DE102006035470A1

DE102006035470A1 - Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements

Info

Publication number: DE102006035470A1
Application number: DE200610035470
Authority: DE
Inventors: Akio Kariya Iwase; Shige Kariya Kadotani; Tetsuji Kariya Itou
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2007-06-28
Also published as: US7594309B2; US20070124903A1; JP2007157849A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements, bei dem ein Keramikschichtkörper darin durch einen Zwischenschichtkörperbildungsschritt, in dem ein Zwischenschichtkörper (100) gebildet wird, indem Grünlagen (110), die als die piezoelektrischen Schichten dienen, und Innenelektrodenschichten (20) abwechselnd aufgeschichtet werden, und ein Kalzinierungsschritt gebildet wird, in dem der Keramikschichtkörper durch Kalzinieren des Zwischenschichtkörpers (100) gebildet wird. In dem Zwischenschichtkörperbildungsschritt werden im Zwischenschichtkörper (100) ein Überlappungsabschnitt (108) und ein Nichtüberlappungsabschnitt (109) gebildet und werden in zumindest einem Teil des Abschnitts, der zu dem Nichtüberlappungsabschnitt (109) wird, im Voraus Hohlräume (40) gebildet. In dem Kalzinierungsschritt werden Schwächungsschichten gebildet, die die Hohlräume (40) enthalten.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements, das zum Beispiel bei piezoelektrischen Aktoren und dergleichen angewendet werden kann.
Stand der Technik

In den letzten Jahren sind unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs, der Abgasemissionen usw. von Kraftfahrzeugen Einspritzdüsen für die Kraftstoffeinspritzung in Kraftfahrzeugen entwickelt worden, die piezoelektrische Schichtelemente verwenden.

Ein piezoelektrisches Schichtelement hat einen Keramikschichtkörper, der durch abwechselndes Aufschichten von piezoelektrischen Schichten aus zum Beispiel einem piezoelektrischen Material und Innenelektrodenschichten mit elektrischer Leitfähigkeit erzielt wird und der mit seinen Seitenflächen verbundene Außenelektroden hat. Wenn entlang der Innenelektrodenschichten eine Spannung angelegt wird, erfahren die piezoelektrischen Schichten eine Verschiebung, die das piezoelektrische Schichtelement antreibt.

Einige piezoelektrische Schichtelemente haben einen Nichtpolaufbau (engl.: non-pole structure), in dem die Innenelektrodenschichten nicht auf den Seitenflächen, sondern auf der anderen Seite im Keramikschichtkörper ausgebildet sind, um die elektrische Isolation auf der Außenumfangsfläche des Keramikschichtkörpers zu erhöhen (siehe hierzu die JP 2001-135872 A).

Wenn die Schichtkeramik in Aufschichtungsrichtung betrachtet wird, hat das piezoelektrische Schichtelement mit dem Nichtpolaufbau jedoch einen Überlappungsabschnitt, der einen Bereich darstellt, in dem sich die Innenelektrodenschichten alle miteinander überlappen, und einen Nichtüberlappungsabschnitt, der einen Bereich darstellt, in dem sich nur einige der Innenelektrodenschichten überlappen oder keine Innenelektrodenschichten überlappen. Der Nichtüberlappungsabschnitt erfährt keine piezoelektrische Verschiebung und kann nicht angetrieben werden. Abhängig von der piezoelektrischen Verschiebung konzentriert sich daher die Spannung (Dehnung) im Nichtüberlappungsabschnitt und treten im Keramikschichtkörper Risse auf. Es kann daher zu Schwierigkeiten wie einem Isolationsversagen kommen.

Um das obige Problem zu lösen, schlagen die JP 8-274381 A und die JP 2001-267646 A einen Aufbau für piezoelektrische Schichtelemente vor, die zwischen den Innenelektroden mit Spannungsschwächungsabschnitten (Spannungsschwächungsschichten) versehen sind, um die Spannung abzuschwächen. Allerdings sind die Spannungsschwächungsabschnitte in den obigen Offenlegungsschriften zum Beispiel mit feinen Bleititanatteilchen gefüllt, die im Wiederholungsbetrieb abwandern können und schädlich für die Leistungsfähigkeit des piezoelektrischen Elements sein können.

Die JP 2001-210886 A schlägt einen Aufbau für ein piezoelektrisches Schichtelement vor, bei dem in den Enden der Innenelektroden durch eine maschinelle Bearbeitung Vertiefungskehlen ausgebildet und mit einem Isolator oder Leiter gefüllt werden, um für die Spannungsschwächungsfunktion zu sorgen. In dieser Offenlegungsschrift werden die Vertiefungskehlen jedoch durch maschinelle Bearbeitung ausgebildet, was sich nicht für die Massenherstellung eignet. Abgesehen davon bilden sich auf den bearbeiteten Flächen Risse, die zu Schwierigkeiten wie einem Isolationsversagen führen können.

Es wird daher angestrebt, ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements zur Verfügung zu stellen, das durch eine einfache Methode dazu in der Lage ist, einen Aufbau zur Schwächung der durch die piezoelektrische Verschiebung verursachten Spannung zu bilden, und außerdem dazu in der Lage ist, aufgrund des Spannungsschwächungsaufbaus für eine hervorragende Haltbarkeit und Zuverlässigkeit zu sorgen.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung erfolgte in Anbetracht der obigen Probleme im Stand der Technik und stellt ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements zur Verfügung, das dazu in der Lage ist, leicht einen Aufbau zur wirksamen Schwächung der durch die piezoelektrische Verschiebung verursachten Spannung zu bilden, und außerdem dazu in der Lage ist, für eine hervorragende Haltbarkeit und Zuverlässigkeit zu sorgen.

Eine erste Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements, das einen Keramikschichtkörper hat, der durch abwechselndes Aufschichten von piezoelektrischen Schichten aus einem piezoelektrischen Material und Innenelektrodenschichten mit elektrischer Leitfähigkeit erzielt wird und auf seinen Seitenflächen angeordnete Außenelektroden hat, wobei der Keramikschichtkörper gebildet wird durch:
einen Zwischenschichtkörperbildungsschritt, in dem durch abwechselndes Aufschichten von Grünlagen, die als die piezoelektrischen Schichten dienen, und der Innenelektrodenschichten ein Zwischenschichtkörper gebildet wird; und
einen Kalzinierungsschritt, in dem durch Kalzinieren des Zwischenschichtkörpers der Keramikschichtkörper gebildet wird; und wobei
in dem Zwischenschichtkörperbildungsschritt ein Überlappungsabschnitt, der einen Bereich darstellt, in dem sich die Innenelektrodenschichten alle miteinander überlappen, und ein Nichtüberlappungsabschnitt gebildet werden, der einen Bereich darstellt, in dem sich nur einige der Innenelektrodenschichten überlappen oder überhaupt keine Innenelektrodenschichten überlappen, wenn der Zwischenschichtkörper in Aufschichtungsrichtung betrachtet wird, wobei in mindestens einem Teil des Nichtüberlappungsabschnitts im Voraus Hohlräume gebildet werden, und in dem Kalzinierungsschritt Schwächungsschichten gebildet werden, die die Hohlräume enthalten.

Bei diesem erfindungsgemäßem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements werden in dem Zwischenschichtkörperbildungsschritt im Nichtüberlappungsabschnitt des Zwischenschichtkörpers im Voraus Hohlräume gebildet. Indem wie oben beschrieben im Zwischenschichtkörper vor dem Kalzinieren Hohlräume gebildet werden, bestehen die Hohlräume auch nach dem Kalzinierungsschritt fort. Die die Hohlräume enthaltenden Schwächungsschichten können also leicht in dem Nichtüberlappungsabschnitt des Keramikschichtkörpers ausgebildet werden, der nach dem Kalzinieren erzielt wird. Dank der darin enthaltenen Hohlräume arbeiten die Schwächungsschichten so, dass sie die durch die piezoelektrische Verschiebung verursachte Spannung verteilen und schwächen. Das heißt also, dass durch das obige Herstellungsverfahren leicht ein Aufbau zur Schwächung der Spannung gebildet wird.

In dem erfindungsgemäßem Herstellungsverfahren werden die Schwächungsschichten außerdem im Nichtüberlappungsabschnitt vorgesehen, der einen Abschnitt darstellt, der keine piezoelektrische Verschiebung erfährt und nicht angetrieben werden kann. Das heißt also, dass die Schwächungsschichten im Nichtüberlappungsabschnitt vorgesehen werden, in dem sich die Spannung aufgrund der piezoelektrischen Verschiebung konzentriert. Daher kann die Spannung durch die die Hohlräume enthaltenden Schwächungsschichten wirksam verteilt und geschwächt werden. Das hindert die Spannung trotz der piezoelektrischen Verschiebung daran, sich im Nichtüberlappungsabschnitt zu konzentrieren, und unterdrückt das Auftreten von Rissen.

Dank der oben beschriebenen hervorragenden Wirkung bewahrt das durch das obige Herstellungsverfahren hergestellte piezoelektrische Schichtelement seine hohe Qualität und Leistungsfähigkeit auch, nachdem es für längere Zeit verwendet wurde. Dies erklärt seine hervorragende Haltbarkeit und Zuverlässigkeit.

Mit dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kann leicht ein Aufbau zur Schwächung der durch die piezoelektrische Verschiebung verursachten Spannung gebildet werden. Das durch das obige Herstellungsverfahren hergestellte piezoelektrische Schichtelement zeigt eine hervorragende Haltbarkeit und Zuverlässigkeit.

Eine zweite Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements, das einen Keramikschichtkörper hat, der durch abwechselndes Aufschichten von piezoelektrischen Schichten aus einem piezoelektrischen Material und Innenelektrodenschichten mit elektrischer Leitfähigkeit erzielt wird und auf seinen Seitenflächen angeordnete Außenelektroden hat, wobei der Keramikschichtkörper gebildet wird durch:
einen Zwischenschichtkörperbildungsschritt, in dem durch abwechselndes Aufschichten von Grünlagen, die als die piezoelektrischen Schichten dienen, und der Innenelektrodenschichten ein Zwischenschichtkörper gebildet wird; und
einen Kalzinierungsschritt, in dem durch Kalzinieren des Zwischenschichtkörpers der Keramikschichtkörper gebildet wird; und wobei
in dem Zwischenschichtkörperbildungsschritt ein Überlappungsabschnitt, der einen Bereich darstellt, in dem sich die Innenelektrodenschichten alle miteinander überlappen, und ein Nichtüberlappungsabschnitt gebildet werden, der einen Bereich darstellt, in dem sich nur einige der Innenelektrodenschichten überlappen oder sich überhaupt keine Innenelektrodenschichten überlappen, wenn der Zwischenschichtkörper in der Aufschichtungsrichtung betrachtet wird, wobei auf zumindest einem Teil des Nichtüberlappungsabschnitts ein Material zum Bilden von Schwächungsschichten angeordnet wird, das eine niedrigere Kalzinierungstemperatur als die Grünlage hat und sich durch den Kalzinierungsschritt stark zusammenzieht, und in dem Kalzinierungsschritt, indem sich das Material zum Bilden der Schwächungsschichten stärker als die benachbarten Abschnitte zusammenzieht, Schwächungsschichten gebildet werden, die Hohlräume enthalten.

In dem erfindungsgemäßem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements wird in dem Zwischenschichtkörperbildungsschritt im Nichtüberlappungsabschnitt des Zwischenschichtkörpers das Material zum Bilden der Schwächungsschichten angeordnet. Das Material zum Bilden der Schwächungsschichten hat eine niedrigere Kalzinierungstemperatur als die Grünlage und zieht sich während des Kalzinierungsschritts außerdem stärker als die Grünlage zusammen. Wenn das Material zum Bilden der Schwächungsschichten mit den oben genannten Eigenschaften im Zwischenschichtkörper angeordnet wird, bevor er kalziniert wird, zieht sich das Material zum Bilden der Schwächungsschichten in dem obigen Kalzinierungsschritt während des Kalzinierens stärker als die benachbarten Abschnitte zusammen und werden darin Hohlräume gebildet. Die die Hohlräume enthaltenden Schwächungsschichten können also leicht im Nichtüberlappungsabschnitt des Keramikschichtkörpers ausgebildet werden, der nach dem Kalzinieren erzielt wird. Das heißt also, dass durch das obige Herstellungsverfahren leicht der Aufbau zur Schwächung der durch die piezoelektrische Verschiebung verursachten Spannung gebildet wird.

In diesem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren werden die Schwächungsschichten wie bei der obigen ersten Erfindung im Nichtüberlappungsabschnitt vorgesehen. Daher kann die durch die piezoelektrische Verschiebung verursachte Spannung wirksam durch die die Hohlräume enthaltenden Schwächungsschichten verteilt und geschwächt werden. Dies hindert die Spannung trotz der piezoelektrischen Verschiebung daran, sich im Nichtüberlappungsabschnitt zu konzentrieren, und unterdrückt das Auftreten von Rissen.

Dank der oben beschriebenen hervorragenden Wirkungen bewahrt das durch das obige Herstellungsverfahren hergestellte piezoelektrische Schichtelement seine hohe Qualität und Leistungsfähigkeit auch, nachdem es für längere Zeit verwendet worden ist. Das erklärt seine hervorragende Haltbarkeit und Zuverlässigkeit.

Mit dem oben beschriebenen erfindungsgemäßem Herstellungsverfahren kann leicht der Aufbau zur Schwächung der durch die piezoelektrische Verschiebung verursachten Spannung gebildet werden. Das durch das obige Herstellungsverfahren hergestellte piezoelektrische Schichtelement zeigt eine hervorragende Haltbarkeit und Zuverlässigkeit.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Ansicht, die die Schritte Aufdrucken von Innenelektrodenschichten und Abstandsschichten in Beispiel 1 veranschaulicht.
2 zeigt eine Ansicht, die die Schritte Aufdrucken von Klebeschichten in Beispiel 1 veranschaulicht.
3a zeigt eine Ansicht, die einen unbedruckten Abschnitt bildende Schichten in Beispiel 1 veranschaulicht.
3b zeigt eine Ansicht, die einen unbedruckten Abschnitt bildende Schichten in Beispiel 1 veranschaulicht.
3c zeigt eine Ansicht, die einen unbedruckten Abschnitt bildende Schichten in Beispiel 1 veranschaulicht.
4 zeigt eine Ansicht, die Lagenstücke in Beispiel 1 veranschaulicht.
5 zeigt eine Ansicht, die einen Schritt zum Aufschichten der Lagenstücke in Beispiel 1 veranschaulicht.
6 zeigt eine Schnittansicht, die einen Zwischenschichtkörper in Beispiel 1 veranschaulicht.
7 zeigt eine Schnittansicht, die in einem vergrößerten Maßstab einen Hauptabschnitt des Zwischenschichtkörpers in Beispiel 1 veranschaulicht.
8 zeigt eine Schnittansicht, die den Innenaufbau eines Keramikschichtkörpers in Beispiel 1 veranschaulicht.
9 zeigt eine Schnittansicht, die in einem vergrößerten Maßstab einen Hauptabschnitt des Keramikschichtkörpers in Beispiel 1 veranschaulicht.
10 zeigt eine Ansicht, die den Gesamtaufbau des Keramikschichtkörpers in Beispiel 1 veranschaulicht.
11 zeigt eine Ansicht, die einen Schritt zum Aufbringen eines elektrisch leitenden Klebstoffs in Beispiel 1 veranschaulicht. [0033] 12 zeigt eine Ansicht, die einen Schritt zum Anordnen von Außenelektroden in Beispiel 1 veranschaulicht.
13 zeigt eine Ansicht, die den Aufbau eines piezoelektrischen Schichtelements in Beispiel 1 veranschaulicht.
14 zeigt eine Ansicht, die ein Beispiel mit veränderten Positionen der Schwächungsschichten im Keramikschichtkörper in Beispiel 1 veranschaulicht.
15 zeigt eine Ansicht, die einen Schritt zum Aufdrucken eines Materials zum Bilden von Schwächungsschichten und eine Klebeschicht in Beispiel 2 veranschaulicht.
16 zeigt eine Ansicht, die Lagenstücke in Beispiel 2 veranschaulicht.
17 zeigt eine Schnittansicht, die einen Zwischenschichtkörper in Beispiel 2 veranschaulicht.
18 zeigt eine Schnittansicht, die in einem vergrößerten Maßstab einen Hauptabschnitt des Zwischenschichtkörpers in Beispiel 2 verschaulicht.
19 zeigt eine Schnittansicht, die den Innenaufbau eines Keramikschichtkörpers in Beispiel 2 veranschaulicht.
20 zeigt eine Schnittansicht, die in einem vergrößerten Maßstab einen Hauptabschnitt des Keramikschichtkörpers in Beispiel 2 veranschaulicht.
21 zeigt eine Ansicht, die den Gesamtaufbau des Keramikschichtkörpers in Beispiel 2 veranschaulicht.
22 zeigt eine Ansicht, die die Beschaffenheit eines piezoelektrischen Schichtelements in Beispiel 2 veranschaulicht.
23 zeigt eine Ansicht, die die Schritte Aufdrucken von Innenelektrodenschichten, Abstandsschichten und Klebeschichten in Beispiel 3 veranschaulicht.
24 zeigt eine Schnittansicht, die einen Zwischenschichtkörper in Beispiel 3 veranschaulicht.
25 zeigt eine Schnittansicht, die einen Keramikschichtkörper in Beispiel 3 veranschaulicht.
26 zeigt eine Ansicht, die den Gesamtaufbau des Keramikschichtkörpers in Beispiel 3 veranschaulicht.
27 zeigt eine Ansicht, die ein Beispiel mit veränderten Positionen der Schwächungsschichten in dem Keramikschichtkörper in Beispiel 3 veranschaulicht.
28 zeigt eine Ansicht, die die Schritte Aufdrucken von Innenelektrodenschichten, Abstandsschichten und Klebeschichten in Beispiel 4 veranschaulicht.
29 zeigt eine Schnittansicht, die einen Zwischenschichtkörper in Beispiel 4 veranschaulicht.
30 zeigt eine Schnittansicht, die einen Keramikschichtkörper in Beispiel 4 veranschaulicht.
31 zeigt eine Ansicht, die den Gesamtaufbau des Keramikschichtkörpers in Beispiel 4 veranschaulicht.
32 zeigt eine Ansicht, die den Aufbau einer Einspritzdüse in Beispiel 5 veranschaulicht.
Ausführliche Beschreibung
Bei der obigen ersten Ausgestaltung der Erfindung ist es erwünscht, dass der Zwischenschichtkörperbildungsschritt Folgendes umfasst:
einen Lagenbildungsschritt, in dem die Grünlage gebildet wird;
einen Klebeschichtaufdruckschritt, in dem auf der Oberfläche der obersten Grünlage eine Klebeschicht aus dem gleichen Material wie die Grünlage aufgedruckt wird und in dem in den Schwächungsschichtbildungsabschnitten, in denen in dem Abschnitt, der zu dem Nichtüberlappungsabschnitt wird, die Schwächungsschichten gebildet werden, bedruckte Abschnitte, auf denen die Klebeschicht aufgedruckt wird, und unbedruckte Abschnitte, auf denen die Klebeschicht nicht aufgedruckt wird, gebildet werden; und
einen Aufschichtungsschritt, in dem die Grünlagen aufgeschichtet werden und zwischen den Grünlagen die die unbedruckten Abschnitte umfassenden Hohlräume gebildet werden.
Unter diesen Umständen können die Hohlräume leicht und zuverlässig in den Grünlagen ausgebildet werden. Die die Hohlräume enthaltenden Schwächungsschichten können in dem kalzinierten Keramikschichtkörper also leicht und zuverlässig ausgebildet werden.
Es ist außerdem erwünscht, dass nach dem Lagenbildungsschritt ein Elektrodenaufdruckschritt ausgeführt wird, um auf der Grünlage die Innenelektrodenschicht aufzudrucken und um angrenzend an dem Bereich, in dem die Innenelektrodenschicht aufgedruckt wird, eine Abstandsschicht mit ungefähr gleicher Dicke wie die Innenelektrodenschicht aufzudrucken, und dass in dem Klebeschichtaufdruckschritt auf der Innenelektrodenschicht und auf der Abstandsschicht die Klebeschicht aufgedruckt wird.
Unter diesen Umständen können die Hohlräume entlang der Innenelektrodenschichten ausgebildet werden. Die die Hohlräume enthaltenden Schwächungsschichten können in dem kalzinierten Keramikschichtkörper entlang der Innenelektrodenschichten ausgebildet werden. Die Schwächungsschichten erfahren daher im Betrieb eine Verformung, die die durch die piezoelektrische Verschiebung verursachte Spannung verteilt und schwächt.
Es ist außerdem erwünscht, dass in dem Klebeschichtaufdruckschritt die Fläche des Abschnitts, in dem die unbedruckten Abschnitte vorgesehen werden, 20 bis 65% der Fläche des Schwächungsschichtbildungsabschnitts auf der gleichen Ebene beträgt.
Unter diesen Umständen können die Hohlräume in einem ausreichenden Umfang ausgebildet werden. Daher können die Schwächungsschichten die Wirkung zeigen, die Spannung in einem ausreichenden Umfang abzuschwächen.
Wenn die Fläche des Abschnitts, in dem die unbedruckten Abschnitte vorgesehen werden, weniger als 20% der Fläche des Schwächungsschichtbildungsabschnitts auf der gleichen Ebene beträgt, können die Schwächungsschichten häufig nicht die Wirkung zeigen, die Spannung in einem ausreichenden Umfang abzuschwächen. Wenn die obige Fläche mehr als 60% beträgt, kann dagegen die Festigkeit der Abschnitte sinken, die die Schwächungsschichten bilden. Im Betrieb können in den Schwächungsschichten daher Risse auftreten.
Es ist außerdem erwünscht, dass in dem Klebeschichtaufdruckschritt auf den Schwächungsschichtbildungsabschnitten unter Einhaltung eines Zwischenraums eine Vielzahl von die Klebeschicht umfassenden Miniblöcken als die bedruckten Abschnitte aufgedruckt wird, wobei die unbedruckten Abschnitte zwischen den Miniblöcken vorgesehen werden.
Unter diesen Umständen können die die Hohlräume enthaltenden Schwächungsschichten leicht und zuverlässig ausgebildet werden. Daher zeigen die Schwächungsschichten die Wirkung, die Spannung ausreichend und zuverlässig zu schwächen.
Die Miniblöcke können verschiedene Querschnittsformen einnehmen, etwa eine Kreisform, eine Dreiecksform, eine Viereckform oder ähnliche Formen. Es können Miniblöcke aufgedruckt werden, die alle die gleiche Form und die gleiche Größe haben. Oder es können Miniblöcke aufgedruckt werden, die eine Vielzahl verschiedener Formen und verschiedener Größen haben.
Es ist außerdem erwünscht, dass in dem Klebeschichtaufdruckschritt die Miniblöcke aufgedruckt werden, während sie regelmäßig angeordnet werden oder zufällig angeordnet werden.
Unter diesen Umständen werden die zwischen den Miniblöcken gebildeten Zwischenräume regelmäßig angeordnet. Daher können sich die Schwächungsschichten, die die regelmäßig angeordneten Hohlräume enthalten, in dem Keramikschichtkörper nach dem Kalzinieren bilden. Dementsprechend zeigen die Schwächungsschichten eine weiter verbesserte Wirkung bei der Spannungsschwächung.
Bei der obigen zweiten Erfindung ist es erwünscht, dass der Zwischenschichtkörperbildungsschritt Folgendes umfasst:
einen Lagenbildungsschritt, in dem die Grünlage gebildet wird;
einen Klebeschichtaufdruckschritt, in dem auf der Oberfläche der obersten Grünlage eine Klebeschicht aus dem gleichen Material wie die Grünlage aufgedruckt wird und in dem auf Schwächungsschichtbildungsabschnitten, auf denen auf dem Abschnitt, der zu dem Nichtüberlappungsabschnitt wird, die Schwächungsschichten ausgebildet werden sollen, das Material zum Bilden von Schwächungsschichten unter Einhaltung ungefähr der gleichen Dicke wie die Klebeschicht aufgedruckt wird; und
einen Aufschichtungsschritt, in dem die Grünlagen aufgeschichtet werden.
Unter diesen Umständen können die Hohlräume in dem Keramikschichtkörper, nachdem er kalziniert wurde, leicht in einem Abschnitt ausgebildet werden, der an das Material zum Bilden der Schwächungsschichten angrenzt.
Es ist außerdem erwünscht, dass nach dem Lagenbildungsschritt ein Elektrodenaufdruckschritt ausgeführt wird, um auf der Grünlage die Innenelektrodenschicht aufzudrucken und um angrenzend an dem Bereich, auf dem die Innenelektrodenschicht aufgedruckt wird, eine Abstandsschicht mit ungefähr der gleichen Dicke wie die Innenelektrodenschicht aufzudrucken, und dass in dem Klebeschichtaufdruckschritt auf der Innenelektrodenschicht und auf der Abstandsschicht die Klebeschicht und das Material zum Bilden der Schwächungsschichten aufgedruckt werden.
Unter diesen Umständen kann das Material zum Bilden der Schwächungsschichten entlang der Innenelektrodenschichten angeordnet werden. Die die Hohlräume enthaltenden Schwächungsschichten können in dem kalzinierten Keramikschichtkörper entlang der Innenelektrodenschichten ausgebildet werden. Die Schwächungsschichten erfahren daher im Betrieb eine Verformung, die die durch die piezoelektrische Verschiebung verursachte Spannung verteilt und schwächt.
Es ist außerdem erwünscht, dass die Klebeschicht und das Material zum Bilden der Schwächungsschichten als Hauptbestandteil das gleiche Keramikausgangspulver enthalten und dass die mittlere Teilchengröße A des in der Klebeschicht enthaltenen Keramikausgangspulvers und die mittlere Teilchengröße B des in dem Material zum Bilden der Schwächungsschichten enthaltenen Keramikausgangspulwers den Zusammenhang A > 1,05 x B erfüllen.
Unter diesen Umständen können die Hohlräume und die die Hohlräume enthaltenden Schwächungsschichten zuverlässig in den Abschnitten ausgebildet werden, die an das Material zum Bilden der Schwächungsschichten angrenzen.
Es ist außerdem erwünscht, dass das in der Klebeschicht enthaltene Keramikausgangspulver eine mittlere Teilchengröße A von 0,3 bis 0,8 μm hat. Es ist außerdem erwünscht, dass das in dem Material zum Bilden der Schwächungsschichten enthaltene Keramikausgangspulver eine mittlere Teilchengröße B von 0,1 bis 0,6 μm hat.
Unter diesen Umständen können sich die Hohlräume in dem Keramikschichtkörper nach dem Kalzinieren ausreichend und zuverlässig bilden.
Bei der obigen ersten Erfindung und zweiten Erfindung ist es erwünscht, dass das piezoelektrische Schichtelement ein piezoelektrischer Aktor für eine Einspritzdüse ist, der als eine Antriebsquelle für die Einspritzdüse verwendet wird.
Die Einspritzdüse wird unter der harten Bedingung einer Hochtemperaturatmosphäre verwendet. Wird das obige hervorragende piezoelektrische Schichtelement als Aktor verwendet, können daher die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit verbessert werden und kann daher die Leistungsfähigkeit der Einspritzdüse als Ganzes gesteigert werden.
Beispiele
Beispiel 1
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird nun ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der ersten Erfindung beschrieben.
Das Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements 1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements 1, das, wie in den 1 bis 13 gezeigt ist, einen Keramikschichtkörper 10 hat, der durch abwechselndes Aufschichten von piezoelektrischen Schichten 11 aus einem piezoelektrischen Material und Innenelektrodenschichten 20 mit elektrischer Leitfähigkeit erzielt wird und auf seinen Seitenflächen 101 und 102 angeordnete Außenelektroden 34 hat.
Der Keramikschichtkörper 10 wird durch einen Zwischenschichtkörperbildungsschritt, in dem durch abwechselndes Aufschichten von Grünlagen 110, die als die piezoelektrischen Schichten 11 dienen, und der Innenelektrodenschichten 20 ein Zwischenschichtkörper 100 gebildet wird, und einen Kalzinierungsschritt gebildet, in dem durch Kalzinieren des Zwischenschichtkörpers 100 der Keramikschichtkörper 10 gebildet wird.
In dem Zwischenschichtkörperbildungsschritt werden ein Überlappungsabschnitt 108, der einen Bereich darstellt, in dem sich die Innenelektrodenschichten 20 alle miteinander überlappen, und ein Nichtüberlappungsabschnitt 109 gebildet, der einen Bereich darstellt, in dem sich nur einige der Innenelektrodenschichten 20 überlappen oder überhaupt keine Innenelektrodenschichten überlappen, wenn der Zwischenschichtkörper 100 in der Aufschichtungsrichtung betrachtet wird, wobei in zumindest einem Teil des Nichtüberlappungsabschnitts 100 im Voraus Hohlräume 40 gebildet werden. In dem Kalzinierungsschritt werden Schwächungsschichten 40 gebildet, die die Hohlräume 40 enthalten.
Dies wird nun ausführlich beschrieben.
Zwischenschichtkörperbildungsschritt
In dem Zwischenschichtkörperbildungsschritt werden vier Schritte ausgeführt, und zwar ein Lagenbildungsschritt, ein Elektrodenaufdruckschritt, ein Klebeschichtaufdruckschritt und ein Aufschichtungsschritt.
Zunächst wird der Lagenbildungsschritt ausgeführt.
Hierzu wird ein Keramikausgangspulver, das ein piezoelektrisches Material ist, bereitgestellt und bei 800 bis 950°C vorkalziniert. Zu dem vorkalzinierten Pulver werden reines Wasser und ein Dispergiermittel zugegeben, um daraus eine Schlämme zu erzielen, die dann unter Verwendung einer Perlenmühle nass gemahlen wird. Das gemahlene Material wird getrocknet und entfettet, und es werden ein Lösungsmittel, ein Bindemittel, ein Weichmacher und ein Dispergiermittel zugegeben, um daraus eine Schlämme zu erzielen, die dann unter Verwendung einer Kugelmühle gemischt wird. Die Schlämme wird im Vakuum entschäumt und dann auf ihre Viskosität eingestellt, während sie unter Verwendung eines Rührers in einer Vakuumvorrichtung gerührt wird.
Wie 1 zeigt, wird die Schlämme durch ein Rakelverfahren auf einem Trägerfilm 119 aufgebracht und wird in länglicher Form eine Grünlage 110 vorbestimmter Dicke ausgebildet. 1 zeigt lediglich einen Teilabschnitt der länglichen Grünlage 110.
In diesem Beispiel wird als Keramikausgangsmaterial, das ein piezoelektrisches Material ist, Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) verwendet. Die Grünlage 110 kann neben dem in diesem Beispiel verwendeten Rakelverfahren auch durch ein Strangpressverfahren oder durch verschiedene andere Verfahren ausgebildet werden.
Als nächstes wird der Elektrodenaufdruckschritt ausgeführt.
Wie 1 zeigt, werden auf den Stanzbereichen 50 der ausgebildeten Grünlage 110 durch Siebdruck Innenelektrodenschichten 20 aufgebracht. Auf die Abschnitte, auf denen die Innenelektrodenschichten 20 nicht aufgedruckt wurden, werden durch Siebdruck Abstandsschichten 111 mit der gleichen Dicke wie die Innenelektrodenschichten 20 aufgebracht, so dass die Höhe zwischen den Abschnitten, auf denen die Innenelektrodenschichten 20 aufgedruckt wurden, und den anderen Abschnitten ungefähr gleich ist.
Die hier angesprochenen Stanzbereiche 50 stellen die Bereiche dar, in denen die Grünlage 110 in einem nachfolgenden Schritt gestanzt wird. Darüber hinaus haben die Stanzbereiche 50 in diesem Beispiel die Form einer Tonne, doch können sie abhängig von der Form des anzufertigenden Keramikschichtkörpers 10 auch in verschiedene andere Formen wie eine Kreisform, eine Viereckform, eine Achteckform oder dergleichen gebracht werden.
Um die Grünlagen 110 unter Verwendung einer später beschriebenen Stanz/Schichtvorrichtung effizient stanzen und schichten zu können, werden die an den Seitenflächen freiliegenden Innenelektrodenschichten 20 in diesem Beispiel so aufgedruckt, dass ihre Ausrichtung jeweils in Längsrichtung der länglichen Grünlage 110 im Wechsel umgedreht wird (siehe 1).
Als Innenelektrodenschichten 20 wird eine Ag-Pd-Legierung verwendet. Es können auch Einzelmetalle wie Ag, Pd, Cu, Ni und Legierungen wie Cu-Ni usw. verwendet werden. Als Abstandsschicht 111 wird das gleiche Material wie die Grünlage 110 verwendet.
Als nächstes wird der Klebeschichtaufdruckschritt ausgeführt.
Wie 2 zeigt, wird auf den aufgedruckten Innenelektrodenschichten 20 und Abstandsschichten 111 durch Siebdruck eine Klebeschicht 112 aufgebracht, um die Haftwirkung beim Aufschichten der Grünlage 110 zu erhöhen. Dabei wird auf einem Schwächungsschichtbildungsabschnitt 400, auf dem in dem Abschnitt, der zu dem Nichtüberlappungsabschnitt 109 des Zwischenschichtkörpers 100 wird, die Schwächungsschicht 4 gebildet wird, eine einen unbedruckten Abschnitt bildende Schicht 41 gebildet, um bedruckte Abschnitte, in denen die Klebeschicht 112 aufgedruckt wird, und unbedruckte Abschnitte zu bilden, in denen sie nicht aufgedruckt wird. Der Schwächungsschichtbildungsabschnitt 400 entspricht in diesem Beispiel dem Abschnitt, der zu dem Nichtüberlappungsabschnitt 109 wird, d.h. dem halben Außenumfangsabschnitt des Stanzbereichs 50, in dem die Innenelektrodenschicht 20 an der Seitenfläche davon frei liegt.
Als Klebeschicht 112 wird das gleiche Material wie für die Grünlage 110 verwendet.
Es wird nun die den unbedruckten Abschnitt bildende Schicht 41 beschrieben. Wie in 3a gezeigt ist, wird die den unbedruckten Abschnitt bildende Schicht 41 gebildet, indem unter Einhaltung eines Zwischenraums untereinander eine Vielzahl von Miniblöcken 411 der Klebeschicht als bedruckter Abschnitt zum Bilden der Klebeschicht 112 aufgedruckt wird. Unter diesen Umständen werden kreisförmige Miniblöcke 411, die alle die gleiche Größe haben, wie Punkte (wie Inseln) aufgedruckt und regelmäßig angeordnet. Zwischen den Miniblöcken 411 werden unbedruckte Abschnitte ohne Klebeschicht 112 gebildet. Die Fläche der unbedruckten Abschnitte 412 beträgt 45% der Fläche des Schwächungsschichtbildungsabschnitts 400 (der die unbedruckten Abschnitte bildenden Schicht 41) auf der gleichen Ebene.
In diesem Beispiel haben die Miniblöcke 411 eine Kreisform, doch können sie auch verschiedene andere Formen wie eine Viereckform (3b), eine Dreieckform (3c) oder ähnliche Form haben. Es werden zwar Miniblöcke 411 aufgedruckt, die alle die gleiche Form und die gleiche Größe haben, doch können auch Miniblöcke 411 mit einer Vielzahl verschiedener Formen und verschiedener Größen aufgedruckt werden.
In diesem Beispiel werden die Miniblöcke 411 zudem in Form von Punkten (Inseln) aufgedruckt, doch können sie auch in verschiedenen anderen Formen aufgedruckt werden. Darüber hinaus werden die Miniblöcke so aufgedruckt, dass sie regelmäßig angeordnet sind, doch können sie auch so aufgedruckt werden, dass sie zufällig angeordnet sind.
Als nächstes wird der Aufschichtungsschritt ausgeführt.
Das Stanzen und Schichten der Grünlage 110 erfolgt parallel unter Verwendung einer (nicht gezeigten) Stanz/Schichtvorrichtung, die so beschaffen ist, dass sie die Grünlage 110 gleichzeitig stanzt und schichtet. Als Stanz/Schicht-Vorrichtung kann eine Vorrichtung verwendet werden, die zum Stanzen der Grünlage 110 eine Stanzeinrichtung mit einer Thompson-Klinge und zum Bilden eines Schichtkörpers durch Aufschichten der gestanzten Grünlagen 110 und zum Halten des Schichtkörpers eine Schichtkörperhalteeinrichtung aufweist.
Zunächst wird die bedruckte Grünlage 110 zusammen mit dem Trägerfilm 119 auf die obige Stanz/Schicht-Vorrichtung gesetzt, wobei dann der Stanzbereich 50 der Grünlage 110 gestanzt wird, um Lagenstücke 51 zu erzielen, wie sie in 4 gezeigt sind. Wie 5 zeigt, werden die erzielten Lagenstücke 51 als nächstes so aufgeschichtet, dass die an den Seitenflächen freiliegenden Innenelektrodenschichten 20 abwechselnd ausgerichtet sind. Auf dem oberen und unteren Ende werden Schutzschichtbildungslagen 120 aufgeschichtet, um Endschutzschichten 12 zu bilden. Die Schutzschichtbildungslagen 120 bestehen aus dem gleichen Material wie die Grünlage 110.
Auf diese Weise wird ein Zwischenschichtkörper 100 erzielt, wie er in 6 gezeigt ist. In dem Zwischenschichtkörper 100 sind ein Überlappungsabschnitt 108, der einen Bereich darstellt, in dem sich die Innenelektrodenschichten 20 alle miteinander überlappen, und ein Nichtüberlappungsabschnitt 109 ausgebildet, der einen Bereich darstellt, in dem sich nur einige der Innenelektrodenschichten 20 überlappen oder überhaupt keine Innenelektrodenschichten überlappen, wenn der Zwischenschichtkörper 100 in der Aufschichtungsrichtung betrachtet wird. Der Zwischenschichtkörper 100 hat außerdem ein paar Seitenflächen 101 und 102, wobei die Innenelektrodenschichten 20 abwechselnd an den Seitenfläche 101 und 102 frei liegen.
Wie in den 6 und 7 gezeigt ist, befinden sich zwischen den Grünlagen 110 in dem Nichtüberlappungsabschnitt 109 des Zwischenschichtkörpers 100 unbedruckte Abschnitte 412, in denen keine Klebeschicht 112 aufgedruckt ist, wodurch an diesen Abschnitten Hohlräume 40 gebildet werden. Mit anderen Worten sind zwischen den die Klebeschicht 112 umfassenden Miniblöcken 411 als den bedruckten Abschnitten Hohlräume 40 ausgebildet.
Als nächstes wird auf die Seitenflächen 101 und 102 des Zwischenschichtkörpers 100 ein (nicht gezeigtes) Seitenelektrodenmaterial aufgebracht, um Seitenelektroden zu bilden. Dies stellt einen Schritt dar, bei dem durch das anschließende Kalzinieren auf den Seitenflächen 101 und 102 des Keramikschichtkörpers 10 Seitenelektroden 30 gebildet werden (siehe 13), die die elektrische Leitfähigkeit zu den Innenelektrodenschichten 20 verbessern. Die Seitenelektroden 30 müssen nicht vorgesehen werden. In diesem Fall kann der obige Schritt entfallen.
Kalzinierungsschritt
Als nächstes wird der Kalzinierungsschritt ausgeführt.
Vor der Ausführung des Kalzinierungsschritts wird zunächst der Zwischenschichtkörper 100 entfettet. Das Erhitzen beinhaltet 80 Stunden lang eine Erhöhung der Temperatur bis 500°C und fünf Stunden lang ein Halten dieser Temperatur. Auf diese Weise werden die in dem Zwischenschichtkörper 100 enthaltenen organischen Bestandteile entfernt. Der Zwischenschichtkörper 100 wird nach dem Entfetten zwei Stunden lang bei einer Maximaltemperatur von 1065°C kalziniert.
Auf diese Weise wird der Keramikschichtkörper 10 erzielt, der in den 8 bis 10 gezeigt ist. Der Keramikschichtkörper 10 wird durch abwechselndes Aufschichten von piezoelektrischen Schichten 11 eines piezoelektrischen Materials und Innenelektrodenschichten 20 mit elektrischer Leitfähigkeit erzielt und hat einen Überlappungsabschnitt 108 und einen Nichtüberlappungsabschnitt 109. Die Klebeschicht 112 wird als ein Abschnitt der piezoelektrischen Schicht 11 ausgebildet, und die Abstandsschicht 111 ist ein nicht die Elektrode bildender Abschnitt 19, an dem das Ende der Innenelektrodenschicht 20 nicht nach innen ausgebildet ist. Am oberen und unteren Ende des Keramikschichtkörpers 10 sind die Schutzschichten 12 ausgebildet, und an den Seitenflächen 101 und 102 sind (nicht gezeigte) Seitenelektroden 30 ausgebildet.
Wie in den gleichen Zeichnungen gezeigt ist, liegen zudem auch nach dem Kalzinieren im Nichtüberlappungsabschnitt 109 des Keramikschichtkörpers 10 die im Zwischenschichtkörper 100 ausgebildeten Hohlräume 40 vor. Die die Hohlräume 40 enthaltenden Schwächungsschichten 4 sind entlang der Innenelektrodenschichten 20 ausgebildet.
Wie in 9 gezeigt ist, sind zwischen den Hohlräumen 40 in der Umfangsrichtung aufgrund winziger Risse Öffnungen 43 ausgebildet. Die die Öffnungen 43 bildenden winzigen Risse werden erzeugt, wenn die die Klebeschicht 112 umfassenden Miniblöcke 411 (siehe 7) durch die etwas früher als in den benachbarten Grünlagen 110 stattfindende Kalzinierung der Kontraktion unterliegen.
Nach dem Kalzinierungsschritt wird als nächstes ein Schritt ausgeführt, in dem auf den Seitenflächen 101 und 102 des Keramikschichtkörpers 10 zwei Außenelektroden 34 angeordnet werden.
Wie 11 zeigt, wird auf die Seitenelektroden 30, die auf den Seitenflächen 101 und 102 des Keramikschichtkörpers 10 ausgebildet sind, ein elektrisch leitender Kleber 33 aufgebracht. Wie 12 zeigt, werden auf dem elektrisch leitenden Kleber 33 Außenelektroden 34 angeordnet. Der elektrisch leitende Kleber 33 wird erhitzt und ausgehärtet, so dass er an den Außenelektroden 34 anhaftet. Schließlich werden, auch wenn dies nicht gezeigt ist, sämtliche Seitenflächen des Keramikschichtkörpers 10 mit einem Formmaterial 35 aus einem isolierenden Harz umformt (siehe 13).
In diesem Beispiel wird als der elektrisch leitende Kleber 33 ein Epoxidharz verwendet, das ein isolierendes Harz ist, in dem als ein elektrisch leitender Füllstoff Ag dispergiert ist. Als Isolierharz können neben dem obigen Harz auch verschiedene andere Harze wie Silikon, Urethan, Polyimid und dergleichen verwendet werden. Als elektrisch leitender Füllstoff können neben dem oben genannten Element auch Platin, Cu, Ni oder dergleichen verwendet werden.
Als Außenelektroden 34 wird ein maschenförmiges gestrecktes Metall verwendet, das durch Bearbeiten eines Metallblechs erzielt wurde. Darüber hinaus kann auch ein gestanztes Metall verwendet werden.
Des Weiteren wird als Formmaterial 35 ein Silikonharz verwendet. Darüber hinaus kann auch ein Polyimidharz, ein Epoxidharz oder dergleichen verwendet werden.
Auf diese Weise wird das piezoelektrische Schichtelement 1 von 13 erzielt.
In dem auf diese Weise erzielten piezoelektrischen Schichtelement 1 ist der keramische Schichtkörper 10 dadurch angefertigt, dass die piezoelektrischen Schichten 11 und die Innenelektrodenschichten 20, wie oben beschrieben wurde und in den 10 und 13 gezeigt ist, abwechselnd aufeinander geschichtet wurden. Darüber hinaus hat der Keramikschichtkörper 10 einen so genannten nicht die Elektrode bildenden Aufbau, bei dem die Enden der Innenelektrodenschichten 20 nicht an den Seitenflächen 101, 102 frei liegen, sondern wegen der nicht die Elektrode bildenden Abschnitte 19 teilweise nach innen laufend ausgebildet sind.
Darüber hinaus enthält der Keramikschichtkörper 10, wenn er in der Aufschichtungsrichtung betrachtet wird, einen Überlappungsabschnitt 108, der einen Bereich darstellt, in dem sich die Innenelektrodenschichten 20 alle miteinander überlappen, und einen Nichtüberlappungsabschnitt 109, der einen Bereich darstellt, in dem sich nur einige der Innenelektrodenschichten 20 überlappen oder sich überhaupt keine Innenelektrodenschichten überlappen. In dem Nichtüberlappungsabschnitt 109 sind die die Hohlräume 40 enthaltenden Schwächungsschichten 4 entlang der Innenelektrodenschichten 20 ausgebildet. Die Schwächungsschichten 4 sind entlang dem halben Außenumfangsabschnitt des Keramikschichtkörpers 10 ausgebildet. Die Schwächungsschichten 4 sind außerdem in der Aufschichtungsrichtung abwechselnd auf der Seite der Seitenfläche 101 und auf der Seite der Seitenfläche 102 ausgebildet.
Wie 13 zeigt, liegen die Enden der Innenelektrodenschichten 20 abwechselnd an den Seitenflächen 101 und 102 des Keramikschichtkörpers 10 frei und sind elektrisch leitend mit zwei passend angeordneten Seitenelektroden 30 verbunden. Darüber hinaus sind mit den beiden Seitenelektroden 30 über den elektrisch leitenden Kleber 33 Außenelektroden 34 verbunden. Die gesamten Seitenflächen des Keramikschichtkörpers 10 sind mit einem Formmaterial 35 umformt, so dass es die Seitenelektroden 30, die elektrisch leitenden Kleber 33 und die Außenelektroden 34 bedeckt.
Der Keramikschichtkörper 10 dieses Beispiels hat im Querschnitt die Form einer Tonne. Die Querschnittsform des Keramikschichtkörpers 10 ist nicht nur wie in diesem Beispiel auf die Tonnenform beschränkt, sondern kann abhängig von der Verwendung auch eine Kreisform, eine Viereckform oder eine Achteckform sein.
Als nächstes werden nun die Funktionsweise und Wirkung bei dem Herstellungsverfahren des piezoelektrischen Schichtelements dieses Beispiels beschrieben.
Bei dem Herstellungsverfahren des piezoelektrischen Schichtelements gemäß diesem Beispiel werden in dem Zwischenschichtkörperbildungsschritt im Nichtüberlappungsabschnitt 109 des Zwischenschichtkörpers 10 im Voraus Hohlräume 40 gebildet. Die Hohlräume 40, die im Zwischenschichtkörper 100 gebildet werden, bevor er kalziniert wird, bleiben durch den Kalzinierungsschritt auch nach dem Kalzinieren erhalten. Die die Hohlräume 40 enthaltenden Schwächungsschichten 4 können also leicht in dem Nichtüberlappungsabschnitt 109 des Keramikschichtkörpers 10 ausgebildet werden, der nach dem Kalzinieren erhalten wird. Da sie die Hohlräume 40 enthalten, sind die Schwächungsschichten 4 dazu in der Lage, die durch die piezoelektrische Verschiebung verursachte Spannung zu verteilen und zu schwächen. Das heißt also, dass der Aufbau zur Schwächung der Spannung leicht gebildet werden kann, wenn man sich auf das Herstellungsverfahren dieses Beispiels verlässt.
Gemäß dem Herstellungsverfahren dieses Beispiels werden die Schwächungsschichten 4 in dem Nichtüberlappungsabschnitt 109 ausgebildet, der ein Abschnitt ist, der keine piezoelektrische Verschiebung erfährt und nicht angetrieben werden kann. Das heißt also, dass die Schwächungsschichten 4 in dem Nichtüberlappungsabschnitt 109 ausgebildet werden, in dem sich die Spannung aufgrund der piezoelektrischen Verschiebung konzentriert. Daher kann die Spannung wirksam durch die Schwächungsschichten 4, die die Hohlräume 40 enthalten, verteilt und geschwächt werden. Dies hindert die Spannung trotz der piezoelektrischen Verschiebung daran, sich im Nichtüberlappungsabschnitt 109 zu konzentrieren, und unterdrückt das Auftreten von Rissen.
Aufgrund seiner oben beschriebenen hervorragenden Wirkung bewahrt das durch das obige Herstellungsverfahren dieses Beispiels hergestellte piezoelektrische Schichtelement 1 seine hohe Qualität und Leistungsfähigkeit auch, nachdem es für längere Zeit verwendet wurde. Dies erklärt seine hervorragende Haltbarkeit und Zuverlässigkeit.
In diesem Beispiel enthält der Zwischenschichtkörperbildungsschritt außerdem einen Lagenbildungsschritt, in dem die Grünlage 110 gebildet wird, einen Klebeschichtaufdruckschritt, in dem in den Schwächungsschichtbildungsabschnitten 40, in denen in dem Abschnitt, der zu dem Nichtüberlappungsabschnitt 109 wird, die Schwächungsschichten 4 gebildet werden, bedruckte Abschnitte (Miniblöcke 411), in denen die Klebeschicht 112 aufgedruckt wird, und unbedruckte Abschnitte 412 gebildet werden, auf denen sie nicht aufgedruckt wird, und einen Aufschichtungsschritt, in dem zwischen den Grünlagen 110 die die unbedruckten Abschnitte 412 umfassenden Hohlräume 40 gebildet werden. Daher können die Hohlräume 40 leicht und zuverlässig zwischen den Grünlagen 110 ausgebildet werden. Die die Hohlräume 40 enthaltenden Schwächungsschichten 4 werden also in dem kalzinierten Keramikschichtkörper 10 leicht und zuverlässig ausgebildet.
In dem Klebeschichtaufdruckschritt beträgt die Fläche des Abschnitts, auf dem die unbedruckten Abschnitte 412 gebildet werden, 45% der Fläche des Schwächungsschichtbildungsabschnitts 400 in der gleichen Ebene. Daher können die Hohlräume 40 in einem ausreichenden Umfang gebildet werden. Dementsprechend zeigen die Schwächungsschichten 4 in einem ausreichenden Umfang die Wirkung, die Spannung zu schwächen.
In dem Klebeschichtaufdruckschritt wird außerdem auf den Schwächungsschichtbildungsabschnitten 400 unter Einhaltung eines Zwischenraums eine Vielzahl von die Klebeschicht 112 umfassenden Miniblöcken 411 als die bedruckten Abschnitte aufgedruckt, wobei zwischen den Miniblöcken 411 die unbedruckten Abschnitte 412 vorgesehen werden. Darüber hinaus werden die Miniblöcke 411 so aufgedruckt, dass sie regelmäßig angeordnet sind. Daher können in dem kalzinierten Keramikschichtkörper 10 Schwächungsschichten 4 ausgebildet werden, die regelmäßig angeordnete Hohlräume 40 enthalten. Dementsprechend zeigen die Schwächungsschichten 4 noch besser die Wirkung, die Spannung zu schwächen.
In den Schwächungsschichten werden aufgrund von winzigen Rissen in der Umfangsrichtung zwischen den Hohlräumen 40 Öffnungen 43 gebildet. Aufgrund der in der Umfangsrichtung gebildeten winzigen Rissen tragen auch die Öffnungen 43 dazu bei, die durch die piezoelektrische Verschiebung verursachte Spannung zu schwächen. Daher zeigen die Schwächungsschichten 4 eine weiter verbesserte Wirkung bei der Schwächung der Spannung.
Gemäß dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kann der Aufbau zur Schwächung der durch die piezoelektrische Verschiebung verursachten Spannung leicht gebildet werden. Das durch das obige Herstellungsverfahren hergestellte piezoelektrische Schichtelement zeigt eine hervorragende Haltbarkeit und Zuverlässigkeit.
In dem Keramikschichtkörper 10 können die Position und Form der Schwächungsschichten 4 abhängig von der Position und Form der Hohlräume 40 geändert werden, die zum Zeitpunkt der Anfertigung des Zwischenschichtkörpers 100 im Voraus gebildet werden. In diesem Beispiel wird die Schwächungsschicht 4 entlang jeder Innenelektrodenschicht 20 gebildet. Wie in 14 gezeigt ist, kann die Schwächungsschicht jedoch auch entlang jeder vierten Innenelektrodenschicht 20 oder an verschiedenen anderen Positionen gebildet werden. In diesem Beispiel werden die Schwächungsschichten 4 außerdem über den halben Außenumfang des Keramikschichtkörpers 10 ausgebildet. Die Schwächungsschichten 4 können jedoch auch entlang des gesamten Umfangs oder nur an den Seitenflächen 101 und 102 ausgebildet werden.
Beispiel 2
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird nun ein Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Schichtelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der zweiten Erfindung beschrieben.
Das Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Schichtelements 1 enthält, wie in den 15 bis 22 gezeigt ist, wie in Beispiel 1 den Zwischenschichtkörperbildungsschritt und den Kalzinierungsschritt.
In dem Zwischenschichtkörperbildungsschritt werden im Zwischenschichtkörper 100 ein Überlappungsabschnitt 108 und ein Nichtüberlappungsabschnitt 109 gebildet und wird auf zumindest einem Teilabschnitt in dem Nichtüberlappungsabschnitt 109 ein Material 42 zum Bilden von Schwächungsschichten angeordnet, das eine niedrigere Kalzinierungstemperatur als die Grünlage 110 hat und sich im Kalzinierungsschritt stark zusammenzieht. In dem Kalzinierungsschritt werden außerdem Hohlräume 40 enthaltende Schwächungslagen 4 ausgebildet, indem man das Material 42 zum Bilden von Schwächungsschichten stärker zusammenziehen lässt als die benachbarten Abschnitte. Dies wird nun ausführlich beschrieben.
Zwischenschichtkörperbildungsschritt
In dem Zwischenschichtkörperbildungsschritt werden vier Schritte ausgeführt, und zwar wie in Beispiel 1 der Lagenbildungsschritt, der Elektrodenaufdruckschritt, der Klebeschichtaufdruckschritt und der Aufschichtungsschritt.
In dem Lagenbildungsschritt und dem Elektrodenaufdruckschritt wird zunächst wie in 1 die Grünlage 110 wie im Beispiel 1 auf dem Trägerfilm 119 ausgebildet. Auf den Stanzbereichen 50 der Grünlage werden durch Siebdruck die Innenelektrodenschichten 20 und die Abstandsschichten 111 aufgebracht.
Als nächstes wird im Klebeschichtaufdruckschritt wie in 15 gezeigt auf den Schwächungsschichtbildungsabschnitten 400, auf denen die Schwächungsschichten 4 ausgebildet werden sollen, durch Siebdruck das Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten aufgebracht und wird auf den Innenelektrodenschichten 20 und auf den Abstandsschichten 111, die im Nichtüberlappungsabschnitt 109 aufgedruckt sind, durch Siebdruck eine Klebeschicht 112 aus dem gleichen Material wie die Grünlage 110 aufgebracht.
Die Klebeschicht 112 (Grünlage 110) und das Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten enthalten beide das gleiche Keramikausgangspulver als Hauptbestandteil, und zwar enthalten sie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Die mittlere Teilchengröße A des in der Klebeschicht 112 enthaltenen Keramikausgangspulvers und die mittlere Teilchengröße B des in dem Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten enthaltenen Keramikausgangspulvers erfüllen den Zusammenhang A > 1,05 x B. In diesem Beispiel beträgt die mittlere Teilchengröße A 0,5 μm und die mittlere Teilchengröße B 0,3 μm.
Wenn in der Klebeschicht 112 und dem Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten wie hier als Hauptbestandteil das gleiche Keramikausgangspulver enthalten ist, verringern sich die Kalzinierungstemperatur und die Temperatur, bei der die Kontraktion durch das Kalzinieren beginnt, mit abnehmender mittlerer Teilchengröße. Das heißt also, dass das Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten eine niedrigere Kalzinierungstemperatur als die Klebeschicht 112 (Grünlage 110) hat. Abgesehen davon ist die Kontraktion stärker als die der Klebeschicht 112, wenn die Kalzinierungstemperatur dieselbe ist.
Als nächstes werden in dem Aufschichtungsschritt unter Verwendung einer (nicht gezeigten) Stanz/Schichtvorrichtung Stanzbereiche 50 der Grünlage 110 ausgestanzt, um wie in 16 gezeigt Lagenstücke 52 zu erzielen.
Die erzielten Lagenstücke 52 werden so geschichtet, dass die an den Seitenflächen freiliegenden Innenelektrodenschichten 20 abwechselnd orientiert sind. Auf diese Weise wird ein Zwischenschichtkörper 100 erzielt, wie er in den 17 und 18 gezeigt ist.
Dabei wird auf die Seitenflächen 101 und 102 des Zwischenschichtkörpers 100 ein (nicht gezeigtes) Seitenelektrodenmaterial aufgebracht, um Seitenelektroden zu bilden.
Kalzinierungsschritt
Als nächstes wird der Zwischenschichtkörper 100 im Kalzinierungsschritt erhitzt und entfettet. Nach dem Entfetten wird der Zwischenschichtkörper 100 kalziniert.
Auf diese Weise wird ein Keramikschichtkörper 10 erzielt, wie er in den 19 bis 21 gezeigt ist. Der Keramikschichtkörper 10 wird erzielt, indem abwechselnd auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 piezoelektrische Schichten 11 und Innenelektrodenschichten 20 aufgeschichtet werden. Darüber hinaus werden auf den Seitenflächen 101 und 102 des Keramikschichtkörpers 10 (nicht gezeigte) Seitenelektroden 30 ausgebildet.
Wie in den gleichen Zeichnungen gezeigt ist, werden in den Abschnitten, die an das Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten angrenzen, das im Zwischenschichtkörper 100 im Nichtüberlappungsabschnitt 109 des Keramikschichtkörpers 10 angeordnet ist, die Hohlräume 40 ausgebildet. Die Hohlräume bilden sich in dem Kalzinierungsschritt, wenn sich das Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten stark zusammenzieht, in den angrenzenden Abschnitten. In diesem Beispiel werden die Hohlräume 40 (siehe 20) zwischen dem Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten und der darauf aufgeschichteten Grünlage 110 ausgebildet (siehe 20). Die die Hohlräume 40 enthaltende Schwächungsschicht 4 wird entlang jeder Innenelektrodenschicht 20 ausgebildet.
Nach dem Kalzinierungsschritt wird als nächstes ein Schritt ausgeführt, bei dem wie in Beispiel 1 auf den Seitenflächen 101 und 102 des Keramikschichtkörpers 10 zwei Außenelektroden 34 angeordnet werden.
Auf diese Weise wird das piezoelektrische Schichtelement 1 von 22 erzielt.
Das übrige Herstellungsverfahren (einschließlich der Materialien und der Entfettungs- und Kalzinierungsbedingungen) sind die gleichen wie in Beispiel 1.
In dem auf diese Weise erzielten piezoelektrischen Schichtelement 1 wurde der Keramikschichtkörper 10, wie oben beschrieben wurde und in den 21 und 22 gezeigt ist, durch abwechselndes Aufschichten der piezoelektrischen Schichten 11 und der Innenelektrodenschichten 20 angefertigt. Darüber hinaus hat der Keramikschichtkörper 10 einen nicht die Elektrode bildenden Aufbau.
Wie in den gleichen Zeichnungen gezeigt ist, enthält der Keramikschichtkörper 10 außerdem einen Überlappungsabschnitt 108 und einen Nichtüberlappungsabschnitt 109. Im Nichtüberlappungsabschnitt 109 sind die die Hohlräume 40 enthaltenden Schwächungsschichten 4 entlang der Innenelektrodenschichten 20 ausgebildet. Die Schwächungsschichten 4 sind über den halben Außenumfangsabschnitt des Keramikschichtkörpers 10 ausgebildet. Die Schwächungsschichten 4 sind außerdem abwechselnd auf der Seite der Seitenfläche 101 und auf der Seite der Seitenfläche 102 ausgebildet. Der übrige Grundaufbau ist der gleiche wie bei Beispiel 1.
Als nächstes werden nun die Funktionsweise und Wirkung des Verfahrens zur Herstellung des piezoelektrischen Schichtelements dieses Beispiels beschrieben.
In dem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Schichtelements 1 gemäß diesem Beispiel wird in dem Zwischenschichtkörperbildungsschritt im Überlappungsabschnitt 109 des Zwischenschichtkörpers 10 das Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten angeordnet. Das Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten hat eine niedrigere Kalzinierungstemperatur als die Grünlage und zieht sich im Kalzinierungsschritt stärker als die Grünlage 110 zusammen. Das Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten, das die obigen Eigenschaften hat, wird also im Zwischenschichtkörper 100 angeordnet, bevor er kalziniert wird. Beim Kalzinieren durch den Kalzinierungsschritt zieht sich das Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten stärker als die benachbarten Abschnitte zusammen, so dass Hohlräume 40 gebildet werden. Und zwar bilden sich in diesem Beispiel die Hohlräume 40 bezüglich der Grünlage 110 und dem Abschnitt (Klebeschicht 112), der im Wesentlichen aus dem gleichen Material wie die Grünlage 110 besteht. Auf diese Weise können die die Hohlräume 40 enthaltenden Schwächungsschichten 4 leicht in dem Nichtüberlappungsabschnitt 109 des Keramikschichtkörpers 10 ausgebildet werden, der durch das Kalzinieren erzielt wird. Das heißt also, dass, indem man sich auf das Herstellungsverfahren dieses Beispiels verlässt, leicht der Aufbau zum Abschwächen der durch die piezoelektrische Verschiebung verursachten Spannung gebildet werden kann.
Darüber hinaus werden die Schwächungsschichten 4 in dem Herstellungsverfahren dieses Beispiels im Nichtüberlappungsabschnitt 109 gebildet. Daher kann die durch die piezoelektrische Verschiebung verursachte Spannung wirksam durch die die Hohlräume 40 enthaltenden Schwächungsschichten 4 verteilt und geschwächt werden. Dies hindert die Spannung trotz der piezoelektrischen Verschiebung daran, sich im Nichtüberlappungsabschnitt 109 zu konzentrieren, und unterdrückt das Auftreten von Rissen und dergleichen.
Dank seiner oben beschriebenen hervorragenden Wirkung bewahrt das durch das obige Herstellungsverfahren dieses Beispiels hergestellte piezoelektrische Schichtelement 1 seine hohe Qualität und seine Leistungsfähigkeit auch dann, wenn es für längere Zeit verwendet wurde. Dies erklärt seine hervorragende Haltbarkeit und Zuverlässigkeit.
In diesem Beispiel enthält der Zwischenschichtkörperbildungsschritt außerdem einen Lagenbildungsschritt, in dem die Grünlage 110 gebildet wird, einen Klebeschichtaufdruckschritt, in dem auf den Schwächungsschichtbildungsabschnitten 40, auf denen in dem Abschnitt, der zu dem Nichtüberlappungsabschnitt 109 wird, die Schwächungsschichten 4 ausgebildet werden sollen, das Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten aufgedruckt wird, und einen Aufschichtungsschritt, in dem die Grünlagen 110 aufgeschichtet werden. Daher können die Hohlräume 40 im kalzinierten Keramikschichtkörper 10 leicht und zuverlässig in den Abschnitten ausgebildet werden, die an das Material zum Bilden der Schwächungsschichten angrenzen, d.h. zwischen dem Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten und der Grünlage 110 oder der Klebeschicht 112.
Die Klebeschicht 112 und das Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten enthalten als Hauptbestandteil beide das gleiche Keramikausgangspulver, wobei die mittlere Teilchengröße A des in der Klebeschicht 112 enthaltenen Keramikausgangspulvers und die mittlere Teilchengröße B des in dem Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten enthaltenen Keramikausgangspulvers den Zusammenhang A > 1,05 x B erfüllen. Daher können die Hohlräume 40 und die die Hohlräume 40 enthaltenden Schwächungsschichten 4 zuverlässig in den Abschnitten ausgebildet werden, die an das Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten angrenzen.
Die mittlere Teilchengröße A des in der Klebeschicht 112 enthaltenen Keramikausgangspulvers beträgt 0,5 μm und die mittlere Teilchengröße B des in dem Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten enthaltenen Keramikausgangspulvers 0,3 μm. Daher können die Hohlräume 40 im kalzinierten Keramikschichtkörper 10 ausreichend und zuverlässig ausgebildet werden. Die Schwächungsschichten 4 zeigen somit die Wirkung, die Spannung ausreichend und zuverlässig zu schwächen.
Mit dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren dieses Beispiels kann wie in Beispiel 1 leicht der Aufbau zur Schwächung der durch die piezoelektrische Verschiebung verursachten Spannung gebildet werden. Das durch das obige Herstellungsverfahren hergestellte piezoelektrische Schichtelement zeigt eine hervorragende Haltbarkeit und Zuverlässigkeit.
In dem Keramikschichtkörper 10 können die Position und Form der Schwächungsschichten 4 abhängig von der Position und Form des zum Zeitpunkt der Anfertigung des Zwischenschichtkörpers 100 angeordneten Materials 42 zum Bilden der Schwächungsschichten geändert werden. In diesem Beispiel wird die Schwächungsschicht 4 entlang jeder Innenelektrodenschicht 20 ausgebildet. Allerdings kann die Schwächungsschicht 4 auch entlang jeder vierten Innenelektrodenschicht 20 ausgebildet werden (siehe 14) oder an anderen Positionen ausgebildet werden. In diesem Beispiel werden die Schwächungsschichten 4 des weitern über den halben Außenumfang des Keramikschichtkörpers 10 ausgebildet. Die Schwächungsschichten 4 können jedoch auch entlang des gesamten Umfangs oder nur an den Seitenflächen 101 und 102 ausgebildet werden.
Beispiel 3
[0156] Dieses Beispiel befasst sich mit einem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Schichtelements gemäß Beispiel 1, bei dem die die Hohlräume 40 enthaltenden Schwächungsschichten 4 an Zwischenpositionen zwischen den Innenelektrodenschichten 20 ausgebildet werden. Genaueres wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
In dem Elektrodenaufdruckschritt und in dem Klebeschichtaufdruckschritt dieses Beispiels werden wie in 23 gezeigt auf den Stanzbereichen 50 der Grünlage 110 eine Innenelektrodenschicht 20, eine Abstandsschicht 111 und eine Klebeschicht 112 aufgedruckt, um zwei Arten von Lagenstücken zu erzielen, und zwar ein die Elektrode enthaltendes Lagenstück 53, auf dem die Innenelektrode 20 aufgedruckt wird, und ein die Schwächungsschichten bildendes Lagenstück 54 zum Bilden der Schwächungsschicht 4.
Die Innenelektrodenschicht 20 und die Abstandsschicht 111 werden wie gezeigt durch Siebdruck auf den Stanzbereichen 50 der Grünlage 110 zum Bilden der die Elektrode enthaltenden Lagenstücke 53 aufgebracht. Die Klebeschicht 112 wird durch Siebdruck auf der Innenelektrodenschicht 20 und auf der Abstandsschicht 111 aufgebracht.
Die Klebeschicht 112 wird durch Siebdruck auf die Stanzbereiche 50 der Grünlage 110 der Lagenstücke 54 aufgebracht, die die Schwächungsschichten bilden. Dabei wird auf dem Schwächungsschichtbildungsabschnitt 400 eine den unbedruckten Abschnitt bildende Schicht 41 mit der gleichen Gestaltung wie in Beispiel 1 ausgebildet. Der Schwächungsschichtbildungsabschnitt 400 dieses Beispiels ist ein Abschnitt, der zu dem Nichtüberlappungsabschnitt 109 wird, d.h. der dem gesamten Außenumfangsabschnitt des Stanzbereichs 50 entspricht.
Als nächstes werden im Aufschichtungsschritt unter Verwendung einer (nicht gezeigten) Stanz/Schichtvorrichtung die Stanzbereiche 50 der Grünlage 110 ausgestanzt, um die die Elektrode enthaltenden Lagenstücke 53 und die Lagenstücke 54 zum Bilden der Schwächungsschichten zu erzielen (siehe 23).
Die beiden erzielten Arten Lagenstücke 53 und 54 werden abwechselnd aufgeschichtet. Die die Elektrode enthaltenden Lagenstücke 53 werden so aufgeschichtet, dass die an den Seitenflächen frei liegenden Innenelektrodenschichten 20 abwechselnd orientiert sind. Auf diese Weise wird ein Zwischenschichtkörper 100 erzielt, wie er in 24 gezeigt ist.
Als nächstes wird der Zwischenschichtkörper 100 im Kalzinierungsschritt entfettet und kalziniert, um den in den 25 und 26 gezeigten Keramikschichtkörper 10 zu erzielen.
Nach dem Kalzinierungsschritt werden die gleichen Schritte wie in Beispiel 1 ausgeführt, um das piezoelektrische Schichtelement 1 zu erzielten.
Das Herstellungsverfahren ist ansonsten das gleiche wie in Beispiel 1.
In dem auf diese Weise erzielten piezoelektrischen Schichtelement 1 hat der Keramikschichtkörper 10, wie in den 25 und 26 gezeigt ist, die die Hohlräume 40 enthaltenden Schwächungsschichten 4 an Zwischenpositionen zwischen den Innenelektrodenschichten 20 ausgebildet. Die Schwächungsschichten 4 sind entlang des gesamten Außenumfangs des Keramikschichtkörpers 10 ausgebildet.
Der Grundaufbau ist ansonsten der gleiche wie in Beispiel 1.
In diesem Fall werden die die Hohlräume 40 enthaltenden Schwächungsschichten 4 an Zwischenpositionen zwischen den Innenelektrodenschichten 20 ausgebildet. Darüber hinaus werden die Schwächungsschichten 4 über den gesamten Außenumfang des Keramikschichtkörpers 10 ausgebildet. Daher zeigen die Schwächungsschichten 4 eine weiter verbesserte Spannungsschwächungswirkung.
Die Funktionsweise und Wirkung sind ansonsten die gleichen wie bei Beispiel 1.
In diesem Beispiel werden die Schwächungsschichten 4 an Zwischenpositionen zwischen den Innenelektrodenschichten 20 ausgebildet. Wie in 27 gezeigt ist, können die Schwächungsschichten 4 jedoch auch an Zwischenpositionen zwischen jeder zweiten Innenelektrodenschicht 20 oder an verschiedenen anderen Positionen ausgebildet werden.
Beispiel 4
Dieses Beispiel befasst sich mit einem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements 1 gemäß Beispiel 1, bei dem die die Hohlräume 40 enthaltenden Schwächungsschichten 4 an Zwischenpositionen zwischen den Innenelektrodenschichten 20 ausgebildet werden. Dieses Verfahren wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
In dem Elektrodenaufdruckschritt und in dem Klebeschichtaufdruckschritt dieses Beispiels werden, wie in 28 gezeigt ist, auf den Stanzbereichen 50 der Grünlage 110 eine Innenelektrodenschicht 20, eine Abstandsschicht 111, eine Klebeschicht 112 und ein Material 42 zum Bilden von Schwächungsschichten aufgedruckt, um zwei Arten von Lagenstücken zu erzielen, und zwar ein die Elektrode enthaltendes Lagenstück 53, auf dem die Innenelektrodenschicht 20 aufgedruckt wird, und ein die Schwächungsschicht bildendes Lagenstück 54, auf dem das Material 42 zum Bilden von Schwächungsschichten aufgedruckt wird.
Die Innenelektrodenschicht 20, die Abstandsschicht 111 und die Klebeschicht 112 werden wie gezeigt durch Siebdruck auf die Stanzbereiche 50 der Grünlage 110 zum Bilden der die Elektrode enthaltenden Lagenstücke 53 aufgebracht.
Die Klebeschicht 112 wird durch Siebdruck auf die Stanzbereiche 50 der Grünlage 110 für die Lagenstücke 54 zum Bilden der Schwächungsschichten aufgebracht, wobei durch Siebdruck außerdem das Material 42 zum Bilden der Schwächungsschichten auf den Schwächungsschichtbildungsabschnitten 400 aufgebracht wird. Der Schwächungsschichtbildungsabschnitt 400 dieses Beispiels entspricht dabei einem Abschnitt, der zu dem Nichtüberlappungsabschnitt 109 wird, d.h. der dem gesamten Umfangsabschnitt des Ausstanzbereichs 50 entspricht.
Als nächstes werden im Aufschichtungsschritt unter Verwendung einer (nicht gezeigten) Stanz/Schichtvorrichtung die Stanzbereiche 50 der Grünlage 110 ausgestanzt, um die die Elektrode enthaltenden Lagenstücke 53 und die Lagenstücke 55 zum Bilden der Schwächungsschichten zu erzielen (siehe 28).
Die beiden erzielten Arten Lagenstücke 53 und 55 werden abwechselnd aufgeschichtet. Die die Elektrode enthaltenden Lagenstücke 53 werden so aufgeschichtet, dass die an den Seitenflächen freiliegenden Innenelektrodenschichten 20 abwechseln orientiert sind. Auf diese Weise wird ein Zwischenschichtkörper 100 erzielt, wie er in 29 gezeigt ist. Als nächstes wird der Zwischenschichtkörper 100 im Kalzinierungsschritt entfettet und kalziniert, um den in den 30 und 31 gezeigten Keramikschichtkörper 10 zu erzielen.
Nach dem Kalzinierungsschritt werden die gleichen Schritte wie in Beispiel 2 ausgeführt, um das piezoelektrische Schichtelement 1 zu erzielen.
Das Herstellungsverfahren ist ansonsten das gleiche wie bei Beispiel 2.
In dem auf diese Weise erzielten piezoelektrischen Schichtelement 1 hat der Keramikschichtkörper 10, wie in den 30 und 31 gezeigt ist, die die Hohlräume 40 enthaltenden Schwächungsschichten 4 an Zwischenpositionen zwischen den Innenelektrodenschichten 20 ausgebildet. Die Schwächungsschichten 4 sind entlang des gesamten Außenumfangs des Keramikschichtkörpers 10 ausgebildet.
Der Grundaufbau ist ansonsten der gleiche wie in Beispiel 2.
In diesem Fall werden die die Hohlräume 40 enthaltenden Schwächungsschichten 4 an Zwischenpositionen zwischen den Innenelektrodenschichten 20 ausgebildet. Darüber hinaus sind die Schwächungsschichten 4 über den gesamten Außenumfang des Keramikschichtkörpers 10 ausgebildet. Daher zeigen die Schwächungsschichten 4 eine weiter verbesserte Spannungsschwächungswirkung.
Die Funktionsweise und Wirkung sind ansonsten die gleichen wie in Beispiel 2.
In diesem Beispiel werden die Schwächungsschichten 4 an Zwischenpositionen zwischen den Innenelektrodenschichten 20 gebildet. Allerdings können die Schwächungsschichten 4 auch an Zwischenpositionen zwischen jeder zweiten Elektrodenschicht 20 (siehe 27) oder an verschiedenen anderen Positionen ausgebildet werden.
Beispiel 5
Dies ist ein Beispiel, bei dem das durch das Verfahren der Beispiele 1 bis 4 hergestellte piezoelektrische Schichtelement 1 als ein piezoelektrischer Aktor einer Einspritzdüse 6 verwendet wird.
Die in 32 gezeigte Einspritzdüse 6 dieses Beispiels findet bei einem Common-Rail-Einspritzsystem eines Dieselmotors Anwendung.
Die Einspritzdüse 6 hat wie gezeigt ein oberes Gehäuse 62, das das piezoelektrische Schichtelement 1 als Antriebsteil aufnimmt, und ein unteres Gehäuse 63, das an dem unteren Ende des oberen Gehäuses befestigt ist und darin mit einem Einspritzdüsenabschnitt 64 ausgebildet ist.
Das obere Gehäuse 62 hat ungefähr die Form eines Kreiszylinders, wobei das piezoelektrische Schichtelement 1 in ein Längsloch 621 darin eingeführt und befestigt wird, das von der Mittelachse abweicht.
Seitlich von dem Längsloch 621 befindet sich parallel dazu eine Hochdruckkraftstoffleitung 622, deren oberes Ende über ein Kraftstoffeinlassrohr 623, das von dem oberen Seitenabschnitt des oberen Gehäuses 62 vorsteht, mit einem (nicht gezeigten) externen Common-Rail in Verbindung steht.
Von einem oberen Seitenabschnitt des oberen Gehäuses 62 steht ein Kraftstoffauslassrohr 625 vor, das mit einer Abflussleitung 624 in Verbindung steht, wobei der aus dem Kraftstoffauslassrohr 625 strömende Kraftstoff in einen (nicht gezeigten) Kraftstofftank zurückgeführt wird.
Die Abflussleitung 624 verläuft durch einen Spalt 60 zwischen dem Längsloch 621 und dem Antriebsteil (piezoelektrisches Schichtelement) 1 und steht über eine (nicht gezeigte) Leitung, die sich vom Spalt 60 durch das obere und untere Gehäuse 62 und 63 nach unten erstreckt, mit einem Drei-Wege-Ventil 651 in Verbindung.
Der Einspritzdüsenabschnitt 64 ist mit einer Düsennadel 641, die in einem Kolbenkörper 631 nach oben und unten gleitet, und einer Einspritzöffnung 643 ausgestattet, die durch die Düsennadel 641 geöffnet und geschlossen wird und den von einem Kraftstoffspeicher 642 zugeführten Hochdruckkraftstoff dem jeweiligen Zylinder des Motors zuführt. Der Kraftstoffspeicher 642 umgibt die Düsennadel 641 an einer Zwischenposition von ihr, an der sich das untere Ende der Hochdruckkraftstoffleitung 622 öffnet. Die Düsennadel 641 nimmt in einer Richtung auf, in der sich das Ventil öffnet, den Kraftstoffdruck vom Kraftstoffspeicher 642 und außerdem in einer Richtung, in der sich das Ventil schließt, den Kraftstoffdruck von einer Gegendruckkammer 644 auf, die so vorgesehen ist, dass sie ihrem oberen Ende zugewandt ist. Wenn der Druck in der Gegendruckkammer 644 abnimmt, wird die Düsennadel 641 hochgehoben, wodurch sich die Einspritzöffnung 643 öffnet und der Kraftstoff eingespritzt wird.
Der Druck in der Gegendruckkammer 644 wird durch das Drei-Wege-Ventil 651 erhöht und verringert. Das Drei-Wege-Ventil 651 ist so aufgebaut, dass es die Gegendruckkammer 644 gezielt mit der Hochdruckkraftstoffleitung 622 oder mit der Abflussleitung 624 in Verbindung bringt. Dabei wird ein kugelförmiger Ventilkörper verwendet, um die Verbindung mit der Hochdruckkraftstoffleitung 622 oder mit der Abflussleitung 624 herzustellen. Der Ventilkörper wird durch das Antriebsteil 1 über einen Kolben 652 großen Durchmessers, eine Hydraulikkammer 653 und einen Kolben 654 kleinen Durchmessers angetrieben, die untereinander angeordnet sind.
In diesem Beispiel wird in der wie oben beschrieben aufgebauten Einspritzdüse 6 das piezoelektrische Schichtelement 1 als die Antriebsquelle verwendet, das durch das Verfahren der Beispiele 1 bis 4 hergestellt wurde. Das piezoelektrische Schichtelement 1 hat wie oben beschrieben eine hervorragende Haltbarkeit und Zuverlässigkeit. Daher kann die Leistungsfähigkeit der Einspritzdüse 6 als Ganzes gesteigert werden.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements, bei dem ein Keramikschichtkörper darin durch einen Zwischenschichtkörperbildungsschritt, in dem ein Zwischenschichtkörper 100 gebildet wird, indem Grünlagen 110, die als die piezoelektrischen Schichten dienen, und Innenelektrodenschichten 20 abwechselnd aufgeschichtet werden, und einen Kalzinierungsschritt gebildet wird, in dem der Keramikschichtkörper durch Kalzinieren des Zwischenschichtkörpers 100 gebildet wird. In dem Zwischenschichtkörperbildungsschritt werden im Zwischenschichtkörper 100 ein Überlappungsabschnitt 108 und ein Nichtüberlappungsabschnitt 109 gebildet und werden in zumindest einem Teil des Abschnitts, der zu dem Nichtüberlappungsabschnitt 109 wird, im Voraus Hohlräume 40 gebildet. In dem Kalzinierungsschritt werden Schwächungsschichten gebildet, die die Hohlräume 40 enthalten.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements, das einen Keramikschichtkörper hat, der durch abwechselndes Aufschichten von piezoelektrischen Schichten, die aus einem piezoelektrischen Material bestehen, und Innenelektrodenschichten, die elektrische Leitfähigkeit haben, erzielt wird und der auf seinen Seitenflächen angeordnete Außenelektroden hat, wobei der Keramikschichtkörper gebildet wird durch: einen Zwischenschichtkörperbildungsschritt, in dem durch abwechselndes Aufschichten von Grünlagen, die als die piezoelektrischen Schichten dienen, und der Innenelektrodenschichten ein Zwischenschichtkörper gebildet wird; und einen Kalzinierungsschritt, in dem durch Kalzinieren des Zwischenschichtkörpers der Keramikschichtkörper gebildet wird, wobei in dem Zwischenschichtkörperbildungsschritt ein Überlappungsabschnitt, der einen Bereich darstellt, in dem sich die Innenelektrodenschichten alle miteinander überlappen, und ein Nichtüberlappungsabschnitt gebildet werden, der einen Bereich darstellt, in dem sich nur einige der Innenelektrodenschichten überlappen oder sich überhaupt keine Innenelektrodenschichten überlappen, wenn der Zwischenschichtkörper in der Aufschichtungsrichtung betrachtet wird, wobei zumindest in einem Teil des Nichtüberlappungsabschnitts im Voraus Hohlräume gebildet werden, und in dem Kalzinierungsschritt Schwächungsschichten gebildet werden, die die Hohlräume enthalten.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements nach Anspruch 1, wobei der Zwischenschichtkörperbildungsschritt Folgendes enthält: einen Lagenbildungsschritt, in dem die Grünlage gebildet wird; einen Klebeschichtaufdruckschritt, in dem auf der Oberfläche der obersten Grünlage eine Klebeschicht aus dem gleichen Material wie die Grünlage aufgedruckt wird und in dem in den Schwächungsschichtbildungsabschnitten, in denen in dem Abschnitt, der zu dem Nichtüberlappungsabschnitt wird, die Schwächungsschichten gebildet werden, bedruckte Abschnitte, auf denen die Klebeschicht aufgedruckt wird, und unbedruckte Abschnitte, auf denen die Klebeschicht nicht aufgedruckt wird, gebildet werden; und einen Aufschichtungsschritt, in dem die Grünlagen aufgeschichtet werden und zwischen den Grünlagen die die unbedruckten Abschnitte umfassenden Hohlräume gebildet werden.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements nach Anspruch 2, wobei nach dem Lagenbildungsschritt ein Elektrodenaufdruckschritt ausgeführt wird, um auf der Grünlage die Innenelektrodenschicht aufzudrucken und um angrenzend an dem Bereich, in dem die Innenelektrodenschicht aufgedruckt wird, eine Abstandsschicht mit ungefähr gleicher Dicke wie die Innenelektrodenschicht aufzudrucken, und in dem Klebeschichtaufdruckschritt auf der Innenelektrodenschicht und auf der Abstandsschicht die Klebeschicht aufgedruckt wird.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements nach Anspruch 2 oder 3, wobei in dem Klebeschichtaufdruckschritt die Fläche eines Abschnitts, der für die unbedruckten Abschnitte sorgt, 20 bis 65% der Fläche des Schwächungsschichtbildungsabschnitts auf der gleichen Ebene beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei in dem Klebeschichtaufdruckschritt auf den Schwächungsschichtbildungsabschnitten unter Einhaltung eines Zwischenraums eine Vielzahl von die Klebeschicht umfassenden Miniblöcken als die bedruckten Abschnitte aufgedruckt wird, wobei die unbedruckten Abschnitte zwischen den Miniblöcken vorgesehen werden.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements nach Anspruch 5, wobei die Miniblöcke in dem Klebeschichtaufdruckschritt so aufgedruckt werden, dass sie regelmäßig oder zufällig angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements, das einen Keramikschichtkörper hat, der durch abwechselndes Aufschichten von piezoelektrischen Schichten, die aus einem piezoelektrischen Material bestehen, und Innenelektrodenschichten, die elektrische Leitfähigkeit haben, erzielt wird und der auf seinen Seitenflächen angeordnete Außenelektroden hat, wobei der Keramikschichtkörper gebildet wird durch: einen Zwischenschichtkörperbildungsschritt, in dem durch abwechselndes Aufschichten von Grünlagen, die als die piezoelektrischen Schichten dienen, und der Innenelektrodenschichten ein Zwischenschichtkörper gebildet wird; und einen Kalzinierungsschritt, in dem durch Kalzinieren des Zwischenschichtkörpers der Keramikschichtkörper gebildet wird, wobei in dem Zwischenschichtkörperbildungsschritt ein Überlappungsabschnitt, der einen Bereich darstellt, in dem sich die Innenelektrodenschichten alle miteinander überlappen, und ein Nichtüberlappungsabschnitt gebildet werden, der einen Bereich darstellt, in dem sich nur einige der Innenelektrodenschichten überlappen oder überhaupt keine Innenelektrodenschichten überlappen, wenn der Zwischenschichtkörper in der Aufschichtungsrichtung betrachtet wird, wobei auf zumindest einem Teil des Nichtüberlappungsabschnitts ein Material zum Bilden von Schwächungsschichten angeordnet wird, das eine niedrigere Kalzinierungstemperatur als die Grünlage hat und sich durch den Kalzinierungsschritt stark zusammenzieht, und in dem Kalzinierungsschritt, indem sich das Material zum Bilden der Schwächungsschichten stärker als das der benachbarten Abschnitte zusammenzieht, Schwächungsschichten gebildet werden, die Hohlräume enthalten.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements nach Anspruch 7, wobei der Zwischenschichtkörperbildungsschritt Folgendes enthält: einen Lagenbildungsschritt, in dem die Grünlage gebildet wird; einen Klebeschichtaufdruckschritt, in dem auf der Oberfläche der obersten Grünlage eine Klebeschicht aus dem gleichen Material wie die Grünlage aufgedruckt wird und in dem auf Schwächungsschichtbildungsabschnitten, auf denen auf dem Abschnitt, der zu dem Nichtüberlappungsabschnitt wird, die Schwächungsschichten ausgebildet werden sollen, das Material zum Bilden der Schwächungsschichten unter Einhaltung ungefähr der gleichen Dicke wie die Klebeschicht aufgedruckt wird; und einem Aufschichtungsschritt, in dem die Grünlagen aufgeschichtet werden.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements nach Anspruch 8, wobei nach dem Lagenbildungsschritt ein Elektrodenaufdruckschritt ausgeführt wird, um auf der Grünlage die Innenelektrodenschicht aufzudrucken und um angrenzend an dem Bereich, in dem die Innenelektrodenschicht aufgedruckt wird, eine Abstandsschicht mit ungefähr gleicher Dicke wie die Innenelektrodenschicht aufzudrucken, und in dem Klebeschichtaufdruckschritt auf der Innenelektrodenschicht und auf der Abstandsschicht die Klebeschicht und das Material zum Bilden der Schwächungsschichten aufgedruckt werden.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Klebeschicht und das Material zum Bilden der Schwächungsschichten als Hauptbestandteil das gleiche Keramikausgangspulver enthalten, wobei die mittlere Teilchengröße A des in der Klebeschicht enthaltenen Keramikausgangspulvers und die mittlere Teilchengröße B des in dem Material zum Bilden der Schwächungsschichten enthaltenen Keramikausgangspulvers den Zusammenhang A > 1,05 x B erfüllen.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements nach Anspruch 10, wobei das in der Klebeschicht enthaltene Keramikausgangspulver eine mittlere Teilchengröße A von 0,3 bis 0,8 μm hat.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements nach Anspruch 10 oder 11, wobei das in dem Material zum Bilden der Schwächungsschichten enthaltene Keramikausgangspulver eine mittlere Teilchengröße B von 0,1 bis 0,6 μm hat.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Schichtelements nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das piezoelektrische Schichtelement ein piezoelektrischer Aktor für eine Einspritzdüse ist und als Antriebsquelle der Einspritzdüse verwendet wird.