DE10258444A1

DE10258444A1 - Gestapelter keramischer Körper und dessen Herstellungsverfahren

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Publication number: DE10258444A1
Application number: DE2002158444
Authority: DE
Inventors: Atsuhiro Sumiya; Hitoshi Shindo; Eturo Yasuda; Toshiatsu Nagaya; Takashi Yamamoto; Akira Fujii
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2003-07-24
Also published as: US7063813B1; JP4225033B2; US20060210781A1; JP2003243742A

Abstract

Diese Erfindung stellt zur Verfügung: einen gestapelten keramischen Körper, der eine Reaktion zwischen Komponenten von dielektrischen Schichten und Komponenten von Elektrodenschichten eines ungesinterten gestapelten Körpers während des Sinterns verhindert und in welchem beide Komponenten nicht leicht eine flüssige Phase bilden und ein Herstellungsverfahren für einen derartigen gestapelten keramischen Körper. Ein Druckteil 13 wird auf einem grünen Blatt 1, 12, das Blei enthält, duch Verwendung einer aus Kupferoxid als dessen Hauptkomponente bestehenden Elektrodenpaste gebildet. Eine gewünschte Zahl von Durchblättern 10 werden gestapelt, um einen ungesinterten gestapelten Körper 15 zu ergeben. Entfetten wird in einer Atmosphäre ausgeführt, um organische Komponenten zu entfetten. Der Druckteil 13 wird einer reduzierenden Handlung in einer reduzierenden Atmosphäre, die Wasserstoff enthält, unterzogen und wird in einem Druckteil 13, der Kupfer als dessen Hauptkomponente enthält, umgewandelt. Der ungesinterte gestapelte Körper 15 wrid in einer reduzierenden Atmosphäre gesintert. Dielektrische Schichten, die Blei enthalten, und Elektrodenschichten zum Anlegen einer Spannung an die dielelektrischen Schichten werden alternierend gestapelt, und ein Oxidationsteil, der Kupfer enthält, wird in der Nachbarschaft einer Oberfläche der Elektrodenschicht gebildet. Eine Dicke des Oxidationsteils in einer Stapelrichtung beträgt 0,5, bis 2 mum und ein Kupfergehalt in dem Oxidationsteil ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen gestapelten keramischen Körper, der als eine piezoelektrische Vorrichtung für einen piezoelektrischen Schalter verwendet werden kann, und auf dessen Herstellungsverfahren.

Piezoelektrische Vorrichtungen, die gestapelte keramische Körper umfassen, die durch alternierendes Stapeln einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten und Elektrodenschichten zum Anlegen einer Spannung an die dielektrischen Schichten hergestellt wurden, sind bekannt. Unter diesen hat ein gestapelter keramischer Körper, von welcher die elektrische Schicht aus Bleizirkonattitanat (PZT) gebildet ist, und von welchem die Elektrode aus Kupfer gebildet ist, weite Anwendung als eine piezolelektrische Vorrichtung gefunden, da diese ökonomisch ist und bei dieser fast keine Migration auftritt, die in einer Silber-Paladiumelektrode beobachtet worden ist.

In dem gestapelten keramischer Körper, der dielektrischen Schichten, die Blei enthalten, und die Elektrodenschichten, die Kupfer enthalten, einschließt, ist metallisches Blei jedoch von der elektrischen Schicht während dem Sintern eines ungesinterten gestapelten Körpers in einem Herstellungsverfahren des gestapelten keramischen Körpers isoliert, und dieses metallische Blei und metallische Kupfer der Elektrodenschicht bilden zusammen eine flüssige Phase und fließen in einigen Fällen aus. Ferner aggregiert die Elektrodenschicht häufig und wird aufgrund der Reaktion zwischen metallischem Blei, das von der dielektrischen Schicht und dem metallischen Kupfer aus der Elektrodenschicht isoliert ist, unterbrochen (siehe später erscheinende Fig. 1(a) und 1(b)). Bleioxid, das in der dielektrischen Schicht enthalten ist, bildet eine flüssige Phase mit Kupferoxid, wird in die dielektrische Schicht diffundiert, und denaturiert manchmal die dielektrische Schicht.

Angesichts der Probleme der vorstehend beschriebenen Technologien des Stands der Technik, stellt die Erfindung einen gestapelten keramischen Körper, der die Reaktion zwischen Komponenten aus dielektrischen Schichten und Komponenten aus Elektrodenschichten eines ungesinterten gestapelten Körpers während dem Sintern verhindert und in welchem beide Komponenten nicht leicht eine flüssige Phase bilden, und ein Herstellungsverfahren für einen derartigen gestapelten keramischen Körper zur Verfügung.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines gestapelten keramischen Körpers zur Verfügung gestellt, das folgende Schritte umfasst:
Anordnen eines Druckteils, der aus einer aus Kupfer oder einer Kupferverbindung als dessen Hauptkomponente bestehenden Elektrodenpaste gebildet ist, auf ein Grünblatt, das aus einem ein Bleioxid als dessen Bestandteilselement enthaltendes dielektrischen Oxid gebildet ist, um ein Druckblatt zu bilden;
Aufeinanderstapeln einer Mehrzahl der Druckblätter, um einen ungesinterten gestapelten Körper zu bilden;
Ausführen von Entfettungsbehandlungen durch Hitzebehandlung und Entfernen von organischen Komponenten, die in dem ungesinterten gestapelten Körper enthalten sind;
und
Sintern des ungesinterten gestapelten Körpers in einer reduzierenden Atmosphäre von Raumtemperatur bis 400 bis 600C°, während ein Sauerstoffpartialdruck auf einen Sauerstoffpartialdruck, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren können, oder auf einen Sauerstoffpartialdruck, der höher als der Sauerstoffpartialdruck ist, bei welchen Kupfer und Bleioxid koexistieren können, eingestellt bzw. gesteuert wird.

Das Verfahren und der Effekt der ersten Erfindung wird erläutert werden. Die erste Erfindung führt eine Entfettungsbehandlung des ungesinterten gestapelten Körpers aus und sintert den ungesinterten gestapelten Körper in einer reduzierenden Atmosphäre.

Wenn Blei von dem Grünblatt isoliert wird, um als die dielektrische Schicht während dem Sintern in der reduzierenden Atmosphäre zu operieren, reagiert dieses Blei mit Kupfer des Druckteils, bildet eine flüssige Phase und wird in einigen Fällen ausgestoßen, während andere Komponenten des Grünblattes und Druckteile involviert werden. Es tritt auch leicht eine Aggregation in dem Druckteil auf.

Eine derartige Isolierung des Bleis tritt auf, wenn das dielektrische Material in dem Grünblatt während der Reduktionsbehandlung des ungesinterten gestapelten Körpers reduziert wird, und auch wenn das dielektrische Material in dem Grünblatt bei einer Sintertemperatur von weniger als 600C° in der reduzierenden Atmosphäre reduziert wird.

Gemäß der ersten Erfindung wird die reduzierende Atmosphäre von Raumtemperatur bis 400 bis 600C° auf einen Sauerstoffpartialdruck, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren können, oder auf einen Sauerstoffpartialdruck, der höher als der Sauerstoffpartialdruck ist, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren können, eingestellt. Darüber hinaus wird Blei, das bereits isoliert worden ist, oxidiert. Da die Isolierung des Bleis während dem Sintern so verhindert wird, nimmt das Blei nicht mehr länger zu. Daher tritt zwischen isolierten Blei und Kupfer nicht leicht eine Reaktion auf, und die Aggregation des Druckteils und das Hinausfließen des Materials von der Innenseite des ungesinterten gestapelten Körpers tritt nicht leicht auf.

Wenn der Sauerstoffpartialdruck bei der Reduktion und beim Sintern gesteuert wird, wird Kupfer in der Nachbarschaft des exponierten Teils des Druckteils des ungesinterten gestapelten Körpers zu Kupferoxid oxidiert, das nicht mit Blei reagiert. Daher tritt, sogar wenn Blei und Kupfer innerhalb des ungesinterten gestapelten Körpers reagieren und ein Teil von diesen verflüssigt wird, ein Hinausfließen der Materialien von der Innenseite des gestapelten Körpers nicht leicht auf.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein gestapelter keramischer Körper, der hergestellt wurde, indem alternierend Blei enthaltende dielektrische Schichten und Kupfer enthaltene Elektrodenschichten aufeinander gestapelt wurden, zur Verfügung gestellt, um eine Spannung an die dielektrischen Schichten anzulegen, wobei ausgesetzte Teile der Elektrodenschichten nach außen und Teile in der Nachbarschaft der ausgesetzten Teile Oxidationsteile sind.

In der zweiten Erfindung existiert der Oxidationsteil an dem Teil der Elektrodenschicht, die zur Außenseite exponiert ist und in Nachbarschaft des ausgesetzten Teils. Dieser Oxidationsteil kann ein Hinausfließen der Materialien von der Innenseite des verflüssigten ungesinterten gestapelten Körpers verhindern. Wenn der gestapelte keramische Körper durch das Verfahren gemäß der ersten Erfindung hergestellt wird, tritt eine Aggregation des Druckteils nicht leicht auf.

Die ersten und zweiten Erfindungen, die vorstehend beschrieben wurden, stellen einen gestapelten keramischen Körper bereit, in welchem die Reaktion nicht leicht zwischen der Komponente der dielektrischen Schicht und in den Komponenten der Elektrodenschicht des ungesinterten gestapelten Körpers während dessen Sintern auf, beide Komponenten werden nicht leicht verflüssigt und die verflüssigte Komponente fließt nicht leicht aus, und zudem wird ein Herstellungsverfahren hierfür bereitgestellt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1(a) bis 1(d) sind erläuternde Ansichten, die jeweils ein Herstellungsverfahren für einen ungesinterten gestapelten Körper in einer Ausführungsform der Erfindung zeigen;
Fig. 2 ist ein Diagram, das ein Temperaturprofil während dem Entfetten in der Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 3(a) bis 3(c) sind erläuternde Ansichten die jeweils einen Anordnungszustand eines ungesinterten gestapelten Körpers während dem Entfetten in der Ausführungsform der Erfindung zeigen;
Fig. 4 ist ein Diagramm, das ein Temperaturprofil während der Reduktionsbehandlung in der Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 5(a) und 5(b) sind erläuternde Ansichten, die jeweils einen Anordnungszustand eines ungesinterten gestapelten Körpers während dem Sintern in der Ausführungsform der Erfindung zeigen;
Fig. 6 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Zustand einer Brennkapsel während dem Sintern in der Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 7 ist eine erläuternde Ansicht eines Sinter-Ofens in der Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 8 ist ein Diagramm, das die Steuerung von Temperatur und Sauerstoffpartialdruck während dem Sintern zeigt;
Fig. 9 ist ein Diagramm, das eine interne Temperatur und Sauerstoffpartialdruck innerhalb eines Sinter-Ofens während dem Sintern zeigt;
Fig. 10 ist ein Diagramm, das einen Cu+PbO koexistierenden Bereich und den Bereich für die Temperatur und den Sauerstoffpartialdruck während dem Sintern in der Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 11(a) ist eine erläuternde Ansicht einer Elektrodenschicht und eines Oxidationsteils (erläuternde Abschnittsansicht, die entlang der Linie A-A in Fig. 11(b) aufgenommen wurde), und Fig. 11(d) ist eine erläuternde Ansicht eines gestapelten keramischen Körpers;
Fig. 12(a) ist eine schematische Ansicht, die eine Elektrodenschicht und einen Oxidationsteil in einem Vergleichsbeispiel zeigt und Fig. 12 (b) ist eine schematische Ansicht, die eine Elektrodenschicht und einen Oxidationsteil in der Ausführungsform der Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In den ersten und zweiten Erfindungen ist das dielektrische Material, dass das Grünblatt zusammensetzt, eine Komposit- Verbindung, die ein Bleioxid, wie etwa Bleizirkonattitanat, Pb (Mg_1/3Nb_2/3)O₃ und so weiter, enthält. Der vorstehend beschriebene Druckteil wird aus Kupfer oder einer Kupferverbindung gebildet. Es kann Kupfer sein, das keine Verunreinigung enthält, oder eine Verbindung aus Kupfer mit Ni oder Zn.
Ein Druckteil, der aus einer Elektrodenpaste gebildet ist, die Kupferoxid als dessen Hauptkomponente enthält, wird vorzugsweise angeordnet, um ein Druckblatt zu bilden.
Der aus Kupferoxid bestehende Druckteil, der in dem ungesinterten gestapelten Körper enthalten ist, wird vorzugsweise einer reduzierenden Behandlung in einer Wasserstoff enthaltenden reduzierenden Atmosphäre unterzogen, um den Druckteil zu bilden, der aus Kupfer als dessen Hauptkomponente besteht. Wenn die reduzierende Behandlung in der Wasserstoff enthaltenden reduzierenden Atmosphäre unterzogen wird, wird Kupferoxid in die hauptsächlich aus Kupfer bestehende Elektrodenschicht umgewandelt. Ein Material, das eine derartige Umwandlung erreichen kann, wird als ein Material für die Elektrodenpaste ausgewählt. Das Kupferoxid beinhaltet sowohl einwertige als auch zweiwertige Oxide.
Das Volumen des ungesinterten gestapelten Körpers beträgt vorzugsweise (8 mm³ oder mehr. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann folgendes zuverlässiger verhindert werden:
Reaktion zwischen isoliertem Blei und Kupfer,
Aggregation des Druckteils und
Hinausfließen der Materialien von der Innenseite des ungesinterten gestapelten Körpers, das in der ersten Erfindung erwähnt wurde.
In der ersten Erfindung wird Sintern ausgeführt, während der Sauerstoffpartialdruck auf einen Sauerstoffpartialdruck, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren können, oder auf einen höheren Sauerstoffpartialdruck als den Sauerstoffpartialdruck, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren können, eingestellt wird, bis die Temperatur von Raumtemperatur bis 400 bis 600C° erhöht ist. Wenn der Sauerstoffpartialdruck auf die Drücke, die sich von dem vorstehend beschriebenen Bereich des Sauerstoffpartialdrucks unterscheiden, in diesem Temperaturbereich eingestellt wird, wird metallisches Blei isoliert, bildet eine flüssige Phase mit metallischem Kupfer und tendiert dazu, hinauszufließen.
Wenn das Volumen des ungesinterten gestapelten Körpers kleiner als 8 mm³ in der ersten Erfindung ist, tendiert das Kupfer in der Nachbarschaft der Oberfläche des ungesinterten gestapelten Körpers dazu, durch Sauerstoff oxidiert zu werden, das aus einer externen Atmosphäre in den ungesinterten gestapelten Körper während dem Sintern diffundiert. In diesem Fall fällt die Leitfähigkeit der Elektrodenschicht ab, wenn der Druckteil in die Elektrodenschicht geändert wird, und die Elektrode kann nicht leicht betrieben werden.
Sogar wenn maschinelle Verarbeitung, wie etwa Schleifen nach dem Sintern angewendet wird, schreitet die Oxidation der Elektrode in den meisten Fällen bis zu einem Teil voran, der tiefer ist als ein Bereich, der durch Schleifen entfernt werden kann (Schleifspielraum), und es ist schwierig die Elektrodenschicht als die Elektrode zu betreiben, indem geschliffen wird. Wenn die Elektrodenschicht partiell oxidiert ist, kann eine ausreichende Spannung nicht leicht auf die dielektrische Schicht aufgrund von Leitungsdefekten angelegt werden, wenn ein gestapelter keramischer Körper, der aus dem ungesinterten gestapelten Körper erhalten wurde, als eine piezoelektrische Vorrichtung verwendet wird. Daher fällt die Leistung der piezoelektrischen Vorrichtung leicht ab.
Die Gestalten des Grünblattes und des Druckteils (d. h. die dielektrische Schicht und die Isolierungsschicht) sind in dem später erscheinenden Beispiel quadratisch, aber sie können in beliebige Gestalten, wie etwa rechteckige Gestalt, polygonale Gestalt, eine runde Gestalt, eine fassförmige Gestalt, eine elliptische Gestalt usw. geformt werden.
Als Nächstes wird mit der Temperaturerhöhung von der Raumtemperatur begonnen, um den ungesinterten gestapelten Körper in der reduzierenden Atmosphäre zu sintern. In diesem Fall wird der Sauerstoffpartialdruck in der reduzierenden Atmosphäre vorzugsweise auf 10^-10 bis 10^-20 atm (1,013 × 10^-5 ( = 10^-4,994) to 1,013 × 10^-15 ( = 10^-14,99)Pa) eingestellt.
Wenn der Sauerstoffpartialdruck auf den vorstehend beschriebenen spezifischen Bereich in dem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 400 bis 600C° eingestellt wird, kann Sintern bei dem Sauerstoffpartialdruck, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren können, oder bei einem Sauerstoffpartialdruck, der höher als der Sauerstoffpartialdruck ist, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren können, ausgeführt werden. Daher kann die Reaktion zwischen metallischen Blei und metallischen Kupfer verhindert werden. Ein Oxidationsteil kann leichter gebildet werden, wie nachstehend beschrieben wird.
Als Nächstes wird die Temperaturerhöhung von 400 bis 600C° fortgesetzt, um den ungesinterten gestapelten Körper in der reduzierenden Atmosphäre zu sintern. In diesem Fall ist es bevorzugt, den Sauerstoffpartialdruck in der reduzierenden Atmosphäre auf den Sauerstoffpartialdruck, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren können, oder auf einen höheren Sauerstoffpartialdruck, als der Sauerstoffpartialdruck, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren können, einzustellen, bis die Temperatur 900 bis 1000C° erreicht.
Wenn die Temperaturerhöhung von 400 bis 600C° fortgesetzt wird und der Sauerstoffpartialdruck so eingestellt wird, dass er die vorstehend beschriebene Bedingung erfüllt, bis die Temperatur 900 bis 1000C° erreicht, kann Reduktionssintern ausgeführt werden, während der Zustand, unter welchem Kupfer und Blei koexistieren, als solcher beibehalten wird.
Wenn der Sauerstoffpartialdruck weniger als 10^-20 atm (1,013 × 10^-5 ( = 10^-4,994) Pa) beträgt, während die Temperatur 400 bis 600C° erreicht, wird Sintern in einem Bereich ausgeführt, der sich von dem Cu+PbO koexistierenden Bereich unterscheidet. Daher wird metallisches Blei aus dem Grünblatt, um als die dielektrische Schicht betrieben zu werden, und metallisches Kupfer aus dem Druckblatt, um als die Elektrodenschicht betrieben zu werden, isoliert und metallisches Blei zusammen mit einer flüssigen Phase tendiert dazu, hinauszufließen.
Wenn der Sauerstoffpartialdruck größer als 10^-10 atm (1,013 × 10^-5 ( = 10^-4,994)Pa) beträgt, bis die Temperatur von 400 bis 600C° erreicht, wird der Teil des Druckteils, der mit Sauerstoff in Kontakt kommt, breit oxidiert, wird der elektrische Widerstand der Elektrodenschicht, der aus diesen Druckteil erhalten wurde, groß und die Funktion der Elektrode tendiert dazu, abzufallen. Bleioxid und Kupferoxid des Grünblattes bilden zusammen die flüssige Phase und tendieren dazu, in das Grünblatt zu diffundieren, d. h. in die dielektrische Schicht.
Wenn der Sauerstoffpartialdruck innerhalb des Bereiches des Sauerstoffpartialdrucks ist, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren können, bis die Temperatur 900 bis 1000C° erreicht, wird metallisches Blei aus dem Grünblatt, um als die dielektrische Schicht betrieben zu werden, isoliert, und metallisches Kupfer und metallisches Blei des Druckteils, um als die Elektrodenschicht betrieben zu werden, bilden zusammen die flüssige Phase und tendieren dazu, hinauszuströmen. Wenn der Sauerstoffpartialdruck geringer als der Sauerstoffpartialdruck ist, bei welchem Kupfer und Blei koexistieren können, wird metallisches Blei isoliert, und metallisches Kupfer und metallisches Blei des Druckteils, um als die Elektrodenschicht betrieben zu werden, bilden zusammen die flüssige Phase und tendieren dazu hinauszuströmen. Darüber hinaus wird die Bildung eines Oxidationsteils, der später beschrieben wird, schwierig und Abschälen zwischen der dielektrischen Schicht und der Elektrodenschicht tritt leicht auf.
Als nächstes wird das Erfordernis " um den Sauerstoffpartialdruck auf einen Sauerstoffpartialdruck, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren können, oder auf einen höheren Sauerstoffpartialdruck als den Sauerstoffpartialdruck, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren können, einzustellen, bis die Temperatur 900 bis 1000C° erreicht, während die Temperaturerhöhung fortgesetzt wird" erläutert werden. Ein Sauerstoffpartialdruck einer Atmosphäre bestimmt, ob in einem System, das sowohl Kupfer als auch Blei enthält, Kupfer sich in Kupferoxid umwandelt oder Blei sich in Bleioxid umwandelt. Ein spezifischer Bereich des Sauerstoffpartialdrucks existiert, bei welchem Kupfer nicht oxidiert wird, sondern Blei zu Bleioxid oxidiert wird, und beide von diesen koexistieren. Gemäß Anspruch 5 wird der Sauerstoffpartialdruck bei dem Sauerstoffpartialdruck gehalten, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren oder bei welchen eine höherer Sauerstoffpartialdruck (zu der Sauerstoffseite hin) als dieser Sauerstoffpartialdruck, bei dem Cu+PbO koexistieren.
Wie konkreter in dem Diagramm von Fig. 10 gezeigt, ist der durch die durchgezogene Linie a und durchgezogene Linie b eingeschlossene Bereich der Bereich, bei dem Kupfer und Bleioxid coexistieren, und Anspruch 5 formuliert, dass Sintern in diesem Bereich oder in einem Bereich, der einen höheren Sauerstoffpartialdruck aufweist, ausgeführt wird. Im Übrigen: 1 atm = 1,013 hPa = 1,013 × 10⁵ Pa.
Wenn der ungesinterte gestapelte Körper in der reduzierenden Atmosphäre gesintert wird, wird der Sauerstoffpartialdruck vorzugsweise derart eingestellt, dass dieser die folgende Bedingung bei jeder Temperatur erfüllt:
1000C°:
10^-4 to 10^-7,9 atm (10,13 (= 10^1,0056) to 1,276 × 10^-3 (10^-2,894)Pa)
900C°:
10^-5 to 10^-10,1 atm (1,013 (= 10^0,0056) to 8,049 × 10^-6 ( = 10^-5.094)Pa)
800C°:
10^-6 to 10^-12,2 atm (1,013 × 10^-1 (= 10^-0,9944) to 6,393 × 10^-8 ( = 10^-7,194)Pa)
700C°:
10^-7 to 10^-14,5 atm (1,013 × 10^-2 (= 10^-1,994) to 3,204 × 10^-10 (10^-9,494)Pa)
600C°:
10^-8 to 10^-16,6 atm (1,013 × 10^-3 (= 10^-2,994) to 2,545 × 10^-12 (= 10^-11,59)Pa)
500C°:
10^-9 to 10^-18,8 atm (1,013 × 10^-4 (= 10^-3,994) to 1,606 × 10^-14 (= 10^-13,79)Pa)
Wenn das Sintern ausgeführt wird, während der Sauerstoffpartialdruck bei dem Wert bei jedem vorstehend beschriebenen Temperaturbereich gehalten wird, kann Sintern bei dem Sauerstoffpartialdruck ausgeführt werden, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren können, oder bei einem höheren Sauerstoffpartialdruck als der Sauerstoffpartialdruck, bei dem Cu+Pbo koexistieren, und es ist möglich, zu verhindern, dass metallisches Blei aus dem Grünblatt, das als die dielektrische Schicht betrieben wird, isoliert wird, und zu verhindern, dass metallisches Kupfer und metallisches Blei des Druckteils, das als die Elektrodenschicht betrieben wird, die flüssige Phase bildet und hinausfließt, wie aus der später gezeigten Fig. 10 entnommen werden kann.
Wenn Sintern innerhalb eines Bereiches ausgeführt wird, der zu der Reduktionsseite von dem Sauerstoffpartialdruck abweicht, der jedem Temperaturbereich entspricht, wird metallisches Blei isoliert, und metallisches Kupfer und metallisches Blei des Druckteils, das als die Elektrodenschicht betrieben wird, bilden zusammen die flüssige Phase und tendieren dazu, hinauszufließen. Die Bildung des später beschriebenen Oxidationsteils wird schwierig und die dielektrische Schicht und die Elektrodenschicht tendieren dazu, sich ab zu schälen. Wenn Sintern innerhalb eines Bereiches ausgeführt wird, der zu der Oxidationsseite von dem Sauerstoffpartialdruck abweicht, der jedem Temperaturbereich entspricht, bilden andere dielektrische Materialien, nicht umgesetztes Bleioxid und Kupferoxid, das geringfügig an dem Druckteil gebildet wird, um als die Elektrodenschicht betrieben zu werden, zusammen die flüssige Phase und tendieren dazu, in den gestapelten Körper zu diffundieren.
Als nächstes beträgt in der zweiten Erfindung eine Oxidationsbreite des Oxidationsteils, gemessen in einer Richtung, die zu der stapelnden Richtung der Elektrodenschicht vertikal ist, vorzugsweise 0,05 bis 2 mm. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, ist es möglich, einen Oxidationsteil zu erhalten, der ausreichend ist, um das Hinausströmen der Materialien abzuschneiden, wenn die flüssige Phase im Inneren gebildet wird. Wenn die Oxidationsbreite des Oxidationsteils weniger als 0,05 mm beträgt, wird es in einigen Fällen nötig, das Hinausströmen zu verhindern, wenn metallisches Kupfer und metallisches Blei, die von der Innenseite des Grünblattes isoliert sind, miteinander reagieren, und die flüssige Phase bilden. Wenn die Oxidationsbreite größer als 2 mm ist, wird andererseits die Elektrodenschicht mit einem dicken Oxidfilm bedeckt und die Leitfähigkeit der Elektrodenschicht tendiert dazu, abzufallen.
Sogar wenn maschinelle Verarbeitung, wie etwa Schleifen nach dem Sintern angewendet wird, schreitet die Oxidation der Elektrodenschicht praktisch in einigen Fällen bis zu einem tieferen Teil als den Bereich voran, der durch Schleifen entfernt werden kann, und es ist schwierig, die Elektrodenschicht als die Elektrode zu betreiben, indem abgeschliffen wird. Wenn der gestapelte keramische Körper mit einem breiten Oxidationsteil als die piezoelektrische Vorrichtung verwendet wird, ist es wahrscheinlich, dass die Leistung der piezoelektrischen Vorrichtung auf Grund eines Leitungsdefektes der Elektrodenschicht abfällt.
Im Übrigen wird als die Oxidationsbreite eine maximale Breite verwendet, die von einem Endteil des gestapelten keramischen Körpers bis zu dem Ende des Oxidationsteils in einer Richtung gemessen wird, die vertikal zu der stapelnden Richtung des gestapelten keramischen Körpers ist.
In der zweiten Erfindung existiert vorzugsweise wenigstens ein Diffusionsteil, der durch Diffusion von wenigstens einer Art von Komponenten, die die Elektrodenschicht zusammensetzen, gebildet ist, in der Nachbarschaft der Grenzfläche mit der Elektrodenschicht in der dielektrischen Schicht. Dieser Oxidationsteil gewährleistet eine ausreichende Adhäsionsfestigkeit zwischen der dielektrischen Schicht und der Elektrodenschicht. Im Übrigen wird als die Dicke des Oxidationsteils der Erfindung eine maximale Dicke verwendet, die von der Oberfläche der Elektrodenschicht in der stapelnden Richtung des gestapelten keramischen Körpers gemessen wird.
In dem Diffusionsteil in der zweiten Erfindung ist Kupfer, das aus der Elektrodenschicht stammt, in einem diffundierten Zustand, beträgt ein Diffusionsabstand von der Grenzfläche zwischen der dielektrischen Schicht und der Elektrodenschicht in dem Diffusionsteil 0,5 bis 2 µm, und der Gehalt des Kupfers beträgt vorzugsweise 0,1 bis 30 Gew.-%. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann der Abfall des Isolierungswiderstands unterdrückt werden.
Wenn der Diffusionsabstand weniger als 0,5 µm beträgt, ist die Adhäsionsfestigkeit zwischen der dielektrischen Schicht und der Elektrodenschicht nicht ausreichend, und Abschälen tendiert dazu, zwischen diesen Schichten aufzutreten. Wenn der Diffusionsabstand größer als 2 µm ist, wird ein dielektrischer Teil oder ein Widerstandsteil mit niedriger Isolierung mit einer anderen Zusammensetzung, die Kupfer enthält, in einer laminaren Form oder in einer kaum gestreuten Form innerhalb der dielektrischen Schicht gebildet. Da der Isolierungswiderstand der dielektrischen Schicht in diesem Fall abfällt, tritt leicht ein Durchschlag in der dielektrischen Schicht auf, wenn dieser gestapelte keramische Körper als die piezoelektrische Vorrichtung verwendet wird.
Wenn der Kupfergehalt weniger als 0,1 Gew.-% beträgt, ist es wahrscheinlich, dass die Adhäsionsfestigkeit des Oxidationsteils zwischen der dielektrischen Schicht und der Elektrodenschicht schwach wird und sich abschält. Wenn der Kupfergehalt größer als 30 Gew.-% beträgt, ist es wahrscheinlich, das der Isolierungswiderstand der dielektrischen Schicht abfällt.
In der zweiten Erfindung ist der gestapelte keramische Körper vorzugsweise die piezoelektrische Vorrichtung. In dem gestapelten keramischen Körper gemäß der zweiten Erfindung schälen sich die dielektrische Schicht und die Elektrodenschicht nicht leicht ab. Wenn der gestapelte keramische Körper als die piezoelektrische Vorrichtung betrieben wird, wird daher der gestapelte keramische Körper einer Ausdehnung und Kontraktion in der stapelnden Richtung unterzogen. Jedoch schälen sich die dielektrische Schicht und die Elektrodenschicht auf Grund dieser Ausdehnung und Kontraktion nicht leicht ab, und die piezoelektrische Vorrichtung besitzt eine herausragende Haltbarkeit.
Da die Elektrodenschicht eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit beibehält, kann die Spannung in zuverlässiger Weise auf die dielektrische Schicht angelegt werden.
Darüber hinaus kann eine Spannung, die zur ausreichenden Ausweitung und Kontraktion der dielektrischen Schicht notwendig ist, auf zuverlässige Weise angewendet werden. Daher kann eine herausragende piezoelektrische Vorrichtung erhalten werden. In diesem Fall kann der gestapelte keramische Körper gemäß der zweiten Erfindung als eine herausragende piezoelektrische Vorrichtung verwendet werden.
Nachstehend wird ein Beispiel der Erfindung an Hand der begleitenden Zeichnungen erläutert werden. Ein Verfahren zum Herstellen eines gestapelten keramischen Körpers 1 (siehe Fig. 1(a) und 1(b)) gemäß diesem Beispiel bildet zunächst einen Druckteil 13, der aus einer Elektrodenpaste gebildet ist, die aus Kupferoxid als eine Hauptkomponente besteht, auf Grünblättern 11 und 12, die ein Bleioxid als dessen zusammensetzendes Element enthalten, um ein Druckblatt 10 zu erhalten, und stapelt dann eine Mehrzahl von Druckblättern 10, um einen ungesinterten gestapelten Körper 15, wie in Fig. 1(a) bis 1(d) gezeigt, zu erhalten.
Als nächstes wird eine Entfettungsbehandlung zum Entfernen eines Bindemittels, das in dem ungesinterten gestapelten Körper enthalten ist, ausgeführt, indem die organischen Komponenten, die in dem ungesinterten gestapelten Körper in der Atmosphäre enthalten sind, Hitze behandelt werden. Eine reduzierende Behandlung des Druckteils 13, der aus Kupferoxid besteht, der in dem ungesinterten gestapelten Körper als die Hauptkomponente enthalten ist, wird ausgeführt, um den Druckteil 13 in denjenigen umzuwandeln, der aus Kupfer als dessen Hauptkomponente besteht. Der ungesinterte gestapelte Körper wird dann in einer reduzierenden Atmosphäre und bei einem Sauerstoffpartialdruck, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren können, oder bei einem höheren Sauerstoffpartialdruck als der Sauerstoffpartialdruck, bei welchem Kupfer und Blei koexistieren können, gesintert, bis die Temperatur von Raumtemperatur bis 400 bis 600°C erhöht ist.
Auf die vorstehend beschriebene Weise wird der gestapelte keramische Körper 1 erhalten, in welchem die dielektrischen Schichten 31 und 32, die Blei enthalten, und die Elektrodenschichten 33, die Kupfer enthalten, um die Spannung an diese dielektrischen Schichten 31 und 32 anzulegen, alternierend gestapelt sind und der der Außenseite ausgesetzte Teil der Elektrodenschichten 33 und die Teile nahe an dem ausgesetzten Teil aus dem in Fig. 11(a) und 11(b) gezeigten Oxidationsteil 335 gebildet sind.
Nachstehend wird eine Erläuterung im Detail gegeben werden. Der gestapelte keramische Körper in diesem Beispiel ist eine piezoelektrische Vorrichtung, die als eine Antriebsquelle für einen piezoelektrischen Schalter verwendet werden kann. Dieser gestapelte keramische Körper 1 wird hergestellt, indem die dielektrischen Schichten 31 und 32, die aus Bleizirkonattitanat (nachstehend "PZT" genannt; dessen detaillierte Beschreibung in einem nachstehend dargestellten Herstellungsverfahren beschrieben wird) gebildet sind, und die Elektrodenschichten 33, die aus Kupferoxid als dessen Hauptkomponente bestehen, alternierend gestapelt werden. Im Übrigen zeigen die Fig. 1(a) bis 1(d) den Stapelungszustand des ungesinterten gestapelten Körpers, aber die gleiche Struktur wird im Wesentlichen nach dem Sintern beibehalten (obwohl eine Schrumpfung in einigem Ausmaß auftritt, die auf das Sintern zurückgeht).
Mit anderen Worten der gestapelte keramische Körper 1 beinhaltet die dielektrischen Schichten 31 und 32, die Elektrodenschicht 33, die auf der Oberfläche von jeder dielektrischen Schicht 31 und 32 gebildet wird, und einen Nichtbildungsteil 330, wo die Elektrodenschicht 33 nicht gebildet ist, auf einer der Seitenoberflächen von jeder dielektrischen Schicht 31 und 32 (siehe Fig. 11(a) und 11(b)). In den gestapelten keramischen Körper 1 dieses Beispiels, werden die dielektrischen Schicht 31 und 32 in regelmäßiger Reihenfolge auf eine derartige Weise gestapelt, dass die Nichtbildungsteile 330 der Elektrodenschichten 33 alternierend auf den verschiedenen Seitenoberflächen 35 und 36 erscheinen.
Als nächstes wird das Herstellungsverfahren des gestapelten keramischen Körpers 1 im Detail beschrieben werden. Zunächst werden Grünblätter 11 und 12 für die dielektrischen Schichten 31 und 32 hergestellt. Bleioxid und Wolframoxid werden jeweils auf 83,5 Gew.-% und 16,5 Gew.-% abgewogen, werden trocken vermischt und werden dann bei 500°C zwei Stunden gesintert. So wird calciniertes Pulver (chemische Formel: Pb_0,835W_0,165O_1,33) erhalten, in welchem Bleioxid und ein Teil von Wolframoxid miteinander reagieren. Dieses calcinierte Pulver wird fein granuliert und in einer Medium-Rührmühle getrocknet, um die Reaktivität zu verbessern und um Hilfsoxidpulver zu erhalten.
Die dielektrischen Schichten 31 und 32 der piezoelektrischen Vorrichtung 1 dieses Beispiels ist PZT, welches eine ternäre feste Lösung aus Pb(Y_0,5Nb_0,5)O₃-PbTiO₃- PbZrO₃ System als dessen Basiszusammensetzung aufweist, und in welchem Sr einen Teil von Pb ersetzt. Die Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien wird so ausgewählt, dass die Endzusammensetzung die vorstehend beschriebene Verbindung erreicht. Die Ausgangsmaterialien werden trocken vermischt und werden bei 850°C für sieben Stunden gesintert. Auf diese Weise wird dielektrisches calciniertes Pulver erhalten.
Als nächstes werden 2,5 l Wasser und ein Dispergiermittel (2,5 Gew.-% auf der Basis des dielektrischen calcinierten Pulvers) im Vorhinein vermischt, und 4,7 kg des dielektrischen calcinierten Pulvers wird allmählich vermischt, um eine Aufschlämmung des dielektrischen calcinierten Pulvers zu erhalten. Diese dielektrische calcinierte Pulveraufschlämmung wird in einer Medium- Rührmühle gerührt, und der Teilchendurchmesser des dielektrischen calcinierten Pulvers in der Aufschlämmung wird auf 0,2 µm oder weniger durch Verwendung einer Perlenmühle eingestellt.
Zu der dielektrischen calcinierten Pulveraufschlämmung werden 4 Gew.-% eines Bindemittels auf der Basis des dielektrischen calcinierten Pulvers in der Aufschlämmung, 1,9 Gew.-% eines Formfreisetzungsmittels auf der Basis des Gewichts des dielektrischen calcinierten Pulvers in der Aufschlämmung und 13,5 g des vorstehend beschriebenen Hilfsoxidpulvers auf der Basis von 1,600 g des dielektrischen calcinierten Pulvers in der Aufschlämmung (0,5 Atom% in der chemischen Formel Pb_0,835W_0,165O_1,33 des Hilfsoxidpulvers) gegeben. Die Mischung wird drei Stunden gerührt und wird unter Verwendung eines Sprühtrockners getrocknet, um ein granuliertes Pulver zu ergeben.
Das granulierte Pulver wird ferner für eine Nacht und einen Tag fein granuliert und wird mit Wasser vermischt. Ein Blatt wird dann mit einem Klingenintervall von 125 µm durch ein Abstreichmesserverfahren gebildet. Nach dem Trocken bei 80°C, wird das Blatt in eine Größe von 100 mm mal 150 mm geschnitten, indem eine Blattschneidevorrichtung verwendet wird. So werden die Grünblätter 11 und 12 erhalten.
Als nächstes wird der Druckteil 13 auf jedem Grünblatt 11 und 12 gebildet. Zu 1,800 g CuO-Paste (CuO-Gehalt: 50 Gew.- %, CuO spezifische Oberfläche: 10 m²/g mit dem Restbindemittel) werden 1,11 g 1050YPCu-Pulver (gemischtes Pulver aus Yttriumoxid, Phosphor und Kupfer), ein Produkt von Mitsui Metal Co. und 0,09 g Duplikatpulver (Pulver mit den gleichen Komponenten wie das calcinierte Pulver für die dielektrischen Schichten oder das einen Teil der Komponenten enthält) zugegeben. Diese Materialien werden dann innerhalb eines entschäumenden Centrifugengerätes vermischt, um eine Elektrodenpaste zu ergeben. Die Elektrodenpaste wird mit einer Dicke von 5 bis 8 µm auf die Grünblätter unter Verwendung eines Siebdruckgerätes gedruckt und dann bei 130°C eine Stunde getrocknet.
Die Grünblätter 11 und 12 mit dem Druckteil 13 werden auf diese Weise, wie in Fig. 1(a) gezeigt, erhalten.
Die Nichtbildungsteile 130 auf den Druckteilen 13 werden auf eine derartige Weise angeordnet, dass sie auf den entgegengesetzten Seitenoberflächen zwischen dem benachbarten dielektrischen Schichten 31 und 32 zur Zeit der Stapelung erscheinen. Daher werden, wie in Fig. 1(a) gezeigt, zwei Arten von Grünblättern mit dem Nichtbildungsteil 130, das in einer unterschiedlichen Richtung positioniert ist, hergestellt. Da die Peripherie von jedem Grünblatt 11 und 12 schließlich geschnitten wird, wird der Druckteil 13 unter Berücksichtigung des Schneidespielraumes angeordnet.
Als nächstes werden 20 Grünblätter 11 und 12 wie in Fig. 1(b) gezeigt, gestapelt. Der gestapelte Körper wird auf eine Pressvorrichtung fixiert und wird thermisch bei 120°C und 80 kg/m² für zehn Minuten pressgebunden, um einen Mutterblock zu ergeben. Dieser Mutterblock wird auf einer Seite von 9 mm . 9 mm unter Verwendung einer Blattschneidevorrichtung geschnitten. Jedes aus dem Mutterblock geschnittene Element wird in eine Laminatvorrichtung gestellt und wiederum bei 120°C und 160 kg/m² für zehn Minuten pressgebunden. Folglich wird eine Einheitsvorrichtung 145, wie in Fig. 1(c) gezeigt, erhalten.
Zwanzig Einheitsvorrichtungen 145 werden gestapelt und in die Laminatvorrichtung gestellt und werden ferner thermisch bei 80°C und 500 kg/m² für zehn Minuten pressgebunden, um einen ungesinterten gestapelten Körper 15, wie in Fig. 1(d) gezeigt, zu ergeben. Jedes Grünblatt 11, 12 besitzt eine quadratische Gestalt mit einer Seite von 9 mm und einer Dicke von 0,1 mm innerhalb des ungesinterten gestapelten Körpers 15. Daher beträgt das Volumen des ungesinterten gestapelten Körpers 15 3240 mm³ (die Dicke des Druckteils 13 kann vernachlässigt werden, da dieser extrem klein ist).
Magnesiumoxidblätter mit einer Porosität von 20% (15 . 15 mm . 1 mm) werden auf und unterhalb des ungesinterten gestapelten Körpers 15 platziert. Entfetten wird innerhalb eines Entfettungsofens vom Gaszirkulationstyp in einer Atmosphäre in Übereinstimmung mit einem Temperaturprofil (ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Zeit von dem Start der Entfettungsbehandlung und der Temperatur zeigt), das in Fig. 2 gezeigt wird, ausgeführt.
Die Entfettung wird ausgeführt, während eine Ventilationsplatte 211, der ungesinterte gestapelte Körper 15 und eine obere Seitenventilationsplatte 212 auf einer Bodenoberfläche 219 einer Brennkapsel 21 (die gleiche wie diejenige, die zum Sintern verwendet wurde; siehe Fig. 6) wie in Fig. 3(a) gezeigt, plaziert werden. Die Ventilationsplatten 211, 212 können aus Keramik gebildet werden. In diesem Fall wird vorzugsweise eine keramische Platte mit einer Porosität mit wenigstens 10% verwendet, um die Ventilation sicher zu stellen, obwohl das keramische Material nicht besonders begrenzt ist. Die obere und untere Ventilationsplatte kann aus dem gleichen Material gebildet werden. Die Größe der oberen und unteren Ventilationsplatten 211, 212 kann verschieden sein, solange wie die Ventilationseigenschaft im Wesentlichen gleich bleibt.
Ein Platzhalter 213 kann zwischen der Bodenoberfläche 219 der Brennkapsel 21 und der Ventilationsplatte 211 angeordnet werden, um eine Ventilation an dem unteren Teil, wie in Fig. 3(b) gezeigt, sicher zu stellen. Dieses Beispiel verwendet eine Kordierit-Honigwabe für den Platzhalter 213. Ferner kann eine metallische Maschenplatte für die Ventilationsplatten 211 und 212, wie in Fig. 3(c) gezeigt, verwendet werden.
Im Übrigen kann die Ventilationsplatte eine Honigwabengestalt, eine poröse Gestalt, eine Maschengestalt, etc. aufweisen, solange wie diese eine hohe Ventilation besitzt und Entfettung (insbesondere Hitze) widerstehen kann. Eine geeignete Metallplatte, wie etwa Aluminiumoxid oder Titaniumoxid können als das Material verwendet werden. Die maximale Entfettungstemperatur beträgt 500°C in diesem Beispiel, aber die Temperatur ist nicht begrenzt, wenn diese innerhalb des Bereichs von 400 bis 650°C ist. Obwohl Entfetten in der Atmosphäre in diesem Beispiel ausgeführt wird, kann diese in einer reinen Sauerstoffatmosphäre ausgeführt werden.
Nach dem das Entfetten beendet ist, wird der ungesinterte gestapelte Körper einer reduzierenden Behandlung in einer Wasserstoffatmosphäre unterzogen und wird dann gesintert. Diese reduzierende Behandlung wird bei 1 . 10^-23,5 atm auf der Basis des Temperaturprofils (ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Zeit von Beginn des Sinterns und der Temperatur zeigt) in einer Atmosphäre ausgeführt, die 5000 mL Ar-H₂ (1%) und 6,5 bis 6 mL O₂ (rein) enthält, während der Sauerstoffpartialdruck während der Reduktion durch einen Sauerstoffpartialdruck außerhalb des Ofens überwacht wird.
Obwohl dieses Beispiel Ar-H₂ (1%) und O₂ verwendet, sind Gaskonzentration und die Verarbeitungsmengen nicht besonders begrenzt, solange wie die Umgebung von 1 . 10^-16 bis 1 . 10^-24 atm durch den Sauerstoffpartialdruck außerhalb des Ofens erreicht werden kann. (Zu dieser Zeit beträgt das wesentliche Verhältnis von H₂ und O₂, die in den Ofen geladen werden, H₂ : O₂ = 50 : 50 bis 5,5). Obwohl die Temperatur innerhalb des Bereichs von 250 bis 600°C liegen kann, beträgt diese vorzugsweise 300 bis 400°C.
In diesem Beispiel wird ein Edelmetall mit einer höheren Reaktivität mit Sauerstoff als das zusammensetzende Material der Elektrodenschicht 33 für das Ofenwandmaterial der Ofenkammer verwendet. In einer Atmosphäre mit einem bestimmten Sauerstoffpartialdruck reagiert die Ofenwand mit einer Spurenmenge an Sauerstoff und bildet eine Sauerstofffilmschicht, die eine reversible Reaktion eingehen kann. Dieser Film emittiert Sauerstoff, wenn der Sauerstoffpartialdruck zu der Reduktionsseite hin verschoben wird, und bildet Sauerstoff, wenn der Sauerstoffpartialdruck zu der Oxidationsseite hin verschoben wird, wodurch die Änderung des Sauerstoffpartialdrucks innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gehalten wird. In einer Atmosphäre, bei der die zusammensetzenden Materialien der Elektrodenschicht 33 geringfügig oxidiert werden, wird das Ofenwandmaterial schneller oxidiert als die zusammensetzenden Materialien der Elektrodenschicht 33, und schützt so die Elektrodenschicht 33 (insbesondere Kupfer).
Wenn Sintern bei einem Sauerstoffpartialdruck außerhalb des Ofens ausgeführt wird, der außerhalb des vorstehend beschriebenen Bereichs liegt, wird Bleioxid der dielektrischen Schichten 31 und 32 reduziert und metallisches Blei wird isoliert. Dieses metallische Blei reagiert mit Kupfer der Elektrodenschicht 33 und bildet unerwünschter Weise die flüssige Phase bei einer Temperatur von 327°C oder darüber. Das gleiche Phänomen tritt auf, wenn die Sinterzeit verlängert wird. Daher beträgt die Sinterzeit vorzugsweise von 0,25 bis 16 Stunden.
Ein konkretes Sinterverfahren wird erläutert werden. Wie in Fig. 5(a), 5(b) und 6 gezeigt, wird der ungesinterte gestapelte Körper 15 auf die Bodenoberfläche 219 der Brennzelle 21, die aus Magnesiumoxid zusammen mit den Cordierit-Honigwabenplatten 221 und 224 gebildet ist, Magnesiumoxidplatten 222 und 223 (15 × 15 mm × 1 mm) und einem Magnesiumoxidgewicht 225 (1 bis 10 g) gebildet. Bezugszeichen 210 in Fig. 6 bezeichnet eine Abdeckung der Brennkapsel. Um zu verhindern, dass das Bleioxid aus dem ungesinterten gestapelten Körper 15 während dem Sintern wegverdampft, werden eine geeignete Menge von Massen 226 von PbZrO₃ an den Ecken der Brennkapsel 21, die in Fig. 6 gezeigt wird, platziert. Die Brennkapsel 21 mit dem ungesinterten gestapelten Körper 15, die darin angeordnet ist, wird einem Reduktionssintern innerhalb des Sinterofens 3 unterzogen, der in der reduzierenden Atmosphäre unter Verwendung von CO₂ (rein), Ar-CO (10%) und O₂ (rein) in Übereinstimmung mit dem Temperatur-/atmosphärischen Muster, das in Fig. 8 gezeigt wird, sintern kann.
Fig. 7 zeigt den Sinterofen 3, der für dieses Reduktionssintern verwendet wird. Der Sinterofen 3 beinhaltet eine Ofenkammer 30, in welcher die Brennkapsel platziert wird, und in welcher das Sintern ausgeführt wird, einen Sauerstoffpartialdruckmessfühler innerhalb des Ofens 315, der in die Ofenkammer 30 eingeschoben wird, und ein Sauerstoffpartialdruckmessgerät außerhalb des Ofens 316 zum Erhalten eines Messwertes von dem Sensor 315. Der Ofen 3 beinhaltet ferner Massenstromsteuergeräte 311, 312 und 313 zum jeweiligen Einführen von Ar-CO, CO₂ und O₂ in die Ofenkammer 30 und ein Strompfad 31, der mit einem Elektromagnetventil 314 zum angemessenen Schalten der Stromwege aus den Massensteuerungsgeräten 311, 312 und 313 in die Ofenkammer 30 ausgestattet ist. Ein Sauerstoffpartialdruckmessfühler außerhalb des Ofens 317 und ein Sauerstoffpartialdruckmessgerät außerhalb des Ofens 318 zum Erhalten eines Output-Wertes von dem Sensor 317 werden an intermediären Teilen eines Abgassystems 310, das sich von der Ofenkammer 30 zur Außenseite erstreckt, angeordnet. Der Sauerstoffpartialdruckmessfühler außerhalb des Ofens 317 und dessen Druckmessgerät 318 und der Sauerstoffpartialdruckmessfühler innerhalb des Ofens 315 und dessen Druckmessgerät 316 steuern den Sauerstoffpartialdruck der Ofenkammer 30.
Der Sauerstoffpartialdruckmessfühler außerhalb des Ofens 317 ist ein Zirkoniumoxid-O₂-Messfühler. Ein eingebautes Heizgerät heizt immer den Messfühler auf 600°C oder darüber auf, so dass der Sauerstoffpartialdruck in dem Gas, das in den Sauerstoffpartialdruckmessfühler außerhalb des Ofens 317 eingeführt wird, über den gesamten Temperaturbereich gemessen werden kann. Andererseits ist der Sauerstoffpartialdruckmessfühler innerhalb des Ofens 315 ein Zirkoniumoxid-O₂-Messfühler, aber besitzt keine eingebaute Heizvorrichtung. Wenn die Ofenkammer 30 des Sinterofens 3 auf ungefähr 400 bis 500°C oder darüber aufgeheizt wird, kann der Sauerstoffpartialdruck der Ofenkammer 30 gemessen werden. In diesen Sinterofen wird der Sauerstoffpartialdruckmessfühler an der äußeren Oberfläche 317 verwendet, wenn die Temperatur innerhalb des Ofens außerhalb des Messtemperaturbereichs des Sauerstoffpartialdruckmessfühlers innerhalb des Ofens 315 liegt.
Wenn die Temperatur erhöht wird, steuern der
Sauerstoffpartialdruckmessfühler außerhalb des Ofens 317 und das Druckmessgerät 318 den Sauerstoffpartialdruck von Raumtemperatur bis 580°C und der
Sauerstoffpartialdruckmessfühler innerhalb des Ofens 315 und das Druckmessgerät 316 steuern den Sauerstoffpartialdruck von 580°C und darüber. Wenn die Temperatur herabgesenkt wird, steuern der
Sauerstoffpartialdruckmessfühler innerhalb des Ofens 315 und das Druckmessgerät 316 den Sauerstoffpartialdruck von der minimalen Temperatur bis 600°C, und der
Sauerstoffpartialdruckmessfühler außerhalb des Ofens 317 und das Druckmessgerät 318, die innerhalb des Ofens eingebaut sind, steuern den Sauerstoffpartialdruck von 600°C und darunter.
Bei der Temperatur von 600°C oder darunter werden die Gasstromraten wiederum gesteuert auf CO₂ (rein) bis 5000 ml + Ar-Co (10%) bis 150 ml + O₂ (rein) bis 2,8 bis 5 ml, und der Anzeigewert des Sauerstoffpartialdruckmessfühlers an der äußeren Oberfläche 317 wird auf 10^-20 atm bis 10^-10 atm gesteuert. Die Steuerungsbereiche der Temperatur und des Sauerstoffpartialdrucks unter diesem Zustand werden in einem Bereich f eines schwarzen Gürtels in der nachstehenden Fig. 10 beschrieben. Fig. 8 zeigt den Modus dieser Steuerung im Hinblick auf den Zusammenhang zwischen der Zeit, der Temperatur und dem Sauerstoffpartialdruck. Der Wert des Sauerstoffpartialdruckmessfühlers innerhalb des Ofens, der Wert des Sauerstoffpartialdruckmessfühlers außerhalb des Ofens und der inneren Temperatur des Ofens bei dem praktischen Sinterverfahren werden in dem Diagramm von Fig. 9 gezeigt.
Fig. 10 zeigt die Steuerungsbereiche des Sauerstoffpartialdrucks und der Temperatur von 580°C oder darüber während der Temperaturerhöhung und von 600°C oder darunter während der Temperaturabsenkung. Die Atmosphäre innerhalb des Ofens wird derart gesteuert, dass die Temperatur und der Sauerstoffpartialdruck innerhalb des durch einen schwarzen Gürtel in der Zeichnung dargestellten Bereichs e behalten werden. Im übrigen stellt Fig. 10 den Bereich, bei dem Cu+PbO koexistieren, durch den durch durchgezogene Linien a und b eingeschlossenen Bereich unter der Bedingung des Herstellungsverfahrens dieses Beispiels dar. Das Herstellungsverfahren für den gestapelten keramischen Körper gemäß diesem Beispiel kann erreicht werden, wenn der Sauerstoffpartialdruck auf den durch die durchgezogene Linie a und die durchgezogene Linie c während des Sinterns des ungesinterten gestapelten Körpers 15 eingestellt wird. Das Sintern ist in einigen Fällen bei einem niedrigen Sauerstoffpartialdruck, der durch die durchgezogene Linie b und die durchgezogene Linie d eingeschlossen ist, möglich (Sintern wird durch Sauerstoffaufbau innen erreicht). In Fig. 10 stellt die Abszisse die Temperatur und die Ordinate einen X-Wert dar, wenn der Sauerstoffpartialdruck durch 10^-10 atm ausgedrückt wird. Im übrigen entspricht 10^x atm 1,0313 × 10⁵ × 10^x Pa.
Der ungesinterte gestapelte Körper 15 wird, wie vorstehend beschrieben, gestapelt und der gestapelte keramische Körper dieses Beispiels, das in Fig. 11(b) gezeigt wird, wird erhalten. In der Elektrodenschicht 33 des gestapelten keramischen Körpers 1, da so erhalten wurde, sind die peripheren Teile nahe den Endteilen, die auf den Seitenoberflächen ausgesetzt sind, mit dem Oxidationsteil 335, das aus Kupferoxid gebildet ist, wie in Fig. 11(a) gezeigt, bedeckt. Die Breite W dieses Oxidationsteils 335 ist die Länge von dem Endteil, das der Seitenoberfläche des gestapelten keramischen Körpers 1 entgegengesetzt ist, bis zu dem tiefsten Teil, an welchem der Oxidationsteil 335 gebildet ist. Diese beträgt in diesem Beispiel 0,4 mm.
Fig. 12(b) zeigt schematisch den Abschnitt des resultierenden gestapelten keramischen Körpers 1. Die Elektrodenschicht 33 wird zwischen den dielektrischen Schichten 31 und 32 gebildet, und der Diffusionsteil 330 expandiert von der Oberfläche der Elektrodenschicht 33 bis zu den dielektrischen Schichten 31 und 32. Der gestapelte keramische Körper, der durch das Herstellungsverfahren dieses Beispiels erhalten wurde, besitzt die Elektrodenschicht 33, von welcher die Dicke im Wesentlichen gleichförmig ist. Die maximale Dicke der Elektrodenschicht 33 beträgt 8 µm und diejenige des Diffusionsteils beträgt in diesem Beispiel 1 µm.
Ein gestapelter keramischer Körper als ein Vergleichsbeispiel wird hergestellt, indem auf ähnliche Weise Sintern durchgeführt wird, während die Innenseite des Ofens auf der reduzierenden Seite gehalten wird, d. h. auf der Seite, bei welcher der Sauerstoffpartialdruck gering ist, in dem Diagramm von Fig. 10. Fig. 12(a) zeigt schematisch den Abschnitt des resultierenden gestapelten keramischen Körpers 1. In diesem Beispiel wird eine Elektrodenschicht 33, die unterbrochen und diskontinuierlich (vgl. Bezugszeichen 390) ist, gebildet, und der Diffusionsteil 330 existiert auch. Jedoch ist die Elektrodenschicht 33 viel dünner als die Elektrodenschicht 33 des gestapelten keramischen Körpers 1, die durch dieses Beispiel erhalten wurde (vgl. Fig. 12(b)). Dies ist, da metallisches Blei, das aus den dielektrischen Schichten 31 und 32 isoliert wurde, mit Kupfer der Elektrodenschicht 33 reagiert, teilweise geschmolzen wird, und in Inseln geformt wird. Wenn der gestapelte keramische Körper, der eine derartige unterbrochene Elektrodenschicht 33 besitzt, als die piezoelektrische Vorrichtung verwendet wird, tritt ein Leitungsdefekt an den dielektrischen Schichten 31 und 32 auf. Da der Spannungsanwendungsbereich an den dielektrischen Schichten 31 und 32 klein ist, ist die Ausdehnungs-/Kontraktionsmenge klein, und die piezoelektrische Vorrichtung besitzt eine schlechte Leistung.
Der Betrieb und Effekt dieses Beispiels wird erläutert werden. In diesem Beispiel wird der ungesinterte gestapelte Körper 15 nach dem Entfetten einer reduzierenden Behandlung in der Wasserstoffatmosphäre unterzogen und wird dann während dessen Herstellungsverfahren gesintert. Kupferoxid, das in dem Druckteil 13 enthalten ist, wandelt sich in metallisches Kupfer in dieser reduzierenden Behandlung in der Wasserstoffatmosphäre um. Zu dieser Zeit werden auch Bleioxid und Oxidverbindungen aus Blei, die in den Grünblättern 11 und 12 (dielektrischen Schichten 31 und 32) enthalten sind, reduziert, um zu der Nebenreaktion zu führen. Da die Atmosphäre bei der reduzierenden Atmosphäre, die kaum Sauerstoff enthält, während dem Sintern an Raumtemperatur gehalten wird, werden Bleioxid und Oxidverbindungen von Blei, die in den Grünblättern 11 und 12 (dielektrische Schichten 31 und 32) in dem ungesinterten keramischen Körper 15 enthalten sind, auch reduziert und metallisches Blei wird isoliert.
Wenn Blei in dem ungesinterten gestapelten keramischen Körper 15 existiert und wenn Sintern auf der reduzierenden Seite (der Bereich, bei dem der Sauerstoffpartialdruck niedrig ist) von dem CO+PbO koexistierenden Bereich, der in Fig. 10 gezeigt wird, ausgeführt wird, reagieren Blei und Kupfer miteinander und werden in die flüssige Phase in dem ungesinterten gestapelten keramischen Körper 15 umgewandelt, und so verflüssigtes Blei und Kupfer tendiert dazu, sich in einer Inselform zu aggregieren, was unterbrochene Elektrodenschichten ergibt (vgl. Fig. 12(a)). Dieses Blei und Kupfer in der flüssigen Phase tendieren auch dazu, aus dem ungesinterten gestapelten keramischen Körper 15 ausgestoßen zu werden. Da die Reaktion zwischen Blei und Kupfer bei einer niedrigen Temperatur von ungefähr 320°C auftritt, ist es schwierig, die Reaktion zu verhindern, indem lediglich die Temperatur eingestellt wird. Daher ist es, um dieses Problem zu lösen, notwendig, die Erzeugung von metallischem Blei zu unterdrücken und metallisches Blei, das sich bereits gebildet hat, in ursprüngliches Bleioxid zurück zu verwandeln.
Wenn die Sinterbedingung zu der oxidierenden Seite (dem Bereich, bei dem der Sauerstoffpartialdruck hoch ist), von dem Bereich, bei dem Cu+PbO koexistieren, wie in Fig. 10 gezeigt, gesteuert wird, reagiert Bleioxid, das in den Grünblättern 11 und 12 (dielektrischen Schichten 31 und 32) enthalten ist, und Kupferoxid, das in dem Druckteil 13 enthalten ist, miteinander und werden innerhalb des ungesinterten gestapelten keramischen Körpers 15 verflüssigt. Folglich diffundiert Kupferoxid in dem ungesinterten gestapelten keramischen Körper 15 bei einer Temperatur von 680°C oder darüber.
Um metallisches Blei wieder in ursprüngliches Bleioxid und Oxidverbindungen von Blei umzuwandeln, steuert dieses Beispiel die Gasstromraten von CO₂ (rein) 500 ml + ArCo (10%) 150 ml + O₂ (rein) 2,8 bis 5 ml von der Raumtemperatur bis 580°C während der Temperaturerhöhung, wie vorstehend beschrieben, so dass der Sauerstoffpartialdruckmessfühler außerhalb des Ofens 317 den Wert von 10^-2 bis 10^-10 atm aufweist. Da dieses Beispiel eine derartige Steuerung ausführt, kann diese die Erzeugung von metallischem Blei unterdrücken und gleichzeitig metallisches Blei oxidieren, das sich bereits gebildet hat, und kann dieses in Bleioxid und die Oxidverbindungen von Blei wieder umwandeln. Daher tritt die Reaktion zwischen Kupfer und Blei kaum auf.
Wenn Blei, das während der Reduktion der Elektrode gebildet wurde, mit Kupfer reagiert und die flüssige Phase innerhalb des ungesinterten gestapelten keramischen Körpers 15 bildet, wird das verflüssigte Elektrodenmaterial nach außen gedrückt. Darüber hinaus geschieht diese Verflüssigung wahrscheinlich von niedrigeren Temperaturen.
Wenn Sintern ausgeführt wird, werden die Temperatur und der Sauerstoffpartialdruck wie in diesem Beispiel beschrieben, gesteuert werden, wird Kupfer, das auf der Oberfläche der Elektrodenschicht 33 in dem ungesinterten gestapelten keramischen Körper 15 exponiert ist, in Kupferoxide (einwertige und zweiwertige: Feststoff) von der Raumtemperatur bis 580°C oxidiert, und das Kupferoxid operiert als eine Barriere und bildet den Oxidationsteil 335, der in den Fig. 1(a) und 1(b) gezeigt wird, sogar wenn metallisches Blei und Kupfer miteinander reagieren und innerhalb des ungesinterten gestapelten keramischen Körpers verflüssigt werden. Folglich wird verhindert, dass internes Kupfer außerhalb des ungesinterten gestapelten keramischen Körpers 15 entladen wird, und die Bildung der unterbrochenen Elektrodenschicht 33 wird auch verhindert.
Wie vorstehend beschrieben, kann dieses Beispiel bereit stellen: einen gestapelten keramischen Körper, welcher die Reaktion zwischen der Komponente der dielektrischen Schicht und der Komponente der Elektrodenschicht in dem ungesinterten gestapelten Körper während dem Sintern verhindert und in welchem beide Komponenten nicht leicht verflüssigt werden, und ein Herstellungsverfahren für einen derartigen gestapelten keramischen Körper.
Diese Erfindung stellt zur Verfügung einen gestapelten keramischen Körper, der eine Reaktion zwischen Komponenten von dielektrischen Schichten und Komponenten von Elektrodenschichten eines ungesinterten gestapelten Körpers während des Sinterns verhindert und in welchem beide Komponenten nicht leicht eine flüssige Phase bilden und ein Herstellungsverfahren für einen derartigen gestapelten keramischen Körper. Ein Druckteil 13 wird auf einem grünen Blatt 11, 12, das Blei enthält, durch Verwendung einer aus Kupferoxid als dessen Hauptkomponente bestehenden Elektrodenpaste gebildet. Eine gewünschte Zahl von Druckblättern 10 werden gestapelt, um einen ungesinterten gestapelten Körper 15 zu ergeben. Entfetten wird in einer Atmosphäre ausgeführt, um organische Komponenten zu entfetten. Der Druckteil 13 wird einer reduzierenden Handlung in einer reduzierenden Atmosphäre, die Wasserstoff enthält, unterzogen und wird in einem Druckteil 13, der Kupfer als dessen Hauptkomponente enthält, umgewandelt. Der ungesinterte gestapelte Körper 15 wird in einer reduzierenden Atmosphäre gesintert. Dielektrische Schichten, die Blei enthalten, und Elektrodenschichten zum Anlegen einer Spannung an die dielektrischen Schichten werden alternierend gestapelt, und ein Oxidationsteil, der Kupfer enthält, wird in der Nachbarschaft einer Oberfläche der Elektrodenschicht gebildet. Eine Dicke des Oxidationsteils in einer Stapelrichtung beträgt 0,5 bis 2 µm und ein Kupfergehalt in dem Oxidationsteil beträgt 1 bis 30 Gew.-%.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines gestapelten keramischen Körpers, das die folgenden Schritte umfasst:
Anordnen eines Druckteils, der aus einer aus Kupfer oder einer Kupferverbindung als dessen Hauptkomponente bestehenden Elektrodenpaste gebildet ist, auf einem Grünblatt, das aus einem ein Bleioxid als dessen Bestandteil enthaltendem dielektrischen Oxid gebildet ist, um ein Druckblatt zu bilden;
Aufeinanderstapeln einer Mehrzahl der Druckblätter, um einen ungesinterten gestapelten Körper zu bilden;
Ausführen einer Entfettungsbehandlung durch Hitzebehandeln und Entfernen von organischen Komponenten, die in dem ungesinterten gestapelten Körper enthalten sind; und
Sintern des ungesinterten gestapelten Körpers während ein Sauerstoffpartialdrucks von Raumtemperatur von 400 bis 600°C auf einen Sauerstoffpartialdruck, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren können, oder ein Sauerstoffpartialdruck, der höher als der Sauerstoffpartialdruck ist, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren können, eingestellt wird.

2. Verfahren zum Herstellen eines gestapelten keramischen Körpers nach Anspruch 1, wobei das Druckblatt gebildet wird, indem ein Druckteil, der aus einer aus Kupferoxid als dessen Hauptkomponente bestehenden Elektrodenpaste gebildet ist, angeordnet wird.

3. Verfahren zum Herstellen eines gestapelten keramischen Körpers nach Anspruch 2, wobei der Druckteil, der aus Kupferoxid besteht, das in dem ungesinterten gestapelten Körper als dessen Hauptkomponente enthalten ist, einer reduzierenden Behandlung in einer reduzierenden Atmosphäre, die Wasserstoff enthält, unterzogen wird, um einen Druckteil zu bilden, der aus Kupfer als dessen Hauptkomponente besteht.

4. Verfahren zum Herstellen eines gestapelten keramischen Körpers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei, wenn der ungesinterten gestapelten Körper in einer reduzierenden Atmosphäre gesintert wird, eine Temperaturerhöhung von Raumtemperatur begonnen wird, und ein Sauerstoffpartialdruck in der reduzierenden Atmosphäre auf 10^-10 bis 10^-20 atm (1,013 × 10^-5 ( = 10^-4,994) bis 1,013 × 10^-15 ( = 10^-14,99)Pa) von Raumtemperatur bis 400 bis 600°C eingestellt wird.

5. Verfahren zum Herstellen eines gestapelten keramischen Körpers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei, wenn der ungesinterte gestapelte Körper in einer reduzierenden Atmosphäre gesintert wird, eine Temperaturerhöhung von 400 bis 600°C fortgesetzt wird, und ein Sauerstoffpartialdruck in der reduzierenden Atmosphäre auf einen Sauerstoffpartialdruck, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren können, oder auf einen Sauerstoffpartialdruck, der höher ist als der Sauerstoffpartialdruck, bei welchem Kupfer und Bleioxid koexistieren können, eingestellt wird, bis die Temperatur 900 bis 1000°C erreicht.

6. Verfahren zum Herstellen eines gestapelten keramischen Körpers nach Anspruch 5, wobei, wenn der ungesinterte gestapelte Körper in einer reduzierenden Atmosphäre gesintert wird, ein Sauerstoffpartialdruck bei jeder Temperatur auf einen Bereich eingestellt wird, der die folgende Bedingung erfüllt:
1000C°:
10^-4 bis 10-^7,9 atm (10,13 (= 10^1,0056) bis 1,276 × 10^-3 (= 10^-2,894)Pa)
900C°:
10^-5 bis 10^-10,1 atm (1,013 (= 10^0,0056) bis 8,049× 10^-6 (= 10^-5,099)Pa)
800C°:
10^-6 bis 10^-12,2 atm (1,013 × 10^-1 (= 10^-0.9944) bis 6,393 × 10^-8 (= 10^-7,194)Pa)
700C°:
10^-7 bis 10^-14,5 atm (1,013 × 10^-2 (= 10^-1,994) bis 3,204 × 10^-10 (= 10^-9,494)Pa)
600C°:
10^-8 bis 10^-16,6 atm (1,013 × 10^-3 (= 10^-2,994) bis 2,545 × 10^-12 (= 10^-11,59)Pa)
500C°:
10^-9 bis 10^-18,8 atm (1,013 × 10^-4 (= 10^-3,994) bis 1,606 × 10^-14 (= 10^-13,79)Pa)

7. Gestapelter keramischer Körper, der durch das Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt wurde, wobei Blei enthaltende dielektrische Schichten und Kupfer enthaltende Elektrodenschichten zum Anlagen einer Spannung auf die dielektrischen Schichten alternierend gestapelt sind, und ausgesetzte Teile der Elektrodenschichten und Teile in der Nachbarschaft der ausgesetzten Teile Oxidationsteile sind.

8. Gestapelter keramischer Körper nach Anspruch 7, wobei eine Oxidationsbreite des Oxidationsteils, der in einer Richtung gemessen wurde, der vertikal zu einer Stapelungsrichtung der Elektrodenschichten gemessen wurde, 0,05 bis 2 mm beträgt.

9. Gestapelter keramischer Körper nach Anspruch 7 oder 8, wobei ein Diffusionsteil, in welchem wenigstens eine Art der Komponente, die die Elektrodenschicht zusammensetzt, diffundiert ist, in der Nachbarschaft einer Grenzfläche mit der Elektrodenschicht in der dielektrischen Schicht existiert.

10. Gestapelter keramischer Körper nach Anspruch 9, wobei Kupfer, das aus der Elektrodenschicht stammt, in einem diffundierten Zustand in dem Diffusionsteil ist, ein Diffusionsabstand von der Grenzfläche zwischen den dielektrischen Schichten und der Elektrodenschicht in dem Diffusionsteil 0,5 bis 2 µm beträgt und ein Kupfergehalt in dem Diffusionsteil 0,1 bis 30 Gew.-% beträgt.

11. Gestapelter keramischer Körper nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der gestapelte keramische Körper eine piezoelektrische Vorrichtung ist.