专利名称：层叠型压电元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用于燃料喷射型装置等中的层叠型压电元件。
背景技术：
层叠型压电元件一般具备互相交替地层叠压电体和内部电极而得的层叠体；以 及设置在该层叠体的侧面上，并与内部电极相连接的外部电极。在对外部电极施加电压时， 压电体中异极的内部电极彼此相互重叠的部分(活性区域)发生变形。在如此的元件驱动 时候，在压电体中的活性区域和非活性区域的边界上将发生应力集中，容易产生在层叠体 的层叠方向上延伸的裂缝等。为此，近年来，提出了很多在层叠体的非活性区域中设置应力 缓和层的层叠型压电元件的方案。例如在日本特开平5-M3635号公报中记载了通过印刷 氧化铝浆料而形成作为应力缓和层的金属氧化物层的方法。
发明内容
在上述现有技术的层叠型压电元件中，由于在层叠体的非活性区域形成了金属氧 化物层(氧化铝层)，驱动时就难以形成在层叠体的层叠方向上延伸的裂缝等。但是，得不 到相对于驱动时所施加的电场的充分的位移量，产生压电特性降低的新的问题。本发明的目的在于提供一种层叠型压电元件，其不仅能确保所期望的压电特性， 并且能够防止在层叠体的层叠方向上延伸的裂缝等的发生。本发明者们对形成应力缓和用的金属氧化物层的材料反复作了悉心的探讨研究。 其结果发现，例如在由以PZT(钛锆酸铅)为主要成分的压电陶瓷材料形成压电体的情况 下，如果将如同Al2O3等在不固溶于PZT并在晶界上析出的材料使用于应力缓和用的金属氧 化物层，则相对于在驱动时所施加的电场，元件将不会充分地位移。其原因被认为是由于 Al2O3等变成晶界成分，从而妨碍了 PZT的粒子成长，在压电体中每单位厚度的晶界的数目 增多，其结果，在元件上施加驱动电场时在晶界上发生了热损失。本发明是基于如此的见解 所完成的。本发明涉及一种层叠型压电元件，其具备将多个的压电体和多个的内部电极互相 交替地层叠并烧结而成的层叠体，多个内部电极包含第1电极以及第2电极，层叠体具有活 性部分和非活性部分，该活性部分由第1电极和第2电极在层叠体在层叠方向上以互相重 叠的形式所构成，该非活性部分设置在活性部分的两侧，并由第1电极和第2电极以在层叠 体的层叠方向上不互相重叠的形式所构成。在非活性部分中设置有金属氧化物层，该金属 氧化层由熔点比压电体的烧结温度还要高并且固溶于压电体的材料所形成。在本发明的层叠型压电元件中，金属氧化物层被设置于层叠体的非活性部分中。 该金属氧化物层是由熔点比压电体的烧结温度还要高的材料所形成。为此，在元件的制造工序中在实施层叠体的烧成时，金属氧化物层与压电体相比没有被充分烧结，所以成为与 压电体的接合强度低的层。因此，在第1电极和第2电极之间施加电压时，两者之间产生电 场，在层叠体的活性部分中的压电体在层叠体的层叠方向上发生位移，应力集中在层叠体 的非活性部分中，但由于上述的金属氧化物层，非活性部分所承受的应力得到有效的缓和。 由此，能够防止在层叠体的层叠方向上延伸的裂缝等的发生。另外，金属氧化物层由固溶于压电体的材料形成。为此，在进行层叠体的烧成时， 金属氧化物层的成分难以在压电体的晶界上析出，从而抑制了在压电体中每单位厚度的晶 界数目的增大。因此，认为在将电场施加于第1电极和第2电极之间时遏制了在晶界上所 产生的热损失。因此，在本发明的层叠型压电元件中，相对于驱动时所施加的电场可以得到 充分的位移量，能够确保所期望的压电特性。另外，由于在压电体中的每单位厚度的晶界的 数目变少，因此就更加难以生成在层叠体的层叠方向上延伸的裂缝等。优选压电体由以钛锆酸铅为主要成分的压电材料形成，优选金属氧化物层由含有 选自&02、MgO, Nb2O5, Ta2O5, CeO2和^O3的至少一种的材料来形成。作为压电体的材料钛 锆酸铅是适合的。另外，ZrO2, MgO, Nb2O5, Ta2O5, CeO2和^O3是熔点比钛锆酸铅的烧结温度 还要高并且是能够固溶于钛锆酸铅的材料。因此，通过将这样的材料使用于金属氧化物层， 可以确实地形成作为应力缓和用恰当的金属氧化物层。优选金属氧化物层形成于与内部电极相同的层。此时，通过以金属氧化物层的厚 度和内部电极的厚度大致相同的形式来制造元件，在实施层叠体的烧成时，能够减轻由于 金属氧化物层与内部电极的段差而引起的层叠体的歪斜的影响。优选金属氧化物层被形成为，在第1电极和第2电极之间的层中进入于活性部分 中。此时，即使在层叠体的活性部分上产生了裂缝等，该裂缝等也容易沿着金属氧化物层在 与层叠体的层叠方向垂直的方向上延伸。由此，就更能够更确实地防止在层叠体的层叠方 向上延伸的裂缝等的发生。根据本发明能够确保所期望的压电特性，并且能够防止在层叠体的层叠方向上延 伸的裂缝等的发生。由此，可以得到高性能的层叠型压电元件。通过以下的详细描述和附图，本发明将被更充分地理解，但该详细描述和附图仅 以举例说明的形式而给出，因此，不能将该详细描述和附图理解为是对本发明的限定。通过以下给出的详细描述，本发明的可应用范围将而变得更清楚。但是必须理解 的是，用来说明本发明的优选实施方式的详细描述和附图是仅以举例说明的形式而给出 的，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明的技术思想和范围内包括各种变化和 变型方式。
图1是表示第1实施方式所涉及的层叠型压电元件的立体图。图2是图1所表示的层叠型压电元件的侧面图。图3是表示图1所示的层叠体的层构造的部分扩大截面图。图4是制造图1所示的层叠型压电元件时所制作的坯层叠体的分解立体图。图5是表示第2实施方式所涉及的层叠型压电元件的侧面图。图6是表示图5所示层叠型压电元件的层构造的部分扩大截面图。
图7是制造图5所示的层叠型压电元件时所制作的坯层叠体的分解立体图。图8是表示层叠体的层构造的变形例的部分扩大截面图。
具体实施例方式下面，关于本发明所涉及的层叠型压电元件的适合的实施方式，参照附图进行详 细说明。图1是表示第1实施方式所涉及的层叠型压电元件的立体图。图2是图1所示的 层叠型压电元件的侧面图，图3是表示图1所示的层叠型压电元件的层构造的部分扩大截 面图。在各个图中，本实施方式的层叠型压电元件1是用于例如搭载于汽车上的内燃机的 燃料喷射装置中的元件。层叠型压电元件1具备有四角柱形的层叠体2。层叠体2是将多个压电体3和多 个内部电极4A、4B以指定的顺序层叠，然后将该层叠物烧结而成的产物。层叠体2的尺寸 为例如宽IOmmX纵深IOmmX高:35mm。压电体3由例如以PZT(钛锆酸铅)为主要成分的压电陶瓷材料所形成。压电体 3的厚度为例如每1层80 100 μ m的程度。作为PZT的组成，例使用如下所述的物质。PbO. 999 [ (Znl/3Nb2/3) 0. 11 TiO. 425 ZrO. 465] 03+0. 2wt % Fe203+0. 2wt % Sb2O3使用PZT的粉体特性是例如BET比表面积为大约2. 5m2/g，平均粒径为大约0. 6 μ m 的物质。如此的PZT的烧结温度为950°C的程度。PZT系材料的熔点为1300°C的程度。内部电极4A、4B由例如以Ag以及Pd为主要成分的导电材料而形成。内部电极 4A、4B夹着压电体3互相交替地被层叠。内部电极4A的一端在层叠体2的一方的侧面加 露出，内部电极4A的另一端位于比层叠体2的另一方的侧面2b更内侧的位置。内部电极 4B的一端在层叠体2的侧面2b露出，内部电极4B的另一端位于比层叠体2的侧面加更内 侧的位置。由此，内部电极4A、4B的一部分在层叠体2的层叠方向(上下方向)上成为互 相重叠。 在层叠体2中，当将电压施加于内部电极4A、4B的时候，内部电极4A、4B在层叠方 向上互相重叠的部分变成了压电体3位移的活性部分P。在层叠体2当中，当将电压施加于 内部电极4A、4B的时候，内部电极4A、4B在层叠方向上不互相重叠的部分(层叠体2的两 侧端部)变成了压电体3不发生位移的非活性部分Q。在层叠体2的非活性部分Q中，形成有多个具有电绝缘性且比压电体3密度(强 度)更低的金属氧化物层5。金属氧化物层5形成在与内部电极4A、4B相同的层中。金属 氧化物层5的厚度与内部电极4A、4B的厚度大致相同。在与内部电极4A位于同一层的金 属氧化物层5的一端与内部电极4A相连接，该金属氧化物层5的另一端在层叠体2的侧面 2b露出。在与内部电极4B位于同一层的金属氧化物层5的一端与内部电极4B相连接，该 金属氧化物层5的另一端在层叠体2的侧面加露出。金属氧化物层5由熔点比压电体3的主要成分PZT的烧结温度还要高并且固溶于 PZT的材料而形成。作为这样的材料可列举含有选自&02、Mg0、Nb205、Ta205、CeA和^O3中 的至少一种的材料。金属氧化物层5和压电体3由互相不同的组成系的材料所形成。&02、 MgO、Nb2O5, Ta2O5, CeO2 和 Y2O3 的熔点为 1500 2800°C程度。在层叠体2的侧面加上固定有电连接于各内部电极4A的外部电极6A。在层叠体2的侧面2b上固定有电连接于各内部电极4B的外部电极6B。外部电极6A、6B具有矩形板状的电极部分7a、7b和波形状的电极部分8a、8b。电 极部分7a、7b以分别覆盖层叠体2的侧面2a、2b的中央部分的方式在层叠体2的层叠方向 上延伸。电极部分8a、8b分别配置在电极部分7a、7b的外侧，在层叠体2的层叠方向上延 伸。电极部分8a、8b以相对于层叠体2的层叠方向具有伸缩性(柔软性)的方式，分别接 合于电极部分7a、7b。电极部分7a、7b由例如以Ag、Au以及Cu中的任何一种作为主要成 分的导电材料所形成。电极部分8a、8b由例如Cu、Cu合金、Ni、Ni合金以及挠性基板等所 形成。接着，关于上述的层叠型压电元件1的制造方法，用图4来加以说明。在图4中，首 先，准备将有机粘合剂树脂以及有机溶剂等混合于以PZT作为主要成分的陶瓷粉体中的坯 片(green sheet)用的浆料。然后，例如通过刮刀法将坯片用的浆料涂布在载体薄膜(没 有图示)之上，形成多枚形成上述的压电体3的坯片9。接下来，制作将有机粘合剂树脂以及有机溶剂等混合于导电材料中的电极图案用 的浆料。导电材料含有Ag以及Pd，例如可以以Ag Pd = 85 15的比例来构成。然后， 例如通过丝网印刷将电极图案用的浆料印刷在坯片9之上，在各个坯片9之上形成相当于 上述的内部电极4A、4B的电极图案10A、10B。此时，将电极图案10AU0B印刷在坯片9上面 中除去对应于上述的非活性部分Q的一端侧部分的区域上。更进一步，制作将有机粘合剂树脂以及有机溶剂等混合于含有例如^O2的陶瓷粉 体中的浆料。所使用的&02粉体的粒径优选比压电材料粉体的粒径大。然后，例如通 过丝网印刷，将^O2浆料印刷在坯片9上面中没有印刷有电极图案IOA或者电极图案IOB 的区域(上述的对应于非活性部分Q的一端侧部分)上，由此形成^O2浆料层11。此时， 优选所形成的^O2浆料层11与电极图案10AU0B成为同一个平面的方式印刷^O2浆料。接着，将形成有电极图案IOA以及^O2浆料层11的坯片9和形成有电极图案IOB 以及^o2浆料层11的坯片9，以指定的顺序进行层叠。之后，将没有形成有电极图案10A、 IOB以及^O2浆料层11的坯片9作为保护层，按照所指定的枚数在最外层上层叠。由此， 形成了坯层叠体12。接着，在60°C的温度条件下一边加热坯层叠体12 —边在层叠方向上进行压制加 工，之后，例如用金刚石刀片将该坯层叠体12以指定的尺寸进行切断，从而进行芯片化。由 此，如图4所示，电极图案10AU0B以及^O2浆料层11在坯层叠体12的侧面露出。之后，将切断后的坯层叠体12装载于装定器(setter)(无图示)，在大约400°C的 温度条件下进行10小时程度的坯层叠体12的脱脂(脱粘合剂)处理。然后，将脱脂后的 坯层叠体12放入耐火粘土炉(saggar)内，在例如950 1000°C的温度条件下对坯层叠体 12进行2小时程度的烧结。由此烧结坯片9、电极图案10AU0B以及浆料层11，从而 得到了作为烧结体的层叠体2。此时，由于浆料层11与坯片9由不一样的组成系的材料所形成，所以，ZrO2 浆料层11与坯片9的烧结反应性被抑制，在两者之间没有发生不需要的化学反应。并且， 由于^O2浆料层11的熔点比坯片9的烧结温度还要高，所以^O2浆料层11与坯片9相比 较不容易烧结。因此，烧结后，ZrO2浆料层11成为与压电体3的结合强度低的金属氧化物层5。
由于浆料层11是以与电极图案10AU0B成为同一平面的方式形成，所以，能 够防止起因于浆料层11和电极图案10AU0B之间的段差的坯层叠体12的歪斜的发生。接着，在层叠体2的侧面2a、2b上分别形成外部电极6A、6B。具体而言，例如将 以Ag为主要成分的导电浆料用丝网印刷法印刷在层叠体2的侧面2a、2b上，通过例如在 700°C程度的温度条件下进行烧接处理，在层叠体2的侧面2a、2b上分别形成电极部分7a、 7b。作为电极部分7a、7b的形成方法，也可以使用溅射法和无电解镀法。之后，例如由铅锡 焊接将波形状的电极部分8a、8b分别接合于电极部分7a、7b。最后，以压电体3的厚度方向的电场强度成为大约2kV/mm的方式，通过例如在 120°C的温度条件下施加例如3分钟的指定的电压，来进行极化处理。此时，应力集中于层 叠体2的非活性部分Q，但由于在非活性部分Q中形成有多层金属氧化物层5，所以，非活性 部分Q所承受的应力由于金属氧化物层5而得到缓和。因此，不容易产生在层叠体2的层 叠方向上延伸的裂缝等。通过如上所述的过程，完成了如图1 图3所示的层叠型压电元 件1的制作。在如此制造的层叠型压电元件1中，当在外部电极6A、6B之间施加电压时，电压施 加在与外部电极6A、6B相连接的内部电极4A、4B之间，在两者之间产生电场，在层叠体2的 活性部分P上的压电体3在层叠体2的层叠方向上发生位移。即使在此时，虽然应力在层 叠体2的非活性部分Q上集中，但如上所述，非活性部分Q所承受的应力由于金属氧化物层 5而得以缓和。因此，即使在这种情况下，也不容易产生在层叠体2的层叠方向上延伸的裂 缝等。但是，作为形成金属氧化物层5的材料而使用A1203、SiO2, P2O5等的与1 系材料 发生反应从而形成液相的材料的情况下，这些材料不与PZT固溶而容易成为晶界成分。因 此，例如在烧成含有Al2O3浆料层的坯层叠体的时候，Al2O3在坯片9的晶界析出。因此，妨 碍PZT的粒子成长，在坯片9中的每个单位厚度的晶界的数目较多。在该情况下，在制造 后的层叠型压电元件中，在将电压施加于外部电极6A、6B之间从而将电场施加于内部电极 4A、4B之间时，由于压电体3的晶界而发生热损失。其结果，相对于所施加的电场的压电体 3的位移不够充分，从而导致压电特性降低。相对于此，在本实施方式中，作为形成金属氧化物层5的材料，使用&02、Mg0、 Nb2O5^Ta2O5XeO2和^O3等的固溶于PZT的材料。由此，在烧成坯层叠体12时，ZrO2等的成 分不会在坯片9的晶界析出，抑制了坯片9中的每单位厚度的晶界数的增大。因此，在制造 后的层叠型压电元件1中，在将电压施加于外部电极6A、6B之间从而在将电场施加在内部 电极4A、4B之间时，减少了由于压电体3的晶界的热损失的发生。其结果，能够得到相对于 所施加的电场的充分的压电体3的位移，从而确保了所期望的压电特性。由于抑制了压电体3中的每单位厚度的晶界数的增加，所以在层叠体2的层叠方 向上延伸的裂缝等更难以产生。如上所述，根据本实施方式，不会损坏层叠型压电元件1的所期望的压电特性，并 且在层叠型压电元件1的极化处理时和在驱动时，能够防止在层叠体2的层叠方向上延伸 的裂缝等的发生。由此，可以防止在内部电极4A、4B之间的短路，从而能够避免层叠型压电 元件1的绝缘性遭到破坏。其结果，可以提高层叠型压电元件1的品质。
图5是涉及第2实施方式的层叠型压电元件的侧面图，图6是表示图5所示的层 叠型压电元件的层构造的部分扩大截面图。在图中，在与第1实施方式相同或同等的要素 上标注相同的符号，并省略其说明。在各个图中，本实施方式的层叠型压电元件1与第1实施方式同样地具备由压电 体3、内部电极4A、4B以及金属氧化物层5形成的层叠体2。金属氧化物层5形成在，在层叠 体2的非活性部分Q中，在层叠体2的层叠方向上邻接的内部电极4A、4B之间的层中。金 属氧化物层5被形成为，从层叠体2的非活性部分Q略微向活性部分P中进入。在制造如此的层叠型压电元件1的时候，如图7所示，与第1实施方式同样地形成 多个坯片9，并在各个坯片9上分别形成电极图案10A、10B。在形成有电极图案IOA或者电 极图案IOB的坯片9不同的坯片9的两端部分上(包含对应于非活性部分Q的区域和对应 于活性部分P的区域的一部分的部分)，形成浆料层11。在形成电极图案10AU0B以及浆料层11后，将形成有电极图案IOA的坯片 9、和形成有电极图案IOB的坯片9、以及形成有^O2浆料层11的坯片9按指定的顺序进行 层叠。将没有形成有电极图案10AU0B以及^O2浆料层11的坯片9作为保护层层叠在最 外层。由此，形成了坯层叠体12。其后，通过实施与第1实施方式同样的压制加工、切断、脱脂(脱粘合剂)以及烧 成而得到层叠体2。之后，在层叠体2的侧面2a、2b上设置外部电极6A、6B，最后通过进行 极化处理，完成如图5以及图6所示的层叠型压电元件1。即便是在本实施方式的层叠型压电元件中，也没有损坏所指望的压电特性，并且 能够防止在层叠体2的层叠方向上延伸的裂缝等的发生。由于金属氧化物层5以从非活性 部分Q进入活性部分P的区域内的方式形成，所以，即使在层叠体2的活性部分P上产生裂 缝等，该裂缝等也容易沿着金属氧化物层5在与层叠体的层叠方向垂直的方向(横向)上 延伸。由此，更加能够确实地防止在层叠体2的层叠方向上延伸的裂缝等的发生。另外，本发明不限于上述实施方式。例如，关于层叠体2的层构造，可以有各种各 样的变形。作为其中一例，如图8所示，也可以在层叠体2的层叠方向上邻接的内部电极 4A、4A之间或在内部电极4B、4B之间设置金属氧化物层5。另外，也可以在层叠体2的层叠 方向上邻接的内部电极之间，从层叠体2的侧面加到侧面2b为止全面地设置金属氧化物 层5。从以上对本发明的描述可明显得知，本发明可以以许多形态来进行变化。而这些 变化将不能被认为超过了本发明的技术思想和范围。并且，对于本领域技术人员而言，这些 显而易见的变型方式都包括在本发明权利要求书的范围之内。
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权利要求
1.一种层叠型压电元件，其特征在于具备将多个压电体和多个内部电极互相交替地层叠并烧结而成的层叠体， 所述多个内部电极包含第1电极以及第2电极，所述层叠体具有所述第1电极和所述第2电极在所述层叠体的层叠方向上以互相重 叠的形式所构成的活性部分；和设置在所述活性部分的两侧，并且所述第1电极和所述第2 电极以在所述层叠体的层叠方向上不互相重叠的形式构成的非活性部分，在所述非活性部分中设置有金属氧化物层，该金属氧化物层由熔点比所述压电体的烧 结温度还要高并且固溶于所述压电体的材料所形成，所述压电体由以钛锆酸铅为主要成分的压电材料形成，所述的金属氧化物层由含有选自Mg0、Nb205、Ta205、CeA和^O3中的至少一种的材料形成。
2.如权利要求1所述的层叠型压电元件，其特征在于 所述金属氧化物层形成于与所述内部电极相同的层。
3.如权利要求1或2所述的层叠型压电元件，其特征在于所述金属氧化物层被形成为，在所述第1电极和所述第2电极之间的层中进入于所述 活性部分中。
全文摘要
本发明涉及一种层叠型压电元件，其特征在于，具备将多个压电体和多个内部电极互相交替地层叠并烧结而成的层叠体。多个内部电极含有第1电极以及第2电极。层叠体具有第1电极及第2电极在层叠体的层叠方向上以互相重叠的形式所构成的活性部分；和第1电极及第2电极在层叠体的层叠方向上以不互相重叠的形式所构成的非活性部分。非活性部分设置于活性部分的两侧。在非活性部分中设置有，由熔点比压电体的烧结温度还要高并且固溶于压电体的材料所形成的金属氧化物层。
文档编号H01L41/083GK102110767SQ20101062342
公开日2011年6月29日 申请日期2007年11月21日 优先权日2006年11月21日
发明者佐佐木诚志, 望月一夫 申请人:Tdk株式会社