WO2012115230A1 - 積層型圧電素子およびこれを備え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備えた噴射装置ならびに燃料噴射システム Download PDF

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WO2012115230A1
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WO
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piezoelectric element
external electrode
electrode member
conductive adhesive
multilayer piezoelectric
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PCT/JP2012/054577
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English (en)
French (fr)
Inventor
加藤　剛
Original Assignee
京セラ株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • 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
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/872—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices

Definitions

  • the present invention relates to a laminated piezoelectric element used as, for example, a piezoelectric driving element (piezoelectric actuator), a pressure sensor element, a piezoelectric circuit element, and the like, an injection device including the same, and a fuel injection system.
  • a piezoelectric driving element piezoelectric actuator
  • a pressure sensor element a piezoelectric sensor
  • a piezoelectric circuit element a piezoelectric circuit element
  • a conventional multilayer piezoelectric element includes a multilayer body 107 in which a piezoelectric layer 103 and an internal electrode 105 are stacked, and is provided on a side surface of the multilayer body 107 to electrically connect with the internal electrode 105. And a connected metallized layer 108.
  • a lead member 114 for applying a voltage to the metallized layer is connected and fixed to a part of the surface of the metallized layer 108 using solder and a conductive adhesive 110.
  • the lead member 114 is a highly rigid pin for use as a connector (see Patent Document 1).
  • the multilayer piezoelectric element 101 described in Patent Document 1 is continuously driven when used in a fuel injection device (injector) such as an internal combustion engine of an automobile, that is, with a high electric field and high pressure applied for a long time.
  • a fuel injection device injector
  • the stress load of the metallized layer 108 is generated between the joined region of the lead member 114 and the unjoined region of the lead member 114. Since the states are different, there is a risk that the stress resulting from the vibration that has driven the multilayer piezoelectric element 101 may cause cracks from the joint portion between the metallized layer 108 and the lead member 114 to the multilayer body 107 and prevent stable driving. is there.
  • the present invention has been devised in view of the above-mentioned conventional problems, and its purpose is to suppress the generation of cracks from the joint portion of the lead member to the laminate, and to stably drive for a long period of time.
  • a piezoelectric element, an injection device including the piezoelectric element, and a fuel injection system are provided.
  • the multilayer piezoelectric element of the present invention includes a laminate in which a piezoelectric layer and an internal electrode are laminated, a metallized layer provided on a side surface of the laminate and electrically connected to the internal electrode, It includes an external electrode member provided on a conductive adhesive layer thereon, and a lead member joined to the external electrode member.
  • An ejection device includes a container having an ejection hole and the multilayer piezoelectric element according to the present invention, and fluid stored in the container is discharged from the ejection hole by driving the multilayer piezoelectric element. It is characterized by this.
  • 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, and the injection And an injection control unit for supplying a drive signal to the apparatus.
  • the external electrode member and the metallized layer can be bonded by the conductive adhesive layer that forms a large-area bonding region as compared with the case where the lead member is directly bonded to the metallized layer. Because the external electrode member can function as a buffer layer to disperse the stress caused by vibration generated when the multilayer piezoelectric element is driven, the joint between the multilayer body and the lead member is cracked. Can be stably driven for a long time without peeling of the external electrode member.
  • the laminated piezoelectric element can be stably driven for a long period of time, so that a desired fluid can be ejected stably over a long period of time.
  • desired injection of high-pressure fuel can be stably performed over a long period of time.
  • (A) is a partial transmission top view which shows the other example of embodiment of the lamination type piezoelectric element of this invention
  • (b) is an expanded sectional view of the principal part shown to (a). It is an expanded sectional view showing an important section of other examples of an embodiment of a lamination type piezoelectric element of the present invention. It is an expanded sectional view showing an important section of other examples of an embodiment of a lamination type piezoelectric element of the present invention. It is an expanded sectional view showing an important section of other examples of an embodiment of a lamination type piezoelectric element of the present invention. It is a rough sectional view showing an example of an embodiment of an injection device of the present invention. It is a schematic block diagram which shows an example of embodiment of the fuel-injection system of this invention. It is a perspective view which shows an example of the conventional lamination type piezoelectric element.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a multilayer piezoelectric element of the present invention.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of the present embodiment includes a piezoelectric layer 3 and internal electrodes. 5, a metallized layer 8 provided on a side surface of the laminated body 7 and electrically connected to the internal electrode 5, and a conductive adhesive layer 10 provided on the metallized layer 8.
  • the external electrode member 12 and the lead member 14 joined to the external electrode member 12 are included.
  • a multilayer body 7 constituting the multilayer piezoelectric element 1 is a non-constituted structure composed of an active portion in which a plurality of piezoelectric layers 3 and internal electrodes 5 are alternately stacked, and piezoelectric layers 3 provided at both ends of the active portion in the stacking direction.
  • it is formed in a rectangular parallelepiped shape having a length of 0.5 to 10 mm, a width of 0.5 to 10 mm, and a height of 1 to 100 mm.
  • the piezoelectric layer 3 constituting the multilayer body 7 is formed of ceramics having piezoelectric characteristics.
  • ceramics for example, a perovskite oxide made of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ), Lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), or the like can be used.
  • the thickness of the piezoelectric layer 3 is, for example, 3 to 250 ⁇ m.
  • the internal electrodes 5 constituting the multilayer body 7 are formed by simultaneous firing with the ceramics forming the piezoelectric layer 3, and are alternately stacked with the piezoelectric layers 3 so as to sandwich the piezoelectric layers 3 from above and below, By arranging the positive electrode and the negative electrode in the stacking order, a driving voltage is applied to the piezoelectric layer 3 sandwiched between them.
  • this forming material for example, a conductor mainly composed of a silver-palladium alloy having low reactivity with piezoelectric ceramics, or a conductor containing copper, platinum, or the like can be used. In the example shown in FIG.
  • the positive electrode and the negative electrode are led out alternately to a pair of opposite side surfaces of the laminate 7, and electrically connected to the pair of metallized layers 8 provided on the side surfaces of the laminate 7. It is connected to the.
  • the thickness of the internal electrode 5 is, for example, 0.1 to 5 ⁇ m.
  • the pair of metallized layers 8 provided on the side surfaces of the laminate 7 and electrically connected to the internal electrodes 5 are formed by applying and baking a paste made of silver and glass, for example.
  • a paste made of silver and glass for example.
  • the thickness of the metallized layer 8 is, for example, 5 to 500 ⁇ m.
  • An external electrode member 12 is provided on the metallized layer 8 via a conductive adhesive layer 10.
  • the laminated piezoelectric element 1 of the present invention has the metallized layer 8 formed of the conductive adhesive layer 10.
  • the external electrode member 12 having a size so as to cover is joined.
  • the conductive adhesive layer 10 is formed in a larger area than the conventional conductive adhesive. Therefore, the stress applied to the metallized layer 8 can be dispersed more than before, and the generation of cracks from the joint portion of the lead member 14 to the laminate 7 can be suppressed.
  • Examples of the conductive adhesive layer 10 used here include a layer made of an epoxy resin or a polyimide resin containing a metal powder having good conductivity such as Ag powder or Cu powder. By being made of such a material, stress can be relieved using elastic characteristics, and driving can be performed for a long time.
  • the conductive adhesive layer 10 is formed to a thickness of, for example, 5 to 500 ⁇ m.
  • the external electrode member 12 is, for example, a plate-shaped or wire-mesh-shaped member that is wider than the lead member 14 made of a metal such as copper, iron, stainless steel, phosphor bronze, etc. It is formed.
  • the external electrode member 12 may be plated with tin or silver in order to improve electrical conductivity and thermal conductivity.
  • the external electrode member 12 extends to the outside of the end surface of the conductive adhesive layer 10 in the stacking direction, and the joint between the external electrode member 12 and the lead member 14 is conductively bonded. It is preferably located outside the end face of the agent layer 10. According to this configuration, since the lead member 14 is bonded to a free region that is not fixed by the conductive adhesive layer 10 of the external electrode member 12, even if the lead member 14 moves, stress is directly applied to the laminate 7. In addition, the multilayer piezoelectric element 1 can be driven without causing cracks in the multilayer body 7 for a longer period of time.
  • the external electrode member 12 extends to the outside of the end surface of the multilayer body 7 in the stacking direction, and the joint between the external electrode member 12 and the lead member 14 is from the end surface of the multilayer body 7. Is also preferably located outside. According to this configuration, the stress applied when the lead member 14 moves is further suppressed from being applied to the multilayer body 7 as compared with the configuration of FIG. 3, and the multilayer piezoelectric element 1 can be driven for a longer period of time.
  • the multilayer piezoelectric element 1 when used for automobiles, it may resonate with vibration around the multilayer piezoelectric element 1, but the joint between the external electrode member 12 and the lead member 14 is used as the end face of the multilayer body 7. Since the lead member 14 functions as a weight for preventing vibration by being positioned on the outer side, resonance can be prevented, so that the multilayer piezoelectric element 1 can be driven stably over a longer period of time.
  • the multilayer piezoelectric element 1 includes a lead member 14 joined to the external electrode member 12.
  • the lead member 14 is for connecting the external electrode member 12 and an external circuit, and includes, for example, a pin formed of copper, iron, stainless steel, phosphor bronze or the like. Moreover, plating, such as tin and silver, may be given. Examples of the cross-sectional shape of the pin include a circular shape having a diameter of 100 to 1000 ⁇ m and a rectangular shape having a side length of 200 to 1000 ⁇ m.
  • the vibration direction transmitted to the lead member 14 is also the driving direction of the multilayer piezoelectric element 1. Therefore, even when a connector or the like is joined to the lead member 14, there is no fear that the connector will loosen due to vibrations or cause contact failure and spark.
  • the joining method of the external electrode member 12 and the lead member 14 includes joining by solder or conductive adhesive, welding, etc., but it is preferable to join by welding in order to make it difficult to come off and drive for a long period of time. .
  • the conductive adhesive layer 10 functions as a buffer layer and can relieve stress, no cracks occur at the joint between the laminate 7 and the lead member 14, and the external electrode member 12 can be peeled off. And can be driven stably for a long time.
  • the external electrode member 12 has a corrugated plate shape (longitudinal section corrugated shape) as shown in FIG. 4, a wire net shape (mesh shape) knitted with a linear metal as shown in FIG.
  • the conductive adhesive layer 10 can be freely deformed in accordance with the driving of the multilayer piezoelectric element 1, so that the function as a buffer layer is further enhanced.
  • stress can be relieved, so that cracks do not occur at the joint between the laminate 7 and the lead member 14, and the external electrode member 12 does not peel off, and can be driven stably for a long time.
  • the external electrode member 12 may be a flat plate member.
  • the driving direction of the multilayer piezoelectric element 1 (the expansion / contraction direction of the multilayer body 7) can be made completely coincident with the lamination direction, so that the conductive adhesive layer 10 is a buffer.
  • the driving axial direction of the multilayer piezoelectric element 1 does not fluctuate no matter which direction the lead member 14 is arranged. Abnormal vibrations can be suppressed by the fact that there is no vibration due to the driving of the multilayer piezoelectric element 1, so that no cracks occur at the joint between the multilayer body 7 and the lead member 14, and there is no peeling of the external electrode member 12, which is stable. And can be driven for a long time.
  • the external electrode member 12 is preferably made of a thin plate metal, and the external electrode member 12 is made of a thin plate metal, so that the external electrode member 12 has a greater stress relieving effect and can be used for a longer period of time.
  • the multilayer piezoelectric element 1 can be driven.
  • the thickness of the thin plate-like external electrode member 12 is effectively, for example, 0.01 to 0.3 mm.
  • the external electrode member 12 has a structure in which slits are alternately provided from one side surface to the other side surface, thereby further increasing the stress relaxation effect and enabling long-term driving. Can contribute.
  • the slit width (distance in the stacking direction) is, for example, 0.01 to 0.3 mm, and the slit length (distance in the direction perpendicular to the stacking direction) is, for example, 35 to 95% of the width of the external electrode member 12.
  • the interval between adjacent slits in the stacking direction is, for example, 0.03 to 0.5 mm.
  • the external electrode member 12 extends to the outside of the end face of the conductive adhesive layer 10 in the stacking direction, and a part of the slit is located outside of the end face of the conductive adhesive layer 10
  • the external electrode member 12 can be freely deformed in the vicinity of the slit. Therefore, stress can be relieved and durability for a longer period can be obtained.
  • the joint between the external electrode member 12 and the lead member 14 is preferably located outside the end face of the conductive adhesive layer 10. According to this configuration, since the lead member 14 is bonded to a free region that is not fixed by the conductive adhesive layer 10 of the external electrode member 12, even if the lead member 14 moves, stress is directly applied to the laminate 7. In addition, the multilayer piezoelectric element 1 can be driven without causing cracks in the multilayer body 7 for a longer period of time.
  • the conductive adhesive layer 10 has a plurality of voids 2 so as not to open on the surface in contact with the metallized layer 8.
  • the plurality of voids 2 have a diameter of, for example, 0.05 to 2 ⁇ m, and this value is obtained by observing a cross section of the conductive adhesive layer 10 with an electron microscope such as a scanning electron microscope (SEM) or a metal microscope, and separating an arbitrary line segment. The number of voids and the length of the line segment included in the void are measured, and the total distance of the lengths of the line segments included in the void is divided by the number of voids. Further, the area ratio occupied by the plurality of voids 2 in an arbitrary cross section of the conductive adhesive layer 10 is, for example, 5 to 60%, and this value is also measured by an electron microscope such as a scanning electron microscope (SEM) or a metal microscope. It can be determined by observing.
  • SEM scanning electron microscope
  • the bonding area between the metallized layer 8 and the conductive adhesive layer 10 becomes small, so that the bonding strength is not sufficient.
  • the boundary with the conductive adhesive layer 10 is exposed in the void 2, and that portion is the starting point, and cracks are likely to occur in these boundaries.
  • a plurality of voids 2 penetrates the conductive adhesive layer 10, when a crack is caused by driving at a position corresponding to the void 2 in the metallized layer 8, the path of electricity is blocked and the periphery of the crack is There is a possibility that the conductive adhesive layer 10 may be peeled off due to heat generation.
  • the conductive adhesive layer 10 has a plurality of voids 2 that do not open on the surface in contact with the metallized layer 8, so that the bonding strength between the metallized layer 8 and the conductive adhesive layer 10 is maintained, and metallized during driving.
  • the stress concentrated on the boundary between the layer 8 and the conductive adhesive layer 10 can be alleviated, and cracking at this boundary can be prevented from breaking.
  • the external electrode member 12 is an electrode having a mesh structure, and there is a void at a position corresponding to the mesh of the external electrode member 12.
  • FIG. 7A is a partially transparent plan view, and shows the void 2 inside the conductive adhesive layer 10 as shown in FIG. 7B.
  • the mesh is an opening surrounded by lines constituting the mesh when the external electrode member 12 is viewed from the front. Examples of the mesh include a circle having a diameter of 3 to 200 ⁇ m, a rectangle having a side length of 3 to 200 ⁇ m, a rhombus having a major axis of 5 to 300 ⁇ m and a minor axis of 3 to 200 ⁇ m, and the like.
  • the provided void has a smaller diameter than the mesh.
  • the external electrode member 12 is more easily expanded and contracted, and the expansion and contraction is even. Therefore, the stress concentrated on the boundary between the metallized layer 8 and the conductive adhesive layer 10 during driving can be more relaxed, and more Long-term durability is obtained.
  • the external electrode member 12 having a mesh structure made of a thin plate-like metal, when stress concentrated on the boundary between the metallized layer 8 and the conductive adhesive layer 10 is applied during driving, Since the external electrode member 12 can be deformed so as to be partially twisted, the stress can be relieved and a longer-term durability can be obtained.
  • the void 2 is opened on the surface of the conductive adhesive layer 10 on the side in contact with the external electrode member 12. According to this configuration, since the external electrode member 12 is more easily expanded and contracted, the stress concentrated on the boundary between the metallized layer 8 and the conductive adhesive layer 10 during driving can be further relaxed, and further long-term durability can be obtained. It is done.
  • the void 2 has the same size as the mesh of the external electrode member 12. According to this configuration, long-term durability can be obtained.
  • the opening of the void 2 is circular or elliptical, but the mesh of the external electrode member 12 is rectangular, the opening of the void 2 is the largest circle that fits into the mesh. It means that the shape is oval or elliptical.
  • the conductive adhesive layer 10 may not only be between the metallized layer 8 and the external electrode member 12 but may be raised to the outside of the external electrode member 12.
  • the voids 2 are distributed in the active portion of the laminated body 7, and it is particularly preferable that the voids 2 are distributed at positions corresponding to the central portion of the laminated body 7 in the stacking direction (not shown).
  • the central portion in the stacking direction of the stacked body 7 refers to a middle region when the stacked body 7 is equally divided into three in the stacking direction. Since the active portion in the stacking direction of the stacked body 7, particularly the central portion, is a region with large expansion and contraction, according to this configuration, longer-term durability can be obtained.
  • the slit which has an opening part in the side surface of the external electrode member 12 as shown in FIG. 5 may be provided, and the structure which has a void in the position corresponding to a slit may be sufficient especially as the clearance gap between slits inside a slit. If the conductive adhesive layer 10 including the void 2 is raised, the external electrode member 12 is an opening around the void 2 and can be deformed, so that stress can be relieved and durability can be extended for a longer period of time. Sex is obtained.
  • a ceramic green sheet to be the piezoelectric layer 3 is produced. Specifically, 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. And a ceramic green sheet is produced using this ceramic slurry by using tape molding methods, such as a doctor blade method and a calender roll method.
  • the piezoelectric ceramic any material having piezoelectric characteristics may be used.
  • a perovskite oxide made of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ) can be used.
  • the plasticizer dibutyl phthalate (DBP), dioctyl phthalate (DOP), or the like can be used.
  • a conductive paste to be the internal electrode 5 is produced.
  • a conductive paste is prepared by adding and mixing a binder and a plasticizer to a metal powder of a silver-palladium alloy. This conductive paste is applied on the ceramic green sheet in the pattern of the internal electrodes 5 using a screen printing method. Further, a plurality of ceramic green sheets printed with this conductive paste are stacked, debindered at a predetermined temperature, and then fired at a temperature of 900 to 1200 ° C., thereby alternately stacking piezoelectric bodies. A laminate 7 including the layer 3 and the internal electrode 5 is produced.
  • the laminate 7 is not limited to the one produced by the above manufacturing method, and any laminate 7 can be produced by laminating a plurality of piezoelectric layers 3 and internal electrode layers 5. It may be produced by a manufacturing method.
  • the laminated body 7 obtained by firing is subjected to a grinding process so as to have a predetermined shape using a surface grinder or the like.
  • a silver glass-containing conductive paste prepared by adding a binder, a plasticizer, and a solvent to a mixture of conductive particles mainly composed of silver and glass is used to form a side surface of the laminate 7 in the pattern of the metallized layer 8.
  • baking treatment is performed at a temperature of 650 to 750 ° C. to form the metallized layer 8.
  • the external electrode member 12 is bonded and fixed to the surface of the metallized layer 8 through the conductive adhesive layer 10.
  • the conductive adhesive layer 10 an adhesive made of an epoxy resin or a polyimide resin containing a metal powder having good conductivity such as silver powder or copper powder can be used. Further, the conductive adhesive layer 10 can be formed by controlling the predetermined thickness and width by screen printing or a dispensing method.
  • a conductive adhesive is mixed in the adhesive by mixing a bead-like filler made of acrylic, polyethylene, natural rubber, or the like, which is easily melted by heat during drying of the adhesive to form a void. Void 2 can be formed in layer 10.
  • a method of applying the adhesive in two steps can be mentioned.
  • an adhesive not mixed with the polymer filler is applied to the lower layer, and dried appropriately.
  • the surface on the side in contact with the metallized layer is not opened.
  • an adhesive mixed with a polymer filler thereon and dry appropriately to form a target void.
  • the external electrode member 12 may be set with accurate positioning.
  • the configuration shown in FIG. 8 and the configuration shown in FIG. 9 are, for example, after applying an adhesive that does not contain a polymer filler, and then positioning the external electrode member 12 with high accuracy and setting the external electrode member 12 from above. Only the molecular filler need be dispensed with high accuracy.
  • the external electrode member 12 is set with high accuracy on the adhesive, and only the polymer filler is accurately applied from above. Dispensing and then applying the adhesive to the target area with a dispenser.
  • the lead member 14 is joined to the external electrode member 12 by welding or soldering or a conductive adhesive.
  • resistance welding is preferable for welding, and solder foil and solder paste are preferable for solder. Since the polarization state of the piezoelectric layer 3 changes when the laminated piezoelectric element 1 is heated, it is preferable to locally heat only the joint using a laser or the like.
  • the multilayer piezoelectric element 1 connects the metallized layer 8 to an external power source via an external electrode member 12 and applies a voltage to the piezoelectric layer 3 to thereby cause each piezoelectric layer 3 to have an inverse piezoelectric effect. It can be displaced greatly. This makes it possible to function as an automobile fuel injection valve that injects and supplies fuel to the engine, for example.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing an example of an embodiment of an injection device of the present invention.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of the present embodiment is stored in 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 an external or adjacent container, for example, a fuel chamber (not shown) of the internal combustion engine. It is configured.
  • the upper end of the needle valve 25 has a large diameter, and is a piston 31 that can slide with a cylinder 29 formed in the storage container 23.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of the above-described example is stored in contact with the piston 31.
  • 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 includes a container 23 having an injection hole and the multilayer piezoelectric element 1 according to the present embodiment, and drives the fluid stored in the container 23 to drive the multilayer piezoelectric element 1. Thus, it may be configured to discharge from the injection 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 and ink.
  • the injection device 19 of the present embodiment that employs the multilayer piezoelectric element 1 of the present embodiment is used for an internal combustion engine, the fuel is supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine such as an engine over a longer period than the conventional injection device. It is possible to inject with high accuracy.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing an example of an embodiment of a fuel injection system of the present invention.
  • the fuel injection system 35 of the present embodiment includes a common rail 37 that stores high-pressure fuel as a high-pressure fluid, and a plurality of injections of the present embodiment that inject high-pressure fluid stored in the common rail 37.
  • a device 19 a pressure pump 39 that supplies a high-pressure fluid to the common rail 37, and an injection control unit 41 that supplies 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 injection control unit 41 is used for fuel injection of the engine, the amount and timing of fuel injection can be controlled while sensing the situation 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 metallized layer 8 is formed on each of two opposing side surfaces of the stacked body 7, but two metallized layers 8 may be formed on adjacent side surfaces of the stacked body 7, or It may be formed on the same side of the body 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 the present embodiment 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 in which a calcined powder of piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 —PbTiO 3 ) having an average particle diameter of 0.4 ⁇ m, a binder and a plasticizer were mixed. Using this ceramic slurry, a ceramic green sheet serving as a piezoelectric layer having a thickness of 50 ⁇ m was prepared by a doctor blade method. Further, a binder was added to the silver-palladium alloy to produce a conductive paste to be an internal electrode.
  • a ceramic slurry was prepared in which a calcined powder of piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 —PbTiO 3 ) having an average particle diameter of 0.4 ⁇ m, a binder and a plasticizer were mixed. Using this ceramic s
  • a conductive paste serving as an internal electrode was printed on one side of the ceramic green sheet by screen printing, and 200 ceramic green sheets printed with the conductive paste were laminated. Further, a total of 15 ceramic green sheets not printed with the conductive paste serving as the internal electrodes were laminated on the top and bottom of the 200 ceramic green sheets printed with the conductive paste serving as the internal electrodes. Then, the laminate was obtained by firing at 980 to 1100 ° C. The obtained laminate was ground into a predetermined shape using a surface grinder.
  • a conductive paste in which a binder was mixed with silver and glass was printed by a screen printing method on the metallized layer forming portion on the side surface of the laminate, and baked at 700 ° C. Thereby, a metallized layer was formed on the side surface of the laminate.
  • an external electrode member made of phosphor bronze material having a thickness of 100 ⁇ m was connected and fixed to the metallized layer in parallel with the surface of the laminate through a conductive adhesive layer made of silver polyimide material and having a thickness of 100 ⁇ m.
  • the external electrode member extends to the outside of 0.5 mm from the end face of the conductive adhesive layer in the laminating direction, and has a length of 8 mm from one side surface to the other side surface and a width of 0.1 mm in the laminating direction.
  • One having a total of 150 slits of mm with a spacing of 0.1 mm in the stacking direction (sample number 1) and one having no slits (sample number 2) were used.
  • the lead member was joined by resistance welding to a portion extending from the end surface of the conductive adhesive layer of the external electrode member.
  • the lead member was fixed so that the axial direction coincided with the laminating direction, and the tip position of the lead member was 1 mm from the end face of the conductive adhesive layer.
  • the laminated piezoelectric elements (sample number 1 and sample number 2) of the examples of the present invention were produced.
  • a laminated piezoelectric element (sample number 3) was prepared in which the lead member was directly joined to the metallized layer by soldering without providing the conductive adhesive layer and the external electrode member.
  • Each of the laminated piezoelectric elements thus produced was subjected to a polarization treatment by applying a DC electric field of 3 kV / mm for 15 minutes to the external electrode member through the lead member.
  • a DC voltage of 160 V was applied to these stacked piezoelectric elements, a displacement of 30 ⁇ m was obtained in the stacking direction of the stacked body.
  • the laminated piezoelectric element (Sample No. 1 and Sample No. 2) of the embodiment of the present invention does not cause cracks in the joint portion of the laminate and the lead member even when continuously driven 1 ⁇ 10 8 times. It was. Further, the external electrode member was not peeled off.

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Abstract

　【課題】　メタライズ層とリード部材との接合部または積層体にクラックが生じることなく、長期間安定して駆動する積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システムを提供する。　【解決手段】　積層型圧電素子１は、圧電体層３および内部電極５が積層された積層体７と、積層体７の側面に設けられて内部電極５と電気的に接続されたメタライズ層８と、メタライズ層８の上に導電性接着剤層10を介して設けられた外部電極部材12と、外部電極部材12と接合されたリード部材14とを含むことを特徴とする。

Description

積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システム
　本発明は、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として用いられる積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システムに関する。
　従来の積層型圧電素子は、例えば図13に示すように、圧電体層103および内部電極105が積層された積層体107と、この積層体107の側面に設けられて内部電極105と電気的に接続されたメタライズ層108とを含む構成を有している。そして、このメタライズ層108の表面の一部に、メタライズ層へ電圧を印加するためのリード部材114を、半田、導電性接着剤110を用いて接続し固定している。特に、リード部材114には、コネクタとしての目的で使用するために剛性の強いピンが用いられている（特許文献１を参照）。
特開2002－202024号公報
　しかしながら、特許文献１に記載された積層型圧電素子101においては、自動車の内燃機関等の燃料噴射装置（インジェクタ）に用いられる場合、すなわち、高電界および高圧力が長時間加わった状態で連続駆動されるような過酷な条件下での使用の場合、積層型圧電素子を駆動させると、リード部材114の接合された領域とリード部材114の接合されていない領域とでは、メタライズ層108の応力負荷状態が異なることから、積層型圧電素子101を駆動させた振動に起因した応力で、メタライズ層108とリード部材114との接合部から積層体107にかけてクラックが生じて安定した駆動が妨げられるおそれがある。
　本発明は、上記従来の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、リード部材の接合部から積層体にかけてクラックが生じるのを抑制し、長期間安定して駆動する積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システムを提供することである。
　本発明の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極が積層された積層体と、該積層体の側面に設けられて前記内部電極と電気的に接続されたメタライズ層と、前記メタライズ層の上に導電性接着剤層を介して設けられた外部電極部材と、該外部電極部材と接合されたリード部材とを含むことを特徴とする。
　本発明の噴射装置は、噴射孔を有する容器と、上記本発明の積層型圧電素子とを備え、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。
　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、リード部材をメタライズ層に直接接合するのに比べて大面積の接合領域を形成する導電性接着剤層によって外部電極部材とメタライズ層とを接合することができ、積層型圧電素子を駆動させたときに発生する振動に起因した応力を、外部電極部材がバッファ層として機能して応力を分散させることができるから、積層体およびリード部材の接合部にクラックが生じるのを抑制し、また外部電極部材の剥離もなく、安定して長期間駆動できる。
　本発明の噴射装置によれば、積層型圧電素子が安定して長期間駆動できることから、流体の所望の噴射を長期にわたって安定して行なうことができる。
　本発明の燃料噴射システムによれば、高圧燃料の所望の噴射を長期にわたって安定して行なうことができる。
本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明の積層型圧電素子における外部電極部材の一例を示す正面図である。 本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例の要部を示す拡大断面図である。 （ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例を示す一部透過平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す要部の拡大断面図である。 本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例の要部を示す拡大断面図である。 本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例の要部を示す拡大断面図である。 本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例の要部を示す拡大断面図である。 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。 従来の積層型圧電素子の一例を示す斜視図である。
　以下、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一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断面図であり、図１に示すように、本実施の形態の積層型圧電素子１は、圧電体層３および内部電極５が積層された積層体７と、積層体７の側面に設けられて内部電極５と電気的に接続されたメタライズ層８と、メタライズ層８の上に導電性接着剤層10を介して設けられた外部電極部材12と、外部電極部材12と接合されたリード部材14とを含んでいる。
　積層型圧電素子１を構成する積層体７は、圧電体層３および内部電極５が交互に複数積層されてなる活性部と、活性部の積層方向両端に設けられた圧電体層３からなる不活性部とを有し、例えば縦0.5～10ｍｍ、横0.5～10ｍｍ、高さ１～100ｍｍの直方体状に形成されている。
　積層体７を構成する圧電体層３は、圧電特性を有するセラミックスで形成されたもので、このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）などを用いることができる。この圧電体層３の厚みは、例えば３～250μｍとされる。
　積層体７を構成する内部電極５は、圧電体層３を形成するセラミックスと同時焼成により形成されたもので、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。この形成材料として、例えば圧電セラミックスとの反応性が低い銀－パラジウム合金を主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができる。図１に示す例では、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の対向する一対の側面に互い違いに導出されて、積層体７の側面に設けられた一対のメタライズ層８と電気的に接続されている。この内部電極５の厚みは、例えば0.1～５μｍとされる。
　積層体７の側面に設けられて内部電極５と電気的に接続された一対のメタライズ層８は、例えば銀とガラスからなるペーストを塗布して焼き付けて形成されたもので、積層体７の側面に接合されて、積層体７の対向する側面に互い違いに導出された内部電極３とそれぞれ電気的に接続されている。このメタライズ層８の厚みは、例えば５～500μｍとされる。
　メタライズ層８の上には、導電性接着剤層10を介して外部電極部材12が設けられている。従来の積層型圧電素子は、導電性接着剤で直接メタライズ層にリード部材が接合されていたのに比べて、本発明の積層型圧電素子１は、導電性接着剤層10でメタライズ層８を覆うような大きさの外部電極部材12が接合されている。
　すなわち、導電性接着剤層10は従来の導電性接着剤よりも大面積に形成される。したがって、メタライズ層８にかかる応力を従来よりも分散させてリード部材14の接合部から積層体７にかけてクラックが生じるのを抑制することができる。
　ここで用いられる導電性接着剤層10としては、例えばＡｇ粉末やＣｕ粉末など導電性の良好な金属粉末を含んだエポキシ樹脂やポリイミド樹脂からなる層が挙げられる。このような材料からなることで、弾性特性を用いて応力緩和でき、長期間駆動できる。なお、導電性接着剤層10は、例えば５～500μｍの厚さに形成される。
　また、外部電極部材12は、銅、鉄、ステンレス、リン青銅等の金属からなるリード部材14よりも幅広の例えば板状または金網状のものであり、例えば幅0.5～10ｍｍ、厚み0.01～1.0ｍｍに形成されたものである。この外部電極部材12には、電気伝導性や熱伝導性を向上させるため、すずや銀などのメッキが施されていてもよい。
　また、図２に示すように、外部電極部材12は積層方向における導電性接着剤層10の端面よりも外側まで延出しており、外部電極部材12とリード部材14との接合部は導電性接着剤層10の端面よりも外側に位置しているのが好ましい。この構成によれば、リード部材14が外部電極部材12の導電性接着剤層10によって固定されていないフリーな領域に接合されているので、リード部材14が動いても応力が積層体７に直接加わらず、より長期間積層体７にクラックが生じずに積層型圧電素子１を駆動させることができる。
　また、図３に示すように、外部電極部材12は積層方向における積層体７の端面よりも外側まで延出しており、外部電極部材12とリード部材14との接合部は積層体７の端面よりも外側に位置しているのが好ましい。この構成によれば、リード部材14が動いたときの応力が積層体７に加わるのを図３の構成よりもさらに抑制し、より長期間にわたって積層型圧電素子１を駆動させることができる。特に、積層型圧電素子１を自動車用途に用いた場合、積層型圧電素子１の周囲の振動と共振するおそれがあるが、外部電極部材12とリード部材14との接合部を積層体７の端面よりも外側に位置させることで、リード部材14を振動防止のおもりとして機能させることで共振防止できるので、より長期間にわたって積層型圧電素子１を安定に駆動させることができる。
　そして、積層型圧電素子１は、外部電極部材12と接合されたリード部材14を含んでいる。リード部材14は、外部電極部材12と外部回路とを接続するためのもので、例えば銅、鉄、ステンレス、リン青銅などで形成されたピンが挙げられる。また、すずや銀などのメッキが施されていてもよい。また、ピンの断面形状としては、例えば直径100～1000μｍの円形状、一辺の長さが200～1000μｍの矩形状などが挙げられる。リード部材14をピン形状として、さらにリード部材14の軸方向を積層型圧電素子１の駆動方向である積層方向に一致させることで、リード部材14に伝わる振動方向も積層型圧電素子１の駆動方向に一致させることができるので、リード部材14にコネクタ等を接合して使用しても、コネクタが振動で緩んだり、接触不良を起こしてスパークしたりするようなおそれが無い。
　なお、外部電極部材12とリード部材14との接合方法としては、半田や導電性接着材による接合、溶接などが挙げられるが、より外れにくく長期間駆動させるために溶接により接合されるのが好ましい。
　以上述べた構成によれば、導電性接着剤層10がバッファ層として機能して応力緩和できるから、積層体７およびリード部材14の接合部にクラックが生じず、また外部電極部材12の剥離もなく、安定して長期間駆動できる。
　ここで、外部電極部材12が、図４に示すような波板状（縦断面波型）の形状、後述する図７に示すような線状の金属を編み込んだ金網形状（メッシュ形状）などの立体的な構造であることで、導電性接着剤層10が積層型圧電素子１の駆動に応じて自在に変形できるので、バッファ層としての機能がさらに高まる。これにより、応力緩和できるから、積層体７およびリード部材14の接合部にクラックが生じず、また外部電極部材12の剥離もなく、安定して長期間駆動できる。
　なお、外部電極部材12は平板状の部材であってもよい。外部電極部材12が平板状の形状であると、積層型圧電素子１の駆動方向（積層体７の伸縮方向）を積層方向に完全に一致させることができるので、導電性接着剤層10がバッファ層として機能すると同時に、リード部材14をどの方向から配置しても、積層型圧電素子１の駆動の軸方向がぶれなくなる。積層型圧電素子１の駆動によるぶれが無いことで異常振動を抑止することができるから、積層体７およびリード部材14の接合部にクラックが生じず、また外部電極部材12の剥離もなく、安定して長期間駆動できる。
　そして、外部電極部材12は薄板状の金属からなるのが好ましく、外部電極部材12が薄板状の金属からなることで、外部電極部材12がしなって応力緩和効果が大きくなり、さらに長期間にわたって積層型圧電素子１を駆動させることができる。なお、薄板状の外部電極部材12の厚みとしては、例えば0.01～0.3ｍｍであるのが効果的である。
　また、図５に示すように、外部電極部材12には、一方の側面から他方の側面に向けてスリットが交互に設けられている構成により、さらに応力緩和効果を大きくし、長期間の駆動に寄与することができる。なお、スリットの幅（積層方向の距離）は例えば0.01～0.3ｍｍで、スリットの長さ（積層方向に垂直な方向の距離）は外部電極部材12の幅の例えば35～95％の長さ、積層方向の隣り合うスリットの間隔は例えば0.03～0.5ｍｍである。
　このとき、外部電極部材12は積層方向における導電性接着剤層10の端面よりも外側まで延出しており、スリットの一部は導電性接着剤層10の端面よりも外側に位置しているのが好ましく、この構成によれば、スリットの一部が導電性接着剤層10によって固定されていないフリーな領域に存在しているので、外部電極部材12はスリット近傍で自在に変形をおこすことができるので、応力を緩和でき、より長期間の耐久性が得られる。
　特に、外部電極部材12とリード部材14との接合部は導電性接着剤層10の端面よりも外側に位置しているのが好ましい。この構成によれば、リード部材14が外部電極部材12の導電性接着剤層10によって固定されていないフリーな領域に接合されているので、リード部材14が動いても応力が積層体７に直接加わらず、より長期間積層体７にクラックが生じずに積層型圧電素子１を駆動させることができる。
　一方、図６に示すように、導電性接着剤層10にはメタライズ層８と接する側の面に開口しないように複数のボイド２があることが好ましい。
　この複数のボイド２は、例えば0.05～２μｍの径であり、この値は導電性接着剤層10の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡や金属顕微鏡により観察し、任意の線分間に含まれるボイドの個数およびボイドに含まれる線分の長さを測定し、このボイドに含まれる線分の長さの合計距離をボイドの個数で割ることによって求めることができる。また、導電性接着剤層10の任意の断面において複数のボイド２が占める面積比率は例えば５～60％であり、この値も断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡や金属顕微鏡により観察することによって求めることができる。
　複数のボイド２がメタライズ層８と接する側の面に開口していると、メタライズ層８と導電性接着剤層10との接合面積が小さくなるので接合強度が十分ではなく、またメタライズ層８と導電性接着剤層10との境界がボイド２内に露出していてその部分が起点となってこれらの境界にクラックが入りやすくなる。さらに、複数のボイド２が導電性接着剤層10を貫通していると、メタライズ層８におけるこのボイド２に対応する位置に駆動による亀裂が入った場合に電気の通り道が遮断されて亀裂周辺が発熱し、導電性接着剤層10が剥がれるおそれがある。
　導電性接着剤層10にはメタライズ層８と接する側の面に開口しない複数のボイド２があることで、メタライズ層８と導電性接着剤層10との接合強度を維持しつつ、駆動時にメタライズ層８と導電性接着剤層10との境界に集中する応力を緩和でき、この境界にクラックが生じて断線するのを抑制することができる。
　また、図７に示すように、外部電極部材12が網目構造の電極であって、外部電極部材12の網目に対応する位置にボイドがあることが好ましい。なお、図７（ａ）は一部透過平面図であり、図７（ｂ）に示すように導電性接着剤層10の内部にあるボイド２を透過して表している。ここで、網目とは、外部電極部材12を正面から見たとき、網を構成する線と線とで囲まれる開口のことである。この網目としては、例えば直径３～200μｍの円、一辺の長さが３～200μｍの長方形、長軸が５～300μｍで短軸が３～200μｍのひし形などが挙げられ、網目に対応する位置に設けられるボイドは網目よりも小さな径になっている。
　この構成によれば、外部電極部材12がより伸縮しやすくなり、さらに伸縮が均等になるので、駆動時にメタライズ層８と導電性接着剤層10との境界に集中する応力をより緩和でき、より長期間の耐久性が得られる。
　さらに、薄板状の金属からなる網目構造の外部電極部材12とすることで、駆動時にメタライズ層８と導電性接着剤層10との境界に集中する応力が加わったときに、ボイド２の周囲で外部電極部材12が部分的にひねるような変形をおこすことができるので、応力を緩和でき、より長期間の耐久性が得られる。
　また、図８に示すように、ボイド２が導電性接着剤層10の外部電極部材12と接する側の面で開口していることが好ましい。この構成によれば、外部電極部材12がさらに伸縮しやすくなるので、駆動時にメタライズ層８と導電性接着剤層10との境界に集中する応力をさらに緩和でき、さらに長期間の耐久性が得られる。
　また、図９に示すように、ボイド２が外部電極部材12の網目と同じ大きさで開口していることが好ましい。この構成によれば、さらに長期間の耐久性が得られる。なお、ボイド２の開口部が円状または楕円状の形状であるのに対して外部電極部材12の網目が矩形状である場合には、ボイド２の開口部は網目の形状におさまる最大の円状または楕円状になっていることを意味する。
　なお、図10に示すように、導電性接着剤層10はメタライズ層８と外部電極部材12との間にあるのみならず、外部電極部材12の外側まで盛り上がっていてもよい。
　さらに、ボイド２が積層体７の活性部に分布しているのが好ましく、特に積層体７の積層方向の中央部に対応する位置に分布しているのが好ましい（図示せず）。ここで、積層体７の積層方向の中央部とは、積層体７を積層方向に３等分したときの真ん中の領域の部分のことをいう。積層体７の積層方向の活性部、特に中央部が伸縮の大きい領域であることから、この構成によれば、より長期間の耐久性が得られる。
　なお、図５に示すような外部電極部材12の側面に開口部があるスリットが設けられ、スリットに対応する位置にボイドがある構成であってもよく、特にスリット内部にスリットの隙間と同じ大きさのボイド２を含んだ導電性接着剤層10が盛り上がっているとボイド２の周囲で外部電極部材12が開口部であおり変形をおこすことができるので、応力を緩和でき、より長期間の耐久性が得られる。
　次に、本実施の形態の積層型圧電素子１の製造方法について説明する。
　まず、圧電体層３となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系，ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合して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、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（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），フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）等を用いることができる。
　次に、内部電極５となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀－パラジウム合金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導電性ペーストを作製する。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内部電極５のパターンで塗布する。さらに、この導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを複数枚積層し、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５を備えた積層体７を作製する。
　なお、積層体７は、上記の製造方法によって作製されるものに限定されるものではなく、圧電体層３と内部電極層５とを複数積層してなる積層体７を作製できれば、どのような製造方法によって作製されてもよい。
　次に、焼成して得られた積層体７に、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう研削処理を施す。
　その後、銀を主成分とする導電性粒子とガラスとを混合したものに、バインダー，可塑剤および溶剤を加えて作製した銀ガラス含有導電性ペーストを、メタライズ層８のパターンで積層体７の側面にスクリーン印刷法等によって印刷し、乾燥させた後、650～750℃の温度で焼き付け処理を行ない、メタライズ層８を形成する。
　次に、導電性接着剤層10を介して外部電極部材12をメタライズ層８の表面に接合して固定する。
　導電性接着剤層10には、銀粉末や銅粉末など導電性の良好な金属粉末を含んだエポキシ樹脂やポリイミド樹脂からなる接着剤を用いることができる。また、導電性接着剤層10は、スクリーン印刷や、ディスペンス方式により所定の厚みや幅を制御して形成することができる。
　ここで、接着剤中に、接着剤の乾燥時の熱により溶けてボイドを形成しやすい高分子フィラー、例えばアクリル、ポリエチレン、天然ゴムなどからなるビーズ状のフィラーを混ぜることにより、導電性接着剤層10にボイド２を形成することができる。
　具体的には、導電性接着剤層10にメタライズ層８と接する側の面に開口しないように複数のボイド２を形成するには、例えば２回にわけて接着剤を塗布する方法が挙げられる。このとき、下層には高分子フィラーの混ざっていない接着剤を塗布し、適宜乾燥させる。そうして、メタライズ層と接する側の面は開口しないようにする。その上に高分子フィラーを混ぜた接着剤を塗布し、適宜乾燥させて、狙いのボイドを形成するのがよい。また、高分子フィラーはあらかじめ所定量、混合させておく方法もあるが、狙いの位置にあとからスクリーン印刷や、ディスペンスする方法を用いてもよい。
　例えば、図７に示す構成は、例えば、高分子フィラーの入っていない接着剤を塗布したあと、あらかじめボイド２にする部分をきめたスクリーンメッシュで高分子フィラーのみを精度よくスクリーン印刷し、その上に接着剤を塗布する。そして、精度よく位置決めして外部電極部材12をセットすればよい。
　また、図８に示す構成および図９に示す構成は、例えば、高分子フィラーの入っていない接着剤を塗布したあと、その上に精度よく位置決めして外部電極部材12をセットし、上から高分子フィラーのみを精度よくディスペンスすればよい。
　また、図10に示す構成は、例えば、高分子フィラーの入っていない接着剤を塗布したあと、その上に精度よく位置決めして外部電極部材12をセットし、上から高分子フィラーのみを精度よくディスペンスし、さらにディスペンサーで接着剤を狙いの部分に塗布すればよい。
　そして、リード部材14を外部電極部材12に溶接またははんだや導電性接着剤で接合する。ここで、溶接の場合は抵抗溶接が好ましく、半田の場合は半田箔、半田ペーストが好ましい。積層型圧電素子１ごと加熱すると圧電体層３の分極状態が変化するので、レーザー等を用いて、接合部のみを局所加熱することが好ましい。
　その後、一対のメタライズ層８にそれぞれ接続した外部電極部材12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、外部電極部材12を介してメタライズ層８と外部の電源とを接続して、圧電体層３に電圧を印加することにより、各圧電体層３を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。これにより、例えばエンジンに燃料を噴射供給する自動車用燃料噴射弁として機能させることが可能となる。
　次に、本発明の噴射装置の実施の形態の例について説明する。図11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11に示すように、本実施の形態の噴射装置19は、一端に噴射孔21を有する収納容器（容器）23の内部に上記の本実施の形態の積層型圧電素子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（不図示）に、噴射孔21から吐出されるように構成されている。
　ニードルバルブ25の上端部は径が大きくなっており、収納容器23に形成されたシリンダ29と摺動可能なピストン31になっている。そして、収納容器23内には、上述した例の積層型圧電素子１がピストン31に接して収納されている。
　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、本実施の形態の噴射装置19は、噴射孔を有する容器23と、本実施の形態の積層型圧電素子１とを備え、容器23内に蓄えら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、本実施の形態の噴射装置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。本実施の形態の噴射装置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。
　本実施の形態の積層型圧電素子１を採用した本実施の形態の噴射装置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12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12に示すように、本実施の形態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本実施の形態の噴射装置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噴射制御ユニット41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、メタライズ層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つのメタライズ層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。
　本実施の形態の積層型圧電素子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（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50μｍの圧電体層となるセラミックグリーンシートを作製した。また、銀－パラジウム合金にバインダーを加えて、内部電極となる導電性ペーストを作製した。
　次に、セラミックグリーンシートの片面に、内部電極となる導電性ペーストをスクリーン印刷法により印刷し、導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを200枚積層した。また、内部電極となる導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシート200枚を中心にして、その上下に、内部電極となる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合計15枚を積層した。そして、980～1100℃で焼成することにより積層体を得た。得られた積層体を、平面研削盤を用いて所定の形状に研削した。
　次に、積層体の側面のメタライズ層の形成部に、銀とガラスにバインダーを混合した導電性ペーストをスクリーン印刷法により印刷し、700℃で焼き付け処理を行なった。これにより、積層体の側面にメタライズ層を形成した。
　次に、メタライズ層に、銀ポリイミド材料からなる厚み100μｍの導電性接着剤層を介して、リン青銅材料からなる厚み100μｍの外部電極部材を積層体表面と平行に接続して固定した。なお、外部電極部材は、積層方向における導電性接着剤層の端面よりも0.5ｍｍ外側まで延出しているものとし、一方の側面から他方の側面に向けて長さ.8ｍｍ、積層方向の幅0.1ｍｍのスリットが積層方向の間隔0.1ｍｍで交互に合計150本設けられているもの（試料番号１）およびスリットが設けられていないもの（試料番号２）を用いた。
　そして、外部電極部材の導電性接着剤層の端面より延出した部位にリード部材を抵抗溶接により接合した。なお、リード部材は軸方向を積層方向と一致するように固定し、リード部材の先端位置は導電性接着剤層の端面から１ｍｍの位置とした。
　以上により、本発明実施例の積層型圧電素子（試料番号１および試料番号２）を作製した。
　一方、比較例として、導電性接着剤層および外部電極部材を設けずに、リード部材を直接メタライズ層に半田で接合した積層型圧電素子（試料番号３）を作製した。
　作製した各積層型圧電素子について、リード部材を介して外部電極部材に３ｋＶ／ｍｍの直流電界を15分間印加して、分極処理を行なった。これらの積層型圧電素子に160Ｖの直流電圧を印加したところ、積層体の積層方向に30μｍの変位量が得られた。
　さらに、室温で０Ｖ～＋160Ｖの交流電圧を150Ｈｚの周波数で印加して、１×10８回まで連続駆動した耐久性試験を行なった。
　その結果、本発明の実施例の積層型圧電素子（試料番号１および試料番号２）は、１×10８回連続駆動しても、積層体およびリード部材の接合部にクラックが生じることはなかった。また、外部電極部材が剥離することもなかった。
　これに対し、比較例の積層型圧電素子（試料番号３）は、リード部材の接合部にマイクロクラックが発生し、接合部にスパークが生じ駆動が停止した。
　１・・・積層型圧電素子
　２・・・ボイド
　３・・・圧電体層
　５・・・内部電極
　７・・・積層体
　８・・・メタライズ層
　10・・・導電性接着剤層
　12・・・外部電極部材
　14・・・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 (13)

  1. 　圧電体層および内部電極が積層された積層体と、該積層体の側面に設けられて前記内部電極と電気的に接続されたメタライズ層と、前記メタライズ層の上に導電性接着剤層を介して設けられた外部電極部材と、該外部電極部材と接合されたリード部材とを含むことを特徴とする積層型圧電素子。
  2. 　前記外部電極部材は積層方向における前記導電性接着剤層の端面よりも外側まで延出しており、前記外部電極部材と前記リード部材との接合部は前記導電性接着剤層の端面よりも外側に位置し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。
  3. 　前記外部電極部材は積層方向における前記積層体の端面よりも外側まで延出しており、前記外部電極部材と前記リード部材との接合部は前記積層体の端面よりも外側に位置し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. 　前記導電性接着剤層には前記メタライズ層と接する側の面に開口しないように複数のボイドがあることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
  5. 　前記外部電極部材が網目構造の電極であり、前記ボイドが前記外部電極部材の網目に対応する位置にあることを特徴とする請求項４に記載の積層型圧電素子。
  6. 　前記ボイドが前記導電性接着剤層の前記外部電極部材と接する側の面で開口していることを特徴とする請求項５に記載の積層型圧電素子。
  7. 　前記ボイドが前記外部電極部材の網目と同じ大きさで開口していることを特徴とする請求項６に記載の積層型圧電素子。
  8. 　前記ボイドが前記積層体の積層方向の中央部に対応する位置に分布していることを特徴とする請求項５乃至請求項７のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子。
  9. 　前記外部電極部材は薄板状の金属からなることを特徴とする請求項１乃至請求項８に記載の積層型圧電素子。
  10. 　前記外部電極部材には、一方の側面から他方の側面に向けてスリットが交互に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の積層型圧電素子。
  11. 　前記外部電極部材と前記リード部材とは溶接にて接合され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。
  12. 　噴射孔を有する容器と、請求項１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。
  13. 　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１２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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