CN107591476A - 压电元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电元件,在该压电元件中,制作压电元件的过程中在烧成的时候产生于非活性部的内部应力或从外部被附加到非活性部的应力由第1通孔导体下面的低洼部和第2通孔导体上面的低洼部而被缓和。由此,例如通孔导体的变形或断裂等被抑制,并且发生电极层或通孔导体的导通不良或断线的事态被抑制。而且,在非活性部分中,因为压电体层的突部进入到通孔导体的低洼部,所以相对于通孔导体的压电体层的保持力增加,并且通孔导体的变形被抑制或者被阻碍。
Description
技术领域
本发明涉及压电元件。
背景技术
一直以来,作为压电元件已知薄型的层叠型压电元件。在这样的压电元件中,表面电极或内部电极等电极层之间通过侧面电极或者被贯穿设置于压电体层的通孔导体来谋求导通。
上述的侧面电极一般是由烧结或溅射、蒸镀等来设置于素体的侧面的,像这样的侧面电极因为露出于外部所以容易因外部因素而破损或劣化。另外,由于上述的通孔导体位于素体的内部,所以相对于外部因素具有较高的耐受性。在日本专利特开2004-207340号公报(引用文献1)中,公开有通过通孔导体来谋求电极之间的导通的致动器(actuator)。
发明内容
根据本公开,能够提供一种能够谋求到连接可靠性的提高的压电元件。
本发明的一个侧面所涉及的压电元件是一种具备电极层和压电体层被交替层叠的层叠体的压电元件;层叠体具有包含被贯穿设置在被重叠于电极层的一面上的第1压电体层的第1通孔导体、和被贯穿设置在重叠于该电极层的另一面上的第2压电体层的第2通孔导体的层叠部分;在层叠部分中,第1通孔导体在第2压电体层侧的端面上具有第1低洼部,并且第2压电体层具有进入到第1低洼部的突部,第2通孔导体在第1压电体层侧的端面上具有第2低洼部,并且第1压电体层具有进入到第2低洼部的突部。
在上述压电元件的层叠部分中,在该层叠部分的内部产生应力或从外部附加应力时,该应力通过电极层的一面侧的第1通孔导体的第1低洼部以及电极层的另一面侧的第2通孔导体的第2低洼部而被缓和。由此,在上述层叠部分中,发生电极层或通孔导体的导通不良或断线的事态被抑制。而且,上述层叠部分中,第2压电体层的突部进入到第1通孔导体的第1低洼部,并且第1压电体层的突部进入到第2通孔导体的第2低洼部,从而相对于各个通孔导体的压电体层的保持力增加。由此,各个通孔导体的位移或变形被抑制,并且进一步抑制了在上述层叠部分发生导通不良或断线的事态。
本发明的另一个侧面所涉及的压电元件具有在施加电压的时候压电体层中产生电场而变形的活性部、在施加电压的时候压电体层中不产生电场的非活性部,层叠部分位于非活性部,从层叠体的层叠方向观察,第1通孔导体和第2通孔导体沿着活性部和非活性部的排列方向相邻接。活性部在极化时或在驱动时发生变形,伴随于该活性部变形的应力和形变等被附加于非活性部。但是,上述层叠部分中,由于第1通孔导体在第2压电体层侧的端面上具有第1低洼部并且第2通孔导体在第1压电体层侧的端面上具有第2低洼部,所以上述的应力或形变被缓和,由此,在上述层叠部分中的发生导通不良或断线的事态被抑制。
本发明的另一个侧面所涉及的压电元件中,第1通孔导体的厚度薄于第1压电体层的厚度,或者,第2通孔导体的厚度薄于第2压电体层的厚度。
本发明的一个侧面所涉及的压电元件具备具有层叠部分的层叠体,所述层叠部分包含一对电极层、介于该一对电极层之间的压电体层和被贯穿设置于该压电体层的通孔导体,在层叠部分具有接近于通孔导体的空隙。
上述压电元件中,在层叠部分接近于通孔导体的空隙缓和了通孔导体周边的应力或形变。由此,在上述层叠部分发生电极层或通孔导体的导通不良或断线的事态被抑制。
本发明的另一个侧面所涉及的压电元件具有在施加电压的时候压电体层中产生电场而变形的活性部、和在施加电压的时候压电体层中不产生电场的非活性部,层叠部分位于非活性部。活性部因为在极化时或在驱动时发生变形,所以为了极力回避伴随于该变形的应力或形变的影响,包含通孔导体的层叠部分位于非活性部。
本发明的另一个侧面所涉及的压电元件其通孔导体的端面的面积小于层叠体的层叠方向上的通孔导体的中心位置处的截面的面积。如果由这样的尺寸形状的通孔导体,则被附加于层叠部分的应力或形变被缓和。
本发明的一个侧面所涉及的压电元件具备具有层叠部分的层叠体,所述层叠部分包含一对电极层、介于该一对电极层之间的压电体层、被贯穿设置于该压电体层的通孔导体,该层叠部分中,通孔导体的层叠体的层叠方向上的两个端部分别形成有低洼部。
上述压电元件中,因为在通孔导体的两端部形成互相靠近的低洼部,所以通孔导体的层叠体的层叠方向上的长度在两端部的低洼部相对的部分处变短。因为电阻值与导体的长度成比例,所以通过如上所述通孔导体的长度变短从而电阻被降低。由此,在通孔导体上发生导通不良的事态被抑制,并且能够谋求压电元件的连接可靠性的提高。
本发明的另一个侧面所涉及的压电元件具有在施加电压的时候压电体层中产生电场而变形的活性部、在施加电压的时候压电体层中不产生电场的非活性部,层叠部分位于非活性部。活性部因为在极化时或在驱动时发生变形,所以为了极力回避伴随于该变形的应力或形变的影响,因而包含通孔导体的层叠部分要位于非活性部。
本发明的另一个侧面所涉及的压电元件其压电体层具有进入到通孔导体的低洼部的突部。在此情况下,相对于通孔导体的压电体层的保持力增加。由此,就抑制了通孔导体的位移或变形,并且抑制了在上述层叠部分上发生导通不良或断线的事态。
本发明的另一个侧面所涉及的压电元件其通孔导体的两端部的端面面积小于层叠体的层叠方向上的通孔导体的中心位置处的截面面积。通过这样的尺寸形状的通孔导体,附加于层叠部分的应力或形变被缓和。
本发明的一个侧面所涉及的压电元件具备具有层叠部分的层叠体,所述层叠部分包含一对电极层、介于该一对电极层之间的压电体层、被贯穿设置于该压电体层的通孔导体,通孔导体包含加宽部分,所述加宽部分的垂直于层叠体的层叠方向的截面的面积大于通孔导体的层叠体的层叠方向上的端面的面积。
在上述压电元件中,相对于通孔导体附加了层叠体的层叠方向的形变的时候,该形变被加宽部分抑制。因此,与具有不包含加宽部分的通孔导体的现有压电元件相比,上述压电元件能够抑制发生电极层或通孔导体的导通不良或断线的事态。
本发明的另一个侧面所涉及的压电元件具有在施加电压的时候压电体层中产生电场而变形的活性部、在施加电压的时候压电体层中不产生电场的非活性部,层叠部分位于非活性部。活性部因为在极化时或在驱动时发生变形,所以为了极力回避伴随于该变形的应力或形变的影响而包含通孔导体的层叠部分要位于非活性部。
本发明的另一个侧面所涉及的压电元件其通孔导体的加宽部分处于层叠体的层叠方向上的通孔导体的中心位置。
另外,压电体层进入到加宽部分的突部与电极层之间。在此情况下,由于进入到加宽部分的突部与电极层之间的部分的压电体层抑制了通孔导体的形变,所以能够进一步抑制在上述层叠部分发生导通不良或断线的事态。
本发明的一个侧面所涉及的压电元件是一种具备电极层和压电体层被交替层叠的层叠体的压电元件;层叠体具有包含被贯穿设置在被重叠于电极层的一面上的第1压电体层的第1通孔导体、被贯穿设置在重叠于该电极层的另一面上的第2压电体层的第2通孔导体的层叠部分;在层叠部分中,第1通孔导体在第2压电体层侧的端面上具有第1低洼部,并且第2压电体层具有进入到第1低洼部的突部,第2通孔导体在第1压电体层侧的端面上具有第2低洼部,并且第1压电体层具有进入到第2低洼部的突部,并且具有接近于第1通孔导体的第1低洼部以及第2通孔导体的第2低洼部中的至少一方的至少一个空隙。
上所述压电元件的层叠部分中,在该层叠部分的内部产生应力或从外部附加应力时,该应力通过电极层的一面侧的第1通孔导体的第1低洼部以及电极层的另一面侧的第2通孔导体的第2低洼部而被缓和。由此,在上述层叠部分发生电极层或通孔导体的导通不良或断线的事态被抑制。而且,述层叠部分中,通过第2压电体层的突部进入到第1通孔导体的第1低洼部并且第1压电体层的突部进入到第2通孔导体的第2低洼部,从而相对于各个通孔导体的压电体层的保持力增加。由此,各个通孔导体的位移或变形被抑制,并且进一步抑制了在上述层叠部分发生导通不良或断线的事态。除此之外,上述层叠部分中,因为接近于通孔导体的空隙缓和通孔导体周边的应力或形变,所以能够进一步抑制发生电极层或通孔导体的导通不良或断线的事态。
本发明的另一个侧面所涉及的压电元件具有在施加电压的时候压电体层中产生电场而变形的活性部、在施加电压的时候压电体层中不产生电场的非活性部,层叠部分位于非活性部,从层叠体的层叠方向观察,第1通孔导体和第2通孔导体沿着活性部和非活性部的排列方向相邻接。活性部在极化时或在驱动时发生变形,伴随于该活性部的变形的应力或形变等被附加于非活性部。但是,上述层叠部分中,由于第1通孔导体在第2压电体层侧的端面上具有第1低洼部并且第2通孔导体在第1压电体层侧的端面上具有第2低洼部,所以上述应力或形变被缓和,由此,在上述层叠部分发生导通不良或断线的事态被抑制。
本发明的另一个侧面所涉及的压电元件包含多个空隙,空隙分别接近于第1通孔导体的第1低洼部以及第2通孔导体的第2低洼部。在此情况下,应力或形变分别在通孔导体上被缓和,因而能够进一步抑制在上述层叠部分上发生导通不良或断线的事态。
附图说明
图1是本发明的第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II-II线的截面图。
图3是图1所示的压电元件的非活性部的主要部分放大图。
图4是表示压电元件的压力被附加的时候的情况的图。
图5是表示压电元件的压力被附加的时候的情况的图。
图6是现有技术所涉及的压电元件的非活性部的主要部分放大截面图。
图7是本发明的第2实施方式所涉及的压电元件的分解立体图。
图8是图7所示的压电元件的第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层的平面图。
图9是图7所示的压电元件的第3层、第5层、第7层的压电体层的平面图。
图10是图7所示的压电元件的最上层的压电体层的平面图。
图11是图7所示的压电元件的XI-XI线的截面图。
图12是图7所示的压电元件的非活性部的主要部分放大截面图。
图13是本发明的第3实施方式所涉及的压电元件的立体图。
图14是图13所示的压电元件的XIV-XIV线的截面图。
图15是图13所示的压电元件的非活性部的主要部分放大图。
图16是现有技术所涉及的压电元件的非活性部的主要部分放大截面图。
图17是本发明的第4实施方式所涉及的压电元件的分解立体图。
图18是图17所示的压电元件的第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层的平面图。
图19是图17所示的压电元件的第3层、第5层、第7层的压电体层的平面图。
图20是图17所示的压电元件的最上层的压电体层的平面图。
图21是图17所示的压电元件的XXI-XXI线的截面图。
图22是图17所示的压电元件的非活性部的主要部分放大截面图。
图23是本发明的第5实施方式所涉及的压电元件的立体图。
图24是图23所示的压电元件的XXIV-XXIV线的截面图。
图25是图23所示的压电元件的非活性部的主要部分放大图。
图26是现有技术所涉及的压电元件的非活性部的主要部分放大截面图。
图27是表示与图25不同的形态的图。
图28是本发明的第6实施方式所涉及的压电元件的分解立体图。
图29是图28所示的压电元件的第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层的平面图。
图30是图28所示的压电元件的第3层、第5层、第7层的压电体层的平面图。
图31是图28所示的压电元件的最上层的压电体层的平面图。
图32是图28所示的压电元件的XXXII-XXXII线的截面图。
图33是图28所示的压电元件的非活性部的主要部分放大截面图。
图34是本发明的第7实施方式所涉及的压电元件的立体图。
图35是图34所示的压电元件的XXXV-XXXV线的截面图。
图36是图34所示的压电元件的非活性部的主要部分放大截面图。
图37是现有技术所涉及的压电元件的非活性部的主要部分放大截面图。
图38是本发明的第8实施方式所涉及的压电元件的分解立体图。
图39是图38所示的压电元件的第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层的平面图。
图40是图38所示的压电元件的第3层、第5层、第7层的压电体层的平面图。
图41是图38所示的压电元件的最上层的压电体层的平面图。
图42是图38所示的压电元件的XLII-XLII线的截面图。
图43是图38所示的压电元件的非活性部的主要部分放大截面图。
图44是本发明的第9实施方式所涉及的压电元件的立体图。
图45是图44所示的压电元件的XLV-XLV线的截面图。
图46是图44所示的压电元件的非活性部的主要部分放大图。
图47是表示压电元件的被附加了压力的时候的情况的图。
图48是表示压电元件的被附加了压力的时候的情况的图。
图49是现有技术所涉及的压电元件的非活性部的主要部分放大截面图。
图50是本发明的第10实施方式所涉及的压电元件的分解立体图。
图51是图50所示的压电元件的第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层的平面图。
图52是图50所示的压电元件的第3层、第5层、第7层的压电体层的平面图。
图53是图50所示的压电元件的最上层的压电体层的平面图。
图54是图50所示的压电元件的LIV-LIV线的截面图。
图55是图50所示的压电元件的非活性部的主要部分放大截面图。
具体实施方式
以下参照附图并就本发明的实施方式进行详细说明。在说明过程中,对同一要素或者具有相同功能的要素使用相同符号,并且省略重复的说明。
(第1实施方式)
首先,参照图1以及图2针对第1实施方式所涉及的压电元件10的结构作如下说明。
如图1所示,压电元件10具备具有在一个方向上进行延伸的长方体外形的层叠体20。作为一个例子,层叠体20的尺寸为,其长边方向的长度为2.0mm;短边方向的长度为0.5mm;厚度为0.15mm。如图2所示,层叠体20包含多层电极层30和多层压电体层36、38,并且是通过电极层30和压电体层36、38被交替层叠来构成。在本实施方式中,层叠体20包含3层以上的电极层30,并且包含2层以上的压电体层36、38。在图1和图2中,层叠体20包含电极层30和压电体层36、38各7层。
多层电极层30由Pt构成,并且也能够由Pt以外的导电材料(Ag-Pd合金、Au-Pd合金、Cu、Ag、Ni等)构成。多层电极层30由丝网印刷等来形成图案。多层电极层30由电极图案不同的第1电极层31和第2电极层32以及第3电极层33构成。如图2所示,多层电极层30自上依次交替排列第1电极层31和第2电极层32,最下层为第3电极层33。
第1电极层31的电极图案包含被形成在层叠体20的一个端部20a附近的短图案31a、从短图案31a通过规定的间隙延伸到层叠体20的另一端部20b的长图案31b。第2电极层32的电极图案是与第1电极层31相对称的图案,包含被形成在层叠体20的另一端部20b附近的短图案32a、从短图案32a经由规定的间隙延伸到层叠体20的一个端部20a的长图案32b。第3电极层33为被形成在整个区域的图案(所谓全面积导电图案,solid pattern)。
多层压电体层36、38都是长方形平板状,作为一个例子其长边方向的长度为2.0mm;短边方向的长度为0.5mm;厚度为20μm。各个压电体层36、38例如是由将锆钛酸铅作为主成分的压电陶瓷材料构成,并且含有Zn和Nb等添加物。多层压电体层36、38包含上下设置电极层30的压电体层36和仅上方设置电极层30的最下层的压电体层38。
在压电体层36中,通孔36a被贯穿设置于规定地方,在形成有各个通孔36a的区域形成有连接设置在压电体层36的上下的电极层30彼此的通孔导体40。即,通孔导体40是通过将电极材料填充于被设置在压电体层36中的通孔36a来构成的。
在层叠体20的一端部20a,通孔导体40作为通孔导体42来连接第1电极层31的短图案31a和第2电极层32的长图案32b。因此,第1电极层31的短图案31a以及第2电极层32的长图案32b都与在层叠体20表面的第1电极层31的短图案31a上被连接的外部连接端子T2相电连接,并且具有相同极性。
另外,在层叠体20的另一端部20b,通孔导体40作为通孔导体44来连接第2电极层32的短图案32a和第1电极层31的长图案31b。另外,在层叠体20的另一端部20b,通孔导体40作为通孔导体44来连接第2电极层32的短图案32a和第3电极层33。因此,第2电极层32的短图案32a和第1电极层31的长图案31b以及第3电极层33都与在层叠体20表面的第1电极层31的长图案31b上连接的外部连接端子T1相电连接,并且具有相同极性。
在压电元件10中,因为一对外部连接端子T1、T2被设置于层叠体20的表面并且两个极性的端子露出于单面,所以能够从单面侧取得导通。
如果将电压施加于一对外部连接端子T1、T2之间的话则会有在层叠体20的一个端部20a侧被连接的电极群(即第1电极层31的短图案31a以及第2电极层32的长图案32b)与在另一端部20b侧被连接的电极群(即第1电极层31的长图案31b和第2电极层32的短图案32a以及第3电极层33)不相同的极性。此时,被层叠体20的两端部20a、20b夹住的部分例如在中央附近互相重叠的第1电极层31的长图案31b与第2电极层32的长图案32b之间产生电场并且位于这两图案之间的压电体层36的部分对应于极化方向发生变形(伸长或收缩)。因此,被层叠体20的两端部20a、20b夹住的部分成为在电压被施加于一对外部连接端子T1、T2之间的时候发生变形的活性部Sb。
由于层叠体20的一个端部20a附近是相同极性的电极层部分31a、32b互相重叠的层叠部分,所以即使将电压施加于一对外部连接端子T1、T2之间也基本上不会发生变形。因此,层叠体20的一个端部20a附近成为即使施加电压也不会发生变形的非活性部Sa。从不发生大位移的观点出发,非活性部Sa适合于上述的通孔导体40的设置。由于层叠体20的另一端部20b附近也是相同极性的电极层部分31b、32a互相重叠的层叠部分,所以与一个端部20a附近同样成为即使施加电压也不会发生变形的非活性部Sa。就这样,在压电元件10中,沿着层叠体20的长边方向排列非活性部Sa和活性部Sb。
由于压电体层38仅在其上设置第3电极层33,所以与层叠体20的两端部20a、20b同样即使在一对外部连接端子T1、T2之间施加电压也基本上不会发生变形。在压电体层38上贯穿设置通孔导体46。通孔导体46可以通过将电极材料填充于被设置于压电体层38的通孔来构成。通孔导体46是一种不以电极层30的导通为目的的假性通孔导体,例如可以用于识别元件的表里或极性。
在层叠体20中,通孔导体42、44、46仅被设置于即使将电压施加于一对外部连接端子T1、T2之间也不会实质性地发生变形的部分(即两端部20a、20b以及最下层的压电体层38)。
接着,参照图3并就非活性部Sa中的电极层30以及压电体层36的结构作如下说明。图3表示了层叠体20的另一端部20b侧的非活性部Sa的截面。
如图3所示,在非活性部Sa中,具有相同极性的电极层30(更为详细地来说应该是电极层31b、32a)通过压电体层36进行重叠。另外,为了便于说明,自上侧起依次将互相重叠的电极层30称为第1层30A、第2层30B、第3层30C、第4层30D。另外,将介于第1层30A与第2层30B之间的压电体层36特别地称为第1压电体层36A,并将介于第2层30B与第3层30C之间的压电体层36特别称为第2压电体层36B,将介于第3层30C与第4层30D之间的压电体层36特别称作为第3压电体层36C。
相邻的第1层30A、第2层30B、第3层30C、第4层30D的层间由被贯穿设置于压电体层36的通孔导体40而被连接。例如,被贯穿设置于第1压电体层36A的第1通孔导体40A连接位于上下的第1层30A和第2层30B。被贯穿设置于第2压电体层36B的第2通孔导体40B连接位于上下的第2层30B和第3层30C。被贯穿设置于第3压电体层36C的第3通孔导体40C连接位于上下的第3层30C和第4层30D。
但是,从厚度方向(层叠体20的层叠方向)观察,上下相邻的通孔导体40彼此不重叠而相邻接。具体来说,从厚度方向观察,第1压电体层36A的第1通孔导体40A和第2压电体层36B的第2通孔导体40B不重叠而是在层叠体20的长边方向(图的左右方向)上错开而配置。另外,从厚度方向观察,第2压电体层36B的第2通孔导体40B和第3压电体层36C的第3通孔导体40C也是不重叠而是在图的左右方向上错开而配置。从厚度方向观察,第3压电体层36C的第3通孔导体40C与第1压电体层36A的第1通孔导体40A为重叠。通孔导体40的错开量例如优选为通孔导体40的最大半径以上,更加优选为通孔导体40的最大直径以上。
接着,就制作上述的压电元件10的步骤作如下说明。
首先,将胶粘剂以及有机溶剂等添加到用于形成压电体层36的压电陶瓷粉中并做成浆料。然后,使用例如刮刀法将所获得的浆料制作成多枚规定尺寸的坯料薄片。此时,调整增塑剂相对于胶粘剂的比例,以进行充分变形。
在各个坯料薄片上使用YAG激光在要形成通孔导体40的地方形成通孔。
以成为上述图案的形式使用丝网印刷法在各个坯料薄片上涂布形成成为电极层30的电极浆料[例如Pd-Ag合金(Pd∶Ag=3∶7)]。如果涂布电极浆料的话,则电极浆料被填充于形成在坯料薄片上的通孔中,但是根据电极浆料的收缩率来调整电极浆料对通孔的填充率。
接下来,使分别被印刷了电极浆料的多片坯料薄片重叠并进一步实行热等静压(WIP:Warm Isostatic Press)等加压处理,从而获得层叠体坯料。就热等静压而言例如在大约80℃的温度条件下以大约50MPa进行加压。此时,使会成为通孔部附近的电极层的部分在高温等压下弯曲。
然后,烧成所获得的层叠体坯料。具体地来说将层叠体坯料放置于以稳定氧化锆构成的托架(setter)并实行脱胶粘剂处理,进一步将放置了层叠体坯料的托架放入到稳定氧化锆质的匣钵,并以大约1100℃进行烧成。
在烧成后实施规定的极化处理,从而完成压电元件10的制作。就极化处理而言例如在100℃的温度条件下施加3分钟电场强度为2kV/mm的电压。
在由上述的步骤制得的压电元件10中,如图3所示,通孔导体40其上下面在通孔导体40侧凹陷并形成低洼部40a。例如,被贯穿设置于第1压电体层36A的第1通孔导体40A在上面具有凹陷于第1通孔导体40A的一侧(图3中的下侧)的低洼部40a,并且在下面(第2压电体层36B侧的端面)具有在第1通孔导体40A的一侧(图3中的上侧)凹陷的低洼部40a。同样,第2通孔导体40B以及第3通孔导体40C也分别在上下面具有低洼部40a。如图3所示第1通孔导体40A的厚度和第2通孔导体40B的厚度以及第3通孔导体40C的厚度都成为薄于压电体层36的厚度。
然后,压电体层36的突部36b分别进入到被形成于各个通孔导体40的低洼部40a。例如,第2压电体层36B的朝上的突部36b进入到第1通孔导体40A的下面的低洼部(第1低洼部)40a。另外,第1压电体层36A的朝下的突部36b进入到第2通孔导体40B的上面的低洼部(第2低洼)40a。
这样的通孔导体40的形状、电极层30的形状以及压电体层36的形状被认为是通过在压电元件10的制作时在高温等压条件下使通孔附近的电极层弯曲来获得的。
如同以上所说明的那样,压电元件10是一种具备有多层电极层30和多层压电体层36被交替层叠的层叠体20的压电元件,层叠体20中,作为包含被贯穿设置在重叠于电极层30B的一面上的第1压电体层36A的第1通孔导体40A、和被贯穿设置在重叠于该电极层30B的另一面上的第2压电体层36B的第2通孔导体40B的层叠部分,具有非活性部Sa。于是,在非活性部Sa中,第1通孔导体40A在下表面(第2压电体层36B侧的端面)具有第1低洼部40a并且具有第2压电体层36B进入到第1低洼部40a的突部36b,第2通孔导体40B在上表面(第1压电体层36A侧的端面)具有第2低洼部40a并且具有第1压电体层36A进入到第2低洼部40a的突部36b。
就上述的压电元件10而言,在制作压电元件10的过程中的烧成的时候在非活性部Sa产生的内部应力(即由烧成时的收缩引起的残留应力)或从外部附加到非活性部Sa的应力由第1通孔导体40A的下表面的低洼部40a和第2通孔导体40B上表面的低洼部40a而被缓和。由此,例如通孔导体40的变形或断裂等被抑制并且非活性部Sa中的电极层30或通孔导体40发生导通不良或断线的事态被抑制。
而且,就非活性部Sa而言,因为压电体层36的突部36b进入到通孔导体40的低洼部40a,所以相对于通孔导体40的压电体层36的保持力增加。与通孔导体40的上下面为平坦面且压电体层不进入的结构相比,压电体层36的突部36b进入到通孔导体40的低洼部40a的结构中,通孔导体40的位移或变形被抑制或者被阻碍。由此,能够进一步抑制非活性部Sa中发生导通不良或断线的事态。
特别是在上述的非活性部Sa中,从层叠体20的层叠方向观察,由于第1通孔导体40A和第2通孔导体40B相邻接,所以从层叠体20的层叠方向观察,第1压电体层36A的朝下的突部36b和第2压电体层36B的朝上的突部36b相邻接。因此,互相面对面错开的两突部36b作为楔子来有效地发挥作用,被第1压电体层36A和第2压电体层36B夹住的第2层30B的移动(即层叠体20的层叠方向以及面方向的移动)被有效地限制。因此,非活性部Sa中发生导通不良或断线的事态被进一步抑制。
还有,就压电元件10而言,由于层叠体20的一个端部20a侧的非活性部Sa具有与上述的另一端部20b侧的非活性部Sa相同的电极层30和压电体层36以及通孔导体40的结构,所以即使是一个端部20a侧的非活性部Sa也能够获得与上述相同的效果。
另外,就压电元件10而言伴随于活性部Sb中的伸缩或振动等变形,从活性部Sb向非活性部Sa附加应力或形变的时候,那样的应力或形变也被缓和。
在此,参照图4以及图5并针对从活性部Sb向非活性部Sa附加的应力或形变作如下说明。
图4表示了通过一对外部连接端子T1、T2之间的电压的施加从而活性部Sb在层叠体20的长边方向上伸长的时候的非活性部Sa的状况。此时,来自活性部Sb与非活性部Sa的排列方向即层叠体20的长边方向的压缩应力或压缩形变被附加于非活性部Sa。因此,非活性部Sa在层叠体20的长边方向上整体地收缩。但是,因为非活性部Sa内的通孔导体40以及压电体层36具有上述的结构,所以通过对应于非活性部Sa的收缩加深低洼部40a的深度从而缓和相对于电极层30的压缩应力以及压缩形变。这样的通孔导体40的低洼部40a的深化即使是在非活性部Sa从高度方向被拉伸的时候也会发生。
图5表示了通过一对外部连接端子T1、T2之间的电压的施加,活性部Sb在层叠体20的长边方向上进行收缩的时候的非活性部Sa的状况。此时,来自活性部Sb与非活性部Sa的排列方向即层叠体20的长边方向的拉伸应力或拉伸形变被附加于非活性部Sa。因此,非活性部Sa在层叠体20的长边方向整体伸长。但是,由于非活性部Sa内的通孔导体40以及压电体层36具有上述的结构,所以通过对应于非活性部Sa的伸长减小低洼部40a的深度,从而相对于电极层30的拉伸应力以及拉伸形变被缓和。即使是在非活性部Sa从高度方向被压缩的时候这样的通孔导体40的低洼部40a的平坦化也会发生。
在图6中表示了现有技术所涉及的压电元件的非活性部的主要部分放大截面图。在图6中符号52、54、56分别表示电极层、压电体层以及通孔导体。如图6所示,现有技术所涉及的压电元件的非活性部的通孔导体56的上下面为平坦面且没有低洼部,因此,就现有技术所涉及的压电元件而言,不能够缓和被附加于非活性部的应力或形变。其结果会发生电极层52从通孔导体56脱离或者断线的事态。
即,现有技术所涉及的压电元件具有电极层52和压电体层54交替重叠的层叠体,层叠体是通过烧成重叠了电极材料和压电材料的叠合体来获得的,但是容易在层叠体内部产生起因于其烧成时的收缩的残留应力。特别是由于电极层52和压电体层54构成材料或物性不同,所以会有应力集中于其界面或界面周边的倾向。于是,在烧成时等所产生的应力成为电极层52或通孔导体56中的导通不良或断线的原因,因而降低了压电元件的连接可靠性。
就上述的压电元件10而言,对于在极化时或驱动时从活性部Sb向非活性部Sa被附加的应力或形变来说也被缓和。由此,在上述层叠部分发生电极层30或通孔导体40的导通不良或断线的事态被抑制。
(第2实施方式)
接着,参照图7~图10并针对第2实施方式所涉及的压电元件100的结构作如下说明。
如图7所示,压电元件100是通过形成有单个电极102的多层压电体层103和形成有共用电极104的多层压电体层105被交替层叠并且进一步通过形成有端子电极117、118的压电体层107被层叠于最上层来构成的。
压电元件100具备具有在一个方向上延伸的长方体外形的层叠体101。作为一个例子,层叠体101的尺寸为:长边方向的长度为30.0mm;短边方向的长度为15.0mm;厚度为0.30mm。
压电体层103、105、107都为长方形平板状,作为一个例子,其长边方向的长度为30.0mm;短边方向的长度为15.0mm;厚度为30μm。各个压电体层103、105、107例如是由将锆钛酸铅作为主成分的压电陶瓷材料构成,并且含有Nb、Sr等添加物。
各个压电体层103、105、107是由以锆钛酸铅作为主成分的压电陶瓷材料构成,并且被形成为例如“15mm×30mm,厚度为30μm”的长方形薄板状。另外,单个电极102和共用电极104以及端子电极117、118可以由Ag-Pd合金(70wt%的Ag,30wt%的Pd)构成,也能够由Ag-Pd合金以外的导电材料(Ag-Pt合金、Au-Pd合金、Cu、Ni等)来构成。是由丝网印刷形成图案的电极。
在从最上层的压电体层107开始数第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层103的上表面,如图8所示交错配置有多个长方形的单个电极102。各个单个电极102是以其长边方向与压电体层103的长边方向相垂直的方式被配置,相邻的单个电极102、102通过取得规定的间隔来达到电气独立性,并且防止了由互相振动带来的影响。
在此,如果将压电体层103的长边方向设为列方向且将与该长边方向相垂直的方向设定为行方向的话,则单个电极102例如被排列成4行并以交错状配置。因为通过交错配置多个的单个电极102,从而能够相对于压电体层103进行高效率配置,所以既能够在压电体层103上维持有助于变形的活性部的面积,又能够谋求到压电元件100的小型化或者单个电极102的高集成化。
各个单个电极102中,将在与所接近的单个电极之间相对的端部设定为连接端部102a并在该连接端部102a的正下方如图11所示连接于被贯穿设置在压电体层103上的通孔导体114。通孔导体114是通过将电极材料填充于被设置在压电体层103的通孔103a来构成的。
再有,在压电体层103的上表面的边缘部上形成有用于电连接位于上下的压电体层105的共用电极104彼此的中继电极106。该中继电极106在其正下方被连接于被贯穿设置在压电体层103上的通孔导体114。
还有,在最下层的压电体层103的上表面也与上述的第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层103同样交错配置单个电极102。但是,最下层的压电体层103在不形成中继电极106以及通孔导体114这一点上与第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层103不同。
另外,在从最上层的压电体层107开始数第3层、第5层、第7层、第9层的压电体层105的上面如图9所示在层叠体101的层叠方向(即层叠型压电元件100的厚度方向)上以与压电体层103的各个连接端部102a相对的形式形成中继电极116。各个中继电极116在其正下方如图11所示被连接于被贯穿设置在压电体层105上的通孔导体114。通孔导体114是通过将电极材料填充于被设置在压电体层105的通孔105a来构成的。
再有,在压电体层105的上表面形成有共用电极104。该共用电极104隔着规定间隔分别包围第1行以及第2行的中继电极116的集合、第3行以及第4行的中继电极116的集合,并且从层叠方向观察,与除去各个单个电极102的连接端部102a的部分相重叠。由此,能够将在压电体层103、105上与除去各个单个电极102的连接端部102a的部分相对的部分整体作为有助于变形的活性部(图11的活性部Sb)来进行有效使用。另外,共用电极104是从压电体层105的外周部隔着规定的间隔而形成,并且以在层叠方向上与压电体层103的中继电极106进行相对的方式被连接于被贯穿设置在压电体层105上的通孔导体114。
还有,在第9层压电体层105的上表面也与上述的第3层、第5层、第7层的压电体层105同样形成中继电极116以及共用电极104。但是,第9层的压电体层105在层叠方向上不形成与压电体层103的中继电极106进行相对的通孔导体114,在这一点上与第3层、第5层、第7层的压电体层105不同。
另外,在最上层的压电体层107的上表面,如图10所示,以在层叠方向上与压电体层103的各个单个电极102的连接端部102a进行相对的形式形成端子电极117,并且以在层叠方向上与压电体层103的中继电极106进行相对的形式形成端子电极118。各个端子电极117、118在其正下方被连接于被贯穿设置在压电体层107上的通孔导体114。
在这些端子电极117、118上,为了连接于驱动电源而焊接上FPC(柔性线路板,flexible printed circuit board)等导线。因此,在焊接导线的时候为了容易沾上焊锡而在端子电极117、118中,在由含有Ag以及Pd的导电材料构成的基底电极层上,为了良好地得到焊锡浸润性而形成通过由Ag构成的导电材料而构成的表面电极层。
被形成于最上层压电体层107的端子电极117、118的厚度厚于其它电极层102、104、116的厚度,大约为1~2μm。端子电极117、118的厚度相对于其他电极层102、104、116的厚度优选厚出5~50%,更加优选厚出10~30%。
还有,在最上层的压电体层107的上表面的周缘部上也可以配置假性电极图案。通过将假性电极图案配置于周缘部从而压制时的压力的偏重的情况变少,并且获得能够减少加压处理后的坯料密度的偏差的效果。
如上所述相对于最上层的端子电极118,由形成有电极图案的压电体层103、105、107的层叠,在层叠方向上4个共用电极104介在有中继电极106来进行排列,排列好的各个电极层104、106变成了由通孔导体114来进行电连接。
另外,相对于最上层的各个端子电极117,在层叠方向上5个单个电极102介在有中继电极116来进行排列,排列好的各个电极层102、116如图11所示变成由通孔导体114而被电连接。
还有,从层叠体101的层叠方向观察,如图11所示,相邻的通孔导体114以各个中心轴不重叠的形式而被设计,并以从层叠方向观察,空出规定间隔而沿着单个电极102的延伸方向邻接的形式,被形成于各个压电体层103、105。通过这样配置,相邻的通孔导体114就能够通过通孔导体114切实地做到电连接。
由于层叠型压电元件100成为如同上述的电连接,所以如果将电压施加于规定的端子电极117与端子电极118之间的话,则电压被施加于单个电极102与共用电极104之间,且压电体层103、105被单个电极102和共用电极104夹住的部分即活性部Sb会位移。因此,通过选择施加电压的端子电极117,从而就能够使对应于被配置成阵列状的各个单个电极102的活性部Sb当中排列于选择好的端子电极117之下的活性部Sb在层叠方向上进行位移。如此层叠型压电元件100能够适用于微型泵的阀控制等、需要微小位移的各种各样的装置的驱动源。
另外,单个电极102的连接端部102a与中继电极116重叠的部分因为是相同极性的电极层进行互相重叠的层叠部分,所以即使施加电压也基本上不发生变形。因此,如图11所示,单个电极102的连接端部102a与中继电极116重叠的部分成为无助于变形的非活性部Sa。另外,最上层的压电体层107因为只在下方设置单个电极102,所以即使被施加电压也基本上不发生变形。就层叠体101而言,仅在即使施加电压也实质上不发生变形的部分(即单个电极102的连接端部102a与中继电极116重叠的部分)设置有通孔导体114。
如图11以及图12所示,就非活性部Sa而言具有相同极性的电极层130(更为详细的说,是单个电极102和中继电极116)经由压电体层103、105进行重叠。还有,为了便于说明,从上侧起依次将互相重叠的电极层130称作为第1层130A、第2层130B、第3层130C和第4层130D。另外,特别是将介于第1层130A与第2层130B之间的压电体层103称为第1压电体层136A,特别是将介于第2层130B与第3层130C之间的压电体层105称为第2压电体层136B,特别地,将介于第3层130C与第4层130D之间的压电体层103称为第3压电体层136C。
相邻的第1层130A、第2层130B、第3层130C、第4层130D的层间是由被贯穿设置在压电体层103、105上的通孔导体114来进行连接。但是,从厚度方向(层叠体101的层叠方向)观察,上下相邻的通孔导体114彼此不重叠而邻接。具体地来说,从厚度方向观察,第1压电体层136A的第1通孔导体114A和第2压电体层136B的第2通孔导体114B不重叠而在附图的左右方向(即单个电极102的延伸方向)上被错开配置。另外,从厚度方向观察,第2压电体层136B的第2通孔导体114B和第3压电体层136C的第3通孔导体114C也是不重叠而在附图的左右方向上被错开配置。从厚度方向观察,第3通孔导体114C与第1通孔导体114A相重叠。通孔导体114的错开量例如优选为通孔导体114的最大半径以上,进一步优选为通孔导体114的最大直径以上。
制作压电元件100的步骤与制作上述的压电元件10的步骤相同。即,重叠涂布了规定图案的电极浆料的坯料薄片并实行热等静压等的加压处理,从而获得层叠坯料薄片。此时,使会成为通孔附近的电极层的部分在高温等压条件下弯曲。然后,烧成所获得的层叠体坯料并且实施规定的极化处理,从而完成压电元件100。
在由上述的步骤制得的压电元件100中,如图12所示,通孔导体114其上下面向通孔导体114侧凹陷,从而形成低洼部114a。例如被贯穿设置在第1压电体层136A上的第1通孔导体114A在上表面具有在第1通孔导体114A的一侧凹陷(图12中的下侧)的低洼部114a,并且在下表面(第2压电体层136B侧的端面)具有在第1通孔导体114A的一侧(图12中的上侧)凹陷的低洼部114a。同样,第2通孔导体114B以及第3通孔导体114C也分别在上下面具有低洼部114a。如图12所示,第1通孔导体114A的厚度、第2通孔导体114B的厚度以及第3通孔导体114C的厚度都成为薄于压电体层103、105的厚度。
这样的通孔导体114的形状、电极层130的形状以及压电体层103、105的形状被认为是在制作压电元件100的时候通过在高温等压条件下使通孔附近的电极层弯曲来获得的。
第2实施方式所涉及的压电元件100是一种具备多层电极层130和多层压电体层103、105被交替层叠的层叠体101的压电元件,层叠体101中,作为包含被贯穿设置在重叠于电极层130B的一个面上的第1压电体层136A的第1通孔导体114A、被贯穿设置在重叠于该电极层130B的另一面上的第2压电体层136B的第2通孔导体114B的层叠部分,具有非活性部Sa。于是,在非活性部Sa中,第1通孔导体114A在下表面(第2压电体层136B侧的端面)具有第1低洼部114a并且具有第2压电体层136B进入到第1低洼部114a的突部136b,第2通孔导体114B在上表面(第1压电体层136A侧的端面)具有第2低洼部114a并且具有第1压电体层136A进入到第2低洼部114a的突部136b。
于是,第2实施方式所涉及的压电元件100与上述的第1实施方式所涉及的压电元件10相同,在制作压电元件100的过程中的烧成的时候非活性部Sa中产生的内部应力或从外部被附加到非活性部Sa的应力由第1通孔导体114A下表面的低洼部114a和第2通孔导体140B上表面的低洼部114a而被缓和。由此,例如通孔导体114的变形或断裂等被抑制并且发生电极层130或通孔导体114的导通不良或断线的事态被抑制。
而且,就非活性部Sa而言,因为压电体层103、105的突部136b进入到通孔导体114的低洼部114a,所以相对于通孔导体114的压电体层103、105的保持力增加。与通孔导体114的上下面为平坦面且压电体层不进入的结构相比,压电体层103、105的突部136b进入到通孔导体114的低洼部114a的结构中,通孔导体114的位移或变形被抑制或者被阻碍。由此,非活性部Sa中发生的导通不良或断线的事态被进一步抑制。
特别地,在上述的非活性部Sa中,从层叠体101的层叠方向观察,因为第1通孔导体114A和第2通孔导体114B相邻接,所以从层叠体101的层叠方向观察第1压电体层136A的朝下的突部136b和第2压电体层136B的朝上的突部136b相邻接。因此,互相面对面错开的两突部136b作为楔子有效地行使其功能,被第1压电体层136A和第2压电体层136B夹住的第2层130B的移动(即层叠体101的层叠方向以及面方向的移动)被有效地限制。因此,非活性部Sa中发生导通不良或断线的事态被进一步抑制。
另外,第2实施方式所涉及的压电元件100与上述的第1实施方式所涉及的压电元件10相同,即使对于在极化时或驱动时从活性部Sb向非活性部Sa附加的应力或形变来说也被缓和。由此,在上述层叠部分电极层130或通孔导体114发生导通不良或断线的事态被抑制。
本发明并不限定于上述的第1实施方式以及第2实施方式。例如,压电元件的层叠体的电极层或压电体层的层数如果对于构成上述的层叠部分来说为最低限的必要的层数(即3层以上的电极层和2层以上的压电体层)以上的话,则能够作适当增减。另外,层叠体的总厚度、电极层的厚度以及压电体层的厚度也能够作适当增减。再有,并不限定于第1通孔导体的厚度、第2通孔导体的厚度以及第3通孔导体的厚度都薄于压电体层的厚度的形态,也可以是第1通孔导体的厚度和第2通孔导体的厚度以及第3通孔导体的厚度当中的任意一个都薄于压电体层的厚度的形态。
(第3实施方式)
接下来,参照图13以及图14并就第3实施方式所涉及的压电元件210的结构作如下说明。
如图13所示,压电元件210具备具有在一个方向上进行延伸的长方体外形的层叠体220。作为一个例子,层叠体220的尺寸为:其长边方向的长度为2.0mm;短边方向的长度为0.5mm;厚度为0.15mm。层叠体220如图14所示包含多层电极层230和多层压电体层236、238,并且是通过电极层230和压电体层236、238被交替层叠来构成的。在本实施方式中,层叠体220包含3层以上的电极层230,并且包含2层以上的压电体层236、238。在图13和图14中,层叠体220分别包含电极层230和压电体层236、238各7层。
多层电极层230由Pt构成,并且也可以由Pt以外的导电材料(Ag-Pd合金、Au-Pd合金、Cu、Ni、Ag等)构成。多层电极层230由丝网印刷等来形成图案。多层电极层230由电极图案不同的第1电极层231、第2电极层232以及第3电极层233构成。如图14所示,多层电极层230自上依次交替排列第1电极层231和第2电极层232,最下层就成为第3电极层233。
第1电极层231的电极图案包含形成在层叠体220的一个端部220a附近的短图案231a、从短图案231a经由规定的间隙延伸到层叠体220的另一端部220b的长图案231b。第2电极层232的电极图案是与第1电极层231相对称的图案,包含被形成在层叠体220的另一端部220b附近的短图案232a、从短图案232a经由规定的间隙延伸到层叠体220的一个端部220a的长图案232b。第3电极层233为被形成在全部区域的图案(所谓全面积导电图案)。
多层压电体层236、238都是长方形平板状,作为一个例子其长边方向的长度为2.0mm;短边方向的长度为0.5mm;厚度为20μm。各个压电体层236、238例如是由以锆钛酸铅作为主成分的压电陶瓷材料构成,并且含有Zn和Nb等添加物。多层压电体层236、238包含上下设置电极层230的压电体层236和仅上方设置电极层230的最下层的压电体层238。
在压电体层236上通孔236a被贯穿设置于规定地方,在形成有各个通孔236a的区域中形成有连接位于压电体层236上下的电极层230彼此的通孔导体240。即,通孔导体240是通过将电极材料填充于被设置于压电体层236的通孔236a来构成的。
在层叠体220的一个端部220a,通孔导体240作为通孔导体242连接第1电极层231的短图案231a和第2电极层232的长图案232b。因此,第1电极层231的短图案231a以及第2电极层232的长图案232b都与在层叠体220表面的第1电极层231的短图案231a上连接的外部连接端子T2相电连接,并且具有相同极性。
另外,在层叠体220的另一端部220b,通孔导体240作为通孔导体244来连接第2电极层232的短图案232a和第1电极层231的长图案231b。另外,在层叠体220的另一端部220b,通孔导体240作为通孔导体244来连接第2电极层232的短图案232a和第3电极层233。因此,第2电极层232的短图案232a、第1电极层231的长图案231b和第3电极层233都与层叠体220表面的第1电极层231的长图案231b上连接的外部连接端子T1相电连接,并且具有相同极性。
在压电元件210中,一对外部连接端子T1、T2被设置于层叠体220的表面并且两个极性的端子露出于单面,因此能够从单面侧取得导通。
如果将电压施加于一对外部连接端子T1、T2之间,则在层叠体220的一个端部220a侧连接的电极群(即第1电极层231的短图案231a以及第2电极层232的长图案232b)与在另一端部220b侧被连接的电极群(即第1电极层231的长图案231b和第2电极层232的短图案232a以及第3电极层233)会有不相同的极性。此时,电场产生于被层叠体220的两端部220a、220b夹住的部分,例如中央附近互相重叠的第1电极层231的长图案231b与第2电极层232的长图案232b之间,并且位于这两图案之间的压电体层236的部分根据极化方向发生变形(伸长或收缩)。因此,被层叠体220的两端部220a、220b夹住的部分成为在电压被施加于一对外部连接端子T1、T2之间的时候发生变形的活性部Sb。
由于层叠体220的一个端部220a附近是相同极性的电极层部分231a、232b互相重叠的层叠部分,所以即使将电压施加于一对外部连接端子T1、T2之间也基本上不会发生变形。因此,层叠体220的一个端部220a附近成为即使施加电压也不会发生变形的非活性部Sa。从不发生大位移的观点出发,非活性部Sa适合于上述的通孔导体240的设置。层叠体220的另一端部220b附近也因为是相同极性的电极层部分231b、232a互相重叠的层叠部分,所以与一个端部220a附近相同成为即使施加电压也不会发生变形的非活性部Sa。就这样在压电元件210中沿着层叠体220的长边方向排列非活性部Sa和活性部Sb。
压电体层238因为仅在上方设置第3电极层233,所以与层叠体220的两端部220a、220b相同即使电压被施加于一对外部连接端子T1、T2之间基本上也不会发生变形。在压电体层238上贯穿设置有通孔导体246。通孔导体246能够通过将电极材料填充于被设置在压电体层238的通孔来构成。通孔导体246是一种不以电极层230的导通为目的的假性通孔导体,例如可以用于识别元件的表里或极性。
在层叠体220中,通孔导体242、244、246只被设置于即使将电压施加于一对外部连接端子T1、T2之间也不会实质性地发生变形的部分(即两端部220a、220b以及最下层的压电体层238)。
接着,参照图15并针对非活性部Sa中的电极层230以及压电体层236的结构作如下说明。图15表示了层叠体220的另一端部220b侧的非活性部Sa的截面。
如图15所示,在非活性部Sa中,具有相同极性的电极层230(更为详细地来说应该是电极层231b、232a)经由压电体层236而重叠。另外,为了便于说明,自上侧起依次也将互相重叠的电极层230称为第1层230A、第2层230B、第3层230C、第4层230D。另外,特别地,将介于第1层230A与第2层230B之间的压电体层236称为第1压电体层236A,将介于第2层230B与第3层230C之间的压电体层236称为第2压电体层236B,将介于第3层230C与第4层230D之间的压电体层236称为第3压电体层236C。
相邻的第1层230A、第2层230B、第3层230C、第4层230D的层间由被贯穿设置于压电体层236的通孔导体240而被连接。例如,被贯穿设置于第1压电体层236A的第1通孔导体240A连接位于上下的第1层230A和第2层230B。被贯穿设置于第2压电体层236B的第2通孔导体240B连接位于上下的第2层230B和第3层230C。被贯穿设置于第3压电体层236C的第3通孔导体240C连接位于上下的第3层230C和第4层230D。
但是,从厚度方向(层叠体220的层叠方向)观察,上下相邻的通孔导体240彼此不重叠而相邻接。具体地来说,从厚度方向观察,第1压电体层236A的第1通孔导体240A和第2压电体层236B的第2通孔导体240B不重叠而是在层叠体220的长边方向(附图的左右方向)上被错开配置。另外,从厚度方向观察,第2通孔导体240B和第3压电体层236C的第3通孔导体240C也不重叠而是在附图的左右方向上被错开配置。从厚度方向观察,第3压电体层236C的第3通孔导体240C与第1压电体层236A的第1通孔导体240A重叠。通孔导体240的错开量例如优选为通孔导体240的最大半径以上,更加优选为通孔导体240的最大直径以上。
接下来,针对制作上述的压电元件210的步骤作如下说明。
首先,将胶粘剂以及有机溶剂等添加到用于压电体层236的形成的压电陶瓷粉中并做成浆料。然后,使用例如刮刀法将所获得的浆料制作成多片规定尺寸的坯料薄片。此时,调整增塑剂相对于胶粘剂的比例,以进行充分变形。
在各个坯料薄片上使用YAG激光在要形成通孔导体240的地方形成通孔。
以成为上述图案的形式使用丝网印刷法将成为电极层230的电极浆料[例如Pd-Ag合金(Pd∶Ag=3∶7)]涂布形成于各个坯料薄片上。如果涂布电极浆料的话,则电极浆料被填充于已形成在坯料薄片上的通孔中,但是可以根据电极浆料的粘度或直至干燥为止的时间来调整电极浆料对通孔的填充率。
接下来,将分别印刷了电极浆料的多片坯料薄片重叠并进一步实行热等静压(WIP:Warm Isostatic Press)等加压处理,从而获得层叠体坯料。就热等静压而言例如在大约80℃的温度条件下以大约50MPa进行加压。此时,使会成为通孔部附近的电极层的部分在高温等压条件下弯曲。
然后,烧成所获得的层叠体坯料。具体地来说将层叠体坯料放置于以稳定氧化锆构成的托架(setter)并实行脱胶粘剂处理,进一步将放置了层叠体坯料的托架(setter)放入到稳定氧化锆质的匣钵,并以大约1100℃进行烧成。
在烧成后实施规定的极化处理,从而完成压电元件210的制作。就极化处理而言,例如在100℃的温度条件下施加3分钟电场强度为2kV/mm的电压。
在由上述的步骤制得的压电元件210中,如图15所示,在各个通孔导体240的层叠体220的层叠方向上的两个端部形成低洼部240a。例如,被贯穿设置于第1压电体层236A的第1通孔导体240A在上表面具有在第1通孔导体240A的一侧(图15中的下侧)凹陷的低洼部240a,并且在下表面(第2压电体层236B侧的端面)具有在第1通孔导体240A的一侧(图15中的上侧)凹陷的低洼部240a。同样,第2通孔导体240B以及第3通孔导体240C也分别在上下表面具有低洼部240a。
于是,通孔导体240由于低洼部240a而部分变薄(即层叠方向长度变短)。如图15所示,各个通孔导体240A、240B、240C的低洼部240a部分处的厚度变成薄于压电体层236的厚度。
另外,压电体层236的突部236b分别进入到被形成于各个通孔导体240的低洼部240a。例如,第2压电体层236B的朝上的突部236b进入到第1通孔导体240A的下表面的低洼部240a。另外,第1压电体层236A的朝下的突部236b进入到第2通孔导体240B的上表面的低洼部240a。
认为这样的通孔导体240的形状、电极层230的形状以及压电体层236的形状是通过在压电元件210的制作时在高温等压条件下使通孔附近的电极层弯曲来获得的。
另外,在由上述的步骤制得的压电元件210中,形成接近于各个通孔导体240的多个空隙248。比较详细地来说,多个空隙248分别接近于层叠体220的层叠方向上的各个通孔导体240的端部,并且进入到各个通孔导体240的低洼部240a的形式进行定位。更加详细地来说,空隙248位于进入到通孔导体240的低洼部240a的压电体层236的突部236b。如图15所示,各个空隙248具有沿着电极层230的延伸方向在一个方向上进行延伸的截面。另外,各个空隙248的内部被惰性气体填充。
进一步,在由上述的步骤制得的压电元件210中,通孔导体240成为厚度方向上的中心位置鼓起来的形状。在通孔导体240中,通孔导体240的两端部的端面的面积S1小于通孔导体240的厚度方向上的中心位置的截面的面积S2。
如同以上所说明的那样,压电元件210具备层叠体220,该层叠体220具有作为包含一对电极层230(例如图15的第1层230A和第2层230B)、介于该一对电极层230之间的压电体层236、被贯穿设置于压电体层236的通孔导体240(例如,图15的第1通孔导体240A)的层叠部分的非活性部Sa。于是,在非活性部Sa具有接近于通孔导体240的空隙248。
就上述的压电元件210而言,在非活性部Sa中,接近于通孔导体240的空隙248缓和通孔导体240周边的应力或形变。由此,在上述非活性部Sa中电极层230或通孔导体240发生导通不良或断线的事态被抑制。特别地,在上述的实施方式中,在非活性部Sa中有多个空隙248,且空隙248分别接近于多个通孔导体240。因此,应力或形变分别在多个通孔导体240上被缓和,并且在非活性部Sa中的导通不良或断线发生的事态被进一步抑制。
在图16中表示了现有技术所涉及的压电元件的非活性部的主要部分放大截面图。在图16中,符号252、254、256分别表示电极层、压电体层以及通孔导体。如图16所示,在现有技术所涉及的压电元件的非活性部中,不存在缓和发生于通孔导体256周边的应力或形变的空隙。因此,就现有技术所涉及的压电元件而言,通孔导体256上的应力或形变不会被缓和,因而会有在非活性部中电极层252或通孔导体256的导通不良或断线发生的危险。
即,现有技术所涉及的压电元件具有电极层252和压电体层254进行交替重叠的层叠体,层叠体是通过烧成重叠了电极材料和压电材料的叠合体而获得的,但是起因于其烧成时的收缩的残留应力容易产生于层叠体内部。特别是电极层252和压电体层254因为构成材料或物性不同,所以会有应力集中于其界面或界面周边的倾向。于是,在烧成时等所产生的应力成为电极层252或通孔导体256上的发生导通不良或断线的原因,因而降低了压电元件的连接可靠性。
空隙248的位置并不限于相对于通孔导体240在层叠体220的层叠方向上接近的位置(即竖着排列的位置),也可以是在垂直于层叠方向的方向上接近的位置(即横着排列的位置)。
还有,为了缓和方向或大小多种多样的应力或变形,多个空隙248各自的位置(相对于通孔导体240的相对位置)或尺寸可以不一样,并且可以不均匀以及不规则。并不限于相对于通孔导体240在层叠体220的层叠方向上接近的位置(即竖着排列的位置),也可以是在垂直于层叠方向的方向上接近的位置(即横着排列的位置)。
但是,以进入到通孔导体240的低洼部240a的形式配置的上述的空隙248能够有效地缓和应力或形变,所以多个空隙248当中至少一部分能够存在于上述位置。
另外,压电元件210具有在施加电压的时候在压电体层236产生电场而变形的活性部Sb、在施加电压的时候在压电体层236不产生电场的非活性部Sa,在压电元件210中,上述的层叠部分位于非活性部Sa。如同上述,由于活性部Sb在极化时或驱动时发生变形而产生内部应力或形变,为了极力避免伴随于该变形的应力或形变的影响,包含通孔导体240的层叠部分要位于非活性部Sa。
就压电元件210而言,在制作压电元件210的过程中的烧成的时候在非活性部Sa产生的内部应力(即由烧成时的收缩引起的残留应力)或从外部被附加到非活性部Sa的应力由第1通孔导体240A下面的低洼部240a和第2通孔导体240B上面的低洼部240a缓和。由此,例如通孔导体240的变形或断裂等被抑制并且非活性部Sa中的电极层230或通孔导体240的导通不良或断线发生的事态被抑制。
进一步,在非活性部Sa中,由于压电体层236的突部236b进入到通孔导体240的低洼部240a,所以相对于通孔导体240的压电体层236的保持力增加。因此,与通孔导体256的端面(上下面)平坦并且压电体层254没有进入的结构(参照图16)相比,压电体层236的突部236b进入到通孔导体240的低洼部240a的结构中,通孔导体240的位移或变形被抑制或者被阻碍。其结果是非活性部Sa中的导通不良或断线发生的事态被抑制。
另外,在上述的压电元件210中,通孔导体240成为厚度方向上的中心位置鼓起来的形状,通孔导体240的两端部的端面的面积S1成为小于通孔导体240的厚度方向上的中心位置的截面的面积S2。如果由如此形状的通孔导体240的话则被附加于非活性部Sa的应力或形变被缓和。另外,因为从通孔导体240的厚度方向观察向容易断线的通孔中心部的电场集中被避免,所以能够抑制由电场集中引起的断线。再有,因为通孔导体240的厚度方向上的中心位置的截面的面积S2大于通孔导体240的两端部的端面的面积S1,所以成为在压电体层236内的锚定效应(Anchoring effect)大的通孔结构,通孔导体240的不需要的变形被抑制并且端面形变被缓和。
还有,在压电元件210中,层叠体220的一个端部220a侧的非活性部Sa具有与上述的另一端部220b侧的非活性部Sa相同的电极层230、压电体层236以及通孔导体240的结构,所以即使就一个端部220a侧的非活性部Sa而言也能够获得与上述相同的效果。
(第4实施方式)
接着,参照图17~图20并就第4实施方式所涉及的压电元件300的结构作如下说明。
如图17所示,压电元件300是通过形成有单个电极302的多层压电体层303和形成有共用电极304的多层压电体层305被交替层叠并进一步在最上层层叠形成有端子电极317、318的压电体层307来构成的。
压电元件300具备具有在一个方向上延伸的长方体外形的层叠体301。作为一个例子,层叠体301的尺寸为:其长边方向的长度为30.0mm;短边方向的长度为15.0mm;厚度为0.30mm。
多层压电体层303、307都是长方形平板状,作为一个例子其长边方向的长度为30.0mm;短边方向的长度为15.0mm;厚度为30μm。各个压电体层36例如是由将锆钛酸铅作为主成分的压电陶瓷材料构成,并且含有Nb和Sr等添加物。
各个压电体层303、305、307是由将锆钛酸铅作为主成分的压电陶瓷材料构成,并且被形成为例如“15mm×30mm,厚度为30μm”的长方形薄板状。另外,单个电极302和共用电极304以及端子电极317、318由Ag-Pd合金(Ag70wt%,Pd30wt%)构成,也能够由Ag-Pd合金以外的导电材料(Ag-Pt合金、Au-Pd合金、Cu、Ni等)来构成。是由丝网印刷来形成图案的电极。
在从最上层的压电体层307开始数第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层303的上表面,如图19所示,交错配置多个长方形的单个电极302。各个单个电极302是以其长边方向与压电体层303的长边方向相垂直的形式被配置,相邻的单个电极302、302通过隔开规定的间隔来达到电气独立性,并且防止了由互相振动带来的影响。
在此,如果将压电体层3的长边方向设定为列方向且将与该长边方向相垂直的方向设定为行方向的话,则单个电极302例如被排列成4行并以交错状被配置。因为通过交错配置多个单个电极302从而能够相对于压电体层303进行高效率配置,所以既能够维持在压电体层303上有助于变形的活性部的面积又能够谋求到压电元件300的小型化或者单个电极302的高集成化。
各个单个电极302中,将在与所接近的单个电极之间相对的端部设定为连接端部302a并在该连接端部302a的正下方如图21所示连接于被贯穿设置在压电体层303上的通孔导体314。通孔导体314是通过将电极材料填充于被设置于压电体层303的通孔336a来构成的。
再有,在压电体层303的上表面的边缘部上形成有用于电连接位于上下的压电体层305的共用电极304彼此的中继电极306。该中继电极306在其正下方被连接于被贯穿设置在压电体层303上的通孔导体314。
另外,在最下层的压电体层303的上表面,也与上述的第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层303同样交错配置有单个电极302。但是,最下层的压电体层303不形成中继电极306以及通孔导体314,在这一点上与第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层303不同。
另外,在从最上层的压电体层307开始数第3层、第5层、第7层、第9层的压电体层305的上表面,如图19所示,在层叠体301的层叠方向(即层叠型压电元件300的厚度方向)上以与压电体层303的各个连接端部302a相对的形式形成了中继电极316。如图21所示,各个中继电极316在其正下方被连接于被贯穿设置在压电体层305上的通孔导体314。通孔导体314是通过将电极材料填充于被设置于压电体层305的通孔336a来构成的。
进一步,在压电体层305的上表面形成共用电极304。该共用电极304隔着规定间隔分别包围第1行以及第2行中继电极316的集合、第3行以及第4行的中继电极316的集合,并且从层叠方向观察与除去各个单个电极302的连接端部302a的部分相重叠。由此,能够将在压电体层303、305上与除去各个单个电极302的连接端部302a的部分相对的部分的整体作为有助于变形的活性部(图21的活性部Sb)来有效利用。另外,共用电极304是从压电体层305的外周部隔着规定间隔而形成,并且以在层叠方向上与压电体层303的中继电极306相对的形式被连接于被贯穿设置在压电体层305上的通孔导体314。
另外,在第9层压电体层305的上表面,与上述的第3层、第5层、第7层的压电体层305相同形成中继电极316以及共用电极304。但是,第9层的压电体层305对于在层叠方向上不形成与压电体层303的中继电极306相对的通孔导体314,从这一点来说与第3层、第5层、第7层的压电体层305不同。
另外,在最上层的压电体层307的上表面,如图20所示,以在层叠方向上与压电体层303的各个单个电极302的连接端部302a相对的形式形成端子电极317,并且以在层叠方向上与压电体层303的中继电极306相对的形式形成端子电极318。各个端子电极317、318在其正下方被连接于被贯穿设置在压电体层307上的通孔导体314。
在这些端子电极317、318上,为了连接于驱动电源而焊接上FPC(flexibleprinted circuit board)等导线。因此,在焊接导线的时候为了容易沾上焊锡,而在端子电极317、318中,在由含有Ag以及Pd的导电材料构成的基底电极层上,为了良好地做到焊锡的浸润性而形成由含有Ag的导电材料构成的表面电极层。
被形成于最上层的压电体层307的端子电极317、318的厚度厚于其他电极层302、304、316的厚度,大约为1~2μm。端子电极317、318的厚度相对于其他电极层302、304、316的厚度优选厚出5~50%,更加优选厚出10~30%。
还有,在最上层的压电体层307的上表面的周缘部上也可以配置假性电极图案。通过将假性电极图案配置于周缘部,从而压制时的压力的偏重情况变少,并且取得能够减少压制后的坯料密度的偏差的效果。
如上所述相对于最上层的端子电极318通过形成有电极图案的压电体层303、305、307的层叠在层叠方向上,4个共用电极304介在有中继电极306而进行排列,排列好的各个电极层304、306变成了由通孔导体314来进行电连接。
另外,相对于最上层的各个端子电极317,在层叠方向上5个单个电极302介在有中继电极316而进行排列,排列好的各个电极层302、316如图21所示变成由通孔导体314而电连接。
还有,如图21所示,从层叠体301的层叠方向观察相邻的通孔导体314被设计为各个中心轴不重叠,并以从层叠方向观察隔开规定间隔沿着单个电极302的延伸方向邻接的形式被形成于各个压电体层303、305。通过这样配置,从而就能够将相邻的通孔导体314通过通孔导体314切实地做到电连接。
层叠型压电元件300成为如同上述的电连接,所以如果将电压施加于规定的端子电极317与端子电极318之间的话,则电压被施加于单个电极302与共用电极304之间,且压电体层303、305被单个电极302和共用电极304夹住的部分即活性部Sb进行位移。因此,通过选择施加电压的端子电极317,从而就能够使对应于被配置成阵列状的各个单个电极302的活性部Sb当中排列于选择好的端子电极317之下的活性部Sb在层叠方向上进行位移。如此层叠型压电元件300能够适用于微型泵的阀控制等、微小位移为必要的各种各样的装置的驱动源。
另一方面,单个电极302的连接端部302a与中继电极316重叠的部分因为是相同极性的电极层进行互相重叠的层叠部分,所以即使被施加电压也基本上不发生变形。因此,如图21所示单个电极302的连接端部302a与中继电极316进行重叠的部分成为无助于变形的非活性部Sa。另外,最上层的压电体层307因为单个电极302只位于下方所以即使被施加电压也基本上不发生变形。就层叠体301而言,只在即使被施加电压也实质上不发生变形的部分(即单个电极302的连接端部302a与中继电极316进行重叠的部分)设置通孔导体314。
如图21以及图22所示,就非活性部Sa而言,具有相同极性的电极层330(更为详细的是单个电极302和中继电极316)通过压电体层303、305进行重叠。还有,为了便于说明,从上侧起依次也将互相重叠的电极层330称为第1层330A、第2层330B、第3层330C、第4层330D。另外,特别地,将介于第1层330A与第2层330B之间的压电体层303称为第1压电体层336A,将介于第2层330B与第3层330C之间的压电体层305称为第2压电体层336B,将介于第3层330C与第4层330D之间的压电体层303称为第3压电体层336C。
相邻的第1层330A、第2层330B、第3层330C、第4层330D的层间是由被贯穿设置在压电体层303、305上的通孔导体314来进行连接。但是,从厚度方向(层叠体301的层叠方向)观察,上下相邻的通孔导体314彼此不重叠而相邻接。具体地来说,从厚度方向观察,第1压电体层336A的第1通孔导体314A和第2压电体层336B的第2通孔导体314B不重叠而在附图的左右方向(即单个电极302的延伸方向)上被错开配置。另外,从厚度方向观察,第2通孔导体314B和第3压电体层336C的第3通孔导体314C也是不重叠而在附图的左右方向上被错开配置。从厚度方向观察,第3压电体层336C的第3通孔导体314C与第1压电体层336A的第1通孔导体314A相重叠。通孔导体314的错开量例如优选为通孔导体314的最大半径以上,进一步优选为通孔导体314的最大直径以上。
制作压电元件300的步骤与制作上述的压电元件210的步骤相同。即,重叠涂布了规定图案电极浆料的坯料薄片并实行热等静压等加压处理,从而获得层叠坯料薄片。此时,使会成为通孔附近的电极层的部分在高温等压条件下弯曲。然后,将所获得的层叠体坯料烧成并实施规定的极化处理,从而完成压电元件300。
在由上述的步骤制得的压电元件300中,如图22所示,在各个通孔导体314的层叠体301的层叠方向上的两个端部形成有低洼部314a。例如被贯穿设置在第1压电体层336A上的第1通孔导体314A在上表面具有在第1通孔导体314A的一侧(图22中的下侧)凹陷的低洼部314a,并且在下表面(第2压电体层336B侧的端面)具有在第1通孔导体314A的一侧(图22中的上侧)凹陷的低洼部314a。同样,第2通孔导体314B以及第3通孔导体314C也分别在上下表面具有低洼部314a。
于是,通孔导体314由于低洼部314a而部分性地变薄(即层叠方向长度变短)。如图22所示,各个通孔导体314A、314B、314C的低洼部314a部分处的厚度变成薄于压电体层336A、336B、336C的厚度。
另外,压电体层336A、336B、336C的突部336b分别进入到被形成于各个通孔导体314的低洼部314a。例如,第2压电体层336B的朝上的突部336b进入到第1通孔导体314A的下表面的低洼部314a。另外,第1压电体层336A的朝下的突部336b进入到第2通孔导体314B的上表面的低洼部314a。
这样的通孔导体314的形状、电极层330的形状以及压电体层303、305的形状被认为是在制作压电元件300的时候通过在高温等压条件下使通孔附近的电极层弯曲而获得的。
第4实施方式所涉及的压电元件300具备层叠体301,该层叠体301具有作为包含一对电极层330(例如图22的第1层330A和第2层330B)、介于该一对电极层330之间的压电体层303、被贯穿设置在压电体层303上的通孔导体314(例如图22的第1通孔导体314A)的层叠部分的非活性部Sa。于是,在非活性部Sa中具有接近于通孔导体314的空隙348。
就上述压电元件300而言,与上述的第3实施方式所涉及的压电元件210相同,在非活性部Sa中,接近于通孔导体314的空隙348缓和通孔导体314周边的应力或形变。由此,在上述非活性部Sa中电极层330或通孔导体314发生导通不良或断线的事态被抑制。特别是在上述的实施方式中,在非活性部Sa中具有多个空隙348,且空隙348分别接近于多个通孔导体314。因此,应力或形变分别在多个通孔导体314上被缓和,并且进一步非活性部Sa中发生导通不良或断线的事态被抑制。
空隙348的位置与上述的第3实施方式的空隙248的位置相同,也可以是相对于通孔导体314纵向排列的位置或横向排列的位置。关于多个空隙348各自的位置或尺寸,也与上述的第3实施方式的空隙248的位置或尺寸相同,能够做成不均匀以及不规则。但是,因为以进入到通孔导体314的低洼部314a的形式进行定位的上述空隙348能够有效地缓和应力或形变,所以多个空隙348当中的至少一部分能够存在于上述位置。
另外,压电元件300具有在施加电压的时候在压电体层303、305产生电场而变形的活性部Sb、在施加电压的时候在压电体层303、305不产生电场的非活性部Sa,在压电元件300中,上述的层叠部分位于非活性部Sa。如上所述,由于活性部Sb在极化时或驱动时发生变形并产生内部应力或形变,为了极力避免伴随于该变形的应力或形变的影响,包含通孔导体314的层叠部分位于非活性部Sa。
在压电元件300中,在制作压电元件300的过程中的烧成的时候产生于非活性部Sa的内部应力(即由烧成时的收缩引起的残留应力)或从外部被附加到非活性部Sa的应力由第1通孔导体314A下表面的低洼部314a和第2通孔导体340B上表面的低洼部314a而被缓和。由此,例如通孔导体314的变形或断裂等被抑制并且非活性部Sa中的电极层330或通孔导体314发生导通不良或断线的事态被抑制。
再有,就非活性部Sa而言,由于压电体层336A、336B、336C的突部336b进入到通孔导体314的低洼部314a,所以相对于通孔导体314的压电体层303、305的保持力增加。因此,与通孔导体56的端面为平坦面且压电体层54不进入的结构(参照图16)相比,压电体层336A、336B、336C的突部336b进入到通孔导体314的低洼部314a的结构能够抑制或者阻碍通孔导体314的变形。其结果,非活性部Sa中发生导通不良或断线的事态被抑制。
本发明并不限定于上述的第3实施方式以及第4实施方式。例如,压电元件的层叠体的电极层或压电体层的层数如果是对于构成上述的层叠部分来说为最低限所必需的层数(即3层以上的电极层和2层以上的压电体层)以上的话,则能够作适当增减。另外,层叠体的总厚度、电极层的厚度以及压电体层的厚度也能够作适当增减。进一步,并不限定于第1通孔导体的厚度、第2通孔导体的厚度以及第3通孔导体的厚度都薄于压电体层的厚度的形态,也可以是第1通孔导体的厚度、第2通孔导体的厚度以及第3通孔导体的厚度中的任一个都薄于压电体层的厚度的形态。
(第5实施方式)
接下来,参照图23以及图24并针对第5实施方式所涉及的压电元件410的结构作如下说明。
如图23所示,压电元件410具备具有在一个方向上进行延伸的长方体外形的层叠体420。作为一个例子,层叠体420的尺寸为:其长边方向的长度为2.0mm;短边方向的长度为0.5mm;厚度为0.15mm。如图24所示,层叠体420包含多层电极层430和多层压电体层436、438,并且是通过电极层430和压电体层436、438被交替层叠来构成的。在本实施方式中,层叠体420包含3层以上的电极层430,并且包含2层以上的压电体层436、438。在图23和24中,层叠体420包含电极层430和压电体层436、438各7层。
多层电极层430由Pt构成,并且也可以由Pt以外的导电材料(Ag-Pd合金、Au-Pd合金、Cu、Ni、Ag等)构成。多层电极层430由丝网印刷等来形成图案。多层电极层430由不同的电极图案的第1电极层431、第2电极层432以及第3电极层433构成。多层电极层430如图24所示自上依次交替排列第1电极层431和第2电极层432,最下层就成为第3电极层433。
第1电极层431的电极图案包含被形成在层叠体420的一个端部420a附近的短图案431a、从短图案431a通过规定的间隙延伸到层叠体420的另一端部420b的长图案431b。第2电极层432的电极图案是与第1电极层431相对称的图案,包含被形成在层叠体420的另一端部420b附近的短图案432a、从短图案432a经由规定的间隙延伸到层叠体420的一个端部420a的长图案432b。第3电极层433为被形成在整个区域的图案(所谓全面积导电图案)。
多层压电体层436、438都是长方形平板状,作为一个例子,其长边方向的长度为2.0mm;短边方向的长度为0.5mm;厚度为20μm。各个压电体层436、438例如是由将锆钛酸铅作为主成分的压电陶瓷材料构成,并且含有Zn和Nb等添加物。多层压电体层436、438包含上下设置电极层430的压电体层436和仅上方设置电极层430的最下层的压电体层438。
在压电体层436上通孔436a被贯穿设置于规定地方,在形成各个通孔436a的区域,形成连接位于压电体层436上下的电极层430彼此的通孔导体440。即,通孔导体440是通过将电极材料填充于被设置于压电体层436的通孔436a来构成的。
在层叠体420的一个端部420a,通孔导体440作为通孔导体442来连接第1电极层431的短图案431a和第2电极层432的长图案432b。因此,第1电极层431的短图案431a以及第2电极层432的长图案432b都与被连接于层叠体420表面的第1电极层431的短图案431a上连接的外部连接端子T2相电连接,并且具有相同极性。
另外,在层叠体420的另一端部420b,通孔导体440作为通孔导体444来连接第2电极层432的短图案432a和第1电极层431的长图案431b。另外,在层叠体420的另一端部420b,通孔导体440作为通孔导体444来连接第2电极层432的短图案432a和第3电极层433。因此,第2电极层432的短图案432a和第1电极层431的长图案431b以及第3电极层433都与被连接于层叠体420表面的第1电极层431的长图案431b上连接的外部连接端子T1相电连接,并且具有相同极性。
在压电元件410中,因为一对外部连接端子T1、T2被设置于层叠体420的表面并且两个极性的端子露出于单面,所以能够从单面侧获得导通。
如果将电压施加于一对外部连接端子T1、T2之间的话,则在层叠体420的一个端部420a侧被连接的电极群(即第1电极层431的短图案431a以及第2电极层432的长图案432b)与在另一端部420b侧被连接的电极群(即第1电极层431的长图案431b和第2电极层432的短图案432a以及第3电极层433)会有不相同的极性。此时,电场产生于被层叠体420的两端部420a、420b夹住的部分,例如中央附近互相重叠的第1电极层431的长图案431b与第2电极层432的长图案432b之间并且位于这两图案之间的压电体层436的部分根据极化方向发生变形(伸长或收缩)。因此,被层叠体420的两端部420a、420b夹住的部分成为在电压被施加于一对外部连接端子T1、T2之间的时候发生变形的活性部Sb。
由于层叠体420的一个端部420a附近是相同极性的电极层部分431a、432b互相重叠的层叠部分,所以即使将电压施加于一对外部连接端子T1、T2之间也基本上不会发生变形。因此,层叠体420的一个端部420a附近成为即使施加电压也不会发生变形的非活性部Sa。从不发生大位移的观点出发,非活性部Sa适合于上述的通孔导体440的设置。层叠体420的另一端部420b附近也因为是相同极性的电极层部分431b、432a互相重叠的层叠部分,所以与一个端部420a附近相同成为即使施加电压也不会发生变形的非活性部Sa。就这样在压电元件410中沿着层叠体420的长边方向排列非活性部Sa和活性部Sb。
压电体层438因为仅在上方设置第3电极层433,所以与层叠体420的两端部420a、420b相同,即使在一对外部连接端子T1、T2之间施加电压基本上也不会发生变形。在压电体层438上贯穿设置通孔导体446。通孔导体446能够通过将电极材料填充于被设置于压电体层438的通孔来构成。通孔导体446是一种不以电极层430的导通为目的的假性通孔导体,例如可以用于识别元件的表里或极性。
在层叠体420中,通孔导体442、444、446仅被设置于即使将电压施加于一对外部连接端子T1、T2之间也不会实质性地发生变形的部分(即两端部420a、420b以及最下层的压电体层438)。
接着,参照图25并针对非活性部Sa中的电极层430以及压电体层436的结构作如下说明。图25表示了层叠体420的另一端部420b侧的非活性部Sa的截面。
如图25所示,在非活性部Sa中,具有相同极性的电极层430(更为详细地来说明应该是电极层431b、432a)经由压电体层436而重叠。另外,为了便于说明,自上侧起依次也将互相重叠的电极层430称为第1层430A、第2层430B、第3层430C、第4层430D。另外,特别地,将介于第1层430A与第2层430B之间的压电体层436称为第1压电体层436A,将介于第2层430B与第3层430C之间的压电体层436称为第2压电体层436B,将介于第3层430C与第4层430D之间的压电体层436称作为第3压电体层436C。
相邻的第1层430A、第2层430B、第3层430C、第4层430D的层间由被贯穿设置于压电体层436的通孔导体440而被连接。例如,被贯穿设置于第1压电体层436A的第1通孔导体440A连接位于上下的第1层430A和第2层430B。被贯穿设置于第2压电体层436B的第2通孔导体440B连接位于上下的第2层430B和第3层430C。被贯穿设置于第3压电体层436C的第3通孔导体440C连接位于上下的第3层430C和第4层430D。
但是,从厚度方向(层叠体420的层叠方向)观察,上下相邻的通孔导体440彼此不重叠而相邻接。具体地来说,从厚度方向观察,第1压电体层436A所连接的第1通孔导体440A和第2压电体层436B的第2通孔导体440B不重叠而是在层叠体420的长边方向(附图的左右方向)上被错开配置。另外,从厚度方向观察,第2压电体层436B的第2通孔导体440B和第3压电体层436C的第3通孔导体440C也不重叠而是在附图的左右方向上被错开配置。从厚度方向观察,第3压电体层436C的第3通孔导体440C与第1压电体层436A的第1通孔导体440A重叠。通孔导体440的错开量例如优选为通孔导体440的最大半径以上,更加优选为通孔导体440的最大直径以上。
接着,针对制作上述的压电元件410的步骤作如下说明。
首先,将胶粘剂以及有机溶剂等添加到用于形成压电体层436的压电陶瓷粉中并做成浆料。然后,使用例如刮刀法将所获得的浆料制作成多片规定尺寸的坯料薄片。此时,调整增塑剂相对于胶粘剂的比例,以进行充分变形。
在各个坯料薄片上使用YAG激光在要形成通孔导体440的地方形成通孔。
以成为上述图案的形式使用丝网印刷法将成为电极层430的电极浆料[例如Pd-Ag合金(Pd∶Ag=3∶7)]涂布形成于各个坯料薄片上。如果涂布电极浆料的话,则电极浆料被填充于已形成在坯料薄片上的通孔中,但是可以根据电极浆料干燥时的收缩率来调整电极浆料对通孔的填充率。
接下来,将分别印刷了电极浆料的多片坯料薄片重叠并进一步实行热等静压(WIP:Warm Isostatic Press)等加压处理,从而获得层叠体坯料。就热等静压而言例如在大约80℃的温度条件下以大约50MPa进行加压。此时,使会成为通孔部附近的电极层的部分在高温等压条件下弯曲。
然后,烧成所获得的层叠体坯料。具体地来说将层叠体坯料放置于以稳定氧化锆构成的托架(setter)并实行脱胶粘剂处理,进一步将放置了层叠体坯料的托架(setter)放入到稳定氧化锆质的匣钵,并以大约1100℃进行烧成。
在烧成后实施规定的极化处理,从而完成压电元件410。就极化处理而言,例如在100℃的温度条件下施加3分钟电场强度为2kV/mm的电压。
在由上述的步骤制得的压电元件10中,如图25所示在各个通孔导体440的层叠体420的层叠方向上的两个端部形成低洼部440a。例如,被贯穿设置于第1压电体层436A的第1通孔导体440A在上表面具有在第1通孔导体440A的一侧(图25中的下侧)凹陷的低洼部440a,并且在下表面(第2压电体层436B侧的端面)具有在第1通孔导体440A的一侧(图25中的上侧)凹陷的低洼部440a。同样,第2通孔导体440B以及第3通孔导体440C也分别在上下表面具有低洼部440a。
然后,通孔导体440由于低洼部440a而部分性地变薄(即层叠方向的长度变短)。如图25所示各个通孔导体440A、440B、440C的低洼部440a部分处的厚度成为薄于压电体层436的厚度。
另外,压电体层436的突部436b分别进入到被形成于各个通孔导体440的低洼部440a。例如,第2压电体层436B的朝上的突部436b进入到第1通孔导体440A的下表面的低洼部440a。另外,第1压电体层436A的朝下的突部436b进入到第2通孔导体440B的上表面的低洼部440a。
认为这样的通孔导体440的形状、电极层430的形状以及压电体层436的形状是通过在压电元件410的制作时在高温等压条件下使通孔附近的电极层弯曲来获得的。
如同以上所说明的那样,压电元件410具备层叠体420,该层叠420具有作为包含一对电极层430(例如图25的第1层430A和第2层430B)、介于一对电极层430之间的压电体层436、被贯穿设置于压电体层436的通孔导体440(例如,图25的第1通孔导体440A)的层叠部分的非活性部Sa。于是,在非活性部Sa中,在通孔导体440的层叠体420的层叠方向上的两端部分别形成有低洼部440a。
在上述压电元件410中,通孔导体440的两端部由于通孔导体440的低洼部440a而互相接近,通孔导体440的厚度在两端部的低洼部440a相对的部分变薄。
在图26中表示了现有技术所涉的压电元件的非活性部的主要部分放大截面图。在图26中,符号452、454、456分别表示电极层、压电体层以及通孔导体。就现有技术所涉及的压电元件而言,通常因为通孔导体456的截面积与其他部分的截面积相比被设计得相对较小,所以电阻容易变高。因此,容易发生在通孔导体456上施加估计值以上的电压的情况。在此情况下,就会有在通孔导体456上发生导通不良的危险。如图26所示,在现有技术所涉及的压电元件的非活性部中,在通孔导体456上没有低洼部,通孔导体456的厚度均匀并与压电体层454的厚度大致相同。
因为电阻值与导体的长度成正比,所以在上述的实施方式中通过通孔导体440变薄,从而与现有技术所涉及的通孔导体456相比相对能够谋求到电阻的降低。因此,即使是在通孔导体440上被施加估计值以上的电压的情况下,也难以发生在通孔导体440上产生导通不良的事态,因而实现了压电元件410的连接可靠性的提高。
另外,压电元件410具有在施加电压的时候在压电体层436产生电场而变形的活性部Sb、在施加电压的时候在压电体层436不产生电场的非活性部Sa,在压电元件410中,上述的层叠部分位于非活性部Sa。如同上述,因为活性部Sb在极化时或驱动时发生变形而产生内部应力或形变,为了极力避免伴随于该变形的应力或形变的影响,包含通孔导体440的层叠部分要位于非活性部Sa。
就压电元件410而言,在制作压电元件410的过程中的烧成的时候在非活性部Sa产生的内部应力(即由烧成时的收缩引起的残留应力)或从外部被附加到非活性部Sa的应力由第1通孔导体440A下面的低洼部440a和第2通孔导体440B上面的低洼部440a缓和。由此,例如通孔导体440的变形或断裂等被抑制并且非活性部Sa中的电极层430或通孔导体440的导通不良或断线发生的事态被抑制。
进一步,就非活性部Sa而言,因为压电体层436的突部436b进入到通孔导体440的低洼部440a,所以相对于通孔导体440的压电体层436的保持力增加。因此,与通孔导体456的端面(上下表面)平坦并且压电体层454没有进入的结构(参照图26)相比,压电体层436的突部436b进入到通孔导体440的低洼部440a的结构中,通孔导体440的位移或变形被抑制或者被阻碍。其结果是非活性部Sa中的导通不良或断线发生的事态被抑制。
还有,压电元件410中,由于层叠体420的一个端部420a侧的非活性部Sa具有与上述的另一端部420b侧的非活性部Sa相同的电极层430、压电体层436以及通孔导体440的结构,所以即使是一个端部420a侧的非活性部Sa也能够获得与上述相同的效果。
通孔导体440的形状只要是两端部都形成低洼部440a的话,则能过作适当变更。例如,如图27所示,也可以是厚度方向上的中心位置鼓起来的形状的通孔导体440。在图27所示的通孔导体440中,通孔导体440的两端部的端面的面积S1小于通孔导体440的厚度方向上的中心位置的截面的面积S2。如果由如此尺寸形状的通孔导体440,则被附加于非活性部Sa的应力或形变被缓和。另外,过电流流过的情况下的短路的发生率降低。
(第6实施方式)
接下来,参照图28~图31并就第6实施方式所涉及的压电元件500的结构作如下说明。
如图28所示,压电元件500是通过形成有单个电极502的多层压电体层503和形成有共用电极504的多层压电体层505被交替层叠并进一步在最上层层叠形成有端子电极517、518的压电体层507来构成的。
压电元件500具备具有在一个方向上延伸的长方体外形的层叠体501。作为一个例子,层叠体501的尺寸为:其长边方向的长度为30.0mm;短边方向的长度为15.0mm;厚度为0.30mm。
多层压电体层503、507都是长方形平板状,作为一个例子其长边方向的长度为30.0mm;短边方向的长度为15.0mm;厚度为30μm。各个压电体层36例如是由将锆钛酸铅作为主成分的压电陶瓷材料构成,并且含有Nb和Sr等添加物。
各个压电体层503、505、507是由将锆钛酸铅作为主成分的压电陶瓷材料构成,并且被形成为例如“15mm×30mm,厚度为30μm”的长方形薄板状。另外,单个电极502和共用电极504以及端子电极517、518由Ag-Pd合金(Ag70wt%,Pd30wt%)构成,也能够由Ag-Pd合金以外的导电材料(Ag-Pt合金、Au-Pd合金、Cu、Ni等)来构成。是由丝网印刷来形成图案的电极。
在从最上层的压电体层507开始数第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层503的上表面,如图30所示,交错配置多个长方形的单个电极502。各个单个电极502是以其长边方向与压电体层503的长边方向相垂直的形式被配置,相邻的单个电极502、502通过隔开规定的间隔来达到电气独立性,并且防止了由互相振动带来的影响。
在此,如果将压电体层3的长边方向设定为列方向且将与该长边方向相垂直的方向设定为行方向的话,则单个电极502例如被排列成4行并以交错状被配置。因为通过交错配置多个单个电极502从而能够相对于压电体层503进行高效率配置,所以既能够维持在压电体层503上有助于变形的活性部的面积又能够谋求到压电元件500的小型化或者单个电极502的高集成化。
各个单个电极502中,将在与所接近的单个电极之间相对的端部设定为连接端部502a并在该连接端部502a的正下方如图32所示连接于被贯穿设置在压电体层503上的通孔导体514。通孔导体514是通过将电极材料填充于被设置于压电体层503的通孔536a来构成的。
再有,在压电体层503的上表面的边缘部上形成有用于电连接位于上下的压电体层505的共用电极504彼此的中继电极506。该中继电极506在其正下方被连接于被贯穿设置在压电体层503上的通孔导体514。
另外,在最下层的压电体层503的上表面,也与上述的第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层503同样交错配置有单个电极502。但是,最下层的压电体层503不形成中继电极506以及通孔导体514,在这一点上与第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层503不同。
另外,在从最上层的压电体层507开始数第3层、第5层、第7层、第9层的压电体层505的上表面,如图30所示,在层叠体501的层叠方向(即层叠型压电元件500的厚度方向)上以与压电体层503的各个连接端部502a相对的形式形成了中继电极516。如图32所示,各个中继电极516在其正下方被连接于被贯穿设置在压电体层505上的通孔导体514。通孔导体514是通过将电极材料填充于被设置于压电体层505的通孔536a来构成的。
进一步,在压电体层505的上表面形成共用电极504。该共用电极504隔着规定间隔分别包围第1行以及第2行的中继电极516的集合、第3行以及第4行的中继电极516的集合,并且从层叠方向观察与除去各个单个电极502的连接端部502a的部分相重叠。由此,能够将在压电体层503、505上与除去各个单个电极502的连接端部502a的部分相对的部分的整体作为有助于变形的活性部(图32的活性部Sb)来有效利用。另外,共用电极504是从压电体层505的外周部隔着规定间隔而形成,并且以在层叠方向上与压电体层503的中继电极506相对的形式被连接于被贯穿设置在压电体层505上的通孔导体514。
另外,在第9层压电体层505的上表面,与上述的第3层、第5层、第7层的压电体层505相同形成中继电极516以及共用电极504。但是,第9层的压电体层505在层叠方向上不形成与压电体层503的中继电极506相对的通孔导体514,从这一点来说与第3层、第5层、第7层的压电体层505不同。
另外,在最上层的压电体层507的上表面,如图31所示,以在层叠方向上与压电体层503的各个单个电极502的连接端部502a相对的形式形成端子电极517,并且以在层叠方向上与压电体层503的中继电极506相对的形式形成端子电极518。各个端子电极517、518在其正下方被连接于被贯穿设置在压电体层507上的通孔导体514。
在这些端子电极517、518上,为了连接于驱动电源而焊接上FPC(flexibleprinted circuit board)等导线。因此,在焊接导线的时候为了容易沾上焊锡,而在端子电极517、518中,在由含有Ag以及Pd的导电材料构成的基底电极层上,为了良好地做到焊锡的浸润性而形成由含有Ag的导电材料构成的表面电极层。
被形成于最上层压电体层507的端子电极517、518的厚度厚于其他电极层502、504、516的厚度,大约为1~2μm。端子电极517、518的厚度相对于其他电极层502、504、516的厚度优选厚出5~50%,更加优选厚出10~30%。
还有,在最上层的压电体层507的上表面的周缘部上也可以配置假性电极图案。通过将假性电极图案配置于周缘部,从而压制时的压力的偏重的情况变少,并且取得能够减少压制后的坯料密度的偏差的效果。
如上所述相对于最上层的端子电极518通过形成有电极图案的压电体层503、505、507的层叠在层叠方向上,4个共用电极504介在有中继电极506而进行排列,排列好的各个电极层504、506变成了由通孔导体514来进行电连接。
另外,相对于最上层的各个端子电极517,在层叠方向上5个单个电极502介在有中继电极516而进行排列,排列好的各个电极层502、516如图32所示变成由通孔导体514而电连接。
还有,如图32所示,从层叠体501的层叠方向观察相邻的通孔导体514被设计为各个中心轴不重叠,并以从层叠方向来观察隔开规定间隔沿着单个电极502的延伸方向邻接的形式被形成于各个压电体层503、505。通过这样配置,从而就能够将相邻的通孔导体514通过通孔导体514切实地做到电连接。
层叠型压电元件500成为如同上述的电连接,所以如果将电压施加于规定的端子电极517与端子电极518之间的话,则电压被施加于单个电极502与共用电极504之间,且压电体层503、505被单个电极502和共用电极504夹住的部分即活性部Sb进行位移。因此,通过选择施加电压的端子电极517,从而就能够使对应于被配置成阵列状的各个单个电极502的活性部Sb当中排列于选择好的端子电极517之下的活性部Sb在层叠方向上进行位移。这样的层叠型压电元件500适用于微型泵的阀控制等、微小位移为必要的各种各样的装置的驱动源。
另一方面,单个电极502的连接端部502a与中继电极516重叠的部分因为是相同极性的电极层互相重叠的层叠部分,所以即使被施加电压也基本上不发生变形。因此,如图32所示单个电极502的连接端部502a与中继电极516进行重叠的部分成为无助于变形的非活性部Sa。另外,最上层的压电体层507因为单个电极502只位于下方所以即使被施加电压也基本上不发生变形。就层叠体501而言,只在即使被施加电压也实质上不发生变形的部分(即单个电极502的连接端部502a与中继电极516进行重叠的部分)设置通孔导体514。
如图32以及图33所示,就非活性部Sa而言,具有相同极性的电极层530(更为详细的是单个电极502和中继电极516)通过压电体层503、505进行重叠。还有,为了便于说明,从上侧起依次也将互相重叠的电极层530称为第1层530A、第2层530B、第3层530C、第4层530D。另外,特别地,将介于第1层530A与第2层530B之间的压电体层503称为第1压电体层536A,将介于第2层530B与第3层530C之间的压电体层505称为第2压电体层536B,将介于第3层530C与第4层530D之间的压电体层503称为第3压电体层536C。
相邻的第1层530A、第2层530B、第3层530C、第4层530D的层间是由被贯穿设置在压电体层503、505上的通孔导体514来进行连接。但是,从厚度方向(层叠体501的层叠方向)观察,上下相邻的通孔导体514彼此不重叠而相邻接。具体地来说,从厚度方向观察,第1压电体层536A的第1通孔导体514A和第2压电体层536B的第2通孔导体514B不重叠而在附图的左右方向(即单个电极502的延伸方向)上被错开配置。另外,从厚度方向观察,第2压电体层536B的第2通孔导体514B和第3压电体层536C的第3通孔导体514C不重叠而在附图的左右方向上被错开配置。从厚度方向观察,第3压电体层536C的第3通孔导体514C与第1压电体层536A的第1通孔导体514A相重叠。通孔导体514的错开量例如优选为通孔导体514的最大半径以上,进一步优选为通孔导体514的最大直径以上。
制作压电元件500的步骤与制作上述的压电元件410的步骤相同。即,重叠涂布了规定图案电极浆料的坯料薄片并实行热等静压等加压处理,从而获得层叠坯料薄片。此时,使会成为通孔附近的电极层的部分在高温等压条件下弯曲。然后,将所获得的层叠体坯料烧成并实施规定的极化处理,从而完成压电元件500的制作。
在由上述的步骤制得的压电元件500中,如图33所示,在各个通孔导体514的层叠体501的层叠方向上的两个端部形成有低洼部514a。例如被贯穿设置在第1压电体层536A上的第1通孔导体514A在上表面具有在第1通孔导体514A的一侧(图33中的下侧)凹陷的低洼部514a,并且在下表面(第2压电体层536B侧的端面)具有在第1通孔导体514A的一侧(图33中的上侧)凹陷的低洼部514a。同样,第2通孔导体514B以及第3通孔导体514C也分别在上下表面具有低洼部514a。
于是,通孔导体514由于低洼部514a而部分性地变薄(即层叠方向长度变短)。如图33所示,各个通孔导体514A、514B、514C的低洼部514a部分处的厚度变成薄于压电体层536A、536B、536C的厚度。
另外,压电体层536A、536B、536C的突部536b分别进入到被形成于各个通孔导体514的低洼部514a。例如,第2压电体层536B的朝上的突部536b进入到第1通孔导体514A的下表面的低洼部514a。另外,第1压电体层536A的朝下的突部536b进入到第2通孔导体514B的上表面的低洼部514a。
这样的通孔导体514的形状、电极层530的形状以及压电体层503、505的形状被认为是在制作压电元件500的时候通过在高温等压条件下使通孔附近的电极层弯曲而获得的。
第6实施方式所涉及的压电元件500具备层叠体501,该层叠体501具有作为包含一对电极层530(例如图33的第1层530A和第2层530B)、介于该一对电极层530之间的压电体层503、被贯穿设置在压电体层503上的通孔导体514(例如图33的第1通孔导体514A)的层叠部分的非活性部Sa。于是,在非活性部Sa中,在通孔导体514的层叠体501的层叠方向上的两端部分别形成有低洼部514a。
在上述压电元件500中,通孔导体514的两端部由于通孔导体514的低洼部514a而互相接近,在两端部的低洼部514a相对的部分,通孔导体514的厚度变薄。
于是,第6实施方式所涉及的压电元件500与上述的第5实施方式所涉及的压电元件410相同,在通孔导体40的两端部的低洼部514a相对的部分上,通过通孔导体514的厚度变薄,从而与现有技术所涉及的通孔导体56(参照图26)相比,能够谋求到电阻的降低。因此,即使是对通孔导体514施加估计值以上的电压的情况下,也难以发生在通孔导体514上产生导通不良的事态,因而实现了压电元件500的连接可靠性的提高。
另外,压电元件500具有在施加电压的时候在压电体层503、505产生电场而变形的活性部Sb、在施加电压的时候在压电体层503、505不产生电场的非活性部Sa,在压电元件500中,上述的层叠部分位于非活性部Sa。如同以上所述,由于活性部Sb在极化时或驱动时发生变形从而产生内部应力或形变,所以为了极力避免伴随于该变形的应力或形变的影响,包含通孔导体514的层叠部分要位于非活性部Sa。
在压电元件500中,在制作压电元件500的过程中的烧成的时候产生于非活性部Sa的内部应力(即由烧成时的收缩引起的残留应力)或从外部被附加到非活性部Sa的应力由第1通孔导体514A下表面的低洼部514a和第2通孔导体540B上表面的低洼部514a而被缓和。由此,例如通孔导体514的变形或断裂等被抑制并且非活性部Sa中的电极层530或通孔导体514的导通不良或断线的事态被抑制。
再有,就非活性部Sa而言,因为压电体层536A、536B、536C的突部536b进入到通孔导体514的低洼部514a,所以相对于通孔导体514的压电体层536A、536B、536C的保持力增加。因此,与通孔导体56的端面为平坦面且压电体层54不进入的结构(参照图26)相比,压电体层536A、536B、536C的突部536b进入到通孔导体514的低洼部514a的结构能够抑制或者阻碍通孔导体514的变形。其结果,非活性部Sa中产生导通不良或断线的事态被抑制。
本发明并不限定于上述的第5实施方式以及第6实施方式。例如,压电元件的层叠体的电极层或压电体层的层数如果是对于构成上述的层叠部分来说为最低限所必需的层数(即3层以上的电极层和2层以上的压电体层)以上的话,则能够作适当增减。另外,层叠体的总厚度、电极层的厚度以及压电体层的厚度也能够作适当增减。进一步,并不限定于第1通孔导体的厚度、第2通孔导体的厚度以及第3通孔导体的厚度都薄于压电体层的厚度的形态,也可以是第1通孔导体的厚度、第2通孔导体的厚度以及第3通孔导体的厚度中的任一个都薄于压电体层的厚度的形态。
(第7实施方式)
接下来,参照图34以及图35并针对第7实施方式所涉及的压电元件610的结构作如下说明。
如图34所示,压电元件610具备具有在一个方向上进行延伸的长方体外形的层叠体620。作为一个例子,层叠体620的尺寸为:其长边方向的长度为2.0mm;短边方向的长度为0.5mm;厚度为0.15mm。如图35所示,层叠体620包含多层电极层630和多层压电体层636、638,并且是通过电极层630和压电体层636、638被交替层叠来构成的。在本实施方式中,层叠体620包含3层以上的电极层630,并且包含2层以上的压电体层636、638。在图34和35中,层叠体620包含电极层630和压电体层636、638各7层。
多层电极层630由Pt构成,并且也可以由Pt以外的导电材料(Ag-Pd合金、Au-Pd合金、Cu、Ni、Ag等)构成。多层电极层630由丝网印刷等来形成图案。多层电极层630由不同的电极图案的第1电极层631、第2电极层632以及第3电极层633构成。多层电极层630如图35所示自上依次交替排列第1电极层631和第2电极层632,最下层就成为第3电极层633。
第1电极层631的电极图案包含被形成在层叠体620的一个端部620a附近的短图案631a、从短图案631a通过规定的间隙延伸到层叠体620的另一端部620b的长图案631b。第2电极层632的电极图案是与第1电极层631相对称的图案,包含被形成在层叠体620的另一端部620b附近的短图案632a、从短图案632a通过规定的间隙延伸到层叠体620的一个端部620a的长图案632b。第3电极层633为被形成在整个区域的图案(所谓全面积导电图案)。
多层压电体层636、638都是长方形平板状,作为一个例子,其长边方向的长度为2.0mm;短边方向的长度为0.5mm;厚度为20μm。各个压电体层636、638例如是由将锆钛酸铅作为主成分的压电陶瓷材料构成,并且含有Zn和Nb等添加物。多层压电体层636、638包含上下设置电极层630的压电体层636和仅上方设置电极层630的最下层的压电体层638。
在压电体层636上通孔636a被贯穿设置于规定地方,在形成各个通孔636a的区域,形成连接位于压电体层636上下的电极层630彼此的通孔导体640。即,通孔导体640是通过将电极材料填充于被设置于压电体层636的通孔636a来构成的。
在层叠体620的一个端部620a,通孔导体640作为通孔导体642来连接第1电极层631的短图案631a和第2电极层632的长图案632b。因此,第1电极层631的短图案631a以及第2电极层632的长图案632b都与被连接于层叠体620表面的第1电极层631的短图案631a上连接的外部连接端子T2相电连接,并且具有相同极性。
另外,在层叠体620的另一端部620b,通孔导体640作为通孔导体644来连接第2电极层632的短图案632a和第1电极层631的长图案631b。另外,在层叠体620的另一端部620b,通孔导体640作为通孔导体644来连接第2电极层632的短图案632a和第3电极层633。因此,第2电极层632的短图案632a、第1电极层631的长图案631b以及第3电极层633都与被连接于层叠体620表面的第1电极层631的长图案631b上连接的外部连接端子T1相电连接,并且具有相同极性。
在压电元件610中,因为一对外部连接端子T1、T2被设置于层叠体620的表面并且两个极性的端子露出于单面,所以能够从单面侧获得导通。
如果将电压施加于一对外部连接端子T1、T2之间的话,则被连接在层叠体620的一个端部620a侧的电极群(即第1电极层631的短图案631a以及第2电极层632的长图案632b)与被连接在另一端部620b侧的电极群(即第1电极层631的长图案631b和第2电极层632的短图案632a以及第3电极层633)会有不相同的极性。此时,电场产生于被层叠体620的两端部620a、620b夹住的部分,例如中央附近互相重叠的第1电极层631的长图案631b与第2电极层632的长图案632b之间并且位于这两图案之间的压电体层636的部分对应于极化方向发生变形(伸长或收缩)。因此,被层叠体620的两端部620a、620b夹住的部分成为在电压被施加于一对外部连接端子T1、T2之间的时候发生变形的活性部Sb。
由于层叠体620的一个端部620a附近是相同极性的电极层部分631a、632b互相重叠的层叠部分,所以即使将电压施加于一对外部连接端子T1、T2之间也基本上不会发生变形。因此,层叠体620的一个端部620a附近成为即使施加电压也不会发生变形的非活性部Sa。从不发生大位移的观点出发,非活性部Sa适合于上述的通孔导体640的设置。层叠体620的另一端部620b附近也因为是相同极性的电极层部分631b、632a互相重叠的层叠部分,所以与一个端部620a附近相同成为即使施加电压也不会发生变形的非活性部Sa。就这样在压电元件610中沿着层叠体620的长边方向排列非活性部Sa和活性部Sb。
压电体层638因为仅在上方设置第3电极层633,所以与层叠体620的两端部620a、620b相同,即使在一对外部连接端子T1、T2之间施加电压基本上也不会发生变形。在压电体层638上贯穿设置通孔导体646。通孔导体646能够通过将电极材料填充于被设置于压电体层638的通孔来构成。通孔导体646是一种不以电极层630的导通为目的的假性通孔导体,例如可以用于识别元件的表里或极性。
在层叠体620中,通孔导体642、644、646仅被设置于即使将电压施加于一对外部连接端子T1、T2之间也不会实质性地发生变形的部分(即两端部620a、620b以及最下层的压电体层638)。
接着,参照图36并针对非活性部Sa中的电极层630以及压电体层636的结构作如下说明。图36表示了层叠体620的另一端部620b侧的非活性部Sa的截面。
如图36所示,在非活性部Sa中,具有相同极性的电极层630(更为详细地来说明应该是电极层631b、632a)经由压电体层636而重叠。另外,为了便于说明,自上侧起依次也将互相重叠的电极层630称为第1层630A、第2层630B、第3层630C、第4层630D。另外,特别地,将介于第1层630A与第2层630B之间的压电体层636称为第1压电体层636A,将介于第2层630B与第3层630C之间的压电体层636称为第2压电体层636B,将介于第3层630C与第4层630D之间的压电体层636称为第3压电体层636C。
相邻的第1层630A、第2层630B、第3层630C、第4层630D的层间由被贯穿设置于压电体层636的通孔导体640而被连接。例如,被贯穿设置于第1压电体层636A的第1通孔导体640A连接位于上下的第1层630A和第2层630B。被贯穿设置于第2压电体层636B的第2通孔导体640B连接位于上下的第2层630B和第3层630C。被贯穿设置于第3压电体层636C的第3通孔导体640C连接位于上下的第3层630C和第4层630D。
但是,从厚度方向(层叠体620的层叠方向)观察,上下相邻的通孔导体640彼此不重叠而相邻接。具体地来说,从厚度方向观察,第1压电体层636A所连接的第1通孔导体640A和第2压电体层636B的第2通孔导体640B不重叠而是在层叠体620的长边方向(附图的左右方向)上被错开配置。另外,从厚度方向观察,第2通孔导体640B和第3压电体层636C的第3通孔导体640C也不重叠而是在附图的左右方向上被错开配置。从厚度方向观察,第3压电体层636C的第3通孔导体640C与第1压电体层636A的第1通孔导体640A重叠。通孔导体640的错开量例如优选为通孔导体640的最大半径以上,更加优选为通孔导体640的最大直径以上。
接着,针对制作上述的压电元件610的步骤作如下说明。
首先,将胶粘剂以及有机溶剂等添加到用于形成压电体层636的压电陶瓷粉中并做成浆料。然后,使用例如刮刀法将所获得的浆料制作成多片规定尺寸的坯料薄片。此时,调整增塑剂相对于胶粘剂的比例,以进行充分变形。
在各个坯料薄片上使用YAG激光在要形成通孔导体640的地方形成通孔。
以成为上述图案的形式使用丝网印刷法将成为电极层630的电极浆料[例如Pd-Ag合金(Pd∶Ag=3∶7)]涂布形成于各个坯料薄片上。如果涂布电极浆料的话,则电极浆料被填充于已形成在坯料薄片上的通孔中,但是可根据电极浆料的收缩率来调整电极浆料对通孔的填充率。
接下来,将分别印刷了电极浆料的多片坯料薄片重叠并进一步实行热等静压(WIP:Warm Isostatic Press)等加压处理,从而获得层叠体坯料。就热等静压而言,例如在大约80℃的温度条件下以大约170MPa进行加压10分钟。此时,调整压力等加压处理条件,压碎通孔导体使之变形,并且伴随于其变形,使会成为通孔导体附近的电极层以及压电体层的部分也变形。
然后,烧成所获得的层叠体坯料。具体而言,将层叠体坯料放置于以稳定氧化锆构成的托架(setter)并实行脱胶粘剂处理,进一步将放置了层叠体坯料的托架(setter)放入到稳定氧化锆质的匣钵,并以大约1100℃进行烧成。
在烧成后实施规定的极化处理,从而完成压电元件610。就极化处理而言,例如在100℃的温度条件下施加3分钟电场强度为2kV/mm的电压。
在由上述的步骤制得的压电元件610中,如图36所示各个通孔导体640具有加宽部分640a。加宽部分640a具有在相对于层叠体620的层叠方向垂直的方向上突出来的突部640b,在垂直于层叠体620的层叠方向的截面中的截面积D2为与其他部分的截面积相比相对变得宽阔的部分。更加详细地来说,加宽部分640a的截面积D2比在通孔导体640的厚度方向(层叠体620的层叠方向)上的端面S的面积D1(即D1<D2)更大。截面积D2例如为面积D1的1.2倍~3倍的范围,作为一个例子为1.4倍。在图36所表示的结构中,通孔导体640的加宽部分640a处于通孔导体640的厚度方向上的中心位置。
另外,压电体层636的一部分636b进入到通孔导体640的加宽部分640a的突部640b与接触于该通孔导体640的电极层630之间。
认为这样的通孔导体640的形状、电极层630的形状以及压电体层636的形状是在制作压电元件610的时候通过在高温等压条件下压碎通孔导体来获得。
于是,如果由上述的通孔导体640的话,则加宽部分640a抑制通孔导体640的变形。具体地来说,在相对于通孔导体640附加厚度方向的变形的时候,其变形由通孔导体640自身的锚定效果(Anchoring effect)而被抑制。
还有,就上述的压电元件610而言,通过在制作压电元件610的过程中的烧成的时候非活性部Sa中产生的内部应力(即由烧成时的收缩引起的残留应力)或从外部附加到非活性部Sa的应力,从而能够对非活性部Sa附加厚度方向的变形。另外,通过在一对外部连接端子T1、T2之间施加电压,从而即便活性部Sb在长边方向上发生伸缩或振动等的变形的时候,伴随于该变形也能够对非活性部Sa附加厚度方向的变形。
在图37中表示了现有技术所涉及的压电元件的非活性部的主要部分放大截面图。在图37中符号652、654、656分别表示电极层、压电体层、通孔导体。现有技术所涉及的压电元件具有电极层652和压电体层654交替重叠的层叠体,并且层叠体是通过烧成重叠了电极材料和压电材料的层叠物来获得的,但是容易在层叠体内部产生由该烧成时的收缩引起的残留应力。特别地,电极层652和压电体层654因为其构成材料或物性不同,所以会有应力集中于其界面或界面周边的倾向。于是,在烧成时等所产生的应力成为电极层652或通孔导体656中发生导通不良或断线的原因,因而降低了压电元件的连接可靠性。如图37所示,现有技术所涉及的通孔导体656不包含上述那样的加宽部分,且在整个厚度方向具有均匀的截面积以及宽度。因此,就现有技术所涉及的压电元件而言,对通孔导体656附加厚度方向的变形的情况下,其变形不会被抑制。其结果就会发生电极层652从通孔导体656脱离或者断线的事态。
正如以上所说明的那样,压电元件610通过通孔导体640包含加宽部分640a,从而与具有不包含加宽部分的通孔导体656的现有压电元件相比,能够抑制电极层630或通孔导体640发生导通不良或断线的事态。
特别地,在上述的压电元件610中,由于在通孔导体640的厚度方向上的中心位置处具有加宽部分640a,所以厚度方向上的应力或变形集中于上部以及下部中任一方的事态被抑制,由此就实现了应力或变形的均匀分散。
另外,就上述的压电元件610而言,通过压电体层636的一部分636b进入到通孔导体640的加宽部分640a的突部640b与电极层630之间,从而该部分的压电体层636抑制通孔导体640的变形。由此,在上述非活性部Sa中电极层630或通孔导体640发生导通不良或断线被进一步抑制。
还有,在压电元件610中,层叠体620的一个端部620a侧的非活性部Sa因为具有与上述的另一端部620b侧的非活性部Sa相同的电极层630、压电体层636以及通孔导体640的结构,所以即使就一个端部620a侧的非活性部Sa而言也能够获得与上述相同的效果。
(第8实施方式)
接下来,参照图38~图41并就第8实施方式所涉及的压电元件700的结构作如下说明。
如图38所示,压电元件700是通过形成有单个电极702的多层压电体层703和形成有共用电极704的多层压电体层705被交替层叠并进一步在最上层层叠形成有端子电极717、718的压电体层707来构成的。
压电元件700具备具有在一个方向上延伸的长方体外形的层叠体701。作为一个例子,层叠体701的尺寸为:其长边方向的长度为30.0mm;短边方向的长度为15.0mm;厚度为0.30mm。
多层压电体层703、707都是长方形平板状,作为一个例子其长边方向的长度为30.0mm;短边方向的长度为15.0mm;厚度为30μm。各个压电体层36例如是由将锆钛酸铅作为主成分的压电陶瓷材料构成,并且含有Nb和Sr等添加物。
各个压电体层703、705、707是由将锆钛酸铅作为主成分的压电陶瓷材料构成,并且被形成为例如“15mm×30mm,厚度为30μm”的长方形薄板状。另外,单个电极702和共用电极704以及端子电极717、718由Ag-Pd合金(Ag70wt%,Pd30wt%)构成,也能够由Ag-Pd合金以外的导电材料(Ag-Pt合金、Au-Pd合金、Cu、Ni等)来构成。是由丝网印刷来形成图案的电极。
在从最上层的压电体层707开始数第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层703的上表面,如图39所示,交错配置多个长方形的单个电极702。各个单个电极702是以其长边方向与压电体层703的长边方向相垂直的形式被配置,相邻的单个电极702、702通过隔开规定的间隔来达到电气独立性,并且防止了由互相振动带来的影响。
在此,如果将压电体层3的长边方向设定为列方向且将与该长边方向相垂直的方向设定为行方向的话,则单个电极702例如被排列成4行并以交错状被配置。因为通过交错配置多个单个电极702从而能够相对于压电体层703进行高效率配置,所以既能够维持在压电体层703上有助于变形的活性部的面积又能够谋求到压电元件700的小型化或者单个电极702的高集成化。
各个单个电极702中,将在与所接近的单个电极之间相对的端部设定为连接端部702a并在该连接端部702a的正下方如图42所示连接于被贯穿设置在压电体层703上的通孔导体714。通孔导体714是通过将电极材料填充于被设置于压电体层703的通孔736a来构成的。
再有,在压电体层703的上面的边缘部上形成有用于电连接位于上下的压电体层705的共用电极704彼此的中继电极706。该中继电极706在其正下方被连接于被贯穿设置在压电体层703上的通孔导体714。
另外,在最下层的压电体层703的上表面,也与上述的第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层703同样交错配置有单个电极702。但是,最下层的压电体层703不形成中继电极706以及通孔导体714,在这一点上与第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层703不同。
另外,在从最上层的压电体层707开始数第3层、第5层、第7层、第9层的压电体层705的上表面,如图40所示,在层叠体701的层叠方向(即层叠型压电元件700的厚度方向)上以与压电体层703的各个连接端部702a相对的形式形成了中继电极716。如图42所示,各个中继电极716在其正下方被连接于被贯穿设置在压电体层705上的通孔导体714。通孔导体714是通过将电极材料填充于被设置于压电体层705的通孔736a来构成的。
进一步,在压电体层705的上表面形成共用电极704。该共用电极704隔着规定间隔分别包围第1行以及第2行的中继电极716的集合、第3行以及第4行的中继电极716的集合,并且从层叠方向观察与除去各个单个电极702的连接端部702a的部分相重叠。由此,能够将在压电体层703、705上与除去各个单个电极702的连接端部702a的部分进行相对的部分得整体作为有助于变形的活性部(图42的活性部Sb)来有效利用。另外,共用电极704是从压电体层705的外周部隔着规定间隔而形成,并且以在层叠方向上与压电体层703的中继电极706相对的形式被连接于被贯穿设置在压电体层705上的通孔导体714。
另外,在第9层压电体层705的上表面,与上述的第3层、第5层、第7层的压电体层705相同形成中继电极716以及共用电极704。但是,第9层的压电体层705对于在层叠方向上不形成与压电体层703的中继电极706相对的通孔导体714,从这一点来说与第3层、第5层、第7层的压电体层705不同。
另外,在最上层的压电体层707的上表面,如图41所示,以在层叠方向上与压电体层703的各个单个电极702的连接端部702a相对的形式形成端子电极717,并且以在层叠方向上与压电体层703的中继电极706相对的形式形成端子电极718。各个端子电极717、718在其正下方被连接于被贯穿设置在压电体层707上的通孔导体714。
在这些端子电极717、718上,为了连接于驱动电源而焊接上FPC(flexibleprinted circuit board)等导线。因此,在焊接导线的时候为了容易沾上焊锡,而在端子电极717、718中,在由含有Ag以及Pd的导电材料构成的基底电极层上,为了良好地做到焊锡的浸润性而形成由含有Ag的导电材料构成的表面电极层。
被形成于最上层压电体层707的端子电极717、718的厚度厚于其他电极层702、704、716的厚度,大约为1~2μm。端子电极717、718的厚度相对于其他电极层702、704、716的厚度优选厚出5~50%,更加优选厚出10~30%。
还有,在最上层的压电体层707的上表面的周缘部上也可以配置假性电极图案。通过将假性电极图案配置于周缘部从而压制时的压力的偏重情况变少,并且取得能够减少压制后的坯料密度的偏差的效果。
如上所述相对于最上层的端子电极718通过形成有电极图案的压电体层703、705、707的层叠在层叠方向上,4个共用电极704介在有中继电极706而进行排列,排列好的各个电极层704、706变成了由通孔导体714来进行电连接。
另外,相对于最上层的各个端子电极717,在层叠方向上5个单个电极702介在有中继电极716而进行排列,排列好的各个电极层702、716如图42所示变成由通孔导体714而电连接。
还有,如图42所示,从层叠体701的层叠方向观察,相邻的通孔导体714被设计为各个中心轴不重叠,并以从层叠方向观察隔开规定间隔沿着单个电极702的延伸方向邻接的形式被形成于各个压电体层703、705。通过这样配置,从而就能够将相邻的通孔导体714通过通孔导体714切实地做到电连接。
层叠型压电元件700成为如同上述的电连接,所以如果将电压施加于规定的端子电极717与端子电极718之间的话,则电压被施加于单个电极702与共用电极704之间,且压电体层703、705被单个电极702和共用电极704夹住的部分即活性部Sb进行位移。因此,通过选择施加电压的端子电极717,从而就能够使对应于被配置成阵列状的各个单个电极702的活性部Sb当中排列于选择好的端子电极717之下的活性部Sb在层叠方向上进行位移。这样的层叠型压电元件700适用于微型泵的阀控制等、微小位移为必要的各种各样的装置的驱动源。
另外,单个电极702的连接端部702a与中继电极716重叠的部分因为是相同极性的电极层互相重叠的层叠部分,所以即使被施加电压也基本上不发生变形。因此,如图42所示单个电极702的连接端部702a与中继电极716进行重叠的部分成为无助于变形的非活性部Sa。另外,最上层的压电体层707因为单个电极702只位于下方所以即使被施加电压也基本上不发生变形。就层叠体701而言,只在即使被施加电压也实质上不发生变形的部分(即单个电极702的连接端部702a与中继电极716进行重叠的部分)设置通孔导体714。
如图42以及图43所示,就非活性部Sa而言,具有相同极性的电极层730(更为详细的是单个电极702和中继电极716)通过压电体层703、705进行重叠。还有,为了便于说明,从上侧起依次也将互相重叠的电极层730称为第1层730A、第2层730B、第3层730C、第4层730D。另外,特别地,将介于第1层730A与第2层730B之间的压电体层703称为第1压电体层736A,将介于第2层730B与第3层730C之间的压电体层705称为第2压电体层736B,将介于第3层730C与第4层730D之间的压电体层703称为第3压电体层736C。
相邻的第1层730A、第2层730B、第3层730C、第4层730D的层间是由被贯穿设置在压电体层703、705上的通孔导体714来进行连接。但是,从厚度方向(层叠体701的层叠方向)观察,上下相邻的通孔导体714彼此不重叠而相邻接。具体地来说,从厚度方向观察,第1压电体层736A的第1通孔导体714A和第2压电体层736B的第2通孔导体714B不重叠而在附图的左右方向(即单个电极702的延伸方向)上被错开配置。另外,从厚度方向观察,第2通孔导体714B和第3压电体层736C的第3通孔导体714C也不重叠而在附图的左右方向上被错开配置。从厚度方向观察,第3压电体层736C的第3通孔导体714C与第1压电体层736A的第1通孔导体714A相重叠。通孔导体714的错开量例如优选为通孔导体714的最大半径以上,进一步优选为通孔导体714的最大直径以上。
制作压电元件700的步骤与制作上述的压电元件610的步骤相同。即,重叠涂布了规定图案电极浆料的坯料薄片并实行热等静压等加压处理,从而获得层叠坯料薄片。此时,调整压力等加压处理条件,压碎通孔导体并使之变形,并且以伴随于该变形的形式,使会成为通孔导体近旁的电极层以及压电体层的部分弯曲。然后,烧成所获得的层叠体坯料并且实施规定的极化处理,从而完成压电元件700的制作。
在由上述的步骤制得的压电元件700中,如图43所示各个通孔导体714具有与上述的通孔导体40的加宽部分40a相同的加宽部分714a。即,加宽部分714a具有在相对于层叠体701的层叠方向垂直的方向上突出来的突部714b,在垂直于层叠体701的层叠方向的截面中的截面积D2为与其它部分的截面积相比相对变得宽阔的部分。更加详细地来说,加宽部分714a的截面积D2成为比在通孔导体714的厚度方向(层叠体701的层叠方向)上的端面S的面积D1(即D1<D2)更大。在图43所示的结构中,通孔导体714的加宽部分714a处于通孔导体714的厚度方向上的中心位置。
另外,压电体层703、705的一部分736b进入到通孔导体714的加宽部分714a的突部714b与接触于该通孔导体714的电极层730之间。
认为这样的通孔导体714的形状、电极层730的形状以及压电体层703、705的形状是在制作压电元件700的时候通过在高温等压条件下压碎通孔导体而获得的。
于是,根据上述的通孔导体714,则与第7实施方式所涉及的通孔导体640相同,加宽部分714a抑制通孔导体714的变形。具体地来说,在相对于通孔导体714附加厚度方向的变形的时候,其变形由通孔导体714自身的锚定效果(Anchoring effect)而被抑制。另外,在压电元件700的非活性部Sa中,也会以与第7实施方式所涉及的压电元件610的非活性部Sa相同的原因而能够附加厚度方向的变形。
因此,压电元件700通过通孔导体714包含加宽部分714a,从而与具有不包含加宽部分的通孔导体56的现有压电元件相比,能够抑制电极层730或通孔导体714发生导通不良或断线的事态。
特别是在上述的压电元件700中,因为在通孔导体714的厚度方向上的中心位置具有加宽部分714a,所以厚度方向上的应力或变形集中于上部以及下部中的任一方的事态被抑制,由此就实现了应力或变形的均匀分散。
另外,就上述的压电元件700而言,通过压电体层703、705的一部分736b进入到通孔导体714的加宽部分714a的突部714b与电极层730之间,从而该部分的压电体层703、705抑制通孔导体714的变形。由此,在上述非活性部Sa中电极层730或通孔导体714发生导通不良或断线被进一步抑制。
本发明并不限定于上述的第7实施方式以及第8实施方式。例如,压电元件的层叠体的电极层或压电体层的层数如果是对于构成上述的层叠部分来说为最低限所必需的层数(即3层以上的电极层和2层以上的压电体层)以上的话,则能够作适当增减。另外,层叠体的总厚度、电极层的厚度以及压电体层的厚度也能够作适当增减。
(第9实施方式)
接着,参照图44以及图45并针对第9实施方式所涉及的压电元件810的结构作如下说明。
如图44所示,压电元件810具备具有在一个方向上进行延伸的长方体外形的层叠体820。作为一个例子,层叠体820的尺寸为:其长边方向的长度为2.0mm;短边方向的长度为0.5mm;厚度为0.15mm。如图45所示,层叠体820包含多层电极层830和多层压电体层836、838,并且是通过电极层830和压电体层836、838被交替层叠来构成。在本实施方式中,层叠体820包含3层以上的电极层830,并且包含2层以上的压电体层836、838。在图44和图45中,层叠体820包含电极层830和压电体层836、838各7层。
多层电极层830由Pt构成,并且也能够由Pt以外的导电材料(Ag-Pd合金、Au-Pd合金、Cu、Ni、Ag等)构成。多层电极层830由丝网印刷等来形成图案。如图45所示,多层电极层830由不同电极图案的第1电极层831和第2电极层832以及第3电极层833构成。多层电极层830自上依次交替排列第1电极层831和第2电极层832,最下层就成为第3电极层833。
第1电极层831的电极图案包含被形成在层叠体820的一个端部820a附近的短图案831a、从短图案831a通过规定的间隙延伸到层叠体820的另一端部820b的长图案831b。第2电极层832的电极图案是与第1电极层831相对称的图案,包含被形成在层叠体820的另一端部820b附近的短图案832a、从短图案832a通过规定的间隙延伸到层叠体820的一个端部820a的长图案832b。第3电极层833为被形成在整个区域的图案(所谓全面积导电图案)。
多层压电体层836、838都是长方形平板状,作为一个例子,其长边方向的长度为2.0mm;短边方向的长度为0.5mm;厚度为20μm。各个压电体层836、838例如是由将锆钛酸铅作为主成分的压电陶瓷材料构成,并且含有Zn和Nb等添加物。多层压电体层836、838包含上下设置电极层830的压电体层836和仅上方设置电极层830的最下层的压电体层838。
在压电体层836上通孔836a被贯穿设置于规定地方,在形成各个通孔836a的区域,形成连接位于压电体层836上下的电极层830彼此的通孔导体840。即,通孔导体840是通过将电极材料填充于被设置于压电体层836的通孔836a来构成的。
在层叠体820的一个端部820a,通孔导体840作为通孔导体842来连接第1电极层831的短图案831a和第2电极层832的长图案832b。因此,第1电极层831的短图案831a以及第2电极层832的长图案832b都与在层叠体820表面的第1电极层831的短图案831a上连接的外部连接端子T2相电连接,并且具有相同极性。
另外,在层叠体820的另一端部820b,通孔导体840作为通孔导体844来连接第2电极层832的短图案832a和第1电极层831的长图案831b。另外,在层叠体820的另一端部820b,通孔导体840作为通孔导体844来连接第2电极层832的短图案832a和第3电极层833。因此,第2电极层832的短图案832a、第1电极层831的长图案831b以及第3电极层833都与被连接于层叠体820表面的第1电极层831的长图案831b上连接的外部连接端子T1相电连接,并且具有相同极性。
在压电元件810中,因为一对外部连接端子T1、T2被设置于层叠体820的表面并且两个极性的端子露出于单面,所以能够从单面侧获得导通。
如果将电压施加于一对外部连接端子T1、T2之间的话,则被连接在层叠体820的一个端部820a侧的电极群(即第1电极层831的短图案831a以及第2电极层832的长图案832b)与被连接在另一端部820b侧的电极群(即第1电极层831的长图案831b和第2电极层832的短图案832a以及第3电极层833)会有不相同的极性。此时,电场产生于被层叠体820的两端部820a、820b夹住的部分,例如在中央附近互相重叠的第1电极层831的长图案831b与第2电极层832的长图案832b之间并且位于这两图案之间的压电体层836的部分对应于极化方向发生变形(伸长或收缩)。因此,被层叠体820的两端部820a、820b夹住的部分成为在电压被施加于一对外部连接端子T1、T2之间的时候发生变形的活性部Sb。
由于层叠体820的一个端部820a附近是相同极性的电极层部分831a、832b互相重叠的层叠部分,所以即使将电压施加于一对外部连接端子T1、T2之间也基本上不会发生变形。因此,层叠体820的一个端部820a附近成为即使施加电压也不会发生变形的非活性部Sa。从不发生大位移的观点出发,非活性部Sa适合于上述的通孔导体840的设置。层叠体820的另一端部820b附近也因为是相同极性的电极层部分831b、832a互相重叠的层叠部分,所以与一个端部820a附近相同成为即使施加电压也不会发生变形的非活性部Sa。就这样在压电元件810中沿着层叠体820的长边方向排列非活性部Sa和活性部Sb。
压电体层838因为仅在上方设置第3电极层833,所以与层叠体820的两端部820a、820b相同即使在一对外部连接端子T1、T2之间施加电压基本上也不会发生变形。在压电体层838上贯穿设置通孔导体846。通孔导体846能够通过将电极材料填充于被设置于压电体层838的通孔来构成。通孔导体846是一种不以电极层830的导通为目的的假性通孔导体,例如可以用于识别元件的表里或极性来进行使用。
在层叠体820中,通孔导体842、844、846仅被设置于即使将电压施加于一对外部连接端子T1、T2之间也不会实质性地发生变形的部分(即两端部820a、820b以及最下层的压电体层838)。
接着,参照图46并针对非活性部Sa中的电极层830以及压电体层836的结构作如下说明。图46表示了层叠体820的另一端部820b侧的非活性部Sa的截面。
如图46所示,在非活性部Sa中,具有相同极性的电极层830(更为详细地来说明应该是电极层831b、832a)通过压电体层836而重叠。另外,为了便于说明,自上侧起依次也将互相重叠的电极层830称为第1层830A、第2层830B、第3层830C、第4层830D。另外,特别地,将介于第1层830A与第2层830B之间的压电体层836称为第1压电体层836A,将介于第2层830B与第3层830C之间的压电体层836称为第2压电体层836B,将介于第3层830C与第4层830D之间的压电体层836称为第3压电体层836C。
相邻的第1层830A、第2层830B、第3层830C、第4层830D的层间由被贯穿设置于压电体层836的通孔导体840而被连接。例如,被贯穿设置于第1压电体层836A的第1通孔导体840A连接位于上下的第1层830A和第2层830B。被贯穿设置于第2压电体层836B的第2通孔导体840B连接位于上下的第2层830B和第3层830C。被贯穿设置于第3压电体层836C的第3通孔导体840C连接位于上下的第3层830C和第4层830D。
但是,从厚度方向(层叠体820的层叠方向)观察,上下相邻的通孔导体840彼此不重叠而相邻接。具体地来说,从厚度方向观察,第1压电体层836A的第1通孔导体840A和第2压电体层836B的第2通孔导体840B不重叠而是在层叠体820的长边方向(附图的左右方向)上被错开配置。另外,从厚度方向观察,第2通孔导体840B和第3压电体层836C的第3通孔导体840C也不重叠而是在附图的左右方向上被错开配置。从厚度方向观察,第3压电体层836C的第3通孔导体840C与第1压电体层836A的第1通孔导体840A重叠。通孔导体840的错开量例如优选为通孔导体840的最大半径以上,更加优选为通孔导体840的最大直径以上。
接着,针对制作上述的压电元件810的步骤作如下说明。
首先,将胶粘剂以及有机溶剂等添加到用于形成压电体层836的压电陶瓷粉中并做成浆料。然后,使用例如刮刀法将所获得的浆料制作成多片规定尺寸的坯料薄片。此时,调整增塑剂相对于胶粘剂的比例,以进行充分变形。
在各个坯料薄片上使用YAG激光在要形成通孔导体840的地方形成通孔。
以成为上述图案的形式使用丝网印刷法将成为电极层830的电极浆料[例如Pd-Ag合金(Pd∶Ag=3∶7)]涂布形成于各个坯料薄片上。如果涂布电极浆料的话,则电极浆料被填充于已形成在坯料薄片上的通孔中,但是可根据电极浆料干燥时的收缩率调整电极浆料对通孔的填充率。另外,通过将烧成时的收缩率控制在80%以下从而能够有效地形成后面所述的低洼部40a。
接着,将分别印刷了电极浆料的多片坯料薄片重叠并进一步实行热等静压(WIP:Warm Isostatic Press)等加压处理,从而获得层叠体坯料。就热等静压而言例如在大约80℃的温度条件下以大约250MPa进行加压。此时,使会成为通孔部附近的电极层的部分在高温等压条件下弯曲。
然后,烧成所获得的层叠体坯料。具体而言,将层叠体坯料放置于以稳定氧化锆构成的托架(setter)并实行脱胶粘剂处理,进一步将放置了层叠体坯料的托架(setter)放入到稳定氧化锆质的匣钵,并以大约1100℃进行烧成。
在烧成后实施规定的极化处理,从而完成压电元件810。就极化处理而言,例如在100℃的温度条件下施加3分钟电场强度为2kV/mm的电压。
在由上述的步骤制得的压电元件810中,如图46所示在各个通孔导体840的层叠体820的层叠方向上的两端部形成低洼部840a。例如,被贯穿设置于第1压电体层836A的第1通孔导体840A在上表面具有在第1通孔导体840A的一侧凹陷(图46中的下侧)的低洼部840a,并且在下表面(第2压电体层836B侧的端面)具有在第1通孔导体840A的一侧凹陷(图46中的上侧)的低洼部840a。同样,第2通孔导体840B以及第3通孔导体840C也分别在上下表面具有低洼部840a。
于是,通孔导体840由于低洼部840a而部分变薄(即层叠方向长度变短)。如图46所示,各个通孔导体840A、840B、840C的低洼部840a部分处的厚度变成薄于压电体层836的厚度。
另外,压电体层836的突部836b分别进入到被形成于各个通孔导体840的低洼部840a。例如,第2压电体层836B的朝上的突部836b进入到第1通孔导体840A的下表面的低洼部840a。另外,第1压电体层836A的朝下的突部836b进入到第2通孔导体840B的上表面的低洼部840a。
认为这样的通孔导体840的形状、电极层830的形状以及压电体层836的形状是通过在压电元件810的制作时在高温等压条件下使通孔附近的电极层弯曲来获得的。
另外,在由上述的步骤制得的压电元件810中,形成接近于各个通孔导体840的多个空隙848。比较详细地来说,多个空隙848分别接近层叠体820的层叠方向上的各个通孔导体840的端部并且以进入到各个通孔导体840的低洼部840a的形式进行定位。更加详细地来说,空隙848位于进入到通孔导体840的低洼部840a的压电体层836的突部836b。如图46所示,各个空隙848具有沿着电极层830的延伸方向在一个方向上进行延伸的截面。另外,各个空隙848的内部被惰性气体充满。
如同在以上内容中所说明的那样,压电元件810是一种具备了电极层830和多层压电体层836被交替层叠的层叠体820的压电元件,层叠体820具有作为包含被贯穿设置在重叠于电极层830B的一个面上的第1压电体层836A的第1通孔导体840A、被贯穿设置在重叠于该电极层830B的另一面上的第2压电体层836B的第2通孔导体840B的层叠部分的非活性部Sa。在非活性部Sa中,第1通孔导体840A在下表面(第2压电体层836B侧的端面)具有第1低洼部840a并且具有第2压电体层836B进入到第1低洼部840a的突部836b,第2通孔导体840B在上表面(第1压电体层836A侧的端面)具有第2低洼部840a并且第1压电体层836A具有进入到第2低洼部840a的突部836b。于是,就有了接近于第1通孔导体840A的第1低洼部840a以及第2通孔导体840B的第2低洼部840a的多个空隙848。
就上述的压电元件810而言,在制作压电元件810的过程中的烧成的时候非活性部Sa中产生的内部应力(即由烧成时的收缩引起的残留应力)或从外部附加到非活性部Sa的应力由第1通孔导体840A下表面的低洼部840a和第2通孔导体840B上表面的低洼部840a而缓和。由此,例如通孔导体840的变形或断裂等被抑制并且非活性部Sa中的电极层830或通孔导体840发生导通不良或断线的事态被抑制。
而且,就非活性部Sa而言,由于压电体层836的突部836b进入到通孔导体840的低洼部840a,所以相对于通孔导体840的压电体层836的保持力增加。与通孔导体840的端面(上下表面)为平坦面且压电体层不进入的结构相比,压电体层836的突部836b进入到通孔导体840的低洼部840a的结构相对来说通孔导体840的位移或变形被抑制或者被阻碍。其结果,非活性部Sa中发生导通不良或断线的事态被进一步抑制。
除此之外,就非活性部Sa而言,由于接近于通孔导体840的空隙848缓和通孔导体840周边的应力或变形,所以电极层830或通孔导体840发生导通不良或断线的事态被更进一步抑制。特别地,在上述的实施方式中,在非活性部Sa中具有多个空隙848,多个通孔导体840分别接近于空隙848。因此,应力或变形在多个通孔导体840上分别被缓和,并且非活性部Sa中发生导通不良或断线的事态被进一步抑制。
空隙848的位置并不限于相对于通孔导体840在层叠体820的层叠方向上接近的位置(即竖着排列的位置),也可以是在垂直于层叠方向的方向上接近的位置(即横着排列的位置)。
还有,为了缓和方向或大小多种多样的应力或变形,多个空隙848各自的位置(相对于通孔导体840的相对位置)或尺寸可以不一样,并且可以不均匀以及不规则。并不限于相对于通孔导体840在层叠体820的层叠方向上接近的位置(即竖着排列的位置),也可以是在垂直于层叠方向的方向上接近的位置(即横着排列的位置)。
另外,就压电元件810而言,因为层叠体820的一个端部820a侧的非活性部Sa具有与上述的其他端部820b侧的非活性部Sa相同的电极层830和压电体层836以及通孔导体840的结构,所以即使是一个端部820a侧的非活性部Sa也能够获得与上述相同的效果。
另外,就压电元件810而言,在伴随于活性部Sb中伸缩或振动等变形而从活性部Sb向非活性部Sa附加应力或形变的时候,该应力或形变也被第2层830B或第3层830C缓和。
在此,参照图47以及图48并针对从活性部Sb向非活性部Sa附加的应力或形变作如下说明。
图47表示了活性部Sb由一对外部连接端子T1、T2之间的电压的施加而在层叠体820的长边方向上伸长的时候的非活性部Sa的状况。此时,来自活性部Sb与非活性部Sa的排列方向即层叠体820的长边方向的压缩应力或压缩形变被附加于非活性部Sa。因此,非活性部Sa在层叠体820的长边方向整体收缩。但是,因为非活性部Sa内的通孔导体840以及压电体层836具有上述的结构,所以通过对应于非活性部Sa的收缩加深低洼部80a的深度,从而相对于电极层830的压缩应力以及压缩形变被缓和。这样的通孔导体840的低洼部840a的深化即使是在非活性部Sa从高度方向被拉伸的时候也会发生。
图48表示了由一对外部连接端子T1、T2之间的电压的施加,活性部Sb在层叠体820的长边方向上收缩的时候的非活性部Sa的状况。此时,来自活性部Sb与非活性部Sa的排列方向即层叠体820的长边方向的拉伸应力或拉伸形变被附加于非活性部Sa。因此,非活性部Sa在层叠体820的长边方向上整体伸长。但是,因为非活性部Sa内的通孔导体840以及压电体层836具有上述的结构,所以通过对应于非活性部Sa的伸长减小低洼部840a的深度,从而相对于电极层830的拉伸应力以及拉伸形变被缓和。这样的通孔导体840的低洼部840a的平坦化即使是在非活性部Sa从高度方向被压缩的时候也会发生。
在图49中表示了现有技术所涉及的压电元件的非活性部的主要部分放大截面图。在图49中符号852、854、856分别表示电极层、压电体层以及通孔导体。现有技术所涉及的压电元件具有电极层852和压电体层854交替重叠的层叠体,层叠体是通过烧成重叠了电极材料和压电材料的层叠体来获得的,但是容易在层叠体内部产生由烧成时的收缩引起的残留应力。特别是电极层852和压电体层854因为构成材料或物性不同,所以会有应力集中于其界面或界面周边的倾向。于是,在烧成时等所产生的应力会成为电极层852或通孔导体856上的发生导通不良或断线的原因,因而降低了压电元件的连接可靠性。
如图49所示,现有技术所涉及的通孔导体856的端面(上下表面)平坦且没有低洼部,因此,就现有技术所涉及的压电元件而言,不能够缓和被附加于非活性部的应力或形变。其结果会发生电极层852从通孔导体856脱离或者断线的事态。
在上述的压电元件810中,即使对于在极化时或驱动时从活性部Sb向非活性部Sa附加的应力或形变来说也被缓和。由此,在上述层叠部分发生电极层830或通孔导体840的导通不良或断线的事态被抑制。
(第10实施方式)
接下来,参照图50~53并就第10实施方式所涉及的压电元件900的结构作如下说明。
如图50所示,压电元件900是通过将形成有单个电极902的多层压电体层903和形成有共用电极904的多层压电体层905交替层叠并进一步在最上层层叠形成有端子电极917、918的压电体层907来构成的。
压电元件900具备具有在一个方向上延伸的长方体的外形的层叠体901。作为一个例子,层叠体901的尺寸为:其长边方向的长度为30.0mm;短边方向的长度为15.0mm;厚度为0.30mm。
多层压电体层903、907都是长方形平板状,作为一个例子,其长边方向的长度为30.0mm;短边方向的长度为15.0mm;厚度为30μm。各个压电体层36例如是由将锆钛酸铅作为主成分的压电陶瓷材料构成,并且含有Nb和Sr等添加物。
各个压电体层903、905、907是由将锆钛酸铅作为主成分的压电陶瓷材料构成,并且被形成为例如“15mm×30mm,厚度为30μm”的长方形薄板状。另外,单个电极902、共用电极904以及端子电极917、918由Ag-Pd合金(Ag70wt%,Pd30wt%)构成,也能够由Ag-Pd合金以外的导电材料(Ag-Pt合金、Au-Pd合金、Cu、Ni等)来构成。是由丝网印刷来形成图案的电极。
如图51所示,在从最上层的压电体层907开始数第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层903的上表面交错配置多个长方形的单个电极902。各个单个电极902是以其长边方向与压电体层903的长边方向相垂直的形式被配置,相邻的单个电极902、902通过隔着规定的间隔来达到电气独立性,并且防止了由互相振动带来的影响。
在此,如果将压电体层3的长边方向设定为列方向且将与该长边方向相垂直的方向设定为行方向的话,则单个电极902例如被排列成4行并以交错状被配置。因为通过交错配置多个单个电极902从而能够相对于压电体层903进行高效率配置,所以既能够维持在压电体层903上有助于变形的活性部的面积又能够谋求到压电元件900的小型化或者单个电极902的高集成化。
各个单个电极902中,将在与所接近的单个电极之间相对的端部设定为连接端部902a并在该连接端部902a的正下方如图54所示连接于被贯穿设置在压电体层903上的通孔导体914。通孔导体914是通过将电极材料填充于被设置于压电体层903的通孔936a来构成的。
再有,在压电体层903的上表面的边缘部上形成用于电连接位于上下的压电体层905的共用电极904彼此的中继电极906。该中继电极906在其正下方被连接于被贯穿设置在压电体层903上的通孔导体914。
另外,在最下层的压电体层903的上表面,也与上述的第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层903同样交错配置有单个电极902。但是,最下层的压电体层903不形成中继电极906以及通孔导体914,在这一点上与第2层、第4层、第6层、第8层的压电体层903不同。
另外,在从最上层的压电体层907开始数第3层、第5层、第7层、第9层的压电体层905的上表面,如图52所示,在层叠体901的层叠方向(即层叠型压电元件900的厚度方向)上以与压电体层903的各个连接端部902a相对的形式形成了中继电极916。如图54所示,各个中继电极916在其正下方被连接于被贯穿设置在压电体层905上的通孔导体914。通孔导体914是通过将电极材料填充于被设置于压电体层905的通孔936a来构成的。
进一步,在压电体层905的上表面形成共用电极904。该共用电极904随着隔开规定间隔来分别包围第1行以及第2行中继电极916的集合、第3行以及第4行中继电极916的集合,并且从层叠方向观察与除去各个单个电极902的连接端部902a的部分相重叠。由此,能够将在压电体层903、905上与除去各个单个电极902的连接端部902a的部分相对的部分的整体作为有助于变形的活性部(图54的活性部Sb)来有效利用。另外,共用电极904是从压电体层905的外周部隔开规定间隔而形成,并且以在层叠方向上与压电体层903的中继电极906相对的形式被连接于被贯穿设置在压电体层905上的通孔导体914。
另外,在第9层压电体层905的上表面,与上述的第3层、第5层、第7层的压电体层905相同形成中继电极916以及共用电极904。但是,第9层的压电体层905在层叠方向上不形成与压电体层903的中继电极906相对的通孔导体914,从这一点来说与第3层、第5层、第7层的压电体层905不同。
另外,在最上层的压电体层907的上表面,如图53所示,以在层叠方向上与压电体层903的各个单个电极902的连接端部902a相对的形式形成端子电极917,并且以在层叠方向上与压电体层903的中继电极906相对的形式形成端子电极918。各个端子电极917、918在其正下方被连接于被贯穿设置在压电体层907上的通孔导体914。
在这些端子电极917、918上,为了连接于驱动电源而焊接上FPC(flexibleprinted circuit board)等导线。因此,在焊接导线的时候为了容易沾上焊锡,而在端子电极917、918来说在由含有Ag以及Pd的导电材料构成的基底电极层上,为了良好地做到焊锡的浸润性而形成由含有Ag的导电材料构成的表面电极层。
被形成于最上层压电体层907的端子电极917、918的厚度厚于其他电极层902、904、916的厚度,大约为1~2μm。端子电极917、918的厚度相对于其他电极层902、904、916的厚度优选厚出5~50%,更加优选厚出10~30%。
还有,在最上层的压电体层907的上表面的周缘部上也可以配置假性电极图案。通过将假性电极图案配置于周缘部,从而压制时的压力的偏重情况变少,并且获得能够减少压制后的坯料密度的偏差的效果。
如上所述相对于最上层的端子电极918通过形成有电极图案的压电体层903、905、907的层叠在层叠方向上,4个共用电极904介在有中继电极906而进行排列,排列好的各个电极层904、906变成了由通孔导体914来进行电连接。
另外,相对于最上层的各个端子电极917,在层叠方向上5个单个电极902介在有中继电极916而进行排列,排列好的各个电极层902、916如图54所示变成由通孔导体914而电连接。
还有,如图54所示,从层叠体901的层叠方向观察相邻的通孔导体914被设计为各个中心轴不重叠,并以从层叠方向观察隔开规定间隔沿着单个电极902的延伸方向邻接的形式被形成于各个压电体层903、905。通过这样配置,从而就能够将相邻的通孔导体914通过通孔导体914切实地做到电连接。
层叠型压电元件900成为如同上述的电连接,所以如果将电压施加于规定的端子电极917与端子电极918之间的话,则电压被施加于单个电极902与共用电极904之间,且压电体层903、905被单个电极902和共用电极904夹住的部分即活性部Sb进行位移。因此,通过选择施加电压的端子电极917,从而就能够使对应于被配置成阵列状的各个单个电极902的活性部Sb当中排列于选择好的端子电极917之下的活性部Sb在层叠方向上进行位移。这样的层叠型压电元件900适用于微型泵的阀控制等、微小位移为必要的各种各样的装置的驱动源。
另外,单个电极902的连接端部902a与中继电极916重叠的部分因为是相同极性的电极层互相重叠的层叠部分,所以即使被施加电压也基本上不发生变形。因此,如图54所示,单个电极902的连接端部902a与中继电极916重叠的部分成为无助于变形的非活性部Sa。另外,最上层的压电体层907因为单个电极902只位于下方所以即使被施加电压也基本上不发生变形。就层叠体901而言,只在即使被施加电压也实质上不发生变形的部分(即单个电极902的连接端部902a与中继电极916进行重叠的部分)设置通孔导体914。
如图54以及图55所示,就非活性部Sa而言,具有相同极性的电极层930(更为详细的是单个电极902和中继电极916)通过压电体层903、905进行重叠。还有,为了便于说明,从上侧起依次也将互相重叠的电极层930称为第1层930A、第2层930B、第3层930C、第4层930D。另外,特别地,将介于第1层930A与第2层930B之间的压电体层903称为第1压电体层936A,将介于第2层930B与第3层930C之间的压电体层905称为第2压电体层936B,将介于第3层930C与第4层930D之间的压电体层903称为第3压电体层936C。
相邻的第1层930A、第2层930B、第3层930C、第4层930D的层间是由被贯穿设置在压电体层903、905上的通孔导体914来进行连接。但是,从厚度方向(层叠体901的层叠方向)观察,上下相邻的通孔导体914彼此不重叠而相邻接。具体地来说,从厚度方向观察,第1压电体层936A的第1通孔导体914A和第2压电体层936B的第2通孔导体914B不重叠而在附图的左右方向(即单个电极902的延伸方向)上被错开配置。另外,从厚度方向观察,第2通孔导体914B和第3压电体层936C的第3通孔导体914C也不重叠而在附图的左右方向上被错开配置。从厚度方向观察,第3压电体层936C的第3通孔导体914C与第1压电体层936A的第1通孔导体914A相重叠。通孔导体914的错开(偏差)量例如优选为通孔导体914的最大半径以上,进一步优选为通孔导体914的最大直径以上。
制作压电元件900的步骤与制作上述的压电元件810的步骤相同。即,重叠涂布了规定图案电极浆料的坯料薄片并实行热等静压等加压处理,从而获得层叠坯料薄片。此时,使会成为通孔附近的电极层的部分在高温等压条件下弯曲。然后,烧成所获得的层叠体坯料并实施规定的极化处理,从而完成压电元件900的制作。
在由上述的步骤制得的压电元件900中,如图55所示在各个通孔导体914的层叠体901的层叠方向上的两个端部形成有低洼部914a。例如,被贯穿设置于第1压电体层936A的第1通孔导体914A在上表面具有在第1通孔导体914A的一侧(图54中的下侧)凹陷的低洼部914a,并且在下表面(第2压电体层936B侧的端面)具有在第1通孔导体914A的一侧(图54中的上侧)凹陷的低洼部914a。同样,第2通孔导体914B以及第3通孔导体914C也分别在上下表面具有低洼部914a。
于是,通孔导体914由于低洼部914a而部分变薄(即层叠方向长度变短)。如图54所示,各个通孔导体914A、914B、914C的低洼部914a部分处的厚度变成薄于压电体层936A、936B、936C的厚度。
另外,压电体层936A、936B、936C的突部936b分别进入到被形成于各个通孔导体914的低洼部914a。例如,第2压电体层936B的朝上的突部936b进入到第1通孔导体914A的下表面的低洼部914a。另外,第1压电体层936A的朝下的突部936b进入到第2通孔导体914B的上表面的低洼部914a。
这样的通孔导体914的形状和电极层930的形状以及压电体层903、905的形状被认为是通过在压电元件900的制作时在高温等压条件下使通孔附近的电极层弯曲而获得。
另外,在由上述的步骤制得的压电元件900中,形成接近于各个通孔导体914的多个空隙948。比较详细地来说,多个空隙948分别以接近于层叠体901的层叠方向上的各个通孔导体914的端部,并且进入到各个通孔导体914的低洼部914a的形式进行定位。更加详细地来说,空隙948位于进入到通孔导体914的低洼部914a的压电体层936A、936B、936C的突部936b。如图55所示,各个空隙948具有沿着电极层930的延伸方向在一个方向上进行延伸的截面。另外,各个空隙948的内部被惰性气体充满。
第10实施方式所涉及的压电元件900是一种具备电极层930和压电体层903、905交替层叠的层叠体901的压电元件,层叠体901具有包含被贯穿设置在重叠于电极层930B的一个面上的第1压电体层936A的第1通孔导体914A、被贯穿设置在重叠于该电极层930B的另一面上的第2压电体层936B的第2通孔导体914B的层叠部分作为非活性部Sa。在非活性部Sa中,第1通孔导体914A在下表面(第2压电体层936B侧的端面)具有第1低洼部914a并且具有第2压电体层936B进入到第1低洼部914a的突部936b,第2通孔导体914B在上表面(第1压电体层936A侧的端面)具有第2低洼部914a并且具有第1压电体层936A进入到第2低洼部914a的突部936b。于是,就有接近于第1通孔导体914A的第1低洼部914a以及第2通孔导体914B的第2低洼部914a的多个空隙948。
于是,第10实施方式所涉及的压电元件900与上述的第9实施方式所涉及的压电元件810相同,在制作压电元件900的过程中的烧成的时候非活性部Sa中产生的内部应力或从外部被附加到非活性部Sa的应力由第1通孔导体914A下表面的低洼部914a和第2通孔导体914B上表面的低洼部914a而被缓和。由此,例如通孔导体914的变形和断裂等被抑制并且电极层930或通孔导体914发生导通不良或断线的事态被抑制。
而且,就非活性部Sa而言,因为压电体层903、905的突部936b进入到通孔导体914的低洼部914a,所以相对于通孔导体914的压电体层903、905的保持力增加。与通孔导体40的端面(上下表面)为平坦面且压电体层不进入的结构相比,压电体层903、905的突部936b进入到通孔导体914的低洼部914a的结构相对来说通孔导体914的位移或变形被抑制或者被阻碍。其结果非活性部Sa中发生导通不良或断线的事态被进一步抑制。
除此之外,就非活性部Sa而言,接近于通孔导体914的空隙948缓和通孔导体914周边的应力或形变,所以电极层930或通孔导体914发生导通不良或断线的事态被更进一步抑制。特别地,在上述的实施方式中,在非活性部Sa中具有多个空隙948,空隙948分别接近于多个通孔导体914。因此,应力或形变在多个通孔导体914上分别被缓和,并且非活性部Sa中发生导通不良或断线的事态被进一步抑制。
空隙948的位置与上述的第9实施方式的空隙848的位置相同,也可以是相对于通孔导体914进行竖着排列的位置或横着排列的位置。
另外,第10实施方式所涉及的压电元件900与上述的第9实施方式所涉及的压电元件810相同,因为在非活性部Sa的层叠部分中通孔导体914以及压电体层903、905具有上述的结构,所以即使对于在极化时或驱动时从活性部Sb向非活性部Sa附加的应力或形变来说也被缓和。由此,在上述层叠部分电极层930或通孔导体914发生导通不良或断线的事态被抑制。
本发明并不限定于上述的第9实施方式以及第10实施方式。例如,压电元件的层叠体的电极层或压电体层的层数如果是对于构成上述的层叠部分来说为最低限所必需的层数(即3层以上的电极层和2层以上的压电体层)以上的话,则能够作适当增减。另外,层叠体的总厚度和电极层的厚度以及压电体层的厚度也能够作适当增减。进一步,非活性部Sa中的空隙的数量能够作适当增减,也可以是在非活性部Sa内仅有一个的形态(例如只接近于第1通孔导体以及第2通孔导体中的任一方的空隙)或对于各个通孔导体各有一个的形态、对于各个通孔导体有多个的形态等。
Claims (17)
1.一种压电元件,其特征在于:
该压电元件具备电极层和压电体层被交替层叠的层叠体,
所述层叠体具有包含被贯穿设置在重叠于所述电极层的一面上的第1压电体层的第1通孔导体、和被贯穿设置在重叠于该电极层的另一面上的第2压电体层的第2通孔导体的层叠部分,
在所述层叠部分中,
所述第1通孔导体在所述第2压电体层侧的端面上具有第1低洼部,并且所述第2压电体层具有进入到所述第1低洼部的突部,
所述第2通孔导体在所述第1压电体层侧的端面上具有第2低洼部,并且所述第1压电体层具有进入到所述第2低洼部的突部。
2.如权利要求1所述的压电元件,其特征在于:
具有在施加电压的时候在压电体层产生电场而变形的活性部、和在施加电压的时候在压电体层不产生电场的非活性部,
所述层叠部分位于所述非活性部,
从所述层叠体的层叠方向观察,所述第1通孔导体和所述第2通孔导体沿着所述活性部和所述非活性部的排列方向相邻接。
3.如权利要求1或者2所述的压电元件,其特征在于:
所述第1通孔导体的厚度薄于所述第1压电体层的厚度,或者,所述第2通孔导体的厚度薄于所述第2压电体层的厚度。
4.一种压电元件,其特征在于:
具备具有层叠部分的层叠体,所述层叠部分包含一对电极层、介于该一对电极层之间的压电体层、被贯穿设置于该压电体层的通孔导体,
在所述层叠部分具有接近于所述通孔导体的空隙。
5.如权利要求4所述的压电元件,其特征在于:
具有在施加电压的时候在压电体层产生电场而变形的活性部、和在施加电压的时候在压电体层不产生电场的非活性部,
所述层叠部分位于所述非活性部。
6.如权利要求4或者5所述的压电元件,其特征在于:
所述通孔导体的端面的面积小于所述层叠体的层叠方向上的所述通孔导体的中心位置处的截面的面积。
7.一种压电元件,其特征在于:
具备具有层叠部分的层叠体,所述层叠部分包含一对电极层、介于该一对电极层之间的压电体层和被贯穿设置于该压电体层的通孔导体,
在所述层叠部分中,所述通孔导体的所述层叠体的层叠方向上的两个端部分别形成有低洼部。
8.如权利要求7所述的压电元件,其特征在于:
具有在施加电压的时候在压电体层产生电场而变形的活性部和在施加电压的时候在压电体层不产生电场的非活性部,
所述层叠部分位于所述非活性部。
9.如权利要求7或8所述的压电元件,其特征在于:
所述压电体层具有进入到所述通孔导体的所述低洼部的突部。
10.如权利要求7~9中任一项所述的压电元件,其特征在于:
所述通孔导体的所述两个端部的端面的面积小于所述层叠体的层叠方向上的所述通孔导体的中心位置处的截面的面积。
11.一种压电元件,其特征在于:
具备具有层叠部分的层叠体,所述层叠部分包含一对电极层、介于该一对电极层之间的压电体层、被贯穿设置于该压电体层的通孔导体,
所述通孔导体包含加宽部分,所述加宽部分的垂直于所述层叠体的层叠方向的截面的面积大于所述通孔导体的所述层叠体的层叠方向上的端面的面积。
12.如权利要求11所述的压电元件,其特征在于:
具有在施加电压的时候在压电体层产生电场而变形的活性部、和在施加电压的时候压在电体层不产生电场的非活性部,
所述层叠部分位于所述非活性部。
13.如权利要求11或12所述的压电元件,其特征在于:
所述通孔导体的所述加宽部分处于所述层叠体的层叠方向上的所述通孔导体的中心位置。
14.如权利要求11~13中任一项所述的压电元件,其特征在于:
所述压电体层进入到所述加宽部分的突部与所述电极层之间。
15.一种压电元件,其特征在于:
该压电元件具备电极层和压电体层被交替层叠的层叠体,
所述层叠体具有包含被贯穿设置在重叠于所述电极层的一面上的第1压电体层的第1通孔导体、和被贯穿设置在重叠于该电极层的另一面上的第2压电体层的第2通孔导体的层叠部分,
在所述层叠部分中,
所述第1通孔导体在所述第2压电体层侧的端面上具有第1低洼部,并且所述第2压电体层具有进入到所述第1低洼部的突部,
所述第2通孔导体在所述第1压电体层侧的端面上具有第2低洼部,并且所述第1压电体层具有进入到所述第2低洼部的突部,
并且具有接近于所述第1通孔导体的所述第1低洼部以及所述第2通孔导体的所述第2低洼部中至少一方的至少一个空隙。
16.如权利要求15所述的压电元件,其特征在于:
具有在施加电压的时候在压电体层产生电场而变形的活性部、和在施加电压的时候压电体层中不产生电场的非活性部,
所述层叠部分位于所述非活性部,
从所述层叠体的层叠方向观察,所述第1通孔导体和所述第2通孔导体沿着所述活性部和所述非活性部的排列方向相邻接。
17.如权利要求15或16所述的压电元件,其特征在于:
包含多个所述空隙,所述空隙分别接近于所述第1通孔导体的所述第1低洼部以及所述第2通孔导体的所述第2低洼部。
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