DE10042893A1

DE10042893A1 - Laminiertes piezoelektrisches Stellglied

Info

Publication number: DE10042893A1
Application number: DE10042893A
Authority: DE
Inventors: Hirotaka Tsuyoshi; Hideki Uchimura; Shigenobu Nakamura; Susumu Ono
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2001-04-26
Also published as: US6414417B1

Abstract

Angegeben wird ein laminiertes piezoelektrisches Stellglied mit an den Seitenoberflächen des Stellgliedkörpers ausgebildeten Außenelektroden sowie mit piezoelektrischen Schichten und Innenelektrodenschichten, die abwechselnd in der Richtung der Höhe laminiert sind, und mit die Enden der Innenelektrodenschichten verbindenden Außenelektroden, wobei einander benachbarte Innenelektrodenschichten die piezoelektrischen Schichten sandwichartig einschließen. Die Außenelektroden weisen eine erste Außenelektrode, welche die Enden der ersten Elektrodenschichten verbindet, und eine zweite Außenelektrode, welche die Enden der zweiten Elektrodenschichten verbindet, auf. Zwischen der ersten Außenelektrode und den Enden der zweiten Elektrodenschichten sowie zwischen der zweiten Außenelektrode und den Enden der ersten Elektrodenschichten sind Isolierblocks angeordnet (Fig. 1b).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein laminiertes piezoelektrisches Stellglied, insbesondere auf ein solches Stellglied als Präzisionspositioniervorrichtung in einer optischen Einrichtung, als Antriebselement zur Vermeidung von Vibrationen und als Antriebselement für die Kraftstoff einspritzung in einem Kraftfahrzeugmotor.

Es ist ein laminiertes piezoelektrisches Stellglied mit einem Laminat bekannt, in dem mehrere piezoelektrische Schichten und mehrere Innenelektrodenschichten abwechselnd übereinander laminiert sind. Bei dieser Art von piezoelektrischem Stellglied wird eine Spannung an die Innenelektrodenschichten angelegt, zwischen denen die piezoelektrischen Schichten sandwichartig vorliegen, um durch Anwendung des inversen piezoelektrischen Effekts, der in den piezoelektrischen Schichten auftritt, eine große Verschiebung zu erhalten.

Bei dem laminierten piezoelektrischen Stellglied wird die auf eine Oberfläche der piezoelektrischen Schicht laminierte Innenelektrodenschicht als erste Elektrode (z. B. als positive Elektrode) und die auf die andere Oberfläche der piezoelektrischen Schicht laminierte Innenelektrodenschicht als zweite Elektrode (z. B. als negative Elektrode) benutzt. Das heißt, es wird eine partielle Elektrodenstruktur angewandt, bei der die Innenelektrodenschichten kleinere Flächen aufweisen als die piezoelektrischen Schichten.

Fig. 12 ist eine Seitenansicht, die ein übliches laminiertes piezoelektrisches Stellglied mit der Teilelektrodenstruktur erläutert, bei der mehrere piezoelektrische Schichten 1 und innere Elektrodenschichten 2a, 2b abwechselnd laminiert sind, um den Stellgliedkörper 3 zu bilden, und ein Paar Außenelektroden Fig. 4a und 4b sind an den Seitenoberflächen dieses Körpers ausgebildet.

Wie aus Fig. 12 ersichtlich ist, weisen die Innenelektrodenschichten 2a, 2b erste Innenelektrodenschichten 2a und zweite Innenelektrodenschichten 2b auf, die abwechselnd übereinander laminiert sind. Die Enden der ersten Innenelektrodenschichten 2a und die Enden der zweiten Innenelektrodenschichten 2b sind mit den Außenelektroden 4a und 4b verbunden, die an verschiedenenen Seitenoberflächen des Stellgliedkörpers 3 ausgebildet sind. Das heißt, die Außenelektrode 4a ist mit den Enden der ersten Innenelektrodenschichten 2a, nicht aber mit den Enden der zweiten Innenelektrodenschichten 2b elektrisch verbunden. In ähnlicher Weise ist die Außenelektrode 4b mit den Enden der zweiten Innenelektrodenschichten 2b, nicht aber mit den Enden der ersten Innenelektrodenschichten 2a elektrisch verbunden. Ferner sind die zwischen den ersten Innenelektrodenschichten 2a und den zweiten Innenelektrodenschichten 2b sandwichartig angeordneten piezoelektrischen Schichten in den Richtungen der dargestellten Pfeile polarisiert.

Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 147880/1989 beschreibt ein laminiertes piezoelektrisches Stellglied mit einem Aufbau gemäß Fig. 12, bei dem Isolierblocks mit einer geeigneten Gestalt zwischen der Außenelektrode 4a und den zweiten Innenelektrodenschichten 2b sowie zwischen der Außenelektrode 4b und den ersten Innenelektrodenschichten 2a vorgesehen sind. Die Isolierblocks verhindern eine elektrische Leitung zwischen der Außenelektrode 4a und den zweiten Innenelektroden-schichten 2b sowie zwischen der Außenelektrode 4b und den ersten Innenelektrodenschichten 2a.

Bei dem laminierten piezoelektrischen Stellglied der partiellen Elektrodenstruktur gemäß Fig. 12 treten aber Verformungen auf, und zwar aufgrund des piezoelektrischen Effekts in dem Bereich, in dem sich die erste Innenelektrodenschicht 2a und die zweite Innenelektrodenschicht 2b überlappen (Bereiche, in denen die piezoelektrischen Schichten durch die Innenelektrodenschichten 2 gehalten werden), dagegen gibt es keinen inversen piezoelektrischen Effekt in der Nähe der Seitenoberflächen des Stellgliedkörpers 3, wo die piezoelektrischen Schichten 1 durch die Innenelektrodenschichten 2 nicht gehalten werden, und das Stellglied als Ganzes erzeugt eine kleine Verschiebung.

In jeder piezoelektrischen Schicht 1 ist die auf den inversen piezoelektrischen Effekt zurückzuführende Verformung uneinheitlich, und in der Nähe des Endes der Innenelektroden schicht 2 konzentriert sich die Belastung. Aufgrund dieser Belastungskonzentration breiten sich vom Ende der Innenelektrodenschicht 2 Sprünge in die piezoelektrische Schicht 1 hinein aus und führen zum Bruch der letzteren (siehe beispielsweise "Destruction Mechanisms in Ceramic Multilayer Actuators", Japan Journal Appl. Physics, Band 33 (1994), Seiten 3091-3094).

Bei dem piezoelektrischen Stellglied, das in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 147880/1989, beschrieben ist, konzentriert sich das elektrische Feld deutlich am Ende der Innenelektrodenschicht, die in der Nähe des Isolierblocks angeordnet ist, und die Belastung konzentriert sich im Innern der piezoelektrischen Schicht oder in der Grenzfläche zwischen der piezoelektrischen Schicht und der Innenelektrodenschicht, wodurch in dem Stellgliedkörper ein mechanischer Abbau oder eine Herabsetzung der Isolation des Isolierblocks hervorgerufen und somit die Lebensdauer abgekürzt wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein laminiertes piezoelektrisches Stellglied anzugeben, das nur in sehr geringem Umfang eine Abnahme der Isolation und einen mechanischen Abbau zuläßt sowie hinsichtlich einer langen Lebensdauer sehr zuverlässig ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein laminiertes piezoelektrisches Stellglied angegeben, das

a) einen Stellgliedkörper, der aus einer Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten und einer Mehrzahl von Innenelektrodenschichten, die abwechselnd in der Richtung der Höhe laminiert sind, wobei die Innenelektroden schichten der einen Seite erste Elektrodenschichten und die Innenelektrodenschichten der anderen Seite zweite Elektrodenschichten darstellen, die einander benachbart sind und zwischen sich sandwichartig die piezoelektrischen Schichten aufweisen,
b) Außenelektroden, die an den Seitenoberflächen des Stellgliedkörpers ausgebildet sind und die Enden der Innenelektrodenschichten verbinden, und
c) nicht aktive Keramikschichten, die am Oberende und am Unterende des Stellgliedkörpers angeordnet sind,

aufweist, wobei
die Außenelektroden eine erste Außenelektrode aufweisen, welche die Enden der ersten Elektrodenschichten verbindet, und eine zweite Außenelektrode aufweisen, welche die Enden der zweiten Elektrodenschichten verbindet und an einer Seitenoberfläche des Stellgliedkörpers ausgebildet ist, die von der Seitenoberfläche verschieden ist, an der die erste Außenelektrode ausgebildet ist,
zwischen der ersten Außenelektrode und den Enden der zweiten Elektrodenschichten sowie zwischen der zweiten Außenelektrode und den Enden der ersten Elektrodenschichten Isolierblocks angeordnet sind,
an den Seitenoberflächen der Isolierblocks flache Oberflächen vorliegen, die in Kontakt mit den Enden der ersten Elektrodenschichten und mit den Enden der zweiten Elektrodenschichten stehen, wobei sich die flachen Oberflächen parallel zu den Seitenoberflächen des Stellgliedkörpers erstrecken, und
unter der Annahme, daß die Dicke der Innenelektrodenschichten mit t₁

, die Dicke der piezoelektrischen Schichten mit t₂

und die Länge der flachen Oberflächen mit L bezeichnet werden, die Beziehung der Formel I

0,2 ≧ (L - t₁)/t₂ < 1 (I)

erfüllt wird.

Das heißt, die vorliegende Erfindung wurde dadurch gemacht, daß man der Tatsache Aufmerksamkeit schenkte, daß die Konzentration des elektrischen Felds von der Form der Isolierblocks und insbesondere von der Form der Grenzfläche zwischen den Isolierblocks und den Innenelektroden stark beeinflußt wird. Durch Ausbilden der Isolierblocks mit einer Gestalt, welche die Bedingungen der obengenannten Formel T erfüllt, kann das Ausmaß der Konzentration des elektrischen Felds in den piezoelektrischen Schichten in der Nähe der Enden der Innenelektrodenschichten und in der Nähe der Seitenoberflächen der Isolierblocks vermindert und somit ein Versagen der Isolierung der Isolierblocks, das auf die Konzentration des elektrischen Felds zurückzuführen ist, wirksam verhindert werden. Ferner wird die Belastungskonzentration, welche durch die Konzentration des elektrischen Felds verursacht wird, in den piezoelektrischen Schichten oder in den Innenelektrodenschichten wirksam verhindert werden, wodurch ein mechanischer Defekt des Stellgliedkörpers in hohem Maße verhindert wird. Somit verbessert die vorliegende Erfindung die Zuverlässigkeit des laminierten piezoelektrischen Stellglieds und verlängert dessen Lebensdauer.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, Außenelektroden durch Einsatz eines elektrisch leitenden Gemisches auszubilden, das eine Harzmatrix aus einem wärmebeständigen Harz mit einer 5%-Gewichtsreduktions temperatur von nicht unter 250°C und mindestens einem elektrisch leitenden Mittel, das aus elektrisch leitenden Keramiken, Metalloxiden, Metallen der Gruppen 6 bis 11 des Periodensystems oder Legierungen hiervon ausgewählt ist, enthält. Beim Herstellen der Außenelektroden unter Verwendung einer solchen elektrisch leitenden Zusammensetzung ist es möglich, das Brechen der Verbindung zwischen den Innenelektrodenschichten und den Außenelektroden wirksam zu verhindern, das durch die Expansion und die Kontraktion der piezoelektrischen Schichten während des Betriebs sowie durch den Unterschied in der thermischen Expansion zwischen den piezoelektrischen Schichten und den Innenelektrodenschichten verursacht wird. Somit erhält man ein laminiertes piezoelektrisches Stellglied mit einer hervorragenden Haltbarkeit.

Am oberen und am unteren Ende des Stellgliedkörpers sind nicht aktive Keramikschichten vorgesehen, um die Festigkeit aufrechtzuerhalten und die Verschiebung des Stellglieds zur Außenseite hin zu übertragen. Wenn das Stellglied mit Energie versorgt wird, expandiert und kontrahiert der Stellgliedkörper, nicht aber die nicht aktiven Keramikschichten. Somit entsteht in den Grenzbereichen zwischen den Keramikschichten und dem Stellgliedkörper eine Scherbelastung, welche die Haltbarkeit des Stellglieds verschlechtert. Erfindungsgemäß ist der Stellgliedkörper entlang der Laminierrichtung in drei Bereiche eingeteilt, nämlich in einen zentralen Bereich sowie in belastungsvermindernde Bereiche oberhalb und unterhalb des Mittelbereichs. Die nicht aktiven Keramikschichten sind so vorgesehen, daß sie den belastungsvermindernden Bereichen benachbart sind. Die Dicke der piezoelektrischen Schicht, die in dem belastungsvermindernden Bereich vorliegt, wird so gewählt, daß sie über der Dicke der piezoelektrischen Schicht im Mittelbereich liegt, um die Scherbelastung zu unterdrücken, welche im Grenzbereich zwischen den nicht aktiven Keramikschichten und dem Stellgliedkörper auftritt, wodurch die Haltbarkeit des Stellglieds verbessert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1a eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen laminierten piezoelektrischen Stellglieds;

Fig. 1b eine Schnittansicht des Stellglieds gemäß Fig. 1a entlang der Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 2a eine seitliche Schnittansicht in vergrößertem Maßstab zur Erläuterung der Grenzfläche zwischen einem Isolierblock und einer Innenelektrodenschicht;

Fig. 2b eine seitliche Schnittansicht zur Erläuterung der Grenzfläche gemäß Fig. 2a in einem noch stärker vergrößerten Maßstab;

Fig. 3 eine seitliche Schnittansicht eines anderen laminierten piezoelektrischen Stellglieds der Erfindung;

Fig. 4 eine seitliche Schnittansicht eines größeren Abschnitts eines weiteren laminierten piezoelektrischen Stellglieds der Erfindung;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Verhältnis der Dicken der wirksamen Grenzflächen an der Seitenoberfläche des Isolierblocks und der Festigkeit der piezoelektrischen Schicht;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten (ε₂/ε₁) und dem Verhältnis E/E₀ (Verhältnis der Konzentrationen des elektrischen Felds) eines Werts E des elektrischen Felds, das in der piezoelektrischen Schicht in der Nähe des Endes der Innenelektrode konzentriert ist, zu dem Wert E₀ eines einheitlichen elektrischen Felds, das im Mittelbereich der piezoelektrischen Schicht erzeugt wird;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Verhältnis R/t₂ des Krümmungsradius R eines Seiteneckbereichs des Isolierblocks 21 zur Dicke t₂ der piezoelektrischen Schicht 13 und dem Verhältnis des Werts des relativen maximalen elektrischen Felds bis zum Wert des maximalen elektrischen Felds, wenn der Wert R des maximalen elektrischen Felds, das in der piezoelektrischen Schicht 13 erzeugt wird, den Wert 0 hat (Ordinate = Verhältnis aus gemessenem Wert (Wert des maximalen elektrischen Felds) und Wert des maximalen elektrischen Felds, wenn R = 0; Ordinatenwert = 1 bedeutet den Wert des maximalen elektrischen Felds, wenn R = 0);

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Abweichung (dem relativen Bearbeitungsfehlers E/L) von der idealen flachen Oberfläche 23 (dem geplanten Wert) in der Gestalt der Seitenoberfläche des Isolierblocks 21, wie sie tatsächlich erhalten wird, und der Zunahme der Konzentration des elektrischen Felds (Zunahme über die Konzentration des elektrischen Felds hinaus, wenn E = 0);

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einerseits dem Verhältnis (tb/te) der Dicke tb der piezoelektrischen Schicht in dem belastungsvermindernden Bereich zur Dicke te der piezoelektrischen Schicht im Mittelbereich des Stellgliedkörpers und andererseits dem maximalen Belastungsaufbau im Grenzbereich zwischen der nicht aktiven Keramikschicht und dem Stellgliedkörper;

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Zunahmeverhältnis, wenn die Dicke der piezoelektrischen Schicht in dem belastungsvermindernden Bereich geometrisch zunimmt, und dem maximalen Belastungsaufbau im Grenzbereich zwischen der nicht aktiven Keramikschicht und dem Stellgliedkörper;

Fig. 11 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Differenz der Dicke, wenn die Dicke der piezoelektrischen Schicht in dem belastungsvermindernden Bereich arithmetisch zunimmt, und dem maximalen Belastungsaufbau im Grenzbereich zwischen den nicht aktiven Keramikschichten und dem Stellgliedkörper; und

Fig. 12 eine seitliche Schnittansicht eines Abschnitts eines üblichen laminierten piezoelektrischen Stellglieds.

Aufbau des laminierten piezoelektrischen Stellglieds

Die Fig. 1a und 1b zeigen Ansichten zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen laminierten piezoelektrischen Stellglieds. Fig. 1a ist eine Draufsicht, und Fig. 1b ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1.

In den Fig. 1a und 1b weist der Stellgliedkörper 11 eine hexagonale zylindrische Gestalt auf und besteht aus einer Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten 13 und einer Mehrzahl von Innenelektrodenschichten 15a, 15b, die abwechselnd übereinander laminiert sind. An den Außenoberflächen von Abschnitten des Stellgliedkörpers 11 sind Außenelektroden 17a, 17b angeordnet.

Die Enden der Innenelektrodenschichten 15a, 15b liegen an den sechs Seitenoberflächen des Stellgliedkörpers 11 frei. Die piezoelektrische Schicht 13 an der Oberseite der einen Innenelektrodenschicht 15a, 15b und die piezoelektrische Schicht 13 an der Unterseite der vorgenannten Innenelektrodenschicht 15a, 15b sind zueinander in entgegengesetzten Richtungen polarisiert, das heißt, sie sind in den Richtungen der Pfeile in Fig. 1b polarisiert.

Die Innenelektrodenschichten weisen erste Innenelektroden schichten 15a und zweite Innenelektrodenschichten 15b auf, die alternativ laminiert sind. An die ersten Innenelektroden schichten 15a und die zweiten Innenelektrodenschichten 15b werden verschiedene Potentiale angelegt, um an den piezoelektrischen Schichten 13 in der Richtung der Dicke ein elektrisches Feld zu erzeugen, so daß die piezoelektrischen Schichten 13 einer Verschiebung unterliegen.

Obwohl es in den Fig. 1a und 1b nicht dargestellt ist, sind die nicht aktiven Keramikschichten mit dem Oberende und dem Unterende des Stellgliedkörpers 11 verbunden, um den Stellgliedkörper 11 mechanisch zu halten und die durch die Verschiebung der piezoelektrischen Schichten 13 erzeugte Kraft auf die andere Seite zu übertragen.

Der Stellgliedkörper 11 wird durch Abschrägen der zwei gegenüberliegenden Seitenecken des quadratischen Körpers ausgebildet. Die Seitenoberflächen 16a, 16b (nachfolgend auch "Seitenoberflächen zum Bilden der Außenelektroden" genannt), die durch das Abschrägen ausgebildet worden sind, haben kleinere Flächen als jene der anderen Seitenoberflächen, und die Außenelektroden 17a, 17b werden auf diesen Seitenoberflächen 16a, 16b hergestellt. Wie aus Fig. 1b ersichtlich ist, weisen die Außenelektroden eine erste Außenelektrode 17a an der Seitenoberfläche 16a zur Ausbildung der Außenelektrode und eine zweite Außenelektrode 17b an der Seitenoberfläche 16b zum Ausbilden der Außenelektrode auf. Die erste Außenelektrode 17a ist mit den Enden der ersten Innenelektrodenschichten 15a verbunden, aber gegenüber den Enden der zweiten Innenelektrodenschichten 15b isoliert. Die zweite Außenelektrode 17b ist mit den zweiten Innenelektrodenschichten 15b verbunden, aber gegenüber den Enden der ersten Innenelektrodenschichten 15a isoliert. Das heißt, die Enden der ersten Innenelektrodenschichten 15a sind für die Ausbildung der Außenelektrode des Stellgliedkörpers 11 zur Seitenoberfläche 16a frei, und die erste Außenelektrode 17a ist mit den Enden der ersten Innenelektrodenschichten 15a elektrisch verbunden. Jedoch sind die Enden der zweiten Innenelektrodenschichten 15b zur ersten Außenelektrode 17a hin nicht freiliegend, sondern es sind zwischen der ersten Außenelektrode 17a und den Enden der zweiten Innenelektrodenschicht 15b Isolierblocks 21 vorgesehen. Andererseits liegen die Enden der zweiten Innenelektrodenschichten 15b zu der Seitenoberfläche 16b hin für das Ausbilden der Außenelektrode frei, und die zweite Außenelektrode 17b ist mit den Enden der zweiten Innenelektrodenschichten 15b elektrisch verbunden. Aber zur zweiten Außenelektrode 17b hin sind die Enden der ersten Innenelektrodenschichten 15a nicht frei, sondern zwischen der zweiten Außenelektrode 17b und den Enden der ersten Innenelektrodenschichten 15a sind Isolierblocks angeordnet. Somit sind nur die Enden der ersten Innenelektrodenschichten 15a mit der ersten Außenelektrode 17a sowie nur die Enden der zweiten Innenelektrodenschichten 15b mit der zweiten Außenelektrode 17b elektrisch verbunden. Gemäß den Fig. 1a und 1b wird die Grenzfläche zwischen dem Isolierblock 21 und den ersten Innenelektrodenschichten 15a oder den zweiten Innenelektrodenschichten 15b mit dem Bezugszeichen 23 bezeichnet.

Die Isolierblocks 21 werden an den vorgenannten Stellen beispielsweise durch Brennen eines Laminats aus den piezoelektrischen Schichten 13 und den Innenelektroden schichten 15 hergestellt, wobei bei Bedarf das Abschrägen erfolgt, um die Seitenoberflächen 16a, 16b zum Herstellen der Außenelektroden auszubilden, und es werden auf mechanischem Weg ausgesparte Bereiche mit einer Form gebildet, die den Blocks 21 an den Stellen entspricht, wo diese Blocks erzeugt werden sollen, und die ausgesparten Bereiche werden mit einem Isolator gefüllt.

Gemäß Fig. 2a, die in vergrößertem Maßstab die Grenzfläche zwischen dem Isolierblock 21 und der Innenelektrodenschicht 15a, 15b (der ersten Innenelektrodenschicht 15a oder der zweiten Innenelektrodenschicht 15b) zeigt, weist der Isolierblock 21 gemäß der Erfindung eine Dicke K auf, die größer ist als die Dicke t₁ der Innenelektrodenschicht 15a, 15b. Außerdem hat die Seitenoberfläche des Isolierblocks 21 eine flache Oberfläche 23, die sich parallel zur Seitenoberfläche 16a, 16b des Stellgliedkörpers 11 erstreckt, und ein Ende der Innenelektrodenschicht 15a, 15b ist mit dem Mittelbereich der flachen Oberfläche 23 verbunden. Das heißt, die flache Oberfläche 23 bildet eine Grenzfläche zwischen der Innenelektrodenschicht 15a, 15b (der ersten Innenelektroden schicht 15a oder der zweiten Innenelektrodenschicht 15b) und dem Isolierblock 21.

Wenn in dem erfindungsgemäßen laminierten piezoelektrischen Stellglied die Länge der flachen Oberfläche 23 mit L, die Dicke der Innenelektrodenschicht 15a, 15b mit t₁ und die Dicke der piezoelektrischen Schicht 13 mit t₂ bezeichnet wird, wird die Form der Seitenoberfläche des Isolierblocks 21 derart gewählt, daß sie die nachfolgende Formel I

0,2 ≦ (L - t₁)/t₂ < 1 (I)

erfüllt.

Es ist bevorzugt, daß der Wert (L - t₁)/t₂ (nachfolgend als "Verhältnis der Dicken der wirksamen Grenzflächen" genannt) nicht kleiner als 0,4, insbesondere nicht kleiner als 0,6, ist.

Das heißt, wenn das Verhältnis der Dicken der wirksamen Grenzflächen an der Seitenoberfläche des Isolierblocks 21 kleiner ist als der obengenannte Bereich, konzentriert sich die Belastung in einem Abschnitt der piezoelektrischen Schicht 13, der sich in der Nähe der Innenelektrodenschicht 15a, 15b befindet, die in Kontakt mit dem Isolierblock 21 steht, und es entstehen in diesem Abschnitt Risse, die oft zu einer Störung führen, wie nachfolgend durch Versuchsbeispiele gezeigt wird.

Wenn andererseits das Verhältnis der Dicken der wirksamen Grenzflächen größer als der obengenannte Bereich ist, wird die Differenz K - t₁ zwischen der Dicke K des Isolierblocks 21 und der Dicke t₁ der Innenelektrodenschicht 15a, 15b größer als die Dicke t₂ der piezoelektrischen Schicht 13. Deshalb wird dann, wenn in der Seitenoberfläche des Stellgliedkörpers 11 ein ausgenommener Bereich zum Herstellen des Isolierblocks 21 gebildet wird, der entfernte Bereich größer als der Bereich, der in der Seitenoberfläche der piezoelektrischen Schicht 13 zurückbleibt, wobei die Stärke der piezoelektrischen Schicht 13 abnimmt und der Stellgliedkörper 11 dazu neigt, zum Zeitpunkt des Herstellens des ausgesparten Bereichs zu brechen.

Es ist ferner bevorzugt, daß die Tiefe (in Fig. 2a mit "D" bezeichnet) des Isolierblocks 21 größer als die Dicke t₂ der piezoelektrischen Schicht ist. Das heißt, wenn D < t₂, wird die Entfernung zwischen dem Ende der Innenelektrodenschicht 15a, 15b und der Außenelektrode 17a, 17b größer als der Spalt zwischen benachbarten Innenelektrodenschichten 15a, 15b, wodurch die Eigenschaft der elektrischen Isolation verbessert und ein Ausfall der Isolierung des Isolierblocks 21 wirksam verhindert wird.

Ferner ist es bevorzugt, daß die flache Oberfläche 23 perfekt flach ist. Wie aus Fig. 2b ersichtlich ist, welche die Grenzfläche zwischen dem Isolierblock 21 und der Innenelektrodenschicht 15a, 15b in einem noch stärker vergrößerten Maßstab erläutert, existiert jedoch tatsächlich ein Bearbeitungsfehler E, und es ergibt sich bis zu einem gewissen Grad eine Unebenheit. Bei der vorliegenden Erfindung wird die flache Oberfläche 23 als im wesentlichen flach betrachtet, wenn das Verhältnis (der relative Bearbeitungsfehler) E/L des Bearbeitungsfehlers E zur Länge L der flachen Oberfläche 23 nicht größer als ±17%, insbesondere nicht größer als ±8%, ist.

Ferner ist es erfindungsgemäß bevorzugt, daß das Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten ε₂ des Isoliermaterials 21 zum Dielektrizitätskonstante ε₁ in der Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Schicht 13 die folgende Formel II

ε₂/ε₁ < 1 (II)

erfüllt, und zwar unter dem Gesichtspunkt des Verringerns des Werts des konzentrierten elektrischen Felds in der piezoelektrischen Schicht 13 in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Isolierblock 21 und der Innenelektrodenschicht 15a, 15b. Insbesondere ist es unter dem Gesichtspunkt des Verhinderns der Konzentrierung des elektrischen Feldes in der Innenelektrodenschicht 15a, 15b bevorzugt, daß das Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten nicht größer als 0,1 ist.

Auch ist erfindungsgemäß bevorzugt, daß der Krümmungsradius R an der Ecke, wo die obere Oberfläche oder die untere Oberfläche des Isolierblocks 21 kontinuierlich in die flache Oberfläche 23 übergeht, die folgende Formel III

0,05 t₂ ≦ R ≦ 0,3 t₂ (III)

erfüllt, in der t₂ die Dicke der piezoelektrischen Schichten 13 bedeutet.

Beim Ausbilden eines ausgenommenen Bereichs in der Seitenoberfläche des Stellgliedkörpers, um durch Einfüllen des Isoliermaterials in diesen Bereich den Isolierblock 21 zu bilden, werden dann, wenn der Krümmungsradius R des Eckbereichs (das heißt an der Ecke des ausgenommenen Bereichs) des Isolierblocks so ausgewählt wird, daß die Formel III erfüllt wird, Risse vom Eckbereich in die piezoelektrische Schicht 13 hinein wirksam verhindert. Dies ist auch vorteilhaft, weil die Länge L der flachen Oberfläche 23 auf nicht weniger als 0,4 t₂ eingestellt werden kann.

Bei der vorliegenden Erfindung ist das piezoelektrische Material zum Ausbilden der piezoelektrischen Schicht 13 ein piezoelektrisches Keramikmaterial, das hauptsächlich Bleititanatzirconat Pb(Zr, Ti)O₃ (nachfolgend abgekürzt als "PZT") oder Bariumtitanat BaTiO₃ enthält. Ohne darauf beschränkt zu sein, kann aber gesagt werden, daß irgendein Keramikmaterial verwendbar ist, vorausgesetzt, es weist eine piezoelektrische Eigenschaft auf. Es ist bevorzugt, daß die Dicke der piezoelektrischen Schicht 13, das heißt der Spalt zwischen der ersten Innenelektrodenschicht 15a und der zweiten Innenelektrodenschicht 15b, in einem Bereich von 0,05 bis 0,25 mm liegt, und zwar unter dem Gesichtspunkt des Verringerns der Größe des Stellglieds und des Anwendens eines starken elektrischen Felds.

Als Elektrodenmaterial zum Herstellen der Innenelektroden schichten 15a, 15b kann bequem ein Metall oder eine Metallegierung mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit, wie Silber, Silber-Platin oder Silber-Palladium, verwendet werden, und zwar unter dem Gesichtspunkt, das gleichzeitige Brennen mit den piezoelektrischen Keramiken durchzuführen. Es ist ferner erwünscht, daß die Dicke der Innenelektrodenschicht 15a, 15b im allgemeinen im Bereich von etwa 2 bis 10 µm liegt.

Als Isoliermaterial zur Herstellung des Isolierblocks 21 kann ein Material benutzt werden, das einen hohen elektrischen Widerstand (einen spezifischen Volumenwiderstand von nicht weniger als 10¹² Ωcm) aufweist, wie Glas, Epoxidharz, Polyimidharz, Polyamidimidharz oder Siliconkautschuk. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Siliconkautschuk besonders bevorzugt. Unter dem Gesichtspunkt des Unterdrückens der Belastung, die aufgrund der Steifheit des Isolierblocks 21 in der piezoelektrischen Schicht 13 aufgebaut wird, ist es auch bevorzugt, daß der Elastizitätsmodul Y₂ in Längsrichtung des Isolierblocks sehr viel kleiner als der Elastizitätsmodul Y₁ in Längsrichtung der piezoelektrischen Schicht 13 ist. Beispielsweise ist es erwünscht, daß das Verhältnis der Elastizitätsmoduln in Längsrichtung die folgende Formel IV

Y₂/Y₁ < 1 (IV)

erfüllt. Insbesondere soll dieses Verhältnis nicht größer als 0,1 sein.

Die Außenelektroden 17a, 17b können aus einem Metall hergestellt werden, das eine hervorragende Oxidations beständigkeit aufweist, beispielsweise aus Ni oder Ag, oder sie können aus verschiedenen elektrisch leitenden Harzen erhalten werden. Es ist jedoch erwünscht, die Außenelektroden 17a, 17b unter Einsatz eines elektrisch leitenden Gemisches zu bilden, das durch Dispergieren von elektrisch leitenden Teilchen in einer wärmebeständigen Harzmatrix erhalten wird, und zwar unter dem Gesichtspunkt des Verhinderns eines Bruchs in der Verbindung zu den Innenelektrodenschichten 15a, 15b, während das Stellglied in Betrieb ist, und unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Haltbarkeit bei hohen Temperaturen.

In dem genannten elektrisch leitenden Gemisch wird als wärmebeaständiges Harz für den Aufbau der Matrix vorzugsweise ein organisches Harz mit einer 5%-Gewichtsreduktionstemperatur von nicht unter 250°C eingesetzt. Das heißt, bei Benutzung des erwähnten organischen Harzes als Matrix wird ein ausreichend hoher Haltbarkeitsgrad selbst dann beibehalten, wenn das Stellglied in einer Hochtemperaturumgebung, zum Beispiel an einem Einspritzventil für Kraftfahrzeuge, benutzt wird. Wenn ein Harz mit einer 5%-Gewichtsreduktionstemperatur eingesetzt wird, die nicht über 250°C liegt, kann die Haltbarkeit bei hohen Temperaturen unbefriedigend werden.

Die 5%-Gewichtsreduktionstemperatur des Harzes wird im allgemeinen durch die thermogravimetrische Analyse (TG) gemessen. Zum Beispiel wird das Gewicht der Harzprobe schrittweise gemessen, während ihre Temperatur an der freien Luft mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit (1 bis 10°C/min) erhöht wird. Die Temperatur, bei der das Verhältnis der Gewichtsreduktion 5 Gew.-%, bezogen auf das Ausgangsgewicht, beträgt, ist die 5%-Gewichtsreduktionstemperatur der Harzprobe. Im Fall lackartiger Harze wird das Lösungsmittel verdampft, und das Harz wird vor der Messung gehärtet.

Im Rahmen der Erfindung wird das wärmebeständige Harz mit einem Elastizitätsmodul von nicht über 2000 kgf/mm² und einer Dehnbarkeit von nicht unter 10% verwendet, um einen Bruch in der Verbindung der Innenelektrodenschichten 15a, 15b mit den Außenelektroden 17a, 17b zu verhindern, während das Stellglied in Betrieb ist. Wenn das Stellglied in Betrieb ist, unterliegen die piezoelektrischen Schichten 13 einer Expansion und Kontraktion, wodurch der Stellgliedkörper 11 in der Richtung der Laminierung expandiert und kontrahiert. Dabei tritt eine Belastung auf. Ferner wird dann, wenn das Stellglied in einer Hochtemperaturumgebung angeordnet wird, entsteht aufgrund der Differenz der thermischen Expansionen zwischen der piezoelektrischen Schicht 13 und der Innenelektrodenschicht 15a, 15b eine Belastung. Das wärmebeständige Harz mit dem obengenannten Elastizitätsmodul und der erwähnten Dehnbarkeit nimmt die Belastung gut auf, welche durch die Dehnung, die Kontraktion und die Differenz in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufen wurde, und verhindert wirksam einen Bruch in der Verbindung der Innenelektrodenschichten 15a, 15b mit den Außenelektroden 17a, 17b, der durch die Belastung entsteht. Dadurch wird die Zuverlässigkeit des Stellglieds wesentlich verbessert.

Im Fall des wärmebeständigen Harzes ist es besonders bevorzugt, ein wärmehärtendes Harz mit einer Imidbindung, zum Beispiel ein Polyimid, Polyamidimid- oder Maleimidharz, zu verwenden, um die Wärmebeständigkeit zu verbessern. Unter dem Gesichtspunkt der wirksamen Aufnahme einer Belastung, die aus der Differenz in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten entsteht, ist es auch besonders bevorzugt, aus den obigen wärmehärtenden Harzen eines auszuwählen, das thermoplastische Eigenschaften bei mindestens 180°C (bei der Glasübergangstemperatur) aufweist. Das heißt, das Stellglied, bei dem die Außenelektroden 17a, 17b aus einem elektrisch leitenden Gemisch unter Einsatz eines wärmehärtenden Harzes als Matrix bestehen, nimmt besonders gut eine Belastung auf, die aus der Differenz in den thermischen Ausdehnungen stammt, wenn das Stellglied als Element in einer Umgebung benutzt wird, wo ein Erhitzungszyklus stattfindet, zum Beispiel an einem Kraftstoffeinspritzventil für Kraftfahrzeuge, und verhindert zuverlässig einen Bruch in der Verbindung der Innenelektrodenschichten 15a, 15b mit den Außenelektroden 17a, 17b.

Als elektrisch leitende Teilchen, die in der wärmebeständigen Harzmatrix dispergiert sind, kann mindestens eine Sorte aus der Gruppe der elektrisch leitenden Keramiken, der Metalloxyde, der Metalle der Gruppen 6 bis 11 des Periodensystems und der Legierungen hiervon verwendet werden. Genauer gesagt, es können elektrisch leitende Keramiken benutzt werden, die hauptsächlich ein Metallcarbid oder -nitrid, wie WC oder TiN, ein Metalloxid, wie RuO₂, ein Metall mit einer hervorragenden Oxidationsbeständigkeit, wie Ag, Pd, Ni, Pt oder Au und eine Legierung oder ein Gemisch hiervon, eingesetzt werden. Erfindungsgemäß wird insbesondere ein Pulver eines Metalls aus den Gruppen 6 bis 11 des Periodensystems mit einem relativ kleinen spezifischen Durchgangswiderstand, zum Beispiel ein Pulver aus Ni, Ag, Pt oder Au, verwendet. Vorzugsweise haben diese elektrisch leitenden Teilchen eine nicht kugelförmige Gestalt und liegen beispielsweise in Form von Nadeln, Flocken oder dergleichen vor. Das heißt, die nicht kugelförmigen elektrisch leitenden Teilchen verhaken sich mehr miteinander als entsprechende kugelförmige Teilchen und ermöglichen es deshalb, die Scherfestigkeit der Außenelektroden 17a, 17b wesentlich zu erhöhen.

Vorzugsweise sind die elektrisch leitenden Teilchen in einem Verhältnis von 15 bis 80 Vol.%, bezogen auf die Gesamtmenge des elektrisch leitenden Gemisches, dispergiert. Das heißt, wenn die dispergierte Menge der elektrisch leitenden Teilchen unter 15 Vol.% liegt, nimmt die Häufigkeit des Kontakts zwischen diesen Teilchen in der Matrix ab, und das elektrisch leitende Gemisch zeigt einen erhöhten Widerstand. Wenn an die Außenelektroden 17a, 17b, die aus einem solchen elektrisch leitenden Gemisch hergestellt sind, eine Spannung angelegt wird, können sich diese Elektroden lokal erhitzen. Wenn andererseits die dispergierte Menge der elektrisch leitenden Teilchen 80 Vol.% übersteigt, wird die Menge des Matrixharzes, welches das Bindemittel darstellt, relativ klein, und die hergestellten Außenelektroden 17a, 17b können ihre Festigkeit verlieren. Außerdem verliert das elektrisch leitende Gemisch seine pastenähnliche Eigenschaft und erschwert es, die Außenelektroden 17a, 17b herzustellen.

Bei der vorliegenden Erfindung hat das vorgenannte elektrisch leitende Gemisch den Vorteil, daß es bei einer relativ niedrigen Temperatur gebrannt werden kann, verglichen mit dem bekannten Material zum Herstellen von Außenelektroden, zum Beispiel mit einer elektrisch leitenden Paste, die ein elektrisch leitendes Material und eine Glasmasse enthält. Der Einsatz des elektrisch leitenden Gemisches zur Herstellung der Außenelektroden 17a, 17b ist deshalb auch unter dem Gesichtspunkt vorteilhaft, weil hierbei ein Abbau der Isolierblocks 21 durch die Hitze beim Brennen unterdrückt wird.

Erfindungsgemäß wird das vorgenannte elektrisch leitende Gemisch mit Vorteil für das Herstellen der Außenelektroden 17a, 17b verwendet. Es ist jedoch auch möglich, die Außenelektroden 17a, 17b unter Verwendung des vorgenannten elektrisch leitenden Gemisches als Klebstoff auszubilden. Das heißt, eine dünne Platte oder ein Netz aus Ag, Ni, Cu, Al, W, Mo, korrosionsbeständigem Stahl, einer Fe-Ni-Co-Legierung oder Nickel wird an die Seitenoberflächen 16a, 16b zur Bildung der Außenelektroden unter Einsatz des obengenannten elektrisch leitenden Gemisches als Klebstoff angeklebt, wodurch die Außenelektroden 17a, 17b erhalten werden.

Insbesondere werden die Außenelektroden 17a, 17b durch Einbetten eines elektrisch leitenden Netzes in das auf die Seitenoberflächen 16a, 16b aufgebrachte elektrisch leitende Gemisch zur Herstellung der Außenelektroden hergestellt. Dann folgen die Außenelektroden 17a, 17b in günstiger Weise der Expansion und Kontraktion der piezoelektrischen Schichten 13 und verhindern wirksam den Bruch der Verbindung mit den Außenelektroden 17a, 17b. In diesem Fall ist es bevorzugt, daß der Zwischenraum zwischen den elektrisch leitenden Drähten, welche das Netz bilden (der Spalt zwischen den elektrisch leitenden Drähten) das 0,5- bis 0,8-fache der Dicke der piezoelektrischen Schicht 13 beträgt, um die spätere Leistungsfähigkeit der Außenelektroden 17a, 17b zu verbessern, ohne die Festigkeit zu verschlechtern. Um die spätere Leistungsfähigkeit weiter zu verbessern, ist es bevorzugt, daß die elektrisch leitenden Drähte einen Durchmesser R aufweisen, der das 0,05- bis 2-fache der Dicke der piezoelektrischen Schicht 13 beträgt. Es ist ferner bevorzugt, daß die elektrisch leitenden Drähte sich unter einem Winkel von etwa 45° bezüglich der Laminierrichtung der piezoelektrischen Schichten 13 erstrecken. Vorzugsweise bestehen die elektrisch leitenden Drähte aus einem korrosionsbeständigen Stahl von Kovar, der bei niedrigen Temperaturen eine hervorragende Antioxidations eigenschaft aufweist.

Obwohl es in den Fig. 1a und 1b nicht dargestellt ist, sind Leitungsdrähte mit den Außenelektroden 17a, 17b verbunden. Bei der vorliegenden Erfindung werden die Leitungsdrähte unter Verwendung des vorgenannten elektrisch leitenden Gemisches als Klebstoff verbunden, und deshalb wird ein Bruch in den Leitungsdrähten, der sonst durch die Verschiebung der piezoelektrischen Schichten 13 verursacht werden könnte, wirksam verhindert. Dies ist deshalb der Fall, weil das elektrisch leitende Gemisch der Verschiebung der piezoelektrischen Schichten 13 in hervorragender Weise folgt. Als elektrisch leitendes Gemisch für das Verbinden der Leitungsdrähte kann als Matrix ein wärmebeständiges Harz mit einem Elastizitätsmodul von nicht über 20 GPz und einer Dehnbarkeit von nicht unter 10% benutzt werden.

Weiteres laminiertes piezoelektrisches Stellglied

Bei den vorgenannten piezoelektrischen Stellgliedern mit dem Aufbau gemäß den Fig. 1a und 1b sind nicht aktive Keramikschichten (nicht dargestellt) mit dem oberen Ende und dem unteren Ende verbunden, und viele piezoelektrische Schichten 13 in dem Stellgliedkörper 11 haben im wesentlichen die gleiche Dicke. Mit diesem Aufbau unterliegt der Stellgliedkörper 11 der Expansion und Kontraktion aufgrund der Verschiebung der piezoelektrischen Schichten 13 beim Anlegen einer Spannung an die Innenelektrodenschichten 15a, 15b, jedoch expandieren oder kontrahieren die nicht aktiven Keramikschichten nicht. Dementsprechend wird in den Grenzbereichen zwischen den nicht aktiven Keramikschichten und dem Stellgliedkörper 11 eine Scherbelastung aufgebaut, welche die Haltbarkeit des Stellglieds herabsetzen kann. Um die Verminderung der Haltbarkeit, welche durch die Scherbelastung verursacht wird, zu unterdrücken, sind vorzugsweise die nicht aktiven Keramikschichten am Oberende und am Unterende des Stellgliedkörpers 11 mittels eines belastungsvermindernden Bereichs vorgesehen. Die Fig. 3 und 4 erläutern das laminierte piezoelektrische Stellglied, das die belastungsvermindernden Bereiche aufweist.

Der Grundaufbau des gezeigten Stellglieds in der seitlichen Schnittansicht gemäß Fig. 3 ist der gleiche wie jener in den Fig. 1a und 1b. Jedoch ist das in Fig. 3 dargestellte Stellglied in drei Bereiche eingeteilt, nämlich in einen Mittelbereich 30 und in belastungsvermindernde Bereiche 31, 31, die oberhalb und unterhalb des Mittelbereichs 30 in Richtung der Laminierung angeordnet sind. Die nicht aktiven Keramikschichten 35, die sich am oberen und am unteren Ende befinden, sind mit den belastungsvermindernden Bereichen 31 verbunden. Ferner sind Leitungsdrähte L mit den Außenelektroden 17a, 17b verbunden, so daß über die Außenelektroden 17a, 17b eine vorgegebene Spannung an die Innenelektrodenschichten 15 angelegt werden kann, wie im Stellglied gemäß den Fig. 1a und 1b.

In dem Beispiel gemäß Fig. 3 sind eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten 13a, 13b und eine Mehrzahl von Innenelektrodenschichten 15 sowohl im Mittelbereich 30 als auch in den belastungsvermindernden Bereichen 31 abwechselnd laminiert (die piezoelektrischen Schichten in den belastungs vermindernden Bereichen 31 sind mit 13a und die piezo elektrischen Schichten im Mittelbereich 30 mit 13b bezeichnet). Die Isolierblocks 21 sind in der gleichen Weise wie gemäß den Fig. 1a und 1b an den Enden der Innenelektrodenschichten 15 abwechselnd angeordnet. In den belastungsvermindernden Abschnitten 31 weisen die piezoelektrischen Schichten 13a jeweils die gleiche Dicke auf. Auch die piezoelektrischen Schichten 13b im Mittelbereich 30 haben jeweils die gleiche Dicke. Jedoch ist die Dicke der piezoelektrischen Schichten 13a in den belastungsvermindernden Bereichen 31 größer als die Dicke der piezoelektrischen Schichten 13b im Mittelbereich 30. Im allgemeinen ist es bevorzugt, daß die Dicke der piezo elektrischen Schichten 13a das 1,3- bis 2,5-fache, insbesondere das 1,5- bis 2,30-fache, der Dicke der piezoelektrischen Schichten 13b aufweisen. Durch Auswählen einer größeren Dicke der piezoelektrischen Schichten 13a gegenüber der Dicke der piezoelektrischen Schichten 13b wird die Verschiebung der piezoelektrischen Schichten 13a pro Längeneinheit kleiner als jene der piezoelektrischen Schichten 13b. Deshalb wird der Aufbau einer Scherbelastung im Grenzbereich zwischen dem Stellgliedkörper 11 und der Keramikschicht 35 auf Grund der quer verlaufenden piezoelektrischen Verformung mittels der belastungsvermindernden Bereiche 31 mit den piezoelektrischen Schichten 13a unterdrückt.

Bei dem Stellglied gemäß Fig. 3 weisen die piezoelektrischen Schichten 13a in den belastungsvermindernden Bereichen 31 jeweils die gleiche Dicke auf. Deshalb werden für das Stell glied nur zwei Arten von piezoelektrischen Schichten (die piezoelektrischen Schichten 13a und 13b) eingesetzt, was den Vorteil einer leichten Herstellung mit sich bringt.

Ferner können die Dicken der in den belastungsvermindernden Bereichen 31 ausgebildeten piezoelektrischen Schichten 13a vom Mittelbereich 30 aus zu den Keramikschichten 35 hin, die am oberen und am unteren Ende vorgesehen sind, allmählich zunehmen. Dies ist in der seitlichen Schnittansicht gemäß Fig. 4 dargestellt, die einen größeren Teil hiervon zeigt.

Bei Betrachtung des belastungsvermindernden Bereichs 31 in Fig. 4 ist bei den beiden benachbarten piezoelektrischen Schichten 13a₁ und 13a₂ zu sehen, daß die Schicht 13a₁ auf der Seite der Keramikschicht 35 eine größere Dicke als die Schicht 13a₂ auf der Seite des Mittelbereichs 30 aufweist. Durch allmähliches Erhöhen der Dicke der piezoelektrischen Schichten 13a zu den Keramikschichten 35 hin kann das Aufbauen einer Scherbelastung im Grenzbereich zwischen den Keramikschichten 35 und dem Stellgliedkörper 11 wirksam vermindert werden. Gemäß dem Beispiel gemäß Fig. 4 ist es bevorzugt, daß die Dicke der piezoelektrischen Schicht 13a₁ auf der Seite der Keramikschicht das 1,05- bis 1,18-fache, insbesondere das 1,07- bis 1,12- fache, der Dicke der piezoelektrischen Schicht 13a₂ auf der Seite des Mittelbereichs 30 beträgt oder daß sie um 0,005 bis 0,020 mm, insbesondere um 0,008 bis 0,014 mm, dicker ist als die piezoelektrische Schicht 13a₂ auf der Seite des Mittelbereichs 30, obwohl es in Abhängigkeit von der Dicke der piezoelektrischen Schichten 13b im Mittelbereich unterschiedlich sein kann. Bei dem Beispiel gemäß Fig. 4 wird die Scherbelastung sogar in den Grenzbereichen zwischen den belastungsvermindernden Bereichen 31 und dem Mittelbereich 30 unterdrückt.

Bei dem Stellglied mit dem in den Fig. 3 und 4 gezeigten Aufbau weist der Mittelbereich 30 eine geeignete Anzahl von piezoelektrischen Schichten 13b (im allgemeinen 100 bis 400 Schichten) auf, was vom Verwendungszweck abhängt. Um die Wirkung einer ausreichenden Unterdrückung der Scherbelastung zu erreichen, ist es jedoch bevorzugt, daß die piezoelektrischen Schichten 13a in dem belastungsvermindernden Bereich 31 in einer Anzahl von 6 bis 24 Schichten vorliegen. Wenn die Anzahl der Schichten unter diesem Bereich liegt, ist die erzielte Wirkung des Unterdrückens der Scherbelastung nicht ausreichend. Wenn andererseits die Anzahl der Schichten den erwähnten Bereich übersteigt, wird der Stellgliedkörper 11 zu voluminös.

Herstellung des laminierten Stellglieds

Das laminierte piezoelektrische Stellglied gemäß der Erfindung, das den vorgenannten Aufbau aufweist, kann durch das nachfolgend beschriebene Verfahren hergestellt werden.

Zuerst wird durch Mischen eines calcinierten Pulvers aus piezoelektrischer Keramik, zum Beispiel aus PTZ, einem vorgegebenen Bindemittel und einem Weichmacher eine Aufschlämmung und daraus mittels der Rakelmethode eine grüne Keramikplatte mit einer Dicke von 70 bis 300 µm (Platte für die piezoelektrische Schicht) hergestellt.

Mittels der Siebdruckmethode wird eine elektrisch leitende Paste, die hauptsächlich einen Leiter, zum Beispiel Silber, enthält, zur Bildung der Innenelektrodenschicht auf die eine Oberfläche der grünen Platte in einer Dicke von etwa 1 bis 10 µ m aufgebracht. Dann wird eine vorgegebene Anzahl von grünen Platten in einer Metallform laminiert, und zwar als einheitliche Anordnung durch Erhitzen bei etwa 50 bis 200°C unter Druck.

Das erhaltene Laminat wird zu einer vorgegebenen Größe geschnitten, 10 bis 80 Stunden auf 300 bis 800°C erhitzt, um das Bindemittel zu entfernen und 2 bis 5 Stunden bei 900 bis 1200°C gebrannt, um ein quadratisches zylindrisches lami niertes gesintertes Produkt zu erhalten, das als Stell gliedkörper 11 dient. Die Enden der Innenelektroden-schichten 15 sind zu den vier Seitenoberflächen des laminierten gesinterten Produkts hin frei.

Gemäß der vorgenannten Methode werden die piezoelektrischen Schichten 13 und die Innenelektrodenschichten 15 gleichzeitig durch Brennen hergestellt. Es ist jedoch auch möglich, das Laminat, das als Stellgliedkörper dient, dadurch herzustellen, daß viele piezoelektrische Platten durch Brennen des piezoelektrischen Materials produziert und diese Platten als einheitliche Anordnung über Elektrodenplatten und eine Elektrodenpaste miteinander laminiert werden. Wenn die piezo elektrische Schicht 13a, 13b eine Dicke von t₂ aufweist, die etwa nur 100 µm beträgt, ist das gleichzeitige Brennen eine vorteilhafte Verfahrensweise.

Anschließend wird der Außenumfang des laminierten gesinterten Produkts bearbeitet, und die zwei seitlichen Ecken, die auf einer Diagonallinie liegen, werden abgeschrägt, um eine hexa gonale zylindrische Form zu erhalten. Die Seitenoberflächen 16a, 16b zur Einrichtung der Außenelektroden werden durch Abschrägen ausgebildet. Gemäß Fig. 1 ist es bevorzugt, daß die Abschrägungslänge C wesentlich kürzer als die Länge W einer Seite des quadratischen zylindrischen Stellgliedkörpers ist, aber eine ausreichende Größe zur Ausbildung der Außenelektroden 17 ohne Unterbrechung aufweist, wie später beschrieben wird. Beim Vorbereiten der Seitenoberflächen 16a, 16b zum Ausbilden der Außenelektroden durch Abschrägen ist es leicht möglich, die Flächen der Seitenoberflächen für die Außenelektroden in Abhängigkeit von der Fläche dieser Elektroden einzustellen. Beispielsweise können die Größen der Seitenoberflächen 16a, 16b für die Außenelektroden in Abhängigkeit von den Flächen dieser Elektroden soweit wie möglich vermindert werden, um jene Seitenoberflächen für die Außenelektroden herzustellen, welche Flächen aufweisen, die viel kleiner sind als die anderen Seitenoberflächen. Dadurch ist es möglich, die Bearbeitungskosten zu senken, die Konzentration der Belastung, die sich in der Nähe der Enden der Innenelektrodenschichten konzentriert, zu vermindern und die Lebensdauer zu verlängern.

Bei dem vorgenannten Beispiel weist der Stellgliedkörper 11 eine hexagonale zylindrische Gestalt auf, die durch Abschrägen der Seitenecken des rechteckigen zylindrischen Laminats in Richtung der Laminierung ausgebildet wird. Jedoch kann der Stellgliedkörper 11 auch in Abweichung vom hexagonalen Zylinder eine kreiszylindrische oder irgendeine polygonale zylindrische Form aufweisen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Wenn die Anzahl der Flächen der zylindrischen Form größer wird, nimmt auch die Querschnittsfläche des Stellgliedkörpers 11 zu und dementsprechend auch die in dem Stellgliedkörper 11 erzeugte Kraft. Obwohl es bevorzugt ist, daß die Seitenoberflächen 16a, 16b zur Ausbildung der Außenelektroden einander gegenüber liegen, ist ihre entgegengesetzte Anordnung nicht unbedingt nötig.

Erfindungsgemäß ist auch bevorzugt, daß die Seitenoberflächen 16a, 16b zur Ausbildung der Außenelektroden grob bearbeitet werden, wobei die Oberflächenrauheit Ra (JIS B 0601) der piezoelektrischen Schichten, die zu den Seitenoberflächen hin freiliegen, auf einen Bereich von 5 bis 10 µm eingestellt wird. Die Bearbeitung bezüglich der groben Oberfläche ermöglicht es, die Haftfestigkeit zwischen den Enden der piezoelektrischen Schichten 13 und den Außenelektroden 17 aus dem vorgenannten elektrisch leitenden Gemisch oder dem elektrisch leitenden Gemisch, das als Klebstoff zum Befestigen der Außenelektroden 17 benutzt wird, zu erhöhen und somit einen Bruch der Verbindung mit den Außenelektroden oder das Abschälen der piezoelektrischen Schichten 13 von den Innenelektrodenschichten 15, verursacht durch die Verschiebung der piezoelektrischen Schichten 13, wirksam zu verhindern.

Ausgenommene Bereiche mit einer Gestalt, welche die Bedingungen der vorgenannten Formel I erfüllt, werden in den so erhaltenen Seitenoberflächen 16a, 16b zur Ausbildung der Außenelektroden hergestellt. Das heißt, die ausgenommenen Bereiche dienen zur Bildung der Isolierblocks 21. Bezug nehmend auf Fig. 1b haben die ausgenommenen Bereiche eine Größe, welche die obere und die untere piezoelektrische Schicht 13 mit den Enden der Innenelektrodenschichten als Mitte beinhaltet. Die ausgenommenen Bereiche in den Seitenoberflächen 16a, 16b werden zickzackartig in allen anderen Schichten verwirklicht. Die ausgenommenen Bereiche werden leicht durch Schneiden bearbeitet, und zwar unter Einsatz eines Diamantrundschleifsteins oder eines Laserstrahls. Wenn unterschiedliche Dicken der piezoelektrischen Schichten 13 und der Innenelektrodenschichten 15 gering gehalten werden, können mehrere ausgenommene Bereiche gleichzeitig erzeugt werden, indem mehrere Diamantschleifsteine eingesetzt werden, die einen vorgegebenen Abstand einhalten. Ferner müssen die ausgenommenen Bereiche die Bedingungen der vorgenannten Formel I erfüllen.

Deshalb müssen beim Einsatz der runden Diamentschleifsteine die zugehörigen Bedingungen eingestellt werden.

Die so hergestellten ausgenommenen Bereiche werden mit einem isolierenden elastischen Material, wie Siliconkautschuk, ausgefüllt, um die Isolierblocks 21 zu erhalten. Die Isolier blocks weisen eine Gestalt auf, welche die Bedingungen der Formel I erfüllt.

Das vorgenannte elektrisch leitende Gemisch zum Ausbilden der Außenelektroden wird auf die Außenoberflächen 16a, 16b aufge bracht, um die Außenelektroden des Stellgliedkörpers 11 zu erhalten, der in der oben beschriebenen Weise hergestellt und bei Bedarf gebrannt wird, um die Außenelektroden 17 zu bilden.

Das folgende Verfahren wird angewandt, wenn die Außenelektroden 17 durch Einsatz des elektrisch leitenden Gemisches hergestellt werden sollen, wobei als Harzmatrix ein wärmebeständiges Harz benutzt wird, das in einem Lösungsmittel kaum löslich ist, zum Beispiel ein Polyimid, das sich mit Ausnahme von konzentrierter Schwefelsäure nicht in einem Lösungsmittel löst.

Das heißt, eine Polyaminsäure (polyamic acid), die ein Vorläufer eines Polyimids ist, wird in einem Lösungsmittel, wie N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) oder Tetrahydrofuran (THF), gelöst, um ein lackähnliches Gemisch zu erhalten. Der Lack wird zusammen mit einem vorgegebenen Volumenprozentsatz eines elektrisch leitenden Mittels in einer Knetvorrichtung, zum Beispiel einem Dreiwalzenstuhl, verknetet, um eine elektrisch leitende Paste herzustellen. Diese wird auf die Seiten oberflächen 16a, 16b zur Ausbildung der Außenelektroden aufgebracht sowie an der Luft oder in einer Stickstoff atmosphäre bei Raumtemperatur bis 400°C erhitzt, um das Lösungsmittel zu verdampfen und die Paste zu härten. So werden die Außenelektroden 17 mit einer hervorragenden Wärmebeständigkeit und Wärmezyklusbeständigkeit hergestellt.

Wie erwähnt, können die Außenelektroden 17 sogar durch Aufkleben von elektrisch leitenden Elementen in Form von dünnen Platten oder eines Netzes auf die Seitenoberflächen 16a, 16b gebildet werden, wobei das obengenannte elektrisch leitende Gemisch verwendet wird.

An die Außenelektroden 17, welche in der oben beschriebenen Weise ausgebildet worden sind, wird eine vorgegebene Spannung angelegt, um die piezoelektrischen Schichten 13 zu polarisieren und damit das laminierte piezoelektrische Stellglied der vorliegenden Erfindung zu erhalten.

Beispiel 1

Fig. 5 zeigt die mittels der Elementemethode (FEM) erhaltenen Analysenergebnisse der Beziehung zwischen dem Verhältnis der Dicken der wirksamen Grenzflächen (L - t₁)/t₂ und dem Ver hältnis der maximalen Hauptbelastung, die entsteht, wenn auf die statische Festigkeit der piezoelektrischen Schichten eine Schwingung von 60 Hz einwirkt, und zwar bei Verwendung des Stellgliedkörpers mit dem Aufbau gemäß den Fig. 1a und 1b, der versehen ist mit piezoelektrischen Schichten (PZT) einer Dicke (t₂) von 100 µm, Innenelektrodenschichten (Ag) einer Dicke (t₁) von 3 µm und Isolierblocks aus Siliconkautschuk (L ist die Länge der flachen Oberfläche an der Seitenoberfläche des Isolierblocks).

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß die maximale Hauptbelastung stark zunimmt, wenn das Verhältnis der Dicken der wirksamen Grenzflächen kleiner als 0,2 ist, aber in einem Bereich leicht abnimmt, in dem das obige Verhältnis nicht unter 0,2 liegt.

Ferner beträgt das Verhältnis des Werts der maximalen Hauptbelastung zur Festigkeit der piezoelektrischen Schicht nicht mehr als 30%, was für eine Verlängerung der Lebensdauer gegenüber einer Ermüdung des Stellglieds, das wiederholt betätigt wird, geeignet ist. Insbesondere wird dann, wenn das Verhältnis der Dicken der wirksamen Grenzflächen nicht kleiner als 0,40 ist, wird das Verhältnis der maximalen Hauptbelastung zur Festigkeit der piezoelektrischen Schicht nicht größer als 25%. Dies ermöglicht eine weitere Verbesserung der Lebensdauer unter dem Gesichtspunkt der Ermüdung. Wenn das Verhältnis der Dicken der wirksamen Grenzflächen nicht unter 0,6 sinkt, kann das Verhältnis der maximalen Hauptbelastung zur Festigkeit der piezoelektrischen Schicht auf weniger als 25% gehalten werden, obwohl die Dicke der piezoelektrischen Schichten 13 um 0,1.t₂ verändert wird (oder in anderen Worten, obwohl die Ver bindungsabschnitte zwischen den Isolierblocks 21 und den Innenelektrodenschichten 15 um 0,1. t₂ abweichen). Deshalb hilft das Verhältnis der Dicken der wirksamen Grenzflächen, das nicht unter 0,6 liegt, im Sinne einer Zunahme des möglichen Bereichs der Bearbeitungsgenauigkeit, was unter dem Gesichtspunkt der Produktivität erwünscht ist.

Ferner kann dann, wenn das Verhältnis der Dicken der wirksamen Grenzflächen kleiner als 0,9 ist, ein gekrümmter Bereich mit einem Krümmungsradius R von nicht unter 0,05. t₂ im Eckbereich des Isolierblocks 21 (Eckbereich des ausgenommenen Bereichs zur Ausbildung des Isolierblocks) vorgesehen werden, um die Belastungskonzentration durch den Eckbereich herabzusetzen.

Beispiel 2

Fig. 6 zeigt die Analysenergebnisse der Beziehung zwischen einerseits dem Verhältnis E/E₀ (Verhältnis der Konzentrationen der elektrischen Felder) des Werts E des elektrischen Felds zum Wert E₀ des elektrischen Felds und andererseits dem Verhältnis (ε₂/ε₁) der Dielektrizitätskonstante ε₂ des Isolierblocks 21 zur Dielektrizitätskonstante ε₁ in der Polarisierungsrichtung der piezoelektrischen Schicht 13 unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1, wenn ein hoher Wert des elektrischen Felds, der in der piezoelektrischen Schicht 13 in der Nähe des Isolierblocks der Innenelektrodenschicht 15 entstanden ist, und mit E bezeichnet wird sowie der Wert des einheitlichen elektrischen Felds, welcher in der piezoelektrischen Schicht 13 entstanden ist, die von der Seitenoberfläche des Stellgliedkörpers 11 ausreichend getrennt ist, mit E₀ bezeichnet wird.

Gemäß Fig. 6 steigt die Konzentration des elektrischen Felds am Ende der Innenelektrodenschicht 15 mit dem Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten (ε₂/ε₁) = 0,1 als Grenze stark an. Daraus ist ersichtlich, daß es besser ist, das Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten (ε₂/ε₁) auf einen Wert unter 0,1 zu drücken, um auch die Konzentration des elektrischen Felds zu unterdrücken.

Beispiel 3

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, in der auf der Abszisse das Verhältnis R/t₂ des Krümmungsradius R eines Seiteneckenabschnitts des Isolierblocks 21 zur Dicke t₂ der piezoelektrischen Schicht 13 und auf der Ordinate das Verhältnis (das relative maximale elektrische Feld) zum Wert des maximalen elektrischen Felds, wenn der in der piezo elektrischen Schicht 13 erzeugte Wert R des maximalen elektrischen Felds 0 beträgt, aufgetragen ist.

Gemäß Fig. 7 nimmt der Wert des maximalen elektrischen Felds mit einer Zunahme von R ab. Wenn R nicht kleiner als 5% der Dicke t₂ der piezoelektrischen Schicht ist, fällt der in der piezoelektrischen Schicht 13 erzeugte Wert des maximalen elek trischen Felds auf einen Wert von nicht mehr als 95% des Werts, wenn R = 0 ist.

Andererseits, wenn R nicht kleiner als 0,3.t₂ ist, wird der Abfall des Werts des maximalen elektrischen Felds sehr klein. Wenn R nicht unter 0,3.t₂ fällt, wird es schwierig, die Länge L der flachen Oberfläche 23 an der Seitenoberfläche des Isolierblocks 21 ausreichend groß zu bemessen.

Deshalb ist erfindungsgemäß der Bereich 0,05 . t₂ ≦ R ≦ 0,3 . t₂ bevorzugt.

Ferner wird bei R ≧ 0,1 . t₂ der Wert des maximalen elektrischen Felds kleiner als 90% des Werts, wenn R = 0 ist. Wenn R ≦ 0,2 . t₂ ist, wird es schwierig, die Differenz (L - t₁) zwischen der Länge L der flachen Oberfläche 23 des Isolierblocks 21 und der Dicke t₁ der Innenelektrodenschicht 15 auf einen Wert von nicht unter 60% von t₂ einzustellen. Deshalb ist erfindungsgemäß die Beziehung 0,1 . t₂ ≦ R ≦ 0,2 . t₂ bevorzugt.

Beispiel 4

Fig. 8 erläutert die Analysenergebnisse der Beziehung zwischen der Abweichung (des Fehlers) der Seitenoberfläche des Isolierblocks 21, die tatsächlich erhalten wird, bezogen auf die ideale flache Oberfläche 23 des Isolierblocks 21, und der Zunahme der Konzentration des elektrischen Felds (der Zunahme bezüglich der Konzentration des elektrischen Felds, wenn E = 0) hinsichtlich des relativen Bearbeitungsfehlers E/L (L = Länge der idealen flachen Oberfläche 23) unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1. Bei der Analyse der Ergebnisse wird angenommen, daß der Fehler E ein positives Vorzeichen aufweist, wenn der Isolierblock 21 größer ausgebildet ist als der Idealwert (der geplante Wert), das heißt, wenn der ausgenommene Bereich zur Bildung des Isolierblocks 21 tiefer ausgebildet wird als der geplante Wert.

Aus den Analysenergebnissen gemäß Fig. 8 ergibt sich, daß dann, wenn der relative Bearbeitungsfehler E/L innerhalb ±17% liegt, die Zunahme der Konzentration des elektrischen Felds nicht mehr als 20% beträgt, verglichen mit dem Fall, wenn der Isolierblock 21 eine ideale flache Oberfläche 23 aufweist. Wenn der relative Bearbeitungsfehler E/L innerhalb ±8% liegt, beträgt die Zunahme der Konzentration des elek trischen Feldes nicht mehr als 10%. Deshalb kann erfindungsgemäß davon ausgegangen werden, daß an der Seiten oberfläche des Isolierblocks 21 eine ideale flache Oberfläche 23 gebildet worden ist, wenn der relative Bearbeitungsfehler E/L innerhalb ±17%, insbesondere innerhalb ±8%, liegt.

Aus den Ergebnissen mit dem laminierten piezoelektrischen Stellglied der erfindungsgemäßen Beispiele 1 bis 4 ist ersichtlich, daß beim Optimieren der Gestalt und der Größe der Seitenoberflächen des Isolierblocks 21 sowie des Verhältnisses der Dielektrizitätskonstanten des Isolierblocks 21 und der piezoelektrischen Schichten 13 es möglich ist, die Konzentration des elektrischen Felds und die Konzentration der in den piezoelektrischen Schichten aufgebauten Belastung zu senken, um den Wert der maximalen Hauptbelastung auf einen Wert von höchstens 30%, bezogen auf die statische Festigkeit des piezoelektrischen Materials, herabzusetzen und einen durch mechanische Ermüdung verursachten Ausfall zu vermeiden.

Beispiel 5

Unter Einsatz eines Polyimidharzes mit einer 5%- Gewichtsreduktionstemperatur von 300°C als Matrix und von Silberpulver als elektrisch leitendes Mittel, wobei der Silbergehalt verändert wurde, wurden elektrisch leitende Gemische hergestellt. Diese wurden bezüglich ihres Widerstands und ihrer Haftfestigkeit gemessen. Für die Haftfestigkeit wurde das elektrisch leitende Gemisch auf eine piezoelektrische Platte aus PZT aufgebracht, und es wurde in der Richtung senkrecht zur Haftrichtung ein Zug ausgeübt, um eine Messung unter Verwendung eines Autographen (hergestellt von Simazu Seisakusho Ltd.) durchzuführen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle I angegeben.

Tabelle I

Wenn der Gehalt des elektrisch leitenden Mittels kleiner als 15 Vol.% ist, weist das elektrisch leitende Gemisch einen zu hohen Widerstand auf und kann für eine Außenelektrode nicht benutzt werden. Wenn andererseits der Gehalt des elektrisch leitenden Mittels bei mindestens 80 Vol.% liegt, wird der Anteil der Harzkomponente, welche einen Teil der Matrix bildet, relativ klein, und die Haftfestigkeit gegenüber der piezoelektrischen Platte aus PZT wird gering. Wenn jedoch der Gehalt des elektrisch leitenden Mittels aus dem Bereich von 15 bis 80 Vol.% ausgewählt wird, eignet sich das elektrisch leitende Gemisch für eine Außenelektrode ohne ein Problem hinsichtlich des Widerstands und der Haftfestigkeit.

Die Widerstandswerte wurden auch unter Verwendung der in der Tabelle II aufgeführten Materialien als elektrisch leitende Mittel zusätzlich zu dem Silberpulver mit einer Menge von 40 Vol.% gemessen. Wenn diese elektrisch leitenden Mittel in der gleichen Weise, wie oben beschrieben, in Mengen von 15 bis 80 Vol.% eingesetzt werden, können die elektrisch leitenden Gemische für Außenelektroden benutzt werden, die hervorragende Eigenschaften der elektrischen Leitfähigkeit und der Haftung zeigen.

Tabelle II

Dann wurden unter Verwendung verschiedener Harze mit verschiedenen 5%-Gewichtsreduktionstemperaturen als Matrix elektrisch leitende Gemische hergestellt und hinsichtlich ihrer Haftfestigkeit gegenüber piezoelektrischem Material aus PZT nach einem Lagern bei 200°C während vorgegebener Zeiträume vermessen. Als elektrisch leitendes Mittel war Silberpulver in einer Menge von 40 Vol.% enthalten.

Tabelle III

Wie Tabelle III zeigt, wird dann, wenn die 5%- Gewichtsreduktionstemperatur nicht über 250°C liegt, eine ausreichende Festigkeit nicht erreicht, wenn eine Verwendung in einer Hochtemperaturumgebung erfolgt. Andererseits wird beim Herstellen der Matrix unter Einsatz eines Harzes mit einer 5%- Gewichtsreduktionstemperatur von mindestens 250°C eine ausreichende Festigkeit selbst bei einer Verwendung in einer Hochtemperaturumgebung beibehalten.

Beispiel 6

Das in den Fig. 1a und 1b dargestellte laminierte piezoelek trische Stellglied wurde unter Verwendung eines elektrisch leitenden Gemisches zur Herstellung der Außenelektroden 17 erhalten, wobei als Matrix ein Polyimidharz mit einer 5%- Gewichtsreduktionstemperatur von 300°C und als elektrisch leitendes Mittel Silberpulver in einer Menge von 40 Vol.% benutzt wurden. Als piezoelektrische Schicht 13 diente PZT mit einer Dicke von 100 µm, und als Innenelektrodenschicht 15 wurde Silber-Palladium mit einer Dicke von 3 µm benutzt. Die Anzahl der Laminate betrug 300. Zwischen den Innenelektrodenschichten 15 und den Außenelektroden 17 wurden nach jeder Schicht Siliconkautschukteile als Isolierblocks angeordnet.

Wenn an die so erhaltenen laminierten piezoelektrischen Stell glieder eine Gleichspannung von 200 V angelegt wurde, erhielt man eine Verschiebung von 50 µm. Ferner wurde an das Stellglied ein elektrisches Wechselfeld von 0 bis +200 V und 50 Hz angelegt, um den Betriebstest durchzuführen. Als Ergebnis wurde erhalten, daß eine Verschiebung von 50 µm bei bis zu 5 . 10⁸ Zyklen aufrechterhalten werden konnte. Selbst dann, wenn eine Wechselspannung von 200 V und 50 Hz an das laminierte piezoelektrische Stellglied der vorliegenden Erfindung in einer Atmosphäre von 200°C bei bis zu 5 . 10⁸ Zyklen angelegt wurde, traten keine Entladung und kein Bruch ein, und es wurde eine Verschiebung aufrechterhalten, die der anfänglichen Ver schiebung entsprach.

Beispiel 7

Es wurden laminierte piezoelektrische Stellglieder mit dem gleichen Aufbau wie jenem des Beispiels 6 hergestellt. Die Außenelektroden 17 wurden mit elektrisch leitenden Gemischen erhalten, bei denen als Matrix verschiedene Harze mit ver schiedenen 5%-Gewichtsreduktionstemperaturen und als elektrisch leitendes Mittel Silberpulver, dessen Gehalt verändert wurde, dienten. Die so hergestellten laminierten piezoelektrischen Stellglieder wurden durch Anlegen einer Wechselspannung von 200 V und 50 Hz in einer Atmosphäre von 200°C getestet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle IV angegeben.

Tabelle IV

Im Fall des Stellglieds der Probe 1 betrug die Verschiebung nach 10⁵ Zyklen nur etwa die Hälfte der anfänglichen Verschie bung. Dies wurde dadurch verursacht, daß das Matrixharz in dem elektrisch leitenden Gemisch, das die Außenelektroden 17 bildete, eine 5%-Gewichtsreduktionstemperatur von nicht über 250°C aufwies und nicht in der Lage war, in einer Hoch temperaturumgebung die Haftfestigkeit aufrechtzuerhalten. Dies führte dazu, daß einige Innenelektrodenschichten 15 abgeschält wurden und die Zufuhr der Spannung zu einigen piezoelektrischen Schichten 13 blockierten.

Im Fall des Stellglieds der Probe Nr. 2 wurden die Außen elektroden 17 nach 2 . 10² Zyklen lokal erhitzt. Dies war darauf zurückzuführen, daß der Gehalt des elektrisch leitenden Mittels in dem Gemisch, das die Außenelektroden 17 bildete, unter 15 Gew.-% lag und der Kontakt zwischen den elektrisch leitenden Teilchen in der elektrisch leitenden Zusammensetzung in nicht ausreichendem Maße gegeben war. Als Folge hiervon zeigte das elektrisch leitende Gemisch einen erhöhten Widerstand und erzeugte lokal die genannte Wärme.

Im Fall des Stellglieds der Probe Nr. 3 wurde festgestellt, daß sich die Außenelektroden 17 nach 5 . 10⁴ Zyklen abgespalten haben. Dies war darauf zurückzuführen, daß die Menge des elektrisch leitenden Materials in dem die Außenelektroden 17 bildenden elektrisch leitenden Gemisch mindestens 80 Vol.% betrug und deshalb der Anteil der Matrixkomponente, die zur Haftung dient, nicht ausreichend war. Als Folge davon wurden während des Betriebs die Außenelektroden 17 von dem Stell gliedkörper abgespalten.

Andererseits betrug in den Fällen der Proben Nr. 4, 5 und 6 die 5%-Gewichtsreduktionstemperatur des Matrixharzes in dem elektrisch leitenden Gemisch, das die Außenelektroden 17 bil dete, mindestens 250°C und der Gehalt des elektrisch leitenden Mittels 15 bis 80 Vol.%. Selbst bei kontinuierlichem Betrieb mit hohen Geschwindigkeiten in einer Hochtemperaturumgebung unter Anlegen eines starken elektrischen Felds wurde deshalb ein hoher Grad an Haltbarkeit erreicht, ohne daß die elektrische Verbindung zwischen den Außenelektroden 17 und den Innenelektrodenschichten 15 unterbrochen und die Außen elektroden 17 lokal erhitzt wurden.

Beispiel 8

Es wurden laminierte piezoelektrische Stellglieder mit dem gleichen Aufbau wie jenem des Beispiels 6 hergestellt, und zwar durch Ausbilden der Außenelektroden 17 unter Verwendung eines elektrisch leitenden Gemisches, wobei als Matrix Harze mit einer 5%-Gewichtsreduktionstemperatur von mindestens 250°C, aber mit verschiedenen Elastizitätsmoduln und Dehnbarkeiten benutzt wurden. Als elektrisch leitendes Mittel wurde Silberpulver in einer Menge von 40 Vol.% verwendet. Die so erhaltenen laminierten piezoelektrischen Stellglieder wurden durch Variieren der Intensität des elektrischen Wechselfelds mit den Spannungen 200 V, 250 V und 300 V bei einer Frequenz von 50 Hz geprüft.

Die Ergebnisse sind in der Tabelle V angegeben.

Tabelle V

Im Fall der Stellglieder der Proben Nr. 7, 8 und 9 haben die Harze, welche in den die Außenelektroden 17 bildenden elek trisch leitenden Gemischen die Matrixkomponenten darstellen, Elastizitätsmoduln von mindestens 2000 kgf/mm² oder Dehnbar keiten von unter 10%. Deshalb gibt es kein Problem, wenn die Stellglieder bei 200 V betrieben werden. Wenn jedoch das treibende elektrische Feld zunimmt, das heißt das Ausmaß der Verschiebung des Stellgliedkörpers zunimmt, folgt das elek trisch leitende Gemisch (d. h. folgen die Außenelektroden 17) nicht Länger der Expansion und Kontraktion des Stellglied körpers, wodurch die Außenelektroden 17 während des Betriebs brechen und sich die Verbindung zu den Außenelektroden 17 löst.

Andererseits weisen bei den Proben Nr. 10 und 11 die Matrix harze in den die Außenelektroden 17 bildenden elektrisch lei tenden Gemischen Elastizitätsmoduln von höchstens 2000 kgf/mm² und Dehnbarkeiten von mindestens 10% auf. Selbst wenn das angelegte elektrische Feld verstärkt wird, das heißt, auch dann, wenn das Ausmaß der Verschiebung des Stellgliedkörpers zunimmt, folgen die Außenelektroden 17 der Expansion und Kontraktion des Stellgliedkörpers in ausreichendem Maße und spalten sich während des Betriebs nicht ab, und es tritt kein Bruch einer Verbindung ein.

Beispiel 9

Es wurden laminierte piezoelektrische Stellglieder mit dem gleichen Aufbau wie jenem gemäß Beispiel 6 hergestellt, jedoch unter Änderung der Art des Matrixharzes in dem elektrisch leitenden Gemisch, das die Außenelektroden 17 bildet. Als elektrisch leitendes Mittel wurde Silberpulver in einer Menge von 40 Vol.% eingesetzt. Die verwendeten Harze zeigten alle eine 5%-Gewichtsreduktionstemperatur von mindestens 250°C. Die erhaltenen laminierten piezoelektrischen Stellglieder wurden in einer Atmosphäre mit Temperaturen von 200°C, 250°C und 300°C durch Anlegen einer Wechselspannung von 200 V und 50 Hz geprüft. Die Ergebnisse sind in der Tabelle VI angegeben.

Tabelle VI

Wie Fig. 6 zeigt, brach bei den Stellgliedern gemäß den Proben Nr. 14 und 15 mit Silicon und Epoxid als Matrix die Verbindung zu den Außenelektroden 17 im Wärmezyklustest bei über 250°C. Andererseits konnten im Fall der Proben Nr. 12, 13 und 16, bei denen Harze mit einer Imidbindung, wie Polyimid, Polyamidimid und Maleimid, eingesetzt wurden, die unter den organischen Harzen eine besonders gute Wärmebeständigkeit aufweisen, laminierte piezoelektrische Stellglieder mit einer ausgezeichneten Wärmebeständigkeit hergestellt werden.

Beispiel 10

Es wurden laminierte piezoelektrische Stellglieder mit dem gleichen Aufbau, wie er im Beispiel 6 angegeben ist, herge stellt, und zwar durch Ausbilden von Außenelektroden 17 unter Verwendung verschiedener elektrisch leitender Gemische, die unter Einsatz von thermoplastischen Harzen mit verschiedenen Glasübergangstemperaturen als Matrix hergestellt worden waren. Alle Harze wiesen eine 5%-Gewichtsreduktionstemperatur von mindestens 250°C auf. Als elektrisch leitendes Mittel wurde Silberpulver in einer Menge von 40 Vol.% verwendet. Die er haltenen laminierten piezoelektrischen Stellglieder wurden den Wärmezyklen und dem Betriebstest unterworfen, wie sie nachfolgend angegeben sind.

Methode 1: Betrieb bei 25°C durch Anlegen einer Wechsel spannung von 200 V und 50 Hz, bis zu 1 . 10³ Zyklen.

Methode 2: Einbringen in eine Atmosphäre mit 160°C in fünf Sekunden.

Methode 3: Betrieb bei 160°C durch Anlegen einer Wechsel spannung von 200 V und 50 Hz, bis zu 1 . 10³ Zyklen.

Methode 4: Einbringen in eine Atmosphäre mit 25°C in fünf Sekunden.

Diese Methoden 1 bis 4 wurden in dieser Reihenfolge durch geführt und dann in der gleichen Reihenfolge einmal wiederholt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle VII angegeben.

Tabelle VII

Im Fall der Probe Nr. 17 wird als Matrix ein thermoplastisches Harz mit einer Glasübergangstemperatur von 150°C eingesetzt. Wenn die Temperatur von 25°C rasch auf 160°C gebracht wird, übersteigt die Temperatur der Atmosphäre die Glasübergangstemperatur der Matrix. Deshalb nimmt die Haft festigkeit des elektrisch leitenden Gemisches ab, an der Grenzfläche zwischen einigen Innenelektrodenschichten 15 und den Außenelektroden 17 tritt aufgrund der Belastung, welche durch die Differenz in den thermischen Expansionen hervorge rufen wird, ein Abschälen auf, die Spannung wird an einige piezoelektrische Schichten 13 nicht übertragen, und das Ausmaß der Verschiebung nimmt ab.

Andererseits werden bei den Proben Nr. 18 und 19 die thermo plastischen Harze mit Glasübergangstemperaturen von mindestens 180°C als Matrix benutzt. Deshalb wird die thermische Belastung, die durch den Wärmezyklus erzeugt wird, durch das elektrisch leitende Gemisch (die Außenelektroden 17) ausrei chend aufgenommen. Ferner wird die Haftfestigkeit sogar bei hohen Temperaturen beibehalten, weil die Glasübergangstem peratur ausreichend hoch ist. Das heißt, da thermoplastische Harze mit Glasübergangstemperaturen von mindestens 180°C als Matrix der elektrisch leitenden Gemische benutzt werden, können damit laminierte piezoelektrische Stellglieder zur Verfügung gestellt werden, die sogar bei hohen Temperaturen und unter Wärmezyklusbedingungen eine gute Haltbarkeit aufweisen.

Beispiel 11

Es wurde ein laminiertes piezoelektrisches Stellglied herge stellt (Probe Nr. 20), und zwar durch Ausbilden der Außen elektroden 17 unter Einsatz eines elektrisch leitenden Ge misches, wobei als Matrix ein Polyimidharz mit einer 5%-Ge wichtsreduktionstemperatur von 300°C und Silberpulver in einer Menge von 40 Gew.% als elektrisch leitendes Mittel benutzt wurden. Ferner wurde ein laminiertes piezoelektrisches Stellglied (Probe Nr. 21) dadurch hergestellt, daß die Außen elektroden 17 durch Ankleben von elektrisch leitenden Elementen aus dünnen Kovar-Platten (hergestellt von Sumitomo Kinzoku Ltd.) mit einer Dicke von 0,1 mm unter Verwendung des obigen elektrisch leitenden Gemisches. Bei beiden Stellgliedern wurde PZT mit einer Dicke von 100 µm als piezoelektrisches Element 13 und Silber-Palladium mit einer Dicke von 3 µm als Innenelektrodenschichten 15 benutzt. Die Anzahl der laminierten Schichten betrug 300. Ferner wurde Siliconkautschuk für die Isolierblocks 21 verwendet. Die erhaltenen laminierten piezoelektrischen Stellglieder wurden in einer Umgebung von 200°C durch Anlegen einer Wechselspannung von 250 V und 60 Hz geprüft.

Die Ergebnisse sind in der Tabelle VIII angegeben.

Tabelle VIII

Das laminierte piezoelektrische Stellglied der Probe Nr. 21 zeigte bei kontinuierlichem Betrieb mit hohen Geschwindigkeiten in einer Hochtemperaturatmosphäre eine bessere Haltbarkeit als jene der Probe Nr. 20. Das heißt, daß dann, wenn das Stellglied kontinuierlich mit hohen Geschwindigkeiten unter harten Bedingungen arbeitet, Risse, die in dem elektrisch leitenden Gemisch aufgrund der Expansion und Kontraktion des Stellgliedkörpers auftreten könnten, sich in das elektrisch leitende Element, das die Außenelektroden 17 bildet, nicht ausbreiten. Durch Aufkleben der Außenelektroden 17 unter Verwendung des elektrisch leitenden Gemisches ist es deshalb möglich, ein Stellglied bereitzustellen, das eine höhere Zuverlässigkeit aufweist als jenes, dessen Außenelektroden aus dem elektrisch leitenden Gemisch gebildet sind.

Beispiel 12

Fig. 9 zeigt die Analysenergebnisse der Beziehung zwischen einerseits dem Verhältnis (tb/te) der Dicke tb der piezoelek trischen Schicht 13a in dem belastungsvermindernden Bereich 31 und der Dicke te der piezoelektrischen Schicht 13b im Mittelbereich 30 sowie andererseits dem maximalen Belastungs aufbau im Grenzbereich zwischen der Keramikschicht 35 und dem Stellgliedkörper 11 in dem laminierten piezoelektrischen Stellglied gemäß Fig. 3, und zwar für verschiedene Anzahlen von piezoelektrischen Schichten 13a in den belastungsvermindernden Bereichen 31.

Es wird davon ausgegangen, daß die Länge des Mittelbereichs 30 in Richtung der Laminierung, die Anzahl der im Mittelbereich laminierten piezoelektrischen Schichten 13b und die Dicke der Innenelektrodenschichten 15 konstant sind.

Aus den Ergebnissen der Fig. 9 ist ersichtlich, daß die maxi male Belastung kleiner als 13 MPa wird, wenn das Verhältnis (tb/te) der Dicke tb der piezoelektrischen Schichten 13a in dem belastungsvermindernden Bereich 31 zur Dicke te der piezo elektrischen Schichten 13b im Mittelbereich 30 bei 1,3 bis 2,5 liegt. Die maximale Belastung beträgt 8 bis 12 MPa, wenn das Dickenverhältnis (tb/te) 1,5 bis 2,3 beträgt, und die maximale Belastung erreicht 8 MPa, was den kleinsten Wert darstellt, wenn das Dickenverhältnis (tb/te) bei etwa 1,9 liegt.

Es ist auch ersichtlich, daß die Wirkung der Belastungsver minderung groß wird, wenn die Anzahl der laminierten Schichten in dem belastungsvermindernden Bereich 31 bei 6 bis 24 Schichten liegt. Die Wirkung der Belastungsverminderung wird am größten, wenn die Anzahl der Schichten 6 bis 12 beträgt.

Die Anzahl der piezoelektrischen Schichten 13a in dem bela stungsvermindernden Bereich 31 gemäß Fig. 9 ist entweder jene des oberen Teils oder jene des unteren Teils des Stellglied körpers 11.

Beispiel 13

Fig. 10 zeigt die Analysenergebnisse der Beziehung zwischen dem üblichen Verhältnis, wenn die Dicke tb der piezoelektrischen Schichten 13a in dem belastungsvermindernden Bereich 31 zur Seite der Keramikschicht 35 hin geometrisch vergrößert wird, und dem maximalen Belastungsaufbau in der Grenze zwischen der Keramikschicht 35 und dem Stellgliedkörper 11 für verschiedene Anzahlen von piezoelektrischen Schichten 13a in den belastungsvermindernden Bereichen 31, wie im Beispiel 12.

Die Dicke der piezoelektrischen Schicht 13a an der Stelle, die der piezoelektrischen Schicht 13b im Mittelbereich 30 am nächsten liegt, ist das übliche Verhältnis mal der Dicke der piezoelektrischen Schicht 13b.

Aus Fig. 10 ist ersichtlich, daß die maximale Belastung nicht größer ist als 13 MPa, was den kleinsten Wert darstellt, wenn das vorgenannte Verhältnis im Bereich von 1,05 bis 1,18 liegt. Die Wirkung der Belastungsverminderung wird am größten, wenn die Anzahl der laminierten Schichten in dem bela stungsvermindernden Bereich 31 bei 6 bis 24 liegt. Ferner nimmt die Wirkung der Belastungsverminderung mit zunehmender Anzahl der laminierten Schichten zu, obwohl das übliche Verhältnis klein ist.

Beispiel 14

Fig. 11 zeigt die Analysenergebnisse der Beziehung zwischen der üblichen Differenz, wenn die Dicke tb der piezoelektrischen Schichten 13a in dem belastungsvermindernden Bereich 31 zur Seite der Keramikschicht 35 hin arithmetisch zunimmt, und dem maximalen Belastungsaufbau an der Grenze zwischen der Keramik schicht 35 und dem Stellgliedkörper 11 für die verschiedenen Anzahlen von laminierten piezoelektrischen Schichten 13a in den belastungsvermindernden Bereichen 31, wie im Beispiel 12.

Die Dicke der piezoelektrischen Schicht 13a an der Stelle, die der piezoelektrischen Schicht 13b im Mittelbereich 30 am nächsten liegt, ist größer als die Dicke der piezoelektrischen Schicht 13b.

Aus Fig. 11 ist ersichtlich, daß die maximale Belastung nicht größer als 13 MPa ist, was den kleinsten Wert darstellt, wenn die übliche Differenz 0,005 bis 0,020 mm beträgt. Die Wirkung der Belastungsverringerung wird am größten, wenn die Anzahl der laminierten Schichten in dem belastungsvermindernden Bereich 31 bei 6 bis 24 liegt. Ferner ist die Wirkung der Belastungsverminderung sehr klein, wenn die Anzahl der lami nierten Schichten 2 beträgt.

Beispiel 15

Ein calciniertes Pulver aus piezoelektrischer Keramik, die hauptsächlich PZT enthielt, ein organisches hochmolekulares Bindemittel und ein Weichmacher wurden zusammengemischt, um eine Aufschlämmung herzustellen, die dann mittels des Schlickergußverfahrens in eine grüne Keramikplatte mit einer Dicke von 150 µm überführt wurde.

Mittels der Siebdruckmethode wurde eine elektrisch leitende Paste, die hauptsächlich Silber-Palladium enthielt, das als Innenelektrodenschicht 15 diente, unter Beibehaltung einer Dicke von 5 µm auf die eine Oberfläche der grünen Platte auf gedruckt und dann getrocknet. Es wurden 100 grüne Platten, auf welche die elektrisch leitende Paste aufgebracht worden war, übereinander laminiert. An beiden Enden des Laminats wurden in Richtung der Laminierung 10 grüne Platten, auf die keine elektrisch leitende Paste aufgetragen worden war, aufgebracht.

Das Laminat wurde dann unter Erhitzen auf 100°C gepreßt und in einen einzigen Gegenstand überführt. Dieser wurde zu einem viereckigen säulenartigen Körper mit den Abmessungen 10 mm . 10 mm geschnitten, zum Entfernen des Bindemittels 10 Stunden auf 800°C erhitzt und dann 2 Stunden bei 1130°C gebrannt, um ein laminiertes und gesintertes Produkt zu erhalten. Die Dicke t₂ der piezoelektrischen Schichten 13 betrug 120 µm.

An den Enden der Innenelektrodenschichten 15 wurden ausgenom mene Bereiche mit einer Tiefe (D) von 100 µm und einer Breite (L) von 50 µm in der Richtung der Laminierung an den zwei Seitenoberflächen des laminierten gesinterten Produkts geformt, so daß die Enden der piezoelektrischen Schichten 13 die in Fig. 1b dargestellte Position einnahmen. Die ausgenommenen Bereiche wurden mit einem Siliconkautschuk gefüllt, um die Isolierblocks 21 herzustellen.

In die zwei Seitenoberflächen des so erhaltenen Stellglied körpers 11 wurden elektrisch leitende Netze mit elektrisch leitenden Drähten, deren Durchmesser das 0,25-fache der Dicke t₂ der piezoelektrischen Schicht 13 betrug, und mit Drahtabständen p, wie sie in Tabelle 9 angegeben sind, ein gebettet. Dann erfolgte ein Härten durch Erhitzen bei 200°C, um die Außenelektrode 17a für die positive Polarität und die Außenelektrode 17b für die negative Polarität zu erhalten. Der Winkel der elektrisch leitenden Drähte, welche das elektrisch leitende Netz bildeten, betrug 45 Grad (-45 Grad), bezogen auf die Laminierrichtung.

04251 00070 552 001000280000000200012000285910414000040 0002010042893 00004 04132Anschließend wurden die Leitungsdrähte mit der Außenelektrode 17a für die positive Polarität und mit der Außenelektrode 17b für die negative Polarität verschweißt. Die Oberflächen am Außenumfang des Stellglieds wurden durch Tauchen mit Silicon kautschuk bedeckt. Zum Polarisieren des ganzen Stellglieds wurde eine Polarisierungsspannung von 1 kV angelegt, wodurch ein laminiertes piezoelektrisches Stellglied erhalten wurde.

Beim Anlegen einer Gleichspannung von 200 V wurden die so er haltenen Stellglieder um 10 µm verschoben. Ferner wurden elektrische Wechselfelder von 0 bis +200 V und 50 Hz angelegt, um diese Stellglieder zu prüfen.

Das laminierte piezoelektrische Stellglied wurde bis zu 1 . 10⁹ Zyklen betrieben, um die Verschiebung zu messen und eine Veränderung gegenüber der anfänglichen Verschiebung zu prüfen. Die Größe der Verschiebung wurde durch Befestigen der Probe an einer vibrationssicheren Platte, Aufkleben einer Aluminiumfolie auf die obere Oberfläche der Probe und Durchführen der Messung an drei Stellen, das heißt im Mittelbereich und in den Umfangsbereichen des Elements, gemessen, und zwar unter Verwendung eines Laser-Verschiebungsmeßgeräts, um einen Durchschnittswert zu erhalten. Die Ergebnisse sind in der Tabelle IX angegeben.

Tabelle IX

Aus der Tabelle IX ist ersichtlich, daß bei den Proben Nr. 1 und 7, bei denen der Drahtabstand p der elektrisch leitenden Drähte zu groß oder zu klein in bezug auf die Dicke t₂ der piezoelektrischen Schicht 13 war, die Außenelektroden lokal erhitzt wurden, die Verbindung zwischen den Innenelektroden und den Außenelektroden brach und die Verschiebung auf weniger als 5 µm gesunken war. Bei den laminierten piezoelektrischen Stellgliedern der Proben Nr. 2 bis 6, in denen die elektrisch leitenden Drähte in Netzform mit einem Drahtabstand p, der das 0,5- bis 8-fache der Dicke t₂ der piezoelektrischen Schicht betrug, wurde sogar nach 1 . 10⁹ Zyklen keine Verringerung der Verschiebung festgestellt.

Beispiel 16

Die Stellglieder wurden in der gleichen Weise wie im Bei spiel 15 hergestellt, wobei aber der Drahtabstand p der elek trisch leitenden Drähte gleich der Dicke der piezoelektrischen Schicht 13 war und die Durchmesser dieser Drähte entsprechend den in der Tabelle X angegebenen Werten, bezogen auf die Dicke t₂ der piezoelektrischen Schicht 13, ausgewählt wurden. Es wurde an die so erhaltenen laminierten piezoelektrischen Stellglieder eine Gleichspannung von 200 V angelegt. Alle Stellglieder zeigten eine Verschiebung von 10 µm. Ferner wurde für Prüfzwecke an diese Stellglieder ein elektrisches Wechselfeld von 0 bis +200 V und 50 Hz angelegt.

Die laminierten piezoelektrischen Stellglieder wurden bis zu 1 . 10¹⁰ Zyklen betrieben, um die Verschiebung zu messen und die Veränderungen gegenüber der anfänglichen Verschiebung zu prüfen. Die Verbindung zwischen den Außen- und den Innen elektroden wurde gleichfalls begutachtet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle X angegeben.

Tabelle X

Aus Tabelle X ist ersichtlich, daß alle Proben selbst nach einem Testen mit 1 . 10¹⁰ Zyklen keine Veränderung der Ver schiebung ergaben. Jedoch haben sich bei den Proben Nr. 8 und 14 die Außenelektroden lokal erhitzt, und zwischen den Innen- und den Außenelektroden wurde eine Spur von Funken festge stellt. Bei den Proben Nr. 9 bis 13, bei denen der Durchmesser R der elektrisch leitenden Drähte derart ausgewählt worden war, daß er das 0,05- bis 2-fache der Dicke t₂ des piezoelektrischen Materials betrug, war die Verbindung zwischen den Außen- und den Innenelektroden nach dem Prüfdurchlauf der Zyklen gut, und an den Verbindungsbereichen wurde das Auftreten von Funken nicht festgestellt.

Claims

1. Laminiertes piezoelektrisches Stellglied, mit (a) einem Stellgliedkörper, der aus einer Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten und einer Mehrzahl von Innenelektrodenschichten besteht, die abwechselnd in Richtung der Höhe laminiert sind, wobei die Innenelek trodenschichten der einen Seite, welche die ersten Elektrodenschichten bilden, und die Innenelektroden schichten der anderen Seite, welche die zweiten Elektro denschichten bilden, einander benachbart angeordnet sind und sich die genannten piezoelektrischen Schichten sand wichartig dazwischen befinden, (b) Außenelektroden, die an den Seitenoberflächen des Stellgliedkörpers ausgebil det sind und die Enden der genannten Innenelektroden schichten verbinden, und (c) nicht aktiven keramischen Schichten, die an dem Oberende und dem Unterende des Stellgliedkörpers angeordnet sind, wobei
die Außenelektroden eine erste Außenelektrode beinhalten, welche die Enden der ersten Elektrodenschichten ver bindet, und eine zweite Außenelektrode beinhalten, welche die Enden der zweiten Elektrodenschichten verbindet und an einer Seitenoberfläche des Stellgliedkörpers ausgebil det ist, die von der Seitenoberfläche, an der sich die erste Außenelektrode befindet, verschieden ist,
zwischen der ersten Außenelektrode und den Enden der zweiten Elektrodenschichten sowie zwischen der zweiten Außenelektrode und den Enden der ersten Elektrodenschich ten Isolierblocks angeordnet sind,
an den Seitenoberflächen der Isolierblocks flache Oberflächen ausgebildet sind, die in Kontakt mit den Enden der ersten Elektrodenschichten und mit den Enden der zweiten Elektrodenschichten stehen, wobei sich die flachen Oberflächen parallel zu den Seitenoberflächen des Stellgliedkörpers erstrecken, und
bei Bezeichnung der Dicke der Innenelektrodenschichten mit t₁, der Dicke der piezoelektrischen Schichten mit t₂ und der Länge der genannten Oberflächen mit L die durch die nachfolgende Formel
0,2 ≦ (L - t₁)/t₂ < 1
dargestellte Beziehung erfüllt wird.

2. Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten ε₂ der Iso lierblocks zur Dielektrizitätskonstante ε₁ in der Polari sierungsrichtung der piezoelektrischen Schichten die fol gende Formel
ε₂/ε₁ < 1
erfüllt.

3. Stellglied nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der Krümmungsradius R der Eckbereiche, wo die obere Oberfläche und die untere Oberfläche des Isolier blocks kontinuierlich in die flache Oberfläche übergehen, die folgende Formel
0,05 t₂ ≦ R ≦ 0,3 t₂
erfüllt, in der t₂ die Dicke der piezoelektrischen Schichten bedeutet.

4. Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Außenelektroden aus einem elektrisch leitenden Gemisch, das eine Harzmatrix aus einem wärmebeständigen Harz, welches eine 5%-Gewichts reduktionstemperatur von mindestens 250°C aufweist, und mindestens einem elektrisch leitenden Mittel, das aus elektrisch leitender Keramik, Metalloxiden, Metallen der Gruppen 6 bis 11 des Periodensystems oder Legierungen hiervon ausgewählt ist, hergestellt ist, wobei das elek trisch leitende Mittel in einer Menge von 15 bis 80 Vol.%, bezogen auf die Gesamtmenge des Gemisches, dispergiert ist.

5. Stellglied nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmebeständige Harz einen Elastizitätsmodul von höchstens 2000 kgf/cm² und eine Dehnbarkeit von minde stens 10% aufweist.

6. Stellglied nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das wärmebeständige Harz ein Polyimid oder ein Polyamidimid ist.

7. Stellglied nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß das wärmebeständige Harz eine Glasüber gangstemperatur von mindestens 180°C aufweist.

8. Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Außenelektroden durch Aufkleben von elektrisch leitenden dünnen Platten oder Netzen auf die Seitenoberflächen des Stellgliedkörpers unter Verwendung eines elektrisch leitenden Gemisches als Klebstoff her gestellt worden sind.

9. Stellglied nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Netz aus elektrisch leitenden Drähten hergestellt ist, die einen Drahtabstand auf weisen, der das 0,5- bis 8-fache der Dicke der genannten piezoelektrischen Schichten beträgt.

10. Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es drei Bereiche in Form eines Mittelbereichs und belastungsvermindernden Bereichen, die sich über und unter dem Mittelbereich in Richtung der Laminierung befinden, aufweist, wobei in Nachbarschaft zu den belastungsvermindernden Bereichen nicht aktive Keramikschichten vorgesehen sind und jeder Bereich in dem Stellgliedkörper eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten beinhaltet, und wobei die piezoelektrischen Schichten in den belastungsvermindernden Bereichen eine Dicke aufweisen, die größer ist als jene der piezoelektrischen Schichten im Mittelbereich.

11. Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Schichten in den belastungsvermindernden Bereichen die gleiche Dicke aufweisen, die das 1,3- bis 2,5-fache der Dicke der piezoelektrischen Schichten in dem Mittelbereich beträgt.

12. Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Schichten in den belastungsvermindernden Bereichen Dicken aufweisen, die zu den Keramikschichten hin zunehmen.

13. Stellglied nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Schichten in den belastungsver mindernden Bereichen eine Dicke aufweisen, die das 1,05- bis 1,18-fache der Dicke der piezoelektrischen Schichten beträgt, die dem Mittelbereich benachbart sind.

14. Stellglied nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Schichten in den belastungsvermindernden Bereichen eine Dicke auf weisen, die um 0,005 bis 0,020 mm größer ist als die Dicke der piezoelektrischen Schichten in Nachbarschaft zu dem Mittelbereich.

15. Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem belastungsvermindernden Bereich 6 bis 24 piezoelektrische Schichten angeordnet sind.

16. Elektrisch leitendes Gemisch zur Herstellung von Elektro den, gekennzeichnet durch eine Matrix aus einem wärme beständigen Harz mit einer 5%-Gewichtsreduktions temperatur von mindestens 250°C und mindestens einem elektrisch leitenden Mittel, das aus elektrisch leitender Keramik, Metalloxiden, Metallen der Gruppen 6 bis 11 des Periodensystems oder Legierungen hiervon ausgewählt ist, wobei das elektrisch leitende Mittel in einer Menge von 15 bis 80 Vol.% in der Harzmatrix dispergiert ist.