專利名稱：疊層型壓電元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及疊層型壓電元件(以下也簡稱為“元件”)，例如，涉及搭載在汽車發(fā)動機的燃料噴射裝置、噴墨等液體噴射裝置、光學(xué)裝置等的精密定位裝置或振動防止裝置等中的驅(qū)動元件，搭載在燃燒壓力傳感器、測震傳感器、加速度傳感器、負荷傳感器、超聲波傳感器、壓敏傳感器、偏航速率傳感器等中的傳感器元件，以及搭載在壓電陀螺、壓電開關(guān)、壓電變壓器、壓電斷路器等中的電路元件上使用的疊層型壓電元件。

背景技術(shù)：
以往，作為疊層型壓電元件，公知有交替疊層壓電體和內(nèi)部電極的疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)。疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)分類為同時燒成類型、和交替疊層由1個壓電體構(gòu)成的壓電瓷器與板狀體的內(nèi)部電極的層疊類型兩種，但出于有利于低壓電化、降低制造成本方面、薄層化、以及有利于耐久性的考慮，同時燒成類型的疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異性。
圖7是表示專利文獻1中公開的以往的疊層型壓電元件的圖。該疊層型壓電元件由疊層體20和形成在相互對置的一對側(cè)面上的外部電極54構(gòu)成。疊層體20交替疊層有構(gòu)成其的壓電體51和內(nèi)部電極52，不過，內(nèi)部電極52并不是形成在壓電體51的整個主面上，而成為所謂的局部電極結(jié)構(gòu)。該局部電極結(jié)構(gòu)的內(nèi)部電極52左右相異地疊層，使內(nèi)部電極52每隔一層向不同的疊層體20側(cè)面露出。而且，在疊層體20的相互對置的一對側(cè)面與每隔一層露出的內(nèi)部電極52導(dǎo)通地形成外部電極54。
此外，在疊層體20的疊層方向上兩端面疊層有惰性層104。該惰性層62也稱作保護層，該保護層一般不包含電極51。但是，在這種構(gòu)成中，有時包含內(nèi)部電極層52的部分和惰性層62之間在燒成時產(chǎn)生收縮差，而產(chǎn)生應(yīng)力或產(chǎn)生裂縫。為了防止這種情況，專利文獻3中公開了一種方法，如圖8所示，在惰性層62上疊層與活性層63相同的電極61，來防止在燒成后產(chǎn)生裂縫。此外，由于包括與外部電極相連接的內(nèi)部電極層52在內(nèi)的部分是與外加的電壓相對應(yīng)進行伸縮的部分，所以稱為活性層。
這樣的疊層型壓電元件通過以下的方法來制造。首先，在包含壓電體51原料的陶瓷生片上以成為規(guī)定的電極結(jié)構(gòu)的圖形印刷內(nèi)部電極膏，制作通過將涂布了該內(nèi)部電極膏的生片疊層多個而得到的疊層成形體，再通過對其進行燒成而制作疊層體20。然后，在疊層體20的一對側(cè)面上通過燒成形成外部電極54而得到疊層型壓電元件(例如，參照專利文獻1)。
此外，作為內(nèi)部電極52采用銀與鈀的合金，并且，為了同時燒成壓電體51和內(nèi)部電極52，內(nèi)部電極52的金屬組成設(shè)為銀70質(zhì)量％、鈀30質(zhì)量％(例如，參照專利文獻2)。
這樣，不采用只由銀的金屬組成構(gòu)成的內(nèi)部電極52、而采用由含有銀-鈀合金(含有鈀)的金屬組成構(gòu)成的內(nèi)部電極52是因為在不含有色而只有銀的組成中，當賦予對置的一對內(nèi)部電極52之間電位差的情況下，會產(chǎn)生該一對內(nèi)部電極52中的銀從正極向負極沿元件表面?zhèn)鞑ヒ苿蛹此^銀遷移現(xiàn)象。在高溫、高濕的環(huán)境中該銀遷移現(xiàn)象尤其明顯。
在將以往的疊層型壓電元件使用為壓電執(zhí)行機構(gòu)的情況下，進一步利用軟釬料將導(dǎo)線固定在外部電極54上(未圖示)，通過在外部電極54之間外加規(guī)定的電位而進行驅(qū)動。尤其，近年來，小型的疊層型壓電元件由于要求在較大的壓力下確保較大的位移量，所以需要外加更高的電場并使其長時間連續(xù)驅(qū)動。
專利文獻1日本特開昭61-133715號公報 專利文獻2日本實開平1-130568號公報 專利文獻3日本特開平9-270540號公報 但是，在疊層型壓電元件中，如上述那樣，活性層可伸縮，而形成在其周圍的外部電極、惰性層不能伸縮，由此會產(chǎn)生以下那樣的問題。
首先，由于在驅(qū)動時活性層反復(fù)產(chǎn)生尺寸變化，所以在高電場、高壓力下長期間連續(xù)驅(qū)動的情況下，外部電極與壓電體之間會剝離、或外部電極自身產(chǎn)生龜裂，從而，有時在外部電極與內(nèi)部電極的連接部產(chǎn)生接點不良。據(jù)此，不能給一部分壓電體供給電壓，若長時間使用，位移特性會變化，產(chǎn)生火花導(dǎo)致驅(qū)動停止。
近年來，對于小型的疊層型壓電元件，為了獲得較大的位移量，而外加更高的電場、長期間連續(xù)進行驅(qū)動，因此，這樣的問題會變得明顯。
另外，在專利文獻3所示的惰性層，雖然活性層與惰性層之間的收縮差被緩和，但在外加高電壓、尤其長時間連續(xù)進行驅(qū)動的情況下，會在形成惰性層62的電極61與壓電層(活性部)63的界面產(chǎn)生裂縫，耐久性上存在問題。


發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明是鑒于上述的問題點而做出的，其目的在于提供一種在高電壓、高壓力下可增大壓電執(zhí)行機構(gòu)的位移量，并且，即使長期連續(xù)驅(qū)動時位移量也不會變化的耐久性優(yōu)越的疊層型壓電元件。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第1疊層型壓電元件，其特征在于，具有疊層體，其具有活性部，該活性部是交替疊層至少1個壓電體與由第一內(nèi)部電極及第二內(nèi)部電極構(gòu)成的多個內(nèi)部電極而成的，所述活性部與外加在所述第一內(nèi)部電極及所述第二內(nèi)部電極之間的電壓相對應(yīng)進行伸縮，和外部電極，其分別形成在所述疊層體的2個側(cè)面上，其中之一與所述第一內(nèi)部電極相連接、其中之另一個與所述第二內(nèi)部電極相連接， 所述各外部電極是包含與所述疊層體的側(cè)面相接形成的第1層和形成在該第1層上的第2層在內(nèi)的3層以上的層。
另外，本發(fā)明的第1疊層型壓電元件，其特征在于，具有 疊層體，其具有活性部和位于該活性部的兩端部分別由壓電材料構(gòu)成的惰性層，所述活性部是交替疊層至少1個壓電體與由第一內(nèi)部電極及第二內(nèi)部電極構(gòu)成的多個內(nèi)部電極而成的，所述活性部與外加在所述第一內(nèi)部電極及所述第二內(nèi)部電極之間的電壓相對應(yīng)進行伸縮， 外部電極，其分別形成在所述疊層體的2個側(cè)面上，其中之一與所述第一內(nèi)部電極相連接、其中之另一個與所述第二內(nèi)部電極相連接， 所述疊層體的惰性層包含被分散的金屬。
進一步，本發(fā)明的疊層型壓電元件的制造方法，其特征在于，包括 在交替疊層壓電體生片與導(dǎo)電體層而成的生疊層體的兩端面形成壓電材料層； 在所述壓電材料層之上形成金屬層； 在對形成了所述壓電材料層與所述金屬層的所述生疊層體進行燒成后，除去所述金屬層。
(發(fā)明效果) 如上述那樣構(gòu)成的本發(fā)明的第1疊層型壓電元件，由于所述各外部電極是包含與所述疊層體側(cè)面相接形成的第1層和形成在該第1層上的第2層在內(nèi)的3層以上的層，所以能夠利用3層以上的層的界面來阻斷龜裂(阻止龜裂擴大到上層或下層)，而阻止產(chǎn)生貫穿外部電極整體的龜裂。
據(jù)此，可防止因所述疊層體的尺寸變化產(chǎn)生外部電極龜裂，即使長期間連續(xù)驅(qū)動的情況下位移量也不會變化，能夠提高疊層型壓電元件的耐久性。
另外，本發(fā)明的第1疊層型壓電元件，由于所述疊層體的惰性層包含被分散的金屬，所以可緩和(均勻化)燒成收縮時在惰性層與活性層之間產(chǎn)生的應(yīng)力，在高電壓、高壓力下能夠增大壓電執(zhí)行機構(gòu)的位移量，并且，即使長期間連續(xù)驅(qū)動的情況下位移量也不會變化，能夠提高在高電壓及長時間連續(xù)使用情況下的耐久性。
并且，本發(fā)明的疊層型壓電元件的制造方法，在對在所述壓電材料層之上形成了金屬層的所述生疊層體進行燒成后，除去所述金屬層，因此，能夠制造出容易將金屬分散在所述惰性層中的疊層型壓電元件。



圖1A是表示本發(fā)明的實施方式1的疊層型壓電元件的構(gòu)成的立體圖。
圖1B是表示實施方式1的疊層型壓電元件的壓電體層與內(nèi)部電極層的疊層狀態(tài)的立體展開圖。
圖2是表示實施方式1的疊層型壓電元件中形成在壓電體側(cè)面的外部電極的疊層結(jié)構(gòu)的放大剖視圖。
圖3A是表示本發(fā)明的實施方式2的疊層型壓電元件的構(gòu)成的立體圖。
圖3B是實施方式2的疊層型壓電元件的剖視圖。
圖4A是在實施方式2的疊層型壓電元件中進一步形成了導(dǎo)電性輔助部件時的立體圖。
圖4B是圖4A的剖視圖。
圖5是在實施方式2的疊層型壓電元件的制造過程中燒成前的疊層體的剖視圖。
圖6是本發(fā)明的噴射裝置的剖視圖。
圖7是表示以往例的疊層型壓電元件的構(gòu)成的立體圖。
圖8是表示與圖7不同的以往例的疊層型壓電元件的構(gòu)成的剖視圖。
圖中1-壓電體，2-內(nèi)部電極，3-槽，4、15-外部電極，6-導(dǎo)線，7-導(dǎo)電性輔助部件，8-電極層，10-疊層型壓電體元件，10a-生疊層體，11-活性部，12-惰性層，14-金屬，15a-外部電極第1層，15b-中間層，15c-外部電極最外層，31-收容容器，33-噴射孔，35-閥，43-壓電執(zhí)行機構(gòu)。

具體實施例方式 以下，對本發(fā)明的實施方式的疊層型壓電元件詳細地進行說明。
實施方式1. 圖1A、B是表示本發(fā)明的實施方式1的疊層型壓電元件的構(gòu)成的圖，其中，圖1A是立體圖、圖1B是表示壓電體層與內(nèi)部電極層的疊層狀態(tài)的立體展開圖。另外，圖2是表示本發(fā)明的疊層型壓電元件的形成在壓電體側(cè)面的外部電極的疊層結(jié)構(gòu)的放大剖視圖。
本實施方式1的疊層型壓電元件，如圖1A、圖1B所示，在由交替疊層壓電體1和內(nèi)部電極2而成的疊層體13的一對相對置的側(cè)面分別形成外部電極15，在形成外部電極15的疊層體13側(cè)面每隔一層露出內(nèi)部電極2端部，并使外部電極15與該露出的內(nèi)部電極2連接。
另外，在疊層體13的疊層方向兩端設(shè)有由壓電體1形成的惰性層12a。這里，在將本實施方式1的疊層型壓電元件作為疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)使用的情況下，可以將導(dǎo)線用軟釬料連接固定在外部電極15上，并將所述導(dǎo)線連接在外部電壓供給部。
在壓電體層1之間配置內(nèi)部電極2，該內(nèi)部電極2例如由銀-鈀等金屬材料形成。在疊層型壓電元件中，通過內(nèi)部電極2向各壓電體1外加規(guī)定的電壓，從而，使壓電體1產(chǎn)生由反壓電效應(yīng)引起的位移。
反之，由于惰性層12a是由不配設(shè)有內(nèi)部電極12的多個壓電體1的層構(gòu)成的，所以即使外加電壓也不會產(chǎn)生位移。
這里，尤其在本實施方式1的疊層型壓電元件中，如圖2所示，其特征為疊層3層以上的外部電極15而構(gòu)成。這樣，由3層以上的層構(gòu)成外部電極15是為了提高疊層型壓電元件的耐久性。
即，在驅(qū)動外部電極15由單層或2層構(gòu)成的疊層型壓電元件的情況下，有時以外部電極15的表面為起點產(chǎn)生的龜裂和以外部電極15與壓電體1的界面為起點產(chǎn)生的龜裂相接合，外部電極15產(chǎn)生斷線。而且，在外部電極15為2層的情況下，若驅(qū)動疊層型壓電元件使壓電體連續(xù)反復(fù)產(chǎn)生尺寸變化，則存在在上述2層之間產(chǎn)生剝離的問題。尤其，在將為了提高外部電極15與壓電體1的密接強度而添加了玻璃的外部電極層設(shè)為與壓電體1相接的外部電極層、并將玻璃較少的外部電極層設(shè)在其外側(cè)而構(gòu)成2層結(jié)構(gòu)的情況下，更容易發(fā)生上述剝離問題。
因此，驅(qū)動時連續(xù)反復(fù)產(chǎn)生尺寸變化的疊層型壓電元件的外部電極15，要求確保與壓電體1的密接、且在疊層型壓電體元件尺寸變化的同時能夠伸縮。為了滿足該要求，在本實施方式1中，將外部電極15設(shè)成以下那樣的多層結(jié)構(gòu)。即，外部電極15由包含外部電極層第1層15a、外部電極層最外層15c和其中間層的3層以上構(gòu)成。
在該外部電極15中，與壓電體1相接的層即外部電極層第1層15a是與壓電體的接合強度大的層，最遠離壓電體1疊層的最外層15c是楊氏模量小且電阻率小的電極層。而且，位于其中間的中間層是緩和因驅(qū)動疊層型壓電元件時的尺寸變化產(chǎn)生的應(yīng)力的層，同時，也是相對于與壓電體相接的外部電極層第1層15a和位于最外側(cè)的外部電極層最外層15c都具有密接力的層。
另外，為了防止因疊層型壓電元件連續(xù)驅(qū)動時的尺寸變化使壓電體1與外部電極15之間產(chǎn)生剝離、或在外部電極層內(nèi)產(chǎn)生剝離、或因驅(qū)動時在外部電極15產(chǎn)生的龜裂導(dǎo)致斷線，優(yōu)選疊層3層以上的外部電極15中各層連續(xù)地相連。并且，若考慮外部電極15的平滑性和量產(chǎn)性，更優(yōu)選5層以下。
此外，構(gòu)成外部電極15的導(dǎo)電材料希望電阻率低、且硬度低(出于充分吸收因執(zhí)行機構(gòu)的伸縮產(chǎn)生的應(yīng)力方面考慮)的金屬。優(yōu)選金、銀或銅。更優(yōu)選銅或銀，從而制得具有耐久性的疊層型壓電元件。最優(yōu)選銀，從而制得更具有耐久性的疊層型壓電元件。
并且，在本發(fā)明中，優(yōu)選外部電極15中與壓電體1相接的外部電極第1層15a的厚度為10μm以下。這里，所謂外部電極第1層15a的厚度是以SEM等顯微鏡觀察疊層型壓電元件的剖面后能夠確認的外部電極第1層厚度的平均值。在厚度超過10μm驅(qū)動疊層型壓電元件的情況下，與壓電體相接的外部電極第1層隨著元件的尺寸變化、尤其元件伸長的情況下，被施加拉伸應(yīng)力，容易產(chǎn)生龜裂。因此，通過使厚度為10μm以下，則能夠制得即使產(chǎn)生元件尺寸變化也不產(chǎn)生龜裂而具有耐久性的外部電極。優(yōu)選5μm以下，更優(yōu)選3μm以下，從而能夠進一步提高耐久性。另外，最優(yōu)選使外部電極第1層15a的厚度為0.5μm以上且2μm以下而極大地提高耐久性。
而且，優(yōu)選第1層15a以外的各外部電極層的厚度比第1層15a厚，這樣一來，能夠有效抑制在外部電極15最外層產(chǎn)生的龜裂進行傳播。為了抑制上述的龜裂傳播，第1層15a以外的各層厚度優(yōu)選為5μm以上，更優(yōu)選為10μm以上，最優(yōu)選設(shè)為15μm以上。據(jù)此，外部電極15整體的耐久性增大。另外，如果外部電極15的疊層方向的整個厚度為15μm以上，則可承受疊層型壓電元件連續(xù)驅(qū)動。并且，如果為20μm以上、優(yōu)選為30μm以上，則能夠防止因龜裂傳播而產(chǎn)生斷線，同時，由于可減小外部電極15的電阻值，所以可抑制外部電極15的發(fā)熱。
另一方面，在整個厚度超過100μm時，由于外部電極15不能跟隨壓電體1，所以位移量明顯下降，因此，整個厚度更優(yōu)選為30～100μm。
并且，在本發(fā)明中，優(yōu)選外部電極第1層15a比覆蓋在該外部電極第1層15a上的外部電極第2層15b含有較多的金屬氧化物。這是因為在與壓電體1相接的第1層15a的金屬氧化物比第2層15b少時，第1層15a的電阻率比第2層15b小，因此，在驅(qū)動疊層型壓電元件時，電流流向電阻率小的第1層15a，從而，第1層15a過熱，使壓電體1與第1層15a之間產(chǎn)生剝離或使疊層型壓電元件的溫度上升產(chǎn)生熱失控。
這里，作為金屬氧化物可選用元素周期表中的1～15族中任意的氧化物，尤其，優(yōu)選為可在1000℃以下的溫度形成玻璃的Si、B、Bi、Pb、Zn、Al、Ca、Ba、Ti、Zr、稀土類的氧化物。并且，如果為Si、B、Bi、Pb、Zn的氧化物，則可進一步以低溫形成非晶質(zhì)，故更優(yōu)選。據(jù)此，疊層型壓電元件在構(gòu)成外部電極的熱處理條件下，第1層15a與壓電體1牢固密接。尤其，為了制成耐久性高的疊層型壓電元件，優(yōu)選外部電極第1層的金屬氧化物量為30體積％以上，更優(yōu)選為50體積％以上，最優(yōu)選為70體積％以上。
并且，在本發(fā)明中，優(yōu)選外部電極15的最外層15c中所含有的金屬氧化物比其他任一個外部電極層少。據(jù)此，可減小最外層15c的楊氏模量，因此，即使連續(xù)驅(qū)動疊層型壓電元件，外部電極隨著元件的尺寸變化進行伸縮，可容易抑制外部電極產(chǎn)生的龜裂。并且，由于能夠制得電阻率低的電極，所以即使連續(xù)驅(qū)動元件也不會過熱，因此不存在熱失控。另外，通過增多金屬成分，而軟釬焊或焊接變得容易、或者即使由導(dǎo)電性樹脂進行接合的情況下也可減小接觸電阻。
這里，如果第1層15a以外的外部電極層的金屬氧化物比第1層15a的電極層都少，則雖然可抑制元件的發(fā)熱，但是為了提高外部電極層的密接力，不會在層內(nèi)產(chǎn)生剝離，而更優(yōu)選金屬氧化物從第1層15a向外側(cè)的電極層依次減少。也就是說，以外部電極15各層的金屬氧化物的含有量為第1層＞第2層＞第3層＞···＞最外層的方式階段地控制含有量，可使相鄰?fù)獠侩姌O層彼此間的熱膨張係數(shù)接近，能夠提高各層間的密接強度。
此外，外部電極15的組成物的量通過EPMA(Electron Probe MicroAnalysis)法等分析方法來特定。尤其，為了制成耐久性高的疊層型壓電元件，優(yōu)選外部電極15中最外層15c的金屬氧化物量為30體積％以下，更優(yōu)選為10體積％以下，最好為5體積％以下。
并且，在本發(fā)明中優(yōu)選金屬氧化物主要為玻璃。據(jù)此，可抑制因在外部電極15中形成金屬間化合物使電極變脆的問題。而且，玻璃成分擴散到構(gòu)成外部電極15的金屬成分的晶間，能夠使外部電極15牢固地與壓電體1密接。
接著，對本發(fā)明的疊層型壓電元件的制法進行說明。
在本方法中，首先，將由PbZrO3-PbTiO3等構(gòu)成的鈣鈦礦(perovskite)型氧化物的壓電陶瓷的預(yù)燒粉末、和由丙烯酸系、丁縮醛系等有機高分子構(gòu)成的粘合劑、和DBP(酞酸二丁酯)、DOP(鈦酸二辛酯)等增塑劑混合制成漿料。然后，利用公知的刮刀法或壓延輥法等帶成型法將該漿料制作成為壓電體1的陶瓷生片。
接著，在銀-鈀等構(gòu)成內(nèi)部電極2的金屬粉末中添加混合氧化銀等金屬氧化物、粘合劑及增塑劑等制作導(dǎo)電膏，再通過絲網(wǎng)印刷等方法將其以1～40μm的厚度印刷在所述各生片的上表面。
然后，疊層多個在上表面印刷了導(dǎo)電膏的生片，對該疊層體在規(guī)定溫度下進行脫粘合劑后，以900～1200℃燒成，而制得疊層體13。
這時，如實施方式2中所詳細敘述，通過在惰性層12a的部分生片中添加銀-鈀等構(gòu)成內(nèi)部電極2的金屬粉末，而可使惰性層12a與其他部分在燒結(jié)時的收縮動作狀態(tài)及收縮率相一致，能夠形成致密的疊層體。
此外，疊層體13并不局限于通過上述制法來制作，只要是能夠制造交替疊層多個壓電體1與多個內(nèi)部電極2而成的疊層體13，通過何種制法形成均可。
然后，在疊層型壓電元件側(cè)面交替形成端部露出的內(nèi)部電極2和端部不露出的內(nèi)部電極2。
接著，在玻璃粉末中添加粘合劑制作銀玻璃導(dǎo)電膏，將其成形為片狀，控制干燥(使溶劑揮發(fā))后的片的原密度為6～9g/cm3，再將該片轉(zhuǎn)印在柱狀疊層體13的外部電極形成面上，在比玻璃軟化點高的溫度、且銀的熔點(965℃)以下的溫度、且疊層體13的燒成溫度(℃)的4/5以下的溫度下進行焙燒，使利用銀玻璃導(dǎo)電膏制作的片中的粘合劑成分散失，能夠形成由呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔質(zhì)導(dǎo)電體構(gòu)成的外部電極15。
這時，雖然可以將構(gòu)成外部電極的膏疊層為多層片后進行焙燒、也可以每疊層1層就進行焙燒，但是，在層疊為多層的片后一次進行焙燒在量產(chǎn)性上優(yōu)越。而且，在外部電極層的每層都改變玻璃成分的情況下，雖然可以每片都改變玻璃成分的量來達成，但如果想將最接近壓電體的面構(gòu)成為極薄的玻璃富集層，則也可利用絲網(wǎng)印刷等方法在疊層體上印刷玻璃富集膏后、再疊層多層片。這時，也可以不進行印刷而采用5μm以下的片。
此外，出于有效地形成頸部、使銀玻璃導(dǎo)電膏中的銀和內(nèi)部電極2擴散接合、而且使外部電極15中的空隙有效地殘留、進而使外部電極15和柱狀疊層體13側(cè)面局部接合的考慮，所述銀玻璃導(dǎo)電膏的焙燒溫度優(yōu)選500～800℃。另外，銀玻璃導(dǎo)電膏中的玻璃成分的軟化點優(yōu)選500～800℃。
在焙燒溫度比800℃高時，銀玻璃導(dǎo)電膏的銀粉末過度燒結(jié)，不能形成呈有效的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔質(zhì)導(dǎo)電體，會使外部電極15過于致密。其結(jié)果，外部電極15的楊氏模量過高，不能充分吸收驅(qū)動時的應(yīng)力，外部電極15有可能產(chǎn)生斷線。最好以玻璃軟化點的1.2倍以內(nèi)的溫度進行焙燒。
另一方面，在焙燒溫度比500℃低的情況下，由于內(nèi)部電極2端部和外部電極15之間沒有充分地進行擴散接合，所以不形成頸部，驅(qū)動時有可能在內(nèi)部電極2和外部電極15之間產(chǎn)生火花。
接著，通過將形成了外部電極15的疊層體13浸漬在硅橡膠溶液中、并且對硅橡膠溶液進行真空脫氣，而在疊層體13的槽內(nèi)部填充硅橡膠，之后，從硅橡膠溶液提起疊層體13，將硅橡膠涂敷在疊層體13側(cè)面。然后，通過使填充在槽內(nèi)部及涂敷在柱狀疊層體13側(cè)面的所述硅橡膠硬化，而達成本發(fā)明的疊層型壓電元件。
而且，在外部電極15上連接導(dǎo)線，經(jīng)由該導(dǎo)線給一對外部電極15外加0.1～3kV/mm的直流電壓，對疊層體13進行極化処理，從而，達成利用了本發(fā)明的疊層型壓電元件的疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)。將導(dǎo)線與外部的電壓供給部連接，在經(jīng)由導(dǎo)線及外部電極15給內(nèi)部電極2外加電壓時，各壓電體1因反壓電效應(yīng)而位移較大。據(jù)此，可發(fā)揮作為例如向發(fā)動機噴射供給燃料的汽車用燃料噴射閥的功能。
實施方式2. 下面，對本發(fā)明的實施方式2的疊層型壓電元件進行說明。
本實施方式2的疊層型壓電元件的疊層體10中活性部11的基本構(gòu)成與實施方式1的疊層型壓電元件相同，其特征在于惰性層12的構(gòu)成。
圖3A、B是表示本發(fā)明的實施方式2的疊層型壓電元件的構(gòu)成的圖，其中，圖3A是立體圖、圖3B是表示疊層內(nèi)部電極層與壓電體而成的活性部及保護層的疊層狀態(tài)的剖視圖。
此外，如圖3A、B所示，在本實施方式2的疊層型壓電元件中，在交替疊層壓電體1與內(nèi)部電極2而成的活性部11的側(cè)面，形成有用于將外部電極4與內(nèi)部電極2之間每隔一層絕緣的槽，從而，以內(nèi)部電極2與外部電極每隔一層電導(dǎo)通的方式形成外部電極4。
以下，以具有本實施方式2的特征的構(gòu)成的惰性層12為中心進行說明。
在本實施方式2的疊層型壓電元件中，惰性層12以與壓電體1相同的壓電體為基體來構(gòu)成，其特征為在惰性層12中還含有被分散的金屬14。
即，實施方式2的疊層型壓電元件的發(fā)明是由于本發(fā)明人如下的獨特發(fā)現(xiàn)而基于此見解達成的，如圖3B所示，通過使金屬14分散在惰性層12中，從而，(1)在燒成疊層體10時，緩和惰性層12與活性部11的燒成收縮差，制得殘留應(yīng)力極少的疊層型壓電元件；(2)另外，被分散的金屬14在燒成疊層體10a時促進燒結(jié)，得到致密的疊層體10，也可承受在疊層型壓電元件連續(xù)驅(qū)動時的振動產(chǎn)生的應(yīng)力。
從而，具有分散了金屬14的惰性層12的實施方式2的疊層型壓電元件，耐久性優(yōu)越，即使長時間使用也不會產(chǎn)生劣化，可靠性高。
這里，所謂“分散了金屬”，意思是與例如交替形成壓電體與內(nèi)部電極的活性層那樣含有層狀金屬的情況不同，典型地講，是指將金屬元素擴散到惰性層12的壓電體內(nèi)。此外，也可以使金屬元素從惰性層12的表面向惰性層12的內(nèi)部擴散。該金屬14的分散能夠通過EPMA(Electron ProbeMicro Analysis)法等分析方法來特定。具體地講，若以EPMA分析惰性層的任意剖面，則可確認金屬的分布狀態(tài)。
另外，分散在惰性層12中的金屬14的熔點優(yōu)選相對疊層型壓電元件的燒成溫度為1.6倍以下。這是因為對于具有比上述的熔點高的熔點的金屬14，在惰性層12中，金屬的擴散效率變差。在金屬14的熔點為疊層型壓電元件的燒成溫度的1.6倍以下時，可使金屬元素容易地從惰性層12表面向惰性層12內(nèi)部。
此外，在添加了2種以上的金屬1 4的情況下、或添加了由2種以上金屬構(gòu)成的合金的情況下，優(yōu)選各個金屬的熔點為疊層型壓電元件的燒成溫度的1.6倍以下。不過，對于不利于向惰性層12中分散的金屬，無需為上述的熔點以下這是不言自明的。
并且，在本發(fā)明中，分散在惰性層12中的金屬14優(yōu)選為Ag、Pd、Cu、Ca、Na、Pb、Ni中的至少1種以上。這是因為這些金屬的熔點在疊層體10a的燒成溫度附近、或比燒成溫度低，因此，在疊層體10a燒成過程中，向惰性層12中的擴散變得活躍，促進金屬14在惰性層12中均勻地分散。
另外，使金屬14分散在惰性層12中的量優(yōu)選為惰性層12的0.001～1.0質(zhì)量％。這是因為在為0.001質(zhì)量％以下時，惰性層12與活性部11在燒成時的收縮差或收縮曲線不同，兩者間產(chǎn)生較大的應(yīng)變，最差時，燒成后產(chǎn)生脫層或長時間使用后容易產(chǎn)生脫層。
另外，在分散的金屬14比1.0質(zhì)量％大時，惰性層12的絕緣性劣化，有損惰性層的功能。另外，為了進一步減小惰性層12燒成后的殘留應(yīng)力，不產(chǎn)生疊層型壓電元件燒成后的不良，更優(yōu)金屬14相對于選惰性層12的含有量為0.05質(zhì)量％～1.0質(zhì)量％。另外，為了即使對于因疊層型壓電元件連續(xù)驅(qū)動時的振動產(chǎn)生的應(yīng)力也具有高的可靠性，最優(yōu)選金屬12的含有量為0.1質(zhì)量％～1.0質(zhì)量％。另外，金屬14相對惰性層12的含有量可以通過ICP(Inductively Coupled Plasma Atomic)發(fā)光分析來進行定量測定。
并且，惰性層12的厚度優(yōu)選0.1mm～2.0mm。在為0.1mm以下時惰性層12薄，因此，有時由于疊層型壓電元件連續(xù)驅(qū)動時的振動產(chǎn)生的應(yīng)力使惰性層12破壞。另外，在比2.0mm厚時，金屬14難分散到惰性層12中。這里，若金屬14在惰性層12中的分散程度差，則金屬分散多的部分和金屬分散少的部分在燒成時的收縮量或收縮曲線會產(chǎn)生差，因此，在燒成收縮時產(chǎn)生較大的應(yīng)變，在燒成后產(chǎn)生脫層或在長時間使用后容易產(chǎn)生脫層。此外，惰性層12被配置在疊層體10疊層方向的兩端面上，所謂惰性層12厚度表示配置在所述兩端面中某一個端面上的惰性層12的厚度。
另外，分散在惰性層12中的金屬14優(yōu)選為構(gòu)成內(nèi)部電極2的金屬組成。這是因為在使用構(gòu)成內(nèi)部電極2的金屬以外的金屬時，在燒成疊層體10a時惰性層12與包含內(nèi)部電極2的活性部11的燒成收縮曲線不同，有時因燒成收縮產(chǎn)生應(yīng)力。
以下，對實施方式2的惰性層以外的要件進行說明。
在本實施方式2的疊層型壓電元件中，在疊層體側(cè)面端部露出的內(nèi)部電極2與端部不露出的內(nèi)部電極2交替構(gòu)成，在所述端部不露出的內(nèi)部電極2與外部電極4間的壓電體1部分形成有槽3。在本發(fā)明中，優(yōu)選在該槽內(nèi)形成楊氏模量比壓電體1低的絕緣體。這樣，在這樣的疊層型壓電元件中，由于可緩和因驅(qū)動中的位移產(chǎn)生的應(yīng)力，所以即使連續(xù)驅(qū)動也可抑制內(nèi)部電極2的發(fā)熱。
另外，在本發(fā)明中疊層體的燒成溫度優(yōu)選為900℃以上且1200℃以下。這是因為在燒成溫度為900℃以下時，由于燒成溫度低而使燒成不充分，難以制作致密的壓電體1。另外，這是因為在燒成溫度超過1200℃時，燒成時內(nèi)部電極2的收縮與壓電體1的收縮的偏差產(chǎn)生的應(yīng)力變大，在疊層型壓電元件連續(xù)驅(qū)動時有可能產(chǎn)生裂縫。
另外，在本實施方式2的疊層型壓電元件中，在采用實施方式1中所述孤3層以上的外部電極時，也可得到與實施方式1相同的效果。
并且，外部電極4優(yōu)選由呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔質(zhì)導(dǎo)電體構(gòu)成。如果外部電極4不由呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔質(zhì)導(dǎo)電體構(gòu)成，則外部電極4不具有撓性，不能追隨疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)的伸縮，因此，有時產(chǎn)生外部電極4的斷線或外部電極4與內(nèi)部電極2的接點不良。
這里，所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并不是指在外部電極4中存在所謂球形的空穴的狀態(tài)，而暗示為如下述那樣的構(gòu)成外部電極4的導(dǎo)電材料粉末和玻璃粉末三維連結(jié)接合狀態(tài)，即，為了在比較低溫的條件下焙燒構(gòu)成外部電極4的導(dǎo)電材料粉末和玻璃粉末，空穴不阻止燒結(jié)進行而以某種程度連結(jié)的狀態(tài)存在。
優(yōu)選這樣的空穴在外部電極4中的空隙率為30～70體積％。這里，所謂空隙率是空隙在外部電極4中所占的比率。這是因為如果外部電極4中的空隙率比30體積％小，則外部電極4不能承受因疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)伸縮產(chǎn)生的應(yīng)力，外部電極4有可能斷線；在外部電極4中的空隙率超過70體積％時，由于外部電極4的電阻值變大，所以在流過大電流時外部電極4產(chǎn)生局部發(fā)熱有可能導(dǎo)致斷線。
并且，優(yōu)選外部電極4的壓電體1側(cè)表層部形成有玻璃富集層。這是因為在不存在玻璃富集層時，與外部電極4中的玻璃成分的接合困難，因此，有可能導(dǎo)致外部電極4不容易與壓電體1牢固接合。
另外，優(yōu)選構(gòu)成外部電極4的玻璃的軟化點(℃)是構(gòu)成內(nèi)部電極2的導(dǎo)電材料熔點(℃)的4/5以下。這是因為構(gòu)成外部電極4的玻璃的軟化點超過構(gòu)成內(nèi)部電極2的導(dǎo)電材料的熔點的4/5時，由于構(gòu)成外部電極4的玻璃的軟化點和構(gòu)成內(nèi)部電極2的導(dǎo)電材料的熔點成為相同程度的溫度，所以焙燒外部電極4的溫度必然接近構(gòu)成內(nèi)部電極2的熔點，因此，在焙燒外部電極4時，內(nèi)部電極2及外部電極4的導(dǎo)電材料凝聚而妨礙擴散接合、或、不能將焙燒溫度設(shè)定在使外部電極4的玻璃成分充分軟化的溫度，所以有時不能得到由軟化的玻璃形成的充分的接合強度。
并且，優(yōu)選構(gòu)成外部電極4的玻璃為非晶質(zhì)。這是因為在結(jié)晶質(zhì)的玻璃中，外部電極4不能吸收由疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)的伸縮引起的應(yīng)力，因此，有時產(chǎn)生裂縫。
此外，優(yōu)選外部電極4的厚度比壓電體層1的厚度薄。這是因為如果外部電極4的厚度比壓電體層1的厚度厚，則由于外部電極4的強度增大，因此，在疊層體10伸縮時，外部電極4和內(nèi)部電極2的接合部的負荷增大，有時發(fā)生接點不良的情況。
接著，對本發(fā)明的疊層型壓電元件的制法進行說明。
在本方法中，首先，與實施方式1相同，制作成為壓電體1的陶瓷生片。
接著，將該生片切割成任意大小，固定在框架上。
然后，在銀-鈀構(gòu)成內(nèi)部電極2的金屬粉末中添加混合粘合劑、增塑劑等制作導(dǎo)電膏，再通過絲網(wǎng)印刷等方法將其以1～40μm的厚度印刷在所述各生片上表面，準備活性部11用的生片。
接著，準備在惰性層12上沒有印刷導(dǎo)電膏的生片。
然后，疊層多個活性部11用生片與惰性層12用生片，使重疊惰性層12用生片的疊層部分位于重疊上表面印刷了導(dǎo)電膏的活性部11用生片的疊層部分上下，同時，施加壓力使之密接。這里，成為惰性層12的部分在活性部11上下以0.1～2.0mm的厚度疊層多個。
然后，將被疊層的生片切割成適當?shù)拇笮?，如圖5所示，在配置了惰性層12的生疊層體10a兩端面通過印刷分散在惰性層中的包含金屬成分的導(dǎo)電膏(例如，Ag、Pd、Cu、Ca、Na、Ni、Pb等)而形成金屬層8。之后，在規(guī)定的溫度下進行脫粘合劑后，在900～1200℃溫度下進行燒成，在燒成后通過平面磨床等除去金屬層8從而制得燒成后的疊層體10。
這里，形成的金屬層8的厚度優(yōu)選為5mm以下。這是因為若金屬層8的厚度超過5mm，則在疊層體10a燒成時有可能由于金屬層8與惰性層12燒成的收縮差而在金屬層8產(chǎn)生裂縫。
然后，在疊層體10a側(cè)面交替形成端部露出的內(nèi)部電極2與端部不露出的內(nèi)部電極2，在端部不露出的內(nèi)部電極2與外部電極4間的壓電體1部分形成槽3，在該槽3內(nèi)形成楊氏模量比壓電體1低的樹脂或橡膠等絕緣體。這里，所述槽3通過內(nèi)部切片裝置等形成在活性部11側(cè)面，出于充分吸收因疊層型壓電元件的伸縮產(chǎn)生的應(yīng)力的考慮，構(gòu)成外部電極4的導(dǎo)電材料優(yōu)選楊氏模量低的銀或以銀為主成分的合金。
接著，在玻璃粉末中添加粘合劑制作銀玻璃導(dǎo)電膏，將其成形為片狀，控制干燥(使溶劑揮發(fā))后的片的原密度為6～9g/cm3，再將該片轉(zhuǎn)印在活性部11的外部電極形成面上，在比玻璃軟化點高的溫度、且銀的熔點(965℃)以下的溫度、且燒成溫度(℃)的4/5以下的溫度下進行焙燒，使利用銀玻璃導(dǎo)電膏制作的片中的粘合劑成分散失，能夠形成由呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔質(zhì)導(dǎo)電體構(gòu)成的外部電極4。
此外，出于有效地形成粒子間的頸部、使銀玻璃導(dǎo)電膏中的銀和內(nèi)部電極2擴散接合、而且使外部電極4中的空隙有效地殘留、進而使外部電極4和疊層體側(cè)面局部接合的考慮，所述銀玻璃導(dǎo)電膏的焙燒溫度優(yōu)選500～700℃。另外，銀玻璃導(dǎo)電膏中的玻璃成分的軟化點優(yōu)選500～700℃。
在焙燒溫度比700℃高時，銀玻璃導(dǎo)電膏的銀粉末過度燒結(jié)，不能形成呈有效的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔質(zhì)導(dǎo)電體，會使外部電極4過于致密。其結(jié)果，外部電極4的楊氏模量過高，不能充分吸收驅(qū)動時的應(yīng)力，外部電極4有可能產(chǎn)生斷線。最好以玻璃軟化點的1.2倍以內(nèi)的溫度進行焙燒。
另一方面，在焙燒溫度比500℃低的情況下，由于內(nèi)部電極2端部和外部電極4之間沒有充分地進行擴散接合，所以不形成粒子間的頸部，驅(qū)動時有可能在內(nèi)部電極2和外部電極4之間產(chǎn)生火花。
此外，優(yōu)選銀玻璃導(dǎo)電膏片的厚度比壓電體1的厚度薄。出于追隨執(zhí)行機構(gòu)的伸縮的考慮，更優(yōu)選為50μm以下。
接著，通過將形成了外部電極4的活性部11浸漬在硅橡膠溶液中、并且對硅橡膠溶液進行真空脫氣，而在活性部11的槽3內(nèi)部填充硅橡膠，之后，從硅橡膠溶液提起活性部11，將硅橡膠涂敷在活性部11側(cè)面。然后，通過使填充在槽3內(nèi)部及涂敷在活性部11側(cè)面的所述硅橡膠硬化，而達成本發(fā)明的疊層型壓電元件。
而且，在外部電極4上連接導(dǎo)線6，經(jīng)由該導(dǎo)線6給一對外部電極4外加0.1～3kV/mm的直流電壓，對活性部11進行極化処理，從而，達成利用了本發(fā)明的疊層型壓電元件的疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)。將導(dǎo)線6與外部的電壓供給部連接，在經(jīng)由導(dǎo)線及外部電極4給內(nèi)部電極2外加電壓時，各壓電體1因反壓電效應(yīng)而位移較大。據(jù)此，可發(fā)揮作為例如向發(fā)動機噴射供給燃料的汽車用燃料噴射閥的功能。
以下，對實施方式1及2中內(nèi)部電極等的更優(yōu)選的方式進行說明。
(內(nèi)部電極) 在本發(fā)明中，內(nèi)部電極2中的金屬組成物優(yōu)選以8～10族金屬及/或11族金屬為主成分。這是因為由于上述金屬組成物具有高耐熱性，所以可以對燒成溫度的高壓電體1和內(nèi)部電極2同時進行燒成。因此，由于可使外部電極的燒結(jié)溫度比壓電體的燒結(jié)溫度低地進行制作，所以能夠抑制壓電體與外部電極間劇烈的相互擴散。
并且，在8～10族金屬的含有量設(shè)為M1(質(zhì)量％)、11族金屬的含有量設(shè)為M2(質(zhì)量％)時，優(yōu)選內(nèi)部電極2中的金屬組成物以滿足0＜M1≤15、85≤M2＜100、M1+M2＝100的金屬組成物為主成分。這是因為在8～10族金屬超過15質(zhì)量％時，電阻率變大，在連續(xù)驅(qū)動疊層型壓電元件的情況下，有時內(nèi)部電極2發(fā)熱，該發(fā)熱作用于具有溫度依賴性的壓電體1使位移特性減小，因此疊層型壓電元件的位移量變?。徊⑶?，在形成外部電極15時，雖然外部電極15與內(nèi)部電極2相互擴散接合，但是在8～10族金屬超過15質(zhì)量％時，外部電極15中擴散了內(nèi)部電極成分的部位的硬度變高，驅(qū)動時產(chǎn)生尺寸變化的疊層型壓電元件中，耐久性降低。另外，為了抑制內(nèi)部電極2中的11族金屬向壓電體1遷移，優(yōu)選8～10族金屬為0.001質(zhì)量％以上且15質(zhì)量％以下。另外，出于提高疊層型壓電元件的耐久性這一點考慮，優(yōu)選0.1質(zhì)量％以上且10質(zhì)量％以下。另外，在熱傳導(dǎo)優(yōu)越、需要更高耐久性的情況下，更優(yōu)選0.5質(zhì)量％以上且9.5質(zhì)量％以下。另外，在追求進一步高的耐久性的情況下，進一步優(yōu)選2質(zhì)量％以上且8質(zhì)量％以下。
這里還因為在11族金屬小于85質(zhì)量％時，內(nèi)部電極2的電阻率變大，在連續(xù)驅(qū)動疊層型壓電元件的情況下，有時內(nèi)部電極2發(fā)熱。另外，為了抑制內(nèi)部金屬2中的11族金屬向壓電體1的遷移，優(yōu)選11族金屬為85質(zhì)量％以上且99.999質(zhì)量％以下。另外，出于提高疊層型壓電元件的耐久性這一點考慮，優(yōu)選90質(zhì)量％以上且99.9質(zhì)量％以下。另外，在需要更高的耐久性的情況下，更優(yōu)選90.5質(zhì)量％以上且99.5質(zhì)量％以下。另外，在謀求進一步高的耐久性的情況下進一步優(yōu)選92質(zhì)量％以上且98質(zhì)量％以下。
上述的內(nèi)部電極2中金屬成分的示出質(zhì)量％的8～10族金屬、11族金屬可通過EPMA(Electron Probe Micro Analysis)法等分析方法來特定。
并且，本發(fā)明的內(nèi)部電極2中的金屬成分優(yōu)選8～10族金屬是Ni、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Os中至少1種以上、11族金屬是Cu、Ag、Au中至少1種以上。這是因為它們是近年來在合金粉末合成技術(shù)上量產(chǎn)性優(yōu)越的金屬組成。
而且，內(nèi)部電極2中的金屬成分優(yōu)選8～10族金屬是Pt、Pd中至少1種以上、11族金屬是Ag、Au中至少1種以上。據(jù)此，可以形成耐熱性優(yōu)越、電阻率小的內(nèi)部電極2。
并且，內(nèi)部電極2中的金屬成分的8～10族金屬優(yōu)選為Ni。據(jù)此，可以形成耐熱性優(yōu)越的內(nèi)部電極2。
另外，內(nèi)部電極2中的金屬成分更優(yōu)選11族金屬是Cu。據(jù)此，可以形成硬度低的熱傳導(dǎo)性優(yōu)越的內(nèi)部電極2。
而且，優(yōu)選在內(nèi)部電極2中與上述的金屬組成物一起添加氧化物、氮化物或碳化物。據(jù)此，內(nèi)部電極的強度增加，疊層型壓電元件的耐久性提高。尤其，氧化物與壓電體相互擴散而提高內(nèi)部電極與壓電體的密接強度，故更加優(yōu)選。并且，優(yōu)選所述無機組成物為50體積％以下。據(jù)此，可使內(nèi)部電極2與壓電體1之間的接合強度比壓電體1的強度小。更優(yōu)選為30體積％以下，從而可提高疊層型壓電元件的耐久性。
優(yōu)選所述氧化物為以由PbZrO3-PbTiO3構(gòu)成的鈣鈦礦型氧化物為主成分。此外，添加的氧化物等的含有量可從疊層型壓電元件的剖面SEM像的內(nèi)部電極中的組成面積比來算出。
(壓電體) 在本發(fā)明中，壓電體1優(yōu)選以鈣鈦礦型氧化物為主成分。這樣，例如在由以鈦酸鋇(BaTiO3)為代表的鈣鈦礦型壓電陶瓷材料等形成時，由于表現(xiàn)其壓電特性的壓電應(yīng)變常數(shù)d33高，所以可增大位移量，并且，也能夠同時燒成壓電體1和內(nèi)部電極2。作為上述示出的壓電體1，優(yōu)選以由壓電應(yīng)變常數(shù)d33比較高的PbZrO3-PbTiO3構(gòu)成的鈣鈦礦型氧化物為主成分。
并且，燒成溫度優(yōu)選900℃以上且1000℃以下。這是因為在燒成溫度為900℃以下時，燒成溫度低而燒成不充分，難以制成致密的壓電體1；另外，若燒成溫度超過1000℃，則內(nèi)部電極2的收縮和壓電體1的接合強度變大。
另外，在本發(fā)明的疊層型壓電元件的側(cè)面端部露出的內(nèi)部電極2與端部不露出的內(nèi)部電極2交替構(gòu)成，所述端部不露出的內(nèi)部電極2與外部電極15之間的側(cè)面形成槽的情況下，優(yōu)選在該槽內(nèi)形成楊氏模量比壓電體1低的絕緣體。據(jù)此，在這樣的疊層型壓電元件中，可緩和驅(qū)動過程中的位移產(chǎn)生的應(yīng)力，因此，即使連續(xù)驅(qū)動，也可抑制內(nèi)部電極2的發(fā)熱。
(外部電極4上的導(dǎo)電性輔助部件7) 并且，在本發(fā)明中，優(yōu)選如圖4B所示那樣在外部電極4的外表面設(shè)置由埋設(shè)了金屬網(wǎng)或網(wǎng)狀金屬板的導(dǎo)電性粘結(jié)劑構(gòu)成的導(dǎo)電性輔助部件7。若在外部電極4的外表面不設(shè)置導(dǎo)電性輔助構(gòu)件7，則在向疊層型壓電元件通入大電流進行驅(qū)動時，外部電極4不能承受大電流而產(chǎn)生局部發(fā)熱，有可能斷線。另外，由于在導(dǎo)電性粘結(jié)劑中埋設(shè)有金屬網(wǎng)或網(wǎng)狀金屬板，所以可防止導(dǎo)電生粘結(jié)劑產(chǎn)生裂縫。
此外，金屬網(wǎng)是指編織金屬線而成的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀金屬板是指在金屬板上形成孔而形成網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)。
另外，如果不在外部電極4的外表面使用金屬網(wǎng)或網(wǎng)狀金屬板，則疊層型壓電元件伸縮產(chǎn)生的應(yīng)力直接作用于外部電極4，從而有可能因驅(qū)動過程中的疲勞使外部電極4容易從疊層型壓電元件側(cè)面剝離。
此外，優(yōu)選導(dǎo)電性粘結(jié)劑由分散了導(dǎo)電性粒子的聚酰亞胺樹脂構(gòu)成。這是因為通過使用聚酰亞胺樹脂，即使在高溫下驅(qū)動疊層型壓電元件時也能夠具有比較高的耐熱性，而且通過使用這樣具有比較高的耐熱性的聚酰亞胺樹脂，導(dǎo)電性粘結(jié)劑也容易維持高的粘結(jié)強度。并且，導(dǎo)電性粒子優(yōu)選為銀粉末。這是因為通過導(dǎo)電性粒子使用電阻值比較低的銀粉末，易于抑制導(dǎo)電性粘結(jié)劑的局部發(fā)熱。另外，通過將電阻值低的銀粉末分散在耐熱性高的聚酰亞胺樹脂中，即使在高溫下使用，也能夠形成電阻值低且維持高粘結(jié)強度的導(dǎo)電性輔助構(gòu)件7。
此外，這里所用的導(dǎo)電性粒子優(yōu)選為片狀或針狀等非球形的粒子。這是因為通過將導(dǎo)電性粒子的形狀形成為片狀或針狀等非球形粒子，能夠使該導(dǎo)電性粒子之間的聚合牢固，能夠進一步提高該導(dǎo)電性粘結(jié)劑的剪切強度。
以上對實施方式1及2的疊層型壓電元件進行了具體詳細地說明，不過，本發(fā)明的疊層型壓電元件及其制造方法并不局限于此，在不脫離本發(fā)明的要旨的范圍內(nèi)可以進行多種變更。例如，在使金屬14分散到惰性層中時，如上所述在配置惰性層12的疊層體10兩端面印刷金屬層8、進行燒成使金屬14分散在惰性層12中，但是，也可以在形成惰性層12的生片中預(yù)先添加金屬14。另外，在分散熔點比疊層體10的燒成溫度較低的金屬14的情況下，例如，也可以在坩鍋中配置疊層體10a，在其附近設(shè)置金屬14同時進行燒成，從而，使從金屬14揮發(fā)的金屬蒸氣蒸鍍分散到惰性層12中。
另外，雖然如上所述對在活性部11的相對置的側(cè)面形成外部電極4的例子進行了說明，但是，本發(fā)明也可以例如在相鄰的側(cè)面形成一對外部電極4。
實施方式3. 以下，對本發(fā)明的噴射裝置進行說明。該噴射裝置利用本發(fā)明的疊層型壓電元件構(gòu)成。
圖6表示本發(fā)明的噴射裝置，在收容容器31一端設(shè)有噴射孔33，另外，在收容容器31內(nèi)收容著可開閉噴射孔33的針閥35。
在噴射孔33可連通地設(shè)置有燃料通路37，該燃料通路37與外部的燃料供給源連結(jié)，通常以一定的高壓向燃料通路37供給燃料。從而，形成為當針閥35開放噴射孔33時，供給到燃料通路37的燃料以一定的高壓向內(nèi)燃機的未圖示的燃料室內(nèi)噴出。
另外，針閥35的上端部的直徑變大，構(gòu)成為可與形成在收容容器31內(nèi)的缸體39相滑動的活塞41。并且，在收容容器31內(nèi)收容有上述的壓電執(zhí)行機構(gòu)43。
在這樣的噴射裝置中，如果壓電執(zhí)行機構(gòu)43被施加電壓而伸長，則活塞41被推壓，針閥35堵塞噴射孔33，停止燃料的供給。另外，如果停止施加電壓，則壓電執(zhí)行機構(gòu)43收縮，碟形彈簧45推回活塞41，噴射孔33與燃料通路37連通，進行燃料的噴射。
另外，本發(fā)明的噴射裝置并不僅限于上述實施方式，例如，除了搭載在汽車發(fā)動機的燃料噴射裝置、噴墨等的液體噴射裝置、光學(xué)裝置等的精密定位裝置或振動防止裝置等中的驅(qū)動元件，或者搭載在燃燒壓力傳感器、測震傳感器、加速度傳感器、負荷傳感器、超音波傳感器、壓敏傳感器、偏航速率傳感器等中的傳感器元件，以及搭載在壓電陀螺、壓電開關(guān)、壓電變壓器、壓電斷路器等中的電路元件之外，只要是利用壓電特性的元件，當然就可以適用。
實施例
以下，對本發(fā)明的實施例進行說明。
(實施例1) 作為實施例1，按以下所述的方式制作了由本發(fā)明實施方式1的疊層型壓電元件構(gòu)成的疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)。
首先，制成混合了以平均粒徑為0.4μm的鈦酸鋯酸鉛(PbZrO3-PbTiO3)為主成分的壓電陶瓷的預(yù)燒粉末、粘合劑、及增塑劑的漿料，用刮刀法制成厚度為150μm的壓電體1的陶瓷生片。
在陶瓷生片的一面上通過絲網(wǎng)印刷法形成3μm厚度的導(dǎo)電膏，且該導(dǎo)電膏是在銀-鈀合金(銀95質(zhì)量％-鈀5重量％)中加入了粘合劑而成的，疊層300張形成有該導(dǎo)電膏的片進行燒成。燒成是在800℃進行保持后、再在1000℃進行燒成。
然后，通過切片裝置在疊層體側(cè)面的內(nèi)部電極端部每隔一層形成深度為50μm、寬度為50μm的槽。
接著，如表1所示的組成那樣，向平均粒徑為2μm的片狀的銀粉末和剩余部分以平均粒徑為2μm的硅作為主成分的軟化點為640℃的非晶質(zhì)的玻璃粉末的混合物中添加相對銀粉末和玻璃粉末的總計重量100質(zhì)量份為8質(zhì)量份的粘合劑，充分混合而制作銀玻璃導(dǎo)電膏。通過絲網(wǎng)印刷在脫模薄膜上形成這樣制成的銀玻璃導(dǎo)電膏，干燥后，從脫模薄膜剝離，得到銀玻璃導(dǎo)電膏的片。
然后，如表1的疊層條件那樣，將所述銀玻璃膏的片轉(zhuǎn)印在疊層體13的外部電極15面上進行疊層，在700℃下焙燒30分鐘形成外部電極15。
之后，將導(dǎo)線連接在外部電極15上，經(jīng)由導(dǎo)線向正極及負極的外部電極15外加15分鐘的3kV/mm的直流電場進行極化處理，制成利用了圖1A、B所示那樣的疊層型壓電元件的疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)。
對得到的疊層型壓電元件外加170V的直流電壓，結(jié)果所有的疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)得到沿疊層方向45μm的位移量。并且，室溫下對該疊層型壓電元件以150Hz的頻率外加0～+170V的交流電壓進行驅(qū)動試驗，進行試驗到連續(xù)驅(qū)動為1×109次， 另外，外部電極15的層厚度與玻璃量通過SEM測量剖面來測定。厚度是從SEM像中5點的平均值算出的，玻璃量是從SEM及EPMA算出電極層的面積，再算出其中的玻璃部分的面積，算出得到的面積的面積比作為體積％。結(jié)果如表1所示。
表1-1
在表1-1中，玻璃量按體積％表示。
表1-2 在表1-2中，初期位移量A表示初期狀態(tài)的位移量(μm)，連續(xù)驅(qū)動后的最大位移量B表示在連續(xù)驅(qū)動后(1×109次)的最大位移量(μm)。
另外，在表1-2中，移量變化率表示連續(xù)驅(qū)動后的位移量相對于初期狀態(tài)的位移量的變化率(％)，取作A、B，以|(A-B)/A×100|來表示。
從表1可知，比較例的試樣編號1、2、13，由于構(gòu)成外部電極15的層數(shù)為2層以下，所以在連續(xù)驅(qū)動疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)時，因壓電體12的尺寸變化，加在壓電體12與外部電極15的界面上的負荷變大，從所述界面向外部電極15產(chǎn)生龜裂，并且，在所述界面產(chǎn)生剝離。
與此相對，在本發(fā)明實施例的試樣編號3～12中，由于是外部電極以3層以上構(gòu)成的疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)，所以連續(xù)驅(qū)動1×109次后，元件位移量也不會明顯降低，具有作為疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)所需的有效位移量，另外，可制作不產(chǎn)生熱失控及誤動作具有優(yōu)越的耐久性的疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)。
(實施例2) 改變實施例1的試樣No.7的疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)的內(nèi)部電極2的材料組成，測定各試樣的位移量的變化率。這里，所謂位移量的變化率是對各試樣的疊層型壓電元件達到驅(qū)動次數(shù)1×109次時的位移量(μm)和開始連續(xù)驅(qū)動前的疊層型壓電元件初期狀態(tài)的位移量(μm)進行比較得到的。其結(jié)果表示在表2中。
表2
在表2中，內(nèi)部電極中的金屬以質(zhì)量％表示內(nèi)部電極中的各金屬相對于金屬整體量的比例。另外，位移量變化率表示連續(xù)驅(qū)動后的位移量相對于初期狀態(tài)的位移量的變化率(％)，破壞表示因遷移而損壞。
從表2發(fā)現(xiàn)在試樣No.1將內(nèi)部電極2設(shè)為100％銀的情況下，疊層型壓電元件由于銀遷移而損壞不能連續(xù)驅(qū)動；另外，試樣No.18，由于內(nèi)部電極2中的金屬組成物中，8～10族金屬的含有量超過15質(zhì)量％，另外，11族金屬的含有量小于85質(zhì)量％，所以內(nèi)部電極2的電阻率大，而在連續(xù)驅(qū)動疊層型壓電元件時發(fā)熱，疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)的位移量降低。
與此相對，還發(fā)現(xiàn)試樣No.2～14，由于內(nèi)部電極2中的金屬組成物在將8～10族金屬的含有量為M1質(zhì)量％、將11族金屬的含有量為M2質(zhì)量％時以滿足0＜M1≤15、85≤M2＜100、M1+M2＝100質(zhì)量％的金屬組成物為主成分，所以可減小內(nèi)部電極2的電阻率，即使連續(xù)驅(qū)動也可抑制在內(nèi)部電極2產(chǎn)生發(fā)熱，因此，能夠制作元件位移量穩(wěn)定的疊層型執(zhí)行機構(gòu)。
并且，發(fā)現(xiàn)試樣No.15～17也可減小內(nèi)部電極2的電阻率，即使連續(xù)驅(qū)動也可抑制在內(nèi)部電極2產(chǎn)生發(fā)熱，因此，能夠制作元件位移量穩(wěn)定的疊層型執(zhí)行機構(gòu)。
此外，本發(fā)明并于局限于上述實施例，在不脫離本發(fā)明的要旨的範囲內(nèi)是可以進行某種程度的多種變更的。
(實施例3) 在實施例3中，如下述那樣制作由本發(fā)明的疊層型壓電元件構(gòu)成的疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)。
首先，制作混合了以鈦酸鋯酸鉛(PbZrO3-PbTiO3)為主成分的壓電陶瓷的預(yù)燒粉末、粘合劑、及增塑劑而得到的漿料，利用刮刀法制作厚度150μm的成為壓電體11的陶瓷生片。
在該陶瓷生片的一面上通過絲網(wǎng)印刷法印刷導(dǎo)電膏而形成為3μm厚度的片，疊層300張這樣的片準備用于活性層。除此之外另制作用于構(gòu)成惰性層12的厚度100μm的生片(不形成導(dǎo)電膏)，并且，依次疊層惰性層用生片5～20張、活性層用生片300張、惰性層用5～20張進行壓制。其中該導(dǎo)電膏是在以任意的組成比形成的銀-鈀合金中添加了粘合劑而成的。
接著，在具有惰性層12的疊層體10a兩端面、即在惰性層12的端面通過絲網(wǎng)印刷法以5μm的厚度印刷導(dǎo)電膏來形成金屬層8。之后，在1000℃下燒成一定時間后通過平面磨床等除去金屬層8，其中該導(dǎo)電膏是在Pd、Ni、Cu、Ag、Na、Pb、W、或Mo中添加了粘合劑得到的導(dǎo)電膏、或者在銀-鈀合金中添加了粘合劑得到的導(dǎo)電膏。
然后，通過切片裝置在疊層體側(cè)面的內(nèi)部電極端部每隔一層形成深度50μm、寬度50μm的槽3，在該槽3中填充硅橡膠使之硬化。
接著，向平均粒徑為2μm的片狀的銀粉末90體積％和剩余部分以平均粒徑為2μm的硅作為主成分的軟化點為640℃的非晶質(zhì)的玻璃粉末10體積％的混合物中添加相對銀粉末和玻璃粉末的總計重量100為質(zhì)量份為8質(zhì)量份的粘合劑，充分混合而制作銀玻璃導(dǎo)電膏。通過絲網(wǎng)印刷在脫模薄膜上形成這樣制成的銀玻璃導(dǎo)電膏，干燥后，從脫模薄膜剝離，得到銀玻璃導(dǎo)電膏的片。經(jīng)阿基米德法測定該片的原密度為6.5g/cm3。
其次，將銀玻璃膏的片轉(zhuǎn)印在疊層體的外部電極面上，在650℃下焙燒30分鐘，形成由呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔質(zhì)導(dǎo)電體構(gòu)成的外部電極。還有，此時的外部電極的空隙率經(jīng)圖像解析裝置解析外部電極的剖面照片測定的結(jié)果，為40％。此外，壓電體1、內(nèi)部電極2及外部電極4的原料中添加了K2CO3或Na2CO3粉末。得到的燒結(jié)體的壓電體、內(nèi)部電極及外部電極中所含的堿金屬是利用ICP分析方法而檢測出的。
另外，作為比較例制作了如圖8所示那樣的在惰性層設(shè)置不與外部電極相通電的電極的疊層型壓電元件。這里，所述疊層型壓電元件的壓電體與上述的本發(fā)明的組成相同，另外，比較例的內(nèi)部電極中的銀與鈀的比率是以95∶5構(gòu)成的。另外，在表3-1中，在比較例的試樣編號1中，由于惰性層中不分散金屬，所以分散金屬的熔點比率及分散金屬組成欄表示為空欄(-)。而且，依次疊層惰性層用10張、活性層用300張、惰性層用10張后，通過與上述的本發(fā)明相同的方法設(shè)置外部電極、導(dǎo)線等來制作疊層型壓電元件(表3的試樣編號1)。
之后，將導(dǎo)線6連接在外部電極4上，經(jīng)由導(dǎo)線6向正極及負極的外部電極4外加15分鐘的3kV/mm的直流電場進行極化處理，制成利用了圖3A、B所示那樣的疊層型壓電元件的疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)。
對得到的疊層型壓電元件外加170V的直流電壓，結(jié)果沿疊層方向得到45μm的位移量。并且，室溫下對該疊層型壓電元件以150Hz的頻率外加0～+170V的交流電壓進行驅(qū)動試驗。
而且，該疊層型壓電元件進行連續(xù)驅(qū)動試驗到1×109次，這時，將產(chǎn)生不良的數(shù)表示為不良率。另外，對于分散在惰性層12中的金屬1 4，在惰性層12的任意剖面上通過EPMA分析3處，調(diào)查有無金屬的分散。另一方面，惰性層12中金屬14的含有量是在惰性層12的任意3處取出試樣，并對各個試樣進行ICP發(fā)光分析，取算出的含有量的平均值。結(jié)果如表3所示。此外，表3所示的分散金屬的熔點相對于燒成溫度的比率表示分散金屬的熔點相對于疊層體10a的燒成溫度的比例。
表3-1 表3-2 從表3發(fā)現(xiàn)，比較例的試樣編號1的疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)，由于在惰性層設(shè)置電極，所以在連續(xù)驅(qū)動試驗過程中，由于疊層型壓電元件的振動產(chǎn)生的應(yīng)力而在惰性層中的電極與活性部的界面產(chǎn)生裂縫，不良率變高。
與此相對，本發(fā)明實施例3的試樣編號2～21的疊層型壓電執(zhí)行機構(gòu)，由于在惰性層12中分散金屬，所以可使燒成收縮時在惰性層12與活性部11之間產(chǎn)生的應(yīng)力緩和及均勻化，并且，在高電壓、長時間連續(xù)使用下也可抑制惰性層12的裂縫等，耐久性優(yōu)越，故不良率降低。
另外，試樣編號2、3，由于構(gòu)成電極層8的金屬熔點明顯比疊層體10a的燒成溫度高，所以難在惰性層12中分散金屬14，難發(fā)揮上述的效果。
另外，試樣編號17，由于金屬14的分散量相對于惰性層12超過1.0質(zhì)量％，所以惰性層12的絕緣性劣化，引起絕緣破壞，不良率變高一些。
另一方面，試樣編號4～16、18～21，由于金屬14的分散量相對于惰性層12為0.001～1.0質(zhì)量％，所以容易發(fā)揮上述的效果。尤其，上述分散量為0.1質(zhì)量％且金屬14由銀和鈀構(gòu)成、即、金屬8含有構(gòu)成內(nèi)部電極2的金屬的試樣編號11～13、16、及18～21，由于確保惰性層12的絕緣性、且金屬14容易向惰性層12擴散，所以在高電壓、長時間連續(xù)使用，也可抑制惰性層12的裂縫等，而耐久性優(yōu)越，故不良率明顯降低。
權(quán)利要求
1.一種疊層型壓電元件，其特征在于，具有
疊層體，其具有活性部和位于該活性部的兩端部分別由壓電材料構(gòu)成的惰性層，所述活性部是交替疊層至少1個壓電體與由第一內(nèi)部電極及第二內(nèi)部電極構(gòu)成的多個內(nèi)部電極而成的，所述活性部與外加在所述第一內(nèi)部電極及所述第二內(nèi)部電極之間的電壓相對應(yīng)進行伸縮，
外部電極，其分別形成在所述疊層體的2個側(cè)面上，其中之一與所述第一內(nèi)部電極相連接、其中之另一個與所述第二內(nèi)部電極相連接，
所述疊層體的惰性層包含被分散的金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層型壓電元件，其特征在于
所述金屬是由選自Ag、Pd、Cu、Ca、Na、Pb、Ni構(gòu)成的群組中的至少1種以上的金屬構(gòu)成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的疊層型壓電元件，其特征在于
所述金屬的分散量相對于所述惰性層為0.001～1.0質(zhì)量％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的疊層型壓電元件，其特征在于
所述惰性層的厚度為0.1～2.0mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的疊層型壓電元件，其特征在于
所述金屬含有與構(gòu)成所述內(nèi)部電極的金屬相同的金屬。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層型壓電元件，其特征在于
所述內(nèi)部電極中的金屬組成物以8～10族金屬及/或11族金屬為主成分。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的疊層型壓電元件，其特征在于
在所述內(nèi)部電極中的8～10族金屬的含有量設(shè)為M1質(zhì)量％、11族金屬的含有量設(shè)為M2質(zhì)量％時，滿足0＜M1≤15、85≤M2＜100、M1+M2＝100。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的疊層型壓電元件，其特征在于
所述8～10族金屬是Ni、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Os中的至少1種以上，11族金屬是Cu、Ag、Au中的至少1種以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的疊層型壓電元件，其特征在于
所述8～10族金屬是Pt、Pd中的至少1種以上，11族金屬是Ag、Au中的至少1種以上。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的疊層型壓電元件，其特征在于
所述8～10族金屬是Ni。
11.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的疊層型壓電元件，其特征在于
所述11族金屬是Cu。
12.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的疊層型壓電元件，其特征在于
在所述內(nèi)部電極中與所述金屬組成物一起添加了氧化物、氮化物或碳化物。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的疊層型壓電元件，其特征在于
所述氧化物以由PbZrO3-PbTiO3構(gòu)成的鈣鈦礦型氧化物為主成分。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層型壓電元件，其特征在于
所述壓電體以鈣鈦礦型氧化物為主成分。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的疊層型壓電元件，其特征在于
所述壓電體以由PbZrO3-PbTiO3構(gòu)成的鈣鈦礦型氧化物為主成分。
16根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層型壓電元件，其特征在于
在所述疊層體的所述2個側(cè)面中的一個側(cè)面上的所述第二內(nèi)部電極與所述外部電極之間形成有槽，在另一個側(cè)面上的所述第一內(nèi)部電極與所述外部電極之間形成有槽，
在所述槽中分別填充有楊氏模量比所述壓電體低的絕緣體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種疊層型壓電元件，其具有疊層體，其具有活性部，該活性部是交替疊層至少1個壓電體與由第一內(nèi)部電極及第二內(nèi)部電極構(gòu)成的多個內(nèi)部電極而成的，活性部與外加在第一內(nèi)部電極及第二內(nèi)部電極之間的電壓相對應(yīng)進行伸縮，和外部電極，其分別形成在疊層體的2個側(cè)面上，其中之一與第一內(nèi)部電極相連接、其中之另一個與第二內(nèi)部電極相連接，各外部電極是包含與疊層體的側(cè)面相接形成的第1層和形成在該第1層上的第2層在內(nèi)的3層以上的層。因此，這種疊層型壓電元件的耐久性優(yōu)越。
文檔編號H01L41/187GK101593806SQ200910132709
公開日2009年12月2日 申請日期2005年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月29日
發(fā)明者中村成信, 鶴丸尚文, 岡村健 申請人:京瓷株式會社