專利名稱：層疊型壓電元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及層疊型壓電元件，該層疊型壓電元件具有交替層疊多個(gè)壓電陶瓷層和多個(gè)內(nèi)部電極層而形成的陶瓷層疊體、和形成在該陶瓷層疊體側(cè)面的一對(duì)側(cè)面電極，在從上述陶瓷層疊體的側(cè)面向內(nèi)側(cè)凹陷的縫狀的區(qū)域形成有應(yīng)力緩和部。
背景技術(shù)：
以往，在燃料噴射閥的驅(qū)動(dòng)源等上使用層疊型壓電元件。層疊型壓電元件是例如在交替層疊多片內(nèi)部電極和壓電陶瓷的陶瓷層疊體上，將交替與上述內(nèi)部電極電連接的一對(duì)外部電極接合而形成的。
特別地，在燃料噴射閥等的用途中，需要在苛刻的條件下經(jīng)過長時(shí)間使用上述層疊型壓電元件。因此，例如為了提高側(cè)面的電絕緣性，廣泛采用陶瓷層疊體，該層疊體具有內(nèi)部電極層的端部的一部分向內(nèi)側(cè)后退的內(nèi)部電極非形成區(qū)域。
可是，如果為了提高絕緣性，像上述那樣形成內(nèi)部電極非形成區(qū)域，那么當(dāng)施加電壓時(shí)，有可能在上述陶瓷層疊體上產(chǎn)生變形的部分和難以變形的部分，在其邊界部分引起應(yīng)力集中而在元件上發(fā)生裂縫。
為了避免因應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂縫，開發(fā)了一種層疊型壓電元件，在陶瓷層疊體的側(cè)面具有對(duì)于層疊方向以規(guī)定的間隔所形成的溝部(應(yīng)力緩和部)(參照專利文獻(xiàn)1)。
但是，即使在形成了應(yīng)力緩和部的情況下，當(dāng)在該應(yīng)力緩和部上施加電壓時(shí)，也有可能從應(yīng)力緩和部的前端產(chǎn)生裂縫。為了避免這樣，有必要使應(yīng)力緩和部(溝部)的與層疊方向垂直的方向的深度比內(nèi)部電極非形成區(qū)域的距離大。可是，如果成為這樣的結(jié)構(gòu)，當(dāng)在應(yīng)力緩和部(溝部)施加大的電壓時(shí)，有可能在溝部引起放電而短路。即，存在不能充分確保絕緣性、層疊型壓電元件的壽命變短的問題。
另外，為了避免裂縫的產(chǎn)生，開發(fā)了將隔著應(yīng)力緩和部的內(nèi)部電極作為同極的層疊型壓電元件(參照專利文獻(xiàn)2)。
在這樣以往的層疊型壓電元件中，通過將隔著應(yīng)力緩和部的內(nèi)部電極作為同極，使隔著它們的壓電陶瓷層作為壓電非活性層，在層疊型壓電元件伸縮時(shí)，能夠使應(yīng)力集中在上述壓電非活性層上?？梢韵氲?，結(jié)果，即使萬一產(chǎn)生裂縫，裂縫也會(huì)選擇地(優(yōu)先地)進(jìn)入應(yīng)力緩和部，防止裂縫產(chǎn)生在層疊體的壓電活性層上，能夠提高耐久性。
但是，實(shí)際上，即使在應(yīng)力緩和部上不產(chǎn)生裂縫的狀態(tài)下，也不能得到充分的絕緣性，依然存在絕緣電阻下降而發(fā)生短路的問題。另外，無論是否在包含同極的內(nèi)部電極層所隔著的應(yīng)力緩和部在內(nèi)的陶瓷層上加電場，都幾乎沒有位移。因此，存在層疊型壓電元件的位移量降低了的問題。
如上述這樣，在以往的層疊型壓電元件中，為了提高位移量，雖然將包含上述應(yīng)力緩和部的上述壓電陶瓷層作為驅(qū)動(dòng)層，但是仍達(dá)不到確保足夠壽命的目的。
專利文獻(xiàn)1(日本)特開昭62-271478號(hào)公報(bào) 專利文獻(xiàn)2(日本)特開2006-216850號(hào)公報(bào)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于這樣以往的問題點(diǎn)，提供一種層疊型壓電元件，幾乎不損害位移性能，更可靠地防止絕緣電阻的下降，在耐久性上出色。
第1發(fā)明是一種層疊型壓電元件，具有交替層疊多個(gè)壓電陶瓷層和多個(gè)內(nèi)部電極層而成的陶瓷層疊體、和形成在與該陶瓷層疊體的層疊方向垂直的方向的側(cè)面上的一對(duì)側(cè)面電極，其特征在于， 上述內(nèi)部電極層包括具有導(dǎo)電性的內(nèi)部電極形成區(qū)域、和該內(nèi)部電極形成區(qū)域的外周端部從上述陶瓷層疊體的外周面向內(nèi)側(cè)以規(guī)定的后退距離后退的內(nèi)部電極非形成區(qū)域，且上述內(nèi)部電極層在上述內(nèi)部電極形成區(qū)域上交替地與某一方的上述側(cè)面電極電連接； 上述陶瓷層疊體具有從該陶瓷層疊體的側(cè)面向內(nèi)側(cè)以規(guī)定的深度凹陷的縫狀的應(yīng)力緩和部； 隔著上述應(yīng)力緩和部且與該應(yīng)力緩和部相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層中的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的上述后退距離，在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，比位于與該內(nèi)部電極非形成區(qū)域相同側(cè)面、且在層疊方向與該內(nèi)部電極非形成區(qū)域相鄰的上述應(yīng)力緩和部的深度大(權(quán)利要求1)。
即，本發(fā)明者們對(duì)于在層疊型壓電元件上形成溝部等應(yīng)力緩和部時(shí)的不良狀況進(jìn)行了專心研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與上述應(yīng)力緩和部相鄰的負(fù)極層和與該負(fù)極層相鄰的正極層所隔著的壓電陶瓷層的絕緣電阻最早下降。
為了對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)說明，首先，對(duì)一般的層疊型壓電元件的絕緣電阻下降進(jìn)行說明。
一般地，如果對(duì)層疊型壓電元件以高溫持續(xù)施加高電場，那么會(huì)出現(xiàn)低電阻區(qū)域從負(fù)極側(cè)擴(kuò)大的現(xiàn)象。這個(gè)原因是例如在利用一體燒結(jié)制作層疊型壓電元件的情況下，在這樣一體燒結(jié)時(shí)，在向壓電陶瓷層擴(kuò)散的離子狀態(tài)下存在的導(dǎo)電性金屬離子，被從負(fù)極釋放的電子金屬化而造成的。由于上述現(xiàn)象，正極層和負(fù)極層之間的層疊方向的電場強(qiáng)度分布變得不均勻。即，低電阻區(qū)域的電場強(qiáng)度下降，相對(duì)地低電阻區(qū)域以外的電場強(qiáng)度上升。因此，該電場強(qiáng)度的上升加速了絕緣電阻的劣化。另外，上述低電阻區(qū)域的擴(kuò)大因水分的存在而加速。
具體地，例如，在一體燒結(jié)時(shí)，從由AgPd電極等構(gòu)成的內(nèi)部電極形成區(qū)域向由PZT等構(gòu)成的壓電陶瓷層擴(kuò)散的Ag+離子在驅(qū)動(dòng)時(shí)被從負(fù)極層釋放的電子金屬化，由此形成低電阻區(qū)域，進(jìn)而引起該低電阻區(qū)域向正極層側(cè)成長這樣的現(xiàn)象(Ag++e→Ag金屬)。
特別是，在具有應(yīng)力緩和部的層疊型壓電元件的情況下，應(yīng)力緩和部成為與存在水分的外部相通的通路，因此與應(yīng)力緩和部最相鄰的負(fù)極層的低電阻區(qū)域的擴(kuò)大現(xiàn)象特別顯著。
因此，與應(yīng)力緩和部相鄰的負(fù)極層和與該負(fù)極層相鄰的正極層所隔著的壓電陶瓷層的絕緣電阻最早下降。特別是，在因電場強(qiáng)度和逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生應(yīng)力的雙方集中的壓電層驅(qū)動(dòng)區(qū)域端部上，絕緣電阻的下降較早。在此所謂壓電驅(qū)動(dòng)區(qū)域端部90如圖45所示，是在層疊型壓電元件9上、與應(yīng)力緩和部91、92相鄰的負(fù)極層的電極端部949(換言之，與應(yīng)力緩和部91、92相鄰、且與負(fù)極層的側(cè)面電極97電連接的內(nèi)部電極形成區(qū)域941的外周端部949)，以及從在層疊方向上最鄰近于與應(yīng)力緩和部91、92相鄰的負(fù)極層(相鄰負(fù)極層)的正極層的電極端部939、沿著層疊方向下降到該負(fù)極層(相鄰負(fù)極層)上的垂線與該負(fù)極層94(相鄰負(fù)極層)相交的部位960(換言之，從在層疊方向上最鄰近于內(nèi)部電極層94的與正極側(cè)的側(cè)面電極98電連接的內(nèi)部電極形成區(qū)域931的外周端部939、下降到與應(yīng)力緩和部91、92相鄰的與負(fù)極側(cè)的側(cè)面電極97電連接的內(nèi)部電極形成區(qū)域941上的垂線與該內(nèi)部電極形成區(qū)域941相交的部位960，其中，內(nèi)部電極層94在層疊方向上與應(yīng)力緩和部91、92相鄰，且具有與負(fù)極側(cè)的側(cè)面電極97電連接的內(nèi)部電極形成區(qū)域941)。進(jìn)而，在應(yīng)力緩和部上施加大電壓的情況下，在該應(yīng)力緩和部引起放電，絕緣電阻顯著下降。
本發(fā)明者們?nèi)缟鲜瞿菢?，解釋了具有?yīng)力緩和部的層疊型壓電元件中的絕緣下降機(jī)理，由此得到了本發(fā)明。
即，在上述第1發(fā)明的層疊型壓電元件中，隔著上述應(yīng)力緩和部且與該應(yīng)力緩和部相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層中的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的上述后退距離，在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，比位于與該內(nèi)部電極非形成區(qū)域相同側(cè)面且沿著層疊方向與該內(nèi)部電極非形成區(qū)域相鄰的上述應(yīng)力緩和部的深度大。換言之，在上述層疊型壓電元件的上述層疊方向的剖面上，隔著上述應(yīng)力緩和部的2個(gè)內(nèi)部電極層的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域之中、位于與該應(yīng)力緩和部相同側(cè)面的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的上述后退距離比上述應(yīng)力緩和部的深度大。
因此，即使將包含上述應(yīng)力緩和部的上述壓電陶瓷層作為驅(qū)動(dòng)層，也能夠抑制或防止過大電場施加在上述應(yīng)力緩和部上。由此，幾乎不損害位移量，而能夠防止絕緣電阻的下降。
而且，上述正極層以及負(fù)極層是具有分別與正極側(cè)以及負(fù)極側(cè)的側(cè)面電極電連接的上述內(nèi)部電極形成區(qū)域的內(nèi)部電極層。
第2發(fā)明是一種層疊型壓電元件，具有交替層疊多個(gè)壓電陶瓷層和多個(gè)內(nèi)部電極層而形成的陶瓷層疊體、和形成在與該陶瓷層疊體的層疊方向垂直的方向的側(cè)面的一對(duì)側(cè)面電極，其特征在于， 上述內(nèi)部電極層含有具有導(dǎo)電性的內(nèi)部電極形成區(qū)域、和該內(nèi)部電極形成區(qū)域的外周端部從上述陶瓷層疊體的外周面向內(nèi)側(cè)以規(guī)定的后退距離后退的內(nèi)部電極非形成區(qū)域，且上述內(nèi)部電極層在上述內(nèi)部電極形成區(qū)域上交替地與某一方的上述側(cè)面電極電連接； 上述陶瓷層疊體具有從該陶瓷層疊體的側(cè)面向內(nèi)側(cè)方向以規(guī)定的深度凹陷的縫狀的應(yīng)力緩和部； 在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，如果將形成在負(fù)極的上述側(cè)面電極側(cè)的上述應(yīng)力緩和部作為負(fù)極側(cè)緩和部，將隔著該負(fù)極側(cè)緩和部而相鄰的2個(gè)上述內(nèi)部電極層之中的與負(fù)極側(cè)的上述側(cè)面電極電連接的上述內(nèi)部電極層作為基準(zhǔn)電極層，那么相對(duì)于上述負(fù)極側(cè)緩和部沿層疊方向隔著上述基準(zhǔn)電極層而相鄰、且與正極側(cè)的側(cè)面電極連接的內(nèi)部電極層的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的上述后退距離，比上述負(fù)極側(cè)緩和部的深度大； 在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，將形成在正極的側(cè)面電極側(cè)的上述應(yīng)力緩和部作為正極側(cè)緩和部，隔著該正極側(cè)緩和部而相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層之中的與負(fù)極側(cè)的上述側(cè)面電極電連接的上述內(nèi)部電極層的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的后退距離，比上述正極側(cè)緩和部的深度大(權(quán)利要求7)。
在上述第2發(fā)明的層疊型壓電元件上中，在該層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，相對(duì)于上述負(fù)極側(cè)緩和部沿著層疊方向隔著上述基準(zhǔn)電極而相鄰、且與正極側(cè)的側(cè)面電極電連接的內(nèi)部電極層的內(nèi)部電極非形成區(qū)域的后退距離，比上述負(fù)極側(cè)緩和部的深度大。進(jìn)而，隔著該正極側(cè)緩和部相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層之中的與負(fù)極側(cè)的上述側(cè)面電極電連接的上述內(nèi)部電極層的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的后退距離，比上述正極側(cè)緩和部的深度大。
上述基準(zhǔn)電極層、與相對(duì)于上述負(fù)極側(cè)緩和部沿著層疊方向隔著上述基準(zhǔn)電極層而相鄰且與正極側(cè)的側(cè)面電極連接的內(nèi)部電極層之間的壓電陶瓷層，相當(dāng)于上述的絕緣電阻最早下降的壓電陶瓷層，即由與應(yīng)力緩和部相鄰的負(fù)極層和與該負(fù)極層相鄰的正極層隔著的壓電陶瓷層。
在上述第2發(fā)明中，構(gòu)成為不存在最使絕緣電阻加速下降的部位，即受到大電壓施加的上述應(yīng)力緩和部、和上述壓電層驅(qū)動(dòng)區(qū)域端部在層疊方向上重合的部位。因此，能夠?qū)⒑猩鲜鰬?yīng)力緩和部的上述壓電陶瓷層作為驅(qū)動(dòng)源，且能夠抑制向絕緣電阻容易下降的部位施加電場。因此，更可靠地防止絕緣電阻的下降，上述層疊型壓電元件能夠顯示出出色的耐久性。
第3發(fā)明是一種層疊型壓電元件，具有交替層疊多個(gè)壓電陶瓷層和多個(gè)內(nèi)部電極層而形成的陶瓷層疊體、和形成在與該陶瓷層疊體的層疊方向垂直的方向的側(cè)面的一對(duì)側(cè)面電極，其特征在于， 上述內(nèi)部電極層含有具有導(dǎo)電性的內(nèi)部電極形成區(qū)域、和該內(nèi)部電極形成區(qū)域的外周端部從上述陶瓷層疊體的外周面向內(nèi)側(cè)以規(guī)定的后退距離后退的內(nèi)部電極非形成區(qū)域，且上述內(nèi)部電極層在上述內(nèi)部電極形成區(qū)域上交替地與某一方的上述側(cè)面電極電連接； 上述陶瓷層疊體具有從該陶瓷層疊體的側(cè)面向內(nèi)側(cè)以規(guī)定的深度凹陷的縫狀的應(yīng)力緩和部； 將隔著上述應(yīng)力緩和部的2個(gè)內(nèi)部電極層作為相鄰電極層，則在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上具有離間部，該離間部沿著與上述層疊方向垂直的方向?qū)⑸鲜鱿噜忞姌O層的上述內(nèi)部電極形成區(qū)域的上述外周端部、和位于與該相鄰電極層中的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域相同側(cè)面的上述應(yīng)力緩和部的前端部隔開距離(權(quán)利要求12)。
在上述第3發(fā)明的層疊型壓電元件中，在上述層疊方向的剖面上，具有離間部，沿著與上述層疊方向垂直的方向?qū)⑸鲜鱿噜忞姌O層中的上述內(nèi)部電極形成區(qū)域的上述外周端部、和與位于與該相鄰電極層中的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域相同側(cè)面的上述應(yīng)力緩和部的前端部隔開距離。
因此，即使將包含上述應(yīng)力緩和部的上述壓電陶瓷層作為驅(qū)動(dòng)層，也能夠抑制或防止在上述應(yīng)力緩和部上施加過大的電場。由此，幾乎不損害位移量，而能夠防止絕緣電阻的下降。
圖1是示出涉及實(shí)施例1的、層疊型壓電元件的構(gòu)造的說明圖。
圖2是涉及實(shí)施例1的、層疊型壓電元件的剖面圖。
圖3是示出涉及實(shí)施例1的、層疊型壓電元件的縫部分的剖面構(gòu)造的說明圖。
圖4是示出涉及實(shí)施例1的、形成第1電極印刷板的工藝的說明圖。
圖5是示出涉及實(shí)施例1的、形成第2電極印刷板的工藝的說明圖。
圖6是示出涉及實(shí)施例1的、形成消失縫印刷板的工藝的說明圖。
圖7是示出涉及實(shí)施例1的、層疊電極印刷板以及消失縫印刷板的工藝的說明圖。
圖8是涉及實(shí)施例1的、預(yù)備層疊體的俯視圖。
圖9是示出圖5的A-A剖面的剖面圖。
圖10是示出涉及實(shí)施例1的、中間層疊體的剖面構(gòu)造的說明圖。
圖11是示出涉及實(shí)施例1的、在不同層上形成交替露出不同的側(cè)面的應(yīng)力緩和部的層疊型壓電元件的構(gòu)造的說明圖。
圖12是示出涉及實(shí)施例1的、內(nèi)部電極部和縫層的形成圖形的陶瓷層疊體的展開說明圖。
圖13是示出涉及實(shí)施例1的、內(nèi)部電極部和縫層的形成圖形的變形(a)～(c)的說明圖。
圖14是示出構(gòu)成為使凹進(jìn)距離比最小的應(yīng)力緩和部的深度還小的層疊型壓電元件的剖面構(gòu)造的說明圖。
圖15是示出涉及第2發(fā)明的層疊型壓電元件的圖形的剖面構(gòu)造的說明圖。
圖16是示出構(gòu)成為使凹進(jìn)距離比最小的應(yīng)力緩和部的深度還小的層疊型壓電元件的剖面構(gòu)造的說明圖。
圖17是示出構(gòu)成為使凹進(jìn)距離比最小的應(yīng)力緩和部的深度還小的層疊型壓電元件的剖面構(gòu)造的說明圖。
圖18是示出涉及實(shí)施例2的、層疊型壓電元件的構(gòu)造的說明圖。
圖19是示出涉及實(shí)施例2的、層疊型壓電元件的剖面構(gòu)造的說明圖。
圖20是示出涉及實(shí)施例2的、層疊型壓電元件的應(yīng)力緩和部周邊的剖面構(gòu)造的說明圖。
圖21是示出涉及實(shí)施例2的、形成第1電極印刷板的工藝的說明圖。
圖22是示出涉及實(shí)施例2的、形成第2電極印刷板的工藝的說明圖。
圖23是示出涉及實(shí)施例2的、形成消失縫印刷板的工藝的說明圖。
圖24是示出涉及實(shí)施例2的、層疊電極印刷板以及消失縫印刷板的工藝的說明圖。
圖25是涉及實(shí)施例2的、預(yù)備層疊體的俯視圖。
圖26是示出圖25的B-B剖面的剖面圖。
圖27是示出涉及實(shí)施例2的、中間層疊體的剖面構(gòu)造的說明圖。
圖28是示出涉及實(shí)施例2的、交替露出不同的側(cè)面的應(yīng)力緩和部形成在與內(nèi)部電極層大致相同層的層疊型壓電元件的剖面構(gòu)造的說明圖。
圖29是示出形成了應(yīng)力緩和部以外的縫狀的溝部的層疊型壓電元件的剖面構(gòu)造的說明圖。
圖30是示出形成了彎曲、溝、凹陷等的層疊型壓電元件的應(yīng)力緩和部周邊的剖面構(gòu)造的說明圖。
圖31是示出涉及實(shí)施例2的、層疊型壓電元件的應(yīng)力緩和部周邊的剖面構(gòu)造的說明圖。
圖32是示出涉及實(shí)施例3的、層疊型壓電元件的構(gòu)造的說明圖。
圖33是示出涉及實(shí)施例3的、層疊型壓電元件的剖面構(gòu)造的同時(shí)，示出應(yīng)力緩和部的深度和內(nèi)部電極層的凹進(jìn)距離之間的關(guān)系的說明圖。
圖34是示出涉及實(shí)施例3的、層疊型壓電元件的剖面構(gòu)造的同時(shí)，示出應(yīng)力緩和部的深度的平均值和內(nèi)部電極層的凹進(jìn)距離的平均值之間的關(guān)系的說明圖。
圖35是示出涉及實(shí)施例3的、形成了離間部的層疊型壓電元件的應(yīng)力緩和部周邊的剖面構(gòu)造的說明圖。
圖36是示出涉及實(shí)施例3的、形成第1電極印刷板的工藝的說明圖。
圖37是示出涉及實(shí)施例3的、形成第2電極印刷板的工藝的說明圖。
圖38是示出涉及實(shí)施例3的、形成消失縫印刷板的工藝的說明圖。
圖39是示出涉及實(shí)施例3的、層疊電極印刷板以及消失縫印刷板的工藝的說明圖。
圖40是涉及實(shí)施例3的、預(yù)備層疊體的俯視圖。
圖41是示出圖40的C-C剖面的剖面圖。
圖42是示出涉及實(shí)施例3的、中間層疊體的剖面構(gòu)造的說明圖。
圖43是示出涉及實(shí)施例3的、內(nèi)部電極部和縫層的形成圖形的陶瓷層疊體的展開說明圖。
圖44是示出涉及實(shí)施例3的、內(nèi)部電極部和縫層的形成圖形的變形(a)～(c)的說明圖。
圖45是示出層疊型壓電元件的應(yīng)力緩和部周邊的剖面構(gòu)造的同時(shí)，示出在層疊型壓電元件中因電場強(qiáng)度和逆壓電效應(yīng)而發(fā)生的應(yīng)力的雙方容易集中的壓電驅(qū)動(dòng)區(qū)域端部的說明圖。
圖46是示出沿著層疊方向透視實(shí)施例1的、以規(guī)定的圖形形成內(nèi)部電極層、應(yīng)力緩和部的層疊型壓電元件的情況的說明圖。
圖47(a)是示出圖46的D-D剖面的應(yīng)力緩和部周邊的剖面圖、(b)是示出E-E剖面的應(yīng)力緩和部周邊的剖面圖、(c)是示出F-F剖面的應(yīng)力緩和部周邊的剖面圖。
符號(hào)說明 1層疊型壓電元件 10壓電陶瓷層 11應(yīng)力緩和部 12應(yīng)力緩和部 13內(nèi)部電極層 131內(nèi)部電極部 132凹進(jìn)部 14內(nèi)部電極層 141內(nèi)部電極部 142凹進(jìn)部 15陶瓷層疊體 17側(cè)面電極 18側(cè)面電極
具體實(shí)施例方式 接著，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行說明。
而且，在本說明書中，適當(dāng)?shù)貙⑸鲜鰞?nèi)部電極形成區(qū)域稱為內(nèi)部電極。另外，適當(dāng)?shù)貙⑸鲜鰞?nèi)部電極形成區(qū)域的外周端部從上述陶瓷層疊體的外周面向內(nèi)側(cè)以規(guī)定的后退距離后退的內(nèi)部電極非形成區(qū)域，稱為上述內(nèi)部電極部的外周端部從上述陶瓷層疊體的外周面向內(nèi)側(cè)以規(guī)定的凹進(jìn)距離凹進(jìn)的凹進(jìn)部(控え部)。
上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域(凹進(jìn)部)是在與上述內(nèi)部電極形成區(qū)域(內(nèi)部電極部)大致相同平面上的未形成內(nèi)部電極的區(qū)域。實(shí)際上，上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域(凹進(jìn)部)是由在與上述內(nèi)部電極部相同平面上的壓電陶瓷所形成的。
后退距離(凹進(jìn)距離)是在內(nèi)部電極形成區(qū)域的端部和上述陶瓷層疊體的側(cè)面之間，跨上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的最短距離。
本發(fā)明的層疊型壓電元件具有上述陶瓷層疊體、和形成在該陶瓷層疊體的側(cè)面的一對(duì)側(cè)面電極。
上述內(nèi)部電極層包括具有導(dǎo)電性的內(nèi)部電極部、和該內(nèi)部電極部的外周端部從上述陶瓷層疊體的外周面向內(nèi)側(cè)以規(guī)定的凹進(jìn)距離凹進(jìn)的凹進(jìn)部。通過設(shè)置該凹進(jìn)部，上述內(nèi)部電極層能夠在上述陶瓷層疊體的一方的側(cè)面(上述凹進(jìn)部側(cè)的側(cè)面)實(shí)現(xiàn)可靠的絕緣。
上述陶瓷層疊體是交替層疊多個(gè)上述壓電陶瓷層和上述內(nèi)部電極層而形成的。另外，上述陶瓷層疊體具有從該陶瓷層疊體的側(cè)面向內(nèi)側(cè)方向以規(guī)定的深度凹陷的縫狀的上述應(yīng)力緩和部。具體地，應(yīng)力緩和部是縫狀的溝部等。
在本發(fā)明中，上述應(yīng)力緩和部11、12示為在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，以比上述內(nèi)部電極層13、14中的上述凹進(jìn)部132、142的上述凹進(jìn)距離的最小值199大的深度而形成(參照?qǐng)D29)。因此，以比上述凹進(jìn)距離的最小值199小的深度而形成的縫狀的溝部9等，不相當(dāng)于本發(fā)明的上述應(yīng)力緩和部(參照?qǐng)D29)。
上述應(yīng)力緩和部是在上述陶瓷層疊體中，構(gòu)成上述壓電陶瓷的結(jié)晶粒子在層疊方向上分離而形狀可能比上述壓電陶瓷層更容易變化的部分。
在上述陶瓷層疊體的層疊方向以一定的間隔設(shè)置多個(gè)上述應(yīng)力緩和部，能夠緩和上述陶瓷層疊體的層疊方向上累積的應(yīng)力。若層疊數(shù)少，則在施加電壓時(shí)產(chǎn)生的累積應(yīng)力的絕對(duì)值變小，難以產(chǎn)生原本的裂縫。其結(jié)果，有可能在上述陶瓷層疊體上形成縫的必要性本身變得幾乎不存在。進(jìn)而，有可能由于使電極凹進(jìn)而導(dǎo)致的電極面積的下降導(dǎo)致位移性能的下降。因此，優(yōu)選上述陶瓷層疊體具有10層以上的內(nèi)部電極層。另外，基于同樣的理由，優(yōu)選形成上述應(yīng)力緩和部的層疊方向的間隔為內(nèi)部電極層10層以上。在以小于內(nèi)部電極層10層的間隔而形成上述應(yīng)力緩和部的情況下，有可能由于使電極凹進(jìn)而導(dǎo)致的電極面積的下降導(dǎo)致位移性能的下降。另外，優(yōu)選形成上述應(yīng)力緩和部的層疊方向的間隔為內(nèi)部電極層50層以下。在以超過50層的間隔形成的情況下，有可能不能充分得到因上述應(yīng)力緩和部產(chǎn)生的應(yīng)力緩和效果。
另外，上述陶瓷層疊體在沿著層疊方向透視該陶瓷層疊體的情況下，具有全部上述內(nèi)部電極部是重合的區(qū)域的重合部、和僅至少一部分的上述內(nèi)部電極部重合、或全部不重合的區(qū)域的非重合部，優(yōu)選上述應(yīng)力緩和部形成在上述非重合部。
在這樣的情況下，能夠顯著發(fā)揮因上述應(yīng)力緩和部而產(chǎn)生的應(yīng)力緩和效果。
即，上述非重合部是不引起壓電位移、且未驅(qū)動(dòng)的部分。因此，在上述非重合部上，應(yīng)力(歪斜)容易與壓電位移對(duì)應(yīng)地集中地發(fā)生。如上述那樣，通過在非重合部形成上述應(yīng)力緩和部，能夠緩和作用于上述非重合部的應(yīng)力。
接著，對(duì)上述內(nèi)部電極層中的上述凹進(jìn)部的上述凹進(jìn)距離以及上述應(yīng)力緩和部的深度進(jìn)行說明。
在圖2以及圖19中示出層疊型壓電元件1的剖面圖。在圖2、圖19以及其他的層疊型壓電元件的剖面圖(圖3、圖11、圖14～圖17、圖20、圖28、圖29、圖30以及圖31)中，與陶瓷層疊體一起示出沿著層疊方向?qū)⒏糁沾蓪盈B體的一對(duì)側(cè)面電極切斷的剖面圖。即，示出將形成了一對(duì)側(cè)面電極的側(cè)面切斷的剖面圖。
如圖2以及圖19所示，在層疊型壓電元件1中，陶瓷層疊體15是交替層疊多個(gè)壓電陶瓷層10和內(nèi)部電極層13、14而形成的。內(nèi)部電極層13、14含有具有導(dǎo)電性的內(nèi)部電極部131、141、和該內(nèi)部電極部131、141的外周端部139、149從陶瓷層疊體15的外周面向內(nèi)側(cè)以規(guī)定的凹進(jìn)距離凹進(jìn)的凹進(jìn)部132、142。
凹進(jìn)部132、142的凹進(jìn)距離是與層疊方向大致垂直的方向上的凹進(jìn)部的距離133、143，在陶瓷層疊體15的剖面上，可以表示為從內(nèi)部電極部131、141的外周端部139、149到陶瓷層疊體15的側(cè)面152、151的最短距離133、143。
另外，如圖30所示，在上述層疊型壓電元件1中，有時(shí)上述陶瓷層疊體15的外周部分地向上述陶瓷層疊體15的內(nèi)側(cè)方向塌陷而形成有彎曲91、溝92以及凹陷93等。在彎曲91、溝92以及凹陷93等形成在凹進(jìn)部132、142的情況下，上述凹進(jìn)部132、142的凹進(jìn)距離133、143，即從上述陶瓷層疊體15的外周面151、152向內(nèi)側(cè)方向以規(guī)定的距離凹進(jìn)的凹進(jìn)部132、142的凹進(jìn)距離133、143，是在層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，從上述內(nèi)部電極部131、141的外周端部139、149下降到未形成彎曲91、溝92以及凹陷93等的狀態(tài)的上述陶瓷層疊體15的外周面152、151的垂線的距離143、133，是包含彎曲91、溝92以及凹陷93的深度的距離。
另外，如圖2、圖3、圖19以及圖20所示，陶瓷層疊體15具有從該陶瓷層疊體15的側(cè)面151、152向內(nèi)側(cè)以規(guī)定的深度凹陷的縫狀的應(yīng)力緩和部11、12。
如圖3以及圖20所示，可示出應(yīng)力緩和部11、12的深度是與層疊方向大致垂直的方向上的應(yīng)力緩和部的距離111、121，在陶瓷層疊體15的剖面上，是從陶瓷層疊體15的側(cè)面151、152到應(yīng)力緩和部11、12的前端部112、122的最短距離111、121。
一般地，以相同大小形成各內(nèi)部電極部131、141，但是存在形成若干不均勻的情況。因此，凹進(jìn)部132、142的凹進(jìn)距離133、142也有可能發(fā)生不均勻。另外，應(yīng)力緩和部也有可能在深度上發(fā)生一些不均勻。
如圖2以及19所示，優(yōu)選在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，露出陶瓷層疊體15的相同側(cè)面151(152)的全部應(yīng)力緩和部11(12)的深度的平均值115(125)，比形成在與該應(yīng)力緩和部11(12)相同側(cè)面的全部上述凹進(jìn)部142(132)的凹進(jìn)距離的平均值145(135)還大(權(quán)利要求3、權(quán)利要求9、以及權(quán)利要求14)。
在這種情況下，能夠防止在上述應(yīng)力緩和部上沿層疊方向施加壓縮負(fù)荷而發(fā)生裂縫，能夠顯示出上述層疊型壓電元件出色的耐久性。另外，在這種情況下，能夠使上述內(nèi)部電極層中的上述凹進(jìn)部變小，上述內(nèi)部電極部的面積變大，因此能夠提高上述層疊型壓電元件的位移量。
由于能夠使上述內(nèi)部電極部的形成面積變得比較大，因此能夠抑制上述層疊型壓電元件的位移量的下降。
而且，應(yīng)力緩和部11(12)的深度的平均值115(125)、以及凹進(jìn)距離143(133)的平均值145(135)，是在層疊型壓電元件1的剖面上，位于一方側(cè)面151(152)的全部應(yīng)力緩和部的深度111(121)以及凹進(jìn)距離143(133)的平均值。
當(dāng)上述應(yīng)力緩和部深度的平均值在上述凹進(jìn)距離的平均值以下的情況時(shí)，牽引應(yīng)力沿層疊方向作用于上述應(yīng)力緩和部的前端，有可能發(fā)生裂縫。另外，在這種情況下，有可能位移量變小。
另外，在上述第1發(fā)明中，如圖2、圖3、圖19、圖20所示，在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，隔著上述應(yīng)力緩和部11、12的2個(gè)內(nèi)部電極層13(53)、14(54)的凹進(jìn)部132(532)、142(542)之中的、位于與該應(yīng)力緩和部11、12相同側(cè)面上的上述凹進(jìn)部142(542)、132(532)的上述凹進(jìn)距離143、133，比上述應(yīng)力緩和部11、12的深度111、121大。
當(dāng)位于上述特定位置的凹進(jìn)部的凹進(jìn)距離在上述特定應(yīng)力緩和部的深度以下時(shí)，有可能由于在上述應(yīng)力緩和部的前端施加過大電場，在上述應(yīng)力緩和部上引起放電，絕緣電阻下降。
另外，如圖2、以及圖19所示，優(yōu)選在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，上述內(nèi)部電極層13、14中的上述凹進(jìn)部132、142的凹進(jìn)距離的平均值135、145，比分別形成在與該凹進(jìn)部132、142相同側(cè)面上的應(yīng)力緩和部12、11之中的、深度最小的應(yīng)力緩和部的深度小。
另外，優(yōu)選在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，除了隔著上述應(yīng)力緩和部與該應(yīng)力緩和部相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層以外的上述內(nèi)部電極層13、14中的上述凹進(jìn)部132、142的凹進(jìn)距離的最大值，比形成在與該凹進(jìn)部132、142分別相同的側(cè)面上的應(yīng)力緩和部12、11的深度的平均值小。
另外，優(yōu)選在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，除了隔著上述應(yīng)力緩和部與該應(yīng)力緩和部相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層以外的上述內(nèi)部電極層13、14中的上述凹進(jìn)部132、142的凹進(jìn)距離的最大值，比形成在與該凹進(jìn)部132、142分別相同的側(cè)面上的應(yīng)力緩和部12、11之中的、深度最小的應(yīng)力緩和部的深度小。
另外，優(yōu)選在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，除了隔著上述應(yīng)力緩和部與該應(yīng)力緩和部相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層以外的上述內(nèi)部電極層13、14的上述凹進(jìn)部132、142的凹進(jìn)距離的最大值，比形成與該凹進(jìn)部132、142分別相同的側(cè)面上的應(yīng)力緩和部12、11之中的、深度最小的應(yīng)力緩和部的深度小0.05mm以上。
另外，如圖19以及20所示，優(yōu)選在上述層疊型壓電元件1的上述層疊方向的剖面上，除了隔著上述應(yīng)力緩和部11、12的上述內(nèi)部電極層53、54以外，上述應(yīng)力緩和部11、12與在上述層疊方向上最靠近該應(yīng)力緩和部11、12而形成的其他上述應(yīng)力緩和部11、12之間隔著的至少1個(gè)上述內(nèi)部電極層13、14中的上述凹進(jìn)部132、142的凹進(jìn)距離134、144，比上述應(yīng)力緩和部11、12的深度小(權(quán)利要求2)。
即，優(yōu)選應(yīng)力緩和部11、12、與形成在與該應(yīng)力緩和部11不同的層且與該應(yīng)力緩和部11、12最靠近的其他應(yīng)力緩和部11、12之間隔著的多個(gè)內(nèi)部電極層中至少一個(gè)內(nèi)部電極層13、14中，除了隔著應(yīng)力緩和部11、12的2個(gè)上述內(nèi)部電極層53、54以外，其凹進(jìn)部132、142的凹進(jìn)距離134、144，比應(yīng)力緩和部11、12的深度121、111小。
在這種情況下，能夠使除了隔著上述應(yīng)力緩和部的2個(gè)上述內(nèi)部電極層以外的其他上述內(nèi)部電極層中的上述凹進(jìn)部變小。因此，上述內(nèi)部電極部的面積變大，能夠提高上述層疊型壓電元件的位移量。
另外，如圖14所示，優(yōu)選在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，除了隔著上述應(yīng)力緩和部11(12)的2個(gè)內(nèi)部電極層136、146之中的、在與該應(yīng)力緩和部11(12)相同側(cè)面上具有其凹進(jìn)部147、137一側(cè)的上述內(nèi)部電極層146、136以外，全部的上述內(nèi)部電極層13、14的上述凹進(jìn)部132、142的凹進(jìn)距離，比形成在與該凹進(jìn)部132、142分別相同的側(cè)面上的應(yīng)力緩和部12、11之中的、深度最小的應(yīng)力緩和部的深度129、119小(權(quán)利要求4)。換言之，優(yōu)選在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，除了隔著上述應(yīng)力緩和部11(12)的2個(gè)內(nèi)部電極層136、146以外，全部的上述內(nèi)部電極層13、14中的上述凹進(jìn)部132、142的凹進(jìn)距離，比形成在與該凹進(jìn)部132、142分別相同的側(cè)面上的應(yīng)力緩和部12、11之中的、深度最小的應(yīng)力緩和部的深度129、119小。
在這種情況下，能夠更可靠地防止絕緣電阻的降低。
另外，如圖19以及圖20所示，優(yōu)選在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，沿著層疊方向隔著上述應(yīng)力緩和部11、12的2個(gè)上述內(nèi)部電極層53、54的上述凹進(jìn)部532、542之中的、位于與該應(yīng)力緩和部11、12相同側(cè)面的上述凹進(jìn)部542、532的上述凹進(jìn)距離143、133，比上述應(yīng)力緩和部11、12的深度大0.04mm以上(權(quán)利要求5)。
在這種情況下，能夠進(jìn)一步更可靠地防止絕緣電阻的降低。
當(dāng)上述凹進(jìn)距離減去上述應(yīng)力緩和部的深度的值小于0.04mm時(shí)，例如在對(duì)上述層疊型壓電元件施加沖擊的情況下，特別是在施加非常大的電壓的情況下等，絕緣電阻可能下降。
另外，如圖19以及圖20所示，優(yōu)選在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，隔著上述應(yīng)力緩和部11、12的2個(gè)內(nèi)部電極層54、53的上述凹進(jìn)部542、532之中的、位于與該應(yīng)力緩和部11、12相同側(cè)面的上述凹進(jìn)部542、532的上述凹進(jìn)距離143、133，比位于與該凹進(jìn)部542、532相同側(cè)面的上述應(yīng)力緩和部11、12的深度平均大0.2mm以上(權(quán)利要求6)。
在這種情況下，能夠進(jìn)一步更可靠地防止絕緣電阻的降低。
當(dāng)上述凹進(jìn)距離減去上述應(yīng)力緩和部的深度的值平均小于0.2mm時(shí)，例如在對(duì)上述層疊型壓電元件施加沖擊的情況下，特別是在施加非常大的電壓的情況下等，絕緣電阻可能下降。
另外，在上述第2發(fā)明中，如圖15所示，在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，如果將形成在負(fù)極的上述側(cè)面電極17側(cè)上的上述應(yīng)力緩和部作為負(fù)極側(cè)緩和部11，將隔著該負(fù)極側(cè)緩和部11而相鄰的2個(gè)上述內(nèi)部電極層23、24之中的與負(fù)極側(cè)的上述側(cè)面電極17電連接的上述內(nèi)部電極層作為基準(zhǔn)電極層235，那么相對(duì)于上述負(fù)極側(cè)緩和部11，沿層疊方向隔著上述基準(zhǔn)電極235而相鄰、且與正極側(cè)的側(cè)面電極18連接的內(nèi)部電極層241的內(nèi)部電極242的凹進(jìn)距離，比上述負(fù)極側(cè)緩和部11的深度大。即，在形成為與上述基準(zhǔn)電極層235最靠近的、具有與正極側(cè)的側(cè)面電極18電連接的內(nèi)部電極部241的內(nèi)部電極層的凹進(jìn)部242的凹進(jìn)距離243，換言之，隔著上述基準(zhǔn)電極層235而與該基準(zhǔn)電極層235相鄰的、與正極側(cè)的側(cè)面電極18連接的2個(gè)內(nèi)部電極層之中的、在層疊方向上間隔上述基準(zhǔn)電極層235位于與上述負(fù)極側(cè)應(yīng)力緩和部11相反側(cè)的內(nèi)部電極層241的凹進(jìn)部242的凹進(jìn)距離243，比與上述基準(zhǔn)電極層235相鄰的上述負(fù)極側(cè)緩和部11的深度大。
當(dāng)上述特定的上述凹進(jìn)部的凹進(jìn)距離在上述負(fù)極側(cè)緩和部的深度以下時(shí)，在絕緣電阻容易下降的部位施加電場，有可能絕緣電阻變得容易下降。
另外，如圖15所示，在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，將形成在正極的側(cè)面電極18側(cè)上的上述應(yīng)力緩和部作為正極側(cè)緩和部12，隔著該正極側(cè)緩和部12而相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層23、24之中的與負(fù)極側(cè)的上述側(cè)面電極17電連接的上述內(nèi)部電極層23的上述凹進(jìn)部232的凹進(jìn)距離233，比上述正極側(cè)緩和部12的深度121大。即，隔著正極側(cè)緩和部12而相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層23、24之中的、與負(fù)極側(cè)的上述側(cè)面電極17電連接的上述內(nèi)部電極層23的上述凹進(jìn)部232的凹進(jìn)距離233，比與該內(nèi)部電極層23相鄰的上述正極側(cè)緩和部12的深度121大。
當(dāng)上述特定的上述凹進(jìn)部的凹進(jìn)距離在上述正極側(cè)緩和部的深度以下時(shí)，在絕緣電阻容易下降的部位施加電場，有可能絕緣電阻變得容易下降。
另外，如圖16以及圖17所示，優(yōu)選在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，除了相對(duì)于上述應(yīng)力緩和部11沿層疊方向隔著上述基準(zhǔn)電極層235而相鄰、且與正極側(cè)的側(cè)面電極18連接的內(nèi)部電極層241，以及隔著上述正極側(cè)緩和部12而相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層23、24之中的與負(fù)極側(cè)的上述側(cè)面電極17電連接的上述內(nèi)部電極層23以外的全部上述內(nèi)部電極層13、14的上述凹進(jìn)部132、142的凹進(jìn)距離，比形成在與該凹進(jìn)部132、142相同側(cè)面上的應(yīng)力緩和部12、11之中的、深度最小的應(yīng)力緩和部的深度129、119小(權(quán)利要求8)。即，優(yōu)選除了形成為與上述基準(zhǔn)電極層235最靠近的、具有與正極側(cè)的側(cè)面電極18電連接的內(nèi)部電極部的內(nèi)部電極層241、和隔著上述正極側(cè)緩和部12而相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層23、24之中的與負(fù)極側(cè)的上述側(cè)面電極17電連接的內(nèi)部電極層23以外的全部上述內(nèi)部電極層13、14的上述凹進(jìn)部132、142的凹進(jìn)距離，比形成在與該凹進(jìn)部132、142分別相同的側(cè)面上的應(yīng)力緩和部12、11之中的、深度最小的應(yīng)力緩和部的深度129、119小。
在這種情況下，能夠更可靠地防止絕緣電阻的降低。而且，除了內(nèi)部電極層13、14的凹進(jìn)部132、142的凹進(jìn)距離不同這點(diǎn)以外，圖16以及圖17示出相同結(jié)構(gòu)的層疊型壓電元件1。
另外，在上述第2發(fā)明中，優(yōu)選在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，隔著上述正極側(cè)緩和部而相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層之中的與負(fù)極側(cè)的上述側(cè)面電極電連接的上述內(nèi)部電極層的上述凹進(jìn)部的上述凹進(jìn)距離，比上述正極側(cè)緩和部的深度大0.04mm以上(權(quán)利要求10)。
另外，在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，隔著上述正極側(cè)緩和部而相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層之中的與負(fù)極側(cè)的上述側(cè)面電極電連接的上述內(nèi)部電極層的上述凹進(jìn)部的上述凹進(jìn)距離的平均值，比上述正極側(cè)緩和部的深度的平均值大0.2mm以上(權(quán)利要求11)。
在這種情況下，與上述第1發(fā)明的情況相同，能夠進(jìn)一步更可靠地防止絕緣電阻的降低。
當(dāng)上述凹進(jìn)距離減去上述正極側(cè)緩和部的深度的值小于0.04mm時(shí)，當(dāng)上述凹進(jìn)距離的平均值減去上述正極側(cè)緩和部的深度的平均值的值小于0.2mm時(shí)，例如在對(duì)上述層疊型壓電元件施加沖擊的情況下，特別是在施加非常大的電壓的情況下等，絕緣電阻可能下降。
接著，在第3發(fā)明中，如圖31所示，如果將隔著上述應(yīng)力緩和部11、12的2個(gè)內(nèi)部電極層作為相鄰電極層53、54，那么在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上具有離間部5，在與上述層疊方向垂直的方向上將上述相鄰電極層53、54中的內(nèi)部電極部531、541的上述外周端部539、549、和位于與該相鄰電極層53、54的上述凹進(jìn)部532、542相同側(cè)面的上述應(yīng)力緩和部12、11的前端部122、112隔開距離。
即，在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上形成離間部5，在與層疊型壓電元件1的層疊方向垂直的方向上將相鄰電極層53中的內(nèi)部電極部531的外周端部539、和位于與該相鄰電極層53的凹進(jìn)部532相同側(cè)面152的應(yīng)力緩和部12的前端部122隔開距離。同樣的，形成離間部5，在與層疊型壓電元件1的層疊方向垂直的方向上將相鄰電極層54中的內(nèi)部電極部541的外周端部549、和位于與該相鄰電極層54的凹進(jìn)部542相同側(cè)面151的應(yīng)力緩和部11的前端部112隔開距離。
在沒有上述離間部的情況下，在上述應(yīng)力緩和部上施加過大的電場，則可能在上述應(yīng)力緩和部上引起放電，絕緣電阻下降。
優(yōu)選在上述層疊型壓電元件的上述層疊方向的剖面上，除了上述相鄰電極層以外，上述應(yīng)力緩和部、與在上述層疊方向上最靠近該應(yīng)力緩和部而形成的其他上述應(yīng)力緩和部之間隔著的至少1個(gè)上述內(nèi)部電極層中的上述凹進(jìn)距離，比上述應(yīng)力緩和部的深度小(權(quán)利要求13)。
在這種情況下，能夠使除了隔著上述應(yīng)力緩和部的2個(gè)上述內(nèi)部電極層以外的其他上述內(nèi)部電極層的上述凹進(jìn)部變小。因此，上述內(nèi)部電極部的面積變大，能夠提高上述層疊型壓電元件的位移量。
優(yōu)選上述離間部的離間距離在0.04mm以上(權(quán)利要求15)。
優(yōu)選在上述層疊型壓電元件中，全部的上述離間部的離間距離的平均值在0.2mm以上(權(quán)利要求16)。
在這種情況下，與上述第1發(fā)明的情況相同，能夠進(jìn)一步更可靠地防止絕緣電阻的降低。
當(dāng)上述離間距離包括小于0.04mm的部分時(shí)，或者當(dāng)上述離間距離的平均值小于0.2mm時(shí)，例如在對(duì)上述層疊型壓電元件施加沖擊的情況下，特別是在施加非常大的電壓的情況下等，絕緣電阻可能下降。
另外，在上述第1發(fā)明～上述第3發(fā)明中，具體地，上述應(yīng)力緩和部例如是縫狀的空間(溝部)，但是也可以用楊氏模量(Young’s modulus)低于壓電陶瓷層的樹脂等材料填充該縫狀的空間的構(gòu)造、或者將與上述壓電陶瓷層相同的材料形成為多孔狀的縫狀的脆弱層、用與上述壓電陶瓷層不同的鈦酸鉛等材料形成的縫狀的脆弱層，或通過極化、操作而故意產(chǎn)生的裂縫狀的縫等來形成。這樣的應(yīng)力緩和部能夠使其形狀比上述壓電陶瓷層更容易變化，能夠緩和在上述層疊型壓電元件內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力集中。
優(yōu)選上述應(yīng)力緩和部是從上述陶瓷層疊體的側(cè)面向內(nèi)側(cè)凹陷的縫狀的溝部。
在這種情況下，能夠比較簡單地形成能夠充分緩和應(yīng)力的上述應(yīng)力緩和部。
另外，能夠使用在燒結(jié)時(shí)消失的消失材料來形成上述應(yīng)力緩和部。
由此，能夠簡單地形成上述應(yīng)力緩和部。
作為上述消失材料，能夠使用例如粉末狀的碳粒子、樹脂粒子、或者使粉末狀的有機(jī)物粒子等碳化而形成的碳化有機(jī)物粒子。
特別地，在使用上述碳粒子作為上述消失材料的情況下，能夠發(fā)揮由熱引起的形狀變化少這樣的上述碳粒子的特性，形狀精度良好地形成上述應(yīng)力緩和部。
另一方面，在使用上述碳化有機(jī)物粒子作為上述消失材料的情況下，能夠控制形成上述應(yīng)力緩和部的成本。
而且，作為上述有機(jī)物粒子例如是將大豆、或玉米粉碎而形成的粒子、或者粉碎樹脂材料的粒子等。
而且，所謂碳化有機(jī)物粒子是通過去除上述有機(jī)物粒子含有的水分的一部分，并進(jìn)行某種程度的碳化，成為流動(dòng)性以及分散性良好的微粒子狀態(tài)的粒子。
另外，能夠由在上述層疊型壓電元件的極化或者驅(qū)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生龜裂的材料形成縫狀的上述區(qū)域，并在上述層疊型壓電元件的極化或者驅(qū)動(dòng)時(shí)使其產(chǎn)生龜裂而形成上述應(yīng)力緩和部。
另外，優(yōu)選上述壓電陶瓷層以鈦酸鋯酸鉛作為主要成分，上述內(nèi)部電極部以AgPd合金作為主要成分(權(quán)利要求17)。
在這種情況下，能夠構(gòu)成高位移量的上述層疊型壓電元件。
優(yōu)選上述層疊型壓電元件用于燃料噴射閥(權(quán)利要求18)。
在這種情況下，能夠更顯著地發(fā)揮本發(fā)明的層疊型壓電元件的工作效果，即使在苛刻的條件下，經(jīng)過長時(shí)間使用，絕緣電阻也不降低，且能夠穩(wěn)定地工作。
另外，在上述層疊型壓電元件中，能夠使上述應(yīng)力緩和部形成在上述內(nèi)部電極層間的上述壓電陶瓷層。
另外，也能夠使上述應(yīng)力緩和部形成在與上述內(nèi)部電極層大致相同的層。
實(shí)施例 (實(shí)施例1) 接著，使用圖1～圖10對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的層疊型壓電元件進(jìn)行說明。
如圖1～圖3所示，本例的層疊型壓電元件1具有交替層疊多個(gè)壓電陶瓷層10和多個(gè)內(nèi)部電極層13、14而形成的陶瓷層疊體15、和形成在其側(cè)面上的一對(duì)側(cè)面電極17、18。內(nèi)部電極層13、14包括具有導(dǎo)電性的內(nèi)部電極部131、141、和其外周端部從陶瓷層疊體15的外周面向內(nèi)側(cè)方向以規(guī)定的凹進(jìn)距離凹進(jìn)的凹進(jìn)部132、142，且內(nèi)部電極層13、14交替地與不同的側(cè)面電極17、18電連接。即，內(nèi)部電極層13、14具有內(nèi)部電極形成區(qū)域即內(nèi)部電極部131、141、和內(nèi)部電極非形成區(qū)域即凹進(jìn)部132、142。
陶瓷層疊體15在從其側(cè)面向內(nèi)側(cè)凹陷的縫狀的區(qū)域上，具有能夠使形狀比壓電陶瓷層10更容易變化的應(yīng)力緩和部11、12。
在本例中，應(yīng)力緩和部12是從陶瓷層疊體15的側(cè)面向內(nèi)側(cè)凹陷的縫狀的溝部(空間)，且沿著周向跨陶瓷層疊體15的外周面的全周形成。另外，應(yīng)力緩和部12形成在內(nèi)部電極層13、14之間的壓電陶瓷層10內(nèi)，且形成在不與內(nèi)部電極部131、141或者凹進(jìn)部132、142接觸的位置。
如圖2所示，在層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，在陶瓷層疊體15的相同側(cè)面151(152)露出的全部應(yīng)力緩和部11(12)的深度的平均115(125)，比形成在與該應(yīng)力緩和部11(12)相同側(cè)面的全部上述凹進(jìn)部142(132)的凹進(jìn)距離的平均145(135)大。
另外，如圖2以及圖3所示，在層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，隔著上述應(yīng)力緩和部11(12)的2個(gè)內(nèi)部電極層13、14的凹進(jìn)部132、142之中的、位于與該應(yīng)力緩和部11(12)相同側(cè)面上的上述凹進(jìn)部142(132)的上述凹進(jìn)距離143(133)，比上述應(yīng)力緩和部11(12)的深度111(121)大。
接著，使用圖1～圖10對(duì)本例的層疊型壓電元件的制造方法進(jìn)行說明。
在本例中，通過實(shí)施印刷電路基板(green sheet)制作工藝、電極印刷工藝、消失縫印刷工藝、壓接工藝、層疊體切斷工藝、以及燒結(jié)工藝，制作層疊型壓電元件。
以下，對(duì)各個(gè)工藝逐一說明制造方法。
<印刷電路基板制作工藝> 首先，準(zhǔn)備成為壓電材料的鋯酸鈦酸鉛(PZT)等陶瓷原料粉末。具體地，準(zhǔn)備Pb3O4、SrCO3、ZrO2、TiO2、Y2O3以及Nb2O5作為出發(fā)原料，并將這些出發(fā)原料以成為目的組成PbZrO3-PbTiO3-Pb(Y1/2Nb1/2)O3這樣的化學(xué)計(jì)量比稱量、濕式混合、以溫度850℃煅燒5個(gè)小時(shí)。接著，將煅燒粉用微粒研磨機(jī)(pearl mill)濕式粉碎。將這些煅燒粉粉碎物(粒徑(D50值)0.7±0.05μm)干燥后，添加溶劑、粘合劑(binder)、可塑劑(plasticizer)、分散劑等，用球磨機(jī)(ball mill)混合，將得到的漿體一邊在真空裝置內(nèi)用攪拌機(jī)攪拌一邊進(jìn)行真空脫泡(vacuum-degassed)、粘度調(diào)整。
而后，利用刮粉刀(doctor blade)法，在載體膜上涂敷上述漿體，成型厚度80μm的長形狀的印刷電路基板。將該印刷電路基板以規(guī)定的大小切斷，制作成寬幅的印刷電路基板110(圖4～圖6)。
而且，作為印刷電路基板的成型方法，除了在本例中使用的刮粉刀法之外，可以采用擠出成型法或其他各種方法。
<電極印刷工藝> 接著，如圖4以及圖5所示，在印刷電路基板110上印刷作為內(nèi)部電極層的電極材料130、140，形成第1電極印刷板31以及第2電極印刷板32兩種基板。
以下，對(duì)電極印刷板31、32的形成進(jìn)行進(jìn)一步說明。
在形成第1電極印刷板31時(shí)，如圖3所示，在印刷電路基板110上的印刷區(qū)域41上，在最終成為內(nèi)部電極層13的部分上印刷電極材料130，形成第1電極印刷板31。
另外，在形成第2電極印刷板32時(shí)，與第1電極印刷板相同，如圖4所示，在印刷電路基板110上的印刷區(qū)域41上，在成為內(nèi)部電極層14的部分上印刷電極材料140。由此形成第2電極印刷板32。
在第1電極印刷板31以及第2電極印刷板32上，印刷電路基板110上形成的電極材料130、140在分別不同的側(cè)面露出。
而且，在本例中，使用糊狀A(yù)g/Pd合金作為電極材料130、140。另外，除了上述以外，也可以使用Ag、Pd、Cu、Ni等單質(zhì)、Cu/Ni等合金。
<消失縫印刷工藝> 另外，在本例中，在將要制造的層疊型壓電元件1的陶瓷層疊體15的側(cè)面上設(shè)置縫部11、12(參照?qǐng)D1～圖3)，因此如圖6所示，進(jìn)行消失(burn-off)縫印刷工藝，形成消失縫印刷板33。
如同圖所示，在上述印刷電路基板110的印刷區(qū)域41上，在最終成為應(yīng)力緩和部11、12的部分上印刷包括通過燒結(jié)而消失的消失材料的消失縫層120。由此，形成消失縫印刷板133。
而且，在本例中，作為構(gòu)成消失縫層120的消失材料，使用包括熱變形小、能夠使通過燒結(jié)工藝所形成的溝的形狀精度保持得高的炭粒子的材料。另外，除了炭粒子以外，也能夠使用碳化了的粉末狀碳化有機(jī)物粒子。該碳化有機(jī)物粒子除了能夠通過碳化粉末狀的有機(jī)物粒子而得到以外，也能夠通過粉碎碳化了的有機(jī)物而得到。進(jìn)而，作為上述有機(jī)物，能夠使用樹脂等高分子材料、玉米、大豆、小麥粉等谷物。在這種情況下，能夠控制制造成本。
另外，在電極印刷工藝以及消失縫印刷工藝中，印刷電極材料以及消失材料使得凹進(jìn)距離和應(yīng)力緩和部的深度的關(guān)系滿足上述關(guān)系。另外，在電極印刷工藝以及消失縫印刷工藝中，如圖4～圖6所示，空出間隙42以避開在后工藝的單元切斷工藝中被切斷的部分，進(jìn)行電極材料130、140、以及消失縫層120的印刷。即，在印刷電路基板110上的相鄰的印刷區(qū)域41之間設(shè)置間隙42而進(jìn)行印刷。
<壓接工藝> 接著，如圖7所示，將形成的第1電極印刷板31、第2電極印刷板32、以及消失縫印刷板33以規(guī)定的順序，使各印刷區(qū)域41在層疊方向上一致并層疊。這時(shí)，交替層疊第1電極印刷板31以及第2電極印刷板32，并在要形成上述縫部的位置上插入消失縫印刷板33并層疊。
具體地，在本例中，對(duì)于第1電極印刷板31和第2電極印刷板32的層疊構(gòu)造每11層層疊消失縫印刷板33，并層疊使第1電極印刷板31以及第2電極印刷板32合計(jì)為59片，進(jìn)而，在層疊方向的兩端層疊未印刷電極材料以及消失層的印刷電路基板。這時(shí)，層疊第1電極印刷板31和第2電極印刷板32使電極材料130和電極材料140交替露出印刷區(qū)域的相對(duì)的端面。而后，將這樣層疊了的基板以溫度100℃加熱，并且在層疊方向上以50MPa加壓，制作成預(yù)備層疊體100。而且，在圖7上，為了制作圖紙的方便，以省略實(shí)際的層疊數(shù)的方式示出預(yù)備層疊體100。
<層疊體切斷工程> 接著，如圖8～圖10所示，沿著切斷位置43將形成了的預(yù)備層疊體100按層疊方向切斷，形成中間層疊體10。
而且，切斷預(yù)備層疊體100可以按各個(gè)中間層疊體10進(jìn)行切斷，也可以包括多個(gè)中間層疊體10進(jìn)行切斷。在本例中，按各個(gè)中間層疊體10切斷，并以各電極材料130、140以及消失縫層120露出中間層疊體10的側(cè)面的方式進(jìn)行切斷。
而且，在圖9以及圖10中，為了制作圖紙的方便，以省略實(shí)際的層疊數(shù)的方式示出預(yù)備層疊體100以及中間層疊體10。
<燒結(jié)工藝> 接著，加熱除去了在中間層疊體10的印刷電路基板110中包含的粘合劑樹脂(脫脂，degreased)。加熱是通過歷時(shí)80個(gè)小時(shí)慢慢地升溫至500℃，并保持5個(gè)小時(shí)進(jìn)行的。
接著，將脫脂了的中間層疊體10燒結(jié)。燒結(jié)是通過歷時(shí)12個(gè)小時(shí)使其慢慢地升溫至1050℃，保持2個(gè)小時(shí)后，慢慢地冷卻進(jìn)行的。
這樣，如圖1～圖3所示，制作成陶瓷層疊體15，該陶瓷層疊體15具有使消失縫層120消失所形成的縫狀的應(yīng)力緩和部11、12。應(yīng)力緩和部11、12是遍及陶瓷層疊體15的側(cè)面全周設(shè)置縫狀的空間而形成的。另外，如同圖所示，所制作的陶瓷層疊體10是交替層疊印刷電路基板110燒結(jié)而形成的壓電陶瓷層10和由電極材料130、140所形成的內(nèi)部電極層13、14而形成的。
然后，燒結(jié)后，進(jìn)行全面研磨，制作成長6mm×寬6mm×高4.4mm的陶瓷層疊體15，進(jìn)而，將側(cè)面電極17、18燒合，使其夾著陶瓷層疊體15的兩個(gè)側(cè)面。這時(shí)，各內(nèi)部電極層13、14分別交替地與不同側(cè)面的側(cè)面電極17、18電連接。
像上述那樣，制作如圖1～圖3所示的層疊型壓電元件1。
而且，在圖1以及圖2中，為了制作圖紙的方便，以省略實(shí)際的層疊數(shù)的方式示出層疊型壓電元件1。
在本例中，制作不同的5種層疊型壓電元件(試樣E1～試樣E3、試樣C1、試樣C2)，其中，在隔著應(yīng)力緩和部11(12)的2個(gè)內(nèi)部電極層13、14的凹進(jìn)部132、142之中的、位于與該應(yīng)力緩和部11(12)相同側(cè)面上的上述凹進(jìn)部142(132)的上述凹進(jìn)距離143(133)，與上述應(yīng)力緩和部11(12)的深度的差不同。
即，試樣E1是上述「凹進(jìn)距離-應(yīng)力緩和部的深度」為0.2mm的層疊型壓電元件。
試樣E2以及試樣E3是上述「凹進(jìn)距離-應(yīng)力緩和部的深度」分別為0.4mm、以及0.6mm的層疊型壓電元件。
試樣C1以及試樣C2是上述「凹進(jìn)距離-應(yīng)力緩和部的深度」分別為0mm、以及-0.2mm的層疊型壓電元件。
對(duì)于各試樣，測定與正極側(cè)的側(cè)面電極連接的內(nèi)部電極層的全部凹進(jìn)部的凹進(jìn)距離。在下述的表1中示出其平均值和范圍(不均勻)。同樣地，對(duì)于負(fù)極側(cè)也測定凹進(jìn)距離，在下述的表1中示出其平均值和范圍(不均勻)。
另外，測定露出陶瓷層疊體的相同側(cè)面(正極的側(cè)面電極側(cè)的側(cè)面)的全部應(yīng)力緩和部的深度。在下述的表1中示出其平均值和范圍(不均勻)。同樣地，對(duì)于負(fù)極側(cè)也測定應(yīng)力緩和部的深度，在下述的表1中示出其平均值和范圍(不均勻)。
接著，研究這些層疊型壓電元件的耐久性。
「耐久性試驗(yàn)」 在溫度200℃的條件下，在各試樣的層疊型壓電元件上施加3.1kV/mm的電場來驅(qū)動(dòng)它們。接著，將各試樣與已知電阻值的電阻R串聯(lián)連接構(gòu)成電路。而后，一邊對(duì)各試樣施加電場，一邊用數(shù)字表讀取施加在電阻R上的電壓(漏電流值)。將計(jì)算出的元件(試樣)的絕緣電阻低于10MΩ的情況作為元件的壽命，計(jì)測此時(shí)的時(shí)間。在表1中示出其結(jié)果。
[表1]
由表1可知，無論在試樣E1～E3、C1、以及C2任一試樣中，正極側(cè)以及負(fù)極側(cè)都滿足「全部凹進(jìn)距離的平均值<全部應(yīng)力緩和部深度的平均值」的關(guān)系。
另外，如表1可知，本發(fā)明實(shí)施例涉及的試樣E1～試樣E3與比較例(試樣C1以及試樣C2)相比顯示出了2倍以上的出色壽命。
另外，在本例中，遍及陶瓷層疊體的側(cè)面全周形成應(yīng)力緩和部，但如圖11所示，也可以在不同層上形成交替在陶瓷層疊體15的側(cè)面露出的應(yīng)力緩和部。在這種情況下，也使露出陶瓷層疊體15的相同側(cè)面151(152)的全部應(yīng)力緩和部11(12)的深度的平均值115(125)，大于形成在與該應(yīng)力緩和部11(12)相同側(cè)面151(152)的全部上述凹進(jìn)部142(141)的凹進(jìn)距離的平均值145(135)，并且使隔著上述應(yīng)力緩和部11(12)的2個(gè)內(nèi)部電極層13、14中的上述凹進(jìn)部132、142之中的、位于與該應(yīng)力緩和部11(12)相同側(cè)面的上述凹進(jìn)部142(132)的上述凹進(jìn)距離大于應(yīng)力緩和部11(12)的深度，由此，能夠與試樣E1～試樣E3同樣地制成耐久性出色的元件。
另外，在本例中，在圖12中示出以組合的圖形形成的內(nèi)部電極部131、141和縫層11、12。在本發(fā)明中不限定該圖形。在沿層疊方向透視該陶瓷層疊體的情況下，陶瓷層疊體具有全部的內(nèi)部電極部重合的區(qū)域即重合部、和僅至少一部分的內(nèi)部電極部重合、或全部未重合的區(qū)域即非重合部，應(yīng)力緩和部能夠形成在上述非重合部19上。
圖13(a)～(c)示出內(nèi)部電極部131、141和縫層11、12的組合圖形。使用任一圖形，本發(fā)明的效果都能充分發(fā)揮。
在本發(fā)明中，內(nèi)部電極部131、141和縫層11、12的組合圖形在圖12以及圖13(b)、(c)的情況下，即在層疊型壓電元件具有如下關(guān)系的情況下在層間遍及外周面全周沿周向形成應(yīng)力緩和部，且隔著上述應(yīng)力緩和部11(12)的2個(gè)內(nèi)部電極層13、14的凹進(jìn)部132、142之中的、在層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上位于應(yīng)力緩和部11(12)相同側(cè)面上的上述凹進(jìn)部142(132)的上述凹進(jìn)距離143(133)比上述應(yīng)力緩和部11(12)的深度111(121)大，該情況下，實(shí)際上存在由角部向應(yīng)力緩和部施加電場的部位。
圖46是示出從上面沿層疊方向透視用圖12所示的圖形形成內(nèi)部電極層13、14、應(yīng)力緩和部11(12)的層疊型壓電元件1的圖。在圖46中，用點(diǎn)線示出內(nèi)部電極部131、141的外周位置，對(duì)應(yīng)力緩和部省略其位置的記載。另外，分別在圖47(a)、47(b)、以及47(c)中示出用圖12所示的圖形形成內(nèi)部電極層13、14、應(yīng)力緩和部11(12)的層疊型壓電元件的D-D剖面圖(參照?qǐng)D46)、E-E剖面圖(參照?qǐng)D46)、以及F-F剖面圖(參照?qǐng)D46)。而且，在圖47(a)～(c)中，示出層疊型壓電元件1的應(yīng)力緩和部11、12的周邊部的剖面。
如圖47(a)以及圖47(b)所示，在用圖12所示的圖形形成內(nèi)部電極層13、14及應(yīng)力緩和部11(12)的層疊型壓電元件1的D-D剖面(參照?qǐng)D46)、E-E剖面圖(參照?qǐng)D46)中，對(duì)應(yīng)力緩和部11、12未施加電場，但如圖47(c)所示，在角部的剖面(F-F剖面(參照?qǐng)D46))中，存在被施加了以往大約1/2電場的部位161，可能導(dǎo)致該部位上的劣化。但是，因?yàn)榭梢詫?nèi)部電極和縫之間空出一層的量、進(jìn)一步隔開間隔，所以能夠使向應(yīng)力緩和部的電場的施加變?nèi)?。為此，能夠提高耐久性。因此，如上所述，即使?duì)縫施加若干電場，只要是比以往構(gòu)造中小的電場，也作為本發(fā)明的范疇。
(實(shí)施例2) 接著，使用圖18～圖27說明本發(fā)明的層疊型壓電元件的其他變形。本例的層疊型壓電元件是將形成內(nèi)部電極層中的內(nèi)部電極部以及凹進(jìn)部的圖形與實(shí)施例1比較進(jìn)行一些改變而制成的元件，但實(shí)質(zhì)上與實(shí)施例1是大致相同元件。
如圖18～圖20所示，本例的層疊型壓電元件1與實(shí)施例1相同，具有交替層疊多個(gè)壓電陶瓷層10和多個(gè)內(nèi)部電極層13、14而形成的陶瓷層疊體15、和形成在其側(cè)面上的一對(duì)側(cè)面電極17、18。內(nèi)部電極層13、14包括具有導(dǎo)電性的內(nèi)部電極部131、141、和其外周端部從陶瓷層疊體15的外周面向內(nèi)側(cè)方向以規(guī)定的凹進(jìn)距離凹進(jìn)的凹進(jìn)部132、142，且內(nèi)部電極層13、14交替地與不同的側(cè)面電極17、18電連接。
陶瓷層疊體15在從其側(cè)面向內(nèi)側(cè)凹陷的縫狀的區(qū)域上，具有能夠使形狀比壓電陶瓷層10更容易變化的應(yīng)力緩和部11、12。
在本例中，應(yīng)力緩和部12是從陶瓷層疊體15的側(cè)面向內(nèi)側(cè)凹陷的縫狀的溝部(空間)，且沿著周向形成在遍及陶瓷層疊體15的外周面全周。另外，應(yīng)力緩和部11、12形成在內(nèi)部電極層13、14之間的壓電陶瓷層10內(nèi)，且形成在不與內(nèi)部電極部131、141或者凹進(jìn)部132、142接觸的位置上。另外，沿著陶瓷層疊體15的層疊方向以規(guī)定的間隔形成多個(gè)應(yīng)力緩和部11、12。
如圖19所示，在層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，在分別形成了陶瓷層疊體15的側(cè)面電極17、18的側(cè)面151、152上、在相同側(cè)面151(152)露出的全部應(yīng)力緩和部11(12)的深度的平均115(125)，比形成在與該應(yīng)力緩和部11(12)相同側(cè)面的全部上述凹進(jìn)部142(132)的凹進(jìn)距離的平均145(135)大。
另外，如圖19以及圖20所示，在層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，隔著上述應(yīng)力緩和部11、12的2個(gè)內(nèi)部電極層13(53)、14(54)的凹進(jìn)部132(53)、142(54)之中的、位于與該應(yīng)力緩和部11、12相同側(cè)面上的上述凹進(jìn)部142(542)、132(532)的上述凹進(jìn)距離143、133，比上述應(yīng)力緩和部11、12的深度111、121大。
另外，如圖31所示，本例的層疊型壓電元件1，如果將隔著上述應(yīng)力緩和部11、12的2個(gè)內(nèi)部電極層作為相鄰電極層53、54，那么在層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上具有離間部5，在與層疊方向垂直的方向上將相鄰電極層53、54中的內(nèi)部電極部531、541的外周端部539、549、和位于與該相鄰電極層53、54的凹進(jìn)部532、542相同側(cè)面上的應(yīng)力緩和部12、11的前端部122、112隔開距離。
另外，如圖19以及圖20所示，在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，除了隔著應(yīng)力緩和部11、12的2個(gè)內(nèi)部電極層53、54以外，夾在應(yīng)力緩和部11、12、和在述層疊方向上最靠近該應(yīng)力緩和部11、12而形成的其他上述應(yīng)力緩和部11、12之間的至少1個(gè)內(nèi)部電極層13、14的上述凹進(jìn)部132、142的凹進(jìn)距離134、144，比應(yīng)力緩和部12、11的深度小。
接著，使用圖18～圖27對(duì)本例的層疊型壓電元件的制造方法進(jìn)行說明。
在本例中，與實(shí)施例1相同，通過實(shí)施印刷電路基板制作工藝、電極印刷工藝、消失縫印刷工藝、壓接工藝、層疊體切斷工藝、以及燒結(jié)工藝，制作層疊型壓電元件。
以下，對(duì)各個(gè)工藝逐一說明制造方法。
<印刷電路基板制作工藝> 首先，準(zhǔn)備作為壓電材料的鋯酸鈦酸鉛(PZT)等陶瓷原料粉末。具體地，準(zhǔn)備Pb3O4、SrCO3、ZrO2、TiO2、Y2O3以及Nb2O5作為出發(fā)原料，將這些出發(fā)原料以成為目的組成PbZrO3-PbTiO3-Pb(Y1/2Nb1/2)O3這樣的化學(xué)計(jì)量比稱量、濕式混合、以溫度850℃煅燒5個(gè)小時(shí)。接著，將煅燒粉用微粒研磨機(jī)濕式粉碎。將這些煅燒粉粉碎物(粒徑(D50值)0.7±0.05μm)干燥后，添加溶劑、粘合劑(binder)、可塑劑、分散劑等，用球磨機(jī)混合，將得到的漿體一邊在真空裝置內(nèi)用攪拌機(jī)攪拌一邊進(jìn)行真空脫泡、粘度調(diào)整。
而后，利用刮粉刀法，在載體膜上涂敷上述漿體，成型了厚度80μm的長形狀的印刷電路基板。將該印刷電路基板以規(guī)定的大小切斷，制作成寬幅的印刷電路基板110(圖21～圖23)。
而且，作為印刷電路基板的成型方法，除了在本例中使用的刮粉刀法之外，可以采用擠出成型法或其他各種方法。
<電極印刷工藝> 接著，如圖21以及圖22所示，在印刷電路基板110上印刷作為內(nèi)部電極層的電極材料130、140，形成了第1電極印刷板31以及第2電極印刷板32兩種基板。
以下，對(duì)電極印刷板31、32的形成進(jìn)行進(jìn)一步說明。
在形成第1電極印刷板31時(shí)，如圖21所示，在印刷電路基板110上的印刷區(qū)域41，在最終成為內(nèi)部電極層131的部分印刷電極材料130，形成第1電極印刷板31。
另外，如圖22所示，在形成第2電極印刷板32時(shí)，與第1電極印刷板相同，在印刷電路基板110上的印刷區(qū)域41，在最終成為內(nèi)部電極層141的部分印刷了電極材料140。由此形成第2電極印刷板32。
在第1電極印刷板31以及第2電極印刷板32上，印刷電路基板110上形成的電極材料130、140分別在不同的側(cè)面露出。
而且，在本例中，使用糊狀A(yù)g/Pd合金作為電極材料130、140。另外，除了上述以外，也可以使用Ag、Pd、Cu、Ni等單質(zhì)、Cu/Ni等合金。
<消失縫印刷工藝> 另外，在本例中，在將要制造的層疊型壓電元件1的陶瓷層疊體15的側(cè)面上設(shè)置縫部11、12(參照?qǐng)D18～圖20)，因此如圖23所示，進(jìn)行消失縫印刷工藝，形成消失縫印刷板33。
如同圖所示，在上述印刷電路基板110上的印刷區(qū)域41，在最終成為應(yīng)力緩和部11、12的部分上印刷包括通過燒結(jié)而消失的消失材料的消失縫層120。由此，形成消失縫印刷板33。
而且，在本例中，作為構(gòu)成消失縫層120的消失材料，使用包含熱變形小、能夠使通過燒結(jié)工藝形成的溝的形狀精度保持得高的炭粒子的材料。另外，除了炭粒子以外，也能夠使用碳化了的粉末狀碳化有機(jī)物粒子。該碳化有機(jī)物粒子除了能夠通過碳化粉末狀的有機(jī)物粒子得到以外，也能夠通過粉碎碳化了的有機(jī)物而得到。進(jìn)而，作為上述有機(jī)物，能夠使用樹脂等高分子材料、或玉米、大豆、小麥粉等谷物。在這種情況下，能夠控制制造成本。
另外，在電極印刷工藝以及消失縫印刷工藝中，印刷電極材料以及消失材料使得凹進(jìn)距離和應(yīng)力緩和部的深度的關(guān)系滿足上述關(guān)系。另外，在電極印刷工藝以及消失縫印刷工藝中，如圖21～圖23所示，空出間隙42以避開在后工藝的單元切斷工藝中被切斷的部分，進(jìn)行電極材料130、140、以及消失縫層120的印刷。即，在印刷電路基板110上的相鄰的印刷區(qū)域41之間設(shè)置間隙42而進(jìn)行印刷。
<壓接工藝> 接著，如圖24所示，將形成的第1電極印刷板31、第2電極印刷板32、以及消失縫印刷板33以規(guī)定的順序，使各印刷區(qū)域41在層疊方向上一致并層疊。這時(shí)，交替層疊第1電極印刷板31以及第2電極印刷板32，并在要形成上述縫部的位置上插入消失縫印刷板33并層疊。具體地，在本例中，在第1電極印刷板31和第2電極印刷板32的層疊構(gòu)造每11層上層疊消失縫印刷板33，并層疊以使第1電極印刷板31以及第2電極印刷板32合計(jì)59枚，進(jìn)而，在層疊方向的兩端層疊未印刷電極材料以及消失層的印刷電路基板。這時(shí)，層疊第1電極印刷板31和第2電極印刷板32使電極材料130和電極材料140交替露出印刷區(qū)域的相對(duì)的端面。而后，將這樣層疊了的基板以溫度100℃加熱，并且在層疊方向上以50MPa加壓，制作成預(yù)備層疊體100。而且，在圖24上，為了制作圖紙的方便，以省略實(shí)際的層疊數(shù)的方式示出預(yù)備層疊體100。
<層疊體切斷工程> 接著，如圖25～圖27所示，沿著切斷位置43將形成的預(yù)備層疊體100按層疊方向切斷，形成中間層疊體101。
而且，切斷預(yù)備層疊體100可以按各個(gè)中間層疊體101進(jìn)行切斷，也可以包括多個(gè)中間層疊體101進(jìn)行切斷。在本例中，按各個(gè)中間層疊體101切斷，并以各電極材料130、140以及消失縫層120露出中間層疊體101的側(cè)面的方式切斷。
而且，在圖26以及圖27中，為了制作圖紙的方便，以省略實(shí)際的層疊數(shù)的方式示出預(yù)備層疊體100以及中間層疊體101。
<燒結(jié)工藝> 接著，加熱除去在中間層疊體101的印刷電路基板110中含有的粘合劑樹脂(脫脂)。加熱是通過歷時(shí)80個(gè)小時(shí)慢慢地升溫至500℃，并保持5個(gè)小時(shí)進(jìn)行的。
接著，將脫脂的中間層疊體10燒結(jié)。燒結(jié)是通過歷時(shí)12個(gè)小時(shí)使其慢慢地升溫至1050℃，保持2個(gè)小時(shí)后，慢慢地冷卻進(jìn)行的。
這樣，如圖18～圖20所示，制作成陶瓷層疊體15，該陶瓷層疊體15具有消失縫層120消失所形成的縫狀的應(yīng)力緩和部11、12。
應(yīng)力緩和部11、12是遍及陶瓷層疊體15的側(cè)面全周設(shè)置縫狀的空間而形成的。另外，如同圖所示，所制作的陶瓷層疊體15是交替層疊印刷電路基板110燒結(jié)而形成的壓電陶瓷層10和由電極材料130、140所形成的內(nèi)部電極層13、14而形成的。
而后，燒結(jié)后，進(jìn)行全面研磨，制作成長6mm×寬6mm×高4.4mm的陶瓷層疊體15，進(jìn)而，將側(cè)面電極17、18燒合，使其夾著陶瓷層疊體15的兩個(gè)側(cè)面。這時(shí)，各內(nèi)部電極層13、14分別交替地與不同側(cè)面的側(cè)面電極17、18電連接。
像上述那樣，如圖18～圖20所示，制作層疊型壓電元件1。
而且，在圖18以及圖19中，為了制作圖紙的方便，以省略實(shí)際的層疊數(shù)的方式示出層疊型壓電元件1。
在本例中，制作5種層疊型壓電元件(試樣E4～試樣E6、試樣C3、試樣C4)，其中，在隔著應(yīng)力緩和部11、12的2個(gè)內(nèi)部電極層(相鄰電極層)13(53)、14(54)的凹進(jìn)部132(532)、142(542)之中的、位于與該應(yīng)力緩和部11、12相同側(cè)面上的凹進(jìn)部142(542)、132(532)的凹進(jìn)距離143、133，與應(yīng)力緩和部11、12的深度的差，即離間部5的離間距離(參照?qǐng)D31)不同。
即，試樣E4與實(shí)施例1的上述試樣E1相同，是上述「凹進(jìn)距離-應(yīng)力緩和部的深度」，即「相鄰電極層的凹進(jìn)部的凹進(jìn)距離」-「位于與該凹進(jìn)部相同側(cè)面、且位于與該凹進(jìn)部的層疊方向最靠近的位置的應(yīng)力緩和部的深度」平均是0.2mm的層疊型壓電元件。另外，在試樣E1中，調(diào)查上述「凹進(jìn)距離-應(yīng)力緩和部的深度」的最小值為0.04mm。因此，在試樣E1中，相鄰電極層53、54中的凹進(jìn)部532、542之中的、位于與該應(yīng)力緩和部11、12相同側(cè)面上的凹進(jìn)部542、532的凹進(jìn)距離143、133，比應(yīng)力緩和部11、12的深度至少大0.04mm以上。
另外，試樣E5以及試樣E6是上述「凹進(jìn)距離-應(yīng)力緩和部的深度」平均分別為0.41mm、以及0.62mm、最小值分別是0.25mm以及0.52mm的層疊型壓電元件。
試樣C3以及試樣C4是上述「凹進(jìn)距離-應(yīng)力緩和部的深度」平均分別為0.03mm、以及-0.22mm、最小值分別是-0.05mm以及-0.33mm的層疊型壓電元件。
對(duì)于各試樣，測定與正極側(cè)的側(cè)面電極連接的內(nèi)部電極層中的全部凹進(jìn)部的凹進(jìn)距離。在下述的表2中示出它的平均值和范圍(不均勻)。同樣地，對(duì)于負(fù)極側(cè)也測定凹進(jìn)距離，在下述的表2中示出它的平均值和范圍(不均勻)。
另外，測定露出陶瓷層疊體的相同側(cè)面(正極的側(cè)面電極側(cè)的側(cè)面)的全部應(yīng)力緩和部的深度。在下述的表2中示出它的平均值和范圍(不均勻)。同樣地，對(duì)于負(fù)極側(cè)也測定應(yīng)力緩和部的深度，在下述的表2中示出它的平均值和范圍(不均勻)。
接著，通過與實(shí)施例1同樣的耐久性試驗(yàn)研究這些層疊型壓電元件(試樣E4～試樣E6、試樣C3、試樣C4)的耐久性。在表2中示出其結(jié)果。
[表2]
由表2可知，在試樣E4～E6、試樣C3、以及試樣C4的任一試樣中，對(duì)于正極側(cè)以及負(fù)極側(cè)都成立「全部凹進(jìn)距離的平均值<全部應(yīng)力緩和部深度的平均值」這樣的關(guān)系。
另外，如表2可知，在試樣E4～E6中，如果在層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，比較任意位置的應(yīng)力緩和部11、12的深度和隔著該應(yīng)力緩和部11、12而相鄰的內(nèi)部電極層13(53)、14(54)的凹進(jìn)部132(532)、142(542)的凹進(jìn)距離133、143，那么隔著應(yīng)力緩和部11、12的2個(gè)內(nèi)部電極層(相鄰電極層)13(53)、14(54)的凹進(jìn)部132(532)、142(542)之中的、位于與該應(yīng)力緩和部11、12相同側(cè)面上的凹進(jìn)部142(542)、132(532)的凹進(jìn)距離143、133，比該應(yīng)力緩和部11、12的深度111、121平均大0.2mm以上，最小也大0.04mm以上(參照?qǐng)D19以及圖20)。另外，試樣E4～試樣E6具有離間部5，在與層疊方向垂直的方向上將相鄰電極層53、54中的內(nèi)部電極部531、541的外周端部539、549、和位于與該相鄰電極層53、54的凹進(jìn)部532、542相同側(cè)面的應(yīng)力緩和部12、11的前端部122、112隔開距離(參照?qǐng)D31)。因此，本發(fā)明的實(shí)施例涉及的試樣E4～試樣E6，即使將含有應(yīng)力緩和部11、12的壓電陶瓷層10作為驅(qū)動(dòng)層，也能夠抑制或防止在應(yīng)力緩和部11、12上施加的過大電場，且如表2可知，與比較例(試樣C3以及試樣C4)相比顯示出了超過2倍的出色壽命。
另一方面，在試樣C3中，如表2可知，雖然相鄰電極層的凹進(jìn)部的凹進(jìn)距離，比應(yīng)力緩和部的深度平均大0.03mm，但存在該凹進(jìn)距離比應(yīng)力緩和部的深度小0.05mm的部分。
另外，在試樣C4中，如表2可知，相鄰電極層的凹進(jìn)距離即使是平均，最小也比應(yīng)力緩和部的深度小。
因此，試樣C3以及試樣C4中，在應(yīng)力緩和部的至少前端有可能施加過大的電場，如表2可知，與上述試樣E4～試樣E6相比壽命顯著地下降。
如上述那樣，若采用本例，能夠提供幾乎不損害位移性能、更可靠地防止絕緣電阻的下降、耐久性出色的層疊型壓電元件(試樣E4～試樣E6)。
另外，在本例中，在內(nèi)部電極層13、14之間的壓電陶瓷層10內(nèi)形成了應(yīng)力緩和部11、12(參照?qǐng)D19)，但例如圖28所示，也能夠形成在與內(nèi)部電極層13、14大致相同的層上。在這種情況下，在內(nèi)部電極層13、14的凹進(jìn)部132、142不形成應(yīng)力緩和部11、12，而能夠形成在內(nèi)部電極部131、141和側(cè)面電極17、18電連接一側(cè)的側(cè)面上露出的應(yīng)力緩和部。
(實(shí)施例3) 接著，使用圖32～圖35對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例中這樣的層疊型壓電元件進(jìn)行說明。
如圖32～34所示，與實(shí)施例1相同，本例的層疊型壓電元件1，具有交替層疊多個(gè)壓電陶瓷層10和多個(gè)內(nèi)部電極層23、24而形成的陶瓷層疊體15、和形成在其側(cè)面的一對(duì)側(cè)面電極17、18。內(nèi)部電極層23、24包括具有導(dǎo)電性的內(nèi)部電極部231、241、和其外周端部從陶瓷層疊體15的外周面152向內(nèi)側(cè)以規(guī)定的凹進(jìn)距離凹進(jìn)的凹進(jìn)部232、242，且內(nèi)部電極層23、24交替地與不同的側(cè)面電極17、18電連接。
陶瓷層疊體15在從其側(cè)面向內(nèi)側(cè)凹陷的縫狀的區(qū)域上，具有能夠使形狀比壓電陶瓷層10更容易變化的應(yīng)力緩和部11、12。
在本例中，應(yīng)力緩和部11(12)是從陶瓷層疊體15的側(cè)面向內(nèi)側(cè)凹陷的縫狀的溝部(空間)，且沿著周向形成在遍及陶瓷層疊體15的外周面全周。另外，應(yīng)力緩和部11(12)形成在內(nèi)部電極層23、和內(nèi)部電極層24之間的壓電陶瓷層10內(nèi)，且形成在不與內(nèi)部電極部231、241或者凹進(jìn)部232、242接觸的位置上。
如圖34所示，在層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，在陶瓷層疊體15的相同側(cè)面151(152)露出的全部應(yīng)力緩和部11(12)的深度的平均115(125)，比形成在與該應(yīng)力緩和部11(12)相同側(cè)面的全部上述凹進(jìn)部242(232)的凹進(jìn)距離的平均145(135)大。
另外，如圖33以及圖34所示，在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，如果將形成在負(fù)極的上述側(cè)面電極17側(cè)上的上述應(yīng)力緩和部作為負(fù)極側(cè)緩和部11，將隔著該負(fù)極側(cè)緩和部11而相鄰的2個(gè)上述內(nèi)部電極層23、24之中的與負(fù)極側(cè)的上述側(cè)面電極17電連接的上述內(nèi)部電極層作為基準(zhǔn)電極層235，那么相對(duì)于上述負(fù)極側(cè)緩和部11沿層疊方向隔著上述基準(zhǔn)電極235而相鄰、且具有與正極側(cè)的側(cè)面電極18連接的內(nèi)部電極層241的內(nèi)部電極24的凹進(jìn)部242的凹進(jìn)距離243，比上述負(fù)極側(cè)緩和部11的深度大。即，形成為與上述基準(zhǔn)電極層235最靠近的、具有與正極側(cè)的側(cè)面電極18電連接的內(nèi)部電極部241的內(nèi)部電極層24的凹進(jìn)部242的凹進(jìn)距離243，換言之，隔著上述基準(zhǔn)電極層235而與該基準(zhǔn)電極層235相鄰的、與正極側(cè)的側(cè)面電極18連接的2個(gè)內(nèi)部電極層之中的、在層疊方向上間隔上述基準(zhǔn)電極層235位于與上述負(fù)極側(cè)應(yīng)力緩和部11相反側(cè)的內(nèi)部電極層24的凹進(jìn)部242的凹進(jìn)距離243，比與上述基準(zhǔn)電極層235相鄰的負(fù)極側(cè)緩和部11的深度大。
另外，在上述層疊型壓電元件1的層疊方向的剖面上，將形成在正極的側(cè)面電極18側(cè)上的上述應(yīng)力緩和部作為正極側(cè)緩和部12，且隔著該正極側(cè)緩和部12而與其相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層23、24之中的與負(fù)極側(cè)的側(cè)面電極17電連接的內(nèi)部電極層23的凹進(jìn)部232的凹進(jìn)距離233，比正極側(cè)緩和部12的深度121大。即，隔著正極側(cè)緩和部12而相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層23、24之中的、與負(fù)極側(cè)的側(cè)面電極17電連接的內(nèi)部電極層23的凹進(jìn)部232的凹進(jìn)距離233，比與該內(nèi)部電極層23相鄰的正極側(cè)緩和部12的深度121大。
接著，使用圖36～42對(duì)本例的層疊型壓電元件的制造方法進(jìn)行說明。與實(shí)施例1以及2相同，在本例中，通過實(shí)施印刷電路基板制作工藝、電極印刷工藝、消失縫印刷工藝、壓接工藝、層疊體切斷工藝、以及燒結(jié)工藝，制作層疊型壓電元件。
以下，對(duì)各個(gè)工藝逐一說明制造方法。
<印刷電路基板制作工藝> 首先，準(zhǔn)備作為壓電材料的鋯酸鈦酸鉛(PZT)等陶瓷原料粉末。具體地，準(zhǔn)備Pb3O4、SrCO3、ZrO2、TiO2、Y2O3以及Nb2O5作為出發(fā)原料，將這些出發(fā)原料以成為目的組成PbZrO3-PbTiO3-Pb(Y1/2Nb1/2)O3的化學(xué)計(jì)量比稱量、濕式混合、以溫度850℃煅燒5個(gè)小時(shí)。接著，將煅燒粉用微粒研磨機(jī)濕式粉碎。將這些煅燒粉粉碎物(粒徑(D50值)0.7±0.05μm)干燥后，添加溶劑、粘合劑(binder)、可塑劑、分散劑等，用球磨機(jī)混合，將得到的漿體一邊在真空裝置內(nèi)用攪拌機(jī)攪拌一邊進(jìn)行真空脫泡、粘度調(diào)整。
而后，利用刮粉刀法，在載體膜上涂敷上述漿體，成型了厚度80μm的長形狀的印刷電路基板。將該印刷電路基板以規(guī)定的大小切斷，制作成寬幅的印刷電路基板110(圖36～圖38)。
而且，作為印刷電路基板的成型方法，除了在本例中使用的刮粉刀法之外，可以采用擠出成型法或其他各種方法。
<電極印刷工藝> 接著，如圖36以及圖37所示，在印刷電路基板110上印刷作為內(nèi)部電極層的電極材料130、140，形成第1電極印刷板31以及第2電極印刷板32兩種基板。
以下，對(duì)電極印刷板31、32的形成進(jìn)行進(jìn)一步說明。
在形成第1電極印刷板31時(shí)，如圖37所示，在印刷電路基板110上的印刷區(qū)域41，在最終成為內(nèi)部電極層231的部分印刷電極材料130，而形成第1電極印刷板31。
另外，如圖36所示，在形成第2電極印刷板32時(shí)，與第1電極印刷板相同，在印刷電路基板110上的印刷區(qū)域41，在最終成為內(nèi)部電極層241的部分印刷電極材料140。由此形成第2電極印刷板32。
在第1電極印刷板31以及第2電極印刷板32上，印刷電路基板110上形成的電極材料130、140分別在不同的側(cè)面露出。
而且，在本例中，使用糊狀A(yù)g/Pd合金作為電極材料130、140。另外，除了上述以外，也可以使用Ag、Pd、Cu、Ni等單質(zhì)、Cu/Ni等合金。
<消失縫印刷工藝> 另外，在本例中，在將要制造的層疊型壓電元件1的陶瓷層疊體15的側(cè)面設(shè)置縫部11、12(參照?qǐng)D32～圖35)，因此如圖38所示，進(jìn)行消失縫印刷工藝，形成消失縫印刷板33。
如同圖所示，在上述印刷電路基板110上的印刷區(qū)域41，在最終成為應(yīng)力緩和部11、12的部分上印刷包括通過燒結(jié)而消失的消失材料的消失縫層120。由此，形成消失縫印刷板133。
而且，在本例中，作為構(gòu)成消失縫層120的消失材料，使用包含熱變形小、能夠使通過燒結(jié)工藝所形成的溝的形狀精度保持得高的炭粒子的材料。另外，除了炭粒子以外，也能夠使用碳化了的粉末狀碳化有機(jī)物粒子。該碳化有機(jī)物粒子除了能夠通過碳化粉末狀的有機(jī)物粒子得到以外，也能夠通過粉碎碳化了的有機(jī)物而得到。進(jìn)而，作為上述有機(jī)物，能夠使用樹脂等高分子材料、或玉米、大豆、小麥粉等谷物。在這種情況下，能夠控制制造成本。
另外，在電極印刷工藝以及消失縫印刷工藝中，印刷電極材料以及消失材料使得凹進(jìn)距離和應(yīng)力緩和部的深度的關(guān)系滿足上述關(guān)系。另外，在電極印刷工藝以及消失縫印刷工藝中，如圖36～圖38所示，空出間隙42以避開在后工藝的單元切斷工藝中被切斷的部分，而進(jìn)行電極材料130、140、以及消失縫層120的印刷。即，在印刷電路基板110上的相鄰的印刷區(qū)域41之間設(shè)置間隙42而進(jìn)行印刷。
<壓接工藝> 接著，如圖39所示，將形成的第1電極印刷板31、第2電極印刷板32、以及消失縫印刷板33以規(guī)定的順序，使各印刷區(qū)域41在層疊方向上一致并層疊。這時(shí)，交替層疊第1電極印刷板31以及第2電極印刷板32，并在要形成上述縫部的位置上插入消失縫印刷板并層疊。具體地，在本例中，在第1電極印刷板31和第2電極印刷板32的層疊構(gòu)造每11層上層疊消失縫印刷板33，并層疊使第1電極印刷板31以及第2電極印刷板32合計(jì)59枚，進(jìn)而，在層疊方向的兩端層疊未印刷電極材料以及消失層的印刷電路基板。這時(shí)，層疊第1電極印刷板31和第2電極印刷板32使電極材料130和電極材料140交替露出印刷區(qū)域的相對(duì)的端面。而后，將這樣層疊了的基板以溫度100℃加熱，并且在層疊方向上以50MPa加壓，制作成預(yù)備層疊體100。而且，在圖39上，為了制作圖紙的方便，以省略實(shí)際的層疊數(shù)的方式示出預(yù)備層疊體100。
<層疊體切斷工程> 接著，如圖40～圖43所示，沿著切斷位置43將形成了的預(yù)備層疊體100按層疊方向切斷，形成中間層疊體101。
而且，切斷預(yù)備層疊體100可以按各個(gè)中間層疊體101進(jìn)行切斷，也可以包括多個(gè)中間層疊體101進(jìn)行切斷。在本例中，按各個(gè)中間層疊體101切斷，并以各電極材料130、140以及消失縫層120露出中間層疊體101的側(cè)面的方式切斷。
而且，在圖41以及圖42中，為了制作圖紙的方便，以省略實(shí)際的層疊數(shù)的方式示出預(yù)備層疊體100以及中間層疊體10。
<燒結(jié)工藝> 接著，加熱除去在中間層疊體10的印刷電路基板110中含有的粘合劑樹脂(脫脂)。加熱是通過歷時(shí)80個(gè)小時(shí)慢慢地升溫至500℃，并保持5個(gè)小時(shí)進(jìn)行的。
接著，將脫脂的中間層疊體10燒結(jié)。燒結(jié)是通過歷時(shí)12個(gè)小時(shí)使其慢慢地升溫至1050℃，保持2個(gè)小時(shí)后，慢慢地冷卻進(jìn)行的。
這樣，如圖32～圖34所示，制作成陶瓷層疊體15，該陶瓷層疊體15具有消失縫層120消失所形成的縫狀的應(yīng)力緩和部11、12。應(yīng)力緩和部11、12是遍及陶瓷層疊體15的側(cè)面全周設(shè)置縫狀的空間而形成的。另外，如同圖所示，所制作的陶瓷層疊體10是交替層疊印刷電路基板110燒結(jié)而形成的壓電陶瓷層10和由電極材料130、140所形成的內(nèi)部電極層23、24而形成的。
而后，燒結(jié)后，進(jìn)行全面研磨，制作成長6mm×寬6mm×高4.4mm的陶瓷層疊體15，進(jìn)而，將側(cè)面電極17、18燒合，使其夾著陶瓷層疊體15的兩個(gè)側(cè)面。這時(shí)，各內(nèi)部電極層13、14分別交替地與不同側(cè)面的側(cè)面電極17、18電連接。
像上述那樣，如圖32～圖34所示，制作層疊型壓電元件1。
而且，在圖32以及圖34中，為了制作圖紙的方便，以省略實(shí)際的層疊數(shù)的方式示出層疊型壓電元件1。
在本例中，制作5種層疊型壓電元件(試樣F1～試樣F3、試樣G1、試樣G2)，其中，相對(duì)于負(fù)極側(cè)緩和部11沿層疊方向隔著并與基準(zhǔn)電極層235相鄰、且與正極側(cè)的側(cè)面電極18連接的內(nèi)部電極層241的凹進(jìn)部242的凹進(jìn)距離243與上述負(fù)極側(cè)緩和部11的深度之間的差、以及與形成在正極的側(cè)面電極18側(cè)上的正極側(cè)緩和部12相鄰的、與負(fù)極側(cè)的上述側(cè)面電極17電連接的內(nèi)部電極層23的上述凹進(jìn)部232的凹進(jìn)距離233與正極側(cè)應(yīng)力緩和部12的深度之間的差不同，上述基準(zhǔn)電極層235與形成在負(fù)極的側(cè)面電極17側(cè)的負(fù)極側(cè)緩和部11相鄰并與負(fù)極的側(cè)面電極17側(cè)電連接。
即，試樣F1與實(shí)施例1的上述試樣E1相同，是上述「凹進(jìn)距離-應(yīng)力緩和部的深度」平均是0.2mm的層疊型壓電元件。另外，在試樣F1中，調(diào)查上述「凹進(jìn)距離-應(yīng)力緩和部的深度」的最小值為0.04mm。因此，在試樣F1中，與負(fù)極側(cè)連接的相鄰電極235的凹進(jìn)部232的凹進(jìn)距離233，比正極側(cè)應(yīng)力緩和部12的深度111至少大0.04mm以上(參照?qǐng)D33)。另外，相對(duì)于負(fù)極側(cè)緩和部11，沿層疊方向相鄰、且與正極側(cè)的側(cè)面電極18連接的內(nèi)部電極層241的凹進(jìn)部242的凹進(jìn)距離243，比負(fù)極側(cè)應(yīng)力緩和部11的深度121至少大0.04mm以上。
另外，試樣F2以及試樣F3是上述「凹進(jìn)距離-應(yīng)力緩和部的深度」平均分別為0.39mm、以及0.58mm、最小值分別是0.28mm以及0.49mm的層疊型壓電元件。
試樣G1以及試樣G2是平均分別為0.05mm、以及-0.20mm、最小值分別是-0.03mm以及-0.30mm的層疊型壓電元件。
對(duì)于各試樣，測定與正極側(cè)的側(cè)面電極連接的內(nèi)部電極層的全部凹進(jìn)部的凹進(jìn)距離。在下述的表3中示出它的平均值和范圍(不均勻)。同樣地，對(duì)于負(fù)極側(cè)，也測定凹進(jìn)距離，在下述的表3中示出它的平均值和范圍(不均勻)。
另外，測定在陶瓷層疊體的相同側(cè)面(正極的側(cè)面電極側(cè)的側(cè)面)露出的全部應(yīng)力緩和部的深度。在下述的表3中示出它的平均值和范圍(不均勻)。同樣地，對(duì)于負(fù)極側(cè)，也測定應(yīng)力緩和部的深度，在下述的表3中示出它的平均值和范圍(不均勻)。
接著，通過與實(shí)施例1同樣的耐久性試驗(yàn)研究這些層疊型壓電元件(試樣F1～試樣F3、試樣G1、試樣G2)的耐久性。在表3中示出其結(jié)果。
[表3]
由表3可知，在試樣F1～F3、試樣G1、以及試樣G2的任一試樣中，對(duì)于正極側(cè)以及負(fù)極側(cè)都成立「全部凹進(jìn)距離的平均值<全部應(yīng)力緩和部深度的平均值」這樣的關(guān)系。
另外，如表3可知，在試樣F1～F3中，在層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，與負(fù)極側(cè)連接的相鄰電極235的凹進(jìn)部232的凹進(jìn)距離233，比正極側(cè)應(yīng)力緩和部12的深度111平均大0.2mm以上、最小也大0.04mm以上，且相對(duì)于負(fù)極側(cè)緩和部11沿層疊方向隔著而相鄰、且與正極側(cè)的側(cè)面電極18連接的內(nèi)部電極層241的凹進(jìn)部242的凹進(jìn)距離243，比負(fù)極側(cè)應(yīng)力緩和部11的深度121平均大0.2mm以上、最小也大0.04mm以上(參照?qǐng)D33)。另外，試樣F1～試樣F3具有基準(zhǔn)電極層235、以及離間部6、7，該離間部在與層疊方向垂直的方向上將相對(duì)于負(fù)極側(cè)緩和部11沿著層疊方向隔著而相鄰、且與正極側(cè)的側(cè)面電極18連接的內(nèi)部電極層54的內(nèi)部電極部531、541的外周端部539、549，和位于與電極層53、54的凹進(jìn)部532、542相同側(cè)面的應(yīng)力緩和部12、11的前端部122、112隔開距離(參照?qǐng)D35)。因此，本發(fā)明的實(shí)施例涉及的試樣F1～試樣F3，即使將含有應(yīng)力緩和部11、12的壓電陶瓷層10作為驅(qū)動(dòng)層，也由于未在絕緣電阻容易下降的部位施加電場，如表3可知，與比較例(試樣G1以及試樣G2)相比顯示出了超過2倍的出色壽命。
另一方面，在試樣G1中，如表3可知，雖然上述「凹進(jìn)距離-應(yīng)力緩和部的深度」平均變大0.03mm，但存在該凹進(jìn)距離比應(yīng)力緩和部的深度小0.05mm的部分。
另外，在試樣G2中，如表2可知，無論平均，還是最小，都比應(yīng)力緩和部的深度小。
因此，試樣G1以及試樣G2中，在應(yīng)力緩和部的至少前端有可能施加過大的電場，如表3可知，與上述試樣F1～試樣F3相比壽命顯著地下降。
如上述那樣，若采用本例，能夠提供幾乎不損害位移性能、更可靠地防止絕緣電阻的下降、耐久性出色的層疊型壓電元件(試樣F1～試樣F3)。
另外，在本例中，圖43中示出用組合的圖形形成的內(nèi)部電極部231、241和縫層11、12。本發(fā)明并不限定這個(gè)圖形。在沿層疊方向透視該陶瓷層疊體的情況下，陶瓷層疊體具有全部的內(nèi)部電極部重合的區(qū)域即重合部、和僅至少一部分的內(nèi)部電極部重合、或全部未重合的區(qū)域即非重合部，應(yīng)力緩和部能夠形成在上述非重合部19上。
在圖44(a)～(c)中示出內(nèi)部電極部231、241和縫層11、12的組合圖形。即使是任意圖形，也能充分發(fā)揮本發(fā)明的效果。
權(quán)利要求
1.一種層疊型壓電元件，具有將多個(gè)壓電陶瓷層和多個(gè)內(nèi)部電極層交替層疊而成的陶瓷層疊體、以及在與該陶瓷層疊體的層疊方向垂直的方向的側(cè)面形成的一對(duì)側(cè)面電極，其特征在于，
上述內(nèi)部電極層包括具有導(dǎo)電性的內(nèi)部電極形成區(qū)域、以及該內(nèi)部電極形成區(qū)域的外周端部從上述陶瓷層疊體的外周面向內(nèi)側(cè)以規(guī)定的后退距離后退的內(nèi)部電極非形成區(qū)域，并在上述內(nèi)部電極形成區(qū)域交替地與某一方的上述側(cè)面電極電連接；
上述陶瓷層疊體具有從該陶瓷層疊體的側(cè)面向內(nèi)側(cè)以規(guī)定的深度凹陷的縫狀的應(yīng)力緩和部；
隔著上述應(yīng)力緩和部而與該應(yīng)力緩和部相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的上述后退距離，在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，比位于與該內(nèi)部電極非形成區(qū)域相同的側(cè)面、且在層疊方向與該內(nèi)部電極非形成區(qū)域相鄰的上述應(yīng)力緩和部的深度大。
2.在權(quán)利要求1中記載的層疊型壓電元件，其特征在于，
在上述層疊型壓電元件的上述層疊方向的剖面上，除了隔著上述應(yīng)力緩和部的2個(gè)上述內(nèi)部電極層以外，上述應(yīng)力緩和部與形成為在上述層疊方向上最靠近該應(yīng)力緩和部的其他上述應(yīng)力緩和部之間所隔著的至少1個(gè)上述內(nèi)部電極層的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的上述后退距離，比上述應(yīng)力緩和部的深度小。
3.在權(quán)利要求1或2中記載的層疊型壓電元件，其特征在于，
在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，在上述陶瓷層疊體的相同側(cè)面露出的全部應(yīng)力緩和部的深度的平均值，比形成在與該應(yīng)力緩和部相同的側(cè)面上的全部上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的后退距離的平均值大。
4.在權(quán)利要求1～3的任一項(xiàng)中記載的層疊型壓電元件，其特征在于，
在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，除了隔著上述應(yīng)力緩和部的2個(gè)內(nèi)部電極層之中的、在與該應(yīng)力緩和部相同的側(cè)面上具有上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域一側(cè)的上述內(nèi)部電極層以外，全部的上述內(nèi)部電極層的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的后退距離，比形成在與該內(nèi)部電極非形成區(qū)域相同的側(cè)面上的應(yīng)力緩和部之中的、深度最小的應(yīng)力緩和部的深度小。
5.在權(quán)利要求1～4的任一項(xiàng)中記載的層疊型壓電元件，其特征在于，
在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，隔著上述應(yīng)力緩和部的2個(gè)上述內(nèi)部電極層的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域之中的、位于與該應(yīng)力緩和部相同的側(cè)面的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的上述后退距離，比上述應(yīng)力緩和部的深度大0.04mm以上。
6.在權(quán)利要求1～5的任一項(xiàng)中記載的層疊型壓電元件，其特征在于，
在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，隔著上述應(yīng)力緩和部的2個(gè)內(nèi)部電極層的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域之中的、位于與該應(yīng)力緩和部相同的側(cè)面的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的上述后退距離，比位于與該內(nèi)部電極非形成區(qū)域相同的側(cè)面的上述應(yīng)力緩和部的深度平均大0.2mm以上。
7.一種層疊型壓電元件，具有將多個(gè)壓電陶瓷層和多個(gè)內(nèi)部電極層交替層疊而成的陶瓷層疊體、以及在與該陶瓷層疊體的層疊方向垂直的方向的側(cè)面形成的一對(duì)側(cè)面電極，其特征在于，
上述內(nèi)部電極層包括具有導(dǎo)電性的內(nèi)部電極形成區(qū)域、以及該內(nèi)部電極形成區(qū)域的外周端部從上述陶瓷層疊體的外周面向內(nèi)側(cè)以規(guī)定的后退距離后退的內(nèi)部電極非形成區(qū)域，并在上述內(nèi)部電極形成區(qū)域交替地與某一方的上述側(cè)面電極電連接；
上述陶瓷層疊體具有從該陶瓷層疊體的側(cè)面向內(nèi)側(cè)以規(guī)定的深度凹陷的縫狀的應(yīng)力緩和部；
在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，將形成在負(fù)極的上述側(cè)面電極側(cè)的上述應(yīng)力緩和部作為負(fù)極側(cè)緩和部，將隔著該負(fù)極側(cè)緩和部而相鄰的2個(gè)上述內(nèi)部電極層之中的與負(fù)極側(cè)的上述側(cè)面電極電連接的上述內(nèi)部電極層作為基準(zhǔn)電極層，則相對(duì)于上述負(fù)極側(cè)緩和部在層疊方向隔著上述基準(zhǔn)電極層而相鄰、且與正極側(cè)的側(cè)面電極連接的內(nèi)部電極層的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的上述后退距離，比上述負(fù)極側(cè)緩和部的深度大；
在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，將形成在正極的側(cè)面電極側(cè)的上述應(yīng)力緩和部作為正極側(cè)緩和部，隔著該正極側(cè)緩和部而相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層之中的與負(fù)極側(cè)的上述側(cè)面電極電連接的上述內(nèi)部電極層的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的上述后退距離，比上述正極側(cè)緩和部的深度大。
8.在權(quán)利要求7中記載的層疊型壓電元件，其特征在于，
在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，除了相對(duì)于上述應(yīng)力緩和部在層疊方向隔著上述基準(zhǔn)電極層而相鄰、且與正極側(cè)的側(cè)面電極連接的內(nèi)部電極層、以及隔著上述正極側(cè)緩和部而相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層之中的與負(fù)極側(cè)的上述側(cè)面電極電連接的上述內(nèi)部電極層以外的全部上述內(nèi)部電極層的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的上述后退距離，比形成在與該內(nèi)部電極非形成區(qū)域相同的側(cè)面上的應(yīng)力緩和部之中的、深度最小的應(yīng)力緩和部的深度小。
9.在權(quán)利要求7或8中記載的層疊型壓電元件，其特征在于，
在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，在陶瓷層疊體的相同側(cè)面露出的全部應(yīng)力緩和部的深度的平均值，比形成在與該應(yīng)力緩和部相同的側(cè)面的全部上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的上述后退距離的平均值大。
10.在權(quán)利要求7～9的任一項(xiàng)中記載的層疊型壓電元件，其特征在于，
在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，隔著上述正極側(cè)緩和部而相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層之中的與負(fù)極側(cè)的上述側(cè)面電極電連接的上述內(nèi)部電極層的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的上述后退距離，比上述正極側(cè)緩和部的深度大0.04mm以上。
11.在權(quán)利要求7～10的任一項(xiàng)中記載的層疊型壓電元件，其特征在于，
在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，隔著上述正極側(cè)緩和部而相鄰的2個(gè)內(nèi)部電極層之中的與負(fù)極側(cè)的上述側(cè)面電極電連接的上述內(nèi)部電極層的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的上述后退距離，比上述正極側(cè)緩和部的深度平均大0.2mm以上。
12.一種層疊型壓電元件，具有將多個(gè)壓電陶瓷層和多個(gè)內(nèi)部電極層交替層疊而成的陶瓷層疊體、以及在與該陶瓷層疊體的層疊方向垂直的方向的側(cè)面形成的一對(duì)側(cè)面電極，其特征在于，
上述內(nèi)部電極層包括具有導(dǎo)電性的內(nèi)部電極形成區(qū)域、以及該內(nèi)部電極形成區(qū)域的外周端部從上述陶瓷層疊體的外周面向內(nèi)側(cè)以規(guī)定的后退距離后退的內(nèi)部電極非形成區(qū)域，并在上述內(nèi)部電極形成區(qū)域交替地與某一方的上述側(cè)面電極電連接；
上述陶瓷層疊體具有從該陶瓷層疊體的側(cè)面向內(nèi)側(cè)以規(guī)定的深度凹陷的縫狀的應(yīng)力緩和部；
將隔著上述應(yīng)力緩和部的2個(gè)內(nèi)部電極層作為相鄰電極層，則在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上具有離間部，該離間部沿著與上述層疊方向垂直的方向，將上述相鄰電極層的上述內(nèi)部電極形成區(qū)域的上述外周端部、與位于與該相鄰電極層的上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域相同的側(cè)面上的上述應(yīng)力緩和部的前端部隔開距離。
13.在權(quán)利要求12中記載的層疊型壓電元件，其特征在于，
在上述層疊型壓電元件的上述層疊方向的剖面上，除了上述相鄰電極層以外，上述應(yīng)力緩和部與形成為在上述層疊方向上最靠近該應(yīng)力緩和部的其他上述應(yīng)力緩和部之間所隔著的至少1個(gè)上述內(nèi)部電極層的上述后退距離，比上述應(yīng)力緩和部的深度小。
14.在權(quán)利要求12或13中記載的層疊型壓電元件，其特征在于，
在上述層疊型壓電元件的層疊方向的剖面上，在上述陶瓷層疊體的相同側(cè)面露出的全部應(yīng)力緩和部的深度的平均值，比形成在與該應(yīng)力緩和部相同的側(cè)面上的全部上述內(nèi)部電極非形成區(qū)域的后退距離的平均值大。
15.在權(quán)利要求12～14的任一項(xiàng)中記載的層疊型壓電元件，其特征在于，
上述離間部的離間距離為0.04mm以上。
16.在權(quán)利要求12～15的任一項(xiàng)中記載的層疊型壓電元件，其特征在于，
在上述層疊型壓電元件中，上述離間部的離間距離平均為0.2mm以上。
17.在權(quán)利要求1～16的任一項(xiàng)中記載的層疊型壓電元件，其特征在于，
上述壓電陶瓷層以鈦酸鋯酸鉛為主要成分，上述內(nèi)部電極形成區(qū)域以AgPd合金為主要成分。
18.在權(quán)利要求1～17的任一項(xiàng)中記載的層疊型壓電元件，其特征在于，
上述層疊型壓電元件用于燃料噴射閥。
全文摘要
一種層疊型壓電元件(1)，具有交替層疊壓電陶瓷層和內(nèi)部電極層而形成的陶瓷層疊體、以及一對(duì)側(cè)面電極。內(nèi)部電極層(13、14)具有內(nèi)部電極部(131、141)和凹進(jìn)部(132、142)。陶瓷層疊體(15)具有應(yīng)力緩和部(11、12)。在隔著應(yīng)力緩和部(11、12)的2個(gè)內(nèi)部電極層(13、14)的凹進(jìn)部(132、142)之中的、位于與應(yīng)力緩和部(11、12)相同側(cè)面的凹進(jìn)部(132、142)的凹進(jìn)距離，比應(yīng)力緩和部(11、12)的深度大。
文檔編號(hào)H01L41/083GK101622727SQ200880006210
公開日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2008年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月26日
發(fā)明者鈴木聰司, 村井敦司, 淺野浩章, 野田耕嗣, 長屋年厚, 巖瀨昭夫, 藤井章, 門谷成 申請(qǐng)人:株式會(huì)社電裝