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WO2016013265A1 - 積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システム - Google Patents

積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システム Download PDF

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WO2016013265A1
WO2016013265A1 PCT/JP2015/062086 JP2015062086W WO2016013265A1 WO 2016013265 A1 WO2016013265 A1 WO 2016013265A1 JP 2015062086 W JP2015062086 W JP 2015062086W WO 2016013265 A1 WO2016013265 A1 WO 2016013265A1
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WO
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piezoelectric element
solder
bonding material
material layer
conductive bonding
Prior art date
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PCT/JP2015/062086
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English (en)
French (fr)
Inventor
山元　堅
Original Assignee
京セラ株式会社
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Publication date
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Priority to JP2016535816A priority patent/JP6259092B2/ja
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Definitions

  • the present invention relates to a laminated piezoelectric element used as, for example, a piezoelectric driving element (piezoelectric actuator), a pressure sensor element, a piezoelectric circuit element, and the like, an injection device including the same, and a fuel injection system.
  • a piezoelectric driving element piezoelectric actuator
  • a pressure sensor element a piezoelectric sensor
  • a piezoelectric circuit element a piezoelectric circuit element
  • the stacked piezoelectric element includes an active portion 93 in which a piezoelectric layer 91 and an internal electrode layer 92 are stacked, and a piezoelectric element that is disposed at both ends in the stacking direction of the active portion 93 and does not include the internal electrode layer 92.
  • the laminated body 90 including the inactive portion 94 made of the body layer 91, the conductive bonding material layer 96 made of the conductive layer 95 and the conductive adhesive provided on the side surface of the laminated body 90 from the active portion 93 to the inactive portion 94.
  • an external electrode 97 attached to the side surface of the multilayer body 90 via a conductive bonding material layer 96 is known (see Patent Document 1).
  • a crack enters from the internal electrode layer 92 between the inactive portion 94 and the active portion 93 during driving, penetrates the conductor layer 95, If the crack develops in the conductive bonding material layer 96 made of a conductive adhesive, the end of the external electrode 97 on the side connected to the external circuit may be peeled off. In this case, sparking may occur, and driving may become unstable.
  • the present invention has been devised in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a laminated piezoelectric element that can be stably driven for a long period of time, an injection device including the same, and a fuel injection system. is there.
  • the multilayer piezoelectric element of the present invention includes a laminate in which a piezoelectric layer and an internal electrode layer are laminated, a conductor layer provided on a side surface of the laminate, and a conductive joint provided on the surface of the conductor layer.
  • the end portion of the conductive bonding material layer corresponding to the end portion on the connected side is solder.
  • the present invention includes a container having an injection hole and the multilayer piezoelectric element, and the fluid stored in the container is discharged from the injection hole by driving the multilayer piezoelectric element.
  • the present invention also provides a common rail that stores high-pressure fuel, the above-described injection device that injects the high-pressure fuel stored in the common rail, a pressure pump that supplies the high-pressure fuel to the common rail, and a drive signal to the injection device. And an injection control unit for providing
  • the multilayer piezoelectric element of the present invention can be driven stably for a long time.
  • the laminated piezoelectric element is excellent in long-term reliability, and can be driven stably for a long period of time.
  • (A) is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows an example of embodiment of the laminated piezoelectric element of this invention
  • (b) is a right view of the laminated piezoelectric element shown to (a).
  • (A) is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows the other example of embodiment of the lamination type piezoelectric element of this invention
  • (b) is an enlarged view of the principal part shown by the broken-line area
  • (A) is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows an example of embodiment of the laminated piezoelectric element of this invention, (b) is a right view of the laminated piezoelectric element shown to (a).
  • (A) is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows an example of embodiment of the laminated piezoelectric element of this invention, (b) is a right view of the laminated piezoelectric element shown to (a).
  • (A) is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows an example of embodiment of the conventional laminated piezoelectric element, (b) is a right view of the laminated piezoelectric element shown to (a).
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing an example of an embodiment of a multilayer piezoelectric element of the present invention
  • FIG. 1B is a right side view of the multilayer piezoelectric element shown in FIG.
  • a laminated piezoelectric element 1 shown in FIG. 1 includes a laminated body 10 in which a piezoelectric layer 11 and an internal electrode layer 12 are laminated, a conductor layer 15 provided on a side surface of the laminated body 10, and a surface of the conductor layer 15.
  • the conductive bonding material layer 2 is provided, and the external electrode 3 is bonded to the conductor layer 15 via the conductive bonding material layer 2.
  • the conductive bonding material layer 2 includes the solder 21, the conductive adhesive 22, and the like.
  • the end portion of the conductive bonding material layer 2 corresponding to the end portion of the external electrode 3 connected to the external circuit is the solder 21, and the portion other than the end portion of the conductive bonding material layer 2 is conductive. It is an adhesive 22.
  • a laminated body 10 constituting the laminated piezoelectric element 1 includes an active part 13 in which a plurality of piezoelectric layers 11 and internal electrode layers 12 are laminated, and both ends in the lamination direction of the laminated body 1 positioned outside the active part 13. And an inactive portion 14 made of the piezoelectric layer 11 provided.
  • the laminate 10 is formed in a rectangular parallelepiped shape having, for example, a length of 1.5 to 10 mm, a width of 1.5 to 10 mm, and a height of 1.5 to 100 mm.
  • the piezoelectric layer 11 constituting the multilayer body 10 is formed of ceramics having piezoelectric characteristics.
  • ceramics for example, a perovskite oxide made of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ), Lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), or the like can be used.
  • the thickness of the piezoelectric layer 11 is, for example, 3 to 250 ⁇ m.
  • the internal electrode layer 12 constituting the multilayer body 10 is formed by simultaneous firing with ceramics forming the piezoelectric body layer 11, and the internal electrode layers 12 and the piezoelectric body layers 11 are alternately laminated in the active portion 13.
  • the drive voltage is applied to the piezoelectric layer 11 sandwiched between the internal electrode layers 12 by alternately arranging the positive and negative electrodes in order.
  • a conductor composed mainly of silver-palladium suitable for low-temperature firing, or a conductor containing copper, platinum, or the like can be used as a material for forming the internal electrode layer 12.
  • a conductor composed mainly of silver-palladium suitable for low-temperature firing or a conductor containing copper, platinum, or the like can be used. In the example shown in FIG.
  • the positive electrode and the negative electrode are alternately led to a pair of opposing side surfaces of the multilayer body 10, and electrically connected to the pair of conductor layers 15 provided on the side surfaces of the multilayer body 10. It is connected to the.
  • the internal electrode layer 12 has a thickness of 0.1 to 5 ⁇ m, for example.
  • a conductor layer 15 is provided on the side surface of the laminate 10.
  • the conductor layers 15 are provided from the active portion 13 to the inactive portion 14 on the pair of opposing side surfaces of the multilayer body 10 and are electrically connected to the internal electrode layer 12.
  • the conductor layer 15 is formed, for example, by baking a silver paste, and in order to strengthen the bonding with the laminated body 10, the powder constituting the laminated body 10 may be added to the silver paste as a filler.
  • the thickness of the conductor layer 15 is, for example, 10 to 50 ⁇ m, and the width is, for example, 0.6 to 8.0 mm.
  • the conductive layer 15 provided on the side surface of the laminated body 10 is provided with the conductive bonding material layer 2 on the surface, and the external electrode 3 is bonded via the conductive bonding material layer 2.
  • the conductive bonding material layer 2 electrically connects the conductor layer 15 on the side surface of the laminate 10 and the external electrode 3.
  • the active portion 13 is provided from the inactive portion 14. A specific configuration of the conductive bonding material layer 2 will be described later.
  • the external electrode 3 is provided on each of a pair of opposing side surfaces of the multilayer body 10 and is electrically connected to the conductor layer 15 via the conductive bonding material layer 2 and electrically connected to the internal electrode layer 12. Yes.
  • the pair of external electrodes 3 is made of a metal plate such as copper, iron, stainless steel, phosphor bronze, or the like.
  • the width of the external electrode 3 is 0.5 to 6 mm, for example. Further, the thickness of the external electrode 3 is larger than that of the conductor layer 15 and the conductive bonding material layer 2, for example, 0.1 to 0.3 mm.
  • the external electrode 3 is not only a plate-shaped metal plate, but also a metal plate having a slit shape in the width direction, for example, in a mesh shape, in order to obtain an effect of relieving stress caused by expansion and contraction of the laminate 10.
  • a processed metal plate, a corrugated metal plate, or the like can also be employed.
  • the conductive bonding material layer 2 includes the solder 21 and the conductive adhesive 22, and the end of the conductive bonding material layer 2 corresponding to the end of the external electrode 3 connected to the external circuit is the solder 21. It is.
  • the solder 21 for example, Pb-free solder represented by Sn—Ag—Cu type is used.
  • the conductive adhesive 22 constituting the conductive bonding material layer 2 is provided at a portion excluding the end of the conductive bonding material layer 2 corresponding to the end of the external electrode 3 on the side connected to the external circuit.
  • the conductive adhesive 22 include an epoxy resin or a polyimide resin containing conductive particles (for example, metal particles having good conductivity such as Ag particles and Cu particles). Since the conductive adhesive 22 is provided in a portion excluding the end of the conductive bonding material layer 2 corresponding to the end of the external electrode 3 on the side connected to the external circuit, It can follow the expansion and contraction and suppress the hindrance to expansion and contraction.
  • a lead 4 is joined to one end of the external electrode 3 and connected to an external circuit. Input / output power is supplied to the external electrode 3 through the lead 4. That is, the end of the external electrode 3 on the side connected to the external circuit means one end where the lead 4 is joined.
  • the end of the conductive bonding material layer 2 corresponding to the end of the external electrode 3 on the side connected to the external circuit is the end of the conductive bonding material layer 2 in the longitudinal direction where the external electrode 3 is This means the end located on the side connected to the external circuit.
  • the conductive bonding material layer 2 includes the solder 21 and the conductive adhesive 22, and the end of the conductive bonding material layer 2 corresponding to the end of the external electrode 3 connected to the external circuit.
  • the solder 21 even if a crack generated from the internal electrode layer 12 at the boundary between the active portion 13 and the inactive portion 14 penetrates the conductive layer 15 and extends to the conductive adhesive 22 during driving. The progress is suppressed when the crack reaches the solder 21. Therefore, the end of the external electrode 3 on the side connected to the external circuit is not peeled off, and the occurrence of spark can be suppressed, and stable driving can be performed for a long time.
  • the thickness of the conductive bonding material layer 2 is, for example, 2 to 30 ⁇ m
  • the width of the conductive bonding material layer 2 is, for example, 0.4 to 7 mm, and is 40 to 110% of the width of the external electrode 3.
  • the length of the solder 21 (the length along the stacking direction of the laminate 10) is, for example, 0.5 to 2.5 mm, and the solder 21 is provided only in a portion corresponding to the inactive portion 14 region. However, as will be described later, the solder 21 may be provided up to the boundary between the active portion 13 and the inactive portion 14, and may further extend to the active portion 13. Moreover, as shown in the figure, the solder 21 may spread in the width direction along a certain region of the conductor layer 15.
  • the boundary between the solder 21 and the conductive adhesive 22 in the conductive bonding material layer 2 may be at a position corresponding to the boundary between the active portion 13 and the inactive portion 14.
  • stress concentrates on the boundary between the active portion 13 and the inactive portion 14, and cracks are likely to occur from the internal electrode layer 12 in this portion.
  • the boundary between the solder 21 and the conductive adhesive 22 in the conductive bonding material layer 2 is located at a position corresponding to the boundary between the active portion 13 and the inactive portion 14, the boundary is likely to be divided, By being divided, the stress during driving is relaxed. Therefore, the relaxation of the stress suppresses the progress of cracks, and the reliability is further improved.
  • the boundary between the solder 21 and the conductive adhesive 22 in the conductive bonding material layer 2 is in a position corresponding to the boundary between the active portion 13 and the inactive portion 14.
  • the cross section of the multilayer piezoelectric element 1 cut along the laminating direction so as to include the boundary with the inactive portion 14 and the conductive bonding material layer 2 is seen, it is at the boundary between the active portion 13 and the inactive portion 14.
  • the internal electrode layer 12 and at least a part of the boundary between the solder 21 and the conductive adhesive 22 are overlapped. In other words, it means that at least a part of the boundary between the solder 21 and the conductive adhesive 22 is located on the extension of the internal electrode layer 12 at the boundary between the active portion 13 and the inactive portion 14.
  • the boundary between the solder 21 and the conductive adhesive 22 is not only parallel to the internal electrode layer 12 and perpendicular to the stacking direction, but also when the boundary is inclined or curved when viewed in the above-mentioned cross section. It is also included.
  • the side facing the conductor layer 15 is shown.
  • the conductive adhesive 22 is provided from the active portion 13 to the inactive portion 14 on the side facing the conductor layer 15, and the boundary is inclined or curved so as to enter under the solder 21. It may be in the shape. According to this shape, since the area occupied by the conductive adhesive 22 on the side facing the conductor layer 15 is increased, the progress is made when the crack reaches the solder 21 without hindering the expansion and contraction of the laminate 10. Can be suppressed. Therefore, it is possible to make it difficult to peel off the end of the external electrode 3 on the side connected to the external circuit.
  • the boundary between the solder 21 and the conductive adhesive 22 is a piezoelectric layer from the internal electrode layer 12 positioned at the boundary between the active portion 13 and the inactive portion 14 to the active portion 13 side and the inactive portion 14 side, respectively. It is preferable that the thickness is within the range of up to 11 layers.
  • part corresponding to the boundary of the active part 13 and the inactive part 14 may be sufficient.
  • the laminate 10 has an active portion 13 and an inactive portion 14, and the boundary between the solder 21 and the conductive adhesive 22 in the conductive bonding material layer 2 is the boundary between the active portion 13 and the inactive portion 14. It may be on the active portion 13 side. In this case, even if a crack generated from the internal electrode layer 12 at the boundary between the active portion 13 and the inactive portion 14 penetrates the conductor layer 15 during driving, the progress is suppressed when the crack reaches the solder 21. Is done.
  • the presence of the void 23 at the boundary between the solder 21 and the conductive adhesive 22 includes a configuration in which the conductive adhesive 22 facing the boundary between the conductive adhesive 22 and the solder 21 has the void 23.
  • the diameter of the void 23 is, for example, 0.3 to 15 ⁇ m in the cross section of the conductive bonding material layer 2, and the void with respect to the thickness when the conductive bonding material layer 2 (conductive adhesive 22) is cut along the boundary.
  • the distance occupied by 23 is, for example, 20% to 70%.
  • the solder 21 may be provided not only between the side surface of the laminated body 10 and the external electrode 3 (inside the external electrode 3) but also around the outside of the external electrode 3. .
  • the solder 21 may spread over a region where the conductor layer 15 is present.
  • the lead 4 be joined by solder 21 to the end of the external electrode 3 on the side connected to the external circuit.
  • the solder 21 can be provided at the end of the conductive bonding material layer 2 and the lead 4 can be bonded to the external electrode 3 at the same time, which can contribute to simplification of the manufacturing process and cost reduction. Further, when current flows, the solder 21 generates heat. However, since the thermal expansion of the solder 21 which is a metal compound is larger than the thermal expansion of the conductive adhesive 22 containing a resin, the conductive adhesive 22 and the solder 21 are separated from each other. It becomes easy to be divided. By being divided, the stress at the boundary between the active portion 13 and the inactive portion 14 is relieved, and the end of the external electrode 3 on the side connected to the external circuit is more difficult to peel off, and the reliability is further improved.
  • a reaction layer with the solder 21 exists at the end of the conductor layer 15 corresponding to the end of the conductive bonding material layer 2 made of the solder 21.
  • the solder 21 is provided around the outside of the external electrode 3, it is possible to further suppress the peeling of the end of the external electrode 3 on the side connected to the external circuit.
  • reaction layer can be confirmed by mapping with an electron beam microanalyzer (EPMA).
  • EPMA electron beam microanalyzer
  • the solder 21 and the conductive adhesive 22 in the conductive bonding material layer 2 are in contact with or partially in contact with each other. There may be a gap at the boundary between the solder 21 and the conductive adhesive 22 and the solder 21 and the conductive adhesive 22 may be separated (not shown).
  • the end of the conductive bonding material layer 2 corresponding to the end of the conductive bonding material layer only needs to be solder, and the boundary between the solder 21 and the conductive adhesive 22 in the conductive bonding material layer 2 is the active portion 13.
  • the boundary between the solder 21 and the conductive adhesive 22 in the conductive bonding material layer 2 may be at a position corresponding to the active portion 13.
  • a ceramic green sheet to be the piezoelectric layer 11 is produced.
  • a ceramic slurry is prepared by mixing a calcined powder of piezoelectric ceramic, a binder made of an organic polymer such as acrylic or butyral, and a plasticizer. And a ceramic green sheet is produced using this ceramic slurry by using tape molding methods, such as a doctor blade method and a calender roll method.
  • the piezoelectric ceramic any material having piezoelectric characteristics may be used.
  • a perovskite oxide made of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ) can be used.
  • the plasticizer dibutyl phthalate (DBP), dioctyl phthalate (DOP), or the like can be used.
  • a conductive paste to be the internal electrode layer 12 is produced. Specifically, a conductive paste is prepared by adding and mixing a binder and a plasticizer to a metal powder of a silver-palladium alloy. This conductive paste is applied on the ceramic green sheet in the pattern of the internal electrode layer 12 using a screen printing method. Further, a plurality of ceramic green sheets on which the conductive paste is printed are laminated, subjected to binder removal treatment at a predetermined temperature, fired at a temperature of 900 to 1200 ° C., and then subjected to a predetermined grinding using a surface grinder or the like.
  • the active part 13 provided with the piezoelectric body layers 11 and the internal electrode layers 12 that are alternately laminated is manufactured by performing a grinding process so as to have a shape.
  • the inactive portion 14 is produced by laminating ceramic green sheets not coated with a conductive paste that will become the internal electrode layer 12.
  • the laminated body 10 is manufactured by combining the active part 13 and the inactive part 14.
  • the laminate 10 is not limited to the one produced by the above manufacturing method, and any laminate 10 can be produced as long as the laminate 10 formed by laminating a plurality of piezoelectric layers 11 and internal electrode layers 12 can be produced. It may be produced by a manufacturing method.
  • the conductor layer 15 is provided on the side surface of the multilayer body 10.
  • the conductor layer 15 is applied by using screen printing, for example, a paste obtained by mixing glass powder or lead zirconate titanate powder with Ag powder.
  • the applied laminate 10 is baked onto the laminate 10 at a temperature of 550 to 650 ° C.
  • the external electrode 3 is bonded to the conductor layer 15 on the side surface of the multilayer body 10 through the conductive bonding material layer 2 and fixed.
  • the conductive adhesive 22 constituting the conductive bonding material layer 2 an adhesive made of an epoxy resin or a polyimide resin containing a metal powder having good conductivity such as Ag powder or Cu powder is used. It is formed to a thickness of 70 ⁇ m. It can be formed by controlling to a predetermined thickness and width by screen printing or dispensing method.
  • the boundary between the conductive adhesive 22 and the solder 21 constituting the conductive bonding material layer 2 includes the boundary between the active portion 13 and the inactive portion 14 of the laminate 10 and the conductive bonding material layer 2.
  • the conductive adhesive 22 may be formed into a desired end shape, and then the solder 21 may be filled in the gap.
  • a method of providing the void 23 at the boundary between the conductive adhesive 22 and the solder 21 constituting the conductive bonding material layer 2 (the conductive adhesive 22 facing the boundary between the conductive adhesive 22 and the solder 21).
  • the following methods are mentioned.
  • the conductive adhesive 22 is screen-printed, there is a method in which a pattern having a predetermined hole is provided on the screen printing plate making corresponding to the vicinity of the boundary between the conductive adhesive 22 and the solder 21 and printed.
  • the dispense method in order to provide the void 23 at the boundary between the conductive adhesive 22 and the solder 21 constituting the conductive bonding material layer 2, use a needle diameter suitable for the width to be applied, There is a method of dispensing only at a place where the void is to be applied, but not at the place where the void is to be applied.
  • the conductive adhesive to be used is stirred to create bubbles in the adhesive, the time for vacuum degassing is adjusted to control the bubbles remaining in the adhesive, and then dispensed as it is.
  • coating in the state containing a bubble is also mentioned.
  • the solder 21 constituting the conductive bonding material layer 2 is preferably made of tin, silver, or copper.
  • a method of soldering a general solder such as a wire shape, ribbon shape, paste, etc. with a soldering iron at 200 to 230 ° C. can be mentioned.
  • the solder is placed on the side surface of the external electrode 3 and heated, so that the solder 21 enters the gap between the conductor layer 15 and the external electrode 3 so as to spread out and enters the end of the conductive bonding material layer 2.
  • a solder 21 is provided.
  • the solder 21 can also be provided around the outside of the external electrode 3 by soldering the outside of the external electrode 3. Further, the leads 4 can be joined as will be described later.
  • the external electrode 3 is made of a metal flat plate such as copper, iron, stainless steel, phosphor bronze, etc., and is formed to have a width of 0.5 to 10 mm and a thickness of 0.1 to 0.3 mm, for example.
  • a metal flat plate such as copper, iron, stainless steel, phosphor bronze, etc.
  • punching with a punching die or laser processing, etc. This method may be used.
  • the lead 4 is for electrical connection with the outside, and is preferably a copper wire or the like, and is preferably silver-plated for soldering. When covering the portion excluding the joint with the external electrode 3, it may be covered with a general material such as PTFE.
  • a multilayer electric element 1 is completed by applying a DC electric field of 0.1 to 3 kV / mm to the external electrode 3 to polarize the piezoelectric layer 11 constituting the multilayer body 10.
  • the multilayer piezoelectric element 1 is connected to an external power source via an external electrode 3 and a lead 4 and applies a voltage to the piezoelectric layer 11 so that each piezoelectric layer 11 is largely displaced by the inverse piezoelectric effect. be able to. This makes it possible to function as an automobile fuel injection valve that injects and supplies fuel to the engine, for example.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an example of an embodiment of the injection device of the present invention.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of the above example is accommodated in a storage container (container) 23 having an injection hole 21 at one end.
  • a needle valve 25 capable of opening and closing the injection hole 21 is disposed.
  • a fluid passage 27 is disposed in the injection hole 21 so as to be able to communicate with the movement of the needle valve 25.
  • the fluid passage 27 is connected to an external fluid supply source, and fluid is constantly supplied to the fluid passage 27 at a high pressure. Therefore, when the needle valve 25 opens the injection hole 21, the fluid supplied to the fluid passage 27 is discharged from the injection hole 21 to the outside or an adjacent container, for example, a fuel chamber (not shown) of the internal combustion engine. It is configured.
  • the upper end portion of the needle valve 25 has a large inner diameter, and is a piston 31 slidable with a cylinder 29 formed in the storage container 23.
  • the multilayer piezoelectric element 1 of the above-described example is stored in contact with the piston 31.
  • the fluid passage 27 may be opened by applying a voltage to the multilayer piezoelectric element 1 and the fluid passage 27 may be closed by stopping the application of the voltage.
  • the injection device 19 of this example includes a container 23 having an injection hole 21 and the multilayer piezoelectric element 1 of the above example, and the fluid filled in the container 23 is ejected by driving the multilayer piezoelectric element 1. You may be comprised so that it may discharge from the hole 21.
  • the multilayer piezoelectric element 1 does not necessarily need to be inside the container 23, and may be configured to apply pressure for controlling the ejection of fluid to the inside of the container 23 by driving the multilayer piezoelectric element 1. Good.
  • the fluid includes various liquids and gases such as conductive paste in addition to fuel, ink, and the like.
  • the injection device 19 of the present example employing the multilayer piezoelectric element 1 of the above example is used for an internal combustion engine, the fuel is accurately injected into the combustion chamber of the internal combustion engine such as an engine over a longer period of time compared to the conventional injection device. Can be made.
  • FIG. 8 is a schematic view showing an example of an embodiment of the fuel injection system of the present invention.
  • the fuel injection system 35 of this example includes a common rail 37 that stores high-pressure fuel as a high-pressure fluid, and a plurality of injection devices 19 of the above-described examples that inject the high-pressure fluid stored in the common rail 37.
  • a pressure pump 39 for supplying a high-pressure fluid to the common rail 37 and an injection control unit 41 for supplying a drive signal to the injection device 19 are provided.
  • the injection control unit 41 controls the amount and timing of high-pressure fluid injection based on external information or an external signal. For example, if the fuel injection system 35 of this example is used for engine fuel injection, the amount and timing of fuel injection can be controlled while sensing the state of the combustion chamber of the engine with a sensor or the like.
  • the pressure pump 39 serves to supply fluid fuel from the fuel tank 43 to the common rail 37 at a high pressure. For example, in the case of the fuel injection system 35 of the engine, the fluid fuel is fed into the common rail 37 at a high pressure of 1000 to 2000 atmospheres (about 101 MPa to about 203 MPa), preferably 1500 to 1700 atmospheres (about 152 MPa to about 172 MPa).
  • the high-pressure fuel sent from the pressure pump 39 is stored and sent to the injection device 19 as appropriate.
  • the ejection device 19 ejects a certain fluid from the ejection holes 21 to the outside or an adjacent container.
  • the target for injecting and supplying fuel is an engine
  • high-pressure fuel is injected from the injection hole 21 into the combustion chamber of the engine in the form of a mist.
  • desired injection of high-pressure fuel can be stably performed over a long period of time.
  • a multilayer piezoelectric element was produced as follows. First, a ceramic slurry was prepared by mixing a calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 —PbTiO 3 ) having an average particle size of 0.4 ⁇ m, a binder, and a plasticizer. Using this ceramic slurry, a ceramic green sheet serving as a piezoelectric layer having a thickness of 50 ⁇ m was prepared by a doctor blade method.
  • a ceramic slurry was prepared by mixing a calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 —PbTiO 3 ) having an average particle size of 0.4 ⁇ m, a binder, and a plasticizer.
  • a ceramic green sheet serving as a piezoelectric layer having a thickness of 50 ⁇ m was prepared by a doctor blade method.
  • a binder was added to the silver-palladium alloy to produce a conductive paste to be an internal electrode layer.
  • a conductive paste serving as an internal electrode layer was printed on one side of the ceramic green sheet by a screen printing method, and 200 ceramic green sheets printed with the conductive paste were laminated. Further, a total of 15 ceramic green sheets not printed with the conductive paste serving as the internal electrode layer were laminated on the top and bottom of the 200 ceramic green sheets printed with the conductive paste serving as the internal electrode layer. . Then, it was fired at 980 to 1100 ° C. and ground to a predetermined shape using a surface grinder to obtain a 5 mm square laminate.
  • a paste containing Ag powder and a glass component was applied to the surface of the laminate by screen printing and baked at 580 to 630 ° C. to form a conductor layer having a width of 4.0 mm and a thickness of 30 ⁇ m.
  • a conductive bonding material in the form of a mixed paste of Ag powder and polyimide resin was applied to the surface of the laminate by dispensing, and external electrodes were connected to the surface of the laminate and fixed.
  • a laminated piezoelectric element was manufactured using an external electrode made of phosphor bronze having a width of 4.0 mm and a thickness of 0.1 mm.
  • a conductive adhesive made of silver polyimide is applied between the side surface of the active portion and the external electrode so as to form a conductive bonding material layer.
  • the conductive adhesive has a width of 3.5 mm and a thickness of 0. 0.03 mm.
  • the conductive adhesive is not applied to the end of the external electrode, and the end is soldered so that the external electrode and the conductor layer are joined using solder made of tin, silver, or copper. Soldered with a soldering iron. The solder was disposed in the region of the inactive part, and the length along the stacking direction was 2.0 mm and the width was 4.0 mm.
  • a void was disposed as a sample 3 at the boundary between the conductive adhesive and the solder. It was produced by applying a conductive adhesive having bubbles in the boundary between the active part and the inactive part with a dispenser.
  • the diameter of the void is 3 ⁇ m to 10 ⁇ m, and the ratio of the void in the cross section along the boundary is about 40 to 60%.
  • a laminated piezoelectric element (sample 5) shown in FIG. 9 was also produced.
  • an external electrode having a thickness of 0.1 mm and a width of 4.0 mm was used, and the conductive adhesive was provided so that the thickness was 0.2 mm and the width was 4 mm.
  • These laminated piezoelectric elements were subjected to polarization treatment by applying a 3 kV / mm DC electric field to the external electrodes for 15 minutes.
  • a DC voltage of 160 V was applied to these stacked piezoelectric elements, a displacement of 30 ⁇ m was obtained in the stacking direction of the stacked body.
  • the laminated piezoelectric element of Sample 5 as a comparative example peeled off the end of the external electrode after 1 ⁇ 10 4 continuous driving, and stopped driving after 1 ⁇ 10 5 times.
  • the laminated piezoelectric elements of Sample 1, Sample 2, Sample 3 and Sample 4 which are embodiments of the present invention, all peel off the end of the external electrode even after continuous driving 1 ⁇ 10 7 times. It was driven without generating.

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Abstract

　本発明の積層型圧電素子（1）は，圧電体層（11）および内部電極層（12）が積層された積層体（10）と，積層体の側面に設けられた導体層（15）と，導体層の表面上に設けられた導電性接合材層（2）と，導電性接合材層を介して導体層に接合された外部電極（3）とを備え，導電性接合材層ははんだと導電性接着剤とを含み，外部電極の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層の端部がはんだ（21）である。外部電極の入出力側の端部がはがれるのを抑制し，長期間安定して駆動する積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置（19）ならびに燃料噴射システム（35）を提供する。

Description

積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システム
　本発明は、例えば、圧電駆動素子（圧電アクチュエータ），圧力センサ素子および圧電回路素子等として用いられる積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システムに関する。
　積層型圧電素子として、図９に示すように、圧電体層９１と内部電極層９２が積層されてなる活性部９３および活性部９３の積層方向両端部に配置され内部電極層９２を含まない圧電体層９１からなる不活性部９４を含む積層体９０と、積層体９０の側面に活性部９３から不活性部９４にかけて設けられた導体層９５と導電性接着剤からなる導電性接合材層９６と、導電性接合材層９６を介して積層体９０の側面に取り付けられた外部電極９７とを含む構成のものが知られている（特許文献１を参照）。
特開２００８－２１１０５４号公報
　ここで、特許文献１に記載された積層型圧電素子の構成においては、駆動時に、不活性部９４と活性部９３の間の内部電極層９２からクラックが入り、導体層９５を貫通して、導電性接着剤からなる導電性接合材層９６にクラックが進展することで、外部電極９７の外部回路と接続される側の端部がはがれる場合がある。この場合に、スパークが生じ、駆動が不安定になるおそれがあった。
　本発明は、上記の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、長期間安定して駆動する積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システムを提供することである。
　本発明の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が積層された積層体と、該積層体の側面に設けられた導体層と、該導体層の表面上に設けられた導電性接合材層と、該導電性接合材層を介して前記導体層に接合された外部電極とを備え、前記導電性接合材層ははんだと導電性接着剤とを含み、前記外部電極の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層の端部がはんだであることを特徴とする。
　また、本発明は、噴射孔を有する容器と、上記の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に蓄えられた流体が前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から吐出されることを特徴とする。
　また、本発明は、高圧燃料を蓄えるコモンレールと、該コモンレールに蓄えられた前記高圧燃料を噴射する上記の噴射装置と、前記コモンレールに前記高圧燃料を供給する圧力ポンプと、前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットとを備えたことを特徴とする。
　本発明の積層型圧電素子によれば、長期間安定して駆動させることができる。
　また、上記の積層型圧電素子を備えた噴射装置および燃料噴射システムによれば、積層型圧電素子が長期信頼性に優れたものとなることから、長期間安定して駆動させることができる。
（ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施形態の一例を示す概略縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示す積層型圧電素子の右側面図である。 本発明の積層型圧電素子の実施形態の他の例を示す概略縦断面図である。 本発明の積層型圧電素子の実施形態の他の例を示す要部拡大断面図である。 （ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施形態の他の例を示す概略縦断面図、（ｂ）は（ａ）に破線領域で示した要部の拡大図である。 （ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施形態の一例を示す概略縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示す積層型圧電素子の右側面図である。 （ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施形態の一例を示す概略縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示す積層型圧電素子の右側面図である。 本発明の噴射装置の実施の形態の一例を示す概略的な断面図である。 本発明の燃料噴射システムの実施の形態の一例を示す概略的なブロック図である。 （ａ）は従来の積層型圧電素子の実施形態の一例を示す概略縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示す積層型圧電素子の右側面図である。
　以下、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例について図面を参照して説明する。
　図１は本発明の積層型圧電素子の実施形態の一例を示す概略縦断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す積層型圧電素子の右側面図である。
　図１に示す積層型圧電素子１は、圧電体層１１および内部電極層１２が積層された積層体１０と、積層体１０の側面に設けられた導体層１５と、導体層１５の表面上に設けられた導電性接合材層２と、導電性接合材層２を介して導体層１５に接合された外部電極３とを備え、導電性接合材層２ははんだ２１と導電性接着剤２２とを含み、外部電極３の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層２の端部がはんだ２１であり、導電性接合材層２の端部以外の部位が導電性接着剤２２である。
　積層型圧電素子１を構成する積層体１０は、圧電体層１１および内部電極層１２が複数積層されてなる活性部１３と、活性部１３の外側に位置する積層体１の積層方向両端部に設けられた圧電体層１１からなる不活性部１４とを有している。この積層体１０は、例えば縦１．５～１０ｍｍ、横１．５～１０ｍｍ、高さ１．５～１００ｍｍの直方体状に形成されている。
　積層体１０を構成する圧電体層１１は、圧電特性を有するセラミックスで形成されたもので、このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）などを用いることができる。この圧電体層１１の厚みは、例えば３～２５０μｍとされる。
　積層体１０を構成する内部電極層１２は圧電体層１１を形成するセラミックスと同時焼成により形成されたもので、活性部１３において内部電極層１２と圧電体層１１とが交互に積層され、積層順に正極および負極が交互に配置されることにより、内部電極層１２の間に挟まれた圧電体層１１に駆動電圧を印加するものである。内部電極層１２の形成材料として、例えば低温焼成に適した銀－パラジウムを主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができる。図１に示す例では、正極および負極（もしくはグランド極）がそれぞれ積層体１０の対向する一対の側面に互い違いに導出されて、積層体１０の側面に設けられた一対の導体層１５と電気的に接続されている。この内部電極層１２の厚みは、例えば０．１～５μｍとされる。
　また、積層体１０の側面には導体層１５が設けられている。図１に示す例では、積層体１０の対向する一対の側面に、導体層１５がそれぞれ活性部１３から不活性部１４にかけて設けられて内部電極層１２と電気的に接続されている。導体層１５は、例えば銀ペーストを焼き付けてなるものであり、積層体１０との接合を強固にするため、銀ペーストに積層体１０を構成する粉末をフィラーとして添加してもよい。なお、導体層１５の厚みは例えば１０～５０μｍ、幅は例えば０．６～８．０ｍｍとされる。
　積層体１０の側面に設けられた導体層１５は、表面に導電性接合材層２が設けられ、さらに導電性接合材層２を介して外部電極３が接合されている。
　導電性接合材層２は、積層体１０の側面にある導体層１５と外部電極３とを電気的に接続している。図１に示す例では、活性部１３から不活性部１４にかけて設けられている。なお、導電性接合材層２の具体的な構成については後述する。
　外部電極３は、積層体１０の対向する一対の側面にそれぞれ設けられて、導電性接合材層２を介して導体層１５と電気的に接続され、内部電極層１２と電気的に接続されている。この一対の外部電極３は、例えば銅、鉄、ステンレス、リン青銅等の金属板からなる。外部電極３の幅は、例えば０．５～６ｍｍとされる。また、外部電極３の厚みは、導体層１５や導電性接合材層２よりも厚く、例えば０．１～０．３ｍｍとされる。なお、外部電極３としては、板状の金属板のみならず、積層体１０の伸縮により生じる応力を緩和する効果を得るために、例えば幅方向にスリットの入った形状の金属板、網目状に加工された金属板、断面波形の金属板などを採用することもできる。
　そして、導電性接合材層２ははんだ２１と導電性接着剤２２とを含み、外部電極３の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層２の端部がはんだ２１である。ここで、はんだ２１としては、例えばＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系に代表されるＰｂフリーはんだが用いられる。
　また、導電性接合材層２を構成する導電性接着剤２２は、外部電極３の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層２の端部を除く部位に設けられている。この導電性接着剤２２としては、導電粒子（例えばＡｇ粒子やＣｕ粒子など導電性の良好な金属粒子）を含んだエポキシ樹脂やポリイミド樹脂からなるものが挙げられる。外部電極３の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層２の端部を除く部位に導電性接着剤２２が設けられていることで、積層体１０の駆動時の伸縮に追従し、伸縮の妨げを抑えることができる。
　後述するように、外部電極３の一方の端部にはリード４が接合されて外部回路と接続される。このリード４を介して、入出力の電力が外部電極３に供給される。すなわち、外部電極３の外部回路と接続される側の端部とは、リード４が接合される一方の端部のことを意味している。また、外部電極３の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層２の端部とは、導電性接合材層２の長手方向の両端部のうち、外部電極３が外部回路と接続される側のほうに位置する端部のことを意味している。
　積層型圧電素子１の駆動中においては、活性部１３と不活性部１４との境界に応力が集中して、この部位にある内部電極層１２からクラックが生じやすい。そして、このクラックが導体層１５を貫通して進展してきたとき、導電性接合材層２の端部まで導電性接着剤２２がある場合は、導電性接着剤２２を構成する導電粒子と樹脂との境界などに沿って導電性接合材層２の端部をクラックが進展しやすい。
　これに対して、導電性接合材層２がはんだ２１と導電性接着剤２２とを含み、外部電極３の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層２の端部がはんだ２１であることで、駆動中に活性部１３と不活性部１４との境界にある内部電極層１２から発生したクラックが導体層１５を貫通して導電性接着剤２２まで進展しても、当該クラックがはんだ２１に到達したところで進展が抑制される。したがって、外部電極３の外部回路と接続される側の端部がはがれずにスパークの発生を抑制することができ、長期間安定して駆動することが可能となる。
　なお、導電性接合材層２の厚みは例えば２～３０μｍ、導電性接合材層２の幅は例えば０．４～７ｍｍで、外部電極３の幅の４０～１１０％とされる。
　また、はんだ２１の長さ（積層体１０の積層方向に沿った長さ）は、例えば０．５～２．５ｍｍで、不活性部１４の領域内に対応する部位にのみにはんだ２１が設けられていてもよいが、後述するように活性部１３と不活性部１４との境界まではんだ２１が設けられていてもよく、さらには活性部１３まで延出されていてもよい。また、図に示すように、はんだ２１は導体層１５のある領域に沿って幅方向に濡れ広がってよい。
　図２に示すように、導電性接合材層２におけるはんだ２１と導電性接着剤２２との境界が活性部１３と不活性部１４との境界に対応する位置にあってもよい。前述のように、積層型圧電素子１の駆動中においては、活性部１３と不活性部１４との境界に応力が集中して、この部位にある内部電極層１２からクラックが生じやすい。ここで、導電性接合材層２におけるはんだ２１と導電性接着剤２２との境界が活性部１３と不活性部１４との境界に対応する位置にあると、この境界で分断が起きやすくなり、分断されることで駆動中の応力が緩和されることとなる。したがって、応力が緩和されることによってクラックの進展が抑制され、より信頼性が良くなる。
　ここで、導電性接合材層２におけるはんだ２１と導電性接着剤２２との境界が活性部１３と不活性部１４との境界に対応する位置にあるとは、積層体１０の活性部１３と不活性部１４との境界および導電性接合材層２を含むように積層型圧電素子１を積層方向に沿って切断した断面を見たときに、活性部１３および不活性部１４の境界にある内部電極層１２と、はんだ２１および導電性接着剤２２の境界の少なくとも一部とが重なっていることを意味する。言い換えると、はんだ２１と導電性接着剤２２との境界の少なくとも一部が、活性部１３と不活性部１４との境界にある内部電極層１２の延長上に位置していることを意味する。
　なお、はんだ２１と導電性接着剤２２との境界が内部電極層１２に平行で積層方向に垂直である場合のみならず、当該境界が上述の断面で見て傾斜している場合や湾曲している場合も含まれる。
　また、図３に示すように、はんだ２１と導電性接着剤２２との境界を積層方向に沿った断面（外部電極１に垂直な断面）で見たときに、導体層１５に面する側を下側と仮定すると、導体層１５に面する側で導電性接着剤２２が活性部１３から不活性部１４に渡って設けられており、はんだ２１の下に入り込むように境界が傾斜ないし湾曲している形状になっていてもよい。この形状によれば、導体層１５に面する側で導電性接着剤２２の占める面積が大きくなることから、積層体１０の伸縮をより妨げずに、クラックがはんだ２１に到達したところでその進展を抑制することができる。したがって、外部電極３の外部回路と接続される側の端部をはがれにくくすることができる。
　このとき、はんだ２１と導電性接着剤２２との境界は、活性部１３と不活性部１４との境界に位置する内部電極層１２から活性部１３側および不活性部１４側にそれぞれ圧電体層１１の厚み３層分までの範囲内にあるのがよい。
　なお、活性部１３と不活性部１４との境界に対応する部位にはんだ２１と導電性接着剤２２とがある構成の他、はんだ２１のみがある構成であってもよい。言い換えると、積層体１０は活性部１３と不活性部１４とを有し、導電性接合材層２におけるはんだ２１と導電性接着剤２２との境界が活性部１３と不活性部１４との境界よりも活性部１３の側にあってもよい。この場合は、駆動中に活性部１３と不活性部１４との境界にある内部電極層１２から発生したクラックが導体層１５を貫通しても、当該クラックがはんだ２１に到達したところで進展が抑制される。
　また、図４に示すように、導電性接合材層２におけるはんだ２１と導電性接着剤２２との境界にボイド２３があることが望ましい。ボイド２３があることにより、はんだ２１と導電性接着剤２２との境界の分断がさらに起きやすくなるため、駆動中の応力がさらに緩和されることによってさらにクラックの進展が抑制され、外部電極３の外部回路と接続される側の端部がさらにはがれにくくなり、さらに信頼性が良くなる。なお、はんだ２１と導電性接着剤２２との境界にボイド２３があるとは、導電性接着剤２２とはんだ２１との境界に面する導電性接着剤２２にボイド２３を有する構成も含まれる。導電性接合材層２の横断面でみて、ボイド２３の直径は例えば０．３～１５μｍで、導電性接合材層２（導電性接着剤２２）を境界にそって切断したときの厚みに対するボイド２３の占める距離は例えば２０％～７０％である。
　また、図５に示すように、はんだ２１は積層体１０の側面と外部電極３との間（外部電極３よりも内側）のみならず、外部電極３の外側にまわりこんで設けられてもよい。外部電極３の外側がはんだ２１と接合されることにより、外部電極３の外部回路と接続される側の端部のはがれをより抑制できる。この場合も、図に示すように、はんだ２１は導体層１５のある領域に濡れ広がってよい。
　また、図６に示すように、外部電極３の外部回路と接続される側の端部にリード４がはんだ２１で接合されていることが望ましい。導電性接合材層２の端部にはんだ２１を設けることと、リード４を外部電極３へ接合することを同時に行うことができ、製造工程の簡素化とコスト低減に寄与することができる。また、電流が流れた時、はんだ２１が発熱するが、金属化合物であるはんだ２１の熱膨張が樹脂を含む導電性接着剤２２の熱膨張より大きいため、導電性接着剤２２とはんだ２１とが分断されやすくなる。分断されることで活性部１３と不活性部１４の境界の応力が緩和され、外部電極３の外部回路と接続される側の端部がさらにはがれにくくなり、より信頼性が良くなる。
　また、図示しないが、はんだ２１からなる導電性接合材層２の端部に対応する導体層１５の端部には、はんだ２１との反応層があるのが望ましい。導体層１５の端部にはんだ２１との反応層がある、すなわち、はんだ２１と導体層１５の金属同士が溶けて強固に接合していることで、外部電極３の外部回路と接続される側の端部がよりはがれにくくなる。特に、はんだ２１が外部電極３の外側にまわりこんで設けられている場合には、外部電極３の外部回路と接続される側の端部のはがれをさらに抑制できる。
　なお、反応層があることは、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）によるマッピングなどで確認することができる。
　また、上述した実施形態では、導電性接合材層２におけるはんだ２１と導電性接着剤２２とが接している、あるいは部分的に接している例を基に説明したが、導電性接合材層２におけるはんだ２１と導電性接着剤２２との境界に隙間があって、はんだ２１と導電性接着剤２２とが離間していてもよく（不図示）、この場合でも外部電極３の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層２の端部がはんだであればよく、さらには、導電性接合材層２におけるはんだ２１と導電性接着剤２２との境界が活性部１３と不活性部１４との境界に対応する位置にある、あるいは導電性接合材層２におけるはんだ２１と導電性接着剤２２との境界が活性部１３に対応する位置にあってもよい。
　次に、本実施形態の積層型圧電素子１の製造方法について説明する。
　まず、圧電体層１１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セラミックスラリーを作製する。そして、ドクターブレード法、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、このセラミックスラリーを用いてセラミックグリーンシートを作製する。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、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３）からなるペロブスカイト型酸化物等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），フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）等を用いることができる。
　次に、内部電極層１２となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀－パラジウム合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって導電性ペーストを作製する。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内部電極層１２のパターンで塗布する。さらに、この導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを複数枚積層し、所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、９００～１２００℃の温度で焼成し、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう研削処理を施すことによって、交互に積層された圧電体層１１および内部電極層１２を備えた活性部１３を作製する。不活性部１４は内部電極層１２となる導電性ペーストを塗布していないセラミックグリーンシートを積層することで作製する。活性部１３と不活性部１４とを組み合わせることで積層体１０を製造する。
　なお、積層体１０は、上記の製造方法によって作製されるものに限定されるものではなく、圧電体層１１と内部電極層１２とを複数積層してなる積層体１０を作製できれば、どのような製造方法によって作製されてもよい。
　次に、導体層１５を積層体１０の側面に設ける。導体層１５は、例えばＡｇ粉末にガラスやチタン酸ジルコン酸鉛の粉末を混ぜたペーストを、スクリーン印刷を用いて塗布する。塗布した積層体１０を５５０～６５０℃の温度で積層体１０に焼き付ける。
　次に、導電性接合材層２を介して外部電極３を積層体１０の側面の導体層１５に接合し、固定する。
　ここで、導電性接合材層２を構成する導電性接着剤２２は、Ａｇ粉末やＣｕ粉末などの導電性の良好な金属粉末を含んだエポキシ樹脂やポリイミド樹脂からなる接着剤を用い、５～７０μｍの厚さに形成する。スクリーン印刷やディスペンス方式により所定の厚みや幅に制御して形成することができる。
　なお、導電性接合材層２を構成する導電性接着剤２２とはんだ２１との境界を、積層体１０の活性部１３と不活性部１４との境界および導電性接合材層２を含むように積層方向に沿って切断した断面で見て傾斜ないし湾曲した形状とするには、導電性接着剤２２を所望の端部形状に形成した後、隙間にはんだ２１を充填するようにすればよい。
　また、導電性接合材層２を構成する導電性接着剤２２とはんだ２１との境界（導電性接着剤２２とはんだ２１との境界に面する導電性接着剤２２）にボイド２３を設ける方法として以下の方法が挙げられる。例えば、導電性接着剤２２をスクリーン印刷する場合、導電性接着剤２２とはんだ２１との境界の近傍に対応するスクリーン印刷の製版に所定の穴のあいたパターンを設けて印刷する方法が挙げられる。また、ディスペンス方式の場合において、導電性接合材層２を構成する導電性接着剤２２とはんだ２１との境界にボイド２３を設けるためには、ニードル径を塗布したい幅に適合するものを使い、ボイドを設ける場所には塗布せず、塗布したいところのみにディスペンスする方法が挙げられる。また、使用する導電性接着剤を攪拌し接着剤内に気泡を作っておき、それを真空脱泡する際の時間を調整して接着剤内に残る気泡を制御したうえで、そのままディスペンスすれば気泡込みの状態で塗布する方法も挙げられる。
　導電性接合材層２を構成するはんだ２１は、すず、銀、銅からなるものが好ましい。ワイヤー形状、リボン形状、ペースト等、一般的にあるはんだを、はんだごてで２００～２３０℃ではんだ付けする方法が挙げられる。このとき、外部電極３の側面にはんだを配置して加熱することで、導体層１５と外部電極３との隙間にはんだ２１が濡れ広がるようにして入り込み、導電性接合材層２の端部に位置してはんだ２１が設けられる。なお、外部電極３の外側もはんだ付けすることで、はんだ２１を外部電極３の外側にまわりこませて設けることもできる。さらに、後述するようにリード４を接合することもできる。
　外部電極３は、銅、鉄、ステンレス、リン青銅等の金属平板からなり、例えば幅０．５～１０ｍｍ、厚み０．１～０．３ｍｍに形成されたものである。ここで、外部電極３として例えば幅方向にスリットの入った形状や網目状にするには、外部電極３にスリットの入った形状や網目状とするには、打ち抜き金型で打ち抜くかレーザ加工などの方法を用いればよい。
　リード４は外部との導通をとるためのもので、銅線などが好ましく、はんだ付けするために、銀メッキしてあることが望ましい。外部電極３との接合部を除いた部位を被覆する場合はＰＴＦＥなど一般的なもので被覆すればよい。
　その後、外部電極３に０．１～３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体１０を構成する圧電体層１１を分極することによって、積層型圧電素子１が完成する。この積層型圧電素子１は、外部電極３、リード４を介して外部の電源と接続して、圧電体層１１に電圧を印加することにより、各圧電体層１１を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。これにより、例えばエンジンに燃料を噴射供給する自動車用燃料噴射弁として機能させることが可能となる。
　次に、本発明の噴射装置の実施の形態の例について説明する。図７は、本発明の噴射装置の実施の形態の一例を示す概略断面図である。
　図７に示すように、本例の噴射装置１９は、一端に噴射孔２１を有する収納容器（容器）２３の内部に上記の例の積層型圧電素子１が収納されている。
　収納容器２３内には、噴射孔２１を開閉することができるニードルバルブ２５が配設されている。噴射孔２１には流体通路２７がニードルバルブ２５の動きに応じて連通可能になるように配設されている。この流体通路２７は外部の流体供給源に連結され、流体通路２７に常時高圧で流体が供給されている。従って、ニードルバルブ２５が噴射孔２１を開放すると、流体通路２７に供給されていた流体が外部または隣接する容器、例えば内燃機関の燃料室（図示せず）に、噴射孔２１から吐出されるように構成されている。
　ニードルバルブ２５の上端部は内径が大きくなっており、収納容器２３に形成されたシリンダ２９と摺動可能なピストン３１になっている。そして、収納容器２３内には、上述した例の積層型圧電素子１がピストン３１に接して収納されている。
　このような噴射装置１９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３１が押圧され、ニードルバルブ２５が噴射孔２１に通じる流体通路２７を閉塞し、流体の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると積層型圧電素子１が収縮し、皿バネ３３がピストン３１を押し返し、流体通路２７が開放され噴射孔２１が流体通路２７と連通して、噴射孔２１から流体の噴射が行なわれるようになっている。
　なお、積層型圧電素子１に電圧を印加することによって流体通路２７を開放し、電圧の印加を停止することによって流体通路２７を閉鎖するように構成してもよい。
　また、本例の噴射装置１９は、噴射孔２１を有する容器２３と、上記の例の積層型圧電素子１とを備え、容器２３内に充填された流体を積層型圧電素子１の駆動により噴射孔２１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２３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２３の内部に流体の噴射を制御するための圧力が加わるように構成されていればよい。なお、本例の噴射装置１９において、流体とは、燃料，インク等の他、導電性ペースト等の種々の液体および気体が含まれる。本例の噴射装置１９を用いることによって、流体の流量および噴出タイミングを長期にわたって安定して制御することができる。
　上記の例の積層型圧電素子１を採用した本例の噴射装置１９を内燃機関に用いれば、従来の噴射装置に比べてエンジン等の内燃機関の燃焼室に燃料をより長い期間にわたって精度よく噴射させることができる。
　次に、本発明の燃料噴射システムの実施の形態の例について説明する。図８は、本発明の燃料噴射システムの実施の形態の一例を示す概略図である。
　図８に示すように、本例の燃料噴射システム３５は、高圧流体としての高圧燃料を蓄えるコモンレール３７と、このコモンレール３７に蓄えられた高圧流体を噴射する複数の上記の例の噴射装置１９と、コモンレール３７に高圧流体を供給する圧力ポンプ３９と、噴射装置１９に駆動信号を与える噴射制御ユニット４１とを備えている。
　噴射制御ユニット４１は、外部情報または外部からの信号に基づいて高圧流体の噴射の量およびタイミングを制御する。例えば、エンジンの燃料噴射に本例の燃料噴射システム３５を用いた場合であれば、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およびタイミングを制御することができる。圧力ポンプ３９は、燃料タンク４３から流体燃料を高圧でコモンレール３７に供給する役割を果たす。例えばエンジンの燃料噴射システム３５の場合には１０００～２０００気圧（約１０１ＭＰａ～約２０３ＭＰａ）、好ましくは１５００～１７００気圧（約１５２ＭＰａ～約１７２ＭＰａ）の高圧にしてコモンレール３７に流体燃料を送り込む。コモンレール３７では、圧力ポンプ３９から送られてきた高圧燃料を蓄え、噴射装置１９に適宜送り込む。噴射装置１９は、前述したように噴射孔２１から一定の流体を外部または隣接する容器に噴射する。例えば、燃料を噴射供給する対象がエンジンの場合には、高圧燃料を噴射孔２１からエンジンの燃焼室内に霧状に噴射する。
　本例の燃料噴射システム３５によれば、高圧燃料の所望の噴射を長期にわたって安定して行なうことができる。
　本発明の実施例について説明する。
　積層型圧電素子を以下のようにして作製した。まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダーおよび可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製した。このセラミックスラリーを用いてドクターブレード法により厚み５０μｍの圧電体層となるセラミックグリーンシートを作製した。
　次に、銀－パラジウム合金にバインダーを加えて、内部電極層となる導電性ペーストを作製した。
　次に、セラミックグリーンシートの片面に、内部電極層となる導電性ペーストをスクリーン印刷法により印刷し、導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを２００枚積層した。また、内部電極層となる導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシート２００枚を中心にして、その上下に、内部電極層となる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合計１５枚を積層した。そして、９８０～１１００℃で焼成し、平面研削盤を用いて所定の形状に研削して、５ｍｍ角の積層体を得た。
　次に、積層体の表面にＡｇ粉末とガラス成分を含んだペーストをスクリーン印刷で塗布して、５８０～６３０℃で焼き付けし、導電体層を幅４．０ｍｍ、厚み３０μｍで形成した。
　次に、積層体の表面にＡｇ粉末とポリイミド樹脂を混合ペースト状にした導電性接合材をディスペンスにて塗布し、外部電極を積層体の表面に接続し、固定した。
　ここで、試料１として、図１に示すように、リン青銅からなる幅４．０ｍｍ、厚み０．１ｍｍの外部電極を用いて積層型圧電素子を作製した。活性部の側面と外部電極との間には導電性接合材層を形成するように、銀ポリイミドからなる導電性接着剤が塗布されており、当該導電性接着剤は幅３．５ｍｍ、厚み０．０３ｍｍとした。また、外部電極の端部までは導電性接着剤を塗布しておらず、端部には、すず、銀、銅からなるはんだを用いて、外部電極と導体層とが接合するようにはんだごてにてはんだ付けをした。当該はんだは不活性部の領域内に配置し、その積層方向に沿った長さは２．０ｍｍ、幅は４．０ｍｍとした。
　また、試料２として、図２に示すように、導電性接着剤とはんだとの境界が積層体の活性部と不活性部の境界と一致するよう作製した。
　また、試料３として、図４に示すように、導電性接着剤とはんだとの境界にボイドを配置した。活性部と不活性部の境界に気泡がはいっている導電性接着剤をディスペンサにて塗布することで作製した。なお、この境界を断面で見てボイドの直径は３μｍ～１０μｍ、境界に沿った断面に占めるボイドの割合は４０～６０％程度とした。
　また、試料４として、図６に示すように、外部電極の端部のはんだ部にリードを接合したものを作製した。
　また、比較例として、図９に示す積層型圧電素子（試料５）も作製した。ここで、外部電極は厚み０．１ｍｍ、幅４．０ｍｍであるものを用い、導電性接着剤の厚みは０．２ｍｍ、幅は４ｍｍとなるように設けた。
　これらの積層型圧電素子に、外部電極に３ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分間印加して、分極処理を行なった。これらの積層型圧電素子に１６０Ｖの直流電圧を印加したところ、積層体の積層方向に３０μｍの変位量が得られた。
　さらに、３０℃、９０％の湿度内で０Ｖ～＋１６０Ｖの交流電圧を１５０Ｈｚの周波数で印加して、連続駆動した耐久性試験を行なった。
　その結果、比較例である試料５の積層型圧電素子は、１×１０４回の連続駆動で外部電極の端部の剥がれが発生し、１×１０５回で駆動が停止した。
　これに対し、本発明の実施例である試料１、試料２、試料３、試料４の積層型圧電素子は、ともに、連続駆動１×１０７回をすぎても外部電極の端部の剥がれは発生することなく駆動していた。
　以上の結果から、本発明によれば、長期間の耐久性に優れた積層型圧電素子を実現することができることがわかる。
　１・・・積層型圧電素子
　１０・・・積層体
　１１・・・圧電体層
　１２・・・内部電極層
　１３・・・活性部
　１４・・・不活性部
　１５・・・導体層
　２・・・導電性接合材層
　２１・・・はんだ
　２２・・・導電性接着剤
　２３・・・ボイド
　３・・・外部電極
　４・・・リード

Claims (10)

  1. 　圧電体層および内部電極層が積層された積層体と、該積層体の側面に設けられた導体層と、該導体層の表面上に設けられた導電性接合材層と、該導電性接合材層を介して前記導体層に接合された外部電極とを備え、
    前記導電性接合材層ははんだと導電性接着剤とを含み、前記外部電極の外部回路と接続される側の端部に対応する導電性接合材層の端部がはんだであることを特徴とする積層型圧電素子。
  2. 　前記導電性接合材層は、当該導電性接合材層の端部以外の部位が導電性接着剤であることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
  3. 　前記積層体は活性部と不活性部とを有し、前記導電性接合材層における前記はんだと前記導電性接着剤との境界が前記活性部と前記不活性部との境界に対応する位置にあることを特徴とする請求項２に記載の積層型圧電素子。
  4. 　前記積層型圧電素子を積層方向に沿って切断した断面で見たときに、前記導電性接着剤が前記導体層に面する側で前記活性部から前記不活性部に渡って設けられており、前記導電性接着剤と前記はんだとの境界が傾斜ないし湾曲していることを特徴とする請求項３に記載の積層型圧電素子。
  5. 　前記導電性接合材層における前記はんだと前記導電性接着剤との境界にはボイドがあることを特徴とする請求項２乃至請求項４のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子。
  6. 　前記積層体は活性部と不活性部とを有し、前記導電性接合材層における前記はんだと前記導電性接着剤との境界が前記活性部と前記不活性部との境界よりも前記活性部の側にあることを特徴とする請求項２に記載の積層型圧電素子。
  7. 　前記はんだからなる前記導電性接合材層の端部に対応する前記外部電極の外部回路と接続される側の端部にリードがはんだで接合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子。
  8. 　前記はんだからなる前記導電性接合材層の端部に対応する前記導体層の端部には、前記はんだとの反応層があることを特徴とする請求項１乃至請求項７のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子。
  9. 　噴射孔を有する容器と、請求項１乃至請求項８のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に蓄えられた流体が前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から吐出されることを特徴とする噴射装置。
  10. 　高圧燃料を蓄えるコモンレールと、該コモンレールに蓄えられた前記高圧燃料を噴射する請求項９に記載の噴射装置と、前記コモンレールに前記高圧燃料を供給する圧力ポンプと、前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットとを備えたことを特徴とする燃料噴射システム。
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