CN103762303A

CN103762303A - 包括BaO应力缓冲体的压电元件

Info

Publication number: CN103762303A
Application number: CN201310510881.7A
Authority: CN
Inventors: 丛国芳
Original assignee: LIYANG DONGDA TECHNOLOGY TRANSFER CENTER Co Ltd
Current assignee: LIYANG DONGDA TECHNOLOGY TRANSFER CENTER Co Ltd
Priority date: 2013-10-26
Filing date: 2013-10-26
Publication date: 2014-04-30

Abstract

本发明公开了一种压电元件，其包括层叠体和内部电极，所述层叠体具有：在第1电极和所述第2电极在所述层叠体的层叠方向上以互相重叠的形式所构成的形变部分；和设置在所述形变部分的两侧，并且所述第1电极和所述第2电极以在所述层叠体的层叠方向上不互相重叠的形式构成的非形变部分；所述压电体由以钛锆酸铅为主要成分的压电材料形成；在所述非形变部分中设置有应力缓和体，该应力缓和体由熔点比所述压电体的烧结温度还要高并且固溶于所述压电体的材料所形成；所述的应力缓和体优选由BaO形成。该压电元件具有优良的压电特性，并且能够防止压电元件在层叠体的层叠方向上延伸的裂缝。

Description

包括BaO应力缓冲体的压电元件

技术领域

本发明涉及一种压电器件。

背景技术

压电元件一般具备：互相交替地层叠压电体和内部电极而得的层叠体；以及设置在该层叠体的侧面上，并与内部电极相连接的外部电极。在对外部电极施加电压时，压电体中异极的内部电极彼此相互重叠的部分(形变区)发生变形。在如此的元件驱动时候，在压电体中的形变区和非形变区的边界上将发生应力集中，容易产生在层叠体的层叠方向上的缝隙等。为此，近年来，提出了很多在层叠体的非形变区中设置应力缓冲体的压电元件的方案，例如在公开号为JP特开平5-243635的日本专利申请中记载了通过印刷氧化铝浆料而形成作为应力缓冲体的方法。

但是，在上述现有技术的压电元件中，尽管在层叠体的非形变区形成了氧化铝应力缓冲体，驱动时在层叠体的层叠方向上减缓了的缝隙的形成。但是，该压电元件却得不到相对于驱动时所施加的电场的充分的位移量，产生压电特性降低的新的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压电元件，其不仅能确保所期望的压电特性，并且能够防止压电元件在层叠体的层叠方向上的缝隙等的发生。

本发明研究发现，在由以PZT(钛锆酸铅)为主要成分的压电陶瓷材料形成压电体的情况下，如果将如同Al₂O₃等在不固溶于PZT并在晶界上析出的材料作为应力缓和体，则相对于在驱动时所施加的电场，元件将不会充分地位移。其原因被认为是：由于Al₂O₃等变成晶界成分，从而妨碍了PZT的粒子成长，在压电体中每单位厚度的晶界的数目增多，其结果，在元件上施加驱动电场时在晶界上发生了热损失。根据以上结果，本发明对现有技术中的具有氧化铝应力缓和体的压电元件进行了改进得到本发明。

根据本发明的压电元件，其包括：

具备将多个压电体和多个内部电极互相交替地层叠并烧结而成的层叠体，

所述多个内部电极包含第1电极以及第2电极，

所述层叠体具有：所述第1电极和所述第2电极在所述层叠体的层叠方向上以互相重叠的形式所构成的形变部分；和设置在所述形变部分的两侧，并且所述第1电极和所述第2电极以在所述层叠体的层叠方向上不互相重叠的形式构成的非形变部分；所述压电体由以钛锆酸铅为主要成分的压电材料形成；

在所述非形变部分中设置有应力缓和体，该应力缓和体由熔点比所述压电体的烧结温度还要高并且固溶于所述压电体的材料所形成；所述的应力缓和体优选由BaO形成。

优选地，所述应力缓和体形成于与所述内部电极相同的层。

优选地，所述应力缓和体被形成在所述第1电极和所述第2电极之间的层中进入于所述形变部分中。

优选地，压电体的材料为

Pb0.999[(Zn1/3Nb2/3)0.11Ti0.425Zr0.465]O₃+0.2wt％Fe₂O₃+0.2wt％Sb₂O₃；所述压电体材料的粉体材料的平均粒径为大约0.6μm。

优选地，所述应力缓和体的粉体材料的粒径比压电材料的粉体的粒径大；其粒径优选为大约1.2μm。

优选地，第1电极以及第2电极的材料含有Ag和Pd，优选为含有比例为85∶15的Ag和Pd。

根据本发明能够确保所期望的压电特性，并且能够防止在层叠体的层叠方向上的缝隙等的发生。由此，可以得到高性能的压电元件。

附图说明

图1为本发明的压电元件的第1实施方式的结构示意图。

图2为图1所示的压电元件的侧面图。

图3为图1所示的层叠体的层构造的部分扩大截面图。

图4是制造图1所示的压电元件时其中坯层叠体的分解立体图。

图5是本发明的压电元件的第2实施方式的侧面图。

具体实施方式

下面通过详细描述和附图，对本发明更充分地理解，但下述详细描述和附图仅为举例说明，不作为将对本发明的限定。对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明的技术思想和范围内包括各种变化和变型方式。

下面，关于本发明所涉及的压电元件的适合的实施方式，参照附图进行详细说明。

图1是表示第1实施方式所涉及的压电元件的立体图。图2是图1所示的压电元件的侧面图，图3是表示图1所示的压电元件的层构造的部分扩大截面图。在各个图中，本实施方式的压电元件1是用于例如搭载于汽车上的内燃机的燃料喷射装置中的元件。

压电元件1具备有四角柱形的层叠体2。层叠体2是将多个压电体3和多个内部电极4A、4B以指定的顺序层叠，然后将该层叠物烧结而成的产物。层叠体2的尺寸为例如宽10mm×纵深10mm×高35mm。

压电体3由例如以PZT(钛锆酸铅)为主要成分的压电陶瓷材料所形成。压电体3的厚度为例如每1层80～100μm的程度。作为PZT的组成，例如使用下所述的物质。

Pb0.999[(Zn1/3Nb2/3)0.11Ti0.425Zr0.465]O₃+0.2wt％Fe₂O₃+0.2wt％Sb₂O₃

使用PZT的粉体特性是例如BET比表面积为大约2.5m²/g，平均粒径为大约0.6μm的物质。如此的PZT的烧结温度为950℃的程度。PZT系材料的熔点为1300℃的程度。

内部电极4A、4B由例如以Ag以及Pd为主要成分的导电材料而形成。内部电极4A、4B夹着压电体3互相交替地被层叠。内部电极4A的一端在层叠体2的一方的侧面2a露出，内部电极4A的另一端位于比层叠体2的另一方的侧面2b更内侧的位置。内部电极4B的一端在层叠体2的侧面2b露出，内部电极4B的另一端位于比层叠体2的侧面2a更内侧的位置。由此，内部电极4A、4B的一部分在层叠体2的层叠方向(上下方向)上成为互相重叠。

在层叠体2中，当将电压施加于内部电极4A、4B的时候，内部电极4A、4B在层叠方向上互相重叠的部分变成了压电体3位移的形变部分P。在层叠体2当中，当将电压施加于内部电极4A、4B的时候，内部电极4A、4B在层叠方向上不互相重叠的部分(层叠体2的两侧端部)变成了压电体3不发生位移的非形变部分Q。

在层叠体2的非形变部分Q中，形成有多个具有电绝缘性且比压电体3密度(强度)更低的应力缓和体5。应力缓和体5形成在与内部电极4A、4B相同的层中。应力缓和体5的厚度与内部电极4A、4B的厚度大致相同。在与内部电极4A位于同一层的应力缓和体5的一端与内部电极4A相连接，该应力缓和体5的另一端在层叠体2的侧面2b露出。在与内部电极4B位于同一层的应力缓和体5的一端与内部电极4B相连接，该应力缓和体5的另一端在层叠体2的侧面2a露出。

应力缓和体5由熔点比压电体3的主要成分PZT的烧结温度还要高并且固溶于PZT的材料而形成。优选采用熔点大于1600℃的材料，更优选采用熔点大于2000℃的材料，优选采用BaO。应力缓和体5和压电体3由互相不同的组成系的材料所形成。该材料可以很好保证应力缓冲，防止缝隙产生，同时得到性能良好的压电元件。

在层叠体2的侧面2a上固定有电连接于各内部电极4A的外部电极6A。在层叠体2的侧面2b上固定有电连接于各内部电极4B的外部电极6B。

外部电极6A、6B具有矩形板状的电极部分7a、7b和波形状的电极部分8a、8b。电极部分7a、7b以分别覆盖层叠体2的侧面2a、2b的中央部分的方式在层叠体2的层叠方向上延伸。电极部分8a、8b分别配置在电极部分7a、7b的外侧，在层叠体2的层叠方向上延伸。电极部分8a、8b以相对于层叠体2的层叠方向具有伸缩性的方式，分别接合于电极部分7a、7b。电极部分7a、7b由例如以Ag、Au以及Cu中的任何一种作为主要成分的导电材料所形成。电极部分8a、8b由例如Cu、Cu合金、Ni、Ni合金以及挠性基板等所形成。

然后，关于上述的压电元件1的制造方法，用图4来加以说明。在图4中，首先，准备将有机粘合剂树脂以及有机溶剂等混合于以PZT作为主要成分的陶瓷粉体中的坯片用的浆料。然后，例如通过刮刀法将坯片用的浆料涂布在载体薄膜之上，形成多枚形成上述的压电体3的坯片9。

接下来，制作将有机粘合剂树脂以及有机溶剂等混合于导电材料中的电极图案用的浆料。导电材料含有Ag以及Pd，例如可以以Ag∶Pd＝85∶15的比例来构成。然后，例如通过丝网印刷将电极图案用的浆料印刷在坯片9之上，在各个坯片9之上形成相当于上述的内部电极4A、4B的电极图案10A、10B。此时，将电极图案10A、10B印刷在坯片9上面中除去对应于上述的非形变部分Q的一端侧部分的区域上。

更进一步，制作将有机粘合剂树脂以及有机溶剂等混合于含有例如BaO的陶瓷粉体中的BaO浆料。所使用的BaO粉体的粒径优选比压电材料粉体的粒径大。然后，例如通过丝网印刷，将BaO浆料印刷在坯片9上面中没有印刷有电极图案10A或者电极图案10B的区域(上述的对应于非形变部分Q的一端侧部分)上，由此形成BaO浆料层11。此时，优选所形成的BaO浆料层11与电极图案10A、10B成为同一个平面的方式印刷BaO浆料。

然后，将形成有电极图案10A以及BaO浆料层11的坯片9和形成有电极图案10B以及BaO浆料层11的坯片9，以指定的顺序进行层叠。之后，将没有形成有电极图案10A、10B以及BaO浆料层11的坯片9作为保护层，按照所指定的枚数在最外层上层叠。由此，形成了坯层叠体12。

然后，在60℃的温度条件下一边加热坯层叠体12一边在层叠方向上进行压制加工，之后，例如用金刚石刀片将该坯层叠体12以指定的尺寸进行切断，从而进行芯片化。由此，如图4所示，电极图案10A、10B以及BaO浆料层11在坯层叠体12的侧面露出。

之后，将切断后的坯层叠体12装载于装定器，在大约400℃的温度条件下进行10小时程度的坯层叠体12的脱脂(脱粘合剂)处理。然后，将脱脂后的坯层叠体12放入耐火粘土炉内，在例如950～1000℃的温度条件下对坯层叠体12进行2小时程度的烧结。由此烧结坯片9、电极图案10A、10B以及BaO浆料层11，从而得到了作为烧结体的层叠体2。

此时，由于BaO浆料层11与坯片9由不一样的组成系的材料所形成，所以，BaO浆料层11与坯片9的烧结反应性被抑制，在两者之间没有发生不需要的化学反应。并且，由于BaO浆料层11的熔点比坯片9的烧结温度还要高，所以BaO浆料层11与坯片9相比较不容易烧结。因此，烧结后，BaO浆料层11成为与压电体3的结合强度低的应力缓和体5。

由于BaO浆料层11是以与电极图案10A、10B成为同一平面的方式形成，所以，能够防止起因于BaO浆料层11和电极图案10A、10B之间的段差的坯层叠体12的歪斜的发生。

然后，在层叠体2的侧面2a、2b上分别形成外部电极6A、6B。具体而言，例如将以Ag为主要成分的导电浆料用丝网印刷法印刷在层叠体2的侧面2a、2b上，通过例如在700℃程度的温度条件下进行烧接处理，在层叠体2的侧面2a、2b上分别形成电极部分7a、7b。作为电极部分7a、7b的形成方法，也可以使用溅射法和无电解镀法。之后，例如由铅锡焊接将波形状的电极部分8a、8b分别接合于电极部分7a、7b。

最后，以压电体3的厚度方向的电场强度成为大约2kV/mm的方式，通过例如在120℃的温度条件下施加例如3分钟的指定的电压，来进行极化处理。此时，应力集中于层叠体2的非形变部分Q，但由于在非形变部分Q中形成有多层应力缓和体5，所以，非形变部分Q所承受的应力由于应力缓和体5而得到缓和。因此，不容易产生在层叠体2的层叠方向上的缝隙等。通过如上所述的过程，完成了如图1～图3所示的压电元件1的制作。

在如此制造的压电元件1中，当在外部电极6A、6B之间施加电压时，电压施加在与外部电极6A、6B相连接的内部电极4A、4B之间，在两者之间产生电场，在层叠体2的形变部分P上的压电体3在层叠体2的层叠方向上发生位移。即使在此时，虽然应力在层叠体2的非形变部分Q上集中，但如上所述，非形变部分Q所承受的应力由于应力缓和体5而得以缓和。因此，即使在这种情况下，也不容易产生在层叠体2的层叠方向上的缝隙等。

但是，作为形成应力缓和体5的材料而使用Al₂O₃、SiO₂、P₂O₅等的与Pb系材料发生反应从而形成液相的材料的情况下，这些材料不与PZT固溶而容易成为晶界成分。因此，例如在烧成含有Al₂O₃浆料层的坯层叠体的时候，Al₂O₃在坯片9的晶界析出。因此，妨碍PZT的粒子成长，在坯片9中的每个单位厚度的晶界的数目较多。在该情况下，在制造后的压电元件中，在将电压施加于外部电极6A、6B之间从而将电场施加于内部电极4A、4B之间时，由于压电体3的晶界而发生热损失。其结果，相对于所施加的电场的压电体3的位移不够充分，从而导致压电特性降低。另外，BaO的硬度比ZrO2低，可以起到更好的应力缓冲作用。

相对于此，在本实施方式中，作为形成应力缓和体5的材料，使用BaO等固溶于PZT的材料。由此，在烧成坯层叠体12时，BaO等的成分不会在坯片9的晶界析出，抑制了坯片9中的每单位厚度的晶界数的增大。因此，在制造后的压电元件1中，在将电压施加于外部电极6A、6B之间从而在将电场施加在内部电极4A、4B之间时，减少了由于压电体3的晶界的热损失的发生。其结果，能够得到相对于所施加的电场的充分的压电体3的位移，从而确保了所期望的压电特性。

由于抑制了压电体3中的每单位厚度的晶界数的增加，所以在层叠体2的层叠方向上的缝隙等更难以产生。

如上所述，根据本实施方式，不会损坏压电元件1的所期望的压电特性，并且在压电元件1的极化处理时和在驱动时，能够防止在层叠体2的层叠方向上的缝隙等的发生。由此，可以防止在内部电极4A、4B之间的短路，从而能够避免压电元件1的绝缘性遭到破坏。其结果，可以提高压电元件1的品质。

图5是涉及第2实施方式的压电元件的侧面图，本实施方式的压电元件1与第1实施方式同样地具备由压电体3、内部电极4A、4B以及应力缓和体5形成的层叠体2。应力缓和体5形成在，在层叠体2的非形变部分Q中，在层叠体2的层叠方向上邻接的内部电极4A、4B之间的层中。应力缓和体5被形成为，从层叠体2的非形变部分Q略微向形变部分P中进入。

在制造如此的压电元件1的时候，与第1实施方式同样地形成多个坯片9，并在各个坯片9上分别形成电极图案10A、10B。在形成有电极图案10A或者电极图案10B的坯片9不同的坯片9的两端部分上(包含对应于非形变部分Q的区域和对应于形变部分P的区域的一部分的部分)，形成BaO浆料层11。

在形成电极图案10A、10B以及BaO浆料层11后，将形成有电极图案10A的坯片9、和形成有电极图案10B的坯片9、以及形成有BaO浆料层11的坯片9按指定的顺序进行层叠。将没有形成有电极图案10A、10B以及BaO浆料层11的坯片9作为保护层层叠在最外层。由此，形成了坯层叠体12。

其后，通过实施与第1实施方式同样的压制加工、切断、脱脂(脱粘合剂)以及烧成而得到层叠体2。之后，在层叠体2的侧面2a、2b上设置外部电极6A、6B，最后通过进行极化处理，完成如图5所示的压电元件1。

即便是在本实施方式的压电元件中，也没有损坏所指望的压电特性，并且能够防止在层叠体2的层叠方向上的缝隙等的发生。由于应力缓和体5以从非形变部分Q进入形变部分P的区域内的方式形成，所以，即使在层叠体2的形变部分P上产生缝隙等，该缝隙等也容易沿着应力缓和体5在与层叠体的层叠方向垂直的方向(横向)上延伸。由此，更加能够确实地防止在层叠体2的层叠方向上的缝隙等的发生。

另外，本发明不限于上述实施方式。例如，关于层叠体2的层构造，可以有各种各样的变形。例如，可以在层叠体2的层叠方向上邻接的内部电极4A、4A之间或在内部电极4B、4B之间设置应力缓和体5。另外，也可以在层叠体2的层叠方向上邻接的内部电极之间，从层叠体2的侧面2a到侧面2b为止全面地设置应力缓和体5。

在本发明的压电元件中，应力缓和体被设置于层叠体的非形变部分中。该应力缓和体是由熔点比压电体的烧结温度还要高的材料所形成。为此，在元件的制造工序中在实施层叠体的烧成时，应力缓和体与压电体相比没有被充分烧结，所以成为与压电体的接合强度低的层。因此，在第1电极和第2电极之间施加电压时，两者之间产生电场，在层叠体的形变部分中的压电体在层叠体的层叠方向上发生位移，应力集中在层叠体的非形变部分中，但由于上述的应力缓和体，非形变部分所承受的应力得到有效的缓和。由此，能够防止在层叠体的层叠方向上的缝隙等的发生。

另外，应力缓和体由固溶于压电体的材料形成。为此，在进行层叠体的烧成时，应力缓和体的成分难以在压电体的晶界上析出，从而抑制了在压电体中每单位厚度的晶界数目的增大。因此，认为在将电场施加于第1电极和第2电极之间时遏制了在晶界上所产生的热损失。因此，在本发明的压电元件中，相对于驱动时所施加的电场可以得到充分的位移量，能够确保所期望的压电特性。另外，由于在压电体中的每单位厚度的晶界的数目变少，因此就更加难以生成在层叠体的层叠方向上的缝隙等。

由于优选压电体由以钛锆酸铅为主要成分的压电材料形成。BaO是熔点比钛锆酸铅的烧结温度还要高并且是能够固溶于钛锆酸铅的材料。因此，通过将其作为应力缓和体，可以确实地形成作为应力缓和用的恰当的应力缓和体。

由于优选应力缓和体形成于与内部电极相同的层。此时，通过以应力缓和体的厚度和内部电极的厚度大致相同的形式来制造元件，在实施层叠体的烧成时，能够减轻由于应力缓和体与内部电极的段差而引起的层叠体的歪斜的影响。

由于优选应力缓和体被形成在第1电极和第2电极之间的层中进入于形变部分中。此时，即使在层叠体的形变部分上产生了缝隙等，该缝隙等也容易沿着应力缓和体在与层叠体的层叠方向垂直的方向上延伸。由此，就更能够更确实地防止在层叠体的层叠方向上的缝隙等的发生。

从以上对本发明的描述可明显得知，本发明可以以许多形态来进行变化。而这些变化将不能被认为超过了本发明的技术思想和范围。并且，对于本领域技术人员而言，这些显而易见的变型方式都包括在本发明权利要求书的范围之内。

Claims

1.一种包括BaO应力缓冲体的压电元件，其特征在于：

所述多个内部电极包含第1电极以及第2电极，

2.如权利要求项1所述的压电元件，其特征在于：所述应力缓和体形成于与所述内部电极相同的层。

3.如权利要求项1或2所述的压电元件，其特征在于：所述应力缓和体被形成为，在所述第1电极和所述第2电极之间的层中进入于所述形变部分中。

4.如权利要求项1所述的压电元件，其特征在于：压电体的材料为

Pb0.999[(Zn1/3Nb2/3)0.11Ti0.425Zr0.465]O₃+0.2wt％Fe₂O₃+0.2wt％Sb₂O₃。

5.如权利要求项1或4所述的压电元件，其特征在于：所述压电体材料的粉体材料的平均粒径为大约0.6μm。

6.如权利要求项5所述的压电元件，其特征在于：所述应力缓和体的粉体材料的粒径比压电材料的粉体的粒径大。

7.如权利要求项6所述的压电元件，其特征在于：所述应力缓和体的粉体材料的粒径为大约1.2μm。

8.如权利要求项1所述的压电元件，其特征在于：第1电极以及第2电极的材料含有Ag和Pd。

9.如权利要求项1或8所述的压电元件，其特征在于：第1电极以及第2电极的材料含有比例为85∶15的Ag和Pd。