疊層型壓電元件的製作方法
2023-08-11 18:24:11 1
專利名稱：疊層型壓電元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及疊層型壓電元件，其用於，例如汽車中進行燃料噴射的噴射閥、光學設備等中的精密定位裝置、防止振動的驅動元件和噴墨印表機中。
背景技術：
近年來，為了確保高壓下小壓電致動器中的大位移量，強電場已經應用於壓電致動器並且它已經被長期連續驅動。
在用於這種壓電致動器中的疊層型壓電元件中，當壓電致動器必須在強電場和高壓下被連續驅動很長時間時，設置在疊層型壓電元件的側部區域上用作正電極或負電極的外部電極不能跟隨疊層型壓電元件的伸展和收縮運動。因此，在形成於壓電體之間的內部電極與外部電極之間會出現剝離，或者在外部電極上會出現裂縫並且外部電極斷裂。因此，在電壓沒有供應到一部分壓電體上之處會出現問題，並且移位特性在驅動過程中會改變。
因此，日本特開平8-242025號公報提出了一種疊層型壓電元件，其中切口沿寬度方向形成的導電材料薄片藉助於導電粘合劑與疊層型壓電元件的側部區域相連以至於使導電材料薄片與內部電極連續電導通。
發明內容
但是，在日本特開平8-242025號公報中所述的現有技術中，因為疊層型壓電元件和導電材料薄片通過導電粘合劑連接，其中導電粘合劑的連接強度與軟釺焊或硬釺焊相比通常較弱，因此存在連接強度及其耐久性較差的問題。儘管連接對施加於導電材料薄片上所形成的切口部分上的應力具有影響，但是不能充分減小應力，並且因為除切口部分之外的其它部分採用導電粘合劑固定，導電材料薄片會斷裂。而且，因為導電材料薄片與內部電極之間的導電性由於導電材料薄片的斷裂而不能得到保證，因此存在驅動過程中移位特性改變的問題。本發明通過考慮這些問題而得以實現。本發明的目的是提供一種疊層型壓電元件，其提供下面效果即使使用導電粘合劑，形成於壓電體中的內部電極與外部電極之間的連接強度也會很高，並且即使一部分外部電極斷裂，移位特性在驅動過程中也不容易改變。
本發明提供了一種疊層型壓電元件，其包括壓電層、內部電極層和第一外部電極層，其中所述壓電層由可以通過施加的電壓伸展和收縮的陶瓷構成，所述內部電極層與所述壓電層交替堆疊以形成疊層型壓電元件並且供應電壓至壓電層，所述第一外部電極層設置在疊層型壓電元件的側部區域上，與內部電極層電導通並且包括可以在疊層型壓電元件的堆疊方向上伸展和收縮的開口部分，其中，第一外部電極層通過導電粘合件與疊層型壓電元件相連，並且導電粘合件的寬度比第一外部電極層的寬度窄。
因此，儘管導電粘合件的粘合強度與軟釺焊或硬釺焊相比通常較弱，但是因為導電粘合件穿入第一外部電極層的開口部分中以形成錨形連接部，因此第一外部電極層與疊層型壓電元件牢固連接。而且，因為導電粘合件的寬度比第一外部電極層的寬度窄，因此即使固定到導電粘合件上的第一外部電極層的一部分因為壓電層的移位等而斷裂，內部電極層的導電性也可以通過未固定到導電粘合件上的第一外部電極層的一部分而得到保證。因此，可以提供一種疊層型壓電元件，其中形成於疊層型壓電元件中的內部電極層與第一外部電極層之間的連接強度很高，並且即使第一外部電極層的一部分斷裂，移位特性也不容易改變。
根據本發明的權利要求2，提供了一種疊層型壓電元件，其中導電粘合件的寬度不小於0.3mm。因此，即使粘合劑具有不大於20MPa的粘合強度，連接強度對於疊層型壓電元件也足夠高。
根據本發明的權利要求3，提供了一種疊層型壓電元件，其中在與疊層型壓電元件的堆疊方向垂直的方向上開口部分的最大寬度不大於0.5·Wm，其中，Wm表示第一外部電極層的寬度。因此，即使固定到導電粘合件上的第一外部電極層的一部分斷裂，內部電極層的導電性也可以通過未固定到導電粘合件上的第一外部電極層的一部分而得到保證。換句話說，內部電極層的導電性可以通過形成至少一個開口部分的邊而得到保證。
根據本發明的權利要求4，提供了一種疊層型壓電元件，其中開口部分的形狀為圓形或橢圓形。因此，因為開口部分具有沒有尖角的形狀，其中由壓電層的移位等引起的應力不容易集中，因此第一外部電極層幾乎不會斷裂。
根據本發明的權利要求5，提供了一種疊層型壓電元件，其中開口部分的形狀為在角部形成圓角的多邊形。因此，因為開口部分具有圓角的形狀，其中由壓電層的移位等引起的應力不容易集中，因此第一外部電極層幾乎不會斷裂。
根據本發明的權利要求6，提供了一種疊層型壓電元件，其中開口部分的形狀為四邊形或菱形，此外特別的是，導電粘合件的寬度Ws由下面公式表示，
Ws＜Wm-h其中，Wm表示第一外部電極層的寬度，並且h表示具有三個邊「a」、「b」和「L2」的三角形的高度，其中，「a」和「b」分別表示在形成為四邊形或菱形的開口部分中沿堆疊方向彼此鄰接的兩個邊的長度，並且「L2」表示在疊層型壓電元件的堆疊方向上開口部分的寬度。因此，即使固定到導電粘合件上的第一外部電極層的一部分因為壓電層的移位而斷裂，內部電極層的導電性也可以通過未固定到導電粘合件上的第一外部電極層的一部分而得到保證。換句話說，內部電極層的導電性可以通過形成至少一個開口部分的邊「a」和邊「b」而得到保證。
根據本發明的權利要求8，提供了一種疊層型壓電元件，其中三角形的三邊之間的關係由下面公式表示，a+b＞L2×α其中，α表示在堆疊方向上疊層型壓電元件的伸展率(最大伸展量/總長度)。因此，因為關係式a+b＞L2×α，所以第一外部電極層不會因為壓電體的伸展而容易斷裂。
而且，根據本發明的權利要求9，優選的是，在堆疊方向上疊層型壓電元件的最大伸展率(最大伸展量/總長度)不大於0.012。
根據本發明的權利要求10，提供了一種疊層型壓電元件，其中第一外部電極層由金屬構成，所述金屬由不鏽鋼、銅、銀、鐵和鎳中的至少一種金屬或它們的合金構成。因此，可以形成具有很高強度的第一外部電極層。
而且，根據本發明的權利要求11，提供了一種疊層型壓電元件，其中沒有形成開口部分的非開口部分形成於第一外部電極層的端部。因此，可以使與外部設備的連接很容易。
根據本發明的權利要求12，提供了一種疊層型壓電元件，其中一第二外部電極層介於導電粘合件與第一外部電極層之間，特別的是，其中第二外部電極層由金屬構成，所述金屬由選自銀、鈀、鉑、銅、金和鎳中的至少一種金屬或它們的合金構成。因此，因為第二外部電極層的熱膨脹係數位於壓電層與第一外部電極層的熱膨脹係數之間，並且用作熱應力釋放層，因此從壓電層施加於第一外部電極層的熱應力與第一外部電極層直接連接到壓電層上的情況相比可以減小。
根據本發明的權利要求14，提供了一種疊層型壓電元件，其中絕緣樹脂構件插入第一外部電極層與內部電極層之間的間隙中，所述間隙形成為使得導電粘合件的寬度比第一外部電極層的寬度窄。特別的是，其中絕緣樹脂構件由矽樹脂、環氧樹脂、聚氨酯樹脂、聚醯亞胺樹脂、聚醯胺醯亞胺樹脂或聚酯樹脂製成。因此，因為可以在第一外部電極層與內部電極層之間形成電絕緣，所以可以防止通過在第一外部電極層與內部電極層之間由於反覆通電而導致的放電現象。
根據本發明的權利要求16，提供了一種疊層型壓電元件，其中疊層型壓電元件通過連接疊層型壓電單元而形成。甚至以這種方式，本發明可以提供一種疊層型壓電元件，其中形成於疊層型壓電元件中的內部電極層與第一外部電極層之間的連接強度很高，並且即使第一外部電極層的一部分斷裂，移位特性也不容易改變。
如果根據本發明的權利要求17疊層型壓電元件被應用於燃料噴射裝置，就可以提供具有極佳耐久性的燃料噴射裝置，因為形成於疊層型壓電元件中的內部電極層與第一外部電極層之間的連接強度很高，並且即使第一外部電極層的一部分斷裂，移位特性也不容易改變。
圖1顯示了本發明一個實施例中疊層型壓電元件的結構。
圖2(a)顯示了沿著圖1中疊層型壓電元件的箭頭X方向的疊層型壓電元件的視圖。
圖2(b)顯示了沿著圖1中疊層型壓電元件的箭頭Y方向的疊層型壓電元件的視圖。
圖3顯示了圖1中主要部分的放大圖。
圖4顯示了圖1中主要部分的放大圖。
圖5顯示了用於測量本發明實施例中導電粘合劑的粘合強度的方法。
圖6顯示了本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構。
圖7顯示了本發明一個實施例中疊層型壓電元件的致動。
圖8顯示了本發明實施例中疊層型壓電元件的工作。
圖9顯示了本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構。
圖10顯示了本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構。
圖11顯示了本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構。
圖12顯示了本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構。
圖13(a)顯示了本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構。
圖13(b)顯示了本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構。
圖13(c)顯示了本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構。
圖14顯示了本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構。
圖15(a)顯示了本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構。
圖15(b)顯示了本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構。
圖15(c)顯示了本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構。
圖16顯示了包括本發明的疊層型壓電元件的柴油發動機共軌型噴射系統的結構。
具體實施例方式
(概述)下面將根據
本發明第一個實施例的結構。圖1是一副說明本發明實施例中疊層型壓電元件的結構的圖。如圖1中所示，該實例的疊層型壓電元件1大體劃分包括為，壓電層11、內部電極層21a和21b、第二外部電極層31、導電粘合件32、第一外部電極層33和絕緣樹脂構件34，並且如下構成。疊層型壓電元件1通過交替堆疊多個壓電層11和多個內部電極層21而形成，其中壓電層11由可以通過施加的電壓而伸展和收縮的PZT陶瓷材料構成，內部電極層21用於供應施加的電壓。在外周側部區域101上，電導通的第二外部電極層31設置為使得內部電極層21a和內部電極層21b分別成為不同的電極。在第二外部電極層31上，第一外部電極層33通過導電粘合件32形成。第一外部電極層33包括多個可伸展和收縮的開口部分33a。而且，絕緣樹脂構件34介於疊層型壓電元件1的外周側部區域101與第一外部電極層33之間，並且防止在第一外部電極層33與內部電極層21a、21b之間由於反覆通電而導致的火花放電現象。
然後將在下面說明本發明的特徵部分。第一外部電極層33包括多個可伸展和收縮的開口部分33a。即使使用了與軟釺焊或硬釺焊相比大體具有較弱連接強度的導電粘合劑，但是因為導電粘合件32可以穿入第一外部電極層33的開口部分33a中並且形成錨形連接部，因此第二外部電極層31和第一外部電極層33也得到牢固連接。因為導電粘合件32的寬度比第一外部電極層33的寬度窄，因此即使固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分因為壓電層的移位等而斷裂，內部電極層21a和21b的導電性也可以通過未固定在導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分而得到保證。因此，可以提供一種疊層型壓電元件，其中形成於壓電層11處的內部電極層21a、21b與第一外部電極層33之間的連接強度很高，並且即使第一外部電極層33的一部分斷裂，移位特性也不容易改變。
(細節)下面將說明本發明的細節。如圖1中所示，疊層型壓電元件1成形為使得，內部電極層21a和21b以交替正極和負極的方式形成在壓電層11之間。內部電極層21a設置為在一個外周側部區域101上露出，而內部電極層21b設置為在另一個外周側部區域(圖1中未示出)上露出。在疊層型壓電元件1的外周側部區域101上，由烘銀構成的第二外部電極層31形成為使露出的內部電極層21的端部電連續。構成第二外部電極層31的烘銀是通過烘乾Ag膠，並且其成分包括97％的Ag和3％的玻璃粉。第二外部電極層31可以通過蒸鍍或電鍍，但不是通過烘乾而形成。
第一外部電極層33通過導電粘合件32設置在第二外部電極層31上。導電粘合件32和第一外部電極層33將在後面進一步得到說明。
在第一外部電極層33上，形成有用於將從外部施加的電壓供應至疊層型壓電元件1的非開口部分33b。而且，對應於非開口部分33b的用於與外部電源相連的一部分可以根據設計適當變化，並且可以例如形成於第二外部電極層31上。
在疊層型壓電元件1中，堆疊方向的中心部分形成為驅動部分11a，夾住驅動部分11a的部分形成為過渡部分11b，並且夾住過渡部分11b的部分進一步形成為緩衝部分11c。因此，它們構成為在電壓施加的過程中伸展和收縮量按照驅動部分11a、過渡部分11b和緩衝部分11c的順序減小。具體地說，壓電層11的厚度製造為按順序變厚，並且內部電極層沒有形成在上側緩衝部分11c的上側區域和下側緩衝部分11c的下側區域上。因此，由於內應力可以在各級中釋放，裂縫不容易形成，並且疊層型壓電元件1可以長時間使用。
下面將說明該疊層型壓電元件1的製造方法和詳細結構。該實例的疊層型壓電元件1可以通過採用廣泛使用的生胚薄片(green-sheet)法進行製造。將氧化鉛、氧化鋯、氧化鈦、氧化鈮、氧化鍶等的粉末按重量製成期望的合成物，這些成分將成為壓電材料的主要來源。考慮到鉛的汽化作用，將氧化鉛配製成使其增加超出混合合成物的化學計量比的1-2％。將該合成物採用攪拌機進行乾式攪拌，然後在800-950℃溫度下部分煅燒。
將水和分散劑加入部分煅燒的粉末中以製作漿料，然後將該漿料採用針磨(purl-mill)進行水磨。之後，將研磨漿料在真空設備中去除氣泡，同時進行攪拌以調節其粘度。
然後使用刮粉刀裝置由漿料形成具有均勻厚度的基板。將所獲得的基板採用衝壓機進行衝壓，或者通過切割機切割以形成特定尺寸的塊。基板通常用於驅動部分、過渡部分和緩衝部分。
例如採用具有7/3銀/鈀重量比的銀鈀膠(下面將稱為Ag/Pd膠)通過絲網印刷使圖案形成於所產生的基板的一個表面上。
在將要成為壓電層11的基板的幾乎整個表面上，採用Ag/Pd膠形成有比壓電層11的表面更小的相對較小的圖案以獲得內部電極層21a和21b。在基板表面的相反的側部中的一個側部上，一個部分設置成內部電極層21a(21b)並不形成在那裡。換句話說，該部分設置為使得內部電極層21a(21b)沒有到達基板表面的相反的側部中的一個端部(對應於疊層型壓電元件1的一個側部區域101或相反區域的部分)，而內部電極層21a(21b)可以到達所述相反的側部的另一個端部。
基於需要的位移量要求，在其上形成這種內部電極層21a和21b的特定數量的基板被製備用於驅動部分11a和過渡部分11b。在其上沒有印製內部電極層的必需數量的基板也被製備用於過渡部分11b和緩衝部分11c。
然後堆疊這些基板。當堆疊形成有電極層21a和21b的基板時，將它們堆疊為使得沒有電極形成的部分被交替設置在疊層型壓電元件1的一個側部區域101和相反的側部區域上。因此，在基板的一個側部區域101上露出的內部電極層21a成為用作該側部區域上的一個電極的內部電極，而在相反側部區域上露出的內部電極層21b成為用作該相反側部上另一電極的內部電極。
中心驅動部分11a通過只堆疊形成有內部電極層21a和21b的基板而形成，過渡部分11b通過插入沒有內部電極形成的基板來堆疊基板而形成，並且緩衝部分11c通過只堆疊沒有內部電極形成的基板而形成。因此，獲得具有圖1中所示結構的疊層體。
接下來，在通過採用溫水等的橡膠壓制在擠壓機中熱結合之後，使用電爐在400至700℃溫度下將疊層體脫脂，並且在900至1200℃溫度下煅燒。然後通過在疊層體的側部區域上應用和烘乾Ag膠而形成第二外部電極層31。儘管第二外部電極層31在該實例中通過使用烘Ag而形成，但是它也可以通過烘乾，例如Ag/Pd、Pt、Cu、Ni、Au等膠而形成。除上述材料之外的銀、銅、鎳、鉑、金等可以用作內部電極層21a和21b的材料。
第二外部電極層31在用作一極的內部電極層21a露出的位置上形成，以使其與每個內部電極層21a導電。設置在相反的側部區域上的第二外部電極層31(圖中未示出)在用作另一極的內部電極層21b露出的位置上形成，以使其與每個內部電極層21b導電。然後將導電粘合件32應用於第二外部電極層31上。將第一外部電極層33壓到導電粘合件32上。然後將疊層型壓電元件1浸入絕緣油中，並且從第一外部電極層33的非開口部分33b將直流電流施加在內部電極層21a與21b之間，以使壓電層11極化。於是，獲得疊層型壓電元件1。
(本發明的特徵部分)圖2(a)顯示了沿著圖1中箭頭X方向的疊層型壓電元件1的視圖，並且圖2(b)顯示了沿著圖1中箭頭Y方向的疊層型壓電元件1的視圖。如圖2(a)、2(b)中所示，導電粘合件32設置在第二外部電極層31與第一外部電極層33之間以連接它們。
第一外部電極層33由不鏽鋼、銅、鐵、鎳或它們的合金構成，並且形成有菱形的開口部分33a。作為形成開口部分33a的方法，可以採用衝壓加工、蝕刻加工、雷射加工、通過在金屬板上形成切口並且拉伸板以形成格狀片材的方法等。在第一外部電極層33的端部處，形成有非開口部分33b，這裡沒有開口部分形成。
絕緣樹脂構件34由矽樹脂、環氧樹脂、聚氨酯樹脂、聚醯亞胺樹脂、聚醯胺醯亞胺樹脂(polyamideimide resin)或聚酯樹脂構成，並且形成於設置在疊層型壓電元件1中的內部電極層21a、21b與第一外部電極層33之間，以防止在第一外部電極層33與內部電極層21a、21b之間由於反覆通電而導致的火花放電現象。
圖3顯示了圖1中主要部分的放大圖。本發明的特徵在於導電粘合件32的寬度Ws比第一外部電極層33的寬度Wm窄。在該實施例中導電粘合件32的寬度Ws為大約1mm。導電粘合件32的寬度Ws不限於該實施例。具體地說，當寬度不小於0.3mm時，即使使用了具有最大不大於30MPa粘合強度的常用粘合劑，粘合強度也足夠。後面將說明一種用於測量粘合強度的方法。粘合強度可以如下定義。即，如果「a」和「b」分別表示在近似形成為四邊形的開口部分33a中彼此鄰接的兩個邊的長度，L2表示沿疊層型壓電元件1的堆疊方向的開口部分33a的寬度，h表示具有三個邊長「a」、「b」和「L2」的三角形的高度，並且Wm表示第一外部電極層33的寬度，導電粘合件32的寬度Ws由下面公式表示。
Ws＜Wm-h因此，即使固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分斷裂，內部電極層21a和21b的導電性也可以通過未固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分而得到保證。換句話說，內部電極層21a和21b的導電性可以通過形成至少一個開口部分33a的邊「a」和「b」而得到保證。
而且，當α表示沿堆疊方向的疊層型壓電元件1的伸展率(最大伸展量/總長度)時，三角形的三邊之間的關係由下面公式表示。
a+b＞L2×α因此，第一外部電極層33不會因為疊層型壓電元件1的伸展而容易斷裂。在該實施例中疊層型壓電元件1的伸展率近似在0.001至0.002的範圍內。換句話說，例如，當疊層型壓電元件1的總長度為50mm並且最大伸展量為0.05mm時，伸展率為0.001。疊層型壓電元件1的伸展率不受該實例的限制。當層型壓電元件1的伸展率不大於0.012時，可以認為，第一外部電極層33不容易因為疊層型壓電元件1的伸展而斷裂。
當Wm表示第一外部電極層33的寬度時，沿與疊層型壓電元件1的堆疊方向垂直的方向上的開口部分33a的寬度不大於0.5·Wm。因此，即使形成於第一外部電極層33中的一個開口部分33a與導電粘合件32固定，其它開口部分33a也可以處於未與導電粘合件32固定的狀態中。因此，即使固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分斷裂，內部電極層21a和21b的導電性也可以通過未固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分而得到保證。換句話說，內部電極層21a和21b的導電性可以通過形成至少一個開口部分33a的邊而得到保證。
圖4顯示了圖1中主要部分的放大視圖。如圖4中所示，在該實施例的疊層型壓電元件1中，通過將第一外部電極層33壓在形成於第二外部電極層31上的導電粘合件32上，其中第二外部電極層31設置在疊層型壓電元件1的外周側部區域101上，導電粘合件32穿入第一外部電極層33的開口部分33a中以形成錨形連接部。因此，第二外部電極層31和第一外部電極層33可以牢固連接。兩側為錨形的連接部33e表明穿入第一外部電極層33的開口部分中的導電粘合件32在疊層型壓電元件1的堆疊方向上從向上的方向和向下的方向覆蓋第一外部電極層33。一側為錨形的連接部33f表明穿入第一外部電極層33的開口部分中的導電粘合件32在疊層型壓電元件1的堆疊方向上從向上的方向或向下的方向覆蓋第一外部電極層33。整個區域中為錨形的連接部33g表明穿入第一外部電極層33的開口部分中的導電粘合件32在疊層型壓電元件1的堆疊方向上從向上的方向和從向下的方向覆蓋第一外部電極層33，並且橋接橫跨第一外部電極層33。
圖5顯示了用於測量圖1至4所示疊層型壓電元件1中導電粘合件32的粘合強度的方法。如圖5中所示，導電粘合件32的粘合強度可以如下測量。首先，將導電粘合劑42以厚度均勻的方式(例如，0.05mm)塗在玻璃板41上。將具有特定尺寸的重物43(例如，M3的不鏽鋼螺母)放在其上，並且沿Y方向施加特定載荷(例如，400g)。然後使導電粘合劑42固化。通過使用強度測量計(例如，拉-壓力計)，以5mm/min的速度沿X方向推壓重物43，並且在導電粘合劑42斷開時測量強度。
如上所述，在該實施例中，為了連接疊層型壓電元件1和第一外部電極層33，導電粘合件32穿入第一外部電極層33的開口部分33a中以形成錨形連接部。因此，第一外部電極層33與疊層型壓電元件1牢固連接。而且，導電粘合件32的寬度Ws比第一外部電極層33的寬度Wm窄。因此，即使固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分因為壓電層11的移位等而斷裂，內部電極層21a和21b的導電性也可以通過未固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分而得到保證。換句話說，內部電極層21a和21b的導電性可以通過形成至少一個開口部分33a的邊的作用而得到保證。因此，可以提供疊層型壓電元件1，其中形成於疊層型壓電元件1中的內部電極層21a、21b與第一外部電極層33之間的連接強度很高，並且即使第一外部電極層33的一部分斷裂，移位特性也不容易改變。
圖6是說明本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構的圖。如圖6中所示，在該實施例的疊層型壓電元件1中，多個疊層型壓電單元1a被連接在一起。在這種疊層型壓電元件1中，即使固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分斷裂，內部電極層21a和21b的導電性也可以通過未固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分而得到保證。換句話說，內部電極層21a和21b的導電性可以通過形成至少一個開口部分33a的邊而得到保證。
圖7和圖8是說明圖6所示疊層型壓電元件的致動的圖。圖7顯示了一種狀態，其中固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分因為壓電層11的移位而斷裂。圖8顯示了一種狀態，其中導電粘合件32的一部分和固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分因為從外部直接施加到疊層型壓電元件1上的過大拉力而斷裂。因此，即使固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分斷裂，內部電極層21a和21b的導電性也可以通過未固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分而得到保證。換句話說，因為形成至少一個開口部分33a的邊沒有粘合到導電粘合件32上，內部電極層21a和21b的導電性可以通過形成至少一個開口部分33a的邊的作用而得到保證。同樣，在圖1至4所示的疊層型壓電元件1中，即使固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分斷裂，內部電極層21a和21b的導電性也可以通過未固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分而得到保證。
圖9和圖10是說明本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構的圖。如圖9和圖10所示，在該實施例的疊層型壓電元件1中，沿疊層型壓電元件1的堆疊方向的第二外部電極層31和導電粘合件32的中心線偏離沿疊層型壓電元件1的堆疊方向的第一外部電極層33的中心線。圖9中所示疊層型壓電元件1形成為使得第一外部電極層的端部33c、第二外部電極層31和導電粘合件32可以重疊，其中所述端部33c是在與疊層型壓電元件1的堆疊方向垂直的方向上第一外部電極層33的一個端側。圖10中所示疊層型壓電元件1形成為使得設置在第一外部電極層的端部33c的更外側的第二外部電極層31和導電粘合件32與第一外部電極層的端部33c部分重疊。根據圖9、10中所示的疊層型壓電元件1，有可能連續設置多個不接觸導電粘合件32的開口部分33a。因此，即使第一外部電極層33因為過大的拉力等而斷裂，也可以減小第一外部電極層33完全斷裂的可能性。而且，在圖10所示的疊層型壓電元件1中，因為第一外部電極層的端部33c通過導電粘合件32固定，所以當疊層型壓電元件1在製造步驟中被支承時，第一外部電極層33不容易通過從第一外部電極層的端部33c的一側支承壓電元件而被抓牢在支承裝置等上。而且，在這種疊層型壓電元件1中，即使固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分斷裂，內部電極層21a和21b的導電性也可以通過未固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分而得到保證。換句話說，內部電極層21a和21b的導電性可以通過形成至少一個開口部分33a的邊而得到保證。
圖11是說明本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構的圖。在圖11所示的疊層型壓電元件1中，第二外部電極層31和導電粘合件32被分成多個部分。所述多個部分沿第一外部電極層33的寬度方向和縱向以交錯形態設置。具體地說，第二外部電極層31和導電粘合件32的一部分在第一外部電極層33的縱向上位於一個端側，並且設置在第一外部電極層的端部33c，所述端部33c為第一外部電極層33的寬度方向上的一個端側。第二外部電極層31和導電粘合件32的另一部分在第一外部電極層33的縱向上位於另一個端側，並且設置在第一外部電極層的端部33d，所述端部33d為第一外部電極層33的寬度方向上的另一個端側。
圖12是說明本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構的圖。在圖12所示的疊層型壓電元件1中，第二外部電極層31和導電粘合件32沿著與第一外部電極層33的縱向的中心線傾斜的方向設置。具體地說，第二外部電極層31和導電粘合件32以從一個部分(圖中左上部)到另一個部分(圖中右下部)的直線的形狀設置，其中所述一個部分是第一外部電極層33沿縱向的一端部以及第一外部電極層的端部33c一端，也是第一外部電極層33沿寬度方向的一端部，所述另一個部分是第一外部電極層33沿縱向的另一端部以及第一外部電極層的端部33d一端，也是第一外部電極層33沿寬度方向的另一端部。
在圖11和圖12所示的疊層型壓電元件1中，第一外部電極層33可以在縱向和寬度方向上完全固定。因此，如果疊層型壓電元件1從外部受到振動，則未固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分不會振動，並且第一外部電極層33不會剝離。
圖13(a)、13(b)是說明本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構的圖。圖13(a)、13(b)中所示的疊層型壓電元件1形成為使第二外部電極層31的寬度比導電粘合件32的寬度窄。在圖13(a)中，第二外部電極層31的長度比導電粘合件32的長度更長。在圖13(b)中，第二外部電極層31(圖中未示出)的長度與導電粘合件32的長度相等。在圖13(c)中，第二外部電極層31(圖中未示出)的長度比導電粘合件32的長度更短。在圖13(a)所示的疊層型壓電元件1中，當熱膨脹係數大於第二外部電極層31的導電粘合件32在低溫下在寬度方向上收縮時，收縮的導電粘合件32的端部抓牢第二外部電極層31的端部。因此，剝離和斷裂不容易出現，並且其粘合強度很高。在圖13(b)所示的疊層型壓電元件1中，第二外部電極層31與導電粘合件32在長度上相等，並且可以增加堆疊方向上與疊層型壓電元件1的端部的距離。因此，當金屬部件存在於堆疊方向上疊層型壓電元件1的端部時，可以改進其電絕緣。而且，在圖13(c)所示的疊層型壓電元件1中，當熱膨脹係數大於第二外部電極層31的導電粘合件32在低溫下在寬度方向上和縱向上收縮時，收縮的導電粘合件32的端部抓牢第二外部電極層31的端部。因此，剝離和斷裂不容易出現，並且粘合強度很高。而且在這種疊層型壓電元件1中，即使固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分斷裂，內部電極層21a和21b的導電性也可以通過未固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分而得到保證。換句話說，內部電極層21a和21b的導電性可以通過形成至少一個開口部分33a的邊而得到保證。
圖14是說明本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構的圖。如圖14中所示，該實施例的疊層型壓電元件1不包括位於沿疊層型壓電元件1的堆疊方向和垂直方向的第一外部電極層33的端部處的開口部分33a。在該實施例的第一外部電極層33中，近似為四邊形的開口部分通過在第一外部電極層上形成切口並且拉伸其而形成，其中所述第一外部電極層由不鏽鋼、銅、銀、鐵、鎳或它們的合金製成。然後將在薄板上獲得的第一外部電極層切成具有期望寬度的塊，並且使用。存在下面情況，即第一外部電極層不能在網形開口部分之間的邊界線處切割。但是，同樣，在這種疊層型壓電元件1中，即使固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分斷裂，內部電極層21a和21b的導電性也可以通過未固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分而得到保證。換句話說，內部電極層21a和21b的導電性可以通過形成至少一個開口部分33a的邊而得到保證。
圖15(a)至15(c)是說明本發明另一個實施例中疊層型壓電元件的結構的圖。在圖15(a)所示的疊層型壓電元件1中，開口部分33a為圓形。在圖15(b)所示的疊層型壓電元件1中，開口部分33a為橢圓形。在圖15(c)所示的疊層型壓電元件1中，開口部分33a為在角部形成圓角的四邊形。因為由壓電層的移位等引起的應力不容易集中在任一具有這些形狀的開口部分33a處，因此可以限制第一外部電極層的斷裂。開口部分33a的形狀可以適當重新設計為三角形、六邊形、八邊形等。在這種疊層型壓電元件1中，即使固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分斷裂，內部電極層21a和21b的導電性也可以通過未固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分而得到保證。換句話說，內部電極層21a和21b的導電性可以通過形成至少一個開口部分33a的邊而得到保證。
如上所述，在該實施例中，連接疊層型壓電元件1和第一外部電極層33的導電粘合件32穿入第一外部電極層33的開口部分中以形成錨形連接部。因此，第一外部電極層33與疊層型壓電元件1牢固連接。而且，導電粘合件32的寬度Ws比第一外部電極層33的寬度Wm窄。因此，即使固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分因為壓電層11的移位等而斷裂，內部電極層21a和21b的導電性也可以通過未固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分而得到保證。換句話說，內部電極層21a和21b的導電性可以通過形成至少一個開口部分33a的邊而得到保證。因此，可以提供疊層型壓電元件1，其中形成於疊層型壓電元件1中的內部電極層21a、21b與第一外部電極層33之間的連接強度很高，並且即使第一外部電極層33的一部分斷裂，移位特性也不容易改變。
用於本發明中的結構不限於這些實施例，即使它們可以為本發明解決問題。例如，壓電層11不限於四邊形，並且可以為多邊形，如八邊形等。
圖16說明一個實例的結構的圖，其中本發明的疊層型壓電元件被用於柴油發動機共軌型噴射系統。如圖16中所示，噴射器5具有上側殼體52和固定在所述上側殼體52的下側端部上的下側殼體53，在所述上側殼體52中，上述疊層型壓電元件1被安裝為驅動部件，而噴嘴部分54形成在所述下側殼體53中。
上側殼體52近似為圓柱體形狀，而疊層型壓電元件1插入並且固定在偏離中心軸線的縱向孔521的內部。在縱向孔521的側部，平行設置有高壓燃料通道522，並且所述高壓燃料通道522的上側端部設置有通過燃料進入管道523連通外部共軌油道(圖中省略)的連通通道，其中所述燃料進入管道523在上側殼體52的上側部突出。
上側殼體52還突出地設置有燃料流出管道525，所述燃料流出管道525具有與排出通道524連通的連通通道，並且從燃料流出管道525流出的燃料返回到燃料箱(圖中省略)中。排出通道524設有連通通道，其經過縱向孔521與驅動部件(疊層型壓電元件)1之間的間隙50，經由上側殼體52和下側殼體53中從該間隙50向下延伸的通道(圖中省略)到達三通閥551，後面將要說明三通閥551。
噴嘴部分54設置有噴嘴針閥541和噴射孔(injection slot)543，其中噴嘴針閥541在活塞體531中向上或向下滑動，噴射孔543通過噴嘴針閥541的打開/關閉而將從燃料儲存部542供應的高壓燃料供應到發動機的每個氣缸。燃料儲存部542設置在噴嘴針閥541的中部外圍並且高壓燃料通道522的底側端部在這裡開通。噴嘴針閥541接受來自燃料儲存部542的開閥方向的燃料壓力，並且還接受來自面向上端區域設置的後側壓力室544的關閥方向的燃料壓力。當後側壓力室544的壓力降低時，噴嘴針閥541提升，噴射孔543打開並且噴射燃料。
後側壓力室544的壓力通過三通閥551升高或降低。三通閥551構成為選擇性地設置有與後側壓力室544和高壓燃料通道522或與排出通道524連通的連通通道。在這裡設置有球形的閥件，所述閥件打開或關閉具有與高壓燃料通道522或排出通道524連通的連通通道的埠。該閥件由驅動部件1經由具有大直徑的活塞552、油壓室553和具有小直徑的活塞554進行驅動，其中活塞552設置在驅動部件的下側位置。
該實施例中疊層型壓電元件1的特徵部分在於連接疊層型壓電元件1和第一外部電極層33的導電粘合件32穿入第一外部電極層33的開口部分中以形成錨形連接部。因此，即使在惡劣的環境中，例如用於噴射器5，第一外部電極層33也與疊層型壓電元件1牢固連接。而且，導電粘合件32的寬度Ws比第一外部電極層33的寬度Wm窄。因此，即使固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分因為壓電層11的移位等而斷裂，內部電極層21a和21b的導電性也可以通過未固定到導電粘合件32上的第一外部電極層33的一部分而得到保證，並且疊層型壓電元件1的可靠性很高。因此，可以提供可以在惡劣的環境中以很高可靠性使用的、用於噴射器的疊層型壓電元件1。
權利要求
1.一種疊層型壓電元件，包括壓電層，其由可以通過施加的電壓而伸展和收縮的陶瓷構成，內部電極層，其與所述壓電層交替堆疊以形成所述疊層型壓電元件，並且供應電壓至所述壓電層，和第一外部電極層，其設置在所述疊層型壓電元件的側部區域上，與所述內部電極層電導通，並且包括可以沿所述疊層型壓電元件的堆疊方向而伸展和收縮的開口部分，其中，所述第一外部電極層通過導電粘合件與所述疊層型壓電元件相連，並且所述導電粘合件的寬度比所述第一外部電極層的寬度窄。
2.根據權利要求1所述的疊層型壓電元件，其特徵在於，所述導電粘合件的寬度不小於0.3mm。
3.根據權利要求1所述的疊層型壓電元件，其特徵在於，在與所述疊層型壓電元件的堆疊方向垂直的方向上所述開口部分的最大寬度不大於0.5·Wm，其中Wm表示所述第一外部電極層的寬度。
4.根據權利要求1所述的疊層型壓電元件，其特徵在於，所述開口部分的形狀為圓形或橢圓形。
5.根據權利要求1所述的疊層型壓電元件，其特徵在於，所述開口部分的形狀為在角部形成圓角的多邊形。
6.根據權利要求1所述的疊層型壓電元件，其特徵在於，所述開口部分的形狀為四邊形或菱形。
7.根據權利要求6所述的疊層型壓電元件，其特徵在於，所述導電粘合件的寬度Ws由下面公式表示，Ws＜Wm-h其中Wm表示所述第一外部電極層的寬度，並且h表示具有三個邊a、b和L2的三角形的高度，其中a和b分別表示在形成為四邊形或菱形的開口部分中沿堆疊方向彼此鄰接的兩個邊的長度，並且L2表示沿疊層型壓電元件的堆疊方向的所述開口部分的寬度。
8.根據權利要求7所述的疊層型壓電元件，其特徵在於，三角形的三邊之間的關係由下面公式表示，a+b＞L2×α其中，α表示在堆疊方向上所述疊層型壓電元件的伸展率(最大伸展量/總長度)。
9.根據權利要求1所述的疊層型壓電元件，其特徵在於，在堆疊方向上所述疊層型壓電元件的最大伸展率(最大伸展量/總長度)不大於0.012。
10.根據權利要求1所述的疊層型壓電元件，其特徵在於，所述第一外部電極層由金屬製成，所述金屬包括不鏽鋼、銅、銀、鐵和鎳中的至少一種金屬，或它們的合金。
11.根據權利要求1所述的疊層型壓電元件，其特徵在於，沒有形成所述開口部分的非開口部分形成於所述第一外部電極層的端部。
12.根據權利要求1所述的疊層型壓電元件，其特徵在於，一第二外部電極層介於所述導電粘合件與第一外部電極層之間。
13.根據權利要求12所述的疊層型壓電元件，其特徵在於，所述第二外部電極層由金屬製成，所述金屬包括銀、鈀、鉑、銅、金和鎳中的至少一種金屬，或它們的合金。
14.根據權利要求1所述的疊層型壓電元件，其特徵在於，絕緣樹脂構件插入所述第一外部電極層與所述內部電極層之間的間隙中，所述間隙形成為使得所述導電粘合件的寬度比所述第一外部電極層的寬度窄。
15.根據權利要求14所述的疊層型壓電元件，其特徵在於，所述絕緣樹脂構件由矽樹脂、環氧樹脂、聚氨酯樹脂、聚醯亞胺樹脂、聚醯胺醯亞胺樹脂或聚酯樹脂構成。
16.根據權利要求1所述的疊層型壓電元件，其特徵在於，所述疊層型壓電元件通過連接疊層型壓電單元而形成。
17.根據權利要求1所述的疊層型壓電元件，其特徵在於，所述疊層型壓電元件被應用於燃料噴射裝置中。
全文摘要
本發明提供了一種疊層型壓電元件(1)，其包括第一外部電極層(33)，所述第一外部電極層位於疊層型壓電元件(1)的側部區域上，與內部電極層(21)電導通並且包括多個可以在疊層型壓電元件(1)的堆疊方向上伸展和收縮的開口部分(33a)。因為第一外部電極層(33)採用導電粘合件(32)與疊層型壓電元件(1)相連並且導電粘合件(32)比第一外部電極層(33)窄，導電粘合件(32)穿入第一外部電極層(33)的開口部分(33a)中以形成錨形連接部。因此第一外部電極層(33)與疊層型壓電元件(1)牢固連接。
文檔編號H01L41/047GK1855567SQ200610073658
公開日2006年11月1日 申請日期2006年4月18日 優先權日2005年4月18日
發明者淺野浩章, 服部秀和, 小羽根庸一 申請人:株式會社電裝