WO2011024948A1 - 積層型圧電素子およびこれを用いた噴射装置ならびに燃料噴射システム - Google Patents

積層型圧電素子およびこれを用いた噴射装置ならびに燃料噴射システム Download PDF

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WO2011024948A1
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electrode layer
piezoelectric element
multilayer
exposed
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隆昌 平
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京セラ株式会社
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
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    • H10N30/067—Forming single-layered electrodes of multilayered piezoelectric or electrostrictive parts
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/508—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure adapted for alleviating internal stress, e.g. cracking control layers
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    • 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

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.
  • a laminated piezoelectric element is, for example, a laminated body in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately laminated, and bonded to the side surface of the laminated body, and set to have different polarities and led out to the respective side surfaces. And a pair of external electrodes electrically connected to the internal electrode layer formed.
  • the internal electrode layer of such a multilayer piezoelectric element was designed to be exposed on the end face of the multilayer body when the amount of displacement was increased.
  • pores voids
  • the distribution of the pores is uniform in the plane of the internal electrode layer.
  • the multilayer piezoelectric element can cope with driving at a higher frequency.
  • the electric field in the internal electrode layer when driving the multilayer piezoelectric element passes along the pores existing in the internal electrode layer, so that the area around the pores tends to generate heat, and the portion of the internal electrode layer that is far from the external electrode Since the energization timing is delayed as the drive signal becomes higher in frequency, the drive timing in the surface of the internal electrode layer is out of order in high-speed driving with high-frequency pulses, and the multilayer piezoelectric element does not extend straight over long-time driving. Furthermore, there is a problem that the displacement amount is reduced due to heat generation of the multilayer piezoelectric element.
  • the present invention has been devised in view of the above problems in the prior art, and the purpose thereof is that the amount of displacement does not decrease even when used for a long time, and the end face of the internal electrode layer on the side surface of the laminate.
  • a multilayer piezoelectric element that can prevent moisture and impurities from adsorbing on the side of the multilayer body and thereby prevent short circuit between the internal electrode layers on the side surface of the multilayer body and can stably drive over a long period of time. It is to provide.
  • the multilayer piezoelectric element of the present invention has a multilayer body in which a plurality of piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately stacked and a part of the end surface of the internal electrode layer is exposed on the side surface.
  • the internal electrode layers In the stacked piezoelectric element in which a pair of external electrodes are joined to the side surfaces of the stacked piezoelectric elements and connected to the internal electrode layers, the internal electrode layers have a large number of pores inside and are formed on the side surfaces of the stacked body. The pores are not substantially present on the exposed end face.
  • the end surface of the internal electrode layer exposed on the side surface of the multilayer body has a uniform surface by polishing. It is.
  • the end portion of the internal electrode layer exposed on the side surface of the multilayer body extends over the side surfaces of the upper and lower piezoelectric body layers. It is a feature.
  • An injection device includes a container having an injection hole and any one of the multilayer piezoelectric elements according to the present invention, and fluid stored in the container is driven from the injection hole by driving the multilayer piezoelectric element. It is characterized by being discharged.
  • the fuel injection system of the present invention includes a common rail that stores high-pressure fuel, the injection device of the present invention that injects the high-pressure fuel stored in the common rail, a pressure pump that supplies the high-pressure fuel to the common rail, An injection control unit that provides a drive signal to the injection device is provided.
  • the internal electrode layer has a large number of pores inside, and the pores are not substantially present on the end surface exposed on the side surface of the multilayer body. Since there are fewer pores on the end face side, the electric field for the internal electrode layer is applied first from the outer periphery (end face) side, and then applied to the inner side of the internal electrode layer. For this reason, the energization timing on the outer periphery (end face) side matches between the internal electrode layers, and the drive timing matches within the surface of each internal electrode layer, so that the multilayer piezoelectric element extends straight even after long-term use. Thus, the multilayer piezoelectric element is also difficult to be heated by heat generation, and a decrease in displacement can be suppressed.
  • the container having the ejection holes and the multilayer piezoelectric element of the present invention are provided, and the liquid filled in the container is discharged from the ejection holes by driving the multilayer piezoelectric element. Therefore, since the multi-layer piezoelectric element of the present invention having excellent durability is used, the injection device has excellent durability.
  • a common rail that stores high-pressure fuel the injection device of the present invention that injects the high-pressure fuel stored in the common rail, a pressure pump that supplies high-pressure fuel to the common rail, and an injection device Since the fuel injection system of the present invention using the multilayer piezoelectric element of the present invention having excellent durability is used, the fuel injection system having excellent durability is provided. .
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a portion including an internal electrode layer with an end face exposed in a cross section parallel to the stacking direction of the multilayer body of the multilayer piezoelectric element illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a portion including an internal electrode layer with an end face exposed in a cross section parallel to the stacking direction of the multilayer body of the multilayer piezoelectric element illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of an embodiment of a multilayer piezoelectric element of the present invention
  • FIG. 2 is an end face exposed in a cross section parallel to the stacking direction of the multilayer body of the multilayer piezoelectric element shown in FIG. It is sectional drawing of the site
  • FIGS. 1 and 2 in the multilayer piezoelectric element 1 of this example, a plurality of piezoelectric layers 3 and internal electrode layers 5 are alternately stacked, and a part of the end surface of the internal electrode layer 5 is exposed on the side surface.
  • the pair of external electrodes 8 are joined to the side surfaces of the multilayer body 7 and connected to the internal electrode layers 5 respectively.
  • the internal electrode layer 5 has a large number of pores 4 therein, and the pores 4 are not substantially present on the end surfaces exposed at the side surfaces of the multilayer body 7.
  • the piezoelectric layer 3 constituting the laminate 7 is made of a piezoelectric ceramic having piezoelectric characteristics, and is made of a perovskite type oxide made of PbZrO 3 -PbTiO 3 (PZT: lead zirconate titanate), for example. It is.
  • the internal electrode layers 5 are alternately stacked with the piezoelectric layers 3 so as to sandwich the piezoelectric layers 3 from above and below, and the positive electrode and the negative electrode are arranged in the stacking order so that the piezoelectric body sandwiched between them.
  • a driving voltage is applied to the layer 3.
  • the internal electrode layer 5 is made of, for example, a metal such as silver palladium (Ag—Pd).
  • the positive electrode and the negative electrode are alternately led to the opposite side surfaces of the multilayer body 7 and A part of the end surface is exposed and is electrically connected to a pair of external electrodes 8 joined to the side surface of the laminate 7.
  • a stress relaxation layer (not shown) is disposed in part between the piezoelectric layers 3 of the multilayer body 7 instead of the internal electrode layer 5. Since the stress relaxation layer has a lower strength than the internal electrode layer 5 and cracks are likely to occur inside due to the stress, the stress etc. are generated before the internal electrode layer 5 due to the stress generated in the laminated body 7 by driving. Is caused by this, and thereby functions as a layer that relieves stress in the laminate 7.
  • the pores 4 included in the internal electrode layer 5 are substantially formed on the end surfaces exposed on the side surfaces of the multilayer body 7. It does not exist (is not seen) and is not exposed at the end face of the internal electrode layer 5.
  • the pores 4 are not exposed at the end face of the internal electrode layer 5 exposed on the side surface of the multilayer body 7 and are not substantially present (not seen), so that the internal electrode via the external electrode 8 is interposed.
  • the electric field generated by the drive voltage applied to the electrode layer 5 is applied first from the outer periphery (end face) side of the internal electrode layer 5, and then applied to the inner side of the internal electrode layer 5. For this reason, the energization timing on the outer periphery (end face) side matches between the internal electrode layers 5, and the drive timing matches within the surface of each internal electrode layer 5.
  • the layered piezoelectric element 1 becomes difficult to be heated by heat generation.
  • the piezoelectric layer 3 having a temperature dependency on the displacement is not heated, so that the multilayer piezoelectric element 1 can be driven stably.
  • the pores 4 are not substantially present on the exposed end surface of the internal electrode layer 5 and the pores 4 are not exposed, the adsorption of moisture and impurities to the exposed end surface of the internal electrode layer 5 is suppressed, The occurrence of migration of metal components between the internal electrode layers 5 can be prevented.
  • the internal electrode layer 5 has a large number of pores 4, the stress applied to the internal electrode layer 5 during driving can be effectively reduced.
  • a large number of pores 4 included in the internal electrode layer 5 inside the multilayer body 7 have a size of, for example, ⁇ 0.1 to 5 ⁇ m and are distributed in a ratio of 5 to 40% as a porosity.
  • the porosity means the ratio of the area occupied by the pores 4 in the cross section in the direction perpendicular to the stacking direction of the internal electrode layers 5.
  • the porosity inside the internal electrode layer 5 can be set to a desired ratio by a manufacturing method described later.
  • the end surface of the internal electrode layer 5 exposed on the side surface of the multilayer body 7 has a leveled surface by polishing. According to this, it is ensured that the pores 4 are not substantially present on the end surface of the internal electrode layer 5 exposed on the side surface of the multilayer body 7, and the surface of the end surface is leveled and uniform. Therefore, the electric field can be uniformly concentrated from the end face of the internal electrode layer 5 to the outer periphery, and the occurrence of discharge due to the local concentration of the electric field can be prevented.
  • the end surface of the internal electrode layer 5 exposed on the side surface of the multilayer body 7 is parallel to the internal electrode layer 5.
  • the end surface of the internal electrode layer 5 that is softer than the piezoelectric layer 3 is polished by a grindstone by grinding the surface in a direction, and then grinding the surface in a state in which the cutting amount is small (or zero). 7 is formed so that the portion exposed on the side face of 7 is deformed so as to fill the pores 4.
  • the body 7 can be obtained. Note that the pores 4 are not substantially present on the exposed end surface of the internal electrode layer 5 when the end surface of the internal electrode layer 5 is observed with a metal microscope or SEM (scanning microscope).
  • the crystal particles inside the crystal particles constituting the end of the internal electrode layer 5 can be observed. Says that there are no holes. That is, pores that can observe the crystal grains on the inside are pores, and pores that cannot observe the crystal particles on the inside are not included in the pores referred to here.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a portion including the internal electrode layer 5 whose end face is exposed in a cross section parallel to the stacking direction of the multilayer body 7 of the multilayer piezoelectric element 1 shown in FIG.
  • the end portion of the internal electrode layer 5 exposed on the side surface of the multilayer body 7 extends over the side surfaces of the upper and lower piezoelectric layer 3. It is preferable.
  • the cross-sectional shape of the end portion becomes a so-called nail head shape, and the side surface of the multilayer body 7.
  • the formation of a gap between the internal electrode layer 5 and the piezoelectric layer 3 can be suppressed, and therefore, the sealing performance is good at the portion where the end surface of the internal electrode layer 5 is exposed on the side surface of the multilayer body 7. It is preferable in that it becomes a thing.
  • the piezoelectric layer 3 is selectively ground, By performing grinding without grinding, specifically, with a wire saw using fluidized abrasive grains, grinding is performed in a direction parallel to the internal electrode layer 5 with respect to the side surface of the multilayer body 7.
  • the laminated body 7 can be processed into a shape in which the end of the internal electrode layer 5 protrudes from the side surface of the body layer 3.
  • the cutting amount of the grindstone is reduced in the direction parallel to the internal electrode layer 5 with respect to the side surface of the laminated body 7 using a surface grinder or a polygon processing machine, preferably 50 ⁇ m or less, more preferably Is 5 ⁇ m or less, and the end of the internal electrode layer 5 protruding from the side surface of the piezoelectric layer 3 is expanded so as to be crushed up and down by polishing multiple times (preferably 3 times or more). It can be formed by deforming the end of the internal electrode layer 5 so as to spread over the side surface of the piezoelectric layer 3.
  • a piezoelectric ceramic green sheet to be the piezoelectric layer 3 is produced.
  • a ceramic slurry is prepared by mixing a calcined powder of piezoelectric ceramic, a binder made of an organic polymer such as acrylic or butyral, and a plasticizer. Then, by using a tape molding method such as a doctor blade method or a calender roll method, a piezoelectric ceramic green sheet is produced using this ceramic slurry.
  • any material having piezoelectric characteristics may be used.
  • a perovskite oxide made of lead zirconate titanate (PZT: PbZrO 3 -PbTiO 3 ) can be used.
  • a plasticizer dibutyl phthalate (DBP) or dioctyl phthalate (DOP) can be used.
  • an internal electrode layer conductive paste to be the internal electrode layer 5 is prepared.
  • a conductive paste requiring internal electrodes is produced by adding and mixing a binder and a plasticizer to a metal powder of a silver-palladium (Ag—Pd) alloy. In place of the silver-palladium alloy, silver powder and palladium powder may be mixed.
  • a material that disappears or scatters during firing such as acrylic beads, is mixed with the internal electrode conductive paste. Is preferred.
  • the location where the acrylic beads were contained becomes pores 4 after firing and exists inside the internal electrode layer 5.
  • the internal electrode layer conductive paste is applied on the piezoelectric ceramic green sheet in the pattern of the internal electrode layer 5 by, for example, a screen printing method.
  • a stress relaxation layer paste is applied by screen printing with a stress relaxation layer pattern.
  • the pattern of the stress relaxation layer may be formed so as to be the entire surface with respect to a cross section perpendicular to the stacking direction of the stacked body 7, or may be formed to be a partial pattern. It is preferable to print on a pattern provided with a non-formation part, not on the entire surface. Further, in order to reliably prevent the occurrence of a short circuit between the pair of external electrodes 8, it is preferable to form a pattern in which the positive electrode and the negative electrode 8 are divided by non-forming portions.
  • piezoelectric ceramic green sheets coated with the internal electrode layer conductive paste are laminated.
  • the piezoelectric ceramic green sheets coated with the stress relaxation layer paste are laminated at a predetermined interval (the number of piezoelectric ceramic green sheets).
  • piezoelectric ceramic green sheets not coated with a conductive paste may be laminated on the upper and lower sides of these laminates as ends.
  • the piezoelectric layers 3 and the internal electrode layers 5 and a part of the piezoelectric layers are alternately laminated by firing at a temperature of 900 to 1200 ° C.
  • positioned between 3 is produced.
  • polishing is performed on the side surface of the laminate 7 obtained by firing so that the pores 4 are not substantially present on the end surface of the internal electrode layer 5 exposed on the side surface.
  • a surface grinder or a polygon processing machine is used in a direction parallel to the internal electrode layer 5 with respect to the side surface of the laminate 7 where the end surface of the internal electrode layer 5 is exposed.
  • the cutting amount of the grindstone is reduced, preferably 50 ⁇ m or less, more preferably 5 ⁇ m or less, and a plurality of times (preferably (3 times or more) by polishing, only the internal electrode layer 5 softer than the piezoelectric layer 3 is plastically deformed by the grindstone, and the pores 4 exposed on the end face can be blocked.
  • the pores 4 can be substantially absent from the end face of the internal electrode layer 5 exposed on the side surface of the multilayer body 7.
  • the piezoelectric layer 3 is selectively ground and the internal electrode layer 5 is ground not so much by grinding with a wire saw using fluidized abrasive grains.
  • the multilayer body 7 is processed into a shape in which the end portion of the internal electrode layer 5 protrudes from the side surface of the piezoelectric layer 3. be able to.
  • the cutting amount of the grindstone is reduced in the direction parallel to the internal electrode layer 5 with respect to the side surface of the laminated body 7 using a surface grinder or a polygon processing machine, preferably 50 ⁇ m or less, more preferably Is 5 ⁇ m or less, and the end of the internal electrode layer 5 protruding from the side surface of the piezoelectric layer 3 is expanded so as to be crushed up and down by polishing multiple times (preferably 3 times or more).
  • the end portion of the internal electrode layer 5 can be formed so as to spread over the side surface of the piezoelectric layer 3.
  • a silver glass conductive paste containing silver as a main component and containing glass is printed on the side surface where the internal electrode layer 5 of the laminate 7 is derived in the pattern of the external electrode 8 and baked at 650 to 750 ° C.
  • the external electrode 8 is formed.
  • the external lead member 9 is connected and fixed to the surface of the external electrode 8 through the conductive bonding material (solder) 10.
  • a DC electric field of 0.1 to 3 kV / mm is applied to the piezoelectric layer 3 from the external lead member 9 connected to the pair of external electrodes 8 via the external electrode 8 and the internal electrode layer 5 to form the laminate 7.
  • the multilayer piezoelectric element 1 is completed.
  • the multilayer piezoelectric element 1 connects each external electrode 8 and an external power source via an external lead member 9, and applies a driving voltage to the piezoelectric layer 3 via the internal electrode layer 5.
  • the body layer 3 can be greatly 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. 4 is a schematic sectional view showing an example of the embodiment of the injection device of the present invention.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of the above example is stored inside a storage container (container) 23 having an injection hole 21 at one end.
  • a needle valve 25 capable of opening and closing the injection hole 21 is disposed in the storage container 23 in the storage container 23 .
  • a fluid passage 27 is disposed in the injection hole 21 so that it can communicate with the movement of the needle valve 25.
  • the fluid passage 27 is connected to an external fluid supply source, and fluid is always supplied to the fluid passage 27 at a high pressure. Therefore, when the needle valve 25 opens the injection hole 21, the fluid supplied to the fluid passage 27 is discharged from the injection hole 21 to the outside or an adjacent container, for example, a fuel chamber (not shown) of the internal combustion engine. It is configured.
  • the upper end portion of the needle valve 25 is a piston 31 having a larger inner diameter than other portions, and the piston 31 is slidably disposed on the inner wall 29 of the cylindrical storage container 23.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of the present invention of the above-described example is stored.
  • the fluid passage 27 may be opened by applying a voltage to the multilayer piezoelectric element 1 and the fluid passage 27 may be closed by stopping the application of the voltage.
  • the injection device 19 of this example includes a container 23 having an injection hole 21 and the multilayer piezoelectric element 1 of the above example, and the fluid filled in the container 23 is ejected by driving the multilayer piezoelectric element 1. It may be configured to discharge from the hole 21.
  • the multilayer piezoelectric element 1 does not necessarily have to be inside the container 23, as long as the multilayer piezoelectric element 1 is configured to apply pressure for controlling the ejection of fluid to the inside of the container 23 by driving the multilayer piezoelectric element 1. Good.
  • the fluid includes various liquids and gases such as a conductive paste in addition to fuel, ink, and the like.
  • the fuel can be stably supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine such as an engine for a longer period of time than the conventional injection device. It is possible to inject with high accuracy.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of an embodiment of the fuel injection system of the present invention.
  • the fuel injection system 35 of this example includes a common rail 37 that stores high-pressure fuel as a high-pressure fluid, and a plurality of injection devices 19 of the above-described examples that inject the high-pressure fluid stored in the common rail 37.
  • a pressure pump 39 for supplying a high-pressure fluid to the common rail 37 and an injection control unit 41 for supplying a drive signal to the injection device 19 are provided.
  • the injection control unit 41 controls the amount and timing of high-pressure fluid injection based on external information or an external signal. For example, if the fuel injection system 35 of this example is used for fuel injection of the engine, the amount and timing of fuel injection can be controlled while sensing the condition in the combustion chamber of the engine with a sensor or the like.
  • the pressure pump 39 serves to supply fluid fuel from the fuel tank 43 to the common rail 37 at a high pressure. For example, in the case of an engine fuel injection system 35, fluid fuel is fed into the common rail 37 at a high pressure of about 1000 to 2000 atmospheres (about 101 MPa to about 203 MPa), preferably about 1500 to 1700 atmospheres (about 152 MPa to about 172 MPa).
  • the high-pressure fuel sent from the pressure pump 39 is stored and sent to the injection device 19 as appropriate.
  • the injection device 19 injects a certain fluid from the injection hole 21 to the outside or an adjacent container as described above.
  • the target for injecting and supplying fuel is an engine
  • high-pressure fuel is injected in a mist form from the injection hole 21 into the combustion chamber of the engine.
  • the external electrodes 8 in the multilayer piezoelectric element 1 are formed on the two opposite side surfaces of the multilayer body 7 in the above example, but the two external electrodes 8 are formed on the adjacent side surfaces of the multilayer body 7. Alternatively, they may be formed on the same side surface of the laminate 7.
  • the cross-sectional shape in the direction orthogonal to the stacking direction of the stacked body 7 is not limited to the quadrangular shape that is an example of the above embodiment, but a polygonal shape such as a hexagonal shape or an octagonal shape, a circular shape, or a straight line and an arc. You may be the shape which combined.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of this example is used for, for example, a piezoelectric drive element (piezoelectric actuator), a pressure sensor element, a piezoelectric circuit element, and the like.
  • the driving element include a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an inkjet, a precision positioning device such as an optical device, and a vibration prevention device.
  • the sensor element include a combustion pressure sensor, a knock sensor, an acceleration sensor, a load sensor, an ultrasonic sensor, a pressure sensor, and a yaw rate sensor.
  • Examples of the circuit element include a piezoelectric gyro, a piezoelectric switch, a piezoelectric transformer, and a piezoelectric breaker.
  • a piezoelectric actuator provided with the multilayer piezoelectric element of the present invention was produced as follows. First, a ceramic slurry was prepared by mixing calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PZT: PbZrO 3 —PbTiO 3 ) having an average particle size of 0.4 ⁇ m, a binder and a plasticizer. Using this ceramic slurry, a piezoelectric ceramic green sheet serving as a piezoelectric layer having a thickness of 100 ⁇ m was prepared by a doctor blade method. Thereafter, a plasticizer and a binder were added to 20% by volume of acrylic beads added to the silver / palladium alloy powder to the alloy powder made of silver / palladium to prepare a conductive paste for internal electrode layers.
  • PZT lead zirconate titanate
  • this conductive paste for internal electrode layers was applied to a piezoelectric ceramic green sheet by a screen printing method, and 300 sheets of this sheet were laminated.
  • the fired laminate was processed to a predetermined shape with a cutting depth of 100 ⁇ m using a # 600 grindstone, and then the polishing was performed 10 times on the side of the laminate with a cutting depth of 0 ⁇ m. .
  • the side surface of the finished laminate was mirror-finished and the presence or absence of pores in the internal electrode layer partially exposed on the side surface of the laminate was confirmed.
  • % A large number of pores having a substantially uniform distribution and an average size of 3 ⁇ m were present, but no pores were observed at the end exposed on the side surface of the laminate.
  • the exposed end face of the internal electrode layer was smoothed by polishing.
  • a silver glass paste prepared by adding glass, binder and plasticizer to silver powder is printed on the side of the laminate in the pattern of the external electrode, and baked at 700 ° C, and connected to the internal electrode layer. An electrode was formed. Then, a lead wire as an external lead member was connected and fixed to the external electrode using solder as a conductive bonding material. In this manner, a sample (sample number 1) of an example of the multilayer piezoelectric element of the present invention was produced.
  • a sample was produced by processing the fired laminate to a predetermined shape with a cutting depth of 100 ⁇ m using a # 600 grindstone.
  • the side surface of the laminate was similarly mirror finished, and the presence or absence of pores in the internal electrode layer partially exposed on the side surface of the laminate was confirmed.
  • a large number of pores with an average distribution of 3 ⁇ m and an average size of 3 ⁇ m exist in a substantially uniform distribution at a volume percentage, and at the same rate at an average of 20 volume% at the end exposed on the side surface of the laminate. There were many pores of the same size with various distributions.
  • a plane grinder was used to polish the side surface of the laminate from which the end face of the internal electrode layer was exposed, and a large number of pores were exposed on the end face of the internal electrode layer.
  • a laminated body was prepared, and a sample (sample number 2) of a laminated piezoelectric element of a comparative example in which the side surface of the laminated body was coated with a silicone resin was produced.
  • the piezoelectric layer was subjected to polarization treatment by applying a 3 kV / mm direct current electric field to the external electrode through the external lead member for 15 minutes.
  • the laminated piezoelectric element (sample No. 1) of the example of the present invention showed no abnormality even when continuously driven up to 1 ⁇ 10 8 times. This is because there are substantially no pores on the exposed end face of the internal electrode layer, and there are few pores on the outer surface side, so the electric field in the internal electrode layer is applied first from the outer peripheral side, and then inside Since energization is performed, the energization timing on the outer peripheral side between each internal electrode layer matches, the drive timing matches in a plane parallel to the internal electrode layer, and the laminate extends straight even during long-time driving. This is because the laminated piezoelectric element is also difficult to be heated due to heat generation, and the decrease in the displacement amount can be suppressed.
  • the internal electrode layer by reducing the pores on the end face on the outer surface side of the internal electrode layer, it is possible to prevent moisture and impurities from adsorbing on the end face, and to prevent the occurrence of a short circuit between the internal electrode layers on the side surface of the laminate.
  • the stress applied to the internal electrode layer can be relaxed, so that the durability is improved, and the end surface of the internal electrode layer is further improved. This is also because the occurrence of discharge can be prevented by suppressing the concentration of the electric field locally in part, and the sealing property by the end face of the internal electrode layer is good.
  • the external electrode was peeled off from the laminated body by continuous driving 2 ⁇ 10 6 times, and a spark was generated and stopped.

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Abstract

　【課題】　長時間の使用でも変位量が低下せず、また、表面での水分や不純物の吸着を防いでショートの発生を防止することができる積層型圧電素子を提供すること。　【解決手段】　圧電体層３および内部電極層５が交互に複数積層されて側面に内部電極層５の端面の一部が露出している積層体７を有しており、積層体７の側面に一対の外部電極８が接合されてそれぞれ内部電極層５に接続される積層型圧電素子１において、内部電極層５は、内部に多数の気孔４を有しているとともに、積層体７の側面に露出している端面に気孔４が実質的に見られない積層型圧電素子１である。積層体７が真っ直ぐ伸びるようになり、発熱によって加熱されにくくなって、変位量の低下を抑えることができる。また、内部電極層５の端面への水分や不純物の吸着を防ぐことができるので、内部電極層５間のショートの発生を防ぐことができる。

Description

積層型圧電素子およびこれを用いた噴射装置ならびに燃料噴射システム
　本発明は、例えば、駆動素子（圧電アクチュエータ），センサ素子および回路素子等に用いられる積層型圧電素子に関するものである。
　積層型圧電素子は、例えば、圧電体層および内部電極層が交互に積層された積層体と、その積層体の側面に接合されて、交互に異なる極性となるように設定されてそれぞれ側面に導出された内部電極層に電気的に接続された、一対の外部電極とを有している。
　このような積層型圧電素子の内部電極層は、変位量を大きくするときには、積層体の端面に露出する設計とされていた。一方、内部電極層の内部には気孔（ボイド）が含まれるのが通常であり、その気孔の分布は内部電極層の面内で均一であった。
　さらに、積層型圧電素子に対しては、より高周波での駆動に対応できることが求められてきた。
特表2006－518934号公報
　積層型圧電素子を駆動する時の内部電極層における電界は、内部電極層内に存在する気孔に沿って通過するため、気孔の周辺は発熱しやすく、また、内部電極層の外部電極から遠い部分は駆動信号が高周波になるほど通電のタイミングが遅れるので、高周波パルスでの高速駆動においては、内部電極層の面内の駆動タイミングが狂うこととなり、長時間の駆動において積層型圧電素子が真っ直ぐ伸びなくなり、さらに積層型圧電素子が発熱して変位量が低下するという問題点があった。
　また、内部電極層が積層体の側面に露出した端面においては、その端面に存在する気孔にトラップされた水分によって、内部電極層の金属成分が圧電体層の端面に沿って移動してしまうマイグレーションが発生していた。
　そのため、長時間にわたって安定して積層型圧電素子を駆動することが難しくなるという問題点があった。
　本発明は上記の従来技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、長時間の使用でも変位量が低下せず、また、積層体の側面での内部電極層の端面における水分や不純物の吸着を防ぐことができ、それによって積層体の側面における内部電極層間のショートを防止することができて長時間にわたって安定して良好な駆動を行なうことができる積層型圧電素子を提供することにある。
　本発明の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が交互に複数積層されて側面に前記内部電極層の端面の一部が露出している積層体を有しており、該積層体の側面に一対の外部電極が接合されてそれぞれ前記内部電極層に接続される積層型圧電素子において、前記内部電極層は、内部に多数の気孔を有しているとともに、前記積層体の側面に露出している端面に前記気孔が実質的に存在しないことを特徴とするものである。
　また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記積層体の側面に露出している前記内部電極層の端面は、研磨加工によって表面が均されたものであることを特徴とするものである。
　さらに、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記積層体の側面に露出している前記内部電極層の端部は、上下の前記圧電体層の側面にかかって広がっていることを特徴とするものである。
　本発明の噴射装置は、噴射孔を有する容器と、上記いずれかの本発明の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に蓄えられた流体が前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から吐出されることを特徴とするものである。
　そして、本発明の燃料噴射システムは、高圧燃料を蓄えるコモンレールと、該コモンレールに蓄えられた前記高圧燃料を噴射する上記本発明の噴射装置と、前記コモンレールに前記高圧燃料を供給する圧力ポンプと、前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットとを備えたことを特徴とするものである。
　本発明の積層型圧電素子によれば、内部電極層が、内部に多数の気孔を有しているとともに、積層体の側面に露出している端面に気孔が実質的に存在しないことから、内部に比べて端面側の気孔が少ないので、内部電極層に対する電界が外周（端面）側から先に印加され、その後、内部電極層の内部側に印加されることとなる。そのため、各内部電極層間において外周（端面）側の通電タイミングが一致して、駆動タイミングが各内部電極層の面内で一致することとなり、長時間の使用でも積層型圧電素子が真っ直ぐ伸びるようになり、積層型圧電素子も発熱によって加熱されにくくなって、変位量の低下も抑えることができる。
　また、積層体の側面に露出している内部電極層の端面に気孔が実質的に存在しないことから、内部電極層の端面への水分や不純物の吸着を防ぐことができるので、積層体の側面における内部電極層間のショートの発生を防ぐことができる。また、内部電極層の内部には気孔を有していることから、気孔が存在することで内部電極層に加わる応力を緩和することできるので、積層型圧電素子を長時間にわたって安定して良好に駆動することができ、耐久性が向上する。
　本発明の噴射装置によれば、噴出孔を有する容器と、上記本発明の積層型圧電素子とを備え、容器内に充填された液体が積層型圧電素子の駆動により噴射孔から吐出されることから、耐久性に優れた本発明の積層型圧電素子を用いているため、耐久性に優れた噴射装置となる。
　本発明の燃料噴射システムによれば、高圧燃料を蓄えるコモンレールと、このコモンレールに蓄えられた高圧燃料を噴射する上記本発明の噴射装置と、コモンレールに高圧燃料を供給する圧力ポンプと、噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットとを備えたことから、耐久性に優れた本発明の積層型圧電素子を用いた本発明の噴射装置を用いているため、耐久性に優れた燃料噴射システムとなる。
本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す斜視図である。 図１に示す積層型圧電素子の積層体の積層方向に平行な断面における、端面が露出した内部電極層を含む部位の断面図である。 図１に示す積層型圧電素子の積層体の積層方向に平行な断面における、端面が露出した内部電極層を含む部位の断面図である。 本発明の噴射装置の実施の形態の一例を示す概略的な断面図である。 本発明の燃料噴射システムの実施の形態の一例を示す概略的なブロック図である。
　以下、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の例について図面を参照して詳細に説明する。
　図１は本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す斜視図であり、図２は図１に示す積層型圧電素子の積層体の積層方向に平行な断面における、端面が露出した内部電極層を含む部位の断面図である。図１および図２に示すように、本例の積層型圧電素子１においては、圧電体層３および内部電極層５が交互に複数積層されて側面に内部電極層５の端面の一部が露出している積層体７を有しており、この積層体７の側面に一対の外部電極８が接合されてそれぞれ内部電極層５に接続されている。このとき、内部電極層５は、内部に多数の気孔４を有しているとともに、積層体７の側面に露出している端面に気孔４が実質的に存在しない。
　積層体７を構成する圧電体層３は、圧電特性を有する圧電セラミックスからなるものであり、例えばＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３（ＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛）等からなるペロブスカイト型酸化物等からなるものである。また、内部電極層５は、圧電体層３と交互に積層されて圧電体層３を上下から挟んでおり、積層順に正極および負極が配置されることにより、それらの間に挟まれた圧電体層３に駆動電圧を印加するものである。内部電極層５は、例えば銀パラジウム（Ａｇ－Ｐｄ）等の金属からなるものであり、本例では正極および負極（もしくはグランド極）がそれぞれ積層体７の対向する側面に互い違いに導出されてその端面の一部が露出しており、積層体７の側面に接合された一対の外部電極８に電気的に接続されている。
　また、積層体７の圧電体層３間の一部には、内部電極層５に代えて応力緩和層（図示せず）が配置されている。この応力緩和層は、内部電極層５よりも強度が低く、応力によって内部にクラックが発生しやすいことから、駆動に伴って積層体７に発生する応力によって内部電極層５よりも先にクラック等による破壊が生じるものであり、それによって積層体７内において応力を緩和する層として機能するものである。
　そして、本発明の積層型圧電素子１においては、図２に示すように、内部電極層５が内部に有している気孔４は、積層体７の側面に露出している端面に実質的に存在せず（見られず）、内部電極層５の端面に露出していないことを特徴とするものである。
　このように、積層体７の側面に露出している内部電極層５の端面に気孔４が露出しておらず、実質的に存在しない（見られない）ことによって、外部電極８を介して内部電極層５に印加された駆動電圧による電界が内部電極層５の外周（端面）側から先に印加され、その後、内部電極層５の内部側に印加されることとなる。そのため、各内部電極層５間において外周（端面）側の通電タイミングが一致して、駆動タイミングが各内部電極層５の面内で一致することとなり、長時間の使用でも積層型圧電素子１が真っ直ぐ伸びるようになり、積層型圧電素子１も発熱によって加熱されにくいようになる。そして、変位量に温度依存性のある圧電体層３が加熱されないことで、積層型圧電素子１は安定駆動することができる。さらに、内部電極層５の露出する端面に気孔４が実質的に存在せず、気孔４が露出していないことから、内部電極層５の露出する端面に対する水分や不純物の吸着を抑制して、内部電極層５間での金属成分のマイグレーションの発生を防止することができる。また、内部電極層５の内部には多数の気孔４を有していることで、駆動時に内部電極層５に加わる応力を効果的に緩和することができる。
　積層体７の内部において内部電極層５が内部に有している多数の気孔４は、例えばφ0.1～５μｍの大きさで、気孔率として５～40％の比率で全体に分布している。ここで、気孔率とは、内部電極層５の積層方向に垂直な方向の断面において気孔４の占める面積の割合をいう。内部電極層５の内部における気孔率は、後述する製造方法によって所望の比率とすることができる。具体的には、内部電極層５となる内部電極層用導電性ペーストに、焼成中に消失あるいは飛散するような物質、例えばアクリルビーズ等の樹脂粉末やカーボン粉末などを添加し混合することにより、所望の比率の気孔率で内部に多数の気孔４を有する内部電極層５が得られる。
　本発明の積層型圧電素子１において、積層体７の側面に露出している内部電極層５の端面は、研磨加工によって表面が均されたものであることが好ましい。これによれば、積層体７の側面に露出した内部電極層５の端面に気孔４が実質的に存在しないものに確実になるとともに、端面の表面が均されて一様な状態になっているので、内部電極層５の端面から外周に電界を一様に集中させることができ、電界の局所的な集中による放電の発生を防ぐことが可能となる。
　ここで、研摩加工によって、内部電極層５の端面の表面を均すためには、始めに積層体７の側面に露出している内部電極層５の端面に対して内部電極層５と平行な方向に研削加工を行ない、その後、切り込み量を少なく（もしくは、ゼロに）した状態で表面を研削することにより、圧電体層３よりも柔らかい内部電極層５の端面が砥石によって研磨され、積層体７の側面に露出した部分が気孔４を埋めるように変形し、その結果、表面が均された、積層体７の側面に露出した内部電極層５の端面に気孔４が実質的に存在しない積層体７を得ることができる。なお、内部電極層５の露出する端面に気孔４が実質的に存在しないとは、内部電極層５の端面を金属顕微鏡あるいはＳＥＭ（走査型顕微鏡）で観察したとき、内部電極層５を構成する結晶粒子同士の間に、研磨に起因するような結晶粒子径よりも大きな段差を観察することができても、内部電極層５の端部を構成する結晶粒子の内側にある結晶粒子を観察できる孔が存在しないことを言う。すなわち、内側にある結晶粒子を観察できる孔が気孔（ボイド）であり、内側にある結晶粒子を観察できない孔はここで言う気孔（ボイド）には含まれない。
　次に、図３は、図１に示す積層型圧電素子１の積層体７の積層方向に平行な断面における、端面が露出した内部電極層５を含む部位の断面図である。本発明の積層型圧電素子１は、図３に示すように、積層体７の側面に露出している内部電極層５の端部は、上下の圧電体層３の側面にかかって広がっていることが好ましい。内部電極層５の端部が積層体７の側面において上下の圧電体層３の側面にかかって広がっているときには、その端部の断面形状がいわゆるネイルヘッド状となって、積層体７の側面において内部電極層５と圧電体層３との間に隙間が生じることを抑制することができるので、積層体７の側面において内部電極層５の端面が露出している部分におけるシール性が良好なものとなる点で好ましい。
　また、上下の圧電体層３の側面にかかって広がっているように内部電極層５の端部を形成するには、まず、圧電体層３を選択的に研削し、内部電極層５をあまり研削しない研削加工をすることによって、具体的には、流動砥粒を用いたワイヤーソーにて、積層体７の側面に対して内部電極層５と平行な方向に研削加工をすることによって、圧電体層３の側面から内部電極層５の端部が突出した形状に積層体７を加工することができる。その後、前述のように、平面研削盤やポリゴン加工機を用いて、積層体７の側面に対して内部電極層５と平行な方向に、砥石の切り込み量を少なく、好ましくは50μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下にして、複数回（好ましくは、３回以上）の研摩加工を行なうことによって、圧電体層３の側面から突出した内部電極層５の端部を上下に押しつぶすように広げて、上下の圧電体層３の側面にかかって広がるように内部電極層５の端部を変形させることよって形成することができる。
　次に、本例の積層型圧電素子１の製造方法の例について説明する。
　まず、圧電体層３となる圧電セラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系またはブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合して、セラミックスラリーを作製する。そして、ドクターブレード法あるいはカレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このセラミックスラリーを用いて圧電セラミックグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては圧電特性を有するものであればよく、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３）からなるペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）またはフタル酸ジオチル（ＤＯＰ）等を用いることができる。
　次に、内部電極層５となる内部電極層用導電性ペーストを作製する。具体的には、例えば銀－パラジウム（Ａｇ－Ｐｄ）合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって、内部電極要導電性ペーストを作製する。なお、銀－パラジウム合金に代えて銀粉末とパラジウム粉末とを混合してもよい。
　ここで、内部電極層５の内部に効果的に多数の気孔４を形成するためには、内部電極用導電性ペーストに、焼成時に消失あるいは飛散する物質、例えばアクリルビーズ等を混合しておくことが好ましい。アクリルビーズが含まれていた箇所は、焼成後に気孔４となって内部電極層５の内部に存在するものとなる。
　次に、内部電極層用導電性ペーストを、上記の圧電セラミックグリーンシート上に、内部電極層５のパターンで、例えばスクリーン印刷法にて塗布する。
　さらに、別の圧電セラミックグリーンシート上に、応力緩和層用ペーストを応力緩和層のパターンでスクリーン印刷法にて塗布する。この応力緩和層のパターンは、積層体７の積層方向に垂直な断面に対して全面となるように形成してもよいし、部分的なパターンとなるように形成してもよい。好ましくは、全面ではなく、非形成部を設けたパターンに印刷するのがよい。さらに、一対の外部電極８間でのショートの発生を確実に防止する点では、正極および負極の外部電極８間が非形成部によって分割されているパターンで形成することが好ましい。
　次に、内部電極層用導電性ペーストが塗布された圧電セラミックグリーンシートを所定枚数積層する。このとき、所定の間隔（圧電セラミックグリーンシートの枚数）をおいて、応力緩和層用ペーストが塗布された圧電セラミックグリーンシートを積層しておく。また、それらの積層体の上下に、導電性ペーストが塗布されていない圧電セラミックグリーンシートを端部として積層しておいてもよい。
　そして、これに所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、900～1200℃の温度で焼成することによって、交互に積層された圧電体層３および内部電極層５と、一部の圧電体層３間に配置された応力緩和層とを備えた積層体７を作製する。
　次に、焼成して得られた積層体７の側面に、側面に露出している内部電極層５の端面に実質的に気孔４が存在しないように研磨加工を施す。具体的には、内部電極層５の端面が露出している積層体７の側面に対して、内部電極層５と平行な方向に、平面研削盤やポリゴン加工機を用い、例えば番手が＃200～＃1000の砥石を用いて、積層体７が所定の形状となるまで研削を行なった後、砥石の切り込み量を少なく、好ましくは50μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下にして、複数回（好ましくは、３回以上）の研摩加工を行なうことによって、圧電体層３よりも柔らかい内部電極層５のみが砥石によって塑性変形し、その端面に露出していた気孔４を塞ぐことができ、それによって、積層体７の側面に露出している内部電極層５の端面に、気孔４が実質的に存在しないようにすることができる。
　さらに、図３に示すように、積層体７の側面に露出している内部電極層５の端部を、上下の圧電体層３の側面にかかって広がっているように形成するには、焼成して得られた積層体７に対して、圧電体層３を選択的に研削し、内部電極層５をあまり研削しない研削加工を、具体的には、流動砥粒を用いたワイヤーソーにて、積層体７の側面に対して内部電極層５と平行な方向に研削加工をすることによって、圧電体層３の側面から内部電極層５の端部が突出した形状に積層体７を加工することができる。その後、前述のように、平面研削盤やポリゴン加工機を用いて、積層体７の側面に対して内部電極層５と平行な方向に、砥石の切り込み量を少なく、好ましくは50μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下にして、複数回（好ましくは、３回以上）の研摩加工を行なうことによって、圧電体層３の側面から突出した内部電極層５の端部を上下に押しつぶすように広げて、上下の圧電体層３の側面にかかって広がるように内部電極層５の端部を形成することができる。
　その後、銀を主成分とし、ガラスを含む銀ガラス導電性ペーストを、外部電極８のパターンで積層体７の内部電極層５が導出された側面に印刷し、650～750℃で焼き付けを行なって、外部電極８を形成する。
　次に、導電性接合材（半田）10を介して外部リード部材９を外部電極８の表面に接続して固定する。
　その後、一対の外部電極８にそれぞれ接続した外部リード部材９から外部電極８および内部電極層５を介して圧電体層３に0.1～３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体７を構成する圧電体層３を分極することによって、積層型圧電素子１が完成する。この積層型圧電素子１は、外部リード部材９を介して外部電極８と外部の電源とを接続して、内部電極層５を介して圧電体層３に駆動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、本発明の噴射装置の実施の形態の例について説明する。図４は、本発明の噴射装置の実施の形態の一例を示す概略断面図である。
　図４に示すように、本例の噴射装置19は、一端に噴射孔21を有する収納容器（容器）23の内部に上記の例の積層型圧電素子１が収納されている。
　収納容器23内には、噴射孔21を開閉することができるニードルバルブ25が配設されている。噴射孔21には流体通路27がニードルバルブ25の動きに応じて連通可能になるように配設されている。この流体通路27は外部の流体供給源に連結され、流体通路27に常時高圧で流体が供給されている。従って、ニードルバルブ25が噴射孔21を開放すると、流体通路27に供給されていた流体が外部または隣接する容器、例えば内燃機関の燃料室（図示せず）に、噴射孔21から吐出されるように構成されている。
　また、ニードルバルブ25の上端部は、他の部位よりも内径の大きなピストン31であり、このピストン31はシリンダ状の収納容器23の内壁29と摺動可能に配置されている。そして、収納容器23内には、上述した例の本発明の積層型圧電素子１が収納されている。
　このような噴射装置19では、積層型圧電素子１が電圧を印加されて伸長すると、ピストン31が押圧され、ニードルバルブ25が噴射孔21に通じる流体通路27を閉塞し、流体の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると積層型圧電素子１が収縮し、皿バネ33がピストン31を押し返し、流体通路27が開放され噴射孔21が流体通路27と連通して、噴射孔21から流体の噴射が行なわれるようになっている。
　なお、積層型圧電素子１に電圧を印加することによって流体通路27を開放し、電圧の印加を停止することによって流体通路27を閉鎖するように構成してもよい。
　また、本例の噴射装置19は、噴射孔21を有する容器23と、上記の例の積層型圧電素子１とを備え、容器23内に充填された流体を積層型圧電素子１の駆動により噴射孔21から吐出させるように構成されていてもよい。すなわち、積層型圧電素子１が必ずしも容器23の内部にある必要はなく、積層型圧電素子１の駆動によって容器23の内部に流体の噴射を制御するための圧力が加わるように構成されていればよい。なお、本例の噴射装置19において、流体とは、燃料，インク等の他、導電性ペースト等の種々の液体および気体が含まれる。本例の噴射装置19を用いることによって、流体の流量および噴出タイミングを長期にわたって安定して制御することができる。
　上記の例の積層型圧電素子１を採用した本例の噴射装置19を内燃機関に用いれば、従来の噴射装置に比べてエンジン等の内燃機関の燃焼室に燃料をより長い期間にわたって安定して精度よく噴射させることができる。
　次に、本発明の燃料噴射システムの実施の形態の例について説明する。図５は、本発明の燃料噴射システムの実施の形態の一例を示す概略図である。
　図５に示すように、本例の燃料噴射システム35は、高圧流体としての高圧燃料を蓄えるコモンレール37と、このコモンレール37に蓄えられた高圧流体を噴射する複数の上記の例の噴射装置19と、コモンレール37に高圧流体を供給する圧力ポンプ39と、噴射装置19に駆動信号を与える噴射制御ユニット41とを備えている。
　噴射制御ユニット41は、外部情報または外部からの信号に基づいて高圧流体の噴射の量およびタイミングを制御する。例えば、エンジンの燃料噴射に本例の燃料噴射システム35を用いた場合であれば、エンジンの燃焼室内の状況をセンサ等で感知しながら燃料噴射の量およびタイミングを制御することができる。圧力ポンプ39は、燃料タンク43から流体燃料を高圧でコモンレール37に供給する役割を果たす。例えばエンジンの燃料噴射システム35の場合には1000～2000気圧（約101ＭＰａ～約203ＭＰａ）程度、好ましくは1500～1700気圧（約152ＭＰａ～約172ＭＰａ）程度の高圧にしてコモンレール37に流体燃料を送り込む。コモンレール37では、圧力ポンプ39から送られてきた高圧燃料を蓄え、噴射装置19に適宜送り込む。噴射装置19は、前述したように噴射孔21から一定の流体を外部または隣接する容器に噴射する。例えば、燃料を噴射供給する対象がエンジンの場合には、高圧燃料を噴射孔21からエンジンの燃焼室内に霧状に噴射する。
　なお、本発明は、上記の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行なうことは何ら差し支えない。例えば、積層型圧電素子１における外部電極８は、上記の例では積層体７の対向する２つの側面に１つずつ形成したが、２つの外部電極８を積層体７の隣り合う側面に形成してもよいし、積層体７の同一の側面に形成してもよい。また、積層体７の積層方向に直交する方向における断面の形状は、上記の実施の形態の例である四角形状以外に、六角形状や八角形状等の多角形状、円形状、あるいは直線と円弧とを組み合わせた形状であっても構わない。
　本例の積層型圧電素子１は、例えば、圧電駆動素子（圧電アクチュエータ），圧力センサ素子および圧電回路素子等に用いられる。駆動素子としては、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置，インクジェットのような液体噴射装置，光学装置のような精密位置決め装置，振動防止装置が挙げられる。センサ素子としては、例えば、燃焼圧センサ，ノックセンサ，加速度センサ，荷重センサ，超音波センサ，感圧センサおよびヨーレートセンサが挙げられる。また、回路素子としては、例えば、圧電ジャイロ，圧電スイッチ，圧電トランスおよび圧電ブレーカーが挙げられる。
　本発明の積層型圧電素子の実施例について以下に説明する。
　本発明の積層型圧電素子を備えた圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。まず、平均粒径が0.4μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダーおよび可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製した。このセラミックスラリーを用いてドクターブレード法により厚み100μｍの圧電体層となる圧電セラミックグリーンシートを作製した。その後、銀パラジウムからなる合金粉末に、アクリルビーズを銀パラジウム合金に対して20体積％添加したものに、可塑剤およびバインダーを添加し、内部電極層用導電性ペーストを作製した。
　次に、この内部電極層用導電性ペーストを圧電セラミックグリーンシートにスクリーン印刷法によって塗布し、このシートを300枚積層した。
　そして、これを980～1100℃で焼成することにより積層体を得た。
　次に、焼成した積層体を番手が＃600の砥石を用いて、切り込み量を100μｍとして所定の形状まで加工した後、切り込み量を０μｍとして、積層体の側面に10回の研摩加工を行なった。
　このようにして、内部電極層の内部に多数の気孔を有しているとともに、積層体の側面に露出している内部電極層の端面には気孔が実質的に存在しないようにした積層体を得た。
　次に、出来上がった積層体の側面を鏡面仕上げ加工して、積層体の側面に一部が露出している内部電極層について気孔の有無を確認したところ、内部電極層の内部には平均20体積％の割合でほぼ一様な分布で大きさが平均３μｍの多数の気孔が存在していたが、積層体の側面に露出している端部には気孔は見られなかった。このとき、内部電極層の露出している端面は、研磨加工によって表面が均されたものであった。
　次に、銀粉末にガラス，バインダーおよび可塑剤を添加して作製した銀ガラスペーストを外部電極のパターンで積層体の側面に印刷し、700℃で焼き付けを行ない、内部電極層に接続された外部電極を形成した。そして、この外部電極に、導電性接合材として半田を用いて外部リード部材としてリード線を接続固定した。このようにして、本発明の積層型圧電素子の実施例の試料（試料番号１）を作製した。
　一方、比較例として、焼成した積層体を番手が＃600の砥石を用いて、切り込み量を100μｍとして所定の形状まで加工した試料を作製した。この試料について、同様に積層体の側面を鏡面仕上げ加工して、積層体の側面に一部が露出している内部電極層について気孔の有無を確認したところ、内部電極層の内部には平均20体積％の割合でほぼ一様な分布で大きさが平均３μｍの多数の気孔が存在しており、積層体の側面に露出している端部にも同様に平均20体積％の割合でほぼ一様な分布で同じ大きさの多数の気孔が存在していた。
　次に、この比較例の試料を用い、平面研作盤を用いて、内部電極層の端面を露出させた積層体の側面を研磨加工して多数の気孔が内部電極層の端面に露出している積層体を作製し、この積層体の側面をシリコーン樹脂にてコートした比較例の積層型圧電素子の試料（試料番号２）を作製した。
　次に、これら試料番号１，２の積層型圧電素子について、外部リード部材を介して外部電極に３ｋＶ／ｍｍの直流電界を15分間印加して、圧電体層の分極処理を行なった。
　その後、これら試料番号１，２の積層型圧電素子に、それぞれ150℃の雰囲気下で、０Ｖ～＋160Ｖの交流電圧を150Ｈｚの周波数で印加して、１×10８回まで連続駆動して耐久性試験を行なった。得られた結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、本発明の実施例の積層型圧電素子（試料番号１）では、１×10８回まで連続駆動しても、異常は見られなかった。これは、内部電極層において露出している端面には気孔が実質的に見られず、外表面側の気孔が少ないので、内部電極層における電界が外周側から先に印加され、その後、内部に通電されることとなるため、各内部電極層間での外周側の通電タイミングが一致して、駆動タイミングが内部電極層と平行な面内で一致し、長時間の駆動においても積層体が真っ直ぐ伸び、積層型圧電素子も発熱によって加熱されにくくなって、変位量の低下も抑えることができたためである。
　また、内部電極層について外表面側である端面の気孔を少なくしたことにより、端面における水分や不純物の吸着を防ぐことができ、積層体の側面における内部電極層間のショートの発生を防ぐことができ、一方で内部電極層の内部には気孔が多数存在していることで内部電極層に加わる応力を緩和することができるので、耐久性が向上するためであり、さらに、内部電極層の端面の一部に局所的に電界が集中するようなことを抑制して放電の発生を防ぐことができ、内部電極層の端面によるシール性が良好となっているためでもある。
　他方、比較例の積層型圧電素子（試料番号２）の場合は、２×10６回の連続駆動で外部電極が積層体から剥離し、スパークが発生して、ストップしてしまった。
　１・・・積層型圧電素子
　３・・・圧電体層
　４・・・気孔
　５・・・内部電極層
　７・・・積層体
　８・・・外部電極
　９・・・外部リード部材
　19・・・噴射装置
　21・・・噴射孔
　23・・・収納容器（容器）
　25・・・ニードルバルブ
　27・・・流体通路
　29・・・シリンダ
　31・・・ピストン
　33・・・皿バネ
　35・・・燃料噴射システム
　37・・・コモンレール
　39・・・圧力ポンプ
　41・・・噴射制御ユニット
　43・・・燃料タンク

Claims (5)

  1. 　圧電体層および内部電極層が交互に複数積層されて側面に前記内部電極層の端面の一部が露出している積層体を有しており、該積層体の側面に一対の外部電極が接合されてそれぞれ前記内部電極層に接続される積層型圧電素子において、前記内部電極層は、内部に多数の気孔を有しているとともに、前記積層体の側面に露出している端面に前記気孔が実質的に存在しないことを特徴とする積層型圧電素子。
  2. 　前記積層体の側面に露出している前記内部電極層の端面は、研磨加工によって表面が均されたものであることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
  3. 　前記積層体の側面に露出している前記内部電極層の端部は、上下の前記圧電体層の側面にかかって広がっていることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
  4. 　噴射孔を有する容器と、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に蓄えられた流体が前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から吐出されることを特徴とする噴射装置。
  5. 　高圧燃料を蓄えるコモンレールと、該コモンレールに蓄えられた前記高圧燃料を噴射する請求項４に記載の噴射装置と、前記コモンレールに前記高圧燃料を供給する圧力ポンプと、前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットとを備えたことを特徴とする燃料噴射システム。
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