(57)【要約】  素子が大きく変位する場合や高速で駆動する場合であっても、耐久性に優れて変位量の低下が抑制される積層型圧電素子、これを用いた噴射装置及び燃料噴射システムを提供するために、その積層型圧電素子は、複数のセラミック層と複数の内部電極層とを有し、該内部電極層がそれぞれ対向して設けられたセラミック層に挟まれてなる積層体を有する積層型圧電素子であって、前記複数のセラミック層は、圧電体層と、該圧電体層及び前記内部電極層と比較して剛性が低い低剛性セラミック層とを含んでなり、前記低剛性セラミック層は、空隙を介して互いに離隔する複数のセラミック部と、該セラミック部の外表面の少なくとも一部を被覆する被覆層とを有している。
2009069746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセラミック層と複数の内部電極層とを有し、該内部電極層がそれぞれ対向して設けられたセラミック層に挟まれてなる積層体を有する積層型圧電素子であって、
前記複数のセラミック層は、圧電体層と、該圧電体層及び前記内部電極層と比較して剛性が低い低剛性セラミック層とを含んでなり、
前記低剛性セラミック層は、空隙を介して互いに離隔する複数のセラミック部と、該セラミック部の外表面の少なくとも一部を被覆する被覆層と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】
前記低剛性セラミック層は、一方の面が前記圧電体層と接している請求項１に記載の積層型圧電素子。
【請求項３】
前記低剛性セラミック層は、両方の面が前記圧電体層と接している請求項１に記載の積層型圧電素子。
【請求項４】
前記被覆層の少なくとも一部は、積層方向に隣り合う前記圧電体層と接合している請求項２又は３に記載の積層型圧電素子。
【請求項５】
前記複数のセラミック部の少なくとも１つは、前記被覆層を介して前記隣り合う圧電体層と接合されていることを特徴とする請求項２〜４のうちのいずれか１つに記載の積層型圧電素子。
【請求項６】
前記複数のセラミック部のうちの少なくとも１つは、当該セラミック部の表面の一部が露出していることを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の積層型圧電素子。
【請求項７】
前記複数のセラミック部のうちの少なくとも１つは、当該セラミック部の表面が互いに離隔する複数の前記被覆層に被覆さ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】
前記セラミック部の表面が、離隔する複数の領域で露出している請求項６に記載の積層型圧電素子。
【請求項９】
前記セラミック部の表面を離隔する複数の領域で露出させる被覆層が網目状である請求項８記載の積層型圧電素子。
【請求項１０】
前記複数のセラミック部のうちの少なくとも１つは、当該セラミック部の表面全体が前記被覆層に被覆されている請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の積層型圧電素子。
【請求項１１】
前記被覆層は、ガラスを主成分とすることを特徴とする請求項１〜１０のうちのいずれか１つに記載の積層型圧電素子。
【請求項１２】
前記被覆層は、前記セラミック部の主成分を含有していることを特徴とする請求項１〜１１のうちのいずれか１つに記載の積層型圧電素子。
【請求項１３】
前記被覆層は、複数の層からなることを特徴とする請求項１〜１２のうちのいずれか１つに記載の積層型圧電素子。
【請求項１４】
前記被覆層は、前記セラミック部の主成分の含有量が異なる複数の層からなることを特徴とする請求項１３に記載の積層型圧電素子。
【請求項１５】
前記被覆層は、弾性率が異なる複数の層からなることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の積層型圧電素子。
【請求項１６】
請求項１〜１５のうちのいずれか１つに記載の積層型圧電素子と噴射孔とを備え、前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を吐出させるように構成したことを特徴とする噴射装置。
【請求項１７】
高圧燃料を備えるコモンレールと、このコモンレールに蓄えられた燃料を噴射する請求項１３に記載の噴射装置と、
前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御システムと、
を備えたことを特徴とする燃料噴射システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、駆動素子（圧電アクチュエータ）、センサ素子及び回路素子に用いられる積層型圧電素子に関するものである。駆動素子としては、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェットのような液体噴射装置、光学装置のような精密位置決め装置及び振動防止装置が挙げられる。センサ素子としては、例えば、燃焼圧センサ、ノックセンサ、加速度センサ、荷重センサ、超音波センサ、感圧センサ及びヨーレートセンサが挙げられる。また、回路素子としては、例えば、圧電ジャイロ、圧電スイッチ、圧電トランス及び圧電ブレーカーが挙げられる。
【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、より高い電圧が印加され、しかも長時間連続駆動させる過酷な条件化で使用できることが要求されている。【０００３】
コンデンサ等の通常の積層型電子部品と異なり、積層型圧電素子は駆動時に素子自体が連続的に寸法変化を起こす。そして、全ての圧電体層が内部電極を介して密着して駆動することにより、積層型圧電素子は一体として大きく駆動変形する。そのため、素子には大きな応力がかかる。【０００４】
上記課題を解決する手段の一つとして、特許文献１では、あらかじめ圧電体層の一部に目標破断層として多孔質な層を設けた素子が提案されている。
【特許文献１】特表２００６−５１８９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されているように、目標破断層で積層型圧電素子を破断させることにより、圧電体層にかかる応力をある程度緩和させることができる。これは、目標破断層を構成するセラミックが破断することにより、圧電体層や内部電極にかかる応力が緩和されるからである。しかしながら、積層型圧電素子には、より大きな変位量や高い応答性が要求されている。【０００６】
素子が大きく変位する場合や高速で駆動する場合には、目標破断層を構成するセラミックの破断によってセラミックの破片が生じる。そして、このようなセラミックの破片により、圧電体層が損傷して素子の変位量が低下する可能性がある。【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。つまりは、素子が大きく変位する場合や高速で駆動する場合であっても、耐久性に優れて変位量の低下が抑制される積層型圧電素子、これを用いた噴射装置及び燃料噴射システム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】
【０００８】
本発明の積層型圧電素子は、複数のセラミック層と複数の内部電極層とを有し、該内部電極層がそれぞれ対向して設けられたセラミック層に挟まれてなる積層体を有する積層型圧電素子であって、前記複数のセラミック層は、圧電体層と、該圧電体層及び前記内部電極層と比較して剛性が低い低剛性セラミック層とを含んでなり、前記低剛性セラミック層は、空隙を介して互いに離隔する複数のセラミック部と、該セラミック部の外表面の少なくとも一部を被覆する被覆層とを有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の積層型圧電素子によれば、低剛性セラミック層が、空隙を介して互いに離隔するセラミック部を有しているため、下記理由により、高い耐久性を有することができる。具体的には、セラミック部が、空隙を介して互いに離隔していることにより、低剛性セラミック層の剛性を低下させて、この低剛性セラミック層で応力を吸収することができる。これにより、圧電体層及び内部電極層への応力の集中を小さくできるので、積層型圧電素子の変位量の低下を抑制することができる。【００１０】
さらに、本発明の積層型圧電素子は、セラミック部の外表面の少なくとも一部が被覆層により被覆されているため、優れた耐久性を長期間維持できる。応力緩和のためにセラミック部が破断してセラミックの破片が生じたとしても、セラミック部が被覆層により被覆されていることで、この破片の散乱を抑制できる。そして、この破片による圧電体層の損傷を抑制できるからである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の積層型圧電素子にかかる実施形態の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明の積層型圧電素子にかかる実施形態の一例を示し、積層方向に平行な断面図である。
【図３】本発明の積層型圧電素子にかかる実施形態の一例を示し、積層方向に垂直であって低剛性セラミック層を含む断面図である。
【図４】図２に示す実施形態の低剛性セラミック層を拡大した拡大断面図である。
【図５Ａ】本発明の積層型圧電素子における被覆層の一形態を示す斜視図である。
【図５Ｂ】本発明の積層型圧電素子における被覆層の他の形態を示す斜視図である。
【図５Ｃ】本発明の積層型圧電素子における被覆層のさらに異なる形態を示す斜視図である。
【図６】本発明の積層型圧電素子にかかる他の実施形態における低剛性セラミック層が配設された部分を拡大した拡大断面図である。
【図７】本発明の積層型圧電素子にかかる他の実施形態における低剛性セラミック層が配設された部分を拡大した拡大断面図である。
【図８】本発明の積層型圧電素子にかかる他の実施形態における低剛性セラミック層が配設された部分を拡大した拡大断面図である。
【図９】本発明の積層型圧電素子にかかる他の実施形態における低剛性セラミック層が配設された部分を拡大した拡大断面図である。
【図１０】本発明の積層型圧電素子にかかる他の実施形態における低剛性セラミック層が配設された部分を拡大した拡大断面図である。
【図１１】本発明の噴射装置を示す断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システムを示す概略図である。
【符号の説明】
【００１２】
１・・・積層型圧電素子、
３・・・セラミック層、
５・・・内部電極層、
７・・・積層体、
９・・・外部電極、
１１・・・圧電体粒子、
１３・・・圧電体層、
１５・・・低剛性セラミック層、
１７・・・空隙、
１９・・・セラミック部、
２１・・・被覆層、
２１ａ・・・被覆層
２１ｂ・・・被覆層、
２３・・・通電部、
２５・・・噴射装置、
２７・・・噴射孔、
２９・・・収納容器、
３１・・・ニードルバルブ、
３３・・・燃料通路、
３５・・・シリンダ、
３７・・・ピストン、
３９・・・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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の積層型圧電素子について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。図２は、図１に示す積層型圧電素子であって、積層方向に平行な断面図である。図３は、図１に示す積層型圧電素子であって、積層方向に垂直かつ低剛性セラミック層を含む断面図である。【００１４】
図１〜３に示すように、本実施形態の積層型圧電素子１（以下、単に素子１ともいう）は、複数のセラミック層３と複数の内部電極層５とを有し、内部電極層５がそれぞれ対向して設けられたセラミック層３に挟まれてなる積層体７と、積層体７の側面に形成された外部電極９と、を有している。また、各々のセラミック層３は、圧電体層１３と、圧電体層１３及び内部電極層５と比較して剛性が低い低剛性セラミック層１５とを備え、低剛性セラミック層１５は２つの圧電体層１３の間に配置されている。【００１５】
本実施形態において低剛性セラミック層１５とは、内部電極層５及び圧電体層１３と比較して層内の結合力及び／又は隣接する層との結合力が弱く、剛性が小さい層をいう。そして、低剛性セラミック層１５は空隙１７を介して互いに離隔する複数のセラミック部１９と、セラミック部１９の外表面の少なくとも一部を被覆する被覆層２１とを有している。【００１６】
複数のセラミック部１９が空隙１７を介して互いに離隔しているため、低剛性セラミック層１５で応力を吸収しやすい。そのため、積層型圧電素子１の使用により素子１が伸縮した場合や素子１に外部から強い衝撃や応力が加えられた場合であっても、セラミック部１９が変形又は破断することにより応力を吸収することができる。これにより、内部電極層５または圧電体層１３に応力が集中してクラックが生じることを抑制することができる。結果として、積層方向に隣り合う内部電極層５の間で電気的な短絡が生じることを抑制することができる。【００１７】
特に高電界、高圧力下で素子１を駆動させた場合、瞬間的に大きな応力が素子１にかかるため、クラックがどの方向に走るか予測し難く、クラックの方向を安定させにくい。一方、高電界、高圧力下でさらに長時間連続駆動することが可能な圧電素子が求められていることから、素子１にかかる応力をより効果的に緩和させることが必要となっている。【００１８】
内部電極層５、圧電体層１３及び低剛性セラミック層１５の剛性は、例えば積層型圧電素子１に対して、積層方向に垂直な方向に荷重を加えることにより容易に比較できる。具体的には、ＪＩＳ３点曲げ試験（ＪＩＳ  Ｒ  １６０１）などにより、素子１に対して積層方向に垂直な方向から荷重を加えることで判断できる。上記の試験を行ったときに、どの部分で素子１が破断するかを確認すればよいからである。その破断箇所が素子１のなかで最も剛性が低い箇所である。【００１９】
積層型圧電素子１は低剛性セラミック層１５を備えているので、ＪＩＳ３点曲げ試験を行うと、内部電極層５及び圧電体層１３よりも、この低剛性セラミック層１５や低剛性セラミック層１５と圧電体層１３との界面で優先的に破断が起きる。このように、破断した箇所が内部電極層５若しくは圧電体層１３であるか、又は、低剛性セラミック層１５若しくは低剛性セラミック層１５と圧電体層１３との界面であるかにより、低剛性セラミック層１５の有無を確認することができる。【００２０】
なお、試験片が小さく、上記ＪＩＳ３点曲げ試験を用いることができない場合には、このＪＩＳ３点曲げ試験に準拠して、素子１を長方形の角柱となるように加工して試験片を作製し、この試験片を一定距離に配置された２支点上に置いて支点間の中央の１点に荷重を加えることで、低剛性セラミック層１５の有無を確認すればよい。【００２１】
また、剛性が低いとは、ヤング率が小さいと言い換えることができる。ヤング率の測定方法としては、例えば、ナノインデンテーション法を用いることができる。測定装置としては、例えば、ナノインスツルメント社製の「ナノインデンターII」を用いることができる。積層体７の積層方向に垂直若しくは平行な断面において、内部電極層５、圧電体層１３及び低剛性セラミック層１５を露出させ、上記の測定装置を用いてヤング率を測定すればよい。【００２２】
図４は、図２における低剛性セラミック層１５付近を拡大した断面図である。図４に示すように、積層型圧電素子１は、セラミック部１９の外表面の少なくとも一部が被覆層２１により被覆されている。そのため、セラミック部１９が破断した場合であっても、セラミック部１９が被覆層２１により被覆されているので、セラミック部１９の破片の散乱を抑制することができる。これにより、圧電体層１３を構成する圧電体粒子１１の上記の破片による損傷を抑制することができる。ここで、セラミック部１９の外表面とは、セラミック部１９の表面のうち、隣り合う圧電体層１３間であって圧電体層１３と離隔している部分をいう。【００２３】
また、一時的に大きな応力が素子１に加わった時には、被覆層２１がセラミック部１９から剥離することにより、応力を散逸させることができる。具体的には、上記の大きな応力が素子１に加わった場合、被覆層２１とセラミック部１９の界面にも大きな応力が加わることから、被覆層２１がセラミック部１９から剥離する。
また、素子１に加わった応力を、低剛性セラミック層１５で緩和する場合、セラミック部１９を構成する結晶粒子は応力により変形することによって応力を吸収する。このとき、セラミック部１９を構成する結晶粒子は変形と同時に自己発熱して、最も応力が集中した箇所が局所的に高温になり、そのため結晶粒子が熱膨張を起こすことによって結晶粒子間に亀裂が生じやすくなるが、セラミック部１９が被覆層２１により被覆されていることによって、セラミック部１９を構成する結晶粒子のなかでも、被覆層２１に接する部分が最も変形の度合いが大きくなる。そのため、セラミック部１９を構成する結晶粒子間での発熱や亀裂が生じることなく、セラミック部１９と被覆層２１との間が局所的に加熱され、加熱された被覆層２１が熱膨張を起こして剥離する。これにより、セラミック部１９から外部に効率良く熱を放出することができる。従って、低剛性セラミック層１５内での亀裂の進展を抑制し、素子１の駆動を安定させることができる。さらに、自己発熱に起因して生じるセラミック部１９内の酸素欠陥の発生も抑制することができる。【００２４】
また、被覆層２１がセラミック部１９から剥離することによって応力を分散させることができるので、内部電極層５及び圧電体層１３にかかる応力を小さくすることもできる。これにより、内部電極層５及び圧電体層１３でのクラックの発生が抑制される。結果として、積層方向に隣り合う内部電極層５の間での電気的な短絡の発生を抑制することができる。【００２５】
以上のように、本実施形態は、低剛性セラミック層１５において、セラミック部１９を被覆層２１によって覆うことにより積層型圧電素子１の内部に生じる応力を緩和するものであるが、積層型圧電素子１が使用される環境に応じて、セラミック部１９を覆う被覆層２１の好ましい形態は異なる。【００２６】
例えば、積層型圧電素子１が常温及び高温の両方の環境下で使用されるような場合は、図４に示すように、セラミック部１９の外表面の少なくとも一部が被覆層２１に被覆されずに露出していることが好ましい。このように、セラミック部１９の外表面の少なくとも一部が露出していることにより、積層型圧電素子１が常温及び高温の両方の環境下で使用されるような場合であっても、後述する通り、耐久性を向上させることができる。積層型圧電素子１が自動車エンジンの燃料噴射装置などに用いられる場合、高温環境下での使用となるため、積層型圧電素子１は常温での使用時と比較して大きく熱膨張する。このような環境下では、セラミック部１９と被覆層２１の熱膨張係数の差により、セラミック部１９と被覆層２１との間に応力が発生する。【００２７】
しかしながら、セラミック部１９の外表面全面を被覆層２１で被覆せず、セラミック部１９の外表面の少なくとも一部が露出していることにより、この露出部分で応力を開放することができる。これにより、セラミック部１９の破片の発生や被覆層２１でのクラックの発生を抑制できるので、積層型圧電素子１の耐久性を向上させることができる。大きく熱膨張する高温環境下での使用においては、特にこのような形態が有効となる。【００２８】
また、セラミック部１９の側面の少なくとも一部が露出している形態に関しても以下のような異なる形態を取り得る。
図５Ａ、図５Ｂは、それぞれ本発明の他の実施形態にかかる積層型圧電素子１におけるセラミック部１９を示す斜視図である。図５Ａに示すように、セラミック部１９の外表面が、互いに離隔する複数の被覆層２１に被覆されているような形態であってもよい。これにより、互いに離隔する被覆層２１間で外表面が露出するセラミック部１９の部分が変形しやすくなるので、この部分で選択的にセラミック部１９が変形する。結果として、セラミック部１９による積層型圧電素子１に対する応力緩和の効果を高く維持することができる。【００２９】
また、セラミック部１９の外表面の一部に局所的に応力が集中して、被覆層２１がセラミック部１９から剥離してしまうような場合であっても、複数の被覆層２１のうち、この応力の集中した部分を被覆する被覆層２１のみがセラミック部１９から剥離するに留まる。そのため、被覆層２１全体がセラミック部１９から剥離することを抑制できる。結果として、安定してセラミック部１９を被覆層２１により被覆することができる。【００３０】
また、被覆部２１が繋がった１つのものからなり、セラミック部１９の外表面が、互いに離隔する複数の領域で露出しているような形態であってもよい。図５Ｂに示すように、セラミック部１９の外表面が、互いに離隔する複数の領域で露出するように被覆層２１で被覆されていることにより、被覆層２１が変形しやすくなる。その為、電圧を印加して素子１を駆動させた場合などであっても、被覆層２１がセラミック部１９の変形に追従しやすくなる。結果として、セラミック部１９と被覆層２１の接合性を向上させることができる。具体的には、被覆層２１が網目状であることにより、セラミック部１９の伸縮に追従しやすくなるので好ましい。【００３１】
また、セラミック部１９が劣化し易い雰囲気下で積層型圧電素子１が使用されるような場合には、セラミック部１９の外表面の全体が被覆層２１に被覆されていることが好ましい。図５Ｃに示すように、セラミック部１９の外表面の全体が被覆層２１に被覆されていることにより、セラミック部１９の露出を抑えることができるので、セラミック部１９の外表面が外気などの雰囲気に接触することを防いで、セラミック部１９の劣化をより確実に抑制することができるからである。特に、水分を多量に含んでいる場合のように、セラミック部１９が劣化しやすい雰囲気下で積層型圧電素子１を使用する時には、上記の形態が有効となる。【００３２】
また、被覆層２１の少なくとも一部が、圧電体層１３と接合していることが好ましい。被覆層２１が圧電体層１３と接合している場合には、積層型圧電素子１の駆動に伴い圧電体層１３からセラミック部１９にかかる応力を、圧電体層１３から被覆層２１へと分散させることができるため、セラミック部１９の耐久性を向上させることができるからである。また、被覆層２１が圧電体層１３と接合していることにより、圧電体層１３と低剛性セラミック層１５の接合性を高めることもできる。【００３３】
図６は、本発明のさらに他の実施形態にかかる積層型圧電素子１であって、低剛性セラミック層１５が配設された部分を拡大した拡大断面図である。図６に示すように、セラミック部１９とそれを被覆する被覆層２１の形態には以下のような種々の形態がある。
例えば、比較的大きな応力が積層型圧電素子１にかかるような環境で使用されるような場合には、複数のセラミック部１９の少なくとも１つが、図６の１つに示すように、圧電体層１３と離隔し、被覆層２１を介して圧電体層１３と接合されていることが好ましい。低剛性セラミック層１５と圧電体層１３との界面に局所的に強い応力が加わった場合であっても、被覆層２１の損傷にとどめて、圧電体層１３やセラミック部１９が損傷することを抑制することができるからである。結果として、セラミック部１９による応力緩和の効果を高めることができ、また、積層型圧電素子１の変位の低下を抑制することもできる。【００３４】
また、金属が腐食しやすい環境で使用されるような場合には、図６に示すように、セラミック部１９の表面全体が被覆層２１に被覆されていることがより好ましい。セラミック部１９の表面全体が被覆層２１に被覆されていることにより、セラミック部１９がセラミック層３から離隔した場合であっても、セラミック部１９の外表面だけでなく外表面以外の面を含む表面全体が外気などの雰囲気に接触することを防ぐことができるからである。セラミック層３が圧電体粒子１１により構成されている場合など、セラミック部１９の外表面以外の部分が外気と接する時には、上記の形態が特に有効となる。これにより、セラミック部１９の劣化をより確実に抑制することができる。【００３５】
図７は、本発明のさらに他の実施形態にかかる積層型圧電素子１であって、低剛性セラミック層１５が配設された部分を拡大した拡大断面図である。図７に示すように、セラミック部１９の外表面の一部だけでなく、圧電体層１３の低剛性セラミック層１５と対向する面にも延在して被覆層２１が形成されていることが好ましい。低剛性セラミック層１５に応力を集中させるため、この低剛性セラミック層１５付近が局所的に高温となる。そのため、低剛性セラミック層１５と積層方向に隣り合う圧電体層１３が長期間の使用により変性する可能性がある。【００３６】
しかしながら、圧電体層１３の低剛性セラミック層１５と対向する面が延在する被覆層２１に被覆されていることにより、外気などの雰囲気による影響を小さくして圧電体層１３の変性を抑えることができる。また、圧電体層１３の一部が剥離して、圧電体層１３の破片が生じたとしても、被覆層２１により被覆されていることで、この破片による影響を小さくすることができる。【００３７】
図８は、本発明のさらに他の実施形態にかかる積層型圧電素子１であって、低剛性セラミック層１５が配設された部分を拡大した拡大断面図である。図８に示すように、圧電体層１３の低剛性セラミック層１５と対向する面全体が被覆層２１に被覆されていることが好ましい。これにより、圧電体層１３に酸素欠陥が生じる可能性をより小さくすることができる。【００３８】
なお、上記の実施形態においてセラミック部１９は、セラミックスを主成分としている。セラミック部１９はセラミック成分のみからなるものであってもよいし、金属やガラスなどの成分を含有してもよい。セラミック成分としては、具体的にはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のような圧電体やアルミナのような誘電体などが挙げられる。【００３９】
圧電体層１３及びセラミック部１９がそれぞれ酸化物を主成分としている場合には、セラミック部１９が被覆層２１に被覆されていることが特に有効となる。圧電体層１３にクラックが生じる可能性をより小さくできるからである。これは、下記の理由によるものである。【００４０】
低剛性セラミック層１５で応力を吸収するため、セラミック部１９の応力を吸収する部分が発熱して局所的に高温になる。このように局所的に高温になることにより、セラミック部１９を構成する結晶構造内の酸素が失われ酸素空孔が生じる。特に、セラミック部１９が露出している場合、外気との接触面において還元反応が促進されるので、酸素空孔が増加する。また、圧電体層１３を介して電界が印加されているので、酸素空孔がイオン化する。そして、イオン化した酸素空孔が積層型圧電素子１の駆動電界により低剛性セラミック層１５と隣接する圧電体層１３を介して正極側に伝導する場合がある。このイオン化した酸素空孔の伝導により、圧電体層１３内部に酸素空孔の通電経路ができる。このような通電経路には酸素欠陥があり、結晶構造のくずれが生じることから、部分的に強度の小さい箇所が圧電体層１３に生じる可能性がある。このように、酸素欠陥が生じることにより圧電体層１３の強度が部分的に低下するので、圧電体層１３にクラックが生じる可能性がある。【００４１】
しかしながら、セラミック部１９が被覆層２１に被覆されていることにより、低剛性セラミック層１５における酸素欠陥の発生を抑制することができるので、結果として、圧電体層１３の強度の低下を抑制でき、クラックの発生を抑制できるようになる。【００４２】
特に、真空に近い低圧環境下において素子１を使用する場合には、セラミック部１９が被覆層２１に被覆されていることがより好ましい。低圧環境下においては外気中の酸素が不足しているため、駆動中に局所的に加熱する低剛性セラミック層１５で還元反応が促進されやすく、圧電体層１３に酸素欠陥が生じやすいからである。【００４３】
被覆層２１としては、外気や使用環境での雰囲気によりセラミック部１９が劣化することを抑制することができるものが好ましく、例えば、アルミナを始めとするセラミックス、樹脂又はガラスを用いることができる。樹脂は、伸縮性能が優れていることから、積層型圧電素子１を高速に駆動させても伸縮の速度に追随できるので、積層型圧電素子１の駆動距離を大きくとることができる。また、上記のガラスやアルミナは、セラミック部１９や圧電体層１３と接合性がよいため、セラミック部１９の変性を安定して抑制することができる。【００４４】
特に、被覆層２１が、ガラスを主成分とすることが好ましい。ガラス成分はセラミック部１９との接合性がよいため、被覆層２１としてガラスを主成分とするものを用いることにより、セラミック部１９と被覆層２１の接合性を高めることができる。また、ガラス成分は圧電体層１３との接合性もよいため、上に示したように被覆層２１が圧電体層１３と接合している場合においては、圧電体層１３と低剛性セラミック層１５の接合性を高めることもできる。なお本実施形態において、主成分とは、含有する成分のうち、質量％の最も大きい成分を意味するものとする。また、ガラス特有の非結晶状態を分析するには、Ｘ線回折（ＸＲＤ：X-Ray Diffraction）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）を用いればよい。【００４５】
さらに、ガラスの主成分が珪素酸化物であることが好ましい。積層型圧電素子１を焼成して形成する際に、セラミック部１９の主成分とともに珪素酸化物が液相を形成して、焼結を進行させるだけでなく、セラミック部１９との親和性が高くなるからである。これにより、セラミック部１９と被覆層２１の接合性をより一層高めることができる。【００４６】
また、被覆層２１が、セラミック部１９の主成分を含有していることが好ましい。セラミック部１９の主成分を含有していることにより、セラミック部１９と被覆層２１に含有されるセラミック部１９の主成分とが結合し、高いアンカー効果を得ることができるからである。これにより、セラミック部１９と被覆層２１の接合性をより高めることができる。【００４７】
さらに、被覆層２１が、セラミック部１９の主成分の酸化物を含有していることがより好ましい。セラミック部１９の主成分の酸化物を含有していることにより、金属結合よりも結合力の強いイオン結合によりセラミック部１９と被覆層２１とが結合するので、セラミック部１９と被覆層２１の接合性をより一層高めることができるからである。【００４８】
また、セラミック部１９がＰＺＴを主成分とする場合には、被覆層２１としてアルミナを始めとする酸化物セラミックを用いることが有効である。セラミック部１９及び被覆層２１がどちらも酸化物セラミックであるため、セラミック部１９と被覆層２１の接合性を高めることができるからである。【００４９】
図９、１０は、それぞれ本発明のさらに他の実施形態にかかる積層型圧電素子１の低剛性セラミック層１５が配設された部分を拡大した拡大断面図である。図９、１０に示すように、被覆層２１が複数の層からなることが好ましい。被覆層２１が複数の層からなることにより、いずれかの層にクラックが発生した場合であっても、このクラックの伝播を一部の層だけに留めて、複数の被覆層２１における各々の層の間でクラックを停止させ、他の層にクラックが伸展することを抑制できるからである。これにより、被覆層２１の全体にクラックの影響が及ぶことを抑制できる。具体的には、内側の被覆層２１ａとして上記のガラス、セラミック等を用い、外側の被覆層２１ｂとして樹脂を用いることができる。【００５０】
さらに、図１０に示すように、被覆層２１が複数の層からなるとともに圧電体層１３の低剛性セラミック層１５と対向する面も被覆層２１に被覆されていることが好ましい。【００５１】
また、被覆層２１が、セラミック部１９の主成分の含有量が異なる複数の層からなることがより好ましい。被覆層２１にセラミック部１９の主成分を含有させることにより、被覆層２１の熱膨張係数をセラミック部１９の熱膨張係数に近づけることができる。そして、被覆層２１が上記のように複数の層からなる場合には、被覆層２１の熱膨張係数を段階的にセラミック部１９の熱膨張係数に近づけることができるため、被覆層２１とセラミック部１９との間で熱膨張差により生じる応力を緩和させることができるからである。【００５２】
また、被覆層２１が、弾性率の異なる複数の層からなることが好ましい。被覆層２１が、弾性率が異なる複数の層からなる場合には、被覆層２１の弾性率を段階的にセラミック部１９の弾性率に近づけることができるため、被覆層２１とセラミック部１９との間で伸縮駆動により生じる応力を緩和させることができるからである。結果として、被覆層２１のセラミック部１９からの剥離を抑制することができ、また、セラミック部１９や被覆層２１におけるクラックの発生を抑制することができる。【００５３】
特に、セラミック部１９に接する被覆層２１ａはシリカ等のガラスからなるものを用い、その上部に樹脂からなる被覆層２１ｂを用いることが好ましい。樹脂特有の優れた伸縮性能とガラス特有の優れた密着性能をあわせもつことができるからである。また、内側のガラスからなる被覆層２１ａに亀裂が生じるような応力が内部から加わった場合でも、伸縮性のある外側の樹脂からなる被覆層２１ｂによって被覆層２１ａでのクラックの伝播が抑えられ、また、被覆層２１ｂへの亀裂の伝播が抑制される。【００５４】
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。【００５５】
まず、圧電体層１３となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系、ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してスラリーを作製する。そして、このスラリーを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、セラミックグリーンシートが作製される。圧電セラミックスとしては圧電特性を有するものであればよく、例えば、ＰｂＺｒＯ３-ＰｂＴｉＯ３等からなるペロブスカイト型酸化物などを用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）、フタル酸ジオチル（ＤＯＰ）などを用いることができる。【００５６】
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及び可塑剤等を添加混合することで、導電性ペーストを作製することができる。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷法を用いて配設し、後述するように、焼成することで圧電体層１３及び内部電極層５を形成することができる。【００５７】
低剛性セラミック層１５は、圧電体層１３となるスラリーよりも多くのバインダーが加えられたスラリー、又は、圧電体層１３となるスラリーにアクリルビーズが混入されたスラリーを用いることで形成することができる。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上記の低剛性セラミック層１５となるスラリーを配設することにより、焼成や脱脂の工程でバインダー及びアクリルビーズの飛散成分が飛散するので、空隙１７を介して互いに離隔したセラミック部１９を形成することができる。【００５８】
また、空隙１７を介して互いに離隔するセラミック部１９を形成する方法は、上記の方法に限られない。例えば、スクリーンのメッシュの度数や、パターン形状を変更することによっても上記のセラミック部１９を形成することができる。具体的には、スクリーンのメッシュサイズを１５μｍ以下とすることで、スクリーンを通過するインクペーストの量が不十分となり、いわゆる、かすれパターン形状の状態となるので、空隙１７を介して互いに離隔するセラミック部１９を形成することができる。【００５９】
また、スクリーンにインクペーストを通さないようにマスキングすることによっても、同様にインクペーストの通過が不十分となるので、空隙１７を介して互いに離隔するセラミック部１９を形成することができる。マスキングの形状は、楕円や円形といった略円形が応力を緩和する効果が高いので好ましい。【００６０】
セラミック部１９の外表面の少なくとも一部を被覆する被覆層２１を形成する方法としては、下記の方法を用いることができる。１つ目の方法としては、セラミックグリーンシートと導電性ペーストを積層し焼成した積層体７を被覆層２１の成分の溶液に浸漬する方法が挙げられる。このように被覆層２１の成分の溶液に積層体７を浸漬して引き上げることにより、セラミック部１９の表面を被覆層２１により被覆することができる。この時、容器中で積層体７を浸漬した後に容器をロータリーポンプ等の真空ポンプで、容器ごと真空引きすることで、低剛性セラミック層１５中の空隙１７にある空気等の気体を脱泡することができるので、被覆層２１の成分を行き渡らせることができる。その後、真空から大気圧に戻した後に、素子１を加熱して溶液から溶媒のみを揮発させれば、空隙１７とともに被覆層２１を形成することができる。【００６１】
被覆層２１の成分の溶液としては、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、あるいは、コロイダルシリカを水に分散させた溶液を用いることができる。この場合には、被覆層２１は主にＳｉの酸化物からなるガラスの被覆層２１を形成することができる。また、エポキシ系あるいはシリコーン系の樹脂をアセトン、エーテル、クロロホルム、あるいは工業用シンナー等の溶剤に希釈させた溶液を用いることで、樹脂からなる被覆層２１を形成することができる。【００６２】
２つ目の方法として、低剛性セラミック層１５となるセラミックグリーンシートに被覆層２１となる部材をあらかじめ混入させる方法が挙げられる。そして、このセラミックグリーンシートを介して、複数の圧電体層１３と複数の内部電極層５とが交互に積層された積層体７を複数積層して焼成すればよい。特に、低剛性セラミック層１５となるセラミックグリーンシートを接着材とする形成方法を用いた場合、上記の被覆層２１の成分の溶液に積層体７を浸漬して引き上げる、という工程が不要であるため、コストを低減させることができる。【００６３】
なお、積層体７は、上記製法によって作製されるものに限定されることはなく、複数のセラミック層３と複数の内部電極層５とを交互に積層してなる積層体７を作製できれば、どのような製法によって形成されても良い。【００６４】
その後、積層型圧電素子１の外表面に端部が露出する圧電体層１３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、ガラス粉末に、バインダーを加えて銀ガラス導電性ペーストを作製し、これを印刷し乾燥接着あるいは、焼き付けることによって得ることができる。【００６５】
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２３としてリード線を導電性接着剤（不図示）等で接続する。【００６６】
リード線を介して一対の外部電極９に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、積層体７を分極することによって、本実施形態の積層型圧電素子１が完成する。リード線を外部の電圧供給部（不図示）に接続し、通電部２３であるリード線及び外部電極９を介して圧電体層１３に電圧を印加することにより、各圧電体層１３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、例えば自動車の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。【００６７】
以上の実施形態では、低剛性セラミック層１５が圧電体層１３に挟まれて、低剛性セラミック層１５の両面が圧電体層１３と接している形成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、低剛性セラミック層１５が圧電体層１３と内部電極層５とによって挟まれており、低剛性セラミック層１５の一方の面が圧電体層１３と接しているような形態であってもよいし、低剛性セラミック層１５が内部電極層５によって挟まれているような形態であってもよい。【００６８】
次に、本発明の噴射装置について説明する。図１１は、本発明の一実施形態にかかる噴射装置２５を示す概略断面図である。図１１に示すように、本実施形態にかかる噴射装置２５は、一端に噴射孔２７を有する収納容器２９の内部に上記実施形態に代表される積層型圧電素子１が収納されている。収納容器２９内には、噴射孔２７を開閉することができるニードルバルブ３１が配設されている。噴射孔２７には燃料通路３３がニードルバルブ３１の動きに応じて連通可能に配設されている。この燃料通路３３は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路３３に常時一定の高圧で燃料が供給されている。従って、ニードルバルブ３１が噴射孔２７を開放すると、燃料通路３３に供給されていた燃料が一定の高圧で図示しない内燃機関の燃料室内に噴出されるように構成されている。【００６９】
また、ニードルバルブ３１の上端部は径が大きくなっており、収納容器２９に形成されたシリンダ３５と摺動可能なピストン３７が配置されている。そして、収納容器２９内には、上記した積層型圧電素子１が収納されている。【００７０】
このような噴射装置２５では、電圧が印加されることによって積層型圧電素子１が伸長すると、ピストン３７が押圧され、ニードルバルブ３１が噴射孔２７を閉塞し、燃料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３９がピストン３７を押し返し、噴射孔２７が燃料通路３３と連通して燃料の噴射が行われるようになっている。【００７１】
また、噴射装置２５は、噴射孔２７を有する容器と、積層型圧電素子１と、を備え、容器内に充填された液体が積層型圧電素子１の駆動により噴射孔２７から吐出させるように構成されていてもよい。すなわち、積層型圧電素子１が必ずしも容器の内部にある必要はなく、積層型圧電素子１の駆動によって容器の内部に圧力が加わるように構成されていればよい。なお、本実施形態において、液体とは、燃料、インクなどの他、導電性ペースト等の種々の液状流体が含まれる。【００７２】
次に、本発明の燃料噴射システム４１について説明する。図１２は、本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システム４１を示す概略図である。図１２に示すように、本実施形態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に蓄えられた燃料を噴射する複数の上記噴射装置２５と、コモンレール４３に高圧の燃料を供給する圧力ポンプ４５と、噴射装置２５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。【００７３】
噴射制御ユニット４７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ものである。圧力ポンプ４５は、燃料タンク４９から燃料を１０００〜２０００気圧程度（約１０１ＭＰａ〜約２０３ＭＰａ）、好ましくは、１５００〜１７００気圧程度（約１５２ＭＰａ〜約１７２ＭＰａ）にしてコモンレール４３に送り込む役割を果たす。コモンレール４３では、圧力ポンプ４５から送られてきた燃料を蓄え、適宜噴射装置２５に送り込む。噴射装置２５は、上述したように噴射孔２７から少量の燃料を燃焼室に霧状に噴射する。【００７４】
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何ら差し支えない。また、本発明は、積層型圧電素子、噴射装置及び燃料噴射システムに関するものであるが、上記の実施形態に限定されるものでなく、圧電特性を利用した素子であれば、実施可能である。
【実施例】
【００７５】
本発明の積層型圧電素子１を以下のようにして作製した。【００７６】
まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）粉末を主成分とする原料粉末、バインダー、及び可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み１５０μｍのセラミックグリーンシートを作製した。【００７７】
次に、Ａｇ９５質量％−Ｐｄ５質量％の金属組成である銀パラジウム合金粉末を含有する原料粉末にバインダーを加えた導電性ペーストを作製した。【００７８】
さらに、平均粒径が０．８μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）粉末を主成分とする原料粉末、バインダー、平均粒径が１μｍのアクリルビーズ及び可塑剤を混合したスラリーを作製し、セラミックペーストを作製した。【００７９】
試料番号１においては、上記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印刷した。そして、導電性ペーストが印刷された各グリーンシートを積層して積層体７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、積層体７の積層方向の両端部には、導電性ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシートのみをそれぞれ２０枚積層した。【００８０】
試料番号２〜８においては、上記セラミックグリーンシートの片面に、導電性ペーストをスクリーン印刷法により３０μｍの厚みになるように印刷した。また、別の上記セラミックグリーンシートの片面に、セラミックペーストをスクリーン印刷法により３０μｍの厚みになるように印刷した。試料番号２、３では積層方向の５０、２５０番目には内部電極層５となる導電性ペーストの代わりにセラミックペーストを配設した。また、試料番号４では積層方向の５０、１００、１５０、２００、２５０番目にはセラミックペーストが位置するようにして、そして試料番号５〜９においては、積層方向の１、５０、１００、１５０、２００、２５０、３００番目には内部電極層５となる導電性ペーストの代わりにセラミックペーストを配設することにより、導電性ペーストが印刷されたグリーンシートとセラミックペーストが印刷されたグリーンシートを積層して、積層体７を作製した。なお、試料番号５〜９は、試料番号１と同様に、内部電極層５の数が３００となるように積層され、積層体７の積層方向の両端部には、セラミックグリーンシートのみをそれぞれ２０枚積層した。【００８１】
次に、それぞれの試料番号の積層体７に所定の温度で脱バインダー処理を施した後、８００〜１２００℃で焼成して焼結体を得た。このとき、試料番号２〜９の積層体７では、焼成時に蒸発するアクリルビーズが含まれるとともに粒径の大きいＰＺＴが用いられたセラミックペーストを積層していることから、表１に示すように、このセラミックペーストが積層された部分で空隙率が８０％と空隙率の高い低剛性セラミック層１５が形成された。【００８２】
さらに、試料番号３〜８の焼結体については、ＴＥＯＳを１０％含有した水溶液にゲル化加速剤として稀硫酸を１ｐｐｍ加えた溶液に浸漬して、容器ごとロータリーポンプで２×１０３Ｐａ以下の気圧になるまで減圧した。減圧したのは、低剛性セラミック層１５に溶液をしみこませるためである。その後大気圧まで戻したのち、８０℃で１時間乾燥した。【００８３】
また、試料番号６、７の焼結体については、再度ＴＥＯＳを１０％含有した水溶液にゲル化加速剤として稀硫酸を１ｐｐｍ加えた溶液に浸漬して、容器ごとロータリーポンプで１３０Ｐａ以下の気圧になるまで減圧した。その後大気圧まで戻したのち、８０℃で１時間乾燥した。【００８４】
また、試料番号９の焼結体は、エポキシ樹脂（商品名「アラルダイトＬＹ−５０５２」）を５質量％含有させたアセトン溶液に浸漬し、低剛性セラミック層１５に溶液をしみこませるために、容器ごとロータリーポンプで２×１０３Ｐａ以下の気圧になるまで減圧した。その後大気圧まで戻したのち、８０℃で１時間乾燥した。【００８５】
そして、各々の試料番号の焼結体には、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、上記焼結体側面の外部電極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。さらに、６００〜８００℃で焼成して外部電極９を形成した。【００８６】
さらに、試料番号７〜９の焼結体については、エポキシ樹脂（商品名「アラルダイトＬＹ−５０５２」）を５質量％含有させたアセトン溶液に浸漬し、低剛性セラミック層１５に溶液をしみこませるために、容器ごとロータリーポンプで２×１０３Ｐａ以下の気圧になるまで減圧した。その後大気圧まで戻したのち、素子１の表面をアセトンで洗浄して樹脂成分を除去して、８０℃で１時間乾燥した。以上のようにして、積層型圧電素子１が作製された。【００８７】
上記の試料番号の積層型圧電素子１をそれぞれ２個ずつ作製した。これは、１個は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察に用い、残りの１個は、駆動評価に用いたためである。各試料番号の積層型圧電素子１の作製に用いた導電性ペーストの成分、焼成後の内部電極層５の空隙率、低剛性セラミック層１５の形状について表１に示す。【００８８】
なお、空隙率とは、積層体７の積層方向に垂直若しくは平行な断面において、積層体７の断面積に対して空隙１７の面積が占める割合（％）を意味する。空隙率の測定は以下のようにして行った。【００８９】
まず、積層方向に垂直な断面が露出するように、積層体７を公知の研磨手段を用いて研磨処理した。具体的には、研磨装置としてケメット・ジャパン(株)製卓上研磨機「ＫＥＭＥＴ−Ｖ−３００」を用いてダイヤモンドペーストで研磨した。この研磨処理により露出した断面を、例えば、ＳＥＭ、光学顕微鏡、金属顕微鏡などにより観察して断面画像を得て、この断面画像を画像処理することによって上記の空隙率を測定した。
【００９０】
表１
2009069746.tif 000003
【００９１】
表１に示すように、試料番号１の積層型圧電素子１は、低剛性セラミック層１５が形成されていなかった。一方、試料番号２〜９の積層型圧電素子１では、空隙１７を介して互いに離隔するセラミック部１９と、セラミック部１９の外側面の少なくとも一部を被覆する被覆層２１とを備えた低剛性セラミック層１５が形成されていた。ここで、内部電極層５の空隙率１５％に対して低剛性セラミック層１５の空隙率は８０％であり、内部電極層５及び圧電体層１３と比較して剛性の小さい低剛性セラミック層１５を形成することができたことがわかった。
ＳＥＭによる観察の結果、試料番号３〜５においては、複数のセラミック部１９の一部には、ＳｉＯ２のガラス体からなる被覆層２１が形成されていた。これはＴＥＯＳ中のＳｉ酸化物が、ゲル化した後にガラス体としてセラミック部１９の表面に析出したからである。また、複数のセラミック部１９の一部には、上記ＳｉＯ２のガラス体からなる被覆層２１に加えて、ＰＺＴのＰｂ成分とＳｉＯ２とが反応したＰｂ−Ｓｉ−Ｏ成分のガラスからなる被覆層２１が形成されていた。【００９２】
試料番号６においては、図７に示すように、複数のセラミック部１９と圧電体層１３の一部には、ＳｉＯ２のガラス体からなる被覆層２１が形成されていた。また、複数のセラミック部１９及び圧電体層１３の一部には、上記ＳｉＯ２のガラス体からなる被覆層２１に加えて、ＰＺＴのＰｂ成分とＳｉＯ２とが反応したＰｂ−Ｓｉ−Ｏ成分のガラスからなる被覆層２１が形成されていた。【００９３】
試料番号７においては、図１０に示すように、複数のセラミック部１９と圧電体層１３の一部には、ＳｉＯ２のガラス体からなる被覆層２１ａが形成されていた。また、ＳｉＯ２のガラス体からなる被覆層２１ａの表面には、エポキシ樹脂からなる被覆層２１ｂが形成されていた。このように、試料番号６及び７においては、上記ＴＥＯＳを含有した溶液に焼結体を浸漬することにより、圧電体層１３の一部にＳｉＯ２のガラス体からなる被覆層２１を形成することができた。【００９４】
試料番号８においては、図９に示すように、複数のセラミック部１９の一部に、ＳｉＯ２のガラス体からなる被覆層２１ａ、エポキシ樹脂からなる被覆層２１ｂが形成されていた。【００９５】
試料番号９においては、図４に示すように、複数のセラミック部１９の一部に、エポキシ樹脂からなる被覆層２１が形成されていた。【００９６】
次に、駆動評価を行った。駆動評価としては、高速応答性評価と耐久性評価を行った。まず、外部電極９にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極９にリード線を介して３ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分間印加して分極処理を行い、積層型圧電素子１を用いた圧電アクチュエータを作製した。得られた積層型圧電素子１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ところ、試料番号１の圧電アクチュエータは４５μｍであり、試料番号２〜９の圧電アクチュエータは４０μｍであった。試料番号１の圧電アクチュエータの変位量が他の試料番号の圧電アクチュエータよりも大きいのは、試料番号２〜９の積層型圧電素子１では、低剛性セラミック層１５が圧電体層１３として作用しなかったためである。【００９７】
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の交流電圧を１５０Ｈｚの周波数で印加して、真空ポンプで減圧して１×１０−４Ｐａの環境で、１×１０７回まで連続駆動した試験を行った。結果は表２に示すとおりである。
【００９８】
表２
2009069746.tif 000004
【００９９】
表２に示すように、低圧環境下での高速応答性評価の後、大気中で応答性評価を行った結果として、試料番号１の圧電アクチュエータでは、周波数が１ｋＨｚを超えた時にうなり音を発していた。これは、試料番号１の積層型圧電素子１は、低剛性セラミック層１５を備えていないため、内部電極層５による圧電体層１３への拘束力が大きいからである。圧電体層１３の拘束力が大きいことにより高速応答性が阻害されて、結果、印加した交流電圧の周波数に追従できなかったためと考えられる。【０１００】
試料番号２の圧電アクチュエータも、低圧環境下での高速応答性評価の後、大気中で評価周波数が１ｋＨｚを超えた時にうなり音を発していた。ＳＥＭにより観察した結果、低剛性セラミック層１５のセラミック部１９が黒色変化して破断し、低剛性セラミック層１５と隣接する圧電体層１３において一部が黒色化して、亀裂が進行していた。これは、上記の連続駆動試験を低圧環境下で行ったため、低剛性セラミック層１５と隣接する圧電体層１３においても還元反応が促進されたためである。その結果、高速応答性が低下して、印加した交流電圧の周波数に追従できなかったためと考えられる。【０１０１】
なお、駆動周波数を確認するために、横河電機株式会社製オシロスコープ「ＤＬ１６４０Ｌ」を用いて試料番号１及び２の圧電アクチュエータ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。【０１０２】
また、表２に示すように、耐久性評価の結果として、試料番号１、２の圧電アクチュエータでは、評価試験後の変位量は５μｍと、評価試験前と比較して５０％近く低下していた。また、試料番号１、２の圧電アクチュエータでは、積層圧電素子１の一部に剥がれが見られた。【０１０３】
一方、試料番号３〜９の圧電アクチュエータでは、剥がれは見られず、評価試験後の変位量も、３５〜４０μｍと、評価試験前と比較して変位量の低下は１０％以下に抑えられていた。特に、試料番号７、８の圧電アクチュエータでは、変位量の低下が全く見られず、非常に高い耐久性を有していることが分かった。
【図１】
2009069746.tif 000005
【図２】
2009069746.tif 000006
【図３】
2009069746.tif 000007
【図４】
2009069746.tif 000008
【図５Ａ】
2009069746.tif 000009
【図５Ｂ】
2009069746.tif 000010
【図５Ｃ】
2009069746.tif 000011
【図６】
2009069746.tif 000012
【図７】
2009069746.tif 000013
【図８】
2009069746.tif 000014
【図９】
2009069746.tif 000015
【図１０】
2009069746.tif 000016
【図１１】
2009069746.tif 000017
【図１２】
2009069746.tif 000018
【国際調査報告】
2009069746.tif 000019
2009069746.tif 000020