CN101878549B - 层叠型压电元件、具备其的喷射装置及燃料喷射*** - Google Patents

层叠型压电元件、具备其的喷射装置及燃料喷射*** Download PDF

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Abstract

为了提供在元件大幅度变位的情况或以高速驱动的情况下，耐久性也优越，也抑制了变位量的降低的层叠型压电元件、使用其的喷射装置及燃料喷射***，所述层叠型压电元件具有：具有多个陶瓷层和多个内部电极层且该内部电极层分别夹在对置而设置的陶瓷层而成的层叠体，所述多个陶瓷层包括压电体层以及与该压电体层和所述内部电极层相比刚性低的低刚性陶瓷层，所述低刚性陶瓷层具有经由空隙相互隔离的多个陶瓷部及被覆该陶瓷部的外表面的至少一部分的被覆层。

Description

层叠型压电元件、具备其的喷射装置及燃料喷射***
技术领域
本发明涉及例如在驱动元件(压电促动器)、传感器元件及回路元件中使用的层叠型压电元件。作为驱动元件，例如，可以举出汽车发动机的燃料喷射装置、墨液喷射器之类的液体喷射装置、光学装置之类的精密定位装置及振动防止装置。作为传感器元件，例如，可以举出燃烧压力传感器、爆震传感器(ノツクセンサ)、加速度传感器、荷重传感器、超声波传感器、压敏传感器及偏航速率传感器(ヨ一レ一トセンサ)。另外，作为回路元件，例如，可以举出压电陀螺(圧電ジヤイロ)、压电开关、压电变压器及压电制动器。
背景技术
从以往开始，层叠型压电元件寻求进展小型化的同时，在大的压力下能够确保大的变位量。因此，寻求施加更高的电压，而且能够在长时间连续驱动的残酷的条件化下使用。
与电容器等通常的层叠型电子部件不同地，层叠型压电元件在驱动时，元件自身连续地引起尺寸变化。还有，通过所有的压电体层经由内部电极密接而驱动，层叠型压电元件作为一体，大大地驱动变形。因此，大的应力施加于元件。
作为解决所述问题的方案之一，在专利文献1中，提出了预先在压电体层的一部分作为目标截断层设置有多孔的层的元件。
【专利文献1】特表2006-518934号公报
如专利文献1中公开，通过在目标截断层使层叠型压电元件断裂，能够将施加于压电体层的应力缓和某种程度。这是因为通过构成目标截断层的陶瓷断裂，缓和施加于压电体层或内部电极的应力。然而，对层叠型压电元件要求更大的变位量或高的响应性。
在元件大幅度变位的情况或以高速驱动的情况下，由于构成目标截断层的陶瓷的断裂，陶瓷的碎片产生。还有，由于这样的陶瓷的碎片，存在压电体层损伤，元件的变位量降低的可能性。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而做成的。即，其目的在于在元件大幅度变位的情况下或以高速驱动的情况下，耐久性也优越，也抑制变位量的降低的层叠型压电元件、使用其的喷射装置及燃料喷射***。
本发明的层叠型压电元件，具有：具有多个陶瓷层和多个内部电极层，该内部电极层分别夹在对置而设置的陶瓷层而成的层叠体，所述多个陶瓷层包括压电体层以及与该压电体层和所述内部电极层相比刚性低的低刚性陶瓷层，所述低刚性陶瓷层具有经由空隙相互隔离的多个陶瓷部以及被覆该陶瓷部的外表面的至少一部分的被覆层。
根据本发明的层叠型压电元件可知，低刚性陶瓷层具有经由空隙相互隔离的陶瓷部，因此，由于下述理由，能够具有高的耐久性。具体来说，陶瓷部经由空隙相互隔离，从而，能够降低低刚性陶瓷层的刚性，能够由该低刚性陶瓷层吸收应力。由此，能够减小向压电体层及内部电极层的应力的集中，因此，能够抑制层叠型压电元件的变位量的降低。
进而，就本发明的层叠型压电元件来说，陶瓷部的外表面的至少一部分被被覆层被覆，因此，能够长期维持优越的耐久性。由于应力缓和，陶瓷部断裂而陶瓷的碎片产生的情况下，也由于陶瓷部被被覆层被覆，从而能够抑制该碎片的散乱。还有，能够抑制该碎片引起的压电体层的损伤。
附图说明
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是表示本发明的层叠型压电元件的实施方式的一例，是与层叠方向垂直且包含低刚性陶瓷层的剖面图。
图4是放大了图2所示的实施方式的低刚性陶瓷层的放大剖面图。
图5A是表示本发明的层叠型压电元件中的被覆层的一方式的立体图。
图5B是表示本发明的层叠型压电元件中的被覆层的其他方式的立体图。
图5C是表示本发明的层叠型压电元件中的被覆层的进而不同的方式的立体图。
图6是放大了本发明的层叠型压电元件的其他实施方式中的配设有低刚性陶瓷层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其他实施方式中的配设有低刚性陶瓷层的部分的放大剖面图。
图8是放大了本发明的层叠型压电元件的其他实施方式中的配设有低刚性陶瓷层的部分的放大剖面图。
图9是放大了本发明的层叠型压电元件的其他实施方式中的配设有低刚性陶瓷层的部分的放大剖面图。
图10是放大了本发明的层叠型压电元件的其他实施方式中的配设有低刚性陶瓷层的部分的放大剖面图。
图11是表示本发明的喷射装置的剖面图。
图12是表示本发明的一实施方式的燃料喷射***的概略图。
图中：1-层叠型压电元件；3-陶瓷层；5-内部电极层；7-层叠体；9-外部电极；11-压电体粒子；13-压电体层；15-低刚性陶瓷层；17-空隙；19-陶瓷部；21-被覆层；21a-被覆层；21b-被覆层；23-通电部；25-喷射装置；27-喷射孔；29-收容容器；31-针阀；33-燃料通路；35-汽缸；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-燃料罐。
具体实施方式
以下，使用附图，详细地说明本发明的层叠型压电元件。图1是表示本发明的一实施方式的层叠型压电元件的立体图。图2是图1所示的层叠型压电元件即与层叠方向平行的剖面图。图3是图1所示的层叠型压电元件即与层叠方向垂直且包含低刚性陶瓷层的剖面图。
如图1～图3所示，本实施方式的层叠型压电元件1(以下，还简称为元件1)具有：具有多个陶瓷层3和多个内部电极层5，内部电极层5分别夹在对置设置的陶瓷层3的层叠体7；和在层叠体7的侧面形成的外部电极9。另外，各个陶瓷层3具备：压电体层13；与压电体层13及内部电极层5相比，刚性低的低刚性陶瓷层15，低刚性陶瓷层15配置于两个压电体层13之间。
在本实施方式中，低刚性陶瓷层15是指：与内部电极层5及压电体层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，低刚性陶瓷层15具有：经由空隙17相互隔离的多个陶瓷部19；被覆陶瓷部19的外表面的至少一部分的被覆层21。
多个陶瓷部19经由空隙17相互隔离，因此，容易利用低刚性陶瓷层15吸收应力。因此，由于层叠型压电元件1的使用，元件1伸缩的情况下或强的冲击或应力从外部施加于元件1的情况下，也能够通过压电元件19变形或断裂，吸收应力。由此，应力集中于内部电极层5或压电体层13，能够抑制产生裂纹的情况。其结果，能够抑制在层叠方向上相邻的内部电极层5之间发生电短路的情况。
尤其在高电场、高压力下驱动元件1的情况下，大的应力瞬间施加于元件1，因此，难以预测裂纹朝向哪一方向，难以使裂纹的方向稳定。另一方面，寻求在高电场、高压力下能够长时间连续驱动的压电元件，因此，需要更有效地缓和施加于元件1的应力。
内部电极层5、压电体层13及低刚性陶瓷层15的刚性例如可以对层叠型压电元件1，沿与层叠方向垂直的方向施加荷重而容易比较。具体来说，可以通过JIS3点弯曲试验(JIS R 1601)等，从与层叠方向垂直的方向对元件1施加荷重来判断。因为在进行了上述试验时，确认元件1在哪一部分断裂即可。其断裂部位为元件1中刚性最低的部位。
层叠型压电元件1具备低刚性陶瓷层15，因此，若进行JIS3点弯曲试验，则相对于内部电极层5及压电体层13，在该低刚性陶瓷层15或低刚性陶瓷层15和压电体层13的界面优先引起断裂。这样，可以通过断裂的部位为内部电极层5或压电体层13，还是低刚性陶瓷层15或低刚性陶瓷层15和压电体层13的界面来判断低刚性陶瓷层15的有无。
还有，在试片小，不能使用上述JIS3点弯曲试验的情况下，依照该JIS3点弯曲试验，将元件1成为长方形的方柱地加工，制作试片，将该试片置于以一定距离配置的两个支点上，向支点之间的中央的一点施加荷重，由此确认低刚性陶瓷层15的有无即可。
另外，刚性低可以换而言之为杨氏模量小。作为杨氏模量的测定方法，例如，可以使用纳级压入法(ナノインデンテ一シヨン)。作为测定装置，例如，可以使用纳级仪器公司(ナノインスツルメント社)制的“纳级压入机(ナノインデンタ一)II”。在层叠体7的与层叠方向垂直或平行的剖面中，使内部电极层5、压电体层13及低刚性陶瓷层15露出，使用上述测定装置，测定杨氏模量即可。
图4是放大了图2中的低刚性陶瓷层15附近的剖面图。如图4所示，层叠型压电元件1中陶瓷部19的外表面的至少一部分被被覆层21被覆。因此，在陶瓷部19断裂的情况下，陶瓷部19也被被覆层21被覆，因此，能够抑制陶瓷部19的碎片的散乱。由此，能够抑制构成压电体层13的压电体粒子11的上述碎片引起的损伤。在此，陶瓷部19的外表面是指陶瓷部19的表面中相邻的压电体层13之间即与压电体层13隔离的部分。
另外，在大的应力临时施加于元件1时，通过被覆层21从陶瓷部19剥离，能够使应力分散。具体来说，在上述的大的应力施加于元件1的情况下，大的应力还施加于被覆层21和陶瓷部19的界面，因此，被覆层21从陶瓷部19剥离。
另外，在利用低刚性陶瓷层15缓和施加于元件1的应力的情况下，构成陶瓷部19的晶粒由于应力而变形。此时，构成陶瓷部19的晶粒与变形的同时自放热，应力最集中的部位局部地变为高温，因此，由于晶粒引起热膨胀而在晶粒之间容易发生龟裂，但由于陶瓷部19被被覆层21被覆，在构成陶瓷部19的晶粒中，与被覆层21接触的部分的变形的程度变得最大。因此，不会发生构成陶瓷部19的晶粒之间中的放热或龟裂，局部地加热陶瓷部19和被覆层21之间，被加热的被覆层21引起热膨胀而剥离。由此，能够将热量从陶瓷部19向外部效率良好地放出。从而，能够抑制低刚性陶瓷层15内中的龟裂的进展，能够使元件1的驱动稳定。进而，还能够抑制自放热引起而发生的陶瓷部19内的氧缺陷的发生。
另外，通过被覆层21从陶瓷部19剥离，能够分散应力，因此，还能够减小施加于内部电极层5及压电体层13的应力。由此，抑制内部电极层5及压电体层13中的裂纹的发生。其结果，能够抑制在层叠方向上相邻的内部电极层5之间的电短路的发生。
如上所述，在本实施方式中，在低刚性陶瓷层15中，通过利用被覆层21覆盖陶瓷部19，缓和在层叠型压电元件1的内部产生的应力，但根据使用层叠型压电元件1的环境，覆盖陶瓷部19的被覆层21的优选的方式不同。
例如，在常温及高温的两方的环境下使用层叠型压电元件1的情况下，优选如图4所示，陶瓷部19的外表面的至少一部分不被被覆层21被覆而露出。这样，通过陶瓷部19的外表面的至少一部分露出，在常温及高温的两方的环境下使用层叠型压电元件1的情况下，也能够如后所述提高耐久性。在将层叠型压电元件1使用于汽车发动机的燃料喷射装置等的情况下，成为高温环境下的使用，因此，层叠型压电元件1与常温下的使用时相比，大幅度热膨胀。在这样的环境下，由于陶瓷部19和被覆层21的热膨胀系数差，在陶瓷部19和被覆层21之间产生应力。
然而，不利用被覆层21被覆陶瓷部19的外表面整个面，陶瓷部19的外表面的至少一部分露出，从而能够在该露出部分释放应力。由此，能够抑制陶瓷部19的碎片的发生或被覆层21中的裂纹的发生，因此，能够提高层叠型压电元件1的耐久性。在大幅度热膨胀的高温环境下的使用中，这样的方式尤其有效。
另外，关于陶瓷部19的侧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。
图5A、图5B是分别表示本发明的其他实施方式的层叠型压电元件1中的陶瓷部19的立体图。如图5A所示，可以为陶瓷部19的外表面被相互隔离的多个被覆层21被覆的方式。由此，外表面在相互隔离的被覆层21之间露出的陶瓷部19的部分容易变形，因此，陶瓷部19在该部分有选择地变形。其结果，能够将基于陶瓷部19的对层叠型压电元件1的应力缓和的效果维持得高。
另外，应力局部地集中于陶瓷部19的外表面的一部分，被覆层21从陶瓷部19剥离的情况下，也限于多个被覆层21中只有被覆该应力集中的部分的被覆层21从陶瓷部19剥离。因此，能够抑制被覆层21整体从陶瓷部19剥离的情况。其结果，能够利用被覆层21稳定地被覆陶瓷部19。
另外，可以为包括被覆层21连接的一个被覆层，陶瓷部19的外表面在相互隔离的多个区域露出的方式。如图5B所示，通过陶瓷部19的外表面在相互隔离的多个区域中露出地被被覆层21被覆，被覆层21容易变形。因此，在施加电压，驱动元件1的情况等下，被覆层21也容易追随陶瓷部19的变形。其结果，能够提高陶瓷部19和被覆层21的接合性。具体来说，由于被覆层21为网眼状，从而容易追随陶瓷部19的伸缩，因此优选。
另外，在陶瓷部19容易劣化的气氛下，使用层叠型压电元件1的情况下，优选陶瓷部19的外表面的整体被被覆层21被覆。因为如图5C所示，通过陶瓷部19的外表面的整体被被覆层21被覆，能够抑制陶瓷部19的露出，因此，能够防止陶瓷部19的外表面与外部空气等气氛接触，能够进一步可靠地抑制陶瓷部19的劣化。尤其，大量含有水分的情况一样，在陶瓷部19容易劣化的气氛下，使用层叠型压电元件1时，上述方式有效。
另外，优选被覆层21的至少一部分与压电体层13接合。因为在被覆层21与压电体层13接合的情况下，能够伴随层叠型压电元件1的驱动，将从压电体层13施加于陶瓷部19的应力从压电体层13向被覆层21分散，因此，能够提高陶瓷部19的耐久性。另外，通过被覆层21与压电体层13接合，还能够提高压电体层13和低刚性陶瓷层15的接合性。
图6是本发明的进而其他实施方式的层叠型压电元件1，是放大了配设有低刚性陶瓷层15的部分的放大剖面图。如图6所示，陶瓷部19和覆盖其的被覆层21的方式存在以下所述的各种方式。
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，优选多个陶瓷部19的至少一个如图6的一个所示，与压电体层13隔离，经由被覆层21与压电体层13接合。因为在强的应力局部地施加于低刚性陶瓷层15和压电体层13的界面的情况下，也限于被覆层21的损伤，能够抑制压电体层13或陶瓷部19损伤的情况。其结果，能够提高基于陶瓷部19的应力缓和的效果，另外，还能够抑制层叠型压电元件1的变位的降低。
另外，在金属容易腐蚀的环境中使用的情况下，更优选如图6所示，陶瓷部19的表面整体被被覆层21被覆。因为通过陶瓷部19的表面整体被被覆层21被覆，在陶瓷部19从陶瓷层3隔离的情况下，也能够不仅防止陶瓷部19的外表面，而且还能够防止包括外表面以外的面的表面整体与外部空气等气氛接触的情况。陶瓷层3利用压电体粒子11构成的情况等下陶瓷部19的外表面以外的部分与外部空气接触时，上述方式尤其有效。由此，能够更可靠地抑制陶瓷部19的劣化。
图7是本发明的进而其他实施方式的层叠型压电元件1，是放大了配设有低刚性陶瓷层15的部分的放大剖面图。优选如图7所示，不仅在陶瓷部19的外表面的一部分，而且在压电体层13的与低刚性陶瓷层15对置的面上也延伸形成有被覆层21。应力集中于低刚性陶瓷层15，因此，该低刚性陶瓷层15附近局部地成为高温。因此，低刚性陶瓷层15、和在层叠方向上相邻的压电体层13可能由于长期的使用而变性。
然而，压电体层13的与低刚性陶瓷层15对置的面被延伸的被覆层21被覆，从而能够减小外部空气等气氛引起的影响，抑制压电体层13的变性。另外，压电体层13的一部分剥离，压电体层13的碎片产生的情况下，也被被覆层21被覆，从而，能够减小该碎片引起的影响。
图8是本发明的进而其他实施方式的层叠型压电元件1，是放大了配设有低刚性陶瓷层15的部分的放大剖面图。如图8所示，优选压电体层13的与低刚性陶瓷层15对置的面整体被被覆层21被覆。由此，能够进一步减小在压电体层13产生氧缺陷的可能性。
还有，在上述实施方式中，陶瓷部19以陶瓷为主成分。陶瓷部19仅包括陶瓷部分也可，含有金属或玻璃等成分也可。作为陶瓷成分，具体来说，可以举出钛酸锆酸铅(PZT)之类的压电体或氧化铝之类的电介质等。
在压电体层13及陶瓷部19分别以氧化物为主成分的情况下，陶瓷部19被被覆层21被覆的情况有效。因为能够进一步减小在压电体层13产生裂纹的可能性。这基于下述理由。
利用低刚性陶瓷层15吸收应力，因此，吸收陶瓷部19的应力的部分放热而局部地变为高温。通过这样地成为高温，失去构成陶瓷部19的结晶结构内的氧，产生氧空穴。尤其，在陶瓷部19露出的情况下，在与外部空气的接触面中，促进还原反应，因此，氧空穴增加。另外，经由压电体层13施加电场，因此，氧空穴离子化。还有，离子化的氧空穴有时通过层叠型压电元件1的驱动电场，经由与低刚性陶瓷层15邻接的压电体层13，向正极侧传导。通过该离子化的氧空穴的传导，在压电体层13内部形成氧空穴的通电路径。在这样的通电路径中存在氧缺陷，发生结晶结构的崩溃，因此，在压电体层13可能部分地产生强度小的部位。这样，由于发生氧缺陷，压电体层13的强度部分地降低，因此，存在在压电体层13产生裂纹的可能性。
然而，陶瓷部19被被覆层21被覆，从而能够抑制低刚性陶瓷层15中的氧缺陷的发生，因此，其结果，能够抑制压电体层13的强度的降低，能够抑制裂纹的发生。
尤其，在接近真空的低压环境下使用元件1的情况下，更优选陶瓷部19被被覆层21被覆。因为在低压环境下，外部空气中的氧不足，因此，在驱动中局部地加热的低刚性陶瓷层15中容易促进还原反应，在压电体层13容易产生氧缺陷。
作为被覆层21，优选能够抑制由于外部空气或使用环境中的气氛而陶瓷部19劣化的情况的被覆层，例如，可以使用以氧化铝为首的陶瓷、树脂或玻璃。树脂的伸缩性能优越，因此，即使以高速驱动层叠型压电元件1，也能够追随伸缩的速度，因此，能够增大层叠型压电元件1的驱动距离。另外，上述玻璃或氧化铝的与陶瓷部19或压电体层13的接合性良好，因此，能够稳定地抑制陶瓷部19的稳定性。
尤其，优选被覆层21以玻璃为主成分。玻璃成分的与陶瓷部19的接合性良好，因此，通过作为被覆层21，使用以玻璃为主成分的被覆层，能够提高陶瓷部19和被覆层21的接合性。另外，玻璃成分的与压电体层13的接合性良好，因此，如上所示，被覆层21与压电体层13接合的情况下，还能够提高压电体层13和低刚性陶瓷层15的接合性。还有，在本实施方式中，主成分是指含有的成分中质量％最大的成分。另外，分析玻璃特有的非晶状态时，使用X射线衍射(XRD：X-Ray Diffraction)或透过型电子显微镜(TEM：Transmission Electron Microscope)即可。
进而，玻璃的主成分优选硅氧化物。因为在烧成层叠型压电元件1而形成时，硅氧化物与陶瓷部19的主成分一同形成液相，进展烧结，而且，提高与陶瓷部19的亲合性。由此，能够进一步提高陶瓷部19和被覆层21的接合性。
另外，优选被覆层21含有陶瓷部19的主成分。因为通过含有陶瓷部19的主成分，陶瓷部19和在被覆层21中含有的陶瓷部19的主成分结合，能够得到高的锚定效果。由此，能够进一步提高陶瓷部19和被覆层21的接合性。
进而，优选被覆层21含有陶瓷部19的主成分的氧化物。因为通过含有陶瓷部19的主成分的氧化物，从而利用结合力比金属键强的离子键，结合陶瓷部19和被覆层21，因此，能够进一步提高陶瓷部19和被覆层21的接合性。
另外，在陶瓷部19以PZT为主成分的情况下，作为被覆层21，有效的是使用以氧化铝为首的氧化物陶瓷。因为陶瓷部19及被覆层21均为氧化物陶瓷，因此，能够提高陶瓷部19和被覆层21的接合性。
图9、10分别是放大了本发明的进而其他实施方式的层叠型压电元件1的配设有低刚性陶瓷层15的部分的放大剖面图。优选如图9、图10所示，被覆层21由多个层形成。因为通过被覆层21由多个层形成，在任一个层产生了裂纹的情况下，也能够将该裂纹的传播仅限于一部分的层，在多个被覆层21中的各个层之间停止裂纹，抑制裂纹向其他层扩展的情况。由此，能够抑制裂纹的影响扩及至被覆层21的整体的情况。具体来说，作为内侧的被覆层21a，使用上述玻璃、陶瓷等，作为外侧的被覆层21b，可以使用树脂。
进而，优选如图10所示，被覆层21由多个层形成，并且，压电体层13的与低刚性陶瓷层15对置的面也被被覆层21被覆。
另外，更优选被覆层21由陶瓷部19的主成分的含量不同的多个层形成。通过在被覆层21含有陶瓷部19的主成分，能够使被覆层21的热膨胀系数接近陶瓷部19的热膨胀系数。还有，因为在被覆层21如上所述地由多个层形成的情况下，能够使被覆层21的热膨胀系数阶段性地接近陶瓷部19的热膨胀系数，因此，能够使在被覆层21和陶瓷部19之间由于热膨胀差而产生的应力缓和。
另外，优选被覆层21由弹性模量不同的多个层形成。因为在被覆层21包括弹力模量不同的多个层的情况下，能够使被覆层21的弹性模量阶段性地接近陶瓷部19的弹性模量，因此，能够使在被覆层21和陶瓷部19之间由于伸缩驱动而产生的应力缓和。其结果，能够抑制被覆层21的自陶瓷部19的剥离，另外，能够抑制陶瓷部19或被覆层21中的裂纹的发生。
尤其，优选与陶瓷部19接触的被覆层21a使用包括硅石等玻璃的被覆层，在其上部使用由树脂形成的被覆层21b。因为能够使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同时具有。另外，在产生龟裂之类的应力从内部施加于内侧的由玻璃形成的被覆层21a的情况下，也利用具有伸缩性的外侧的由树脂形成的被覆层21b，抑制被覆层21a中的裂纹的传播，另外，抑制向被覆层21b的龟裂的传播。
其次，说明本实施方式的层叠型压电元件1的制法。
首先，制作成为压电体层13的陶瓷生片(green sheet)。具体来说，混合压电陶瓷的临时煅烧粉末、包括丙烯酸系、丁缩醛系等的有机高分子的粘合剂(粘着剤)、和增塑剂，制作浆料。还有，通过对于该浆料，使用周知的刮板法或压延辊法等带模塑法，制作陶瓷生片。作为压电陶瓷，具有压电特性即可，例如，可以使用包括PbZrO3-PbTiO3等的钙钛矿型氧化物等。另外，增塑剂，可以使用酞酸二丁基酯(DBP)、酞酸二辛基酯(DOP)等。
其次，制作成为内部电极层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，在上述陶瓷生片上配设该导电性糊剂，如后所述，通过烧成，能够形成压电体层13及内部电极层5。
低刚性陶瓷层15可以通过使用比成为压电体层13的浆料加入有更多的粘合剂的浆料、或向成为压电体层13的浆料混入了丙烯酸珠(acrylbeads)的浆料来形成。通过在陶瓷生片上使用网板印刷法，配设上述低刚性陶瓷层15的浆料，在烧成或脱脂的工序中，粘合剂及丙烯酸珠的飞散成分飞散，因此，能够经由空隙17，形成相互隔离的陶瓷部19。
另外，形成经由空隙17相互隔离的陶瓷部19的方法不限于上述方法。例如，通过变更网板的筛眼的度数、或图案形状，也可以形成上述陶瓷部19。具体来说，通过将网板的筛眼尺寸设为15μm以下，通过网板的墨液糊剂的量不充分，成为所谓的模糊形状的状态，因此，能够形成经由空隙17相互隔离的陶瓷部19。
另外，通过不使墨液糊剂通过网板地进行掩蔽(masking)，墨液糊剂的通过也不充分，因此，能够形成经由空隙17相互隔离的陶瓷部19。掩蔽的形状为所谓的椭圆或圆形的大致圆形的情况下缓和应力的效果高，因此优选。
作为形成被覆陶瓷部19的外表面的至少一部分的被覆层21的方法，可以使用下述方法。作为第一个方法，可以举出将层叠烧成了陶瓷生片和导电性糊剂的层叠体7浸渍于被覆层21的成分的溶液中的方法。通过这样在被覆层21的成分的溶液中浸渍层叠体7而提起，能够利用被覆层21被覆陶瓷部19的表面。此时，在容器中浸渍了层叠体7后，利用旋转式泵等真空泵，按每一个容器真空抽吸容器，由此能够将位于低刚性陶瓷层15中的空隙17的空气等气体脱泡，因此，能够使被覆层21的成分遍布该层。然后，在从真空恢复为大气压后，加热元件1，仅使溶媒从溶液挥发，就可以与空隙17一同形成被覆层21。
作为被覆层21的成分的溶液，可以使用将四乙氧基硅烷(TEOS)或胶态硅石分散于水的溶液。在这种情况下，被覆层21可以形成主要包括Si的氧化物的玻璃的被覆层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的溶液，能够形成由树脂形成的被覆层21。
作为第二个方法，可以举出在成为低刚性陶瓷层15的陶瓷生片中预先混入成为被覆层21的部件的方法。还有，经由该陶瓷生片，层叠多个压电体层13和多个内部电极层5交替地层叠的层叠体7来烧成即可。尤其，在使用了成为低刚性陶瓷层15的陶瓷生片作为粘接材料的形成方法的情况下，可以不需要所谓的在上述被覆层21的成分的溶液中浸渍层叠体7而提起的工序，因此，能够降低成本。
还有，层叠体7不限定于利用上述制法制作的层叠体，只要能够制作交替地层叠多个陶瓷层3、和多个内部电极层5而成的层叠体7，就可以利用任意的制法来形成。
然后，与端部在层叠型压电元件1的外表面露出的压电体层13得到导通地形成外部电极9。该外部电极9可以通过向玻璃粉末中加入粘合剂，制作银玻璃导电性糊剂，将其印刷并干燥粘接或烧接来得到。
其次，向含有包括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的层叠体7。还有，通过将硅酮树脂溶液真空脱气，使硅酮树脂与层叠体7的外周侧面的凹凸部密接，然后，从硅酮树脂溶液提起层叠体7。由此，在层叠体7的侧面涂敷硅酮树脂(未图示)。还有，在外部电极9利用导电性粘接剂(未图示)连接作为通电部23的导线。
经由导线向一对外部电极9施加0.1～3kV/mm的直流电压，将层叠体7极化，由此完成本实施方式的层叠型压电元件1。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，向压电体层13施加电压，由此能够通过反压电效果，使各压电体层13大幅度变位。由此，能够作为例如向汽车的发动机喷射供给燃料的汽车用燃料喷射阀发挥功能。
在以上的实施方式中，说明低刚性陶瓷层15夹在压电体层13，低刚性陶瓷层15的两面与压电体层13接触的方式的形成。
然而，本发明不限定于此，可以为低刚性陶瓷层15被压电体层13和内部电极层5包夹，低刚性陶瓷层15的一方的面与压电体层13接触的方式，也可以为低刚性陶瓷层15被内部电极层5包夹之类的方式。
其次，说明本发明的喷射装置。图11是表示本发明的一实施方式的喷射装置25的概略剖面图。如图11所示，本实施方式的喷射装置25在一端具有喷射孔27的收容容器29的内部收容有以上述实施方式为代表的层叠型压电元件1。在收容容器29内配设有可以开闭喷射孔27的针阀31。在喷射孔27中，对应于针阀31的活动，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，时常以一定的高压向燃料通路33供给燃料。从而，若针阀31开放喷射孔27，则向燃料通路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的上端部的直径大，在收容容器29中配置形成的汽缸35和能够滑动移动的活塞37。还有，在收容容器29内收容有上述层叠型压电元件1。
在这样的喷射装置25中，通过施加电压，层叠型压电元件1伸长的情况下，按压活塞37，针阀31闭塞喷射孔27，停止燃料的供给。另外，若停止电压的施加，则层叠型压电元件1收缩，盘簧39推回活塞37，喷射孔27与燃料通路33连通，进行燃料的喷射。
另外，喷射装置25具备具有喷射孔27的容器、和层叠型压电元件1，通过层叠型压电元件1的驱动，从喷射孔27喷出在容器内填充的液体也可。即，不需要层叠型压电元件1一定在容器的内部，通过层叠型压电元件1的驱动，使压力施加于容器的内部即可。还有，在本实施方式中，液体除了燃料、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***41。图12是表示本发明的一实施方式的燃料喷射***41的概略图。如图12所示，本实施方式的燃料喷射***41具备：蓄积高压燃料的共轨43；喷射在该共轨43蓄积的燃料的多个上述喷射装置25；向共轨43供给高压的燃料的压力泵45；向喷射装置25赋予驱动信号的喷射控制单元47。
喷射控制单元47利用传感器等感测发动机的燃烧室内的状况的同时，控制燃烧喷射的量或时序。压力泵45发挥从燃料罐49将燃料以1000～2000大气压左右(约101MPa～约203MPa)优选以1500～1700大气压左右(约152MPa～约172MPa)送入共轨43的作用。在共轨43中，蓄积从压力泵45送过来的燃料，适当地送入喷射装置25。喷射装置25如上所述地从喷射孔27将少量的燃料向燃烧室以雾状喷射。
还有，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。另外，本发明涉及层叠型压电元件、喷射装置及燃料喷射***，但不限定于上述实施方式，只要是利用了压电特性的元件，就可以实施。
【实施例】
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0.4μm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，利用刮板法制作了厚度150μm的陶瓷生片。
其次，制作了含有作为Ag95质量％-Pd5质量％的金属组成的银钯合金粉末的原料粉末中加入了粘合剂的导电性糊剂。
进而，制作混合了以平均粒径为0.8μm的钛酸锆酸铅(PZT)为主成分的原料粉末、粘合剂、平均粒径为1μm的丙烯酸珠及增塑剂的浆料，制作了陶瓷糊剂。
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成为30μm的厚度地印刷。还有，层叠印刷有导电性糊剂的各生片，制作了层叠体7。还有，作为层叠数，使内部电极层5的数量成为300地层叠，在层叠体7的层叠方向的两端部仅分别层叠20片未印刷有导电性糊剂的陶瓷生片。
在试料编号2～8中，在上述陶瓷生片的一面，利用网板印刷法，将导电性糊剂成为30μm的厚度地印刷。另外，在其他上述陶瓷生片的一面，利用网板印刷法，将陶瓷糊剂利用网板印刷法成为30μm的厚度地印刷。在试料编号2、3中的在层叠方向的第50、250个，代替成为内部电极层5的导电性糊剂，配设了陶瓷糊剂。另外，在试料编号4中，陶瓷糊剂位于层叠方向的第50、100、150、200、250个，还有，在试料编号5～9中，位于在层叠方向的1、50、100、150、200、250、300个，代替成为内部电极层5的导电性糊剂，配设陶瓷糊剂，由此层叠印刷有导电性糊剂的生片、和印刷有陶瓷糊剂的的生片，制作了层叠体7。还有，试料编号5～9与试料编号1相同地，使内部电极层5的数量成为300地层叠，在层叠体7的层叠方向的两端部仅分别层叠了20片陶瓷生片。
其次，在规定的温度下，对各自的试料编号的层叠体7实施了脱粘合剂处理后，在800～1200℃下烧成，得到了烧结体。此时，在试料编号2～9的层叠体7中，层叠有使用了含有在烧成时蒸发的丙烯酸珠且粒径大的PZT的陶瓷糊剂，因此，如表1所示，在该层叠有陶瓷糊剂的部分形成有空隙率高达为空隙率为80％的低刚性陶瓷层15。
进而，关于试料编号3～8的烧结体，浸渍于向将TEOS含有10％的水溶液中加入了1ppm的作为凝胶化加速剂的稀硫酸的溶液中，按每一个容器，利用旋转式泵，减压至2×103Pa以下的大气压。减压是为了使溶液渗入低刚性陶瓷层15。然后，恢复至大气压后，在80℃下干燥了1小时。
另外，关于试料编号6、7的烧结体，再次浸渍于在将TEOS含有10％的水溶液中加入了1ppm的作为凝胶化加速剂的稀硫酸的溶液中，按每一个容器，利用旋转式泵，减压至130Pa以下的大气压。然后，恢复至大气压后，在80℃下干燥了1小时。
另外，就试料编号9的烧结体来说，为了浸渍于含有5质量％的环氧树脂(商品名“阿拉路戴特LY-5052”)的丙酮溶液中，使溶液渗入低刚性陶瓷层15，按每一个容器，利用旋转式泵，减压至2×103Pa以下的大气压。然后，恢复至大气压后，在80℃下干燥了1小时。
还有，对各个试料编号的烧结体按期望的尺寸加工的基础上，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，制作了外部电极9用导电性糊剂。在形成上述烧结体侧面的外部电极9的部位，利用网板印刷等，印刷了该导电性糊剂。进而，在600～800℃下烧成，形成了外部电极9。
进而，关于试料编号7～9的烧结体，为了浸渍于含有5质量％的环氧树脂(商品名“阿拉路戴特LY-5052”)的丙酮溶液中，使溶液渗入低刚性陶瓷层15，按每一个容器，利用旋转式泵，减压至2×103Pa以下的大气压。然后，恢复至大气压后，利用丙酮清洗元件1的表面，并除去树脂成分，在80℃下干燥了1小时。如上所述，制作了层叠型压电元件1。
分别制作了各两个上述试料编号的层叠型压电元件1。其中之一是为了使用于基于扫描型电子显微镜(SEM)的观察，另一个是为了使用于驱动评价。关于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、烧成后的内部电极层5的空隙率、低刚性陶瓷层15的形状，示出在表1中。
还有，空隙率是指在层叠体7的与层叠方向垂直或平行的剖面中，相对于层叠体7的剖面积，空隙17的面积所占的比例(％)。空隙率的测定如下所述地进行。
首先，使与层叠方向垂直的剖面露出地使用公知的研磨机构，研磨处理了层叠体7。具体来说，作为研磨装置，使用开梅特·日本(株)制台式研磨机“KEMET-V-300”，利用金刚石糊剂进行了研磨。例如，利用SEM、光学显微镜、金属显微镜等，观察通过该研磨处理，露出的剖面，得到剖面图像，将该剖面图像进行图像处理，由此测定了上述空隙率。
表1
Figure GPA00001141960900171
如表1所示，试料编号1的层叠型压电元件1未形成有低刚性陶瓷层15。另一方面，在试料编号2～9的层叠型压电元件1中，形成有具备经由空隙17相互隔离的陶瓷部19、和被覆陶瓷部19的外侧面的至少一部分的被覆层21的低刚性陶瓷层15。在此可知，相对于内部电极层5的空隙率15％，低刚性陶瓷层15的空隙率为80％，能够形成与内部电极层5及压电体层13相比，刚性小的低刚性陶瓷层15。
基于SEM的观察的结果，在试料编号3～5中，在多个陶瓷部19的一部分形成有由SiO2的玻璃体形成的被覆层21。这是因为TEOS中的Si氧化物在凝胶化后，作为玻璃体，析出在陶瓷部19的表面。另外，在多个陶瓷部19的一部分，除了上述由SiO2的玻璃体形成的被覆层21之外，还形成有由PZT的Pb成分和SiO2反应的Pb-Si-O成分的玻璃形成的被覆层21。
在试料编号6中，如图7所示，在多个陶瓷部19和压电体层13的一部分形成有由SiO2的玻璃体形成的被覆层21。另外，在多个陶瓷部19及压电体层13的一部分，除了上述由SiO2的玻璃体形成的被覆层21之外，还形成有由PZT的Pb成分和SiO2反应的Pb-Si-O成分的玻璃形成的被覆层21。
在试料编号7中，如图10所示，在多个陶瓷部19和压电体层13的一部分，形成有由SiO2的玻璃体形成的被覆层21a。另外，在由SiO2的玻璃体形成的被覆层21a的表面形成有由环氧树脂形成的被覆层21b。这样，在试料编号6及7中，通过将烧结体浸渍于上述含有TEOS的溶液中，能够在压电体层13的一部分形成由SiO2的玻璃体形成的被覆层21。
在试料编号8中，如图9所示，在多个陶瓷部19的一部分形成有由SiO2的玻璃体形成的被覆层21a、由环氧树脂形成的被覆层21b。
在试料编号9中，如图4所示，在多个陶瓷部19的一部分形成有由环氧树脂形成的被覆层21。
其次，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，将导线与外部电极9连接，经由导线向正极及负极的外部电极9施加3kV/mm的直流电场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45μm，试料编号2～9的压电促动器为40μm。试料编号1的压电促动器的变位量比其他试料编号的压电促动器大的原因是因为在试料编号2～9的层叠型压电元件1中，低刚性陶瓷层15未作为压电体层13发挥作用。
作为高速响应性评价，向各个压电促动器，在室温下将0～+170V的交流电压从150Hz缓慢地增加频率而施加。作为耐久性评价，向各个压电促动器，在室温下将0～+170V的交流电压以150Hz的频率施加，利用真空泵施加，在1×10-4Pa的环境下，将连续驱动的试验进行至1×107次。结果如表2所示。
表2
试料编号 初始状态的变位量(μm) 1×107循环后的变位量 高次谐波成分的噪音产生 在1kHz以上产生蜂鸣声   在连续驱动后(1×109次)，在层叠部分发生剥离 低刚性陶瓷层的龟裂
  1   45   5   有   有   有   -
  2   45   10   有   有   有   有
  3   40   37   无   无   无   无
  4   40   38   无   无   无   无
  5   40   39   无   无   无   无
  6   40   39   无   无   无   无
  7   40   40   无   无   无   无
  8   40   39   无   无   无   无
如表2所示，在低压环境下的高速响应性评价后，在大气中进行了响应性评价的结果，在试料编号1的压电促动器中，在频率超过了1kHz时发出了蜂鸣声。这被认为是如下原因，即：试料编号1的层叠型压电元件1不具备低刚性陶瓷层15，因此，基于内部电极层5的向压电体层13的约束力大。这被认为是如下原因，：由于压电体层13的约束力大从而阻碍高速响应性，其结果，不能追随施加的交流电压的频率。
试料编号2的压电促动器也在低压环境下的高速响应性评价后，在大气中，评价频率超过了1kHz时发出了蜂鸣声。利用SEM观察的结果，低刚性陶瓷层15的陶瓷部19变化为黑色而断裂，与低刚性陶瓷层15邻接的压电体层13中，一部分黑色化，进展了龟裂。这是因为，在低压环境下进行了上述连续驱动试验，因此，在与低刚性陶瓷层15邻接的压电体层13中也促进了还原反应。其结果，认为是如下原因，即：高速响应性降低，不能追随施加的交流电压的频率。
还有，为了确认驱动频率，使用横河电机株式会社制示波器“DL1640L”，确认了试料编号1及2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的部位确认到高次谐波噪音。
另外，如表2所示，作为耐久性评价的结果，在试料编号1、2的压电促动器中，评价试验后的变位量为5μm，与评价试验相比，接近降低50％。另外，在试料编号1、2的压电促动器中，在层叠型压电元件1的一部分发现了剥离。
另一方面，在试料编号3～9的压电促动器中，未发现剥离，评价试验后的变位量也为35～40μm，与评价试验相比，变位量的降低抑制为10％以下。尤其可知，在试料编号7、8的压电促动器中，完全未发现变位量的降低，具有非常高的耐久性。

Claims (16)

1.一种层叠型压电元件，其特征在于，具有：具有多个陶瓷层和多个内部电极层且该内部电极层分别夹在对置而设置的陶瓷层而成的层叠体，
所述多个陶瓷层包括压电体层以及与该压电体层和所述内部电极层相比刚性低的低刚性陶瓷层，
所述低刚性陶瓷层具有经由空隙相互隔离的多个陶瓷部及被覆该陶瓷部的外表面的至少一部分的被覆层。
2.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其中，
所述低刚性陶瓷层夹于所述压电体层和所述内部电极层，所述低刚性陶瓷层的一方的面与所述压电体层相接。
3.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其中，
所述低刚性陶瓷层夹于所述压电体层，且所述低刚性陶瓷层的两方的面与所述压电体层相接。
4.根据权利要求2或3所述的层叠型压电元件，其中，
所述被覆层的至少一部分与在层叠方向上相邻的所述压电体层接合。
5.根据权利要求2或3所述的层叠型压电元件，其中，
所述多个陶瓷部的至少一个经由所述被覆层与所述相邻的压电体层接合。
6.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其中，
在所述多个陶瓷部中至少一个陶瓷部的外表面的一部分露出。
7.根据权利要求6所述的层叠型压电元件，其中，
在所述多个陶瓷部中至少一个陶瓷部的外表面被相互隔离的多个所述被覆层被覆。
8.根据权利要求6所述的层叠型压电元件，其中，
所述陶瓷部的外表面以在相互隔离的多个区域露出的方式被所述被覆层被覆。
9.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其中，
在所述多个陶瓷部中至少一个陶瓷部的外表面整体被所述被覆层被覆。
10.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述被覆层以玻璃为主成分。
11.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述被覆层含有所述陶瓷部的主成分。
12.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述被覆层是由多个层形成的。
13.根据权利要求12所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述被覆层由所述陶瓷部的主成分的含量不同的多个层形成。
14.根据权利要求12所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述被覆层是由弹性模量不同的多个层形成的。
15.一种喷射装置，其特征在于，具备权利要求1所述的层叠型压电元件和喷射孔，其中，通过所述层叠型压电元件的驱动，从所述喷射孔喷出液体。
16.一种燃料喷射***，其特征在于，具备：
具备高压燃料的共轨；
喷射在该共轨蓄积的燃料的权利要求15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***。
CN200880118074.8A 2007-11-28 2008-11-28 层叠型压电元件、具备其的喷射装置及燃料喷射*** Active CN101878549B (zh)

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