專利名稱：壓電元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在粘接劑、涂敷劑等的涂敷裝置、噴墨裝置、內(nèi)燃機(jī)的燃料噴射裝 置等中使用的可以高速且準(zhǔn)確地噴出的噴射器的致動(dòng)器等中的壓電元件。
背景技術(shù)：
壓電元件在各種產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域上的用途廣泛，現(xiàn)在正進(jìn)行用于各種用途的元件的開(kāi) 發(fā)。其中，作為關(guān)于能夠?qū)崿F(xiàn)比較大的位移(行程)的壓電元件的以往技術(shù)，專利文獻(xiàn)1中 記載了把多個(gè)具有壓電的非活性部分的內(nèi)部電極結(jié)構(gòu)的子單元重疊得到的壓電元件。另外，象專利文獻(xiàn)2中所示的那樣，是把多個(gè)芯片塊通過(guò)接合層接合起來(lái)得到的 壓電元件，該芯片塊由多個(gè)具有壓電材料體和內(nèi)部電極的壓電元件芯片層疊得到，是形成 為內(nèi)部電極覆蓋上述壓電材料體的與層疊方向垂直的剖面、在壓電元件的側(cè)面露出的內(nèi)部 電極的端部設(shè)置電絕緣層的壓電元件。但是，近年來(lái)，需要達(dá)到上述構(gòu)造方面的要求、且對(duì) 環(huán)境危害小的材料，要求有取代迄今作為壓電材料使用的鈦酸鋯酸鉛(PZT)的不含鉛的材 料。作為不含鉛的壓電材料，已知例如專利文獻(xiàn)3中記載的BaTi2O5是有希望的，但 BaTi2O5自身的壓電性能不夠，不能實(shí)現(xiàn)大的位移本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在具有以BaTi2O5為主要構(gòu) 成材料的壓電材料體和電壓施加電極的壓電元件中，作為現(xiàn)有電極使用的鉬或銀鈀與作為 壓電材料的BaTi2O5的晶格匹配性差，由于這些界面上原子排列紊亂，所以得不到足夠的壓 電性能和可靠性。即，在這些壓電元件中，施加電壓時(shí)壓電材料體得不到足夠的位移，而且 位移隨時(shí)間減少。<專利文獻(xiàn)1>日本特開(kāi)平4-167580號(hào)公報(bào)<專利文獻(xiàn)2>日本特開(kāi)2000-150977號(hào)公報(bào)<專利文獻(xiàn)3>日本特開(kāi)2004-231500號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
(發(fā)明要解決的問(wèn)題)本發(fā)明的目的在于提供一種壓電性能高、得到足夠的位移且可靠性高的新穎的壓 電元件。(用來(lái)解決問(wèn)題的手段)本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在電極材料中使用與作為壓電材料體的主要構(gòu)成材料的BaTi2O5的晶格匹配性好的Ru與RuO2的混合物，能夠大幅度增加壓電元件的位移，提高壓電 元件的性能和可靠性。本發(fā)明的壓電元件，是通過(guò)把多個(gè)具有以BaTi2O5為主要構(gòu)成材料的壓電材料體 和向該壓電材料體施加電壓的內(nèi)部電極的壓電元件芯片層疊而構(gòu)成壓電元件芯片塊，并把 多個(gè)該壓電元件芯片塊通過(guò)接合層接合起來(lái)而得到的，其特征在于上述內(nèi)部電極覆蓋上 述壓電材料體的與層疊方向垂直的截面地形成，具有在上述壓電元件的一側(cè)面露出的上述內(nèi)部電極上設(shè)置的電絕緣層、和與在上述壓電元件的另一側(cè)面露出的上述內(nèi)部電極連接的外部電極，且上述內(nèi)部電極的主要構(gòu)成材料為Ru與RuO2的混合物。另外，其特征在于作為壓電材料體的主要構(gòu)成材料的BaTi2O5是BaTiO3與TiO2的 混合物。另外，其特征在于=BaTiO3與TiO2的組成比、作為內(nèi)部電極的主要構(gòu)成材料的Ru 與RuO2的組成比大致為1 1。而且，其特征在于壓電材料體含有金紅石結(jié)構(gòu)的晶粒，上述內(nèi)部電極中的RuO2 具有金紅石結(jié)構(gòu)的晶體，且上述壓電材料體的與層疊方向垂直的截面與上述內(nèi)部電極中的 Ru(OOl)晶面和RuO2(OOl)晶面大致平行。壓電材料體中的金紅石結(jié)構(gòu)的晶粒具有Ti02。而且，其特征在于壓電材料體含有銳鈦礦結(jié)構(gòu)的晶粒，上述內(nèi)部電極中的RuO2 具有銳鈦礦結(jié)構(gòu)的晶體，且上述壓電材料體的與層疊方向垂直的截面與上述內(nèi)部電極中的 Ru(OOl)晶面和RuO2(OOl)晶面大致平行。壓電材料體中的銳鈦礦結(jié)構(gòu)的晶粒具有Ti02。此外，其特征在于在接合層與上述壓電材料體之間設(shè)置內(nèi)部電極層，在上述接合 層與內(nèi)部電極層的一邊設(shè)置電絕緣層，在不存在該電絕緣層的另一邊上述內(nèi)部電極層和接 合層與上述外部電極電氣接合。另外，其特征在于作為接合層使用導(dǎo)電性材料。(發(fā)明的效果)本發(fā)明通過(guò)使用與作為壓電材料體的主要構(gòu)成材料的BaTi2O5的晶格匹配性好的 Ru與RuO2的混合物，作為內(nèi)部電極的主要構(gòu)成材料，能夠大幅度增加壓電元件的位移，提高 壓電元件的性能和可靠性。


圖1是示出本發(fā)明的實(shí)施例1的壓電元件的基本結(jié)構(gòu)的縱剖面圖。圖2是示出與現(xiàn)有例比較的本發(fā)明的實(shí)施例1 3的位移量的圖，其中現(xiàn)有例1 壓電材料=BaTi2O5，內(nèi)部電極鉬；現(xiàn)有例2 壓電材料=BaTi2O5，內(nèi)部電極銀鈀合金；實(shí)施例1 壓電材料=BaTi2O5，內(nèi)部電極Ru與RuO2的混合物(隨機(jī)取向)；實(shí)施例2 壓電材料具有銳鈦礦結(jié)構(gòu)的晶粒的BaTi2O5，內(nèi)部電極=RuO2為銳鈦 礦的晶體，晶體排列與壓電材料層疊方向垂直的截面與內(nèi)部電極中的Ru(OOl)晶面和 RuO2(OOl)晶面平行；實(shí)施例3 壓電材料具有金紅石結(jié)構(gòu)的晶粒的BaTi2O5，內(nèi)部電極=RuO2為金紅石 結(jié)構(gòu)的晶體，晶體排列與壓電材料層疊方向垂直的截面與內(nèi)部電極中的Ru(OOl)晶面和 RuO2(OOl)晶面平行。圖3是示出本發(fā)明的實(shí)施例4的壓電元件結(jié)構(gòu)的縱剖面圖。圖4是示出本發(fā)明的實(shí)施例5的壓電元件結(jié)構(gòu)的縱剖面圖。(附圖標(biāo)記說(shuō)明)1、10、20 壓電元件；2,13,23 壓電材料體；3、12 內(nèi)部電極；4,15,25 電絕緣層； 5、14、24 外部電極；6 引線；7、11、21 接合層；T 壓電元件芯片；B 壓電元件芯片塊
具體實(shí)施例方式在以下的實(shí)施方式中，在為了方便而必要時(shí)，把多個(gè)部分或?qū)嵤┓绞椒指钫f(shuō)明，但除特別明示的情況外，某一部分中的一部分或全部變形例、細(xì)節(jié)、補(bǔ)充說(shuō)明等的關(guān)系也適用 于其它部分。另外，在以下的實(shí)施方式中，談及要素的數(shù)值(包括個(gè)數(shù)、數(shù)值、量、范圍等)時(shí)，除 了特別明示或者從原理上看很顯然限定于特定的數(shù)的情形等以外，不限定于該特定的數(shù)。而且，在以下的實(shí)施方式中，不言而喻，其構(gòu)成要素(還包含要素步驟等)，除了特 別明示的情形和從原理上看很顯然認(rèn)為必需的情形等以外，并非是本發(fā)明所必需的。同樣地，在以下的實(shí)施方式中，談及構(gòu)成要素等的形狀、位置關(guān)系等時(shí)，除了特別 明示的情形和從原理上看很顯然認(rèn)為不是那樣的情形等以外，包含基本上與該形狀等近似 或類似的情形等。這一點(diǎn)對(duì)于上述數(shù)值和范圍也是一樣。(實(shí)施例1)下面，用附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。圖1示出本發(fā)明的實(shí)施例1。在壓電元 件1中，覆蓋著以BaTi2O5為主要構(gòu)成材料的壓電材料體2的與層疊方向垂直的表面的整個(gè) 面形成一對(duì)內(nèi)部電極3，作為壓電元件芯片T。另外，本實(shí)施例中，主要構(gòu)成材料指在整個(gè)成 分中占50%以上的材料，為了顯示本發(fā)明的效果，各成分必須在整個(gè)成分中占50%以上。BaTi2O5由鈦酸鋇BaTiO3與氧化鈦TiO2的混合物構(gòu)成，其組成比為1 1時(shí)作為 壓電元件的性能最高。但即使用1 1以外的組成比例如0.7 1.0等，也能夠獲得本發(fā) 明中可以使用的足夠的壓電性能。為了產(chǎn)生壓電作用，壓電元件芯片T具有用一對(duì)內(nèi)部電極3夾著壓電材料體2的 結(jié)構(gòu)。內(nèi)部電極3以作為與BaTi2O5的晶格匹配性好的材料的Ru與RuO2的混合物作為主 要構(gòu)成材料。Ru與RuO2的組成比為1 1時(shí)作為壓電元件的性能最高，但與壓電材料體同 樣地，即使用1 1以外的組成比也能夠獲得本發(fā)明中可以使用的足夠的壓電性能。在此，BaTiO3具有六方晶格的晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)于具有同樣的六方晶格的晶體結(jié)構(gòu)的 Ru，壓電材料體2與內(nèi)部電極3的界面的原子排列是規(guī)則的穩(wěn)定狀態(tài)。另外，六方晶格的晶 體結(jié)構(gòu)具有致密的原子間排列，原子間引力大，因施加的電場(chǎng)而產(chǎn)生大的位移。而且，在多 次重復(fù)使用時(shí)產(chǎn)生的壓電性能的隨時(shí)間劣化也是穩(wěn)定的。 內(nèi)部電極3把壓電材料體2覆蓋到在半導(dǎo)體芯片的截面上大致均勻地產(chǎn)生壓電作 用的程度就可以。本實(shí)施例的壓電元件1，是通過(guò)把多個(gè)由壓電材料體2和內(nèi)部電極3構(gòu)成的壓電元 件芯片T層疊而構(gòu)成壓電元件芯片塊B，進(jìn)而把兩個(gè)壓電元件芯片塊B通過(guò)接合層7接合起 來(lái)而得到的。在壓電元件芯片塊B內(nèi)，相鄰的壓電元件芯片共用內(nèi)部電極3。在圖1中在壓 電元件芯片塊B內(nèi)形成3個(gè)壓電元件芯片，壓電元件芯片塊B的最外側(cè)的壓電材料體2不 具有壓電作用。另外，在內(nèi)部電極3的端部設(shè)置用來(lái)與外部電極5絕緣的電絕緣層4。在圖1中， 在內(nèi)部電極3與上下的外部電極5之間交替地形成電絕緣層4。在不存在電絕緣層4的內(nèi) 部電極3的周圍的其它部分上內(nèi)部電極3與外部電極5電氣接合，在外部電極5上進(jìn)一步 設(shè)置引線6。圖2示出對(duì)于壓電材料體與內(nèi)部電極的各種組合的最大位移量。在實(shí)施例1中，壓電元件的最大位移量達(dá)到0. 07%左右。從圖2可以看出，通過(guò)用Ru與RuO2的混合物作 為內(nèi)部電極以取代現(xiàn)有技術(shù)中作為內(nèi)部電極使用的鉬和銀鈀合金，能夠大幅度增加壓電元 件的最大位移量。(實(shí)施例2)
然后，使壓電元件構(gòu)成為，以具有作為銳鈦礦(anatase)結(jié)構(gòu)的晶粒的TiO2的 BaTi2O5作為壓電材料體，使內(nèi)部電極中的RuO2具有銳鈦礦結(jié)構(gòu)的晶體，且使上述壓電材料 體的與層疊方向垂直的截面與上述內(nèi)部電極中的Ru(OOl)晶面和RuO2(OOl)晶面大致平 行。此時(shí)，壓電材料體與內(nèi)部電極的界面處的晶格匹配性更高，如圖2所示，與實(shí)施例1的 壓電材料體與具有隨機(jī)取向的內(nèi)部電極的組合的情形相比，還能進(jìn)一步增加最大位移量。(實(shí)施例3)進(jìn)而，使壓電元件構(gòu)成為，以具有作為金紅石(rutile)結(jié)構(gòu)的晶粒的TiO2的 BaTi2O5作為壓電材料體，使內(nèi)部電極中的RuO2具有金紅石結(jié)構(gòu)的晶體，且使上述壓電材料 體的與層疊方向垂直的截面與上述內(nèi)部電極中的Ru(OOl)晶面和RuO2(OOl)晶面平行。此 時(shí)，如圖2所示，壓電材料體與內(nèi)部電極的界面處的晶格匹配性最高，與實(shí)施例1、2相比，最 大位移量成為最大。在此，上述的銳鈦礦晶體結(jié)構(gòu)具有使金紅石晶體結(jié)構(gòu)稍微偏離而構(gòu)成的亞穩(wěn)定的 晶體結(jié)構(gòu)。(實(shí)施例4)接著，圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例4。實(shí)施例4是，在壓電元件10中，在接合層 11與壓電材料體13之間也設(shè)置內(nèi)部電極12，在接合層11的端部設(shè)置電絕緣層15，在不存 在電絕緣層15的另一端部將內(nèi)部電極12與外部電極14電氣接合。在本實(shí)施例的情形下， 由于在與接合層11相鄰的壓電材料體13上也可以形成電場(chǎng)，所以與圖1的元件相比用相 同的長(zhǎng)度能夠獲得更大的位移。(實(shí)施例5)圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例5。實(shí)施例5是，在壓電元件20中，利用例如導(dǎo)電性 的粘接劑等構(gòu)成的導(dǎo)電性材料形成接合層21，通過(guò)接合層21接合壓電材料體23，形成電絕 緣層25和外部電極24。此時(shí)也是，與實(shí)施例4同樣地，由于能夠減少壓電的非活性部分，所 以與實(shí)施例4同樣，能夠獲得大的位移。以上，基于實(shí)施方式具體說(shuō)明了由本發(fā)明人完成的發(fā)明，但不言而喻，本發(fā)明不限 于上述實(shí)施方式，在不脫離其主要發(fā)明構(gòu)思的范圍內(nèi)可以做出各種變更。
權(quán)利要求
一種壓電元件，是通過(guò)把多個(gè)具有以BaTi2O5為主要構(gòu)成材料的壓電材料體和向該壓電材料體施加電壓的內(nèi)部電極的壓電元件芯片層疊而構(gòu)成壓電元件芯片塊，并把多個(gè)該壓電元件芯片塊通過(guò)接合層接合起來(lái)而得到的，其特征在于上述內(nèi)部電極覆蓋著上述壓電材料體的與層疊方向垂直的截面形成，具有在上述壓電元件的一側(cè)面露出的上述內(nèi)部電極上設(shè)置的電絕緣層、和與在上述壓電元件的另一側(cè)面露出的上述內(nèi)部電極連接的外部電極，且上述內(nèi)部電極的主要構(gòu)成材料為Ru與RuO2的混合物。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電元件，其特征在于作為上述壓電材料體的主要構(gòu)成材料的BaTi2O5是BaTiO3與TiO2的混合物。
3.如權(quán)利要求2所述的壓電元件，其特征在于BaTiO3與TiO2的組成比大致為1:1。
4.如權(quán)利要求3所述的壓電元件，其特征在于作為上述內(nèi)部電極的主要構(gòu)成材料的Ru與RuO2的組成比大致為1 1。
5.如權(quán)利要求4所述的壓電元件，其特征在于上述壓電材料體含有金紅石結(jié)構(gòu)的晶粒，上述內(nèi)部電極中的RuO2具有金紅石結(jié)構(gòu)的 晶體，且上述壓電材料體的與層疊方向垂直的截面與上述內(nèi)部電極中的Ru(OOl)晶面和 RuO2(OOl)晶面大致平行。
6.如權(quán)利要求5所述的壓電元件，其特征在于上述壓電材料體中的金紅石結(jié)構(gòu)的晶粒具有Ti02。
7.如權(quán)利要求4所述的壓電元件，其特征在于上述壓電材料體含有銳鈦礦結(jié)構(gòu)的晶粒，上述內(nèi)部電極中的RuO2具有銳鈦礦結(jié)構(gòu)的 晶體，且上述壓電材料體的與層疊方向垂直的截面與上述內(nèi)部電極中的Ru(OOl)晶面和 RuO2(OOl)晶面大致平行。
8.如權(quán)利要求7所述的壓電元件，其特征在于上述壓電材料體中的銳鈦礦結(jié)構(gòu)的晶粒具有Ti02。
9.如權(quán)利要求4所述的壓電元件，其特征在于在上述接合層與上述壓電材料體之間設(shè)置內(nèi)部電極層，在上述接合層與內(nèi)部電極層的 一邊設(shè)置電絕緣層，在不存在該電絕緣層的另一邊將上述內(nèi)部電極層和接合層與上述外部 電極電氣接合。
10.如權(quán)利要求4所述的壓電元件，其特征在于作為上述接合層使用導(dǎo)電性材料，在該接合層的一邊設(shè)置電絕緣層，在不存在該電絕 緣層的另一邊將上述接合層與外部電極電氣接合。
全文摘要
提供一種壓電性能高、位移大且可靠性高的壓電元件。該壓電元件具有以BaTi2O5為主要構(gòu)成材料的壓電材料體、和向壓電材料體施加電壓的內(nèi)部電極，內(nèi)部電極的主要構(gòu)成材料采用與壓電材料BaTi2O5的晶格匹配性好的電極材料(Ru與RuO2的混合物)。
文檔編號(hào)H01L41/047GK101814576SQ20091020421
公開(kāi)日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2009年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月22日
發(fā)明者巖崎富生 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所