DE102005034902A1

DE102005034902A1 - Geschichtetes piezoelektrisches Element und dessen Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102005034902A1
Application number: DE200510034902
Authority: DE
Inventors: Takeshi Kariya Senoo; Nozomu Kariya Okumura; Kazuhide Kariya Sato; Akira Kariya Fujii
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2006-03-30
Also published as: JP2006066876A; JP4742651B2

Abstract

Offenbart ist ein geschichtetes piezoelektrisches Element 1 mit einem geschichteten Keramikkörper 10 mit abwechselnd geschichteten piezoelektrischen Schichten 11 aus einem piezoelektrischen Material und inneren Elektrodenschichten 21, 22 mit elektrischer Leitfähigkeit sowie einem Seitenelektrodenpaar 31, 32, das auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers 10 bereitgestellt und mit den inneren Elektrodenschichten 21, 22 abwechselnd verbunden ist, wobei ein isolierendes Füllmaterial 5 mit elektrischer Isolation an Abschnitten angeordnet ist, wo die elektrische Isolation entlang den Seitenelektroden 31, 32 und den inneren Elektrodenschichten 21, 22 zu erreichen ist. Die Seitenelektroden 31, 32 enthalten ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, wobei der Schmelzpunkt nicht mehr als 400 DEG C beträgt, und Metall enthaltende Schichten 311, 321, die durch Schmelzen des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers 10, gefolgt von deren Erstarren ausgebildet sind, wobei die Metall enthaltenden Schichten 311, 321 unmittelbar mit den Enden der inneren Elektrodenschichten 21, 22 verbunden sind, mit denen die Metall enthaltenden Schichten 311, 321 elektrisch verbunden sein sollen.

Description

Die Erfindung betrifft ein geschichtetes piezoelektrisches Element, das auf einen piezoelektrischen Aktuator und dergleichen angewendet werden kann, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Elementes.

Ein geschichtetes piezoelektrisches Element weist einen geschichteten Keramikkörper auf, der durch abwechselndes Schichten von piezoelektrischen Schichten aus einem piezoelektrischen Material und inneren Elektrodenschichten mit elektrischer Leitfähigkeit erhalten wird, und es wird durch Anlegen einer Spannung an die piezoelektrischen Schichten durch die inneren Elektrodenschichten angesteuert.

Zum Anlegen der Spannung an jede der piezoelektrischen Schichten wird im Allgemeinen eine Teilelektrodenstruktur verwendet, bei der innere Elektrodenschichten auf einer Seitenoberfläche freigelegt sind, auf der eine Seitenelektrode angeordnet ist, und nicht freigelegte innere Elektrodenschichten, die verborgen bleiben, dazu abwechselnd angeordnet sind, und jede zweite innere Elektrodenschichten ist mit einer Seitenelektrode verbunden.

Da bei der Teilelektrodenstruktur die elektrische Isolation zwischen der Seitenelektrode und den inneren Elektrodenschichten durch piezoelektrisches Material erreicht wird, das in den Abschnitten vorhanden ist, wo die inneren Elektrodenschichten verborgen sind, muss ein relativ großer Isolationsabstand in Abhängigkeit von der Isolationseigenschaft des piezoelektrischen Materials bewahrt werden. Dies verringert ferner die Ansteuerungsabschnitte der piezoelektrischen Schichten, wodurch das Problem einer Verringerung bei den Ansteuerungseigenschaften verursacht wird. Zudem können sich Risse zwischen den Ansteuerungsabschnitten und den Isolationsabschnitten aufgrund von Verspannungen während der Ansteuerung entwickeln, wodurch das Problem einer verringerten Zuverlässigkeit verursacht wird.

Zur Lösung des vorstehenden Problems bei der Teilelektrodenstruktur lehrt beispielsweise die Druckschrift JP-A-2002-203999 die Anwendung einer Volloberflächenelektrodenstruktur und die Ausbildung von Isolationsabschnitten unter Verwendung eines Harzmaterials, das von den piezoelektrischen Schichten verschieden ist. Wenn dieser Aufbau verwendet wird, wird ein elektrisch leitendes Haftmittel für die Seitenelektrode verwendet, das die inneren Elektrodenschichten kontaktiert. Das elektrisch leitende Haftmittel enthält ein elektrisch leitendes Füllmaterial in dem Haftmittel, das ein Harzmaterial ist, und das Füllmaterial kommt in Kontakt mit den Enden der inneren Elektrodenschichten, wobei eine elektrische Leitung zwischen diesen aufrecht erhalten wird.

Der Kontaktzustand bleibt jedoch zwischen den inneren Elektrodenschichten mit einer Dicke von nicht mehr als 10 μm und dem verteilten elektrisch leitenden Füllmaterial nicht notwendigerweise stabil. Daher lehrt die vorstehend genannte Druckschrift die Ausbildung einer plattierten oder abgeschiedenen Schicht zwischen dem elektrisch leitenden Haftmittel und der Seitenoberfläche des integrierten Keramikkörpers. Jedoch ist es auch dabei unmöglich, eine stabile Anhaftung zwischen der plattierten oder abgeschiedenen Schicht und den inneren Elektrodenschichten zu erreichen. Im Übrigen kann die Ausbildung der plattierten oder abgeschiedenen Schicht den geschichteten Keramikkörper aufgrund der Bestandteile des Plattierungsbades nachteilig beeinflussen, oder es kann den geschichteten Keramikkörper aufgrund der lokalen Atmosphäre zum Zeitpunkt der Abscheidung nachteilig beeinflussen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorstehend angeführten Probleme zu lösen, und ein geschichtetes piezoelektrisches Element mit einem hochzuverlässigen Übergang zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Seitenelektroden sowie einer ausgezeichneten Leistungsfähigkeit, und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.

Eine erste Ausgestaltung der Erfindung ist ein geschichtetes piezoelektrisches Element mit einem geschichteten Keramikkörper mit einer abwechselnd geschichteten Struktur aus piezoelektrischen Schichten aus einem piezoelektrischen Material und inneren Elektrodenschichten mit einer elektrischen Leitfähigkeit, sowie einem auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers bereitgestellten Seitenelektrodenpaar, das abwechselnd mit den inneren Elektrodenschichten kommuniziert, wobei ein isolierendes Füllmaterial mit elektrischer Isolation an Abschnitten angeordnet ist, wo die elektrische Isolation entlang den Seitenelektroden und den inneren Elektrodenschichten erreicht werden muss, die Seitenelektroden enthalten dabei ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, wobei der Schmelzpunkt nicht mehr als 400°C beträgt, und umfassen durch Schmelzen des Metalls mit niedrigen Schmelzpunkt auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers gefolgt von dessen Erstarren ausgebildete Metall enthaltende Schichten, die Metall enthaltenden Schichten sind dabei unmittelbar mit den Enden der inneren Elektrodenschichten verbunden, zu denen die Metall enthaltenden Schichten elektrisch leiten sollen.

Das erfindungsgemäße geschichtete piezoelektrische Element ist mit Seitenelektroden mit den vorstehend beschriebenen Metall enthaltenden Schichten bereitgestellt, die in unmittelbarem Kontakt mit den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers kommen. Die Metall enthaltenden Schichten enthalten ein Metall mit geringem Schmelzpunkt mit einem Schmelzpunkt von nicht mehr als 400°C, und sie werden durch Schmelzen des Metalls mit geringem Schmelzpunkt auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers gefolgt von dessen Erstarren ausgebildet. Die Metall enthaltenden Schichten erstarren nämlich, nachdem das Metall mit geringem Schmelzpunkt flüssig gemacht wurde und ganz genau mit den Seitenoberflächen des integrierten Keramikkörpers in einem ausreichenden Ausmaß anhaftet. Daher haften die Metall enthaltenden Schichten ganz genau an der Seitenoberfläche des integrierten Keramikkörpers an, und sie haften zudem in ausreichendem Ausmaß an den Endoberflächen der inneren Elektrodenschichten an, die auf den Seitenoberflächen des integrierten Keramikkörpers freigelegt sind, und zu denen die elektrische Leitung erfolgen soll. Daher zeigt das geschichtete piezoelektrische Element eine Übergangszuverlässigkeit, die sehr überlegen gegenüber dem unmittelbar mit den inneren Elektrodenschichten verbundenen bekannten elektrisch leitenden Haftmittel ist.

Zudem werden gemäß vorstehender Beschreibung die Metall enthaltenden Schichten aufgebaut, indem ein Metall mit geringem Schmelzpunkt mit einem Schmelzpunkt von nicht mehr als 400°C geschmolzen wird, und danach zum Erstarren gebracht wird, und somit zum Zeitpunkt des Schmelzvorgangs die Erwärmungstemperatur auf nicht mehr als 400°C eingestellt sein kann. Dies ermöglicht die Verringerung von nachteiligen Wirkungen auf den geschichteten Keramikkörper und auf das isolierende Füllmaterial, wie sie durch hohe Temperaturen verursacht werden. Außerdem ist es nicht nötig, den geschichteten Keramikkörper der Plattierungslösung auszusetzen, die diesen nachteilig beeinflusst, wenn der Plattierungsvorgang ausgeführt wird. Demzufolge bewahrt das geschichtete piezoelektrische Element den geschichteten Keramikkörper selbst in einem sehr guten Zustand.

Nach vorstehender Beschreibung zeigt das erfindungsgemäße integrierte piezoelektrische Element einen hochzuverlässigen Übergang zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Seitenelektroden, und es zeigt außerdem eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit.

Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung ist eine Injektionseinrichtung, bei der ein Ventilkörper unter Verwendung der Verschiebung eines piezoelektrischen Aktuators zum Steuern der Injektion von Brennstoff geöffnet oder geschlossen wird, wobei der piezoelektrische Aktuator ein geschichtetes piezoelektrisches Element gemäß der vorstehend beschriebenen ersten Ausgestaltung der Erfindung umfasst.

Die Injektionseinrichtung gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung weist einen piezoelektrischen Aktuator auf, der unter Verwendung des piezoelektrischen Elementes mit ausgezeichneter Qualität gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung aufgebaut ist. Gemäß vorstehender Beschreibung zeigt das geschichtete piezoelektrische Element einen hochzuverlässigen Übergang zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Seitenelektroden, und es zeigt außerdem eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit. Selbst wenn die Injektionseinrichtung unter schweren Bedingungen wie etwa einer Atmosphäre in einer hohen Temperatur verwendet wird, bewahrt daher das geschichtete piezoelektrische Element in stabiler Weise die Übergangszuverlässigkeit, wobei die Injektionseinrichtung als ganzes dazu befähigt wird, eine verbesserte Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit zu zeigen.

Eine dritte Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines geschichteten piezoelektrischen Elementes mit einem geschichteten Keramikkörper mit abwechselnd geschichteten piezoelektrischen Schichten aus einem piezoelektrischen Material und inneren Elektrodenschichten mit einer elektrischen Leitfähigkeit, sowie einem auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers bereitgestellten und mit den inneren Elektrodenschichten abwechselnd kommunizierendem Seitenelektrodenpaar, das Verfahren umfasst dabei die Schritte: Ausbilden eines geschichteten Körpers durch abwechselndes Schichten der piezoelektrischen Schichten und der inneren Elektrodenschichten zur Ausbildung eines geschichteten Keramikkörpers; Anordnen des isolierenden Füllmaterials auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers zum Erreichen einer elektrischen Isolation zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Seitenelektroden; und Anordnen einer Paste mit einem Metallpulver mit geringem Schmelzpunkt mit einem Schmelzpunkt von nicht mehr als 400°C auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers und Schmelzen des Metalls mit geringem Schmelzpunkt durch dessen Erwärmung auf eine Temperatur von nicht mehr als 400°C, gefolgt von einem Erstarrungsvorgang des Metalls mit geringem Schmelzpunkt zur Ausbildung von Metall enthaltenden Schichten.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird der durch den Schritt zum Ausbilden des geschichteten Körpers hergestellte geschichtete Keramikkörper dem Schritt zum Anordnen des isolierenden Füllmaterials unterworfen, und daher dem Schritt zum Ausbilden der Metall enthaltenden Schichten. Dies ermöglicht den Erhalt eines geschichteten piezoelektrischen Elements, das eine hohe Übergangszuverlässigkeit zwischen den durch die Metall enthaltende Schichten gebildeten Seitenelektroden und den inneren Elektroden und noch dazu eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit zeigt.

Genauer verwendet der vorstehend beschriebene Schritt zum Ausbilden der Metall enthaltenden Schichten eine Paste, die ein Pulver aus einem Metall mit geringem Schmelzpunkt mit einem Schmelzpunkt von nicht mehr als 400°C enthält, wobei die Paste auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers angeordnet ist. Die Paste wird sodann auf eine Temperatur von nicht mehr als 400°C erwärmt. Daher wird zumindest das Metall mit geringem Schmelzpunkt auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers aufgeschmolzen und sodann zum Erstarren gebracht. Das Metall mit geringem Schmelzpunkt ist im geschmolzenen Zustand vollständig flüssig und haftet ganz genau auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers an, und wird sodann zur Ausbildung der Metall enthaltenden Schichten zum Erstarren gebracht. Folglich befinden sich die resultierenden Metall enthaltenden Schichten in einem Zustand, in dem sie vollständig eng auf den Seitenoberflächen des integrierten Keramikkörpers anhaften, das heißt auf den Endoberflächen der piezoelektrischen Schichten und auf den Endoberflächen der inneren Elektrodenschichten.

Folglich zeigt das durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erhaltene integrierte piezoelektrische Element eine hohe Übergangszuverlässigkeit zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Seitenelektroden sowie eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Ansicht zur Darstellung der Struktur eines geschichteten piezoelektrischen Elementes nach Beispiel 1;
2 eine Ansicht zur Darstellung einer Diffusionsschicht zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Seitenelektroden nach Beispiel 1;
3 eine Perspektivansicht des geschichteten piezoelektrischen Elementes mit einem barrenförmigen Querschnitt nach Beispiel 1;
4 eine Ansicht zur Darstellung eines Ablaufs zum Erzeugen eines geschichteten Keramikkörpers nach Beispiel 1;
5 eine Ansicht zur Darstellung eines Ablaufs zur Ausbildung von ersten vertieften Grabenabschnitten und zweiten vertieften Grabenabschnitten in dem geschichteten Keramikkörper und zum Einfüllen eines isolierenden Füllmaterials nach Beispiel 1;
6 eine Ansicht zur Darstellung eines Ablaufs zum Anordnen der Seitenelektroden nach Beispiel 1;
7 eine Perspektivansicht des geschichteten piezoelektrischen Elementes mit einem quadratischen Querschnitt nach Beispiel 1;
8 eine Ansicht zur Darstellung eines Verfahrens zum Messen der Kontaktwiderstände zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Seitenelektroden nach Beispiel 2;
9 ein Diagramm zur Darstellung der Messergebnisse der Kontaktwiderstände zwischen den inneren Elektrodenschichten und den zweiten Elektroden unter Verwendung des erfindungsgemäßen Erzeugnisses nach Beispiel 2;
10 ein Diagramm zur Darstellung der Messergebnisse der Kontaktwiderstände zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Seitenelektroden gemäß einem Vergleichsbeispiel nach Beispiel 2;
11 ein Diagramm zur Darstellung eines Zusammenhangs zwischen der Zugabemenge des synthetischen Harzes und der relativen Haftungsstärke nach Beispiel 3;
12 ein Diagramm zur Darstellung eines Zusammenhangs zwischen der Zugabemenge des synthetischen Harzes, des relativen Widerstands, und der Dicke der Diffusionsschicht;
13 ein Diagramm zur Darstellung eines Zusammenhangs zwischen der relativen Anzahl an Wärmedurchläufen und dem relativen Widerstand nach Beispiel 4; und
14 eine Ansicht zur Darstellung der Struktur einer Injektionseinrichtung nach Beispiel 5.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben.
Bei dem geschichteten piezoelektrischen Element gemäß der ersten Ausgestaltung umfassen die Seitenelektroden die Metall enthaltende Schicht als erste Schicht und ferner eine andere Schicht als eine darauf geschichtete Schicht. Für die andere Schicht kann ein elektrisch leitendes Haftmittel oder ein beliebiges anderes bekanntes elektrisch leitendes Material verwendet werden.
Zudem beinhaltet das Metall mit geringem Schmelzpunkt in den Metall enthaltenden Schichten beispielsweise Sn (Zinn), In (Indium) oder Ga (Gallium). Eines von diesen kann enthalten sein, oder es können zwei oder mehr enthalten sein.
Weiterhin können in den Metall enthaltenden Schichten verschiedene Metalle zusätzlich zu dem Metall mit geringem Schmelzpunkt enthalten sein. Ein Metall mit einer hohen elektrisch leitenden Eigenschaft ist erwünscht, auch wenn es einen hohen Schmelzpunkt aufweist, da es die elektrisch leitende Eigenschaft der Seitenelektroden verbessert.
Es ist erwünscht, dass die piezoelektrische Schicht aus einem Bleizirkonattitanat ausgebildet ist, das ein Oxid mit Perovskitstruktur in der Art Pb(Zr, Ti)O₃ ist. Das Bleizirkonattitanat (PZT) weist ausgezeichnete piezoelektrische Eigenschaften auf und befähigt das integrierte piezoelektrische Element dazu, sehr ausgezeichnete Eigenschaften zu zeigen. Es ist außerdem erwünscht, bleifreie piezoelektrische Keramiken zu verwenden, die aus Umweltgesichtspunkten kein Blei enthalten.
Für das isolierende Harz, das das isolierende Füllmaterial bildet, kann geeigneter Weise beispielsweise ein Silikonharz, ein Urethanharz, ein Polyimidamidharz, ein Polyimidharz oder ein Epoxidharz verwendet werden. Anorganische Teilchen können in diesen isolierenden Harzen eingebaut sein. Wenn anorganische Teilchen enthalten sind, verringert sich die Differenz bei den Wärmeausdehnungseigenschaften zwischen dem isolierenden Füllmaterial und den piezoelektrischen Schichten, wenn der Abkühl-/Aufwärmzyklus des geschichteten piezoelektrischen Elementes wiederholt wird, und die Zuverlässigkeit der Isolation durch das isolierende Füllmaterial verbessert wird.
Es ist außerdem erwünscht, dass zwischen den Metall enthaltenden Schichten und den inneren Elektrodenschichten eine Diffusionsschicht ausgebildet ist, bei der die Bestandteile dieser beiden Schichten diffundiert sind. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Übergang zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Seitenelektroden aufgrund der Gegenwart der Diffusionsschicht stärker. Dies ermöglicht einen weiteren Anstieg in der Übergangszuverlässigkeit.
Darüber hinaus ist es erwünscht, dass die Metall enthaltenden Schichten ein Metall mit geringem elektrischen Widerstand enthalten, das einen spezifischen Widerstand von nicht mehr als 10 μΩ·cm bei einer Temperatur von 30°C aufweist. Selbst wenn das Metall mit geringem Schmelzpunkt keine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit aufweist, können daher ausreichend hohe elektrische Eigenschaften aufgrund der Gegenwart des vorstehend angeführten Metalls mit einem geringen elektrischen Widerstand beibehalten werden.
Wenn dabei das Metall mit geringem Widerstand einen spezifischen elektrischen Widerstand von nicht weniger als 10 μΩ·cm aufweist, verbleibt das Problem, dass die elektrische Leitfähigkeit der Metall enthaltenden Schicht als ganzes trotz des hinzugefügten Metalls mit geringem Widerstand nicht verbessert wird. Es ist erwünscht, dass der spezifische elektrische Widerstand des Metalls mit geringem Widerstand so klein wie möglich ist, was jedoch in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Metalls bestimmt wird.
Beispiele für das Metall, die als das Metall mit geringem Widerstand verwendet werden können, beinhalten Ag (Silber), Cu (Kupfer) und dergleichen.
Es ist erwünscht, dass die Metall enthaltenden Schichten eine Legierung aus zumindest Silber oder Kupfer sowie zumindest Zinn, Indium oder Gallium enthalten. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist Silber oder Kupfer als Metall mit geringem Widerstand enthalten, und Zinn, Indium oder Gallium ist als Metall mit geringem Schmelzpunkt enthalten. Dies hält die Zuverlässigkeit des Übergangs basierend auf den Metallen mit geringem Schmelzpunkt und die Leitfähigkeit basierend auf den Metallen mit geringem Widerstand aufrecht.
Ferner ist es erwünscht, dass die Metall enthaltenden Schichten eine Legierung aus Silber und Zinn enthalten. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden eine weiter verbesserte Übergangszuverlässigkeit und elektrische Leitfähigkeit aufgrund des Zinns als Metall mit geringem Schmelzpunkt und des Silbers als Metall mit geringem Widerstand aufrecht erhalten.
Es ist wünschenswert, dass ein synthetisches Harz den Metall enthaltenden Schichten hinzugefügt wird. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Anhaftung zwischen den Metall enthaltenden Schichten und den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers weiter verbessert. Demzufolge wird die Übergangszuverlässigkeit zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Seitenelektroden noch ausgezeichneter.
Es ist wünschenswert, dass wenn die Bestandteile der Metall enthaltenden Schichten unter Ausschluss des synthetischen Harzes 100 Gew.-% ausmachen, die Zugabemenge des synthetischen Harzes im Bereich von 1 bis 30 Gew.-% liegt. Dabei beinhaltet die Zugabemenge des synthetischen Harzes nicht den flüchtigen Anteil, sondern den Anteil, der schließlich als Festbestandteil verbleibt. Wenn die Zugabemenge weniger als 1 Gew.-% ausmacht, mag die Anhaftung zwischen den Metall enthaltenden Schichten und den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers nicht verbessert sein. Wenn zudem die Zugabemenge 30 Gew.-% überschreitet, kann der elektrische Widerstand der Metall enthaltenden Schichten so ansteigen, dass die Metall enthaltenden Schichten nicht in der Lage sein können, eine elektrische Leitfähigkeit zu bewahren. Daher kann die Übergangszuverlässigkeit zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Seitenelektroden nicht aufrecht erhalten sein.
Es ist wünschenswert, dass vertiefte Gräben in den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers an Positionen ausgebildet sind, wo das isolierende Füllmaterial anzuordnen ist, wobei ermöglicht wird, dass die Enden der inneren Elektrodenschichten an deren Bodenabschnitten freigelegt sind, und die vertieften Gräben mit dem isolierenden Füllmaterial ausgefüllt sind. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das isolierende Füllmaterial in den vertieften Gräben enthalten und wird davor bewahrt, entfernt zu werden. Nachdem das isolierende Füllmaterial angeordnet wurde, können im Übrigen die Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers nahezu flach gehalten werden. Dies erleichtert die Ausbildung der Metall enthaltenden Schichten.
Es ist wünschenswert, dass Elektroden zum Zuführen von elektrischer Energie an die Seitenelektroden unmittelbar mit den Metall enthaltenden Schichten verbunden sind. Dies erleichtert die Aufrechterhaltung von elektrischer Leitfähigkeit zwischen den Elektroden und den Metall enthaltenden Schichten.
Es ist wünschenswert, das zwischen den Elektroden in den Metall enthaltenden Schichten eine zweite Diffusionsschicht ausgebildet ist, in der die Bestandteile der vorstehend beschriebenen zwei Schichten diffundiert sind. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Übergangszuverlässigkeit zwischen den Elektroden und den Metall enthaltenden Schichten aufgrund der Gegenwart der zweiten Diffusionsschicht weiter erhöht.
Zudem können die Elektroden zum Zuführen von elektrischer Energie an die Seitenelektroden mit einem auf den Metall enthaltenden Schichten angeordneten elektrisch leitenden Haftmittel verbunden sein. Selbst falls bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Metall enthaltenden Schichten zerbrochen sind, wird die elektrische Leitfähigkeit der Seitenelektrode als ganzes in einem ausreichenden Ausmaß aufgrund der Gegenwart des elektrisch leitenden Haftmittels mit relativ großer Ausdehnbarkeit aufrecht erhalten.
Weiterhin ist es bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erwünscht, dass das elektrisch leitenden Haftmittel dieselben Metallelemente wie die in den Metall enthaltenden Schichten enthaltenen Metalle enthalten. Dies ermöglicht den Erhalt der Wirkung der Verringerung des Grenzflächenwiderstandes zwischen der Metall enthaltenden Schicht und dem Metall in dem elektrisch leitenden Haftmittel.
Es ist erwünscht, dass die inneren Elektrodenschichten Kupfer als elektrisch leitendes Material enthalten. Für die inneren Elektrodenschichten werden häufig Edelmetalle wie etwa Silber, Palladium und dergleichen verwendet, aber durch Verwendung von Kupfer als Hauptbestandteil können insbesondere die Materialkosten für die inneren Elektrodenschichten im Vergleich zum Stand der Technik verringert werden, und eine ausgezeichnete Leitfähigkeit kann bewahrt werden. Wenn Kupfer verwendet wird, ist es zudem erwünscht, Zinn als in den Metall enthaltenden Schichten enthaltendem Metall mit geringem Schmelzpunkt zu verwenden. Dies ermöglicht die relativ leichte Ausbildung von Schichten, in denen Kupfer und Zinn diffundiert sind.
Es ist erwünscht, dass der geschichtete Keramikkörper mit einem isolierenden Harz auf seinen gesamten Seitenoberflächen vergossen ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bewahrt das geschichtete piezoelektrische Element eine elektrische Isolation gegenüber der externen Einheit.
Es ist erwünscht, dass das geschichtete piezoelektrische Element einen piezoelektrischen Aktuator für eine Injektionseinrichtung ist, der als Ansteuerungsquelle für eine Injektionseinrichtung verwendet wird.
Die Injektionseinrichtung wird unter den schweren Bedingungen einer Hochtemperaturatmosphäre verwendet. Unter Verwendung des ausgezeichneten geschichteten piezoelektrischen Elementes als Aktuator kann daher die Beständigkeit verbessert werden, und die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Injektionseinrichtung als ganzes kann erhöht werden.
Es ist ferner erwünscht, dass bei dem Herstellungsverfahren gemäß der dritten Ausgestaltung der Erfindung der Aufheizvorgang bei einem Schritt zum Ausbilden der Metall enthaltenden Schichten unter einer Druckbedingung von 0,5 bis 20 MPa ausgeführt wird. Daher können die Metall enthaltenden Schichten und die inneren Elektrodenschichten miteinander fester verbunden werden.
Wenn die Druckbedingung unter 0,5 MPa fällt, können Lücken in den Metall enthaltenden Schichten ausgebildet werden, wodurch die Homogenität gestört wird. Wenn die Druckbedingung 20 MPa überschreitet, kann andererseits das Problem entstehen, dass der geschichtete Keramikkörper und das isolierende Füllmaterial beschädigt werden.
Es ist erwünscht, einen Schritt auszuführen, bei dem vertiefte Gräben in den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers an Positionen ausgebildet werden, wo das isolierende Füllmaterial anzuordnen ist, was ermöglicht, dass die Enden der inneren Elektrodenschichten an deren Bodenabschnitten freigelegt sind, wobei danach ein Schritt zum Anordnen des isolierenden Füllmaterials ausgeführt wird. Diese ermöglicht, dass das isolierende Füllmaterial in den vertieften Gräben enthalten ist, dass die Entfernung des isolierenden Füllmaterials vermieden wird, dass die Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers nach der Anordnung des isolierenden Füllmaterials nahezu flach gehalten werden, und daher, dass die Metall enthaltenden Schichten leicht ausgebildet werden.
Es ist wünschenswert, dass die Erwärmungstemperatur bei dem Schritt zum Ausbilden der Metall enthaltenden Schichten im Bereich von 100 bis 400°C liegt. Wenn die Erwärmungstemperatur unter 100°C liegt, wird die Diffusionsschicht in dem Übergangsabschnitt zwischen den Metall enthaltenden Schichten und den inneren Elektrodenschichten nicht leicht ausgebildet, und die Übergangseigenschaft durch die Ausbildung der Diffusionsschicht wird nicht verbessert. Wenn die Erwärmungstemperatur 400°C überschreitet, können andererseits andere Abschnitte wie etwa das isolierende Füllmaterial beschädigt werden.
Es ist daher erwünscht, dass die Erwärmungstemperatur bei dem Schritt zum Ausbilden der Metall enthaltenden Schichten in einem Bereich von 200 bis 300°C liegt.
Wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist es ferner erwünscht, dass die Metall enthaltende Schicht eine Legierung aus zumindest Silber oder Kupfer und zumindest Zinn, Indium oder Gallium aufweist.
Es ist zudem erwünscht, dass die Metall enthaltende Schicht eine Legierung aus Silber und Zinn aufweist.
Ferner ist es erwünscht, dass ein synthetisches Harz der Metall enthaltenden Schicht zugefügt ist.
Zudem ist es erwünscht, dass, wenn die Bestandteile der Metall enthaltenden Schichten außer dem synthetischen Harz als 100 Gew.-% betrachtet werden, die Zugabemenge des synthetischen Harzes im Bereich von 1 bis 30 Gew.-% liegt.
BEISPIELE
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf Beispiele weiter beschrieben. Es ist jedoch angemerkt, dass die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
Beispiel 1
Ein geschichtetes piezoelektrisches Element und sein Herstellungsverfahren gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 beschrieben.
Das geschichtete piezoelektrische Element 1 ist gemäß 1 ein geschichtetes piezoelektrisches Element mit einem laminierten Keramikkörper 10, der durch abwechselndes Schichten von piezoelektrischen Schichten aus einem piezoelektrischem Material und inneren Elektrodenschichten 2 mit elektrischer Leitfähigkeit erhalten wird, sowie einem Seitenelektrodenpaar 31 und 32, das auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers 10 bereitgestellt ist, und das alternierend mit den inneren Elektrodenschichten 21 und 22 kommuniziert, und ein isolierendes Füllmaterial 5 mit elektrischer Isolation ist an Abschnitten angeordnet, wo entlang den Seitenelektroden 31 und 32 und den inneren Elektrodenschichten 21 und 22 eine elektrische Isolation zu erreichen ist.
Die leitenden Elektroden 31 und 32 enthalten ein Metall mit einem geringen Schmelzpunkt mit einem Schmelzpunkt von nicht mehr als 400°C und sie umfassen Metall enthaltende Schichten 311 und 321, die durch Schmelzen des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers 10 gefolgt von dessen Erstarren ausgebildet sind, wobei die Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 unmittelbar mit den Enden der inneren Elektrodenschicht 21 und 22 verbunden sind, mit denen die elektrische Verbindung zu erfolgen hat. Nachstehend ist dies näher beschrieben. Unter Bezugnahme auf die 1 und 3 umfasst der geschichtete Keramikkörper 10 gemäß dem vorliegenden Beispiel für die Seitenelektroden eine auf einer Seitenoberfläche 101 bereitgestellte erste Seitenelektrode 31 und eine auf einer Seitenoberfläche 102 bereitgestellte zweite Seitenelektrode 32. Für die inneren Elektrodenschichten sind die mit der ersten Seitenelektrode 31 kommunizierenden ersten inneren Elektrodenschichten 21 und die mit der zweiten Seitenelektrode 32 kommunizierenden zweiten inneren Elektrodenschichten 22 abwechselnd angeordnet.
Ferner sind gemäß der Darstellung erste vertiefte Grabenabschnitte 41 mit vertieften Gräben in der mit der ersten Seitenelektrode 31 des geschichteten Keramikkörpers 10 versehenen Seitenoberfläche 101 ausgebildet, wobei die Enden der zweiten inneren Elektrodenschichten 22 auf deren Bodenabschnitten 410 freigelegt sind, und zweite vertiefte Grabenabschnitte 42 mit vertieften Gräben sind in der mit der zweiten Seitenelektrode 32 versehenen Seitenoberfläche 102 ausgebildet, wobei die Enden der ersten inneren Elektrodenschichten 22 auf deren Bodenabschnitten 420 freigelegt sind. Die ersten vertieften Grabenabschnitte 41 und die zweiten vertieften Grabenabschnitte 42 sind mit dem isolierenden Füllmaterial 5 mit elektrischer Isolation gefüllt, so dass die Enden der zweiten inneren Elektrodenschichten 22 und die Enden der ersten inneren Elektrodenschichten 21 bedeckt sind. Obwohl eine bevorzugte Struktur mit den vorstehend beschriebenen vertieften Gräben bei dem vorliegenden Beispiel angewandt wurde, ist es auch möglich, eine Struktur zu erzeugen, bei der das isolierende Füllmaterial 5 als hügelartige Vorsprünge auf den flachen Oberflächen ohne die Ausbildung von vertieften Gräben angeordnet ist.
Die ersten inneren Elektrodenschichten 21 und die zweiten inneren Elektrodenschichten 22 gemäß dem vorliegenden Beispiel sind alle unter Verwendung von Cu-Metall (Kupfer) gebildet.
Die erste Seitenelektrode 31 und die zweite Seitenelektrode 32 sind beide durch Metall enthaltende Schichten 311 und 321 als den ersten Schichten und darauf angeordneten elektrisch leitenden Haftmitteln 312 und 322 gebildet. Maschenartige Elektroden 35 sind mit den elektrisch leitenden Haftmitteln 312 und 322 verbunden. Die Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 und die Elektroden 35 können unmittelbar miteinander verbunden sein.
Die Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 gemäß dem vorliegenden Beispiel enthalten 65 Gew.-% Silber und 35 Gew.-% Zinn, und sind aus gesinterten Schichten ausgebildet, was nachstehend beschrieben ist. Die elektrisch leitenden Haftmittel 312 und 322, welche die oberen Schichten ausbilden, umfassen ein Epoxidharz, das ein Silberfüllmaterial enthält.
Dabei ist gemäß 2 zwischen den Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 und den inneren Elektrodenschichten 21 und 22 eine Diffusionsschicht 25 ausgebildet, in die die Bestandteile (Cu, Sn) der beiden Schichten diffundiert sind.
Ferner ist gemäß 1 der beschichtete Keramikkörper 10 mit einem Silikonharz 7 als einem isolierenden Harz auf seinen gesamten Seitenoberflächen vergossen, so dass die Seitenelektroden 31 und 32 des vorstehend beschriebenen Aufbaus bedeckt sind.
Nachstehend ist ein Verfahren zum Herstellen des geschichteten piezoelektrischen Elements 1 beschrieben.
Zur Bereitstellung eines geschichteten piezoelektrischen Elements 1 gemäß dem vorliegenden Beispiel werden zumindest ein Schritt zum Ausbilden eines geschichteten Körpers durch abwechselndes Schichten der piezoelektrischen Schichten 11 und der inneren Elektrodenschichten 21 und 22 zum Ausbilden eines geschichteten Keramikkörpers 10, ein Schritt zum Anordnen eines isolierenden Füllmaterials durch Anordnen des isolierenden Füllmaterials 5 auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers 10 zur Herstellung einer elektrischen Isolierung zwischen den inneren Elektrodenschichten 21 und 22 und den Seitenelektroden 31 und 32, und ein Schritt zum Ausbilden von Metall enthaltenden Schichten durch Anordnen einer Paste mit einem Metallpulver mit geringem Schmelzpunkt, wobei der Schmelzpunkt nicht höher als 400°C ist, auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers 10, und Schmelzen des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt durch Erwärmen auf eine Temperatur von nicht mehr als 400°C gefolgt von dessen Erstarren zum Ausbilden der Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 ausgeführt.
<Schritt zum Ausbilden des geschichteten Körpers>
Zunächst wird ein Schritt zum Brennen der piezoelektrischen Schichten für den Erhalt der piezoelektrischen Schichten 11 durch Brennen von Keramikgrünlingen aus einem piezoelektrischen Material ausgeführt.
Bei dem vorliegenden Beispiel werden die Grünlinge gemäß nachstehender Beschreibung unter Verwendung von PZT für die piezoelektrischen Schichten 11 hergestellt. Zunächst werden Pulver aus Bleioxid, Zirkonoxid, Titanoxid, Nioboxid und Strontiumkarbonat als Hauptanfangsmaterialien für das piezoelektrische Material abgewogen, um eine gewünschte Zusammensetzung zu erhalten. In Anbetracht der Verdampfung von Blei wird zudem die Zusammensetzung so eingestellt, dass sie um 1 bis 2% reicher als das stöchiometrische Verhältnis der vorstehend angeführten Mischzusammensetzung ist. Die Zusammensetzung wird unter Verwendung einer Mischeinrichtung trockengemischt und dann bei 800 bis 950°C kalziniert.
Sodann wird dem kalzinierten Pulver reines Wasser und ein Dispergiermittel zur Herstellung einer wässrigen Masse daraus hinzugefügt, die sodann unter Verwendung einer Perlenmühle nasspulverisiert wird. Das pulverisierte Material wird getrocknet, entwachst, mit einem Lösungsmittel, einem Bindemittel, einem Weichmacher und einem Dispergiermittel vermengt, und die Bestandteile werden unter Verwendung einer Kugelmühle miteinander vermischt. Danach wird die wässrige Masse in einer Vakuumvorrichtung mit einem Rührvorgang unter Verwendung einer Rühreinrichtung zur Viskositätseinstellung entschäumt.
Sodann wird gemäß 4(a) die wässrige Masse in einen Grünling 110 mit einer vorbestimmten Dicke unter Verwendung einer Rakelklingenvorrichtung gegossen.
Gemäß 4(b) wird der Grünling 110 in einer kreisförmige Form durch Pressen mit einer Druckmaschine oder Beschneiden mit einer Schneidemaschine geformt. Die Form des Grünlings 110 kann in Abhängigkeit von der Form des geschichteten piezoelektrischen Elements variieren, das erhalten werden soll.
Danach wird der Grünling 110 entwachst und für den Erhalt einer piezoelektrischen Schicht 11 gebrannt. Das Entwachsen wird durchgeführt, indem der Grünling in einem elektrischen Ofen bei einer Temperatur von 400 bis 700°C für eine vorbestimmte Zeitdauer gehalten wird. Der Brennvorgang wird ausgeführt, indem der Grünling bei einer Temperatur von 900 bis 1200°C für eine vorbestimmte Zeitdauer gehalten wird. Somit wird bei dem vorliegenden Beispiel im Voraus eine gebrannte piezoelektrische Schicht 11 aus PZT erhalten, welche ein Oxid in einer Perovskitstruktur in der Art Pb(Zr, Ti)O₃ mit einer Dicke von 80 μm ist.
Nachfolgend wird gemäß den 4(c) und 4(d) ein Schritt zum Herstellen eines geschichteten Körpers durch abwechselndes Schichten der erhaltenen piezoelektrischen Schichten 11 und der Kupfer enthaltenden Elektrodenmaterialien 20 ausgeführt.
Bei dem vorliegenden Beispiel wird für das Elektrodenmaterial 20 eine aus Kupfer (mit einer Reinheit von 99,9%) bestehende Kupferfolie mit einer Dicke von 5 μm verwendet. Gemäß 4(c) weist die Kupferfolie dieselbe kreisförmige Form wie die piezoelektrische Schicht 11 auf. Nach den 4(d) und 4(e) wird ferner ein geschichteter Körper 100 durch abwechselndes Schichten der piezoelektrischen Schichten 11 und der Elektrodenmaterialien 20 erhalten. Auf dem oberen und dem unteren Ende des geschichteten Körpers 100 in der Schichtungsrichtung werden als Blindschichten dienende piezoelektrische Schichten angeordnet.
Gemäß 4(f) wird der geschichtete Körper 100 in einem Ofen in einem Zustand angeordnet, in dem eine Last (F) von etwa 3 MPa in der Schichtungsrichtung ausgeübt wird, wobei die Atmosphäre in dem Ofen bis zu einem Vakuumgrad von 1 × 10^–2 Pa herunterevakuiert wird, und ein N₂-Gas als Inertgas in den Ofen eingeführt wird, um den Druck im Ofen auf 10 Pa aufrecht zu erhalten. Die Temperatur wird bei 960°C für 10 Minuten gehalten, um die inneren Elektrodenschichten 21 und 22 aus dem vorstehend beschriebenen Elektrodenmaterial 20 mit den piezoelektrischen Schichten 11 durch einen Erwärmungsvorgang zu verbinden.
Somit wird ein zylindrischer geschichteter Keramikkörper 10 in einer Ganzoberflächenelektrodenstruktur erhalten, wobei die Enden von den inneren Elektrodenschichten 21 und 22 auf den gesamten Oberflächen freigelegt sind.
Nachdem die Seitenoberflächen des zylindrischen Körpers geschliffen wurden, bilden sodann gemäß 4(g) die beiden Seitenoberflächen ebene Oberflächen aus, so dass die kreisförmige Form in die Form eines Barrens überführt wird, und somit die Seitenoberflächen 101 und 102 ausgebildet sind.
Es sei angemerkt, dass bei dem vorliegenden Beispiel für den Erhalt des geschichteten Keramikkörpers 10 der geschichtete Körper durch Brennen der piezoelektrischen Schichten im Voraus ausgebildet wird. Anstatt dessen ist es jedoch auch möglich, ein beliebiges anderes Verfahren wie etwa ein Verfahren zum Brennen eines Laminats aus den Grünlingen zu verwenden.
<Schritt zum Anordnen des isolierenden Füllmaterials>
Danach werden gemäß 5(a) erste vertiefte Grabenabschnitte 41 (vergleiche 1) durch Führen eines Laserstrahls 9 entlang den Enden der zweiten inneren Elektrodenschichten 22 ausgebildet, die auf der Seitenoberfläche 101 des geschichteten Keramikkörpers freigelegt sind. In ähnlicher Weise werden ferner zweite vertiefte Seitenabschnitte 42 (vergleiche 1) durch Führen des Laserstrahls entlang den Enden der auf der Seitenoberfläche 101 des geschichteten Keramikkörpers 10 freigelegten ersten inneren Elektrodenschichten 21 ausgebildet. Bei dem vorliegenden Beispiel wird ein CO₂-Laserstrahl für die Bestrahlung und das Abtasten bei hoher Geschwindigkeit unter Verwendung einer galvanooptischen Rastervorrichtung verwendet. Die Gräben können sogar unter Verwendung eines Schleifvorgangs mit einem Schleifstein oder durch Abstrahlen anstelle der Bestrahlung mit einem Laserstrahl ausgebildet werden.
Die ersten vertieften Grabenabschnitte 41 und die zweiten vertieften Grabenabschnitte 42 weisen einen Querschnitt auf, der etwa 100 μm tief und 70 μm breit ist.
Sodann wird gemäß 5(b) ein isolierendes Füllmaterial 5 in den ersten vertieften Grabenabschnitt 41 und in die zweiten vertieften Grabenabschnitte 42 unter Verwendung eines Spenders aufgebracht, wonach ein Evakuierungsvorgang derart erfolgt, dass keine Lücke bezüglich den inneren Oberflächen der ersten vertieften Grabenabschnitte 41 und der zweiten vertieften Grabenabschnitte 42 verbleibt. Als weiteres Aufbringungsverfahren kann ferner ein Siebdruckvorgang oder ein Metallmaskendruckvorgang verwendet werden. Ein Polyimid wird für das isolierende Füllmaterial 5 verwendet.
Danach wird das isolierende Füllmaterial durch eine Wärmebehandlung ausgeheilt, bei der eine Temperatur bei 200°C für 60 Minuten aufrecht erhalten wird. Sodann wird das aus den ersten vertieften Grabenabschnitten 41 und den zweiten vertieften Grabenabschnitten 42 überfließende isolierende Füllmaterial 5 durch einen Flachschleifvorgang abgekratzt.
<Schritt zum Ausbilden der Metall enthaltenden Schichten>
Daraufhin werden Metall enthaltende Schichten 311 und 321 auf den Seitenoberflächen 101 und 102 des geschichteten Keramikkörpers 10 ausgebildet. Zunächst wird gemäß 6(a) eine 65 Gew.-% eines Silberpulvers und 35 Gew.-% eines Zinnpulvers enthaltende Metallpaste vorbereitet, und die Metallpaste wird durch einen Siebdruckvorgang auf die Seitenoberflächen 101 und 102 des geschichteten Keramikkörpers 10 aufgebracht. Die gedruckten Oberflächen werden in einer (nicht gezeigten) Spannvorrichtung gehalten und bei einer Temperatur von 250°C unter einem Druckzustand mit einer aufgebrachten Last von etwa 3 MPa erwärmt.
Zinn weist einen Schmelzpunkt von etwa 232°C auf, verflüssigt sich bei der Erwärmung und verteilt sich in ausreichendem Ausmaß unter dem Silberpulver. Die Endoberflächen der piezoelektrischen Schichten 11 auf den Seitenoberflächen 101 und 102 des geschichteten Keramikkörpers 10 und die Endoberflächen der inneren Elektrodenschichten 21 und 22 werden in einem ausreichenden Ausmaß benetzt. Danach wird nach dem Abschluss des Erwärmungsvorgangs ein Abkühlvorgang bewirkt. Folglich wird die Metallpaste zur Ausbildung der Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 gesintert. Gemäß 2 bildet sich zudem zwischen den Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 und den inneren Elektrodenschichten 21 und 22 eine legierungsdiffundierte Schicht 25 aus, in der hauptsächlich Zinn an den Enden der inneren Elektrodenschichten aus Kupfer diffundiert ist.
Dann werden gemäß 6(b) elektrisch leitende Haftmittel 312 und 322 mit einem Epoxidharz, dem ein Silberfüllmaterial in einer Menge von 70 Gew.-% hinzugefügt ist, auf die Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 aufgebracht. Danach werden darauf gemäß 6(c) maschenartige Elektroden 35 angeordnet, und danach die elektrisch leitenden Haftmittel 312 und 322 ausgeheilt. Somit liegen Seitenelektroden 31 und 32 in einer Zweischichtstruktur mit den Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 und den elektrisch leitenden Haftmitteln 312 und 322 vor, und die Elektroden 35 sind damit verbunden.
Daraufhin wird der geschichtete Keramikkörper 10 mit den Seitenelektroden 31 und 32 und den Herausführungselektroden mit einem Silikonharz 7 über seinen gesamten Umfang vergossen, um das geschichtete piezoelektrische Element 1 zu vervollständigen.
Nachstehend ist die Wirkung des geschichteten piezoelektrischen Elementes 1 gemäß dem vorliegenden Beispiel beschrieben.
Nach vorstehender Beschreibung weist das geschichtete piezoelektrische Element 1 gemäß dem vorliegenden Beispiel Seitenelektroden 31 und 32 mit Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 auf, die in unmittelbarem Kontakt mit den Seitenoberflächen 101 und 102 des geschichteten Keramikkörpers 10 kommen. Die Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 enthalten Zinn als Metall mit geringem Schmelzpunkt, wobei der Schmelzpunkt nicht mehr als 400°C beträgt. Das Metall mit geringem Schmelzpunkt wird auf die Seitenoberflächen 101 und 102 des geschichteten Keramikkörpers 10 aufgeschmolzen und wieder zum Erstarren gebracht.
Genauer werden die Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 verfestigt, nachdem Zinn in flüssiger Form völlig auf den Endoberflächen der piezoelektrischen Schichten auf den Seitenoberflächen 101 und 102 des geschichteten Keramikkörpers 10 und auf die Endabschnitte der inneren Elektrodenschichten 21 und 22 anhaftet. Daher haften die Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 ausgezeichnet an den Seitenoberflächen 101 und 102 des geschichteten Keramikkörpers 10 an, und sie haften in einem ausreichenden Ausmaß an den Endoberflächen der inneren Elektrodenschicht 21 und 22 an, die durch Freilegen auf den Seitenoberflächen 101 und 102 des geschichteten Keramikkörpers 10 leitend ausgebildet sein sollen. Bei dem Schritt, bei dem die Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 geschmolzen und zum Erstarren gebracht werden, diffundiert ferner Zinn zumindest teilweise in das Kupfer, das die inneren Elektrodenschichten 21 und 22 bildet, wodurch die Diffusionsschicht 25 ausgebildet wird. Daher sind die inneren Elektrodenschichten 21 und 22 und die Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 sehr stark miteinander verbunden.
Bei dem vorliegenden Beispiel enthalten die Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 eine Legierung aus Silber und Zinn. Die Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 enthalten nämlich Silber als Metall mit geringem Widerstand und Zinn als Metall mit geringem Schmelzpunkt. Dies ermöglicht die Bewahrung einer Übergangszuverlässigkeit aufgrund des Metalls mit geringem Schmelzpunkt sowie die Bewahrung einer elektrischen Leitfähigkeit aufgrund des Metalls mit geringem Widerstand.
Bei der Ausbildung der Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 wird das Metall mit geringem Schmelzpunkt bei einer Erwärmungstemperatur geschmolzen, die auf nicht mehr als 400°C eingestellt ist. Daher kann eine nachteilige Wirkung auf den geschichteten Keramikkörper 10 aufgrund hoher Temperaturen verringert werden. Im Übrigen ist es nicht nötig, den geschichteten Keramikkörper 10 in eine Plattierungslösung einzutauchen, was die nachteilige Wirkung des Plattierungsvorgangs verursacht. Folglich wird das resultierende geschichtete piezoelektrische Element 1 in einem Zustand gehalten, in dem der geschichtete Keramikkörper 10 sehr gut ist.
Daher weist das bei dem vorliegenden Beispiel erzeugte geschichtete piezoelektrische Element 1 einen hochzuverlässigen Übergang zwischen den inneren Elektrodenschichten 21 und 22 und den Seitenelektroden 31 und 32 auf, und zeigt eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit, wobei die dem geschichteten keramischen Körper zu eigenen Eigenschaften effektiv hervorgebracht werden.
Der das geschichtete piezoelektrische Element 1 gemäß dem vorliegenden Beispiel bildende geschichtete Keramikkörper 10 weist im Querschnitt eine Barrenform nach 3 auf. Alternativ kann eine in 7 gezeigte quadratische Form, sowie eine kreisrunde Form, eine hexagonale Form, eine oktagonale Form oder dergleichen im Querschnitt angewendet werden.
Beispiel 2
Bei dem vorliegenden Beispiel wurden die Kontaktwiderstände zwischen den inneren Elektrodenschichten 21 und 22 und den Seitenelektroden 31 und 32 bei dem bei Beispiel 1 erzeugten geschichteten piezoelektrischen Element 1 zum Bewerten der Übergangszuverlässigkeit gemessen.
Zu Vergleichzwecken wurde ein geschichtetes piezoelektrisches Element hergestellt, indem die Seitenelektrode des geschichteten piezoelektrischen Elementes 1 unter Verwendung von lediglich einer Schicht des elektrisch leitenden Haftmittels aber ohne die Ausbildung der Metall enthaltenden Schicht ausgebildet wurde, und auf dieselbe Weise bewertet.
Die Kontaktwiderstände zwischen den inneren Elektrodenschichten und der Seitenelektrode wurden für alle 250 geschichteten Schichten gemessen. Die Messung erfolgte unter Verwendung eines digitalen Multimeters, indem entweder die erste Seitenelektrode 31 oder die zweite Seitenelektrode 32 entweder mit einem (+)-Anschluss oder einem (–)-Anschluss des digitalen Multimeters verbunden wurde und deren äußerer Anschluss mit der inneren Seitenelektrode verbunden wurde, die mit der Seitenelektrode verbunden ist, die entweder den (+)-Anschluss oder den (–)-Anschluss kontaktiert. Zum Messen des Kontaktwiderstands zwischen beispielsweise der zweiten Seitenelektrode 32 und der damit verbundenen zweiten inneren Elektrodenschicht 22 wurde gemäß 8 im Einzelnen die zweite Seitenelektrode 32 mit entweder dem (+)-Anschluss oder dem (–)-Anschluss (beispielsweise dem (+)-Anschluss 81) des (nicht gezeigten) digitalen Multimeters verbunden, und der andere Anschluss (beispielsweise der (–)-Anschluss 82) des digitalen Multimeters wurde mit der zweiten inneren Elektrodenschicht 22 zum Messen des Widerstands verbunden.
9 zeigt die Messergebnisse des geschichteten piezoelektrischen Elements 1 als dem erfindungsgemäßen Erzeugnis, und 10 zeigt die Messergebnisse für das Vergleichserzeugnis. In den Figuren repräsentiert die Abszisse die Anzahl der geschichteten Schichten und die Ordinate repräsentiert die Kontaktwiderstände (Ω). Die Seite der ersten Seitenelektrode wird durch schwarze Kreise (•) oder schwarze Rauten (♦) und die Seite der zweiten Seitenelektrode wird durch weiße Kreise (o) repräsentiert. In 10 sind zudem die Werte oftmals überskaliert, und die benachbarten gezeichneten Punkte sind durch durchgezogene Linien oder gestrichelte Linien verbunden.
Wie aus den Figuren ersichtlich ist, differieren im Falle des Vergleichserzeugnisses die Kontaktwiderstände in Abhängigkeit von den inneren Elektrodenschichten zu einem sehr großen Ausmaß und sind nicht stabil. Bei dem geschichteten piezoelektrischen Element als erfindungsgemäßem Erzeugnis zeigen andererseits die inneren Elektrodenschichten alle sehr niedrige Kontaktwiderstände. Es ist daher ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Erzeugnis eine hochzuverlässige Verbindung mit den Seitenelektroden zeigt, während eine verbesserte Stabilität aufrecht erhalten wird.
Beispiel 3
Bei dem vorliegenden Beispiel wird ein synthetisches Harz den Metall enthaltenden Schichten 311 und 321 bei dem geschichteten piezoelektrischen Element 1 nach Beispiel 1 hinzugefügt.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung des geschichteten piezoelektrischen Elements nach dem vorliegenden Beispiel wird eine elektrisch leitende Paste hergestellt, indem ein synthetisches Harz einer Metallpaste hinzugefügt wird, die 65 Gew.-% eines Silberpulvers und 35 Gew.-% eines Zinnpulvers enthält, wie es bei Beispiel 1 verwendet ist. Die elektrisch leitende Paste wird auf die Seitenoberflächen 101 und 102 des geschichteten Keramikkörpers 10 aufgebracht und unter Aufbringung eines Drucks auf 250°C erwärmt. Somit werden die Metall enthaltenden Schichten 311 und 321, denen das synthetische Harz hinzugefügt ist, auf den Seitenoberflächen 101 und 102 des geschichteten Keramikkörpers 10 ausgebildet. Dabei sei angemerkt, dass bei dem vorliegenden Beispiel das Imidharz als das synthetische Harz verwendet wurde, welches gut an der Keramik anhaftet und eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit aufweist, aber es kann alternativ ein Silikonharz, ein Urethanharz oder ein Epoxidharz verwendet werden.
Ansonsten wird das geschichtete piezoelektrische Element gemäß dem vorliegenden Beispiel durch dasselbe Verfahren wie das nach Beispiel 1 hergestellt.
Bei dem vorliegenden Beispiel werden die geschichteten piezoelektrischen Elemente durch Variieren der Menge des synthetischen Harzes (Imidharz) hergestellt, die der Metallpaste bei dem Schritt zum Ausbilden der Metall enthaltenden Schichten bei dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren hinzugefügt wird. Die geschichteten piezoelektrischen Elemente werden sodann bezüglich ihrer Haftungsstärke, ihres Kontaktwiderstands und der Dicke der Diffusionsschichten bewertet. Die Bewertungsverfahren und die Ergebnisse sind nachstehend unter Bezugnahme auf die 11 und 12 beschrieben.
Es sei angemerkt, dass die Zugabemenge für das synthetische Harz das Verhältnis aus der Menge des synthetischen Harzes ist, die hinzugefügt wird, wenn die Menge der Metallpaste (65 Gew.-% Silber, 35 Gew.-% Zinn) zu 100 Gew.-% angenommen wird, und steht für die Menge, die schließlich als fester Bestandteil verbleibt, ohne dass flüchtige Bestandteile enthalten bleiben. Die Haftungsstärke misst die Stärke der Anhaftung der Metall enthaltenden Schicht mit der Seitenoberfläche des geschichteten Keramikkörpers. Das Messverfahren umfasst das Anbringen einer Mutter mit einem Haftmittel an die Oberfläche der auf die Seitenoberfläche des geschichteten Keramikkörpers ausgebildeten Metall enthaltenden Schicht, und das Ziehen an der Mutter zum Auffinden der Haftungsfestigkeit.
11 zeigt die Messergebnisse für die Haftungsstärke. In 11 repräsentiert die Ordinate die relative Haftungsstärke und die Abszisse repräsentiert die Zugabemenge des synthetischen Harzes (Gew.-%). Bezüglich der relativen Haftungsstärke entlang der Ordinate bezeichnet die 1 eine Haftungsstärke, wenn kein synthetischer Harz hinzugefügt ist (d.h., wenn die Zugabemenge 0 Gew.-% beträgt).
Wie aus 11 ersichtlich ist, steigt die Haftungsstärke mit steigender Zugabemenge des synthetischen Harzes. Genauer ist ersichtlich, dass durch Hinzufügen des synthetischen Harzes zu der Metall enthaltenden Schicht die Anhaftung zwischen den Metall enthaltenden Schichten und den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers verbessert wird.
Danach wurde der Kontaktwiderstand zwischen der inneren Elektrodenschicht und der Seitenelektrode gemessen. Das Messverfahren ist dasselbe wie bei Beispiel 2; das heißt der Widerstand wird für alle 250 Schichten gemessen, die geschichtet sind, und der Durchschnittswert wird gebildet.
Die Dicke der Diffusionsschicht misst die Dicke der zwischen den Metall enthaltenden Schichten und den inneren Elektrodenschichten ausgebildeten Diffusionsschicht. Das Messverfahren besteht aus einem Schneiden des geschichteten piezoelektrischen Elementes in der Axialrichtung des geschichteten Keramikkörpers, sowie einer Betrachtung des Zustands, bei dem sich das in der Metall enthaltenden Schicht enthaltende Zinn in die inneren Elektrodenschichten diffundiert, indem eine EPMA-Vorrichtung (Röntgenstrahlenmikroanalysevorrichtung) verwendet wird, um die Dicke W der Diffusionsschicht herauszufinden (vergleiche 2).
12 zeigt die Messergebnisse für den Kontaktwiderstand und die Dicke der Diffusionsschicht. In 12 repräsentiert die Ordinate den relativen Widerstand und die Dicke der Diffusionsschicht (μm) und die Abszisse repräsentiert die Zugabemenge für den synthetischen Harz (Gew.-%). Bezüglich des relativen Widerstands entlang der Ordinate bezeichnet die Zahl den Widerstand, wenn kein synthetischer Harz hinzugefügt ist.
Wie aus 12 ersichtlich ist, steigt der Widerstand allmählich mit einem Anstieg bei der Zugabemenge des synthetischen Harzes, und wenn die Zugabemenge 30 Gew.-% überschreitet, steigt er scharf an. Zudem verringert sich entgegen dem Widerstand die Dicke der Diffusionsschicht mit einem Anstieg in der Zugabemenge des synthetischen Harzes und wird nahezu Null (0), wenn das Verhältnis der Zugabe 40 Gew.-% erreicht. Aus Vorstehendem ist ersichtlich, dass die Leitfähigkeit und Zuverlässigkeit des Übergangs zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Seitenelektroden mit einem Anstieg in der Zugabemenge des synthetischen Harzes sinkt. Die Leitfähigkeit und Zuverlässigkeit des Übergangs sinkt stark ab, wenn die Zugabemenge 30 Gew.-% überschreitet.
Aus der vorstehenden Bewertung ist es wünschenswert, dass wenn die Bestandteile der Metall enthaltenden Schicht unter Ausschluss des synthetischen Harzes zu 100 Gew.-% betrachtet werden, die Zugabemenge des synthetischen Harzes 1 bis 30 Gew.-% beträgt. Dabei kann die Anhaftung zwischen den Metall enthaltenden Schichten und den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers verbessert sein, während die Leitfähigkeit und die Übergangszuverlässigkeit zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Seitenelektroden aufrecht erhalten wird.
Es ist ferner erwünscht, dass der synthetische Harz in einer Menge von 5 bis 10 Gew.-% zugefügt wird, falls die vorstehend beschriebenen Wirkungen zuverlässiger und vollständiger erreicht werden sollen.
Beispiel 4
Bei dem vorliegenden Beispiel wird der Wärmedurchlauftest, d.h. ein Abkühl-/Erwärmungszyklustest, durchgeführt, und unter Verwendung des geschichteten piezoelektrischen Elements nach Beispiel 3 bewertet, das den synthetischen Harz in einer Menge von 5 Gew.-% enthält (was als erfindungsgemäßes Erzeugnis 1 bezeichnet wird).
Zu Vergleichszwecken wird zudem ein geschichtetes piezoelektrisches Element nach Beispiel 1 ohne synthetischen Harz (was als erfindungsgemäßes Erzeugnis 2 bezeichnet ist) und ein bekanntes geschichtetes piezoelektrisches Element unter Verwendung eines elektrisch leitenden Haftmittels (ein Epoxidharz, dem ein Silberfüllmaterial in einer Menge von 70 Gew.-% hinzugefügt ist) für die Seitenelektroden verwendet, um diese auf dieselbe Weise zu bewerten.
Der Wärmezyklustest misst den Kontaktwiderstand (den Widerstand zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Seitenelektroden), wenn die Wärmedurchläufe bewirkt werden. Das Messverfahren besteht daraus, die geschichteten piezoelektrischen Elemente einem Wärmedurchlaufvorgang mit einer Minimaltemperatur von –40°C (für 1 Stunde) und einer Maximaltemperatur von 160°C (für 1 Stunde) zu unterwerfen, und den Widerstand zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Seitenelektroden während des Durchlaufvorgangs für alle geschichteten 250 Schichten auf dieselbe Weise wie bei Beispiel 2 zu messen, damit Durchschnittswerte für sie gebildet werden.
13 zeigt die Messergebnisse des Wärmedurchlauftests. In 13 repräsentiert die Ordinate den relativen Widerstand und die Abszisse repräsentiert die relative Anzahl an Wärmedurchläufen. Die relativen Widerstände der Ordinate sind jene, wenn kein synthetischer Harz hinzugefügt wird, und die Zahl 1 repräsentiert die Widerstände vor dem Durchführen des Wärmedurchlauftests. Bezüglich der Anzahl der Wärmedurchläufe entlang der Abszisse ist die Anzahl der Wärmedurchläufe zum Erfüllen des Standards der Erzeugnisse auf 1 eingestellt. In 13 bezeichnet E1 die Messergebnisse des erfindungsgemäßen Erzeugnisses 1, E2 bezeichnet die Messergebnisse für das erfindungsgemäße Erzeugnis 2 und C bezeichnet die Messergebnisse des bekannten Erzeugnisses.
Wie aus 13 ersichtlich ist, zeigt das bekannte Erzeugnis (C) einen hohen Anfangswiderstand, der sich zudem mit steigender Anzahl an Wärmedurchläufen erhöht. Andererseits bewahren das erfindungsgemäße Erzeugnis 1 (E1) und das erfindungsgemäße Erzeugnis 2 (E2) die Anfangswiderstände, selbst falls die Anzahl der Wärmedurchläufe die Standards der Erzeugnisse erfüllt (relative Anzahl 1 an Wärmedurchläufen). Das erfindungsgemäße Erzeugnis 1 behält den Anfangswiderstand trotz einem Anstieg der Anzahl der Wärmedurchläufe. Demzufolge zeigen das erfindungsgemäße Erzeugnis 1 und das erfindungsgemäße Erzeugnis 2 einen hochzuverlässigen Übergang zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Seitenelektroden und sie zeigen eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit.
Beispiel 5
Bei dem vorliegenden Beispiel wird das geschichtete piezoelektrische Element 1 nach Beispiel 1 für den piezoelektrischen Aktuator einer Injektionseinrichtung 6 verwendet.
Gemäß 14 wird die Injektionseinrichtung 6 gemäß dem vorliegenden Beispiel auf das Injektionssystem mit gemeinsamer Kraftstoffleitung für Dieselmotoren angewendet.
Gemäß der Darstellung weist die Injektionseinrichtung 6 ein oberes Gehäuse 62 mit dem geschichteten piezoelektrischen Element 1 als Ansteuerungseinheit sowie ein mit dessen oberen Ende fixiertes und einen Injektionsdüsenabschnitt 64 darin ausbildendes unteres Gehäuse 63 auf.
Das obere Gehäuse 62 weist eine nahezu zylindrische Form auf, und umfasst ein geschichtetes piezoelektrisches Element 1, das in ein von der Zentralachse abweichendes Längsloch 621 eingefügt und fixiert ist.
Eine Hochdruckbrennstoffpassage 632 ist parallel zu der Seite des Längslochs 621 bereitgestellt, und ein oberer Endabschnitt davon kommuniziert mit einer (nicht gezeigten) externen gemeinsamen Kraftstoffleitung durch eine an einem oberen Seitenabschnitt des Gehäuses 62 vorstehende Brennstoffeinlassröhre 623.
Auf einem oberen Seitenabschnitt des oberen Gehäuses 62 ragt zudem eine Brennstoffleitröhre 625 hervor, die mit einer Abflusspassage 624 kommuniziert. Der aus der Brennstoffleitröhre 625 herausfließende Brennstoff wird einem (nicht gezeigten) Brennstofftank zurückgeführt.
Die Abflusspassage 624 passiert durch eine Lücke 60 zwischen dem Längsloch 621 und der Ansteuerungseinheit (dem piezoelektrischen Element) 1, und kommuniziert mit einem Dreiwegeventil 651, das nachstehend beschrieben ist, durch eine (nicht gezeigte) Passage, die sich von der Lücke 60 durch das obere und das untere Gehäuse 62 und 63 abwärts erstreckt.
Der Injektionsdüsenabschnitt 64 umfasst eine Düsennadel 641, die in einem Kolbenkörper 63 auf und ab gleitet, sowie ein Injektionsloch 643, das durch die Düsennadel 641 geöffnet und geschlossen wird, um in jeden Zylinder des Motors den von einem Brennstoffreservoir 642 zugeführten Hochdruckbrennstoff zu injizieren. Das Brennstoffreservoir 642 wird einen Zwischenabschnitt der Düsennadel 641 umgebend bereitgestellt, und das untere Ende der Hochdruckbrennstoffpassage 622 wird darin geöffnet. Die Düsennadel 641 empfängt den Brennstoffdruck in der Öffnungsrichtung des Ventils von dem Brennstoffreservoir 642, und es empfängt den Brennstoffdruck in der Schließrichtung des Ventils von einer der oberen Endoberfläche zugewandten Rückdruckkammer 644. Wenn der Druck in der Rückdruckkammer 644 fällt, wird die Düsennadel 641 gehoben, und das Injektionsloch 643 wird zur Injektion des Brennstoffs geöffnet.
Der Druck in der Rückdruckkammer 644 erhöht oder verringert sich durch das Dreiwegeventil 651. Das Dreiwegeventil 651 kommuniziert selektiv mit der Rückdruckkammer 644 und der Hochdruckbrennstoffpassage 622 oder mit der Abflusspassage 624. Dabei weist das Dreiwegeventil 651 einen kugelförmigen Ventilkörper zum Öffnen und Schließen des Anschlusses auf, der mit der Hochdruckbrennstoffpassage 622 oder der Abflusspassage 624 kommuniziert. Der Ventilkörper wird durch die Ansteuerungseinheit 1 durch einen darunter angeordneten Kolben 652 mit großem Durchmesser, eine hydraulische Kammer 653 und einen Kolben 654 mit kleinem Durchmesser angesteuert.
Bei dem vorliegenden Beispiel wird das geschichtete piezoelektrische Element 1 nach Beispiel 1 als Ansteuerungsquelle für die Injektionseinrichtung 6 verwendet, die nach vorstehender Beschreibung gebildet ist. Gemäß vorstehender Beschreibung zeigt das geschichtete piezoelektrische Element 1 eine hochzuverlässige Isolationsstruktur zwischen den inneren Elektrodenschichten 21 und 22 und den Seitenelektroden 31 und 32 und weist eine ausgezeichnete Beständigkeit auf. Selbst wenn es auf die Injektionseinrichtung 6 angewendet wird, die unter den schweren Bedingungen einer lokalen Hochtemperaturatmosphäre verwendet wird, wird daher das Auftreten von Rissen während des Betriebs unterdrückt, und die Beständigkeit wird zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Injektionseinrichtung 6 als Ganzes verbessert.
So umfasst nach vorstehender Beschreibung ein geschichtetes piezoelektrisches Element 1 einen geschichteten Keramikkörper 10 mit abwechselnd geschichteten piezoelektrischen Schichten 11 aus einem piezoelektrischen Material und inneren Elektrodenschichten 21, 22 mit elektrischer Leitfähigkeit, sowie ein Seitenelektrodenpaar 31, 32, das auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers 10 bereitgestellt und mit den inneren Elektrodenschichten 21, 22 abwechselnd verbunden ist, wobei ein isolierendes Füllmaterial 5 mit elektrischer Isolation an Abschnitten angeordnet ist, wo die elektrische Isolation entlang den Seitenelektroden 31, 32 und den inneren Elektrodenschichten 21, 22 zu erreichen ist. Die Seitenelektroden 31, 32 enthalten ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, wobei der Schmelzpunkt nicht mehr als 400°C beträgt, und Metall enthaltende Schichten 311, 321, die durch Schmelzen des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers 10 gefolgt von deren Erstarren ausgebildet sind, wobei die Metall enthaltenden Schichten 311, 321 unmittelbar mit den Enden der inneren Elektrodenschichten 21, 22 verbunden sind, mit denen die Metall enthaltenden Schichten 311, 321 elektrisch verbunden sein sollen.

Claims

Geschichtetes piezoelektrisches Element mit einem geschichteten Keramikkörper mit abwechselnd geschichteten piezoelektrischen Schichten aus einem piezoelektrischen Material und inneren Elektrodenschichten mit elektrischer Leitfähigkeit, sowie einem auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers bereitgestellten Seitenelektrodenpaar, das mit den inneren Elektrodenschichten abwechselnd verbunden ist, wobei ein isolierendes Füllmaterial mit elektrischer Isolation an Abschnitten angeordnet ist, wo die elektrische Isolation entlang den Seitenelektroden und den inneren Elektrodenschichten zu erreichen ist, wobei die Seitenelektroden ein Metall mit geringem Schmelzpunkt enthalten, wobei der Schmelzpunkt nicht höher als 400°C ist, und Metall enthaltende Schichten aufweisen, die durch Schmelzen des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers gefolgt von dessen Erstarren ausgebildet sind, wobei die Metall enthaltenden Schichten unmittelbar mit den Enden der inneren Elektrodenschichten verbunden sind, mit denen die Metall enthaltenden Schichten elektrisch verbunden sein sollen.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, wobei eine Diffusionsschicht zwischen der Metall enthaltenden Schicht und der inneren Elektrodenschicht vorliegt, wobei die Bestandteile der beiden Schichten in die Diffusionsschicht diffundiert sind.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Metall enthaltende Schicht ein Metall mit geringem elektrischen Widerstand mit einem spezifischen Widerstand von nicht mehr als 10 μΩ·cm bei einer Temperatur von 20°C enthält.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Metall enthaltende Schicht eine Legierung umfasst, die zumindest Silber oder Kupfer und zumindest Zinn, Indium oder Gallium enthält.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 4, wobei die Metall enthaltende Schicht eine Legierung aus Silber und Zinn umfasst.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein synthetisches Harz der Metall enthaltenden Schicht zugefügt ist.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 6, wobei, wenn die Bestandteile der Metall enthaltenden Schicht außer dem synthetischen Harz 100 Gew.-% enthalten, die Zugabemenge des synthetischen Harzes in einem Bereich von 1 bis 30 Gew.-% liegt.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei vertiefte Gräben in der Seitenoberfläche des geschichteten Keramikkörpers an Positionen ausgebildet sind, wo das isolierende Füllmaterial anzuordnen ist, wodurch ein Freiliegen der Enden der inneren Elektrodenschichten an deren Bodenabschnitten ermöglicht wird, und wobei die vertieften Gräben mit dem isolierenden Füllmaterial gefüllt sind.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Elektrode zum Zuführen von elektrischer Energie an die Seitenelektroden unmittelbar mit den Metall enthaltenden Schichten verbunden ist.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 9, wobei eine zweite Diffusionsschicht zwischen der Elektrode und der Metall enthaltenden Schicht vorliegt, und die Bestandteile der beiden Schichten in die Diffusionsschicht diffundiert sind.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Elektrode zum Zuführen von elektrischer Energie an die Seitenelektroden mit einem elektrisch leitenden Haftmittel verbunden ist, das auf die Metall enthaltenden Schichten aufgebracht ist.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 11, wobei das elektrisch leitende Haftmittel dieselben Metallelemente wie die in den Metall enthaltenden Schichten enthaltenen Metalle enthält.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die inneren Elektrodenschichten Kupfer als elektrisch leitendes Material enthalten.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der geschichtete Keramikkörper mit einem isolierenden Harz auf seinen gesamten Seitenoberflächen vergossen ist.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das geschichtete piezoelektrische Element ein piezoelektrischer Aktuator für eine Injektionseinrichtung ist, der als Ansteuerungsquelle für die Injektionseinrichtung verwendet wird.
Injektionseinrichtung, in der ein Ventilkörper unter Verwendung der Verschiebung eines piezoelektrischen Aktuators zum Steuern der Injektion von Brennstoff geöffnet oder geschlossen wird, wobei der piezoelektrische Aktuator ein geschichtetes piezoelektrisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines geschichteten piezoelektrischen Elementes mit einem geschichteten Keramikkörper mit abwechselnd geschichteten piezoelektrischen Schichten aus einem piezoelektrischem Material und inneren Elektrodenschichten mit elektrischer Leitfähigkeit, sowie einem auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers bereitgestellten Seitenelektrodenpaar, das mit den inneren Elektrodenschichten abwechselnd kommuniziert, mit den Schritten: Ausbilden eines geschichteten Körpers durch abwechselndes Schichten der piezoelektrischen Schichten und der inneren Elektrodenschichten zur Ausbildung eines geschichteten Keramikkörpers; Anordnen eines isolierenden Füllmaterials auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers zum Erreichen einer elektrischen Isolation zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Seitenelektroden; und Anordnen einer Paste mit einem Metallpulver mit geringem Schmelzpunkt, wobei der Schmelzpunkt nicht höher als 400°C liegt, auf den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers, und Schmelzen des Metalls mit geringem Schmelzpunkt durch dessen Erwärmung bei einer Temperatur von nicht mehr als 400°C, gefolgt von einem Erstarren des Metalls mit geringem Schmelzpunkt zur Ausbildung von Metall enthaltenden Schichten.
Verfahren zum Erzeugen eines geschichteten piezoelektrischen Elements nach Anspruch 17, wobei das Erwärmen bei dem Schritt zum Ausbilden der Metall enthaltenden Schichten unter einem Druck von 0,5 bis 20 MPa ausgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines geschichteten piezoelektrischen Elements nach Anspruch 17 oder 18, ferner mit dem Schritt zum Ausbilden von vertieften Gräben in den Seitenoberflächen des geschichteten Keramikkörpers an Positionen, wo das isolierende Füllmaterial anzuordnen ist, wobei ein Freiliegen der Enden der inneren Elektrodenschichten an deren Bodenabschnitten ermöglicht wird, gefolgt von dem Schritt des Anordnens des isolierenden Füllmaterials.
Verfahren zur Herstellung eines geschichteten piezoelektrischen Elements nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Erwärmungstemperatur bei dem Schritt zum Ausbilden der Metall enthaltenden Schichten in einem Bereich von 100 bis 400°C liegt.
Verfahren zur Herstellung eines geschichteten piezoelektrischen Elements nach Anspruch 20, wobei die Erwärmungstemperatur bei dem Schritt zum Ausbilden der Metall enthaltenden Schichten in einem Bereich von 200 bis 300°C liegt.
Verfahren zur Herstellung eines geschichteten piezoelektrischen Elements nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die Metall enthaltende Schicht eine zumindest Silber oder Kupfer und zumindest Zinn, Indium oder Gallium enthaltende Legierung umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines geschichteten piezoelektrischen Elements nach Anspruch 22, wobei die Metall enthaltende Schicht eine Silber und Zinn enthaltende Legierung umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines geschichteten piezoelektrischen Elements nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei der Metall enthaltenden Schicht ein synthetischer Harz hinzugefügt wird.
Verfahren zur Herstellung eines geschichteten piezoelektrischen Elements nach Anspruch 24, wobei wenn die Bestandteile der Metall enthaltenden Schicht außer dem synthetischen Harz zu 100 Gew.-% enthalten sind, die Zugabemenge des synthetischen Harzes in einem Bereich von 1 bis 30 Gew.-% liegt.