(57)【要約】  高電界、高圧力下で長時間連続駆動させた場合であっても変位量の変化が抑制され、耐久性に優れた積層型圧電素子を提供する。  その積層型圧電素子は、複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層構造体を有し、圧電体層が、複数の圧電体結晶粒子により構成され、複数の金属層が、内部電極と、圧電体層及び内部電極と比較して剛性が低い低剛性金属層と、を備え、低剛性金属層が、互いに離隔した複数の金属部を有し、該金属部の端部が、圧電体結晶粒子間に入り込んでいる。
2009038080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層構造体を有する積層型圧電素子であって、
前記圧電体層は、複数の圧電体結晶粒子により構成され、
前記複数の金属層は、内部電極と、前記圧電体層及び前記内部電極と比較して剛性が低い低剛性金属層と、を備え、
前記低剛性金属層は、互いに離隔した複数の金属部を有し、
該金属部の端部が、前記圧電体結晶粒子間に入り込んでいることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
前記金属部間に空隙が存在す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】
前記金属部は、前記圧電体結晶粒子間に入り込んでいる端部がくさび状にな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】
通電時に前記金属部と前記圧電体結晶粒子とが離隔す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】
前記圧電体層は、前記複数の圧電体結晶粒子間に位置して隣り合う前記圧電体結晶粒子を接合する接合材を有し、前記金属部が前記接合材を介して前記圧電体結晶粒子と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。
【請求項６】
複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層構造体を有する積層型圧電素子であって、
前記圧電体層は、複数の圧電体結晶粒子と、該複数の圧電体結晶粒子間に位置して隣り合う前記圧電体結晶粒子を接合する接合材と、を有し、
前記複数の金属層は、内部電極と、前記圧電体層及び前記内部電極と比較して剛性が低い低剛性金属層と、を備え、
前記低剛性金属層は、互いに離隔した複数の金属部を有し、
該金属部の端部が、前記接合材を介して前記圧電体結晶粒子と接合されていることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項７】
前記金属部の端部が、前記圧電体結晶粒子間に入り込んで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】
前記接合材は、ガラスを主成分とすることを特徴とする請求項５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】
前記ガラスは、主成分が珪素酸化物であ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】
前記接合材は、前記金属部の主成分を含有していることを特徴とする請求項５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１１】
前記接合材は、前記金属部の主成分の酸化物を含有し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】
前記金属部は、積層方向に隣り合う２つの前記圧電体層のうち、一方の圧電体層の前記圧電体結晶粒子とのみ前記接合材を介して接合されていることを特徴とする請求項５乃至請求項１１のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項１３】
前記金属部は、前記積層方向に隣り合う２つの圧電体層のうち、他方の圧電体層と離隔していることを特徴とする請求項１２に記載の積層型圧電素子。
【請求項１４】
前記金属部は、前記一方の圧電体層の少なくとも２つ以上の圧電体結晶粒子と接合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項１４のいずれか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１６】
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燃料を噴射する請求項１５に記載の噴射装置と、
前記コモンレールに高圧の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、積層型圧電素子、噴射装置、および燃料噴射システムに関し、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置、振動防止装置等に搭載される駆動素子（圧電アクチュエータ）、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、ヨーレートセンサ等に搭載されるセンサ素子、及び圧電ジャイロ、圧電スイッチ、圧電トランス、圧電ブレーカー等に搭載される回路素子等に用いられる積層型圧電素子、これを備えた噴射装置並びに燃料噴射システムに関するものである。
【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、大きな変位量を確保するように求められている。そのため、より高い電界が印加され、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】
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、あらかじめ圧電体層内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）。特許文献１では、目標破断層で素子を破断させることにより、各圧電体層にかかる応力の緩和が試みられている。
【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に開示されている方法により、圧電体層にかかる応力をある程度緩和することができる。しかしながら、積層型圧電素子には、さらに高い電圧を印加する条件下で使用できることが要求されている。そして、このような過酷な条件において、上記の目標破断層を用いた場合、この目標破断層で生じさせたクラックが予想外の方向に進む可能性がある。これは、内部電極が、隣接する圧電体層の結晶粒子と比べて連続した大きな板状の構造であるからである。【０００６】
このような素子では、圧電駆動時に変形して伸縮駆動する結晶粒子が、内部電極に拘束されてしまうので、結晶粒子が駆動電圧に応じて単独で変形することが困難となる。そのため、結晶粒子間には常に応力がかかった状態となる。【０００７】
そして、このような積層型圧電素子の圧電体層内部に目標破断層をあらかじめ設けていると、応力が加わった時に、この目標破断層だけに亀裂が伸展するのではなく、粒子間に亀裂が伸展する可能性がある。このように亀裂が伸展すると、結晶粒子内や結晶粒子間で破断が起きたり、亀裂が内部電極に達し、異なる極の内部電極間で短絡がおきる可能性がある。【０００８】
特に高電界、高圧力下で圧電素子を駆動させた場合、瞬間的に大きな応力が圧電素子にかかるため、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期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。【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高電界、高圧力下で長時間連続駆動させた場合であっても変位量の変化が抑制され、耐久性に優れた積層型圧電素子、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】
【００１０】
本発明者らは、鋭意検討した結果、互いに離隔した複数の金属部を有する低剛性金属層を配設することにより、積層型圧電素子に生じる応力を効果的に分散させ得ることを見出した。この金属部を有する低剛性金属層は、内部電極及び圧電体層よりも剛性が低いものである。【００１１】
すなわち、本発明の第１の積層型圧電素子は、複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層構造体を有し、前記圧電体層が、複数の圧電体結晶粒子により構成され、前記複数の金属層が、内部電極と、前記圧電体層及び前記内部電極と比較して剛性が低い低剛性金属層と、を備え、前記低剛性金属層が、互いに離隔した複数の金属部を有し、該金属部の端部が、前記圧電体結晶粒子間に入り込んでいることを特徴とする。【００１２】
本発明の第２の積層型圧電素子は、複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層構造体を有し、前記圧電体層が、複数の圧電体結晶粒子と、該複数の圧電体結晶粒子間に位置して隣り合う前記圧電体結晶粒子を接合する接合材と、を有し、前記複数の金属層が、内部電極と、前記圧電体層及び前記内部電極と比較して剛性が低い低剛性金属層と、を備え、前記低剛性金属層が、互いに離隔した複数の金属部を有し、該金属部の端部が、前記接合材を介して前記圧電体結晶粒子と接合されていることを特徴とする。【００１３】
本発明の噴射装置は、上記いずれか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が吐出させるように構成したことを特徴とする。【００１４】
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、このコモンレールに蓄えられた燃料を噴射する噴射装置と、前記コモンレールに高圧の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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の第１の積層型圧電素子によれば、圧電体層が、複数の圧電体結晶粒子により構成され、複数の金属層が、内部電極と、圧電体層及び内部電極と比較して剛性が低い低剛性金属層と、を備え、低剛性金属層が、互いに離隔した複数の金属部を有している。【００１６】
以上のように構成された本発明の第１の積層型圧電素子では、積層型圧電素子の使用時などに積層型圧電素子に外部から強い衝撃や応力が加えられた時には、低剛性金属層により応力が吸収される。したがって、本発明の第１の積層型圧電素子によれば、内部電極や圧電体層にクラックが生じることを抑制して、積層方向に隣り合う内部電極間で電気的短絡が生じることを抑制することができる。【００１７】
さらに、本発明の第１の積層型圧電素子は、上記の金属部の端部が、圧電体結晶粒子間に入り込んでいるため、圧電体層の耐久性を向上させることができる。これは、金属部の端部が、隣り合う圧電体結晶粒子間に入り込んでいることにより、金属部と圧電体結晶粒子の接触する面積を増加させることができるからである。【００１８】
すなわち、圧電体結晶粒子は応力変形に伴って自己発熱する。しかしながら、本発明の第１の積層型圧電素子は、金属部と圧電体結晶粒子の接触する面積を増加させることができるので、圧電体結晶粒子から金属部への放熱の効果を高めることができる。圧電体結晶粒子の発熱を効率よく放熱することによって、耐久性の低下が抑制される。このようにして、圧電体層の耐久性を向上させることができる。【００１９】
本発明の第２の積層型圧電素子は、圧電体層が、複数の圧電体結晶粒子と、複数の圧電体結晶粒子間に位置して隣り合う圧電体結晶粒子を接合する接合材と、を備え、複数の金属層が、内部電極と、圧電体層及び内部電極と比較して剛性が低い低剛性金属層と、を備え、低剛性金属層が、互いに離隔した複数の金属部を有している。そして、金属部の端部が、接合材と接合されている。【００２０】
以上のように構成された本発明の第２の積層型圧電素子では、積層型圧電素子の使用時などに積層型圧電素子に外部から強い衝撃や応力が加えられた時には、低剛性金属層により応力が吸収される。したがって、本発明の第１の積層型圧電素子によれば、内部電極や圧電体層にクラックが生じることを抑制して、積層方向に隣り合う内部電極間で電気的短絡が生じることを抑制することができる。【００２１】
また、本発明の第２の積層型圧電素子では、隣り合う圧電体結晶粒子と金属部とを接合する接合材を有していることにより、圧電体結晶粒子と金属部との接合性を高めることができる。結果として、金属部の位置を安定させることができるので、変位量が安定した積層型圧電素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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金属層を含む断面図である。
【図４】本発明に係る実施形態１の第１の積層型圧電素子１における領域Ａの拡大断面図である。
【図５】本発明に係る実施形態２の第２の積層型圧電素子２における金属部と圧電体層の接合を示す拡大断面図である。
【図６】本発明の変形例に係る積層型圧電素子における金属部と圧電体層の接合を示す拡大断面図である。
【図７】本発明の図６とは異なる変形例に係る積層型圧電素子における金属部と圧電体層の接合を示す拡大断面図である。
【図８】本発明の図６及び図７とは異なる変形例に係る積層型圧電素子における金属部と圧電体層の接合を示す拡大断面図である。
【図９】本発明の噴射装置を示す断面図である。
【図１０】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】
【００２３】
１，２・・・積層型圧電素子、
３・・・圧電体層、
５・・・金属層、
７・・・積層構造体、
９・・・外部電極、
１１・・・圧電体結晶粒子、
１３・・・内部電極、
１５・・・低剛性金属層、
１７・・・空隙、
１９・・・金属部、
２１・・・接合材、
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】
【００２４】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施形態及びその変形例について説明する。図１は、本発明の第１及び第２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は、図１に示す実施形態の積層型圧電素子であって、積層方向に平行な縦断面図である。図３は、図１に示す実施形態の積層型圧電素子であって、積層方向に垂直かつ低剛性金属層を含む横断面図である。【００２５】
＜実施形態１＞
図１〜３に示すように、実施形態１の積層型圧電素子１（以下、素子１ともいう。）は、複数の圧電体層３と複数の金属層５とが交互に積層された積層構造体７と、積層構造体７の側面に形成された外部電極９と、を有している。各々の圧電体層３は、複数の圧電体結晶粒子１１により構成されている。また、複数の金属層５は、外部電極９に電気的に接続された内部電極１３と、圧電体層３及び内部電極１３と比較して剛性が低い低剛性金属層１５と、を備えている。【００２６】
実施形態１において低剛性金属層１５とは、圧電体層３や内部電極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い、互いに離隔する複数の金属部１９を有している。これらの金属部１９間には、例えば、空隙１７が存在する。また、金属部１９間には、空隙１７以外にもセラミックスや樹脂などが存在する形態もある。このように、本発明における低剛性金属層１５とは、これらの種々の形態を含む概念である。【００２７】
実施形態１では、積層型圧電素子１の使用時などに、積層型圧電素子１に外部から強い衝撃や応力が加えられた時には、低剛性金属層１５により応力が吸収される。これにより、内部電極１３や圧電体層３にクラックが生じることを抑制して、積層方向に隣り合う内部電極１３間で電気的短絡が生じることを抑制することができる。【００２８】
また、積層型圧電素子１に一定以上の応力が加わった場合に、低剛性金属層が優先的に破断される。このように低剛性金属層を破断させることにより、応力を緩和させることができるため、より大きな応力が加わった場合にも、内部電極や圧電体層が破損することを抑制することができる。【００２９】
低剛性金属層１５、圧電体層３及び内部電極１３の剛性は、例えば素子に対して、積層方向に垂直な方向に荷重を加えることで容易に比較できる。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の中で最も剛性が低い箇所である。【００３０】
実施形態１の積層型圧電素子１は、低剛性金属層１５を備えているので、ＪＩＳ３点曲げ試験を行うと、圧電体層３や内部電極１３よりも、この低剛性金属層１５や低剛性金属層１５と圧電体層３との界面で優先的に破断が起きる。このように、破断した箇所が圧電体層３や内部電極１３であるか、或いは、低剛性金属層１５や低剛性金属層１５と圧電体層３との界面であるかにより評価することができる。【００３１】
なお、どの部分で素子が破断するかを確認すればよいことから、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支点上に置き、支点間の中央の１点に荷重を加えて評価すればよい。【００３２】
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。積層構造体７の積層方向に垂直若しくは平行な断面において、低剛性金属層１５、圧電体層３又は内部電極１３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良い。【００３３】
図４は、図２に示す実施形態１の積層型圧電素子にかかる低剛性金属層が配設された部分Ａを拡大した拡大断面図である。図４に示すように、低剛性金属層１５は、空隙１７と、空隙１７を介して互いに離隔した複数の金属部１９を有している。低剛性金属層１５がこのように形成されることにより、低剛性金属層１５内での結合力及び／又は隣接する圧電体層３との結合力が低下するため、低剛性金属層１５の剛性をより低くすることができる。【００３４】
さらに、積層型圧電素子１に応力が加わった際に、金属部１９に接している圧電体結晶粒子１１が変形することにより、応力が吸収される。そして、圧電体結晶粒子１１は吸収した応力を熱に変換して発散させることができる。このとき、圧電体結晶粒子１１が、金属部１９と接していることにより、この金属部１９を介して熱を効果的に発散させることができる。【００３５】
また、複数の金属部１９が互いに離隔しているため、予想外の方向にクラックが進展することを抑制することができる。またここで、積層型圧電素子１の、積層方向に垂直かつ低剛性金属層１５を含む横断面において、低剛性金属層１５が全面に形成されていることが好ましい。このように低剛性金属層１５が形成されていることにより、様々な方向からの応力に対しても応力緩和の効果を得ることができるからである。【００３６】
図５は、図４に示す実施形態１の積層型圧電素子にかかる金属部１９と圧電体層の接合を示す拡大断面図である。図５に示すように、実施形態１の金属部１９の少なくとも１つは、端部が、隣り合う圧電体結晶粒子１１間に入り込んでいる。これにより、圧電体層３の耐久性を向上させることができる。既に示したように、金属部１９と圧電体結晶粒子１１の接触する面積が増加するため、圧電体結晶粒子１１が金属部１９を介して放熱することができるからである。また、金属部１９と圧電体結晶粒子１１の接合性を高めるためには、金属部１９の隣り合う圧電体結晶粒子１１間に入り込んでいる部分が、くさび状になっていることがより好ましい。【００３７】
また、積層型圧電素子１の変位量をより大きくする場合には、逆に、金属部１９と圧電体結晶粒子１１の接合性を小さくして、素子の通電時に金属部１９と圧電体結晶粒子１１とが離隔するようにすることが好ましい。このように金属部１９が形成される場合には、素子に引っ張り応力が加わると、圧電体結晶粒子１１間に入りこんでいる金属部１９の端部が抜けてはずれることにより、より大きく変位することができるからである。【００３８】
＜実施形態２＞
次に、本発明に係る実施形態２の第２の積層型圧電素子２について図面を用いて詳細に説明する。図１〜５に示すように、実施形態２の積層型圧電素子２は、実施形態１と同様、複数の圧電体層３と複数の金属層５とが交互に積層された積層構造体７と、積層構造体７の側面に形成された外部電極９と、を有している。また、複数の金属層５は、外部電極９に電気的に接続された内部電極１３と、圧電体層３及び内部電極１３と比較して剛性が低い低剛性金属層１５と、を備えている。【００３９】
実施形態２において低剛性金属層１５とは、既に示した本発明の第１の積層型圧電素子１の実施形態１と同様に、圧電体層３や内部電極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。【００４０】
実施形態２の積層型圧電素子２にかかる圧電体層３は、複数の圧電体結晶粒子１１と、複数の圧電体結晶粒子１１間に位置して隣り合う圧電体結晶粒子１１を接合する接合材２１と、を有している点で、実施形態１の積層型圧電素子１とは異なっている。そして、実施形態２の積層型圧電素子２では、金属部１９の端部が接合材２１を介して圧電体結晶粒子１１と接合している。このように、各圧電体結晶粒子１１が接合材２１を介して圧電体結晶粒子１１と接合していることにより、金属部１９にかかる応力を、金属部１９に接していない圧電体層３のより広い範囲にさえも分散させることができる。また、金属部１９が接合材２１を介して圧電体結晶粒子１１と接合していることにより、金属部１９と圧電体層３の接合性を高めることができるので、金属部１９の位置を安定させることができる。【００４１】
以上のように構成された実施形態２の積層型圧電素子２において、積層型圧電素子２の使用時などに、積層型圧電素子２に外部から強い衝撃や応力が加えられた時には、実施形態１と同様、低剛性金属層１５により応力が吸収される。これにより、内部電極１３や圧電体層３にクラックが生じることを抑制して、積層方向に隣り合う内部電極１３間で電気的短絡が生じることを抑制することができる。【００４２】
また、積層型圧電素子１に一定以上の応力が加わった場合に、低剛性金属層が優先的に破断され、応力を緩和させることができる。これにより、より大きな応力が加わった場合にも、内部電極や圧電体層が破損することを抑制することができる。【００４３】
また、実施形態２において、金属部１９の少なくとも１つの端部が、隣り合う圧電体結晶粒子１１間に入り込んでいることが好ましい。金属部１９の端部が隣り合う圧電体結晶粒子１１間に入り込むことにより、圧電体結晶粒子１１から金属部１９への放熱量を増加させることができるからである。【００４４】
なお、実施形態２において金属部１９は、金属を主成分としている。そのため、金属部１９は金属成分のみからなるものであってもよいし、セラミックスやガラスなどの成分を含有してもよい。また、接合材２１としては、金属部１９や圧電体結晶粒子１１と接合性のよいものであればよく、具体的には、ガラスや鉛などを用いることができる。【００４５】
特に、接合材２１としては、ガラスを主成分とすることが好ましい。ガラス成分は金属部１９及び圧電体層３との接合性がよいため、接合材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、接合材２１と金属部１９の接合性が向上するからである。これにより、金属部１９をより確実に一方の圧電体層３に接合することができる。なおここで、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）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いればよい。【００４６】
また、接合材２１が、金属部１９の主成分を含有していることが好ましい。金属部１９の主成分を含有していることにより、金属部１９と接合材２１に含有される金属部１９の主成分とが結合し、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、接合材２１を介しての金属部１９と圧電体結晶粒子１１との接合性をさらに高めることができる。【００４７】
さらに、接合材２１が、金属部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。金属部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金属部１９と接合材２１とが結合するので、接合材２１を介しての金属部１９と圧電体結晶粒子１１との接合性をより高めることができるからである。【００４８】
特に、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２を焼成して形成する際に金属部１９の主成分の酸化物とともに液相を形成して、焼結を進行させるだけでなく、金属部１９との親和性が高くなるからである。これにより、図５に示すように、金属部１９と接する圧電体層３の表層部分に選択的に接合材２１を集中させることができる。【００４９】
＜変形例＞
図６〜８は、それぞれ本発明に係る積層型圧電素子の変形例又はより好ましい例を示す図である。
本発明に係る積層型圧電素子では、金属部１９が、図６〜８に示すように、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合されていることが好ましい。すなわち、この好ましい形態の積層型圧電素子１にかかる金属部１９の少なくとも１つは、上記一方の圧電体層３のみと接合され、他方の圧電体層３とは接合していない。全ての金属部１９が一方及び他方の圧電体層３の両方と接合している場合、積層方向に隣り合う圧電体層３を拘束する力が強い。そのため、金属部１９が破断する瞬間、圧電体層３の金属部１９と接合する部分の近くに応力が集中してしまう可能性がある。この好ましい形態は、金属部１９が破断する瞬間における、圧電体層３の金属部１９と接合する部分近くへの応力集中を抑制するものである。【００５０】
また、金属部１９の少なくとも１つは、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３の圧電体結晶粒子１１とのみ接合材２１を介して接合されていることが好ましい。言い換えれば、金属部１９の少なくとも１つは、上記一方の圧電体層３の圧電体結晶粒子１１とのみと接合され、他方の圧電体層３とは接合していないことが好ましい。金属部１９がこのような構成であることにより、積層型圧電素子１，２の変位量をより大きくすることができる。全ての金属部１９が一方及び他方の圧電体層３の両方と接合している場合、積層方向に隣り合う圧電体層３を拘束する力が強い。そのため、より大きな変位量を得るためには、圧電体層３の圧電変位が不十分となる可能性がある。また、金属部１９が破断する瞬間、圧電体層３の金属部１９と接合する部分の近くに応力が集中してしまう可能性がある。【００５１】
これに対して、金属部１９の一部が、上記のように他方の圧電体層３と接合していない場合には、上記の積層方向に隣り合う２つの圧電体層３同士を拘束する力を弱めることができる。これにより、圧電体層３の破断や圧電体層３の金属部１９と接合する部分での剥がれを抑制することができる。また、素子に引っ張り応力が加えられた場合には、圧電体層３と、この圧電体層３と接合していない金属部１９との間に隙間ができ、この隙間の部分で応力を開放することができる。【００５２】
また、素子１に圧縮応力が加えられた場合には、金属部１９が上記の圧電体層３と接合していないため、この圧電体層３に拘束されることがないので、圧電体層３の金属部１９に近接する部分への応力の集中を抑えることができる。結果として、安定して駆動する信頼性の高い積層型圧電素子１を提供することができる。【００５３】
金属部１９が一方及び他方の圧電体層３と接合しているかどうかは、上記のＪＩＳ３点曲げ試験、或いはＪＩＳ３点曲げ試験に準拠した３点曲げ試験を行い、この破断面を観察することで評価できる。本実施形態の積層型圧電素子１，２は低剛性金属層１５が圧電体層３及び内部電極１３と比較して剛性が低いため、この３点曲げ試験を行った場合、低剛性金属層１５の層内及び／又は隣接する層との界面で破断が起きる。【００５４】
このとき、金属部１９が一方及び他方の圧電体層３の両方と接合している場合、金属部１９が破断する瞬間、圧電体層３の、この金属部１９と接合する部分の近くに応力が集中するため、圧電体層３に亀裂が入ったり、圧電体層３の金属部１９との接合箇所が剥離する部分が生じることがある。一方、この好ましい形態の積層型圧電素子１，２は、一方の圧電体層３とのみ接合しているため、圧電体層３の金属部１９との接合箇所における剥離が抑制される。つまり、破断面において露出する金属部１９に、剥離した圧電体層３の一部が接合しているか否かで評価することができる。【００５５】
また、一方の圧電体層３とは、任意の金属部１９と積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、どちらか一方の圧電体層３ということを意味している。そのため、図７に示すように、１つの低剛性金属層１５における全ての金属部１９が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうちの一方（図７では、下方の圧電体層３）のみと接合していてもよいし、図８に示すように、低剛性金属層１５における複数の金属部１９が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうちの異なる圧電体層３のみとそれぞれ接合していてもよい。ここで、図８は、本発明の積層型圧電素子１にかかる実施形態の他の一例を示す拡大断面図である。【００５６】
また、図６〜８に示すように、金属部１９の少なくとも一つが、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、他方の圧電体層３と離隔していることが好ましい。このように、金属部１９が他方の圧電体層３と離隔していることにより、圧電体層３の耐久性を向上させることができる。【００５７】
これは、以下の理由による。積層型圧電素子１，２は、一般的に通電を繰り返すことにより、伸縮を繰り返すようにして用いられている。そのため、金属部１９が他方の圧電体層３と離隔しておらず当接していると、上記の積層型圧電素子１，２の連続した駆動において、金属部１９と他方の圧電体層３とが衝突を繰り返すことになる。しかしながら、金属部１９が他方の圧電体層３と離隔している場合には、このような衝突を抑制することができるため、圧電体層３の損傷を抑制し、耐久性を向上させることができる。【００５８】
また、金属部１９が、一方の圧電体層３の少なくとも２つ以上の圧電体結晶粒子１１と接合されていることが好ましい。金属部１９の一方の端部が、少なくとも２つ以上の圧電体結晶粒子１１と接合されていることで、圧電体層３内において応力を分散させる効果を高めることができるからである。また、同時に、一つの圧電体結晶粒子１１に応力が集中して圧電体結晶粒子１１自体の損傷による新たな亀裂の起点が生み出されることを抑制することができる。【００５９】
次に、本実施形態の積層型圧電素子１，２の製法を説明する。【００６０】
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成るバインダーと、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（フタル酸ジオチル）などを用いることができる。【００６１】
次に、金属層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全面域にスクリーン印刷法を用いて配設し、後述するように、焼成することで内部電極１３が形成される。【００６２】
上記導電性ペーストを焼成することにより、内部電極１３を形成することができるが、互いに離隔する金属部１９を有する低剛性金属層１５を形成するためには、上記の導電性ペーストにアクリルビーズやカーボンなどの飛散成分を混入すればよい。上記の飛散成分が混入された導電性ペーストを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することにより、焼成や脱脂の工程で上記の飛散成分が飛散するので、互いに離隔した金属部１９を形成することができる。【００６３】
なお、互いに離隔した金属部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金属部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、インクペースト量の通過が不十分となり、いわゆる、かすれパターン形状の状態となるので、互いに離隔した金属部１９を形成することができる。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、互いに離隔した金属部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あるので好ましい。【００６４】
また、低剛性金属層１５と積層方向に隣り合う２つの圧電体層３となる２つのセラミックグリーンシートのうち、一方に接合材２１を混入させることにより、図７に示すように、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合された金属部１９を形成することができる。【００６５】
また、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合された金属部１９は、上記の方法のほか、以下の方法によっても作製することができる。低剛性金属層１５となる導電性ペーストと、低剛性金属層１５と積層方向に隣り合う圧電体層３となるそれぞれのセラミックグリーンシートと、を積層する際、一方のセラミックグリーンシートと導電性ペーストとの間に接合材２１を含有するペーストを積層する。このように、一方のセラミックグリーンシートは、接合材２１を含有するペーストを介して導電性ペーストに積層されることで、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合された金属部１９を形成することができる。【００６６】
また、低剛性金属層１５と積層方向に隣り合う２つの圧電体層３となる２つのセラミックグリーンシートのうち、他方に低剛性金属層１５との濡れ性を低下させる成分を混入させることによっても、図５に示すように、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合された金属部１９を形成することができる。低剛性金属層１５との濡れ性を低下させる部材としては、ＢＮやカーボンを挙げることができる。このように、低剛性金属層１５との濡れ性を低下させる部材を用いる方法によれば、低剛性金属層１５と積層方向に隣り合う圧電体層３となるそれぞれのセラミックグリーンシートに接合材２１を含有していなくても、一方の圧電体層３とのみ接合された金属部１９を形成することができる。【００６７】
また、低剛性金属層１５と積層方向に隣り合う２つの圧電体層３となる２つのセラミックグリーンシートのそれぞれに接合材２１を混入させることにより、図８に示すように、各々の金属部１９が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、どちらか一方の圧電体層３とのみ接合されるようにして形成される。
また、低剛性金属層１５を形成する導電性ペーストに接合材２１を混入させることにより、各々の金属部１９が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３の両方に接合されるように形成される。特に、金属層５を形成する導電性ペーストに銀パラジウム合金を用い、低剛性金属層１５を形成する導電性ペーストの銀比率を内部電極１３よりも高くすることで、焼成工程中に形成される圧電体層３内の液相成分を媒体として、低剛性金属層１５からとなりの金属層１３へ銀が拡散するので、低剛性金属層１５を形成する導電性ペーストに混入させた接合材２１が圧電体層３の液相成分と結合しやすくなり、各々の金属部１９が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３の両方に接合されるように形成される。【００６８】
また、内部電極１３が銀−パラジウムからなる時には、内部電極１３となる導電性ペーストと比較して銀−パラジウムの銀比率の高い導電性ペーストを低剛性金属層１５として用いることにより、複雑な工程を経ることなく低剛性金属層１５を形成することができる。【００６９】
これは、低剛性金属層１５が形成される位置に上記の銀比率の高い導電性ペーストを配設して同時焼成により積層構造体７を形成すると、銀比率の高い導電性ペーストから銀が拡散していくからである。銀が拡散することによって互いに離隔する複数の金属部１９が形成され、結果、上記の銀比率の高い導電性ペーストは圧電体層３や内部電極１３と比較して剛性の低い低剛性金属層１５となる。【００７０】
さらに、このとき、低剛性金属層１５となる導電性ペーストに接合材２１を混入させておくことにより、効率良く、接合材２１を介して金属部１９と圧電体層３とを接合することができる。これは、導電性ペーストに混入された接合材２１が、銀とともに拡散するからである。既に示したように、内部電極１３となる導電性ペーストと比較して銀−パラジウムの銀比率の高い導電性ペーストを低剛性金属層１５として用いた場合、銀比率の高い導電性ペーストから銀が拡散する。この銀の拡散に伴い、連動して接合材２１が拡散する。【００７１】
接合材２１は、銀と比較して圧電体結晶粒子１１との接合性が高いため、拡散の過程で圧電体結晶粒子１１と接合する。そして、圧電体結晶粒子１１と接合した接合材２１と上記の拡散している銀が接合することにより、接合材２１を介して金属部１９と圧電体層３とが接合される。【００７２】
また、このようにして金属部１９と圧電体層３とが接合材２１を介して接合される場合には、銀や接合材２１は圧電体結晶粒子１１間を拡散するため、金属部１９の端部が、隣り合う圧電体結晶粒子１１間に入り込んだ形状に形成されやすい。結果、金属部１９の一方の端部が、くさび状となるため、金属部１９の一方の端部と圧電体層３との接合性をより強固なものとすることができる。【００７３】
また、高い耐久性を有する積層型圧電素子１を得るためには、図６に示すように、金属部１９の一部が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３の両方と接合材２１を介して接合されていることが好ましい。このように金属部１９が形成されていることにより、この金属部１９を介して積層方向に隣り合う２つの圧電体層３が連結されるため、積層型圧電素子１の形状を安定して保持することができるからである。【００７４】
このような低剛性金属層１５となる導電性ペーストをグリーンシートの上面にスクリーン印刷等によって１〜４０μｍの厚みに印刷する。そして、導電性ペーストが印刷されたグリーンシートを複数積層し、２００〜８００℃で脱バインダーを行う。この時、金属部１９間の空隙１７を有効に残存させるために、飛散する成分のガラス転移温度（Ｔｇ温度）より高い温度で脱脂することが好ましい。【００７５】
さらに、脱脂した後、９００〜１２００℃で焼成することによって積層構造体７が作製される。焼成温度が９００℃以上であることにより、圧電体層３の焼結を十分にすることができ、変位特性への影響が抑制される。また、１２００℃以下であることにより、低剛性金属層１５の融解や分解が抑制されるため、低剛性金属層１５の形状を保持することができる。また、焼成を行うときも、金属部１９の間の空隙１７を有効に残存させるために、飛散する成分のＴｇ温度より高い温度で保持することが望ましい。【００７６】
なお、積層構造体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、複数の圧電体層３と複数の金属層５とを交互に積層してなる積層構造体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。【００７７】
その後、積層型圧電素子１の側面に端部が露出する内部電極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、これを印刷し焼き付けることによって得ることができる。【００７８】
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を形成した積層構造体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、積層構造体７の側面外周表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構造体７を引き上げる。これにより、積層構造体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。【００７９】
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、積層構造体７を分極処理することによって、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を介して内部電極１３に電圧を印加することにより、各圧電体層３は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。【００８０】
さらに、金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板からなる導電性補助部材（不図示）を導電性接着剤に埋設してもよい。導電性接着剤に上記の導電性補助部材を埋設することにより、素子を高速で駆動させる場合においても、導電性補助部材に大電流を流すことができるので、外部電極９に過度の電流が流れることを抑制できる。これにより、外部電極９が局所発熱を起こし断線することを効果的に防ぐことができ、耐久性を向上させることができる。【００８１】
また、導電性接着剤中に金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板を埋設しているときには、上記導電性接着剤に亀裂が生じる可能性を小さくすることができる。なお、金属のメッシュとして、金属線を編み込んだものを、メッシュ状の金属板として、金属板に孔を形成してメッシュ状にしたものが挙げられる。【００８２】
次に、本発明の一実施形態にかかる噴射装置２５について説明する。【００８３】
図９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９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。【００８４】
また、ニードルバルブ３１の上端部は内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。【００８５】
このような噴射装置２５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。【００８６】
また、本実施形態の噴射装置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。【００８７】
次に、本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システム４１について説明する。【００８８】
図１０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１０に示すように、本実施形態にかかる燃料噴射システム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。【００８９】
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、好ましくは、１５００〜１７００気圧程度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内に霧状に噴射する。【００９０】
なお、本発明は、積層型圧電素子、噴射装置２５、及び燃料噴射システム４１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はなく、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置２５、インクジェット等の液体噴射装置２５、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止装置等に搭載される駆動素子、または、燃焼圧センサ、ノックセンサ、加速度センサ、加重センサ、超音波センサ、感圧センサ、ヨーレートセンサ等に搭載されるセンサ素子、ならびに圧電ジャイロ、圧電スイッチ、圧電トランス、圧電ブレーカー等に搭載される回路素子以外であっても、圧電特性を利用した素子であれば、実施可能である。【００９１】
また、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。
【実施例】
【００９２】
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。【００９３】
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Ａを作製した。また、上記のＰＺＴ粉末に対して、接合材２１として０．０１重量％（ｗｔ％）のＳｉＯ２が含有されるように、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）をスラリーに混合して、厚み１５０μｍのセラミックグリーンシートＢを作製した。【００９４】
次に、Ａｇ９５ｗｔ％−Ｐｄ５ｗｔ％の金属組成である銀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を作製した。また、Ａｇ９８ｗｔ％−Ｐｄ２ｗｔ％の金属組成である銀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Ｂを作製した。さらに、Ａｇ９８ｗｔ％−Ｐｄ２ｗｔ％の金属組成である銀合金粉末を含有する原料粉末に、銀合金粉末に対して接合材２１として０．０１ｗｔ％のＳｉＯ２が含有されるように、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）をバインダーとともに加えた導電性ペーストＣを作製した。【００９５】
試料番号１においては、上記シート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印刷した。そして、導電性ペーストＡが印刷された各シートＡを積層して積層構造体７を作製した。なお、積層数としては、金属層５の数が３００となるように積層し、積層構造体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Ａのみをそれぞれ２０枚積層した。【００９６】
試料番号２においては、上記シート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印刷した。また、上記シートＢの片面に、導電性ペーストＢ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。金属層５のうち積層方向の５０、１００、１５０、２００、２５０番目の５箇所にシートＢに印刷された導電性ペーストＢが位置するように、導電性ペーストＡが印刷されたシートＡ及び導電性ペーストＢが印刷されたシートＢを積層して、積層構造体７を作製した。なお、試料番号１と同様に、積層数としては、金属層５の数が３００となるように積層され、積層構造体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Ａのみをそれぞれ２０枚積層した。【００９７】
試料番号３においては、試料番号２と同様にして積層構造体７が作製された。ただし、試料番号２の導電性ペーストＢは積層方向の一方のみがシートＢと隣り合っているのに対して、試料番号３では、導電性ペーストＢがシートＢに挟まれるように位置する点で相違している。【００９８】
試料番号４においては、上記シート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印刷した。また、別の上記シートＡの片面に、導電性ペーストＣ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。金属層５のうち積層方向の５０、１００、１５０、２００、２５０番目には導電性ペーストＣが位置するようにして導電性ペーストＡが印刷されたシートＡと導電性ペーストＣが印刷されたシートＡを積層して、積層構造体７を作製した。なお、試料番号１と同様に、積層数としては、金属層５の数が３００となるように積層され、積層構造体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Ａのみをそれぞれ２０枚積層した。【００９９】
次に、それぞれの試料番号の積層構造体７を所定の温度で脱バインダーを行った後、８００〜１２００℃で焼成して焼結体を得た。このとき、試料番号２、３の積層構造体７では、銀濃度の異なる導電性ペーストＡと導電性ペーストＢを、試料番号４の積層構造体７では、銀濃度の異なる導電性ペーストＡと導電性ペーストＣを用いたため、銀濃度の高い導電性ペーストＢ又は導電性ペーストＣから銀濃度の低い導電性ペーストＡへ銀が拡散した。これにより、表１に示すように空隙率が８０％と空隙率の高い低剛性金属層１５が形成された。【０１００】
次に、各々の焼結体を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、主に銀からな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て６００〜８００℃で焼成すると外部電極９が形成できる。以上のようにして、積層型圧電素子１が作製された。【０１０１】
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、焼成後の金属層５の空隙率、低剛性金属層１５の形状について表１に示す。【０１０２】
なお、空隙率とは、積層構造体７の積層方向に垂直若しくは平行な断面において、積層構造体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。【０１０３】
まず、積層方向に垂直な断面が露出するように、積層構造体７を公知の研磨手段を用いて研磨処理する。具体的には、例えば研磨装置としてケメット・ジャパン(株)社製卓上研磨機ＫＥＭＥＴ−Ｖ−３００を用いてダイヤモンドペーストで研磨することができる。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蒸気の空隙率を測定した。【０１０４】
（表１）
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【０１０５】
表１に示すように、試料番号１の積層型圧電素子１は同一成分の導電性ペーストを用いたため、低剛性金属層１５が形成されていなかった。一方、試料番号２−４の積層型圧電素子１では、銀の拡散により、低剛性金属層１５が形成されている。また、このため、金属層５の空隙率１５％に対して低剛性金属層１５の空隙率は８０％となり、金属層５及び圧電体層３と比較して剛性の小さい低剛性金属層１５を形成することができたことがわかる。【０１０６】
表１に示すように、ＳＥＭによる観察の結果、試料番号２においては、図７のように、１つの低剛性金属層１５における全ての金属部１９が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうちの一方（図７では、下方の圧電体層３）のみと接合していた。これは、低剛性金属層１５と積層方向に隣り合う圧電体層３のうち、一方のみに接合材２１が混入されていたためである。【０１０７】
また、試料番号３においては、図８に示すように、低剛性金属層１５における複数の金属部１９が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうちの、それぞれどちらか一方の圧電体層３のみとそれぞれ接合していた。これは、低剛性金属層１５と積層方向に隣り合う圧電体層３のうち、両方に接合材２１として、Ｓｉ−Ｐｂ−Ａｇの酸化物からなるガラス層が混入されていたためである。接合材２１は、ＥＰＭＡ及びＸＲＤで分析することで評価した。【０１０８】
また、試料番号４においては、図６に示すように、低剛性金属層１５における複数の金属部１９の一部が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３の両方と接合材２１を介して接合されていた。これは導電性ペーストに混入された接合材２１が、銀とともに拡散するからである。【０１０９】
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。【０１１０】
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２−４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２−４の積層型圧電素子１では、低剛性金属層１５が内部電極１３として作用しなかったためである。【０１１１】
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、１×１０９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。【０１１２】
（表２）
2009038080.tif 000004
【０１１３】
表２に示すように、高速応答性評価の結果として、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、低剛性金属層１５を備えていないため、内部電極１３による圧電体層３への拘束力が大きいからである。圧電体層３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。【０１１４】
なお、駆動周波数を確認するために、試料番号１の圧電アクチュエータのパルス波形をヨコガワ製オシロスコープＤＬ１６４０Ｌを用いて確認したところ、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。【０１１５】
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９０％近く低下していた。また、試料番号１の圧電アクチュエータでは、積層圧電素子の一部に剥がれが見られた。【０１１６】
一方、試料番号２−４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４の圧電アクチュエータでは、変位量の低下が殆ど見られず、非常に高い耐久性を有していることが分かった。
【図１】
2009038080.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年2月10日(2010.2.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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し、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置、振動防止装置等に搭載される駆動素子（圧電アクチュエータ）、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、ヨーレートセンサ等に搭載されるセンサ素子、及び圧電ジャイロ、圧電スイッチ、圧電トランス、圧電ブレーカー等に搭載される回路素子等に用いられる積層型圧電素子、これを備えた噴射装置並びに燃料噴射システムに関するものである。
【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、大きな変位量を確保するように求められている。そのため、より高い電界が印加され、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】
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、あらかじめ圧電体層内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）。特許文献１では、目標破断層で素子を破断させることにより、各圧電体層にかかる応力の緩和が試みられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００６−５１８９３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている方法により、圧電体層にかかる応力をある程度緩和することができる。しかしながら、積層型圧電素子には、さらに高い電圧を印加する条件下で使用できることが要求されている。そして、このような過酷な条件において、上記の目標破断層を用いた場合、この目標破断層で生じさせたクラックが予想外の方向に進む可能性がある。これは、内部電極が、隣接する圧電体層の結晶粒子と比べて連続した大きな板状の構造であるからである。
【０００７】
このような素子では、圧電駆動時に変形して伸縮駆動する結晶粒子が、内部電極に拘束されてしまうので、結晶粒子が駆動電圧に応じて単独で変形することが困難となる。そのため、結晶粒子間には常に応力がかかった状態となる。
【０００８】
そして、このような積層型圧電素子の圧電体層内部に目標破断層をあらかじめ設けていると、応力が加わった時に、この目標破断層だけに亀裂が伸展するのではなく、粒子間に亀裂が伸展する可能性がある。このように亀裂が伸展すると、結晶粒子内や結晶粒子間で破断が起きたり、亀裂が内部電極に達し、異なる極の内部電極間で短絡がおきる可能性がある。
【０００９】
特に高電界、高圧力下で圧電素子を駆動させた場合、瞬間的に大きな応力が圧電素子にかかるため、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期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。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高電界、高圧力下で長時間連続駆動させた場合であっても変位量の変化が抑制され、耐久性に優れた積層型圧電素子、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】
【００１１】
本発明者らは、鋭意検討した結果、互いに離隔した複数の金属部を有する低剛性金属層を配設することにより、積層型圧電素子に生じる応力を効果的に分散させ得ることを見出した。この金属部を有する低剛性金属層は、内部電極及び圧電体層よりも剛性が低いものである。
【００１２】
すなわち、本発明の第１の積層型圧電素子は、複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層構造体を有し、前記圧電体層が、複数の圧電体結晶粒子により構成され、前記複数の金属層が、内部電極と、前記圧電体層及び前記内部電極と比較して剛性が低い低剛性金属層と、を備え、前記低剛性金属層が、互いに離隔した複数の金属部を有し、該金属部の端部が、前記圧電体結晶粒子間に入り込んでいることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第２の積層型圧電素子は、複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層構造体を有し、前記圧電体層が、複数の圧電体結晶粒子と、該複数の圧電体結晶粒子間に位置して隣り合う前記圧電体結晶粒子を接合する接合材と、を有し、前記複数の金属層が、内部電極と、前記圧電体層及び前記内部電極と比較して剛性が低い低剛性金属層と、を備え、前記低剛性金属層が、互いに離隔した複数の金属部を有し、該金属部の端部が、前記接合材を介して前記圧電体結晶粒子と接合されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の噴射装置は、噴射孔を有する容器とその容器に収納されたと上記いずれかに記載の積層型圧電素子とを備え、前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体が吐出させるように構成したことを特徴とする。
【００１５】
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、このコモンレールに蓄えられた燃料を噴射する噴射装置と、前記コモンレールに高圧の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。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の第１の積層型圧電素子によれば、圧電体層が、複数の圧電体結晶粒子により構成され、複数の金属層が、内部電極と、圧電体層及び内部電極と比較して剛性が低い低剛性金属層と、を備え、低剛性金属層が、互いに離隔した複数の金属部を有している。
【００１７】
以上のように構成された本発明の第１の積層型圧電素子では、積層型圧電素子の使用時などに積層型圧電素子に外部から強い衝撃や応力が加えられた時には、低剛性金属層により応力が吸収される。したがって、本発明の第１の積層型圧電素子によれば、内部電極や圧電体層にクラックが生じることを抑制して、積層方向に隣り合う内部電極間で電気的短絡が生じることを抑制することができる。
【００１８】
さらに、本発明の第１の積層型圧電素子は、上記の金属部の端部が、圧電体結晶粒子間に入り込んでいるため、圧電体層の耐久性を向上させることができる。これは、金属部の端部が、隣り合う圧電体結晶粒子間に入り込んでいることにより、金属部と圧電体結晶粒子の接触する面積を増加させることができるからである。
【００１９】
すなわち、圧電体結晶粒子は応力変形に伴って自己発熱する。しかしながら、本発明の第１の積層型圧電素子は、金属部と圧電体結晶粒子の接触する面積を増加させることができるので、圧電体結晶粒子から金属部への放熱の効果を高めることができる。圧電体結晶粒子の発熱を効率よく放熱することによって、耐久性の低下が抑制される。このようにして、圧電体層の耐久性を向上させることができる。
【００２０】
本発明の第２の積層型圧電素子は、圧電体層が、複数の圧電体結晶粒子と、複数の圧電体結晶粒子間に位置して隣り合う圧電体結晶粒子を接合する接合材と、を備え、複数の金属層が、内部電極と、圧電体層及び内部電極と比較して剛性が低い低剛性金属層と、を備え、低剛性金属層が、互いに離隔した複数の金属部を有している。そして、金属部の端部が、接合材と接合されている。
【００２１】
以上のように構成された本発明の第２の積層型圧電素子では、積層型圧電素子の使用時などに積層型圧電素子に外部から強い衝撃や応力が加えられた時には、低剛性金属層により応力が吸収される。したがって、本発明の第１の積層型圧電素子によれば、内部電極や圧電体層にクラックが生じることを抑制して、積層方向に隣り合う内部電極間で電気的短絡が生じることを抑制することができる。
【００２２】
また、本発明の第２の積層型圧電素子では、隣り合う圧電体結晶粒子と金属部とを接合する接合材を有していることにより、圧電体結晶粒子と金属部との接合性を高めることができる。結果として、金属部の位置を安定させることができるので、変位量が安定した積層型圧電素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【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金属層を含む断面図である。
【図４】本発明に係る実施形態１の第１の積層型圧電素子１における領域Ａの拡大断面図である。
【図５】本発明に係る実施形態２の第２の積層型圧電素子２における金属部と圧電体層の接合を示す拡大断面図である。
【図６】本発明の変形例に係る積層型圧電素子における金属部と圧電体層の接合を示す拡大断面図である。
【図７】本発明の図６とは異なる変形例に係る積層型圧電素子における金属部と圧電体層の接合を示す拡大断面図である。
【図８】本発明の図６及び図７とは異なる変形例に係る積層型圧電素子における金属部と圧電体層の接合を示す拡大断面図である。
【図９】本発明の噴射装置を示す断面図である。
【図１０】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。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施形態及びその変形例について説明する。図１は、本発明の第１及び第２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は、図１に示す実施形態の積層型圧電素子であって、積層方向に平行な縦断面図である。図３は、図１に示す実施形態の積層型圧電素子であって、積層方向に垂直かつ低剛性金属層を含む横断面図である。
【００２５】
＜実施形態１＞
図１〜３に示すように、実施形態１の積層型圧電素子１（以下、素子１ともいう。）は、複数の圧電体層３と複数の金属層５とが交互に積層された積層構造体７と、積層構造体７の側面に形成された外部電極９と、を有している。各々の圧電体層３は、複数の圧電体結晶粒子１１により構成されている。また、複数の金属層５は、外部電極９に電気的に接続された内部電極１３と、圧電体層３及び内部電極１３と比較して剛性が低い低剛性金属層１５と、を備えている。
【００２６】
実施形態１において低剛性金属層１５とは、圧電体層３や内部電極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い、互いに離隔する複数の金属部１９を有している。これらの金属部１９間には、例えば、空隙１７が存在する。また、金属部１９間には、空隙１７以外にもセラミックスや樹脂などが存在する形態もある。このように、本発明における低剛性金属層１５とは、これらの種々の形態を含む概念である。
【００２７】
実施形態１では、積層型圧電素子１の使用時などに、積層型圧電素子１に外部から強い衝撃や応力が加えられた時には、低剛性金属層１５により応力が吸収される。これにより、内部電極１３や圧電体層３にクラックが生じることを抑制して、積層方向に隣り合う内部電極１３間で電気的短絡が生じることを抑制することができる。
【００２８】
また、積層型圧電素子１に一定以上の応力が加わった場合に、低剛性金属層が優先的に破断される。このように低剛性金属層を破断させることにより、応力を緩和させることができるため、より大きな応力が加わった場合にも、内部電極や圧電体層が破損することを抑制することができる。
【００２９】
低剛性金属層１５、圧電体層３及び内部電極１３の剛性は、例えば素子に対して、積層方向に垂直な方向に荷重を加えることで容易に比較できる。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の中で最も剛性が低い箇所である。
【００３０】
実施形態１の積層型圧電素子１は、低剛性金属層１５を備えているので、ＪＩＳ３点曲げ試験を行うと、圧電体層３や内部電極１３よりも、この低剛性金属層１５や低剛性金属層１５と圧電体層３との界面で優先的に破断が起きる。このように、破断した箇所が圧電体層３や内部電極１３であるか、或いは、低剛性金属層１５や低剛性金属層１５と圧電体層３との界面であるかにより評価することができる。
【００３１】
なお、どの部分で素子が破断するかを確認すればよいことから、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支点上に置き、支点間の中央の１点に荷重を加えて評価すればよい。
【００３２】
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。積層構造体７の積層方向に垂直若しくは平行な断面において、低剛性金属層１５、圧電体層３又は内部電極１３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良い。
【００３３】
図４は、図２に示す実施形態１の積層型圧電素子にかかる低剛性金属層が配設された部分Ａを拡大した拡大断面図である。図４に示すように、低剛性金属層１５は、空隙１７と、空隙１７を介して互いに離隔した複数の金属部１９を有している。低剛性金属層１５がこのように形成されることにより、低剛性金属層１５内での結合力及び／又は隣接する圧電体層３との結合力が低下するため、低剛性金属層１５の剛性をより低くすることができる。
【００３４】
さらに、積層型圧電素子１に応力が加わった際に、金属部１９に接している圧電体結晶粒子１１が変形することにより、応力が吸収される。そして、圧電体結晶粒子１１は吸収した応力を熱に変換して発散させることができる。このとき、圧電体結晶粒子１１が、金属部１９と接していることにより、この金属部１９を介して熱を効果的に発散させることができる。
【００３５】
また、複数の金属部１９が互いに離隔しているため、予想外の方向にクラックが進展することを抑制することができる。またここで、積層型圧電素子１の、積層方向に垂直かつ低剛性金属層１５を含む横断面において、低剛性金属層１５が全面に形成されていることが好ましい。このように低剛性金属層１５が形成されていることにより、様々な方向からの応力に対しても応力緩和の効果を得ることができるからである。
【００３６】
図５は、図４に示す実施形態１の積層型圧電素子にかかる金属部１９と圧電体層の接合を示す拡大断面図である。図５に示すように、実施形態１の金属部１９の少なくとも１つは、端部が、隣り合う圧電体結晶粒子１１間に入り込んでいる。これにより、圧電体層３の耐久性を向上させることができる。既に示したように、金属部１９と圧電体結晶粒子１１の接触する面積が増加するため、圧電体結晶粒子１１が金属部１９を介して放熱することができるからである。また、金属部１９と圧電体結晶粒子１１の接合性を高めるためには、金属部１９の隣り合う圧電体結晶粒子１１間に入り込んでいる部分が、くさび状になっていることがより好ましい。
【００３７】
また、積層型圧電素子１の変位量をより大きくする場合には、逆に、金属部１９と圧電体結晶粒子１１の接合性を小さくして、素子の通電時に金属部１９と圧電体結晶粒子１１とが離隔するようにすることが好ましい。このように金属部１９が形成される場合には、素子に引っ張り応力が加わると、圧電体結晶粒子１１間に入りこんでいる金属部１９の端部が抜けてはずれることにより、より大きく変位することができるからである。
【００３８】
＜実施形態２＞
次に、本発明に係る実施形態２の第２の積層型圧電素子２について図面を用いて詳細に説明する。図１〜５に示すように、実施形態２の積層型圧電素子２は、実施形態１と同様、複数の圧電体層３と複数の金属層５とが交互に積層された積層構造体７と、積層構造体７の側面に形成された外部電極９と、を有している。また、複数の金属層５は、外部電極９に電気的に接続された内部電極１３と、圧電体層３及び内部電極１３と比較して剛性が低い低剛性金属層１５と、を備えている。
【００３９】
実施形態２において低剛性金属層１５とは、既に示した本発明の第１の積層型圧電素子１の実施形態１と同様に、圧電体層３や内部電極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。
【００４０】
実施形態２の積層型圧電素子２にかかる圧電体層３は、複数の圧電体結晶粒子１１と、複数の圧電体結晶粒子１１間に位置して隣り合う圧電体結晶粒子１１を接合する接合材２１と、を有している点で、実施形態１の積層型圧電素子１とは異なっている。そして、実施形態２の積層型圧電素子２では、金属部１９の端部が接合材２１を介して圧電体結晶粒子１１と接合している。このように、各圧電体結晶粒子１１が接合材２１を介して圧電体結晶粒子１１と接合していることにより、金属部１９にかかる応力を、金属部１９に接していない圧電体層３のより広い範囲にさえも分散させることができる。また、金属部１９が接合材２１を介して圧電体結晶粒子１１と接合していることにより、金属部１９と圧電体層３の接合性を高めることができるので、金属部１９の位置を安定させることができる。
【００４１】
以上のように構成された実施形態２の積層型圧電素子２において、積層型圧電素子２の使用時などに、積層型圧電素子２に外部から強い衝撃や応力が加えられた時には、実施形態１と同様、低剛性金属層１５により応力が吸収される。これにより、内部電極１３や圧電体層３にクラックが生じることを抑制して、積層方向に隣り合う内部電極１３間で電気的短絡が生じることを抑制することができる。
【００４２】
また、積層型圧電素子１に一定以上の応力が加わった場合に、低剛性金属層が優先的に破断され、応力を緩和させることができる。これにより、より大きな応力が加わった場合にも、内部電極や圧電体層が破損することを抑制することができる。
【００４３】
また、実施形態２において、金属部１９の少なくとも１つの端部が、隣り合う圧電体結晶粒子１１間に入り込んでいることが好ましい。金属部１９の端部が隣り合う圧電体結晶粒子１１間に入り込むことにより、圧電体結晶粒子１１から金属部１９への放熱量を増加させることができるからである。
【００４４】
なお、実施形態２において金属部１９は、金属を主成分としている。そのため、金属部１９は金属成分のみからなるものであってもよいし、セラミックスやガラスなどの成分を含有してもよい。また、接合材２１としては、金属部１９や圧電体結晶粒子１１と接合性のよいものであればよく、具体的には、ガラスや鉛などを用いることができる。
【００４５】
特に、接合材２１としては、ガラスを主成分とすることが好ましい。ガラス成分は金属部１９及び圧電体層３との接合性がよいため、接合材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、接合材２１と金属部１９の接合性が向上するからである。これにより、金属部１９をより確実に一方の圧電体層３に接合することができる。なおここで、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）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いればよい。
【００４６】
また、接合材２１が、金属部１９の主成分を含有していることが好ましい。金属部１９の主成分を含有していることにより、金属部１９と接合材２１に含有される金属部１９の主成分とが結合し、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、接合材２１を介しての金属部１９と圧電体結晶粒子１１との接合性をさらに高めることができる。
【００４７】
さらに、接合材２１が、金属部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。金属部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金属部１９と接合材２１とが結合するので、接合材２１を介しての金属部１９と圧電体結晶粒子１１との接合性をより高めることができるからである。
【００４８】
特に、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２を焼成して形成する際に金属部１９の主成分の酸化物とともに液相を形成して、焼結を進行させるだけでなく、金属部１９との親和性が高くなるからである。これにより、図５に示すように、金属部１９と接する圧電体層３の表層部分に選択的に接合材２１を集中させることができる。
【００４９】
＜変形例＞
図６〜８は、それぞれ本発明に係る積層型圧電素子の変形例又はより好ましい例を示す図である。
本発明に係る積層型圧電素子では、金属部１９が、図６〜８に示すように、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合されていることが好ましい。すなわち、この好ましい形態の積層型圧電素子１にかかる金属部１９の少なくとも１つは、上記一方の圧電体層３のみと接合され、他方の圧電体層３とは接合していない。全ての金属部１９が一方及び他方の圧電体層３の両方と接合している場合、積層方向に隣り合う圧電体層３を拘束する力が強い。そのため、金属部１９が破断する瞬間、圧電体層３の金属部１９と接合する部分の近くに応力が集中してしまう可能性がある。この好ましい形態は、金属部１９が破断する瞬間における、圧電体層３の金属部１９と接合する部分近くへの応力集中を抑制するものである。
【００５０】
また、金属部１９の少なくとも１つは、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３の圧電体結晶粒子１１とのみ接合材２１を介して接合されていることが好ましい。言い換えれば、金属部１９の少なくとも１つは、上記一方の圧電体層３の圧電体結晶粒子１１とのみと接合され、他方の圧電体層３とは接合していないことが好ましい。金属部１９がこのような構成であることにより、積層型圧電素子１，２の変位量をより大きくすることができる。全ての金属部１９が一方及び他方の圧電体層３の両方と接合している場合、積層方向に隣り合う圧電体層３を拘束する力が強い。そのため、より大きな変位量を得るためには、圧電体層３の圧電変位が不十分となる可能性がある。また、金属部１９が破断する瞬間、圧電体層３の金属部１９と接合する部分の近くに応力が集中してしまう可能性がある。
【００５１】
これに対して、金属部１９の一部が、上記のように他方の圧電体層３と接合していない場合には、上記の積層方向に隣り合う２つの圧電体層３同士を拘束する力を弱めることができる。これにより、圧電体層３の破断や圧電体層３の金属部１９と接合する部分での剥がれを抑制することができる。また、素子に引っ張り応力が加えられた場合には、圧電体層３と、この圧電体層３と接合していない金属部１９との間に隙間ができ、この隙間の部分で応力を開放することができる。
【００５２】
また、素子１に圧縮応力が加えられた場合には、金属部１９が上記の圧電体層３と接合していないため、この圧電体層３に拘束されることがないので、圧電体層３の金属部１９に近接する部分への応力の集中を抑えることができる。結果として、安定して駆動する信頼性の高い積層型圧電素子１を提供することができる。
【００５３】
金属部１９が一方及び他方の圧電体層３と接合しているかどうかは、上記のＪＩＳ３点曲げ試験、或いはＪＩＳ３点曲げ試験に準拠した３点曲げ試験を行い、この破断面を観察することで評価できる。本実施形態の積層型圧電素子１，２は低剛性金属層１５が圧電体層３及び内部電極１３と比較して剛性が低いため、この３点曲げ試験を行った場合、低剛性金属層１５の層内及び／又は隣接する層との界面で破断が起きる。
【００５４】
このとき、金属部１９が一方及び他方の圧電体層３の両方と接合している場合、金属部１９が破断する瞬間、圧電体層３の、この金属部１９と接合する部分の近くに応力が集中するため、圧電体層３に亀裂が入ったり、圧電体層３の金属部１９との接合箇所が剥離する部分が生じることがある。一方、この好ましい形態の積層型圧電素子１，２は、一方の圧電体層３とのみ接合しているため、圧電体層３の金属部１９との接合箇所における剥離が抑制される。つまり、破断面において露出する金属部１９に、剥離した圧電体層３の一部が接合しているか否かで評価することができる。
【００５５】
また、一方の圧電体層３とは、任意の金属部１９と積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、どちらか一方の圧電体層３ということを意味している。そのため、図７に示すように、１つの低剛性金属層１５における全ての金属部１９が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうちの一方（図７では、下方の圧電体層３）のみと接合していてもよいし、図８に示すように、低剛性金属層１５における複数の金属部１９が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうちの異なる圧電体層３のみとそれぞれ接合していてもよい。ここで、図８は、本発明の積層型圧電素子１にかかる実施形態の他の一例を示す拡大断面図である。
【００５６】
また、図６〜８に示すように、金属部１９の少なくとも一つが、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、他方の圧電体層３と離隔していることが好ましい。このように、金属部１９が他方の圧電体層３と離隔していることにより、圧電体層３の耐久性を向上させることができる。
【００５７】
これは、以下の理由による。積層型圧電素子１，２は、一般的に通電を繰り返すことにより、伸縮を繰り返すようにして用いられている。そのため、金属部１９が他方の圧電体層３と離隔しておらず当接していると、上記の積層型圧電素子１，２の連続した駆動において、金属部１９と他方の圧電体層３とが衝突を繰り返すことになる。しかしながら、金属部１９が他方の圧電体層３と離隔している場合には、このような衝突を抑制することができるため、圧電体層３の損傷を抑制し、耐久性を向上させることができる。
【００５８】
また、金属部１９が、一方の圧電体層３の少なくとも２つ以上の圧電体結晶粒子１１と接合されていることが好ましい。金属部１９の一方の端部が、少なくとも２つ以上の圧電体結晶粒子１１と接合されていることで、圧電体層３内において応力を分散させる効果を高めることができるからである。また、同時に、一つの圧電体結晶粒子１１に応力が集中して圧電体結晶粒子１１自体の損傷による新たな亀裂の起点が生み出されることを抑制することができる。
【００５９】
次に、本実施形態の積層型圧電素子１，２の製法を説明する。
【００６０】
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成るバインダーと、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（フタル酸ジオチル）などを用いることができる。
【００６１】
次に、金属層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全面域にスクリーン印刷法を用いて配設し、後述するように、焼成することで内部電極１３が形成される。
【００６２】
上記導電性ペーストを焼成することにより、内部電極１３を形成することができるが、互いに離隔する金属部１９を有する低剛性金属層１５を形成するためには、上記の導電性ペーストにアクリルビーズやカーボンなどの飛散成分を混入すればよい。上記の飛散成分が混入された導電性ペーストを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することにより、焼成や脱脂の工程で上記の飛散成分が飛散するので、互いに離隔した金属部１９を形成することができる。
【００６３】
なお、互いに離隔した金属部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金属部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、インクペースト量の通過が不十分となり、いわゆる、かすれパターン形状の状態となるので、互いに離隔した金属部１９を形成することができる。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、互いに離隔した金属部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あるので好ましい。
【００６４】
また、低剛性金属層１５と積層方向に隣り合う２つの圧電体層３となる２つのセラミックグリーンシートのうち、一方に接合材２１を混入させることにより、図７に示すように、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合された金属部１９を形成することができる。
【００６５】
また、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合された金属部１９は、上記の方法のほか、以下の方法によっても作製することができる。低剛性金属層１５となる導電性ペーストと、低剛性金属層１５と積層方向に隣り合う圧電体層３となるそれぞれのセラミックグリーンシートと、を積層する際、一方のセラミックグリーンシートと導電性ペーストとの間に接合材２１を含有するペーストを積層する。このように、一方のセラミックグリーンシートは、接合材２１を含有するペーストを介して導電性ペーストに積層されることで、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合された金属部１９を形成することができる。
【００６６】
また、低剛性金属層１５と積層方向に隣り合う２つの圧電体層３となる２つのセラミックグリーンシートのうち、他方に低剛性金属層１５との濡れ性を低下させる成分を混入させることによっても、図５に示すように、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、一方の圧電体層３とのみ接合された金属部１９を形成することができる。低剛性金属層１５との濡れ性を低下させる部材としては、ＢＮやカーボンを挙げることができる。このように、低剛性金属層１５との濡れ性を低下させる部材を用いる方法によれば、低剛性金属層１５と積層方向に隣り合う圧電体層３となるそれぞれのセラミックグリーンシートに接合材２１を含有していなくても、一方の圧電体層３とのみ接合された金属部１９を形成することができる。
【００６７】
また、低剛性金属層１５と積層方向に隣り合う２つの圧電体層３となる２つのセラミックグリーンシートのそれぞれに接合材２１を混入させることにより、図８に示すように、各々の金属部１９が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうち、どちらか一方の圧電体層３とのみ接合されるようにして形成される。
また、低剛性金属層１５を形成する導電性ペーストに接合材２１を混入させることにより、各々の金属部１９が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３の両方に接合されるように形成される。特に、金属層５を形成する導電性ペーストに銀パラジウム合金を用い、低剛性金属層１５を形成する導電性ペーストの銀比率を内部電極１３よりも高くすることで、焼成工程中に形成される圧電体層３内の液相成分を媒体として、低剛性金属層１５からとなりの金属層１３へ銀が拡散するので、低剛性金属層１５を形成する導電性ペーストに混入させた接合材２１が圧電体層３の液相成分と結合しやすくなり、各々の金属部１９が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３の両方に接合されるように形成される。
【００６８】
また、内部電極１３が銀−パラジウムからなる時には、内部電極１３となる導電性ペーストと比較して銀−パラジウムの銀比率の高い導電性ペーストを低剛性金属層１５として用いることにより、複雑な工程を経ることなく低剛性金属層１５を形成することができる。
【００６９】
これは、低剛性金属層１５が形成される位置に上記の銀比率の高い導電性ペーストを配設して同時焼成により積層構造体７を形成すると、銀比率の高い導電性ペーストから銀が拡散していくからである。銀が拡散することによって互いに離隔する複数の金属部１９が形成され、結果、上記の銀比率の高い導電性ペーストは圧電体層３や内部電極１３と比較して剛性の低い低剛性金属層１５となる。
【００７０】
さらに、このとき、低剛性金属層１５となる導電性ペーストに接合材２１を混入させておくことにより、効率良く、接合材２１を介して金属部１９と圧電体層３とを接合することができる。これは、導電性ペーストに混入された接合材２１が、銀とともに拡散するからである。既に示したように、内部電極１３となる導電性ペーストと比較して銀−パラジウムの銀比率の高い導電性ペーストを低剛性金属層１５として用いた場合、銀比率の高い導電性ペーストから銀が拡散する。この銀の拡散に伴い、連動して接合材２１が拡散する。
【００７１】
接合材２１は、銀と比較して圧電体結晶粒子１１との接合性が高いため、拡散の過程で圧電体結晶粒子１１と接合する。そして、圧電体結晶粒子１１と接合した接合材２１と上記の拡散している銀が接合することにより、接合材２１を介して金属部１９と圧電体層３とが接合される。
【００７２】
また、このようにして金属部１９と圧電体層３とが接合材２１を介して接合される場合には、銀や接合材２１は圧電体結晶粒子１１間を拡散するため、金属部１９の端部が、隣り合う圧電体結晶粒子１１間に入り込んだ形状に形成されやすい。結果、金属部１９の一方の端部が、くさび状となるため、金属部１９の一方の端部と圧電体層３との接合性をより強固なものとすることができる。
【００７３】
また、高い耐久性を有する積層型圧電素子１を得るためには、図６に示すように、金属部１９の一部が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３の両方と接合材２１を介して接合されていることが好ましい。このように金属部１９が形成されていることにより、この金属部１９を介して積層方向に隣り合う２つの圧電体層３が連結されるため、積層型圧電素子１の形状を安定して保持することができるからである。
【００７４】
このような低剛性金属層１５となる導電性ペーストをグリーンシートの上面にスクリーン印刷等によって１〜４０μｍの厚みに印刷する。そして、導電性ペーストが印刷されたグリーンシートを複数積層し、２００〜８００℃で脱バインダーを行う。この時、金属部１９間の空隙１７を有効に残存させるために、飛散する成分のガラス転移温度（Ｔｇ温度）より高い温度で脱脂することが好ましい。
【００７５】
さらに、脱脂した後、９００〜１２００℃で焼成することによって積層構造体７が作製される。焼成温度が９００℃以上であることにより、圧電体層３の焼結を十分にすることができ、変位特性への影響が抑制される。また、１２００℃以下であることにより、低剛性金属層１５の融解や分解が抑制されるため、低剛性金属層１５の形状を保持することができる。また、焼成を行うときも、金属部１９の間の空隙１７を有効に残存させるために、飛散する成分のＴｇ温度より高い温度で保持することが望ましい。
【００７６】
なお、積層構造体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、複数の圧電体層３と複数の金属層５とを交互に積層してなる積層構造体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。
【００７７】
その後、積層構造体７の側面に端部が露出する内部電極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、これを印刷し焼き付けることによって得ることができる。
【００７８】
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を形成した積層構造体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、積層構造体７の側面外周表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構造体７を引き上げる。これにより、積層構造体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。
【００７９】
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、積層構造体７を分極処理することによって、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を介して内部電極１３に電圧を印加することにより、各圧電体層３は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。
【００８０】
さらに、金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板からなる導電性補助部材（不図示）を導電性接着剤に埋設してもよい。導電性接着剤に上記の導電性補助部材を埋設することにより、素子を高速で駆動させる場合においても、導電性補助部材に大電流を流すことができるので、外部電極９に過度の電流が流れることを抑制できる。これにより、外部電極９が局所発熱を起こし断線することを効果的に防ぐことができ、耐久性を向上させることができる。
【００８１】
また、導電性接着剤中に金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板を埋設しているときには、上記導電性接着剤に亀裂が生じる可能性を小さくすることができる。なお、金属のメッシュとして、金属線を編み込んだものを、メッシュ状の金属板として、金属板に孔を形成してメッシュ状にしたものが挙げられる。
【００８２】
次に、本発明の一実施形態にかかる噴射装置２５について説明する。
【００８３】
図９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９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。
【００８４】
また、ニードルバルブ３１の上端部は内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。
【００８５】
このような噴射装置２５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。
【００８６】
また、本実施形態の噴射装置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。
【００８７】
次に、本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システム４１について説明する。
【００８８】
図１０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１０に示すように、本実施形態にかかる燃料噴射システム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。
【００８９】
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、好ましくは、１５００〜１７００気圧程度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内に霧状に噴射する。
【００９０】
なお、本発明は、積層型圧電素子、噴射装置２５、及び燃料噴射システム４１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はなく、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置２５、インクジェット等の液体噴射装置２５、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止装置等に搭載される駆動素子、または、燃焼圧センサ、ノックセンサ、加速度センサ、加重センサ、超音波センサ、感圧センサ、ヨーレートセンサ等に搭載されるセンサ素子、ならびに圧電ジャイロ、圧電スイッチ、圧電トランス、圧電ブレーカー等に搭載される回路素子以外であっても、圧電特性を利用した素子であれば、実施可能である。
【００９１】
また、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。
【実施例】
【００９２】
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。
【００９３】
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Ａを作製した。また、上記のＰＺＴ粉末に対して、接合材２１として０．０１重量％（ｗｔ％）のＳｉＯ２が含有されるように、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）をスラリーに混合して、厚み１５０μｍのセラミックグリーンシートＢを作製した。
【００９４】
次に、Ａｇ９５ｗｔ％−Ｐｄ５ｗｔ％の金属組成である銀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を作製した。また、Ａｇ９８ｗｔ％−Ｐｄ２ｗｔ％の金属組成である銀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Ｂを作製した。さらに、Ａｇ９８ｗｔ％−Ｐｄ２ｗｔ％の金属組成である銀合金粉末を含有する原料粉末に、銀合金粉末に対して接合材２１として０．０１ｗｔ％のＳｉＯ２が含有されるように、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）をバインダーとともに加えた導電性ペーストＣを作製した。
【００９５】
試料番号１においては、上記シート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印刷した。そして、導電性ペーストＡが印刷された各シートＡを積層して積層構造体７を作製した。なお、積層数としては、金属層５の数が３００となるように積層し、積層構造体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Ａのみをそれぞれ２０枚積層した。
【００９６】
試料番号２においては、上記シート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印刷した。また、上記シートＢの片面に、導電性ペーストＢ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。金属層５のうち積層方向の５０、１００、１５０、２００、２５０番目の５箇所にシートＢに印刷された導電性ペーストＢが位置するように、導電性ペーストＡが印刷されたシートＡ及び導電性ペーストＢが印刷されたシートＢを積層して、積層構造体７を作製した。なお、試料番号１と同様に、積層数としては、金属層５の数が３００となるように積層され、積層構造体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Ａのみをそれぞれ２０枚積層した。
【００９７】
試料番号３においては、試料番号２と同様にして積層構造体７が作製された。ただし、試料番号２の導電性ペーストＢは積層方向の一方のみがシートＢと隣り合っているのに対して、試料番号３では、導電性ペーストＢがシートＢに挟まれるように位置する点で相違している。
【００９８】
試料番号４においては、上記シート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印刷した。また、別の上記シートＡの片面に、導電性ペーストＣ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。金属層５のうち積層方向の５０、１００、１５０、２００、２５０番目には導電性ペーストＣが位置するようにして導電性ペーストＡが印刷されたシートＡと導電性ペーストＣが印刷されたシートＡを積層して、積層構造体７を作製した。なお、試料番号１と同様に、積層数としては、金属層５の数が３００となるように積層され、積層構造体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Ａのみをそれぞれ２０枚積層した。
【００９９】
次に、それぞれの試料番号の積層構造体７を所定の温度で脱バインダーを行った後、８００〜１２００℃で焼成して焼結体を得た。このとき、試料番号２、３の積層構造体７では、銀濃度の異なる導電性ペーストＡと導電性ペーストＢを、試料番号４の積層構造体７では、銀濃度の異なる導電性ペーストＡと導電性ペーストＣを用いたため、銀濃度の高い導電性ペーストＢ又は導電性ペーストＣから銀濃度の低い導電性ペーストＡへ銀が拡散した。これにより、表１に示すように空隙率が８０％と空隙率の高い低剛性金属層１５が形成された。
【０１００】
次に、各々の焼結体を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、主に銀からな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て６００〜８００℃で焼成すると外部電極９が形成できる。以上のようにして、積層型圧電素子１が作製された。
【０１０１】
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、焼成後の金属層５の空隙率、低剛性金属層１５の形状について表１に示す。
【０１０２】
なお、空隙率とは、積層構造体７の積層方向に垂直若しくは平行な断面において、積層構造体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。
【０１０３】
まず、積層方向に垂直な断面が露出するように、積層構造体７を公知の研磨手段を用いて研磨処理する。具体的には、例えば研磨装置としてケメット・ジャパン(株)社製卓上研磨機ＫＥＭＥＴ−Ｖ−３００を用いてダイヤモンドペーストで研磨することができる。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蒸気の空隙率を測定した。
【０１０４】
（表１）
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【０１０５】
表１に示すように、試料番号１の積層型圧電素子１は同一成分の導電性ペーストを用いたため、低剛性金属層１５が形成されていなかった。一方、試料番号２−４の積層型圧電素子１では、銀の拡散により、低剛性金属層１５が形成されている。また、このため、金属層５の空隙率１５％に対して低剛性金属層１５の空隙率は８０％となり、金属層５及び圧電体層３と比較して剛性の小さい低剛性金属層１５を形成することができたことがわかる。
【０１０６】
表１に示すように、ＳＥＭによる観察の結果、試料番号２においては、図７のように、１つの低剛性金属層１５における全ての金属部１９が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうちの一方（図７では、下方の圧電体層３）のみと接合していた。これは、低剛性金属層１５と積層方向に隣り合う圧電体層３のうち、一方のみに接合材２１が混入されていたためである。
【０１０７】
また、試料番号３においては、図８に示すように、低剛性金属層１５における複数の金属部１９が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３のうちの、それぞれどちらか一方の圧電体層３のみとそれぞれ接合していた。これは、低剛性金属層１５と積層方向に隣り合う圧電体層３のうち、両方に接合材２１として、Ｓｉ−Ｐｂ−Ａｇの酸化物からなるガラス層が混入されていたためである。接合材２１は、ＥＰＭＡ及びＸＲＤで分析することで評価した。
【０１０８】
また、試料番号４においては、図６に示すように、低剛性金属層１５における複数の金属部１９の一部が、積層方向に隣り合う２つの圧電体層３の両方と接合材２１を介して接合されていた。これは導電性ペーストに混入された接合材２１が、銀とともに拡散するからである。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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２−４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２−４の積層型圧電素子１では、低剛性金属層１５が内部電極１３として作用しなかったためである。
【０１１１】
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、１×１０９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。
【０１１２】
（表２）
2009038080.tif 000016
【０１１３】
表２に示すように、高速応答性評価の結果として、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、低剛性金属層１５を備えていないため、内部電極１３による圧電体層３への拘束力が大きいからである。圧電体層３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。
【０１１４】
なお、駆動周波数を確認するために、試料番号１の圧電アクチュエータのパルス波形をヨコガワ製オシロスコープＤＬ１６４０Ｌを用いて確認したところ、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。
【０１１５】
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９０％近く低下していた。また、試料番号１の圧電アクチュエータでは、積層圧電素子の一部に剥がれが見られた。
【０１１６】
一方、試料番号２−４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４の圧電アクチュエータでは、変位量の低下が殆ど見られず、非常に高い耐久性を有していることが分かった。
【符号の説明】
【０１１７】
１，２・・・積層型圧電素子、
３・・・圧電体層、
５・・・金属層、
７・・・積層構造体、
９・・・外部電極、
１１・・・圧電体結晶粒子、
１３・・・内部電極、
１５・・・低剛性金属層、
１７・・・空隙、
１９・・・金属部、
２１・・・接合材、
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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層構造体を有する積層型圧電素子であって、
前記圧電体層は、複数の圧電体結晶粒子により構成され、
前記複数の金属層は、内部電極と、前記圧電体層及び前記内部電極と比較して剛性が低い低剛性金属層と、を備え、
前記低剛性金属層は、互いに離隔した複数の金属部を有し、
該金属部の端部が、前記圧電体結晶粒子間に入り込んでいることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
前記金属部間に空隙が存在す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】
前記金属部は、前記圧電体結晶粒子間に入り込んでいる端部がくさび状にな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】
通電時に前記金属部と前記圧電体結晶粒子とが離隔す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】
前記圧電体層は、前記複数の圧電体結晶粒子間に位置して隣り合う前記圧電体結晶粒子を接合する接合材を有し、前記金属部が前記接合材を介して前記圧電体結晶粒子と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。
【請求項６】
複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層構造体を有する積層型圧電素子であって、
前記圧電体層は、複数の圧電体結晶粒子と、該複数の圧電体結晶粒子間に位置して隣り合う前記圧電体結晶粒子を接合する接合材と、を有し、
前記複数の金属層は、内部電極と、前記圧電体層及び前記内部電極と比較して剛性が低い低剛性金属層と、を備え、
前記低剛性金属層は、互いに離隔した複数の金属部を有し、
該金属部の端部が、前記接合材を介して前記圧電体結晶粒子と接合されていることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項７】
前記金属部の端部が、前記圧電体結晶粒子間に入り込んで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】
前記接合材は、ガラスを主成分とすることを特徴とする請求項５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】
前記接合材は、前記金属部の主成分を含有していることを特徴とする請求項５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】
前記接合材は、前記金属部の主成分の酸化物を含有し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。
【請求項１１】
前記金属部は、積層方向に隣り合う２つの前記圧電体層のうち、一方の圧電体層の前記圧電体結晶粒子とのみ前記接合材を介して接合されていることを特徴とする請求項５乃至請求項１０のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項１２】
前記金属部は、前記積層方向に隣り合う２つの圧電体層のうち、他方の圧電体層と離隔していることを特徴とする請求項１１に記載の積層型圧電素子。
【請求項１３】
前記金属部は、前記一方の圧電体層の少なくとも２つ以上の圧電体結晶粒子と接合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項１４】
噴射孔を有する容器とその容器に収納された請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の積層型圧電素子とを備え、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１５】
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燃料を噴射する請求項１４に記載の噴射装置と、
前記コモンレールに高圧の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、
を備えた燃料噴射システム。
【国際調査報告】
2009038080.tif 000017
2009038080.tif 000018
2009038080.tif 000019
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