层叠型压电元件、具备其的喷射装置及燃料喷射系统的制作方法

专利名称：层叠型压电元件、具备其的喷射装置及燃料喷射系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及层叠型压电元件、喷射装置及燃料喷射系统，例如，涉及在搭载于汽车 发动机的燃料喷射装置、喷墨器等液体喷射装置、光学装置等精密定位装置、防振动装置等 的驱动元件(压电促动器)，搭载于燃烧压力传感器、爆燃传感器、加速度传感器、负载传感 器、超声波传感器、压敏传感器、偏航率传感器等的传感器元件，以及搭载于压电陀螺、压电 开关、压电变压器、压电断路器等的电路元件等中使用的层叠型压电元件、具备其的喷射装 置及燃料喷射系统。
背景技术：
从以往开始，对层叠型压电元件要求向小型化发展的同时，在大的压力下确保大 的变位量。因此，被要求施加更高的电压且长时间连续驱动的残酷的条件中能够使用。层叠型压电元件与电容器等通常的层叠型电子部件不同，其在驱动时，元件自身 连续地发生尺寸变化。还有，所有的压电体层经由内部电极密接而驱动，由此层叠型压电元 件作为一体大幅度地驱动变形。因此，大的应力施加于元件。作为解决所述问题的方案之一，提出了预先在压电体层的一部分设置有作为目标 断裂层的多孔层的元件(专利文献1)。在专利文献1中，通过利用目标断裂层使层叠型压 电元件断裂，尝试施加于各压电体层的应力的缓和。专利文献1 特表2006-518934号公报通过在专利文献1中公开的方法，能够将施加于压电体层的应力缓和一定程度。 然而，对层叠型压电元件要求能够在施加更高的电压的环境下使用。还有，在这样的残酷的 环境中，使用了上述目标断裂层的情况下，在该目标断裂层产生的裂纹可能向预想外的方 向发展。这是因为，与构成邻接的压电体层的晶粒相比，内部电极为连续的大的板状结构。在这样的元件中，在压电驱动时变形而伸缩驱动的晶粒受到内部电极的限制，因 此，各个晶粒难以对应于驱动电压而单独变形。因此，成为在晶粒之间经常被施加应力的状 态。还有，若在这样的层叠型压电元件的压电体层内部预先设置有目标断裂层，则在 施加了应力时，不是仅在该目标断裂层中，龟裂得以伸展，而是在粒子之间龟裂也可能伸 展。若龟裂这样伸展，则在晶粒内或晶粒之间可能发生断裂，或龟裂达到内部电极，在不同 的极的内部电极之间可能发生电短路。尤其在高电场、高压力下驱动压电元件的情况下，大的应力瞬间施加于压电元件， 因此，难以使裂纹的方向稳定。另一方面，寻求能够在高电场、高压力下长时间连续驱动的 压电元件，因此，需要将施加于元件的应力更有效地缓和。

发明内容
本发明是鉴于上述问题而做成的，其目的在于提供在高电场、高压力下 长时间连 续驱动的情况下，也抑制变位量的变位，耐久性优越的层叠型压电元件、使用其的喷射装置及燃料喷射系统。为了实现以上目的，本发明的层叠型压电元件的特征在于，具有多个压电体层和多个金属层交替层叠而成的层叠结构体，所述多个金属层具备内部电极、和刚性比所述压 电体层及所述内部电极低的低刚性金属层，所述低刚性金属层具有隔着空隙相互分离的多 个金属部、和覆盖该金属部侧面的至少一部分的覆盖层。本发明的喷射装置的特征在于，具备上述任一个层叠型压电元件和喷射孔，通过 驱动所述层叠型压电元件，从所述喷射孔喷出液体。本发明的燃料喷射系统的特征在于，具有具备高压燃料的共轨、喷射储存在该共 轨中的燃料的所述的喷射装置、和向所述喷射装置赋予驱动信号的喷射控制系统。根据本发明的层叠型压电元件可知，低刚性金属层具有隔着空隙相互分离的金属 部，因此，能够具有高耐久性。这是因为，金属部隔着空隙相互分离，从而低刚性金属层容易 变形，因此，分散应力，从而能够抑制应力集中于层叠型压电元件的一部分。进而，本发明的层叠型压电元件中，金属部的表面的至少一部分被覆盖层覆盖，因 此，能够长时间维持优越的耐久性。这是因为，金属部被覆盖层覆盖，从而能够减小金属部 的与外部空气等气氛接触的部分，因此，能够抑制金属部的劣化。


图1是表示本发明的层叠型压电元件的实施方式的一例的立体图。图2表示本发明的层叠型压电元件的实施方式的一例，是与层叠方向平行的剖面 图。图3表示本发明的层叠型压电元件的实施方式的一例，是与层叠方向垂直的、包 含低刚性金属层15的剖面图。图4是放大了图2所示的实施方式的部分A的放大剖面图。图5A是表示本发明的层叠型压电元件的实施方式的另一例中的金属部19的立体 图。图5B是表示本发明的层叠型压电元件的实施方式的另一例中的金属部19的立体 图。图5C是表示本发明的层叠型压电元件的实施方式的另一例中的金属部19的立体 图。图6是放大了本发明的层叠型压电元件的实施方式的另一例中的设置有低刚性 金属层15的部分的放大剖面图。图7是放大了本发明的层叠型压电元件的实施方式的另一例中的设置有低刚性 金属层15的部分的放大剖面图。图8是表示本发明的喷射装置的剖面图。图9是表示本发明的一实施方式的燃料喷射系统的概略图。图中1-层叠型压电元件；3-压电体层；5-金属层；7-层叠结构体；9-外部电 极；11-压电体晶粒；13-内部电极；15-低刚性金属层；17-空隙；19-金属部；21-覆盖层； 21a_覆盖层；21b-覆盖层；23-通电部；25-喷射装置；27-喷射孔；29-收容容器；31-针型 阀；33-燃料通路；35-汽缸；37-活塞；39-碟形弹簧；41-燃料喷射系统；43-共轨；45-压力泵；47-喷射控制单元；49-燃料罐。
具体实施例方式以下，使用附图，详细地说明本发明的层叠型压电元件。图1是表示本发明的层叠 型压电元件的实施方式的一例的立体图。图2是图1所示的实施方式的层叠型压电元件的 与层叠方向平行的纵向剖面图。图3是图1所示的实施方式的层叠型压电元件的与层叠方 向垂直且包含低刚性金属层15的横向剖面图。如图1 3所示，本实施方式的层叠型压电元件1 (以下还称为元件1)具有多个压电体层3和多个金属层5交替层叠而成的层叠结构体7、和在层叠结构体7的侧面形成的 外部电极9。另外，各个压电体层3利用多个压电体晶粒11来构成，多个金属层5具备与 外部电极9连接的内部电极13、和刚性比压电体层3及内部电极5低的低刚性金属层15。在本实施方式中低刚性金属层15是指与压电体层3或内部电极13相比，层内的 结合力及/或与邻接的层的结合力弱，刚性小的层。还有，低刚性金属层15具有隔着空隙 17相互分离的多个金属部19、和覆盖金属部19的侧面的至少一部分的覆盖层21。低刚性金属层15中的多个金属部19隔着空隙17相互分离，因此，容易变形。因 此，在被施加层叠型压电元件1的使用时的元件1自身的伸缩引起的应力、或强的冲击或应 力从外部施加于层叠型压电元件1的情况下，能够通过金属部19的变形来吸收应力。由此， 能够抑制在内部电极13或压电体层3产生裂纹，能够抑制在层叠方向上相邻的内部电极13 之间发生电短路的情况。对于低刚性金属层15、压电体层3及内部电极13的刚性而言，例如可以通过对元 件，在与层叠方向垂直的方向上施加负载而容易进行比较。具体来说，可以通过JIS3点弯 曲试验(JIS R 1601)等，对元件施加在与层叠方向垂直的方向上的负载来判断。这是因为， 在进行上述试验时，只要确认元件在哪一部分断裂即可。所述断裂部位为元件中刚性最低 的部位。本实施方式的层叠型压电元件1具备低刚性金属层15，因此，若进行JIS3点弯曲 试验，则与压电体层3或内部电极13相比，在自该低刚性金属层15或低刚性金属层15与压 电体层3的界面，优先引起断裂。这样，可以根据断裂的部位是压电体层3或内部电极13， 还是低刚性金属层15或低刚性金属层15与压电体层3的界面来进行评价。还有，由于只要确认元件的哪一部分断裂即可，因此，在试验片小、不能使用上述 JIS3点弯曲试验的情况下，只要依照该JIS3点弯曲试验，将元件加工成长方形的方柱而制 作试验片，将该试验片置于以一定距离配置的两支点上，向支点之间的中央的1点施加负 载，进行评价即可。另外，刚性低可以表达为杨氏模量小。作为杨氏模量的测定方法，例如，可以使用 纳米压痕法。作为测定装置，例如，可以使用纳米仪器公司制的“纳米压痕仪II”。在与层 叠结构体的层叠方向垂直或平行的剖面中，使低刚性金属层15、压电体层3或内部电极13 露出，使用上述测定装置，测定杨氏模量即可。图4是表示图2所示的实施方式的层叠型压电元件的金属部19的局部剖面图。如 图4所示，本实施方式的层叠型压电元件1中金属部19的侧面的至少一部分被覆盖层21 覆盖。这样，通过使金属部19的侧面的至少一部分被覆盖层21覆盖，从而能够减小金属部19的与外部空气等气氛接触的部分，因此，能够抑制金属部19的变性。另外，在强的应力临时施加于元件时，覆盖层21从金属部19剥离，由此能够使应力耗散。具体来说，上述强的应力施加于层叠型压电元件1的情况下，覆盖层21追随金属 部19的变形而变形。还有，通过上述金属部19及覆盖层21的变形，在这些接合面局部地 放热，覆盖层21从金属部19剥离。这样，通过局部地发热，能够得到热耗散引起的应力分 散的效果，另外，覆盖层21从金属部19剥离，由此耗散应力，能够抑制向元件内部的应力传 递。由此，抑制在内部电极13或压电体层3产生裂纹的情况。其结果，能够抑制在层叠方 向上相邻的内部电极13之间发生电短路的情况。还有，在此，金属部19的侧面是指金属部19的表面中相邻的压电体层3之间且与 压电体层3分离的部分。如上所述，在本实施方式中，在低刚性金属层15中，通过利用覆盖层21覆盖金属 部19，使在层叠型压电元件1内部产生的应力分散并缓和，但根据使用层叠型压电元件1的 环境，覆盖金属部19的覆盖层21的优选的方式不同。例如，在常温及高温这两方环境中使用层叠型压电元件之类的情况下，如在图4 中左侧所示，优选金属部19的侧面的至少一部分露出。这是因为，通过金属部19的侧面的 至少一部分这样露出，即使在常温及高温这两方环境中使用层叠型压电元件的情况下，也 能够提高耐久性。在汽车发动机的燃料喷射装置等中使用的情况下，变成在高温环境下使 用，因此，层叠型压电元件与在常温下使用时相比大幅度热膨胀。在这样的环境下，因金属 部19和覆盖层21的热膨胀系数之差，在金属部19和覆盖层21之间产生应力。然而，通过不用覆盖层21覆盖金属部19的侧面整个面，而是使金属部19的侧面 的至少一部分露出，能够在该露出部分释放应力。由此，能够抑制在金属部19或覆盖层21 产生裂纹的情况，因此，能够提高层叠型压电元件的耐久性。在高温环境下使用的情况下， 这样的方式尤其有效。另外，关于金属部19的侧面的至少一部分露出的方式，也可以采用以下所示的不 同的方式。图5A及图5B是分别表示本发明的层叠型压电元件的实施方式的另一例中的金属 部19的立体图。如图5A所示，可以为金属部19的侧面被相互分离的多个覆盖层21覆盖 的方式。由此，侧面在相互分离的覆盖层21之间露出的金属部19的部分容易变形，因此， 金属部19在该部分有选择地变形。其结果，能够高度维持基于金属部19的对层叠型压电 元件1的应力缓和的效果。另外，应力局部地集中于金属部19的侧面的一部分，从而从金属部19剥离覆盖层 21的情况下，也只限于多个覆盖层21中、覆盖该应力集中的部分的覆盖层21从金属部19 剥离。因此，能够抑制覆盖层21整体从金属部19剥离的情况。其结果，能够利用覆盖层21 来稳定地覆盖金属部19。另外，例如，也可以为覆盖层21由连结的一个构成，金属部19的侧面在相互分离 的多个区域露出的方式。如图5B所示，以金属部19的侧面在相互分离的多个区域露出的 方式利用覆盖层21来覆盖，由此覆盖层21容易变形。因此，施加电压，驱动元件1的情况 下，覆盖层21也容易追随金属部19的伸缩。其结果，能够提高金属部19和覆盖层21的接 合性。具体来说，通过覆盖层21为网眼状，容易追随金属部19的伸缩，因此优选。
另外，在金属部19容易劣化的气氛中，使用层叠型压电元件的情况下，优选金属 部19的侧面的整体被覆盖层21覆盖。这是因为，如图5C所示，通过金属部19的侧面的整 体被覆盖层21覆盖，能够抑制金属部19的露出，因此，防止金属部19的侧面与外部空气等 气氛接触，能够更可靠地抑制金属部19的劣化。尤其，如含有大量的水分的情况一样金属 部19容易劣化的气氛中，使用层叠型压电元件时，上述方式有效。另外，优选覆盖层21的至少一部分与压电体层3接合。这是因为，在覆盖层21与 压电体层3接合的情况下，能够将伴随层叠型压电元件1的驱动并从压电体层3施加于金 属部19的应力，从压电体层3向覆盖层21分散，因此，能够提高金属部19的耐久性。另外， 通过覆盖层21与压电体层3接合，还能够提高压电体层3和金属部19的接合性。图6是放大了本发明的层叠型压电元件的实施方式的另一例中的配设有低刚性 金属层15的部分的放大剖面图。如图6所示，金属部19和覆盖其的覆盖层21的方式包括 各种方式。例如，比较大的应力施加于层叠型压电元件1之类的环境中使用的情况下，优选 多个金属部19的至少一个如图6中19a及19b的符号标注所示，与压电体层3分离，隔着 覆盖层21，与压电体层3接合。这是因为，在强的应力局部地施加于低刚性金属层15和压 电体层3的界面的情况下，也止于覆盖层21的损伤，从而能够抑制金属部19或压电体层3 的损伤。其结果，能够得到基于金属部19的应力缓和的效果，另外，还能够抑制层叠型压电 元件1的变位降低。另外，在金属容易腐蚀的环境中使用的情况下，优选如图6中19b的符号标注所 示，金属部19的表面整体被覆盖层21覆盖。通过金属部19的表面整体被覆盖层21覆盖， 即使在金属部19从压电体层3分离的情况下，不仅能够防止金属部19的侧面，还能够防止 侧面以外的面与外部空气等气氛接触。在压电体层3利用压电体晶粒11构成的情况等下， 金属部19的侧面以外的部分与外部空气接触时，上述方式尤其有效。由此，能够更可靠地 抑制金属部19的劣化。另外，如图6中19c及19d的符号标注所示，通过将金属部19的端部挤入压电体 晶粒11之间，能够提高使压电体晶粒11伴随应力变形而自发热的热量从压电体晶粒11向 金属部19散热的效果。在这样的结构中，在金属容易腐蚀的环境中使用之类的情况下，如 图6中19c及19d的符号标注所示，也可以除了与压电体层3接触的部分以外的金属部19 的表面整体被覆盖层21覆盖。这样也能够防止金属部19的侧面与外部空气等气氛接触的 情况。进而，通过将覆盖层21也挤入压电体晶粒11之间，尤其在金属容易腐蚀的氯等卤素 气体气氛中使用层叠型压电元件1之类的情况下，也能够利用覆盖层21，就连沿压电体晶 粒11之间的晶界扩展的氯等腐蚀性卤素离子也不会与金属部19接触地进行保护。还有，在上述实施方式中，金属部19以金属为主成分。金属部19可以仅由金属成 分构成，还可以包含陶瓷或玻璃等成分。作为金属成分，具体来说，可以举出银或钯等。作为覆盖层21，只要能够抑制金属部19由于外部空气或使用环境中的气氛而劣 化的情况即可，具体来说，可以使用树脂、玻璃、铅、以AgS为代表的银化合物等。树脂的伸 缩性能优越，因此，即使将层叠型压电元件高速驱 动，也能够追随伸缩的速度，因此，能够增 大层叠型压电元件的驱动距离。另外，上述玻璃或AgS的与金属部19或压电体层3的接合 性良好，因此，能够稳定地抑制金属部19的变性。
尤其，优选覆盖层21以玻璃为主成分。由于玻璃成分的与金属部19的接合性良 好，因此通过作为覆盖层21，使用以玻璃为主成分的覆盖层，能够提高金属部19和覆盖层 21的接合性。另外，由于玻璃成分的与压电体层3的接合性良好，因此，如上所述，覆盖层 21与压电体层3接合的情况下，也能够提高压电体层3和覆盖层21的接合性。还有，在此， 主成分是指含有的成分中质量％最大的成分。另外，在分析玻璃特有的非晶状态时，使用X 射线衍射(XRD)或透射电子显微镜(TEM)即可。进而，优选玻璃的主成分为硅氧化物。这是因为，在通过烧 成形成层叠型压电元件 时，不仅是硅氧化物与金属部19的主成分一同形成液相而进行烧结，而且与金属部19的亲 合性变高。由此，能够进一步提高金属部19和覆盖层21的接合性。另外，优选覆盖层21含有金属部19的主成分。这是因为，通过含有金属部19的主 成分，金属部19和在覆盖层21中含有的金属部19的主成分结合，能够得到固定效果。由 此，能够进一步提高金属部19和覆盖层21的接合性。进而，更优选覆盖层21含有金属部19的主成分的氧化物。这是因为，通过含有金 属部19的主成分的氧化物，利用结合力比金属键强的离子键，金属部19和覆盖层21得以 结合，因此能够进一步提高金属部19和覆盖层21的接合性。另外，在金属部19以银为主成分的情况下，有效的是，作为覆盖层21，使用以AgS 为代表的银化合物。这是因为，金属部19及覆盖层21均以银为主成分，因此能够提高金属 部19和覆盖层21的接合性。另外，如图7所示，优选覆盖层21包括层叠的多个层。这是因为，通过覆盖层21 包括多个层，即使在任一个层中产生了裂纹的情况下，也将该裂纹的扩展仅限于上述层，使 裂纹在多个覆盖层21的层间停止，能够防止裂纹向其他层伸展。由此，能够抑制裂纹对覆 盖层21整体产生影响。具体来说，作为内侧的覆盖层21，可以使用上述玻璃、铅、AgS等，作 为外侧的覆盖层21，可以使用金或树脂。进而，更优选覆盖层21包括金属部19的主成分的含量不同的多个层。通过使覆 盖层21含有金属部19的主成分，能够使覆盖层21的热膨胀系数接近金属部19的热膨胀 系数。还有，这是因为，覆盖层21如上所述地包括多个层的情况下，能够使覆盖层21的热 膨胀系数阶段性地接近金属部19的热膨胀系数，因此能够缓和在覆盖层21和金属部19之 间的因热膨胀差而产生的应力。另外，优选覆盖层21包括弹性模量不同的多个层。这是因为，在覆盖层21包括弹 性模量不同的多个层的情况下，能够使覆盖层21的弹性模量阶段性地接近金属部19的弹 性模量，因此能够缓和在覆盖层21和金属部19之间的因伸缩驱动而产生的应力。其结果， 能够抑制覆盖层21的自金属部19的剥离，另外，能够抑制金属部19或覆盖层21中的裂纹 的产生。尤其，优选与金属部19接触的覆盖层21使用包含硅石等玻璃的覆盖层21，在其 上部使用包含树脂的覆盖层21。这是因为，能够同时具有树脂特有的优越的伸缩性能和玻 璃特有的优越的密接性能。另外，能够引起龟裂的应力从覆盖层21的内部施加于与金属部 19接触的包含玻璃的覆盖层21的情况下，也在该内侧的包含玻璃的覆盖层21抑制裂纹的 扩展，抑制龟裂向具有伸缩性的、外侧的、包含树脂的覆盖层扩展。其次，说明本实施方式的层叠型压电元件的制法。
首先，制作成为压电体层3的陶瓷生片(ceramic green sheet)。具体来说，混合 压电陶瓷的预烧粉末，包含丙烯酸系、丁缩醛系等有机高分子的粘合剂，和增塑剂而制作浆 料。还有，通过对于该浆料，使用众所周知的刮浆刀法或压延辊法等流延成形法，制作陶瓷 生片。作为压电陶瓷，只要具有压电特性即可，例如，可以使用包含PWrO3-PbTiO3等的钙钛 矿型氧化物等。另外，作为增塑剂，可以使用DBP(邻苯二甲酸二丁酯)、D0P(邻苯二甲酸二 辛酯)等。其次，制作成为金属层5的导电性糊剂。具体来说，通过向银-钯等金属粉末中添 加混合粘合剂及增塑剂等，能够制作导电性糊剂。使用网板印刷法，在整个面区域配设该导 电性糊剂，如后所述，进行烧成，由此形成内部电极13。
通过烧成上述导电性糊剂，能够形成内部电极13，但为了形成具有隔着空隙17相 互分离的金属部19的低刚性金属层15，通过使用网板印刷法在陶瓷生片上配设上述飞散 成分比用于形成内部电极13的导电性糊剂过剩地混入的导电性糊剂，使在烧成或脱脂的 工序中过剩地混入的飞散成分飞散，因此，能够形成隔着空隙17相互分离的金属部19。另外，形成隔着空隙17相互分离的金属部19的方法不限于上述方法。例如，通过 变更网板的网眼度数或图案形状，也能够形成上述金属部19。具体来说，通过将网板的网眼 尺寸设为15 μ m以下，墨液糊剂量的通过变得不充分，成为所谓的飞白图案形状的状态，因 此，能够形成隔着空隙17相互分离的金属部19。另外，以不使墨液糊剂透过的方式掩蔽网板，由此墨液糊剂的透过也同样变得不 充分，因此，能够形成隔着空隙17相互分离的金属部19。掩蔽的形状中椭圆或圆形等大致 圆形的缓和应力效果高，因此优选。作为形成覆盖金属部19的侧面的至少一部分的覆盖层21的方法，可以举出下述 方法。作为第一个方法，可以举出将层叠陶瓷生片和导电性糊剂并烧成得到的层叠体，浸渍 于覆盖层21的成分的溶液中的方法。这样通过在覆盖层21的成分的溶液中浸渍层叠体后 捞起，能够利用覆盖层21覆盖金属部19表面。此时，在容器中浸渍层叠体后，对于容器利 用回转泵等真空泵，按每个容器抽取真空，由此能够使位于低刚性金属层中的空隙17的空 气等气体脱泡，因此，能够使覆盖层21的成分遍布。然后，只要从真空恢复为大气压后，力口 热元件，从溶液仅使溶剂挥发，就能够与空隙17 —同形成覆盖层21。作为覆盖层21的成分的溶液，可以使用将四乙氧基硅烷(TEOS)或硅胶分散于水 中得到的溶液。在这种情况下，覆盖层21可以形成主要包括Si的氧化物的玻璃的覆盖层 21。另外，通过使用将环氧系或硅酮系的树脂稀释于丙酮、醚、氯仿、或工业用稀释剂等溶剂 中得到的溶液，覆盖层21能够形成包含树脂的覆盖层21。作为第二个方法，可以举出在成为上述低刚性金属层15的导电性糊剂中混入成 为覆盖层21的部件，从而在上述烧成时使其析出的方法。尤其，使用了基于在烧成时使成 为如上所述的覆盖层21的成分析出的覆盖层21的形成方法的情况下，不需要所谓的将层 叠体浸渍于上述覆盖层21的成分的溶液中后捞起的工序，因此，能够降低成本。在内部电极13包含银-钯时，使用银-钯的银比率比成为内部电极13的导电性 糊剂高的导电性糊剂作为低刚性金属层15，由此能够不经过复杂的工序而形成低刚性金属 层15。这是因为，如果在形成低刚性金属层15的位置配设上述银比率高的导电性糊剂，从而利用同时烧成来形成层叠结构体7，则银从银比率高的导电性糊剂扩散。通过银扩散， 形成相互分离的多个金属部19，其结果，上述银比率高的导电性糊剂成为刚性低于压电体 层3或内部电极13的低刚性金属层15。此时，通过在成为低刚性金属层15的导电性糊剂中混入形成覆盖层21的玻璃，能 够形成覆盖层21。这是因为，混入导电性糊剂中的形成覆盖层21的玻璃与银一同扩散。如 上所述，使用银-钯的银比率高于成为内部电极13的导电性糊剂的导电性糊剂作为低刚性 金属层15的情况下，银从银比率高的导电性糊剂扩散。伴随该银的扩散，成为覆盖层21的 玻璃成分连动而扩散。进而，作为覆盖层21，更优选含有蒸汽压高于银的铅的氧化物。这是因为，由于在 扩散的过程中，上述铅氧化物从金属部19蒸发，因此，与该铅氧化物的蒸发连动，从而形成 覆盖层21的玻璃在覆盖金属部19的位置析出。从而，作为形成覆盖层21的玻璃，优选含 有PbO-SiO2的玻璃。还有，层叠结构体不限定于通过上述制法来制作的层叠结构体，只要能够制作多 个压电体层3和多个金属层5交替层叠而成的层叠结构体，可以通过任意的制法来制作。然后，以与端部在层叠型压电元件的侧面露出的内部电极13导通的方式形成外 部 电极9。该外部电极9可以通过向玻璃粉末中添加粘合剂，制作银玻璃导电性糊剂，并将 其印刷并烧结来得到。接下来，在包括包含硅酮橡胶的外装树脂的树脂溶液中浸渍形成了外部电极9的 层叠结构体。还有，通过将硅酮树脂溶液真空脱气，使硅酮树脂与层叠结构体的侧面外周表 面的凹凸部密接，然后，从硅酮树脂溶液捞起层叠结构体。由此，在层叠结构体的侧面涂敷 硅酮树脂(未图示)。还有，用导电性粘接剂(未图示)等，使外部电极9与作为通电部23 的导线连接。经由导线，向一对外部电极9施加0. 1 3kV/mm的直流电压，将层叠结构体极化， 由此完成本实施方式的层叠型压电元件。将导线连接于外部的电压供给部(未图示)，经由 作为通电部23的导线及外部电极9向内部电极13施加电压，由此能够使各压电体层3因 反压电效应而大幅度地变位。由此，能够使其作为例如向发动机喷射供给燃料的汽车用燃 料喷射阀来发挥功能。接下来，说明本发明的喷射装置。图8是表示本发明的喷射装置的实施方式的一 例的概略剖面图。如图8所示，在本实施方式的喷射装置中，在一端具有喷射孔的收容容器 的内部收容有以上述实施方式为代表的层叠型压电元件。在收容容器内配设有能够开闭喷 射孔的针型阀。在喷射孔中，以根据针型阀的工作能够连通的方式配设有燃料通路。该燃 料通路与外部的燃料供给源连结，时常以恒定的高压向燃料通路供给燃料。从而，若针型阀 开放喷射孔，则向燃料通路供给的燃料以恒定的高压向未图示的内燃机的燃料室内喷出。另外，针型阀的上端部的内径大，并且在收容容器中配置形成的汽缸和能够滑动 的活塞。还有，在收容容器内收容有上述层叠型压电元件。在这样的喷射装置中，若通过电压的施加，层叠型压电元件伸长，则活塞被按压， 针型阀闭塞喷射孔，燃料的供给被停止。另外，若停止电压的施加，则层叠型压电元件收缩， 碟形弹簧推回活塞，喷射孔与燃料通路连通，从而进行燃料的喷射。另外，本实施方式的喷射装置具备具有喷射孔的容器、和层叠型压电元件，在容器内填充的液体可以通过层叠型压电元件的驱动从喷射孔喷出。即，层叠型压电元件不一定 位于容器的内部，只要通过层叠型压电元件的驱动，将压力施加于容器的内部既可。还有， 在本实施方式中，液体中除了燃料、墨液等之外，还包括导电性糊剂等各种液态流体。其次，说明本发明的燃料喷射系统。图9是表示本发明的燃料喷射系统的实施方 式的一例的概略图。如图9所示，本实施方式的燃料喷射系统具备存储高压燃料的共轨； 喷射存储在该共轨中的燃料的多个上述喷射装置；向共轨供给高压的燃料的压力泵；以及 向喷射装置赋予驱动信号的喷射控制单元。喷射控制单元利用传感器等检测发动机的燃料室内的状况的同时，控制燃料喷射 的量或时间。压力泵发挥将燃料从燃料罐以1000 2000大气压左右，优选以1500 1700 大气压左右，向共轨送入的作用。在共轨中存储从压力泵送过来的燃料，适当地送入喷射装 置。喷射装置如上所述，从喷射孔将少量的燃料向燃料室以雾状喷射。还有，本发明涉及层叠型压电元件、喷射装置及燃料喷射系统，但不限定于上述实 施方式，例如，只要是搭载于汽车发动机的燃料喷射装置、喷墨器等液体喷射装置、光学装 置等精密定位装置、防振动装置等的驱动元件，或者搭载于燃烧压力传感器、爆燃传感器、 加速度传感器、负载传感器、超声波传感器、压敏传感器、偏航率传感器等的电路元件等利 用了压电特性的元件，就可以实施。
另外，本发明不限定于上述实施方式，可以在不脱离本发明的宗旨的范围内进行 各种变更。
实施例[实施例1]本发明的层叠型压电元件1如下所述地制作。首先，制作混合了以平均粒径为0. 4 μ m的钛酸锆酸铅(PZT)粉末为主成分的原料 粉末、粘合剂、及增塑剂的浆料，利用刮浆刀法，制作了厚度150 μ m的陶瓷生片。接下来，制作了向含有作为Ag95wt% _Pd5wt%的金属组成的银钯合金粉末的原 料粉末中添加了粘合剂的导电性糊剂A。进而，制作了向含有作为Ag98wt% _Pd2wt%的金属组成的银钯合金粉末的原料 粉末中添加了粘合剂的导电性糊剂B。在试料编号1中，在上述陶瓷生片的一面，利用网板印刷法，将导电性糊剂A以厚 度成为30 μ m的方式进行印刷。还有，层叠印刷有导电性糊剂A的各生片，制作了层叠结构 体7。还有，作为层叠数，以使金属层5的数量成为300的方式进行层叠，在层叠结构体7的 层叠方向的两端部分别仅层叠20张未印刷有导电性糊剂的陶瓷生片。在试料编号2 5中，在上述陶瓷生片的一面，利用网板印刷法，将导电性糊剂A 以厚度成为30 μ m的方式进行印刷。另外，在其他上述陶瓷生片的一面，利用网板印刷法， 将导电性糊剂B以厚度成为30 μ m的方式进行印刷。在金属层5中，在试料编号2中使导 电性糊剂B位于层叠方向的第50、250个，在试料编号3中，使导电性糊剂B位于层叠方向 的第50、100、150、200、250个，还有在试料编号4、5中，使导电性糊剂B位于层叠方向的第 1、50、100、150、200、250、300个，由此层叠印刷有导电性糊剂A的生片和印刷有导电性糊剂 B的生片，制作了层叠结构体7。还有，与试料编号1相同地，作为层叠数，以使金属层5的数量成为300的方式进行层叠，在层叠结构体7的层叠方向的两端部分别仅层叠20张未印 刷有导电性糊剂的陶瓷生片。接下来，对各自的试料编号的层叠结构体7，在规定的温度下除去粘合剂后，以 800 1200°C烧成而得到了烧结体。此时，在试料编号2 5的层叠结构体7中，由于使用 了银浓度不同的导电性糊剂A和导电性糊剂B，因此银从银浓度高的导电性糊剂B向银浓度 低的导电性糊剂A扩散。由此，如表1所示，形成空隙率为80%的高空隙率的低刚性金属层 15。在此，对于试料编号2 4的烧结体而言，浸渍于向含有10%的TEOS的水溶液中 添加了作为凝胶化加速剂的稀硫酸Ippm而成的溶液中，将试料编号5的烧结体浸渍于含有 环氧树脂(商品名阿拉路戴特(7，卜)LY-5052)5%的丙酮溶液中，为了使溶液浸 渗低刚性金属层，利用回转泵，将每一个容器减压至2X IO3Pa以下的气压。然后，恢复至大 气压后，在80°C下干燥1小时。还有，对于各个试料编号的层叠结构体7，加工为期望的尺寸的基础上，分别形成 了外部电极9。首先，向以银为主成分的金属粉末中添加混合粘合剂、增塑剂、玻璃粉末等， 从而制作了外部电极9用的导电性糊剂。将该导电性糊剂利用网板印刷等印刷于上述烧结 体侧面的形成外部电极9的部位。进而，以600 800°C烧成，形成了外部电极9。如上所 述地制作了层叠型压电元件1。在此，对于试料编号5的层叠型压电元件1而言，浸渍于含有环氧树脂(商品名阿 拉路戴特LY-5052)5%的丙酮溶液中，为了使溶液浸渗低刚性金属层，利用回转泵，将每一 个容器减压至2X103Pa以下的气压。然后，恢复至大气压后，利用丙酮清洗元件表面，除去 树脂成分，在80°C下干燥1小时。分别制作了两个上述试料编号的层叠型压电元件1。这是为了将一个用于基于扫 描电子显微镜(SEM)的观察，将剩余一个用于驱动评价。将在各试料编号的层叠型压电元 件1的制作中使用的导电性糊剂的成分、烧成后的金属层5的空隙率、低刚性金属层15的 形状示于表1中。还有，空隙率是指在层叠结构体7的与层叠方向垂直或平行的剖面中，空隙17的 面积相对于层叠结构体7的剖面积所占的比例(％)。空隙率的测定如下所述地进行。首先，以与层叠方向垂直的剖面露出的方式，使用公知的抛光机构，对层叠结构体 7进行抛光处理。具体来说，例如，作为抛光装置，可以使用基模特日本O ”卜
> )(株)公司制台式抛光机KEMET-V-300，利用金刚石糊剂进行抛光。例如， 利用SEM、光 学显微镜、金属显微镜等，观察通过该抛光处理而露出的剖面，得到剖面图像，从而对该剖 面图像进行图像处理，由此测定了蒸汽的空隙率。[表1] 如表1所示，试料编号1的层叠型压电元件1使用相同成分的导电性糊剂，因此， 没有形成低刚性金属层15。另一方面，在试料编号2 5的层叠型压电元件1中，通过银的 扩散，形成低刚性金属层15。另外，由此可知，能够形成相对于金属层5的空隙率15%，低 刚性金属层15的空隙率为80%，刚性小于金属层5及压电体层3的低刚性金属层15。用SEM进行观察的结果，在试料编号2 4中，如图4所示，在多个金属部19的一 部分形成了包含SiO2的玻璃体的覆盖层21。这是因为，TEOS中的Si氧化物在凝胶化后， 作为玻璃体在金属部19表面析出。另外，在多个金属部19的一部分，除了包含上述SiO2的 玻璃体的覆盖层21之外，还形成有包含Ag硫化而成的AgS的覆盖层21。在试料编号5中，如图4所示，在多个的金属部19的一部分形成有包含环氧树脂 的覆盖层21。接下来，进行了驱动评价。作为驱动评价，进行高速响应性评价和耐久性评价。首先，在外部电极9连接导线，经由导线，将3kV/mm的直流电场向正极及负极的外 部电极9施加15分钟，进行极化处理，制作了使用层叠型压电元件1的压电促动器。向得 到的层叠型压电元件1施加170V的直流电压，测定初始状态的变位量的结果，试料编号1 的压电促动器为45 μ m，试料编号2-4的压电促动器为40 μ m。试料编号1的压电促动器的 变位量大于其他试料编号的压电促动器是因为在试料编号2-4的层叠型压电元件1中，低 刚性金属层15未作为内部电极13发挥作用。作为高速响应性评价，在室温下，将0 +170V的交流电压从150Hz逐渐增加频率 地向各个压电促动器施加。作为耐久性评价，在室温下，将0 +170V的交流电压以150Hz 的频率向各个压电促动器施加，进行连续驱动试验至IXlO9次。结果如表2所示。[表 2] 如表2所示，作为高速响应性评价结果，在试料编号1的压电促动器中，在频率超 过IkHz时发出了蜂鸣声。这是因为，试料编号1的层叠型压电元件1不具备低刚性金属层 15，因此，基于内部电极13的向压电体层3的约束力大。其原因分析如下，即由于压电体 层3的约束力大，因此阻碍高速响应性，其结果，不能追随施加的交流电压的频率。还有，为了确认驱动频率，使用横河制示波器DL1640L，确认试料编号1的压电促 动器的脉冲波形的结果，在相当于驱动频率的整数倍的频率处确认到高次谐波噪音。另外，如表2所示，作为耐久性评价结果，在试料编号1的压电促动器中，评价试验 后的变位量为5 μ m,与评价试验前相比，降低了接近90%。另外，在试料编号1的压电促动 器中，在层叠压电元件的一部分发现了剥离。另一方面，在试料编号2-5的压电促动器中，未发现剥离，评价试验后的变位量也 为35 40μπι，与评价试验前相比，变位量的降低抑制为10%以下。尤其发现，在试料编号 5的压电促动器中，几乎未发现变位量的降低，具有非常高的耐久性。[实施例2]将本发明的层叠型压电元件1如下所述地制作。首先，与实施例1的生片相同地，制作了陶瓷生片。接下来，与实施例1的导电性 糊剂A相同地，制作了导电性糊剂C。进而，在含有作为Ag98wt %一 Pd2wt %的金属组成的 银合金粉末的原料粉末中，作为形成覆盖层21的成分，将相对于银钯合金粉末为0. 01wt% 的SiO2的四乙氧基硅烷(TEOS)和相对于银钯合金粉末为0. 01衬％的Pb3O4与粘合剂一同 添加，制作了导电性糊剂D。在试料编号6中，在上述陶瓷生片的一面，利用网板印刷法，将导电性糊剂C以厚 度成为30 μ m的方式进行印刷。还有，层叠印刷有导电性糊剂C的各生片，制作了层叠结构 体7。还有，作为层叠数，以使金属层5的数量成为300的方式进行层叠，在层叠结构体7的 层叠方向的两端部分别仅层叠20张未印刷有导电性糊剂的陶瓷生片。在试料编号7 10中，在上述陶瓷生片的一面，利用网板印刷法，将导电性糊剂C 以厚度成为30 μ m的方式进行印刷。另外，在其他上述陶瓷生片的一面，利用网板印刷法，将导电性糊剂D以厚度成为30 μ m的方式进行印刷。在金属层5中，在试料编号7中使导 电性糊剂D位于层叠方向的第50、250个，在试料编号8中，使导电性糊剂D位于层叠方向 的第50、100、150、200、250个，从而制作了层叠结构体7。还有，在试料编号9、10中，以使导电性糊剂D位于层叠方向的第1、50、100、150、 200,250,300个的方式层叠印刷有导电性糊剂C的生片、和印刷有导电性糊剂D的生片，从 而制作了层叠结构体7。还有，与试料编号6相同地，作为层叠数，以使金属层5的数量成为 300的方式进行层叠，在层叠结构体7的层叠方向的两端部分别仅层叠20张未印刷有导电 性糊剂的陶瓷生片。接下来，对各自的试料编号的层叠结构体7，在规定的温度下除去粘合剂后，以 800 1200°C烧成而得到了烧结体。此时，在试料编号7 9的层叠结构体7中，使用银浓 度不同的导电性糊剂C和导电性糊剂D，因此，银从银浓度高的导电性糊剂D向银浓度低的 导电性糊剂C扩散。由此，如表3所示，形成空隙率为80%的高空隙率的低刚性金属层15。
接下来，将各个烧结体加工为期望的尺寸的基础上，分别形成了外部电极9。首先， 向以银为主成分的金属粉末中添加混合粘合剂、增塑剂、玻璃粉末等，从而制作了外部电极 9用的导电性糊剂。如果将该导电性糊剂利用网板印刷等印刷于上述烧结体侧面的形成外 部电极9的部位而以600 800°C烧成，则能够形成外部电极9。如上所述地制作了层叠型 压电元件1。在此，对于试料编号10的层叠型压电元件1而言，浸渍于含有环氧树脂(商品名 阿拉路戴特LY-5052)5%的丙酮溶液中，为了使溶液浸渗低刚性金属层，利用回转泵，将每 一个容器减压至2X IO3Pa以下的气压。然后，恢复至大气压后，利用丙酮清洗元件表面，除 去树脂成分，在80°C下干燥1小时。分别制作了两个上述试料编号的层叠型压电元件1。这是为了与实施例1相同地 用于基于扫描电子显微镜(SEM)的观察以及驱动评价。将在各试料编号的层叠型压电元件 1的制作中使用的导电性糊剂的成分、烧成后的金属层5的空隙率、低刚性金属层15的形状 示于表3中。还有，在实施例2中，空隙率是指与实施例1相同的比例(％)。关于空隙率的测 定与实施例1相同。[表3] 如表3所示，试料编号6的层叠型压电元件1使用相同成分的导电性糊剂，因此， 未形成低刚性金属层15。另一方面，在试料编号7-9的层叠型压电元件1中，通过银的扩 散，形成低刚性金属层15。另外，由此可知，能够形成相对于金属层5的空隙率15%，低刚 性金属层15的空隙率为80%，与金属层5及压电体层3相比，刚性低的低刚性金属层15。基于SEM观察的结果，在试料编号7 9中，如图6所示，在低刚性金属层15中的 多个金属部19的一部分形成有包含SiO2-PbO2-AgO的玻璃体的覆盖层21。这是因为，混入 导电性糊剂的Si氧化物、Pb氧化物与银一同扩散，上述玻璃体与部分Pb氧化物的蒸发一 同在金属部19表面析出。在试料编号10中，如图7所示，低刚性金属层15中的多个金属部19的一部分在 包含SiO2-PbO2-AgO的玻璃体的覆盖层21a的表面的位置部形成有包含环氧树脂的覆盖层 21b。接下来，进行了驱动评价。作为驱动评价，进行了高速响应性评价和耐久性评价。首先，在外部电极9连接导线，向正极及负极的外部电极9经由导线将3kV/mm的 直流电场施加15分钟，进行极化处理，制作了使用层叠型压电元件1的压电促动器。向得 到的层叠型压电元件1施加170V的直流电压，测定初始状态的变位量的结果，试料编号6 的压电促动器为45 μ m，试料编号7-9的压电促动器为40 μ m。试料编号1的压电促动器的 变位量大于其他试料编号的压电促动器是因为在试料编号7-9的层叠型压电元件1中，低 刚性金属层15未作为内部电极13发挥作用。作为高速响应性评价，在室温下，将0 +170V的交流电压从150Hz逐渐增加频率 地向各个压电促动器施加。作为耐久性评价，在室温下，将0 +170V的交流电压以150Hz 的频率向各个压电促动器施加，进行连续驱动试验至IXlO9次。结果如表4所示。[表 4] 如表4所示，作为高速响应性评价结果，在试料编号6的压电促动器中，在频率超 过IkHz时发出蜂鸣声。其原因分析如下，即试料编号6的层叠型压电元件1与实施例1 的试料编号1的元件1相同地，不具备低刚性金属层15，因此，不能追随施加的交流电压的频率。为了确认驱动频率，使用横河制示波器DL1640L，确认试料编号6的压电促动器的 脉冲波形的结果，在相当于驱动频率的整数倍的频率处确认到高次谐波噪音。另外，如表4所示，作为耐久性评价结果，在试料编号6的压电促动器中，评价试验 后的变位量为5 μ m,与评价试验前相比，降低了接近90%。另外，在试料编号1的压电促动 器中，在层叠型压电元件的一部分发现了剥离。另一方面，在试料编号7 10的压电促动器中，未发现剥离，评价试验后的变位量 也为35 40μπι，与评价试验前相比，变位量的降低抑制为10%以下。尤其发现，在试料编 号9、10的压电促动器中，几乎未发现变位量的降低，具有非常高的耐久性。
权利要求
一种层叠型压电元件，其特征在于，所述层叠型压电元件具有多个压电体层和多个金属层交替层叠而成的层叠结构体，所述多个金属层具备内部电极；以及刚性比所述压电体层及所述内部电极低的低刚性金属层，所述低刚性金属层具有隔着空隙相互分离的多个金属部；以及覆盖该金属部的表面的至少一部分的覆盖层。
2.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于，在所述多个金属部中的至少一个金属部中，该金属部的表面的一部分露出。
3.根据权利要求2所述的层叠型压电元件，其特征在于，在所述多个金属部中的至少一个金属部中，该金属部的表面被相互分离的多个所述覆盖层復盖。
4.根据权利要求2所述的层叠型压电元件，其特征在于，在所述多个金属部中的至少一个金属部中，该金属部的表面在相互分离的多个区域露出ο
5.根据权利要求4所述的层叠型压电元件，其特征在于，使所述金属部的表面在相互分离的多个区域露出的覆盖层为网眼状。
6.根据权利要求1 5中任一项所述的层叠型压电元件，其特征在于， 所述覆盖层的至少一部分与所述压电体层接合。
7.根据权利要求1 6中任一项所述的层叠型压电元件，其特征在于， 所述多个金属部的至少一个金属部隔着所述覆盖层与压电体层接合。
8.根据权利要求1 7中任一项所述的层叠型压电元件，其特征在于，在所述多个金属部的至少一个金属部中，该金属部的表面整体被所述覆盖层覆盖。
9.根据权利要求1 8中任一项所述的层叠型压电元件，其特征在于， 所述覆盖层包含树脂。
10.根据权利要求1 8中任一项所述的层叠型压电元件，其特征在于， 所述覆盖层包含银化合物。
11.根据权利要求1 8中任一项所述的层叠型压电元件，其特征在于， 所述覆盖层包含铅。
12.根据权利要求1 8中任一项所述的层叠型压电元件，其特征在于， 所述覆盖层以玻璃为主成分。
13.根据权利要求12所述的层叠型压电元件，其特征在于， 所述玻璃的主成分为硅氧化物。
14.根据权利要求1 8以及12中任一项所述的层叠型压电元件，其特征在于， 所述覆盖层含有所述金属部的主成分。
15.根据权利要求14所述的层叠型压电元件，其特征在于， 所述覆盖层含有所述金属部的主成分的氧化物。
16.根据权利要求14所述的层叠型压电元件，其特征在于， 所述金属部以银为主成分，所述覆盖层包括银化合物。
17.根据权利要求1 15中任一项所述的层叠型压电元件，其特征在于，所述覆盖层包括层叠的多个层。
18.根据权利要求17所述的层叠型压电元件，其特征在于， 所述覆盖层包括所述金属部的主成分含量不同的多个层。
19.根据权利要求18所述的层叠型压电元件，其特征在于，在包括多个层的所述覆盖层中，越靠近所述金属部，所述金属部的主成分含量越多。
20.根据权利要求17 19中任一项所述的层叠型压电元件，其特征在于， 所述覆盖层包括弹性模量不同的多个层。
21.根据权利要求20所述的层叠型压电元件，其特征在于，在包括多个层的所述覆盖层中，越靠近所述金属部，弹性模量越接近所述金属部的弹 性模量。
22.根据权利要求21所述的层叠型压电元件，其特征在于，包括多个层的所述覆盖层具有与所述金属部接触的包含玻璃的层和其上的包含树脂的层。
23.一种喷射装置，其特征在于，具备权利要求1 22中任一项所述的层叠型压电元件和喷射孔， 其中，通过驱动所述层叠型压电元件，从所述喷射孔喷出液体。
24.一种燃料喷射系统，其中， 具有具备高压燃料的共轨；喷射储存在该共轨中的燃料的权利要求23所述的喷射装置；以及 向所述喷射装置赋予驱动信号的喷射控制系统。
全文摘要
本发明提供一种在高电场、高压力下长时间连续驱动的情况下，也可以抑制变位量的变位，耐久性优越的层叠型压电元件。所述层叠型压电元件具有多个压电体层和多个金属层交替层叠而成的层叠结构体，多个金属层具备内部电极、和刚性比压电体层及内部电极低的低刚性金属层，低刚性金属层具有隔着空隙相互分离的多个金属部、和覆盖该金属部的侧面的至少一部分的覆盖层。
文档编号F02M51/06GK101842915SQ20088011380
公开日2010年9月22日 申请日期2008年10月22日 优先权日2007年10月29日
发明者冈村健 申请人:京瓷株式会社