WO2009082006A1 - 積層型圧電素子、これを用いた噴射装置及び燃料噴射システム - Google Patents

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

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WO2009082006A1
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convex portion
layer
external electrode
element according
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Inventor
Shigenobu Nakamura
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Kyocera Corporation
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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/872—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices
    • H—ELECTRICITY
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means

Definitions

  • the present invention relates to a laminated piezoelectric element (hereinafter also referred to as an element) used for, for example, a driving element (piezoelectric actuator), a sensor element, and a circuit element.
  • the driving element include a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an ink jet, a precision positioning device such as an optical device, and a vibration prevention device.
  • the sensor element include a combustion pressure sensor, a knock sensor, an acceleration sensor, a load sensor, an ultrasonic sensor, a pressure sensor, and a yaw rate sensor.
  • Examples of the circuit element include a piezoelectric gyro, a piezoelectric switch, a piezoelectric transformer, and a piezoelectric breaker.
  • a conductive paste including a conductive material such as silver and glass is used as an external electrode in a conventional laminated piezoelectric element.
  • An external electrode is formed by applying this conductive paste to the side surface of the laminate and baking it.
  • the multilayer piezoelectric element is required to ensure a large amount of displacement under a large pressure at the same time as miniaturization proceeds. For this reason, it is required that a higher electric field is applied and that the device can be used under severe conditions of continuous driving for a long time.
  • JP 2005-174974 A JP 2005-174974 A
  • a part of the external electrode is a multilayer body when used under severe conditions such as high electric field, high pressure, or continuous driving for a long time. There is a possibility of peeling from the side.
  • the element expands in the stacking direction and contracts in the direction orthogonal to the stacking direction by energization. Due to this expansion and contraction, the side surface of the laminate is warped, and stress is applied to the joint between the side surface of the laminate and the external electrode. Due to this stress, the external electrode may be warped and peeled off from the side surface of the multilayer body, and part of the internal electrode may not be energized, which may reduce the displacement amount of the multilayer piezoelectric element.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a multilayer piezoelectric element in which a decrease in displacement amount in use under the above severe conditions is improved.
  • a multilayer piezoelectric element of the present invention has a plurality of piezoelectric bodies and a plurality of internal electrodes, and a stacked body in which the piezoelectric bodies and the internal electrodes are alternately stacked, An external electrode formed on a side surface of the multilayer body, wherein the external electrode has a base portion and a first convex portion projecting outward from the base portion. ing.
  • an ejection device includes any one of the multilayer piezoelectric elements described above and ejection holes, and discharges liquid from the ejection holes by driving the multilayer piezoelectric element.
  • the fuel injection system of the present invention includes a common rail that includes high-pressure fuel, the above-described injection device that injects fuel stored in the common rail, and an injection control system that provides a drive signal to the injection device. .
  • the external electrode since the external electrode has the first convex portion protruding outward, warpage at the external electrode is suppressed. Therefore, peeling of the external electrode from the laminate is suppressed. As a result, since it is possible to stably energize the internal electrodes, it is possible to suppress a decrease in the displacement amount of the multilayer piezoelectric element.
  • 1 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element according to a first embodiment of the present invention.
  • 1 is a cross-sectional view of a multilayer piezoelectric element according to a first embodiment, in a cross section parallel to the stacking direction. It is an expanded sectional view of the part provided with the 1st convex part in FIG.
  • It is a laminated piezoelectric element concerning the 2nd Embodiment of this invention, Comprising: It is a side view of the part provided with the 1st convex part.
  • It is a laminated piezoelectric element concerning the 3rd Embodiment of this invention, Comprising: It is a side view of the part provided with the 1st convex part.
  • Multilayer piezoelectric element (element) 3 ... piezoelectric layer 5 ... internal electrode 7 ... stack 9 ... external electrode 9a ... base 9b ... first convex 9c ... second convex 11 ⁇ ⁇ Low rigidity layer 13 ⁇ ⁇ ⁇ Gap 15 ⁇ ⁇ ⁇ Metal part 17 ⁇ ⁇ ⁇ Ceramic part 19 ⁇ ⁇ ⁇ Injection device 21 ⁇ ⁇ ⁇ Injection hole 23 ⁇ ⁇ ⁇ Storage device 25 ⁇ ⁇ ⁇ Needle valve 27 ⁇ ⁇ ⁇ Fluid passage 29 ... Cylinder 31 ... Piston 33 ... Belleville spring 35 ... Fuel injection system 37 ... Common rail 39 ... Pressure pump 41 ... Injection control unit 43 ... Fuel tank
  • FIG. 1 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element according to a first embodiment of the present invention.
  • 2 is a cross-sectional view of the element shown in FIG. 1 in a cross section parallel to the stacking direction.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a portion provided with the first convex portion in FIG.
  • the element 1 includes a plurality of piezoelectric layers 3 and a plurality of internal electrodes 5, and a stacked body in which the piezoelectric layers 3 and the internal electrodes 5 are alternately stacked. 7.
  • the external electrodes 9 are respectively positioned on two opposing side surfaces of the multilayer body 7 and are electrically connected alternately to the end portions of the internal electrodes 5 every other layer.
  • the external electrode 9 has the base 9a and the 1st convex part 9b which protrudes toward the outer side from the base 9a.
  • the external electrode 9 has the first convex portion 9b, warpage of the external electrode 9 is suppressed for the following reason, and peeling of the external electrode 9 from the laminate 7 is suppressed.
  • the external electrode 9 since the side surface of the element 1 is warped, a stress that causes warping of the external electrode 9 acts.
  • the external electrode 9 since the external electrode 9 includes the first convex portion 9b that protrudes outward, the first convex portion 9b plays the role of a splint. Power). Therefore, warpage of the laminate 7 and the external electrode 9 is suppressed. Thereby, peeling from the laminated body 7 of the external electrode 9 is suppressed.
  • the height (size) H of the first convex portion 9b is preferably 0.5 ⁇ m or more.
  • the height of the first convex portion 9b is more preferably 5 ⁇ m or more.
  • the height of the 1st convex part 9b means the height of the top part of the 1st convex part 9b on the basis of the surface of the base 9a, as shown in FIG. Further, when the surface of the base 9a serving as a reference has irregularities (surface roughness), the center line in the surface roughness curve of the base is used as a reference.
  • corrugation by surface roughness and the 1st convex part 9b can be distinguished clearly as follows. That is, the protrusions included in the unevenness due to the surface roughness are formed on the external electrode 9 due to the bulging of crystal particles constituting the external electrode 9 on the surface of the external electrode 9, the polishing treatment of the surface of the external electrode 9, the heat treatment of the external electrode 9, etc. Therefore, the size of the convex portion is approximately the same as the size of the crystal particles constituting the external electrode 9.
  • the size of the first convex portion 9b is larger than the size of the crystal particles constituting the external electrode 9. Much larger size. Therefore, by observing the surface of the base portion 9a and the surface of the first convex portion 9b with a microscope, the convex portions included in the concave and convex portions due to the surface roughness can be confirmed on those surfaces, so that the first convex portion 9b can be easily distinguished from the protrusions included in the unevenness due to the surface roughness.
  • the external electrodes 9 are located on two opposing side surfaces of the multilayer body 7, but are located on two adjacent side surfaces of the multilayer body 7 or on the same side surface. May be.
  • FIG. 4A is a side view of a portion provided with a first convex portion in the multilayer piezoelectric element according to the second embodiment.
  • the first convex portion 9b As the first convex portion 9b, a hemispherical shape in which the width in the direction parallel to the stacking direction S and the width in the direction P perpendicular to the stacking direction S are substantially equal. Shaped ones are provided.
  • FIG. 4A when the element 1 is viewed from the side, when the boundary between the base portion 9a and the first convex portion 9b is a curve, stress is locally concentrated on a part of the boundary. Is suppressed. Thereby, the stress can be dispersed over a wide range.
  • FIG. 4B is a side view of the multilayer piezoelectric element according to the third embodiment and provided with a first convex portion.
  • the first protrusion 9b preferably has a lateral length L2 in the direction P perpendicular to the stacking direction S larger than the longitudinal length L1 in the direction parallel to the stacking direction S.
  • a stress is applied to the external electrode 9 such that the external electrode 9 warps in a direction perpendicular to the stacking direction S due to shrinkage. Therefore, by having the 1st convex part 9b which is said shape, the effect as a splint of the 1st convex part 9b can further be heightened.
  • the longitudinal length L1 and the lateral length L2 are defined and used as follows. That is, the longitudinal length L1 is the two imaginary lines obtained by virtually drawing two straight lines perpendicular to the stacking direction S and in contact with the outer periphery of the first convex portion 9b on the surface of the base portion 9a of the external electrode 9. Defined by the interval.
  • the lateral length L2 is the two imaginary lines obtained by virtually drawing two straight lines that are parallel to the stacking direction S on the surface of the base portion 9a of the external electrode 9 and that are in contact with the outer periphery of the first convex portion 9b. Defined by the interval.
  • the surface of the base portion 9a of the external electrode 9 is a plane substantially parallel to the side surface of the multilayer body 7 on which the external electrode 9 is formed.
  • FIG. 4C is a side view of the multilayer piezoelectric element according to the fourth embodiment and provided with a first convex portion.
  • the first convex portion 9b is formed to be parallel to the lamination surface of the multilayer body 7, that is, the longitudinal direction of the first convex portion 9b is orthogonal to the lamination direction S. Further preferred.
  • contraction which warps with respect to the direction P orthogonal to the lamination direction S regarding the base part 9a of the external electrode 9 can be suppressed further.
  • the first convex portion 9 b is preferably formed from one end portion in the width direction of the external electrode 9 to the other end portion.
  • One end and the other end in the width direction of the external electrode 9 are relatively easy to peel off, but since there is a first convex portion 9b in this portion, one end and the other end in the width direction of the external electrode 9 The possibility that the end portion of the layer is peeled off from the laminate 7 can be reduced.
  • the first convex portion 9b is formed on one end portion and the other end portion in the width direction of the external electrode 9, it is possible to reduce the deviation of the warp in the width direction. Therefore, it is possible to suppress the stress from being concentrated on a part of the external electrode 9. As a result, the possibility of peeling of the external electrode 9 from the laminate 7 can be further reduced.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a portion of the multilayer piezoelectric element according to the fifth embodiment provided with a first convex portion.
  • the first convex portion 9 b is preferably located on the side of the internal electrode 5 so as to face the end of the internal electrode 5. Since the first convex portion 9b that suppresses the warp of the base portion 9a and enhances the bonding property between the external electrode 9 and the laminate 7 is positioned on the side of the internal electrode 5, the bonding between the internal electrode 5 and the external electrode 9 is performed. Can increase the sex. Thereby, since a voltage can be stably applied to the internal electrode 5 via the external electrode 9, even when the element 1 is used for a long time, a decrease in displacement is suppressed.
  • a plurality of the first convex portions 9b are provided in parallel in the stacking direction S.
  • first protrusions 9b it is possible to disperse the stress in each of the first protrusions 9b.
  • warping can be suppressed in a wide range in the stacking direction S of the external electrodes 9 for the following reasons.
  • the external electrode 9 is more likely to warp as the distance from the first convex portion 9b increases.
  • the plurality of first protrusions 9b are provided in the stacking direction S, the portions sandwiched between the two first protrusions 9b are the first protrusions at both ends in the stacking direction S, respectively. Since the warpage is suppressed at 9b, the warpage can be greatly reduced in the entire region. That is, these two first protrusions 9b act separately to suppress the warping of the external electrode 9, but interact with each other to suppress the warping of the external electrode 9.
  • the first protrusion 9b has a number of layers equal to or less than 1/2 of the total number of layers of the internal electrode 5 in the multilayer body 7, preferably every number of layers equal to or less than 1/8 of the total number of layers, more preferably It is preferable that each layer be provided for each number of 1/15 or less of the total number of layers. Since the number of the first protrusions 9b is increased by forming the first protrusions 9b for every number of layers equal to or less than 1 ⁇ 2 of the total number of layers of the internal electrodes 5 in the laminate 7, the number of the first protrusions 9b increases. 9 can reduce variations in bonding strength in the stacking direction S.
  • a plurality of first protrusions 9b exist regularly, that is, a plurality of first protrusions 9b are arranged according to a certain rule.
  • the plurality of first protrusions 9b are regularly provided, so that variation in stress applied to the joint surface between the multilayer body 7 and the external electrode 9 is reduced, and a part of the joint surface between the multilayer body 7 and the external electrode 9 is obtained. It is possible to suppress the concentration of stress on the surface. And since the dispersion
  • the plurality of first protrusions 9b are regularly arranged is not limited to the case where the intervals at which the plurality of first protrusions 9b are arranged are all the same.
  • the arrangement interval of the first projections 9b is preferably within a range of ⁇ 20%, more preferably within a range of ⁇ 15% with respect to the average value of the arrangement intervals of the first projections 9b. More preferably, they are all the same.
  • the first protrusions 9b be regularly arranged in the central portion in the stacking direction S of the stacked body 7 with a large amount of piezoelectric displacement. Furthermore, the arrangement
  • the external electrode 9 has a second convex portion 9c that protrudes inward at a position corresponding to the first convex portion 9b. preferable.
  • the external electrode 9 can partially have a greater thickness. Therefore, the effect as a splint by the 1st convex part 9b and the 2nd convex part 9c is acquired.
  • this 2nd convex part 9c acts as a wedge. Therefore, the bondability between the laminate 7 and the external electrode 9 can be improved.
  • FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a portion of the multilayer piezoelectric element according to the sixth embodiment provided with a first convex portion.
  • the laminated body 7 preferably includes a low-rigidity layer 11 having a lower rigidity than the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5.
  • the low rigidity layer 11 has lower rigidity than the internal electrode 5 and the piezoelectric layer 3. Therefore, when stress is applied to the element 1, the low rigidity layer 11 is preferentially broken. By breaking the low-rigidity layer 11 in this way, the stress applied to the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5 can be reduced, so that the possibility that the internal electrode 5 and the piezoelectric layer 3 are damaged can be reduced.
  • the low-rigidity layer 11 refers to a layer having a lower rigidity and a lower rigidity compared to the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5 and / or a bonding force with an adjacent layer.
  • the low-rigidity layer 11 is made of a material having rigidity lower than that of the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5, or a layer containing more voids than the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5.
  • the rigidity is reduced.
  • the rigidity of the low-rigidity layer 11, the piezoelectric layer 3, and the internal electrode 5 can be easily compared by applying a load from the direction P orthogonal to the stacking direction S to the element 1, for example. Specifically, it can be determined by applying a load from the direction P perpendicular to the stacking direction S to the element 1 by a JIS three-point bending test (JIS R 1601) or the like. This is because it is sufficient to confirm at which part the element 1 breaks when the above test is performed.
  • the broken portion is a portion having the lowest rigidity in the element 1.
  • the element 1 of the sixth embodiment includes the low-rigidity layer 11, when the JIS three-point bending test is performed, the low-rigidity layer 11 or the low-rigidity layer 11 and the piezoelectric element are compared to the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5. Breaking easily occurs at the interface with the body layer 3. Therefore, the presence / absence of the low-rigidity layer 11 is confirmed depending on whether the broken portion is the piezoelectric layer 3 or the internal electrode 5 or the interface between the low-rigidity layer 11 or the low-rigidity layer 11 and the piezoelectric layer 3. can do.
  • the first convex portion 9 b is positioned at least on the side of the low-rigidity layer 11.
  • the stress applied to the element 1 is relaxed by breaking the low-rigidity layer 11.
  • cracks are relatively likely to occur in a portion of the external electrode 9 that is located on the side of the low-rigidity layer 11.
  • the first convex portion 9b having a large thickness is located at least on the side of the low-rigidity layer 11, the possibility of the breakage of the external electrode 9, particularly the base portion 9a, due to the extension of the crack. Can be reduced.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view of a multilayer piezoelectric element according to the seventh embodiment, which is a plane that is orthogonal to the stacking direction S and includes a low-rigidity layer.
  • the low-rigidity layer 11 preferably has a plurality of metal portions 15 that are separated from each other via a gap 13. This is because the metal component is easily deformed and thus has a great effect of relieving stress.
  • the material is different from the piezoelectric particles constituting the piezoelectric layer 3 adjacent in the stacking direction S, the cracks generated in the metal part 15 are easily retained inside the metal part 15 or the surface of the metal part 15. . As a result, it is possible to prevent cracks from extending in the piezoelectric layer 3.
  • each metal part 15 is more easily displaced.
  • the low-rigidity layer 11 has the gap 13, a part of the external electrode 9 can easily enter the gap 13. Therefore, the external electrode 9 and the side surface of the multilayer body 7 can be more firmly joined by the anchor effect.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view of a multilayered piezoelectric element according to the eighth embodiment, which is a plane that is orthogonal to the stacking direction S and includes a low-rigidity layer.
  • the low-rigidity layer 11 has a plurality of ceramic portions 17 that are separated from each other via a gap 13. Since the plurality of ceramic portions 17 are separated from each other via the gap 13, each ceramic portion 17 is easily deformed. Therefore, the rigidity can be reduced and the stress applied to the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5 can be reduced.
  • the low-rigidity layer 11 is constituted by the ceramic portion 17 that is an insulator, so that an electrical short circuit is caused. The possibility of occurring can be reduced.
  • the ceramic portion 17 is composed of the same component as the piezoelectric layer 3. As a result, the bondability between the low-rigidity layer 11 and the piezoelectric layer 3 can be improved, so that the outer shape of the element 1 can be easily maintained.
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of a multilayer piezoelectric element according to the ninth embodiment, which is provided with a first convex portion.
  • the first convex portion has a plurality of first convex portions 9 b located on the side of the internal electrode 5 and the low-rigidity layer 11, and is located on the lateral side of the low-rigidity layer 11. It is preferable that the height of 9b is larger than the height of the 1st convex part 9b located in the side of the internal electrode 5.
  • the portion where the first convex portion 9b is located on the side has a high bondability because warpage is suppressed by the first convex portion 9b.
  • the internal electrode 5 in order to energize the internal electrode 5, it is necessary to improve the bondability between the internal electrode 5 and the base portion 9a.
  • cracks are generated in the low-rigidity layer 11.
  • stress tends to concentrate on the highly bondable part of the laminate 7 and the external electrode 9. Therefore, by having the first convex portion 9b having the above-described form, it is possible to improve the bondability between the internal electrode 5 and the external electrode 9 while relaxing the stress by the low-rigidity layer 11.
  • a ceramic green sheet to be the piezoelectric layer 3 is produced. Specifically, a calcined powder of piezoelectric ceramic, a binder composed of an acrylic or butyral organic polymer, and a plasticizer are mixed to prepare a slurry. And a ceramic green sheet is produced from this slurry by using tape forming methods, such as a known doctor blade method and a calender roll method.
  • the piezoelectric ceramic may be any piezoelectric ceramic, and for example, a perovskite oxide made of PbZrO 3 —PbTiO 3 can be used.
  • the plasticizer dibutyl phthalate (DBP), dioctyl phthalate (DOP), or the like can be used.
  • a conductive paste to be the internal electrode 5 is produced.
  • a conductive paste can be produced by adding and mixing a binder and a plasticizer to a metal powder such as a silver-palladium alloy.
  • the conductive paste is disposed on the ceramic green sheet using a screen printing method, and is fired as described later, whereby the piezoelectric layer 3 and the internal electrode 5 can be formed.
  • the low rigidity layer 11 is, for example, a slurry to which more binder is added than the conductive paste to be the internal electrode 5, a slurry to which more binder is added than the slurry to be the piezoelectric layer 3, or the internal electrode 5. It can be formed by using a slurry in which acrylic beads are mixed into the conductive paste or the slurry to be the piezoelectric layer 3.
  • the binder and the scattered components of the acrylic beads are scattered in the firing and degreasing processes.
  • the metal part 15 or the ceramic part 17 spaced apart from each other can be formed.
  • the method of forming the low rigidity layer 11 is not limited to the above method.
  • the low-rigidity layer 11 having the above-described configuration can also be formed by changing the frequency of the screen mesh or the pattern shape.
  • the conductive paste is similarly insufficiently passed, and thus the low-rigidity layer 11 as described above can be formed.
  • a substantially circular shape such as an ellipse or a circle is preferable because it has a high effect of relieving stress.
  • the external electrode 9 is formed so as to be electrically connected to the piezoelectric layer 3 whose end is exposed on the outer surface of the multilayer piezoelectric element 1.
  • the external electrode 9 can be obtained by adding a binder to silver powder and glass powder to produce a silver glass paste, and printing and drying and bonding or baking.
  • the silver glass conductive paste is screen-printed on the portion to be the base portion 9a
  • the silver glass conductive paste is again screened only on the portion to be the first convex portion 9b. Print it out. That is, as one method for forming the first convex portion 9b, a screen in which a portion other than the first convex portion 9b is masked may be used.
  • a groove is formed at a position where the second convex portion 9c on the outer surface of the multilayer piezoelectric element 1 is to be formed using a device such as dicing, and a silver is formed thereon.
  • the silver glass conductive paste is disposed in the groove portion, and the second convex portion 9c can be formed.
  • the baking temperature of the silver glass conductive paste may be a temperature equal to or higher than the softening point of the glass component contained in the silver glass conductive paste in order to easily fill the gap 13 with the silver glass conductive paste. preferable.
  • the laminate 7 on which the external electrodes 9 are formed is immersed in a resin solution containing an exterior resin made of silicone rubber. Then, the resin solution is vacuum degassed to bring the silicone resin into close contact with the uneven portions on the outer peripheral side surface of the laminate 7, and then the laminate 7 is pulled up from the resin solution. Thereby, the silicone resin is coated on the side surface of the laminate 7. Then, the lead wire is connected to the external electrode 9 as a current-carrying portion with a conductive adhesive or the like.
  • each piezoelectric layer 3 can be largely displaced by the inverse piezoelectric effect. This makes it possible to function as an automobile fuel injection valve that injects and supplies fuel to the engine, for example.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an injection device according to an embodiment of the present invention.
  • the element 1 typified by the above-described embodiment is stored in a storage device 23 having an injection hole 21 at one end.
  • a needle valve 25 capable of opening and closing the injection hole 21 is disposed.
  • a fluid passage 27 is disposed in the injection hole 21 so as to be able to communicate with the movement of the needle valve 25.
  • the fluid passage 27 is connected to an external fluid supply source, and fluid is constantly supplied to the fluid passage 27 at a high pressure. Therefore, when the needle valve 25 opens the injection hole 21, the fluid supplied to the fluid passage 27 is 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 25 has a large diameter, and a cylinder 29 formed in the storage device 23 and a slidable piston 31 are disposed. In the storage device 23, the element 1 described above is stored.
  • the fluid channel 33 may be opened by applying a voltage to the element 1 and the fluid channel 33 may be closed by stopping the application of the voltage.
  • the injection device 19 of the present invention includes a container having the injection hole 21 and the element 1 described above, and is configured to discharge the fluid filled in the container from the injection hole 21 by driving the element 1. May be.
  • the element 1 does not necessarily have to be inside the container, and it is sufficient if the element 1 is driven so that pressure is applied to the inside of the container.
  • the fluid includes various liquid fluids (such as conductive paste) and gas in addition to fuel and ink.
  • injection device 19 that employs the element 1 of the present embodiment is used in an internal combustion engine, fuel can be injected into the fuel chamber of the internal combustion engine such as an engine more accurately for a longer period of time than the conventional injection device 19.
  • FIG. 10 is a schematic view showing a fuel injection system according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel injection system 35 of the present embodiment includes a common rail 37 that stores high-pressure fluid, a plurality of the injection devices 19 that inject the fluid stored in the common rail 37, and high-pressure fluid in the common rail 37. And a pressure control unit 41 for supplying a drive signal to the spray device 19.
  • the ejection control unit 41 controls the amount and timing of fluid ejection based on external information or an external signal. For example, when an injection control unit is used for fuel injection of the engine, the amount and timing of fuel injection can be controlled while sensing the condition in the combustion chamber of the engine with a sensor or the like.
  • the pressure pump 39 plays a role of feeding fluid fuel from the fuel tank 43 to the common rail 37 at a high pressure.
  • the fuel is fed into the common rail 37 at about 1000 to 2000 atmospheres (about 101 MPa to about 203 MPa), preferably about 1500 to 1700 atmospheres (about 152 MPa to about 172 MPa).
  • the injection device 19 injects a certain fluid from the injection hole 21 to the outside or an adjacent container.
  • fuel is injected into the combustion chamber in the form of a mist.
  • a piezoelectric actuator provided with the multilayer piezoelectric element 1 was produced as follows. First, a slurry was prepared by mixing a calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 —PbTiO 3 ) having an average particle size of 0.4 ⁇ m, a binder, and a plasticizer. Using this slurry, a ceramic green sheet serving as the piezoelectric layer 3 having a thickness of 150 ⁇ m was prepared by a doctor blade method.
  • a ceramic green sheet serving as the piezoelectric layer 3 having a thickness of 150 ⁇ m was prepared by a doctor blade method.
  • a binder was added to the silver-palladium alloy to prepare a conductive paste A to be the internal electrode 5. Further, acrylic beads having an average particle size of 0.5 ⁇ m were added to the conductive paste A so that the volume was 200% by volume with respect to 100% by volume of the silver-palladium alloy.
  • gap 13 was produced.
  • the conductive paste A or the conductive paste B was printed on one side of the ceramic green sheet by a screen printing method. In addition, 300 sheets on which these conductive pastes A and B were printed were laminated. The laminate 7 was obtained by firing at 980 to 1100 ° C.
  • the conductive paste A was printed on one side of the ceramic green sheet with a thickness of 4 ⁇ m by screen printing. And 300 ceramic green sheets on which this conductive paste A was printed were laminated. Further, the laminate 7 was obtained by firing at 980 to 1100 ° C.
  • conductive paste A or conductive paste B was printed with a thickness of 4 ⁇ m on one side of the ceramic green sheet by screen printing.
  • the ceramic green sheets on which the conductive pastes A and B are printed are arranged so that the ceramic green sheets on which the conductive paste B is printed are arranged for every 20 layers of the ceramic green sheets on which the conductive paste A is printed.
  • 300 sheets were laminated. Further, the laminate 7 was obtained by firing at 980 to 1100 ° C.
  • the 1st convex part 9b was formed in thickness of 7 micrometers by printing a silver glass paste again in the part in which the 1st convex part 9b is located. Thereafter, the external electrode 9 was formed by baking at 700 ° C. for 30 minutes.
  • the second convex portion 9c protruding inward by embedding the silver glass paste in a portion corresponding to the low-rigidity layer 11 was formed. It had been.
  • the outer surface of the external electrode 9 was flat and did not have the first convex portion 9b. As shown in Table 1, the displacement amount decreased from 40 ⁇ m to 30 ⁇ m after driving 1 ⁇ 10 9 times.
  • the external electrode 9 does not have the first convex portion 9b, and thus a part of the external electrode 9 is peeled off from the side surface of the multilayer body 7. As a result, a disconnection occurs between a part of the internal electrode 5 and the external electrode 9, and the voltage is not supplied to a part of the piezoelectric layers 3, so that the amount of displacement is reduced.
  • sample numbers 2 and 3 have a first end 9 b in the external electrode 9. Therefore, the bonding strength between the laminate 7 and the external electrode 9 could be increased. Actually, even after driving 1 ⁇ 10 9 times, no decrease in displacement was confirmed, and in all cases, the same displacement 40 ⁇ m as before the continuous drive test was obtained.

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Abstract

　過酷な条件下での使用における変位量の低下を改善した積層型圧電素子を提供する。 　そのために、積層型圧電素子は、複数の圧電体と複数の内部電極とを有し、圧電体と内部電極とが交互に積層された積層体と、該積層体の側面に形成された外部電極と、を備えた積層型圧電素子であって、外部電極は、基部と、該基部から外側に向かって突出する第１の凸部とを有している。

Description

積層型圧電素子、これを用いた噴射装置及び燃料噴射システム
　本発明は、例えば、駆動素子（圧電アクチュエータ）、センサ素子及び回路素子に用いられる積層型圧電素子（以下、素子ともいう）に関するものである。駆動素子としては、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェットのような液体噴射装置、光学装置のような精密位置決め装置、振動防止装置が挙げられる。センサ素子としては、例えば、燃焼圧センサ、ノックセンサ、加速度センサ、荷重センサ、超音波センサ、感圧センサ及びヨーレートセンサが挙げられる。また、回路素子としては、例えば、圧電ジャイロ、圧電スイッチ、圧電トランス及び圧電ブレーカーが挙げられる。
　従来の積層型圧電素子における外部電極としては、特許文献１に開示されているように、銀などの導電材とガラスとを備えた導電性ペーストが用いられている。この導電性ペーストを積層体の側面に塗布し、焼き付けを行うことで外部電極が形成される。
　積層型圧電素子は、小型化が進められると同時に、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、しかも長時間連続駆動させる過酷な条件下で使用できることが要求されている。
特開２００５－１７４９７４号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の外部電極を用いた積層型圧電素子では、高電界、高圧力又は長時間の連続駆動のような過酷な条件下での使用において、外部電極の一部が積層体の側面から剥離する可能性がある。
　これは、通電によって素子が積層方向に伸長するとともに積層方向に直交する方向に収縮するためである。この伸縮により、積層体の側面に反りが生じて、積層体側面と外部電極との接合部に応力が加わる。この応力により、外部電極にも反りが生じて積層体の側面から剥離する場合があり、内部電極の一部が通電されず、積層型圧電素子の変位量が低下する可能性がある。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、上記の過酷な条件下での使用における変位量の低下を改善した積層型圧電素子を提供することを目的とする。
　以上の目的を達成するために、本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電体と複数の内部電極とを有し、前記圧電体と前記内部電極とが交互に積層された積層体と、該積層体の側面に形成された外部電極と、を備えた積層型圧電素子であって、前記外部電極は、基部と、該基部から外側に向かって突出する第１の凸部とを有している。
　また、本発明の噴射装置は、上記いずれかに記載の積層型圧電素子と噴射孔とを備え、前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を吐出させることを特徴とする。
　さらに、本発明の燃料噴射システムは、高圧燃料を備えるコモンレールと、このコモンレールに蓄えられた燃料を噴射する上記の噴射装置と、前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御システムと、を備えている。
　本発明の積層型圧電素子によれば、外部電極が外側に向かって突出する第１の凸部を有していることにより、外部電極での反りが抑制される。そのため、外部電極の積層体からの剥離が抑えられる。結果、内部電極に安定して通電することができるので、積層型圧電素子の変位量の低下を抑制することができる。
本発明の第１の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。 第１の実施形態にかかる積層型圧電素子であって、積層方向に平行な断面における断面図である。 図２における第１の凸部が備えられた部分の拡大断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる積層型圧電素子であって、第１の凸部が備えられた部分の側面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる積層型圧電素子であって、第１の凸部が備えられた部分の側面図である。 本発明の第４の実施形態にかかる積層型圧電素子であって、第１の凸部が備えられた部分の側面図である。 本発明の第５の実施形態にかかる積層型圧電素子であって、第１の凸部が備えられた部分の拡大断面図である。 本発明の第６の実施形態にかかる積層型圧電素子であって、第１の凸部が備えられた部分の拡大断面図である。 本発明の第７の実施形態にかかる積層型圧電素子であって、積層方向に直交する面であって低剛性層を含む断面における断面図である。 本発明の第８の実施形態にかかる積層型圧電素子であって、積層方向に直交する面であって低剛性層を含む断面における断面図である。 本発明の第９の実施形態にかかる積層型圧電素子であって、第１の凸部が備えられた部分の拡大断面図である。 本発明の一実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。 本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システムを示す概略ブロック図である。
符号の説明
１・・・積層型圧電素子（素子）
３・・・圧電体層
５・・・内部電極
７・・・積層体
９・・・外部電極
９ａ・・・基部
９ｂ・・・第１の凸部
９ｃ・・・第２の凸部
１１・・・低剛性層
１３・・・空隙
１５・・・金属部
１７・・・セラミック部
１９・・・噴射装置
２１・・・噴射孔
２３・・・収納装置
２５・・・ニードルバルブ
２７・・・流体通路
２９・・・シリンダ
３１・・・ピストン
３３・・・皿バネ
３５・・・燃料噴射システム
３７・・・コモンレール
３９・・・圧力ポンプ
４１・・・噴射制御ユニット
４３・・・燃料タンク
　以下、本発明の積層型圧電素子について図面を参照して詳細に説明する。
　図１は、本発明の第１の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。図２は、図１に示す素子の、積層方向に平行な断面における断面図である。図３は、図２における第１の凸部が備えられた部分の拡大断面図である。
　図１～３に示すように、本実施形態にかかる素子１は、複数の圧電体層３と複数の内部電極５とを備え、圧電体層３と内部電極５が交互に積層された積層体７を有している。外部電極９は、積層体７の対向する２つの側面にそれぞれ位置し、内部電極５の端部と一層おきに互い違いに電気的に導通している。そして、外部電極９が、基部９ａと、基部９ａから外側に向かって突出する第１の凸部９ｂを有している。
　このように、外部電極９が第１の凸部９ｂを有することにより、下記の理由から外部電極９の反りが抑制され、外部電極９の積層体７からの剥離が抑制される。具体的には、素子１の駆動時において、素子１の側面が反るため、外部電極９に反りを生じさせる応力が働く。しかしながら、外部電極９が外側に向かって突出する第１の凸部９ｂを備えていることにより、第１の凸部９ｂが添え木のような役割を果たすため、上記の応力に対する高い反発力（抵抗力）を有することができる。そのため、積層体７及び外部電極９の反りが抑制される。これにより、外部電極９の積層体７からの剥離が抑制される。
　図３に示すように、第１の凸部９ｂの高さ（大きさ）Ｈは、０．５μｍ以上であることが好ましい。これにより、第１の凸部９ｂの添え木としての効果が高まり、外部電極９の反りをより小さくできる。また、第１の凸部９ｂの添え木としての効果をさらに高めるため、第１の凸部９ｂの高さは、５μｍ以上であることがさらに好ましい。なお、本実施形態において第１の凸部９ｂの高さとは、図３に示すように、基部９ａの表面を基準にした第１の凸部９ｂの頂部の高さをいう。また、基準となる基部９ａの表面に凹凸（表面粗さ）がある場合には、基部の表面粗さ曲線における中心線が基準とされる。
　ここで、表面粗さによる凹凸に含まれる凸部と、第１の凸部９ｂとは、以下のように明確に区別することができる。
　すなわち、表面粗さによる凹凸に含まれる凸部は、外部電極９の表面における外部電極９を構成する結晶粒子の***、外部電極９の表面の研磨処理および外部電極９の熱処理等による外部電極９を構成する結晶粒子の脱離によって形成されるため、凸部の大きさが外部電極９を構成する結晶粒子のサイズとほぼ同等の大きさとなる。これに対して、第１の凸部９ｂは、基部９ａの表面に導電性ペーストを塗布すること等によってパターンを形成するために、その大きさは外部電極９を構成する結晶粒子のサイズよりも遙かに大きなサイズとなる。
　従って、基部９ａの表面および第１の凸部９ｂの表面を顕微鏡によって観察することにより、それらの表面に表面粗さによる凹凸に含まれる凸部を確認することができるため、第１の凸部９ｂと表面粗さによる凹凸に含まれる凸部とは容易に区別することができる。
　なお、図１においては、外部電極９は積層体７の対向する２つの側面にそれぞれ位置しているが、積層体７の隣接する２つの側面にそれぞれ位置しているか、又は同一の側面に位置してもよい。
　次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４Ａは、第２の実施形態にかかる積層型圧電素子における第１の凸部が備えられた部分の側面図である。
　第２の実施形態では、図４Ａに示すように、第１の凸部９ｂとして、積層方向Ｓに平行な方向の幅と、積層方向Ｓに直交する方向Ｐの幅とが略等しい半球状の形状のものが設けられている。また、図４Ａに示すように、素子１を側面視した時に、基部９ａと第１の凸部９ｂとの境界が曲線である場合には、この境界の一部分に応力が局所的に集中することが抑制される。これにより、応力を広範囲に分散させることができる。
　次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図４Ｂは、第３の実施形態にかかる積層型圧電素子であって、第１の凸部が備えられた部分の側面図である。
　図４Ｂに示すように、第１の凸部９ｂは、積層方向Ｓに平行な方向の縦方向長Ｌ１よりも、積層方向Ｓに直交する方向Ｐの横方向長Ｌ２が大きいことが好ましい。外部電極９の基部９ａの積層体７への焼き付け時において、外部電極９には収縮によって積層方向Ｓに直交する方向に対して反るような応力が作用する。そのため、上記の形状である第１の凸部９ｂを有することにより、第１の凸部９ｂの添え木としての効果をさらに高めることができる。
　ここで、本明細書において、縦方向長Ｌ１及び横方向長Ｌ２は以下のように定義して使用する。
　すなわち、縦方向長Ｌ１は、外部電極９の基部９ａの表面において積層方向Ｓに直交しかつ第１の凸部９ｂの外周に接する２つの直線を仮想的に引いたときのその２つの仮想線の間隔によって定義される。
　また、横方向長Ｌ２は、外部電極９の基部９ａの表面において積層方向Ｓに平行でかつ第１の凸部９ｂの外周に接する２つの直線を仮想的に引いたときのその２つの仮想線の間隔によって定義される。尚、外部電極９の基部９ａの表面は、外部電極９が形成されている積層体７の側面に実質的に平行な平面である。
　次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図４Ｃは、第４の実施形態にかかる積層型圧電素子であって、第１の凸部が備えられた部分の側面図である。
　図４Ｃに示すように、第１の凸部９ｂは、積層体７の積層面と平行、すなわち、第１の凸部９ｂの長手方向が積層方向Ｓに直交するように形成されていることがさらに好ましい。このような形状の第１の凸部９ｂを有することにより、外部電極９の基部９ａに関する積層方向Ｓに直交する方向Ｐに対して反るような収縮をより一層抑制することができる。
　また、図１に示すように、第１の凸部９ｂは、外部電極９の幅方向の一方の端部から他方の端部にかけて形成されていることが好ましい。外部電極９の幅方向の一方の端部及び他方の端部は比較的剥離しやすいが、この部分に第１の凸部９ｂがあるので、外部電極９における幅方向の一方の端部及び他方の端部が積層体７から剥離する可能性を低減できる。
　そして、外部電極９の幅方向の一方の端部及び他方の端部にかけて第１の凸部９ｂが形成されていることにより、幅方向における上記の反りの偏りを小さくすることができる。そのため、外部電極９の一部に応力が集中することを抑制できる。結果として、外部電極９の積層体７からの剥離の生じる可能性をさらに低減できる。
　次に、本発明の第５の実施形態について説明する。図５は、第５の実施形態にかかる積層型圧電素子であって、第１の凸部が備えられた部分の拡大断面図である。
　図５に示すように、第１の凸部９ｂは内部電極５の端部に対向するように内部電極５の側方に位置することが好ましい。基部９ａの反りを抑制して外部電極９と積層体７の接合性を高める第１の凸部９ｂが内部電極５の側方に位置していることにより、内部電極５と外部電極９の接合性を高めることができる。これにより、安定して外部電極９を介して内部電極５に電圧を印加することができるため、長時間の素子１の使用に際しても、変位量の低下が抑制される。
　また、図１に示す第１の実施形態のように、第１の凸部９ｂが、積層方向Ｓに複数並置して設けられていることが好ましい。第１の凸部９ｂを複数有することにより、それぞれの第１の凸部９ｂに応力を分散させることができる。また、第１の凸部９ｂが積層方向Ｓに複数存在することにより、下記の理由から外部電極９の積層方向Ｓにおける広い範囲で反りを抑制することができる。
　具体的には、第１の凸部９ｂが一つである場合、第１の凸部９ｂから離れるほど外部電極９に反りが生じやすい。しかし、積層方向Ｓに複数の第１の凸部９ｂを有している場合には、２つの第１の凸部９ｂに挟まれた部位は、積層方向Ｓの両端においてそれぞれ第１の凸部９ｂで反りが抑制されるため、この部位全体で反りを大幅に低減することができる。つまり、これら２つの第１の凸部９ｂが、別々に作用して外部電極９の反りを抑制するのではなく、相互に作用して外部電極９の反りを抑制する。
　また、第１の凸部９ｂが、積層体７における内部電極５の全層数の１／２以下の層数毎、好ましくは全層数の１／８以下の層数毎、より好ましくは、全層数の１／１５以下の層数毎にそれぞれ設けられていることがよい。第１の凸部９ｂが積層体７における内部電極５の全層数の１／２以下の層数毎に形成されていることにより、第１の凸部９ｂの数が多くなるので、外部電極９の積層方向Ｓにおける接合強度のばらつきを小さくすることができる。
　また、このとき、第１の凸部９ｂは、規則的に複数存在すること、すなわち一定の規則に従って複数配置されていることが好ましい。このように第１の凸部９ｂを規則的に複数有することにより、積層体７と外部電極９の接合面に加わる応力のばらつきを小さくして、積層体７と外部電極９の接合面の一部分への応力の集中を抑制できる。そして、積層体７の内部における応力のばらつきを小さくできるので、圧電体層３や内部電極５にクラックが発生する可能性を小さくできる。
　ここで、第１の凸部９ｂが規則的に複数配置されているとは、複数の第１の凸部９ｂが配置されている間隔が全て同じである場合はもちろんのこと、積層体７の側面において、積層方向Ｓに対して略均一に且つ強固に外部電極９を接合できる程度に、各々の第１の凸部９ｂの配置間隔が近似している場合も含む概念である。具体的には、第１の凸部９ｂの配置間隔は、各第１の凸部９ｂの配置間隔の平均値に対して好ましくは±２０％の範囲内、より好ましくは±１５％の範囲内、さらに好ましくはすべて同じであるのがよい。第１の凸部９ｂは、特に、圧電変位量の大きい、積層体７の積層方向Ｓの中央部分において規則的に配置されることが好ましい。さらに、第１の凸部９ｂの間隔が端部に向かって順次狭く又は広くなるような配置等をいう。
　また、図５に示す第５の実施形態のように、外部電極９は、第１の凸部９ｂと対応する位置に内側に向かって突出する第２の凸部９ｃを有していることが好ましい。このような第２の凸部９ｃを有することにより、外部電極９が部分的により大きな厚みを有することができる。そのため、第１の凸部９ｂ及び第２の凸部９ｃによる添え木としての効果が得られる。また、第２の凸部９ｃが積層体７に埋入している場合には、この第２の凸部９ｃがクサビとして作用する。そのため、積層体７と外部電極９の接合性を向上させることができる。
　次に、本発明の第６の実施形態について説明する。図６は、第６の実施形態にかかる積層型圧電素子であって、第１の凸部が備えられた部分の拡大断面図である。
　図６に示すように、積層体７は、圧電体層３及び内部電極５と比較して剛性が低い低剛性層１１を備えていることが好ましい。低剛性層１１は、内部電極５及び圧電体層３よりも剛性が低い。そのため、素子１に応力が加わった場合に、低剛性層１１が優先的に破断される。このように低剛性層１１を破断させることにより、圧電体層３及び内部電極５に加わる応力を小さくできるため、内部電極５や圧電体層３が破損する可能性を低減できる。
　第６の実施形態において低剛性層１１とは、圧電体層３及び内部電極５と比較して層内の結合力及び／又は隣接する層との結合力が弱く、剛性が小さい層をいう。低剛性層１１として具体的に、圧電体層３及び内部電極５よりも剛性の低い材質により形成されたものや、圧電体層３及び内部電極５と比較して空隙を多く含有することによって層としての剛性を小さくしたものが挙げられる。
　低剛性層１１、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Ｓに直交する方向Ｐから荷重を加えることにより容易に比較できる。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Ｓに直交する方向Ｐから荷重を加えることで判断できる。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１のなかで最も剛性が低い箇所である。
　第６の実施形態の素子１は低剛性層１１を備えているので、ＪＩＳ３点曲げ試験を行なうと、圧電体層３及び内部電極５よりも、この低剛性層１１又は低剛性層１１と圧電体層３との界面で破断が起きやすい。そのため、破断した箇所が圧電体層３又は内部電極５であるか、若しくは、低剛性層１１又は低剛性層１１と圧電体層３との界面であるかにより、低剛性層１１の有無を確認することができる。
　なお、試験片が小さく、上記ＪＩＳ３点曲げ試験を用いることができない場合には、以下の方法により確認すればよい。即ち、上記のＪＩＳ３点曲げ試験に準拠して、素子１を長方形の角柱となるように加工して試験片を作製する。そして、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１１の有無を確認することができる。
　また、図６に示すように、第１の凸部９ｂが、少なくとも低剛性層１１の側方に位置することがさらに好ましい。上記のように、低剛性層１１を破断させることにより素子１にかかる応力を緩和している。一方で、低剛性層１１で生じたクラックにより、外部電極９のうちで低剛性層１１の側方に位置する部分には、相対的にクラックが生じやすい。しかしながら、本実施形態では、少なくとも低剛性層１１の側方に厚みの大きな第１の凸部９ｂが位置していることにより、このクラックの伸展による外部電極９、特に基部９ａの破断の可能性を低減できる。
　次に、本発明の第７の実施形態について説明する。図７Ａは、第７の実施形態にかかる積層型圧電素子であって、積層方向Ｓに直交する面であって低剛性層を含む断面における断面図である。
　図７Ａに示すように、低剛性層１１が、空隙１３を介して互いに離隔した複数の金属部１５を有していることが好ましい。金属成分は変形しやすいので、応力を緩和する効果が大きいからである。また、積層方向Ｓに隣接する圧電体層３を構成する圧電体粒子とは異なる材質であるので、金属部１５で発生したクラックが金属部１５の内部又は金属部１５の表面までに留められやすい。その結果として、圧電体層３にクラックが伸展することを抑制できる。
　さらに、複数の金属部１５が空隙１３を介して互いに離隔していることにより、各々の金属部１５がより変位しやすくなる。また、低剛性層１１が空隙１３を有していることにより、外部電極９の一部を空隙１３に入り込ませやすくなる。そのため、アンカー効果によって外部電極９と積層体７の側面とをより強固に接合することができる。
　次に、本発明の第８の実施形態について説明する。図７Ｂは、第８の実施形態にかかる積層型圧電素子であって、積層方向Ｓに直交する面であって低剛性層を含む断面における断面図である。
　図７Ｂに示すように、低剛性層１１が空隙１３を介して互いに離隔した複数のセラミック部１７を有していることも有効である。複数のセラミック部１７が空隙１３を介して互いに離隔しているため、各々のセラミック部１７が変形しやすい。そのため、剛性を小さくして、圧電体層３及び内部電極５にかかる応力を小さくすることができる。
　また、万が一、低剛性層１１から積層方向Ｓに隣り合う内部電極５までクラックが伸展したとしても、絶縁体であるセラミック部１７により低剛性層１１が構成されているので、電気的な短絡が生じる可能性を低減できる。
　さらに、セラミック部１７が圧電体層３と同じ成分で構成されていることがより好ましい。これにより、低剛性層１１と圧電体層３との接合性を高めることができるので、素子１の外形を維持しやすくなる。
　次に、本発明の第９の実施形態について説明する。図８は、第９の実施形態にかかる積層型圧電素子であって、第１の凸部が備えられた部分の拡大断面図である。
　図８に示すように、内部電極５及び低剛性層１１のそれぞれの側方に位置する複数の第１の凸部９ｂを有し、低剛性層１１の側方に位置する第１の凸部９ｂの高さが、内部電極５の側方に位置する第１の凸部９ｂの高さよりも大きいことが好ましい。
　既に示したように、第１の凸部９ｂが側方に位置する部分は、この第１の凸部９ｂによって反りが抑制されることから、接合性が高い。また一方で、内部電極５に通電させるため、内部電極５と基部９ａとの接合性を高める必要がある。また、本実施形態では低剛性層１１にクラックを発生させている。そして、積層体７と外部電極９の接合性の高い部分に応力が集中しやすい。そのため、上記のような形態の第１の凸部９ｂを有することで、低剛性層１１により応力を緩和しつつも内部電極５と外部電極９の接合性を高めることができる。また、このとき、第５の実施形態と同様に、第１の凸部９ｂと対向する位置に内側に向かって突出する第２の凸部９ｃを有していることが好ましい。
　次に、本実施形態にかかる積層型圧電素子１の製法について説明する。
　まず、圧電体層３となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系、ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してスラリーを作製する。そして、周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このスラリーからセラミックグリーンシートが作製される。圧電セラミックスとしては圧電特性を有するものであればよく、例えば、ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３からなるペロブスカイト型酸化物などを用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）、フタル酸ジオチル（ＤＯＰ）などを用いることができる。
　次に、内部電極５となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀－パラジウム合金等の金属粉末にバインダー及び可塑剤を添加混合することで、導電性ペーストを作製することができる。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷法を用いて配設し、後述するように、焼成することで圧電体層３及び内部電極５を形成することができる。
　低剛性層１１は、例えば、内部電極５となる導電性ペーストよりも多くのバインダーが加えられたスラリー、圧電体層３となるスラリーよりも多くのバインダーが加えられたスラリー、若しくは、内部電極５となる導電性ペースト又は圧電体層３となるスラリーにアクリルビーズが混入されたスラリーを用いることで形成することができる。
　セラミックグリーンシート上にスクリーン印刷法を用いて上記の低剛性層１１となるスラリーを配設することにより、焼成や脱脂の工程でバインダー及びアクリルビーズの飛散成分が飛散するので、空隙１３を介して互いに離隔した金属部１５又はセラミック部１７を形成することができる。
　また、低剛性層１１を形成する方法は、上記の方法に限られない。例えば、スクリーンのメッシュの度数や、パターン形状を変更することによっても上記のような形態の低剛性層１１を形成することができる。
　また、スクリーンに導電性ペーストを通さないようにマスキングすることによっても、同様に導電性ペーストの通過が不十分となるので、上記のような低剛性層１１を形成することができる。マスキングの開口部の形状は、楕円や円形といった略円形が応力を緩和する効果が高いので好ましい。
　その後、積層型圧電素子１の外表面に端部が露出する圧電体層３と導通が得られるように外部電極９を形成する。この外部電極９は、銀粉末とガラス粉末に、バインダーを加えて銀ガラスペーストを作製し、これを印刷し乾燥接着あるいは、焼き付けることによって得ることができる。
　第１の凸部９ｂを形成するには、基部９ａとなる部分に銀ガラス導電性ペーストをスクリーン印刷した後に、第１の凸部９ｂとなる部分にのみに再度、銀ガラス導電性ペーストをスクリーン印刷すればよい。即ち、第１の凸部９ｂを形成する方法の一つとして、第１の凸部９ｂ以外の部分をマスキングしたスクリーンを用いればよい。
　第２の凸部９ｃを形成するには、積層型圧電素子１の外表面の第２の凸部９ｃを形成する位置にダイシング等の装置を用いて、溝を形成し、その上に、銀ガラス導電性ペーストをスクリーン印刷することにより、該溝部に銀ガラス導電性ペーストが配設されて、第２の凸部９ｃを形成することができる。
　また、空隙１３を介して金属部１５やセラミック部１７を備えている低剛性層１１を設けた場合には、毛細管現象により、銀ガラス導電性ペーストの一部が空隙１３の一部に充填される。このようにして、第２の凸部９ｃを形成することができる。この時、銀ガラス導電性ペーストの焼き付け温度は、銀ガラス導電性ペーストを空隙１３に充填させやすくするために、銀ガラス導電性ペースト中に含まれるガラス成分の軟化点以上の温度であることが好ましい。
　次に、シリコーンゴムからなる外装樹脂を含む樹脂溶液に、外部電極９を形成した積層体７を浸漬する。そして、樹脂溶液を真空脱気することにより、積層体７の外周側面の凹凸部にシリコーン樹脂を密着させ、その後、樹脂溶液から積層体７を引き上げる。これにより、積層体７の側面にシリコーン樹脂がコーティングされる。そして、外部電極９に通電部としてリード線を導電性接着剤等で接続する。
　一対の外部電極９に０．１～３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、積層体７を分極することによって、本実施形態の積層型圧電素子１が完成する。リード線を介して外部電極９と外部の電源とを接続して、圧電体層３に電圧を印加することにより、各圧電体層３を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。これにより、例えばエンジンに燃料を噴射供給する自動車用燃料噴射弁として機能させることが可能となる。
　次に、本発明の一実施形態にかかる噴射装置について説明する。図９は、本発明の一実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。
　図９に示すように、本実施形態の噴射装置１９は、一端に噴射孔２１を有する収納装置２３の内部に上記の実施形態に代表される素子１が収納されている。
　収納装置２３内には、噴射孔２１を開閉することができるニードルバルブ２５が配設されている。噴射孔２１には流体通路２７がニードルバルブ２５の動きに応じて連通可能になるように配設されている。この流体通路２７は外部の流体供給源に連結され、流体通路２７に常時高圧で流体が供給されている。従って、ニードルバルブ２５が噴射孔２１を開放すると、流体通路２７に供給されていた流体が外部または隣接する容器、例えば内燃機関の燃料室（不図示）に、噴出されるように構成されている。
　また、ニードルバルブ２５の上端部は径が大きくなっており、収納装置２３に形成されたシリンダ２９と摺動可能なピストン３１が配置されている。そして、収納装置２３内には、上記した素子１が収納されている。
　このような噴射装置１９では、素子１が電圧を印加されて伸長すると、ピストン３１が押圧され、ニードルバルブ２５が噴射孔２１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素子１が収縮し、皿バネ３３がピストン３１を押し返し、噴射孔２１が流体通路２７と連通して流体の噴射が行なわれるようになっている。
　なお、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３３を閉鎖するように構成しても良い。
　また、本発明の噴射装置１９は、噴射孔２１を有する容器と、上記の素子１とを備え、容器内に充填された流体を素子１の駆動により噴射孔２１から吐出させるように構成されていてもよい。すなわち、素子１が必ずしも容器の内部にある必要はなく、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１９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。
　本実施形態の素子１を採用した噴射装置１９を内燃機関に用いれば、従来の噴射装置１９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ができる。
　次に、本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システムについて説明する。図１０は、本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システムを示す概略図である。
　図１０に示すように、本実施形態の燃料噴射システム３５は、高圧流体を蓄えるコモンレール３７と、このコモンレール３７に蓄えられた流体を噴射する複数の上記噴射装置１９と、コモンレール３７に高圧の流体を供給する圧力ポンプ３９と、噴射装置１９に駆動信号を与える噴射制御ユニット４１と、を備えている。
　噴射制御ユニット４１は、外部情報または外部からの信号に基づいて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やタイミングを制御することができる。圧力ポンプ３９は、燃料タンク４３から流体燃料を高圧でコモンレール３７に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には１０００～２０００気圧（約１０１ＭＰａ～約２０３ＭＰａ）程度、好ましくは１５００～１７００気圧（約１５２ＭＰａ～約１７２ＭＰａ）程度にしてコモンレール３７に燃料を送り込む。コモンレール３７では、圧力ポンプ３９から送られてきた燃料を蓄え、適宜噴射装置１９に送り込む。噴射装置１９は、上述したように噴射孔２１から一定の流体を噴射装置１９から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。
　なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何ら差し支えない。
　積層型圧電素子１を備えた圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックの仮焼粉末、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１５０μｍの圧電体層３となるセラミックグリーンシートを作製した。
　また、銀－パラジウム合金にバインダーを加えて、内部電極５となる導電性ペーストＡを作製した。さらに、導電性ペーストＡに平均粒径０．５μｍのアクリルビーズを銀－パラジウム合金１００体積％に対して２００体積％となるように加えた。このようにして、空隙１３を介して互いに離隔する金属部１５を備えた低剛性層１１となる導電性ペーストＢを作製した。
　上記セラミックグリーンシートの片面に、導電性ペーストＡ又は導電性ペーストＢをスクリーン印刷法により印刷した。また、これらの導電性ペーストＡ，Ｂが印刷されたシートを３００枚積層した。そして、９８０～１１００℃で焼成することにより積層体７を得た。
　試料番号１及び２においては、上記セラミックグリーンシートの片面に、導電性ペーストＡをスクリーン印刷法により厚み４μｍで印刷した。そして、この導電性ペーストＡが印刷されたセラミックグリーンシートを３００枚積層した。さらに、９８０～１１００℃で焼成することにより積層体７を得た。
　また、試料番号３においては、上記セラミックグリーンシートの片面に、導電性ペーストＡ又は導電性ペーストＢをスクリーン印刷法により厚み４μｍで印刷した。そして、導電性ペーストＡが印刷されたセラミックグリーンシート２０層毎に導電性ペーストＢが印刷されたセラミックグリーンシートが配設されるように、これら導電性ペーストＡ，Ｂが印刷されたセラミックグリーンシートを３００枚積層した。さらに、９８０～１１００℃で焼成することにより積層体７を得た。
　次に、平均粒径２μｍの銀粉末と残部が平均粒径２μｍのケイ素を主成分とする軟化点が６５０℃のガラス粉末との混合物にバインダー添加することにより、外部電極９となる銀ガラスペーストを作製した。そして、積層体７の側面に、この銀ガラスペーストをスクリーン印刷によって３０μｍの厚みで配設した。
　また、試料番号２及び３においては、第１の凸部９ｂが位置する部分に再度、銀ガラスペーストを印刷することにより、第１の凸部９ｂを７μｍの厚みで形成した。その後、７００℃にて３０分焼き付けを行うことにより、外部電極９を形成した。
　また、試料番号３においては、空隙１３を有する低剛性層１１を備えていたため、低剛性層１１に相当する部分に銀ガラスペーストが埋入されて内側に突出した第２の凸部９ｃが形成されていた。
　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なった。このようにして積層型圧電素子１を用いた圧電アクチュエータを作製した。得られた圧電アクチュエータに１６０Ｖの直流電圧を印加したところ、積層方向Ｓに変位量４０μｍが得られた。さらに、この圧電アクチュエータを室温で０Ｖ～＋１６０Ｖの交流電圧を１５０Ｈｚの周波数で印加して、１×１０９回、及び、１×１０１０回まで連続駆動した試験を行った。得られた結果を表１に示す。
　表１
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　試料番号１の圧電アクチュエータでは、外部電極９の外表面が平坦であって、第１の凸部９ｂを有していなかった。そして、表１に示すように、１×１０９回の駆動後においては、変位量が４０μｍから３０μｍにまで低下していた。
　これは、試料番号１の圧電アクチュエータにおいては、外部電極９に第１の凸部９ｂを有していないため、外部電極９の一部が積層体７の側面から剥離してしまったためである。これにより内部電極５の一部と外部電極９の間で断線が生じ、一部の圧電体層３に電圧が供給されなくなったために、変位量が低下したものである。
　一方、試料番号２及び３は、外部電極９において第１の端部９ｂを有している。そのため、積層体７と外部電極９の接合強度を高めることができた。実際に、１×１０９回の駆動後においても、変位量の低下が確認されず、いずれも連続駆動試験前と同様の変位量４０μｍが得られた。
　また、１×１０１０回まで連続駆動させた試験後においては、試料番号１は、変位量が１０μｍまで低下していた。また、試料番号２は、変位量が３５μｍに低下していた。一方で、第１の凸部９ｂ及び第２の凸部９ｃを有する試料番号３は、１×１０１０回まで連続駆動した試験後においても変位量の低下が確認されなかった。このように、試料番号３は試料番号２と比較して、さらに高い耐久性を有していることが分かった。

Claims (13)

  1. 　複数の圧電体と複数の内部電極とを有し、前記圧電体と前記内部電極とが交互に積層された積層体と、該積層体の側面に形成された外部電極と、を備えた積層型圧電素子であって、
    　前記外部電極は、基部と、該基部から外側に向かって突出する第１の凸部とを有していることを特徴とする積層型圧電素子。
  2. 　前記第１の凸部は、前記基部の表面において積層方向に直交しかつ前記第１の凸部の外周に接する２つの直線間の間隔によって定義される縦方向長が、前記基部の表面において積層方向に平行でかつ前記第１の凸部の外周に接する２つの直線間の間隔によって定義される横方向長より小さいことを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
  3. 　前記第１の凸部の長手方向が積層方向に直交することを特徴とする請求項２に記載の積層型圧電素子。
  4. 　前記第１の凸部は、前記基部の一方の端部から他方の端部まで延びていることを特徴とする請求項２又は３に記載の積層型圧電素子。
  5. 　前記第１の凸部は、前記内部電極の端部に対向するように形成されたことを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の積層型圧電素子。
  6. 　前記第１の凸部は、積層方向に複数並置されていることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の積層型圧電素子。
  7. 　前記複数の第１の凸部は、一定の規則に従って配置されていることを特徴とする請求項６に記載の積層型圧電素子。
  8. 　前記外部電極は、前記第１の凸部と対応する位置に内側に向かって突出する第２の凸部を有していることを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の積層型圧電素子。
  9. 　前記積層体は、前記圧電体層及び前記内部電極と平行であって前記圧電体層及び前記内部電極と比較して剛性が低い低剛性層を備え、前記第１の凸部は、少なくとも前記低剛性層の側方に位置することを特徴とする請求項１～８のいずれか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金属部を有してい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. 　前記内部電極及び前記低剛性層のそれぞれの側方に前記第１の凸部を有し、前記低剛性層の側方に位置する前記第１の凸部の高さが、前記内部電極の側方に位置する前記第１の凸部の高さよりも大きいことを特徴とする請求項９又は１０に記載の積層型圧電素子。
  12. 　請求項１～１１のいずれかに記載の積層型圧電素子と噴射孔とを備え、前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を吐出させることを特徴とする噴射装置。
  13. 　高圧燃料を備えるコモンレールと、このコモンレールに蓄えられた燃料を噴射する請求項１２に記載の噴射装置と、前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御システムとを備えたことを特徴とする燃料噴射システム。
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