DE60038276T2

DE60038276T2 - Vielschicht-Piezoelement und dessen Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60038276T2
Application number: DE60038276T
Authority: DE
Inventors: Masahito Furukawa; Kenji Horino; Makoto Morita; Syuuzi Itoh; Minami Kudoh
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1999-12-08
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2020-12-09
Also published as: US6411012B2; EP1107325A2; HK1037424A1; EP1107325A3; EP1107325B1; CN1197179C; US20010009344A1; DE60038276D1; CN1299153A

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element gemäß Definition in Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben gemäß Definition in Anspruch 9 und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von solchen mehrschichtigen piezoelektrischen Keramiken, bei denen die Betriebssicherheit verbessert worden ist.
Im Allgemeinen werden elektronische Teile aus einer mehrschichtigen piezoelektrischen Keramik dadurch gebildet, dass eine übereinandergeschichtete piezoelektrische Keramik durch abwechselndes Übereinanderschichten einer Vielzahl von Schichten aus piezoelektrischen Keramikrohplatten mit aufgedruckten inneren Elektroden aus Silber (Ag) oder einer Silber-Palladium-Legierung (Ag-Pd) hergestellt wird, die übereinandergeschichtete piezoelektrische Keramik gebrannt wird und, wie in 11 gezeigt ist, die gesinterte übereinandergeschichtete Keramik 101 an ihren Rändern mit einer elektrisch leitfähigen Paste mit Silber als Hauptkomponente beschichtet wird, um so Anschlusselektroden 102a, 102b, 102c zu bilden.
Darüber hinaus ist, wie in 12 gezeigt ist, auch ein Erzeugnis bekannt, bei dem innere Elektroden 104 in abwechselnder Übereinanderschichtung mit piezoelektrischen Keramikschichten 103 an Seiten der gesinterten piezoelektrischen Keramik 101 freiliegen.
Elektronische Teile aus der vorbeschriebenen mehrschichtigen piezoelektrischen Keramik weisen wahrscheinlich brennbedingt eine Vielzahl von Kleinstporen innerhalb der Schichten der gesinterten piezoelektrischen Keramik auf, wodurch Feuchtigkeit während einer über eine lange Zeitdauer erfolgenden Verwendung an der Atmosphäre bei hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit in die Poren gelangt, sodass sich Isolierdefekte zwischen den inneren Elektroden einstellen.
Als Gegenmaßnahme hierzu werden, wie in 13 gezeigt ist, äußere Filme 105 aus einem organischen Harz an Oberflächen der gesinterten piezoelektrischen Keramik 1 gebildet, damit Feuchtigkeit nicht eindringen oder hindurchgelangen kann. Es ist dennoch schwierig, das Eindringen von Feuchtigkeit mittels der äußeren Filme 105 aus organischem Harz vollständig zu unterbinden, wobei hierbei zudem beispielsweise durch Migration von Silber als Elektrodenmaterial bei der Langzeitverwendung die Isoliereigenschaften schlechter werden, was wiederum unvermeidlicherweise zu einer Kurzschlussbildung führt.
In einem Fall, in dem das mehrschichtige piezoelektrische Element miniaturisiert ist oder einen komplizierten Aufbau aufweist, liegen bei dem mehrschichtigen piezoelektrischen Element an dessen Seiten die Ränder der inneren Elektrodenschichten bisweilen frei. Wird den inneren Elektrodenschichten eine Spannung aufgeprägt und wird das mehrschichtige piezoelektrische Element dann unter Bedingungen betrieben, wo Feuchtigkeit an den Rändern eindringen kann, so wird das Metall, das die inneren Elektrodenschichten bildet, ionisiert und induziert hierdurch ein sogenanntes Migrationsphänomen, bei dem sich das Metall zwischen den Elektroden in Reaktion auf ein elektrisches Feld bewegt. Für die innere Elektrodenschicht werden aus Kostenersparnisgründen im Allgemeinen Legierungen mit Silber als Hauptkomponente, so beispielsweise eine Ag-Pd-Legierung, verwendet. Bei der inneren Elektrodenschicht, die die Ag-haltige Legierung umfasst, tritt die Migration jedoch ohne Weiteres auf, wobei in Extremfällen Metallbrücken, die Ag und dergleichen enthalten, zwischen gegenüberliegenden inneren Elektrodenschichten gebildet werden. Im Ergebnis entstehen aufgrund der Metallbrücken oftmals elektrische Kurzschlüsse zwischen den gegenüberliegenden inneren Elektrodenschichten, wodurch ein Verlust an Betriebssicherheit wahrscheinlich wird.
Die Migration beschleunigt sich insbesondere bei hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit oder einem hohen elektrischen Feld. Es wurden daher zur Verbesserung der Feuchtigkeitsbeständigkeit verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen.

(1) Ein Verfahren zum Beschichten einer äußeren Fläche des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes mit einem Isoliermaterial aus einem Harzfilm oder einer Glasisolierschicht
(2) Ein Verfahren zum Beschichten einer äußeren Fläche des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes mit einem Isoliermaterial aus Siliziumoxid (SiO₂).
So offenbart beispielsweise die Druckschrift JP-A-61-15382 eine Technologie, bei der das Siliziumoxidisoliermaterial an den freiliegenden Teilen der inneren Elektrodenschichten mittels eines Dekompressions-CVD-Verfahrens gleichmäßig gebildet wird.
(3) Ein Verfahren zum Bilden einer Glasisolierschicht an der äußeren Fläche des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes mittels eines Trocken- oder Nasstransskriptionsverfahrens.
So offenbart beispielsweise die Druckschrift JP-A-7-7193 eine Technologie, bei der die Glasisolierpaste auf einem Trockentransskriptionspapier oder einem Nasstransskriptionspapier gebildet wird, delaminiert wird, anschließend die Glasisolierpaste an vier Seiten des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes anhaftend gemacht wird und zum Beschichten des Glasisoliermaterials eine Erwärmung erfolgt.
(4) Ein weiteres Verfahren zum selektiven Beschichten des Isoliermaterials eines anorganischen Materials oder eines hochpolymeren Materials lediglich an Teilen, an denen die innere Elektrodenschicht des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes freiliegt.

So offenbart beispielsweise die Druckschrift JP-A-7-176802 eine Technologie, bei der Teilchen aus anorganischen Materialien, so beispielsweise eine piezoelektrische Keramik oder ein Hochpolymer wie Polyimid, selektiv lediglich an Teilen mit einer freiliegenden inneren Elektrodenschicht des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes mittels einer elektrophoretischen Abscheidung anhaftend gemacht werden, damit sich eine Beschichtung hierauf bildet.
Die Druckschrift EP 0 167 392 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Elementes, das einen elektrostriktiven Effekt aufweist. Entsprechend diesem Verfahren wird zunächst eine laminierte Struktur aus Filmen oder dünnen Platten aus elektrostriktivem Material und inneren Elektroden gebildet, die abwechselnd übereinandergelegt werden. Anschließend wird ein Paar von Elektroden zum Zwecke eines Außenanschlusses an den Seitenoberflächen der laminierten Struktur gebildet, sodass zunächst jede abwechselnde innere Elektrode elektrisch mit einer Gruppe verbunden wird, woraufhin als Zweites jede abwechselnde innere Elektrode elektrisch mit einer weiteren Gruppe verbunden wird. In einem nächsten Schritt wird eine Epoxidharzschicht, so beispielsweise eine organische Isolierschicht, an freiliegenden Oberflächen der inneren Elektroden sowie an hierzu benachbarten Abschnitten mittels eines elektrophoretischen Prozesses abgeschieden. Die genannte Druckschrift offenbart darüber hinaus, dass das Ersetzen der organischen Isolierschicht durch ein anorganisches Isoliermaterial, so beispielsweise durch Glas, von Vorteil ist.
Die Druckschrift US 5,568,679 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines laminierten piezoelektrischen Aktuators mit einem Hohlraum. Entsprechend diesem Verfahren wird eine Vielzahl von piezoelektrischen Keramikplatten und inneren Elektroden laminiert, wodurch sich ein laminierter Körper ergibt, der eine Menge von gegenüberliegenden Seitenflächen, an denen alle inneren Elektroden freiliegen, und eine weitere Menge von gegenüberliegenden Seitenflächen, an denen die inneren Elektroden jeder zweiten Schicht freiliegen, aufweist. Die freiliegenden inneren Elektroden des laminierten Körpers werden mittels Elektrophorese mit einem Isolator bedeckt. Materialien, so beispielsweise Glas, Keramik und Polymere wie Polyamid, Polyimid, fluoriertes Harz oder Epoxidharz, sind als Isoliermaterialien genannt. Äußere Elektroden sind an gegenüberliegenden Oberflächen des laminierten Körpers vorgesehen, um einen elektrischen Anschluss zu den inneren Elektroden zu bilden.
Die Druckschrift US 5,191,688 offenbart einen piezoelektrischen Aktuator vom Laminattyp, der eine Vielzahl von inneren Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten in abwechselnder Übereinanderschichtung aufweist, wobei äußere Elektroden an den rechten und linken Seitenflächen des Laminates gebildet sind, sodass sämtliche inneren Elektroden parallel mit den äußeren Elektroden auf abwechselnde Weise verbunden sind. Ein Glasisolator wird mittels Elektrophorese an jedem zweiten Endabschnitt der inneren Elektroden abgeschieden, woraufhin ein Brennen erfolgt, um die Glasisolierschichten zu bilden.

(5) Bei derjenigen Struktur, die mit Löchern in dem mehrschichtigen piezoelektrischen Element ausgebildet ist, wobei die Löcher mit Füllstoffen gefüllt sind, wird die Beschichtung an demjenigen Teil gebildet, an dem der Rand der inneren Elektrodenschicht innerhalb der Löcher freiliegt.

So offenbart beispielsweise die Druckschrift JP-A-10-136665 eine Struktur, die mit Löchern in dem mehrschichtigen piezoelektrischen Element gebildet ist, wobei die Löcher mit weichen Füllstoffen wie Silikonharz oder Urethanharz gefüllt sind, und die Beschichtung an demjenigen Teil gebildet wird, an dem der Rand der inneren Elektrodenschicht der Löcher freiliegt, wodurch die Feuchtigkeitsbeständigkeit verbessert wird.
Ungeachtet der vorstehend aufgeführten Maßnahmen ist die Betriebssicherheit des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes eingedenk der nachstehend genannten Punkte noch nicht vollkommen.
Entsprechend der vorgenannten Maßnahme (1) ist dann, wenn das mehrschichtige piezoelektrische Element an seiner äußeren Fläche mit einem Harzfilm beschichtet ist, der Effekt der verliehenen Feuchtigkeitsbeständigkeit mäßig, sodass das Problem der Betriebssicherheit erhalten bleibt. Für den Fall, dass das mehrschichtige piezoelektrische Element an seiner äußeren Fläche mittels eines herkömmlichen Verfahrens mit der Glasisolierschicht beschichtet wird, ist die Feuchtigkeitsbeständigkeit verbessert, wohingegen dann, wenn der elastische Modul zwischen der Glasisolierschicht und der piezoelektrischen Keramik stark verschieden ist, die Glasisolierschicht im Betrieb des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes wahrscheinlich die Verschiebung der piezoelektrischen Keramik hemmt.
Entsprechend der vorgenannten Maßnahme (2) wird die Feuchtigkeitsbeständigkeit verbessert. Wird jedoch das mehrschichtige piezoelektrische Element derart betrieben, dass eine Zugbeanspruchung wiederholt auf den Siliziumoxidfilm einwirkt, so bricht der Siliziumoxidfilm leicht. Tritt in dem Siliziumoxidfilm ein Bruch auf, so ergibt sich das Problem, dass der Rand der inneren Elektrodenschicht wiederum freiliegt, was die Betriebssicherheit verschlechtert.
Bei der Bildung des Siliziumoxidfilmes mit einer vorbestimmten Filmdicke führt eine vergleichsweise lange Verarbeitungszeit zu einem Anstieg der Kosten.
Entsprechend der vorgenannten Maßnahme (3) wird dann, wenn die äußere Fläche des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes mit der Glasisolierschicht beschichtet ist, die Feuchtigkeitsbeständigkeit erhöht und die Auftretensrate von Defekten im Einsatz bei hoher Feuchtigkeit verringert. Ist jedoch ähnlich zu Maßnahme (1) der elastische Modul zwischen der Glasisolierschicht und dem piezoelektrischen Element stark verschieden, so ist wahrscheinlich, dass die Glasisolierschicht eine Verschiebung der piezoelektrischen Keramik hemmt.
Entsprechend der Maßnahme (4) nimmt die Feuchtigkeitsbeständigkeit zu, und da das Isoliermaterial selektiv nur an demjenigen Teil aufgeschichtet ist, an dem die innere Elektrodenschicht freiliegt, kann im Betrieb des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes bei einer wiederholt auf die anorganische Beschichtungsschicht einwirkenden Zugbeanspruchung das Auftreten von Brüchen nachgewiesen werden. Die Betriebssicherheit wird so stark erhöht. Entsprechend der elektrophoretischen Abscheidung wird darüber hinaus im Vergleich zu Maßnahme (2) die Beschichtungszeit des Isoliermaterials verkürzt, was eine weitere Senkung der Kosten bedingt.
Da das Isoliermaterial nur an denjenigen Teilen ausgebildet ist, an denen die inneren Elektrodenschichten freiliegen, ist die Feuchtigkeitsbeständigkeit der piezoelektrischen Keramikschicht an denjenigen Teilen nicht ausreichend, die nicht mit dem Isoliermaterial gebildet sind, so beispielsweise zwischen den inneren Elektrodenschichten, und insbesondere, wenn Poren in der piezoelektrischen Keramikschicht vorhanden sind, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Verschlechterung der Betriebssicherheit gegeben ist.
Entsprechend der Maßnahme (5) wird die Feuchtigkeitsbeständigkeit an demjenigen Teil verbessert, an dem die Löcher freiliegen, wobei an Teilen, an denen die inneren Elektrodenschichten nach außen freiliegen, eine weitere Beschichtungsschicht separat vorgesehen werden sollte.
Eingedenk der vorbesprochenen Probleme besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung gemäß Definition in Anspruch 1 darin, ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element bereitzustellen, das weitgehend gebildet werden kann, ohne dass eine Verschlechterung der Isolierbeständigkeit auftritt, und zwar ungeachtet einer während einer längeren Zeitdauer erfolgenden Verwendung an der Atmosphäre bei hoher Temperatur und bei hoher Feuchtigkeit, sowie ein Herstellungsverfahren hierfür.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element bereitzustellen, das eine Verschiebungscharakteristik aufweist, die gut gewählt ist und weitgehend gebildet werden kann, ohne dass eine Verschlechterung der Isolierbeständigkeit auftritt, sowie ein Herstellungsverfahren hierfür.
Die beiden Aufgaben werden durch das mehrschichtige piezoelektrische Element nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen 2 bis 8.
Darüber hinaus besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes mit hervorragender Betriebssicherheit durch gleichmäßiges Ausbilden der Glasisolierschicht an Seitenteilen mit freiliegenden Rändern der inneren Elektrodenschichten des mehrschichtigen piezo elektrischen Elementes bereitzustellen, wodurch Defekte unterdrückt werden, sowie ein Erzeugnis hieraus.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes nach Anspruch 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens zur Herstellung eines mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen 10 bis 14.
Hierbei bezeichnet der Begriff „Glasisolierschicht" eine Beschichtungsschicht, die eine amorphe anorganische Verbindung aufweist und bei der Defekte vollständig fehlen, sodass ein Eindringen von Feuchtigkeit verhindert wird.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die innere Elektroden zeigt, die elektronische Teile der mehrschichtigen piezoelektrischen Keramik ohne Freiliegen der inneren Elektroden entsprechend der Erfindung sowie Keramikrohplatten bildet.
2 ist eine Querschnittsansicht, die elektronische Teile der mehrschichtigen piezoelektrischen Keramik entsprechend denjenigen von 1 zeigt.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die innere Elektroden, die die elektronischen Teile der mehrschichtigen piezoelektrischen Keramik mit Freiliegen der inneren Elektroden entsprechend der Erfindung bilden, sowie Keramikrohplatten zeigt.
4 ist eine Querschnittsansicht, die die elektronischen Teile der mehrschichtigen piezoelektrischen Keramik entsprechend denjenigen von 3 zeigt.
5 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die Struktur des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes zeigt.
6(a) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A von 5.
6(b) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B von 5.
7 ist ein Flussdiagramm, das eine Prozedur zur Herstellung des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes entsprechend der Erfindung zeigt.
8 ist eine schematische Ansicht, die Elementteile entsprechend der Erfindung zeigt.
9 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für eine elektrophoretische Abscheidung entsprechend der Erfindung zeigt.
10(a) ist eine Ansicht, die einen Prozess einer Elektroabscheidung von Glasteilchen an den inneren Elektrodenschichten mittels der elektrophoretischen Abscheidung entsprechend der Erfindung zeigt.
10(b1) und 10(b2) sind schematische Ansichten, die die Glasisolierschichten zeigen, die mittels Durchführen der Wärmebehandlung an den elektrisch abgeschiedenen Glasschichten mittels der elektrophoretischen Abscheidung der Erfindung gebildet werden.
11 ist eine perspektivische Ansicht, die die elektronischen Teile der mehrschichtigen piezoelektrischen Keramik ohne Freiliegen der inneren Elektroden entsprechend einem herkömmlichen Beispiel zeigt.
12 ist eine perspektivische Ansicht, die die elektronischen Teile der mehrschichtigen piezoelektrischen Keramik mit Freiliegen der inneren Elektroden entsprechend einem herkömmlichen Beispiel zeigt.
13 ist eine Querschnittsansicht, die elektronische Teile der mehrschichtigen piezoelektrischen Keramik zeigt, die mit Filmen aus einem Isolierharz entsprechend einem herkömmlichen Beispiel versehen ist.
Nachstehend wird ein erstes Beispiel unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschrieben. Die gezeigten elektronischen Teile der mehrschichtigen piezoelektrischen Keramik sind, wie in 1 gezeigt ist, aus einer gesinterten mehrschichtigen Keramik gebildet, die mittels Herausziehen aus der elektrischen leitfähigen Paste aus Ag oder einer Ag-Pd-Legierung, Bedrucken zur Bildung der inneren Elektroden 110, 111, 112 mit unterschiedlich angeordneten Elektroden innerhalb der Oberflächen der piezoelektrischen Keramikrohplatten 113, abwechselndes Übereinanderschichten einer Vielzahl von Schichten der piezoelektrischen Keramikrohplatten 113 und der inneren Elektroden 110, 111, 112 zur Herstellung der mehrschichtigen piezoelektrischen Keramiken und Brennen der mehrschichtigen piezoelektrischen Keramik hergestellt werden.
Bei den gesinterten mehrschichtigen Keramiken wird die elektrisch leitfähige Paste mit Ag als Hauptkomponente auf die gesinterte mehrschichtige Keramik 101 an Rändern hiervon aufgeschichtet, um die Anschlusselektroden 114 zu bilden, die eine elektrische Leitung zu den inneren Elektroden 110, 111, 112 herstellen. Die Anschlusselektroden 114 werden entsprechend der Darstellung bei 102a, 102b und 102c von 12 gebildet. Des Weiteren wird die gesinterte piezoelektrische Keramik an ihren Oberflächen mit Filmen 115 aus dem Glasisoliermaterial beschichtet, das zwei oder mehr beliebige Komponenten von Keramikverbindungen umfasst, die unter Elementen ausgewählt sind, die vollständig oder teilweise aus Bleioxid (PbO), Siliziumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und der gesinterten piezoelektrischen Keramik bestehen.
Bei den auf diese Weise gebildeten elektronischen Teilen der mehrschichtigen piezoelektrischen Keramik werden die Oberflächen der gesinterten piezoelektrischen Keramik durch die Filme 115 aus nichtdurchdringbarem Feinglasisoliermaterial vor Feuchtigkeit geschützt, wodurch es möglich wird, Isolierdefekte zwischen den inneren Elektroden und Isolierdefekte aufgrund von Migration zu vermeiden, sodass eine längere Betriebsdauer an der Atmosphäre bei hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit ermöglicht und der Grad der Verschiebung gesichert wird, weshalb die Bildung von Erzeugnissen mit hoher Betriebssicherheit und Haltbarkeit ermöglicht wird.
Im Gegensatz zu den elektronischen Teilen ohne Freiliegen der inneren Elektroden können, wie in 1 und 2 gezeigt ist, die elektronischen Teile der mehrschichtigen piezoelektrischen Keramik mit der gesinterten piezoelektrischen Keramik gebildet werden, wobei die inneren Elektroden 110', 111', 112' überall mit Ausnahme der Teile an den beiden Rändern entlang der piezoelektrischen Keramikrohplatten 113, wie in 3 gezeigt ist, gebildet werden und die innere Elektroden 110', 111', 112' an den Rändern, wie in 4 gezeigt ist, freiliegen.
Hergestellt werden die elektrischen Teile der mehrschichtigen piezoelektrischen Keramiken durch zunächst erfolgendes Hinzufügen eines organischen Bindemittels in einer vorbestimmten Menge mit kalzinierten Pulvern als Hauptkomponente der piezoelektrischen Keramik, durch anschließendes Hinzugeben eines Lösungsmittels, durch vollständiges Mischen in einer Kugelmühle, durch Herstellen einer Aufschlämmung der piezoelektri schen Keramiken und durch anschließendes Bilden eines Dünnfilmes aus der Aufschlämmung an einem Polyesterfilm mittels Walzbeschichten, durch Erhitzen zum Zwecke der Trocknung des Dünnfilmes auf 80 bis 100°C an dem Polyesterfilm und durch Beschneiden zur Herstellung einer Rohplatte mit einer Dicke von 20 μm.
Zum Bilden der inneren Elektroden werden Ag-Pulver, Pd-Pulver und Ethylzellulose in Butylkarbitol und Terpineol gelöst und durchgerührt, wodurch die elektrisch leitfähige Paste hergestellt wird. Die elektrisch leitfähige Paste wird zum Aufdrucken an einer Seite der piezoelektrischen Keramikrohplatten mittels eines Siebes mit gewünschten Mustern verwendet und sodann getrocknet, um die inneren Elektroden zu bilden.
Anschließend wird eine Vielzahl von piezoelektrischen Keramikrohplatten und inneren Elektroden abwechselnd übereinandergeschichtet, und es werden 20 Platten von den Keramikrohplatten ohne aufgedruckte innere Elektroden (Plattendicke: 15 μm) an den oberen und unteren äußersten Schichten übereinandergeschichtet. Anschließend wird die übereinandergeschichtete piezoelektrische Keramik auf etwa 60°C erwärmt, während ein Druck in Übereinanderschichtungsrichtung zum Zwecke eines Druckbondens ausgeübt wird.
Die übereinandergeschichtete piezoelektrische Keramik wird in einen Ofen eingebracht, damit dort das organische Bindemittel herausgebrannt werden kann, und dort zwei Stunden lang bei einer aufrechterhaltenen Erwärmungstemperatur von 1060°C gebrannt, auf 600°C mit einer Rate von 200°C pro Stunde heruntergebracht und sodann auf Raumtemperatur abgekühlt, um die gesinterten piezoelektrischen Keramiken herzustellen. Mittels dieser Vorgehensweise wird das organische Bindemittel herausgebrannt, und es werden die Poren in den Schichten der gesinterten piezoelektrischen Keramik gedottet bzw. zugestopft.
Zum Bilden des Filmes der gesinterten piezoelektrischen Keramik werden Pulver aus zwei oder mehr beliebigen Komponenten von Keramikverbindungen (die nachstehend als „dieselben Materialien als Element" bezeichnet werden), die unter Elementen ausgewählt sind, die vollständig oder teilweise aus Bleioxid (PbO), Siliziumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und der gesinterten piezoelektrischen Keramik gebildet sind, durch synthetische Harze wie Ethylzellulose oder Akrylharz und eine Methyl-Ethyl-Keton-Lösung (MEK) dispergiert, wodurch eine Glasisolierpaste mit moderater Viskosität hergestellt wird.
Die Glasisolierpaste wird gleichmäßig auf die Oberflächen der gesinterten piezoelektrischen Keramik mittels Tauch- oder Drehbeschichten geschichtet, dort getrocknet und in dem Ofen an einer Luftatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 800°C 20 Minuten lang wärmebehandelt. Während dieser Prozedur können die Oberflächen der gesinterten piezoelektrischen Keramik mit dem Film aus dem Glasisoliermaterial gebildet werden, wobei eine Glasmenge in die Schicht der gesinterten piezoelektrischen Keramiken eindringt und dort diffundiert, sodass die Poren gefüllt werden.
Die gesinterte piezoelektrische Keramik wird anschließend einem Zerschneideprozess unterworfen, um einen piezoelektrischen Keramikchip herzustellen, woraufhin schließlich der piezoelektrische Keramikchip mit freiliegenden inneren Elektroden an den Rändern mit der elektrisch leitfähigen Paste, die aus Ag-Pulvern, Pd-Pulvern, einer Glasurmasse und einem Träger gebildet ist, beschichtet wird, woraufhin die Paste getrocknet und das Innere des Ofens mit Luftatmosphäre gefüllt wird, damit ein Brennen bei etwa 720°C für 20 Minuten erfolgen kann, wodurch die Anschlusselektroden gebildet werden.
Bei diesen Strukturen ohne freiliegende innere Elektroden an den Seiten hiervon wurde in Bezug auf 100 Stücke der erfindungsgemäßen Erzeugnisse und der herkömmlichen Erzeugnisse, bei denen der Film des Glasisoliermaterials aus einer Zusammensetzung von PbO mit 30 Gew.-%, SiO mit 10 Gew.-%, Al₂O₃ mit 10 Gew.-% und denselbigen Materialien als Element mit 50 Gew.-% besteht, ein Vergleich bei einem Hochtemperatur-Hochfeuchtigkeits-Test (Testbedingungen: Temperatur: 85°C, relative Feuchtigkeit 85% RH) vorgenommen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
Die erfindungsgemäßen Erzeugnisse können derart gebildet werden, dass eine Verhinderung des Eindringens von Feuchtigkeit und eine Verringerung des Auftretens von Isolierdefekten ermöglicht werden, weshalb eine hohe Betriebssicherheit und Haltbarkeit dadurch entsteht, dass der Film aus dem Glasisoliermaterial mit einer Dicke von 0,5 bis 7,0 μm an der Oberfläche der gesinterten piezoelektrischen Keramik gebildet wird. Liegt die Filmdicke des Glasisoliermaterials bei etwa 0,3 μm, ist sie also klein, so liegt die Haltbarkeit bis zu einer hohen Temperatur und einer hohen Luftfeuchtigkeit bei 1.000 Stunden höchstens. Liegt die Filmdicke des Glasisoliermaterials bei etwa 10 μm, ist sie also groß, so ist das entsprechende Erzeugnis nicht erwünscht, da nunmehr Einflüsse auf Verschiebungscharakteristiken der gesinterten piezoelektrischen elektrischen Keramik auftreten können.
Demgegenüber kann der äußere Film aus dem organischen Harz der herkömmlichen Erzeugnisse das Eindringen von Feuchtigkeit nicht vollständig verhindern, weshalb ein derartiges Erzeugnis bei einem Test bei hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit nur 10 Stunden haltbar ist.
Bei denjenigen Strukturen mit freiliegenden inneren Elektroden an den Seiten hiervon wurde in Bezug auf die erfindungsgemäßen Erzeugnisse und die herkömmlichen Erzeugnisse, bei denen der Film des Glasisoliermaterials aus derselben Verbindung wie vorstehend genannt besteht, der Vergleich bei einem Test mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit bewertet (Testbedingungen: Temperatur 85°C, relative Feuchtigkeit 85% RH). Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2
Obwohl die erfindungsgemäßen Erzeugnisse diejenigen mit freiliegenden inneren Elektroden an den Seiten sind, steht, wenn der Film aus dem Glasisoliermaterial mit einer Dicke von 0,5 bis 7,0 μm an den Oberflächen der gesinterten piezoelektrischen Keramik aufgebracht ist, eine Struktur zur Verfügung, bei der ein Eindringen von Feuchtigkeit vermieden wird, das Auftreten von Isolierdefekten verringert wird und eine hohe Betriebssicherheit und Haltbarkeit gegeben sind. Liegt die Filmdicke des Glasisoliermateri als bei etwa 0,3 μm, so liegt die Haltbarkeit auch bei einem Test mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit bei ungefähr 10 Stunden. Liegt die Filmdicke des Glasisoliermaterials bei etwa 10 μm, ist sie also groß, so ist ähnlich zu den Strukturen ohne freiliegende innere Elektroden, ein derartiges Erzeugnis nicht wünschenswert, da nunmehr Einflüsse auf Verschiebungscharakteristiken der gesinterten piezoelektrischen Keramik auftreten können.
Demgegenüber kann der äußere Film aus dem organischen Harz der herkömmlichen Erzeugnisse das Eindringen der Feuchtigkeit nicht verhindern, weshalb ein derartiges Erzeugnis bei einem Test mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit für 10 Stunden haltbar ist.
Andere Beispiele werden gesondert unter Bezugnahme auf 5 bis 10(b2) beschrieben. 5 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die Struktur des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 zeigt, 6(a) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A von 5, 6(b) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B von 5. Wie in 5, 6(a) und 6(b) gezeigt ist, ist das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 aus einer piezoelektrischen Keramikschicht 2, inneren Elektrodenschichten 3 zum Aufprägen eines elektrischen Feldes auf die piezoelektrische Keramikschicht 2, Glasisolierschichten 4 zum Isolieren der freiliegenden Ränder der inneren Elektrodenschichten 3 und der piezoelektrischen Keramikschicht 2 zwischen den inneren Elektrodenschichten 3 und den Anschlusselektroden (nicht gezeigt) zum Anlegen einer Spannung an den inneren Elektrodenschichten 3 gebildet und derart strukturiert, dass die Ränder der inneren Elektrodenschichten 3 außerhalb der piezoelektrischen Keramikschicht 2 bei jeder zweiten Schicht freiliegen.
7 ist ein Flussdiagramm, das eine Prozedur zur Herstellung des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 zeigt, während 8 eine schematische Ansicht ist, die Elementteile von 7 zeigt. Wie in 7 gezeigt ist, werden die Rohmaterialien für die piezoelektrische Keramik gewogen und in Wasser mit ZrO₂-Kugeln gemischt (S1), getrocknet und kalziniert (S2). Anschließend wird das Ergebnis in dem Wasser mit ZrO₂-Kugeln gemahlen (S3), getrocknet und mit organischem Lösungsmittel und Harzkomponenten verknetet, um so eine Paste (S4) herzustellen. Die Paste wird anschließend auf einen Polyesterfilm aufgeschichtet und zu einer Platte geformt, wodurch eine Rohplatte (S5) gebildet wird.
Auf der Rohplatte einschließlich der piezoelektrischen Keramik wird eine leitfähige Paste mit Ag und Pd als Hauptkomponenten verwendet, um die inneren Elektrodenschichten 3 mittels eines Druckverfahrens (S6) in gewünschten Mustern zu bilden und Rohplatten in Übereinanderschichtung mit vorbestimmten Schichten (S7 bis S9) herzustellen (S10). Die übereinandergeschichteten Rohplatten werden einem Herausbrennen des organischen Bindemittels (S11) und einem Brennen (S12) sowie einer Verarbeitung (S13) zum Bilden des gebildeten Elementes in einer gewünschten Form unterzogen. Das gebildete Element 7 weist freiliegende Seiten der inneren Elektrodenschicht 3, wie in 8 gezeigt ist, auf. Das gebildete Element 7 wird mit den Anschlusselektroden 5 versehen (S14), woraufhin vorbestimmte Glasteilchen an den freiliegenden Seiten der inneren Elektrodenschichten 3 mittels elektrophoretischer Abscheidung elektrisch abgeschieden werden (S15), getrocknet werden (S16) und wärmebehandelt werden (S17), um das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 herzustellen (S18).
Glasisolierschicht
Die Glasisolierschicht 4, die an dem mehrschichtigen piezoelektrischen Element 1 ausgebildet ist, kann nur an den freiliegenden Teilen der Ränder der inneren Elektrodenschichten 3 außerhalb der piezoelektrischen Keramikschichten 2 getragen werden. Auf ähnliche Weise wird, wie in 5, 6(a) und 6(b) gezeigt ist, bevorzugt, wenn die Glasisolierschicht 4 sowohl an den freiliegenden Teilen der Ränder der inneren Elektrodenschichten 3 außerhalb der piezoelektrischen Keramikschichten 2 und der Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht zwischen den inneren Elektrodenschichten 3 getragen wird. Die Glasisolierschicht 4 vergrößert die Feuchtigkeitsbeständigkeit des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 und erhöht die Betriebssicherheit. Darüber hinaus unterdrückt die Glasisolierschicht 4 in ausreichend geringem Umfang die Verhinderung einer Verschiebung, die im Betrieb des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 verursacht wird.
Verfahren zur Bildung der Glasisolierschicht
Das Verfahren zur Bildung einer Glasisolierschicht 4 erfordert die nachfolgenden Schritte.

(A) Die Glasisolierschicht 4 kann wenigstens an den freiliegenden Teilen der inneren Elektrodenschicht 3 außerhalb der piezoelektrischen Keramikschicht 2 gebildet werden.
(B) Die Glasisolierschicht 4 kann gleichmäßig mit einer vorbestimmten Dicke mit guter Steuerbarkeit und hervorragender Genauigkeit bezüglich der Dicke gebildet werden.
(C) Die Geschwindigkeit der Bildung der Glasisolierschicht 4 ist in einem Ausmaß ausreichend groß, dass die Produktivität nicht behindert wird.

Da das Verfahren zur Herstellung der Glasisolierschicht 4 die genannten Anforderungen erfüllt, wird ein Verfahren zum Kombinieren der elektrophoretischen Abscheidung und der Wärmebehandlung umgesetzt. Eine Erklärung über das Verfahren zur Bildung der Glasisolierschicht 4 unter Verwendung der elektrophoretischen Abscheidung erfolgt nachstehend unter Bezugnahme auf 9, 10(a), 10(b1) und 10(b2).
Elektrophoretische Abscheidung
Die verwendete elektrophoretische Abscheidung unterliegt keinen speziellen Beschränkungen, und es kann ein beliebiges bekanntes Verfahren eingesetzt werden. Die elektrophoretische Abscheidung umfasst, wie beispielhalber in 9 dargestellt ist, ein zunächst erfolgendes Eintauchen eines gebildeten Elementes 7, das mit Anschlusselektroden 5 für die elektrophoretische Abscheidung an den freiliegenden Teilen der inneren Elektrodenschicht 3 und einer gegenüberliegenden Elektrode 6 versehen ist, in einer Suspension 11, in der vorbestimmte Glasteilchen 10 dispergiert sind. Die Anschlusselektroden 5 und die gegenüberliegende Elektrode 6 sind elektrisch verbunden. Anschließend wird eine vorbestimmte Spannung aus einer Energiequelle, die zwischen der gegenüberliegenden Elektrode 6 und den Anschlusselektroden 5 vorgesehen ist, aufgeprägt. Auf diese Weise werden die in der Suspension 11 dispergierten Glasteilchen 10 hin zu den freiliegenden Teilen der inneren Elektrodenschicht 3 entlang des elektrischen Feldes bewegt, wodurch es möglich wird, ein durch elektrische Abscheidung gebildetes Glaselement 8 zu bilden, auf dem Glasteilchen 10 an den freiliegenden Rändern der inneren Elektroden 3 selektiv abgeschieden sind.
Anschließend wird das elektrisch abgeschiedene gebildete Glaselement 8 an Luft mit einer vorbestimmten Temperatur wärmebehandelt, um so eine gleichmäßige Glasisolierschicht 4 zu bilden. Nunmehr wird die Wärmebehandlungstemperatur derart festgelegt, dass sie oberhalb des Erweichungspunktes der Glasteilchen 10 und unterhalb der Brenntemperatur des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes liegt, um eine Er weichung der Glasteilchen 10 und eine mäßige Fluidisierung zu erreichen, wodurch es möglich wird, die gleichmäßige Glasisolierschicht 4 bei ausreichender Unterdrückung von Defekten herzustellen. Wird anschließend die Wärmebehandlung bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur oberhalb des Fluidisierungsbereiches der erweichten Glasteilchen 10 und während einer vergleichsweise kurzen Zeit ausgeführt, so wird es, wie beispielsweise in 10(b1) gezeigt ist, möglich, die Glasisolierschicht 4 nur in der Umgebung des freiliegenden Teiles der inneren Elektrodenschicht 3 auszubilden.
Wird demgegenüber die Wärmebehandlungstemperatur derart gewählt, dass sie oberhalb des Erweichungspunktes der Glasteilchen 10 ist und wird die Wärmebehandlung bei einer vergleichsweise hohen Temperatur mit mäßiger Ausdehnung des Fluidisierungsbereiches der erweichten Glasteilchen 10 während einer vergleichsweise langen Zeit durchgeführt, so wird es, wie in 10(b2) gezeigt ist, möglich, die Glasisolierschicht 4 sowohl an dem freiliegenden Teil der inneren Elektrodenschicht 3 und der Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht 2 zwischen den inneren Elektrodenschichten 3 auszubilden.
In demjenigen Fall, in dem die Glasisolierschicht 4 sowohl an der inneren Elektrodenschicht 3 und der piezoelektrischen Keramikschicht 2 zwischen den inneren Elektrodenschichten 3 ausgebildet ist, dringen dann, wenn Feinporen an der Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht 2 existieren, die erweichten Glasteilchen 10 ein und füllen die Poren, wodurch es möglich wird, dass das Eindringen von Feuchtigkeit in das Innere des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 von der Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht 2 her zu verhindern.
Die Glasteilchen 10 werden an dem freiliegenden Teil der inneren Elektrodenschicht 3 des gebildeten Elementes 7 mittels elektrophoretischer Abscheidung elektrisch abgeschieden, wobei die Wärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur der Glasteilchen 10 und unterhalb der Brenntemperatur des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes ausgeführt wird, wodurch es möglich wird, dass die Glasisolierschicht 4 entweder nur an dem freiliegenden Teil der inneren Elektrodenschicht 3 oder sowohl an dem freiliegenden Teil der inneren Elektrodenschicht 3 und der piezoelektrischen Keramikschicht 2 zwischen den inneren Elektrodenschichten 3 gebildet wird. Auf diese Weise kann die Glasisolierschicht 4 in Reaktion auf Eigenschaften des gebildeten Elementes 7 oder Vorgabecharakteristiken des mehrschichtigen piezoelektri schen Elementes 1 gebildet werden, wobei Charakteristiken und Kosten auf bevorzugte Weise aufeinander abgestimmt sind.
Elektroabscheidung der Glasteilchen durch elektrophoretische Abscheidung
10(a) zeigt schematisch einen Prozess der elektrischen Abscheidung der Glasteilchen 10 an dem gebildeten Element 7 mittels elektrophoretischer Abscheidung, während 10(b1) und 10(b2) schematisch denjenigen Prozess zeigen, bei dem die Glasisolierschicht mittels Durchführung der Wärmebehandlung an den elektrisch abgeschiedenen Schichten gemäß 10(a) gebildet wird.
Wie in 10(a) gezeigt ist, bewegt sich bei der elektrophoretischen Abscheidung die elektrisch abgeschiedene Materie, so beispielsweise die Glasteilchen 10, entlang des elektrischen Feldes von der gegenüberliegenden Elektrode zu der Anschlusselektrode, gelangt zu dem freiliegenden Teil der inneren Elektrodenschicht 3 und bildet einen Anfangskern (nicht gezeigt). Der Anfangskern wächst derart, dass sich eine hemisphärische erhebungsförmige Schicht N, beispielsweise mit einem Radius r, ausbildet. Es ist bekannt, dass der Radius r dieser erhebungsförmigen Schicht N schrittweise anwächst, eine benachbarte erhebungsförmige Schicht N zum Zwecke einer Vereinigung mit derselben kontaktiert und schließlich eine (nicht gezeigte) vergleichsweise flache Schicht bildet.
Eine Struktur aus der erhebungsförmigen Schicht N gemäß Bildung durch elektrophoretische Abscheidung oder eine erhebungsförmige Struktur, die sich aus einer vergleichsweise flachen Schicht bildet, wird nachstehend als „elektrisch abgeschiedene Glasschicht" bezeichnet.
Wie in 10(a) gezeigt ist, wird das gebildete Element 7 mittels der elektrophoretischen Abscheidung hergestellt, und es wird die elektrisch abgeschiedene Glasschicht bei einer vorbestimmten Temperatur wärmebehandelt. Bei diesen Prozessen wird eine Glasisolierschicht 4 mit gleichmäßiger Dicke effizient und bei ausreichender Unterdrückung von Defekten gebildet.
Bei einer derartigen Wärmebehandlung an der elektrisch abgeschiedenen Glasschicht werden Glasteilchen geschmolzen, und es wird eine gleichmäßige amorphe Glasisolierschicht 4 gebildet. Die Form der auf diese Weise gebildeten Glasisolierschicht 4 wird als eine der nachfolgenden beiden Arten durch ungefähres Einstellen von Temperatur und Zeit der Wärmebehandlung gebildet. Dies bedeutet, dass durch Einstellen der Wärmebehandlungstemperatur auf eine vergleichsweise niedrige Temperatur oder Einstellen der Zeit auf eine vergleichsweise kurze Zeit die elektrisch abgeschiedene Glasschicht 4 nur in der Umgebung des freiliegenden Teiles der inneren Elektrode 4, wie in 10(b1) gezeigt ist, hergestellt wird. Wird demgegenüber die Wärmebehandlungstemperatur derart gewählt, dass sie vergleichsweise hoch ist, oder wird die Zeit derart gewählt, dass sie vergleichsweise lang ist, so kann die elektrisch abgeschiedene Glasschicht 4, wie in 10(b2) gezeigt ist, sowohl an dem freiliegenden Teil der inneren Elektrodenschicht 3 wie auch an der piezoelektrischen Keramikschicht 2 zwischen den inneren Elektrodenschichten 3 ausgebildet werden. Wie vorstehend erläutert worden ist, können durch geeignete Wahl der Wärmebehandlungsbedingungen die Formen der Glasisolierschichten 4 an Qualitäten oder Eigenschaften angepasst werden, die für das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 erforderlich sind.
Es wird vorgezogen, wenn die elektrisch abgeschiedene Glasschicht 4 sowohl an der piezoelektrischen Keramikoberfläche der oberen Fläche der am weitesten außen liegenden inneren Elektrodenschicht 3 wie auch der piezoelektrischen Keramikoberfläche der unteren Fläche der am weitesten unten liegenden inneren Elektrodenschicht 3 oder wenigstens an einer von beiden ausgebildet ist, im Gegensatz zu den freiliegenden Teilen der inneren Elektrodenschichten 3 und der Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht 2 zwischen den oberen Elektrodenschichten 3.
Wärmebehandlungstemperatur zur Bildung der Glasisolierschicht
Die Bedingungen bei der Wärmebehandlungstemperatur zur Bildung der Glasisolierschicht 4 stellen Bereiche dar, in denen die Wärmebehandlungstemperatur keinen nachteiligen Einfluss auf die piezoelektrische Keramikschicht 2 und die innere Elektrodenschicht 3 hat, die elektrisch abgeschiedenen Glasteilchen erweicht werden und gleichmäßige Schichten gebildet werden. Für den Fall, dass die piezoelektrische Keramikschicht 2 aus PZT (Pb(Zr, Ti)O₃) auf Basis von Keramikmaterialien gebildet ist und die innere Elektrodenschicht 3 aus der vorgenannten Ag-Pd-Legierung gebildet ist, wird vorgezogen, wenn die Wärmebehandlungstemperatur zur Bildung der Glasisolierschicht 4 aus der elektrisch abgeschiedenen Glasschicht bei 1000°C oder weniger liegt, was weniger als die Brenntemperatur des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes ist.
Dicke der Glasisolierschicht
Die Bedingungen für die Dicke der Glasisolierschicht 4 sind für die Glasisolierschicht 4 dahingehend, dass in ausreichend kleinem Umfang eine Verschiebung im Betrieb des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 verhindert wird, sowie für die innere Elektrodenschicht 3 des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 dahingehend, dass der freiliegende Teil von der Außenseite her isoliert ist und eine ausreichende Feuchtigkeitsbeständigkeit verliehen wird. Genügt die Glasisolierschicht 4 diesen Bedingungen, so liegt die Dicke vorzugsweise bei 0,3 bis 10 μm. Ist sie kleiner als 0,3 μm, so ist sie für die Feuchtigkeitsbeständigkeit nicht ausreichend, wohingegen dann, wenn sie größer als 10 μm ist, die Behinderung durch Verschiebung im Betrieb des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 übermäßig stark ist, wobei zudem gegebenenfalls Unzulänglichkeiten bei einer Verwendung als piezoelektrischer Aktuator auftreten.
Die Dicke der Glasisolierschicht 4 liegt darüber hinaus vorzugsweise zwischen 0,5 und 7 μm, eingedenk einer stabileren Leistung des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 oder einer Dispersion mit niedrigerer Erzeugnisqualität als Folge.
Chemische Zusammensetzung der Glasisolierschicht
Eingedenk der chemischen Zusammensetzung der Glasisolierschicht 4 des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 ist es notwendig, die Wärmebehandlung bei einer Temperatur und während einer Zeit durchzuführen, die keinen nachteiligen Einfluss auf die innere Elektrodenschicht 3 hat, und mit einer Dicke herzustellen, die die Verschiebung im Betrieb des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes nicht behindert.
Als Materialien zur Zusammensetzung der Glasisolierschicht 4 mit dem vorgenannten bevorzugten Bereich bezüglich der Wärmebehandlungstemperatur und mit gemäßigt großem elastischem Modul sind Glasisoliermaterialien wie PbO, SiO₂ oder Al₂O₃ zu nennen.
Zur Annäherung des elastischen Moduls der Glasisolierschicht 4 an den elastischen Modul des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 wird bevorzugt, die piezoelektrische Keramik in eine Glasmatrix mit der vorgenannten Glaskomponente in einem Bereich, der die amorphe Struktur der Glasisolierschicht 4 nicht zerstört, einzubringen.
Die Glasisolierschicht 4, die die vorstehend genannten Bedingungen erfüllt, setzt sich bevorzugt aus den nachstehend aufgeführten Komponenten zusammen.

(1) Die Glaskomponente basiert auf einer einzelnen Komponente.
(2) Die Glaskomponente basiert auf einer gemischten Komponente mit einer Vielzahl von Komponenten als Inhalt
(3) Die einzelne Komponente ist in der piezoelektrischen Keramik in der Glasmatrix hiervon dispergiert
(4) Die gemischte Komponente ist mit der piezoelektrischen Keramik in der Glasmatrix dispergiert

Bei den vorgenannten Punkten (3) und (4) gelangt dann, wenn die piezoelektrische Keramik die gleiche wie die piezoelektrische Keramik 2 des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 ist, das elastische Modul der Glasisolierschicht 4 vorzugsweise näher an den elastischen Modul des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1.
Für den Fall, dass die Glasisolierschicht 4 aus PbO mit 10 bis 80 Gew.-%, SiO₂ mit 10 bis 80 Gew.-%, Al₂O₃ mit 0 bis 50 Gew.-% und derselben piezoelektrischen Keramik wie die piezoelektrische Keramik des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 mit 0 bis 50 Gew.-% gebildet ist, ist das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 ein Element, das in ausreichend geringem Umfang eine Verhinderung der Verschiebung im Betrieb des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 unterdrückt, die Feuchtigkeitsbeständigkeit erhöht, die Betriebssicherheit und die Haltbarkeit verbessert und die Kosten vergleichsweise senkt.
Innere Elektrodenschicht
Die innere Elektrodenschicht 3 des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 erzeugt eine Verschiebung in der piezoelektrischen Keramikschicht 2 durch Aufprägen einer vorbestimmten Spannung und treibt das mehrschichtige piezoelektrische Element 1. Die innere Elektrodenschicht 3 ist in Filmform mit einem vorbestimmten Muster auf einer Rohplatte mit der piezoelektrischen Keramik gebildet, wobei die piezoelektrischen Keramikschichten 2 und die inneren Elektrodenschichten 3 durch Übereinanderschichten der Rohplatten zu einer gegenüberliegenden Elektrode zum Aufprägen des elektrischen Feldes auf die piezoelektrische Keramikschicht 2 abwechselnd übereinandergeschichtet sind.
Anforderungen an die innere Elektrodenschicht
Als Anforderungen an die innere Elektrodenschicht 3 sind die nachfolgenden Punkte zu nennen.

(a) Die Schicht kann einfach an einer vorbestimmten Position auf der Rohplatte gebildet werden.
(b) Die Schicht kann auf der Rohplatte mit guter Anhaftung gebildet werden.
(c) Die Schicht kann die Funktion als Elektrode nach dem Brennen mit einer vorbestimmtem Temperatur weiterhin wahrnehmen.
(d) Die Schicht kann sich in Reaktion auf eine Verschiebung der piezoelektrischen Keramikschicht 2 beim Aufrechterhalten einer vorbestimmten Struktur der Elektrode verschieben.

Wenn die innere Elektrodenschicht die vorgenannten Anforderungen (a) bis (d) einschließlich wirtschaftlicher Anforderungen in bevorzugter Abstimmung aufeinander weitestgehend erfüllt, so wird im Allgemeinen eine Ag-Pd-Legierung verwendet, wobei Ag die Basis darstellt und Pd in geeigneter Menge zugegeben wird. Der auf diese Weise zusammengesetzten Elektrodenschicht 3 kann wenigstens, eine Art eines anderen Metalls als die Paste aus der Ag-Pd-Legierung, Metalloxide oder organische metallische Verbindungen zugesetzt werden und. Noch weiter außen bezüglich der inneren Elektrodenschicht 3 mit einer Position an der äußersten Stelle des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 wird die piezoelektrische Keramikschicht 2 gebildet.
Verfahren zur Bildung der inneren Elektrodenschicht
Es existiert keine Beschränkung hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung der inneren Elektrodenschicht, sodass bekannte Verfahren verwendet werden können. Wird beispielsweise die innere Elektrodenschicht mit einer elektrisch leitfähigen Paste gebildet, so kann ein sogenanntes Druckverfahren bei der Beschichtung der Rohplatte mittels eines Stempels, einer Walze, eines Siebes oder einer Maske eingesetzt werden. Wird zudem die innere Elektrodenschicht 3 mittels eines Trockenfilmbildungsverfahrens, so beispielsweise eines Spatterverfahrens oder eines Dampfabscheidungsverfahrens, aufgebracht, so wird zunächst ein Fotoresistfilm an der Oberfläche der Rohplatte aufgebracht, woraufhin der Fotoresistfilm mit einer vorbestimmten Musterform mittels eines fotolithografischen Verfahrens einschließlich einer Bestrahlungsbehandlung unter Verwendung einer vorbestimmten Paste gebildet wird, woraufhin wiederum die innere Elektrodenschicht 3 mit dem Trockenfilmbildungsverfahren hergestellt wird. Andernfalls kann die Herstellung mit einem nichtelektrolytischen Plattierverfahren erfolgen, bei dem die Rohplatte in eine elektrolytische Lösung, die ein vorbestimmtes Metall enthält, eingetaucht wird.
Das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 wird mit den Anschlusselektroden versehen, die mit den vorbestimmten Positionen der inneren Elektrodenschichten 3 verbunden sind, wobei die Anschlusselektroden zu einer äußeren Quelle über Verbindungsanschlüsse (nicht gezeigt) geführt sind.
Das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 ist in Bezug auf die Übereinanderschichtungszahl der piezoelektrischen Keramikschichten 2 und der inneren Elektrodenschichten 3 (Fläche, Dicke, Breite) nicht beschränkt, sodass ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element aus wenigstens zwei Schichten ausreichend ist.
Darüber hinaus ist das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 der Form nach nicht speziell beschränkt, sodass es ausreichend ist, wenn die vorstehend erläuterte strukturierte Glasisolierschicht 4 bildbar ist. Darüber hinaus ist eine Form zulässig, die mit Löchern im Inneren des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 versehen ist.
Darüber hinaus ist das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 in Bezug auf die Verschiebungsorientierungen im Betrieb nicht speziell beschränkt, und es ist jedweder piezoelektrische Effekt für einen sogenannten piezoelektrischen Vertikaleffekt mit Verschiebung in einer Vertikalrichtung am Ort jeder Schicht oder einen sogenannten piezoelektrischen Lateraleffekt mit Verschiebung in einer Horizontalrichtung am Ort jeder Schicht möglich.
Beispiele
Beispiele der Erfindung wie auch Vergleichsbeispiele werden nachstehend unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben. 5 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die Struktur des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 des vorstehenden Beispieles zeigt, 6(a) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A von 5, 6(b) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B von 5. Wie in 5 sowie in 6(a) und 6(b) gezeigt ist, umfasst das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 die piezoelektrischen Keramikschichten 2, die inneren Elektrodenschichten 3 zum Aufprägen des elektrischen Feldes auf die piezoelektrische Keramikschicht 2, die Glasisolierschichten 4 zum Isolieren der piezoelektrischen Keramikschichten zwischen den freiliegenden Rändern der inneren Elektrodenschichten 3 und den inneren Elektrodenschichten 3 und die Anschlusselektroden (nicht gezeigt) zum Anlegen einer Spannung an den inneren Elektrodenschichten und ist derart strukturiert, dass die Randflächen der inneren Elektrodenschichten alle zwei Schichten an den Seiten freiliegen.
Verfahren zur Herstellung des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes
7 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 zeigt, während 8 eine schematische Ansicht ist, die Elementteile von 7 zeigt. Wie in 7 und 8 gezeigt ist, werden die piezoelektrischen Keramikpulver, Bindemittel und ein organisches Lösungsmittel gemischt, woraus die Paste präpariert wird (S1 bis S4), woraufhin eine Formung zu einer Rohplatte erfolgt (S5). Separat werden das elektrisch leitfähige Material, ein Bindemittel und ein organisches Lösungsmittel verknetet, um die Paste für die inneren Elektrodenschichten zu bilden.
Auf die Rohplatte wird die Paste für die inneren Elektrodenschichten in einer gewünschten Form gedruckt (S6), anschließend wird in gewünschte Größen geschnitten (S7), in 30 Platten übereinandergeschichtet (S8), gepresst (S9), um das übereinandergeschichtete Rohplattenelement zu erhalten (S10), das organische Lösungsmittel wird ausgebrannt (S11), es wird gebrannt (S12), und es wird eine Verarbeitung (S13) zum Bilden eines gebildeten Elementes 7 mit gewünschter Form mit freiliegenden Seiten der inneren Elektrodenschicht 3 gebildet. Das geformte Element 7 wird mit den Anschlusselektroden 5 an den gewünschten Positionen der freiliegenden Teile der inneren Elektrodenschicht 3 gebildet (S14) und anschließend durch die elektrophoretische Abscheidung, wie in 9 gezeigt ist, verarbeitet.
Insbesondere wurde das mehrschichtige piezoelektrische Element in die Suspension 11 eingetaucht, in der die Glasteilchen 10 dispergiert sind, und es wurden die Anschlusselektroden 5, die gegenüberliegende Elektrode 6 und die Energiequelle verbunden und mit einer Spannung beaufschlagt, wodurch die Glasteilchen 10 entlang des elektrischen Feldes bewegt und an den freiliegenden Teilen der inneren Elektroden 3 und in der Umgebung hiervon abgeschieden worden sind (S15), und es wurde das durch Elektroabscheidung gebildete Glaselement 8 mit den darauf ausgebildeten Anschlusselektroden gebildet. Das durch Elektroabscheidung gebildete Glaselement 8 wurde anschließend getrocknet (S16), bei vorbestimmten Temperaturen wärmebehandelt (S17), um die Glasisolierschichten 4 zu bilden, und es wurden Testproben des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 genommen (S18).
Bei der elektrophoretischen Abscheidung wurde der aufgeprägten Spannung ein geeigneter Pegel zum Herstellen von Testproben (S17 bis S18) der Beispiele (1 bis 7) gegeben, deren Dicke der Glasisolierschicht innerhalb des spezifischen Bereiches der Erfindung war, wobei das Vergleichsbeispiel 8 ohne Ausbildung der Glasisolierschicht 4 war und bei dem Vergleichsbeispiel 9 die Dicke der Glasisolierschicht außerhalb des spezifischen Bereiches der Erfindung war.
Bei jeder der Testproben wurden die anfänglichen elektrischen Eigenschaften, so beispielsweise der Isolierwiderstand und die Kapazität, gemessen und bewertet (S19), während die Betriebssicherheit durch den Feuchtigkeitsbeständigkeitstest (S20) mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit bewertet wurde, um die Migrationsphänomene von der inneren Elektrodenschicht 3 zu beschleunigen, und es wurden Akkumulationseffekte zu jeder Testzeit (10 bis 1.000 Stunden) untersucht.

Zur Untersuchung der Abhängigkeit der Dicke der Glasisolierschicht 4 von der Rückhalterate der Verhinderung der Verschiebung, die das Verhältnis der Steuerhinderung der Verschiebung im Betrieb des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 darstellt, wurde eine Polarisierungsbehandlung an jeder der Testproben ausgeführt, und es wurde die Verschiebung mittels eines Verschiebungsmessgerätes vom Wirbelstromtyp gemessen. Der Aufbau der Testproben und die Bedingungen der Feuchtigkeitsbeständigkeitstests sind nachstehend gezeigt. Tabelle 3 zeigt die Testergebnisse. Aufbau der Testbeispiele

Außengröße:	5,0 × 5,0 × 3,0 mm
piezoelektrische Keramikschicht
chemische Zusammensetzung:	Pb0,96Sr0,04{(Co_1/3Nb_2/3)_0,01Ti_0,46Zr_0,53}O₃ + WO₃
Dicke:	25 μm
innere Elektrodenschicht
Ag-Pd-Legierung (Verhältnis der	Ag/Pd = 70 Gew.-%/30 Gew.-%
chemischen Zusammensetzung):
Dicke:	2 μm
Anzahl der übereinandergeschichte	30 (eine Schicht ist eine Kombination aus einer pie
ten Schichten:	zoelektrischen Keramikschicht und einer inneren
	Elektrodenschicht)
Anschlusselektrode:	Ag-Pd-Legierung
Bedingungen bei der Herstellung der
Testproben
Brenntemperatur der Rohplatte:	1100°C
Bedingungen der elektrophoretischen
Abscheidung
Zusammensetzung der Suspension:	Glasteilchen + Dispersionsmedium (mit Essigsäu
	reanhydrid als Dispersionsmedium)
Chemische Zusammensetzung der	PbO: 60 Gew.-%
Glasteilchen:	SiO₂: 20 Gew.-%
	Al₂O₃: 20 Gew.-%
Konzentration der Glasteilchen in der	1 Gew.-%
Suspension
Behandlungsbedingungen
aufgeprägte Spannung:	10 bis 100 V Gleichspannung
Behandlungszeit:	30 Sekunden
Behandlungstemperatur:	25°C
Wärmebehandlungsbedingungen der	800°C, 20 Minuten
abgeschiedenen Glassschicht:
Bewertungstest der Betriebssicher
heit
Bedingungen beim Feuchtigkeitsbe
ständigkeitstest
Atmosphäre der Testkammer:	85°C und 85% RH
aufgeprägte Spannung im Betrieb der	50 V Gleichspannung (2 kV/mm)
Testproben:
Bewertungsbezug der Betriebssi	Vergleich mit einem Anfangswert in Bezug auf den
cherheit	Isolierwiderstand; die Bewertungen wurden dadurch
	durchgeführt, dass Defekte als derjenige Fall defi
	niert wurden, in dem eine Größenordnung um drei
	Einheiten gesenkt wurde, wobei ein Erfolg als derje
	nige Fall definiert wurde, in dem eine Größenord
	nung um zwei Einheiten oder weniger gesenkt wor
	den.
Versetzungsmessbindungen	Die Spannung von 50 V (2 kV/mm) wurde bei
	Raumtemperatur aufgeprägt.

Tabelle 3: Messungen der Testproben und Bewertungsergebnisse

Teilung	Nummer	Dicke der Glasisolierschicht (μm)	Größe der Verschiebung (μm)	Steuerprozentsatz der verhinderten Verschiebung (%)	Prozentsatz der Akkumulationsdefekte in Bezug auf Tests bei hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit(%)
Teilung	Nummer	Dicke der Glasisolierschicht (μm)	Größe der Verschiebung (μm)	Steuerprozentsatz der verhinderten Verschiebung (%)	10 Std.	20 Std.	50 Std.	100 Std.	250 Std.	500 Std.	1000 Std.
Beispiel	1 2 3 4 5 6 7	0,3 0,5 1,0 3,0 5,0 7,0 10,0	0,81 0,80 0,80 0,77 0,74 0,73 0,68	95,3 94,1 94,1 90,6 87,1 85,9 80,0	0 0 0 0 0 0 0	0 0 0 0 0 0 0	0 0 0 0 0 0 0	0 0 0 0 0 0 0	0 0 0 0 0 0 0	60 0 0 0 0 0 0	100 0 0 0 0 0 0
Vergleichs beispiele	8 9	nichts 15,0	0,85 0,61	- 71,8	60 0	80 0	100 0	- 0	- 0	- 0	- 0

(1) Verschiebungsmessverfahren: Es wurden Verschiebungen der Dicke mittels einer Verschiebungsmessvorrichtung vom Wirbelstromtyp gemessen (50 V Gleichstrom (2 kV/mm)).
(2) In Bezug auf die Verschiebung bei Vergleichsbeispiel 8 wurde der Prozentsatz der Verschiebung bei jeder Testprobe gemessen.

Messergebnis bei der Verschiebung und Bewertung des Betriebssicherheitstestes
Tabelle 3 zeigt für Beispiele 1 bis 7 und Vergleichsbeispiele 8 und 9 die Dicke (μm) jeder Glasisolierschicht 4, die Verschiebung (μm), den Steuerprozentsatz der Verhinderung der Verschiebung, wodurch der Grad der Steuerung der Verschiebungshemmung ausdrückt wird, sowie den Prozentsatz der Akkumulationsdefekte, wenn Feuchtigkeitsbeständigkeitstests für 10 bis 1.000 Stunden ausgeführt werden. Der Steuerungsprozentsatz wird unter Verwendung der Verschiebung (0,85 μm) bei Vergleichsbeispiel 8 als Standard (100%) festgelegt. Man beachte, dass Vergleichsbeispiel 8 ein reines mehrschichtiges piezoelektrisches Element ohne ausgebildete Glasschicht 4 ist.
Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, dass bei Vergleichsbeispiel 8 ohne ausgebildete Glasisolierschicht 4 die Akkumulationsdefekte nach 10 Stunden bei 60% und nach 50 Stunden bei 100% liegen, weshalb die Betriebssicherheit vergleichsweise niedrig ist. Bei Vergleichsbeispiel 9, wo die Dicke der Glasisolierschicht 4 bei 15 μm liegt, sind die Akkumulationsdefekte nach 1.000 Stunden bei 0%, und obwohl die Betriebssicherheit stark erhöht ist, liegt der Steuerprozentsatz der Verschiebung immer noch bei 72% von Vergleichsbeispiel 8, ohne dass eine Glasisolierschicht 4 gebildet ist, wobei die Funktion der Verschiebung als piezoelektrischer Aktuator stark vermindert ist.
Demgegenüber wird bei den Ergebnissen bei Beispielen 1 bis 7, wo die Dicke der Glasisolierschicht 4 gleich 0,3 bis 10 μm ist, die Verschiebungshemmung verhindert, da der Steuerprozentsatz der Verschiebungshemmung bei 80 bis 95% liegt. Die Akkumulationsdefekte liegen nach 500 Stunden bei 60%, siehe Beispiel 1 (Dicke der Glasisolierschicht 4 gleich 0,3 μm) und nach 1.000 Stunden bei 0%, siehe Beispiele 2 bis 7 (Dicke der Glasisolierschicht gleich 0,5 bis 10 μm). Daher sind Verlässlichkeit und Betriebssicherheit stark verbessert.
Wie aus den Ergebnissen der Beispiele 1 bis 7 und der Vergleichsbeispiele 8 und 9 ersichtlich ist, kann das mehrschichtige piezoelektrische Element der Erfindung eine ausreichende Verschiebungsfunktion wahrnehmen, wenn es mit der ausgebildeten Glasisolierschicht 4 bei ausreichender Verschiebungshemmung betrieben wird. Da Betriebssicherheit und Haltbarkeit auch bei hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit durch die Glasisolierschicht 4 gesichert sind, kann die erwartete Leistung vollständig erbracht werden.
Die Erfindung ist nicht auf die Beispiele beschränkt, sondern kann vielerlei Abwandlungen erfahren, die sich auf die Effekte der Erfindung auswirken. Bei der Zusammensetzung des piezoelektrischen Elementes ist, solange nur eine Verschiebung erzeugt wird, keine Begrenzung nur auf PZT-basierte Keramikmaterialien erforderlich, wobei das piezoelektrische Element mit diskretionären Modifikationen aus PZT oder einer bleifreien Verbindung zusammengesetzt sein kann.
Enthält Materie metallische Komponenten, was eine Migration in der inneren Elektrode bewirkt, so sind sie für die vorliegende Erfindung geeignet. Kann ein Material ausreichend die Funktion auch bei der Anschlusselektrode nach der Wärmebehandlung des Glases wahrnehmen, so ist es verwendbar, wobei die innere Elektrode aus chemischen Verbindungen zusammengesetzt sein kann, die nicht in dem Beispiel aufgeführt sind. Die Erfindung ist nicht nur auf den Aktuator anwendbar. Wird die Erfindung auf vergleichsweise niedrige aufgeprägte Spannungen, so beispielsweise auf mehrschichtige piezoelektrische Transformatoren angewandt, so kann die Feuchtigkeitsbeständigkeit bei demselben Aufbau verbessert und die Betriebssicherheit gesteigert werden.
Wie vorstehend erläutert worden ist, kann in Abhängigkeit von den elektronischen Teilen der mehrschichtigen piezoelektrischen Keramik entsprechend der Erfindung und dem Herstellungsverfahren hiervon, wenn der Film des Glasisoliermaterials mit vorbestimmter Dicke an der gesinterten piezoelektrischen Keramik an den Oberflächen hiervon aufgebracht ist, das Eindringen von Feuchtigkeit verhindert werden, und es wird möglich, Defekte in der Isolierung zwischen den inneren Elektroden mit einem Eindringen von Feuchtigkeit als Ursache sowie Defekte bei der Isolierung durch die Migration zu verhindern, sowie eine längere Betriebssicherheit an der Atmosphäre bei hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit zu erreichen, sodass die Betriebssicherheit und Haltbarkeit gesteigert werden.
Durch den vorerläuterten Aufbau zeigt die Erfindung die folgenden Effekte.

(1) Da die Glasisolierschicht nur an den freiliegenden Teilen der inneren Elektrodenschichten oder sowohl an den freiliegenden Teilen der inneren Elektrodenschichten wie auch der Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschichten zwischen den inneren Elektrodenschichten ausgebildet ist, wird die Feuchtigkeitsbeständigkeit verbessert.
Hierdurch wird es möglich, ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element mit hervorragender Betriebssicherheit und Haltbarkeit bereitzustellen.
Durch Kombinieren der elektrophoretischen Abscheidung und der Wärmebehandlung zur Ausführung bei einer vorbestimmten Temperatur kann die Glasisolierschicht mit einer gleichmäßigen Dicke auch in der piezoelektrischen Keramikschicht zwischen den inneren Elektrodenschichten ausgebildet werden. Für den Fall, dass Feinporen in der piezoelektrischen Keramikschicht existieren, wird es, da die Glasschicht auch in das Innere der Poren hinein durchdrungen werden kann, möglich, ein piezoelektrisches Element bereitzustellen, bei dem die Feuchtigkeit nicht in das Innere eindringen kann.
(2) Da die Dicke der Glasisolierschicht spezifiziert ist, ist es zusätzlich zu dem vorgenannten Effekt möglich, die Defekte der Glasisolierschicht und die Verschiebungshemmung des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes zu steuern sowie Betriebssicherheit und Haltbarkeit des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes zu erhöhen.
(3) Die Wärmebehandlung bei der Bildung der Glasisolierschicht hat keinerlei nachteilige Einflüsse auf die innere Elektrodenschicht, wobei die Wärmebehandlungstemperatur der Glasisolierschicht derart spezifiziert ist, dass die Glasisolierschicht eine Verschiebungsverhinderung im Betrieb des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes steuert, wobei die Komponenten der Glasisolierschicht derart präpariert werden, dass verschiedenem Anforderungen an das mehrschichtige piezoelektrische Element erfüllt sind. Zusätzlich zu den vorgenannten Effekten sind die erwarteten Funktionen vollständig gegeben, und es wird möglich, ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element bereitzustellen, das den Anforderungen besser genügt.
(4) Da die piezoelektrische Keramik zur Hinzufügung zu der Glasisolierschicht aus denselben Komponenten wie die piezoelektrische Keramik des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes zusammengesetzt ist, kann sich die Glasisolierschicht im Wesentlichen mit derselben Verschiebung des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes im Betrieb desselben verschieben, wobei es zusätzlich zu den vorgenannten Effekten möglich wird, die Verschiebung des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes baldmöglichst zu steuern.
(5) Da die Glasisolierschicht aus PbO, SnO₂, Al₂O₃ und derselben piezoelektrischen Keramik wie das mehrschichtige piezoelektrische Element zusammengesetzt ist und die jeweiligen Mengen spezifiziert sind, wird es möglich, ein piezoelektrisches Element bereitzustellen, das die vorerwähnten Effekte in Harmonie zu den entstehenden Kosten bringt.
(6) Es wird möglich, einen piezoelektrischen Aktuator mit den vorerwähnten Wirkungen bereitzustellen.
(7) Da es möglich wird, ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element bei verbesserter Betriebssicherheit, verbesserten Kosten, verbesserter Genauigkeit und Haltbarkeit herzustellen, kann die Anwendung des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes erweitert werden.

Claims

Mehrschichtiges piezoelektrisches Element, das umfasst: eine Struktur, die eine Vielzahl piezoelektrischer Keramikschichten (2) und innerer Elektrodenschichten (3) enthält, wobei eine Vielzahl von Schichten innerer Elektroden (3) und piezoelektrischer Schichten (2) abwechselnd übereinander geschichtet sind und Ränder der inneren Elektrodenschichten (3) freiliegen; und einen Glas-Isolierabschnitt, der auf die freiliegenden Ränder der inneren Elektrodenschichten (3) der Struktur mit Teilchen aufgetragen ist, die ein Glas-Isoliermaterial enthalten, wobei der Glas-Isolierabschnitt eine Glas-Isolierschicht (4) mit dem Glas-Isoliermaterial enthält und die Glas-Isolierschicht (4) wenigstens an den freiliegenden Rändern der inneren Elektrodenschichten (3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas-Isolierschicht (4) ein piezoelektrisches Keramikmaterial enthält, das das gleiche piezoelektrische Keramikmaterial wie das der mehrschichtigen piezoelektrischen Schichten (2) ist.
Mehrschichtiges piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas-Isolierschicht (4) gleichmäßig auf den freiliegenden Rändern der inneren Elektrodenschichten (3) und Oberflächen piezoelektrischer Keramikschichten (2) ausgebildet ist.
Mehrschichtiges piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas-Isolierschicht (4) des Glas-Isolierabschnitts mit elektrophoretischer Abscheidung und Wärmebehandlung aufgetragen wird.
Mehrschichtiges piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas-Isolierschicht (4) eine Dicke von 0,3 bis 10 μm, vorzugsweise 0,5 bis 7,0 μm, hat.
Mehrschichtiges piezoelektrisches Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmebehandlungstemperatur zum Ausbilden der Glas-Isolierschicht (4) niedriger ist als eine Brenntemperatur des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes (1) und die Glas-Isolierschicht (4) enthält: eine Glaskomponente, die auf einer einzelnen Komponente basiert, die mit piezoelektrischem Keramikmaterial in einer Glasmatrix desselben dispergiert ist; und eine Glaskomponente, die auf einer gemischten Komponente basiert, die mit piezoelektrischem Keramikmaterial in einer Glasmatrix desselben dispergiert ist.
Mehrschichtiges piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas-Isolierschicht (4) wenigstens zwei Komponenten von Keramikverbindungen enthält, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die vollständig oder teilweise aus Bleioxid (PbO), Siliziumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und den gesinterten piezoelektrischen Keramikmaterialien besteht.
Mehrschichtiges piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas-Isolierschicht (4) 10 bis 80 Gew.-% PbO, 10 bis 80 Gew.-% SiO₂, 0 bis 50 Gew.-% Al₂O₃ und 0 bis 50 Gew.-% des gleichen piezoelektrischen Keramikmaterials wie das der mehrschichtigen piezoelektrischen Schicht (2) enthält.
Mehrschichtiges piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrschichtige piezoelektrische Element (1) für einen piezoelektrischen Aktuator bestimmt ist.
Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes, das umfasst: abwechselndes Schichten einer Vielzahl piezoelektrischer Keramikschichten (2) und innerer Elektrodenschichten (3), wobei Ränder der inneren Elektrodenschichten (3) freiliegen; elektrisches Abscheiden von Teilchen, die ein Glas-Isoliermaterial enthalten, an den freiliegenden Rändern der inneren Elektrodenschichten (3) mit einer elektrophoretischer Abscheidung, um so einen isolierenden Teil auszubilden; und Wärmebehandeln des isolierenden Teils, wobei eine Glas-Isolierschicht (4) des isolierenden Teils wenigstens an den freiliegenden Rändern der inneren Elektrodenschichten (3) oder einer Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht (2) zwischen den inneren Elektrodenschichten (3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur durchgeführt wird, bei der der Fluidisierungsbereich der elektrisch abgeschiedenen Teilchen moderat ausgedehnt wird, um eine gleichmäßige Glas-Isolierschicht (4) sowohl an dem freiliegenden Teil der inneren Elektrodenschicht (3) als auch der Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht (2) zwischen den inneren Elektrodenschichten (3) auszubilden, wobei die Glas-Isolierschicht (4) ein piezoelektrisches Keramikmaterial enthält, das das gleiche piezoelektrische Keramikmaterial wie das der mehrschichtigen piezoelektrischen Schichten (2) ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas-Isolierschicht (4) eine Dicke von 0,3 bis 10 μm, vorzugsweise 0,5 bis 7,0 μm, hat.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlungstemperatur zum Ausbilden der Glas-Isolierschicht (4) niedriger ist als eine Brenntemperatur des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes, und dass die Glas-Isolierschicht (4) enthält: eine Glaskomponente auf Basis einer einzelnen Komponente, die mit piezoelektrischem Keramikmaterial in einer Glasmatrix desselben dispergiert ist; oder eine Glaskomponente, die auf einer gemischten Komponente basiert, die mit piezoelektrischem Keramikmaterial in einer Glasmatrix desselben dispergiert ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas-Isolierschicht (4) wenigstens zwei Komponenten von Keramikverbindungen enthält, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die vollständig oder teilweise aus Bleioxid (PbO), Siliziumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und dem gesinterten piezoelektrischen Keramikmaterial besteht.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas-Isolierschicht (4) 10 bis 80 Gew.-% PbO, 10 bis 80 Gew.-% SiO₂, 0 bis 50 Gew.-% Al₂O₃ und 0 bis 50 Gew.-% des gleichen piezoelektrischen Keramikmaterials wie das der mehrschichtigen piezoelektrischen Schicht enthält.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrschichtige piezoelektrische Element für einen piezoelektrischen Aktuator bestimmt ist.