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    • 专利摘要:
    Um eine gestapelte piezoelektrische Einrichtung, welche kostengünstig und hinsichtlich der Bondfestigkeit zwischen einer piezoelektrischen Schicht und einer inneren Elektrodenschicht herausragend ist, bereitzustellen, umfaßt die piezoelektrische Einrichtung piezoelektrische Schichten und nicht weniger als 50 Gewichtsprozent von Cu enthaltende innere Elektrodenschichten, die abwechselnd gestapelt sind. Zwischen der inneren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht gibt es einen Diffusionsbereich, der durch wechselseitige Diffusion von Komponenten der inneren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht in die andere Schicht erzeugt wird und zumindest eine Komponente des piezoelektrischen Materials und Cu umfaßt. Der Duffusionsbereich belegt nicht weniger als 90 Prozent der Fläche eines Übergangs zwischen der inneren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht, und die Dicke des Diffusionsbereichs beträgt nicht mehr als 10 Prozent der Dicke der inneren Elektrodenschicht. Ein die piezoelektrische Schicht bildendes piezoelektrisches Material umfaßt bevorzugt PZT, welches ein Pb(Zr,TI)O¶3¶-basiertes Oxid mit einer Perovskitstruktur ist, und Elemente von Pb, Cu und O koexistieren in dem Diffusionsbereich.
    公开号:DE102004006777A1
    申请号:DE200410006777
    申请日:2004-02-11
    公开日:2004-09-09
    发明作者:Akira Kariya Fujii；Isao Kariya Mizuno；Nozomu Kariya Okumura；Takeshi Kariya Senoo；Yasuhiro Kariya Suzuki
    申请人:Denso Corp；
    IPC主号:B41J2-16
    专利说明:
    [0001] Die Erfindung betrifft eine gestapeltepiezoelektrische Einrichtung, die für einen piezoelektrischen Aktuatorund dergleichen verwendet wird, und ein Verfahren zur Herstellungderselben.
    [0002] Eine piezoelektrische Einrichtungist durch das Erzeugen einer Kraft oder einer Verschiebung, wennan sie Spannung angelegt wird, und durch das Erzeugen einer Spannung,wenn sie mit Kraft beaufschlagt wird, gekennzeichnet, und hat einenweiten Anwendungsbereich, wie beispielsweise für verschiedene Aktuatoren undSensoren. Eine gestapelte piezoelektrische Einrichtung, welche einKonzept ist, welches einen gestapelten piezoelektrischen Aktuatormit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten einschließt, wirdhäufigverwendet, um eine großeerzeugte Kraft oder Verschiebung zu erhalten, wenn sie für einenAktuator und dergleichen verwendet wird.
    [0003] Eine übliche gestapelte piezoelektrischeEinrichtung nutzt ausgehend von Beschränkungen im Herstellungsprozeß ein teuresMetall, wie beispielsweise Ag/Pd, als Material für innere Elektroden, so daß daherdie Herstellungskosten dazu neigen, mit zunehmender Anzahl gestapelterSchichten bemerkenswert hoch zu werden.
    [0004] Um eine Kostenreduktion zu versuchen,offenbart zum Beispiel die japanische ungeprüfte PatentveröffentlichungNr. 2000-340851,daß eineinnere Elektrode durch nicht-elektrolytisches Aufplattieren vonCu bzw. Verkupfern erzeugt wird. Die japanische ungeprüfte PatentveröffentlichungNr. 2001-244519 offenbart, daß piezoelektrischesMaterial und eine Cu-Folie in dem Bereich von 500 bis 700 °C direktgebondet werden. Eine nach diesem Stand der Technik hergestelltegestapelte piezoelektrische Einrichtung weist jedoch eine unzureichendeBondfestigkeit füreinen Betrieb bei hoher Last auf, so daß es ihr an Zuverlässigkeitfehlt. Außerdemoffenbart die japanische ungeprüftePatentveröffentlichungNr. 2001-244519, daß einBonden bei einer Temperatur von nicht weniger als bzw. über 800 °C nicht bevorzugtwird, weil dies die Qualitätdes piezoelektrischen Materials verschlechtert.
    [0005] Die Erfindung erfolgte in Anbetrachtder Probleme des Standes der Technik, und es liegt ihr die Aufgabezugrunde, eine gestapelte piezoelektrische Einrichtung, die kostengünstig undhinsichtlich der Bondfestigkeit zwischen einer piezoelektrischen Schichtund einer inneren Elektrodenschicht herausragen ist, sowie ein Verfahrenzur Herstellung derselben zu schaffen.
    [0006] In Übereinstimmung mit einem erstenAspekt der Erfindung wird eine gestapelte piezoelektrische Einrichtungbereitgestellt, gekennzeichnet durch piezoelektrische Schichten,die aus einem piezoelektrischen Material bestehen, und Kupfer enthaltenden innerenElektrodenschichten, wobei jede der piezoelektrischen Schichtenmit jeder der inneren Elektrodenschichten abwechselnd gestapeltist, die innere Elektrodenschicht nicht weniger als 50 Gewichtsprozentdes Elements Cu enthält,und zwischen der inneren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schichtein Diffusionsbereich vorhanden ist, der durch die Diffusion einerKomponente von jeder Schicht zu der anderen Schicht erzeugt wirdund zumindest eine Komponente des piezoelektrischen Materials undCu umfaßt.
    [0007] Eine gestapelte piezoelektrischeEinrichtung gemäß der Erfindungverwendet, wie vorstehend erwähntwurde, ein Cu-basiertes Material, das nicht weniger als 50 Gewichtsprozentdes Elements CU enthält,als eine innere Elektrodenschicht. Daher können verglichen mit bekanntengestapelten piezoelektrischen Einrichtungen, die ein Edelmetall,wie beispielsweise Ag/Pd und dergleichen, verwenden, die Materialkostensignifikant reduziert werden, und kann eine billigere gestapeltepiezoelektrische Einrichtung erhalten werden.
    [0008] Darüber hinaus weist die gestapeltepiezoelektrische Einrichtung einen zwischen der inneren Elektrodenschichtund der piezoelektrischen Schicht erzeugten Diffusionsbereich auf.Der Diffusionsbereich wird durch wechselseitige Diffusion von Komponentender inneren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schichtzu der bzw. in die andere(n) Schicht erzeugt und umfaßt zumindesteine Komponente des piezoelektrischen Materi als und Cu, das dieinnere Elektrodenschicht bildet. Da dieser Diffusionsbereich ineinem Übergangzwischen der inneren Elektrodenschicht und der piezoelektrischenSchicht existiert, bonden sich beide Schichten mit ausreichenderBondfestigkeit aneinander.
    [0009] Somit stellt die Erfindung eine gestapeltepiezoelektrische Einrichtung bereit, welche kostengünstig istund eine ausreichend hohe Bondfestigkeit zwischen einer innerenElektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht aufweist, durchVerwenden von Cu als eine Hauptkomponente einer inneren Elektrodenschichtund Erzeugen eines Diffusionsbereichs zwischen einer inneren Elektrodenschichtund einer piezoelektrischen Schicht.
    [0010] In Übereinstimmung mit einem zweitenAspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zur Herstellungeiner gestapelten piezoelektrischen Einrichtung, die aus einem piezoelektrischenMaterial bestehende piezoelektrische Schichten und Cu enthaltendeninneren Elektrodenschichten umfaßt, wobei jede der piezoelektrischenSchichten abwechselnd mit jeder der inneren Elektrodenschichtengestapelt ist, gekennzeichnet durch: einen piezoelektrischeSchicht-Kalzinierungsschritt des Kalzinierens einer ungebranntenKeramikplatte, um eine piezoelektrische Schicht zu erhalten; einenStapelherstellungsschritt des Stapelns der piezoelektrischen Schichtenabwechselnd mit Schichten von Cu enthaltendem Elektrodenmaterial,um einen Stapel herzustellen; und einen Heizbondschritt desBondens von aus dem Elektrodenmaterial bestehenden inneren Elektrodenschichtenund der piezoelektrischen Schichten durch Erwärmen des Stapels auf eine Temperaturhöher als 750 °C und nichthöher alsder Schmelzpunkt von Cu in einer oxidationshemmenden Atmosphäre, um das Cuam Oxidieren zu hindern, währendder Stapel in der Stapelrichtung mit einer vorbestimmten Last beaufschlagtwird.
    [0011] Ein Herstellungsverfahren gemäß der Erfindungführt denStapelherstellungsschritt und den Heizbondschritt nach dem Durch führen despiezoelektrische Schicht-Kalzinierungsschritts zum Erhalten einerkalzinierten Schicht wie vorstehend erwähnt durch. Daher kann die gestapeltepiezoelektrische Einrichtung ohne jeglichen Einfluß auf dieKalzinierungsbehandlung zum Erhalten von piezoelektrischen Schichtenhergestellt werden.
    [0012] Der Heizbondschritt wird, wie vorstehenderwähntwurde, in einer oxidationshemmenden Atmosphäre zum Verhindern, daß Cu oxidiert,durchgeführt, während derStapel in der Stapelrichtung mit einer vorbestimmten Last beaufschlagtwird. Die Heiztemperatur wird auf den Temperaturbereich höher als 750 °C und nichthöher alsder Schmelzpunkt von Cu gesteuert. Wenn die Heiztemperatur nichthöher als 750 °C ist, kanneine ausreichende Bondfestigkeit einer inneren Elektrodenschichtund einer piezoelektrischen Schicht nicht erhalten werden. Wennandererseits die Heiztemperatur höher als der Schmelzpunkt vonCu ist, welcher etwa bei 1083 °Cliegt, besteht ein Problem dahingehend, daß es schwierig ist, homogeneinnere Elektrodenschichten zu erzeugen.
    [0013] Die dem Stapel zugeführte Lastmuß groß genugsein, um eine piezoelektrische Schicht und ein Elektrodenmaterialausreichend zu bonden, ohne eine Beschädigung an einer piezoelektrischen Schichtzu verursachen, und der optimale Wert der Last schwankt mit derZusammensetzung des die piezoelektrische Schicht bildenden piezoelektrischen Materials,der Dicke einer piezoelektrischen Schicht und dergleichen. Wennzum Beispiel eine piezoelektrische Schicht PZT mit einer Dicke vonetwa 100 Mikrometern ist, beträgtdie Last bevorzugt 1 bis 10 Mpa.
    [0014] Durch Durchführen des Heizbondschritts unterden vorstehend erwähntenBedingungen tritt ein Diffusionsphänomen zwischen einer innerenElektrodenschicht mit einer Cu-Basis und einer piezoelektrischenSchicht auf, und wird ein zumindest eine Komponente des piezoelektrischenMaterials und Cu umfassender Diffusionsbereich erzeugt. Durch Erzeugendieses Diffusionsbereichs in einem Übergang zwischen einer innerenElektrodenschicht und einer piezoelektrischen Schicht kann die Bondfe stigkeit beiderSchichten ausreichend erhöhtbzw. verbessert werden.
    [0015] Somit kann ein Herstellungsverfahrengemäß der Erfindungeine gestapelte piezoelektrische Einrichtung bereitstellen, welchedurch Verwenden von Cu als Hauptkomponente einer inneren Elektrodenschichtkostengünstigist und eine herausragende Bondfestigkeit zwischen einer innerenElektrodenschicht und einer piezoelektrischen Schicht aufweist.
    [0016] Die Erfindung wird nachstehend unterBezugnahme auf die Zeichnung näherbeschrieben. Es zeigen:
    [0017] 1 einDiagramm, das die Struktur einer gestapelten piezoelektrischen Einrichtunggemäß einemBeispiel 1 darstellt;
    [0018] 2 einDiagramm, das einen Diffusionsbereich zwischen einer piezoelektrischenSchicht und einer inneren Elektrodenschicht in einer gestapeltenpiezoelektrischen Einrichtung gemäß Beispiel 1 darstellt;
    [0019] 3 einDiagramm, das die Form eines als eine innere Elektrodenschicht verwendetenElektrodenmaterials gemäß Beispiel1 darstellt;
    [0020] 4 eineperspektivische Explosionsansicht, die das Stapeln von piezoelektrischenSchichten und inneren Elektrodenschichten gemäß Beispiel 1 darstellt;
    [0021] 5 einDiagramm, das die Beaufschlagung einer Last auf einen Stapel inder Stapelrichtung in einem Heizbondschritt gemäß Beispiel 1 darstellt;
    [0022] 6 einDiagramm, das ein Ausführungsbeispielder Verwendung einer gestapelten piezoelektrischen Einrichtung gemäß Beispiel1 darstellt;
    [0023] 7 einDiagramm, das das Bondfestigkeitsverhältnis jeder Probe in einemBeispiel 3 darstellt;
    [0024] 8 einDiagramm, das die piezoelektrische Konstante d31 jeder Probe ineinem Beispiel 4 darstellt;
    [0025] 9 einDiagramm, das den Zustand der Erzeugung einer oxidationshemmendenAtmosphäre indem Heizbondschritt bei der Vorbereitung einer Probe E1 in Beispiel4 darstellt; und
    [0026] 10 einDiagramm, das eine Änderung derCu-Konzentration in dem Diffusionsbereich in einem Beispiel 5 darstellt.
    [0027] Eine gestapelte piezoelektrischeEinrichtung gemäß der Erfindungumfaßteine Vielzahl von inneren Elektrodenschichten und eine Vielzahlvon piezoelektrischen Schichten, wobei jede innere Elektrodenschichtabwechselnd mit jeder piezoelektrischen Schicht gestapelt ist. DieDicke und die Flächejeder inneren Elektrodenschicht und jeder piezoelektrischen Schichtsowie die Anzahl von Schichten werden in Übereinstimmung mit der beabsichtigtenVerwendung der gestapelten piezoelektrischen Einrichtung ausgewählt. Diegestapelte piezoelektrische Einrichtung kann eine Struktur mit einemPufferteil, einem Dummy- bzw.Blindteil, und dergleichen am Ende in der Stapelrichtung eines Stapelsvon abwechselnd gestapelten inneren Elektrodenschichten und piezoelektrischenSchichten haben. Eine gestapelte piezoelektrische Einrichtung hat üblicherweise eineStruktur, die mit inneren Elektrodenschichten verbindende externeElektroden umfaßt,um den inneren Elektrodenschichten über die externen ElektrodenSpannung zuzuführenund piezoelektrische Wirkungen zu erhalten.
    [0028] Die innere Elektrodenschicht dergestapelten piezoelektrischen Einrichtung enthält nicht weniger als 50 Gewichtsprozentvon Cu. Wenn der Cu-Gehalt kleiner ist als 50 Gewichtsprozent, bestehenProbleme wie beispielsweise eine Abnahme in der Leitfähigkeitder inneren Elektrodenschicht. Obwohl das zulässige Maximum des Cu-Gehalts100 Gewichtsprozent ist, ist es praktisch schwierig, aufgrund von Beschränkungenbei der Produktion von Cu enthaltendem Material 100 Gewichtsprozentvon Cu zu verwirklichen. Materialien, welche eine hohe Reinheit vonCu enthalten können,wie beispielsweise Cu-Folie und Cu-Plattierungsfilm, können alsein Material zum Erzeugen der inneren Elektrodenschicht verwendetwerden, wie noch zu beschreiben ist.
    [0029] Der Gehalt des Elements Cu in derinneren Elektrodenschicht ist bevorzugt nicht geringer als 95,0Gewichtsprozent. In einem solchen Fall wird die Leitfähigkeitder gesamten inneren Elektrodenschicht leicht sichergestellt, wobeiVorteil aus der herausragenden Leitfähigkeit von Cu gezogen wird.
    [0030] Der Gehalt des Elements Cu in derinneren Elektrodenschicht ist am stärksten bevorzugt nicht geringerals 99,0 Gewichtsprozent. Hierdurch kann eine sehr herausragendeLeitfähigkeitsichergestellt werden, um die Verschiebungsleistung der gestapeltenpiezoelektrischen Einrichtung zu verbessern.
    [0031] Die innere Elektrodenschicht bestehtbevorzugt aus einem reinen Kupfermetall, das nicht weniger als 99,0Gewichtsprozent des Elements Cu enthält. In diesem Fall wird, dadie innere Elektrodenschicht unter Verwendung eines reinen Kupfermetallserzeugt wird, die innere Elektrodenschicht leicht erzeugt. Die Formdes reinen Kupfermetalls schließt Cu-Folie(Kupferfolie) ein, ist aber nicht hierauf beschränkt.
    [0032] Die innere Elektrodenschicht kannauch aus Kupferlegierungen bestehen, die nicht weniger als 95 Gewichtsprozentdes Elements Cu enthalten. In diesem Fall können verschiedene Kupferlegierungen verwendetwerden. Bestimmte Beispiele von Kupferlegierungen schließen einBeryllium-Kupfer, ein Rotmessing, eine Phosphorbronze und dergleichenein.
    [0033] Der Diffusionsbereich belegt bevorzugtnicht weniger als 90 Prozent der Fläche des Übergangs zwischen der innerenElektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht, und die Dickedes Diffusionsbereichs beträgtbevorzugt nicht mehr als 10 Prozent der Dicke der inneren Elektrodenschicht.
    [0034] Der Diffusionsbereich kann zum Beispiel durchAnalysieren eines Abschnitts eines Bondabschnitts einer innerenElektrodenschicht und einer piezoelektrischen Schicht mittels einerElementaranalyse mit einem Röntgen-Mikroanalysator(EPMA) und dergleichen identifiziert werden. Die Dicke dieses Diffusionsbereichskann durch eine Änderung derCu-Konzentration und dergleichen ermittelt werden. Wenn der Diffusionsbereichnur in weniger als 90 Prozent der Fläche des gesamten Übergangs ausgebildetist, besteht die Möglichkeit,daß eine ausreichendeBondfestigkeit nicht erhalten werden kann. Wenn die Dicke des Diffusionsbereichs10 Prozent der Dicke der inneren Elektrodenschicht überschreitet,besteht das Problem, daß diepiezoelektrischen Eigenschaften einer piezoelektrischen schlechterwerden. Andererseits ist, da die Verbesserungswirkung hinsichtlichder Bondfestigkeit nicht ausreichend erhalten wird, wenn die Dickedes Diffusionsbereichs zu klein ist, eine untere Grenze der Dickedes Diffusionsbereichs bevorzugt 0,1 Prozent der Dicke der innerenElektrodenschicht.
    [0035] Der Diffusionsbereich ist bevorzugtein Bereich mit einer Cu-Konzentrationvon 1 Prozent bzw. Gewichtsprozent bis 0,95A Gewichtsprozent, worinA den Cu-Element-Gehalt in Gewichtsprozent in der inneren Elektrodenschichtrepräsentiert.Die Erzeugung eines Diffusionsbereichs, in welchem sich die Cu-Konzentrationin dem vorstehend erwähntenBereich ändert,kann die Bondfestigkeit bzw. Bondstärke zwischen einer innerenElektrodenschicht und einer piezoelektrischen Schicht verbessern,sicher dank des Diffusionsbereichs. Die Cu-Konzentration ist miteinem EPMA überwachbar.
    [0036] Die Dicke des Diffusionsbereichsbeträgtbevorzugt zwischen 0,001 bis 1 Mikrometer. Wenn die Dicke des Diffusionsbereichskleiner ist als 0,001 Mikrometer, besteht die Möglichkeit, daß die Diffusionin den Diffusionsbereich unzureichend ist und die Bondfestigkeitabnimmt. Wenn andererseits die Dicke des Diffusionsbereichs 1 Mikrometer übersteigt,besteht die Möglichkeit,daß eineAbnahme in der elektrischen Leitfähigkeit der inneren Elektrodenschicht undeine Abnahme des elektrischen Widerstands der piezoelektrischenSchicht verursacht wird. Um hinsichtlich hoher Bondfestigkeit undguten Eigenschaften kompatibel zu sein, wird bevorzugt, den Diffusionsbereichmit einer Dicke in dem vorstehend erwähnten Bereich zu erzeugen.
    [0037] Es wird bevorzugt, daß der Diffusionsbereich kontinuierlichan beiden Seiten eines Übergangsder inneren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schichtexistiert und sich der Übergangin dem Diffusionsbereich befindet, und daß ein Teil des Diffusionsbereichsnäher ander inneren Elektrodenschicht als der Übergang einen Sauerstoff (O)-Gehaltvon nicht mehr als 10 Gewichtsprozent hat. Dadurch kann Cu2O daran gehindert werden, durch ein weiteresFortschreiten der Diffusion zur Zeit einer nachfolgenden praktischenVerwendung erzeugt zu werden.
    [0038] Widerstand wird bevorzugt, daß ein diepiezoelektrische Schicht bildendes piezoelektrisches Material PZTumfaßt,welches ein Pb(Zr,Ti)O3-basiertes Oxid mitPerovskitstruktur ist, und daß Elemente vonPb, Cu und O in dem Diffusionsbereich koexistieren bzw. nebeneinanderbestehen.
    [0039] Verschiedene Keramikmaterialien,die piezoelektrische Eigenschaften ausüben, können als ein die piezoelektrischeSchicht bildendes piezoelektrisches Material verwendet werden. Insbesondereist das vorstehend erwähntePZT (Blei Zirkonat Titanat) das für eine piezoelektrische Schichteiner gestapelten piezoelektrischen Einrichtung am meisten geeignete,da es sehr herausragende piezoelektrische Eigenschaften hat. Wenndieses PZT verwendet wird, koexistieren Pb und O, die in PZT enthaltensind, und Cu der inneren Elektrodenschicht in dem Diffusionsbereich.
    [0040] Die gestapelte piezoelektrische Einrichtung istbevorzugt ein piezoelektrischer Aktuator für einen Injektor, der als eineAntriebsquelle eines Injektors verwendet wird. Ein Injektor istin einem Automobil und dergleichen eingebaut und wird als Kraftstoffeinspritzausrüstung einerBrennkraftmaschine verwendet, und die Umgebung, in der er verwendetwird, ist sehr hart. Daher ist ein Injektor mit der eingebauten piezoelektrischenEinrichtung mit einer herausragenden Bondfestigkeit als ein piezoelektrischerAktuator hinsichtlich der Zuverlässigkeitund der Dauerhaftigkeit bzw. Haltbarkeit herausragend.
    [0041] Ein Herstellungsverfahren gemäß der Erfindungumfaßtzumindest einen piezoelektrische Schicht-Kalizinierungsschritt,einen Stapelherstellungsschritt, und einen Heizbondschritt.
    [0042] Kalzinierungsbedingungen in dem piezoelektrischeSchicht-Kalzinierungsschritt könnenin Übereinstimmungmit der Art des die piezoelektrische Schicht bildenden piezoelektrischenMaterials geeignet ausgewähltwerden. Da eine piezoelektrische Schicht üblicherweise ein Oxid ist,wird die Kalzinierung in einer oxidierenden Atmosphäre durchgeführt.
    [0043] Die Heiztemperatur in dem Heizbondschritt istbevorzugt nicht niedriger als 850 °C. Es wird stärker bevorzugt,die Heiztemperatur auf einen Temperaturbereich höher als 850 °C und nichthöher alsder Schmelzpunkt von Cu zu steuern. Erwärmen auf eine Temperatur höher als850 °C kanndie Bondfestigkeit einer inneren Elektrodenschicht und einer piezoelektrischenSchicht sicher weiter verbessern.
    [0044] Verschiedene Materialien können alsein zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordnetes Elektrodenmaterialin dem Stapelherstellungsschritt verwendet werden.
    [0045] Zum Beispiel ist das Elektrodenmaterialbevorzugt Cu-Folie. In diesem Fall kann eine Solldicke der innerenElektrodenschicht leicht durch die Dicke der Cu-Folie (Kupferfolie)gesteuert werden, und kann eine gestapelte piezoelektrische Einrichtung, diehinsichtlich der dimensionalen Genauigkeit herausragend ist, vergleichsweiseleicht hergestellt werden. Es wird bevorzugt, Cu-Folie (Kupferfolie)zu verwenden, die nicht weniger als 99,0 Gewichtsprozent des ElementsCu enthält.
    [0046] Das Elektrodenmaterial kann auchein Cu-Plattierungsfilm sein, der bevorzugt auf der Oberfläche derpiezoelektrischen Schicht erzeugt wird. In diesem Fall kann dasElektrodenmaterial leicht durch Erzeugen eines Cu-Plattierungsfilms(Kupferplattierungsfilms) auf einer Oberfläche oder beiden Oberflächen eineroder beider von piezoelektrischen Schichten, die eine innere Elektrodenschichtzwischen sich einschließen,angeordnet werden.
    [0047] Es wird bevorzugt, daß ein piezoelektrisches Material,das die piezoelektrische Schicht bildet, PZT umfaßt, welchesein Pb(Zr,Ti)O3-basiertes Oxid mit einerPerovskitstruktur ist, und daß derStapel in dem Heizbondschritt auf eine Temperatur von nicht wenigerals 955 °Cerwärmtwird. Durch Erwärmenauf eine Temperatur von nicht weniger als 955 °C in dem Heizbondschritt wirkenCu in dem Elektrodenmaterial und Pb in dem PZT so, daß eine Cu-reichePhase gebildet wird, welche eine Wirkung dahingehend zeigt, daß die Zwischenräume in dem Übergangzwischen der Cu-Folie und dem PZT gefüllt werden, um einen homogenenund zufriedenstellenden Diffusionsbereich zu erhalten, so daß die Bondfestigkeitder inneren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schichtweiter verbessert werden kann.
    [0048] Die oxidationshemmende Atmosphäre in demHeizbondschritt kann durch Plazieren des Stapels in einem Ofen,Füllender Umgebung des Stapels mit Keramikoxidpulver bzw. Oxidkeramikpulver, undEvakuieren des Inneren des Ofens auf einen Vakuumgrad von 1 × 10–4 Pabis 105 Pa erhalten werden.
    [0049] Beispiele des Keramikoxidpulversbeinhalten PZT, Bleizirkonat, Zirkondioxid, Aluminiumdioxid und dergleichen.In diesem Fall ist ein Vakuumgrad bei der Evakuierung bevorzugt1 × 104 Pa bis 105 Pa,wie vorstehend erwähntwurde. In dem Fall von weniger als 1 × 10–4 Pabesteht ein möglichesProblem darin, daß eineVerschlechterung von PZT gefördertwerden kann. Andererseits besteht in dem Fall von mehr als 105 Pa ein mögliches Problem darin, daß Cu oxidiertwerden kann. Es wird stärkerbevorzugt, daß der Vakuumgradnicht mehr als 102 Pa beträgt. In diesem Fallist es notwendig, nur vor der Wärmebehandlung zuevakuieren und nur die Luftdichtheit zum Beibehalten des Vakuumzustandswährenddes Erwärmensaufrecht zu erhalten.
    [0050] Die oxidationshemmende Atmosphäre in demHeizbondschritt kann auch durch Evakuieren des Inneren des Ofens,in welchem der Stapel plaziert ist, auf einen Vakuumgrad von 1 × 10–4 bis105 Pa und danach Einleiten eines Inertgases in den Ofen so, daß ein Druckvon nicht weniger als 1 Pa in dem Ofen aufrecht erhalten werdenkann. Bestimmte Beispiele des Inertgases schließen Stickstoff, Argon und dergleichenein. In diesem Fall ist ein Vakuumgrad bei einer Evakuierung vordem Einleiten von Inertgas bevorzugt 1 × 10–4 Pabis 105 Pa.
    [0051] In dem Fall von weniger als 1 × 10–4 Pabesteht ein möglichesProblem darin, daß eineVerschlechterung von PZT gefördertwerden kann. Andererseits besteht in dem Fall von mehr als 105 Pa einmöglichesProblem darin, daß Cuoxidiert werden kann. Es wird stärkerbevorzugt, daß derVakuumgrad nicht mehr als 102 Pa beträgt. Wennder Druck in dem Ofen durch die Einleitung des Inertgases wenigerals 1 Pa ist, besteht ein möglichesProblem darin, daß während demErwärmeneine Verschlechterung des PZT gefördert werden kann. Der maximale Wertdes Drucks in dem Ofen ist bevorzugt ein atmosphärischer Druck, um erhöhte Ausrüstungskostenaufgrund des zusätzlicherforderlichen Drukkerzeugungsmechanismus zu vermeiden.
    [0052] Die oxidationshemmende Atmosphäre in demHeizbondschritt kann auch durch Evakuieren des Inneren des Ofens,in welchem der Stapel plaziert ist, auf einen Vakuumgrad von 1 × 10–4 Paund danach Steuern des Sauerstoffteildrucks in dem Ofen in dem vorbestimmtenBereich erhalten werden. In diesem Fall ist der Vakuumgrad bei demEvakuieren bevorzugt 1 × 10–4 Pabis 105 Pa. In dem Fall von weniger als1 × 10–4 Pabesteht ein mögliches Problemdarin, daß eineVerschlechterung von PZT gefördertwerden kann. Andererseits besteht in dem Fall von mehr als 105 Paein möglichesProblem darin, daß Sauerstoffnicht ausreichend ausgeleitet werden kann, und daß eine nachfolgendeSteuerung des Sauerstoffteildrucks schwierig sein kann. Es wird stärker bevorzugt,daß derVakuumgrad bei dem Evakuieren nicht mehr als 102 Pabeträgt.Der Sauerstoffteildruck nach der Evakuierung kann zum Beispiel durchInstallieren eines Manometers und eines Sauerstoffanalysators indem Ofen und Einleiten von Sauerstoffgas so, daß der vorbestimmte Druck und dievorbestimmte Konzentration in dem Ofen aufrecht erhalten werdenkönnen,gesteuert werden.
    [0053] Eine gestapelte piezoelektrischeEinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung derselben gemäß einemBeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 erklärt.
    [0054] Eine gestapelte piezoelektrischeEinrichtung 1 gemäß diesemBeispiel umfaßtpiezoelektrische Schichten 11, die aus einem piezoelektrischenMaterial bestehen, und innere Elektrodenschichten 21, die Cuenthalten, und jede der piezoelektrischen Schichten 11 istabwechselnd mit jeder der inneren Elektrodenschichten 21 gestapelt,wie in 1 gezeigt ist.
    [0055] Die innere Elektrodenschicht 21 enthält nicht wenigerals 95 Gewichtsprozent von Cu. Zwischen den inneren Elektrodenschichten 21 undden piezoelektrischen Schichten 11 gibt es einen Diffusionsbereich 3,welcher durch wechselseitige Diffusion von Komponenten der innerenElektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht zu der bzw.in die andere(n) Schicht erzeugt wird, und umfaßt zumindest eine Komponentedes piezoelektrischen Materials und Cu in der inneren Elektrodenschicht,wie in 2 gezeigt ist.
    [0056] Eine detaillierte Erklärung wirdnachstehend gegeben.
    [0057] Um die vorstehend erwähnte gestapeltepiezoelektrische Einrichtung 1 herzustellen, wird ein piezoelektrischeSchicht-Kalzinierungsschrittdes Kalzinierens einer ungebrannten Keramikplatte als ein piezoelektrischesMaterial durchgeführt,um die piezoelektrische Schicht 11 zu erhalten.
    [0058] In diesem Beispiel wurde, um PZTals die vorstehend erwähntepiezoelektrische Schicht 11 zu übernehmen, eine ungebranntePlatte wie folgt vorbereitet. Zunächst wurden Pulver von Bleioxid,Zirkoniumoxid, Titanoxid, Nioboxid, Strontiumkarbonat und dergleichen,die die Hauptmaterialien des piezoelektrischen Materials bilden,abgewogen, um eine vorbestimmte Zusammensetzung zu erhalten. Diese Komponentenelementewurden jedoch unter Berücksichtigungder Flüchtigkeitder Bleikomponente mit 1 bis 2 Prozent mehr Blei als in der stöchiometrischen Zusammensetzungangereichert. Das so vorbereitete Material wurde in einem Mischertrocken gemischt und danach bei 800 bis 950 °C kalziniert.
    [0059] Darauffolgend wurde reines Wasserund ein Dispergiermittel zu dem resultierenden kalzinierten Pulverhinzugefügt,um einen Brei zu erzeugen, welcher mittels einer Perl- bzw. Kugelmühle naß gemahlenwurde. Das so gemahlene Pulver wurde getrocknet, entfettet, miteinem Lösungsmittel,einem Binder, einem Plasticizer, einem Dispergiermittel und dergleichenversetzt und in einer Kugelmühlegemischt. Danach wurde der resultierende Brei in einer Vakuumeinrichtungunter Rührenmittels einer Rühreinrichtungentgast, um die Viskositätzu steuern.
    [0060] Darauffolgend wurde der Brei mittelseiner Abziehklingenmaschine zu einer ungebrannten Platte einer vorbestimmtenDicke ausgeformt.
    [0061] Die resultierende ungebrannte Plattewurde in einer Presse gestanzt oder durch einen Schneider geschnitten,in eine kreisförmigeForm mit einem Durchmesser von 15 mm. Natürlich kann die ungebranntePlatte in Übereinstimmungmit einer gewünschtenForm einer gestapelten piezoelektrischen Einrichtung in eine quadratischeForm, eine elliptische Form, eine faßförmige Form, oder dergleichen ausgeformtwerden.
    [0062] Darauffolgend wurde in diesem Beispieldie ungebrannte Platte bei 400 bis 700 °C in einem elektrischen Ofenfür einevorbestimmte Dauer entfettet und danach bei 900 bis 1200 °C für eine vorbestimmteDauer kalziniert, um eine piezoelektrische Schicht 11 zuerhalten. Somit wurde in diesem Beispiel eine kalzinierte piezoelektrischeSchicht 11 mit einer Dicke von 100 Mikrometern und hauptsächlich aus PZT,welches ein Pb(Zr,Ti)O3-basiertes Oxid miteiner Perovskitstruktur ist, bestehend erhalten.
    [0063] Darauffolgend wurde, wie in den 4 und 5 gezeigt ist, ein Stapelherstellungsschrittdurchgeführt,um die erhaltenen piezoelektrischen Schichten 11 abwechselndmit Schichten von Cu enthaltendem Elektrodenmaterial 20 zustapeln, um einen Stapel herzustellen.
    [0064] In diesem Beispiel wurde eine ausCu mit einer Reinheit von 99,9 Prozent bestehende Kupferfolie miteiner Dicke von 3 Mi krometern als Elektrodenmaterial 20 verwendet.Die verwendete Kupferfolie hatte eine Form, die durch Abschneideneines Teils eines Kreises mit einem Durchmesser von 15 Millimeternin einer geraden Linie innerhalb des Umfangs so, daß ein Abstanda von dem Umfang 4 mm sein kann, wie in 3 gezeigt ist, erhalten wurde. Jedes Elektrodenmaterial 20 wurdeso plaziert, daß sichder abgeschnittene Teil desselben auf der gegenüberliegenden Seite befindenkonnte, abwechselnd mit dem des nächsten Elektrodenmaterials,wie in den 4 und 5 gezeigt ist, und piezoelektrischeSchichten 11 und Elektrodenmaterialien 20 wurdenso gestapelt, daß fehlendeAbschnitte 119, an denen das Elektrodenmaterial 20 (interneElektrodenschicht 21) die piezoelektrische Schicht 11 nichtbedeckt, mit einer Abwechslung von rechts und links erzeugt werden konnten,so daß einStapel 100 wie in den 1 und 5 gezeigt erhalten wurde.In diesem Beispiel wurden fünfzig(50) piezoelektrische Schichten 11 gestapelt.
    [0065] Darauffolgend wurde wie in 5 gezeigt ein Heizbondschrittdes Bondens der inneren Elektrodenschichten 21, die ausdem Elektrodenmaterial 20 bestehen, und der piezoelektrischenSchichten 11 durch Erwärmendes Stapels 100 auf eine Temperatur höher als 850 °C und nichthöher alsder Schmelzpunkt von Cu in einer oxidationshemmenden Atmosphäre zum Verhinderndes Oxidierens von Cu, währendder Stapel 100 in der Richtung des Stapelns mit einer vorbestimmtenLast F beaufschlagt wurde, durchgeführt.
    [0066] Im Einzelnen wurde der Stapel 100 ineinem Ofen plaziert, währendeine Last F von etwa 3 MPa in der Richtung des Stapelns zugeführt wurde.Darauffolgend wurde das Innere des Ofens, in welchem der Stapel 100 plaziertwurde, auf einen Vakuumgrad von 1 × 10–2 Paevakuiert, und wurde danach N2-Gas als Inertgasso in den Ofen eingeleitet, daß einDruck von 10 Pa in dem Ofen aufrecht erhalten werden konnte.
    [0067] Im Einzelnen wurde der Stapel beieiner Temperatur von 960 °Cfür etwa10 Minuten erwärmt. Eswird gedacht, daß durchErwärmenauf eine solche Temperatur in dem Übergang zwischen einer innerenElektrodenschicht 21 (Elektrodenmaterial 20) undeiner piezoelektrischen Schicht 11 Cu in dem Elektrodenmaterialund Pb in PZT eine aus Cu und Pb bestehende Cu-reiche flüssige Phaseausbildet, welche die Erzeugung einer Diffusionsschicht fördert.
    [0068] In einer in Übereinstimmung mit dem vorstehenderwähntenHeizbondschritt erhaltenen gestapelten piezoelektrischen Einrichtung 1 bondeneine piezoelektrische Schicht 11 und eine innere Elektrodenschicht 21 festaneinander, währendjede innere Elektrodenschicht 21 abwechselnd zu der gegenüberliegendenSeite freiliegt, wie in 1 gezeigtist.
    [0069] In diesem Beispiel wurde, wie in 2 gezeigt ist, ein Abschnittparallel zu der Stapelrichtung eines Übergangs zwischen einer piezoelektrischen Schicht 11 undeiner inneren Elektrodenschicht 21 mittels einem Röntgen-Mikroanalysator(EPMA) analysiert. Das Ergebnis zeigte, daß ein Diffusionsbereich miteiner Dicke t von etwa 20 Nanometern, in welchem Elemente von Pb,Cu und O koexistieren, in dem Übergangzwischen einer piezoelektrischen Schicht 11 und einer innerenElektrodenschicht 21 erzeugt wurde.
    [0070] Die gestapelte piezoelektrische Einrichtung 1 gemäß diesemBeispiel nutzt ein Cu-basiertes Material mit einem Gehalt von 95Gewichtsprozent Cu als eine innere Elektrodenschicht 21.Daher können verglichenmit bekannten gestapelten piezoelektrischen Einrichtungen, die einEdelmetall wie beispielsweise Ag/Pd einsetzen, die Materialkostensignifikant reduziert werden, und kann eine billigere gestapeltepiezoelektrische Einrichtung erhalten werden.
    [0071] Die vorstehend erwähnte gestapeltepiezoelektrische Einrichtung 1 weist einen zwischen einer piezoelektrischenSchicht 11 und einer inneren Elektrodenschicht 21 ausgebildetenDiffusionsbereich auf. Dieser Diffusionsbereich wird durch wechselseitigeDiffusion von Komponenten einer piezoelektrischen Schicht und einerinneren Elektrodenschicht zu der anderen Schicht erzeugt und enthält Pb und O,welches Komponenten eines piezoelektrischen Materials sind, daseine piezoelektri sche Schicht 11 bildet, und Cu, welcheseine innere Elektrodenschicht bildet, wie vorstehend erwähnt wurde.Eine innere Elektrodenschicht 21 und eine piezoelektrischeSchicht 11 sind mit einer ausreichenden Bondfestigkeitaneinander gebondet, weil der Diffusionsbereich in dem Übergangzwischen ihnen existiert.
    [0072] Das heißt, eine gestapelte piezoelektrische Schicht 1 gemäß der Erfindungweist eine ausreichend hohe Bondfestigkeit zwischen einer inneren Elektrodenschicht 21 undeiner piezoelektrischen Schicht 11 auf und ist kostengünstig.
    [0073] Als Nächstes wird zur Bezugnahmeeine beispielhafte praktische Verwendung der gestapelten piezoelektrischenEinrichtung 1 gemäß diesemBeispiel erklärt.Zunächstwird ein Epoxy-basiertes Harz überdie periphere Seitenoberflächeder gestapelten piezoelektrischen Einrichtung 1 aufgebrachtund in Vakuum entgast, und dann bei einer Temperatur von 180 °C für 10 Minutenwärmebehandelt.Dadurch werden die fehlenden Abschnitte 119, welches Lücken zwischeneiner piezoelektrischen Schicht 11 und einer anderen piezoelektrischenSchicht 11 sind, die aus den abgeschnittenen Teilen deraus Cu-Folien wie vorstehend erwähnthergestellten inneren Elektrodenschichten 21 resultieren,mit einer aus dem Epoxy-basierten Harz bestehenden Füllung 118 gefüllt.
    [0074] Darauffolgend wird, wie in 6 gezeigt ist, nach demSchleifen der peripheren Seitenoberfläche der gestapelten piezoelektrischenEinrichtung auf den Durchmesser von 10 mm ein Paar von externen Elektroden 31, 32 durchAufbeschichten eines Epoxy-basierten elektrisch leitenden Klebers,der einen Ag-Füller enthält, aufzwei gegenüberliegendeFlächenmit den fehlenden Abschnitten 119 der peripheren Seitenoberfläche erzeugt.Außerdemwerden Leitungsdrähte 33, 34 mitden externen Elektroden 31, 32 verbunden.
    [0075] Die so erzeugte gestapelte piezoelektrische Einrichtung 1 kanndurch Tauchen derselben in ein isolierendes Öl und Polarisieren derselbendurch Anlegen einer Gleichspannung über die Leitungsdrähte 33, 34 zueiner gestapelten piezoelektrischen Ein richtung (gestapelter piezoelektrischerAktuator) gemacht werden, welche bei praktischer Verwendung einAusführungsbeispielist.
    [0076] dIn diesem Beispiel wurde anstelleeines aus einer Kupferfolie bestehenden Elektrodenmaterials 20 inBeispiel 1 ein Cu-Film mit einer Dicke von 3 Mikrometern als einElektrodenmaterial durch nicht-elektrolytisches Plattieren auf beideder Hauptebenen einer piezoelektrischen Schicht 11 erzeugt. Plattiertepiezoelektrische Schichten und nicht-plattierte piezoelektrischeSchichten wurden abwechselnd gestapelt und dann heizgebondet, aufdieselbe Art und Weise wie in Beispiel 1, um eine gestapelte piezoelektrischeEinrichtung zu erhalten.
    [0077] Die Auswertung des Zustands der Bondung zwischeneiner inneren Elektrodenschicht und einer piezoelektrischen Schichtder erhaltenen gestapelten piezoelektrischen Einrichtung durch Betrachteneines Abschnitts derselben zeigte, daß die gestapelte piezoelektrischeEinrichtung dieses Beispiels einen ebenso guten Bondungszustandhatte wie der von Beispiel 1.
    [0078] In diesem Beispiel wurden, um die Überlegenheitder in Beispiel 1 erhaltenen gestapelten piezoelektrischen Einrichtung 1 weiterzu klären,Vergleichsproben einschließlicheiner konventionellen Probe vorbereitet, und wurde ein Test zumVergleichen der Bondfestigkeit der Proben durchgeführt.
    [0079] Die konventionelle Probe wurde wiefolgt vorbereitet: Zunächstwurde eine ungebrannte Platte auf dieselbe Art und Weise wie inBeispiel 1 erzeugt, und wurde ein Elektrodenmaterial auf eine Seiteder ungebrannten Platte durch Sieb- bzw. Rasterdrucken gedruckt.Eine Paste aus Silber und Palladium (nachstehend in Kurzform alseine Ag/Pd-Paste bezeichnet) mit einem Ag/Pd-Verhältnis von7/3 wurde als das Elektrodenmaterial verwendet.
    [0080] Darauffolgend wurden die bedrucktenungebrannten Platten gestapelt, um einen Stapel zu erzeugen, welchermittels einer Warmwasser-Gummipresse und dergleichen thermokompressionsgebondetwurde, bei 400 bis 700 °Cin einem elektrischen Ofen entfettet, und bei 900 bis 1200 °C kaliziniert,um eine gestapelte piezoelektrische Einrichtung als konventionelleProbe zu erhalten, welche als Probe C1 bezeichnet wird.
    [0081] Zusätzlich zu der gestapelten piezoelektrischenEinrichtung von Beispiel 1, welche als Probe E1 bezeichnet wird,wurden Proben C1 und C3 als Vergleichsbeispiele auf dieselbe Artund Weise wie in Beispiel 1 vorbereitet, mit der Ausnahme, daß die Heiztemperaturin dem Heizbondschritt auf 800 °C bzw.850 °C geändert wurde.
    [0082] Die Bondfestigkeit zwischen einerpiezoelektrischen Schicht und einer inneren Elektrodenschicht derProben E1, C1, C2 und C3 wurde mittels einem Zugtest in der Stapelrichtungjeder Probe gemessen. Der gemessene Wert wurde als ein Bondfestigkeitsverhältnis ausgedrückt, welchesals ein Verhältnis derBondfestigkeit jeder Probe zu der Bondfestigkeit der konventionellenProbe C1 definiert ist.
    [0083] Die Testergebnisse sind in 7 gezeigt, welche Probennummernentlang der Abszisse und ein Bondfestigkeitsverhältnis entlang der Ordinate aufweist.
    [0084] Wie aus 7 ersichtlich ist, hatte die gestapeltepiezoelektrische Einrichtung 1 gemäß Beispiel 1 (Probe E1) eineherausragende Bondfestigkeit gleich der der konventionellen Probe(Probe C1).
    [0085] Demgegenüber wiesen die Proben C2 und C3,welche in dem Heizbondschritt bei einer Temperatur von nicht mehrals 850 °Cerwärmtwurden, eine unterlegene bzw. kleinere Bondfestigkeit gegenüber derder konventionellen Probe (Probe C1) auf. Als Ursache wird betrachtet,daß eineHeiztemperatur von nicht mehr als 850 °C eine Kupferfolie als ein Elektrodenmaterialnicht ausreichend weich macht und daher eine Kupferfolie nicht genügend inKontakt mit einem piezoelektrischen Material bringt, um einen Diffusionsbereichzwischen einer inneren Elektrodenschicht und einer piezoelektrischenSchicht herzustellen.
    [0086] In diesem Beispiel wurde die Wirkunggeprüft,welche die oxidationshemmende Atmosphäre in dem Heizbondschritt ineinem Verfahren zur Herstellung einer gestapelten piezoelektrischenEinrichtung auf eine dielektrische Eigenschaft einer gestapeltenpiezoelektrischen Einrichtung unter Verwendung einer einzelnen Plattevon piezoelektrischem Material, das für eine gestapelte piezoelektrische Einrichtungverwendet wurde, hat.
    [0087] Zunächst wurde Gold auf beide Hauptebeneneiner kalzinierten piezoelektrischen Scheibe mit einem Durchmesservon 15 mm und einer Dicke von 100 Mikrometern, welche in dem Heizbondschritt nichtder oxidationshemmenden Atmosphäreausgesetzt war, dampfabgeschieden, um eine kalzinierte piezoelektrischeScheibe mit einer Goldabscheidung (Probe C4) als ein als Basis verwendetesVergleichsbeispiel vorzubereiten.
    [0088] Als Nächstes wurde eine kalziniertepiezoelektrische Scheibe derselben oxidationshemmenden Atmosphäre wie derin dem Heizbondschritt in Beispiel 1 ausgesetzt, und danach wurdeGold auf beide Hauptebenen der piezoelektrischen Scheibe dampfabgeschieden,um eine kalzinierte piezoelektrische Scheibe mit einer Goldabscheidung(Probe E2) vorzubereiten. Obwohl die oxidationshemmende Atmosphäre in demHeizbondschritt in Beispiel 1 durch Einleiten eines Inertgases inden Ofen bei einem vorbestimmten Druck, nachdem der Ofen wie vorstehend erwähnt evakuiertwurde, bereitgestellt wurde, wurde eine kalzinierte piezoelektrischeScheibe bei einem Vakuumgrad von 10–2 Paohne Einleitung von Inertgas, nachdem der Ofen auf einen solchenVakuumgrad evakuiert wurde, erwärmt,und wurde danach Gold auf beide Hauptebenen der wärmebehandelten piezoelektrischenScheibe dampfabgeschieden, um eine kalzinierte piezoelektrischeScheibe mit einer Goldabscheidung (Probe C5) als ein Vergleichsbeispielvorzubereiten.
    [0089] Außerdem wurde, wie in 9 gezeigt ist, eine kalziniertepiezoelektrische Scheibe 11 in einem Ofen plaziert, wurdedie Peripherie der kalzinierten piezoelektrischen Scheibe 11 mitKeramikoxidpulver 92 gefüllt, und wurde dann das Inneredes Ofens auf einen Vakuumgrad von 10–2 Paevakuiert, um eine oxidationshemmende Atmosphäre zu erhalten, in der diekalzinierte piezoelektrische Platte 11 erwärmt wurde,und danach wurde Gold auf beide Hauptebenen der wärmebehandeltenpiezoelektrischen Scheibe dampfabgeschieden, um eine piezoelektrische Scheibemit einer Goldabscheidung (Probe E3) vorzubereiten. In diesem Fallwurde Bleizirkonat mit einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa10 Mikrometern als Keramikoxidpulver 92 verwendet.
    [0090] Dann wurde jede Probe zum Ermittelneiner piezoelektrischen Konstanten d31 (pm/V), welche eine der piezoelektrischenEigenschaften ist, getestet.
    [0091] Bei diesem Test wurde ein Impedanzmeßinstrumentverwendet. Eine Oberflächejeder Probe wurde mit dem positiven (+) Anschluß des Impedanzmeßinstrumentsverbunden, und die andere Oberflächewurde mit dem negativen (-) Anschluß verbunden. Die Resonanzfrequenzund die Gegenresonanzfrequenz wurden gemessen, und die piezoelektrischeKonstante d31 wurde berechnet.
    [0092] Das Ergebnis ist in 8 gezeigt, welche die Proben-Nr. entlangder Abszisse und die piezoelektrische Konstante d31 (pm/V) entlangder Ordinate führt.
    [0093] Wie aus 8 ersichtlich ist, hatten die ProbenE2 und E3 eine piezoelektrische Eigenschaft äquivalent zu der von ProbeC4, welche nicht der oxidationshemmenden Atmosphäre ausgesetzt war. Die ProbeC5 ist hinsichtlich der piezoelektrischen Eigenschaft in Bezug aufdie Probe C4 um etwa 20 Prozent unterlegen.
    [0094] Das vorstehend erwähnte Ergebniszeigte, daß nureine Evakuierung füreine oxidationshemmende Atmosphärein dem Heizbondschritt unzureichend war, und daß zusätzliche Maßnahmen notwendig waren.
    [0095] Die zusätzlichen Maßnahmen beinhalten das Ladenvon Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff, in den Ofen bei einemDruck von nicht weniger als 1 Pa nach der Evakuierung, Steuern einesSauerstoffteildrucks in dem Ofen auf einen vorbestimmten Druck nachder Evakuierung, und dergleichen.
    [0096] In diesem Beispiel wurde der Abschnittin der Stapelrichtung der in Beispiel 1 vorbereiteten gestapeltenelektrischen Einrichtung mittels EPMA mit einem Strahldurchmesservon 1 Nanometer gemessen. Ein Ergebnis ist in 10 gezeigt, welche den Abstand von dem Übergangnahe dem Diffusionsbereich entlang der Abszisse und die Cu-Konzentration (Gewichtsprozent)entlang der Ordinate führt.
    [0097] Da reines Cu mit einer Reinheit von99,9 Prozent als eine innere Elektrodenschicht 21 verwendet wurde,wird A', ausgedrückt durch0,95A, zu etwa 95 Gewichtsprozent. Der Abstand von der PositionA', an der die Cu-Konzentration 95 Prozentbeträgt, über den Übergangzu einer Position B, an der die Cu-Konzentration 1 Gewichtsprozentbeträgt,betrug etwa 20 nm, wie aus 10 ersichtlichist.
    [0098] In diesem Beispiel wurde ein Abschnittin der Stapelrichtung der in Beispiel 1 vorbereiteten gestapeltenpiezoelektrischen Einrichtung 1 mittels EDX analysiert,um den Sauerstoffgehalt an vier Punkten (1, 3, 5 und 10 Nanometerausgehend von der Schnittstelle) des Diffusionsbereichs auf derSeite der inneren Elektrodenschicht zu ermitteln.
    [0099] Das Ergebnis zeigte, daß der Sauerstoffgehaltkleiner als 8 Gewichtsprozent war.
    [0100] Um eine gestapelte piezoelektrischeEinrichtung, welche kostengünstigund hinsichtlich der Bondfestigkeit zwischen einer piezoelektrischen Schichtund einer inneren Elektrodenschicht herausragend ist, bereitzustellen,umfaßtdie piezoelektrische Einrichtung piezoelektrische Schichten und nichtweniger als 50 Gewichtsprozent von Cu enthaltende innere Elektrodenschichten,die abwechselnd gestapelt sind. Zwischen der inneren Elektrodenschichtund der piezoelektrischen Schicht gibt es einen Diffusionsbereich,der durch wechselseitige Diffusion von Komponenten der inneren Elektrodenschichtund der piezoelektrischen Schicht in die andere Schicht erzeugtwird und zumindest eine Komponente des piezoelektrischen Materialsund Cu umfaßt.Der Diffusionsbereich belegt nicht weniger als 90 Prozent der Fläche eines Übergangszwischen der inneren Elektrodenschicht und der piezoelektrischenSchicht, und die Dicke des Diffusionsbereichs beträgt nichtmehr als 10 Prozent der Dicke der inneren Elektrodenschicht. Eindie piezoelektrische Schicht bildendes piezoelektrisches Materialumfaßt bevorzugtPZT, welches ein Pb(Zr,Ti)O3-basiertes Oxidmit einer Perovskitstruktur ist, und Elemente von Pb, Cu und O koexistierenin dem Diffusionsbereich.
    权利要求:
    Claims (19)
    [1] Gestapelte piezoelektrische Einrichtung, gekennzeichnetdurch piezoelektrische Schichten, die aus einem piezoelektrischenMaterial bestehen, und Kupfer enthaltenden inneren Elektrodenschichten, wobeijede der piezoelektrischen Schichten mit jeder der inneren Elektrodenschichtenabwechselnd gestapelt ist, die innere Elektrodenschicht nicht wenigerals 50 Gewichtsprozent des Elements Cu enthält, und zwischen der innerenElektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht ein Diffusionsbereichvorhanden ist, der durch die wechselseitige Diffusion von Komponentender inneren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schichtzu der anderen Schicht erzeugt wird und zumindest eine Komponentedes piezoelektrischen Materials und Cu umfaßt.
    [2] Gestapelte piezoelektrische Einrichtung nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, daß dieinnere Elektrodenschicht nicht weniger als 95,0 Gewichtsprozentdes Elements Cu enthält.
    [3] Gestapelte piezoelektrische Einrichtung nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, daß dieinnere Elektrodenschicht nicht weniger als 99,0 Gewichtsprozentdes Elements Cu enthält.
    [4] Gestapelte piezoelektrische Einrichtung nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, daß dieinnere Elektrodenschicht aus einem reinen Kupfermetall besteht,das nicht weniger als 99,0 Gewichtsprozent des Elements Cu enthält.
    [5] Gestapelte piezoelektrische Einrichtung nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, daß dieinnere Elektrodenschicht aus einer Kupferlegierung besteht, dienicht weniger als 95,0 Gewichtsprozent des Elements Cu enthält.
    [6] Gestapelte piezoelektrische Einrichtung nach einemder Ansprüche1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusionsbereich nichtweniger als 90 Prozent der Flächedes Übergangszwischen der inneren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schichteinnimmt, und die Dicke des Diffusionsbereichs nicht mehr als 10Prozent der Dicke der inneren Elektrodenschicht beträgt.
    [7] Gestapelte piezoelektrische Einrichtung nach einemder Ansprüche1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusionsbereich einBereich mit einer Cu-Konzentration von 1 Prozent bis 0,95A Gewichtsprozentist, wobei A den Kupferelementgehalt in Gewichtsprozent in der innerenElektrodenschicht repräsentiert.
    [8] Gestapelte piezoelektrische Einrichtung nach einemder Ansprüche1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Diffusionsbereichsvon 0,001 bis 1 Mikrometer beträgt.
    [9] Gestapelte piezoelektrische Einrichtung nach einemder Ansprüche1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusionsbereich kontinuierlichin beiden Seiten eines Übergangsder inneren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schichtexistiert, und sich der Übergangin dem Diffusionsbereich befindet, und wobei ein Teil des Diffusionsbereichsnäher ander inneren Elektrodenschicht als an dem Übergang einen Sauerstoffgehaltvon nicht mehr als 10 Gewichtsprozent aufweist.
    [10] Gestapelte piezoelektrische Einrichtung nach einemder Ansprüche1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das die piezo elektrischeSchicht bildende piezoelektrische Material PZT umfaßt, welchesein Pb(Zr,Ti)O3-basiertes Oxid mit einerPerovskitstruktur ist, und Elemente von Pb, Cu und O in dem Diffusionsbereichkoexistieren.
    [11] Gestapelte piezoelektrische Einrichtung nach einemder Ansprüche1 bis 10, welche ein piezoelektrischer Aktuator für einenInjektor ist, der als eine Antriebsquelle eines Injektors verwendetwird.
    [12] Verfahren zur Herstellung einer gestapelten piezoelektrischenEinrichtung, die aus einem piezoelektrischen Material bestehendepiezoelektrische Schichten und Cu enthaltenden inneren Elektrodenschichtenumfaßt,wobei jede der piezoelektrischen Schichten abwechselnd mit jederder inneren Elektrodenschichten gestapelt ist, gekennzeichnet durch: einenpiezoelektrische Schicht-Kalzinierungsschritt des Kalzinierens einerungebrannten Keramikplatte, um eine piezoelektrische Schicht zuerhalten; einen Stapelherstellungsschritt des Stapelns derpiezoelektrischen Schichten abwechselnd mit Schichten von Cu enthaltendemElektrodenmaterial, um einen Stapel herzustellen; und einenHeizbondschritt des Bondens von aus dem Elektrodenmaterial bestehendeninneren Elektrodenschichten und der piezoelektrischen Schichtendurch Erwärmendes Stapels auf eine Temperatur höher als 750 °C und nichthöher alsder Schmelzpunkt von Cu in einer oxidationshemmenden Atmosphäre, um das Cuam Oxidieren zu hindern, währendder Stapel in der Stapelrichtung mit einer vorbestimmten Last beaufschlagtwird.
    [13] Verfahren zur Herstellung einer gestapelten piezoelektrischenEinrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein Erwärmen desStapels auf eine Temperatur höherals 850 °Cin dem Heizbondschritt.
    [14] Verfahren zur Herstellung einer gestapelten piezoelektrischenEinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenmaterial eineCu-Folie ist.
    [15] Verfahren zur Herstellung einer gestapelten piezoelektrischenEinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenmaterial einauf der Oberflächeder piezoelektrischen Schicht erzeugter Kupferplattierungsfilm ist.
    [16] Verfahren zur Herstellung einer gestapelten piezoelektrischenEinrichtung nach einem der Ansprüche12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das die piezoelektrischeSchicht bildende piezoelektrische Material PZT umfaßt, welchesein Pb(Zr,Ti)O3-basiertes Oxid mit einer Perovskitstruktur ist,und der Stapel in dem Heizbondschritt auf eine Temperatur von nichtweniger als 955 °Cerwärmt wird.
    [17] Verfahren zur Herstellung einer gestapelten piezoelektrischenEinrichtung nach einem der Ansprüche12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidationshemmende Atmosphäre in demHeizbondschritt durch Plazieren des Stapels in einem Ofen, Füllen derUmgebung des Stapels mit Keramikoxidpulver, und Evakuieren des Innerendes Ofens auf einen Vakuumgrad von 1 × 10–4 Pabis 105 Pa erhalten wird.
    [18] Verfahren zur Herstellung einer gestapelten piezoelektrischenEinrichtung nach einem der Ansprüche12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidationshemmende Atmosphäre in demHeizbondschritt durch Evakuieren des Inneren des Ofens, in welchemder Stapel plaziert ist, auf einen Vakuumgrad von 1 × 10–4 Pabis 105 Pa erhalten wird, und danach einInertgas so in den Ofen eingeleitet wird, daß ein Druck von nicht wenigerals 1 Pa in dem Ofen aufrecht erhalten werden kann.
    [19] Verfahren zur Herstellung einer gestapelten piezoelektrischenEinrichtung nach einem der Ansprüche12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidationshemmende Atmosphäre in demHeizbondschritt durch Evakuieren des Inneren des Ofens, in welchemder Stapel plaziert ist, auf einen Vakuumgrad von 1 × 10–4 Pabis 105 Pa erhalten wird, und danach einSauerstoffteildruck in dem Ofen in dem vorbestimmten Bereich gesteuertwird.
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