专利名称：压电元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在粘接剂、涂敷剂等的涂敷装置、喷墨装置、内燃机的燃料喷射装 置等中使用的可以高速且准确地喷出的喷射器的致动器等中的压电元件。
背景技术：
压电元件在各种产业领域上的用途广泛，现在正进行用于各种用途的元件的开 发。其中，作为关于能够实现比较大的位移(行程)的压电元件的以往技术，专利文献1中 记载了把多个具有压电的非活性部分的内部电极结构的子单元重叠得到的压电元件。另外，象专利文献2中所示的那样，是把多个芯片块通过接合层接合起来得到的 压电元件，该芯片块由多个具有压电材料体和内部电极的压电元件芯片层叠得到，是形成 为内部电极覆盖上述压电材料体的与层叠方向垂直的剖面、在压电元件的侧面露出的内部 电极的端部设置电绝缘层的压电元件。但是，近年来，需要达到上述构造方面的要求、且对 环境危害小的材料，要求有取代迄今作为压电材料使用的钛酸锆酸铅(PZT)的不含铅的材 料。作为不含铅的压电材料，已知例如专利文献3中记载的BaTi2O5是有希望的，但 BaTi2O5自身的压电性能不够，不能实现大的位移本发明人发现，在具有以BaTi2O5为主要构 成材料的压电材料体和电压施加电极的压电元件中，作为现有电极使用的钼或银钯与作为 压电材料的BaTi2O5的晶格匹配性差，由于这些界面上原子排列紊乱，所以得不到足够的压 电性能和可靠性。即，在这些压电元件中，施加电压时压电材料体得不到足够的位移，而且 位移随时间减少。<专利文献1>日本特开平4-167580号公报<专利文献2>日本特开2000-150977号公报<专利文献3>日本特开2004-231500号公报
发明内容
(发明要解决的问题)本发明的目的在于提供一种压电性能高、得到足够的位移且可靠性高的新颖的压 电元件。(用来解决问题的手段)本发明人发现，通过在电极材料中使用与作为压电材料体的主要构成材料的BaTi2O5的晶格匹配性好的Ru与RuO2的混合物，能够大幅度增加压电元件的位移，提高压电 元件的性能和可靠性。本发明的压电元件，是通过把多个具有以BaTi2O5为主要构成材料的压电材料体 和向该压电材料体施加电压的内部电极的压电元件芯片层叠而构成压电元件芯片块，并把 多个该压电元件芯片块通过接合层接合起来而得到的，其特征在于上述内部电极覆盖上 述压电材料体的与层叠方向垂直的截面地形成，具有在上述压电元件的一侧面露出的上述内部电极上设置的电绝缘层、和与在上述压电元件的另一侧面露出的上述内部电极连接的外部电极，且上述内部电极的主要构成材料为Ru与RuO2的混合物。另外，其特征在于作为压电材料体的主要构成材料的BaTi2O5是BaTiO3与TiO2的 混合物。另外，其特征在于=BaTiO3与TiO2的组成比、作为内部电极的主要构成材料的Ru 与RuO2的组成比大致为1 1。而且，其特征在于压电材料体含有金红石结构的晶粒，上述内部电极中的RuO2 具有金红石结构的晶体，且上述压电材料体的与层叠方向垂直的截面与上述内部电极中的 Ru(OOl)晶面和RuO2(OOl)晶面大致平行。压电材料体中的金红石结构的晶粒具有Ti02。而且，其特征在于压电材料体含有锐钛矿结构的晶粒，上述内部电极中的RuO2 具有锐钛矿结构的晶体，且上述压电材料体的与层叠方向垂直的截面与上述内部电极中的 Ru(OOl)晶面和RuO2(OOl)晶面大致平行。压电材料体中的锐钛矿结构的晶粒具有Ti02。此外，其特征在于在接合层与上述压电材料体之间设置内部电极层，在上述接合 层与内部电极层的一边设置电绝缘层，在不存在该电绝缘层的另一边上述内部电极层和接 合层与上述外部电极电气接合。另外，其特征在于作为接合层使用导电性材料。(发明的效果)本发明通过使用与作为压电材料体的主要构成材料的BaTi2O5的晶格匹配性好的 Ru与RuO2的混合物，作为内部电极的主要构成材料，能够大幅度增加压电元件的位移，提高 压电元件的性能和可靠性。
图1是示出本发明的实施例1的压电元件的基本结构的纵剖面图。图2是示出与现有例比较的本发明的实施例1 3的位移量的图，其中现有例1 压电材料=BaTi2O5，内部电极钼；现有例2 压电材料=BaTi2O5，内部电极银钯合金；实施例1 压电材料=BaTi2O5，内部电极Ru与RuO2的混合物(随机取向)；实施例2 压电材料具有锐钛矿结构的晶粒的BaTi2O5，内部电极=RuO2为锐钛 矿的晶体，晶体排列与压电材料层叠方向垂直的截面与内部电极中的Ru(OOl)晶面和 RuO2(OOl)晶面平行；实施例3 压电材料具有金红石结构的晶粒的BaTi2O5，内部电极=RuO2为金红石 结构的晶体，晶体排列与压电材料层叠方向垂直的截面与内部电极中的Ru(OOl)晶面和 RuO2(OOl)晶面平行。图3是示出本发明的实施例4的压电元件结构的纵剖面图。图4是示出本发明的实施例5的压电元件结构的纵剖面图。(附图标记说明)1、10、20 压电元件；2,13,23 压电材料体；3、12 内部电极；4,15,25 电绝缘层； 5、14、24 外部电极；6 引线；7、11、21 接合层；T 压电元件芯片；B 压电元件芯片块
具体实施例方式在以下的实施方式中，在为了方便而必要时，把多个部分或实施方式分割说明，但除特别明示的情况外，某一部分中的一部分或全部变形例、细节、补充说明等的关系也适用 于其它部分。另外，在以下的实施方式中，谈及要素的数值(包括个数、数值、量、范围等)时，除 了特别明示或者从原理上看很显然限定于特定的数的情形等以外，不限定于该特定的数。而且，在以下的实施方式中，不言而喻，其构成要素(还包含要素步骤等)，除了特 别明示的情形和从原理上看很显然认为必需的情形等以外，并非是本发明所必需的。同样地，在以下的实施方式中，谈及构成要素等的形状、位置关系等时，除了特别 明示的情形和从原理上看很显然认为不是那样的情形等以外，包含基本上与该形状等近似 或类似的情形等。这一点对于上述数值和范围也是一样。(实施例1)下面，用附图详细说明本发明的实施方式。图1示出本发明的实施例1。在压电元 件1中，覆盖着以BaTi2O5为主要构成材料的压电材料体2的与层叠方向垂直的表面的整个 面形成一对内部电极3，作为压电元件芯片T。另外，本实施例中，主要构成材料指在整个成 分中占50%以上的材料，为了显示本发明的效果，各成分必须在整个成分中占50%以上。BaTi2O5由钛酸钡BaTiO3与氧化钛TiO2的混合物构成，其组成比为1 1时作为 压电元件的性能最高。但即使用1 1以外的组成比例如0.7 1.0等，也能够获得本发 明中可以使用的足够的压电性能。为了产生压电作用，压电元件芯片T具有用一对内部电极3夹着压电材料体2的 结构。内部电极3以作为与BaTi2O5的晶格匹配性好的材料的Ru与RuO2的混合物作为主 要构成材料。Ru与RuO2的组成比为1 1时作为压电元件的性能最高，但与压电材料体同 样地，即使用1 1以外的组成比也能够获得本发明中可以使用的足够的压电性能。在此，BaTiO3具有六方晶格的晶体结构，对于具有同样的六方晶格的晶体结构的 Ru，压电材料体2与内部电极3的界面的原子排列是规则的稳定状态。另外，六方晶格的晶 体结构具有致密的原子间排列，原子间引力大，因施加的电场而产生大的位移。而且，在多 次重复使用时产生的压电性能的随时间劣化也是稳定的。 内部电极3把压电材料体2覆盖到在半导体芯片的截面上大致均勻地产生压电作 用的程度就可以。本实施例的压电元件1，是通过把多个由压电材料体2和内部电极3构成的压电元 件芯片T层叠而构成压电元件芯片块B，进而把两个压电元件芯片块B通过接合层7接合起 来而得到的。在压电元件芯片块B内，相邻的压电元件芯片共用内部电极3。在图1中在压 电元件芯片块B内形成3个压电元件芯片，压电元件芯片块B的最外侧的压电材料体2不 具有压电作用。另外，在内部电极3的端部设置用来与外部电极5绝缘的电绝缘层4。在图1中， 在内部电极3与上下的外部电极5之间交替地形成电绝缘层4。在不存在电绝缘层4的内 部电极3的周围的其它部分上内部电极3与外部电极5电气接合，在外部电极5上进一步 设置引线6。图2示出对于压电材料体与内部电极的各种组合的最大位移量。在实施例1中，压电元件的最大位移量达到0. 07%左右。从图2可以看出，通过用Ru与RuO2的混合物作 为内部电极以取代现有技术中作为内部电极使用的钼和银钯合金，能够大幅度增加压电元 件的最大位移量。(实施例2)
然后，使压电元件构成为，以具有作为锐钛矿(anatase)结构的晶粒的TiO2的 BaTi2O5作为压电材料体，使内部电极中的RuO2具有锐钛矿结构的晶体，且使上述压电材料 体的与层叠方向垂直的截面与上述内部电极中的Ru(OOl)晶面和RuO2(OOl)晶面大致平 行。此时，压电材料体与内部电极的界面处的晶格匹配性更高，如图2所示，与实施例1的 压电材料体与具有随机取向的内部电极的组合的情形相比，还能进一步增加最大位移量。(实施例3)进而，使压电元件构成为，以具有作为金红石(rutile)结构的晶粒的TiO2的 BaTi2O5作为压电材料体，使内部电极中的RuO2具有金红石结构的晶体，且使上述压电材料 体的与层叠方向垂直的截面与上述内部电极中的Ru(OOl)晶面和RuO2(OOl)晶面平行。此 时，如图2所示，压电材料体与内部电极的界面处的晶格匹配性最高，与实施例1、2相比，最 大位移量成为最大。在此，上述的锐钛矿晶体结构具有使金红石晶体结构稍微偏离而构成的亚稳定的 晶体结构。(实施例4)接着，图3示出根据本发明的实施例4。实施例4是，在压电元件10中，在接合层 11与压电材料体13之间也设置内部电极12，在接合层11的端部设置电绝缘层15，在不存 在电绝缘层15的另一端部将内部电极12与外部电极14电气接合。在本实施例的情形下， 由于在与接合层11相邻的压电材料体13上也可以形成电场，所以与图1的元件相比用相 同的长度能够获得更大的位移。(实施例5)图4示出根据本发明的实施例5。实施例5是，在压电元件20中，利用例如导电性 的粘接剂等构成的导电性材料形成接合层21，通过接合层21接合压电材料体23，形成电绝 缘层25和外部电极24。此时也是，与实施例4同样地，由于能够减少压电的非活性部分，所 以与实施例4同样，能够获得大的位移。以上，基于实施方式具体说明了由本发明人完成的发明，但不言而喻，本发明不限 于上述实施方式，在不脱离其主要发明构思的范围内可以做出各种变更。
权利要求
一种压电元件，是通过把多个具有以BaTi2O5为主要构成材料的压电材料体和向该压电材料体施加电压的内部电极的压电元件芯片层叠而构成压电元件芯片块，并把多个该压电元件芯片块通过接合层接合起来而得到的，其特征在于上述内部电极覆盖着上述压电材料体的与层叠方向垂直的截面形成，具有在上述压电元件的一侧面露出的上述内部电极上设置的电绝缘层、和与在上述压电元件的另一侧面露出的上述内部电极连接的外部电极，且上述内部电极的主要构成材料为Ru与RuO2的混合物。
2.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于作为上述压电材料体的主要构成材料的BaTi2O5是BaTiO3与TiO2的混合物。
3.如权利要求2所述的压电元件，其特征在于BaTiO3与TiO2的组成比大致为1:1。
4.如权利要求3所述的压电元件，其特征在于作为上述内部电极的主要构成材料的Ru与RuO2的组成比大致为1 1。
5.如权利要求4所述的压电元件，其特征在于上述压电材料体含有金红石结构的晶粒，上述内部电极中的RuO2具有金红石结构的 晶体，且上述压电材料体的与层叠方向垂直的截面与上述内部电极中的Ru(OOl)晶面和 RuO2(OOl)晶面大致平行。
6.如权利要求5所述的压电元件，其特征在于上述压电材料体中的金红石结构的晶粒具有Ti02。
7.如权利要求4所述的压电元件，其特征在于上述压电材料体含有锐钛矿结构的晶粒，上述内部电极中的RuO2具有锐钛矿结构的 晶体，且上述压电材料体的与层叠方向垂直的截面与上述内部电极中的Ru(OOl)晶面和 RuO2(OOl)晶面大致平行。
8.如权利要求7所述的压电元件，其特征在于上述压电材料体中的锐钛矿结构的晶粒具有Ti02。
9.如权利要求4所述的压电元件，其特征在于在上述接合层与上述压电材料体之间设置内部电极层，在上述接合层与内部电极层的 一边设置电绝缘层，在不存在该电绝缘层的另一边将上述内部电极层和接合层与上述外部 电极电气接合。
10.如权利要求4所述的压电元件，其特征在于作为上述接合层使用导电性材料，在该接合层的一边设置电绝缘层，在不存在该电绝 缘层的另一边将上述接合层与外部电极电气接合。
全文摘要
提供一种压电性能高、位移大且可靠性高的压电元件。该压电元件具有以BaTi2O5为主要构成材料的压电材料体、和向压电材料体施加电压的内部电极，内部电极的主要构成材料采用与压电材料BaTi2O5的晶格匹配性好的电极材料(Ru与RuO2的混合物)。
文档编号H01L41/047GK101814576SQ20091020421
公开日2010年8月25日 申请日期2009年10月14日 优先权日2008年10月22日
发明者岩崎富生 申请人:株式会社日立制作所