JPWO2007097460A1 - セラミック部材の製造方法、並びにセラミック部材、ガスセンサ素子、燃料電池素子、フィルタ素子、積層型圧電素子、噴射装置、及び燃料噴射システム - Google Patents
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Abstract
Description
11a 第2金属ペースト層(高率金属ペースト層)、
13 金属層、
13a 第1金属ペースト層、
15 セラミック層、
15a セラミックグリーンシート、
17 セラミック部材、
17a 積層成形体。
低温での拡散がより生じやすくなり、かつ、選択的に銀を拡散移動させることができる。
図3に示したセラミック部材17はガスセンサ素子として用いることができる。このセラミック部材17をガスセンサ素子に適用する場合、セラミック層15を構成する材料として、例えばZnO、SnO2、TiO2に代表される酸化物半導体特性を示すセラミック材料を用いることができる。上記のような酸化物半導体セラミック材料を用いて、金属層13及び塊状体含有層11に通電してセラミック層15の電気抵抗を計測するとガスセンサとして機能する。
図17は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池素子を示す断面図である。前述のように固体電解質に酸素濃度の異なる気体を接触させることで発生した起電力を集めて燃料電池とすることができる。大電流を得るためには、いかに少ない体積で多くの燃料電池素子を格納して結合し、効率良く起電力を集積するかが重要になる。
図19は、本発明の一実施形態にかかるフィルタ素子を示す断面図である。図19に示すように、このフィルタ素子61では、ガスが流れる層に空隙率の高い電極層63を用い、加熱用あるいは熱伝達用の電極層73を用いている。その間のセラミック層71にはコーディエライト、アルミナに代表されるセラミック層をはさみこむ。これでフィルタの基本部分は形成できる。さらに、セラミック層67,79とで空隙率の高い電極層63を周囲から封じることができるので、空隙率の高い電極63中にガスを大量に流すことができる。
図23は、本発明の一実施形態にかかる積層型圧電素子を示す断面図である。この積層型圧電素子91は、内部電極として機能する複数の金属層93及び塊状体含有層95がセラミック層97を介して積層された積層体を備え、この積層体の側面に一対の外部電極101,101が形成された構造を有している。積層体の積層方向両端側には、圧電駆動に寄与しないセラミック層(不活性層)99をそれぞれ配設してもよい。
図30は、本発明の一実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。図30に示すように、本実施形態にかかる噴射装置は、一端に噴射孔333を有する収納容器331の内部に上記実施形態に代表される本発明の積層型圧電素子が収納されている。収納容器331内には、噴射孔333を開閉することができるニードルバルブ335が配設されている。
図31は、本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システムを示す概略図である。図31に示すように、本実施形態にかかる燃料噴射システム351は、高圧燃料を蓄えるコモンレール352と、このコモンレール352に蓄えられた燃料を噴射する複数の上記噴射装置353と、コモンレール352に高圧の燃料を供給する圧力ポンプ354と、噴射装置353に駆動信号を与える噴射制御ユニット355と、を備えている。
(他の実施形態1)
図32は、他の実施形態1にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。図33は、図32におけるA−A線断面図である。図34は、本発明の複合層を含む拡大断面図である。
図36は、他の実施形態2にかかる積層型圧電素子を示す斜視図であり、図37は、図36における圧電体層と内部電極との積層状態を示す部分斜視図である。
以下、本実施形態にかかる積層型圧電素子について詳細に説明する。図41(a)は、本実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図であり、図41(b)は、図41(a)における圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。図42は、図41(a)における本発明の実施形態における外部電極615と積層体615の側面との接合部分の拡大断面図である。
積層方圧電素子を安定した変位で駆動させるためには、塊状体含有層612bは積層型圧電素子が駆動する加重に対して容易には変形しないようにするのがよい。塊状体含有層612bは、複数のセラミック塊状体612cと複数の金属塊状体612dからなるので、加重に対する変形状態をその分布によって調整することが可能となる。
さらに、本発明では、塊状体含有層612bに積層方向両側に隣り合う金属層612eが、当該金属層612eに積層方向両側に隣り合う金属層(塊状体含有層612b及び金属層612f)よりも厚みが大きいことが望ましい。これにより、厚みの大きい金属層612eの端部と外部電極615との間の接触面積が大きくなって導電材料の拡散が生じやすくなる。この拡散による接合(拡散接合)により、外部電極615の積層体15の側面との接合強度を高めることができる。金属層612eの厚みは、金属層612fなどの他の金属層の厚みの105%以上であるのが好ましく、110%以上であるのがより好ましい。
ガスセンサ素子を以下のようにして作製した。まず、平均粒径が0.4μmの安定化ジルコニア(5モル%Y2O3含有−ZrO2)粉末を主成分とするジルコニア粉末、ガラス粉末、バインダー、及び可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み150μmのセラミックグリーンシートを作製した。
フィルタ素子を以下のようにして作製した。まず、平均粒径が0.4μmのコーディエライト(5モル%Y2O3含有−コーディエライト)粉末を主成分とするコーディエライト粉末、ガラス粉末、バインダー、及び可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み150μmのセラミックグリーンシートを作製した。
燃料電池素子を以下のようにして作製した。まず、平均粒径が0.4μmの安定化ジルコニア(5モル%Y2O3含有−ZrO2)粉末を主成分とするジルコニア粉末、ガラス粉末、バインダー、及び可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み150μmのセラミックグリーンシートを作製した。
積層型圧電素子を以下のようにして作製した。まず、平均粒径が0.4μmのチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)粉末を主成分とする原料粉末、バインダー、及び可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み150μmのセラミックグリーンシートを作製した。ついで、このセラミックグリーンシートの片面に、表4の組成からなる銀合金粉末などの原料粉末にバインダーを加えた導電性ペーストをスクリーン印刷法により30μmの厚みになるように印刷した。塊状体含有層95を形成するための金属ペースト層には、平均粒径が0.4μmのチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)粉末を金属粉末に対して1質量%添加した。尚、表4は、表4(1)と表4(2)に分けて示している。
図45に示す形状となるように、実施例4と同様の手順で表5に示す試料No.1〜14の積層型圧電素子を作製した。図44は、焼成前の積層成形体を示す断面図である。図44に示すように、積層型圧電素子の積層方向の両端側に低率金属ペースト層95がそれぞれ配置されるようにした。低率金属ペースト層およびこれの両側の金属ペースト層における金属組成は表5に示す通りである。得られた試料No.1〜14について実施例4と同様の評価を行った。結果を表5に示す。試料No.1はサイクル試験により特性が低下した。他の試料は良好な結果であった。特に、金属ペースト層の質量百分率Xが高い方がよい結果が得られる傾向にあった。
Claims (56)
- 金属成分M1を含む複数の金属ペースト層がセラミックグリーンシートを介して積層された積層成形体を作製する工程と、この積層成形体を焼成する工程とを含み、
前記金属ペースト層に含まれる金属成分総量に対する金属成分M1の質量百分率をXとするとき、
前記積層成形体を作製する工程において、前記複数の金属ペースト層のうちの少なくとも1層を、積層方向に隣り合う第1金属ペースト層よりも前記質量百分率Xが高い第2金属ペースト層とし、この第2金属ペースト層にセラミック粉末を含有させることを特徴とするセラミック部材の製造方法。 - 前記第2金属ペースト層の前記質量百分率Xを、積層方向に隣り合う両側の第1金属ペースト層よりも高くする請求項1に記載のセラミック部材の製造方法。
- 前記第2金属ペースト層における質量百分率XをXH、積層方向に隣り合う第1金属ペースト層における質量百分率XをXLとするとき、XL+0.1≦XH≦XL+30を満足するように質量百分率XH及び質量百分率XLを設定する請求項1に記載のセラミック部材の製造方法。
- 前記複数の金属ペースト層における質量百分率Xを85≦X≦100の範囲とする請求項1に記載のセラミック部材の製造方法。
- 前記積層成形体を作製する工程において、前記第2金属ペースト層を複数配置する請求項1に記載のセラミック部材の製造方法。
- 前記第2金属ペースト層以外の複数の金属ペースト層を介して前記複数の第2金属ペースト層をそれぞれ配置する請求項5に記載のセラミック部材の製造方法。
- 前記複数の第2金属ペースト層を前記積層成形体の積層方向に所定の規則にしたがって配置する請求項5に記載のセラミック部材の製造方法。
- 前記第2金属ペースト層と第2金属ペースト層以外の金属ペースト層とを交互に配置する請求項5に記載のセラミック部材の製造方法。
- 金属成分M1を含む複数の金属ペースト層がセラミックグリーンシートを介して積層された積層成形体を作製する工程と、この積層成形体を焼成する工程とを含み、
前記金属ペースト層に含まれる金属成分総量に対する金属成分M1の質量百分率をXとするとき、
前記積層成形体を作製する工程において、前記複数の金属ペースト層のうちの少なくとも1層を、積層方向に隣り合う両側の第2金属ペースト層よりも前記質量百分率Xが低い第1金属ペースト層とし、この第1金属ペースト層に隣り合う前記両側の第2金属ペースト層にセラミック粉末を含有させることを特徴とするセラミック部材の製造方法。 - 前記第1金属ペースト層における質量百分率XをXL、積層方向に隣り合う第2金属ペースト層における質量百分率XをXHとするとき、XH−0.1≧XL≧XH−30を満足するように質量百分率XH及び質量百分率XLを設定する請求項9に記載のセラミック部材の製造方法。
- 前記複数の金属ペースト層における質量百分率Xを85≦X≦100の範囲とする請求項9に記載のセラミック部材の製造方法。
- 前記積層成形体を作製する工程において、前記第1金属ペースト層を複数配置する請求項9に記載のセラミック部材の製造方法。
- 前記第1金属ペースト層以外の複数の金属ペースト層を介して前記複数の第1金属ペースト層をそれぞれ配置する請求項12に記載のセラミック部材の製造方法。
- 前記複数の第1金属ペースト層を前記積層成形体の積層方向に所定の規則にしたがって配置する請求項12に記載のセラミック部材の製造方法。
- 前記第1金属ペースト層と第1金属ペースト層以外の金属ペースト層とを交互に配置する請求項12に記載のセラミック部材の製造方法。
- 金属成分M1を含む複数の金属ペースト層がセラミックグリーンシートを介して積層された積層成形体を作製する工程と、この積層成形体を焼成する工程とを含み、
前記金属ペースト層に含まれる金属成分総量に対する金属成分M1の質量百分率をXとするとき、
前記複数の金属ペースト層のうちの少なくとも1層において、その一部の領域における質量百分率Xを、積層方向に隣り合う金属ペースト層の質量百分率Xよりも高くし、前記一部の領域にセラミック粉末を含有させることを特徴とするセラミック部材の製造方法。 - 前記一部の領域における質量百分率Xを積層方向に隣り合う両側の金属ペースト層の質量百分率Xよりも高くする請求項16に記載のセラミック部材の製造方法。
- 前記一部の領域以外の他の領域における質量百分率Xを、積層方向に隣り合う金属ペースト層の質量百分率Xと同じにする請求項16に記載のセラミック部材の製造方法。
- 前記金属成分M1を周期表第11族元素とし、他の金属成分として周期表第10族元素含む請求項16に記載のセラミック部材の製造方法。
- 前記金属成分M1を銀とし、前記他の金属成分をパラジウムとする請求項19に記載のセラミック部材の製造方法。
- 前記金属ペースト層に白金を配合する請求項20に記載のセラミック部材の製造方法。
- 金属成分M1を含む合金粉末及び金属成分M1からなる金属粉末の少なくとも一方を含有する複数の金属ペースト層がセラミックグリーンシートを介して積層された積層成形体を作製する工程と、この積層成形体を焼成する工程とを含み、
前記金属ペースト層に含まれる金属成分総量に対する金属成分M1の質量百分率をXとするとき、
前記積層成形体を作製する工程において、前記複数の金属ペースト層のうちの少なくとも1層を、積層方向に隣り合う金属ペースト層よりも前記質量百分率Xが高い第2金属ペースト層とし、
前記積層成形体を焼成する工程において、前記合金粉末及び金属粉末の少なくとも一方の融点以上の温度で焼成することを特徴とするセラミック部材の製造方法。 - 金属成分M1を含む合金粉末及び金属成分M1からなる金属粉末の少なくとも一方を含有する複数の金属ペースト層がセラミックグリーンシートを介して積層された積層成形体を作製する工程と、この積層成形体を焼成する工程とを含み、
前記金属ペースト層に含まれる金属成分総量に対する金属成分M1の質量百分率をXとするとき、
前記積層成形体を作製する工程において、前記複数の金属ペースト層のうちの少なくとも1層を、積層方向に隣り合う両側の金属ペースト層よりも前記質量百分率Xが低い低率金属ペースト層とし、
前記積層成形体を焼成する工程において、前記合金粉末及び金属粉末の少なくとも一方の融点以上の温度で焼成することを特徴とするセラミック部材の製造方法。 - 金属成分M1を含む合金粉末及び金属成分M1からなる金属粉末の少なくとも一方を含有する複数の金属ペースト層がセラミックグリーンシートを介して積層された積層成形体を作製する工程と、この積層成形体を焼成する工程とを含み、
前記金属ペースト層に含まれる金属成分総量に対する金属成分M1の質量百分率をXとするとき、
前記積層成形体を作製する工程において、前記複数の金属ペースト層のうちの少なくとも1層の一部の領域における質量百分率Xを、積層方向に隣り合う金属ペースト層の質量百分率Xよりも高くし、
前記積層成形体を焼成する工程において、前記合金粉末及び金属粉末の少なくとも一方の融点以上の温度で焼成することを特徴とするセラミック部材の製造方法。 - 金属成分M1を含む金属層と、
空隙を介して互いに離隔して配置された複数のセラミック塊状体を含み、前記金属層より空隙が多い塊状体含有層と、
前記金属層と前記塊状体含有層に挟まれたセラミック層と、からなる3層構造を含むセラミック部材。 - 前記塊状体含有層は空隙を介して互いに離隔して配置された複数の金属塊状体をさらに含み、前記金属塊状体は金属成分M1を含む請求項25に記載のセラミック部材。
- 少なくとも2つの前記3層構造を含む請求項25に記載のセラミック部材。
- 前記金属層を共有する2つの3層構造からなる5層構造を含む請求項25に記載のセラミック部材。
- 前記塊状体含有層を共有する2つの3層構造からなる5層構造を含む請求項25に記載のセラミック部材。
- 前記金属層に含まれる金属成分総量に対する金属成分M1の質量百分率をYとし、前記塊状体含有層に含まれる金属成分総量に対する金属成分M1の質量百分率をYcとするとき、Yc>Yの関係を満たしている請求項26に記載のセラミック部材。
- 前記塊状体含有層は前記金属層よりも空隙率が高い請求項25に記載のセラミック部材。
- 前記質量百分率は、前記塊状体含有層の質量百分率Ycをピークとし、この塊状体含有層から積層方向両側の少なくとも2層以上の金属層にわたって漸次減少している請求項25記載のセラミック部材。
- 前記塊状体含有層は、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが小さい請求項25に記載のセラミック部材。
- 前記塊状体含有層は、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも電気抵抗が高い請求項25に記載のセラミック部材。
- 複数の前記塊状体含有層が所定の規則に従って配置されている請求項25に記載のセラミック部材。
- 複数の前記塊状体含有層が、塊状体含有層以外の他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配設されている請求項35に記載のセラミック部材。
- 前記塊状体含有層と前記金属層とが交互に配置されている請求項35に記載のセラミック部材。
- 前記複数の金属層の積層方向両端に、前記塊状体含有層がそれぞれ配置されている請求項25に記載のセラミック部材。
- 前記複数の金属層に電気的に接続された一対の外部電極を備え、前記塊状体含有層が正極である請求項25に記載のセラミック部材。
- 前記塊状体含有層は、前記金属塊状体と前記セラミック塊状体が互いに接した領域を有している請求項26に記載のセラミック部材。
- 前記塊状体含有層を構成する前記金属塊状体及び前記セラミック塊状体は、当該塊状体含有層に隣接する圧電体層に近づくにつれて積層方向に垂直な方向の幅が漸次小さく又は大きくなる請求項26に記載のセラミック部材。
- 前記塊状体含有層において、前記セラミック塊状体が占める体積V1及び前記金属塊状体が占める体積V2がV1>V2の関係を満たす請求項26に記載のセラミック部材。
- 前記塊状体含有層において、前記金属塊状体が占める体積V2及び前記空隙が占める体積V3がV3>V2の関係を満たす請求項26に記載のセラミック部材。
- 前記塊状体含有層において、前記セラミック塊状体が占める体積V1、前記金属塊状体が占める体積V2及び前記空隙が占める体積V3がV3>V1>V2の関係を満たす請求項26に記載のセラミック部材。
- 前記金属成分M1が銀であり、前記塊状体含有層に白金が含まれている請求項25に記載のセラミック部材。
- 前記複数のセラミック塊状体の一部は、積層方向に隣接する両側の前記圧電体層に、前記セラミック塊状体の厚み方向の両端が接しており、前記複数のセラミック塊状体の残部は、積層方向に隣接する両側の前記圧電体層に、前記セラミック塊状体の厚み方向の一端のみが接している請求項25に記載のセラミック部材。
- 前記複数の金属塊状体の一部は、積層方向に隣接する両側の前記圧電体層に、前記金属塊状体の厚み方向の両端が接しており、前記複数の金属塊状体の残部は、積層方向に隣接する両側の前記圧電体層に、前記金属塊状体の厚み方向の一端のみが接している請求項26に記載のセラミック部材。
- 前記塊状体含有層が、前記積層体の積層方向の一方の端部側又は両方の端部側に配置されている請求項25に記載のセラミック部材。
- 前記塊状体含有層が、前記積層体の一方の端部側又は両方の端部側に、中央部の圧電体層よりも層厚が厚い複数の圧電体層を含む応力緩和領域を備え、該応力緩和領域に前記塊状体含有層が配置されている請求項25に記載のセラミック部材。
- 前記複数の金属層に電気的に接続された一対の外部電極を備え、前記塊状体含有層に対して積層方向の両側に隣り合う2つの金属層は互いに異なる極の外部電極に接続されている請求項25に記載のセラミック部材。
- 請求項25〜50のいずれかに記載のセラミック部材を備えた積層型圧電素子。
- 請求項25に記載のセラミック部材を備えたガスセンサ素子。
- 請求項25に記載のセラミック部材を備えた燃料電池素子。
- 請求項25に記載のセラミック部材を備えたフィルタ素子。
- 噴出孔を有する容器と、請求項51に記載の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に充填された液体が前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から噴射するように構成されたことを特徴とする噴射装置。
- 高圧燃料を蓄えるコモンレールと、
このコモンレールに蓄えられた燃料を噴射する請求項55に記載の噴射装置と、
前記コモンレールに高圧の燃料を供給する圧力ポンプと、
前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットと、
を備えた燃料噴射システム。
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