(57)【要約】  【課題】  積層型圧電素子には、より高い耐久性が要求されている。しかしながら、従来の積層型圧電素子では、素子の変位量が大きい場合や素子が高速で駆動する場合に、応力を吸収できずに駆動よる自己発熱が大きくなり、素子に亀裂が発生して、積層型圧電素子を安定して駆動できなくなるという課題があった。  【解決手段】  圧電体層３と内部電極層５とが交互に積層された積層構造を有し、圧電体層３は、金属体１３を含む空隙１１を有している積層型圧電素子１である。空隙１１により応力を吸収し、空隙１１内の金属体１３により圧電体層５の熱伝導を向上させることができることにより、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２
2010001800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体層と内部電極層とが交互に積層された積層構造を有する積層型圧電素子であって、前記圧電体層は、金属体を含む空隙を有していることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
互いに対向する前記内部電極層に挟まれた部位に前記空隙を有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。
【請求項３】
前記内部電極層は、多数の独立した金属粒子を含む多孔質内部電極層を含み、該多孔質内部電極層に接する前記圧電体層に前記空隙を有し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】
前記空隙に含まれている前記金属体は、前記空隙の壁面に付着していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項５】
前記空隙が前記金属体によって充填されていることを特徴とする請求項１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】
前記金属体は緻密質であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項７】
前記金属体は前記内部電極層の主成分と同じ材料から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項８】
前記金属体は銀から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項９】
前記空隙が前記圧電体層中で閉じていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項１０】
噴出空隙を有する容器と、請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の積層型圧電素子とを備え、前記容器に供給された液体が前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射空隙から吐出されることを特徴とする噴射装置。
【請求項１１】
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前記高圧燃料を噴射する請求項１０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、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】
高電圧または高圧力の条件で長時間連続駆動させる場合には、内部電極および圧電体に応力がかかる。そこで、積層型圧電体素子に圧電体のクラックや内部電極のショートが生じないように、例えば特許文献１に開示されているように、圧電体層のボイド（空隙）を小さくし、かつ少なくすることが提案されている。
【特許文献１】特開２００２−５４５２６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、圧電体層のボイドを小さくし、かつ少なくすると、積層型圧電素子に外部から応力が加わった時に、圧電体層が応力で変形しようとしても、圧電体層内に変形可能なボイドがないために、局所的に変形する領域がなくなり、圧電素子全体が変形するという問題が生じるようになった。また、圧電素子の駆動中においては、圧電体層内に応力を吸収する領域がなくなることで、駆動による自己発熱が大きくなるという問題があった。特に、内部電極に比べて圧電体層は熱伝導が悪いので、圧電素子表面への熱の散逸が困難であるために、ひとたび圧電素子の駆動中に自己発熱が始まると、加熱により圧電特性が変動してさらに駆動変形が大きくなり、さらに過熱が進行して駆動量が低下したり、局所的加熱で局部的に熱膨張が生じることで、圧電素子に亀裂が発生したりして、積層型圧電素子を安定して駆動できないという問題が発生した。【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、長時間の駆動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、圧電体層と内部電極層とが交互に積層された積層構造を有する積層型圧電素子であって、前記圧電体層は、金属体を含む空隙を有していることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の積層型圧電素子によれば、圧電体層が有している空隙により、圧電体層内に局所的に変形する領域を形成して応力を吸収し、さらに空隙に含まれている金属体により、圧電体層の熱伝導を向上させて、圧電素子の駆動中に発生した自己発熱を圧電素子表面にまで散逸させることができる。この結果、長時間の駆動でも変位量を安定させることができる。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の積層型圧電素子について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の例を示す斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す例の分解斜視図である。図２は、図１に示す例における圧電素子の積層方向に垂直な方向の、積層方向に隣り合う、すなわち互いに対向する内部電極をそれぞれ含む要部断面図である。
【０００９】
図２に示すように、本例の積層型圧電素子１（以下、単に圧電素子１ともいう）は、圧電体層３と内部電極層５とが交互に積層された積層構造の積層体７を有する積層型圧電素子１であって、圧電体層３に金属体１３を含む空隙（ボイド）１１を有している。
【００１０】
このように圧電体層３が金属体１３を含む空隙１１を有していることにより、空隙１１により、圧電体層３内に局所的に変形する領域を形成して応力を吸収し、さらに空隙１１内の金属体１３により、圧電体層３の熱伝導を向上させて、圧電素子１の駆動中に発生した自己発熱を圧電素子１の表面にまで散逸させることができる。この結果、長時間の駆動でも変位量を安定させることができる。
【００１１】
圧電体層３に含まれる空隙１１の大きさは、圧電体層３の厚みに対して５０％以下が好ましい。この範囲内とすることにより、空隙１１が圧電体層３内に局所的に変形する領域を形成して応力を効果的に吸収し、また、圧電体層３の全面にわたって高い絶縁抵抗を有する効果を奏する。また、空隙１１に含まれる金属体１３の形状は、積層方向に直交する方向（圧電体層の主面に平行な方向）に伸びていることが好ましい。このときには、空隙１１内の金属体１３により、圧電体層３の熱伝導を素子側面の方向に優先的に向上させることができて、圧電素子１の駆動中に発生した自己発熱を圧電素子１の表面にまで散逸させる効果が向上する。
【００１２】
また、互いに上下に位置するなどして対向する内部電極層５に挟まれた部位に空隙１１を有することが好ましい。このときには、積層型圧電素子１の中で、活性層と呼ばれる駆動領域に空隙１１によって応力緩和効果と熱散逸効果とをもたらすことができるので、駆動中の発熱を効果的に散逸できる。さらに、異なる極性の内部電極層５間に挟まれた部位においては、局所的加熱を抑えることで、局部的に熱膨張を抑止できるので、圧電素子１に亀裂が発生するのを防止し、積層型圧電素子１を安定して駆動させることができる。
【００１３】
また、内部電極層５は、多数の独立した金属粒子を含む多孔質内部電極層５（特に区別して図示せず）を含み、この多孔質内部電極層５に接する圧電体層３に空隙１１を有していることが好ましい。
【００１４】
多数の独立した金属粒子を含む多孔質内部電極層５は、それ自身に応力を緩和する効果があるので、空隙１１を有している圧電体層３との相乗効果で、さらに耐久性の高い積層型圧電素子１とすることができる。また、多孔質内部電極層５は熱伝導が他の緻密な内部電極層５よりも低いので、これに金属体１３を含む空隙１１を近接させることで熱の散逸を効果的に行なうことができるので、耐久性の高い積層型圧電素子１とすることができる。
【００１５】
また、空隙１１に含まれている金属体１３は、空隙１１の壁面に付着していることが好ましい。これによれば、加熱されている圧電体層３に直接金属体１３を接することができるので、熱の散逸を効果的に行なうことができることから、耐久性の高い積層型圧電素子１とすることができる。
【００１６】
特に、空隙１１が金属体１３によって充填されていることで、熱の散逸を最も効果的に行なうことができる。この状態は、圧電体層３が層中に周囲が圧電体層３に接している金属体１３を有している（金属体１３が圧電体層３中に含まれている）ともいえるものである。
【００１７】
また、金属体１３は、ポーラス（多孔質）状であれば応力の吸収に効果的に寄与し、緻密質であれば熱伝導特性を効果的に向上できる。従って、特に熱が発生して熱がこもりやすい活性層と不活性層との境目に、緻密質な金属体１３を含んだ空隙１１を配置することによって、高い耐久性を有する積層型圧電素子１とすることができる。
【００１８】
また、金属体１３は、内部電極層５の主成分と同じ材料から成ることで、熱膨張を内部電極層５と同等とすることができるので、積層型圧電素子１が急速に温度変化するような過酷な環境で使用されることになっても、熱膨張に起因する応力の発生を防止することができるので、長期間にわたって安定して積層型圧電素子１を使用することができる。また、圧電素子１内の熱応力を均等に分散することができる。
【００１９】
また、金属体１３が銀であることで、優れた熱伝導を実現すると同時に、銀が比較的柔らかい金属であることから、空隙１１が変形しても同時に金属体１３が変形することができるものとなり、効果的に応力を吸収することができるので、高い耐久性のある積層型圧電素子１とすることができる。
【００２０】
また、空隙１１は、圧電体層３中で閉じている、すなわちいわゆる閉気孔であることで、圧電体層３中において気体を内蔵したダンパーとして機能するものとなるので、有効な応力吸収体として機能し、高い耐久性のある積層型圧電素子１とすることができる。
【００２１】
次に、本実施形態にかかる積層型圧電素子１の製法について説明する。
【００２２】
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、このスラリーを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、セラミックグリーンシートが作製される。圧電セラミックスとしては圧電特性を有するものであればよく、例えば、ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３等からなるペロブスカイト型酸化物などを用いることができる。また、可塑剤としては、ＤＢＰ（フタル酸ジブチル）、ＤＯＰ（フタル酸ジオクチル）などを用いることができる。
【００２３】
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とができる。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷法を用いて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。
【００２４】
このとき、内部電極層５として多数の独立した金属粒子を含む多孔質内部電極層５を形成するには、例えば、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、多孔質内部電極層５となる内部電極層５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、多孔質内部電極層５となる内部電極層５から金属を拡散させることによって多孔質とする方法が好ましい。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、多孔質内部電極層５となる内部電極層５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、銀を含んだ液相が、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内部電極層５ができあがることから好ましい。
【００２５】
ここで、圧電体層３中に金属体１３を含んだ空隙１１を形成するには、カーボンシートに銀または銀−パラジウム等を印刷した後に粉砕した粉末（焼成後に金属体１３となる。）を準備し、この粉末をセラミックグリーンシートを作製するときのスラリーに含有させて、空隙用セラミックグリーンシートを作製する。この空隙用セラミックグリーンシートを積層体７を構成するセラミックグリーンシートの一部または全部として用いて積層体７を形成し、これを焼成することによって、金属体１３を含む空隙１１を有している圧電体層３を備えた積層型圧電素子１を得ることができる。
【００２６】
あるいは、内部電極層５となる導電性ペーストに、銀−パラジウムの比率の異なる導電性ペーストを準備して、濃度勾配を用いて内部電極層５間に金属の拡散を積極的に発生させ、金属拡散の生じる場所になる圧電体層３となるセラミックグリーンシートに空隙１１ができやすいようにカーボンを含有させたりバインダーを過剰に含有させたりして、焼成中に圧電体層３に金属を拡散させつつ圧電体層３中に形成される空隙１１に金属をトラップさせることによって、金属体１３を含む空隙１１を有している圧電体層３を備えた積層型圧電素子１を得ることができる。
【００２７】
その後、積層型圧電素子１の積層体７の外表面に、端部が露出する内部電極層５と導通が得られるように外部電極９を形成する。この外部電極９は、銀粉末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、乾燥接着あるいは焼き付けることによって得ることができる。
【００２８】
次に、シリコーンゴムからなる外装樹脂を含む樹脂溶液に、外部電極９を形成した積層体７を浸漬する。そして、シリコーン樹脂溶液を真空脱気することにより、積層体７の外周側面の凹凸部にシリコーン樹脂を密着させ、その後、シリコーン樹脂溶液から積層体７を引き上げる。これにより、積層体７の側面にシリコーン樹脂（不図示）がコーティングされる。そして、外部電極９に通電部としてリード線を導電性接着剤（不図示）等で接続する。
【００２９】
次に、リード線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、リード線を外部の電圧供給部（不図示）に接続し、リード線および外部電極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。
【００３０】
次に、本発明の噴射装置としての流体の噴射装置について説明する。図３は、本発明の噴射装置の実施の形態の例を示す概略断面図である。
【００３１】
図３に示すように、本例の噴射装置２１は、一端に噴射空隙２３を有する収納容器（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。
【００３２】
収納容器２５内には、噴射空隙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。噴射空隙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が噴射空隙２３を開放すると、流体通路２９に供給されていた流体が、噴射空隙２３の外部または噴射空隙２３に隣接する容器、例えば内燃機関の燃料室（不図示）に噴出されるように構成されている。
【００３３】
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、その部分に収納容器２５に形成されたシリンダ３１と摺動可能なピストン３３が配置されている。そして、収納容器２５内には、本発明の積層型圧電素子１が収納されている。
【００３４】
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が噴射空隙２３を閉塞し、流体の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると圧電アクチュエータが収縮し、皿バネ３５がピストン３３を押し返すことによって、噴射空隙２３が流体通路２９と連通して噴射空隙２３から流体の噴射が行なわれるようになっている。
【００３５】
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を開放して噴射空隙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。
【００３６】
また、本発明の噴射装置２１は、噴射空隙２３を有する容器（収納容器）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の駆動により噴射空隙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の内部に噴射空隙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、流体は、流体通路２９を通して噴射空隙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空隙２３から吐出させてもよい。
【００３７】
なお、本発明において、流体とは、燃料あるいはインクなどの他、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制御することができる。
【００３８】
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。
【００３９】
次に、本発明の流体噴射システムについて説明する。図４は、本発明の燃料噴射システムの実施の形態の例を示す概略図である。
【００４０】
図４に示すように、本例の流体噴射システム４１は、高圧流体を蓄えるコモンレール４３と、このコモンレール４３に蓄えられた流体を噴射する複数の本発明の噴射装置２１と、コモンレール４３に高圧の流体を供給する圧力ポンプ４５と、噴射装置２１に駆動信号を与える噴射制御ユニット４７とを備えている。
【００４１】
噴射制御ユニット４７は、外部情報または外部からの信号に基づいて流体噴射の量やタイミングを制御する。例えば、エンジンの燃料噴射に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。
【００４２】
圧力ポンプ４５は、流体タンク４９から流体燃料を高圧でコモンレール４３に送り込む役割を果たす。例えばエンジンの燃料噴射システムの場合には、１０００〜２０００気圧程度、好ましくは１５００〜１７００気圧程度の圧力でコモンレール４３に流体を送り込む。
【００４３】
コモンレール４３では、圧力ポンプ４５から送られてきた流体燃料を蓄え、積層型圧電素子１の駆動に応じて適宜噴射装置２１に送り込む。噴射装置２１は、上述したように噴射空隙２３から所定量の流体を噴射空隙２３の外部または噴射空隙２３に隣接する容器に高圧で吐出（噴射）する。例えば、エンジンの場合には、流体である燃料を燃焼室内に霧状に噴射する。
【００４４】
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、噴射装置および燃料噴射システム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、圧力センサ等、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】
【００４５】
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。【００４６】
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Ａを作製した。そして、セラミックグリーンシートＡよりもバインダー量を５０質量％増加させ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Ｂを作製した。【００４７】
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。【００４８】
そして、セラミックグリーンシートＡ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Ａ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層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Ａが印刷されていないセラミックグリーンシートＡのみをそれぞれ２０枚積層し、試料番号１とした。【００４９】
次に、試料番号２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、導電性ペーストＢを挟む位置の圧電体層３となるシートにはセラミックグリーンシートＢを用いた。同様に、試料番号３においては、積層方向の１００番目および２００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、試料番号４においては、積層方向の５０番目、１００番目、１５０番目、２００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。【００５０】
さらに、試料番号５においては、積層方向の５０番目、１００番目、１５０番目、２００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、導電性ペーストＢを挟む位置の圧電体層３となるシートおよびその隣（上下）の圧電体層３となるシートにセラミックグリーンシートＢを用いた。【００５１】
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。【００５２】
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、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を作製した。この導電性ペーストを、積層体７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印刷した。その後、６００〜８００℃で焼成して、外部電極９を形成した。【００５３】
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、外部電極９にリード線を接続し、正極および負極の外部電極９からリード線を介して圧電体層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。【００５４】
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。これらの試験の結果を表１に示す。【００５５】
【表１】
2010001800.tif 000003
【００５６】
表１に示すように、高速応答性評価の結果としては、表１に示すように、応答性評価を行なった結果として、試料番号１についてのみ、圧電アクチュエータでは、周波数が１ｋＨｚを超えた時にうなり音を発していた。これは、試料番号１の積層型圧電素子では、駆動に伴って内部電極層間に局部発熱が生じた際に、熱の散逸が十分にできずに圧電体層の一部が局所的に加熱され、温度上昇に伴う誘電損失の増大から変位速度の遅れが生じ、その結果、圧電体層ごとの変位速度に乱れが生じたためである。さらに、局所的な加熱は圧電体層の変形を大きくするため、これらによって、圧電素子の高速応答性が阻害されたため、印加した交流電圧の周波数に追従できなかったものと考えられる。【００５７】
なお、駆動周波数を確認するために、ヨコガワ製オシロスコープ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１では高調波成分のノイズ発生の欄に「あり」で示した。【００５８】
また、耐久性評価の結果としては、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）に圧電素子の積層部分の一部に剥がれが見られた。【００５９】
一方、試料番号２〜５の圧電アクチュエータでは、いずれも連続駆動後（１×１０９回）に圧電素子の積層部分の剥がれは確認されなかった。また、耐久性評価試験後の変位量の低下が３μｍ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８％以下（｛（４０−３７）／４０｝×１００＝７．５（％））に抑えられていた。特に、試料番号５の圧電アクチュエータでは、１×１０９サイクル後も変位量の低下が確認されず、非常に高い耐久性を有していることが分かった。【００６０】
さらに、耐久性評価試験の後、積層型圧電素子を切断して、顕微鏡を用いて観察したところ、試料番号２〜５のいずれにおいても、圧電体層中に空隙と空隙に含まれた金属体とが見つかった。これらは、表１において、金属体を含有するボイド（空隙）の欄に「あり」で示した。【００６１】
また、空隙が応力を過剰に吸収したことに起因して、多数の独立した金属粒子を含む多孔質内部電極層においては、空隙に近い領域で、わずかに金属粒子が隣接する圧電体層から剥がれていた。【００６２】
なお、試料番号５においては、初期状態の変位量が３８μｍであり、試料番号２〜４が４０μｍであったのに対して相対的に小さかった。これは、内部電極層において、耐久性を向上させる、多数の独立した金属粒子を含む多孔質内部電極層における空隙が多かったため、この内部電極層における空隙が積層体の変位を吸収したことが理由として挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】（ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施の形態の例を示す斜視図であり、（ｂ）は図１（ａ）に示す例の分解斜視図である。
【図２】図１に示す例における圧電素子の積層方向に垂直な方向の、積層方向に隣り合う内部電極をそれぞれ含む要部断面図である。
【図３】本発明の噴射装置の実施の形態の例を示す概略断面図である。
【図４】本発明の燃料噴射システムの実施の形態の例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６４】
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
１１・・・空隙
１３・・・金属体
２１・・・噴射装置
２３・・・噴射空隙
２５・・・収納容器（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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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