WO2011122416A1 - 圧電素子使用装置 - Google Patents

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WO2011122416A1
WO2011122416A1 PCT/JP2011/056994 JP2011056994W WO2011122416A1 WO 2011122416 A1 WO2011122416 A1 WO 2011122416A1 JP 2011056994 W JP2011056994 W JP 2011056994W WO 2011122416 A1 WO2011122416 A1 WO 2011122416A1
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piezoelectric
piezoelectric element
porosity
internal electrode
layer
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PCT/JP2011/056994
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Inventor
政之 植谷
谷　信
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日本碍子株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
    • H10N30/072—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by laminating or bonding of piezoelectric or electrostrictive bodies
    • H10N30/073—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by laminating or bonding of piezoelectric or electrostrictive bodies by fusion of metals or by adhesives

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric element using apparatus including a laminated piezoelectric element and a driven element driven by the laminated piezoelectric element.
  • Conventionally known piezoelectric element using apparatuses include a laminated piezoelectric element 100 and a driven element 200 driven by the laminated piezoelectric element 100 as shown in FIG.
  • the driven element 200 is bonded (bonded) to one surface 100a of both ends in the stacking direction of the stacked piezoelectric element 100 using an adhesive (see, for example, Patent Document 1).
  • One other surface of both ends of the stacked piezoelectric element 100 in the stacking direction is fixed to the base 300, for example.
  • the other one (the end portion to which the driven element 200 is not bonded) at both ends in the stacking direction of the stacked piezoelectric element 100 may be a free end.
  • piezoelectric is used as a term representing a concept including “piezoelectric” and “electrostriction”.
  • the piezoelectric element includes both “an element having a piezoelectric effect (piezoelectric element) and an element having an electrostrictive effect (electrostrictive element)”.
  • the multilayer piezoelectric element 100 includes a plurality of piezoelectric layers (layers made of a piezoelectric material) 101, a plurality of internal electrode layers 102 and 103, a pair of end piezoelectric layers 104, Is provided.
  • the plurality of internal electrode layers 102 are electrically connected to each other.
  • the plurality of internal electrode layers 103 are electrically connected to each other.
  • One of the plurality of internal electrode layers 102 is opposed to one of the plurality of internal electrode layers 103 with one of the plurality of piezoelectric layers 101 interposed therebetween.
  • the piezoelectric element 100 is a ceramic laminate in which each of the plurality of piezoelectric layers 101 and each of the plurality of internal electrode layers (102, 103) are alternately stacked.
  • Each of the plurality of piezoelectric layers 101 is sandwiched between a pair of internal electrode layers 102 and 103 facing each other among the plurality of internal electrode layers.
  • a “changing voltage” is applied through the internal electrode layers 102 and 103 to the piezoelectric layer 101 sandwiched between the internal electrode layers 102 and 103, and as a result, a “changing electric field” is applied.
  • the piezoelectric layer 101 expands and contracts in the stacking direction. Therefore, “the portion sandwiched between the internal electrode layers 102 and 103” of the laminated piezoelectric layer 101 constitutes the “active portion KS” (see FIG. 14).
  • the internal electrode layer 102 and the internal electrode layer 103 are not opposed to each other via the piezoelectric layer 101 (the internal electrode layer 102 and the internal electrode layer 103 are not overlapped when viewed from the stacking direction).
  • An electric field cannot be applied to the portion near the side surface of the piezoelectric element 100. Accordingly, the piezoelectric layer 101 at that portion does not expand and contract, and constitutes a “side surface inactive portion SF” as shown in FIG.
  • the pair of end piezoelectric layers 104 are respectively disposed (laminated) on both ends of the laminated body including the active portion KS and the side surface inactive portion SF.
  • Each of the pair of end piezoelectric layers 104 is not sandwiched between the internal electrode layers 102 and 103. Therefore, an electric field cannot be applied to the end piezoelectric layer 104.
  • the pair of end piezoelectric layers 104 do not expand and contract, and constitute an “end surface inactive portion TF” as shown in FIG.
  • the end piezoelectric layer (end surface inactive portion TF) 104 may be provided (laminated) only at one end of the stacked body including the active portion KS and the side surface inactive portion SF.
  • a polarization process in order to manufacture the piezoelectric element 100, a polarization process must be performed. During this polarization process, since a voltage (and hence an electric field) is applied to the active part KS, the active part KS greatly expands due to the inverse piezoelectric effect. On the other hand, since the electric field is not applied to the side surface inactive portion SF, the side surface inactive portion SF does not expand. Accordingly, a tensile stress is generated in the side surface inactive part SF. As a result, a micro crack is generated in the side surface inactive portion SF. The microcrack becomes a starting point of fracture of the piezoelectric element 100 (that is, a fracture start point) when a bending stress is applied to the piezoelectric element 100.
  • the element breakage due to the micro cracks in the side surface inactive portion SF is more likely to occur as the width (thickness) W2 of the side surface inactive portion SF is smaller (that is, the side surface inactive portion SF is thinner). That is, the bending strength of the piezoelectric element 100 decreases as the width W2 of the side surface inactive portion SF decreases. In other words, the bending strength of the piezoelectric element 100 can be increased as the width W2 of the side surface inactive portion SF is increased. However, when the width W2 of the side surface inactive portion SF is increased, the width W1 of the active portion KS is decreased. As a result, there arises a new problem that the amount of displacement that the multilayer piezoelectric element 100 can exhibit is reduced.
  • the multilayer piezoelectric element 100 is usually manufactured by laminating a large area green sheet to create a multilayer piezoelectric body and cutting the multilayer piezoelectric body in order to reduce the manufacturing cost.
  • a manufacturing method When such a manufacturing method is used, individual differences occur in the width W2 of the side surface inactive portion SF due to variations in manufacturing. Accordingly, the width W2 of the side surface inactive portion SF is small, and therefore, the piezoelectric element 100 having a low bending strength is generated at “a certain frequency”.
  • Such a “crack caused by bending stress” has a property of extending along pores (pores and pores) in the side surface inactive portion SF.
  • the conventional piezoelectric element 100 reduces the number of holes included in the side surface inactive portion SF by reducing the number of holes formed in the piezoelectric layer 101. That is, the porosity of the piezoelectric layer 101 is reduced.
  • the multilayer piezoelectric element 100 having a high bending strength can be obtained.
  • the end piezoelectric layer 104 is formed from the same material as the piezoelectric layer 101. Accordingly, the porosity of the end piezoelectric layer 104 is as small as the porosity of the piezoelectric layer 101.
  • the “strength against impact or the like (that is, the piezoelectric element) of the piezoelectric element using apparatus for the reason described later.
  • the strength against impact or the like is, for example, strength for preventing damage to the piezoelectric element using apparatus when the piezoelectric element using apparatus is dropped.
  • the piezoelectric layer 104 constituting the end face inactive portion TF is a dense piezoelectric layer, as in the piezoelectric layer 101 constituting the active portion KS and the side face inactive portion SF, and has a low porosity. Therefore, the unevenness of the end surface 100a to which the driven element 200 is bonded is extremely small. As a result, the anchor effect of the adhesive that adheres the driven element 200 to the end surface 100a is not sufficiently exhibited, so that the driven element drops off when an impact is applied to the piezoelectric element using apparatus.
  • the anchor effect of the adhesive means an effect of increasing the adhesive force by the adhesive entering the fine unevenness of the adhesive surface and curing.
  • the anchor effect is also called a throwing effect or a fastener effect.
  • one of the objects of the present invention is a laminated piezoelectric element having an active part and an inactive part (end face inactive part), and a driven element joined to the exposed surface of the inactive part by an adhesive, It is an object to provide a device having a high “strength (bending strength) against impact or the like”.
  • the piezoelectric element using apparatus of the present invention (hereinafter also referred to as “the present invention apparatus”) includes a laminated piezoelectric element and a driven element.
  • the multilayer piezoelectric element includes a plurality of piezoelectric layers and a plurality of internal electrode layers, and each of the plurality of piezoelectric layers and each of the plurality of internal electrode layers is “in a stacking direction orthogonal to the layer surface of the piezoelectric layer”. It is a laminated body (ceramic laminated body) laminated alternately.
  • the stacked piezoelectric element includes an active portion including a portion sandwiched between a pair of internal electrode layers facing each other among the plurality of internal electrode layers, and the active portion. And an inactive portion made of a single or a plurality of piezoelectric layers that are disposed at at least one end in the stacking direction and are not sandwiched between the internal electrode layers.
  • the driven element is bonded (adhered) to the exposed surface of the inactive part (that is, the end of the inactive part in the stacking direction) with an adhesive.
  • the device of the present invention includes the non-existent surface that is present within a “predetermined thickness range” from the “joint surface (adhesion surface) where at least the driven element is joined” of the exposed surface of the inactive part.
  • the active part has a porosity (inactive part porosity) that is greater than a porosity (active part porosity) of the piezoelectric layer constituting the active part.
  • the inactive portion is formed of a single piezoelectric layer
  • the porosity of the “entire portion or the portion existing directly below the joint surface” of the single piezoelectric layer is “the active portion is configured.
  • the inactive portion may be formed so as to be larger than the “porosity of the piezoelectric layer”.
  • the inactive portion is formed of a laminate of a plurality of piezoelectric layers, “the whole or a direction directly below the bonding surface of the piezoelectric layer that constitutes at least the bonding surface among the plurality of piezoelectric layers”
  • the inactive portion may be formed so that the porosity of the “portion existing in” is larger than the porosity of the piezoelectric layer constituting the active portion.
  • the porosity of the piezoelectric layer of the inactive portion in the portion existing within the predetermined thickness range from the bonding surface is larger than the porosity of the piezoelectric layer constituting the active portion, Many vacancies appear as open pores. That is, many unevennesses are formed on the joint surface. Therefore, since the anchor effect of the adhesive is exhibited, the driven element is firmly bonded to the piezoelectric element.
  • the porosity of the piezoelectric layer constituting the active portion can be reduced, the porosity of the side surface inactive portion described above can also be reduced. As a result, micro cracks are unlikely to occur in the side surface inactive portion during the polarization treatment. Therefore, the “strength against bending stress” of the piezoelectric element itself can be kept high. As a result, a piezoelectric element using apparatus with high bending strength (including strength against impacts, etc.) is provided.
  • the joint surface of the inactive portion is a surface that has been subjected to planar polishing, and is a void formed in the inactive portion (a portion existing within a predetermined range from the joint surface). It is preferable that a part of the hole is a surface exposed as open pores by the planar polishing.
  • the bonding surface is a “surface formed by polishing the end surface of the piezoelectric element”
  • a large number of voids formed in the “portion of the inactive portion having a high porosity” are formed on the bonding surface. Appears as open pores. Therefore, the anchor effect of the adhesive can be more effectively exhibited. As a result, the bending strength of the piezoelectric element using device can be improved.
  • the surface polishing includes, for example, surface grinding and lapping.
  • the abrasive grains of the grindstone used for the planar polishing are preferably “diamond and CBN (cubic silicon nitride)” from the viewpoint of processing efficiency.
  • the grain size of the grindstone used for finishing is preferably # 400 to # 1500, more preferably # 600 to # 1200.
  • the particle size is smaller (rougher) than # 400, the load on the processed surface of the piezoelectric element increases, and a large number of microcracks are generated on the processed surface of the piezoelectric element. As a result, the strength of the inactive layer of the piezoelectric element is increased. Decreases.
  • the “length D1 of the open pores in the bonding surface SP” is “a surface parallel to the bonding surface SP and the bonding surface SP”. It is preferable to have a shape smaller than the “maximum value D2max of the length D2 of the open pores in the surface LP at a position separated from the SP”.
  • the open pores as shown in FIG.
  • the shape S1 of the open pores in the joint surface SP is smaller than the maximum value S2max of the area S2 of the open pores in the surface LP at a position parallel to the joint surface and spaced from the joint surface. It is preferable to have.
  • the anchor effect when the adhesive enters the open pores and hardens, the anchor effect can be more reliably exhibited. As a result, the bending strength of the piezoelectric element using device can be improved.
  • the active part porosity A is 1% or less, the inactive part porosity B is 0.8% or more, and the active part porosity A is calculated from the inactive part porosity B.
  • the reduced porosity difference (BA) is preferably 0.2% or more and 2% or less.
  • the porosity difference (BA) when the porosity difference (BA) is smaller than 0.2%, the porosity difference is substantially 0% when the porosity of the multilayer piezoelectric element varies due to manufacturing variations. Cases arise, and as a result, the frequency of occurrence of low bending strength piezoelectric elements increases.
  • the porosity difference (BA) when the porosity difference (BA) is larger than 2%, the inactive portion porosity becomes excessive. For this reason, since cracks are easily transmitted through the voids in the inactive portion, it is highly possible that the inactive portion will break before breakage occurs at the joint surface between the multilayer piezoelectric element and the driven element. Become.
  • the active part porosity A and the inactive part porosity B as described above, it is possible to reduce the influence of the change in porosity due to manufacturing variations on the bending strength of the piezoelectric element.
  • the impact resistance of the piezoelectric element using device can be improved.
  • the bending strength is sufficiently high, and therefore a highly reliable piezoelectric element using apparatus is provided.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a piezoelectric element using apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 2A is a left side view of the multilayer piezoelectric element shown in FIG. 1
  • FIG. 2B is a front view of the multilayer piezoelectric element shown in FIG. 1
  • FIG. FIG. 3 is a right side view of the multilayer piezoelectric element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a front view of the multilayer piezoelectric element shown in FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the vicinity of the top surface of the multilayer piezoelectric element shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a process of manufacturing the multilayer piezoelectric element shown in FIG. FIG.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the breaking load measuring method of “Example of the piezoelectric element using apparatus shown in FIG. 1” and “Comparative Example”.
  • FIG. 7 shows the “difference between the porosity of the active layer and the porosity of the first end face inactive layer and the minimum breakage” with respect to “the embodiment of the piezoelectric element using apparatus shown in FIG. 1” and “comparative example”. It is the graph which plotted "the relationship with a load.”
  • FIG. 8 is a graph plotting the relationship between the porosity of the fracture site and the fracture load for the “Example of the device using the piezoelectric element shown in FIG. 1” and the “Comparative Example”.
  • FIG. 7 shows the “difference between the porosity of the active layer and the porosity of the first end face inactive layer and the minimum breakage” with respect to “the embodiment of the piezoelectric element using apparatus shown in FIG. 1” and “comparative example”. It is the graph which plotted "
  • FIG. 9 is a partial sectional view of a first modification of the piezoelectric element using apparatus shown in FIG.
  • FIG. 10 is a partial cross-sectional view of a second modification of the piezoelectric element using apparatus shown in FIG.
  • FIG. 11 is a partial sectional view of a third modification of the piezoelectric element using apparatus shown in FIG.
  • FIG. 12 is a front view of a conventional piezoelectric element using apparatus.
  • 13 is a front view of the multilayer piezoelectric element shown in FIG.
  • FIG. 14 is a front view of the multilayer piezoelectric element shown in FIG. 12, showing an active portion, a side surface inactive portion, and an end surface inactive portion.
  • this apparatus piezoelectric element using apparatus
  • the apparatus 10 includes a laminated piezoelectric element (hereinafter also referred to as “piezoelectric element”) 20 and a driven element 30.
  • the driven element 30 is, for example, a rod or a weight that is slid or vibrated by expansion and contraction of the piezoelectric element 20.
  • the piezoelectric element 20 includes a plurality of piezoelectric layers (layers made of a piezoelectric material) 21, a plurality of first internal electrode layers 22, a plurality of second internal electrode layers 23, and a first side surface.
  • the electrode 24, the second side electrode 25, the first end piezoelectric layer 26, and the second end piezoelectric layer 27 are provided.
  • the piezoelectric element 20 has a rectangular parallelepiped shape having sides along the X axis, the Y axis, and the Z axis that are orthogonal to each other.
  • the length of the piezoelectric element 20 in the X-axis direction is 1 mm
  • the length of the piezoelectric element 20 in the Y-axis direction is 1 mm
  • the length (height) of the piezoelectric element 20 in the Z-axis direction is 2 mm.
  • the main component of the piezoelectric layer 21 is a piezoelectric material (for example, lead zirconate titanate, PZT).
  • the thickness (length in the Z-axis direction) of each piezoelectric layer 21 is, for example, 0.019 mm.
  • the piezoelectric layer 21 is a fired body.
  • the piezoelectric layer 21 is subjected to polarization processing along the Z-axis direction.
  • the shape of the piezoelectric layer 21 in plan view is a square having a side length of 1 mm. That is, the planar shape of the piezoelectric layer 21 is a square having sides along the X axis and the Y axis.
  • the material of the first internal electrode layer 22 is a conductive material (eg, Ag—Pd alloy, Ag, etc.).
  • the thickness of the first internal electrode layer 22 is, for example, 0.001 mm.
  • Both ends of the first internal electrode layer 22 in the Y-axis direction extend to both ends of the piezoelectric layer 21 in the Y-axis direction.
  • the X-axis positive direction end of the first internal electrode layer 22 extends to the X-axis positive direction end of the piezoelectric layer 21.
  • the X-axis negative direction end of the first internal electrode layer 22 extends to the vicinity of the X-axis negative direction end of the piezoelectric layer 21, but reaches the X-axis negative direction end of the piezoelectric layer 21. Absent.
  • the material of the second internal electrode layer 23 is the same conductive material as that of the first internal electrode layer 22 (for example, Ag—Pd alloy and Ag).
  • the thickness of the second internal electrode layer 23 is the same as the thickness of the first internal electrode layer 22.
  • Both ends of the second internal electrode layer 23 in the Y-axis direction extend to both ends of the piezoelectric layer 21 in the Y-axis direction.
  • the X-axis negative direction end of the second internal electrode layer 23 extends to the X-axis negative direction end of the piezoelectric layer 21.
  • the X-axis positive direction end of the second internal electrode layer 23 extends to the vicinity of the X-axis positive direction end of the piezoelectric layer 21, but reaches the X-axis positive direction end of the piezoelectric layer 21. Absent.
  • the second internal electrode layer 23 is disposed so as to face the first internal electrode layer 22 with the piezoelectric layer 21 interposed therebetween. That is, the first internal electrode layer 22 and the second internal electrode layer 23 are provided so as to face each other with the piezoelectric layer 21 interposed therebetween.
  • the piezoelectric layer 21 sandwiched between the first internal electrode layer 22 and the second internal electrode layer 23 is stacked in the Z-axis direction (stacking direction, direction orthogonal to the layer surface of each layer).
  • the first internal electrode layers 22 and the second internal electrode layers 23 are alternately stacked with the piezoelectric layers 21 interposed therebetween.
  • the number of stacked piezoelectric layers 21 is not limited, but is 90 layers, for example. However, in FIGS. 1 to 3 and the like, twelve piezoelectric layers 21 are laminated in order to simplify the drawings.
  • the first side surface electrode 24 is an electrode layer formed on the right side surface of the piezoelectric element 20 (the surface at the end in the positive direction of the X axis and parallel to the YZ plane).
  • the material of the first side electrode 24 is the same conductive material as the first internal electrode layer 22 (for example, Ag—Pd alloy, Ag, etc.).
  • the thickness of the first side electrode 24 is about 0.01 mm.
  • the shape of the first side electrode 24 in a front view is a rectangle having a longitudinal direction in the height direction (Z-axis direction) of the piezoelectric element 20.
  • the first side electrode 24 electrically connects all of the plurality of first internal electrode layers 22.
  • a conductive wire (not shown) connected to an external drive circuit is soldered to the first side electrode 24.
  • the second side electrode 25 is an electrode layer formed on the left side surface of the piezoelectric element 20 (the surface at the end in the negative direction of the X axis and parallel to the YZ plane).
  • the material of the second side electrode 25 is the same conductive material as the first internal electrode layer 22 (for example, Ag—Pd alloy, Ag, etc.).
  • the thickness of the second side electrode 25 is about 0.01 mm.
  • the shape of the second side electrode 25 in a front view is a rectangle having a longitudinal direction in the height direction (Z-axis direction) of the piezoelectric element 20.
  • the second side electrode 25 electrically connects all of the plurality of second internal electrode layers 23.
  • a conductive wire (not shown) connected to an external drive circuit is soldered to the second side electrode 25.
  • the first end piezoelectric layer 26 is laminated on the top of the piezoelectric layer 21 (and the first internal electrode layer 22 located on the top) of the plurality of piezoelectric layers 21.
  • the first end piezoelectric layer 26 is also referred to as the upper end piezoelectric layer 26.
  • the first end piezoelectric layer 26 is composed of a single piezoelectric layer. However, the first end piezoelectric layer 26 may be formed by laminating a plurality of piezoelectric layers (see FIG. 10).
  • the main component of the first end piezoelectric layer 26 is the same as the main component of the piezoelectric layer 21.
  • the first end piezoelectric layer 26 is a fired body.
  • the porosity (average porosity) of the first end piezoelectric layer 26 is larger than the porosity (porosity) of the piezoelectric layer 21.
  • the porosity is the ratio of the void volume to the unit volume of the piezoelectric layer.
  • a cross section of a target portion is observed at a magnification of ⁇ 1,500 to ⁇ 5,000 using a scanning electron microscope (SEM), and the area of all the piezoelectric layers 21 in the observed image, The area of all vacancies contained therein was calculated using image processing software, and the ratio of the total vacancy area to the area of the entire piezoelectric layer 21 was defined as the porosity.
  • the upper surface of the first end piezoelectric layer 26 is exposed. That is, the upper surface 20 a of the first end piezoelectric layer 26 is one of both end portions in the stacking direction of the piezoelectric elements 20 and forms the exposed surface 20 a of the piezoelectric elements 20.
  • the upper surface 20a of the first end piezoelectric layer 26 includes a layer that changes into a “first end piezoelectric layer 26, a plurality of piezoelectric layers 21, and a second end piezoelectric layer 27”.
  • This is a surface obtained by subjecting the upper surface of a fired body obtained by firing (a laminate including a piezoelectric layer before firing) to surface polishing.
  • the thickness of the first end piezoelectric layer 26 is, for example, 0.133 mm before the planar polishing and 0.1 mm after the planar polishing.
  • this surface polishing includes, for example, surface grinding and lapping.
  • the abrasive grains of the grindstone used for the planar polishing are preferably “diamond and CBN (cubic silicon nitride)” from the viewpoint of processing efficiency.
  • the grain size of the grindstone used for finishing is preferably # 400 to # 1500, more preferably # 600 to # 1200.
  • a large number of pores (pores and pores) existing inside the first end piezoelectric layer 26 appear as “open pores” on the upper surface 20a including the bonding surface 20s.
  • Open pores are holes whose upper surface is open to the outside.
  • the porosity of the first end piezoelectric layer 26 is larger than the porosity of the piezoelectric layer 21, the surface density of open pores appearing on the bonding surface 20s is increased.
  • the open pores that appear on the joint surface 20 s (also referred to as “joint surface SP”) by planar polishing have the following shape.
  • (1) When the piezoelectric element using apparatus 10 (that is, the first end piezoelectric layer 26) is cut by a plane (YZ plane) orthogonal to the bonding surface SP (XY plane), “in the bonding surface SP”
  • the length D1 of the open pores is smaller than “the maximum value D2max of the length D2 of the open pores in the plane (in the plane LP) at a position parallel to the joint surface SP and separated from the joint surface SP”.
  • the area S1 of the open pores in the joint surface SP is smaller than the maximum value S2max of the area S2 of the open pores in the surface LP at a position parallel to the joint surface and away from the joint surface.
  • the second end piezoelectric layer 27 is laminated below the piezoelectric layer 21 located at the bottom of the plurality of piezoelectric layers 21 (and the first internal electrode layer 22 located at the bottom).
  • the second end piezoelectric layer 27 is also referred to as a lower end piezoelectric layer 27.
  • the second end piezoelectric layer 27 is composed of a single piezoelectric layer. However, the second end piezoelectric layer 27 may be formed by laminating a plurality of piezoelectric layers.
  • the main component of the second end piezoelectric layer 27 is the same as the main component of the piezoelectric layer 21.
  • the second end piezoelectric layer 27 is a fired body.
  • the porosity of the second end piezoelectric layer 27 is larger than the porosity of the piezoelectric layer 21.
  • the thickness of the second end piezoelectric layer 27 is, for example, 0.1 mm.
  • the second end piezoelectric layer 27 may not be provided.
  • the porosity of the second end piezoelectric layer 27 may be the same as the porosity of the piezoelectric layer 21.
  • the second end piezoelectric layer 27 is a fired body.
  • the lower surface 20b of the second end piezoelectric layer 27 is exposed. That is, the lower surface 20 b of the second end piezoelectric layer 27 is another one of both ends of the piezoelectric element 20 in the stacking direction, and forms the exposed surface 20 b of the piezoelectric element 20.
  • the exposed surface 20b may be a surface that has been subjected to planar polishing similarly to the exposed surface 20a, or may be a surface that has not been subjected to planar polishing.
  • the front surface (surface of the Y-axis negative direction end portion and parallel to the XZ plane) and the back surface (surface of the Y-axis positive direction end portion and parallel to the XZ plane) of the piezoelectric element 20 ) Is covered with a protective film (not shown).
  • This protective film is made of, for example, an epoxy resin.
  • the piezoelectric element 20 configured as described above has an active portion KS, a pair of side surface inactive portions SF, a first end surface inactive portion TF1, and a second end surface inactive portion TF2, as shown in FIG. ing.
  • the active portion KS is a portion sandwiched between “the first internal electrode layer 22 and the second internal electrode layer 23” among the plurality of stacked piezoelectric layers 21 that are adjacent to each other and face each other. That is, the active portion KS is a portion that is displaced by applying an electric field that changes when a “changing voltage (potential difference)” is applied between the first internal electrode layer 22 and the second internal electrode layer 23. (Particularly, the portion that expands and contracts in the Z-axis (height) direction).
  • the side surface inactive portion SF is a portion that is not sandwiched between the “first internal electrode layer 22 and the second internal electrode layer 23” that are adjacent to each other and are adjacent to each other among the plurality of stacked piezoelectric layers 21. That is, when the piezoelectric element 20 is viewed along the stacking direction (Z-axis direction), the side inactive portion SF has the “first internal electrode layer 22 and second internal electrode layer 23” that are adjacent to each other and face each other. It is a non-overlapping part.
  • the piezoelectric layer 21 in the side surface inactive portion SF is applied with a changing electric field when a “changing voltage (potential difference)” is applied between the first internal electrode layer 22 and the second internal electrode layer 23. It is a part that cannot be stretched, and therefore is a part that does not stretch.
  • the first end face inactive portion TF1 is configured by a first end piezoelectric layer 26 that is not sandwiched between “first internal electrode layer 22 and second internal electrode layer 23” that are adjacent to each other and face each other. Therefore, the first end face inactive portion TF1 is not applied with a changing electric field when a “changing voltage (potential difference)” is applied between the first internal electrode layer 22 and the second internal electrode layer 23. It is a part and, therefore, a part that does not expand and contract.
  • the second end face inactive portion TF2 is configured by a second end portion piezoelectric layer 27 that is not sandwiched between “first internal electrode layer 22 and second internal electrode layer 23” that are adjacent to each other and face each other. Therefore, the second end face inactive portion TF2 is not applied with a changing electric field when a “changing voltage (potential difference)” is applied between the first internal electrode layer 22 and the second internal electrode layer 23. It is a part and, therefore, a part that does not expand and contract.
  • the porosity of the first end piezoelectric layer 26 and the second end piezoelectric layer 27 is larger than the porosity of the piezoelectric layer 21. .
  • the porosity of the first end surface inactive portion TF1 (and second end surface inactive portion TF2) is larger than the porosity of the active portion KS (and side surface inactive portion SF).
  • the driven element 30 has a cylindrical shape. Therefore, the lower surface of the driven element 30 is a flat surface.
  • the driven element 30 is bonded to the piezoelectric element 20 by bonding the lower surface of the driven element 30 to the central portion of the upper surface (exposed surface) 20 a of the first end piezoelectric layer 26 with an adhesive S.
  • the shape of the driven element 30 is a shape other than the cylindrical shape as long as the surface (ie, the lower surface of the driven element 30) bonded to the upper surface (exposed surface) 20a of the first end piezoelectric layer 26 is flat. May be.
  • the bonding surface 20s means “a surface in a region facing the bottom surface of the driven element 30” in the upper surface 20a. Therefore, it can also be expressed as “the lower surface of the driven element 30 and the exposed surface 20a are bonded at the bonding surface 20s”.
  • the driven element 30 is made of, for example, a material mainly containing any one of “carbon, heavy metal, heavy metal carbide, heavy metal boride, and heavy metal nitride”.
  • the heavy metal herein, tungsten and tantalum are particularly preferable, and tungsten carbide (WC), tungsten boride (WB), tantalum nitride (TaN), and the like are preferably used.
  • the adhesive S an adhesive having a “tensile shear strength” of 15 N / mm 2 or more measured based on a method in accordance with “JIS K6850” is preferably used.
  • the viscosity of the adhesive S before curing is preferably 50 to 200 Pa ⁇ s.
  • the adhesive S is preferably an epoxy adhesive.
  • the piezoelectric element using apparatus 10 is manufactured by a known method. As shown in FIG. 5, the piezoelectric element 20 of the piezoelectric element using apparatus 10 is manufactured by manufacturing a fired body including a plurality of (for example, 45 ⁇ 45) piezoelectric elements 20 and then polishing the fired body. Furthermore, it is manufactured by cutting the fired body.
  • First step “piezoelectric tape molding) First, “a plurality of piezoelectric tapes (first piezoelectric tapes that are ceramic green sheets)” and “a first end piezoelectric layer and a second end piezoelectric layer” that form the piezoelectric layer 21 by the doctor blade method. “A plurality of piezoelectric tapes (second piezoelectric tapes which are ceramic green sheets)” are prepared. The first piezoelectric tape and the second piezoelectric tape include the same piezoelectric material.
  • the second piezoelectric tape has a particle size and particle size distribution of the piezoelectric powder used for tape molding and a powder filling rate of the piezoelectric powder in the molded tape so that the density after sintering is smaller than that of the first piezoelectric tape. (Volume of piezoelectric powder per unit volume of tape) was adjusted.
  • Second step (internal electrode layer printing) Next, a conductor layer having a predetermined pattern is formed on each of the first piezoelectric tapes by screen printing. This conductor layer is a layer that becomes the first internal electrode layer 22 and the second internal electrode layer 23 after firing.
  • Third step (adhesive layer printing) An adhesive paste is printed on each piezoelectric tape by screen printing. 4).
  • the piezoelectric element using apparatus 10 having the above-described configuration” manufactured as described above, a portion of the inactive portion (first end surface inactive portion TF1) existing within a predetermined thickness range from the bonding surface 20s (SP). Since the porosity of the piezoelectric layer (in this example, the entire first end piezoelectric layer 26) is larger than the porosity of the piezoelectric layer 21 constituting the active portion KS, there are many open pores on the joint surface 20s. appear. That is, a large number of irregularities are formed on the bonding surface 20s. Accordingly, since the anchor effect of the adhesive S is exhibited, the driven element 30 is firmly bonded to the piezoelectric element 20. As a result, the bending strength (including strength against impacts) of the piezoelectric element using apparatus 10 can be increased.
  • the porosity of the piezoelectric layer 21 constituting the active part KS can be reduced, the porosity of the side surface inactive part SF can also be reduced. As a result, it is difficult for micro cracks to occur in the side surface inactive portion SF during the polarization process of the piezoelectric element 20. Therefore, the “strength against bending stress” of the piezoelectric element 20 can be kept high. As a result, the piezoelectric element using apparatus 10 excellent in bending strength (impact resistance) as the entire apparatus is provided.
  • Examples and Comparative Examples Various piezoelectric element using apparatuses (Examples J1 to J6) according to the embodiment of the present invention and conventional piezoelectric element using apparatuses (Comparative Examples H1 to H7) not using the present invention were prepared, and their strengths were prepared. Was measured.
  • the first end piezoelectric layer 26 and the second end piezoelectric layer 27 of the piezoelectric element using apparatus 10 are the same as the piezoelectric layer 21 (that is, the same porosity as the piezoelectric layer 21). And a piezoelectric layer having a porosity).
  • the piezoelectric element using apparatus according to Comparative Examples H1 to H5 is “the third piezoelectric tape made of the same material component as the first piezoelectric tape and thicker than the first piezoelectric tape”. It was manufactured by using in place of the piezoelectric tape.
  • the layer which becomes a dummy internal electrode layer was printed on the upper surface of the third piezoelectric tape before lamination.
  • the dummy internal electrode layer was removed by the above-described surface grinding performed after firing the laminate. Since this dummy internal electrode layer functions as a sintering aid for the third piezoelectric tape, the sintered state of the sintered body of the third piezoelectric tape is the sintered state of the sintered body of the first piezoelectric tape. It became the same as the state.
  • a comparative example was created in which the first end piezoelectric layer 26 and the second end piezoelectric layer 27 of the piezoelectric element using apparatus 10 were replaced with “a piezoelectric layer having the same porosity as the piezoelectric layer 21”.
  • the porosity of each of the piezoelectric layers of Examples J1 to J6 and Comparative Examples H6 to H7 includes the particle size and particle size distribution of the piezoelectric powder used for tape molding, and the powder filling rate of the piezoelectric powder in the molded tape. (Volume of piezoelectric powder per unit volume of tape) was adjusted.
  • the adhesive EP represents the bisphenol type epoxy adhesive described above.
  • the inactive portion refers to the first end surface inactive portion TF1.
  • “Inactive part or adhesive breakage” shown in Table 1 means “inactive part breakage” or “breakage of the adhesive layer between the inactive part and the driven element”. The breakage of the adhesive means that the driven element falls off from the inactive portion (piezoelectric element). Examples where both the “inactive part or adhesive rupture” breaking load and the “active part rupture” breaking load are numerical values are given for some of the 10 samples subjected to the experiment. In the sample, “inactive part or adhesive rupture” occurred before “active part rupture”, and in the remaining samples, “active part rupture” occurred before “inactive part or adhesive rupture” Means.
  • FIG. 7 is a graph plotting the data shown in Table 1.
  • the vertical axis of this graph is the minimum breaking load, and the horizontal axis is the porosity difference.
  • the anchor effect of the adhesive refers to an effect of increasing the adhesive force when the adhesive enters the fine unevenness of the bonding surface and cures.
  • FIG. 8 is another graph in which the data shown in Table 1 is plotted.
  • the vertical axis of this graph is the breaking load, and the horizontal axis is the “porosity of the fracture site”.
  • Curve C1 is an extrapolation line of the breaking load when the active part breaks before the “inactive part or adhesive”.
  • a curve C2 is an extrapolation line of the breaking load when the inactive portion or the adhesive breaks before the “active portion”. Curves C1 and C2 intersect when the porosity of the fractured portion is about 0.8%.
  • both the porosity of the active part and the porosity of the inactive part are set to about 0.8%. I think it must be done.
  • the breaking load of the active part is smaller when the porosity of the active part is less than 0.8% than when the porosity of the active part is 0.8%. growing.
  • the breaking load of the inactive part is 0.8% when the inactive part has a porosity of more than 0.8%. Bigger than when.
  • the bending strength of the active portion and the inactive portion (that is, the bending strength of the entire device using the piezoelectric element) is obtained when the porosity is not imparted to the piezoelectric element by imparting the porosity difference to the piezoelectric element. Than can be raised.
  • the porosity difference (BA) When the porosity difference (BA) is smaller than 0.2%, the porosity difference may be substantially 0% when the porosity of the piezoelectric element varies due to manufacturing variations. As a result, the frequency of occurrence of low bending strength piezoelectric elements increases. On the other hand, when the porosity difference (BA) is larger than 2%, the inactive portion porosity becomes excessive. For this reason, since cracks are easily transmitted through the voids in the inactive portion, there is a high possibility that the inactive portion will break before the adhesive breaks.
  • the active part porosity A is 1% or less.
  • the inert part porosity B is 0.8% or more.
  • the porosity of the piezoelectric layer of the inactive part TF1 is larger than the porosity of the piezoelectric layer constituting the active part KS. . Accordingly, since a large number of holes appear on the bonding surface 20s, the anchor effect of the adhesive S can be exhibited. Furthermore, the active part KS can be formed by a dense piezoelectric layer. As a result, the piezoelectric element using apparatus 10 having high strength against impact or the like is provided. Furthermore, the open pores that appear on the bonding surface 20s by the planar polishing have the shape described with reference to FIG. Therefore, the anchor effect of the adhesive can be further enhanced.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be employed within the scope of the present invention.
  • the portion having a porosity larger than the porosity of the active portion KS is “directly below the joint surface 20 s (Z-axis negative direction) in the first end surface inactive portion TF ⁇ b> 1. Only the portion R1 (see the hatched portion) ”may be present.
  • a portion having a porosity larger than the porosity of the active portion KS is a predetermined thickness from the upper surface 20a including the joint surface 20s in the first end surface inactive portion TF1. Only the portion R2 (see the shaded area) existing within the range may be used. That is, for example, when the first end piezoelectric layer 26 is composed of a plurality of layers (the layers 26a, 26b and 26c in FIG. 10), a predetermined number of layers (the piezoelectric layers 26a and 26 in the example shown in FIG. 10) from the upper surface 20s.
  • the porosity of up to two layers 26b may be set larger than the porosity of the active portion KS.
  • the portion having a porosity higher than the porosity of the active portion KS is “below the bonding surface 20 s in the first end surface inactive portion TF ⁇ b> 1, Only the portion R3 (see the hatched portion) existing within a predetermined thickness range from the surface 20s may be used.
  • the shapes of the internal electrode layers 22 and 23 may be shapes other than those described above.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Abstract

圧電素子使用装置１０は、積層型圧電素子２０と被駆動子３０とを備える。積層型圧電素子２０は、第１内部電極層２２と第２内部電極層２３とに挟まれた圧電層２１を積層してなる活性部ＫＳと、その活性部ＫＳに積層された第１端部圧電層２６からなる不活性部（第１端面不活性部）ＴＦ１とを含む。第１端部圧電層２６の上面２０ａには被駆動子３０が接着剤Ｓにより接合される。不活性部ＴＦ１の空孔率が活性部ＫＳの空孔率よりも大きくなるように、圧電層２１と第１端部圧電層２６とが形成される。この結果、第１端部圧電層２６の上面２０ａに多数の開気孔が存在するので、接着剤Ｓがその開気孔に浸入し、被駆動子３０と上面２０ａとを強固に接着する。これにより、圧電素子使用装置１０を落下させたときに生じる衝撃に対して破損し難い圧電素子使用装置１０が提供される。

Description

圧電素子使用装置
　本発明は、積層型圧電素子と、その積層型圧電素子により駆動される被駆動子と、を備える圧電素子使用装置に関する。
　従来から知られる圧電素子使用装置は、図１２に示したように、積層型圧電素子１００と、積層型圧電素子１００により駆動される被駆動子２００と、を備えている。被駆動子２００は積層型圧電素子１００の積層方向の両端のうちの一つの面１００ａに接着剤を用いて接着（接合）されている（例えば、特許文献１を参照。）。積層型圧電素子１００の積層方向の両端の他の一つの面は、例えば、基台３００に固定されている。積層型圧電素子１００の積層方向の両端の前記他の一つ（被駆動子２００が接着されない端部）は自由端であってもよい。
　なお、本明細書、請求の範囲及び図面（以下、「本明細書等」と称呼する。）において、「圧電」は、「圧電」及び「電歪」を含む概念を表す語として使用される。従って、例えば、圧電素子は、「圧電効果を有する素子（圧電素子）及び電歪効果を有する素子（電歪素子）」の両者を含む。
　ところで、積層型圧電素子１００は、図１３に示したように、複数の圧電層（圧電材料からなる層）１０１と、複数の内部電極層１０２，１０３と、一対の端部圧電層１０４と、を備える。複数の内部電極層１０２は互いに電気的に接続されている。複数の内部電極層１０３は互いに電気的に接続されている。複数の内部電極層１０２のうちの一つは、複数の圧電層１０１のうちの一つを挟んで、複数の内部電極層１０３のうちの一つと対向している。
　即ち、圧電素子１００は、複数の圧電層１０１のそれぞれと複数の内部電極層（１０２，１０３）のそれぞれとが交互に積層されたセラミック積層体である。複数の圧電層１０１のそれぞれは、複数の内部電極層のうちの互いに対向する一対の内部電極層１０２，１０３の間に挟まれている。内部電極層１０２，１０３の間に挟まれた圧電層１０１には、内部電極層１０２，１０３を通して「変化する電圧」が印加され、その結果、「変化する電界」が加えられる。これにより圧電層１０１は積層方向に伸縮する。従って、積層された圧電層１０１のうちの「内部電極層１０２，１０３の間に挟まれている部分」は「活性部ＫＳ」を構成している（図１４を参照。）。
　一方、内部電極層１０２と内部電極層１０３とが圧電層１０１を介して対向していない部分（積層方向から見た場合において内部電極層１０２と内部電極層１０３とが重なっていない部分であって圧電素子１００の側面に近い部分）には電界が加えられ得ない。従って、その部分の圧電層１０１は伸縮せず、図１４に示したように「側面不活性部ＳＦ」を構成している。
　更に、一対の端部圧電層１０４は、活性部ＫＳ及び側面不活性部ＳＦからなる積層体の両端にそれぞれ配設（積層）されている。一対の端部圧電層１０４のそれぞれは、内部電極層１０２，１０３により挟まれていない。従って、端部圧電層１０４には電界が加えられ得ない。この結果、一対の端部圧電層１０４は伸縮せず、図１４に示したように「端面不活性部ＴＦ」を構成している。なお、端部圧電層（端面不活性部ＴＦ）１０４は、活性部ＫＳ及び側面不活性部ＳＦからなる積層体の一方の端部にのみ配設（積層）されることもある。
特開２００２－１１９０７４号公報
　ところで、圧電素子１００を製造するためには、分極処理を実施しなければならない。この分極処理の際、活性部ＫＳには電圧（従って、電界）が印加されるので、活性部ＫＳは逆圧電効果によって大きく伸長する。これに対し、側面不活性部ＳＦには電界が加えられないので、側面不活性部ＳＦは伸長しない。従って、側面不活性部ＳＦに引張応力が発生する。この結果、側面不活性部ＳＦに微小クラックが発生する。この微小クラックは、圧電素子１００に曲げ応力を加えた際、圧電素子１００の破断の起点（即ち、破壊開始点）となる。
　この側面不活性部ＳＦの微小クラックに起因する素子破断は、側面不活性部ＳＦの幅（厚さ）Ｗ２が小さいほど（即ち、側面不活性部ＳＦが薄いほど）生じ易くなる。即ち、側面不活性部ＳＦの幅Ｗ２が小さいほど、圧電素子１００の曲げ強度が小さくなる。換言すると、側面不活性部ＳＦの幅Ｗ２を大きくするほど、圧電素子１００の曲げ強度を大きくすることができる。ところが、側面不活性部ＳＦの幅Ｗ２を大きくすると活性部ＫＳの幅Ｗ１が小さくなる。その結果、積層型圧電素子１００が発揮し得る変位量が小さくなってしまうという問題が新たに生じる。
　更に、積層型圧電素子１００は、通常、その製造コストを抑えるために、大きな面積のグリーンシートを積層して積層圧電体を作成し、その積層圧電体を切断することにより製造されている。このような製造方法を用いると、製造時のバラツキにより、側面不活性部ＳＦの幅Ｗ２に個体差が生じる。従って、側面不活性部ＳＦの幅Ｗ２が小さく、そのために曲げ強度の低い圧電素子１００が「ある頻度」にて発生してしまう。
　このような「曲げ応力によって発生するクラック」は、側面不活性部ＳＦ内の空孔（ポア、気孔）を伝って伸展する性質がある。以上のことから、従来の圧電素子１００は、圧電層１０１の内部に形成される空孔を少なくすることにより、側面不活性部ＳＦに含まれる空孔を少なくしている。即ち、圧電層１０１の空孔率を小さくしている。この結果、曲げ強度の大きい積層型圧電素子１００が得られる。この場合、端部圧電層１０４は、圧電層１０１と同じ材料から形成される。従って、端部圧電層１０４の空孔率は圧電層１０１の空孔率と同様に小さい。
　しかしながら、このように空孔率を低下させた圧電素子１００を、図１２に示した圧電素子使用装置に適用すると、後述する理由により、圧電素子使用装置の「衝撃等に対する強度（即ち、圧電素子使用装置全体の曲げ強度）」を十分に高くすることができないという問題がある。衝撃等に対する強度とは、例えば、圧電素子使用装置を落下させたときに圧電素子使用装置が破損しないための強度である。
　圧電素子使用装置の衝撃等に対する強度（曲げ強度）を十分に大きくできない理由は次のように考えられる。即ち、端面不活性部ＴＦを構成する圧電層１０４は、活性部ＫＳ及び側面不活性部ＳＦを構成する圧電層１０１と同様に緻密な圧電層であり、その空孔率が小さい。従って、被駆動子２００が接着される端面１００ａの凹凸は極めて少ない。その結果、被駆動子２００を端面１００ａに接着する接着剤のアンカー効果が十分に発揮されないので、衝撃が圧電素子使用装置に加わると被駆動子が脱落する。なお、接着剤のアンカー効果とは、接着剤が接着面の微細な凹凸に浸入して硬化することにより、接着力が高まる効果のことを言う。アンカー効果は、投錨効果、ファスナー効果とも称呼される。
　従って、本発明の目的の一つは、活性部と不活性部（端面不活性部）とを有する積層型圧電素子、及び、不活性部の露呈面に接着剤により接合される被駆動子、を備える圧電素子使用装置であって、「衝撃等に対する強度（曲げ強度）」が高い装置を提供することにある。
　本発明の圧電素子使用装置（以下、「本発明装置」とも称呼する。）は、積層型圧電素子及び被駆動子、を備える。
　前記積層型圧電素子は、複数の圧電層と複数の内部電極層とを備え、前記複数の圧電層のそれぞれと前記複数の内部電極層のそれぞれとが「圧電層の層面に直交する積層方向において」交互に積層された積層体（セラミック積層体）である。前記積層型圧電素子は、前記複数の圧電層のそれぞれが前記複数の内部電極層のうちの互いに対向する一対の内部電極層の間に挟まれた部分からなる活性部と、前記活性部の前記積層方向の少なくとも一方の端部に配設され且つ前記内部電極層に挟まれていない単一又は複数の圧電層からなる不活性部と、を有する。
　前記被駆動子は、前記不活性部の露呈面（即ち、前記不活性部の前記積層方向における端部）に接着剤により接合（接着）される。
　更に、本発明装置は、前記不活性部の露呈面のうちの「少なくとも前記被駆動子が接合される部分である接合面（接着面）」から「所定の厚み範囲」内に存在する前記不活性部の部分の空孔率（不活性部空孔率）が、前記活性部を構成する圧電層の空孔率（活性部空孔率）よりも大きいことを特徴とする。
　この場合、不活性部が単一の圧電層から形成されていれば、その単一の圧電層の「全体又は前記接合面の直下方向に存在する部分」の空孔率が「活性部を構成する圧電層」の空孔率」よりも大きくなるように、不活性部が形成されてもよい。一方、不活性部が複数の圧電層の積層体から形成されていれば、それらの複数の圧電層のうち少なくとも前記接合面を構成することになる圧電層の「全体又は前記接合面の直下方向に存在する部分」の空孔率が、活性部を構成する圧電層の空孔率よりも大きくなるように、不活性部が形成されてもよい。
　これによれば、接合面から所定の厚み範囲内に存在する部分の不活性部の圧電層の空孔率が、活性部を構成する圧電層の空孔率よりも大きいから、その接合面に多数の空孔が開気孔として現れる。即ち、接合面に凹凸が多数形成される。従って、接着剤のアンカー効果が発揮されるので、被駆動子が圧電素子に対して強固に接着される。加えて、活性部を構成する圧電層の空孔率を小さくすることができるので、前述した側面不活性部の空孔率も小さくすることができる。この結果、分極処理の際に側面不活性部に微小クラックが発生し難い。よって、圧電素子自体の「曲げ応力に対する強度」を高く維持することができる。この結果、曲げ強度（衝撃等に対する強度を含む。）の高い圧電素子使用装置が提供される。
　本発明装置において、前記不活性部の前記接合面は、平面研磨が施された面であり、且つ、前記不活性部内（前記接合面から所定の範囲内に存在する部分）に形成された空孔の一部が前記平面研磨により開気孔として露呈されている面であることが好ましい。
　接合面が「圧電素子の端面が平面研磨されることにより形成される面」であると、「不活性部のうちの空孔率が大きい部分」に形成された多数の空孔が接合面に開気孔として現れる。従って、接着剤のアンカー効果をより一層効果的に発揮させることができる。その結果、圧電素子使用装置の曲げ強度を向上することができる。
　なお、前記平面研磨は、例えば、平面研削やラッピング加工を含む。前記平面研磨に使用する砥石の砥粒は、加工効率の観点から「ダイヤモンド及びＣＢＮ（立方晶窒化珪素）等」であることが好ましい。仕上げに使用する砥石の粒度は＃４００～＃１５００が好ましく、＃６００～＃１２００がより好ましい。粒度が＃４００よりも小さくなる（粗くなる）と、圧電素子の加工面に対する負荷が大きくなるため、圧電素子の加工面にマイクロクラックが多数発生し、その結果、圧電素子の不活性層の強度が低下する。粒度が＃１５００よりも大きくなる（細かくなる）と砥石が目詰まりし易くなるため、砥石の切削力が低下する。その結果、圧電素子の加工面と砥石との間の摩擦力が大きくなるので、内部電極層と圧電層とが剥離し易くなる（層間剥離が発生し易くなる）。
　更に、前記開気孔は、図４に示したように、
　前記接合面ＳＰと直交する平面により前記圧電素子使用装置を切断した場合、「前記接合面ＳＰ内における前記開気孔の長さＤ１」が「前記接合面ＳＰと平行な面であって前記接合面ＳＰから離間した位置における面ＬＰ内における前記開気孔の長さＤ２の最大値Ｄ２ｍａｘ」よりも小さい形状を有することが好ましい。
　同様に、前記開気孔は、図４に示したように、
　前記接合面ＳＰ内における前記開気孔の面積Ｓ１が、前記接合面と平行な面であって前記接合面から離間した位置における面ＬＰ内における前記開気孔の面積Ｓ２の最大値Ｓ２ｍａｘよりも小さい形状を有することが好ましい。
　これらによれば、接着剤が開気孔内部に浸入して硬化したとき、上記アンカー効果を更に確実に発揮させることができる。その結果、圧電素子使用装置の曲げ強度を向上することができる。
　本発明による圧電素子使用装置の一例において、
　前記活性部空孔率Ａは１％以下であり、前記不活性部空孔率Ｂは０．８％以上であり、更に、前記不活性部空孔率Ｂから前記活性部空孔率Ａを減じた値である空孔率差（Ｂ－Ａ）は０．２％以上且つ２％以下であることが好ましい。
　実験によれば、活性部空孔率が１％よりも大きいと、曲げ強度が小さい積層型圧電素子の発生頻度が高くなる。り、不活性部空孔率が０．８％よりも小さいと、接合面に現れる開気孔の数が少なくなるので、アンカー効果が小さくなり、その結果、接着剤による被駆動子の接合強度が低下する。
　更に、空孔率差（Ｂ－Ａ）が０．２％よりも小さい場合、積層型圧電素子の空孔率が製造バラつきによってバラついたとき、空孔率差が実質的に０％となる場合が生じ、その結果、低い曲げ強度の圧電素子が発生する頻度が高くなる。一方、空孔率差（Ｂ－Ａ）が２％よりも大きいと、不活性部空孔率が過大になる。このため、不活性部内の空孔を介してクラックが伝達し易くなるので、積層型圧電素子と被駆動子との接合面において破断が発生する前に、不活性部が破断する可能性が高くなる。
　従って、活性部空孔率Ａ及び不活性部空孔率Ｂを上述のように制御することによって、製造バラつきによる空孔率の変化が、圧電素子の曲げ強度に与える影響を小さくすることができ、圧電素子使用装置の耐衝撃性を高めることができる。その結果、曲げ強度が十分に高く、よって、信頼性の高い圧電素子使用装置が提供される。
図１は、本発明の実施形態に係る圧電素子使用装置の概略斜視図である。 図２の（Ａ）は図１に示した積層型圧電素子の左側面図、図２の（Ｂ）は図１に示した積層型圧電素子の正面図、図２の（Ｃ）は図１に示した積層型圧電素子の右側面図である。 図３は、図１に示した積層型圧電素子の正面図である。 図４は、図１に示した積層型圧電素子の上面近傍部位の部分断面図である。 図５は、図１に示した積層型圧電素子を製造する工程を説明するための図である。 図６は、「図１に示した圧電素子使用装置の実施例」及び「比較例」の破断荷重測定方法を説明するための図である。 図７は、「図１に示した圧電素子使用装置の実施例」及び「比較例」について、「活性層の空孔率と第１端面不活性層の空孔率との差と、最小破断荷重と、の関係」をプロットしたグラフである。 図８は、「図１に示した圧電素子使用装置の実施例」及び「比較例」について、破断部位の空孔率と破断荷重との関係をプロットしたグラフである。 図９は、図１に示した圧電素子使用装置の第１変形例の部分断面図である。 図１０は、図１に示した圧電素子使用装置の第２変形例の部分断面図である。 図１１は、図１に示した圧電素子使用装置の第３変形例の部分断面図である。 図１２は、従来の圧電素子使用装置の正面図である。 図１３は、図１２に示した積層型圧電素子の正面図である。 図１４は、図１２に示した積層型圧電素子の正面図であり、活性部、側面不活性部及び端面不活性部を示した図である。
　以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態に係る「圧電素子使用装置（以下、「本装置」とも称呼する。）について説明する。
（構造）
　図１に示したように、本装置１０は、積層型圧電素子（以下、「圧電素子」とも称呼する。）２０と、被駆動子３０と、を備える。被駆動子３０は、例えば、圧電素子２０の伸縮により摺動又は振動させられるロッド又は錘である。
　図１及び図２に示したように、圧電素子２０は、複数の圧電層（圧電材料からなる層）２１、複数の第１内部電極層２２、複数の第２内部電極層２３、第１側面電極２４、第２側面電極２５、第１端部圧電層２６及び第２端部圧電層２７、を備える。
　圧電素子２０は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸にそれぞれ沿う辺を有する直方体形状を有する。本例において、圧電素子２０のＸ軸方向長さは１ｍｍであり、圧電素子２０のＹ軸方向長さは１ｍｍであり、圧電素子２０のＺ軸方向長さ（高さ）は２ｍｍである。
　圧電層２１の主成分は圧電材料（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、ＰＺＴ）である。各圧電層２１の厚み（Ｚ軸方向長さ）は、例えば、０．０１９ｍｍである。圧電層２１は焼成体である。圧電層２１はＺ軸方向に沿う分極処理が施されている。圧電層２１の平面視における形状は、各辺の長さが１ｍｍの正方形である。即ち、圧電層２１の平面形状は、Ｘ軸及びＹ軸に沿う辺を有する正方形である。
　第１内部電極層２２の材料は、導電性材料（例えば、Ａｇ－Ｐｄ合金及びＡｇ等）である。第１内部電極層２２の厚みは、例えば、０．００１ｍｍである。第１内部電極層２２のＹ軸方向の両端部は圧電層２１のＹ軸方向の両端部にまで延在している。第１内部電極層２２のＸ軸正方向端部は、圧電層２１のＸ軸正方向端部にまで延在している。第１内部電極層２２のＸ軸負方向端部は、圧電層２１のＸ軸負方向端部近傍にまで延在しているが、圧電層２１のＸ軸負方向端部には到達していない。
　第２内部電極層２３の材料は、第１内部電極層２２と同じ導電性材料（例えば、Ａｇ－Ｐｄ合金及びＡｇ等）である。第２内部電極層２３の厚みは、第１内部電極層２２の厚みと同じである。第２内部電極層２３のＹ軸方向の両端部は圧電層２１のＹ軸方向の両端部にまで延在している。第２内部電極層２３のＸ軸負方向端部は、圧電層２１のＸ軸負方向端部にまで延在している。第２内部電極層２３のＸ軸正方向端部は、圧電層２１のＸ軸正方向端部近傍にまで延在しているが、圧電層２１のＸ軸正方向端部には到達していない。第２内部電極層２３は、圧電層２１を挟んで第１内部電極層２２と対向するように配置されている。即ち、第１内部電極層２２及び第２内部電極層２３は圧電層２１を挟んで互いに対向するように設けられている。
　圧電素子２０において、第１内部電極層２２と第２内部電極層２３とに挟まれた圧電層２１は、Ｚ軸方向（積層方向、各層の層面に直交する方向）に積層されている。換言すると、第１内部電極層２２と第２内部電極層２３とは圧電層２１を挟んで交互に積層されている。圧電層２１の積層数は限定されないが、例えば、９０層である。但し、図１乃至図３等においては、図面を簡略化するために、１２層の圧電層２１が積層されている。
　第１側面電極２４は、圧電素子２０の右側面（Ｘ軸正方向端部の面であってＹ－Ｚ平面に平行な面）に形成された電極層である。第１側面電極２４の材料は、第１内部電極層２２と同じ導電性材料（例えば、Ａｇ－Ｐｄ合金及びＡｇ等）である。第１側面電極２４の厚みは、０．０１ｍｍ程度である。第１側面電極２４の正面視における形状は、圧電素子２０の高さ方向（Ｚ軸方向）に長手方向を有する長方形である。第１側面電極２４は、複数の第１内部電極層２２の総てを電気的に接続している。第１側面電極２４には、外部の駆動回路と接続される図示しない導線がハンダ付けされる。
　第２側面電極２５は、圧電素子２０の左側面（Ｘ軸負方向端部の面であってＹ－Ｚ平面に平行な面）に形成された電極層である。第２側面電極２５の材料は、第１内部電極層２２と同じ導電性材料（例えば、Ａｇ－Ｐｄ合金及びＡｇ等）である。第２側面電極２５の厚みは、０．０１ｍｍ程度である。第２側面電極２５の正面視における形状は、圧電素子２０の高さ方向（Ｚ軸方向）に長手方向を有する長方形である。第２側面電極２５は、複数の第２内部電極層２３の総てを電気的に接続している。第２側面電極２５には、外部の駆動回路と接続される図示しない導線がハンダ付けされる。
　第１端部圧電層２６は、複数の圧電層２１のうち最も上部に積層された圧電層２１（及び最も上部に位置する第１内部電極層２２）の上部に積層されている。第１端部圧電層２６は上端部圧電層２６とも称呼される。第１端部圧電層２６は単一の圧電層からなっている。但し、第１端部圧電層２６は複数の圧電層が積層されることにより形成されてもよい（図１０を参照。）。第１端部圧電層２６の主成分は圧電層２１の主成分と同じである。第１端部圧電層２６は焼成体である。後に詳述するように、第１端部圧電層２６の空孔率（平均空孔率）は圧電層２１の空孔率（空孔率）よりも大きい。空孔率とは、圧電層の単位体積に対する空孔の体積の比である。本例においては、対象とする部位の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて倍率×１，５００～×５，０００にて観察し、観察した画像中の全圧電層２１の面積と、そこに含まれる全空孔の面積とを画像処理ソフトを用いて算出し、全圧電層２１の面積に対する全空孔面積の比を空孔率とした。第１端部圧電層２６の上面は露呈されている。即ち、第１端部圧電層２６の上面２０ａは、圧電素子２０の積層方向の両端部の一つであり、圧電素子２０の露呈面２０ａを形成している。
　より詳細に述べると、第１端部圧電層２６の上面２０ａは、「第１端部圧電層２６、複数の圧電層２１及び第２端部圧電層２７」へと変化する層を含む積層体（焼成前の圧電層を含む積層体）が焼成されることにより得られた焼成体の上面を平面研磨することにより得られた面である。第１端部圧電層２６の厚みは、例えば、前記平面研磨前において０．１３３ｍｍであり、前記平面研磨後において０．１ｍｍである。
　なお、この平面研磨は、例えば、平面研削やラッピング加工を含む。前記平面研磨に使用する砥石の砥粒は、加工効率の観点から「ダイヤモンド及びＣＢＮ（立方晶窒化珪素）等」であることが好ましい。仕上げに使用する砥石の粒度は＃４００～＃１５００が好ましく、＃６００～＃１２００がより好ましい。粒度が＃４００よりも小さくなる（粗くなる）と、圧電素子２０の加工面（上面２０ａ）に対する負荷が大きくなるため、圧電素子２０の加工面にマイクロクラックが多数発生し、その結果、第１端部圧電層２６の強度が低下する。粒度が＃１５００よりも大きくなる（細かくなる）と、砥石が目詰まりし易くなるために、砥石の切削力が低下する。その結果、圧電素子の加工面（上面２０ａ）と砥石との間の摩擦力が大きくなるので、平面研磨を実施している際に内部電極層（第１，第２内部電極層２２，２３）と圧電層（圧電層２１、第１及び第２端部圧電層２６，２７）とが剥離し易くなる（層間剥離が発生し易くなる）。
　この平面研磨により、第１端部圧電層２６の内部に存在する多数の空孔（ポア、気孔）が、接合面２０ｓを含む上面２０ａに「開気孔」として出現する。開気孔とは、上面が外部に開放された空孔のことである。上述したように、第１端部圧電層２６の空孔率は圧電層２１の空孔率よりも大きいので、接合面２０ｓに現れる開気孔の面密度は大きくなる。
　図４に示したように、平面研磨により接合面２０ｓ（「接合面ＳＰ」とも表記する。）に現れた開気孔は次のような形状を有する。
（１）接合面ＳＰ（Ｘ－Ｙ平面）と直交する平面（Ｙ－Ｚ平面）により圧電素子使用装置１０（即ち、第１端部圧電層２６）を切断した場合、「接合面ＳＰ内における開気孔の長さＤ１」は「接合面ＳＰと平行な面であって接合面ＳＰから離間した位置における面内（面ＬＰ内）におけるその開気孔の長さＤ２の最大値Ｄ２ｍａｘ」よりも小さい。
　或いは、
（２）接合面ＳＰ内における開気孔の面積Ｓ１は、接合面と平行な面であって接合面から離間した位置における面ＬＰ内におけるその開気孔の面積Ｓ２の最大値Ｓ２ｍａｘよりも小さい。
　第２端部圧電層２７は、複数の圧電層２１のうち最も下部に位置する圧電層２１（及び最も下部に位置する第１内部電極層２２）の下部に積層されている。第２端部圧電層２７は、下端部圧電層２７とも称呼される。第２端部圧電層２７は、単一の圧電層からなっている。但し、第２端部圧電層２７は複数の圧電層が積層されることにより形成されてもよい。第２端部圧電層２７の主成分は圧電層２１の主成分と同じである。第２端部圧電層２７は焼成体である。第２端部圧電層２７の空孔率は圧電層２１の空孔率よりも大きい。第２端部圧電層２７の厚みは、例えば、０．１ｍｍである。なお、第２端部圧電層２７は設けられなくてもよい。更に、第２端部圧電層２７の空孔率は圧電層２１の空孔率と同じであってもよい。第２端部圧電層２７は焼成体である。
　第２端部圧電層２７の下面２０ｂは露呈されている。即ち、第２端部圧電層２７の下面２０ｂは、圧電素子２０の積層方向の両端部の他の一つであり、圧電素子２０の露呈面２０ｂを形成している。露呈面２０ｂは、露呈面２０ａと同様に平面研磨がなされた面であってもよく、平面研磨がなされていない面であってもよい。
　なお、圧電素子２０の正面（Ｙ軸負方向端部の面であってＸ－Ｚ平面に平行な面）及び裏面（Ｙ軸正方向端部の面であってＸ－Ｚ平面に平行な面）は、図示しない保護膜により被覆されている。この保護膜は、例えば、エポキシ樹脂からなる。
　以上のように構成される圧電素子２０は、図３に示したように、活性部ＫＳ、一対の側面不活性部ＳＦ、第１端面不活性部ＴＦ１及び第２端面不活性部ＴＦ２を有している。
　活性部ＫＳは、積層された複数の圧電層２１のうちの、互いに隣接して対向する「第１内部電極層２２及び第２内部電極層２３」に挟まれた部分である。即ち、活性部ＫＳは、第１内部電極層２２と第２内部電極層２３との間に「変化する電圧（電位差）」が付与されることにより変化する電界が付与され、それにより変位する部分（特に、Ｚ軸（高さ）方向に伸縮する部分）である。
　側面不活性部ＳＦは、積層された複数の圧電層２１のうちの、互いに隣接して対向する「第１内部電極層２２及び第２内部電極層２３」に挟まれていない部分である。即ち、側面不活性部ＳＦは、積層方向（Ｚ軸方向）に沿って圧電素子２０を見た場合において、互いに隣接して対向する「第１内部電極層２２及び第２内部電極層２３」が重なっていない部分である。この側面不活性部ＳＦ内の圧電層２１は、第１内部電極層２２と第２内部電極層２３との間に「変化する電圧（電位差）」が付与された場合において、変化する電界が加えられない部分であり、従って、伸縮しない部分である。
　第１端面不活性部ＴＦ１は、互いに隣接して対向する「第１内部電極層２２及び第２内部電極層２３」に挟まれていない第１端部圧電層２６、により構成されている。従って、第１端面不活性部ＴＦ１は、第１内部電極層２２と第２内部電極層２３との間に「変化する電圧（電位差）」が付与された場合において、変化する電界が加えられない部分であり、従って、伸縮しない部分である。
　第２端面不活性部ＴＦ２は、互いに隣接して対向する「第１内部電極層２２及び第２内部電極層２３」に挟まれていない第２端部圧電層２７、により構成されている。従って、第２端面不活性部ＴＦ２は、第１内部電極層２２と第２内部電極層２３との間に「変化する電圧（電位差）」が付与された場合において、変化する電界が加えられない部分であり、従って、伸縮しない部分である。
　上述したように、第１端部圧電層２６及び第２端部圧電層２７（少なくとも、第１端部圧電層２６）の空孔率は、圧電層２１の空孔率よりも大きくなっている。換言すると、第１端面不活性部ＴＦ１（及び、第２端面不活性部ＴＦ２）の空孔率は、活性部ＫＳ（及び、側面不活性部ＳＦ）の空孔率よりも大きい。これにより、後述するように、被駆動子３０の圧電素子２０への接着強度が高められ、結果として、圧電素子使用装置１０の全体の曲げ強度（耐衝撃性）が高められる。
　被駆動子３０は円柱形状を有している。従って、被駆動子３０の下面は平坦面である。被駆動子３０は、その下面が第１端部圧電層２６の上面（露呈面）２０ａの中央部に接着剤Ｓにより接着されることにより、圧電素子２０に接合される。被駆動子３０の形状は、第１端部圧電層２６の上面（露呈面）２０ａと接着される面（即ち、被駆動子３０の下面）が平坦である限り、円柱形状以外の形状であってもよい。以下、第１端部圧電層２６の上面（露呈面）２０ａのうちの被駆動子３０が接合される部分を、便宜上「接合面２０ｓ」と称呼する（図２及び図３における太い実線を参照。）。即ち、接合面２０ｓは、上面２０ａのうちの「被駆動子３０の底面と対向する領域内にある面」を意味する。よって、「被駆動子３０の下面と露呈面２０ａとは接合面２０ｓにおいて接合されている。」と表現することもできる。
　被駆動子３０は、例えば、「カーボン、重金属、重金属の炭化物、重金属の硼化物及び重金属の窒化物」のうちの何れか一つを主成分とする材料からなる。この場合の重金属（重金属元素）としては、タングステン及びタンタル等が特に好ましく、タングステンカーバイト（ＷＣ）、硼化タングステン（ＷＢ）及び窒化タンタル（ＴａＮ）等が好適に用いられる。
　接着剤Ｓには、「ＪＩＳ　Ｋ６８５０」に準拠した方法に基いて測定された「引っ張りせん断強さ」が１５Ｎ／ｍｍ２以上のものが使用されることが好ましい。接着剤Ｓの硬化前の粘度は５０～２００Ｐａ・ｓであることが好ましい。例えば、接着剤Ｓは、エポキシ系接着剤が好適である。
（製造方法）
　次に、上記圧電素子使用装置１０の製造方法について、簡単に説明する。圧電素子使用装置１０は周知の方法により製造される。圧電素子使用装置１０の圧電素子２０は、図５に示したように、複数個（例えば、４５×４５個）の圧電素子２０を含む焼成体が製造された後、その焼成体が平面研磨され、更に、その焼成体が切断されることにより、製造される。
１．第１工程（圧電テープ成形）
　先ず、ドクターブレード法により、圧電層２１を形成することになる「複数の圧電テープ（セラミックグリーンシートである第１圧電テープ）」と、「第１端部圧電層及び第２端部圧電層」を形成することになる「複数の圧電テープ（セラミックグリーンシートである第２圧電テープ）」とが用意される。第１圧電テープ及び第２圧電テープは、同じ圧電材料を含む。第２圧電テープは、焼結後の密度が第１圧電テープよりも小さくなるように、テープ成形に使用する圧電粉末の粒径及び粒度分布と、成形されたテープ中の圧電粉末の粉末充填率（テープ単位体積当たりの圧電粉末の体積）とを調整した。
２．第２工程（内部電極層印刷）
　次に、第１圧電テープのそれぞれに対して所定のパターンを有する導電体層をスクリーン印刷法により形成する。この導電体層は、焼成後において第１内部電極層２２及び第２内部電極層２３となる層である。
３．第３工程（接着層印刷）
　各圧電テープに接着ペーストをスクリーン印刷により印刷する。
４．第４工程（積層）
　一枚の第２圧電テープの上に複数枚の第１圧電テープを積層し、更に、一枚の第２圧電テープを積層することにより、積層体を得る。その積層体を加熱しながら、その積層体に圧力を加える。これにより、積層された圧電テープ同士を熱圧着する。
５．第５工程（脱脂処理）
　得られた積層体を所定の温度（焼成温度以下の温度）にまで上昇させ、脱脂する。
６．第６工程（焼成、本焼成）
　脱脂後の積層体の温度を焼成温度にまで上昇させ、積層体を焼成することにより焼成体を得る。
７．第７工程（平面研削・厚み調整）
　焼成体の上面を平面研削する。この平面研削が上述した「第１端部圧電層２６の上面２０ａの平面研削」である。
８．第８工程（分割・切断）
　平面研削後の焼成体をダイシングにより切断し、個々の圧電素子２０へと分割する。
９．第９工程（側面電極形成）
　第１側面電極２４及び第２側面電極２５をスクリーン印刷により形成する。
１０．第１０工程（保護膜形成）
　圧電素子２０の正面及び裏面に保護膜をスクリーン印刷により形成する。
１１．第１１工程（分極処理）
　周知の手法に基いて、圧電層２１に電圧を印加し、圧電層２１の分極処理を実施する。
１２．第１２工程（検査）
　得られた圧電素子２０の電気的特性及び外観を検査する。
　その後、圧電素子２０の上面２０ａに接着剤Ｓを塗布し、被駆動子３０を接着する。以上により、圧電素子使用装置１０が製造される。
　このように製造される「上述の構成を有する圧電素子使用装置１０」においては、接合面２０ｓ（ＳＰ）から所定の厚み範囲内に存在する部分の不活性部（第１端面不活性部ＴＦ１）の圧電層（本例において、第１端部圧電層２６全体）の空孔率が、活性部ＫＳを構成する圧電層２１の空孔率よりも大きいから、その接合面２０ｓに開気孔が多数現れる。即ち、接合面２０ｓに多数の凹凸が形成される。従って、接着剤Ｓのアンカー効果が発揮されるので、被駆動子３０が圧電素子２０に対して強固に接着される。その結果、圧電素子使用装置１０の曲げ強度（衝撃等に対する強度を含む。）を高くすることができる。
　加えて、活性部ＫＳを構成する圧電層２１の空孔率を小さくすることができるので、側面不活性部ＳＦの空孔率も小さくすることができる。この結果、圧電素子２０の分極処理の際に側面不活性部ＳＦに微小クラックが発生し難い。よって、圧電素子２０の「曲げ応力に対する強度」を高く維持することができる。この結果、装置全体としての曲げ強度（耐衝撃性）に優れた圧電素子使用装置１０が提供される。
（実施例及び比較例）
　上記本発明の実施形態に係る種々の圧電素子使用装置（実施例Ｊ１～Ｊ６）、及び、本発明を用いていない従来の圧電素子使用装置（比較例Ｈ１～Ｈ７）を作成し、これらの強度について測定を行った。
　比較例Ｈ１～Ｈ５は、圧電素子使用装置１０の第１端部圧電層２６及び第２端部圧電層２７を、圧電層２１と同様な圧電層（即ち、圧電層２１の空孔率と同じ空孔率を有する圧電層）に置換したものである。実際には、比較例Ｈ１～Ｈ５に係る圧電素子使用装置は、「上記第１圧電テープと同じ材料成分からなり、上記第１圧電テープよりも厚みの大きい第３圧電テープ」を、上記第２圧電テープに代えて使用することにより製造された。
　なお、第３圧電テープには、積層前にダミーの内部電極層となる層をその上面に印刷しておいた。そのダミーの内部電極層は、積層体の焼成後に実施される上記平面研削により除去された。このダミーの内部電極層となる層は、第３圧電テープの焼結助剤として機能するので、第３圧電テープの焼結体の焼結状態は第１圧電体テープの焼結体の焼結状態と同様となった。これにより、圧電素子使用装置１０の第１端部圧電層２６及び第２端部圧電層２７が「圧電層２１と同じ空孔率を有する圧電層」に置換された比較例が作成された。更に、実施例Ｊ１～Ｊ６及び比較例Ｈ６～Ｈ7の各圧電層の空孔率は、テープ成形に使用した圧電粉末の粒径及び粒度分布と、成形されたテープ中の圧電粉末の粉末充填率（テープ単位体積当たりの圧電粉末の体積）とを調整することによって制御された。
　実施例Ｊ１～Ｊ６のそれぞれ、及び、比較例Ｈ１～Ｈ７のそれぞれは、１０個ずつ準備された。そして、図６に示したように、準備された実施例及び比較例の各サンプルＳａの圧電素子の下端部近傍部をクランプ装置ＣＬにより保持し、被駆動子３０の先端部に荷重Ｆを加え、その荷重Ｆを増大させていったときの破断部位及び破断発生時の荷重（破断荷重）Ｆの大きさを調べた。結果を、表１に示す
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１において、接着剤ＥＰは、上述したビスフェノール型エポキシ接着剤を表す。不活性部は第１端面不活性部ＴＦ１を指す。表１に示した「不活性部又は接着剤破断」は、「不活性部の破断」又は「不活性部と被駆動子との間の接着層の破断」を意味する。接着剤の破断は、被駆動子が不活性部（圧電素子）から脱落することを指す。「不活性部又は接着剤破断」の破断荷重と、「活性部破断」の破断荷重と、の両方に数値が記入されている例は、実験に供した１０個のサンプルのうちのいくつかのサンプルにおいて「不活性部又は接着剤破断」が「活性部破断」よりも先に発生し、残りのサンプルにおいて「活性部破断」が「不活性部又は接着剤破断」よりも先に発生したことを意味する。
　図７は、表１に示したデータをプロットしたグラフである。このグラフの縦軸は最小破断荷重であり、横軸は空孔率差である。空孔率差は、不活性部の空孔率Ｂ（第１端面不活性部ＴＦ１の空孔率）から活性部の空孔率Ａ（活性部ＫＳの空孔率）を減じた値（空孔率差＝Ｂ－Ａ）である。このグラフから、空孔率差を有する実施例（Ｊ１～Ｊ６）は、空孔率差がない比較例（Ｈ１～Ｈ５）と比較して、最小破断強度が高くなっていることが確認された。
　なお、空孔率差を有する圧電素子使用装置であっても、活性部の空孔率が第１所定値（１％）よりも大きくとなると、活性部の強度が大きく低下するので、最小破断荷重は小さくなった（比較例Ｈ７を参照。）。更に、空孔率差を有する圧電素子使用装置であっても、不活性部の空孔率が第２所定値（０．８％）よりも小さくなると、最小破断荷重が小さくなった（比較例Ｈ６を参照。）。これは、接合面２０ｓに現れる開気孔の数が少なくなるので、接着剤Ｓのアンカー効果が小さくなり、その結果、接着剤Ｓによる被駆動子３０の接合強度が低下したためである。なお、上述したように、接着剤のアンカー効果とは、接着剤が接着面の微細な凹凸に浸入して硬化することにより、接着力が高まる効果のことを言う。
　図８は、表１に示したデータをプロットした別のグラフである。このグラフの縦軸は破断荷重であり、横軸は「破断部位の空孔率」である。曲線Ｃ１は、活性部が「不活性部又は接着剤」よりも先に破断したときの破断荷重の外挿線である。曲線Ｃ２は、不活性部又は接着剤が「活性部」よりも先に破断したときの破断荷重の外挿線である。曲線Ｃ１及び曲線Ｃ２は、破断部位の空孔率が約０．８％であるときに交わっている。
　このことから、空孔率差を付与しないで圧電素子使用装置の曲げ強度を最大にするには、活性部の空孔率及び不活性部の空孔率の両者を約０．８％に設定しなければならないと考えられる。しかしながら、曲線Ｃ１から理解されるように、活性部の破断荷重は、活性部の空孔率が０．８％よりも小さいとき、活性部の空孔率が０．８％であるときよりも大きくなる。更に、曲線Ｃ２から理解されるように、不活性部の破断荷重は、不活性部の空孔率が０．８％よりも大きいとき、不活性部の空孔率が０．８％であるときよりも大きくなる。従って、活性部及び不活性部の曲げ強度（即ち、圧電素子使用装置全体の曲げ強度）は、圧電素子に前記空孔率差を付与することにより、圧電素子に前記空孔率を付与しない場合よりも高めることができる。
　なお、空孔率差（Ｂ－Ａ）が０．２％よりも小さい場合、圧電素子の空孔率が製造バラつきによってバラついたとき、空孔率差が実質的に０％となる場合が生じ、その結果、低い曲げ強度の圧電素子が発生する頻度が高くなる。一方、空孔率差（Ｂ－Ａ）が２％よりも大きいと、不活性部空孔率が過大になる。このため、不活性部内の空孔を介してクラックが伝達し易くなるので、接着剤の破断が発生する前に、不活性部が破断する可能性が高くなる。
　以上のことから、空孔率についての以下の総ての条件が満たされるように、圧電素子２０を製造することが望ましいと考えられる。
（１）活性部空孔率Ａは１％以下である。
（２）不活性部空孔率Ｂは０．８％以上である。
（３）空孔率差（＝Ｂ－Ａ）は、０．２％以上且つ２％以下である。
　以上、説明したように、本発明の実施形態に係る圧電素子使用装置１０においては、不活性部ＴＦ１の圧電層の空孔率が、活性部ＫＳを構成する圧電層の空孔率よりも大きい。従って、接合面２０ｓに多数の空孔が現れるので、接着剤Ｓのアンカー効果が発揮され得る。更に、活性部ＫＳを緻密な圧電層により形成することができる。その結果、衝撃等に対する強度が高い圧電素子使用装置１０が提供される。更に、平面研磨により接合面２０ｓに現れた開気孔は、図４を参照して説明した形状を有する。よって、接着剤のアンカー効果をより一層強めることができる。
　本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、図９に示したように、活性部ＫＳの空孔率よりも大きい空孔率を有する部分は、第１端面不活性部ＴＦ１のうちの「接合面２０ｓの直下（Ｚ軸負方向）に存在する部分Ｒ１（斜線部を参照。）」のみであってもよい。
　更に、図１０に示したように、活性部ＫＳの空孔率よりも大きい空孔率を有する部分は、第１端面不活性部ＴＦ１のうちの「接合面２０ｓを含む上面２０ａから所定の厚み範囲内に存在する部分Ｒ２（斜線部を参照。）」のみであってもよい。即ち、例えば、第１端部圧電層２６が、複数の層（図１０における層２６ａ、２６ｂ及び２６ｃ）からなる場合、上面２０ｓから所定数の層（図１０に示した例における圧電層２６ａ及び２６ｂの２層）までの空孔率が活性部ＫＳの空孔率よりも大きく設定されていてもよい。
　加えて、図１１に示したように、活性部ＫＳの空孔率よりも大きい空孔率を有する部分は、第１端面不活性部ＴＦ１のうちの「接合面２０ｓの直下であって、接合面２０ｓから所定の厚み範囲内に存在する部分Ｒ３（斜線部を参照。）」のみであってもよい。
　更に、内部電極層２２，２３の形状は、上述した形状以外の形状であってもよい。

Claims (5)

  1. 　複数の圧電層と複数の内部電極層とを備えるとともに前記複数の圧電層のそれぞれと前記複数の内部電極層のそれぞれとが同圧電層の層面に直交する積層方向において交互に積層された積層体であって、前記複数の圧電層のそれぞれが前記複数の内部電極層のうちの互いに対向する一対の内部電極層の間に挟まれた部分からなる活性部と、前記活性部の前記積層方向の少なくとも一方の端部に配設され且つ前記内部電極層に挟まれていない単一又は複数の圧電層からなる不活性部と、を有する積層型圧電素子、及び、
    　前記不活性部の露呈面に接着剤により接合された被駆動子、
    　を備えた圧電素子使用装置において、
    　前記不活性部の露呈面のうちの少なくとも前記被駆動子が接合される部分である接合面から所定の厚み範囲内に存在する前記不活性部の部分の空孔率である不活性部空孔率が前記活性部を構成する圧電層の空孔率である活性部空孔率よりも大きいことを特徴とする圧電素子使用装置。
  2. 　請求項１に記載の圧電素子使用装置において、
    　前記接合面は平面研磨が施された面であり、前記不活性部内に形成された空孔の一部が前記平面研磨により開気孔として露呈されている面であることを特徴とする圧電素子使用装置。
  3. 　請求項２に記載の圧電素子使用装置において、
    　前記開気孔は、
    　前記接合面と直交する平面により前記圧電素子使用装置を切断した場合、前記接合面内における前記開気孔の長さＤ１が前記接合面と平行な面であって前記接合面から離間した位置における面内における同開気孔の長さＤ２の最大値Ｄ２ｍａｘよりも小さい形状を有することを特徴とする圧電素子使用装置。
  4. 　請求項２又は請求項３に記載の圧電素子使用装置において、
    　前記開気孔は、
    　前記接合面内における前記開気孔の面積Ｓ１が前記接合面と平行な面であって前記接合面から離間した位置における面内における同開気孔の面積Ｓ２の最大値Ｓ２ｍａｘよりも小さい形状を有することを特徴とする圧電素子使用装置。
  5. 　請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の圧電素子使用装置において、
    　前記活性部空孔率が１％以下であり、前記不活性部空孔率が０．８％以上であり、更に、前記不活性部空孔率から前記活性部空孔率を減じた値である空孔率差が０．２％以上且つ２％以下であることを特徴とする圧電素子使用装置。
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