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    • 专利摘要:
    Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein laminiertes piezoelektrisches Element mit hervorragender Langzeitbeständigkeit. Das laminierte piezoelektrische Element der Erfindung umfasst einen laminierten Körper (10), in dem eine Vielzahl piezoelektrischer Schichten (11), die in Reaktion auf eine angelegte Spannung gestreckt werden können, und eine Vielzahl innerer Elektrodenschichten (21, 22) zum Anlegen einer angelegten Spannung abwechselnd laminiert sind, und ein Paar seitlicher Elektrodenschichten (31, 32), die auf äußeren peripheren Seiten (101, 102) des laminierten Körpers (10) bereitgestellt sind und abwechselnd mit jeweiligen inneren Elektrodenschichten (21, 22) elektrisch verbunden sind, so dass die inneren Elektrodenschichten (21, 22), die über eine piezoelektrische Schicht (11) aneinander angrenzen, entgegengesetzt polarisiert sind. In irgendeinem Bereich mit einer Fläche von 10000 mum·2· der seitlichen Elektrodenschicht (31, 32) liegt die Porösität, basierend auf Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 mum, im Bereich von 15 bis 50%, und in irgendeinem Bereich mit einer Fläche von 10000 mum·2· der seitlichen Elektrodenschicht (31, 32) liegt die Anzahl an Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 mum im Bereich von 100 bis 6000.
    公开号:DE102004005528A1
    申请号:DE200410005528
    申请日:2004-02-04
    公开日:2004-08-26
    发明作者:Rikiya Kariya Kamimura；Toshiatsu Kariya Nagaya
    申请人:Denso Corp；
    IPC主号:H01L41-047
    专利说明:
    [0001] Die vorliegende Erfindung beziehtsich auf ein laminiertes piezoelektrisches Element, das prinzipiell alseine Antriebsquelle füreine Einspritzung in einem Kraftfahrzeug verwendet wird, aber auchals ein piezoelektrisches Allzweck-Stellglied verwendet werden kann.
    [0002] Ein piezoelektrisches Stellgliedwird als eine Antriebsquelle füreine Einspritzung in einem Kraftfahrzeug verwendet und besteht bevorzugtaus einem laminierten piezoelektrischen Element, das einen laminiertenKörper,der aus abwechselnden Laminierungen einer Vielzahl piezoelektrischerSchichten, die in Reaktion auf eine angelegte Spannung gestrecktwerden können,und einer Vielzahl innerer Elektrodenschichten zum Anlegen der angelegtenSpannung besteht, und ein Paar seitlicher Elektrodenschichten umfasst,die auf den äußeren peripherenSeiten des laminierten Körpersbereitgestellt sind, wobei die seitlichen Elektrodenschichten abwechselndmit jeweiligen inneren Elektrodenschichten elektrisch verbundensind, so dass die inneren Elektrodenschichten, die über einepiezoelektrische Schicht aneinander angrenzen, eine entgegengesetzte Polarität zeigen.
    [0003] Um eine größere Versetzung bei einer geringerenangelegten Spannung zu erzielen, wird in den letzten Jahren häufig einlaminiertes piezoelektrisches Element mit 500 bis 700 abwechselndlaminierten piezoelektrischen Schichten, die jede 20 bis 200 μm sind, undinneren Elektrodenschichten, die jede 1 bis 3 μm dick sind, verwendet.
    [0004] Bei dem laminierten piezoelektrischenElement könnendie seitlichen Elektrodenschichten durch verschiedene Verfahren gebildetwerden, z.B. indem sie auf den laminierten Körper platiert werden, indemdünne Filmemittels Dampfabscheidung gebildet werden oder dergleichen. Allerdingswurde im Hinblick auf eine Verringerung der Herstellungskosten undeiner Vereinfachung des Herstellungsverfahrens weitgehend ein Verfahrenangewendet, bei dem ein Pastenmaterial, das ein Elektrodenmaterialenthält,mittels Siebdruck oder dergleichen als Muster auf den laminiertenKörperaufgebracht und zusammen mit dem laminierten Körper gebrannt wird. Da gegenwärtig invielen inneren Elektrodenschichten Silber/Palladium verwendet wird,wird beim Herstellen des Pastenmaterials weitgehend ein Elektrodenmaterialverwendet, das Silber als eine Hauptkomponente enthält, um dieHaftung zwischen den seitlichen Elektrodenschichten und den innerenElektrodenschichten zu verbessern.
    [0005] Wenn ein von dem vorstehend erwähnten Materialauf Silberbasis verschiedenes Material verwendet wird, kann aufgrundvon Diffusion von Silber zwischen den seitlichen Elektrodenschichtenund den inneren Elektrodenschichten aus Silber/Palladium eine Schichtmit hohem elektrischen Widerstand gebildet werden. Dies kann zueinem erhöhtenIsolationswiderstand zwischen den seitlichen Elektrodenschichtenund den inneren Elektrodenschichten führen, wodurch eine elektrischeLeitung zwischen ihnen verschlechtert wird.
    [0006] Als ein Beispiel für das laminiertepiezoelektrische Element ist eine laminierte keramische Elektronikkomponente,die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen keramischen Körper umfasst,der aus einer Vielzahl laminierter keramischer Lagen mit einem innerenLeiter und einer äußeren Elektrodegebildet ist, die auf der äußeren Oberfläche deskeramischen Körpersbereitgestellt und mit dem inneren Leiter elektrisch verbunden ist,wobei der Anteil des inneren Leiters, der von dem keramischen Körper freigelegt ist, durch die äußere Elektrodebedeckt wird, wobei der Hohlraumanteil von wenigstens einem vondem inneren Leiter und der äußeren Elektrode7% oder weniger beträgt,in der ungeprüftenJapanischen Patentveröffentlichung(Kokai) Nr. 2000-331866 offenbart.
    [0007] Wenn sie als eine Antriebsquellefür eineEinspritzung in einem Kraftfahrzeug verwendet werden sollen, istes fürdie laminierten piezoelektrischen Elemente notwendig, dass eineLangzeitverlässlichkeitunter ernsten Bedingungen wie etwa hoher Temperatur und hoher angelegterSpannung gewährleistetwird.
    [0008] Wenn allerdings ein laminiertes piezoelektrischesElement übereinen langen Zeitraum wiederholt betrieben wurde, treten aufgrundeiner Spannung, die aus der Versetzung beim Betrieb resultiert,oftmals Risse oder eine Delaminierung in den seitlichen Elektrodenschichtenauf, was zu einem Leitungsbruch und einer fehlenden Betriebsfähigkeitdes laminierten piezoelektrischen Elements führt. Insbesondere wenn dieseitliche Elektrodenschicht aus einem Material auf Silberbasis gebildetist, neigt sie dazu, öfterRisse oder eine Delaminierung hervorzurufen, als wenn ein nichtauf Silber basierendes Material verwendet wird, da die Seitenelektrodehart ist.
    [0009] Es ist daher eine Aufgabe der vorliegendenErfindung, die vorstehend beschriebenen Probleme des Stands derTechnik zu lösenund ein laminiertes piezoelektrisches Element mit hervorragenderLangzeithaltbarkeit bereitzustellen.
    [0010] Gemäß der vorliegenden Erfindungwird ein laminiertes piezoelektrisches Element mit einem laminiertenKörper,in dem eine Vielzahl piezoelektrischer Schichten, die in Reaktionauf eine angelegte elektrische Spannung gestreckt oder verlängert werdenkönnen,und eine Vielzahl innerer Elektrodenschichten zum Anlegen einerangelegten Spannung abwechselnd laminiert sind, und einem Paar seitlicherElektrodenschichten, die auf den äußeren peripheren Seiten deslaminierten Körpersbereitgestellt sind, wobei die seitlichen Elektrodenschichten abwechselndmit jeweiligen inneren Elektrodenschichten elektrisch verbundensind, so dass die inneren Elektrodenschichten, die über einepiezoelektrische Schicht aneinander angrenzen, entgegengesetzt polarisiertsind oder eine entgegengesetzte Polarität zeigen, bereitgestellt, dasdadurch gekennzeichnet ist, dass die seitlichen Elektrodenschichtenaus einem porösenMaterial sind, wobei in irgendeinem Bereich mit einer Fläche von10.000 μm2 die Anzahl an Poren mit einem Hauptdurchmesservon 1 bis 50 μmim Bereich von etwa 100 bis 6000 liegt und in irgendeinem Bereichmit einer Flächevon 10.000 μm2 die Porösität basierend aufPoren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm im Bereich von etwa 15 bis50% liegt.
    [0011] Bei dem vorstehend beschriebenenlaminierten piezoelektrischen Element gemäß der vorliegenden Erfindungist die seitliche Elektrodenschicht dadurch gekennzeichnet, dasssie aus einem porösenMaterial gebildet ist, und dadurch, dass die Anzahl an Poren unddie Porösität in demvorstehend spezifizierten Bereich liegen.
    [0012] Solch eine seitliche Elektrodenschichthat eine geringe Härteund ist weich. Daher kann die seitliche Elektrodenschicht der Ausdehnungund Verlängerungder piezoelektrischen Schicht zum Zeitpunkt des Betriebs des laminiertenpiezoelektrischen Elements folgen, so dass es für die seitliche Elektrodenschichtunwahrscheinlich ist, dass sie einer nicht akzeptablen großen Kraftausgesetzt wird. Somit wird die Spannung, die durch die Ausdehnungder piezoelektrischen Schichten in den seitlichen Elektrodenschichtenerzeugt wird, klein, so dass es unwahrscheinlich ist, dass eineDelaminierung, Brüche,Spalten oder Risse währendder Langzeitverwendung des piezoelektrischen Elements auftreten.Daher wird gemäß der vorliegendenErfindung ein laminiertes piezoelektrisches Element mit hervorragenderLangzeithaltbarkeit bereitgestellt.
    [0013] Die vorliegende Erfindung wird nachstehendmit Bezug auf die angefügtenZeichnungen detailliert beschrieben, in denen:
    [0014] die 1 eineperspektivische Ansicht ist, die das laminierte piezoelektrischeElement gemäß Beispiel 1zeigt;
    [0015] die 2 eineSeitenansicht ist, die das laminierte piezoelektrische Element gemäß Beispiel1 zeigt;
    [0016] die 3 eineschematische Ansicht ist, die die positionelle Beziehung einer piezoelektrischen Schichtmit einer im Beispiel 1 aufgebrachten inneren Elektrodenschichterläutert;
    [0017] die 4 eineschematische Ansicht ist, die die positionelle Beziehung einer piezoelektrischen Schichtund einer weiteren angrenzenden piezoelektrischen Schicht der 3 mit einer inneren Elektrodenschichtin Beispiel 1 zeigt;
    [0018] die 5 eineschematische Ansicht ist, die den laminierten Zustand von piezoelektrischenSchichten im Beispiel 1 erläutert;und
    [0019] die 6 eineschematische Ansicht ist, die die Textur des Verbindungsabschnittsder freigelegten Endseite der inneren Elektrodenschichten und derseitlichen Elektrodenschichten im Beispiel 1 erläutert.
    [0020] Das laminierte piezoelektrische Elementgemäß der vorliegendenErfindung kann vorteilhaft in verschiedenen Formen ausgeführt werden.
    [0021] Bei dem laminierten piezoelektrischenElement der vorliegenden Erfindung ist die seitliche Elektrodenschichtaus einem porösenMaterial gebildet, wobei in irgendeinem Bereich mit einer Fläche von10.000 μm2 der seitlichen Elektrodenschicht die Anzahlan Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm im Bereich vonetwa 100 bis 6000 und die Porösität aufgrundvon Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm im Bereichvon etwa 15 bis 50% liegt. Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "irgendein Bereichmit einer Flächevon 10.000 μm2" aufirgendeinen Bereich, der auf der Oberfläche der seitlichen Elektrodenschichtoder auf ihrem Querschnitt mit irgendeinem Winkel zu dieser definiertwerden kann. Z.B. erscheinen in einer mit einem Abtastelektronenmikroskopaufgenommenen Fotografie Poren als dunkle Flächen, und das Elektrodenmaterialwie etwa Silber- und Palladiumteilchen, die die seitliche Elektrodenschichtbilden, erscheinen als weißeTeilchen. Unter Verwendung einer computergestützten Bildverarbeitungsmethodekönnendie dunklen Flächengemessen werden, um die Porösität zu erhaltenoder um die Anzahl an Poren mit einem vorbestimmten Hauptdurchmesserzu zählen.
    [0022] In der seitlichen Elektrodenschichteingeschlossene Poren haben einen Hauptdurchmesser von ungefähr 1 bis50 μm. Wiehier verwendet bezieht sich der Begriff "Hauptdurchmesser" auf den "Hauptdurchmesser einer Gestalt, diedurch ein Profil einer Pore eingeschlossen wird, das in irgendeinemBereich mit einer Fläche von10.000 μm2 frei gelegt ist". Z.B. ist in der Gestalt, die durchein Profil 3140 einer Pore 314 wie in 6 gezeigt,auf die späterBezug genommen wird, eingeschlossen ist, der größte Durchmesser der Hauptdurchmesserder Pore.
    [0023] Wenn der Hauptdurchmesser wenigerals 1 μmbeträgt,ist die Pore zu klein, um die Festigkeit der seitlichen Elektrodenschichthervorzurufen, und wenn im Gegensatz dazu der Hauptdurchmesser mehrals 50 μm beträgt, übersteigtdie Porösität in demBereich mit einer Flächevon 10.000 μm2 50%, so dass eine lokale Festigkeit derseitlichen Elektrodenschicht stark herabgesetzt werden kann undvon der Pore Risse ausgehen können.
    [0024] Wenn des Weiteren die Porösität wenigerals 15% beträgt,wenn die Anzahl an Poren weniger als 100 beträgt, ist die Härte derseitlichen Elektrodenschichten zu groß, und es ist für die seitlicheElektrodenschicht schwierig, der Ausdehnung der piezoelektrischenSchicht zu folgen, so dass die Langzeithaltbarkeit verschlechtertwerden kann. Wenn im Gegensatz dazu die Porösität mehr als 50% beträgt, wenndie Anzahl an Poren 6000 übersteigt,kann die lokale Festigkeit der seitliche Elektrodenschicht starkherabgesetzt werden, und Risse könnenvon der Pore ausgehen.
    [0025] Bei dem laminierten piezoelektrischenElement gemäß der vorliegendenErfindung kann die bei der Bildung des Elements verwendete piezoelektrischeSchicht aus irgendeinem in der Technik üblichen Material gebildet sein,und sie ist somit nicht auf ein spezielles piezoelektrisches Materialbeschränkt.Die piezoelektrische Schicht ist bevorzugt aus einem dielektrischenMaterial wie etwa PZT (Bleizirkonattitanat) oder anderen gebildet.
    [0026] Die innere Elektrodenschicht kannaus verschiedenen Materialien gebildet sein, die üblicherweisein der Technik verwendet werden, und sie ist somit nicht auf einspezielles Elektrodenmaterial beschränkt. Die innere Elektrodenschichtkann bevorzugt aus einem Elektrodenmaterial gebildet sein, das Silber/Palladium umfasst.
    [0027] Des Weiteren kann die innere Elektrodenschichtin verschiedenen Anordnungen gebildet sein. Z.B. kann die innere Elektrodenschichtauf einer gesamten Oberflächeder piezoelektrischen Schicht gebildet sein oder kann als eine Teilelektrodegebildet sein (siehe Beispiel 1, 3 und 4).
    [0028] Darüber hinaus kann die seitlicheElektrodenschicht aus irgendeinem porösen Material gebildet sein, istaber bevorzugt aus einem gesinterten Produkt eines Pastenmaterialsgebildet, das ein Elektrodenmaterial, ein Bindemittel und ein kristallisiertesGlas enthält.Bei der Herstellung des Pastenmaterials kann irgendein Materialausgewähltund fürdas Elektrodenmaterial, das Bindemittel bzw. das kristallisierteGlas verwendet werden. In ähnlicherWeise kann beim Sintern des Pastenmaterials irgendeine Sinterbedingungin Abhängigkeitvon der Zusammensetzung des Pastenmaterials ausgewählt werden,und das Sintern kann unter Verwendung irgendeines in der Technik üblichenVerfahrens durchgeführtwerden. Das kristallisierte Glas kann in verschiedenen Mengen verwendetwerden, aber es wird bevorzugt in einer Menge von etwa 2 bis 20Gewichtsteilen relativ zu 100 Gewichtsteilen des Elektrodenmaterialsverwendet.
    [0029] Das kristallisierte Glas kann vorteilhaftbei der Herstellung des Pastenmaterials verwendet werden, da nichtkristallines Glas dazu neigt, dass seine Viskosität bei einerTemperatur oberhalb seines Erweichungspunkts signifikant verringertwird, was zu einer Erweichung des Glases führt. Im Gegensatz dazu istdie Verringerung der Viskositätim Falle des kristallisierten Glases nicht so groß, so dasseine Kondensation der dispergierten Metallteilchen aufgrund vonSintern verhindert wird und eine poröse seitliche Elektrodenschicht,die viele Poren enthält,erhalten werden kann. Somit könnenunter Verwendung des Pastenmaterials, das das kristallisierte Glasin dem vorstehend beschriebenen Bereich enthält, seitliche Elektrodenschichtenerhalten werden, die Poren mit einer Porösität und Anzahl enthalten, diefür dieAusführungder vorliegenden Erfindung nützlichsind.
    [0030] Das kristallisierte Glas wird nachstehendweitergehend erläutert.
    [0031] Das kristallisierte Glas ist einGlasmaterial, in dem ein Anteil der Komponenten, die in dem Glasenthalten sind, kristallisiert ist. Das Verhältnis des kristallisiertenAnteils zu dem Glas insgesamt wird Kristallisationsverhältnis oderKristallinitätgenannt.
    [0032] Bei der Ausführung der vorliegenden Erfindungist es bevorzugt, dass ein kristallisiertes Glas mit einem Kristallisationsverhältnis vonetwa 10 bis 60% verwendet wird. Wenn ein kristallisiertes Glas miteinem Kristallisationsverhältnisvon weniger als 10% verwendet wird, wird die Viskosität nichtausreichend verringert, so dass die erwarteten Funktionen und Wirkungender Erfindung nicht erzielt werden können. Wenn im Gegensatz dazudie Kristallisation mehr als 60% beträgt, kann das Sintern zu starkgehemmt werden, und die Festigkeit der seitlichen Elektrodenschichtkann zu stark herabgesetzt werden. Zusätzlich können die Poren überall inder seitlichen Elektrodenschicht so stark zunehmen, dass die elektrischeLeitfähigkeitherabgesetzt wird, und die elektrische Leitung zu den inneren Elektrodenschichtenkann behindert werden.
    [0033] Das kristallisierte Glas umfasstbevorzugt ein oder mehrere Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehendaus SiO2-Bi2O3-CuO-MnO2, PbO-ZnO-B2O3 und PbO-BaO-Si2O3. Diese Materialien haben einen Erweichungspunktim Bereich von 650 bis 850°Cund zeigen keinen scharfen Abfall in der Viskosität am oder oberhalbdes Erweichungspunkts, so dass, wenn die seitliche Elektrodenschichtdurch Brennen bei etwa 850°Cgebildet wird, eine Kondensation von Metallteilchen beim Sinterneffektiv verhindert werden kann, und die Poren enthaltenden seitlichenElektrodenschichten gemäß der vorliegendenErfindung könnenleicht erhalten werden.
    [0034] Wie vorstehend beschrieben ist esbevorzugt, dass die seitliche Elektrodenschicht durch Sintern des Pastenmaterialsgebildet wird, das eine Mischung aus dem kristallisierten Glas,Elektrodenmaterial und Bindemittel umfasst. Irgendein Elektrodenmaterial,das im Allgemeinen zum Bilden von Elektrodenschichten verwendetwird, kann verwendet werden. Ein bevorzugtes Beispiel für das Elektrodenmaterialschließtleitfähige Pulverwie etwa Silber, Palladium und dergleichen ein, ist aber nicht daraufbeschränkt.Das Bindemittel ist bevorzugt ein organisches Bindemittel. Das Pastenmaterialkann optional irgendein organisches Lösungsmittel und verschiedenekeramische Materialien und piezoelektrische Materialien als zusätzlicheMaterialien enthalten.
    [0035] Hiernach wird die vorliegende Erfindungmit Bezug auf ihre Beispiele und unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungenbeschrieben.
    [0036] In diesem Beispiel wird ein laminiertespiezoelektrisches Element gemäß einerbevorzugten Ausführungsformder vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 1 bis 6 beschrieben.
    [0037] Wie in 1 gezeigtumfasst ein laminiertes piezoelektrisches Element 1 einenlaminierten Körper 10, deraus abwechselnden Laminierungen einer Vielzahl piezoelektrischerSchichten 11, die in Reaktion auf eine angelegte Spannungverlängertwerden können,und einer Vielzahl innerer Elektrodenschichten 21, 22 zum Anlegeneiner angelegten Spannung besteht, und ein Paar seitlicher Elektrodenschichten 31, 32,die auf den äußeren peripherenSeiten des laminierten Körpers 10 bereitgestelltsind. Die seitlichen Elektrodenschichten 31, 32 sindabwechselnd mit den inneren Elektrodenschichten 21 bzw. 22 elektrischverbunden, so dass die inneren Elektrodenschichten 21, 22,die übereine piezoelektrische Schicht 11 aneinander angrenzen,entgegengesetzt polarisiert sind oder eine entgegengesetzte Polarität zeigen.
    [0038] Mit Bezug auf die seitlichen Elektrodenschichten 31, 32 liegtin irgendeinem Bereich mit einer Fläche von 10.000 μm2 die Porösität aufgrundvon Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm im Bereich von15 bis 50%, und in irgendeinem Bereich der seitliche Elektrodenschichtmit einer Flächevon 10.000 μm2 liegt die Anzahl an Poren mit einem Hauptdurchmesservon 1 bis 50 μmim Bereich von 100 bis 6000.
    [0039] Als nächstes wird das laminiertepiezoelektrische Element 1 der 1 detailliert beschrieben.
    [0040] Wie in den 1 und 2 gezeigtsind in dem laminierten piezoelektrischen Element 1 diesesBeispiels die inneren Elektrodenschichten 21, 22 abwechselndzwischen den piezoelektrischen Schichten 11 angeordnet,währendeine innere Elektrodenschicht 21 auf der Seite 101 deslaminierten Körpers 10 unddie andere innere Elektrodenschicht 21 auf der anderenSeite 102 des laminierten Körpers 10 frei gelegtist. Die seitlichen Elektrodenschichten 31, 32 sindso bereitgestellt, dass sie abwechselnd mit dem Ende der innerenElektrodenschichten 21, 22, das auf den Seiten 101 bzw. 102 deslaminierten Körpers 10 freigelegt ist, elektrisch verbunden sind. Somit ist die seitliche Elektrodenschicht 31 ander Position gebildet, wo die inneren Elektrodenschichten 21 freigelegt sind, um so die inneren Elektrodenschichten 21 elektrischmiteinander zu verbinden. Die seitliche Elektrodenschicht 32 istan der Position gebildet, wo die inneren Elektrodenschichten 22 freigelegt sind, um so die inneren Elektrodenschichten 22 elektrischmiteinander zu verbinden.
    [0041] Wie in 2 gezeigtist des Weiteren der Mittelabschnitt des laminierten piezoelektrischesElements 1 in der Laminierungsrichtung der Antriebsabschnitt 111,und die beiden Enden, zwischen denen er sandwichartig angeordnetist, sind Pufferabschnitte 112. Beide Enden des Pufferabschnitts 112 sindBlindabschnitte 113, und die Enden der Blindabschnitte 113 sindisolierende Platten 315, 325. Der Antriebsabschnitt 111 bildet denAbschnitt, in dem sich die piezoelektrischen Schichten 11, 12 beiAnlegen einer Spannung strecken. Die Pufferabschnitte 112 streckensich weniger als der Antriebsabschnitt 111 und bilden dieAbschnitte, in denen die Spannung, die auf die festgestellten Blindabschnitte 113 aufbeiden Enden des laminierten piezoelektrischen Elements 1 ausgeübt wird,abgebaut wird. Die Blindabschnitte 113 bilden den Abschnitt,der beim Anlegen einer Spannung festgestellt bleibt, und eine Isolationzwischen dem laminierten piezoelektrischen Element 1 undder Umgebung wird durch die isolierenden Platten 315, 325 sichergestellt.
    [0042] Obwohl nicht veranschaulicht, istzu beachten, dass zum Anschluss an eine äußere Energiequelle auf jederder seitlichen Elektrodenschichten 31, 32 eineLeitung bereitgestellt ist, und ein isolierender Überzug oderFilm ist auf einer gesamten Oberfläche der äußeren peripheren Oberfläche deslaminierten piezoelektrischen Elements 1 einschließlich derseitlichen Elektrodenschicht 31, 32 bereitgestellt.
    [0043] Darüber hinaus weist das veranschaulichtelaminierte piezoelektrische Element 1 eine Anordnung mit teilweiserElektrode auf. Und zwar ist eine innere Elektrodenschicht 21 wiein 3 gezeigt auf einerpiezoelektrischen Schicht 11 bereitgestellt, wobei dasEnde der inneren Elektrodenschicht 21 auf der rechten Seite der 3 gegenüber der Umgebung frei gelegtist. Die linke Seite der 3 istnicht durch die innere Elektrodenschicht 21 abgedeckt,und ein Reserveabschnitt 119 ist gebildet. Wie in 4 gezeigt hat eine weiterepiezoelektrische Schicht 11 auf der rechten Seite einenReserveabschnitt 109, und das Ende einer inneren Elektrodenschicht 22 istauf der linken Seite gegenüberder Umgebung frei gelegt. Wie in 5 gezeigtist das laminierte piezoelektrische Element 1 gemäß diesesBeispiels durch abwechselndes Laminieren einer piezoelektrischenSchicht 11 mit einer inneren Elektrodenschicht 21 aufdieser und einer piezoelektrischen Schicht 11 mit einerinneren Elektrodenschicht 22 auf dieser gebildet.
    [0044] Als nächstes wird das Herstellungsverfahrenund der Aufbau des laminierten piezoelektrischen Elements 1 diesesBeispiels detailliert beschrieben.
    [0045] Das laminierte piezoelektrische Element 1 diesesBeispiels wird unter Verwendung des weitgehend verwendeten Grünlagenverfahrenshergestellt. Zuerst werden als ein Hauptrohmaterial für das piezoelektrischeMaterial Pulver von Bleioxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Nioboxid,Strontiumcarbonat, etc. abgewogen, um die erwünschte Zusammensetzung zu erhalten.Dann werden diese Materialien im trockenen Zustand unter Verwendungeines Mischers vermischt, und dann wird die Mischung kalziniert.
    [0046] Dann werden reines Wasser und einDispergiermittel zu dem kalzinierten Pulvern zugegeben, um eine Aufschlämmung zubilden, und die Aufschlämmungwird im nassen Zustand unter Verwendung einer Kugelmühle pulverisiert.Nachdem die pulverisierten Pulver getrocknet und entölt wurden,werden ein Lösungsmittel, Bindemittel,Weichmacher, Dispergiermittel und dergleichen zu den Pulvern zugegebenund unter Verwendung einer Kugelmühle vermischt. Dann wird dieresultierende Aufschlämmungin einer Vakuumkammer entgast, währendsie unter Verwendung eines Rührersgerührtwird, und die Viskositätwird eingestellt.
    [0047] Dann wird die Aufschlemung unterVerwendung eines Doctorblade-Gerätszu einer Grünlagemit einer konstanten Dicke geformt. Die erhaltene Grünlage wirddes Weiteren durch Stanzen mit einer Presse oder durch Schneidenmit einem Schneidegerätzu einem rechtwinkligen Körpermit einer vorbestimmten Größe geformt.Eine Grünlagekann gemeinsam zum Bilden des Antriebsabschnitts, des Pufferabschnittsund des Blindabschnitts verwendet werden.
    [0048] Als nächstes wird unter Verwendungeines Pastenmaterials, das Silber/Palladium im Gewichtsverhältnis Silber/Palladium= 7/3 enthält,ein Muster füreine innere Elektrodenschicht durch Siebdruck auf einer Oberfläche desrechtwinkligen Körpersgebildet. Wie in den 3 und 4 gezeigt wird das Musterbeim Siebdrucken mit einem Reserveabschnitt gebildet, um so einenAufbau mit teilweiser Elektrode zu erhalten.
    [0049] Eine vorbestimmte Anzahl solcherrechtwinkliger Körperwird basierend auf dem speziellen benötigten Ausmaß an Versetzungdes Antriebsabschnitts 111 und des Pufferabschnitts 112 hergestellt.Zusätzlichwerden rechtwinklige Körper,auf die keine innere Elektrodenschicht 31, 32 gedrucktist, in einer fürden Pufferabschnitt 112 und dem Blindabschnitt 113 benötigten Anzahlbereitgestellt.
    [0050] Dann werden diese rechtwinkligenKörperlaminiert. Die laminierten rechtwinkligen Körper sind ähnlich zu jenen, die in 5 gezeigt sind, die im Wesentlichenden Zustand des Antriebsabschnitts 111 des laminiertenpiezoelektrischen Elements 1 zeigt.
    [0051] In dem mittleren Antriebsabschnitt 111 sindnur jene rechtwinkligen Körper,auf denen das vorstehend erwähnteMuster füreine innere Elektrodenschicht 21 gebildet ist, laminiert,und in dem Pufferabschnitt 112 sind die rechtwinkligenKörper,auf denen das vorstehend erwähnteMuster gebildet ist, mit rechtwinkligen Körpern laminiert, die kein zwischendiesen angeordnetes gebildetes Muster aufweisen, und in dem Blindabschnitt 113 sindnur jene rechtwinkligen Körperlaminiert, auf denen kein Muster gebildet ist. Auf diese Weise kannein ungebrannter laminierter Körpermit dem in 1 gezeigtenAufbau erhalten werden.
    [0052] Nachdem der ungebrannte laminierteKörperthermisch mit einer Warmwasser-Gummipresse gepresst wurde, wirder als Nächstesbei einer Temperatur von 400 bis 700°C entfettet und bei einer Temperatur von900 bis 1200°Cgebrannt, um einen laminierten Körper 10 zuerhalten.
    [0053] Als nächstes werden die seitlichenElektrodenschichten 31, 32 auf den Seiten deslaminierten Körpers 10 gebildet.
    [0054] Zuerst wird ein Pastenmaterial zumBilden der seitliche Elektrodenschicht durch Vermischen eines Elektrodenmaterials,eines kristallisierten Glases, eines organischen Lösungsmittelsund eines Harzbindemittels gefolgt von Kneten der Mischung mit einer3-Walzen-Mühlehergestellt.
    [0055] In diesem Beispiel wird eine Mischungaus Silberpulver mit einem Teilchendurchmesser von 1 bis 10 μm und Palladiumpulvermit einem Teilchendurchmesser von 0,01 bis 10 μm als das Elektrodenmaterialverwendet. Anstelle von oder zusätzlichzu solch einer Pulvermischung kann ein Legierungspulver, das durchvorausgehendes Legieren von Silber und Palladium, oder ein co-ausgefälltes Pulver,das durch gleichzeitiges Ausfällenvon Silber und Palladium aus flüssigerPhase und durch Dispergieren der Mischung in einem guten Zustanderhalten wird, verwendet werden. Beim Brennen der seitlichen Elektrodenschichtwerden Silber und Palladium legiert.
    [0056] Relativ zu 100 Gewichtsteilen deswie vorstehend beschrieben hergestellten Elektrodenmaterials werden2 bis 20 Gewichtsteile kristallisiertes Glas (PbO-ZnO-B2O3, PbO-BaO-Si2O3, SiO2-Bi2O3-CuO-MnO2, etc.) zugegeben, und ein organisches Lösungsmittel(Butylcarbitol, Butylcarbitolacetat, Terpineol, etc.) und ein Harzbindemittel(Ethylcellulose, etc.) werden in Mengen von 5 bis 30 Gewichtsteilenbzw. 1 bis 10 Gewichtsteilen zugegeben, um das Pastenmaterial zuerhalten. Das Pastenmaterial wird unter Verwendung eines Siebdruckverfahrensin einem Muster auf dem laminierten Körper abgeschieden, der in demvorhergehenden Schritt hergestellt wurden, und nachdem es getrocknetwurde, wird es bei einer maximalen Temperatur von 600 bis 850°C in derumgebenden Atmosphäregebrannt.
    [0057] Es ist zu beachten, dass in dem vorstehendbeschriebenen Verfahren das organische Lösungsmittel und das Harzbindemittelzugegeben werden, um die Eigenschaften des Druckens eines dickenFilms und die Haftung zum Zeitpunkt des Laminierens beizubehalten,und somit kann irgendein Material und irgendeine Zusammensetzungin irgendeiner Menge verwendet werden, solange die befriedigendenDruckeigenschaften und die Haftung beibehalten werden können. Daherbeschränktdieses Beispiel den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht.
    [0058] Nach dem Brennen wird der laminierteKörpermit einem isolierenden Ölgeränkt,und eine Gleichspannung wird überdie seitlichen Elektrodenschichten 31, 32 zwischenden inneren Elektrodenschichten 21, 22 angelegt,um die piezoelektrische Schicht 11 zu polarisieren. IsolierendePlatten 315, 325 werden auf beiden Endoberflächen bereitgestellt,um das laminierte piezoelektrische Element 1 zu vervollständigen.
    [0059] Fürdas laminierte piezoelektrische Element 1, das durch dasvorstehend beschriebene Herstellungsverfahren hergestellt wurde,wird ein Verbindungsabschnitt der seitlichen Elektrodenschicht 31 mitder Seite 101, an der ein Endabschnitt der inneren Elektrodenschicht 21 freiliegt, nachstehend mit Bezug auf 6 beschrieben.
    [0060] Das in dem Pastenmaterial enthaltenekristallisierte Glas schmilzt und fließt, so dass eine dünne Schicht 310 zwischender seitlichen Elektrodenschicht 31 und der Seite 101 deslaminierten Körpers 10 gebildetwird. In der seitlichen Elektrodenschicht 31 gibt es eineGlasphase aus dem kristallisierten Glas, das nach dem Bilden derdünnenSchicht 310 verbleibt, und Poren 314 zwischenkristallisierten Teilchen 312 aus Silber/Palladium-Legierung.Das Bezugszeichen 3140 bezeichnet das Profil der Pore der 314.Solch eine Struktur kann in Fotografien etc. des Schnitts des laminiertenpiezoelektrischen Elements 1, die unter Verwendung einesAbtastelektronenmikroskops etc. aufgenommen werden, beobachtet werden.
    [0061] In dem Herstellungsverfahren diesesBeispiels ist das Elektrodenmaterial eine Pulvermischung aus Silberund Palladium, und das kristallisierte Glas ist PbO-ZnO-B2O3. Die seitlicheElektrodenschicht 31 ist aus dem Pastenmaterial gebildet,das durch Zugeben von 10 Gewichtsteilen des kristallisierten Glaseszu 100 Gewichtsteilen des Elektrodenmaterials hergestellt wird.
    [0062] Fotografien des Schnitts der seitlichenElektrodenschicht 31 wurden mit einem Abtastelektronenmikroskopaufgenommen, und als Ergebnis einer Computer-gestützten Bildverarbeitungwurde gefunden, dass in irgendeinem Bereich mit einer Fläche von10.000 μm2 die Porösität aufgrundvon Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm 21% unddie Anzahl von Poren 225 betrug (die Probe 3 im später beschriebenenBeispiel 2).
    [0063] Offensichtlich ist die seitlicheElektrodenschicht 31 bei dem in diesem Beispiel hergestelltenlaminierten piezoelektrischen Element 1 dadurch gekennzeichnet,dass in irgendeinem Bereich mit einer Fläche von 10.000 μm2 die Porösität aufgrundvon Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm 15 bis50% und die Anzahl an Poren 100 bis 6000 beträgt.
    [0064] Des Weiteren ist die seitliche Elektrodenschicht 31 weichmit einer geringen Härte(siehe Beispiel 2). Daher könnendie seitlichen Elektrodenschichten 31, 32 derAusdehnung der piezoelektrischen Schicht 11 während desBetriebs des laminierten piezoelektrischen Elements 1 folgen,und es ist somit unwahrscheinlich, dass sie einer nicht akzeptablenKraft ausgesetzt werden. Demgemäß wird dieSpannung, die begleitend zu der Ausdehnung der piezoelektrischenSchicht 11 auf die seitlichen Elektrodenschichten 31, 32 ausgeübt wird, klein,so dass es füreine Delaminierung, Brüche,Spalten oder Risse unwahrscheinlich ist, in den seitlichen Elektrodenschichten 31, 32 aufzutreten,was zu einer hervorragenden Haltbarkeit während eines Langzeitbetriebsführt (sieheBeispiel 2).
    [0065] Aus dem Vorhergehenden kann verstandenwerden, dass in diesem Beispiel ein laminiertes piezoelektrischesElement 1 mit hervorragender Langzeithaltbarkeit bereitgestelltwerden kann.
    [0066] In diesem Beispiel wird die Leistungeines laminierten piezoelektrischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindungzusammen mit Vergleichsbeispielen beschrieben.
    [0067] Insgesamt elf (11) Proben von laminiertenpiezoelektrischen Elementen gemäß Beispielender vorliegenden Erfindung (erfindungsgemäße Beispiele) und von Vergleichsbeispielenwurden hergestellt (siehe Proben 1 bis 11 in der nachstehenden Tabelle1). Die Zusammensetzung jedes der laminierten piezoelektrischen Elementewar im Wesentlichen die Gleiche wie jene des Beispiels 1. Probender erfindungsgemäßen Beispiele wurdenunter Verwendung eines kristallisierten Glases als der Glaskomponentein dem Pastenmaterial zum Bilden von seitlichen Elektrodenschichtenhergestellt. Proben der Vergleichsbeispiele wurden unter Verwendungeines nicht kristallinen Glases anstelle des kristallisierten Glaseshergestellt.
    [0068] Wie in Tabelle 1 gezeigt war dasElektrodenmaterial mit Ausnahme der Proben 10 und 11, in denen nurSilberpulver verwendet wurde, eine Mischung aus Silberpulver undPalladiumpulver. Die Menge an zugegebener Glaskomponente (d.h. nichtkristallines Glas oder kristallisiertes Glas) relativ zu dem Elektrodenmaterialwurde fürjede Probe variiert. Die Art der Glaskomponente wurde ebenfallsvariiert. Die Variationen sind im Detail in nachstehender Tabelle1 gezeigt. Es ist zu beachten, dass das Kristallisationsverhältnis von PbO-ZnO-B2O3-artigem kristallisiertenGlas, PbO-BaO-Si2O3-artigem kristallisiertenGlas und SiO2-Bi2O3-CuO-MnO2-artigemkristallisierten Glas unter Verwendung des Röntgenstrahlbeugungsverfahrens durchVergleichen der Intensitätdes Präzipitationssignalsder kristallisierten Komponente mit der Signalintensität einesreinen Kristalls gemessen werden kann, und es wurde gefunden, dasssie ein Kristallisationsverhältnisvon 30%, 20% bzw. 43% aufweisen.
    [0069] Jede der Proben 1 bis 11 wurde inder Richtung schrägzu der seitlichen Elektrodenschicht geschnitten, und der Schnittwurde unter Verwendung eines Abtastelektronenmikroskops fotografiert.Mittels Bildverarbeitung der Fotografie wurden die Porösität und dieAnzahl an Poren gemessen.
    [0070] Des Weiteren wurde die Härte derseitlichen Elektrodenschicht unter Verwendung eines Ultra-Mikro-Härtetesters mit einer Stempelbelastungvon 10 g gemessen. Das Messergebnis wurde als die Härte der seitlichenElektrodenschicht angesehen.
    [0071] Darüber hinaus wurde eine sinusförmige Spannungmit einer maximalen Amplitude von 190 V bei einer Frequenz von 60Hz an jede Probe angelegt, und die piezoelektrische Schicht wurdebei Umgebungstemperatur gestreckt.
    [0072] Danach wurde ein 2 mm quadratischesMetallplättchenmit einem Klebstoff an die seitliche Elektrodenschicht angeklebt,und das Metallplättchenwurde in der Richtung senkrecht zu der Oberfläche der seitliche Elektrodenschichtmit einer Geschwindigkeit von 10 mm/min gezogen. Die zum Zeitpunktdes Ablösensder seitlichen Elektrodenschicht gemessene Kraft wurde als die Haftfestigkeitnach Belastung aufgezeichnet. Die Anwesenheit oder Abwesenheit vonRissen in der seitlichen Elektrodenschicht nach Belastung wurdeebenfalls durch visuelle Beobachtung untersucht. Diese Messergebnissesind in Tabelle 1 zusammengefasst.
    [0073] Es ist aus den Messergebnissen inTabelle 1 ersichtlich, dass selbst für die seitliche Elektrodenschicht, dieaus einem kristallisiertes Glas enthaltenen Pastenmaterial hergestelltwurde, in der Probe 1, in der die zugegebene Menge an kristallisiertemGlas klein war, die Porösität geringwar, die Anzahl an Poren klein war, und ein Reißen auftrat. In ähnlicherWeise war in den Proben 8, 9 und 10, in denen die seitliche Elektrodenschichtaus Pastenmaterial hergestellt war, das nicht kristallines Glasenthält,die Porösität gering,war die Anzahl an Poren klein und trat ein Reißen auf. Wie aus Tabelle 1ersichtlich hat die aus diesen Proben hergestellte seitliche Elektrodenschichteine großeHärte (d.h.sie ist hart und zeigt keine Flexibilität), und die Haftfestigkeit nachBelastung war in allen Fällenklein.
    [0074] Im Gegensatz dazu war in den Proben2 bis 7 und 11, in denen kristallisiertes Glas im Bereich von 2 bis30 Gewichtsteilen enthalten war, die Porösität hoch, die Anzahl an Porenwar groß undRisse traten nicht auf, unabhängigvon der Art des kristallisierten Glases. Bei der aus diesen Beispielenhergestellten seitliche Elektrodenschicht war die Härte groß, und dieHaftfestigkeit nach Belastung war in allen Fällen groß.
    [0075] Aus den vorstehenden Fakten wurdeermittelt, dass gemäß der vorliegendenErfindung, bei der in irgendeinem Bereich mit einer Fläche von10.000 μm2 die Porösität aufgrundvon Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm 15 bis50% und die Anzahl an Poren 100 bis 6000 beträgt, ein laminiertes piezoelektrischesElement bereitgestellt wird, das eine hervorragende Langzeithaltbarkeithat und bei dem Risse nach Belastung nicht leicht auftreten.
    [0076] Des Weiteren ist gefunden worden,dass das vorstehend beschriebene laminierte piezoelektrische Elementdurch Zugeben eines kristallisierten Glases zu dem Pastenmaterialbei der Herstellung der seitlichen Elektrodenschichten realisiertwerden kann.
    权利要求:
    Claims (7)
    [1] Laminiertes piezoelektrisches Element mit einemlaminierten Körper,in dem eine Vielzahl piezoelektrischer Schichten, die in Reaktionauf eine angelegte Spannung gestreckt werden können, und eine Vielzahl innererElektrodenschichten zum Anlegen einer angelegten Spannung, abwechselndlaminiert sind, und einem Paar seitlicher Elektrodenschichten, dieauf äußeren peripherenSeitenoberflächendes laminierten Körpers bereitgestelltsind, wobei die seitlichen Elektrodenschichten abwechselnd mit jeweiligeninneren Elektrodenschichten elektrisch verbunden sind, so dass dieinneren Elektrodenschichten, die über eine piezoelektrische Schichtaneinander angrenzen, entgegengesetzt polarisiert sind, dadurchgekennzeichnet, dass die seitlichen Elektrodenschichten auseinem porösenMaterial gebildet sind, wobei in irgendeinem Bereich mit einer Fläche von10.000 μm2 die Anzahl an Poren mit einem Hauptdurchmesservon 1 bis 50 μmim Bereich von 100 bis 6000 liegt und in irgendeinem Bereich miteiner Flächevon 10.000 μm2 die Porösität basierendauf Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm im Bereichvon 15 bis 50% liegt.
    [2] Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch1, wobei das poröseMaterial der seitlichen Elektrodenschicht ein gesintertes Produkteines Pastenmaterials ist, das ein Elektrodenmaterial, ein Bindemittel undein kristallisiertes Glas enthält,und wobei in dem Pastenmaterial das kristallisierte Glas in einerMenge von 2 bis 20 Gewichtsteilen relativ zu 100 Gewichtsteilendes Elektrodenmaterials enthalten ist.
    [3] Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch2, wobei das kristallisierte Glas ein Kristallisationsverhältnis von10 bis 60% aufweist.
    [4] Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch2 oder 3, wobei das kristallisierte Glas ein Material umfasst, daswenigstens ein Mitglied ausgewähltaus der Gruppe bestehend aus SiO2-Bi2O3-CuO-MnO2, PbO-ZnO-B2O3 und PbO-BaO-Si2O3 enthält.
    [5] Laminiertes piezoelektrisches Element nach einemder Ansprüche1 bis 4, wobei die piezoelektrische Schicht PZT (Bleizirkonattitanat)umfasst.
    [6] Laminiertes piezoelektrisches Element nach einemder Ansprüche1 bis 5, wobei die innere Elektrodenschicht aus einer Elektrodegebildet ist, die Silber/Palladium umfasst.
    [7] Laminiertes piezoelektrisches Element nach einemder Ansprüche1 bis 6, wobei die innere Elektrodenschicht auf wenigstens einemTeil der piezoelektrischen Schicht bereitgestellt ist.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    JP2004241590A|2004-08-26|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2010-06-17| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2017-04-03| R002| Refusal decision in examination/registration proceedings|
    2017-05-09| R003| Refusal decision now final|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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