CN101765926B - 层叠型压电元件、具有其的喷射装置及燃料喷射*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种即使在高电场、高压力下长期连续驱动的情况下，也可抑制位移量的变化、耐久性优越的层叠型压电元件。该层叠型压电元件具有将多个压电体层和多个金属层交替层叠而成的层叠构造体，压电体层由多个压电体晶粒构成，多个金属层具有内部电极与低刚性金属层，该低刚性金属层的刚性低于压电体层和内部电极，低刚性金属层具有互相分离的多个金属部，该金属部的端部进入压电体晶粒之间。
Description
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***，例如涉及在搭载于汽车发动机的燃料喷射装置、喷墨等液体喷射装置、光学装置等精密定位装置、振动防止装置等的驱动元件(压电致动器)，搭载于燃烧压力传感器、爆震传感器、加速度传感器、载荷传感器、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回转仪、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、具有其的喷射装置及燃料喷射***。
背景技术
迄今以来，层叠型压电元件寻求着在推进小型化的同时，还要确保较大的变位量。由此，一般要求施加有更高的电场，并且在长期连续驱动的严格条件下能够使用。
与电容器等通常的层叠型电子部件不同，层叠型压电元件在驱动时元件自身产生连续性地尺寸变化。并且，全部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驱动变形。因此，对元件施加有很大的应力。
作为解决上述问题的一个方式，提出有在压电体层内部作为目标断裂层预先设置多孔质的层(专利文献1)。在专利文献1中，尝试通过在目标断裂层中使元件断裂，从而缓和施加给各压电体层的应力。
专利文献1：日本特表2006-518934号公报。
发明内容
采用专利文献1公开的方法，能够一定程度上缓和施加给压电体层的应力。然而，对于层叠型压电元件而言，要求在施加更高的电压的条件下能够使用。并且，在这样的严格条件下，在使用上述目标断裂层的情况下， 存在在该目标断裂层中产生的裂缝向预想外的方向进展的可能性。其原因在于，内部电极与邻接的压电体层的晶粒相比，为连续的大的板状的构造。
在这种元件中，压电驱动时变形并伸缩驱动的晶粒受内部电极所约束，因此，晶粒基于驱动电压而难以单独发生变形。由此，成为对晶粒之间始终施加有应力的状态。
并且，若在这种层叠型压电元件的压电体层内部预先设置目标断裂层，在施加了应力时，并不仅仅是在该目标断裂层扩展龟裂，也有在粒子之间扩展龟裂的可能性。这样，若龟裂扩展，会造成在晶粒内或晶粒间产生断裂或龟裂达到内部电极，从而存在不同极的内部电极之间发生短路的可能性。
特别是在高电场、高压力下驱动压电元件的情况下，对压电元件瞬间施加较大的应力，难以使裂缝的方向稳定。另一方面，由于寻求在高电场、高压力下能够长期连续驱动的压电元件，所以需要更有效地缓和施加给元件的应力。
本发明就是鉴于上述问题而作出的，其目的在于，提供一种层叠型压电元件、使用其的喷射装置及燃料喷射***，该层叠型压电元件即使在高电场、高压力下长期连续驱动的情况下，也可抑制位移量的变化，且耐久性优越。
本发明人经过精心研究的结果发现，通过配设具有互相分离的多个金属部的低刚性金属层，能够有效地分散在层叠型压电元件中产生的应力。具有该金属部的低刚性金属层的刚性低于内部电极和压电体层。
即，本发明的第一层叠型压电元件具有将多个压电体层和多个金属层交替层叠而成的层叠构造体，其特征在于，所述压电体层由多个压电体晶粒构成，所述多个金属层具有内部电极与低刚性金属层，该低刚性金属层的刚性低于所述压电体层和所述内部电极，所述低刚性金属层具有互相分离的多个金属部，所述金属部的端部进入所述压电体晶粒之间。
本发明的第二层叠型压电元件具有将多个压电体层和多个金属层交替层叠而成的层叠构造体，其特征在于，所述压电体层具有多个压电体晶粒和接合件，该接合件位于该多个压电体晶粒之间，并对相邻的所述压电体晶粒进行接合，所述多个金属层具有内部电极与低刚性金属层，该低刚 性金属层的刚性低于所述压电体层和所述内部电极，所述低刚性金属层具有互相分离的多个金属部，所述金属部的端部经由所述接合件与所述压电体晶粒接合。
本发明的喷射装置的特征在于，具有上述任一项所述的层叠型压电元件和喷射孔，通过所述层叠型压电元件的驱动而从所述喷射孔喷出液体。
本发明的燃料喷射***的特征在于，具有贮存高压燃料的共轨、喷射贮存于该共轨的燃料的喷射装置、向所述共轨供给高压燃料的压力泵、向所述喷射装置给予驱动信号的喷射控制单元。
发明效果
根据本发明的第一层叠型压电元件，压电体层由多个压电体晶粒构成，多个金属层具有内部电极与低刚性金属层，该低刚性金属层的刚性低于压电体层和内部电极，低刚性金属层具有互相分离的多个金属部。
在如此构成的本发明的第一层叠型压电元件中，在层叠型压电元件的使用时等，在从外部对层叠型压电元件施加强冲击或应力时，可通过低刚性金属层吸收应力。因而，根据本发明的第一层叠型压电元件，抑制了在内部电极或压电体层产生裂缝，从而能够抑制在沿层叠方向相邻的内部电极之间产生电短路的情况。
进而，在本发明的第一层叠型压电元件中，由于上述金属部的端部进入压电体晶粒之间，所以能够提高压电体层的耐久性。其原因在于，金属部的端部进入相邻的压电体晶粒之间，由此使金属部与压电体晶粒的接触的面积增加。
即，压电体晶粒伴随应力变形而自发热。然而，在本发明的第一层叠型压电元件中，由于能够增加金属部与压电体晶粒接触的面积，所以能够提高从压电体晶粒向金属部散热的效果。通过使压电体晶粒的发热有效地散热，从而抑制了耐久性的降低。这样，能够提高压电体层的耐久性。
在本发明的第二层叠型压电元件中，压电体层具有多个压电体晶粒和接合件，该接合件位于该多个压电体晶粒之间，并对相邻的压电体晶粒进行接合，多个金属层具有内部电极与低刚性金属层，该低刚性金属层的刚性低于压电体层和内部电极，低刚性金属层具有互相分离的多个金属部。并且，金属部的端部与接合件接合。
在如此构成的本发明的第二层叠型压电元件中，在层叠型压电元件的使用时等，在从外部对层叠型压电元件施加强冲击或应力时，可通过低刚性金属层吸收应力。因而，根据本发明的第一层叠型压电元件，抑制了在内部电极或压电体层产生裂缝，从而能够抑制在沿层叠方向相邻的内部电极之间产生电短路的情况。
另外，在本发明的第二层叠型压电元件中，由于具有将相邻的压电体晶粒与金属部进行接合的接合件，所以能够提高压电体晶粒与金属部的接合性。其结果是，能够使金属部的位置稳定，因此，可获得位移量稳定的层叠型压电元件。
附图说明
图1是表示本发明的层叠型压电元件所涉及的实施方式的一例的立体图。
图2是表示本发明的层叠型压电元件所涉及的实施方式的一例的、与层叠方向平行的剖视图。
图3是表示本发明的层叠型压电元件所涉及的实施方式的一例的、与层叠方向垂直且包含低刚性金属层的剖视图。
图4是本发明所涉及的实施方式1的第一层叠型压电元件1的区域A的放大剖视图。
图5是表示本发明所涉及的实施方式2的第二层叠型压电元件2的金属部与压电体层的接合的放大剖视图。
图6是表示本发明所涉及的变形例的层叠型压电元件的金属部与压电体层的接合的放大剖视图。
图7是表示与本发明的图6不同的变形例所涉及的层叠型压电元件的金属部与压电体层的接合的放大剖视图。
图8是表示与本发明的图6及图7不同的变形例所涉及的层叠型压电元件的金属部与压电体层的接合的放大剖视图。
图9是表示本发明的喷射装置的剖视图。
图10是表示本发明的一实施方式所涉及的燃料喷射***的概略图。
附图标号说明
1、2 层叠型压电元件
3 压电体层
5 金属层
7 层叠构造体
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 接合件
23 通电部
25 喷射装置
27 喷射孔
29 收纳容器
31 针阀
33 燃料通路
35 工作缸
37 活塞
39 盘簧
41 燃料喷射***
43 共轨
45 压力泵
47 喷射控制单元
49 燃料箱
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的实施方式及其变形例进行说明。图1是表示本发明的第一及第二层叠型压电元件所涉及的实施方式的一例的立体图。图2是表示图1所示的层叠型压电元件的、与层叠方向平行的纵 剖视图。图3是表示图1所示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的横剖视图。
[实施方式1]
如图1～3所示，实施方式1的层叠型压电元件1(以下，称之为“元件1”)具有：将多个压电体层3与多个金属层5交替层叠而成的层叠构造体7、形成于层叠构造体7的侧面的外部电极9。各压电体层3由多个压电体晶粒11构成。另外，多个金属层5具有：与外部电极9电连接的内部电极13；刚性低于压电体层3和内部电极13的低刚性金属层15。
在实施方式1中，所谓“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/或与邻接的层间的结合力较弱且刚性较小的层，并且具有互相分离的多个金属部19。在这些金属部19之间存在例如空隙19。另外，还有在金属部19之间存在陶瓷或树脂等的方式。这样，本发明中的低刚性金属层15是包含这些各种方式的概念。
在实施方式1中，在层叠型压电元件1的使用时等，在从外部对层叠型压电元件1施加强冲击或应力时，可通过低刚性金属层15吸收应力。由此，抑制了在内部电极13或压电体层3产生裂缝，从而能够抑制在沿层叠方向相邻的内部电极13之间产生电短路的情况。
另外，在对层叠型压电元件1施加一定以上的应力的情况下，低刚性金属层优先断裂。这样，通过断裂低刚性金属层，能够缓和应力，因此，即使在施加有更大的应力的情况下，也能够抑制内部电极或压电体层产生断裂。
低刚性金属层15、压电体层3及内部电极13的刚性通过例如对元件沿与层叠方向垂直的方向施加载荷而能够容易比较。具体而言，采用JIS3点弯曲试验(JIS R 1601)等，通过对元件从与层叠方向垂直的方向施加载荷而能够判断。其原因在于，在进行上述的试验时，只要确认在哪一部分有无元件1断裂即可。该断裂部位为元件中刚性最低的部位。
实施方式1的层叠型压电元件1具有低刚性金属层15，因此，当进行JIS3点弯曲试验时，与压电体层3和内部电极13相比，该低刚性金属层15或低刚性金属层15与压电体层3的界面优先发生断裂。这样，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，从而能够进行评价。
并且，由于只要确认在哪一部分有无元件断裂即可，所以在试验片小而无法采用上述JIS3点弯曲试验的情况下，可以依照该JIS3点弯曲试验，将元件加工成长方形的棱柱而制作试验片，且将该试验片放置在配置在规定距离的两支点上，并对支点间的中央的一点施加载荷，从而进行评价。
另外，所谓“刚性低”，可以换而言之称之为“杨氏模量小”。作为杨氏模量的测定方法，可采用例如纳米压痕法。作为测定装置，例如可采用微型仪器(nano instrument)公司制的“微型压入试验机II”。在与层叠构造体7的层叠方向垂直或平行的截面中，使低刚性金属层15、压电体层3或内部电极13露出，从而可以采用上述的测定装置测定杨氏模量。
图4是放大了图2所示的实施方式1的层叠型压电元件涉及的配设低刚性金属层的局部A的放大剖视图。如图4所示，低刚性金属层15具有空隙17和经由空隙17互相分离的多个金属部19。低刚性金属层15通过这样形成，降低了在低刚性金属层15内的结合力及/或与邻接的压电体层3间的结合力，因此，更能够降低低刚性金属层15的刚性。
进而，在对层叠型压电元件1施加应力时，与金属部19相接的压电体晶粒11变形，由此吸收应力。并且，压电体晶粒11将吸收的应力变换为热量并发散。此时，压电体晶粒11与金属部19相接，由此能够经由该金属部19有效地发散热量。
另外，由于多个金属部19互相分离，所以能够抑制裂缝向预想外的方向进展。另外，此处，在层叠型压电元件1的、与层叠方向垂直且包含低刚性金属层15的横截面中，优选低刚性金属层15形成在整个表面上。其原因在于，通过这样形成低刚性金属层15，即使对于来自各个方向的应力也能够获得应力缓和的效果。
图5是表示图4所示的实施方式1的层叠型压电元件所涉及的金属部19与压电体层的接合的放大剖视图。如图5所示，实施方式1的金属部19的至少一个端部进入到相邻的压电体晶粒11之间。由此，能够提高压电体层3的耐久性。其原因在于，如上所示，由于增加了金属部19与压电体晶粒11接触的面积，所以压电体晶粒11能够经由金属部19进行散热。另外，为了提高金属部19与压电体晶粒11的接合性，更优选进入金 属部19的相邻的压电体晶粒11之间的部分呈楔形状。
另外，在进一步增大层叠型压电元件1的位移量的情况下，相反的是，减小了金属部19与压电体晶粒11的接合性，优选在元件的通电时金属部19与压电体晶粒11形成分离。其原因在于，在这样形成金属部19的情况下，若对元件施加拉伸应力，则进入压电体晶粒11之间的金属部19的端部脱落并掉下，由此能够发生更大幅度地位移。
[实施方式2]
接着，根据附图对本发明所涉及的实施方式2的层叠型压电元件2进行详细说明。如图1～图5所示，实施方式2的层叠型压电元件2与实施方式1同样地，具有：将多个压电体层3与多个金属层5交替层叠而成的层叠构造体7、形成于层叠构造体7的侧面的外部电极9。另外，多个金属层5具有：与外部电极9电连接的内部电极13；刚性低于压电体层3和内部电极13的低刚性金属层15。
在实施方式2中，所谓“低刚性金属层15”，也与已示的本发明的第一层叠型压电元件1同样地，是指与压电体层3或内部电极13相比，层内的结合力及/或与邻接的层间的结合力较弱且刚性较小的层。
实施方式2的层叠型压电元件2所涉及的压电体层3具有多个压电体晶粒11、位于多个压电体晶粒11之间并将相邻的压电体晶粒11接合的接合件21，在这一方面，与实施方式1的层叠型压电元件1不同。并且，在实施方式2的层叠型压电元件2中，金属部19的端部经由接合件21与压电体晶粒11接合。这样，各压电体晶粒11经由接合件21与压电体晶粒11接合，由此能够将施加给金属部19的应力分散到未与金属部19相接的压电体层3的更宽的范围内。另外，金属部19经由接合件21与压电体晶粒11接合，由此能够提高金属部19与压电体层3的接合性，从而能够稳定金属部19的位置。
在如上构成的实施方式2的层叠型压电元件2中，在层叠型压电元件2的使用时等，在从外部对层叠型压电元件2施加强冲击或应力时，与实施方式1同样地，可通过低刚性金属层15吸收应力。由此，抑制了在内部电极13或压电体层3产生裂缝，从而能够抑制在沿层叠方向相邻的内部电极13之间产生电短路的情况。
另外，在对层叠型压电元件1施加一定以上的应力的情况下，低刚性金属层优先断裂，从而能够缓和应力，因此，即使在施加有更大的应力的情况下，也能够抑制内部电极或压电体层发生破损。
另外，在实施方式2中，优选金属部19的至少一个端部进入相邻的压电体晶粒11之间。其原因在于，金属部19的端部进入相邻的压电体晶粒11之间，由此能够增加从压电体晶粒11向金属部19的散热量。
而且，在实施方式2中，金属部19将金属作为主要成分。由此，金属部19既可以仅由金属成分构成，也可以含有陶瓷或玻璃等成分。另外，作为接合件21，只要与金属部19或压电体晶粒11的接合性良好即可，具体而言，可采用玻璃或铅等。
特别是，作为接合件21，优选主要成分采用玻璃。其原因在于，玻璃成分与金属部19及压电体层3的接合性良好，从而作为接合件21采用将玻璃作为主要成分，由此提高接合件21与金属部19的接合性。由此，能够将金属部19更可靠地接合在一侧的压电体层3上。并且，在此，所谓“主要成分”，是指含有的成分中质量％最大的成分。另外，为了分析玻璃特有的非结晶状态，可以采用X射线衍射(XRD)或透射型电子显微镜(TEM)。
另外，优选接合件21含有金属部19的主要成分。其原因在于，通过含有金属部19的主要成分，金属部19与接合件21中含有的金属部19的主要成分结合，能够获得锚定效应。由此，能够进一步提高经由接合件21的金属部19与压电体晶粒11的接合性。
进而，优选接合件21含有金属部19的主要成分的氧化物。其原因在于，通过含有金属部19的主要成分的氧化物，利用比金属结合的结合力更强的离子结合来结合金属部19与接合件21，从而能够进一步提高经由接合件21的金属部19与压电体晶粒11的接合性。
特别是，优选玻璃的主要成份为硅氧化物。其原因在于，在烧成而形成层叠型压电元件2时，一同形成金属部19的主要成份的氧化物及液相，不仅进行烧结，而且也提高了与金属部19的亲和性。由此，如图5所示，能够有选择地将接合件21集中在与金属19相接的压电体层3的表层部分上。
[变形例]
图6～图8是分别表示本发明所涉及的层叠型压电元件的变形例或更优选例的图。
在本发明所涉及的层叠型压电元件中，如图6～图8所示，优选金属部19仅与沿层叠方向相邻的两个压电体层3中一压电体层3接合。即，在该优选方式的层叠型压电元件1所涉及的金属部19的至少一个仅与上述一压电体层3接合，与另一压电体层3不接合。在全部的金属部19与一侧及另一侧的压电体层3二者均接合的情况下，约束沿层叠方向相邻的压电体层3的力较强。由此，在金属部19断裂的瞬间，存在应力集中在压电体层3的与金属部19接合的部分的附近的可能性。在该优选的方式中，可抑制在金属部19断裂的瞬间的、向压电体层3的与金属部19接合的附近部分的应力集中。
另外，优选金属部19的至少一个经由接合件21仅与沿层叠方向相邻的两个压电体层3中一侧的电体层3的压电体晶粒11接合。换而言之，优选金属部19的至少一个仅与上述一压电体层3的压电体晶粒11接合，与另一压电体层3不接合。通过这样构成金属部19，能够进一步增加层叠型压电元件1、2的位移量。在全部的金属部19与一侧及另一侧的压电体层3二者均接合的情况下，约束沿层叠方向相邻的压电体层3的力较强。由此，为了获得更大的位移量，存在压电体层3的压电位移并不充分的可能性。另外，存在金属部19断裂的瞬间，应力集中在压电体层3的与金属部19接合的部分的附近的可能性。
与其相对，在金属部19的一部分如上所述未与另一压电体层3接合的情况下，能够减弱约束沿上述层叠方向相邻的两个压电体层3彼此的力。由此，能够抑制压电体层3的断裂或压电体层3与金属部19接合的部分的剥落。另外，在对元件施加拉伸应力的情况下，在压电体层3和未与该压电体层3接合的金属部19之间产生间隙，并在该间隙部分可释放应力。
另外，在对元件1施加压缩应力的情况下，由于金属部19未与上述的压电体层3接合，所以不受该压电体层3所约束，因此，能够限制应力向压电体层3的靠近金属部19的部分的集中。其结果是，能够提高驱动稳定且可靠性高的层叠型压电元件1。
金属部19是否与一侧及另一侧的压电体层3接合，通过进行上述的JIS3点弯曲试验或按照JIS3点弯曲试验的3点弯曲试验来观察该断裂面从而可以进行评价。本实施方式的层叠型压电元件1、2的低刚性金属层15的刚性低于压电体层3及内部电极13，因此，在进行该3点弯曲试验时，在低刚性金属层15的层内及/或与邻接的层的界面发生断裂。
此时，在金属部19与一侧及另一侧的压电体层3二者均接合的情况下，在金属部19断裂的瞬间，应力集中在压电体层3的、与该金属部19接合的部分的附近，因此，存在在压电体层3嵌入龟裂或产生压电体层3的与金属部19的接合部位剥离的部分的情况。另一方面，该优选方式的层叠型压电元件1、2仅与一压电体层3接合，因此压电体层3的与金属部19的接合部位的剥离受到抑制。也就是说，通过剥离的压电体层3的一部分是否接合于在断裂面露出的金属部19，从而可以进行评价。
另外，所谓“一压电体层3”，是指与任意的金属部19沿层叠方向相邻的两个压电体层3中任一个的压电体层3。由此，如图7所示，可以是一个低刚性金属层15中的全部金属部19仅与沿层叠方向相邻的两个压电体层3中的一个(图7中为下方的压电体层3)接合，如图8所示，也可以是低刚性金属层15中的多个金属部19分别仅与沿层叠方向相邻的两个压电体层3中不同的压电体层3接合。此处，图8是表示本发明的层叠型压电元件1所涉及的实施方式的另一例的放大剖视图。
另外，如图6～8所示，优选金属部19的至少一个与沿层叠方向相邻的两个压电体层3中的另一压电体层3分离。这样，金属部19与另一压电体层3分离，从而能够提高压电体层3的耐久性。
其理由如下。层叠型压电元件1、2通过通常地反复通电，以反复伸缩地采用。由此，当金属部19未与另一压电体层3分离而抵接时，在上述的层叠型压电元件1、2的连续驱动中，金属部19与另一压电体层3反复碰撞。然而，在金属部19与另一压电体层3分离的情况下，能够抑制这样的冲击，因此，能够抑制压电体层3的损伤，并提高耐久性。
另外，优选金属部19与一压电体层3的至少两个以上的压电体晶粒11接合。金属部19的一端部与至少两个以上的压电体晶粒11接合，从而在压电体层3内能够提高使应力分散的效果。另外，同时，能够抑制应力 集中在一个压电体晶粒11上而导致产生基于压电体晶粒11自身的损伤的新龟裂的起点。
接着，说明本实施方式的层叠型压电元件1、2的制作方法。
首先，制作构成压电体层3的陶瓷印制电路基板。具体而言，将压电陶瓷的预烧粉末、由丙烯系、丁缩醛系等有机高分子构成的粘结剂、可塑剂进行混合而制作料浆。然后，通过将该料浆采用公知的刮浆法或压延法等带成型法，制作出陶瓷印制电路基板。作为压电陶瓷只要具有压电特性即可，可采用例如由PbZrO3-PbTiO3等构成的钙钛矿型氧化物等。另外，作为可塑剂可采用DBP(邻苯二甲酸二丁酯)、DOP(邻苯二甲酸二辛酯)等。
接着，制作构成金属层5的导电性膏。具体而言，通过将粘结剂及可塑剂等添加并混合到银-钯等金属粉末中，可制作导电性膏。将该导电性膏配设成在整个表面区域采用丝网印刷法，如后所述，通过烧成而形成内部电极13。
通过烧成上述导电性膏，可以形成内部电极13，但为了形成具有互相分离的金属部19的低刚性金属层15，也可以在上述导电性膏混入丙烯酸珠或碳等飞散成分。通过将该混入了上述飞散成分的导电性膏配设成在陶瓷印制电路基板上采用丝网印刷法，可以在烧成或脱脂的工序中使上述飞散成分飞散，从而能够形成互相分离的金属部19。
而且，形成互相分离的金属部19的方法并不局限于上述方法，例如，即便通过变更丝网的网眼的度数或图案形状，也可形成上述的金属部19。具体而言，通过将丝网的网眼尺寸设定在15μm以下，墨液膏量的通过并不充分，形成所谓的“部分没有印刷的形状的状态”，因此，能够形成互相分离的金属部19。另外，通过屏蔽成不使墨液膏通过丝网，同样地，墨液膏的通过并不充分，因此，能够形成互相分离的金属部19。屏蔽的形状为椭圆或圆形的大致圆形则具有缓和应力的效果，因此优选。
另外，通过使接合件21混入构成与低刚性金属层15沿层叠方向相邻的两个压电体层3的两个陶瓷印制电路基板中的一个，如图7所示，能够形成仅与沿层叠方向相邻的两个压电体层3中的一压电体层3接合的金属部19。
另外，仅与沿层叠方向相邻的两个压电体层3中的一压电体层3接合的金属部19除了上述方法以外，也可以通过以下方法来制作。在层叠构成低刚性金属层15的导电性膏、构成与低刚性金属层15沿层叠方向相邻的压电体层3各自的陶瓷印制电路基板时，在一个陶瓷印制电路基板与导电性膏之间层叠含有接合件21的膏。这样，一个陶瓷印制电路基板经由含有接合件21的膏层叠于导电性膏，由此能够形成仅与沿层叠方向相邻的两个压电体层3中的一压电体层3接合的金属部19。
另外，即使通过使与低刚性金属层15的湿润性降低的成分混入构成与低刚性金属层15沿层叠方向相邻的两个压电体层3的两个陶瓷印制电路基板中的另一个，如图5所示，也能够形成仅与沿层叠方向相邻的两个压电体层3中的一压电体层3接合的金属部19。作为使与低刚性金属层15的湿润性降低的部件而言，可列举出BN或碳。这样，根据采用使与低刚性金属层15的湿润性降低部件的方法，在构成与低刚性金属层15沿层叠方向相邻的压电体层3各自的陶瓷印制电路基板中可以不含有接合件21，也能够形成仅与一压电体层2接合的金属部19。
另外，通过使接合件21分别混入构成与低刚性金属层15沿层叠方向相邻的两个压电体层3的两个陶瓷印制电路基板中，如图8所示，各个金属部19以仅与沿层叠方向相邻的两个压电体层3中的任一个压电体层3接合地形成。
另外，通过使接合件21混入形成低刚性金属层15的导电性膏中，各个金属部19以与沿层叠方向相邻的两个压电体层3二方接合地形成。特别是，在形成金属层5的导电性膏中采用银钯合金，使形成低刚性金属层15的导电性膏的银比例比内部电极13高，由此将在烧成工序中形成的压电体层3内的液相成分作为介质，且银从低刚性金属层15向相邻的金属层13扩散，因此，混入形成低刚性金属层15的导电性膏的接合件21与压电体层3的液相成分容易结合，各个金属部19以与沿层叠方向相邻的两个压电体层3双方接合地形成。
另外，在内部电极13由银-钯构成时，与由内部电极13构成的导电性膏相比，采用银-钯的银比例高的导电性膏作为低刚性金属层15，能够不经复杂的工序而形成低刚性金属层15。
其原因在于，在形成有低刚性金属层15的位置配设上述的银比例高的导电性膏且采用同期烧成而形成层叠构造体7时，银从银比例高的导电性膏扩散开。银扩散从而形成互相分离的多个金属部19，其结果是，上述的银比例高的导电性膏构成刚性低于压电体层3或内部电极13的低刚性金属层15。
进而，此时，通过使接合件21混入构成低刚性金属层15的导电性膏，能够效率良好地经由接合件21将金属部19与压电体层3进行接合。其原因在于，混入导电性膏的接合件21与银一同扩散。如上所示，在采用与构成内部电极13的导电性膏相比银-钯的银比例高的导电性膏作为低刚性金属层15的情况下，银从银比例高的导线性膏扩散。伴随该银的扩散，与其连动，接合件21扩散。
由于接合件21与银相比与压电体晶粒11的接合性高，所以在扩散的过程中与压电体晶粒11接合。然后，通过将与压电体晶粒11接合了的接合件21与上述的扩散中的银接合，从而经由接合件21将金属部19与压电体层3接合。
另外，在这样经由接合件21接合金属部19与压电体层3的情况下，由于银或接合件21在压电体晶粒11之间扩散，所以金属部19的端部易于形成进入到相邻的压电体晶粒11之间的形状。其结果，由于金属部19的一端部构成楔形状，因此能够使金属部19的一端部与压电体层3的接合性更加牢固。
另外，为了获得具有高耐久性的层叠型压电元件1，如图6所示，优选金属部19的一部分经由接合件21与沿层叠方向相邻的两个压电体层3的两方接合。其原因在于，通过这样形成金属部19，经由该金属部19连结沿层叠方向相邻的两个压电体层3，从而能够稳定地保持层叠型压电元件1的形状。
通过丝网印刷等在印制电路基板上印刷构成这样的低刚性金属层15的导电性膏厚度1～40μm。然后，层叠多个印刷有导电性膏的陶瓷印制电路基板，并在200～800℃进行脱粘结。此时，为了有效地残存金属部19之间的空隙17，优选以比飞散的成分的玻璃化转变温度(Tg温度)高的温度进行脱脂。
进而，在脱脂之后，通过在900～1200℃下烧成制作层叠构造体7。烧成温度在900℃以上，则能够充分地实现压电体层3的烧结，抑制了对变位特性的影响。另外，在1200℃以下，则抑制了低刚性金属层15的融解或分解，因此能够保持低刚性金属层15的形状。另外，在进行烧成时，也有效地残存金属部19之间的空隙17，因此优选以比飞散的成分的Tg温度高的温度进行保持。
而且，层叠构造体7并不局限于由上述制造方法来制作，只要能够制作将多个压电体层3与多个金属层5交替层叠而成的层叠构造体7，则可以由任何的制造方法来形成。
之后，以与在层叠构造体7的侧面露出端部的内部电极13可导通的方式形成外部电极9。该外部电极9可以通过如下方式获得：向玻璃粉末中添加粘接剂来制作银玻璃导电性膏，将其进行印制并烧结而获得。
接着，将形成了外部电极9的层叠构造体7浸泽于含有由硅酮橡胶构成的外装树脂的树脂溶液中。然后，通过对硅酮树脂溶液进行真空脱气，使硅酮树脂密接于层叠构造体7的侧面外周表面的凹凸部上，之后，从硅酮树脂溶液提起层叠构造体7。由此，在层叠构造体7的侧面涂敷硅酮树脂(未图示)。然后，在外部电极9利用导电性粘合剂(未图示)等连接作为通电部23的导线。
经由导线对一对外部电极9施加0.1～3kv/mm的直流电压，并对层叠构造体7进行分极处理，由此完成本实施方式的层叠型压电元件1。通过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对内部电极13施加电压，由此各压电体层3能够利用逆压电效应而大幅位移。由此，能够作为例如向发动机喷射供给燃料的汽车用燃料喷射阀而发挥功能。
进而，可以将由金属的网眼或网眼状的金属板构成的导电性辅助部件(未图示)埋设在导电性粘合剂中。通过在导电性粘合剂中埋设上述的导电性辅助部件，即使在以高速驱动元件的情况下，在导电性辅助部件中也能够流动大电流，从而抑制了过度的电流流入外部电极9。由此，能够有效地防止外部电极9局部发热而断线，从而提高了耐久性。
另外，在导电性粘合剂中埋设有金属的网眼或网眼状的金属板时，能够减小在上述导电性粘合剂上产生龟裂的可能性。而且，作为金属的网眼，可列举出将编入金属线的结构作为网眼状的金属板，并在金属板上形成孔从而呈现网眼状。
接着，对本发明的一实施方式所涉及的喷射装置25进行说明。
图9是表示本发明的一实施方式所涉及的喷射装置25的概略剖视图。如图9所示，本实施方式所涉及的喷射装置25在一端具有喷射孔27的收纳容器29的内部收纳有上述实施方式有代表性的层叠型压电元件1。在收纳容器29内配设有能够开闭喷射孔27的针阀31。在喷射孔27中对应针阀31的动作而能够连通地配设有燃料通路33。该燃料通路33与外部的燃料供给源连结，并始终以一定的高压向燃料通路33供给燃料。因而，当针阀31开放喷射孔27时，向燃料通路33供给的燃料以一定的高压向未图示的内燃机的燃料室内喷出。
另外，针阀31的上端部的内径增大，且配置有形成于收纳容器29的工作缸35与能够滑动的活塞37。并且，在收纳容器29内收纳有上述的层叠型压电元件1。
在这样的喷射装置25中，若层叠型压电元件1被施加电压而伸长，则活塞37被按压，针阀31闭塞喷射孔27，停止燃料的供给。另外，若停止施加电压，则收缩层叠型压电元件1，盘簧39压回活塞37，喷射孔27与燃料通路33连通而进行燃料的喷射。
另外，本实施方式的喷射装置25具有：具有喷射孔27的容器；层叠型压电元件1，其可以构成为填充于容器内的液体通过层叠型压电元件1的驱动而从喷射孔27喷出。即，层叠型压电元件1未必位于容器的内部，也可以构成为通过层叠型压电元件1的驱动对容器的内部施加压力。而且，在本实施方式中，所谓“液体”，除燃料、墨液等以外，还包括导电性膏等各种液状流体。
接着，说明本发明的一实施方式所涉及的燃料喷射***41。
图10是表示本发明的一实施方式所涉及的燃料喷射***41的概略图。如图10所示，本实施方式所涉及的燃料喷射***41具有：贮存高压燃料的共轨43；喷射贮存于该共轨43的燃料的多个上述的喷射装置25；向共轨43供给高压燃料的压力泵45；向喷射装置25给予驱动信号的喷射控制单元47。
喷射控制单元47为通过传感器等感知发动机的燃烧室内的状况同时控制燃料喷射的量或时机的机构。压力泵45发挥以1000～2000气压程度、优选1500～1700气压程度将燃料从燃料箱49送入共轨43的作用。在共轨43中，贮存从压力泵45送来的燃料，并适宜送入喷射装置25。喷射装置25如上所述，将少量的燃料从喷射孔27呈雾状向燃料室内喷射。
而且，本发明中关于层叠型压电元件、喷射装置25及燃料喷射***41相关的结构，并不局限于上述的实施方式，例如除了搭载于汽车发动机的燃料喷射装置、喷墨等液体喷射装置、光学装置等精密定位装置、振动防止装置等的驱动元件，或者搭载于燃烧压力传感器、爆震传感器、加速度传感器、载荷传感器、超声波传感器、压敏传感器、偏航率传感器等传感器元件以及搭载于压电回转仪、压电开关、压电变压器、压电断路器等电路元件以外，只要是利用了压电特性的元件，也能够实施。
另外，本发明并不局限于上述的实施方式，可以在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种各样的变更。
实施例
按照以下内容进行制作本发明的层叠型压电元件1。
首先，制作混合了将平均粒径0.4μm的锆钛酸铅(PZT)粉末为主要成分的原料粉末、粘结剂及可塑剂的料浆，并通过刮浆法制作厚度150μm的陶瓷印制电路基板A。另外，对于上述的PZT粉末，作为接合件21以含有0.01重量％(wt％)的SiO2地将四乙氧基硅烷(TEOS)混合于料浆，制作厚度150μm的陶瓷印制电路基板B。
接着，制作在含有作为Ag95wt％-Pb5wt％的金属组成的银合金粉末的原料粉末中添加了粘结剂的导电性膏A。另外，制作在含有作为Ag98wt％-Pb2wt％的金属组成的银合金粉末的原料粉末中添加了粘结剂的导电性膏B。进而，制作向含有作为Ag98wt％-Pb2wt％的金属组成的银合金粉末的原料粉末中以相对于银合金粉末作为接合件21含有0.01wt％的SiO2的方式将四乙氧基硅烷(TEOS)与粘结剂一同添加的导电性膏C。
在试样编号1中，在上述基板A的单面通过丝网印刷法印刷导电性膏A厚度为30μm。然后，层叠印刷有导电性膏A的各基板A的各基板A来制作层叠构造体7。而且，作为层叠数，将金属层5的数目层叠为300，在层叠构造体7的层叠方向的两端部分别仅层叠20张未印刷有导电性膏的陶瓷印制电路基板A。
在试样编号2中，在上述基板A的单面通过丝网印刷法印刷导电性膏A厚度为30μm。另外，在上述基板B的单面通过丝网印刷法印刷导电性膏B厚度为30μm。以使被印刷于基板B的导电性膏B位于金属层5中层叠方向的第50、100、150、200、250号的5个部位的方式来层叠印刷有导电性膏A的基板A以及印刷有导电性膏B的基板B，从而制作层叠构造体7。而且，与试样编号1同样地，作为层叠数，将金属层5的数目层叠为300，在层叠构造体7的层叠方向的两端部分别仅层叠20张未印刷有导电性膏的陶瓷印制电路基板A。
在试样编号3中，与试样编号2同样地制作层叠构造体7。其中，试样编号2的导电性膏B中仅层叠方向的一侧与基板B相邻，与其相对，在试样编号3中，导电性膏B位于被基板B所挟持的位置，在这一方面有所不同。
在试样编号4中，在上述基板A的单面通过丝网印刷法印刷导电性膏A厚度为30μm。另外，在另一基板A的单面通过丝网印刷法印刷导电性膏C厚度为30μm。以导电性膏C位于金属层5中层叠方向的第50、100、150、200、250号的方式来层叠印刷有导电性膏A的基板A以及印刷有导电性膏C的基板A，从而制作层叠构造体7。而且，与试样编号1同样地，作为层叠数，将金属层5的数目层叠为300，在层叠构造体7的层叠方向的两端部分别仅层叠20张未印刷有导电性膏的陶瓷印制电路基板A。
接着，以规定的温度对各试样编号的层叠构造体7进行脱粘结剂之后，在800～1200℃下烧成而获得烧结体。此时，在试样编号2、3的层叠构造体7中，采用银浓度不同的导电性膏A与导电性膏B，在试样编号4的层叠构造体7中，采用银浓度不同的导电性膏A与导电性膏C，因此，银从银浓度高的导电性膏B或导电性膏C向银浓度低的导电性膏A扩散。由此，如表1所示，形成有空隙率80％与空隙率高的低刚性金属层15。
接着，将各个烧结体加工成期望的尺寸的基础上分别形成外部电极9。首先，在主要由银构成的金属粉末中添加混合了粘结剂、可塑剂、玻璃粉 末等而制作外部电极9的导电性膏。将该导电性膏通过丝网印刷等印刷在形成上述烧结体侧面的外部电极9的部位上并在600～800℃下进行烧成，从而可以形成外部电极9。这样，制作出层叠型压电元件1。
分别制作各两个上述的试样编号的层叠型压电元件1。其原因在于，一个用于基于扫描型电子显微镜(SEM)的观察中，剩余的一个用于驱动评价。以表1示出用于各试样编号的层叠型压电元件1的制作的导电性膏的成分、烧成后的金属层5的空隙率、低刚性金属层15的形状。
而且，所谓“空隙率”，是指在与层叠构造体7的层叠方向垂直或平行的截面中相对于层叠构造体7的截面积空隙17的面积所占有的比例(％)。空隙率的测定如下进行。
首先，使用公知的研磨机构将层叠构造体7研磨处理成露出与层叠方向垂直的截面。具体而言，例如作为研磨装置可以采用KEMET JAPAN(株式会社)公司制桌上研磨机KEMET-V-300并用金刚石研磨膏进行研磨。通过该研磨处理露出的截面例如通过SEM、光学显微镜、金属显微镜等观察而获得截面图像，并通过对该截面图像进行图像处理来测定蒸汽的空隙率。
(表1)
如表1所示，由于试样编号1的层叠型压电元件1采用同一成分的导电性膏，所以并未形成有低刚性金属层15。另一方面，在试样编号2-4的层叠型压电元件1中，通过银的扩散，形成有低刚性金属层15。另外，由此可知，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％，从而能够形成刚性小于金属层5及压电体层3的低刚性金属层15。
如表1所示，基于SEM的观察的结果是，在试样编号2中，如图7所示，一个低刚性金属层15中的全部的金属部19仅与沿层叠方向相邻的两个压电体层3中的一个(图7中为下方的压电体层3)接合。其原因在在于，仅在与低刚性金属层15沿层叠方向相邻的压电体层3中的一个混入了接合件21。
另外，在试样编号3中，如图8所示，低刚性金属层15中的多个金属部19分别仅与沿层叠方向相邻的两个压电体层3中的任一个压电体层3接合。其原因在于，在与低刚性金属层15沿层叠方向相邻的压电体层3中的两个混入了作为接合件21由Si-Pb-Ag的氧化物构成的玻璃层。接合件21通过EPMA及XRD来分析从而进行评价。
另外，在试样编号4中，如图6所示，低刚性金属层15中的多个金属部19的一部分经由接合件21与沿层叠方向相邻的两个压电体层3两方接合。其原因在于，混入了导电性膏中的接合件21与银一同扩散。
接着，进行驱动评价。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，在正极及负极的外部电极9经由导线施加15分钟3kv/mm的直流电场来进行极化处理，从而制作采用了层叠型压电元件1的压电致动器。对获得的层叠型压电元件1施加170V的直流电压并测定初始状态的位移量后，试样编号1的压电致动器为45μm，试样编号2-4的压电致动器为40μm，试样编号1的压电致动器的位移量大于其它试样编号的压电致动器，这是由于在试样编号2-4的层叠型压电元件1中，低刚性金属层15并未作为内部电极13发挥作用。
作为高速响应性评价，对各压电致动器在室温下从150Hz逐渐增加频率并施加0～+170V的交流电压。作为耐久性评价，对各压电致动器在室温下在150Hz的频率下施加0～+170V的交流电压，并连续驱动到1×109 次的试验。结果如表2所示。
(表2)
| 试样编 号 | 初始状态 的位移量 (μm) | 产生高频成 分的干扰 | 1kHz以上 产生节拍 音 | 1×109循环 后的位移量 | 连续驱动后 (1×109 次)在层叠 部分剥落 |
| 1 | 45 | 有 | 有 | 5 | 有 |
| 2 | 40 | 无 | 无 | 35 | 无 |
| 3 | 40 | 无 | 无 | 38 | 无 |
| 4 | 40 | 无 | 无 | 40 | 无 |
如表2所示，作为高速响应性评价的结果，在试样编号1的压电致动器中，在频率超过1kHz时发生节拍音。这是由于试样编号1的层叠型压电元件1不具有低刚性金属层15，所以对基于内部电极13的压电体层3的约束力较大。由于压电体层3的约束力较大，所以阻碍了高速响应性，其结果是，无法追踪施加的交流电压的频率，这被认为是原因所在之处。
而且，为了确认驱动频率，采用横河制的示波器DL1640L确认试样编号1的压电致动器的脉冲波形后，可在相当于驱动频率的整数倍的频率的部位确认高次谐波干扰。
另外，如表2所示，作为耐久性评价的结果，在试样编号1的压电致动器中，评价试样后的位移量为5μm，与评价试验前降低90％左右。另外，在试样编号1的压电致动器中，发现层叠型元件的一部分剥落。
另一方面，在试样编号2-4的压电致动器中，并未发现剥落，评价试验后的位移量也为35～40μm，与评价试验前相比位移量的降低限制在10％以下。特别是，在试样编号4的压电致动器中，几乎没有位移量的降低，可知具有非常高的耐久性。
Claims (15)
1.一种层叠型压电元件，其具有将多个压电体层和多个金属层交替层叠而成的层叠构造体，其特征在于，
所述压电体层由多个压电体晶粒构成，
所述多个金属层具有内部电极与低刚性金属层，该低刚性金属层的刚性低于所述压电体层和所述内部电极，
所述低刚性金属层具有互相分离的多个金属部，
所述金属部的端部进入所述压电体晶粒之间。
2.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于，
在所述金属部之间存在有空隙。
3.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述金属部进入所述压电体晶粒之间的端部呈楔形状。
4.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于，
在通电时所述金属部与所述压电体晶粒分离。
5.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述压电体层具有接合件，该接合件位于所述多个压电体晶粒之间，并对相邻的所述压电体晶粒进行接合，
所述金属部经由所述接合件与所述压电体晶粒接合。
6.一种层叠型压电元件，其具有将多个压电体层和多个金属层交替层叠而成的层叠构造体，其特征在于，
所述压电体层具有多个压电体晶粒和接合件，该接合件位于该多个压电体晶粒之间，并对相邻的所述压电体晶粒进行接合，
所述多个金属层具有内部电极与低刚性金属层，该低刚性金属层的刚性低于所述压电体层和所述内部电极，
所述低刚性金属层具有互相分离的多个金属部，
所述金属部的端部经由所述接合件与所述压电体晶粒接合。
7.根据权利要求6所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述金属部的端部进入所述压电体晶粒之间。
8.根据权利要求6所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述接合件以玻璃作为主要成分，
所述主要成分是指含有的成分中质量％最大的成分。
9.根据权利要求6所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述接合件含有所述金属部的主要成分，
所述主要成分是指含有的成分中质量％最大的成分。
10.根据权利要求9所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述接合件含有所述金属部的主要成分的氧化物。
11.根据权利要求6所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述金属部经由所述接合件仅与沿层叠方向相邻的两个所述压电体层中一压电体层的所述压电体晶粒接合。
12.根据权利要求11所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述金属部与沿所述层叠方向相邻的两个压电体层中另一压电体层分离。
13.根据权利要求11所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述金属部与所述一压电体层的至少两个以上的压电体晶粒接合。
14.一种喷射装置，其特征在于，
具有权利要求1～13中任一项所述的层叠型压电元件和喷射孔，
通过所述层叠型压电元件的驱动而从所述喷射孔喷出液体。
15.一种燃料喷射***，其中，具有：
贮存1000～2000气压的高压燃料的共轨；
喷射贮存于该共轨的燃料的权利要求14所述的喷射装置；
向所述共轨供给1000～2000气压的高压燃料的压力泵；
向所述喷射装置给予驱动信号的喷射控制单元。
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