DE3832658A1

DE3832658A1 - Geschichtetes verstellglied

Info

Publication number: DE3832658A1
Application number: DE3832658A
Authority: DE
Inventors: Shigeru Jomura; Junichi Watanabe
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1987-09-25
Filing date: 1988-09-26
Publication date: 1989-04-13
Also published as: JPH01157581A; KR890005911A; US5073740A; DE3832658C2; KR910008718B1; JP2567046B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromechanischen Wandler zur Verwendung in Stellantrieben von Industrierobo tern, Ultraschallmotoren und dergleichen und betrifft insbe sondere eine Verbesserung bei geschichteten Verstellgliedern, die zur Erzielung größerer Verstellungswege aus einer Vielzahl von mit inneren Elektroden geschichteten dünnen Platten aus elektromechanischen Wandlermaterialien aufgebaut sind.

Herkömmlicherweise sind geschichtete Verstellglieder, wie sie in Positioniermechanismen und Bremsen von XY-Tischen ver wendet werden, aus dünnen Platten aufgebaut, die aus piezoele ktrischen Keramikmaterialien bestehen und vorgegebene Formen aufweisen und die mit Elektroden versehen sowie polarisiert und direkt oder über dünne Metallplatten durch einen organi schen Kleber miteinander verbunden sind. Bei denjenigen ge schichteten Verstellgliedern, bei denen die dünnen Platten über einen Klebstoff aufeinander geschichtet sind, wird jedoch die durch die Schwingung der piezoelektrischen Elemente be wirkte Verstellung unter gewissen Umständen durch den Kleber absorbiert, und es kommt vor, daß sich der Kleber in Umgebun gen mit hohen Temperaturen oder im Laufe längerer Benutzungs zeit verschlechtert.

Neuerdings sind geschichtete piezoelektrische Elemente, die als geschichtete Chip-Kondensatoren aufgebaut sind, zur praktischen Anwendung gelangt. Wie in der japanischen Patent veröffentlichung 59-32 040 beschrieben, wird dabei ein pulver förmiges Ausgangsmaterial mit einem Bindemittel zu einer pie zoelektrischen Keramikpaste gemischt und zu einer dünnen Plat te vorgegebener Dicke geformt, die zur Erzeugung einer inneren Elektrode auf einer oder beiden Seiten mit elektrisch leitfä higem Material, etwa Silber-Palladium, überzogen wird. Eine vorgegebene Anzahl der so überzogenen dünnen Platten wird aufeinander geschichtet, zu einer vorgegebenen Form gepreßt und bearbeitet und sodann gesintert, und das erzielte Laminat wird auf beiden Seiten mit äußeren Elektroden bestückt. Das geschichtete piezoelektrische Element dieser Struktur weist eine hervorragende Haftung zwischen den aus piezoelektrischem Keramikmaterial bestehenden dünnen Platten und den inneren Elektroden sowie eine hervorragende thermische Stabilität auf, wodurch es zur Verwendung bei hohen Temperaturen widerstands fähig wird und eine Verschlechterung bei Langzeitgebrauch mi nimiert wird.

Das beschriebene geschichtete piezoelektrische Element weist jedoch hinsichtlich des Wirkungsgrades der piezoelektri schen Verstellung und in anderen Gesichtspunkten verschiedene Probleme auf.

Wie in Fig. 11 gezeigt, ist das geschichtete piezoelektrische Element aus dünnen Platten 1 aufgebaut, die aus piezoelektrischem Keramikmaterial bestehen und abwechselnd mit positiven und negativen inneren Elektroden 2 a, 2 b lami niert sind, wobei die inneren Elektroden 2 a, 2 b jeweils mit äußeren Elektroden 3 a, 3 b verbunden sind. In diesem Fall wird von den jeweils mit der inneren Elektrode überzogenen dünnen Platten 1 ein auslenkender Teil A sowie im Randbereich des Laminats, der von den dünnen Platten 1 dort gebildet wird, wo die inneren Elektroden 2 a, 2 b nicht auf diese aufgebracht sind, ein nicht-auslenkender Teil B gebildet. Infolge dieses Aufbaus ist bei Anlegen einer Spannung an die äußeren Elektro den 3 a, 3 b die elektrische Feldstärke nur in dem auslenkenden Teil A groß, während sie in dem nicht-auslenkenden Teil B klein ist, was die Deformation des piezoelektrischen Elements behindert. Daher kann die dem piezoelektrischen Keramikmateri al innewohnende große Verstellung nicht ausgenützt werden. Da ferner an der Grenze zwischen dem auslenkenden Teil A und dem nicht-auslenkenden Teil B eine erhebliche Spannungskonzentra tion auftritt, neigen die dünnen Platten oder das gesamte Ele ment zum Brechen.

Zur Lösung dieses Problems hat die Anmelderin ein ge schichtetes piezoelektrisches Element vorgeschlagen (japani sche Patent-Offenlegungsschrift 62-2 00 778), dessen Aufbau in Fig. 12 gezeigt ist. Dort sind gleiche Teile wie in Fig. 11 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Gemäß Fig. 12 ist jede dünne Platte an beiden Seiten mit jeweils einem Vorsprung 1 a versehen, so daß der auslenkende Teil A, in dem innere Elektroden 2 a, 2 b mit den dünnen Platten 1 laminiert sind, verhältnismäßig groß ist. Bei diesem Aufbau ist bei gleicher Aussteuerspannung die Verstellung um 20 bis 30% größer als bei dem Aufbau nach Fig. 11. Da jedoch immer noch ein nicht auslenkender Teil B verhanden ist, läßt sich das Problem, daß die dünnen Platten an der Grenze zwischen dem auslenkenden Teil A und dem nicht-auslenkenden Teil B brechen, nicht voll ständig vermeiden.

Als alternativer Aufbau, bei dem sich eine Abnahme im Wirkungsgrad der piezoelektrischen Umwandlung aufgrund des Vorhandenseins des nicht-auslenkenden Teils B nach Fig. 11 und 12 vermeiden läßt, ist in Fig. 13 ein geschichtetes piezo elektrisches Element dargestellt, das ebenfalls bereits vorge schlagen worden ist (japanische Patent-Offenlegungsschrift 58-1 96 068). In Fig. 13 sind wiederum gleiche Teile wie in Fig. 11 und 12 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Gemäß Fig. 13 ist eine vorgegebene Anzahl von inneren Elektroden 2 a, 2 b abwechselnd mit dünnen Platten 1 schichtar tig angeordnet, wobei die dünnen Platten 1 über ihre gesamten Flächen mit den inneren Elektroden 2 a, 2 b versehen sind. An beiden Seiten des so aufgebauten Laminats ist jeweils ein Iso lierteil 4 derart angebracht, daß es jeweils mit dem Ende je der zweiten inneren Elektrode 2 a, 2 b (d.h. jeweils einer inne ren Elektrode 2 a, 2 b auf jeder Seite) in Berührung steht, und auf jedem Isolierteil 4 ist eine äußere Elektrode 3 a, 3 b aus leitfähigem Material aufgebracht. Dabei sind die inneren Elek troden 2 a, 2 b auf der gesamten Oberfläche jeder dünnen Platte 1 vorhanden, wodurch der auslenkende Teil A in dem Element ma ximal wird.

Bei diesem Aufbau ist es allerdings erforderlich, daß die Isolierteile 4 über die gesamte Breite der inneren Elektrode 2 a, 2 b angebracht werden; dies erfordert komplizierte Verfah ren zum Aufbau des geschichteten piezoelektrischen Elements. Außerdem sollten die Isolierteile 4 auf die Mitten der inneren Elektroden 2 a, 2 b ausgerichtet sein. Da es jedoch aufgrund von Schwankungen und Fehlern in den Dicken der dünnen Platten 1 und/oder der inneren Elektroden 2 a, 2 b schwierig ist, die Iso lierteile 4 genau an vorgegebenen Stellen anzuordnen, kommt es leicht zu einem Durchschlag der Isolierung. Beträgt ferner die Dicke der dünnen Platte 1 nur 100 µm oder weniger, so passiert es leicht, daß die Isolierteile 4, die nur auf jeder zweiten inneren Elektrode 2 a, 2 b vorhanden sein sollen, auch die be nachbarten inneren Elektroden 2 a, 2 b bedecken und dadurch ihre Verbindung mit den äußeren Elektroden 3 a, 3 b unterbrechen.

Als Verbesserung des obigen geschichteten piezoelektri schen Elements des Elektrodentyps hat die Anmelderin ferner das in Fig. 14 gezeigte geschichtete piezoelektrische Element vorgeschlagen (japanische Patent-Offenlegungsschrift 62 2 11 974). In Fig. 14 sind wiederum gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 11 bis 13 bezeichnet. Gemäß Fig. 14 weist das geschichtete piezoelektrische Element an einer Seite ein Paar von Isolierteilen 5 a, 5 b auf, die mit äußeren Elek troden 3 a, 3 b mit Leiterabschnitten 6 a, 6 b versehen sind. Die Leiterabschnitte 6 a, 6 b sind mit jeder zweiten inneren Elek trode 2 a, 2 b verbunden. In dem Ausführungsbeispiel sind dabei die Leiterabschnitte 6 a mit den inneren Elektroden 2 a und die Leiterabschnitte 6 b mit den inneren Elektroden 2 b elektrisch verbunden. Dieser Aufbau bewirkt, daß ein Durchschlag der Iso lierung, wie er bei dem Aufbau nach Fig. 13 auftreten kann, vermieden wird; dagegen bleibt die Schwierigkeit hinsichtlich eines genauen Positionierens der Leiterabschnitte 6 a, 6 b be stehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geschichte tes Verstellglied anzugeben, das die obigen Probleme, die den Verstellgliedern nach dem Stand der Technik innewohnen, nicht aufweist und einen hohen Wirkungsgrad hinsichtlich der piezo elektrischen Umwandlung sowie hohe Zuverlässigkeit aufweist.

Als Ergebnis intensiver Forschung angesichts der obigen Aufgabe hat sich gezeigt, daß ein äußerst hoher Wirkungsgrad der piezoelektrischen Umwandlung dadurch erreicht werden kann, daß ein Laminat aus dünnen Platten aus elektromechanischem Wandlermaterial und inneren Elektroden mit Pufferabschnitten gebildet wird, wobei jeder Pufferabschnitt ein Maß der Ver stellung aufweist, das sich kontinuierlich oder stufenweise von einem nicht-auslenkenden Teil zu einem auslenkenden Teil ändert. Die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung beruht auf dieser Erkenntnis. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsbei spiele der Erfindung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines geschichte ten Verstellgliedes gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 bis 4 jeweils einen vergrößerten Querschnitt durch den Pufferabschnitt eines geschichteten Verstellgliedes gemäß drei verschiedenen Ausführungsbeispielen,

Fig. 5 bis 7 jeweils einen vergrößerten Querschnitt durch den Pufferabschnitt gemäß weiteren Ausführungsbeispielen,

Fig. 8 einen vergrößerten Querschnitt zur Veranschauli chung einer mit einer inneren Elektrode überzogenen dünnen Platte und einer Isolierschicht gemäß einem weiteren Ausfüh rungsbeispiel,

Fig. 9 ein Diagramm, in dem das Maß der Verstellung über der angelegten Spannung aufgetragen ist,

Fig. 10 ein Diagramm, in dem das Maß der Verstellung über der Anzahl von Betriebszyklen aufgetragen ist, und

Fig. 11 bis 14, auf die oben schon Bezug genommen wurde, perspektivische Darstellungen von herkömmlichen geschichteten piezoelektrischen Elementen.

Das in Fig. 1 gezeigte geschichtete Verstellglied umfaßt eine Vielzahl von dünnen Platten 1, die mit inneren Elektroden 2 a, 2 b abwechselnd übereinander geschichtet sind. Die positi ven und negativen inneren Elektroden 2 a bzw. 2 b sind dabei ab wechselnd angeordnet. Das so gebildete Laminat ist an jeder Seite mit jeweils einem Vorsprung 1 a versehen. Jeder Vorsprung 1 a weist einen Pufferabschnitt C auf, der sich zwischen einem nicht-auslenkenden Teil B an der einer äußeren Elektrode 3 a bzw. 3 b benachbarten Seite und einem vom Hauptteil der dünnen Platten 1 gebildeten auslenkenden Teil A erstreckt.

Gemäß Fig. 2 bis 4 kann der Pufferabschnitt C unter schiedlichen Aufbau haben. Bei dem in Fig. 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Pufferabschnitt C von einer Teilelektrode 21 gebildet, die aus mehreren getrenn ten länglichen und parallel zur Seite des Laminats verlaufen den Elektrodenteilen 21 b besteht. In Fig. 2 sind die innere Elektrode 2 a (bzw. 2 b) und die Teilelektrode 21 schraffiert, um ihre Formen klarer darzustellen. Bei der Teilelektrode 21 haben die länglichen Elektrodenteile 21 b eine vom äußeren Ende des Vorsprungs 1 a bis zu dessen an die innere Elektrode 2 a (2 b) angrenzenden Wurzelende zunehmende Breite und sind miteinander und mit der inneren Elektrode 2 a (2 b) über ein senkrecht zu ihnen verlaufendes Leiterteil 21 a verbunden.

Aufgrund dieses Aufbaus wird der Pufferabschnitt propor tional zur Breite der einzelnen länglichen Elektrodenteile 21 b verstellt. Da die Breite der länglichen Elektrodenteile 21 b in Richtung der inneren Elektrode 2 a (2 b) allmählich zunimmt, nimmt das Maß der Verstellung von dem besagten Wurzelende zum äußeren Ende hin allmählich ab. Daher bewirkt der Pufferab schnitt eine Spannungsentlastung zwischen dem auslenkenden Teil A und dem nicht-auslenkenden Teil B.

Der in Fig. 3 gezeigte Pufferabschnitt gemäß einem zwei ten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt mehrere von der inneren Elektrode 2 a (2 b) ausgehende längliche dreieckige Elek trodenteile 21 c. Da die Breite der einzelnen dreieckigen Elek trodenteile 21 c von dem der inneren Elektrode 2 a (2 b) benach barten Wurzelteil zur Spitze hin allmählich abnimmt, nimmt auch das Maß der Verstellung des diese dreieckigen Elektroden teile 21 c enthaltenden Pufferabschnitts 21 in gleicher Weise allmählich ab.

Der in Fig. 4 gezeigte Pufferabschnitt entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt mehrere kreisrunde Elektrodenteile 21 d, deren Durchmesser vom Wurzel teil des Pufferabschnitts zum äußeren Ende hin allmählich ab nimmt. Die Elektrodenteile 21 d sind miteinander und mit der inneren Elektrode 2 a (2 b) über Leiterteile 21 a verbunden. Auch bei diesem Aufbau weist der Pufferabschnitt ein Maß der Ver stellung auf, das vom Wurzelabschnitt zum äußeren Ende hin allmählich abnimnt.

Wie oben beschrieben, dient der Pufferabschnitt C dazu, die Entstehung hoher Spannungen zwischen dem auslenkenden Teil A und dem nicht-auslenkenden Teil B zu vermeiden und daher die Gefahr zu verringern, daß die dünnen Platten 1 oder gar das gesamte Bauelement infolge von Spannungskonzentrationen bre chen. Dies wird durch die Tatsache erreicht, daß die Verstel lung oder Auslenkung an der dem nicht-auslenkenden Teil B be nachbarten Stelle (am äußeren Ende) 0 ist und in Richtung auf den auslenkenden Teil A (den Hauptteil der dünnen Platten) kontinuierlich oder stufenweise ansteigt.

Außer den obigen Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 bis 4 ist die vorliegende Erfindung auch bei dem geschichteten Ver stellglied nach Fig. 11 anwendbar.

Der in Fig. 5 gezeigte Pufferabschnitt C gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist bei einem ge schichteten Verstellglied nach Fig. 11 anwendbar, das im Ge gensatz zu Fig. 1 keine zwei Vorsprünge aufweist. In diesem Fall ist die innere Elektrode 2 a (2 b) an jedem Seitenabschnitt mit einer Vielzahl von Löchern 7 versehen, die so angeordnet sind, daß ihre Dichte zur Seite der inneren Elektrode 2 a (2 b) hin zunimmt. Dieser Seitenabschnitt bildet den Pufferabschnitt C, in dem das Maß der Verstellung von der an den auslenkenden Teil A angrenzenden Innenbereich zu dem an den nicht-auslen kenden Teil B angrenzenden Außenbereich, der keine innere Elektrode 2 a (2 b) aufweist, allmählich abnimmt.

In Fig. 5 haben sämtliche Löcher 7 gleichen Durchmesser; sie können jedoch auch unterschiedliche Durchmesser haben. Dieser Fall ist in Fig. 6 gezeigt. Bei dem in Fig. 6 darge stellten fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung haben also die Löcher 7 Durchmesser, die in dem Pufferabschnitt C von in nen nach außen allmählich zunehmen. Aufgrund der gleichen The orie wie in Fig. 5 weist daher der Pufferabschnitt C nach Fig. 6 ein Ausmaß der Verstellung auf, das von dem an den auslen kenden Teil A angrenzenden Innenbereich zu dem an den nicht auslenkenden Teil B angrenzenden Außenbereich allmählich ab nimmt. Im übrigen können die Merkmale der Fig. 5 und 6 auch kombiniert werden, um das Ausmaß der Änderung in dem Verstel lungsmaß zu erhöhen.

Die Löcher 7 können dadurch hergestellt werden, daß in den dünnen Platten die den Löchern 7 jeweils entsprechenden Bereiche maskiert, sodann eine Elektrodenpaste, etwa eine Sil ber-Palladium-Paste, im Siebdruckverfahren auf die dünnen Platten aufgetragen und schließlich die Masken entfernt wer den.

Der in Fig. 7 gezeigte Pufferabschnitt C gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung erstreckt sich wie derum von einem auslenkenden Teil A zu einem nicht-auslenken den Teil B und umfaßt eine Vielzahl von in Querrichtung läng lichen dünnen Platten 11, 12, 13, 14. Die dünnen Platten 12, 13, 14 haben piezoelektrische Dehnungskonstanten, d ₁₂, d ₁₃ bzw. d ₁₄, die zu der piezoelektrischen Dehnungskonstante d ₁ der dünnen Platte 1 und der Dehnungskonstante d ₁₁ der dünnen Platte 11 in folgender Beziehung stehen:

d₁₁<d₁₂<d₁₃<d₁₄<d₁,

wobei d ₁₁ nahezu 0 ist.

Verallgemeinert gilt, wenn der Pufferabschnitt C aus n dünnen Platten 12 bis (11+n) aufgebaut ist, jede dünne Platte eine piezoelektrische Dehnungskonstante aufweisen soll, die folgende Gleichung erfüllt:

d₁₁[d₁₂< . . . <d _11+n<d₁.

Je größer also die Zahl n, desto kleiner ist der Unter schied zwischen den piezoelektrischen Dehnungskonstanten be nachbarter dünner Platten. Bei diesem Aufbau weist der Puffer abschnitt C ein Maß der Verstellung auf, das von innen nach außen stufenweise oder nahezu kontinuierlich abnimmt.

Der Unterschied in den piezoelektrischen Dehnungskonstan ten der dünnen Platten kann durch Ändern der Plattendicken er reicht werden. Wird beispielsweise ein piezoelektrischer Kera mikblock in unterschiedlichen Dicken gespalten und werden die dünnen Platten so angeordnet, daß ihre Dicken von innen nach außen abnehmen, so läßt sich auf diese Weise der Pufferab schnitt C erzeugen.

Bei dem in Fig. 8 gezeigten Pufferabschnitt C gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine dünne Plat te 1 aus elektromechanischem Wandlermaterial mit einer inneren Elektrode 2 a (2 b) und einer Isolierschicht 8 überzogen, wobei in dem Pufferabschnitt C die innere Elektrode 2 a (2 b) und die Isolierschicht 8 einander derart überlappen, daß die innere Elektrode 2 a(2 b) von innen nach außen dünner und die Isolier schicht 8 dicker wird. Nimmt man an, daß die Isolierschicht 8 im Pufferabschnitt C eine Dicke t ₁ und die innere Elektrode 2 a (2 b) im Pufferabschnitt C eine Dicke t ₂ und im auslenken den Teil A eine Dicke t hat, so gilt die folgende Gleichung:

t₁+t₂=t.

Bei diesem Aufbau ändert sich die Dicke t ₂ der inneren Elektrode 2 a (2 b) von 0 an einer dem nicht-auslenkenden Teil B benachbarten Stelle auf t an einer dem auslenkenden Teil A be nachbarten Stelle, während sich die Dicke t ₁ der Isolier schicht 8 in entgegengesetzter Richtung von 0 auf t ändert. Daher nimmt das Maß der Verstellung in dem Pufferabschnitt C von innen nach außen kontinuierlich ab. Im übrigen kann sich die Dicke t ₂ der inneren Elektrode 2 a (2 b) auch stufenweise ändern.

Anhand der Fig. 2 bis 8 sind oben verschiedene Ausfüh rungsformen für den Pufferabschnitt C erläutert worden; es sei jedoch vermerkt, daß weitere Varianten möglich sind, solange die Forderung erfüllt ist, daß sich das Maß der Verstellung innerhalb des Pufferabschnitts C von einer dem auslenkenden Teil A benachbarten Stelle zu dem nicht-auslenkenden Teil B kontinuierlich oder stufenweise verringert.

Da sich in dem Pufferabschnitt C das Maß der Verstellung allmählich, d.h. kontinuierlich oder stufenweise, von 0% an einer dem nicht-auslenkenden Teil B benachbarten Stelle auf 100% an einer dem auslenkenden Abschnitt A benachbarten Stel le ändert, wird eine Pufferwirkung erzielt, die Spannungen in folge des Verstellungsunterschiedes zwischen dem auslenkenden Teil A und dem nicht-auslenkenden Teil B reduziert. Infolge dessen läßt sich in dem Element insgesamt eine höhere Verstel lung erreichen, ohne daß Probleme durch Bruch oder Fehler in einem den auslenkenden Teil A mit dem nicht-auslenkenden Teil B verbindenden Abschnitt auftreten.

Die inneren Elektroden 2 a, 2 b, die äußeren Elektroden 3 a, 3 b und die oben erwähnte Teilelektrode lassen sich außer im Siebdruckverfahren auch nach anderen Methoden, etwa durch Me tallisieren, durch Aufdampfen, durch Überziehen usw. herstel len.

Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbaren elektromechanischen Wandlermaterialien umfassen außer piezo elektrischen Keramikmaterialien auch elektrostriktive Materia lien, deren Curie-Temperatur über der Zimmertemperatur liegt, was eine Polarisierung unnötig macht, und die ein hohes Maß an Verstellung und geringe Hysterise aufweisen. Spezielle Bei spiele für derartige Elektrostriktions-Materialien sind folgende:

(Pb_0,916La_0,084) (Zr_0,65Ti_0,35)O₃,
(Pb_0,85Sr_0,15) (Zr_0,51Ti_0,34Zn_0,0125Ni_0,0375Nb_0,10)O₃,
(Pb_0,85Sr_0,15) (Zr_0,50Ti_0,30Zn_0,05Ni_0,05Nb_0,10)O₃.

Beispiel

Ein Pb(Zr,Ti)O₃-Pulver wurde mit Polyvinylbutyral als organischem Binder, Butylphthalylbutylglycolat als Weichmacher und Trichlorethylen als organischem Lösungsmittel gemischt, und das sich ergebende Gemisch wurde unter Verwendung einer Ziehklinge in Form einer Folie mit einer Dicke von 200 µm ge gossen. Die resultierende piezoelektrische Folie wurde sodann mit einer Silber-Palladium-Paste im Siebdruckverfahren be schichtet, um auf der gesamten Oberfläche eine innere Elektro de auszubilden. Im vorliegenden Fall wurden außerdem die in Fig. 2 gezeigten Elektrodenteile an den an beiden Seiten her ausragenden Vorsprüngen der piezoelektrischen Folie zur Bil dung zweier Pufferabschnitte erzeugt. Dabei waren fünf Elek trodenteile vorhanden, deren Breiten in gleichen Stufen von 100 µm auf 10 µm abnahm. 50 Folien dieses Aufbaus wurden auf einander geschichtet und zu einer vorgegebenen Größe gepreßt und bearbeitet. Nach Entfernen des Binders wurde das erhaltene Laminat bei 1050 bis 1200° C zwei Stunden lang gebrannt, so daß sich ein geschichtetes piezoelektrisches Element mit Ab messungen von 10 mm × 10 mm × 10 mm ergab. Sodann wurden auf die Vorsprünge äußere Elektroden 3 a, 3 b aus Silberpaste aufge tragen. Das geschichtete piezoelektrische Element wurde durch 10 Minuten langes Anlegen einer Spannung von 400 V polarisiert und anschließend bezüglich des Ausmaßes der Verstellung gemes sen. Die Ergebnisse sind in den Fig. 9 und 10 gezeigt.

Vergleichsbeispiel

Das in dem obigen Beispiel erläuterte Verfahren wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß die Elektrodenteile weggelassen wurden, so daß sich ein geschichtetes piezoelektrisches Ele ment nach Fig. 12 ergab. An diesem wurden die gleichen Messun gen durchgeführt, und die Ergebnisse wurden in Fig. 9 und 10 eingetragen.

Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen dem Maß der Verstel lung und der Spannung, wobei mit A das geschichtete piezoelek trische Element gemäß der Erfindung und mit B das herkömmliche geschichtete piezoelektrische Element bezeichnet ist. Aus Fig. 9 wird deutlich, daß das Element nach der Erfindung eine Ver stellung aufweist, die um 20 bis 30% größer ist als die des herkömmlichen piezoelektrischen Elements.

Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen dem Maß der Verstel lung und der Anzahl an Betriebszyklen. Wie ersichtlich, ist bei dem herkömmlichen geschichteten piezoelektrischen Element ein Durchschlag der Isolierung an der Stelle B 1 aufgetreten, was bedeutet, daß das piezoelektrische Element der vorliegen den Erfindung eine wesentlich höhere Lebensdauer aufweist als das herkömmliche.

Wie oben beschrieben, ist das geschichtete Verstellglied frei von Brüchen aufgrund von Spannungskonzentration, Deh nungsanstieg und dergleichen, da zwischen dem auslenkenden Teil (Hauptteil der piezoelektrischen dünnen Platten) und dem nicht-auslenkenden Teil (äußeren Ende oder Seitenabschnitt) ein Pufferabschnitt vorhanden ist. Das erfindungsgemäße Bau teil weist daher eine höhere Lebensdauer und höhere Zuverläs sigkeit auf.

Claims

1. Geschichtetes Verstellglied mit einer Vielzahl von dün nen Platten (1) aus elektromechanischem Wandlermaterial, die abwechselnd mit den wesentlichen Teil der dünnen Platten be deckenden inneren Elektroden (2 a, 2 b) aufeinander geschichtet sind, und einem Paar von an beiden Seiten des Laminats mit den inneren Elektroden (2 a, 2 b) verbundenen äußeren Elektroden (3 a, 3 b), gekennzeichnet durch einen Pufferabschnitt (C), der sich zwi schen einem in der Nähe jeder Seitenfläche des Laminats be findlichen nicht-auslenkenden Teil (B) und einem innerhalb des Laminats gelegenen auslenkenden Teil (A) erstreckt und ein Verstellmaß aufweist, das sich von 0% an einer dem nicht-aus lenkenden Teil (B) benachbarten Stelle auf 100% an einer dem auslenkenden Teil (A) benachbarten Stelle allmählich erhöht.

2. Verstellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferabschnitt (C) die innere Elektrode (2 a, 2 b) in einem Verhältnis enthält, das von 0% an einer dem nicht-aus lenkenden Teil (A) benachbarten Stelle auf 100% an einer dem auslenkenden Teil (A) benachbarten Stelle allmählich zunimmt.

3. Verstellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferabschnitt (C) aus einem Material mit einer pie zoelektrischen Dehnungskonstante d und die dünne Platte (1) aus einem Material mit einer piezoelektrischen Dehnungskon stante d ₀ besteht, wobei das Verhältnis d/d ₀ von 0 an einer dem nicht-auslenkenden Teil (B) benachbarten Stelle auf 1 an einer dem auslenkenden Teil (A) benachbarten Stelle all mählich ansteigt.

4. Verstellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Pufferabschnitt (C) bildende dünne Platte (1) mit einer Isolierschicht (8) einer Dicke t ₁ und einer Elektrodenschicht einer Dicke t ₂ in dieser Reihenfolge beschichtet ist, wobei die Dicken t ₁, t ₂ und die Dicke t der inneren Elektrode (2 a, 2 b) die Gleichung t ₁+t ₂=t erfüllen und die Dicke t ₁ der Isolierschicht (8) von t an einer dem nicht-auslenkenden Teil (B) benachbarten Stelle auf 0 an einer dem auslenkenden Teil (A) benachbarten Stelle all mählich abnimmt.

5. Verstellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromechanische Wandlermaterial ein piezoelektrisches Keramikmaterial oder ein elektrostriktives Material ist.

6. Verstellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode (2 a, 2 b) auf der dün nen Platte (1) im Siebdruckverfahren hergestellt ist.

7. Verstellglied nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (8) und/oder die Elek trodenschicht im Siebdruckverfahren hergestellt ist.