DE102020107305A1

DE102020107305A1 - Piezoelektrisches Mehrschichtelement

Info

Publication number: DE102020107305A1
Application number: DE102020107305.4A
Authority: DE
Inventors: Makoto Ishizaki; Masaharu Hirakawa
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2040-03-18
Also published as: DE102020107305B4; US20200313067A1; CN111755590A; JP2020167225A

Abstract

Ein piezoelektrisches Mehrschichtelement umfasst einen Schichtkörper und eine seitliche Elektrode. Der Schichtkörper enthält eine piezoelektrische Schicht und eine innere Elektrodenschicht. Die piezoelektrische Schicht wird entlang einer Ebene gebildet, die eine erste und eine zweite, senkrecht zueinander stehende Achse enthält. Die innere Elektrodenschicht ist auf die piezoelektrische Schicht laminiert. Die innere Elektrodenschicht hat einen vorderen Abschnitt, der zur seitlichen Oberfläche des Schichtkörpers hin freiliegt und über den vorderen Abschnitt elektrisch mit der seitlichen Elektrode verbunden ist. Eine Blindelektrodenschicht mit einem Spalt wird gebildet, die die innere Elektrodenschicht mit Ausnahme des vorderen Abschnitts auf der Ebene der piezoelektrischen Schicht umgibt. Die Blindelektrodenschicht besteht aus einem Material, dessen Starttemperatur bei der thermischen Schrumpfung höher ist als die eines leitenden Metalls, das die innere Elektrodenschicht bildet.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Mehrschichtelement.
Piezoelektrische Mehrschichtelemente haben eine Struktur, bei der interne Elektroden und piezoelektrische Schichten laminiert sind, und können den Verformungsbetrag und die Antriebskraft pro Volumeneinheit im Vergleich zu nicht-piezoelektrischen Mehrschichtelementen erhöhen. Um Kurzschlüsse durch Migration zwischen internen Elektrodenschichten zu verhindern, ist es bei den piezoelektrischen Mehrschichtelementen normal, dass eine Laminierungsfläche der internen Elektrodenschichten kleiner ist als die der piezoelektrischen Schichten. In 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 dadurch verformen oder Risse aufweisen.
Insbesondere die piezoelektrischen Mehrschichtelemente wurden in letzter Zeit für dünnere oder größere Elementkörper gefordert. Wenn die Elementkörper dünner oder größer sind, lassen sie sich leicht verformen, und es ist schwieriger, Risse zu verhindern.
Übrigens enthüllt das Patentdokument 1 eine Technik zur Verhinderung der Ausbreitung von Rissen durch Erhöhung des Pd-Gehalts am Ende der inneren Elektrodenschicht bestehend aus einer Ag-Pd-Legierung. Mit der durch das Patentdokument 1 offenbarten Methode fällt es jed°Ch schwer zu verhindern, dass sich der Elementkörper verformt.
Patentdokument 1: JP2014072357 (A )
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist unter solchen Umständen zustande gekommen. Gegenstand der Erfindung ist es, ein piezoelektrisches Mehrschichtelement bereitzustellen, das in der Lage ist, die Verformung eines Elementkörpers zu verhindern.
Um das oben genannte Ziel zu erreichen, enthält ein piezoelektrisches Mehrschichtelement nach der vorliegenden Erfindung:

einen Schichtkörper umfassend:
- eine piezoelektrische Schicht, die entlang einer Ebene gebildet ist, die eine erste und eine zweite, zueinander senkrechte Achse enthält; und
- eine innere Elektrodenschicht, die auf die piezoelektrische Schicht laminiert ist; 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 zur seitlichen Oberfläche des Schichtkörpers hin freiliegt und über den vorderen Abschnitt elektrisch mit der seitlichen Elektrode verbunden ist,
wobei eine Blindelektrodenschicht mit einem Spalt ausgebildet ist, um die innere Elektrodenschicht mit Ausnahme des vorderen Abschnitts in der Ebene der piezoelektrischen Schicht zu umgeben, und
wobei die Blindelektrodenschicht aus einem Material besteht, dessen Starttemperatur bei der thermischen Schrumpfung höher ist als die eines leitenden Metalls, das die innere Elektrodenschicht bildet.

In dem piezoelektrischen Mehrschichtelement nach der vorliegenden Erfindung wird eine Blindelektrodenschicht im äußeren Umfang der inneren Elektrodenschicht gebildet, und diese Blindelektrodenschicht besteht aus einem Material, dessen Starttemperatur bei der thermischen Schrumpfung höher ist als die eines leitenden Metalls, das die innere Elektrodenschicht bildet. In dieser Struktur kann die vorliegende Erfindung das Auftreten von Sinterflecken an der Außenseite und der Innenseite des Schichtkörpers und die Verformung des Schichtkörpers und die Erzeugung von Rissen verhindern. Somit ist es möglich, selbst wenn jede Schicht, die den Schichtkörper bildet, dünner oder größer ist, ein piezoelektrisches Mehrschichtelement zu erhalten, das eine geringe Verformung des Schichtkörpers aufweist und eine hohe piezoelektrische Konstante besitzt.
Vorzugsweise besteht die Blindelektrodenschicht aus einem leitenden Metall, dessen Zusammensetzung sich von der des leitenden Metalls, das die innere Elektrodenschicht bildet, unterscheidet.
Vorzugsweise besteht die Blindelektrodenschicht aus einem Material, dessen Starttemperatur bei der thermischen Schrumpfung um 50°C oder mehr und 280°C oder weniger höher ist als die des leitenden Metalls, das die innere Elektrodenschicht bildet.
Vorzugsweise sind in der piezoelektrischen Schicht, die sich im Spalt zwischen der inneren Elektrodenschicht und der Blindelektrodenschicht befindet, mehrere Poren ausgebildet. Die vorliegende Erfindung umfasst die Poren und kann dadurch die innere Spannung des Schichtkörpers reduzieren und die Verformung des Schichtkörpers und die Erzeugung von Rissen weiter wirksam verhindern. Aufgrund der Poren kann auch die Zusammensetzung der piezoelektrischen Schicht vor einer Veränderung bewahrt werden. Selbst wenn jede Schicht, die den Schichtkörper bildet, dünner oder größer ist, ist es daher möglich, ein piezoelektrisches Mehrschichtelement zu erhalten, das eine geringe Verformung des Schichtkörpers aufweist und eine hohe piezoelektrische Konstante besitzt.
Vorzugsweise haben die Poren eine durchschnittliche Größe von 0,05 µm oder mehr und 0,2 µm oder weniger.
Vorzugsweise hat die im Spalt befindliche piezoelektrische Schicht eine Porenrate von 3% oder mehr und 20% oder weniger.
Vorzugsweise weist der Spalt eine Breite von 0,05 mm oder mehr und 0,3 mm oder weniger auf.
Das piezoelektrische Mehrschichtelement nach der vorliegenden Erfindung kann als Umwandlungselement von elektrischer Energie in mechanische Energie verwendet werden. So ist das erfindungsgemäße piezoelektrische Mehrschichtelement z.B. für piezoelektrische Aktoren, piezoelektrische Summer, piezoelektrische Schallgeber, Ultraschallmotoren, Lautsprecher usw. anwendbar und wird besonders vorabschnitthaft für piezoelektrische Aktoren eingesetzt. Insbesondere werden die piezoelektrischen Aktoren für haptische Vorrichtungen, Linsenansteuerung, Ansteuerung von HDD-Köpfen, Ansteuerung von Tintenstrahldruckerköpfen, Ansteuerung von Kraftstoffeinspritzventilen usw. verwendet.
Figurenliste

1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht, die ein piezoelektrisches Mehrschichtelement nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die entlang der in 1 gezeigten II-II-Linie geschnitten wurde.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die entlang der in 1 gezeigten III-III-Linie geschnitten ist.
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.
6A ist eine schematische Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Mehrschichtelements gemäß einer anderen Ausführungsform.
6B ist eine schematisch vergrößerte Querschnittsansicht des in 6A dargestellten Bereichs VIB.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der in den Abbildungen dargestellten Ausführungsformen erläutert.
Erste Ausführungsform
1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Mehrschichtelements 2 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform. Wie in 1 dargestellt, enthält das piezoelektrische Mehrschichtelement 2 einen Schichtkörper 4, eine erste Außenelektrode 6 und eine zweite Außenelektrode 8.
Der Schichtkörper 4 hat eine im wesentlichen rechteckige Parallelepipedform und hat 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). Übrigens können isolierende Schutzschichten (nicht abgebildet) auf den Seitenflächen 4c-4f des Schichtkörpers 4 gebildet werden, mit Ausnahme der Bereiche, auf denen die Außenelektroden 6 und 8 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 der erste seitliche Abschnitt 6a und der erste Oberflächenabschnitt 6b in den Abbildungen getrennt dargestellt, aber tatsächlich als ein Stück 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 miteinander verbunden, so daß sie als ein Stück ausgebildet sind. Wie in 1 dargestellt, sind der erste Oberflächenabschnitt 6b und der zweite Oberflächenabschnitt 8b 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 isoliert.
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) laminiert sind. Die inneren Elektrodenschichten 16 sind so laminiert, dass die vorderen Abschnitte 16a abwechselnd an den Seitenfläche 4c oder 4d des Schichtkörpers 4 freiliegen. An den vorderen Abschnitten 16a sind die inneren Elektrodenschichten 16 elektrisch mit der ersten Außenelektrode 6 oder der zweiten Außenelektrode 8 verbunden.
In der vorliegenden Ausführung haben die piezoelektrischen Schichten 10 an einem zentralen Abschnitt des Schichtkörpers 4 piezoelektrisch aktive Abschnitte 12, die von den inneren Elektrodenschichten 16 eingeschlossen sind. Das heißt, die piezoelektrischen aktiven Abschnitte 12 sind ein Bereich, der von der in 2 und 3 gezeigten gepunkteten Linie umgeben ist. In diesem Bereich wird eine mechanische Verformung durch das Anlegen einer Spannung über die erste Außenelektrode 6 und die zweite Außenelektrode 8 mit unterschiedlichen Polaritäten verursacht.
Die inneren Elektrodenschichten 16 bestehen aus einem beliebigen leitfähigen 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, vorzugsweise aber aus einer Ag-Pd-Legierung, Ag, Cu oder ähnlichem.
Die erste Außenelektrode 6 und die zweite Außenelektrode 8 bestehen ebenfalls aus einem leitfähigen Material, z.B. einem Material, das dem leitfähigen Material der inneren Elektroden ähnlich ist. Die erste Außenelektrode 6 und die zweite Außenelektrode 8 können durch Mischen eines leitfähigen Metallpulvers (z.B. Ag, Cu) und eines Glaspulvers (z.B. SiO₂) und Brennen dieser Mischung gebildet werden. Übrigens kann auf den Außenseiten der ersten Außenelektrode 6 und der zweiten Außenelektrode 8 eine Plattierungsschicht oder eine gesputterte Schicht, die die oben erwähnten verschiedenen Metalle enthält, gebildet werden.
Die piezoelektrischen Schichten 10 bestehen aus jedem Material, das einen piezoelektrischen Effekt oder einen inversen piezoelektrischen Effekt aufweist, wie z.B. PbZr_xTi_1-xO₃ (PZT), BaTiO3 (BT), BiNaTiO₃ (BNT), BiFeO₃ (BFO), (Bi₂O₂)²⁺(A_m-1B_mO_3m+1)^2- (BLSF), und (K, Na)NbO₃ (KNN). Um die Eigenschaften zu verbessern, können die piezoelektrischen Schichten 10 eine Unterkomponente enthalten. Die Menge der Unterkomponente wird auf Grundlage der gewünschten Eigenschaften bestimmt.
Übrigens haben die piezoelektrischen Schichten 10 eine beliebige Dicke, aber vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,5 bis 100 µm in der vorliegenden Ausführung. 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 Vorderfläche 4a und der Rückfläche 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-Achse und die Y-Achse auf der unteren Seite der in 4A gezeigten Z-Achsenrichtung einschließt. Jede der piezoelektrischen Schichten 10 hat die Seiten 4c1 bis 4f1, die den Seitenflächen 4c bis 4f des Schichtkörpers 4 entsprechen (siehe 1). Dann wird das erste Elektrodenmuster 24a, das aus der inneren Elektrodenschicht 16 und einer Blindelektrodenschicht 18 gebildet wird, auf die Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 10 laminiert.
Beim ersten Elektrodenmuster 24a in 4A ist der vordere Abschnitt der inneren Elektrodenschicht 16a zur Seite 4d1 hin freiliegend. Die Blindelektrodenschicht 18 ist mit einem Spalt 20 ausgebildet, der die innere Elektrodenschicht 16 mit Ausnahme des vorderen Abschnitts 16a umgibt. Somit sind die innere Elektrodenschicht 16 und die Blindelektrodenschicht 18 elektrisch isoliert.
In der vorliegenden Ausführung liegt der Außenumfang der Blindelektrodenschicht 18 an den Seitenflächen 4c bis 4f des Schichtkörpers 4 frei 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 befindet sich gegenüber dem vorderen Abschnitt 16a und verbindet die beiden seitlichen Muster 18a und 18b.
In der vorliegenden Ausführung ist der erste Seitenabschnitt 6a der ersten Außenelektrode 6 so ausgebildet, dass die Breite gleich oder kleiner als eine Breite W1 der inneren Elektrodenschichten 16 in Y-Achsenrichtung ist, und die Blindelektrodenschicht 18 und der erste Seitenabschnitt 6a nicht miteinander verbunden sind. Das heißt, die Blindelektrodenschicht 18 ist gegenüber der inneren Elektrodenschicht 16 und der ersten Außenelektrode 6 elektrisch isoliert und trägt nicht zur Erscheinung der piezoelektrischen Eigenschaften bei. Da die Blindelektrodenschicht 18 auf diese Weise gebildet wird, werden die erste Außenelektrode 6 und die zweite Außenelektrode 8 nicht über die Blindelektrodenschicht 18 kurzgeschlossen.
Um die elektrische Isolierung zwischen der ersten Außenelektrode 6 und der zweiten Außenelektrode 8 zu sichern, kann ein Schlitz auf dem seitlichen Muster 18a (18b) der Blindelektrodenschicht 18 gebildet werden, oder die Blindelektrodenschicht 18 kann so gebildet werden, dass das Ende des seitlichen Musters 18a (18b) nicht zur Seite 4d1 hin freiliegt. In diesem Fall kann der erste laterale Abschnitt 6a der ersten Außenelektrode 6 eine Breite haben, die gleich einer Breite Wy der piezoelektrischen Schichten 10 in Richtung der Y-Achse ist.
In der vorliegenden Ausführungsform besteht die Blindelektrodenschicht 18 aus einem Material, dessen thermisches Schrumpfungsverhalten sich von dem der inneren Elektrodenschichten 16 unterscheidet. Auch wenn dieses Material ein anderes thermisches Schrumpfverhalten als die inneren Elektrodenschichten 16 aufweist, muss der Unterschied im thermischen Schrumpfverhalten zwischen den Blindelektrodenschichten 18 und den inneren Elektrodenschichten 16 kleiner sein als der zwischen den piezoelektrischen Schichten 10 und den inneren Elektrodenschichten 16. Daher enthält die Blindelektrodenschicht 18 vorzugsweise ein leitfähiges Metall.
Insbesondere wenn die inneren Elektrodenschichten 16 aus einer Ag-Pd-Legierung bestehen, besteht die Blindelektrodenschicht 18 aus einer Ag-Pd-Legierung, deren Pd-Gehalt größer als der der inneren Elektrodenschichten 16 ist. Wenn die inneren Elektrodenschichten 16 aus Ag oder Cu bestehen, besteht die Blindelektrodenschicht 18 aus einer Ag-Pd-Legierung oder Ni.
Übrigens: „Das thermische Schrumpfungsverhalten ist anders“ bedeutet konkret, dass die Starttemperatur des Materials, aus dem die Blindelektrodenschicht 18 besteht, höher ist als die des leitenden Metalls, aus dem die inneren Elektrodenschichten 16 bestehen. Dieser Effekt wird unten im Detail erklärt, aber wenn die Starttemperatur bei der thermischen Schrumpfung der Blindelektrodenschicht 18 höher ist als die der inneren Elektrodenschichten 16, kann die Anzahl der Sinterflecken im Inneren des Schichtkörpers 4 reduziert werden.
Die Breite W₃ des in 4A gezeigten Spalts 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 (besser 0,05 bis 0,3 mm). In diesem Bereich kann der Isolationsabstand zwischen der inneren Elektrodenschicht 16 und der Blindelektrodenschicht 18 ausreichend gesichert und die Blindelektrodenschicht 18 ausreichend funktionsfähig sein.
5 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des piezoelektrischen Mehrschichtelements 2 gemäß der vorliegenden Darstellung. Wenn die piezoelektrischen Schichten 10 in drei oder mehr Schichten laminiert werden, wie in 5 gezeigt, müssen die ersten Elektrodenmuster 24a und die zweiten Elektrodenmuster 24b abwechselnd laminiert 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. Das heißt, beim zweiten Elektrodenmuster 24b ist der vordere Abschnitt 16a der inneren Elektrodenschicht 16 zur Seite 4c1 hin freiliegend 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 Elektrodenmustern 24a und 24b laminiert wird, wie in 5 gezeigt, können der Verformungsbetrag, die Antriebskraft und ähnliches im Vergleich zu denen von nicht-piezoelektrischen Mehrschichtelementen 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 Schichtzahl der piezoelektrischen Schichten 10 wird entsprechend dem Zweck des piezoelektrischen Mehrschichtelements 2 bestimmt.
Das piezoelektrische Mehrschichtelement 2 nach der vorliegenden Ausführungsform wird durch ein beliebiges Verfahren hergestellt und wird z.B. nach folgendem Verfahren hergestellt.
Zunächst wird ein Fertigungsschritt des Schichtkörpers 4 erläutert. Im Herstellungsschritt des Schichtkörpers 4 werden keramische Grünfolien vorbereitet, die nach dem Brennen die piezoelektrischen Schichten 10 bilden und wird weiterhin eine leitfähige Paste vorbereitet, die nach dem Brennen die inneren Elektrodenschichten 16 und die Blindelektrodenschichten 18 bilden wird.
Zum Beispiel werden die keramischen Grünfolien auf folgende Weise hergestellt. Zuerst wird ein Rohstoff aus einem Material, aus dem die piezoelektrischen Schichten 10 bestehen, durch Nassmischen oder eine ähnliche Methode gleichmäßig gemischt und getrocknet. Dann wird das Rohmaterial unter entsprechend festgelegten Bedingungen kalziniert, und dieses kalzinierte Pulver wird auf nasse Weise pulverisiert. Das pulverisierte kalzinierte Pulver wird mit einem Bindemittel versetzt und zu einer Aufschlämmung verarbeitet. Dann wird die Aufschlämmung durch das Rakel- oder Siebdruckverfahren oder ähnliches in eine Folie umgewandelt und anschließend getrocknet, um eine keramische Grünfolie zu erhalten. Übrigens kann das Rohmaterial des Materials, aus dem die piezoelektrischen Schichten 10 bestehen, unvermeidliche Verunreinigungen enthalten.
Ein interner Elektrodenpastenfilm, der die Elektrodenmuster 24 bildet, und ein Blindelektrodenpastenfilm werden durch ein Druckverfahren oder Ähnliches auf der so erhaltenen keramischen Grünfolie gebildet. Da die inneren Elektrodenschichten 16 und die Blindelektrodenschichten 18 aus Materialien mit unterschiedlichem Wärmeschrumpfungsverhalten zusammengesetzt sind, werden in der vorliegenden Ausführung eine Paste für innere Elektroden und eine Paste für Blindelektroden hergestellt, die jeweils unterschiedliche leitfähige Materialien enthalten. Dann wird die Innenelektrodenpaste zunächst in einem vorbestimmten Muster auf die Grünfolie gedruckt, und die Blindelektrodenpaste wird danach (oder vorher) in einem vorbestimmten Muster gedruckt. Ein gewünschtes Elektrodenmuster kann durch separates Drucken des Pastenfilms für die innere Elektrode und des Pastenfilms für die Blindelektrode gebildet werden.
Als nächstes werden die im oben genannten Verfahren vorbereiteten Grünfolien in einer vorgegebenen Reihenfolge laminiert. Das heißt, die Grünfolien, auf die das erste Elektrodenmuster 24a gedruckt wird, und die Grünfolien, auf die das zweite Elektrodenmuster 24b gedruckt wird, werden abwechselnd laminiert. In dem Abschnitt, der nach dem Brennen die Vorderfläche 4a des Schichtkörpers 4 bildet, werden nur die Grünfolien laminiert.
Darüber hinaus werden die laminierten Grünfolien für die Druckverklebung unter Druck gesetzt und gebrannt, um über notwendige Schritte (z.B. Trocknungsschritt, Entbinderungsschritt) den Schichtkörper 4 zu erhalten. Wenn die inneren Elektrodenschichten aus einem Edelmetall bestehen (z.B. Ag, Ag-Pd-Legierung), wird das Brennen vorzugsweise bei einer Ofentemperatur von 800-1200°C und Atmosphärendruck durchgeführt. Wenn die inneren Elektrodenschichten aus einem nichtedlem Metall (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. Wenn der Schichtkörper im Brennschritt gesintert wird, entsteht eine Volumenschrumpfung in den piezoelektrischen Schichten und den Elektrodenschichten (den inneren Elektrodenschichten und den Blindelektrodenschichten).
Außenelektroden werden auf dem Schichtkörper 4 gebildet, der durch die obigen Schritte erhalten wird. Die Außenelektroden werden durch Kathodenzerstäubung, Bedampfung, Beschichtung, Tauchbeschichtung oder ähnliches gebildet. Die erste Außenelektrode 6 wird auf der Vorderfläche 4a und der Seitenfläche 4d des Schichtkörpers 4 gebildet, und die zweite Außenelektrode 8 wird auf der Rückfläche 4b und der Seitenfläche 4c des Schichtkörpers 4 gebildet. Übrigens kann eine Isolierschicht durch Auftragen eines isolierenden Harzes auf die Seitenflächen 4d-4f des Schichtkörpers 4, auf denen die Außenelektroden 6 und 8 nicht ausgebildet sind, gebildet werden.
Nach der Bildung der Außenelektroden wird eine Polarisationsbehandlung durchgeführt, um den piezoelektrischen Schichten 10 eine piezoelektrische Aktivität zu ermöglichen. Die Polarisationsbehandlung wird 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 durchgeführt. Übrigens hängt das anzulegende elektrische Gleichfeld von dem Material ab, aus dem die piezoelektrischen Schichten 10 bestehen. Durch ein solches Verfahren erhält man das in 1 gezeigte piezoelektrische Mehrschichtelement 2.
Im obigen Prozess wird das Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Mehrschichtelements gezeigt, aber tatsächlich werden Grünfolien verwendet, auf denen mehrere Elektrodenmuster 24 auf einer Platte gebildet werden. Ein mit solchen Platten gebildetes Aggregat-Laminat wird vor oder nach dem Brennen entsprechend zugeschnitten und hat dadurch schließlich die Form des Elements, wie in 1 dargestellt.
Bei dem piezoelektrischen Mehrschichtelement 2 nach der vorliegenden Ausführungsform ist, wie oben erwähnt, die Blindelektrodenschicht 18 entlang des äußeren Umfangs der inneren Elektrodenschicht 16 gebildet und besteht aus einem Material, dessen thermische Schrumpfungsstarttemperatur höher ist als die der inneren Elektrodenschicht 16. Im Brennschritt ist die Wärme in der Nähe des Außenumfangs des Schichtkörpers 4 leicht zu übertragen (die Blindelektrodenschicht 18 wird gebildet). Im Gegensatz dazu ist im Brennschritt die Wärme im mittleren Abschnitt der inneren Elektrodenschichten 16 (d.h. im mittleren Abschnitt des Schichtkörpers 4) schwer zu übertragen. In der vorliegenden Ausführung sind die Blindelektrodenschichten 18 und die inneren Elektrodenschichten 16 entsprechend der Neigung zur Wärmeleitung im Sinterschritt aus unterschiedlichen Materialien hergestellt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird das Sinterverhalten der Elektrodenschichten 16 und 18 im wesentlichen durch die Auswahl unterschiedlicher Materialien der inneren Elektrodenschichten 16 und der Blindelektrodenschicht 18 entsprechend der Tendenz zur Wärmeleitung im Sinterschritt eingestellt. Im piezoelektrischen Mehrschichtelement 2 ist es dadurch in der vorliegenden Ausführungsform möglich, die Anzahl der Sinterflecken zwischen dem Außenumfang und der Innenseite des Schichtkörpers 4 zu reduzieren und die Erzeugung von inneren Spannungen durch die Sinterflecken zu begrenzen. Da die inneren Spannungen geschwächt werden, kann in der vorliegenden Ausführungsform die Verformung des Schichtkörpers 4 und die Erzeugung von Rissen auch dann bemerkenswert verhindert werden, wenn die piezoelektrischen Schichten 10 dünn, die Schichtzahl der piezoelektrischen Schichten 10 groß, die Laminierungsfläche des Schichtkörpers 4 breit und groß oder ähnliches ist.
In der vorliegenden Ausführungsform gibt es keine Begrenzung der Dicke und der Schichtzahl der piezoelektrischen Schichten 10 oder der Größe des Schichtkörpers 4, aber der folgende Fall ist effektiv anwendbar. Der Schichtkörper 4 ist leicht verformbar, wenn die piezoelektrischen Schichten 10 dünn sind, aber in der vorliegenden Ausführung kann der Schichtkörper 4 eine gute Ebenheit erhalten, selbst wenn die piezoelektrischen Schichten 10 eine Dicke von 1-50 µm haben. Ebenso kann die vorliegende Ausführung den Schichtkörper 4 mit einer guten Ebenheit erhalten, selbst wenn die Schichtzahl der piezoelektrischen Schichten 10 groß ist (z.B. 3-20 Schichten). Darüber hinaus kann die vorliegende Ausführung den Schichtkörper 4 mit einer guten Ebenheit erhalten, selbst wenn die piezoelektrischen Schichten 10 eine große Fläche von 100 (Wx) mm × 100 (Wy) mm oder mehr haben.
In der vorliegenden Ausführung sind die Blindelektrodenschichten 18 vorzugsweise aus einem Material hergestellt, dessen Starttemperatur bei der thermischen Schrumpfung höher ist als die des leitenden Metalls, aus dem die inneren Elektrodenschichten 16 bestehen, und zwar um 50°C oder höher und 280°C oder niedriger (bevorzugter 70°C oder höher und 210°C oder niedriger). Wenn der Unterschied in der Starttemperatur bei der thermischen Schrumpfung im oben genannten Bereich liegt, ist es möglich, Risse im Inneren des Schichtkörpers zu verhindern und eine gute Ebenheit des Schichtkörpers 4 zu erhalten.
Übrigens hängt die Starttemperatur der thermischen Schrumpfung des Materials, aus dem jede der Elektrodenschichten 16 und 18 besteht, von der Zusammensetzung jeder der Elektrodenschichten 16 und 18 ab. Daher wird die Starttemperatur bei der thermischen Schrumpfung durch Beobachtung eines Querschnitts des piezoelektrischen Mehrschichtelements mit FE-SEM oder ähnlich bestimmt und die Zusammensetzung jeder der Elektrodenschichten 16 und 18 gemessen.
Dann wird ein spezifischer Wert der Starttemperatur bei der thermischen Schrumpfung gemessen, indem eine Pastenprobe auf der Grundlage der Zusammensetzung jeder der Elektrodenschichten 16 und 18 hergestellt wird, die durch die Beobachtung des Querschnitts bestätigt wird, und die Pastenprobe einer thermomechanischen Analyse (TMA) unterzogen wird. Genauer gesagt werden Proben für die TMA hergestellt und der Schrumpfungsfaktor durch die TMA auf folgende Weise gemessen.
Zunächst wird eine pastöse Probe, die auf der Zusammensetzung jeder der Elektrodenschichten 16 und 18 basiert, 24 Stunden lang bei 100°C getrocknet, und die getrocknete Probe wird in einem Achatmörser pulverisiert. Danach wird die pulverisierte Pulverprobe durch eine Pressmaschine gepresst und zu einem zylindrischen Grünling (3 mm Durchmesser, 5 mm Höhe) geformt. Dieser Grünling wird durch Erhitzen bei 350°C für 5 Stunden entbindert und in eine feste Probe für TMA umgewandelt. Die so hergestellte Probe wird bei 300°C/h (Heizrate) auf 1000°C erhitzt, und der Schrumpfungsfaktor dieser Probe wird zu diesem Zeitpunkt mittels TMA gemessen.
In der vorliegenden Erfindung ist der spezifische Wert der Starttemperatur bei der thermischen Schrumpfung eine Temperatur, bei der die Höhe der Probe bei der oben erwähnten TMA-Messung gegenüber dem Ausgangszustand um 2% oder mehr geschrumpft ist. Übrigens, wenn die inneren Elektrodenschichten 16 oder die Blindelektrodenschichten 18 aus einem Edelmetall der Legierung Ag, Ag-Pd usw. bestehen, wird die TMA-Messung in Luftatmosphäre durchgeführt. Wenn die inneren Elektrodenschichten 16 oder die Blindelektrodenschichten 18 aus einem nichtedlem Metall wie Cu, Ni usw. bestehen, wird die TMA-Messung in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt.
Zweite Ausführungsform
Im Folgenden wird die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von 6A und 6B erläutert. Übrigens werden die Gemeinsamkeiten zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform nicht erläutert und mit den gleichen Referenzen versehen.
6A ist eine schematische Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Mehrschichtelements 3 gemäß der Zweiten Ausführungsform senkrecht zur X-Achsenrichtung. Wie in 6A dargestellt, wird der Schichtkörper 4 des piezoelektrischen Mehrschichtelements 3 aus den piezoelektrischen Schichten 10, den inneren Elektrodenschichten 16 und den Blindelektrodenschichten 18 gebildet. Die Zusammensetzung und der Multilayer-Aufbau der piezoelektrischen Schichten 10, der inneren Elektrodenschichten 16 und der Blindelektrodenschichten 18 gemäß der zweiten Ausführung sind mit denen der ersten Ausführung gemäß 4A bis 5 identisch.
6B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Hauptabschnitts der Region VIB, die in 6A dargestellt ist. In dem Schichtkörper 4 gemäß der zweiten Ausführung in 6B sind in den piezoelektrischen Schichten 10, die sich in dem Spalt 20 zwischen den inneren Elektrodenschichten 16 und den Blindelektrodenschichten 18 befinden, mehrere Poren 22 gebildet. Die Poren 22 liegen so, dass sie sich auf einen zentralen Abschnitt der Breite (W3) des Spalts 20 konzentrieren und in einem inneren zentralen Abschnitt des Schichtkörpers 4 mehr als in der Nähe der Vorderfläche 4a und der Rückfläche 4b des Schichtkörpers 4 vorhanden sind.
Obwohl der durch die Poren 22 demonstrierte Effekt im Folgenden ausführlich erläutert wird, reduziert die Anwesenheit der Poren 22 die innere Spannung des Schichtkörpers 4 und ermöglicht es, die Veränderung der Zusammensetzung der piezoelektrischen Schichten 10 zu verhindern.
Übrigens können die Poren 22 tatsächlich gemessen werden, indem man einen Querschnitt des Schichtkörpers 4 mit FE-SEM oder so betrachtet. In der vorliegenden Darstellung werden eine Porenrate und eine Porengröße der Pore 22 wie folgt definiert.
Bevor die Poren 22 analysiert werden, wird ein Querschnitt des in 6A gezeigten piezoelektrischen Mehrschichtelements 3 mit dem FE-SEM beobachtet, und es werden mindestens 10 Analysebereiche A in einem annähernd zentralen Abschnitt in dem Spalt 20 ausgewählt. Dabei bedeutet „ein annähernd zentraler Abschnitt in dem Spalt 20“ eine annähernd zentrale Position in dem Spalt sowohl in Richtung der Y-Achse als auch in Richtung der Z-Achse. Übrigens ist der Querschnitt für die Analyse ein Querschnitt, der ungefähr parallel zur kurzen Richtung des Spalts 20 (d.h. der Richtung der Spaltbreite W3) verläuft. Zum Beispiel hat jede der Analyseregionen A eine Breite Za von etwa 0,05 mm und eine Breite Ya von etwa 0,02 mm, wie in 6B gezeigt. In einer solchen Region wird ein Foto des Querschnitts aufgenommen.
Die Porenrate und die Porengröße werden berechnet, indem die oben aufgenommenen Querschnittsbilder der Analysebereiche A in eine Software zur Bildanalyse eingearbeitet werden und die Poren 22 mit Hilfe der Software unter vorgegebenen Bedingungen bestimmt werden. Zu diesem Zeitpunkt wird die Porenrate als eine Rate (Sh / Sa) einer Gesamtporenfläche Sh zu einer Fläche Sa der Analyseregion A berechnet. Die Porengröße wird durch die Umrechnung einer Fläche jeder der Poren 22 in einen kreisäquivalenten Durchmesser erhalten. In der vorliegenden Darstellung wird die Porenrate und die Porengröße der Poren 22 jeweils als Durchschnitt der 10 Analysebereiche A dargestellt.
In der zweiten Ausführungsform haben die Poren 22 vorzugsweise eine Porengröße von 0,05 µm oder mehr und 0,2 µm oder weniger, und die Poren 22 weisen vorzugsweise eine Porenrate von 3 % oder mehr und 20 % oder weniger im Bezug zur Querschnittsfläche des Spalts 20 auf. Wenn die Poren 22 eine Porengröße oder eine Porenrate im oben genannten Bereich haben, kann die Verformung des Schichtkörpers 4 und die Erzeugung von Rissen weiter angemessen verhindert werden.
Die Poren 22 sind möglicherweise so ausgebildet, dass die inneren Elektrodenschichten 16 und die Blindelektrodenschichten 18 im Zuge der Volumenschrumpfung der Elektrodenschichten 16 und 18 gegenseitig im Brennschritt an den piezoelektrischen Schichten 10 zerren. Übrigens werden z.B. die Porenrate und die Porengröße durch die folgende Methode kontrolliert.
Die Porenrate kann durch die Heizrate im Brennschritt oder die Differenz der thermischen Schrumpfungsstarttemperatur der Materialien, aus denen die Elektrodenschichten 16 und 18 bestehen, gesteuert werden. Im Brennschritt, wenn die Erwärmungsrate niedrig ist, werden die Poren 22 einfach erzeugt, und die Porenrate ist tendenziell hoch. Bei hoher Heizrate ist die Porenrate dagegen eher gering. Übrigens beträgt die Heizrate während des Brennens vorzugsweise 200°C/h oder mehr und 1500°C/h oder weniger.
Wenn es einen großen Unterschied in der Starttemperatur der thermischen Schrumpfung der Materialien gibt, aus denen die Elektrodenschichten 16 und 18 bestehen, werden die Poren 22 leicht erzeugt, und die Porenrate ist hoch. Andererseits ist die Porenrate bei einem kleinen Unterschied in der Starttemperatur der thermischen Schrumpfung der Materialien, aus denen die Elektrodenschichten 16 und 18 bestehen, tendenziell gering. Wie bei der ersten Ausführungsform ist der Unterschied in der Starttemperatur der thermischen Schrumpfung vorzugsweise 50°C oder höher und 280°C oder niedriger (bevorzugter 70°C oder höher und 210°C oder niedriger).
Die Porengröße kann durch die Haltezeit im Brennschritt oder die Differenz der Starttemperatur der thermischen Schrumpfung zwischen den inneren Elektrodenschichten 16 und den Blindelektrodenschichten 18 kontrolliert werden. Wenn die Haltezeit im Brennschritt lang ist, vereinigen sich die Poren 22 und wachsen und neigen dazu, eine große Porengröße zu haben. Wenn die Haltezeit hingegen kurz ist, neigen die Poren zu einer kleinen Porengröße. Übrigens ist die Haltezeit während des Brennvorgangs vorzugsweise 1 Minute oder länger und 240 Minuten oder kürzer (vorzugsweise 15 Minuten oder länger und 120 Minuten oder kürzer).
Wie bei der Porenrate ist die Porengröße groß, wenn es einen großen Unterschied in der Starttemperatur der thermischen Schrumpfung der Materialien gibt, aus denen die Elektrodenschichten 16 und 18 bestehen. Andererseits ist die Porengröße eher klein, wenn es einen kleinen Unterschied in der Starttemperatur der thermischen Schrumpfung der Materialien gibt, die die Elektrodenschichten 16 und 18 bilden.
Wie oben erwähnt, hat das piezoelektrische Mehrschichtelement 3 gemäß der zweiten Ausführungsform mehrere Poren 22, die in der piezoelektrischen Schicht 10, die sich im Spalt 20 befindet, während des Heizvorgangs des Brennschritts erzeugt werden. Da die Elektrodenschichten (die inneren Elektrodenschichten 16 und die Blindelektrodenschichten 18) nicht auf die in dem Spalt 20 befindlichen piezoelektrischen Schichten 10 laminiert sind, wird die in dem Spalt 20 befindliche piezoelektrische Schicht 10 im Vergleich zu den piezoelektrisch aktiven Abschnitten 12, auf die die Elektrodenschichten auflaminiert sind, leicht schwach und von inneren Spannungen beeinflusst.
In der zweiten Ausführungsform werden beim Heizvorgang mehrere Poren 22 gebildet, und die piezoelektrische Schicht 10, die sich in dem Spalt 20 befindet, weist dadurch Elastizität und Flexibilität auf. Das heißt, die Poren 22 reduzieren denkbarerweise die innere Spannung und den Flexibilitätsunterschied zwischen den piezoelektrisch aktiven Abschnitten 12 und den inaktiven Abschnitten bei der Herstellung oder Verwendung des piezoelektrischen Mehrschichtelements 3. In der zweiten Ausführungsform ist es dadurch möglich, die Verformung des Schichtkörpers 4 und die Erzeugung von Rissen bemerkenswert zu verhindern, selbst wenn die piezoelektrischen Schichten 10 dünn sind, die Schichtzahl der piezoelektrischen Schichten 10 groß ist, die Laminierungsfläche des Schichtkörpers 4 breit und groß ist, oder ähnliches.
Im piezoelektrischen Mehrschichtelement 3 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann das Vorhandensein von mehreren Poren 22 verhindern, dass sich die Zusammensetzung der piezoelektrischen Schichten 10 ändert. Die piezoelektrischen Keramiken, aus denen die piezoelektrischen Schichten 10 bestehen, enthalten oft Elemente von Pb, Bi, K, Na usw. Diese Elemente verflüchtigen sich leicht im Brennschritt und werden an die Außenseite des Schichtkörpers 4 abgesondert. Daher ändert sich die Zusammensetzung der piezoelektrischen Schichten 10 gegenüber der beabsichtigten Zusammensetzung. In der zweiten Ausführungsform halten die Poren 22 möglicherweise die verflüchtigten Elemente innerhalb des Schichtkörpers 4. Somit ist die Zusammensetzung der piezoelektrischen Schichten 10 nur schwer zu ändern, und es entsteht das piezoelektrische Mehrschichtelement 3 mit einer hohen piezoelektrischen Konstante.
In der zweiten Ausführungsform hat der Spalt 20 vorzugsweise eine Breite W3 von 0,05 mm oder größer und 0,3 mm oder kleiner (besser: 0,1 mm oder größer und 0,3 mm oder kleiner). Wenn der Spalt 20 eine solche Breite hat, hat der Bereich, in dem die Poren 22 vorhanden sind, einen angemessenen Umfang, um die oben erwähnte Funktion der Poren 22 sicherzustellen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannten Ausführungsformen beschränkt und kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Weise verändert werden. Zum Beispiel hat das piezoelektrische Mehrschichtelement 2 (3) in den oben genannten Ausführungsformen eine im wesentlichen rechteckige Grundrissform, kann aber jede andere Grundrissform von Kreis, Ellipse, Polygon usw. annehmen. Das in 4A gezeigte Elektrodenmuster 24a und ein Elektrodenmuster (nicht dargestellt), das nicht die Blindelektrodenschicht 18 aufweist, können abwechselnd laminiert werden.
Das piezoelektrische Mehrschichtelement nach der vorliegenden Erfindung kann als Umwandlungselement von elektrischer Energie in mechanische Energie verwendet werden. So ist das erfindungsgemäße piezoelektrische Mehrschichtelement z.B. für piezoelektrische Aktoren, piezoelektrische Summer, piezoelektrische Schallgeber, Ultraschallmotoren, Lautsprecher usw. anwendbar und wird besonders vorteilhaft als piezoelektrischer Aktor eingesetzt. Insbesondere werden die piezoelektrischen Aktoren für haptische Vorrichtungen, Linsenansteuerung, Ansteuerung von HDD-Köpfen, Ansteuerung von Tintenstrahldruckerköpfen, Ansteuerung von Kraftstoffeinspritzventilen usw. verwendet.
Beispiele
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand weiterer detaillierter Beispiele erläutert, ist aber nicht darauf beschränkt.
(Versuch 1)
Zunächst wurden vorgegebene Mengen chemisch reiner Haupt- und Unterkomponenten-Rohstoffe 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 erneut pulverisiert. Das so erhaltene kalzinierte Pulver wurde mit einem Bindemittel versetzt und zu einer Aufschlämmung verarbeitet. Der Schlicker wurde im Siebdruckverfahren zu einer Folie verarbeitet und anschließend getrocknet, um keramische Grünfolien zu erhalten.
Als nächstes wurde im Druckverfahren eine leitfähige Paste für innere Elektroden und weiterhin eine leitfähige Paste für Blindelektroden auf die keramischen Grünfolien aufgetragen. Zu diesem Zeitpunkt wurde ein Elektrodenmuster gedruckt, so dass die Spaltbreite (W3) zwischen der inneren Elektrodenschicht und der Blindelektrodenschicht durch Anpassung der Auftragspositionen der leitfähigen Pasten im Durchschnitt 0,3 mm betragen würde.
Nachdem die so erhaltenen Grünfolien in einer vorgegebenen Reihenfolge mit neun oder mehr Schichten laminiert wurden, wurden die laminierten Grünfolien zum Verkleben gepresst, getrocknet und entbindert. In Experiment 1 wurden Proben von Schichtkörpern erhalten, indem eine Brennbehandlung bei 1500°C/h (Heizrate), 15 Minuten (Haltezeit) und 1000°C (Haltetemperatur) durchgeführt wurde.
Bei der Vorbereitung der Proben von Schichtkörpern wurden die leitfähigen Pasten in jedem Beispiel verändert. Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzungen der inneren Elektrodenschichten und der in jedem Beispiel gebildeten Blindelektrodenschichten. Die Werte der Zusammensetzungszellen in Tabelle 1 bedeuten die Menge jedes Elements in der Legierung. So bedeutet z.B. „Ag90-Pd10“ eine Ag-Pd-Legierung, die 90 Gew.-% Ag und 10 Gew.-% Pd enthält.
In Experiment 1 wurde ein Experiment durchgeführt, bei dem der Standard der Differenz der Starttemperatur der thermischen Schrumpfung der Materialien, die die jeweiligen Elektrodenschichten bilden, geändert wurde, und es wurden die Proben der Schichtkörper der Beispiele 1-10 erhalten.
Übrigens hatten die gebrannten Schichtkörper von Experiment 1 eine im Wesentlichen rechteckige Parallelepipedform mit einer Breite (Wx) von 30 mm × Länge (Wy) von 30 mm x Dicke von 0,1 mm. Die Dicke der piezoelektrischen Schichten betrug im Durchschnitt 10 µm. Die Dicke der inneren Elektrodenschichten betrug im Durchschnitt 1 µm. Die so hergestellten Schichtkörper wurden mit einem Paar von Außenelektroden versehen und polarisiert, und somit Proben von piezoelektrischen Mehrschichtelementen hergestellt. Für jedes Beispiel wurden 1000 Proben hergestellt und der folgenden Auswertung unterzogen.
(Vergleichsbeispiel 1)
Abgesehen davon, dass keine Blindelektrodenschichten gebildet wurden, entsprach die Struktur des Vergleichsbeispiels 1 der der Beispiele 1-10.
(Vergleichsbeispiel 2)
Im Vergleichsbeispiel 2 wurden die Blindelektrodenschichten aus dem gleichen Material wie das leitende Metall, aus dem die inneren Elektrodenschichten bestehen gebildet. Das heißt, im Vergleichsbeispiel 2 betrug die Differenz der Starttemperaturen der thermischen Schrumpfung 0°C. Abgesehen von dieser Struktur wurden Proben von piezoelektrischen Mehrschichtelementen gemäß Vergleichsbeispiel 2 ähnlich wie in den Beispielen 1-10 hergestellt.
(Vergleichsbeispiel 3)
Vergleichsbeispiel 3 waren Proben von piezoelektrischen Mehrschichtelementen, die dem Patentdokument 1 ( JP2014072357 (A )) entsprechen. Das heißt, im Vergleichsbeispiel 3 wurden keine Blindelektrodenschichten gebildet, und der Palladiumgehalt der Ag-Pd-Legierung wurde so konfiguriert, dass er allmählich von der inneren Mitte zur Außenseite der inneren Elektrodenschichten zunimmt. Die spezifische Zusammensetzung der inneren Elektrodenschichten war Ag90Gew.-%-Pd10Gew.-% in der inneren Mitte und Ag70Gew.-%-Pd30Gew.-% an der Außenseite. Andere Konfigurationen waren ähnlich wie die der Beispiele 1-10, und es wurden Proben von piezoelektrischen Mehrschichtelementen gemäß Vergleichsbeispiel 3 hergestellt.
(Auswertung)
Messung der Ebenheit
Die Ebenheit jedes Vergleichsbeispiels und jedes Beispiels wurde mit einer CNC-Bildmessmaschine (NEXIV VMZ-R6555, hergestellt von NIKON INSTECH CO., LTD.) gemessen. Die Ebenheit wurde gemessen, indem eine kleinste-Quadrate-Fläche auf der Grundlage von Höhendaten, die durch Bestrahlung der Schichtkörper mit Laserlicht erhalten wurden, erstellt und eine maximale Höhe und eine minimale Höhe mit der kleinste-Quadrate-Ebene als Bezugsebene berechnet wurde. Die Ebenheit wird durch die maximale Höhe - die minimale Höhe dargestellt. Je kleiner die Ebenheit ist, desto weniger werden die Schichtkörper verformt. Übrigens wurde die Messung in jedem Beispiel 900 Mal durchgeführt, und der Mittelwert wurde als Messergebnis erhalten und ist in Tabelle 1 dargestellt. Der Zielwert der Ebenheit betrug 200 µm oder weniger.
Messung der piezoelektrischen Konstante d₃₃
Von jedem Vergleichsbeispiel und jedem Beispiel wurde eine piezoelektrische Konstante d₃₃ (piezoelektrische Ausgangskonstante) nach der Berlincourt-Methode mit einem d₃₃-Meter gemessen. Die piezoelektrische Konstante d₃₃ wird durch die Messung einer elektrischen Ladung berechnet, die im Elementkörper bei der Anwendung von Schwingungen auf das piezoelektrische Element erzeugt wird. Wenn die Hauptkomponente der piezoelektrischen Schichten PZT ist, wird eine piezoelektrische Konstante d₃₃ von 400 × 10^-12 C/N oder mehr als günstig angesehen. Wenn die Hauptkomponente der piezoelektrischen Schichten BFO-BT ist, wird eine piezoelektrische Konstante d₃₃ von 200 × 10^-12 C/N oder mehr als günstig angesehen. Wenn die Hauptkomponente der piezoelektrischen Schichten KNN ist, wird eine piezoelektrische Konstante d₃₃ von 250 × 10^-12 C/N oder mehr als günstig angesehen. Das Messergebnis der einzelnen Beispiele ist in Tabelle 1 dargestellt.
Auswertung der Risse
Die Risse wurden durch die Beobachtung von Querschnitten der hergestellten Proben von Schichtkörpern mittels FE-SEM bewertet. Im Einzelnen wurde das Rissvorkommen wie folgt berechnet. Zuerst wurden 100 Proben nach dem Zufallsprinzip aus 1000 Proben von Schichtkörpern ausgewählt und auf einem Harz fixiert, und ein Querschnitt der 100 Proben wurde einer Spiegelpolitur unterzogen. Dann wurde ein Rissvorkommen berechnet, indem Proben gezählt wurden, die einen Riss in den piezoelektrischen Schichten, eine Ablösung zwischen den piezoelektrischen Schichten und den Elektrodenschichten oder ähnliches bei der Beobachtung des Querschnitts jeder Probe aufwiesen. Hinsichtlich des Rissvorkommens wurden 18% oder weniger als bestanden/nicht bestanden-Kriterium betrachtet, 15% oder weniger als günstiger und 10% oder weniger als noch günstiger bewertet. Die Messergebnisse der einzelnen Beispiele sind in Tabelle 1 dargestellt.
Auswertung 1
Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, hatten die Beispiele 1-10 im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 1 und 2 eine geringe Ebenheit und außerdem ein geringes Rissvorkommen. Wenn also die Starttemperatur bei der thermischen Schrumpfung des Materials, aus dem die Blindelektrodenschichten bestehen, höher war als die der inneren Elektrodenschichten, wurde die Verformung des Schichtkörpers und die Erzeugung von Rissen verhindert.
Insbesondere die Beispiele 2-9 hatten ein Rissvorkommen von 15% oder weniger und eine Ebenheit von 200 µm oder weniger, und erfüllten einen optimalen Standardwert. Weiterhin wiesen Beispiel 1 und Beispiel 10 eine Ebenheit auf, die besser war als die der Vergleichsbeispiele, aber größer als die der anderen Beispiele. Ausgehend von Beispiel 1 wird festgestellt, dass, wenn der Unterschied in der Starttemperatur der thermischen Schrumpfung zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Blindelektrodenschichten 50°C oder höher war, die Sinterflecken ausreichend und effektiver reduziert wurden.
Als Ergebnis von Beispiel 10 ist es denkbar, dass bei zu unterschiedlichem thermischen Schrumpfungsverhalten zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Blindelektrodenschichten die Ebenheit aufgrund von Spannungen, die im Inneren des Schichtkörpers erzeugt wurden, eher schlecht war. Auf der Grundlage der oben genannten Ergebnisse wurde bestätigt, dass es einen angemessenen Bereich für die Differenz der Starttemperatur bei der thermischen Schrumpfung zwischen den inneren Elektrodenschichten und den Blindelektrodenschichten gab und dass besonders günstige Eigenschaften erzielt wurden, wenn die Differenz 50°C-280°C betrug. Es wurde auch bestätigt, dass die Beispiele 3-8 (der Unterschied in der Starttemperatur bei der thermischen Schrumpfung betrug 70°C-210°C) ein Rissvorkommen von 10% oder weniger aufwiesen und besonders günstig für die Verhinderung von Rissen des Schichtkörpers waren.
Übrigens war das Rissvorkommen des Vergleichsbeispiels 3 höher als die jedes der Beispiele. Es ist denkbar, dass, wie im Vergleichsbeispiel 3, bei der Änderung des Pd-Gehalts der inneren Elektrodenschichten aufgrund der schlechten Haftfestigkeit zwischen den inneren Elektrodenschichten und den piezoelektrischen Schichten Risse erzeugt wurden. Entsprechend wurde die Überlegenheit der vorliegenden Erfindung nachgewiesen.
(Versuch 2)
Nachdem die inneren Elektrodenschichten und die Blindelektrodenschichten aus Ag-Pd-Legierungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen zusammengesetzt wurden, wurde Experiment 2 mit unterschiedlichen Bedingungen des Sinterschritts durchgeführt und mehrere Proben von piezoelektrischen Mehrschichtelementen mit Poren im Spalt hergestellt. Tabelle 2 zeigt die Struktur und die Ergebnisse der Porengröße und Porenrate jedes Beispiels. Übrigens wurden die Porengröße und die Porenrate mit einer bildanalytischen Software zur Messung der Partikelgrößenverteilung (Mac-View) gemessen. Die Merkmale, die nicht in Tabelle 2 aufgeführt sind, waren mit denen der einzelnen Beispiele von Experiment 1 identisch.
Übrigens waren die Materialien, aus denen die piezoelektrischen Schichten bestehen, in den Beispielen 23 und 24 von Experiment 2 unterschiedlich. In Beispiel 23 wurde Bismut-Ferrat-Barium-Titanat (BFO-BT) und in Beispiel 24 Kalium-Natrium-Niobit (KNN) verwendet. Wenn die Hauptkomponente BFO-BT war, wurde eine piezoelektrische Konstante d₃₃ von 200 × 10^-12 C/N oder mehr als günstig angesehen. Wenn die Hauptkomponente KNN war, wurde eine piezoelektrische Konstante d₃₃ von 250 × 10^-12 C/N oder mehr als günstig angesehen.
In den Beispielen 25-36 von Experiment 2 wurde ein Experiment durchgeführt, bei dem auch der Spaltbreitenstandard geändert wurde, und es wurden Proben der piezoelektrischen Mehrschichtelemente hergestellt. Die detaillierten Merkmale sind in Tabelle 2 dargestellt.
(Vergleichsbeispiele 4 und 5)
Abgesehen von der Änderung des Materials, aus dem die piezoelektrischen Schichten bestehen, wurden Proben von piezoelektrischen Mehrschichtelementen gemäß Vergleichsbeispiel 4 und 5 ähnlich wie im Vergleichsbeispiel 1 hergestellt.
(Vergleichsbeispiel 6)
Im Vergleichsbeispiel 6 wurden keine Blindelektrodenschichten und keine Poren im Inneren des Schichtkörpers gebildet. Stattdessen waren im Vergleichsbeispiel 6 bei der Bildung der Außenelektroden gebrannte Partikel im Rohmaterial der Außenelektroden enthalten, und es bildeten sich Poren in den Außenelektroden. Die detaillierten Merkmale des Vergleichsbeispiels 6 sind in Tabelle 2 dargestellt.
Auswertung 2-1
Auf der Grundlage der Daten der in Tabelle 2 dargestellten Beispiele 12-22 wurde bestätigt, dass bei niedriger Heizrate im Brennschritt einfach Poren im Spalt entstehen und die Porenrate tendenziell hoch ist. Es wurde auch bestätigt, dass bei einer langen Haltezeit im Brennschritt die Poren vereinigt wurden und wuchsen, und die Porengröße groß wurde.
Übrigens wurden auch die Porenrate und die Porengröße in Abhängigkeit von der Haltetemperatur verändert. In Beispiel 23 war die Porengröße groß (200 nm oder mehr), weil die Haltetemperatur 1050°C betrug, was höher als bei den anderen Beispielen war, und die Brennzeit lang war. In Beispiel 24 war die Porenrate hoch (20 % oder mehr), weil die Haltetemperatur bei der langsamen Heizrate (200°C/h) 1050°C betrug.

Wie bei Experiment 1 wurde für jedes Vergleichsbeispiel und jedes Beispiel nach Experiment 2 anschließend die Ebenheit und die Piezokonstante d₃₃ gemessen und das Rissvorkommen ausgewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3

Beispiel Nr.	Spaltbreite (mm)	Poren im Spalt		Rissvorkommen (%)	Ebenheit (µm)	Piezoelektrische Konstante d₃₃ (× 10^-12 C/N)
Beispiel Nr.	Spaltbreite (mm)	Poren rate (%)	Poren größe (nm)	Rissvorkommen (%)	Ebenheit (µm)	Piezoelektrische Konstante d₃₃ (× 10^-12 C/N)
Vgl.-bsp. 1	-	-	-	37	533	387
Vgl.-bsp. 2	0,3	0	0	22	245	395
Bsp. 12	0,3	5	52	7	158	480
Bsp. 13	0,3	7	119	2	132	471
Bsp. 14	0,3	8	180	2	115	457
Bsp. 15	0,3	14	79	2	155	481
Bsp. 16	0,3	15	120	8	144	475
Bsp. 17	0,3	15	198	7	130	462
Bsp. 18	0,3	18	95	8	169	470
Bsp. 19	0,3	20	132	7	143	462
Bsp. 20	0,3	20	165	7	129	453
Bsp. 21	0,1	12	224	17	112	439
Bsp. 22	0,1	24	145	18	102	452
Vgl.-bsp. 4	-	-	-	31	486	181
Vgl.-bsp. 5	-	-	-	38	561	244
Bsp. 23	0,3	7	64	2	94	230
Bsp. 24	0,3	10	139	8	148	295
Bsp. 25	0,4	3	50	6	209	443
Bsp. 26	0,4	13	123	8	203	433
Bsp. 27	0,3	5	52	7	158	480
Bsp. 28	0,3	20	165	7	129	453
Bsp. 29	0,2	7	71	4	167	485
Bsp. 30	0,2	20	188	7	111	464
Bsp. 31	0,1	8	67	6	153	489
Bsp. 32	0,1	19	197	7	88	442
Bsp. 33	0,05	10	74	12	139	430
Bsp. 34	0,05	15	165	14	80	434
Bsp. 35	0,03	4	55	18	101	419
Bsp. 36	0,03	6	142	17	70	412
Vgl.-bsp. 6	0,3	-	-	5	489	380

Auswertung 2-2
Nach Tabelle 3 hatten die Beispiele 12-22 (es bildeten sich Poren) im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 1 und 2 eine geringe Ebenheit und auch ein geringes Rissvorkommen. Wenn sich also Poren im Spalt bildeten, wurden die Verformung des Schichtkörpers und die Risse im Inneren des Schichtkörpers verhindert.
Im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 1 und 2 hatten die Beispiele 12-22 eine hohe piezoelektrische Konstante d₃₃, die dem Standardwert entsprach. In den Vergleichsbeispielen 1 und 2 hat sich das Pb-Element während des Brennvorgangs zur Außenseite des Schichtkörpers verflüchtigt. In den Beispielen 12-22 verhindert das Vorhandensein der Poren möglicherweise, dass das verflüchtigte Element nach außen fließt, und es werden hohe piezoelektrische Eigenschaften erreicht.
Insbesondere wurde das Rissvorkommen in den Beispielen 12-20 auf 10% oder weniger begrenzt (Porenrate: 3% bis 20%, Porengröße: 50 nm bis 200 nm). Andererseits hatten Beispiel 21 (Porengröße: 200 nm oder mehr) und Beispiel 22 (Porenrate: 20% oder mehr) ein Rissvorkommen von 15%-18%, was höher als in den Beispielen 12-20 war. Um die Verformung des Schichtkörpers und die Erzeugung von Rissen zu verhindern, war es besonders effektiv, eine Porenrate oder eine Porengröße im oben genannten Bereich zu erzielen. Übrigens waren auch die Ebenheit und die Piezokonstante d₃₃ in den Beispielen 21 und 22 im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 1 und 2 günstig, und die Beispiele 21 und 22 waren den Vergleichsbeispielen überlegen.
Im Vergleich zwischen den Beispielen 23 und 24 und den Vergleichsbeispielen 4 und 5 kann die Struktur der vorliegenden Erfindung, selbst wenn die Zusammensetzung der piezoelektrischen Schichten verändert wird, Risse des Schichtkörpers verhindern und ein piezoelektrisches Mehrschichtelement mit günstiger Ebenheit und piezoelektrischen Eigenschaften erreichen.
Als nächstes wurden die Beispiele 25-36 (der Standard der Spaltbreite W3 wurde geändert) untersucht. In den Beispielen 27-34 (Spaltbreite W3: 0,05 mm bis 0,3 mm) wurde das Rissvorkommen auf 15% oder weniger begrenzt, und die Ebenheit betrug 200 µm oder weniger. Insbesondere die Beispiele 27-32 (Spaltbreite W3: 0,1 mm bis 0,3 mm) hatten ein Rissvorkommen von 10% oder weniger, und es wurde bestätigt, dass dieser Bereich der Spaltbreite W3 besonders günstig für die Vermeidung von Rissen des Schichtkörpers war.
Andererseits hatten die Beispiele 25 und 26 (große Spaltbreite W3) eine hohe Ebenheit im Vergleich zu den Beispielen 27-36 und zeigten eine Tendenz, dass die Ebenheit schlechter wurde, wenn die Spaltbreite W3 zu groß wurde. Die Beispiele 35 und 36 (kleine Spaltbreite W3) hatten eine gute Ebenheit, wiesen aber im Vergleich zu den Beispielen 25-34 ein hohes Rissvorkommen auf. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass bei einer zu kleinen Spaltbreite W3 die Sinterflecken zwar reduziert werden können, der Bereich, in dem Poren vorhanden sind, jedoch klein wird und die Verhinderung von Rissen durch die Poren abnimmt.
Übrigens kann das Vergleichsbeispiel 6 die Erzeugung von Rissen bis zu einem gewissen Grad verhindern, indem es auch Poren in den Außenelektroden bildet. Im Vergleichsbeispiel 6 war die Ebenheit jedoch schlechter als bei den Beispielen der vorliegenden Erfindung, und der Schichtkörper wurde bei der Herstellung verformt. Außerdem hatte das Vergleichsbeispiel 6 im Vergleich zu den Beispielen eine niedrige piezoelektrische Konstante d₃₃. Daher kann die Struktur der vorliegenden Erfindung mit Poren im Spalt sowohl die Verformung des Schichtkörpers als auch die Verhinderung von Rissen erreichen und ist damit im Vergleich zur Bildung von Poren in Außenelektroden überlegen.
Bezugszeichenliste

2, 3: piezoelektrisches Mehrschichtelement
4: Schichtkörper
4a: Vorderfläche des Schichtkörpers
4b: Rückfläche des Schichtkörpers
4c-4f: Seitenfläche des Schichtkörpers
6: erste Außenelektrode
6a: erster seitlicher Abschnitt
6b: erster Oberflächenabschnitt
8: zweite Außenelektrode
8a: zweiter seitlicher Abschnitt
8b: zweiter hinterer Abschnitt
10: piezoelektrische Schicht
12: piezoelektrischer aktiver Abschnitt
16: innere Elektrodenschicht
16a: vorderer Abschnitt
18: Blindelektrodenschicht
18a, 18b: seitliches Muster
18c: Verbindungsmuster
20: Spalt
22: Pore
24a, 24b: 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 2014072357 A [0005, 0084]

Claims

Ein piezoelektrisches Mehrschichtelement, bestehend aus: einem Schichtkörper einschließlich: eine piezoelektrische Schicht, die entlang einer Ebene gebildet ist, die eine erste und eine zweite, senkrecht zueinander stehende Achse enthält; und eine innere Elektrodenschicht, die auf die piezoelektrische Schicht laminiert ist; 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 zur seitlichen Oberfläche des Schichtkörpers hin freiliegt und über den vorderen Abschnitt elektrisch mit der seitlichen Elektrode verbunden ist, wobei eine Blindelektrodenschicht mit einem Spalt ausgebildet ist, um die innere Elektrodenschicht mit Ausnahme des vorderen Abschnitts auf der Ebene der piezoelektrischen Schicht zu umgeben, und wobei die Blindelektrodenschicht aus einem Material besteht, dessen Starttemperatur bei der thermischen Schrumpfung höher ist als die eines leitenden Metalls, das die innere Elektrodenschicht bildet.
Piezoelektrisches Mehrschichtelement nach Anspruch 1, bei dem die Blindelektrodenschicht aus einem leitenden Metall besteht, dessen Zusammensetzung sich von der des leitenden Metalls, das die innere Elektrodenschicht bildet, unterscheidet.
Piezoelektrisches Mehrschichtelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Blindelektrodenschicht aus einem Material besteht, dessen Starttemperatur bei der thermischen Schrumpfung um 50°C oder mehr und 280°C oder weniger höher ist als die des leitenden Metalls, das die innere Elektrodenschicht bildet.
Piezoelektrisches Mehrschichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in der piezoelektrischen Schicht, die sich in dem Spalt zwischen der inneren Elektrodenschicht und der Blindelektrodenschicht befindet, mehrere Poren ausgebildet sind.
Das piezoelektrische Mehrschichtelement nach Anspruch 4, wobei die Poren eine durchschnittliche Größe von 0,05 µm oder mehr und 0,2 µm oder weniger haben.
Piezoelektrisches Mehrschichtelement nach Anspruch 4 oder 5, wobei die im Spalt befindliche piezoelektrische Schicht eine Porenrate von 3 % oder mehr und 20 % oder weniger aufweist.
Das piezoelektrische Mehrschichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Spalt eine Breite von 0,05 mm oder mehr und 0,3 mm oder weniger aufweist.