專利名稱：層疊型壓電元件及其制造方法、及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)明涉及層疊型壓電元件及其制造方法、及噴射裝置及燃料噴射系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
從以往開始，知道有具備多個壓電體層隔著內(nèi)部電極層層疊的層疊結(jié)構(gòu)體，在該 層疊結(jié)構(gòu)體的側(cè)面形成有一對外部電極的層疊型壓電元件(以下，還有時簡稱為“元件”)。 通常，元件具備內(nèi)部電極層之間對置的對置部；相對于該對置部，位于層疊方向兩端側(cè)的 非對置部。若向元件施加電壓，則對置部驅(qū)動，非對置部不驅(qū)動，因此，應(yīng)力容易施加于這些 的邊界附近。因此，公開有以通過將非對置部的彈性模量設(shè)為比對置部的彈性模量小，降低 在邊界附近產(chǎn)生的應(yīng)力為目的的元件(專利文獻(xiàn)1)。專利文獻(xiàn)1特開2001-94164號公報然而，近年來，正在要求能夠在高電壓及高壓力下長期連續(xù)驅(qū)動的元件，期望進(jìn)一 步的耐久性的提高。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供能夠在高電壓及高壓力下長期連續(xù)驅(qū)動的耐久性高 的層疊型壓電元件和其制造方法、及噴射裝置及燃料噴射系統(tǒng)。本發(fā)明的層疊型壓電元件，其具有具備多個內(nèi)部電極層和隔著所述內(nèi)部電極層 層疊的多個壓電體層的層疊結(jié)構(gòu)體，在所述層疊結(jié)構(gòu)體中的與所述內(nèi)部電極層平行的剖面 的剖面積中，層疊方向的兩端部側(cè)比層疊方向的中央部小。根據(jù)本發(fā)明的層疊型壓電元件可知，具有能夠降低在對置部、和非對置部的邊界 附近產(chǎn)生的應(yīng)力的效果。


圖1是表示本發(fā)明的一實施方式的層疊型壓電元件的側(cè)面圖。圖2是圖1所示的層疊型壓電元件的俯視圖。圖3是表示本發(fā)明的一實施方式的制造方法中的研磨工序的概略圖。圖4是表示本發(fā)明的其他實施方式的制造方法中的研磨工序的概略圖。圖5是表示本發(fā)明的一實施方式的噴射裝置的概略圖。圖6是表示本發(fā)明的一實施方式的燃料噴射系統(tǒng)的概略圖。圖中11_壓電體層；13-內(nèi)部電極層；15-層疊結(jié)構(gòu)體；17-外部電極；19-對置 部；21-非對置部；20-剖面積減少部。
具體實施例方式〈層疊型壓電元件〉
以下，參照附圖，詳細(xì)地說明本發(fā)明的一實施方式的層疊型壓電元件。圖1是表示本實施方式的層疊型壓電元件的側(cè)面圖，圖2是圖1所示的層疊型壓電元件的俯視圖。 該層疊型壓電元件1具有壓電體層11和內(nèi)部電極層13以多個交替地層疊的層疊結(jié)構(gòu)體 15。在層疊結(jié)構(gòu)體15的側(cè)面形成有一對外部電極17 (負(fù)極的外部電極17a、正極的外部電 極17b)。層疊結(jié)構(gòu)體15具備內(nèi)部電極層13之間對置的對置部19 ；相對于該對置部19， 位于層疊方向的兩端部側(cè)的非對置部21。該對置部19是夾在對置的內(nèi)部電極層13的壓電體層11分別相應(yīng)于施加于兩側(cè) 的內(nèi)部電極層13的電壓而伸縮，改變元件的層疊方向的長度的驅(qū)動部。相對于此，非對置部21由于不存在將壓電體層11夾在中間而從兩側(cè)施加電壓的 內(nèi)部電極層13，因此，是壓電體部不自身變位的非驅(qū)動部。從而，在本實施方式中，非對置部21以盡量不阻礙對置部19的伸縮，且減小在與 對置部19的邊界產(chǎn)生的應(yīng)力的方式構(gòu)成為容易變形的形狀。在該元件中，層疊結(jié)構(gòu)體15中的與內(nèi)部電極層13平行的剖面的剖面積而言，層疊 方向的兩端部側(cè)比層疊方向的中央部小。由此，能夠減小在對置部、和非對置部的邊界附近 產(chǎn)生的應(yīng)力。其理由如下，即通過將接近在電壓施加時，不自身驅(qū)動的非對置部的兩端部 側(cè)的剖面積設(shè)為比以往小，約束對置部的驅(qū)動引起的變形的力弱。還有，在本說明書中，將層疊結(jié)構(gòu)體15中的與內(nèi)部電極層13平行的剖面稱為橫截 面。另外，在本實施方式中，作為更優(yōu)選的實施方式，非對置部21具有；橫截面的剖面 積隨著朝向?qū)盈B方向的兩端而變小的剖面積減少部20。通過這樣在非對置部21中逐漸減 小剖面積，在層疊結(jié)構(gòu)體15不形成大的臺階，因此，能夠抑制應(yīng)力集中于層疊結(jié)構(gòu)體15的 一部分的情況。還有，在圖1所示的方式中，形成從對置部19和非對置部21的邊界開始剖面積逐 漸減小的剖面積減少部20，在對置部19中，使剖面積(與內(nèi)部電極層13平行的剖面的剖面 積)大致恒定，但剖面積減少部20橫跨對置部19和非對置部21形成也可。即，在本發(fā)明 中，就層疊結(jié)構(gòu)體15中的與內(nèi)部電極層13平行的剖面的剖面積來說，在位于層疊方向的兩 端部側(cè)的非對置部21中，比層疊方向的中央部(對置部的中央部)小即可。其次，說明本實施方式的元件的制造方法。本實施方式的制造方法具備使層疊結(jié) 構(gòu)體15中與內(nèi)部電極層13平行的剖面的剖面積中層疊方向的兩端部側(cè)比層疊方向的中央 部小地研磨后述的層疊結(jié)構(gòu)體15的側(cè)面的工序。首先，例如，混合鈦酸鋯酸鉛(PZT)的粉末、包括丙烯酸系、丁縮醛系等有機(jī)高分 子的粘合劑、和DBP (酞酸二丁基酯)、DOP (酞酸二辛基酯)等增塑劑，制作漿料。接著，對 于該漿料，使用刮板法、壓延輥法等帶模塑法，制作陶瓷印刷電路板。接著，制作內(nèi)部電極層 13用金屬糊劑。該金屬糊劑是向主要包括銀鈀的金屬粉末中添加混合粘合劑(粘著剤)、 增塑劑等而得到。在陶瓷印刷電路板的一面，利用網(wǎng)板印刷等，將該金屬糊劑以內(nèi)部電極層 的形狀印刷。其次，通過將印刷有金屬糊劑的印刷電路板成為圖1、2所示的結(jié)構(gòu)地層疊并干燥 而得到層疊成形體。在該層疊結(jié)構(gòu)體的層疊方向的兩端側(cè)層疊多個未印刷有金屬糊劑的陶 瓷印刷電路板。層疊了多個未印刷有該金屬糊劑的陶瓷印刷電路板的部分在燒成后成為非對置部21。該層疊成形體可以根據(jù)需要來裁斷，形成為期望的形態(tài)。接著，在規(guī)定的溫度下 將層疊成形體脫粘合劑處理后，在900 1150°C下燒成，由此得到層疊結(jié)構(gòu)體15。其次，將該層疊結(jié)構(gòu)體15的側(cè)面研磨。圖3是表示該研磨工序的概略圖。如圖3 所示，在層疊結(jié)構(gòu)體15中，利用保持件61a、61b分別保持其兩端面15a、15b。此時，層疊結(jié) 構(gòu)體15的兩端面15a、15b朝向?qū)盈B結(jié)構(gòu)體15的中央部側(cè)而被加壓。該夾緊壓力F設(shè)定為 以使層疊結(jié)構(gòu)體15的兩端部側(cè)(成為非對置部21的部分)的剖面積在與層疊方向垂直的 方向上擴(kuò)大的程度大的壓力。這樣擴(kuò)大了層疊結(jié)構(gòu)體15的兩端側(cè)的剖面積的狀態(tài)下，使研磨砂輪63與層疊結(jié) 構(gòu)體15中的多個側(cè)面中一個面接觸，進(jìn)行研磨。若一個側(cè)面的研磨結(jié)束，則使層疊結(jié)構(gòu)體 15旋轉(zhuǎn)90度，將接下來的側(cè)面同樣研磨。對于所有的側(cè)面進(jìn)行該作業(yè)。由此，得到層疊方 向的兩端側(cè)的剖面積小于層疊方向的中央的層疊結(jié)構(gòu)體15。在層疊結(jié)構(gòu)體15的端面中的維氏硬度Hv為20 50GPa時，優(yōu)選以lOMPa以上且 lOOMPa以下的夾緊壓力F保持層疊結(jié)構(gòu)體15。另外，保持件65a、65b中的保持面的維氏硬 度Hv優(yōu)選1 20GPa。通過夾緊壓力F為lOMPa以上，有效地擴(kuò)大層疊結(jié)構(gòu)體15的兩端側(cè) 的剖面積。另外，通過夾緊壓力F為lOOMPa以下，能夠抑制層疊結(jié)構(gòu)體15的過度的變形。 在調(diào)節(jié)層疊結(jié)構(gòu)體15的兩端部側(cè)的剖面積時，調(diào)節(jié)夾緊壓力F。另外，通過在側(cè)面的研磨 中，改變夾緊壓力F，改變剖面積的擴(kuò)大程度，能夠?qū)啥瞬總?cè)的形狀設(shè)計為各種形狀。圖4是表示本發(fā)明的其他實施方式的制造方法中的研磨工序的概略圖。如圖4所 示，在層疊結(jié)構(gòu)體15中，利用保持件65a、65b，分別保持其兩端面15a、15b。此時，層疊結(jié)構(gòu) 體15在其中央部比層疊方向的兩端側(cè)向一方向(從圖中D所示的研磨砂輪67遠(yuǎn)離的方 向)突出而彎曲的狀態(tài)下保持層疊結(jié)構(gòu)體15。通過以這樣的狀態(tài)保持，層疊結(jié)構(gòu)體15的側(cè) 面的研磨深度根據(jù)部位而變化。在這樣將層疊結(jié)構(gòu)體15的中央部向一方向D突出的狀態(tài)下，使研磨砂輪67與層 疊結(jié)構(gòu)體15中的多個側(cè)面中一個側(cè)面接觸，進(jìn)行研磨。若一個側(cè)面的研磨結(jié)束，則使層疊 結(jié)構(gòu)體15旋轉(zhuǎn)90度，將接下來的側(cè)面同樣研磨。對所有的側(cè)面進(jìn)行該作業(yè)。由此，得到層 疊方向的兩端側(cè)的剖面積比層疊方向的中央小的層疊結(jié)構(gòu)體15。其次，在層疊結(jié)構(gòu)體15的側(cè)面形成外部電極17。外部電極17可以通過向主要包 括銀的金屬粉末中添加混合粘合齊IJ、增塑齊IJ、玻璃粉末等，制作金屬糊劑，利用網(wǎng)板印刷等， 將該金屬糊劑印刷于上述層疊結(jié)構(gòu)體的側(cè)面，在600 800°C下燒成而形成。進(jìn)而，在外部電極17的外表面形成埋設(shè)有金屬的篩眼或篩眼狀金屬板的包括導(dǎo) 電性粘接劑(接著剤)的導(dǎo)電性輔助部件也可。金屬的篩眼是編入金屬線而成的，篩眼狀 的金屬板是在金屬板形成孔，形成為篩眼狀的。然后，在外部電極17利用焊錫等連接了導(dǎo)線后，在包含外部電極17的層疊結(jié)構(gòu)體 側(cè)面使用浸漬等方法，涂敷包括硅酮橡膠等的外裝樹脂，由此得到層疊型壓電元件。<噴射裝置>圖5是表示本發(fā)明的一實施方式的噴射裝置的概略剖面圖。如圖5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(nèi)部收容有以上述實施方式為代 表的本發(fā)明的層疊型壓電元件1。在收容容器29內(nèi)配設(shè)有能夠開閉噴射孔27的針閥37。 在噴射孔27中，能夠根據(jù)針閥37的活動而連通地配設(shè)有燃料通路33。該燃料通路33與外
5部的燃料供給源連結(jié)，時常以恒定的高壓向燃料通路33供給燃料。從而，若針閥37開放噴 射孔27，則向燃料通路33供給的燃料以恒定的高壓向未圖示的內(nèi)燃機(jī)的燃燒室內(nèi)噴出。另外，針閥37的上端部的直徑大，配置為能夠與在收容容器29形成的汽缸35滑 動移動。還有，在收容容器29內(nèi)收容有具備上述層疊型壓電元件1的壓電促動器。 在這樣的噴射裝置中，若壓電促動器被施加電壓而伸長，則針閥37的上端部被按 壓，針閥37被噴射孔27閉塞，停止燃料的供給。另外，若電壓的施加停止，則壓電促動器收 縮，盤簧39推回針閥37的上端部，噴射孔27與燃料通路33連通，進(jìn)行燃料的噴射。另外，本發(fā)明的噴射裝置25具備具有噴射孔27的容器、和上述層疊型壓電元件1， 通過層疊型壓電元件1的驅(qū)動，從噴射孔27噴出在容器內(nèi)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(nèi)部，通過層疊型壓電元件1的驅(qū)動，使壓力施加于容器的內(nèi) 部即可。還有，在本實施方式中，液體除了燃料、墨液等之外，還包括各種液態(tài)流體(導(dǎo)電性 糊劑等)。<燃料噴射系統(tǒng)>圖6是表示本發(fā)明的一實施方式的燃料噴射系統(tǒng)的概略圖。如圖6所示，本實施 方式的燃料噴射系統(tǒng)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(qū)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(fā)動機(jī)的燃燒室內(nèi)的狀況的同時，控制燃燒 噴射的量或時序。壓力泵45發(fā)揮從燃料罐49將燃料以1000 2000大氣壓(約IOlMPa 約203MPa)左右，優(yōu)選以1500 1700大氣壓(約152MPa 約172MPa)左右送入共軌43 的作用。在共軌43中，蓄積從壓力泵45送過來的燃料，適當(dāng)?shù)厮腿雵娚溲b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。以上，說明了本發(fā)明的實施方式，但本發(fā)明不限定于上述實施方式。另外，本發(fā)明 中的非對置部是指在電壓施加時對驅(qū)動起到貢獻(xiàn)的內(nèi)部電極層之間不對置的部位即自身 不驅(qū)動的部位。從而，在非對置部不包括金屬層等也可。另外，在圖3及圖4所示的研磨工序中，如上所述，使層疊結(jié)構(gòu)體15旋轉(zhuǎn)90度，研 磨接下來的側(cè)面，此外將一個側(cè)面的接下來旋轉(zhuǎn)180度而對置的側(cè)面，從此旋轉(zhuǎn)90度，研磨 接下來的側(cè)面，其次，旋轉(zhuǎn)180度，研磨對置的側(cè)面也可。
權(quán)利要求
一種層疊型壓電元件，其特征在于，具有具備多個內(nèi)部電極層和隔著所述內(nèi)部電極層層疊的多個壓電體層的層疊結(jié)構(gòu)體，所述層疊結(jié)構(gòu)體中的與所述內(nèi)部電極層平行的剖面的剖面積在層疊方向的兩端部側(cè)小于層疊方向的中央部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的層疊型壓電元件，其中，具有所述剖面積隨著朝向?qū)盈B方向的兩端而變小的剖面積減少部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的層疊型壓電元件，其中，所述層疊結(jié)構(gòu)體具有所述內(nèi)部電極層之間對置的對置部；和相對于該對置部位于層 疊方向兩端側(cè)的非對置部，所述剖面積減少部存在于所述非對置部。
4.一種層疊型壓電元件的制造方法，其特征在于，該層疊型壓電元件具有具備多個 內(nèi)部電極層和隔著所述內(nèi)部電極層層疊的多個壓電體層的層疊結(jié)構(gòu)體，所述方法包括研磨所述層疊結(jié)構(gòu)體的側(cè)面的工序，使得所述層疊結(jié)構(gòu)體中的與所述內(nèi) 部電極層平行的剖面的剖面積在層疊方向的兩端部側(cè)小于層疊方向的中央部。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的層疊型壓電元件的制造方法，其中，在將所述層疊結(jié)構(gòu)體的層疊方向的兩端面朝向?qū)盈B結(jié)構(gòu)體的中央部側(cè)加壓的狀態(tài)下， 研磨所述層疊結(jié)構(gòu)體的側(cè)面。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的層疊型壓電元件的制造方法，其中，在所述層疊方向的中央部比所述層疊方向的兩端部側(cè)向一方突出的狀態(tài)下，研磨所述 層疊結(jié)構(gòu)體的側(cè)面。
7.—種噴射裝置，其特征在于，具有 具有噴射孔的容器；和權(quán)利要求1 3中任一項所述的層疊型壓電元件，其中，通過所述層疊型壓電元件的驅(qū)動，將在所述容器內(nèi)填充的液體從所述噴射孔噴出o
8.一種燃料噴射系統(tǒng)，具有 蓄積高壓燃料的共軌；噴射在該共軌蓄積的燃料的權(quán)利要求7所述的噴射裝置； 向所述共軌供給高壓的燃料的壓力泵；以及 向所述噴射裝置賦予驅(qū)動信號的噴射控制單元。
全文摘要
本發(fā)明提供能夠在高電壓及高壓力下長期連續(xù)驅(qū)動的耐久性高的層疊型壓電元件和其制造方法、及噴射裝置及燃料噴射系統(tǒng)。所述層疊型壓電元件為具有具備多個內(nèi)部電極層和隔著內(nèi)部電極層層疊的多個壓電體層的層疊結(jié)構(gòu)體的層疊型壓電元件，層疊結(jié)構(gòu)體中的與內(nèi)部電極層平行的剖面的剖面積中層疊方向的兩端部側(cè)比層疊方向的中央部小。
文檔編號H01L41/187GK101878550SQ20088011807
公開日2010年11月3日 申請日期2008年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月27日
發(fā)明者佐多哲郎, 佐藤政宏 申請人:京瓷株式會社