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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft monolithische piezoelektrische Aktuatoren,
die piezoelektrische Keramiken umfassen, sowie Verfahren zum Herstellen
solcher piezoelektrischen Aktuatoren. Die vorliegende Erfindung
betrifft insbesondere einen piezoelektrischen Aktuator mit einem
aktiven Abschnitt und passiven Abschnitten mit Dummy-Innenelektroden
und betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
piezoelektrischen Aktuators, wobei der aktive Abschnitt zwischen
den passiven Abschnitten angeordnet ist und durch das Anlegen eines
elektrischen Felds verformt wird.
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Stand der
Technik
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Piezoelektrische
Aktuatoren werden zum Bewegen von Magnetköpfen oder Druckköpfen für Tintenstrahldrucker
verwendet. Der folgende Aktuator ist vorgeschlagen worden: ein monolithischer
piezoelektrischer Aktuator, der durch einen Prozess gemeinsamen
Brennens von Innenelektroden und Keramik erzeugt wird, so dass er
eine kleine Größe hat.
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Nachstehende
Patentschrift 1 offenbart einen beispielhaften monolithischen piezoelektrischen Aktuator. 4 ist
eine perspektivische Ansicht des in Patentschrift 1 offenbarten
piezoelektrischen Aktuators.
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Der
piezoelektrische Aktuator 101 umfasst einen keramischen
Sinterkörper 102 aus
einer piezoelektrischen Keramik. Der keramische Sinterkörper 102 wird
durch einen Prozess gemeinsamen Brennens von Innenelektroden und
Keramik erzeugt. In der nachstehenden Beschreibung ist die Richtung entlang
der Dicke jeder piezoelektrischen Keramikschicht, die zwischen Innenelektroden
sandwichartig eingeschlossen ist, als eine Dickenrichtung definiert. In
dem keramischen Sinterkörper 102 ist
ein aktiver Abschnitt 103 in der Mitte des keramischen
Sinterkörpers 102 angeordnet,
und passive Abschnitte 104 und 105 sind an beiden
Enden desselben in der Dickenrichtung angeordnet.
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In
dem aktiven Abschnitt 103 sind mehrere erste Innenelektroden 106 und
zweite Innenelektroden 107 abwechselnd in der Dickenrichtung
angeordnet, wobei jede piezoelektrische Keramikschicht dazwischen
angeordnet ist. Die ersten und zweiten Innenelektroden 106 und 107 erstrecken
sich senkrecht zur Dickenrichtung des keramischen Sinterkörpers 102.
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Der
keramische Sinterkörper 102 weist
eine erste Seitenfläche 102a auf
und umfasst Isolierschichten 108, die sich an der ersten
Seitenfläche 102a in
einer seitlichen Richtung senkrecht zur Dickenrichtung erstrecken.
Die Isolierschichten 108 bedecken Teile der ersten Innenelektroden 106,
die an der ersten Seitenfläche 102a freiliegen.
Ferner weist der keramische Sinterköper 102 eine zweite
Seitenfläche 102b gegenüber der
Seitenfläche 102a auf und
umfasst Isolierschichten 109, die sich an der zweiten Seitenfläche 102b erstrecken.
Die Isolierschichten 109 bedecken Teile der zweiten Innenelektroden 107,
die an der Seitenfläche 102b freiliegen.
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In
dem passiven Abchnitt 104 sind drei Dummy-Innenelektroden 111 bis 113 in
einem gestreiften Muster in der gleichen Ebene angeordnet. Zwischen Keramikschichten
sind Dummy-Innenelektrodengruppen, die jeweils die drei Dummy-Innenelektroden 111 bis 113 aufweisen,
angeordnet. In dem passiven Abschnitt 105 sowie dem passiven
Abschnitt 104 sind mehrere andere Dummy-Innenelektrodengruppen, die jeweils
Dummy-Innenelektroden 114 bis 116 aufweisen, jeweils
zwischen Keramikschichten angeordnet.
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Die
Dummy-Innenelektroden 111 bis 113 weisen eine
Streifenform auf und sind voneinander elektrisch isoliert. Die Dummy-Innenelektroden 114 bis 116 weisen
ebenfalls Streifenform auf und sind voneinander elektrisch isoliert.
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Eine
Außenelektrode 117 erstreckt
sich vertikal an der Seitenfläche 102b des
keramischen Sinterkörpers 102.
In dem aktiven Abschnitt 103 ist die Außenelektrode 117 mit
den an der Seitenfläche 102b freiliegenden
Innenelektroden 106 verbunden.
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Eine ähnliche
Außenelektrode,
die in 4 nicht gezeigt ist, erstreckt sich an der Seitenfläche 102a.
Die sich an der Seitenfläche 102a erstreckende
Außenelektrode
ist mit den zweiten Innenelektroden 107 elektrisch verbunden.
Daher wird der aktive Abschnitt durch Anlegen einer elektrischen
Spannung zwischen der Außenelektrode 117 und
der Außenelektrode
an der Seitenfläche 102a angesteuert, so
dass der monolithische Aktuator betrieben wird.
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In
den passiven Abschnitten 104 und 105 werden die
zwischen den Keramikschichten angeordneten Dummy-Innenelektroden
nicht mit einer elektrischen Spannung versorgt. Dadurch fungieren die
passiven Abschnitte 104 und 105 nicht als Aktuatoren.
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Ein
herkömmlicher
monolithischer piezoelektrischen Aktuator mit einer Konfiguration,
bei der passive Abschnitte an beiden Seiten eines aktiven Abschnitts
angeordnet sind, weist das Problem auf, dass wegen des unterschiedlichen
Sinterverhaltens zwischen dem aktiven Abschnitt und den passiven Abschnitten
ein Sinterkörper
zerbricht und/oder dass die passiven Abschnitte von dem aktiven
Abschnitt gelöst
werden. Bei dem in der Patentschrift 1 offenbarten piezoelektrischen
Aktuator 101 sind dagegen die in den passiven Abschnitten 104 und 105 enthaltenen
Dummy-Innenelektroden 111 bis 113 sowie 114 bis 116 auf
den gleichen Höhen
angeordnet und sind voneinander getrennt. Dadurch wird ein Zerbrechen
des Sinterkörpers
verhindert und/oder es kann ein Lösen des aktiven Abschnitts 103 von
den passiven Abschnitten 104 und 105 aufgrund
des unterschiedlichen Sinterverhaltens zwischen diesen verhindert
werden.
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Offenlegung
der Erfindung
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Bei
dem piezoelektrischen Aktuator 101 ist es erforderlich,
den Einfluss einer Tragstruktur auf die Verformung zu mindern. In
diesem Fall haben die passiven Abschnitte 104 und 105 für gewöhnlich in der
Dickenrichtung eine große
Größe, so dass
der aktive Abschnitt 103, der verformbar ist, von einem Tragabschnitt
zum mechanischen Lagern des piezoelektrischen Aktuators 101 bei
einem großen
Abstand beabstandet ist. Dies bewirkt, dass der keramische Sinterkörper 102 in
der Dickenrichtung eine große
Größe aufweist.
Wenn die Anzahl der in dem aktiven Abschnitt 103 enthaltenen
Innenelektroden zum Ansteuern des piezoelektrischen Aktuators erhöht wird,
so dass eine große
Verformung erzeugt wird, weist der keramische Sinterkörper 102 in
der Dickenrichtung eine große
Größe auf.
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Wenn
der keramische Sinterkörper 102 in der
Dickenrichtung eine große
Größe aufweist,
weist der durch einen Prozess gemeinsamen Brennens von Elektroden
und Keramik erzeugte keramische Sinterkörper 102 unvermeidlich
eine große
Größendifferenz
in der Dickenrichtung auf.
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Bei
Anwendungen, bei denen monolithische piezoelektrische Aktuatoren
verwendet werden, insbesondere bei Anwendungen mit elektronischen Bauelementen,
muss die Größe der piezoelektrischen
Aktuatoren streng gesteuert werden.
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Wenn
daher der keramische Sinterkörper 102 einen
großen
Größenunterschied
in der Dickenrichtung aufweist, müssen die obere Fläche 102c und die
untere Fläche 102d des
keramischen Sinterkörpers 102 nicht
geschliffen werden, so dass der keramische Sinterkörper 102 eine
einheitliche Größe in Dickenrichtung
hat. Wenn die Größe von Bereichen, die
wie vorstehend beschrieben geschliffen werden, groß ist, können die
Dummy-Innenelektroden 111 bis 113 sowie 114 bis 116 an
den geschliffenen Flächen freiliegen.
Diese Möglichkeit
steigt mit einer Verringerung des Abstands zwischen den Dummy-Innenelektroden,
d.h. einer Verringerung der Dicke der aufgeschichteten piezoelektrischen
Keramikschichten. Das Freilegen der Dummy-Innenelektroden 111 bis 113 bzw. 114 bis 116 an
der oberen Fläche
und unteren Fläche
des keramischen Sinterkörpers 102 kann Bestückungsfehler
verursachen, wenn der piezoelektrische Aktuator 101 auf
einer Leiterplatte aufgebracht wird. Der piezoelektrische Aktuator 101 mit den
freiliegenden Dummy-Innenelektroden 111 bis 113 bzw. 114 bis 116 ist
ein defektes Erzeugnis und muss daher weggeworfen werden. Dies senkt
den Ertrag.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die obigen technischen
Probleme zu lösen
und einen piezoelektrischen Aktuator an die Hand zu geben, bei dem
passive Abschnitte in Dickenrichtung jeweils an mindestens einer
Seite eines aktiven Abschnitts angeordnet sind. Bei dem piezoelektrischen
Aktuator kann verhindert werden, dass es bei dem Sinterkörper zu
Absplittern kommt und/oder dass sich der aktive Abschnitt während des
Brennens aufgrund unterschiedlichen Schrumpfens von den passiven
Abschnitten löst.
Ferner werden Dummy-Innenelektroden
durch ausgeführtes
Schleifen zum Angleichen der Größe des Sinterkörpers in
der Dickenrichtung kaum freigelegt.
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Die
vorliegende Erfindung gibt ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen
Aktuators mit einem keramischen Sinterkörper an die Hand, der durch
gemeines Brennen von Innenelektroden und einer piezoelektrischen
Keramik gebildet wird. Das Verfahren weist einen Schritt des Erzeugens
des keramischen Sinterkörpers
auf, der einen aktiven Abschnitt und inaktive Abschnitte umfasst.
Der aktive Abschnitt umfasst piezoelektrische Keramikschichten und
jede der dazwischen angeordneten Innenelektroden und wird während des
Betriebs verformt. Die Richtung entlang einer Dicke der piezoelektrischen
Keramikschicht ist als Dickenrichtung definiert. Die passiven Abschnitte
sind jeweils an mindestens einer Seite des aktiven Abschnitts in
der Dickenrichtung angeordnet, weisen piezoelektrische Keramikschichten
und Dummy-Innenelektroden auf, die in Dickenrichtung angeordnet
sind, und werden nicht während
des Betriebs verformt. Jede der Dummy-Innenelektroden ist zwischen
den piezoelektrischen Keramikschichten angeordnet. Die Dicke der
zwischen den Dummy-Innenelektroden angeordneten piezoelektrischen
Keramikschichten nimmt mit einem Abstand von dem aktiven Abschnitt
zu. Die Dicke der äußersten
piezoelektrischen Keramikschichten, die außerhalb der jeweiligen äußersten
Dummy-Innenelektroden
in Dickenrichtung angeordnet sind, ist größer als die der piezoelektrischen
Keramikschichten, die zwischen den Dummy-Innenelektroden angeordnet
sind. Das Verfahren umfasst auch einen Schritt des Angleichens der
Größe des keramischen
Sinterkörpers
in der Dickenrichtung durch Schleifen der piezoelektrischen Keramikschichten,
die sich in der Dickenrichtung am weitesten außen befinden.
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Bei
dem Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuators wird
bei dem Angleichschritt der Abstand zwischen einer Fläche jedes
der passiven Abschnitte, die in der Dickenrichtung am weitesten
außen
angeordnet ist, und der Dummy-Innenelektrode
des passiven Abschnitts, die in der Dickenrichtung am weitesten
außen
angeordnet ist, auf 0,5% oder mehr der Größe des piezoelektrischen Aktuators
in der Dickenrichtung angeglichen.
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Bei
dem Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuators bestehen
der aktive Abschnitt und die passiven Abschnitte aus dem gleichen Keramikmaterial.
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Das
Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuators umfasst
weiterhin einen Schritt des Bildens einer ersten und einer zweiten
Außenelektrode
zum Ansteuern des aktiven Abschnitts an jeweiligen Außenflächen des
keramischen Sinterkörpers,
wobei die erste und die zweite Außenelektrode mit einigen der
in dem aktiven Abschnitt enthaltenen Innenelektroden elektrisch
verbunden sind.
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Ein
durch das Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuators
erhaltener piezoelektrischer Aktuator umfasst einen aktiven Abschnitt, der
während
des Betriebs verformt wird, mit piezoelektrischen Keramikschichten
und Innenelektroden, die jeweils dazwischen angeordnet sind, und
umfasst ferner passive Abschnitte mit piezoelektrischen Keramikschichten
und Dummy-Innenelektroden, die in der Dickenrichtung angeordnet
sind, wobei die passiven Abschnitte während des Betriebs nicht verformt werden,
die Richtung entlang der Dicke der piezoelektrischen Keramikschicht
als Dickenrichtung definiert ist, jeder der passiven Abschnitte
an mindestens einer Seite des aktiven Abschnitts in Dickenrichtung angeordnet
ist, jede der Dummy-Innenelektroden jeweils zwischen den piezoelektrischen
Keramikschichten angeordnet ist. Eine Dicke der zwischen den Dummy-Innenelektroden angeordneten
piezoelektrischen Keramikschichten nimmt mit dem Abstand von dem
aktiven Abschnitt zu.
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Der
piezoelektrische Aktuator weist ferner erste und zweite Außenelektroden
auf. Der keramische Sinterkörper
weist eine erste Seitenfläche
und eine zweite Seitenfläche
auf, die einander gegenüberliegen
und sich in der Dickenrichtung erstrecken. Die in dem aktiven Abschnitt
enthaltenen Innenelektroden erstrecken sich in der Dickenrichtung
der piezoelektrischen Keramikschichten abwechselnd zu der ersten
und zweiten Seitenfläche.
Die in den passiven Abschnitten enthaltenen Innenelektroden erstrecken
sich zu einer der ersten und zweiten Seitenfläche. Die ersten und zweiten
Außenelektroden
sind an der ersten bzw. zweiten Seitenfläche angeordnet.
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Bei
dem Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung
sind die passiven Abschnitte an mindestens einer Seite des aktiven
Abschnitts angeordnet, der die in Dickenrichtung abwechselnd angeordneten piezoelektrischen
Keramikschichten und Innenelektroden aufweist. Die passiven Abschnitte
weisen jeweils eine Konfiguration auf, bei der die Dummy-Innenelektroden
und die piezoelektrischen Keramikschichten abwechselnd angeordnet
sind. Die Dicke der jeweils zwischen den Dummy-Innenelektroden angeordneten
piezoelektrischen Keramikschichten nimmt mit dem Abstand von dem
aktiven Abschnitt zu. Wenngleich der aktive Abschnitt sich bezüglich Schrumpfens
von den passiven Abschnitten unterscheidet, kann daher verhindert
werden, dass es zu Absplittern vom Sinterkörper mit dem aktiven Abschnitt
und den passiven Abschnitten kommt bzw. es kann verhindert werden,
dass der aktive Abschnitt von den passiven Abschnitten gelöst wird,
wenn der Sinterkörper
durch einen Prozess gemeinsamen Brennens von Elektroden und Keramik
erzeugt wird. Denn die Dicke der jeweils zwischen den Dummy-Innenelektroden
angeordneten piezoelektrischen Keramikschichten nimmt mit dem Abstand
von dem aktiven Abschnitt zu, und daher ist die durch das unterschiedliche
Schrumpfen verursachte Beanspruchung zwischen diesen klein.
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Die
Dicke der jeweils zwischen den Dummy-Innenelektroden angeordneten
piezoelektrischen Keramikschichten nimmt mit dem Abstand von dem aktiven
Abschnitt zu, und die Dicke der außerhalb der jeweiligen äußersten
Dummy-Innenelektroden
in Dickenrichtung angeordneten äußersten
piezoelektrischen Keramikschichten ist größer als die der zwischen den
Dummy-Innenelektroden angeordneten piezoelektrischen Keramikschichten.
Selbst wenn die äußersten
piezoelektrischen Keramikschichten geschliffen werden, damit die
Größe des Sinterkörpers in
der Dickenrichtung angeglichen wird, werden daher die Dummy-Innenelektroden kaum
freigelegt. Daher kann das Auftreten von Defekten aufgrund des Freilegens
der Dummy-Innenelektroden verhindert werden. Dies führt zu einer
Ertragssteigerung.
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Wenn
der Abstand zwischen einer Oberfläche jedes passiven Abschnitts,
der sich in der Dickenrichtung am weitesten außen befindet, und der Dummy-Innenelektrode
des passiven Abschnitts, der sich in der Dickenrichtung am weitesten
außen
befindet, beim Angleichschritt auf 0,5% oder mehr der Größe des piezoelektrischen
Aktuators in der Dickenrichtung angeglichen wird, kann die Möglichkeit stark
verringert werden, dass die Dummy-Innenelektroden teilweise durch
Schleifen freigelegt werden. Die obere Grenze für die Größe desselben in der Dickenrichtung
ist nicht sonderlich beschränkt.
Um die Möglichkeit
zu reduzieren, dass die Dummy-Innenelektroden
freigelegt werden, ist die Größe desselben in
Dickenrichtung bevorzugt groß.
Wenn es daher bevorzugt ist, dass die Größe des piezoelektrischen Aktuators
in der Dickenrichtung nicht übermäßig groß ist, wird
der Abstand dazwischen bevorzugt auf 2,0% oder weniger der Größe des piezoelektrischen
Aktuators in der Dickenrichtung angeglichen.
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Wenn
der keramische Sinterkörper
durch einen Prozess des gemeinsamen Brennens von Elektroden und
Keramik erzeugt wird und daher monolithisch ist, kann effektiv verhindert
werden, dass aufgrund des unterschiedlichen Schrumpfens während des
gemeinsamen Brennens der keramische Sinterkörper zerbricht bzw. etwas von
ihm abbricht; daher wird die vorliegende Erfindung bevorzugt eingesetzt.
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Wenn
das Verfahren weiterhin den Schritt des Bildens der ersten und zweiten
Außenelektroden elektrisch
verbunden mit einigen der in dem aktiven Abschnitt enthaltenen Innenelektroden
umfasst, kann der piezoelektrische Aktuator mit den ersten und zweiten
Außenelektroden
erhalten werden; somit kann der piezoelektrische Aktuator mit den
ersten und zweiten Außenelektroden
mühelos
angesteuert werden.
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Der
erfindungsgemäße piezoelektrische
Aktuator wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten. Daher
wird nach dem Erzeugen des keramischen Sinterkörpers mit dem aktiven Abschnitt
und den passiven Abschnitten die Dicke des keramischen Sinterkörpers durch
Schleifen der piezoelektrischen Keramikschichten außerhalb
der Dummy-Innenelektroden, die am weitesten außen in Dickenrichtung des keramischen
Sinterkörpers
angeordnet sind, angeglichen. Da die Dicke der piezoelektrischen
Keramikschichten, die in Dickenrichtung am weitesten außen angeordnet
sind, größer als
die der piezoelektrischen Keramikschichten innerhalb der Dummy-Innenelektroden,
die am weitesten außen
in Dickenrichtung angeordnet sind, ist, werden die Dummy-Innenelektroden
kaum freigelegt, selbst wenn die äußersten piezoelektrischen Keramikschichten
stark geschliffen werden. Da weiterhin die Dicke der piezoelektrischen
Keramikschichten zwischen den Dummy-Innenelektroden mit dem Abstand von
dem aktiven Abschnitt zunimmt, ist die Verformung aufgrund des unterschiedlichen
Schrumpfens klein; somit kann der piezoelektrische Aktuator, bei
kaum ein Absplittern oder Grenzflächenablösen von dem keramische Sinterkörper eintritt,
an die Hand gegeben werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Aktuator kann, wenn die ersten und zweiten Außenelektroden an der ersten
bzw. zweiten Seitenfläche
des keramischen Sinterkörpers
angeordnet sind, der piezoelektrische Aktuator problemlos auch als
herkömmlicher
piezoelektrischer Aktuator verwendet werden, der eine erste und
eine zweite Außenelektrode
aufweist, die an einem Paar von Seitenflächen angeordnet sind.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine vordere Schnittansicht eines piezoelektrischen Aktuators nach
einer erfindungsgemäßen Ausführung.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines keramischen Sinterkörpers, der
zum Herstellen des in 1 gezeigten piezoelektrischen
Aktuators erzeugt wurde.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht einer Abwandlung eines in einem erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Aktuator enthaltenen keramischen Sinterkörpers.
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4 ist
eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines herkömmlichen
monolithischen piezoelektrischen Aktuators.
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- 1
- piezoelektrischer
Aktuator
- 2
- keramischer
Sinterkörper
- 2A
- keramischer
Sinterkörper
- 2a
und 2b
- erste
Seitenfläche
bzw. zweite Seitenfläche
- 2c
- obere
Fläche
- 2d
- untere
Fläche
- 2e
bis 2l
- Keramikschichten
- 3
- aktiver
Abschnitt
- 4
und 5
- passive
Abschnitte
- 6a
bis 6d
- erste
Innenelektroden
- 7a
bis 7d
- zweite
Innenelektroden
- 8a
bis 8c sowie 9a bis 9c
- Dummy-Innenelektroden
- 10
und 11
- erste
Außenelektrode bzw.
zweite Außenelektrode
- 12
- keramischer
Sinterkörper
- 18a
bis 18c und 19a bis 19c
- Dummy-Innenelektroden
-
Beste Art
der Durchführung
der Erfindung
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Nun
werden erfindungsgemäße Ausführungen
eingehend unter Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine vordere Schnittansicht eines piezoelektrischen Aktuators nach
einer erfindungsgemäßen Ausführung.
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Der
piezoelektrische Aktuator 1 umfasst einen keramischen Sinterkörper 2.
Der keramische Sinterkörper 2 wird
durch einen Prozess des gemeinsamen Brennens von Elektroden und
Keramik erzeugt und ist daher monolithisch. In dieser Ausführung ist
die Richtung entlang der Dicke jeder piezoelektrischen Keramikschicht,
die zwischen Innenelektroden angeordnet ist, als Dickenrichtung
definiert. Der in 1 gezeigte keramische Sinterkörper 2 wird so
erzeugt, dass ein keramischer Sinterkörper, dessen Größe in Dickenrichtung
größer als
die vertikale Größe des keramischen
Sinterkörpers 2 ist,
erzeugt und dann geschliffen wird. Dieser keramische Sinterkörper weist
insbesondere eine solche Größe in der Dickenrichtung
auf, dass sich dieser keramische Sinterkörper zwischen Positionen erstreckt,
die durch eine Strich-Punkt-Linie A oder B angezeigt werden. Beide
Endbereiche dieses keramischen Sinterkörpers, die voneinander in Dickenrichtung
beabstandet sind, werden so geschliffen, dass die durch Strich-Punkt-Linie
A oder B angezeigten Keramikschichtbereiche entfernt werden, wodurch
der keramische Sinterkörper 2 erhalten
wird.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht dieses keramischen Sinterkörpers 2A,
der noch nicht geschliffen wurde.
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Unter
Bezug auf 1 befindet sich dagegen ein
aktiver Abschnitt 3 in der Mitte des keramischen Sinterkörpers 2,
der sich in Dickenrichtung erstreckt. Passive Abschnitte 4 und 5 befinden
sich an beiden Seiten des keramischen Sinterkörpers 2, die voneinander
in der Dickenrichtung beabstandet sind. In der vorliegenden Erfindung
können
die passiven Abschnitte jeweils an einer Seite des keramischen Sinterkörpers angeordnet
sein.
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Der
aktive Abschnitt 3 weist erste Innenelektroden 6a bis 6d,
zweite Innenelektroden 7a bis 7d und Keramikschichten
auf, wobei die ersten und zweiten Innenelektroden 6a bis 6d sowie 7a bis 7d in der
Dickenrichtung abwechselnd angeordnet sind, wobei die Keramikschichten
jeweils dazwischen angeordnet sind.
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Der
keramische Sinterkörper 2 weist
eine erste Seitenfläche 2a auf,
und die ersten Innenelektroden 6a bis 6d erstrecken
sich zu der ersten Seitenfläche 2a.
Der keramische Sinterkörper 2 weist
eine zweite Seitenfläche 2b gegenüber der
ersten Seitenfläche 2a auf,
und die zweiten Innenelektroden 7a bis 7d erstrecken
sich zu der zweiten Seitenfläche 2b.
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Da
bei dem keramischen Sinterkörper 2 die ersten
und zweiten Innenelektroden 6a bis 6d sowie 7a bis 7d abwechselnd
angeordnet sind, wobei die Keramikschichten jeweils dazwischen angeordnet sind,
und die Keramikschichten in der Dickenrichtung polarisiert sind,
wird der aktive Abschnitt 3 durch Anlegen elektrischer
Felder zwischen den ersten und zweiten Innenelektroden 6a bis 6d sowie 7a bis 7d in der
Dickenrichtung gedehnt oder zusammengezogen, wodurch der piezoelektrische
Aktuator betrieben wird.
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Der
passive Abschnitt 4 umfasst Keramikschichten und Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c,
die sich zu der ersten Seitenfläche 2a erstrecken,
wobei die Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c und
diese Keramikschichten abwechselnd angeordnet sind. Alle der Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c erstrecken sich
zu der ersten Seitenfläche 2a,
erstrecken sich aber nicht zu der zweiten Seitenfläche 2b.
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Der
passive Abschnitt 5 weist Dummy-Innenelektroden 9a bis 9c sowie
Keramikschichten auf, wobei die Dummy-Innenelektroden 9a bis 9c und
die Keramikschichten abwechselnd angeordnet sind. Die Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c erstrecken
sich zu der zweiten Seitenfläche 2b,
erstrecken sich aber nicht zu der ersten Seitenfläche 2a.
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Eine
erste Außenelektrode 10 und
eine zweite Außenelektrode 11 erstrecken
sich über
die Seitenflächen 2a bzw. 2b.
Die erste Außenelektrode 10 ist
mit den in dem passiven Abschnitt 4 enthaltenen Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c und
den in dem aktiven Abschnitt 3 enthaltenen ersten Innenelektroden 6a bis 6d elektrisch
verbunden. Die zweite Außenelektrode 11 ist
mit den in dem aktiven Abschnitt 3 enthaltenen zweiten
Innenelektroden 7a bis 7d und den im passiven
Abschnitt 5 enthaltenen Dummy-Innenelektroden 9a bis 9c elektrisch
verbunden.
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Die
Innenelektrode 6a des aktiven Abschnitts 3 befindet
sich zwischen dem aktiven Abschnitt 3 und dem passiven
Abschnitt 4. Die Innenelektrode 6a, die am nächsten zum
passiven Abschnitt 4 angeordnet ist, und die Dummy-Innenelektrode 8a, die
am nächsten
zum aktiven Abschnitt 3 angeordnet ist, sind mit der Außenelektrode 10 verbunden
und werden daher bei dem gleichen Potential gehalten. Somit wird
an der zwischen der Innenelektrode 6a und der Dummy-Innenelektrode 8a angeordneten Keramikschicht 2e kein
elektrisches Feld angelegt. Die Keramikschicht 2e hat die
gleiche Dicke wie die Keramikschichten, die jeweils zwischen den
Innenelektroden 6a bis 6d sowie 7a bis 7d nebeneinander sandwichartig
eingeschlossen sind. Die Dummy-Innenelektrode 9a, die in
dem passiven Abschnitt 5 enthalten ist, der sich am nächsten zum
aktiven Abschnitt 3 befindet, sowie die zweite Innenelektrode 7d,
die in dem aktiven Abschnitt 3 enthalten ist, der am nächsten zum
passiven Abschnitt 5 befindet, sind mit der Außenelektrode 11 verbunden
und werden daher bei dem gleichen Potential gehalten. Somit wird
an der zwischen der Innenelektrode 7d und der Dummy-Innenelektrode 9a angeordneten
Keramikschicht 2i während
des Betriebs kein elektrisches Feld angelegt.
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Der
keramische Sinterkörper 2 kann
ein geeignetes piezoelektrisches Keramikmaterial enthalten, beispielsweise
Bleititanatzirconat oder Bleititanat. Die Innenelektroden 6a bis 6d sowie 7a bis 7d, die
Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c sowie 9a bis 9c und
die Außenelektroden 10 und 11 können ein geeignetes
leitendes Material wie Ag oder Cu enthalten. In dieser Ausführung werden
die Innenelektroden 6a bis 6d und 7a bis 7d sowie
die Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c sowie 9a bis 9c durch
einen Druckprozess unter Verwendung einer Ag/Pd-Paste gebildet.
Die Außenelektroden 10 und 11 enthalten Ag.
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Zur
Herstellung des piezoelektrischen Aktuators 1 dieser Ausführung wird
der in 2 gezeigte keramische Sinterkörper 2A erzeugt. Wenn
die Größe des keramischen
Sinterkörpers 2A in
der Dickenrichtung größer als
ein vorbestimmter Wert ist, werden beide Enden des keramischen Sinterkörpers 2A, d.h.
seine obere und untere Fläche,
so geschliffen, dass der keramische Sinterkörper 2A in der Dickenrichtung
eine vorbestimmte Größe hat,
wodurch der keramische Sinterkörper 2A erhalten
wird. Die Außenelektroden 10 und 11 werden
dann an den Seitenflächen 2a bzw. 2b des
keramischen Sinterkörpers 2 gebildet.
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Die
Dicke der piezoelektrischen Keramikschichten 2e bis 2g sowie 2i bis 2k,
die jeweils zwischen den Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c bzw. 9a bis 9c sandwichartig
eingeschlossen sind, nimmt mit dem Abstand von dem aktiven Abschnitt 3 zu.
Die Dicke der Innenelektrodenschicht 2f, die zwischen den
Dummy-Innenelektroden 8a und 8b sandwichtartig
eingeschlossen ist, ist zum Beispiel größer als die der Dummy-Innenelektrode 2e.
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Wie
in 2 gezeigt wird, nimmt die Dicke der piezoelektrischen
Keramikschichten 2e bis 2g, die zwischen den in
dem passiven Abschnitt 4 enthaltenen Dummy- Innenelektroden 8a bis 8c sandwichartig
eingeschlossen sind, mit dem Abstand von dem aktiven Abschnitt 3 zu.
Bevor der wie vorstehend beschrieben erzeugte keramische Sinterkörper 2A geschliffen
wird, weist die äußerste Keramikschicht 2h außerhalb
der äußersten
Dummy-Innenelektrode 8c eine Dicke auf, die größer als
die der piezoelektrischen Keramikschicht 2g ist.
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Bevor
der keramische Sinterkörper 2A geschliffen
wird, haben die in dem passiven Abschnitt 4 enthaltenen äußeren piezoelektrischen
Keramikschichten eine größere Dicke.
Selbst wenn der keramische Sinterkörper 2A so geschliffen
wird, dass seine Größe in der
Dickenrichtung angeglichen wird, d.h. selbst wenn ein von einer
Punkt-Strich-Linie
A in 1 umgebener Bereich durch Schleifen entfernt wird,
wird daher die äußerste Dummy-Innenelektrode 8c kaum
freigelegt.
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In
dem passiven Abschnitt 5 nimmt die Dicke der piezoelektrischen
Keramikschichten 2i bis 2k, die zwischen den Dummy-Innenelektroden 9a bis 9c sandwichartig
eingeschlossen sind, mit dem Abstand von dem aktiven Abschnitt 3 zu.
Bevor der keramische Sinterkörper 2A geschliffen
wird, weist die außerhalb
der äußersten
Dummy-Innenelektrode 9c angeordnete äußerste piezoelektrische Keramikschicht 2l eine
Dicke auf, die größer als
die der piezoelektrischen Keramikschicht 2k ist. Selbst
wenn wie vorstehend beschrieben Schleifen ausgeführt wird, wird daher die äußerste Dummy-Innenelektrode 9c kaum
freigelegt.
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Bei
dem piezoelektrischen Aktuator 1 dieser Ausführung werden
die äußersten
Dummy-Innenelektroden 8c und 9c kaum freigelegt,
selbst wenn die Größe desselben
in der Dickenrichtung durch Schleifen angeglichen wird. Dies führt zu einer
Verringerung der Anzahl defekter Produkte, was zu höherem Ertrag
führt.
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Von
den in den passiven Abschnitten 4 und 5 enthaltenen
piezoelektrischen Keramikschichten weisen die am nächsten zu
dem aktiven Abschnitt 3 angeordneten piezoelektrischen
Keramikschichten 2e und 2i im Wesentlichen die
gleiche Dicke wie die zwischen den Innenelektroden 6a bis 6d sowie 7a bis 7d angeordneten
piezoelektrischen Keramikschichten auf. Somit ähnelt während des Brennens das Schrumpfverhalten
der Bereiche der passiven Abschnitte 4 und 5 dem
Schrumpfverhalten des aktiven Abschnitts 3, wobei die Bereiche
nahe dem aktiven Abschnitt 3 angeordnet sind. Dies verhindert,
dass aufgrund des unterschiedlichen Schrumpfens zwischen dem aktiven
Abschnitt 3 und den passiven Abschnitten 4 und 5 der
Sinterkörper
zerbricht oder etwas von ihm abbricht.
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Die
Tatsache, dass das Auftreten von Defekten oder Rissen in dieser
Ausführung
verhindert wird, wird nun anhand eines Experiments eingehend beschrieben.
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Es
wurden die folgenden Folien erzeugt: piezoelektrische keramische
Grünfolien,
einschließlich einer
PZT-Keramik, mit jeweiligen Innenelektrodenmuster, die durch Drucken
unter Verwendung einer Ag/Pd-Paste zum Bilden der Innenelektroden 6a bis 6d sowie 7a bis 7d gebildet
wurden. Weiterhin wurden die folgenden Folien erzeugt: zweite piezoelektrische
keramische Grünfolien,
die vorrangig eine Ag/Pd-Keramik
enthielten, mit jeweiligen durch Drucken gebildeten Innenelektrodenmustern,
die den Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c sowie 9a bis 9c entsprachen.
Die folgenden Folien wurden erzeugt: dritte piezoelektrische keramische
Grünfolien
ohne Innenelektrodenmuster.
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Die
ersten bis dritten piezoelektrischen keramischen Grünfolien
wurden so geschichtet, dass der aktive Abschnitt 3 und
die passiven Abschnitte 4 und 5 gebildet wurden.
Die aufgeschichteten Folien wurden in der Dickenrichtung der Folien
gepresst, wodurch ein Pressling erzeugt wurde. Der wie vorstehend
beschrieben erhaltene Pressling wurde bei 1.050° gebrannt, wodurch der keramische
Sinterkörper 2A erhalten
wurde, der in der Richtung, in der die Folien geschichtet waren,
lang war. Der keramische Sinterkörper 2A hatte
eine Größe von 33
mm in der Dickenrichtung der Folien, d.h. in der Richtung, in der die
Folien geschichtet waren, und hatte ferner ein Querschnittprofil,
das 9 mm zum Quadrat und senkrecht zur Dickenrichtung war. Der Abstand
zwischen der oberen oder unteren Fläche des keramischen Sinterkörpers 2A,
d.h. einem der Endbereiche des keramischen Sinterkörpers 2A,
die voneinander in Dickenrichtung beabstandet waren, und der äußersten
Dummy-Innenelektrode,
die am nächsten
zu dem Endbereich angeordnet war, betrug 1,0 mm. Die Seitenflächen 2a, 2b, 2c und 2d des
keramischen Sinterkörpers 2A wurden
mit einer Flächenschleifmaschine
geschliffen, so dass die Seitenflächen 2a, 2b, 2c und 2d eine
Größe von 8,6
mm × 8,6
mm hatten. Die oberen und unteren Flächen des keramischen Sinterkörpers 2A,
d.h. beide Enden des keramischen Sinterkörpers 2A, die in der
Dickenrichtung voneinander beabstandet waren, wurden so bearbeitet, dass
der keramische Sinterkörper 2A eine
Größe von 32
mm in der Dickenrichtung hatte. Die Ag enthaltenden Außenelektroden 10 und 11 wurden
dann an den Seitenflächen 2a bzw. 2b gebildet,
wodurch der piezoelektrische Aktuator 1 erhalten wurde.
Die Schleiftoleranz jedes in der Dickenrichtung geschliffenen Endbereichs
betrug 0,5 mm.
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Wenngleich
die Schleiftoleranz desselben 0,5 mm betrug und der bearbeitete
keramische Sinterkörper 2A wie
vorstehend beschrieben eine Größe von 32
mm in der Dickenrichtung aufwies, wurden die äußersten Dummy-Innenelektroden 8c und 9c nicht freigelegt.
Dies zeigt, dass das Entstehen von durch die äußersten Dummy-Innenelektroden verursachten Defekten
verhindert wird.
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Für gewöhnlich sind
in dem piezoelektrischen Aktuator 1 die Außenelektroden 10 und 11 mit Anschlussleitungen
an den passiven Abschnitten 4 und 5 elektrisch
verbunden. Um die Außenelektroden 10 und 11 mit
den Anschlussleitungen durch Löten
zu verbinden, müssen
die sich an den passiven Abschnitten 4 und 5 erstreckenden
Außenelektroden 10 und 11 eine
Größe von etwa
0,5 mm in Dickenrichtung haben. Wenn die piezoelektrischen Keramikschichten
zwischen den Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c und 9a bis 9c die
gleiche Dicke haben, wird die Anzahl der mit den Anschlussleitungen
verbundenen Dummy-Innenelektroden groß und daher sind die Herstellkosten
hoch. In dieser Ausführung
dagegen nimmt die Dicke der Keramikschichten zwischen den Dummy-Innenelektroden
mit dem Abstand von dem aktiven, Abschnitt 3 zu. Wenngleich
die Außenelektroden 10 und 11 eine
Größe von etwa
0,5 mm in der Dickenrichtung haben, ist die Anzahl der Dummy-Innenelektroden klein.
Dies senkt die Herstellungskosten.
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In
der obigen Ausführung
erstrecken sich die Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c sowie 9a bis 9c zu den
Seitenflächen 2a bzw. 2b,
so dass die Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c und 9a bis 9c mit
den Außenelektroden 10 bzw. 11 verbunden
sind. In einer anderen Ausführung
müssen
sich die Dummy-Innenelektroden
nicht zu Seitenflächen
erstrecken, an denen Außenelektroden
ausgebildet sind. 3 zeigt einen keramischen Sinterkörper 12,
der eine Abwandlung ist. Wie in dieser Figur gezeigt wird, erstrecken
sich Dummy- Innenelektroden 18a bis 18c und 19a bis 19c nicht
zu Seitenflächen,
an denen Außenelektroden
auszubilden sind, und können
von nicht kontaktierender Art sein.
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Zusammenfassung
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Das
folgende Verfahren wird an die Hand gegeben: ein Verfahren zum Herstellen
eines piezoelektrischen Aktuators, bei dem ein Sinterkörper aufgrund
unterschiedlichen Schrumpfens während
des Brennens kaum Absplittern oder Rissbildung aufweist und bei
dem Defekte kaum verursacht werden, da die äußersten Dummy-Innenelektroden
nicht freigelegt werden.
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Das
Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Aktuators 1 ist
wie folgt: ein keramischer Sinterkörper wird erzeugt und die Größe des keramischen
Sinterkörpers
wird in einer nachstehend definierten Dickenrichtung durch Schleifen
von piezoelektrischen Keramikschichten angeglichen, die in dem keramischen
Sinterkörper
enthalten sind und am weitesten außen in der Dickenrichtung angeordnet
sind. In dem keramischen Sinterkörper
sind Innenelektroden jeweils zwischen piezoelektrischen Keramikschichten
angeordnet; die Dickenrichtung wird als die Richtung entlang der
Dicke der piezoelektrischen Keramikschicht definiert; die passiven Abschnitte 4 und 5 sind
jeweils an mindestens einer Seite des aktiven Abschnitts 3 zum
Ansteuern des piezoelektrischen Aktuators in der Dickenrichtung
angeordnet; Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c sowie 9a bis 9c sind
in den passiven Abschnitten 4 und 5 so angeordnet,
dass die Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c sowie 9a bis 9c jeweils
zwischen Keramikschichten angeordnet sind; und die Dicke der zwischen
den Dummy-Innenelektroden angeordneten piezoelektrischen Keramikschichten
nimmt mit dem Abstand von dem aktiven Abschnitt zu.