專利名稱：：多層壓電元件和制備該多層壓電元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種多層壓電元件和使用該多層壓電元件的噴射裝置，該多層壓電元件被安裝在例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴射裝置、噴墨打印機(jī)的液體噴射裝置、或用于光學(xué)裝置的精密定位器件或防振器件中。
背景技術(shù)：
：被安裝在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴射裝置等上的多層壓電元件是已知的。圖5A是顯示現(xiàn)有技術(shù)的多層壓電元件的透視圖。多層壓電元件101包括層疊體109和形成于所述層疊體109的側(cè)面上的一對(duì)外電極111，所述層疊體109通過層疊多個(gè)壓電層105和多個(gè)內(nèi)電極層(金屬層)107而制成，所述多個(gè)壓電層105和多個(gè)內(nèi)電極層107彼此交替層疊。內(nèi)電極層107不是形成在壓電層105的整個(gè)主表面上，而是具有所謂的部分電極結(jié)構(gòu)。圖5B是說明該部分電極結(jié)構(gòu)的分解透視圖，其顯示了圖5A中所顯示的多層壓電元件101的一部分。如圖5A和5B所示，將內(nèi)電極層107層疊，使其每隔一層交替地暴露于層疊體109的任一側(cè)面上。因此，多個(gè)內(nèi)電極層107交替地電連接至一對(duì)外電極105。層疊體109具有在層疊方向上層疊在層疊體109的兩端的非活動(dòng)(inactive)層113。在具有圖5A和5B所示部分電極結(jié)構(gòu)的多層壓電元件中，存在活動(dòng)區(qū)A和非活動(dòng)區(qū)B，在活動(dòng)區(qū)A中，不同極性的內(nèi)電極層107經(jīng)由壓電層105彼此相對(duì)，而在非活動(dòng)區(qū)B中，不同極性的內(nèi)電極層107不經(jīng)由壓電層105彼此相對(duì)。因此，當(dāng)操作多層壓電元件時(shí)，由于只有活動(dòng)區(qū)A經(jīng)歷位移而非活動(dòng)區(qū)B不經(jīng)歷位移，因此應(yīng)力可能集中在活動(dòng)區(qū)A和非活動(dòng)區(qū)B之間的界面，并且成為裂紋的起始點(diǎn)。如圖5A所示，多層壓電元件101具有在層疊方向上被層疊在其兩端的非活動(dòng)層113。當(dāng)操作多層壓電元件時(shí)，由于非活動(dòng)區(qū)B不經(jīng)歷位移，因此應(yīng)力可能集中在經(jīng)歷位移的區(qū)域和非活動(dòng)層113之間的界面，并且成為裂紋的起始點(diǎn)。上述的這種裂紋可能從界面朝層疊體109的側(cè)面(非活動(dòng)區(qū)B側(cè))發(fā)展，但是也可能朝層疊體109的內(nèi)部(活動(dòng)區(qū)A側(cè))發(fā)展。當(dāng)在相對(duì)的內(nèi)電極層107之間施加電場(chǎng)時(shí)，活動(dòng)層A由于反向壓電效應(yīng)而在電場(chǎng)方向上膨脹，并且在垂直于電場(chǎng)方向的方向上收縮。當(dāng)壓電層105在電場(chǎng)方向上膨脹時(shí)，元件101整體上在層疊方向上膨脹。在元件101容納于限制該膨脹的外殼或框架中的情況下，元件101受到作為反作用力的壓縮力。在界面開始并且朝活動(dòng)區(qū)A發(fā)展的裂紋可能在壓電層105的厚度方向上發(fā)展，同時(shí)根據(jù)應(yīng)力的狀態(tài)彎曲和支化。當(dāng)在彼此相對(duì)的內(nèi)電極層107之間產(chǎn)生在壓電層105的厚度方向上發(fā)展的裂紋時(shí)，存在在內(nèi)電極層107之間發(fā)生短路的問題，從而導(dǎo)致多層壓電元件IOI的位移量減小。近年來，由于需要在更高壓力下由緊湊的多層壓電元件實(shí)現(xiàn)大的位移量，普遍的實(shí)踐是在施加更高的電場(chǎng)的情況下，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)操作多層壓電元件。為了滿足這些要求，提出了在其內(nèi)部安置有應(yīng)力消除層的多層壓電元件(參考例如DE10234787A1和DE10307825A1)。然而，仍需要在以高壓長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)操作的條件下具有更高耐久性的多層壓電元件。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種具有更高的耐久性的多層壓電元件和噴射裝置，所述多層壓電元件和噴射裝置即使在高壓力和高電壓下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)操作時(shí)也經(jīng)歷更小的位移量下降。本發(fā)明的多層壓電元件包括多個(gè)壓電層和多個(gè)內(nèi)電極層，其中壓電層和內(nèi)電極層彼此交替層疊，并且多個(gè)內(nèi)電極層中的至少一個(gè)含有至少一種氮化物，即，氮化鈦或氮化鋯。優(yōu)選含有氮化物的內(nèi)電極層在與壓電層相對(duì)的面中具有多個(gè)坑或孔。優(yōu)選存在多個(gè)含有氮化物的內(nèi)電極層，并且內(nèi)電極層是沿著層疊體的層疊方向以有序排列的方式設(shè)置的。本發(fā)明的噴射裝置包括具有噴射孔的容器和上述的多層壓電元件，其中注入容器中的液體是通過多層壓電元件的操作經(jīng)由噴射孔排出的。由于多個(gè)內(nèi)電極層中的至少一個(gè)含有氮化鈦和氮化鋯中的至少一種，因此本發(fā)明的多層壓電元件具有如下所述的效果。氮化鈦和氮化鋯被構(gòu)成壓電層的壓電粒子和構(gòu)成內(nèi)電極層的粒子浸潤(rùn)的浸潤(rùn)性低。因此，可以使內(nèi)電極層的強(qiáng)度更低，并且可以使壓電層和內(nèi)電極層之間的粘結(jié)強(qiáng)度更低。由于內(nèi)電極層夾住在操作過程中經(jīng)歷位移的壓電層，氮化物的加入使得可以減小限制壓電層的內(nèi)電極層的力。這使得不僅可以增加多層壓電元件的位移量，而且可以提高長(zhǎng)時(shí)間操作的耐久性。另外，含有氮化物的內(nèi)電極層在與壓電層相對(duì)的面中具有多個(gè)坑或孔，這減小了內(nèi)電極層和壓電層之間的接觸面積，降低了內(nèi)電極層限制壓電層的限制作用。附圖簡(jiǎn)述圖1A是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的多層壓電元件的透視圖，并且圖1B是顯示多層壓電元件的一部分的分解透視圖，說明圖1A所示的多層壓電元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖2是根據(jù)圖1A所示的實(shí)施方案的多層壓電元件的一部分的放大截面圖。圖3是圖2的一部分的放大截面圖。圖4是示意性顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的噴射裝置的截面圖。圖5A是現(xiàn)有技術(shù)的多層壓電元件的透視圖，并且圖5B是顯示相互層疊的壓電層和內(nèi)電極層的局部透視圖?！几綀D標(biāo)記的說明]11:壓電層12:內(nèi)電極層12a:其它內(nèi)電極層12b:含有TiN和ZrN中的至少一種的內(nèi)電極層13:層疊體14:非活動(dòng)層15:外電極16a:坑16b:孔516c:坑31容器33噴射孔35閥37燃料通道39圓筒41活塞43壓電致動(dòng)器實(shí)施本發(fā)明的最佳方式<多層壓電元件>現(xiàn)在將詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的多層壓電元件。圖1A是顯示根據(jù)該實(shí)施方案的多層壓電元件的透視圖。圖1B是顯示該多層壓電元件的一部分的分解透視圖，說明圖1A所示的多層壓電元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖2是根據(jù)該實(shí)施方案的多層壓電元件的一部分的放大截面圖。如圖1A、1B中所示，該實(shí)施方案的多層壓電元件包括通過彼此交替層疊多個(gè)壓電層11和多個(gè)內(nèi)電極層12而制成的層疊體13，所述多個(gè)壓電層11和多個(gè)內(nèi)電極層12是彼此交替層疊的，并且在層疊體13的彼此相反的側(cè)面上形成一對(duì)外電極15(外電極中的一個(gè)未示出)。內(nèi)電極層12不是在壓電層11的整個(gè)主表面上形成的，而是具有所謂的部分電極結(jié)構(gòu)。設(shè)置多個(gè)具有部分電極結(jié)構(gòu)的內(nèi)電極層12，使其每隔一層暴露于層疊體13的相反側(cè)面的任一個(gè)上。因此，內(nèi)電極層12交替地電連接至所述一對(duì)外電極15。還可以將外電極15安置在彼此相鄰的側(cè)面上。在層疊方向上安置在層疊體13的兩端的是由壓電材料形成的非活動(dòng)層14，14。當(dāng)將多層壓電元件用作壓電致動(dòng)器時(shí)，可以通過焊接將引線連接至一對(duì)外電極15，所述引線與安置在外部的電源連接。當(dāng)由外部電源在彼此相鄰的內(nèi)電極層12之間施加預(yù)定的電壓時(shí)，壓電層11由于反向壓電效應(yīng)而經(jīng)歷位移。即使在施加電壓時(shí)，非活動(dòng)層14也不經(jīng)歷位移，因?yàn)閮H在一個(gè)主表面上安置內(nèi)電極層12，而在另一個(gè)主表面上沒有安置內(nèi)電極層12。如圖2所示，該實(shí)施方案的多層壓電元件的特征在于，多個(gè)內(nèi)電極層12中的至少一個(gè)含有氮化鈦(TiN)和氮化鋯(ZrN)中的至少一種。含有這種氮化物的內(nèi)電極層在下文中將稱作含氮化物的內(nèi)電極層12b，而除含氮化物的內(nèi)電極層12b以外的內(nèi)電極層在下文中將稱作氮化物電極層12a。TiN和ZrN是導(dǎo)電性高并且被構(gòu)成壓電層11的壓電粒子和構(gòu)成內(nèi)電極層12的金屬粒子浸潤(rùn)的浸潤(rùn)性低的氮化物。因此，通過向內(nèi)電極層加入TiN禾P/或ZrN，可以使含氮化物的內(nèi)電極層12b的強(qiáng)度更低，并且可以使壓電層11和含氮化物的內(nèi)電極層12b之間的粘結(jié)強(qiáng)度更低，而不降低含氮化物的內(nèi)電極層12b的導(dǎo)電性。內(nèi)電極層12限制壓電層11在操作過程中的位移。因此，使得加入了TiN禾Q/或ZrN的含氮化物的內(nèi)電極層12b的限制壓電層11的力更低。這增加了元件的位移量。同樣，因?yàn)橄拗茐弘妼觢l的力更小，作用于元件上的應(yīng)力在含氮化物的內(nèi)電極層12b和壓電層11之間的界面中被減輕。當(dāng)存在多個(gè)含氮化物的內(nèi)電極層12b時(shí)，可以分散作用于元件上的應(yīng)力。盡管應(yīng)力的集中抑制了元件的位移，但是抑制效果由于應(yīng)力分散而減小，使得元件可以在不被抑制的情況下經(jīng)歷位移。當(dāng)將應(yīng)力消除效應(yīng)和應(yīng)力分散效應(yīng)結(jié)合時(shí)，多層壓電元件的位移量得到進(jìn)一步增加，同時(shí)進(jìn)一步改善了長(zhǎng)時(shí)間操作過程中的耐久性。當(dāng)多層壓電元件由于電源中的干擾(noise)而經(jīng)受高的瞬間浪涌電壓，或者在高溫、高濕度、高電場(chǎng)和高壓力條件下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)操作多層壓電元件時(shí)，可以抑制內(nèi)電極層12的氧化，因?yàn)樯鲜龅牡镌谧鳛閮?nèi)電極層12的主要組分的金屬組分氧化之前被氧化，從而保護(hù)了內(nèi)電極層。由于氮化物粒子被作為主要組分構(gòu)成含氮化物的內(nèi)電極層12b的金屬粒子浸潤(rùn)的浸潤(rùn)性低，因此在氮化物粒子和金屬粒子之間的界面中趨于產(chǎn)生裂紋(剝離)。同樣，因?yàn)榈锪Ｗ颖粯?gòu)成壓電層11的壓電粒子浸潤(rùn)的浸潤(rùn)性也低，因此裂紋僅在氮化物粒子和壓電層11之間的界面蔓延，從而抑制了裂紋在壓電層11中的蔓延。具體而言，由于裂紋出現(xiàn)在含氮化物的內(nèi)電極層12b或與壓電層11的界面中，這抑制了這種裂紋在層疊方向上穿透壓電層11，所以可以抑制內(nèi)電極層12之間的短路。當(dāng)元件經(jīng)受應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力可以隨著在氮化物粒子和構(gòu)成含氮化物的內(nèi)7電極層12b的金屬粒子之間的界面中出現(xiàn)剝離而被吸收。同樣，當(dāng)元件經(jīng)受應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力也可以隨著氮化物粒子破裂而被吸收。當(dāng)應(yīng)力集中于多層壓電元件的一部分中時(shí)，發(fā)生與上述類似的現(xiàn)象，從而在以較低強(qiáng)度粘結(jié)在一起的氮化物粒子和金屬粒子之間出現(xiàn)裂紋，所述金屬粒子是含氮化物的內(nèi)電極層12b的主要組分。由于在含氮化物的內(nèi)電極層12b中出現(xiàn)裂紋，并且可以抑制這種裂紋在層疊方向上穿透壓電層11，所以可以抑制內(nèi)電極層12之間的短路。另外，含氮化物的內(nèi)電極層12b在與相鄰壓電層11相對(duì)的面中具有多個(gè)坑或孔。據(jù)認(rèn)為，坑或孔的形成機(jī)理如下。艮p，該實(shí)施方案的多層壓電元件是通過包括以下工序的制備方法制備的通過將具有作為主要材料的壓電陶瓷的生片(greensheet)與導(dǎo)電膏層彼此交替層疊而形成多層坯體(compact)的工序，所述導(dǎo)電膏層具有作為主要材料的金屬，以及選自氮化鈦和氮化鋯中的至少一種氮化物；燒制該多層坯體的工序。在燒制步驟中，部分或全部氮化物被氧化成氧化物，從而造成體積膨脹。在體積膨脹后，由于氧化物被吸收到壓電陶瓷中，在氧化物所占據(jù)的位置形成坑16a或孔16b(圖3)。藉此，減小了內(nèi)電極層和壓電層之間的接觸面積，從而降低了內(nèi)電極層限制壓電層的限制作用。如上所述，由于體積因氮化物的氧化而膨脹，因此在某些情況下，在含氮化物的內(nèi)電極12b中形成坑16a或孔16b的同時(shí)，在相鄰壓電層中形成坑?？?6c由坑16a和在壓電層中與坑16a相應(yīng)的位置形成的坑組成。取決于燒制溫度，所有氮化物被氧化。在這種情況下，在內(nèi)電極層12b上形成坑或孔的同時(shí)，氮化物不存在于內(nèi)電極層12b中。一部分氮化物在燒制過程中仍未被氧化，未改變的氮化物存在于坑或孔中或所述坑或孔的附近。在升高燒制溫度的過程中，氮化物在600°C至700°C范圍內(nèi)的溫度開始氧化，并且大多數(shù)氮化物在高達(dá)900。C至1000。C范圍內(nèi)的溫度下被氧化。因此，優(yōu)選將燒制溫度設(shè)置在1000°C以下，更優(yōu)選在850°C至950°C范圍內(nèi)，還更優(yōu)選在900。C至950。C范圍內(nèi)，以在內(nèi)電極層12b中保留一部分氮化物。當(dāng)壓電陶瓷的燒結(jié)在超過完全氧化溫度的溫度下進(jìn)行時(shí)，在某些情況下，在與壓電層相對(duì)的面上的坑或孔消失。因此，優(yōu)選將燒制溫度設(shè)置在1000°C以下，更優(yōu)選在850°C至950。C范圍內(nèi)，還更優(yōu)選在850°C至900°C范圍內(nèi)，以保留坑或孔。此外，當(dāng)將多個(gè)含氮化物的內(nèi)電極層12b安置在層疊體13中時(shí)，還可以控制元件的位移量。這使得可以形成適合大規(guī)模生產(chǎn)并且不需要改變壓電層11的厚度或改變層疊的層數(shù)的結(jié)構(gòu)。可以如下確定內(nèi)電極層12的組成。將層疊體13沿著內(nèi)電極層12和壓電層ll之間的界面切開，以暴露內(nèi)電極層12，并且對(duì)內(nèi)電極層12的一部分進(jìn)行取樣。對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)分析如ICP(感應(yīng)耦合等離子體)發(fā)射分析。還可以采用諸如EPMA(電子探針微量分析)的方法，分析在層疊方向上切割的多層壓電元件的截面。通過采用XPS:X-射線光電子能譜法或ESCA:化學(xué)分析電子能譜法分析Ti或Zr的電子狀態(tài)，可以辨別是氮化物還是氧化物。在SEM(掃描電子顯微鏡)或金相顯微鏡下觀測(cè)多層壓電元件截面中的內(nèi)電極層，可以表明不僅存在金屬組分，而且存在非金屬組分如空隙和/或陶瓷。同樣，在這種情況下，可以通過EPMA等分析除空隙之外的區(qū)域中的組成。因此，可以確定含氮化物的內(nèi)電極層12b和其它內(nèi)電極層12a的組成。優(yōu)選存在多個(gè)含氮化物的內(nèi)電極層12b。還優(yōu)選將多個(gè)含氮化物的內(nèi)電極層12b沿著元件的層疊方向以有序排列方式設(shè)置。通過以有序排列方式設(shè)置含氮化物的內(nèi)電極層12b，可以有效分散作用在多層壓電元件上的應(yīng)力。短語"以有序排列方式設(shè)置含氮化物的內(nèi)電極層12b"不僅指將相等數(shù)量的其它內(nèi)電極層12a插入到含氮化物的內(nèi)電極層12b之間的每一個(gè)空間內(nèi)這樣的情形，而且指其中將數(shù)量不同但近似的其它內(nèi)電極層12a插入到含氮化物的內(nèi)電極層12b之間的不同空間內(nèi)這樣的情形，只要應(yīng)力不局部集中即可。具體而言，插入到含氮化物的內(nèi)電極層12b之間的每個(gè)空間中的其它內(nèi)電極層12a的數(shù)量?jī)?yōu)選在平均層數(shù)的士20%以內(nèi)，更優(yōu)選在平均層數(shù)的±10%以內(nèi)，并且進(jìn)一步優(yōu)選該數(shù)量在含氮化物的內(nèi)電極層12b之間的每一空間中是相同的。當(dāng)插入到含氮化物的內(nèi)電極層12b之間的每個(gè)空間中的其它內(nèi)電極層12a的數(shù)量在上述范圍內(nèi)時(shí)，可以更有效地分散作用在多層壓電元件上的應(yīng)力。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選內(nèi)電極層12不含絕緣材料或絕緣材料的含量小。這使得在操作壓電元件時(shí)可以增加壓電位移的量，而在壓電層ll中不產(chǎn)生不能施加電壓的部分，并且可以抑制應(yīng)力集中到絕緣材料部分上。優(yōu)選內(nèi)電極層12(12a，12b)包括空隙。這是因?yàn)樵S多空隙在內(nèi)電極層12中的存在使得金屬部件在經(jīng)受應(yīng)力時(shí)更容易變形，從而分散和減輕應(yīng)力?？障兜拇嬖谶€造成壓電層11在與內(nèi)電極層12接觸設(shè)置的壓電層11經(jīng)歷壓電位移時(shí)被部分地夾住。結(jié)果，由于限制壓電層11的力變得比在整個(gè)表面上夾緊的情形更小，所以位移變得更容易發(fā)生并且位移量增加。特別優(yōu)選內(nèi)電極層12a包括空隙，并且在內(nèi)電極層12a的截面中包含的空隙面積與截面總面積的比例(空隙比率)在5至70%范圍內(nèi)。內(nèi)電極層12a中的空隙比率更優(yōu)選為7至70%，并且進(jìn)一步優(yōu)選為10至60%。通過將內(nèi)電極層12a中的空隙比率控制在5至70M的范圍內(nèi)，可以使壓電層ll平穩(wěn)地變形，同時(shí)可以保持內(nèi)電極層12的足夠的導(dǎo)電性，從而可以增加多層壓電元件的位移量?？梢越柚鷴呙桦娮语@微鏡或金相顯微鏡，通過觀察在層疊方向上切割的多層壓電元件的截面來確定空隙比率。具體而言，通過采用由掃描電子顯微鏡等拍攝的元件截面的圖像，計(jì)算所有空隙的面積與內(nèi)電極層總面積的比率。在該過程中可以使用市場(chǎng)上可獲得的圖像處理應(yīng)用軟件。在更簡(jiǎn)單的方法中，可以在內(nèi)電極層12上在垂直于層疊方向的方向上劃線，并且可以將越過空隙的線段長(zhǎng)度的總和除以總線段長(zhǎng)度，以獲得空隙比率。含氮化物的內(nèi)電極層12b優(yōu)選具有以下這樣的構(gòu)造TiN或ZrN中的至少一種氮化物被散布在內(nèi)電極層12b中。具體而言，含氮化物的內(nèi)電極層12b優(yōu)選具有以下這樣的構(gòu)造被構(gòu)成內(nèi)電極層12b的金屬浸潤(rùn)的浸潤(rùn)性低的多種氮化物被散布在內(nèi)電極層12b中。采用這種構(gòu)造，即使當(dāng)內(nèi)電極層12b經(jīng)受在操作過程中產(chǎn)生的應(yīng)力時(shí)在氮化物粒子和構(gòu)成內(nèi)電極層12b的金屬之間產(chǎn)生裂紋，裂紋也僅僅在散布的氮化物粒子之間連接并且可以抑制發(fā)展的裂紋穿透壓電層11。這使得應(yīng)力消除效應(yīng)和強(qiáng)度可以共存。層疊體13優(yōu)選具有多邊形橫截面的棱柱形狀。在層疊體13具有圓柱形狀的情況下，必需層疊以高精度形成為真正圓形的層，并且難以提高制造的生產(chǎn)率。相反，多邊形棱柱結(jié)構(gòu)使得能夠在具有預(yù)定基準(zhǔn)線的壓電層11上形成內(nèi)電極層12，并且將所述層層疊成與基準(zhǔn)線對(duì)準(zhǔn)。結(jié)果，可以通過為大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)計(jì)的制造方法形成中心軸作為操作軸，以具有高耐久性。內(nèi)電極層12優(yōu)選主要由銀-鈀形成。銀-鈀和氮化物可以同時(shí)被燒結(jié)，因?yàn)檫@些材料具有類似的熱膨脹系數(shù)值。此外，由于銀-鈀和氮化物彼此不反應(yīng)形成金屬間化合物，因此氮化物粒子彼此接觸地散布于銀-鈀中以形成電極。而且，由于銀-鈀在燒結(jié)過程中形成液相，茵此TiN和ZrN變得更容易分散。在痕量的金屬Ti和Zr從TiN和ZrN解離時(shí)，金屬組分Ti和Zr與銀-鈀形成金屬粘結(jié)。這允許與銀-鈀的相互擴(kuò)散，由此使得可以燒結(jié)銀-鈀和已經(jīng)形成金屬粘結(jié)(在Ti、Zr和Ag-Pd之間的部分金屬粘結(jié))的部分TiN和ZrN粒子。在含氮化物的內(nèi)電極層12b中，由于TiN和/或ZrN粒子被構(gòu)成內(nèi)電極層12b的金屬浸潤(rùn)的浸潤(rùn)性低，因此如果金屬Ti和Zr不從TiN和ZrN解離，則金屬Ti和Zr在內(nèi)電極層12b中分離。在這種情況下，當(dāng)多層壓電元件經(jīng)受應(yīng)力時(shí)，在內(nèi)電極層12b中只發(fā)生氮化物粒子之間的滑動(dòng)。同時(shí)，由于痕量金屬Ti和Zr解離使得銀-鈀和部分TiN和ZrN粒子被燒結(jié)，因此當(dāng)經(jīng)受應(yīng)力時(shí)粘結(jié)斷裂。斷裂點(diǎn)起著裂紋發(fā)展的起點(diǎn)的作用，由此使得裂紋更容易彼此連接以在內(nèi)電極層12b中形成連續(xù)的裂紋。這改善了消除應(yīng)力的效應(yīng)。與TiN和ZrN類似的是，與TiN和ZrN不同的氮化物如BN被構(gòu)成內(nèi)電極層12的金屬浸潤(rùn)的浸潤(rùn)性低，但是其部分不與金屬粒子燒結(jié)，或者不容易與金屬粒子燒結(jié)。結(jié)果，很難產(chǎn)生上述應(yīng)力消除效應(yīng)。金屬Ti和Zr對(duì)于與構(gòu)成內(nèi)電極層12的金屬(例如，銀-鈀)反應(yīng)是活性的。因此，即使將這些金屬轉(zhuǎn)變成氮化物，所述金屬Ti和Zr的活性也以其中金屬組分保留在部分粒子中或氮化物被氧化的不穩(wěn)定中間狀態(tài)體現(xiàn)出來。當(dāng)比較TiN和ZrN時(shí)，優(yōu)選使用TiN，因?yàn)樗梢栽诟偷臏囟葍H部分通過與內(nèi)電極層12的金屬粒子的擴(kuò)散粘結(jié)而被燒結(jié)。氮化物在含氮化物的內(nèi)電極層12b中的含量?jī)?yōu)選為1重量％以上且不超過80重量％，更優(yōu)選1重量％以上且不超過40重量％，進(jìn)一步優(yōu)選l重量％以上且不超過7重量％，最優(yōu)選5重量％以上且不超過7重量％。在將氮化物含量控制為1重量％以上時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)上述應(yīng)力消除和位移量增加的充分效果。同時(shí)，在將氮化物含量控制為80重量％以下時(shí)，可以抑制含氮化物的內(nèi)電極層12b和壓電層11之間的粘結(jié)強(qiáng)度下降太多，可以將多層壓電元件磨制(groimd)或者切成任何形狀。此外，當(dāng)將氮化物含量控制為40重量％以下時(shí)，可以使含氮化物的內(nèi)電極層12b和其它內(nèi)電極層12a的熱膨脹特性彼此相似。因此，由于即使當(dāng)在惡劣環(huán)境中儲(chǔ)存或操作多層壓電元件時(shí)也能夠?qū)⒑锏膬?nèi)電極層12b和壓電層11之間的粘結(jié)強(qiáng)度保持在一定的水平，所以可以實(shí)現(xiàn)多層壓電元件的穩(wěn)定操作。當(dāng)將氮化物含量控制為1重量％以上且不超過7重量％時(shí)，通過TiN和/或ZrN與周圍金屬粒子的分離而吸收和減輕應(yīng)力的效果，和保持含氮化物的內(nèi)電極層12b和壓電層11之間的粘結(jié)強(qiáng)度的效果得到良好的平衡，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作用在多層壓電元件上的應(yīng)力的非常高的耐久性。優(yōu)選將這樣的金屬化合物作為主要組分包含在內(nèi)電極層12中，使得內(nèi)電極層12中鈀的比例Ml(重量％)和銀的比例M2(重量％)滿足0<Ml^15，85^M2<IOO和MI100的關(guān)系。當(dāng)鈀的比例高于15重量％時(shí)，比電阻變得更高并且內(nèi)電極層12變得更容易在連續(xù)操作多層壓電元件時(shí)產(chǎn)生熱量，而該熱量影響具有溫度依賴性的壓電層11，從而使位移特性變差。結(jié)果，多層壓電元件的位移量可能降低。當(dāng)形成外電極15時(shí)，外電極15和內(nèi)電極層12是通過這些部件之間的金屬組分的相互擴(kuò)散而連接在一起的。在鈀的比例高于15重量％的情況下，內(nèi)電極層的組分在其中擴(kuò)散的外電極15的部分的硬度變高，從而導(dǎo)致在操作過程中經(jīng)歷尺寸變化的多層壓電元件的較低耐久性。為了抑制內(nèi)電極層12中含有的銀遷移到壓電層11中，優(yōu)選將鈀的比例控制在0.001至15重量％范圍內(nèi)。為了提高多層壓電元件的耐久性，鈀的比例優(yōu)選在0.1至10重量％范圍內(nèi)。當(dāng)需要高導(dǎo)熱性和更高的耐久性時(shí)，鈀的比例優(yōu)選在0.5至9.5重量％范圍內(nèi)。當(dāng)需要還要更高的耐久性時(shí)，鈀的比例更優(yōu)選在2至8重量％范圍內(nèi)。另一方面，當(dāng)銀的比例低于85重量％時(shí)，內(nèi)電極層12的比電阻變高。這可能導(dǎo)致在多層壓電元件的連續(xù)操作過程中從內(nèi)電極層12產(chǎn)生顯著量的熱量。為了抑制內(nèi)電極層12中含有的銀遷移到壓電層11中，優(yōu)選將銀的比例控制在85至99.999重量％范圍內(nèi)。為了提高多層壓電元件的耐久性，銀的比例優(yōu)選在90至99.9重量％范圍內(nèi)。當(dāng)需要更高的耐久性時(shí)，銀的比例優(yōu)選在90.5至99.5重量％范圍內(nèi)。當(dāng)需要還要更高的耐久性時(shí)，銀的比例更優(yōu)選在92至98重量％范圍內(nèi)?？梢酝ㄟ^EPMA等測(cè)定內(nèi)電極層12中的金屬鈀和金屬銀。優(yōu)選壓電層ll含有鈣鈦礦型氧化物作為主要組分。例如，當(dāng)壓電層11由鈣鈦礦型壓電陶瓷材料如鈦酸鋇(BaTi03)形成時(shí)，其具有高的壓電應(yīng)變常數(shù)(133，即壓電性的指數(shù)，這使得能夠提高位移量，并且還使得能夠同時(shí)燒制壓電層11和內(nèi)電極層12。還優(yōu)選的是，壓電層11含有由鋯鈦酸鉛(PbZr03-PbTi03)組成的鈣鈦礦型氧化物作為主要組分，該鈣鈦礦型氧化物具有較高的壓電應(yīng)變常數(shù)值d33。當(dāng)在高溫高濕的環(huán)境中使用多層壓電元件時(shí)，在構(gòu)成內(nèi)電極層12的金屬被氧化之前，內(nèi)電極層12b中含有的TiN和ZrN中的至少一種變成氧化鈦或氧化鋯，其是鋯鈦酸鉛的主要組分。在該過程中，由于氧化成穩(wěn)定Ti02或Zr02的過程從周圍材料中奪取氧，因此內(nèi)電極層12的金屬組分被還原并且保持穩(wěn)定的金屬層。氧化鈦或氧化鋯以相互擴(kuò)散的方式與作為壓電層11的組分的鋯鈦酸鉛接合，以實(shí)現(xiàn)用于將壓電層11和內(nèi)電極層12牢固地接合在一起的粘固效應(yīng)。結(jié)果，可以制備對(duì)環(huán)境具有優(yōu)異的抵抗力的多層壓電元件。現(xiàn)在描述制備本發(fā)明的壓電元件的方法。首先，將由PbZr03-PbTi03等組成的鈣鈦礦型氧化物所構(gòu)成的壓電陶瓷材料的煅燒粉末、由有機(jī)聚合物比如丙烯酸類樹脂或丁縮醛樹脂制成的粘合劑以及增塑劑比如DBP(鄰苯二甲酸二丁酯)或DOP(鄰苯二甲酸二辛酯)混合以形成漿液。通過已知的方法比如刮刀法或砑光輥法或其它帶材成型法，將該漿液形成為陶瓷生片，該陶瓷生片在燒制后變?yōu)閴弘妼?1。然后，將構(gòu)成內(nèi)電極層12的金屬粉末如銀-鈀、粘合劑和增塑劑混合以制備導(dǎo)電膏，該導(dǎo)電膏通過絲網(wǎng)印刷法等在所述生片的頂表面上被涂覆到1至40iim的厚度。用于形成含氮化物的內(nèi)電極層12b的導(dǎo)電膏是通過混合金屬粉末如銀-鈀、氮化物TiN和ZrN中的至少一種、粘合劑和增塑劑而制備的。在這種情況下，金屬粉末如銀-鈀也可以是控制比例的銀粉和鈀粉的混合物，而不是合金粉末。還可以將銀粉或鈀粉加入到銀-鈀合金粉末中，之后控制混合物的組成。然而，為了產(chǎn)生金屬在膏中的均勻分散以及在內(nèi)電極層12的同一平面內(nèi)的均勻組成，優(yōu)選使用被控制為預(yù)定組成的合金粉末?！鰧⒍鄠€(gè)其上印刷有導(dǎo)電膏的生片以所需的排列方式彼此層疊，并且將該層疊體在預(yù)定溫度加熱以移除粘合劑。然后，將層疊體在900至1200°C的范圍內(nèi)的溫度燒制，由此制造層疊體13。當(dāng)將構(gòu)成內(nèi)電極層12的金屬粉末如銀-鈀加入到形成非活動(dòng)層14的生片中時(shí)，或當(dāng)在形成非活動(dòng)層14的生片被層疊時(shí)將由構(gòu)成內(nèi)電極層12的金屬粉末如銀-鈀、無機(jī)化合物、粘合劑和增塑劑組成的漿液印刷在該生片上的時(shí)候，在燒結(jié)過程中非活動(dòng)層14和其它部分之間的收縮行為和收縮率可以相匹配，由此可以形成高密度的層疊體B。制造層疊體13的方法并不限于上述方法，并且可以采用任何制造方法，只要可以以多個(gè)壓電層11和多個(gè)內(nèi)電極層12彼此交替層疊這樣的構(gòu)造制造出層疊體13即可。然后，通過將粘合劑添加到玻璃粉末中制備導(dǎo)電銀-玻璃膏，并且將該膏印刷在層疊體13的外電極形成表面上，并且將層疊體在高于玻璃的軟化點(diǎn)并且不高于銀的熔點(diǎn)(965。C)的溫度進(jìn)行烘焙。因此，外電極15由導(dǎo)電銀-玻璃膏形成。此時(shí)，可以將構(gòu)成外電極15的膏以多層的形式涂覆，然后同時(shí)烘焙，或可以烘焙?jiǎn)螌?。由于便于大?guī)模生產(chǎn)，優(yōu)選的是，形成多層，然后將其同時(shí)烘焙。當(dāng)形成具有不同含量的玻璃組分的層時(shí)，可以在逐一改變包含在每一個(gè)層中的玻璃組分的量的同時(shí)形成所述層。當(dāng)需要形成與壓電層11接觸的非常薄的富含玻璃層時(shí)，可以通過絲網(wǎng)印刷法等將富含玻璃膏印刷在層疊體13上，并且可以將多個(gè)片層疊在其上。14最后，將引線連接至外電極15。通過引線，將O.l至3kV/mm的DC電壓施加在一對(duì)外電極15之間以對(duì)層疊體13進(jìn)行極化處理，從而完成了使用本發(fā)明的多層壓電元件的多層壓電致動(dòng)器。當(dāng)將引線連接至外部電壓源并且經(jīng)由引線和外電極15向內(nèi)電極12施加電壓時(shí)，壓電層11通過反向壓電效應(yīng)經(jīng)歷明顯的位移量，從而驅(qū)動(dòng)例如將燃料供給至發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車燃料噴射裝置。借助于導(dǎo)電粘合劑，可以將包含網(wǎng)狀或梳狀金屬的布線連接至外電極15的外表面。當(dāng)通過供應(yīng)大的電流以高速操作致動(dòng)器時(shí)，這種布線允許大的電流在內(nèi)電極附近流動(dòng)，并且降低在外電極15內(nèi)流動(dòng)的電流。因此，可以抑制外電極15由于局部加熱而斷線，由此極大地改善了耐久性。導(dǎo)電粒子更優(yōu)選為具有比如片狀或針狀粒子這樣的形狀的非球形粒子。當(dāng)導(dǎo)電粒子是非球形粒子比如片狀或針狀粒子時(shí)，導(dǎo)電粒子可以牢固地彼此纏結(jié)，由此提高了導(dǎo)電粘合劑的剪切強(qiáng)度。已經(jīng)對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明的多層壓電元件并不限于上述的實(shí)施方案，并且可以在不偏離本發(fā)明的精神的情況下進(jìn)行各種改變。例如，盡管在上述實(shí)施方案中所有的內(nèi)電極層都由合金制成，但是也可以采用這種構(gòu)造內(nèi)電極層的一部分由合金形成，而其余部分由金屬元素形成。盡管上述實(shí)施方案中內(nèi)電極層包含相同的組分，但是內(nèi)電極層也可以由包含不同元素作為主要組分的兩種以上的層構(gòu)成。<噴射裝置>圖4是示意性顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的噴射裝置的截面圖。如圖4所示，該實(shí)施方案的噴射裝置包括由上述實(shí)施方案示例的本發(fā)明的多層壓電元件，該多層壓電元件被容納在容器31中，所述容器31具有在其一端形成的噴射孔33。在容器31中設(shè)置針形閥35，該針形閥35能夠開啟和關(guān)閉噴射孔33。噴射孔33配置有燃料通道37，所述燃料通道37被設(shè)置為根據(jù)針形閥35的移動(dòng)與該噴射孔33連通。燃料通道37與被安置在裝置外部的燃料源連接，以接收在始終保持恒定的高壓下供應(yīng)到其中的燃料。當(dāng)針形閥35開啟噴射孔33時(shí)，注入燃料通道37的燃料被噴射到內(nèi)燃機(jī)(圖中未顯示)的燃料室中。15針形閥35具有其中內(nèi)徑變大的擴(kuò)大頂部。提供形成在容器31內(nèi)的圓筒39，其中活塞41可以產(chǎn)生滑動(dòng)。被設(shè)置在容器31中的是壓電致動(dòng)器43，該壓電致動(dòng)器43配置有上述的多層壓電元件。在這種噴射裝置中，當(dāng)壓電致動(dòng)器43響應(yīng)施加到其上的電壓而膨脹時(shí)，按壓活塞41，使得針形閥35堵塞噴射孔33，由此停止燃料的供應(yīng)。當(dāng)消除電壓時(shí)，壓電致動(dòng)器43收縮，并且貝氏彈簧45反向推動(dòng)活塞41，使得噴射孔33與燃料通道37連通，并且排出燃料。本發(fā)明涉及壓電致動(dòng)器裝置，但是本發(fā)明并不限于上述的實(shí)施方案，并且可以在不偏離本發(fā)明精神的情況下進(jìn)行各種變化。只要利用壓電性能，本發(fā)明的壓電致動(dòng)器裝置就可以用于例如，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴射裝置，噴墨打印機(jī)等的液體噴射裝置，或在用于光學(xué)裝置的精密定位器件或防振器件中使用的驅(qū)動(dòng)裝置、安裝在燃燒壓力傳感器、爆震傳感器、加速度傳感器、負(fù)荷傳感器、超聲波傳感器、壓力傳感器、偏航速率傳感器(yawmtesensor傳中的傳感器元件，或被用作安裝在壓電回轉(zhuǎn)儀、壓電開關(guān)、壓電換能器、壓電斷路器等中的電路元件。實(shí)施例如下制備包括第一實(shí)施方案的多層壓電元件的壓電致動(dòng)器。首先，將作為主要組分的平均粒度為0.4pm的鋯鈦酸鉛(PbZr03-PbTi03)構(gòu)成的壓電陶瓷材料的煅燒粉末、粘合劑和增塑劑混合，以形成漿液，通過刮刀法將該漿液形成為在燒制后厚度為100pm的陶瓷生片。通過絲網(wǎng)印刷法將導(dǎo)電膏涂覆到陶瓷生片的一個(gè)側(cè)面上，所述導(dǎo)電膏通過將粘合劑添加到主要由銀-鈀組成的合金中以具有表1中所示組成而制備。然后，將300片的陶瓷生片層疊，并且在800。C的溫度保持2小時(shí)之后，在1000。C的溫度燒制2小時(shí)。此時(shí)，在將要形成含有TiN和ZrN中至少一種的內(nèi)電極層12b的部分上，將導(dǎo)電膏印刷至3[im的厚度，所述導(dǎo)電膏通過將TiN、ZrN和粘合劑添加到銀-鈀合金中以具有表1所示組成而制備，并且將含有TiN和ZrN中至少一種的內(nèi)電極層12b設(shè)置為第50層、第100層、第150層、第200層和第250層。然后，將平均粒度為2pm的片狀粒子的銀粉和包含平均粒度為2的硅作為主要組分，軟化點(diǎn)為640。C的無定形玻璃粉的混合物，與相對(duì)于總計(jì)IOO重量份的銀粉和玻璃粉比例為8重量份的粘合劑混合，從而通過完全混合該粉末，制備導(dǎo)電銀-玻璃膏。將由此制備的導(dǎo)電銀-玻璃膏印刷到層疊體13的外電極15上，并且在700。C烘焙30分鐘，由此形成外電極15。然后，禾擁與外電極15連接的引線，將3kV/mm的DC電場(chǎng)經(jīng)由引線在正和負(fù)外電極15之間施加15分鐘，以進(jìn)行極化處理，從而完成了使用如圖1A、1B所示的多層壓電元件的壓電致動(dòng)器。當(dāng)將150V的DC電壓施加到多層壓電元件上時(shí)，所有壓電致動(dòng)器都顯示在層疊方向上的位移。然后，在室溫，向壓電致動(dòng)器裝置施加0至+150V、150Hz的AC電壓，以進(jìn)行1x109次循環(huán)的連續(xù)操作測(cè)試。測(cè)試結(jié)果示于表1中。<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>如表1所示，在作為比較例制造的其中將BN作為不同于TiN和ZrN的氮化物加入的8號(hào)樣品中和其中沒有加入氮化物的9號(hào)樣品中，由于穿透插入內(nèi)電極層之間的壓電層的裂紋，位移量是小的。據(jù)認(rèn)為，這是因?yàn)榱鸭y僅出現(xiàn)在內(nèi)電極層中并且不能減輕應(yīng)力，因而導(dǎo)致應(yīng)力集中在內(nèi)電極層和壓電層之間的界面。相反，作為本發(fā)明實(shí)施例制造的1至8號(hào)樣品，顯示出壓電致動(dòng)器所需的有效位移量，在1x109次循環(huán)的連續(xù)操作之后，位移量沒有明顯下降，因此制造了具有高耐久性的壓電致動(dòng)器。權(quán)利要求1.一種多層壓電元件，所述多層壓電元件包括多個(gè)壓電層；和多個(gè)內(nèi)電極層，所述壓電層和所述內(nèi)電極層彼此交替地層疊，其中所述多個(gè)內(nèi)電極層中的至少一個(gè)含有選自氮化鈦和氮化鋯中的至少一種氮化物。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層壓電元件，其中含有所述氮化物的所述內(nèi)電極層在與所述壓電層相對(duì)的面中具有多個(gè)坑或孔。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多層壓電元件，其中所述內(nèi).電極層中含有的所述氮化物存在于所述坑或孔中或所述坑或孔的附近。'4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多層壓電元件，其中與含有所述氮化物的所述內(nèi)電極層相對(duì)的所述壓電層在與所述內(nèi)電極層的所述坑或所述孔對(duì)應(yīng)的位置具有坑。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層壓電元件，其中2個(gè)以上的所述內(nèi)電極層含有所述氮化物，并且所述2個(gè)以上的內(nèi)電極層是沿著層疊方向以有序排列方式設(shè)置的。6.—種噴射裝置，所述噴射裝置包括具有噴射孔的容器；和根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多層壓電元件，其中注入所述容器中的液體是通過所述多層壓電元件的操作經(jīng)由所述噴射孔排出的。7.—種制備多層壓電元件的方法，所述方法包括通過將各自具有作為主要材料的壓電陶瓷的生片和各自具有作為主要材料的金屬的導(dǎo)電膏層彼此交替地層疊，形成多層坯體的工序；燒制所述多層坯體的工序；其中所述導(dǎo)電膏層中的至少一個(gè)含有選自氮化鈦和氮化鋯中的至少一種氮化物。全文摘要本發(fā)明提供一種具有更高耐久性的多層壓電元件，該多層壓電元件即使在高壓力和高電壓下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)操作時(shí)，也經(jīng)歷更小的位移量下降。該多層壓電元件(13)包括多個(gè)壓電層(11)和多個(gè)內(nèi)電極層(12a，12b)，其中所述壓電層和所述內(nèi)電極層彼此交替層疊，并且所述多個(gè)內(nèi)電極層中的至少一個(gè)含有選自氮化鈦或氮化鋯中的至少一種氮化物。文檔編號(hào)F02M51/06GK101681983SQ200780052368公開日2010年3月24日申請(qǐng)日期2007年3月27日優(yōu)先權(quán)日2007年3月27日發(fā)明者伯恩哈德·德爾加斯特,卡斯滕·舒,哈拉爾-約翰尼斯·卡斯特爾,坂元隆己,稻垣正祥,越智篤申請(qǐng)人:京瓷株式會(huì)社;西門子公司