DE102007000730A1 - Gestapeltes Piezokeramikelement und zugehöriges Herstellungsverfahren - Google Patents

Gestapeltes Piezokeramikelement und zugehöriges Herstellungsverfahren Download PDF

Info

Publication number
DE102007000730A1
DE102007000730A1 DE200710000730 DE102007000730A DE102007000730A1 DE 102007000730 A1 DE102007000730 A1 DE 102007000730A1 DE 200710000730 DE200710000730 DE 200710000730 DE 102007000730 A DE102007000730 A DE 102007000730A DE 102007000730 A1 DE102007000730 A1 DE 102007000730A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
piezoceramic
stacked
layers
pzt
site
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE200710000730
Other languages
English (en)
Other versions
DE102007000730B4 (de
Inventor
Satoshi Kariya Suzuki
Hiroki Kariya Kubota
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Denso Corp filed Critical Denso Corp
Publication of DE102007000730A1 publication Critical patent/DE102007000730A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102007000730B4 publication Critical patent/DE102007000730B4/de
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B18/00—Layered products essentially comprising ceramics, e.g. refractory products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/48—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
    • C04B35/49—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates containing also titanium oxides or titanates
    • C04B35/491—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates containing also titanium oxides or titanates based on lead zirconates and lead titanates, e.g. PZT
    • C04B35/493—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates containing also titanium oxides or titanates based on lead zirconates and lead titanates, e.g. PZT containing also other lead compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/05—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes
    • H10N30/053—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes by integrally sintering piezoelectric or electrostrictive bodies and electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853—Ceramic compositions
    • H10N30/8548—Lead-based oxides
    • H10N30/8554—Lead-zirconium titanate [PZT] based
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/871—Single-layered electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices, e.g. internal electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/877—Conductive materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3205—Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3213—Strontium oxides or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
    • C04B2235/3225—Yttrium oxide or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3241—Chromium oxides, chromates, or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3251—Niobium oxides, niobates, tantalum oxides, tantalates, or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3251—Niobium oxides, niobates, tantalum oxides, tantalates, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3255—Niobates or tantalates, e.g. silver niobate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3262—Manganese oxides, manganates, rhenium oxides or oxide-forming salts thereof, e.g. MnO
    • C04B2235/3265—Mn2O3
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5436—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof micrometer sized, i.e. from 1 to 100 micron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5445—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof submicron sized, i.e. from 0,1 to 1 micron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/76—Crystal structural characteristics, e.g. symmetry
    • C04B2235/768—Perovskite structure ABO3
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/34—Oxidic
    • C04B2237/345—Refractory metal oxides
    • C04B2237/346—Titania or titanates

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

Ein gestapeltes Piezokeramikelement (1) enthält Piezokeramikschichten (11) und Innenelektrodenschichten (12, 13), die wechselweise übereinander gestapelt sind. Die Innenelektrodenschichten (12, 13) enthalten ein Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent, in dem 0,1 bis 1 Mol-% eines B-Platz-Elements des Materials der PZT-Familie durch ein Übergangsmetallelement M substituiert ist, und ein elektrisch leitendes Metall. Jede Piezokeramikschicht (11) setzt sich aus dem Material der PZT-Familie ohne Substitution des B-Platz-Elements zusammen. Das gestapelte Piezokeramikelement (1) hat unter bestimmten Bedingungen einen Isolationswiderstand von 20 bis 200 GOmega.m und eine Streckungsrate von 0,15 bis 0,2%. In dem zugehörigen Herstellungsverfahren werden ein Elektrodenmaterial, das durch Mischen eines zweiten Keramikausgangsmaterials, das beim Brennen das Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent bildet, und eines elektrisch leitenden Metallpulvers angefertigt wurde, auf Grünlagen aufgetragen, die gestapelt und gebrannt werden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf Piezokeramikelemente und insbesondere auf ein gestapeltes Piezokeramikelement, das sich aus Piezokeramikschichten und Innenelektrodenschichten zusammensetzt, die wechselweise übereinander gestapelt sind, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeuge ist der Versuch unternommen worden, einen Aktuator wie eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung einzusetzen, die sich aus einem gestapelten Piezokeramikelement zusammensetzt, das Piezokeramikschichten und Innenelektrodenschichten enthält, die wechselweise übereinander gestapelt sind. In der Praxis ist das gestapelte Piezokeramikelement gewöhnlich dadurch hergestellt worden, dass eine Piezokeramik, die sich aus Innenelektroden, die jeweils elektrisch leitendes Metall enthalten, und einem piezoelektrischen Material wie PZT oder dergleichen zusammensetzt, als eine Einheit gebrannt wurde.
  • Im Allgemeinen ist es übliche Praxis gewesen, für das piezoelektrische Material der in dem gestapelten Piezokeramikelement zu verwendenden Piezokeramik eine Verbindung auf Perowskitbasis wie zum Beispiel ein Material der PZT-Familie oder dergleichen einzusetzen, das durch die allgemeine Formel ABO3 dargestellt wird. Für das piezoelektrische Material hat der Wunsch bestanden, dass es aus einem piezoelektrischen Material mit einem erhöhten Verschiebungswert besteht. Es sind insbesondere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erfolgt, um für ein piezoelektrisches Material zu sorgen, das sich zum Beispiel aus einem Mischoxid mit einer bestimmten Zusammensetzung zusammensetzt, wie sie in der JP 2001-322870 A offenbart ist.
  • Des Weiteren ist von dem gestapelten Piezokeramikelement verlangt worden, dass es zwischen den Innenelektroden und der Piezokeramik, die ein unterschiedliches Schrumpfungsverhältnis haben, eine erhöhte Bindungsfähigkeit aufweist.
  • Zu diesem Zweck ist bei der Innenelektrode der Versuch unternommen worden, ihr zum Beispiel ein Hilfsmaterial zuzugeben, das aus dem gleichen Material mit der gleichen Zusammensetzung wie die Piezokeramik besteht, die in „Nu Keras 3 Stacked Cermamic Condenser", bearbeitet von Nu Keras Series Editorial Board und herausgegeben von Gakkensha am 22. September 1988 auf Seite 62 offenbart ist. Dadurch werden die Innenelektrode und die Piezokeramik in die Lage versetzt, beim Schrumpfungsverhältnis zusammenzupassen.
  • Wie in der JP 10-172855 A offenbart ist, sind darüber hinaus zwecks einer weiter verbesserten Bindungsfähigkeit Forschungs- und Entwicklungsarbeiten unternommen worden, um eine Technologie zur Verfügung zu stellen, bei der eine Innenelektrodenschicht in einem Bereich ein Hilfsmaterial mit einem durchschnittlichen Existenzanteil von 15 bis 33 % aufweist. Des Weiteren sind, wie in der JP 1-232778 A offenbart ist, weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erfolgt, um für eine Technologie zur Verfügung zu stellen, bei der eine Innenelektrodenschicht auf Pt-Basis Ti- oder Mn-Metallpulver enthält.
  • Der Einsatz dieser Technologien versetzt die Innenelektroden und die Piezokeramik in die Lage, mit höherer Festigkeit verbunden zu werden.
  • Falls das gestapelte Piezokeramikelement nach diesem Stand der Technik jedoch zum Beispiel bei einer Einspritzvorrichtung oder dergleichen Anwendung findet, die unter den Bedingungen einer hohen Temperatur und hohen Spannung eingesetzt wird, kommt es zu einem Kriechstrom aus der Innenelektrode. Deswegen wird befürchtet, dass dies mit einer Absenkung des Isoliervermögens der Piezokeramik einhergeht.
  • Die Erfindung erfolgte, um sich mit den obigen Problemen zu befassen, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein gestapeltes Piezokeramikelement, das bei hervorragendem Isoliervermögen einen erhöhten Verschiebungswert gewährleistet, und ein zugehöriges Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen.
  • Um die obige Aufgabe zu lösen, sieht eine erste Ausgestaltung der Erfindung ein gestapeltes Piezokeramikelement vor, das Piezokeramikschichten und wechselweise auf die Piezokeramikschichten gestapelte Innenelektrodenschichten aufweist. Jede der Innenelektrodenschichten enthält ein Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent, in dem 0,1 bis 1 Mol-% eines B-Platz-Elements eines Materials der PZT-Familie, das durch die Grundzusammensetzungsformel ABO3 dargestellt wird, durch ein Übergangsmetallelement M substituiert ist, das mindestens zweiwertig oder dreiwertig sein soll, und elektrisch leitendes Metall. Jede der Piezokeramikschichten besteht aus einem Hauptbestandteil, der sich aus dem Material der PZT-Familie zusammensetzt, in dem das B-Platz-Element nicht substituiert ist.
  • Wie oben dargelegt ist, umfasst das gestapelte Piezokeramikelement gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung die Piezokeramikschichten und wechselweise auf die Piezokeramikschichten gestapelten Innenelektrodenschichten, die das Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent, in dem das B-Platz-Element in dem angegebenen Verhältnis durch das Übergangsmetallelement M substituiert ist, und das elektrisch leitende Metall enthält. Die Piezokeramikschichten setzen sich aus dem Hauptbestandteil zusammen, der das Material der PZT-Familie umfasst, in dem kein B-Platz-Element substituiert ist.
  • Mit den Innenelektrodenschichten, die aus dem Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent bestehen, und den Piezokeramikschichten, die aus dem Material der PZT-Familie ohne substituiertes B-Platz-Element bestehen, kann demnach der Kriechstrom von der Innenelektrodenschicht auch dann minimiert werden, wenn der Einsatz unter der Bedingung hoher Temperaturen von zum Beispiel mehr als 160°C erfolgt. Daher kann das gestapelte Piezokeramikelement ein besseres Isoliervermögen der bei hohen Temperaturen arbeitenden Piezokeramik aufweisen. Darüber hinaus enthalten die Innenelektrodenschichten das Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent, in dem das B-Platz-Element in dem angegebenen Verhältnis von 0,1 bis 1 Mol-% substituiert ist. Dementsprechend kann das gestapelte Piezokeramikelement ein besseres Isoliervermögen mit beinahe keiner Absenkung des Verschiebungswerts aufweisen, für den das Material der PZT-Familie ohne Substituent für das B-Platz-Element naturgemäß sorgt.
  • Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung sieht ein gestapeltes Piezokeramikelement für die Verwendung in einer Einspritzvorrichtung zur Kraftstoffeinspritzung vor, das Piezokeramikschichten, von denen jede ein Material der PZT-Familie enthält, und wechselweise auf die Piezokeramikschichten gestapelte Innenelektrodenschichten aufweist. Der Isolationswiderstand ist nach Ablauf von 30 Minuten größer als 20 GΩ·m, wenn bei einer Temperatur von 160°C eine elektrische Feldstärke von 2,5 kV/mm angelegt ist, und die Streckungsrate hat einen Wert von mehr als 0,15 %, wenn bei einer Temperatur von 25°C eine elektrische Feldstärke von 2 kV/mm angelegt ist.
  • Das gestapelte Piezokeramikelement gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung weist den Isolationswiderstand von mehr als 20 GΩ·m und die Streckungsrate von mehr als 0,15 % auf. Daher zeigt das gestapelte Piezokeramikelement gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung bei einer geringen Steuerspannung eine hervorragende Streckungsrate, während es bei hohen Temperaturen ein hervorragendes Isoliervermögen zeigt. Dementsprechend hat das gestapelte Piezokeramikelement gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung eine geeignete Anwendungsmöglichkeit als zum Beispiel eine Einspritzvorrichtung eines Kraftfahrzeugs zur Kraftstoffeinspritzung.
  • Eine dritte Ausgestaltung der Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung eines gestapelten Piezokeramikelements vor, das Piezokeramikschichten und wechselweise auf die Piezokeramikschichten gestapelte Innenelektrodenschichten aufweist. Jede der Innenelektrodenschichten enthält ein Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent, in dem 0,1 bis 1 Mol-% eines B-Platz-Elements eines Materials der PZT-Familie, das durch die Grundzusammensetzungsformel ABO3 dargestellt wird, durch ein Übergangsmetallelement M substituiert ist, das mindestens zweiwertig oder dreiwertig sein soll, und elektrisch leitendes Metall, während jede der Piezokeramikschichten aus einem Hauptbestandteil besteht, der sich aus dem Material der PZT-Familie zusammensetzt, in dem das B-Platz-Element nicht substituiert ist. Das Herstellungsverfahren ist gekennzeichnet durch die Schritte: Anfertigen von Grünlagen, die sich aus einem ersten Keramikausgangsmaterial zusammensetzen, das nach einem Brennschritt das Material der PZT-Familie der Piezokeramikschichten bildet; Anfertigen eines Elektrodenmaterials durch Mischen eines zweiten Keramikausgangsmaterials, das nach einem Brennschritt das Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent der Innenelektrodenschichten bildet, und von elektrisch leitendem Metallpulver; jeweils Auftragen des Elektrodenmaterials auf den Grünlagen; Stapeln der mit dem Elektrodenmaterial überzogenen Grünlagen, um dadurch einen Zwischenprodukt-Stapelkörper zu bilden; und Brennen des Zwischenprodukt-Stapelkörpers, um das gestapelte Piezokeramikelement zu erzielen. Der Schritt Anfertigen des Elektrodenmaterials setzt das zweite Keramikausgangsmaterial ein, das mindestens eine der folgenden Alternativen umfasst: ein Kompositmaterial, das sich aus einem Ausgangsmaterialgemisch zusammensetzt, das Keramikausgangsmaterialien, die in einem Mischungsverhältnis gemischt sind, das das Material der PZT-Familie nach einem Brennschritt in Sollzusammensetzung ausbildet, und ein oxidatives Produkt des Übergangsmetallelements M enthält, das dem Ausgangsmaterialgemisch in einem Mischungsverhältnis zugemischt ist, das erlaubt, dass 0,1 bis 1 Mol-% eines B-Platz-Elements des Materials der PZT-Familie durch das Übergangsmetallelement M substituiert werden; ein kalziniertes Kompositmaterialpulver, das durch Kalzinieren und Zerpulvern des Kompositmaterials erzielt wurde; und ein kalziniertes Ausgangsmaterialpulver-Kompositmaterial, das sich aus einem kalzinierten Ausgangsmaterialpulver, das durch Kalzinieren des Ausgangsmaterialgemischs und Zerpulvern desselben erzielt wurde, und einem Oxidprodukt des Übergangsmetallelements M zusammensetzt, die in einem Mischungsverhältnis gemischt sind, das erlaubt, dass 0,1 bis 1 Mol-% des B-Platz-Elements des Materials der PZT-Familie durch das Übergangsmetallelement M substituiert werden.
  • Bei dem Herstellungsverfahren gemäß der dritten Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht das Ausführen des Grünlagenanfertigungsschritts, des Elektrodenmaterialanfertigungsschritts, des Stapelschritts und des Brennschritts es, die gestapelten Piezokeramikelemente gemäß der ersten und zweiten Ausgestaltung der Erfindung herzustellen.
  • Wenn bei dem Herstellungsverfahren gemäß der dritten Ausgestaltung der Erfindung der Zwischenprodukt-Stapelkörper im Brennschritt gebrannt wird, besteht des Weiteren die Wahrscheinlichkeit, dass zumindest ein Teil des Übergangsmetallelements M aus dem im Elektrodenmaterial enthaltenen zweiten Keramikausgangsmaterial in die Grünlagen diffundiert. In diesem Fall hat die Piezokeramikschicht in enger Nachbarschaft mit den Innenelektrodenschichten Bereiche, die mit übergangsmetallelementhaltigen Gebieten ausgebildet sind, die das aus den Innenelektrodenschichten diffundierte Übergangsmetallelement M enthalten. Das Übergangsmetallelement M fungiert als ein Akzeptor, um elektrische Neutralität zu halten, was zur Bildung eines Lochs (Sauerstoffdefekts) führt. Ein solcher Pinning-Effekt aufgrund des Sauerstoffdefekts führt zu einer Unterdrückung von Ladungsübertragung, wodurch eine weitere Verbesserung des Isoliervermögens ermöglicht wird.
  • Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden die erste bis dritte Ausgestaltung der Erfindung nun ausführlicher beschrieben. Allerdings ist die Erfindung nicht auf die unten beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt und kann das technische Konzept der Erfindung auch in Kombination mit anderen bekannten Technologien oder mit anderen Technologien, die eine vergleichbare Funktionsweise wie diese bekannten Technologien haben, implementiert werden.
  • 1 ist eine Perspektivansicht, die den Gesamtaufbau eines gestapelten Piezokeramikelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
  • 2 ist eine Darstellung, die ein Schnittbild des in 1 gezeigten gestapelten Piezokeramikelements des ersten Ausführungsbeispiels zeigt.
  • 3 ist eine Draufsicht, die eine mit einem Elektrodenmaterial überzogene Grünlage zeigt, die einen Teil des in 1 gezeigten gestapelten Piezokeramikelements des ersten Ausführungsbeispiels bildet.
  • 4 ist eine auseinander gezogene Ansicht, die zeigt, wie die jeweils mit dem Elektrodenmaterial überzogenen Grünlagen wechselweise gestapelt werden.
  • 5 ist eine Perspektivansicht, die den Gesamtaufbau eines Zwischenprodukt-Stapelkörpers zeigt, der einem Stapelschritt zur Herstellung des gestapelten Piezokeramikelements des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung unterzogen wurde.
  • 6 ist eine Darstellung, die ein Beispiel eines Kristallaufbaus einer Perowskitstruktur zeigt.
  • 7 ist eine vergrößerte Teilansicht, die ein Schnittbild des gestapelten Piezokeramikelements zeigt, das sich aus Piezokeramikschichten und Innenelektrodenschichten zusammensetzt, die wechselweise übereinander gestapelt sind.
  • Unter Bezugnahme auf 1 wird nun ein gestapeltes Piezokeramikelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält das gestapelte Piezokeramikelement 1 Piezokeramikschichten 11 und Innenelektrodenschichten 12, 13, die wechselweise übereinander gestapelt sind.
  • Jede der Innenelektrodenschichten 12, 13 enthält ein Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent, in dem 0,1 bis 1 Mol-% eines B-Platz-Elements eines Materials der PZT-Familie, das durch eine Grundzusammensetzung mit der Formel ABO3 dargestellt wird, durch ein Übergangsmetallelement M substituiert ist, das sich mindestens zweiwertig oder dreiwertig ausbildet, und elektrisch leitendes Metall.
  • Falls das Übergangsmetallelement M weniger als 0,1 Mol-% beträgt, ist zu befürchten, dass es dem gestapelten Piezokeramikelement 1 schwer fällt, bei hohen Betriebstemperaturen einen ausreichend verbesserten Isolationswiderstand zu erreichen. Wenn das Übergangsmetallelement M indessen mehr als 1 Mol-% beträgt, ist zu befürchten, dass es zu einer Absenkung des Verschiebungswerts des gestapelten Piezokeramikelements 1 kommt.
  • Das Übergangsmetallelement M kann vorzugsweise einen sechsfach koordinierten Innenradius mit einem Wert haben, der von 0,5 bis 1 Å reicht.
  • Wenn der sechsfach koordinierte Innenradius weniger als 0,5 Å beträgt, ist zu befürchten, dass es dem Übergangsmetallelement M schwer fällt, den B-Platz zu substituieren. Wenn der sechsfach koordinierte Innenradius indessen größer als 1 Å ist, ist zu befürchten, dass es dem Übergangsmetallelement M leicht fällt, den A-Platz zu substituieren.
  • Der sechsfach koordinierte Innenradius wird nun ausführlich unter Bezugnahme auf 6 erläutert.
  • Der sechsfach koordinierte Innenradius stellt einen Innenradius eines Ions dar, das sich an einer Position befindet, die von sechs Ionen umgeben ist. 6 zeigt ein Beispiel eines Kristallaufbaus in Form von zum Beispiel einer Struktur auf Perowskitbasis. Wie in 6 gezeigt ist, hat der Kristallaufbau ein B-Platz-Ion, das sich an einer Position befindet, die von sechs Ionen (X-Platz-Ionen) umgeben ist. Die an solchen Positionen vorhandenen Ionen werden als sechsfach koordinierte Ionen bezeichnet, wobei der Radius jedes sechsfach koordinierten Ions als sechsfach koordinierter Innenradius bezeichnet wird.
  • Bei der durch die allgemeine Formel ABO3 dargestellten Struktur auf Perowskitbasis umfassen A-Platz-Ionen zwölffach koordinierte Ionen, die von zwölf Ionen umgeben sind, und umfasst das B-Platz-Ion die sechsfach koordinierten Ionen, die von den sechs Ionen umgeben sind.
  • Ferner wird der Innenradius ermittelt, indem unter Verwendung eines Röntgenbeugungsgeräts der Abstand zwischen einem „+"-Ion und einem „–"-Ion, die bei einer Ionenkristallisation nebeneinander liegen, gemessen wird, wonach die sich ergebenden Werte den Ionen zugewiesen werden. Allerdings kann der Innenradius in der Praxis auch auf Grundlage von Messwerten zu einigen Verbindung ermittelt werden. Als Werte experimenteller Innenradien sind die Werte von Shannon und Pauling allgemein bekannt, wobei der Ionenradiuswert von Shannon bei der Erfindung eingesetzt werden kann.
  • Das Übergangsmetallelement M kann vorzugsweise mindestens eines der Elemente Mn, Cr und Fe umfassen.
  • In diesem Fall kann das gestapelte Piezokeramikelement die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung noch deutlicher mit einem erhöhten Verschiebungsbetrag und hervorragendem Isoliervermögen zeigen.
  • Des Weiteren kann sich das Material der PZT-Familie vorzugsweise aus PbZrO3-PbTiO3-Pb(Y1/2Nb1/2)O3 zusammensetzen.
  • In diesem Fall kann das gestapelte Piezokeramikelement die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung noch deutlicher mit einem erhöhten Verschiebungsbetrag und hervorragendem Isoliervermögen zeigen. Zudem kann das sich aus PbZrO3-PbTiO3-Pb(Y1/2Nb1/2)O3 zusammensetzende Material der PZT-Familie nicht nur beim Hauptbestandteil der Piezokeramikschicht, sondern auch bei dem in den Innenelektrodenschichten enthaltenen Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent zum Einsatz kommen.
  • Darüber hinaus kann die Innenelektrodenschicht vorzugsweise 50-65 Gew.-% des elektrisch leitenden Metalls und 50-35 Gew.-% des Materials der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent enthalten.
  • Falls das elektrisch leitende Metallmaterial weniger als 50 Gew.-% oder das Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent mehr als 50 Gew.-% beträgt, weist jede der Innenelektrodenschichten einen geringeren Anteil des elektrisch leitenden Metallmaterials auf. Dadurch haben die Innenelektrodenschichten Schwierigkeiten, einen ausreichenden Grad elektrischer Leitfähigkeit aufzuweisen. Falls das elektrisch leitende Metallmaterial indessen mehr als 65 Gew.-% oder das Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent weniger als 35 Gew.-% beträgt, ist die Menge an Übergangsmetallelementen unzureichend, wobei zu befürchten ist, dass es schwer fällt, ein ausreichend verbessertes Isoliervermögen zu erzielen.
  • Außerdem umfassen Beispiele für das elektrisch leitende Metall beispielsweise eine Ag-Pd-Verbindung oder dergleichen.
  • Des Weiteren können die Piezokeramikschichten vorzugsweise ein übergangsmetallelementhaltiges Gebiet enthalten, das das aus den Innenelektrodenschichten diffundierte Übergangsmetallelement M enthält.
  • Das übergangsmetallelementhaltige Gebiet wird unten ausführlich unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
  • 7 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht des gestapelten Piezokeramikelements 1, das sich aus den Piezokeramikschichten 11 und den Innenelektrodenschichten 12, 13 zusammensetzt, die wechselweise übereinander gestapelt sind.
  • Wie in 7 gezeigt ist, stellt das übergangsmetallelementhaltige Gebiet 16 ein Gebiet dar, das ein Übergangsmetallelement M enthält, das aus den Innenelektrodenschichten 12, 13 diffundiert ist, und in Bereichen ausgebildet ist, die sich in den Piezokeramikschichten 11 in enger Nachbarschaft mit den Innenelektrodenschichten 12, 13 befinden.
  • Bei den Piezokeramikschichten 11, die auf beiden Oberflächen mit den übergangsmetallelementhaltigen Gebieten 16 ausgebildet sind, fungiert das Übergangsmetallelement M im übergangsmetallelementhaltigen Gebiet 16 als ein Akzeptor. Dies erlaubt es dem Übergangsmetallelement M, Elektroneutralität zu halten, was die Bildung von Löchern (Sauerstoffdefekten) ermöglicht.
  • Sind solche Sauerstoffdefekte ausgebildet, wird die Ladungsübertragung unterdrückt, wodurch eine weitere Verbesserung des Isoliervermögens des gestapelten Piezokeramikelements ermöglicht wird.
  • Gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist ein gestapeltes Piezokeramikelement vorgesehen, das nach Ablauf von 30 Minuten, wenn bei einer Temperatur von 160°C eine elektrischen Feldstärke von 2,5 kV/mm angelegt ist, einen Isolationswiderstand von mehr als 20 GΩ·m und, wenn bei einer Temperatur von 25°C eine elektrische Feldstärke von 2 kV/mm angelegt ist, eine Streckungsrate von 0,15 bis 0,2 % aufweist.
  • Falls der Isolationswiderstand weniger als 20 GΩ·m beträgt, ist zu befürchten, dass es aufgrund zyklischer Ermüdung während der Betriebsphasen zu einem Isolationsversagen kommt. Falls die Streckungsrate zudem weniger als 0,15 % beträgt, ist zu befürchten, dass für das Element als solches der Bedarf besteht, dass es für das gestapelte Piezokeramikelement groß ausgebildet werden muss, um im Anwendungsfall von zum Beispiel einer Kraftstoffeinspritzdüse oder dergleichen mit einem vorgegebenen Verschiebungsbetrag zu arbeiten.
  • Des Weiteren ist das gestapelte Piezokeramikelement so gewählt, dass es den Isolationswiderstand hat, der nach Ablauf von 30 Minuten auftritt, wenn bei der Temperatur von 160°C eine elektrische Feldstärke von 2,5 kV/mm angelegt ist, weil der Isolationswiderstand, der dazu dient, eine Polarisation ausreichend zu sättigen, als ein Widerstandswert eine Rolle spielt, bei der das Element als solches einen stabilen Bereich erreicht. Das gestapelte Piezokeramikelement ist so gewählt, dass es die Streckungsrate hat, die auftritt, wenn bei der Temperatur von 25°C eine elektrische Feldstärke von 2 kV/mm angelegt ist, weil dieser Parameter in einem Bereich der Feldstärke, die im Anwendungsfall von zum Beispiel einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung angelegt wird, als Feldstärke eine Rolle spielt, die ausreicht, damit die Streckung des Elements einen gesättigten Zustand erreicht.
  • Als Nächstes folgt die Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung eines gestapelten Piezokeramikelements gemäß der dritten Ausgestaltung der Erfindung.
  • Bei der dritten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren zur Herstellung eines gestapelten Piezokeramikelements die Schritte Anfertigen von Grünlagen, Anfertigen eines Elektrodenmaterials, jeweils Ausbilden von Elektroden auf den Grünlagen, wechselweises Stapeln der Grünlagen, um einen Stapelkörper zu bilden, und Brennen des Stapelkörpers, um das gestapelte Piezokeramikelement zu erzielen.
  • Während des Schritts Anfertigen der Grünlagen erfolgt die Bereitstellung eines ersten Keramikmaterials, das nach einem Brennschritt ein Material der PZT-Familie für Piezokeramikschichten bildet, das zum Anfertigen der Grünlagen verwendet wird. Beispiele für das erste Keramikausgangsmaterial können beispielsweise ein Ausgangsmaterialgemisch umfassen, das Keramikausgangsmaterialien enthält, die in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis gemischt sind, um das Material der PZT-Familie nach einem Brennschritt in Sollzusammensetzung auszubilden. Alternativ kann das erste Keramikausgangsmaterial ein kalziniertes Mischpulver-Kompositmaterial enthalten, das durch Kalzinieren des Ausgangsmaterialgemischs und Zerpulvern desselben erzielt wurde.
  • Des Weiteren erlaubt bei dem Schritt Anfertigen des Elektrodenmaterials das Mischen eines zweiten Keramikausgangsmaterials, das nach einem Brennschritt ein Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent einer Innenelektrode bildet, und von elektrisch leitendem Metallpulver es, das Elektrodenmaterial anzufertigen.
  • Beispiele für das zweite Keramikausgangsmaterial können ein Kompositmaterial umfassen, das ein Ausgangsmaterialgemisch enthält, das Keramikausgangsmaterialen, die in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis gemischt sind, um das Material der PZT-Familie nach einem Brennschritt in Sollzusammensetzung auszubilden, und ein oxidatives Produkt eines Übergangsmetallelements M enthält, die miteinander in einem Mischungsverhältnis gemischt sind, bei dem 0,1-1 Mol-% eines B-Platz-Elements des Materials der PZT-Familie durch das Übergangsmetallelement M ersetzt wird. Außerdem kann das Kompositmaterial ein kalziniertes Kompositmaterialpulver umfassen, das durch Kalzinieren des Kompositmaterials und Zerpulvern desselben erzielt wurde. Zudem kann das zweite Keramikausgangsmaterial ein kalziniertes Ausgangsmaterialpulver-Kompositmaterial umfassen, das ein kalziniertes Ausgangsmaterialpulver, das durch Kalzinieren des Ausgangsmaterialgemischs und Zerpulvern desselben erzielt wurde, und das Übergangsmetallelement M enthält, die in einem Mischungsverhältnis gemischt sind, bei dem 0,1-1 Mol-% des B-Platz-Elements des Material der PZT-Familie durch das Übergangsmetallelement M substituiert wird.
  • Wenn für das zweite Keramikausgangsmaterial das Kompositmaterialpulver verwendet wird, werden zum Kompositmaterial ein Lösungsmittel und Dispergiermittel etc. zugegeben. Die sich ergebende Mischung wird gemischt und getrocknet, wonach das sich ergebende getrocknete Produkt bei einer Temperatur von beispielsweise 700 bis 900°C kalziniert wird. Dann wird das kalzinierte Produkt zu Teilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,25 bis 1 μm zerpulvert, um das kalzinierte Kompositmaterialpulver zu erzielen. Ferner wird auch dann, wenn für das zweite Keramikausgangsmaterial das kalzinierte Kompositmaterialpulver verwendet wird oder für das erste Keramikmaterial das kalzinierte Mischpulver-Kompositmaterial verwendet wird, zu dem kalzinierten Kompositmaterialpulver auf die gleiche Weise wie oben erwähnt das Lösungsmittel oder dergleichen zugegeben und damit gemischt. Das sich ergebende Gemisch wird getrocknet, wonach das getrocknete Produkt kalziniert und dann zerpulvert wird, wodurch ein gewünschtes kalziniertes Pulver erzielt wird.
  • Des Weiteren können Beispiele für das elektrisch leitende Metallpulver ein Pulver aus einer Ag-Pd-Legierung umfassen. Ferner kann das elektrisch leitende Metallpulver das Ag-Pd-Legierungspulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser in der Größenordnung von ungefähr 1 μm und ein Mischmetallpulver umfassen, das Ag-Pulver und/oder Pd-Pulver enthält.
  • Darüber hinaus kann das elektrisch leitende Metallpulver vorzugsweise ein Gemisch aus 50 bis 65 Gew.-% elektrisch leitendem Metallpulver und 50 bis 35 Gew.-% des zweiten Keramikausgangsmaterials umfassen.
  • Falls das elektrisch leitende Metallpulver weniger als 50 Gew.-% beträgt oder das zweite Keramikausgangsmaterial mehr als 50 Gew.-% beträgt, nimmt der Anteil des elektrisch leitenden Metalls, das in den nach dem Brennschritt ausgebildeten Innenelektrodenschichten enthalten ist, ab, was zu Schwierigkeiten für die Innenelektrodenschichten führt, eine ausreichend verbesserte elektrische Leitfähigkeit aufzuweisen. Falls das elektrisch leitende Metallpulver indessen mehr als 65 Gew.-% beträgt oder das zweite Keramikausgangsmaterial weniger als 35 Gew.-% beträgt, ist die Menge des Übergangsmetallelements M unzureichend, was befürchten lässt, dass das gestapelte Piezokeramikelement Schwierigkeiten hat, nach dem Brennschritt ein ausreichend besseres Isoliervermögen aufzuweisen.
  • In dem Schritt Ausbilden der Elektrode wird als Nächstes das Elektrodenmaterial auf den Grünlagen aufgetragen. Das Elektrodenmaterial kann auf den Grünlagen auf jeweils mindestens einer Oberfläche davon durch zum Beispiel Siebdruck aufgetragen werden.
  • Darüber hinaus werden die mit dem Elektrodenmaterial überzogenen Grünlagen in dem Schritt Stapeln der Grünlagen gestapelt, wodurch ein Zwischenprodukt-Stapelkörper hergestellt wird.
  • In dem Brennschritt wird der Zwischenprodukt-Stapelkörper gebrannt. Auf diese Weise kann das gestapelte Piezokeramikelement hergestellt werden.
  • Des Weiteren kann in der Phase zwischen dem Stapelschritt und dem Brennschritt zum Entfetten des Zwischenprodukt-Stapelkörpers ein Entfettungsschritt durchgeführt werden.
  • Als Nächstes wird das erfindungsgemäße gestapelte Piezokeramikelement unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben.
  • BEISPIEL 1
  • Unten wird nun unter Bezugnahme auf 1 bis 5 Beispiel 1 der Erfindung beschrieben.
  • Dieses Beispiel befasst sich mit einem Beispiel eines gestapelten Piezokeramikelements, das dazu hergestellt wurde, den zugehörigen Verschiebungswert und das Isoliervermögen zu überprüfen.
  • Wie in 1 und 2 gezeigt ist, setzt sich das gestapelte Piezokeramikelement 1 aus den Piezokeramikschichten 11 und den Innenelektrodenschichten 12, 13 zusammen, die wechselweise übereinander gestapelt sind. Jede der Innenelektrodenschichten 12, 13 enthält ein Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent, in dem 0,1 bis 1 Mol-% eines B-Platz-Elements eines Materials der PZT-Familie, das durch eine Grundzusammensetzung mit der Formel ABO3 dargestellt wird, durch ein Übergangsmetallelement M substituiert ist, das sich mindestens zweiwertig oder dreiwertig ausbildet, und elektrisch leitendes Metall. Darüber hinaus setzen sich die piezokeramischen Schichten 11 aus einem Hauptbestandteil zusammen, der das Material der PZT-Familie enthält, in dem kein B-Platz-Element substituiert ist.
  • Bei diesem Beispiel setzt sich das Material der PZT-Familie der Piezokeramikschichten 11 aus PbZrO3-PbTiO3-Pb(Y1/2Nb1/2)O3 zusammen und umfasst das Material der PZT-Familie der Innenelektrodenschichten 12, 13 das Material der PZT-Familie mit der gleichen Zusammensetzung wie die Piezokeramikschichten 11, in dem der B-Platz durch Mangan (Mn) substituiert ist.
  • In diesem Beispiel enthält das gestapelte Piezokeramikelement 1 21 Stück Piezokeramikschichten 11 und 21 Stück Innenelektrodenschichten 12, 13, die wechselweise übereinander gestapelt sind. Außerdem weisen die Innenelektrodenschichten 12, 13 jeweils ein mit den Seitenwänden 15s1 der Grünlagen 15 zusammenfallendes äußerstes Ende und andere Enden 12a, 13a auf, die an Positionen fern von den Seitenwänden 15s2 der Grünlagen 15 enden. Demnach hat jede der Grünlagen 15 einen parallel zu der Seitenwand 15s2 jeder Grünlage 15 verlaufenden elektrodenfreien Randbereich 15a, in dem keine Innenelektrodenschicht 12, 13 vorhanden ist.
  • Des Weiteren hat das gestapelte Piezokeramikelement 1 eine erste und zweite Seitenwand 1a, 1b, auf denen jeweils eine erste und zweite Seitenelektrode 18, 19 ausgebildet sind. In dem gestapelten Piezokeramikelement 1 sind die Innenelektrodenschichten 12, 13 wechselweise elektrisch mit der ersten und zweiten Seitenelektrode 18, 19 verbunden. Genauer gesagt sind die Innenelektrodenschichten 12 mit der ersten Seitenelektrode 18 und die Innenelektrodenschichten 13 mit der zweiten Seitenelektrode 19 verbunden.
  • Das gestapelte Piezokeramikelement dieses Beispiels kann erzeugt werden, indem die Schritte Anfertigen von Grünlagen, Anfertigen eines Elektrodenmaterials, jeweils Bilden von Elektroden auf den Grünlagen, Stapeln der Grünlagen, um einen grünen Stapelkörper zu bilden, und Brennen des grünen Stapelkörpers durchgeführt werden.
  • Beim Anfertigen der Grünlagen wird ein erstes Keramikausgangsmaterial, das nach einem Brennschritt das Material der PZT-Familie der Piezokeramikschicht bildet, angefertigt, um die Grünlagen zu erzeugen.
  • Beim Anfertigen des Elektrodenmaterials werden ferner ein zweites Keramikausgangsmaterial, das nach einem Brennschritt ein Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent der Innenelektroden bildet, und elektrisch leitendes Metallpulver gemischt, wodurch das Elektrodenmaterial angefertigt wird.
  • Wie in 3 gezeigt ist, werden beim Bilden der Elektroden jeweils die Elektrodenmaterialien 22, 23 auf die Grünlagen 15 aufgetragen.
  • Beim Stapeln der Grünlagen 15 werden des Weiteren die mit den Elektrodenmaterialien 22, 23 überzogenen Grünlagen 15 übereinander gestapelt, wodurch wie in den 4 und 5 gezeigt ein Zwischenprodukt-Stapelkörper 3 gebildet wird.
  • In dem Brennschritt wird der Zwischenprodukt-Stapelkörper 3 gebrannt, wodurch wie in den 1 und 2 gezeigt das gestapelte Piezokeramikelement 1 erzielt wird.
  • Unten wird nun ausführlich ein Verfahren zum Herstellen eines gestapelten Piezokeramikelements gemäß diesem Beispiel beschrieben.
  • Zunächst wurden als Anfangsausgangsmaterialien (Keramikmaterialien) eines Materials der PZT-Familie Pulver aus Pb3O4, SrCO3, ZrO2, TiO2, Y2O3 und Nb2O5 zusammengestellt.
  • Diese Anfangsausgangsmaterialien werden mit stöchiometrischer Zusammensetzung abgewogen und einem Nassmischen unterzogen, um für eine Sollzusammensetzung aus PbZrO3-PbTiO3-Pb(Y1/2Nb1/2)O3 zu sorgen. Die sich ergebende Mischung wurde getrocknet und granuliert, woraufhin das sich ergebende Pulver kalziniert wurde. Das sich ergebende kalzinierte Pulver wurde nass gemahlen, wodurch als erstes Keramikausgangsmaterial für ein kalziniertes Mischpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser (mit einem D50 Wert) von 0,7 ± 0,05 μm gesorgt wurde.
  • Dann wurden zum ersten Keramikausgangsmaterial ein Lösungsmittel, ein Bindemittel, ein Weichmacher und ein Dispergiermittel etc. zugegeben und mit einer Kugelmühle gemischt. Die sich ergebende Schlämme wurde (im Schritt Bilden der Grünlagen) unter Verwendung einer Rakelvorrichtung zu Grünlagen mit jeweils einer Dicke von 95 μm geformt.
  • Des Weiteren wurden die gleichen Anfangsausgangsmaterialien wie oben beschrieben und ein Oxidprodukt (Mn2O3) aus Mn in einem Mischungsverhältnis abgewogen, das erlaubte, dass 0,1 Mol-% des B-Platz-Elements im Material der PZT-Familie aus PbZrO3-PbTiO3-Pb(Y1/2Nb1/2)O3 durch Mn substituiert wurden. Diese Materialien wurden nass gemischt und bei einer Temperatur von 800°C kalziniert. Das sich ergebende kalzinierte Pulver wurde in einer Kugelmühle nass gemahlen und anschließend bei einer Temperatur von 650°C wärmebehandelt. Dies ergab ein kalziniertes Kompositmaterialpulver (zweites Keramikausgangsmaterial) mit einem mittleren Teilchendurchmesser (mit einem D50-Wert) von 0,25 bis 0,5 μm. Anschließend wurden 40 Gew.-% des zweiten Keramikausgangsmaterials und 60 Gew.-% eines Ag-Pd-Legierungspulvers (Silber/Palladium = 7/3 (im Gewichtsverhältnis)) mit einem mittlern Teilchendurchmesser von ungefähr 1 μm gemischt, wodurch (im Schritt Bilden des Elektrodenmaterials) ein Elektrodenmaterial angefertigt wurde.
  • Als Nächstes wurden zu dem Elektrodenmaterial ein Lösungsmittel, ein Bindemittel, ein Weichmacher und ein Dispergiermittel etc. zugegeben und mit diesem gemischt, wodurch eine Schlämme hergestellt wurde. Die in Form einer Schlämme vorliegenden Elektrodenmaterialien 22, 23 wurden (im Schritt Bilden der Elektrode) auf jede Grünlage 15 aufgedruckt. Dabei wurden die Elektrodenmaterialien 22, 23 derart auf die Oberfläche jeder Grünlage 15 aufgedruckt, dass jeweils nur ein äußerstes Ende 22e (23e) der Elektrodenmaterialien 22, 23 mit einer Seitenwand 15s1 jeder Grünlage 15 zusammenfiel. In diesem Fall endeten innen liegende Enden 22a (23a) der Elektrodenmaterialien 22, 23 an einer inneren Grenzlinie 22b (23b), wodurch jeder Grünlage 15 erlaubt wurde, an einer Position näher an der anderen Seitenwand 15s2 der Grünlage 15 einen elektrodenfreien Randbereich 15a zu haben. 3 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel für die Grünlage 15 zeigt, auf der das Elektrodenmaterial 22 durch Drucken aufgetragen ist.
  • Dann wurden die mit den Elektrodenmaterialien 22, 23 überzogenen Grünlagen 15 wie in 4 gezeigt gestapelt. Während dieses Stapelschritts wurden die Grünlagen 15 derart gestapelt, dass die jeweils einen äußersten Enden 22e, 23e der Elektrodenmaterialien 22, 23 wechselweise an der linken und rechten Seitenwand 1a, 1b des gestapelten Piezokeramikelements 1 ausgerichtet waren. Auf diese Weise wurden 21 Stück der mit den Elektrodenmaterialien 22, 23 bedruckten Grünlagen 15 gestapelt, wodurch ein Stapelkörper gebildet wurde. Zudem wurden auf beide Enden des Stapelkörpers mehrere erste und zweite leere Grünlagen 24 gesetzt, auf denen kein Elektrodenmaterial ausgebildet war, und einem Thermopressverbinden unterzogen. Auf diese Weise wurde wie in 5 gezeigt (im Stapelschritt) ein Zwischenprodukt-Stapelkörper 3 erzielt. Zudem ist ersichtlich, dass der Zwischenprodukt-Stapelkörper 3 in 5 mit einer geringeren Anzahl an Grünlagen als der tatsächlichen Anzahl der gestapelten Grünlagen dargestellt ist, um die Zeichnung zu vereinfachen.
  • Als Nächstes wurde der Zwischenprodukt-Stapelkörper 3 in einem Ofen entfettet und danach bei einer Temperatur von 1080°C gebrannt. Danach wurde die gesamte Oberfläche des sich ergebenden Zwischenprodukt-Stapelkörpers 3 geschliffen, wodurch wie in den 1 und 2 gezeigt ein gestapeltes Piezokeramikelement 1 mit einer Abmessung von 7 × 7 × 1,8 mm erzeugt wurde. Anschließend wurden auf das gestapelte Piezokeramikelement 1 Seitenelektroden 18, 19 gebrannt, so dass sie seine beiden Oberflächen sandwichartig umgaben.
  • Das auf die oben beschriebene Weise erzielte gestapelte Piezokeramikelement 1 wurde als Muster E1 angesehen.
  • Des Weiteren wurden in diesem Beispiel als Muster E2 bis E4 und Muster C1 und C2 fünf Arten gestapelter Piezokeramikelemente in Strukturen mit anderen Gehalten und Arten des das Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent der Innenelektrodenschichten bildenden Übergangsmetallelements als der Gehalt und die Art des für das Muster E1 verwendeten Übergangsmetallelements erzeugt.
  • Das gestapelte Piezokeramikelement des Musters E2 ähnelte dem Muster E1 mit der Ausnahme, dass in dem Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent, das in den Innenelektrodenschichten enthalten war, 0,5 Mol-% des B- Platz-Elements im Material der PZT-Familie durch Mn substituiert war. Das heißt, dass das Muster E2 dem Muster E1 mit der Ausnahme ähnelte, dass die Menge an Mn, das den B-Platz in dem Material der PZT-Familie substituierte, von 0,1 Mol-% auf 0,5 Mol-% geändert wurde. Das Muster E2 wurde auf die gleiche Weise wie das Muster E1 erzeugt, aber mit der Ausnahme, dass in dem Elektrodenmaterialanfertigungsschritt das Anfangsausgangsmaterial und das Oxidprodukt (Mn2O3) aus Mn in einem Mischungsverhältnis abgewogen wurden, das erlaubte, dass 0,5 Mol-% des B-Platz-Elements des Material der PZT-Familie der Sollzusammensetzung PbZrO3-PbTiO3-Pb(Y1/2Nb1/2)O3 durch Mn substituiert wurden.
  • Ferner ähnelte das gestapelte Piezokeramikelement des Musters E3 dem Muster E1 mit der Ausnahme, dass in dem Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent, das in den Innenelektrodenschichten enthalten war, 1 Mol-% des B-Platz-Elements im Material der PZT-Familie durch Mn substituiert war. Das heißt, dass das Muster E3 dem Muster E1 mit der Ausnahme ähnelte, dass die Menge an Mn, das den B-Platz in dem Material der PZT-Familie substituierte, von 0,1 Mol-% auf 1 Mol-% geändert wurde. Das Muster E3 wurde auf die gleiche Weise wie das Muster E1 hergestellt, aber mit der Ausnahme, dass in dem Elektrodenmaterialanfertigungsschritt das Anfangsausgangsmaterial und das Oxidprodukt (Mn2O3) aus Mn in einem Mischungsverhältnis abgewogen wurden, das erlaubte, dass 1 Mol-% des B-Platz-Elements des Materials der PZT-Familie der Sollzusammensetzung aus PbZrO3-PbTiO3-Pb(Y1/2Nb1/2)O3 durch Mn substituiert wurden.
  • Ferner ähnelte das gestapelte Piezokeramikelement des Musters E4 dem Muster E1 mit der Ausnahme, dass in dem Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent, das in den Innenelektrodenschichten enthalten war, 0,5 Mol-% des B-Platz-Elements im Material der PZT-Familie durch Cr substituiert war. Das heißt, dass das Muster E4 dem Muster E1 mit der Ausnahme ähnelte, dass die Art des Übergangsmetallelements M, das den B-Platz des Materials der PZT-Familie substituieren sollte, von Mn zu Cr geändert wurde. Das Muster E4 wurde auf die gleiche Weise wie das Muster E1 erzeugt, aber mit der Ausnahme, dass im Elektrodenmaterialanfertigungsschritt das Anfangsausgangsmaterial und das Oxidprodukt (Cr2O3) aus Cr in einem Mischungsverhältnis abgewogen wurden, das erlaubte, dass 0,5 Mol-% des B-Platz-Elements des Materials der PZT-Familie der Sollzusammensetzung aus PbZrO3-PbTiO3-Pb(Y1/2Nb1/2)O3 durch Cr substituiert wurden.
  • Darüber hinaus ähnelte das gestapelte Piezokeramikelement des Musters C1 dem Muster E1 mit der Ausnahme, dass die Innenelektrodenschichten das gleiche Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent enthielten wie die Piezokeramikschicht. Das heißt, dass das Muster C1 Innenelektrodenschichten aufwies, die anstelle des Materials der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent das Material der PZT-Familie enthielt, in dem kein B-Platz substituiert war. Das Muster C1 wurde auf die gleiche Weise wie das Muster E1 hergestellt, aber mit der Ausnahme, dass im Elektrodenmaterialanfertigungsschritt das erste Keramikausgangsmaterial anstelle des zweiten Keramikausgangsmaterials verwendet wurde.
  • Außerdem ähnelte das gestapelte Piezokeramikelement des Musters C2 dem Muster E1 mit der Ausnahme, dass die Innenelektrodenschichten ein Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent enthielten, das sich daraus ergab, dass 1,5 Mol-% des B-Platz-Elements im Material der PZT-Familie durch Mn substituiert war. Das heißt, dass das Muster C2 dem Muster E1 mit der Ausnahme ähnelte, dass die Menge an Mn, die den B-Platz des Materials der PZT-Familie substituieren sollte, von 0,1 Mol-% auf 1,5 Mol-% geändert wurde. Das Muster C2 wurde auf die gleiche Weise wie das Muster E1 erzeugt, aber mit der Ausnahme, dass in dem Elektrodenmaterialanfertigungsschritt das Anfangsausgangsmaterial und das Oxidprodukt (Mn2O3) aus Mn in einem Mischungsverhältnis abgewogen wurden, das erlaubte, dass 1,5 Mol-% des B-Platz-Elements im Material der PZT-Familie der Sollzusammensetzung aus PbZrO3-PbTiO3-Pb(Y1/2Nb1/2)O3 durch Mn substituiert wurden.
  • Dann wurden Messungen vorgenommen, um die Isolationswiderstände der sechs Arten gestapelter Piezokeramikelemente zu überprüfen, die zu den Mustern E1 bis E4 und den Mustern C1 und C2 gehörten.
  • Und zwar wurde zunächst an jedes Muster bei einer Temperatur von 160°C 30 Minuten lang zur Polarisation ein elektrisches Feld mit einer Stärke von 2,5 kV/mm angelegt. Dann wurde, indem ein Widerstandelements mit bekanntem Widerstand und jedes Musters in Reihe verbunden wurden, ein Schaltkreis gebildet, woraufhin an einem Digitalmessgerät die Spannung (bei einem Kriechstromwert), die am Widerstandselement auftrat, abgelesen wurde, um den Isolationswiderstand jedes Musters zu berechnen.
  • Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
  • Des Weiteren wurden Messungen durchgeführt, um die Streckungsraten der jeweiligen Muster zu überprüfen.
  • Genauer gesagt wurde auf jedes Muster, das eine Last von 500 N trug, eine Spannung von 150 V aufgebracht. Die sich ergebenden Verschiebungswerte (Streckungswerte) jedes Musters wurden unter Verwendung eines Laserverschiebungsmessgeräts gemessen. Die Verschiebungen wurden an zwei Messpunkten gemessen, wobei der sich auf diese beiden Messpunkte beziehende Mittelwert als der sich ergebende Verschiebungswert jedes Musters verwendet wurde. Dann wurde basierend auf dem sich ergebenden Verschiebungswert, geteilt durch die Länge der effektiven Antriebsschicht, die Streckungsrate (%) berechnet. Außerdem erfolgten die Messungen bei Zimmertemperatur (25°C). Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
    Übergangsmetallelement
    Muster M Streckungsrate (%) Isolationswiderstand (GΩ·m)
    Art Menge (Mol-%)
    E1 Mn 0,1 0,17 20
    E2 Mn 0,5 0,17 25
    E3 Mn 1 0,16 25
    E4 Cr 0,5 0,16 20
    C1 – 0 0,17 10
    C2 Mn 1,5 0,14 25
  • Die Muster E1 bis E3 enthielten die Piezokeramikschichten, die sich jeweils aus dem Hauptbestandteil zusammensetzten, der das Material der PZT-Familie enthielt, in dem es keine Substitution durch das Übergangsmetallelement M gab, und die Innenelektrodenschichten, die sich jeweils aus dem Material der PZT-Familie zusammensetzten, in dem das B-Platz-Element durch 0,1 bis 1 Mol-% Mn substituiert war. Sämtliche dieser Muster E1 bis E3 zeigten demnach eine hohe Streckungsrate von mehr als 0,16 % bei einem hohen Isolationswiderstand von mehr als 20 G Ω·m. Darüber hinaus zeigte auch das Muster E4, das Cr anstelle von Mn verwendete, eine hohe Streckungsrate von 0,16 % bei einem hohen Isolationswiderstand von mehr als 20 GΩ·m.
  • Im Gegensatz dazu zeigte das Muster C1, das die Innenelektrodenschichten enthielt, die das Material der PZT-Familie ohne Substitution des B-Platz-Elements enthielten, eine hohe Streckungsrate von mehr als 0,17 %, doch kam es beim Isolationswiderstand zu einer deutlichen Abnahme, die einen äußerst niedrigen Wert von 10 GΩ·m ergab.
  • Des Weiteren zeigte das Muster C2 mit den Innenelektrodenschichten, die das Material der PZT-Familie enthielten, bei dem das B-Platz-Element durch 1,5 Mol-% Mn substituiert war, bei einer Absenkung der Streckungsrate, die einen äußerst niedrigen Wert von 0,14% zeigte, einen hohen Isolationswiderstand von ganzen 25 GΩ·m.
  • Die gestapelten Piezokeramikelemente der Muster E1 bis E4, die die Piezokeramikschichten, die sich aus dem Material der PZT-Familie als Hauptbestandteil zusammensetzen, bei dem durch das Übergangsmetallelement M keine Substitution ausgelöst wurde, und die Innenelektrodenschichten enthielten, die das Material der PZT-Familie mit dem B-Platz-Element enthielten, das durch 0,1 bis 1 Mol-% eines Übergangsmetallelements M wie Mn und Cr oder dergleichen substituiert war, können demnach bei hervorragendem Isoliervermögen einen hohen Verschiebungswert bewahren. Solche gestapelten Piezokeramikelemente, die bei hervorragendem Isoliervermögen einen erhöhten Verschiebungswert haben, lassen sich geeignet als Antriebsquellen für Kraftstoffeinspritzvorrichtungen für Kraftfahrzeuge einsetzen.
  • BEISPIEL 2
  • In dem oben angegebenen Beispiel 1 wurde als das zweite Keramikausgangsmaterial das kalzinierte Kompositmaterialpulver verwendet, das sich aus dem Ausgangsmaterialgemisch zusammensetzte, das aus den Keramikausgangsmaterialien und dem Oxidprodukt des Übergangsmetallelements M bestand, die in einem bestimmten Mischungsverhältnis gemischt wurden, um das Kompositmaterial zu bilden, das kalziniert und zerpulvert wurde.
  • Im Gegensatz dazu ist dieses Beispiel ein Beispiel eines gestapelten Piezokeramikelements, das dem von Beispiel 1 ähnelt, wobei in diesem Beispiel jedoch das gestapelte Piezokeramikelement unter Verwendung eines kalzinierten Ausgangsmaterialpulver-Kompositmaterials hergestellt wurde, das aus dem kalzinierten Ausgangsmaterialpulver, das durch Kalzinieren und Zerpulvern des Ausgangsmaterialgemischs erzielt wurde, und dem Oxidprodukt des Übergangsmetallelements M bestand. Diese Bestandteile wurden in einem Mischungsverhältnis gemischt, das erlaubte, dass 0,1 bis 1 Mol-% des B-Platz-Elements des Materials der PZT-Familie durch das Übergangsmetallelement M substituiert wurden.
  • Genauer gesagt wurden wie im Beispiel 1 unter Verwendung von Pb3O4, SrCO3, ZrO2, TiO2, Y2O3 und Nb2O5 als Anfangsausgangsmaterialien (Keramikausgangsmaterialien) des Materials der PZT-Familie erste Keramikausgangsmaterialien zusammengestellt. Diese Anfangsausgangsmaterialien wurden einem Nassmischen unterzogen, wodurch eine Schlämme hergestellt wurde. Die Verwendung der schlämmeförmigen ersten Keramikausgangsmaterialien ermöglichte es, die Grünlagen zu bilden.
  • Des Weiteren wurden die Keramikausgangsmaterialien, die in der gleichen Zusammensetzung wie oben beschrieben ausgebildet wurden, zwei Stunden lang bei einer Temperatur von 850°C kalziniert. Das sich ergebende kalzinierte Pulver wurde in einer Kugelmühle zerpulvert, wodurch ein kalziniertes Ausgangsmaterialpulver erzielt wurde. Das kalzinierte Ausgangsmaterialpulver und ein Oxidprodukt (Mn2O3) aus Mn wurden in einem Mischungsverhältnis gemischt, das erlaubte, dass 0,1 Mol-% des B-Platz-Elements im Material der PZT-Familie der Sollzusammensetzung aus PbZrO3-PbTiO3-Pb(Y1/2Nb1/2)O3 durch Mn ersetzt wurden, wodurch ein kalziniertes Ausgangsmaterialpulver-Kompositmaterial erzielt wurde. Das kalzinierte Ausgangsmaterialpulver-Kompositmaterial wurde in der Kugelmühle nass gemahlen, wodurch als zweites Keramikausgangsmaterial ein kalziniertes Kompositmaterialpulver erzielt wurde. Danach wurden das zweite Keramikausgangsmaterial und elektrisch leitendes Metallpulver auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 gemischt, wodurch ein Elektrodenmaterial angefertigt wurde.
  • Das gestapelte Piezokeramikelement wurde auf die gleiche Weise wie im Beispiel 1 unter Verwendung des oben beschriebenen Elektrodenmaterials und der Grünlagen erzeugt. Das auf die oben beschriebe Weise erzielte gestapelte Piezokeramikelement zeigte wie das Muster E1 von Beispiel 1 bei hervorragendem Isoliervermögen einen hohen Verschiebungswert.
  • Des Weiteren wurden die gleichen Herstellungsverfahren wie in diesem Beispiel durchgeführt, um das zweite Keramikausgangsmaterial anzufertigen, wobei in diesem Fall die Menge an Mn, die das B-Platz-Element substituieren sollte, wie bei den Mustern E2 und E3 im Beispiel 1 von 0,5 Mol-% auf 1 Mol-% geändert wurde. Ferner wurde beim Anfertigen des zweiten Keramikausgangsmaterials das B-Platz-Element wie beim Muster E4 im Beispiel 1 durch Cr anstelle von Mn substituiert. Die Verwendung dieser zweiten Ausgangsmaterialien erlaubte es dann, gestapelte Piezokeramikelemente zu erzeugen. Beide gestapelten Piezokeramikelemente zeigten im Ergebnis wie die oben erwähnten Muster E2 bis E4 von Beispiel 1 bei hervorragendem Isoliervermögen hohe Verschiebungswerte.
  • Es wurden zwar ausführlich bestimmte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, doch wird der Fachmann erkennen, dass im Lichte der Gesamtlehre dieser Offenbarung verschiedene Abwandlungen und Alternativen zu diesen Einzelheiten entwickelt werden könnten. Die hier offenbarten besonderen Gestaltungen sind dementsprechend nur als Erläuterung gedacht und sollen nicht den Schutzumfang der Erfindung beschränken, der durch die volle Breite der folgenden Ansprüche und ihrer Äquivalente gegeben ist.
  • Es wurden ein gestapeltes Piezokeramikelement und ein zugehöriges Herstellungsverfahren offenbart. Das gestapelte Piezokeramikelement enthält Piezokeramikschichten und Innenelektrodenschichten, die wechselweise übereinander gestapelt sind. Die Innenelektrodenschichten enthalten ein Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent, in dem 0,1 bis 1 Mol-% eines B-Platz-Elements des Materials der PZT-Familie durch ein Übergangsmetallelement M substituiert ist, und ein elektrisch leitendes Metall. Jede Piezokeramikschicht setzt sich aus dem Material der PZT-Familie ohne Substitution des B-Platz-Elements zusammen. Das gestapelte Piezokeramikelement hat unter bestimmten Bedingungen einen Isolationswiderstand von 20 bis 200 GΩ·m und eine Streckungsrate von 0,15 bis 0,2 %. In dem zugehörigen Herstellungsverfahren werden ein Elektrodenmaterial, das durch Mischen eines zweiten Keramikausgangsmaterials, das beim Brennen das Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent bildet, und eines elektrisch leitenden Metallpulvers angefertigt wurde, auf Grünlagen aufgetragen, die gestapelt und gebrannt werden.

Claims (15)

  1. Gestapeltes Piezokeramikelement, das Piezokeramikschichten (11) und wechselweise auf die Piezokeramikschichten gestapelte Innenelektrodenschichten (12, 13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Innenelektrodenschichten (12, 13) ein Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent, in dem 0,1 bis 1 Mol-% eines B-Platz-Elements eines Materials der PZT-Familie, das durch eine Grundzusammensetzung mit der Formel ABO3 dargestellt wird, durch ein Übergangsmetallelement M substituiert ist, das mindestens zweiwertig oder dreiwertig sein soll, und elektrisch leitendes Metall enthält; und jede der Piezokeramikschichten aus einem Hauptbestandteil besteht, der sich aus dem Material der PZT-Familie zusammensetzt, in dem das B-Platz-Element nicht substituiert ist.
  2. Gestapeltes Piezokeramikelement nach Anspruch 1, wobei das Übergangsmetallelement M einen sechsfach koordinierten Innenradius mit einem Wert hat, der von 0,5 bis 1 Å reicht.
  3. Gestapeltes Piezokeramikelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Übergangsmetallelement M mindestens eine aus Mn, Cr und Fe gewählte Art an Element umfasst.
  4. Gestapeltes Piezokeramikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich das Material der PZT-Familie aus PbZrO3-PbTiO3-Pb(Y1/2Nb1/2)O3 zusammensetzt.
  5. Gestapeltes Piezokeramikelement nach Anspruch 1 bis 4, wobei jede der Innenelektrodenschichten (12, 13) 50-65 Gew.-% des elektrisch leitenden Metalls und 50-35 Gew.-% des Materials der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent enthält.
  6. Gestapeltes Piezokeramikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jede der Piezokeramikschichten (11) ein übergangsmetallelementhaltiges Gebiet enthält, das das aus den Innenelektrodenschichten diffundierte Übergangsmetallelement M enthält.
  7. Gestapeltes Piezokeramikelement für die Verwendung in einer Einspritzvorrichtung zur Kraftstoffeinspritzung, das Piezokeramikschichten (11), von denen jede ein Material der PZT-Familie enthält, und wechselweise auf die Piezokeramikschichten (11) gestapelte Innenelektrodenschichten (12, 13) aufweist, gekennzeichnet durch: einen Isolationswiderstand von mehr als 20 GΩ·m nach Ablauf von 30 Minuten, wenn bei einer Temperatur von 160°C eine elektrische Feldstärke von 2,5 kV/mm angelegt ist, und eine Streckungsrate mit einem Wert von mehr als 0,15 %, wenn bei einer Temperatur von 25°C eine elektrische Feldstärke von 2 kV/mm angelegt ist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines gestapelten Piezokeramikelements, das Piezokeramikschichten (11) und wechselweise auf die Piezokeramikschichten gestapelte Innenelektrodenschichten (12, 13) aufweist, wobei jede der Innenelektrodenschichten ein Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent, in dem 0,1 bis 1 Mol-% eines B-Platz-Elements eines Materials der PZT-Familie, das durch die Grundzusammensetzungsformel ABO3 dargestellt wird, durch ein Übergangsmetallelement M substituiert ist, das mindestens zweiwertig oder dreiwertig sein soll, und elektrisch leitendes Metall enthält und wobei jede der Piezokeramikschichten aus einem Hauptbestandteil besteht, der sich aus dem Material der PZT-Familie zusammensetzt, in dem das B-Platz-Element nicht substituiert ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Anfertigen von Grünlagen, die sich aus einem ersten Keramikausgangsmaterial zusammensetzen, das nach einem Brennschritt das Material der PZT-Familie der Piezokeramikschichten bildet; Anfertigen eines Elektrodenmaterials durch Mischen eines zweiten Keramikausgangsmaterials, das nach einem Brennschritt das Material der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent der Innenelektrodenschichten bildet, und von elektrisch leitendem Metallpulver; jeweils Auftragen des Elektrodenmaterials auf den Grünlagen; Stapeln der mit dem Elektrodenmaterial überzogenen Grünlagen, um dadurch einen Zwischenprodukt-Stapelkörper zu bilden; und Brennen des Zwischenprodukt-Stapelkörpers, um das gestapelte Piezokeramikelement zu erzielen; und wobei der Schritt Anfertigen des Elektrodenmaterials das zweite Keramikausgangsmaterial einsetzt, das mindestens eine der folgenden Alternativen umfasst: ein Kompositmaterial, das sich aus einem Ausgangsmaterialgemisch zusammensetzt, das Keramikausgangsmaterialien, die in einem Mischungsverhältnis gemischt sind, das das Material der PZT-Familie nach einem Brennschritt in Sollzusammensetzung ausbildet, und ein oxidatives Produkt des Übergangsmetallelements M enthält, das dem Ausgangsmaterialgemisch in einem Mischungsverhältnis zugemischt ist, das erlaubt, dass 0,1 bis 1 Mol-% eines B-Platz-Elements des Materials der PZT-Familie durch das Übergangsmetallelement M substituiert werden; ein kalziniertes Kompositmaterialpulver, das durch Kalzinieren und Zerpulvern des Kompositmaterials erzielt wurde; und ein kalziniertes Ausgangsmaterialpulver-Kompositmaterial, das sich aus einem kalzinierten Ausgangsmaterialpulver, das durch Kalzinieren des Ausgangsmaterialgemischs und Zerpulvern desselben erzielt wurde, und einem Oxidprodukt des Übergangsmetallelements M zusammensetzt, die in einem Mischungsverhältnis gemischt sind, das erlaubt, dass 0,1 bis 1 Mol-% des B-Platz-Elements des Material der PZT-Familie durch das Übergangsmetallelement M substituiert werden.
  9. Verfahren zur Herstellung eines gestapelten Piezokeramikelements nach Anspruch 8, wobei das Übergangsmetallelement M einen sechsfach koordinierten Innenradius mit einem Wert hat, der von 0,5 bis 1 Å reicht.
  10. Verfahren zur Herstellung eines gestapelten Piezokeramikelements nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Übergangsmetallelement M mindestens eine aus Mn, Cr und Fe gewählte Art an Element umfasst.
  11. Verfahren zur Herstellung eines gestapelten Piezokeramikelements nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei sich das Material der PZT-Familie aus PbZrO3-PbTiO3-Pb(Y1/2Nb1/2)O3 zusammensetzt.
  12. Verfahren zur Herstellung eines gestapelten Piezokeramikelements nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei jede der Innenelektrodenschichten 50-65 Gew.-% des elektrisch leitenden Metalls und 50-35 Gew.-% des Materials der PZT-Familie mit B-Platz-Substituent enthält.
  13. Verfahren zur Herstellung eines gestapelten Piezokeramikelements nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Elektrodenmaterial auf jeder Grünlagen derart auf einer Oberfläche davon aufgetragen wird, dass jede der Innenelektrodenschichten ein äußerstes Ende, das eine Seitenwand jeder Grünlage erreicht, und ein anderes innen liegendes Ende hat, das von der anderen Seitenwand jeder Grünlage beabstandet ist, um einen elektrodenfreien Randbereich zu bilden.
  14. Verfahren zur Herstellung eines gestapelten Piezokeramikelements nach Anspruch 13, wobei die Innenelektrodenschichten wechselweise auf den Piezokeramikschichten gestapelt werden, sodass sie wechselweise an der einen und der anderen Seitenwand der Grünlagen enden.
  15. Verfahren zur Herstellung eines gestapelten Piezokeramikelements nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei das gestapelte Piezokeramikelement außerdem eine erste und zweite Seitenelektrode aufweist, die jeweils wechselweise mit den Innenelektrodenschichten verbunden sind.
DE102007000730A 2006-10-13 2007-09-13 Gestapeltes Piezokeramikelement, Verwendung und Herstellungsverfahren Expired - Fee Related DE102007000730B4 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006279585A JP5103859B2 (ja) 2006-10-13 2006-10-13 積層圧電セラミックス素子及びその製造方法
JP2006-279585 2006-10-13

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102007000730A1 true DE102007000730A1 (de) 2008-04-24
DE102007000730B4 DE102007000730B4 (de) 2011-07-28

Family

ID=39198526

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102007000730A Expired - Fee Related DE102007000730B4 (de) 2006-10-13 2007-09-13 Gestapeltes Piezokeramikelement, Verwendung und Herstellungsverfahren

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP5103859B2 (de)
DE (1) DE102007000730B4 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2690679A1 (de) * 2012-07-24 2014-01-29 Taiyo Yuden Co., Ltd. Piezoelektrisches Element und Herstellungsverfahren dafür

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61159777A (ja) * 1985-01-07 1986-07-19 Nec Corp 電歪効果素子
JPH01303771A (ja) * 1988-06-01 1989-12-07 Yokogawa Electric Corp セラミックスアクチュエータ
JPH02132870A (ja) * 1988-11-14 1990-05-22 Toyota Motor Corp 積層圧電素子
JP2798276B2 (ja) * 1989-09-18 1998-09-17 三菱電機株式会社 半導体記憶装置及びその製造方法
JPH04299588A (ja) * 1991-03-28 1992-10-22 Nec Corp 電歪効果素子
DE10006352A1 (de) * 2000-02-12 2001-08-30 Bosch Gmbh Robert Piezoelektrischer Keramikkörper mit silberhaltigen Innenelektroden
JP4688330B2 (ja) * 2001-03-30 2011-05-25 京セラ株式会社 圧電磁器及び積層型圧電素子並びに噴射装置
JP4225033B2 (ja) * 2001-12-14 2009-02-18 株式会社日本自動車部品総合研究所 セラミック積層体とその製造方法
AU2003240410A1 (en) * 2002-05-29 2003-12-19 Siemens Aktiengesellschaft Piezoceramic composition, piezoceramic body comprising said composition and a method for producing said composition and said body
DE102004031307A1 (de) * 2004-06-29 2006-01-19 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Herstellung von PZT-basierten Hochleistungs-Piezokeramiken
JP2006156587A (ja) * 2004-11-26 2006-06-15 Tdk Corp 積層型圧電素子

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2690679A1 (de) * 2012-07-24 2014-01-29 Taiyo Yuden Co., Ltd. Piezoelektrisches Element und Herstellungsverfahren dafür
US9281465B2 (en) 2012-07-24 2016-03-08 Taiyo Yuden Co., Ltd. Piezoelectric element and method of manufacturing the same

Also Published As

Publication number Publication date
DE102007000730B4 (de) 2011-07-28
JP2008098470A (ja) 2008-04-24
JP5103859B2 (ja) 2012-12-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0894341B1 (de) Monolithischer vielschicht-piezoaktor und verfahren zur herstellung
DE19615694C1 (de) Monolithischer Vielschicht-Piezoaktor und Verfahren zur Herstellung
EP2837044B1 (de) Keramisches material und kondensator umfassend das keramische material
DE2701411C3 (de) Dielektrische Keramikverbindung
DE69014954T2 (de) Geschichtete Keramikanordnung und Verfahren zu deren Herstellung.
EP2200951B1 (de) Keramikmaterial, verfahren zur herstellung desselben und elektrokeramisches bauelement umfassend das keramikmaterial
EP2773598B1 (de) Keramikmaterial, verfahren zur herstellung desselben und elektrokeramisches bauelement umfassend das keramikmaterial
DE102020102284A1 (de) Piezoelektrisches Mehrschichtelement
DE10041905B4 (de) Piezoelektrische Keramikzusammensetzung, Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Keramik sowie Verwendung einer solchen piezoelektrischen Keramikzusammensetzung für einen piezoelektrischen Resonator, einen piezoelektrischen Wandler und einen piezoelektrischen Aktuator
DE10215992A1 (de) Piezoelektrisches Element
EP2513993B1 (de) Piezoelektrisches keramikmaterial, dessen herstellungsverfahren und vielschichtbauelement
DE102004026572A1 (de) Herstellungsverfahren für piezoelektrisches Schichtelement
DE102011112008B4 (de) Piezoelektrisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements
DE102008042965A1 (de) Piezokeramisches Vielschichtelement
DE102006015042B4 (de) Bleifreier piezokeramischer Werkstoff mit Kupferdotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff und Verwendung des Bauteils
DE102005061528B4 (de) Piezokeramisches Bauteil mit Bleizirkonattitanat mit Eisen-Wolfram-Dotierung, Verfahren zum Herstellen des piezokeramischen Bauteils und seine Verwendung
DE19811127C2 (de) Piezoelektrische Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen derselben
EP2526574B1 (de) Verfahren zur herstellung eines piezoelektrischen vielschichtbauelements
DE102006013200A1 (de) Piezoelektrisches Material und Herstellungsverfahren für ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element
DE102007012916B4 (de) Laminiertes piezoelektrisches Element und Herstellungsverfahren hierfür
EP3445736A1 (de) Piezokeramik, verfahren zu dessen herstellung und elektrokeramisches bauelement umfassend die piezokeramik
DE102007000730B4 (de) Gestapeltes Piezokeramikelement, Verwendung und Herstellungsverfahren
DE112005002093T5 (de) Herstellverfahren für eine piezoelektrische Keramik, Herstellverfahren für ein piezoelektrisches Element und piezoelektrisches Element
DE102010030314A1 (de) Piezomaterial, mehrschichtiges Piezoelement, Herstellungsverfahren für mehrschichtiges Piezoelement und zur Einheit verbundenes mehrschichtiges Piezoelement
DE10041304C2 (de) Piezoelektrische Keramikzusammensetzung und deren Verwendung für ein piezoelektrisches Keramikbauteil

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final

Effective date: 20111029

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee