• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Es wird eine gestapelte piezoelektrische Vorrichtung angegeben, die kostengünstig ist und einen hervorragenden elektrischen Übertragungswirkungsgrad aufweist sowie nur eine geringe Verschlechterung der Festigkeit einer internen Elektrodenschicht zeigt, wobei die Vorrichtung eine interne Elektrodenschicht aufweist, die nicht weniger als 50 Gew.-% Cu enthält und nicht mehr als 5% eines Porenauftretens aufweist, das durch (B/A) x 100(%) ausgedrückt wird, wobei A die Fläche einer Grenzfläche zwischen der internen Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht ist und B die Summe von Flächen von Poren ist, die in der Schnittstelle auftreten und einen Durchmesser von nicht weniger als 0,1 Mikrometer aufweisen. Vorzugsweise ist eine Oberflächenrauhigkeit Ra der Schnittstelle der piezoelektrischen Schicht, die die interne Elektrodenschicht berührt, nicht größer als 0,5 C (mum), wobei C die Dicke der internen Elektrodenschicht in Mikrometer ist. Das piezoelektrische Material, das die piezoelektrische Schicht bildet, weist vorzugsweise PZT auf, bei dem es sich um ein Pb(Zr,Ti)O¶3¶-basiertes Oxid mit einer Perowskit-Struktur handelt.
    公开号:DE102004006778A1
    申请号:DE200410006778
    申请日:2004-02-11
    公开日:2004-09-16
    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:H01L41-047
    专利说明:
    [0001] Die vorliegende Erfindung betriffteine gestapelte piezoelektrische Vorrichtung, die für ein piezoelektrischesBetätigungsgliedund dergleichen verwendet wird.
    [0002] Eine aus einem piezoelektrischenMaterial wie piezoelektrische Keramik zusammengesetzte piezoelektrischeVorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraft oder einVersatz erzeugt wird, wenn eine Spannung angelegt wird, und dasseine Spannung erzeugt wird, wenn eine Kraft beaufschlagt wird, undes gibt einen breiten Anwendungsbereich für derartige verschiedene Betätigungsglieder(Aktuatoren) und Sensoren. Eine gestapelte piezoelektrische Vorrichtung,die ein Konzept einschließlicheines gestapelten piezoelektrischen Betätigungsglieds ist, die eineVielzahl aus einem piezoelektrischen Material zusammengesetztenpiezoelektrischen Schichten aufweist, wird oft zum Erhalt einer großen erzeugtenKraft oder eines großenVersatzes verwendet, insbesondere wenn es für ein Betätigungsglied und dergleichenverwendet wird.
    [0003] Eine bekannte gestapelte piezoelektrische Vorrichtungwird durch abwechselndes Stapeln von Schichten aus piezoelektrischemMaterial und internen Elektrodenschichten und darauffolgendes Kalzinierendes resultierenden Stapels in einen Körper hergestellt. Eine alsElektrodenmaterial verwendete Metallpaste weist ein Pulver aus einemEdelmetall, wie Ag-Pd und ein Bindemittel auf. Als Material für die interneElektrode wird eine Metallpaste verwendet, die weiter mit einerpiezoelektrischen Materialkomponente oder ein Analogon davon gemischtist, um eine Ablösung(ein Abschälen zwischenden Schichten) aufgrund der Kalzinierungsschrumpfdifferenz zwischendem piezoelektrischen Material und der internen Elektrode zu verhindern.Vergleiche beispielsweise die japanische Offenlegungsschrift Nr. 57-30308.
    [0004] Jedoch gab es in diesem Fall einProblem dahingehend, dass Kristalle des piezoelektrischen Materials,bei denen es sich um Isoliermaterial handelt, sich in der internenElektrodenschicht nach der Kalzinierung absetzen, und dass einewesentliche Tendenz zur Porenbildung vorhanden ist, da eine Metallpasteein Bindemittel enthält,weshalb das leitende Material in der internen Elektrodenschichtnicht kontinuierlich ist, und dass der elektrische Übertragungswirkungsgradvon einer internen Elektrode zu einer piezoelektrischen Schichtverringert ist.
    [0005] Es gab ebenfalls ein Problem dahingehend, dassdas interne Elektrodenmaterial, das Edelmetalle wie Ag-Pd enthält, kostspieligist. Daher gibt es ebenfalls die Idee, dass Cu als Material für die interne Elektrodeverwendet werden kann, um die Kosten zu beschneiden. In diesem Fallgibt es ein Problem dahingehend, da Cu leichter zu oxidieren istals ein Edelmetall wie Ag-Pd, die Oxidation von Cu mit Poren inder internen Elektrodenschicht und in der Grenzschicht zwischeneiner Schicht aus piezoelektrischem Material und einer internenElektrodenschicht als Startpunkte bei Verwendung voranschreitet,und Kupferoxid erzeugt wird, wodurch der elektrische Übertragungswirkungsgradsich weiterhin verschlechtert und ein Ablösen aufgrund einer Verringerungin der Festigkeit der Elektrodenschicht verursacht wird.
    [0006] Die vorliegende Erfindung wurde imHinblick auf die Probleme des Standes der Technik gemacht, und derErfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gestapelte piezoelektrischeVorrichtung bereitzustellen, bei der die Kosten unter Verwendungvon kostengünstigenCu als Material fürdie interne Elektrode verringert werden können, die einen hervorragenden elektrischen Übertragungswirkungsgradzeigt und wobei eine Verringerung der Festigkeit der internen Elektrodenschichtverhindert werden kann.
    [0007] Erfindungsgemäß wird eine gestapelte piezoelektrischeVorrichtung geschaffen, die piezoelektrische Schichten, die auseinem piezoelektrischen Material zusammengesetzt sind, und interneElektrodenschichten aufweist, die Cu enthalten, wobei die piezoelektrischenSchichten abwechselnd mit den internen Elektrodenschichten gestapeltsind, wobei die interne Elektrodenschicht nicht weniger als 50 Gew.-%Cu enthält,und ein Porenauftreten, das durch (B/A) x 100(%) ausgedrückt ist,nicht größer als 5%ist, wobei A die Flächeeiner Grenzflächezwischen der internen Elektrodenschicht und der piezoelektrischenSchicht ist, und B die Summe der Flächen von Poren ist, die inder Grenzflächeauftreten und einen Durchmesser von nicht weniger als 0,1 Mikrometeraufweisen.
    [0008] Eine gestapelte piezoelektrischeVorrichtung gemäß der vorliegendenErfindung, wie es vorstehend beschrieben worden ist, wendet einCu-basiertes Material mit 50 Gew.% des Kupferelementes (Cu-Elements)als interne Elektrodenschicht an. Daher können im Vergleich mit herkömmlichengestapelten piezoelektrischen Vorrichtungen, die ein Edelmetallwie Ag-Pd und dergleichen anwenden, die Materialkosten signifikantverringert werden, und kann eine kostengünstigere gestapelte piezoelektrische Vorrichtungerhalten werden. Verschiedene Metallmaterialien wie sogenanntesreines Cu-Metall,Cu-Legierungen und dergleichen könnenals Material für dasvorstehend beschriebene Cu-basierte Material verwendet werden.
    [0009] Weiterhin gibt es erfindungsgemäß sehr wenigePoren, die in einer Grenzflächeeiner internen Elektrodenschicht mit einer piezoelektrischen Schichtauftreten, wie vorstehend beschrieben worden ist. Daher kann eineVerschlechterung des elektrischen Übertragungswirkungsgrads, dieaus dem Vorhandensein von Poren und der Festigkeitsverringerungder internen Elektrodenschicht resultiert, verhindert werden. Genauerkann, selbst falls eine interne Elektrodenschicht gemäß der vorliegendenErfindung auf Cu beruht, das vergleichsweise leicht zu oxidierenist, der Fortschritt der Cu-Oxidierung, der bei Poren beginnt, verhindertwerden, weshalb eine Verschlechterung der Leitung und der Festigkeitder internen Elektrodenschichten ausreichend blockiert werden kann.Wenn demgegenüberdas vorstehend beschriebene Porenauftreten 5% überschreitet, gibt es zu vielePoren, um die vorstehend beschriebenen Effekte zu erhalten.
    [0010] Ein Durchmesser einer Pore ist alsLänge D einesDurchmessers eines Kreises oder der Nebenachse einer Ellipse S definiert,der bzw. die den Umriss der Pore 99 berührt, wie es in 10 gezeigt ist.
    [0011] Somit kann erfindungsgemäß eine gestapeltepiezoelektrische Vorrichtung bereitgestellt werden, durch die eineKostenreduktion durch Verwendung von kostengünstigem Cu als internes Elektrodenmaterialmöglichist und eine Verschlechterung des elektrischen Übertragungswirkungsgrads undder Festigkeit der internen Elektrodenschicht verhindert werdenkann.
    [0012] Nachstehend folgt eine kurze Beschreibung derZeichnungen. Es zeigen:
    [0013] 1 eineDarstellung des Aufbaus einer gestapelten piezoelektrischen Vorrichtunggemäß einemBeispiel 1,
    [0014] 2 eineDarstellung der Form eines Elektrodenmaterials, das als interneElektrodenschicht gemäß Beispiel1 verwendet wird,
    [0015] 3 eineperspektivische auseinandergezogene Darstellung, die das Stapelnvon piezoelektrischen Schichten und internen Elektrodenschichten gemäß Beispiel1 veranschaulicht,
    [0016] 4 eineDarstellung der Beaufschlagung einer Last auf einen Stapel in derStapelrichtung in einem Wärmeverbindungsschrittgemäß Beispiel1,
    [0017] 5 eineDarstellung eines Ausführungsbeispielsfür dieVerwendung einer gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung gemäß Beispiel1,
    [0018] 6 eineDarstellung der Beziehung zwischen einem Porenauftreten und einemVersatzverhältnisin einem Beispiel 2,
    [0019] 7 eineDarstellung einer FlächeA der Grenzflächezur Bestimmung eines Porenauftretens in Beispiel 2,
    [0020] 8 eineDarstellung einer Summe B von Porenflächen zur Bestimmung eines Porenauftretens inBeispiel 2,
    [0021] 9 eineDarstellung einer Dicke C einer internen Elektrodenschicht und einerPorengröße D zurBestimmung einer Porenmenge in Beispielen 3 und 4,
    [0022] 10 eineDarstellung eines Durchmessers einer Pore gemäß der vorliegenden Erfindung.
    [0023] Eine gestapelte piezoelektrischeVorrichtung gemäß der vorliegendenErfindung weist eine Vielzahl interner Elektrodenschichten und eineVielzahl piezoelektrischer Schichten auf, wobei jeweils eine interneElektrodenschicht abwechselnd mit jeweils einer piezoelektrischenSchicht gestapelt bzw. geschichtet ist. Die Dicke und die Fläche jederinternen Elektrodenschicht und piezoelektrischen Schicht als auchdie Anzahl der Schichten werden entsprechend der beabsichtigtenVerwendung der gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung ausgewählt. Diegestapelte piezoelektrische Vorrichtung kann eine Struktur mit einemsogenannten Pufferteil, einem Blindteil (Dummy-Teil) und dergleichenan dem Ende in Stapelrichtung eines Stapels von internen Elektrodenschichten undpiezoelektrischen Schichten aufweisen, die abwechselnd gestapeltsind. Eine gestapelte piezoelektrische Vorrichtung weist üblicherweiseeine Struktur mit externen Elektroden auf, die mit internen Elektrodenschichtenverbunden sind, um Spannung an die internen Elektrodenschichten über dieexternen Elektroden zuzuführen,um die piezoelektrischen Eigenheiten zu erhalten.
    [0024] Die interne Elektrodenschicht dergestapelten piezoelektrischen Vorrichtung enthält nicht weniger als 50 Gew.-%Cu. Wenn der Cu-Inhalt weniger als 50 Gew.-% beträgt, gibtes Probleme wie eine Verschlechterung der Leitfähigkeit der internen Elektrodenschicht.Obwohl der zulässigemaximale Cu-Inhalt 100 Gew.-% beträgt, ist es praktisch schwierig,100 Gew.-% Cu im Hinblick auf Beschränkungen bei der Produktionvon Cu-enthaltendem Material zu verwirklichen. Materialien, dieCu mit hoher Reinheit enthalten, wie eine Kupferfolie und ein Kupferbeschichtungsfilm,könnenals Material verwendet werden, das die interne Elektrodenschichtbildet, wie es im weiteren Verlauf der Beschreibung beschriebenist.
    [0025] Der Inhalt des Cu-Elementes in derinternen Elektrodenschicht ist vorzugsweise nicht weniger als 95,0Gew.-%. In einem derartigen Fall kann die Leitfähigkeit der gesamten internenElektrodenschicht leicht gewährleistetwerden, wobei der Vorteil eine hervorragende Leitfähigkeitvon Cu ausgenutzt wird.
    [0026] Der Inhalt des Cu-Elementes in derinternen Elektrodenschicht ist vorzugsweise nicht weniger als 99,0Gew.-%. Dadurch kann die sehr exzellente Leitfähigkeit gewährleistet werden, um das Versatzverhaltender gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung zu verbessern.
    [0027] Die interne Elektrodenschicht istvorzugsweise aus einem reinem Kupfermetall zusammengesetzt, dasnicht weniger als 99,0 Gew.-% des Kupferelementes enthält. In diesemFall wird, da die interne Elektrodenschicht unter Verwendung einesreinen Kupfermetalls geformt wird, die interne Elektrodenschichtleichter geformt. Die Form des reinen Kupfermetalls enthält eineCu-Folie (Kupferfolie), ist jedoch nicht darauf beschränkt.
    [0028] Die interne Elektrodenschicht kannebenfalls aus Kupferlegierungen zusammengesetzt sein, die nichtweniger als 95 Gew.-% des Kupferelementes enthalten. In diesem Fallkönnenverschiedene Kupferlegierungen verwendet werden. Spezifische Beispielefür Kupferlegierungenumfassen Beryllium-Kupfer, Rotmessing, Phosphorbronze und dergleichen.
    [0029] Das Porenauftreten beträgt nichtmehr als 5% und vorzugsweise nicht mehr als 3%. Dadurch kann derEffekt der Verhinderung der Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeitund der Oxidierung einer internen Elektrodenschicht weiter verbessertwerden.
    [0030] Eine Oberflächenrauhigkeit (arithmetische mittlereRauhigkeit) Ra der Grenzflächeeiner piezoelektrischen Schicht, die eine interne Elektrodenschichtberührt,ist vorzugsweise nicht größer als 0,5C(μm), weitervorzugsweise 0,2C (μm),wobei C die Dicke der internen Elektrodenschicht in Mikrometer ist.Die Beschränkungder vorstehend beschriebenen Rauhigkeit Ra auf nicht mehr als 0,5C(μm) kann einenBereich verringern, in dem die piezoelektrischen Schichten, dieeine interne Elektrodenschicht umgeben, sich direkt gegenseitigin einem derartigen Zustand berühren,dass sie die interne Elektrodenschicht durchstechen, wodurch eineVerschlechterung des elektrischen Übertragungswirkungsgrads verhindertwerden kann. Um diesen Effekt sicherer zu gewährleisten, ist es weiter vorzuziehen,dass die vorstehend beschriebene Ra nicht mehr als 0,2C (μm) beträgt.
    [0031] Wenn demgegenüber die vorstehend beschriebeneRa 0,5C (μm) überschreitet,gibt es eine Möglichkeit,dass sich ein Bereich erhöht,in dem Vorsprüngein einer unebenen Oberflächeeiner piezoelektrischen Schicht die nächste piezoelektrische Schichtdirekt in einem derartigen Zustand berühren, dass die interne Elektrodenschichtdurchstochen (durchdrungen) wird, wodurch eine Verschlechterung indem elektrischen Übertragungswirkungsgrad durchdie Erhöhungder Flächeverursacht wird, die durch das Isoliermaterial in der internen Elektrodenschichtbelegt wird.
    [0032] Die Oberflächenrauhigkeit (arithmetische mittlereRauhigkeit) Ra kann entsprechend JIS-B 0601 gemessen werden.
    [0033] Eine Porenmenge (pore abundance)ist definiert als (D/C) x 100 0), wobei C die Dicke der internenElektrodenschicht in Mikrometer und D die Größe einer Pore in der Dickenrichtungder internen Elektrodenschicht in Mikrometer ist. Die Porenmenge ineiner internen Elektrodenschicht ist vorzugsweise nicht größer als5%. Wenn die Porenmenge 5% überschreitet,gibt es dasselbe Problem wie das, wenn das vorstehende Porenauftreten5% überschreitet.
    [0034] Es ist vorzuziehen, dass das piezoelektrischeMaterial, das die piezoelektrische Schicht bildet, PZT aufweist,bei dem es sich um ein Pb(Zr,Ti)O3-basiertesOxid mit einer Perowskit-Struktur handelt. Verschiedene Keramikmaterialien,die piezoelektrische Eigenheiten ausüben können, können als piezoelektrischesMaterial verwendet werden, das die piezoelektrische Schicht bildet.Genauer ist das vorstehend beschriebene PZT (Bleizirkonattitanat)am meisten füreine piezoelektrische Schicht einer gestapelten piezoelektrischenVorrichtung geeignet, da es sehr hervorragende piezoelektrischeEigenschaften aufweist.
    [0035] Die gestapelte piezoelektrische Vorrichtung istvorzugsweise ein piezoelektrisches Betätigungsglied für ein Injektor(Einspritzvorrichtung), das als Antriebsquelle für den Injektor verwendet wird.Ein Injektor ist in einem Automobil und dergleichen untergebrachtund wird als Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine verwendet,und die Umgebung, in der er verwendet wird, ist sehr rau. Daher istein Injektor mit einer eingebauten gestapelten piezoelektrischenVorrichtung, die einen hervorragenden elektrischen Übertragungswirkungsgradund eine hervorragende Festigkeit der inneren Elektrodenschichtaufweist, als piezoelektrisches Betätigungsglied hervorragend inBezug auf die Zuverlässigkeitund Festigkeit.
    [0036] Eine gestapelte piezoelektrischeVorrichtung gemäß der vorliegendenErfindung kann beispielsweise durch ein Verfahren mit den folgendenSchritten hergestellt werden: einen Schritt zur Kalzinierungeiner piezoelektrischen Schicht, bei dem ein keramischer Rohlingals piezoelektrisches Material kalziniert wird, um eine piezoelektrischeSchicht zu erhalten, einem Stapelherstellungsschritt, bei demdie piezoelektrischen Schichten abwechselnd mit Schichten aus einemElektrodenmaterial, das Cu enthält,gestapelt werden, um einen Stapel herzustellen, und einem Wärmeverbindungsschritt,um interne Elektrodenschichten, die aus dem Elektrodenmaterial bestehen,und die piezoelektrischen Schichten durch Erwärmen des Stapels auf eine Temperaturverklebt (gebondet) werden, die höher als 750°C, vorzugsweise höher als850°C ist,und nicht höherals der Schmelzpunkt von Cu ist, in einer oxidationsblockierendenAtomsphäre,um ein Oxidieren des Kupfers zu vermeiden, während eine vorbestimmte Lastdem Stapel in Stapelrichtung beaufschlagt wird.
    [0037] Dieses Verfahren führt denStapelherstellungsschritt und den Wärmeverklebungsschritt nach Durchführung desSchritts zum Kalzinieren der piezoelektrischen Schicht aus, beidem vorab eine kalzinierte piezoelektrische Schicht erhalten wird,wie es vorstehend beschrieben worden ist. Daher kann die gestapeltepiezoelektrische Vorrichtung ohne irgendeinen Einfluss auf die Kalzinierungsbehandlung zumErhalt der piezoelektrischen Schichten auf die internen Elektrodenschichtenhergestellt werden.
    [0038] Der Wärmeverklebungsschritt wird,wie es vorstehend beschrieben worden ist, in einer oxidationsblockierendenAtmosphäredurchgeführt,um ein Oxidieren des Kupfers zu vermeiden, während eine vorbestimmte Lastauf den Stapel in die Stapelrichtung beaufschlagt wird. Die Erwärmungstemperatur wirdauf den Temperaturbereich gesteuert, der höher als 750°C ist und vorzugsweise höher als850°C ist, undnicht höherals der Schmelzpunkt von Cu ist. Wenn die Erwärmungstemperatur nicht höher als 750°C ist, kannkeine ausreichende Bindungskraft (bonding strength) zwischen einerinternen Elektrodenschicht und einer piezoelektrischen Schicht erhaltenwerden. Wenn demgegenüberdie Erwärmungstemperaturhöher alsder Schmelzpunkt von Cu ist, der etwa 1083°C beträgt, gibt es ein Problem dahingehend,dass es schwierig ist, homogene interne Elektrodenschichten zu formen.
    [0039] Die dem Stapel beaufschlagte Lastmuss groß genugsein, um eine piezoelektrische Schicht und eine Elektrodenschichtausreichend miteinander zu verbinden, ohne dass eine Beschädigung derpiezoelektrischen Schicht verursacht wird, und der optimale Wertder Last variiert mit der Zusammensetzung des piezoelektrischenMaterials, das die piezoelektrische Schicht bildet, der Dicke derpiezoelektrischen Schicht und dergleichen. Wenn beispielsweise einepiezoelektrische Schicht PZT mit einer Dicke von etwa 100 μm ist, beträgt die Lastvorzugsweise 1 bis 10 MPa.
    [0040] Durch Durchführung des Wärmebindungsschritts unter denvorstehend beschriebenen Bedingungen kann die interne Elektrodenschichtmit einer Cu-Basis ausreichend sich mit den piezoelektrischen Schichtenverbinden, ohne dass Poren gebildet werden, und eine gestapeltepiezoelektrische Vorrichtung kann erhalten werden, die einen hervorragendenpiezoelektrischen Übertragungswirkungsgrad undeine hervorragende Festigkeit der internen Elektrodenschichten zeigt.
    [0041] Eine gestapelte piezoelektrischeVorrichtung gemäß einemBeispiel der vorliegenden Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahmeauf die 1 bis 5 beschrieben.
    [0042] Eine gestapelte piezoelektrischeVorrichtung 1 gemäß diesemBeispiel weist piezoelektrische Schichten 11, die aus einempiezoelektrischen Material bestehen, und interne Elektrodenschichten 21 auf,die Cu enthalten, und die piezoelektrischen Schichten 11 sindjeweils abwechselnd mit jeweils den internen Elektrodenschichten 21 gestapelt(geschichtet), wie es in 1 gezeigtist.
    [0043] Die interne Elektrodenschicht 21 enthält nichtweniger als 50 Gew.-% Cu. Ein Porenauftreten, das durch (B/A) x100(%) ausgedrücktist, beträgt nichtmehr als 5%, wobei A die Flächeder Grenzflächezwischen der internen Elektrodenschicht 21 und der piezoelektrischenSchicht 11 ist, und B die Summe der Flächen von Poren ist, die inder Grenzfläche auftretenund einen Durchmesser von nicht weniger als 0,1 μm aufweisen.
    [0044] Nachstehend folgt eine ausführlicheBeschreibung.
    [0045] Zur Herstellung der vorstehend beschriebenengestapelten piezoelektrischen Vorrichtung 1 wird ein Schrittzum Kalzinieren einer piezoelektrischen Schicht durchgeführt, beidem ein keramischer Rohling als piezoelektrisches Material kalziniertwird, um die piezoelektrische Schicht 11 zu erhalten.
    [0046] In diesem Beispiel wurde zur Anwendung vonPZT fürdie vorstehend beschriebene piezoelektrische Schicht 11 einRohling wie nachstehend beschrieben vorbereitet. Zunächst wurdenPulver aus Bleioxid, Zirkon-Oxid, Titan-Oxid, Niobium-Oxid, Strontium-Carbonatund dergleichen, die die Hauptmaterialien des piezoelektrischenMaterials bilden, gewogen, um eine vorbestimmte Zusammensetzung zuerhalten. Diese Komponentenelemente wurden jedoch mit Blei versetzt,das um 1 bis 2% reicher als die stöchiometrische Zusammensetzungist, wobei die Verflüchtigungder Bleikomponente in Betracht gezogen wird. Das auf diese Weisevorbereitete Material wurde in einem Mischer trockengemischt und danachbei 800 bis 950°Ckalziniert.
    [0047] Darauffolgend wurde reines Wasserund ein Zerstäubungsmittelzu dem resultierenden kalzinierten Pulver hinzugefügt, um eineAufschlämmungzu bilden, die durch eine Perlenmühle (perl mill) nassgrundiertwurde. Das auf diese Weise grundierte Pulver wurde getrocknet undentfettet, und es wurde ein Lösungsmittel,ein Bindemittel, ein Plastifizierer, ein Dispergiermittelmittelund dergleichen hinzugefügt, undin einer Kugelmühlegemischt. Danach wurde die resultierende Aufschlämmung vakuumentgast, während siedurch eine Schüttelvorrichtungin einer Vakuumvorrichtung geschütteltwurde, um die Viskosität zusteuern.
    [0048] Darauffolgend wurde die Aufschlämmung mittelseines Abstreifmessergerätsin ein Rohling mit vorbestimmter Dicke geformt.
    [0049] Der resultierende Rohling wurde ineiner Presse gestanzt oder durch eine Schneideeinrichtung in einekreisförmigeForm geschnitten, die einen Durchmesser von 50 mm aufweist. Selbstverständlich kannder Rohling auch in eine rechteckige Form, eine Ellipsenform, eineFassform oder dergleichen entsprechend der gewünschten Form einer gestapeltenpiezoelektrischen Vorrichtung geformt werden.
    [0050] Darauffolgend wurde in diesem Beispielder Rohling bei 400 bis 700°Cin einem elektrischen Ofen füreine vorbestimmte Zeit entgast und daraufhin bei 900 bis 1200°C für eine vorbestimmteZeit zum Erhalt einer piezoelektrischen Schicht kalziniert. Aufdiese Weise wurde eine kalzinierte piezoelektrische Schicht 11 miteiner Dicke von 100 Mikrometern und bestehend hauptsächlich ausPZT, bei dem es sich um ein Pb(Zr,Ti)O3-basiertesOxid mit einer Perowskit-Struktur handelt, in diesem Beispiel erhalten.
    [0051] In diesem Beispiel wurde die Oberflächenrauhigkeitder erhaltenen piezoelektrischen Schicht 11 gemäß JIS-B0601 gemessen. Als Ergebnis war die Oberflächenrauhigkeit (arithmetischemittlere Rauhigkeit) Ra innerhalb des Bereichs von 0,5 bis 1,2 Mikrometer.Da die Dicke C der internen Elektrodenschicht 21 etwa 3Mikrometer beträgt,wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist die Oberflächenrauhigkeitdurchgehend innerhalb des Bereichs von nicht mehr als 1,5 Mikrometer,bei dem es sich um 0,5C (μm)handelt.
    [0052] Darauffolgend wurde, wie es in den 3 und 4 gezeigt ist, ein Stapelherstellungsschrittdurchgeführt,um die erhaltenen piezoelektrischen Schichten 11 abwechselndmit Schichten des Elektrodenmaterials 20 zu stapeln, wasCu enthält.
    [0053] In diesem Beispiel wurde eine Kupferfolie, dieaus Cu mit einer Reinheit von 99,9% besteht und eine Dicke von 3Mikrometer aufweist, als Elektrodenmaterial 20 verwendet.Die verwendete Kupferfolie wies eine Form auf, die durch Abschneideneines Teils eines Kreises mit einem Durchmesser von 15 mm in einergeraden Linie innerhalb des Randes erhalten wird, so dass der Abstandvon dem Rand 4 mm sein kann, wie es in 2 dargestellt ist. Jedes Elektrodenmaterial 20 wurdederart platziert, dass dessen abgeschnittener Teil an der entgegengesetztenSeite abwechselnd zu der des nächstenElektrodenmaterials liegt, wie es in den 3 und 4 gezeigt ist,und piezoelektrische Schichten 11 und Elektrodenmaterialien 20 wurdenderart gestapelt, dass Fehlabschnitte 119, an denen dasElektrodenmaterial 20 (interne Elektrodenschicht 21)die piezoelektrische Schicht 11 nicht abdeckt, abwechselndnach rechts und links geformt werden können, und ein Stapel 100 wurdeerhalten, wie es den 1 und 4 gezeigt ist. In diesemBeispiel wurden fünfzig(50) piezoelektrische Schichten 11 gestapelt.
    [0054] Darauffolgend wurde, wie es in 4 dargestellt ist, ein Wärmeverbindungsschrittzum Verbinden (bonding) der internen Elektrodenschichten 21, dieaus dem Elektrodenmaterial 20 bestehen, und der piezoelektrischenSchichten 11 durch Erwärmen desStapels 100 auf eine Temperatur, die höher als 750°C ist, vorzugsweise höher als850°C istund nicht höherals der Schmelzpunkt von Cu ist, in einer oxidationsblockierendenAtmosphäredurchgeführt,um ein Oxidieren von Cu zu verhindern, während eine vorbestimmte LastF dem Stapel 100 in Richtung des Stapelns beaufschlagtwurde.
    [0055] Genauer wurde der Stapel 100 ineinem Ofen platziert, währendeine Last F von etwa 3 MPa in Richtung des Stapelns beaufschlagtwurde. Daraufhin wurde das Innere des Ofens, in dem der Stapel 100 platziertworden war, zu einem Vakuumgrad von 1 x 10–2 Paevakuiert, woraufhin N2-Gas als Edelgas in den Ofen eingeführt wurde,so dass ein Druck von 10 Pa in dem Ofen beibehalten wurde.
    [0056] Insbesondere wurde der Stapel für etwa 10 Minutenauf eine Temperatur von 960°Cerwärmt.
    [0057] In einer gestapelten piezoelektrischenVorrichtung 1, die entsprechend dem vorstehend beschriebenen Wärmebindungsschritterhalten worden ist, sind eine piezoelektrische Schicht 11 undeine interne Elektrodenschicht 21 fest miteinander verbunden,währendjede interne Elektrode 21 abwechselnd zu der entgegengesetztenSeite freigelegt wurde, wie es in 1 gezeigtist. Die interne Elektrodenschicht 21 behielt eine DickeC von etwa 3 Mikrometern.
    [0058] In diesem Beispiel wurde ein senkrechtzu der Stapelrichtung verlaufender Schnitt einer Schnittstelle zwischeneiner piezoelektrischen Schicht 11 und einer internen Elektrodenschicht 21 durchein metallographisches Mikroskop bei einer Vergrößerung von 200 mal beobachtet.Das Ergebnis zeigte, dass die piezoelektrische Schicht 11 unddie interne Elektrodenschicht 21 vollständig aneinander haften unddass keine Poren in der Grenzflächevorhanden waren.
    [0059] Die gestapelte piezoelektrische Vorrichtung 1gemäß diesemBeispiel wendet fürdie interne Elektrodenschicht 21 ein Cu-basierendes Materialan, das 95 Gew.-% Cu enthält.Daher könnenim Vergleich zu herkömmlichengestapelten piezoelektrischen Vorrichtungen, die ein Edelmetallwie Ag-Pd und dergleichen anwendet, die Materialkosten signifikantverringert werden, weshalb eine kostengünstigere gestapelte piezoelektrischeVorrichtung erhalten werden kann.
    [0060] Wie es vorstehend beschrieben wordenist, wurden keine Poren in einer internen Elektrodenschicht dervorstehend beschriebenen gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung1 beobachtet. Das heißt,dass die vorstehend beschriebene gestapelte piezoelektrische Vorrichtungein Porenauftreten von 0% aufwies. Dadurch kann eine Verschlechterung deselektrischen Übertragungsgradsaufgrund des Vorhandenseins von Poren und eine Verringerung derFestigkeit der internen Elektrodenschicht 21 verhindertwerden. Weiterhin kann selbst, falls sie die interne Elektrodenschicht 21 anwendet,die hauptsächlichaus Cu zusammengesetzt ist, das vergleichsweise leicht zu oxidierenist, ein Fortschritt der Cu-Oxidierung, die an den Poren beginnt,verhindert werden, und kann eine Verschlechterung der Leitfähigkeitund der Festigkeit der internen Elektrodenschichten ausreichendverhindert werden.
    [0061] Nachstehend ist ein Beispiel für die praktischeAnwendung der gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung 1 gemäß diesemBeispiel beschrieben. Zunächstwird ein Epoxydbasiertes Harz überdie umlaufende Seitenoberflächeder gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung 1 aufgetragen undim Vakuum entgast, und daraufhin bei einer Temperatur von 180°C für 10 Minutenwärmebehandelt.Dadurch werden die Fehlabschnitte 119, bei denen es sichum Lückenzwischen einer piezoelektrischen Schicht 11 und einer anderenhandelt, die aus den abgeschnittenen Teilen der aus Cu-Folien hergestelltenElektrodenschichten 21 resultieren, wie es vorstehend beschriebenworden ist, mit einer Füllung 118 gefüllt, dieaus dem Epoxydbasierten Harz besteht.
    [0062] Danach werden, wie es in 5 gezeigt ist, nach Schleifender umlaufenden Seitenoberfläche dergestapelten piezoelektrischen Vorrichtung 1 auf einen Durchmesservon 10 mm ein Paar externer Elektroden 31 und 32 durchBeschichtung von zwei gegenüberliegendenFlächenmit den Fehlabschnitten 119 der umlaufenden Seitenoberfläche miteinem Epoxyd-basierten elektrisch leitenden Klebemittel geformt,das ein Ag-Füllmittelenthält.Weiterhin werden Leitungsdrähte 33 und 34 mitden externen Elektroden 31 und 32 verbunden.
    [0063] Die auf diese Weise geformte gestapeltepiezoelektrische Vorrichtung 1 kann zu einer verfügbaren gestapeltenpiezoelektrischen Vorrichtung (gestapeltes piezoelektrisches Betätigungsglied)gemacht werden, indem sie in ein Isolieröl eingetaucht wird und durchAnlegen einer Gleichspannung über dieLeitungsdrähte 33 und 34 polarisiertwird.
    [0064] In diesem Beispiel wurde zur weiterenKlarstellung der Überlegenheitder in Beispiel 1 erhaltenen gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung1 Vergleichsmuster (Muster 2 bis 6) mit Poren vorbereitet, die einenDurchmesser von nicht weniger als 0,1 Mikrometer aufweisen, dieabsichtlich zwischen der internen Elektrodenschicht 21 undder piezoelektrischen Schicht 11 geformt worden sind, undein Test zur Untersuchung des Einflusses, den ein Porenauftretenauf die Eigenschaften einer gestapelten piezoelektrischen Vorrichtungaufweist, wurde durchgeführt.
    [0065] Die gestapelte piezoelektrische Vorrichtung 1gemäß Beispiel1 wird als Muster 1 bezeichnet.
    [0066] Die Vergleichsmuster (Muster 2 bis6) wurden in derselben Weise wie Beispiel 1 mit der Ausnahme davonvorbereitet, dass jeweils die in Richtung des Stapelns beaufschlagteLast in dem Wärmebindungsschrittverringert wurde.
    [0067] Ein Porenauftreten jedes Musterswurde als (B/A) x 100(%) bestimmt, wobei A die Fläche einer Grenzfläche zwischender internen Elektrodenschicht 21 und der piezoelektrischenSchicht 11 ist und B die Summer der Flächen von Poren ist, die in derGrenzflächeauftreten und einen Durchmesser von nicht weniger als 0,1 Mikrometeraufweisen. Als Ergebnis betrug das Porenauftreten der Muster 1,2, 3, 4, 5 und 6 jeweils 0, 3, 5, 10, 20 und 30%. Bei der Bestimmungdieser Werte ist die FlächeA einer Grenzflächezwischen der internen Elektrodenschicht 21 und der piezoelektrischenSchicht dieselbe wie die Gesamtfläche der internen Elektrodenschicht 21,wie es in 7 gezeigtist. Wenn eine Vielzahl von Poren in der Grenzfläche zwischen der internen Elektrodenschicht 21 undder piezoelektrischen Schicht 11 auftreten, wird B beispielsweiseals die Summe der FlächenB1, B2, B3 und B4 definiert, wie es in 8 gezeigt ist.
    [0068] Darauffolgend wurde ein elektrischesGleichfeld von 1,9 kV/mm an jedes Muster durch die Leitungsdrähte 33 und 34 angelegt,und der Versatz jedes Musters wurde durch ein Laserversatzmessinstrumentgemessen. Das gemessene Ergebnis wurde als Versatzverhältnis ausgedrückt, dasals Verhältnis einerVersatzgröße jedesMusters zu dem Versatz von Muster 1 definiert ist.
    [0069] Das Testergebnis ist in 6 dargestellt, in der einPorenauftreten (%) entlang der Abszisse gezeigt ist und ein Versatzverhältnis entlangder Ordinate gezeigt ist.
    [0070] Wie aus 6 hervorgeht, ist, je größer das Porenauftretenist, desto stärkerder Versatz verringert, und ist das Verhalten der gestapelten piezoelektrischenVorrichtung verschlechtert. Es wird angenommen, dass das Vorhandenseinvon Poren eine elektrische Übertragungvon der internen Elektrodenschicht auf eine piezoelektrische Schichtblockiert, und dass die piezoelektrische Schicht in diesem Bereichinaktiv wird.
    [0071] In diesem Beispiel wurde ein Ausschnittparallel zu der Stapelrichtung einer gestapelten piezoelektrischenVorrichtung 1, die in Beispiel 1 vorbereitet worden ist, durch einAbtastelektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von 1000 beobachtet,was zeigte, dass keine Poren in der Dickenrichtung der internenElektrodenschicht 21 vorhanden waren. Wenn eine Porenmengeals (D/C) x 100(%) definiert ist, wobei C die Dicke einer internenElektrodenschicht 21 in Mikrometer und D die Größer einerPore 99, falls vorhanden, in der Dickenrichtung einer internenElektrodenschicht 21 in Mikrometer ist, wie es in 9 gezeigt ist, wies diegestapelte piezoelektrische Vorrichtung 1 gemäß Beispiel 1 eine Porenmengevon 0% auf.
    [0072] In diesem Beispiel wurde anstelleeiner Kupferfolie (Cu-Folie),die in Beispiel 1 verwendet worden ist, Cu nicht-elektrolytisch an beiden Hauptebenen einerpiezoelektrischen Schicht 11 aufplattiert. Aufplattiertepiezoelektrische Schichten und nicht-aufplattierte piezoelektrischeSchichten wurden abwechselnd gestapelt, und dann in derselben Weise wiein Beispiel 1 wärmeverbunden,um eine gestapelte piezoelektrische Vorrichtung mit internen Elektrodenschichten 21 zuerhalten, die aus dem nicht-elektrolytischen Cu-Plattierungsfilm aufgebaut sind. Dieseinterne Elektrodenschicht 21 enthielt 99,5 Gew.-% des Cu-Elementes.
    [0073] Als Ergebnis der Beobachtung einesAusschnitts dieses Musters durch ein Abtastelektrodenmikroskop beieiner Vergrößerung von1000 in derselben Weise wie vorstehend beschrieben, wurde eine Porenmenge(D/C) x 100(%) in der Dickenrichtung einer internen Elektrodenschichtals 3% gefunden.
    [0074] Vorstehend wurde eine gestapeltepiezoelektrische Vorrichtung angegeben, die kostengünstig istund einen hervorragenden elektrischen Übertragungswirkungsgrad aufweistsowie nur eine geringe Verschlechterung der Festigkeit einer internenElektrodenschicht zeigt, wobei die Vorrichtung eine interne Elektrodenschichtaufweist, die nicht weniger als 50 Gew.-% Cu enthält und nichtmehr als 5% eines Porenauftretens aufweist, das durch (B/A) x 100(%) ausgedrückt wird,wobei A die Flächeeiner Grenzflächezwischen der internen Elektrodenschicht und der piezoelektrischenSchicht ist und B die Summe von Flächen von Poren ist, die inder Schnittstelle auftreten und einen Durchmesser von nicht wenigerals 0,1 Mikrometer aufweisen. Vorzugsweise ist eine OberflächenrauhigkeitRa der Schnittstelle der piezoelektrischen Schicht, die die interneElektrodenschicht berührt,nicht größer als0,5C (μm),wobei C die Dicke der internen Elektrodenschicht in Mikrometer ist.Das piezoelektrische Material, das die piezoelektrische Schichtbildet, weist vorzugsweise PZT auf, bei dem es sich um ein Pb(Zr,Ti)O3-basiertes Oxid mit einer Perowskit-Strukturhandelt.
    权利要求:
    Claims (11)
    [1] Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung mit piezoelektrischenSchichten, die aus einem piezoelektrischen Material zusammengesetztsind, und internen Elektrodenschichten, die Cu enthalten, wobeidie piezoelektrischen Schichten abwechselnd mit den internen Elektrodenschichtengestapelt sind, wobei die interne Elektrodenschicht nicht wenigerals 50 Gew.-% Cu enthält,und ein Porenauftreten, das durch (B/A) x 100(%) ausgedrückt ist,nicht größer als 5%ist, wobei A die Flächeeiner Grenzflächezwischen der internen Elektrodenschicht und der piezoelektrischenSchicht ist, und B die Summe der Flächen von Poren ist, die inder Grenzflächeauftreten und einen Durchmesser von nicht weniger als 0,1 Mikrometeraufweisen.
    [2] Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch1, wobei die interne Elektrodenschicht nicht weniger als 95,0 Gew.-%Cu enthält.
    [3] Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch1, wobei die interne Elektrodenschicht nicht weniger als 99,0 Gew.-%Cu enthält.
    [4] Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch1, wobei die interne Elektrodenschicht aus einem reinem Kupfermetallzusammengesetzt ist, das nicht weniger als 99,0 Gew.-% Cu enthält.
    [5] Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch1, wobei die interne Elektrodenschicht aus einer Kupferlegierungzusammengesetzt ist, die nicht weniger als 95,0 Gew.-% Cu enthält.
    [6] Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach einemder Ansprüche1 bis 5, wobei das Porenauftreten nicht mehr als 3% beträgt.
    [7] Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach einemder Ansprüche1 bis 6, wobei eine Oberflächenrauhigkeit(arithmetische mittlere Rauhigkeit) Ra der Schnittstelle der piezoelektrischenSchicht, die die interne Elektrodenschicht berührt, nicht mehr als 0,5C (μm) beträgt, wobeiC die Dicke der internen Elektrodenschicht in Mikrometer ist.
    [8] Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach einemder Ansprüche1 bis 6, wobei eine Oberflächenrauhigkeit(arithmetische mittlere Rauhigkeit) Ra der Grenzfläche derpiezoelektrischen Schicht, die die interne Elektrodenschicht berührt, nichtmehr als 0,2C (μm)beträgt,wobei C die Dicke der internen Elektrodenschicht ist.
    [9] Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach einemder Ansprüche1 bis 8, wobei eine Porenmenge, die durch (D/C) x 100(%) ausgedrückt ist,nicht mehr als 5% beträgt,wobei C die Dicke der internen Elektrodenschicht in Mikrometer undD die Größe einerPore in der Dickenrichtung der internen Elektrodenschicht in Mikrometerist.
    [10] Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach einemder Ansprüche1 bis 9, wobei das piezoelektrische Material, das die piezoelektrischeSchicht bildet, PZT aufweist, bei dem es sich um Pb(Zr,Ti)O3-basiertes Oxid mit einer Perowskit-Strukturhandelt.
    [11] Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach einemder Ansprüche1 bis 10, bei der es sich um ein piezoelektrisches Betätigungsgliedfür einenInjektor handelt, das als Antriebsquelle für den Injektor verwendet wird.
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
    EP2713378B1|2017-08-30|Mehrschichtige elektronische Chip-Komponente, Platine zu deren Montage und Verpackungseinheit dafür
    US5233260A|1993-08-03|Stack-type piezoelectric element and process for production thereof
    US8553390B2|2013-10-08|Ceramic electronic component
    US7554251B2|2009-06-30|Multi-layer piezoelectric element and method for manufacturing the same
    CN102290235B|2014-01-29|陶瓷电子部件及其制造方法
    JP4983799B2|2012-07-25|積層セラミックコンデンサ
    KR101035882B1|2011-05-20|Laminated ceramic electronic components
    JP4153206B2|2008-09-24|積層コンデンサ
    US7295421B2|2007-11-13|Multilayer ceramic electronic components and method for manufacturing the same
    KR100908984B1|2009-07-22|적층세라믹 전자부품
    US6462464B2|2002-10-08|Stacked piezoelectric device and method of fabrication thereof
    DE4105997C2|1995-02-09|Laminatverschiebungseinrichtung
    EP1997115B8|2012-02-29|Keramisches komponentenelement und herstellungsverfahren dafür
    JP4143539B2|2008-09-03|Electroceramic component having multiple contact surfaces
    US8254083B2|2012-08-28|Ceramic electronic component and method for producing same
    KR100498682B1|2005-07-01|칩형 전자 부품
    US7358655B2|2008-04-15|Electrical multilayered component and layer stack
    JP4358220B2|2009-11-04|積層型圧電素子
    US7221555B2|2007-05-22|Surface mount MELF capacitor
    US8014123B2|2011-09-06|Multilayer ceramic electronic component and method for making the same
    JP2004111939A|2004-04-08|積層型圧電素子及びその製造方法
    KR20150018650A|2015-02-23|적층 세라믹 전자 부품 및 그 실장 기판과 제조 방법
    JP2013165180A|2013-08-22|電子部品及び電子部品の製造方法
    US7776252B2|2010-08-17|Method for manufacturing multilayer ceramic electronic component
    EP1753039B1|2012-10-24|Mehrschichtiges piezoelektrisches element
    同族专利:
    公开号 | 公开日
    JP4635439B2|2011-02-23|
    US6989627B2|2006-01-24|
    JP2004266260A|2004-09-24|
    US20040169442A1|2004-09-02|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2010-06-17| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2014-01-03| R002| Refusal decision in examination/registration proceedings|
    2014-04-24| R003| Refusal decision now final|Effective date: 20140211 |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    [返回顶部]