CN101681985B - 层叠型压电元件、喷射装置、燃料喷射系统以及层叠型压电元件的制造方法 - Google Patents

层叠型压电元件、喷射装置、燃料喷射系统以及层叠型压电元件的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能够减少在相当于活性区域和非活性区域的边界的部位发生应力、且耐久性高的层叠型压电元件和其制造方法。该层叠型压电元件为具有交替层叠了多层压电体层11和内部电极13的层叠结构15的层叠型压电元件，压电体层11含有构成为该压电体层11的主成分的压电陶瓷的元素以外的金属元素，在压电体层11的内部电极层13的端部的部位11a附近存在以金属元素作为主成分的金属粒子，端部附近的部位11a的金属的含有量比金属元素和非金属元素的化合物的含有量大。

Description

层叠型压电元件、喷射装置、燃料喷射系统以及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、喷射装置、燃料喷射系统、以及层叠型压电元件的制造方法。 
背景技术
迄今为止，公知一种层叠型压电元件(以下，也只称“元件”)，其具有多层压电体层隔着内部电极层所层叠的层叠结构，在该层叠结构的侧面形成一对外部电极。一般来说，层叠型压电元件具有以下结构，即，在对置的侧面分别形成正极的外部电极和负极的外部电极，内部电极层交替地与这些外部电极电连接。如此因为只使内部电极层与一个外部电极连接，所以内部电极层处于以下的状态，即，其端部的一部分露出于层叠结构的侧面，其他端部埋设于压电体层之间。即，内部电极层不是形成于压电体层的主面整体，而局部具有没有形成内部电极层的区域(专利文献1、2等)。 
专利文献1：日本特开平7-30165号公报； 
专利文献2：日本特开平7-30165号公报。 
在上述那样的层叠型压电元件中，电场容易集中于内部电极层的端部附近的压电体层。并且，因为电场施加于异极的内部电极层彼此在层叠方向重叠的区域(活性区域)而位移，但电场不施加于在层叠方向不重叠的区域(非活性区域)而不位移，所以应力容易集中于活性区域和非活性区域的边界附近。 
发明内容
于是，本发明的第一目的在于提供一种能够减少在相当于活性区域和非活性区域的边界的部位发生的应力，且耐久性高的层叠型压电元件和其制造方法。 
另外，本发明的第二目的在于提供一种利用了本发明的层叠型压电元件的耐久性高的喷射装置、燃料喷射系统。 
本发明的第一的层叠型压电元件，其具有交替层叠了压电体层和内部电极的层叠结构，其特征在于，在所述压电体层的所述内部电极层的端部附近的部位散布有金属相。 
本发明的第二的层叠型压电元件，其具有交替层叠了压电体层和内部电极的层叠结构，其特征在于，所述压电体层含有金属元素，且在所述压电体层的所述内部电极层的端部附近的部位，以所述金属元素作为主成分的金属相的含有量比所述端部附近的部位以外的部位的以所述金属元素作为主成分的金属相的含有量大。 
本发明的第三的层叠型压电元件，其具有交替层叠了压电体层和内部电极的层叠结构，其特征在于，所述压电体层含有金属元素，且在所述压电体层的所述内部电极层的端部附近的部位，所述金属元素彼此的结合比所述金属元素和氧的结合多。 
本发明的第四的层叠型压电元件，其具有交替层叠了压电体层和内部电极的层叠结构，其特征在于，所述压电体层含有金属元素，在以X射线光电子能谱分析所述压电体层时，若将表示所述金属元素彼此的结合的峰值的强度设为E1、将表示所述金属元素和非金属元素的结合的峰值的强度设为E2，则在所述压电体层的所述内部电极层的端部附近的部位，E1大于E2。 
本发明的喷射装置，其特征在于，具备：具有喷射孔的容器和上述的任一项所述的层叠型压电元件，所述喷射装置通过层叠型压电元件的驱动，从所述喷射孔喷出填充在所述容器内的液体。 
本发明的燃料喷射系统，其特征在于，具有：存储高压燃料的公共管道；喷射该公共管道中存储的所述高压燃料的上述喷射装置；向所述公共管道提供所述高压燃料的压力泵；对所述喷射装置给予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，其特征在于，包括使具有交替层叠了多层压电体层和内部电极的层叠结构的层叠型压电元件在还原气氛中或真空气氛中极化的工序。 
本发明的第一的层叠型压电元件在压电体层的内部电极层的端部附近的部位含有金属元素。由此，产生以下的效果。 
由于压电体层的内部电极层的端部附近的部位位于元件的活性区域和非活性区域的边界，所以电场容易集中于该端部附近的部位，但通过使金属相存在于该端部附近的部位，能够降低压电体层的端部附近的部位的电场强度。由此，因为能够使相当于活性区域和非活性区域的边界的上述端部附近的部位的位移量变小，所以能够减少在该部位发生的应力。 
本发明的第二的层叠型压电元件，其具有交替层叠了压电体层和内部电极的层叠结构，所述压电体层含有金属元素，且在所述压电体层的所述内部电极层的端部附近的部位，通过使以所述金属元素作为主成分的金属相的含有量比所述端部附近的部位以外的部位的以所述金属元素作为主成分的金属相的含有量变大，能够降低压电体层的端部附近的部位的电场强度。由此，因为能够使相当于活性区域和非活性区域的边界的上述端部附近的部位的位移量变小，所以能够减少在该部位发生的应力。 
本发明的第三的层叠型压电元件，其具有交替层叠了压电体层和内部电极的层叠结构，所述压电体层含有金属元素，且在所述压电体层的所述内部电极层的端部附近的部位，所述金属元素彼此的结合比所述金属元素和氧的结合多。由此，取得与上述相同的作用效果。 
本发明的第四的层叠型压电元件，其具有交替层叠了压电体层和内部电极的层叠结构，其特征在于，所述压电体层含有金属元素，在以X射线光电子能谱分析所述压电体层时，若将表示所述金属元素彼此的结合的峰值的强度设为E1、将表示所述金属元素和非金属元素的结合的峰值的强度设为E2，则在所述压电体层的所述内部电极层的端部附近的部位，E1大于E2。由此，取得与上述相同的作用效果。 
本发明的喷射装置，具备：具有喷射孔的容器和上述本实施方式的层叠型压电元件，所述喷射装置通过层叠型压电元件的驱动，从所述喷射孔喷出填充在所述容器内的液体，因为使用减少了驱动时发生的应力、可靠性高且寿命长的层叠型压电元件，所以成为可靠性高且寿命长的喷射装置。 
本发明的燃料喷射系统，具有：存储高压燃料的公共管道；喷射该公共管道中存储的所述高压燃料的上述本实施方式的喷射装置；向所述公共管道提供所述高压燃料的压力泵；对所述喷射装置给予驱动信号的喷射控制单元，因为使用可靠性高且寿命长的喷射装置，所以成为可靠性高且寿命长的燃料喷射系统。 
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的层叠型压电元件的立体图。 
图2A是图1所表示的层叠型压电元件的A-A线剖视图。 
图2B是放大表示图2A的一部分的剖视图。 
图3是图1所表示的层叠型压电元件的B-B线剖视图。 
图4是表示以X射线光电子能谱分析图2、3所示的元件的端部附近的部位和端部附近的部位以外的部位时的测定结果的曲线图。 
图5是表示本发明的一实施方式的喷射装置的剖视图。 
图6是表示本发明的一实施方式的燃料喷射系统的概略图。 
图中：11…压电体层，11a…端部附近的部位，11b…端部附近的部位以外的部位，13…内部电极层，13a…内部电极层的端部，17a…负极的外部电极，17b…正极的外部电极，21…金属相。 
具体实施方式
<层叠型压电元件> 
以下，参照附图对本发明的一实施方式的层叠型压电元件进行详细说明。图1是表示本发明的一实施方式的层叠型压电元件的立体图，图2是图1所表示的层叠型压电元件的A-A线剖视图，图3是图1所表示的层叠型压电元件的B-B线剖视图。该层叠型压电元件具有交替层叠了多层压电体层11和内部电极13的层叠结构15。在层叠结构15的侧面，形成一对的外部电极17(负极的外部电极17a、正极的外部电极17b)。 
在第一实施方式中，压电元件11在内部金属层的端部附近的部位11a含有金属相21。通过如此，相对于在以往结构的层叠型压电元件中，在驱动时，电场集中于从内部金属层13的端部在一定的范围内的压电体层， 在第一实施方式的层叠型压电元件中，基于金属相电场分散。因此在第一实施方式的层叠型压电元件中，能够缓和压电体层的内部金属层13的端部附近部位11a的电场集中，缓和层叠型压电元件的驱动时的活性区域和非活性区域的边界附近的应力。尤其，内部金属层13和金属相21之间绝缘为佳，此时，电场的分布更加扩散，能够更加缓和电场集中。在此，在本说明书中，金属相是指金属元素通过金属结合而显示金属电导的相。 
进而，在内部金属层13的端部附近的部位11a，优选金属相21的含有量比形成金属相21的金属元素的氧化物的含有量大。此时，在层叠型压电元件的驱动时，不仅能够抑制电场集中于内部金属层13的端部附近的部位11a，而且应力缓和效果不会因为配置了层叠型压电元件的周围的气氛而变动，成为耐久性高的层叠型压电元件。 
进而，在压电体层11的端部附近的部位11a以外的部位11b，优选形成金属相21的金属元素的氧化物的含有量比金属相的含有量大。由此，因为能够在活性层和非活性层的交界线产生电场的分散效果，所以能够更加有效地产生应力缓和效果。 
进而，由于压电体层11主要由压电陶瓷构成，金属相21存在于压电陶瓷的晶界，所以在驱动中能够使分散的电场分散于压电性陶瓷的粒子之间。其结果，因为能够利用基于应力而使粒子形状变形的压电体粒子的特征，将压电体本身使用于应力缓和，所以能够进一步提高应力缓和效果。 
进而，优选金属相21散布于内部电极层13的端部附近的部位11a。若金属相21散布于部位11a，则不仅电场的分散效果提高，能够提高应力缓和效果，而且因为金属相21彼此散布于作为绝缘体的压电体层11之间，所以能够抑制电场集中于压电体层11的极少一部分。其结果，在层叠型压电元件的驱动中，压电体不会因为电场集中而被过度加热，可以通过散布的金属相21进行热的散逸。 
金属相21为构成压电陶瓷的元素以外的金属元素为佳，在这种情况下，即使在高温、高湿度的环境下使用层叠型压电元件，也不会从金属相21向压电陶瓷传导离子。其结果，因为能够在活性层和非活性层的边界部产生电场的分散效果，所以能够在长期间维持应力缓和效果。 
作为存在于端部附近的部位11a的金属相21的元素，例如可以例示 银、铜、钯、铂、镍等电导率高的元素。其中尤其银的硬度小且软，所以能够得到更高的应力缓和效果，所以优选。因此，作为金属元素的氧化物，可以例示例如氧化银、氧化铜等。氧化银与银相比电导率小，氧化铜与铜相比电导率小。 
如图2所示，在本实施方式中，“端部附近的部位”以内部电极层13的端部13a为中心分布，优选其厚度比内部电极层13的厚度大且比压电体层11的厚度小。这里所说的厚度是指元件的层叠方向的长度。通过使端部附近的部位11a的厚度比内部电极层13的厚度大，能够有效地降低端部附近的部位11a的电场强度。另一方面，通过使端部附近的部位11a的厚度比压电体层的厚度小，能够抑制相邻的内部电极层13之间的绝缘性降低。具体而言，例如在图2的纵向剖视图观察时，端部附近的部位11a为以内部电极层13的端部为中心的大致球状的区域，使成为金属相21的粒子主要分散于其半径相对于压电体层11的厚度，成为10％～95％的区域。优选在电场强度将变强的部分高密度分布，具体而言，优选越接近内部电极层13越高密度分布。 
另外，端部附近的部位11a的宽度(与层叠方向垂直的方向的长度)并没有特别限定，但是优选以维持内部电极层13的端部13a和形成于元件的侧面的外部电极17的绝缘性的方式，确保部位11a的端部和外部电极17之间的间隔。从有效地降低端部附近的部位11a的电场强度的观点出发，优选端部附近的部位11a的宽度比内部电极层13的厚度大。另外，尤其从能够维持和外部电极17的高的绝缘性的观点出发，优选端部附近的部位11a的宽度比压电体层11的厚度小。 
优选压电体层11的厚度为40～250μm左右。由此，即使为了施加电压得到更大的位移量而增加层叠型压电元件的层叠数，也能够实现层叠型压电执行器的小型化、薄型化，且抑制压电体层11的绝缘击穿。优选内部电极层13的厚度为1～3μm。 
作为金属相，优选粒径在1nm～1μm的范围的金属粒子分散于端部附近的部位11a，通过使粒径为1nm以上，能够在端部附近的部位11a有效地降低电场强度。另一方面，通过使粒径为1μm以下，能够抑制耐电压降低。另外，通过使金属粒子分散，电场分散于每个金属粒子，能够有 效地降低电荷强度。 
在含有金属相的区域，优选构成金属相的元素形成和非金属的化合物相，且与金属相和非金属的化合物相一同含有。在将金属相的含有量和化合物相的含有量的总和作为100％的情况下，优选端部附近的部位11a的金属相的含有量存在20％～80％质量％左右，更优选存在50％～70％质量％左右。相对于此，端部附近的部位11a的金属元素的酸化物的含有量比金属相的含有量小即可，也可以为接近大致零的值。例如在金属元素为银的情况下，优选银的含有量比氧化银大，并且银和氧化银共存。如此在端部附近的部位11a通过使银和氧化银共存，即使驱动时失去压电体层11的电平衡，银和氧化银也可以可逆地变迁，进行电荷补偿。由此，使压电体层11的特性稳定化。金属相的含有量及金属元素的氧化物的含有量的比率(丰度比)能够从使用X射线光电子能谱测定的峰值的光谱结果将峰值的强度比就那样假设为丰度比而测定。 
另外，在金属元素为银的情况下，优选在端部附近的部位11a也存在钯。钯即使为微量由于存在，所以银的耐迁移特性提高。 
在压电体层11的端部附近的部位11a以外的部位11b，优选金属元素的氧化物的含有量比金属相的含有量大。因为端部附近的部位11a以外的部位11b对元件的位移特性影响大，所以在该部位11b，电场强度不降低为佳。需要说明的是，在本实施方式中，如图2所示，“端部附近的部位11a以外的部位”是指，异极的内部电极层13彼此在层叠方向对置的部位(图2的以双点划线表示的部位)。使用X射线光电子能谱测定时，也可以代表以双点划线表示的部位，作为图2中的符号11b的引出线的前端附近、即与元件的层叠方向垂直的方向的中央附近。 
上述本实施方式若改变看法则为下述。即，在第二的实施方式的层叠型压电元件中，在压电体层11的内部电极层13的端部13a附近的部位11a，以金属元素为主成分的金属相21的含有量比以端部附近的部位11a以外的部位11b的金属元素为主成分的金属相21的含有量大。另外，在第三的实施方式的层叠型压电元素中，在压电体层11的内部电极层13的端部13a附近的部位11a，金属元素彼此的结合比金属元素和氧的结合多。对于分析金属元素彼此的结合及金属元素和氧的结合，例如以X射 线光电子能谱分析压电体层11即可。 
以X射线光电子能谱分析压电体层11时，将表示金属元素彼此的结合的峰值的强度设为E1，将金属元素和氧的结合的峰值的强度设为E2。此时，在压电体层11的内部电极层的端部附近的部位11a，E1大于E2。另外，优选在压电体层11的端部附近的部位11a以外的部位11b，E2大于E1。在金属元素为银的情况下，E1为368.1eV的峰值的强度，E2为367.8eV的峰值的强度。另一方面，在压电体层11的内部电极层的端部附近的部位11a以外的部位11b，优选金属元素和氧的结合比金属元素彼此的结合多。 
图4是表示以X射线光电子能谱分析图3所示的元件的端部附近的部位11a和端部附近的部位11a以外的部位11b时的测定结果的曲线图。图4中的实线表示端部附近的部位11a的分析结果，虚线表示端部附近的部位11a以外的部位11b的分析结果。如图4所示，在端部附近的部位11a，在368.1eV观察到峰值(E1)，在367.8eV几乎观察不到峰值(E2)。从此可知，在端部附近的部位11a，银元素彼此的结合比银元素和氧的结合多(E1＞E2)。另一方面，在端部附近的部位11a以外的部位11b，在367.8eV观察到峰值(E2)，在368.1eV几乎观察不到峰值(E1)。从此可知，在端部附近的部位11a以外的部位11b，银元素和氧的结合比银元素彼此的结合多(E2＞E1)。 
需要说明的是，在图4所示的曲线图中，端部附近的部位11a以外的部位11b的测定部位为图2中的符号11b的引出线的前端附近，即与元件的层叠方向垂直的方向的中央附近。 
另外，如图4所示的X射线光电子能谱的测定条件如下所示。 
<测定条件> 
X射线光电子能谱：PHI制造  型号：Quantum 2000 
预先处理：由Ar离子蚀刻除去表面污染层 
PassEnergy：58.70eV StepSize：0.125eV 
在本实施方式的层叠型压电元件中，优选至少负极的内部电极层13的端部附近的部位11a为上述那样的状态。由此，通过使金属粒子分散于内部电极层13的端部附近的部位11a，以在元件的驱动时有时发生的氧 缺位不达到负极的内部电极层(低电位侧电极)的方式使金属粒子捕捉氧缺位而能够抑制绝缘性能的降低。 
在第三的实施方式的层叠型压电元件中，在压电体层11的内部电极层13的端部附近的部位11a，以金属元素为主成分的金属相的含有量比以端部附近的部位11a以外的部位11b的金属元素为主成分的金属相的含有量大。如上述，端部附近的部位11a的金属相的含有量优选为20～80质量％左右，更优选为50～70质量％左右。另一方面，端部附近的部位11a以外的部位11b的金属相的含有量为0～80质量％左右为佳。通过使其为30～50质量％左右，使压电体层11的端部附近的部位11a的电场强度降低的效果成为充分的效果。 
压电体层11的内部电极13的端部附近的部位11a的金属相的含有量及端部附近的部位11a以外的部位11b的金属相的含有量能够通过上述的X射线光电子能谱测定。 
<制造方法> 
接着，对上述的本实施方式的层叠型压电元素的制造方法进行说明。首先，制作料浆，其例如将钛酸锆酸铅(PZT)粉末和碱系、丁缩醛系等有机高分子构成的粘接剂、DBP(邻苯二甲酸二丁酯)、DOP(苯二甲酸二辛酯)等可塑剂以及金属元素和非金属元素的化合物粉末(例如氧化银粉末)进行混合而成，随后，通过公知的刮板法或滚压辊法等带成型法将该料浆成形为陶瓷生片。金属元素的氧化物粉末的添加量为0.03～0.15质量％左右为佳。 
随后，制作内部电极13用的金属膏剂。该金属膏剂通过在主要由银-钯构成的金属粉末中，添加混合粘接剂和可塑剂等而得到。通过丝网印刷等将该金属膏剂印刷到所述陶瓷生片的单面，形成内部电极层的膏剂层。 
接着，通过将印刷了金属膏剂的生片以例如成为图2所示的结构的方式进行层叠并且干燥，得到烧成前的层叠成形体。此时，在进一步需要陶瓷层的厚度的情况下，仅将没有印刷金属膏剂的生片局部层叠到需要厚度的部位即可。另外层叠成形体可以切断形成希望的方式。金属膏剂的厚度若为丝网印刷可以形成为1～40μm左右。 
接着，对层叠成形体在规定温度下进行脱粘接剂处理后，在900～1150℃下进行烧成。随后，将烧结体加工成希望的尺寸之后形成外部电极17。外部电极17通过在主要由银构成的金属粉末中添加混合粘接剂、可塑剂以及玻璃粉末等制作金属膏剂，将该金属膏剂利用丝网印刷等印刷于上述烧结体的侧面，在600～800℃下进行烧成而能够形成。 
进而，在外部电极17的外表面还可以形成由埋设了金属网或网状金属板的导电性粘接剂构成的导电性辅助部件。所说的金属网是编织金属线而成的，所说的网状金属板是在金属板上形成孔而做成网状的板。 
之后，将导线用焊锡等连接于外部电极17上后，通过使用浸渍等手法在包括外部电极17的层叠结构侧面涂敷由硅酮橡胶等构成的外装树脂而得到本发明的层叠型压电元件。 
在得到的层叠型压电元件中，在烧成时，在金属膏剂中含有的银、钯等金属的一部分仅向压电体层11中扩散一点，但是在压电体层11中存在的金属通常基于烧成时的热而被氧化，以氧化银等的氧化物的状态存在。为了得到本发明的更高的效果，如上述那样，优选在陶瓷生片用的料浆中添加金属元素的氧化物(例如氧化银粉末)。 
接着，将得到的层叠型压电元件在还原气氛中或真空气氛中进行通电。由此，能够局部加热电场容易集中的端部附近的部位11a。其结果，因为在端部附近的部位11a存在的氧化银被有选择地还原，所以在端部附近的部位11a，银彼此的结合比银元素和氧的结合变得更多。即，端部附近的部位11a的银的含有量比氧化银的含有量变大。另一方面，因为在端部附近的部位11a以外的部位11b，端部附近的部位11a那样的电场的集中不容易发生，所以在通电时和端部附近的部位11a比较，温度不怎样上升。因此，在端部附近的部位11a以外的部位11b，银元素和氧的结合保持比银元素彼此的结合(金属元素彼此的结合)多。即，保持氧化银的含有量比银的含有量大。 
如上述，若通过利用电场的集中局部加热端部附近，有选择地将存在于部位`11a的氧化银还原，则越接近电场的集中度高的内部电极层13的端部13a越可以提高温度，越接近内部电极层13的端部13a越能够使金属相高密度分布。 
通过在还原气氛中或真空气氛中对层叠型压电元件进行通电而能够局部加热端部附近的部位11a，还原氧化银等的氧化物的理由如下述。 
在仅将层叠型压电元件配置于还原气氛中或真空气氛中的情况下，气氛温度越高则压电体层11越加速还原，但在这种情况下，因为从层叠型压电元件的表面朝向元件内部依次还原，所以不仅存在于压电体层11的氧化银等氧化物被还原，而且直接暴露于还原气氛或真空气氛的元件表面的压电体粒子本身也被还原。 
然而，若在还原气氛中或真空气氛中对层叠型压电元件进行通电，则由于通电，层叠型压电元件自我加热，但是因为自我加热的部位尤其为电场容易集中的端部附近的部位11a，所以成为局部加热端部附近的部位11a，能够有选择地还原存在于端部附近的部位11a的氧化银等氧化物。 
在油等的溶液中遮断外部空气的环境下对层叠型压电元件进行通电的情况下，不是氧化气氛而可以说有一点还原气氛，但是在该情况下，由于油等的溶液的热容量比层叠型压电元件大，所以即使在通电中层叠型压电元件有自我加热，层叠型压电元件的热量被热容量大的油等的溶液夺走，也不能够局部加热电场容易集中的端部附近的部位11a。因此，不能够有选择地还原端部附近的部位11a，成为与内部电极13相接的压电体层的整面在同一条件下还原，不能够有选择地还原在端部附近的部位11a的氧化银等的氧化物。 
为了还原在端部附近的部位11a的氧化银等的氧化物，仅在极化处理层叠型压电元件时的通电处理也有效果，但是若在还原气氛中或真空气氛中连续驱动层叠型压电元件，则效果变得更大。 
作为通电时的优选条件，例如用旋转泵减压，将200V的直流电压通电1秒钟后搁置1秒钟，将该通电和搁置反复30分钟进行极化即可。进而，通过提高通电和搁置的反复速度，能够在更短时间还原存在于端部附近的部位11a的氧化银(金属元素的氧化物)，所以优选使用脉冲发生器，将0-200V的矩形波以100Hz施加而进行极化。 
另外，减压时的压力优选为10Torr(大约1.33kPa)以下，进而，以进一步降低元件周围的氧分压，进一步在短时间内还原存在于端部附近的部位的氧化银(金属元素和非金属元素的化合物)的目的，优选使用涡轮分子 泵使压力为1Torr(大约1.33kPa×102Pa)以下。 
为了一边对层叠型压电元件进行通电，一边在短时间内还原存在于端部附近的部位11a的氧化银(金属元素的氧化物)，因为需要通电使层叠型压电元件驱动，所以优选以压电体11的驱动变形的程度变大的方式使层叠型压电元件的温度为构成压电体11的材料的居里点以下。尤其，优选局部温度上升且不在层叠型压电元件内发生温度分布的方式一边加热层叠型压电元件至200℃一边减压。 
需要说明的是，若加热压电体整体，则使压电体整体还原，形成元件的特性降低，所以不优选。在本实施方式中，通过在还原气氛中或真空气氛中进行通电，则不还原压电体整体，能够局部加热端部附近的部位，有选择地还原在端部附近的部位所含有的金属元素。 
压电体例如以钛酸锆酸铅Pb(Zr，Ti)O3(以下简称PZT)、或钛酸钡BaTiO3为主成分的压电陶瓷材料等形成。优选该压电陶瓷是显示其压电特性的压电变形常数为较高的压电陶瓷。作为内部电极层用的金属粉末，银-铂以外，也可以使用铜、钯、铂、镍等粉末。尤其，对于通过局部加热端部附近的部位11a，有选择地还原在端部附近的部位11a所含有的金属元素，优选最容易还原的银。 
<喷射装置> 
图5是表示本实施方式的喷射装置的概略剖视图。如图5所示，在本实施方式的喷射装置53中，在一端具有喷射孔33的收纳容器31的内部收容由上述实施方式所代表的层叠型压电元件。在收纳容器31内配置有能够开闭喷射孔33的针阀35。喷射孔33中，燃料通道37被设为能够对应于针阀35的动作而连通。该燃料通道37与外部的燃料供给源相连接，始终以一定的高压向燃料通道37提供燃料。因此，如果针阀35打开喷射孔33，提供给燃料通道37的燃料便以一定的高压喷出到未图示的内燃机的燃料室内。 
另外，针阀35的上端部设有内径变大，配置有与形成在收纳容器31中的气缸39可滑动的活塞41。而收纳容器31内收容有具备上述层叠型压电元件43的压电执行器。 
这样的喷射装置中，如果压电执行器被施加电压而伸长，则活塞41 便被推压，针阀35闭塞喷射孔33，停止燃料的供给。另外，如果停止电压的施加，压电执行器便收缩，弹簧37压回活塞41，喷射孔33与燃料通道37连通，进行燃料的喷射。 
另外，本发明的喷射装置53可以包括具有喷出孔33的容器以及上述层叠型压电元件43，以通过层叠型压电元件43的驱动使得容器内所填充的液体从喷射孔33喷出的方式构成。即，元件43不一定要位于容器内部，以通过元件的驱动向容器的内部施加压力的方式构成即可。此外，本发明中，液体除了燃料、墨水等之外，还包括各种液态流体(导电性膏剂等)。 
<燃料喷射系统> 
图6是表示本实施方式的燃料喷射系统的概略图。如图6所示，本实施方式的燃料喷射系统51具有：存储高压燃料的公共管道(common rail)52、喷射该公共管道52中存储的燃料的多个上述喷射装置53、向公共管道52提供高压燃料的压力泵54、对喷射装置23给予驱动信号的喷射控制单元55。 
喷射控制单元55一边通过传感器等对引擎的燃烧室内的状况进行感知，一边控制燃料喷射的量与时序。压力泵54的作用是从燃料箱56将燃料加压到1000～2000气压(atm)(大约152MPa～大约202.7MPa)左右，优选1500～1700气压(大约152MPa～大约172.3MPa)左右，输入到公共管道52中。公共管道52中存储从压力泵54送来的燃料，并适当输送给喷射装置33。喷射装置33如上所述，从喷射孔33将少量的燃料以雾状喷射到燃烧室内。 
【实施例】 
如下制作具有本实施方式的层叠型压电元件的压电执行器。 
<试料号1> 
首先，制作混合有以平均粒径为0.4μm的以钛酸锆酸铅(PbZrO3-PbTiO3)为主成分的压电陶瓷的预烧粉末、粘接剂、以及可塑剂的料浆，利用该料浆通过刮板法制造成为厚150μm左右的压电体层用的陶瓷生片。接着，调制了在银-钯合金(银95质量％-钯5质量％)中添加有内部电极层13用的导电性膏剂。层叠300张将该导电性膏剂通过丝网印刷法印刷到了上述陶瓷生片的单面的薄片。将该层叠成形体在800℃保持90 分钟后，在1050℃进行200分钟烧结，将得到的烧结体加工成规定的尺寸。 
<试料号2> 
除了使用混合有以平均粒径为0.4μm的以钛酸锆酸铅(PbZrO3-PbTiO3)为主成分的压电陶瓷的预烧粉末、粘接剂、Ag2O以及可塑剂的料浆以外，和试料号1同样得到层叠成形体，在相同的烧成条件下烧成，加工成规定的尺寸。料浆中的Ag2O的含有量设为0.09质量％。 
<试料号3> 
作为试料号3用的生片准备了下述的生片1～4。 
生片1(分散了Ag2O的薄片)：和试料号2使用相同的料浆制作了厚度75μm的薄片。 
生片2(不含有Ag2O的薄片)：在和试料号1使用相同的料浆制作的厚度75μm的薄片上通过丝网印刷法印刷和试料号1相同的导电性膏剂的生片。 
生片3(不含有Ag2O的薄片)：和试料号1使用相同的料浆制作了厚度75μm的薄片。 
生片4(分散了Ag2O的薄片)：在和试料号2使用相同的料浆制作的厚度75μm的薄片上通过丝网印刷法印刷和试料号1相同的导电性膏剂的生片。 
之后，将生片1～4按该顺序多层层叠，以内部电极层13的层数成为300层的方式层叠而得到层叠成形体。在该层叠成形体中，成为负极侧的内部电极层13的导电性膏剂层被分散了Ag2O的生片1、4所夹持，成为正极侧的内部电极层13的导电性膏剂层被不含有Ag2O的生片2、3所夹持。将和试料号1同样烧结该层叠成形体。将得到的烧结体加工成规定的尺寸。 
接着，在平均粒径为2μm的薄片状银粉末和以平均粒径为2μm的硅为主成分的非晶质玻璃粉末(软化点为640℃)的混合物中，以相对于银粉末和玻璃粉末的合计质量100质量部添加8质量部的粘接剂，充分混合制作银玻璃导电性膏剂。将该银玻璃导电性膏剂印刷到隔离膜上并进行干燥后，从隔离膜揭下，得到银玻璃导电性膏剂的薄片。 
接着，将上述银玻璃导电性膏剂的薄片复制层叠到试料号1～3的烧结体的侧面(外部电极形成面)，通过在700℃下进行30分钟的烧印，分别形成外部电极17(负极的外部电极17a、正极的外部电极17b)。 
之后，用焊锡将导线连接于外部电极17后，通过使用浸渍的手法在包括外部电极17的层叠结构侧面涂敷了由硅酮橡胶等构成的外装树脂。 
<试料号1的极化工序> 
通过导线对正极的外部电极17b及负极的外部电极17a以100Hz施加30分钟的0-200V的矩形波得到层叠型压电元件。该极化处理在常压的大气气氛中进行。 
<试料号2的极化工序> 
在200℃的真空烘箱中进行减压处理，通过导线对正极的外部电极17b及负极的外部电极17a以100Hz施加30分钟的0-200V的矩形波进行极化处理而得到层叠型压电元件。需要说明的是，减压时的压力为3Torr。 
<试料号3的极化工序> 
通过和试料号2同样进行极化处理而得到层叠型压电元件。需要说明的是，在试料号3中，正极的电压施加于位于生片2和生片3之间的内部电极层13上。 
<评价方法> 
当对得到的层叠型压电元件施加了170V的直流电压，所有的元件(压电执行器)在层叠方向上得到了位移。在室温下对这些元件施加150Hz的频率的0～+170V的交流电压，连续驱动1×109次进行试验，得到的结果如表1所示。 
(表1) 
表1 
  试样编号   端部近旁部位的金属   粒子的分散   初始的  位移量   (μm)   1.0×109循环后  的位移量   (μm)
  1   无   35   以2.3×108循   环而停止
  2   位于正极/负极两方的   内部电极层端部近旁   33   30
  3   位于负极侧的内部电   极层端部近旁   34   34
<评价结果> 
通过EPMA法和XPS法评价在各层叠型压电元件的压电体层11中存在的金属。 
通常通过烧成时的热氧化，氧化银等的金属氧化物在刚烧成之后以氧化物的状态存在，但是即使通过之后的极化处理，在试料号1的压电体层11中，银和氧化银仅仅分散，并不能发现被还原的金属相的存在。 
在试料号2的压电体层11中，在所有的内部电极13的端部附近的部位11a，能够确认被还原的银的存在。 
通过XPS法，在端部附近的部位11a确认了成为金属相的Ag。在端部附近的部位11a以外的部位11b，没有检测出成为金属相的Ag。 
另外，在端部附近的部位11a成为金属相的Ag的峰值比氧化物相的峰值变大，检测出银的大部分成为金属相。 
在试料号3的压电体层11中，仅在负极侧的内部电极13的端部附近的部位11a，能够确认被还原的银的存在。 
通过XPS法，在端部附近的部位11a确认了成为金属相的Ag。在端部附近的部位11a以外的部位11b，没有检测出成为金属相的Ag。 
另外，在端部附近的部位11a，没能观察到氧化物相的银的峰值，检验出成为金属相的银的峰值，检测出银主要成为金属相。 
另外，从表1可知，试料号1没有等到规定的1×109循环的连续驱动试验，在第3×107循环位移量降低。 
相对于此，试料号3具有能够经得起规定的1×109循环的连续驱动试验的耐久性。即，从初始状态的位移量没有极端劣化，作为层叠型压电元件具有必要的有效位移量，耐久性优越。其中尤其试料号3从初始状态开始在确保了有效的位移量的同时，连续驱动后元件性能也不变化，元件位移量稳定，耐久性极为优越。 

Claims (12)

1.一种层叠型压电元件，其具有交替层叠了压电体层和内部电极的层叠结构，其特征在于，
在所述压电体层的所述内部电极层的端部附近的部位散布有金属相，
所述金属相为分散于所述端部附近的部位的、粒径在1nm～1μm的范围的金属粒子。
2.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述压电体层主要由压电陶瓷构成，所述金属相存在于所述压电陶瓷的晶界。
3.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述金属相包括构成所述压电陶瓷的元素以外的金属元素。
4.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述金属相包括银、铜、钯、铂及镍中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述端部附近的部位的厚度比所述内部电极的厚度大且比所述压电体层的厚度小。
6.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述端部附近的部位的宽度比所述内部电极的厚度大且比所述压电体层的厚度小。
7.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述端部附近的部位的所述金属相的含有量为20质量％～80质量％。
8.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于，
在所述端部附近的部位，由银形成的所述金属相和氧化银共存。
9.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于，
在所述端部附近的部位，作为所述金属相存在银及钯。
10.根据权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于，
所述内部电极层的端部附近的部位仅为负极的所述内部电极层的端部附近的部位。
11.一种喷射装置，其特征在于，
具备：具有喷射孔的容器和权利要求1～10的任一项所述的层叠型压电元件，
所述喷射装置通过所述层叠型压电元件的驱动，从所述喷射孔喷出填充在所述容器内的液体。
12.一种燃料喷射系统，其特征在于，具有：
存储高压燃料的公共管道；
喷射该公共管道中存储的所述高压燃料的权利要求11中所述的喷射装置；
向所述公共管道提供所述高压燃料的压力泵；
对所述喷射装置给予驱动信号的喷射控制单元。
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