が好ましい。さらに、圧電体層３、２３と導体層５、２５との積層数は、所望の特性を得るためにそれぞれ１０〜４００層が好ましい。   In addition, the average crystal grain size of the piezoelectric layers 3 and 23 of the present invention is preferably 6 μm or less, particularly 4 μm or less in order to increase the mechanical strength of the piezoelectric element 1. On the other hand, because the piezoelectric strain constant is increased. 2 μm or more and 3 μm or more are preferable. Further, the number of stacked layers of the piezoelectric layers 3 and 23 and the conductor layers 5 and 25 is preferably 10 to 400 layers in order to obtain desired characteristics.

また、本発明の圧電素子における導体層５、２５は、全金属に対するＡｇの含有量が７０質量％以上、特に、８０質量％であることがより望ましい。なお、本発明の圧電素子は導体層５、２５としてＣｕを用いることができる。   The conductor layers 5 and 25 in the piezoelectric element of the present invention preferably have an Ag content of 70% by mass or more, particularly 80% by mass with respect to all metals. In the piezoelectric element of the present invention, Cu can be used as the conductor layers 5 and 25.

次に、本発明の圧電素子の製法について説明する。   Next, a method for manufacturing the piezoelectric element of the present invention will be described.

以上のように構成された圧電素子は、以下の圧電体層３、２３と導体層５、２５とを同時焼成するプロセスにより製造される。本発明の圧電体層３、２３となる圧電磁器の製法は、（１）素原料として、Ｐｂ、ＺｒおよびＴｉを含むそれぞれの金属酸化物を、メディアを用いて混合し微粉化する工程と、（２）該混合物を９００℃以下で仮焼する工程と、（３）該仮焼物に対し、少なくとも有機バインダを加えて成形体を形成後焼成する工程と、を具備することを特徴とする。   The piezoelectric element configured as described above is manufactured by a process of simultaneously firing the piezoelectric layers 3 and 23 and the conductor layers 5 and 25 described below. The piezoelectric ceramic layers 3 and 23 according to the present invention are manufactured by a method for producing a piezoelectric ceramic comprising: (1) a step of mixing and pulverizing each metal oxide containing Pb, Zr and Ti as raw materials using a medium; (2) A step of calcining the mixture at 900 ° C. or lower, and (3) a step of adding a binder to the calcined product to form a molded body and then firing the molded product.

本発明の製法は、具体的には、下記の工程で行われる。先ず、素原料粉末として高純度のＰｂ３Ｏ４、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＷＯ３、ＢａＣＯ３、ＳｒＣＯ３、ＣａＣＯ３およびＹｂ２Ｏ３などの各原料粉末を所定量秤量し、ボールミル等で湿式混合し、素原料を上記所定の平均粒径になるように微粉化する。次いで、この混合物を脱水、乾燥した後、上記した温度にて仮焼を行う。このような工程を経て得られる微粉化した仮焼粉末を用いることにより、本発明の圧電体層３、２３中に形成される空隙７を所望の形状と大きさとすることができる。 Specifically, the production method of the present invention is performed in the following steps. First, each raw material powder such as high-purity Pb 3 O 4 , ZrO 2 , TiO 2 , WO 3 , BaCO 3 , SrCO 3 , CaCO 3, and Yb 2 O 3 is weighed in a predetermined amount as a raw material powder. Wet mixing is performed, and the raw material is pulverized to have the predetermined average particle diameter. Next, the mixture is dehydrated and dried, and then calcined at the above temperature. By using the pulverized calcined powder obtained through such steps, the voids 7 formed in the piezoelectric layers 3 and 23 of the present invention can have a desired shape and size.

次に、得られた仮焼粉末に対して有機バインダー、有機溶剤および可塑剤とを混合したスラリを調製し、シート成形法によりグリーンシートを作製する。   Next, a slurry in which an organic binder, an organic solvent, and a plasticizer are mixed with the obtained calcined powder is prepared, and a green sheet is produced by a sheet forming method.

次に、このグリーンシートの片面にＡｇ／Ｐｄの比率が所定比率である導体ペーストをスクリーン印刷法により印刷し導体パターンを形成する。この導体パターンを乾燥させた後、導体パターンが形成された複数のグリーンシートを所定の枚数だけ積層し、この積層体の積層方向の両端部に、導電性ペーストが塗布されていないグリーンシートを積層する。ここで、特に、本発明では、圧電体層３、２３中に形成される空隙７を所望の形状と大きさにするために、所定形状の樹脂製マイクロビーズを使用する。   Next, a conductor paste having a predetermined Ag / Pd ratio is printed on one side of the green sheet by a screen printing method to form a conductor pattern. After this conductor pattern is dried, a predetermined number of green sheets on which the conductor pattern is formed are stacked, and green sheets that are not coated with conductive paste are stacked on both ends in the stacking direction of the stack. To do. Here, in particular, in the present invention, in order to make the gap 7 formed in the piezoelectric layers 3 and 23 into a desired shape and size, resin micro beads having a predetermined shape are used.

次に、この積層体を５０〜２００℃で加熱を行いながら加圧を行い、積層体を一体化する。一体化された積層体は所定の大きさに切断された後、４００〜８００℃で５〜４０時間、脱バインダが行われ、９５０〜１０００℃で２〜５時間で本焼成が行われ、積層体となる積層焼結体を得る。この積層体焼結体の側面には、導体層の端部が露出している。以上のように、導体層は互い違いに１層おきに絶縁され、交互に同一の外部電極２４に接続される。この後、正極用外部電極、負極用外部電極にリード線を接続し、素子の外周面にデイッピング等の方法により、シリコーンゴムを被覆した後、分極電界を印加して分極処理することで、最終的な積層型の圧電素子１であるアクチュエータを得る。   Next, pressure is applied while heating the laminated body at 50 to 200 ° C. to integrate the laminated body. After the integrated laminate is cut to a predetermined size, binder removal is performed at 400 to 800 ° C. for 5 to 40 hours, and main firing is performed at 950 to 1000 ° C. for 2 to 5 hours. A laminated sintered body is obtained. The end portion of the conductor layer is exposed on the side surface of the laminate sintered body. As described above, the conductor layers are alternately insulated every other layer, and are alternately connected to the same external electrode 24. Thereafter, lead wires are connected to the external electrode for the positive electrode and the external electrode for the negative electrode, and the outer peripheral surface of the element is coated with silicone rubber by a method such as dipping, and then polarized by applying a polarization electric field. An actuator which is a typical laminated piezoelectric element 1 is obtained.

次に、上記の圧電素子１により構成される燃料噴射装置について説明する。図７は、本発明の燃料噴射装置を示す概略断面図である。図において符号３１は収納容器を示している。この収納容器３１の一端には噴射孔３３が設けられ、また収納容器３１内には、噴射孔３３を開閉することができるニードルバルブ３５が収容されている。   Next, a fuel injection device constituted by the piezoelectric element 1 will be described. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the fuel injection device of the present invention. In the figure, reference numeral 31 denotes a storage container. An injection hole 33 is provided at one end of the storage container 31, and a needle valve 35 that can open and close the injection hole 33 is stored in the storage container 31.

噴射孔３３には燃料通路３７が連通可能に設けられ、この燃料通路３７は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路３７に常時一定の高圧で燃料が供給されている。従って、ニードルバルブ３５が噴射孔３３を開放すると、燃料通路３７に供給されていた燃料が一定の高圧で内燃機関の図示しない燃料室内に噴出されるように形成されている。   A fuel passage 37 is provided in the injection hole 33 so as to be able to communicate. The fuel passage 37 is connected to an external fuel supply source, and fuel is always supplied to the fuel passage 37 at a constant high pressure. Therefore, when the needle valve 35 opens the injection hole 33, the fuel supplied to the fuel passage 37 is formed to be injected into a fuel chamber (not shown) of the internal combustion engine at a constant high pressure.

また、ニードルバルブ３５の上端部は直径が大きくなっており、収納容器３１に形成されたシリンダ３９と摺動可能なピストン４１を有している。そして、収納容器３１内には、燃料噴射装置において圧電アクチュエータとなる圧電素子４３が収納されている。   The upper end of the needle valve 35 has a large diameter, and has a cylinder 39 formed in the storage container 31 and a piston 41 that can slide. And in the storage container 31, the piezoelectric element 43 used as a piezoelectric actuator in a fuel-injection apparatus is accommodated.

このような噴射装置では、圧電アクチュエータ４３が電圧を印加されて伸長すると、ピストン４１が押圧され、ニードルバルブ３５が噴射孔３３を閉塞し、燃料の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると圧電アクチュエータ４３が収縮し、皿バネ４５がピストン４１を押し返し、噴射孔３３が燃料通路３７と連通して燃料の噴射が行われるようになっている。   In such an injection device, when the piezoelectric actuator 43 is extended by applying a voltage, the piston 41 is pressed, the needle valve 35 closes the injection hole 33, and the supply of fuel is stopped. When the application of voltage is stopped, the piezoelectric actuator 43 contracts, the disc spring 45 pushes back the piston 41, and the injection hole 33 communicates with the fuel passage 37 so that fuel is injected.

近年、自動車用燃料噴射弁に用いられる圧電素子のように、耐電圧の向上並びに長寿命化が要求される状況下にあって、圧電体層１層あたりの厚みをさらに薄くしようとする場合、その厚みに対応して、より微粉化した圧電粉末を用いることから、圧電磁器には焼結の不均質が起きやすい。これに対して、上記説明した圧電素子を用いると、圧電体層中に形成される空隙が偏平状などのいびつな形状であっても、その偏平度を規定することにより、応力集中を抑制できるとともに、耐電圧の向上並びに長寿命化を図ることができる。   In recent years, when a piezoelectric element used in a fuel injection valve for automobiles is required to have a higher withstand voltage and a longer life, and to further reduce the thickness per piezoelectric layer, Since piezoelectric powder more finely divided is used corresponding to the thickness, non-uniform sintering is likely to occur in the piezoelectric ceramic. On the other hand, when the piezoelectric element described above is used, even if the gap formed in the piezoelectric layer is an irregular shape such as a flat shape, the stress concentration can be suppressed by defining the flatness. In addition, the withstand voltage can be improved and the life can be extended.

本発明の圧電素子について、以下の実施例を用いて具体的に説明する。まず、原料粉末として高純度のＰｂ３Ｏ４、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＢａＣＯ３、ＳｒＣＯ３、ＣａＣＯ３、ＷＯ３、およびＹｂ２Ｏ３などの各原料粉末を所定量秤量し、直径１０ｍｍのジルコニア製ボールを有するボールミルで２０時間湿式混合した。次いで、この混合物を脱水、乾燥した後、８００℃で３時間仮焼し、本発明の圧電磁器および積層型圧電素子を作製するのに用いる仮焼粉末を得た。 The piezoelectric element of the present invention will be specifically described using the following examples. First, each raw material powder such as high-purity Pb 3 O 4 , ZrO 2 , TiO 2 , BaCO 3 , SrCO 3 , CaCO 3 , WO 3 , and Yb 2 O 3 is weighed in a predetermined amount as a raw material powder, and has a diameter of 10 mm. Wet mixing was performed for 20 hours in a ball mill having zirconia balls. Next, this mixture was dehydrated and dried, and then calcined at 800 ° C. for 3 hours to obtain a calcined powder used for producing the piezoelectric ceramic and multilayer piezoelectric element of the present invention.

次に、得られた粉砕原料と、有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合したスラリーを作製し、スリップキャステイング法によりセラミックグリーンシートを作製した。   Next, a slurry in which the obtained pulverized raw material, a binder made of an organic polymer, and a plasticizer were mixed was prepared, and a ceramic green sheet was prepared by a slip casting method.

このグリーンシートを６０ｍｍ角の寸法に打ち抜いた後、このグリーンシートの片面にＡｇ−Ｐｄ（Ｐｔ）を主成分とし、Ａｇ／Ｐｄ比が所定値を有する導体ペーストを、スクリーン印刷法により５μｍの厚みに印刷し、導体パターンを乾燥させた後、導体パターンが形成された複数のグリーンシートを３１枚積層し、この積層体の積層方向の両端部に、導体ペーストが塗布されていないグリーンシートを５枚積層した。   After punching this green sheet to a size of 60 mm square, a conductive paste having Ag—Pd (Pt) as a main component and an Ag / Pd ratio of a predetermined value is formed on one side of the green sheet by a screen printing method to a thickness of 5 μm. After printing the conductor pattern and drying the conductor pattern, a plurality of 31 green sheets on which the conductor pattern was formed were laminated, and 5 green sheets on which no conductor paste was applied were applied to both ends in the lamination direction of the laminate. The sheets were laminated.

図８は、グリーンシート上のプラス極（ａ）とグランド極（ｂ）を表す導体パターンと、それぞれの１６等分するパターン図である。図８に示すように、導体パターンはグリーンシートの中央４０ｍｍ角の領域を１６等分した１０ｍｍ角のものを形成した。   FIG. 8 is a pattern diagram in which the conductor pattern representing the positive electrode (a) and the ground electrode (b) on the green sheet is divided into 16 equal parts. As shown in FIG. 8, a conductor pattern having a 10 mm square obtained by dividing the central 40 mm square region of the green sheet into 16 equal parts was formed.

本発明では、圧電体層中に意図的に空隙を形成するために、上記した積層工程において、表１に示す粒径５〜６０μｍのアクリル製マイクロビーズを所定量グリーンシート内に混入させた。本発明では、アクリル製マイクロビーズを混入させた箇所が予め分かるようにした。なお、空隙の形状の偏平度を変える方法として、このアクリル製マイクロビーズを加圧加熱したものを用いた。   In the present invention, in order to intentionally form voids in the piezoelectric layer, acrylic micro beads having a particle diameter of 5 to 60 μm shown in Table 1 were mixed in the green sheet in the above-described lamination step. In the present invention, the location where acrylic microbeads are mixed is known in advance. In addition, as a method of changing the flatness of the shape of the void, a pressure heated heating of the acrylic microbeads was used.

次に、この積層体を１００℃で加熱を行いながら加圧を行い、積層体を一体化し、導体パターン毎の大きさに切断した後、８００℃で１０時間の脱バインダを行い、９５０〜１０００℃で２時間本焼成を行ないアクチュエータ本体となる積層焼結体を得た。   Next, this laminated body is pressurized while being heated at 100 ° C., and the laminated body is integrated, cut into a size for each conductor pattern, then debindered at 800 ° C. for 10 hours, and 950 to 1000 The main calcination was carried out at 2 ° C. for 2 hours to obtain a laminated sintered body serving as an actuator body.

その後、この積層焼結体の２つの側面に、正極用外部電極、負極用外部電極を形成した。各外部電極は内部の導体層と交互に接続されている。最後に、８０℃の絶縁オイル中にて２００Ｖの電圧を１０分間印加して分極処理を行った。作製した圧電素子は導体層厚みが２μｍ、圧電体層厚みは８０μｍとした。なお、空隙の形状は、焼成収縮を伴っていたものの混入させたアクリル製マイクロビーズの形状に近いものであった。   Thereafter, a positive electrode external electrode and a negative electrode external electrode were formed on the two side surfaces of the laminated sintered body. Each external electrode is alternately connected to the internal conductor layer. Finally, a polarization treatment was performed by applying a voltage of 200 V in insulating oil at 80 ° C. for 10 minutes. The produced piezoelectric element had a conductor layer thickness of 2 μm and a piezoelectric layer thickness of 80 μm. The shape of the void was close to the shape of the mixed acrylic microbeads that were accompanied by firing shrinkage.

得られた圧電素子について、以下の手法を用いて評価を行った。   The obtained piezoelectric element was evaluated using the following method.

（１）圧電体層内部の空隙の存在箇所については、本実施例では、アクリル製マイクロビーズを混入させた箇所が予め分かる方法を用いていることから、試料の特定箇所付近を断面研磨して、電子顕微鏡を用いて空隙の存在を確認した。 (1) As for the location of the voids inside the piezoelectric layer, in this embodiment, since a method in which the location where the acrylic microbeads are mixed is used in advance, the vicinity of a specific location of the sample is subjected to cross-sectional polishing. The presence of voids was confirmed using an electron microscope.

空隙の寸法である、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、複数個の空隙間距離、空隙の曲率半径、および空隙の体積比率についても電子顕微鏡観察により求めた。 The dimensions of the voids, a, b, c, d, a plurality of gap distances, the radius of curvature of the voids, and the volume ratio of the voids were also determined by electron microscope observation.

（２）次に、その電子顕微鏡写真をもとに解析モデルを作製し、このモデルに対して有限要素解析を行い応力分布を求めた。 (2) Next, an analysis model was prepared based on the electron micrograph, and finite element analysis was performed on this model to obtain a stress distribution.

（３）耐電圧は、１０９サイクル数でも破壊なしの電圧として求めた。 (3) The withstand voltage was obtained as a voltage without destruction even at 10 9 cycles.

（４）図９は、圧電素子の耐久試験を行う装置である。圧電素子の耐久評価は、温度１８０℃の恒温槽を用い、駆動電源により支持部に装着された支持電極を通じて駆動矩形パルス電圧を印加した。パルス電圧は０〜１６０Ｖ、パルス周波数は２００Ｈｚ、パルス立上がり及び立下り時間は１３０μ秒とした。次いで、サイクル数をパルスカウンタを用いて測定し、サイクル数が１０９回以上であれば耐久性は合格とした。 (4) FIG. 9 shows an apparatus for performing a durability test of a piezoelectric element. For durability evaluation of the piezoelectric element, a driving rectangular pulse voltage was applied through a support electrode mounted on a support portion by a drive power source using a thermostatic chamber at a temperature of 180 ° C. The pulse voltage was 0 to 160 V, the pulse frequency was 200 Hz, and the pulse rise and fall times were 130 μsec. Then, measured using a pulse counter the number of cycles, the number of cycles was passed durability equal to or greater than 10 9 times.

（５）圧電体層のワイブル係数ｍは耐電圧評価をもとに最尤法により求めた。なお、本実施例にて作製した圧電素子のワイブル係数ｍは８であった。結果を表１に示した。

Figure 2005159040
(5) The Weibull coefficient m of the piezoelectric layer was determined by the maximum likelihood method based on the withstand voltage evaluation. The Weibull coefficient m of the piezoelectric element manufactured in this example was 8. The results are shown in Table 1.
Figure 2005159040

表１の結果から明らかなように、本発明の、圧電体層の厚み方向における長さをａ、面内方向における長さをｂとしたときに、ｂ／ａ≦４およびｂ≧３μｍの関係を満足する試料Ｎｏ．１〜５では、１０９回許容の電圧が２ｋＶ／ｍｍ以上、最大主応力が５０ＭＰａ以下であった。なお、試料Ｎｏ．５は複数の空隙について評価した試料である。一方、本発明外の試料Ｎｏ．６、７では、最大主応力が高いかまたは耐久試験が１０９回以下であった。 As is clear from the results in Table 1, when the length in the thickness direction of the piezoelectric layer of the present invention is a and the length in the in-plane direction is b, the relationship of b / a ≦ 4 and b ≧ 3 μm. Sample No. satisfying In 1 to 5, the voltage allowed for 10 9 times was 2 kV / mm or more, and the maximum principal stress was 50 MPa or less. Sample No. Reference numeral 5 is a sample evaluated for a plurality of voids. On the other hand, sample No. In 6,7, the maximum principal stress is high or durability test was less than 10 9 times.

本発明の圧電素子を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the piezoelectric element of this invention. 空隙付近の電界分布の模式図である。It is a schematic diagram of the electric field distribution near a space | gap. 導体層近傍の空隙付近の電界分布の模式図である。It is a schematic diagram of electric field distribution near the space | gap near a conductor layer. 圧電体層中に複数個の空隙が存在する場合に、（ａ）それらの空隙を導体層面に投影する状態を示す断面模式図、および（ｂ）導体層面への投影図である。When there are a plurality of voids in the piezoelectric layer, (a) a schematic cross-sectional view showing a state in which these voids are projected onto the conductor layer surface, and (b) a projection view onto the conductor layer surface. 曲率半径を表す空隙形状を示す概略図である。It is the schematic which shows the space | gap shape showing a curvature radius. 本発明の積層構造をした圧電素子である。1 is a piezoelectric element having a laminated structure according to the present invention. 本発明の燃料噴射装置を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the fuel-injection apparatus of this invention. グリーンシート上のプラス極（ａ）とグランド極（ｂ）を表す導体パターンと、それぞれの１６等分するパターン図である。It is a pattern figure which divides | segments into 16 equal parts each of the conductor pattern showing the plus pole (a) and ground pole (b) on a green sheet. 圧電素子の耐久試験を行う装置の模式図である。It is a schematic diagram of the apparatus which performs the durability test of a piezoelectric element.

符号の説明Explanation of symbols

１ 圧電素子
３、２３ 圧電体層
５、２５ 導体層
７ 空隙 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric element 3, 23 Piezoelectric layer 5, 25 Conductor layer 7 Air gap

Claims (12)

圧電体層と、該圧電体層を狭持してなる導体層とを備えた圧電素子において、前記圧電体層を含む前記導体層間に空隙を有するとともに、該空隙について、前記圧電体層の厚み方向における長さをａ、面内方向における長さをｂとし、さらに前記圧電体層の厚みをｔとしたときに、ｂ／ａ≦４、ｂ≧３μｍおよび、ａ≦０．５ｔの関係を満足することを特徴とする圧電素子。 In a piezoelectric element including a piezoelectric layer and a conductor layer sandwiching the piezoelectric layer, a gap is provided between the conductor layers including the piezoelectric layer, and the thickness of the piezoelectric layer is about the gap. When the length in the direction is a, the length in the in-plane direction is b, and the thickness of the piezoelectric layer is t, b / a ≦ 4, b ≧ 3 μm, and a ≦ 0.5t. A piezoelectric element characterized by being satisfied. 圧電体層と、該圧電体層を狭持してなる導体層とを備えた圧電素子において、前記圧電体層を含む前記導体層間に空隙を有するとともに、該空隙について、所定の駆動電圧を印加した状態での電界の向きと同方向の長さをａ、電界の向きに垂直な方向の長さをｂとし、さらに前記圧電体層の厚みをｔとしたときに、ｂ／ａ≦４、ｂ≧３μｍ、ａ≦０．５ｔの関係を満足することを特徴とする圧電素子。 In a piezoelectric element including a piezoelectric layer and a conductor layer sandwiching the piezoelectric layer, a gap is provided between the conductor layers including the piezoelectric layer, and a predetermined driving voltage is applied to the gap. In this state, when the length in the same direction as the direction of the electric field is a, the length in the direction perpendicular to the direction of the electric field is b, and the thickness of the piezoelectric layer is t, b / a ≦ 4, A piezoelectric element satisfying a relationship of b ≧ 3 μm and a ≦ 0.5 t. 圧電体層の厚みが１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to claim 1 or 2, wherein the thickness of the piezoelectric layer is 150 µm or less. 導体層間の空隙について、該導体層面に投影された長さをｄ、前記導体層の積層方向の、前記空隙の単体長さの総和をｃとしたときに、ｄ／ｃ≦４の関係を満足することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか記載の圧電素子。 Satisfying the relationship of d / c ≦ 4 for the gap between the conductor layers, where d is the length projected on the conductor layer surface and c is the sum of the single lengths of the gaps in the stacking direction of the conductor layer. The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 3, wherein the piezoelectric element is provided. 導体層間における空隙の全体積が、前記圧電体層の体積の１５％以下であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか記載の圧電素子。 5. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the total volume of voids between the conductor layers is 15% or less of the volume of the piezoelectric layer. 空隙どうしの最近接間距離が３μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 5, wherein the closest distance between the gaps is 3 µm or more. 空隙についての、圧電体層の厚み方向断面における曲率半径が２μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 6, wherein a radius of curvature of the void in a cross section in the thickness direction of the piezoelectric layer is 2 µm or more. 導体層間に印加される電界が０．５ｋＶ／ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to claim 1, wherein an electric field applied between the conductor layers is 0.5 kV / mm or more. 圧電体層が、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とし、少なくともバリウム、ストロンチウムのいずれかもしくは両成分が添加されており、チタン酸鉛の割合が４２モル％〜５２モル％、ジルコン酸鉛の割合が４８モル％〜５８モル％の範囲であることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか記載の圧電素子。 The piezoelectric layer is composed mainly of lead zirconate titanate, and at least one of barium and strontium or both components is added, and the proportion of lead titanate is 42 mol% to 52 mol%, the proportion of lead zirconate The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 8, wherein is in a range of 48 mol% to 58 mol%. 圧電体層の即時破壊強度のワイブル係数ｍが、ｍ≧８であることを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか記載の圧電素子。 10. The piezoelectric element according to claim 1, wherein a Weibull coefficient m of an instantaneous breaking strength of the piezoelectric layer is m ≧ 8. 導体層が、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕの群から選ばれる少なくとも１種を主成分とすることを特徴とする The conductor layer is mainly composed of at least one selected from the group consisting of Ag, Pd, Pt, and Cu. 請求項１から１１のうちいずれか記載の圧電素子を具備することを特徴とする燃料噴射装置。 A fuel injection device comprising the piezoelectric element according to claim 1.
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