WO2009096381A1 - 積層型圧電素子、これを備えた噴射装置及び燃料噴射システム - Google Patents

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

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WO2009096381A1
WO2009096381A1 PCT/JP2009/051253 JP2009051253W WO2009096381A1 WO 2009096381 A1 WO2009096381 A1 WO 2009096381A1 JP 2009051253 W JP2009051253 W JP 2009051253W WO 2009096381 A1 WO2009096381 A1 WO 2009096381A1
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internal electrode
piezoelectric element
internal
facing portion
electrodes
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PCT/JP2009/051253
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Inventor
Takeshi Okamura
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Kyocera Corporation
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/871—Single-layered electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices, e.g. internal electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H10N30/508—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure adapted for alleviating internal stress, e.g. cracking control layers
    • 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 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.
  • multilayer piezoelectric elements have been 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 voltage is applied and that the device can be used under severe conditions in which continuous driving is performed for a long time.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a laminated piezoelectric element in which a decrease in displacement due to long-time driving is improved.
  • the multilayer piezoelectric element according to the present invention includes a multilayer body having a plurality of piezoelectric bodies and a plurality of internal electrodes, the piezoelectric bodies and the internal electrodes being alternately stacked, and a first side surface of the multilayer body.
  • the plurality of internal electrodes on the first and second side surfaces are respectively connected to the first external electrodes such that the plurality of internal electrodes are alternately connected to one of the first and second external electrodes.
  • the internal electrodes connected to the second external electrodes and the internal electrodes that are insulated and separated by being formed away from the first side surface or the second side surface are alternately arranged.
  • the stacked body includes a facing portion where the adjacent internal electrodes face each other in the stacking direction, and a non-facing portion provided along the first and second side surfaces, facing each other of the internal electrodes.
  • a laminated piezoelectric element divided into At least one of the plurality of internal electrodes has a plurality of internal electrode non-formation sites provided in the internal electrode along a boundary between the facing portion and the non-facing portion.
  • At least one of the plurality of internal electrodes includes a plurality of internal electrode non-formation sites surrounded by the internal electrode, and the opposing portion and the non-opposing portion. It has along the boundary.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a partial exploded perspective view of the multilayer piezoelectric element of FIG. 1A. It is sectional drawing orthogonal to the lamination direction of the lamination type piezoelectric element shown to FIG. 1A and 1B, and is sectional drawing which shows the cross section of the internal electrode which has an internal electrode non-formation site
  • FIG. 6A which has an internal electrode non-formation site
  • FIG. 9 It is a perspective view which shows the lamination type piezoelectric element of the 6th Embodiment concerning this invention. It is sectional drawing orthogonal to the lamination direction of the lamination type piezoelectric element shown in FIG. 9, and is sectional drawing which shows the cross section of the internal electrode which has an internal electrode non-formation site
  • FIG. 1A is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is an exploded perspective view of a part of the multilayer piezoelectric element according to the embodiment shown in FIG. 1A.
  • 2A, 2B, and 2C are cross-sectional views each including internal electrodes adjacent to each other in the direction perpendicular to the stacking direction in the embodiment shown in FIG.
  • the multilayer piezoelectric element 1 (hereinafter also simply referred to as element 1) of the present embodiment has a plurality of piezoelectric bodies 3 and a plurality of internal electrodes 5, and the piezoelectric body 3 And a laminated body 7 in which the internal electrodes 5 are alternately laminated.
  • the multilayer piezoelectric element 1 includes two external electrodes 11.
  • one (cathode side) external electrode 11 is formed on the first side surface, which is one side surface of the multilayer body 7, and the other (anode side) external electrode.
  • the electrode 11 is formed on the second side surface facing the first side surface (FIG. 1A).
  • the internal electrodes 5 and 9 serving as the negative electrode are formed so as to reach the first side surface, are connected to the external electrode 11 on the first side surface, are formed apart from the second side surface, and are external on the anode side. It is electrically separated from the electrode 11.
  • the internal electrodes 5 and 9 serving as positive electrodes are formed so as to reach the second side surface, are connected to the external electrode 11 on the second side surface, are formed away from the first side surface, and are external to the cathode side. It is electrically separated from the electrode 11.
  • the internal electrodes 5, 9 serving as the negative electrode and the internal electrodes 5, 9 serving as the positive electrode are alternately arranged, and each piezoelectric body 3 is sandwiched between the internal electrodes 5, 9 of the negative electrode and the positive electrode.
  • a structure is realized.
  • the portions where the electrodes are not formed on the piezoelectric body 3 formed by forming the internal electrodes 5 and 9 away from the end portions (first side surface or second side surface) are insulated and separated. This is referred to as part 70.
  • the active region where the piezoelectric body 3 is sandwiched between the positive and negative internal electrodes 5 and 9 and voltage is applied to the sandwiched portion is the first side surface and the second side region.
  • An inactive region that is formed away from the side surface by the width of the insulating separation portion 70 and that has the same polarity of the internal electrodes facing each other with the insulating separation portion 70 interposed therebetween is an inactive region where no voltage is applied to the piezoelectric body 3. It is formed along the side. In this manner, the stacked body 7 is divided into an active region and a non-active region other than the pair of positive and negative internal electrodes 5 adjacent to each other in the stacking direction.
  • an active region in which the piezoelectric body 3 is sandwiched between the positive and negative internal electrodes 5 and 9 facing each other is referred to as a facing portion 7a, and the inactive where the positive and negative internal electrodes 5 and 9 are not facing each other.
  • the region is referred to as a non-facing portion 7b.
  • At least one internal electrode 9 among the plurality of internal electrodes 5 has a plurality of openings (referred to as internal electrode non-formation sites 7 c) each surrounded by the internal electrode 9. It has along the boundary 7d of the opposing part 7a and the non-opposing part 7b, It is characterized by the above-mentioned.
  • the internal electrode 9 has a plurality of internal electrode non-formed portions 7c (hereinafter also referred to as non-formed portions 7c) and is positioned so as to straddle the boundary 7d between the facing portion 7a and the non-facing portion 7b.
  • the portion will be referred to as the first portion 9a and will be described as the other second portion 9b.
  • part 9a is an area
  • part 9b is defined as follows. When a voltage is applied to the external electrode 11, the electric field transmitted to the internal electrode 9 is once disturbed by the internal electrode non-formation site 7c, but the electric field intensity distribution is once disturbed. A phenomenon occurs in which the intensity is aligned in a single line.
  • the boundary between the first part 9a and the second part 9b is defined as the position of the line where the electric field strengths are aligned.
  • the insulating separation portion 70 is generally separated from the boundary 7d between the facing portion 7a and the non-facing portion 7b. It is a position away from the external electrode 11 by a distance of.
  • the ratio of the internal electrode 5 in the first part 9a is smaller than the ratio of the internal electrode 5 in the second part 9b. It is preferable.
  • the multilayer piezoelectric element 1 continuously undergoes dimensional changes when driven, but the piezoelectric element 3 is driven in close contact with the internal electrode 5 so that the element 1 is large as a whole. Drive deformation. Therefore, a relatively large stress is applied to the end portion of the element 1.
  • the non-formation part 7c of the first part 9a is in the above-described form, the amount of displacement at the end portion close to the end face of the element 1 can be reduced. As a result, the stress applied to the end portion of the element 1 can be reduced, and the durability of the element 1 can be improved.
  • At least one of the plurality of internal electrodes 5 and 9 has a plurality of internal electrode non-formation sites 7c each surrounded by the internal electrode 9 as opposed to the opposing portion 7a. Since it has along the boundary 7d with the opposing part 7b, the driving force in the boundary 7d vicinity with the non-opposing part 7b can be made small among the opposing parts 7a. That is, the driving force is small as compared with the central portion of the facing portion 7a along the boundary 7d between the facing portion 7a and the non-facing portion 7b, in the facing portion 7a or across the facing portion 7a and the non-facing portion 7b. A portion is formed, and the driving force can be reduced stepwise toward the non-opposing portion 7b. As a result, stress concentration at the boundary 7d can be suppressed, and high durability can be realized.
  • the first portion 9 a is located between the portion of the internal electrode 9 that is located in the facing portion 7 a and contributes to driving the element 1 and the portion that is connected to the external electrode 11. ing.
  • the ratio of the internal electrode 5 in the first part 9a is smaller than the ratio of the internal electrode 5 in the second part 9b. Therefore, in the portion where the plurality of internal electrode non-formation sites 7c are formed, the current path when the current flows becomes narrow, so the current density when the overcurrent flows is higher than the other portions, Damage is likely to occur.
  • the first portion 9a when the first portion 9a is located at a location where current is passed from the external electrode 11 to the portion of the internal electrode 9 that contributes to driving of the device 1, a very strong voltage is applied to the device 1. A part of the first portion 9a is broken. Thereby, it is suppressed that an excessive voltage is applied to the portion of the internal electrode 9 that contributes to driving of the element 1. As a result, it is possible to suppress the piezoelectric body 3 from being displaced excessively and causing cracks.
  • the electrode portion between adjacent internal electrode non-formation sites 7c is damaged. As described above, the interval between the internal electrode non-formation sites 7c can also be set.
  • the first portion 9a is located between the portion contributing to driving of the element 1 and the portion connected to the external electrode 11, and only in the first portion 9a.
  • the non-formed part 7c stress is easily applied to the first part 9a. Therefore, since it is known in advance that the first portion 9a of the internal electrode 9 is likely to break, it is easy to predict the driving state of the element 1 over a long period of time. As a result, the reliability with respect to the displacement amount of the element 1 can be improved.
  • the plurality of internal electrode non-formed portions 7c are aligned in a direction parallel to the boundary 7d between the facing portion 9b and the non-facing portion 9a. It is more preferable that the plurality of aligned internal electrode non-formed sites 7c are arranged at equal intervals.
  • the plurality of internal electrode non-formation sites 7c are arranged at equal intervals in one direction, and the first site 9a has a lattice shape with the internal electrode non-formation sites 7c as lattices. That's it.
  • the lattice shape of the lattice shape may be arranged in a row or in a plurality of rows.
  • FIG. 3A to 3C are cross-sectional views orthogonal to the stacking direction of the multilayer piezoelectric element 1 according to the modification of the first embodiment, and illustrate cross sections including the internal electrodes 5 and 9.
  • FIG. 3A shows the internal electrode 9 shown in FIG. 3B and the internal electrode 9 adjacent to one end face side of the laminate 7.
  • FIG. 3C shows the internal electrode 9 shown in FIG. 3B and the internal electrode 5 adjacent to the other end face side of the stacked body 7.
  • the end surface of the laminated body 7 refers to the outer surface orthogonal to the lamination direction of the internal electrodes 5 and 9 and the piezoelectric body 3, and refers to the upper surface and the lower surface in FIG. 1A.
  • the laminated piezoelectric element 1 of this modification is different from the element 1 of the first embodiment in which the internal electrode non-forming part 7c is circular, except that the internal electrode non-forming part 7c is rectangular.
  • the configuration is the same as the element 1 of the first embodiment.
  • the lattice shape in the present invention includes a circular shape as shown in FIG. 3, and the lattice shape as shown in FIG. 2 is not limited to a square shape.
  • the lattice in the first portion 9a of the internal electrode 9 is substantially square. It is also effective that the corners have a curved shape.
  • the internal electrode non-forming portion 7c is a boundary between the facing portion 7a and the non-facing portion 7b when the internal electrode 9 is viewed in plan view. 7d is preferred. That is, it is preferable that the internal electrode non-formation site 7c is formed across the facing portion 7a and the non-facing portion 7b. In this case, it is possible to reduce the driving force at the boundary 7d between the facing portion 7a and the non-facing portion 7b where the stress is most likely to concentrate among the facing portions 7a, so that the durability of the element 1 can be further increased. it can.
  • the configuration in which the plurality of internal electrodes 9 have the first portion 9a is shown.
  • at least one internal polarization 9 is the first What is necessary is just to have the site
  • At least one of the internal electrodes 5, 9 connected to the anode-side external electrode 11a and the internal electrodes 5, 9 connected to the cathode-side external electrode 11b has a first portion 9a. More preferably. Thereby, since the bias of the stress distribution can be reduced, the driving direction of the element 1 can be stabilized.
  • the pair of internal electrodes 5 and 9 adjacent in the stacking direction each have the first portion 9a. This is because the amount of displacement of the piezoelectric body 3 sandwiched between the internal electrodes 5 and 9 can be further reduced, and the effect of absorbing stress in the piezoelectric body 3 can be further enhanced.
  • all the internal electrodes 5, 9 have the first portion 9a.
  • the stress can be dispersed in a wider range, and the bias of the stress distribution can be further reduced.
  • FIG. 4A to 4C are cross-sectional views orthogonal to the stacking direction in the multilayer piezoelectric element 1 according to the second embodiment of the present invention, and illustrate cross sections including the internal electrodes 5.
  • FIG. 4A shows the internal electrode 9 shown in FIG. 4B and the internal electrode 9 adjacent to one end face side of the laminate 7.
  • FIG. 4C shows the internal electrode 9 shown in FIG. 4B and the internal electrode 5 adjacent to the other end face side of the multilayer body 7.
  • the non-formed portion 7c in the first portion 9a of the internal electrode 9 is a boundary between the facing portion 7a and the non-facing portion 7b.
  • the point which is arranged in a plurality of rows in parallel with 7d is different from the first embodiment.
  • the non-forming portion 7c in the first portion 9a is arranged in a plurality of rows in parallel with the boundary 7d between the facing portion 7a and the non-facing portion 7b, one of the plurality of rows is the facing portion 7a. It is preferably located on the boundary 7d between the non-opposing portion 7b.
  • first portion 9a Since the first portion 9a is located between the portion of the internal electrode 9 that is located at the facing portion 7a and contributes to driving the element 1 and the portion that is connected to the external electrode 11, stress is generated at the non-forming portion 7c. Can be relaxed. Thereby, it can suppress that stress concentrates on the peripheral part of the internal electrode 5.
  • FIG. 5A to 5A are cross-sectional views orthogonal to the stacking direction of the multilayer piezoelectric element 1 according to the modification of the second embodiment shown in FIG. 4, and illustrate cross sections including the internal electrodes 5 and 9. Yes.
  • FIG. 5A shows the internal electrode 9 shown in FIG. 5B and the internal electrode 9 adjacent to one end face side of the laminate 7.
  • FIG. 5C shows the internal electrode 9 shown in FIG. 5B and the internal electrode 5 adjacent to the other end face side of the multilayer body 7.
  • the non-forming portion 7c constituting the row located on the boundary 7d between the facing portion 7a and the non-facing portion 7b may be larger than the other non-forming portions 7c. Even more preferred. This is because the driving force at the boundary 7d between the opposing portion 7a and the non-opposing portion 7b where stress is most likely to concentrate can be reduced, and the durability of the element 1 can be further increased.
  • FIG. 6A to 6B are cross-sectional views orthogonal to the stacking direction in the multilayer piezoelectric element 1 according to the third embodiment of the present invention, and illustrate a cross section including the internal electrode 5.
  • FIG. 6A shows the internal electrode 9 shown in FIG. 6B and the internal electrode 9 adjacent to one end side in the stacking direction.
  • 6C shows the internal electrode 5 shown in FIG. 6B and the internal electrode 5 adjacent to the other end side in the stacking direction.
  • the anode-side and cathode-side external electrodes 11a, 11b are respectively located on opposite side surfaces of the multilayer body 7, and a boundary 7d between the facing portion 7a and the non-facing portion 7b is separated from each other.
  • at least one internal electrode 9 of the plurality of internal electrodes 5 has a first portion 9a on each boundary 7d. That is, the internal electrode 9 having the internal electrode non-forming portion 7c along the boundary 7d between the facing portion 7a and the one non-facing portion 7b further extends along the boundary 7d between the facing portion 7a and the other non-facing portion 7b.
  • the boundary 7d between the facing portion 7a and the non-facing portion 7b exists at a plurality of locations separated from each other, among the plurality of internal electrodes 5, the internal electrodes 9 adjacent to each other in the stacking direction It is preferable that the 1st site
  • the first portions 9 a are positioned to face each other, so that the drive shaft of the element 1 is less shaken and the durability is improved.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the plurality of internal electrodes 9 having the first portion 9a of the internal electrodes 5 are periodically arranged according to a certain rule in the stacking direction, This is a more preferable embodiment according to the present invention. Thereby, since the stress applied to the entire element 1 can be dispersed in the stacking direction, the element 1 having high durability can be provided.
  • FIG. 8A is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line AA in the fifth embodiment shown in FIG. 8A and including the internal electrode 9.
  • FIG. 8C is a cross-sectional view taken along the line BB in the fifth embodiment shown in FIG. 8A and including the internal electrode 9.
  • a pair of internal electrodes 9 adjacent in the stacking direction each have a first portion 9 a, and the internal electrode 9 occupies the first portion 9 a of the internal electrode 9 close to the end face of the stacked body 7.
  • the ratio is preferably smaller than the ratio occupied by the internal electrode 9 in the first portion 9 a of the internal electrode 9 that is far from the end face of the multilayer body 7. That is, of the pair of internal electrodes 9 having the internal electrode non-formation site 7 c, the ratio of the internal electrode 9 near the end surface of the multilayer body 7 to the internal electrode non-formation site 7 c is located far from the end surface of the multilayer body 7. It is preferable that the ratio of the internal electrode 9 occupied by the internal electrode non-formation site 7c is larger.
  • the multilayer piezoelectric element 1 continuously undergoes dimensional changes when driven.
  • the element 1 is largely driven and deformed integrally. Therefore, a relatively large stress is applied to the end portion of the element 1.
  • the non-formation part 7c of the first part 9a is in the above-described form, so that the stress applied to the end part of the element 1 is reduced. Can be reduced. As a result, the durability of the element 1 can be improved.
  • the non-formation site 7c gradually increases toward the end face side of the laminate 7, and it is even more preferable that the degree of increase is regular.
  • the stress applied to the laminated piezoelectric element 1 gradually increases as it is closer to the end face of the element 1.
  • the stress generated at the boundary 7d between the facing portion 7a and the non-facing portion 7b becomes closer to the end surface of the element 1 because the non-forming portion 7c gradually increases toward the end surface side or gradually according to a certain rule. This is because the effect of relaxing the stress can be gradually increased, so that the bias of the stress distribution in the stacking direction of the element 1 can be further reduced.
  • the internal electrode 9 located on the end face side in the stacking direction among the plurality of internal electrodes 5 has the first portion 9a.
  • the internal electrode 9 located on the most end surface side in the stacking direction has the first portion 9a, so that the stress can be efficiently applied. This is because it can be relaxed. As a result, the durability of the element 1 can be further increased.
  • FIG. 9 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element according to the sixth embodiment of the present invention.
  • 10A to 10C are cross-sectional views orthogonal to the stacking direction in the embodiment shown in FIG. 9, each showing a cross section including the internal electrode 5.
  • FIG. 10A shows the internal electrode 9 shown in FIG. 10B and the internal electrode 9 adjacent to one end face side of the laminate 7.
  • FIG. 10C shows the internal electrode 9 shown in FIG. 10B and the internal electrode 5 adjacent to the other end face side of the multilayer body 7.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of the sixth embodiment includes a plurality of piezoelectric bodies 3 and a plurality of internal electrodes 5, and the piezoelectric bodies 3 and the internal electrodes 5 are alternately stacked.
  • the laminated body 7 is provided.
  • the stacked body 7 is divided into a pair of positive and negative internal electrodes 5 adjacent to each other in the stacking direction, a facing portion 7a facing in the stacking direction and the other non-facing portion 7b.
  • At least one internal electrode 9 among the plurality of internal electrodes 5 has a lattice shape, and includes a first portion 9c and a second portion 9d having a finer lattice than the first portion 9c.
  • the second internal electrode non-forming part 7e having a smaller area than the internal electrode non-forming part 7c is further away from the boundary 7d than the internal electrode non-forming part 7c.
  • part 9c is located on the boundary 7d of the opposing part 7a and the non-opposing part 7b.
  • external electrodes 11 a and 11 b are located on the side surface of the multilayer body 7.
  • the plurality of internal electrodes 5 are connected to one of the anode-side and cathode-side external electrodes 11a and 11b, respectively.
  • the multilayer piezoelectric element 1 since the lattice of the first portion 9c is larger than the lattice of the second portion 9d, a voltage is applied to the first portion 9c.
  • the driving force applied to the piezoelectric body 3 is smaller than the driving force applied to the piezoelectric body 3 by applying a voltage to the second portion 9d.
  • part 9c is located on the boundary 7d of the opposing part 7a and the non-opposing part 7b, the driving force in the vicinity of the boundary 7d with the non-opposing part 7b is relatively made among the opposing parts 7a. Since it becomes small, it can suppress that the stress concerning this boundary 7d vicinity concentrates. As a result, the multilayer piezoelectric element 1 having high durability can be provided.
  • the second portion 9b does not have the non-forming portions 7c and 7e, on the boundary or the boundary between the facing portion 7a and the non-facing portion 7b
  • the stress applied near the boundary 7d between the facing part 7a and the non-facing part 7b can be reduced.
  • the internal electrode 9 having the first part 9c and the second part 9d The displacement amount of the entire adjacent piezoelectric body 3 can be reduced. As a result, the stress can be relaxed in the entire piezoelectric body 3, so that the stress applied to the end portion on the end face side of the element 1 can be reduced.
  • 11A to 11C are cross-sectional views in the direction perpendicular to the stacking direction in the stacked piezoelectric element according to the seventh embodiment of the present invention, and show cross sections each including the internal electrode 5 adjacent in the stacking direction. Yes.
  • the cross section shown in FIG. 11A is located closer to the end side of the element than the cross section shown in FIG. 11C.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of the seventh embodiment is that the lattice in the second portion 9 d of the internal electrode 9 becomes gradually rough toward the end face side in the sixth embodiment.
  • This is a more preferable form in this respect. That is, the area of the second internal electrode non-forming portion 7e formed on the internal electrode 9 near the end face of the multilayer body 7 is larger.
  • the multilayer piezoelectric element 1 is largely driven and deformed as a unit, a greater stress is applied to the end of the element 1 closer to the end.
  • the non-formation site 7c is gradually roughened toward the end portion, the effect of dispersing the stress generated at the boundary between the facing portion 7a and the non-facing portion 7b increases as the end portion of the element 1 is closer. . Thereby, the bias of the stress distribution in the stacking direction of the element 1 can be further reduced.
  • a ceramic green sheet to be the piezoelectric body 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 by using this slurry for tape forming methods, such as a known doctor blade method and a calender roll method.
  • the piezoelectric ceramic any material having piezoelectric characteristics may be used. For example, a perovskite oxide made of PbZrO 3 —PbTiO 3 or the like 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 prepared by adding and mixing a binder, a plasticizer, and the like with a metal powder such as silver-palladium. This conductive paste is disposed on the ceramic green sheet using a screen printing method. Further, a plurality of ceramic green sheets on which the conductive paste is screen-printed are stacked. Then, as will be described later, the laminate 7 including the piezoelectric body 3 and the internal electrode 5 can be formed by firing.
  • the internal electrode 9 having the lattice-shaped first portion can be formed, for example, by changing the pattern shape of the screen.
  • the lattice roughness can also be changed by changing the pattern shape of the screen.
  • the laminated body 7 is not limited to the one produced by the above manufacturing method, and any method can be used as long as a laminated body 7 in which a plurality of piezoelectric bodies 3 and a plurality of internal electrodes 5 are alternately laminated can be produced. It may be formed by any manufacturing method.
  • the external electrode 11 is formed so as to be electrically connected to the internal electrodes 5 and 9 and the piezoelectric body 3 whose end portions are exposed on the outer surface of the multilayer piezoelectric element 1.
  • the external electrode 11 can be obtained by adding a binder to glass powder to produce a silver glass conductive paste, printing it, and then drying and bonding or baking.
  • the laminate 7 on which the external electrode 11 is formed is immersed in a resin solution containing an exterior resin made of silicone rubber. Then, the silicone resin solution is vacuum degassed to bring the silicone resin into close contact with the concavo-convex portions on the outer peripheral side surface of the laminate 7, and then the laminate 7 is pulled up from the silicone resin solution. Thereby, a silicone resin (not shown) is coated on the side surface of the laminate 7. Then, the lead wire is connected to the external electrode 11 as a current-carrying portion with a conductive adhesive (not shown) or the like.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of the embodiment is completed by applying a DC electric field of 0.1 to 3 kV / mm to the pair of external electrodes 11 via the lead wires to polarize the multilayer body 7.
  • a DC electric field of 0.1 to 3 kV / mm
  • each piezoelectric body 3 can be largely displaced by the inverse piezoelectric effect. it can.
  • This makes it possible to function as an automobile fuel injection valve that injects and supplies fuel to the engine, for example.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing an injection device according to an embodiment of the present invention.
  • the multilayer piezoelectric element 1 represented by the above embodiment is stored in a storage container 25 having an injection hole 23 at one end.
  • a needle valve 27 capable of opening and closing the injection hole 23 is disposed in the storage container 25 in the storage container 25, a needle valve 27 capable of opening and closing the injection hole 23 is disposed.
  • a fluid passage 29 is arranged in the injection hole 23 so as to be able to communicate with the movement of the needle valve 27.
  • the fluid passage 29 is connected to an external fluid supply source, and fluid is constantly supplied to the fluid passage 29 at a high pressure. Therefore, when the needle valve 27 opens the injection hole 23, the fluid supplied to the fluid passage 29 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 27 has a large inner diameter, and a cylinder 31 formed in the storage container 25 and a piston 33 that can slide are disposed. In the storage container 25, the multilayer piezoelectric element 1 described above is stored.
  • the fluid passage 29 may be opened by applying a voltage to the multilayer piezoelectric element 1 and the fluid passage 29 may be closed by stopping the application of the voltage.
  • the ejection device 21 of the present invention includes a container having the ejection holes 23 and the multilayer piezoelectric element 1 described above, and discharges the fluid filled in the container from the ejection holes 23 by driving the multilayer piezoelectric element 1.
  • You may be comprised so that it may make. That is, the multilayer piezoelectric element 1 does not necessarily have to be inside the container, and may be configured so that pressure is applied to the inside of the container by driving the multilayer piezoelectric element 1.
  • the fluid includes various liquid fluids (such as conductive paste) and gas in addition to fuel and ink.
  • the injection device 21 employing the multilayer piezoelectric element 1 of the present invention is used in an internal combustion engine, fuel can be injected into the fuel chamber of the internal combustion engine such as an engine with a longer period of time with higher accuracy than the conventional injection device 21. .
  • FIG. 13 is a schematic block diagram showing a fuel injection system according to an embodiment of the present invention.
  • the fluid ejection system 41 of the present embodiment includes a common rail 43 that stores high-pressure fluid, a plurality of the above-described injection devices 21 that inject the fluid stored in the common rail 43, and a high pressure applied to the common rail 43.
  • a pressure pump 45 that supplies fluid and an injection control unit 47 that supplies a drive signal to the injection device 21 are provided.
  • the ejection control unit 47 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 45 plays a role of feeding fluid fuel from the fluid tank 49 to the common rail 43 at a high pressure. For example, in the case of an engine fuel injection system, the fluid is fed into the common rail 43 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 fuel sent from the pressure pump 45 is stored and sent to the injection device 21 as appropriate.
  • the injection device 21 injects a certain fluid from the injection hole 23 to the outside or an adjacent container. For example, in the case of an engine, fuel is injected into the combustion chamber in the form of a mist.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention.
  • the present invention relates to a multilayer piezoelectric element, an injection device, and a fuel injection system, but is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented as long as the element utilizes piezoelectric characteristics.
  • a laminated piezoelectric element was produced as follows.
  • a slurry is prepared by mixing a raw material powder mainly composed of lead zirconate titanate (PZT) powder having an average particle diameter of 0.4 ⁇ m, a binder and a plasticizer, and a ceramic green sheet having a thickness of 150 ⁇ m is formed by a doctor blade method.
  • PZT lead zirconate titanate
  • a conductive paste was prepared by adding a binder to a raw material powder containing silver-palladium alloy powder having a metal composition of 95% by mass of Ag and 5% by mass of Pd.
  • the conductive paste was printed on one side of the ceramic green sheet to a thickness of 30 ⁇ m by screen printing. And each green sheet on which the conductive paste was printed was laminated to produce a laminate. Note that the number of internal electrodes was 300 so that the number of internal electrodes was 300, and only 20 ceramic green sheets on which no conductive paste was printed were stacked at both ends in the stacking direction of the stack.
  • each internal electrode was not provided with the lattice-shaped first portion, and the cross-sectional areas of each internal electrode were all the same.
  • the conductive paste was printed so that the internal electrodes located at 1, 2, 299, and 300th in the stacking direction had the first part of the lattice shape as shown in Table 1. .
  • sample number 2 as shown in FIG. 2, the first part of the lattice shape having a square lattice is located on the boundary between the facing part and the non-facing part.
  • sample number 3 as shown in FIG. 3, the lattice-shaped first portion having a circular lattice is positioned on the boundary between the facing portion and the non-facing portion.
  • Sample No. 4 as shown in FIG. 5, the first part having a shape in which the lattice is arranged in a plurality of rows parallel to the boundary between the facing part and the non-facing part is the facing part. Located on the boundary with the non-opposing part.
  • the boundary between the facing portion and the non-facing portion exists at a plurality of locations separated from each other, and the first portion is located on each boundary of the internal electrodes.
  • the internal electrode has a lattice shape and has a first portion and a second portion having a finer lattice than the first portion.
  • part is located on the boundary of an opposing part and a non-opposing part.
  • the raw laminate of each sample number was subjected to a binder removal treatment at a predetermined temperature, and then fired at 800 to 1200 ° C. to obtain a laminate.
  • a conductive paste for an external electrode was prepared by adding and mixing a binder, a plasticizer, glass powder and the like to a metal powder containing silver as a main component. This conductive paste was printed by screen printing or the like on the side surface of the laminate on which the external electrodes were to be formed. Further, an external electrode was formed by baking at 600 to 800 ° C.
  • the drive evaluation was performed using the sample thus prepared. As drive evaluation, high-speed response evaluation and durability evaluation were performed. First, a lead wire is connected to the external electrode 11, a 3 kV / mm DC electric field is applied to the positive electrode and the negative external electrode via the lead wire for 15 minutes to perform polarization treatment, and a piezoelectric actuator using a laminated piezoelectric element Was made. A DC voltage of 170 V was applied to the obtained piezoelectric actuator, and the amount of displacement in the initial state was measured.
  • an AC voltage of 0 V to +170 V was applied to each piezoelectric actuator at a room temperature with the frequency gradually increased from 150 Hz.
  • an AC voltage of 0 V to +170 V was applied to each piezoelectric actuator at a frequency of 150 Hz at room temperature, and a test was continuously performed up to 1 ⁇ 10 9 times.
  • the piezoelectric actuator of sample number 1 emitted a beat sound when the frequency exceeded 1 kHz.
  • the multilayered piezoelectric element of sample number 1 does not have the first portion of each internal electrode, and the cross-sectional area of each internal electrode is constant, so that the piezoelectric body located near the end of the element This is because the deformation of is large. This is probably because the high-speed response was hindered by the large deformation of the piezoelectric body located near the end of the element, and as a result, the frequency of the applied AC voltage could not be followed.
  • the pulse waveform of sample number 1 was confirmed using an oscilloscope “DL1640L” manufactured by Yokogawa Electric Corporation. As a result, harmonic noise was found at a location corresponding to an integer multiple of the drive frequency. confirmed.
  • the multilayer piezoelectric element was cut, and the first internal electrode closest to the end in the stacking direction was observed using a microscope.
  • a part of the portion located between the non-formed portions 7c of the internal electrode on the cut surface was broken. As described above, it is confirmed that, when a part of the internal electrode breaks, stress is absorbed, cracking of the piezoelectric body is suppressed, and peeling of the internal electrode from the piezoelectric body is suppressed. It was done.

Landscapes

  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

　長時間の駆動による変位量の低下を改善した積層型圧電素子を提供するために、そ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てなりその圧電体と内部電極とが交互に積層された積層体と、その第１の側面に形成された第１の外部電極と、第２の側面に形成された第２の外部電極とを備え、複数の内部電極が交互に第１と第２の外部電極のいずれか一方に接続されるように、第１及び第２の側面において絶縁分離された内部電極とが交互に配置されて、積層体が、隣り合う内部電極が積層方向に対向する対向部分と、内部電極の１つ置きに対向してなり第１及び第２の側面に沿って設けられた非対向部分とに区分された積層型圧電素子であって、複数の内部電極のうち少なくとも一つは、その内部電極の中に設けられた複数の内部電極非形成部位を対向部分と非対向部分との境界に沿って有する。

Description

積層型圧電素子、これを備えた噴射装置及び燃料噴射システム
　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及び振動防止装置が挙げられる。センサ素子としては、例えば、燃焼圧センサ、ノックセンサ、加速度センサ、荷重センサ、超音波センサ、感圧センサ及び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。
　従来から、積層型圧電素子は、小型化が進められると同時に大きな圧力下において大きな変位量を確保できることが求められている。そのため、より高い電圧が印加され、しかも長時間連続駆動させる過酷な条件化で使用できることが要求されている。
　高電圧又は高圧力の条件で長時間連続駆動させる場合には、内部電極及び圧電体に応力がかかる。特に、圧電体における、積層方向に隣り合う２つの内部電極に挟まれた対向部分と、この対向部分以外の非対向部分との境界付近には大きな応力がかかる。そのため、上記の境界付近にかかる応力を分散させることが求められている。そこで、特許文献１に開示されているように、非対向部分に応力緩和層が設けられた構造の素子が提案されている。
特開２００１－２６７６４６号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の応力緩和層を設けた場合、応力緩和層に発生したクラックが、圧電体を貫通して隣接する内部電極又は外部電極にまで伸展することがある。そのため、積層方向に隣り合う内部電極間で電気的な短絡が生じて、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、長時間の駆動による変位量の低下を改善した積層型圧電素子を提供することを目的とする。
　本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電体と複数の内部電極とを有してなりその圧電体と内部電極とが交互に積層された積層体と、前記積層体の第１の側面に形成された第１の外部電極と、前記積層体の第２の側面に形成された第２の外部電極とを備え、
　前記複数の内部電極が交互に前記第１および第２の外部電極のいずれか一方に接続されるように、前記第１および第２の側面においてそれぞれ前記複数の内部電極は前記第１の外部電極または前記第２の外部電極に接続された前記内部電極と前記第１の側面または前記第２の側面から離れて形成されることにより絶縁分離された前記内部電極とが交互に配置されて、
　前記積層体が、隣り合う前記内部電極が積層方向に対向する対向部分と、前記内部電極の１つ置きに対向してなり前記第１および前記第２の側面に沿って設けられた非対向部分とに区分された積層型圧電素子であって、
　前記複数の内部電極のうち少なくとも一つは、当該内部電極の中に設けられた複数の内部電極非形成部位を前記対向部分と前記非対向部分との境界に沿って有することを特徴とする。
　本発明の積層型圧電素子によれば、前記複数の内部電極のうち少なくとも一つは、それぞれ周囲が当該内部電極によって囲まれた複数の内部電極非形成部位を前記対向部分と前記非対向部分との境界に沿って有している。
　そのため、対向部分のうち、非対向部分との境界近傍での変位が抑制されるので、対向部分と非対向部分との境界付近にかかる応力の集中を抑制することができる。このように、内部電極非形成部位を、内部電極によって囲まれた形状である格子形状等とすることにより応力を分散させているので、特許文献１に記載のように圧電体に応力緩和層を設けた場合と比較して、圧電体にクラックが生じる可能性を低減することができる。
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。 図１Ａの積層型圧電素子おける一部の分解斜視図である。 図１Ａ，１Ｂに示す積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有する内部電極の断面を示す断面図である。 図１Ａ，１Ｂに示す積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有する図２Ａとは異なる内部電極の断面を示す断面図である。 図１Ａ，１Ｂに示す積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有していない内部電極の断面を示す断面図である。 第１の実施形態の変形例に係る積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有する内部電極の断面を示す断面図である。 第１の実施形態の変形例に係る積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有する図３Ａとは異なる内部電極の断面を示す断面図である。 第１の実施形態の変形例に係る積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有していない内部電極の断面を示す断面図である。 本発明に係る第２の実施形態の積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有する内部電極の断面を示す断面図である。 第２の実施形態の積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有する図４Ａとは異なる内部電極の断面を示す断面図である。 第２の実施形態の積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有していない内部電極の断面を示す断面図である。 第２の実施形態の変形例に係る積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有する内部電極の断面を示す断面図である。 第２の実施形態の変形例に係る積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有する図５Ａとは異なる内部電極の断面を示す断面図である。 第２の実施形態の変形例に係る積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有していない内部電極の断面を示す断面図である。 本発明に係る第３の実施形態の積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有する内部電極の断面を示す断面図である。 第３の実施形態の積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有する図６Ａとは異なる内部電極の断面を示す断面図である。 第３の実施形態の積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有していない内部電極の断面を示す断面図である。 本発明に係る第４の実施形態の積層型圧電素子を示す斜視図である。 本発明に係る第５の実施形態の積層型圧電素子を示す斜視図である。 図８ＡのＡ－Ａ断面図である。 図８ＡのＢ－Ｂ断面図である。 本発明に係る第６の実施形態の積層型圧電素子を示す斜視図である。 図９に示す積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有する内部電極の断面を示す断面図である。 図９に示す積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有する図１０Ａとは異なる内部電極の断面を示す断面図である。 図９に示す積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有していない内部電極の断面を示す断面図である。 本発明に係る第７の実施形態の積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有する内部電極の断面を示す断面図である。 第７の実施形態の積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、内部電極非形成部位を有する図１１Ａとは異なる内部電極の断面を示す断面図である。 第７の実施形態の積層型圧電素子の積層方向に直交する断面図であり、第１の部位及び第２の部位を有していない内部電極の断面を示す断面図である。 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
３・・・圧電体
５、９・・・内部電極
７・・・積層体
７ａ・・・対向部分
７ｂ・・・非対向部分
７ｃ・・・内部電極非形成部位
７ｄ・・・対向部分と非対向部分との境界
９ａ、９ｃ・・・内部電極非形成部位を有する第１の部位
９ｂ、９ｄ・・・第２の部位
１１・・・外部電極
１１ａ・・・陽極側の外部電極
１１ｂ・・・陰極側の外部電極
２１・・・噴射装置
２３・・・噴射孔
２５・・・収納容器
２７・・・ニードルバルブ
２９・・・流体通路
３１・・・シリンダ
３３・・・ピストン
３５・・・皿バネ
４１・・・燃料噴射システム
４３・・・コモンレール
４５・・・圧力ポンプ
４７・・・噴射制御ユニット
４９・・・燃料タンク
７０・・・絶縁分離部
　以下、本発明の積層型圧電素子について図面を用いて詳細に説明する。
　＜第１の実施形態＞
図１Ａ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１Ｂは、図１Ａに示す実施形態にかかる積層型圧電素子の一部の分解斜視図である。図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃは、それぞれ図１に示す実施形態における積層方向に直交する方向の、積層方向に隣り合う内部電極をそれぞれ含む断面図である。
　図１Ａ～図２Ｃに示すように、本実施形態の積層型圧電素子１（以下、単に素子１ともいう）は、複数の圧電体３と複数の内部電極５とを有し、その圧電体３と内部電極５とが交互に積層されてなる積層体７を備えている。
　また、積層型圧電素子１は２つの外部電極１１を備え、例えば、一方（陰極側）の外部電極１１が積層体７の一側面である第１側面に形成され、他方（陽極側）の外部電極１１が第１側面に対向する第２側面に形成される（図１Ａ）。積層体７において、負極となる内部電極５，９は、第１側面に達するように形成されて第１側面において外部電極１１に接続され、第２側面からは離れて形成されて陽極側の外部電極１１とは電気的に分離される。これに対して、正極となる内部電極５，９は、第２側面に達するように形成されて第２側面において外部電極１１に接続され、第１側面からは離れて形成されて陰極側の外部電極１１とは電気的に分離される。そして、積層体７において、負極となる内部電極５，９と正極となる内部電極５，９とは交互に配置されて、各圧電体３が負極と正極の内部電極５，９に挟まれた構造が実現される。尚、本明細書において、内部電極５，９が端部（第１側面又は第２側面）から離れて形成されることにより形成された圧電体３上の電極が形成されていない部分を絶縁分離部７０と呼ぶ。
　以上のように構成された積層型圧電素子１において、圧電体３がそれぞれ正負の内部電極５，９に挟まれてその挟まれた部分に電圧が印加される活性領域が第１側面及び第２側面から絶縁分離部７０の幅だけ離れて形成され、絶縁分離部７０を間に挟んで同極の内部電極が対向して圧電体３に電圧が印加されない不活性領域が第１側面及び第２側面に沿って形成される。このようにして、積層体７は、積層方向に隣り合う正負一対の内部電極５が積層方向に対向する活性領域とそれ以外の不活性領域とに区分される。尚、本明細書では、対向する正負の内部電極５，９の間に圧電体３が挟まれてなる活性領域を対向部分７ａと呼び、正負の内部電極５，９が対向していない不活性領域を非対向部分７ｂと呼ぶ。
　ここで、特に、本発明では、複数の内部電極５のうち少なくとも一つの内部電極９は、それぞれ周囲がその内部電極９によって囲まれた複数の開口部（内部電極非形成部位７ｃという。）を対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄに沿って有していることを特徴とする。
　以下の説明では、内部電極９において、複数の内部電極非形成部位７ｃ（以下、非形成部位７ｃともいう）を有して対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄを跨ぐように位置する部分を第１の部位９ａと称し、それ以外の第２の部位９ｂと称して説明する。
　ここで、第１の部位９ａは、複数の非形成部位７ｃを有する領域であって、第２の部位９ｂとの境界については、下記のように定義される。
　外部電極１１に電圧が印加されると、内部電極９に伝達される電界は、内部電極非形成部位７ｃにより、一度、電界の強度分布は乱されるが、内部電極非形成部位７ｃ通過後に電界強度がひとつの線状にそろう現象が発生する。第１の部位９ａと第２の部位９ｂとの境界は、この電界強度がひとつにそろう線の位置と定義される。具体的には、内部電極非形成部位７ｃを対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界に沿って設けることで、概ね、対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄから、絶縁分離部７０の距離だけ外部電極１１から離れた位置になる。
　そして、積層方向に直交する断面であって、この内部電極５を含む断面において、第１の部位９ａにおける内部電極５の占める比率が、第２の部位９ｂにおける内部電極５の占める比率よりも小さいことが好ましい。この場合、積層型圧電素子１は駆動時に素子１自体が連続的に寸法変化を起すが、全ての圧電体３が内部電極５を介して密着して駆動することにより、素子１は一体として大きく駆動変形する。そのため、素子１の端部には相対的に大きな応力がかかる。しかしながら、第１の部位９ａの非形成部位７ｃが上記の形態であることにより、素子１の端面に近い端部における変位量を小さくすることができる。その結果、素子１の端部にかかる応力を低減することができ、素子１の耐久性を向上させることができる。
　このように、本実施形態では、複数の内部電極５，９のうち少なくとも一つの内部電極９は、それぞれ周囲が内部電極９によって囲まれた複数の内部電極非形成部位７ｃを対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄに沿って有しているので、対向部分７ａのうち、非対向部分７ｂとの境界７ｄ近傍での駆動力を小さくできる。すなわち、対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄに沿って、対向部分７ａの中または対向部分７ａと非対向部分７ｂとに跨って対向部分７ａの中央部に比較して駆動力の小さい部分ができ、非対向部分７ｂに向かって段階的に駆動力を小さくできる。これにより、この境界７ｄにおける応力の集中を抑制でき、高い耐久性が実現できる。
　また、図２に示すように、内部電極９のうち対向部分７ａに位置して素子１の駆動に寄与する部分と、外部電極１１と接続する部分との間に第１の部位９ａが位置している。上述したように、第１の部位９ａにおける内部電極５の占める比率は、第２の部位９ｂにおける内部電極５の占める比率よりも小さくなっていることが好ましい。したがって、この複数の内部電極非形成部位７ｃが形成された部分では、電流が流れる際の電流路が狭くなるので、過電流が流れた際の電流密度が他の部分に比較して高くなり、破損が生じやすくなる。すなわち、外部電極１１から内部電極９のうち素子１の駆動に寄与する部分へと通電する箇所に、第１の部位９ａが位置していると、素子１に非常に強い電圧が印加された場合、第１の部位９ａの一部が破断する。これにより、内部電極９のうち素子１の駆動に寄与する部分に過度の電圧が印加されることが抑制される。結果として、圧電体３が過度に変位して、クラックが生じてしまうことを抑制できる。
　本発明では、過度の電圧が印加された場合の圧電体３の保護を考慮して、例えば、一定以上の電圧が印加された場合には隣接する内部電極非形成部位７ｃ間の電極部分が破損するように、内部電極非形成部位７ｃ間の間隔を設定することもできる。
　また、内部電極９のうち非形成部位７ｃの間に位置する部分が破断して、内部電極９のうち素子１の駆動に寄与する部分に電圧が印加されなくなった場合であっても、この破断した内部電極９が同極の外部電極に接続された内部電極５に挟まれる形態となる。そのため、この内部電極９と積層方向に隣接する２つの圧電体３の変位量が抑制される。結果として、これらの圧電体３にクラックを生じさせるような応力が発生することを抑制できる。
　特に、図２に示すように、第１の部位９ａが、上記素子１の駆動に寄与する部分と、外部電極１１と接続する部分との間に位置して、この第１の部位９ａにのみ非形成部位７ｃが配置されることにより、第１の部位９ａに応力がかかりやすいこととなる。そのため、内部電極９の第１の部位９ａが破断しやすい部位と予め分かっているので、長期間にわたる素子１の駆動状態が予測しやすい。結果として、素子１の変位量に対する信頼性を向上させることができる。
　また、本発明では、図１Ｂ及び図２Ａ～図２Ｂに示すように、複数の内部電極非形成部位７ｃが対向部分９ｂと非対向部分９ａとの境界７ｄと平行な方向に整列されていることが好ましく、さらにその整列された複数の内部電極非形成部位７ｃが等間隔で配置されていることがより好ましい。尚、本明細書において、複数の内部電極非形成部位７ｃが一方向に等間隔で配置されていることを、第１の部位９ａが内部電極非形成部位７ｃを格子目とする格子形状であるという。
　このように、第１の部位９ａが、内部電極非形成部位７ｃを格子目とする格子形状であると、境界７ｄ付近にかかる応力のばらつきを小さくできる。そのため、対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄ近傍の耐久性を高めることができる。なお、図１及び図２に示すように、本実施形態において格子形状は、格子目が一列に並んでいてもよいし、複数の列で並んでいてもよい。
＜第１の実施形態の変形例＞
　図３Ａ～図３Ｃはそれぞれ第１の実施形態の変形例に係る積層型圧電素子１の積層方向に直交する断面図であり、内部電極５，９を含む断面を図示している。なお、図３Ｂに示す内部電極９を基準としたとき、図３Ａは、図３Ｂに示す内部電極９と積層体７の一方の端面側に隣り合う内部電極９を示している。また、図３Ｃは、図３Ｂに示す内部電極９と積層体７の他方の端面側に隣り合う内部電極５を示している。
　ここで、本明細書において、積層体７の端面とは内部電極５，９と圧電体３との積層方向に直交する外面をいい、図１Ａにおける上面と下面をいう。
　本変形例の積層型圧電素子１は、内部電極非形成部位７ｃが円形である点で、内部電極非形成部位７ｃが矩形である第１の実施形態の素子１とは異なっている他は、第１の実施形態の素子１と同様に構成される。
　このように、本発明でいう格子形状とは、図３に示すように、格子目が円形の形態も含まれ、図２に示すような格子目が四角形の形態に限られるものではない。また、積層体７の対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界付近にかかる応力を緩和させることができればよいことから、内部電極９の第１の部位９ａにおける格子目が、略四角形であって角部が曲線の形状であることも有効である。
　また、本発明では、第１の実施形態及びその変形例で示しているように、内部電極非形成部位７ｃが、内部電極９を平面視したときに対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄ上に位置することが好ましい。すなわち、内部電極非形成部位７ｃが対向部分７ａと非対向部分７ｂとに跨って形成されていることが好ましい。この場合、対向部分７ａのうち、最も応力の集中しやすい、対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄでの駆動力を小さくすることができるので、素子１の耐久性をより高めることができる。
　また、第１の実施形態及びその変形例では、複数の内部電極９が、第１の部位９ａを有している形態を示したが、本発明では、少なくとも１つの内部分極９が第１の部位９ａを有していればよい。しかしながら、第１の実施形態及びその変形例で示すように、２つのまたはそれ以上の複数の内部電極９が、第１の部位９ａを有していることが好ましい。複数の内部電極９が第１の部位９ａを有していることにより、より広範囲に応力を分散させることができるからである。これにより、素子１の耐久性をより高めることができる。
　さらに、陽極側の外部電極１１ａと接続された内部電極５，９及び陰極側の外部電極１１ｂと接続された内部電極５，９のそれぞれ少なくとも１つの内部電極９が第１の部位９ａを有していることがより好ましい。これにより、応力分布の偏りを小さくすることができるので、素子１の駆動する方向を安定させることができる。
　また、積層方向に隣り合う一対の内部電極５，９が、それぞれ第１の部位９ａを有していることがより好ましい。これらの内部電極５，９に挟まれる圧電体３の変位量をより小さくすることができるので、この圧電体３における応力を吸収する効果をより高めることができるからである。
　さらに、全ての内部電極５，９が第１の部位９ａを有していることが好ましい。これにより、更に広範囲に応力を分散させることができ、また、応力分布の偏りを更に小さくすることができる。
＜第２の実施形態＞
　次に、本発明の第２の実施形態について説明をする。図４Ａ～図４Ｃは、それぞれ本発明の第２の実施形態にかかる積層型圧電素子１における積層方向に直交する断面図であり、内部電極５を含む断面を図示している。なお、図４Ｂに示す内部電極９を基準としたとき、図４Ａは、図４Ｂに示す内部電極９と積層体７の一方の端面側に隣り合う内部電極９を示している。また、図４Ｃは、図４Ｂに示す内部電極９と積層体７の他方の端面側に隣り合う内部電極５を示している。
　本第２の実施形態の積層型圧電素子は、図４Ａ～図４Ｃに示すように、内部電極９の第１の部位９ａにおける非形成部位７ｃが、対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄと平行に複数の列で配列されている点が第１の実施形態とは異なっている。第１の部位９ａにおける非形成部位７ｃをこのように配列することによって、より広範囲の圧電体３に応力を分散させることができるので、対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄ近傍における応力分布の偏りを更に小さくすることができる。
　特に、第１の部位９ａにおける非形成部位７ｃが、対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄと平行に複数の列で配列している場合に、この複数の列の１つが対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄ上に位置することが好ましい。
　また、図４Ａ～図４Ｃに示すように、内部電極５が、外部電極１１と接続する面以外で露出していない場合、すなわち、積層体７において外部電極１１が接続される側面以外の３側面に沿った内部電極５の外周がそれぞれ当該３側面より内側に位置している場合、この第２の実施形態のように非形成部位７ｃが複数の列で配列されていることが特に有効となる。これは、内部電極５が上記の構造である場合、対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄが積層体７の側面に露出しないため、この境界７ｄ部分に応力が集中しやすいからである。内部電極９のうち対向部分７ａに位置して素子１の駆動に寄与する部分と、外部電極１１と接続する部分との間に第１の部分９ａが位置することにより、非形成部位７ｃで応力を緩和することができる。これにより、内部電極５の周縁部分に応力が集中することを抑制できる。
　図５Ａ～図５Ａは、それぞれ図４に示す第２の実施形態の変形例に係る積層型圧電素子１の積層方向に直交する断面図であり、内部電極５，９を含む断面を図示している。なお、図５Ｂに示す内部電極９を基準としたとき、図５Ａは、図５Ｂに示す内部電極９と積層体７の一方の端面側に隣り合う内部電極９を示している。また、図５Ｃは、図５Ｂに示す内部電極９と積層体７の他方の端面側に隣り合う内部電極５を示している。
　さらには、図５Ａ～図５Ｃに示すように、対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄ上に位置する列を構成する非形成部位７ｃが、他の非形成部位７ｃよりも大きいことがより一層好ましい。対向部分７ａのうち、最も応力の集中しやすい非対向部分７ｂとの境界７ｄでの駆動力を小さくすることができるので、素子１の耐久性をより高めることができるからである。
＜第３の実施形態＞
　次に、本発明の第３の実施形態について説明をする。図６Ａ～図６Ｂは、それぞれ本発明の第３の実施形態にかかる積層型圧電素子１における積層方向に直交する断面図であり、内部電極５を含む断面を図示している。なお、図６Ｂに示す内部電極９を基準としたとき、図６Ａは、図６Ｂに示す内部電極９と積層方向の一方の端部側に隣り合う内部電極９を示している。また、図６Ｃは、図６Ｂに示す内部電極９と積層方向の他方の端部側に隣り合う内部電極５を示している。
　図６に示すように、陽極側及び陰極側の外部電極１１ａ，１１ｂが積層体７の対向する側面にそれぞれ位置し、対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄが、互いに離隔する複数の箇所（図６では対向する２箇所）に存在する場合に、複数の内部電極５における少なくとも１つの内部電極９が、それぞれの境界７ｄ上に第１の部位９ａを有することが好ましい。すなわち、内部電極非形成部位７ｃを対向部分７ａと一方の非対向部分７ｂとの境界７ｄに沿って有する内部電極９が、さらに対向部分７ａと他方の非対向部分７ｂとの境界７ｄに沿って複数の内部電極非形成部位７ｃを有することが好ましい。これにより、積層方向に直交する平面上での応力分布の偏りを小さくすることができるからである。
　さらに、対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄが、互いに離隔する複数の箇所に存在する場合に、複数の内部電極５のうち、積層方向に隣り合う一対の内部電極９において、各内部電極９のそれぞれの境界７ｄ上に第１の部位９ａが位置することが好ましい。これにより、隣り合う一対の内部電極９において、第１の部位９ａが対向して位置することになるので、素子１の駆動軸のぶれが小さくなり、耐久性が高められるからである。
＜第４の実施形態＞
　次に、本発明の第４の実施形態について説明をする。図７は、本発明の第４の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。
　この第４の実施形態では、図７に示すように、内部電極５のうちの第１の部位９ａを有する複数の内部電極９が積層方向に一定の規則にしたがって周期的に配置されており、本発明に係るより好ましい形態である。これにより、素子１全体に加わる応力を積層方向に分散させることができるので、高い耐久性を有する素子１を提供することができる。
＜第５の実施形態＞
　次に、本発明の第５の実施形態について説明をする。図８Ａは、本発明の第５の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。図８Ｂは、図８Ａに示す第５の実施形態におけるＡ－Ａ断面であって内部電極９を含む断面図である。図８Ｃは、図８Ａに示す第５の実施形態におけるＢ－Ｂ断面であって内部電極９を含む断面図である。
　図８に示すように、積層方向に隣り合う一対の内部電極９がそれぞれ第１の部位９ａを有し、積層体７の端面に近い内部電極９の第１の部位９ａにおける内部電極９の占める比率が、積層体７の端面から遠くにある内部電極９の第１の部位９ａにおける内部電極９の占める比率よりも小さいことが好ましい。すなわち、内部電極非形成部位７ｃを有する一対の内部電極９のうち、積層体７の端面に近い内部電極９の内部電極非形成部位７ｃの占める比率が、積層体７の端面から遠くに位置する内部電極９の内部電極非形成部位７ｃの占める比率よりも大きいことが好ましい。
　コンデンサ等の通常の積層型電子部品と異なり、積層型圧電素子１は駆動時に素子１自体が連続的に寸法変化を起こす。そして、全ての圧電体３が内部電極５を介して密着して駆動することにより、素子１は一体として大きく駆動変形する。そのため、素子１の端部には相対的に大きな応力がかかる。
　しかしながら、第１の部位９ａの非形成部位７ｃが上記の形態であることにより、素子１の端面に近い端部における変位量を小さくすることができるので、素子１の当該端部にかかる応力を低減することができる。結果として、素子１の耐久性を向上させることができる。
　さらに、非形成部位７ｃが積層体７の端面側に向かって徐々に大きくなっていることがより好ましく、さらにその大きくなる度合いが規則的であることがよりいっそう好ましい。
　既に示したように、積層型圧電素子１は一体として大きく駆動変形するため、素子１の端面に近いほど加わる応力が徐々に増加する。しかしながら、非形成部位７ｃが端面側に向かって徐々に、又は一定の規則にしたがって徐々に大きくなることにより、素子１の端面に近いほど対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄに生じる応力を緩和する効果を徐々に増加させることができるので、素子１の積層方向における応力分布の偏りをより小さくすることができるからである。
　また、複数の内部電極５のうち、積層方向の最も端面側に位置する内部電極９が、第１の部位９ａを有していることが好ましい。素子１の端面に近い端部には比較的大きな応力がかかりやすいが、積層方向の最も端面側に位置する内部電極９が、第１の部位９ａを有していることにより、効率よく応力を緩和させることができるからである。結果として、素子１の耐久性をさらに高めることができる。
＜第６の実施形態＞
　次に、本発明の第６の実施形態について説明をする。図９は、本発明の第６の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。図１０Ａ～図１０Ｃは、それぞれ図９に示す実施形態における積層方向に直交する断面図であり、内部電極５を含む断面を示している。なお、図１０Ｂに示す内部電極９を基準としたとき、図１０Ａは、図１０Ｂに示す内部電極９と積層体７の一方の端面側に隣り合う内部電極９を示している。また、図１０Ｃは、図１０Ｂに示す内部電極９と積層体７の他方の端面側に隣り合う内部電極５を示している。
　図９、１０に示すように、第６の実施形態の積層型圧電素子１は、複数の圧電体３と複数の内部電極５とを備え、圧電体３と内部電極５とが交互に積層された積層体７を備えている。積層体７は、第１の実施形態等と同様に積層方向に隣り合う正負一対の内部電極５が積層方向に対向する対向部分７ａとそれ以外の非対向部分７ｂとに区分される。複数の内部電極５のうち少なくとも一つの内部電極９は、格子形状であって、第１の部位９ｃと、第１の部位９ｃよりも格子目の細かい第２の部位９ｄとを有する。すなわち、内部電極非形成部位７ｃを有する内部電極９においてさらに、内部電極非形成部位７ｃより境界７ｄから離れた位置に、内部電極非形成部位７ｃより面積の小さい第２の内部電極非形成部位７ｅを有する。そして、第１の部位９ｃは、対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄ上に位置する。また、積層体７の側面には外部電極１１ａ，１１ｂが位置している。そして、複数の内部電極５は、陽極側及び陰極側の外部電極１１ａ，１１ｂの一方にそれぞれ接続される。
　このように、第６の実施形態の積層型圧電素子１では、第１の部位９ｃの格子目が第２の部位９ｄよりも格子目が大きいため、第１の部位９ｃに電圧を印加することにより圧電体３に加わる駆動力は、第２の部位９ｄに電圧を印加することにより圧電体３に加わる駆動力よりも小さい。そして、第１の部位９ｃが対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄ上に位置することにより、対向部分７ａのうち、非対向部分７ｂとの境界７ｄ近傍での駆動力が相対的に小さくなるので、この境界７ｄ付近にかかる応力が集中することを抑制できる。結果、高い耐久性を備えた積層型圧電素子１を提供することができる。
　第１の実施形態から第５の実施形態に示すように、第２の部位９ｂが非形成部位７ｃ，７ｅを有していなくても、対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界上又は境界に沿って複数の内部電極非形成部位７ｃが配置された第１の部位９ａを有していることにより、対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界７ｄ付近にかかる応力を小さくすることができる。一方で、第６の実施形態のように、第１の部位９ｃおよび第２の部位９ｄがを有している場合には、第１の部位９ｃおよび第２の部位９ｄを有する内部電極９と隣接する圧電体３全体の変位量を小さくすることができる。その結果、この圧電体３全体で応力を緩和させることができるので、素子１の端面側の端部にかかる応力を小さくすることができる。
　＜第７の実施形態＞
　次に、本発明の第７の実施形態について説明をする。図１１Ａ～図１１Ｃは、それぞれ本発明の第７の実施形態にかかる積層型圧電素子における積層方向に直交する方向の断面図であり、積層方向に隣り合う内部電極５をそれぞれ含む断面を示している。ここで図１１Ｃに示す断面よりも図１１Ａに示す断面の方が素子の端面に近い端部側に位置している。
　図１１に示すように、第７の実施形態の積層型圧電素子１は、内部電極９の第２の部位９ｄにおける格子目が端面側に向かって段階的に粗くなる点が第６の実施形態とは異なっており、この点でより好ましい形態となっている。すなわち、積層体７の端面に近い内部電極９に形成された第２の内部電極非形成部位７ｅほど、面積が大きい。既に示したように、積層型圧電素子１は一体として大きく駆動変形するため、素子１の端部に近いほど大きな応力が加わる。しかしながら、非形成部位７ｃが端部側に向かって段階的に粗くなることにより、素子１の端部に近いほど対向部分７ａと非対向部分７ｂとの境界に生じる応力を分散させる効果が大きくなる。これにより、素子１の積層方向における応力分布の偏りをより小さくすることができる。
　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、このスラリーを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、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等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）、フタル酸ジオクチル（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－パラジウム等の金属粉末にバインダー及び可塑剤等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する。さらに、この導電性ペーストがスクリーン印刷されたセラミックグリーンシートを複数積層する。そして、後述するように、焼成することで圧電体３及び内部電極５を備えた積層体７を形成することができる。
　また、格子形状の第１の部位を有する内部電極９は、例えば、スクリーンのパターン形状を変更することによって、形成することができる。格子目の粗さに関しても、このスクリーンのパターン形状を変更することによって変えることができる。
　なお、積層体７は、上記製法によって作製されるものに限定されることはなく、複数の圧電体３と複数の内部電極５とを交互に積層してなる積層体７を作製できれば、どのような製法によって形成されても良い。
　その後、積層型圧電素子１の外表面に端部が露出する内部電極５，９圧電体３と導通が得られるように外部電極１１を形成する。この外部電極１１は、ガラス粉末に、バインダーを加えて銀ガラス導電性ペーストを作製し、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。
　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１１を形成した積層体７を浸漬する。そして、シリコーン樹脂溶液を真空脱気することにより、積層体７の外周側面の凹凸部にシリコーン樹脂を密着させ、その後、シリコーン樹脂溶液から積層体７を引き上げる。これにより、積層体７の側面にシリコーン樹脂（不図示）がコーティングされる。そして、外部電極１１に通電部としてリード線を導電性接着剤（不図示）等で接続する。
　リード線を介して一対の外部電極１１に０．１～３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体７を分極することによって、実施形態の積層型圧電素子１が完成する。リード線を外部の電圧供給部（不図示）に接続し、リード線及び外部電極１１を介して圧電体３に電圧を印加することにより、各圧電体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流体の噴射装置について説明する。図１２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１２に示すように、本実施形態の噴射装置２１は、一端に噴射孔２３を有する収納容器２５の内部に上記の実施形態に代表される積層型圧電素子１が収納されている。
　収納容器２５内には、噴射孔２３を開閉することができるニードルバルブ２７が配設されている。噴射孔２３には流体通路２９がニードルバルブ２７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２９は外部の流体供給源に連結され、流体通路２９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２７が噴射孔２３を開放すると、流体通路２９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２７の上端部は内径が大きくなっており、収納容器２５に形成されたシリンダ３１と摺動可能なピストン３３が配置されている。そして、収納容器２５内には、上記した積層型圧電素子１が収納されている。
　このような噴射装置２１では、圧電アクチュエータが電圧を印加されて伸長すると、ピストン３３が押圧され、ニードルバルブ２７が噴射孔２３を閉塞し、流体の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると圧電アクチュエータが収縮し、皿バネ３５がピストン３３を押し返し、噴射孔２３が流体通路２９と連通して流体の噴射が行われるようになっている。
　なお、積層型圧電素子１に電圧を印加することによって流体通路２９を開放し、電圧の印加を停止することによって流体通路２９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２１は、噴射孔２３を有する容器と、上記の積層型圧電素子１とを備え、容器内に充填された流体を積層型圧電素子１の駆動により噴射孔２３から吐出させるように構成されていてもよい。すなわち、積層型圧電素子１が必ずしも容器の内部にある必要はなく、積層型圧電素子１の駆動によって容器の内部に圧力が加わるように構成されていればよい。なお、本発明において、流体とは、燃料、インクなどの他、種々の液状流体（導電性ペースト等）および気体が含まれる。噴射装置２１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。
　本発明の積層型圧電素子１を採用した噴射装置２１を内燃機関に用いれば、従来の噴射装置２１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流体噴射システムについて説明する。図１３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ブロック図である。
　図１３に示すように、本実施形態の流体噴射システム４１は、高圧流体を蓄えるコモンレール４３と、このコモンレール４３に蓄えられた流体を噴射する複数の上記の噴射装置２１と、コモンレール４３に高圧の流体を供給する圧力ポンプ４５と、噴射装置２１に駆動信号を与える噴射制御ユニット４７と、を備えている。
　噴射制御ユニット４７は、外部情報または外部からの信号に基づいて流体噴射の量やタイミングを制御する。例えば、エンジンの燃料噴射に噴射制御ユニットを用いた場合、エンジンの燃焼室内の状況をセンサ等で感知しながら燃料噴射の量やタイミングを制御することができる。圧力ポンプ４５は、流体タンク４９から流体燃料を高圧でコモンレール４３に送り込む役割を果たす。例えばエンジンの燃料噴射システムの場合には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４３に流体を送り込む。
　コモンレール４３では、圧力ポンプ４５から送られてきた燃料を蓄え、適宜噴射装置２１に送り込む。噴射装置２１は、上述したように噴射孔２３から一定の流体を噴射装置２１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。また、本発明は、積層型圧電素子、噴射装置及び燃料噴射システムに関するものであるが、上記の実施形態に限定されるものでなく、圧電特性を利用した素子であれば、実施可能である。
　積層型圧電素子を以下のようにして作製した。
　まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）粉末を主成分とする原料粉末、バインダー及び可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み１５０μｍのセラミックグリーンシートを作製した。
　次に、Ａｇ９５質量％－Ｐｄ５質量％の金属組成である銀－パラジウム合金粉末を含有する原料粉末にバインダーを加えた導電性ペーストを作製した。
　そして、上記セラミックグリーンシートの片面に、上記の導電性ペーストをスクリーン印刷法により３０μｍの厚みになるように印刷した。そして、導電性ペーストが印刷された各グリーンシートを積層して積層体を作製した。なお、積層数としては、内部電極の数が３００となるように積層し、積層体の積層方向の両端部には、導電性ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシートのみをそれぞれ２０枚積層した。
　試料番号１においては、各内部電極が格子形状の第１の部位を備えておらず、各内部電極の断面積が全て同じとなるように導電性ペーストを印刷した。試料番号２～６においては、積層方向の１、２、２９９、３００番目に位置する内部電極が、表１に示すように格子形状の第１の部位を有するように、導電性ペーストを印刷した。
　試料番号２では、図２に示すように、格子目が四角形である格子形状の第１の部位が、対向部分と非対向部分との境界上に位置している。また、試料番号３では、図３に示すように、格子目が円形である格子形状の第１の部位が、対向部分と非対向部分との境界上に位置している。また、試料番号４では、図５に示すように、格子目が、対向部分と非対向部分との境界に対して平行に複数の列で配列された形状の第１の部位が、対向部分と非対向部分との境界上に位置している。
　試料番号５では、図６に示すように、対向部分と非対向部分との境界が、互いに離隔する複数の箇所に存在し、内部電極のそれぞれの境界上に第１の部位が位置している。試料番号６では、図１０に示すように、内部電極が、格子形状であって、第１の部位と、第１の部位よりも格子目の細かい第２の部位とを有している。そして、第１の部位が、対向部分と非対向部分との境界上に位置している。
　次に、それぞれの試料番号の生積層体に所定の温度で脱バインダー処理を施した後、８００～１２００℃で焼成して積層体を得た。
　そして、各々の試料番号の積層体を、所望の寸法に加工した上で外部電極をそれぞれ形成した。まず、銀を主成分とする金属粉末にバインダー、可塑剤、ガラス粉末等を添加混合して外部電極用の導電性ペーストを作製した。この導電性ペーストを、上記積層体の側面の外部電極を形成する箇所にスクリーン印刷等によって印刷した。さらに、６００～８００℃で焼成して外部電極を形成した。
　このようにして作製した試料を用いて駆動評価を行った。駆動評価としては、高速応答性評価と耐久性評価を行なった。まず、外部電極１１にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極にリード線を介して３ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分間印加して分極処理を行い、積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータを作製した。得られた圧電アクチュエータに１７０Ｖの直流電圧を印加して初期状態の変位量を測定した。
　高速応答性評価としては、各々の圧電アクチュエータに室温で０Ｖ～＋１７０Ｖの交流電圧を１５０Ｈｚから徐々に周波数を増加させて印加した。耐久性評価としては、各々の圧電アクチュエータに室温で０Ｖ～＋１７０Ｖの交流電圧を１５０Ｈｚの周波数で印加して、１×１０９回まで連続駆動した試験を行なった。












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　表１に示すように、応答性評価を行った結果として、試料番号１の圧電アクチュエータでは、周波数が１ｋＨｚを超えた時にうなり音を発していた。これは、試料番号１の積層型圧電素子は、各内部電極が第１の部位を有しておらず、各内部電極の断面積が一定であるため、素子の端部付近に位置する圧電体の変形が大きいからである。素子の端部付近に位置する圧電体の変形が大きいことにより高速応答性が阻害されて、結果、印加した交流電圧の周波数に追従できなかったためと考えられる。
　なお、駆動周波数を確認するために、横河電機株式会社製オシロスコープ「ＤＬ１６４０Ｌ」を用いて試料番号１のパルス波形を確認したところ、駆動周波数の整数倍の周波数に相当する箇所に高調波ノイズが確認された。
　また、表１に示すように、耐久性評価の結果として、試料番号１では、評価試験後の変位量は５μｍと、評価試験前と比較して９０％近く低下していた。また、試料番号１の圧電アクチュエータでは、素子の一部に剥がれが見られた。
　一方、試料番号２～６の圧電アクチュエータでは、剥がれは確認されなかった。また、評価試験後の変位量の低下が、２μｍ以下であり、評価試験前と比較して変位量の低下は５％以下に抑えられていた。特に、試料番号５及び６の圧電アクチュエータでは、変位量の低下が確認されず、非常に高い耐久性を有していることが分かった。
　さらに、耐久性評価の後、積層型圧電素子を切断して、積層方向の端部に最も近い１層目の内部電極を、顕微鏡を用いて観察した。試料番号２～６のいずれにおいても、上記の切断面における内部電極の非形成部位７ｃ間に位置する部分の一部が破断していた。このように、内部電極の一部が破断することによって、応力が吸収され、圧電体にクラックが発生することが抑制されるとともに、内部電極の圧電体からの剥離が抑制されていることが確認された。
　なお、試料番号５及び６においては、初期状態の変位量が相対的に小さかった。これは、内部電極において、変位量を小さくして耐久性を向上させる格子形状の部分が多かったことが理由として挙げられる。

Claims (15)

  1. 　複数の圧電体と複数の内部電極とを有してなりその圧電体と内部電極とが交互に積層された積層体と、前記積層体の第１の側面に形成された第１の外部電極と、前記積層体の第２の側面に形成された第２の外部電極とを備え、
    　前記複数の内部電極が交互に前記第１および第２の外部電極のいずれか一方に接続されるように、前記第１および第２の側面においてそれぞれ前記複数の内部電極は前記第１の外部電極または前記第２の外部電極に接続された前記内部電極と前記第１の側面または前記第２の側面から離れて形成されることにより絶縁分離された前記内部電極とが交互に配置されて、
    　前記積層体が、隣り合う前記内部電極が積層方向に対向する対向部分と、前記内部電極の１つ置きに対向してなり前記第１および前記第２の側面に沿って設けられた非対向部分とに区分された積層型圧電素子であって、
    　前記複数の内部電極のうち少なくとも一つは、当該内部電極の中に設けられた複数の内部電極非形成部位を前記対向部分と前記非対向部分との境界に沿って有することを特徴とする積層型圧電素子。
  2. 　前記複数の内部電極非形成部位が前記対向部分と前記非対向部分との前記境界と平行な方向に整列されたことを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
  3. 　前記内部電極非形成部位が前記対向部分と前記非対向部分とに跨って形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層型圧電素子。
  4. 　前記複数の内部電極非形成部位が前記対向部分と前記非対向部分との前記境界と平行な複数の列に整列されたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の積層型圧電素子。
  5. 　前記複数の内部電極非形成部位が前記対向部分と前記非対向部分との前記境界上と当該境界に平行な１以上の線上に整列され、前記境界上に配列された前記内部電極非形成部位の面積が他の線上に配列された前記内部電極非形成部位の面積より大きいことを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
  6. 　前記内部電極非形成部位を前記対向部分と一方の前記非対向部分との前記境界に沿って有する前記内部電極がさらに前記対向部分と他方の前記非対向部分との前記境界に沿って前記複数の内部電極非形成部位を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の積層型圧電素子。
  7. 　前記複数の内部電極のうちの２以上の前記内部電極が、前記内部電極非形成部位を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層型圧電素子。
  8. 　前記内部電極非形成部位を含む２以上の前記内部電極が積層方向に周期的に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の積層型圧電素子。
  9. 　積層方向に隣り合う一対の前記内部電極が、それぞれ前記内部電極非形成部位を有していることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の積層型圧電素子。
  10. 　それぞれ前記内部電極非形成部位を有する前記一対の内部電極のうち、前記積層体の端面に近い前記内部電極の前記内部電極非形成部位の占める比率が、前記積層体の端面から遠くに位置する前記内部電極の前記内部電極非形成部位の占める比率よりも大きいことを特徴とする請求項９に記載の積層型圧電素子。
  11. 　前記複数の内部電極のうち、前記積層体の最も端面側に位置する前記内部電極が、前記内部電極非形成部位を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の積層型圧電素子。
  12. 　前記内部電極非形成部位を有する前記内部電極においてさらに、前記内部電極非形成部位より前記境界から離れた位置に、当該内部電極非形成部位より面積の小さい第２の内部電極非形成部位を有する請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の積層型圧電素子。
  13. 　前記積層体の端面に近い前記内部電極に形成された前記第２の内部電極非形成部位ほど、面積が大きいことを特徴とする請求項１２に記載の積層型圧電素子。
  14. 　請求項１乃至請求項１３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。
  15. 　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１４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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