專利名稱：壓電/電致伸縮元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)為由壓電/電致伸縮層和電極層相互交叉堆積成梳狀的層疊壓電/電致伸縮元件，一種制造壓電/電致伸縮元件的方法，具有上述層疊壓電/電致伸縮元件的壓電/電致伸縮器件以及制造這種壓電/電致伸縮器件的方法。
背景技術(shù)：
諸如使用壓電/電致伸縮層的制動器元件或傳感器元件的壓電/電致伸縮器件的通過如下所述進(jìn)行制備。例如，通過印刷的方法在陶瓷襯底上形成由第一電極層制成的線路圖。進(jìn)一步通過印刷的方法在其上形成陶瓷壓電/電致伸縮層，然后通過燒結(jié)使該層固定。之后，形成由另外的電極層制成的線路圖。
壓電/電致伸縮器件可以用作制動器元件，其中通過對線路圖提供電信號以在壓電/電致伸縮層上施加電場，這導(dǎo)致壓電/電致伸縮層發(fā)生位移。這種器件也可以用作傳感器元件。在傳感器元件中，根據(jù)施加在壓電/電致伸縮層上的壓力而產(chǎn)生的電信號從線路圖輸出(例如參見專利文件1)。專利文件1日本專利2001-210887號公報發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所解決的問題生產(chǎn)這樣的壓電/電致伸縮器件的過程包括切割步驟，使用金剛石切刀之類切割加工件以形成眾多小塊，并除去不需要的部分。
在切割過程中，由于壓電/電致伸縮層和陶瓷襯底是高硬度的，其會被沿著切割線整齊地切斷。但是，電極層中含有硬度低于陶瓷的金屬，因此電極層很難沿著切割線被切斷，并易于產(chǎn)生毛刺。
當(dāng)電極上施加電壓時，易于在毛刺的尖端產(chǎn)生放電。放電導(dǎo)致產(chǎn)生過量電流，或者其等離子體會擊穿部分壓電/電致伸縮層。如果毛刺過長，還可能導(dǎo)致相對的電極層之間的短路。
為了解決上述問題，有必要去除已經(jīng)形成的毛刺。除刺工序包括對壓電/電致伸縮層切割表面進(jìn)行拋光的工序和選擇性蝕刻部分電極層的工序。
但是，拋光工序傾向于提高制造成本。如果電極材料是抗腐蝕材料，例如鉑的話，蝕刻工序也會有問題，這就很難對電極材料進(jìn)行蝕刻。
基于上述的問題，進(jìn)行了本發(fā)明。本發(fā)明的目的之一是提供不易于在電極層的尖端產(chǎn)生放電的和能夠防止在相對的電極面之間產(chǎn)生短路的壓電/電致伸縮元件和壓電/電致伸縮器件。
本發(fā)明的另一目的是提供生產(chǎn)壓電/電致伸縮元件的方法和生產(chǎn)壓電/電致伸縮器件的方法，這些方法能夠便利地生產(chǎn)不易于在電極層的尖端產(chǎn)生放電的和能夠防止在相對的電極面之間產(chǎn)生短路的壓電/電致伸縮元件和壓電/電致伸縮器件。
解決問題的方法根據(jù)本發(fā)明的壓電/電致伸縮元件具有壓電/電致伸縮層和電極層堆積成相互交叉的梳狀的結(jié)構(gòu)。電極層的每個端部從層疊的壓電/電致伸縮層和電極層所所位于的側(cè)表面上壓電/電致伸縮層的端面上向外突出，且端部從端面向外突出的距離小于等于電極層之間的壓電/電致伸縮層的厚度的一半。
根據(jù)本發(fā)明的壓電/電致伸縮器件至少包括位于陶瓷襯底上層疊的壓電/電致伸縮元件，壓電/電致伸縮元件具有由壓電/電致伸縮層和電極層堆積成相互交叉的梳狀的結(jié)構(gòu)，電極層的端部從層疊的壓電/電致伸縮層和電極層所位于的側(cè)表面上的壓電/電致伸縮層的端面上向外突出，且端部從端面向外突出的距離小于等于電極層之間的壓電/電致伸縮層厚度的一半。
由于電極層的端部從層疊的壓電/電致伸縮層和電極層所位于的側(cè)表面上的壓電/電致伸縮層的端面上向外突出，即使有物體接觸到壓電/電致伸縮元件的側(cè)表面，也僅是電極的突出端發(fā)生彈性變形，壓電/電致伸縮層上也不會有顆粒的剝落。
由于電極層的端部是從壓電/電致伸縮層的端面向外突出，壓電/電致伸縮層從電極層上收縮回來，這樣，即使在壓電/電致伸縮元件的側(cè)表面上發(fā)生放電，放電也不會影響壓電/電致伸縮層，從而防止了由于放電的影響而產(chǎn)生的擊穿和散射(scattering)。
特別的，如果位于電極層之間的壓電/電致伸縮層的表面是凹面的，電極層之間的壓電表面的距離將增加以抑制壓電/電致伸縮元件側(cè)表面上的絕緣破裂。
但是，如果電極層的端部過于向外突出，當(dāng)有物體接觸到壓電/電致伸縮元件的側(cè)表面，電極層會發(fā)生變形，這將縮短電極層之間的距離，使得放電易于發(fā)生。
如果電極層的端部不從壓電/電致伸縮元件的側(cè)表面向外突出，或者突出的距離很短，在組裝后的熱處理中，則會在壓電/電致伸縮層和電極之間形成小的間隙。如果有灰塵顆粒進(jìn)入這些間隙，將很難被清除，會造成地漏(groundleakage)。如果裝配中由超聲波清理來清除所進(jìn)入的灰塵顆粒，就會在間隙中產(chǎn)生空穴，易于造成壓電/電致伸縮層和電極層相互脫離。
根據(jù)本發(fā)明，由于端部從端面向外突出的距離小于等于電極層之間的壓電/電致伸縮層的厚度的一半，即使有物體接觸到壓電/電致伸縮元件的側(cè)表面，電極層也不易于變形，電極層之間的距離也不會變短。在電極層和壓電/電致伸縮層之間不會產(chǎn)生間隙，幾乎沒有任何灰塵顆粒進(jìn)入。因此上述問題也就不會發(fā)生。
根據(jù)本發(fā)明，由于端部從端面向外突出的距離小于等于電極層之間的壓電/電致伸縮層的厚度的一半，在電極層的端部不易于發(fā)生放電，也防止了電極層之間發(fā)生的短路。
在上述的設(shè)計中，該距離優(yōu)選為在0.5μm～2μm的范圍。電極層可以包括金屬陶瓷。
根據(jù)本發(fā)明，制造具有壓電/電致伸縮層和電極層堆積成相互交叉的梳狀結(jié)構(gòu)的壓電/電致伸縮元件的方法包括將寬的壓電/電致伸縮層和窄的電極層堆積成相互交叉的梳狀的步驟，將這些層燒結(jié)成壓電/電致伸縮元件塊的步驟，將壓電/電致伸縮元件塊切割成多個壓電/電致伸縮元件的步驟，和對壓電/電致伸縮元件進(jìn)行熱處理的步驟。壓電/電致伸縮元件在熱處理溫度下經(jīng)歷一定時間的熱處理，其中熱處理的溫度和時間由電極層中所含金屬的變形所依從的臨界曲線、電極層中所含金屬的破裂所依從的臨界曲線或者壓電/電致伸縮層的分解所依從的臨界曲線所包圍的區(qū)域來確定。
根據(jù)本發(fā)明，制造至少具有在陶瓷襯底上層疊的壓電/電致伸縮元件，且壓電/電致伸縮元件具有壓電/電致伸縮層和電極層堆積成相互交叉的梳狀結(jié)構(gòu)的壓電/電致伸縮器件的方法，包括將寬的壓電/電致伸縮層和寬的電極層在陶瓷襯底上堆積成相互交叉的梳狀的步驟，將此裝配物燒結(jié)成壓電/電致伸縮器件塊的步驟，將壓電/電致伸縮器件塊切割成多個壓電/電致伸縮器件的步驟，和將壓電/電致伸縮器件的壓電/電致伸縮元件進(jìn)行熱處理的步驟。壓電/電致伸縮元件在熱處理溫度經(jīng)歷一定時間的熱處理，其中熱處理溫度和時間由電極層中所含金屬的變形所依從的臨界曲線和電極層中所含金屬的破裂所依從的臨界曲線或者壓電/電致伸縮層的分解所依從的臨界曲線所包圍的區(qū)域來確定。
電極層中所含金屬的變形所依從的臨界曲線是由測量過程的結(jié)果得到的，測量過程是使用SEM(掃描電子顯微鏡)在大于等于1000倍的放大條件下，比較熱處理前和熱處理后的電極層以確定金屬是否變化。壓電/電致伸縮層的分解所依從的臨界曲線的定義如下。當(dāng)壓電/電致伸縮層在大氣中處于高溫環(huán)境時，壓電/電致伸縮層中易于揮發(fā)的成分，例如PZT(鋯鈦酸鉛)中的Pb會揮發(fā)，其結(jié)果是壓電/電致伸縮層的組成發(fā)生改變。如果壓電/電致伸縮層在此狀態(tài)下是穩(wěn)定的，PZT以外的相(異相)會由于成分的變化而析出。因此，當(dāng)壓電/電致伸縮層分解時就會發(fā)生異相的析出。根據(jù)本發(fā)明，存在一個上限，低于此上限不發(fā)生異類相的析出，這種上限就是“壓電/電致伸縮層的分解所依從的臨界曲線”。如果壓電/電致伸縮層發(fā)生分解并有異相析出，則壓電/電致伸縮層的特征值低。因此，優(yōu)選壓電/電致伸縮層不應(yīng)分解的。
優(yōu)選在一定溫度下對壓電/電致伸縮元件進(jìn)行一定時間的熱處理，其中已經(jīng)進(jìn)行了熱處理的電極層具有這樣的結(jié)構(gòu)電極層的各自端部從層疊的壓電/電致伸縮層和電極層所位于的側(cè)表面上的壓電/電致伸縮層的端面上向外突出，且端部從端面向外突出的距離小于等于電極層之間的壓電/電致伸縮層的厚度的一半。特別的，優(yōu)選在一定溫度下進(jìn)行一定時間熱處理的壓電/電致伸縮元件的上述突出距離的范圍是0.5μm～2μm。
通過上述方法，易于制造不易在電極的尖端發(fā)生放電的和防止相對的電極層之間發(fā)生短路的壓電/電致伸縮元件和壓電/電致伸縮器件。
在將壓電/電致伸縮元件塊切割成多個壓電/電致伸縮元件后，對壓電/電致伸縮元件進(jìn)行熱處理，或者在將壓電/電致伸縮器件塊切割成多個壓電/電致伸縮器件后，對壓電/電致伸縮器件的壓電/電致伸縮元件進(jìn)行熱處理。這樣，電極的表面是光滑的，沒有毛刺或者毛刺減少。
由于壓電/電致伸縮層的晶態(tài)被熱處理所恢復(fù)，熱處理前形成的微裂紋能夠基本被消除。而且在加工的表面(壓電/電致伸縮層和電極層的切割表面)上殘留的加工應(yīng)力也得到消除，從而提高了壓電/電致伸縮元件或壓電/電致伸縮器件的特性和可靠性。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實施方式的壓電/電致伸縮器件的透視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實施方式的壓電/電致伸縮器件的壓電/電致伸縮元件的放大圖。
圖3是圖2中沿III-III線的斷面圖。
圖4是圖3中的局部放大圖。
圖5是根據(jù)第1次修改的壓電/電致伸縮器件的壓電/電致伸縮元件的放大圖。
圖6是根據(jù)第2次修改的壓電/電致伸縮器件的壓電/電致伸縮元件的放大圖。
圖7是對所需陶瓷毛坯板進(jìn)行層疊的過程示意圖。
圖8是陶瓷毛坯板層疊成陶瓷毛坯層疊體的方法的示意圖。
圖9是將陶瓷毛坯層疊體燒結(jié)到陶瓷層疊體狀態(tài)的示意圖，在此狀態(tài)之后，燒結(jié)的壓電/電致伸縮元件塊在陶瓷層疊體上形成(形成壓電/電致伸縮器件塊的狀態(tài))。
圖10是根據(jù)本實施方式熱處理條件的特征圖。
圖11是發(fā)明實施例1(熱處理條件600℃，5小時)的電極層的端部和壓電/電致伸縮層的端部的形狀的特征圖。
圖12是發(fā)明實施例1(熱處理條件1000℃，10分鐘)的電極層的端部和壓電/電致伸縮層的端部的形狀的特征圖。
圖13是第1特例的壓電/電致伸縮器件的正視圖。
圖14是第2特例的壓電/電致伸縮器件的正視圖。
圖15是第3特例的壓電/電致伸縮器件的正視圖。
具體實施例方式
以下參照圖1～15說明根據(jù)本發(fā)明壓電/電致伸縮元件、壓電/電致伸縮元件的制造方法、壓電/電致伸縮器件和壓電/電致伸縮器件的制造方法的實施方式。
本實施方式的壓電/電致伸縮器件10包括能將電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的壓電/電致伸縮元件。因此，壓電/電致伸縮器件10最優(yōu)選作為主動元件，例如各種制動器和振動器，特別適合于使用相反的壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)的位移元件。而且，壓電/電致伸縮器件10還優(yōu)選作為被動元件，例如加速傳感器元件和振動傳感器元件。
如圖1所示，本實施方式的壓電/電致伸縮器件10具有陶瓷襯底16，其上擁有一對相對的薄板部分12a和12b，以及用來支撐薄板部分12a和12b的固定部分14。壓電/電致伸縮元件18a和18b分別形成于一對薄板部分12a和12b上之，薄板部分12a和12b分別被壓電/電致伸縮元件18a和18b占據(jù)了部分表面。
在壓電/電致伸縮器材10上，這對薄板部分12a和12b根據(jù)壓力電致元件18a和18b的驅(qū)動來產(chǎn)生位移，或者薄板部分12a和12b的位移由壓電/電致伸縮元件18a和18b進(jìn)行檢測。這樣，如圖1中所表示的器件，制動部分19a和19b由薄板部分12a和12b和壓電/電致伸縮元件18a和18b所構(gòu)成。因此，這對薄板部分12a和12b就作為可以產(chǎn)生振動的振動部分來使用，并由固定部分14所支撐。
這對薄板部分12a和12b的每個末端部分是向內(nèi)的厚壁狀，這個厚壁狀部分被用作可以運動的部分，其根據(jù)薄板部分12a和12b的位移也產(chǎn)生位移。這對薄板狀部分12a和12b的末端部分還用作能夾住和抓住外來物體的物體附著部位。以下稱薄板部分12a和12b的末端部分為為可動部分20a和20b。
在可動部分20a和20b相對的端面34a和34b之間可以設(shè)置一個間隔(空氣)36?？梢赃x擇的是，盡管圖中未顯示，可以在端面34a和34b之間設(shè)置與可動部分20a和20b的結(jié)構(gòu)材料相同或者不同的材料制成的多個物體。通過這樣的設(shè)計，對應(yīng)可動部分20a和20b相對的端面34a和34b可以用作接觸面34a和34b。
可動部分20a和20b也可以不是圖1中所示的結(jié)構(gòu)，可以是圖13所示的結(jié)構(gòu)，其中薄板部分12a和12b的末端部分并不厚，實際上與薄板部分12a和12b的中間部分的厚度相同。
陶瓷襯底16是陶瓷層疊體。例如數(shù)個陶瓷毛坯板層疊在一起并被燒結(jié)成陶瓷層疊體。這將在后面進(jìn)行說明。
如上所述的整合陶瓷體很少隨著時間發(fā)生改變，因為各部分的連接并不采用粘結(jié)。這樣各連接部分的可靠性高，這樣的結(jié)構(gòu)可以有利于確保剛性。進(jìn)一步，這樣的整合陶瓷體可以由后面所述的陶瓷毛坯板層疊方法簡單地生產(chǎn)。
如后所述，在陶瓷襯底16分別制備壓電/電致伸縮元件18a和18b，并通過形成薄膜的方法直接形成在陶瓷襯底16上。
每個壓電/電致伸縮元件18a和18b包含壓電/電致伸縮層22和一對形成于壓電/電致伸縮層22的兩側(cè)上的電極層24和26構(gòu)成。這一對電極層24和26中的電極層24至少在成對的薄板部分12a和12b的每一個上形成。
在本發(fā)明的實施方式中，壓電/電致伸縮層和成對的電極層24和26的每一層均是多層結(jié)構(gòu)的。電極層24和電極層26交替堆積的，這在斷面上形成梳子的形態(tài)，電極層24和電極層26相互層疊，將壓電/電致伸縮層22介于電極層之間。其結(jié)果是，壓電/電致伸縮元件18a和18b由多級構(gòu)成，形成多層結(jié)構(gòu)。但本發(fā)明并不限定于上述多層結(jié)構(gòu)，在本發(fā)明中也可以使用單層的結(jié)構(gòu)。
在圖2的放大圖中，每個壓電/電致伸縮元件18a和18b包括了具有4層結(jié)構(gòu)的壓電/電致伸縮層22(第1到第4層分別為壓電/電致伸縮層22A到22D)。
特別的，第1線路圖50被實質(zhì)上連續(xù)地置于陶瓷襯底16上的薄板部分12a、12b、可動部分20a、20b和固定部分14的側(cè)面。第1線路圖50在固定部分14的側(cè)面上并被空氣隔斷40所分隔，形成24A部分(電極層24的一部分)和另一部分26A(另一電極層26的一部分)。
空氣隔斷40中填充了作為在第1線路圖50中絕緣區(qū)域44的絕緣層42。
電極層24是由第1線路圖50的24A部分、設(shè)置在第1壓電/電致伸縮層22A上表面的第2線路圖24B和設(shè)置在第3壓電/電致伸縮層22C上表面的第4線路圖構(gòu)成的梳狀結(jié)構(gòu)。
另一電極層26是由第1線路圖50的26A部分、設(shè)置在第2壓電/電致伸縮層22B上表面的第3線路圖26B和設(shè)置在第4壓電/電致伸縮層22D上表面的第5線路圖26C構(gòu)成的梳狀結(jié)構(gòu)。
終端28設(shè)置在第1線路圖50的24A部分、第2線路圖24B和第4線路圖24C層疊的區(qū)域的上表面，另一終端30設(shè)置在第5線路圖26C的一端，26C位于最上一層。
絕緣區(qū)44的優(yōu)勢在于(1)它在壓電/電致伸縮元件18a和18b的后端部分46(從空氣隔斷40的后端到固定部分14的后端的部分)并不使制動器活動(energize)，(2)在終端28的端部不易于發(fā)生短路。
如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明實施方式的壓電/電致伸縮器件10的第1線路圖50是一個三層的結(jié)構(gòu)。
具體而言，第1線路圖50中，由襯底材料的金屬陶瓷和電極材料制成的第1層140被直接置于在陶瓷襯底16上，由電極材料制成的第2層142被置于第1層140上，由壓電/電致伸縮材料的金屬陶瓷和電極材料制成的第3層144被置于在第2層142上。
進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，位于最表面的另一電極層26的第5線路圖26C，由電極材料的樹脂酸鹽構(gòu)成。被置于壓電/電致伸縮元件18a和18b上的電極層的線路圖(第2到第4線路圖24B、26B和24C)通過對包括電極材料和壓電/電致伸縮材料的金屬陶瓷薄膜進(jìn)行燒結(jié)來制造，并且燒結(jié)后的第2到第4線路圖24B、26B和24C具有各自的導(dǎo)電部分，導(dǎo)電部分的面積大于等于線路圖24B、26B和24C的面積的80％。
在這樣的設(shè)計中，電極材料和壓電/電致伸縮材料的體積比優(yōu)選為4∶6到9∶1，因為第2到第4線路圖24B、26B和24C必須為導(dǎo)體層。
如圖3和圖4所示，根據(jù)本實施方式的壓電/電致伸縮器件10的壓電/電致伸縮元件18a和18b中，電極層24和26的端部24a和26a分別從壓電/電致伸縮層22的端面22a向外突出，其中壓電/電致伸縮層22位于側(cè)表面150，其中側(cè)表面150是壓電/電致伸縮層22和電極層24的層疊結(jié)構(gòu)所面對的。端部24a和26a從端面22a向外突出的距離t等于或小于電極層24和26之間的壓電/電致伸縮層22的厚度Ld的一半。突出距離t優(yōu)選的范圍是0.5～2μm。
因此，本發(fā)明實施方式具有以下的優(yōu)勢。由于電極層24和26的端部24a和26a分別從壓電/電致伸縮層22的端面22a向外突出，其中壓電/電致伸縮層22位于側(cè)表面150，其中側(cè)表面150是壓電/電致伸縮層22和電極層24的層疊結(jié)構(gòu)所面對的，因此即使有物體進(jìn)入并接觸到壓電/電致伸縮元件18a和18b的側(cè)表面，也僅有電極層24和26的突出端部24a和26a發(fā)生彈性形變，而不會有顆粒從壓電/電致伸縮層22上剝落(不會產(chǎn)生因沖擊而引起顆粒剝落)。
由于電極層24和26的端部24a和26a從壓電/電致伸縮層22的端面22a向外突出，壓電/電致伸縮層從電極層24和26縮回，既使在壓電/電致伸縮元件18a和18b的側(cè)表面上發(fā)生放電，放電也不會影響壓電/電致伸縮層22，從而防止了放電引起的擊穿和散射(scattering)。
特別的，由于電極層24和26之間的壓電/電致伸縮層22的表面是凹形的，沿著在電極層24和26之間的壓電表面距離的增加抑制了壓電/電致伸縮元件18a和18b側(cè)表面上發(fā)生的絕緣擊穿。
但是，如果電極層24和26的端部24a和26a向外過于突出的話，當(dāng)有物體進(jìn)入并接觸壓電/電致伸縮元件18a和18b的側(cè)表面時，電極層24和26會發(fā)生變形，這縮短了電極層24和26之間的距離，進(jìn)而易于發(fā)生放電。
如果電極層24和26的端部24a和26a不從壓電/電致伸縮元件層22的端面22a向外突出，或者突出距離t很短，則會在裝配后的熱處理中在壓電/電致伸縮層22和電極層24和26之間形成小的間隙。如果有灰塵顆粒進(jìn)入這些間隙中，就很難被清除，這會造成底面泄漏(ground leakage)。如果裝配中由超聲波清理來清除收納的灰塵顆粒，就會在間隙中產(chǎn)生空穴，易于造成壓電/電致伸縮層22和電極層24和26相互脫離。
根據(jù)本發(fā)明，由于端部24a和24b從端面22a向外突出距離t小于等于電極層24和26之間的壓電/電致伸縮層22的厚度Ld的一半，即使有物體碰到了壓電/電致伸縮元件18a和18b的側(cè)表面，電極層24和26不易于變形，電極層24和26間的距離也不會變短。在電極層24和26和壓電/電致伸縮層22之間不會產(chǎn)生間隙，這樣就很難有任何灰塵顆粒能夠進(jìn)入。因此上述問題也就不會發(fā)生。
根據(jù)本發(fā)明實施方式，由于端部24a和26a從端面22a向外突出距離t小于等于電極層24和26之間的壓電/電致伸縮層22的厚度Ld的一半，因此在電極層24和26的端部24a和26a不易發(fā)生放電，這也防止了電極層24和26之間短路的發(fā)生。
根據(jù)上述實施方式，第1線路圖50的24A和26A部分之間的空氣隔斷40被填充了絕緣層42，后者要厚于第1層140。但是在如圖5所示的第1次修改的壓電/電致伸縮器件10a中，空氣隔斷40中填充了絕緣層152，其厚度與第1層140的厚度相同并且大于空氣隔斷40。
可以選擇的是，在如圖6所示的第2次修改的壓電/電致伸縮器件10b中，空氣隔斷中僅有空氣，而不進(jìn)行填充。
以下，說明本實施方式的壓電/電致伸縮器件10的各主要組成部分。
如上所述，可動部分20a和20b是基于薄板部分12a和12b的驅(qū)動量來運行的。根據(jù)壓電/電致伸縮器件10的應(yīng)用，在可動部分20a和20b之間可以附加各種物體。例如當(dāng)壓電/電致伸縮器件10被作為位移元件來使用時，則會附加用于遮蔽光線的盾狀板之類的物體。特別是，如果壓電/電致伸縮器件10被用于硬盤驅(qū)動器的磁頭的定位時，或者用于環(huán)壓機(jī)(ringing-suppressingmechanism)時，會附加包括磁頭、與磁頭一起的滑塊和與滑塊一起的懸架等這些需要被定位的物體。
如上所述，固定部分14支撐薄板部分12a和12b和可動部分20a和20b。例如，當(dāng)壓電/電致伸縮器件10用于定位上述的硬盤驅(qū)動器的磁頭時，固定部分14被用來支持或者保護(hù)例如連接到VCM(音圈馬達(dá))的機(jī)械臂或者連接到機(jī)械臂的懸架或固定板。因此，整個壓電/電致伸縮器件10是被固定的。而且，如圖1所示，終端28、30和其它用于驅(qū)動壓電/電致伸縮器件10的物體也可以設(shè)置在固定部分14上。
對于可動部分20a、20b和固定部分14的材質(zhì)沒有特別限定，只要材料具有一定的剛性。但是優(yōu)選使用如上所述的可以應(yīng)用于陶瓷毛坯板層疊方法的陶瓷。
具體而言，可以使用的材料包含的主要成分是，例如完全穩(wěn)定化的氧化鋯或部分穩(wěn)定化的氧化鋯、氧化鋁、氧化鎂、氮化硅、氮化鋁或者氧化鈦。而且，也可以使用含有上述化合物的混合物作為主要成分的物質(zhì)。但是，從高硬度和高機(jī)械強(qiáng)度的角度考慮，特別優(yōu)選使用含有完全穩(wěn)定化的氧化鋯作為主要成分，或者部分穩(wěn)定化的氧化鋯作為主要成分的材料。
如上所述，薄板部分12a和12b由壓電/電致伸縮元件18a和18b的位移來驅(qū)動。每一薄板部分12a和12b具有高彈性的薄板狀。薄板部分12a和12b放大了設(shè)置在表面的壓電/電致伸縮元件18a和18b的擴(kuò)展位移和收縮位移，并將彎曲的位移傳導(dǎo)到可動部分20a和20b。因此，根據(jù)彈性和機(jī)械強(qiáng)度來選擇薄板部分12a和12b的形狀和材料質(zhì)量，使得不因彎曲而破裂。也可以考慮可動部分20a和20b的響應(yīng)特性和可操控性來適當(dāng)?shù)剡x擇薄板部分12a和12b的形狀和材料質(zhì)量。
可以優(yōu)選使用與可動部分20a和20b和固定部分14的陶瓷材料相似的陶瓷材料來制作薄板部分12a和12b。更加優(yōu)選使用以完全穩(wěn)定化的氧化鋯作為主要成分的材料或者以部分穩(wěn)定化的氧化鋯為主要成分的材料，因為既使由其形成薄壁形狀也具有高機(jī)械強(qiáng)度，高硬度，并且與壓電/電致伸縮層和電極材料的反應(yīng)性低。
完全穩(wěn)定化的氧化鋯和部分穩(wěn)定化的氧化鋯優(yōu)選按照如下的完全穩(wěn)定化和部分穩(wěn)定化工序?？梢酝耆?或部分穩(wěn)定氧化鋯的化學(xué)化合物包括氧化釔、氧化鐿、氧化鈰、氧化鈣和氧化鎂。氧化鋯可以由上述至少一種化合物進(jìn)行穩(wěn)定化，或由上述化合物的組合進(jìn)行穩(wěn)定化。
所需化合物的添加量為，例如如果是氧化釔或氧化鐿則為1～30mol％，優(yōu)選1.5～10mol％，如果是氧化鈰則為6～50mol％，優(yōu)選8～20mol％，如果是氧化鈣或氧化鎂則為5～40mol％，優(yōu)選5～20mol％。其中，特別優(yōu)選氧化釔作為穩(wěn)定劑，這時，優(yōu)選氧化釔的添加量為1.5～10mol％，更加優(yōu)選2～4mol％。還可以添加例如氧化鋁、氧化硅和/或過渡金屬的氧化物作為燒結(jié)助劑之類，添加量為0.05～20重量％。但是，當(dāng)通過薄膜形成的方法燒結(jié)成一體的方法形成壓電/電致伸縮元件18a和18b時，優(yōu)選添加例如氧化鋁、氧化鎂和/或過渡金屬的氧化物作為添加劑。
為了獲得高機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的晶體相，需要氧化鋯的平均晶粒粒徑在0.05～3μm，優(yōu)選0.05～1μm。如上所述，與可動部分20a、20b和固定部分14相似的陶瓷材料可以用于薄板部分12a和12b，但還是優(yōu)選使用實質(zhì)上相同的材料來制造薄板部分12a和12b。這樣的優(yōu)勢在于提高連接部分的可靠性和增強(qiáng)壓電/電致伸縮器件10的強(qiáng)度并降低了生產(chǎn)的復(fù)雜程度。
每一壓電/電致伸縮元件18a和18b至少具有一層壓電/電致伸縮層22和一對電極層24和26，電極層24和26用來給壓電/電致伸縮層22施加電場。壓電/電致伸縮元件18a和18b元件18a和18b可以單片(unimorph)形式或雙片(bimorph)形式來使用。但是與薄板部分一起使用的單片(unimorph)形式的壓電/電致伸縮元件18a和18b，在產(chǎn)生的位移量方面表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，而且在降低器件的重量方面具有更多的優(yōu)勢。因此單片(unimorph)形式的壓電/電致伸縮元件更適合用于壓電/電致伸縮器件10。
優(yōu)選壓電/電致伸縮元件18a和18b在如圖1所示的薄板部分12a和12b的側(cè)表面上形成，因為這樣可以更順利地驅(qū)動薄板部分12a和12b。
優(yōu)選使用壓電陶瓷材料于壓電/電致伸縮層22。也可以使用電致伸縮陶瓷材料、鐵電陶瓷材料和反鐵電陶瓷材料。如果，例如壓電/電致伸縮器件用于定位硬盤驅(qū)動器的磁頭時，優(yōu)選使用具有小應(yīng)變磁滯的壓電材料和/或矯頑電場不超過10kV/mm的材料，因為保持可動部分20a和20b的位移量和驅(qū)動電壓或輸出電壓之間的線性規(guī)律是重要的。
具體而言，壓電材料可以包括鋯酸鉛、鈦酸鉛、鈮酸鉛鎂、鈮酸鉛鎳、鈮酸鉛鋅、鈮酸鉛錳、錫酸鉛銻、鎢酸鉛錳、鈮酸鉛鈷、鈦酸鋇、鈦酸鈉鉍、鈮酸鉀鈉和鉭酸鍶鉍?？梢允褂眠@些材料中的一種或多種適當(dāng)?shù)幕旌衔铩?br> 特別是，優(yōu)選使用包含有鋯酸鉛、鈦酸鉛或鈮酸鉛鎂為主要成分的材料，或者包含以鈦酸鈉鉍為主要成分的材料，因為這些材料具有高的機(jī)電耦合系數(shù)和高的壓電常數(shù)。而且，當(dāng)壓電/電致伸縮層22被燒結(jié)時，這些材料與薄板部分(陶瓷)12a和12b之間的反應(yīng)性小，因而可以獲得具有穩(wěn)定成分的器件。
在這些壓電材料中，可以添加以下一種或者多種的混合物，例如鑭、鈣、鍶、鉬、鎢、鋇、鈮、鋅、鎳、錳、鈰、鎘、鉻、鈷、銻、鐵、釔、鉭、鋰、鉍和錫。
例如，當(dāng)作為主要成分的例如鋯酸鉛、鈦酸鉛和鈮酸鉛鎂中含有鑭和/或鍶時，矯頑電場和壓電特性是可以調(diào)節(jié)的。
不希望添加例如能形成玻璃的二氧化硅。如果添加了諸如二氧化硅的材料，會導(dǎo)致在壓電/電致伸縮層22的熱處理中與壓電/電致伸縮材料發(fā)生發(fā)應(yīng)，結(jié)果會引起成分的改變，壓電特性變差。
壓電/電致伸縮元件18a和18b成對的電極層24和26由在室溫下為固體的且具有優(yōu)異導(dǎo)電性的金屬制成?？梢杂糜陔姌O層對24和26的材料包括諸如鋁、鈦、鉻、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鈮、鉬、釕、鈀、銠、銀、錫、鉭、鎢、銥、鉑、金和鉛等金屬及其合金。而且，還可以優(yōu)選使用通過將與壓電/電致伸縮層22或薄板部分12a和12b相同的材料分散于上述的一種金屬或合金中而獲得的金屬陶瓷材料。
根據(jù)形成壓電/電致伸縮層22的形成方法來選擇壓電/電致伸縮元件18a和18b的電極層24和26的材料。例如，在薄板部分12a、12b上邊形成電極層24之后，在電極層24上燒結(jié)形成壓電/電致伸縮層22時，對于電極層24就必須使用高熔點金屬，其在壓電/電致伸縮層22的燒結(jié)溫度不發(fā)生改變。高熔點金屬包括鉑、鈀、鉑-鈀合金和銀-鈀合金。但是，最外層電極是在形成壓電/電致伸縮層22之后在壓電/電致伸縮層22上形成的，可以在相對較低的溫度下形成，因此，對于最外層電極可以使用低熔點金屬，例如鋁、金和銀。
電極層24和26的厚度可以是降低壓電/電致伸縮元件18a和18b的位移的因素。因此，特別是對于在壓電/電致伸縮層22燒結(jié)之后形成的電極，優(yōu)選使用包括結(jié)樹脂酸金糊、樹脂酸鉑糊和樹脂酸銀糊的有機(jī)金屬糊，通過燒結(jié)獲得致密的厚膜。
本實施方式中的壓電/電致伸縮器件10可以適用于各種傳感器，包括超聲波傳感器、加速傳感器、角速率傳感器、振動傳感器和質(zhì)量傳感器。本實施方式中的壓電/電致伸縮器件10還有其它的優(yōu)勢，因為可以通過改變在端面34a和34b或者薄板部分12a和12b所接觸的物體的尺寸來簡便地調(diào)整傳感器的靈敏度。
關(guān)于制造壓力電致器件10的方法，可以使用包括上述的絲網(wǎng)印刷的方法，以及例如浸漬、涂覆和電泳的厚膜形成方法，還有例如粒子束法、濺射法、真空沉積、離子鍍法、化學(xué)氣相沉積(CVD)和進(jìn)行鍍層的方法，在陶瓷層疊體60的表面上形成壓電/電致伸縮元件18a和18b。
當(dāng)使用上述方法中的一種形成壓電/電致伸縮元件18a和18b時，壓電/電致伸縮元件18a和18b和薄板部分12a和12b可以連接在一起并形成集成體而不需要任何粘結(jié)劑。這樣可以保證器件的可靠性和靈敏度，并可以加速集成的過程。
本實施方式中，優(yōu)選壓電/電致伸縮元件18a和18b通過厚膜形成方法來形成，原因如下。當(dāng)使用厚膜形成方法來特別形成壓電/電致伸縮層22時，可以使用包含有平均粒徑為0.01～5μm，優(yōu)選0.05～3μm的作為壓電陶瓷主要成分的晶粒或粒子的糊、漿、懸濁液、乳濁液或者溶膠。當(dāng)對如上所述獲得的膜進(jìn)行燒結(jié)時，可以獲得良好的壓電/電致伸縮特性。
電泳法因其可形成高密度和高形狀精度的膜而具有優(yōu)勢。絲網(wǎng)印刷法顯著地簡化了制造步驟，因為薄膜的形成和線路圖的形成可以同時進(jìn)行。
切割陶瓷層疊體60的方法包括機(jī)械加工法，例如切片機(jī)加工、線切割加工和電子束加工和使用YAG激光、激態(tài)原子激光或者相似的激光加工。
以下，參考圖7～9說明本實施方式的壓電/電致伸縮器件10的制造方法。首先，陶瓷毛坯層疊體58，稱之為層疊體，是由對陶瓷毛坯板(參見例如圖8)進(jìn)行層疊而形成的。陶瓷層疊體60，稱之為產(chǎn)品，是由對陶瓷毛坯層疊體58進(jìn)行燒結(jié)成一體(參見例如圖9)而獲得的。陶瓷襯底16，稱之為產(chǎn)品，其通過將不需要的部分從陶瓷層疊體60上切割掉，然后集成了可動部分20a和20b，薄板部分12a和12b和固定部分14(參見圖1)獲得。
在此制造方法中，陶瓷層疊體60被切割成片塊單元，這樣可以制造大量的壓電/電致伸縮器件10。在此方法中，假設(shè)多個壓電/電致伸縮器件10在垂直方向排布，在側(cè)方向上在一個襯底上各自形成。但是為了簡化說明，假設(shè)每一壓電/電致伸縮器件10是這樣制造的首先，將粘合劑、溶劑、分散劑、增塑劑以及其它成分添加并混合到例如氧化鋯的陶瓷粉末中，形成漿料。將漿料經(jīng)過除泡處理，由反向滾筒涂布法或刮勻涂裝法形成具有設(shè)定厚度的陶瓷毛坯板。
然后，陶瓷毛坯板由例如激光加工或用模具沖壓被加工成如圖7所示的各種形狀，形成多種陶瓷毛坯板70A到70D、72A、72B和102A到102G，構(gòu)成多個襯底。
陶瓷毛坯板70A到70D是多個(例如，2個)具有窗口100的陶瓷毛坯板，用來形成壓電/電致伸縮器件10的具有端面34a和34b的可動部分20a和20b。陶瓷毛坯板102A到102G是多個(例如，4個)毛坯板，與窗口54一起形成至少介于薄板部分12a和12b之間的空間。陶瓷毛坯板的個數(shù)只是將陶瓷毛坯板70A到70D、72A、72B和102A到102G進(jìn)一步層疊，使得陶瓷毛坯板70A到70D和102A到102G位于陶瓷毛坯板72A和72B之間，然后在壓力下相互固定，形成陶瓷層疊體58(參見圖8)。對陶瓷毛坯板70A到70D、72A、72B和102A到102G進(jìn)行層疊，同時，陶瓷毛坯板102A到102G位于層疊的毛坯板的中央。
在此過程中，由于窗口100的存在，由壓力進(jìn)行固定時，特定部分可能沒有被施加壓力。因此，層疊或者壓力下固定的次序可以進(jìn)行調(diào)整來避免這樣的特定部分的產(chǎn)生。之后，陶瓷毛坯層疊體58被燒結(jié)稱陶瓷層疊體60(參見圖9)。
然后，如圖9所示，在陶瓷層疊體60的兩個表面上，例如對應(yīng)陶瓷毛坯板72A和72B相層疊表面的表面，寬的壓電/電致伸縮層和寬的壓電/電致伸縮層堆積成相互交叉的梳狀。之后，對裝配體進(jìn)行燒結(jié)，形成在陶瓷層疊體60上的壓電/電致伸縮元件塊160。這時，形成了具有陶瓷層疊體60和壓電/電致伸縮元件塊160的壓電/電致伸縮器件塊162。
在如圖9所示的實施例中，壓電/電致伸縮元件塊160分別形成于陶瓷層疊體160的上下表面。壓電/電致伸縮元件160也可以僅形成于陶瓷層疊體60的一個表面。
然后，如圖9所示，在形成的壓電/電致伸縮器件塊162和壓電/電致伸縮元件塊160上，沿著切割線C1、C2和C3進(jìn)行切割，然后切掉壓電/電致伸縮器件塊162的側(cè)面部分和末端部分。在壓電/電致伸縮器件塊162進(jìn)行這樣的切割時，可以獲得具有在陶瓷襯底16上的壓電/電致伸縮元件18a、18b和具有相互接觸端面34a和34b的可動部分20a和20b的壓電/電致伸縮器件10。
壓電/電致伸縮器件塊162可以先沿著切割線C1和C2進(jìn)行切割，然后再沿著切割線C3切割，或者先沿著切割線C3切割，然后再沿著切割線C1和C2切割?；蛘撸瑝弘?電致伸縮器件塊162可以同時沿著切割線C1、C2和C3切割。面對切割線C3的固定部分14的端面也可以被切掉。
在此之后，對壓電/電致伸縮器件10的壓電/電致伸縮元件18a和18b進(jìn)行熱處理。壓電/電致伸縮元件18a和18b在熱處理溫度經(jīng)歷一定時間的熱處理，熱處理溫度和時間由電極層24和26中所含金屬的變形所依從的臨界曲線、電極層24和26中所含金屬的破裂所依從的臨界曲線或者壓電/電致伸縮層22的分解所依從的臨界曲線所包圍的區(qū)域來確定。
電極層24和26中所含金屬的變形所依從的臨界曲線是由測量過程的結(jié)果得到的，測量過程是使用SEM(掃描電子顯微鏡)在大于等于1000倍的條件下，比較熱處理前和熱處理后的電極層，以確定金屬是否有變化。以下將金屬的變形所依從的臨界曲線稱為“金屬變形的下限”。
壓電/電致伸縮層22的分解所依從的臨界曲線由如下定義。當(dāng)壓電/電致伸縮層22大氣中處于高溫環(huán)境時，壓電/電致伸縮層22中的一種易于揮發(fā)的成分，例如PZT(鋯酸鈦酸鉛)中的Pt會揮發(fā)，導(dǎo)致壓電/電致伸縮層22的成分發(fā)生變化。如果在此狀態(tài)下壓電/電致伸縮層22是穩(wěn)定的，PZT以外的相(異類相)根據(jù)成分的變化而析出。這樣，當(dāng)壓電/電致伸縮層22發(fā)生分解時就會產(chǎn)生異類相的析出。根據(jù)本發(fā)明，存在一個上限，低于此上限就不發(fā)生異類相的析出，這一上限就是“壓電/電致伸縮層的分解所依從的臨界曲線”。如果壓電/電致伸縮層22發(fā)生分解并有異類相析出，則壓電/電致伸縮層22的特性低。因此壓電/電致伸縮層22不應(yīng)優(yōu)選分解的。以下將壓電/電致伸縮層的分解所依從的臨界曲線稱為“壓電/電致伸縮層的分解的上限”。
圖10顯示了當(dāng)壓電/電致伸縮層22由PZT(鋯酸鈦酸鉛)構(gòu)成時PZT的分解的上限，當(dāng)電極層24和26由Pt構(gòu)成時的Pt的變形的下限，當(dāng)電極層24和26由Au構(gòu)成時Au的變形的下限和Au破裂的上限。
如果電極層24和26的金屬材料由Pt構(gòu)成，則上述的熱處理應(yīng)優(yōu)選在熱處理溫度和一定時間進(jìn)行，其中熱處理溫度和時間由Pt變形的下限和PZT分解的上限所包圍的區(qū)域所決定。
如果電極層24和26的金屬材料由Au構(gòu)成，則上述的熱處理應(yīng)優(yōu)選在熱處理溫度和一定時間進(jìn)行，其中熱處理溫度和時間由Au變形的下限和Au的破裂的上限所包圍的區(qū)域所決定。
以下顯示一個試驗實施例。在此試驗實施例中，壓電/電致伸縮元件18a和18b的切割表面由SEM(掃描電子顯微鏡)進(jìn)行觀測，對應(yīng)于發(fā)明實施例1和2。
在發(fā)明實施例1中，壓電/電致伸縮層22由PZT構(gòu)成，電極層24和26的金屬材料由Pt構(gòu)成，熱處理條件是溫度500℃和5小時。這就是說，該熱處理是按照圖10中P1點所對應(yīng)的條件進(jìn)行的。發(fā)明實施例1在熱處理之后的表面形態(tài)顯示于圖11中。
在發(fā)明實施例2中，壓電/電致伸縮層22由PZT構(gòu)成，電極層24和26的金屬材料由Pt構(gòu)成，熱處理條件是溫度為1000℃和10分鐘。這就是說，該熱處理是按照圖10中P2點所對應(yīng)的條件進(jìn)行的。發(fā)明實施例2在熱處理之后的表面形態(tài)顯示于圖12中。
在圖11和圖12中，橫軸表示從壓電/電致伸縮元件18a(和18b)的頂端開始的厚度方向(朝薄板部分12a(和12b)的方向)的距離，豎軸表示在壓電/電致伸縮元件18a(和18b)的寬度方向的距離。
在對比實施例中，對沒有進(jìn)行熱處理的表面狀態(tài)進(jìn)行觀測。根據(jù)斷開后的時間和切割工具，電極層24和26的末端24a和26a均嚴(yán)重向外突出，或者電極層24和26的末端24a和26a并不從壓電/電致伸縮層22的端面22a向外突出，或者突出的距離t太小。形成了各種形態(tài)，即產(chǎn)生了形態(tài)的不同，但不能確定特定的形態(tài)。
在圖11和12的曲線中，突出部分170表示電極層24和26的端部24a和26a，在電極層24和26的端部24a和24b之間的底部的172部分表示壓電/電致伸縮層22的端面22a。從圖11和12中可以看出，發(fā)明實施例1和2的表面形態(tài)基本沒有什么區(qū)別。在兩個發(fā)明實施例1和2中，在電極層24和26的末端24a和26a之間的壓電/電致伸縮層22的端面22a發(fā)生變形，形成凹形。電極層24和26的末端24a和26a的突出距離t等于或小于位于電極層24和26之間的壓電/電致伸縮層22的厚度Ld的一半，大約為1μm。
壓電/電致伸縮器件10從壓電/電致伸縮器件塊162上切割下來后在熱處理溫度進(jìn)行一定時間的熱處理，熱處理的溫度和時間由電極層24和26所包含的金屬的變形所依從的臨界曲線和電極層24和26所包含的金屬的破裂所依從的臨界曲線或壓電/電致伸縮層22的分解所依從的臨界曲線所包圍的區(qū)域所決定，進(jìn)行熱處理的電極層24和26的末端24a和26a從側(cè)表面150上的壓電/電致伸縮層22的端面22a向外突出，其中側(cè)表面150面對著壓電/電致伸縮層22和電極層24和26的層疊狀態(tài)，末端24a和26a從端面22a向往突出的距離t小于或等于位于電極層24和26之間的壓電/電致伸縮層22厚度的一半。
根據(jù)上述制造步驟，在壓電/電致伸縮元件塊160被切割成多個壓電/電致伸縮元件18a(和18b)之后，對壓電/電致伸縮元件18a(和18b)進(jìn)行熱處理，或者在壓電/電致伸縮器件塊162被切割成多個壓電/電致伸縮器件10之后，對壓電點電致器件10的壓電/電致伸縮元件18a(和18b)進(jìn)行熱處理。這樣，電極層24和26的表面是光滑的，沒有毛刺或減少了毛刺。
由于通過熱處理壓電/電致伸縮層22的結(jié)晶狀態(tài)得以恢復(fù)，熱處理之前形成的微裂紋就會徹底消失。進(jìn)而，也可以降低在加工表面(壓電/電致伸縮層22和電極層24和26的切割表面)上殘留的加工應(yīng)力。結(jié)果是，提高了壓電/電致伸縮元件18a和18b或壓電/電致伸縮器件10的特性和可靠性。
至于將根據(jù)本實施方式的壓電/電致伸縮器件10安裝到上述各種器件上，優(yōu)選準(zhǔn)備說明書作為安裝參照。以下參照圖13到15對優(yōu)選的這種說明書的特例進(jìn)行說明。
如圖13所示，根據(jù)第1特例的壓電/電致伸縮器件10A與根據(jù)本實施方式的壓電/電致伸縮器件10基本是相同的結(jié)構(gòu)，區(qū)別在于薄板部分12a和12b的頂端部分不是厚的；固定部分14在靠近薄板部分12a和12b的內(nèi)壁上具有切口(剪切部分)200；薄板部分12a和12b具有各自的底端210(薄板部分12a和12b的頂端212的遠(yuǎn)端)，從固定部分14的底端面14a向底部突出。這樣，在固定部分14的底端面14a上形成兩個突起214。
由于固定部分14具有切口200，薄板部分12a和12b的長度實質(zhì)上被延長，可以進(jìn)行更大的位移，并且薄板部分變得更適合于降低電力消耗。
突起214的端面214a(在此實施例中對應(yīng)薄板部分12a和12b的底端210)在壓電/電致伸縮器件10A安裝時作為連接面，因此可以作為裝配壓電/電致伸縮器件10A的參考。突起214還可以用作通過圖像處理之類的對壓電/電致伸縮器件10A定位的參考點。
當(dāng)壓電/電致伸縮器件10A由粘結(jié)被安裝時，由于突起214增加了接觸面積，可以被牢固地固定到位。
為了形成突起214，圖7中的陶瓷毛坯板72A的長度可以設(shè)置成適當(dāng)?shù)闹?，或者陶瓷毛坯?2A的層疊位置可以與其它陶瓷毛坯板相對錯位。一般而言，由于陶瓷毛坯板的包括長度、厚度和寬度在內(nèi)的尺寸的加工具有高精度，可以如上所述提供足夠的定位參考。
突起214的端面214a可以是平面或者錐面，或者突起214自身就是點狀的。如果端面214a是錐面，它可以和前突表面形成線對線的接觸。如果突起214自身就是點狀的，它可以和前突表面形成點對點的接觸。在本實施例中的兩個突起214與前突表面的接觸是在兩個點上，使得壓電/電致伸縮器件10A可以精確和簡單地定位。
突起214可以根據(jù)壓電/電致伸縮器件的應(yīng)用來改變位置。例如圖14顯示了根據(jù)第2特例的壓電/電致伸縮器件10B。壓電/電致伸縮器件10B具有兩個突起214，位于固定部分14的端面14a上，與根據(jù)第1特例的壓電/電致伸縮器件10A相比位置更靠中間。突起214可以簡單地由改變兩組如圖7所示的陶瓷毛坯板70A到70D和陶瓷毛坯板102A到102G的長度來形成，或者相對改變這兩組陶瓷毛坯板的層疊位置來形成。
圖15顯示根據(jù)第3特例的壓電/電致伸縮器件10C。壓電/電致伸縮器件10C具有位于固定部分14的底面14a上的切口216，取代突起214。如果各種器件在安裝壓電/電致伸縮器件10C的位置上具有兩條軌道的話，軌道可以插入相應(yīng)的切口216，從而可以將壓電/電致伸縮器件10簡單地安裝到器件上。壓電/電致伸縮器件10C可以這樣簡單地安裝到位。
這些切口可以簡單地通過改變圖7中所示的陶瓷毛坯板70A和70D的長度來形成，或者通過層疊位置的相對移動來形成。
上述的壓電/電致伸縮器件10、10a、10b、10A、10B和10C可以作為包括超聲波傳感器、加速傳感器、角速率傳感器、振動傳感器和質(zhì)量傳感器在內(nèi)的各種傳感器的傳感器元件來使用，也可以用來作為包括各種轉(zhuǎn)換器、各種制動器和頻率區(qū)域功能部件(過濾器)的在內(nèi)的活動部分，也可用于振動器、共鳴器、振蕩器以及通訊或發(fā)電的鑒別器。特別的，壓電/電致伸縮器件優(yōu)選用作個種制動器以調(diào)節(jié)位移或者位置，或者調(diào)解光學(xué)設(shè)備和精確設(shè)備中各種精確元件的角度。
根據(jù)本發(fā)明的壓電/電致伸縮元件、制造壓電/電致伸縮元件的方法、壓電/電致伸縮器件和制造壓電/電致伸縮器件的方法并不限定于上述實施方式，而且可以在不脫離本發(fā)明的實質(zhì)的前提下進(jìn)行其它的設(shè)計。
產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用如上所述，本發(fā)明的壓電/電致伸縮元件和壓電/電致伸縮器件不易于在電極層頂端產(chǎn)生放電，可以防止相對電極層之間發(fā)生短路。
本發(fā)明的制造壓電/電致伸縮元件和壓電/電致伸縮器件的方法可以簡便地制造不易于在電極層頂端產(chǎn)生放電的并可以防止相對電極層之間發(fā)生短路的壓電/電致伸縮元件和壓電/電致伸縮器件。
權(quán)利要求
1.一種壓電/電致伸縮元件，其具有由壓電/電致伸縮層(22)和電極層(24和26)相互層疊形成相互交叉的梳狀結(jié)構(gòu)，其中所述電極層(24和26)的端部(24a和26a)分別從位于所述壓電/電致伸縮層(22)和所述電極層(24和26)的層疊結(jié)構(gòu)所面對的側(cè)表面150上的所述壓電/電致伸縮層(22)的端面(22a)向外突出，所述端部(24a和26a)從所述端面(22a)向外突出的距離(t)小于或等于位于所述電極層(24和26)之間的所述壓電/電致伸縮層(22)的厚度(Ld)的一半。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電/電致伸縮元件，其特征在于所述距離(t)的范圍是0.5～2μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電/電致伸縮元件，其特征在于所述電極層(24和26)包含金屬陶瓷。
4.一種制造具有壓電/電致伸縮層(22)和電極層(24和26)堆積成相互交叉的梳狀結(jié)構(gòu)的壓電/電致伸縮元件的方法，其包括以下步驟將寬的壓電/電致伸縮層和寬的電極層堆積成相互交叉的梳狀，并燒結(jié)各層形成壓電/電致伸縮元件塊(160)；切割所述壓電/電致伸縮元件塊(160)，形成多個壓電/電致伸縮元件(18a和18b)；和對所述壓電/電致伸縮元件(18a和18b)進(jìn)行熱處理；其中，所述壓電/電致伸縮元件(18a和18b)在熱處理溫度下進(jìn)行一定時間的熱處理，熱處理溫度和時間由所述電極層(24和26)中所含金屬的變形所依從的臨界曲線和所述電極層(24和26)中所含金屬的破裂所依從的臨界曲線或者壓電/電致伸縮層(22)的分解所依從的臨界曲線所包圍的區(qū)域來確定。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造壓電/電致伸縮元件的方法，其中所述壓電/電致伸縮元件(18a和18b)在熱處理溫度下進(jìn)行一定時間的熱處理，所述被熱處理的電極層(24和26)的端部(24a和26a)從位于所述壓電/電致伸縮層(22)和所述電極層(24和26)的層疊結(jié)構(gòu)所面對的側(cè)表面150上的所述壓電/電致伸縮層(22)的端面(22a)向外突出，所述端部(24a和26a)從所述端面(22a)向外突出的距離(t)等于或小于位于所述電極層(24和26)之間的所述壓電/電致伸縮層(22)的厚度(Ld)的一半。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電/電致伸縮元件，其特征在于所述距離(t)的范圍是0.5～2μm。
7.一種壓電/電致伸縮器件，其至少具有位于陶瓷襯底(16)上的層疊壓電/電致伸縮元件(18a和18b)，所述壓電/電致伸縮元件(18a和18b)具有壓電/電致伸縮層(22)和電極層(24和26)相互層疊形成相互交叉的梳狀結(jié)構(gòu)，其中所述電極層(24和26)的端部(24a和26a)分別從位于所述壓電/電致伸縮層(22)和所述電極層(24和26)的層疊結(jié)構(gòu)所面對的側(cè)表面150上的所述壓電/電致伸縮層(22)的端面(22a)向外突出，所述端部(24a和26a)從所述端面(22a)向外突出的距離(t)等于或小于位于所述電極層(24和26)之間的所述壓電/電致伸縮層(22)的厚度(Ld)的一半。
8.一種至少具有位于陶瓷襯底(16)上的層疊壓電/電致伸縮元件(18a和18b)的壓電/電致伸縮器件的制造方法，其中所述壓電/電致伸縮元件(18a和18b)具有壓電/電致伸縮層(22)和電極層(24和26)相堆積，形成相互交叉的梳狀的結(jié)構(gòu)，所述制造方法包括以下步驟將寬的壓電/電致伸縮層和寬的電極層在陶瓷層疊體(60)上堆積成相互交叉的梳狀，并燒結(jié)各層形成壓電/電致伸縮器件塊(162)；切割所述壓電/電致伸縮器件塊(162)，形成多個壓電/電致伸縮器件(160)；和對所述壓電/電致伸縮器件(160)的所述壓電/電致伸縮元件(18a和18b)進(jìn)行熱處理；其中，所述壓電/電致伸縮元件(18a和18b)在熱處理溫度下進(jìn)行一定時間的熱處理，熱處理溫度和時間由所述電極層(24和26)中所含金屬的變形所依從的臨界曲線和所述電極層(24和26)中所含金屬的破裂所依從的臨界曲線或者壓電/電致伸縮層(22)的分解所依從的臨界曲線所包圍的區(qū)域來確定。
全文摘要
對于每一個壓電/電致伸縮元件(18a和18b)，電極層(24和26)的端部(24a和26a)從位于壓電/電致伸縮層(22)和電極層(24和26)的層疊結(jié)構(gòu)所面對的側(cè)表面150上的壓電/電致伸縮層(22)的端面(22a)向外突出。突出的距離(t)小于或等于電極層(24和26)之間的壓電/電致伸縮層(22)的厚度(Ld)的一半。期望突出的距離(t)在0.5μm和 2μm之間。
文檔編號H01L41/22GK1784792SQ20048001207
公開日2006年6月7日 申請日期2004年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月6日
發(fā)明者池田幸司, 柴田和義 申請人:日本礙子株式會社