DE10215992A1

DE10215992A1 - Piezoelektrisches Element

Info

Publication number: DE10215992A1
Application number: DE10215992A
Authority: DE
Inventors: Takashi Yamamoto; Atsuhiro Sumiya; Hitoshi Shindo; Eturo Yasuda; Shigehiko Sugiura
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2002-11-21
Also published as: US20020149297A1; JP2002314156A

Abstract

Es ist ein piezoelektrisches Element mit einem Aufbau offenbart, mit dem sich während seiner Fertigung eines Verformung unterdrücken lässt. Das piezoelektrische Element (1) hat einen Antriebsabschnitt (101), der übereinander gestapelt mehrere Keramikschichten (11) aus einer piezoelektrischen Keramik und mehrere als Hauptbestandteil aus einem unedlen Metall gebildete Innenelektrodenschichten (2) zur Elektrizitätszufuhr zu den Keramikschichten enthält, und einen Blindabschnitt (103), der entlang der Stapelrichtung auf mindestens einer der Endflächen der Keramikschichten (11) des Antriebsabschnitts (101) ausgebildet ist. Der Blindabschnitt (103) besteht aus Keramik und weist mindestens eine Blindelektrodenschicht (3) aus dem gleichen Material wie die Innenelektrodenschichten (2) auf.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Stapelelement mit Innenelektrodenschichten aus einem unedlem Metall.

Ein Piezoelement, das übereinander gestapelt mehrere Schichten aus piezoelektrischer Keramik und mehrere Innenelektrodenschichten enthält, kann als Aktuator, Kondensator usw. verwendet werden. Das piezoelektrische Element enthält gemäß Stand der Technik Innenelektroden schichten, die als Hauptbestandteil ein Edelmetall wie Palladium aufweisen, das eine hohe Korrosionsbeständig keit hat, und wird angefertigt, indem ein Stapel Keramik schichten und Innenelektrodenschichten in einer Luft umgebung gesintert wird.

Daneben gab es auch den Versuch, für die Innenelektroden schichten ein unedles Metall zu verwenden, um die Kosten des piezoelektrischen Elements zu senken.

Falls als Hauptbestandteil für die Innenelektroden schichten ein unedles Metall verwendet wird, muss es in einer reduzierenden Umgebung mit geringer Sauerstoff konzentration gebrannt werden, um ein Oxidieren zu verhindern. Ein solches Verfahren ist z. B. in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 5-82387 offenbart.

Bei dem angesprochenen piezoelektrischen Element kann jeweils an den Enden eines Antriebsabschnitts, in dem abwechselnd Keramikschichten und Innenelektrodenschichten übereinander gestapelt sind, ein nicht angetriebener Blindabschnitt vorgesehen werden, der sich aus einer einzelnen Keramikschicht zusammensetzt. Wenn der Antriebsabschnitt und die Blindabschnitte im Stapel in einer reduzierenden Umgebung gesintert werden, neigt der unedle Metallbestandteil der jeweiligen Innenelektroden schicht dazu, in die angrenzenden Keramikschichten zu diffundieren. Daher kann es dazu kommen, dass die Keramikschichten des Antriebsabschnitts neben dem ihnen eigenen Keramikbestandteil den unedlen Metallbestandteil der Innenelektrodenschichten enthalten.

Die Blindabschnitte enthalten dagegen keine Innen elektrodenschicht und bestehen vollständig aus Keramik. Daher diffundiert auch eine geringe Menge des unedlen Metallbestandteils der Innenelektrodenschichten des Antriebsabschnitts in die Teile der Blindabschnitte, die den Antriebsabschnitt berühren. Da aus den Blind abschnitten selbst kein unedler Metallanteil diffundiert, ist der unedle Metallanteil der Blindabschnitte jedoch verglichen mit dem der Keramikschichten des Antriebs abschnitts insgesamt sehr gering. Während des Sinterns zeigt sich daher zwischen den Keramikschichten des den unedlen Metallbestandteil enthaltenden Antriebsabschnitts und den im Wesentlichen keinen unedlen Metallbestandteil enthaltenden Blindabschnitten ein unterschiedliches Schrumpfverhältnis und Schrumpfverhalten.

Dadurch kann sich die Umgebung des Grenzbereichs zwischen den Blindabschnitten und dem Antriebsabschnitt verformen, oder es kann sich ein Spalt bilden.

Angesichts dieser Probleme beim Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches Element mit einem Aufbau zur Verfügung zu stellen, durch den sich während des Fertigungsvorgangs eine Verformung unterdrücken lässt.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist ein piezoelektrisches Element vorgesehen, mit:
einem Antriebsabschnitt, der abwechselnd über einander gestapelt mehrere aus einer piezoelektrischen Keramik bestehende Keramikschichten und mehrere als Hauptbestandteil aus einem unedlen Metall bestehende Innenelektrodenschichten enthält, um den Keramikschichten Elektrizität zuzuführen; und
einem Blindabschnitt, der entlang der Stapelrichtung auf mindestens einer der Endflächen der Keramikschichten des Antriebsabschnitts angeordnet ist,
wobei der Blindabschnitt aus Keramik konfiguriert ist und mindestens eine Blindelektrodenschicht aus dem gleichen Material wie die Innenelektrodenschichten aufweist.

Bei dem piezoelektrischen Element gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung weist der Blindabschnitt eine Blindelektrodenschicht auf. Daher lässt sich in dem Sinterschritt während des Fertigungsvorgangs des piezo elektrischen Elements die Verformung unterdrücken, die ansonsten durch den Schrumpfungsunterschied zwischen dem Blindabschnitt und dem Antriebsabschnitt entstehen würde.

Der Blindabschnitt weist also mindestens eine wie oben angesprochene Blindelektrodenschicht auf. Die Blind elektrodenschicht setzt sich aus dem gleichen Material wie die Innenelektrodenschichten zusammen und enthält den unedlen Metallbestandteil.

Wenn daher zur Anfertigung des piezoelektrischen Elements der Stapel aus dem Blindabschnitt und dem Antriebs abschnitt, der die abwechselnd übereinander gestapelten Keramikschichten und Innenelektrodenschichten enthält, gesintert wird, diffundiert einerseits der unedle Metall bestandteil der Innenelektrodenschichten in die Keramik schichten des Antriebsabschnitt und diffundiert anderer seits der unedle Metallanteil der Blindelektrodenschicht in die Keramik des Blindabschnitts. Dadurch enthalten schließlich die Keramikschichten des Antriebsabschnitts wie auch die Keramik des Blindabschnitts den gleichen unedlen Metallbestandteil, wodurch sich der Schrumpfungs unterschied zum Zeitpunkt des Sinterns verringert.

Bei dem gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung aufgebauten piezoelektrischen Element lässt sich daher die Verformung in der Umgebung des Grenzbereichs zwischen dem Blindabschnitt und dem Antriebsabschnitt während des Fertigungsvorgangs unterdrücken.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist ein piezoelektrisches Element vorgesehen, mit:
einem Antriebsabschnitt, der abwechselnd über einander gestapelt mehrere aus einer piezoelektrischen Keramik bestehende Keramikschichten und mehrere als Hauptbestandteil aus einem unedlen Metall bestehende Innenelektrodenschichten enthält, um den Keramikschichten Elektrizität zuzuführen; und
einem Blindabschnitt, der entlang der Stapelrichtung auf mindestens einer der Endflächen der Keramikschichten des Antriebsabschnitts angeordnet ist,
wobei die Dicke des Blindabschnitts 0,1- bis 1,5-mal so groß wie die der Keramikschichten des Antriebs abschnitts ist.

Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist die Dicke des Blindabschnitts also auf einen kleinen Bereich zwischen 0,1- bis 1,5-mal der Dicke der Keramikschichten begrenzt. Während des Fertigungsvorgangs des piezoelektrischen Elements ist daher die Steifheit des Blindabschnitts während des Sinterschritts zum Zeitpunkt der Schrumpfung geringer. Angesichts der insgesamt geringen Dicke des Blindabschnitts gleicht sich außerdem die Zusammensetzung des Blindabschnitts durch die geringe aus dem Antriebs abschnitt diffundierende Menge des unedlen Metall bestandteils im Wesentlichen mit der der Keramikschichten in dem Antriebsabschnitt aus. Daher verringert sich in dem Sinterschritt der Schrumpfungsunterschied zwischen dem Blindabschnitt und dem Antriebsabschnitt, oder der Schrumpfungsunterschied wird, sofern vorhanden, durch den Blindabschnitt mit geringer Steifheit absorbiert. Dadurch kann die Verformung in der Umgebung des Grenzbereichs zwischen dem Blindabschnitt und dem Antriebsabschnitt unterdrückt werden.

Wie vorstehend beschrieben ist, lässt sich bei dem gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung aufgebauten piezo elektrischen Element die Verformung in der Umgebung der Grenze zwischen dem Blindabschnitt und dem Antriebs abschnitt unterdrücken.

Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung ist ein piezoelektrisches Element vorgesehen, mit:
einem Antriebsabschnitt, der abwechselnd über einander gestapelt mehrere aus einer piezoelektrischen Keramik bestehende Keramikschichten und mehrere als Hauptbestandteil aus einem unedlen Metall bestehende Innenelektrodenschichten enthält, um den Keramikschichten Elektrizität zuzuführen; und
einem Blindabschnitt, der entlang der Stapelrichtung auf mindestens einer der Endflächen der Keramikschichten des Antriebsabschnitts angeordnet ist,
wobei der Blindabschnitt eine Zusammensetzung aufweist, in der das unedle Metall der Innenelektroden schichten dem Bestandteil der Keramikschichten hinzugefügt ist.

Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung weist der Blind abschnitt also eine Zusammensetzung auf, in der das unedle Metall der Innenelektrodenschichten dem Bestandteil der Keramikschichten hinzugefügt ist. Dadurch kann während des Fertigungsvorgangs des piezoelektrischen Elements der Schrumpfungsunterschied zwischen dem Blind abschnitt und dem Antriebsabschnitt zum Zeitpunkt des Sinterns unterdrückt werden.

Und zwar diffundiert während des Sinterschritts der unedle Metallbestandteil der Innenelektrodenschichten in die Keramikschichten in dem Antriebsabschnitt. Anderer seits enthält der Blindabschnitt den gleichen unedlen Metallbestandteil wie die Innenelektrodenschichten. Verglichen mit einem Blindabschnitt ohne unedlen Metall bestandteil ähnelt das Schrumpfverhalten des den unedlen Metallbestandteil enthaltenden Blindabschnitts daher mehr dem der Keramikschichten des Antriebsabschnitts. Deswegen verringert sich zum Zeitpunkt des Sinterns der Schrumpfungsunterschied zwischen dem Antriebsabschnitt und dem Blindabschnitt. Auf diese Weise kann die Verformung in der Umgebung der Grenze zwischen dem Blindabschnitt und dem Antriebsabschnitt unterdrückt werden.

Wie vorstehend beschrieben ist, kann bei dem gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung aufgebauten piezoelektrischen Element die Verformung in der Umgebung der Grenze zwischen dem Blindabschnitt und dem Antriebsabschnitt während des Fertigungsvorgangs unterdrückt werden.

Gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung ist ein piezoelektrisches Element mit einem Antriebsabschnitt vorgesehen, der abwechselnd übereinander gestapelt mehrere aus einer piezoelektrischen Keramik bestehende Keramikschichten und mehrere als Hauptbestandteil aus einem unedlen Metall bestehende Innenelektrodenschichten enthält, um den Keramikschichten Elektrizität zuzuführen, wobei die Innenelektrodenschichten entlang der Stapel richtung der Keramikschichten des Antriebsabschnitts so auf den beiden Endflächen angeordnet sind, dass sich sämtliche Keramikschichten durch den von den Innen elektrodenschichten zugeführten Strom ausdehnen/zusammenziehen.

Das piezoelektrische Element gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung enthält lediglich den Antriebsabschnitt aber keinen Blindabschnitt. Im Sinterschritt bei der Fertigung des piezoelektrischen Elements schrumpft daher das ganze Element im Wesentlichen gleichmäßig und kann seine Verformung unterdrückt werden. Falls die Arbeits weise des piezoelektrischen Elements einen Blindabschnitt erfordert, kann dieser Blindabschnitt separat als ein unabhängiges Bauteil angefertigt und angeordnet werden.

In dem wie oben beschrieben aufgebauten piezoelektrischen Element gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung kann daher während des Fertigungsvorgangs die Verformung unterdrückt werden.

Bei der vorstehend beschriebenen ersten bis vierten Ausgestaltung der Erfindung kann die piezoelektrische Keramik PZT (Bleititanatzirconat), PZT plus andere Elemente, Bariumtitanat oder eine andere Keramik sein. Die Dicke der piezoelektrischen Keramik beträgt beispielsweise 50 bis 150 µm.

Die Keramik des Blindabschnitts kann aus dem gleichen Material wie die Keramikschichten gebildet sein, oder auch nicht.

Das den Hauptbestandteil der Innenelektrodenschichten bildende unedle Metall wird vorzugsweise aus Ni, Cu, Fe und Cr gewählt oder ist eine Legierung aus einer beliebigen Kombination dieser Elemente. In diesem Fall lassen sich bei ausreichender elektrischer Leitfähigkeit die Kosten reduzieren. Insbesondere die Verwendung von Cu, das preiswert ist und weithin als Elektrodenmaterial verwendet wird, trägt zu deutlich geringeren Kosten des piezoelektrischen Elements bei.

Die Dicke der Innenelektrodenschicht beträgt beispiels weise 1 bis 10 µm.

Der Antriebsabschnitt ist so gestaltet, dass die oben beschriebenen Keramikschichten und Innenelektroden schichten abwechselnd übereinander gestapelt sind, wobei die Innenelektrodenschichten abwechselnd elektrisch mit zwei verschiedenen Seitenelektroden verbunden sind. Abgesehen davon ist der Antriebsabschnitt so gestaltet, dass sich die Keramikschichten bei einer Stromzufuhr zu den Innenelektrodenschichten ausdehnen/zusammenziehen.

Das Gesamtvolumen des piezoelektrischen Elements beträgt vorzugsweise nicht weniger als 8 mm³. Bei einem Gesamt volumen von weniger als 8 mm³ besteht die Neigung, dass es in der Umgebung der Grenze zwischen dem Antriebs abschnitt und dem Blindabschnitt zu einer Verformung kommt, die sich während des Fertigungsvorgangs am Ende des Antriebsabschnitts bilden kann. Auch in diesem Fall lässt sich mit dem Aufbau gemäß der ersten bis vierten Ausgestaltung der Erfindung die Verformung wirksam unterdrücken.

Das piezoelektrische Element ist vorzugsweise ein Aktuator. Ein Aktuator erzeugt eine große Kraft, während sich der Vorgang des Ausdehnens/Zusammenziehens wiederholt. Durch die Verwendung des piezoelektrischen Elements mit dem angesprochenen Aufbau kann während des Fertigungsvorgangs die Verformung und damit während des Betriebs das Reißen unterdrückt werden. Das piezo elektrische Element kann daher auch bei Verwendung als Aktuator eine hervorragende Haltbarkeit entwickeln.

Eine weitere spezielle Anwendung stellt ein Aktuator zur Betätigung des Kraftstoffeinspritzventils einer Motor kraftstoffeinspritzpumpe dar. Ein piezoelektrisches Element für eine Einspritzpumpe unterliegt sehr harten Betriebsbedingungen und erfordert eine hohe Haltbarkeit. Das piezoelektrische Element mit dem oben beschriebenen Aufbau kann auch in diesem Fall wirksam eingesetzt werden.

Bei der oben beschriebenen zweiten Ausgestaltung der Erfindung hat der Blindabschnitt eine Dicke, die um den Faktor 0,1- bis 1,5-mal so groß wie die Dicke der Keramikschicht des Antriebsabschnitts ist. Dies ergibt im Betrieb eine hervorragende Wirkung. Falls allerdings die Dicke des Blindabschnitts weniger als 0,1-mal so groß wie die der Keramikschicht ist, kann der Blindabschnitt keine zufriedenstellende Schutzwirkung für den Antriebs abschnitt entfalten. Wenn die Dicke des Blindabschnitts dagegen mehr als 1,5-mal so groß wie die der Keramik schicht ist, ist die Steifheit des Blindabschnitts so hoch, dass zum Zeitpunkt des Sinterns die Wirkung abnimmt, mit der die Verformung unterdrückt wird.

Anhand der beigefügten Zeichnungen erfolgt nun eine ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungs beispiele. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung des Aufbaus eines piezo elektrischen Elements gemäß einem ersten Ausführungs beispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung des Aufbaus eines Einheits elements bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine Darstellung des Aufbaus eines Blindabschnitts bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4(a) bis 4(f) eine Darstellung eines Fertigungs verfahrens für das piezoelektrische Element gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 eine auseinander gezogene Ansicht der Anordnung einer Keramikaufschichtung bei einem Metallisiervorgang gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 eine Darstellung der Anordnung der Keramik aufschichtung in einem Brennkasten während des Metallisiervorgangs gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung;

Fig. 7 eine Darstellung der Anordnung der Keramik aufschichtung in einem Brennkasten während eines Sinter vorgangs gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 8 eine Darstellung des Aufbaus eines Reduktions sinterofens, der für die Metallisier- und Sintervorgänge gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird;

Fig. 9 eine Darstellung der Sinterbedingungen beim ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 10(a) und 10(b) Darstellungen einer Fehlfunktion bei einem ersten Vergleichsbeispiel;

Fig. 11 eine Darstellung eines weiteren Beispiels für den Aufbau des Blindabschnitts bei einem zweiten Ausführungs beispiel der Erfindung;

Fig. 12(a) und 12(b) Darstellungen eines weiteren Beispiels für den Aufbau des unteren und oberen Blind abschnitts beim zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 13(a) und 13(b) Darstellungen eines weiteren Beispiels für den Aufbau der piezoelektrischen Elemente von Probekörpern 1 und 2 gemäß einem dritten Ausführungs beispiel der Erfindung;

Fig. 14 eine auseinander gezogene Ansicht der Anordnung einer Keramikaufschichtung während eines Metallisier vorgangs gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 15 eine Darstellung des Aufbaus eines piezo elektrischen Elements gemäß einem fünften Ausführungs beispiel der Erfindung.

Ausführungsbeispiel 1

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 9 wird nun ein piezoelektrisches Element gemäß einem ersten Ausführungs beispiel der Erfindung erläutert.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfasst das piezoelektrische Element 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Antriebsabschnitt 101 und einen Blindabschnitt 103, der entlang der Stapelrichtung der Keramikschichten 11 des Antriebsabschnitts 101 auf jeder Endfläche angeordnet ist.

Der Antriebsabschnitt 101 enthält abwechselnd über einander geschichtet mehrere Keramikschichten 11 aus piezoelektrischer Keramik und mehrere als Hauptkomponente ein unedles Metall enthaltende Innenelektrodenschichten 2, um den Keramikschichten 11 Elektrizität zuzuführen.

Die Blindabschnitte 103 sind jeweils aus Keramik konfiguriert und enthalten mehrere Blindelektroden schichten 3 aus dem gleichen Material wie die Innen elektrodenschichten 2.

Dieser Aufbau wird im Folgenden genauer erläutert.

Bei der Anfertigung des piezoelektrischen Elements 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der erste Schritt der, Keramiklagen herzustellen, die die Grundlage für die Keramikschichten 11 bilden. Als Material für die Keramik lagen wird ein Granulatpulver angesetzt, das die gewünschte PZT-Zusammensetzung aufweist. Dazu werden zunächst 83,5 Mol-% Bleioxid und 16,5 Mol-% Wolframoxid abgewogen und im trockenen Zustand gemischt, woraufhin das Gemisch zwei Stunden lang bei 500 bis 700°C gehalten und gesintert wird, damit sich ein Begleitoxidpulver aus teilweise miteinander reagiertem Bleioxid und Wolframoxid ergibt (durch die chemische Formel PbO_0,835W_0,165O_1,33 ausgedrückt). Das Reaktionsvermögen dieses Begleitoxid pulvers wird durch Granulieren und Trocknen in einer Stoffumwälzmühle verbessert.

Für das dielektrische Material wird ein vorgesintertes Pulver aus einem dielektrischen Material hergestellt, indem wie in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 8- 183660 beschrieben die dielektrischen Bestandteile einer PZT-Gruppe gemischt und 7 Stunden lang bei 850°C gesintert werden. Zuvor wird ein Gemisch aus 2,5 l Wasser und einem Dispergiermittel (2,5% des Pulvergewichts) angesetzt und nach und nach unter 4,7 kg des vorgesinter ten Pulvers gemischt, um eine Schlämme aus vorgesintertem dielektrischem Pulver zu erzeugen. Diese Schlämme aus vorgesintertem dielektrischem Pulver wird in einer Stoff umwälzmühle verarbeitet und die Teilchengröße in einer Kugelmühle auf nicht mehr als 0,2 µm eingestellt.

Zu der Schlämme aus dem vorgesinterten dielektrischen Pulver mit der Teilchengröße von nicht mehr als 0,2 µm werden 4 Gew.-% Bindemittel und 1,9 Gew.-% Trennmittel hinzugegeben. Des Weiteren werden 13,5 g des Gemischs (0,5 Atom-% PbO_0,835W_0,165O_1,33) mit 1600 g des vorgesinterten dielektrischen Pulvers gemischt und, nachdem drei Stunden lang umgewälzt wurde, unter Verwendung eines Sprühtrockners getrocknet, um dadurch ein Granulatpulver des vorgesinterten dielektrischen Pulvers zu erzeugen.

Mit diesem Granulatpulver wird eine Schlämme angesetzt und vor dem Trocknen durch Rakeln zu einer 125 µm dicken Lage geformt.

Nach der Trocknung bei 80°C wird die Lage durch einen Lagenschneider in eine 100 mm × 150 mm große Keramiklage geschnitten.

Um bei diesem Ausführungsbeispiel für die Innen elektrodenschichten 2 Cu verwenden zu können, wird als Elektrodenpaste eine Paste auf CuO-Grundlage angesetzt. Und zwar werden 1,8 g CuO-Paste mit einem CuO-Gehalt von 50 Gew.-% und einer spezifischen Oberfläche des CuO von 10 m³/g mit 1,11 g Cu-Pulver (1050YP von Mitsui Metal) und 0,09 g vorgesintertem dielektrischem Pulver gemischt, wonach das Gemisch in einem Zentrifugalumrührentgaser verarbeitet wird, sodass sich eine Elektrodenpaste ergibt.

Die Oberfläche einer Keramiklage 110 wird wie in Fig. 4(a) gezeigt durch Siebdruck mit der Innenelektroden schichten 2 bildenden Elektrodenpaste bedruckt. Die Druckdicke beträgt 5 bis 8 µm. Die Elektrodenpaste wird nach dem Aufdrucken 1 Stunde lang bei 130°C getrocknet. In Fig. 4(a) ist die Elektrodenpaste als Innenelektroden schicht 2 dargestellt.

Wie in den Fig. 4(b) und 4(c) gezeigt ist, werden mehrere Keramiklagen 110 mit den Innenelektrodenschichten 2 übereinander gestapelt und zehn Minuten lang bei 120°C und unter einem Druck von 80 kg/m³ thermisch verbunden, sodass sich ein Mutterblock ergibt.

Wie in Fig. 4(d) gezeigt ist, wird der Mutterblock in jeweils 9 mm × 9 mm große Stücke geschnitten, um Einheitselemente 115 zu erzeugen.

Das auf diese Weise erzielte Einheitselement 115 ist in Fig. 2 gezeigt. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, enthält jedes Einheitselement 115 die abwechselnd übereinander gestapelten Keramikschichten 11 und Innenelektroden schichten 2, wodurch eine Aufschichtung mit einer Breite W von 9 mm, einer Länge L von 9 mm und einer Dicke T von 2 mm gebildet wird. Die sich abwechselnden Innen elektrodenschichten 2 sind seitlich abgestuft und weisen einen nicht von den Keramikschichten 11 abgedeckten Umfassungsabschnitt 19 auf.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Blindabschnitt 103 im Wesentlichen durch die gleichen Schritte wie das Einheitselement 115 hergestellt.

Und zwar wird bei dem oben angesprochenen Siebdruck vorgang die Aufdruckfläche für die Elektrodenpaste etwas verringert, um die Blindelektrodenschicht 3 auszubilden. Und zwar setzt sich der Blindabschnitt 103, wie in Fig. 3 gezeigt ist, aus den gleichen Keramikschichten 11 wie der Antriebsabschnitt zusammen und sind die Blindelektroden schichten 3 abwechselnd übereinander gestapelt. Die Blindelektrodenschichten 3 sind jeweils mit linken und rechten Umfassungsabschnitten 19 versehen. Das thermische Verbinden und die anderen Bedingungen sind die gleichen wie bei der Herstellung des Einheitselements 115.

Wie in Fig. 4(e) gezeigt ist, werden mehrere Einheits elemente 115 übereinander gestapelt, um den Antriebs abschnitt 101 auszubilden, während gleichzeitig auf die obere und untere Fläche des Antriebsabschnitts die Blindabschnitte 103 gestapelt werden, woraufhin der thermische Verbindungsvorgang folgt. Das thermische Verbinden erfolgt zehn Minuten lang bei 80°C und einem Druck von 500 kg/m³. Durch das thermische Verbinden wird eine Keramikaufschichtung 10 mit einer Größe von 9 mm × 9 mm × 40 mm erzielt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der nächste Schritt der, den größten Teil des in der Keramik der Keramik aufschichtung enthaltenden Bindemittelharzes zu entfernen. Dazu wird über und unter die Keramik aufschichtung jeweils eine MgO-Platte (15 mm × 15 mm) gesetzt, die eine Porosität von 20% aufweist, und in der Atmosphäre erwärmt, um einen Entfettungsvorgang durchzuführen. Die damit verbundenen Erwärmungs bedingungen sind derart, dass die eingestellte Erwärmungstemperatur in Abständen von 20 Stunden erhöht wird, bis schließlich 5 Stunden lang eine Temperatur von 500°C gehalten wird.

In einer ausreichend belüfteten Umgebung, in der eine gleichmäßige Erwärmung möglich ist, können auch ein anderes Verarbeitungsverfahren und andere Bedingungen zum Einsatz kommen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das CuO der Innen elektrodenschichten 2 zu Cu reduziert (Metallisier vorgang).

Dazu wird die entfettete Keramikaufschichtung 10 wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt, in einen Brennkasten 7 gesetzt und erwärmt. Eine Aluminiumoxidwabe 791, eine MgO-Platte 792, eine Keramikaufschichtung 10, eine MgO- Platte 793, eine Aluminiumoxidwabe 794 und ein MgO- Gewicht 795 werden in dieser Reihenfolge auf dem Boden 71 in dem Brennkasten 7 übereinander gestapelt.

Der Brennkasten 7 wird in eine reduzierende Umgebung gesetzt, die 5000 ml Ar mit 1% H₂ und 6,5 ml reinen O₂ enthält, und entsprechend einem Erwärmungsmuster wärme behandelt, bei dem die Temperatur allmählich über vier Stunden auf etwa 350°C erhöht und 12 Stunden lang bei 325 bis 400°C gehalten wird. Danach wird die Temperatur in etwa vier Stunden allmählich auf Zimmertemperatur gesenkt. Die bei hoher Temperatur gehaltene Sauerstoff umgebung wird so gesteuert, dass sich der Wert P des "externen Sauerstoffpartialdrucks", der auf halber Höhe in dem Gasauslass analysiert wird, im Bereich 1×10^-14 bis 1×10^-24,7 befindet.

Dieser Metallisiervorgang reduziert das unedle Metall Cu der Innenelektrodenschichten 2 zum ersten Mal vom Oxid zum Metall.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der nächste Schritt das Sintern in der reduzierenden Umgebung.

Auch in diesem Sinterschritt wird der Brennkasten 7 mit der gleichen Anordnung wie in dem Metallisiervorgang verwendet. Darüber hinaus wird in dem Sinterschritt, wie in Fig. 7 gezeigt ist, ein PbZrO₃-Stück 796 in die vier Ecken des Brennkastens 7 gesetzt, um das PbO daran zu hindern, bei hohen Temperaturen von der Keramik aufschichtung 10 abzudampfen.

Der Brennkasten 7 wird unter Verwendung eines CO₂-CO-O₂- Gases in einer reduzierenden Umgebung erwärmt, wobei durch die auf diese Weise erfolgende Sinterung der Keramikaufschichtung 10 ein piezoelektrisches Element 1 erzeugt wird.

Der in diesem Ausführungsbeispiel verwendete Reduktions sinterofen 8 ist in Fig. 8 gezeigt. Der Reduktionssinter ofen 8 kann auch für den oben beschriebenen Metallisier vorgang verwendet werden.

Wie in Fig. 8 gezeigt ist, ist der Reduktionssinterofen 8 mit einem Gaseinlass 81 verbunden, um die Gasatmosphäre in den Ofenkörper 80 einzuleiten. Der Gaseinlass 81 ist über ein Solenoidventil 812, einen Mischer 813, zwei Hauptdurchgänge 814 und zwei Solenoidventile 815 mit zwei Gasquellen 816, 818 verbunden.

Der Ofenkörper 80 kann durch drei Solenoidventile 823 zwischen einem Auslass für die Gasatmosphäre und einer Leitung zu einer Vakuumpumpe 88 zum Evakuieren des Ofeninneren umgeschaltet werden. Auf halber Höhe des Gasauslasses 82 befindet sich eine Messeinrichtung 83 für den externen Sauerstoffpartialdruck.

In dem Ofenkörper 80 ist ein Sensor 84 für den internen Sauerstoffpartialdruck eingebaut und mit einer Mess einrichtung 841 für den internen Sauerstoffpartialdruck und einer Partialdrucksteuerungsschaltung 842 verbunden. Die Partialdrucksteuerungsschaltung 842 ist mit dem Hauptdurchgang 814 in dem Gaseinlass 81 verbunden und steuert diesen.

In dem Ofenkörper 80 sind ein Probenkörper-Sintergestell 852, ein Gestelltrageelement 853 und ein Gasumwälz ventilator 854 angeordnet. Um den Ofenkörper 80 herum ist eine Heizeinrichtung 86 angeordnet.

Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt der Reduktions sintervorgang unter den in Fig. 9 gezeigten Bedingungen, wobei in dem Reduktionssinterofen 8 wie gesagt eine Gasatmosphäre aus CO₂-CO-O₂ verwendet wird. In Fig. 9 stellt die Abszisse die Zeit (Std.) und die Ordinate die Temperatur (°C) und den Sauerstoffpartialdruck (10^-x atm) dar. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, wird die Temperatur allmählich erhöht und bei 950°C gehalten, wonach sie allmählich gesenkt wird. Dadurch kann ein ausreichend geringer Sauerstoffpartialdruck aufrecht erhalten werden, wodurch das Kupfer der Innenelektrodenschichten 2 und der Blindelektrodenschichten 3 in der Metallphase gehalten werden kann.

Beim Sintervorgang kann das den unedlen Metallbestandteil der Innenelektrodenschichten 2 bildende Kupfer beispiels weise in Form von CuO in die Keramikschichten 11 eindiffundieren. In dem Blindabschnitt 103 diffundiert das den unedlen Metallanteil der Blindelektrodenschichten 3 bildende Kupfer dagegen in den Keramikschichten 11. Dadurch verringert sich zum Zeitpunkt des Sinterns das unterschiedliche Schrumpfverhalten zwischen dem Blind abschnitt 103 und dem Antriebsabschnitt 101. Daher kann die Verformung in der Umgebung der Grenze zwischen dem Blindabschnitt 103 und dem Antriebsabschnitt 101 unterdrückt werden, wodurch sich ein piezoelektrisches Element 1 mit günstigem Profil ergibt.

Dieses piezoelektrische Element kann eine hohe Haltbarkeit entwickeln, wenn es als Aktuator verwendet wird.

Im tatsächlichen Gebrauch weist das piezoelektrische Element 1, wie in Fig. 1 gezeigt ist, eine Seiten elektrode 4 auf, die mit einer externen Elektrode oder dergleichen verbunden wird, um Strom zuführen zu können.

Das piezoelektrische Element, das bei dem ersten Ausführungsbeispiel in Form einer viereckigen Stange vorliegt, kann wahlweise auch einen kreisförmigen, elliptischen, tonnenförmigen, hexagonalen, achteckigen oder ähnlichen Querschnitt aufweisen.

Die oben angesprochenen Punkte sind bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele ähnlich.

Vergleichsbeispiel

Bei diesem Beispiel wird der Blindabschnitt 103 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel durch zwanzig Keramikschichten 11 ohne die Blindelektrodenschicht 3 ersetzt. Die anderen Punkte ähneln ansonsten den entsprechenden Punkten des ersten Ausführungsbeispiels.

Wie in den Fig. 10(a) und 10(b) gezeigt ist, entwickelt sich in diesem Fall in der Umgebung der Grenze zwischen dem Antriebsabschnitt 101 und dem Blindabschnitt 103 des piezoelektrischen Elements eine Verformung 98 oder ein Spalt (Riss) 99.

Dieser Effekt deutet darauf hin, dass das piezo elektrische Element 1 gemäß dem ersten Ausführungs beispiel eine bessere Gestaltung hat.

Zweites Ausführungsbeispiel

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Blindabschnitt 103 des ersten Ausführungsbeispiels durch einen Blind abschnitt mit unterschiedlichem Aufbau ersetzt.

Die Fig. 11, 12(a) und 12(b) zeigen Beispiele des Blindabschnitts bei diesem Ausführungsbeispiel.

Der in Fig. 11 gezeigte Blindabschnitt 103 hat um die Hälfte weniger Blindelektrodenschichten 3 als das erste Ausführungsbeispiel, sodass der Abstand zweimal so groß ist.

Der in den Fig. 12(a) und 12(b) gezeigte Blindabschnitt 103 stellt dagegen ein Beispiel dar, bei dem der Zwischenraum zwischen den eingebauten Blindelektroden schichten 3 stufenweise zum Antriebsabschnitts 101 hin abnimmt.

Das in Fig. 2 gezeigte Einheitselement 115 für den Antriebsabschnitt 1 kann auch, so wie es ist, als Blindabschnitt 103 eingesetzt werden. In diesem Fall bilden die Innenelektrodenschichten 2 des als Blind abschnitt 103 eingesetzten Einheitselements 115 die Blindelektrodenschichten 3, die nicht mit Strom versorgt werden.

Durch die Verwendung dieser Blindabschnitte 103 lassen sich die gleiche Funktionsweise und die gleiche Wirkung wie beim ersten Ausführungsbeispiel erzielen.

Drittes Ausführungsbeispiel

Wie in den Fig. 13(a) und 13(b) gezeigt ist, wird bei diesem Ausführungsbeispiel lediglich ein Satz der Einheitselemente 115 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet, um den Antriebsabschnitt 101 zu bilden. Oberhalb und unterhalb des Antriebsabschnitts 101 ist ein Blindabschnitt 103 aus der gleichen Keramik wie die Keramikschichten 11 des Antriebsabschnitts 101 angeordnet, sodass sich Probekörper 1 und 2 ergeben, mit denen sich die Auswirkung des Dickenunterschieds auf den Blindabschnitt 103 untersuchen lassen.

Bei dem in Fig. 13(a) gezeigten Probekörper 1 war die Dicke Tb des Blindabschnitts 103 mit 0,3 mm 2,4-mal so groß wie die Dicke t der Keramikschichten 11 des Antriebsabschnitts 101.

Der Blindabschnitt 103 des in Fig. 13(b) gezeigten Probekörpers 2 hatte dagegen eine Dicke Tb von 0,15 mm, die 1,2-mal so groß wie die Dicke der Keramikschicht 11 des Antriebsabschnitts 101 war.

Beide Probekörper 1 und 2 wiesen die gleiche Breite W von 9 mm und die gleiche Länge L von 9 mm auf. Die Dicke Tk des Antriebsabschnitts 101 betrug bei beiden Probekörpern 2 mm.

Um ein piezoelektrisches Element mit dieser Gestaltung anzufertigen, wird ein ähnlicher Fertigungsvorgang wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel durchgeführt. Auch bei dem Metallisier- und Sintervorgängen wird das piezo elektrische Element (Keramikaufschichtung 10) wie in Fig. 14 gezeigt in ähnlicher Weise wie das erste Ausführungs beispiel eingebaut. Und zwar werden eine Aluminiumoxid wabe 791, eine MgO-Platte 792, eine Keramikaufschichtung 10, eine MgO-Platte 793, eine Aluminiumoxidwabe 794 und ein MgO-Gewicht 795 in dieser Reihenfolge auf dem Boden abschnitt 71 des Brennkastens 7 übereinander gestapelt.

Die auf diese Weise vorgenommene Untersuchung des piezo elektrischen Elements ergab, dass sich der Probekörper 1 mit der Blindabschnittsdicke Tb, die nicht weniger als 2,4-mal (mehr als 1,5-mal) so groß wie die Dicke der Keramikschicht 11 war, in der Umgebung der Grenze zwischen dem Blindabschnitt 103 und dem Antriebsabschnitt 101 leicht verformte. Der Probekörper 2, dessen Blind abschnitt eine Dicke Tb aufwies, die nicht mehr als 1,2- mal (nicht mehr als 1,5-mal) so groß wie die der Keramik schichten 11 war, verformte sich dagegen im Großen und Ganzen nicht und bot ein insgesamt zufriedenstellendes Ergebnis.

Dies zeigt, dass die Verformung zum Zeitpunkt des Sinterns verhindert werden kann, wenn die Dicke des Blindabschnitts 102 insgesamt auf nicht mehr als das 1,5- fache der Dicke der Keramikschicht 11 des Antriebs abschnitts 101 eingestellt wird.

Viertes Ausführungsbeispiel

Dieses Ausführungsbeispiel stellt ein Beispiel dar, bei dem der Blindabschnitt 103 die gleiche Zusammensetzung wie der Bestandteil der Keramikschicht 11 aufweist, wobei das unedle Metall Cu der Innenelektrodenschicht 2 hinzukommt. Der Blindabschnitt 103 ist nicht mit der Blindelektrodenschicht versehen. Die anderen Punkte ähneln ansonsten den entsprechenden Punkten des ersten Ausführungsbeispiels.

In diesem Fall entwickelt das auf die gleiche Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel angefertigte piezo elektrische Element in der Umgebung der Grenze zwischen dem Blindabschnitt 103 und dem Antriebsabschnitt 101 im Wesentlichen keine Verformung.

Der Grund dafür ist wahrscheinlich der, dass sich die Zusammensetzung des Blindabschnitts 103, der ursprünglich den unedlen Metallbestandteil enthält, zum Zeitpunkt des Sinterns der Keramikschicht 11 des Antriebsabschnitts 101 angleicht. Dadurch verringert sich zum Zeitpunkt des Sinterns der Schrumpfungsunterschied zwischen dem Antriebsabschnitt 101 und dem Blindabschnitt 103, wodurch die Verformung in der Umgebung der Grenze zwischen diesen unterdrückt wird.

Um den Schrumpfungsunterschied zwischen dem Blind abschnitt 103 und dem Antriebsabschnitt 101 zum Zeitpunkt des Sinterns zu verringern, wird bei diesem Ausführungs beispiel der unedle Metallbestandteil zu der Keramik des Blindabschnitts 103 hinzugegeben. Wahlweise kann das Schrumpfverhalten jedoch auch geändert werden, indem die Zusammensetzung des den Blindabschnitt bildenden PZT geändert wird oder indem die Dichte der aus Keramik bestehenden Keramiklage geändert wird.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Dieses Ausführungsbeispiel stellt den Fall dar, dass das piezoelektrische Element lediglich den Antriebsabschnitt 101 enthält und keinen Blindabschnitt aufweist.

Und zwar weist das piezoelektrische Element 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 15 gezeigt ist, einen Antriebsabschnitt 101 auf, der abwechselnd über einander gestapelt mehrere Keramikschichten 11 aus piezoelektrischer Keramik und mehrere Innenelektroden schichten 2 mit dem unedlen Metall Cu als Hauptbestand teil enthält, um den Keramikschichten 11 Elektrizität zuzuführen. Die beiden Endflächen der Keramikschichten 11 des Antriebsabschnitts 111 sind entlang der Stapel richtung jeweils mit einer Innenelektrodenschicht 2 versehen, sodass sich sämtliche Keramikschichten 11 durch den von den Innenelektrodenschichten 2 zugeführten Strom ausdehnen/zusammenziehen.

Abgesehen davon, dass dieses Ausführungsbeispiel keinen Blindabschnitt aufweist, ähneln die anderen Punkte den entsprechenden Punkten des ersten Ausführungsbeispiels.

Das Aufschichtungsbauteil des piezoelektrischen Elements weist also bei diesem Ausführungsbeispiel keinen Blind abschnitt, sondern lediglich den Antriebsabschnitt 110 auf. Im Sinterschritt zur Fertigung des piezoelektrischen Elements 1 schrumpft daher das gesamte Element im Wesentlichen gleichmäßig und kann die Verformung unterdrückt werden. Falls die Funktionsweise des piezo elektrischen Elements 1 einen Blindabschnitt erfordert, kann dieser als separates Bauteil hergestellt und angeordnet werden.

Bei dem piezoelektrischen Element 1 mit der obigen Gestaltung kann daher die Verformung während des Fertigungsvorgangs unterdrückt werden.

Claims

1. Piezoelektrisches Element (1), mit:
einem Antriebsabschnitt (101), der abwechselnd übereinander gestapelt mehrere aus einer piezoelektrischen Keramik bestehende Keramikschichten (11) und mehrere als Hauptbestandteil aus einem unedlen Metall bestehende Innenelektrodenschichten (2) enthält, um den Keramikschichten Elektrizität zuzuführen; und
einem Blindabschnitt (103), der entlang der Stapelrichtung auf mindestens einer der Endflächen der Keramikschichten des Antriebsabschnitts angeordnet ist,
wobei der Blindabschnitt (103) aus Keramik konfiguriert ist und mindestens eine Blindelektroden schicht (3) aus dem gleichen Material wie die Innen elektrodenschichten (2) aufweist.

2. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei dem das den Hauptbestandteil der Innenelektrodenschichten (2) bildende unedle Metall aus Ni, Cu, Fe und Cr gewählt ist oder eine Legierung aus einer beliebigen Kombination dieser Elemente ist.

3. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei dem das Gesamtvolumen des piezoelektrischen Elements nicht weniger als 8 mm³ beträgt.

4. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, wobei das piezoelektrische Element ein Aktuator ist.

5. Piezoelektrisches Element (1), mit:
einem Antriebsabschnitt (101), der abwechselnd übereinander gestapelt mehrere aus einer piezoelektrischen Keramik bestehende Keramikschichten (11) und mehrere als Hauptbestandteil aus einem unedlen Metall bestehende Innenelektrodenschichten (2) enthält, um den Keramikschichten Elektrizität zuzuführen; und
einem Blindabschnitt (103), der entlang der Stapelrichtung auf mindestens einer der Endflächen der Keramikschichten des Antriebsabschnitts angeordnet ist,
wobei die Dicke des Blindabschnitts (103) 0,1- bis 1,5-mal so groß wie die der Keramikschichten (11) des Antriebsabschnitts ist.

6. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 5, bei dem das den Hauptbestandteil der Innenelektrodenschichten (2) bildende unedle Metall aus Ni, Cu, Fe und Cr gewählt ist oder eine Legierung aus einer beliebigen Kombination dieser Elemente ist.

7. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 5, bei dem das Gesamtvolumen des piezoelektrischen Elements nicht weniger als 8 mm³ beträgt.

8. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 5, wobei das piezoelektrische Element ein Aktuator ist.

9. Piezoelektrisches Element (1), mit:
einem Antriebsabschnitt (101), der abwechselnd übereinander gestapelt mehrere aus einer piezoelektrischen Keramik bestehende Keramikschichten (11) und mehrere als Hauptbestandteil aus einem unedlen Metall bestehende Innenelektrodenschichten (2) enthält, um den Keramikschichten Elektrizität zuzuführen; und
einem Blindabschnitt (103), der entlang der Stapelrichtung auf mindestens einer der Endflächen der Keramikschichten des Antriebsabschnitts angeordnet ist,
wobei der Blindabschnitt (103) eine Zusammensetzung aufweist, in der das unedle Metall der Innenelektroden schichten (2) dem Bestandteil der Keramikschichten (11) hinzugefügt ist.

10. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 9, bei dem das den Hauptbestandteil der Innenelektrodenschichten (2) bildende unedle Metall aus Ni, Cu, Fe und Cr gewählt ist oder eine Legierung aus einer beliebigen Kombination dieser Elemente ist.

11. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 9, bei dem das Gesamtvolumen des piezoelektrischen Elements nicht weniger als 8 mm³ beträgt.

12. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 9, wobei das piezoelektrische Element ein Aktuator ist.

13. Piezoelektrisches Element (1) mit einem Antriebs abschnitt (10), der abwechselnd übereinander gestapelt mehrere aus einer piezoelektrischen Keramik bestehende Keramikschichten (11) und mehrere als Hauptbestandteil aus einem unedlen Metall bestehende Innenelektroden schichten (2) enthält, um den Keramikschichten Elektrizität zuzuführen, wobei die Innenelektroden schichten (2) entlang der Stapelrichtung der Keramik schichten des Antriebsabschnitts so auf den beiden Endflächen angeordnet sind, dass sich sämtliche Keramikschichten (11) durch den von den Innenelektroden schichten zugeführten Strom ausdehnen/zusammenziehen.

14. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 13, bei dem das den Hauptbestandteil der Innenelektrodenschichten (2) bildende unedle Metall aus Ni, Cu, Fe und Cr gewählt ist oder eine Legierung aus einer beliebigen Kombination dieser Elemente ist.

15. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 13, bei dem das Gesamtvolumen des piezoelektrischen Elements nicht weniger als 8 mm³ beträgt.

16. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 13, wobei das piezoelektrische Element ein Aktuator ist.