DE102004012282B4

DE102004012282B4 - Piezoelektrisches Schichtelement und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE102004012282B4
Application number: DE200410012282
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Asano
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2024-03-13
Also published as: JP4258238B2; DE102004012282A1; JP2004281547A

Abstract

Piezoelektrisches Schichtelement (10), in dem über eine Verbindungsmaterialschicht (19) eine Vielzahl von Schichtkörpereinheiten (11) übereinander geschichtet ist, in denen abwechselnd Keramikschichten (111) und Elektrodenanordnungsschichten (112) mit einem eine Innenelektrode bildenden Elektrodenabschnitt (503) übereinander geschichtet sind, wobei beide Endabschnitte in Aufschichtungsrichtung aus den Schichtkörpereinheiten (11) bestehen und die Dicke L2 der Verbindungsmaterialschicht (19) und die Querschnittsfläche S2 im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung so eingestellt sind, dass L2 und S2 die folgenden Ausdrücke 1 und 2 erfüllen: (N1 × L1)/(S1 × Y1) ≥ (N2 × L2)/(S2 × ((2000 – 10800 × L2) × Y2))Ausdruck 1 S2 ≤ S1Ausdruck 2mit L1: Höhe der Schichtkörpereinheit in Aufschichtungsrichtung in mm, S1: Querschnittsfläche der Schichtkörpereinheit im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung in mm2, Y1: Elastizitätsmodul der Schichtkörpereinheit in Aufschichtungsrichtung in MPa, N1: Anzahl der übereinander geschichteten Schichten der Schichtkörpereinheit, L2: Höhe der Verbindungsmaterialschicht in Aufschichtungsrichtung in mm, S2: Querschnittsfläche der Verbindungsmaterialschicht im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung in mm2, Y2: Elastizitätsmodul des die Verbindungsmaterialschichten bildenden Materials in MPa, N2: Anzahl an Verbindungsmaterialschichten.

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Schichtelement, das sich aus einer Vielzahl von über Verbindungsmaterialien übereinander geschichteten Schichtkörpereinheiten zusammensetzt, in denen abwechselnd Keramikschichten und Elektrodenanordnungsschichten übereinander geschichtet sind. Die Erfindung betrifft auch ein Herstellungsverfahren dafür.
Um bei einem piezoelektrischen Schichtelement mit abwechselnd übereinander geschichteten Keramikschichten und Elektrodenanordnungsschichten durch den piezoelektrischen Effekt in Axialrichtung eine große Verrückung des piezoelektrischen Elements zu erzielen, muss die Anzahl an übereinander geschichteten Keramikschichten erhöht werden.
Allerdings ist es nicht einfach, ein piezoelektrisches Schichtelement herzustellen, das eine große Anzahl übereinander geschichteter Schichten hat. Die Herstellungseffizienz lässt sich daher nur schwer halten.
Deswegen findet in einigen Fällen das folgende Verfahren Anwendung. Als Untereinheiten werden mehrere Elementeinheiten vorgefertigt, die eine geringe Anzahl an übereinander geschichteten Schichten haben, und diese Elementeinheiten werden dann über Verbindungsmaterialien übereinander geschichtet, um ein piezoelektrisches Schichtelement anzufertigen, das eine vorbestimmte Anzahl übereinander geschichteter Schichten hat.
Allerdings treten bei diesem herkömmlichen piezoelektrischen Schichtelement die folgenden Probleme auf. Wenn die Härte des Verbindungsmaterials nicht angemessen ist, verringert sich der piezoelektrische Wirkungsgrad dieses piezoelektrischen Schichtelements und auch die Lebensdauer des Verbindungsmaterials selbst.
Wenn das Verbindungsmaterial zu weich ist, wird der piezoelektrische Effekt der angesprochenen Elementeinheiten, aus dem sich das beschichtete piezoelektrische Element zusammensetzt, durch eine Druckverformung der Verbindungsmaterialschicht absorbiert und verschlechtert sich der piezoelektrische Effekt.
Wenn das Verbindungsmaterial dagegen zu hart ist, neigt das Verbindungsmaterial dazu, durch einen Ermüdungsfehler zu brechen, der durch die bei der Verrückung der Elementeinheiten auftretenden Dehnungen und Spannungen verursacht wird, und können sich die Elementeinheiten voneinander lösen.
Aus der US 5 089 739 A und der nachveröffentlichten DE 102 54 450 A1 sind solche piezoelektrische Schichtelemente bekannt, bei denen die Querschnittsfläche der Verbindungsmaterialschicht im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung kleiner als die Querschnittsfläche der Schichtkörpereinheit im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung ist. Während der US 5 089 739 A keine konkreten Angaben über den Elastizitätsmodul der Schichtkörpereinheiten und Verbindungsschichten zu entnehmen sind, sind der DE 102 54 450 A1 keine konkreten Angaben über den Elastizitätsmodul der Schichtkörpereinheiten und die Größen der Querschnittsflächen zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches Schichtelement mit einer Vielzahl von übereinander geschichteten Elementeinheiten zur Verfügung zu stellen, das über eine lange Zeitdauer eine hervorragende Leistungsfähigkeit aufrechterhalten kann. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren dafür zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist ein piezoelektrisches Schichtelement vorgesehen, das die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale hat.
In dem oben beschriebenen piezoelektrischen Schichtelement gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung ist über die die Ausdrücke 1 und 2 erfüllenden Verbindungsmaterialschichten eine Vielzahl von Schichtkörpereinheiten übereinander geschichtet.
Bei der Verbindungsmaterialschicht, deren Form durch die Ausdrücke 1 und 2 festgelegt ist, sind das Elastizitätsmodul Y₂, die Querschnittsfläche S₂ und die Höhe L₂ in Aufschichtungsrichtung gut miteinander abgestimmt. Daher hat die Verbindungsmaterialschicht insgesamt eine passende Härte.
In dem piezoelektrischen Schichtelement, in dem über die Verbindungsmaterialschichten eine Vielzahl der Elementeinheiten übereinander geschichtet ist, ist also die Härte der Verbindungsmaterialschichten passend eingestellt. Dementsprechend unwahrscheinlich ist es, dass die durch den piezoelektrische Effekt jeder Elementeinheit erzeugte Verrückung durch die Verformung der Verbindungsmaterialschicht absorbiert wird.
Dadurch ist die Leistungsfähigkeit dieses piezoelektrischen Schichtelements so hervorragend, dass das piezoelektrische Element durch den piezoelektrischen Effekt eine große Verrückung erzeugen kann, d. h. dass der piezoelektrische Effekt hoch ist.
In dem piezoelektrischen Schichtelement hat die Verbindungsmaterialschicht eine passende Flexibilität. Daher ist es unwahrscheinlich, dass die Verbindungsmaterialschicht durch einen Ermüdungsfehler bricht, wenn durch den piezoelektrischen Effekt jeder Elementeinheit Dehnungen und Spannungen erzeugt werden.
Deswegen kann das piezoelektrische Schichtelement seine hervorragende Leistungsfähigkeit über eine lange Zeitdauer halten.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist ein piezoelektrisches Schichtelement vorgesehen, das die im Patentanspruch 2 angegebenen Merkmale hat.
In dem oben beschriebenen piezoelektrischen Schichtelement gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist über die die Ausdrücke 3 und 4 erfüllenden Verbindungsmaterialschichten eine Vielzahl von Schichtkörpereinheiten und Halteabschnitten (holding members) übereinander geschichtet.
Bei der Verbindungsmaterialschicht, deren Form durch die Ausdrücke 3 und 4 festgelegt ist, sind das Elastizitätsmodul Y₂, die Querschnittsfläche S₂ und die Höhe L₂ in Aufschichtungsrichtung gut miteinander abgestimmt. Daher hat die Verbindungsmaterialschicht insgesamt eine passende Härte.
In dem piezoelektrischen Schichtelement, in dem über die Verbindungsmaterialschichten eine Vielzahl der Elementeinheiten übereinander geschichtet ist, ist also die Härte der Verbindungsmaterialschichten passend eingestellt. Dementsprechend unwahrscheinlich ist es, dass die durch den piezoelektrische Effekt jeder Elementeinheit erzeugte Verrückung durch die Verformung der Verbindungsmaterialschicht absorbiert wird.
Dadurch ist die Leistungsfähigkeit dieses piezoelektrischen Schichtelements so hervorragend, dass das piezoelektrische Element durch den piezoelektrischen Effekt eine große Verrückung erzeugen kann, d. h. dass der piezoelektrische Effekt hoch ist.
In dem piezoelektrischen Schichtelement hat die Verbindungsmaterialschicht eine passende Flexibilität. Daher ist es unwahrscheinlich, dass die Verbindungsmaterialschicht durch einen Ermüdungsfehler bricht, wenn durch den piezoelektrischen Effekt jeder Elementeinheit Dehnungen und Spannungen erzeugt werden.
Deswegen kann das piezoelektrische Schichtelement seine hervorragende Leistungsfähigkeit über eine lange Zeitdauer halten.
Darüber hinaus lässt sich durch Ändern des Parameters N₃ in Ausdruck 3 beliebig festlegen, ob der Halteabschnitt mit beiden Endabschnitten des piezoelektrischen Schichtelements oder nur mit einem Endabschnitt verbunden wird.
Die Verbindungsmaterialschicht kann bei der ersten oder zweiten Ausgestaltung der Erfindung aus einem aus Silikonharz, Epoxydharz, Urethanharz, Polyimidharz oder Polyamidharz bestehenden Verbindungsmaterial bestehen.
Für diesen Fall ist gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements vorgesehen, das die im Patentanspruch 9 angegebenen Merkmale hat.
Bei dem Herstellungsverfahren für das piezoelektrische Schichtelement gemäß der dritten Ausgestaltung der Erfindung wird der Härtungsmaterialanordnungsschritt durchgeführt, nachdem die Schichtkörpereinheiten im Aufschichtungsschritt miteinander verbunden wurden.
In dem Härtungsmaterialanordnungsschritt wird in einem Spalt, der von den zueinander benachbarten Schichtkörpereinheiten und von einer Umfangsfläche des in dem Aufschichtungsschritt angeordneten Verbindungsmaterials gebildet wird, ein Härtungsmaterial angeordnet. Auf diese Weise wird eine Verbindungsmaterialschicht gebildet, die sich aus dem Härtungsmaterial und dem Verbindungsmaterial zusammensetzt.
Dadurch, dass bei dem obigen Herstellungsverfahren das Härtungsmaterial in dem Härtungsmaterialanordnungsschritt in dem Spalt angeordnet wird, kann auch dann, wenn die Härte des Verbindungsmaterials in der Verbindungsmaterialschicht nicht ausreicht, die Härte der Verbindungsmaterialschicht insgesamt bei einem passenden Wert gehalten werden.
Mit anderen Worten wird also in dem durch das obige Herstellungsverfahren hergestellten piezoelektrischen Schichtelement die Härte der Verbindungsmaterialschicht, in der das Verbindungsmaterial und das Härtungsmaterial miteinander kombiniert werden, passend eingestellt. Daher schließen sich eine hervorragende piezoelektrische Leistungsfähigkeit und eine lange Produktlebensdauer nicht gegenseitig aus.
Bei der ersten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorzuziehen, dass das piezoelektrische Schichtelement die Ausdrücke 1 und 2 in einem Betriebstemperaturbereich von nicht weniger als 80°C bzw. nicht höher als 200°C erfüllt.
Falls die Betriebstemperatur des piezoelektrischen Schichtelements mindestens 80°C und höchstens 200°C beträgt, ist es in diesem Fall unwahrscheinlich, dass in der Verbindungsmaterialschicht Probleme auftreten.
Bei der zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorzuziehen, dass das piezoelektrische Schichtelement die Ausdrücke 3 und 4 in einem Betriebstemperaturbereich von nicht weniger als 80°C bzw. nicht höher als 200°C erfüllt.
Falls die Betriebstemperatur des piezoelektrischen Schichtelements mindestens 80°C und höchstens 200°C beträgt, ist es in diesem Fall unwahrscheinlich, dass in der Verbindungsmaterialschicht Probleme auftreten.
Bei der ersten und zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorzuziehen, dass die Elektrodenanordnungsschicht einen Elektrodenabschnitt mit elektrischer Leitfähigkeit und einen Abschnitt enthält, der einem Bereich entspricht, in dem der Elektrodenabschnitt von einem Endabschnitt der Elektrodenanordnungsschicht nach innen zurückweicht, und dass der Bereich auf der Endfläche der Schichtkörpereinheit in Aufschichtungsrichtung, in dem die Verbindungsmaterialschicht ausgebildet ist, einem Bereich entspricht, der in dem Bereich enthalten ist, in dem sich die Elektrodenabschnitte auf jeder Elektrodenanordnungsschicht in Aufschichtungsrichtung überlappen.
In diesem Fall kann die Verbindungsmaterialschicht in dem einen Teilelektrodenaufbau zeigenden piezoelektrischen Schichtelement so angeordnet sein, dass ein nicht aktiver Bereich (Inertbereich) vermieden wird, in dem sich die Elektrodenabschnitte in Aufschichtungsrichtung nicht überlappen und kein piezoelektrischer Effekt erzeugt wird.
Dementsprechend kann die Spannung, die durch den piezoelektrischen Effekt der Schichtkörpereinheit verursacht wird, im Wesentlichen gleichmäßig auf der Endfläche der Verbindungsmaterialschicht in Aufschichtungsrichtung aufgebracht werden und wird im Inneren der Verbindungsmaterialschicht selten eine Dehnung erzeugt.
Deswegen kommt es bei dieser Verbindungsmaterialschicht durch die Expansion und Kontraktion des piezoelektrischen Schichtelements selten zu Problemen wie einem Ermüdungsfehler oder einem Ablösen der Verbindungsflächen.
Es ist vorzuziehen, dass die Verbindungsmaterialschicht aus einem aus einem Verbindungsmaterial bestehenden Bereich und einem aus einem Härtungsmaterial bestehenden Bereich besteht und diese Bereiche miteinander kombiniert sind.
In diesem Fall kann die vorgesehene Leistungsfähigkeit der Verbindungsmaterialschicht insgesamt durch die Kombination aus Verbindungsmaterial und Härtungsmaterial erreicht werden.
Bei der Kombination aus Verbindungsmaterial und Härtungsmaterial kann das Verbindungsmaterial aus einem großen Bereich von Materialien gewählt werden, die sich als Verbindungsmaterial eignen.
Als Härtungsmaterial eignet sich in diesem Zusammenhang Silikonharz, Epoxydharz, Urethanharz, Polyimidharz oder Polyamidharz.
Es ist vorzuziehen, dass das die Verbindungsmaterialschicht bildende Verbindungsmaterial aus Epoxydharz, Silikonharz, Urethanharz oder Polyamidharz besteht.
In diesem Fall lässt sich durch das aus Epoxydharz, Silikonharz, Urethanharz oder Polyamid bestehende Verbindungsmaterial eine hochgradig dauerhafte Verbindungsmaterialschicht mit passender Härte bilden, deren Verbindungskraft und Härte gut abgestimmt sind.
Es ist vorzuziehen, dass die Dicke der Verbindungsmaterialschicht nicht weniger als 0,0001 mm und nicht mehr als 0,01 mm beträgt.
In diesem Fall ist die Schichtdicke der Verbindungsmaterialschicht gering, so dass die Wirkung der ersten und zweiten Ausgestaltung der Erfindung sehr hoch ist.
Wenn die Dicke der Verbindungsmaterialschicht dagegen weniger als 0,0001 mm betragen würde, bestünde die Möglichkeit, dass die Schichtkörpereinheiten nicht ausreichend fest verbunden wären.
Wenn die Dicke der Verbindungsmaterialschicht mehr als 0,01 mm betragen würde, bestünde die Möglichkeit, dass der piezoelektrische Effekt des piezoelektrischen Schichtelements insgesamt nicht ausreichend hoch gehalten werden könnte.
Bei der dritten Ausgestaltung ist es vorzuziehen, dass der Härtungsmaterialanordnungsschritt ein Schritt ist, bei dem das Härtungsmaterial mit Hilfe eines Vakuumverfahrens, eines einen Kapillareffekt nutzenden Verfahrens oder eines Spritzgussverfahrens eingefüllt wird.
Durch jedes dieser Verfahren lässt sich das Härtungsmaterial wirksam in den Spalt einfüllen und dort anordnen.
Um ein besseres Verständnis der Erfindung zu ermöglichen, folgt nun eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, die zusammen mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist. Es zeigen:
1 schematisch das Aufschichten von Keramikschichtkörpern in Ausführungsbeispiel 1;
2 schematisch den Aufbau von übereinander geschichteten Keramikschichtkörpern in Ausführungsbeispiel 1;
3 im Schnitt den Aufbau des piezoelektrischen Schichtelements in Ausführungsbeispiel 1;
4 im Schnitt die Form der Verbindungsmaterialschicht in Ausführungsbeispiel 1;
5 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der (in einem Bereich von 0 bis 5000 μm liegenden) Dicke und des Elastizitätsmoduls in Ausführungsbeispiel 1;
6 eine grafische Darstellung, in der der Bereich in der grafischen Darstellung von 5, in dem die Dicke der Verbindungsmaterialschicht 0 bis 100 μm beträgt, vergrößert gezeigt ist;
7A und 7B im Schnitt die Form anderer Verbindungsmaterialschichten in Ausführungsbeispiel 1;
8 im Schnitt den Aufbau des piezoelektrischen Schichtelements in Ausführungsbeispiel 2; und
9 im Schnitt den Aufbau des piezoelektrischen Schichtelements in Ausführungsbeispiel 3.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 wird zunächst das piezoelektrische Schichtelement 10 gemäß Ausführungsbeispiel 1 erläutert.
Wie in 3 gezeigt ist, entspricht das piezoelektrische Schichtelement 10 dieses Ausführungsbeispiels einem Element, in dem eine Vielzahl von Schichtkörpereinheiten 11 übereinander geschichtet ist, in denen abwechselnd Keramikschichten 111 und Elektrodenanordnungsschichten 112 mit einem eine Innenelektrode bildenden Elektrodenabschnitt 503 übereinander geschichtet sind. In diesem Fall entspricht das piezoelektrische Schichtelement 10 einem Element, dessen beide Endabschnitte in Aufschichtungsrichtung aus den Schichtkörpereinheiten 11 bestehen.
In diesem piezoelektrischen Schichtelement 10 sind die Dicke L₂ der Verbindungsmaterialschicht 19 und die Querschnittsfläche S₂, die im Großen und Ganzen im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung verläuft, so eingestellt, dass sie die folgenden Ausdrücke 1 und 2 erfüllen: (N₁ × L₁)/(S₁ × Y₁) ≥ (N₂ × L₂)/(S₂ × ((2000 – 10800 × L₂) × Y₂)) Ausdruck 1 S2 ≤ S1 Ausdruck 2 mit

L₁:: Höhe (mm) der Schichtkörpereinheit in Aufschichtungsrichtung,
S₁:: Querschnittsfläche (mm²) der Schichtkörpereinheit im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung,
Y₁:: Elastizitätsmodul (MPa) der Schichtkörpereinheit in Aufschichtungsrichtung,
N₁:: Anzahl der übereinander geschichteten Schichten der Schichtkörpereinheit,
L₂:: Höhe (mm) der Verbindungsmaterialschicht in Aufschichtungsrichtung,
S₂:: Querschnittsfläche (mm²) der Verbindungsmaterialschicht im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung,
Y₂:: Elastizitätsmodul (MPa) des die Verbindungsmaterialschichten bildenden Materials,
N₂:: Anzahl an Verbindungsmaterialschichten.

Es folgt nun eine genauere Erläuterung, wobei zunächst auf den Aufbau des piezoelektrischen Schichtelements 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eingegangen wird.
Wie in 3 gezeigt ist, setzt sich das piezoelektrische Schichtelement 10 aus 25 einzelnen über die Verbindungsmaterialschicht 19 übereinander geschichteten Schichtkörpereinheiten 11 zusammen bzw. entspricht dieses piezoelektrische Schichtelement 10 einem Element, das mit insgesamt 500 aktiven Keramikschichten versehen ist.
Der Querschnitt des piezoelektrischen Schichtelements 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel stellt im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung im Großen und Ganzen ein Quadrat dar. Mit den zueinander entgegengesetzten Seiten 115 des piezoelektrischen Schichtelements 10 ist ein Paar Seitenelektroden 116 verbunden.
Wie in 3 gezeigt ist, sind bei diesem Ausführungsbeispiel in den Schichtkörpereinheiten 11 die 0,08 mm dicken Keramikschichten 111 und die 0,003 mm dicken Elektrodenanordnungsschichten 112 abwechselnd übereinander geschichtet bzw. stellt die Schichtkörpereinheit 11 bei diesem Ausführungsbeispiel einen Schichtkörper mit einer Teilelektrodenstruktur dar, die sich aus 22 Keramikschichten 111 und 21 Elektrodenanordnungsschichten 112 zusammensetzt.
Die Höhe der Schichtkörpereinheit 11 beträgt in Aufschichtungsrichtung 1,8 mm. Die Querschnittsfläche dieser Schichtkörpereinheit 11 beträgt im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung 46 mm². Der tatsächlich gemessene Elastizitätsmodul der Schichtkörpereinheit 11 beträgt 57000 MPa.
Wie in 2 gezeigt ist, setzt sich die Elektrodenanordnungsschicht 112 aus einem Elektrodenabschnitt 503, der aus einem elektrisch leitenden Material besteht, und einem Abschnitt 504 zusammen, der kein leitendes Material enthält.
In den Elektrodenanordnungsschichten 112 ist der Abschnitt 504 jeweils einer der beiden Seiten 115 zugewandt, mit der die (in 3 gezeigten) Seitenelektroden 116 verbunden sind. Liegt der Abschnitt 504 auf der einen Seite der Elektrodenanordnungsschicht 112 frei, liegt der Elektrodenabschnitt 503 auf der anderen Seite frei. In den Elektrodenanordnungsschichten 112 treten der Abschnitt 504 und der Elektrodenabschnitt 503 in Aufschichtungsrichtung auf jeder Seite 115 abwechselnd auf.
Wie in 3 gezeigt ist, sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Schichtkörpereinheiten 11 in dem piezoelektrischen Schichtelement 10 übereinander geschichtet, wobei sie über die Verbindungsmaterialschichten 19 verbunden sind, in denen ein aus Silikonharz bestehendes Verbindungsmaterial gehärtet ist.
In dem piezoelektrischen Schichtelement 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind der Elastizitätsmodul Y₂ des die Verbindungsmaterialschicht 19 bildenden Verbindungsmaterials, die Höhe L₂ in Aufschichtungsrichtung und die Querschnittsfläche S₂ im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung so eingestellt, dass sie die oben beschriebenen Ausdrücke 1 und 2 erfüllen.
Der Elastizitätsmodul Y₂ des Verbindungsmaterials beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 1,2 MPa. Dabei erfolgte die Messung des Elastizitätsmoduls Y₂ anhand eines blockförmig gestalteten Prüfkörpers, der zum Aushärten getrocknet wurde.
In dem piezoelektrischen Schichtelement 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die Höhe L₂ der Verbindungsmaterialschicht bei einem Elastizitätsmodul Y₂ = 1,2 MPa auf 0,001 mm eingestellt, damit Ausdruck 1 erfüllt werden kann, und ist die in 4 gezeigte Querschnittsfläche S₂ im rechten Winkel zur Axialrichtung auf 7 mm² eingestellt.
Es folgt nun eine Erläuterung der optimalen Gestaltung der Verbindungsmaterialschicht 19 unter Anwendung der Ausdrücke 1 und 2.
Wenn auf das (in 3 gezeigte) piezoelektrische Schichtelement 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Last gegeben wird, durch die das piezoelektrische Schichtelement 10 in Aufschichtungsrichtung zusammengedrückt wird, kommt es in den Schichtkörpereinheiten 11 und den zur Verbindung der Schichtkörpereinheiten 11 dienenden Verbindungsmaterialschichten 19 zu einer Druckverformung.
Wenn die Gesamtsumme der Druckverformung sämtlicher Verbindungsmaterialschichten 19 die Gesamtsumme der Druckverformung sämtlicher Schichtkörpereinheiten 11 überschreitet, besteht die Möglichkeit, dass sich der piezoelektrische Wirkungsgrad des piezoelektrischen Schichtelements 10 insgesamt deutlich verschlechtert.
Um ein piezoelektrisches Schichtelement realisieren zu können, dessen piezoelektrische Leistungsfähigkeit hoch ist, muss die Druckverformung der Verbindungsmaterialschicht im Allgemeinen so weit unterdrückt werden, dass sie, wie im folgenden Bezugsausdruck 1 gezeigt, kleiner als die Druckverformung der Schichtkörpereinheit ist: (N₁ × L₁)/(S₁ × Y₁) ≥ (N₂ × L₂)/(S₂ × Y₂) Bezugsausdruck 1
Die Erfinder führten in diesem Fall an dem piezoelektrischen Schichtelement mit den übereinander geschichteten Schichtkörpereinheiten umfangreiche Untersuchungen und Prüfungen durch. Anhand dessen stellten sie fest, dass der obige Bezugsausdruck 1 bei einem tatsächlichen piezoelektrischen Schichtelement nicht passt.
Die Erfinder führten daher verschiedene weitere Versuche durch und stellten fest, dass der tatsächlich gemessene Elastizitätsmodul (effektiver Elastizitätsmodul) der Verbindungsmaterialschicht des piezoelektrischen Schichtelements, wie in den 5 und 6 gezeigt ist, tendenziell von der Dicke der Verbindungsmaterialschicht 19 in Aufschichtungsrichtung abhängt. Die Erfinder berücksichtigten daher diese Tatsache.
In den 5 und 6 bezeichnet die Ordinatenachse das Verhältnis von (effektiver Elastizitätsmodul)/(Elastizitätsmodul Y₂) und die Abszissenachse die Dicke der Verbindungsmaterialschicht 19.
Die Erfinder wiesen durch verschiedene Untersuchungen Folgendes nach: Wie in 5 gezeigt ist, ist in dem Bereich, in dem die Dicke der Verbindungsmaterialschicht 19 gering ist, die angesprochene Tendenz der Verbindungsmaterialschicht 19, von der Dicke in Aufschichtungsrichtung abhängig zu sein, besonders deutlich. Insbesondere nimmt in dem Bereich, in dem die Verbindungsmaterialdicke nicht mehr als 500 μm beträgt, der tatsächlich gemessene effektive Elastizitätsmodul plötzlich zu.
Andererseits erhärtete sich Folgendes: In dem Bereich, in dem die Schichtdicke nicht weniger als 1000 μm beträgt, ist der effektive Elastizitätsmodul stabil und konnte nachgewiesen werden, dass dieser Wert im Großen und Ganzen mit dem Elastizitätsmodul Y₂ übereinstimmt. Darüber hinaus führten die Erfinder verschiedene zusätzliche Versuche durch, bei denen das Material der Verbindungsmaterialschicht und die Form, wie die Verbindungsmaterialschicht 19 angeordnet wurde, geändert wurden. Durch diese Versuche kamen die Erfinder zu folgenden Erkenntnissen.

(1) Die Korrelation des Verhältnisses (effektiver Elastizitätsmodul)/(Elastizitätsmodul Y₂) zur Schichtdicke ist in dem Bereich, in dem die Schichtdicke nicht mehr als 500 μm beträgt, hoch.
(2) Das Verhältnis (effektiver Elastizitätsmodul)/(Elastizitätsmodul Y₂) steht in dem Bereich, in dem die Schichtdicke nicht mehr als 500 μm beträgt, selten in Bezug zu der Form, wie die Verbindungsmaterialschicht 19 angeordnet wird. Das Verhältnis (effektiver Elastizitätsmodul)/(Elastizitätsmodul Y₂) hängt in dem Bereich, in dem die Schichtdicke nicht mehr als 500 μm beträgt, in erster Linie von der Dicke und der Querschnittsfläche der Verbindungsmaterialschicht 19 ab.
(3) Das Verhältnis (effektiver Elastizitätsmodul)/(Elastizitätsmodul Y₂) steht in dem Bereich, in dem die Schichtdicke nicht mehr als 500 μm beträgt, selten in Bezug zu der Art des die Verbindungsmaterialschicht 19 bildenden Verbindungsmaterials.

Darüber hinaus stellten die Erfinder fest, dass das unter Punkt (1) beschriebene Verhältnis (effektiver Elastizitätsmodul)/(Elastizitätsmodul Y₂) mit hoher Genauigkeit vor allem über die Schichtdicke der Verbindungsmaterialschicht 19 genähert werden kann. Und zwar lässt sich der effektive Elastizitätsmodul durch den folgenden Ausdruck 5 gut über den Elastizitätsmodul Y₂ nähern: (effektiver Elastizitätsmodul) = (2000 – 10800 × L₂) × Y₂ Ausdruck 5
Ausdruck 1 wird erzielt, wenn der effektive Elastizitätsmodul in Ausdruck 5 durch den nach Y₂ aufgelösten Bezugsausdruck 1 ersetzt wird.
Mit anderen Worten berücksichtigt der obige Bezugsausdruck 1, der üblicherweise verwendet wird, nicht den Grad der Abhängigkeit zwischen der Schichtdicke der Verbindungsmaterialschicht und dem Elastizitätsmodul. Im Gegensatz dazu wird in dem oben beschriebenen Ausdruck 1 der Fall berücksichtigt, dass die Dicke der Verbindungsmaterialschicht gering ist.
Wenn daher die Ausdrücke 1 und 2 Anwendung finden, können die Verbindungsmaterialschichten 19 auch in dem Bereich möglichst optimal gestaltet werden, in dem die Dicke der Verbindungsmaterialschicht gering ist.
In dem piezoelektrischen Schichtelement 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Seitenelektrode 116 wie in 3 gezeigt durch einen leitenden Zusatzstoff mit der Seite 115 jeder Schichtkörpereinheit 11 verbunden.
In diesem Fall liegt der in Aufschichtungsrichtung jeder zweiten Elektrodenanordnungsschicht 112 entsprechende Elektrodenabschnitt 503 auf einer Seite 115 der Schichtkörpereinheiten 11 frei. Dementsprechend ist eine der beiden mit den Seiten 115 des piezoelektrischen Schichtelements 10 verbundenen Seitenelektroden 116 auf jeder zweiten Elektrodenanordnungsschicht 112 elektrisch mit diesem Elektrodenabschnitt 503 verbunden. Die andere Seitenelektrode 116 ist dagegen elektrisch mit dem jeder zweiten Elektrodenanordnungsschicht 112 entsprechenden Elektrodenabschnitt 503 verbunden, der von der einen Seitenelektrode 116 elektrisch isoliert angeordnet ist.
In dem piezoelektrischen Schichtelement 10 wird beim Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Seitenelektroden 116 in den Keramikschichten 111 jeder Schichtkörpereinheit 11 der piezoelektrische Effekt erzeugt.
Als Nächstes folgt eine Erläuterung des Herstellungsverfahrens für das piezoelektrische Schichtelement 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel.
Es wird zunächst das Verfahren zur Herstellung der angesprochenen Schichtkörpereinheiten erläutert.
Bei der Herstellung der Schichtkörpereinheiten 11 wird aus einem Schlicker (engl. slurry, nachfolgend auch Schlämme genannt), der ein Material zur Fertigung piezoelektrischer Elemente darstellt, eine (nicht gezeigte) Grünlage gefertigt.
Die Schlämme wird angesetzt, indem zu einem piezoelektrischen Keramikmaterial wie Blei-Titanat-Zirconat (PZT) ein Bindemittel und eine winzige Menge Weichmacher und Antischäummittel hinzugegeben und das Ganze dann in einem organischen Lösungsmittel verteilt wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde die Schlämme durch Rakeln auf einen nicht gezeigten Trägerfilm aufgebracht, wodurch sich eine Grünlage vorbestimmter Dicke ergab. Beim Erzeugen der Grünlage aus der Schlämme kann außer Rakeln aber auch ein Extrusionsverfahren oder ein anderes Verfahren Anwendung finden.
Als Nächstes wird wie in 1 gezeigt auf der Aufschichtungsfläche des Grünlagenstücks 521 durch Siebdruck eine Ag-Pd-Paste aufgebracht, die ein leitendes Material darstellt. Die Ag-Pd-Paste wurde in diesem Fall in den Abschnitten mit Ausnahme des dem Außenumfangsabschnitt der Aufschichtungsfläche entsprechenden Seitenabschnitts aufgebracht, wodurch auf der Aufschichtungsfläche ein Bereich ausgebildet werden konnte, der den oben angesprochenen Abschnitt 504 ergab.
Die oben angesprochene Schlämme wird als Zusatzstoff auf die gesamte Aufschichtungsfläche aufgebracht, auf der das leitende Material aufgebracht wurde.
Die Grünlagenstücke 521 werden dann nacheinander übereinander geschichtet. Und zwar wurden die Grünlagenstücke 521 in diesem Fall wie in 1 gezeigt übereinander geschichtet, so dass die Anordnung des Abschnitts 504 abwechselnd umgekehrt war. Auf diese Weise wurde ein (nicht gezeigter) Zwischenschichtkörper hergestellt.
Als Nächstes wird wie in 2 gezeigt eine Schichtkörpereinheit 11 hergestellt, indem dieser Zwischenschichtkörper gebrannt wird. der Zwischenschichtkörper wurde in diesem Ausführungsbeispiel zwei Stunden lang in einer 1200°C heißen Atmosphäre gehalten, um den Zwischenschichtkörper zu brennen. Danach wurde der gebrannte Zwischenschichtkörper in dem Ofen abgekühlt.
Wenn der Zwischenschichtkörper auf diese Weise gebrannt wird, ergibt das auf die Aufschichtungsfläche des Grünlagenstücks 521 aufgebrachte leitende Material einen schichtförmigen Elektrodenabschnitt 503. In dieser Schichtkörpereinheit 11 gibt die Elektrodenanordnungsschicht 112 den Elektrodenabschnitt 503 an den entgegengesetzten Seiten 115 auf jeder zweiten Schicht frei. Die Elektrodenanordnungsschicht 112, die den Elektrodenabschnitt 503 an der einen Seite 115 frei gibt, gibt den Elektrodenabschnitt 503 nicht an der anderen Seite 115 frei.
Als Nächstes werden 25 einzelne der auf diese Weise hergestellten Schichtkörpereinheiten 11 über die Verbindungsmaterialschichten 19 miteinander verbunden und übereinander geschichtet.
Das notwendige Volumen für das Verbindungsmaterial wurde in diesem Fall anhand einer Querschnittsfläche S₂ = 7 mm² und einer Höhe L₂ = 0,001 mm in Aufschichtungsrichtung berechnet, die ihrerseits mit dem oben beschriebenen Ausdruck 1 errechnet worden waren. Das auf diese Weise errechnete vorbestimmte Volumen für das Verbindungsmaterial wurde dann auf die Verbindungsfläche der Schichtkörpereinheit 11 aufgebracht.
Die Querschnittsform der Verbindungsmaterialschicht 19 dieses Ausführungsbeispiels war wie in 4 gezeigt im rechten Winkel zur Axialrichtung im Großen und Ganzen kreisförmig.
Als das Verbindungsmaterial bei diesem Ausführungsbeispiel auf die Verbindungsfläche der Schichtkörpereinheit 11 aufgebracht wurde, wurde daher ein vorbestimmtes Volumen Verbindungsmaterial aufgebracht, so dass das Verbindungsmaterial im zentralen Abschnitt der Verbindungsfläche im Großen und Ganzen in Form eines Kreises aufgebracht werden konnte.
Die Anordnung und die Querschnittsform des die Verbindungsmaterialschicht bildenden Verbindungsmaterials ist jedoch nicht auf einen einfachen Kreis beschränkt. Wie in den 7A und 7B gezeigt ist, können auch verschiedene andere Anordnungen und Querschnittsformen Anwendung finden. Das Verbindungsmaterial wird also entsprechend der Anordnung und der Querschnittsform des die Verbindungsmaterialschicht bildenden Verbindungsmaterials aufgebracht.
Wenn die Schichtkörpereinheiten 11 miteinander verbunden werden, werden die Schichtkörpereinheiten 11 mit dem darauf aufgebrachten Verbindungsmaterial zunächst so aufeinander geschichtet, dass sie vorläufig das piezoelektrische Schichtelement 10 aufbauen.
Danach wird dieses vorläufig aufgebaute piezoelektrische Schichtelement 10 in Aufschichtungsrichtung zusammengepresst, so dass die 25 einzelnen Schichtkörpereinheiten 11, deren Höhe in Aufschichtungsrichtung L₁ = 1,8 mm beträgt, und die 24 einzelnen Verbindungsmaterialschichten 19, deren Höhe in Aufschichtungsrichtung L₂ = 0,001 mm beträgt, miteinander kombiniert werden und sich die vorgesehene Aufschichtungshöhe ergibt. Das Verbindungsmaterial wird dann getrocknet, während das piezoelektrische Schichtelement 10 auf der vorgesehenen Aufschichtungshöhe gehalten wird. Auf diese Weise werden die Verbindungsmaterialschichten 19 mit der vorbestimmten Form ausgebildet.
Wenn die Schichtkörpereinheiten 11 so aufeinander geschichtet und miteinander verbunden werden, dass das piezoelektrische Schichtelement 10 in die vorgesehene Aufschichtungshöhe gebracht wird, lässt sich aus dem vorbestimmten Volumen Verbindungsmaterial die Verbindungsmaterialschicht 19 bilden, deren Querschnittsfläche S₂ und deren Höhe in Aufschichtungsrichtung L₂ beträgt.
Bei dem piezoelektrischen Schichtelement 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird das Paar Seitenelektroden 116 dann durch einen leitenden Zusatzstoff mit den Seiten 115 des piezoelektrischen Schichtelements 10 verbunden.
Das piezoelektrische Schichtelement 10 ist so aufgebaut, dass beim Aufbringen einer vorbestimmten Spannung auf die beiden Seitenelektroden 116 in jeder Keramikschicht 111 der piezoelektrische Effekt erzeugt wird, so dass in dem piezoelektrischen Schichtelement 10 insgesamt eine große Verrückung realisiert werden kann.
Wie oben beschrieben ist, sind in dem auf Grundlage der Ausdrücke 1 und 2 gestalteten piezoelektrischen Schichtelement 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Querschnittsfläche S₂ und die Höhe L₂ in Aufschichtungsrichtung der Verbindungsmaterialschicht 19 gut mit dem angesprochenen Bezugselastizitätsmodul Y₂ abgestimmt.
In dem piezoelektrischen Schichtelement 10, in dem die Elementeinheiten 11 über die Verbindungsmaterialschichten 19 übereinander geschichtet sind, ist demnach die Härte der Verbindungsmaterialschicht 19 passend eingestellt. Dadurch wird die durch den piezoelektrischen Effekt hervorgerufene Lageveränderung jeder Elementeinheit 11 selten durch die Verformung der Verbindungsmaterialschicht 19 absorbiert.
Daher ist die Leistungsfähigkeit des piezoelektrischen Schichtelements 10 so hoch, dass durch den piezoelektrischen Effekt eine große Lageveränderung erzielt werden kann.
In diesem piezoelektrischen Schichtelement 10 ist die Verbindungsmaterialschicht 19 ausreichend flexibel. Daher unterliegt die Verbindungsmaterialschicht 19 selten einem Ermüdungsfehler, der durch die durch den piezoelektrischen Effekt jeder Elementeinheit 11 erzeugten Dehnungen und Spannungen hervorgerufen wird.
Dementsprechend lässt sich die hervorragende Leistungsfähigkeit dieses piezoelektrischen Schichtelements 10 über eine lange Zeitdauer aufrechterhalten.
Als Nächstes wird Ausführungsbeispiel 2 erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel sind auf den beiden Endabschnitten des piezoelektrischen Schichtelements 10 gemäß Ausführungsbeispiel 1 zusätzliche Halteabschnitte 18 aufgeschichtet.
Unter Bezugnahme auf 8 wird das piezoelektrische Schichtelement 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel nun im Hinblick auf die beiden Endabschnitte beschrieben, mit denen die Halteabschnitte 18 verbunden sind.
Bei diesem piezoelektrischen Schichtelement 10 sind die Endflächen der an den beiden Endabschnitten angeordneten Schichtkörpereinheiten 11 und die Endflächen der Halteabschnitte 18 miteinander über eine Verbindungsmaterialschicht 19 verbunden, die die gleiche wie die zwischen den Schichtkörpereinheiten 11 vorgesehene Verbindungsmaterialschicht 19 ist.
Die Höhe 13 des aus Aluminiumoxid bestehenden Halteabschnitts 18 beträgt in Aufschichtungsrichtung 2 mm, die Querschnittsfläche im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung 46 mm² und der tatsächlich gemessene Elastizitätsmodul Y₃ 380000 MPa.
Im Fall der Verbindungsmaterialschicht 19 gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind der Elastizitätsmodul Y₂ des Verbindungsmaterials, die Höhe L₂ in Aufschichtungsrichtung und die Querschnittsfläche S₂ im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung so eingestellt, dass sie die folgenden Ausdrücke 3 und 4 erfüllen: (N₁ × L₁)/(S₁ × Y₁) + (N₃ × L₃)/(S₃ × Y₃) ≥ (N₂ × L₂)/(S₂ × ((2000 – 10800 × L₂) × Y₂)) Ausdruck 3 S2 ≤ S1 Ausdruck 4 mit

L₁:: Höhe (mm) der Schichtkörpereinheit in Aufschichtungsrichtung,
S₁:: Querschnittsfläche (mm²) der Schichtkörpereinheit im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung,
Y₁:: Elastizitätsmodul (MPa) der Schichtkörpereinheit in Aufschichtungsrichtung,
N₁:: Anzahl der übereinander geschichteten Schichten der Schichtkörpereinheit,
L₂:: Höhe (mm) der Verbindungsmaterialschicht in Aufschichtungsrichtung,
S₂:: Querschnittsfläche (mm²) der Verbindungsmaterialschicht im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung,
Y₂:: Elastizitätsmodul (MPa) des die Verbindungsmaterialschichten bildenden Materials,
N₂:: Anzahl an Verbindungsmaterialschichten,
L₃:: Höhe (mm) des Halteabschnitts in Aufschichtungsrichtung,
S₃:: Querschnittsfläche (mm²) des Halteabschnitts im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung,
Y₃:: Elastizitätsmodul (MPa) des Halteabschnitts in Aufschichtungsrichtung,
N₃:: Anzahl an Halteabschnitten.

Da in diesem Ausführungsbeispiel die Halteabschnitte 18 auf die beiden Endabschnitte des piezoelektrischen Schichtelements geschichtet wurden, beträgt die Anzahl N₃ an Halteabschnitten 18 in dem obigen Ausdruck 2.
Da in diesem Ausführungsbeispiel mit den beiden Endabschnitten des piezoelektrischen Schichtelements 10 die Halteabschnitte 18 verbunden werden, werden anstelle der Ausdrücke 1 und 2 gemäß Ausführungsbeispiel 1 die Ausdrücke 3 und 4 angewendet.
Anhand dieser Ausdrücke lassen sich für das piezoelektrische Schichtelement 10, dessen beide Endabschnitte mit den Halteabschnitten 18 verbunden sind, jederzeit die passende Höhe L₂ der Verbindungsmaterialschicht 19 in Aufschichtungsrichtung und die passende Querschnittsfläche S₂ berechnen.
In diesem Ausführungsbeispiel werden zwar die Halteabschnitte 18 auf beiden Endabschnitte des piezoelektrischen Schichtelements 10 aufgeschichtet, doch ist es anstelle dessen auch möglich, den Halteabschnitt 18 nur auf einem Endabschnitt des piezoelektrischen Schichtelements 10 aufzuschichten. In diesem Fall reicht es, die Anzahl N₃ der aufgeschichteten Schichten des Halteabschnitts 18 im Ausdruck 3 zu ändern.
Darüber hinaus muss die Aufschichtung nicht unbedingt auf dem Endabschnitt erfolgen, sondern kann auch auf mindestens einem Abschnitt in dem in Aufschichtungsrichtung mittleren Abschnitt erfolgen.
Der Aufbau und die Funktionsweise sind ansonsten die gleichen wie bei Ausführungsbeispiel 1.
Schließlich wird noch auf das Ausführungsbeispiel 3 eingegangen, bei dem verglichen mit dem piezoelektrischen Schichtelement gemäß Ausführungsbeispiel 1 der Aufbau der Verbindungsmaterialschicht geändert ist.
Wie in 9 gezeigt ist, enthält das piezoelektrische Schichtelement 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Verbindungsmaterialschicht 19, die sich aus einem aus dem Verbindungsmaterial 191 bestehenden Bereich und einem aus dem Härtungsmaterial 192 bestehenden Bereich zusammensetzt.
Das piezoelektrische Schichtelement 10 ist so aufgebaut, dass die Verbindungsmaterialschicht 19 insgesamt den oben beschriebenen Ausdruck 1 erfüllt.
Das piezoelektrische Schichtelement 10 wird wie folgt hergestellt. Nachdem die benachbarten Schichtkörpereinheiten 11 wie in Ausführungsbeispiel 1 gezeigt miteinander durch das Verbindungsmaterial 191 verbunden wurden, wird das aus Epoxydharz bestehende Härtungsmaterial 192 durch ein den Kapillareffekt nutzendes Verfahren in den Spalt zwischen den Schichtkörpereinheiten 11 gefüllt.
Außer dem den Kapillareffekt nutzenden Verfahren, das in diesem Ausführungsbeispiel verwendet wird, kann das Härtungsmaterial 192 auch durch ein Vakuumverfahren, ein Spritzgussverfahren usw. eingefüllt werden.
In diesem Ausführungsbeispiel wird das Härtungsmaterial 192 mit einer nicht gezeigten Spendervorrichtung eingefüllt, die aus einer Spenderdüse, deren Position gesteuert wird, eine vorbestimmte Menge flüssigen Isoliermaterials ausgeben kann. Mit dieser Spendervorrichtung wurde in diesem Ausführungsbeispiel das Härtungsmaterial 192 in den Spalt zwischen den zueinander benachbarten Schichtkörpereinheiten 11 eingefüllt und wurde dadurch die aus dem Verbindungsmaterial 191 und dem Härtungsmaterial 192 bestehende Verbindungsmaterialschicht 19 gebildet.
Während bei dem piezoelektrischen Schichtelement 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Verbindungsmaterial 191 ein weiches Material eingesetzt wurde, wurde ein Teil der Verbindungsmaterialschicht 19 wie oben beschrieben aus dem Härtungsmaterial 192 gefertigt. Dadurch konnte in der Verbindungsmaterialschicht 19 insgesamt eine ausreichend hohe Härte realisiert werden.
Wenn das Härtungsmaterial 192 an der Außenumfangsseite des Verbindungsmaterials 191 vorgesehen wird, lässt sich für den Elastizitätsmodul der Verbindungsmaterialschicht 19 insgesamt ein passender Wert sicherstellen.
Bei diesem piezoelektrischen Schichtelement 10 kann daher, indem der Bereich für die Auswahl des Verbindungsmaterials 191 und der Bereich für die Form der Verbindungsmaterialschicht 19 ausgeweitet wird, die Gestaltungsfreiheit erhöht werden.
Der Aufbau und die Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels sind ansonsten die gleichen wie bei Ausführungsbeispiel 1.

Claims

Piezoelektrisches Schichtelement (10), in dem über eine Verbindungsmaterialschicht (19) eine Vielzahl von Schichtkörpereinheiten (11) übereinander geschichtet ist, in denen abwechselnd Keramikschichten (111) und Elektrodenanordnungsschichten (112) mit einem eine Innenelektrode bildenden Elektrodenabschnitt (503) übereinander geschichtet sind, wobei beide Endabschnitte in Aufschichtungsrichtung aus den Schichtkörpereinheiten (11) bestehen und die Dicke L₂ der Verbindungsmaterialschicht (19) und die Querschnittsfläche S₂ im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung so eingestellt sind, dass L₂ und S₂ die folgenden Ausdrücke 1 und 2 erfüllen: (N₁ × L₁)/(S₁ × Y₁) ≥ (N₂ × L₂)/(S₂ × ((2000 – 10800 × L₂) × Y₂)) Ausdruck 1 S2 ≤ S1 Ausdruck 2 mit L₁: Höhe der Schichtkörpereinheit in Aufschichtungsrichtung in mm, S₁: Querschnittsfläche der Schichtkörpereinheit im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung in mm², Y₁: Elastizitätsmodul der Schichtkörpereinheit in Aufschichtungsrichtung in MPa, N₁: Anzahl der übereinander geschichteten Schichten der Schichtkörpereinheit, L₂: Höhe der Verbindungsmaterialschicht in Aufschichtungsrichtung in mm, S₂: Querschnittsfläche der Verbindungsmaterialschicht im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung in mm², Y₂: Elastizitätsmodul des die Verbindungsmaterialschichten bildenden Materials in MPa, N₂: Anzahl an Verbindungsmaterialschichten.
Piezoelektrisches Schichtelement (10), in dem über eine Verbindungsmaterialschicht (19) eine Vielzahl von Schichtkörpereinheiten (11) übereinander geschichtet ist, in denen abwechselnd Keramikschichten (111) und Elektrodenanordnungsschichten (112) mit einem eine Innenelektrode bildenden Elektrodenabschnitt (503) übereinander geschichtet sind, wobei in mindestens einem der beiden Endabschnitte in Aufschichtungsrichtung und/oder in dem in Aufschichtungsrichtung mittleren Abschnitt ein nicht aktiver Halteabschnitt (18) angeordnet ist und die Dicke L₂ der Verbindungsmaterialschicht (19) und die Querschnittsfläche S₂ im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung so eingestellt sind, dass L₂ und S₂ die folgenden Ausdrücke 3 und 4 erfüllen: (N₁ × L₁)/(S₁ × Y₁) + (N₃ × L₃)/(S₃ × Y₃) ≥ (N₂ × L₂)/(S₂ × ((2000 – 10800 × L₂) × Y₂)) Ausdruck 3 S2 ≤ S1 Ausdruck 4 mit L₁: Höhe der Schichtkörpereinheit in Aufschichtungsrichtung in mm, S₁: Querschnittsfläche der Schichtkörpereinheit im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung in mm₂, Y₁: Elastizitätsmodul der Schichtkörpereinheit in Aufschichtungsrichtung in MPa, N₁: Anzahl der übereinander geschichteten Schichten der Schichtkörpereinheit, L₂: Höhe der Verbindungsmaterialschicht in Aufschichtungsrichtung in mm, S₂: Querschnittsfläche der Verbindungsmaterialschicht im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung in mm², Y₂: Elastizitätsmodul des die Verbindungsmaterialschichten bildenden Materials in MPa, N₂: Anzahl an Verbindungsmaterialschichten, L₃: Höhe des Halteabschnitts in Aufschichtungsrichtung in mm, S₃: Querschnittsfläche des Halteabschnitts im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung in mm², Y₃: Elastizitätsmodul des Halteabschnitts in Aufschichtungsrichtung in MPa, N₃: Anzahl an Halteabschnitten.
Piezoelektrisches Schichtelement nach Anspruch 1, das die Ausdrücke 1 und 2 in einem Betriebstemperaturbereich von nicht weniger als 80°C bis nicht höher als 200°C erfüllt.
Piezoelektrisches Schichtelement nach Anspruch 2, das die Ausdrücke 3 und 4 in einem Betriebstemperaturbereich von nicht weniger als 80°C bis nicht höher als 200°C erfüllt.
Piezoelektrisches Schichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Elektrodenanordnungsschicht (112) einen Elektrodenabschnitt (503) mit elektrischer Leitfähigkeit und einen Abschnitt (504) enthält, der einem Bereich entspricht, in dem der Elektrodenabschnitt (503) von einem Endabschnitt der Elektrodenanordnungsschicht nach innen zurückweicht, und dass der Bereich auf der Endfläche der Schichtkörpereinheit (11) in Aufschichtungsrichtung, in dem die Verbindungsmaterialschicht (19) ausgebildet ist, einem Bereich entspricht, der in dem Bereich enthalten ist, in dem sich die Elektrodenabschnitte (503) auf jeder Elektrodenanordnungsschicht (112) in Aufschichtungsrichtung überlappen.
Piezoelektrisches Schichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Verbindungsmaterialschicht (19) aus einem aus einem Verbindungsmaterial (191) bestehenden Bereich und einem aus einem Härtungsmaterial (192) bestehenden Bereich besteht und diese Bereiche miteinander kombiniert sind.
Piezoelektrisches Schichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das die Verbindungsmaterialschicht (19) bildende Verbindungsmaterial (191) aus Epoxydharz, Silikonharz, Urethanharz oder Polyamidharz besteht.
Piezoelektrisches Schichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Dicke der Verbindungsmaterialschicht (19) nicht weniger als 0,0001 mm und nicht mehr als 0,01 mm beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements (10) gemäß Anspruch 7, in dem über eine Verbindungsmaterialschicht (19) eine Vielzahl von Schichtkörpereinheiten (11) übereinander geschichtet ist, in denen abwechselnd Keramikschichten (111) und Elektrodenanordnungsschichten (112) übereinander geschichtet sind, und in dem das die Verbindungsmaterialschicht (19) bildende Verbindungsmaterial (191) aus Epoxydharz, Silikonharz, Urethanharz oder Polyamidharz besteht, wobei das Herstellungsverfahren für das piezoelektrische Schichtelement folgende Schritte umfasst: einen Einheitsherstellungsschritt, bei dem Schichtkörpereinheiten (11) hergestellt werden, in dem die Keramikschichten (111) und die Elektrodenanordnungsschichten (112) abwechselnd übereinander geschichtet sind; einen Aufschichtungsschritt, bei dem die Schichtkörpereinheiten (11) über ein auf einer Endfläche der Schichtkörpereinheit angeordnetes Verbindungsmaterial (191) übereinander geschichtet werden; und einen Härtungsmaterialanordnungsschritt, bei dem in einem von den zueinander benachbarten Schichtkörpereinheiten (11) und von einer Umfangsfläche des Verbindungsmaterials (191) gebildeten Spalt ein Härtungsmaterial (192) angeordnet wird.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements nach Anspruch 9, bei dem der Härtungsmaterialanordnungsschritt ein Schritt ist, bei dem das Härtungsmaterial (192) mit Hilfe eines Vakuumverfahrens, eines einen Kapillareffekt nutzenden Verfahrens oder eines Spritzgussverfahrens in den Spalt eingefüllt wird.