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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
laminierten keramischen Elements das einen
elektrorestriktiven Effekt auswertet, und insbesondere ein
Verfahren, das die Stufen umfaßt: Zusammenfügen einer
Vielzahl ungebrannter roher keramischer Platten aus einem
Material mit einem piezoelektrischen Effekt und/oder einem
elektrorestriktiven Effekt als Hauptbestandteil, mit einer
zwischen jeder keramischen Platte und der nächst benachbarten
Platte angeordneten inneren Elektrode mit einer Einkerbung,
um ein Laminat auf solche Weise auszubilden, daß die innere
Elektrode aus zwei Sets mit aufeinanderfolgenden Einkerbungen
der Elektroden an verschiedenen seitlichen Stellen des
Laminats, die alternierend so angeordnet sind, daß die
Elektroden mit Einkerbungen an einer seitlichen Stelle eines
dieser Sets bilden, und die Elektroden mit Einkerbungen an
der anderen seitlichen Stelle das andere Set bilden,
bestehen, Brennen der zusammengefügten keramischen Platten
mit inneren Elektroden, und Verbinden der inneren Elektroden
jedes Sets mit einer äußeren (externen) Elektrode.
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Ein solches Verfahren wird in der EP-A-0094078 beschrieben.
Das nach dem nachfolgend beschriebenen Herstellungsverfahren
erhältliche laminierte keramische Element kann eine
Spannungskonzentration aufgrund von durch die Applikation
eines elektrischen Feldes verursachten ungleichmäßig
verteilten Spannungen verhindern und ist deshalb zur
Verwendung für einen Stellantrieb (Actuator) oder für eine
ähnliche Verwendung geeignet, sowie auch für ein Verfahren
zur Herstellung solcher Bauelemente.
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Es ist allgemein bekannt, daß ein laminiertes keramisches
Element, das einen elektrorestriktiven Effekt auswertet, sich
für einen Stellantrieb oder eine ähnliche Verwendung eignet.
Die Figuren 7(A) und 7(B) der anhängenden Zeichnungen
veranschaulichen ein typisches als Stellantrieb
ausgestaltetes laminiertes keramisches Element.
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In Figur 7(A) wird gezeigt, daß ein laminiertes keramisches
Element, das mit der Bezugsziffer 2 bezeichnet ist, eine in
vielen Schichten angeordnete Vielzahl keramischer Platten 4
umfaßt, mit dazwischenliegenden inneren filmförmigen
Elektroden 6a, 6b. Im Querschnitt der Figur 7(A) betrachtet,
sind die inneren Elektrode 6a, 6b relativ zu zwei
benachbarten inneren Elektroden schräg angeordnet, wobei eine
Gruppe, die aus jeder der Elektroden 6a besteht, und die
andere Gruppe der Elektroden 6b mit entsprechenden äußeren
Elektroden 8a und 8b verbunden sind. Wenn eine bestimmte
Spannung an die äußeren Elektroden 8a, 8b angelegt wird,
ergibt ein keramisches Element 2 mit einer solchen Anordnung
an inneren Elektroden 6a, 6b und äußeren Elektroden 8a, 8b
ein elektrisches Feld in einer Richtung senkrecht zu den
keramischen Platten 4, wodurch das keramische Element 2 in
den Richtungen des Pfeiles A unter der Wirkung des
elektrischen Feldes deformiert wird und als Stellantrieb
(Actuator) wirkt.
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In einem laminierten in keramischem Element 2 dieses
bekannten Typs sind solche Bereiche 10 der in Schichten
angeordneten keramischen Platten, die nicht durch innere
Elektroden 6a, 6b durchschnitten sind, voneinander
untrennbar.
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Ein laminiertes keramisches Element 2 dieser bekannten Art
besitzt jedoch den Nachteil, daß an der Grenze des Teils 12,
die zwischen den inneren Elektroden 6a und 6b und dem Teil
10, der nur zwischen den inneren Elektroden 6a und 6a oder 6b
und 6b existiert, vorhanden ist, eine Konzentrationsspannung
auftritt, weil der Teil 12, der zwischen den inneren
Elektroden 6a und 6b vorhanden ist, durch das durch die
angelegte Spannung erzeugte elektrische Feld stark beeinflußt
wird, während der Teil 10, der nur zwischen den inneren
Elektroden 6a und 6a, oder 6b und 6b vorhanden ist, durch das
elektrische Feld nur schwach beeinflußt wird. Eine solche
Konzentrationsspannung kann die Dauerhaftigkeit des
laminierten keramischen Elements 2 beträchtlich verringern.
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Im Hinblick auf eine Eliminierung dieses Nachteils schlagen
die japanischen offengelegten Patentanmeldungen 58-196068 und
59-175176 ein laminiertes keramisches Element vor, wie es in
Figur 8(A) und 8(B) dargestellt wird, worin das laminierte
keramische Element 2a filmförmige innere Elektroden 6 umfaßt,
von denen jede zwischen zwei benachbarten keramischen Platten
4 von Ende zu Ende liegt, Isolierschichten 14, von denen jede
am Rand jeder anderen inneren Elektrode angeordnet ist, und
ein Paar äußerer Elektroden 8a, 8b, die an den zwei lateralen
Seiten des Elementes angeordnet sind, um die Isolierschichten
zu bedecken. Da jede der inneren Elektroden 6 so zwischen
zwei benachbarten keramischen Platten angeordnet ist, daß sie
die gesamte Oberfläche davon bedeckt, werden alle keramischen
Platten, die im Element 2a enthalten sind, gleichmäßig durch
ein daran angelegtes elektrisches Feld in der Richtung
senkrecht zu den Platten beeinflußt. Ein laminiertes
keramisches Element 2a, das keramische Platten 4 umfaßt und
eine wie in den Figuren 8(A) und 8(B) veranschaulichte
Anordnung besitzt, ist deshalb frei von
Spannungskonzentration, wie sie in einem Element der Figuren
7(A) und 7(B) auftreten kann, und läßt deshalb eine
verbesserte Dauerhaftigkeit erwarten.
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Ein laminiertes keramisches Element 2a der Figuren 8(A) und
8(B) erfordert andererseits jedoch ein relativ kompliziertes
Herstellungsverfahren, weil jede der Isolierschichten 14 an
den Rändern jeder anderen innereen Elektrode 6 angeordnet
ist, was das Verfahren ziemlich unwirtschaftlich macht und
deshalb die Herstellungskosten des Produktes erhöht. Wenn ein
solches Element eine fehlerhaft ausgebildete Isolierschicht
aufweist, können darüberhinaus die zwei äußeren Elektroden
8a, 8b kurzgeschlossen werden, und machen das Element
betriebsunfähig.
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Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme ist es
deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
laminiertes keramisches Element bereitzustellen, das eine
Spannungskonzentration aufgrund einer durch ein elektrisches
Feld verursachten ungleichmäßig verteilten Spannung
verhindern kann, und das deshalb beständig ist und für einen
Stellantrieb oder eine ähnliche Anwendung geeignet ist, sowie
ein Verfahren zur Herstellung solcher Elemente auf
industriell vorteilhafte und wirtschaftliche Weise.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung
laminierter keramischer Elemente, wie anfänglich definiert,
bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß jede
Einkerbung und die benachbarten keramischen Platten zusammen
einen Zwischenraum definieren;
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die entsprechende äußere Elektrode, an die die inneren
Elektroden jedes Sets verbunden sind, entlang der Seite des
Laminats angeordnet sind, an der sich die Einkerbungen des
anderen Sets befinden; und
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die Vielzahl ungebrannter roher keramischer Platten eine Zug-
Scher-Adhäsions-Festigkeit besitzen, die, wenn zwei der
ungebrannten rohen keramischen Platten in senkrechter
Richtung bei einer Temperatur von weniger als 150 ºC mit
einem Druck von weniger als 200 kg/cm² zusammengepreßt
werden, weniger als 10 % der Zugfestigkeit der ungebrannten
rohen Platten beträgt.
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Bevorzugte Merkmale davon werden in den abhängigen Ansprüchen
dargestellt.
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Ein elektrorestriktiver Effekt, wie er in der vorliegenden
Beschreibung verwendet wird, bedeutet einen Effekt, bei dem
ein Objekt in Spannung versetzt wird, wenn daran ein
elektrisches Feld angelegt wird. Spezifischer ausgedrückt
bedeutet er einen piezoelektrischen Effekt, der eine Spannung
erzeugt, die proportional zu angelegten Spannung ist,
und/oder, in der strikten Wortbedeutung, einen
elektrorestriktiven Effekt, der proportional ist zum Quadrat
der angelegten Spannung.
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Da ein nach dem nachfolgend beschriebenen
Herstellungsverfahren hergestelltes laminiertes keramisches
Element Zwischenräume umfaßt, die entlang bestimmter Ränder
der inneren Elektroden des Elementes angeordnet sind, und
diese Zwischenräume keine inneren Elektroden besitzen, kann
jede andere innere Elektrode mit einer äußeren Elektrode ohne
Schwierigkeit verbunden werden, wenn die Zwischenräume dieser
anderen Elektroden entlang eines lateralen Randes angeordnet
sind, und die der restlichen Elektroden entlang eines anderen
lateralen Randes des Elementes angeordnet sind, so daß jede
der äußeren Elektroden von den nicht miteinander in Beziehung
stehenden inneren Elektroden durch diese entsprechenden
Zwischenräume getrennt ist. Solche Zwischenräume sind
wirksam, um eine Spannungskonzentration aufgrund einer durch
Anlegen eines elektrischen Feldes verursachten
ungleichmäßigen Spannungsverteilung zu verhindern und damit
die Dauerhaftigkeit des laminierten Elements zu erhöhen. Ein
solches Element eignet sich zur Verwendung für einen
Stellantrieb.
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Darüberhinaus kann das hier beschriebene
Herstellungsverfahren verwendet werden zur Verhinderung einer
Konzentrationsspannung in dem resultierenden keramischen
Element, die aufgrund einer durch das Anlegen eines
elektrischen Feldes an das laminierte keramische Element
verursachten ungleichmäßigen Verteilung der Spannung
hervorgerufen wird, auch wenn dieses nicht wegen seines
elektrorestriktiven Effekts, sondern wegen anderer Effekte,
einschließlich des photoelektrischen Effektes, verwendet
wird.
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Die Erfindung wird unter beispielhafter Bezugnahme auf die
anhängenden Zeichnungen näher verständlich, worin bedeuten:
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Figur 1 ist ein Längsschnitt einer ersten bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen laminierten keramischen
Elements;
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Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht einer in der
Ausführungsform der Figur 1 verwendeten keramischen Platte;
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Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Abänderung der
keramischen Platte der Figur 2;
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Figur 4 ist ein Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen laminierten keramischen Elements;
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Figur 5 ist eine perspektivische Darstellung einer in der
Ausführungsform der Figur 4 verwendeten keramischen Platte;
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Figur 6 ist einen perspektivische Darstellung einer
Abänderung der kermischen Platte der Figur 5;
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Die Figuren 7(A) und (B) sind ein Längsschnitt bzw. ein
Querschnitt eines konventionellen laminierten keramischen
Elements; und
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die Figuren 8(A) und (B) stellen einen Längsschnitt bzw.
einen Querschnitt eines anderen konventionellen laminierten
keramischen Elements dar.
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In der Figur 1 ist ein laminiertes keramisches Element 20 als
Stellantrieb zur Verwendung für einen Schlagdruckkopf oder
einen X-Y-Schreiber usw. ausgestaltet. Dieses keramische
Element 20 umfaßt eine Vielzahl elektrorestriktiver
keramischer Platten 22, die in vielen Schichten angeordnet
sind, und ebenfalls eine Vielzahl interner Elektroden 24
(24a,24b), die jeweils zwischen zwei benachbarten keramischen
Platten 22 angeordnet sind.
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Spezifischer ausgedrückt umfaßt das laminierte keramische
Element 20 eine Vielzahl elektrorestriktiver keramischer
Platten 22, eine erste und eine zweite Gruppe filmförmige
innerer Elektroden 24a, 24b, wobei die Elektroden der ersten
und der zweiten Gruppen alternierend angeordnet sind und
jeweils zwischen zwei benachbarten keramischen Platten 22
liegen, eine erste äußere Elektrode 32a, die an einen Rand
jeder der inneren Elektroden 24a der ersten Gruppe verbunden
ist und eine zweite äußere Elektrode 32b, die an einem Rand
jeder der internen Elektroden 24b der zweiten Gruppe
verbunden ist, wobei Zwischenräume 30 zwischen der ersten
äußeren Elektrode 32a und jeder der inneren Elektroden 24b
der zweiten Gruppe und zwischen der zweiten äußeren
Elektroden 32b und jeder der inneren Elektroden 24a der
ersten Gruppe vorgesehen sind. Als Ergebnis sind die
Zwischenräume 30 zwischen zwei benachbarten keramischen
Platten 22 angeordnet.
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In dieser Ausführungsform wird der Zwischenraum 30 durch eine
an einem Rand jeder der ersten und zweiten inneren Elektroden
24a, 24b ausgebildeten Einkerbung 28 und den
gegenüberliegenden Oberflächen der keramischen Platten 22,
die die Elektrode sandwichartig umgeben, definiert.
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Jede der filmförmigen inneren Elektroden 24 (24a,24b) wird
durch Applikation einer Paste aus Metall auf die Oberfläche
einer keramischen Platte 22, wie in Figur 2 dargestellt,
ausgebildet. Das für die inneren Elektroden 24 (24a,24b) zu
verwendende Metall kann z.B. Platin, Palladium, eine Silber-
Palladium-Legierung oder Silber sein. Da die keramischen
Platten 22 nach der Laminierung gebrannt werden, kann die
metallische Paste vorzugsweise aus einem Metall sein, das bei
der Brenntemperatur der keramischen Platten gesintert werden
kann. Die Metallpaste kann gepulvertes Zirkoniumdioxid,
gepulvertes Glas und/oder calciniertes und gepulvertes
Keramikmaterial enthalten, das mit den für den
erfindungsgemäßen Zweck zu verwendenden elektrorestriktiven
keramischen Platten chemisch äquivalent ist, um die Adhäsion
zwischen den keramischen Platten 22 und den entsprechenden
inneren Elektroden 24 (24a,24b) nach dem Brennen zu
verbessern.
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Wenn eine innere Elektrode 24 (24a oder 24b) durch
Applikation einer Metallpaste auf der Oberfläche einer
keramischen Platte 22 ausgebildet wird, wird ein Teil des
peripheren Randes davon mit einer Maske bedeckt, um eine
halbkreisförmige Einkerbung 28 oder einen künftigen
Zwischenraum 26 vorzusehen, der, wie in Figur 2 gezeigt,
keine Metallpaste enthält. Die Einkerbung 28 muß nicht
notwendigerweise halbkreisförmig sein, und kann an einer Ecke
der keramischen Platte 22, wie in Figur 3 dargestellt,
ausgebildet werden.
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Die Dicke der inneren Elektrode 24 (24a,24b) liegt
vorzugsweise zwischen 0,5 µm und 20 µm, und insbesondere
zwiscchen 1 µm und 10 µm, obwohl sie keinesfalls als auf
diese Werte beschränkt anzusehen ist. Die Metallpaste kann
durch Siebdruck, Walzendruck oder mittels irgendeiner anderen
geeigneten Technik aufgebracht werden.
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Die keramischen Platten 22 sind aus Materialien, die nach
Brennen elektrorestriktive Effekte zeigen und umfassen als
hauptsächliche Bestandteile PbTiO&sub3;, PbZrO&sub3;, und eine
Perowskit-Kompositverbindung auf Bleibasis, wie z.B.
Pb(Mg1/3Nb2/3)O&sub3; und Pb(Ni1/3Nb2/3)O&sub3;. Solche kermische Platten 22
können vor der Laminierung und dem Brennen auf die folgende
Weise hergestellt werden.
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Wenn Wasser als Lösungsmittel verwendet wird, werden ein
Bindemittel, wie z.B. Hydroxyethylcellulose, Methylcellulose,
Polyvinylalkohol oder ein wachsartiges Gleitmittel und ein
Weichmacher, wie z.B. Glycerin, Polyalkylglykol, Sorbitat,
Triethylenglykol, Petriol oder Polyol zu calcinierter und
gepulverter Keramik, die den Hauptbestandteil darstellt,
zugegeben, und dann unter Bildung einer Vormischung zum
Verformen gut gemischt. Wenn andererseits ein organisches
Lösungsmittel, wie z.B. Ethylalkohol, Methylethylketon,
Benzol oder Toluol verwendet wird, wird ein Bindemittel, wie
z.B. Polymethylmethacrylat, Polyvinylalkohol,
Polyvinylbutyral oder Celluloseacetat und ein Weichmacher,
wie z.B. Dibutylphthalat, Polyethylenglykol oder Glycerin,
zur calcinierten und gepulverten Keramik, wie vorstehend
beschrieben, zugegeben und gut gemischt, um eine Vormischung
zum Verformen herzustellen.
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Die Vormischung wird dann unter Ausbildung eines
Keramikstückes mit der gewünschten Dicke unter Verwendung
eines Rakelverfahrens oder durch Strangpressen oder mittels
irgendeiner anderen geeigneten Technik geformt. Nach dem
Trocknen wird das geformte Stück in die gewünschten
Längs- und Breitendimensionen geschnitten und eine rohe
Keramikplatte 22 erhalten. Die Dicke der rohen Keramikplatte
22 liegt vorzugsweise zwischen 0,02 µm und 2 µm, und
insbesondere zwischen 0,05 µm und 0,5 µm, obwohl sie
keinesfalls als auf diese Werte beschränkt anzusehen ist.
Danach wird eine innere Elektrode 24 (24a oder 24b) auf einer
Oberfläche der rohen Keramikplatte 22 durch Aufbringen einer
Metallpaste ausgebildet.
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Eine erfindungsgemäße rohe Keramikplatte 22 kann vorzugsweise
unter Verwendung von Wasser als Lösungsmittel und durch
Strangpressen geformt werden, obwohl andere Lösungsmittel und
Verformungsverfahren, wie vorstehend beschrieben, ebenfalls
geeignet sind. Wenn die keramische Platte auf die vorstehend
beschriebene bevorzugte Weise geformt wird, zeigen die
getrockneten keramischen Platten ein hervorragendes Nicht-
Anhaften gegeneinander mit einem verringerten Verhältnis an
Bindemittel und/oder Weichmacher. Darüberhinaus kann der
sogenannte zukünftige Zwischenraum, der durch eine Einkerbung
28 auf einer rohen keramischen Platte ausgebildet ist,
wirksam zur Bildung eines Zwischenraumes 30 nach der
Laminierung und dem Brennen dienen, weil die Platte in diesem
Bereich nicht an den benachbarten Platten anhaftet, wenn sie
zwischen diese gelegt wird. Es ist festzustellen, daß eine
gewünschte keramische Platte 22 mit einem Zwischenraum 30
auch durch Kombination der Verwendung eines organischen
Lösungsmittels und Strangpressen oder durch Kombination der
Verwendung eines organischen Lösungsmittels und eines
Rakelverfahrens auf entsprechende Weise hergestellt werden
kann.
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Die Art und Menge des zu verwendenden Binders und/oder
Weichmachers und die Trocknungsbedingungen, unter denen die
rohen keramischen Platten 22 gebildet werden, werden so
gewählt, daß die Zug-Scher-Adhäsions-Festigkeit jeder rohen
keramischen Platte 22 geringer als 10 % und vorzugsweise
geringer als 5 % der Zugfestigkeit der ungebrannten rohen
Platte ist, wenn sie bei einer Temperatur von weniger als
150 ºC mit einem Druck von weniger als 200 kg/cm²
zusammengepresst werden.
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Wenn die rohen keramischen Platten 22 unter Verwendung von
Wasser als Lösungsmittel und durch Strangpressen ausgebildet
werden, beträgt das Verhältnis des zu 100 Gewichtsteilen des
calcinierten Pulvers zuzugebendem Bindemittels vorzugsweise
zwischen 1 und 10 Gewichtsteile, und insbesondere zwischen 2
und 5 Gewichtsanteilen, während das Verhältnis an zu 100
Gewichtsteilen des calcinierten Pulvers zuzugebendem
Weichmacher ebenfalls vorzugsweise zwischen 1 und 10
Gewichtsteilen und insbesondere zwischen 2 und 5
Gewichtsteilen liegt.
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Dann wird eine innere Elektrode 24 (24a oder 24b) mit einer
Einkerbung 28 zur Ausbildung eines sogenannten zukünftigen
Zwischenraum 26 an einer Seite jeder der rohen keramischen
Platten 22, die geformt, getrocknet und auf eine bestimmte
Größe zugeschnitten wurden, ausgebildet. Die Einkerbung 28
wird ausgebildet, indem man einen Teil der Oberfläche der
rohen keramischen Platte abdeckt. Danach werden die
keramischen Platten, von denen jede eine innere Elektrode 24
(24a oder 24b) besitzt, zusammengesetzt, um ein Laminat
auszubilden, bei dem die zukünftigen Zwischenräume 26 so
angeordnet sind, daß sie alternierend gegenüberliegenden
Seiten des Laminats, wie in Figur 2 dargestellt,
gegenüberliegen. Das Laminat wird dann heißgepreßt, entwachst
und bei einer bestimmten Temperatur gebrannt. Als Ergebnis
davon werden die inneren Elektroden 24 (24a,24b) fest an die
entsprechenden Platten 22 gebunden. Das Laminat kann vor dem
Entfetten auf eine bestimmte Größe zugeschnitten sein, oder
es kann alternativ nach dem Brennen zugeschnitten werden.
Darüberhinaus müssen die sogenannten zukünftigen
Zwischenräume 26 nicht notwendigerweise so angeordnet sein,
daß sie alternierend gegenüberliegenden Seiten des Laminats
gegenüberliegen. Wichtig ist hier nur, daß die keramischen
Platten so angeordnet sind, daß jeweils zwei benachbarte ihre
Zwischenräume an verschiedenen Stellen aufweisen und jede der
anderen keramischen Platten ihre Zwischenräume an der
gleichen vertikalen Stelle besitzen. Wie in Figur 3
dargestellt können zwei Gruppen von Zwichenräumen des
Laminats an benachbarten Ecken vorhanden sein, die
abwechselnd um 90 º voneinander versetzt sind.
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Als Ergebnis sind die inneren Elektroden der ersten Gruppe
24a und die der zweiten Gruppe 24b alternierend im
keramischen Laminat angeordnet.
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Wenn das Laminat bei hoher Temperatur gebrannt wird, erhalten
zwei benachbarte keramische Platten des Laminats einen nicht
gebundenen Bereich, d.h. den Zwischenraum 30, der dem
sogenannten durch die abgerundete Einkerbung 28 der inneren
Elektrode 24 zwischen ihnen gebildeten zukünftigen
Zwischenraum 26 entspricht.
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Dann werden eine erste äußere Elektrode 32a und eine zweite
äußere Elektrode 32b auf dem gebrannten Laminat angeordnet
und mit allen ersten inneren Elektroden 24a bzw. allen
zweiten inneren Elektroden 24b verbunden, um ein laminiertes
keramisches Element 20 auszubilden. Auf andere Weise
ausgedrückt, wird in einem erfindungsgemäßen laminierten
keramischen Element 20 die äußere Elektrode 32a mit einer
Gruppe innerer Elektroden 24a, die durch jede der anderen
Elektroden des Laminats, die ihre Zwischenräume 30 an der
gleichen vertikalen Stelle des Laminats besitzen, gebildet
wird, verbunden, während die äußere Elektrode 32b mit einer
anderen Gruppe innerer Elektroden 24b verbunden wird, die
durch den Rest der Elektroden gebildet wird, die ihre
Zwischenräume 30 an einer anderen gleichen vertikalen Stelle
des Laminats besitzen. Die äußeren Elektroden 32a, 32b sind
vorzugsweise aus Silber oder Lötmetall, sind aber nicht
darauf beschränkt. Diese äußeren Elektroden 32a, 32b werden
vorzugsweise ausgebildet, indem man eine Silberpaste entlang
zwei verschiedenen lateralen Seiten des Laminats aufbringt
und dann das aufgebrachte Silber sintert; das Verfahren zur
Ausbildung der äußeren Elektroden ist aber nicht
notwendigerweise auf das vorstehend beschriebene beschränkt.
Es ist wünschenswert, daß die äußeren Elektroden 32a, 32b
eine Breite besitzen, die geringer ist als die der
Einkerbungen 28 . Wenn die Breite der äußeren Elektroden 32a,
32b größer ist als die der Einkerbungen 28 ist, können die
äußeren Elektroden 32a, 32b durch irgendeine der inneren
Elektroden 24 (24a, 24b) kurzgeschlossen werden.
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Obgleich der Zwischenraum 30 gemäß den Figuren 1 bis 3 am
Rand oder an einer Ecke jeder inneren Elektrode 24 (24a, 24b)
eines erfindungsgemäßen laminierten keramischen Elementes
ausgebildet ist, kann ein solcher Zwischenraum alternativ
zwischen einer inneren Elektrode 24 (24a oder 24b) und einem
Block 29, wie in den Figuren 4 bis 6 dargestellt, ausgebildet
sein.
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In Figur 5 wird ein sogenannter zukünftiger Zwischenraum 26
entlang einer Randzone der inneren Elektrode 24 (24a oder
24b) ausgebildet, indem man eine Metallpaste auf der
keramischen Platte 22 so aufbringt, daß der zukünftige
Zwischenraum 26 eine bestimmte Breite (l) besitzt und keine
Metallpaste trägt. Dann wird eine Schicht eines länglichen
Blockes 29 entlang des entsprechenden Randes der keramischen
Platte 22 ausgebildet und mit der inneren Elektrode 24 (24a
oder 24b) auf solche Weise nebeneinander angebracht, das sie
voneinander durch den Abstand (l) auf der keramischen Platte
22 getrennt sind. Die Blockschicht 29 kann zweckmäßigerweise
ausgebildet werden, indem man eine Metallpaste, die die
gleiche ist wie die, die zur Bildung der inneren Elektrode 24
(24a, 24b) verwendet wrude, anwendet; alternativ kann eine
solche Blockschicht 29 aber auch ausgebildet werden, indem
man ein verschiedenes Material, wie z.B. ein
nichtleitfähiges Material, verwendet. Wenn eine Blockschicht 29
durch Anwendung einer Metallpaste, wie sie für die inneren
Elektroden 24 (24a,24b) verwendet wird, ausgebildet wird, so
wird sie zweckmäßigerweise wie die inneren Elektroden
ausgebildet. Es ist wünschenswert, daß die Blockschicht 29
eine Dicke besitzt, die dieselbe ist wie die der
entsprechenden inneren Elektrode 24 (24a oder 24b).
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Obgleich die in Figur 5 veranschaulichte Blockschicht eine
längliche Form besitzt, kann sie verschieden ausgestaltet und
lokalisiert sein, wie z.B. in Figur 6 dargestellt, wo sie an
einer Ecke einer keramischen Platte 22 lokalisiert ist und
eine dreieckige Konfiguration besitzt. Mit einer solchen
Anordnung wird es klar, daß die innere Elektrode 24 (24a oder
24b) und die Blockschicht 29 voneinander elektrisch isoliert
sind.
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Danach werden die keramischen Platten, von denen jede eine
innere Elektrode 24 (24a oder 24b) und eine Blockschicht 29
trägt, zusammengesetzt um ein Laminat auszubilden, wobei ihre
zukünftigen Zwischenräume 26 so angeordnet sind, daß sie, wie
in Figur 5 dargestellt, gegen gegenüberliegenden Seiten des
Laminats alternierend geschlossen sind. Das Laminat wird dann
heißgepreßt, entwachst und bei einer bestimmten Temperatur
gebrannt. Als Ergebnis werden die inneren Elektroden 24 (24a,
24b) fest an die entsprechenden Platten 22 gebunden. Das
Laminat kann vor dem Entfetten auf eine bestimmte Größe
zugeschnitten sein, oder kann alternativ nach dem Brennen
zugeschnitten werden. Darüberhinaus müssen die Blockschichten
29 nicht notwendigerweise so angeordnet sein, daß sie gegen
gegenüberliegenden Seiten des Laminats alternierend
geschlossen sind. Wichtig ist es hier nur, daß die
keramischen Platten so angeordnet sind, daß zwei benachbarte
ihre Zwischenräume an verschiedenen Stellen besitzen, und
jede andere der keramischen Platten ihre Zwischenräume an
einer gleichen vertikalen Stelle besitzen. Wie in Figur 6
dargestellt, können zwei Gruppen von Zwischenräume eines
Laminats nahe benachbarten Ecken lokalisiert sein, die um
90 º voneinander versetzt sind.
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Dann werden eine erste äußere Elektrode 32a und eine zweite
äußere Elektrode 32b entlang zwei verschiedener lateraler
Seiten des Laminats angeordnet und mit allen ersten inneren
Elektroden 24a bzw. allen zweiten inneren Elektroden 24b
verbunden, um ein laminiertes keramisches Element 20
auszubilden. Es ist empfehlenswert, daß die Blockschichten 29
auch mit den entsprechenden inneren Elektroden 24a, 24b
verbunden sind, und deshalb mit den entsprechenden äußeren
Elektroden 32a, 32b. Es ist wünschenswert, daß die äußeren
Elektroden 32a, 32b eine Breite besitzen, die geringer ist
als die der Blockschichten 29. Wenn die Breite der äußeren
Elektroden 32a, 32b größer als die der Blockschichten 29 ist,
können die äußeren Elektroden 32a, 32b durch irgendeine der
inneren Elektroden 24 (24a,24b) kurzgeschlossen werden.
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Wenn an die äußeren Elektroden 32 des wie vorstehend
beschrieben hergestellten laminierten keramischen Elements 20
mittels eines Leiterpaares 34 eine Spannung angelegt wird,
wird entlang der Längsrichtung des keramischen Elements 20
ein elektrisches Feld ausgebildet, das deshalb in der
gleichen Richtung eine Deformation bewirkt, um als
Stellantrieb (Actuator) zu wirken.
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Aus der vorstehenden Beschreibung wird es ersichtlich, daß
erfindungsgemäß jede andere innere Elektrode eines
laminierten keramischen Elementes leicht miteinander
verbunden werden kann. Darüberhinaus verhindern die im
Element vorgesehenen Zwischenräume wirksam eine aufgrund
einer durch Anlegen eines elektrischen Feldes verursachten
ungleichen Spannungsverteilung vorhandene
Spannungskonzentration, weshalb die Dauerhaftigkeit des
Elementes verbessert werden kann. Ein solches laminiertes
keramisches Element eignet sich zur Verwendung als
Stellantrieb oder für andere Anwendungen. Darüberhinaus kann
das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Konzept zur
Verhinderung irgendeiner durch Anlegen eines elektrischen
Feldes an ein laminiertes keramisches Element, das nicht
wegen seines elektrorestriktiven Effektes, sondern aufgrund
anderer Effekte, einschließlich des photoelektrischen
Effektes, verwendet wird, verursachten unregelmäßigen
Spannungsverteilung hervorgerufenen Spannungskonzentration
verwendet werden.
Beispiele
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Die vorliegende Erfindung wird nun durch Beispiele näher
beschrieben.
Beispiel 1
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Es wurde ein laminiertes keramisches Element 20 mit der
nachfolgend beschriebenen Anordnung hergestellt. Eine
Vielzahl keramischer Platten 22 mit einem elektrorestriktiven
Effekt wurden so angeordnet, um ein Laminat auszubilden, in
dem sie, eine nach der anderen, alternierend eine erste
Gruppe filmförmiger innerer Elektrode 24a und eine zweite
Gruppe filmförmiger innerer Elektrode 24b tragen. Dann wurde
eine erste äußere Elektrode 32a auf einer lateralen Seite des
Laminats ausgebildet und mit jeder der ersten Gruppe der
inneren Elektroden 24a verbunden, und auf gleiche Weise eine
zweite äußere Elektrode 32b auf einer anderen lateralen Seite
des Laminats ausgebildet und mit jeder der zweiten Gruppe der
inneren Elektrode 24b verbunden. Zwischen der ersten äußeren
Elektrode 32a und jeder der zweiten inneren Elektroden 24b
und zwischen der zweiten äußeren Elektrode 32b und jeder der
ersten inneren Elektroden 24a wurde ein Zwischenraum 30
vorgesehen. Mit anderen Worten wurde der Zwischenraum 30
durch eine halbkreisförmige Einkerbung 28 definiert, die an
einem Rand einer inneren Elektrode 24a oder 24b und den
gegenüberliegenden Oberflächen der zwei benachbarten
keramischen Platten, die die innere Elektrode sandwichartig
umgeben, ausgebildet wurde.
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Es soll aber festgestellt werden, daß, obwohl die Einkerbung
28 im obigen Beispiel eine halbkreisförmige Gestalt besitzt,
diese Einkerbung aber auch eine davon verschiedene Form
besitzen kann, solange ein geeigneter Zwischenraum
ausgebildet wird, der durch die am Rand einer inneren
Elektrode 24a oder 24b und den gegenüberliegenden Oberflächen
der zwei benachbarten keramischen Platten 22, die die innere
Elektrode sandwichartig umgeben, ausgebildete Einkerbung
definiert ist. Dadurch, daß eine Einkerbung 28 einer inneren
Elektrode vorgesehen wird, wird zwischen zwei benachbarten
keramischen Platten 22 ein Zwischenraum 30 ausgebildet, und
deshalb sind die innere Elektrode 24a oder 24b und die
danebenliegende äußere Elektrode 32b oder 32a physikalisch
und elektrisch voneinander isoliert.
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Das Vorläufermaterial für das laminierte keramische Element
20 dieses Beispiels wurde hergestellt, indem man eine
bestimmte Menge Methylcellulose als Bindemittel und ebenfalls
eine bestimmte Menge Glycerin als Weichmacher und Wasser, das
als Lösungsmittel verwendet wurde, zu einer bestimmten Menge
eines calcinierten Pulvers eines elektrorestriktiven
Materials, das als Hauptbestandteile PbTiO&sub3;, PbZrO&sub3;,
Pb(Mg1/3Nb2/3)O&sub3; enthielt, zugab und gut mischte. Dann wurde
aus dem Vorläufermaterial durch Strangpressen eine bestimmte
Zahl Grünfolien mit einer Dicke von 120 µm hergestellt und
die Folien getrocknet.
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Die Folien wurden dann in eine bestimmten Größe zugeschnitten
und eine Silber/Palladium-Paste wurde auf die Oberfläche, mit
Ausnahme des Bereiches des sogenannten halbkreisförmigen
zukünftigen Zwischenraums 26, wie in Figur 2 dargestellt,
durch Siebdruck aufgebracht, um eine innere Elektrode 24 (24a
oder 24b) auszubilden. 100 Grünfolien, auf denen die Paste
appliziert worden war, wurden zur Bildung eines Laminats
zusammengesetzt und heißverpreßt. Zur Laminierung wurden die
Grünfolien so angeordnet, daß die zukünftigen Zwischenräumen
26 alternierend zwei benachbarten lateralen Seiten des
Laminats gegenüberlagen. Das erhaltene Laminat wurde bei
500 ºC entwachst und dann bei 1100 ºC gebrannt. Das gebrannte
Laminat wurde zur Herstellung individueller Elemente
zurechtgeschnitten.
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Bei einer Beobachtung eines Schnittes des gebrannten
Laminates mittels eines Rasterelektronenmikroskops zeigte
jede innere Elektrode eine Dicke von 2 bis 3 µm, und an jedem
der sogenannten zukünftigen Zwischenräume 26 war ein
Zwischenraum mit einer Höhe von etwa 2 bis 3 µm ausgebildet.
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An jedem Element wurde dann ein Paar äußerer Elektroden 32a,
32b durch Applizieren einer Silberpaste entlang seiner zwei
verschiedenen lateralen Seiten, wie in Figur 2 dargestellt,
ausgebildet, die dann so gesintert wurden, daß sie mit den
entsprechenden Enden der korrespondierenden inneren
Elektroden 24 (24a,24b), die zwischen zwei benachbarten
Zwischenräumen 30 lokalisiert waren, elektrisch verbunden
waren. Dann wurde an jede der der äußeren Elektroden ein
Leiter angelötet und das Laminat durch Applikation einer
Gleichstromspannung mittels der Leiter polarisiert, um ein
laminiertes keramisches Element 20, wie in Figur 1
dargestellt, herzustellen.
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Das laminierte keramische Element besaß die Dimensionen Länge
x Breite x Höhe = 5 mm x 5 mm x 10 mm. Wenn es einer
Gleichstromspannung von 100 Volt unterworfen wurde, zeigte es
eine Deformation bis zu 11 µm. Nachdem sinusförmige
Spannungsimpulse mit einer maximalen Spannung von 100 V mit
einer Frequenz von 1 kHz kontinuierlich ca. 100000000 mal an
das Element angelegt wurden, um die Dauerhaftigkeit des
Elementes zu testen, zeigte dieses weder irgendeine
Verringerung im Wert der Deformation noch irgendwelche
funktionelle Mängel.
Beispiel 2
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Wie im vorhergehenden Beispiel 1 wurde ein laminiertes
keramisches Element 20 mit der nachfolgend beschriebenen
Anordnung hergestellt. Es wurde eine Anzahl keramischer
Platten 22 mit einem elektrorestriktiven Effekt so
angeordnet, um ein Laminat auszubilden, in dem diese, eine
nach der anderen, alternierend eine erste Gruppe filmförmiger
innerer Elektroden 24a und eine zweite Gruppe filmförmiger
innerer Elektroden 24b trugen. Dann wurde eine erste äußere
Elektrode 23a an einer lateralen Seite des Laminats
ausgebildet und mit jeder der ersten Gruppe der inneren
Elektrode 24a verbunden, und auf gleiche Weise eine zweite
äußere Elektrode 32b an einer anderen lateralen Seite des
Laminats ausgebildet und mit jeder der zweiten Gruppe der
inneren Elektrode 24b verbunden.
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Zwischen der ersten äußeren Elektrode 32a und jede der
zweiten inneren Elektroden 24b und zwischen der zweiten
äußeren Elektrode 32b und jeder der ersten inneren Elektroden
24a wurde eine Blockschicht 29 so vorgesehen, daß durch die
Blockschicht 29, die daneben liegende innere Elektrode 24a
oder 24b und die gegenüberliegenden Oberflächen der zwei
benachbarten keramischen Platten, die die innere Elektrode
24a oder 24b sowie die Blockschicht 29 sandwichartig umgeben,
ein Zwischenraum 30 definiert wurde.
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Die ersten und zweiten äußeren Elektroden 32a, 32b wurden mit
den entsprechenden ersten und zweiten Gruppen der inneren
Elektroden 24a, 24b, die jede der anderen im laminierten
keramischen Element angeordneten inneren Elektroden umfassen,
verbunden. Deshalb waren die erste äußere Elektrode 32a und
jede der zweiten inneren Elektroden 24b durch einen
Zwischenraum 30 voneinander physikalisch und elektrisch
isoliert, und auf gleiche Weise waren durch einen
Zwischenraum 30 die zweite äußere Elektrode 32b und jede der
ersten inneren Elektroden 24a physikalisch und elektrisch
voneinander isoliert.
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Ein Vorläufermaterial für das laminierte keramische Element
20 dieses Beispiels wurde hergestellt, indem eine bestimmte
Menge Methylcellulose als Bindemittel und ebenfalls eine
bestimmte Menge Glycerin als Weichmacher und Wasser als
Lösungsmittel zu einer bestimmten Menge eines calcinierten
Pulvers eines elektrorestriktiven Materials, das als
Hauptbestandteile PbTiO&sub3;, PbZrO&sub3;, Pb(Mg1/3Nb2/3)O&sub3; enthielt,
zugegeben und gut gemischt wurde. Dann wurde aus dem
Vorläufermaterial durch Strangpressen eine bestimmte Zahl
Grünfolien mit einer Dicke von 120 µm hergestellt und die
Folien getrocknet.
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Die Folien wurden dann auf eine bestimmte Größe zugeschnitten
und eine Silber/Palladium-Paste auf eine Oberfläche jeder der
Folien, mit Ausnahme der Fläche für den sogenannten
zukünftigen Zwischenraum 26 mit einer Breite (l) von 0,5 mm,
wie in Figur 5 dargestellt, durch Siebdruck aufgebracht, um
eine innere Elektrode 24 (24a oder 24b) und eine
entsprechende Blockschicht 29, die von jeder anderen durch
den sogenannten zukünftigen Zwischenraum 26 getrennt war,
auszubilden. 100 Grünfolien, auf denen die Paste appliziert
worden war, wurden zur Bildung eines Laminats zusammengelegt
und hitzeverpreßt. Für die Laminierung wurden die Grünfolien
so angeordnet, daß die Blockschichten 29 alternierend zwei
benachbarten lateralen Seiten des Laminates gegenüberlagen.
Das erhaltene Laminat wurde bei 500 ºC entwachst und dann bei
1100 ºC gebrannt. Das gebrannte Laminat wurde zur Herstellung
individueller Elemente zurechtgeschnitten.
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Bei Betrachtung eines Schnittes des gebrannten Laminats
mittels eines Rasterelektronenmikroskops zeigte jede der
inneren Elektroden 24 (24a,24b) und die entsprechende
Blockschicht 29 eine Dicke von 2 bis 3 µm und an jedem der
sogenannten zukünftigen Zwischenräume 26 zwischen der inneren
Elektrode 24 (24a oder 24b) und der Blockschicht 29 war ein
Zwischenraum 30 mit einer Höhe von ebenfalls 2 bis 3 µm
ausgebildet.
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Dann wurde ein Paar äußerer Elektroden 32a, 32b an jedem
Element durch Applizieren einer Silberpaste entlang seiner
zwei verschiedenen lateralen Seite, wie in Figur 5
dargestellt, ausgebildet, die dann gesintert wurden, damit
sie mit den entsprechenden Enden der korrespondierenden
inneren Elektroden 24 (24a,24b), die zwischen zwei
benachbarten Blöcken 29 lokalisiert waren, elektrisch
verbunden wurden. Dann wurde ein Leiter an jeder der äußeren
Elektroden angelötet und das Laminat durch Anlegen einer
Gleichstromspannung mittels der Leiter polarisiert, um ein
laminiertes keramisches Element 20, wie in Figur 4
dargestellt, herzustellen.
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Das laminierte keramische Element besaß die Dimensionen Länge
x Breite x Höhe = 5 mm x 5 mm x 10 mm. Wenn es einer
Gleichstromspannung von 100 V unterworfen wurde, zeigte es
eine Deformation von bis zu 10 µm. Nachdem ein sinusförmiger
Spannungsimpuls mit einer maximalen Spannung von 100 V mit
einer Frequenz von 1 kHz hintereinander an das Element ca.
100000000 mal angelegt wurde, um die Dauerhaftigkeit des
Elementes zu testen, zeigte dieses weder eine Verringerung im
Wert der Deformation noch irgendwelche funktionelle Mängel.
Vergleichsbeispiel
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Zum Vergleich wurde ein laminiertes keramisches Element vom
konventionellen Typ, wie in Figur 7 dargestellt, hergestellt
und dem gleichen Dauerhaftigkeitstest unterworfen, bei dem an
die Probe ca. 10000 mal hintereinander Spannungsimpulse
angelegt wurden. Als Ergebnis des Tests wurde gefunden, daß
die Probe zerstört war.
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Ein erfindungsgemäßes laminiertes keramisches Element kann
deshalb eine Konzentrationsspannung, die aufgrund einer durch
Anlegen eines elektrischen Feldes verursachten ungleichen
Spannungsverteilung auftritt, aufgrund der an den Rändern der
inneren Elektroden vorgesehenen Zwischenräume wirksam
verhindern, und besitzt deshalb eine bemerkenswert
verbesserte Dauerhaftigkeit im Vergleich mit einem
konventionellen laminierten keramischen Element, wie es in
Figur 7 dargestellt wird.
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Ein erfindungsgemäßes laminiertes keramisches Element kann
auch ohne dem Erfordernis von Isolierschichten hergestellt
werden, wie dies bei einem konventionell laminierten
keramischen Element, wie in Figur 8 dargestellt, der Fall
ist. Ein erfindungsgemäßes laminiertes keramisches Element
ist deshalb frei von irgendwelchen Funktionsstörungen, die
durch defekte Isolierschichten verursacht werden. Solche
laminierten keramischen Elemente können mit einer hohen
Förderleistung auf relativ einfache Weise hergestellt werden.
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Wenn die äußere Elektrode durch Applikation einer Metallpaste
ausgebildet wird, ist es bevorzugt, daß das erfindungsgemäße
laminierte keramische Element Blockschichten aufweist, um zu
verhindern, daß die Paste in Bereiche der inneren Elektroden
eingebracht wird.