DE112018003429B4

DE112018003429B4 - Piezoelektrisches Bauteil, Sensor und Aktor

Info

Publication number: DE112018003429B4
Application number: DE112018003429.1T
Authority: DE
Inventors: Hirozumi Ogawa
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2023-01-12
Anticipated expiration: 2038-10-19
Also published as: DE112018003429T5; US20200176668A1; CN111164775A; CN111164775B; JP7056669B2; US11508901B2; JPWO2019093092A1; WO2019093092A1

Abstract

Piezoelektrisches Bauteil (100), aufweisend:
ein piezoelektrisches Element (10) mit einer piezoelektrischen Keramikschicht (2) und einer gesinterten Metallschicht (1), die auf mindestens einer Hauptoberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht (2) angeordnet ist und ein Nichtedelmetall enthält,
wobei die piezoelektrische Keramikschicht (2) eine Perowskitverbindung als Hauptsubstanz enthält,
wobei die Hauptsubstanz Niob, ein Alkalimetall und Sauerstoff enthält,
wobei ein Gehalt der Hauptsubstanz bezogen auf eine Molgesamtmenge aller in der piezoelektrischen Keramikschicht (2) enthaltenen Substanzen 90 Mol-% oder mehr beträgt,
wobei die gesinterte Metallschicht (1) und die piezoelektrische Keramikschicht (2) durch Co-Sintern gebildet werden,
wobei eine Dicke des piezoelektrischen Elements (10) 100 µm oder weniger beträgt und
wobei die beiden gesamten Hauptoberflächen des piezoelektrischen Elements (10) mit einer Schutzschicht (4) bedeckt sind, die einen elastischen Körper enthält.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauteil, einen Sensor und einen Aktor.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Eine piezoelektrische Vorrichtung, die hauptsächlich aus einer piezoelektrischen Keramik besteht, wird verbreitet als Aktor und jeweils als unterschiedliche Sensoren verwendet. Bei einem piezoelektrischen Aktor wird beispielsweise die elektrische Eingangsenergie durch einen inversen piezoelektrischen Effekt in mechanische Energie umgewandelt, und der piezoelektrische Aktor steuert die Ansteuerung verschiedener elektronischer Vorrichtungen. Außerdem wird bei einem piezoelektrischen Sensor die mechanische Eingangsenergie durch einen piezoelektrischen Effekt in elektrische Energie umgewandelt, und der piezoelektrische Sensor kann unter Nutzung der elektrischen Energie als elektrisches Signal einen Druckwert, eine Beschleunigung und dergleichen messen.
Herkömmlicherweise wird die piezoelektrische Vorrichtung durch ein Verfahren zum Verbinden einer piezoelektrischen Keramik mit einem Substrat, ein Verfahren zum Aufbringen einer piezoelektrischen Körperpaste auf das Substrat oder dergleichen gebildet. Da diese Verfahren jedoch das Substrat erfordern, weist ein Verschmälern der piezoelektrischen Vorrichtung eine Einschränkung auf. Da sich das Substrat nicht wesentlich durchbiegen kann, besteht zudem ein Problem, dass die piezoelektrische Vorrichtung nicht ausreichend als Auslenkungssensor oder dergleichen funktioniert.
Aus diesem Grund wurde ein Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Vorrichtung ohne Verwendung eines Substrats vorgeschlagen. WO 2015/ 166 914 A1 (Patentdokument 1) offenbart zum Beispiel ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Elements, bei dem durch Co-Sintern einer Alkaliniobat-Piezokeramik und eines gesinterten Metalls, das ein Nichtedelmetall enthält, kein Substrat verwendet und die Erzeugung von Rissen und dergleichen unterbunden wird.
Um den Bruch eines piezoelektrischen Elements zu verhindern, werden eine piezoelektrische Vorrichtung, bei der ein isolierender Film auf einen leitfähigen Film aufgebracht ist (Patentdokument 2: WO 2017/ 073 317 A1 ), eine piezoelektrische Vorrichtung, bei der ein piezoelektrisches Element, das durch das Vorsehen einer piezoelektrischen Körperschicht auf einem Harzfilmsubstrat hergestellt wird, durch einen Schutzfilm geschützt wird (Patentdokument 3: JP 2000- 337 971 A ), und dergleichen offenbart.
DE 38 81 668 T2 zeigt ein piezoelektrisches Bauteil in Form einer Vibrator-Pumpe aufweisend ein piezoelektrisches Element mit einer piezoelektrischen Keramikschicht. Beide Hauptoberflächen des piezoelektrischen Elements sind mit einer Schutzschicht bedeckt.
Weitere piezoelektrische Bauteile sind aus der WO 2016 / 157 855 A1 und der DE 10 2012 222 239 A1 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Allerdings kann auch das in Patentdokument 1 beschriebene piezoelektrische Element brechen, wenn sich das piezoelektrische Element in einem Fall, in dem das piezoelektrische Element dünn ist (100 µm oder weniger), erheblich durchbiegt. Da der isolierende Film einen teilweise geöffneten Teil zur Elektrodenverlängerung aufweist, können in Patentdokument 2 auch leicht Risse an dem Teil erzeugt werden, wenn sich das piezoelektrische Element durchbiegt. Da ferner in Patentdokument 3 ein piezoelektrisches Keramikmaterial auf Bleibasis (das hauptsächlich PZT: Bleizirkonattitanat enthält) oder dergleichen als Material für den piezoelektrischen Körper verwendet wird, ist ein Substrat erforderlich. Patentdokument 3 hat auch das Problem, dass es aufgrund der Bildung des Materials durch ein hydrothermales Syntheseverfahren schwierig ist, die Zusammensetzungen zu steuern, die gewünschten Eigenschaften nicht erreicht werden können und die Abweichung der Eigenschaften erheblich ist.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehenden Probleme entwickelt, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein piezoelektrisches Bauteil mit einem piezoelektrischen Element, das einen Bruch des piezoelektrischen Elements auch dann unterbinden kann, wenn das piezoelektrische Element kein Substrat umfasst und wenn das piezoelektrische Element dünn ist (100 µm oder weniger), einen Sensor, der das piezoelektrische Bauteil umfasst, und einen Aktor, der das piezoelektrische Bauteil umfasst, bereitzustellen.
Mittel zum Lösen des Problems
Piezoelektrisches Bauteil, aufweisend:

ein piezoelektrisches Element mit einer piezoelektrischen Keramikschicht und einer gesinterten Metallschicht, die auf mindestens einer Hauptoberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht angeordnet ist und ein Nichtedelmetall enthält,
wobei die piezoelektrische Keramikschicht eine Perowskitverbindung als Hauptsubstanz enthält,
wobei die Hauptsubstanz Niob, ein Alkalimetall und Sauerstoff enthält,
wobei ein Gehalt der Hauptsubstanz bezogen auf eine Molgesamtmenge aller in der piezoelektrischen Keramikschicht enthaltenen Substanzen 90 Mol-% oder mehr beträgt,
wobei die gesinterte Metallschicht und die piezoelektrische Keramikschicht durch Co-Sintern gebildet werden,
wobei eine Dicke des piezoelektrischen Elements 100 µm oder weniger beträgt und
wobei die beiden gesamten Hauptoberflächen des piezoelektrischen Elements mit einer Schutzschicht bedeckt sind, die einen elastischen Körper enthält.

Piezoelektrisches Bauteil nach [1], wobei eine Endfläche des piezoelektrischen Elements mit der Schutzschicht bedeckt ist.
Piezoelektrisches Bauteil nach [1] oder [2], wobei eine Dicke T4 der Schutzschicht das Dreifache oder mehr einer Gesamtdicke T aus einer Dicke T1 der gesinterten Metallschicht und einer Dicke T2 der piezoelektrischen Keramikschicht beträgt.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem von [1] bis [3], wobei die Dicke T4 der Schutzschicht 10 cm oder weniger beträgt.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem von [1] bis [4], wobei der elastische Körper eine Asker-C-Härte von 5 oder mehr und 150 oder weniger aufweist.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem von [1] bis [4], wobei der elastische Körper einen Youngschen Elastizitätsmodul von 0,05 GPa oder mehr und 8 GPa oder weniger aufweist.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem von [1] bis [6], wobei der elastische Körper mindestens eines gewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyethylen, Vinylchlorid, Polypropylen, Polystyrol, Acrylharz, ABS-Harz, Polyamid, Polycarbonat, Polymilchsäure, Teflon (eingetragene Marke), Silikon und Urethan enthält.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem von [1] bis [7], welches weiterhin ein Verstärkungselement auf einer Hauptoberfläche der Schutzschicht umfasst, die einer mit dem piezoelektrischen Element in Kontakt stehenden Oberfläche gegenüberliegt.
Piezoelektrisches Bauteil nach [8], wobei das Verstärkungselement mindestens eines gewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstofffaser, Glasfaser, Zellulosefaser und Metallfaser enthält.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem von [1] bis [9], welches weiterhin einen elektrisch mit dem piezoelektrischen Element verbundenen leitfähigen Draht umfasst.
Piezoelektrisches Bauteil nach [10], welches weiterhin eine leitfähige Platte umfasst,
wobei der leitfähige Draht mit dem piezoelektrischen Element verbunden ist, wobei die leitfähige Platte dazwischen angeordnet ist.
Piezoelektrisches Bauteil nach [11], wobei der leitfähige Draht mit dem piezoelektrischen Element so verbunden ist, dass er vom piezoelektrischen Element entfernt ist, wobei die leitfähige Platte dazwischen angeordnet ist.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem von [10] bis [12],
wobei der leitfähige Draht mit dem piezoelektrischen Element durch einen leitfähigen Klebstoff verbunden ist und
wobei der leitfähige Klebstoff ein Harz auf Epoxid- oder Silikonbasis enthält, das einen leitfähigen Füllstoff enthält.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem von [10] bis [13],
wobei der leitfähige Draht mit dem piezoelektrischen Element durch einen leitfähigen Klebstoff verbunden ist und
wobei der leitfähige Klebstoff Lot und ein wärmehärtbares Harz enthält.
Sensor, welcher das piezoelektrische Bauteil nach einem von [1] bis [14] umfasst.
Aktor, welcher das piezoelektrisches Bauteil nach einem von [1] bis [14] umfasst.
Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein piezoelektrisches Bauteil mit einem piezoelektrischen Element, das einen Bruch des piezoelektrischen Elements auch dann unterbinden kann, wenn das piezoelektrische Element kein Substrat enthält und wenn das piezoelektrische Element dünn ist (100 µm oder weniger), einen Sensor, der das piezoelektrische Bauteil umfasst, und einen Aktor, der das piezoelektrische Bauteil umfasst, bereitzustellen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittansicht eines piezoelektrischen Bauteils nach Ausführungsform 1.
2 ist eine schematische Querschnittansicht eines Abwandlungsbeispiels des piezoelektrischen Elements nach Ausführungsform 1.
3 ist eine schematische Querschnittansicht eines piezoelektrischen Elements nach Ausführungsform 2.
4 ist ein Foto des gesamten piezoelektrischen Bauteils nach Ausführungsform 1.
5 ist eine schematische Querschnittansicht, die ein Beispiel eines piezoelektrischen Bauteils nach Ausführungsform 3 zeigt.
6 ist eine schematische Querschnittansicht, die ein Beispiel eines piezoelektrischen Bauteils nach Ausführungsform 4 zeigt.
7 ist eine schematische Querschnittansicht, die ein Beispiel eines piezoelektrischen Bauteils nach Ausführungsform 5 zeigt.
8 ist eine schematische Ansicht zum Beschreiben eines Dreipunkttests von Biegeeigenschaften in Beispielen.
9 ist eine schematische Ansicht zum Beschreiben einer Beziehung zwischen der Dicke eines piezoelektrischen Elements und einer zu erzeugenden elektrischer Ladung.
10 ist eine schematische Querschnittansicht, die einen Dreipunkttest von Biegeeigenschaften eines piezoelektrischen Bauteils in einem Vergleichstest zeigt.

METHODE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Unter Bezug auf die Zeichnungen werden nachstehend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. In den Zeichnungen geben die gleichen Bezugszeichen die gleichen oder entsprechende Bauteile an.
Darüber hinaus werden die Maßbeziehungen hinsichtlich Länge, Breite, Dicke und Tiefe aus Gründen der Klarheit und Vereinfachung der Zeichnungen nach Bedarf geändert und stellen keine tatsächlichen Maßbeziehungen dar.
<Ausführungsform 1>
Unter Bezugnahme auf 1 bis 4 umfasst ein piezoelektrisches Bauteil 100 nach der vorliegenden Erfindung ein piezoelektrisches Element 10 mit einer piezoelektrischen Keramikschicht 2 und einer gesinterten Metallschicht 1, die auf mindestens einer Hauptoberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht 2 vorgesehen ist und ein Nichtedelmetall enthält. Das piezoelektrische Element 10 kann auch eine Außenelektrodenschicht 3 auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht 2 enthalten, die der mit der gesinterten Metallschicht 1 versehenen Oberfläche gegenüberliegt.
(Schutzschicht)
Die beiden Hauptoberflächen des piezoelektrischen Elements 10 sind vollständig mit einer Schutzschicht 4 bedeckt, die einen elastischen Körper enthält. Die beiden Hauptoberflächen des piezoelektrischen Elements 10 sind vollständig (vorzugsweise gleichmäßig) mit der Schutzschicht 4 bedeckt, damit die piezoelektrische Keramikschicht 2 und die gesinterte Metallschicht 1 nicht freiliegen, damit eine auf das piezoelektrische Element 10 ausgeübte Spannung verteilt wird und ein Bruch des piezoelektrischen Elements auch in einem Fall verhindert werden kann, in dem relativ hohe Spannung ausgeübt wird.
Da das piezoelektrische Element 10 mit der Schutzschicht 4 bedeckt und somit in dem piezoelektrischen Bauteil 100 eingebettet ist, kann auch Dehnung innerhalb des piezoelektrischen Bauteils gemessen werden. Andererseits kann in einem Fall, in dem das piezoelektrische Element nachträglich mit der Oberfläche eines elastischen Körpers oder dergleichen verklebt wird, die Dehnung im Inneren des piezoelektrischen Bauteils nicht gemessen werden. Ferner ist es in einem Fall, in dem das piezoelektrische Element im Inneren eingebettet ist, möglich, Prozesse und Kosten bei der Herstellung des piezoelektrischen Bauteils und eines piezoelektrischen Sensors, eines Aktors und dergleichen, die das piezoelektrische Bauteil verwenden, stärker zu reduzieren als in einem Fall, in dem das piezoelektrische Element nachträglich verklebt wird.
Die Schutzschicht 4 kann z.B. durch ein Spritzgussverfahren gebildet werden. Insbesondere kann das piezoelektrische Element 10 mit der Schutzschicht 4, die einen elastischen Körper enthält, bedeckt werden, indem in einem Zustand, in dem das piezoelektrische Element 10 an einer vorbestimmten Position in einem Spritzgießwerkzeug angeordnet ist, ein elastisches Rohmaterial, das als Material für die Schutzschicht dient, in das Werkzeug eingespritzt wird. Alternativ kann die Schutzschicht 4 gebildet werden, indem eine Aufschlämmung, die das elastische Rohmaterial enthält, auf die beiden Hauptoberflächen des piezoelektrischen Elements 10 aufgetragen und die Aufschlämmung verfestigt wird.
Da indessen ein piezoelektrisches Element, das ein organisches Material enthält, eine Temperatur mit geringer Wärmebeständigkeit aufweist, kann eine Schutzschicht normalerweise nicht durch Spritzgießen gebildet werden. Das in der vorliegenden Erfindung verwendete piezoelektrische Element weist jedoch eine Temperatur mit hoher Wärmebeständigkeit auf, und die Schutzschicht kann durch Spritzgießen gebildet werden. Während ein herkömmliches piezoelektrisches Element, das eine piezoelektrische Keramik auf Bleibasis verwendet, ein Substrat benötigt, benötigt das piezoelektrische Element, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kein Substrat und weist daher eine hohe Ansprechempfindlichkeit auf. Die vorliegende Erfindung ist auch insofern von Bedeutung, als ein derart hochempfindliches piezoelektrisches Element durch Spritzgießen oder dergleichen in einem Harzmaterial oder dergleichen (Schutzschicht 4) untergebracht werden kann.
Nicht nur die beiden Hauptoberflächen des piezoelektrischen Elements 10, sondern auch die Endflächen des piezoelektrischen Elements 10 (die Oberflächen des piezoelektrischen Elements 10, die nicht die beiden Hauptoberflächen sind) werden vorzugsweise mit der Schutzschicht 4 bedeckt. Folglich wird ein Bruch der Endabschnitte des piezoelektrischen Elements 10 unterbunden, und eine Wirkung der Unterbindung eines Bruchs des piezoelektrischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiter verstärkt. Darüber hinaus wird in einem Fall, in dem sowohl die gesamten Hauptals auch die Endflächen des piezoelektrischen Elements 10 mit der Schutzschicht 4 bedeckt sind, die einen elastischen, keine Feuchtigkeit übertragenden Körper enthält, das piezoelektrische Element 10 keiner Feuchtigkeit ausgesetzt. Dadurch kann die Haltbarkeit (Feuchtigkeitsbeständigkeit oder dergleichen) des piezoelektrischen Elements 10 weiter verbessert werden.
In der vorliegenden Erfindung beträgt eine Dicke T4 der Schutzschicht 4 bevorzugt das Dreifache oder mehr einer Gesamtdicke T aus einer Dicke T1 der gesinterten Metallschicht 1 und einer Dicke T2 der piezoelektrischen Keramikschicht 2.
Hier schließt die Dicke T nicht die Dicke einer Elektrode ein, die nicht das gesinterte Metall ist (wie die Außenelektrodenschicht 3). Indessen bezeichnet die Dicke T4 der Schutzschicht 4 eine Dicke in einer Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht 2, und eine Dicke (Länge) in einer Richtung senkrecht zur Endfläche ist nicht besonders beschränkt. In einem Fall, in dem die Dicke T4 der Schutzschicht in diesem Bereich liegt, kann die Festigkeit des piezoelektrischen Elements 10 weiter verbessert werden. Die Dicken der oberen und unteren Schutzschichten, die mit den Hauptoberflächen des piezoelektrischen Elements 10 in Kontakt stehen, können gleich oder unterschiedlich sein, solange die Dicke T4 mindestens einer der oberen und unteren Schutzschichten innerhalb des vorstehenden Bereichs liegt. In einem Fall indessen, in dem die Dicken der oberen und unteren Schutzschicht unterschiedlich sind (in einem Fall, in dem sich das piezoelektrische Element nicht in der Mitte des piezoelektrischen Bauteils befindet), tritt eine Spannungsübertragung wahrscheinlicher auf als in einem Fall, in dem die Dicken der oberen und unteren Schutzschicht gleich sind.
In der vorliegenden Erfindung beträgt die Dicke T4 der Schutzschicht 4 vorzugsweise 50 µm oder mehr und 10 cm oder weniger. In einem Fall, in dem die Dicke T4 der Schutzschicht länger als 10 cm ist, kommt es zu weniger Spannungsübertragung und ein Antwortsignal ist schwierig zu erhalten. Auch in einem Fall, in dem die Dicke T4 der Schutzschicht weniger als 50 µm beträgt, kann Spannung nicht ausreichend verteilt werden, und die Wirkung des Unterbindens eines Bruchs des piezoelektrischen Elements kann unzureichend sein.
In der vorliegenden Erfindung bezeichnet der elastische Körper einen Gegenstand, der sich verformt, wenn eine Kraft, die schwächer als eine bestimmte Kraft ist, aufgebracht wird, und der bei Wegfall der Kraft in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Beispiele für ein Material für den elastischen Körper sind Harz und Kautschuk. Der Zustand jedes dieser Bestandteile ist z.B. fest oder gelartig.
Der elastische Körper enthält bevorzugt mindestens eines (ein Harz) gewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyethylen, Vinylchlorid, Polypropylen, Polystyrol, Acrylharz, ABS-Harz, Polyamid, Polycarbonat, Polymilchsäure, Teflon (eingetragene Marke), Silikon und Urethan.
Die Asker-C-Härte des elastischen Körpers beträgt vorzugsweise 5 oder mehr und 150 oder weniger, und bevorzugter 5 oder mehr und 100 oder weniger. Liegt die Härte des elastischen Körpers in diesem Bereich, kann die Festigkeit des piezoelektrischen Elements weiter verbessert und ein Bruch des piezoelektrischen Elements zuverlässiger unterbunden werden. Die Asker-C-Härte kann mit einem Asker-Gummihärtemesser Typ C (z.B. hergestellt von Kobunshi Keiki Co., Ltd.) gemessen werden. Die Asker-C-Härte ist ein Index (Elastizitätsmodul), der die Härte (elastische Eigenschaft) des elastischen Körpers in einem Fall, in dem der elastische Körper ein Gel oder Kautschuk ist, geeignet darstellen kann.
Der elastische Körper hat vorzugsweise einen Youngschen Elastizitätsmodul von 0,05 GPa oder mehr und 8 GPa oder weniger auf. Liegt der Youngsche Elastizitätsmodul des elastischen Körpers in diesem Bereich, kann die Festigkeit des piezoelektrischen Elements weiter verbessert und ein Bruch des piezoelektrischen Elements zuverlässiger unterbunden werden. Der Youngsche Elastizitätsmodul ist ein Index, der die elastische Eigenschaft des elastischen Körpers in einem Fall, in dem der elastische Körper aus Harz (aushärtendes Harz) oder dergleichen besteht, geeignet darstellen kann.
(Piezoelektrisches Element)
Bei dem in dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Bauteil 100 verwendeten piezoelektrischen Element 10 enthält die piezoelektrische Keramikschicht 2 als Hauptsubstanz eine Perowskitverbindung. Die Hauptsubstanz enthält Niob, ein Alkalimetall und Sauerstoff, und der Gehalt der Hauptsubstanz bezogen auf die gesamte Molmenge aller in der piezoelektrischen Keramikschicht 2 enthaltenen Substanzen beträgt 90 Mol-% oder mehr.
Die Dicke des piezoelektrischen Elements 10 beträgt 100 µm oder weniger.
Als piezoelektrisches Element 10 kann z.B. das in der Internationalen Veröffentlichung Nr. 2015/166914 beschriebene piezoelektrische Element adäquat verwendet werden. In einem Fall, in dem das piezoelektrische Element ein hartes Substrat umfasst, kann sich das piezoelektrische Element nicht wesentlich durchbiegen. Da das erfindungsgemäße piezoelektrische Element jedoch kein Substrat benötigt, biegt sich das erfindungsgemäße piezoelektrische Element unter Belastung leicht durch und fungiert als Sensor mit hoher Genauigkeit.
Durch die Verringerung der Dicke des piezoelektrischen Elements 10, das kein Substrat umfasst, kann die zu erzeugende elektrische Ladung bei gleicher Krafteinwirkung erhöht werden. Da das piezoelektrische Element dünn ist, kann analog die anzulegende elektrische Spannung beim Ansteuern der piezoelektrischen Vorrichtung verringert werden.
Nachstehend wird die Beziehung zwischen der Dicke des piezoelektrischen Elements und der elektrischen Ladung anhand von 9 beschrieben. In einem Fall, in dem eine Kraft F auf das piezoelektrische Element (eine Länge L, eine Breite b und eine Dicke t) ausgeübt wird, wird die Biegespannung σ durch Gleichung (1) unter Verwendung eines Biegemoments M und eines Widerstandsmoments Z ausgedrückt.
[Gleichung 1] $σ = \frac{M}{Z} = \frac{FL}{\frac{{bt}^{2}}{6}}$
Aus einer piezoelektrischen Gleichung wird ein elektrisches Feld E durch Gleichung (2) unter Verwendung einer piezoelektrischen Konstante d, der Biegespannung σ und einer Dielektrizitätskonstante ε ausgedrückt.
[Gleichung 2] $E = \frac{d}{ε} σ = \frac{6 dFL}{ε {bt}^{2}}$
Da das piezoelektrische Element ein Kondensator ist, wird Gleichung (3) unter Verwendung der elektrischen Ladung Q, der Kapazität C und der Spannung V aufgestellt.
[Gleichung 3] $Q = C V = ε \frac{L b}{t} E t = \frac{6 d F L^{2}}{t^{2}}$
D.h. wenn die Dicke t des piezoelektrischen Elements abnimmt, steigt die zu erzeugende elektrische Ladung bei 1/t₂ und die Anzahl von Antwortsignalen nimmt zu. Aus diesem Grund kann das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht werden.
Unter Bezugnahme auf 1 ist das erfindungsgemäße piezoelektrische Element 10 z.B. in Form einer flachen Platte ausgeführt.
Das piezoelektrische Element 10 umfasst die gesinterte Metallschicht 1, die ein Nichtedelmetall enthält, die piezoelektrische Keramikschicht 2, die integral mit der gesinterten Metallschicht 1 auf der gesinterten Metallschicht 1 vorgesehen ist, und die Außenelektrodenschicht 3, die auf der piezoelektrischen Keramikschicht 2 vorgesehen ist. Hier sind die gesinterte Metallschicht 1 und die Außenelektrodenschicht 3 jeweils auf der Unterseite und der Oberseite der piezoelektrischen Keramikschicht 2, die einander gegenüberliegen, angeordnet, und die gesinterte Metallschicht 1 und die Außenelektrodenschicht 3 liegen einander gegenüber, wobei die piezoelektrische Keramikschicht 2 dazwischen gesetzt ist.
Die gesinterte Metallschicht 1, die ein Nichtedelmetall enthält, hat eine Struktur, bei der mehrere Kristallkörner eines Nichtedelmetalls in Kontakt miteinander befestigt sind. Hier ist das Nichtedelmetall ein anderes Metall als Gold (Au), Silber (Ag), Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru) und Osmium (Os). Das gesinterte Metall bezeichnet ein Metall, das sich vor dem Sintern der piezoelektrischen Keramik in einem Metallpulverzustand befindet und gleichzeitig mit der piezoelektrischen Keramik zu einem dünnen, plattenähnlichen Metall co-gesintert wird. Indessen ist eine Innenelektrode im weiteren Sinne in dem gesinterten Metall enthalten. In diesem Zusammenhang wird jedoch ein gesintertes Metall, auf dessen beiden Hauptoberflächen die piezoelektrische Keramikschicht 2 vorhanden ist, als „Innenelektrode“ definiert, und ein gesintertes Metall, bei dem nur auf einer Hauptoberfläche die piezoelektrische Keramikschicht 2 vorhanden ist, wird als „gesinterte Metallschicht“ definiert.
Um die gesinterte Metallschicht 1 kostengünstig zu bilden, wird als Nichtedelmetall, das für die gesinterte Metallschicht 1 verwendet wird, vorzugsweise ein Metall verwendet, das mindestens eine Art enthält, die aus der Gruppe bestehend aus Nickel (Ni), Kupfer (Cu) und Aluminium (Al) gewählt wird, ein Metall, das mindestens entweder Ni oder Cu enthält, wird bevorzugter verwendet und ein Metall, das Ni verwendet, wird noch bevorzugter verwendet. Insbesondere in einem Fall, in dem das piezoelektrische Element dünn ist (z.B. 100 µm oder weniger), ist die Verwendung von Ni als Nichtedelmetall vorteilhafter als die Verwendung von Cu, da das Auftreten von Migration unterbunden werden kann.
Die piezoelektrische Keramikschicht 2 enthält als Hauptsubstanz eine Perowskitverbindung, die Hauptsubstanz enthält Niob (Nb), ein Alkalimetall und Sauerstoff (O), und der Gehalt der Hauptsubstanz bezogen auf die gesamte Molmenge aller in der piezoelektrischen Keramikschicht 2 enthaltenen Substanzen beträgt 90 Mol-% oder mehr.
Die vorstehend erwähnte Perowskitverbindung als Hauptsubstanz kann indessen Tantal (Ta) enthalten.
Darüber hinaus kann als Nebensubstanz neben der Hauptsubstanz (Perowskitverbindung) mindestens eine Art gewählt aus der Gruppe bestehend aus Barium (Ba), Strontium (Sr), Calcium (Ca), Zirkonium (Zr), Titan (Ti), Zinn (Sn), Mangan (Mn), Ni, Scandium (Sc), Yttrium (Y), Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu) beispielsweise erwähnt werden.
Die piezoelektrische Keramikschicht 2 wird integral mit der gesinterten Metallschicht 1 vorgesehen. D.h. an einer Bindungsgrenzfläche zwischen der gesinterten Metallschicht 1 und der piezoelektrischen Keramikschicht 2 werden Kristallkörner des in der gesinterten Metallschicht 1 enthaltenen Nichtedelmetalls und Kristallkörner der in der piezoelektrischen Keramikschicht 2 enthaltenen piezoelektrischen Keramik in Kontakt miteinander befestigt, um eine integrale Bindung zwischen der gesinterten Metallschicht 1 und der piezoelektrischen Keramikschicht 2 zu bewirken.
Die Außenelektrodenschicht 3 ist nicht besonders beschränkt, solange die Außenelektrodenschicht 3 ein Element ist, das ein leitfähiges Material wie z.B. ein Nichtedelmetall enthält und das von außen Strom in die piezoelektrische Keramikschicht 2 einspeisen oder Strom aus der piezoelektrischen Keramikschicht 2 nach außen befördern kann. Die Außenelektrodenschicht 3 wird nach dem Sintern der piezoelektrischen Keramikschicht 2 gebildet, z.B. durch Sputtern, Dampfabscheidung oder Wärmebehandlung der Metallpaste.
Außerdem ist die einzige auf dem piezoelektrischen Element 10 gebildete Elektrode vorzugsweise die gesinterte Metallschicht 1. Ein Abwandlungsbeispiel des piezoelektrischen Elements, bei dem die Außenelektrodenschicht 3 in Ausführungsform 1 die gesinterte Metallschicht 1 ist, ist in 2 dargestellt. Da in diesem Fall die piezoelektrische Keramikschicht 2 und die Außenelektrodenschicht 3 integral vorgesehen sind, werden an einer Bindungsgrenzfläche zwischen der piezoelektrischen Keramikschicht 2 und der Außenelektrodenschicht 3 Kristallkörner der piezoelektrischen Keramik, die in der piezoelektrischen Keramikschicht 2 enthalten sind, und Kristallkörner eines leitfähigen Materials wie z.B. eines Nichtedelmetalls, die in der Außenelektrodenschicht 3 enthalten sind, in Kontakt miteinander befestigt. Dadurch wird die Bindung zwischen der piezoelektrischen Keramikschicht 2 und der Außenelektrodenschicht 3 stärker, und das Auftreten von Ablösen der Außenelektrodenschicht 3 von der piezoelektrischen Keramikschicht 2 kann wirksam unterbunden werden.
(Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Elements)
Nachstehend wird ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Elements 10 gemäß Ausführungsform 1 beschrieben.
Zunächst werden ein piezoelektrisches Keramikpulver und ein Nichtedelmetallpulver hergestellt.
Das piezoelektrische Keramikpulver ist eine Substanz, die durch das nachstehend erwähnte Co-Sintern zur piezoelektrischen Keramikschicht 2 wird. Das piezoelektrische Keramikpulver kann z.B. dadurch gewonnen werden, dass mindestens Nb-Oxidpulver und Alkalimetallcarbonatpulver so abgewogen werden, dass der Gehalt der als Hauptsubstanz dienenden Perowskitverbindung 90 Mol-% oder mehr beträgt, diese dann gemischt werden, um piezoelektrisches Keramikrohmaterialpulver herzustellen, und das Pulver kalziniert und dann pulverisiert wird. Das piezoelektrische Keramikpulver kann, muss aber nicht mit einer anderen Substanz kombiniert werden und kann in einer anderen Form als Pulver vorliegen, wie z.B. in Form von einer Platte, eines Bands oder einer Paste.
Das Nichtedelmetallpulver ist eine Substanz, die durch das nachstehend erwähnte Co-Sintern zur gesinterten Metallschicht 1 wird, die ein Nichtedelmetall enthält. Analog kann das Nichtedelmetallpulver mit einer anderen Substanz kombiniert werden, muss es aber nicht, und es kann in einer anderen Form als in Pulverform, vorliegen, wie z.B. in Form einer Platte, eines Bandes oder einer Paste. In einem Fall, in dem das Nichtedelmetallpulver in Form einer Platte oder eines Bandes vorliegt, ist das Nichtedelmetallpulver homogen. In einem Fall, in dem das piezoelektrische Element 10 dünn ist, wird das Nichtedelmetallpulver gleichmäßig gesintert, und das piezoelektrische Element 10 bricht daher weniger leicht. Aus diesem Grund ist die Form des Nichtedelmetallpulvers bevorzugter eine Plattenform oder Bandform.
Anschließend werden das Nichtedelmetallpulver und das piezoelektrische Keramikpulver laminiert. Die Art des Laminierens des Nichtedelmetallpulvers und des piezoelektrischen Keramikpulvers ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann eine Methode verwendet werden, bei der nach dem Vorsehen des Nichtedelmetallpulvers in Form einer Platte oder eines Bandes auf der Oberfläche eines Substrats, z.B. eines Polyethylenterephthalat(PET)-Films, das piezoelektrische Keramikpulver in Form einer Platte, eines Bandes oder einer Paste auf das Nichtedelmetallpulver aufgebracht wird. Indessen wird der PET-Film vor dem Co-Sintern abgezogen.
Anschließend wird ein Co-Sintern in einem Zustand durchgeführt, in dem das Nichtedelmetallpulver und das piezoelektrische Keramikpulver laminiert sind, um ein Integrieren der gesinterten Metallschicht 1 und der piezoelektrischen Keramikschicht 2 zu bewirken. An einer Bindungsgrenzfläche zwischen der gesinterten Metallschicht 1 und der piezoelektrischen Keramikschicht 2 werden Kristallkörner des in der gesinterten Metallschicht 1 enthaltenen Nichtedelmetalls und Kristallkörner der in der piezoelektrischen Keramikschicht 2 enthaltenen piezoelektrischen Keramik in Kontakt miteinander befestigt, um ein Integrieren der gesinterten Metallschicht 1 und der piezoelektrischen Keramikschicht 2 zu bewirken. Dadurch wird eine hohe Bindungsfestigkeit zwischen der gesinterten Metallschicht 1 und der piezoelektrischen Keramikschicht 2 aufgebaut.
Indessen wird bei Bildung des piezoelektrischen Elements 10, das die piezoelektrische Keramikschicht 2 und die gesinterte Metallschicht 1 umfasst, oder bei Bildung des piezoelektrischen Elements 10, das die piezoelektrische Keramikschicht 2 einschließlich der Innenelektrode und die gesinterte Metallschicht 1 umfasst, das piezoelektrische Element vorzugsweise zwischen zwei Keramiken gesetzt, die mindestens eine Substanz gewählt aus der Gruppe bestehend aus ZrO₂, Al₂O₃ und SiO₂ als Hauptsubstanz enthalten, und co-gesintert. Die Keramik kann dicht sein oder Poren aufweisen. Die Keramik kann plattenförmig oder massiv sein oder eine gekrümmten Oberfläche aufweisen. Auf diese Weise kann eine unbeabsichtigte Verformung zum Zeitpunkt des Co-Sinterns unterbunden werden.
Hier wird das Co-Sintern des Nichtedelmetallpulvers und des piezoelektrischen Keramikpulvers vorzugsweise unter einer Atmosphäre durchgeführt, bei der der Sauerstoffpartialdruck das 1000-fache oder weniger des Sauerstoffpartialdrucks beträgt, bei dem sich das im Nichtedelmetallpulver enthaltene Nichtedelmetall (das in der gesinterten Metallschicht 1 enthaltene Nichtedelmetall) und das Nichtedelmetalloxid im Gleichgewicht befinden. Wenn der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre höher ist als der Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck zwischen dem Nichtedelmetall und dem Nichtedelmetalloxid, neigt das Nichtedelmetall zu fortschreitender Oxidation. Die Oxidation des Nichtedelmetalls schreitet jedoch nicht schnell voran. Daher kann selbst in einem Fall, in dem die Obergrenze des Sauerstoffpartialdrucks in der Co-SinterAtmosphäre auf das 1000-fache des Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdrucks zwischen dem Nichtedelmetall und dem Nichtedelmetalloxid eingestellt ist, das Sintern des Nichtedelmetallpulvers ablaufen, während eine Oxidation des Nichtedelmetalls unterbunden wird, und die gesinterte Metallschicht 1 kann gebildet werden, während der Einschluss von Nichtedelmetalloxid wie NiO und Kupferoxid (Cu₂O) unterbunden wird.
Danach kann durch Bildung der Außenelektrodenschicht 3 auf der Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht 2 gegenüber der mit der gesinterten Metallschicht 1 versehenen Oberfläche das piezoelektrische Element 10 gemäß Ausführungsform 1 hergestellt werden.
Ein Material zur Bildung der Außenelektrodenschicht 3 kann beliebig sein, solange das Material leitfähig ist, und Beispiele dafür sind Silber, Gold, Platin, Nickel und Kupfer. Ein Verfahren zur Bildung der Außenelektrodenschicht 3 ist nicht besonders beschränkt, und Beispiele dafür sind ein Sputterverfahren, ein Dampfabscheidungsverfahren und ein Verfahren zum Wärmebehandeln von Metallpulver oder Metallpulverpaste.
Bei Ausführungsform 1 können die gesinterte Metallschicht 1 und die piezoelektrische Keramikschicht 2 durch Co-Sintern des Nichtedelmetallpulvers und des piezoelektrischen Keramikpulvers gebildet werden. Daher können ohne Verwendung eines Substrats sowohl die gesinterte Metallschicht 1 als auch die piezoelektrische Keramikschicht 2 dünner sein als in einem herkömmlichen Fall, und die Dicke des piezoelektrischen Elements kann 100 µm oder weniger betragen. Ferner wird die piezoelektrische Keramikschicht 2 während des Abkühlens nach dem Co-Sintern durch die gesinterte Metallschicht 1 unter Druckspannung gesetzt. Da die gesinterte Metallschicht 1 und die piezoelektrische Keramikschicht 2 jedoch integral ausgebildet sind und die Bindungsfestigkeit hoch ist, kann ein Ablösen der piezoelektrischen Keramikschicht 2 aufgrund der Druckspannung unterbunden werden.
Bei dem in dem offengelegten japanischen Patent Nr. 2000-337971 offenbarten piezoelektrischen Element wird ein piezoelektrischer Keramikdünnfilm, wie z.B. ein Bleizirkonat-Titanat(PZT)-Dünnfilm, auf der Oberfläche einer Titan-Dünnfilmelektrode auf einem Harzfilmsubstrat durch hydrothermale Synthese gebildet. Daher gibt es einen oberen Grenzwert bei einer Temperatur während der hydrothermalen Synthese, um ein Erweichen des Harzfilms zu verhindern, und das piezoelektrische Material ist auf eine Substanz beschränkt, die bei einer niedrigen Temperatur kristallisiert wird. Da die hydrothermale Synthese eine geringe Steuerbarkeit der Zusammensetzung aufweist, wird es außerdem als schwierig angesehen, einen Kristallfilm mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Da andererseits bei der vorliegenden Erfindung das piezoelektrische Element ohne Nutzung eines Substrats hergestellt werden kann, ist das erfindungsgemäße Verfahren insofern vorteilhaft, als das Verfahren nicht durch das Material des Substrats oder dergleichen beschränkt ist. Bei der vorliegenden Erfindung kann das piezoelektrische Element auch mit Hilfe eines Festphasenverfahrens hergestellt werden. In diesem Fall ist die Steuerbarkeit der Zusammensetzung hoch, und ein Kristallfilm (piezoelektrisches Element) mit den gewünschten Eigenschaften lässt sich leicht erhalten.
<Ausführungsform 2>
Ein piezoelektrisches Bauteil nach der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von dem nach Ausführungsform 1 dadurch, dass das piezoelektrische Element 10 in dem in 1 dargestellten piezoelektrischen Bauteil 100 stattdessen ein in 3 dargestelltes piezoelektrisches Element 10 ist. Die vorliegende Ausführungsform ist ansonsten der Ausführungsform 1 ähnlich.
Das in Ausführungsform 2 verwendete piezoelektrische Element 10 umfasst eine piezoelektrische Keramikschicht 2, die integral mit einer gesinterten Metallschicht 1 ausgebildet ist und beispielsweise zu einer im Wesentlichen rechteckigen Parallelepipedform ausgebildet ist. Die piezoelektrische Keramikschicht 2 umfasst darin zwei erste Innenelektroden 11 und zwei zweite Innenelektroden 12 und umfasst eine erste Anschlusselektrode 31 und eine zweite Anschlusselektrode 32 auf einer ersten Seitenfläche 21 bzw. einer zweiten Seitenfläche 22 der piezoelektrischen Keramikschicht 2, die einander gegenüberliegen. Indessen beträgt zwar die Anzahl der ersten Innenelektroden 11 und der zweiten Innenelektroden 12 in Ausführungsform 2 jeweils zwei, doch ist die Anzahl der ersten Innenelektroden 11 und der zweiten Innenelektroden 12 jeweils nicht besonders beschränkt. Die Anzahl kann auch bei eins oder drei oder mehr liegen. Die Anzahl der ersten Innenelektroden 11 und die Anzahl der zweiten Innenelektroden 12 sind auch nicht unbedingt gleich und können unterschiedlich sein.
In der vorliegenden Ausführungsform umfasst eine Gesamtdicke T aus einer Dicke T1 der gesinterten Metallschicht 1 und einer Dicke T2 der piezoelektrischen Keramikschicht 2 eine Dicke einer als gesintertes Metall dienenden Innenelektrode.
Außerdem wird eine Außenelektrodenschicht 3 vorzugsweise integral mit der piezoelektrischen Keramikschicht 2 vorgesehen. D.h. die einzigen Elektroden, die auf dem piezoelektrischen Element 10 gebildet werden, können das gesinterte Metall und die Innenelektrode sein.
<Ausführungsform 3>
Wie in 5 dargestellt kann das vorstehend in den Ausführungsformen 1 und 2 beschriebene piezoelektrische Bauteil 100 weiterhin ein Verstärkungselement 6 auf einer Hauptoberfläche der Schutzschicht 4 gegenüber einer Oberfläche in Kontakt mit dem piezoelektrischen Element 10 umfassen. Das Verstärkungselement 6 kann z.B. die Hauptoberfläche der Schutzschicht 4 gegenüber der Oberfläche in Kontakt mit dem piezoelektrischen Element 10 abdecken, d.h. die gesamte Hauptoberfläche, die nicht in Kontakt mit dem piezoelektrischen Element 10 steht, und kann ferner die Endfläche der Schutzschicht 4 oder des piezoelektrischen Elements 10 bedecken. Das Verstärkungselement 6 kann von den Hauptoberflächen der Schutzschicht 4 gegenüber den Oberflächen, die mit dem piezoelektrischen Element 10 in Kontakt stehen, eine Oberfläche abdecken oder sowohl die obere als auch die untere Oberfläche bedecken. Die gesamte Hauptoberfläche der Schutzschicht 4 wird vorzugsweise gleichmäßig mit dem Verstärkungselement 6 bedeckt. In einem Fall, in dem die Verstärkungselemente 6 sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Oberfläche der Schutzschicht 4 vorgesehen sind, können die Dicken der oberen und unteren Verstärkungselemente 6 gleich oder unterschiedlich sein. Durch Vorsehen des Verstärkungselements 6 in dem piezoelektrischen Bauteil 100 kann verhindert werden, dass das piezoelektrische Bauteil 100 so gebogen wird, dass es einen Hub erreicht, der zum Bruch führt.
Die Dicke des Verstärkungselements 6 beträgt vorzugsweise 10 µm bis 5 mm, und bevorzugter 50 µm bis 3 mm. In einem Fall, in dem die Dicke des Verstärkungselements 6 zu gering ist, können keine ausreichenden Verstärkungseigenschaften erreicht werden, und der Bruch des piezoelektrischen Elements 10 kann möglicherweise nicht ausreichend unterbunden werden. In einem Fall, in dem die Dicke des Verstärkungselements 6 zu lang ist, kann weniger Spannungsübertragung auftreten, und ein Antwortsignal kann schwer zu erhalten sein.
Bei dem Verstärkungselement 6 ist es bevorzugt, ein härteres Material als den in der Schutzschicht 4 enthaltenen elastischen Körper zu verwenden, d.h. ein Material mit hoher Biegefestigkeit in einem Prüfverfahren der Biegeeigenschaften, das von JIS K 7074 (1988) dargestellt wird. So ist es beispielsweise bevorzugter, ein Material mit einer Biegefestigkeit von 100 MPa oder höher zu verwenden. Das Verstärkungselement 6 enthält vorzugsweise mindestens eines gewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstofffaser, Glasfaser, Zellulosefaser und Metallfaser, und als Verstärkungselement 6 kann ein Element verwendet werden, das durch Formen eines Harzes, das diese Materialien enthält, zu einer Plattenform erhalten wird.
<Ausführungsform 4>
Das piezoelektrische Bauteil 100 gemäß jeder der Ausführungsformen 1 bis 3 kann ferner einen elektrisch mit dem piezoelektrischen Element 10 verbundenen leitfähigen Draht 5 umfassen, und der leitfähige Draht 5 kann direkt oder indirekt mit dem piezoelektrischen Element 10 verbunden sein. Der leitfähige Draht 5 ist z.B. mit der gesinterten Metallschicht 1 oder der Außenelektrodenschicht 3 des piezoelektrischen Elements 10 verbunden. Wie in 6 dargestellt kann der leitfähige Draht 5 mit dem piezoelektrischen Element 10 durch einen leitfähigen Klebstoff 51 verbunden werden. Durch Verbinden des leitfähigen Drahtes 5 mit dem leitfähigen Klebstoff 51, der zwischen dem leitfähigen Draht 5 und dem piezoelektrischen Element 10 angeordnet ist, kann die von dem piezoelektrischen Element 10 erzeugte elektrische Spannung gemessen werden.
Der leitfähige Klebstoff 51 ist nicht besonders beschränkt, solange es sich um einen Klebstoff mit Leitfähigkeit handelt, und ein Beispiel dafür ist ein Harz, das einen leitfähigen Füllstoff enthält. Als leitfähiger Füllstoff können z.B. ein Metallfüllstoff, ein metallbeschichteter Harzfüllstoff, ein Kohlenstofffüllstoff und eine Mischung derselben verwendet werden. Beispiele für den Metallfüllstoff sind Goldpulver, Silberpulver, Kupferpulver, Nickelpulver und Aluminiumpulver. Diese leitfähigen Füllstoffe können allein oder in Kombination von zwei oder mehreren verwendet werden. Die Korngröße und -form kann entsprechend eingestellt werden. Beispiele für ein Bindemittelharz, das für den leitfähigen Klebstoff 51 verwendet wird, sind epoxidbasierte, urethanbasierte, silikonbasierte, acrylbasierte, polyamidbasierte und andere wärmehärtbare Harze sowie thermoplastische Harze. Im Hinblick auf Leitfähigkeit ist es bevorzugt, Silberpulver als leitfähigen Füllstoff und epoxidbasiertes Harz oder silikonbasiertes Harzes als Bindemittelharz zu verwenden. Außerdem kann der leitfähige Klebstoff 51 Lot enthalten, kann Lot und ein wärmehärtbares Harz enthalten und kann eine Flussmittelkomponente umfassen.
<Ausführungsform 5>
Das piezoelektrische Bauteil 100 gemäß jeder der Ausführungsformen 1 bis 4 kann ferner eine leitfähige Platte 52 umfassen, und der leitfähige Draht 5 kann mit dem piezoelektrischen Element 10 verbunden werden, wobei die leitfähige Platte 52 dazwischen gesetzt ist. Wie in 7 dargestellt kann die leitfähige Platte 52 mit dem piezoelektrischen Element 10 durch den leitfähigen Klebstoff 51 verbunden werden. Obwohl die leitfähige Platte 52 nicht besonders beschränkt ist, kann die leitfähige Platte 52 z.B. unter Verwenden eines Metalls als Hauptbestandteil gebildet werden. Beispiele für das Metall, das für die leitfähige Platte 52 verwendet wird, sind Silber, Kupfer, Gold, Nickel und Aluminium. Die leitfähige Platte 52 kann z.B. eine Metallplatte oder eine Metallfolie sein, die das vorstehende Metall als Hauptbestandteil enthält. In einem Fall, in dem die leitfähige Platte 52 eine Metallplatte ist, kann deren Dicke z.B. auf 50 µm bis 500 µm eingestellt werden. In einem Fall, in dem die leitfähige Platte 52 eine Metallfolie ist, kann die Metallfolie durch Auftragen einer Beschichtungsflüssigkeit, die das vorstehende Metall enthält, auf die gesinterte Metallschicht 1 oder die Außenelektrodenschicht 3 und Trocknen der Beschichtungsflüssigkeit gebildet werden, und deren Dicke kann z.B. auf 5 µm bis 50 µm eingestellt werden. In einem Fall, in dem das piezoelektrische Element 10 und der leitfähige Draht 5 so verbunden sind, dass sie voneinander entfernt sind, wobei die leitfähige Platte 52 dazwischen angeordnet ist, werden das piezoelektrische Element 10 und der leitfähige Draht 5 vorzugsweise an Positionen verbunden, an denen sich das piezoelektrische Element 10 und der leitfähige Draht 5, wie in 7 dargestellt, in einer Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche des piezoelektrischen Bauteils 100 gesehen (projiziert) nicht überlappen. In diesem Fall wird eine auf das piezoelektrische Element 10 ausgeübte Spannung reduziert und ein Bruch des piezoelektrischen Elements 10 kann leichter unterbunden werden.
BEISPIELE
(Herstellung des piezoelektrischen Elements)
Zunächst wurden Kaliumcarbonat (K₂CO₃), Natriumcarbonat (Na₂CO₃), Lithiumcarbonat (Li₂CO₃), Nioboxid (Nb₂O₅), Calciumcarbonat (CaCO₃), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Mangancarbonat (MnCO₃) und Ytterbiumoxid (Yb₂O₃) in pulverisierten Zuständen erzeugt.
Anschließend wurden K₂CO₃, Na₂CO₃, Li₂CO₃, Nb₂O₅, CaCO₃ und ZrO₂ in pulverisierten Zuständen so abgewogen, dass das Verhältnis einer Alkalimetall-Niobat-Verbindung zu Calciumzirkonat unter Bildung einer festen Lösung 98:2 betragen dürfte und dass das Molverhältnis von Alkalimetallen (K, Na und Li) bei K:Na:Li = 0,45:0,53:0,02 liegen dürfte. Ferner wurden ZrO₂, MnCO₃ und Yb₂O₃ in pulverisierten Zuständen so abgewogen, dass ZrO₂ 3 mol, MnO 5 mol und Yb₂O₃ 0,25 mol bezogen auf 100 mol der vorstehenden festen Lösung betrug.
Anschließend wurde das wie vorstehend beschrieben abgewogene Pulver in eine Topfmühle mit PSZ-Kugeln gegeben und durch ein Nassverfahren gemischt, indem die Topfmühle etwa 90 Stunden lang unter Verwendung von Ethanol als Lösungsmittel gedreht wurde, um piezoelektrisches Keramikrohmaterialpulver zu erhalten. Dann wurde das erhaltene piezoelektrische Keramikrohmaterialpulver getrocknet, bei einer Temperatur von 900°C kalziniert und pulverisiert, um ein piezoelektrisches Keramikpulver zu erhalten, das durch eine Zusammensetzungsformel [100 {0.98 (K_0,45N_0,53Li_0,02) NbO₃ - 0.02CaZrO₃} + 3ZrO₂ + 5MnO + 0.25Yb₂O₃] dargestellt wird.
Anschließend wurde das wie vorstehend beschrieben erhaltene piezoelektrische Keramikpulver zusammen mit einem organischen Bindemittel, einem Dispergiermittel, Aceton, einem Weichmacher und PSZ-Kugeln in eine Topfmühle gegeben, in einem Nassverfahren unter Drehung der Topfmühle ausreichend gemischt und mit Hilfe eines Rakelverfahrens zu einer Plattenform ausgebildet, um eine piezoelektrische Keramikplatte zu erhalten.
Ähnlich wie bei der Plattenbildung unter Verwendung des piezoelektrischen Keramikpulvers wurden auch Ni-Pulver, ein organisches Bindemittel und dergleichen in eine Topfmühle gegeben und während Drehen der Topfmühle ausreichend gemischt und mittels eines Rakelverfahrens zu einer Plattenform ausgebildet, um eine Platte aus Nichtedelmetallpulver zu erhalten.
Anschließend wurde die Platte aus Nichtedelmetallpulver, die zu der gesinterten Metallschicht 1 werden sollte, mit einem PET-Film verbunden. Die piezoelektrische Keramikplatte wurde auf die Platte aus Nichtedelmetallpulver laminiert, und die Platte aus Nichtedelmetallpulver wurde weiter laminiert. Nach dem Ablösen des PET-Films wurde der laminierte Körper einer hydrostatischen Druckbeaufschlagung unterzogen und zwei Stunden lang bei einer Temperatur von 1000°C bis 1160°C unter einer kontrollierten Atmosphäre co-gesintert, damit der Sauerstoffpartialdruck um 0,5 Stellen weiter auf eine Reduktionsseite hin tendieren kann als der Ni-NiO-Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck (der Sauerstoffpartialdruck von 1/3,16 des Ni-NiO-Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdrucks), um ein piezoelektrisches Testelement zu erhalten, bei dem die piezoelektrische Keramikschicht 2 und die gesinterten Metallschichten 1 auf beiden Seiten der piezoelektrischen Keramikschicht 2 integral ausgebildet waren. Bei dem erhaltenen piezoelektrischen Element 10 beträgt die Dicke T1 jeder (einer) der beiden gesinterten Metallschichten 1 1 µm, die Dicke T2 der piezoelektrischen Keramikschicht 2 30 µm, die Breite des piezoelektrischen Elements 5 mm und die Länge des piezoelektrischen Elements 10 mm. Durch Verbinden des piezoelektrischen Elements 10 mit dem leitfähigen Draht 5 kann die von dem piezoelektrischen Element erzeugte elektrische Spannung gemessen werden.
(Beispiel 1)
Es wurden nicht verfestigte Urethanharze (elastische Körper) mit Asker C-Härten von 5, 50, 100 und 150 hergestellt, und jedes Harz wurde auf die beiden gesamten Hauptoberflächen des vorstehend beschriebenen piezoelektrischen Testelements aufgetragen und ausreichend verfestigt. Dadurch wurden die Schutzschichten auf den beiden gesamten Hauptoberflächen des piezoelektrischen Elements gebildet.
Die Dicken der beiden Schutzschichten, die auf den beiden Hauptoberflächen des piezoelektrischen Elements gebildet wurden, waren gleich, und die Dicke T4 der Schutzschicht, die auf jeder Hauptoberfläche des piezoelektrischen Elements gebildet wurde, betrug 1 mm.
Jedes piezoelektrische Bauteil wurde einem Dreipunkttest der Biegeeigenschaften mit einem Mikro-Autographen MST-I der Firma SHIMAZU mit einem Abstand zwischen den Drehpunkten von 5 mm und einer Verformungsgeschwindigkeit von 1 mm/s unterzogen (8). Tabelle 1 zeigt Hübe beim Bruch des piezoelektrischen Bauteils (piezoelektrisches Element) (eine Bewegungsstrecke einer Verformungsvorrichtung während des Zeitraums vom Kontakt der Verformungsvorrichtung mit dem piezoelektrischen Bauteil (piezoelektrischen Element) bis zum Bruch des piezoelektrischen Bauteils (piezoelektrischen Elements)). [Tabelle 1]

Schutzschicht Hub

Asker-C-Härte Material

Keine Schutzschicht (Verqleichsbeispiel) -- 0.3 mm

5 Urethan 0.6 mm

50 Urethan 0.8 mm

100 Urethan 0.5 mm

150 Urethan 0.4 mm
Wie in Tabelle 1 dargestellt ist in einem Fall, in dem das piezoelektrische Element mit der Schutzschicht, die das Urethanharz mit einer Asker-C-Härte von 5 oder mehr und 150 oder weniger enthält, bedeckt ist, der Hub zum Zeitpunkt des Bruchs länger als in einem Fall ohne Schutzschicht, und die Bruchfestigkeit des piezoelektrischen Elements ist verbessert.
(Beispiel 2)
Es wurden nicht verfestigte Materialien, die durch Erhitzen und Erweichen von synthetischem Kautschuk mit einem Youngschen Elastizitätsmodul von 0,05 GPa oder 0,1 GPa, Polycarbonat mit einem Youngeschen Elastizitätsmodul von 2 GPa und Polybutylenterephthalat mit einem Youngschen Elastizitätsmodul von 8 GPa erhalten wurden, erzeugt, und jedes Material wurde auf die beiden kompletten Hauptoberflächen des vorstehend beschriebenen piezoelektrischen Testelements so aufgetragen, dass die Dicke T4 der Schutzschicht (die Dicke der Schutzschicht auf einer Seite) 1 mm betrug, und wurde ausreichend verfestigt.

Jedes piezoelektrische Bauteil wurde einem Dreipunkttest der Biegeeigenschaften mit einem Mikro-Autographen MST-I von SHIMAZU mit einem Abstand zwischen den Drehpunkten von 5 mm und einer Verformungsgeschwindigkeit von 1 mm/s unterzogen. Gleichzeitig mit dem Dreipunkttest der Biegeeigenschaften wurden der leitfähige Draht und ein Oszilloskop angeschlossen, um ein Signal zu messen, das als Folge der Durchbiegung des piezoelektrischen Elements erzeugt wird. Tabelle 2 zeigt die Hübe beim Bruch des piezoelektrischen Bauteils (piezoelektrischen Elements). [Tabelle 2]

Schutzschicht		Hub
Youngscher Elastizitätsmodul (MPa)	Material	Hub
Keine Schutzschicht (Vergleichsbeispiel)	-	0.3 mm
0.05	Synthetischer Kautschuk	0.5 mm
0.1	Synthetischer Kautschuk	0.8 mm
2	Polycarbonat	1.2 mm
8	Polybutylenterephthalat	1.5 mm

Wie in Tabelle 2 dargestellt ist in einem Fall, in dem das piezoelektrische Element mit der Schutzschicht bedeckt ist, die den elastischen Körper mit einem Youngschen Elastizitätsmodul von 0,05 GPa oder mehr und 8 GPa oder weniger enthält, der Hub zum Zeitpunkt des Bruchs länger als in einem Fall ohne Schutzschicht, und die Bruchfestigkeit des piezoelektrischen Elements ist verbessert. Auch die elektrische Spannung, die durch die Durchbiegung des piezoelektrischen Elements erzeugt wird, konnte gemessen werden.
(Beispiel 3)
Ein nicht verfestigtes Urethanharz mit einer Asker-C-Härte von 10 wurde erzeugt, auf die gesamten beiden Hauptoberflächen des vorstehend beschriebenen piezoelektrischen Testelements aufgetragen, um die Dicke T4 der Schutzschicht von 52 µm, 96 µm, 203 µm, 1010 µm, 1 cm, 10 cm und 20 cm zu erreichen, und wurde ausreichend verfestigt.

Jedes piezoelektrische Bauteil wurde einem Dreipunkttest der Biegeeigenschaften unterzogen, bei dem eine Spannvorrichtung so lange geschoben wurde, bis der Hub 0,5 mm erreichte. Gleichzeitig wurde der aus dem piezoelektrischen Element herausgeführte leitfähige Draht an ein Oszilloskop angeschlossen und eine elektrische Antwort (Ansprechstrom) während des Dreipunkttests der Biegeeigenschaften überprüft. Das Ergebnis ist in Tabelle 3 dargestellt. [Tabelle 3]

Schutzschicht		Bruch	Elektrisches Verhalten
Dicke T4 einer Seite	Material	Bruch	Elektrisches Verhalten
52 µm	Urethan	Ja	-
96 µm	Urethan	Nein	Ja
203 µm	Urethan	Nein	Ja
1010 µm	Urethan	Nein	Ja
1cm	Urethan	Nein	Ja
10cm	Urethan	Nein	Ja
20cm	Urethan	Nein	Schwach

Wie in Tabelle 3 gezeigt brach in einem Fall, in dem die Dicke T4 der Schutzschicht 52 µm betrug, das piezoelektrische Bauteil bei einem Hub von 0,5 mm. In einem Fall, in dem die Dicke T4 der Schutzschicht 20 cm betrug, war ferner das elektrische Verhalten gedämpft. Bei einer Dicke T4 der Schutzschicht von 96 µm bis 10 cm brach das piezoelektrische Bauteil nicht und zeigte ein günstiges elektrisches Verhalten.
Indessen wurde zusätzlich zum Dreipunkttest der Biegeeigenschaften eine Wechselspannung von 0 bis 30V angelegt und die Verlagerung jedes der piezoelektrischen Bauteile mit einem Laser-Doppler-Vibrometer LV1610 von ONOSOKKI gemessen. Es wurde festgestellt, dass sowohl die Verlagerung als auch die elektrische Spannung in jedem dieser piezoelektrischen Bauteile gemessen wurde und dass jedes dieser piezoelektrischen Bauteile auch als Aktor fungiert. Dementsprechend wurde festgestellt, dass die Bruchfestigkeit des piezoelektrischen Elements in einem Fall verbessert wurde, in dem die Dicke T4 der Schutzschicht 4 das Dreifache oder mehr der Gesamtdicke T aus der Dicke T1 der gesinterten Metallschicht 1 und der Dicke T2 der piezoelektrischen Keramikschicht 2 betrug, in einem Fall, in dem die Dicke T1 der gesinterten Metallschicht 1 2 µm betrug und in dem die Dicke T2 der piezoelektrischen Keramikschicht 2 30 µm betrug. In einem Fall, in dem die Dicke T4 der Schutzschicht 4 10 cm oder weniger beträgt, kann auch die Festigkeit des piezoelektrischen Elements verbessert werden, ohne dass die elektrischen Ansprecheigenschaften verloren gehen.
(Vergleichstest)
Ein piezoelektrisches Bauteil 100 wurde auf ähnliche Weise hergestellt wie das piezoelektrische Bauteil mit der Dicke T4 der Schutzschicht von 203 µm in Beispiel 3, wobei ein Teil des Harzes nicht aufgetragen wurde, wobei ein schlitzartiger Ausschnittteil in der Schutzschicht gebildet wurde und wobei die gesinterte Metallschicht 1 an diesem Teil freigelegt war. Als ein Dreipunkttest der Biegeeigenschaften in ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt wurde, brach das piezoelektrische Bauelement beim gleichen Hub (0,3 mm) wie im Fall des Einzelkörpers des piezoelektrischen Elements (10). Es wird angenommen, dass in einem Fall, in dem die Hauptoberfläche des piezoelektrischen Elements nicht vollständig bedeckt, sondern teilweise freigelegt ist, die Spannung auf das freiliegende Teil konzentriert wird, so dass das Element an diesem Teil leicht brechen kann.
Bezugszeichenliste

1: Gesinterte Metallschicht
2: Piezoelektrische Keramikschicht
3: Außenelektrodenschicht
10: Piezoelektrisches Element
4: Schutzschicht
5: Leitfähiger Draht
51: Leitfähiger Klebstoff
52: Leitfähige Platte
6: Verstärkungselement
11: Erste Innenelektrode
12: Zweite Innenelektrode
21: Erste Seitenfläche
22: Zweite Seitenfläche
31: Erste Anschlusselektrode
32: Zweite Anschlusselektrode
100: Piezoelektrisches Bauteil

Claims

Piezoelektrisches Bauteil (100), aufweisend: ein piezoelektrisches Element (10) mit einer piezoelektrischen Keramikschicht (2) und einer gesinterten Metallschicht (1), die auf mindestens einer Hauptoberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht (2) angeordnet ist und ein Nichtedelmetall enthält, wobei die piezoelektrische Keramikschicht (2) eine Perowskitverbindung als Hauptsubstanz enthält, wobei die Hauptsubstanz Niob, ein Alkalimetall und Sauerstoff enthält, wobei ein Gehalt der Hauptsubstanz bezogen auf eine Molgesamtmenge aller in der piezoelektrischen Keramikschicht (2) enthaltenen Substanzen 90 Mol-% oder mehr beträgt, wobei die gesinterte Metallschicht (1) und die piezoelektrische Keramikschicht (2) durch Co-Sintern gebildet werden, wobei eine Dicke des piezoelektrischen Elements (10) 100 µm oder weniger beträgt und wobei die beiden gesamten Hauptoberflächen des piezoelektrischen Elements (10) mit einer Schutzschicht (4) bedeckt sind, die einen elastischen Körper enthält.
Piezoelektrisches Bauteil (100) nach Anspruch 1, wobei eine Endfläche des piezoelektrischen Elements (10) mit der Schutzschicht (4) bedeckt ist.
Piezoelektrisches Bauteil (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Dicke T4 der Schutzschicht (4) das Dreifache oder mehr einer Gesamtdicke T aus einer Dicke T1 der gesinterten Metallschicht (1) und einer Dicke T2 der piezoelektrischen Keramikschicht (2) beträgt.
Piezoelektrisches Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Dicke T4 der Schutzschicht (4) 10 cm oder weniger beträgt.
Piezoelektrisches Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der elastische Körper eine Asker-C-Härte von 5 oder mehr und 150 oder weniger aufweist.
Piezoelektrisches Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der elastische Körper einen Youngschen Elastizitätsmodul von 0,05 GPa oder mehr und 8 GPa oder weniger aufweist.
Piezoelektrisches Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der elastische Körper mindestens eines gewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyethylen, Vinylchlorid, Polypropylen, Polystyrol, Acrylharz, ABS-Harz, Polyamid, Polycarbonat, Polymilchsäure, Teflon (eingetragene Marke), Silikon und Urethan enthält.
Piezoelektrisches Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welches weiterhin ein Verstärkungselement (6) auf einer Hauptoberfläche der Schutzschicht (4) umfasst, die einer mit dem piezoelektrischen Element (10) in Kontakt stehenden Oberfläche gegenüberliegt.
Piezoelektrisches Bauteil (100) nach Anspruch 8, wobei das Verstärkungselement (6) mindestens eines gewählt aus einer Gruppe bestehend aus Kohlenstofffaser, Glasfaser, Zellulosefaser und Metallfaser enthält.
Piezoelektrisches Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welches weiterhin einen elektrisch mit dem piezoelektrischen Element (10) verbundenen leitfähigen Draht (5) umfasst.
Piezoelektrisches Bauteil (100) nach Anspruch 10, welches weiterhin eine leitfähige Platte (52) umfasst, wobei der leitfähige Draht (5) mit dem piezoelektrischen Element (10) verbunden ist, wobei die leitfähige Platte (52) dazwischen angeordnet ist.
Piezoelektrisches Bauteil (100) nach Anspruch 11, wobei der leitfähige Draht (5) mit dem piezoelektrischen Element (10) so verbunden ist, dass er vom piezoelektrischen Element (10) entfernt ist, wobei die leitfähige Platte (52) dazwischen angeordnet ist.
Piezoelektrisches Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der leitfähige Draht (5) mit dem piezoelektrischen Element (10) durch einen leitfähigen Klebstoff (51) verbunden ist und wobei der leitfähige Klebstoff (51) ein Harz auf Epoxid- oder Silikonbasis enthält, das einen leitfähigen Füllstoff enthält.
Piezoelektrisches Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der leitfähige Draht (5) mit dem piezoelektrischen Element (10) durch einen leitfähigen Klebstoff (51) verbunden ist und wobei der leitfähige Klebstoff (51) Lot und ein wärmehärtbares Harz enthält.
Sensor, welcher das piezoelektrische Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 umfasst.
Aktor, welcher das piezoelektrische Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 umfasst.