层叠型压电元件、使用它的喷射装置和燃料喷射系统、层叠型压电元件的制造方法.pdf

本发明提供一种即使在高温、高湿下长时间连续驱动时，也具有优异的耐久性的层叠型压电元件。具有经由内部电极层叠多个压电体层的层叠体，在相邻的2个压电体层之间设置内部电极、与该内部电极隔离且电绝缘的虚设电极、该虚设电极与该内部电极之间的绝缘部，在经由压电体层与内部电极、虚设电极以及绝缘部在层叠方向相对置的位置上形成了与内部电极相比空隙更多的多孔质部。

1.  一种层叠型压电元件，具有经由内部电极层叠了多个压电体层的层叠体，在层叠方向相邻的压电体层之间并列设置所述内部电极、与该内部电极隔离且电绝缘的虚设电极、该虚设电极与该内部电极之间的绝缘部，其特征在于，
在经由所述压电体层与所述绝缘部在层叠方向相对置的位置上形成了与所述内部电极相比空隙更多的多孔质部。

2.  根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述多孔质部形成在经由所述压电体层与所述内部电极、所述虚设电极以及所述绝缘部在层叠方向相对置的位置上。

3.  根据权利要求1或2所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述多孔质部分别形成在经由所述压电体层与所述绝缘部在层叠方向两侧相对置的位置上。

4.  根据权利要求1～3中的任意一项所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述层叠体在其侧面具有一对外部电极，所述虚设电极与外部电极电连接，该外部电极不同于与该虚设电极位于相同的压电体层之间的内部电极电连接的外部电极。

5.  根据权利要求1～3中的任意一项所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述层叠体在其侧面具有一对外部电极，所述虚设电极与所述外部电极电绝缘。

6.  一种层叠型压电元件，具有经由内部电极层叠多个压电体层的层叠体，其特征在于，
所述层叠体在层叠体的层叠方向上相邻的内部电极之间，具有与该内部电极相比空隙更多的多孔质部，在该多孔质部和所述相邻的内部电极的至少一方之间，具有与这些内部电极隔离且电绝缘的虚设电极。

7.  根据权利要求1～6中的任意一项所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述虚设电极由在彼此隔离且电绝缘状态下存在的多个虚设部构成。

8.  根据权利要求1～7中的任意一项所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述多孔质部是由金属构成的金属部和由陶瓷构成的陶瓷部的至少一方在相邻的2个压电体层之间经由空隙散布多个而形成。

9.  根据权利要求8所述的层叠型压电元件，其特征在于，
多个所述金属部在彼此隔离而电绝缘的状态下散布。

10.  根据权利要求1～9中的任意一项所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述层叠体具有多个所述多孔质部，这些多孔质部在所述层叠体的层叠方向上规则地配置。

11.  根据权利要求1～10中的任意一项所述的层叠型压电元件，其特征在于，
经由所述压电体层与所述多孔质部在层叠方向两侧相邻的内部电极是同极。

12.  根据权利要求1～10中的任意一项所述的层叠型压电元件，其特征在于，
经由所述压电体层与所述多孔质部在层叠方向两侧相邻的内部电极是不同极。

13.  一种喷射装置，其特征在于，具有：
包含喷出孔的容器；和
权利要求1～12中的任意一项所述的层叠型压电元件，
构成为通过所述层叠型压电元件的驱动，从所述喷射孔喷出在所述容器内所填充的液体。

14.  一种燃料喷射系统，具有：
高压共轨，其存储高压燃料；
权利要求13所述的喷射装置，其喷射在该高压共轨中存储的燃料；
压力泵，其向所述高压共轨供给高压的燃料；和
喷射控制单元，其向所述喷射装置提供驱动信号。

15.  一种层叠型压电元件的制造方法，用于制造层叠型压电元件，所述层叠型压电元件具有经由内部电极层叠了多个压电体层的层叠体，在相邻的2个压电体层之间设置所述内部电极、与该内部电极隔离且电绝缘的虚设电极、该虚设电极与该内部电极之间的绝缘部，特征在于，包括：
在陶瓷生片的表面上，形成含有金属成分M₁的内部电极膏层，并且为了形成所述绝缘部，在与所述内部电极膏层隔离的状态下，形成含有金属成分M₁的虚设电极膏层的工序；
在其他陶瓷生片的表面中在与所述隔离部分对应的位置上形成含有金属成分M₁的应力缓和膏层的工序；
制作包含相邻地层叠了这些陶瓷生片的部分的层叠成形体的工序；和
烧成该层叠成形体的工序，
对于所述应力缓和膏层，金属成分M₁相对于膏中的金属成分总量的比率X比所述内部电极膏层和所述虚设电极膏层更高。

16.  根据权利要求15所述的层叠型压电元件的制造方法，其特征在于，
所述应力缓和膏层形成在与所述内部电极膏层、所述虚设电极膏层以及它们的所述隔离部分对应的位置上。

层叠型压电元件、使用它的喷射装置和燃料喷射系统、层叠型压电元件的制造方法
技术领域
本发明涉及层叠型压电元件和喷射装置、层叠型压电元件的制造方法。
背景技术
从以往，已知具有通过内部电极层叠多个压电体层的层叠体，在该层叠体的侧面形成一对外部电极的层叠型压电元件。一般，层叠型压电元件(以下有时也只称作“元件”)成为不在压电体层的主面整体形成内部电极，即所谓的部分电极构造。该部分电极构造的内部电极每隔一层在层叠体的不同侧面露出，每隔一层与一对外部电极连接。
在具有部分电极构造的元件中，如果比较印刷内部电极的部分和未印刷内部电极的部分，烧成时的压电体层的收缩率不同。因此，在烧成后，在元件中会产生残余应力。为了减少残余应力，例如在专利文献1、2中提出在未印刷内部电极的部分形成收缩率调整层(虚设电极)，来谋求残余应力的减少。
专利文献1：特开平8-242023号公报
专利文献2：特开2001-102646号公报
发明内容
近年，要求在高温、高湿的环境下确保大的移位量、且能长时间连续驱动。因此，尝试对元件施加高的电场，取得大的移位量，并且进行长时间连续驱动。在这样的高温、高湿、高电场、高压力下进行了长时间连续驱动时，如专利文献1、2中记载的元件那样，只形成虚设电极，抑制龟裂的发生的效果是不充分的。
本发明者为了解决所述课题，锐意进行研究，作为结果，在设置了内部电极、与该内部电极隔离且电绝缘的虚设电极、该虚设电极与该内部电极之间的绝缘部的层叠型压电元件中，与由金属构成的内部电极和虚设电极相接触的压电体层、与和它们之间的绝缘部相接触的压电体层在烧成时的烧结行为中产生差异，所以注意到该烧结行为的差异成为元件的残余应力的发生原因之一。本发明者发现在通过压电体层与绝缘部在层叠方向相对置的位置上形成比内部电极孔隙更多的多孔质部，从而降低元件的残余应力，而且发现还能缓和在驱动时在元件上作用的应力的新的事实，而完成了本发明。
即本发明的层叠型压电元件具有经由内部电极层叠了多个压电体层的层叠体，在层叠方向上相邻的压电体层之间并列设置所述内部电极、与该内部电极隔离且电绝缘的虚设电极、该虚设电极与该内部电极之间的绝缘部，其特征在于，在经由所述压电体层与所述绝缘部在层叠方向相对置的位置上形成了与所述内部电极相比空隙更多的多孔质部。
优选所述多孔质部形成在经由所述压电体层与所述内部电极、所述虚设电极以及所述绝缘部在层叠方向相对置的位置上。
优选所述多孔质部分别形成在通过所述压电体层与所述绝缘部在层叠方向两侧相对置的位置上。
优选所述层叠体在其侧面具有一对外部电极，所述虚设电极与外部电极电连接，该外部电极不同于与该虚设电极位于相同的压电体层之间的内部电极电连接的外部电极。
所述层叠体在其侧面可以具有一对外部电极、且所述虚设电极与所述外部电极电绝缘。
本发明的其他层叠型压电元件具有经由内部电极层叠多个压电体层的层叠体，其特征在于，所述层叠体在层叠体的层叠方向上相邻的内部电极之间，具有与该内部电极相比空隙更多的多孔质部，在该多孔质部和所述相邻的内部电极的至少一方之间，具有与这些内部电极隔离且电绝缘的虚设电极。
优选所述虚设电极由在彼此隔离且电绝缘状态下存在的多个虚设部构成。
优选所述多孔质部是由金属构成的金属部和由陶瓷构成的陶瓷部的至少一方在相邻的2个压电体层之间经由空隙散布多个而形成。
优选多个所述金属部在彼此隔离而电绝缘的状态下散布。
优选所述层叠体具有多个所述多孔质部，这些多孔质部在所述层叠体的层叠方向上规则地配置。
经由所述压电体层与所述多孔质部在层叠方向两侧相邻的内部电极可以是同极。此外，经由所述压电体层与所述多孔质部在层叠方向两侧相邻的内部电极是也可以是不同极。
本发明的喷射装置的特征在于，具有：包含喷出孔的容器；和上述的任意一项中记载的层叠型压电元件，构成为通过所述层叠型压电元件的驱动，从所述喷射孔喷出在所述容器内所填充的液体。
本发明的燃料喷射系统具有：存储高压燃料的高压共轨；喷射在该高压共轨中存储的燃料的所述喷射装置；向所述高压共轨供给高压的燃料的压力泵；和向所述喷射装置提供驱动信号的喷射控制单元。
本发明的层叠型压电元件的制造方法用于制造层叠型压电元件，所述层叠型压电元件具有经由内部电极层叠了多个压电体层的层叠体，在相邻的2个压电体层之间设置所述内部电极、与该内部电极隔离且电绝缘的虚设电极、该虚设电极与该内部电极之间的绝缘部，特征在于，包括：在陶瓷生片的表面上，形成含有金属成分M₁的内部电极膏层，并且为了形成所述绝缘部，在与所述内部电极膏层隔离的状态下，形成含有金属成分M₁的虚设电极膏层的工序；在其他陶瓷生片的表面中在与所述隔离部分对应的位置上形成含有金属成分M₁的应力缓和膏层的工序；制作包含相邻地层叠了这些陶瓷生片的部分的层叠成形体的工序；和烧成该层叠成形体的工序；对于所述应力缓和膏层，金属成分M₁相对于膏中的金属成分总量的比率X比所述内部电极膏层和所述虚设电极膏层更高。
所述应力缓和膏层形成在所述内部电极膏层、所述虚设电极膏层以及与它们的所述隔离部分对应的位置上。
根据本发明的层叠型压电元件，在经由压电体层与绝缘部在层叠方向相对置的位置上形成与内部电极相比空隙更多的多孔质部，所以，即使在与内部电极和虚设电极相接触的压电体层、与和未形成内部电极和虚设电极的绝缘部相接触的压电体层之间，在烧结行为中产生差异而产生残余应力，多孔质部也能吸收该残余应力。据此，能抑制残余应力引起龟裂的发生，所以能提供即使在高温、高湿、高电场下驱动时，也具有优异的耐久性的层叠型压电元件。
此外，多孔质部形成在经由压电体层与内部电极、虚设电极以及绝缘部在层叠方向相对置的位置上时，能进一步提高应力缓和效果。
多孔质部分别形成在经由压电体层与绝缘部在层叠方向两侧相对置的位置上时，能进一步减少烧成时的残余应力，能进一步提高元件的可靠性。
层叠体在其侧面具有一对外部电极，当虚设电极电连接在与和该虚设电极位于相同的压电体层之间的内部电极电连接的外部电极不同的外部电极上时，在压电体层之间，对在内部电极和虚设电极之间存在的压电体施加电压，该压电体不必要地进行移位，但是多孔质部能吸收由该不必要的移位而引起的应力。据此，能缓和在内部电极与虚设电极之间存在的压电体附近产生的应力，能更可靠地抑制龟裂的发生。
层叠体在其侧面具有一对外部电极，当虚设电极与外部电极电绝缘时，能提供绝缘耐压(绝缘耐力)优异、在高电场下耐久性也优异的层叠型压电元件。
根据本发明的其他层叠型压电元件，在经由压电体层在层叠方向相邻的2个内部电极之间具有与这些内部电极相比空隙更多的多孔质部，在该多孔质部和所述2个内部电极的至少一方之间形成与这些内部电极隔离且电绝缘的虚设电极，所以即使在与内部电极相接触的压电体层、与虚设电极相接触的压电体层、位于不形成内部电极和虚设电极的绝缘部的附近的压电体层之间，在烧结行为中产生差异而产生了残余应力，多孔质部也能吸收该残余应力。据此，能抑制残余应力所引起的龟裂的发生，所以能提供即使在高温、高湿、高电场下驱动时，也具有优异的耐久性的层叠型压电元件。
虚设电极在彼此隔离并且电绝缘状态下散布时，能减小虚设电极和压电体层的接触面积，所以即使在高温、高湿、高电场下长时间进行了驱动时，也能抑制迁移的发生。
多孔质部在与由金属构成的金属部和由陶瓷构成的陶瓷部的至少一方相邻的2个压电体层之间经由空隙散布多个而形成时，对多孔质部施加了应力时，应力分散到各金属部或陶瓷部，所以能防止应力集中在一点。
多孔质部具有金属部时，金属的杨氏模量比陶瓷更低，所以能进一步提高减低应力的效果。此外，陶瓷部与金属部相比，在施加了应力时，在陶瓷部自身容易产生龟裂。因此，当多孔质部具有陶瓷部时，在驱动时，与其他部分相比，可更有选择地在陶瓷部自身产生龟裂等，所以在多孔质部能缓和应力。据此，能抑制在其他部分产生龟裂等。多孔质部具有金属部和陶瓷部双方时，由金属部引起的柔软性与由陶瓷部的龟裂容易产生性引起的应力缓和效果相辅相成，能进一步提高压电元件的耐久性。
在多个金属部彼此隔离而电绝缘的状态下散布时，该多孔质部不作为电极发挥功能，所以能减少与它相邻的压电体层的移位量，能进一步提高应力缓和效果。
层叠体具有多个多孔质部，这些多孔质部在层叠体的层叠方向规则地配置时，在层叠体的层叠方向的几乎全部区域能几乎均一地取得应力缓和效果。
经由压电体层与多孔质部在层叠方向两侧相邻的内部电极是同极时，与多孔质部相邻接的压电体层不进行驱动，所以能更减少应力。
经由压电体层与多孔质部在层叠方向两侧相邻的内部电极是不同极时，与多孔质部相邻接的压电体层进行驱动，所以能增大移位量。根据本发明的喷射装置，具有应力缓和效果优异的层叠型压电元件，所以即使在高温、高湿、高电场下使用时，也能发挥优异的耐久性。
附图说明
图1是表示本发明实施方式1的层叠型压电元件的立体图。
图2是图1所示的层叠型压电元件的A-A线剖视图。
图3是放大图1所示的层叠型压电元件的一部分的剖视图。
图4是表示实施方式1的其他例子的剖视图(用与层叠方向平行的平面进行了截断时的剖视图)。
图5是表示实施方式1的其他例子的剖视图(用与层叠方向平行的平面进行了截断时的剖视图)。
图6是用与层叠方向垂直的平面截断了实施方式1的层叠型压电元件时的剖视图。
图7是用与层叠方向垂直的平面截断了实施方式1的层叠型压电元件时的剖视图。
图8是表示实施方式1的其他例子的剖视图(用与层叠方向平行的平面进行了截断时的剖视图)。
图9是表示实施方式1的其他例子的剖视图(用与层叠方向平行的平面进行了截断时的剖视图)。
图10是表示实施方式1的其他例子的剖视图(用与层叠方向平行的平面截断时的剖视图)。
图11是表示本发明实施方式2的层叠型压电元件的立体图。
图12是图11所示的层叠型压电元件的A-A线剖视图。
图13是对图11所示的层叠型压电元件的一部分进行了放大的剖视图。
图14是表示实施方式2的其他例子的剖视图(用与层叠方向平行的平面进行了截断时的剖视图)。
图15是表示实施方式2的其他例子的剖视图(用与层叠方向平行的平面进行了截断时的剖视图)。
图16是表示实施方式2的其他例子的剖视图(用与层叠方向平行的平面进行了截断时的剖视图)。
图17(a)～(c)是表示本发明的层叠型压电元件的制造方法的说明图。
图18是表示本发明的一个实施方式的喷射装置的剖视图。
图19是表示本发明的一个实施方式的燃料喷射高压共轨系统的概略图。
符号的说明
11—压电体层；11a—陶瓷生片；13—内部电极；13a—内部电极膏层；15—虚设电极；15a—虚设电极膏层；17—多孔质部；17a—应力缓和膏层；19—外部电极；21—金属部；23—绝缘部；25—空隙。
具体实施方式
<层叠型压电元件>
以下，参照附图，详细说明本发明的一个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立体图，图2是A-A线剖视图，图3是对多孔质部17的周边进行了放大的放大剖视图。
如图1～3所示，本实施方式的层叠型压电元件具有经由内部电极13层叠了多个压电体层11的层叠体10。在相邻的2个压电体层11之间设置有内部电极13、与该内部电极13隔离且电绝缘的虚设电极15、该虚设电极15与该内部电极13之间的绝缘部23。在经由压电体层11与内部电极13、虚设电极15以及绝缘部23在层叠方向相对置的位置上形成与内部电极13相比空隙更多的多孔质部17。
多孔质部17优选是由金属和陶瓷的至少一方构成。多孔质部17只由金属构成时，金属的杨氏模量(Young’s modulus)低，所以能进一步降低应力。此外，当多孔质部17只由陶瓷构成时，与压电体牢固地接合，所以能防止龟裂的发生。此外，陶瓷部与金属部相比，在施加了大的应力时，更容易在陶瓷部自身产生龟裂。因此，当多孔质部具有陶瓷部时，在驱动时施加了大的应力时，与其他部分相比，更能有选择地使陶瓷部自身产生龟裂，所以在多孔质部能缓和应力。据此，能抑制在其他部分产生龟裂。此外，当多孔质部17由金属和陶瓷构成时，因为兼具两者的特征，所以能防止应力的降低和龟裂的发生。
如图3所示，多孔质部17更优选将由金属构成的金属部21a和由陶瓷构成的陶瓷部21b的至少一方在相邻的2个压电体层11之间经由空隙25散布多个而形成。即使在对多孔质部17施加了应力时，也能抑制局部地应力集中，能进一步提高可靠性。多个金属部21a如图3所示，在彼此隔离且电绝缘的状态下散布而形成。
如图4所示，多孔质部17即使形成在经由压电体层11、至少与绝缘部23在层叠方向相对置的位置上，也能取得本发明的效果。在该方式时，只在最小限度的必要的位置上形成多孔质部17，所以能降低成本，并且即使在元件中配置多个多孔质部17，也几乎不产生元件强度的降低。如图5所示，层叠型压电元件也可以将多孔质部17分别形成在经由压电体层11与绝缘部23在层叠方向两侧相对置的位置上。
如图6所示，虚设电极15也可与外部电极19电连接，其中，该外部电极19不同于电连接在位于与配置了该虚设电极15相同的压电体层11之间的内部电极13上的外部电极19。此外，如图7所示，虚设电极15也可以与外部电极19电绝缘。
而且，如图8所示，虚设电极15优选由在彼此隔离且电绝缘的状态下散布的多个虚设部15a构成。虚设电极彼此隔离且电绝缘，所以即使在高温、高湿、高电场下长时间驱动，也能进一步降低迁移(migration)的发生。
如图9所示，通过压电体层11与多孔质部17在层叠方向两侧相邻的内部电极13也可是同极。此外，如图10所示，经由压电体层11与多孔质部17在层叠方向两侧相邻的内部电极13是也可以是不同极。
在本实施方式的层叠型压电元件中，配置有与内部电极13绝缘的虚设电极15，在与内部电极13在层叠方向相邻的位置上配置有与内部电极13相比空隙25更多的多孔质部17。即通过虚设电极15，降低烧成时的残余应力，并且由于在层叠方向相邻的位置上配置有空隙25多的多孔质部17，所以即使例如在高温、高湿、高电场下驱动时，多孔质部17也能有效地吸收应力。因此，能抑制产生龟裂的发生、周围环境中的水蒸气的进入、或者发生迁移，或者在内部电极13之间导通的问题。
虚设电极15为了使烧成时的收缩接近内部电极13的部分，所以优选包含与内部电极13相同的金属成分。希望优选与内部电极相同的组成。通过设为与内部电极相同的组成，能使烧成时的收缩与内部电极13的部分相同，所以能降低残余应力。
为了进一步提高应力降低效果，优选多孔质部17的空隙率是10～95％。通过空隙率是该范围内，从而能很好地维持多孔质部17和与它相邻的压电体层11的接合强度，并且有效地降低应力，防止龟裂的发生。空隙率更希望优选是40～90％。
多孔质部17的空隙率，是用百分率来表示在与元件的层叠方向平行的截面中，空隙25(void)相对于多孔质部17整体的面积(由压电体层11夹持的区域的面积)所占的比例。
多孔质部17的金属填充率理想的是5～55％。通过将金属填充率设为5％以上，能抑制金属部21a和与它相邻的压电体的接合强度过度降低。通过将金属填充率设为55％以下，多个金属部21a成为适度散布的状态，所以能提高吸收应力的效果。据此，能有效抑制龟裂的发生。更优选金属填充率为10～40％。金属填充率，是用百分率来表示在与元件的层叠方向平行的截面中，金属部21a相对于多孔质部17整体的面积所占的比例。
金属部21a的尺寸(层叠方向的长度)优选是1～100μm，更优选是3～50μm。金属部21a的尺寸为1μm以上，从而能抑制金属部21a的厚度变得过薄、能抑制应力缓和效果减小。此外，金属部21a的尺寸为100μm以下，从而能抑制金属部21a分散地吸收由于层叠体的伸缩而产生的应力的效果减小。金属部21a的形状可以是大致球形，也可以是其它形状。
在层叠体10的层叠方向的两端部配置有不活性层9。不活性层9是由未配置内部电极13的多个压电体构成的层，所以即使施加电压，也不发生移位。
在层叠体的对置的侧面，接合有外部电极19，该外部电极19，每隔一层，与层叠的内部电极13电连接。因此，对连接的内部电极13能公共供给通过反压电效应使压电体层11移位所必要的电压。外部电极19，通过焊锡等与固定导线连接，所以能将外部电极19与外部的电压供给部连接。
在层叠体的侧面形成一对外部电极19，这些外部电极19交互与多个内部电极13电连接，虚设电极15和与电连接了内部电极13的外部电极19不同的外部电极19电连接，其中，内部电极13位于与该虚设电极15相同的压电体层11之间。据此，能降低面内的应力的不均匀，能进一步提高龟裂抑制效果。
在层叠体的侧面形成一对外部电极19，这些外部电极19交互与多个内部电极13电连接，虚设电极15与外部电极19也可以绝缘。据此，外部电极19与虚设电极15绝缘，所以绝缘耐压优异，能提供即使在高电场下耐久性也优异的层叠型压电元件。
多孔质部17优选存在多个、且在层叠体的层叠方向规则地配置。通过将具有应力缓和效果的多孔质部17在层叠体的层叠方向规则地配置，从而在层叠体的层叠方向全部区域几乎均一地缓和应力。
优选每隔层叠体的层叠数(全部内部电极13的数量)的1/2以下的层叠数来配置多孔质部17。通过将多孔质部17的间隔设为层叠体的层叠数的1/2以下，在层叠体的侧面的全部区域能均等地降低应力。据此，即使在高温、高湿、高电场下长时间连续驱动，也能防止产生龟裂的发生、水蒸汽的进入、发生迁移、在内部电极13之间导通、层叠体移位不起作用的问题。更优选多孔质部17为层叠体的层叠数的1/8以下。虽然优选多孔质部17在层叠体的层叠方向规则地配置，但是层叠方向的两端部也可以偏离层叠体的中央的规则性。
对于多孔质部17，经由压电体层11在层叠方向的两侧相邻的内部电极13优选是同极。这时，由于多孔质部17不驱动，所以能进一步提高应力缓和效果。而另一方面，当将取得更大的移位量作为优先时，对于多孔质部17，通过压电体层11在层叠方向的两侧相邻的内部电极13可以是不同极。这时，由于多孔质部17驱动，所以能增加移位量，并能提供以小型取得大的移位量的层叠型压电元件。
此外，压电体层11的厚度、即内部电极13之间的距离优选是40～250μm。据此，即使层叠型压电元件施加电压、并为了取得更大的移位量而增加层叠数，也能实现层叠型压电致动器的小型化、低高度化，并且能防止压电体层11的绝缘破坏。
图11是表示本发明实施方式2的层叠型压电元件的立体图，图12是它的剖视图。图13是放大了多孔质部17的周边的放大剖视图。在本实施方式的层叠型压电元件中，如图12、图13所示，具有与内部电极13相比空隙更多的多孔质部17，在该多孔质部17和内部电极13的至少一方之间配置有与这些内部电极13隔离且电绝缘的虚设电极15。即由虚设电极15降低烧成时的残余应力，并且在层叠方向相邻的位置上配置有空隙25多的多孔质部17，所以即使在高温、高湿、高电场下长时间驱动，多孔质部17也能吸收应力。因此，能抑制产生龟裂的发生、周围环境中的水蒸气的进入、发生迁移、在内部电极13之间导通的问题。
此外，如图13所示，多孔质部17将由金属构成的金属部21a和由陶瓷构成的陶瓷部21b的至少一方在相邻的2个压电体层11之间经由空隙25散布多个而形成。特别优选构多个金属部21a在彼此隔离且电绝缘的状态下散布而形成。
在层叠体上，优选具备多个多孔质部17，且这些多孔质部17在层叠体的层叠方向上规则地配置。如图14所示，优选虚设电极15在彼此隔离且电绝缘的状态下散布而形成。如图15所示，经由压电体层11与多孔质部17在层叠方向两侧相邻的内部电极13可以是同极。此外，如图16所示，经由压电体层11与多孔质部17在层叠方向两侧相邻的内部电极13也可以是不同极。
另外，也可使虚设电极15与内部电极13不在同一平面内而在层叠方向上成列配置。据此，即使在内部电极之间所夹持的压电体层11施加的电场强度由于压电体粒子的形状或极化能力的偏差而引起在同一面内发生面内分布偏差时，通过具有虚设电极15，也能修正同一面内的电场强度。据此，在同一面内能成为几乎均一的电场强度，所以针对为了使元件的应力集中而配置的多孔质部17，能抑制由于局部地电场强度集中而产生的应力集中。其结果，将多孔质部17作为应力缓和层而有效地发挥作用，能将层叠型压电元件变得耐久性极高。
优选在多孔质部17与在层叠方向的两侧相邻的内部电极13之间分别配置虚设电极15。虚设电极15配置在多孔质部17的上下，所以能进一步降低烧成时的残余应力，并能降低向多孔质部17的应力。针对多孔质部17，虚设电极15不只配置在分别配置了在层叠方向的两侧相邻的内部电极13的压电体层11之间，也可以配置在配置了全部内部电极13的压电体层11之间。
关于其它部位和其它特性，与实施方式1中说明的同样，所以省略说明。
<制造方法>
下面，说明所述的本发明的层叠型压电元件的制造方法。本发明的制造方法包括：在陶瓷生片11a的表面形成含有金属成分M₁的内部电极膏层13a，并且为了形成绝缘部23，在与内部电极膏层13a隔离的状态下，形成含有金属成分M₁的虚设电极膏层的工序；在其他陶瓷生片11a的表面中在与所述隔离部分对应的位置上形成含有金属成分M₁的应力缓和膏层17a的工序；将这些陶瓷生片11a相邻地层叠来制作层叠成形体的工序；和烧成该层叠成形体的工序。
应力缓和膏层17a的金属成分M₁相对于金属成分总量的比率X，比内部电极膏层13a和所述虚设电极膏层更高。
优选应力缓和膏层17a形成在内部电极膏层13a、虚设电极膏层以及与它们的隔离部分对应的位置上。
作为压电材料，例如能使用将钛酸锆酸铅(Pb(Zr，Ti)O₃，以下简称为PZT)或者钛酸钡(BaTiO₃)作为主成分的压电陶瓷材料等。该压电陶瓷优选表示其压电特性的压电应变常数d₃₃是高的。
以下，以金属成分M₁为银的情形为例，进一步详细说明本发明的制造方法。首先，将钛酸锆酸铅(PZT)的粉末、由丙烯系和丁醛系等的有机高分子构成的粘合剂、DBP(邻苯二甲酸)、DOP(邻苯二甲酸二辛酯)等可塑剂进行混合而制作浆料(slurry)。接着，使用众所周知的刮刀法(doctor blade)或压光辊法(calender roll)等带式(tape)成形法，制作陶瓷生片。
接着，制作内部电极13用的金属膏和虚设电极15用的金属膏。这些金属膏是在主要由银-钯构成的金属粉末中添加并混合粘合剂(binder)、可塑剂等而得到的。通过丝网印刷(screen print)等，在陶瓷生片11a的单面对该金属膏进行印刷，而形成内部电极膏层13a和虚设电极膏层15a。
此外，制作空隙率高的多孔质部17用的金属膏。例如可以在以银为主成分的金属粉末中添加并混合粘合剂、可塑剂等来得到这些金属膏，或者也可在由比内部电极13、虚设电极15用的金属膏更提高了银的比率的银-钯构成的金属粉末中添加并混合粘合剂、可塑剂等来得到这些金属膏。通过丝网印刷等，在陶瓷生片11a的单面对该金属膏进行印刷。这时，在与所述隔离部分对应的位置上形成含有银的应力缓和膏层17a。优选应力缓和膏层17a形成在内部电极膏层13a、虚设电极膏层15a以及与它们的隔离部分对应的位置上。
接着，将印刷了各金属膏的生片，例如以成为图2所示的构造那样的方式进行层叠、干燥，从而得到烧成前的层叠成形体。图17(a)是放大了层叠成形体的一部分的剖视图。这时，当更需要陶瓷层厚度时，只要在需要厚度的地方，局部层叠未印刷金属膏的生片即可。此外，层叠成形体裁断，成为所希望的形态。如果是丝网印刷，则金属膏层的厚度能在1～40μm左右。
接着，在给定的温度下对层叠成形体进行脱粘合剂处理后，在800～1000℃进行烧成。这样，银从银浓度高的金属层向合金层扩散(参照图17(b))，形成空隙率高的多孔质部17，而形成比较致密的内部电极13(图17(c))。
接着，将烧结体加工为所希望的尺寸之后，形成外部电极19。在主要由银构成的金属粉末中添加并混合粘合剂、可塑剂、玻璃粉末等，来制作金属膏，并通过丝网印刷等，在所述烧结体的侧面对该金属膏进行印刷，在600～800℃下烧成，从而能形成外部电极19。另外，银从银浓度高的金属膏层向银浓度低的金属膏层扩散，而形成空隙率高的多孔质部17。
本发明的层叠型压电元件的其他制造方法如下所述。通过含有形成多孔质部17的银-钯等金属成分、和在根据需要添加混合了压电陶瓷的假烧粉末等的膏中在丙烯树脂珠(acryl beads)等的干燥时接合固定，在烧成时挥发的有机物，能形成具有任意的空隙率的多孔质部17。即通过控制在所述膏中添加的丙烯树脂珠的量，能控制该多孔质部17的空隙率。即丙烯树脂珠少时，空隙率减小，相反，丙烯树脂珠多时，空隙率增大。其它与所述的方法同样，所以省略说明。
另外，这时，在构成非活性层的生片中构成添加银-钯等内部电极13的金属粉末，或者在层叠构成非活性层9的生片时，在生片上印刷由构成银-钯等的内部电极13的金属粉末以及无机化合物和粘合剂和可塑剂构成的浆料，从而使非活性层9与其它部分的烧结时的收缩行为以及收缩率一致，所以能形成致密的层叠体。
层叠体10并不局限于由所述方法所制作的层叠体，如果能制造交替层叠多个压电体和多个内部电极13而构成的层叠体，就可以通过任意的方法形成。
接着，使用众所周知的平面磨床等，将取得的层叠烧成体磨削为给定的形状。
然后，通过丝网印刷等，在形成外部电极19的层叠体侧面印刷银玻璃导电性膏，该银玻璃导电性膏是在以银为主成分的导电剂粉末和玻璃粉末中添加粘合剂、可塑剂和溶剂而制作的。然后，在给定的温度下干燥，进行烘焙，从而能形成外部电极19。
在外部电极19的外面也可以形成由埋设了金属的网或者网状的金属板的导电性粘合剂构成的导电性辅助构件。这时，即使通过在外部电极19的外面设置导电性辅助构件，对致动器(actuator)施加大电流，并以高速驱动时，也能将大电流流到导电性辅助构件，并能降低流到外部电极19的电流，所以能防止外部电极19局部发热而断线，能大幅度提高耐久性。
而且，在导电性粘合剂中埋设有金属的网或者网状的金属板，所以能防止在所述导电性粘合剂中产生龟裂。
金属的网是指织入金属线，网状的金属板是指在金属板中形成孔而成为网状。
然后，在外部电极19用焊锡连接导线后，在包含外部电极19的层叠体侧面，使用浸渍(dipping)等方法，涂敷(coating)由硅胶等构成的外装树脂，完成本发明的层叠型压电元件。
<喷射装置>
图18表示本发明的喷射装置，在收纳容器31的一端设置喷射孔33，在收纳容器31内收纳能开关喷射孔33的针形阀35。
在喷射孔33中可连通地设置燃料通路37，该燃料通路37与外部的燃料供给源连接，对燃料通路37总以恒定的高压供给燃料。因此，形成为如果针形阀35开放喷射孔33，则将供给到燃料通路37的燃料以恒定的高压向内燃机的未图示的燃料室内喷出。
此外，针形阀35的上端部直径增大，成为与形成在收纳容器31中的汽缸(cylinder)39能滑动的活塞41。而且，在收纳容器31内收纳所述的压电致动器43。
在这样的喷射装置中，如果压电致动器43通过施加电压而伸长，则按压活塞41，针形阀35闭塞喷射孔33，并停止燃料的供给。
此外，如果电压的施加停止，则压电致动器43收缩，碟形弹簧45压回活塞41，喷射孔33与燃料通路37连通，进行燃料的喷射。
<燃料喷射系统>
图19是表示本发明的一个实施方式的燃料喷射系统的概略图。如图18所示，本实施方式的燃料喷射系统51具有储存高压燃料的高压共轨(common rail)52、喷射该高压共轨52所储存的燃料的多个所述喷射装置53、向高压共轨52供给高压的燃料的压力泵54、对喷射装置53提供驱动信号的喷射控制单元55。
喷射控制单元55，一边用传感器等感知引擎的燃烧室内的状况，一边控制燃料喷射的量和时间。压力泵54起到如下作用，即，从燃料容器56将燃料设为1000～2000大气压程度、优选是1500～1700大气压程度送入高压共轨52。在高压共轨52中，储存从压力泵54送来的燃料，并适当送入喷射装置53。喷射装置53如上所述，从喷射孔33向燃烧室内将少量的燃料喷射成雾状。
实施例1
按以下那样制作由本发明的层叠型压电元件构成的压电致动器。首先，制作混合了以平均粒径0.4μm的钛酸锆酸铅(PbZrO₃-PbTiO₃)为主成分的压电陶瓷的假烧粉末、粘合剂、可塑剂的浆料，用刮刀法，制作成厚度120μm的压电体11的陶瓷生片。
在该陶瓷生片的单面上，将在内部电极以及根据需要在成为虚设电极的部分，通过丝网印刷法，形成在银-钯合金(银质量95％-钯5重量％)上添加了粘合剂的导电性膏的薄板合计层叠300片，在空隙多的多孔质部的部分，将丝网印刷的图案进行变更来印刷并烧成银-钯合金(银质量99％-钯1重量％)的导电性膏。烧成，保持在800℃后，在950℃下烧结，而后，在900℃下加热保持1小时后，冷却。
这时，空隙多的多孔质部的配置、虚设电极向外部电极的连接、多孔质部的上下的内部电极的极性如表1所示进行配置。
接着，在平均粒径2μm的薄片(flake)状的银粉末、与残余部为平均粒径2μm的以硅为主成分的软化点为640℃的非晶质的玻璃粉末的混合物中，相对于银粉末和玻璃粉末的合计质量100质量部，添加8质量部的粘合剂，并充分混合，来制作银玻璃导电性膏，并得到这样制作的银玻璃导电性膏。
然后，在层叠体13的外部电极15面上印刷所述银玻璃膏，干燥后，在700℃下进行30分钟烘焙，形成外部电极15。
此后，在外部电极15上连接导线，在正极和负极的外部电极15上通过导线施加15分钟的3kV/mm的直流电场，进行极化处理，制作使用了图1所示的方式的层叠型压电元件的压电致动器。
对所取得的层叠型压电元件施加170V的直流电压，在全部压电致动器中，在层叠方向上取得移位量。
进而，对该压电致动器，在室温下，用150Hz的频率施加0～+170V的交流电压，进行1×10⁹次连续驱动的试验。此外，一部分在连续驱动的试验后对截面进行研磨，并用金属显微镜确认了内部。另外，对在同一条件下制作的压电致动器施加电压，并测定了绝缘耐压。结果如表1所示。
[表1]