專利名稱：壓電元件及層疊式壓電結(jié)構(gòu)體的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及壓電元件及層疊式壓電結(jié)構(gòu)體，尤其涉及將由壓電體陶瓷等制成的壓電層和內(nèi)部電極層進行層疊而形成的壓電元件進一步層疊而構(gòu)成的壓電致動器等層疊式壓電結(jié)構(gòu)體。
背景技術：
作為層疊式壓電致動器，例如公知有在特開2005 - 108989號公報(專利文獻I)中所記載的層疊式壓電元件。該層疊式壓電元件具有層疊有壓電體陶瓷層和內(nèi)部電極層的層疊體，內(nèi)部電極層包括第一內(nèi)部電極層和第二內(nèi)部電極層。第一內(nèi)部電極層交替導出在層疊體的不同的一側(cè)面。第二內(nèi)部電極層按照層疊體的層疊方向的每一規(guī)定長度尺寸，遍及層疊體的大致整個剖面而形成，且被導出至層疊體的至少一側(cè)面。另外，在該層疊式壓電元件的上下面，設有成為與驅(qū)動對象物的接點的保護層。在這種層疊式壓電元件中，首先，在第二內(nèi)部電極層間施加電場，進行使層疊體整體的疇的方向大致沿層疊方向取向的整體極化，接著，進行經(jīng)由第一內(nèi)部電極層向?qū)盈B體施加電場的層間極化。另外，作為另一公開例，公知在特開平7 — 135348號公報(專利文獻2)中所記載的層疊式壓電體元件。該層疊式壓電體元件具備多個壓電體層；配設于該壓電體層間、且每同一極引出到相互相對的兩側(cè)面的內(nèi)部電極；與引出到兩面?zhèn)鹊耐粯O的各內(nèi)部電極導通的兩個外部電極，這兩個外部電極以從各同一極的內(nèi)部電極被引出的側(cè)面繞到上面和下面的方式形成。專利文獻專利文 獻1:(日本)特開2005 - 108989號公報專利文獻2 :(日本)特開平7 — 135348號公報

發(fā)明內(nèi)容
但是，在上述的專利文獻I記載的層疊式壓電元件中，由于兩端的保護層為壓電非活性，因此，驅(qū)動部的位移被約束，有可能產(chǎn)生位移不能有效地傳遞的位移傳遞損失。另夕卜，需要將第一次極化時使用的電極連接除去并進行第二次極化。此外，還存在外部電極的結(jié)構(gòu)變得復雜等不利情況。另外，在專利文獻2記載的層疊式壓電體元件中，上下兩端的壓電體層，雖然其端部被極化，但由于中央附近未被極化，所以也同樣有可能產(chǎn)生位移傳遞損失。本發(fā)明著眼于以上的問題點而完成的，其目的在于，根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式，提供能夠良好地減少位移傳遞損失并且能夠防止裂紋的產(chǎn)生的壓電元件及層疊式壓電結(jié)構(gòu)體。用于解決課題的方法 本發(fā)明的一個實施方式提供一種壓電元件，將具有引出到第一部位的內(nèi)部電極的第一壓電層、和具有引出到與所述第一部位不同的第二部位的內(nèi)部電極的第二壓電層交替層疊多層，并且在層疊方向的端部分別形成有基于壓電層的蓋部，具備向引出到所述第一部位的各個內(nèi)部電極施加第一極性的驅(qū)動電壓的第一外部電極、和向引出到所述第二部位的各個內(nèi)部電極施加第二極性的驅(qū)動電壓的第二外部電極，是用于大量重疊而形成層疊式壓電結(jié)構(gòu)體的壓電元件，該壓電元件的特征在于，以覆蓋所述蓋部的至少中央附近的方式，在所述蓋部的露出面形成蓋部電極，并且，將該蓋部電極與被施加與夾著該蓋部相對的內(nèi)部電極不同的極性的驅(qū)動電壓的外部電極連接，利用所述蓋部電極和所述相對的內(nèi)部電極，將所述蓋部的至少中央附近進行極化并活化。本發(fā)明的另一個實施方式提供一種壓電元件，其特征在于，在所述蓋部的露出面形成有第一和第二蓋部電極，并且，所述第一蓋部電極覆蓋所述蓋部的至少中央附近，將該第一蓋部電極與被施加有與夾著蓋部相對的內(nèi)部電極不同極性的驅(qū)動電壓的外部電極連接，將所述第二蓋部電極與被施加有與夾著蓋部相對的內(nèi)部電極相同極性的驅(qū)動電壓的外部電極連接，利用所述第一蓋部電極和相對的內(nèi)部電極，將所述蓋部的至少中央附近進行極化并活化。本發(fā)明的一方面，在所述蓋部電極的周圍形成有絕緣層。本發(fā)明的一個實施方式提供一種層疊式壓電結(jié)構(gòu)體，其通過將大量上述任一項所記載的壓電元件，以被施加有同一極性的驅(qū)動電壓的蓋部電極接合、被施加有同一極性的驅(qū)動電壓的外部電極處于同一面的方式重疊而構(gòu)成。本發(fā)明的目的、特征、優(yōu)點，通過下面的詳細的說明及附圖將更加明白。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，將蓋部的中央附近進行極化形成活性區(qū)域，所以能夠良好地減少位移傳遞的損失，還能夠防止裂紋的產(chǎn)生。


圖1是表示本發(fā)明一個實施方式的壓電元件的圖。圖2是表示一個實施方式的層疊式壓電致動器的壓電元件的層疊結(jié)構(gòu)的圖。圖3是表示一個實施方式的層疊式壓電致動器的主要剖面結(jié)構(gòu)的圖。圖4是表示一個實施方式的層疊式壓電致動器的外觀和另一例的圖。圖5是表示本發(fā)明的另一個實施方式的壓電元件的圖。圖6是表示本發(fā)明的另一個實施方式的壓電元件的圖。圖7是表示本發(fā)明的另一個實施方式的壓電元件的圖。標記說明10、10A、10B、20 :內(nèi)部電極12、22:壓電層30、30A、30B、40 :蓋部電極32、42 :蓋部34、44 :絕緣層50、60:外部電極70:粘結(jié)層72 :絕緣層
74 電橋100、IOOA 100C :壓電元件110:層疊式壓電致動器120、122:壓電元件200:壓電元件200A、200B、200C :壓電元件230A、230B :蓋部電極234 :絕緣層240A、240B :蓋部電極244 :絕緣層

250 :彈簧裝置252 :墊片300:壓電元件330A、330B :蓋部電極334、344 :絕緣層340A、340B :蓋部電極400:壓電元件430A、430B :蓋部電極434、444:絕緣層440A、440B :蓋部電極
具體實施例方式下面，參照附圖，基于實施例詳細說明用于實施本發(fā)明的方式。在附圖中，對相同或相互對應的要素標注相同的標記，適當省略其詳細的說明。參照圖1 圖4，對構(gòu)成實施例I的壓電元件進行說明。如圖1 (A)所示，本發(fā)明一個實施方式的壓電元件100，通過在層疊結(jié)構(gòu)體的上下面，分別層疊表面形成有蓋部電極30、40的蓋部32、42而構(gòu)成，上述層疊結(jié)構(gòu)通過將表面形成有內(nèi)部電極10的多個壓電層12和表面形成有內(nèi)部電極20的多個壓電層22交替層疊而形成。蓋部電極30、40構(gòu)成為與內(nèi)部電極10、20同樣的形狀。另外，蓋部電極30、40構(gòu)成為具有實質(zhì)上與內(nèi)部電極10、20相等的面積。另外，蓋部電極30、40以與內(nèi)部電極10、20重疊的方式配置。蓋部電極30被向與內(nèi)部電極20相同的方向引出，蓋部電極40被向與內(nèi)部電極10相同的方向引出。在多個壓電層12的表面分別形成有內(nèi)部電極10，在多個壓電層22的表面分別形成有內(nèi)部電極20。這些內(nèi)部電極10、20和蓋部電極30、40例如通過印刷而形成。圖1 (B)表示層疊有壓電層12、22和蓋部32、42的壓電元件100的外觀。圖1 (C)表示沿著圖1化)的#1-# I線向箭頭方向看的剖面。如圖所示，壓電元件100層疊有包括四層壓電層12和四層壓電層22的共計八層壓電層。在制造壓電元件100時，在如圖2所示被層疊的狀態(tài)下，同時燒成壓電元件100整體。另外，為了確保面平滑性，蓋部32、42的上下面在同時燒成后被研磨。
接著，參照圖2 (A)、(B)對形成外部電極的工序進行說明。圖2 (A)表示構(gòu)成本發(fā)明一個實施方式的層疊式壓電致動器的壓電元件的外觀。圖2 (B)表示沿著圖2 (A)的#2-# 2線向箭頭方向看到的剖面。首先，在圖1所示的壓電元件100的蓋部電極30、40的周圍，形成與這些蓋部電極相同厚度的絕緣層34、44。其后，在壓電元件100的側(cè)面的內(nèi)部電極取出口，分別形成外部電極50、60。外部電極50與內(nèi)部電極10和蓋部電極40的引出部分別連接，夕卜部電極60與內(nèi)部電極20和蓋部電極30的引出部分別連接。如上所述進行操作，獲得本發(fā)明一個實施方式的壓電元件100。圖2 (C)不意性地表不層疊有多個本發(fā)明一個實施方式的壓電兀件100的狀態(tài)。圖2 (D)示意性地表示所層疊的壓電元件100的剖面。本發(fā)明一個實施方式的層疊式壓電致動器通過層疊需要數(shù)量的上述壓電元件100而構(gòu)成。在一個實施方式中，如圖所示，層疊有三個壓電元件100A 100C。在一個實施方式中，以每隔一個將壓電元件100的上下翻轉(zhuǎn)的狀態(tài)，層疊多個壓電元件100。例如，如圖所示，在層疊三個壓電元件100A 100C的情況下，中央的壓電元件100B翻轉(zhuǎn)配置。由此，如圖所示，多個壓電元件100以蓋部電極30彼此、以及蓋部電極40彼此對向接觸的方式配置。這樣操作，各壓電元件100的外部電極50在將壓電兀件100層疊的狀態(tài)下，露出于該被層疊的壓電兀件100的同一側(cè)面。同樣地，各壓電兀件100的外部電極60也露出于被層疊的壓電兀件100的同一側(cè)面。壓電層12、22例如由層厚為25μπι的壓電性陶瓷的印刷電路板構(gòu)成。內(nèi)部電極
10、20例如由Ag、Ag / Pd (摩爾比7 / 3 95 / 5)、Pt、Cu、Ni等構(gòu)成。內(nèi)部電極10、20以覆蓋壓電層12、22的表面的例如約50%以上的方式，通過印刷等而形成。一個實施方式的壓電元件100通過將形成有內(nèi)部電極10、20的壓電層12、22層疊20層而構(gòu)成。蓋部32例如通過將多個層厚25 μ m的壓電性陶瓷的印刷電路板層疊而構(gòu)成。蓋部32整體的厚度成為例如200 μ m。關于蓋部42也同樣，以整體的厚度成為約200 μ m的方式層疊多個印刷電路板而構(gòu)成。蓋部電極30、40與所述內(nèi)部電極10、20同樣地構(gòu)成。絕緣層34、44例如含有聚酰亞胺。外部電極50、60例如含有Ag，用濺射蒸鍍或基于熱固化樹脂的粘接、燒焊等方法來形成。外部電極50、60由于利用燒焊來形成，因此在壓電元件100的側(cè)面密合性良好地形成。 圖3是表示本發(fā)明一個實施方式的層疊式壓電致動器的主要剖面結(jié)構(gòu)的圖。如圖所示，通過將如上所述配置的壓電元件100A 100C連結(jié)，形成本發(fā)明一個實施方式的層疊式壓電致動器110。在一個實施方式中，蓋部電極30彼此及蓋部電極40彼此，在具有剛性的粘結(jié)劑(即，具有與蓋部電極30和蓋部電極40同程度的彈性的粘結(jié)劑)的表面通過利用濺射蒸鍍等賦予了導電性的粘結(jié)層70被接合。蓋部電極30彼此及蓋部電極40彼此也可以使用彈性高的導電性粘結(jié)劑進行接合。另外，絕緣層34彼此及絕緣層44彼此為了確保電極間的絕緣性，通過環(huán)氧樹脂(epoxy)等絕緣層72被接合。外部電極50彼此及外部電極60彼此，通過由導電性膏等構(gòu)成的電橋74電連接。在以上的狀態(tài)下，在外部電極50和外部電極60之間施加極化電壓，由此，壓電層
12、22、蓋部32、42被極化。例如，在外部電極50被施加有正電壓，在外部電極60施加有負電壓。由此，壓電非活性層被極化，成為活性層。在一個實施方式中，也可以代替這種一體極化處理，通過在圖2 (A)、(B)所示的壓電元件100的狀態(tài)下(B卩，如圖2 (A)、(B)所示，壓電元件100單體的狀態(tài)下)，在外部電極50、60施加電壓而進行極化處理。在圖3中，用箭頭表示各層的極化方向。如圖所示，夾著內(nèi)部電極10、20使極化方向翻轉(zhuǎn)。雖然壓電層12、22具有與蓋部32、42不同的厚度，但由于在極化處理時施加在壓電層12、22的電極間施加電壓和施加在蓋部32、42的電極間施加電壓是相同的，因此在壓電層12、22和蓋部32、42中，有效電場強度不同，極化狀態(tài)(變形)也互不相同。該極化狀態(tài)的差由壓電層12、22的厚度和蓋部32、42的厚度的組合來規(guī)定。通過以上的極化處理，能夠獲得層疊式壓電致動器110。圖4 (A)表示本發(fā)明一個實施方式的層疊式壓電致動器110的外觀。接著，對驅(qū)動本發(fā)明一個實施方式的層疊式壓電致動器110的動作進行說明。首先，在外部電極50、60施加驅(qū)動電壓。通過該驅(qū)動電壓，在壓電層12、22及蓋部32、42產(chǎn)生與施加電場相應的變形，根據(jù)該變形，層疊式壓電致動器110作為整體發(fā)生變形。在本發(fā)明的實施方式中，通過驅(qū)動電壓蓋部32、42也發(fā)生位移，因此能夠減小壓電層12、22和蓋部32、42之間的變形差，能夠抑制裂紋的產(chǎn)生。另外，在壓電層12、22的活性區(qū)域的面積與蓋部32、42的活性區(qū)域的面積相等的情況下，可良好地減少由壓電層12、22產(chǎn)生的位移傳遞的基于蓋部32、42的損失。在本發(fā)明的一個實施方式中，也可以構(gòu)成為，蓋部電極30、40具有比內(nèi)部電極10、20更大的面積。即使使蓋部電極30、40形成為比內(nèi)部電極10、20更大的面積，蓋部32、42的被極化的活性區(qū)域的大小與將蓋部電極30、40以具有和內(nèi)部電極相等的面積的方式構(gòu)成的情況大致相等。圖4 (B)表示本發(fā)明的另一個實施方式的壓電元件120。在該壓電元件120中，蓋部電極30A以具有比內(nèi)部電極IOA小的面積的方式構(gòu)成。由此，壓電元件120的蓋部的活性區(qū)域比壓電元件100的情況變窄，但由于層疊式壓電結(jié)構(gòu)體通常有在蓋部的中央附近的位移較大的傾向，如果中央附近被極化，就能夠減少作為連結(jié)體時的位移傳遞損失，能夠且防止裂紋產(chǎn)生。

圖4 (C)表不本發(fā)明的另一個實施方式的壓電兀件122。壓電兀件122具有形成為圓形的蓋部電極30B。在該例中，雖然內(nèi)部電極IOB的四角與蓋部電極30A不重疊，與蓋部的內(nèi)部電極IOB的四角相當?shù)牟糠治幢粯O化，但蓋部的中央附近被極化，所以和圖4 (B)的情況相同，也可以減少位移傳遞損失，防止裂紋的產(chǎn)生。如上所述，根據(jù)本實施例，具有如下的效果。(I)由于在蓋部32、42形成與內(nèi)部電極10、20相同的形狀的蓋部電極30、40，所以蓋部32、42具有與壓電層12、22相等的電場有效面積。由于蓋部32、42及壓電層12、22具有相互相等的面積的電場有效面積，所以通過施加驅(qū)動電壓，具有相互相等的面積的部分成為壓電活性層，能夠減少位移傳遞損失。(2)蓋部電極30、40不必在極化后剝離，不僅可以減少制造的工時數(shù)，而且能夠保持原狀用于連結(jié)體的連接，可以在外部電極50、60彼此連接后進行連結(jié)體的一體極化。(3)由于壓電層12、22的厚度和蓋部32-,42的厚度互不相問，由此，壓電層12、22的有效電場強度與蓋部32、42的有效電場強度也互不相同，所以在壓電層12、22和蓋部32、42中，成為壓電活性層的兩者的極化狀態(tài)不同。但是，通過規(guī)定壓電層12、22的厚度和蓋部32、42的厚度，能夠規(guī)定兩者的極化狀態(tài)的差(變形差)。(4)通過將蓋部32、42設定為與壓電層12、22相同的壓電活性層，與蓋部32、42為壓電非活性的情況相比較，蓋部32、42的變形量接近壓電層12、22的變形量。因此，能夠防止或減少位移時的裂紋。(5)對本發(fā)明的試樣進行實驗，與上述的現(xiàn)有技術(專利文獻2)的層疊式壓電體元件相比較，結(jié)果得到如下表I所示的結(jié)果。對將驅(qū)動電壓進行100萬次ON / OFF后的每100個產(chǎn)品的裂紋產(chǎn)生率進行比較時，在現(xiàn)有技術中50個產(chǎn)生裂紋，與此不同，在本發(fā)明中未產(chǎn)生裂紋。另外，與未將蓋部極化的情況相比較，相對位移量為1. 25，位移也增大。[表1]
權(quán)利要求
1.一種壓電元件，其特征在于，具備 將多個第一壓電層和多個第二壓電層交替層疊而成的層疊結(jié)構(gòu)體，所述第一壓電層具有引出到第一部位的第一內(nèi)部電極，所述第二壓電層具有引出到與所述第一部位不同的第二部位的第二內(nèi)部電極； 一組蓋部，其設置于所述層疊結(jié)構(gòu)體的層疊方向的兩端部，包括壓電體； 一組蓋部電極，其以覆蓋對應的蓋部的至少中央附近的方式，設置于所述一組蓋部的各自的露出面； 第一外部電極，其向各個所述第一內(nèi)部電極施加第一極性的驅(qū)動電壓；和 第二外部電極，其向各個所述第二內(nèi)部電極施加第二極性的驅(qū)動電壓， 在該一組蓋部電極的各蓋部電極與所述第一內(nèi)部電極相鄰的情況下，將與該第一內(nèi)部電極相鄰的蓋部電極與所述第二外部電極連接，在該一組蓋部電極的各蓋部電極與所述第二內(nèi)部電極相鄰的情況下，將與該第二內(nèi)部電極相鄰的蓋部電極與所述第一外部電極連接。
2.一種壓電元件，其特征在于，具備 將多個第一壓電層和多個第二壓電層交替層疊而成的層疊結(jié)構(gòu)體，所述第一壓電層具有引出到第一部位的第一內(nèi)部電極，所述第二壓電層具有引出到與所述第一部位不同的第二部位的第二內(nèi)部電極； 一組蓋部，其設置于所述層疊結(jié)構(gòu)體的層疊方向的兩端部，包括壓電體； 一組蓋部電極，其以覆蓋對應的蓋部的至少中央附近的方式，設置于所述一組蓋部的各自的露出面； 一組第二蓋部電極，其以與對應的第一蓋部電極電絕緣的方式，設置于各個所述露出面； 第一外部電極，其向各個所述第一內(nèi)部電極施加第一極性的驅(qū)動電壓；和 第二外部電極，其向各個所述第二內(nèi)部電極施加第二極性的驅(qū)動電壓， 在該一組第一蓋部電極的各蓋部電極與所述第一內(nèi)部電極相鄰的情況下，將與該第一內(nèi)部電極相鄰的第一蓋部電極與所述第二外部電極連接，在該一組第一蓋部電極的各蓋部電極與所述第二內(nèi)部電極相鄰的情況下，將與該第二內(nèi)部電極相鄰的第一蓋部電極與所述第一外部電極連接， 在該一組第二蓋部電極的各蓋部電極與所述第一內(nèi)部電極相鄰的情況下，將與該第一內(nèi)部電極相鄰的第二蓋部電極與所述第二外部電極連接，在該一組第二蓋部電極的各蓋部電極與所述第二內(nèi)部電極相鄰的情況下，將與該第一內(nèi)部電極相鄰的第二蓋部電極與所述第一外部電極連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電元件，其特征在于 在所述蓋部電極、所述第一蓋部電極和所述第二蓋部電極的至少一個的周圍形成有絕緣層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電元件，其特征在于 利用所述蓋部電極和與該蓋部電極相鄰的內(nèi)部電極，將所述蓋部的至少中央附近進行極化并活化。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電元件，其特征在于利用所述第一蓋部電極和與該第一蓋部電極相鄰的內(nèi)部電極，將所述蓋部的至少中央附近進行極化并活化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電元件，其特征在于 所述第一和第二外部電極以在所述層疊結(jié)構(gòu)體的側(cè)面沿著該層疊結(jié)構(gòu)體的層疊方向延伸的方式設置。
7.一種層疊式壓電結(jié)構(gòu)體，其通過將多個壓電元件層疊而成，該層疊式結(jié)構(gòu)體的特征在于 所述多個壓電元件的各壓電元件為權(quán)利要求6所述的壓電元件， 在所述多個壓電元件中包含的且相互相鄰的壓電元件以如下方式被層疊 在一方壓電元件中與第一外部電極連接的蓋部電極、第一蓋部電極或第二蓋部電極，與在另一方壓電元件中與第一外部電極連接的蓋部電極、第一蓋部電極或第二蓋部電極相接合，并且， 所述一方壓電兀件的第一外部電極與所述另一方壓電兀件的第一外部電極處于同一面，并且所述一方壓電元件的第二外部電極與所述另一方壓電元件的第二外部電極處于同一面。
全文摘要
本發(fā)明提供一種壓電元件及層疊式壓電結(jié)構(gòu)體，能夠良好地減少位移傳遞損失，并且還能夠防止裂紋的產(chǎn)生。當向外部電極施加驅(qū)動電壓時，在壓電層(12)、(22)產(chǎn)生變形，層疊式壓電致動器作為整體發(fā)生變形。這時，由于蓋部(32)、(42)也發(fā)生位移，因此，減少了在壓電層(12)、(22)和蓋部(32)、(42)之間產(chǎn)生的變形差，抑制了裂紋的產(chǎn)生。此外，由于壓電層(12)、(22)的活性區(qū)域的面積和蓋部(32)、(42)的活性區(qū)域的面積相等，因此能夠良好地減少由壓電層(12)、(22)產(chǎn)生的位移傳遞的基于蓋部(32)、(42)的損失。
文檔編號H01L41/083GK103069599SQ20118004142
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月14日
發(fā)明者清水寬之, 土信田豐 申請人:太陽誘電株式會社