CN101536203B - 多层压电元件和使用该多层压电元件的喷射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多层压电元件，该多层压电元件在高电压和高压力下长时间连续操作过程中经历更小的位移量变化并且表现出高的耐久性。该多层压电元件包括具有相互层叠的金属层和压电层的层叠体和形成在所述层叠体的侧面的一对外电极，其中所述金属层中的至少一个是具有散布在两个压电层之间的部分金属层和空隙的应力消除层，其中接合部形成在所述两个压电层之间以进行接合，并且被设置在虚直线的两侧，所述虚直线在垂直于层叠方向的包括所述应力消除层的平面内，被绘制成连接所述外电极中的一个的宽度的中心和所述外电极中的另一个的宽度的中心。

Description

多层压电元件和使用该多层压电元件的喷射装置

技术领域

本发明涉及一种多层压电元件和使用该多层压电元件的喷射装置，该多层压电元件用于例如汽车发动机的燃料喷射装置、喷墨打印机等的液体喷射装置、用于光学装置等的精密***件或防振器件。

背景技术

已知有在汽车发动机等的燃料喷射装置中使用的多层压电元件。图13(a)是显示现有技术的多层压电元件的透视图。多层压电元件101包括层叠体109和形成于所述层叠体109的侧面上的一对外电极111，所述层叠体109由多个压电层105和多个内电极层(金属层)107组成，所述压电层105和内电极层107彼此交替地层叠。

内电极层107并不是形成在压电层105的整个主表面上，而是具有所谓的部分电极结构。图13(b)是图13(a)中所显示的多层压电元件101的一部分的分解透视图，说明该部分电极结构。如图13(a)和图13(b)所示，内电极层107以交错方式层叠，使其交替地在一层中暴露于层叠体109的左侧面上，然后在下一层中暴露于层叠体109的右侧面上。在这种构造的情况下，多个内电极层107每隔一层电连接至一对外电极105。非活动(inactive)层113、113在层叠方向上被层叠在层叠体109的两个端面上。

发明内容

如图13(a)和图13(b)所示，具有部分电极结构的多层压电元件具有：活动区A，其中不同极性的内电极层107经由压电层105彼此相对；和非活动区B，其中不同极性的内电极层107不经由压电层105彼此相对。因此，当多层压电元件被驱动时，由于只有活动区A经历位移而非活动区B不经历位移，因此应力集中在活动区A和非活动区B的界面上，这可能成为裂纹生长的起始点。

同样，如图13(a)中所示，多层压电元件101具有在层叠方向上被层叠在其两个端面上的非活动层113。当多层压电元件101被驱动时，由于非活动层113不经过位移，因此应力集中在经历位移的区域和非活动层113之间的界面上，这可能成为裂纹生长的起始点。

上述的裂纹可能从界面朝层叠体109的侧面(在非活动区B侧上)发展，但是也可能朝层叠体109的内侧(在活动区A侧上)发展。当在相对的内电极层107之间的空间内产生电场时，活动区A由于反向压电效应而在电场方向上膨胀，并且在垂直于该膨胀的平面内产生收缩位移。当压电层105在电场方向上膨胀时，整个元件101在层叠方向上膨胀。在元件101被容纳于限制该膨胀的外壳或框架中的情况下，在元件101内以其反作用力的形式产生压缩应力。

已经在界面上开始并且朝活动区A生长的裂纹可能在压电层105的厚度方向上发展，同时根据应力的状态偏斜或支化。当在压电层105的厚度方向上发展的裂纹出现在彼此相对的内电极层107之间的空间中时，可能在内电极层107之间发生短路，使得多层压电元件101的位移量变小。

而且，由于近年来多层压电元件在尺寸上变得更小，并且需要在更高压力下产生更大的位移量，因此它经受更高的电场。多层压电元件还需要长时间承受连续的操作。为了满足这些要求，提出了在其内部安置有应力消除层的这种多层压电元件(参考例如DE10234787A1和DE10307825A1)。然而，现有技术的具有应力消除层的多层压电元件未必具有长时间承受在高压下连续操作的状态的足够耐久性。

本发明的目的是提供一种多层压电元件和喷射装置，所述多层压电元件和喷射装置在高电压和高压力下长时间连续操作中经历更小的位移量变化并且表现出高的耐久性。

本发明的多层压电元件包括：具有相互层叠的多个金属层和多个压电层的层叠体；和形成在所述层叠体的侧面上的一对外电极，其中所述多个金属层中的至少一个是由多个部分金属层以及空隙组成的应力消除层，所述部分金属层散布于在层叠方向上邻接该金属层的两个压电层之间，并且其中在所述两个压电层之间形成多个接合部以将所述两个压电层相互接合，所述接合部被设置在虚直线的两侧，所述虚直线在包括所述应力消除 层并且垂直于所述层叠方向的平面内，被绘制成连接所述外电极中的一个的宽度方向上的中心和所述外电极中的另一个的宽度方向上的中心。

所述一对外电极优选被设置在所述平面被所述虚直线分成两个相等部分的位置。接合部优选被设置在垂直于虚直线并且通过该虚直线的中心的直线上，并且所述接合部更优选沿着层叠体的侧面被设置。多个部分金属层优选通过所述空隙分开而彼此电绝缘。所述应力消除层优选以多个的形式被设置在所述层叠体的所述层叠方向上。所述多个应力消除层优选是经由多个压电层设置的。多个应力消除层更优选以规则排列的形式被设置在所述层叠体的所述层叠方向上。应力消除层优选主要由银组成。

本发明的喷射装置包括具有喷射孔的容器和上述的多层压电元件，具有容纳于容器中的液体通过所述多层压电元件的操作而从喷射孔排出的这种构造。

根据本发明的多层压电元件，由于多个金属层中的至少一个是由多个部分金属层和空隙组成的应力消除层，所述部分金属层散布于在层叠方向上邻接该金属层的两个压电层之间，因此可以防止裂纹在压电层的厚度方向上生长。具体地，由于与其它金属层相比，由多个部分金属层和空隙组成的应力消除层与压电层的粘合强度更低，因此在该元件中产生的应力导致在剥离部中开始剥离，并且沿着应力消除层和与其邻接的压电层之间的界面进行。结果，可以防止裂纹在压电层的厚度方向上生长，使得可以抑制该元件的位移量变化。

此外，根据本发明的多层压电元件，由于在层叠方向上邻接应力消除层的两侧的两个压电层之间形成多个接合部以将压电层相互接合，所以在元件的操作过程中，可以抑制在层叠方向上邻接应力消除层的两侧的两个压电层之间的距离显著地变化。这样改善了元件的位移距离的精度。具体地，由于应力消除层与在层叠方向上邻接的两个压电层的强度更低，因此在元件操作过程中两个压电层之间的距离趋向于变化，但是被设置于其中存在应力消除层的两个压电层之间的接合部起着将压电层接合在一起并且支撑的作用。结果，可以在元件操作过程中抑制两个压电层之间的距离显著地变化。

而且，根据本发明的多层压电元件，当应力消除层被虚直线分成两个 区域，所述虚直线在包括应力消除层并且垂直于层叠方向的平面内，连接一个外电极的宽度方向上的中心和另一个外电极的宽度方向上的中心时，则在两个区域中设置接合部中的至少一个。因此，可以防止接合部的接合功能在两个压电层之间不均匀地作用，同时提高了与外电极在压电层之间连接的功能的协同效应。这是因为外电极形成在层叠体的侧面上，因此用于将层叠体的多个压电层固定在一起。通过将接合部设置在通过参照所述一对外电极而划分的两个区域中，可以以平衡的方式实现外电极连接并固定多个压电层的功能以及接合部接合两个压电层的功能。

附图简述

图1(a)是显示根据本发明的一个实施方案的多层压电元件的透视图。

图1(b)是多层压电元件的一部分的分解透视图，说明图1(a)所示的多层压电元件的内部结构。

图2是图1所示的多层压电元件的一部分的放大截面图。

图3是进一步放大的图2的截面图。

图4(a)是在图1所示的实施方案中，包括在应力消除层的层叠方向的一侧邻接的内电极层的平面内的截面图。

图4(b)是在该实施方案中，包括应力消除层的平面内的截面图。

图4(c)是在该实施方案中，包括在应力消除层的层叠方向的另一侧邻接的内电极层的平面内的截面图。

图5(a)是在本发明的另一个实施方案中，包括在应力消除层的层叠方向的一侧邻接的内电极层的平面内的截面图。

图5(b)在该实施方案中，包括应力消除层的平面内的截面图。

图5(c)是在该实施方案中，包括在应力消除层的层叠方向的另一侧邻接的内电极层的平面内的截面图。

图6(a)是在本发明的又一个实施方案中，包括在应力消除层的层叠方向的一侧邻接的内电极层的平面内的截面图。

图6(b)是在该实施方案中，包括应力消除层的平面内的截面图。

图6(c)是在该实施方案中，包括在应力消除层的层叠方向的另一侧邻接的内电极层的平面内的截面图。

图7(a)是在本发明的又一个实施方案中，包括在应力消除层的层叠方向的一侧邻接的内电极层的平面内的截面图。

图7(b)是在该实施方案中，包括应力消除层的平面内的截面图。

图7(c)是在该实施方案中，包括在应力消除层的层叠方向的另一侧邻接的内电极层的平面内的截面图。

图8(a)是在本发明的又一个实施方案中，包括在应力消除层的层叠方向的一侧邻接的内电极层的平面内的截面图。

图8(b)是在该实施方案中，包括应力消除层的平面内的截面图。

图8(c)是在该实施方案中，包括在应力消除层的层叠方向的另一侧邻接的内电极层的平面内的截面图。

图9(a)是在本发明的又一个实施方案中，包括在应力消除层的层叠方向的一侧邻接的内电极层的平面内的截面图。

图9(b)是在该实施方案中，包括应力消除层的平面内的截面图。

图9(c)是在该实施方案中，包括在应力消除层的层叠方向的另一侧邻接的内电极层的平面内的截面图。

图10(a)是在本发明的又一个实施方案中，包括在应力消除层的层叠方向的一侧邻接的内电极层的平面内的截面图。

图10(b)是在该实施方案中，包括应力消除层的平面内的截面图。

图10(c)是在该实施方案中，包括在应力消除层的层叠方向的另一侧邻接的内电极层的平面内的截面图。

图11(a)是在参考实例中，包括在应力消除层的层叠方向的一侧邻接的内电极层的平面内的截面图。

图11(b)是在该参考实例中，包括应力消除层的平面内的截面图。

图11(c)是在该参考实例中，包括在应力消除层的层叠方向的另一侧邻接的内电极层的平面内的截面图。

图12是示意性显示根据本发明的实施方案的喷射装置的截面图。

图13(a)是显示现有技术的多层压电元件的透视图。

图13(b)是多层压电元件的一部分的分解透视图，说明图13(a)所示多层压电元件的内部结构。

附图标记说明

1：多层压电元件

5：压电层

5a：接合部

7：金属层

7a：内电极层

7b：应力消除层

9：层叠体

11：外电极

13：非活动层

17：填充材料

19：非电极部分

31：容器

33：喷射孔

35：阀

37：燃料通道

39：圆筒

41：活塞

71：部分金属层(金属粒子)

72：空隙

实施本发明的最佳方式

<多层压电元件>

现在，将参考附图，详细地描述根据本发明的一个实施方案的多层压电元件。图1(a)是显示根据该实施方案的多层压电元件1的透视图，而图1(b)是多层压电元件1的一部分的分解透视图，说明图1(a)所示的多层压电元件1的内部结构。图2是根据该实施方案的多层压电元件1的一部分的放大截面图。图3是显示进一步放大的图2所示的应力消除层的截面图。

如图1(a)和图1(b)所示，多层压电元件1包括由多个压电层5和多个金属层7组成的层叠体9，所述压电层5和金属层7彼此层叠。在层叠 体9的层叠方向的两端形成由压电材料制成的非活动层13、13。在层叠体9的相反侧面上形成一对外电极11、11。

所述一对外电极11通过软焊(soldering)用导线(未显示)连接。该导线与外部电源(未显示)连接。多个金属层7由起着内电极作用的内电极层7a和具有应力消除功能的应力消除层7b组成。当在相邻内电极层7a之间通过导线从外部电源施加预定电压时，压电层5由于反向压电效应而经历位移。即使在施加电压时，非活动层13也不经历位移，因为仅在一个主表面上安置内电极层7a，而在另一个主表面上没有安置内电极层。

内电极层7a不是形成在压电层5的整个主表面上，而是形成在所谓的部分电极结构内(参考图1(b))。换言之，存在非电极部分19，其中在压电层5的主表面上不形成内电极层7a。设置多个具有部分电极结构的内电极层7a，以使其交替暴露在层叠体9的相反侧面上。在这种构造中，内电极层7a与所述一对外电极11、11交替电连接。在本实施方案中，一对外电极11、11形成在层叠体9的两个相反侧面上，但是也可以形成在相邻的侧面上。

多个金属层7中的至少一个是应力消除层7b。如图3所示，应力消除层7b主要由多个部分金属层(金属粒子)71和空隙72组成，所述部分金属层71散布于在层叠方向上邻接的两个压电层5、5之间。多个部分金属层71优选通过空隙72分开而彼此电绝缘。当多个部分金属层71以这种方式通过空隙72彼此分开时，应力消除层7b不起内电极的作用，因此并不使相反极性的外电极11、11短路。

当如上所述应力消除层7b由金属和空隙组成时，该金属和空隙都可以在应力下变形，因此可以获得具有高耐久性的多层压电元件。在应力消除层7b由以通过空隙72彼此绝缘的状态设置的多个部分金属层71组成时，即使当向元件1施加电压时，与应力消除层7b邻接的压电层5的面对空隙72的部分也不经历位移。因此，与应力消除层7b接触的压电层5经历了更小量的位移，因而可以避免元件的应力集中在某点上。另一方面，压电层5的面对空隙72的部分可以容易地变形，并且在操作过程中可能在应力下变形，以提供更好的减轻应力效果(压电层的应力消除效果)。

在应力消除层7b中的空隙率优选在20％至90％的范围内。为了同时 确保耐久性和应力消除效果，空隙率更优选在40％至90％的范围内，并且进一步优选在60％至85％的范围内。通过设定空隙率为20％以上，可以防止应力消除层7b抑制压电层5的力增加，使得可以抑制随着元件1的位移量增加而产生内应力。通过将空隙率设定为90％以下，可以抑制应力消除层7b的强度降低。

内电极层7a中的空隙率优选在5％至70％、更优选7％至70％并且进一步优选10％至60％的范围内。通过将空隙率控制在该范围内，可以允许压电层5平稳地变形并且保持足够的电导率，因此可以抑制多层压电元件1的位移量降低。通过将内电极层7a中的空隙率设定为5％以上，可以防止内电极层7a抑制压电层5的力变得过高。通过将内电极层7a中的空隙率设定在70％之内，可以防止构成内电极层7a的金属的一部分变得过薄或绝缘。因此，可以保持内电极层7a的足够的电导率，并且防止内电极层7a的强度降低。

通过观测在层叠方向上切割的多层压电元件1的截面，可以确定空隙率。具体地，测量在元件1的截面中包含于应力消除层7b内的空隙72的面积，并且将空隙72的总面积除以整个应力消除层7b的面积，将除得的数乘以100。例如，通过对采用扫描电子显微镜(SEM)获得的图像应用已知的图像处理技术，可以确定空隙率。

此外，由于在部分金属层71之间存在空隙72，因此可以防止应力消除层7b和压电层5在它们之间的整个界面上立即裂开。而且，由于构成部分金属层71的金属比构成压电层5的压电材料粒子更软，因此与压电层相比，部分金属层71具有更高的消除应力效果。空隙72还具有缓冲的效果。结果，可以获得具有高的应力消除效果和非常高的耐久性的多层压电元件。

据推测，达到上述效果的原因如下。当驱动多层压电元件1并且在多层压电元件1中产生应力时，应力趋向于集中在具有最低强度的应力消除层7b中。在由不同材料制成的压电材料粒子和金属粒子之间的粘合强度比压电材料粒子之间的粘合强度和金属粒子之间的粘合强度低。此外，相比于其它内电极层7a，由多个部分金属层71组成的应力消除层7b与压电层5的粘合面积小。结果，应力消除层7b和压电层5之间的粘合强度低于内电极层7a和压电层5之间的粘合强度。因此，当在元件1中产生应力时，应力可能集中在散布的部分金属层71和压电层5之间。当应力消除层7b经受应力时，部分金属层71从压电层5相继剥离，以减轻应力。

此外，由于多个部分金属层71散布在压电层5之间，所以应力消除层7b不起内电极的作用。因此，即使当应力消除层7b从剥离层上的剥离在其间的界面进行时，元件1的位移量也不改变，因此可以长时间保持稳定的位移。

如图1(b)所示，该实施方案的多层压电元件1具有形成在两个压电层5、5之间的两个接合部5a以将压电层5、5相互接合，所述两个压电层5、5在层叠方向上的两侧邻接应力消除层7b。

图4(a)是在该实施方案中，包括在应力消除层7b的层叠方向的一侧邻接的内电极层7a的平面内的示意图，图4(b)是在该实施方案中，包括应力消除层7b的平面内的截面图，而图4(c)是在该实施方案中，包括在应力消除层7b的层叠方向的另一侧邻接的内电极层7a的平面内的截面图。

如图1(b)和图4(b)所示，当应力消除层7b被虚直线L分成两个区域，所述虚直线L在包括应力消除层7b并且垂直于层叠方向的平面内，连接一个外电极11的宽度方向上的中心和另一个外电极11的宽度方向上的中心时，接合部5a、5a被设置在所述两个区域中。

由于如上所述的应力消除层7b被安置在压电层5、5之间以减轻应力，因此在操作过程中产生的应力集中在具有较低强度的应力消除层7b中，使得在应力消除层7b和压电层5之间发生剥离。在压电层5中安置有较低密度的应力消除层的现有技术的元件中，趋向于产生在层叠方向上穿透压电层的裂纹。在该实施方案的元件1中，由于可以防止这种裂纹的产生，因此可以防止不同极性的内电极层7a、7a彼此短路，并且改善耐久性。

此外，由于接合部5a、5a设置在被虚直线L分开的两个区域内，因此接合部5a、5a以很平衡的方式支撑压电层5、5。此外，接合部5a、5a保持在不安置外电极11、11的区域的压电层5、5之间的距离。因此，在操作过程中，元件位移的距离可以被保持恒定，而且压电层5、5之间的距离没有变化。结果，该实施方案的多层压电元件1不仅能够提高位移量，而且实现了在长时间的连续操作过程中的高耐久性。

当多层压电元件由于电源中的噪音而经受瞬时波动电压时，或者即使当在高温、高湿、高电场和高压力的条件下连续长时间地操作该多层压电元件时，仅在应力消除层7b的部分金属层71和压电层5之间的界面上出现剥离，因而接合部5a将压电层5、5牢固地固定在一起，并且保持了多层压电元件1的强度。因此，即使当多层压电元件1由于电源中的噪音而经受瞬时波动电压时，或者即使当在高温、高湿、高电场和高压力的条件下连续长时间地操作该多层压电元件时，多层压电元件1也不仅经历了小的位移量变化，而且确保了高的可靠性。

而且，外电极11用于将压电层5一起牢固地固定在元件的其中安置外电极11的侧面上。所述一对的外电极11优选被设置在平面被连接所述中心的虚直线分成两个相等的部分的位置。当所述一对的外电极11、11被设置在相对于层叠体9的重力中心对称的位置时，作用于该一对外电极11的应力可以均匀分布，从而产生其重力中心不波动的稳定的多层压电元件。此外，由于接合部5a、5a被设置在作为在压电层5、5之间分成两部分的空间的两个区域内，因此可以将压电层5、5以非常平衡的方式接合在一起。

如图4(b)所示，优选接合部5a、5a设置在垂直于虚直线L并且经过虚直线L的中心的直线L2上。在这种构造中，连接所述一对外电极11、11的直线和连接两个接合部5a、5a的直线的相交基本上位于压电层5、5之间的空间中的重力中心上。这样改善了外电极11连接并固定多个压电层5的功能和接合部5a将压电层5、5接合在一起的功能之间的平衡，由此可以将压电层5、5接合在一起，并且更均匀和稳定地支撑。因此，可以防止穿透压电层5并且导致不同极性的内电极层7a的短路的这种裂纹产生，并且即使在不形成外电极11的部分中，也保持压电层5、5之间的距离基本上均匀。这样可以在操作过程中保持元件的位移距离恒定，而压电层5、5之间的距离不波动。

此外，如图4(b)所示，优选沿着层叠体9的侧面形成接合部5a、5a。外电极11、11形成在层叠体9的侧面上，并且在层叠体9的侧面上连接和固定多个压电层5。另一方面，由于沿着层叠体9的侧面形成接合部5a， 因此在两个区域中形成的接合部5a、5a将压电层5、5在层叠体9的侧面附近接合一起。结果，外电极11、11和接合部5a、5a将压电层5、5在层叠体9的侧面附近接合一起，以实现压电层5、5之间的均匀并且很平衡的接合。此外，由于作用于元件1的应力趋向于集中在元件1的侧面的表面上，因此在应力消除层7b和压电层5之间的界面中的剥离可能开始于元件1的侧面中。

例如，当应力消除层7b形成在接合部5a和层叠体9的侧面之间时，在应力消除层7b和压电层5之间的界面中已经发展的剥离(裂纹)在与接合部5a接触的部分停止。另一方面，当接合部5a沿着侧面形成时，已经在应力消除层7b和压电层5的界面中发展的剥离不可能在接合部5a停止，由此导致减轻应力的更高效果。此外，当应力消除层7b暴露在层叠体9的所有四个侧面上时，应力可以减轻，而与应力作用于多层压电元件1的方向无关。

即使当长时间操作之后在应力消除层7b中的所有部分金属层71都已经从压电层5剥离时，该元件也不断开，因为在压电层5、5之间存在接合部5a。此外，其所有部分金属层71已经剥离的应力消除层7b抑制在层叠方向上被安置成在两侧上与其邻接的压电层5之间的相对移动的力更小，因此允许压电层5之间的相对移动，从而保持作为应力消除层的作用。

当多层压电元件1经历压电位移时，空隙72的存在使得压电层5被部分地夹紧。这样使得抑制压电层5的力比在金属层7将压电层5在其整个表面上夹紧的情况下更小。这使得压电层5更容易经历位移，以及位移的量更大。结果，位移量变得更大，并且耐久性得到改善。

应力消除层7b优选以多个的形式被设置在元件1的层叠方向上。这种构造使得它能够将元件1中所产生的应力分散在多个位置上，以进一步改善耐久性。在这种情况下，优选经由多个压电层5设置多个应力消除层7b。这是因为在元件1中连续设置应力消除层7b导致元件1中所产生的应力集中在连续形成的应力消除层7b内。相反，当经由多个压电层5设置多个应力消除层7b时，元件1中产生的应力可以有效地分散在层叠方向上。更优选多个应力消除层7b以规则排列的形式被设置在元件1的层 叠方向上，这导致应力在元件1的层叠方向上的均匀分布。

层叠体9优选具有多边形横截面的棱柱形状。这是因为，在层叠体9具有圆柱形状的情况下，必需层叠以高精度形成为真正圆形的层，原因是与真正圆形的偏离导致中心轴不对准。因此，难以利用为基于同时烧制工艺的大规模生产设计的制造方法。可以层叠以基本上圆形的形状形成的层，并且在优选烧制的情况下，在烧制之后将其在周边研磨成圆柱形状。但是，这种工艺使得难以高精度地对准金属层7的中心轴。相反，多边形棱柱构造使得能够在具有预定基准线的压电层5上形成金属层7，并且将所述层层叠成与基准线对准。结果，可以通过为大规模生产设计的制造方法形成中心轴作为操作轴，以制造具有高耐久性的器件。

应力消除层7b优选主要由银构成。在这种构造的情况下，可以将应力消除层7b与压电层5一起同时进行烧制。而且，由于银具有高的热导率，因此即使当由于应力集中而在元件1的一部分中出现局部加热时，也可以使热量有效率地消散。同样因为应力消除层7b主要由银构成，因此可以形成其上不形成氧化物膜的部分金属层71。因此，由于可以形成具有高挠性的部分金属层71，因此改善了消除应力的效果。应力消除层7b可以由例如银-钯合金形成。内电极层7a可以由例如银-钯合金形成。

在本实施方案中，优选的是，在金属层7中包含这样的金属化合物作为主要组分，使得在金属层7(内电极层7a和应力消除层7b)中钯的比例M1(重量％)和银的比例M2(重量％)满足0＜M1≤15，85≤M2＜100并且M1+M2＝100的关系。这是因为高于15重量％的钯比例导致金属层的高比电阻，从而在连续操作多层压电元件1时使得金属层7更可能产生热，同时所述热影响具有温度依赖性的压电层5，由此使位移特性劣化。结果，可以降低多层压电元件1的位移量。

当形成外电极11时，外电极11和金属层7通过这些部件之间的金属组分的相互扩散而接合在一起。在金属层7中钯的比例高于15重量％的情况下，其中扩散金属层组分的外电极11的一部分的硬度可能变得更高，由此导致在操作过程中经历尺寸变化的多层压电元件1的耐久性更低。

为了抑制金属层7中所含的银迁移到压电层5内，优选将钯的比例控制在0.001至15重量％的范围内。为了改善多层压电元件1的耐久性，钯 的比例优选在0.1至10重量％的范围内。当需要高的热导率和高的耐久性时，钯的比例优选在0.5至9.5重量％的范围内。当需要甚至更高的耐久性时，钯的比例更优选在2至8重量％的范围内。

当在金属层7中的银比例小于85重量％时，金属层7的比电阻变得更高。这可能导致金属层7在多层压电元件1的连续操作过程中产生显著量的热。为了抑制金属层7中所含的银迁移到压电层5内，优选将金属层7中的银比例控制在85至99.999重量％的范围内。为了改善多层压电元件1的耐久性，银的比例优选在90至99.9重量％的范围内。当需要更高的耐久性时，银的比例优选在90.5至99.5重量％的范围内。当需要甚至更高的耐久性时，银的比例更优选在92至98重量％的范围内。

应力消除层7b和内电极层7a的组成可以如下确定。将层叠体9沿着应力消除层7b和压电层5之间的界面切割开，以暴露应力消除层7b，并且对应力消除层7b的一部分进行取样。将应力消除层7b的样品进行化学分析，比如ICP(感应耦合等离子体)发射分析，以测定组成。在层叠方向上切割的多层压电元件1的截面也可以采用比如EPMA(电子探针微量分析)的方法进行分析。在SEM(扫描电子显微镜)或金相显微镜下观察多层压电元件1的截面中的金属层，可以表明存在非金属组分比如空隙72和/或金属组分比如陶瓷。在这种情况下，也可以通过EPMA等分析在除空隙72之外的区域中的组成。

优选的是，压电层5包括作为主要组分的钙钛矿型氧化物。例如，当压电层5由钙钛矿型压电陶瓷材料比如钛酸钡(BaTiO₃)形成时，它具有高的压电应变常数d₃₃，这使其能够提高位移的量，并且还能够同时烧制压电层5和金属层7。还优选的是，压电层5包括由锆钛酸铅(PbZrO₃-PbTiO₃)组成的钙钛矿型氧化物作为主要组分，该钙钛矿型氧化物具有较高的压电应变常数值d₃₃。

现在，描述本发明的用于制造压电致动器装置的方法。首先，描述用于制造多层压电元件1的方法。首先，将由PbZrO₃-PbTiO₃等组成的钙钛矿型氧化物所构成的压电陶瓷材料的煅烧粉末、由有机聚合物比如丙烯酸类树脂或丁缩醛树脂制成的粘合剂以及增塑剂比如DBP(邻苯二甲酸二丁酯)或DOP(邻苯二甲酸二辛酯)混合以形成浆液。通过已知的方法比如刮 刀法或砑光辊法或其它带材成型法，将该浆液形成为将变为压电层5的陶瓷生片(green sheet)。

然后，将构成金属层7的金属粉末比如银-钯、粘合剂和增塑剂混合以制备导电膏，该导电膏通过丝网印刷法等在所述生片的顶表面上被涂覆到1至40μm的厚度。

在将要形成应力消除层7b的部分中，可以印刷通过如下方法制备的导电膏：向金属粉末比如银-钯中添加树脂小球比如丙烯酸类小球并且将其与粘合剂、增塑剂等混合。备选地，为了绝缘，也可以在形成点图案之后印刷导电膏，使得已经烧结的部分金属层71由通过空隙72彼此绝缘的金属粒子构成。还可以使用这样的方法：通过薄膜形成技术比如喷溅，形成银的点图案，将导电膏印刷在其上并且在烧结过程中通过金属粒子的成核形成多个部分金属层71。为了绝缘，还可以通过以下方法形成应力消除层7b：印刷包含金属粉末比如银-钯的导电膏，其中银比例被设定为高于用于内电极7a的导电膏中的银比例，以在烧制过程中使银由于金属层之间的银浓度差所形成的浓度梯度的效应而扩散，使得多个部分金属层71通过空隙72彼此绝缘。在这种情况下，金属粉末也可以是控制比例的银粉末和钯粉末的混合物，而不是银-钯合金的粉末。还可以将银粉末或钯粉末添加到银-钯合金的粉末中，之后控制混合物的组成。优选使用分别控制组成的合金粉末，以产生金属在膏中的均匀分散以及在内电极层7a和应力消除层7b的相同平面内的均匀组成。

为了在上述的位置形成接合部5a、5a，将其中不印刷导电膏的部分固定在陶瓷生片的其中印刷导电膏以形成应力消除层7b的表面中。

将多个其上印刷有导电膏的生片以所需的排列彼此层叠，并且将该层叠体在预定温度加热以移除粘合剂。然后，将层叠体在900至1200℃的范围内的温度烧制，由此制造层叠体9。

在形成非活动层13的生片被层叠的情况下，当将构成金属层7的金属粉末比如银-钯添加到形成非活动层13的生片中，或者将由构成金属层7的金属粉末比如银-钯、无机化合物、粘合剂和增塑剂组成的浆液印刷在该生片上时，在烧结过程中非活动层13和其它部分之间的收缩行为和收缩率可以相匹配，由此可以形成高密度的层叠体9。

制造层叠体9的方法并不限于上述方法，并且可以使用任何制造方法，只要可以以多个压电层5和多个金属层7彼此交替层叠这样的构造制造出层叠体9即可。

然后，通过将粘合剂添加到玻璃粉末中制备导电银-玻璃膏，并且将该膏印刷在层叠体9的外电极形成表面上，并且将层叠体在高于玻璃的软化点并且不高于银的熔点(965℃)的温度进行烘焙。因此，外电极11由导电银-玻璃膏形成。

此时，可以将构成外电极11的膏以多层的形式涂覆，然后同时烘焙，或可以烘焙单层。由于便于大规模生产，优选的是，形成多层，然后将其同时烘焙。当形成具有不同含量的玻璃组分的层时，可以在逐一改变包含在每一个层中的玻璃组分的量的同时形成所述层。当需要形成与压电层5接触的非常薄的富含玻璃层时，可以通过丝网印刷法等将富含玻璃膏印刷在层叠体9上，并且将多个片层叠在其上。

然后，将如上所述形成的多层压电元件1容纳在由金属比如不锈钢制成的圆柱形外壳中，并且用形成绝缘层的填充材料比如硅树氧烷脂填充外壳和多层压电元件1之间的空间。此时，还可以采用这样的程序：将多层压电元件1放置在圆柱形夹具(jig)中，然后将该夹具填满树脂，之后，将涂覆有树脂的多层压电元件1从夹具中取出并且放入由金属制成的圆柱形外壳中。

然后，用盖密封外壳。尽管可以通过采用粘合剂、软焊或硬焊的粘合进行密封，但是由于高耐久性而优选焊接。在这种情况下，可以在圆柱形外壳的侧面中钻出多个孔，在这样的情况下，外壳像弹簧一样起作用，使得获得了这样的压电致动器装置：当盖被焊接时，多层压电元件1在层叠方向上经受压缩应力。

然后，经由与外电极11连接的导线，在一对外电极11之间施加0.1至3kV/mm的DC电压，以对元件1进行极化处理。这样使得结合了元件1的压电致动器装置膨胀而产生应力，由此作用于应力消除层7b。结果，在散布于两个压电层5之间的整个区域的多个部分金属层71中，其中更高应力集中的部分从相邻的压电层5剥离，以形成剥离部(狭缝)。由于应力最可能集中在元件1的侧面中，因此位于元件1的侧面的部分金属层71从压电层5剥离，以形成图3所示这样的剥离部。尤其是，极化反向处理的应用可以引起元件1在短时间内剧烈地发生膨胀和收缩，因此可以有效地形成剥离部。

此时，在不将多层压电元件1放置在外壳中而进行极化处理的情况下，当多层压电元件1膨胀时，多层压电元件1没有被充分地固定。结果，根据内电极层7a之间层叠的未对准以及在元件的侧面上的绝缘距离的变化，多层压电元件1不能够没有偏离地在层叠方向上膨胀。因此，在膨胀方向上发生应变，并且不能控制在元件1的侧面中产生的应力，最终在压电层5中产生裂纹。相反，当多层压电元件1被容纳在外壳中时，多层压电元件1的膨胀可以被限制在层叠方向之内，并且可以控制使得剥离部仅形成在由多个部分金属层71组成的应力消除层7b中，所述多个部分金属层71散布于两个压电层5之间的整个区域。特别是，当使外壳具有弹簧性质时，由于与膨胀相反地产生压缩应力，因此压电致动器装置可以仅在拉伸应力超过压缩应力时才膨胀。因此，因为由散布于两个压电层5之间的整个区域的多个部分金属层71所构成的应力消除层7b不起内电极的作用，因此周围的压电层5对膨胀并没有贡献，因而与膨胀的压电层5不同的是，压缩应力集中在其中，由此导致剥离部的形成。

而且，借助于导电粘合剂或通过软焊，可以将含有网状或梳状金属的布线连接至外电极11的外表面。当通过供应大的电流以高速操作该致动器时，这种布线允许在内电极附近流动大的电流，并且降低在外电极11内流动的电流。因此，可以防止外电极11由于局部加热而经历断线，由此极大地改善了耐久性。

导电粒子更优选为具有比如片状或针状粒子这样的形状的非球形粒子。当导电粒子是非球形粒子比如片状或针状粒子时，导电粒子可以牢固地彼此缠结，由此提高了导电粘合剂的剪切强度。

尽管已经对本发明的一个实施方案进行了描述，但是本发明的多层压电元件1并不限于上述的实施方案，并且可以在本发明的范围内进行各种改变。

例如，尽管在上述实施方案中所有的金属层都由合金制成，但是也可以采用这种构造：金属层的一部分由合金形成，而其余部分由金属元素形成。尽管上述实施方案中金属层包含相同的组分，但是金属层也可以由作为主要组分的包含不同元素的两个以上的层构成。

如前面的描述中明显看出，即使当多层压电元件1由于电源中的噪音而经受瞬时波动电压时，或者即使当在高温、高湿、高电场和高压力的条件下连续长时间地操作该压电致动器装置时，本实施方案的压电致动器装置也不仅能够获得大的位移量，而且也保持高的可靠性。

图5(a)是在本发明的另一个实施方案中，包括在应力消除层7b的层叠方向的一侧邻接的内电极层7a的平面内的截面图，图5(b)是在该实施方案中，包括应力消除层7b的平面内的截面图，并且图5(c)是在该实施方案中，包括在应力消除层7b的层叠方向的另一侧邻接的内电极层7a的平面内的截面图。图6至10是以类似于图5的方式显示本发明的其它实施方案的截面图。如由这些实施方案所示，对于接合部5a的位置、数量、形状和其它性质没有限制，并且可以使用各种构造。

<喷射装置>

图12是示意性显示根据本发明的一个实施方案的喷射装置的截面图。如图12所示，本实施方案的喷射装置包括由上述实施方案示例的本发明的压电致动器装置43，该压电致动器装置43被容纳在容器31中，所述容器31具有在其一端形成的喷射孔33。在容器31中设置针形阀35，该针形阀35能够开启和关闭喷射孔33。喷射孔33配置有燃料通道37，所述燃料通道37被设置为根据针形阀35的移动与该喷射孔33连通。燃料通道37与被安置在装置外部的燃料源连接，以接收在始终保持恒定的高压下供应到其中的燃料。当针形阀35开启喷射孔33时，注入燃料通道37的燃料在预定水平的高压下被喷射到内燃机(未显示)的燃料室中。

针形阀35具有其中内径变大的扩大顶部。容器31的圆筒39具有被容纳在其中的压电致动器装置43，该压电致动器装置43配置有多层压电元件1。设置在装置43的底端上的是活塞41，该活塞41相对于圆筒39进行滑动。

在这种喷射装置中，当压电致动器装置43响应施加到其上的电压而膨胀时，按压活塞41，使得针形阀35堵塞喷射孔33，由此停止燃料的供应。当消除电压时，压电致动器装置43收缩，并且贝氏弹簧45反向推动活塞 41，使得喷射孔33与燃料通道37连通，并且排出燃料。

本发明涉及压电致动器装置，但是本发明并不限于上述的实施方案，并且可以在本发明的范围内进行各种变化。只要利用压电性能，本发明的压电致动器装置就可以用于例如，汽车发动机的燃料喷射装置，喷墨打印机等的液体喷射装置，或在用于光学装置的精确***件或防振器件中使用的驱动装置、安装在燃烧压力传感器、爆震传感器、加速度传感器、负荷传感器、超声波传感器、压力传感器、偏航速率传感器(yaw rate sensor)等中的传感器元件，或被用作安装在压电回转仪、压电开关、压电换能器、压电断路器等中的电路元件。

[实施例]

现在，通过实施例更详细地描述本发明。首先，将作为主要组分的平均粒度为0.4μm的锆钛酸铅(PbZrO₃-PbTiO₃)构成的压电陶瓷材料的煅烧粉末、粘合剂和增塑剂混合，以形成浆液，通过刮刀法将该浆液形成为在烧制后变成厚度为100μm的压电层5的陶瓷生片。

通过丝网印刷法将导电膏涂覆到陶瓷生片的一个侧面上，所述导电膏通过将粘合剂添加到主要由银-钯组成的合金中以具有表1中所示组成而制备。然后，将300片的陶瓷生片层叠，并且在800℃的温度保持2小时之后，在1000℃的温度烧制2小时。

在将要形成应力消除层7b的部分中，使用通过将过量的银添加到银-钯合金中所制备的导电膏，使其以比内电极层7a的导电膏中更高的浓度包含银，所述内电极层7a在层叠生片时，相对于应力消除层7b的导电膏在层叠方向的两侧邻接。烧制之后，获得由多个彼此绝缘的部分金属层(金属粒子)组成的应力消除层7b。应力消除层7b被设置在层叠体9的第50层、第100层、第150层、第200层和第250层。在压电层5、5之间的其中形成应力消除层7b的空间内，安置了其中在生片的表面上没有印刷导电膏的部分，以形成接合部5a。

然后，将平均粒度为2μm的片状粒子的银粉末和包含平均粒度为2μm的硅作为主要组分，软化点为640℃的无定形玻璃粉末的混合物，以及相对于总计100重量份的银粉末和玻璃粉末比例为8重量份的粘合剂混合，从而通过完全混合该粉末，制备导电银-玻璃膏。将由此制备的导电银-玻璃膏印刷到层叠体13的外电极11上，并且在700℃烘焙30分钟，由此形成外电极11。

然后，利用与外电极11连接的导线，将3kV/mm的DC电场经由该导线在正和负外电极11之间施加15分钟，以进行极化处理，由此完成使用图1所示的多层压电元件1的压电致动器。

当向多层压电元件施加150V的DC电压时，所有的压电致动器装置都具有在层叠方向上的位移。

然后，在室温，向压电致动器装置施加0至+150V、150Hz的AC电压，以实施1×10⁹次循环的连续操作。

试验的结果显示在表1中。

表1

编号

内电极层  和应力消  除层的构  造

金属层12 的组成(重 量％)

金属层  12b的组  成(重量％)

在初始状  态下的位  移(μm)

在连续操作  (1×109次循  环)之后的位  移(μm)

在厚度方向  上穿透压电  层的裂纹的  存在

1

图5

Ag70％ Pd30％

Ag75％  Pd25％

45.0

44.9

否

2

图6

Ag70％ Pd30％

Ag75％  Pd25％

44.5

44.4

否

3

图7

Ag80％ Pd20％

Ag85％  Pd15％

50.0

49.9

否

4

图8

Ag80％ Pd20％

Ag85％  Pd15％

49.5

49.4

否

5

图9

Ag90％ Pd10％

Ag95％  Pd5％

55.0

55.0

否

6

图10

Ag90％ Pd10％

Ag95％  Pd5％

54.5

54.4

否

7

图9

Ag95％ Pd5％

Ag98％  Pd2％

60.0

60.0

否

8

图10

Ag95％ Pd5％

Ag98％  Pd2％

59.9

59.9

否

9

图11

Ag70％ Pd30％

Ag85％  Pd15％

46.0

44.0

否

10

没有应力  消除层

Ag80％ Pd20％

无

45.0

20.0

是

如表1所示，作为比较例制造的没有形成应力消除层的10号样品具有小的位移量，原因是应力集中在内电极层和压电层之间的界面中，从而导致穿透内电极之间的压电材料的裂纹。

相反，在其中形成有应力消除层7b的1至9号样品具有压电致动器装置所需要的有效位移量，在1×10⁹次循环的连续操作之后，位移量没有明显降低，因此制造了具有高耐久性的压电致动器装置。

Claims (9)

1.一种多层压电元件，所述多层压电元件包括：

层叠体，所述层叠体具有多个压电层和多个金属层，所述压电层和所述金属层相互层叠；

一对外电极，所述一对外电极形成在所述层叠体的侧面上，

其中所述多个金属层中的至少一个是由多个部分金属层和空隙组成的应力消除层，所述部分金属层散布于在层叠方向上将所述应力消除层夹在中间的两个压电层之间，并且

其中在所述两个压电层之间形成多个接合部以将所述两个压电层相互接合，所述接合部被设置在虚直线的两侧，所述虚直线在包括所述应力消除层并且垂直于所述层叠方向的平面内，被绘制成连接所述外电极中的一个的宽度方向上的中心和所述外电极中的另一个的宽度方向上的中心，并且其中所述多个部分金属层通过所述空隙分开而彼此电绝缘。

2.根据权利要求1所述的多层压电元件，其中所述一对外电极被设置在所述层叠体的侧面上，使得所述平面被所述虚直线分成两个相等部分。

3.根据权利要求2所述的多层压电元件，其中所述接合部是沿着垂直于所述虚直线并且通过所述两个压电层之间的空间中的重力中心的直线设置的。

4.如权利要求1所述的多层压电元件，其中所述多个接合部在所述层叠体的侧面附近接合所述压电层。

5.如权利要求1所述的多层压电元件，其中在所述层叠体的所述层叠方向上存在多个应力消除层。

6.根据权利要求5所述的多层压电元件，其中在两个应力消除层之间存在多个压电层。

7.根据权利要求5所述的多层压电元件，其中所述多个应力消除层以规则排列的形式被设置在所述层叠体的所述层叠方向上。

8.根据权利要求1所述的多层压电元件，其中所述应力消除层主要由银组成。

9.一种喷射装置，所述喷射装置包括具有喷射孔的容器，以及权利要求1至8中任一项所述的多层压电元件，其中容纳于所述容器中的液体是通过所述多层压电元件的操作从所述喷射孔排出的。

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