DE3434726A1

DE3434726A1 - Piezoelektrisches element

Info

Publication number: DE3434726A1
Application number: DE19843434726
Authority: DE
Inventors: Akira Takatsuki Osaka Ando; Satoru Muko Kyoto Fujishima; Toshio Kyoto Ogawa
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1983-09-22
Filing date: 1984-09-21
Publication date: 1985-04-18
Also published as: JPS6066882A; DE3434726C2; US4649313A; JPH0418712B2

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Element gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs mit einem Sinterkörper, der durch gemeinsames Brennen mehrerer übereinander geschichteter piezoelektrischer keramischer Schichten erhalten wird.

Ein derartiges Element, wie es zum Beispiel aus der JP-OS 69999/1981 bekannt ist, wird nun anhand von Fig. 1 näher erläutert. Mehrere keramische Schichten 2a - 2f sind unter zwischenliegenden Elektrodenbelägen Ib - If übereinandergestapelt und gemeinsam gebrannt. Ganz oben befindet sich eine Elektrode la und ganz unten eine Elektrode Ig, die ähnlich wie die Elektroden Ib-If gemeinsam mit diesen oder nach dem Brennen gebildet sind. Zum Polarisieren des angegebenen Elementes erfolgt ein elektrisches Verbinden und Anlegen von Spannungen, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Dabei werden die Keramikschichten 2a - 2f in den in Fig. 1 durch Pfeile dargestellten Richtungen polarisiert. Nach dem Polarisieren werden elektrische Spannungen von linken und rechten äußeren Elektroden zugeführt, wodurch die Gruppen der keramischen Schichten 2a - 2c und 2d - 2f in entgegengesetzten Richtungen zueinander ausgedehnt bzw. zusammengezogen werden, so daß das gesamte Element sich biegt. Ein derartiges mehrschichtiges piezoelektrisches Element funktioniert insgesamt ähnlich wie der bekannte bimorphe Schwinger. Jedoch können die Dicken der Schichten 2a - 2f sehr dünn gewählt werden, da der Sinterkörper durch Ubereinanderstapeln der Schichten und gemeinsames Brennen derselben erhalten wird. Dadurch wird geringe Impedanz bei auf einfache Weise erhöhbaren Verschiebungen erzielt. Die Elektrodenbeläge Ib-If werden im allgemeinen durch Aufbringen einer Metallpaste auf die keramischen Schichten 2a - 2f und Brennen derselben gewonnen. Dadurch sind die Elektrodenbeläge sehr dünn,

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d. h. etwa 2 um - 5 um. Wenn das piezoelektrische Elementgemäß Fig. 1 betrieben wird, erfolgt in den aneinanderliegenden Schichten 2c und 2d jeweils eine zueinander entgegengesetzte Auslenkung, d. h. ein Ausdehnen bzw. ein Zusammenziehen, wodurch die piezoelektrischen Keramikteilchen zu beiden Seiten des Elektrodenbelages Id wechselseitige Belastungen erfahren. Da die Gruppe der keramischen Schichten 2a - 2c oberhalb des Elektrodenbelages Id einerseits und andererseits die Gruppe der keramischen Schichten 2d - 2f unterhalb desselben entgegengesetzte Auslenkungen erfahren, konzentrieren sich die Spannungen in den piezoelektrischen Schichten 2c und 2d in der Umgebung um den Elektrodenbelag Id. Diese Spannungskonzentration beeinflußtdie Verschiebung und führt zu einer relativ großen Verschiebungshysterese beim.piezoelektrischen Element gemäß Fig. 1. Diese Hysterese tritt dann auf, wenn positive und negative Spannungen abwechselnd an das Element angelegt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches Element der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem es möglich ist, eine möglichst geringe Verschiebungshysterese zu erzielen.

Die Erfindung ist durch die Merkmale des Hauptanspruchs gegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen .

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Sinterkörper in Dickenrichtung in drei Bereiche untergliedert ist. Der erste Bereich erfährt beim Anlegen von Spannungen eine Verschiebung entgegengesetzt zu der des dritten Bereichs. Dagegen wirkt der zweite, mittlere Bereich als Pufferzone für

JO Schwingungen aufgrund entgegengesetzter Verschiebungen im ersten und dritten Bereich.

Eine Einrichtung zum Erzielen von Pufferwirkung im zweiten Bereich besteht vorteilhafterweise darin, daß die Potentiale der Elektrodenbeläge zu beiden Seiten des zweiten Bereichs in Dickenrichtung gesehen gleich gemacht werden. Ein entsprechender Effekt kann dadurch erzielt werden, daß der zweite Bereich aus einer nicht polarisierten Schicht besteht oder aus einer Schicht, die schwächer polarisiert ist als die Schichten im ersten und dritten Bereich. Durch alle diese Maßnahmen wird der Polarisationsgrad im zweiten Bereich geringer als derjenige in den Schichten des ersten und dritten Bereichs, wodurch Spannungen aufgrund der entgegengesetzten Auslenkungen im ersten und dritten Bereich im zweiten Bereich gepuffert werden.

Wenn der zweite Bereich durch mehrere keramische Schichten gebildet ist, weist die Puffereinrichtung vorteilhafterweise einen gitterförmigen Elektrodenbelag zwischen diesen Schichten auf. Eine gute Pufferwirkung läß.t sich auch dann erzielen, wenn die keramischen Schichten im zweiten Bereich dicker gewählt werden als diejenigen im ersten und dritten Bereich. Dadurch wird der zweite Bereich insgesamt dick, was zu einem guten Puffern der Spannungen aus dem ersten und dritten Bereich führt.

Für die Pufferwirkung im zweiten Bereich ist es unerheblich, ob der erste und der dritte Bereich eine gleiche oder unterschiedliche Anzahl von keramischen Schichten aufweist. Durch unterschiedliche Wahl der Schichten läßt sich jedoch eine bestimmte Schwingungemode des piezoelektrischen Elementes auswählen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher veranschaulicht. Es zeigen:

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Pig. 1 eine schematische Seitenansicht eines bekannten piezoelektrischen Elements;

Pig. 2 und 3 schematische Seitenansichten eines piezoelektrischen Elements zum Erläutern des erfin

dungsgemäßen Prinzips, wobei Fig. 2 den Zustand des Einsteilens der Polarisation und Fig. 3 einen betriebenen Zustand darstellt;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die einzelnen Schichten eines erfindungsgemäßen Elementes mit auf den Schichten

aufgebrachten Elektrodenbelägen;

Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht zum

Erläutern der Flächenbezeichnungen eines Sinterkörpers;

Fig. 6 eine schematische perspektivische Ansicht eines

Sinterkörpers, wie er durch Uoereinanderstapeln der Schichten gemäß Fig. 4 und darauffolgendes Brennen und abschließendes Anbringen von Polarisierelektroden erhalten wird;

Fig. 7 eine schematische Seitenansicht durch ein piezoelektrisches Element zum Erläutern des Anschlusses von Elektroden zum Polarisieren des Körpers gemäß Fig. 6;

Fig. 8 eine schematische perspektivische Ansicht des mit äußeren Elektroden versehenen Sinterkörpers nach

dem Polarisationsvorgang gemäß Fig. 7;

Fig. 9 eine schematische Seitenansicht ähnlich der von Pig. 7» jedoch einen betriebenen Zustand darstellend;

Pig. 10 eine schematische Seitenansicht zum Erläutern von Vorgängen im zweiten Bereich des Elementes gemäß der ersten AusfUhrungsform der Pig. 4 —9J

Pig. 11 eine Darstellung entsprechend der von Pig. 7> jedoch für eine zweite Ausführungsform eines

piezoelektrischen Elements;

Fig. 12 eine Darstellung entsprechend der von Pig. 11,

jedoch zum Erläutern eines betriebenen Zufatandes statt dem Polarisierungszustand;

Pig. 13 eine Draufsicht auf die Ausgestaltung eines Elektrodenbelages;

Fig. Ik eine Ansicht entsprechend der von Fig. 7_t jedoch für eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elementes;

Fig. 15 und 16 schematische Ansichten entsprechend den

Pig. 7 und 9i jedoch für eine vierte Ausführungsform;

Fig. 17 und 18 Ansichten entsprechend denen der Pig. 7 und 9, jedoch für eine fünfte Ausführungsform;

Flg. 19 und 20 Ansichten entsprechend den Fig. 7 und 9,

jedoch für eine sechste Ausführungsform; und

Fig. 21 und 22 Ansichten gemäß den Fig. 7 und 9, jedoch für eine siebte Ausführungsform.

Anhand der Fig. 2 und 3 wird nun das Prinzip eines piezo- ■ elektrischen Elementes mit drei Schichten erläutert. Dabei zeigt Fig. 2 den Anschlußzustand für den Polarisierungs-

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Vorgang und Fig. J die elektrischen Verbindungen für einen betriebenen Zustand. Drei keramische Schichten 3a - 3c sind unter zwischenliegenden Elektrodenbelägen 4b und 4c übereinandergestapelt. Es kann noch mindestens eine weitere (nicht dargestellte) keramische Schicht über zwischenliegende Elektrodenbeläge an die außen liegenden Elektroden 4a und/oder 4d angelagert sein. Zum einfachen Erläutern sind jedoch nur drei Schichten 3a - 3c dargestellt. Beim Aufbau gemäß Fig. 2 bildet die oberste keramische Schicht 3a einen ersten Bereich, die mittlere keramische Schicht 3b bildet einen zweiten Bereich und die unterste keramische Schicht 3c bildet einen dritten Bereich. Wenn eine positive und eine negative Spannung, wie in Fig. 2 dargestellt, angelegt werden, werden die keramischen Schichten 3a und Jq in zueinander entgegengesetzten Richtungen polarisiert, was durch Pfeile dargestellt ist. Dagegen wird die mittlere Schicht 3b nicht polarisiert, da die Potentiale der Elektrodenbeläge 4b und 4c zu ihren beiden Seiten gleich sind. Wenn nach dem Polarisieren Treiberspannungen gemäß Fig. J angelegt werden, zieht sich die keramische Schicht 3a in Dickenrichtung zusammen, während die keramische Schicht 3c eine Ausdehnung erfährt. Durch die rechts neben den die Polarisationsrichtung andeutenden Pfeilen sind Symbole eingezeichnet, die die Auslenkrichtung anzeigen, wobei das Symbol X ein Zusammenziehen in Dickenrichtung und das Symbol $ ein Ausdehnen in Dickenrichtung anzeigt.

Da die mittlere Keramikschicht 3b nicht polarisiert ist, verursacht sie beim Anlegen von Treiberspannungen keine Schwingungen. Durch in den keramischen Schichten 3a und 3c, die den ersten bzw. dritten Bereich bilden, hervorgerufene Verschiebungen in entgegengesetzten Richtungen hervorgerufene Spannungen werden durch die den zweiten Bereich bildende keramische Schicht 3b gepuffert. Dadurch läßt sich Ver-

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sohiebungshysterese erheblich verringern, wie sie durch Verzerrungen hervorgerufen ist, die durch die Verschiebungen des ersten und des zweiten Bereiches gegeneinander hervorgerufen wird.

Die Verschiebungshysterese wird also durch eine Puffereinrichtung im zweiten Bereich zwischen dem ersten und dem dritten Bereich verringert. Wie die Puffereinrichtung ausgeführt sein kann, wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es wird darauf hingewiesen, daß der Aufbau gemäß Fig. 3 im Prinzip auch durch Übereinanderstapeln zuvor polarisierter keramischer Schichten erhalten werden kann. So könnten keramische Schichten 3a und 3c zunächst in den dargestellten Richtungen polarisiert werden und mit einer unpolarisierten Schicht yo über Elektrodenbeläge verbunden werden. Wenn derartige vorpolarisierte keramische Schichten verwendet werden, kann jedoch keinesehr geringe Dicke erzielt werden, was dann dazu führt, daß nur geringe Verschiebungen erhalten werden können.

Dagegen ist das erfindungsgemäße Element aus einem Sinterkörper aufgebaut, der durch Übereinanderstapeln der keramischen Schichten mit zwischenliegenden Elektrodenbelägen und anschließendes gemeinsames Brennen erhalten wird. Anmeldegemäße Elemente unterscheiden sich daher völlig von bekannten Elementen, bei denen gesinterte keramische Schichten übereinandergelagert werden.

Ein erstes Ausführungsbeispiel wird nun anhand der Fig. 4 bis 10 erläutert. Beim ersten Ausführungsbeispiel liegt eine gerade Anzahl piezoelektrischer keramischer Schichten, im Beispielsfall acht keramischer Schichten übereinander. Der im folgenden verwendete Begriff der "Stapelzahl" beschreibt

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die Anzahl piezoelektrisoher keramischer Schichten, die zwischen äußeren Elektroden angeordnet sind. Die Gesamtzahl der Elektroden ist daher um eines höher als die Stapelzahl.

Wie in Pig. 4 dargestellt, werden zunächst acht ungebrannte keramische Folien 5a - 5h hergestellt, die die piezoelektrischen keramischen Schichten bilden sollen. Die ungebrannten Folien 5a - 5h können aus Bleititanat, Bariumtitanat, Bleizirkontitanat oder Abwandlungen dieser keramischen Substanzen bestehen. Auf die Folien werden Metallpastenbeschichtungen 6a - 6h durch Aufdrucken auf vorbestimmte Gebiete der Oberflächen der Folien 5a - 5h aufgetragen, um daraus Elektrodenbeläge zu bilden. Auf die ungebrannte Keramikfolie 5h wird außer mit der Beschichtung 6h auf ihrer gegenüberliegenden Seite noch mit einer Beschichtung 6i versehen. Die unter der Folie 5h liegende Schicht 6i ist mit ausgezogenen Linien dargestellt, wozu die Folie 5h strichpunktiert angedeutet ist. Die Beschichtungen 6a - 6i sind durch ein Metall oder durch eine Legierung mit hohem Schmelzpunkt, wie Palladium oder eine Silber-Palladium-Legierung gebildet. Was jedoch die Metallpastenbeschichtungen 6a und 6i angeht, so ist zu beachten, daß das Erhitzen von Metallen oder Legierungen mit Palladium oder Silber-Palladium zu Oxidation und einem Erhöhen der Widerstände führt. Diese Elektroden werden daher zweckmäßigerweise nach dem Erzeugen des Sinterkörpers durch Erhitzen von z. B. Silberpaste hergestellt.

Zum Erhalten einer vorgegebenen Dicke kann jede der ungesinterten Keramikfolien 5a - 5h durch Übereinanderlagern mehrerer Teilfolien gebildet werden.

Wenn ungesinterte keramische Folien 5a - 5h gemäß Fig. verwendet werden, haften diese nach dem Sintern aufgrund der zwischenliegenden Beläge 6b - 6h nicht allzu gut aneinander. Dieses Problem kann jedoch durch verschiedene Methoden umgangen werden. Z.B. kann Keramikpulver in die Metallpaste für die Beläge 6b - 6h gemischt werden, was zu einem festen Verbinden der Schichten 5a - 5h untereinander führt. Es können aber auch, wie dies in bezug auf die Elektrode 6b in Fig. 4 dargestellt ist, Schlitze 28 in Bereichen der Elektrode ausgebildet sein, so daß im Bereich dieser Schlitze die piezoelektrischen Schichten frei liegen. Durch die Schlitze 28 in den Belägen hindurch haften die keramischen Schichten auch nach dem Sintern gut aneinander. Die Schlitze 28 erstrecken sich vorzugsweise rechtwinklig zur Längserstreckung der piezoelektrischen keramischen Schicht, damit die Biegeschwingung derselben nicht negativ beeinflußt wird.

Die acht keramischen ungesinterten Folien 5a - 5h werden nach dem Beschichten mit Metallpaste senkrecht übereinandergestapelt und gepreßt. Danach erfolgt das Erhitzen, wodurch der Sinterkörper erhalten wird. Die Metallpastenbeschichtungen 6a und 6i können auch nachträglich aufgebracht und erhitzt werden. Die ungesinterten Folien 5s - 5h bilden dann die keramischen Schichten, während die Beläge 6a - 6i die Elektroden bilden. Das Muster der Metallpastenbeschichtungen 6a - 6i entspricht dann direkt den Mustern der Elektrodenbeläge. Aus diesem Grund sind keramische Schichten in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen wie die ungesinterten keramischen Folien. Entsprechend sind die Metallpastenbeschichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen wie die aus ihnen hervorgehenden Elektrodenbeläge. Damit ist deutlich gemacht, welche Schichten und Kontaktierungen

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durch das Brennen aus entsprechenden Schichten und Kontaktierungen vor dem Brennen hervorgehen.

Der Sinterkörper 7 gemäß Fig. 5 weist vier Randflächen Al, A2, Bl undB2 auf, die unter anderem mit äußeren Anschlüssen versehen werden.

Der Sinterkörper 7 wird wie folgt polarisiert. Es wird zunächst die Seitenfläche Al mit Polarisationselektroden 8 und 9, wie in Fig. 6 dargestellt, versehen. Diese können durch Erhitzen von Silber aufgebracht werden, da sie keinen hohen Temperaturen unterliegen, wie sie beim Brennen der ungesinterten keramischen Folien auftreten. Die Polarisationselektrode 8 steht mit den Elektrodenbelägen 6a, 6c, 6e, 6g und 6 i in Verbindung, während die andere Polarisationselektrode 9 mit den Elektroden 6b, 6d, 6f und 6h verbunden ist. Dies ist in Fig. 7 dargestellt.

Wie aus Fig. 7 weiter ersichtlich ist, ist die eine Polarisationselektrode 8 an eine positive Spannung angeschlossen* während der anderen Polarisationselektrode 9 eine negative Spannung für den Polarisationsprozeß zugeführt wird. Dadurch werden die piezoelektrischen keramischen Schichten 5a bis 5h zwischen den Elektroden 6a - 6i so polarisiert, wie dies in Fig. 7 durch die in Dickenrichtung zeigenden Pfeile dargestellt ist. Die Polarisation erfolgt aufeinanderfolgenden Schichten jeweils entgegengesetzt zueinander.

Nach dem Polarisieren werden die Polarisationselektroden 8 und 9 entfernt. Danach wird der Sinterkörper 7 an der Seitenfläche A2 mit äußeren Elektroden 10 und 11 versehen, wie sie in Fig. 8 dargestellt sind. Diese äußeren Elektroden 10 und 11 bestehen aus einer thermisch aushärtbaren leitfähigen Paste, die bei einer Temperatur aushärtet,

die noch kein Depolarisieren hervorruft, z. B. bei Temperaturen bis etwa 200 ⁰C. Die äußere Elektrode 10 steht elektrisch mit den Belägen 6b, 6d, 6g und 6i in Verbindung, die auf den Folien 5a - 5h gemäß Pig. 4 ausgebildet sind. Die andere äußere Elektrode 11 steht mit den Belägen 6a, 6c, 6f und 6h in Verbindung. Dies ist in Fig. 9 dargestellt.

Wenn Treiberspannungen an die äußeren Elektroden angelegt werden, schwingt der Sinterkörper 7 in Biegeschwingungen. Wenn z. B. die äußere Elektrode 10 mit einer negativen Spannung und die äußere Elektrode 11 mit einer positiven Spannung versorgt wird, dehnen sich die Schichten 5a, 5b und 5c in Dickenrichtung, während sich die Schichten 5f, 5g und 5h zusammenziehen. Der in Dickenrichtung ausgedehnte Bereich der Schichten 5a., 5b und 5c liegt oben und bildet einen ersten Bereich. Der aus den Schichten 5f, 5g und 5h bestehende zusammengezogene Bereich liegt unten und bildet einen dritten Bereich. Die Gruppen der Schichten, die den ersten bzw. zweiten Bereich bilden, erfahren also Verschiebungen in zueinander entgegengesetzten Richtungen. Wenn also die äußeren Elektroden 10 und 11 mit Spannungen versorgt werden, wie sie in Fig. 9 dargestellt sind, erfährt der Sinterkörper 7, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, ein derartiges Durchbiegen, daß der Mittenbereich in Längsrichtung nach unten zeigt. Wenn dagegen die Spannung an den Elektroden 10 und 11 umgepolt wird, wird der Sinterkörper in umgekehrter Richtung gebogen.

Wie in Fig. 9 dargestellt, wird die mittlere, fünfte Elektrode 6e nicht mit Spannung versorgt, so daß sie elektrisch frei ist. Dadurch dehnen sich die Schichten 5d und 5^e zu J)O beiden Seiten der Elektrode 6e nicht aus noch ziehen sie sich zusammen. Dies führt dazu, daß die Verzerrungen, die

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durch die Auslenkungen der Schichten 5a —5c im ersten Bereich bzw. der Schichten 5f - 5h im dritten Bereich hervorgerufen sind, durch die Schichten 5d und 5e wirkungsvoll absorbiert werden, so daß Verschiebungshysterese aufgrund konzentrierter Spannungen vermieden wird, wie sie durch die Schwingungen in unterschiedlichen Richtungen ausgehend vom ersten und dritten Bereich erzeugt werden.

Tatsächlich dehnt sich jedoch die piezoelektrische keramische Schicht 5d etwas in Dickenrichtung, während sich die keramisehe Schicht 5e etwas zusammenzieht, da trotz der freien Elektrode 6e eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 6d und 6f hervorgerufen wird, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist. Da jedoch die Spannungen an die piezoelektrischen keramischen Schichten 5<ä und 5^e halb so groß sind wie die an die anderen Schichten, ist das Ausmaß der Ausdehnung und des Zusammenziehens verringert. Dadurch ist die Auslenkungshysterese zuverlässig dadurch verringert, daß die Elektrode 6e elektrisch frei gehalten wird.

Die zweite Ausführungsform gemäß den Fig. 11 und 12 unterscheidet sich von der gemäß den Fig. 7 und 9 dadurch, daß der Polarisationsprozeß nunmehr gemäß Fig. 11 mit einer Beschaltung gemäß Fig. 9 stattfindet, während der betriebene Zustand gemäß Fig. 12 mit einer Beschaltung entsprechend dem Polarisationsprozeß gemäß Fig. 7 erfolgt.

Die äußeren Elektroden 10 und 11 gemäß Fig. 9 sind nun durch Polarisationselektroden 18 bzw. 19 gemäß Fig. 11 ersetzt. Wenn, wie beim Beispiel gemäß Fig. 11, der Polarisationselektrodel8 eine negative Spannung und der Polarisationselektrode 19 eine positive Spannung zugeführt wird, werden die piezoelektrischen keramischen Schichten 15a - 15h in den durch Pfeile gekennzeichneten Richtungen polarisiert. Die mittlere Elektrode l6e wird mit keiner der beiden Span-

nungen verbunden, wodurch die Schichten I5d und 15e zu beiden Seiten des mittleren Elektrodenbelages I6e durch das Potential zwischen den Belägen Iod und I6f polarisiert werden.

Da jedoch die Entfernung zwischen den Belägen I6d und I6f doppelt so groß ist wie die Dicke jeder der Schichten 15a, 15b, 15c 15f, 15g und 15h, ist der Polarisationsgrad verringert.

Gemäß Fig. 12 sind die Polarisationselektroden 8 und 9 gemäß Fig. 7 durch äußere Elektroden 20 bzw. 21 ersetzt.

Im Beispielsfall der Fig. 12 wird der äußeren Elektrode eine negative Spannung und der äußeren Elektrode 21 eine positive Spannung zugeführt. Dann dehnen sich die Schichten 15a - 15c aus, während sich die Schichten I5f - 15h zusammenziehen, wie dies durch die Doppelpfeile gekennzeichnet ist.

Da die Schichten 15c und I5e, die den zweiten Bereich bilden, geringer polarisiert sind als die übrigen Schichten, die den ersten bzw. dritten Bereich bilden, schwingen die Schichten 15d und 15e geringer als die übrigen Schichten. Darüberhinaus kann, wie in der Draufsicht von Fig. 13 dargestellt, der Elektrodenbelag I6e gitterförmig auf einer Oberfläche der keramischen Schicht 15e ausgebildet sein. In diesem Fall ist der zwischen den Belägen l6e und 16d oder löf beim Betreiben des Elementes gemäß Fig. 12 hervorrufbare piezoelektrische Effekt sehr gering. Dies führt neben dem geringen Polarisationsgrad dazu, daß die Schichten 15d und I5e noch geringer als die Schichten 15a - 15c bzw. 15f - 15h schwingen, die den ersten bzw. dritten Bereich bilden. Die Schichten 15d und I5e sind in Fig. 12 daher nicht mit Verschiebungsdoppelpfeilen verseien. Da-

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durch, daß in den Schichten 15d. und I5e Schwingungen erheblich geringer sind als in den übrigen Schichten, vermögen sie Verschiebungshysterese wirkungsvoll zu absorbieren, wie sie durch Verzerrungen verursacht wird, die durch die Verschiebungen des oberen und des unteren Bereiches gegeneinander hervorgerufen sind. Die Puffereinrichtung bei der Ausführungsform gemäß Fig. 12 besteht also darin, daß ein schwacher Polarisationsgrad der piezoelektrischen Schichten 15d und 15e gewählt wird, und/oder daß ein gitterförmiger Elektrodenbelag I6e verwendet wird.

Die dritte Ausführungsform gemäß Fig. 14, die dort im Zustand des Polarisationsprozesses dargestellt ist, zeichnet sich dadurch aus, daß piezoelektrische keramische Schichten 35<i und 35e, die den zweiten Bereich bilden, erheblieh dicker sind als Schichten 35a - 35c, die den ersten Bereich bilden,und Schichten 35f - 35h* die den dritten Bereich bilden. Im übrigen stimmt der Aufbau mit dem der Fig. 11 und 12 überein. Die Dicke der piezoelektrischen Schichten 35d und 35e beträgt z. B. etwa 70 um, während die der anderen Schichten etwa 4o um beträgt. Durch die größere Schichtdicke ist der Polarisationsgrad in den Schichten 35d und 35e geringer als in den anderen Schichten. Es handelt sich also um eine Maßnahme, die dazu geeignet ist, von den unterschiedlichen Auslenkungen im ersten und zweiten Bereich herrührende Verzerrungen noch besser zu absorbieren.

Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 15 und 16 liegt eine ungerade Zahl von piezoelektrischen keramischen Schichten, im Beispielsfall 9 Schichten 45a - 45i vor, die über zwischenliegende Bezugselektroden 46b - 46i und äußere Elektroden 46a und 46j überelnandergestapelt sind. Der Brenn-

prozeß erfolgt entsprechend wie bei den anderen Ausführungsformen beschrieben. Alle piezoelektrischen Schichten 45a 45i werden jeweils entgegengesetzt zueinander polarisiert, wie dies in Fig. 15 dargestellt ist. Für den Fall des Betreibens erfolgt das Anlegen von Spannungen über eine äußere Elektrode 50 mit positiver Spannung und eine äußere Elektrode 51 mit negativer Spannung, wie in Fig. 16 dargestellt. Die Schichten 45a - 45d dehnen sich dann in Dickenrichtung aus, während sich die Schichten 45f - 45i zusammenziehen. Die aus den jeweils genannten Schichten gebildeten Gruppen für den ersten und den dritten Bereich erfahren also einander entgegengesetzte Auslenkungen.

Bei der dargestellten Anschlußart liegen die Elektrodenbeläge 46e und 46f zu den beiden Seiten der Schicht 45e auf demselben Potential. An der Schicht 45e liegt also keine Spannung an,so daß sie trotz ihrer Polarisation keinen Schwingungen unterliegt.. Die Puffereinrichtung ist hier durch die Elektrodenbeläge 46e und 46f mit der dazwischenliegenden Schicht 45e gebildet. Der aus diesen Teilen gebildete zweite Bereich erfährt keine Schwingungsanregung und er. absorblertöie Spannungen, die durch unterschiedliche Auslenkungen in den Bereichen zu seinen beiden Seiten erzeugt sind.

Die fünfte Ausführungsform gemäß den Fig. 17 und l8 unterscheidet sich von der dritten Ausführungsform dadurch, daß nun das Polarisieren gemäß Fig. 17 mit den elektrischen Verbindungen gemäß Fig. 16 und das elektrische Betreiben im Betriebsfall gemäß Fig. 18 mit der Schaltung gemäß Fig. 15 erfolgt. Dies führt dazu, daß eine piezoelektrische keramische Schicht 55e, die einen zweiten Bereich bildet, nicht polarisiert wird. Dadurch wird diese Schicht nicht

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zu Schwingungen angeregt, und sie 1st in der Lage, Spannungen von den beiden anschließenden Bereichen zu absorbieren und dadurch die Verschiebungshysterese zu verringern.

Bei allen bisher beschriebenen Ausführungsformen weisen der erste und der dritte Bereich jeweils gleich viele piezoelektrische keramische Schichten auf. Dadurch entsprechen auch die Dicken und die Auslenkungen in entgegengesetzten Richtungen einander. Für die Wirkung des Spannungen absorbierenden zweiten Bereichs ist es jedoch unerheblich, wie der erste und der dritte Bereich genau ausgebildet sind. Bei den zwei folgenden, anhand der Fig. 19-22 beschriebenen Ausführungsbeispiele, weisen der erste und der dritte Bereich zueinander unterschiedliche Dicken auf.

Die sechste Ausführungsform gemäß den Fig. 19 und 20 weist eine piezoelektrische keramische Schicht mehr auf als die Ausführungsform gemäß den Fig. 11 und 12. Diese zusätzliche Schicht ist im dargestellten Beispiel ganz unten, also im dritten Bereich angefügt. Wegen dem Hinzufügen dieser zusätzlichen Schicht 651 beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 19 und 20 schwingen im dritten Bereich vier Schichten 65f - 65i, während im oberen, ersten Bereich drei Schichten 65a - 65c schwingen. Bei dieser Ausführungsform werden keine symmetrischen Biegeschwingungen mehr erhalten. Die Erfindung umfaßt also piezoelektrische Elemente mit symmetrischen und solche mit unsymmetrischen Biegeschwingungen.

Bei der siebten Ausführungsform gemäß den Fig. 21 und 22 liegt noch eine weitere Schicht 75j vor. Der erste Bereich besteht damit aus vier Schichten 75a - 75d, während der dritte Bereich aus fünf Schichten 75f - 75j be-

steh*;. Auch dadurch ergibt sich eine unsymmetrische Biegeschwin.'-^in/.: entsprechend der Ausführungsform der Pig. 19 und 20. Bei der Ausführungsfcrm gemäß den Fig. 21 und 22 erfolgt jedoch das Polarisieren mit einer Verdrahtung entsprechend der von Fig. 20, also entsprechend dem Betriebsfall der sechsten Ausführungeform, während beim Betriebsfall gemäß Fig. 22 ein Anschließen entsprechend dem PoIarisierungszubtand gemäß Fig. 19 des sechsten Ausführungsbeispiels erfolgt.

Da jedoch bei den Ausführung^formen gemäß den Fig. 19 und bzw. 21 und 22 der zweite Bereich zwischen dem ersten und dritten Bereich wiederum Puffereinrichtungen gemäß den Ausführungsformen der Fig. 11 und 12 bzw. 15 und Ιβ aufweist, kann entsprechend Aus]enkungshysterese verringert werden, die durch Verzerrungen verursacht ist, die durch Auslenkungen des ersten und des dritten Bereichs entgegengesetzt zueinander hervorgerufen sind.

Claims

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER PATENTANWÄLTE - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister TÄSee S; MÜIIer Artur-Ladebeck-Strasse 51 D-8OOO MÜNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD 1 PP-2352 21. September 1984 Mü/j/ho MURATA MANUFACTURING CO., LTD. 26-10 Tenjin 2-chome, Nagaokakyo-shi, Kyoto-fu, Japan Piezoelektrisches Element Priorität: 22. September I983, Japan, Nr. 175869/1983 ANSPRÜCHE

1. Piezoelektrisches Element mit einem Sinterkörper aus mindestens drei keramischen Schichten (3a, b, c; 5a. - h) und Elektrodenbelägen (4a - d; 6a - i) zwischen den keramischen Schichten, welcher Körper durch Übereinanderstapeln der mindestens drei keramischen Schichten mit den Belägen und gemeinsames Brennen erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß - der Sinterkörper einen ersten Bereich (3a; 5a - c), einen zweiten Bereich (3b; 5d, e) und einen dritten Bereich (3c; 5f - h) in Dickenrichtung gesehen aufweist,

- der erste und der zweite Bereich so ausgebildet sind, daß sie sich beim Anlegen von Spannungen an die Elektrodenbeläge entgegengesetzt zueinander verformen, und

- der zweite Bereich eine Einrichtung zum Erzielen von Pufferwirkung aufweist, um die "Verschiebung im zweiten Bereich erheblich geringer zu gestalten als die Verschiebung im ersten und dritten Bereich, so daß der zweite Bereich als Pufferzone für die entgegengesetzten Verschiebungen des ersten und des dritten Bereichs wirkt.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Puffereinrichtung die Potentiale von Elektroden (6d - 6f) zu beiden Seiten in Dickenrichtung des zweiten Bereichs ausgleicht.

3. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Puffereinrichtung den Polarisationsgrad im zweiten Bereich geringer ausbildetjals denjenigen der keramischen Schichten im ersten und dritten Bereich.

4. Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich aus mehreren keramischen Schichten (15d, e) besteht, und die Puffereinrichtung einen gitterfö'rmigen Elektrodenbelag (l6e) zwischen den keramischen Schichten aufweist.

5. Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich mehrere keramische Schichten (35d, e) aufweist, und die Puffereinrichtung dadurch gebildet ist, daß jede Schicht des zweiten Bereichs eine größere Dicke aufweist als die piezoelektrischen keramischen Schichten, die den ersten und dritten Bereich bilden.

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6. Element nach einem der Ansprüche 1-5* dadurch gekennzei chnet , daß die Puffereinrichtung dadurch gebildet ist, daß die Schichten des zweiten Bereichs unpolarisiert sind.

7· Element nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Bereich aus mehreren keramischen Schichten (65d, e) besteht, und daß die Puffereinrichtung dadurch gebildet ist, daß ein Elektrodenbelag (66e) zwischen den keramischen Schichten des zweiten Bereichs elektrisch frei gehalten wird».,,

8. Element nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet , daß die Zahl der keramischen Schichten (75a - c) im ersten Bereich unterschiedlich ist von der Zahl der keramischen Schichten (75f - j) des dritten Bereichs.