DE10104278B4

DE10104278B4 - Piezoelektrisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung desselben

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Publication number: DE10104278B4
Application number: DE2001104278
Authority: DE
Inventors: Akira Ando; Koichi Hayashi; Masahiko Kimura
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-02-01
Filing date: 2001-01-31
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2021-02-01
Also published as: CN1244961C; TW502465B; KR20010078250A; KR100430753B1; US20020078540A1; JP3733860B2; US6424080B2; CN1307368A; US20020135276A1; DE10104278A1; US20010011862A1; JP2001291908A; US6988300B2

Abstract

Piezoelektrisches Bauelement, das folgendes umfaßt:
einen piezoelektrischen Keramikkörper (12), und
eine Vielzahl von Elektroden (14), die jeweils auf mehreren parallelen Ebenen (16) in dem piezoelektrischen Keramikkörper angeordnet sind, wobei eine erste Gruppe der Elektroden mit einem ersten Potential (22) verbunden und eine zweite Gruppe der Elektroden mit einem zweiten Potential (24) verbunden ist und die mit dem ersten Potential verbundenen Elektroden und die mit dem zweiten Potential verbundenen Elektroden nebeneinanderliegende Abschnitte besitzen,
wobei der piezoelektrische Keramikkörper (12) eine Perowskit-Schichtstruktur aufweist, bei der die C-Achsen der Kristalle in eine gemeinsame Richtung ausgerichtet sind, und das piezoelektrische Bauelement im wesentlichen senkrecht zu der gemeinsamen Richtung der C-Achsen polarisiert ist, wobei die Polarisationsrichtung im wesentlichen parallel zu den Ebenen, auf denen die Elektroden angeordnet sind, verläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauelement insbesondere zur Verwendung als Oszillator in einem Übertragungsfilter und einem Taktgeber sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Als eines der herkömmlichen piezoelektrischen Bauelemente ist ein piezoelektrisches Bauelement bekannt, das hergestellt wird, indem ein piezoelektrischer Keramikkörper mit einer Perowskit-Schichtstruktur senkrecht zur Orientierungsachse des piezoelektrischen Keramikkörpers polarisiert wird. Bei einem solchen piezoelektrischen Bauelement sind Elektroden an beiden Stirnflächen des piezoelektrischen Keramikkörpers ausgebildet. Eine piezoelektrische Schwingung kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes in der Polarisationsrichtung erzeugt werden.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben darüber hinaus ein piezoelektrisches Bauelement vorgeschlagen, bei dem Interdigitalelektroden auf den vorderen und rückwärtigen Hauptflächen eines aus einer einzigen Platte bestehenden piezoelektrischen Keramikkörpers zwecks Aktivierung ausgebildet sind. Bei diesem piezoelektrischen Bauelement wird kein Laminierverfahren mit einer großen Anzahl von Schritten verwendet. Demgemäß kann das piezoelektrische Bauelement bequem im industriellen Bereich verwendet werden, und es ist höchst zuverlässig, ohne daß die Optimierung der Kopplung einer Elektrodenschnittstelle mit einer Keramik problematisch wäre.

Bei dem durch Ausbilden von Elektroden auf beiden Stirnflächen eines piezoelektrischen Keramikkörpers mit einer Perowskit-Schichtstruktur und durch Polarisieren der Keramik senkrecht zu der Orientierungsachse hergestellten piezoelektrischen Bauelement muß das piezoelektrische Bauelement eine schicht- oder stäbchenförmige Struktur aufweisen, die sich in Richtung des angelegten elektrischen Feldes erstreckt. Bei einer solchen Struktur besteht das Problem, daß die elektrostatische Kapazität niedrig und die Impedanz hoch ist, so daß eine Impedanzanpassung an einen Schaltkreis nur schwer zu erreichen ist.

Bei dem piezoelektrischen Bauelement, bei dem die Interdigitalelektrode auf einer Hauptfläche eines aus einer einzigen Platte bestehenden piezoelektrischen Keramikkörpers ausgebildet ist, zum Beispiel auf seiner rückwärtigen Hauptfläche, muß die Dicke des Bauelements verringert werden, um das gesamte Bauelement zu polarisieren, wenn das piezoelektrische Bauelement bei einer hohen Frequenz verwendet wird. Dies führt zu dem Problem, daß die mechanische Zuverlässigkeit des piezoelektrischen Bauelements nicht verbessert werden kann, wenn das Bauelement bei einer hohen Frequenz verwendet wird.

Aus der US 4,564,782 ist ein piezoelektrisches Bauelement mit einem Keramikkörper bekannt, in dem eine Vielzahl von Elektroden jeweils auf mehreren parallelen Ebenen angeordnet sind, wobei die Elektroden gruppenweise mit Anschlusselektroden verbunden sind und nebeneinander liegende Abschnitte besitzen. Die Keramik soll dabei einer Polarisierungsbehandlung unterworfen werden, wodurch die Keramik in Dickenrichtung und damit senkrecht zu den parallelen Ebenen, in denen die Elektroden angeordnet sind, polarisiert wird. Aus der US 5,315,205 ist ein piezoelektrischer Vibrator bekannt, in dessen Keramikkörper in zueinander parallelen, übereinander liegenden Ebenen eine Vielzahl von Elektroden angeordnet sind, wobei die in zwei übereinander liegenden Ebenen angeordneten Elektroden zueinander versetzt angeordnet sind. Die Keramikschichten sollen von Elektrode zu Elektrode bogenförmig polarisiert sein. Weiterhin ist aus der JP 03094487 ein mehrschichtiges piezoelektrisches Bauelement mit einem Keramikkörper bekannt, der eine Vielzahl von Elektroden in einer interdigitalen Elektrodenform aufweist. Der Keramikkörper besteht dabei jedoch aus einem ungerichteten piezoelektrischen Material. Schließlich beschreibt die DE 28 39 810 einen piezoelektrischen kristallinen Film aus Zinkoxyd auf einem Glassubstrat, der einen bestimmten Urananteil enthält und mittels eines Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahrens auf das Glassubstrat aufgebracht ist, um eine Orientierung der C-Achse zu erreichen.

Demgegenüber ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein piezoelektrisches Bauelement bereitzustellen, das eine niedrige Impedanz, einen hohen elektromechanischen Koeffizienten und einen geringen Verlust bei hoher Frequenz auf weist, selbst wenn bei dem Bauelement ein piezoelektrischer Keramikkörper mit einer Perowskit-Schichtstruktur verwendet wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen piezoelektrischen Bauelements bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein piezoelektrisches Bauelement gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements gemäß Patentanspruch 5 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Es wird also ein piezoelektrisches Bauelement vorgeschlagen, das folgendes umfaßt: einen piezoelektrischen Keramikkörper mit einer Perowskit-Schichtstruktur, bei der wenigstens die C-Achsen der Kristalle in eine gemeinsame Richtung ausgerichtet sind, wobei das piezoelektrische Bauelement im wesentlichen senkrecht zur Orientierungsrichtung der C-Achsen polarisiert ist, und eine Vielzahl von Elektroden, die jeweils auf im wesentlichen parallel zur Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Keramikkörpers verlaufenden Ebenen in dem piezoelektrischen Keramikkörper angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Elektroden so angeordnet sind, daß die mit dem einen Potential verbundenen Elektroden und die mit dem anderen Potential verbundenen Elektroden nebeneinanderliegende Teile enthalten.

Vorzugsweise sind die Vielzahl von Elektroden in einer interdigitalen Elektrodenform angeordnet.

Eine Vielzahl von Elektroden können auf mehreren Stufen in der Orientierungsrichtung der C-Achse vorgesehen sein. In diesem Fall sind einander überlappende Elektroden mit demselben Potential verbunden.

Vorzugsweise ist der piezoelektrische Keramikkörper in zwei entgegengesetzte Richtungen zwischen den einen einander überlappenden Elektroden und den anderen einander überlappenden Elektroden polarisiert.

Darüber hinaus wird zur Herstellung eines solchen piezoelektrischen Bauelements ein Verfahren mit folgenden Schritten vorgeschlagen: Ausbilden mehrerer Grünschichten für einen piezoelektrischen Körper mit einer Perowskit-Schichtstruktur; Aufdrucken von Elektrodenpaste auf die Grünschichten in einer Weise, daß die Vielzahl von aufgedruckten Elektrodenpasten im wesentlichen parallel zueinander auf der Grünschicht angeordnet sind; Laminieren der Grünschichten in einer Weise, daß die aufgedruckten Elektrodenpasten jeweils zwischen den Materialien des piezoelektrischen Körpers angeordnet sind, wodurch ein Laminat entsteht; und Brennen des Laminats und anschließend Polarisieren des gebrannten Laminats, wobei die Materialien des piezoelektrischen Körpers im wesentlichen senkrecht zur Orientierungsrichtung der C-Achse polarisiert werden, nachdem die C-Achsen der Grünschichten des piezoelektrischen Körpers durch Druckbeaufschlagung im wesentlichen parallel zur Laminierrichtung des Laminats beim Brennen ausgerichtet sind.

Bei dem piezoelektrischen Bauelement wird vorteilhafterweise der piezoelektrische Keramikkörper mit einer Perowskit-Schichtstruktur, von der wenigstens die C-Achse der Kristallachsen gewählt und gerichtet ist, verwendet und im wesentlichen senkrecht zur Orientierungsachse polarisiert, und die Vielzahl von Elektroden sind auf im wesentlichen parallel zu den Polarisationsrichtungen verlaufenden Ebenen angeordnet. Dadurch kann ein elektrisches Feld im wesentlichen senkrecht zur C-Achse des piezoelektrischen Keramikkörpers angelegt werden. Darüber hinaus hat die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Keramikkörpers eine Komponente, die im wesentlichen senkrecht zur C-Achse gewählt und gerichtet ist. Daher kann eine piezoelektrische Einmoden-Schwingung realisiert werden.

Vorzugsweise sind die Vielzahl von Elektroden in einer interdigitalen Elektrodenform angeordnet, so daß ein elektrisches Feld in der obigen Richtung angelegt wird.

Bei dem piezoelektrischen Bauelement können die Elektroden auf mehreren Stufen in der Orientierungsrichtung der C-Achse vorgesehen sein. Dabei sind einander überlappende Elektroden mit demselben Potential verbunden. Somit kann ein elektrisches Feld in den Bereichen, wo die Polarisationsrichtung die gleiche ist, auch in der gleichen Richtung angelegt werden.

Darüberhinaus wird der piezoelektrische Keramikkörper vorzugsweise in zwei entgegengesetzte Richtungen zwischen den einen einander überlappenden Elektroden und den anderen einander überlappenden Elektroden polarisiert. Dadurch werden die Bereiche ausgebildet, in denen die Keramik in die entgegengesetzten Richtungen senkrecht zu der gewählten und gerichteten C-Achse polarisiert wird. Ein elektrisches Feld wird jeweils in derselben Richtung wie die Polarisationsrichtung angelegt, so daß man eine piezoelektrische Einmoden-Schwingung erhalten kann.

Die oben beschriebenen Aufgaben, weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen besser ersichtlich.

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels des piezoelektrischen Bauelements der vorliegenden Erfindung;

2 veranschaulicht eine Stirnfläche eines piezoelektrischen Keramikkörpers, der in dem piezoelektrischen Bauelement von 1 verwendet wird;

3 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des in 2 gezeigten piezoelektrischen Keramikkörpers;

4 veranschaulicht ein weiteres Beispiel der Elektrodenanordnung des piezoelektrischen Bauelements der vorliegenden Erfindung;

5 veranschaulicht noch ein weiteres Beispiel der Elektrodenanordnung des piezoelektrischen Bauelements der vorliegenden Erfindung;

6 veranschaulicht noch ein weiteres Beispiel der Elektrodenanordnung des piezoelektrischen Bauelements der vorliegenden Erfindung;

7 veranschaulicht eine Stirnfläche eines weiteren Beispiels des in dem piezoelektrischen Bauelement der vorliegenden Erfindung verwendeten piezoelektrischen Keramikkörpers;

8 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des in 7 gezeigten piezoelektrischen Keramikkörpers;

9 veranschaulicht ein Muster der inneren Elektroden auf einer Schicht zur Verwendung bei der Herstellung des piezoelektrischen Bauelements von 1;

10 veranschaulicht das Aufbringen der Schichten bei dem Schritt des Laminierens der Schichten gemäß 9 und die Anordnung der Elektroden;

11 veranschaulicht ein Verfahren zum Schneiden eines durch Sintern des in dem Schritt von 10 erhaltenen Laminats hergestellten Sinterkörpers zu Bauelementen;

12 veranschaulicht ein Verfahren zur Ausbildung von leitenden Materialien und Isoliermaterialien auf den Schnittflächen des durch Schneiden in dem Schritt von 11 erhaltenen Bauelements;

13 veranschaulicht die Verbindung der Elektroden zur Messung des Kennwertes des Bauelements von 12 gemäß dem Beispiel der vorliegenden Erfindung;

14 veranschaulicht ein Beispiel eines herkömmlichen mehrlagigen piezoelektrischen Bauelements; und

15 veranschaulicht ein Beispiel eines piezoelektrischen Bauelements eines herkömmlichen stäbchenförmigen piezoelektrischen Körpers.

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels des piezoelektrischen Bauelements der vorliegenden Erfindung. Ein piezoelektrisches Bauelement 10 enthält einen piezoelektrischen Keramikkörper 12. Eine Vielzahl von Elektroden 14 sind in dem piezoelektrischen Keramikkörper 12 ausgebildet, wie in 2 gezeigt. Diese Elektroden 14 sind parallel zueinander ausgebildet, so daß sie sich in Breitenrichtung auf der Vielzahl von Schichten 16 erstrecken. Diese Schichten 16 werden übereinander laminiert, wodurch der die Vielzahl von Elektroden 14 enthaltende piezoelektrische Keramikkörper 12 ausgebildet wird. Die Schichten 16 werden so laminiert, daß die auf den jeweiligen Schichten 16 ausgebildeten Elektroden 14 einander in Dickenrichtung überlappen.

Der piezoelektrische Keramikkörper 12 hat eine Perowskit-Schichtstruktur, und die C-Achse ist aus den Kristallachsen ausgewählt und in Dickenrichtung ausgerichtet. In diesem Fall gibt die C-Achse die Hauptachse des Kristalls an. Das heißt, bei dem piezoelektrischen Keramikkörper 12 ist die C-Achse so gerichtet, daß sie senkrecht zu den Elektroden 14 verläuft. Darüberhinaus ist der piezoelektrische Keramikkörper 12 in Längsrichtung polarisiert. Das heißt, die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Keramikkörpers 12 ist im wesentlichen senkrecht zu der gewählten und gerichteten C-Achse. Wie durch die Pfeile in 2 angedeutet, ist der piezoelektrische Keramikkörper 12 dabei so polarisiert, daß die Polarisationsrichtungen einander entgegengesetzt sind, wobei sie auf beiden Seiten der Elektroden 14 in Dickenrichtung des piezoelektrischen Keramikkörpers 12 angeordnet sind.

Darüberhinaus sind die in Dickenrichtung des piezoelektrischen Keramikkörpers 12 angeordneten Elektroden 14 mit leitenden Materialien 18 bzw. mit Isoliermaterialien 20 bedeckt. Im vorliegenden Fall sind die leitenden Materialien 18 und die Isoliermaterialien 20 auf einer der Seitenflächen des piezoelektrischen Keramikkörpers 12 abwechselnd angeordnet. Auf der anderen Seitenfläche des piezoelektrischen Keramikkörpers 12 sind die auf der einen Seitenfläche des piezoelektrischen Keramikkörpers mit den leitenden Materialien 18 bedeckten Elektroden 14 mit den Isoliermaterialien 20 bedeckt, während die mit den Isoliermaterialien 20 bedeckten Elektroden 14 mit den leitenden Materialien 18 bedeckt sind.

Darüberhinaus sind äußere Elektroden 22 und 24 auf beiden Stirnflächen in Breitenrichtung des piezoelektrischen Keramikkörpers 12 ausgebildet, wie in 1 gezeigt. Mit der äußeren Elektrode 22 sind daher die inneren Elektroden 14 über die auf der einen Seitenfläche des piezoelektrischen Keramikkörpers 12 ausgebildeten leitenden Materialien 18 elektrisch verbunden. Mit der äußeren Elektrode 24 sind darüberhinaus die inneren Elektroden 14 über die auf der anderen Seitenfläche des piezoelektrischen Keramikkörpers 12 ausgebildeten leitenden Materialien 18 elektrisch verbunden. Somit sind die mit den äußeren Elektroden 22 auf der einen Seite verbundenen Elektroden 14 und die mit den äußeren Elektroden 24 auf der anderen Seite verbundenen Elektroden 14 in einer interdigitalen Elektrodenform angeordnet.

In dem piezoelektrischen Bauelement 10 kann eine piezoelektrische Schwingung erzeugt werden, indem Signale den äußeren Elektroden 22 und 24 zugeführt werden können, so daß ein elektrisches Feld zwischen den in interdigitaler Form angeordneten Elektroden 14 angelegt wird. Dabei wird das elektrische Feld an den in einer Perowskit-Schichtstruktur vorliegenden piezoelektrischen Keramikkörper 12 im wesentlichen senkrecht zu der gewählten und gerichteten C-Achse angelegt. Somit kann eine piezoelektrische Einmodenschwingung erzeugt und der elektromechanische Koeffizient erhöht werden. Da die Elektroden 14 so ausgebildet sind, daß sie in dem piezoelektrischen Keramikkörper 12 nebeneinander liegen, kann außerdem die statische Kapazität zwischen den mit den äußeren Elektroden 22 und 24 verbundenen Elektroden 14 erhöht werden. Somit kann das piezoelektrische Bauelement mit einer niedrigen Impedanz bereitgestellt werden. Eine Impedanzanpassung zwischen dem piezoelektrischen Bauelement 10 und einem Schaltkreis läßt sich daher leicht erreichen. In dem piezoelektrischen Bauelement 10 wird ferner eine Polarisation zwischen den nebeneinanderliegenden Elektroden 14 herbeigeführt. Zum Gebrauch bei einer hohen Frequenz muß daher die Dicke des Bauelements nicht reduziert werden, und im Gegensatz zu einem aus einer einzigen Platte bestehenden piezoelektrischen Bauelement kann eine hohe mechanische Festigkeit gewährleistet werden.

Was die interdigitale Form der mit den beiden äußeren Elektroden 22 und 24 verbundenen Elektroden angeht, kann ein Satz von zwei mit einer der Elektroden 22 und 24 verbundenen Kammelektroden und ein Satz von zwei mit der anderen der Elektroden 22 und 24 verbundenen Kammelektroden abwechselnd angeordnet sein, wie in 4 gezeigt. Gemäß 5 kann außerdem ein Teil der Kammelektroden mit derselben äußeren Elektrode verbunden sein, so daß kein elektrisches Feld an den Teil der Kammelektroden angelegt werden kann, wie in 5 gezeigt. Gemäß 6 kann weiterhin ein Teil der einen anderen Polarisationsgrad aufwei senden Kammelektroden ausgebildet werden, indem der Abstand zwischen den Elektroden 14 verändert wird, um die Stärke eines zwecks Polarisation anzulegenden elektrischen Feldes zu ändern. Darüberhinaus kann eine Float-Elektrode, die nicht mit den äußeren Elektroden verbunden ist, d.h. mit keinem der beiden Potentiale verbunden ist, zwischen der Vielzahl von Elektroden 14 ausgebildet sein. Der elektromechanische Koeffizient des piezoelektrischen Bauelements 10 kann also durch Ändern der Konfiguration des piezoelektrischen Bauelements 10 eingestellt werden. Durch Ändern der Breite der in dem piezoelektrischen Keramikkörper 12 angeordneten Vielzahl von Elektroden 14 (Ändern des Abstands zwischen den Elektroden) können außerdem der elektromechanische Koeffizient und die statische Kapazität des piezoelektrischen Bauelements 10 leicht eingestellt werden, da das Volumen des zu polarisierenden piezoelektrischen Keramikkörpers geändert werden kann.

Als Material für den piezoelektrischen Keramikkörper 12 wird z.B. Na_0,5Bi_4,6Ti₄O₁₅ oder dergleichen verwendet. Wenn piezoelektrische Werkstoffe mit einer Perowskit-Schichtstruktur wie z.B. CaBi₄Ti₄O₁₅, SrBi₄Ti₄O₁₅, Bi₄Ti₃O₁₂ oder dergleichen verwendet werden, kann außerdem ein hoher elektromechanischer Koeffizient erhalten werden.

Gemäß 7 und 8 kann außerdem nur eine Schicht der Elektrode 14, die nicht in Dickenrichtung des piezoelektrischen Keramikkörpers 12 laminiert ist, ausgebildet werden. Auch in diesem Fall sind benachbarte Elektroden 14 mit leitenden Materialien 18 bzw. mit Isoliermaterialien 20 auf den gegenüberliegenden Seitenflächen des piezoelektrischen Keramikkörpers 12 bedeckt. Äußere Elektroden sind auf den Seitenflächen ausgebildet, wo die Elektroden 14 mit den leitenden Materialien 18 bzw. mit den Isoliermaterialien 20 bedeckt sind. In dem piezoelektrischen Keramikkörper 12 sind die Elektroden 14 in einer interdigitalen Form angeordnet.

Um das piezoelektrische Bauelement 10 herzustellen, wird zunächst ein piezoelektrischer Werkstoff mit einer Perowskit-Schichtstruktur bereitgestellt. Unter Verwendung des piezoelektrischen Werkstoffs wird eine Grünschicht 30 ausgebildet, wie in 9 gezeigt. Auf die Grünschicht 30 wird eine Vielzahl von im wesentlichen parallelen linearen Elektrodenpasten 32 aufgedruckt, so daß sie sich von einem Ende der Grünschicht 30 zum anderen Ende derselben erstrecken. Eine Vielzahl von Grünschichten 30, auf die jeweils die Elektrodenpasten 32 aufgedruckt sind, wer den zu einem Laminat 34 aufeinander laminiert. Dabei werden die Grünschichten 30 so laminiert, daß sich die Elektrodenpasten 32 in Laminierrichtung der Grünschicht 30 überlappen.

Das erhaltene Laminat 34 wird gebrannt, wodurch ein Sinterkörper 36 mit den darin ausgebildeten Elektroden 14 hergestellt wird, wie in 11 gezeigt. Dabei wird z.B. durch Brennen der Grünschichten 30 unter einem in Laminierrichtung aufgebrachten Druck der Sinterkörper 36 hergestellt, in dem die kristallographische C-Achse in Laminierrichtung ausgerichtet ist. Der Sinterkörper 36 wird zu einer erforderlichen Größe geschnitten, wie sie durch die gestrichelten Linien in 11 angedeutet ist, um eine Vielzahl von Bauelementen zu bilden. Es sei darauf hingewiesen, daß die Elektroden 14 nicht auf der Oberfläche des Sinterkörpers 36 erscheinen, aber in 11 sind die Elektroden zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen den Elektroden 14 und den zugeschnittenen Abschnitten dargestellt.

Auf den Seitenflächen des erhaltenen Bauelements liegen die Endabschnitte der Elektroden 14 frei. Die einander in Laminierrichtung der Grünschicht 30 überlappenden Endabschnitte der Elektroden 14 sind abwechselnd mit leitenden Materialien 18 und mit Isoliermaterialien 20 bedeckt. Dabei sind auf einer der Seitenflächen des Bauelements die leitenden Materialien 18 und die Isoliermaterialien 20 abwechselnd ausgebildet. Auf der anderen Seitenfläche des Bauelements ist eine auf der einen Seitenfläche mit dem leitenden Material 18 bedeckte Elektrode 14 mit dem Isoliermaterial 20 bedeckt, während eine auf der einen Seitenfläche des Bauelements mit dem Isoliermaterial 20 bedeckte Elektrode 14 mit dem leitenden Material 18 bedeckt ist.

Äußere Elektroden 22 und 24 sind auf den Seitenflächen des Bauelements ausgebildet, wo die leitenden Materialien 18 bzw. die Isoliermaterialien 20 ausgebildet sind. Auf diese Weise sind die Elektroden 14 in der interdigitalen Elektrodenform miteinander verbunden. In diesem Zustand wird eine Gleichspannung an die äußeren Elektroden 22 und 24 angelegt, so daß ein Gleichstromfeld zwischen den nebeneinanderliegenden Elektroden 14 im wesentlichen senkrecht zur Orientierungsrichtung der C-Achse angelegt wird. Das heißt, das Bauelement ist in der durch den Pfeil C in 2 angedeuteten Richtung polarisiert. Wie oben beschrieben, wird das piezoelektrische Bauelement 10 bereitgestellt, in dem die kristallographische C-Achse in Dickenrichtung des piezoelektrischen Keramikkörpers 12 ausgerichtet ist, und der piezoelektrische Keramikkörper 12 ist im wesentlichen senkrecht zur C-Achse polarisiert.

BEISPIEL

Mit einem Rohmaterialpulver einer durch die Formel Na_0,5Bi_4,6Ti₄O₁₅ ausgedrückten Zusammensetzung wurden 5 bis 10 Gew.-% Vinylacetat als Bindemittel gemischt und nach einem Rakelverfahren zu einer Grünschicht geformt. Eine Platinelektrodenpaste 32 wurde mittels Siebdruck in eine lineare Form gebracht, wie in 9 gezeigt. Die keramischen Grünschichten wurden laminiert und, wie in 10 gezeigt, einem Preßbonden unterzogen, um ein Laminat 34 herzustellen. Die Dicke der untersten und obersten Lage der Grünschichten beträgt dabei etwa das Zweifache jeder der anderen Grünschichten, nämlich 300 μm, und die Dicke jeder der anderen Grünschichten beträgt 150 μm. Die Gesamtdicke der Grünschichten 30 vor dem Preßbonden betrug 1,5 mm, und die Dicke des Laminats 34 nach dem Preßbonden betrug 1,2 mm.

Das Laminat 34 wurde gebrannt, während es in Dickenrichtung gepreßt wurde, wodurch man einen Sinterkörper 36 mit einer Perowskit-Schichtstruktur erhielt, in der die C-Achse in Dickenrichtung ausgerichtet ist. Der Druck zum Pressen betrug 50 bis 500 kg/cm², und die Brenntemperatur betrug 1000°C bis 1300°C. Die Dicke des gebrannten Sinterkörpers 36 betrug etwa 600 μm. Der Sinterkörper 36 wurde zwecks Erzielung einer gleichmäßigen Dicke, d.h. einer Dicke von 500 μm, poliert. Wie durch die gestrichelten Linien in 11 angedeutet, wurde der Sinterkörper 36 danach zu Elementen mit jeweils einer Breite von 1 mm und einer Länge von 3,6 mm geschnitten. Durch das Brennen wurden die Platinelektrodenpasten 32 zu Elektroden 14. Die Elektroden 14 sind auf der Oberfläche des Sinterkörpers 36 nicht zu sehen. In 11 sind die Elektroden 14 jedoch zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen den Elektroden 14 und den geschnittenen Abschnitten dargestellt. Die an der Schnittfläche zu sehenden Elektroden 14 wurden in zwei Gruppen unterteilt. An den Schnittflächen wurden nur die zu derselben Gruppe gehörenden Elektroden 14 unter Verwendung der leitenden Materialien 18 und der Isoliermaterialien 20 elektrisch miteinander verbunden. Ein Gleichstromfeld wurde zwecks Polarisierung an diese beiden Gruppen von Elektroden angelegt. Gemäß 13 wurden diese Elektroden mit den Klemmen eines Impedanzmeßgerätes verbunden, und es wurde die Frequenzkennlinie der Impedanz untersucht.

Die elektromechanischen Koeffizienten wurden verglichen anhand eines piezoelektrischen Bauelements mit einer Schichtstruktur, die aus den piezoelektrischen Schichten 40 und den in 14 gezeigten, mit Hilfe von ungerichtetem Na_0,5Bi_4,5Ti₄O₁₅ gebildeten Elektrodenschichten 42 bestand, und anhand eines piezoelektrischen Bauelements mit einem stäbchenförmigen piezoelektrischen Körper 44, bei dem gemäß 15 an beiden Stirnflächen Elektroden 46 ausgebildet waren. In Tabelle 1 sind die Ergebnisse aufgeführt. Es ist festzustellen, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Impedanz gegenüber der Impedanz des piezoelektrischen Bauelements mit dem stäbchenförmigen piezoelektrischen Körper verringert werden kann, und außerdem kann der elektromechanische Koeffizient gegenüber dem ungerichteten mehrlagigen piezoelektrischen Bauelement erhöht werden.

TABELLE 1

Es wurde ein piezoelektrisches Stellglied mit einer ähnlichen Struktur wie das piezoelektrische Bauelement der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen. Unterschiede zwischen den Strukturen werden nun beschrieben.

Die Japanische Offenlegungsschrift Nr. 3-94487 offenbart eine herkömmliche Einrichtung zur Verbesserung der Zuverlässigkeit eines mehrlagigen Stellglieds eines piezoelektrischen Bauelements mit einem Keramikkörper aus einem ungerichteten piezoelektrischen Material und mit einer Struktur, bei der Interdigitalelektroden ähnlich wie bei dem piezoelektrischen Bauelement 10 der vorliegenden Erfindung laminiert sind. Diese Struktur wurde vorgeschlagen, um die mechanische Zuverlässigkeit eines solchen herkömmlichen Bauelements mit mehrlagiger Struktur gemäß 14 zu gewährleisten. Bei einer herkömmlichen mehrlagigen Struktur kann jedoch zur Verwendung in den Filtern und Oszillatoren, die in elektronischen Geräten enthalten sind, die in einem kleinen elektrischen Feld eingesetzt werden, eine hohe mechanische Zuverlässigkeit hinreichend gewährleistet werden. Bei den mehrlagigen Bauelementen mit einer Struktur gemäß 14 werden durch die Struktur mit den Interdigitalelektroden die elektromechanischen Koeffizienten reduziert, wobei die Struktur mit den Interdigitalelektroden für die mehrlagigen Bauelemente bisher nicht zur Verfügung stand (siehe Tabelle 1).

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dagegen insbesondere ein piezoelektrischer Keramikkörper mit einer Perowskit-Schichtstruktur verwendet, und das piezoelektrische Bauelement ist so konfiguriert, daß nach dem Brennen ein elektrisches Feld senkrecht zur Orientierungsrichtung der C-Achse an das Bauelement angelegt wird. Im Vergleich zu dem in 14 gezeigten herkömmlichen Bauelement mit einer mehrlagigen Struktur kann daher ein signifikant hoher elektromechanischer Koeffizient realisiert werden. Mit anderen Worten, die Kombination eines piezoelektrischen Materials mit einer Perowskit-Schichtstruktur und der Elektrodenstruktur schafft einen großen Wert.

Bis jetzt wurde das piezoelektrische Bauelement 10 mit der Struktur, bei der die linearen Elektroden 14 wie zum Beispiel die Interdigitalelektroden oder dergleichen vorgesehen sind, anhand des Beispiels beschrieben. Die Stellen, an denen die Elektroden 14 ausgebildet werden können, unterliegen keiner besonderen Beschränkung, vorausgesetzt daß ähnliche Effekte erzielt werden können. Zum Bei spiel können die Elektroden 14 auf der Oberfläche des piezoelektrischen Keramikkörpers 12 ausgebildet werden. Darüberhinaus ist die Dilatation nicht auf eine gleichmäßige Dilatation beschränkt. Zum Beispiel kann ein Teil mit einer unterschiedlichen Dilatationsphase in dem piezoelektrischen Keramikkörper 12 ausgebildet werden, indem die Richtung, in der ein elektrisches Feld angelegt wird, teilweise umgekehrt wird.

In dem piezoelektrischen Bauelement der vorliegenden Erfindung kann eine Einmoden-Resonanzcharakteristik mit Hilfe eines piezoelektrischen Materials mit einer Perowskit-Schichtstruktur realisiert werden. Demgemäß können ein Filter und ein Oszillator mit ausgezeichneten Eigenschaften wie zum Beispiel einer Wärmebeständigkeit bei hoher Temperatur, einem geringen Verlust bei hohen Frequenzen, und so weiter bereitgestellt werden, die bei Verwendung von Blei-Titanat-Zirconat, einem typischen piezoelektrischen Material, nicht erreicht werden können. Das piezoelektrische Bauelement hat eine niedrige Impedanz, so daß eine Impedanzanpassung an einen Schaltkreis ohne weiteres erreicht werden kann. Es kann ein piezoelektrisches Bauelement mit einem hohen elektromechanischen Koeffizienten bereitgestellt werden.

Claims

Piezoelektrisches Bauelement, das folgendes umfaßt: einen piezoelektrischen Keramikkörper (12), und eine Vielzahl von Elektroden (14), die jeweils auf mehreren parallelen Ebenen (16) in dem piezoelektrischen Keramikkörper angeordnet sind, wobei eine erste Gruppe der Elektroden mit einem ersten Potential (22) verbunden und eine zweite Gruppe der Elektroden mit einem zweiten Potential (24) verbunden ist und die mit dem ersten Potential verbundenen Elektroden und die mit dem zweiten Potential verbundenen Elektroden nebeneinanderliegende Abschnitte besitzen, wobei der piezoelektrische Keramikkörper (12) eine Perowskit-Schichtstruktur aufweist, bei der die C-Achsen der Kristalle in eine gemeinsame Richtung ausgerichtet sind, und das piezoelektrische Bauelement im wesentlichen senkrecht zu der gemeinsamen Richtung der C-Achsen polarisiert ist, wobei die Polarisationsrichtung im wesentlichen parallel zu den Ebenen, auf denen die Elektroden angeordnet sind, verläuft.
Piezoelektrisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Elektroden (14) in einer interdigitalen Elektrodenform angeordnet sind.
Piezoelektrisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vielzahl von Elektroden (14) in der Orientierungsrichtung der C-Achsen übereinander angeordnet sind, wobei einander überlappende Elektroden mit demselben Potential verbunden sind.
Piezoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der piezoelektrische Keramikkörper (12) zwischen den einen einander überlappenden Elektroden und den anderen einander überlappenden Elektroden in zwei entgegengesetzte Richtungen polarisiert ist.
Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Bauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: Ausbilden mehrerer Grünschichten (30) für einen piezoelektrischen Körper mit einer Perowskit-Schichtstruktur; Aufdrucken von Elektrodenpaste (32) auf die Grünschichten in einer Weise, daß eine Vielzahl von aufgedruckten Elektrodenpasten im wesentlichen parallel zueinander auf der jeweiligen Grünschicht angeordnet sind; Verbinden der Grünschichten zu einem Laminat (34) in einer Weise, daß die aufgedruckten Elektrodenpasten jeweils zwischen den Laminatschichten des piezoelektrischen Körpers angeordnet sind; und Brennen des Laminats (34) und Ausrichten der kristallographischen C-Achsen in den Laminatschichten in eine gemeinsame Richtung durch Beaufschlagen des Laminats (34) mit Druck in dieser gemeinsamen Richtung während des Brennens; Polarisieren des gebrannten Laminats (36), so dass der piezoelektrische Körper im wesentlichen senkrecht zur Orientierungsrichtung der C-Achsen polarisiert ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die kristallographischen C-Achsen in den Laminatschichten durch Verpressen der Laminatschichten beim Brennen im wesentlichen senkrecht zu den Laminatschichten ausgerichtet werden.