(57)【要約】【課題】圧電体層を含む導体層間に空隙があっても耐電圧が高く、耐久性に優れた圧電素子およびそれを用いた燃料噴射装置を提供する。【解決手段】圧電体層３と、該圧電体層３を狭持してなる導体層５とを備えた圧電素子１において、前記圧電体層３を含む前記導体層３間に空隙７を有するとともに、該空隙７について、前記圧電体層３の厚み方向における長さをａ、面内方向における長さをｂとし、さらに前記圧電体層３の厚みをｔとしたときに、ｂ／ａ≦４、ｂ≧３μｍおよび、ａ≦０．５ｔの関係を満足することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体層と、該圧電体層を狭持してなる導体層とを備えた圧電素子において、前記圧電体層を含む前記導体層間に空隙を有するとともに、該空隙について、前記圧電体層の厚み方向における長さをａ、面内方向における長さをｂとし、さらに前記圧電体層の厚みをｔとしたときに、ｂ／ａ≦４、ｂ≧３μｍおよび、ａ≦０．５ｔの関係を満足することを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
圧電体層と、該圧電体層を狭持してなる導体層とを備えた圧電素子において、前記圧電体層を含む前記導体層間に空隙を有するとともに、該空隙について、所定の駆動電圧を印加した状態での電界の向きと同方向の長さをａ、電界の向きに垂直な方向の長さをｂとし、さらに前記圧電体層の厚みをｔとしたときに、ｂ／ａ≦４、ｂ≧３μｍ、ａ≦０．５ｔの関係を満足することを特徴とする圧電素子。
【請求項３】
圧電体層の厚みが１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電素子。
【請求項４】
導体層間の空隙について、該導体層面に投影された長さをｄ、前記導体層の積層方向の、前記空隙の単体長さの総和をｃとしたときに、ｄ／ｃ≦４の関係を満足することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか記載の圧電素子。
【請求項５】
導体層間における空隙の全体積が、前記圧電体層の体積の１５％以下であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか記載の圧電素子。
【請求項６】
空隙どうしの最近接間距離が３μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか記載の圧電素子。
【請求項７】
空隙についての、圧電体層の厚み方向断面における曲率半径が２μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか記載の圧電素子。
【請求項８】
導体層間に印加される電界が０．５ｋＶ／ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか記載の圧電素子。
【請求項９】
圧電体層が、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とし、少なくともバリウム、ストロンチウムのいずれかもしくは両成分が添加されており、チタン酸鉛の割合が４２モル％〜５２モル％、ジルコン酸鉛の割合が４８モル％〜５８モル％の範囲であることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか記載の圧電素子。
【請求項１０】
圧電体層の即時破壊強度のワイブル係数ｍが、ｍ≧８であることを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか記載の圧電素子。
【請求項１１】
導体層が、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕの群から選ばれる少なくとも１種を主成分とすることを特徴とする
【請求項１２】
請求項１から１１のうちいずれか記載の圧電素子を具備することを特徴とする燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子および燃料噴射装置に関し、特に、自動車用燃料噴射弁、印刷装置のインク噴射装置やドットインパクト装置、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止用の駆動素子等に用いられる圧電素子及び噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、圧電特性を有する磁器の両面に導体層を形成し、この導体層間の圧電体層に電圧を印加し、圧電体層に生じる逆圧電効果を利用して、大きな変位を得る圧電素子が提案されている。特に、圧電体層と導体層とを交互に多数層積層すると圧電素子の変位量を大きくできることから、上記各種の駆動装置用圧電部品としての応用が図られている。
【０００３】
特に、下記に示す特許文献１に記載された圧電素子では、それを構成する圧電体層に含まれる空隙の寸法を規定することにより、具体的には、一つの圧電体層に含まれる空隙について、その圧電体層の厚み方向の総長さを、その圧電体層の厚みの１／３以下とし、かつ、その実際の長さを５０μｍ以下に規定することにより、耐電圧性を高め、これにより圧電素子の絶縁破壊を抑制できると記載され、この場合、圧電体層の厚みが１８０μｍ以上、２８０μｍ以下の場合にはクラックの発生しない試料が得られると記されている。
【特許文献１】特開２００２−５４５２６号
【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、上記圧電体層を含む導体層間に存在する空隙が偏平状であり、しかも、この空隙の偏平な方向が電界の向きに対して垂直に近い方向にあると、このような偏平な空隙の尖状となった領域では印加される電界が集中しやすくなり、このため圧電体層には局所的な高応力部が発生してクラック等が生じて機械的な破壊に至る。また、電界集中により耐電圧が低下し、耐久性など信頼性が低いという問題があった。
【０００５】
従って、本発明は、圧電体層を含む導体層間に空隙があっても耐電圧が高く、耐久性に優れた圧電素子およびそれを用いた燃料噴射装置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】
本発明の圧電素子は、圧電体層と、該圧電体層を狭持してなる導体層とを備えた圧電素子において、前記圧電体層を含む前記導体層間に空隙を有するとともに、該空隙について、前記圧電体層の厚み方向における長さをａ、面内方向における長さをｂとし、さらに前記圧電体層の厚みをｔとしたときに、ｂ／ａ≦４、ｂ≧３μｍおよび、ａ≦０．５ｔの関係を満足することを特徴とする。
【０００７】
即ち、本発明によれば、空隙の偏平度を小さくすることにより、空隙の周辺における電界の集中を抑制でき、これにより圧電体層中の応力集中を抑制して、これにより局所的な高応力部を無くしクラック等を防止できる。また、電界集中による耐電圧の低下を抑制して、耐久性など信頼性を向上できる。
【０００８】
また、本発明の圧電素子は、圧電体層と、該圧電体層を狭持してなる導体層とを備えた圧電素子において、前記圧電体層を含む前記導体層間に空隙を有するとともに、該空隙について、所定の駆動電圧を印加した状態での電界の向きと同方向の長さをａ、電界の向きに垂直な方向の長さをｂとし、さらに前記圧電体層の厚みをｔとしたときに、ｂ／ａ≦４、ｂ≧３μｍ、ａ≦０．５ｔの関係を満足することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明では、導体層の端から放射状に出る電界に対しても本発明における空隙の寸法の規定により応力集中や電界集中を抑制できる。
【００１０】
上記圧電素子では、圧電体層の厚みが１５０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
特に、圧電体層の厚みが薄くなり、耐電圧の許容値が低くなるような場合においても、空隙の形状を本発明の範囲に規定することにより、空隙の周辺に発生する応力を低減でき、これにより耐電圧を高くかつ長寿命化できる。
【００１２】
上記圧電素子では、導体層間の空隙について、該導体層面に投影された長さをｄ、前記導体層の積層方向の、前記空隙の単体長さの総和をｃとしたときに、ｄ／ｃ≦４の関係を満足することを特徴とする。また、上記圧電素子では、導体層間における空隙の全体積が、前記圧電体層の体積の１５％以下であることを特徴とする。即ち、本発明によれば、圧電体層中に複数存在する空隙に対しても空隙の大きさおよびその体積を規定することにより、さらに耐電圧性をはじめとして信頼性をさらに向上できる。
【００１３】
上記圧電素子では、空隙どうしの最近接間距離が３μｍ以上であることを特徴とする。さらに本発明によれば、電界集中の起きやすい空隙を上記の最近接間距離以上とすることにより、１層の圧電体層中に複数の空隙が存在しても、その空隙間における電界の集中を抑制できる。
【００１４】
上記圧電素子では、空隙についての、圧電体層の厚み方向断面における曲率半径が２μｍ以上であることを特徴とする。即ち、空隙の尖状端部付近の曲率半径を上記のように大きくすることにより、この付近の電界集中をさらに抑えることができる。
【００１５】
上記圧電素子では、導体層間に印加される電界が０．５ｋＶ／ｍｍ以上であることを特徴とする。本発明の圧電素子は、圧電体層中の空隙の大きさが所定の大きさに規定されているために耐電圧性を高くできるものであり、こうして圧電体層の厚みを薄くした効果とともに高耐電圧性によりさらに大きな変位量を得ることができる。
【００１６】
上記圧電素子では、圧電体層が、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とし、少なくともバリウム、ストロンチウムのいずれかもしくは両成分が添加されており、チタン酸鉛の割合が４２モル％〜５２モル％、ジルコン酸鉛の割合が４８モル％〜５８モル％の範囲であることを特徴とする。本発明によれば、圧電磁器を構成する上記Ａ、Ｂサイト比を調整することにより、さらに圧電歪み定数やキュリー温度などの圧電特性をさらに高めることができる。
【００１７】
上記圧電素子では、圧電体層の即時破壊強度のワイブル係数ｍが、ｍ≧８であることを特徴とする。さらに本発明では、圧電体層の破壊に対する強度ばらつきを小さくでき、信頼性の高い圧電素子を得ることができ、高い工程能力が得られる。
【００１８】
本発明の燃料噴射装置は、上記の圧電素子を具備することを特徴とする。即ち、本発明によれば、圧電体層中の空隙による応力集中が抑えられ、耐電圧性を向上でき、高発生力が得られる圧電素子を用いることにより、高性能で高信頼性の燃料噴射装置を構成できる。
【発明の効果】
【００１９】
即ち、上述したように、本発明によれば、圧電体層を含む導体層間に存在する空隙の偏平度を小さくすることにより、空隙の周辺における電界の集中を抑制でき、これにより圧電体層中の応力集中が抑えられクラック等を防止でき、かつ電界集中を抑えて耐電圧性を向上できる。そして、このような圧電素子を用いて構成された燃料噴射装置は、発生力が大きいため、高圧力下で使用でき、かつ長寿命化を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の圧電素子について詳細に説明する。図１は、本発明の圧電素子を示す断面模式図である。本発明の圧電素子１は、圧電体層３と、該圧電体層３を狭持してなる導体層５とを備えている。本発明の圧電素子１は、導体層５間の少なくとも圧電体層３中に空隙７を有することを特徴とするものであり、特に、この空隙７について、前記圧電体層３の厚み方向における長さをａ、面内方向における長さをｂとし、さらに圧電体層３の厚みをｔとしたときに、ｂ／ａ≦４、ｂ≧３μｍおよびａ≦０．５ｔの関係を満足することを特徴とし、特に、ｂ／ａ≦２、３≦ｂ≦２０（μｍ）およびａ≦０．２５ｔがより望ましい。
【００２１】
図２は、空隙７付近の電界分布の模式図である。空隙７から充分離れた圧電体層３においては、この圧電体層３を挟む導体層５間に印加された電圧Ｖと圧電体層の厚さｔから計算される、一様な電界（Ｅ＝Ｖ／ｔ）となっており、局所的な応力集中は発生しない。一方、空隙７付近の圧電体層３では空隙７を迂回するような電気力線となり、圧電体層３の厚み方向、つまり、導体層５の面に平行な方向の空隙７の端部付近で電界が高くなりやすい。
【００２２】
図３は、導体層近傍の空隙７付近の電界分布の模式図である。また、本発明の圧電素子１では、空隙７について、所定の駆動電圧を印加した状態での電界の向き（図３中の矢記号に示す電気力線）と同方向の長さをａ、電界の向きに垂直な方向の長さをｂとしたときに、ｂ／ａ≦４およびｂ≧３μｍの関係を満足することを特徴とし、この場合も、特に、ｂ／ａ≦２、３≦ｂ≦２０（μｍ）およびａ≦０．２５ｔが望ましい。
【００２３】
即ち、本発明では、偏平状をした空隙７が、例えば、導体層５に平行に存在しない状態（図３のＡ）であっても、偏平状をした空隙７の電界の向きに対する方向性をも規定することにより、空隙の周辺に発生する応力を低くしクラックなどの発生を抑制し、耐電圧を高めることができる。
【００２４】
つまり、通常の圧電素子１では、空隙７の形状によっては一様な電界が阻害され、圧電体層３中を通る電気力線が空隙７を迂回していくことで、空隙７の端部において極度に電界が高くなるが、本発明では、このような電界の集中する空隙７を無くして最大主応力を低くできることから絶縁破壊やクラックの発生を防止できる。
【００２５】
なお、本発明において、圧電体層における応力分布は、試料の電子顕微鏡写真をもとに解析モデルを作製し、このモデルに対して有限要素解析を行い求める。
【００２６】
一方、本発明では、空隙の長辺方向の寸法ｂが３μｍより小さい場合には、本発明のような、ｂ／ａの関係は考慮する必要はないが、上記ｂが３μｍ以上であって、かつｂ／ａ＞４の場合には、空隙７の偏平度が大きくなり圧電体層３が破壊するほどの応力が発生し、過酷な条件での使用に耐えない恐れがある。
【００２７】
また、ｂ／ａ≦４およびｂ≦３であっても、ａ＞０．５ｔのときには、最大主応力が小さくなるが、圧電体層の耐電圧が低下し、これによって耐久性が低下する。
【００２８】
また、圧電体層３の厚みは１５０μｍ以下、特に、圧電歪特性を高めるという点でその厚みは、１２０μｍ以下、さらには、９０μｍ以下が望ましく、一方、電界強度による破壊を抑制する点で、２０μｍ以上、特に、４０μｍが望ましい。
【００２９】
また、本発明の圧電素子１では、導体層５の厚みが１０μｍ以下であり、この導体層５の表面から１０μｍ以内の圧電体層３中に空隙７が存在するときに、ｂ／ａ≦２の関係を満足することが望ましい。
【００３０】
通常、圧電素子１に電圧を印加すると、圧電体層３は伸びるが、隣の導体層５は伸びないために圧電体層３を拘束することが知られている。このとき、導体層５の近くに空隙７があると、その空隙７近傍の圧電体層３には、その空隙７近傍の電気力線の曲がりによる電界集中に起因した応力と、圧電体層３と導体層５との伸びの不一致に起因する応力とが重畳することになる。しかしながら、本発明では、この導体層５の厚みを１０μｍ以下とし、この導体層５の表面から１０μｍ以内の圧電体層３中に空隙７の形状を前記表記でｂ／ａ≦２の関係とすることにより、上記重畳する応力を低減できる。
【００３１】
図４は、（ａ）圧電体層中に複数個の空隙が存在する場合に、それらの空隙を導体層面に投影する状態を示す断面模式図、および（ｂ）導体層面への投影図である。また、上記圧電素子１では、導体層５間の空隙７について、導体層５面に投影された長さをｄ、前記導体層５の積層方向の、前記空隙７の単体長さの総和をｃとしたときに、ｄ／ｃ≦４の関係を満足することが望ましく、特に、ｄ／ｃ≦２がより望ましい。つまり、空隙７が圧電体層３中で一見重なった状態である場合には、集合した空隙７の外側を電気力線が迂回するために、一つの大きな空隙７とすることが妥当だからである。
【００３２】
また、上記圧電素子１では、導体層５間における空隙７の全体積が、前記圧電体層３の体積の１５％以下、特に、５％以下であることが望ましい。
【００３３】
また、上記圧電素子１では、空隙７どうしの最近接間距離が３μｍ以上、特に、２０μｍ以上であることが望ましい。
【００３４】
図５は、曲率半径を表す空隙形状を示す概略図である。また、上記圧電素子１では、空隙７についての、圧電体層３の厚み方向断面における曲率半径が２μｍ以上、特に、４μｍ以上であることが望ましい。つまり、曲率半径Ｒ≧２μｍであれば、局所的な曲率半径Ｒが大きくなり、圧電体層３における電気力線の曲がりが小さくなるために、それに伴い隣合う結晶粒間で分極の向きが異なることを抑制でき、そして、圧電体磁器中の隣合う粒子の電圧印加による歪の向きの不一致を小さくできることから、粒界などを破壊源とする絶縁破壊を抑えることができる。
【００３５】
また、上記圧電素子１では、導体層５間に印加される電界が０．５ｋＶ／ｍｍ以上、特に、１．５ｋＶ／ｍｍ以上であることが望ましい。
【００３６】
即ち、圧電体層３に印加される電界、つまり、圧電体層３を狭持する導体層５間に印加される電圧を、その圧電体層３の厚さで割ったものを０．５ｋＶ／ｍｍ以上とすると圧電体素子のひずみ量を大きくでき、例えば、燃料噴射装置のような厳しい環境にさらされる装置においても好適に用いることができる。
【００３７】
具体的には、燃料噴射装置に用いる圧電素子１には、通常、２０μｍ程度の変位量が必要とされているが、燃料噴射装置の構造上、圧電素子１の長さは５０ｍｍ以下であることが望ましい。このため圧電素子１としては、圧電定数ｄ３３が９００ｐＣ／Ｎ以上の圧電体層３に、０．５ｋＶ／ｍｍ以上の電界を印加することが望ましい。
【００３８】
なお、導体層５間の少なくとも圧電体層３中に存在する空隙７は、いずれにしても結晶粒が空隙に現れているため細かい凹凸があるが、本発明の圧電体層３における空隙７は、例えば、０．１μｍ以下の凹凸を無視して曲面で表したものである。
【００３９】
次に、本発明の圧電体層３となる圧電磁器について説明する。
【００４０】
本発明の圧電体層３は、圧電体層が、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とし、少なくともバリウム、ストロンチウムのいずれかもしくは両成分が添加されており、チタン酸鉛の割合が４２モル％〜５２モル％、ジルコン酸鉛の割合が４８モル％〜５８モル％の範囲であることを特徴とする。
【００４１】
そして、本発明では、圧電素子１の品質ばらつきを小さくし、工程能力Ｃｐｋ≧１．６６を得るという理由から圧電体層３の即時破壊強度のワイブル係数ｍが、ｍ≧８、特に、ｍ≧１２であることが望ましい。
【００４２】
なお、本発明の圧電素子１は、以下の構造を有する積層型の圧電素子１を含むものである。図６は、本発明の積層構造をした圧電素子である。即ち、積層型圧電素子２１は、複数の圧電体層２３と複数の導体層２５を交互に積層して構成されている。導体層２５の端部は素子本体の一部の側面に露出しており、また、導体層２５の上下両側に位置する圧電体層２３は、互いに向きが反対となるように分極処理され、図６に示す矢印の方向に分極処理されている。
【００４３】
導体層２５は積層順に交互に第１導体層２５ａまたは第２導体層２５ｂとされ、第１導体層２５ａと第２導体層２５ｂに異なる電位を与えることによって、圧電体層２３に厚さ方向の電界を印加できる。
【００４４】
積層型圧電素子本体は概四角柱状であり、その４側面のうち異なる２側面が外部電極形成用側面とされ、これらの外部電極形成用側面にそれぞれ外部電極２４ａ、２４ｂがそれぞれ形成されている。外部電極２４ａには第１導体層２５ａの端部が接続され、第２導体層２５ｂの端部とは絶縁され、また外部電極２４ｂには第２導体層２５ｂが接続され、第１導体層２５ａの端部とは絶縁されている。
【００４５】
この第１の外部電極２４ａと第２の外部電極２４ｂの間に電圧を印加することで、積層型圧電素子を伸縮させることが出来る。
【００４６】
また、本発明の圧電体層３、２３の平均結晶粒径は、圧電素子１の機械的強度を高めるためには６μｍ以下、特に、４μｍ以下が好ましく、一方、圧電歪定数を高めるという理由から、２μ以上、３μｍ以上が好ましい。さらに、圧電体層３、２３と導体層５、２５との積層数は、所望の特性を得るためにそれぞれ１０〜４００層が好ましい。
【００４７】
また、本発明の圧電素子における導体層５、２５は、全金属に対するＡｇの含有量が７０質量％以上、特に、８０質量％であることがより望ましい。なお、本発明の圧電素子は導体層５、２５としてＣｕを用いることができる。
【００４８】
次に、本発明の圧電素子の製法について説明する。
【００４９】
以上のように構成された圧電素子は、以下の圧電体層３、２３と導体層５、２５とを同時焼成するプロセスにより製造される。本発明の圧電体層３、２３となる圧電磁器の製法は、（１）素原料として、Ｐｂ、ＺｒおよびＴｉを含むそれぞれの金属酸化物を、メディアを用いて混合し微粉化する工程と、（２）該混合物を９００℃以下で仮焼する工程と、（３）該仮焼物に対し、少なくとも有機バインダを加えて成形体を形成後焼成する工程と、を具備することを特徴とする。
【００５０】
本発明の製法は、具体的には、下記の工程で行われる。先ず、素原料粉末として高純度のＰｂ３Ｏ４、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＷＯ３、ＢａＣＯ３、ＳｒＣＯ３、ＣａＣＯ３およびＹｂ２Ｏ３などの各原料粉末を所定量秤量し、ボールミル等で湿式混合し、素原料を上記所定の平均粒径になるように微粉化する。次いで、この混合物を脱水、乾燥した後、上記した温度にて仮焼を行う。このような工程を経て得られる微粉化した仮焼粉末を用いることにより、本発明の圧電体層３、２３中に形成される空隙７を所望の形状と大きさとすることができる。
【００５１】
次に、得られた仮焼粉末に対して有機バインダー、有機溶剤および可塑剤とを混合したスラリを調製し、シート成形法によりグリーンシートを作製する。
【００５２】
次に、このグリーンシートの片面にＡｇ／Ｐｄの比率が所定比率である導体ペーストをスクリーン印刷法により印刷し導体パターンを形成する。この導体パターンを乾燥させた後、導体パターンが形成された複数のグリーンシートを所定の枚数だけ積層し、この積層体の積層方向の両端部に、導電性ペーストが塗布されていないグリーンシートを積層する。ここで、特に、本発明では、圧電体層３、２３中に形成される空隙７を所望の形状と大きさにするために、所定形状の樹脂製マイクロビーズを使用する。
【００５３】
次に、この積層体を５０〜２００℃で加熱を行いながら加圧を行い、積層体を一体化する。一体化された積層体は所定の大きさに切断された後、４００〜８００℃で５〜４０時間、脱バインダが行われ、９５０〜１０００℃で２〜５時間で本焼成が行われ、積層体となる積層焼結体を得る。この積層体焼結体の側面には、導体層の端部が露出している。以上のように、導体層は互い違いに１層おきに絶縁され、交互に同一の外部電極２４に接続される。この後、正極用外部電極、負極用外部電極にリード線を接続し、素子の外周面にデイッピング等の方法により、シリコーンゴムを被覆した後、分極電界を印加して分極処理することで、最終的な積層型の圧電素子１であるアクチュエータを得る。
【００５４】
次に、上記の圧電素子１により構成される燃料噴射装置について説明する。図７は、本発明の燃料噴射装置を示す概略断面図である。図において符号３１は収納容器を示している。この収納容器３１の一端には噴射孔３３が設けられ、また収納容器３１内には、噴射孔３３を開閉することができるニードルバルブ３５が収容されている。
【００５５】
噴射孔３３には燃料通路３７が連通可能に設けられ、この燃料通路３７は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路３７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３５が噴射孔３３を開放すると、燃料通路３７に供給されていた燃料が一定の高圧で内燃機関の図示しない燃料室内に噴出されるように形成されている。
【００５６】
また、ニードルバルブ３５の上端部は直径が大きくなっており、収納容器３１に形成されたシリンダ３９と摺動可能なピストン４１を有している。そして、収納容器３１内には、燃料噴射装置において圧電アクチュエータとなる圧電素子４３が収納されている。
【００５７】
このような噴射装置では、圧電アクチュエータ４３が電圧を印加されて伸長すると、ピストン４１が押圧され、ニードルバルブ３５が噴射孔３３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圧電アクチュエータ４３が収縮し、皿バネ４５がピストン４１を押し返し、噴射孔３３が燃料通路３７と連通して燃料の噴射が行われるようになっている。
【００５８】
近年、自動車用燃料噴射弁に用いられる圧電素子のように、耐電圧の向上並びに長寿命化が要求される状況下にあって、圧電体層１層あたりの厚みをさらに薄くしようとする場合、その厚みに対応して、より微粉化した圧電粉末を用いることから、圧電磁器には焼結の不均質が起きやすい。これに対して、上記説明した圧電素子を用いると、圧電体層中に形成される空隙が偏平状などのいびつな形状であっても、その偏平度を規定することにより、応力集中を抑制できるとともに、耐電圧の向上並びに長寿命化を図ることができる。
【実施例】
【００５９】
本発明の圧電素子について、以下の実施例を用いて具体的に説明する。まず、原料粉末として高純度のＰｂ３Ｏ４、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＢａＣＯ３、ＳｒＣＯ３、ＣａＣＯ３、ＷＯ３、およびＹｂ２Ｏ３などの各原料粉末を所定量秤量し、直径１０ｍｍのジルコニア製ボールを有するボールミルで２０時間湿式混合した。次いで、この混合物を脱水、乾燥した後、８００℃で３時間仮焼し、本発明の圧電磁器および積層型圧電素子を作製するのに用いる仮焼粉末を得た。
【００６０】
次に、得られた粉砕原料と、有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合したスラリーを作製し、スリップキャステイング法によりセラミックグリーンシートを作製した。
【００６１】
このグリーンシートを６０ｍｍ角の寸法に打ち抜いた後、このグリーンシートの片面にＡｇ−Ｐｄ（Ｐｔ）を主成分とし、Ａｇ／Ｐｄ比が所定値を有する導体ペーストを、スクリーン印刷法により５μｍの厚みに印刷し、導体パターンを乾燥させた後、導体パターンが形成された複数のグリーンシートを３１枚積層し、この積層体の積層方向の両端部に、導体ペーストが塗布されていないグリーンシートを５枚積層した。
【００６２】
図８は、グリーンシート上のプラス極（ａ）とグランド極（ｂ）を表す導体パターンと、それぞれの１６等分するパターン図である。図８に示すように、導体パターンはグリーンシートの中央４０ｍｍ角の領域を１６等分した１０ｍｍ角のものを形成した。
【００６３】
本発明では、圧電体層中に意図的に空隙を形成するために、上記した積層工程において、表１に示す粒径５〜６０μｍのアクリル製マイクロビーズを所定量グリーンシート内に混入させた。本発明では、アクリル製マイクロビーズを混入させた箇所が予め分かるようにした。なお、空隙の形状の偏平度を変える方法として、このアクリル製マイクロビーズを加圧加熱したものを用いた。
【００６４】
次に、この積層体を１００℃で加熱を行いながら加圧を行い、積層体を一体化し、導体パターン毎の大きさに切断した後、８００℃で１０時間の脱バインダを行い、９５０〜１０００℃で２時間本焼成を行ないアクチュエータ本体となる積層焼結体を得た。
【００６５】
その後、この積層焼結体の２つの側面に、正極用外部電極、負極用外部電極を形成した。各外部電極は内部の導体層と交互に接続されている。最後に、８０℃の絶縁オイル中にて２００Ｖの電圧を１０分間印加して分極処理を行った。作製した圧電素子は導体層厚みが２μｍ、圧電体層厚みは８０μｍとした。なお、空隙の形状は、焼成収縮を伴っていたものの混入させたアクリル製マイクロビーズの形状に近いものであった。
【００６６】
得られた圧電素子について、以下の手法を用いて評価を行った。
【００６７】
（１）圧電体層内部の空隙の存在箇所については、本実施例では、アクリル製マイクロビーズを混入させた箇所が予め分かる方法を用いていることから、試料の特定箇所付近を断面研磨して、電子顕微鏡を用いて空隙の存在を確認した。
【００６８】
空隙の寸法である、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、複数個の空隙間距離、空隙の曲率半径、および空隙の体積比率についても電子顕微鏡観察により求めた。
【００６９】
（２）次に、その電子顕微鏡写真をもとに解析モデルを作製し、このモデルに対して有限要素解析を行い応力分布を求めた。
【００７０】
（３）耐電圧は、１０９サイクル数でも破壊なしの電圧として求めた。
【００７１】
（４）図９は、圧電素子の耐久試験を行う装置である。圧電素子の耐久評価は、温度１８０℃の恒温槽を用い、駆動電源により支持部に装着された支持電極を通じて駆動矩形パルス電圧を印加した。パルス電圧は０〜１６０Ｖ、パルス周波数は２００Ｈｚ、パルス立上がり及び立下り時間は１３０μ秒とした。次いで、サイクル数をパルスカウンタを用いて測定し、サイクル数が１０９回以上であれば耐久性は合格とした。
【００７２】
（５）圧電体層のワイブル係数ｍは耐電圧評価をもとに最尤法により求めた。なお、本実施例にて作製した圧電素子のワイブル係数ｍは８であった。結果を表１に示した。
【表１】
2005159040.tif 000003
【００７３】
表１の結果から明らかなように、本発明の、圧電体層の厚み方向における長さをａ、面内方向における長さをｂとしたときに、ｂ／ａ≦４およびｂ≧３μｍの関係を満足する試料Ｎｏ．１〜５では、１０９回許容の電圧が２ｋＶ／ｍｍ以上、最大主応力が５０ＭＰａ以下であった。なお、試料Ｎｏ．５は複数の空隙について評価した試料である。一方、本発明外の試料Ｎｏ．６、７では、最大主応力が高いかまたは耐久試験が１０９回以下であった。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の圧電素子を示す断面模式図である。
【図２】空隙付近の電界分布の模式図である。
【図３】導体層近傍の空隙付近の電界分布の模式図である。
【図４】圧電体層中に複数個の空隙が存在する場合に、（ａ）それらの空隙を導体層面に投影する状態を示す断面模式図、および（ｂ）導体層面への投影図である。
【図５】曲率半径を表す空隙形状を示す概略図である。
【図６】本発明の積層構造をした圧電素子である。
【図７】本発明の燃料噴射装置を示す概略断面図である。
【図８】グリーンシート上のプラス極（ａ）とグランド極（ｂ）を表す導体パターンと、それぞれの１６等分するパターン図である。
【図９】圧電素子の耐久試験を行う装置の模式図である。
【符号の説明】
【００７５】
１  圧電素子
３、２３  圧電体層
５、２５  導体層
７  空隙
【図１】
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【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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