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(gè)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(duì)外部電極的層疊型壓電元件(以下，還有時(shí)簡(jiǎn)稱為“元件”)。 通常，元件具備內(nèi)部電極層之間對(duì)置的對(duì)置部；相對(duì)于該對(duì)置部，位于層疊方向兩端側(cè)的 非對(duì)置部。若向元件施加電壓，則對(duì)置部驅(qū)動(dòng)，非對(duì)置部不驅(qū)動(dòng)，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(guò)將非對(duì)置部的彈性模量設(shè)為比對(duì)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(hào)公報(bào)然而，近年來(lái)，正在要求能夠在高電壓及高壓力下長(zhǎng)期連續(xù)驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)期連續(xù)驅(qū)動(dòng)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(gè)內(nèi)部電極層和隔著所述內(nèi)部電極層 層疊的多個(gè)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(duì)置部、和非對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施方式的噴射裝置的概略圖。圖6是表示本發(fā)明的一實(shí)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(duì)置 部；21-非對(duì)置部；20-剖面積減少部。
具體實(shí)施例方式〈層疊型壓電元件〉
以下，參照附圖，詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的一實(shí)施方式的層疊型壓電元件。圖1是表示本實(shí)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(gè)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(duì)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(duì)置的對(duì)置部19 ；相對(duì)于該對(duì)置部19， 位于層疊方向的兩端部側(cè)的非對(duì)置部21。該對(duì)置部19是夾在對(duì)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?cè)膶盈B方向的長(zhǎng)度的驅(qū)動(dòng)部。相對(duì)于此，非對(duì)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(dòng)部。從而，在本實(shí)施方式中，非對(duì)置部21以盡量不阻礙對(duì)置部19的伸縮，且減小在與 對(duì)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(duì)置部、和非對(duì)置部的邊界附近 產(chǎn)生的應(yīng)力。其理由如下，即通過(guò)將接近在電壓施加時(shí)，不自身驅(qū)動(dòng)的非對(duì)置部的兩端部 側(cè)的剖面積設(shè)為比以往小，約束對(duì)置部的驅(qū)動(dòng)引起的變形的力弱。還有，在本說(shuō)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(shí)施方式中，作為更優(yōu)選的實(shí)施方式，非對(duì)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(guò)這樣在非對(duì)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(tái)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(duì)置部19和非對(duì)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(duì)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(duì)置部19和非對(duì)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(lái)說(shuō)，在位于層疊方向的兩 端部側(cè)的非對(duì)置部21中，比層疊方向的中央部(對(duì)置部的中央部)小即可。其次，說(shuō)明本實(shí)施方式的元件的制造方法。本實(shí)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(duì) 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(guò)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(gè)未印刷有金屬糊劑的陶 瓷印刷電路板。層疊了多個(gè)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(duì)置部21。該層疊成形體可以根據(jù)需要來(lái)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(shí)，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(duì)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(gè)側(cè)面中一個(gè)面接觸，進(jìn)行研磨。若一個(gè)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(lái)的側(cè)面同樣研磨。對(duì)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(shí)，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(guò)夾緊壓力F為lOMPa以上，有效地?cái)U(kuò)大層疊結(jié)構(gòu)體15的兩端側(cè) 的剖面積。另外，通過(guò)夾緊壓力F為lOOMPa以下，能夠抑制層疊結(jié)構(gòu)體15的過(guò)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(shí)，調(diào)節(jié)夾緊壓力F。另外，通過(guò)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(jì)為各種形狀。圖4是表示本發(fā)明的其他實(shí)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(shí)，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(guò)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(gè)側(cè)面中一個(gè)側(cè)面接觸，進(jìn)行研磨。若一個(gè)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(lái)的側(cè)面同樣研磨。對(duì)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(guò)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(shí)施方式的噴射裝置的概略剖面圖。如圖5所示，本實(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)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(dòng)移動(dòng)。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(dòng)器。 在這樣的噴射裝置中，若壓電促動(dòng)器被施加電壓而伸長(zhǎng)，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(dòng)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(guò)層疊型壓電元件1的驅(qū)動(dòng)，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(guò)層疊型壓電元件1的驅(qū)動(dòng)，使壓力施加于容器的內(nèi) 部即可。還有，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(shí)施方式的燃料噴射系統(tǒng)的概略圖。如圖6所示，本實(shí)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(gè)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(dòng)信號(hào) 的噴射控制單元47。噴射控制單元47利用傳感器等感測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)的狀況的同時(shí)，控制燃燒 噴射的量或時(shí)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(guò)來(lái)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(shuō)明了本發(fā)明的實(shí)施方式，但本發(fā)明不限定于上述實(shí)施方式。另外，本發(fā)明 中的非對(duì)置部是指在電壓施加時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)起到貢獻(xiàn)的內(nèi)部電極層之間不對(duì)置的部位即自身 不驅(qū)動(dòng)的部位。從而，在非對(duì)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(lái)的側(cè)面，此外將一個(gè)側(cè)面的接下來(lái)旋轉(zhuǎn)180度而對(duì)置的側(cè)面，從此旋轉(zhuǎn)90度，研磨 接下來(lái)的側(cè)面，其次，旋轉(zhuǎn)180度，研磨對(duì)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(gè)內(nèi)部電極層和隔著所述內(nèi)部電極層層疊的多個(gè)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(duì)置的對(duì)置部；和相對(duì)于該對(duì)置部位于層 疊方向兩端側(cè)的非對(duì)置部，所述剖面積減少部存在于所述非對(duì)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(gè) 內(nèi)部電極層和隔著所述內(nèi)部電極層層疊的多個(gè)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(xiàng)所述的層疊型壓電元件，其中，通過(guò)所述層疊型壓電元件的驅(qū)動(dòng)，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(dòng)信號(hào)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(zhǎng)期連續(xù)驅(qū)動(dòng)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(gè)內(nèi)部電極層和隔著內(nèi)部電極層層疊的多個(gè)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(hào)H01L41/187GK101878550SQ20088011807
公開日2010年11月3日 申請(qǐng)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(qǐng)人:京瓷株式會(huì)社