DE102020102284A1

DE102020102284A1 - Piezoelektrisches Mehrschichtelement

Info

Publication number: DE102020102284A1
Application number: DE102020102284.0A
Authority: DE
Inventors: Makoto Ishizaki; Masaharu Hirakawa
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2020-07-30
Also published as: US20200243745A1; CN111509118A; JP2020123664A

Abstract

Ein piezoelektrisches Mehrschichtelement besteht aus einem Schichtkörper und einer seitlichen Elektrode. Der Schichtkörper enthält eine piezoelektrische Schicht, eine innere Elektrodenschicht und eine Blindelektrodenschicht. Die piezoelektrische Schicht wird entlang einer Ebene gebildet, die eine erste und eine zweite, senkrecht zueinander stehende Achse enthält. Die innere Elektrodenschicht und die Blindelektrodenschicht sind auf die piezoelektrische Schicht laminiert. Die Seitenelektrode wird auf einer Seitenfläche des Schichtkörpers senkrecht zur ersten Achse gebildet. Die innere Elektrodenschicht hat einen vorderen Teil, der zur Seitenfläche des Schichtkörpers hin freiliegt und über den vorderen Teil elektrisch mit der Seitenelektrode verbunden ist. Die Blindelektrodenschicht wird in der Ebene so ausgebildet, dass sie die innere Elektrodenschicht ohne den vorderen Teil mit einem Spalt dazwischen umgibt. An mindestens einer oder mehreren Stellen der Blindelektrodenschicht wird ein Schlitz gebildet.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Mehrschichtelement und auf einen piezoelektrischen Aktor, der dieses Element verwendet.
Piezoelektrische Mehrschichtelemente haben eine Struktur, in der interne Elektroden und piezoelektrische Schichten geschichtet sind und können den Verschiebungsbetrag und die Antriebskraft pro Volumeneinheit im Vergleich zu nicht-mehrschichtigen piezoelektrischen Elementen erhöhen. Um Kurzschlüsse durch Migration zwischen den inneren Elektrodenschichten zu verhindern, ist es bei den piezoelektrischen Mehrschichtelementen normal, dass eine Laminierungsfläche der inneren Elektrodenschichten kleiner ist als die der piezoelektrischen Schichten. Bei einem solchen Mehrschichtaufbau entsteht jedoch eine Schrumpfungsdifferenz zwischen einem Abschnitt, auf dem die inneren Elektrodenschichten vorhanden sind, und einem Abschnitt, auf dem die inneren Elektrodenschichten fehlen, und der Schichtkörper kann sich verformen oder Risse aufweisen.
Um ein solches Problem zu vermeiden, wird in Patentdokument 1 eine Technik offenbart, die die Erzeugung von Rissen in einer piezoelektrischen Schicht während der Herstellung verhindert, indem eine Dummy-Elektrode auf dem äußeren Umfang einer inneren Elektrodenschicht gebildet wird. Die gegenwärtigen Erfinder haben jedoch festgestellt, dass die Technik des Patentdokuments 1 die Verformung des Schichtkörpers nicht ausreichend verhindern kann, wenn die piezoelektrische Schicht dünn ist, wenn die Anzahl der piezoelektrischen Schichten groß ist oder wenn der Elementkörper groß ist.
Patentdokument 1: JP3794292 (B2)
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde unter den beschriebenen Umständen realisiert. Gegenstand der Erfindung ist es, ein piezoelektrisches Mehrschichtelement mit einer verbesserten Ebenheit durch Verhinderung der Verformung eines Elementkörpers bereitzustellen.
Um den oben genannten Zweck zu erreichen, enthält ein piezoelektrisches Mehrschichtelement nach der vorliegenden Erfindung:

einen Schichtkörper einschließlich:
- einer piezoelektrischen Schicht, die entlang einer Ebene mit einer ersten und einer zweiten Achse, die senkrecht zueinander stehen, ausgebildet ist; und
- einer inneren Elektrodenschicht und einer Blindelektrodenschicht, die auf die piezoelektrische Schicht auflaminiert sind, und
eine seitliche Elektrode, die auf einer Seitenfläche des Schichtkörpers senkrecht zur ersten Achse ausgebildet ist,
wobei die innere Elektrodenschicht einen vorderen Abschnitt aufweist, der an der seitlichen Oberfläche des Schichtkörpers freiliegt und über den vorderen Abschnitt elektrisch mit der seitlichen Elektrode verbunden ist,
wobei die Blindelektrodenschicht auf der Ebene so ausgebildet ist, dass sie die innere Elektrodenschicht mit Ausnahme des vorderen Abschnitts mit einem Spalt dazwischen umgibt, und
wobei an mindestens einer oder mehreren Positionen der Blindelektrodenschicht ein Schlitz ausgebildet ist.

Bei dem piezoelektrischen Mehrschichtelement nach der vorliegenden Erfindung wird die Blindelektrodenschicht um die innere Elektrodenschicht herum gebildet, und der Schlitz wird auf der Blindelektrodenschicht gebildet. Die Erfinder haben festgestellt, dass die vorliegende Erfindung es ermöglicht, die Verformung des Schichtkörpers in einem Brennschritt zu verhindern, auch wenn der Elementkörper dünn und groß ist. Weiterhin ermöglicht es die vorliegende Erfindung, nach dem Brennen ein piezoelektrisches Mehrschichtelement mit einer verbesserten Ebenheit zu erhalten.
Übrigens, der Effekt zur Verhinderung der Deformation wird wie folgt verursacht. Der Schichtkörper (Elementkörper) des piezoelektrischen Mehrschichtelements wird durch Laminieren von keramischen Grünschichten (Keramikschichten) zu piezoelektrischen Schichten und Leitpasten (Elektrodenschichten) zu Elektrodenmustern und deren Brennen hergestellt. Im Brennschritt weist jede Schicht eine Volumenschrumpfung auf. Jedoch ist das Wärmeschrumpfungsverhalten zwischen den Keramikschichten und den Elektrodenschichten unterschiedlich.
Im Allgemeinen ist der Schrumpfungsfaktor der Elektrodenschichten größer als der der Keramikschichten. So treten in der Nähe der Elektrodenschichten Schrumpfspannungen und in der Nähe der Keramikschichten Zugspannungen auf. Die im Inneren des Schichtkörpers erzeugte Spannung wird als Verformung des Schichtkörpers betrachtet. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Schlitz auf der Blindelektrodenschicht gebildet, und die Spannung kann durch den Schlitz abgebaut werden. So ist das erfindungsgemäße piezoelektrische Mehrschichtelement nach der vorliegenden Erfindung nur schwer durch thermische Schrumpfung im Brennschritt beeinflussbar und kann eine Verformung des Schichtkörpers nach dem Brennen verhindern.
Da der Schlitz auf der Blindelektrodenschicht gebildet wird, kann im erfindungsgemäßen piezoelektrischen Mehrschichtelement das Flächenverhältnis der inneren Elektrodenschicht auch bei Beibehaltung der bevorzugten Ebenheit erhöht werden. Konkret kann das Verhältnis einer Fläche (Ae) der inneren Elektrodenschicht zu einer Fläche (Ap) der piezoelektrischen Schicht in der Ebene 0,95 ≤ Ae / Ap ≤ 0,99 betragen. Die Fläche der inneren Elektrodenschicht entspricht der Fläche eines piezoelektrisch aktiven Abschnitts, der piezoelektrische Eigenschaften aufweist. So kann bei einem hohen Flächenverhältnis der inneren Elektrodenschicht Ae / Ap die relative Dielektrizitätskonstante ε und die Piezokonstante d33 (oder d31) des piezoelektrischen Elements verbessert werden.
Vorzugsweise wird der Schlitz auf der Blindelektrodenschicht an einer Position gebildet, die von dem Ende der Blindelektrodenschicht in der Nähe des vorderen Abschnitts um einen vorbestimmten Abstand oder mehr entfernt ist. Vorzugsweise beträgt der vorbestimmte Abstand 1/8 oder mehr (besser noch 1/6 oder mehr) der Länge der Blindelektrodenschicht entlang der ersten Achse.
Wenn der Schlitz an einer solchen Stelle ausgebildet wird, kann das piezoelektrische Mehrschichtelement nach der vorliegenden Erfindung die in der Blindelektrodenschicht erzeugten Spannungen effektiver reduzieren und eine hohe Verbesserung der Ebenheit bewirken.
Die Blindelektrodenschicht kann zwei seitliche Muster entlang der ersten Achse und eine Verbindungsmuster entlang der zweiten Achse umfassen. Das Verbindungsmuster kann gegenüber dem vorderen Teil positioniert werden und verbindet die seitlichen Muster. Vorzugsweise wird der Schlitz in der Mitte des Verbindungsmusters oder in den seitlichen Mustern der Blindelektrodenschicht ausgebildet.
Es wird davon ausgegangen, dass sich die beim Brennen in der Elektrodenschicht erzeugte Schrumpfspannung auf einen zentralen Teil des Außenumfangs der Elektrode konzentriert. Bei der vorliegenden Erfindung kann die Spannung effektiver abgebaut werden, indem der Schlitz an einem zentralen Teil jedes Musters gebildet wird, auf den sich die Spannung leicht konzentrieren lässt. Dadurch ist es möglich, ein Aufquellen und Einbeulen des Schichtkörpers an einer zentralen Stelle jedes Elektrodenmusters zu verhindern und eine Verformung des Schichtkörpers effektiver zu verhindern.
Vorzugsweise werden zwei oder mehr Schlitze liniensymmetrisch zu einer Mittellinie gebildet, die die Blindelektrodenschicht gleichmäßig teilt und parallel zur ersten Achse verläuft. Durch die regelmäßige Ausbildung der Schlitze ist es mit dieser Erfindung möglich, eine teilweise Konzentration der Spannung auf die Blindelektrodenschicht zu verhindern und die verformungshemmende Wirkung des Schichtkörpers zu verstärken.
Vorzugsweise hat der Schlitz eine Breite von 0,03 bis 0,6 mm. In diesem Bereich ist der Spalt leicht zu formen und die Funktion der Blindelektrodenschicht kann ausreichend gesichert werden.
Vorzugsweise wird eine Ecke der inneren Elektrodenschicht mit einem Krümmungsradius von 0,1 mm oder größer abgerundet.
Ein elektrisches Feld ist leicht auf die Ecke der inneren Elektrodenschicht zum Zeitpunkt der Anwendung des elektrischen Gleichfeldes während der Polarisation zu konzentrieren. Insbesondere wenn die piezoelektrische Schicht aus einem bleifreien Material besteht, ist die Nennspannung für die Polarisation hoch, und es kann leicht zu einem Kurzschluss an der Ecke der inneren Elektrodenschicht während der Polarisation kommen. In der vorliegenden Erfindung wird durch die Abrundung der Ecke der inneren Elektrodenschicht verhindert, dass sich ein elektrisches Feld auf die Ecke konzentriert. Weiterhin wird hiermit einem Kurzschlussausfall während der Polarisation vorgebeugt.
Das piezoelektrische Mehrschichtelement nach der vorliegenden Erfindung kann als Wandlungselement von elektrischer Energie in mechanische Energie verwendet werden. So ist das Element nach der vorliegenden Erfindung z.B. auf piezoelektrische Aktoren, piezoelektrische Summer, piezoelektrische Schallgeber, Ultraschallmotoren, Lautsprecher etc. anwendbar und wird besonders vorteilhaft als piezoelektrische Aktoren eingesetzt. Die piezoelektrischen Aktoren werden insbesondere für haptische Geräte, Linsenansteuerung, Ansteuerung von HDD-Köpfen, Ansteuerung von Tintenstrahldruckerköpfen, Ansteuerung von Kraftstoffeinspritzventilen usw. verwendet.
Figurenliste

1 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Mehrschichtelements nach einer Verkörperung der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein schematischer Querschnitt, der entlang der in 1 gezeigten II-II-Linie geschnitten wurde.
3 ist ein schematischer Querschnitt, der entlang der in 1 gezeigten Linie III-III geschnitten wurde.
4A ist eine Draufsicht, die ein erstes Elektrodenmuster in dem in 1 gezeigten piezoelektrischen Mehrschichtelement zeigt.
4B ist eine Draufsicht, die ein zweites Elektrodenmuster in dem in 1 gezeigten piezoelektrischen Mehrschichtelement zeigt.
5 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des in 1 gezeigten piezoelektrischen Mehrschichtelements.
6 ist eine Draufsicht, die ein Elektrodenmuster in einem piezoelektrischen Mehrschichtelement nach einer anderen Ausführungsform zeigt.
7A ist eine Draufsicht, die ein Elektrodenmuster in einem piezoelektrischen Mehrschichtelement nach einer anderen Verkörperung zeigt.
7B ist eine Draufsicht, die ein Elektrodenmuster in einem piezoelektrischen Mehrschichtelement nach einer anderen Verkörperung zeigt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der in den Abbildungen dargestellten Ausführungsformen erläutert.
Erstes Ausführungsbeispiel
1 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Elements 2 entsprechend der vorliegenden Darstellung. Wie in 1 dargestellt, besteht das piezoelektrische Mehrschichtelement 2 aus einem Schichtkörper 4, einer ersten externen Elektrode 6 und einer zweiten externen Elektrode 8.
Der Schichtkörper 4 hat eine im wesentlichen rechteckige Quaderform und weist eine Vorderfläche 4a und eine Rückfläche 4b im Wesentlichen senkrecht zur Z-Achsenrichtung, Seitenflächen 4c und 4d im Wesentlichen senkrecht zur X-Achsenrichtung (erste Achse) und Seitenflächen 4e und 4f im Wesentlichen senkrecht zur Y-Achsenrichtung (zweite Achse) auf. Übrigens können auf den Seitenflächen 4e und 4f des Schichtkörpers 4 isolierende Schutzschichten (nicht abgebildet) gebildet werden. In den Abbildungen stehen die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse im Wesentlichen senkrecht zueinander.
Die erste Außenelektrode 6 hat einen ersten seitlichen Abschnitt 6a, der entlang der Seitenfläche 4d des Schichtkörpers 4 ausgebildet ist, und einen ersten Oberflächenabschnitt 6b, der entlang der Vorderfläche 4a des Schichtkörpers 4 ausgebildet ist. Der erste seitliche Abschnitt 6a und der erste Oberflächenabschnitt 6b haben eine im Wesentlichen rechteckige Form und sind an ihrem Schnittpunkt miteinander verbunden. Übrigens sind die ersten Abschnitte 6a und 6b in den Abbildungen getrennt dargestellt, aber tatsächlich als eine Einheit ausgebildet.
Die zweite Außenelektrode 8 hat einen zweiten seitlichen Abschnitt 8a, der entlang der Seitenfläche 4c des Schichtkörpers 4 ausgebildet ist, und einen zweiten Oberflächenabschnitt 8b, der entlang der Rückfläche 4b des Schichtkörpers 4 ausgebildet ist. Wie bei der ersten Außenelektrode 6 haben der zweite seitliche Abschnitt 8a und der zweite Oberflächenabschnitt 8b eine im wesentlichen rechteckige Form und sind an ihrem Schnittpunkt als Einheit miteinander verbunden. Wie in 1 dargestellt, sind die erste Fläche 6b und die zweite Fläche 8b jeweils kleiner als eine Ebene des Schichtkörpers 4 senkrecht zur Z-Achsenrichtung (die Vorderfläche 4a oder die Rückfläche 4b des Schichtkörpers 4), und die erste Außenelektrode 6 und die zweite Außenelektrode 8 sind voneinander getrennt.
Wie in 2 und 3 dargestellt, hat der Schichtkörper 4 eine innere Struktur, bei der die piezoelektrischen Schichten 10 und die inneren Elektrodenschichten 16 abwechselnd in Laminierrichtung (Z-Achsen-Richtung) geschichtet sind. Die inneren Elektrodenschichten 16 sind so geschichtet, dass die vorderen Teile 16a abwechselnd den Seitenflächen 4c und 4d des Schichtkörpers 4 ausgesetzt sind. An den vorderen Abschnitten 16a sind die inneren Elektrodenschichten 16 mit der ersten Außenelektrode 6 bzw. der zweiten Außenelektrode 8 elektrisch verbunden.
In der vorliegenden Ausführung haben die piezoelektrischen Schichten 10 an einem zentralen Teil des Schichtkörpers 4 piezoelektrisch aktive Teile 12, die von den inneren Elektrodenschichten 16 eingeschlossen sind. Das heißt, die piezoelektrisch aktiven Teile 12 sind ein Bereich, der von den in 2 und 3 dargestellten gepunkteten Linien umgeben sind. In diesem Bereich wird durch das Anlegen einer Spannung über die erste Außenelektrode 6 und die zweite Außenelektrode 8 mit unterschiedlicher Polarität eine mechanische Verschiebung verursacht.
Die inneren Elektrodenschichten 16 bestehen aus einem beliebigen leitenden Material, wie z.B. einem Edelmetall (z.B. Ag, Pd, Au, Pt), einer Legierung dieser Metalle (z.B. Ag-Pd), einem unedlen Metall (z.B. Cu, Ni) und einer Legierung dieser Metalle. Die erste Außenelektrode 6 und die zweite Außenelektrode 8 bestehen ebenfalls aus einem beliebigen leitfähigen Material, z.B. einem Material, das dem leitfähigen Material der Innenelektroden ähnlich ist. Übrigens kann sich auf den Außenseiten der ersten Außenelektrode 6 und der zweiten Außenelektrode 8 eine Plattierungsschicht oder eine Sputterschicht aus den oben genannten verschiedenen Metallen bilden.
Die piezoelektrischen Schichten 10 bestehen aus beliebigen Materialien, die einen piezoelektrischen Effekt oder einen inversen piezoelektrischen Effekt aufweisen, wie z.B. PbZr_xTi_1-xO₃ (PTZ), BaTiO3 (BT), BiNaTiO3 (BNT), BiFeO₃ (BFO), (Bi₂O₂)²⁺(A_m-1B_mO_3m+1)^2- (BLSF) und (K, Na)NbO₃ (KNN). Zur Verbesserung der Eigenschaften können die piezoelektrischen Schichten 10 eine Teilkomponente enthalten. Die Menge der Teilkomponente wird anhand der gewünschten Eigenschaften bestimmt.
Die piezoelektrischen Schichten 10 sind beliebig dick, in der vorliegenden Ausführungsform vorzugsweise aber etwa 0,5 bis 100 µm dick. Ebenso haben die inneren Elektrodenschichten 16 eine beliebige Dicke, vorzugsweise jedoch eine Dicke von etwa 0,5 bis 2,0 µm. Wie in 2 und 3 dargestellt, sind die piezoelektrischen Schichten 10 auf der Vorderseite 4a und der Rückseite 4b des Schichtkörpers 4 angeordnet.
4A ist eine schematische Draufsicht eines ersten Elektrodenmusters 24a, das im Schichtkörper 4 enthalten ist. Die piezoelektrischen Schichten 10 befinden sich entlang einer Ebene, die die X- und Y-Achse einschließt, an der unteren Seite der in 4A dargestellten Z-Achsenrichtung. Die piezoelektrische Schicht 10 hat die Seiten 4c1 bis 4fl, die den Seitenflächen 4c bis 4f des Schichtkörpers 4 entsprechen (siehe 1). Anschließend werden die innere Elektrodenschicht 16 und das erste Elektrodenmuster 24a aus einer Blindelektrodenschicht 18 auf die Oberfläche der piezoelektrischen Schichten 10 auflaminiert.
Bei dem ersten Elektrodenmuster 24a in 4A ist die innere Elektrodenschicht 16 mit dem vorderen Teil 16a zur Seite 4d1 hin freiliegend. Die Blindelektrodenschicht 18 ist so ausgebildet, dass sie die innere Elektrodenschicht 16 mit Ausnahme des vorderen Teils 16a getrennt durch einen Spalt 20 umgibt. So sind die innere Elektrodenschicht 16 und die Blindelektrodenschicht 18 elektrisch isoliert.
In der vorliegenden Ausführung ist der Außenumfang der Blindelektrodenschicht 18 den Seitenflächen 4c bis 4f des Schichtkörpers 4 ausgesetzt und weist ein erstes seitliches Muster 18a entlang der Seite 4e1, ein zweites seitliches Muster 18b entlang der Seite 4f1 und ein Verbindungsmuster 18c entlang der Seite 4c1 auf. Das Verbindungsmuster 18c liegt gegenüber dem vorderen Teil 16a und verbindet die beiden seitlichen Muster 18a und 18b.
Die Blindelektrodenschicht 18 besteht aus einem beliebigen Material, das ein ähnliches thermisches Schrumpfungsverhalten wie die innere Elektrodenschicht 16 aufweist, jedoch vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das leitfähige Material, aus dem die innere Elektrodenschicht 16 besteht. Wenn die Innenelektrodenschicht 16 und die Blindelektrodenschicht 18 aus dem gleichen Material bestehen, können die Innenelektrodenschicht 16 und die Blindelektrodenschicht 18 gleichzeitig bei der Herstellung des Schichtkörpers 4 durch das Druckverfahren oder eine ähnliche einfache Herstellungsmethode gebildet werden. Die innere Elektrodenschicht 16 und die Blindelektrodenschicht 18 können jedoch aus unterschiedlichen Zusammensetzungen oder Materialien bestehen.
Die Breite W1 des Spaltes 20 ist so festgelegt, dass die innere Elektrodenschicht 16 und die Blindelektrodenschicht 18 nicht miteinander in Kontakt kommen und beträgt in der vorliegenden Ausführung vorzugsweise 0,03 bis 0,6 mm (noch bevorzugter 0,1 bis 0,5 mm). In diesem Bereich ist der Isolationsabstand zwischen der inneren Elektrodenschicht 16 und der Blindelektrodenschicht 18 ausreichend gesichert und die Funktion der Blindelektrodenschicht 18 wird nicht beeinträchtigt.
Wie in 4A dargestellt, wird in den Mustern 18a bis 18c der Blindelektrodenschicht 18 in jedem zentralen Teil der Muster 18a bis 18c ein Schlitz 22 gebildet. Jeder der Schlitze 22 durchdringt den äußeren und den inneren Umstand der Blindelektrodenschicht 18 und ist so ausgebildet, dass er die Blindelektrodenschicht 18 in Längsrichtung teilt.
Vorzugsweise haben die Schlitze 22 eine Breite W2 von 0,03 bis 0,6 mm (vorzugsweise 0,1 bis 0,5 mm). In diesem Bereich lassen sich die Schlitze 22 leicht ausbilden, und die Funktion der Blindelektrodenschicht 18 kann ausreichend gesichert werden.
5 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des piezoelektrischen Mehrschichtelements 2 entsprechend der vorliegenden Darstellung. Wenn die piezoelektrischen Schichten 10 in drei oder mehr Lagen geschichtet sind, wie in 5 gezeigt, müssen die ersten Elektrodenmuster 24a und die zweiten Elektrodenmuster 24b abwechselnd geschichtet werden. 4B zeigt eine schematische Draufsicht auf das zweite Elektrodenmuster 24b.
Das zweite Elektrodenmuster 24b hat eine Form, bei der das erste Elektrodenmuster 24a um 180 Grad um die Z-Achse gedreht ist. D.h. im zweiten Elektrodenmuster 24b ist der vordere Teil 16a der inneren Elektrodenschicht 16 zur Seite 4c1 und das Verbindungsmuster 18c der Blindelektrodenschicht 18 zur Seite 4d1 hin freiliegend. Abgesehen von diesen Konfigurationen ist das zweite Elektrodenmuster 24b mit dem ersten Elektrodenmuster 24a identisch.
Wenn eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten 10 und Elektrodenmuster 24a und 24b geschichtet werden, wie in 5 gezeigt, können der Verschiebungsbetrag, die Antriebskraft und ähnliches im Vergleich zu denen von nicht-mehrschichtigen piezoelektrischen Elementen erhöht werden. In der vorliegenden Ausführung beträgt die Schichtzahl der piezoelektrischen Schichten 10 zwei oder mehr und hat keine Obergrenze, sondern liegt vorzugsweise bei 3 bis 20. Die Anzahl der piezoelektrischen Schichten 10 wird entsprechend dem Verwendungszweck des piezoelektrischen Mehrschichtelements 2 bestimmt.
Das piezoelektrische Mehrschichtelement 2 nach der vorliegenden Ausführungsform wird nach einem beliebigen Verfahren hergestellt und wird z.B. nach dem folgenden Verfahren hergestellt.
Zunächst wird ein Fertigungsschritt des Schichtkörpers 4 erläutert. Im Fertigungsschritt des Schichtkörpers 4 werden keramische Grünschichten, die nach dem Brennen die piezoelektrische Schicht 10 bilden, und eine Leitpaste, die nach dem Brennen die innere Elektrodenschicht 16 und die Blindelektrodenschicht 18 bilden wird, hergestellt.
Zum Beispiel werden die keramischen Grünschichten auf folgende Weise hergestellt. Zunächst wird ein Rohstoff aus einem Material, aus dem die piezoelektrische Schicht 10 besteht, durch Nassmischen oder dergleichen gleichmäßig gemischt und getrocknet. Anschließend wird das Rohmaterial unter entsprechend festgelegten Bedingungen kalziniert und dieses kalzinierte Pulver nass pulverisiert. Das pulverisierte, kalzinierte Pulver wird mit einem Bindemittel versetzt und zu Schlicker verarbeitet. Dann wird der Schlicker durch das Rakel- oder Siebdruckverfahren o.ä. zu einer Folie verarbeitet und anschließend getrocknet, um eine keramische Grünschicht zu erhalten. Übrigens kann der Rohstoff des Materials, aus dem die piezoelektrische Schicht 10 besteht, unvermeidliche Verunreinigungen enthalten.
Als nächstes wird eine Paste für Elektroden, die ein leitfähiges Material enthalten, auf die keramische Grünschicht im Druckverfahren oder so aufgetragen. So erhält man Grünschichten, bei denen ein interner Elektrodenpastenfilm und ein Pastenfilm für die Blindelektrode in einem vorgegebenen Muster gebildet werden.
Anschließend werden die vorbereiteten Grünschichten in einer vorgegebenen Reihenfolge geschichtet. Das heißt, die Grünschichten, auf denen das erste Elektrodenmuster 24a und die Grünschichten, auf denen das zweite Elektrodenmuster 24b gedruckt ist, werden abwechselnd geschichtet. In dem Teil, der nach dem Brennen die Frontfläche 4a des Schichtkörpers bildet, werden nur die keramischen Grünschichten geschichtet.
Darüber hinaus werden die Grünschichten nach dem Schichten zur Druckverklebung unter Druck gesetzt und gebrannt, um den Laminatkörper 4 zu erhalten, nachdem sie den notwendigen Schritten (z.B. Trocknungsschritt, Entbinderungsschritt) unterzogen wurden. Wenn die inneren Elektrodenschichten aus einem Edelmetall (z.B. Ag-Pd-Legierung) bestehen, wird das Brennen vorzugsweise bei einer Ofentemperatur von 800 bis 1200°C und Atmosphärendruck durchgeführt. Wenn die inneren Elektrodenschichten aus einem Grundmetall (z.B. Cu, Ni) bestehen, wird das Brennen vorzugsweise bei einer Ofentemperatur von 800 bis 1200°C und einem Sauerstoffpartialdruck von 1 × 10^-7 bis 1 × 10^-9 MPa durchgeführt. Das Sintern des Schichtkörpers im Brennschritt geht im Falle der piezoelektrischen Schicht und der Elektrodenschicht (die innere Elektrodenschicht und die Blindelektrodenschicht) mit einer Volumenschrumpfung einher.
Auf dem durch die obigen Schritte erhaltenen Laminatkörper 4 werden externe Elektroden gebildet. Die Außenelektroden werden durch Sputtern, Bedampfen, Beschichten, Tauchen oder ähnliches gebildet. Die erste Außenelektrode 6 ist auf der Vorderseite 4a und der Seitenfläche 4d des Schichtkörpers 4 ausgebildet, und die zweite Außenelektrode 8 ist auf der Rückseite 4b und der Seitenfläche 4c des Schichtkörpers 4 ausgebildet. Übrigens kann eine Isolierschicht durch Auftragen eines isolierenden Harzes auf die Seitenflächen 4e und 4f des Schichtkörpers 4 gebildet werden (die Außenelektroden 6 und 8 werden nicht gebildet).
Nach der Bildung der Außenelektroden wird eine Polarisationsbehandlung durchgeführt, um den piezoelektrischen Schichten 10 eine piezoelektrische Aktivität zu ermöglichen. Die Polarisationsbehandlung erfolgt durch Anlegen eines elektrischen Gleichfeldes von 1-10 kV/mm an die erste und zweite Außenelektrode 6 und 8 in einem Isolieröl von etwa 80 bis 120°C. Übrigens hängt das anzulegende elektrische Gleichfeld von dem Material ab, aus dem die piezoelektrische Schicht 10 besteht. Durch ein solches Verfahren erhält man das in 1 dargestellte piezoelektrische Mehrschichtelement 2.
In der obigen Abbildung ist das Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Mehrschichtelements dargestellt, aber tatsächlich werden Grünschichten verwendet, auf denen mehrere Elektrodenmuster 24 auf einer Platte gebildet werden. Ein mit solchen Platten geformtes Aggregat-Laminat wird vor oder nach dem Brennen entsprechend zugeschnitten und hat dadurch schließlich eine Form des Elements wie in 1 dargestellt.
In der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht es die Bildung der Schlitze 22 auf der Blindelektrodenschicht 18 die Verformung des Schichtkörpers 4 bei der Herstellung weiter effektiv zu verhindern und die Ebenheit des Schichtkörpers 4 deutlich zu verbessern; selbst dann, wenn die piezoelektrischen Schichten 10 dünn sind, oder bei einer hohe Anzahl an piezoelektrischen Schichten 10, oder wenn der Schichtkörper 4 eine große Laminierungsfläche o.ä. hat.
Für das Auftreten der verformungshemmenden Wirkung der Schlitze 22 ist folgender Grund denkbar. Im oben erwähnten Brennschritt wird eine Volumenschrumpfung in den piezoelektrischen Schichten 10 und den Elektrodenmustern 24 des Schichtkörpers 4 des piezoelektrischen Mehrschichtelements 2 erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt ist das Wärmeschrumpfungsverhalten zwischen den piezoelektrischen Schichten 10 und den Elektrodenmustern 24 unterschiedlich.
Im Allgemeinen ist der Schrumpfungsfaktor der Elektrodenmuster 24 größer als der der piezoelektrischen Schichten 10. So treten in der Nähe der Elektrodenmuster 24 Schrumpfspannungen und in der Nähe der piezoelektrischen Schichten 10 Zugspannungen auf. Die im Inneren des Schichtkörpers 4 erzeugte Spannung wird als Verformung des Schichtkörpers 4 betrachtet. In der vorliegenden Ausführung sind die Schlitze 22 auf der Blindelektrodenschicht 18 ausgebildet, und die Spannung kann durch die Schlitze 22 abgebaut werden. So ist das mehrlagige piezoelektrische Element 2 nach der vorliegenden Ausführung nur schwer durch thermische Schrumpfung im Sinterschritt zu beeinflussen und kann eine Verformung des Schichtkörpers 4 verhindern.
In der vorliegenden Ausführung haben die piezoelektrischen Schichten 10 eine beliebige Dicke und eine beliebige Anzahl, und der Schichtkörper 4 hat eine beliebige Größe, aber der folgende Fall ist besonders effektiv anwendbar. Wie oben beschrieben, ist der Schichtkörper 4 leicht verformbar, wenn die piezoelektrischen Schichten 10 dünn sind, aber der Schichtkörper 4 mit einer guten Ebenheit kann auch dann erreicht werden, wenn die piezoelektrischen Schichten 10 eine Dicke von 1 bis 50 µm haben. Ebenso kann der Schichtkörper 4 mit einer guten Ebenheit auch dann erreicht werden, wenn die piezoelektrischen Schichten 10 eine große Schichtzahl von 2 bis 20 aufweisen. Der Schichtkörper 4 mit einer guten Ebenheit kann auch dann erreicht werden, wenn die piezoelektrischen Schichten 10 eine große Fläche von 100 mm (Wx) × 100 mm (Wy) oder mehr haben.
In der vorliegenden Ausführung kann durch die Schlitze 22 ein bemerkenswerter Verformungsverhinderungseffekt erzielt werden, und die inneren Elektrodenschichten 16 können somit ein hohes Flächenverhältnis aufweisen.
Konkret kann das Verhältnis einer Fläche (Ae) der inneren Elektrodenschicht 16 zu einer Fläche (Ap) der piezoelektrischen Schicht 10 auf einer Ebene, die die X- und die Y-Achse einschließt, 0,95≤ Ae / Ap ≤0.99 betragen. Die Fläche (Ae) der inneren Elektrodenschicht 16 entspricht einem Volumen des piezoelektrisch aktiven Teils 12, der piezoelektrische Eigenschaften aufweist. So kann bei einem hohen Flächenverhältnis der inneren Elektrodenschicht 16 die relative Dielektrizitätskonstante ε und die Piezokonstante d33 (oder d31) des piezoelektrischen Elements verbessert werden.
Wenn keine Schlitze 22 gebildet werden, ist es für die innere Elektrodenschicht 16 praktisch schwierig, ein Flächenverhältnis in dem oben genannten Bereich zu haben. Das heißt, wenn die innere Elektrodenschicht 16 ein Flächenverhältnis (Ae / Ap) im obigen Bereich aufweist, wird ein Effekt gezeigt, der mit herkömmlichen Mitteln nicht erreicht werden kann.
In der vorliegenden Ausführung, wie in 4A dargestellt, sind auf der Blindelektrodenschicht 18 drei Schlitze 22 ausgebildet. Um die Wirkungen der vorliegenden Erfindung zu erzielen, wird jedoch mindestens ein Schlitz 22 gebildet. Wenn die Schlitze 22 in Bezug auf Formationsposition, Form usw. ausgearbeitet sind. können die oben genannten Wirkungen der vorliegenden Erfindung noch verstärkt werden.
Konkret werden die Schlitze 22 vorzugsweise an den folgenden Positionen ausgebildet.
Wie in 4A gezeigt, haben das erste seitliche Muster 18a und das zweite seitliche Muster 18b der Blindelektrodenschicht 18 die Enden 18d und 18e, die ähnlich wie die vorderen Teile 16a zur Seite 4d1 hin freiliegen. Vorzugsweise werden die Schlitze 22 mindestens um den Abstand „d“ von den Enden 18d und 18e entfernt positioniert. Der Abstand „d“ beträgt vorzugsweise 1/8 oder mehr (noch bevorzugter 1/6 oder mehr) einer Breite Wx der Blindelektrodenschicht 18 in X-Achsenrichtung. Wenn die Schlitze an einer solchen Stelle gebildet werden, können die in der Blindelektrodenschicht 18 erzeugten Spannungen effektiver reduziert werden, und der Verbesserungseffekt auf die Ebenheit wird verstärkt.
Wenn übrigens mindestens ein oder mehrere Schlitze 22 an einer Position gebildet werden, die von den Enden 18d und 18e mindestens um den vorbestimmten Abstand entfernt sind, können die Schlitze 22 an einer Position gebildet werden, die von den Enden 18d und 18e um den oben genannten vorbestimmten Abstand oder weniger entfernt sind.
Vorzugsweise werden, wie in 4A dargestellt, die Schlitze 22 jeweils an einem zentralen Teil der jeweiligen Muster 18a bis 18c der Blindelektrodenschicht 18 ausgebildet.
Die in der Blindelektrodenschicht 18 erzeugte Schrumpfspannung lässt sich beim Brennen leicht auf den zentralen Teil der jeweiligen Muster 18a bis 18c konzentrieren. So wird die Blindelektrodenschicht kontinuierlich gebildet, und wenn keine Schlitze vorhanden sind, können an einer zentralen Position des Schichtkörpers 4 in X- oder Y-Achsenrichtung leicht Schwellungen und Beulen erzeugt werden. Wenn jeder der Schlitze 22 an einem zentralen Teil des jeweiligen Musters gebildet wird, auf den sich die Spannung leicht konzentrieren lässt, ist es möglich, die Spannung weiter effektiv abzubauen und den Verformungsverhinderungseffekt zu verstärken.
Vorzugsweise durchdringen die Schlitze den Außenumfang und den Innenumfang der Blindelektrodenschicht 18, so dass diese in Längsrichtung geteilt wird (siehe 4A). Wenn die Schlitze 22 so ausgebildet sind, werden die erste Außenelektrode 6 und die zweite Außenelektrode 8 nicht über die Blindelektrodenschicht 18 miteinander verbunden und ein Kurzschluss kann verhindert werden. So können die Seitenelektroden auf den gesamten Seitenflächen 4c und 4d des Schichtkörpers 4 gebildet werden.
Die Schlitze 22 müssen jedoch nicht unbedingt die Blindelektrodenschicht 18 teilen und können eine Schnittform haben, die den Außenumfang und den Innenumfang der Blindelektrodenschicht 18 nicht teilt. Die Schlitze 22 können diagonal zur X-Achse oder zur Y-Achse ausgebildet werden.
Wenn die Schlitze 22 eine Schnittform haben, werden die Seitenteile 6a und 8a der in 1 gezeigten Außenelektroden 6 und 8 vorzugsweise so geformt, dass sie in Y-Achsenrichtung eine Breite haben, die kleiner ist als eine Breite W3 der inneren Elektrodenschicht 16 (siehe 4A). Denn haben die Seitenteile 6a und 8a eine Breite, die größer als eine Breite W3 ist, so werden die erste Außenelektrode 6 und die zweite Außenelektrode 8 über die Blindelektrodenschicht 18 miteinander verbunden und es entsteht ein Kurzschluss.
Zweites Ausführungsbeispiel
Im Folgenden wird das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand von 6 erläutert. Übrigens werden die gängigen Konfigurationen zwischen erstem und zweitem Ausführungsbeispiel nicht erklärt.
6 ist eine schematische Draufsicht, die ein Elektrodenmuster 24c in einem piezoelektrischen Mehrschichtelement 2a gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt. Außer dass eine innere Elektrodenschicht 17 anders gestaltet ist, wie in 6 gezeigt, ist das piezoelektrische Mehrschichtelement 2a nach der vorliegenden Ausführungsform ähnlich wie das piezoelektrische Mehrschichtelement 2 nach der ersten Ausführungsform und weist ähnliche Effekte auf.
In der inneren Elektrodenschicht 17, die im Elektrodenmuster 24c enthalten ist, wie in 6 dargestellt, sind die Ecken 17b, die sich gegenüber einem vorderen Teil 17a befinden, abgerundet. Vorzugsweise haben die abgerundeten Ecken 17b einen Krümmungsradius von 0,1 mm oder größer.
Ein elektrisches Feld ist leicht auf die Ecken 17b der inneren Elektrodenschicht 17 zum Zeitpunkt des Anlegens des elektrischen Gleichfeldes während der Polarisation zu konzentrieren. Insbesondere wenn die piezoelektrischen Schichten 10 aus einem Material auf bleifreier Basis hergestellt sind, ist die Spannung für die Polarisation höher als bei den piezoelektrischen Schichten 10 aus PZT-Keramik, und an den Ecken einer inneren Elektrodenschicht wird bei der Polarisation leicht ein Kurzschluss erzeugt. Da in der vorliegenden Ausführung die Ecken 17b der inneren Elektrodenschicht 17 abgerundet sind, wird verhindert, dass sich ein elektrisches Feld auf die Ecken 17b konzentriert und ein Kurzschlussfehler bei der Polarisation kann wirksam verhindert werden.
Drittes Ausführungsbeispiel
Im Folgenden wird das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand von 7A erläutert. Übrigens werden die gängigen Konfigurationen zwischen erstem und drittem Ausführungsbeispiel nicht erklärt.
7A ist eine schematische Draufsicht, die ein Elektrodenmuster 24d in einem piezoelektrischen Mehrschichtelement 2b gemäß des dritten Ausführungsbeispiels zeigt.
Außer dass eine unterschiedliche Anzahl von Schlitzen 22 an verschiedenen Positionen gebildet wird, wie in 7A gezeigt, ist das piezoelektrische Mehrschichtelement 2b nach der vorliegenden Ausführungsform ähnlich dem piezoelektrischen Mehrschichtelement 2 nach der ersten Ausführungsform und zeigt ähnliche Effekte.
In der vorliegenden Ausführung, wie in 7A dargestellt, sind zwei Schlitze 22 symmetrisch zur Mitte der jeweiligen Muster 18a bis 18c der Blindelektrodenschicht 18 ausgebildet. Da die Schlitze 22 an solchen Stellen ausgebildet sind, hat die Blindelektrodenschicht 18 ein liniensymmetrisches Muster zu einer Mittellinie CL, die die Blindelektrodenschicht 18 gleichmäßig teilt.
Da sich die Schlitze 22 regelmäßig ausbilden, ist es möglich, eine im Brennschritt in der Blindelektrodenschicht 18 erzeugte Spannung gleichmäßig zu verteilen und eine Teilkonzentration der Spannung zu verhindern. So kann das piezoelektrische Mehrschichtelement 2b nach der vorliegenden Ausführungsform die verformungshemmende Wirkung des Schichtkörpers 4 noch verstärken. Übrigens, obwohl im ersten Ausführungsbeispiel nicht erklärt, sind die Schlitze 22 auch bei den in 4A und 4B sowie in 7B dargestellten Elektrodenmustern symmetrisch zur Mittellinie CL ausgebildet.
Viertes Ausführungsbeispiel
Im Folgenden wird das vierte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand von 7B erläutert. Übrigens werden die gängigen Konfigurationen zwischen erstem und viertem Ausführungsbeispiel nicht erklärt.
7B ist eine schematische Draufsicht, die ein Elektrodenmuster 24e in einem piezoelektrischen Mehrschichtelement 2c gemäß des vierten Ausführungsbeispiels zeigt. Außer dass eine unterschiedliche Anzahl von Schlitzen 22 an verschiedenen Positionen gebildet wird, wie in 7B gezeigt, ist das piezoelektrische Mehrschichtelement 2c nach der vorliegenden Ausführungsform ähnlich dem piezoelektrische Mehrschichtelement 2 nach der ersten Ausführungsform und zeigt ähnliche Effekte.
In jedem der Muster 18a bis 18c der Blindelektrodenschicht 18, wie in 7B gezeigt, sind die Schlitze 22 in gleichen Abständen ausgebildet, um die jeweiligen Seiten 4e1, 4f1 und 4c1 gleichmäßig in sechs Teile zu unterteilen. Wie in der Erläuterung zu 7A erwähnt, sind die Schlitze des Elektrodenmusters 24e liniensymmetrisch zur Mittellinie CL ausgebildet.
Wie im Elektrodenmuster 24e ist die Anzahl der Schlitze 22 in einem vorgegebenen Bereich vorzugsweise größer. Je größer die Anzahl der Schlitze 22 in einem vorgegebenen Bereich ist, desto besser kann eine im Brennschritt in der Blindelektrodenschicht 18 erzeugte Spannung abgebaut werden und desto kleiner kann die im Schichtkörper 4 verbleibende Spannung werden.
Bei einer zu großen Anzahl von Schlitzen 22 kann jedoch die ursprüngliche Funktion als Blindelektrodenschicht (Verformungsschutz) gestört werden. Zum Beispiel, wie in 7B gezeigt, ist die Anzahl der Schlitze, die in jedem der Muster 18a bis 18c der Blindelektrodenschicht 18 gebildet werden, vorzugsweise etwa 1 bis 10. Da die Blindelektrodenschicht 18 aus drei Mustern gebildet wird, wenn 1 bis 10 Schlitze 22 in jedem der Muster 18a bis 18c gebildet werden, beträgt die Gesamtzahl der Schlitze 22 3 bis 30.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannten Ausführungsformen beschränkt und kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältig verändert werden. Zum Beispiel kann ein Schichtkörper durch abwechselndes Laminieren des in 7A gezeigten Elektrodenmusters 24d und des in 7B gezeigten Elektrodenmusters 24e gebildet werden. Jedes der in 4A bis 7B dargestellten Elektrodenmuster 24a bis 24e und ein Elektrodenmuster ohne Blindelektrodenschicht 18 (nicht abgebildet), ein Elektrodenmuster ohne Schlitze 22 (nicht abgebildet) oder ähnliches kann abwechselnd geschichtet werden.
Das piezoelektrische Mehrschichtelement nach der vorliegenden Erfindung kann als Wandlungselement von elektrischer Energie in mechanische Energie verwendet werden. So ist z.B. das piezoelektrische Mehrschichtelement nach der vorliegenden Erfindung auf piezoelektrische Aktoren, piezoelektrische Summer, piezoelektrische Schallgeber, Ultraschallmotoren, Lautsprecher etc. anwendbar und wird besonders vorteilhaft als piezoelektrischer Aktor eingesetzt. Im Einzelnen werden die piezoelektrischen Aktoren für haptische Geräte, Linsenansteuerung, HDD-Kopfansteuerung, Tintenstrahldruckkopfansteuerung, Ansteuerung von Kraftstoffeinspritzventilen usw. verwendet.
Beispiele
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand weiterer detaillierter Beispiele erläutert. Die Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt.
(Versuch 1)
Zunächst wurden vorgegebene Mengen an chemisch reinem Haupt- und Nebenrohstoff gewogen, so dass die piezoelektrischen Schichten aus PZT-Keramiken bestehen, und die Rohstoffe in einer Kugelmühle nass gemischt. Nach dem Mischen wurde die Mischung bei 800°C bis 900°C kalziniert und in der Kugelmühle pulverisiert. Das so gewonnene kalzinierte Pulver wurde mit einem Bindemittel versetzt und zu Schlicker verarbeitet. Der Schlicker wurde im Siebdruckverfahren zu einer Platte verarbeitet und anschließend getrocknet, um keramische Grünschichten zu erhalten.
Als nächstes wurde eine leitfähige Paste, die als Hauptkomponente eine Ag-Pd-Legierung enthält, im Druckverfahren auf die keramischen Grünschichten aufgetragen. Zu dieser Zeit wurde ein Elektrodenmuster in einem vorgegebenen Muster gedruckt, so dass nach dem Brennen eine Blindelektrodenschicht mit Schlitzen und eine innere Elektrodenschicht gebildet wurden.
Die so gewonnenen Grünschichten wurden in einer vorgegebenen Reihenfolge mit neun oder mehr Schichten geschichtet und ein vorgebrannter Schichtkörper erhalten. Darüber hinaus wurde dieser Schichtkörper für die Druckverklebung unter Druck gesetzt, getrocknet, entbindert und gebrannt. Das Brennen wurde bei 900°C (Ofentemperatur) unter atmosphärischem Druck durchgeführt.
In Versuch 1 wurde ein Versuch mit Veränderung der Anzahl und der Anordnung der Schlitze durchgeführt und es wurden Proben der in den Beispielen 1 bis 30 gezeigten Schichtkörper gewonnen. Tabelle 1 zeigt die Anzahl und die Lage der Schlitze in jedem Beispiel. In jedem Beispiel wurden 100 Laminatkörper vorbereitet und den folgenden Auswertungen unterzogen.
Übrigens hatten die gebrannten Schichtkörper von Versuch 1 eine im Wesentlichen rechteckige Quaderform von Breite (Wx) 30 mm × Länge (Wy) 30 mm × Dicke 0,1 mm. Die Dicke der piezoelektrischen Schichten betrug im Durchschnitt 10 µm. Die Dicke der inneren Elektrodenschichten betrug im Durchschnitt 1 µm. Die Breite (W1) zwischen den Blindelektrodenschichten und den inneren Elektrodenschichten betrug durchschnittlich 0,3 mm. Die Breite (W2) der auf den Blindelektrodenschichten gebildeten Schlitze betrug durchschnittlich 0,2 mm.
(Vergleichsbeispiel 1)
Bis auf die schlitzfreie Ausbildung der Blindelektrodenlagen wurden Proben von Schichtkörpern nach Vergleichsbeispiel 1 ähnlich wie in den Beispielen 1 bis 30 hergestellt.
Messung der Ebenheit
Die Ebenheit der im Vergleichsbeispiel 1 und den Beispielen 1 bis 30 erhaltenen Muster der Schichtkörper wurde mit einer CNC-Bildmessmaschine (NEXIV VMZ-R6555 der Firma NIKON INSTECH CO., LTD.) gemessen. Die Ebenheit wurde gemessen, indem man auf der Grundlage von Höhendaten, die durch Bestrahlung der Schichtkörper mit Laserlicht gewonnen wurden, eine kleinste quadratische Ebene erstellt und eine maximale Höhe und eine minimale Höhe mit der kleinsten quadratischen Ebene als Bezugsebene berechnet hat. Die Ebenheit wird durch die Differenz von maximaler Höhe und minimaler Höhe dargestellt. Je kleiner die Ebenheit ist, desto weniger wird der Laminatkörper verformt. Übrigens wurde die Messung in jedem Beispiel 900 Mal durchgeführt, und dieser Mittelwert wurde als Messergebnis ermittelt und ist in Tabelle 1 dargestellt. Der Zielwert der Ebenheit war 300 µm oder kleiner.
Auswertung
Hinsichtlich der Anordnung der Schlitze der Tabelle 1 steht die Position A für einen zentralen Abschnitt in jedem der Muster 18a bis 18c der Blindelektrodenschicht, die Position B für eine symmetrische Anordnung zum zentralen Abschnitt jedes der Muster 18a bis 18c, die Position C für eine liniensymmetrische Anordnung zur Mittellinie CL und die Position D für eine Schlitzbildungsposition ausschließlich der Positionen A bis C.
In den Beispielen 1 bis 30 der Tabelle 1 wird, wenn die Position der Schlitzbildung eine der Positionen A bis D war, „Y“ angegeben. So entspricht Beispiel 25 dem in 4A dargestellten Elektrodenmuster 24a, Beispiel 27 dem in 7A dargestellten Elektrodenmuster 24d und Beispiel 29 dem in 7B dargestellten Elektrodenmuster 24e.
Nach Tabelle 1 wurde bei der Bildung der Schlitze die Ebenheit im Vergleich zum Vergleichsbeispiel 1 verbessert. Je größer die Anzahl der Schlitze war, desto geringer war die Ebenheit und desto größer wurde die verformungshemmende Wirkung des Schichtkörpers.
In den Beispielen 1 bis 6 wurde der Schlitz an einer Position gebildet, die vom Ende 18d (18e) des seitlichen Musters 18a (18b) um einen vorbestimmten Abstand d oder mehr entfernt ist. Hier war der vorgegebene Abstand d der Beispiele 1/8 der Breite Wx des Elektrodenmusters 24 in Richtung der X-Achse. In den Beispielen 1 bis 6 wurde die angestrebte Ebenheit erreicht und die Verformung der Schichtkörper durch die Bildung des Schlitzes an der oben genannten Stelle wirksam verhindert.
In den Beispielen 1 bis 6 war die Ebenheit durch die Bildung des Schlitzes auf dem Verbindungsmuster gering. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass bei der Bildung eines Schlitzes auf dem Verbindungsmuster die Blindelektrodenschicht ungefähr in zwei Teile geteilt wurde und der Effekt der Verformungsverhinderung größer war als bei der Bildung des Schlitzes auf dem seitlichen Muster.
In den Beispielen 1 bis 6 war die Ebenheit der Beispiele 1 bis 3 (der Schlitz wurde an einem zentralen Teil jedes Musters (Position A) gebildet) kleiner als die der Beispiele 4 bis 6. Diese Tendenz ist auch in den Beispielen 13 bis 15, 25 und 29 zu finden. Ein höherer Effekt wurde durch die Bildung der Schlitze in einem zentralen Abschnitt jedes Musters erzielt.
In den Beispielen 7 bis 12 war die Ebenheit der Beispiele 7 bis 9 kleiner als die der Beispiele 10 bis 12. Die verformungsverhindernde Wirkung der Schichtkörper wurde durch die Bildung der Schlitze an der Position B (symmetrische Anordnung zum mittleren Abschnitt jedes Musters) erhöht.
In den Beispielen 7 bis 12 wurde eines der Muster 18a bis 18c der Blindelektrodenschicht ausgewählt, und auf dem ausgewählten Muster wurden zwei Schlitze gebildet. In den Beispielen 13 bis 18 wurden aus den Mustern 18a bis 18c zwei Muster ausgewählt, und die Schlitze wurden auf den beiden ausgewählten Mustern gebildet. Nach Tabelle 1 hatten die Beispiele 13 bis 18 im Vergleich zu den Beispielen 7 bis 12 eine höhere Deformationsverhinderungswirkung und eine geringere Ebenheit.
In den Beispielen 19 bis 24 und den Beispielen 25 und 26 hatten die Beispiele 25 und 26 (die Gesamtzahl der Schlitze war größer) im Vergleich zu den Beispielen 19 bis 24 (die Anzahl der Schlitze war kleiner) eine geringere Ebenheit. Dies zeigt, dass die verformungshemmende Wirkung der Schichtkörper nicht nur von der Anzahl der Schlitze abhängt, sondern auch von der Anordnung der Schlitze beeinflusst wurde.
In den Beispielen 7 bis 25 wurde die Verformung der Schichtkörper durch die Bildung der Schlitze auf den jeweiligen Mustern 18a bis 18c im Vergleich zur Bildung eines einzelnen Schlitzes noch wirksamer verhindert.
In den Beispielen 25, 27 und 29 war bei der Bildung einer Vielzahl von Schlitzen die Ebenheit durch die Bildung der Schlitze an der Position C (liniensymmetrische Anordnung zur Mittellinie CL) gering.
Bei der Gesamtbetrachtung der Beispiele 1 bis 30 nach dem vorliegenden Versuch kann die Verformung der Schichtkörper effektiver verhindert werden, wenn mehrere Schlitze an den Positionen A bis C mit einer gewissen Regelmäßigkeit angeordnet werden.
(Versuch 2)

In Versuch 1 wurden die Schichtkörper durch abwechselndes Laminieren der gleichen Elektrodenmuster gebildet, die jeweils umgekehrt wurden. In Versuch 2 wurden Proben von Schichtkörpern der Beispiele 31 bis 45 durch abwechselndes Laminieren verschiedener Elektrodenmuster (Beispiele 25 bis 30) hergestellt und auf ihre Ebenheit hin vermessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Übrigens war die übrige Ausgestaltung der Beispiele 31 bis 45 mit der aus Versuch 1 identisch. Tabelle 2

Beispiel-Nr.	Kombination der Schichtungen		Ebenheit
Beispiel-Nr.	Schicht 1	Schicht 2	µm
Bsp. 31	Bsp. 25	Bsp. 26	101
Bsp. 32	Bsp. 25	Bsp. 27	79
Bsp. 33	Bsp. 25	Bsp. 28	92
Bsp. 34	Bsp. 25	Bsp. 29	63
Bsp. 35	Bsp. 25	Bsp. 30	80
Bsp. 36	Bsp. 26	Bsp 27	99
Bsp. 37	Bsp. 26	Bsp. 28	118
Bsp. 38	Bsp. 26	Bsp. 29	69
Bsp. 39	Bsp.26	Bsp.30	99
Bsp, 40	Bsp.27	Bsp. 28	95
Bsp.41	Bsp.27	Bsp. 29	53
Bsp.42	Bsp.27	Bsp. 30	85
Bsp. 43	Bsp. 28	Bsp. 29	71
Bsp. 44	Bsp. 28	Bsp. 30	100
Bsp. 45	Bsp. 29	Bsp. 30	92

Selbst in den Beispielen 31 bis 45 (es wurden unterschiedliche Elektrodenmuster geschichtet) war die Ebenheit gering und die verformungshemmende Wirkung der Schichtkörper nicht beeinträchtigt. Die Ebenheit war in Beispiel 41 am geringsten (die Elektrodenmuster der Beispiele 27 (7A) und 29 (7B) wurden geschichtet).
(Versuch 3)

In Versuch 3 wurde ein Versuch zur Veränderung des Flächenverhältnisses der Spaltbreite und der inneren Elektrodenschicht im Elektrodenmuster 24a des Beispiels 25 aus 4A durchgeführt und als Ergebnis die Beispiele 46 bis 49 gewonnen. Übrigens waren die anderen Konfigurationen der Beispiele 46 bis 49 mit denen von Beispiel 25 identisch. Tabelle 3 zeigt die Messergebnisse für die Ebenheit der Beispiele 46 bis 49. Tabelle 3

Beispiel-Nr.	Schlitze in Blindelektrode	Schlitzweite	Flächenverhältnis der inneren Elektrodenschicht	Ebenheit
Beispiel-Nr.	Schlitze in Blindelektrode	mm	Ae/Ap	µm
Vergleichsbsp. 1	nein	-	0,95	364
Bsp.46	ja	0,03	0,95	96
Bsp.47	ja	0,03	0,99	265
Bsp.48	ja	0,6	0,95	84
Bsp. 49	ja	0.6	0,99	238

Nach den Ergebnissen der in Tabelle 3 dargestellten Beispiele 46 bis 49 wurde die gewünschte Ebenheit bei einer Spaltbreite von 0,03 mm bis 0,6 mm erreicht. In den Beispielen 46 und 48 war der Verbesserungseffekt in Bezug auf die Ebenheit bei einer Spaltbreite von 0,6 mm tendenziell höher als bei einer Spaltbreite von 0,03 mm.
In Tabelle 3 ist das Flächenverhältnis der inneren Elektrodenschicht ein Verhältnis (Ae / Ap) von einer Fläche (Ae) der inneren Elektrodenschicht zu einer Fläche (Ap) der piezoelektrischen Schicht. Wie in Tabelle 3 dargestellt, konnte im Vergleichsbeispiel 1 (es wurden keine Schlitze gebildet) die gewünschte Ebenheit nicht erreicht werden, wenn das Flächenverhältnis der inneren Elektrodenschicht 0,95 betrug. Daher musste das Flächenverhältnis der inneren Elektrodenschicht kleiner sein, wenn keine Schlitze gebildet wurden.
Andererseits, obwohl das Flächenverhältnis der inneren Elektrodenschicht groß war (0,99), hatten die Beispiele 46 bis 49 eine gewünschte Ebenheit von 300 µm oder weniger bei einer Spaltbreite von 0,03 bis 0,6 mm.
(Versuch 4)
In Versuch 4 wurden mit dem in 6 gezeigten Elektrodenmuster 24c Muster von Schichtkörpern hergestellt. Das heißt, die Ecken der inneren Elektrodenschicht der Beispiele 50, 52, 54 und 56 nach Versuch 4 wurden abgerundet (Krümmungsradius: 0,1 mm). Die piezoelektrischen Schichten der Beispiele 1 bis 49 bestanden aus bleihaltiger Keramik auf PZT-Basis, die Proben der Schichtkörper der Beispiele 53 bis 56 hingegen aus bleifreiem BFO-BT. Übrigens war die übrige Ausgestaltung der Beispiele 50 bis 56 mit der von Beispiel 25 identisch.
Nach dem Brennen wurde an den Proben von Schichtkörpern der Beispiele 50 und 51 und des Beispiels 25 ein Paar Außenelektroden gemäß Versuch 4 gebildet. Dann wurde ein elektrisches Gleichfeld an die piezoelektrischen Mehrschichtelemente experimentell angelegt, um zu prüfen, ob in jeder Probe ein Kurzschluss erzeugt wurde oder nicht. Übrigens wurde dieser Versuch für jeweils 100 Proben je Beispiel durchgeführt, um eine Kurzschlussrate zu berechnen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt.

Tabelle 4

Beispiel-Nr.	Schlitze in Blindelektrode	Abrundung der Ecken	Piezoelektr. Schicht	Einsatzspannung im Test	Ebenheit	KurzschlussRate
Beispiel-Nr.	Schlitze in Blindelektrode	ja oder nein	Material	kV/mm	µm	%
Bsp. 25	ja	nein	PZT	1.0	92	0
Bsp. 50	ja	ja	PZT	1,0	90	0
Bsp. 51	ja	nein	PZT	2,0	93	0
Bsp. 52	ja	ja	PZT	2,0	93	0
Bsp. 53	ja	nein	BFO-BT	3,0	101	0
Bsp. 54	ja	ja	BFO-BT	3,0	103	0
Bsp. 55	ja	nein	BFO-BT	6,0	101	3
Bsp. 56	ja	ja	BFO-BT	6,0	104	0

Nach Tabelle 4 hatten die Beispiele 53 bis 56 (die piezoelektrischen Schichten bestanden aus einem bleifreien Material) im Vergleich zu den Beispielen mit bleihaltigem PZT eine etwas höhere Ebenheit. Dies wurde durch das unterschiedliche thermische Schrumpfungsverhalten der piezoelektrischen Schichten verursacht, aber eine gewünschte Ebenheit kann trotz der Verwendung eines bleifreien Basismaterials erfüllt werden. Nach dem vorliegenden Versuch kann die vorliegende Erfindung trotz der Veränderung des Materials durch die Bildung der Schlitze eine verformungshemmende Wirkung haben.
Wenn ein bleifreies Material verwendet wird, ist die Spannung für die Polarisation um ein Vielfaches höher als bei der Verwendung eines bleihaltigen Materials (z.B. PZT). In den Beispielen 53 bis 56 (dort wurde ein Material auf Bleibasis verwendet) wurde die Prüfung auf Kurzschlussrate daher durch Anlegen einer Spannung durchgeführt, die um ein Vielfaches höher war als bei Verwendung eines Materials auf Bleibasis. Im Beispiel 55 (6,0 kV/mm, d.h. es wurde eine Prüfspannung angelegt, die höher war als eine Spannung für die Polarisation) wurde folglich mit einer Wahrscheinlichkeit von etwa 3% ein Kurzschluss erzeugt. Im Beispiel 56 (es wurde die gleiche Spannung angelegt) wurde jedoch kein Kurzschluss erzeugt. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Erzeugung von Kurzschlussfehlern durch die Abrundung der Ecken der inneren Elektrodenschichten, auf die sich ein elektrisches Feld leicht konzentrieren konnte, wirksam verhindert wurde.
Bezugszeichenliste

2: Piezoelektrisches Mehrschichtelement
4: Schichtkörper
4a: Vorderseite des Schichtkörpers
4b: Rückseite des Schichtkörpers
4c-4f: Seitenflächen des Schichtkörpers
6: Erste externe Elektrode
6a: Erster seitlicher Abschnitt
6b: Erster Oberflächenabschnitt
8: Zweite externe Elektrode
8a: Zweiter seitlicher Abschnitt
8b: Zweiter Oberflächenabschnitt
10: Piezoelektrische Schicht
12: Piezoelektrisch aktiver Abschnitt
16, 17: Innere Elektrodenschicht
16a, 17a: Vorderer Teil
17b: Ecke
18: Blindelektrodenschicht
18a, 18b: Seitliches Muster
18c: Verbindungsmuster
18d, 18e: Ende des Seitlichen Musters
20: Spalt
22: Schlitz
24, 24a-24e: Elektrodenmuster
4c1-4f1: Seite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 3794292 [0004]

Claims

Ein piezoelektrisches Mehrschichtelement, umfassend: einen Schichtkörper einschließlich: einer piezoelektrischen Schicht, die entlang einer Ebene mit einer ersten und einer zweiten Achse, die senkrecht zueinander stehen, ausgebildet ist; und einer inneren Elektrodenschicht und einer Blindelektrodenschicht, die auf die piezoelektrische Schicht auflaminiert sind, und eine seitliche Elektrode, die auf einer Seitenfläche des Schichtkörpers senkrecht zur ersten Achse ausgebildet ist, wobei die innere Elektrodenschicht einen vorderen Abschnitt aufweist, der an der seitlichen Oberfläche des Schichtkörpers freiliegt und über den vorderen Abschnitt elektrisch mit der seitlichen Elektrode verbunden ist, wobei die Blindelektrodenschicht auf der Ebene so ausgebildet ist, dass sie die innere Elektrodenschicht mit Ausnahme des vorderen Abschnitts mit einem Spalt dazwischen umgibt, und wobei an mindestens einer oder mehreren Positionen der Blindelektrodenschicht ein Schlitz ausgebildet ist.
Piezoelektrisches Mehrschichtelement nach Anspruch 1, wobei der Schlitz auf der Blindelektrodenschicht an einer Position ausgebildet ist, die von dem Ende der Blindelektrodenschicht in der Nähe des vorderen Abschnitts um einen vorbestimmten Abstand oder mehr entfernt ist.
Piezoelektrisches Mehrschichtelement nach Anspruch 2, wobei der vorbestimmte Abstand 1/8 oder mehr der Länge der Blindelektrodenschicht entlang der ersten Achse beträgt.
Piezoelektrisches Mehrschichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Blindelektrodenschicht zwei seitliche Muster entlang der ersten Achse und ein Verbindungsmuster entlang der zweiten Achse umfasst, das Verbindungsmuster gegenüber dem vorderen Teil positioniert ist und die seitlichen Muster verbindet, und der Schlitz in der Mitte des Verbindungsmusters oder des seitlichen Musters der Blindelektrodenschicht gebildet wird.
Piezoelektrisches Mehrschichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwei oder mehr Schlitze liniensymmetrisch zu einer Mittellinie ausgebildet sind, die die Blindelektrodenschicht gleichmäßig teilt und parallel zur ersten Achse verläuft.
Piezoelektrisches Mehrschichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schlitz eine Breite von 0,03 bis 0,6 mm hat.
Piezoelektrisches Mehrschichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verhältnis einer Fläche (Ae) der inneren Elektrodenschicht zu einer Fläche (Ap) der piezoelektrischen Schicht in der Ebene 0,95 ≤ Ae / Ap ≤ 0,99 beträgt.
Piezoelektrisches Mehrschichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Ecke der inneren Elektrodenschicht mit einem Krümmungsradius von 0,1 mm oder größer abgerundet ist.
Piezoelektrischer Aktor, der das piezoelektrische Mehrschichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst.