DE3434726C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Element mit meh­ reren durch Elektroden gegeneinander abgetrennten Schichten.

Ein piezoelektrisches Element gemäß dem Oberbegriff von An­ spruch 1 ist aus DE 31 42 684 A1 bekannt. Dieses Element weist zwei Stapelhälften mit einer jeweils gleichen Anzahl von Schichten auf. Die Dicke der Schichten jeder der Stapelhälften nimmt von der Mitte des Stapels her nach außen hin ab, wobei diejenigen Schichten beider Stapelhälften, die in gleichem Abstand zur Mitte des Stapels liegen, gleiche Dicke aufweisen. Dadurch, daß die aneinanderstoßenden Schichten der beiden Stapelhälften die dicksten Schichten sind, kommt es in diesem Bereich des Wechsels der Auslenkungen zu relativ geringen Spannungen. Es liegen also von den Auslenkungen her gesehen drei Bereiche vor, von denen sich der mittlere beim Anlegen von Spannungen im wesentlichen nicht verformt, während sich die beiden äußeren entgegengesetzt verformen.

Zur Spannungsminderung trägt beim bekannten Element mit bei, daß alle Schichten miteinander verklebt sind. Bei piezoelek­ trischen Elementen, bei denen alle Schichten samt Elektroden gemeinsam gebrannt und dadurch fest miteinander verbunden sind, fehlt ein derartiger zusätzlicher Spannungsausgleich über Klebeschichten. Ein piezoelektrisches Element, das nur zwei Bereiche entgegengesetzter Auslenkung aufweist, bei dem die Schichten samt Elektroden gemeinsam gebrannt und dadurch fest miteinander verbunden sind, ist aus US 33 78 704 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach her­ stellbares piezoelektrisches Element anzugeben, das so aufge­ baut ist, daß es zu möglichst geringen Spannungen an der Über­ gangsstellung der Auslenkungsrichtungen kommt.

Die Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße piezoelektrische Element zeichnet sich dadurch aus, daß sein mittlerer Bereich im wesentlichen nicht polarisiert ist oder daß die Elektroden zu den beiden Seiten einer Pufferschicht, die den zweiten Bereich bildet, miteinan­ der verbunden sind. Dadurch verformt sich der mittlere Bereich beim Anlegen von Spannungen im wesentlichen nicht.

Das erfindungsgemäße piezoelektrische Element ist einfach herstellbar, da bei ihm alle Schichten samt Elektroden gemein­ sam gebrannt und dadurch fest miteinander verbunden sind, wie bei dem Element aus dem genannten US-Patent. Durch den in der genannten Weise ausgebildeten mittleren Bereich ist gewähr­ leistet, daß es trotz dieses festen Verbindens der Schichten nur zu so geringen Spannungen kommt, daß sich benachbarte Schichten nicht voneinander loslösen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher ver­ anschaulicht. Es zeigen

Fig. 1 und 2 schematische Seitenansichten eines piezo­ elektrischen Elements zum Erläutern des erfin­ dungsgemäßen Prinzips, wobei Fig. 1 den Zustand des Einstellens der Polarisation und Fig. 2 einen betriebenen Zustand darstellt;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die einzelnen Schichten eines erfindungsgemäßen Elementes mit auf den Schichten aufgebrachten Elektrodenbelägen;

Fig. 4 eine schematische perspektivische Ansicht zum Erläutern der Flächenbezeichnungen eines Sinter­ körpers;

Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht eines Sinterkörpers, wie er durch Übereinanderstapeln der Schichten gemäß Fig. 3 und darauffolgendes Brennen und abschließendes Anbringen von Polarisier­ elektroden erhalten wird;

Fig. 6 eine schematische Seitenansicht durch ein piezo­ elektrisches Element zum Erläutern des Anschlusses von Elektroden zum Polarisieren des Körpers gemäß Fig. 5;

Fig. 7 eine schematische perspektivische Ansicht des mit äußeren Elektroden versehenen Sinterkörpers nach dem Polarisationsvorgang gemäß Fig. 6;

Fig. 8 eine schematische Seitenansicht ähnlich der von Fig. 6, jedoch einen betriebenen Zustand dar­ stellend;

Fig. 9 eine schematische Seitenansicht zum Erläutern von Vorgängen im zweiten Bereich des Elementes gemäß der ersten Ausführungsform der Fig. 3-8;

Fig. 10 eine Darstellung entsprechend der von Fig. 6, jedoch für eine zweite Ausführungsform eines piezoelektrisches Elements;

Fig. 11 eine Darstellung entsprechend der von Fig. 10, jedoch zum Erläutern eines betriebenen Zustandes statt dem Polarisierungszustands;

Fig. 12 eine Draufsicht auf die Ausgestaltung eines Elek­ trodenbelages;

Fig. 13 eine Ansicht entsprechend der von Fig. 6, jedoch für eine dritte Ausführungsform eines erfindungs­ gemäßen Elementes;

Fig. 14 und 15 schematische Ansichten entsprechend den Fig. 6 und 8, jedoch für eine vierte Ausführungs­ form;

Fig. 16 und 17 Ansichten entsprechend denen der Fig. 6 und 8, jedoch für eine fünfte Ausführungsform;

Fig. 18 und 19 Ansichten entsprechend den Fig. 6 und 8, jedoch für eine sechste Ausführungsform; und

Fig. 20 und 21 Ansichten gemäß den Fig. 6 und 8, jedoch für eine siebte Ausführungsform.

Anhand der Fig. 1 und 2 wird nun das Prinzip eines piezo­ elektrischen Elementes mit drei Schichten erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 den Anschlußzustand für den Polarisierungs­ vorgang und Fig. 2 die elektrischen Verbindungen für einen betriebenen Zustand. Drei keramische Schichten 3 a-3 c sind unter zwischenliegenden Elektrodenbelägen 4 b und 4 c überein­ andergestapelt. Es kann noch mindestens eine weitere (nicht dargestellte) keramische Schicht über zwischenliegende Elek­ trodenbeläge an die außen liegende Elektroden 4 a und/oder 4 d angelagert sein. Zum einfachen Erläutern sind jedoch nur drei Schichten 3 a-3 c dargestellt. Beim Aufbau gemäß Fig. 1 bil­ det die oberste keramische Schicht 3 a einen ersten Bereich, die mittlere keramische Schicht 3 b bildet einen zweiten Be­ reich und die unterste keramische Schicht 3 c bildet einen dritten Bereich. Wenn eine positive und eine negative Span­ nung, wie in Fig. 1 dargestellt, angelegt werden, werden die keramischen Schichten 3 a und 3 c in zueinander entgegengesetz­ ten Richtungen polarisiert, was durch Pfeile dargestellt ist. Dagegen wird die mittlere Schicht 3 b nicht polarisiert, da die Potentiale der Elektrodenbeläge 4 b und 4 c zu ihren bei­ den Seiten gleich sind. Wennnach dem Polarisieren Treiber­ spannungen gemäß Fig. 2 angelegt werden, zieht sich die keramische Schicht 3 a in Dickenrichtung zusammen, während die keramische Schicht 3 c eine Ausdehnung erfährt. Durch die rechts neben den die Polarisationsrichtung andeutenden Pfei­ len sind Symbole eingezeichnet, die die Auslenkrichtung an­ zeigen, wobei das Symbol )( ein Zusammenziehen in Dicken­ richtung und das Symbol ↕ ein Ausdehnen in Dickenrichtung anzeigt.

Da die mittlere Keramikschicht 3 b nicht polarisiert ist, ver­ ursacht sie beim Anlegen von Treiberspannungen keine Schwin­ gungen. Durch in den keramischen Schichten 3 a und 3 c, die den ersten bzw. dritten Bereich bilden, hervorgerufene Ver­ schiebungen in entgegengesetzten Richtungen hervorgerufene Spannungen werden durch die den zweiten Bereich bildende keramische Schicht 3 b gepuffert. Dadurch läßt sich Ver­ schiebungshysterese erheblich verringern, wie sie durch Verzerrungen hervorgerufen ist, die durch die Verschie­ bungen des ersten und des zweiten Bereiches gegeneinander hervorgerufen wird.

Die Verschiebungshysterese wird also durch eine Pufferein­ richtung im zweiten Bereich zwischen dem ersten und dem dritten Bereich verringert. Wie die Puffereinrichtung aus­ geführt sein kann, wird im folgenden anhand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert.

Es wird darauf hingewiesen, daß der Aufbau gemäß Fig. 2 im Prinzip auch durch Übereinanderstapeln zuvor polarisierter keramischer Schichten erhalten werden kann. So könnten kera­ mische Schichten 3 a und 3 c zunächst in den dargestellten Richtungen polarisiert werden und mit einer unpolarisierten Schicht 3 b über Elektrodenbeläge verbunden werden. Wenn der­ artige vorpolarisierte keramische Schichten verwendet werden, kann jedoch keine sehr geringe Dicke erzielt werden, was dann dazu führt, daß nur geringe Verschiebungen erhalten werden können.

Dagegen ist das erfindungsgemäße Element aus einem Sinter­ körper aufgebaut, der durch Übereinanderstapeln der kerami­ schen Schichten mit zwischenliegenden Elektrodenbelägen und anschließendes gemeinsames Brennen erhalten wird. Anmelde­ gemäße Elemente unterscheiden sich daher völlig von bekann­ ten Elementen, bei denen gesinterte keramische Schichten übereinandergestapelt werden.

Ein erstes Ausführungsbeispiel wird nun anhand der Fig. 3 bis 9 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 die Anzahl piezoelektrischer keramischer Schichten, die zwischen äußeren Elektroden angeordnet sind. Die Gesamt­ zahl der Elektroden ist daher um eines höher als die Stapelzahl.

Wie in Fig. 3 dargestellt, werden zunächst acht ungebrannte keramische Folien 5 a-5 h hergestellt, die die piezoelektri­ schen keramischen Schichten bilden sollen. Die ungebrannten Folien 5 a-5 h können aus Bleititanat, Bariumtitanat, Blei­ zirkontitanat oder Abwandlungen dieser keramischen Sub­ stanzen bestehen. Auf die Folien werden Metallpastenbe­ schichtungen 6 a-6 h durch Aufdrucken auf vorbestimmte Ge­ biete der Oberflächen der Folien 5 a-5 h aufgetragen, um daraus Elektrodenbeläge zu bilden. Auf die ungebrannte Ke­ ramikfolie 5 h wird außer mit der Beschichtung 6 h auf ihrer gegenüberliegenden Seite noch mit einer Beschichtung 6 i versehen. Die unter der Folie 5 h liegende Schicht 6 i ist mit ausgezogenen Linien dargestellt, wozu die Folie 5 h strichpunktiert angedeutet ist. Die Beschichtungen 6 a-6 i sind durch ein Metall oder durch eine Legierung mit hohem Schmelzpunkt, wie Palladium oder eine Silber-Palladium- Legierung gebildet. Was jedoch die Metallpastenbeschichtun­ gen 6 a-6 i 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. Sil­ berpaste hergestellt.

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

Wenn ungesinterte keramische Folien 5 a-5 h gemäß Fig. 3 verwendet werden, haften diese nach dem Sintern aufgrund der zwischenliegenden Beläge 6 b-6 h nicht allzu gut an­ einander. Dieses Problem kann jedoch durch verschiedene Methoden umgangen werden. Zum Beispiel kann Keramikpulver in die Metallpaste für die Beläge 6 b-6 h gemischt werden, was zu einem festen Verbinden der Schichten 5 a-5 h unterein­ ander führt. Es können aber auch, wie dies in bezug auf die Elektrode 6 b in Fig. 3 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 5 a-5 h werden nach dem Beschichten mit Metallpaste senkrecht übereinander­ gestapelt und gepreßt. Danach erfolgt das Erhitzen, wodurch der Sinterkörper erhalten wird. Die Metallpastenbeschich­ tungen 6 a und 6 i können auch nachträglich aufgebracht und erhitzt werden. Die ungesinterten Folien 5 a-5 h bilden dann die keramischen Schichten, während die Beläge 6 a-6 i die Elektroden bilden. Das Muster der Metallpastenbeschich­ tungen 6 a-6 i entspricht dann direkt den Mustern der Elek­ trodenbeläge. 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 ver­ sehen wie die aus ihnen hervorgehenden Elektrodenbeläge. Damit ist deutlich gemacht, welche Schichten und Kontaktierungen durch das Brennen aus entsprechenden Schichten und Kontak­ tierungen vor dem Brennen hervorgehen.

Der Sinterkörper 7 gemäß Fig. 4 weist vier Randflächen A 1, A 2, B 1 und B 2 auf, die unter anderem mit äußeren Anschlüssen versehen werden.

Der Sinterkörper 7 wird wie folgt polarisiert. Es wird zu­ nächst die Seitenfläche A 1 mit Polarisationselektroden 8 und 9, wie in Fig. 5 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 Polarisa­ tionselektrode 8 steht mit den Elektrodenbelägen 6 a, 6 c, 6 e, 6 g und 6 i in Verbindung, während die andere Polarisations­ elektrode 9 mit den Elektroden 6 b, 6 d, 6 f und 6 h verbunden ist. Dies ist in Fig. 6 dargestellt.

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

Nach dem Polarisieren werden die Polarisationselektroden 8 und 9 entfernt. Danach wird der Sinterkörper 7 an der Sei­ tenfläche A 2 mit äußeren Elektroden 10 und 11 versehen, wie sie in Fig. 7 dargestellt sind. Diese äußeren Elektro­ den 10 und 11 bestehen aus einer thermisch aushärtbaren leitfähigen Paste, die bei einer Temperatur aushärtet, die noch kein Depolarisieren hervorruft, z. B. bei Tempera­ turen bis etwa 200°C. Die äußere Elektrode 10 steht elek­ trisch mit den Belägen 6 b, 6 d, 6 g und 6 i in Verbindung, die auf den Folien 5 a-5 h gemäß Fig. 3 ausgebildet sind. Die andere äußere Elektrode 11 steht mit den Belägen 6 a, 6 c, 6 f und 6 h 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 5 a, 5 b und 5 c in Dickenrichtung, während sich die Schichten 5 f, 5 g und 5 h zusammenziehen. Der in Dickenrichtung ausgedehnte Bereich der Schichten 5 a, 5 b und 5 c liegt oben und bildet einen ersten Bereich. Der aus den Schichten 5 f, 5 g und 5 h bestehende zusammengezogene Bereich liegt unten und bildet einen dritten Bereich. Die Gruppen der Schichten, die den ersten bzw. zweiten Bereich bilden, erfahren also Verschie­ bungen in zueinander entgegengesetzten Richtungen. Wenn also die äußeren Elektroden 10 und 11 mit Spannungen ver­ sorgt werden, wie sie in Fig. 8 dargestellt sind, erfährt der Sinterkörper 7, wie er in Fig. 7 dargestellt ist, ein derartiges Durchbiegen, daß der Mittenbereich in Längsrich­ tung nach unten zeigt. Wenn dagegen die Spannung an den Elektroden 10 und 11 umgepolt wird, wird der Sinterkörper 7 in umgekehrter Richtung gebogen.

Wie in Fig. 8 dargestellt, wird die mittlere, fünfte Elek­ trode 6 e nicht mit Spannung versorgt, so daß sie elektrisch frei ist. Dadurch dehnen sich die Schichten 5 d und 5 e zu beiden Seiten der Elektrode 6 e nicht aus noch ziehen sie sich zusammen. Dies führt dazu, daß die Verzerrungen, die durch die Auslenkungen der Schichten 5 a-5 c im ersten Be­ reich bzw. der Schichten 5 f-5 h im dritten Bereich hervor­ gerufen sind, durch die Schichten 5 d und 5 e 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 5 d etwas in Dickenrichtung, während sich die kerami­ sche Schicht 5 e etwas zusammenzieht, da trotz der freien Elektrode 6 e eine Potentialdifferenz zwischen den Elektro­ den 6 d und 6 f hervorgerufen wird, wie dies in Fig. 9 dar­ gestellt ist. Da jedoch die Spannungen an die piezoelektri­ schen keramischen Schichten 5 d 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 Auslen­ kungshysterese zuverlässig dadurch verringert, daß die Elektrode 6 e elektrisch frei gehalten wird.

Die zweite Ausführungsform gemäß den Fig. 10 und 11 unter­ scheidet sich von der gemäß den Fig. 6 und 8 dadurch, daß der Polarisationsprozeß nunmehr gemäß 10 mit einer Beschaltung gemäß Fig. 8 stattfindet, während der betrie­ bene Zustand gemäß Fig. 11 mit einer Beschaltung entspre­ chend dem Polarisationsprozeß gemäß Fig. 6 erfolgt.

Die äußeren Elektroden 10 und 11 gemäß Fig. 8 sind nun durch Polarisationselektroden 18 bzw. 19 gemäß Fig. 10 ersetzt. Wenn, wie beim Beispiel gemäß Fig. 10, der Polarisations­ elektrode 18 eine negative Spannung und der Polarisations­ elektrode 19 eine positive Spannung zugeführt wird, werden die piezoelektrischen keramischen Schichten 15 a-15 h in den durch Pfeile gekennzeichneten Richtungen polarisiert. Die mittlere Elektrode 16 e wird mit keiner der beiden Span­ nungen verbunden, wodurch die Schichten 15 d und 15 e zu bei­ den Seiten des mittleren Elektrodenbelages 16 e durch das Potential zwischen den Belägen 16 d und 16 f polarisiert wer­ den.

Da jedoch die Entfernung zwischen den Belägen 16 d und 16 f doppelt so groß ist wie die Dicke jeder der Schichten 15 a, 15 b, 15 c, 15 f, 15 g und 15 h, ist der Polarisationsgrad ver­ ringert.

Gemäß Fig. 11 sind die Polarisationselektroden 8 und 9 gemäß Fig. 6 durch äußere Elektroden 20 bzw. 21 ersetzt. Im Beispielsfall der Fig. 11 wird der äußeren Elektrode 20 eine negative Spannung und der äußeren Elektrode 21 eine positive Spannung zugeführt. Dann dehnen sich die Schich­ ten 15 a-15 c aus, während sich die Schichten 15 f-15 h zusammenziehen, wie dies durch die Doppelpfeile gekenn­ zeichnet ist.

Da die Schichten 15 c und 15 e, die den zweiten Bereich bil­ den, geringer polarisiert sind als die übrigen Schichten, die den ersten bzw. dritten Bereich bilden, schwingen die Schichten 15 d und 15 e geringer als die übrigen Schichten. Darüber hinaus kann, wie in der Draufsicht von Fig. 12 dar­ gestellt, der Elektrodenbelag 16 e gitterförmig auf einer Oberfläche der keramischen Schicht 15 e ausgebildet sein. In diesem Fall ist der zwischen den Belägen 16 e und 16 d oder 16 f beim Betreiben des Elementes gemäß Fig. 11 her­ vorrufbare piezoelektrische Effekt sehr gering. Dies führt neben dem geringen Polarisationsgrad dazu, daß die Schich­ ten 15 d-15 h schwingen, die den ersten bzw. dritten Bereich bilden. Die Schichten 15 d und 15 e sind in Fig. 11 daher nicht mit Verschiebungsdoppelpfeilen versehen. Da­ durch, daß in den Schichten 15 d und 15 e Schwingungen erheb­ lich 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 gegen­ einander hervorgerufen sind. Die Puffereinrichtung bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11 besteht also darin, daß ein schwacher Polarisationsgrad der piezoelektrischen Schich­ ten 15 d und 15 e gewählt wird, und/oder daß ein gitterför­ miger Elektrodenbelag 16 e verwendet wird.

Die dritte Ausführungsform gemäß Fig. 13, die dort im Zu­ stand des Polarisationsprozesses dargestellt ist, zeichnet sich dadurch aus, daß piezoelektrische keramische Schich­ ten 35 d und 35 e, die den zweiten Bereich bilden, erheb­ lich dicker sind als Schichten 35 a-35 c, die den ersten Bereich bilden, und Schichten 35 f-35 h, die den dritten Bereich bilden. Im übrigen stimmt der Aufbau mit dem der Fig. 10 und 11 überein. Die Dicke der piezoelektrischen Schichten 35 d und 35 e beträgt z. B. etwa 70 µm, während die der anderen Schichten etwa 40 µm beträgt. Durch die größere Schichtdicke ist der Polarisationsgrad in den Schichten 35 d und 35 e geringer als in den anderen Schich­ ten. Es handelt sich also um eine Maßnahme, die dazu ge­ eignet ist, von den unterschiedlichen Auslenkungen im er­ sten und zweiten Bereich herrührende Verzerrungen noch besser zu absorbieren.

Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 14 und 15 liegt eine ungerade Zahl von piezoelektrischen keramischen Schichten, im Beispielsfall 9 Schichten 45 a-45 i vor, die über zwi­ schenliegende Bezugselektroden 46 b-46 i und äußere Elek­ troden 46 a und 46 j übereinandergestapelt sind. Der Brenn­ prozeß erfolgt entsprechend wie bei den anderen Ausführungs­ formen beschrieben. Alle piezoelektrischen Schichten 45 a- 45 i werden jeweils entgegengesetzt zueinander polarisiert, wie dies in Fig. 14 dargestellt ist. Für den Fall des Be­ treibens erfolgt das Anlegen von Spannungen über eine äußere Elektrode 50 mit positiver Spannung und eine äußere Elek­ trode 51 mit negativer Spannung, wie in Fig. 15 dargestellt. Die Schichten 45 a-45 d dehnen sich dann in Dickenrichtung aus, während sich die Schichten 45 f-45 i zusammenziehen. Die aus den jeweils genannten Schichten gebildeten Gruppen für den ersten und den dritten Bereich erfahren also einan­ der entgegengesetzte Auslenkungen.

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

Die fünfte Ausführungsform gemäß den Fig. 16 und 17 unter­ scheidet sich von der dritten Ausführungsform dadurch, daß nun das Polarisieren gemäß Fig. 16 mit den elektrischen Verbindungen gemäß Fig. 15 und das elektrische Betreiben im Betriebsfall gemäß Fig. 17 mit der Schaltung gemäß Fig. 14 erfolgt. Dies führt dazu, daß eine piezoelektrische keramische Schicht 55 e, die einen zweiten Bereich bildet, nicht polarisiert wird. Dadurch wird diese Schicht nicht zu Schwingungen angeregt, und sie ist in der Lage, Span­ nungen von den beiden anschließenden Bereichen zu absor­ bieren und dadurch die Verschiebungshysterese zu verringern.

Bei allen bisher beschriebenen Ausführungsformen weisen der erste und der dritte Bereich jeweils gleich viele piezoelek­ trische keramische Schichten auf. Dadurch entsprechen auch die Dicken und die Auslenkungen in entgegengesetzten Rich­ tungen einander. Für die Wirkung des Spannungen absorbie­ renden zweiten Bereichs ist es jedoch unerheblich, wie der erste und der dritte Bereich genau ausgebildet sind. Bei den zwei folgenden, anhand der Fig. 18-21 beschriebenen Ausführungsbeispiele, weisen der erste und der dritte Be­ reich zueinander unterschiedliche Dicken auf.

Die sechste Ausführungsform gemäß den Fig. 18 und 19 weist eine piezoelektrische keramische Schicht mehr auf als die Ausführungsform gemäß den Fig. 10 und 11. Diese zusätz­ liche Schicht ist im dargestellten Beispiel ganz unten, also im dritten Bereich angefügt. Wegen dem Hinzufügen dieser zusätzlichen Schicht 65 i beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 18 und 19 schwingen im dritten Bereich vier Schichten 65 f-65 i, während im oberen, ersten Be­ reich drei Schichten 65 a-65 c schwingen. Bei dieser Aus­ führungsform 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. 20 und 21 liegt noch eine weitere Schicht 75 j vor. Der erste Bereich besteht damit aus vier Schichten 75 a-75 d, wäh­ rend der dritte Bereich aus fünf Schichten 75 f-75 j be­ steht. Auch dadurch ergibt sich eine unsymmetrische Biege­ schwingung entsprechend der Ausführungsform der Fig. 18 und 19. Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 20 und 21 erfolgt jedoch das Polarisieren mit einer Verdrahtung ent­ sprechend der von Fig. 19, also entsprechend dem Betriebs­ fall der sechsten Ausführungsform, während beim Betriebs­ fall gemäß Fig. 21 ein Anschließen entsprechend dem Pola­ risierungszustand gemäß Fig. 18 des sechsten Ausführungs­ beispiels erfolgt.

Da jedoch bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 18 und 19 bzw. 20 und 21 der zweite Bereich zwischen dem ersten und dritten Bereich wiederum Puffereinrichtungen gemäß den Ausführungsformen der Fig. 10 und 11 bzw. 14 und 15 auf­ weist, kann entsprechend Auslenkungshysterese verringert werden, die durch Verzerrungen verursacht ist, die durch Auslenkungen des ersten und des dritten Bereichs entgegen­ gesetzt zueinander hervorgerufen sind.

Claims (5)

1. Piezoelektrisches Element mit mehreren durch Elektroden gegeneinander abgetrennten Schichten, die zu Bereichen zusammengefaßt sind, nämlich

• - einem ersten Bereich, der beim Anlegen von Spannungen an die Elektroden eine Auslenkung in einer ersten Rich­ tung erfährt,
• - einem zweiten, mittleren Bereich, der sich beim Anlegen von Spannungen im wesentlichen nicht verformt, und
• - einem dritten Bereich, der beim Anlegen der Spannungen an die Elektroden eine Auslenkung in einer Richtung er­ fährt, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - alle Schichten samt Elektroden gemeinsam gebrannt und dadurch fest miteinander verbunden sind und
• - der zweite Bereich zumindest eine Pufferschicht (3 b; 5 d + 5 e; 15 d + 15 e; 35 d + 35 e; 45 d + 45 e; 55 e, 65 d + 65 e; 75 e) mit Elektroden (4 b + 4 c; 6 d-6 f; 16 d-16 f; 36 d- 36 f; 46 d-46 f; 56 e + 56 f; 66 d-66 f; 76 e + 76 f) aufweist, die im wesentlichen nicht polarisiert ist oder deren beidseitige Elektroden miteinander verbunden sind, wodurch sie sich beim Anlegen von Spannungen im wesentlichen nicht verformt.

2. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Pufferschichten (5 a + 5 b; 15 d + 15 e; 35 d + 35 e; 65 d + 65 e) vorliegen, die durch eine Elektrode (6 e, 16 e, 36 e, 66 e) ohne äußeren Anschluß gegen­ einander abgetrennt sind.

3. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (16 e) gitter­ förmig ausgebildet ist.

4. Piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der kera­ mischen Schichten (75 a-75 c) im ersten Bereich unterschied­ lich ist von der Zahl der keramischen Schichten (75 f-75 j) im dritten Bereich.