CN103069599B - 压电元件及层叠式压电结构体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种压电元件及层叠式压电结构体，能够良好地减少位移传递损失，并且还能够防止裂纹的产生。当向外部电极施加驱动电压时，在压电层（12）、（22）产生变形，层叠式压电致动器作为整体发生变形。这时，由于盖部（32）、（42）也发生位移，因此，减少了在压电层（12）、（22）和盖部（32）、（42）之间产生的变形差，抑制了裂纹的产生。此外，由于压电层（12）、（22）的活性区域的面积和盖部（32）、（42）的活性区域的面积相等，因此能够良好地减少由压电层（12）、（22）产生的位移传递的基于盖部（32）、（42）的损失。
Description
技术领域
本发明涉及压电元件及层叠式压电结构体，尤其涉及将由压电体陶瓷等制成的压电层和内部电极层进行层叠而形成的压电元件进一步层叠而构成的压电致动器等层叠式压电结构体。
背景技术
作为层叠式压电致动器，例如公知有在特开2005－108989号公报（专利文献1）中所记载的层叠式压电元件。该层叠式压电元件具有层叠有压电体陶瓷层和内部电极层的层叠体，内部电极层包括第一内部电极层和第二内部电极层。第一内部电极层交替导出在层叠体的不同的一侧面。第二内部电极层按照层叠体的层叠方向的每一规定长度尺寸，遍及层叠体的大致整个剖面而形成，且被导出至层叠体的至少一侧面。另外，在该层叠式压电元件的上下面，设有成为与驱动对象物的接点的保护层。在这种层叠式压电元件中，首先，在第二内部电极层间施加电场，进行使层叠体整体的畴的方向大致沿层叠方向取向的整体极化，接着，进行经由第一内部电极层向层叠体施加电场的层间极化。
另外，作为另一公开例，公知在特开平7－135348号公报（专利文献2）中所记载的层叠式压电体元件。该层叠式压电体元件具备：多个压电体层；配设于该压电体层间、且每同一极引出到相互相对的两侧面的内部电极；与引出到两面侧的同一极的各内部电极导通的两个外部电极，这两个外部电极以从各同一极的内部电极被引出的侧面绕到上面和下面的方式形成。
专利文献
专利文献1：（日本）特开2005－108989号公报
专利文献2：（日本）特开平7－135348号公报
发明内容
但是，在上述的专利文献1记载的层叠式压电元件中，由于两端的保护层为压电非活性，因此，驱动部的位移被约束，有可能产生位移不能有效地传递的位移传递损失。另外，需要将第一次极化时使用的电极连接除去并进行第二次极化。此外，还存在外部电极的结构变得复杂等不利情况。
另外，在专利文献2记载的层叠式压电体元件中，上下两端的压电体层，虽然其端部被极化，但由于中央附近未被极化，所以也同样有可能产生位移传递损失。
本发明着眼于以上的问题点而完成的，其目的在于，根据本发明的各种实施方式，提供能够良好地减少位移传递损失并且能够防止裂纹的产生的压电元件及层叠式压电结构体。
用于解决课题的方法
本发明的一个实施方式提供一种压电元件，将具有引出到第一部位的内部电极的第一压电层、和具有引出到与所述第一部位不同的第二部位的内部电极的第二压电层交替层叠多层，并且在层叠方向的端部分别形成有基于压电层的盖部，具备向引出到所述第一部位的各个内部电极施加第一极性的驱动电压的第一外部电极、和向引出到所述第二部位的各个内部电极施加第二极性的驱动电压的第二外部电极，是用于大量重叠而形成层叠式压电结构体的压电元件，该压电元件的特征在于，以覆盖所述盖部的至少中央附近的方式，在所述盖部的露出面形成盖部电极，并且，将该盖部电极与被施加与夹着该盖部相对的内部电极不同的极性的驱动电压的外部电极连接，利用所述盖部电极和所述相对的内部电极，将所述盖部的至少中央附近进行极化并活化。
本发明的另一个实施方式提供一种压电元件，其特征在于，在所述盖部的露出面形成有第一和第二盖部电极，并且，所述第一盖部电极覆盖所述盖部的至少中央附近，将该第一盖部电极与被施加有与夹着盖部相对的内部电极不同极性的驱动电压的外部电极连接，将所述第二盖部电极与被施加有与夹着盖部相对的内部电极相同极性的驱动电压的外部电极连接，利用所述第一盖部电极和相对的内部电极，将所述盖部的至少中央附近进行极化并活化。
本发明的一方面，在所述盖部电极的周围形成有绝缘层。
本发明的一个实施方式提供一种层叠式压电结构体，其通过将大量上述任一项所记载的压电元件，以被施加有同一极性的驱动电压的盖部电极接合、被施加有同一极性的驱动电压的外部电极处于同一面的方式重叠而构成。本发明的目的、特征、优点，通过下面的详细的说明及附图将更加明白。
发明效果
根据本发明，将盖部的中央附近进行极化形成活性区域，所以能够良好地减少位移传递的损失，还能够防止裂纹的产生。
附图说明
图1是表示本发明一个实施方式的压电元件的图。
图2是表示一个实施方式的层叠式压电致动器的压电元件的层叠结构的图。
图3是表示一个实施方式的层叠式压电致动器的主要剖面结构的图。
图4是表示一个实施方式的层叠式压电致动器的外观和另一例的图。
图5是表示本发明的另一个实施方式的压电元件的图。
图6是表示本发明的另一个实施方式的压电元件的图。
图7是表示本发明的另一个实施方式的压电元件的图。
标记说明
10、10A、10B、20：内部电极
12、22：压电层
30、30A、30B、40：盖部电极
32、42：盖部
34、44：绝缘层
50、60：外部电极
70：粘结层
72：绝缘层
74：电桥
100、100A～100C：压电元件
110：层叠式压电致动器
120、122：压电元件
200：压电元件
200A、200B、200C：压电元件
230A、230B：盖部电极
234：绝缘层
240A、240B：盖部电极
244：绝缘层
250：弹簧装置
252：垫片
300：压电元件
330A、330B：盖部电极
334、344：绝缘层
340A、340B：盖部电极
400：压电元件
430A、430B：盖部电极
434、444：绝缘层
440A、440B：盖部电极
具体实施方式
下面，参照附图，基于实施例详细说明用于实施本发明的方式。在附图中，对相同或相互对应的要素标注相同的标记，适当省略其详细的说明。参照图1～图4，对构成实施例1的压电元件进行说明。如图1（A）所示，本发明一个实施方式的压电元件100，通过在层叠结构体的上下面，分别层叠表面形成有盖部电极30、40的盖部32、42而构成，上述层叠结构通过将表面形成有内部电极10的多个压电层12和表面形成有内部电极20的多个压电层22交替层叠而形成。
盖部电极30、40构成为与内部电极10、20同样的形状。另外，盖部电极30、40构成为具有实质上与内部电极10、20相等的面积。另外，盖部电极30、40以与内部电极10、20重叠的方式配置。盖部电极30被向与内部电极20相同的方向引出，盖部电极40被向与内部电极10相同的方向引出。
在多个压电层12的表面分别形成有内部电极10，在多个压电层22的表面分别形成有内部电极20。这些内部电极10、20和盖部电极30、40例如通过印刷而形成。
图1（B）表示层叠有压电层12、22和盖部32、42的压电元件100的外观。图1（C）表示沿着图1（B）的＃1－＃1线向箭头方向看的剖面。如图所示，压电元件100层叠有包括四层压电层12和四层压电层22的共计八层压电层。在制造压电元件100时，在如图2所示被层叠的状态下，同时烧成压电元件100整体。另外，为了确保面平滑性，盖部32、42的上下面在同时烧成后被研磨。
接着，参照图2（A）、（B）对形成外部电极的工序进行说明。图2（A）表示构成本发明一个实施方式的层叠式压电致动器的压电元件的外观。图2（B）表示沿着图2（A）的＃2－＃2线向箭头方向看到的剖面。首先，在图1所示的压电元件100的盖部电极30、40的周围，形成与这些盖部电极相同厚度的绝缘层34、44。其后，在压电元件100的侧面的内部电极取出口，分别形成外部电极50、60。外部电极50与内部电极10和盖部电极40的引出部分别连接，外部电极60与内部电极20和盖部电极30的引出部分别连接。如上所述进行操作，获得本发明一个实施方式的压电元件100。
图2（C）示意性地表示层叠有多个本发明一个实施方式的压电元件100的状态。图2（D）示意性地表示所层叠的压电元件100的剖面。本发明一个实施方式的层叠式压电致动器通过层叠需要数量的上述压电元件100而构成。在一个实施方式中，如图所示，层叠有三个压电元件100A～100C。在一个实施方式中，以每隔一个将压电元件100的上下翻转的状态，层叠多个压电元件100。例如，如图所示，在层叠三个压电元件100A～100C的情况下，中央的压电元件100B翻转配置。由此，如图所示，多个压电元件100以盖部电极30彼此、以及盖部电极40彼此对向接触的方式配置。这样操作，各压电元件100的外部电极50在将压电元件100层叠的状态下，露出于该被层叠的压电元件100的同一侧面。同样地，各压电元件100的外部电极60也露出于被层叠的压电元件100的同一侧面。
压电层12、22例如由层厚为25μm的压电性陶瓷的印刷电路板构成。内部电极10、20例如由Ag、Ag／Pd（摩尔比7／3～95／5）、Pt、Cu、Ni等构成。内部电极10、20以覆盖压电层12、22的表面的例如约50%以上的方式，通过印刷等而形成。一个实施方式的压电元件100通过将形成有内部电极10、20的压电层12、22层叠20层而构成。盖部32例如通过将多个层厚25μm的压电性陶瓷的印刷电路板层叠而构成。盖部32整体的厚度成为例如200μm。关于盖部42也同样，以整体的厚度成为约200μm的方式层叠多个印刷电路板而构成。盖部电极30、40与所述内部电极10、20同样地构成。绝缘层34、44例如含有聚酰亚胺。外部电极50、60例如含有Ag，用溅射蒸镀或基于热固化树脂的粘接、烧焊等方法来形成。外部电极50、60由于利用烧焊来形成，因此在压电元件100的侧面密合性良好地形成。
图3是表示本发明一个实施方式的层叠式压电致动器的主要剖面结构的图。如图所示，通过将如上所述配置的压电元件100A～100C连结，形成本发明一个实施方式的层叠式压电致动器110。在一个实施方式中，盖部电极30彼此及盖部电极40彼此，在具有刚性的粘结剂（即，具有与盖部电极30和盖部电极40同程度的弹性的粘结剂）的表面通过利用溅射蒸镀等赋予了导电性的粘结层70被接合。盖部电极30彼此及盖部电极40彼此也可以使用弹性高的导电性粘结剂进行接合。另外，绝缘层34彼此及绝缘层44彼此为了确保电极间的绝缘性，通过环氧树脂（epoxy）等绝缘层72被接合。外部电极50彼此及外部电极60彼此，通过由导电性膏等构成的电桥74电连接。
在以上的状态下，在外部电极50和外部电极60之间施加极化电压，由此，压电层12、22、盖部32、42被极化。例如，在外部电极50被施加有正电压，在外部电极60施加有负电压。由此，压电非活性层被极化，成为活性层。在一个实施方式中，也可以代替这种一体极化处理，通过在图2（A）、（B）所示的压电元件100的状态下（即，如图2（A）、（B）所示，压电元件100单体的状态下），在外部电极50、60施加电压而进行极化处理。在图3中，用箭头表示各层的极化方向。如图所示，夹着内部电极10、20使极化方向翻转。虽然压电层12、22具有与盖部32、42不同的厚度，但由于在极化处理时施加在压电层12、22的电极间施加电压和施加在盖部32、42的电极间施加电压是相同的，因此在压电层12、22和盖部32、42中，有效电场强度不同，极化状态（变形）也互不相同。该极化状态的差由压电层12、22的厚度和盖部32、42的厚度的组合来规定。
通过以上的极化处理，能够获得层叠式压电致动器110。图4（A）表示本发明一个实施方式的层叠式压电致动器110的外观。
接着，对驱动本发明一个实施方式的层叠式压电致动器110的动作进行说明。首先，在外部电极50、60施加驱动电压。通过该驱动电压，在压电层12、22及盖部32、42产生与施加电场相应的变形，根据该变形，层叠式压电致动器110作为整体发生变形。在本发明的实施方式中，通过驱动电压盖部32、42也发生位移，因此能够减小压电层12、22和盖部32、42之间的变形差，能够抑制裂纹的产生。另外，在压电层12、22的活性区域的面积与盖部32、42的活性区域的面积相等的情况下，可良好地减少由压电层12、22产生的位移传递的基于盖部32、42的损失。
在本发明的一个实施方式中，也可以构成为，盖部电极30、40具有比内部电极10、20更大的面积。即使使盖部电极30、40形成为比内部电极10、20更大的面积，盖部32、42的被极化的活性区域的大小与将盖部电极30、40以具有和内部电极相等的面积的方式构成的情况大致相等。
图4（B）表示本发明的另一个实施方式的压电元件120。在该压电元件120中，盖部电极30A以具有比内部电极10A小的面积的方式构成。由此，压电元件120的盖部的活性区域比压电元件100的情况变窄，但由于层叠式压电结构体通常有在盖部的中央附近的位移较大的倾向，如果中央附近被极化，就能够减少作为连结体时的位移传递损失，能够且防止裂纹产生。
图4（C）表示本发明的另一个实施方式的压电元件122。压电元件122具有形成为圆形的盖部电极30B。在该例中，虽然内部电极10B的四角与盖部电极30A不重叠，与盖部的内部电极10B的四角相当的部分未被极化，但盖部的中央附近被极化，所以和图4（B）的情况相同，也可以减少位移传递损失，防止裂纹的产生。
如上所述，根据本实施例，具有如下的效果。
（1）由于在盖部32、42形成与内部电极10、20相同的形状的盖部电极30、40，所以盖部32、42具有与压电层12、22相等的电场有效面积。由于盖部32、42及压电层12、22具有相互相等的面积的电场有效面积，所以通过施加驱动电压，具有相互相等的面积的部分成为压电活性层，能够减少位移传递损失。
（2）盖部电极30、40不必在极化后剥离，不仅可以减少制造的工时数，而且能够保持原状用于连结体的连接，可以在外部电极50、60彼此连接后进行连结体的一体极化。
（3）由于压电层12、22的厚度和盖部32、42的厚度互不相同，由此，压电层12、22的有效电场強度与盖部32、42的有效电场強度也互不相同，所以在压电层12、22和盖部32、42中，成为压电活性层的两者的极化状态不同。但是，通过规定压电层12、22的厚度和盖部32、42的厚度，能够规定两者的极化状态的差（变形差）。
（4）通过将盖部32、42设定为与压电层12、22相同的压电活性层，与盖部32、42为压电非活性的情况相比较，盖部32、42的变形量接近压电层12、22的变形量。因此，能够防止或减少位移时的裂纹。
（5）对本发明的试样进行实验，与上述的现有技术（专利文献2）的层叠式压电体元件相比较，结果得到如下表1所示的结果。对将驱动电压进行100万次ON／OFF后的每100个产品的裂纹产生率进行比较时，在现有技术中50个产生裂纹，与此不同，在本发明中未产生裂纹。另外，与未将盖部极化的情况相比较，相对位移量为1.25，位移也增大。
［表1］
实施例2
接着，参照图5，对本发明的实施例2进行说明。在本发明的实施例2中，在压电元件的正面和背面两面分别形成有盖部电极，由此，可简便地进行压电元件彼此的连接。图5（A）表示本发明的实施例2的压电元件200的外观。图5（B）示意性地表示层叠有多个本发明的实施例2的压电元件200的状态。图5（C）表示层叠本发明的实施例2的压电元件200而获得的致动器。如图所示，压电元件200的外部电极60与上面侧的盖部电极230A和下面侧的盖部电极230B分别连接。另外，外部电极50与下面侧的盖部电极240A和上面侧的盖部电极240B分别连接。
在压电元件200的上面侧，如图5（A）所示，以具有比盖部电极240B更大的面积的方式形成有盖部电极230A。在盖部电极230A和盖部电极240B的周围，形成有用于使两电极的绝缘和厚度一致的绝缘层234。在压电元件200的下面侧，以具有比盖部电极230B大的面积的方式形成有盖部电极240A。在盖部电极240A和盖部电极230B的周围，形成有用于使两电极的绝缘和厚度一致的绝缘层244。
如图5（B）所示，将如以上所述的压电元件200每隔一个使其上下翻转而层叠。在图示的例子中，将上下翻转后的压电元件200B，配置于压电元件200A和压电元件200C之间。由此，在压电元件200A、200B之间，盖部电极240A彼此、盖部电极230B彼此分别接合，在压电元件200B、200C之间，盖部电极230A彼此、盖部电极240B彼此分别接合。
关于盖部32、42，由面积广的盖部电极230A和内部电极10夹着的区域、由面积广的盖部电极240A和内部电极20夹着的区域被极化。因此，和上述的实施例1相比较，活性区域变窄，但由于中心部分都被极化，因此与实施例1同样地，可减少位移传递损失，能够防止裂纹的产生。另外，能够将用于施加驱动电压的引出线设置于同一端面。
在本实施例中，在压电元件200的上下面都露出有极性不同的盖部电极。因此，通过将压电元件200进行层叠，在外部电极间不设置电桥就能够将外部电极彼此进行连接。在图5（C）所示的例子中，利用弹簧装置250从上下支承被层叠的压电元件200A、200B、200C，由此，不使用粘结剂等就能够保持层叠结构。在弹簧装置250与压电元件200A的上端和压电元件200C的下端之间分别设置有用于绝缘等的垫片252。另外，在图5（C）所示的层叠结构中，可以设置相对外部赋予位移的结构（未图示）。
实施例3
参照图6，对本发明的实施例3进行说明。在本实施例中，将压电层的层叠数（为压电层12的层叠数和压电层22的层叠数的合计，与内部电极的层叠数相同）设为奇数。图6表示本发明的实施例3的压电元件300。构成该压电元件300的各单位压电元件，含有四层压电层12（四层内部电极10）和三层压电层22（三层内部电极20），共由七层压电层构成。如图所示，外部电极60与上面侧的盖部电极330A和下面侧的盖部电极330B分别连接。外部电极50不与盖部电极连接，在外部电极50与盖部电极330A、330B之间，形成有用于使两电极的绝缘和厚度一致的绝缘层334、344。
本实施例的情况如图6所示，通过将压电元件300以相同的方向重叠，能够获得层叠式的致动器。盖部电极330A和盖部电极330B的连接、以及外部电极50彼此的连接，可以通过与图3所示的方法相同的方法进行。
实施例4
参照图7，对本发明的实施例4进行说明。在本实施例中，压电层的层叠也设定为奇数。如图所示，压电元件400的外部电极60与上面侧的盖部电极430A和下面侧的盖部电极430B分别连接。另一方面，外部电极50与上面侧的盖部电极440A和下面侧盖部电极440B分别连接。
在本实施例中，在压电元件400的上面和下面的任一侧，与外部电极60连接的盖部电极430A、430B都比与外部电极50连接的盖部电极440A、440B的面积大，在它们的周围，形成有用于使两电极的绝缘和厚度一致的绝缘层434、444。
本实施例的情况下，通过将压电元件400以相同方向重叠，也能够获得层叠式的致动器。在本实施例中，在压电元件400的上下面，极性不同的盖部电极都露出。因此，通过将压电元件400层叠，在外部电极间不设置电桥，就能够将外部电极彼此连接。另外，能够将用于施加驱动电压的引出线设置于同一端面。
本发明不限定于上述的实施例，可以在不脱离本发明的要旨的范围进行各种变形。例如，可以施加如下的变更。
（1）上述实施例所示的各部的形状、尺寸、材料、压电层的层叠数、压电元件的层叠数等都是一个例子，根据需要可以适宜地进行变更。
（2）也可以将上述实施例进行任意组合。例如，在层叠有多个压电元件的情况下，关于其上下两端或上下任一个压电元件的表面，将盖电极结构设定为如图5（A）那样的形状，由此，能够将用于施加驱动电压的引出线设置于同一端面。
（3）也可以还形成有用于保护盖部电极的保护层。作为保护层，可以使用具有柔性的材料。
（4）虽然本发明的层叠式压电结构体能够应用于层叠式的压电致动器，但也可以应用于其以外的致动器。
（5）在上述实施例中，将压电层的层叠数为偶数的压电元件彼此、或压电层的层叠数为奇数的压电元件彼此分别进行层叠，但压也可以将电层的层叠数为偶数的压电元件和为奇数的压电元件进行层叠。例如，代替图3的压电元件100C，层叠图6的压电元件300的情形。
工业上的实用性
本发明的各实施方式是将盖部的至少中央附近进行极化并活化，所以，能够减少形成连结体时的位移传递损失，防止裂纹产生，因此对层叠式的压电致动器等比较合适。
Claims (8)
1.一种压电元件，其特征在于，具备：
将多个第一压电层和多个第二压电层交替层叠而成的层叠结构体，所述第一压电层具有引出到第一部位的第一内部电极，所述第二压电层具有引出到与所述第一部位不同的第二部位的第二内部电极；
一组盖部，其设置于所述层叠结构体的层叠方向的两端部，包括压电体；
一组盖部电极，其以覆盖对应的盖部的至少中央附近的方式，设置于所述一组盖部的各自的露出面；
第一外部电极，其向各个所述第一内部电极施加第一极性的驱动电压；和
第二外部电极，其向各个所述第二内部电极施加第二极性的驱动电压，
在该一组盖部电极的各盖部电极与所述第一内部电极相邻的情况下，将与该第一内部电极相邻的盖部电极与所述第二外部电极连接，在该一组盖部电极的各盖部电极与所述第二内部电极相邻的情况下，将与该第二内部电极相邻的盖部电极与所述第一外部电极连接。
2.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于：
在所述一组盖部电极的各盖部电极的周围形成有绝缘层。
3.一种压电元件，其特征在于，具备：
将多个第一压电层和多个第二压电层交替层叠而成的层叠结构体，所述第一压电层具有引出到第一部位的第一内部电极，所述第二压电层具有引出到与所述第一部位不同的第二部位的第二内部电极；
一组盖部，其设置于所述层叠结构体的层叠方向的两端部，包括压电体；
一组第一盖部电极，其以覆盖对应的盖部的至少中央附近的方式，设置于所述一组盖部的各自的露出面；
一组第二盖部电极，其以与对应的第一盖部电极电绝缘的方式，设置于各个所述露出面；
第一外部电极，其向各个所述第一内部电极施加第一极性的驱动电压；和
第二外部电极，其向各个所述第二内部电极施加第二极性的驱动电压，
在该一组第一盖部电极的各盖部电极与所述第一内部电极相邻的情况下，将与该第一内部电极相邻的第一盖部电极与所述第二外部电极连接，在该一组第一盖部电极的各盖部电极与所述第二内部电极相邻的情况下，将与该第二内部电极相邻的第一盖部电极与所述第一外部电极连接，
在该一组第二盖部电极的各盖部电极与所述第一内部电极相邻的情况下，将与该第一内部电极相邻的第二盖部电极与所述第一外部电极连接，在该一组第二盖部电极的各盖部电极与所述第二内部电极相邻的情况下，将与该第二内部电极相邻的第二盖部电极与所述第二外部电极连接。
4.根据权利要求3所述的压电元件，其特征在于：
所述第一盖部电极和所述第二盖部电极的周围形成有绝缘层。
5.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于：
利用所述盖部电极和与该盖部电极相邻的内部电极，将所述盖部的至少中央附近进行极化并活化。
6.根据权利要求3所述的压电元件，其特征在于：
利用所述第一盖部电极和与该第一盖部电极相邻的内部电极，将所述盖部的至少中央附近进行极化并活化。
7.根据权利要求1或3所述的压电元件，其特征在于：
所述第一和第二外部电极以在所述层叠结构体的侧面沿着该层叠结构体的层叠方向延伸的方式设置。
8.一种层叠式压电结构体，其通过将多个压电元件层叠而成，该层叠式压电结构体的特征在于：
所述多个压电元件的各压电元件为权利要求6所述的压电元件，
在所述多个压电元件中包含的且相互相邻的压电元件以如下方式被层叠：
在一方压电元件中与第一外部电极连接的盖部电极、第一盖部电极或第二盖部电极，与在另一方压电元件中与第一外部电极连接的盖部电极、第一盖部电极或第二盖部电极相接合，并且，
所述一方压电元件的第一外部电极与所述另一方压电元件的第一外部电极处于同一面，并且所述一方压电元件的第二外部电极与所述另一方压电元件的第二外部电极处于同一面。
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