CN1877878A - 层叠压电元件 - Google Patents

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小羽根庸一
浅野浩章
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Abstract

一种层叠压电元件(1)，包括：层叠压电元件(1)，其包括由能够在施加电压时膨胀和收缩的陶瓷构成的压电层(11)，和向压电层提供电压的内部电极层(21a和21b)，交替地设置内部电极层和压电层；第一外部电极层(31)，将其设置在层叠压电元件(1)的一侧上，并使其与内部电极层(21a和21b)电连接；以及第二外部电极层(32)，将其设置在层叠压电元件(1)的一侧上，并通过第一外部电极层(31)使其与内部电极层(21a和21b)电连接；其中，当将在垂直于层叠方向的方向上的层叠压电元件(1)的最大宽度取为W0，将第一外部电极层(31)的宽度取为W1，并且将第二外部电极层(32)的宽度取为W2时，存在其中W1＞W2且2.5≤(W2/W0)×100≤60的关系，并且，层叠压电元件(1)具有当施加电压时膨胀和收缩的压电活性部分(1a)，并在压电活性部分(1a)中在压电层(11)的层叠方向上连续地设置第二外部电极层(32)。

Description

层叠压电元件
技术领域
本发明涉及一种例如用在汽车燃油喷射阀、光学装置的精确定位装置、用于防止振动的驱动元件或喷墨式印刷机等中的层叠压电元件。
背景技术
需要层叠压电元件、尤其是用在汽车燃油喷射阀中的层叠压电元件，以确保在从低温到高温的宽温度范围内的可靠性。在其中对所述层叠压电元件进行这种热冲击的环境中，压电元件和设置在压电元件的一侧上的外部电极之间的热膨胀的差异导致从外部电极施加到压电元件的热应力，造成在外部电极和压电元件中形成裂缝的问题。
日本待审专利公开(Kokai)No.2001-345490和No.8-242025提出了一种层叠压电元件，其通过在压电元件的一侧上提供多个具有不同延伸百分率的外部电极来提高外部电极的耐久性命。此外，日本未审专利公开(Kokai)No.2001-148521提出了一种层叠压电元件，其提供在压电元件的一侧上的外部电极、在外部电极上比外部电极窄的焊料层、以及在焊料层上电连接外部电极的外部电极层连接引线。结果，由于外部电极比焊料层宽，所以可归因于焊料层和压电元件之间的热膨胀差异的热应力并不直接施加到压电元件。
然而，由于多个外部电极的宽度相同，因此在JPP’490中所述的现有技术易受到在外部电极的两端中产生的热应力集中的影响，并且由于从外部电极施加到压电元件的热应力大，因此存在在外部电极和压电元件中形成裂缝的问题。此外，在JPP’521中所述的现有技术中，由于相对于压电体(piezoelectric)的层叠方向不连续地提供焊料层，所以如果由于焊料层和外部电极之间的热膨胀的差异，而使在不与焊料层接触的外部电极中的多个位置处形成裂缝，则会出现其中在形成了裂缝的位置之间存在电的不连续的部分。此外，如果形成在压电体中的裂缝也延伸至不与焊料层接触的外部电极，则同样出现其中在形成了裂缝的位置之间存在电的不连续的部分。结果，由于不能将电压施加到压电元件的一部分上，并且压电元件的位移减少，因此存在使用过程期间特性变化的问题。此外，在压电体的层叠的方向上，从焊料层的两端将热应力施加到外部电极和压电元件，导致在压电元件中形成裂缝。由于形成裂缝的位置是压电活性部分，并且裂缝扩展的方向是压电元件膨胀和收缩的方向，因此促进了裂缝的扩展，由此导致可靠性方面的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够抑制裂缝在外部电极和压电元件中的形成的层叠压电元件。
根据本发明以下的详细说明，本发明的该目的和其他目的将很容易被理解。
在本发明的第一方案中，提供一种层叠压电元件，其设有：层叠压电元件，其包括由能够在施加电压时膨胀和收缩的陶瓷构成的压电层、以及将电压施加到压电层的内部电极层，交替设置内部电极层和压电层；第一外部电极层，将其设置在层叠压电元件的一侧上并且使其与内部电极层电连接；以及
第二外部电极层，将其设置在层叠压电元件的一侧上并且通过第一外部电极层使其与内部电极层电连接；其中，当将在垂直于层叠方向的方向上的叠置压电元件的最大宽度取为W0，将第一外部电极层的宽度取为W1，并且将第二外部电极层的宽度取为W2时，存在着其中W1＞W2且2.5≤(W2/W0)×100≤60的关系，层叠压电元件具有当施加电压时膨胀和收缩的压电活性部分，并且在压电活性部分中在压电层的层叠的方向上连续地设置第二外部电极层。
根据本发明的该第一方案，由于第一和第二外部电极层的宽度相同，所以可以分散在每个外部电极层的两端中产生的热应力。此外，由于W1＞W2，因此在第一外部电极层中产生的热应力不被直接施加到压电主体。此外，如果(W2/W0)×100为2.5或更多，则可以确保能够将连接到第二外部电极层的引线或电极板与第二外部电极层结合(bond)的结合强度。此外，如果(W2/W0)×100为60或更少，则可以将压电主体上的热应力保持在低水平，可以抑制裂缝的形成。此外，如果在压电层的层叠的方向上，在压电活性部分中连续地设置第二外部电极层，则可以将在压电主体的层叠的方向上从第二外部电极层的两端施加到第一外部电极和压电活性部分的热应力的影响减小到最小。换句话说，由于压电体的层叠的方向上的第二外部电极层的两端基本上不位于压电活性部分上，因此，即使形成了裂缝，它们对压电活性部分也几乎没有影响。另一方面，在压电活性部分中在压电层的层叠的方向上不连续地设置第二外部电极层的情况下，在压电体的层叠的方向上从第二外部电极层的两端将热应力施加到第一外部电极和压电活性部分，由此导致更容易在压电活性部分中形成裂缝。由于裂缝扩展的方向与压电活性部分膨胀和收缩的方向一致，因此促进了裂缝的扩展，由此造成可靠性方面的问题。
而且，根据本发明，当将在垂直于层叠方向的方向上的层叠压电元件的最大宽度取为W0，并且将第二外部电极层的宽度取为W2时，应该存在其中5≤(W2/W0)×100≤30的关系。在(W2/W0)×100小于5的情况下，引线或电极板与第一外部电极层之间的结合强度变得不够。此外，在(W2/W0)×100超过30的情况下，尽管抑制了裂缝的形成，但是不能够充分地获得持续的效果。
而且，根据本发明，当将第一外部电极层的厚度(在固化之后)取为T1，并且将第二外部电极层的厚度(在固化之后)取为T2时，应该存在其中0.05≤(T2/T1)≤300的关系。在T2/T1超过300的情况下，由于第二外部电极层的厚度相对于用于减轻应力的第一外部电极层的厚度过大，因此其作为应力减轻材料的效果变小，导致裂缝的形成。此外，如果T2/T1小于0.05，则引线或电极板与第二外部电极层的结合强度不够。
而且，根据本发明，当将第一外部电极层的厚度(在固化之后)取为T1，并且将第二电极层的厚度(在固化之后)取为T2时，应该存在其中1≤(T2/T1)≤35的关系。在T2/T1超过35的情况下，由于第二外部电极层的厚度相对于用于减轻应力的第一外部电极层的厚度过大，因此其作为应力减轻材料的效果变小，导致裂缝的形成。此外，如果T2/T1小于1，则引线或电极板与第二外部电极层的结合强度不够。
此外，根据本发明，当将在垂直于层叠方向的方向上的层叠压电元件的最大宽度取为W0时，优选W0≤15mm。在W0超过15mm的情况下，第二外部电极层的宽度W2变为9.0mm或更大，并且在第二外部电极层中产生的热应力超过压电层的强度，由此导致更易于在压电部分中形成裂缝。
此外，根据本发明，如果第一外部电极层由金属构成，该金属包括选自由银、钯、铂、铜、金、镍、锡、铅、锌和铋以及其合金组成的组中的至少一种，当将第一外部电极层的弹性模数取为E1并将线性膨胀系数取为α1，而将第二外部电极层的弹性模数取为E2并将线性膨胀系数取为α2时，如果焊料或导电树脂材料用于第二外部电极层，则由于可以使E1×α1小于E2×α2，因此第一外部电极层用作减轻第二外部电极层中的热应力的缓冲层，由此可以减轻从第二外部电极层施加到层叠压电元件的热应力。
此外，根据本发明，如果第二外部电极层包括焊料或导电树脂材料，如果引线或电极板连接到第二外部电极层，则可以增加引线或电极板与第二外部电极层的结合强度。
如上所述，根据本发明的第一方案，可以提供一种层叠压电元件，其实现了连接到第二外部电极层的引线或电极板与第二外部电极层之间的可靠结合强度，并实现了抑制在压电主体中的裂缝形成。
在本发明的第二方案中，提供一种层叠压电元件，其设有：层叠压电元件，其包括由能够在施加电压时膨胀和收缩的陶瓷构成的压电层、以及向压电层提供电压的内部电极层，交替设置内部电极层和压电层；第一外部电极层，将其设置在层叠压电元件的一侧上，并使其与内部电极层电连接；第二外部电极层，将其设置在层叠压电元件的一侧上，并通过第一外部电极层使其与内部电极层电连接；以及第三外部电极层，将其设置在层叠压电元件的一侧上，并将其设置在第一外部电极层和第二外部电极层之间；其中，当将在垂直于层叠方向的方向上的层叠压电元件的最大宽度取为W0，将第一外部电极层的宽度取为W1，将第二外部电极层的宽度取为W2，将第三外部电极层的宽度取为W3，将第二电极层的厚度(在固化之后)取为T2，并且将第三外部电极层的厚度(在固化之后)取为T3时，存在其中W1＞W3＞W2、2.5≤(W2/W0)×100≤60、和0.05≤(T2/T3)≤300的关系；并且，层叠压电元件具有当施加电压时膨胀和收缩的压电活性部分，并在压电活性部分中在压电层的层叠方向上连续地设置第二外部电极层。
根据本发明的该第二方案，由于第一至第三外部电极层的宽度不相同，因此可以分散在每个外部电极层的两端中产生的热应力。此外，与通过第一和第三外部电极层减轻在第二外部电极层中产生的热应力一起，可以通过第一外部电极层来减轻在第三外部电极层中产生的热应力。此外，如果使得外部电极层的宽度之间的关系为W1＞W3＞W2，则在第二或第三外部电极层中产生的热应力不被直接施加到压电体。此外，如果(W2/W0)×100为2.5或更大，则可以确保能够将连接到第二外部电极层的引线或电极板与第二外部电极层相结合的结合强度。此外，如果(W2/W0)×100为60或更小，则由于可以将压电体上的热应力保持为低水平，因此可以抑制裂缝的形成。此外，如果在压电层的层叠方向上在压电活性部分中连续地设置第二外部电极层，则可以将在压电体的层叠方向上从第二外部电极层的两端施加到第一外部电极和压电活性部分的热应力减到最小。另一方面，在压电层的层叠方向上在压电活性部分中不连续地设置第二外部电极层的情况下，在压电体的层叠方向上从第二外部电极层的两端将热应力施加到第一外部电极和压电活性部分，并且易于在压电活性部分中形成裂缝。由于裂缝扩展的方向与压电活性部分膨胀和收缩的方向一致，因此促进了裂缝的扩展，导致了可靠性方面的问题。此外。如果将T2/T1设为300或更小，则由于第二外部电极层的厚度相对于第一外部电极层的厚度过大，所以第一外部电极层用作应力减轻材料，由此抑制裂缝在压电体中的形成。此外，如果T2/T1为0.05或更大，则可以确保能够将连接至第二外部电极层的引线或电极板与第二外部电极层相结合的结合强度。
而且，根据本发明，当将在垂直于层叠方向的方向上的层叠压电元件的最大宽度取为W0，将第二外部电极层的宽度取为W2，将第二外部电极层的厚度(在固化之后)取为T2，并且将第三外部电极层的厚度(在固化之后)取为T3时，应该存在其中5≤(W2/W0)×100≤30、且1≤(T2/T3)≤35的关系。在(W2/W0)×100大于30的情况下，不能获得在压电体中抑制裂缝形成的持续效果。
此外，在(W2/W0)×100小于5的情况下，引线或电极板与第二外部电极层之间的结合强度不够。此外，在T2/T1大于35的情况下，由于第二外部电极板的厚度相对于用作应力减轻材料的第一电极板的厚度过大，因此其作为应力减轻材料的效果减小并且在压电体中形成裂缝。此外，在T2/T1小于1的情况下，引线或电极板与第二外部电极层之间的结合强度不够。
而且，根据本发明，如果第一外部电极层、第二外部电极层和第三外部电极层全都由不同的材料制成，则尤其是当将第一外部电极层的线性膨胀系数取为α1并将其弹性模量取为E1，将第二外部电极层的线性膨胀系数取为α2并将其弹性模量取为E2，以及将第三外部电极层的线性膨胀系数取为α3并将其弹性模量取为E3时，应该存在其中E1×α1＜E3×α3＜E2×α2的关系。结果，具有高粘合强度的材料可以用于结合引线或电极板的第三外部电极层的材料。由于具有高粘合强度的材料通常具有大的弹性模量，因此将相当大的热应力施加到压电体。然而，在本发明中，可以将能减轻在第二外部电极层中产生的热应力的材料用作第三外部电极层的材料，以使E3×α3＜E2×α2。此外，如果E1×α1＜E3×α3＜E2×α2，则可以以逐步的方式减轻热应力。
而且，根据本发明，当将在垂直于层叠方向的方向上的层叠压电元件的最大宽度取为W0时，优选W0≤15mm。如果W0大于15mm，则第二外部电极层的宽度W2变为9.0mm或更大，并且在第二外部电极层中产生的热应力超过压电层的强度，由此导致了更易于在压电体中形成裂缝。
此外，根据本发明，如果第一外部电极层由选自由银、钯、铂、铜、金、镍、锡、铅、锌和铋以及其合金组成的组中的至少一种金属构成，则当将第一外部电极层的弹性模量取为E1并将其线性膨胀系数取为α1，以及将第二外部电极层的弹性模量取为E2并将其线性膨胀系数取为α2时，由于在将焊料或导电树脂材料用于第二外部电极层的情况下，可以使得E1×α1小于E2×α2，因此第一外部电极层用作减轻第二外部电极层中的热应力的缓冲层，由此可以减轻从第二外部电极层施加到层叠压电元件的热应力。
此外，根据本发明，如果第二外部电极层和第三外部电极层由焊料或导电树脂材料制成，如果引线和电极板连接到第二或第三外部电极层，则可以增加引线或电极板与第二或第三外部电极层的结合强度。
如上所述，根据本发明的第二方案，可以提供一种层叠压电元件，其实现了连接到第二外部电极层的引线或电极板与第二外部电极层之间的可靠结合强度，并实现了抑制在压电主体中的裂缝形成。
在本发明的第三方案中，提供了一种层叠压电元件，其设有：层叠压电元件，其包括由能够在施加电压时膨胀和收缩的陶瓷构成的压电层、和向压电层提供电压的内部电极层，交替设置内部电极层和压电层；以及第一外部电极层，将其设置在层叠压电元件的一侧上，并使其与内部电极层电连接；其中，当将在垂直于层叠方向的方向上的层叠压电元件的最大宽度取为W0，并将第一外部电极层的宽度取为W1时，存在其中2.5≤(W2/W0)×100≤60的关系；并且层叠压电元件具有当施加电压时膨胀和收缩的压电活性部分，并在压电活性部分中在压电层的层叠方向上连续地设置第一外部电极层。
根据本发明的第三方案，(W1/W0)×100为2.5或更大时，可以确保能够将连接到第一外部电极层的引线或电极板与第一外部电极层结合的结合强度。此外，如果(W2/W0)×100为60或更小时，则由于可以将压电体上的热应力保持为低水平，因此可以抑制裂缝的形成。此外，如果在压电层的层叠方向上在压电活性部分中连续地设置第一外部电极层，则可以将在压电体的层叠方向上从第一外部电极层的两端施加到压电活性部分的热应力减到最小。换句话说，由于在压电体的层叠方向上的第一外部电极层的两端基本不位于压电活性部分上，因此，如果形成裂缝，则它们对压电活性部分几乎没有影响。另一方面，在压电层的层叠方向上在压电活性部分中不连续地设置第一外部电极层的情况下，在压电体的层叠方向上从第一外部电极层的两端将热应力施加到压电活性部分，并且在压电活性部分中容易形成裂缝。由于裂缝扩展的方向与压电活性部分的膨胀和收缩的方向一致，因此促进裂缝的扩展，导致可靠性方面的问题。
而且，根据本发明，当将在垂直于层叠方向的方向上的层叠压电元件的最大宽度取为W0，并且将第一外部电极层的宽度取为W1时，存在其中5≤(W1/W0)×100≤30的关系。在(W1/W0)×100大于30的情况下，不能获得在压电体中抑制裂缝形成的持续效果。此外，在(W1/W0)×100小于5的情况下，引线或电极板与第一外部电极层之间的结合强度不够。
而且，根据本发明，当将在垂直于层叠方向的方向上的层叠压电元件的最大宽度取为W0时，优选W0≤15mm。在W0超过15mm的情况下，第一外部电极层的宽度W1变为9.0mm或更大，并且在第二外部电极层中产生的热应力超过压电层的强度，由此导致更易于在压电主体中形成裂缝。
而且，根据本发明，如果第一外部电极层由金属构成，该金属包括银、钯、铂、铜、金、镍、锡、铅、锌和铋或其合金中的至少一种，则会存在较小的热应力，并且可以减小施加到压电体的热应力。
此外，根据本发明，如果第一外部电极层由焊料导电树脂材料构成，则在引线或电极板连接到第一外部电极层的情况下，可以提高引线或电极板与第一外部电极层的结合强度。
如上所述，根据本发明的该第三方案，可以提供一种层叠压电元件，其实现了连接到第一外部电极层的引线或电极板与第一外部电极层之间的可靠结合强度，并实现了抑制在压电主体中形成裂缝。
此外，根据本发明的另一方案，提供了一种燃油喷射装置。当在常规的燃油喷射装置中使用压电元件时，必须在从低温到高温的宽温度范围内确保可靠性。根据本发明，即使在对燃油喷射装置进行这种热冲击的环境中，也能提供一种在很长的时间内使特性难以变化并且保持高可靠性的燃油喷射装置，这是因为可以抑制由可归因于外部电极的热应力所引起的裂缝在压电元件中的形成。
附图简述
图1A至1C各自是示出根据本发明第一实施例的层叠压电元件的结构的说明图(1)；
图2A和2B各自是图1的主要部分的放大说明图；
图3A和3B各自是现有技术的层叠压电元件的主要部分的放大说明图；
图4A至4C各自是示出根据本发明第一实施例的层叠压电元件的结构的说明图(2)；
图5A至5C各自是示出根据本发明第一实施例的层叠压电元件的结构的说明图(3)；
图6A至6C是各自示出根据本发明第一实施例的层叠压电元件的结构的说明图(4)；
图7A和7B各自是示出根据本发明第二实施例的层叠压电元件的结构的说明图(1)；
图8是示出根据本发明第三实施例的层叠压电元件的结构的说明图(1)；
图9A和9B各自是示出根据本发明第三实施例的层叠压电元件的结构的说明图(2)；
图10是示出其中将根据本发明的第一至第三方案的层叠压电元件应用于燃油喷射装置的结构的说明图；
图11A至11D各自是示出在垂直于层叠方向的方向上，限定根据本发明的第一至第三方案的层叠压电元件的最大宽度(W0)的方法的说明图；
图12A至12C各自是示出在根据本发明的第一至第三方案的层叠压电元件中限定外部电极层的宽度(W1、W2、W3)的方法的说明图；
图13A至13D各自是示出根据本发明的第一至第三方案的层叠压电元件的其他实施例的说明图(1)；
图14A至14D各自是示出根据本发明的第一至第三方案的层叠压电元件的其他实施例的说明图(2)；
图15A至15D各自是示出根据本发明的第一至第三方案的层叠压电元件的其他实施例的说明图(3)；
图16A至16D各自是示出根据本发明的第一至第三方案的层叠压电元件的其他实施例的说明图(4)；
图17A至17D各自是示出根据本发明的第一至第三方案的层叠压电元件的其他实施例的说明图(5)。
发明的具体实施方式
将参考附图并针对本发明的优选实施例进一步对本发明进行说明。
实施例1：
以下参考附图对本发明的第一实施例的结构进行说明。图1A至1C各自是示出本实施例的层叠压电元件1的前视图(图1A)、如从图1A中的箭头X看去的透视图(图1B)、以及如从图1A中的箭头Y看去的透视图(图1C)。一般说来，如示出的那样，根据本发明的层叠压电元件1设有压电层11、内部电极层21a和21b、第一外部电极层31、第二外部电极层32和引线33，并且其一般说来以以下所述的方式构成。也就是，层叠压电元件1交替地设有多个压电层11和内部电极层21，其中所述多个压电层11由在施加电压时膨胀和收缩的PZT陶瓷材料构成，而所述内部电极层21用于提供所施加的电压。将第一电极31设置在的层叠压电元件1的外边缘侧上，电连接所述第一电极31使得内部电极层21a和21b用作不同的电极。通过第二外部电极层32将引线33设置在第一外部电极层31上。
以下对本发明第一方案的特性的进行说明。图2A和2B各自是根据本实施例的层叠压电元件1的主要部分的放大图。图2A是示意图，图2B示出在图2A中被环绕的部分B。如示出的那样，在本实施例的层叠压电元件1中，当将在垂直于层叠方向的方向上的压电体11的最大宽度取为W0，将第一外部电极31的宽度取为W1，并且将第二外部电极32的宽度取为W2时，存在其中W1＞W2且2.5≤(W2/W0)×100≤60的关系。结果，由于第一外部电极层31和第二外部电极层32的宽度不相同，因此可以分散在第一外部电极层31和第二外部电极层32的两端产生的热应力。此外，由于W1＞W2，因此在第二外部电极层32中产生的热应力不被直接施加到压电体11。此外，由于存在其中2.5≤(W2/W0)×100≤60的关系，并且可以减轻施加到压电体11的热应力，以及抑制了裂缝的形成，因此连接到第二外部电极层32的引线33与第二外部电极层32之间的结合强度是足够的。此外，如果使得上述关系为5≤(W2/W0)×100≤30，则会更有效(后面将说明该效果)。
此外，由于在当施加电压时膨胀和收缩的压电活性部分1a中，在压电层11的层叠的方向上，连续地设置第二外部电极层32，因此可以将在压电体11的层叠方向上从第二外部电极32的两端施加到第一外部电极层31和压电体11的热应力减到最小。
此外，当将第一外部电极层31的厚度(在固化之后)取为T1，并且将第二外部电极层32的厚度(在固化之后)取为T2时，T2/T1在0.05至300的范围内。结果，由于第二外部电极层32的厚度相对于第一外部电极层31的厚度并不过大，因此第一外部电极层31能够用作应力缓和材料并抑制裂缝在压电体中的形成。此外，可以确保能够将连接到第二外部电极层32的引线33与第二外部电极层32结合的结合强度。此外，如果使得该关系为1≤(T2/T1)≤35则会更有效(将在后面说明该效果)。
此外，在垂直于层叠方向的方向上的压电体11的最大宽度W0为15mm或更少。结果，第二外部电极层32的宽度W2为9.0mm或更少，并且在第二外部电极层32中产生的热应力不超过压电层11的强度，由此使裂缝难以在压电层11中形成。
图3A和3B各自是用于说明其中第一外部电极层31的宽度W1和第二外部电极层32的宽度W2相同的情况的说明图。图3A是示意图，图3B示出在图3A中被环绕的部分B处裂缝形成的方式。如示出的那样，在其中存在关系W1＝W2的层叠压电元件1中，由于在第一外部电极层31和第二外部电极层32的两端产生的应力集中在压电体11上，因此在压电体11中容易形成裂缝，如以裂缝11a示出。
将利用下面的表格说明本发明第一方案的效果。表1示出W1和W2之间的关系，并示出当将在垂直于层叠方向的方向上的压电体11的最大宽度取为W0、将第一外部电极层31的宽度取为W1、并且将第二外部电极层32的宽度取为W2时，对应于(W2/W0)×100的压电体上的热应力的测量结果。如表1所示，在使得W1和W2之间的关系是W1＝W2的情况下，在压电体上产生的应力最大，并且按照其中W2＞W1的情况和其中W1＞W2的情况的顺序，产生的应力变得越来越小。此外，在W1＞W2的情况下，(W2/W0)×100的值越小，在压电体上产生的应力的量就越小。基于该表格，可以看出，在W1＞W2的情况下(W2/W0)×100的值越小压电体上产生的应力就变得越小。
                              表1
编号   W1和W2之间的关系 (W2/W0)×100   在压电主体上产生的应力(MPa)
  1   W1＝W2   42.0   76.2
  2   W2＞W1   42.0   70.0
  3   W1＞W2   60   50.4
  4   42   40.2
  5   35   30.3
  6   30   23.0
  7   24.9   20.4
  8   18.0   17.7
  9   10.0   15.2
  10   4.97   13.8
  11   0.98   10.1
表2示出W1和W2之间的关系、作为耐久性指标的循环次数、和当将垂直于层叠方向的方向上的压电体11的最大宽度取为W0、将第一外部电极层31的宽度取为W1、并且将第二外部电极层32的宽度取为W2时，对应于(W2/W0)×100的第二外部电极层32和引线33之间的粘合强度的测量结果。以下对测试方法进行说明。将用于进行热冲击测试的液槽热冲击测试器用在本发明的耐久性测试中。首先，将n(例如为20)个待测试的压电元件设置在密封的容器中。接下来，将容纳在密封的容器中的压电元件浸入在液槽热冲击测试器内部的维持在160℃温度下的高温液槽中，并使所述压电元件保持在该高温液槽中持续预定的时间量(例如，10分钟)。接下来，将容纳在密封的容器中的压电元件浸入在液槽热冲击测试器内部的保持在-40℃温度下的低温液槽中，并使所述压电元件保持在该低温液槽中持续预定的时间量(例如，10分钟)。将浸入在高温液槽中的过程和浸入在低温液槽中的过程定义为一个循环，并且重复该循环。当循环的次数达到100、500、1000和1500时，从液槽热冲击测试器中移走压电元件，随后确认裂缝在压电元件中的形成。此时，如果在任何一个压电元件中都不存在裂缝则将压电元件评定为好，而如果即使有一个裂缝形成也将其评定为NG(不好)。这里，在汽车燃油喷射装置中使用根据本实施例的层叠压电元件的情况下，当循环的次数为1000或更多时，评定的结果优选为好。此外，用于对金属材料等进行抗拉强度测试的自动图示记录装置(autographic apparatus)用于测量本实施例中的第二外部电极层32和引线33之间的粘合强度。首先，利用自动图示记录装置以恒定速度拉引线，同时调整压电元件的位置，从而使自动图示记录装置的拉方向和压电元件1和引线33之间的切线大致水平。接下来，测量在使引线33与压电元件部分分离时的抗拉强度，直到使引线33与压电元件1完全分离，并且将平均值定义为引线的粘合强度。
如表2所示，尽管编号为1的样品展示出在所有样品中最大的第二外部电极层32和引线33之间的粘合强度，但是在100至1500次循环的情况下将其评定为NG，由此表现出耐久性的问题。尽管在100和500次循环的情况下将编号为2和3的样品评定为好，但是在1000和1500次循环的情况下将它们评定为NG。尽管在100和1000次循环的情况下将编号为4的样品评定为好，但是在1500次循环的情况下将其评定为NG。在100至1500次循环的情况下将编号为5至7的样品全部评定为好，并且它们展示出令人满意的耐久性。尽管在100至1500次循环的情况下将编号为8的样品评定为好，但是第二外部电极层32和引线33之间的粘合强度是不够的。
根据该表格可以确定，在编号为5至7的样品中表现出的关系的情况下，耐久性是令人满意的。这里，编号为5的样品中的每一个参数的实际尺寸例如由W0＝8.4mm、W1＝1.6mm和W2＝4.0mm组成。本发明不限于这些尺寸的情况，而是在使得W1和W2之间的关系为W1＞W2的情况下和在(W2/W0)×100在5至30的范围内的情况下，耐久性是令人满意的，并且第二外部电极层32和引线33之间的粘合强度是足够的。
                            表2
  编号   W1和W2之间的关系   (W2/W0)×100   循环次数   平均引线粘合强度(N)
 100   500   1000   1500
  1   W2＞W1   61.4   NG   NG   NG   NG   3.9
  2   W1＞W2   61.4   好   好   NG   NG   3.8
  3   40.3   好   好   NG   NG   3.3
  4   25.0   好   好   好   NG   1.9
  5   19.0   好   好   好   好   1.3
  6   6.1   好   好   好   好   0.4
  7   7.0   好   好   好   好   0.3
  8   2.5   好   好   好   好   0.1
表3示出作为耐久性指标的循环次数，并示出当将压电体11中的第一外部电极31的厚度(在固化之后)取为T1并且将第二外部电极层32的厚度(在固化之后)取为T2时，对应于T1和T2之间关系的第二外部电极层32和引线33之间的粘合强度的测量结果。该测试方法与前述的测试方法相同。如表3所示，在100至1500次循环的情况下将编号为1至4的样品全部评定为好，表示令人满意的耐久性。尽管在100至1000次循环的情况下将编号为5的样品评定为好，但是在1500次循环的情况下将其评定为NG。尽管在100和500次循环的情况下将编号为6的样品评定为好，但是在1000和1500次循环的情况下将其评定为NG。
根据该表格可以确定在编号为1至4的样品中表示的关系的情况下，耐久性是令人满意的。这里，编号为3的样品中的每个参数的实际尺寸例如由T1＝0.015mm和T2＝0.15mm组成。本发明不限于这些尺寸的情况，而是如果T1和T2之间的关系使得T2/T1在1至35的范围内，则耐久性是令人满意的，并且第二外部电极层32和引线33之间的粘接强度是足够的。
                      表3
  编号 T2/T1   循环次数   平均引线粘合强度(N)
  100   500   1000   1500
  1   0.05   好   好   好   好   0.3
  2   5   好   好   好   好   0.4
  3   10   好   好   好   好   1.5
  4   20   好   好   好   好   3.2
  5   40   好   好   好   NG   5.0
  6   200   好   好   NG   NG   6.1
以下参考图4A至4C到图6A至6C对根据本发明第一方案的其他实施例进行说明。图4A至4C到图6A至6C是示出通过叠置层叠的压电单元而制造的层叠压电元件的说明图。在这些图中示出的层叠压电元件1一般来说以下述的方式构成。即，层叠压电元件1由多个压电单元1u构成，并且借助于由粘合剂构成的压电单元结合表面1b来叠置多个压电单元1u。将第一外部电极层31设置在层叠压电元件1的外边缘侧上，将所述层叠压电元件1电连接成使得内部电极层21a和21b用作不同的电极。将引线33通过第二外部电极层32设置在第一外部电极层31上。
而且，也可以在不使用由粘合剂构成的压电单元结合表面1b的情况下，叠置多个压电单元1u。
在图4A至4C中示出的层叠压电元件1中，将第二外部电极层32设置成被压电单元结合表面1b分开，并且由于对于第二外部电极层32来说，难以与压电单元结合表面1b一致，因此在第二外部电极层32由导电树脂构成的情况下，通过导电树脂的粘合剂成分限制压电层11中的位移，由此可以防止特性、可靠性等的任何降低。此外，与将第二外部电极层32设置成穿过压电单元结合表面1b的情况相比，由于第二外部电极层32和结合到第二外部电极层32的引线33之间的结合表面较小，因此难以削弱引线33的膨胀和收缩。而且，尽管将第一外部电极层31设置成穿过压电单元结合表面1b，但是如果第一外部电极层31由纯银粘土(art clay silver)构成，则由于其通常形成具有高粘度的膜，因此难以使其与压电单元结合表面1b一致。
在图5A至5C中示出的层叠压电元件1中，将第二外部电极层32设置成穿过压电单元结合表面1b，因此可以立刻涂敷第二外部电极层32，由此允许以低成本制造产品。此外，尽管将第一外部电极层31设置成穿过压电单元结合表面1b，但是在第一外部电极层31由纯银粘土构成的情况下，由于其通常形成具有高粘度的膜，因此难以使其与压电单元结合表面1b一致。
在图6A至6C中示出的层叠压电元件中，由于将第二外部电极层32设置成穿过压电单元结合表面1b，因此可以立刻涂敷第二外部电极层32，由此允许以低成本制造产品。此外，由将第一外部电极层31设置成被压电单元结合表面1b分开，因此难以使其与压电单元结合表面1b一致。此外，可以在结合压电单元之前单独地制造和检查压电单元，由此作为及早检测出次品的结果，可以提高生产率。
同样在如图4A至4C到图6A至6C所示的通过结合层叠压电单元构成的层叠压电元件中，当将在垂直于层叠方向的方向上的压电体11的最大宽度取为W0、将第一外部电极层31的宽度取为W1、并且将第二外部电极层32的宽度取为W2时，W1＞W2且2.5≤(W2/W0)×100≤60。结果，由于第一外部电极层31和第二外部电极层32的宽度不相同，因此可以分散在第一外部电极层31和第二外部电极层32的两端中产生的热应力。此外，由于W1＞W2，因此在第二外部电极层32中产生的热应力不被直接施加到压电体11。此外，由于存在其中2.5≤(W2/W0)×100≤60的关系，因此减轻了在压电体11上的热应力，并抑制了裂缝在压电体中的形成，连接到第二外部电极层32的引线33和第二外部电极层32之间的结合强度是足够的。此外，其中5≤(W2/W0)×100≤30的关系更为有效。(将在后面说明其效果。)此外，由于在当施加电压时膨胀和收缩的压电活性部分1a中，在压电层11的层叠方向上，连续地设置第二外部电极层32，因此可以将在压电体11的层叠方向上从第二外部电极层32的两端施加到第一外部电极层31和压电体11的热应力减到最小。
实施例2
以下参考附图对本发明第二实施例的结构进行说明。图7A和7B各自是示出根据本发明第二实施例的层叠压电元件的说明图。如示出的那样，本实施例的层叠压电元件1具有设置在多个压电层11的外边缘侧上的第一外部电极层31，所述多个压电层11由当施加电压时膨胀和收缩的PZT陶瓷构成。将第三外部电极层32a设置在第一外部电极层31上。将第二外部电极层32b设置在第三外部电极层32a上。
本发明的该第二方案的特征在于：当将在垂直于层叠方向的方向上的层叠压电元件1的最大宽度取为W0，将第一外部电极层31的宽度取为W1，将第二外部电极层32b的宽度取为W2，将第三外部电极层32a的宽度取为W3，将第二外部电极层32b的厚度(在固化之后)取为T2，并且将第三外部电极层32a的厚度(在固化之后)取为T3时，存在其中W1＞W3＞W2，5≤(W2/W0)×100≤30，且1≤(T2/T3)≤35的关系。此外，第一外部电极层31、第二外部电极层32b和第三外部电极层32a全部由不同的材料制成。此外，当将第一外部电极层31的弹性模量取为E1并将其线性膨胀系数取为α1，将第二外部电极层32b的弹性模量取为E2并将其线性膨胀系数取为α2，以及将第三外部电极层32a的弹性模量取为E3并将其线性膨胀系数取为α3时，E1×α1＜E3×α3＜E2×α2。
根据本发明的该第二方案，由于第一外部电极层31的宽度、第二外部电极层32b的宽度和第三外部电极层32a的宽度不相同，因此可以分散在这些外部电极层中的每一个的两端中产生的热应力。此外，连同通过第一外部电极层31和第三外部电极层32a减轻在第二外部电极层32b中产生的热应力，可以通过第一外部电极层31来减轻在第三外部电极层32a中产生的热应力。此外，由于W1＞W3＞W2，因此在第二外部电极层32b和第三外部电极层32a中产生的热应力不被直接施加到压电体11。此外，由于5≤(W2/W0)×100≤30且1≤(T2/T3)≤35，因此减轻了压电体11上的热应力，以及抑制了裂缝在压电体11中的形成，连接到第二外部电极层32b的引线33和第二外部电极层32b之间的结合强度是足够的。
此外，第一外部电极层31、第二外部电极层32b和第三外部电极层32a全部由不同材料制成。此外，当将第一外部电极层31的弹性模量取为E1并将其线性膨胀系数取为α1，将第二外部电极层32b的弹性模量取为E2并将其线性膨胀系数取为α2，以及将第三外部电极层32a的弹性模量取为E3并将其线性膨胀系数取为α3时，存在其中E1×α1＜E3×α3＜E2×α2的关系。结果，具有高粘合强度的材料可以用于结合引线和电极板的第二外部电极层32b的材料。由于具有高粘合强度的材料也通常具有大的弹性模量，因此可以将相当大的热应力施加到压电体11。然而，在本发明中，可以将这样的材料用作第三外部电极层32a的材料，即其弹性模量和线性膨胀系数的乘积小到能减轻在第二外部电极层32b中产生的热应力。此外，由于E1×α1＜E3×α3＜E2×α2，因此可以以逐步的方式减轻热应力。
此外，由于在当施加电压时膨胀和收缩的压电活性部分1a中，在压电层11的层叠的方向上，连续地设置第二外部电极层32b，因此可以将在压电体11的层叠方向上从第二外部电极32b的两端施加到第一外部电极层31、第三外部电极层32a和压电体11的热应力减到最小。
此外，在垂直于层叠方向的方向上的压电体11的最大宽度W0为15mm或更小。结果，第二外部电极层32b的宽度W2为9.0mm或更小，在第二外部电极层32b中产生的热应力不超过压电层11的强度，并且对于裂缝来说，难以在压电层11中形成。
将利用下面的表格对本发明该第二方案的效果进行说明。表4示出W1、W2和W3之间的关系，并且示出当将在垂直于层叠方向的方向上的压电体11的最大宽度取为W0，将第一外部电极层31的宽度取为W1，将第二外部电极层32b的宽度取为W2，将第三外部电极层32a的宽度取为W3，将第二外部电极层32b的厚度(在固化之后)取为T2，并将第三外部电极层32a的厚度(在固化之后)取为T3时，对应于(W2/W0)×100和(T2/T3)的在压电体上产生的应力的测量结果。如表4所示，在使得W1、W2和W3之间的关系为W1＝W2＝W3的情况下，在压电体上产生的应力最大，并且随后按照其中W2＞W1(两个外部电极层代替三个)的情况和其中W1＞W3＞W2的情况的顺序变得越来越小。此外，在W1＞W3＞W2的情况下，T2/T3的值越小，在压电体上产生的应力就越小。根据表可以理解，在使得W1、W2和W3之间的关系为W1＞W3＞W2的情况下，T2/T3的值越小，在压电体上产生的应力就越小。
                               表4
编号   W1、W2和W3之间的关系 (W2/W0)×100 T2/T3   在压电主体上产生的应力(Mpa)
  1   W2＞W1(2层)   42.0   --   70.0
  2   W1＞W2(2层)   42.0   --   40.2
  3   W1＝W2＝W3   42.0   5.0   80.1
  4 W1＞W3＞W2   38.1   5.0   17.4
  5   38.1   8.3   20.4
表5示出在W1、W2和W3之间的关系、作为耐久性指标的循环次数、以及当将在垂直于层叠方向的方向上的压电体11的最大宽度取为W0，将第一外部电极层31的宽度取为W1，将第二外部电极层32b的宽度取为W2，将第三外部电极层32a的宽度取为W3，将第二外部电极层32b的厚度(在固化之后)取为T2，并将第三外部电极层32a的厚度(在固化之后)取为T3时，对应于(W2/W0)×100和T2/T3的第二外部电极层32b和引线33之间的粘合强度的测量结果。该测量方法的其余部分与实施例1相同。如表5所示，在100至1500次循环的情况下，将编号为1至3的所有样品都评定为好，由此展示出令人满意的耐久性。
                                            表5
  编号 W1、W2和W3之间的关系   (W2/W0)×100 T2/T3   第二外部电极层的材料   第一外部电极层的材料   循环次数 平均引线粘合强度(N)
100 500 1000 1500
  1   W＞W3＞W2   15.0   5.0   A   A   好   好   好   好   1.3
  2   15.1   8.3   A   A   好   好   好   好   1.8
  3   15.1   1.5   B   A   好   好   好   好   1.3
以下对根据本发明该第二方案的另一实施例进行说明。由于图8所示的层叠压电元件1具有大致与前述的图7A和7B所示的层叠压电元件1相同的结构，因此仅对两者之间的差别进行说明，即外部电极层的宽度的关系。也就是，尽管当将第一外部电极层31的宽度取为W1，将第二外部电极层32b的宽度取为W2，并且将第三外部电极层32a的宽度取为W3时，在图7A和7B所示的层叠压电元件1中存在其中W1＞W3＞W2的关系，但是在图8所示的层叠压电元件中，该关系的不同之处在于W1＞W2＞W3。然而关于以下要点两者是相同的。即，由于第一外部电极层31和第二外部电极层32b的宽度不相同，因此可以分散在第一外部电极层31和第二外部电极层32b的两端中产生的热应力。此外，由于W1＞W2，因此在第二外部电极层32b中产生的热应力不被直接施加到压电体11。因此，可以提供一种能够抑制在压电层11中形成裂缝的层叠压电元件1。
实施例3：
以下参考附图对本发明第三实施例的结构进行说明。图9A和9B各自是示出根据本发明第三实施例的层叠压电元件的说明图。如示出的那样，本实施例的层叠压电元件1设有第一外部电极层31，其位于多个压电层11的外边缘侧上，所述多个压电层11由当施加电压时膨胀和收缩的PZT陶瓷构成。将引线33设置在第一外部电极层31上。
本发明的该第三方案的特征在于，当将在垂直于层叠方向的方向上的压电体11的最大宽度取为W0并将第一外部电极层31的宽度取为W1时，存在其中2.5≤(W1/W0)×100≤60的关系。结果，由于存在其中2.5≤(W1/W0)×100≤60的关系，并且可以减轻施加到压电体11的热应力，以及抑制了裂缝的形成，因此在连接到第一外部电极层31的引线33和第一外部电极层31之间的结合强度是足够的。此外，其中5≤(W1/W0)×100≤30的关系更为有效。
此外，由于在当施加电压时膨胀和收缩的压电活性部分1a中，在压电层11的层叠的方向上，连续地设置第一外部电极层31，因此可以将在压电体11的层叠方向上从第一外部电极层31的两端施加到压电体11的热应力减到最小。
此外，在垂直于层叠方向的方向上的压电体11的最大宽度W0为15mm或更小。结果，第一外部电极层31的宽度W1为9.0mm或更小，在第一外部电极层31中产生的热应力不超过压电层11的强度，并且对于裂缝来说，难以在压电层11中形成。
实施例4：
图10是示出在柴油机的共轨燃油喷射(common rail fuel injection)***中使用本发明的层叠压电元件的例子的说明图。如图10所示，喷射器5具有容纳采用上述层叠压电元件1的方式的驱动单元的上部外壳52、以及固定到其下部边缘的下部外壳53，其中内部形成喷嘴单元54。
上部外壳52大致具有圆柱的形状，并且***层叠压电元件1，并将其固定在关于中心轴不同心的纵向孔521内部。将高压燃油路径522平行设置在纵向孔521的侧面上，并且该高压燃油路径522的上端部通过从上部外壳52的上侧突出的燃油入口管523连接到外部共用模块(未示出)。
与排放路径524相连接的燃油出口管525从上部外壳52的上侧突出，并且从燃油出口管525流出的燃油重回到燃油槽(未示出)。排放路径524穿过纵向孔521和驱动单元(层叠压电元件)1之间的间隙50，并通过从该间隙50穿过上部和下部外壳52和53向下延伸的路径(未示出)与随后将要说明的三通阀551相连接。
喷嘴单元54设有在活塞体531中垂直滑动的喷嘴针阀541、以及将从燃油收集器(fuel collector)542提供的高压燃油喷射到发动机的每个汽缸中的喷射端口543，其通过喷嘴针阀541打开和闭合。将燃油收集器542设置在喷嘴针阀541的中间部分周围，并且上述高压燃油路径522的下端在此打开。喷嘴针阀541在阀门打开的方向上受到来自燃油收集器542的油压，同时在阀门关闭的方向上还受到来自设置成面对上端的背压室(backpressure chamber)544的油压，并且当背压室544的压力下降时，喷嘴针阀541上升，喷射端口543打开且喷射燃油。
通过三通阀551来调整背压室544的压力。三通阀551采用将背压室544选择性地与高压燃油路径522或排放路径524连接的结构。这里，其具有打开和关闭连接到高压燃油路径522或排放路径524的端口的球状阀门体。通过上述驱动单元1经由大直径活塞552、液压室553和设置在其下方的小直径活塞554来驱动该阀门体。
用于本实施例的喷射器的层叠压电元件1的特征在于，存在上述实施例1至3所述的外部电极层中的每一个的宽度(W1、W2和W3)之间的关系、以及外部电极层的宽度(W1、W2)与在垂直于层叠方向的方向上的层叠压电元件的最大宽度(W0)的关系。结果，可以实现确保连接到外部电极层的引线或电极板与外部电极层之间的结合强度，以及抑制裂缝在压电体中的形成。因此，可以提供用于喷射器的层叠压电元件1，其可以用在恶劣的环境中并且是高度地可靠。
制造方法
以下对层叠压电元件1的制造方法以及其详细的结构进行说明。可以使用公知的生材片(green sheet)方法来制造这里所述的层叠压电元件1。根据公知的方法，称出用作压电材料的主要原料的粉末，如氧化铅、氧化锆、氧化钛、氧化铌或氧化锶达到想要的组成。此外，考虑到铅的蒸发，将上述混合比组成制备为比化学计量比高1至2％。然后利用搅拌机对其进行干式混合，随后在800至950℃下煅烧。
接下来，添加纯水和分散剂以形成浆，随后利用球磨机进行湿碎(wetcrushing)。在使该磨碎的粉末干燥和除脂之后，添加溶剂、粘合剂、塑化剂和分散剂等，随后利用球磨机进行混合。随后，对该浆进行真空脱气并且调整其粘度，同时在真空装置中用搅拌器搅拌。
接下来，通过刮刀装置将浆模塑成预定厚度的生材片。用压力机(press)冲压或用切割机切割所获得的生材片，以将其模塑为预定的尺寸。
接下来，在例如用由银和钯以7∶3的比率(重量％)构成的银和钯的膏(以下，称作Ag/Pd膏)进行模塑之后，将图案丝网印刷到生材片的一个表面上。
在基本整个的生材片表面上形成具有比压电层11的表面稍小的表面的图案，以用作压电片11，使用上述Ag/Pd膏以用作内部电极层21a和21b。将没有形成内部电极层21a(21b)的部分设置在与生材片的表面相对的另一面上。换句话说，内部电极层21a(21b)没有到达生材片的相对面的一端(与层叠压电元件1的侧面101或相对表面等效的部分)，同时内部电极层21a(21b)达到另一相对端。
制备预定数目的生材片的叠层，在其上以这种方式形成内部电极层21a和21b。
接下来，然后叠置这些生材片。在叠置其上形成内部电极层21a和21b的生材片的情况下，叠置它们从而将没有形成电极的部分交替地设置在层叠压电元件1的侧面101和其相对面上。结果，通过延伸至生材片侧面101而暴露出的内部电极层21a用作一个电极的内部电极，而通过达到相对面而暴露出的内部电极层21b用作另一电极的内部电极。结果，该叠层具有图1A至1C中示出的结构。
接下来，在用热水橡胶压力机进行热冲压之后，在400至700℃下用电炉对该叠层进行除脂，并且然后在900至1200℃的温度下进行烧制(fire)。
接下来，将用于烧制的银膏丝网印刷到上述叠层的所述侧面上，随后进行烧制以形成第一外部电极层31。在暴露出电极之一的内部电极层21a的位置处形成第一外部电极层31，并且其具有与每个内部电极21a的电连续性。在暴露出另一电极的内部电极层21b的位置处形成设置在所述相对面(未示出)上的第一外部电极31，并且其具有与每个内部电极层21b的电连续性。而且，尽管第一外部电极层31由在本例中用于烘焙的银膏构成，但是它也可以通过烘焙由金属构成的膏来形成，该金属包括选自钯、铂、铜、金、镍、锡、铅、锌或铋或其合金中的至少一种。此外，它也可以用焊料形成，或通过涂敷导电树脂来形成。接下来，将由导电树脂构成的第二外部电极层(32、32b)涂敷在第一外部电极层31上(这在实施例3中，即在单个外部电极层的情况下并不需要)。接下来，将由导电树脂构成的第三外部电极层32a涂敷到由导电树脂构成的第二外部电极层32b上(该步骤在实施例1中，即在使用两个外部电极层的的情况下并不需要)。
优选地，每个外部电极层应该由不同的材料制成。应该用于第一外部电极层31的材料的例子包括在线性膨胀系数上与压电体11具有小差别的材料，例如选自银、钯、铂、铜、金、镍、锡、铅、锌和铋或其合金中的至少一种金属。焊料或含有银的环氧树脂基导电树脂可以用于第二外部电极层(32、32b)。如果第二外部电极层(32、32b)由含有银的环氧树脂基导电树脂构成，则第三外部电极层32a的材料应该是其弹性模量和线性膨胀系数的乘积位于第一外部电极层31和第二外部电极层32b的中间的材料，如由含有银的硅树脂改性(silicon-modified)环氧树脂基导电树脂构成的材料。由于具有高粘合强度的材料通常具有大的弹性模量，因此将相当大的热应力施加到压电体11。然而，由于第三外部电极层32a的作用，而使具有高粘合强度的材料可以用于结合引线或电极板的第二外部电极层32b的材料。
接下来，将引线33结合到第二外部电极层(32、32b)。
尽管通常在固化第二外部电极层时结合引线，但是也可以当固化第三外部电极层和第二外部电极层时结合引线。
接下来，将层叠压电元件1放置在空气中或如有必要将其浸入在绝缘油中，并通过内部电极层21a和21b之间的引线33施加直流电压，以极化压电层11，并获得层叠压电元件1。
一般的预防措施
以下参考图11A至11D到图13A至13D对本发明的第一至第三方案中的在垂直于层叠方向的方向上的层叠压电元件的最大宽度(W0)、以及每个外部电极层的厚度(W1、W2和W3)的限定方法进行说明。
首先参考图11A至11D对本发明的第一至第三方案中的在垂直于层叠方向的方向上的层叠压电元件的最大宽度(W0)的限定方法进行说明。图11A至11D是在垂直于层叠方向的方向上的层叠压电元件的截面图。在图11A所示的层叠压电元件1中，其截面的形状大致为正方形。此时，在该截面中的最大宽度W0为连接正方形的两个对角的线的长度。在图11B所示的层叠压电元件1中，其截面的形状大致为矩形。此时，在该截面中的最大宽度W0为连接矩形的两个对角的线的长度。在图11C所示的层叠压电元件1中，其截面的形状大致为椭圆形。此时，该截面中的最大宽度W0是在椭圆的纵向上的轴线长度。在图11D所示的层叠压电元件1中，该截面具有两个弯曲的部分，并且具有其中用直线连接两个弯曲部分的相应端部的形状(跑道形状)。此时，该截面中的最大宽度W0为连接两个弯曲部分的相应顶点的线的长度。
而且，层叠压电元件的截面形状不限于图11A至11D所示的形状，而还可以是八边形或另一种多边形。
以下参考图12A至12C对本发明第一至第三方案的层叠压电元件中的每个外部电极层的宽度(W1、W2和W3)的限定方法进行说明。图12A是层叠压电元件1的侧视图，图12B是在垂直于层叠方向的方向上的层叠压电元件1的截面图，图12C是在垂直于层叠方向的方向上的层叠压电元件1的部分截面图。将每一个外部电极层的宽度(W1、W2和W3)限定为在层叠压电元件1的压电活性部分1a中的每个外部电极层的宽度的平均值。在图12A中所示出的叠置层叠压电元件1中，外部电极层31的宽度不是常数。此时，将外部电极层31的宽度限定为在叠置层叠压电元件1的压电活性部分1a处的外部电极层31的宽度的平均值。在图12B和12C所示的层叠压电元件1中，将外部电极层31设置成延伸跨过两个表面。此时，将外部电极层31的宽度限定为相对于压电体11的侧面的法线A和B与外部电极层31两端的交点之间的最小宽度的平均值(31a和31b之间的宽度)。
如上所述，根据本发明的第一至第三方案，通过限定每个外部电极层的宽度(W1、W2和W3)和相对于在垂直于层叠方向的方向上的层叠压电元件的最大宽度(W0)的外部电极层的宽度(W1、W2)之间的关系，可以提供实现了确保连接到外部电极层的引线或电极板和外部电极层之间的结合强度和实现了抑制在压电体中形成裂缝的层叠压电元件。
而且，只要能够实现本发明的目的，应用于本发明的结构不限于上述实施例的结构。例如，每个压电层11的形状不限于四边形，而还可以是八边形或其他多边形。此外，可以通过丝网印刷、淀积、使用金属掩模的掩模涂敷或使用分散器(dispenser)的涂敷来形成外部电极层。此外，外部电极层的材料可以全部相同。此外，可以适当地改变外部电极层的形状，并且例如，如图13A所示，可以在压电单元的结合表面1b处分开外部电极层31，同时在与压电体11的层叠方向垂直的方向上相互不同偏移地设置分开的外部电极层31，其中在当施加电压时膨胀和收缩的压电活性部分处在压电体11的层叠方向上将所述外部电极层31连续地设置在层叠压电元件1的外边缘侧上。此外，如图13B所示，也可以在压电层11的层叠方向上将外部电极层31相对于轴线A斜对地设置在层叠压电元件1的外边缘侧上。此外，如图13D所示，也可以在压电层11的层叠方向上相对于轴线A以波状的方式将外部电极层31设置在层叠压电元件1的外边缘侧上。此外，如图13C所示，也可以将外部电极层31设置成为环状的形状。此外，从外部电源将电压提供给外部电极层的电极不限于引线，而还可以是板状电极33，其为板状并且具有多个开口，如图14A至14D到16A至16D所示。此外，层叠压电元件1还可以采用其中将凹槽设置在压电层11的侧面中以减轻由层叠压电元件1的操作引起的内部应力的层叠压电元件的形式，如图17A至17D所示。

Claims (19)

1、一种层叠压电元件，包括：
层叠压电元件，包括由能够在施加电压时膨胀和收缩的陶瓷构成的压电层、以及向所述压电层提供电压的内部电极层，交替设置所述内部电极层和压电层；
第一外部电极层，设置在所述层叠压电元件的一侧上并且与所述内部电极层电连接；以及
第二外部电极层，设置在所述层叠压电元件的一侧上，并且通过所述第一外部电极层与所述内部电极层电连接；其中
当将在垂直于层叠方向的方向上的所述层叠压电元件的最大宽度取为W0，将所述第一外部电极层的宽度取为W1，并且将所述第二外部电极层的宽度取为W2时，存在其中W1＞W2且2.5≤(W2/W0)×100≤60的关系，并且
所述层叠压电元件具有当施加电压时膨胀和收缩的压电活性部分，并且在所述压电活性部分中在所述压电层的所述层叠方向上连续地设置所述第二外部电极层。
2、根据权利要求1所述的层叠压电元件，其中，当将在垂直于所述层叠方向的方向上的所述层叠压电元件的最大宽度取为W0，并且将所述第二外部电极层的宽度取为W2时，存在其中5≤(W2/W0)×100≤30的关系。
3、根据权利要求1所述的层叠压电元件，其中，当将所述第一外部电极层的厚度(在固化之后)取为T1，并将所述第二外部电极层的厚度(在固化之后)取为T2时，存在其中0.05≤(T2/T1)≤300的关系。
4、根据权利要求1所述的层叠压电元件，其中，当将所述第一外部电极层的厚度(在固化之后)取为T1，并将所述第二电极层的厚度(在固化之后)取为T2时，存在其中1≤(T2/T1)≤35的关系。
5、根据权利要求1所述的层叠压电元件，其中，当将在垂直于所述层叠方向的方向上的所述层叠压电元件的最大宽度取为W0时，存在其中W0≤15mm的关系。
6、根据权利要求1所述的层叠压电元件，其中，所述第一外部电极层包括由银、钯、铂、铜、金、镍、锡、铅、锌和铋或其合金中的至少一种构成的金属。
7、根据权利要求1所述的层叠压电元件，其中所述第二外部电极层包括焊料或导电树脂材料。
8、一种层叠压电元件，包括：
层叠压电元件，包括由能够在施加电压时膨胀和收缩的陶瓷构成的压电层、以及将向所述压电层提供电压的内部电极层，交替设置所述内部电极层和压电层；
第一外部电极层，设置在所述层叠压电元件的一侧上，并与所述内部电极层电连接；
第二外部电极层，设置在所述层叠压电元件的一侧上，并通过所述第一外部电极层与所述内部电极层电连接；以及
第三外部电极层，设置在所述层叠压电元件的一侧上，并设置在所述第一外部电极层和所述第二外部电极层之间；其中，
当将在垂直于层叠方向的方向上的所述层叠压电元件的最大宽度取为W0，将所述第一外部电极层的宽度取为W1，将所述第二外部电极层的宽度取为W2，将所述第三外部电极层的宽度取为W3，将所述第二电极层的厚度(在固化之后)取为T2，并且将所述第三外部电极层的厚度(在固化之后)取为T3时，存在其中W1＞W3＞W2、2.5≤(W2/W0)×100≤60、和0.05≤(T2/T3)≤300的关系；并且，
所述层叠压电元件具有当施加电压时膨胀和收缩的压电活性部分、以及在所述压电活性部分中在所述压电层的所述层叠方向上连续地设置所述第二外部电极层。
9、根据权利要求8所述的层叠压电元件，其中，当将在垂直于所述层叠方向的方向上的所述层叠压电元件的最大宽度取为W0，将所述第二外部电极层的宽度取为W2，将所述第二外部电极层的厚度(在固化之后)取为T2，并且将所述第三外部电极层的厚度(在固化之后)取为T3时，存在其中5≤(W2/W0)×100≤30、且1≤(T2/T3)≤35的关系。
10、根据权利要求8所述的层叠压电元件，其中，所述第一外部电极层、所述第二外部电极层和所述第三外部电极层的材料全都是不同的材料。
11、根据权利要求8所述的层叠压电元件，其中，当将所述第一外部电极层的线性膨胀系数取为α1，将所述第二外部电极层的线性膨胀系数取为α2，将所述第三外部电极层的线性膨胀系数取为α3，将所述第一外部电极层的弹性模量取为E1，将所述第二外部电极层的弹性模量取为E2，并且将所述第三外部电极层的弹性模量取为E3时，E1×α1＜E3×α3＜E2×α2。
12、根据权利要求8所述的层叠压电元件，其中，当将在垂直于所述层叠方向的方向上的所述层叠压电元件的最大宽度取为W0时，W0≤15mm。
13、根据权利要求8所述的层叠压电元件，其中所述第一外部电极层包括由银、钯、铂、铜、金、镍、锡、铅、锌和铋或其合金中的至少一种构成的金属。
14、根据权利要求8所述的层叠压电元件，其中所述第二外部电极层和所述第三外部电极层包括焊料或导电树脂材料。
15、一种层叠压电元件，包括：
层叠压电元件，其包括由能够在施加电压时膨胀和收缩的陶瓷构成的压电层、以及向所述压电层提供电压的内部电极层，交替设置所述内部电极层和压电层；以及
第一外部电极层，将其设置在所述层叠压电元件的一侧上，并使其与所述内部电极层电连接；其中，
当将在垂直于所述层叠方向的方向上的所述层叠压电元件的最大宽度取为W0，并且将所述第一外部电极层的宽度取为W1时，存在其中2.5≤(W2/W0)×100≤60的关系；并且
所述层叠压电元件具有当施加电压时膨胀和收缩的压电活性部分，并且在所述压电活性部分中在所述压电层的所述层叠方向上连续地设置所述第一外部电极层。
16、根据权利要求15所述的层叠压电元件，其中，当将在垂直于所述层叠方向的方向上的所述层叠压电元件的最大宽度取为W0，并且将所述第一外部电极层的宽度取为W1时，存在其中5≤(W1/W0)×100≤30的关系。
17、根据权利要求15所述的层叠压电元件，其中，当将在垂直于所述层叠方向的方向上的所述层叠压电元件的最大宽度取为W0时，W0≤15mm。
18、根据权利要求15所述的层叠压电元件，其中所述第一外部电极层包括由银、钯、铂、铜、金、镍、锡、铅、锌和铋或其合金中的至少一种构成的金属。
19、根据权利要求15所述的层叠压电元件，其中所述第一外部电极层包括焊料或导电树脂材料。
20、根据权利要求1、8或15所述的层叠压电元件，将其用在燃油喷射装置中。
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