DE102004006778A1

DE102004006778A1 - Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102004006778A1
Application number: DE200410006778
Authority: DE
Inventors: Takeshi Kariya Senoo; Nozomu Kariya Okumura; Yasuhiro Kariya Suzuki; Isao Kariya Mizuno; Akira Kariya Fujii
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2004-02-11
Publication date: 2004-09-16
Also published as: US20040169442A1; JP2004266260A; US6989627B2; JP4635439B2

Abstract

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.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gestapelte piezoelektrische Vorrichtung, die für ein piezoelektrisches Betätigungsglied und dergleichen verwendet wird.

Eine aus einem piezoelektrischen Material wie piezoelektrische Keramik zusammengesetzte piezoelektrische Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraft oder ein Versatz erzeugt wird, wenn eine Spannung angelegt wird, und dass eine Spannung erzeugt wird, wenn eine Kraft beaufschlagt wird, und es gibt einen breiten Anwendungsbereich für derartige verschiedene Betätigungsglieder (Aktuatoren) und Sensoren. Eine gestapelte piezoelektrische Vorrichtung, die ein Konzept einschließlich eines gestapelten piezoelektrischen Betätigungsglieds ist, die eine Vielzahl aus einem piezoelektrischen Material zusammengesetzten piezoelektrischen Schichten aufweist, wird oft zum Erhalt einer großen erzeugten Kraft oder eines großen Versatzes verwendet, insbesondere wenn es für ein Betätigungsglied und dergleichen verwendet wird.

Eine bekannte gestapelte piezoelektrische Vorrichtung wird durch abwechselndes Stapeln von Schichten aus piezoelektrischem Material und internen Elektrodenschichten und darauffolgendes Kalzinieren des resultierenden Stapels in einen Körper hergestellt. Eine als Elektrodenmaterial verwendete Metallpaste weist ein Pulver aus einem Edelmetall, wie Ag-Pd und ein Bindemittel auf. Als Material für die interne Elektrode wird eine Metallpaste verwendet, die weiter mit einer piezoelektrischen Materialkomponente oder ein Analogon davon gemischt ist, um eine Ablösung (ein Abschälen zwischen den Schichten) aufgrund der Kalzinierungsschrumpfdifferenz zwischen dem piezoelektrischen Material und der internen Elektrode zu verhindern. Vergleiche beispielsweise die japanische Offenlegungsschrift Nr. 57-30308.

Jedoch gab es in diesem Fall ein Problem dahingehend, dass Kristalle des piezoelektrischen Materials, bei denen es sich um Isoliermaterial handelt, sich in der internen Elektrodenschicht nach der Kalzinierung absetzen, und dass eine wesentliche Tendenz zur Porenbildung vorhanden ist, da eine Metallpaste ein Bindemittel enthält, weshalb das leitende Material in der internen Elektrodenschicht nicht kontinuierlich ist, und dass der elektrische Übertragungswirkungsgrad von einer internen Elektrode zu einer piezoelektrischen Schicht verringert ist.

Es gab ebenfalls ein Problem dahingehend, dass das interne Elektrodenmaterial, das Edelmetalle wie Ag-Pd enthält, kostspielig ist. Daher gibt es ebenfalls die Idee, dass Cu als Material für die interne Elektrode verwendet werden kann, um die Kosten zu beschneiden. In diesem Fall gibt es ein Problem dahingehend, da Cu leichter zu oxidieren ist als ein Edelmetall wie Ag-Pd, die Oxidation von Cu mit Poren in der internen Elektrodenschicht und in der Grenzschicht zwischen einer Schicht aus piezoelektrischem Material und einer internen Elektrodenschicht als Startpunkte bei Verwendung voranschreitet, und Kupferoxid erzeugt wird, wodurch der elektrische Übertragungswirkungsgrad sich weiterhin verschlechtert und ein Ablösen aufgrund einer Verringerung in der Festigkeit der Elektrodenschicht verursacht wird.

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die Probleme des Standes der Technik gemacht, und der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gestapelte piezoelektrische Vorrichtung bereitzustellen, bei der die Kosten unter Verwendung von kostengünstigen Cu als Material für die interne Elektrode verringert werden können, die einen hervorragenden elektrischen Übertragungswirkungsgrad zeigt und wobei eine Verringerung der Festigkeit der internen Elektrodenschicht verhindert werden kann.

Erfindungsgemäß wird eine gestapelte piezoelektrische Vorrichtung geschaffen, die piezoelektrische Schichten, die aus einem piezoelektrischen Material zusammengesetzt sind, und interne Elektrodenschichten aufweist, die Cu enthalten, wobei die piezoelektrischen Schichten abwechselnd mit den internen Elektrodenschichten gestapelt sind, 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 Fläche einer Grenzfläche zwischen der internen Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht ist, und B die Summe der Flächen von Poren ist, die in der Grenzfläche auftreten und einen Durchmesser von nicht weniger als 0,1 Mikrometer aufweisen.

Eine gestapelte piezoelektrische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie es vorstehend beschrieben worden ist, wendet ein Cu-basiertes Material mit 50 Gew.% des Kupferelementes (Cu-Elements) als interne Elektrodenschicht an. Daher können im Vergleich mit herkömmlichen gestapelten piezoelektrischen Vorrichtungen, die ein Edelmetall wie Ag-Pd und dergleichen anwenden, die Materialkosten signifikant verringert werden, und kann eine kostengünstigere gestapelte piezoelektrische Vorrichtung erhalten werden. Verschiedene Metallmaterialien wie sogenanntes reines Cu-Metall, Cu-Legierungen und dergleichen können als Material für das vorstehend beschriebene Cu-basierte Material verwendet werden.

Weiterhin gibt es erfindungsgemäß sehr wenige Poren, die in einer Grenzfläche einer internen Elektrodenschicht mit einer piezoelektrischen Schicht auftreten, wie vorstehend beschrieben worden ist. Daher kann eine Verschlechterung des elektrischen Übertragungswirkungsgrads, die aus dem Vorhandensein von Poren und der Festigkeitsverringerung der internen Elektrodenschicht resultiert, verhindert werden. Genauer kann, selbst falls eine interne Elektrodenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung auf Cu beruht, das vergleichsweise leicht zu oxidieren ist, der Fortschritt der Cu-Oxidierung, der bei Poren beginnt, verhindert werden, weshalb eine Verschlechterung der Leitung und der Festigkeit der internen Elektrodenschichten ausreichend blockiert werden kann. Wenn demgegenüber das vorstehend beschriebene Porenauftreten 5% überschreitet, gibt es zu viele Poren, um die vorstehend beschriebenen Effekte zu erhalten.

Ein Durchmesser einer Pore ist als Länge D eines Durchmessers eines Kreises oder der Nebenachse einer Ellipse S definiert, der bzw. die den Umriss der Pore 99 berührt, wie es in 10 gezeigt ist.

Somit kann erfindungsgemäß eine gestapelte piezoelektrische Vorrichtung bereitgestellt werden, durch die eine Kostenreduktion durch Verwendung von kostengünstigem Cu als internes Elektrodenmaterial möglich ist und eine Verschlechterung des elektrischen Übertragungswirkungsgrads und der Festigkeit der internen Elektrodenschicht verhindert werden kann.

Nachstehend folgt eine kurze Beschreibung der Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine Darstellung des Aufbaus einer gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung gemäß einem Beispiel 1,
2 eine Darstellung der Form eines Elektrodenmaterials, das als interne Elektrodenschicht gemäß Beispiel 1 verwendet wird,
3 eine perspektivische auseinandergezogene Darstellung, die das Stapeln von piezoelektrischen Schichten und internen Elektrodenschichten gemäß Beispiel 1 veranschaulicht,
4 eine Darstellung der Beaufschlagung einer Last auf einen Stapel in der Stapelrichtung in einem Wärmeverbindungsschritt gemäß Beispiel 1,
5 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels für die Verwendung einer gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung gemäß Beispiel 1,
6 eine Darstellung der Beziehung zwischen einem Porenauftreten und einem Versatzverhältnis in einem Beispiel 2,
7 eine Darstellung einer Fläche A der Grenzfläche zur Bestimmung eines Porenauftretens in Beispiel 2,
8 eine Darstellung einer Summe B von Porenflächen zur Bestimmung eines Porenauftretens in Beispiel 2,
9 eine Darstellung einer Dicke C einer internen Elektrodenschicht und einer Porengröße D zur Bestimmung einer Porenmenge in Beispielen 3 und 4,
10 eine Darstellung eines Durchmessers einer Pore gemäß der vorliegenden Erfindung.
Eine gestapelte piezoelektrische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Vielzahl interner Elektrodenschichten und eine Vielzahl piezoelektrischer Schichten auf, wobei jeweils eine interne Elektrodenschicht abwechselnd mit jeweils einer piezoelektrischen Schicht gestapelt bzw. geschichtet ist. Die Dicke und die Fläche jeder internen Elektrodenschicht und piezoelektrischen Schicht als auch die Anzahl der Schichten werden entsprechend der beabsichtigten Verwendung der gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung ausgewählt. Die gestapelte piezoelektrische Vorrichtung kann eine Struktur mit einem sogenannten Pufferteil, einem Blindteil (Dummy-Teil) und dergleichen an dem Ende in Stapelrichtung eines Stapels von internen Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten aufweisen, die abwechselnd gestapelt sind. Eine gestapelte piezoelektrische Vorrichtung weist üblicherweise eine Struktur mit externen Elektroden auf, die mit internen Elektrodenschichten verbunden sind, um Spannung an die internen Elektrodenschichten über die externen Elektroden zuzuführen, um die piezoelektrischen Eigenheiten zu erhalten.
Die interne Elektrodenschicht der gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung enthält nicht weniger als 50 Gew.-% Cu. Wenn der Cu-Inhalt weniger als 50 Gew.-% beträgt, gibt es Probleme wie eine Verschlechterung der Leitfähigkeit der internen Elektrodenschicht. Obwohl der zulässige maximale Cu-Inhalt 100 Gew.-% beträgt, ist es praktisch schwierig, 100 Gew.-% Cu im Hinblick auf Beschränkungen bei der Produktion von Cu-enthaltendem Material zu verwirklichen. Materialien, die Cu mit hoher Reinheit enthalten, wie eine Kupferfolie und ein Kupferbeschichtungsfilm, können als Material verwendet werden, das die interne Elektrodenschicht bildet, wie es im weiteren Verlauf der Beschreibung beschrieben ist.
Der Inhalt des Cu-Elementes in der internen Elektrodenschicht ist vorzugsweise nicht weniger als 95,0 Gew.-%. In einem derartigen Fall kann die Leitfähigkeit der gesamten internen Elektrodenschicht leicht gewährleistet werden, wobei der Vorteil eine hervorragende Leitfähigkeit von Cu ausgenutzt wird.
Der Inhalt des Cu-Elementes in der internen Elektrodenschicht ist vorzugsweise nicht weniger als 99,0 Gew.-%. Dadurch kann die sehr exzellente Leitfähigkeit gewährleistet werden, um das Versatzverhalten der gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung zu verbessern.
Die interne Elektrodenschicht ist vorzugsweise aus einem reinem Kupfermetall zusammengesetzt, das nicht weniger als 99,0 Gew.-% des Kupferelementes enthält. In diesem Fall wird, da die interne Elektrodenschicht unter Verwendung eines reinen Kupfermetalls geformt wird, die interne Elektrodenschicht leichter geformt. Die Form des reinen Kupfermetalls enthält eine Cu-Folie (Kupferfolie), ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Die interne Elektrodenschicht kann ebenfalls aus Kupferlegierungen zusammengesetzt sein, die nicht weniger als 95 Gew.-% des Kupferelementes enthalten. In diesem Fall können verschiedene Kupferlegierungen verwendet werden. Spezifische Beispiele für Kupferlegierungen umfassen Beryllium-Kupfer, Rotmessing, Phosphorbronze und dergleichen.
Das Porenauftreten beträgt nicht mehr als 5% und vorzugsweise nicht mehr als 3%. Dadurch kann der Effekt der Verhinderung der Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit und der Oxidierung einer internen Elektrodenschicht weiter verbessert werden.
Eine Oberflächenrauhigkeit (arithmetische mittlere Rauhigkeit) Ra der Grenzfläche einer piezoelektrischen Schicht, die eine interne Elektrodenschicht berührt, ist vorzugsweise nicht größer als 0,5C (μm), weiter vorzugsweise 0,2C (μm), wobei C die Dicke der internen Elektrodenschicht in Mikrometer ist. Die Beschränkung der vorstehend beschriebenen Rauhigkeit Ra auf nicht mehr als 0,5C (μm) kann einen Bereich verringern, in dem die piezoelektrischen Schichten, die eine interne Elektrodenschicht umgeben, sich direkt gegenseitig in einem derartigen Zustand berühren, dass sie die interne Elektrodenschicht durchstechen, wodurch eine Verschlechterung des elektrischen Übertragungswirkungsgrads verhindert werden kann. Um diesen Effekt sicherer zu gewährleisten, ist es weiter vorzuziehen, dass die vorstehend beschriebene Ra nicht mehr als 0,2C (μm) beträgt.
Wenn demgegenüber die vorstehend beschriebene Ra 0,5C (μm) überschreitet, gibt es eine Möglichkeit, dass sich ein Bereich erhöht, in dem Vorsprünge in einer unebenen Oberfläche einer piezoelektrischen Schicht die nächste piezoelektrische Schicht direkt in einem derartigen Zustand berühren, dass die interne Elektrodenschicht durchstochen (durchdrungen) wird, wodurch eine Verschlechterung in dem elektrischen Übertragungswirkungsgrad durch die Erhöhung der Fläche verursacht wird, die durch das Isoliermaterial in der internen Elektrodenschicht belegt wird.
Die Oberflächenrauhigkeit (arithmetische mittlere Rauhigkeit) Ra kann entsprechend JIS-B 0601 gemessen werden.
Eine Porenmenge (pore abundance) ist definiert als (D/C) x 100 0), wobei C die Dicke der internen Elektrodenschicht in Mikrometer und D die Größe einer Pore in der Dickenrichtung der internen Elektrodenschicht in Mikrometer ist. Die Porenmenge in einer internen Elektrodenschicht ist vorzugsweise nicht größer als 5%. Wenn die Porenmenge 5% überschreitet, gibt es dasselbe Problem wie das, wenn das vorstehende Porenauftreten 5% überschreitet.
Es ist vorzuziehen, dass das piezoelektrische Material, das die piezoelektrische Schicht bildet, PZT aufweist, bei dem es sich um ein Pb(Zr,Ti)O₃-basiertes Oxid mit einer Perowskit-Struktur handelt. Verschiedene Keramikmaterialien, die piezoelektrische Eigenheiten ausüben können, können als piezoelektrisches Material verwendet werden, das die piezoelektrische Schicht bildet. Genauer ist das vorstehend beschriebene PZT (Bleizirkonattitanat) am meisten für eine piezoelektrische Schicht einer gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung geeignet, da es sehr hervorragende piezoelektrische Eigenschaften aufweist.
Die gestapelte piezoelektrische Vorrichtung ist vorzugsweise ein piezoelektrisches Betätigungsglied für ein Injektor (Einspritzvorrichtung), das als Antriebsquelle für den Injektor verwendet wird. Ein Injektor ist in einem Automobil und dergleichen untergebracht und wird als Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine verwendet, und die Umgebung, in der er verwendet wird, ist sehr rau. Daher ist ein Injektor mit einer eingebauten gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung, die einen hervorragenden elektrischen Übertragungswirkungsgrad und eine hervorragende Festigkeit der inneren Elektrodenschicht aufweist, als piezoelektrisches Betätigungsglied hervorragend in Bezug auf die Zuverlässigkeit und Festigkeit.
Eine gestapelte piezoelektrische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten hergestellt werden:
einen Schritt zur Kalzinierung einer piezoelektrischen Schicht, bei dem ein keramischer Rohling als piezoelektrisches Material kalziniert wird, um eine piezoelektrische Schicht zu erhalten,
einem Stapelherstellungsschritt, bei dem die piezoelektrischen Schichten abwechselnd mit Schichten aus einem Elektrodenmaterial, 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 Temperatur verklebt (gebondet) werden, die höher als 750°C, vorzugsweise höher als 850°C ist, und nicht höher als der Schmelzpunkt von Cu ist, in einer oxidationsblockierenden Atomsphäre, um ein Oxidieren des Kupfers zu vermeiden, während eine vorbestimmte Last dem Stapel in Stapelrichtung beaufschlagt wird.
Dieses Verfahren führt den Stapelherstellungsschritt und den Wärmeverklebungsschritt nach Durchführung des Schritts zum Kalzinieren der piezoelektrischen Schicht aus, bei dem vorab eine kalzinierte piezoelektrische Schicht erhalten wird, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Daher kann die gestapelte piezoelektrische Vorrichtung ohne irgendeinen Einfluss auf die Kalzinierungsbehandlung zum Erhalt der piezoelektrischen Schichten auf die internen Elektrodenschichten hergestellt werden.
Der Wärmeverklebungsschritt wird, wie es vorstehend beschrieben worden ist, in einer oxidationsblockierenden Atmosphäre durchgeführt, um ein Oxidieren des Kupfers zu vermeiden, während eine vorbestimmte Last auf den Stapel in die Stapelrichtung beaufschlagt wird. Die Erwärmungstemperatur wird auf den Temperaturbereich gesteuert, der höher als 750°C ist und vorzugsweise höher als 850°C ist, und nicht höher als der Schmelzpunkt von Cu ist. Wenn die Erwärmungstemperatur nicht höher als 750°C ist, kann keine ausreichende Bindungskraft (bonding strength) zwischen einer internen Elektrodenschicht und einer piezoelektrischen Schicht erhalten werden. Wenn demgegenüber die Erwärmungstemperatur höher als der Schmelzpunkt von Cu ist, der etwa 1083°C beträgt, gibt es ein Problem dahingehend, dass es schwierig ist, homogene interne Elektrodenschichten zu formen.
Die dem Stapel beaufschlagte Last muss groß genug sein, um eine piezoelektrische Schicht und eine Elektrodenschicht ausreichend miteinander zu verbinden, ohne dass eine Beschädigung der piezoelektrischen Schicht verursacht wird, und der optimale Wert der Last variiert mit der Zusammensetzung des piezoelektrischen Materials, das die piezoelektrische Schicht bildet, der Dicke der piezoelektrischen Schicht und dergleichen. Wenn beispielsweise eine piezoelektrische Schicht PZT mit einer Dicke von etwa 100 μm ist, beträgt die Last vorzugsweise 1 bis 10 MPa.
Durch Durchführung des Wärmebindungsschritts unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen kann die interne Elektrodenschicht mit einer Cu-Basis ausreichend sich mit den piezoelektrischen Schichten verbinden, ohne dass Poren gebildet werden, und eine gestapelte piezoelektrische Vorrichtung kann erhalten werden, die einen hervorragenden piezoelektrischen Übertragungswirkungsgrad und eine hervorragende Festigkeit der internen Elektrodenschichten zeigt.
Beispiele
Beispiel 1
Eine gestapelte piezoelektrische Vorrichtung gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben.
Eine gestapelte piezoelektrische Vorrichtung 1 gemäß diesem Beispiel weist piezoelektrische Schichten 11, die aus einem piezoelektrischen Material bestehen, und interne Elektrodenschichten 21 auf, die Cu enthalten, und die piezoelektrischen Schichten 11 sind jeweils abwechselnd mit jeweils den internen Elektrodenschichten 21 gestapelt (geschichtet), wie es in 1 gezeigt ist.
Die interne Elektrodenschicht 21 enthält nicht weniger als 50 Gew.-% Cu. Ein Porenauftreten, das durch (B/A) x 100(%) ausgedrückt ist, beträgt nicht mehr als 5%, wobei A die Fläche der Grenzfläche zwischen der internen Elektrodenschicht 21 und der piezoelektrischen Schicht 11 ist, und B die Summe der Flächen von Poren ist, die in der Grenzfläche auftreten und einen Durchmesser von nicht weniger als 0,1 μm aufweisen.
Nachstehend folgt eine ausführliche Beschreibung.
Zur Herstellung der vorstehend beschriebenen gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung 1 wird ein Schritt zum Kalzinieren einer piezoelektrischen Schicht durchgeführt, bei dem ein keramischer Rohling als piezoelektrisches Material kalziniert wird, um die piezoelektrische Schicht 11 zu erhalten.
In diesem Beispiel wurde zur Anwendung von PZT für die vorstehend beschriebene piezoelektrische Schicht 11 ein Rohling wie nachstehend beschrieben vorbereitet. Zunächst wurden Pulver aus Bleioxid, Zirkon-Oxid, Titan-Oxid, Niobium-Oxid, Strontium-Carbonat und dergleichen, die die Hauptmaterialien des piezoelektrischen Materials bilden, gewogen, um eine vorbestimmte Zusammensetzung zu erhalten. Diese Komponentenelemente wurden jedoch mit Blei versetzt, das um 1 bis 2% reicher als die stöchiometrische Zusammensetzung ist, wobei die Verflüchtigung der Bleikomponente in Betracht gezogen wird. Das auf diese Weise vorbereitete Material wurde in einem Mischer trockengemischt und danach bei 800 bis 950°C kalziniert.
Darauffolgend wurde reines Wasser und ein Zerstäubungsmittel zu dem resultierenden kalzinierten Pulver hinzugefügt, um eine Aufschlämmung zu bilden, die durch eine Perlenmühle (perl mill) nassgrundiert wurde. Das auf diese Weise grundierte Pulver wurde getrocknet und entfettet, und es wurde ein Lösungsmittel, ein Bindemittel, ein Plastifizierer, ein Dispergiermittelmittel und dergleichen hinzugefügt, und in einer Kugelmühle gemischt. Danach wurde die resultierende Aufschlämmung vakuumentgast, während sie durch eine Schüttelvorrichtung in einer Vakuumvorrichtung geschüttelt wurde, um die Viskosität zu steuern.
Darauffolgend wurde die Aufschlämmung mittels eines Abstreifmessergeräts in ein Rohling mit vorbestimmter Dicke geformt.
Der resultierende Rohling wurde in einer Presse gestanzt oder durch eine Schneideeinrichtung in eine kreisförmige Form geschnitten, die einen Durchmesser von 50 mm aufweist. Selbstverständlich kann der Rohling auch in eine rechteckige Form, eine Ellipsenform, eine Fassform oder dergleichen entsprechend der gewünschten Form einer gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung geformt werden.
Darauffolgend wurde in diesem Beispiel der Rohling bei 400 bis 700°C in einem elektrischen Ofen für eine vorbestimmte Zeit entgast und daraufhin bei 900 bis 1200°C für eine vorbestimmte Zeit zum Erhalt einer piezoelektrischen Schicht kalziniert. Auf diese Weise wurde eine kalzinierte piezoelektrische Schicht 11 mit einer Dicke von 100 Mikrometern und bestehend hauptsächlich aus PZT, bei dem es sich um ein Pb(Zr,Ti)O₃-basiertes Oxid mit einer Perowskit-Struktur handelt, in diesem Beispiel erhalten.
In diesem Beispiel wurde die Oberflächenrauhigkeit der erhaltenen piezoelektrischen Schicht 11 gemäß JIS-B 0601 gemessen. Als Ergebnis war die Oberflächenrauhigkeit (arithmetische mittlere Rauhigkeit) Ra innerhalb des Bereichs von 0,5 bis 1,2 Mikrometer. Da die Dicke C der internen Elektrodenschicht 21 etwa 3 Mikrometer beträgt, wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist die Oberflächenrauhigkeit durchgehend innerhalb des Bereichs von nicht mehr als 1,5 Mikrometer, bei dem es sich um 0,5C (μm) handelt.
Darauffolgend wurde, wie es in den 3 und 4 gezeigt ist, ein Stapelherstellungsschritt durchgeführt, um die erhaltenen piezoelektrischen Schichten 11 abwechselnd mit Schichten des Elektrodenmaterials 20 zu stapeln, was Cu enthält.
In diesem Beispiel wurde eine Kupferfolie, die aus Cu mit einer Reinheit von 99,9% besteht und eine Dicke von 3 Mikrometer aufweist, als Elektrodenmaterial 20 verwendet. Die verwendete Kupferfolie wies eine Form auf, die durch Abschneiden eines Teils eines Kreises mit einem Durchmesser von 15 mm in einer geraden Linie innerhalb des Randes erhalten wird, so dass der Abstand von dem Rand 4 mm sein kann, wie es in 2 dargestellt ist. Jedes Elektrodenmaterial 20 wurde derart platziert, dass dessen abgeschnittener Teil an der entgegengesetzten Seite abwechselnd zu der des nächsten Elektrodenmaterials liegt, wie es in den 3 und 4 gezeigt ist, und piezoelektrische Schichten 11 und Elektrodenmaterialien 20 wurden derart gestapelt, dass Fehlabschnitte 119, an denen das Elektrodenmaterial 20 (interne Elektrodenschicht 21) die piezoelektrische Schicht 11 nicht abdeckt, abwechselnd nach rechts und links geformt werden können, und ein Stapel 100 wurde erhalten, wie es den 1 und 4 gezeigt ist. In diesem Beispiel wurden fünfzig (50) piezoelektrische Schichten 11 gestapelt.
Darauffolgend wurde, wie es in 4 dargestellt ist, ein Wärmeverbindungsschritt zum Verbinden (bonding) der internen Elektrodenschichten 21, die aus dem Elektrodenmaterial 20 bestehen, und der piezoelektrischen Schichten 11 durch Erwärmen des Stapels 100 auf eine Temperatur, die höher als 750°C ist, vorzugsweise höher als 850°C ist und nicht höher als der Schmelzpunkt von Cu ist, in einer oxidationsblockierenden Atmosphäre durchgeführt, um ein Oxidieren von Cu zu verhindern, während eine vorbestimmte Last F dem Stapel 100 in Richtung des Stapelns beaufschlagt wurde.
Genauer wurde der Stapel 100 in einem Ofen platziert, während eine Last F von etwa 3 MPa in Richtung des Stapelns beaufschlagt wurde. Daraufhin wurde das Innere des Ofens, in dem der Stapel 100 platziert worden war, zu einem Vakuumgrad von 1 x 10^–2 Pa evakuiert, woraufhin N₂-Gas als Edelgas in den Ofen eingeführt wurde, so dass ein Druck von 10 Pa in dem Ofen beibehalten wurde.
Insbesondere wurde der Stapel für etwa 10 Minuten auf eine Temperatur von 960°C erwärmt.
In einer gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung 1, die entsprechend dem vorstehend beschriebenen Wärmebindungsschritt erhalten worden ist, sind eine piezoelektrische Schicht 11 und eine interne Elektrodenschicht 21 fest miteinander verbunden, während jede interne Elektrode 21 abwechselnd zu der entgegengesetzten Seite freigelegt wurde, wie es in 1 gezeigt ist. Die interne Elektrodenschicht 21 behielt eine Dicke C von etwa 3 Mikrometern.
In diesem Beispiel wurde ein senkrecht zu der Stapelrichtung verlaufender Schnitt einer Schnittstelle zwischen einer piezoelektrischen Schicht 11 und einer internen Elektrodenschicht 21 durch ein metallographisches Mikroskop bei einer Vergrößerung von 200 mal beobachtet. Das Ergebnis zeigte, dass die piezoelektrische Schicht 11 und die interne Elektrodenschicht 21 vollständig aneinander haften und dass keine Poren in der Grenzfläche vorhanden waren.
Die gestapelte piezoelektrische Vorrichtung 1 gemäß diesem Beispiel wendet für die interne Elektrodenschicht 21 ein Cu-basierendes Material an, das 95 Gew.-% Cu enthält. Daher können im Vergleich zu herkömmlichen gestapelten piezoelektrischen Vorrichtungen, die ein Edelmetall wie Ag-Pd und dergleichen anwendet, die Materialkosten signifikant verringert werden, weshalb eine kostengünstigere gestapelte piezoelektrische Vorrichtung erhalten werden kann.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wurden keine Poren in einer internen Elektrodenschicht der vorstehend beschriebenen gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung 1 beobachtet. Das heißt, dass die vorstehend beschriebene gestapelte piezoelektrische Vorrichtung ein Porenauftreten von 0% aufwies. Dadurch kann eine Verschlechterung des elektrischen Übertragungsgrads aufgrund des Vorhandenseins von Poren und eine Verringerung der Festigkeit der internen Elektrodenschicht 21 verhindert werden. Weiterhin kann selbst, falls sie die interne Elektrodenschicht 21 anwendet, die hauptsächlich aus Cu zusammengesetzt ist, das vergleichsweise leicht zu oxidieren ist, ein Fortschritt der Cu-Oxidierung, die an den Poren beginnt, verhindert werden, und kann eine Verschlechterung der Leitfähigkeit und der Festigkeit der internen Elektrodenschichten ausreichend verhindert werden.
Nachstehend ist ein Beispiel für die praktische Anwendung der gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung 1 gemäß diesem Beispiel beschrieben. Zunächst wird ein Epoxydbasiertes Harz über die umlaufende Seitenoberfläche der gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung 1 aufgetragen und im Vakuum entgast, und daraufhin bei einer Temperatur von 180°C für 10 Minuten wärmebehandelt. Dadurch werden die Fehlabschnitte 119, bei denen es sich um Lücken zwischen einer piezoelektrischen Schicht 11 und einer anderen handelt, die aus den abgeschnittenen Teilen der aus Cu-Folien hergestellten Elektrodenschichten 21 resultieren, wie es vorstehend beschrieben worden ist, mit einer Füllung 118 gefüllt, die aus dem Epoxydbasierten Harz besteht.
Danach werden, wie es in 5 gezeigt ist, nach Schleifen der umlaufenden Seitenoberfläche der gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung 1 auf einen Durchmesser von 10 mm ein Paar externer Elektroden 31 und 32 durch Beschichtung von zwei gegenüberliegenden Flächen mit den Fehlabschnitten 119 der umlaufenden Seitenoberfläche mit einem Epoxyd-basierten elektrisch leitenden Klebemittel geformt, das ein Ag-Füllmittel enthält. Weiterhin werden Leitungsdrähte 33 und 34 mit den externen Elektroden 31 und 32 verbunden.
Die auf diese Weise geformte gestapelte piezoelektrische Vorrichtung 1 kann zu einer verfügbaren gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung (gestapeltes piezoelektrisches Betätigungsglied) gemacht werden, indem sie in ein Isolieröl eingetaucht wird und durch Anlegen einer Gleichspannung über die Leitungsdrähte 33 und 34 polarisiert wird.
Beispiel 2
In diesem Beispiel wurde zur weiteren Klarstellung der Überlegenheit der in Beispiel 1 erhaltenen gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung 1 Vergleichsmuster (Muster 2 bis 6) mit Poren vorbereitet, die einen Durchmesser von nicht weniger als 0,1 Mikrometer aufweisen, die absichtlich zwischen der internen Elektrodenschicht 21 und der piezoelektrischen Schicht 11 geformt worden sind, und ein Test zur Untersuchung des Einflusses, den ein Porenauftreten auf die Eigenschaften einer gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung aufweist, wurde durchgeführt.
Die gestapelte piezoelektrische Vorrichtung 1 gemäß Beispiel 1 wird als Muster 1 bezeichnet.
Die Vergleichsmuster (Muster 2 bis 6) wurden in derselben Weise wie Beispiel 1 mit der Ausnahme davon vorbereitet, dass jeweils die in Richtung des Stapelns beaufschlagte Last in dem Wärmebindungsschritt verringert wurde.
Ein Porenauftreten jedes Musters wurde als (B/A) x 100(%) bestimmt, wobei A die Fläche einer Grenzfläche zwischen der internen Elektrodenschicht 21 und der piezoelektrischen Schicht 11 ist und B die Summer der Flächen von Poren ist, die in der Grenzfläche auftreten und einen Durchmesser von nicht weniger als 0,1 Mikrometer aufweisen. Als Ergebnis betrug das Porenauftreten der Muster 1, 2, 3, 4, 5 und 6 jeweils 0, 3, 5, 10, 20 und 30%. Bei der Bestimmung dieser Werte ist die Fläche A einer Grenzfläche zwischen der internen Elektrodenschicht 21 und der piezoelektrischen Schicht dieselbe wie die Gesamtfläche der internen Elektrodenschicht 21, wie es in 7 gezeigt ist. Wenn eine Vielzahl von Poren in der Grenzfläche zwischen der internen Elektrodenschicht 21 und der piezoelektrischen Schicht 11 auftreten, wird B beispielsweise als die Summe der Flächen B1, B2, B3 und B4 definiert, wie es in 8 gezeigt ist.
Darauffolgend wurde ein elektrisches Gleichfeld von 1,9 kV/mm an jedes Muster durch die Leitungsdrähte 33 und 34 angelegt, und der Versatz jedes Musters wurde durch ein Laserversatzmessinstrument gemessen. Das gemessene Ergebnis wurde als Versatzverhältnis ausgedrückt, das als Verhältnis einer Versatzgröße jedes Musters zu dem Versatz von Muster 1 definiert ist.
Das Testergebnis ist in 6 dargestellt, in der ein Porenauftreten (%) entlang der Abszisse gezeigt ist und ein Versatzverhältnis entlang der Ordinate gezeigt ist.
Wie aus 6 hervorgeht, ist, je größer das Porenauftreten ist, desto stärker der Versatz verringert, und ist das Verhalten der gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung verschlechtert. Es wird angenommen, dass das Vorhandensein von Poren eine elektrische Übertragung von der internen Elektrodenschicht auf eine piezoelektrische Schicht blockiert, und dass die piezoelektrische Schicht in diesem Bereich inaktiv wird.
Beispiel 3
In diesem Beispiel wurde ein Ausschnitt parallel zu der Stapelrichtung einer gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung 1, die in Beispiel 1 vorbereitet worden ist, durch ein Abtastelektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von 1000 beobachtet, was zeigte, dass keine Poren in der Dickenrichtung der internen Elektrodenschicht 21 vorhanden waren. Wenn eine Porenmenge als (D/C) x 100(%) definiert ist, wobei C die Dicke einer internen Elektrodenschicht 21 in Mikrometer und D die Größer einer Pore 99, falls vorhanden, in der Dickenrichtung einer internen Elektrodenschicht 21 in Mikrometer ist, wie es in 9 gezeigt ist, wies die gestapelte piezoelektrische Vorrichtung 1 gemäß Beispiel 1 eine Porenmenge von 0% auf.
Beispiel 4
In diesem Beispiel wurde anstelle einer Kupferfolie (Cu-Folie), die in Beispiel 1 verwendet worden ist, Cu nicht-elektrolytisch an beiden Hauptebenen einer piezoelektrischen Schicht 11 aufplattiert. Aufplattierte piezoelektrische Schichten und nicht-aufplattierte piezoelektrische Schichten wurden abwechselnd gestapelt, und dann in derselben Weise wie in Beispiel 1 wärmeverbunden, um eine gestapelte piezoelektrische Vorrichtung mit internen Elektrodenschichten 21 zu erhalten, die aus dem nicht-elektrolytischen Cu-Plattierungsfilm aufgebaut sind. Diese interne Elektrodenschicht 21 enthielt 99,5 Gew.-% des Cu-Elementes.
Als Ergebnis der Beobachtung eines Ausschnitts dieses Musters durch ein Abtastelektrodenmikroskop bei einer Vergrößerung von 1000 in derselben Weise wie vorstehend beschrieben, wurde eine Porenmenge (D/C) x 100(%) in der Dickenrichtung einer internen Elektrodenschicht als 3% gefunden.
Vorstehend wurde 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 0,5C (μm), 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)O₃-basiertes Oxid mit einer Perowskit-Struktur handelt.

Claims

Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung mit piezoelektrischen Schichten, die aus einem piezoelektrischen Material zusammengesetzt sind, und internen Elektrodenschichten, die Cu enthalten, wobei die piezoelektrischen Schichten abwechselnd mit den internen Elektrodenschichten gestapelt sind, 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 Fläche einer Grenzfläche zwischen der internen Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht ist, und B die Summe der Flächen von Poren ist, die in der Grenzfläche auftreten und einen Durchmesser von nicht weniger als 0,1 Mikrometer aufweisen.
Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die interne Elektrodenschicht nicht weniger als 95,0 Gew.-% Cu enthält.
Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die interne Elektrodenschicht nicht weniger als 99,0 Gew.-% Cu enthält.
Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die interne Elektrodenschicht aus einem reinem Kupfermetall zusammengesetzt ist, das nicht weniger als 99,0 Gew.-% Cu enthält.
Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die interne Elektrodenschicht aus einer Kupferlegierung zusammengesetzt ist, die nicht weniger als 95,0 Gew.-% Cu enthält.
Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Porenauftreten nicht mehr als 3% beträgt.
Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Oberflächenrauhigkeit (arithmetische mittlere Rauhigkeit) Ra der Schnittstelle der piezoelektrischen Schicht, die die interne Elektrodenschicht berührt, nicht mehr als 0,5C (μm) beträgt, wobei C die Dicke der internen Elektrodenschicht in Mikrometer ist.
Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Oberflächenrauhigkeit (arithmetische mittlere Rauhigkeit) Ra der Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht, die die interne Elektrodenschicht berührt, nicht mehr als 0,2C (μm) beträgt, wobei C die Dicke der internen Elektrodenschicht ist.
Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 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 und D die Größe einer Pore in der Dickenrichtung der internen Elektrodenschicht in Mikrometer ist.
Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das piezoelektrische Material, das die piezoelektrische Schicht bildet, PZT aufweist, bei dem es sich um Pb(Zr,Ti)O₃-basiertes Oxid mit einer Perowskit-Struktur handelt.
Gestapelte piezoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der es sich um ein piezoelektrisches Betätigungsglied für einen Injektor handelt, das als Antriebsquelle für den Injektor verwendet wird.