專(zhuān)利名稱(chēng)：層疊型壓電元件、使用該層疊型壓電元件的噴射裝置及燃料噴射系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如在驅(qū)動(dòng)元件(壓電致動(dòng)器)、傳感器元件及電路元件等中使用的層疊型壓電元件、使用了該層疊型壓電元件的噴射裝置以及燃料噴射系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
層疊型壓電元件例如通過(guò)如下方法得到，S卩，在陶瓷生片上印刷形成內(nèi)部電極層的導(dǎo)電性膏，將涂敷了該導(dǎo)電性膏的陶瓷生片多張層疊來(lái)制作層疊成形體，并對(duì)該層疊成形體進(jìn)行燒成，來(lái)制作燒結(jié)了的層疊體，進(jìn)而對(duì)該層疊體實(shí)施磨削加工等加工。
內(nèi)部電極層每隔一層與正負(fù)的外部電極連接。與正的外部電極連接的內(nèi)部電極層和與其相鄰的負(fù)的外部電極連接的內(nèi)部電極層在層疊體的層疊方向上重疊的部位為活性部，當(dāng)施加電壓時(shí)，該活性部的壓電體層進(jìn)行伸縮驅(qū)動(dòng)。并且，在層疊體中，以?shī)A著該活性部的形式在上下配置有不含有內(nèi)部電極層且不進(jìn)行伸縮驅(qū)動(dòng)的非活性部。該非活性部是為了獲取端面與外部夾具的絕緣而需要的區(qū)域。
以往，由于該非活性部不含有內(nèi)部電極層，因此容易從端面產(chǎn)生裂紋，一旦產(chǎn)生裂紋，則裂紋會(huì)發(fā)展到活性區(qū)域，導(dǎo)致電極短路，存在元件破損的問(wèn)題。另外，由于該非活性層與活性層的界面各自的燒成收縮率不同，因此還存在導(dǎo)致脫層的問(wèn)題。作為上述問(wèn)題的對(duì)策，已知有將銀粒子預(yù)先添加到該非活性層的方法。(參照以下的專(zhuān)利文獻(xiàn)1)。
專(zhuān)利文獻(xiàn)1 日本特開(kāi)昭63-288074號(hào)公報(bào)
然而，在該對(duì)策中，非活性部與活性部的收縮率變得接近，雖然能夠防止某種程度的脫層，但無(wú)法抑制裂紋從端面的發(fā)展。
近些年，對(duì)層疊型壓電元件要求在高電壓及高壓力下能夠長(zhǎng)期連續(xù)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而還期望提高耐久性。由于壓電元件在陶瓷中為脆的材料，因此端面特別容易產(chǎn)生缺口，裂紋從該缺口發(fā)展而弓丨起元件破損的問(wèn)題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述現(xiàn)有的問(wèn)題而提出，其目的在于提供一種抑制裂紋從端面發(fā)展且提高了耐久性的層疊型壓電元件、使用了該層疊型壓電元件的噴射裝置及燃料噴射系統(tǒng)。
本發(fā)明的層疊型壓電元件具備
柱狀層疊體，其具有壓電體層和內(nèi)部電極層交替層疊多層而形成的活性部以及在該活性部的層疊方向的兩端配置的分別層疊多層壓電體層而形成的非活性部；
一對(duì)外部電極，它們?cè)O(shè)置在該柱狀層疊體的側(cè)面，并與所述內(nèi)部電極層每隔一層交替地電連接，
所述層疊型壓電元件的特征在于，
在所述非活性部的層間的至少一個(gè)，粒徑比形成所述非活性部的所述壓電體層的壓電陶瓷的粒徑小的金屬粒子在從所述柱狀層疊體的層疊方向觀察時(shí)，散布在包括所述內(nèi)3部電極層彼此重疊的區(qū)域的范圍內(nèi)。
另外，本發(fā)明的層疊型壓電元件在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，其特征在于，所述層間中的所述金屬粒子彼此的間隔為形成所述非活性部的所述壓電體層的壓電陶瓷的粒徑以上，且為所述層間彼此的間隔以下。
另外，本發(fā)明的層疊型壓電元件在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，其特征在于，所述層間與所述內(nèi)部電極層的間隔及所述層間彼此的間隔比所述活性部的所述壓電體層的厚度大。
另外，本發(fā)明的層疊型壓電元件在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，其特征在于，所述金屬粒子由銀-鈀合金構(gòu)成。
另外，本發(fā)明的層疊型壓電元件在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，其特征在于，所述外部電極的端部位于所述金屬粒子所散布的所述層間。
本發(fā)明的噴射裝置的特征在于，具備具有噴射孔的容器；上述本發(fā)明的層疊型壓電元件，其中，在所述容器內(nèi)積蓄的流體通過(guò)所述層疊型壓電元件的驅(qū)動(dòng)從所述噴射孔噴出。
本發(fā)明的噴射系統(tǒng)的特征在于，具備積蓄高壓燃料的共軌；將在該共軌中積蓄的所述高壓燃料進(jìn)行噴射的上述本發(fā)明的噴射裝置；向所述共軌供給所述高壓燃料的壓力泵；對(duì)所述噴射裝置提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)的噴射控制單元。
發(fā)明效果
根據(jù)本發(fā)明的層疊型壓電元件，即使從非活性部的端部產(chǎn)生裂紋，裂紋也會(huì)在含有金屬粒子的層中發(fā)生偏轉(zhuǎn)而將能量吸收。尤其是由于金屬粒子的粒徑小，因此殘留應(yīng)力也小，從而能夠抑制裂紋的發(fā)展，使耐久性得以提高。
根據(jù)本發(fā)明的噴射裝置，其具備具有噴射孔的容器、上述本發(fā)明的層疊型壓電元件，且在容器內(nèi)積蓄的流體通過(guò)層疊型壓電元件的驅(qū)動(dòng)而從噴射孔噴出，因此，由于具備了使耐久性提高的層疊型壓電元件，所以成為耐久性提高了的噴射裝置。
本發(fā)明的燃料噴射系統(tǒng)具備積蓄高壓燃料的共軌、將在共軌中積蓄的高壓燃料進(jìn)行噴射的上述本發(fā)明的噴射裝置、向共軌供給高壓燃料的壓力泵、對(duì)噴射裝置提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)的噴射控制單元，因此成為耐久性提高了的燃料噴射系統(tǒng)。


圖1是針對(duì)本發(fā)明的層疊型壓電元件示出其實(shí)施方式之一例的立體圖。
圖2是將圖1所示的層疊型壓電元件1的一部分示意性放大后的剖視圖。
圖3是針對(duì)本發(fā)明的噴射裝置示出其實(shí)施方式之一例的簡(jiǎn)要剖視圖。
圖4是針對(duì)本發(fā)明的燃料噴射系統(tǒng)示出其實(shí)施方式之一例的簡(jiǎn)要框圖。
具體實(shí)施方式
以下，基于附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的層疊型壓電元件的實(shí)施方式之一例。
圖1是表示本實(shí)施方式的層疊型壓電元件1的立體圖。該層疊型壓電元件1具有柱狀層疊體5，該柱狀層疊體5具有壓電體層21及內(nèi)部電極層3a、!3b交替層疊多層而形成的活性部2a、以及在活性部加的層疊方向的兩端配置的分別層疊多層壓電體層22而形成的非活性部2b。在柱狀層疊體5的側(cè)面形成有與內(nèi)部電極層3a、!3b每隔一層交替地電連接的一對(duì)外部電極^、4b。活性部加中的內(nèi)部電極層3a、!3b具有互相對(duì)置的區(qū)域，位于它們之間的壓電體層21進(jìn)行伸縮驅(qū)動(dòng)。并且，在相對(duì)于該活性部加而位于層疊方向的兩端部側(cè)的非活性部2b中，壓電體層22不進(jìn)行伸縮驅(qū)動(dòng)。
對(duì)于層疊型壓電元件1而言，在其非活性部2b的層間的至少一個(gè)，粒徑比形成非活性部2b的壓電體層22的壓電陶瓷的結(jié)晶粒子13的粒徑小的金屬粒子12在從柱狀層疊體5的層疊方向觀察時(shí)，散布在包括內(nèi)部電極層3a、!3b彼此重疊的區(qū)域10的范圍內(nèi)。
由于層疊型壓電元件1為脆的材料，因此容易產(chǎn)生缺口。尤其是在制造工序中或驅(qū)動(dòng)中，容易從端面或角部產(chǎn)生裂紋。當(dāng)上述的裂紋發(fā)展而到達(dá)內(nèi)部電極層3a、!3b時(shí)，存在內(nèi)部電極層3a、3b間產(chǎn)生短路，以至于損壞的問(wèn)題。相對(duì)于此，通過(guò)在非活性部2b的層間的至少一個(gè)，使粒徑比形成非活性部2b的壓電體層22的壓電陶瓷的結(jié)晶粒子13的粒徑小的金屬粒子12在從柱狀層疊體5的層疊方向觀察時(shí)，散布在包括內(nèi)部電極層3a、!3b彼此重疊的區(qū)域10的范圍內(nèi)，從而即使從非活性部2b的端部產(chǎn)生裂紋，裂紋也會(huì)在包括金屬粒子 12的層中發(fā)生偏轉(zhuǎn)而將其能量吸收，因此，能夠抑制內(nèi)部電極層3a、3b間的短路，使耐久性提高。需要說(shuō)明的是，非活性部2b的層間是指在非活性部2b中層疊的壓電體層22彼此之間。另外，也可以在包括內(nèi)部電極層3a、!3b彼此重疊的區(qū)域10的范圍之外存在金屬粒子 12，該存在不會(huì)影響本發(fā)明。
圖2是將圖1所示的層疊型壓電元件1的一部分示意性放大后的剖視圖。由于金屬粒子12的粒徑比壓電陶瓷的結(jié)晶粒子13的粒徑小，因此能夠使殘留應(yīng)力變小，從而抑制裂紋的發(fā)展。壓電陶瓷的結(jié)晶粒子13的粒徑為1 5 μ m左右，金屬粒子12的粒徑為0. 1 3 μ m,優(yōu)選為在0. 5 2 μ m左右的范圍內(nèi)比壓電陶瓷的結(jié)晶粒子13的粒徑小的數(shù)值。
需要說(shuō)明的是，壓電陶瓷的結(jié)晶粒子13的粒徑及金屬粒子的粒徑12為各自的平均粒徑，通過(guò)如下方法而求出，即，通過(guò)掃描型電子顯微鏡(SEM)觀察截面，測(cè)定任意線(xiàn)段間包含的粒子數(shù)和粒子所包含的線(xiàn)段的長(zhǎng)度，并將該長(zhǎng)度的合計(jì)距離除以粒子數(shù)。
本發(fā)明的層疊型壓電元件1中，優(yōu)選非活性部2b的壓電體層22的層間的金屬粒子12彼此的間隔a在形成非活性部2b的壓電體層22的壓電陶瓷的結(jié)晶粒子13的粒徑b 以上。由于散布在非活性部2b的壓電體層22的層間的金屬粒子12與壓電陶瓷的結(jié)晶粒子13的燒成收縮率不同，因此，燒結(jié)后在金屬粒子12的周?chē)菀桩a(chǎn)生殘留應(yīng)力。當(dāng)層間的金屬粒子12彼此的間隔a(金屬粒子12與金屬粒子12之間的距離)比形成壓電體層22 的壓電陶瓷的結(jié)晶粒子13的粒徑b小時(shí)，上述的殘留應(yīng)力相互影響，可能使裂紋發(fā)展。相對(duì)于此，通過(guò)使非活性部2b的壓電體層22的層間的金屬粒子12彼此的間隔a在形成非活性部2b的壓電體層22的壓電陶瓷的結(jié)晶粒子13 WSgb以上，從而能夠不被金屬粒子12 周?chē)臍埩魬?yīng)力影響。在此，由于形成非活性部2b的壓電體層22的壓電陶瓷的結(jié)晶粒子 13的粒徑為1 5 μ m左右，因此金屬粒子12彼此的間隔a需要至少為2 μ m以上，優(yōu)選為 3μπι以上。
另外，優(yōu)選非活性部2b的壓電體層22的層間的金屬粒子12彼此的間隔a的上限為非活性部2b的壓電體層22的層間彼此的間隔c以下。這是由于，當(dāng)間隔在層間彼此的間隔c以上時(shí)，裂紋碰到金屬粒子12的概率減少，從而可能降低效果。通過(guò)使非活性部2b 的壓電體層22的層間的金屬粒子12彼此的間隔a的上限為層間彼此的間隔c以下，能夠有效地抑制裂紋的發(fā)展。具體而言，由于非活性部2b的壓電體層22的層間彼此的間隔c為20 100 μ m左右，因此優(yōu)選層間的金屬粒子12彼此的間隔a的上限為50 μ m、更優(yōu)選為 30 μ m且小于層間彼此的間隔c (20 100 μ m左右)。
需要說(shuō)明的是，金屬粒子12彼此的間隔a是通過(guò)如下方法求出的平均距離，即，利用掃描型電子顯微鏡(SEM)觀察截面，測(cè)定金屬粒子12所不包含的線(xiàn)段的合計(jì)長(zhǎng)度和間隔數(shù)，并將該長(zhǎng)度除以間隔數(shù)而得到的平均距離。另外，層間彼此的間隔c是按如下方法得到的長(zhǎng)度，即，將與存在于上側(cè)層間的金屬粒子12的中心最近的下側(cè)層間中存在的金屬粒子12的中心進(jìn)行連接而形成線(xiàn)段，對(duì)于上側(cè)層間的金屬粒子12的中心與所形成的線(xiàn)段的距離(從上側(cè)的金屬粒子12的中心朝連接存在于下側(cè)層間的金屬粒子12的中心而形成的線(xiàn)段垂下的垂線(xiàn)的長(zhǎng)度)，針對(duì)不同的線(xiàn)段測(cè)定任意個(gè)數(shù)，并取平均而得到層間彼此的間隔Co
另外，本發(fā)明的層疊型壓電元件1中，優(yōu)選最靠近活性部加的非活性部2b的壓電體層22的層間與最靠近該層間的內(nèi)部電極層3a、北的間隔e及非活性部2b的壓電體層22 的層間彼此的間隔c比活性部加的壓電體層21的厚度d大。換言之，優(yōu)選非活性部2b的壓電體層22的厚度比活性部加的壓電體層21的厚度厚。根據(jù)先前敘述的理由，雖然在金屬粒子12的周?chē)a(chǎn)生殘留應(yīng)力，但通過(guò)使含有金屬粒子12的非活性部2b的壓電體層22 的層間與內(nèi)部電極層3a、3b的間隔e及非活性部2b的壓電體層22的層間彼此的間隔c比活性部加的壓電體層的厚度大，從而能夠抑制受在金屬粒子12的周?chē)a(chǎn)生的殘留應(yīng)力的影響而使裂紋容易以將層間相連的方式發(fā)展的情況。需要說(shuō)明的是，最靠近活性部加的非活性部2b的壓電體層22的層間與最靠近該層間的內(nèi)部電極層3a、3b的間隔e及非活性部 2b的壓電體層22的層間彼此的間隔c越大，則在含有金屬粒子12的層中發(fā)展的裂紋越容易沿含有金屬粒子12的層發(fā)展，而越難沿層疊方向發(fā)展。具體而言，由于活性部加的壓電體層21的厚度為20 100 μ m左右，因此，優(yōu)選含有金屬粒子12的非活性部2b的壓電體層22的層間與最靠近該層間的內(nèi)部電極層3a、3b的間隔e及層間彼此的間隔c為30 300 μ m、更優(yōu)選為50 200 μ m且比活性部加的壓電體層21的厚度d大。
另外，優(yōu)選本發(fā)明的層疊型壓電元件1中使用的金屬粒子12由柔軟且與壓電陶瓷的反應(yīng)性低的銀-鈀合金構(gòu)成。這是為了能夠進(jìn)一步吸收裂紋的能量，進(jìn)一步抑制裂紋的發(fā)展。尤其是銀的比率越高則越柔軟，越具有效果，銀的比率可以為70%以上，優(yōu)選為90% 以上。需要說(shuō)明的是，也可以使用銅、鉬等。
另外，本發(fā)明的層疊型壓電元件1中，優(yōu)選外部電極如、4b的端部位于金屬粒子12 所散布的非活性部2b的壓電體層22的層間。在層疊型壓電元件1 (活性部2a)的伸縮的同時(shí)外部電極4a、4b也要伸縮，從而在位于外部電極4a、4b的端部附近的非活性部2b上產(chǎn)生的應(yīng)力變大。因此，通過(guò)將該外部電極^、4b的端部配置成位于金屬粒子12所散布的層間，從而柔軟的金屬粒子12緩和該應(yīng)力，因此能夠進(jìn)一步提高耐久性。
接著，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式之一例的層疊型壓電元件1的制造方法進(jìn)行說(shuō)明。 首先，將例如鋯鈦酸鉛(PZT)的粉末；由丙烯酸系、丁醛系等有機(jī)高分子構(gòu)成的粘合劑； DBP (鄰苯二甲酸二丁酯)、DOP (鄰苯二甲酸二辛酯)等增塑劑混合來(lái)制作料漿。
接著，利用刮板法、壓延法等帶成形法將得到的料漿成形為陶瓷生片。
接著，制作構(gòu)成內(nèi)部電極層3a、!3b的導(dǎo)電性膏。該導(dǎo)電性膏例如通過(guò)在主要由銀-鈀合金構(gòu)成的金屬粉末中添加混合粘合劑、增塑劑等而得到。將該導(dǎo)電性膏通過(guò)絲網(wǎng)印刷法等在陶瓷生片的單面印刷成內(nèi)部電極層3a、!3b的圖案。
并且，在成為非活性部2b的部分的陶瓷生片的至少一個(gè)上印刷分散有金屬粒子 12的膏。上述的金屬粒子12為0. 1 3 μ m的粒徑，且粒子間為形成非活性部2b的壓電體層22的壓電陶瓷的結(jié)晶粒子13的粒徑以上且層間的厚度以下即可。另外，為了對(duì)粒子間進(jìn)行控制，也可以印刷在金屬粒子中混合有PZT粉末或氧化鉛粉末等陶瓷粒子等的膏。
接著，將印刷了導(dǎo)電性膏的陶瓷生片層疊成例如圖1所示結(jié)構(gòu)的柱狀層疊體5，并通過(guò)使其干燥而得到層疊成形體。在該層疊成形體的層疊方向的兩端側(cè)還層疊多層未印刷導(dǎo)電性膏的非活性部7用的陶瓷生片。其中至少配置一層印刷了分散有上述金屬粒子12 的膏的陶瓷生片。并且，其層間的距離設(shè)計(jì)成活性部加的壓電體層21的厚度以上。需要說(shuō)明的是，層疊成形體可以根據(jù)需要沿層疊方向裁斷而形成為所希望的形狀。
接著，以規(guī)定的溫度對(duì)層疊成形體進(jìn)行脫粘合劑處理，之后在900 1150°C下進(jìn)行燒成，從而得到柱狀層疊體5。也可以根據(jù)需要而對(duì)柱狀層疊體5的側(cè)面進(jìn)行研磨。
接著，在柱狀層疊體5的側(cè)面形成外部電極^、4b。外部電極如、仙例如可以通過(guò)如下方法形成，即，在主要由銀構(gòu)成的金屬粉末中添加混合粘合劑、增塑劑、玻璃粉末等來(lái)制作導(dǎo)電性膏，并通過(guò)絲網(wǎng)印刷法等將該導(dǎo)電性膏印刷在柱狀層疊體5的側(cè)面，并且在 600 800°C下進(jìn)行燒成。該外部電極4a、4b可以形成為其端部位于金屬粒子12所散布的層間的長(zhǎng)度。并且，可以在外部電極如、仙的外表面利用導(dǎo)電性粘接劑安裝由金屬形成的網(wǎng)眼狀體或網(wǎng)眼狀的金屬板。由金屬形成的網(wǎng)眼狀體是指編織金屬線(xiàn)而得到的構(gòu)件，網(wǎng)眼狀的金屬板是指在金屬板上形成多個(gè)貫通孔而形成為網(wǎng)眼狀的構(gòu)件。
之后，通過(guò)焊料等將引線(xiàn)連接于外部電極^、4b后，利用浸漬等方法在包括外部電極^、4b的柱狀層疊體5的側(cè)面涂覆由硅酮橡膠等形成的外裝樹(shù)脂，由此得到層疊型壓電元件1。
接著，對(duì)本發(fā)明的噴射裝置的實(shí)施方式的例子進(jìn)行說(shuō)明。圖3是表示本發(fā)明的噴射裝置的實(shí)施方式之一例的簡(jiǎn)要剖視圖。如圖3所示，本實(shí)施方式的噴射裝置6在一端具有噴射孔61的收納容器62的內(nèi)部收納有上述的層疊型壓電元件1。
在收納容器62內(nèi)配設(shè)有通過(guò)層疊型壓電元件1的驅(qū)動(dòng)而能夠使噴射孔61開(kāi)閉的針閥63。燃料通路64被配設(shè)成能夠根據(jù)針閥63的移動(dòng)而與噴射孔61連通。該燃料通路 64與外部的燃料供給源連結(jié)，始終以固定的高壓向燃料通路64供給燃料。因此，當(dāng)針閥63 將噴射孔61打開(kāi)時(shí)，向燃料通路64供給的燃料以固定的高壓向未圖示的內(nèi)燃機(jī)的燃料室內(nèi)噴出。
另外，針閥63的上端部的內(nèi)徑變大，成為能夠與在收納容器62中形成的工作缸65 滑動(dòng)的活塞66。并且，上述的層疊型壓電元件1與活塞66相接而收納在收納容器62內(nèi)。
在這樣的噴射裝置6中，當(dāng)層疊型壓電元件1被施加電壓而伸長(zhǎng)時(shí)，按壓活塞66， 針閥63將噴射孔61閉塞，使燃料的供給停止。當(dāng)停止電壓的施加時(shí)，層疊型壓電元件1收縮，碟簧67壓回活塞66，噴射孔61與燃料通路64連通而進(jìn)行燃料的噴射。
若在內(nèi)燃機(jī)中使用本實(shí)施方式的噴射裝置6，則與現(xiàn)有的噴射裝置相比，能夠?qū)⑷剂细L(zhǎng)期且精度良好地向發(fā)動(dòng)機(jī)等內(nèi)燃機(jī)的燃燒室噴射。
需要說(shuō)明的是，噴射裝置6具備具有噴射孔61的容器和層疊型壓電元件1，其只要構(gòu)成為填充到容器內(nèi)的液體通過(guò)層疊型壓電元件1的驅(qū)動(dòng)而從噴射孔61噴出即可。S卩，層疊型壓電元件1不必一定位于容器的內(nèi)部，只要構(gòu)成為通過(guò)層疊型壓電元件1的驅(qū)動(dòng)而對(duì)容器的內(nèi)部施加壓力即可。在本實(shí)施方式中，液體除了燃料、墨液等之外，還包括各種液狀流體(導(dǎo)電性膏等)。
圖4是表示本發(fā)明的燃料噴射系統(tǒng)的實(shí)施方式之一例的簡(jiǎn)要框圖。如圖4所示， 本發(fā)明的實(shí)施方式的燃料噴射系統(tǒng)7具備積蓄高壓燃料的共軌71 ；將在該共軌71中積蓄的高壓燃料進(jìn)行噴射的多個(gè)噴射裝置6 ；向共軌71供給高壓燃料的壓力泵72 ；對(duì)噴射裝置 6提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)的噴射控制單元73。
噴射控制單元73通過(guò)傳感器等感知發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)的狀況并同時(shí)對(duì)燃料噴射的量或時(shí)機(jī)進(jìn)行控制。壓力泵72起到使燃料為1000 2000氣壓(約IOlMPa 約203MPa) 左右、優(yōu)選為1500 1700氣壓(約152MPa 約172MPa)左右并將燃料從燃料箱74向共軌71送入的作用。另外，在共軌71中蓄積從壓力泵72送來(lái)的燃料，并將燃料適當(dāng)向噴射裝置6送入。并且，噴射裝置6如上述那樣將少量的燃料從噴射孔61向燃燒室內(nèi)霧狀地噴射。
若使用本實(shí)施方式的燃料噴射系統(tǒng)7，則與現(xiàn)有的燃料噴射系統(tǒng)相比，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地進(jìn)行高壓燃料的所希望的噴射。實(shí)施例
以下，對(duì)本發(fā)明的層疊型壓電元件的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。
首先，將以PZT為主要成分的壓電體陶瓷的準(zhǔn)燒成粉末、由有機(jī)高分子構(gòu)成的粘合劑、增塑劑混合而制作料漿，并通過(guò)注漿成形法制作出厚度為150 μ m的陶瓷生片。
接著，通過(guò)絲網(wǎng)印刷法，在該陶瓷生片的單面上，將銀的含有量為70質(zhì)量％且鈀的含有量為30質(zhì)量％的銀-鈀合金的粉末印刷成厚度為5 μ m的所希望的圖案形狀來(lái)作為導(dǎo)電性膏層。另外，相對(duì)于20質(zhì)量％的下述合金粉末、即銀的含有量為90質(zhì)量％且鈀的含有量為10質(zhì)量％的平均粒徑為1 μ m的銀-鈀合金的粉末(表1的試料編號(hào)幻或者銀的含有量為70質(zhì)量％且鈀的含有量為30質(zhì)量％的平均粒徑為1 μ m的銀-鈀合金的粉末(表1 的試料編號(hào)2、4 7)，混合60 90質(zhì)量％的平均粒徑為3 μ m的PZT的粉末來(lái)改變粒子間距離，并將上述那樣調(diào)整的粉末通過(guò)絲網(wǎng)印刷法印刷成厚度為5 μ m的與上述同樣的形狀， 來(lái)作為非導(dǎo)電性膏層。
接著，在使導(dǎo)電性膏層干燥后，將涂敷了導(dǎo)電性膏層的多個(gè)陶瓷生片層疊100張， 來(lái)制作出一次層疊成形體。并且，在一次層疊成形體的層疊方向的上側(cè)端部層疊20張未涂敷導(dǎo)電性膏的陶瓷生片，在下側(cè)端部層疊20張未涂敷導(dǎo)電性膏的陶瓷生片，從而制作出層疊成形體。此時(shí)，每隔一層或三層加入含有上述的合金和PZT的非導(dǎo)電性膏層。
接著，將該層疊成形體在100°C下加熱并同時(shí)加壓，使層疊成形體的陶瓷生片一體化。
接著，將層疊成形體切斷成截面為SmmXSmm的四方形狀且長(zhǎng)度為18mm的四棱柱狀后，在800°C進(jìn)行10小時(shí)的脫粘合劑處理，在1130°C下進(jìn)行2小時(shí)燒成，從而得到柱狀層疊體。燒成時(shí)使用的燒成缽使用密封結(jié)構(gòu)的MgO制的缽，將層疊成形體及與層疊成形體所含有的陶瓷相同組成的陶瓷粉末裝入缽中進(jìn)行燒成，從而得到柱狀層疊體。需要說(shuō)明的是， 柱狀層疊體中的活性部及非活性部的壓電體層的厚度為100 μ m。
接著，利用平面磨床，對(duì)層疊體的四個(gè)側(cè)面各以0. 2mm的厚度量進(jìn)行研磨。
此時(shí)，使內(nèi)部電極層的端部交替露出于柱狀層疊體的兩個(gè)側(cè)面。即，使內(nèi)部電極層 3a的端部向外部電極如側(cè)的柱狀層疊體的側(cè)面露出，使內(nèi)部電極層北的端部向外部電極 4b側(cè)的柱狀層疊體的側(cè)面露出。
接著，在柱狀層疊體的兩個(gè)側(cè)面涂敷含有銀和聚酰亞胺樹(shù)脂的導(dǎo)電性粘接劑，并在該導(dǎo)電性粘接劑中埋入由不銹鋼形成的網(wǎng)眼狀體，在該狀態(tài)下，在200°C下加熱而使導(dǎo)電性粘接劑硬化，由此形成外部電極4a和外部電極4b。抽取各條件下試制的樣品中的各3 個(gè)，從側(cè)面研磨2mm，之后通過(guò)粒徑為1 μ m的金剛石研磨膏進(jìn)行拋光。
之后，通過(guò)掃描型電子顯微鏡(SEM)的1000倍的圖像觀察截面，測(cè)定連結(jié)金屬粒子的中心的100 μ m的線(xiàn)段之間所包含的金屬粒子數(shù)和金屬粒子所包含的線(xiàn)段的長(zhǎng)度，將該長(zhǎng)度的合計(jì)距離除以金屬粒子數(shù)，從而求出金屬粒子的平均粒徑，此時(shí)求得的平均粒徑為1 μ m。另外，測(cè)定僅含有壓電陶瓷的100 μ m的線(xiàn)段之間所含有的壓電陶瓷的結(jié)晶粒子數(shù)和結(jié)晶粒子所含有的線(xiàn)段的長(zhǎng)度，將該長(zhǎng)度的合計(jì)距離除以結(jié)晶粒子數(shù)，由此求出壓電陶瓷的結(jié)晶粒子的平均粒徑，此時(shí)求得的平均粒徑為3 μ m。
并且，通過(guò)掃描型電子顯微鏡(SEM)的1000倍的圖像觀察截面，測(cè)定連結(jié)金屬粒子的中心的ΙΟΟμπι的線(xiàn)段中的金屬粒子所不包含的線(xiàn)段的合計(jì)長(zhǎng)度和間隔數(shù)，將該長(zhǎng)度除以間隔數(shù)，由此求出金屬粒子彼此的間隔。在表1中示出其結(jié)果。
另外，通過(guò)掃描型電子顯微鏡(SEM)的500倍的圖像觀察截面，將與存在于上側(cè)層間的金屬粒子的中心最近的下側(cè)層間中存在的金屬粒子的中心進(jìn)行連接而形成線(xiàn)段，針對(duì)不同的5個(gè)線(xiàn)段測(cè)定上側(cè)層間的金屬粒子的中心與所形成的線(xiàn)段的距離(從上側(cè)的金屬粒子12的中心朝連接存在于下側(cè)層間的金屬粒子12的中心而形成的線(xiàn)段垂下的垂線(xiàn)的長(zhǎng)度)，并將其平均化。在表1中示出其結(jié)果。
另外，利用維氏硬度計(jì)對(duì)非活性部端面施加500g的荷重，在端面產(chǎn)生約150 μ m的裂紋。
接著，通過(guò)焊料在正極用的外部電極(外部電極如)、負(fù)極用的外部電極(外部電極4b)上分別連接引線(xiàn)，并通過(guò)乙醇清洗層疊型壓電元件的表面。之后，利用底漆對(duì)層疊體實(shí)施表面處理來(lái)提高外裝樹(shù)脂的密接性，之后通過(guò)浸漬法將由硅酮橡膠形成的外裝樹(shù)脂覆蓋于層疊體的表面，從而制作出層疊型壓電元件。
最后，對(duì)層疊型壓電元件施加2kV/mm的極化電壓，對(duì)層疊型壓電元件的壓電體層整體實(shí)施極化處理，從而得到本發(fā)明的層疊型壓電元件。
此時(shí)，制作出柱狀層疊體的結(jié)構(gòu)如表1所示為五種的五種層疊型壓電元件。
如圖1所示，試料編號(hào)2 7的層疊型壓電元件在非活性部設(shè)有含有金屬粒子的層。
具體而言，試料編號(hào)2的層疊型壓電元件以IOOym的間隔配置有兩層平均粒徑 1 μ m的銀/鈀=70/30的粉末以2 μ m的間隔分散的層。
試料編號(hào)3的層疊型壓電元件以100 μ m的間隔配置有兩層平均粒徑1 μ m的銀/ 鈀=90/10的粉末以3μπι的間隔分散的層。
試料編號(hào)4的層疊型壓電元件以300 μ m的間隔配置有兩層平均粒徑1 μ m的銀/ 鈀=70/30的粉末以3μπι的間隔分散的層。
試料編號(hào)5的層疊型壓電元件以100 μ m的間隔配置有兩層平均粒徑1 μ m的銀/ 鈀=70/30的粉末以5μπι的間隔分散的層。
試料編號(hào)6的層疊型壓電元件以100 μ m的間隔配置有兩層平均粒徑1 μ m的銀/ 鈀=70/30的粉末以40 μ m的間隔分散的層。
試料編號(hào)7的層疊型壓電元件以100 μ m的間隔配置有兩層平均粒徑1 μ m的銀/ 鈀=70/30的粉末以110 μ m的間隔分散的層。
對(duì)上述的層疊型壓電元件分別施加200V的直流電壓的結(jié)果是，各層疊型壓電元件都得到伸縮驅(qū)動(dòng)引起的IOym的位移量(初始的位移量)。需要說(shuō)明的是，位移量的測(cè)定通過(guò)將試料固定在防振臺(tái)上，在試料上表面張貼鋁箔，利用激光位移計(jì)在元件的中心部及兩端部這三個(gè)部位進(jìn)行測(cè)定而進(jìn)行，將三個(gè)部位的位移量的平均值作為層疊型壓電元件的位移量。
然后，以200Hz的頻率對(duì)上述的層疊型壓電元件施加OV +200V的交流電場(chǎng)，在 150°C下進(jìn)行驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)。驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)中測(cè)定將層疊型壓電元件連續(xù)驅(qū)動(dòng)IX IO9循環(huán)后的位移， 研究從初始位移開(kāi)始的變化。具體而言，對(duì)各試料各評(píng)價(jià)10個(gè)，將位移的變化量的絕對(duì)值超過(guò)0.5μπι的情況作為不良，并確認(rèn)其個(gè)數(shù)。并且，確認(rèn)連續(xù)驅(qū)動(dòng)IX IO9循環(huán)后的從非活性部端面到活性部的裂紋的發(fā)展?fàn)顩r。具體而言，對(duì)各試料各測(cè)定10個(gè)，確認(rèn)裂紋從非活性部端面發(fā)展到活性部的個(gè)數(shù)。在表1中示出其結(jié)果。
需要說(shuō)明的是，作為比較例，制作在非活性部未設(shè)置含有金屬粒子的層的層疊型壓電元件(試料編號(hào)1)，并且與試料編號(hào)2 7的層疊型壓電元件同樣地測(cè)定初始的位移量，此時(shí)確認(rèn)了 10個(gè)都未得到規(guī)定的位移。另外，對(duì)于試料編號(hào)1的層疊型壓電元件，與試料編號(hào)2 7的層疊型壓電元件同樣地確認(rèn)裂紋從非活性部端面發(fā)展到活性部的個(gè)數(shù)。在表1中示出其結(jié)果。
[表 1]
權(quán)利要求
1.一種層疊型壓電元件，其具備柱狀層疊體，其具有壓電體層和內(nèi)部電極層交替層疊多層而形成的活性部以及在該活性部的層疊方向的兩端配置的分別層疊多層壓電體層而形成的非活性部；一對(duì)外部電極，它們?cè)O(shè)置在該柱狀層疊體的側(cè)面，并與所述內(nèi)部電極層每隔一層交替地電連接，所述層疊型壓電元件的特征在于，在所述非活性部的層間的至少一個(gè)，粒徑比形成所述非活性部的所述壓電體層的壓電陶瓷的粒徑小的金屬粒子在從所述柱狀層疊體的層疊方向觀察時(shí)，散布在包括所述內(nèi)部電極層彼此重疊的區(qū)域的范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的層疊型壓電元件，其特征在于，所述層間中的所述金屬粒子彼此的間隔為形成所述非活性部的所述壓電體層的壓電陶瓷的粒徑以上，且為所述層間彼此的間隔以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的層疊型壓電元件，其特征在于，所述層間與所述內(nèi)部電極層的間隔及所述層間彼此的間隔比所述活性部的所述壓電體層的厚度大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的層疊型壓電元件，其特征在于， 所述金屬粒子由銀-鈀合金構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的層疊型壓電元件，其特征在于， 所述外部電極的端部位于所述金屬粒子所散布的所述層間。
6.一種噴射裝置，其特征在于，具備 具有噴射孔的容器；權(quán)利要求1至權(quán)利要求5中任一項(xiàng)所述的層疊型壓電元件，在所述容器內(nèi)積蓄的流體通過(guò)所述層疊型壓電元件的驅(qū)動(dòng)而從所述噴射孔噴出。
7.一種燃料噴射系統(tǒng)，其特征在于，具備 積蓄高壓燃料的共軌；將在該共軌中積蓄的所述高壓燃料進(jìn)行噴射的權(quán)利要求6所述的噴射裝置； 向所述共軌供給所述高壓燃料的壓力泵； 對(duì)所述噴射裝置提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)的噴射控制單元。
全文摘要
本發(fā)明提供一種抑制裂紋從端面發(fā)展且使耐久性提高了的層疊型壓電元件、使用其的噴射裝置及燃料噴射系統(tǒng)。層疊型壓電元件(1)具備柱狀層疊體(5)，其具有壓電體層(21)和內(nèi)部電極層(3a、3b)交替層疊多層而形成的活性部(2a)以及在活性部(2a)的層疊方向的兩端配置的分別層疊多層壓電體層(22)而形成的非活性部(2b)；一對(duì)外部電極(4a、4b)，它們?cè)O(shè)置在柱狀層疊體(5)的側(cè)面，與內(nèi)部電極層(3a、3b)每隔一層交替地電連接，其中，在非活性部(2b)中的層間的至少一個(gè)，粒徑比形成非活性部(2b)的壓電體層(22)的壓電陶瓷的粒徑小的金屬粒子(12)在從柱狀層疊體(5)的層疊方向觀察時(shí)，散布在包括內(nèi)部電極層(3a、3b)彼此重疊的區(qū)域的范圍內(nèi)。
文檔編號(hào)F02M51/00GK102511088SQ20108004134
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2010年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月28日
發(fā)明者佐藤政宏 申請(qǐng)人:京瓷株式會(huì)社