层叠型压电元件及具备该层叠型压电元件的压电致动器、喷射装置以及燃料喷射系统

摘要

本发明提供一种能够抑制在压电体层与内部电极层之间的界面、内部电极层处产生的微小裂缝的延伸的层叠型压电元件及具备该层叠型压电元件的压电致动器、喷射装置以及燃料喷射系统。本发明的层叠型压电元件(1)包括：层叠压电体层(2)及内部电极层(3)而成的层叠体(4)；以及设于层叠体(4)的侧面且经由导电性接合件(5)与内部电极层(3)电连接的外部电极(6)，在外部电极(6)上具有朝向层叠体(4)突出的突起(61)。

说明书

技术领域

本发明涉及例如作为压电驱动元件(压电致动器)、压力传感器元件 及压电电路元件等而使用的层叠型压电元件及具备该层叠型压电元件的 压电致动器、喷射装置以及燃料喷射系统。

背景技术

作为层叠型压电元件，已知有如下所述的结构，其包括：层叠有压电 体层及内部电极层的层叠体；设于该层叠体的侧面且经由导电性接合件与 内部电极层电连接的外部电极(参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-223014号公报

发明要解决的课题

根据层叠型压电元件的驱动时的伸缩，在压电体层与内部电极层之间 的界面、内部电极层上产生的微小裂缝贯穿导电性接合件而在与外部电极 之间的界面上延伸，存在外部电极与导电性接合件之间的电接合无法保 持、耐老化性变差这样的问题。

发明内容

本发明是鉴于上述的问题点而完成的，其目的在于提供一种能够抑制 在压电体层与内部电极层之间的界面、内部电极层上产生的微小裂缝的延 伸的层叠型压电元件及具备该层叠型压电元件的压电致动器、喷射装置以 及燃料喷射系统。

解决方案

本发明的层叠型压电元件的特征在于，所述层叠型压电元件包括：层 叠压电体层及内部电极层而成的层叠体；以及设于该层叠体的侧面且经由 导电性接合件与所述内部电极层电连接的外部电极，在所述外部电极上具 有朝向所述层叠体突出的突起。

另外，本发明提供一种压电致动器，其特征在于，所述压电致动器具 备：层叠型压电元件；以及在内部收容该层叠型压电元件的壳体。

另外，本发明提供一种喷射装置，其特征在于，所述喷射装置具备： 具有喷射孔的容器；以及层叠型压电元件，积蓄于所述容器内的流体在所 述层叠型压电元件的驱动下从所述喷射孔排出。

另外，本发明提供一种燃料喷射系统，其特征在于，所述燃料喷射系 统具备：积蓄高压燃料的共轨；喷射在该共轨处积蓄的所述高压燃料的喷 射装置；向所述共轨供给所述高压燃料的压力泵；以及向所述喷射装置给 予驱动信号的喷射控制单元。

发明效果

根据本发明的层叠型压电元件，通过在外部电极上具有朝向层叠体突 出的突起，从压电体层与内部电极层之间的界面、内部电极层贯穿导电性 接合件向与外部电极之间的界面延伸的裂缝被突起止住，并且利用突起始 终确保外部电极与导电性接合件之间导通，因此电接合得以保持且耐老化 性提高。

附图说明

图1中，(a)是示出本发明的层叠型压电元件的实施方式的一例的 概要立体图，(b)是沿着(a)所示的A-A线剖开的剖面的局部放大图。

图2是示出本发明的层叠型压电元件的实施方式的另一例的局部放大 立体图。

图3中，(a)是示出本发明的层叠型压电元件的实施方式的一例的 概要立体图，(b)是沿着(a)所示的B-B线剖开的剖面的局部放大图。

图4中，(a)是示出本发明的层叠型压电元件的实施方式的另一例 的局部放大立体图，(b)是从层叠体侧观察(a)所示的外部电极的说明 图。

图5中，(a)是示出本发明的层叠型压电元件的实施方式的另一例 的局部放大立体图，(b)是(a)所示的外部电极的概要立体图。

图6是示出本发明的层叠型压电元件的实施方式的另一例的局部放大 剖视图。

图7是示出本发明的压电致动器的实施方式的一例的概要剖视图

图8是示出本发明的喷射装置的实施方式的一例的概要剖视图。

图9是示出本发明的燃料喷射系统的实施方式的一例的概要图。

具体实施方式

参照附图对本发明的层叠型压电元件的实施方式的例子进行详细说 明。

图1(a)是示出本发明的层叠型压电元件的实施方式的一例的概要立 体图，(b)是沿着(a)所示的A-A线剖开的剖面的局部放大图。图1所 示的层叠型压电元件1的特征在于，包括：层叠有压电体层2及内部电极 层3的层叠体4；以及设于层叠体4的侧面且经由导电性接合件5与内部 电极层3电连接的外部电极6，在外部电极6上具有朝向层叠体4突出的 突起61。

构成层叠型压电元件1的层叠体4通过层叠压电体层2及内部电极层 3而成，具有例如压电体层2及内部电极层3交替层叠有多个而成的活性 部和由设置在活性部的层叠方向两端的压电体层2构成的非活性部，例如 形成为纵0.5～10mm、横0.5～10mm、高度1～100mm的长方体状。

构成层叠体4的压电体层2由具有压电特性的陶瓷形成，作为上述的 陶瓷，例如能够使用由锆钛酸铅(PbZrO₃-PbTiO₃)构成的钙钛矿型氧化物、 铌酸锂(LiNbO₃)、钽酸锂(LiTaO₃)等。该压电体层2的厚度为例如3～250μm。

构成层叠体4的内部电极层3与形成压电体层2的陶瓷同时烧制而形 成，并与压电体层2交替层叠而从上下夹持压电体层2，通过配置正极及 负极，向其之间所夹持的压电体层2施加驱动电压。作为其形成材料，能 够使用例如以与压电陶瓷反应的反应性低的银-钯合金为主要成分的导体、 或包含铜、铂等在内的导体。在图1所示的例子中，正极及负极(或接地 极)分别向层叠体的对置的一对侧面相互不同地导出，并经由导电性接合 件5与外部电极6电连接。该内部电极层3的厚度为例如0.1～5μm。

在层叠体4的侧面以与内部电极层3电连接的方式隔着导电性接合件 5设有外部电极6。

作为在此使用的导电性接合件5，例如优选由导电性粘合剂形成，该 导电粘合剂由包含Ag粉末、Cu粉末等导电性良好的金属粉末在内的环氧 树脂、聚酰亚胺树脂构成。导电性接合件5形成为例如5～500μm的厚度。

另外，外部电极6是由铜、铁、不锈钢、磷青铜等金属构成的板状体， 形成为例如长度20～80mm、宽度0.5～10mm、厚度0.01～1.0mm。作为外部 电极6，除了图1所示那样的单纯的平板状的构件以外，作为缓和因层叠 体4的伸缩产生的应力的效果较高的形状，举出例如加工为在宽度方向上 出现狭缝的形状、网眼状的金属板等。在图3所示的例子中，在宽度方向 上出现狭缝62且在狭缝62间设有沿着宽度方向延伸的形状的孔63。此外， 外部电极6也可以是比上述的长度长且从层叠体4的端面延伸突出那样的 长度。

需要说明的是，如图1及图2所示，外部电极6可以经由导电性接合 件5直接接合于层叠体4的沿着层叠方向的侧面，如图3所示，也可以是 在层叠体4的侧面设有与内部电极层3电连接的导体层7的情况下，外部 电极6经由导电性接合件5与导体层7的表面接合。

在图3所示的情况下，设于层叠体4的侧面且与内部电极层3电连接 的一对导体层7通过例如涂敷由银和玻璃构成的糊并烧结而形成，与层叠 体4的侧面接合，并与向层叠体4的对置的侧面彼此不同地导出的内部电 极层3分别电连接。该导体层7的厚度为例如5～500μm。

而且，外部电极6具有朝向层叠体4突出的突起61。

根据该结构，在层叠型压电元件1驱动时，在层叠体4的内部产生的 微小裂缝在将要贯穿导电性接合件5而延伸至与外部电极6之间的界面 时，被位于其路线的中途的突起61阻止，因此能够抑制裂缝的延伸。另 外，通过突起61始终确保外部电极6与导电性接合件5之间导通。因而， 与外部电极6之间的电接合得以确保，耐老化性提高。

需要说明的是，突起61的突出量(长度)为至少0.01mm即可，相对 于导电性接合件5的厚度为10％以上的突出量即可。另外，作为突起61 的形状，可以举出：剖面形状朝向前端变细的形状(例如剖面呈V字状等)； 相反地、剖面形状朝向前端变粗的形状；锚形状(例如剖面呈L字状等) 等，对于咬入后述的导体层7这点而言，剖面形状优选为朝向前端变细的 形状(例如剖面呈V字状等)，对于锚效果这点而言，还能够优选采用相 反地剖面形状朝向前端变粗的形状、锚形状(例如剖面呈L字状等)等。

在此，如图2所示，优选突起61沿着与层叠方向垂直的外部电极6 的宽度方向延伸。在此，沿着宽度方向延伸是指，成为在宽度方向上细长 的形状。根据该结构，遮挡层叠方向的裂缝的延伸的区域沿着宽度方向延 伸，能够更有效地抑制层叠方向的裂缝的延伸。另外，能够进一步增大始 终确保导通的区域。

另外，如图4所示，优选的是，外部电极6具有从宽度方向的两端朝 向中央部交替设置的多条狭缝62及沿着宽度方向延伸的多个孔63的至少 一方，在狭缝62或孔63的周缘具有突起。

根据该结构，能够进一步抑制朝向狭缝62或孔63贯穿导电性接合件 5的裂缝将要沿着层叠方向延伸。

尤其是如图4所示，优选突起61从狭缝62或孔63中的外部电极6 的宽度方向的端部连续至端部。例如，能够应用于狭缝62及孔63从正面 (与侧面垂直的方向)观察呈矩形的情况等。根据该结构，能够完全遮挡 朝向狭缝62或孔63贯穿导电性接合件5的裂缝将要沿着层叠方向延伸。

另外，如图5(b)所示，优选突起61在宽度方向的端部处突出的长 度比在宽度方向的中央部处突出的长度长，根据该结构，以较长突出的突 起61为起点而相对于驱动时的层叠体4的伸缩的随着性提高，由此能够 保持外部电极6与导电性接合件5之间的接合强度。

另外，如图5(a)所示，在层叠体4的侧面设有与内部电极层3电连 接的导体层7的情况下，即在层叠体的侧面4与导电性接合件5之间设有 导体层7的情况下，优选突起61在宽度方向的端部处咬入导体层7。通过 使突起61穿透导电性接合件5而咬入至导体层7，随着驱动时的层叠体4 的伸缩，导体层7与外部电极6同时移动，由此电接合的可靠性进一步提 高。

宽度方向的端部处的突起61的突出量(长度)为至少0.05mm即可， 对穿透导电性接合件5而突出至导体层7的厚度的80％的位置为止是有效 的。

另外，并不限于宽度方向的端部，在其他部位处，突起61也可以穿 透导电性接合件5而咬入至导体层7。例如，在宽度方向的中央部处，突 起61也可以穿透导电性接合件5而咬入至导体层7。另外，突起61可以 在宽度方向的整个区域内咬入导体层，由此，能够进一步提高电接合的可 靠性。

此外，即便在从宽度方向的端部到端部不连续的突起61的情况下， 突起61咬入至导体层7即可，由此，外部电极6与导体层7之间的电接 合得以确保，耐老化性提高。

另外，如图6所示，导电性接合件5是通过将金属颗粒51分散到树 脂5之中而成的，优选突起61的至少表面的金属成分包含于金属颗粒51。 例如，通过电镀而在突起61的表面设有由银构成的厚度为1～15μm的被 膜，作为金属颗粒51举出含有银成分为50～90％的结构。

需要说明的是，除了银以外，也同样能够使用金、铜、镍等。

通过使与位于突起61的至少表面的金属成分相同的金属成分包含于 金属颗粒51，能够减小因热膨胀引起的突起61的表面与金属颗粒51之间 的偏差，并且能够提高外部电极6与导电性接合件5之间的接合强度。

接下来，对本实施方式的层叠型压电元件1的制造方法进行说明。

首先，制作成为压电体层2的陶瓷印刷电路基板。具体来说，将压电 陶瓷的临时烧结粉末、由丙烯酸类、丁缩醛系等有机高分子构成的粘合剂、 可塑剂混合而制作陶瓷浆料。然后，通过使用刮片法、砑光辊法等带成形 法，使用该陶瓷浆料而制作陶瓷印刷电路基板。作为压电陶瓷，只要是具 有压电特性的材料即可，例如，能够使用由锆钛酸铅(PbZrO₃-PbTiO₃)构 成的钙钛矿型氧化物等。另外，作为可塑剂，能够使用邻苯二甲酸二丁酯 (DBP)、邻苯二甲酸二辛酯(DOP)等。

接下来，制作成为内部电极层3的导电性糊。具体来说，通过向银- 钯合金的金属粉末添加粘合剂及可塑剂并混合而制作导电性糊。使用丝网 印刷法而以内部电极层3的图案将该导电性糊涂敷于上述的陶瓷印刷电路 基板上。此外，层叠多张印刷有该导电性糊的陶瓷印刷电路基板，在以规 定的温度进行了脱粘合剂处理之后，以900～1200℃的温度进行烧制，使用 平面磨削盘等而实施磨削处理，以便成为规定的形状，由此制作具备交替 层叠的压电体层2及内部电极层3的层叠体4。

需要说明的是，层叠体4并不限于通过上述的制造方法来制作，只要 能够制作层叠多个压电体层2与内部电极层3而成的层叠体4，也可以通 过任何制造方法来制作。

之后，根据需要，混合以银为主要成分的导电性颗粒和玻璃，通过丝 网印刷法等将添加粘合剂、可塑剂及溶剂而制作的含银玻璃导电性糊以导 体层的图案印刷于层叠体的侧面，之后进行干燥，之后以650～750℃的温 度进行烧结处理，从而形成导体层7。

接下来，经由导电性接合件5将外部电极6与层叠体4的侧面接合。 需要说明的是，在导体层7形成于层叠体4的侧面的情况下，在导体层7 的表面接合外部电极6。

导电性接合件5使用由包含Ag粉末、Cu粉末等导电性良好的金属粉 末在内的环氧树脂、聚酰亚胺树脂构成的粘合剂、焊剂等，能够通过丝网 印刷、分配方式来控制并形成为规定的厚度、宽度。

外部电极6由铜、铁、不锈钢、磷青铜等的金属平板构成，例如，能 够使用具有与突起61对应的形状的模具，在利用模具形成穿孔后或在形 成穿孔的同时在金属平板形成突起。另外，例如由加工为期望形状的阴阳 一对的模具进行穿孔而形成，此时通过调整一对模具的间隙，还能够在规 定位置形成突起61。此外，也可以是利用模具暂时穿孔之后的基于锉削加 工的形成、基于焊接的形成。

之后，向分别与一对层叠体的侧面4(一对导体层7的表面)连接的 外部电极6施加0.1～3kV/mm的直流电场，对构成层叠体4的压电体层2 进行极化，由此层叠型压电元件1完成。该层叠型压电元件1通过经由外 部电极6将导体层7与外部的电源连接，并向压电体层2施加电压，由此 能够通过逆压电效果使各压电体层2较大地位移。由此，例如能够作为向 发动机喷射供给燃料的汽车用燃料喷射阀而发挥功能。

接下来，对本发明的压电致动器的实施方式的例子进行说明。图7是 示出本发明的压电致动器的实施方式的一例的概要剖视图。

如图7所示，本例的压电致动器11通过将层叠型压电元件1收容于壳 体13而成。

具体来说，壳体13由上端堵塞且下端开口的壳体主体15和以堵塞壳 体主体15的开口的方式安装于壳体主体15的盖构件17构成，以使层叠 型压电元件1的两端面分别与壳体13的上端内壁及下端内壁抵接的方式， 将层叠型压电元件1与例如非活性气体一并封入收容于壳体13的内部。

壳体主体15及盖构件17由SUS304、SUS316L等金属材料形成。壳 体主体15为上端堵塞且下端开口的筒状体，且能够在层叠体7的层叠方 向上伸缩地成为例如波纹管(蛇腹)形状。另外，盖构件17以堵塞壳体 主体15的开口的方式形成为例如板状。在盖构件17上形成有两个能够供 外部导线构件8插入的贯通孔，使外部导线构件8穿过贯通孔而使外部电 极6与外部电导通。而且，向贯通孔的间隙填充软质玻璃等，固定该外部 导线构件8，并且防止外部空气的侵入。

根据本例的压电致动器11，能够长期稳定地驱动。

接下来，对本发明的喷射装置的实施方式的例子进行说明。图8是示 出本发明的喷射装置的实施方式的一例的概要剖视图。

如图8所示，本例的喷射装置19将上述例子的层叠型压电元件1收 纳于在一端具有喷射孔21的收纳容器(容器)23的内部。

在收纳容器23内配置有能够对喷射孔21进行开闭的针阀25。将流体 通路27以根据针阀25的动作而能够与喷射孔21连通的方式进行配置。 该流体通路27与外部的流体供给源连结，且始终以高压向流体通路27供 给流体。因此，当针阀25打开喷射孔21时，向流体通路27供给的流体 从喷射孔21向外部或邻接的容器、例如内燃机的燃料室(未图示)排出。

针阀25的上端部的内径变大，成为能够与形成于收纳容器23的工作 缸29滑动的活塞31。而且，在收纳容器23内，上述例子的层叠型压电元 件1与活塞31相接地被收纳。

在上述的喷射装置19中，当层叠型压电元件1被施加电压而伸长时， 活塞31被按压，针阀25关闭与喷射孔21连通的流体通路27，流体的供 给停止。另外，当停止电压的施加时，层叠型压电元件1收缩，盘形弹簧 33将活塞31推回去，流体通路27打开而使喷射孔21与流体通路27连通， 从喷射孔21进行流体的喷射。

需要说明的是，也可以是通过向层叠型压电元件1施加电压而打开流 体通路27，通过停止电压的施加而关闭流体通路27。

另外，本例的喷射装置19也可以构成为：包括具有喷射孔21的容器 23以及上述例子的层叠型压电元件1，在层叠型压电元件1的驱动下使填 充于容器23内的流体从喷射孔21排出。即，层叠型压电元件1不一定需 要位于容器23的内部，只要在层叠型压电元件1的驱动下向容器23的内 部施加用于控制流体的喷射的压力即可。需要说明的是，在本例的喷射装 置19中，作为流体，除燃料、墨水等以外，还包含导电性糊等各种液体 及气体。通过使用本例的喷射装置19，能够长期地稳定控制流体的流量及 喷出时机。

若将采用了上述例子的层叠型压电元件1的本例的喷射装置19应用 于内燃机，与现有的喷射装置相比，能够在更长期间内向发动机等内燃机 的燃烧室高精度地喷射燃料。

接下来，对本发明的燃料喷射系统的实施方式的例子进行说明。图9 是示出本发明的燃料喷射系统的实施方式的一例的概要图。

如图9所示，本例的燃料喷射系统35具备：积蓄作为高压流体的高 压燃料的共轨37；喷射积蓄于该共轨37的高压流体的多个上述的例子的 喷射装置19；向共轨37供给高压流体的压力泵39；向喷射装置19给予 驱动信号的喷射控制单元41。

喷射控制单元41基于外部信息或来自外部的信号而控制高压流体的 喷射的量及时机。例如，若是在发动机的燃料喷射中使用本例的燃料喷射 系统35的情况，则能够利用传感器等感知发动机的燃烧室内的状况并且 控制燃料喷射的量及时机。压力泵39实现以高压将流体燃料从燃料箱43 向共轨37供给的作用。例如在发动机的燃料喷射系统35的情况下，以 1000～2000气压(约101MPa～约203MPa)、优选为1500～1700气压(约 152MPa～约172MPa)的高压向共轨37送入流体燃料。在共轨37中，积 蓄从压力泵39送来的高压燃料，并适当地送入喷射装置19。喷射装置19 以上述方式将一定的流体从喷射孔21向外部或邻接的容器喷射。例如， 在喷射供给燃料的对象为发动机的情况下，将高压燃料从喷射孔21呈雾 状向发动机的燃烧室内喷射。

根据本例的燃料喷射系统35，能够长期稳定地进行高压燃料的期望喷 射。

需要说明的是，本发明并不限于上述的实施方式的例子，当然能够在 不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变更。例如，在上述的例子中，层 叠型压电元件1中的外部电极6在层叠体4的对置的两个侧面各形成有一 个，可以将两个外部电极6形成于层叠体4的相邻的侧面，也可以形成于 层叠体4的相同的侧面。另外，层叠体4的与层叠方向正交的方向上的剖 面的形状除了作为上述实施方式的例子的四边形以外，也可以是六边形、 八边形等多边形、圆形状或者组合直线与圆弧的形状。

实施例

以下，准备本例的层叠型压电元件与比较例的层叠型压电元件而进行 实验。

具备本例的层叠型压电元件的压电致动器以如下方式制作。首先，制 作将以平均粒径为0.4μm的锆钛酸铅(PbZrO₃-PbTiO₃)为主要成分的压 电陶瓷的临时烧结粉末、粘合剂及可塑剂混合而成的陶瓷浆料。使用该陶 瓷浆料而利用刮片法来制作成为厚度50μm的压电体层的陶瓷印刷电路基 板。

接下来，向银-钯合金添加粘合剂而制作成为内部电极层的导电性糊。

接下来，利用丝网印刷法向陶瓷印刷电路基板的单面印刷成为内部电 极层的导电性糊，并将200张印刷有导电性糊的陶瓷印刷电路基板层叠起 来。另外，以200张印刷有成为内部电极层的导电性糊的陶瓷印刷电路基 板为中心，在其上下层叠有合计15张未印刷成为内部电极层的导电性糊 的陶瓷印刷电路基板。

然后，以980～1100℃烧制，使用平面磨削盘而磨削为5mm见方的形 状而获得层叠体。接下来，利用丝网印刷法向层叠体的沿着层叠方向的侧 面的导体层的形成部印刷向银和玻璃混合粘合剂而成的导电性糊，并以 700℃进行烧结处理，从而形成有导体层。

接下来，利用分配器将Ag粉末与聚酰亚胺树脂设为混合糊状而成的 导电性接合件涂敷在导体层的表面，并将外部电极载置于层叠体的表面上 而使导电性接合件固化，由此进行固定。

在此，本例的外部电极是在对宽度为1.5mm且厚度为0.1mm的磷青 铜的平板实施了厚度为1～15μm的镀银之后，利用在宽度方向上设有多个 矩形的狭缝的阴阳一对模具进行穿孔而形成的。然后，通过调整穿孔模具 的间隙，在狭缝的周缘部、即与宽度方向平行的端部到端部，设为形成有 高度0.01mm的连续突起的外部电极。

与此相对，作为比较例的外部电极，对宽度为1.5mm且厚度为0.1mm 的磷青铜的平板实施厚度为1～15μm的镀银。

在经由通过焊接与外部电极接合的导线构件向外部电极施加15分钟 的3kV/mm的直流电场以对上述的层叠型压电元件进行了极化处理之后， 当施加了160V的直流电压时，在层叠体的层叠方向上获得了30μm的位 移量。

此外，在30℃、90％的湿度内，以150Hz的频率施加0V～+160V的交 流电压而进行了连续驱动的耐老化性试验时，在比较例的层叠型压电元件 中，在1×10⁴次的连续驱动下，裂缝延伸到外部电极与导电性接合件的界 面且驱动位移量降低。与此相对，本例的层叠型压电元件即便连续驱动1 ×10⁷次以上也能够抑制裂缝延伸，从而能够确认稳定的驱动。

根据以上的结果，根据本发明，能够实现长期的耐老化性优异的层叠 型压电元件。

附图标记说明：

1：层叠体压电元件

2：压电体层

3：内部电极层

4：层叠体

5：导电性接合件

6：外部电极

61：突起

7：导体层

11：压电致动器

13：壳体

15：壳体主体

17：盖构件

8：外部导线构件

19：喷射装置

21：喷射孔

23：收纳容器(容器)

25：针阀

27：流体通路

29：工作缸

31：活塞

33：盘形弹簧

35：燃料喷射系统

37：共轨

39：压力泵

41：喷射控制单元

43：燃料箱