CN101878550A - 层叠型压电元件及其制造方法、及喷射装置及燃料喷射*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供能够在高电压及高压力下长期连续驱动的耐久性高的层叠型压电元件和其制造方法、及喷射装置及燃料喷射***。所述层叠型压电元件为具有具备多个内部电极层和隔着内部电极层层叠的多个压电体层的层叠结构体的层叠型压电元件，层叠结构体中的与内部电极层平行的剖面的剖面积中层叠方向的两端部侧比层叠方向的中央部小。
Description
技术领域
本发明涉及层叠型压电元件及其制造方法、及喷射装置及燃料喷射***。
背景技术
从以往开始，知道有具备多个压电体层隔着内部电极层层叠的层叠结构体，在该层叠结构体的侧面形成有一对外部电极的层叠型压电元件(以下，还有时简称为“元件”)。通常，元件具备：内部电极层之间对置的对置部；相对于该对置部，位于层叠方向两端侧的非对置部。若向元件施加电压，则对置部驱动，非对置部不驱动，因此，应力容易施加于这些的边界附近。因此，公开有以通过将非对置部的弹性模量设为比对置部的弹性模量小，降低在边界附近产生的应力为目的的元件(专利文献1)。
【专利文献1】特开2001-94164号公报
然而，近年来，正在要求能够在高电压及高压力下长期连续驱动的元件，期望进一步的耐久性的提高。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供能够在高电压及高压力下长期连续驱动的耐久性高的层叠型压电元件和其制造方法、及喷射装置及燃料喷射***。
本发明的层叠型压电元件，其具有：具备多个内部电极层和隔着所述内部电极层层叠的多个压电体层的层叠结构体，在所述层叠结构体中的与所述内部电极层平行的剖面的剖面积中，层叠方向的两端部侧比层叠方向的中央部小。
根据本发明的层叠型压电元件可知，具有能够降低在对置部、和非对置部的边界附近产生的应力的效果。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的层叠型压电元件的侧面图。
图2是图1所示的层叠型压电元件的俯视图。
图3是表示本发明的一实施方式的制造方法中的研磨工序的概略图。
图4是表示本发明的其他实施方式的制造方法中的研磨工序的概略图。
图5是表示本发明的一实施方式的喷射装置的概略图。
图6是表示本发明的一实施方式的燃料喷射***的概略图。
图中：11-压电体层；13-内部电极层；15-层叠结构体；17-外部电极；19-对置部；21-非对置部；20-剖面积减少部。
具体实施方式
<层叠型压电元件>
以下，参照附图，详细地说明本发明的一实施方式的层叠型压电元件。图1是表示本实施方式的层叠型压电元件的侧面图，图2是图1所示的层叠型压电元件的俯视图。该层叠型压电元件1具有：压电体层11和内部电极层13以多个交替地层叠的层叠结构体15。在层叠结构体15的侧面形成有一对外部电极17(负极的外部电极17a、正极的外部电极17b)。层叠结构体15具备：内部电极层13之间对置的对置部19；相对于该对置部19，位于层叠方向的两端部侧的非对置部21。
该对置部19是夹在对置的内部电极层13的压电体层11分别相应于施加于两侧的内部电极层13的电压而伸缩，改变元件的层叠方向的长度的驱动部。
相对于此，非对置部21由于不存在将压电体层11夹在中间而从两侧施加电压的内部电极层13，因此，是压电体部不自身变位的非驱动部。
从而，在本实施方式中，非对置部21以尽量不阻碍对置部19的伸缩，且减小在与对置部19的边界产生的应力的方式构成为容易变形的形状。
在该元件中，层叠结构体15中的与内部电极层13平行的剖面的剖面积而言，层叠方向的两端部侧比层叠方向的中央部小。由此，能够减小在对置部、和非对置部的边界附近产生的应力。其理由如下，即：通过将接近在电压施加时，不自身驱动的非对置部的两端部侧的剖面积设为比以往小，约束对置部的驱动引起的变形的力弱。
还有，在本说明书中，将层叠结构体15中的与内部电极层13平行的剖面称为横截面。
另外，在本实施方式中，作为更优选的实施方式，非对置部21具有；横截面的剖面积随着朝向层叠方向的两端而变小的剖面积减少部20。通过这样在非对置部21中逐渐减小剖面积，在层叠结构体15不形成大的台阶，因此，能够抑制应力集中于层叠结构体15的一部分的情况。
还有，在图1所示的方式中，形成从对置部19和非对置部21的边界开始剖面积逐渐减小的剖面积减少部20，在对置部19中，使剖面积(与内部电极层13平行的剖面的剖面积)大致恒定，但剖面积减少部20横跨对置部19和非对置部21形成也可。即，在本发明中，就层叠结构体15中的与内部电极层13平行的剖面的剖面积来说，在位于层叠方向的两端部侧的非对置部21中，比层叠方向的中央部(对置部的中央部)小即可。
其次，说明本实施方式的元件的制造方法。本实施方式的制造方法具备：使层叠结构体15中与内部电极层13平行的剖面的剖面积中层叠方向的两端部侧比层叠方向的中央部小地研磨后述的层叠结构体15的侧面的工序。
首先，例如，混合钛酸锆酸铅(PZT)的粉末、包括丙烯酸系、丁缩醛系等有机高分子的粘合剂、和DBP(酞酸二丁基酯)、DOP(酞酸二辛基酯)等增塑剂，制作浆料。接着，对于该浆料，使用刮板法、压延辊法等带模塑法，制作陶瓷印刷电路板。接着，制作内部电极层13用金属糊剂。该金属糊剂是向主要包括银钯的金属粉末中添加混合粘合剂(粘着剤)、增塑剂等而得到。在陶瓷印刷电路板的一面，利用网板印刷等，将该金属糊剂以内部电极层的形状印刷。
其次，通过将印刷有金属糊剂的印刷电路板成为图1、2所示的结构地层叠并干燥而得到层叠成形体。在该层叠结构体的层叠方向的两端侧层叠多个未印刷有金属糊剂的陶瓷印刷电路板。层叠了多个未印刷有该金属糊剂的陶瓷印刷电路板的部分在烧成后成为非对置部21。该层叠成形体可以根据需要来裁断，形成为期望的形态。接着，在规定的温度下将层叠成形体脱粘合剂处理后，在900～1150℃下烧成，由此得到层叠结构体15。
其次，将该层叠结构体15的侧面研磨。图3是表示该研磨工序的概略图。如图3所示，在层叠结构体15中，利用保持件61a、61b分别保持其两端面15a、15b。此时，层叠结构体15的两端面15a、15b朝向层叠结构体15的中央部侧而被加压。该夹紧压力F设定为以使层叠结构体15的两端部侧(成为非对置部21的部分)的剖面积在与层叠方向垂直的方向上扩大的程度大的压力。
这样扩大了层叠结构体15的两端侧的剖面积的状态下，使研磨砂轮63与层叠结构体15中的多个侧面中一个面接触，进行研磨。若一个侧面的研磨结束，则使层叠结构体15旋转90度，将接下来的侧面同样研磨。对于所有的侧面进行该作业。由此，得到层叠方向的两端侧的剖面积小于层叠方向的中央的层叠结构体15。
在层叠结构体15的端面中的维氏硬度Hv为20～50GPa时，优选以10MPa以上且100MPa以下的夹紧压力F保持层叠结构体15。另外，保持件65a、65b中的保持面的维氏硬度Hv优选1～20GPa。通过夹紧压力F为10MPa以上，有效地扩大层叠结构体15的两端侧的剖面积。另外，通过夹紧压力F为100MPa以下，能够抑制层叠结构体15的过度的变形。在调节层叠结构体15的两端部侧的剖面积时，调节夹紧压力F。另外，通过在侧面的研磨中，改变夹紧压力F，改变剖面积的扩大程度，能够将两端部侧的形状设计为各种形状。
图4是表示本发明的其他实施方式的制造方法中的研磨工序的概略图。如图4所示，在层叠结构体15中，利用保持件65a、65b，分别保持其两端面15a、15b。此时，层叠结构体15在其中央部比层叠方向的两端侧向一方向(从图中D所示的研磨砂轮67远离的方向)突出而弯曲的状态下保持层叠结构体15。通过以这样的状态保持，层叠结构体15的侧面的研磨深度根据部位而变化。
在这样将层叠结构体15的中央部向一方向D突出的状态下，使研磨砂轮67与层叠结构体15中的多个侧面中一个侧面接触，进行研磨。若一个侧面的研磨结束，则使层叠结构体15旋转90度，将接下来的侧面同样研磨。对所有的侧面进行该作业。由此，得到层叠方向的两端侧的剖面积比层叠方向的中央小的层叠结构体15。
其次，在层叠结构体15的侧面形成外部电极17。外部电极17可以通过向主要包括银的金属粉末中添加混合粘合剂、增塑剂、玻璃粉末等，制作金属糊剂，利用网板印刷等，将该金属糊剂印刷于上述层叠结构体的侧面，在600～800℃下烧成而形成。
进而，在外部电极17的外表面形成埋设有金属的筛眼或筛眼状金属板的包括导电性粘接剂(接着剤)的导电性辅助部件也可。金属的筛眼是编入金属线而成的，筛眼状的金属板是在金属板形成孔，形成为筛眼状的。
然后，在外部电极17利用焊锡等连接了导线后，在包含外部电极17的层叠结构体侧面使用浸渍等方法，涂敷包括硅酮橡胶等的外装树脂，由此得到层叠型压电元件。
<喷射装置>
图5是表示本发明的一实施方式的喷射装置的概略剖面图。如图5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本发明的层叠型压电元件1。在收容容器29内配设有能够开闭喷射孔27的针阀37。在喷射孔27中，能够根据针阀37的活动而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，时常以恒定的高压向燃料通路33供给燃料。从而，若针阀37开放喷射孔27，则向燃料通路33供给的燃料以恒定的高压向未图示的内燃机的燃烧室内喷出。
另外，针阀37的上端部的直径大，配置为能够与在收容容器29形成的汽缸35滑动移动。还有，在收容容器29内收容有具备上述层叠型压电元件1的压电促动器。
在这样的喷射装置中，若压电促动器被施加电压而伸长，则针阀37的上端部被按压，针阀37被喷射孔27闭塞，停止燃料的供给。另外，若电压的施加停止，则压电促动器收缩，盘簧39推回针阀37的上端部，喷射孔27与燃料通路33连通，进行燃料的喷射。
另外，本发明的喷射装置25具备具有喷射孔27的容器、和上述层叠型压电元件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，还包括各种液态流体(导电性糊剂等)。
<燃料喷射***>
图6是表示本发明的一实施方式的燃料喷射***的概略图。如图6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(约101MPa～约203MPa)左右，优选以1500～1700大气压(约152MPa～约172MPa)左右送入共轨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。
以上，说明了本发明的实施方式，但本发明不限定于上述实施方式。另外，本发明中的非对置部是指在电压施加时对驱动起到贡献的内部电极层之间不对置的部位即自身不驱动的部位。从而，在非对置部不包括金属层等也可。
另外，在图3及图4所示的研磨工序中，如上所述，使层叠结构体15旋转90度，研磨接下来的侧面，此外将一个侧面的接下来旋转180度而对置的侧面，从此旋转90度，研磨接下来的侧面，其次，旋转180度，研磨对置的侧面也可。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种层叠型压电元件，其特征在于，具有：具备多个内部电极层和隔着所述内部电极层层叠的多个压电体层的层叠结构体，
所述层叠结构体中的与所述内部电极层平行的剖面的剖面积在层叠方向的两端部侧小于层叠方向的中央部，而且，
具有所述剖面积随着朝向层叠方向的两端而变小的剖面积减少部，
所述层叠结构体具有：所述内部电极层之间对置的对置部；和相对于该对置部位于层叠方向两端侧的非对置部，
所述剖面积减少部横跨所述对置部和所述非对置部。
2.一种层叠型压电元件的制造方法，其特征在于，该层叠型压电元件具有：具备多个内部电极层和隔着所述内部电极层层叠的多个压电体层的层叠结构体，
所述方法包括研磨所述层叠结构体的侧面的工序，使得所述层叠结构体中的与所述内部电极层平行的剖面的剖面积在层叠方向的两端部侧小于层叠方向的中央部，其中，
在将所述层叠结构体的层叠方向的两端面朝向层叠结构体的中央部侧加压的状态下，研磨所述层叠结构体的侧面。
3.根据权利要求2所述的层叠型压电元件的制造方法，其中，
在所述层叠方向的中央部比所述层叠方向的两端部侧向一方突出的状态下，研磨所述层叠结构体的侧面。
4.一种喷射装置，其特征在于，具有：
具有喷射孔的容器；和
权利要求1所述的层叠型压电元件，
其中，通过所述层叠型压电元件的驱动，将在所述容器内填充的液体从所述喷射孔喷出。
5.一种燃料喷射***，具有：
蓄积高压燃料的共轨；
喷射在该共轨蓄积的燃料的权利要求4所述的喷射装置；
向所述共轨供给高压的燃料的压力泵；以及
向所述喷射装置赋予驱动信号的喷射控制单元。
Claims (8)
1.一种层叠型压电元件，其特征在于，具有：具备多个内部电极层和隔着所述内部电极层层叠的多个压电体层的层叠结构体，
所述层叠结构体中的与所述内部电极层平行的剖面的剖面积在层叠方向的两端部侧小于层叠方向的中央部。
2.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其中，
具有所述剖面积随着朝向层叠方向的两端而变小的剖面积减少部。
3.根据权利要求2所述的层叠型压电元件，其中，
所述层叠结构体具有：所述内部电极层之间对置的对置部；和相对于该对置部位于层叠方向两端侧的非对置部，所述剖面积减少部存在于所述非对置部。
4.一种层叠型压电元件的制造方法，其特征在于，该层叠型压电元件具有：具备多个内部电极层和隔着所述内部电极层层叠的多个压电体层的层叠结构体，
所述方法包括研磨所述层叠结构体的侧面的工序，使得所述层叠结构体中的与所述内部电极层平行的剖面的剖面积在层叠方向的两端部侧小于层叠方向的中央部。
5.根据权利要求4所述的层叠型压电元件的制造方法，其中，
在将所述层叠结构体的层叠方向的两端面朝向层叠结构体的中央部侧加压的状态下，研磨所述层叠结构体的侧面。
6.根据权利要求4所述的层叠型压电元件的制造方法，其中，
在所述层叠方向的中央部比所述层叠方向的两端部侧向一方突出的状态下，研磨所述层叠结构体的侧面。
7.一种喷射装置，其特征在于，具有：
具有喷射孔的容器；和
权利要求1～3中任一项所述的层叠型压电元件，
其中，通过所述层叠型压电元件的驱动，将在所述容器内填充的液体从所述喷射孔喷出。
8.一种燃料喷射***，具有：
蓄积高压燃料的共轨；
喷射在该共轨蓄积的燃料的权利要求7所述的喷射装置；
向所述共轨供给高压的燃料的压力泵；以及
向所述喷射装置赋予驱动信号的喷射控制单元。
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