(57)【要約】【課題】高い耐久性を実現するインジェクタ用圧電体セラミックス素子を提供する。【解決手段】圧電セラミック層が３層以上と内部電極層が２層以上となるよう積層した積層体で、この積層体の側面に内部電極２が１層おきに対向電極となるように前記内部電極２と交互に接続された、または絶縁物で絶縁した上に外部電極３を有するインジェクタ用圧電体セラミックス素子であって、内部電極２は圧電セラミック層と共通する共材料の粒子またはジルコン酸チタン酸鉛を含む組成系で、その粒径はセラミック層に使用する材料粉末の０.２〜１倍で、かつ内部電極２の印刷厚みの０.０５〜０.５倍であり、内部電極２中の金属成分の１５〜５５重量％のセラミック粒子を添加し、かつ焼結後のセラミック平均粒子径を１〜７μｍに調整したインジェクタ用圧電体セラミックス素子とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミック層が３層以上と内部電極層が２層以上となるよう積層した積層体で、この積層体の側面に内部電極が１層おきに対向電極となるように前記内部電極と交互に接続された、インジェクタ用圧電体セラミックス素子であって、前記圧電セラミック層の材料は、平均粒径が０.５〜６μｍのジルコン酸チタン酸鉛を含む組成系であり、前記内部電極中には前記圧電セラミック層と共通する粒子またはジルコン酸チタン酸鉛を含む組成系で、その粒径は前記材料粉末の０.２〜１倍で、かつ内部電極の印刷厚みの０.０５〜０.５倍であり、内部電極中の金属成分の１５〜５５重量％のセラミック粒子を添加し、かつ焼結後のセラミック平均粒子径が１〜７μｍであることを特徴とするインジェクタ用圧電体セラミックス素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として、情報機器、自動車、家電機器等に使用されるのに好適なインジェクタ用圧電体セラミックス素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の内燃機関等のインジェクタとしては、例えば、特許文献１に示されるように、積層型の圧電素子を使用する試みがなされている。このインジェクタ用素子としては、電子部品としては約１６０℃という高温環境において長時間の駆動を要求される。従って、インジェクタ用圧電体セラミックス素子には、耐久性の確保が必要である。
【０００３】
インジェクタ動作中に起こる耐久性の不具合は、主に内部電極と圧電セラミックの界面部および応力の集中し易い内部電極の端部に起因して発生することが多い。そして、これらを起点として起こる障害は、結果的には内部電極とセラミックの界面、内部電極に挟まれたセラミック層間、セラミック絶縁部など素子のあらゆる部分に波及していくことになる。
【０００４】
特許文献２では、圧電層の強度を向上するために圧電層を構成する焼結粒子の粒径を８μｍ以下に限定し、クラックが容易に進行しないように工夫し、耐久性の向上を狙っている。つまり、変位動作時に発生する内部応力やその他の要因で発生した応力によるクラックを防ぐ狙いがある。
【０００５】
また、特許文献３では、内部電極に組成、粒径を限定したセラミック粒子を限定量添加することで、セラミック層同士を繋ぐ柱を形成し、セラミック層と内部電極層の剥離を防ぐ工夫を行っている。つまり、層間剥離を抑えることで、セラミック層へのクラックの進展を防止し信頼度の高い電子部品を得ようとしている。
【０００６】
さらに、特許文献４では、内部電極を横断するセラミック層の平均存在率を限定確保することで、セラミック層と内部電極層の剥離を防ぐ工夫を行っている。これも、層間剥離を抑えることでセラミック層へのクラックの進展を防止し信頼度の高い電子部品を得ようとしている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−２２９９９３号公報
【特許文献２】
特開２００２−５４５２６号公報
【特許文献３】
特開２０００−２７７３６９号公報
【特許文献４】
特開平１０−１７２８５５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記のような積層セラミック部品のそれぞれでは、インジェクタ動作中に起こる耐久性不具合の原因である内部電極と圧電セラミック界面部、特には応力の集中し易い内部電極の端部の剥離対策およびセラミック層の強度向上とを同時に行ってなく、つまり発生防止と波及防止が同時に行われておらず、インジェクタ用積層型圧電素子の耐久性の確保という点では、不十分である。
【０００９】
また、特許文献３、特許文献４の効果を出現させるには、インジェクタ用圧電体セラミックス素子の焼成条件に限定が必要であり、その点の指定がないため、焼成条件によっては折角のセラミック添加が意味を成さなくなる。つまり、例えば、焼成温度が低い場合には、内部電極中のセラミック粒子とセラミック層内の粒子の反応が弱く、一体化が不十分となるため、セラミックの柱が形成されにくい。また、内部電極中のセラミック粒子と内部電極金属との反応も不十分で、これらの界面の接合力も弱い。この場合には、内部応力が、わずかに形成されたセラミック層同士を繋ぐ柱部に集中しやすく、この部分が簡単に割れてしまう。
【００１０】
一方、焼成温度が高すぎる場合には、内部電極の表面張力で内部電極がセラミック層同士を遠ざけようと働き、加えて固体拡散によりセラミック層が内部電極中のセラミック柱を上下層それぞれから引き寄せようとする。このことで、折角生じた内部電極中のセラミック柱部が切れてしまうことがある。
【００１１】
さらに、内部電極中にいれるセラミック粒子が、微粉すぎる場合には、添加過程で粒子の凝集が生じることがあり、内部電極ペーストのチクソ性を変え、印刷性を著しく悪化させることがある。また、内部電極中に添加するセラミック粒子が多すぎる場合には、内部電極ペーストの粘度が高くなりやすく、同様に印刷性の悪化が懸念される。
【００１２】
そこで、本発明は、高い耐久性を有するインジェクタ用圧電体セラミックス素子の提供をしようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明では、前記の目的を達成するため、内部電極へのセラミック粒子の添加と焼結後のセラミック粒子径の調整を同時に行った。
【００１４】
つまり、内部電極中のセラミック粒子を期待通りの効果を発するように振る舞わせるのに必要なセラミックの焼結状態を調査した結果、内部電極中に含有させるセラミックの組成、粒度、添加量をある範囲に限定すれば、セラミック粒子の粒成長とセラミック柱の生成に関係があることが見出された。
【００１５】
つまり、内部電極中のセラミック粒子を期待通りの効果を発するように振る舞わせるには、焼結後のセラミック粒子径を１〜７μｍに調整すればよい。本来、焼成条件は、焼成温度、昇降温速度、キープ時間、キープ段数などの焼成プロファイルおよび焼成雰囲気で指定すべきであるが、焼成温度の絶対値は組成系により変わるものであり指定しにくい。
【００１６】
即ち、本発明は、圧電セラミック層が３層以上と内部電極層が２層以上となるよう積層した積層体で、この積層体の側面に内部電極が１層おきに対向電極となるように前記内部電極と交互に接続された、インジェクタ用圧電体セラミックス素子であって、前記圧電セラミック層の材料は、平均粒径が０.５〜６μｍのジルコン酸チタン酸鉛を含む組成系であり、前記内部電極中には前記圧電セラミック層と共通する粒子またはジルコン酸チタン酸鉛を含む組成系で、その粒径は前記材料粉末の０.２〜１倍で、かつ内部電極の印刷厚みの０.０５〜０.５倍であり、内部電極中の金属成分の１５〜５５重量％のセラミック粒子を添加し、かつ焼結後のセラミック平均粒子径が１〜７μｍとしたインジェクタ用圧電体セラミックス素子である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態によるインジェクタ用圧電体セラミックス素子について、図面を用いて説明する。
【００１８】
図１は、本発明のインジェクタ用圧電体セラミックス素子の斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、セラミック層同士を繋ぐセラミックの柱のＳＥＭ写真である。図４は、インジェクタ用圧電体セラミックス素子の耐久性試験の結果の直交解析例を示す図である。
【００１９】
図１、図２に示すように、本発明のインジェクタ用圧電体セラミックス素子は、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ２を成分として含む圧電体１と複数の内部電極２とを交互に積層してなるアクチュエータ本体の少なくとも２つの側面において、内部電極２の端部を対向電極となるように絶縁層４を形成し、露出している内部電極２の端部は外部電極３と接続されており、アクチュエータ本体の上下に、複数の圧電体からなる不活性層５と、外部と電気的接続を行うためのリード線６から構成されている。リード線を通じて圧電セラミックの分極方向に電界をかけると、図１の変位方向７ａ，７ｂが生じる。
【００２０】
図２は、本発明の特徴である内部電極部のセラミック柱およびセラミック層との反応状態を模式的に示している。図２の構造は、スクリーン印刷を繰り返して形成した。図２のような状態を得るために、表１の発明品Ｎｏ.１〜１０に示す水準でインジェクタ用圧電体セラミックス素子を作製し、走行に関する耐久性を調査した結果を表１の右欄に示した。
【００２１】
表１に示す耐久性試験は、インジェクタ用圧電体セラミックス素子を電界強度１.５ｋＶ／ｍｍ、駆動周波数２００Ｈｚ、スイッチング時間は１００μＳ、プリセット荷重６００Ｎの条件で、連続２５億サイクルまで実施した。２５億サイクル試験後のインジェクタ用圧電体セラミックス素子を測定しクラック発生等により変位動作の機能障害が生じたインジェクタ用圧電体セラミックス素子の個数をカウントし、インジェクタ用圧電体セラミックス素子の耐久性として充分な実力があるか否かを記号で示した。評価のインジェクタ用圧電体セラミックス素子数は、各水準５個ずつであり、◎は機能障害の発生がなかったもの、△は１個以上３個未満の機能障害が生じたもの、×は３以上の機能障害が生じたものを示している。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
走行に関する耐久性試験の結果の△と×については、次のような解釈をしている。まず、発明品１の結果であるが、内部電極の観察では、図３に示すようなセラミックの柱が少ししか生成していないことが確認されており、内部電極に含有されるセラミック粒径が０.０９μｍと小さいため、内部電極内のセラミックの分散性が良い場合には、個々のセラミック粒子が単独で存在するだけでセラミックの柱を形成できなかったと考えている。発明品７でも内部電極に含有されるセラミック粒径が０.１μｍと小さいため、発明品１と同様の理由で耐久性が良くなかった。
【００２４】
発明品２でも内部電極の観察でセラミック柱の生成が少ないことが確認された。これは、内部電極に含有されるセラミック量が１０重量％と少なく、セラミックの柱となる材料が不足したものと考えられる。発明品４では、内部電極に含有されるセラミック量が６０重量％と多く、内部電極ペーストの粘度が希釈限界量に対し高く、印刷が困難であり、サンプルの作製に至らなかった。
【００２５】
発明品６では、内部電極の観察でセラミック柱の生成がある程度は確認された。しかし、セラミック層の焼結後のセラミック粒径が９.８μｍにも達しており、セラミック層の強度が弱く、変位動作等で生じた内部応力によるクラックの進行を抑制しきれなかった。
【００２６】
発明品１０では、内部電極に含有されるセラミック粒径が６.５μｍと大きく、内部電極の厚みを５μｍに狙い希釈等で対処したにも関わらず、６μｍと厚く形成されてしまいサンプル作製に至らなかった。
【００２７】
上記の結果、セラミック材料の平均粒径を０.５〜５.９μｍ、内部電極中に合有させるセラミック材の粒径をセラミック層に使用する材料粉末の０.２〜１倍で、かつ内部電極の印刷厚みの０.０５〜０.５倍、内部電極中に含有させるセラミック材の量を内部電極中の金属成分の１５〜５５重量％、焼結後のセラミック粒子径を１.３〜６.９μｍとした。
【００２８】
インジェクタ用圧電体セラミックス素子の耐久性は、様々な因子により成り立っていると考えられる。そこで、上記耐久性試験と同時に直交実験を行い、図４に示す通り内部電極に含有されるセラミック量と焼結後のセラミック粒径については、その寄与が明確であることが判った。つまり、その他の因子の影響で偶然に得られた耐久性の結果ではないことは明白である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、内部電極へのセラミック粒子の添加と焼結後のセラミック粒子径の調整を同時に行ったことで、インジェクタ動作中に起こる耐久性不具合の原因となる内部電極と圧電セラミックの界面部の剥離対策と応力の集中し易い内部電極の端部およびセラミック層の強度向上とを同時に行え、約１６０℃という高温環境において、のべ２０億回におよぶ動的な駆動の要求に対して、高い耐久性を実現するインジェクタ用圧電体セラミックス素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインジェクタ用圧電体セラミックス素子の斜視図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】セラミック層同士を繋ぐセラミックの柱のＳＥＭ写真。
【図４】インジェクタ用圧電体セラミックス素子の耐久性試験の結果の直交解析例を示す図。
【符号の説明】
１    圧電体
２    内部電極
３    外部電極
４    絶縁層
５    不活性層
６    リード線
７ａ，７ｂ    変位方向
８    内部電極中のセラミック柱
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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