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及其制造方法、以及噴射裝置，例如，涉及壓電變壓器、或汽車用燃料噴射裝置、光學(xué)裝置等的精密定位裝置或振動(dòng)防止用的驅(qū)動(dòng)元件等所用的疊層型壓電促動(dòng)器等的疊層型壓電元件及其制造方法。
背景技術(shù)：
以往，作為疊層型壓電元件，已知有交替疊層壓電體和內(nèi)部電極的疊層型壓電促動(dòng)器。在該疊層型壓電促動(dòng)器中，分為同時(shí)燒成型、和交替疊層壓電陶瓷和內(nèi)部電極板的疊層型兩種，如果從低電壓化、降低制造成本方面考慮，由于同時(shí)燒成型的疊層型壓電促動(dòng)器對(duì)于薄層化是有利的，所以顯示出其優(yōu)越性。
圖7是表示以往的疊層型壓電促動(dòng)器的圖示，在該疊層型壓電促動(dòng)器中，交替疊層壓電體51和內(nèi)部電極52，形成疊層體53，在其疊層方向的兩端面疊層非活性層55。內(nèi)部電極52，其一方端部在疊層體53的側(cè)面左右交替地露出，在該內(nèi)部電極52的端部露出的疊層體53的側(cè)面上，形成外部電極70。內(nèi)部電極52的另一方端部被絕緣體61覆蓋，與外部電極70絕緣。
此外，同時(shí)燒成型的疊層型壓電促動(dòng)器，是將在銀-鈀粉末中添加粘合劑混合的內(nèi)部電極糊印刷在由壓電體的煅燒粉末和有機(jī)粘合劑構(gòu)成的陶瓷生料片上，然后以規(guī)定的片數(shù)疊層該片，得到疊層成形體，在對(duì)該疊層成形體用規(guī)定的溫度進(jìn)行了脫脂后，通過燒成得到疊層體。
專利文獻(xiàn)1特開平9-270540號(hào)公報(bào)但是，在以往的疊層型壓電促動(dòng)器中，當(dāng)在高電場(chǎng)、高壓力下長時(shí)間連續(xù)驅(qū)動(dòng)的情況下，存在外部電極和內(nèi)部電極的連接部產(chǎn)生接點(diǎn)不良，不能向部分壓電體供給電壓，驅(qū)動(dòng)時(shí)變位特性變化的問題。
即，近年來，為了用小型的疊層型壓電促動(dòng)器，在大的壓力下確保大的變位量，施加更高的電場(chǎng)，使其長時(shí)間連續(xù)驅(qū)動(dòng)，但是如果只在疊層體的側(cè)面涂布導(dǎo)電材糊，然后燒接，則在不能充分進(jìn)行外部電極和內(nèi)部電極的接合的情況下，在高電場(chǎng)下使其連續(xù)驅(qū)動(dòng)時(shí)，有可能出現(xiàn)外部電極從疊層體側(cè)面及內(nèi)部電極端部剝離，產(chǎn)生接點(diǎn)不良，變位特性下降的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種疊層型壓電元件，即使在高電場(chǎng)、高壓力下長時(shí)間使其連續(xù)驅(qū)動(dòng)的情況下，外部電極和內(nèi)部電極也不斷線，且耐久性優(yōu)越、廉價(jià)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的疊層型壓電元件，其特征在于，具有疊層體，其通過交替疊層至少一個(gè)壓電體和由第1及第2內(nèi)部電極構(gòu)成的多個(gè)內(nèi)部電極而成、和外部電極，其分別形成在所述疊層體的兩個(gè)側(cè)面上，其一方與所述第1內(nèi)部電極連接，另一方與所述第2內(nèi)部電極連接，所述外部電極分別含有導(dǎo)電材和玻璃材而成，形成有所述外部電極的所述疊層體的所述側(cè)面具有內(nèi)部包含楔子的龜裂，該楔子包含玻璃而成，該龜裂被所述楔子所含的玻璃和所述外部電極所含的玻璃材填充。
在本發(fā)明的疊層型壓電元件中，優(yōu)選，所述龜裂與所述內(nèi)部電極接合。
此外，在本發(fā)明的疊層型壓電元件中，優(yōu)選，所述楔子所含的玻璃和所述外部電極所含的玻璃材為同一成分。
另外，在本發(fā)明的疊層型壓電元件中，優(yōu)選，與所述疊層體的疊層方向正交的方向上的所述龜裂的最大深度，在100μm以下。
又另外，在本發(fā)明的疊層型壓電元件中，優(yōu)選，所述龜裂的最大寬度，在15μm以下。
此外，在本發(fā)明的疊層型壓電元件中，優(yōu)選，所述龜裂所含的玻璃的填充率在70％以上。
此外，在本發(fā)明的疊層型壓電元件中，優(yōu)選，在所述側(cè)面和所述外部電極間形成有玻璃層。
此外，本發(fā)明的疊層型壓電元件的制造方法，其特征在于，包括以下工序
制作通過交替疊層至少一個(gè)壓電體和多個(gè)內(nèi)部電極而成的疊層體的工序；研磨所述疊層體的至少兩個(gè)側(cè)面的工序；分別在所述兩個(gè)側(cè)面上涂布包含1質(zhì)量％以上的玻璃材的導(dǎo)電材糊，通過用高于所述玻璃材的軟化點(diǎn)的、且使涂布的導(dǎo)電材糊在其厚度方向上收縮10％以上的溫度燒接，形成所述外部電極的工序。
在本發(fā)明的疊層型壓電元件的制造方法中，優(yōu)選，制作所述疊層體的工序，包括通過交替疊層含有所述壓電體的材料而成的生陶瓷層和含有所述內(nèi)部電極的材料的導(dǎo)電材層，制作生陶瓷疊層體的步驟；通過將含有由陶瓷顆粒構(gòu)成的磨粒作為研磨材的液體噴射流從噴嘴向所述生陶瓷疊層體噴射，切斷所述生陶瓷疊層體的步驟，所述陶瓷顆粒由與構(gòu)成所述生陶瓷層的陶瓷顆粒實(shí)質(zhì)上相同的材料構(gòu)成；通過燒成所述切斷的生陶瓷疊層體而制得所述疊層體的步驟。
此外，在本發(fā)明的疊層型壓電元件的制造方法中，優(yōu)選，由所述陶瓷顆粒構(gòu)成的磨粒的平均粒徑為10～500μm。
此外，在本發(fā)明的疊層型壓電元件的制造方法中，優(yōu)選，所述液體噴射流的液體，具有1.0μS/cm以下的電導(dǎo)率。
此外，在本發(fā)明的疊層型壓電元件的制造方法中，優(yōu)選，將所述液體噴射流的噴出壓力設(shè)定在100～400MPa。
此外，在本發(fā)明的疊層型壓電元件的制造方法中，優(yōu)選，設(shè)置多個(gè)所述噴嘴，能夠以多行同時(shí)切斷。
此外，在本發(fā)明的疊層型壓電元件的制造方法中，優(yōu)選，在具有格子狀的排水槽的磨床上切斷所述生陶瓷疊層體。
如上所述構(gòu)成的本發(fā)明的疊層型壓電元件，在所述疊層體的側(cè)面，具有內(nèi)部包含楔子的龜裂，該楔子包含玻璃而成，該龜裂中又被所述外部電極所含的玻璃材填充。由此，由于通過親和性良好地接合楔子所含的玻璃和所述外部電極所含的玻璃材，能夠提高外部電極和所述壓電體的接合強(qiáng)度，所以所述外部電極牢固地接合在所述疊層體側(cè)面上，即使在以高電場(chǎng)使其連續(xù)驅(qū)動(dòng)的情況下，也能防止發(fā)生所述外部電極從疊層體側(cè)面剝離的問題。
此外，在本發(fā)明的疊層型壓電元件中，如果所述龜裂與所述內(nèi)部電極接合，能夠提高楔子的效果。
另外，在本發(fā)明的疊層型壓電元件中，如果所述楔子所含的玻璃和所述外部電極所含的玻璃材為同一成分，由于能夠使所述外部電極和所述壓電體的接合力更牢固，同時(shí)能夠在燒接所述外部電極的工序中同時(shí)向所述龜裂中填充玻璃材，所以能夠削減制造工序數(shù)目。
另外，如果與所述疊層體的疊層方向正交的方向的所述龜裂的最大深度在100μm以下，能夠容易向所述龜裂中填充玻璃，同時(shí)能夠抑制由于所述壓電體內(nèi)部發(fā)生的應(yīng)力而導(dǎo)致從所述龜裂開始破壞的情況。
此外，如果所述龜裂的最大寬度在15μm以下，可提高元件的可靠性。
由于所述龜裂所含的玻璃的填充率在70％以上，所以容易向所述龜裂中填充玻璃材，同時(shí)能夠抑制由于所述壓電體內(nèi)部發(fā)生的應(yīng)力而導(dǎo)致從所述龜裂開始破壞的情況。
此外，由于所述龜裂所含的玻璃的填充率在70％以上，所以能夠降低因疊層型壓電元件的連續(xù)驅(qū)動(dòng)而從所述龜裂產(chǎn)生的破壞，同時(shí)能夠使所述外部電極和所述壓電體的接合力更牢固。
如果在所述側(cè)面和所述外部電極間再形成玻璃層，則由于所述外部電極的玻璃材和所述龜裂所含的玻璃經(jīng)由所述玻璃層牢固地接合在一起，所以容易提高所述外部電極和所述壓電體的接合強(qiáng)度。
此外，本發(fā)明的疊層型壓電元件的制造方法，由于包括研磨所述疊層體的至少兩個(gè)側(cè)面的工序、和分別在所述兩個(gè)側(cè)面上涂布包含1質(zhì)量％以上玻璃材的導(dǎo)電材糊，通過用高于所述玻璃材的軟化點(diǎn)的、且將涂布的導(dǎo)電材糊在其厚度方向收縮10％以上的溫度燒接，形成所述外部電極的工序，所以通過利用形成所述外部電極的工序，以磨削形成的疊層體表層部的微小龜裂作為起點(diǎn)，使龜裂適度生長，能夠形成可有效地形成包含玻璃而成的楔子的龜裂。
此外，在本發(fā)明的疊層型壓電元件的制造方法中，如果在制作所述疊層體的工序中，通過交替疊層含有所述壓電體的材料而成的生陶瓷層和含有所述內(nèi)部電極的材料的導(dǎo)電材層，制作生陶瓷疊層體，通過將含有由陶瓷顆粒構(gòu)成的磨粒作為研磨材的液體噴射流從噴嘴，向所述生陶瓷疊層體噴射，切斷所述生陶瓷疊層體，所述陶瓷顆粒由與構(gòu)成所述生陶瓷層的陶瓷顆粒實(shí)質(zhì)上相同的材料構(gòu)成，通過燒成所述切斷的生陶瓷疊層體而制得所述疊層體，則具有以下的優(yōu)點(diǎn)。
即，如果通過含有由與生陶瓷疊層體同質(zhì)的陶瓷顆粒構(gòu)成的磨粒的液體噴射流，切斷生陶瓷疊層體，則即使在該切斷面中混入與生陶瓷疊層體同質(zhì)的陶瓷顆粒，在燒成后的陶瓷疊層體也不易發(fā)生裂紋或剝離。因此，通過燒成后的研磨能夠在疊層體表層部形成形狀比較穩(wěn)定的微小龜裂，能夠以此為起點(diǎn)形成控制了其深度或形狀的龜裂。
此外，切斷的生陶瓷疊層體，由于不在切斷面中混入與所述生陶瓷疊層體不同的組成的磨粒，所以能夠抑制燒成后的陶瓷疊層體的裂紋或脫層，能夠得到高的變位量。
另外，在本發(fā)明的疊層型壓電元件的制造方法中，如果由所述陶瓷顆粒構(gòu)成的磨粒的平均粒徑為10～500μm，能夠在不降低從噴嘴噴射的液體噴射流的磨削力及流速的情況下，進(jìn)行高精度的切斷。
另外，如果所述液體噴射流的液體的電導(dǎo)率在1.0μS/cm以下，由于大量的電解質(zhì)不作為雜質(zhì)混入生陶瓷疊層體的切斷面，所以能夠抑制燒成后的陶瓷疊層體的裂紋或脫層。
此外，在本發(fā)明的疊層型壓電元件的制造方法中，如果將所述液體噴射流的噴出壓力設(shè)定在100～400MPa的范圍，能夠確保切斷生陶瓷疊層體所需的充分的磨削力，并且發(fā)生的磨削粉不妨礙切斷，能夠形成具有光滑的切斷面的生陶瓷疊層體。
此外，在本發(fā)明的疊層型壓電元件的制造方法中，如果設(shè)置多個(gè)所述噴嘴，多行同時(shí)切斷，能夠用短時(shí)間切斷生陶瓷疊層體。
此外，在本發(fā)明的疊層型壓電元件的制造方法中，如果在具有格子狀的排水槽的磨床上切斷所述生陶瓷疊層體，由于從噴嘴噴出的液體噴射流，在切斷生陶瓷疊層體后，不與磨床沖撞后反射，而流出到格子狀的排水槽，所以能夠防止反射的液體噴射流與后續(xù)的液體噴射流沖撞形成的液體噴射流7的直線前進(jìn)性的降低。


圖1A是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式1的疊層型壓電促動(dòng)器的構(gòu)成的立體圖。
圖1B是表示實(shí)施方式1的疊層型壓電促動(dòng)器的構(gòu)成的側(cè)視圖。
圖2A是實(shí)施方式1的疊層型壓電元件的壓電體表層部的放大剖視圖。
圖2B是實(shí)施方式1的疊層型壓電元件的壓電體表層部的另一部分的放大剖視圖。
圖3A是表示在實(shí)施方式1的疊層型壓電元件的制造工序中，通過切塊裝置等在疊層體的側(cè)面形成槽后的局部剖視圖。
圖3B是表示在實(shí)施方式1的疊層型壓電元件的制造工序中，在形成有槽的疊層體的側(cè)面形成導(dǎo)電材糊后的局部剖視圖。
圖3C是表示在實(shí)施方式1的疊層型壓電元件的制造工序中，在形成有槽的疊層體的側(cè)面形成外部電極后的局部剖視圖。
圖4是以示意性表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式2的生陶瓷疊層體的切斷裝置的構(gòu)成的方框圖。
圖5是放大表示圖4中的噴嘴106和從此處噴射的液體噴射流10的部分的側(cè)視圖。
圖6是表示采用本發(fā)明的疊層型壓電促動(dòng)器的噴射裝置的構(gòu)成的剖視圖。
圖7是以往的疊層型壓電促動(dòng)器的側(cè)視圖。
圖中1-壓電體，1a-龜裂，2-內(nèi)部電極，3-絕緣體，4-外部電極，6-導(dǎo)線，9-非活性層，10-疊層體，101-生陶瓷疊層體，102-排水槽，103-磨床，104-切斷標(biāo)記，105-圖像識(shí)別攝像機(jī)，106-噴嘴，107-液體噴射流，110-液體罐，111-增壓機(jī)，112-磨粒罐，113-泵。
具體實(shí)施例方式
以下，參照

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的疊層型壓電元件。
實(shí)施方式1圖1A、圖1B是表示由本實(shí)施方式1的疊層型壓電元件構(gòu)成的疊層型壓電促動(dòng)器的構(gòu)成的圖示，圖1A是立體圖，圖1B是側(cè)視圖。
本實(shí)施方式1的疊層型壓電元件，如圖1A等所示，通過在交替疊層多個(gè)壓電體1和多個(gè)內(nèi)部電極2而成的方形柱狀的疊層體10的側(cè)面上，形成由以銀為主成分的導(dǎo)電材和玻璃材構(gòu)成的外部電極4而構(gòu)成。
在實(shí)施方式1中，在疊層體10的側(cè)面上，每隔一層用絕緣體3覆蓋內(nèi)部電極2的端部，為了與未被絕緣體3覆蓋的內(nèi)部電極2導(dǎo)通，形成外部電極4，在各外部電極4上連接固定導(dǎo)線6。
在壓電體1間配置內(nèi)部電極2，但該內(nèi)部電極2用銀-鈀等金屬材料形成，通過經(jīng)由該內(nèi)部電極2對(duì)各壓電體1施加規(guī)定的電壓，在壓電體1發(fā)生利用反壓電效應(yīng)的變位。
此處，非活性層9由未配置內(nèi)部電極2的多個(gè)壓電體1的層構(gòu)成，即使對(duì)內(nèi)部電極2施加電壓，也不引起變位。
此外，如上所述，由于在疊層體10的相對(duì)置的側(cè)面上形成外部電極4，在該外部電極4上，每隔一層地電連接疊層的內(nèi)部電極2，所以施加在兩個(gè)外部電極4間的電壓經(jīng)由各內(nèi)部電極2施加給各壓電體1，發(fā)生反壓電效應(yīng)而變位。
另外，利用釬料等在外部電極4上固定導(dǎo)線6，經(jīng)由該導(dǎo)線6將外部電極4連接在外部的電壓供給部上。
另外，在本實(shí)施方式1的疊層型壓電元件中，外部電極4由導(dǎo)電材和玻璃材構(gòu)成，在外部電極4和壓電體1的界面的壓電體1表層部上設(shè)置龜裂1a，向該龜裂1a中填充玻璃，牢固地接合外部電極4和壓電體1。如果在如此的壓電體1表層部不存在內(nèi)部包含玻璃的龜裂1a，則由于難牢固地接合外部電極4和壓電體1，所以在長時(shí)間連續(xù)驅(qū)動(dòng)疊層型壓電元件的情況下，外部電極4從疊層體側(cè)面剝離，產(chǎn)生接點(diǎn)不良，變位特性下降。另外，在本說明書中，所謂壓電體1表面部，是不因龜裂1a的存在而使壓電體1的壓電特性實(shí)質(zhì)上變化的表面附近區(qū)域，優(yōu)選，指距壓電體1的表面100μm以下的區(qū)域。此外，優(yōu)選龜裂1a的最大寬度在15μm以下。
如此，在本實(shí)施方式1的疊層型壓電元件中，由于在龜裂1a中形成的包含玻璃而成的楔子和構(gòu)成外部電極4的玻璃材親和性好地接合形成一體，所以能夠利用楔子效果加強(qiáng)外部電極4和壓電體1的接合。
此處，所謂在龜裂1a中形成的包含玻璃而成的楔子的效果，如圖2A所示，指的是通過構(gòu)成外部電極4的玻璃材與具有在壓電體1中打入楔子的結(jié)構(gòu)的龜裂內(nèi)的玻璃接合，強(qiáng)化外部電極4的與壓電體1的接合強(qiáng)度。由此，即使在高電場(chǎng)、高壓力下長時(shí)間連續(xù)驅(qū)動(dòng)時(shí)，外部電極4也不會(huì)從疊層體10側(cè)面剝離，能夠具有優(yōu)越的耐久性。
另外，龜裂的朝向，如圖2A所示，可以與外部電極4和壓電體1的界面垂直，也可以與其傾斜。此外，龜裂1a的前端也可以到達(dá)內(nèi)部電極2，龜裂1a也可以從內(nèi)部電極2側(cè)延伸。
此外，在本發(fā)明中，作為在龜裂1a中形成楔子的玻璃，通過選擇軟化點(diǎn)低的玻璃，由于能夠以比壓電體1的燒成溫度充分低的溫度填充在龜裂1a，所以能夠抑制壓電體1的特性變化。
所述玻璃材料，由以玻璃為主成分的材料構(gòu)成，作為玻璃成分，可采用石英玻璃、鈉玻璃、鉛堿硅酸眼玻璃、鋁硼硅酸鹽玻璃、硼硅酸鹽玻璃、鋁硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、鉛玻璃等。
例如，作為硼硅酸鹽玻璃，能夠使用含有SiO240～70質(zhì)量％、B2O32～30質(zhì)量％、Al2O30～20質(zhì)量％、將MgO、CaO、SrO、BaO等堿土金屬氧化物加起來的總量0～10質(zhì)量％、堿金屬氧化物0～10質(zhì)量％的玻璃。此外，也可以形成上述硼硅酸鹽玻璃中含有5～30質(zhì)量％的ZnO的玻璃。ZnO，具有降低硼硅酸鹽玻璃的作業(yè)溫度的效果。
此外，作為磷酸鹽玻璃，能夠使用含有P2O540～80質(zhì)量％、Al2O30～30質(zhì)量％、B2O30～30質(zhì)量％、ZnO0～30質(zhì)量％、堿土金屬氧化物0～30質(zhì)量％、堿金屬氧化物0～10質(zhì)量％的玻璃。
此外，作為鉛玻璃，能夠使用含有PbO30～80質(zhì)量％、SiO20～70質(zhì)量％、Bi2O30～30質(zhì)量％、Al2O30～20質(zhì)量％、ZnO0～30質(zhì)量％、堿土金屬氧化物0～30質(zhì)量％、堿金屬氧化物0～10質(zhì)量％的玻璃。
此外，為了提高上述親和性，優(yōu)選，構(gòu)成外部電極4的玻璃材和填充在龜裂中的玻璃為具有同等的主成分的組成。
另外，關(guān)于填充在龜裂1a中的玻璃的有無、及后述的填充在龜裂1a中的玻璃的填充率，能夠通過采用EPMA(電子射線探針微區(qū)分析)進(jìn)行玻璃構(gòu)成元素的面分析來確認(rèn)。
另外，優(yōu)選，填充在龜裂1a中的玻璃是與構(gòu)成外部電極4的玻璃材相同的成分。這樣，通過使用同一玻璃成分，由于使外部電極4和壓電體1的接合力更加牢固，同時(shí)能夠在燒接外部電極4的工序中一同在龜裂1a中填充玻璃，所以能夠削減制造工序數(shù)目。
另外，優(yōu)選，在從外部電極4和壓電體1的界面朝深度方向t深100μm以下的壓電體1表層部上設(shè)置龜裂1a。這是因?yàn)?，如果在從所述界面朝深度方向t超過100μm的壓電體表層部設(shè)置龜裂1a，難在龜裂1a中填充玻璃，同時(shí)龜裂1a從壓電體表層部向深部進(jìn)展，成為破壞的起點(diǎn)，有可能使內(nèi)部電極2斷線。另外，龜裂1a的長度的測(cè)定，通過用SEM(掃描電子顯微鏡)觀察與外部電極4接合的壓電體1表層部的任意的剖面來求出。另外，倍率為2000倍，測(cè)定數(shù)目為10處。
另外，優(yōu)選龜裂1a中的玻璃的填充率在70％以上。這是因?yàn)椋绻畛渎实陀?0％，構(gòu)成外部電極4的玻璃材和龜裂1a中的玻璃部的接合力減弱，有產(chǎn)生外部電極4從疊層體10剝離的可能性。此外，由于在龜裂1a中未填充有玻璃的空隙部分增大，所以如果使其長時(shí)間連續(xù)驅(qū)動(dòng)，就在該空隙部分產(chǎn)生應(yīng)力集中，有時(shí)破壞疊層體10。
此外，優(yōu)選，在疊層體10的側(cè)面和外部電極4之間形成玻璃層。這樣，如果形成所述玻璃層，能夠在龜裂1a中插入構(gòu)成楔子的玻璃材而填充，同時(shí)能夠經(jīng)由所述玻璃層牢固地接合構(gòu)成外部電極4的玻璃材和龜裂1a內(nèi)的玻璃。
壓電體1，例如，由以鋯酸鈦酸鉛Pb(Zr、Ti)O3(以下，簡(jiǎn)稱為PZT)、或鈦酸鋇BaTiO3為主成分的壓電陶瓷材料等形成。該壓電陶瓷，優(yōu)選表示其壓電特性的壓電應(yīng)變常數(shù)d33高的壓電陶瓷。
此外，優(yōu)選壓電體1的厚度，即內(nèi)部電極2間的距離為50～250μm。由此，即使疊層型壓電促動(dòng)器為了通過施加電壓得到更大的變位量，增加疊層數(shù)，也能夠使疊層型壓電促動(dòng)器小型化、薄型化，同時(shí)能夠防止壓電體1的絕緣破壞。
外部電極4，由以銀為主成分的導(dǎo)電材80～99質(zhì)量％、和剩余部分的玻璃成分1～20質(zhì)量％構(gòu)成，主要經(jīng)由外部電極4中的玻璃成分與疊層體10的壓電體1的側(cè)面接合。此外，外部電極4，通過燒接由導(dǎo)電材和玻璃材構(gòu)成的導(dǎo)電材糊而形成，但優(yōu)選在燒接時(shí)在外部電極4的厚度方向上收縮10％以上。這樣，通過在燒接導(dǎo)電材糊時(shí)，在厚度方向上收縮10％以上，能夠用燒接時(shí)的收縮形成的應(yīng)力，在壓電體1表層部發(fā)生龜裂1a，或能夠使預(yù)先存在于壓電體1表層部的微小的龜裂生長成具有能夠進(jìn)入玻璃材料的程度的尺寸的龜裂1a。
構(gòu)成外部電極4的玻璃的成分，從提高與壓電體1的接合強(qiáng)度，且有效地填充在龜裂中的方面考慮，優(yōu)選含有氧化鉛或氧化硅中的至少1種的軟化點(diǎn)在800℃以下的玻璃。此外，除所述以外，采用石英玻璃、鈉玻璃、鉛堿硅酸鹽玻璃、鋁硼硅酸鹽玻璃、硼硅酸鹽玻璃、鋁硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、鉛玻璃等。
例如，作為硼硅酸鹽玻璃，能夠使用含有SiO240～70質(zhì)量％、B2O32～30質(zhì)量％、Al2O30～20質(zhì)量％、將MgO、CaO、SrO、BaO等堿土金屬氧化物加起來的總量0～10質(zhì)量％、堿金屬氧化物0～10質(zhì)量％的玻璃。此外，也可以形成在上述硼硅酸鹽玻璃中含有5～30質(zhì)量％的ZnO的玻璃。ZnO，具有降低硼硅酸鹽玻璃的作業(yè)溫度的效果。
此外，作為磷酸鹽玻璃，能夠使用含有P2O540～80質(zhì)量％、Al2O30～30質(zhì)量％、B2O30～30質(zhì)量％、ZnO0～30質(zhì)量％、堿土金屬氧化物0～30質(zhì)量％、堿金屬氧化物0～10質(zhì)量％的玻璃。
此外，作為鉛玻璃，能夠使用含有PbO30～80質(zhì)量％、SiO20～70質(zhì)量％、Bi2O30～30質(zhì)量％、Al2O30～20質(zhì)量％、ZnO0～30質(zhì)量％、堿土金屬氧化物0～30質(zhì)量％、堿金屬氧化物0～10質(zhì)量％的玻璃。
此外，構(gòu)成外部電極的導(dǎo)電劑，從具有耐氧化性、楊氏模量低、廉價(jià)的角度考慮，優(yōu)選以銀為主成分。另外，從提高電子遷移性的方面考慮，也可以添加微量的鉑或鈀。
另外，每隔一層地在疊層體10的側(cè)面上形成深30～500μm、疊層方向?qū)?0～200μm的槽，在該槽內(nèi)填充玻璃、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚酰胺酰亞胺樹脂、硅橡膠等，形成絕緣體3。該絕緣體3，為了加強(qiáng)與疊層體10的接合，優(yōu)選由相對(duì)于疊層體10的變位而隨動(dòng)的彈性率低的材料構(gòu)成，更優(yōu)選由硅橡膠構(gòu)成。
下面，說明由本發(fā)明的疊層型壓電元件構(gòu)成的疊層型壓電促動(dòng)器的制造方法。
本發(fā)明的疊層型壓電促動(dòng)器，首先，混合PZT等壓電陶瓷的煅燒粉末、和由丙烯酸系、丁縮醛系等有機(jī)高分子構(gòu)成的粘合劑、DBP(鄰苯二甲酸二辛酯)、DOP(鄰苯二甲酸二丁酯)等可塑劑，制作漿料，利用眾所周知的刮板法或輥壓法等帶成形法，將該漿料制作成為壓電體1的陶瓷生料片。
接著在銀-鈀粉末中添加混合粘合劑、可塑劑等，及根據(jù)需要添加混合所述壓電陶瓷的煅燒粉末等，制作形成內(nèi)部電極2的導(dǎo)電材糊，通過絲網(wǎng)印刷等，以1～40μm的厚度，將其印刷在所述各生料片的上面。
然后，疊層多層的上面印刷有導(dǎo)電材糊的生料片，在用規(guī)定的溫度對(duì)該疊層體進(jìn)行了脫粘合劑后，通過用900～1200℃燒成，制作疊層燒成體。
另外，疊層燒成體，也不限定于用上述制造方法制作，只要能夠制作交替疊層多個(gè)壓電體1和多個(gè)內(nèi)部電極2而成的疊層體燒成體，用怎樣的制造方法制作都行。
在平面磨床等磨削裝置上，用比#6000粗的砂輪對(duì)得到的疊層燒成體進(jìn)行磨削，得到規(guī)定尺寸的疊層體10。此時(shí)，在疊層體10表層部上形成微小的龜裂。該微小的龜裂成為起點(diǎn)，在后述的外部電極4的形成時(shí)，能夠在壓電體1和外部電極4的接合部的壓電體1表層部形成龜裂1a。
然后，如圖3A所示，利用切塊裝置等，在疊層體10的側(cè)面上，每隔一層地形成深30～500μm、疊層方向的寬度30～200μm的凹槽5。
下面，說明外部電極4的形成方法。
首先，在由80～99質(zhì)量％的粒徑0.1～10μm的銀粉末、和剩余部為1～20質(zhì)量％的含有氧化鉛或氧化硅中的至少一種以上的粒徑0.1～10μm的玻璃粉末構(gòu)成的混合物中，添加粘合劑，制作導(dǎo)電材糊21。
然后，在脫模處理后的薄膜上，以5～40μm的厚度絲網(wǎng)印刷導(dǎo)電材糊21，在使其干燥后，從脫模薄膜剝離導(dǎo)電材糊層21。此時(shí)，優(yōu)選，將干燥后的導(dǎo)電材糊21的銀粉末和玻璃粉末合在一起的粉體填充率規(guī)定為40～75％。如圖3B所示，將該導(dǎo)電材糊21轉(zhuǎn)印在形成有槽的疊層體10的外部電極4形成面上，通過用比導(dǎo)電材糊21所含的玻璃成分的軟化點(diǎn)高的溫度，且在銀的熔點(diǎn)以下的溫度進(jìn)行燒接，能夠形成外部電極4。
此處，通過上述的磨削加工形成的龜裂1a，通過燒接時(shí)的導(dǎo)電材糊的收縮形成的應(yīng)力而生長，同時(shí)在超過導(dǎo)電材糊21所含的玻璃材的軟化點(diǎn)的溫度范圍，將導(dǎo)電材糊21中的玻璃成分通過毛細(xì)管現(xiàn)象填充在龜裂1a內(nèi)，此外同時(shí)導(dǎo)電材糊21中所含的玻璃成分有選擇地集中在壓電體1的表層部，形成玻璃層4a。此時(shí)，填充在龜裂1a內(nèi)的玻璃、和形成在壓電體1表層部上的玻璃層4a，相互牢固地接合。即，成為外部電極4的玻璃成分在壓電體1表層部打入楔子的結(jié)構(gòu)，結(jié)果，外部電極4和疊層體10的連接形成可靠牢固的連接。
此時(shí)，構(gòu)成內(nèi)部電極2的銀-鈀和外部電極4中的銀相互擴(kuò)散，牢固地接合內(nèi)部電極2和外部電極4。
此外，為了有效地在外部電極4和壓電體1的界面上形成玻璃層，也可以將導(dǎo)電材糊21形成多層結(jié)構(gòu)，或在導(dǎo)電材糊21中的玻璃成分的分布中附加傾斜。即，通過使玻璃成分越接近壓電體1表層部側(cè)而越增加，在燒接時(shí)玻璃成分有效地進(jìn)入壓電體1表層部的龜裂中，能夠在壓電體1和外部電極4的界面上形成玻璃層4a。
此外，也可以在導(dǎo)電材糊21的階段，在壓電體1表層部設(shè)置玻璃層4a，也可以在燒接時(shí)在疊層體10和外部電極4之間設(shè)置玻璃層4a。即使在此種情況下，由于玻璃成分與從疊層體10側(cè)面露出的內(nèi)部電極2的潤濕性差，所以在燒接時(shí)導(dǎo)電材糊21中的銀，通過與形成內(nèi)部電極2的銀-鈀擴(kuò)散接合，被牢固地接合。
另外，形成外部電極4的形成方法，不限定于上述的方法，也可以直接在疊層體10側(cè)面的外部電極4形成面上印刷。
此外，導(dǎo)電材糊21，優(yōu)選在燒接時(shí)在厚度方向收縮10％以上。這樣，通過將收縮率規(guī)定在10％以上，能夠用燒接時(shí)的收縮形成的應(yīng)力，在壓電體1表層部上有效地形成龜裂1a。
此處，所謂收縮率，是用百分比表示用干燥厚度除以導(dǎo)電材糊21的干燥厚度和燒接后的厚度之差得出的數(shù)值。
另外，導(dǎo)電材糊21的燒接時(shí)的厚度方向的收縮率，在上述磨削工序中，沒有微小的龜裂也能夠形成，為了通過導(dǎo)電材糊的收縮形成龜裂1a，優(yōu)選所述收縮率在20％以上。
此外，通過導(dǎo)電材糊21的收縮，與外部電極4中的銀擴(kuò)散接合的內(nèi)部電極2前端被外部電極4牽引，如圖2B所示，產(chǎn)生以內(nèi)部電極2為起點(diǎn)的龜裂1a，有時(shí)在龜裂1a中形成包含玻璃的楔子。
此外，外部電極4的厚度，優(yōu)選薄于壓電體1的厚度。為了追隨促動(dòng)器本體即疊層體的伸縮，更優(yōu)選在50μm以下。
將導(dǎo)電材糊中的銀粉末規(guī)定在80～99質(zhì)量％、將剩余部的玻璃粉末規(guī)定在1～20質(zhì)量％，是因?yàn)槿绻y粉末低于80質(zhì)量％，外部電極4的比電阻增大，在流通大電流并以高速使其驅(qū)動(dòng)的情況下，有可能在該外部電極4產(chǎn)生局部發(fā)熱，另一方面，如果銀粉末大于99質(zhì)量％，玻璃成分相對(duì)減少，外部電極4和疊層體10的接合強(qiáng)度減弱，有可能出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)中外部電極4從疊層體10剝離的問題。
此外，通過在導(dǎo)電材糊的玻璃成分中，含有氧化鉛或氧化硅中的至少一種，能夠提高與疊層體10的接合強(qiáng)度。
接著，將形成有外部電極4的疊層體10浸漬在硅橡膠溶液中，通過對(duì)所述硅橡膠溶液進(jìn)行真空脫氣，在疊層體10的凹槽5內(nèi)部填充由硅橡膠構(gòu)成的絕緣層3，然后從硅橡膠溶液拉出疊層體10，在疊層體10的側(cè)面上涂敷硅橡膠。然后，使填充在凹槽5內(nèi)部的、及涂敷在疊層體10側(cè)面上的所述硅橡膠固化。
然后，通過利用釬料等在外部電極4上連接導(dǎo)線6，完成由本發(fā)明的疊層型壓電元件構(gòu)成的疊層型壓電促動(dòng)器。
另外，采用本發(fā)明的疊層型壓電元件的疊層型壓電促動(dòng)器，也不限定于上述的實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明的范圍內(nèi)也可進(jìn)行變更。例如，在上述中設(shè)置填充絕緣體3的凹槽5，但是如以往的疊層型陶瓷電容器的電極取出部，也可以是內(nèi)部電極2的端部每隔一層地與外部電極4接合，且內(nèi)部電極2的另一方的端部不與外部電極4接合的能夠維持絕緣性的形狀。
另外，通過經(jīng)由導(dǎo)線6對(duì)一對(duì)外部電極4施加0.1～3kV/mm的直流電壓，通過極化處理疊層體10，完成作為產(chǎn)品的疊層型壓電促動(dòng)器，將導(dǎo)線6與外部的電壓供給部連接，只要經(jīng)由導(dǎo)線6及外部電極4，對(duì)內(nèi)部電極2施加電壓，各壓電體1就通過反壓電效應(yīng)大幅度變位，由此例如作為向發(fā)動(dòng)機(jī)噴射供給燃料的汽車用燃料噴射閥發(fā)揮功能。
實(shí)施方式2根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式2的疊層型壓電元件，除在用后述的方法切斷疊層有多層的上面印刷有導(dǎo)電材糊的生料片(生陶瓷層)的生陶瓷疊層體后，進(jìn)行脫粘合劑燒成以外，與實(shí)施方式1同樣地構(gòu)成。
作為該生陶瓷疊層體的切斷方法，有切塊、切割、或水流噴射的方法，但其中，采用水流噴射的方法，由于通過從細(xì)的噴嘴對(duì)被加工體噴射高壓的水噴射流進(jìn)行切斷，所以沒有像所述切塊那樣的熱造成的影響，非常適合。
但是，采用水流噴射的生陶瓷疊層體的以往的切斷方法，由于在高壓噴流的水中含有由金剛砂構(gòu)成的磨粒，所以有在切斷的生陶瓷疊層體的切斷面或內(nèi)部殘留金剛砂磨粒的問題。此外，殘留在切斷的生陶瓷疊層體的切斷面或內(nèi)部的金剛砂磨粒，不能通過清洗切斷面加以除去。如果燒成含有如此的雜質(zhì)的生陶瓷疊層體，因構(gòu)成生陶瓷疊層體的陶瓷顆粒和金剛砂顆粒的密度的差，在燒成時(shí)生陶瓷疊層體的收縮程度出現(xiàn)差距，在燒成后的生陶瓷疊層體發(fā)生裂紋或剝離。
因此，在本實(shí)施方式2中，按以下所述切斷生陶瓷疊層體。
以下，參照附圖詳細(xì)說明本實(shí)施方式2中的生陶瓷疊層體的切斷方法。
圖4是以示意性表示實(shí)施方式2所用的生陶瓷疊層體的切斷裝置的構(gòu)成的方框圖，圖5是放大表示噴嘴106和從此處噴射的液體噴射流107的部分的側(cè)視圖。
在該圖4的切斷裝置中，生陶瓷疊層體101，被載置在具有多個(gè)排水槽102，并且具備用于在x軸方向上移動(dòng)的伺服電機(jī)的磨床103上。此外，在磨床103的上方，設(shè)置有具備多個(gè)噴嘴106、具備用于在y、z軸方向上移動(dòng)的伺服電機(jī)的噴嘴單元。該噴嘴單元，通過用圖像識(shí)別攝像機(jī)105識(shí)別形成在生陶瓷疊層體101的上面的切斷標(biāo)記104，以使各噴嘴106位于生陶瓷疊層體101的切斷開始部位的正上方的方式移動(dòng)。此處，噴嘴106，例如，利用不銹鋼等制作。
在各噴嘴106上，經(jīng)由增壓機(jī)111連接液體罐110，經(jīng)由泵113連接磨粒罐112。通過按以上構(gòu)成，從液體罐110供給的液體被增壓機(jī)111加壓，卷入從磨粒罐112通過泵113供給的磨粒，作為液體噴射流107從噴嘴106噴射。
從對(duì)準(zhǔn)位置的噴嘴106高壓噴射的液體噴射流107，首先，噴射在設(shè)置于生陶瓷疊層體101的上面的切斷標(biāo)記104上，通過沿著切斷標(biāo)記104的線移動(dòng)噴嘴，朝一方向切斷生陶瓷疊層體101。另外，在從其它方向切斷生陶瓷疊層體的情況下，通過旋轉(zhuǎn)磨床103，在將生陶瓷疊層體101設(shè)置在任意的位置上后再進(jìn)行切斷。
此外，雖未圖示，但切斷結(jié)束后的液體噴射流107，通過設(shè)在磨床103上的格子狀的排水槽102排出，然后分離成液體和磨粒，分別回收到液體罐10及磨粒罐12，進(jìn)行再利用。
另外，在實(shí)施方式2中的生陶瓷疊層體的切斷方法中，尤其，其特征在于，通過使用作為研磨材含有由與形成生陶瓷疊層體101的陶瓷同質(zhì)的陶瓷顆粒構(gòu)成的磨粒的高壓液體噴射流107，切斷生陶瓷疊層體101。
即，作為研磨材，如果采用由與構(gòu)成被加工體的陶瓷異質(zhì)的陶瓷顆粒構(gòu)成的磨粒，因殘留或混入切斷的生陶瓷疊層體101的切斷面的磨粒，在燒成后的生陶瓷疊層體的表面附近發(fā)生裂紋或剝離。
如果如實(shí)施方式1中說明為了在表面區(qū)域形成龜裂1a，而采用比較粗的砂輪磨削在如此的表面附近具有裂紋或剝離的生陶瓷疊層體，會(huì)產(chǎn)生所需以上的大的龜裂，或產(chǎn)生不能形成與外部電極的玻璃材一體化的楔子的裂紋，因此不優(yōu)選采用比較粗的砂輪進(jìn)行磨削。
相反，如果通過使用作為研磨材含有由與形成生陶瓷疊層體101的陶瓷同質(zhì)的陶瓷顆粒構(gòu)成的磨粒的高壓液體噴射流107，切斷生陶瓷疊層體101，即使在該切斷面混入與生陶瓷疊層體101同質(zhì)的陶瓷顆粒，構(gòu)成生陶瓷疊層體101的組成也不發(fā)生變化。因此，在燒成后的生陶瓷疊層體中不發(fā)生裂紋或剝離，若在燒成后采用比較粗的砂輪磨削，就能夠形成如下所述的龜裂能夠形成易于與外部電極的玻璃材一體化、且控制了其深度或形狀的楔子。
此處，所謂由與生陶瓷疊層體101同質(zhì)的陶瓷顆粒構(gòu)成的磨粒，指的是主成分與構(gòu)成生陶瓷疊層體101的陶瓷和通用的磨粒。尤其，優(yōu)選，使用作為研磨材含有與構(gòu)成生陶瓷疊層體101的陶瓷同一組成的磨粒的液體噴射流107，切斷生陶瓷疊層體101。
此處，在本實(shí)施方式2中，優(yōu)選，液體噴射流107所含的磨粒的平均粒徑為10～500μm。即，如果磨粒的平均粒徑低于10μm，液體噴射流107的磨削力下降，不能高效率地切斷生陶瓷疊層體101。此外，如果磨粒的平均粒徑超過500μm，由于從噴嘴106噴射的液體噴射流107的流速下降，不能保持液體噴射流107的直線前進(jìn)性，所以生陶瓷疊層體101的切斷精度變差。
另外，在實(shí)施方式2中，優(yōu)選將液體噴射流107的液體的電導(dǎo)率規(guī)定在1.0μS/cm以下。這是因?yàn)椋妼?dǎo)率高的液體大量含有電解質(zhì)，故該電解質(zhì)在切斷生陶瓷疊層體101時(shí)，作為雜質(zhì)混入切斷面。
另外，優(yōu)選，從噴嘴106到生陶瓷疊層體101的距離t在0.1～3.0mm的范圍調(diào)整。這是因?yàn)?，如果距離t低于0.1mm，因生陶瓷疊層體101的成形時(shí)的厚度偏差產(chǎn)生的凸部與噴嘴106接觸，有時(shí)妨礙液體噴射流107的噴射，此外，如果距離t超過3.0mm，噴出的液體噴射流107到達(dá)生陶瓷疊層體101時(shí)擴(kuò)散，磨削力降低，或生陶瓷疊層體101的切斷幅度變寬。
此外，在實(shí)施方式2中，優(yōu)選液體噴射流107的噴出壓力設(shè)定在100～400MPa的范圍。這是因?yàn)?，在使用含有由與生陶瓷疊層體101的陶瓷顆粒構(gòu)成的磨粒的液體噴射流107切斷時(shí)，如果噴出壓力低于100MPa，切斷效率變差。此外，這是因?yàn)?，如果噴出壓力超過500MPa，磨削時(shí)發(fā)生的生陶瓷疊層體101的磨削粉(塊)的粒徑變大，如果用混入有該磨削粉的液體噴射流107切斷生陶瓷疊層體101，由于切斷面產(chǎn)生凹凸，因而液體噴射流107的切斷精度下降。
另外，在實(shí)施方式2中，優(yōu)選從噴嘴106供給的由陶瓷顆粒構(gòu)成的磨粒的量設(shè)定在100～400g/分鐘的范圍。這是因?yàn)?，如果磨粒的量低?00g/分鐘，液體噴射流107的磨削力下降。此外，這是因?yàn)?，如果所述磨粒的量超過400g/分鐘，從噴嘴106噴射的液體噴射流107的流速下降，不能保持液體噴射流107的直線前進(jìn)性，切斷精度劣化。
另外，在實(shí)施方式2中，為了能夠用短時(shí)間效率良好地切斷生陶瓷疊層體101，設(shè)置多個(gè)噴嘴106，能夠同時(shí)切斷多行。但是，本發(fā)明也不局限于此，噴嘴106只要至少是一個(gè)就可以。
此外，在實(shí)施方式2中，在載置生陶瓷疊層體101的磨床103上形成格子狀的排水槽102。由此，由于可通過格子狀的排水槽102排出切斷生陶瓷疊層體101后的液體噴射流107，所以不會(huì)因與磨床103沖撞反沖的液體噴射流107而導(dǎo)致生陶瓷疊層體101的切斷精度變差。此外，磨削力也不會(huì)因與磨床103沖撞反沖的液體噴射流107而下降。
即，在磨床103沒有格子狀的排水槽102的情況下，從噴嘴106噴射的液體噴射流107，在切斷生陶瓷疊層體101后，與磨床103沖撞反沖。因此，因該反沖的液體噴射流107與后續(xù)的液體噴射流107沖撞，降低后續(xù)的液體噴射流107的液體噴射流107的直線前進(jìn)性，妨礙高精度的切斷。
此外，排水槽102的配置也不局限于格子狀，只要是能夠使切斷生陶瓷疊層體101后的液體噴射流107流出的形狀就可以。
實(shí)施方式3圖6是表示采用本發(fā)明的疊層型壓電元件構(gòu)成的實(shí)施方式3的噴射裝置的圖示，具備，具有噴射孔33的收納容器31、收納在該收納容器31內(nèi)的壓電促動(dòng)器43、和通過該壓電促動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)從噴射孔33噴射液體的閥35。
在噴射孔33上連通地設(shè)置燃料通路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。因此，閥35形成如下一打開噴射孔33，供給到燃料通路37的燃料就以一定的高壓噴向內(nèi)燃機(jī)的未圖示的燃料室內(nèi)。
此外，閥35的上端部直徑加大，成為可與形成在收納容器31中的氣缸39滑動(dòng)的活塞41。
在如此的噴射裝置中，如果對(duì)壓電促動(dòng)器43施加電壓，使其伸長，則活塞41被推壓，針形閥35閉塞噴射孔33，停止燃料的供給。此外，如果停止施加電壓，壓電促動(dòng)器43就收縮，碟形彈簧45反推活塞41，噴射孔33與燃料通路37連通，進(jìn)行燃料的噴射。
實(shí)施例實(shí)施例1作為實(shí)施例1，按以下制作由本發(fā)明的實(shí)施方式1的疊層型壓電元件構(gòu)成的疊層型壓電促動(dòng)器。
首先，制作混合了以PZT為主成分的壓電陶瓷的煅燒粉末、粘合劑、及可塑劑的漿料，用刮板法制作厚150μm的成為壓電體1的陶瓷生料片。
在該陶瓷生料片的單面上，利用絲網(wǎng)印刷法，以3μm的厚度，形成在銀-鈀合金中添加粘合劑的導(dǎo)電材糊，疊層300片的所述陶瓷生料片，在980～1100℃下燒成，得到疊層燒成體。然后，采用#400的砂輪，磨削疊層燒成體，得到圖1A、B所示的疊層體10。在得到的疊層體10的壓電體1表層部產(chǎn)生微小的龜裂。
接著，如圖3A所示，利用切塊裝置，在疊層體10側(cè)面的內(nèi)部電極2的端部，每隔一層地形成深50μm、寬30μm的槽。
接著，在80～99質(zhì)量％的平均粒徑2μm的銀粉末中混合平均粒徑2μm的含有氧化鉛或氧化硅中的至少1種以上的玻璃粉末，然后添加粘合劑，制作導(dǎo)電材糊。
接著，在脫模薄膜上，通過絲網(wǎng)印刷，以5～40μm的厚度印刷導(dǎo)電材糊，干燥后，從脫模薄膜上剝離，得到銀糊片。此時(shí)的銀糊片的粉體填充率為55％。然后，將所述銀糊片轉(zhuǎn)印在形成槽的疊層體10側(cè)面的對(duì)置的一對(duì)側(cè)面上，用800℃燒接15分鐘。
此時(shí)，在外部電極4的壓電體1側(cè)表層部上形成玻璃成分富集的玻璃層4a。此外，21導(dǎo)電材糊的厚度方向的收縮率為40％(燒接后的厚度為干燥厚度的60％)。另外，根據(jù)剖面照片的觀察可知，在與外部電極4的接合部的壓電體1表層部，存在長5～20μm的龜裂1a，在該龜裂1a中填充有構(gòu)成外部電極4的玻璃材，形成包含玻璃的楔子。
然后，在外部電極上連接導(dǎo)線，經(jīng)由導(dǎo)線對(duì)正極及負(fù)極的外部電極施加3kV/mm的直流電場(chǎng)15分鐘，進(jìn)行極化處理，制作圖1所示的由本發(fā)明的疊層型壓電元件構(gòu)成的疊層型壓電促動(dòng)器。
在實(shí)施例1中，另外，除變化磨削疊層燒成體的砂輪的粒度號(hào)(粗糙度)、構(gòu)成外部電極4的導(dǎo)電材糊的種類和其燒接溫度以外，采用上述的制造方法，制作作為本發(fā)明的實(shí)施例的疊層型壓電促動(dòng)器(試樣號(hào)碼1～5)。
此外，作為比較例，通過用具有細(xì)的粒度號(hào)的砂輪磨削疊層燒結(jié)體，采用構(gòu)成外部電極4的燒接時(shí)的收縮率極小的導(dǎo)電材糊21，制作外部電極4，制作實(shí)質(zhì)上在壓電體1表層部沒有設(shè)置龜裂1a地形成的疊層型壓電促動(dòng)器(試樣號(hào)碼6)。此外，試樣號(hào)碼6的疊層型壓電促動(dòng)器，在外部電極4的壓電體側(cè)1表層部不存在玻璃層。
在對(duì)上述的各種疊層型壓電促動(dòng)器，施加185V的直流電流時(shí)，在所有的疊層型壓電促動(dòng)器中，都在疊層方向得到49μm的變位。另外，在室溫下，以150Hz的頻率，對(duì)這些疊層型壓電促動(dòng)器施加0～+185V的交流電場(chǎng)，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)直到1×106次循環(huán)。
另外，龜裂1a的有無，通過用SEM對(duì)外部電極4和壓電體1表層部的界面的20處任意的地方進(jìn)行觀察來判定。龜裂1a內(nèi)的玻璃的填充率，在通過所述的剖面SEM照片，相對(duì)于各個(gè)龜裂1a的面積，用百分比表示填充在該龜裂1a中的玻璃部的面積的比率的填充率中，將填充率的最低值表示在表1。同時(shí)，通過利用EPMA的面分析來確認(rèn)玻璃的有無或組成。此外，龜裂的深度，規(guī)定為由所述的剖面SEM照片觀察的龜裂的最大的深度。關(guān)于驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)后的外觀，基于在驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)后用SEM觀察所述同樣的外部電極和壓電體的界面的任意的地方的結(jié)果表示。變位量的變化率，以驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)前的變化量為基準(zhǔn)，測(cè)定驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)后的變化量，算出其變化的比率。表1示出其結(jié)果。
表1

*為本發(fā)明的范圍外的試樣。
表1中，玻璃填充率(％)，表示龜裂中的玻璃所占的比例。
從表1看出，在比較例的試驗(yàn)號(hào)碼6的疊層型壓電促動(dòng)器中，由于在壓電體1表層部實(shí)質(zhì)上不存在龜裂1a，因此在龜裂1a中沒有形成玻璃部，由此不能起到上述的玻璃部形成的楔子效果，所以在1×106次循環(huán)驅(qū)動(dòng)后，外部電極4從疊層體表面多處剝離，變位量降低。
與此相反，本發(fā)明的試樣1～5的疊層型壓電促動(dòng)器，由于在外部電極4接合部的壓電體1表層部設(shè)置龜裂1a，且在該龜裂1a中填充玻璃，因而通過在龜裂1a中形成的由玻璃構(gòu)成的楔子，牢固地接合外部電極4和疊層體表面，所以即使在高速驅(qū)動(dòng)疊層型壓電促動(dòng)器的情況下，外部電極4也不從疊層體表面剝離，不會(huì)出現(xiàn)變位量降低的問題。
另外，按與所述相同的條件，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)直至1×109次循環(huán)。表2示出其結(jié)果。
表2

*為本發(fā)明的范圍外的試樣。
此外，表1中，玻璃填充率(％)，表示龜裂中的玻璃所占的比例，龜裂的深度表示自外部電極和壓電體的界面的深度。
從表2看出，試驗(yàn)號(hào)碼3的疊層型壓電促動(dòng)器，由于龜裂1a中的玻璃填充率小于70％，所以玻璃部形成的楔子效果減弱，外部電極4和壓電體1的接合力下降，驅(qū)動(dòng)中外部電極4的一部分從疊層體剝離，變位量降低。
此外，試驗(yàn)號(hào)碼5的疊層型壓電促動(dòng)器，由于龜裂1a的深度大于100μm，所以龜裂1a的一部分延伸，到達(dá)其它龜裂1a，容易形成大的龜裂1a，在一部分的內(nèi)部電極2中龜裂1a貫通而發(fā)生斷線，變位量降低。
與此相反，試樣號(hào)碼1、2及4的疊層型壓電促動(dòng)器，由于龜裂1a的深度，在壓電體1和外部電極4的界面～深度方向t上，在100μm以下，并且在龜裂中填充70％以上的玻璃，所以即使在高速長時(shí)間驅(qū)動(dòng)的情況下，外部電極4也不從疊層體表面剝離，不會(huì)出現(xiàn)變位量降低的問題。
實(shí)施例2～6，是關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式2的生陶瓷疊層體的切斷方法。
在實(shí)施例2～6中，按以下制作生陶瓷疊層體。
首先，混合鈦酸鋯酸鉛(Pb(Zr、Ti)O3)的煅燒粉末、由有機(jī)高分子構(gòu)成的粘合劑、可塑劑，制作漿料，利用粉漿澆鑄法，制作厚150μm的陶瓷生料片。
在該陶瓷生料片的單面上，利用絲網(wǎng)印刷法，以5μm的厚度印刷成為內(nèi)部電極2的以銀-鈀為主成分的導(dǎo)電材糊，在使導(dǎo)電材糊干燥后，疊層400片的涂布有導(dǎo)電材糊的多個(gè)生料片，另外在該疊層體的疊層方向的兩端部，疊層10片的未涂布導(dǎo)電材糊的生料片，由此制作成生陶瓷疊層體101。
此外，在以下所示的實(shí)施例2～6中，除實(shí)施例4以外，作為液體噴射流107的液體，使用電導(dǎo)率在1.0μS/cm以下的純水。
實(shí)施例2在采用上述的制造方法制作的本發(fā)明的生陶瓷疊層體101的切斷中，作為液體噴射流107所含的磨粒的材質(zhì)，采用由與生陶瓷疊層體101同質(zhì)的陶瓷顆粒構(gòu)成的磨粒，驗(yàn)證切斷時(shí)混入的雜質(zhì)、及燒成后的生陶瓷疊層體101的切斷面的形態(tài)。
此外，作為比較例，用含有平均粒徑100μm的金剛砂磨粒的液體噴射流107和不含磨粒的液體噴射流107切斷生陶瓷疊層體101。
評(píng)價(jià)了如上所述切斷的生陶瓷疊層體101的切斷性、雜質(zhì)的混入、及裂紋和剝離的有無。此處，所謂切斷性，將貫通到生陶瓷疊層體101的下層，正確切斷的試樣記載為○，將沒能切斷的試樣記載為×。此外，所謂雜質(zhì)的混入，用雙眼顯微鏡觀察切斷面，確認(rèn)組成不同的顆粒的有無。另外，關(guān)于裂紋和剝離，用雙眼顯微鏡觀察燒成后的生陶瓷疊層體101的切斷面，確認(rèn)其有無。結(jié)果見表3所示。
表3

表3中，所謂雜質(zhì)混入，指的是雜質(zhì)向生陶瓷疊層體中的混入，從該表3看出，比較例的試樣號(hào)碼2，由于用含有金剛砂磨粒的液體噴射流107切斷，所以所述金剛砂磨粒混入生陶瓷疊層體101的切斷面，殘留在陶瓷層內(nèi)。另外，由于所述金剛砂磨粒殘留部位是主成分與所述陶瓷層不同的組成，所以如果燒成殘留有所述金剛砂磨粒的生陶瓷疊層體101，則在燒成時(shí)產(chǎn)生與周圍的部件的收縮差，在燒成后的生陶瓷疊層體101的疊層面發(fā)生剝離。
此外，比較例的試樣號(hào)碼3，由于只使用不含磨粒的液體，所以磨削力非常低，不能切斷生陶瓷疊層體101。
與此相反，在本發(fā)明的實(shí)施例的試樣號(hào)碼1中，如果用含有由與構(gòu)成生陶瓷疊層體101的陶瓷層同質(zhì)的陶瓷顆粒構(gòu)成的磨粒的液體噴射流107，切斷生陶瓷疊層體101，由于不混入主成分與所述陶瓷層不同的組成的磨粒，所以在燒成后的生陶瓷疊層體101不發(fā)生裂紋或剝離。
實(shí)施例3在實(shí)施例3中，在采用上述的制造方法制造的本發(fā)明的生陶瓷疊層體101的切斷中，驗(yàn)證液體噴射流107所含的磨粒的顆粒直徑的切斷加工性。
用含有由按5～700μm的范圍調(diào)制平均粒徑的與所述陶瓷層同質(zhì)的陶瓷顆粒構(gòu)成的磨粒的液體噴射流107，切斷生陶瓷疊層體101。
按上述切斷的試樣的切斷加工性，確認(rèn)切斷面的燒成后的表面粗糙度(Ra)，將表面粗糙度(Ra)在1μm以下的試樣記載為○，將超過1μm的試樣記載為×，如此進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果見表4所示。
表4

從該表4看出，在試樣號(hào)碼1中，由于磨粒的平均粒徑小，所以在切斷時(shí)因所述磨粒與生陶瓷疊層體101接觸的部位窄，液體噴射流107的磨削力下降，不能切斷生陶瓷疊層體101。
此外，在試樣號(hào)碼8中，由于磨粒的平均粒徑大，所以從噴嘴106噴射的液體噴射流107的流速降低，由于不能保持液體噴射流107的直線前進(jìn)性，所以切斷面的表面變得粗糙，不能高精度地切斷生陶瓷疊層體101。
與此相反，試樣號(hào)碼2～7的磨粒，通過將平均粒徑規(guī)定為10～500μm，具有良好的切斷性和光滑的切斷面，能高精度地切斷生陶瓷疊層體101。因此，優(yōu)選由與構(gòu)成生陶瓷疊層體101的陶瓷層同質(zhì)的陶瓷顆粒構(gòu)成的磨粒的平均粒徑為10～500μm。
實(shí)施例4在實(shí)施例4中，在采用上述的制造方法制作的本發(fā)明的生陶瓷疊層體101中，驗(yàn)證液體噴射流107的液體的電導(dǎo)率、切斷時(shí)混入的雜質(zhì)、及燒成后的生陶瓷疊層體101的切斷面的形態(tài)。
作為液體噴射流107的液體，使用電導(dǎo)率超過1.0μS/cm的自來水、和電導(dǎo)率在1.0μS/cm以下的純水，用如此的液體噴射流107切斷生陶瓷疊層體101。
分別用雙眼顯微鏡觀察如上所述切斷的生陶瓷疊層體101的雜質(zhì)的混入、和燒成后的生陶瓷疊層體101的切斷面，確認(rèn)組成不同的顆粒的有無、及燒成后的切斷面上的裂紋和剝離的有無。結(jié)果見表5所示。
表5

表5中，所謂雜質(zhì)混入，指的是向生陶瓷疊層體的雜質(zhì)混入。
從表5看出，由于在試樣號(hào)碼1中，使用電導(dǎo)率超過1.0μS/cm的自來水，因而液體噴射流107含有大量電解質(zhì)，所以在切斷生陶瓷疊層體101時(shí)，所述電解質(zhì)作為雜質(zhì)混入切斷面，生陶瓷疊層體101的燒成時(shí)的收縮程度出現(xiàn)差，發(fā)生裂紋和剝離。
與此相反，在試樣號(hào)碼2中，由于通過使用電導(dǎo)率在1.0μS/cm以下的純水，大量電解質(zhì)沒有作為雜質(zhì)混入生陶瓷疊層體101的切斷面，所以燒成后的生陶瓷疊層體101中沒有發(fā)生裂紋或剝離。因而，優(yōu)選，將液體噴射流107的液體的電導(dǎo)率規(guī)定在1.0μS/cm以下。
實(shí)施例5在實(shí)施例5中，在采用上述制造方法制作的本發(fā)明的生陶瓷疊層體101中，驗(yàn)證從噴嘴106到生陶瓷疊層體101的距離t、液體噴射流107的噴射壓力、及從噴嘴106供給的磨粒的量的切斷加工性。對(duì)于按以下切斷的試樣的切斷加工性，確認(rèn)切斷面的燒成后的表面粗糙度(Ra)，將表面粗糙度(Ra)在1μm以下的試樣記載為○，將超過1μm的試樣記載為×，如此進(jìn)行評(píng)價(jià)。
首先，按0.1～4.0mm的范圍調(diào)整從噴嘴106到生陶瓷疊層體101的距離t，切斷生陶瓷疊層體101。結(jié)果見表6所示。
表6

從表6看出，在試樣號(hào)碼6中，由于從噴嘴106到生陶瓷疊層體101的距離t大，所以液體噴射流107的擴(kuò)散增大，同時(shí)，磨削力降低，因生陶瓷疊層體上面的切斷寬度變寬，在生陶瓷疊層體101的下面產(chǎn)生不能切斷的部分。
此外，如果距離t在0.1mm以下，由于在生陶瓷疊層體101的疊層面，發(fā)生因生陶瓷疊層體101的成形時(shí)的技術(shù)因素而產(chǎn)生的厚度不均，因此，由于生陶瓷疊層體101的疊層面的厚度偏差而產(chǎn)生的凸部與噴嘴106接觸，所以不能將距離t規(guī)定在0.1mm以下。
與此相反，在試樣號(hào)碼2～5中，通過從噴嘴106到生陶瓷疊層體101的距離t規(guī)定在0.1～4.0mm，能夠抑制液體噴射流107的擴(kuò)散，能夠在不降低液體噴射流107的磨削力的情況下，切斷生陶瓷疊層體101。因而，優(yōu)選，將從噴嘴106到生陶瓷疊層體101的距離t規(guī)定在0.1～4.0mm。
接著，按50～500MPa的范圍調(diào)整液體噴射流107的噴出壓力，切斷生陶瓷疊層體101。結(jié)果見表7所示。
表7

從表7看出，在試樣號(hào)碼1中，由于液體噴射流107的噴出壓力小，因而磨削力低，在生陶瓷疊層體101的下面產(chǎn)生不能切斷的部分。
此外，在試樣號(hào)碼6中，由于液體噴射流107的噴出壓力大，所以液體噴射流107的磨削力高，磨削時(shí)發(fā)生的生陶瓷疊層體101的磨削粉的粒徑變大，由于用混入該所述磨削粉的液體噴射流107切斷生陶瓷疊層體，所以在切斷面產(chǎn)生凹凸，切斷面變得粗糙，燒成后需要進(jìn)一步的加工。
與此相反，在試樣號(hào)碼2～5中，通過將液體噴射流107的噴出壓力規(guī)定在100～400MPa，具有切斷生陶瓷疊層體101時(shí)所需的磨削力，而且能夠在產(chǎn)生的磨削粉不妨礙切斷的情況下，切斷具有光滑的切斷面的生陶瓷疊層體101。因而，優(yōu)選將液體噴射流107的噴出壓力規(guī)定在100～400MPa。
接著，按50～500g/分鐘的范圍調(diào)整從噴嘴106供給的磨粒的量，切斷生陶瓷疊層體101。結(jié)果見表8所示。
表8

從表8看出，在試樣號(hào)碼1中，由于磨粒的量小，因而液體噴射流107中的所述磨粒的與生陶瓷疊層體接觸的部位變窄，故液體噴射流107的磨削力降低，在生陶瓷疊層體101的下面產(chǎn)生不能切斷部分。
此外，在試樣號(hào)碼6中，由于磨粒的量大，因而從噴嘴106噴射出的液體噴射流107的流速降低，不能保持液體噴射流107的直線前進(jìn)性，所以切斷面的表面變得粗糙，不能高精度地切斷生陶瓷疊層體101。
與此相反，在試樣號(hào)碼2～5中，通過將從噴嘴106供給的磨粒的量規(guī)定在100～400g/分鐘，具有切斷生陶瓷疊層體101時(shí)所需的磨削力，并且能夠保持液體噴射流107的直線前進(jìn)性，所以能夠高精度地切斷生陶瓷疊層體101。
實(shí)施例6在采用上述制造方法制作的本發(fā)明的生陶瓷疊層體101中，驗(yàn)證切斷生陶瓷疊層體101時(shí)載置的磨床103具有的格子狀的排水槽102的有無對(duì)切斷加工性的影響。
在具有格子狀的排水槽102的磨床103上載置生陶瓷疊層體101，切斷生陶瓷疊層體101。
對(duì)于按上述切斷的試樣的切斷加工性，確認(rèn)切斷面的燒成后的表面粗糙度(Ra)，將表面粗糙度(Ra)在1μm以下的試樣記載為○，將超過1μm的試樣記載為×，如此進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果見表9所示。
表9

從表9看出，在試樣號(hào)碼1中，由于磨床103沒有格子狀的排水槽102，所以從噴嘴106噴射的液體噴射流107，在切斷生陶瓷疊層體101后，與磨床103沖撞而反射，由于因液體噴射流107與后續(xù)的液體噴射流107沖撞，不能保持液體噴射流107的直線前進(jìn)性，所以切斷面的表面變得粗糙，不能高精度地切斷生陶瓷疊層體101。
與此相反，在試樣號(hào)碼2中，由于通過使磨床103具有格子狀的排水槽102，液體噴射流107在切斷生陶瓷疊層體101后，不與磨床103沖撞反射，而流出到格子狀的排水槽102，因此能夠保持反射的液體噴射流107與后續(xù)的液體噴射流107沖撞形成的液體噴射流107的直線前進(jìn)性，所以能夠高精度地切斷生陶瓷疊層體101。因而，優(yōu)選，切斷生陶瓷疊層體101時(shí)載置的磨床103具有格子狀的排水槽102。
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，其通過交替疊層至少一個(gè)壓電體和由第1及第2內(nèi)部電極構(gòu)成的多個(gè)內(nèi)部電極而成、外部電極，其分別形成在所述疊層體的兩個(gè)側(cè)面上，其中一方與所述第1內(nèi)部電極連接，另一方與所述第2內(nèi)部電極連接，所述外部電極分別含有導(dǎo)電材和玻璃材，形成有所述外部電極的所述疊層體的所述側(cè)面具有內(nèi)部包含楔子的龜裂，該楔子通過包含玻璃而成，該龜裂由所述楔子所含的玻璃和所述外部電極所含的玻璃材填充。
2.如權(quán)利要求1所述的疊層型壓電元件，其特征在于，所述龜裂與所述內(nèi)部電極接合。
3.如權(quán)利要求1或2所述的疊層型壓電元件，其特征在于，所述楔子所含的玻璃和所述外部電極所含的玻璃材為同一成分。
4.如權(quán)利要求1～3中任何一項(xiàng)所述的疊層型壓電元件，其特征在于，所述龜裂在與所述疊層體的疊層方向正交的方向上的最大深度在100μm以下。
5.如權(quán)利要求1～4中任何一項(xiàng)所述的疊層型壓電元件，其特征在于，所述龜裂的最大寬度在15μm以下。
6.如權(quán)利要求1～5中任何一項(xiàng)所述的疊層型壓電元件，其特征在于，所述龜裂所含的玻璃的填充率在70％以上。
7.如權(quán)利要求1～6中任何一項(xiàng)所述的疊層型壓電元件，其特征在于，在所述側(cè)面和所述外部電極間形成有玻璃層。
8.一種疊層型壓電元件的制造方法，其特征在于，包括制作通過交替疊層至少一個(gè)壓電體和多個(gè)內(nèi)部電極而成的疊層體的工序；研磨所述疊層體的至少兩個(gè)側(cè)面的工序；在所述兩個(gè)側(cè)面上分別涂布包含1質(zhì)量％以上的玻璃材的導(dǎo)電材糊，以高于所述玻璃材的軟化點(diǎn)、且使涂布的導(dǎo)電材糊在其厚度方向上收縮10％以上的溫度燒接，由此形成所述外部電極的工序。
9.如權(quán)利要求8所述的疊層型壓電元件的制造方法，其特征在于，制作所述疊層體的工序包括通過交替疊層含有所述壓電體的材料而成的生陶瓷層和含有所述內(nèi)部電極的材料的導(dǎo)電材層，制作生陶瓷疊層體的步驟；通過將含有由陶瓷顆粒構(gòu)成的磨粒作為研磨材的液體噴射流從噴嘴向所述生陶瓷疊層體噴射，切斷所述生陶瓷疊層體的步驟，所述陶瓷顆粒由與構(gòu)成所述生陶瓷層的陶瓷顆粒實(shí)質(zhì)上相同的材料構(gòu)成；通過燒成所述切斷的生陶瓷疊層體而制得所述疊層體的步驟。
10.如權(quán)利要求8或9所述的疊層型壓電元件的制造方法，其特征在于，由所述陶瓷顆粒構(gòu)成的磨粒的平均粒徑為10～500μm。
11.如權(quán)利要求8～10中任何一項(xiàng)所述的疊層型壓電元件的制造方法，其特征在于，所述液體噴射流的液體，具有1.0μS/cm以下的電導(dǎo)率。
12.如權(quán)利要求8～11中任何一項(xiàng)所述的疊層型壓電元件的制造方法，其特征在于，所述液體噴射流的噴出壓力采用100～400MPa。
13.如權(quán)利要求8～12中任何一項(xiàng)所述的疊層型壓電元件的制造方法，其特征在于，設(shè)置有多個(gè)所述噴嘴，能夠同時(shí)切斷多行。
14.如權(quán)利要求8～13中任何一項(xiàng)所述的疊層型壓電元件的制造方法，其特征在于，在具有格子狀的排水槽的磨床之上切斷所述生陶瓷疊層體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種疊層型壓電元件，即使在高電場(chǎng)、高壓力下長時(shí)間使其連續(xù)驅(qū)動(dòng)的情況下，外部電極和內(nèi)部電極也不斷線，耐久性優(yōu)越且廉價(jià)。該疊層型壓電元件，具有疊層體，其通過交替疊層至少一個(gè)壓電體和由第1及第2內(nèi)部電極構(gòu)成的多個(gè)內(nèi)部電極而成；和外部電極，其分別形成在疊層體的兩個(gè)側(cè)面上，其一方與第1內(nèi)部電極連接，另一方與第2內(nèi)部電極連接，外部電極分別含有導(dǎo)電材和玻璃材而成，形成外部電極的疊層體的側(cè)面具有內(nèi)部包含楔子的龜裂，該楔子通過包含玻璃而成，在龜裂處填充楔子所含的玻璃和外部電極所含的玻璃材。
文檔編號(hào)H02N2/00GK1961434SQ20058001697
公開日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2005年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月27日
發(fā)明者中村成信, 益山啟幸 申請(qǐng)人:京瓷株式會(huì)社