層疊型壓電元件、具備其的噴射裝置及燃料噴射系統的製作方法

2023-06-24 12:47:56

專利名稱：層疊型壓電元件、具備其的噴射裝置及燃料噴射系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及例如在驅動元件(壓電促動器)、傳感器元件及迴路元件中使用的層 疊型壓電元件。作為驅動元件，例如，可以舉出汽車發動機的燃料噴射裝置、墨液噴射器之 類的液體噴射裝置、光學裝置之類的精密定位裝置及振動防止裝置。作為傳感器元件，例 如，可以舉出燃燒壓力傳感器、爆震傳感器、」 X )、加速度傳感器、荷重傳感器、 超聲波傳感器、壓敏傳感器及偏航速率傳感器(3 — >一卜力 > 寸)。另外，作為迴路元件， 例如，可以舉出壓電陀螺(圧電7 \ 4 口)、壓電開關、壓電變壓器及壓電制動器。
背景技術：
從以往開始，層疊型壓電元件尋求進展小型化的同時，在大的壓力下能夠確保大 的變位量。因此，尋求施加更高的電壓，而且能夠在長時間連續驅動的殘酷的條件化下使用。與電容器等通常的層疊型電子部件不同地，層疊型壓電元件在驅動時，元件自身 連續地引起尺寸變化。還有，通過所有的壓電體層經由內部電極密接而驅動，層疊型壓電元 件作為一體，大大地驅動變形。因此，大的應力施加於元件。作為解決所述問題的方案之一，在專利文獻1中，提出了預先在壓電體層的一部 分作為目標截斷層設置有多孔的層的元件。專利文獻1特表2006-518934號公報如專利文獻1中公開，通過在目標截斷層使層疊型壓電元件斷裂，能夠將施加於 壓電體層的應力緩和某種程度。這是因為通過構成目標截斷層的陶瓷斷裂，緩和施加於壓 電體層或內部電極的應力。然而，對層疊型壓電元件要求更大的變位量或高的響應性。在元件大幅度變位的情況或以高速驅動的情況下，由於構成目標截斷層的陶瓷的 斷裂，陶瓷的碎片產生。還有，由於這樣的陶瓷的碎片，存在壓電體層損傷，元件的變位量降 低的可能性。

發明內容
本發明是鑑於上述問題而做成的。S卩，其目的在於在元件大幅度變位的情況下或 以高速驅動的情況下，耐久性也優越，也抑制變位量的降低的層疊型壓電元件、使用其的噴 射裝置及燃料噴射系統。本發明的層疊型壓電元件，具有具有多個陶瓷層和多個內部電極層，該內部電極 層分別夾在對置而設置的陶瓷層而成的層疊體，所述多個陶瓷層包括壓電體層以及與該壓 電體層和所述內部電極層相比剛性低的低剛性陶瓷層，所述低剛性陶瓷層具有經由空隙相 互隔離的多個陶瓷部以及被覆該陶瓷部的外表面的至少一部分的被覆層。根據本發明的層疊型壓電元件可知，低剛性陶瓷層具有經由空隙相互隔離的陶瓷 部，因此，由於下述理由，能夠具有高的耐久性。具體來說，陶瓷部經由空隙相互隔離，從而， 能夠降低低剛性陶瓷層的剛性，能夠由該低剛性陶瓷層吸收應力。由此，能夠減小向壓電體層及內部電極層的應力的集中，因此，能夠抑制層疊型壓電元件的變位量的降低。進而，就本發明的層疊型壓電 元件來說，陶瓷部的外表面的至少一部分被被覆層 被覆，因此，能夠長期維持優越的耐久性。由於應力緩和，陶瓷部斷裂而陶瓷的碎片產生的 情況下，也由於陶瓷部被被覆層被覆，從而能夠抑制該碎片的散亂。還有，能夠抑制該碎片 引起的壓電體層的損傷。


圖1是表示本發明的層疊型壓電元件的實施方式的一例的立體圖。圖2是表示本發明的層疊型壓電元件的實施方式的一例，是與層疊方向平行的剖 面圖。圖3是表示本發明的層疊型壓電元件的實施方式的一例，是與層疊方向垂直且包 含低剛性陶瓷層的剖面圖。圖4是放大了圖2所示的實施方式的低剛性陶瓷層的放大剖面圖。圖5A是表示本發明的層疊型壓電元件中的被覆層的一方式的立體圖。圖5B是表示本發明的層疊型壓電元件中的被覆層的其他方式的立體圖。圖5C是表示本發明的層疊型壓電元件中的被覆層的進而不同的方式的立體圖。圖6是放大了本發明的層疊型壓電元件的其他實施方式中的配設有低剛性陶瓷 層的部分的放大剖面圖。圖7是放大了本發明的層疊型壓電元件的其他實施方式中的配設有低剛性陶瓷 層的部分的放大剖面圖。圖8是放大了本發明的層疊型壓電元件的其他實施方式中的配設有低剛性陶瓷 層的部分的放大剖面圖。圖9是放大了本發明的層疊型壓電元件的其他實施方式中的配設有低剛性陶瓷 層的部分的放大剖面圖。圖10是放大了本發明的層疊型壓電元件的其他實施方式中的配設有低剛性陶瓷 層的部分的放大剖面圖。圖11是表示本發明的噴射裝置的剖面圖。圖12是表示本發明的一實施方式的燃料噴射系統的概略圖。圖中1-層疊型壓電元件；3-陶瓷層；5-內部電極層；7-層疊體；9-外部電極； 11-壓電體粒子；13-壓電體層；15-低剛性陶瓷層；17-空隙；19-陶瓷部；21-被覆層； 21a-被覆層；21b-被覆層；23-通電部；25-噴射裝置；27-噴射孔；29-收容容器；31-針 閥；33-燃料通路；35-汽缸；37-活塞；39-盤簧；41-燃料噴射系統；43-共軌；45-壓力泵； 47-噴射控制單元；49-燃料罐。
具體實施例方式以下，使用附圖，詳細地說明本發明的層疊型壓電元件。圖1是表示本發明的一實 施方式的層疊型壓電元件的立體圖。圖2是圖1所示的層疊型壓電元件即與層疊方向平行 的剖面圖。圖3是圖1所示的層疊型壓電元件即與層疊方向垂直且包含低剛性陶瓷層的剖 面圖。
如圖1 圖3所示，本實施方式的層疊型壓電元件1(以下，還簡稱為元件1)具有具有多個陶瓷層3和多個內部電極層5，內部電極層5分別夾在對置設置的陶瓷層3的 層疊體7 ；和在層疊體7的側面形成的外部電極9。另外，各個陶瓷層3具備壓電體層13 ； 與壓電體層13及內部電極層5相比，剛性低的低剛性陶瓷層15，低剛性陶瓷層15配置於兩 個壓電體層13之間。在本實施方式中，低剛性陶瓷層15是指與內部電極層5及壓電體層13相比，層 內的結合力及/或與鄰接的層的結合力弱，剛性小的層。還有，低剛性陶瓷層15具有經由 空隙17相互隔離的多個陶瓷部19 ；被覆陶瓷部19的外表面的至少一部分的被覆層21。多個陶瓷部19經由空隙17相互隔離，因此，容易利用低剛性陶瓷層15吸收應力。 因此，由於層疊型壓電元件1的使用，元件1伸縮的情況下或強的衝擊或應力從外部施加於 元件1的情況下，也能夠通過壓電元件19變形或斷裂，吸收應力。由此，應力集中於內部電 極層5或壓電體層13，能夠抑制產生裂紋的情況。其結果，能夠抑制在層疊方向上相鄰的內 部電極層5之間發生電短路的情況。尤其在高電場、高壓力下驅動元件1的情況下，大的應力瞬間施加於元件1，因此， 難以預測裂紋朝向哪一方向，難以使裂紋的方向穩定。另一方面，尋求在高電場、高壓力下 能夠長時間連續驅動的壓電元件，因此，需要更有效地緩和施加於元件1的應力。內部電極層5、壓電體層13及低剛性陶瓷層15的剛性例如可以對層疊型壓電元 件1，沿與層疊方向垂直的方向施加荷重而容易比較。具體來說，可以通過JIS3點彎曲試驗 (JIS R 1601)等，從與層疊方向垂直的方向對元件1施加荷重來判斷。因為在進行了上述 試驗時，確認元件1在哪一部分斷裂即可。其斷裂部位為元件1中剛性最低的部位。層疊型壓電元件1具備低剛性陶瓷層15，因此，若進行JIS3點彎曲試驗，則相對於 內部電極層5及壓電體層13，在該低剛性陶瓷層15或低剛性陶瓷層15和壓電體層13的界 面優先引起斷裂。這樣，可以通過斷裂的部位為內部電極層5或壓電體層13，還是低剛性陶 瓷層15或低剛性陶瓷層15和壓電體層13的界面來判斷低剛性陶瓷層15的有無。還有，在試片小，不能使用上述JIS3點彎曲試驗的情況下，依照該JIS3點彎曲試 驗，將元件1成為長方形的方柱地加工，製作試片，將該試片置於以一定距離配置的兩個支 點上，向支點之間的中央的一點施加荷重，由此確認低剛性陶瓷層15的有無即可。另外，剛性低可以換而言之為楊氏模量小。作為楊氏模量的測定方法，例如，可以 使用納級壓入法(t 7 43 > )。作為測定裝置，例如，可以使用納級儀器公 司(f 7 4 > ζ 7 A 乂 >卜社)制的「納級壓入機(f ^ 4 >尹 > 夕一)II」。在層疊體7 的與層疊方向垂直或平行的剖面中，使內部電極層5、壓電體層13及低剛性陶瓷層15露出， 使用上述測定裝置，測定楊氏模量即可。圖4是放大了圖2中的低剛性陶瓷層15附近的剖面圖。如圖4所示，層疊型壓電 元件1中陶瓷部19的外表面的至少一部分被被覆層21被覆。因此，在陶瓷部19斷裂的情 況下，陶瓷部19也被被覆層21被覆，因此，能夠抑制陶瓷部19的碎片的散亂。由此，能夠 抑制構成壓電體層13的壓電體粒子11的上述碎片引起的損傷。在此，陶瓷部19的外表面 是指陶瓷部19的表面中相鄰的壓電體層13之間即與壓電體層13隔離的部分。另外，在大的應力臨時施加於元件1時，通過被覆層21從陶瓷部19剝離，能夠使 應力分散。具體來說，在上述的大的應力施加於元件1的情況下，大的應力還施加於被覆層21和陶瓷部19的界面，因此，被覆層21從陶瓷部19剝離。另外，在利用低剛性陶瓷層15緩和施加於元件1的應力的情況下，構成陶瓷部19 的晶粒由於應力而變形。此時，構成陶瓷部19的晶粒與變形的同時自放熱，應力最集中 的 部位局部地變為高溫，因此，由於晶粒引起熱膨脹而在晶粒之間容易發生龜裂，但由於陶瓷 部19被被覆層21被覆，在構成陶瓷部19的晶粒中，與被覆層21接觸的部分的變形的程度 變得最大。因此，不會發生構成陶瓷部19的晶粒之間中的放熱或龜裂，局部地加熱陶瓷部 19和被覆層21之間，被加熱的被覆層21引起熱膨脹而剝離。由此，能夠將熱量從陶瓷部 19向外部效率良好地放出。從而，能夠抑制低剛性陶瓷層15內中的龜裂的進展，能夠使元 件1的驅動穩定。進而，還能夠抑制自放熱引起而發生的陶瓷部19內的氧缺陷的發生。另外，通過被覆層21從陶瓷部19剝離，能夠分散應力，因此，還能夠減小施加於內 部電極層5及壓電體層13的應力。由此，抑制內部電極層5及壓電體層13中的裂紋的發 生。其結果，能夠抑制在層疊方向上相鄰的內部電極層5之間的電短路的發生。如上所述，在本實施方式中，在低剛性陶瓷層15中，通過利用被覆層21覆蓋陶瓷 部19，緩和在層疊型壓電元件1的內部產生的應力，但根據使用層疊型壓電元件1的環境， 覆蓋陶瓷部19的被覆層21的優選的方式不同。例如，在常溫及高溫的兩方的環境下使用層疊型壓電元件1的情況下，優選如圖4 所示，陶瓷部19的外表面的至少一部分不被被覆層21被覆而露出。這樣，通過陶瓷部19 的外表面的至少一部分露出，在常溫及高溫的兩方的環境下使用層疊型壓電元件1的情況 下，也能夠如後所述提高耐久性。在將層疊型壓電元件1使用於汽車發動機的燃料噴射裝 置等的情況下，成為高溫環境下的使用，因此，層疊型壓電元件1與常溫下的使用時相比， 大幅度熱膨脹。在這樣的環境下，由於陶瓷部19和被覆層21的熱膨脹係數差，在陶瓷部19 和被覆層21之間產生應力。然而，不利用被覆層21被覆陶瓷部19的外表面整個面，陶瓷部19的外表面的至 少一部分露出，從而能夠在該露出部分釋放應力。由此，能夠抑制陶瓷部19的碎片的發生 或被覆層21中的裂紋的發生，因此，能夠提高層疊型壓電元件1的耐久性。在大幅度熱膨 脹的高溫環境下的使用中，這樣的方式尤其有效。另外，關於陶瓷部19的側面的至少一部分露出的方式，也可以得到以下所述的不 同的方式。圖5A、圖5B是分別表示本發明的其他實施方式的層疊型壓電元件1中的陶瓷部 19的立體圖。如圖5A所示，可以為陶瓷部19的外表面被相互隔離的多個被覆層21被覆的 方式。由此，外表面在相互隔離的被覆層21之間露出的陶瓷部19的部分容易變形，因此， 陶瓷部19在該部分有選擇地變形。其結果，能夠將基於陶瓷部19的對層疊型壓電元件1 的應力緩和的效果維持得高。另外，應力局部地集中於陶瓷部19的外表面的一部分，被覆層21從陶瓷部19剝 離的情況下，也限於多個被覆層21中只有被覆該應力集中的部分的被覆層21從陶瓷部19 剝離。因此，能夠抑制被覆層21整體從陶瓷部19剝離的情況。其結果，能夠利用被覆層21 穩定地被覆陶瓷部19。另外，可以為包括被覆層21連接的一個被覆層，陶瓷部19的外表面在相互隔離的 多個區域露出的方式。如圖5B所示，通過陶瓷部19的外表面在相互隔離的多個區域中露出地被被覆層21被覆，被覆層21容易變形。因此，在施加電壓，驅動元件1的情況等下，被 覆層21也容易追隨陶瓷部19的變形。其結果，能夠提高陶瓷部19和被覆層21的接合性。 具體來說，由於被覆層21為網眼狀，從而容易追隨陶瓷部19的伸縮，因此優選。另外，在陶瓷部19容易劣化的氣氛下，使用層疊型壓電元件1的情況下，優選陶瓷 部19的外表面的整體被被覆層21被覆。因為如圖5C所示，通過陶瓷部19的外表面的整 體被被覆層21被覆，能夠抑制陶瓷部19的露出，因此，能夠防止陶瓷部19的外表面與外部 空氣等氣氛接觸，能夠進一步可靠地抑制陶瓷部19的劣化。尤其，大量含有水分的情況一 樣，在陶瓷部19容易劣化的氣氛下，使用層疊型壓電元件1時，上述方式有效。另外，優選被覆層21的至少一部分與壓電體層13接合。因為在被覆層21與壓電 體層13接合的情況下，能夠伴隨層疊型壓電元件1的驅動，將從壓電體層13施加於陶瓷部 19的應力從壓電體層13向被覆層21分散，因此，能夠提高陶瓷部19的耐久性。另外，通過 被覆層21與壓電體層13接合，還能夠提高壓電體層13和低剛性陶瓷層15的接合性。圖6是本發明的進而其他實施方式的層疊型壓電元件1，是放大了配設有低剛性 陶瓷層15的部分的放大剖面圖。如圖6所示，陶瓷部19和覆蓋其的被覆層21的方式存在 以下所述的各種方式。 例如，比較大的應力施加於層疊型壓電元件1之類的環境中使用的情況下，優選 多個陶瓷部19的至少一個如圖6的一個所示，與壓電體層13隔離，經由被覆層21與壓電 體層13接合。因為在強的應力局部地施加於低剛性陶瓷層15和壓電體層13的界面的情 況下，也限於被覆層21的損傷，能夠抑制壓電體層13或陶瓷部19損傷的情況。其結果，能 夠提高基於陶瓷部19的應力緩和的效果，另外，還能夠抑制層疊型壓電元件1的變位的降 低。另外，在金屬容易腐蝕的環境中使用的情況下，更優選如圖6所示，陶瓷部19的表 面整體被被覆層21被覆。因為通過陶瓷部19的表面整體被被覆層21被覆，在陶瓷部19 從陶瓷層3隔離的情況下，也能夠不僅防止陶瓷部19的外表面，而且還能夠防止包括外表 面以外的面的表面整體與外部空氣等氣氛接觸的情況。陶瓷層3利用壓電體粒子11構成 的情況等下陶瓷部19的外表面以外的部分與外部空氣接觸時，上述方式尤其有效。由此， 能夠更可靠地抑制陶瓷部19的劣化。圖7是本發明的進而其他實施方式的層疊型壓電元件1，是放大了配設有低剛性 陶瓷層15的部分的放大剖面圖。優選如圖7所示，不僅在陶瓷部19的外表面的一部分，而 且在壓電體層13的與低剛性陶瓷層15對置的面上也延伸形成有被覆層21。應力集中於低 剛性陶瓷層15，因此，該低剛性陶瓷層15附近局部地成為高溫。因此，低剛性陶瓷層15、和 在層疊方向上相鄰的壓電體層13可能由於長期的使用而變性。然而，壓電體層13的與低剛性陶瓷層15對置的面被延伸的被覆層21被覆，從而 能夠減小外部空氣等氣氛引起的影響，抑制壓電體層13的變性。另外，壓電體層13的一部 分剝離，壓電體層13的碎片產生的情況下，也被被覆層21被覆，從而，能夠減小該碎片引起 的影響。圖8是本發明的進而其他實施方式的層疊型壓電元件1，是放大了配設有低剛性 陶瓷層15的部分的放大剖面圖。如圖8所示，優選壓電體層13的與低剛性陶瓷層15對置 的面整體被被覆層21被覆。由此，能夠進一步減小在壓電體層13產生氧缺陷的可能性。
還有，在上述實施方式中，陶瓷部19以陶瓷為主成分。陶瓷部19僅包括陶瓷部分也可，含有金屬或玻璃等成分也可。作為陶瓷成分，具體來說，可以舉出鈦酸鋯酸鉛(PZT) 之類的壓電體或氧化鋁之類的電介質等。在壓電體層13及陶瓷部19分別以氧化物為主成分的情況下，陶瓷部19被被覆層 21被覆的情況有效。因為能夠進一步減小在壓電體層13產生裂紋的可能性。這基於下述理由。利用低剛性陶瓷層15吸收應力，因此，吸收陶瓷部19的應力的部分放熱而局部地 變為高溫。通過這樣地成為高溫，失去構成陶瓷部19的結晶結構內的氧，產生氧空穴。尤 其，在陶瓷部19露出的情況下，在與外部空氣的接觸面中，促進還原反應，因此，氧空穴增 力口。另外，經由壓電體層13施加電場，因此，氧空穴離子化。還有，離子化的氧空穴有時通 過層疊型壓電元件1的驅動電場，經由與低剛性陶瓷層15鄰接的壓電體層13，向正極側傳 導。通過該離子化的氧空穴的傳導，在壓電體層13內部形成氧空穴的通電路徑。在這樣的 通電路徑中存在氧缺陷，發生結晶結構的崩潰，因此，在壓電體層13可能部分地產生強度 小的部位。這樣，由於發生氧缺陷，壓電體層13的強度部分地降低，因此，存在在壓電體層 13產生裂紋的可能性。然而，陶瓷部19被被覆層21被覆，從而能夠抑制低剛性陶瓷層15中的氧缺陷的 發生，因此，其結果，能夠抑制壓電體層13的強度的降低，能夠抑制裂紋的發生。尤其，在接近真空的低壓環境下使用元件1的情況下，更優選陶瓷部19被被覆層 21被覆。因為在低壓環境下，外部空氣中的氧不足，因此，在驅動中局部地加熱的低剛性陶 瓷層15中容易促進還原反應，在壓電體層13容易產生氧缺陷。作為被覆層21，優選能夠抑制由於外部空氣或使用環境中的氣氛而陶瓷部19劣 化的情況的被覆層，例如，可以使用以氧化鋁為首的陶瓷、樹脂或玻璃。樹脂的伸縮性能優 越，因此，即使以高速驅動層疊型壓電元件1，也能夠追隨伸縮的速度，因此，能夠增大層疊 型壓電元件1的驅動距離。另外，上述玻璃或氧化鋁的與陶瓷部19或壓電體層13的接合 性良好，因此，能夠穩定地抑制陶瓷部19的穩定性。尤其，優選被覆層21以玻璃為主成分。玻璃成分的與陶瓷部19的接合性良好，因 此，通過作為被覆層21，使用以玻璃為主成分的被覆層，能夠提高陶瓷部19和被覆層21的 接合性。另外，玻璃成分的與壓電體層13的接合性良好，因此，如上所示，被覆層21與壓電 體層13接合的情況下，還能夠提高壓電體層13和低剛性陶瓷層15的接合性。還有，在本 實施方式中，主成分是指含有的成分中質量％最大的成分。另外，分析玻璃特有的非晶狀態 時，使用X射線衍射(XRD:X-Ray Diffraction)或透過型電子顯微鏡(TEM transmission Electron Microscope)艮口可。進而，玻璃的主成分優選矽氧化物。因為在燒成層疊型壓電元件1而形成時，矽氧 化物與陶瓷部19的主成分一同形成液相，進展燒結，而且，提高與陶瓷部19的親合性。由 此，能夠進一步提高陶瓷部19和被覆層21的接合性。另外，優選被覆層21含有陶瓷部19的主成分。因為通過含有陶瓷部19的主成分， 陶瓷部19和在被覆層21中含有的陶瓷部19的主成分結合，能夠得到高的錨定效果。由此， 能夠進一步提高陶瓷部19和被覆層21的接合性。進而，優選被覆層21含有陶瓷部19的主成分的氧化物。因為通過含有陶瓷部19的主成分的氧化物，從而利用結合力比金屬鍵強的離子鍵，結合陶瓷部19和被覆層21，因 此，能夠進一步提高陶瓷部19和被覆層21的接合性。另外，在陶瓷部19以PZT為主成分的情況下，作為被覆層21，有效的是使用以氧化 鋁為首的氧化物陶瓷。因為陶瓷部19及被覆層21均為氧化物陶瓷，因此，能夠提高陶瓷部 19和被覆層21的接合性。圖9、10分別是放大了本發明的進而其他實施方式的層疊型壓電元件1的配設有 低剛性陶瓷層15的部分的放大剖面圖。優選如圖9、圖10所示，被覆層21由多個層形成。 因為通過被覆層21由多個層形成，在任一個層產生了裂紋的情況下，也能夠 將該裂紋的傳 播僅限於一部分的層，在多個被覆層21中的各個層之間停止裂紋，抑制裂紋向其他層擴展 的情況。由此，能夠抑制裂紋的影響擴及至被覆層21的整體的情況。具體來說，作為內側 的被覆層21a，使用上述玻璃、陶瓷等，作為外側的被覆層21b，可以使用樹脂。進而，優選如圖10所示，被覆層21由多個層形成，並且，壓電體層13的與低剛性 陶瓷層15對置的面也被被覆層21被覆。另外，更優選被覆層21由陶瓷部19的主成分的含量不同的多個層形成。通過在 被覆層21含有陶瓷部19的主成分，能夠使被覆層21的熱膨脹係數接近陶瓷部19的熱膨 脹係數。還有，因為在被覆層21如上所述地由多個層形成的情況下，能夠使被覆層21的熱 膨脹係數階段性地接近陶瓷部19的熱膨脹係數，因此，能夠使在被覆層21和陶瓷部19之 間由於熱膨脹差而產生的應力緩和。另外，優選被覆層21由彈性模量不同的多個層形成。因為在被覆層21包括彈力模 量不同的多個層的情況下，能夠使被覆層21的彈性模量階段性地接近陶瓷部19的彈性模 量，因此，能夠使在被覆層21和陶瓷部19之間由於伸縮驅動而產生的應力緩和。其結果， 能夠抑制被覆層21的自陶瓷部19的剝離，另外，能夠抑制陶瓷部19或被覆層21中的裂紋 的發生。尤其，優選與陶瓷部19接觸的被覆層21a使用包括矽石等玻璃的被覆層，在其上 部使用由樹脂形成的被覆層21b。因為能夠使樹脂特有的優越的伸縮性能、和玻璃特有的 優越的密接性能同時具有。另外，在產生龜裂之類的應力從內部施加於內側的由玻璃形成 的被覆層21a的情況下，也利用具有伸縮性的外側的由樹脂形成的被覆層21b，抑制被覆層 21a中的裂紋的傳播，另外，抑制向被覆層21b的龜裂的傳播。其次，說明本實施方式的層疊型壓電元件1的製法。首先，製作成為壓電體層13的陶瓷生片(green sheet)。具體來說，混合壓電陶瓷 的臨時煅燒粉末、包括丙烯酸系、丁縮醛系等的有機高分子的粘合劑(粘著剤)、和增塑劑， 製作漿料。還有，通過對於該漿料，使用周知的刮板法或壓延輥法等帶模塑法，製作陶瓷生 片。作為壓電陶瓷，具有壓電特性即可，例如，可以使用包括？13&03寸131103等的鈣鈦礦型氧 化物等。另外，增塑劑，可以使用酞酸二丁基酯(DBP)、酞酸二辛基酯(D0P)等。其次，製作成為內部電極層5的導電性糊劑。具體來說，通過向銀一鈀等金屬粉末 中添加混合粘合劑及增塑劑等，能夠製作導電性糊劑。使用網板印刷法，在上述陶瓷生片上 配設該導電性糊劑，如後所述，通過燒成，能夠形成壓電體層13及內部電極層5。低剛性陶瓷層15可以通過使用比成為壓電體層13的漿料加入有更多的粘合劑的 漿料、或向成為壓電體層13的漿料混入了丙烯酸珠(acrylbeads)的漿料來形成。通過在陶瓷生片上使用網板印刷法，配設上述低剛性陶瓷層15的漿料，在燒成或脫脂的工序中， 粘合劑及丙烯酸珠的飛散成分飛散，因此，能夠經由空隙17，形成相互隔離的陶瓷部19。 另外，形成經由空隙17相互隔離的陶瓷部19的方法不限於上述方法。例如，通過 變更網板的篩眼的度數、或圖案形狀，也可以形成上述陶瓷部19。具體來說，通過將網板的 篩眼尺寸設為15 μ m以下，通過網板的墨液糊劑的量不充分，成為所謂的模糊形狀的狀態， 因此，能夠形成經由空隙17相互隔離的陶瓷部19。另外，通過不使墨液糊劑通過網板地進行掩蔽(masking)，墨液糊劑的通過也不充 分，因此，能夠形成經由空隙17相互隔離的陶瓷部19。掩蔽的形狀為所謂的橢圓或圓形的 大致圓形的情況下緩和應力的效果高，因此優選。作為形成被覆陶瓷部19的外表面的至少一部分的被覆層21的方法，可以使用下 述方法。作為第一個方法，可以舉出將層疊燒成了陶瓷生片和導電性糊劑的層疊體7浸漬 於被覆層21的成分的溶液中的方法。通過這樣在被覆層21的成分的溶液中浸漬層疊體7 而提起，能夠利用被覆層21被覆陶瓷部19的表面。此時，在容器中浸漬了層疊體7後，利 用旋轉式泵等真空泵，按每一個容器真空抽吸容器，由此能夠將位於低剛性陶瓷層15中的 空隙17的空氣等氣體脫泡，因此，能夠使被覆層21的成分遍布該層。然後，在從真空恢復 為大氣壓後，加熱元件1，僅使溶媒從溶液揮發，就可以與空隙17 —同形成被覆層21。作為被覆層21的成分的溶液，可以使用將四乙氧基矽烷(TEOS)或膠態矽石分散 於水的溶液。在這種情況下，被覆層21可以形成主要包括Si的氧化物的玻璃的被覆層21。 另外，通過使用將環氧系或矽酮系的樹脂稀釋於丙酮、醚、氯仿、或工業用稀釋劑等溶劑的 溶液，能夠形成由樹脂形成的被覆層21。作為第二個方法，可以舉出在成為低剛性陶瓷層15的陶瓷生片中預先混入成為 被覆層21的部件的方法。還有，經由該陶瓷生片，層疊多個壓電體層13和多個內部電極層 5交替地層疊的層疊體7來燒成即可。尤其，在使用了成為低剛性陶瓷層15的陶瓷生片作 為粘接材料的形成方法的情況下，可以不需要所謂的在上述被覆層21的成分的溶液中浸 漬層疊體7而提起的工序，因此，能夠降低成本。還有，層疊體7不限定於利用上述製法製作的層疊體，只要能夠製作交替地層疊 多個陶瓷層3、和多個內部電極層5而成的層疊體7，就可以利用任意的製法來形成。然後，與端部在層疊型壓電元件1的外表面露出的壓電體層13得到導通地形成外 部電極9。該外部電極9可以通過向玻璃粉末中加入粘合劑，製作銀玻璃導電性糊劑，將其 印刷並乾燥粘接或燒接來得到。其次，向含有包括矽酮橡膠的外裝樹脂的樹脂溶液中浸漬形成了外部電極9的層 疊體7。還有，通過將矽酮樹脂溶液真空脫氣，使矽酮樹脂與層疊體7的外周側面的凹凸部 密接，然後，從矽酮樹脂溶液提起層疊體7。由此，在層疊體7的側面塗敷矽酮樹脂(未圖 示)。還有，在外部電極9利用導電性粘接劑(未圖示)連接作為通電部23的導線。經由導線向一對外部電極9施加0. 1 3kV/mm的直流電壓，將層疊體7極化，由 此完成本實施方式的層疊型壓電元件1。將導線連接於外部的電壓供給部(未圖示)，經由 作為通電部23的導線及外部電極9，向壓電體層13施加電壓，由此能夠通過反壓電效果，使 各壓電體層13大幅度變位。由此，能夠作為例如向汽車的發動機噴射供給燃料的汽車用燃 料噴射閥發揮功能。
在以上的實施方式中，說明低剛性陶瓷層15夾在壓電體層13，低剛性陶瓷層15的 兩面與壓電體層13接觸的方式的形成。然而，本發明不限定於此，可以為低剛性陶瓷層15被壓電體層13和內部電極層5 包夾，低剛性陶瓷層15的一方的面與壓電體層13接觸的方式，也可以為低剛性陶瓷層15 被內部電極層5包夾之類的方式。其次，說明本發明的噴射裝置。圖11是表示本發明的一實施方式的噴射裝置25 的概略剖面圖。如圖11所示，本實施方式的噴射裝置25在一端具有噴射孔27的收容容器 29的內部收容有以上述實施方式為代表的層疊型壓電元件1。在收容容器29內配設有可 以開閉噴射孔27的針閥31。在噴射孔27中，對應於針閥31的活動 ，能夠連通地配設有燃 料通路33。該燃料通路33與外部的燃料供給源連結，時常以一定的高壓向燃料通路33供 給燃料。從而，若針閥31開放噴射孔27，則向燃料通路33供給的燃料以一定的高壓向未圖 示的內燃機的燃料室內噴出。另外，針閥31的上端部的直徑大，在收容容器29中配置形成的汽缸35和能夠滑 動移動的活塞37。還有，在收容容器29內收容有上述層疊型壓電元件1。在這樣的噴射裝置25中，通過施加電壓，層疊型壓電元件1伸長的情況下，按壓活 塞37，針閥31閉塞噴射孔27，停止燃料的供給。另外，若停止電壓的施加，則層疊型壓電元 件1收縮，盤簧39推回活塞37，噴射孔27與燃料通路33連通，進行燃料的噴射。另外，噴射裝置25具備具有噴射孔27的容器、和層疊型壓電元件1，通過層疊型 壓電元件1的驅動，從噴射孔27噴出在容器內填充的液體也可。即，不需要層疊型壓電元 件1 一定在容器的內部，通過層疊型壓電元件1的驅動，使壓力施加於容器的內部即可。還 有，在本實施方式中，液體除了燃料、墨液等之外，還包括導電性糊劑等各種液態流體。其次，說明本發明的燃料噴射系統41。圖12是表示本發明的一實施方式的燃料噴 射系統41的概略圖。如圖12所示，本實施方式的燃料噴射系統41具備蓄積高壓燃料的 共軌43 ；噴射在該共軌43蓄積的燃料的多個上述噴射裝置25 ；向共軌43供給高壓的燃料 的壓力泵45 ；向噴射裝置25賦予驅動信號的噴射控制單元47。噴射控制單元47利用傳感器等感測發動機的燃燒室內的狀況的同時，控制燃燒 噴射的量或時序。壓力泵45發揮從燃料罐49將燃料以1000 2000大氣壓左右(約 IOlMPa 約203MPa)優選以1500 1700大氣壓左右(約152MPa 約172MPa)送入共軌 43的作用。在共軌43中，蓄積從壓力泵45送過來的燃料，適當地送入噴射裝置25。噴射 裝置25如上所述地從噴射孔27將少量的燃料向燃燒室以霧狀噴射。還有，本發明不限定於上述實施方式，可以在不脫離本發明的宗旨的範圍內進行 各種變更。另外，本發明涉及層疊型壓電元件、噴射裝置及燃料噴射系統，但不限定於上述 實施方式，只要是利用了壓電特性的元件，就可以實施。實施例本發明的層疊型壓電元件1如下所述地製作。首先，製作混合了以平均粒徑為0. 4 μ m的鈦酸鋯酸鉛(PZT)粉末為主成分的原料 粉末、粘合劑、及增塑劑的漿料，利用刮板法製作了厚度150 μ m的陶瓷生片。其次，製作了含有作為Ag95質量％ -Pd5質量％的金屬組成的銀鈀合金粉末的原 料粉末中加入了粘合劑的導電性糊劑。
進而，製作混合了以平均粒徑為0.8 ym的鈦酸鋯酸鉛(PZT)為主成分的原料粉 末、粘合劑、平均粒徑為1 P m的丙烯酸珠及增塑劑的漿料，製作了陶瓷糊劑。在試料編號1中，在上述陶瓷生片的一面，利用網板印刷法，將導電性糊劑A成為 30 pm的厚度地印刷。還有，層疊印刷有導電性糊劑的各生片，製作了層疊體7。還有，作為 層疊數，使內部電極層5的數量成為300地層疊，在層疊體7的層疊方向的兩端部僅分別層 疊20片未印刷有導電性糊劑的陶瓷生片。在試料編號2 8中，在上述陶瓷生片的一面，利用網板印刷法，將導電性糊劑成 為30 y m的厚度地印刷。另外，在其他上述陶瓷生片的一面，利用網板印刷法，將陶瓷糊劑 利用網板印刷法成為30pm的厚度地印刷。在試料編號2、3中的在層疊方向的第50、250 個，代替成為內部電極層5的導電性糊劑，配設了陶瓷糊劑。另外，在試料編號4中，陶瓷糊 劑位於層疊方向的第50、100、150、200、250個，還有，在試料編號5 9中，位於在層疊方向 的1、50、100、150、200、250、300個，代替成為內部電極層5的導電性糊劑，配設陶瓷糊劑，由 此層疊印刷有導電性糊劑的生片、和印刷有陶瓷糊劑的的生片，製作了層疊體7。還有，試料 編號5 9與試料編號1相同地，使內部電極層5的數量成為300地層疊，在層疊體7的層 疊方向的兩端部僅分別層疊了 20片陶瓷生片。其次，在規定的溫度下，對各自的試料編號的層疊體7實施了脫粘合劑處理後，在 800 1200°C下燒成，得到了燒結體。此時，在試料編號2 9的層疊體7中，層疊有使用 了含有在燒成時蒸發的丙烯酸珠且粒徑大的PZT的陶瓷糊劑，因此，如表1所示，在該層疊 有陶瓷糊劑的部分形成有空隙率高達為空隙率為80%的低剛性陶瓷層15。進而，關於試料編號3 8的燒結體，浸漬於向將TE0S含有10 %的水溶液中加 入了 lppm的作為凝膠化加速劑的稀硫酸的溶液中，按每一個容器，利用旋轉式泵，減壓至 2X103Pa以下的大氣壓。減壓是為了使溶液滲入低剛性陶瓷層15。然後，恢復至大氣壓後， 在80°C下乾燥了 1小時。另外，關於試料編號6、7的燒結體，再次浸漬於在將TE0S含有10%的水溶液中加 入了 lppm的作為凝膠化加速劑的稀硫酸的溶液中，按每一個容器，利用旋轉式泵，減壓至 130Pa以下的大氣壓。然後，恢復至大氣壓後，在80°C下乾燥了 1小時。另外，就試料編號9的燒結體來說，為了浸漬於含有5質量％的環氧樹脂(商品名 「阿拉路戴特LY-5052」)的丙酮溶液中，使溶液滲入低剛性陶瓷層15，按每一個容器，利用 旋轉式泵，減壓至2X103Pa以下的大氣壓。然後，恢復至大氣壓後，在80°C下乾燥了 1小時。還有，對各個試料編號的燒結體按期望的尺寸加工的基礎上，分別形成了外部電 極9。首先，向以銀為主成分的金屬粉末中添加混合粘合劑、增塑劑、玻璃粉末等，製作了外 部電極9用導電性糊劑。在形成上述燒結體側面的外部電極9的部位，利用網板印刷等，印 刷了該導電性糊劑。進而，在600 800°C下燒成，形成了外部電極9。進而，關於試料編號7 9的燒結體，為了浸漬於含有5質量％的環氧樹脂(商品 名「阿拉路戴特LY-5052」)的丙酮溶液中，使溶液滲入低剛性陶瓷層15，按每一個容器，利 用旋轉式泵，減壓至2X103Pa以下的大氣壓。然後，恢復至大氣壓後，利用丙酮清洗元件1 的表面，並除去樹脂成分，在80°C下乾燥了 1小時。如上所述，製作了層疊型壓電元件1。分別製作了各兩個上述試料編號的層疊型壓電元件1。其中之一是為了使用於基 於掃描型電子顯微鏡(SEM)的觀察，另一個是為了使用於驅動評價。關於在各試料編號的
13層疊型壓電元件1的製作中使用的導電性糊劑的成分、燒成後的內部電極層5的空隙率、低 剛性陶瓷層15的形狀，示出在表1中。還有，空隙率是指在層疊體7的與層疊方向垂直或平行的剖面中，相對於層疊體7 的剖面積，空隙17的面積所佔的比例(％ )。空隙率的測定如下所述地進行。首先，使與層疊方向垂直的剖面露出地使用公知的研磨機構，研磨處理了層疊體 7。具體來說，作為研磨裝置，使用開梅特·日本(株)制臺式研磨機「KEMET-V-300」，利用 金剛石糊劑進行了研磨。例如，利用SEM、光學顯微鏡、金屬顯微鏡等，觀察通過該研磨處理， 露出的剖面，得到剖面圖像，將該剖面圖像進行圖像處理，由此測定了上述空隙率。表 1 如表1所示，試料編號1的層疊型壓電元件1未形成有低剛性陶瓷層15。另一方 面，在試料編號2 9的層疊型壓電元件1中，形成有具備經由空隙17相互隔離的陶瓷部 19、和被覆陶瓷部19的外側面的至少一部分的被覆層21的低剛性陶瓷層15。在此可知，相 對於內部電極層5的空隙率15%，低剛性陶瓷層15的空隙率為80%，能夠形成與內部電極 層5及壓電體層13相比，剛性小的低剛性陶瓷層15。基於SEM的觀察的結果，在試料編號3 5中，在多個陶瓷部19的一部分形成有 由SiO2的玻璃體形成的被覆層21。這是因為TEOS中的Si氧化物在凝膠化後，作為玻璃 體，析出在陶瓷部19的表面。另外，在多個陶瓷部19的一部分，除了上述由SiO2的玻璃體 形成的被覆層21之外，還形成有由PZT的Pb成分和SiO2反應的Pb-Si-O成分的玻璃形成 的被覆層21。在試料編號6中，如圖7所示，在多個陶瓷部19和壓電體層13的一部分形成有由 SiO2的玻璃體形成的被覆層21。另外，在多個陶瓷部19及壓電體層13的一部分，除了上述 由SiO2的玻璃體形成的被覆層21之外，還形成有由PZT的Pb成分和SiO2反應的Pb-Si-O成分的玻璃形成的被覆層21。在試料編號7中，如圖10所示，在多個陶瓷部19和壓電體層13的一部分，形成有 由SiO2的玻璃體形成的被覆層21a。另外，在由SiO2的玻璃體形成的被覆層21a的表面形 成有由環氧樹脂形成的被覆層21b。這樣，在試料編號6及7中，通過將燒結體浸漬於上述 含有TEOS的溶液中，能夠在壓電體層13的一部分形成由SiO2的玻璃體形成的被覆層21。在試料編號8中，如圖9所示，在多個陶瓷部19的一部分形成有由SiO2的玻璃體 形成的被覆層21a、由環氧樹脂形成的被覆層21b。在試料編號9中，如圖4所示，在多個陶瓷部19的一部分形成有由環氧樹脂形成 的被覆層21。其次，進行了驅動評價。作為驅動評價，進行了高速響應性評價和耐久性評價。首 先，將導線與外部電極9連接，經由導線向正極及負極的外部電極9施加3kV/mm的直流電 場15分鐘，進行極化處理，製作了使用層疊型壓電元件1的壓電促動器。向得到的層疊型 壓電元件1施加170V的直流電壓，測定初始狀態的變位量的結果，試料編號1的壓電促動 器為45 μ m,試料編號2 9的壓電促動器為40 μ m。試料編號1的壓電促動器的變位量比 其他試料編號的壓電促動器大的原因是因為在試料編號2 9的層疊型壓電元件1中，低 剛性陶瓷層15未作為壓電體層13發揮作用。作為高速響應性評價，向各個壓電促動器，在室溫下將0 +170V的交流電壓從 150Hz緩慢地增加頻率而施加。作為耐久性評價，向各個壓電促動器，在室溫下將0 +170V 的交流電壓以150Hz的頻率施加，利用真空泵施加，在IX 10_4Pa的環境下，將連續驅動的試 驗進行至IX IO7次。結果如表2所示。表2 如表2所示，在低壓環境下的高速響應性評價後，在大氣中進行了響應性評價的 結果，在試料編號1的壓電促動器中，在頻率超過了 IkHz時發出了蜂鳴聲。這被認為是如 下原因，即試料編號1的層疊型壓電元件1不具備低剛性陶瓷層15，因此，基於內部電極 層5的向壓電體層13的約束力大。這被認為是如下原因，由於壓電體層13的約束力大從 而阻礙高速響應性，其結果，不能追隨施加的交流電壓的頻率。試料編號2的壓電促動器也在低壓環境下的高速響應性評價後，在大氣中，評價 頻率超過了 IkHz時發出了蜂鳴聲。利用SEM觀察的結果，低剛性陶瓷層15的陶瓷部19變 化為黑色而斷裂，與低剛性陶瓷層15鄰接的壓電體層13中，一部分黑色化，進展了龜裂。這 是因為，在低壓環境下進行了上述連續驅動試驗，因此，在與低剛性陶瓷層15鄰接的壓電 體層13中也促進了還原反應。其結果，認為是如下原因，即高速響應性降低，不能追隨施 加的交流電壓的頻率。還有，為了確認驅動頻率，使用橫河電機株式會社制示波器「DL1640L」，確認了試 料編號1及2的壓電促動器的脈衝波形的結果，在相當於驅動頻率的整數倍的頻率的部位 確認到高次諧波噪音。另外，如表2所示，作為耐久性評價的結果，在試料編號1、2的壓電促動器中，評價 試驗後的變位量為5 μ m，與評價試驗相比，接近降低50%。另外，在試料編號1、2的壓電促 動器中，在層疊型壓電元件1的一部分發現了剝離。另一方面，在試料編號3 9的壓電促動器中，未發現剝離，評價試驗後的變位量 也為35 40 μ m，與評價試驗相比，變位量的降低抑制為10%以下。尤其可知，在試料編號 7、8的壓電促動器中，完全未發現變位量的降低，具有非常高的耐久性。
權利要求
一種層疊型壓電元件，其特徵在於，具有具有多個陶瓷層和多個內部電極層且該內部電極層分別夾在對置而設置的陶瓷層而成的層疊體，所述多個陶瓷層包括壓電體層以及與該壓電體層和所述內部電極層相比剛性低的低剛性陶瓷層，所述低剛性陶瓷層具有經由空隙相互隔離的多個陶瓷部及被覆該陶瓷部的外表面的至少一部分的被覆層。
2.根據權利要求1所述的層疊型壓電元件，其中， 所述低剛性陶瓷層的一方的面與所述壓電體層相接。
3.根據權利要求1所述的層疊型壓電元件，其中， 所述低剛性陶瓷層的兩方的面與所述壓電體層相接。
4.根據權利要求2或3所述的層疊型壓電元件，其中，所述被覆層的至少一部分與在層疊方向上相鄰的所述壓電體層接合。
5.根據權利要求2 4中任一項所述的層疊型壓電元件，其中，所述多個陶瓷部的至少一個經由所述被覆層與所述相鄰的壓電體層接合。
6.根據權利要求1 5中任一項所述的層疊型壓電元件，其中， 在所述多個陶瓷部中至少一個陶瓷部的表面的一部分露出。
7.根據權利要求6所述的層疊型壓電元件，其中，在所述多個陶瓷部中至少一個陶瓷部的表面被相互隔離的多個所述被覆層被覆。
8.根據權利要求6所述的層疊型壓電元件，其中， 所述陶瓷部的表面在隔離的多個區域露出。
9.根據權利要求8所述的層疊型壓電元件，其中，在將所述陶瓷部的表面隔離的多個區域露出的被覆層為網眼狀。
10.根據權利要求1 5中任一項所述的層疊型壓電元件，其中， 在所述多個陶瓷部中至少一個陶瓷部的表面整體被所述被覆層被覆。
11.根據權利要求1 10中任一項所述的層疊型壓電元件，其特徵在於， 所述被覆層以玻璃為主成分。
12.根據權利要求1 11中任一項所述的層疊型壓電元件，其特徵在於， 所述被覆層含有所述陶瓷部的主成分。
13.根據權利要求1 12中任一項所述的層疊型壓電元件，其特徵在於， 所述被覆層是由多個層形成的。
14.根據權利要求13所述的層疊型壓電元件，其特徵在於， 所述被覆層由所述陶瓷部的主成分的含量不同的多個層形成。
15.根據權利要求13或14所述的層疊型壓電元件，其特徵在於， 所述被覆層是由彈性模量不同的多個層形成的。
16.一種噴射裝置，其特徵在於，具備權利要求1 15中任一項所述的層疊型壓電元件 和噴射孔，其中，通過所述層疊型壓電元件的驅動，從所述噴射孔噴出液體。
17.一種燃料噴射系統，其特徵在於，具備 具備高壓燃料的共軌；噴射在該共軌蓄積的燃料的權利要求13所述的噴射裝置；以及向所述噴射裝置賦予驅動信號的噴射控制系統。
全文摘要
為了提供在元件大幅度變位的情況或以高速驅動的情況下，耐久性也優越，也抑制了變位量的降低的層疊型壓電元件、使用其的噴射裝置及燃料噴射系統，所述層疊型壓電元件具有具有多個陶瓷層和多個內部電極層且該內部電極層分別夾在對置而設置的陶瓷層而成的層疊體，所述多個陶瓷層包括壓電體層以及與該壓電體層和所述內部電極層相比剛性低的低剛性陶瓷層，所述低剛性陶瓷層具有經由空隙相互隔離的多個陶瓷部及被覆該陶瓷部的外表面的至少一部分的被覆層。
文檔編號H01L41/187GK101878549SQ20088011807
公開日2010年11月3日 申請日期2008年11月28日 優先權日2007年11月28日
發明者岡村健 申請人:京瓷株式會社