-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Diese
Erfindung bezieht sich auf eine mehrschichtige piezoelektrische
Aktorvorrichtung mit einem geschichteten Aufbau mit einer Mehrzahl
von piezoelektrischen Schichten und einer Mehrzahl von internen
Elektrodenschichten, die abwechselnd übereinander geschichtet sind,
und insbesondere auf eine mehrschichtige piezoelektrische Aktorvorrichtung
mit einer externen Elektrode, die mit den internen Elektroden verbunden
ist.
-
Die
JP 04076969 zeigt ein elektrostriktives Element,
das aus aufeinander geschichteten elektrostriktiven Bögen besteht.
An den Seitenflächen
des geschichteten Körpers
ist eine erste externe Schichtelektrode aus einer Leitpaste von
einem Hochtemperatursintertyp ausgebildet. Auf der ersten externen Schichtelektrode
ist eine zweite externe Schichtelektrode aus einer Leitpaste vom
Harzaushärtungstyp ausgebildet.
-
Die
US 5,438,232 beschreibt
einen piezoelektrischen Schichtaktor, bei dem Metallstreifen aus SUS304,
42Ni mit einem leitenden Klebemittel oder einem nichtleitenden Klebemittel
wie Epoxydharz auf gesputterte externe Dünnfilmelektroden geklebt werden.
-
Die
JP 08242025 offenbart einen
piezoelektrischen Aktor mit einer Mehrzahl von gestapelten piezoelektrischen
Elementen. Elektroden, die die piezoelektrischen Elemente verbinden,
die Form einer dünnen
Platte haben und aus einem elastischen leitenden Material ausgeführt sind,
werden mit Leitklebern entlang den Oberflächen der Elektrodenanschlüsse dieser
Säule aus
piezoelektrischen Elementen geklebt.
-
Mit
Bezug auf 1 und 2 wird eine
herkömmliche
mehrschichtige piezoelektrische Aktorvorrichtung beschrieben. Die
in 1 und 2 dargestellte mehrschichtige
piezoelektrische Aktorvorrichtung umfasst eine geschichtete Struktur 53 mit
einer Mehrzahl von piezoelektrischen Keramikschichten 53a und
einer Mehrzahl von internen Elektroden 53b, die abwechselnd
geschichtet bzw. gestapelt sind; ein Paar von externen Elektroden 55,
die auf entgegengesetzten Seitenflächen der geschichteten Struktur 53 ausgebildet
sind und abwechselnd mit den internen Elektroden 53b verbunden
sind; und ein Paar externer Anschlussdrähte 57, die jeweils
mit den externen Elektroden 55 verbunden sind. Auf jeder
der entgegengesetzten Seitenflächen
der laminierten Struktur 53 sind die internen Elektroden 53b abwechselnd
mit isolierenden Glasbeschichtungen 53c bedeckt und abwechselnd
unbedeckt bzw. freiliegend. Daher sind die internen Elektroden 53b abwechselnd
von jeder der externen Elektroden 55 elektrisch isoliert
und abwechselnd elektrisch mit ihnen verbunden. Anders ausgedrückt sind
die internen Elektroden 53b abwechselnd mit der einen bzw. der
anderen der externen Elektroden 55 verbunden. Die externen
Elektroden 55 bestehen z.B. aus Ag (Silber) oder Ag/Pd
(Palladium).
-
In
der oben erwähnten
mehrschichtigen piezoelektrischen Aktorvorrichtung wiederholt die
geschichtete Struktur 53 schnelles Ausdehnen und Zusammenziehen,
wenn die Aktorvorrichtung getrieben wird. Das bewirkt das Auftreten
einer Ermüdung
in dem piezoelektrischen Keramikschichten 53a und den externen
Elektroden 55. Wenn die Aktorvorrichtung für eine lange
Zeitspanne getrieben wird, kann wie in 1 dargestellt,
ein Riss 59 erzeugt werden, und im schlimmsten Fall werden
die externen Elektroden 55 abgerissen. Es sei hier angemerkt,
dass jede der externen Anschlussdrähte 57 mit der externen
Elektrode 55 nur an einem oberen Teil der geschichteten
Struktur 53 verbunden ist. Wenn daher die externe Elektrode 55 abreißt, ist
ein unterer Teil der geschichteten Struktur 53 nicht länger betreibbar.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Daher
besteht das Ziel dieser Erfindung darin, eine mehrschichtige piezoelektrische
Aktorvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Verschlechterung
der Funktion auch dann zu vermeiden, wenn sie für eine lange Zeitspanne betrieben
wird.
-
Die
Aufgabe wird erfüllt
durch eine mehrschichtige, piezoelektrische Aktorvorrichtung nach Anspruch
1. Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine Vorderansicht einer herkömmlichen
mehrschichtigen piezoelektrischen Aktorvorrichtung.
-
2 ist
eine Ansicht von unten auf die in 1 gezeigte
herkömmliche
mehrschichtige piezoelektrische Aktorvorrichtung.
-
3 ist
eine Vorderansicht einer mehrschichtigen piezoelektrischen Aktorvorrichtung
nach einer ersten Ausführungsform
dieser Erfindung.
-
4 ist
eine Ansicht von unten auf die in 3 gezeigte
mehrschichtige piezoelektrische Aktorvorrichtung.
-
5 ist
eine Ansicht eines Schnitts entlang einer Linie V-V in 3.
-
6 ist
eine Vorderansicht einer mehrschichtigen piezoelektrischen Aktorvorrichtung
nach einer zweiten Ausführungsform
dieser Erfindung.
-
7 ist
eine Ansicht von unten auf die in 6 gezeigte
mehrschichtige piezoelektrische Aktorvorrichtung.
-
8 ist
eine Vorderansicht einer mehrschichtigen piezoelektrischen Aktorvorrichtung
nach einer dritten Ausführungsform
dieser Erfindung.
-
9 ist
eine Ansicht von unten auf die in 8 gezeigte
mehrschichtige piezoelektrische Aktorvorrichtung.
-
10 ist
eine Vorderansicht einer mehrschichtigen piezoelektrischen Aktorvorrichtung
nach einer vierten Ausführungsform
dieser Erfindung.
-
11 ist
eine Ansicht von unten auf die in 10 gezeigte
mehrschichtige piezoelektrische Aktorvorrichtung.
-
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSSFORMEN
-
Mit
Bezug auf die Zeichnungen werden nun einige bevorzugte Ausführungsformen
dieser Erfindung beschrieben.
-
Zunächst umfasst
mit Bezug auf 3 bis 5 eine mehrschichtige
piezoelektrische Aktorvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform
dieser Erfindung eine geschichtete Struktur 3 mit einer Mehrzahl
von plattenartigen piezoelektrischen Keramikschichten bzw. piezoelektrischen
Elementen 3a und einer Mehrzahl von plattenartigen internen
Elektroden 3b, die abwechselnd geschichtet sind; ein Paar
von externen Elektroden 5, die auf entgegengesetzten Seitenflächen der
geschichteten Struktur 3 mit den internen Elektroden 3b verbunden
sind; ein Paar von Kohlepapieren 7, die jeweils auf den
externen Elektroden 5 angeordnet sind; und ein Paar von externen
Anschlussdrähten 9,
die jeweils mit den externen Elektroden 5 verbunden sind.
Auf jeder der entgegengesetzten Seitenflächen der ge schichteten Struktur 3 sind
die internen Elektroden 3b abwechselnd mit isolierenden
Glasbeschichtungen 3c bedeckt und abwechselnd unbeschichtet
bzw. freiliegend. Daher sind die internen Elektroden 3b abwechselnd
von jeder der externen Elektroden 5 elektrisch isoliert
und abwechselnd elektrisch mit ihnen verbunden. Anders ausgedrückt sind
die internen Elektroden 3b abwechselnd mit der einen bzw.
der anderen der externen Elektroden 5 verbunden. Die externen Elektroden 5 sind
z.B. durch Feuern von Ag (Silber) oder Ag/Pd (Palladium) gebildet.
-
Jede
der externen Elektroden 5 umfasst eine Elektrodenschicht 11,
die durch Feuern, Plattieren oder Sputtern auf jeder der entgegengesetzten
Seitenflächen
der geschichteten Struktur 3 gebildet wurde, und eine erste
Verbundschicht 13, die auf der Elektrodenschicht 11 ausgebildet
ist. Die Elektrodenschicht 11 wird zum Beispiel durch Feuern
von Ag (Silber) oder Ag/Pd (Palladium) gebildet. Die erste Verbundschicht 13 ist
eine Leitharzschicht, die ein erstes leitendes Material enthält. Das
erste leitende Material besteht aus zumindest einem aus Ag, Au,
Pt, Pd, Cu, Ni und C ausgewählten
und hat eine faserartige Form. Die erste Verbundschicht 13 dient
dazu, das Kohlepapier 7 mit der Elektrodenschicht 11 zu verbinden.
Der externe Anschlussdraht 9 ist mit einer Endfläche der
Elektrodenschicht 11 verbunden.
-
Als
nächstes
wird detailliert ein Verfahren zum Herstellen der oben genannten
mehrschichtigen piezoelektrischen Aktorvorrichtung beschrieben.
-
Als
erstes wird die Vorbereitung der geschichteten Struktur 3 mit
einer Größe von 5
mm × 5 mm × 60 mm
durchgeführt,
bei der die internen Elektroden 3b abwechselnd auf den
entgegengesetzten Seitenflächen
freiliegen. Auf jeder der entgegengesetzten Seitenflächen der
geschichteten Struktur 3 wird Siebdrucken unter Verwendung
einer Silberpaste mit einer Breite von 2 mm und einer Länge von
50 mm durchgeführt,
um die Elektroden schicht 11 zu bilden. Anschließend wird
Feuern ausgeführt,
um die Elektrodenschicht 11 zu bilden. Auf der Elektrodenschicht 11 wird
die erste Verbundschicht 13 gebildet. Das Kohlepapier 7 mit
der Breite von 4 mm, der Länge
von 50 mm und der Dicke von 300 μm
wird auf der ersten Verbundschicht 13 platziert. Anschließend wird
die erste Verbundschicht 13 wärmebehandelt, um so eingestellt
oder ausgeheilt zu werden, dass das Kohlepapier 7 an der
Elektrodenschicht 11 haftet. Schließlich wird der externe Anschlussdraht 5 mit
einem Ende der Elektrodenschicht 11 verbunden.
-
Die
mehrschichtige piezoelektrische Aktorvorrichtung wird betrieben,
indem z.B. ein Rechtecksignal von 0–150 V und 1 kHz den externen
Anschlussdrähten 5 zugeführt wird.
Wenn die Aktorvorrichtung wiederholt eine große Anzahl von Malen getrieben
wird, z.B. 109 mal, kann in diesem Fall
wie in 3 dargestellt durch die Ermüdung jedes der piezoelektrischen
Keramikschichten 3a und jeder der Elektrodenschichten 11 ein
Riss 16 erzeugt werden. Im schlimmsten Fall kann ein solcher
Riss 16 die Elektrodenschicht 11 völlig abreißen. Die
erste Verbundschicht 13 als Leitharzschicht hat jedoch
eine große
Dehnungsfähigkeit
und behält
daher einen leitenden Zustand, ohne abgerissen zu werden. Daher wird
verhindert, dass die mehrschichtige piezoelektrische Aktorvorrichtung
in ihrer Funktion verschlechtert wird. Anders ausgedrückt wird
bei der mehrschichtigen piezoelektrischen Aktorvorrichtung die Haltbarkeit
der externen Elektroden 5 verbessert.
-
Mit
Bezug auf 6 und 7 wird eine mehrschichtige
piezoelektrische Aktorvorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Ähnliche
Teile sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet und werden
nicht mehr beschrieben.
-
Bei
der in 6 und 7 dargestellten mehrschichtigen
piezoelektrischen Aktorvorrichtung ist das bei der in 3 bis 5 dargestellten
mehrschichtigen piezoelektrischen Aktorvorrichtung verwendete Kohlepapier 7 durch
eine zweite Verbundschicht 35 ersetzt, die eine Leitfähigkeit
aufweist und mit der externen Elektrode 5 verbunden ist.
Die zweite Verbundschicht 35 besteht aus einem Verbundmaterial,
das eine Kohlefaser, ein zweites leitendes Material mit einer faserartigen
Form und ein wärmeaushärtendes
Harz enthält.
Als Form für
das zweite leitende Material wird eine faserartige Form verwendet. Das
zweite leitende Material besteht zumindest aus einer Art von Material,
die aus Ag, Au, Pt, Pd, Cu, Ni und C ausgewählt ist. Bei der oben erwähnten mehrschichtigen
piezoelektrischen Aktorvorrichtung 31 wird die Haltbarkeit
der externen Elektroden 5 in ähnlicher Weise verbessert.
-
Mit
Bezug auf 8 und 9 wird eine mehrschichtige
piezoelektrische Aktorvorrichtung beschrieben. Ähnliche Teile sind durch gleiche
Referenzzeichen bezeichnet und werden nicht mehr beschrieben.
-
In
der in 8 und 9 dargestellten mehrschichtigen
piezoelektrischen Aktorvorrichtung ist die erste Verbundschicht 13 eine
Leitharzschicht, die leitende Materialien 13a als das erste
leitende Material enthält,
das aus zumindest einer Art von Material besteht, das aus Ag, Au,
Pt, Pd, Cu, Ni und C ausgewählt
ist. Jedes der leitenden Materialien 13a hat eine faserartige
Form, die sich relativ weit in einer Schichtungsrichtung der geschichteten
Struktur 3 erstreckt. Bei der mehrschichtigen piezoelektrischen Aktorvorrichtung
werden das Kohlepapier und die zweite Verbundschicht nicht verwendet.
-
Da
die erste Verbundschicht 13 die leitenden Materialien enthält, von
denen jedes eine faserartige Form hat und sich relativ lang erstreckt,
kann die Leitfähigkeit
der externen Elektrode 5 somit durch die erste Verbundschicht 13 auch
dann erhalten werden, wenn die Elektrodenschicht 11 angerissen
oder abgerissen ist.
-
Mit
Bezug auf 10 und 11 wird
eine mehrschichtige piezoelektrische Aktorvorrichtung nach einer
vierten Ausführungsform
dieser Erfindung beschrieben. Ähnliche
Teile sind durch gleiche Referenzzeichen bezeichnet und werden nicht
mehr beschrieben.
-
In
der in 10 und 11 dargestellten mehrschichtigen
piezoelektrischen Aktorvorrichtung ist die erste Verbundschicht 13 eine
Leitharzschicht, die leitende Materialien 13b als das erste
leitende Material enthält,
das aus zumindest einer Art von Material besteht, das aus Ag, Au,
Pt, Pd, Cu, Ni und C ausgewählt
ist. Jedes der leitenden Materialien 13b ist als Faser
ausgebildet, die sich sehr weit in der Schichtungsrichtung der geschichteten
Struktur 3 erstreckt. Bei dieser Ausführungsform werden das Kohlepapier
und die zweite Verbundschicht nicht verwendet.
-
Da
die erste Verbundschicht 13 die faserartigen leitenden
Materialien enthält,
die sich sehr weit in der Schichtungsrichtung der geschichteten
Struktur 3 erstrecken, kann die Leitfähigkeit der externen Elektrode 5 somit
durch die erste Verbundschicht 13 auch dann erhalten werden,
wenn die Elektrodenschicht 11 angerissen oder abgerissen
ist.
-
Wie
oben beschrieben kann bei der mehrschichtigen piezoelektrischen
Aktorvorrichtung nach dieser Erfindung die elektrische Leitfähigkeit
durch die Leitharzschicht auch dann erhalten werden, wenn ein Riss
in der Elektrodenschicht der externen Elektrode erzeugt wird. Dadurch
können
Haltbarkeit und Zuverlässigkeit
verbessert werden. Auch wenn die Aktorvorrichtung über eine
lange Zeitspanne betrieben wird, kann die Verschlechterung der Funktion
unterdrückt
werden.