(57)【要約】      （修正有）【課題】高電圧かつ高圧力の条件での長時間の駆動でも変位量が安定した積層型圧電素子を提供する。【解決手段】圧電体層３および内部電極層５が交互に積層された積層体７の側面に積層方向に長く接合されて内部電極層５に電気的に接続された外部電極９と、外部電極９の表面に長手方向に被着された、外部リード線を接続する導電性接続部材11とを含む積層型圧電素子１であって、導電性接続部材11に、積層体７の積層方向に交わる向きに延びた、導電性接続部材11の厚み方向にわたるスリット12が形成されている。導電性接続部材11の剥離を抑制して優れた耐久性を有する積層型圧電素子１とすることができる。【選択図】図１
2010109057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、該積層体の側面に積層方向に長く接合されて前記内部電極層に電気的に接続された外部電極と、該外部電極の表面に長手方向に被着された、外部リード線を接続する導電性接続部材とを含む積層型圧電素子であって、前記導電性接続部材に、前記積層体の積層方向に交わる向きに延びた、前記導電性接続部材の厚み方向にわたるスリットがあることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
前記スリットは、前記積層体の積層方向に直交する向きに延び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。
【請求項３】
前記スリットは、前記導電性接続部材の幅方向の端に至っていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層型圧電素子。
【請求項４】
前記スリットは、前記導電性接続部材の幅方向の両端間にわたっていることを特徴とする請求項３に記載の積層型圧電素子。
【請求項５】
前記スリットは、前記積層体の前記内部電極層または前記圧電体層に設定された、駆動時に優先的に破断されることによって応力を緩和する予定破断層に重なっていることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項６】
前記外部リード線は、前記積層体の積層方向に複数本が配置されており、前記スリットは、前記外部リード線の間に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。
【請求項７】
前記スリットは、前記外部リード線から離れていることを特徴とする請求項６に記載の積層型圧電素子。
【請求項８】
前記スリットは、少なくとも一部が前記外部リード線に添っ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。
【請求項９】
前記スリットは、一部が前記外部リード線と前記外部電極との間に入り込んでいることを特徴とする請求項８に記載の積層型圧電素子。
【請求項１０】
前記外部電極に、前記積層体の積層方向に交わる向きに延びた、前記外部電極の厚み方向にわたる第２のスリットが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。
【請求項１１】
前記第２のスリットは、前記導電性接続部材の前記スリットとつながっていることを特徴とする請求項１０に記載の積層型圧電素子。
【請求項１２】
噴射孔を有する容器と、請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の積層型圧電素子とを備え、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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、圧電体を用いた駆動素子（圧電アクチュエータ），センサ素子または回路素子に用いられる積層型圧電素子に関するものである。駆動素子としては、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置，インクジェットプリンタの印字装置のような液体噴射装置，光学装置における位置決め装置のような精密位置決め装置および振動防止装置が挙げられる。センサ素子としては、例えば、燃焼圧センサ，ノックセンサ，加速度センサ，荷重センサ，超音波センサ，感圧センサ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。
【背景技術】
【０００２】
従来から、積層型圧電素子は、小型化が進められると同時に、大きな圧力下において大きな変位量を確保できることが求められている。そのため、積層型圧電素子には、より大きな変位量に応じたより高い電圧が印加され、しかも長時間連続駆動させる過酷な条件下で使用できることが要求されている。
【０００３】
高電圧かつ高圧力の条件で長時間連続駆動させる場合には、積層型圧電素子の駆動に伴って、内部電極層および圧電体層で構成された積層体の側面に接合された外部電極に、また外部電極の表面に被着された、外部リード線を接続するための導電性接続部材に応力がかかるため、導電性接続部材が外部電極から剥離してしまうことがある。そこで、積層型圧電素子の外部電極に破断が生じないように積層体による応力を緩和する目的で、例えば特許文献１に開示されているような、圧電体層にスリット状の応力緩和部を設けた構造や、特許文献２に開示されているような、あらかじめ圧電体層の内部に目標破断層として多孔質な層を設けた積層型圧電素子が提案されている。さらに、外部電極が応力で破断しても駆動できるように、例えば特許文献３に開示されているような、複数の電極を組み合わせた構造の外部電極も提案されている。
【特許文献１】特開2005−223013号公報
【特許文献２】特表2006−518934号公報
【特許文献３】特開2006−128466号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、導電性接続部材の剥離を防止するために積層型圧電素子の駆動時に圧電体層によって導電性接続部材に加わる応力のみを緩和しようとすると、積層型圧電素子に外部から応力が加わったときに、圧電体層が応力で変形しようとしても導電性接続部材が被着された外部電極によって拘束された部分が変形できなくなり、導電性接続部材が被着された外部電極の無い部分とある部分との境において圧電体層に応力が集中して積層型圧電素子の積層体に亀裂が発生するという問題が生じるようになる。また、積層型圧電素子の駆動中においては、駆動による自己発熱による積層体の熱膨張に対して、外部電極および導電性接続部材の熱膨張が異なることからも、導電性接続部材が被着された外部電極の無い部分とある部分との境に応力が集中し、外部電極から導電性接続部材が剥がれたり、導電性接続部材にクラックが発生して内部電極層に電圧が供給されずに駆動が低下したりするという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高電圧かつ高圧力の条件での長時間の駆動でも変位量が安定した積層型圧電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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積層された積層体と、該積層体の側面に積層方向に長く接合されて前記内部電極層に電気的に接続された外部電極と、該外部電極の表面に長手方向に被着された、外部リード線を接続する導電性接続部材とを含む積層型圧電素子であって、前記導電性接続部材に、前記積層体の積層方向に交わる向きに延びた、前記導電性接続部材の厚み方向にわたるスリットが形成されていることを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記スリットが、前記積層体の積層方向に直交する向きに延びていることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記スリットが、前記導電性接続部材の幅方向の端に至っていることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記スリットは、前記導電性接続部材の幅方向の両端間にわたっていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記スリットは、前記積層体の前記内部電極層または前記圧電体層に設定された予定破断層に重なっていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記外部リード線は、前記積層体の積層方向に複数本が配置されており、前記スリットは、前記外部リード線の間にあることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記スリットは、前記外部リード線から離れていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記スリットは、少なくとも一部が前記外部リード線に添っていることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記スリットは、一部が前記外部リード線と前記外部電極との間に入り込んでいることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記外部電極に、前記積層体の積層方向に交わる向きに延びた、前記外部電極の厚み方向にわたる第２のスリットがあることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記第２のスリットは、前記導電性接続部材の前記スリットとつながっていることを特徴とするものである。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の積層型圧電素子によれば、導電性接続部材にスリットが形成されていることにより、導電性接続部材の積層体の積層方向に直交する方向の両方の端部、すなわち積層体の側面における導電性接続部材の無い部分と導電性接続部材のある部分との境に発生する応力を導電性接続部材に形成されたスリットが吸収できるので、導電性接続部材が外部電極から剥離したり、外部電極とともに積層体から剥離したり、積層体に亀裂が発生したりすることを抑制することができる。特に、急激に積層型圧電素子の積層体に応力が加わる場合でも、スリットを起点として導電性接続部材内に亀裂を生じさせて応力を緩和して、積層体における亀裂の発生の抑制、および積層体からの導電性接続部材の剥離の発生を抑制することができる。さらに、導電性接続部材の表面積が、スリットが形成されていることによって増加するので、積層体圧電素子の駆動中に積層体において発生した自己発熱を積層体から導電性接続部材を通して導電性接続部材の表面から効果的に放散させることができる。この結果、高電圧かつ高圧力の条件での長時間の駆動でも、導電性接続部材の剥離や積層体の亀裂が発生することを抑制することができるので、積層型圧電素子の変位量を安定させることができる。
【００２０】
また、本発明の噴射装置によれば、容器内に蓄えられた流体を噴射孔から吐出させる積層型圧電素子として本発明の積層型圧電素子を備えていることから、積層型圧電素子において導電性接続部材が剥離したり積層体に亀裂が発生したりすることを防止でき、また、積層体の自己発熱による問題が生じるのを抑制することができるので、流体の噴射孔からの所望の吐出を長期にわたって安定して行なうことができる。
【００２１】
さらに、本発明の燃料噴射システムによれば、コモンレールに蓄えられた高圧燃料を噴射する装置として本発明の噴射装置を備えていることから、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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つつ詳細に説明する。
【００２３】
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る。また、図２（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例の側面図およびＡ−Ａ線断面図である。
【００２４】
図１および図２に示すように、本例の積層型圧電素子１は、圧電体層３および内部電極層５が交互に積層された積層体７の側面に、積層方向に長く接合されて内部電極層５に電気的に接続された外部電極９と、この外部電極９の表面に長手方向に被着された、外部リード線（図示せず）を接続する導電性接続部材11とを含む積層型圧電素子１であって、導電性接続部材11に、積層体７の積層方向に交わる向きに延びた、導電性接続部材11の厚み方向にわたるスリット（導電性接続部材11の厚み方向にわたって形成され、外部電極９まで達している細隙）12が形成されている。なお、図２（ａ）および（ｂ）においては圧電体層３以外には両図において同じハッチングを施してあり、以下の同様の図においても同じようにハッチングを施して示す。
【００２５】
このように導電性接続部材11にスリット12が形成されることによって、スリット12の周辺に導電性接続部材11内に局所的に変形する領域を形成して、導電性接続部材11に加わる応力を吸収することができる。特に、急激に積層体７に応力が加わるような場合でも、スリット12を起点として導電性接続部材11内に亀裂を生じさせて応力を緩和して、積層体７における亀裂の発生の抑制、および外部電極９または積層体７からの導電性接続部材11の剥離の発生を抑制することができる。
【００２６】
さらに、導電性接続部材11にスリット12が形成されていることによって導電性接続部材11の表面積がスリット12を形成した分だけ増加するので、積層型圧電素子１の駆動中に積層体７において発生した自己発熱を積層体７から外部電極９を介して導電性接続部材11を通して、導電性接続部材11の表面から効果的に放散させることができる。この結果、高電圧かつ高圧力の条件での長時間の駆動でも、導電性接続部材11の剥離や外部電極９の剥離や積層体７の亀裂が発生することを抑制することができるので、積層型圧電素子１の変位量を安定させることができる。
【００２７】
このようなスリット12は、積層体７の積層方向に直交する向き（積層方向に直交する方向であって、圧電体層３および内部電極層５に沿った方向）に延びていることが好ましい。これは、積層型圧電素子１が駆動する際に積層体７が伸び縮みする方向に導電性接続部材11に設けられたスリット12が開口幅を変化させて変形しやすいためであり、このスリット12の変形により導電性接続部材11が積層体７と一緒に伸び縮みすることが可能となり、応力緩和効果を効果的にもたらすことができるからである。
【００２８】
導電性接続部材11が外部電極９と同じく積層体７の上下方向に長い長方形状であれば、図１に示すように、導電性接続部材11の積層体７に沿った長手方向に対して直交する向きにスリット12を設けることが好ましい。また、導電性接続部材11が正方形状であれば、積層体７の積層方向の辺に対して直交する向きにスリット12を設けることが好ましい。さらに、Ｓ字状やクランク状の導電性接続部材11に対しても、導電性接続部材11の全体を見たときに積層体７の積層方向に沿った長手方向に対して直交する向きにスリット12を設けることが好ましい。
【００２９】
さらに、図３（ａ）および（ｂ）にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例の側面図およびＡ−Ａ線断面図で示すように、スリット12は導電性接続部材11の幅方向の端に至っていることが、すなわちスリット12の一端が導電性接続部材11の幅方向の端（縁）にあることが好ましい。これは、積層型圧電素子１が駆動して積層体７が伸び縮みする時に、スリット12が、応力が集中しやすい導電性接続部材11の端においてより容易に変形することができ、導電性接続部材11の応力を効果的に緩和することができるからである。また、駆動による自己発熱による積層体７の熱膨張に対して導電性接続部材11の熱膨張が異なることに起因する応力についても、この応力は導電性接続部材11の端に集中する傾向があるので、導電性接続部材11の端の外周距離（外周に沿った長さ）がスリット12により増加することによって、効果的に緩和することができる。
【００３０】
また、図４（ａ）および（ｂ）にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図およびＡ−Ａ線断面図で示すように、スリット12は、導電性接続部材11の幅方向の両端間にわたっていることが好ましい。これによれば、積層型圧電素子１が駆動して積層体７が伸び縮みする方向に導電性接続部材11に設けられたスリット12の開口幅を全体にわたって変化させて変形しやすいため、この変形により導電性接続部材11が積層体７と一緒に伸び縮みすることが可能となり、応力緩和効果をより効果的にもたらすことができる。
【００３１】
また、図５（ａ）および（ｂ）にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図およびＡ−Ａ線断面図で示すように、スリット12は、積層体７の内部電極層５または圧電体層３に設定された、積層体７の駆動時に積層体７内において他の内部電極層５または圧電体層３よりも優先的に破断されることによって積層体７における応力を緩和する予定破断層13に重なっていることが好ましい。このように、駆動時に積層体７内において他の内部電極層５または圧電体層３よりも優先的に破断されることによって積層体７における応力を緩和する予定破断層13を積層体７に設けた積層型圧電素子１において、スリット12を予定破断層13に重なるように形成すると、積層型圧電素子１が駆動して積層体７が伸び縮みする時に、導電性接続部材11に加わった応力をスリット12を介して予定破断層13に伝えることができ、予定破断層13を破断させることによって積層体７における応力を緩和することができる。このことにより、積層型圧電素子１を長期間にわたって高い負荷が加わった環境で使用した場合においても、圧電体層３に応力および応力に起因した亀裂を発生させることなく、積層体７の予定破断層13だけに亀裂を効果的に発生させる応力緩和が可能となり、積層型圧電素子１を耐久性の高いものとすることができる。さらに、導電性接続部材11のスリット12を設けた位置から予定破断層13に対して破断を開始させることができるので、積層体７に予定破断層13を設けた場合に、どの位置から破断を開始させることができるかまでを設定できるようになり、予定破断層13の配置設計を容易にすることができ、量産性に優れた積層型圧電素子１を得ることができる。
【００３２】
また、図６（ａ）および（ｂ）にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図およびＡ−Ａ線断面図で示すように、外部リード線14は、積層体７の積層方向に複数本が配置されており、スリット12は、これら複数本の外部リード線14の間にあることが好ましい。これによれば、外部リード線14を導電性補助部材11に強固に接合することができるので、外部リード線14が剥がれにくくなる効果がある。
【００３３】
なお、外部リード線14は、図１〜図５においては図示していないが、いずれの例においても、１本または図６に示す例と同様に複数本が、積層体７の積層方向に配置されており、導電性接続部材11に対して埋設されて接続されている。なお、外部リード線14は、導電性接続部材11に対して、その表面に接合されて接続されていてもよいが、耐久性に優れたものとするためには、図６に示す例のように導電性接続部材11に埋設されていることが好ましい。
【００３４】
さらに、スリット12は、外部リード線14から離れていることが好ましい。これによれば、スリット12が外部リード線14から離れていることにより、積層型圧電素子１の駆動による積層体７における応力が直接に外部リード線14に加わらないので、外部リード線14が接続された導電性補助部材11が外部電極９から剥がれにくい効果をもたらすことができる。
【００３５】
また、図７（ａ）および（ｂ）にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図およびＡ−Ａ線断面図で示すように、スリット12は、少なくとも一部が外部リード線14に添っていることが好ましい。これによれば、外部リード線14に応力が加わっても、スリット12が変形して広がることで導電性接続部材11に対する応力を緩和することができるので、導電性接続部材11に発生する応力の緩和効果をもたらすことができる。
【００３６】
また、図８（ａ）および（ｂ）にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図およびＡ−Ａ線断面図で示すように、スリット12の少なくとも一部が、外部リード線14と外部電極９との間に入り込んでいることが好ましい。これによれば、外部リード線14に応力が加わっても、スリット12が変形して広がることで導電性接続部材11に対する応力を緩和することができるので、導電性接続部材11に発生する応力の緩和効果をもたらすことができる。
【００３７】
また、図９（ａ）および（ｂ）にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図およびＡ−Ａ線断面図で示すように、外部電極９に、積層体７の積層方向に交わる向きに延びた、外部電極９の厚み方向にわたる第２のスリット（細隙）10があることが好ましい。これによれば、第２のスリット10が積層体７の駆動時に積層方向の幅が変化するように変形することによって、外部電極９に発生する応力を緩和する効果をもたらすことができる。
【００３８】
さらに、図10（ａ）および（ｂ）にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図およびＡ−Ａ線断面図で示すように、外部電極９にある第２のスリット10は、導電性接続部材11のスリット12とつながっている（外部電極９と導電性接続部材11との積層方向で重なっている）ことが好ましい。これによれば、外部電極９の第２のスリット10が外部電極９に発生する応力を緩和する効果をもたらし、さらに同じ箇所で導電性接続部材11のスリット12が導電性接続部材11に発生する応力を緩和する効果をもたらすことができるので、外部電極９および導電性接続部材11がどちらも積層体７から剥離しにくいものとなる効果をもたらすことができる。
【００３９】
次に、本発明の積層型圧電素子１の製造方法について説明する。
【００４０】
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、アクリル系あるい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スラリーを作製する。そして、このスラリーにドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、セラミックグリーンシートを作製する。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、ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３等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、ＤＢＰ（フタル酸ジブチル），ＤＯＰ（フタル酸ジオクチル）等を用いることができる。
【００４１】
次に、内部電極層５となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム等の金属粉末にバインダーおよび可塑剤等を添加混合することで、導電性ペーストを作製する。こ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所定のパターンに印刷する。さらに、この導電性ペーストがスクリーン印刷されたセラミックグリーンシートを複数積層する。そして、後述するように焼成することで、交互に積層された圧電体層３および内部電極層５を備えた積層体７を形成することができる。
【００４２】
このとき、予定破断層13として、例えば、多数の独立した金属粒子を含む多孔質金属粒子層を形成する場合であれば、導電性ペースト中にカーボン粉末を含有させて、焼成中にそのカーボン粉末を消失させたり、導電性ペーストの印刷時にドットパターンとなるようにパターン印刷したり、導電性ペーストを印刷乾燥した後にドライアイスブラストを行なって印刷面を荒らしたりする方法がある。また、予定破断層13として、多数の独立した金属粒子を含む多孔質金属粒子層を量産して形成する場合であれば、予定破断層13となる多孔質金属粒子層の導電性ペーストとその他の内部電極層５の導電性ペーストとの金属成分比率を変えて、焼成中に濃度差を利用して、予定破断層13から、圧電体層３を介して隣接している内部電極層５へ金属を拡散させることによって多孔質とすることができる。この方法は、量産性に優れている点で好ましい。特に、主に銀−パラジウムからなる導電性ペーストを用いて、予定破断層13となる層の銀濃度をその他の内部電極層５の銀濃度よりも高くすると、焼成時に銀が液相を形成するとともに圧電体層３の圧電体粒子間を容易に移動することができるので、極めて均一な多孔質金属粒子層からなる予定破断層13が形成できる。
【００４３】
その後、積層型圧電素子１の積層体７の外表面に、端部が露出している内部電極層５との導通が得られるように外部電極９を形成する。この外部電極９は、銀粉末およびガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス導電性ペーストを作製し、これを積層体７の側面に印刷して、乾燥接着する、あるいは焼き付けることによって得ることができる。
【００４４】
外部電極９に第２のスリット10を設けるには、銀ガラス導電性ペーストを印刷する際に第２のスリット10を形成するようにパターン印刷する方法が最も量産的である。他には、外部電極９を形成した後に第２のスリット12のパターンをエッチングする方法、第２のスリット10の形状のパターンを設けたメタルマスクをのせて、サンドブラストやドライアイスブラストを行なう方法、あるいは、ダイヤモンドディスクを用いてダイシング加工する方法等がある。
【００４５】
次に、外部電極９の表面に長手方向に導電性接続部材11を被着する。この導電性接続部材11は、外部電極９の表面に半田や導電性接着剤等の導電性接合剤を外部電極９の形状にならって塗布等により付与することによって、長手方向に被着する。そして、この導電性接続部材11を用いて、金属の線材からなるリード線や金属メッシュあるいはメッシュ状の金属板等からなる外部リード線14を、外部電極９の表面に接合し接続固定する。
【００４６】
ここで、外部リード線14の材質は、銀，ニッケル，銅，リン青銅，鉄，ステンレス等の金属や合金が好ましい。また、外部リード線14の表面には、銀やニッケル等のメッキが施されてもよい。なお、外部リード線14は、導電性接続部材11により外部電極９の積層方向の全てにわたって接続されてもよいし、外部電極９の一部の領域に接続されていてもよい。
【００４７】
そして、導電性接続部材11にスリット12を設けるには、外部電極９に第２のスリット12を設ける方法と同様に、導電性接続部材11を形成した後にエッチングする方法、スリット12の形状のパターンを設けたメタルマスクをのせて、サンドブラストやドライアイスブラストを行なう方法、あるいは、ダイヤモンドディスクを用いてダイシング加工する方法等がある。
【００４８】
次に、シリコーンゴムからなる外装樹脂を含む樹脂溶液に、導電性接続部材11を形成し外部リード線14を接続した積層体７を浸漬する。そして、シリコーン樹脂溶液を真空脱気することにより、積層体７の外周側面の凹凸部にシリコーン樹脂を密着させ、その後、シリコーン樹脂溶液から積層体７を引き上げる。これにより、スリット12を有する導電性接続部材11を形成した積層体７の側面に外装樹脂としてのシリコーン樹脂がコーティングされる。
【００４９】
その後、外部リード線14および導電性接続部材11を介して一対の外部電極９から内部電極層５によって圧電体層３に0.1〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体７の圧電体層３を分極することによって、本例の積層型圧電素子１が完成する。そして、外部リード線14を外部の電圧供給部（図示せず）に接続し、外部リード線14，導電性接続部材11および外部電極９を介して内部電極層５によって圧電体層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機構として機能させることが可能となる。
【００５０】
次に、本発明の噴射装置としての流体の噴射装置の実施の形態の一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。
【００５１】
図11に示すように、本例の噴射装置21は、一端に噴射孔23を有する容器25の内部に上記の実施の形態の例に代表される本発明の積層型圧電素子１が収納されている。
【００５２】
容器25内には、噴射孔23を開閉することができるニードルバルブ27が配設されている。噴射孔23には流体通路29がニードルバルブ27の動きに応じて連通可能になるように配設されている。この流体通路29は、外部の流体供給源に連結され、常時高圧で流体である例えば液体が供給されている。従って、積層型圧電素子１の駆動によってニードルバルブ27が噴射孔23を開放すると、流体通路29に供給されていた流体が、噴射孔23の外部または噴射孔23に隣接する容器、例えば内燃機関の燃料室（図示せず）に、噴射孔23から吐出され噴射されるように構成されている。
【００５３】
また、ニードルバルブ27の上端部は内径が大きくなっており、その部分に容器25に形成されたシリンダ31と摺動可能なピストン33が配置されている。そして、容器25内には、本発明の積層型圧電素子１が収納されている。
【００５４】
このような噴射装置21では、圧電アクチュエータとして機能する積層型圧電素子１が電圧を印加されて伸長すると、ピストン33が押圧され、ニードルバルブ27が噴射孔23を閉塞し、流体の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると積層型圧電素子１が収縮し、皿バネ35がピストン33を押し返すことによって流体通路29が開放され、噴射孔23が流体通路29と連通して、噴射孔23から流体の噴射が行なわれるようになっている。
【００５５】
なお、流体噴射の動作としては、積層型圧電素子１に電圧を印加することによって流体通路29を開放して噴射孔23から流体を吐出し、電圧の印加を停止することによって流体通路29を閉鎖して流体の吐出を停止するように構成してもよい。
【００５６】
また、本発明の噴射装置21は、噴射孔23を有する容器25と、本発明の積層型圧電素子１とを備え、容器25内に充填された流体を積層型圧電素子１の駆動により噴射孔23から吐出させるように構成されていてもよい。すなわち、積層型圧電素子１は必ずしも容器25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25の内部に噴射孔23への流体の供給および停止を行なうための圧力が加わるように構成されていればよい。また、液体を始めとする流体は、流体通路29を通して噴射孔23に供給されるだけでなく、容器25内の適当な箇所に流体を一時的に溜めておく部分を設けて、容器25内に充填された流体を噴射孔23から吐出させてもよい。
【００５７】
なお、本発明において、流体とは、燃料あるいはインク等の液体の他、種々の液状体（導電性ペースト等）および気体が含まれる。これら流体に対して本発明の噴射装置21を用いることによって、流体の流量および噴射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。
【００５８】
本発明の積層型圧電素子１を採用した本発明の噴射装置21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期間にわたって精度よく噴射させることができる。
【００５９】
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。
【００６０】
図12に示すように、本例の燃料噴射システム41は、高圧燃料を蓄えるコモンレール43と、このコモンレール43に蓄えられた高圧燃料を噴射する複数の本発明の噴射装置21と、コモンレール43に高圧燃料を供給する圧力ポンプ45と、噴射装置21に駆動信号を与える噴射制御ユニット47とを備えている。
【００６１】
噴射制御ユニット47は、外部情報または外部からの信号に基づいて高圧燃料の噴射の量やタイミングを制御する。例えば、エンジンの燃料噴射に用いる噴射制御ユニット47の場合には、エンジンの燃焼室内の状況をセンサ等で感知しながら燃料噴射の量やタイミングを制御することができる。
【００６２】
圧力ポンプ45は、流体タンク49から流体燃料を高圧でコモンレール43に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41の場合には、1000〜2000気圧程度、好ましくは1500〜1700気圧程度の高圧にしてコモンレール43に流体燃料を送り込む。
【００６３】
コモンレール43では、圧力ポンプ45から送られてきた高圧燃料を蓄え、積層型圧電素子１の駆動に応じて噴射装置21に適宜送り込む。噴射装置21は、前述したように噴射孔23から所定量の流体である高圧燃料を噴射孔23の外部または噴射孔23に隣接する容器に高圧で吐出（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、流体である高圧燃料を噴射孔23からエンジンの燃焼室内に霧状に噴射する。
【００６４】
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。また、本発明は、積層型圧電素子に関するものであるが、上記の実施の形態の例に限定されるものでなく、例えば、インクジェットプリンタの印字装置、あるいは圧力センサ等に用いるものであっても、圧電特性を利用した積層型の圧電素子であれば、同様の構成で実施可能である。
【実施例】
【００６５】
本発明の積層型圧電素子の例を以下のようにして作製した。
【００６６】
まず、平均粒径が0.4μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）粉末を主成分とする原料粉末にバインダーおよび可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み150μｍのセラミックグリーンシートを作製した。
【００６７】
次に、Ａｇ95質量％−Ｐｄ５質量％の金属組成である銀−パラジウム合金粉末を含有する原料粉末にバインダーを加えた導電性ペーストＡと、Ａｇ100質量％の金属組成である銀粉末を含有する原料粉末にバインダーを加えた導電性ペーストＢとを作製した。
【００６８】
そして、セラミックグリーンシートの片面に、導電性ペーストＡをスクリーン印刷法により30μｍの厚みになるように内部電極層５のパターンで印刷した。そして、導電性ペーストＡが印刷された各セラミックグリーンシートを積層して生積層体を作製した。なお、積層数としては、内部電極層５の数が300となるように積層し、生積層体の積層方向の両端部には、導電性ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシートのみをそれぞれ20枚積層し、試料番号１〜10とした。
【００６９】
次に、予定破断層13として、孤立した金属粒子からなる低剛性金属層を設けるために、試料番号５〜10においては、積層方向の50番目および250番目に位置する内部電極層５を導電性ペーストＢを用いて印刷した。
【００７０】
次に、それぞれの試料番号の生積層体に所定の温度で脱バインダー処理を施した後、800〜1000℃で焼成して、積層体７を得た。ここで、試料番号５〜10では、導電性ペーストＢを用いた層の電極成分の銀が焼成中に隣接する銀濃度の低い金属層に拡散したために、導電性ペーストＢを用いた層に、孤立した金属粒子からなる低剛性金属層である予定破断層13が形成された。
【００７１】
そして、各々の試料番号の積層体７に、所望の寸法に加工した上で、表１に示すように試料番号９，10は、第２のスリット10が形成できるように、外部電極９をそれぞれ形成した。まず、銀を主成分とする金属粉末にバインダー，可塑剤，ガラス粉末等を添加混合して外部電極９用の導電性ペーストＣを作製した。この導電性ペーストＣを、積層体７の長方形状の側面の外部電極９を形成する箇所にスクリーン印刷等によって、積層体７の積層方向に長く延びた長方形状のパターンに印刷した。その後、600〜800℃で焼成して、外部電極９を形成した。このとき、外部電極９は、積層体７の側面に積層方向の長手方向に形成し、第２のスリット10は、積層方向の50番目および250番目に位置する内部電極層５である予定破断層13に重なった位置に、幅（積層方向の幅）×長さ（積層方向に直交する方向の長さ）を0.5ｍｍ×３ｍｍの大きさとして積層方向に直交する向きに形成した。
【００７２】
そして、各試料番号の外部電極９の表面に、導電性接続部材11として銀粉末を用いた導電性ペーストを全面に塗布して硬化させて被着する際に、その導電性接続部材11に直径0.5ｍｍの金属の線材からなる外部リード線14を埋設して接続した。そして、導電性接続部材11を形成した後にスリット12の形状のパターンを設けたメタルマスクをのせて、サンドブラストでスリット12を加工した。このスリット12は、各試料番号について、それぞれ次のように形成した。
【００７３】
試料番号１では、本発明の比較例として、スリット12を形成しなかった。試料番号２では、積層体７の積層方向の50番目および250番目の内部電極層５に重なる位置の導電性接続部材11に、積層方向に直交する向きに幅0.5ｍｍ×長さ１ｍｍのスリット12を導電性接続部材11内に納まるように形成した。試料番号３では、試料番号２と同じ位置の内部電極層５上の導電性接続部材11に、積層方向に直交する向きに幅0.5ｍｍ×長さ１ｍｍのスリット12を、一方の端が外部電極９の端に至るように形成した。試料番号４では、試料番号２と同じ位置の内部電極層５上の導電性接続部材11に、積層方向に直交する向きに幅0.5ｍｍ×長さ３ｍｍのスリット12を、外部電極９の端から端に至るように形成した。試料番号５〜８では、積層体７の積層方向の50番目および250番目の予定破断層13に重なるように導電性接続部材11に、積層方向に直交する向きに幅0.5ｍｍ×長さ３ｍｍのスリット12を、外部電極９の端から端に至るように形成した。また、試料番号９では、導電性接続部材11にスリット12を設けなかった。そして、試料番号10では、積層方向の50番目および250番目の予定破断層13に重なるように、外部電極９および導電性接続部材13に、積層方向に直交する向きに幅0.5ｍｍ×長さ３ｍｍの第２のスリット10を外部電極９の端から端に至るように、および幅0.5ｍｍ×長さ３ｍｍのスリット12を同じく外部電極９の端から端に至るように形成した。
【００７４】
そして、シリコーンゴムからなる外装樹脂を含む樹脂溶液に、外部電極９を形成し導電性接続部材11を被着した積層体７を浸漬した。そして、シリコーン樹脂溶液を真空脱気することにより、積層体７の外周側面の凹凸部にシリコーン樹脂を密着させ、その後、シリコーン樹脂溶液から積層体７を引き上げることにより、積層体７の側面に外装樹脂としてのシリコーン樹脂を形成した。
【００７５】
このようにして作製した各試料を用いて駆動評価を行なった。駆動評価としては、高速応答性評価と耐久性評価とを行なった。まず、外部リード線14，導電性接続部材11および外部電極９を介して内部電極層５から圧電体層３に３ｋＶ／ｍｍの直流電界を15分間印加して分極処理を行ない、積層型圧電素子１を用いた圧電アクチュエータを作製した。得られた圧電アクチュエータに170Ｖの直流電圧を印加して、初期状態の変位量を測定した。
【００７６】
高速応答性評価としては、各々の圧電アクチュエータに室温で０〜＋170Ｖの電圧の交流電圧を150Ｈｚから徐々に周波数を増加させて印加した。耐久性評価としては、各々の圧電アクチュエータに室温で０〜＋170Ｖの電圧の交流電圧を150Ｈｚの周波数で印加して、１×10９回まで連続駆動した試験を行なった。これらの各試料の作製条件を表１に、また試験の結果を表２に示す。
【００７７】
【表１】
2010109057.tif 000003
【００７８】
【表２】
2010109057.tif 000004
【００７９】
表１および表２に示すように、導電性接続部材11にスリット12を形成しなかった比較例の試料番号１についてのみ、圧電アクチュエータでは、印加電圧の周波数が１ｋＨｚを超えた時にうなり音の発生が認められた。これについて、表２のうなり音の発生の欄に「発生」で示した。これは、試料番号１の積層型圧電素子では、積層体７が導電性接続部材11に拘束されているために、駆動に伴って内部電極層５間に局部発熱が生じた際に、圧電体層３毎の変位速度に乱れが生じ、印加した交流電圧の周波数に変位が追従できなかったものと考えられる。
【００８０】
なお、駆動周波数を確認するために、横河電機製オシロスコープＤＬ1640Ｌを用いて試料番号１の駆動信号のパルス波形を確認したところ、駆動周波数の整数倍の周波数に相当する箇所に高調波ノイズが確認された。これについて、表２の高調波成分のノイズの欄に「発生」で示した。
【００８１】
また、耐久性評価の結果としては、比較例の試料番号１では、耐久性評価試験後の変位量（１×10９サイクル後の変位量）は５μｍとなり、耐久性評価試験前と比較して90％近く（｛（４５−５）／45｝×100＝88.9（％））低下していた。また、試料番号１の圧電アクチュエータでは、連続駆動後（１×10９回）に、導電性接続部材11の一部および外部電極９の一部に剥がれが見られ、また積層体７において積層部分の一部に亀裂の発生が見られた。
【００８２】
一方、本発明の実施例である試料番号２〜10の圧電アクチュエータでは、いずれも連続駆動後（１×10９回）に導電性接続部材11の剥がれ、外部電極９の剥がれ、および積層体７の積層部分の亀裂は確認されなかった。また、耐久性評価試験後の変位量（１×10９サイクル後の変位量）の低下は８μｍ以下であり、耐久性評価試験前と比較して変位量の低下は18％以下（最大で試料番号２において｛（45−37）／45｝×100＝17.8（％））に抑えられていた。特に、試料番号５〜８の圧電アクチュエータでは、スリット12を予定破断層13に重なるように形成したことにより、積層体７が伸び縮みする時に、導電性接続部材11に加わった応力をスリット12を介して予定破断層13に伝えることができ、予定破断層13を破断させることによって、積層体７における応力を緩和することができたので、１×10９サイクル後も変位量の低下が６％台と10％以下であり、非常に高い耐久性を有していることが分かった。さらに、試料番号10の圧電アクチュエータでは、外部電極９の第２のスリット10が外部電極９に発生する応力を緩和する効果をもたらし、さらに、同じ箇所で導電性接続部材11のスリット12によって導電性接続部材11に発生する応力を緩和することができたので、１×10９サイクル後も変位量の低下がほとんど確認されず、低下量が１μｍで変化率も2.1％と小さく、非常に高い耐久性を有していることが分かった。
【００８３】
なお、耐久性評価試験後に、試料番号５〜10の積層型圧電素子は、予定破断層13に亀裂が発生していたのが確認できた。これは、導電性接続部材11にスリット12を設けた位置で、または外部電極９に第２のスリット10を設けた位置で応力が集中することにより、それらが重なるように形成された予定破断層13に対して応力を伝えて破断を開始させることができたものである。このことから、導電性接続部材11にスリット12を設けることによって予定破断層13が優先的に破断し、積層体７における応力を緩和したことを確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】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２】（ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す側面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。
【図３】（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側面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。
【図４】（ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例を示す側面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。
【図５】（ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例を示す側面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。
【図６】（ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例を示す側面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。
【図７】（ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例を示す側面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。
【図８】（ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例を示す側面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。
【図９】（ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例を示す側面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。
【図１０】（ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例を示す側面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。
【図１１】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１２】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。
【符号の説明】
【００８５】
１・・・積層型圧電素子
３・・・圧電体層
５・・・内部電極層
７・・・積層体
９・・・外部電極
10・・・第２のスリット
11・・・導電性接続部材
12・・・スリット
13・・・予定破断層
14・・・外部リード線
21・・・噴射装置
23・・・噴射孔
25・・・容器
27・・・ニードルバルブ
29・・・流体通路
31・・・シリンダ
33・・・ピストン
35・・・皿バネ
41・・・燃料噴射システム
43・・・コモンレール
45・・・圧力ポンプ
47・・・噴射制御ユニット
49・・・燃料タンク
【図１】
2010109057.tif 000005
【図２】
2010109057.tif 000006
【図３】
2010109057.tif 000007
【図４】
2010109057.tif 000008
【図５】
2010109057.tif 000009
【図６】
2010109057.tif 000010
【図７】
2010109057.tif 000011
【図８】
2010109057.tif 000012
【図９】
2010109057.tif 000013
【図１０】
2010109057.tif 000014
【図１１】
2010109057.tif 000015
【図１２】
2010109057.tif 000016