Gebondetes, mehrschichtiges pizoelektrisches Einheitselement und Verfahren zur Herstellung desselben

专利摘要:
Eingebondetes mehrschichtiges piezoelektrisches Einheitselement (1),das aus zumindest zwei überlagertenmehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten (15) besteht,von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten (151) undinneren Elektrodenschichten (153) besteht, die abwechselnd gestapeltsind, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben werden vorgeschlagen.Jede innere Elektrodenschicht (153) besteht hauptsächlich auseinem leitenden Basismetallmaterial mit einer Standard-Gibbs-Energieder Erzeugung eines Metalloxids bei einer Brenntemperatur größer alsder eines die piezoelektrische Keramikschicht (151) bildenden Keramikmaterials.Eine Potentialdifferenz V zwischen zwei aneinandergrenzenden innerenElektrodenschichten (153), die einen gebondeten Teil (17) zwischensich einschließen,an dem die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten (15)gebondet sind, hat eine Beziehung von V < (1/2)V1, wenn eine mittlere Potentialdifferenzzwischen aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten (153) dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten (15) V1 ist.
公开号:DE102004008000A1
申请号:DE200410008000
申请日:2004-02-18
公开日:2004-10-14
发明作者:Masayuki Kariya Kobayashi；Hitoshi Nishio Shindo；Atsuhiro Nishio Sumiya；Eturo Nishio Yasuda
申请人:Denso Corp；Soken Inc；
IPC主号:H01L41-047

专利说明:
[0001] DieErfindung betrifft ein gebondetes, laminiertes oder mehrschichtigespiezoelektrisches Einheitselement, das aus zumindest zwei überlagertenpiezoelektrischen Elementeinheiten mit mehreren Schichten besteht,von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und innerenElektrodenschichten, die abwechselnd gestapelt sind, besteht, undein Verfahren zur Herstellung desselben.
[0002] Inder Vergangenheit wurden mehrfach geschichtete bzw. mehrschichtigepiezoelektrische Elemente, die aus piezoelektrischen Keramikschichten,welche aus verschiedenen Arten von PZT-basierten Materialien usw.mit überlegenenpiezoelektrischen Eigenschaften und dieelektrischen Eigenschaftenbestehen, und inneren Elektrodenschichten, die aus Kupfer oder anderenBasismetallen bestehen, bestehen und abwechselnd gestapelt sind,weithin fürAktuatoren, Kondensatoren usw. verwendet.
[0003] Ineinem Verfahren zur Herstellung solcher mehrschichtiger piezoelektrischerElemente werden diese normalerweise durch eine Vielzahl von Schrittenwie nachstehend erklärtproduziert.
[0004] Zunächst werdenaus PZT oder anderen Keramikmaterialien bestehende ungebrannte bzw.ungesinterte Keramikplatten vorbereitet, und werden diese ungebranntenPlatten durch Raster-, Sieb bzw. Schablonendrucken usw. mit einemaus einem Metalloxid oder aus einem Metall und einem Metalloxidbestehenden Elektrodenpastenmaterial beschichtet. Als Nächstes wirdexakt die gewünschteAnzahl von ungebrannten Platten, die mit dem Elektrodenpastenmaterialbeschichtet sind, gestapelt, um einen Stapel herzustellen, und wirddieser Stapel entfettet.
[0005] AlsNächsteswird der entfettete Stapel in einem Heizofen unter reduzierendenBedingungen erwärmt, umdas Metalloxid in dem Elektrodenpastenmaterial zu reduzieren undinnere Elektrodenschichten mit Leitfähigkeit zu erhalten (Elektrodenreduktionsschritt).Sodann wird der Stapel gebrannt, um das Keramikmaterial zu verdichtenund das endgültigemehrschichtige piezoelektrische Element zu erhalten (Brennschritt).
[0006] DasKeramikmaterial und das Elektrodenpastenmaterial werden vorzugsweisegleichzeitig gebrannt, um einen guten gebondeten Zustand des Übergangsund eine gute Haltbarkeit zu erhalten.
[0007] Indem Brennschritt erfordern jedoch das Elektrodenpastenmaterial unddas Keramikmaterial sich widersprechende atmosphärische Bedingungen. Das heißt, daß zum BeispielPZT oder andere Keramikmaterialien bevorzugt durch eine oxydierendeAtmosphäregebrannt werden, da sie Oxyde sind, während Elektrodenpastenmaterialienbevorzugt in einer reduzierenden Atmosphäre gebrannt werden, um diein dem Elektrodenreduktionsschritt erhaltene Leitfähigkeitaufrecht zu erhalten.
[0008] Indem Brennschritt besteht dann, wenn in einer oxydierenden Atmosphäre zum ausreichendenBrennen des vorstehenden Keramikmaterials gebrannt wird, die Gefahr,daß dieaus dem in dem vorangehendem Elektrodereduktionsschritt reduziertenKupfer usw. bestehenden inneren Elektrodenschichten erneut oxydiert werdenund ihre Leitfähigkeitabnimmt. Andererseits besteht dann, wenn in einer reduzierendenAtmosphäre gebranntwird, das Problem, das das Keramikmaterial am Ende reduziert wirdund die Eigenschaften des gebrannten Stapels am Ende schlechterwerden.
[0009] Umdieses Problem zu lösen,gibt es das Verfahren des Reduzierens des leitfähigen Pastenmaterials in einerWasserstoffgas enthaltenden Atmosphäre, und des dann in dem folgendemBrennschritt erfolgenden Brennens des Stapels in einer Atmosphäre mit einemin einem bestimmten Bereich gesteuerten Sauerstoffteildruck (vgl.die japanische ungeprüftePatentveröffentlichung(Kokai) Nr. 5-82387).
[0010] Fernergibt es das Verfahren des Reduzierens des leitfähigen Pastenmaterials bei einerTemperatur unterhalb der Brenntemperatur, und des dann in dem folgendemBrennschritt erfolgenden Verwendens eines N₂-H₂-H₂O-O₂-Mischgasesund Brennens des Stapels in einer Atmosphäre mit einem O₂-Teildruck,der in einem bestimmten Bereich gesteuert wird (vgl. die japanischegeprüftePatentveröffentlichung(Kokoku) Nr. 7-34417).
[0011] In Übereinstimmungmit diesen konventionellen Verfahren ist es möglich, ein Keramikmaterialin dem Brennschritt zu verdichten, ohne nahezu irgendeine Oxydationder aus Kupfer usw., das in dem Elektrodenreduktionsschritt reduziertwurde, bestehenden inneren Elektrodenschichten zuzulassen.
[0012] Beiden vorstehenden konventionellen Verfahren bestehen jedoch dann,wenn Stapel mit besonders großenAnzahlen von gestapelten Schichten hergestellt werden, Problemedahingehend, daß esschwierig ist, die Ausmaßeder Reduktions- und der Oxydations-Reaktion zwischen der Mitte und der äußeren Umgebung desStapels ins Gleichgewicht zu bringen, so daß die Einstellung der Atmosphäre extremschwierig wird. Ferner wird dann, wenn der Stapel groß ist, amEnde eine enorme Menge an Zeit fürdie Entfernung des Binders vor dem Brennschritt oder vor dem Brenn-und dem Elektroden-Reduktionsschritt aufgewandt.
[0013] Andererseitsverbleibt dann, wenn die fürden Entfettungsschritt erforderliche Zeit verringert wird, ein Teildes Binders in der Mitte des Stapels. Ferner reagiert der verbleibendeKohlenstoff oder eine andere Substanz leicht mit dem Sauerstoffusw., so daß derSauerstoffteildruck in dem Brenn- oder dem Brenn- und dem Elektroden-Reduktionsschrittin der Stapelmitte und an der äußeren Umgebungdes Stapels und der Oberflächeleicht ungleichmäßig wird.Infolgedessen wird das Leistungsvermögen des mehrschichtigen piezoelektrischenElements, das nach dem Brennen erhalten wird, am Ende verringert.
[0014] Fernerbeschreibt die japanische ungeprüftePatentveröffentlichung(Kokai) Nr. 64-33980, daß zweiinneren Elektroden, die aneinandergrenzen und einander an den Bondoberflächen inEinheit-Einheit-Stapeln gegenüberliegen,dieselbe elektrische Polaritätgegeben wird, um Isolationsschichten zu bilden, die als Piezoelektrikumbzw. piezoelektrisch ungültigsind, und daß dieDicken der Isolationsschichten zu dem Zweifachen oder nicht mehrals dem Zweifachen der Dicken der anderen Schichten gemacht werden,um effizient eine Verschiebung aufgrund des piezoelektrischen Effektsder Einheitsstapel hervorzubringen.
[0015] Während Überlegenheitin den anfänglichenEigenschaften wie beispielsweise einer Verschiebung besteht, wiein dem spätererklärtenBeispiel 3 gezeigt ist, zeigte jedoch eine Studie, die die Dauerhaftigkeitder anfänglichenEigenschaften einschließenddurchgeführtwurde, daß dieGefahr bestand, daß Problemeauftreten.
[0016] Fernerwird, wie in der japanischen Druckschrift Kokai Nr. 64-33980 gezeigt.ist, dann, wenn die beiden aneinandergrenzenden Schichten, die Bondoberflächen zwischensich einschließen,extrem dünngemacht werden, auch wenn sie mit der selben Seitenelektrode verbundensind, falls eine Unterbrechung in den inneren Elektroden in einigender Produkte zum Zeitpunkt der Massenproduktion auftritt, angenommen,daß sichein elektrisches Feld zwischen der nächsten inneren Elektrodenschichtder unterbrochenen inneren Elektrodenschicht aufgrund der Bondoberflächen ander Einheit, an der die Unterbrechung an der inneren Elektrode auftrat,und der unterbrochenen inneren Elektrode der anderen gegenüberliegendenEinheit an den Bondoberflächenausbilden wird. In diesem Fall wird die auf die Einheitsbondoberflächen einwirkendeLast umgekehrt größer, sodaß dieGefahr besteht, daß dieHaltbarkeit schlecht wird.
[0017] Einesolche Unterbrechung der inneren Elektroden wird als ein Phänomen betrachtet,das nur zu dem Zeitpunkt auftritt, zu dem eine Basismetallelektrodeerzeugt wird, fürwelche eine reduzierende Atmosphäre zumZeitpunkt des Brennens usw. erzeugt werden muß, zum Beispiel Cu, Ne, usw.,wobei teure Ag-Pd-Elektroden außerAcht gelassen werden. Falls der Schwerpunkt ausgehend von den optimalenatmosphärischen Bedingungenzur Zeit der Erzeugung der reduzierenden Atmosphäre in Richtung der Oxydationsseiteverlagert wird, oxydieren die inneren Elektroden, tritt eine eutektischeReaktion mit der aus Oxyden bestehenden keramischen Schicht auf,und besteht die Gefahr, daß einSchmelzen und eine Diffusion auftreten. Ferner wird dann, wenn derSchwerpunkt ausgehend von den optimalen atmosphärischen Bedingungen in Richtungzu der Reduktionsseite verlagert wird, ein Teil der Keramikschichtreduziert, tritt eine eutektische Reaktion mit dem Metall der innerenElektrodenschichten auf, und besteht die Gefahr, das die ElektrodenmaterialienSchmelzen und diffundieren. Das Metall und Metall oder das Oxydund Oxyd werden reagieren leicht eutektisch. Eutektische Reaktionensind in Kombinationen von Metallen und Oxyden extrem selten.
[0018] Dahertritt in dem Fall des Einstellens der reduzierenden Atmosphäre so, daß die optimalenatmosphärischenBedingungen erzeugt werden, und des Verwendens eines Basismaterials,das erfordert, daß die Keramikschichtin dem Zustand eines Oxyds vorliegt und die inneren Elektrodenschichtenin dem Zustand eines Metalls fürdie inneren Elektrodenschichten vorliegen, zum Beispiel leicht eineUnterbrechung innerer Elektroden aufgrund des Schmelzens des Elektrodenmaterialsaufgrund der eutektischen Reaktion auf. Demgegenüber war es zur Zeit einer Edelmetallelektrode,die keine Erzeugung einer reduzierenden Atmosphäre erfordert, in einer Basismetallelektrode,die eine Behandlung wie beispielsweise Brennen in einer reduzierendenAtmosphäreerfordert, nicht notwendigerweise wirkungsvoll, wenn die beidenaneinandergrenzenden Schichten dünnergemacht wurden, falls nicht nur die anfänglichen Eigenschaften, sondernauch die Massenproduzierbarkeit und die Haltbarkeit berücksichtigtwurden.
[0019] DieErfindung erfolgte in Anbetracht der Probleme des Standes der Technikund stellt ein gebondetes mehrschichtiges piezoelektrisches Einheitselement,welches ein ausreichendes Brennen des Keramikmaterials und eineausreichende Reduktion der inneren Elektronenschichten unabhängig vonder Größe des Stapels ermöglicht undhinsichtlich der Haltbarkeit und des Leistungsvermögens überlegenist, sowie ein verfahren zur Herstellung desselben bereit.
[0020] Einerster Aspekt der Erfindung stellt ein gebondetes, laminiertes odermehrfach geschichtetes piezoelektrisches Einheitselement (nachstehendals ein "mehrschichtigespiezoelektrisches Element" bezeichnet) bereit,das aus zumindest zwei überlagertenmehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, von denenjede aus piezoelektrischen Keramik schichten und inneren Elektrodenschichtenbesteht, die abwechselnd gestapelt sind, dadurch gekennzeichnet,daß jedeinnere Elektrodenschicht hauptsächlichaus einem leitenden Basismetallmaterial mit einer Standard-Gibbs-Energieder Herstellung eines Metalloxyds bei einer Brenntemperatur größer alsder eines die piezoelektrischen Keramikschichten bildenden Keramikmaterialsbesteht, und eine Potentialdifferenz V zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischensich einschließen,an dem die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten gebondetsind, eine Beziehung von V < (1/2)V1hat, wenn eine mittlere Potentialdifferenz zwischen aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten V1 ist.
[0021] AlsNächsteswerden die Funktionen und Wirkungen der Erfindung erklärt.
[0022] Beidem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementgemäß der Erfindungbesteht jede innere Elektrodenschicht hauptsächlich aus einem leitendenBasismetallmaterial mit einer Standard-Gibbs-Energie (standard Gibbsfree energy) bzw. freien Enthalpie der bzw. zur Erzeugung einesMetalloxyds bei einer Brenntemperatur größer als der eines die piezoelektrischenKeramikschichten bildenden Keramikmaterials.
[0023] Dahernehmen die das gebondete mehrschichtige piezoelektrische Einheitselementbildenden mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten einenZustand an, in dem die Atmosphärezum Zeitpunkt des Brennens leicht eingestellt werden kann, die innerenElektrodenschichten ausreichend reduziert werden, und die piezoelektrischenKeramikschichten ausreichend oxydiert werden.
[0024] Beiden inneren Elektrodenschichten kann darüber hinaus ein Teil des leitendenBasismaterials oxydiert werden, falls die Leitfähigkeit nicht behindert wird.
[0025] Beidem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementist es möglich,als Keramikmaterial ein PZT-basiertes Material [generischer Namefür Oxydeeiner Pb(Zr,Ti)O₃-basierten Perovskitstruktur einschließlich auchvon Materialien, in welchen Pb, Zr und Ti teilweise substituiertsind; usw.] usw. zu verwenden. In diesem Fall ist es möglich, dasgebondete mehrschichtige piezoelektrische Einheitselement als ein hochleistungsfähigespiezoelektrisches Element zu nutzen. Ferner ist es darüber hinausmöglich,als Keramikmaterial ein Material zu verwenden, das Pb als Komponentenelementnicht enthält,wie beispielsweise KNb₃ oder BaTiO₃.
[0026] DasPZT-basierte Material enthältin den meisten Fällenin seiner Zusammensetzung PbO einer Natur, die im Vergleich zu PZTleicht reduzierbar ist. Wenn PbO auf Pb reduziert wird, tritt leichteine eutektische Schmelzreaktion mit dem leitenden Basismetallmaterialauf, so daß dieinneren Elektrodenschichten nicht länger kontinuierlich ausgebildetwerden können.Demgemäß ist esdann, wenn ein PZT-basiertes Material als Keramikmaterial verwendetwird, notwendig, dieses zu Brennen, ohne das leitende Basismetallmaterialzu oxydieren, oder ohne nicht nur das PZT-basierte Material, sondernauch das PbO zu reduzieren, so daß die atmosphärischenBedingungen extrem schwierig festzulegen sind.
[0027] Erfindungsgemäß wird,da als das leitende Basismetallmaterial ein solches verwendet wird,das eine Standard-Gibbs-Energie der Erzeugung eines Metalloxydsbei der Brenntemperatur größer alsder eines die piezoelektrische Keramikschicht bildenden Keramikmaterialshat, das leitende Basismetallmaterial bei der Benntemperatur überhauptnicht stark oxydiert, so daß dieatmosphärischenBedingungen leicht festgelegt werden können.
[0028] Fernerbesteht das gebondete mehrschichtige piezoelektrische Einheitselementgemäß der Erfindung auszumindest zwei mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten,die aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichtenbestehen, die abwechselnd gestapelt sind.
[0029] Daherkann das gebondete mehrschichtige piezoelektrische Einheitselementdadurch hergestellt werden, daß zuersteine Vielzahl von mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten miteiner kleinen Anzahl gestapelter Schichten und relativ kleiner Formdurch Brennen hergestellt wird, und dann zumindest zwei dieser mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheiten zum Herstellen eines gebondetenmehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselements mit der gewünschtenAnzahl von gestapelten Schichten kombiniert werden.
[0030] ZumZeitpunkt des Brennens ist es möglich,eine mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheit mit einer kleinenAnzahl gestapelter Schichten zu brennen, so daß wenig Notwendigkeit besteht,das Gleichgewicht der Ausmaßeder Reduktions- und der Oxydations-Reaktion zwischen dem Innerenund der Oberfläche dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten zu berücksichtigen,so daß dieEinstellung des Sauerstoffteildrucks usw. zum Zeitpunkt der Reduktionund des Brennens der Elektroden vereinfacht wird. Daher ist es möglich, diepiezoelektrischen Keramikschichten ausreichend zu brennen und dieinneren Elektrodenschichten ausreichend zu reduzieren. Infolgedessenwird jede der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheitennahezu vollständigfrei von Störungenin den piezoelektrischen Keramikschichten und den inneren Elektrodenschichtensein, und kann überlegeneEigenschaften zeigen. Die Wirkung tritt insbesondere bemerkenswertin einem PbO enthaltenden PZT-basierten Material auf.
[0031] Fernerwird das endgültigegebondete mehrschichtige piezoelektrische Einheitselement durchStapeln der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten hergestellt,so daß eshinsichtlich des Aussehens möglichist, dasselbe Ergebnis wie dann zu erhalten, wenn einstückig bzw.integral gleichzeitig ein Stapel derselben Anzahl von gestapeltenSchichten gebrannt würde.Darüberhinaus wird das Brennen gleichmäßiger, sodaß dasLeistungsvermögen überlegenerwird.
[0032] Fernerhat bei dem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementgemäß der Erfindungeine Potentialdifferenz V zwischen zwei aneinandergrenzenden innerenElektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, andem die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementein heiten gebondetsind, eine Beziehung von V < (1/2)V1,wenn eine mittlere Potentialdifferenz zwischen inneren Elektrodenschichtender mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten V1 ist.
[0033] Infolgedessenist bei dem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementdas auf den gebondeten Teil einwirkende elektrische Feld relativklein. Daher gibt es nahezu kein Auftreten einer Nichtresonanz odereiner Verschlechterung der Übertragungeiner Verschiebung aufgrund einer Fehlübereinstimmung (Diskontinuität) der Bondoberflächen dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten. Infolgedessenwird das Auftreten einer Belastung in einer Richtung senkrecht zuder Stapelrichtung des gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenEinheitselements verringert, und wird die Wahrscheinlichkeit desAuftretens einer Belastung reduziert, so daß die auf die äußere Umgebungdes gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementseinwirkende Last erleichtert wird. Daher können auch dann, wenn Seitenelektrodenan den Seitenoberflächendes gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementserzeugt werden, oder wenn das gebondete mehrschichtige piezoelektrischeEinheitselement mittels einem elastischen Rohr bzw. Schlauch befestigtwird, verhindert werde, daß dieSeitenelektroden, das elastische Rohr usw. brechen. Ferner trittauch dann, wenn mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheitenmittels eines Harzes usw. gebondet werden, Wärme aufgrund dieelektrischerVerluste an dem gebondeten Teil nur schwer auf, so daß es nahezuzu keiner Verschlechterung des Harzes aufgrund von Wärme kommt.
[0034] Daherist es bei dem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementgemäß der Erfindungmöglich,eine Haltbarkeit beizubehalten, die gleich der oder besser als dieeines Stapels derselben Anzahl von gestapelten Schichten wie beidem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselement ist,das integral und gleichzeitig gebrannt wurde.
[0035] Eswird angemerkt, daß beider Erfindung die mittlere Potentialdifferenz V1 zwischen innerenElektrodenschichten der mehr schichtigen piezoelektrischen Einheitendie mittlere Potentialdifferenz zwischen inneren Elektrodenschichtenin den mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten mit Ausnahmeder piezoelektrischen Schichten an den äußersten Seiten der mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheiten ist.
[0036] Aufdiese Art und Weise ist es erfindungsgemäß möglich, ein gebondetes mehrschichtigespiezoelektrisches Einheitselement, das unabhängig von der Größe des Stapelsein ausreichendes Brennen des Keramikmaterials und eine ausreichendeReduktion der inneren Elektrodenschichten ermöglicht und hinsichtlich derHaltbarkeit und des Leistungsvermögens überlegen ist, sowie ein Verfahrenzur Herstellung desselben bereitzustellen.
[0037] Einzweiter Aspekt der Erfindung stellt ein gebondetes mehrschichtigespiezoelektrisches Einheitselement bereit, das aus zumindest zwei überlagertenmehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, vondenen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichtenbesteht, die abwechselnd gestapelt sind, dadurch gekennzeichnet,daß jedeinnere Elektrodenschicht hauptsächlichaus einem leitenden Basismetallmaterial mit einer Standard-Gibbs-Energieder Herstellung eines Metalloxyds bei einer Brenntemperatur größer alsder eines die piezoelektrischen Keramikschichten bildenden Keramikmaterialsbesteht, und eine elektrische Feldstärke E zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischensich einschließen,an dem die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten gebondetsind, eine Beziehung von E < (1/2)E1hat, wenn eine mittlere elektrische Feldstärke zwischen aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten E1 ist.
[0038] Beidem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementgemäß dem zweitenAspekt der Erfindung hat eine elektrische Feldstärke E zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischensich einschließen,an dem die mehrschichtigen piezoelektri schen Elementeinheiten gebondetsind, eine Beziehung von E < (1/2)E1,wenn eine mittlere elektrische Feldstärke zwischen aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten der mehrschichtigen piezoelektrischen ElementeinheitenE1 ist.
[0039] Daherwird bei dem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementdie auf den gebondeten Teil wirkende Last reduziert oder erleichtert.
[0040] Dasheißtim Allgemeinen, daß sichdie Verschiebung eines piezoelektrischen Elements aufgrund der elektrischenFeldstärkekontinuierlich ändert.In den meisten Fällennimmt sie zusammen mit einem Anstieg der elektrischen Feldstärke monotonzu. Falls jedoch die elektrische Feldstärke auf weniger als die Hälfte der elektrischenFeldstärkereduziert wird, die normalerweise zum Verursachen einer wirksamenVerschiebung erforderlich ist, nimmt die Verschiebung nicht proportionalzu dem Verhältnisder Verringerung der elektrischen Feldstärke ab. Es treten bemerkenswerteAbnahmen in der Verschiebung auf, und es ist möglich, die Verschiebung feinbzw. feinstufig zu halten.
[0041] Erfindungsgemäß wird,wie vorstehend erklärtwurde, die elektrische FeldstärkeE zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten,die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, kleiner als die Hälfte dermittleren elektrischen FeldstärkeE1 zwischen den inneren Elektrodenschichten der mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheiten gemacht. Daher fällt an demgebondeten Teil die Verschiebung bemerkenswert ab, und kann dieauf den gebondeten Teil wirkende Last erleichtert werden.
[0042] Fernerkann der Bereich der elektrischen Feldstärke, in dem die Verschiebungbemerkenswert abfällt, anhandder Art des Materials identifiziert werden. Nachstehend wird einBeispiel des Identifikationsverfahrens erklärt.
[0043] Dasheißt,es werden zunächstdie Verschiebungen dann, wenn verschiedene elektrische Feldstärken (proportionalzu dem Wert einer Potentialdifferenz zweier Elektroden geteilt durchden Abstand zwischen dem zwei Elektroden) gegeben sind, gemessen.
[0044] DieAusmaßeder Verschiebung bei den verschiedenen elektrischen Feldstärken werdenin einem Diagramm aufgetragen, in dem die elektrische Feldstärke aufder Abszisse und die Ausmaßeder Verschiebung auf der Ordinate liegen. In dem gezeichneten Diagrammwird eine Tangente an dem Punkt des Anstiegs um ein kleines Ausmaß Δ ausgehendvon der elektrischen FeldstärkeNull oder eine Linie, die den Punkt des Anstiegs um ein geringesAusmaß ausgehendvon der elektrischen FeldstärkeNull linear approximiert, gezeichnet und als die Tangente 1 bezeichnet.Ferner wird eine Tangente an dem Punkt der größten Anstiegsrate der Verschiebunggezeichnet und als die Tangente 2 bezeichnet. Falls derSchnittpunkt zwischen der Tangente 1 und der Tangente 2 alsder kritische Punkt verwendet wird, ist es dann, wenn eine elektrischeFeldstärkeoberhalb des kritischen Punkts an dem gebondeten Teil angelegt wird,möglich,die auf den gebondeten Teil wirkende Last zu erleichtern.
[0045] Derkritische Punkt der elektrischen Feldstärke ändert sich jedoch in Übereinstimmungmit dem Material der piezoelektrischen Keramikschicht oder ihrenKomponentensubstanzen oder Komponentenelementen, so daß es erfindungsgemäß ausreicht,die elektrische Feldstärkezwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten,die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, kleinerals die Hälfteder mittleren elektrischen Feldstärke E1 zwischen inneren Elektrodenschichtenin den mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten zu machen.
[0046] Beidem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementgemäß dem zweitenAspekt der Erfindung ist auf dieselbe Art und Weise wie in dem erstenAspekt das auf den gebondeten Teil wirkende elektrische Feld relativklein. Daher gibt es nahezu kein Auftreten einer Nichtresonanz odereiner Verschlechterung der Übertragungeiner Verschiebung aufgrund einer Fehlübereinstimmung (Diskontinuität) der Bondoberflächen dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten. Infolgedessenwird das Auftreten einer Belastung in einer Richtung senkrecht zuder Stapelrichtung des gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenEinheitselements verringert, und wird die Wahrscheinlichkeit desAuftretens einer Belastung reduziert, so daß die auf die äußere Peripheriedes gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselements einwirkendeLast erleichtert wird. Daher kann auch dann, wenn Seitenelektrodenan den Seitenoberflächen desgebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselements erzeugtwerden, oder wenn das gebondete mehrschichtige piezoelektrischeEinheitselement mittels eines elastischen Rohrs befestigt wird,verhindert werden, daß dieSeitenelektroden, das schrumpfbare Rohr usw. brechen. Ferner trittauch dann, wenn mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheitenmittels eines Harzes usw. gebondet werden, aufgrund dieelektrischerVerluste an dem gebondeten Teil Wärme nur schwer auf, so daß es zunahezu keiner Verschlechterung des Harzes aufgrund von Wärme kommt.
[0047] Daherist es bei dem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementgemäß dem zweitenAspekt der Erfindung möglich,eine Haltbarkeit aufrecht zu erhalten, die gleich oder besser istals die eines Stapels derselben Anzahl von gestapelten Schichtenwie bei dem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselement,das integral und gleichzeitig gebrannt wurde.
[0048] Eswird angemerkt, das erfindungsgemäß der Rest der Funktionen undWirkungen ähnlichzu dem ersten Aspekt der Erfindung ist.
[0049] Eindritter Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellungeines gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementsbereit, das aus zumindest zwei überlagertenmehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, vondenen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichtenbesteht, die abwechselnd gestapelt sind, gekennzeichnet durch: einenElektrodendruckschritt zum Beschichten eines Elektrodenpastenmaterialsauf zumindest eine Oberflächeeiner ungebrannten Keramikplatte, die aus einem plattenförmig ausgeformtenKeramikmaterial besteht, einem Pressbondschritt zum Stapelnund Pressbonden ungebrannter Keramikplatten, die mit dem Elektrodenpastenmaterial beschichtetsind, um einen Stapel herzustellen, einen Entfettungsschrittzum Entfetten des Stapels, einen Brennschritt zum Brennen desStapels in einer reduzierenden Atmosphäre, um eine mehrschichtigepiezoelektrische Elementeinheit herzustellen, und einen Überlagerungsschrittzum Überlagernzumindest zweier mehrschichtiger piezoelektrischer Elementeinheitenan ihren Bondoberflächenunter Verwendung der äußerstenSeiten der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten inder Stapelrichtung als Bondoberflächen, wobei das Elektrodenpastenmaterialaus einem leitenden Basismetallmaterial und/oder seinem Oxyd besteht, miteiner Standard-Gibbs-Energie der Erzeugung eines Metalloxyds beieiner Brenntemperatur größer alsder eines die piezoelektrische Keramikschicht bildenden Keramikmaterials,und eine Potentialdifferenz V zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischensich einschließen,eine Beziehung von V < (1/2)V1hat, wenn eine mittlere Potentialdifferenz zwischen aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten V1 ist.
[0050] Gemäß dem drittenAspekt der Erfindung wird der Stapel in einer reduzierenden Atmosphäre gebrannt,um eine mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheit herzustellen(Brennschritt), und werden dann zwei oder mehr mehrschichtige piezoelektrischeElementeinheiten an ihren Bondoberflächen unter Verwendung der Oberflächen der äußerstenSeiten der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten inder Stapelrichtung als Bondoberflächen überlagert, um dadurch einengebondeten Teil auszubilden (Überlagerungsschritt).
[0051] Daherist es in dem Brennschritt möglich,einen Stapel mit einer kleinen Anzahl von Stapelschichten zu brennen.
[0052] DurchVerringern der Anzahl gestapelter Schichten des Stapels bestehtwenig Notwendigkeit, das Gleichgewicht der Ausmaße der Reduktions- und derOxydations-Reaktion zwischen dem Inneren und der Oberfläche dermehrschichtigen piezoelektrischen Ele menteinheiten zu berücksichtigen,so daß dieEinstellung des Oxydationsteildrucks usw. zum Zeitpunkt der Reduktionund des Brennens der Elektroden vereinfacht wird.
[0053] Daherist es möglich,die piezoelektrischen Keramikschichten ausreichend zu brennen unddie inneren Elektrodenschichten ausreichend zu reduzieren. Infolgedessenwird jede einzelne der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheitennahezu vollständigfrei von Störungenin den piezoelektrischen Keramikschichten und den inneren Elektrodenschichtensein und kann überlegeneEigenschaften zeigen.
[0054] Fernerist im Allgemeinen bei einem Verfahren zur Herstellung eines Stapelsmit innen liegenden Basismetallelektroden das von einer Reduktionsbehandlungzum Reduzieren der Elektroden oder Brennen in einer reduzierendenAtmosphärenach dem Entfetten oder dem Entfetten in einer reduzierenden Atmosphäre und Brennenin einer reduzierenden Atmosphärebegleitete Herstellungsverfahren der Standard. Bei der Reduktionsbehandlungreagiert jedoch die Reduktionsreaktion in der Reihenfolge ausgehendvon der äußeren Oberfläche hinzu der Mitte des Stapels der reduzierten Probe, so daß der Unterschiedzwischen der äußeren Oberfläche undder Mitte um so größer wird,je größer diereduzierte Probe ist. Der Unterschied des Reduktionszustands hatkeinerlei Auswirkung auf das Leistungsvermögen usw., aber falls es einenextremen Unterschied in dem Reduktionszustand gibt, tritt das Problemeiner Unterbrechung eines Teils der inneren Elektrodenschichtenauf, wodurch die Gefahr besteht, das es zu einer nachteiligen Wirkungauch auf das Leistungsvermögenkommt.
[0055] Erfindungsgemäß wird,wie vorstehend erklärtwurde, der Stapel entfettet und gebrannt, nachdem er in eine Vielzahlvon Einheiten aufgeteilt wurde, so daß ein Unterschied in dem Reduktionszustandzwischen der äußeren Oberfläche undder Mitte nur schwer auftritt.
[0056] Fernerwird bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrender Überlagerungsschrittnach dem Brennschritt durchgeführt.
[0057] Daherist es auch dann, wenn die Anzahl von gestapelten Schichten desStapels verringert wird und das Stapeln nach dem Brennschritt erfolgt,durch Stapeln von mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheitenin dem Überlagerungsschrittmöglich,einen Stapel der letztendlich gewünschten Anzahl von gestapeltenSchichten zu erhalten.
[0058] Fernerscheint das endgültigegebondete mehrschichtige piezoelektrische Einheitselement dasselbe zusein wie in dem Fall, in dem integral und gleichzeitig ein Stapelderselben Anzahl von gestapelten Schichten gebrannt wird. Darüber hinauswird das Brennen gleichmäßiger, sodaß dasLeistungsvermögen überlegener wird.
[0059] Fernerwird bei dem Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung die PotentialdifferenzV zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten,die einen gebondeten Teil zwischen sie einschließen, so ausgelegt, das siezu V < (1/2)V1wird, wenn eine mittlere Potentialdifferenz zwischen inneren Elektrodenschichtender mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten V1 ist.
[0060] Daherist bei dem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementdas auf den gebondeten Teil einwirkende elektrische Feld relativklein. Daher tritt nahezu keine Nichtresonanz oder Verschlechterungder Übertragungeiner Verschiebung aufgrund einer Fehlübereinstimmung (Diskontinuität) der Bondoberflächen dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten auf. Infolgedessenwird das Auftreten einer Belastung in einer Richtung senkrecht zuder Stapelrichtung des gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenEinheitselements verringert, und wird die Wahrscheinlichkeit desAuftretens einer Belastung reduziert, so daß die auf die äußere Peripheriedes gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselements einwirkendeLast erleichtert wird. Daher kann auch dann, wenn Seitenelektrodenan den Seitenoberflächen desgebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselements erzeugtwerden, oder wenn das gebondete mehrschichtige piezoelektrischeEinheitselement mittels eines elastischen Rohrs befestigt wird,verhindert werden, daß dieSeitenelektroden, das schrumpfbare Rohr, usw. brechen. Ferner trittauch dann, wenn mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheitenmittels eines Harzes usw. gebondet werden, aufgrund der dieelektrischenVerluste an dem gebondeten Teil Wärme nur schwer auf, so daß es zunahezu keiner Verschlechterung des Harzes aufgrund von Wärme kommt.
[0061] Infolgedessenkann das gebondete mehrschichtige piezoelektrisch Einheitselementeine Haltbarkeit gleich oder besser als die eines Stapels derselbenAnzahl von gestapelten Schichten wie bei dem gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselement, das integral und gleichzeitiggebrannt wird, aufrecht erhalten.
[0062] Fernerkann das Elektrodenpastenmaterial aus einem leitenden Basismaterialund/oder dessen Oxyden mit einer größeren Standard-Gibbs-Energieder Erzeugung eines Metalloxyds bei einer Brenntemperatur größer alsder eines die piezoelektrische Keramikschicht bildenden Keramikmaterialsbestehen.
[0063] Daherist es zum Zeitpunkt des Brennschritts möglich, die inneren Elektrodenschichtenausreichend zu reduzieren, währenddie Reduktion der Keramikmaterialien unterdrückt wird.
[0064] Aufdiese Art und Weise ist es erfindungsgemäß möglich, ein Verfahren zur Herstellungeines gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementsbereitzustellen, das ein ausreichendes Brennen des Keramikmaterialsund ein ausreichendes Reduzieren der inneren Elektrodenschichtenunabhängigvon der Größe des Stapelsund überlegenhinsichtlich der Haltbarkeit und des Leistungsvermögens ermöglicht.
[0065] Einvierter Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellungeines gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementsbereit, das aus zumindest zwei überlagertenmehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, vondenen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichtenbesteht, die abwechselnd gestapelt sind, gekennzeichnet durch: einenElektrodendruckschritt zum Beschichten eines Elektrodenpastenmaterialsauf zumindest eine Oberflächeeiner ungebrannten Keramikplatte, die aus einem plattenförmig ausgeformtenKeramikmaterial besteht, einen Pressbondschritt zum Stapelnund Pressbonden von ungebrannten Keramikplatten, die mit dem Elektrodenpastenmaterialbeschichtet sind, um einen Stapel herzustellen, einen Entfettungsschrittzum Entfetten des Stapels, einen Brennschritt zum Brennen desStapels in einer reduzierenden Atmosphäre zum Herstellen einer mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheit, und einen Überlagerungsschrittzum Überlagernzumindest zweier mehrschichtiger piezoelektrischer Elementeinheitenan ihren Bondoberflächenunter Verwendung der äußerstenSeiten der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten inder Stapelrichtung als Bondoberflächen, wobei das Elektrodenpastenmaterialaus einem leitenden Basismetallmaterial und/oder dessen Oxyden besteht,eine Standard-Gibbs-Energiezur Erzeugung eines Metalloxyds bei einer Brenntemperatur größer alsder eines die piezoelektrische Keramikschicht bildenden Keramikmaterialshat, und eine elektrische Feldstärke E zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischensich einschließen,eine Beziehung von E < (1/2)E1hat, wenn eine mittlere elektrische Feldstärke zwischen aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten E1 ist.
[0066] Beidem Herstellungsverfahren gemäß dem viertenGesichtspunkt der Erfindung wird die elektrische Feldstärke E zwischenzwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten, die einengebondeten Teil zwischen sich einschließen, zu E < (1/2)E1 gemacht, wenn eine mittlereelektrische Feldstärkezwischen aneinandergrenzenden Elektrodenschichten der mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheiten E1 ist.
[0067] Daherwird bei dem durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen gebondetenmehrschichtigen piezoelektrische Einheitselement die auf den gebondetenTeil einwirkende Last erleichtert.
[0068] Dasheißt,daß sichim Allgemeinen die Verschiebung eines piezoelektrischen Elementsaufgrund der elektrischen Feldstärkekontinuierlich ändert.In den meisten Fällennimmt. sie mit einer Zunahme der elektrischen Feldstärke monotonzu. Falls jedoch die elektrische Feldstärke auf weniger als die Hälfte dernormalerweise zum Hervorrufen einer wirkungsvollen Verschiebungerforderlichen elektrischen Feldstärke verringert wird, fällt dieVerschiebung nicht proportional zu dem Verhältnis der Verringerung derelektrische Feldstärke ab.Es treten bemerkenswerte Abnahmen der Verschiebung auf, und es istmöglich,die Verschiebung feinstufig zu halten.
[0069] Erfindungsgemäß wird,wie vorstehend erklärtwurde, die elektrische FeldstärkeE zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten,die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, kleiner als die Hälfte dermittleren elektrischen FeldstärkeE1 zwischen den inneren Elektrodenschichten der mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheiten gemacht. Daher fällt an demgebondeten Teil die Verschiebung bemerkenswert ab, und kann dieauf den gebondeten Teil einwirkende Last erleichtert werden.
[0070] Fernerist bei dem durch das Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung erhaltenengebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselement, aufdieselbe Art und Weise wie bei dem dritten Aspekt der Erfindung,das auf den gebondeten Teil einwirkende elektrische Feld relativklein. Daher tritt nahezu keine Nichtresonanz oder Verschlechterungder Übertragungeiner Verschiebung aufgrund einer Fehlübereinstimmung (Diskontinuität) der Bondoberflächen dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten auf. Infolgedessenwird das Auftreten einer Belastung in einer Richtung senkrecht zuder Stapelrichtung des gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenEinheitselements verringert, und wird die Wahrscheinlichkeit desAuftretens einer Belastung reduziert, so daß die auf die äußere Peripheriedes gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementseinwirkende Last erleichtert wird. Daher kann auch dann, wenn Seitenelektrodenan den Seitenoberflächendes gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselements erzeugt werden,oder wenn das gebondete mehrschichtige piezoelektrische Einheitselementmittels eines elastischen Rohrs befestigt wird, verhindert werden,das die Seitenelektroden, das schrumpfbare Rohr, usw. brechen. Fernertritt auch dann, wenn mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheitenmittels eines Harzes usw. gebondet werden, aufgrund der dieelektrischenVerluste an dem gebondeten Teil Wärme nur schwer auf, so daß es zunahezu keiner Verschlechterung des Harzes aufgrund von Wärme kommt.
[0071] Daherkann das gebondete mehrschichtige piezoelektrische Einheitselementeine Haltbarkeit gleich oder besser als die eines Stapels mit derselbenAnzahl von gestapelten Schichten wie bei dem gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselement, das integral und gleichzeitiggebrannt wird, aufrecht erhalten.
[0072] Eswird angemerkt, daß derRest der Funktionen und der Wirkungen ähnlich zu dem dritten Aspektder Erfindung ist.
[0073] EinfünfterAspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einesgebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselements bereit,das aus zumindest zwei überlagertenmehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, vondenen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten,die abwechselnd gestapelt sind, besteht, gekennzeichnet durch: einenElektrodendruckschritt zum Beschichten eines Elektrodenpastenmaterialsauf zumindest eine Oberflächeeiner ungebrannten Keramikplatte, die aus einem plattenförmig ausgeformtenKeramikmaterial besteht, einen Pressbondschritt zum Stapelnund Pressbonden von mit dem Elektrodenpastenmaterial beschichteten ungebranntenKeramikplatten, um einen Stapel herzustellen, einen Entfettungsschrittzum Entfetten des Stapels, einen Brennschritt zum Brennen desStapels in einer reduzierenden Atmosphäre, um eine mehrschichtigepiezoelektrische Elementeinheit herzustellen, und einen Überlagerungsschrittzum Überlagernzumindest zweier mehrschichtiger piezoelektrischer Elementeinheitenan deren Bondoberflächenunter Verwendung der äußerstenSeiten der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten inder Stapelrichtung als Bondoberflächen, wobei das Elektrodenpastenmaterialaus einem leitenden Basismetallmaterial und/oder dessen Oxyden bestehtund eine Standard-Gibbs-Energieder Erzeugung eines Metalloxyds bei einer Brenntemperatur größer alsder eines die piezoelektrisch Keramikschicht bildenden Keramikmaterialshat, und die mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheiteine n-Rotationssymmetrie hat (worin n eine natürliche Zahl von drei oder größer ist)und zumindest eine bis nicht mehr als n – 1 Ecken von n Ecken der mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheit so abgeschrägt werden, daß sie gegenüber denanderen verbleibenden Ecken unterschiedliche Formen annehmen.
[0074] Indem Herstellungsverfahren gemäß dem fünften Aspektder Erfindung weist die mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheiteine n-Rotationssymmetrie auf (worin n eine natürliche Zahl von drei oder größer ist),und sind zumindest eine bis nicht mehr als n – 1 Ecken von n Ecken der mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheiten so abgeschrägt, daß sie gegenüber den anderen verbleibendenEcken unterschiedliche Formen annehmen.
[0075] Daherwird den mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten zumBeispiel eine bestimmte Ausrichtung bzw. Direktionalität gegeben,so daß sieleicht zu überlagernsind. Das heißt,daß durchAbschrägenin der vorstehenden Art und Weise die Ausrichtung der mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheiten leicht verständlich ist, so daß der Überlagerungsschrittleicht durchgeführtwerden kann.
[0076] Fernerwird bei dem Herstellungsverfahren gemäß dem fünften Aspekt der Erfindungauf dieselbe Art und Weise wie bei dem dritten und dem vierten Aspektder Erfindung der Überlagerungsschrittnach dem Brennschritt durchgeführt.Daher ist es möglich,einen Stapel mit einer kleinen Anzahl von gestapelten Schichtenzu brennen, und ist es, wie vorstehend erklärt wur de, möglich, die piezoelektrischenKeramikschichten ausreichend zu brennen und die inneren Elektrodenschichtenausreichend zu reduzieren.
[0077] Fernerist es auch dann, wenn die Anzahl von gestapelten Schichten desStapels verringert wird und nach dem Brennschritt gestapelt wird,durch Stapeln von mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten indem Überlagerungsschrittmöglich,einen Stapel der letztendlich gewünschten Anzahl gestapelterSchichten zu erhalten.
[0078] Fernerkann das Elektrodenpastenmaterial aus einem leitenden Basismaterialund/oder dessen Oxyden bestehen und eine größere Standard-Gibbs-Energieder Erzeugung eines Metalloxyds bei einer Brenntemperatur größer alsder eines die piezoelektrische Keramikschicht bildenden Keramikmaterialshaben.
[0079] Daherist es in derselben Art und Weise wie bei dem dritten und dem viertenAspekt der Erfindung zum Zeitpunkt des Brennschritts möglich, dieinneren Elektrodenschichten ausreichend zu reduzieren, während eineReduktion der Keramikmaterialien unterdrückt wird.
[0080] DieErfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungenbeschrieben. Es zeigen:
[0081] 1 eine erklärende Ansicht,die die Gesamtheit eines gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenEinheitselement gemäß einemBeispiel 1 zeigt;
[0082] 2 eine erklärende Ansicht,die den Zustand des Beschichtens einer ungebrannten Keramikplatte miteinem Elektrodenpastenmaterial gemäß Beispiel 1 zeigt;
[0083] 3 eine erklärende Ansicht,die den Zustand des Stapels von ungebrannten Keramikplatten in einemPressbondschritt gemäß Beispiel1 zeigt;
[0084] 4 eine erklärende Ansicht,die ein gestapeltes Produkt zeigt, das nach dem Pressbonden gemäß Beispiel1 erhalten wurde;
[0085] 5 eine erklärende Ansicht,die die Gesamtheit der mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitgemäß Beispiel1 zeigt;
[0086] 6 eine erklärende Ansicht,die eine Anordnungsstruktur von inneren Elektrodenschichten nahe demgebondeten Teil bei einem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenEinheitselement (Probe E1 bis Probe E3) gemäß Beispiel 1 zeigt;
[0087] 7 eine erklärende Ansicht,die eine Anordnungsstruktur von inneren Elektrodenschichten nahe demgebondeten Teil bei einem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenEinheitselement (Probe C1 bis Probe C3) gemäß Beispiel 1 zeigt;
[0088] 8 eine erklärende Ansicht,die die Gesamtheit eines gemäß einemBeispiel 2 abgeschrägtenStapels zeigt;
[0089] 9 eine erklärende Ansicht,die die Gesamtheit des gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselements(Probe E5) gemäß einemBeispiel 3 zeigt;
[0090] 10 eine erklärende Ansicht,die ein gestapeltes Produkt zeigt, das nach einem Pressbondschritt gemäß Beispiel3 erhalten wurde;
[0091] 11 eine erklärende Ansicht,die die Gesamtheit der mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitgemäß Beispiel3 zeigt;
[0092] 12 eine erklärende Ansicht,die die Konfiguration nahe dem gebondeten Teil bei dem gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselement (Probe E5) gemäß Beispiel 3 zeigt;
[0093] 13 eine erklärende Ansicht,die die Konfiguration nahe dem gebondeten Teil bei dem gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselement (Probe E6) gemäß Beispiel 3 zeigt;
[0094] 14 eine erklärende Ansicht,die die Konfiguration nahe dem gebondeten Teil bei dem gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselement (Probe C5) gemäß Beispiel 3 zeigt;
[0095] 15 ein Diagramm, das dieResonanzkennlinie (Anfangskennlinie) zur Zeit des Beginns einerLadung/Entladung des gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenEinheitselements (Probe E5) gemäß Beispiel3 zeigt;
[0096] 16 ein Diagramm, das dieAbhängigkeitder Impedanz in Bezug auf die Frequenz eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements (Probe C5) dann zeigt, wenn eineUnterbrechung an Seitenelektroden der Probe C5 gemäß Beispiel3 auftritt;
[0097] 17 ein Diagramm, das dieResonanzkennlinien eines gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenEinheitselement (Probe C5) nach dem Ersetzen der Seitenelektrodendes Beispiels C5 gemäß Beispiel 3zeigt;
[0098] 18 ein Diagramm, das dieAbhängigkeitder Impedanz in Bezug auf die Frequenz eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements (Probe E5) zeigt, bevor an Seitenelektrodender Probe E5 eine Unterbrechung auftritt und nachdem eine Unterbrechungauftritt, gemäß Beispiel3; und
[0099] 19 ein Diagramm, das dieAbhängigkeitder Impedanz in Bezug auf die Frequenz einer gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheit (Probe E6) dann zeigt, wenn eineUnterbrechung an den Seitenelektroden der Probe E6 auftritt, gemäß Beispiel3.
[0100] DieErfindung wird unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsbeispielederselben näherbeschrieben. Es wird jedoch angemerkt, daß die Erfindung nicht auf dieseAusführungsbeispielebeschränktist.
[0101] Inden ersten bis fünftenAspekten der Erfindung wird ein leitendes Basismetallmaterial miteiner Standard-Gibbs-Energie zur Erzeugung eines Metalloxyds beieiner Brenntemperatur größer alsdie eines keramischen Materials verwendet.
[0102] "Standard-Gibbs-Energiezur Erzeugung eines Metalloxyds bei einer Brenntemperatur größer" bedeutet "Widerstandsfähig gegenüber Oxydation". Zum Beispiel liegtdie Standard-Gibbs- Energiezur Erzeugung eines Oxyds von Kupfer bei 1000°C bei etwa –40. Für ein Oxyd von Pb beträgt sie etwa –15, undfür einOxyd von Ni etwa –60,so daß ausgehendvon dem Oxidationswiderstand die Reihenfolge der Elemente Cu, Pbund Ni ist.
[0103] Fernerhat in dem ersten Aspekt gemäß der Erfindungeine Potentialdifferenz V zwischen zwei aneinandergrenzenden innerenElektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, anden die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten gebondetsind, eine Beziehung von V < (1/2)Vl,wenn eine mittlere Potentialdifferenz zwischen aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten V1 ist.
[0104] Fernerhat in dem zweiten Aspekt der Erfindung eine elektrische Feldstärke E zwischenzwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten, die einengebondeten Teil zwischen sich einschließen, an den die mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheiten gebondet sind, eine Beziehungvon E < (1/2)E1, wenneine mittlere elektrische Feldstärkezwischen aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten der mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheiten E1 ist.
[0105] Fernersind die mittlere Potentialdifferenz V1 und die mittlere elektrischeFeldstärkeE1 die Mittelwerte der Potentialdifferenzen und der elektrischenFeldstärkenzwischen anderen inneren Elektrodenschichten als den beiden aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischen sicheinschließen.
[0106] WennV ≥ (1/2)V1oder E ≥ (1/2)E1sind, tritt eine Verschiebung als eine piezoelektrische Wirkungin dem gebondeten Teil auf dieselbe Art und Weise wie an anderenOrten auf. Zu dieser Zeit besteht die Gefahr, daß eine Nichtresonanz oder eineVerschlechterung der Übertragungeiner Verschiebung aufgrund einer Fehlübereinstimmung (Diskontinuität) der Bondoberflächen dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten auftritt. Infolgedessenwird die Belastung in einer Richtung senkrecht zu der Stapelrichtungdes gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementserhöht,und nimmt die Wahr scheinlichkeit des Auftretens einer Belastungzu, so daß dieauf die äußere Peripheriedes gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementseinwirkende Last größer wird.Daher besteht die Gefahr, daß dann,wenn Seitenelektroden an den Seitenoberflächen des gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheit erzeugt werden, oder wenn das gebondetemehrschichtige piezoelektrische Einheitselement mittels eines schrumpfbarenRohrs befestigt wird, die Gefahr, daß die Seitenelektroden, dasschrumpfbare Rohr usw. beschädigtwerden. Ferner tritt auch dann, wenn mehrschichtige piezoelektrischeElementeinheiten mittels eines Harzes usw. gebondet werden, Wärme aufgrunddieelektrischer Verluste an dem gebondeten Teil auf, so daß die Gefahr besteht,daß dasHarz aufgrund von Wärmeverschlechtert wird.
[0107] Bevorzugthaben ferner die mittlere Potentialdifferenz V1 zwischen innerenElektrodenschichten der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheitenund eine Potentialdifferenz V zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischen sicheinschließen,eine Beziehung von V ≤ (1/3)V1.
[0108] Weiterbevorzugt haben eine mittlere elektrische Feldstärke E1 zwischen aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten und eine elektrische Feldstärke E zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischen sicheinschließen,ferner eine Beziehung von E ≤ (1/3)E1.
[0109] Alsdas Verfahren, mit dem die Potentialdifferenz V zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischen sicheinschließen,zu V < (1/2)V1gemacht wird, oder das Verfahren, mit dem die elektrische Feldstärke E zwischenzwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten, die den gebondetenTeil zwischen sich einschließen,zu E < (1/2)E1gemacht wird, zum Beispiel dann, wenn zwei inneren Elektrodenschichtenmit Seitenelektroden eines positiven und eines negativen Potentialsverbunden sind, gibt es das Verfahren, mit dem eine der beiden aneinandergrenzendeninne ren Elektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischen sicheinschließen,nicht mit der Seitenelektrode verbunden wird, und die Potentialepositiv und null oder null und negativ gemacht werden. Im Einzelnengibt es das Verfahren des Bereitstellens eines Teils, der zumindestan einer der beiden aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten,die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, elektrisch von der Seitenelektrodegetrennt ist.
[0110] Darüber hinausgibt es das Verfahren des elektrischen Verbindens zweier aneinandergrenzenderinnerer Elektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischen sicheinschließen,mit derselben Seitenelektrode, oder das Verfahren des elektrischenVerbindens derselben mit Seitenelektroden des im wesentlichen gleichenPotentials, das Verfahren des Reduzierens der zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischen sicheinschließen,anzulegenden Potentialdifferenz ausgehend von der Potentialdifferenzzwischen anderen inneren Elektrodenschichten, usw. Ferner gibt esinsbesondere als das Verfahren, mit dem die elektrische Feldstärke E zwischenzwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten, die den gebondetenTeil zwischen sich einschließen,zu E < (1/2)E1gemacht wird, das Verfahren, mit dem zum Beispiel die Dicken derpiezoelektrischen Keramikschichten, die den gebondeten Teil zwischensich einschließen,größer alsdie Dicke der anderen piezoelektrischen Keramikschichten gemacht wird.
[0111] DieseVerfahren könnenfür sichallein durchgeführtwerden, oder könnenin Kombination durchgeführt werden.Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Verfahren beschränkt, solangedie Formeln V < (1/2)V1oder E < (1/2)E1erfülltwerden.
[0112] Fernerkönnen,wie vorstehend erklärtwurde, dann, wenn eine der beiden aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten,die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, nicht mit einer Seitenelektrodeverbunden wird, die nicht mit der Seitenelektrode verbundenen innerenElektrodenschichten im wesentlichen ein gewisses Potential haben,wenn kein Potential aufgrund der das elektrische Feld direkt anlegenden Elektrode(zum Beispiel der Seitenelektrode usw.) vorhanden ist. Als "wenn kein Potentialaufgrund der das elektrische Feld direkt anlegenden Elektrode" gibt es zum Beispielden Fall, in dem ein Teil der piezoelektrischen Keramikschichtenreduziert wird und die Isolation abnimmt, so daß infolgedessen die innerenElektrodenschichten einen kleinen Betrag eines Potentials aufweisen.
[0113] Fernerwerden, wie vorstehend erklärtwurde, bevorzugt V ≤ (1/3)V1und E ≤ (1/3)E1erfüllt.
[0114] Indiesem Fall ist es möglich,die auf die äußere Peripherieeinwirkende Last weiter zu verringern.
[0115] Stärker bevorzugtsollte die Potentialdifferenz V oder die elektrische Feldstärke E zwischenzwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten, die den gebondetenTeil zwischen sich einschließen,im Wesentlichen Null sein.
[0116] Indiesem Fall kann eine an dem gebondeten Teil erzeugte Verschiebungoder Wärmeweiter verringert werden und darüberhinaus nahezu vollständigbeseitigt werden.
[0117] AlsNächstesweist bevorzugt das gebondete mehrschichtige Einheitselement eineoder mehrere Seitenelektroden auf, die Seitenoberflächen desgebondeten mehrschichtigen Einheitselements zwischen sich einschließen, anden Seitenoberflächen,und zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die den gebondetenTeil zwischen sich einschließen,sind elektrisch mit Seitenelektroden des näherungsweise gleichen Potentialsverbunden.
[0118] Indiesem Fall sind die beiden aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten,die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, mit demselben Typ vonElektroden (positiv und positiv oder negativ und negativ) verbunden,kann die Beziehung von V < (1/2)V1oder E < (1/2)E1einfach realisiert werden, und kann die Potentialdifferenz oderdie elektrische Feldstärke,die an dem gebondeten Teil angelegt wird, im wesentlichen auf Nullreduziert werden. Daher tritt nahezu keine Nichtresonanz oder Verschlechterungder Übertragungoder Verschiebung aufgrund einer Fehlübereinstimmung (Diskontinuität) der Bondoberflächen dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten auf. Infolgedessenwird das Auftreten einer Belastung in einer Richtung senkrecht zuder Stapelrichtung des gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenEinheitselements verringert, und wird die Wahrscheinlichkeit desAuftretens einer Belastung reduziert, so daß die auf die äußere Peripheriedes gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementseinwirkende Last verringert wird. Daher kann auch dann, wenn Seitenelektrodenan den Seitenoberflächendes gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementserzeugt werden, oder wenn das gebondete mehrschichtige piezoelektrischeEinheitselement mittels eines schrumpfbaren Rohrs befestigt wird,verhindert werden, daß die Seitenelektroden,die elastische Röhre,usw. brechen. Ferner tritt auch dann, wenn mehrschichtige piezoelektrischeElementeinheiten mittels eines Harzes usw. gebondet werden, aufgrunddieelektrischer Verluste an dem gebondeten Teil Wärme nurschwer auf, so daß eszu nahezu keiner Verschlechterung des Harzes aufgrund von Wärme kommt.
[0119] Fernerkönnenin diesem Fall eine oder mehrere Seitenelektroden an den Seitenoberflächen desgebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselements ausgeformtwerden. Wenn eine Vielzahl von Seitenelektroden ausgeformt werden,ist es nicht notwendig, daß alleSeitenelektroden verschaltet sind. Es ist ausreichend, daß die beideninneren Elektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischen sicheinschließen,auf im Wesentlichen demselben Potential liegen. Ferner können diebeiden inneren Elektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischensich einschließen,mit derselben Seitenelektrode verbunden sein.
[0120] Eswird angemerkt, das obwohl der Widerstandswert der keramischen piezoelektrischenSchichten extrem groß ist,dieser elektrisch endlich ist, so daß auch dann, wenn die Potentialezwischen zwei inneren Elektrodenschichten, die den gebondeten Teilzwischen sich einschließen,nicht exakt gleich sind und sich im gewissen Ausmaß unterscheiden,diese doch so gesehen werden können,als lägensie auf im Wesentlichen demselben Potential. Insbesondere wird beieinem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementmit Basismetallelektroden zum Unterdrücken der Reduktion der piezoelektrischenKeramikschichten bei gleichzeitiger Unterdrückung der Oxydation des Basismetallszur Zeit der Herstellung das Gas mit einer Oxydationsfähigkeit(Reduktionsfähigkeit),wie beispielsweise Sauerstoff, eingestellt, so daß die Unterdrückung einerOxydation (die Unterdrückungeiner Reduktion) zu 100% nicht erreicht werden kann. Demgemäß wird verglichenmit dem Fall, in dem ein Edelmetall für die Elektroden verwendetwird, die Differenz zwischen Potentialen größer werden. Die Differenz zwischenPotentialen zu dieser Zeit oder die Potentialdifferenz oder dieelektrische Feldstärke,die zusammen mit der Differenz zwischen Potentialen zu dieser Zeitentsteht, ist jedoch verglichen mit der Differenz zwischen Potentialenbei den elektrisch verschiedenen Seitenelektroden oder der Potentialdifferenzoder der elektrischen Feldstärke,die zusammen mit der Differenz zwischen Potentialen entsteht, extremklein, so daß davonausgegangen werden kann, daß dieDifferenz im wesentlichen Null ist.
[0121] Fernerist es, was die Seitenelektroden anbelangt, zum Beispiel möglich, einMaterial mit Leitfähigkeit, wiebeispielsweise Ag, Fe, Ni, Cu oder ein gemischtes Metallmaterialaus Ag und Pd zu verwenden.
[0122] Ferner überschreitetbevorzugt die Gesamtdicke zweier aneinandergrenzender piezoelektrischerKeramikschichten, die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, unddes gebondeten Teils das Zweifache der Dicke einer piezoelektrischenKeramikschicht innerhalb der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten.
[0123] Wievorstehend erklärtwurde, wird dann, wenn eine von inneren Elektrodenschichten nichtverbunden ist und die elektrischen Charakteristiken nicht durchledigliches elektrisches Verbinden zweier aneinandergrenzender innererElektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, mitSeitenelektroden des im wesentlichen gleichen Potentials gesteuertwerden können,ein elektrisches Feld durch die nächste (aneinandergrenzende)innere Elektrodenschicht der nicht verbundenen Elektrodenschichtvon dem gebondeten Teil aus gesehen und der anderen inneren Elektrodenschicht,die der nicht verbundenen inneren Elektrodenschicht an dem gebondetenTeil gegenüberliegt, erzeugt. Falls die beiden inneren Elektrodenschichten, die daselektrische Feld erzeugen, nicht durch einen ausreichenden Abstandgetrennt sind, wird ein verglichen mit der als normal betrachtetenelektrischen Feldstärkean dem gebondeten Teil größeres elektrischesFeld erzeugt, und besteht die Gefahr, daß die auf den gebondeten Teileinwirkende Last größer wird.Infolgedessen besteht die Gefahr, daß die Haltbarkeit des gebondetenmehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselements abnimmt.
[0124] Wievorstehend erklärtwurde, könnendann, wenn die Gesamtdicken der beiden aneinandergrenzenden piezoelektrischenKeramikschichten, die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, soausgestaltet werden, das sie das Zweifache der Dicke einer piezoelektrischenKeramikschicht in den mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten überschreiten,die vorstehenden Risiken vermieden werden. Ferner ist es in diesemFall möglich,die elektrische Feldstärkezwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten,die einen gebondeten Tei zwischen sich einschließen, auf weniger als 1/2 dermittleren elektrischen Feldstärkezwischen inneren Elektrodenschichten der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten zu reduzieren, und möglich, einfach die auf dengebondeten Teil einwirkende Last zu reduzieren, ohne die Konfigurationder Seitenelektroden und der inneren Elektroden zu verkomplizieren.
[0125] DieDicke einer piezoelektrischen Keramikschicht innerhalb der mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheiten ist die mittlere Dicke einerpiezoelektrischen Keramikschicht im Inneren der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten. Wenn ein zufälligdicker oder dünnerTeil oder eine zufällig dickeoder dünneSchicht erzeugt wird, ist es möglich,die dicken beliebiger zehn oder mehr Orte (wobei die Punkte aus verschiedenenSchichten gewähltwerden), die nicht die zufälligerzeugten Teile oder Schichten sind, zu messen und den Mittelwertfestzustellen. Hierbei bedeuten "zufällig erzeugteTeile" Teile, diein derselben Schicht zu mehr als 10% dicker oder dünner ausgebildetsind, währenddie "zufällig erzeugteSchicht" eine Schichtbedeutet, die zu mehr als 10% dicker oder dünner als andere Schichten erzeugtwurde (auch dann, wenn sie sich von der Plattenstufe unterscheidet,in keiner Weise involviert ist, und zu dem Standart gemacht werdenkann).
[0126] DieGesamtdicke der beiden aneinandergrenzenden piezoelektrischen Keramikschichten,die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, und des gebondeten Teilsist die Dicke, die durch Addieren der Dicken der piezoelektrischenKeramikschichten, die an den gebondeten Teil aneinandergrenzen,und der Dicke des gebondeten Teils kombiniert wurde. Wenn zum Beispieldie mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten an einemgebondeten Teil durch das Harzmaterial gebondet werden, beinhaltetdie Dicke auch die Dicke des Harzmaterials.
[0127] Auchdann, wenn die Gesamtdicken der aneinandergrenzenden piezoelektrischenKeramikschichten, die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, unddes gebondeten Teils nicht größer alsdas zweifache der Dicke einer piezoelektrischen Keramikschicht inden mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten ist, wirdnicht davon ausgegangen, daß dann,wenn eine Elektrode aufgrund einer elektrisch nicht verbundeneninneren Elektrodenschicht nicht länger gültig wird, die ungültige innereElektrodenschicht eine Elektrode ist, und wird die gesamtdicke deraneinandergrenzenden piezoelektrischen Keramikschichten, die dengebondeten Teil zwischen sich einschließen, und des gebondeten Teilsberechnet. Die Summe der Dicken sollte das Zweifache der Dicke einerpiezoelektrischen Keramikschicht innerhalb der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheitennicht überschreiten.
[0128] Fernerwird die elektrische Feldstärkenahe dem gebondeten Teil nicht auf der Grundlage nur der Dickender aneinandergrenzenden piezoelektrischen Keramikschichten, dieden gebondeten Teil zwischen sich einschließen, und der Dicke des gebondetenTeils eingestellt. Zum Beispiel kann die elektrische Feldstärke durchEinstellen der Potentialdifferenz der beiden aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischen sicheinschließen,eingestellt werden. Ferner kann die elektrische Feldstärke durchEinstellen der Gesamtdicken der beiden aneinandergrenzenden piezoelektrischenKeramikschichten, die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, unddes gebondeten Teils sowie der Potentialdifferenz der beiden innerenElektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, eingestelltwerden. Dies ist deshalb so, weil die elektrische Feldstärke durchdas Potential der beiden Elektroden und den Abstand zwischen denbeiden Elektroden bestimmt wird.
[0129] Fernersind die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten bevorzugtdurch ein Harzmaterial an den gebondeten Teil gebondet.
[0130] Indiesem Fall ist es möglich,die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten gleichmäßig an demgebondeten Teil zu befestigen.
[0131] AlsHarzmaterialien stehen zum Beispiel auf Epoxy bzw. Epoxyd basierendeHarzmaterialien, Polyamid, auf Polyester basierende, Isozyanat,auf Polyimid basierende, auf Silikon basierende, auf Urethan basierende,und andere Klebstoffe zur Verfügung.
[0132] Fernerenthältdas Harzmaterial bevorzugt ein keramisches Material und/oder einmetallisches Material.
[0133] Indiesem Fall wird die Elastizitätan dem gebondeten Teil verbessert, und kann die Abschwächung der Verschiebungaufgrund des Vorhandenseins des gebondeten Teils verringert werden.Ferner ist es in diesem Fall möglich,die Audioimpedanz des gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenEinheitsele ments anzuheben. Daher kann das gebondete mehrschichtigepiezoelektrische Einheitselement auch für ein piezoelektrisches Ultraschallelementgeeignet hergestellt werden.
[0134] AlsKeramikmaterial, das das Harzmaterial enthalten soll, ist es möglich, dasselbewie die ungebrannte Keramikplatte zu verwenden. Ferner ist es möglich, alsMetallmaterial dasselbe wie das Basismetallmaterial des Elektrodenpastenmaterialsoder ein Metall mit der vergleichbaren Schallgeschwindigkeit (zumBeispiel Ni usw. fürCu) zu verwenden.
[0135] Fernerhat bevorzugt das Harzmaterial zumindest eine teilweise Leitfähigkeit,und sind aneinandergrenzende piezoelektrische Keramikschichten,die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, elektrisch verbunden.
[0136] Indiesem Fall ist es möglich,die Potentiale der aneinandergrenzenden piezoelektrischen Keramikschichten,die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, im Wesentlichen gleichzu machen. Aufgrund dessen kann auch dann, wenn die piezoelektrischenKeramikschichten reduziert werden und die Isolationsfähigkeitabnimmt, das Risiko, daß dieauf den gebondeten Teil einwirkende Last ansteigt, vermieden werden.
[0137] AlsVerfahren, mit dem dem Harzmaterial Leitfähigkeit verliehen werden kann,gibt es zum Beispiel das Verfahren zum Einschließen eines Metallmaterials odereines anderen leitenden Materials in das Harzmaterial, so daß diesesteilweise durch das Harzmaterial verläuft.
[0138] Fernerkönnendie mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten auch in direktemKontakt an dem gebondeten Teil gebondet werden.
[0139] Indiesem Fall ist es möglich,eine Verschlechterung aufgrund von an dem gebondeten Teil erzeugter Wärme zu verhindern.
[0140] Alsein bestimmtes Beispiel gibt es das Verfahren des Anbringens vonSeitenelektroden, Leitungsdrähten,und so weiter an dem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenEinheitsele ment und dann Befestigen desselben durch Abdecken desselbenmit einem schrumpfbaren Rohr bzw. einen Schrumpfschlauch.
[0141] AlsNächstesenthältdas keramische Material bevorzugt ein PZT-basiertes Material.
[0142] Indiesem Fall werden die Eigenschaften des gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements durch Verwenden der überlegenenEigenschaften eines PZT-basierten Materials als Piezoelektrikum verbessert.
[0143] AlsNächstesist bevorzugt das leitende Basismetallmaterial Cu.
[0144] Indiesem Fall ist es möglich,ein gebondeten mehrschichtiges piezoelektrisches Einheitselementmit geringen Kosten zu produzieren, und wird die Reduktion der Elektrodenoder die Beibehaltung des reduzierten Zustands der Elektroden leichter.
[0145] AlsNächsteswird in dem dritten Aspekt der Erfindung die PotentialdifferenzV zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten,die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, zuV < (1/2)V1 gemacht,wenn eine mittlere Potentialdifferenz zwischen inneren Elektrodenschichtender mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten V1 ist.
[0146] Fernerwird in dem vierten Aspekt der Erfindung die elektrische Feldstärke E zwischenzwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten, die einengebondeten Teil zwischen sich einschließen, zu E < (1/2)E1 gemacht, wenn eine mittlereelektrische Feldstärkezwischen inneren Elektrodenschichten der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten E1 ist.
[0147] Fernersind die mittlere Potentialdifferenz V1 und die mittlere elektrischeFeldstärkeE1 die Mittelwerte der Potentialdifferenzen und der elektrischenFeldstärkenzwischen anderen inneren Elektrodenschichten als den beiden aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischen sicheinschließen.
[0148] WennV ≥ (1/2)V1oder E ≥ (1/2)E1sind, tritt auf dieselbe Art und Weise wie in den ersten und zweiten Aspektender Erfindung eine Verschiebung als piezoelektrische Wirkung indem gebondeten Teil auf dieselbe Art und Weise auf. Zu dieser Zeitbesteht die Gefahr, daß eineNichtresonanz oder Verschlechterung der Übertragung einer Verschiebungaufgrund einer Fehlübereinstimmung(Diskontinuität)der Bondoberflächender mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten auftritt.Infolgedessen wird die Belastung in einer Richtung senkrecht zuder Stapelrichtung des gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenEinheitselements erhöht,und nimmt die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Belastungzu, so daß dieauf die äußere Peripheriedes gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementseinwirkende Last größer wird.Daher besteht die Gefahr, daß dann,wenn Seitenelektroden an den Seitenoberflächen des gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements erzeugt werden, oder wenn dasgebondete mehrschichtige piezoelektrische Einheitselement mittelseinem schrumpfbaren Rohr befestigt wird, die Gefahr, daß die Seitenelektroden,das schrumpfbare Rohr usw. beschädigtwerden. Ferner tritt auch dann, wenn mehrschichtige piezoelektrischeElementeinheiten mittels eines Harzes usw. gebondet werden, Wärme aufgrunddieelektrischer Verluste an dem gebondeten Teil auf, so daß die Gefahrbesteht, das sich das Harz aufgrund von Wärme verschlechtert.
[0149] Bevorzugterfülleneine mittlere Potentialdifferenz V1 zwischen inneren Elektrodenschichtender mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten und einePotentialdifferenz V zwischen zwei aneinandergrenzenden innerenElektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, eineBeziehung von V ≤ (1/3)V1.
[0150] Weiterbevorzugt erfülleneine mittlere elektrische FeldstärkeE1 zwischen inneren Elektrodenschichten der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten und eine elektrische Feldstärke E zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischen sicheinschließen,ferner eine Beziehung von E ≤ (1/3)E1.
[0151] AlsVerfahren, mit dem die Potentialdifferenz V zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischen sicheinschließen,zu V < (1/2)V1gemacht wird, oder als Verfahren, mit dem die elektrische Feldstärke E zwischenzwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten, die den gebondetenTeil zwischen sich einschließen,zu E < (1/2)E1gemacht wird, ist es möglich, Verfahren ähnlich zudem ersten und dem zweiten Aspekt der Erfindung zu verwenden.
[0152] Stärker bevorzugtist es vorzuziehen, daß diePotentialdifferenz V oder die elektrische Feldstärke E zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, imwesentlichen Null werden. In diesem Fall ist es möglich, diean dem gebondeten Teil erzeugte Verschiebung oder Wärme nahezuvollständigzu beseitigen.
[0153] AlsNächstessind bevorzugt die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheitennach dem Brennschritt oder das gebondete mehrschichtige piezoelektrischeEinheitselement nach dem Überlagerungsschrittmit einer oder mehreren Seitenelektroden, die die mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheiten oder das gebondete mehrschichtigepiezoelektrische Elementeinheit zwischen sich einschließen, anden Seitenoberflächenversehen.
[0154] Indiesem Fall ist es möglich,leicht eine Spannung an die inneren Elektrodenschichten anzulegen.
[0155] AlsSeitenelektroden ist es zum Beispiel möglich, ein Material mit Leitfähigkeitzu verwenden, wie Beispielsweise Ag, Fe, Ni, Cu oder ein gemischtesMetallmaterial aus Ag und Pd.
[0156] AlsNächsteswerden bevorzugt in dem Überlagerungsschrittzwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondetenTeil der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten zwischen sicheinschließen, überlagert,so daß sieelektrisch mit Seitenelektroden des näherungsweise gleichen Potentialsverbunden sind.
[0157] Indiesem Fall sind zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten,die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, mit derselben Art vonElektrode (positiv und positiv oder negativ und negativ) oder Elektrodendes in wesentlichen gleichen Potentials verbunden, kann die Beziehungvon V < (1/2)V1oder die Beziehung von E < (1/2)E1leicht realisiert werden, und kann die Potentialdifferenz oder dieelektrische Feldstärke,die auf den gebondeten Teil einwirkt, auf im wesentlichen Null reduziertwerden.
[0158] Dahertritt nahezu keine Nichtresonanz oder Verschlechterung der Übertragungeiner Verschiebung aufgrund einer Fehleinstellung (Diskontinuität) der Bondoberflächen dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten auf. Infolgedessenwird das Auftreten einer Belastung in einer Richtung senkrecht zuder Stapelrichtung des gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheit verringert, und wird die Wahrscheinlichkeit des Auftretenseiner Belastung reduziert, so daß die auf die äußere Peripheriedes gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementseinwirkende Last verringert wird. Daher kann auch dann, wenn Seitenelektrodenan den Seitenoberflächendes gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiterzeugt werden, oder wenn die gebondete mehrschichtige piezoelektrischeElementeinheit mittels eines elastischen Rohrs befestigt wird, verhindertwerden, daß dieSeitenelektroden, das schrumpfbare Rohr usw. brechen. Ferner trittauch dann, wenn mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheitenmittels eines Harzes usw. gebondet werden, Wärme aufgrund von die elektrischenVerlusten an dem gebondeten Teil nur schwer auf, so daß es zunahezu keiner Verschlechterung des Harzes aufgrund von Wärme kommt.
[0159] Fernerist bevorzugt eine Summe von Dicken zweier aneinandergrenzenderpiezoelektrischer Keramikschichten, die den gebondeten Teil zwischensich einschließen,und des gebondeten Teils größer alsdas Zweifache der Dicke einer piezoelektrischen Keramikschicht innerhalbder mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten.
[0160] Wievorstehend erklärtwurde, wird dann, wenn eine eutektische Reaktion usw. zwischen demKeramikmaterial und dem Elektrodenpastenmaterial in dem vorstehendenBrennschritt auftritt und eine von inneren Elektrodenschichten vonzwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten, die den gebondetenTeil zwischen sich einschließen,abgetrennt wird und die elektrischen Charakteristiken nicht nurdurch ledigliches elektrisches Verbinden zweier aneinandergrenzenderElektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, mitSeitenelektroden des im wesentlichen gleichen Potentials gesteuertwerden können,ein elektrisches Feld durch die nächste (aneinandergrenzende)innere Elektrodenschicht der abgetrennten inneren Elektrode, vondem gebondeten Teil aus gesehen, und die andere innere Elektrodenschicht,die der abgetrennten inneren Elektrodenschicht an dem gebondetenTeil gegenüberliegt,erzeugt. Falls die beiden inneren Elektrodenschichten, die das elektrischeFeld erzeugen, nicht durch einen ausreichenden Abstand voneinandergetrennt sind, wird ein verglichen mit der elektrische Feldstärke, diean dem gebondeten Teil als Standard betrachtet wird, größeres elektrischesFeld erzeugt, und besteht die Gefahr, das die auf den gebondetenTeil einwirkende Last größer wird.Infolgedessen besteht die Gefahr, daß die Haltbarkeit des gebondetenmehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselements abnimmt.
[0161] Daherkönnendann, wenn die Summe der Dicken der beiden aneinandergrenzendenpiezoelektrischen Keramikschichten, die den gebondeten Teil zwischensich einschließen,so ausgestaltet wird, das sie das Zweifache der Dicke einer piezoelektrischenKeramikschicht in den mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten überschreitet,die vorstehenden Risiken vermieden werden. Ferner ist es in diesemFall möglich,die elektrische Feldstärkezwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten,die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, aufweniger als 1/2 der mittleren elektrischen Feldstärke zwischenzwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten der mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheiten zu reduzieren, und möglich, einfachdie auf den gebondeten Teil einwirkende Last zu reduzieren, ohnedie Konfigura tion der Seitenelektroden und der inneren Elektrodenkomplizierter zu machen.
[0162] AlsNächsteswerden in dem Überlagerungsschrittbevorzugt die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheitenmittels eines Harzmaterials gebondet.
[0163] Indiesem Fall ist es möglich,die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten an dem gebondetenTeil gleichmäßig zu befestigen.
[0164] Wasdas Harzmaterial anbelangt, ist es möglich, ein solches zu verwenden,das ähnlichzu dem ersten und dem zweiten Aspekt der Erfindung ist.
[0165] AlsNächstesenthältbevorzugt das Harzmaterial ein Keramikmaterial und/oder ein Metallmaterial.
[0166] Indiesem Fall ist es möglich,die Elastizitätan dem gebondeten Teil zu verbessern und die Abschwächung derVerschiebung aufgrund des Vorhandenseins des gebondeten Teils zureduzieren. Ferner ist es in diesem Fall möglich, die Audioimpedanz dergebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheit anzuheben.Daher kann die gebondete mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheitauch fürein piezoelektrisches Ultraschallelement geeignet ausgestaltet werden.
[0167] Wasdas Keramikmaterial anbelangt, das so ausgestaltet ist, daß es dasHarzmaterial enthält,ist es möglich,dasselbe wie das der ungebrannten Keramikplatte zu verwenden. Fernerist es, was das Metallmaterial anbelangt, möglich, dasselbe wie das Basismetallmaterialdes Elektrodenpastenmaterials oder ein Metall mit derselben Schallgeschwindigkeit(zum Beispiel Ni usw. fürCu) zu verwenden. Als Nächstesweist bevorzugt das Harzmaterial zumindest teilweise Leitfähigkeitauf, und sind aneinandergrenzende piezoelektrische Keramikschichten,die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, elektrisch verbunden.
[0168] Indiesem Fall ist es möglich,die Potentiale der aneinandergrenzenden piezoelektrischen Keramikschichten,die den gebon deten Teil zwischen sich einschließen, im Wesentlichen gleichzu machen. Aufgrund dessen kann auch dann, wenn die piezoelektrischenKeramikschichten reduziert werden und die Isolationsfähigkeitabnimmt, die Gefahr, daß dieauf den gebondeten Teil einwirkende Last ansteigt, vermieden werden.
[0169] AlsVerfahren, mit dem dem Harzmaterial Leitfähigkeit verliehen wird, gibtes zum Beispiel das Verfahren zum Einschließen eines Metallmaterials odereines anderen leitenden Materials in das Harzmaterial so, daß diesesteilweise durch das Harzmaterial verläuft.
[0170] Fernerist es in dem Überlagerungsschrittmöglich,die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten in direktemKontakt zu bonden.
[0171] Indiesem Fall ist es möglich,weiter zu verhindern, daß andem gebondeten Teil eine Nichtresonanz auftritt.
[0172] Fernerkann in diesem Fall die gebondete mehrschichtige piezoelektrischeElementeinheit durch Abdecken derselben mit einem schrumpfbarenRohr nach Anbringen der Seitenelektroden, der Leitungsdrähte, usw.befestigt werden.
[0173] AlsNächstesenthalten die piezoelektrischen Keramikschichten bevorzugt ein PZT-basiertesMaterial.
[0174] Indiesem Fall ist es möglich,ein gebondetes mehrschichtiges piezoelektrisches Einheitselementmit überlegenenEigenschaften zu produzieren, indem Gebrauch von den überlegenenEigenschaften eines PZT-basierten Materials als piezoelektrischesMaterial gemacht wird.
[0175] Fernerenthältdas PZT-basierte Material in vielen Fällen PbO mit einer leichterreduzierbareren Natur als PZT. Wenn PbO zu Pb reduziert wird, trittmit dem leitenden Basismetallmaterial leicht eine eutektische Schmelzreaktionauf, und könnendie inneren Elektrodenschichten nicht länger kontinuierlich ausgebildetwerden. Demgemäß ist esdann, wenn ein PZT-basiertes Material als Keramikmaterial verwendetwird, notwendig, dieses zu Brennen, ohne daß das leitende Basismetallmaterialoxydiert wird, oder ohne daß nichtnur das PZT-basierte Material, sondern auch das PbO reduziert wird,so daß dieatmosphärischenBedingungen extrem schwierig festzulegen sind.
[0176] Erfindungsgemäß wird jedoch,da als leitendes Basismetallmaterial ein solches verwendet wird,das eine Standard-Gibbs-Energie der Erzeugung eines Metalloxydsbei der Brenntemperatur höherals der eines die piezoelektrischen Keramikschichten bildenden Keramikmaterialshat, das leitende Basismetallmaterial bei der Brenntemperatur nichtzu sehr oxydiert, so daß dieatmosphärischenBedingungen leicht festgelegt werden können.
[0177] Dasheißt,das es dann, wenn ein PZT-basiertes Material wie vorstehend erklärt verwendetwird, möglichist, in stärkerbemerkenswerterer Weise eine Wirkung dahingehend zu erhalten, daß es möglich ist,die inneren Elektrodenschichten ausreichend zu reduzieren, während dieReduktion des Keramikmaterials zur Zeit des Brennschritts in demdritten und dem vierten Aspekt der Erfindung unterdrückt wird.
[0178] AlsNächstesist bevorzugt das leitende Basismetallmaterial Cu.
[0179] Indiesem Fall ist es möglich,ein gebondetes mehrschichtiges piezoelektrisches Einheitselementzu geringen Kosten zu produzieren, und wird die Reduktion der Elektrodenoder die Beibehaltung des reduzierten Zustands der Elektroden leichter.
[0180] Fernerist dann, wenn das keramische Material ein PZT-basiertes Materialenthält,wie vorstehend erklärtwurde, häufigPbO mit seiner leicht reduzierbaren Eigenschaft vorhanden. In demBrennschritt ist das Oxyd eines leitenden Basismetalls, das ohneReduzieren von PbO reduziert wird, oder ein leitendes Basismaterial,welches in dem reduzierten Zustand gehalten werden kann (d.h. nichtoxydieren wird), ohne Reduktion von PbO in wesentlichen auf einOxyd von Cu oder auf Cu beschränkt.
[0181] AlsNächsteshat bevorzugt die mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheiteine n-Rotationssymmetrie (wobei n eine natür liche Zahl von drei oder größer ist),und sind zumindest eine bis nicht mehr als n – 1 Ecken aus einer Anzahln von Ecken der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheitso abgeschrägt, dassie andere Formen als die anderen verbleibenden Ecken annehmen.
[0182] Indiesem Fall ist es in dem Überlagerungsschrittmöglich,den Stapelschritt so zu vereinfachen, daß die mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten wie gewünschtangeordnet werden, und möglich,die Produktivitätzu verbessern.
[0183] Insbesonderesind, wie in den spätererklärtenBeispielen gezeigt wird, dann, wenn die Richtung der inneren Elektrodenschichtenbei der Erzeugung von Teilelektroden als inneren Elektrodenschichtenund dem Stapeln in dem Überlagerungsschrittso gesteuert wird, daß diebeiden aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten, die einengebondeten Teil zwischen sich einschließen, der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheitenmit derselben Seitenelektrode elektrisch verbunden werden, die Richtungender mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten bei dem Stapelnder mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten wichtig,so daß dasvorstehende Abschrägenwirkungsvoll ist.
[0184] Fernerist der fünfteAspekt der Erfindung nicht auf den ersten bis vierten Aspekt derErfindung beschränkt.Die Wirkung zeigt sich, wenn gewünschtwird, die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten unterVerleihen einer gewünschtenDirektionalitätzu überlagern.
[0185] Die "n-Rotationssymmetrie" bedeutet, daß ein Zustand,der im wesentlichen derselbe wie die Originalform ist, n Mal angetroffenwird, währendeine mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheit 360 Grad um eineMittenachse der Stapelrichtung gedreht wird. Zum Beispiel wird dann,wenn die Querschnittsform an der Ebene senkrecht zu der Stapelrichtungeiner mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheit quadratisch ist,bei jeder Drehung von 90 Grad die Form im Wesentlichen dieselbewie die ursprünglicheForm. Mit 360 Grad ÷ 90Grad = 4 besteht eine Rotationssymmetrie von 4 (n = 4). Natürlich wird dann,wenn die abgeschrägte Formgeändertwird, die genau gleiche Form zur Zeit der Rotation nicht erhaltenwerden. Im Vorstehenden wird der Ausdruck "im wesentlichen gleich" dazu verwendet,zu untersuchen, ob die Formen gleich sind, mit Ausnahme dessen,was den Unterschied in den abgeschrägten Formen anbelangt.
[0186] Zudieser Zeit ist es durch Abschrägeneiner Ecke des Quadrats zu einer sich von den anderen Ecken unterscheidendenForm dann, wenn Teilelektroden als die inneren Elektrodenschichtenausgeformt werden, möglich,auch visuell zu beurteilen, in welcher Richtung sich die Teilelektrodengegenüberliegen. Daher braucht in dem Überlagerungsschrittdann, wenn mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheiten gestapelt werden,währenddie Richtungen der inneren Elektrodenschichten eingestellt werden,kein Mikroskop usw. verwendet zu werden, so daß das Verfahren zur Herstellungvereinfacht wird.
[0187] Dasvorstehende "soabgeschrägt,daß sieverschiedene Formen annehmen" kannzum Beispiel natürlichein planares bzw. ebenes Abschrägenund ein gekrümmtesAbschrägensein, sowie auch zum Beispiel ein planares Abschrägen, beidem die Ausmaßeder Abschrägunggeändertwerden, oder die Ecken der Abschrägung geändert werden. Ferner ist esauch möglich,zu ändern,ob eine Abschrägungbereitgestellt wird oder nicht. Es wird angemerkt, daß die Formder Abschrägungnicht auf diese Formen beschränktist.
[0188] AlsBeispiele des Abschrägenswurde vorstehend der Fall, in dem eine Ecke des Quadrats zu einer sichvon den anderen Ecken unterscheidenden Form gemacht wurde, wie vorstehenderklärtdargestellt, jedoch könnendie unterschiedlich geformten abgeschrägten Ecken ebenso zwei odermehr Ecken sein. Es ist ausreichend, eine visuelle Beurteilung derDirektionalitätzu Hilfe zu nehmen. Das heißt,daß esbei einer mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheit mit einern-Rotationssymmetrie ausreichend ist, daß die abgeschrägte Formvon einer bis hin zu n – 1Ecken gegenüberden abgeschrägtenFormen der verbleibenden Ecken unterschiedlich gemacht wird.
[0189] Fernerkann der Abschrägungsschrittzum Beispiel nach dem Pressbondschritt, nach dem Entfettungsschritt,nach dem Brennschritt, oder anderweitig vor dem Überlagerungsschritt durchgeführt werden.
[0190] Bevorzugtwird er nach dem Brennschritt durchgeführt. Vor dem Brennschritt istdas Keramikmaterial nicht gesintert und an sich selbst brüchig, sodaß esschwierig ist, auf die gewünschteForm abzuschrägen.
[0191] Bevorzugtsind die Anzahl von Ecken, welche abgeschrägt werden, und die Formen derAbschrägungenin den überlagertenmehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten insgesamt standardisiert.
[0192] Indiesem Fall wird die Form der gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheit als ganzes eben. Zum Beispiel dann, wenn dieses gebondetemehrschichtige piezoelektrische Einheitselement als ein Medium verwendetund dieses Medium in einem Injektor usw. zur Verwendung eingebautwird, kann es leicht in den Injektor usw. eingebaut werden.
[0193] Fernerhaben gemäß der vorliegendenBeschreibung die Elektroden mit den beiden Polaritäten positiveund negative Polaritäten,oder könnenPositiv und Null oder Null und Negativ sein. Ferner kann auch dann, wenndas Potential ein großespositives (negatives) Potential und ein kleines (negatives) Potentialist, da die Potentiale der beiden Elektroden unterschiedlich werden,eine ähnlicheWirkung erhalten werden, wenn eine Potentialdifferenz oder eineelektrische Feldstärkeerzeugt wird.
[0194] DieErfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Beispiele derselbennäher beschrieben.Es wird jedoch angemerkt, daß dieErfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
[0195] AlsNächsteswird das gebondete mehrschichtige piezoelektrische Einheitselementund sein Herstellungsverfahren gemäß ei nem Beispiel der Erfindungunter Verwendung der 1 bis 7 erklärt.
[0196] Dasgebondete mehrschichtige piezoelektrische Einheitselement diesesBeispiels ist, wie in 1 gezeigtist, ein gebondetes mehrschichtiges piezoelektrisches Einheitselement 1,das aus zumindest zwei überlagertenmehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15 besteht,von denen jede piezoelektrische Keramikschichten 151 undinneren Elektrodenschichten 153 umfaßt, die abwechselnd gestapeltsind.
[0197] Jedeinnere Elektrodenschicht 153 besteht aus einem leitendenBasismetallmaterial mit einer Standard-Gibbs-Energie der Erzeugungeines Metalloxyds bei der Brenntemperatur größer als der des die piezoelektrischenKeramikschichten 151 bildenden Keramikmaterials.
[0198] DiePotentialdifferenz V zwischen zwei aneinandergrenzenden innerenElektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, andem die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15 gebondetsind, hat die Beziehung V < (1/2)V1,wenn eine mittlere Potentialdifferenz zwischen inneren Elektrodenschichten 153 dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15 V1ist.
[0199] AlsNächsteswird das gebondete mehrschichtige piezoelektrische Einheitselementdieses Beispiels im Einzelnen unter Verwendung von 1 erklärt.
[0200] Wiein 1 gezeigt ist, wirddas gebondete mehrschichtige piezoelektrische Einheitselement 1 durch Bondenvon mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15 anden gebondeten Teil 17 erhalten. Das gebondete mehrschichtigepiezoelektrische Einheitselement 1 dieses Beispiels bestehtaus zehn (10) zusammen gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten 15. Es wird angemerkt, daß in 1 diese aus Gründen derZweckmäßigkeitder Darstellung abgekürztgezeigt sind. Wie dargestellt ist, besteht jede mehrschichtige piezoelektrischeElementeinheit 15 aus piezoelektrischen Keramikschichten 151,die aus einem PZT-basierten Material beste hen, und inneren Elektrodenschichten 153,die aus abwechselnd gestapeltem Cu bestehen.
[0201] Jedeinnere Elektrodenschicht 153 ist so ausgestaltet, das sienur eine Seitenoberflächeder piezoelektrischen Keramikschicht 151 erreicht, während einnicht ausgestalteter Teil 159 ohne innere Elektrodenschicht 153 ander anderen Seitenoberflächebereitgestellt ist.
[0202] Fernersind zwei Seitenelektroden 19 an den Seitenoberflächen desgebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselements 1 soausgebildet, das sie das Element zwischen sich einschließen. DieSeitenelektroden bestehen aus Ag. Es wird angemerkt, daß in diesemBeispiel Ag als Seitenelektroden verwendet wird. Darüber hinausist es auch möglich,ein Material mit Leitfähigkeitzu verwenden, wie beispielsweise Fe, Ni, Cu, oder ein gemischtesMetallmaterial aus Ag und Pd.
[0203] Wiein 1 gezeigt ist, sindin den mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15,die das gebondete mehrschichtige piezoelektrische Einheitselement 1 bilden,die inneren Elektrodenschichten 153 mit abwechselnd unterschiedlichenSeitenelektroden 19 verbunden, jedoch sind die beiden aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten 153, die den gebondeten Teil 17 zwischensich einschließen,mit denselben Seitenelektroden 19 verbunden.
[0204] DasVerfahren zur Herstellung des gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenEinheitselements 1 gemäß der Erfindungweist einen spätererwähntenElektrodendruckschritt, einen Pressbondschritt, einen Entfettungsschritt,einen Brennschritt und einen Überlagerungsschrittauf.
[0205] Indem Elektrodendruckschritt wird, wie in 2 gezeigt ist, das Elektrodenpastenmaterial 253 aufzumindest eine Oberflächeder ungebrannten Keramikplatte 251 beschichtet, das durchAusformen eines Keramikmaterials zu einer Platte erhalten wurde.
[0206] Fernerwerden in dem Pressbondschritt, wie in den 3 und 4 gezeigtist, die mit dem Elektrodenpastenmaterial 253 be schichtetenungebrannten Keramikplatten 251 gestapelt und druck- bzw.pressgebondet, um den Stapel 25 herzustellen.
[0207] AlsNächsteswird in dem Entfettungsschritt der Stapel 25 entfettet.
[0208] Indem Brennschritt wird der Stapel 25 in der reduzierendenAtmosphäregebrannt, um eine mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheit 15 wiein 15 gezeigt herzustellen.
[0209] Indem Überlagerungsschrittwerden, wie in den 1 und 5 gezeigt ist, zumindestzwei mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheiten 15 anihren Bondoberflächen 157 überlagert,um einen gebondeten Teil 17 unter Verwendung der Oberflächen der äußerstenSeiten der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15 inder Stapelrichtung als Bondoberflächen zu erzeugen.
[0210] Fernerbesteht das Elektrodenpastenmaterial aus einem leitenden Basismaterialund/oder dessen Oxyd mit einer größeren Standard-Gibbs-Energiezur Erzeugung eines Metalloxyds bei einer Brenntemperatur größer alsder einer die piezoelektrische Keramikschicht bildenden Keramikmaterials.Ferner wird die Potentialdifferenz V zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten 153, die einen gebondeten Teil 17 zwischensich einschließen,so ausgestaltet, das sie zu V < (1/2)V1wird, wenn eine mittlere Potentialdifferenz zwischen inneren Elektrodenschichten 153 dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15 V1ist.
[0211] AlsNächsteswird das Herstellungsverfahren dieses Beispiels im Einzelnen unterVerwendung der 1 bis 7 erklärt.
[0212] Zunächst wirddas Keramikmaterial auf die folgende Art und Weise hergestellt.
[0213] Bleioxydund Wolframoxyd wurden in Mengen von 83,5 Mol-% und 16,5 Mol-% gewogenund trocken vermischt, dann bei 500°C für die Dauer von zwei Stundengebrannt, um einen Hilfs-Oxydpulver-Reaktionsteil des Bleioxydsund des Wolframoxyds (chemische Formel : Pb_0,835 W_0,165 O_1,33) zu erzeugen.Als Nächsteswurde das Hilfs-Oxydpulver mittels einer Stoffumwälzmühle pulverisiertund getrocknet, um die Reaktivitätanzuheben.
[0214] Aufder anderen Seite wurden Metalloxyde von PbO, SrCO₃,ZrO₂, TiO₂, Y₂O₃, Nb₂O₅ und Mn₂O₃ trocken vermischt und dann bei 850°C für die Dauervon 7 Stunden gebrannt, um ein kalziniertes piezoelektrisches Pulverherzustellen.
[0215] AlsNächsteswurden 5,5 Liter Wasser zu 4,7 kg dieses kalzinierten piezoelektrischenPulvers hinzugefügt,dann wurde das LösungsmittelD134 (hergestellt von Daiichi Kogyo Seiyaku KK) mit einem Verhältnis von5 Gew.-% zu dem kalzinierten piezoelektrischen Pulver hinzugefügt und für die Dauervon einer Stunde gemischt, um den Brei zur Verwendung bei der Pulverisierungfür dieHerstellung des kalzinierten piezoelektrischen Pulvers herzustellen.
[0216] DieserBrei zur Verwendung bei der Pulverisierung wurde durch eine Stoffumwälzmühle für die Dauer von8 Stunden pulverisiert, um die mittlere Größe auf nicht mehr als 0,2 μm zu reduzieren.Ferner wurde der Brei zur Verwendung bei der Pulverisierung durcheinen Sprühtrocknerbei 220°Cgetrocknet, um ein pulverisiertes Pulver von kalziniertem piezoelektrischemPulver zu erhalten. Dieses pulverisierte Pulver wies verbleibendesLösungsmittelauf, so daß daspulverisierte Pulver weiter bei 650°C für die Dauer von fünf Stunden behandeltwurde, um das Lösungsmittelzu entfernen und ein kalziniertes piezoelektrisches Pulver zu erhalten.
[0217] AlsNächsteswurden 7 g eines Hilfs-Oxyds, das wie vorstehend erklärt im Voraushergestellt wurde, zu 700 g des kalzinierten piezoelektrischen Pulvershinzugefügt,um ein Materialpulver herzustellen. 16 Gew.-% von Ethanol, 16 Gew.-%von 2-Butanol, und 16 Gew.-% von Isoamyl-Acetat wurden als Lösungsmittel, 0,6Gew.-% von Sorbitan-Trioleat als Verteilungsmittel, 5 Gew.-% vonBBP (Benzylbutylphtalat, hergestellt von Wako Pure Chemical IndustriesLtd.) als Plasticizer, und 7,5 Gew.-% von Denka-Butyral (hergestelltvon Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha) als Binder zu dem Materialpulverhinzugefügt,und fürdie Dauer von 72 Stunden mittels einer Kugelmühle gemischt, um ein Keramikmaterialzu erhalten.
[0218] AlsNächsteswurde der Brei des Keramikmaterials durch das Doctor Blade-Verfahrenin eine Platte einer Dicke von 150 μm ausgeformt. Danach wurde erbei 80°Cgetrocknet und mittels einem Folienschneider auf 100 mm × 100 mmzugeschnitten, um ungebrannte Keramikplatten zu erhalten.
[0219] AlsNächsteswurde ein Elektrodenpastenmaterial auf die folgende Art und Weisehergestellt.
[0220] CuO-Pulver(mittlere Teilchengröße von 1bis 2 μm,mit im Wesentlichen sphärischerForm) und Cu-Pulver (mittlere Teilchengröße von 0,5 μm, mit im Wesentlichen sphärischerForm, Pulver gepreßtzu einem tischförmigenMaterial) wurden zu einem organischen Träger geknetet bzw. geformt,der durch Lösenvon Ethyl-Zellulose durch Terpinol und eines Harzmaterials (Acryl-basiertesHarz, Alkydharz, Ethocel^TM-basiertes Harz,usw.) mit dem in der folgenden Tabelle 1 gezeigten Verhältnis erhaltenwurde, um ein Elektrodenpastenmaterial herzustellen.
[0221] AlsNächsteswurde, wie in 2 gezeigtist, das Elektrodenpastenmaterial 253 auf die Vielzahlvon ungebrannten Keramikplatten 251 beschichtet. Zu dieserZeit wurde das Elektrodenpastenmaterial 253 so auf eineOberflächeder ungebrannten Keramikplatten 251 beschichtet, daß nur eineSeitenoberflächeder ungebrannten Keramikplatte 251 erreicht wurde. Zu dieserZeit war der nicht ausgeformte Teil 159 auf einer Seitenober fläche bereitgestellt.Es wird angemerkt, daß dieDruckdicke der Elektrodenpaste zu 20 μm gewählt wurde. 2 zeigt ein Beispiel einer ungebranntenKeramikplatte 251 nach dem Drucken.
[0222] AlsNächsteswurden, wie in 3 gezeigtist, die ungebrannten Keramikplatten 251, die mit dem Elektrodenpastenmaterial 253 bedrucktwaren, aufeinander gestapelt. Zu dieser Zeit wurden diese so gestapelt,daß dasElektrodenpastenmaterial 253 abwechselnd die linke unddie rechte Seitenoberflächeerreichte.
[0223] Dieungebrannten Keramikplatten 251 wurden auf diese Art undWeise aufeinander folgend gestapelt, um, wie in 4 gezeigt ist, einen Stapel 25 ausinsgesamt 25 ungebrannten, gestapelten Keramikplatten 251 herzustellen.Es wird angemerkt, daß dann,als die ungebrannten Keramikplatten 251 gestapelt wurden,2 ungebrannte Keramikplatten mit Dicken von 130 μm, die in der Dicke 10% kleinergemacht wurden, erzeugt wurden. Die ungebrannten Keramikplattenmit den kleineren Dicken wurden an den beiden Enden des Stapels 25 gestapelt,d. h. an dem untersten Ende und an dem obersten Ende. Ferner wurdeals die ungebrannte Keramikplatte, die an dem untersten Ende desStapels 25 zwischen den beiden an den beiden Enden desStapels 25 gestapelten ungebrannten Keramikplatten angeordnetist, eine solche verwendet, die auf ähnliche Art und Weise mit demElektrodenpastenmaterial auf die selbe Art und Weise wie oben bedrucktwurde, währendals die an den obersten Ende angeordnete ungebrannte Keramikplatteeine solche verwendet wurde, die nicht mit dem Elektrodenpastenmaterialbedruckt war. Dieselbe Prozedur wurde durchgeführt, um insgesamt zehn Stücke desStapels 25 herzustellen.
[0224] Diezehn auf diese Art und Weise erhaltenen Stapel 25 wurdenan Pressbondhaltern befestigt und bei 110°C für die Dauer von 1 Minute bei16 MPa heißpressgebondet.Die heißpressgebondetenStapel 25 wurden in Größen von86 mm vertikal und 86 mm horizontal geschnitten, welche dann durcheine Presskraft von 7,8 MPa in der Stapelrichtung gepresst wurden,um sie abzuflachen.
[0225] AlsNächsteswurden die Stapel 25 in einem nach dem Luftzirkulationsprinziparbeitenden Entfettungsofen plaziert und bei einer Temperatur von550°C für die Dauervon 10 Stunden zur Entfettung erwärmt.
[0226] AlsNächsteswurde das auf die ungebrannten Keramikplatten 251, diedie Stapel 25 bilden, beschichtete Elektrodenpastenmaterialreduziert. Bei der Reduktion des Elektrodenpastenmaterials 253 wurdedas in dem Elektrodenpastenmaterial 253 enthaltene CuOzu Cu reduziert.
[0227] ImEinzelnen wurden die Stapel 25 in der reduzierenden Atmosphäre erwärmt.
[0228] Indiesem Beispiel enthalten die ungebrannten Keramikplatten 251 Blei,und enthältdas Elektrodenpastenmaterial 253 Cu, sodaß als Temperaturvon knapp unter oder nahe dem eutektischen Punkt von Blei und Kupfer,das heißt326°C, alsHeiztemperatur gewähltwird. In Einzelnen wird sie zu 320°C ± 5°C gewählt. Es wird angemerkt, das ± 5°C die Fluktuationdes gemessen Werts sind.
[0229] Aufgrunddieses Erwärmenswird das auf die ungebrannten Keramikplatten 251 beschichteteElektrodenpastenmaterial 253 reduziert, und werden dieinneren Elektrodenschichten 153 erzeugt.
[0230] AlsNächsteswird der Stapel 25 gebrannt, um die mehrschichtige piezoelektrischeElementeinheit 15, die in 5 gezeigtist, herzustellen.
[0231] DieBrenntemperatur zum Zeitpunkt des Brennens wurde zu 950°C gewählt. Fernerwurde die Atmosphäreeingestellt, um sie auf eine Atmosphäre einzustellen, in der dasCu der inneren Elektrodenschichten nicht übermäßig oxydiert wurde, und dasOxyd der Elemente nicht übermäßig reduziertwurde. In Einzelnen wurde sie so eingestellt, daß der Sauerstoffteildruck beider Brenntemperatur von 950°Czu 10^–3 hPa(10^–6 atm) wurde.
[0232] Dieungebrannten Keramikplatten 251 in den Stapeln 25 wurdenzum Zeitpunkt des Brennens gesintert, um die piezoelektrischen Keramikschichten 151 zuerzeugen. Auf diese Art und Weise wur den, wie in 5 gezeigt ist, mehrschichtige piezoelektrischeElementeinheiten 15, die aus piezoelektrischen Keramikschichten 151 undinneren Elektrodenschichten 153 bestehen, welche abwechselndgestapelt sind, erhalten. Es wird angemerkt, daß die Höhe der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten 15 zu diesem Zeitpunkt 2 mm betrug.
[0233] AlsNächsteswurden, wie in den 5 und 6 gezeigt ist, die mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheiten 15 unter Verwendungder äußerstenOberflächender mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15 inder Stapelrichtung als Bondoberflächen 157 an ihrenBondoberflächen 157 überlagert,um gebondet Teile 17 zu erzeugen. Zu dieser Zeit wurden,wie in 6 gezeigt ist,die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15 so überlagert,daß zweianeinandergrenzende inneren Elektrodenschichten 153, diejeden gebondeten Teil 17 zwischen sich einschließen, beidederselben Seitenoberflächegegenüber lagen.Auf diese Art und Weise wurden insgesamt zehn mehrschichtige piezoelektrischeElementeinheiten 15 überlagert,um die Bondoberflächen 157 durchdas Epoxydharz zu bonden, und das gebondete mehrschichtige piezoelektrischeEinheitselement 1 wie in 1 gezeigtherzustellen. Dieses wurde als Probe E1 bezeichnet.
[0234] Fernerwurde in diesem Beispiel ein gebondetes mehrschichtiges piezoelektrischesEinheitselement 1, das durch Bonden der Bondoberflächen 157 von10 mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15 durchein gemischtes Harzmaterial aus 90 Gewichtsanteilen eines Epoxyd-basiertenHarzes und 10 Gewichtsanteilen eines Keramikmaterials erhalten wurde,hergestellt. Dieses wurde als Probe E2 bezeichnet. Es wird angemerkt,daß dasKeramikmaterial in dem verwendeten gemischten Harzmaterial aus denselbenBestandteilen bestand wie das Keramikmaterial, das zur Herstellungder ungebrannten Keramikplatten verwendet wurde.
[0235] Fernerwurde in diesem Beispiel ein gebondetes mehrschichtiges piezoelektrischesEinheitselement hergestellt, das durch Bonden der Bondoberflächen dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten in direkten Kontaktohne jegliches zwischenliegendes Material erhalten wurde. Dieseswurde als Probe E3 bezeichnet.
[0236] Fernerwurden in diesem Beispiel zum Vergleich mit den Proben E1 bis E3,wie in der spätererklärten 7 gezeigt ist, gebondetemehrschichtige piezoelektrische Einheitselemente 9 hergestellt,die durch Überlagernvon mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15 so,daß diebeiden aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten 153,die einer gegenüberliegendenSeitenoberflächengegenüberlagen, wenn die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15 überlagertwurden, erhalten wurden. Diese wurden als Proben C1 bis C3 bezeichnet.
[0237] DieProbe C1, die Probe C2 und die Probe C3 waren Proben zum vergleichmit der Probe E1, der Probe E2 und der Probe E3.
[0238] Dasheißt,die Probe C1 wurde auf dieselbe Art und Weise wie die Probe E1 durchBonden der Bondoberflächender mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten mittels einesEpoxydharzes erhalten. Die Probe C2 wurde auf dieselbe Art und Weisewie die Probe E2 durch Bonden der Bondoberflächen der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten mittels eines Harzmaterials aus 90 Gewichtsanteileneines Epoxydharzes und 10 Gewichtsanteilen eines Keramikmaterialserhalten. Die Probe C3 wurde durch Bonden der Bondoberflächen dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten in direktem Kontaktohne dazwischenliegendes Material erhalten.
[0239] Unterschiedein der Anordnung der inneren Elektrodenschichten nahe den gebondetenTeilen der Proben E1 bis E3 und der Proben C1 bis C3 sind in den 6 und 7 gezeigt.
[0240] Wieaus 6 ersichtlich ist,sind bei den Proben E1 bis E3 die beiden aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten 153,die einen gebondeten Teil 17 zwischen sich einschließen, derselbenSeitenoberflächegegenüberliegendausgebildet.
[0241] Andererseitssind, wie aus 7 entnehmbarist, bei den Proben C1 bis C3 die beiden aneinandergrenzenden innerenElektrodenschichten 153, die einen gebondeten Teil 17 zwischensich einschließen,gegenüberliegendenSeitenoberflächengegenüberliegendausgebildet.
[0242] AlsNächsteswurden die beiden Seitenoberflächen,an denen die inneren Elektrodenschichten abwechselnd die Seitenoberflächen erreichen,aus den vier Seitenoberflächender Proben E1 bis E3 und der Proben C1 bis C3 mit Seitenelektroden 19 erzeugt,die die Seitenoberflächenzwischen sich einschließen.Die Seitenelektroden 19 bestanden aus gehärtetem Silberund wurden durch Härtender Ag-Paste hergestellt. Die Zusammensetzung des gehärteten Silberswar 97 Gewichtsprozent Ag und 3 Gewichtsprozent Glasfritte.
[0243] DieSeitenelektroden wurden zum Vergleichen der Eigenschaften der ProbenE1 bis E3 und der Eigenschaften der Proben C1 bis C3 hergestellt.Sie hatten keine wesentliche Wirkung auf die Qualität der gebondetenmehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselemente selbst. Daherist das Material der Seitenelektroden nicht auf Ag beschränkt. Esist möglich,Seitenelektroden zu verwenden, die zumindest Fe, Cu, Pt, Ni, oderPd usw. enthalten.
[0244] AlsNächsteswurden die Eigenschaften der Proben E1 bis E3 und der Proben C1bis C3 auf die folgende Art und Weise untersucht.
[0245] DieSeitenelektroden der Proben E1 bis E3 und der Proben C1 bis C3 wurdenintermittierend mit Spannungen versorgt, die aus Rechteck- bzw.Quadratwellen einer Spitze-Spitze-Intensität von 0 bis 180 V bestanden,wobei eine als eine positive Elektrode und die andere als eine negativeElektrode verwendet wurden. Das Auftreten von Rauschen und das Auftreteneiner Abschälungoder von Brüchenan den gebondeten Teilen in den Proben E1 bis E3 und den ProbenC1 bis C3 zu dieser Zeit wurden untersucht.
[0246] DieProbe C1 und die Probe C2 erfuhren eine Abschälung an den gebondeten Teilenund fielen hinsichtlich der Ausmaße einer Verschiebung sofortab, wenn die Spannungsanlegezeit (kumulative Zeit) 8 Stunden bzw.24 Stunden erreichte.
[0247] Fernererfuhr die Probe C3 eine Störungdahingehend, daß dieNähe derBondteile abfiel und ein Abstand an den gebondeten Teilen ausgebildetwurde, sowie dahingehend, daß dasAusmaß einerVerschiebung sofort abfiel, bevor die Spannungsanlegezeit (kumulativeZeit) auch nur 1 Stunde erreichte.
[0248] Demgegenüber wurdebei den Probe E1 bis E3 nicht beobachtet, das diese eine Abschälung oderBrüchean den gebondeten Teilen erfuhren, und wurde nicht beobachtet, daß diesean Rauschen aufgrund einer Nichtresonanz litten, und zwar auch dann,wenn die Spannung füreine Zeit (kumulative Zeit) von über100 Stunden angelegt wurde.
[0249] Wiein 1 gezeigt ist, sindin den Proben E1 bis E3 die beiden aneinander grenzenden inneren Elektrodenschichten 153,die jeden gebondeten Teil 17 zwischen sich einschließen, mitdenselben Seitenelektroden 19 verbunden. Daher wird dieSpannung zwischen zwei aneinander grenzenden inneren Elektrodenschichten 153,die einen gebondeten Teil 17 zwischen sich einschließen, imWesentlichen Null. Das heißt,die Beziehung V < (1/2)V1wird erfüllt,wenn die mittlere Potentialdifferenz zwischen inneren Elektrodenschichten 153 dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15 V1ist, und die Potentialdifferenz zwischen zwei inneren Elektrodenschichten 153,die einen gebondeten Teil 17 zwischen sich einschließen, V ist.
[0250] Daherkommt es zu nahezu keinem Auftreten einer Nichtresonanz oder einerVerschlechterung der Übertragungeiner Verschiebung aufgrund einer Fehlübereinstimmung (Diskontinuität) der Bondoberflächen dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15.Ferner ist es möglich,die Wirkung aufgrund des Wärmewiderstandsdes Harzes (einer Verschlechterung aufgrund von Wärme) indem Fall des Bondens von mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15 mittelseines Harzes usw. zu verringern (Proben E1 und E2).
[0251] Ausden vorstehenden Gründenwird davon ausgegangen, daß diegebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselemente derProben E1 bis E3 frei von Abschälungenoder Brüchenbzw. Rissen an den gebondeten Teilen sowie Rauschen aufgrund einerNichtresonanz sind, und wie vorstehend erklärt in der Lage sind, für eine langeZeit von zumindest 100 Stunden angesteuert zu werden.
[0252] DiesesBeispiel ist ein Beispiel der Herstellung eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements durch Abschrägen einer Ecke der vier Eckender mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten auf dieselbeArt und Weise wie in Beispiel 1 so, daß sie eine zu den verbleibendendrei Ecken unterschiedliche Form annimmt.
[0253] Zunächst wurde,wie in 4 gezeigt ist,ein Stapel 25 ähnlichzu dem ersten Ausführungsbeispiel hergestellt.Wie in 4 gezeigt ist,bestand dieser Stapel 25 auf dieselbe Art und Weise wiedas Beispiel 1 aus 24 ungebrannten Keramikplatten 251,die mit dem Elektrodenpastenmaterial 253 beschichtet waren,und einer ungebrannten Keramikplatte, die an dem obersten Teil nichtmit Elektrodenpastenmaterial beschichtet war. Die Dicken der ungebranntenKeramikplatten 251 und des Elektrodenpastenmaterials 253 sowiedie Abmessungen des Stapels 25 waren dieselben wie in Beispiel1.
[0254] AlsNächsteswurden, wie in 8 gezeigtist, die vier Ecken des Stapels 25 aus Formen von gleichschenkligenrechtwinkligen Dreiecken mit Längender beiden Seiten von 1 mm abgeschrägt. Dies wurde als Probe C4bezeichnet.
[0255] Fernerwurde eine Probe hergestellt, die von den inneren Elektroden ausgesehen zwischen den vier Ecken des Stapels an nur einer bestimmtenStelle auf eine Form eines gleichschenkligen rechtwinkligen Dreiecksmit einer Längeder beiden Seiten von 1,5 mm abgeschrägt wurde, und an den anderendrei Ecken auf gleichschenklige rechtwinklige Dreiecke mit Längen derbeiden Seiten von 1 mm abgeschrägtwurde. Dies wurde als Probe E1 bezeichnet.
[0256] Jeweilszehn (10) Stückeder Probe E4 und der Probe C4 wurden hergestellt und auf dieselbeArt und Weise wie in Beispiel 1 entfettet und gebrannt. Ferner wurdenauf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 1 jeweils zehn Stücke derProbe E4 und der Probe C4 nach dem Brennen überlagert. Zur Zeit der Überlagerung wurdendie beiden inneren Elektroden, die jeden gebondeten Teil zwischensich einschließen,so überlagert, daß sie denselbenSeitenoberflächengegenüberliegen, währendsie visuell betrachtet wurden.
[0257] Inder Probe E1 war, wie vorstehend erklärt wurde, eine bestimmte Eckeauf eine gegenüberden anderen Ecken unterschiedliche Form abgeschrägt, so das es möglich war,ihre Richtung auch visuell ausreichend zu beurteilen und so zu überlagern,daß diebeiden inneren Elektroden, die jeden gebondeten Teil zwischen sicheinschließen,derselben Seitenoberflächegegenüberlagen.
[0258] Demgegenüber warenbei der Probe C4 alle vier Ecken auf dieselbe Form abgeschrägt, so daß die Beurteilungder Richtung schwierig war. Infolgedessen wurden die beiden innerenElektroden, die jeden gebondeten Teil zwischen sich einschließen, soausgelegt, das sie im Wesentlichen dieselbe Anzahl von Teilen, diederselben Seitenoberflächegegenüberliegen, und Teilen, die gegenüberliegendenSeitenoberflächengegenüberliegen,waren.
[0259] DiesesBeispiel ist ein Beispiel der Herstellung eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements unter Verringern der elektrischenFeldstärkejedes gebondeten Teils der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheitenund Auswerten der Dauerhaftigkeit der Ansteuerung.
[0260] Diemehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten dieses Beispielsbestehen, wie in 9 gezeigtist, aus piezoelek trischen Keramikschichten 251 und innerenElektrodenschichten 353, die abwechselnd gestapelt sind.Zumindest zwei mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheiten 53 sind überlagert,um das gebondete mehrschichtige piezoelektrische Einheitselement 3 auszubilden.Jede innere Elektrodenschicht 353 besteht hauptsächlich auseinem leitenden Basismetallmaterial mit einer Standard-Gibbs-Energieder Erzeugung eines Metalloxyds bei einer Brenntemperatur größer alsder des die piezoelektrischen Keramikschichten 351 bildendenKeramikmaterials. Ferner hat die elektrische Feldstärke E zwischenzwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten 353,die einen gebondeten Teil 37 zwischen sich einschließen, an demdie mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 35 gebondetsind, eine Beziehung von E < (1/2)E1,wenn eine mittlere elektrische Feldstärke zwischen inneren Elektrodenschichten 353 dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 35 E1ist.
[0261] Wiein 9 gezeigt ist, bestehtdas gebondete mehrschichtige piezoelektrische Einheitselement 3 diesesBeispiels auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 1 aus mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheiten 35, die an gebondetenTeilen 37 gebondet sind. Das gebondete mehrschichtige piezoelektrischeEinheitselement 3 dieses Beispiels besteht aus zwanzigmehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 35,die zusammengebondet sind. Ferner sind in jeder mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheit 35 zwanzig piezoelektrischeKeramikschichten 351 gestapelt. In 9 sind aus Gründen der Zweckmäßigkeitder Darstellung die Anzahl der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten 35 und die Anzahl von gestapelten Schichtender piezoelektrischen Keramikschichten 351 in den mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheiten 35 abgekürzt gezeigt.Jede mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheit 35 bestehtaus piezoelektrischen Keramikschichten 351, die aus einemPZT-basierten Material bestehen, und inneren Elektrodenschichten 353,die aus Cu bestehen, und die abwechselnd gestapelt sind.
[0262] Fernerist auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 1 jede innere Elektrodenschicht 353 soausgestaltet, das sie nur eine Seitenoberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht 351 erreicht.Ferner sind zwei Seitenelektroden 39 an den Seitenoberflächen desgebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselements 3 soausgebildet, das sie dasselbe zwischen sich einschließen.
[0263] DasVerfahren zur Herstellung des gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenEinheitselements 3 dieses Beispiels weist auf dieselbeArt und Weise wie in Beispiel 1 einen Elektrodendruckschritt, einenPressbondschritt, einen Entfettungsschritt, einen Brennschritt,und einen Überlagerungsschrittauf. Jeder Schritt ist ähnlichzu denen des Beispiels 1.
[0264] Fernerwird in dem Herstellungsverfahren dieses Beispiels für das aufdie ungebrannten Keramikplatten gedruckte ElektrodenpastenmaterialGebrauch von einem leitenden Basismetallmaterial und/oder dessen Oxydmit einer Standard-Gibbs-Energie der Erzeugung eines Metalloxydsbei einer Brenntemperatur größer alsder des die piezoelektrischen Keramikschichten bildenden Keramikmaterialsgemacht. Ferner wird die elektrische Feldstärke E zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teilzwischen sich einschließen,zu E < (1/2)E1gemacht, wenn eine mittlere elektrische Feldstärke zwischen inneren Elektrodenschichtender mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten E1 ist.
[0265] AlsNächsteswird das Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheit dieses Beispiels unter Verwendung der 9 bis 14 erklärt.
[0266] Zunächst wurdeein Keramikmaterial ähnlichzu Beispiel 1 vorbereitet, durch das Doctor Blade- bzw. Abstreifklingenverfahrenzu einer Platte ausgeformt, bei 80°C getrocknet, und durch einenPlattenschneider in Formen von 100 mm × 100 mm geschnitten, um ungebrannteKeramikplatten einer Dicke von 150 μm herzustellen.
[0267] Fernerwurde derselben Prozedur wie in Beispiel 1 gefolgt, um ein Elektrodenpastenmaterialherzustellen. In diesem Beispiel wurde als das Elektrodenpastenmaterialein solches mit einem Gewichtsverhältnis von Cu zu CuO von 50:50und mit einem Gewicht von Cu und CuO von 65 Gew.-% in dem Gesamtgewichtdes Elektrodenpastenmaterials verwendet.
[0268] AlsNächsteswurde auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 1 das Elektrodenpastenmaterialauf eine Vielzahl von ungebrannten Keramikplatten beschichtet. Zudieser Zeit wurde auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 1 dasElektrodenpastenmaterial auf eine Oberfläche jeder ungebrannten Keramikplatteso beschichtet, daß nureine Seitenoberflächeder ungebrannten Keramikplatte erreicht wurde und ein nicht ausgeformterTeil an der Seite der anderen Seitenoberfläche bereitgestellt wurde.
[0269] AlsNächsteswurden die mit dem Elektrodenpastenmaterial bedruckten ungebranntenKeramikplatten gestapelt. Zu dieser Zeit wurden sie auf dieselbeArt und Weise wie in Beispiel 1 so gestapelt, das das Elektrodenpastenmaterialabwechselnd linke und rechte Seitenoberflächen erreichte.
[0270] Dieungebrannten Keramikplatten wurden auf diese Art und Weise aufeinanderfolgend gestapelt. Wie in 10 gezeigtist, wurden insgesamt zwanzig ungebrannte Keramikplatten 451 gestapelt,um einen Stapel 45 herzustellen. Wie dargestellt wurdenin dem Stapel 45 ungebrannte Keramikschichten 451 undElektrodenpastenmaterial 453 abwechselnd gestapelt. Dasauf jede ungebrannten Keramikplatte 451 gedruckte Elektrodenpastenmaterial 453 erreichtenur eine Seitenoberflächedes Stapels 45. Ein nicht ausgeformter Teil 359 wurdeauf der anderen Seite bereitgestellt.
[0271] Eswir angemerkt, daß indiesem Beispiel, wenn ungebrannte Keramikplatten 51 gestapeltwurden, um einen Stapel 45 herzustellen, zwei ungebrannteKeramikplatten großerDicken von 330 μmvorbereitet wurden. Wie in 10 gezeigtist, wurden diese ungebrannten Keramikplatten 455 mit großer Dickean den beiden Enden des Stapels 45 gestapelt, d. h. andem untersten und an dem obersten Ende gestapelt. Ferner wurden unterden beiden ungebrannten Keramikplatten 455, die an denbeiden Enden des Stapels 45 gestapelt wurden, als die andem untersten Ende des Stapels 45 angeordnete ungebrannteKeramikplatte eine solche verwendet, die mit einem Elektrodenpastenmaterialauf dieselbe Art und Weise wie vorstehend beschrieben bedruckt war,währendals die an dem obersten Ende angeordnete ungebrannte Keramikplatteeine solche verwendet wurde, die nicht mit einem Elektrodenpastenmaterialbedruckt war. Derselben Prozedur wurde gefolgt, um insgesamt zwanzigStapel 45 herzustellen.
[0272] Fernerwurden zwanzig der Stapel 45, die durch die vorstehendeProzedur erhalten wurden, an Pressbond-Spannvorrichtungen befestigtund bei 110°Cfür dieDauer von 1 Minute bei 16 MPa heißpressgebondet. Die heißpressgebondetenStapel wurden durch einen Plattenschneider in Größen von 86 mm vertikal und86 mm horizontal geschnitten, und dann bei einer normalen Temperaturdurch eine Presskraft von 7,8 MPa in der Stapelrichtung gepresst,um diese abzuflachen.
[0273] AlsNächsteswurden die Stapel 45 in einem nach dem Luftzirkulationsprinziparbeitenden Entfettungsofen plaziert und bei einer Temperatur von550°C für die Dauervon 10 Stunden zum Entfetten erwärmt.
[0274] AlsNächsteswurde das Elektrodenpastenmaterial 453, das auf die dieStapel 45 bildenden ungebrannten Keramikplatten 451 beschichtetwurde, reduziert. Durch die Reduktion des Elektrodenpastenmaterials 453 wurdedas in dem Elektrodenpastenmaterial 453 enthaltene CuOzu Cu reduziert. Im Einzelnen wurden die Stapel 45 in einerreduzierenden Atmosphäreerwärmt.
[0275] Indiesem Beispiel enthältdie ungebrannte Keramikplatte 451 Blei, während dasElektrodenpastenmaterial 453 Cu enthält, so daß als die Heiztemperatur knappunter oder nahe dem eutektischen Punkt von Blei und Kupfer, dasheißt326°C, alsHeiztemperatur gewähltwurde. Im Einzelnen betrug diese 320°C ± 5°C. Es wird angemerkt, daß ± 5°C das Fluktuationsausmaß der tatsächlich gemessenenWerte ist.
[0276] Augrunddieser Erwärmungwurde das auf die ungebrannten Keramikplatten 451 beschichteteElektrodenpastenmaterial reduziert, und wurden die inneren Elektrodenschichtenerzeugt.
[0277] Alsnächsteswurden die Stapel 45 gebrannt, um die mehrschichtige piezoelektrischeElementeinheit 35 herzustellen, die in 11 gezeigt ist.
[0278] DieBrenntemperatur zur Zeit des Brennens wurde zu 950°C gewählt. Fernerwurde die Atmosphäre eingestellt,um sie auf eine Atmosphäreeinzustellen, in der das Cu der inneren Elektrodenschichten nicht übermäßig oxydiertwurde, und das Oxyd der Elemente nicht übermäßig reduziert wurde. Im Einzelnenwurde sie so eingestellt, das der Sauerstoffteildruck bei der Brenntemperaturvon 950°Czu 10^–3 hPa(10^–6 atm)wurde.
[0279] Dieungebrannten Keramikplatten in den Stapeln wurden während derBrennzeit gesintert, um die piezoelektrischen Keramikschichten 151 zuerzeugen.
[0280] Aufdiese Art und Weise wurden, wie in 11 gezeigtist, zwanzig mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheiten 35,die aus piezoelektrischen Keramikschichten 351 und innerenElektrodenschichten 353, die abwechselnd gestapelt waren,bestanden, erhalten. In den mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 35,wie aus den Dicken der ungebrannten Keramikplatten vor dem Brennenerwartete wurde, betrug die Dicke der piezoelektrischen Keramikschicht 351 etwa90 μm, undbetrug die Dicke der inneren Elektrodenschicht 353 etwa7 μm. D.h., es bestand eine Dicke von etwa 97 μm (etwa 100 μm) pro Schicht. Ferner hatten diepiezoelektrischen Keramikschichten 355 an dem äußerstenSeiten der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 35 Dickendes etwa 2,2-fachen der innen liegenden piezoelektrischen Keramikschichten 351.Jede mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheit 35 bestandaus insgesamt zwanzig piezoelektrischen Keramikschichten 351 und 355,die zusammengestapelt waren.
[0281] AlsNächsteswurde Ag auf die Seitenoberflächender zwanzig mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 35 beiei ner Temperatur von 550°Cbis 600°Caufgebacken, und wurde die elektrostatische Kapazität gemessen,um zu überprüfen, obsich irgendwelche abnormalen Werte zeigen. Ferner ist es zu dieser Zeitin manchen Fällenauch möglich,die Impedanz des Resonanzpunkts der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten 35 zu messen.
[0282] AlsNächsteswurden, wie in den 11 und 12 gezeigt ist, zwanzig mehrschichtigepiezoelektrische Elementeinheiten 35 an den Bondoberflächen 357 unterVerwendung der Oberflächenan den äußerstenSeiten in der Stapelrichtung als Bondoberflächen 357 überlagert,um gebondete Teile 37 auszuformen. Zu dieser Zeit wurden,wie in 12 gezeigt ist,die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 35 so überlagert,daß zweianeinandergrenzende innere Elektrodenschichten 353, diejeden gebondeten Teil 37 zwischen sich einschließen, unterschiedlichenSeitenoberflächengegenüberlagen. Auf diese Art und Weise wurden insgesamt zwanzig mehrschichtigepiezoelektrische Elementeinheiten 35 an ihren Bondoberflächen 357 überlagert,um ein gebondetes mehrschichtiges piezoelektrisches Einheitselement 3 wiein 9 gezeigt herzustellen.Danach wurden aus Cu bestehende Seitenelektroden 39 mittelsharzhaltigem Silber angebracht, um die Seitenoberflächen desgebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselements 3 zwischenzulegen, undbei einer Temperatur von 150°Cbis 170°Cerwärmt,um die Seitenelektroden 39 an dem gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselement 3 zu befestigen.
[0283] AlsNächsteswurden Leitungsdrähtean den Seitenelektroden 39 angebracht, und wurde in demZustand ein elastisches Rohr überden Stapel gelegt, wobei die Leitungsdrähte aus dem oberen Ende desgebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselements 3 herausgeführt wurden,um die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 35 zubefestigen. Das somit erhaltene gebondete mehrschichtige piezoelektrischeEinheitselement 3 wurde als Probe E5 bezeichnet. Es wirdangemerkt, daß ausGründender Zweckmäßigkeitder Darstellung die 9 dieLeitungsverdrahtungen und das elastische Rohr nicht zeigt.
[0284] Wiein 12 gezeigt ist, sindin dem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselement derProbe E5 die aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten 353,die einen gebondeten Teil 35 zwischen sich einschließen, elektrischmit unterschiedlichen Seitenelektroden 39 verbunden. Ferner überschreitet dieSumme der Dicken der beiden aneinander grenzenden piezoelektrischenKeramikschichten 355, die einen gebondeten Teil 37 zwischensich einschließen,und der Dicke des gebondeten Teils 37 das Zweifache einer piezoelektrischenKeramikschicht 351 im Inneren der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheit 35.
[0285] AlsNächsteswurde der Probe E5 eine Spannung von etwa 150 V gegeben, in demeiner Seitenelektrode aus den beiden Seitenelektroden 39 desgebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselements 3 derProbe E5 ein Potential von 150 V gegeben und die andere Seitenelektrodeauf Masse gelegt wurde.
[0286] AlsNächsteswurde die Potentialdifferenz zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten 353 der Probe E5 gemessen.Die Potentialdifferenz zwischen den inneren Elektrodenschichtenwurde fürbeliebige zehn Stellen gemessen, die sich von der Potentialdifferenzzwischen den beiden inneren Elektrodenschichten, die den gebondetenTeil zwischen sich einschließen,unterschieden. Als die mittlere Potentialdifferenz aus allen gemessenenPotentialdifferenzen festgestellt wurde, betrug die mittlere Potentialdifferenz 151V.
[0287] Fernerbetrug bei der Probe E5 bei der Messung der Dicke der piezoelektrischenKeramikschichten 351 an beliebigen zehn Stellen und demFeststellen des Mittelwerts die mittlere Dicke 90 μm. Es wirdangemerkt, daß dann,wenn die Dicken der piezoelektrischen Keramikschichten an einerbeliebigen Stelle gemessen wurden, die Dicken der piezoelektrischenKeramikschichten 351 innerhalb der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten 35 mit Ausnahme der Dicken der beidenaneinandergrenzenden piezoelektrischen Keramikschichten 355,die einen gebondeten Teil 37 zwischen sich einschließen, gemessenwurden.
[0288] Diemittlere elektrische FeldstärkeE1 zwischen inneren Elektrodenschichten wurde wie folgt aus der vorstehendberechneten mittleren Potentialdifferenz und der mittleren Dickeder piezoelektrischen Keramikschichten ermittelt.
[0289] ImAllgemeinen wird die elektrische Feldstärke Idealerweise durch Messender Dicke der piezoelektrischen Keramikschichten und der Potentialdifferenzzwischen inneren Elektrodenschichten an derselben Position ermittelt,da aber die Größe von einemAusmaß ist,das eine Beobachtung unter einem Mikroskop erfordert, wird sie durchTeilen der mittleren Potentialdifferenz, die vorstehend berechnetwurde, durch die mittlere Dicke der piezoelektrischen Keramikschichtenberechnet. Als Ergebnis betrug die mittlere elektrische Feldstärke E1 1,68V/μm.
[0290] Fernerbetrug dann, wenn die Potentialdifferenz zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten 353, die einen gebondeten Teil 37 zwischensich einschließen,in der Probe E5 gemessen wurde, diese 152 V. Die Dicke der beidenaneinandergrenzenden piezoelektrischen Keramikschichten 355,die einen gebondeten Teil 37 zwischen sich einschließen, einschließlich derDicke des gebondeten Teils, betrug 381 μm. Daher betrug die elektrischeFeldstärkezwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten 353,die einen gebondeten Teil 37 zwischen sich einschließen, 0,40V/μm.
[0291] Demgemäß wurdein der Probe E5 die elektrische Feldstärke E zwischen zwei aneinandergrenzenden innerenElektrodenschichten 353, die einen gebondeten Teil 37 zwischensich einschließen,zu etwa einem Viertel der mittleren elektrische Feldstärke zwischeninneren Elektrodenschichten 353 im Inneren der mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheiten 35.
[0292] Fernerist die Dicke zweier aneinandergrenzender piezoelektrischer Keramikschichten 355,die einen gebondeten Teil 37 zwischen sich einschließen, inder Probe E5 (oder die Dicke eines Teils, der durch zwei innereElektrodenschichten, die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, eingeschlossenwird), wie vorstehend erklärt,381 μm oderkleiner als die 330 (μm) × 90 (μm)/150 (μm) × 2 (Schichten)= 396 (μm),die aus dem Verhältnisvon Dicken der ungebrannten Keramikplatten in der Stufe vor demBrennen (oder 396 μm +Dicke des gebondeten Teils) erwartet wurden. Die Ursache hierfür ist darinzu sehen, daß diebeiden piezoelektrischen Keramikschichten 355, die an einengebondeten Teil 37 angrenzen, zur Zeit des Brennens ander Oberflächeder mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15 liegen,und dadurch schneller reagieren und in der Dicke kleiner werden.Es gibt jedoch kein Problem bei dem Vergleich der Dicken.
[0293] Fernerwurde in diesem Beispiel auf dieselbe Art und Weise wie bei denProben E1 bis E3 des Beispiels 1, wie in 13 gezeigt ist, ein gebondetes mehrschichtigespiezoelektrisches Einheitselement 1 bestehend aus überlagertenmehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15 sohergestellt, daß zweianeinandergrenzende innere Elektrodenschichten 153, diejeden gebondeten Teil 17 zwischen sich einschließen, elektrischmit derselben Seitenelektrode 19 verbunden sind. Dies wurdeals Probe E6 bezeichnet. Daher wurde bei der Probe E6 nahezu keineSpannung an den gebondeten Teil angelegt, und wurde die elektrischeFeldstärkeE an dem gebondeten Teil nahezu Null.
[0294] Fernerwar, wie dargestellt ist, bei dem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischenEinheitselement 1 der Probe E6 die Dicke jeweils zweieraneinandergrenzender piezoelektrischer Keramikschichten 151, dieeinen gebondeten Teil 17 zwischen sich einschließen, dieselbewie die Dicke einer piezoelektrischen Keramikschicht 151 imInneren der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15.
[0295] Fernerbestand die Probe E6 auf dieselbe Art und Weise wie die Probe E5aus zwanzig mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15,die aus zwanzig zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten 151 bestanden.Der Rest der Konfiguration ist ähnlichzu der der Probe E5.
[0296] Fernerwurde in diesem Beispiel zum Vergleich mit der Probe E5 und derProbe E6, wie in 14 gezeigtist, eine mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheit 7,die durch Stapel von mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 75 mit Dickender piezoelektrischen Keramikschichten 755 an den äußersten Seitender mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 75 kleinerals denen der inneren piezoelektrischen Keramikschichten 751 hergestellt.Diese wurde als Probe C5 bezeichnet.
[0297] Dasheißt,daß beider Probe C5, wie in 14 gezeigtist, die Dicke der piezoelektrischen Keramikschichten 755 anden äußerstenSeiten der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 75 83 μm betrug,und die Dicke der inneren piezoelektrischen Keramikschichten 75190 μm betrug,so daß dieSumme der Dicken zweier aneinandergrenzender piezoelektrischer Keramikschichten,die einen gebondeten Teil 77 (etwa 7 μm) zwischen sich einschließen, unddes gebondeten Teils 77 etwa 173 μm betrugen oder kleiner alsdas Zweifache der Dicke einer piezoelektrischen Keramikschicht 751 imInneren der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheit 75 (180 μm) waren.
[0298] Fernersind in der Probe C5 zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten 753,die einen gebondeten Teil 77 zwischen sich einschließen, elektrischmit unterschiedlichen Seitenelektroden verbunden.
[0299] Daherwird bei der Probe C5 die elektrische Feldstärke zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil 77 zwischensich einschließen,größer alsdie Hälfteder mittleren elektrische FeldstärkeE1 zwischen inneren Elektrodenschichten 753 der mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheiten 75.
[0300] AlsNächsteswurden die Probe E5, die Probe E6 und die Probe C5 hinsichtlichder Ansteuerungsdauerhaftigkeit getestet, um die Haltbarkeit zuuntersuchen.
[0301] ImEinzelnen wurde zunächstjede der Proben E5, E6 und C5 mit einem Quadratwellenstrom mit einemniedrigen Stromwert von 0 A, einem hohen Stromwert von 13 A, einerFrequenz von 60 kHz, und einem Tastverhältnis von 50% beaufschlagt,um diese für150 μs zuladen, um den Spannungswert auf 150 V anzuheben. Der geladene Zustandwurde für2 ms gehalten, und dann wurde jede Probe durch einen Quadratwellenstrommit einem niedrigen Stromwert von –13 A, einem hohen Stromwertvon 0 A, einer Frequenz von 50 kHz und einem Tastverhältnis von50% entladen, um den Spannungswert auf 0 V anzuheben. Ein Ansteuerungsdauerhaftigkeitstestwurde durchgeführt,in dem ein solcher Lade-/Entlade-Strom auf jede Probe in einem Zyklusvon 20 Hz gegeben wurde. Es wird angemerkt, das ein Strom zur Zeitder Entladung, zu der der Stromwert als Minus gezeigt ist, einenLauf in der zu der Zeit des Ladens entgegengesetzten Richtung bedeutet.
[0302] Indem vorstehenden Ansteuerungsdauerhaftigkeitstest wurde die Resonanzkennliniegemessen und die Änderungenwie in 15 gezeigt für jede Wiederholungvon 0,5 × 10⁸ Zyklen (die Anzahl wurde aus der Dauerhaftigkeitsansteuerungszeitund der Frequenz von 20 Hz umgewandelt) des Ladens/Entladens beobachtet.
[0303] In 15 zeigt die Abszisse dieFrequenz, und zeigt die Ordinate die Impedanz. Hier bedeutet dieResonanzkennlinie die Kennlinie, die durch Messen der Impedanz für jeweilsein kHz erhalten und durch Auftragen der Frequenzabhängigkeitder Impedanz anhand der gemessenen Werte in dem Bereich von 1 kHzbis 100 kHz dargestellt wurde. In dieser Messung wurden nahe demResonanzpunkt, an dem die Impedanz ihren minimalen Wert zeigt (PfeilA in der Figur), und nahe dem Gegenresonanzpunkt, an dem sie ihrenmaximalen Wert zeigt (Pfeil B in der Figur), die Messungen in kleinerenFrequenzintervallen von 0,1 kHz durchgeführt, und wurden die Ergebnissein dem Diagramm aufgetragen.
[0304] Fernersind in 15 und den später erklärten 16 bis 19 die Frequenzbereiche mit kleinem Einfluß auf dieResonanz und die Gegenresonanz weggelassen.
[0305] 15 zeigt die Resonanzkennlinie(Anfangskennlinie) zu der Zeit des Beginns des Ladens und des Entladensder Probe E5. Es wird angemerkt, daß, obwohl dies in der Figurnicht gezeigt ist, die Probe E6 und die Probe C5 auch Anfangskennlinien ähnlich zuder in 15 gezeigtenProbe E5 zeigten.
[0306] AlsErgebnis des vorstehenden Ansteuerungsdauerhaftigkeitstests erschienenbei der Probe C5, nachdem diese für 1,5 × 10⁸ Zyklenangesteuert wurde, kein einer piezoelektrischen Charakteristik inhärenter Resonanzpunktund Gegenresonanzpunkt mehr. Daher wurde das elastische Rohr vonder Probe C5 entfernt und wurden die mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten der Probe C5 visuell beobachtet, woraufhin Unterbrechungenan verschiedenen Stellen der Seitenelektroden aufgetreten waren.
[0307] AlsNächsteswurden die Seitenelektroden der Probe C5 entfernt und wurden neueSeitenelektroden angebracht. Das Verfahren des Anbringens der Seitenelektrodenzu dieser Zeit war ein Verfahren ähnlich zu dem, mit dem dieSeitenelektroden vor der Entfernung angebracht wurden.
[0308] Danachwurde dann, als die Resonanzkennlinie der Probe C5 erneut gemessenwurde, wie in 17 gezeigtist, zumindest der Gegenresonanzpunkt (Pfeil C in der Figur) reproduziert.Was den Resonanzpunkt anbelangt, d. h. die Frequenz, bei der dieImpedanz ihren minimalen Wert zeigt, wie durch den Pfeil D in 17 gezeigt ist, ist dieserschwer zu identifizieren, da sich die Impedanz fein ändert, aberdie Impedanz nimmt ab, dann wird der Gegenresonanzpunkt erreicht,so daß davonausgegangen wird, daß eseinen Resonanzpunkt gibt.
[0309] Wievorstehend erklärtwurde, wurde bei der Probe C5 die Resonanzkennlinie durch Ersetzender Seitenelektroden reproduziert. Daher wird davon ausgegangen,daß, wiein 16 gezeigt ist, derGrund fürdas Verschwinden der Resonanzkennlinie nach Ansteuern derselbenfür 1,5 × 10⁸ Zyklen die Fluktuation an den gebondetenTeilen der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten indem gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselementist, die eine größere Lastauf die Seitenelektroden gibt.
[0310] Andererseits änderte sichdann, wenn eine ähnlicheAnsteuerungsdauerhaftigkeit auch bei der Probe E5 durchgeführt wurde,wie in 18 gezeigt ist,die Resonanzkennlinie nach Ansteuern für 8,5 × 10⁸ Zyklen. 18 zeigt zusammen die Resonanzkennlinievor dem Ansteuern der Probe E5 für8,5 × 10⁸ Zyklen (gemessener Wert nach dem Ansteuernfür 8,0 × 10⁸ Zyklen) und die Resonanzkennlinie nachdem Ansteuern für8,5 × 10⁸ Zyklen.
[0311] Wieaus 18 zu entnehmenist, wurde bei der Probe E5 eine Resonanzkennlinie auch nach dem Ansteuernderselben für8,5 × 10⁸ Zyklen erhalten. Jedoch wurde nach demAnsteuern für8,5 × 10⁸ Zyklen die Impedanzen nicht konstant gemessen.In den Daten nach dem Ansteuern für 8,5 × 10⁸ Zyklenvon 18 wurden die unmittelbargelesenen Werte in dem Zustand mit relativ großen Fluktuationen zur Zeitder Messung aufgetragen. Daher war die Glaubwürdigkeit der Resonanzkennliniegering.
[0312] Fernerverschieben sich, wie der Figur entnehmbar ist, der minimale Wert(Pfeil E' in derFigur) und der maximale Wert (Pfeil F' in der Figur) der Impedanz nach demAnsteuern der Probe E5 für8,5 × 10⁸ Zyklen verglichen mit dem minimalen Wert(Pfeil E in der Figur) und dem maximalen Wert (Pfeil F in der Figur)der Impedanz vor dem Ansteuern derselben für 8,5 × 10⁸ Zyklenauf die Seite der niedrigen Frequenz. D. h., daß sich nach dem Ansteuern derselbenfür 8,5 × 10⁸ Zyklen der Resonanzpunkt und der Gegenresonanzpunktauf die Seite niedriger Frequenz verschieben. Hieraus ergibt sich,daß beider Probe E5 eine Änderungin dem resonierenden bzw. mitschwingenden Medium nach dem Ansteuernfür 8,5 × 10⁸ Zyklen eine Änderung auftrat. Ferner istdann, wenn 18 und 15 verglichen werden, ersichtlich,daß derResonanzpunkt und der Gegenresonanzpunkt nach der Ansteuerung für 8,5 × 10⁸ Zyklen stark auf die Seite niedriger Frequenzverschoben wurden, auch wenn mit dem Resonanzpunkt und dem Gegenresonanzpunktzur Zeit des Beginns des Ladens und Entladens verglichen wird.
[0313] AlsNächstestrat dann, wenn die Seitenelektroden der Probe E5 nach dem Ansteuernfür 8,5 × 10⁸ Ansteuerungszyklen mittels einem Mikroskopauf dieselbe Art und Weise wie die Probe C5 beobachtet wurden, eineteilweise Unterbrechung in den Seitenelektroden auf. Infolgedessenwurden die Seitenelektroden auf dieselbe Art und Weise wie bei derProbe C5 durch neue Seitenelektroden ersetzt. Infolgedessen zeigtedie Probe E5 einen Resonanzpunkt nahe der Frequenz von 22 bis 24kHz, auf diesel be Art und Weise wie zur Zeit des Beginns des Ladensund Entladens (Anfangskennlinie), und zeigte einen Gegenresonanzpunktnahe einer Frequenz von 26 bis 27 kHz.
[0314] D.h., daß sichdurch Ersetzen der Seitenelektroden die Resonanzkennlinie auf dasselbeNiveau wie die Anfangskennlinie zur Zeit des Beginns des Ladens/Entladenserholte (vgl. 15).
[0315] Fernerverschwand bei der Probe E6 als Ergebnis des vorstehenden Ansteuerungsdauerhaftigkeitstestsdie Resonanzkennlinie wie in 19 gezeigtnach 10,5 × 10⁸ Ansteuerzyklen. Nachdem die Resonanzkennlinieverschwand, litten dann, als die Seitenelektroden der Probe E6 visuellbeobachtet wurde, diese auf dieselbe Art und Weise wie die ProbeC5 an einer Unterbrechung der Seitenelektroden. Ferner erschienbei der Probe E6 dann, wenn die Seitenelektroden ersetzt wurden,die Resonanzkennlinie auf dieselbe Art und Weise wie bei der ProbeC5 wieder.
[0316] Eswird angemerkt, daß sichdie Probe E5, die Probe E6 und die Probe C5 in dem Zustand, in demdie Seitenelektroden ersetzt waren, verglichen mit den Anfangseigenschaftenvor dem Ersetzen der Seitenelektroden hinsichtlich der Verschiebungnicht verschlechterten.
[0317] Aufdiese Art und Weise litt in dem Ansteuerungsdauerhaftigkeitstestder gebondeten mehrschichtigen piezoelektrischen Einheitselemente(Probe E5, Probe E6 und Probe C5) die Probe C5, bei der eine relativgroßeLast (elektrische Feldstärke)auf den gebondeten Teilen lag, durch die relativ kleinen Ansteuerzyklenvon 1,5 × 10⁸ an einer Unterbrechung der Seitenelektrodenund an einer Beschädigungder einem piezoelektrischen Element inhärenten Resonanzkennlinie.
[0318] ImGegensatz hierzu waren die Probe E5 und die Probe E6 in der Lage,ihre Resonanzeigenschaften bzw. -kennlinien bis zu den relativ hohenAnsteuerzyklen von 8,5 × 10⁸ und 10,5 × 10⁸ beizubehalten.
[0319] D.h., es ist ersichtlich, daß dieProbe E5 und die Probe E6 verglichen mit der Probe C5 eine überlegeneDauerhaftigkeit bzw. Haltbarkeit haben.
[0320] Somitwurde vorstehend ein gebondetes mehrschichtiges piezoelektrischesEinheitselement 1, das aus zumindest zwei überlagertenmehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15 besteht,von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten 151 undinneren Elektrodenschichten 153 besteht, die abwechselndgestapelt sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben vorgeschlagen.Jede innere bzw, innere Elektrodenschicht 153 besteht hauptsächlich auseinem leitenden Basismetallmaterial mit einer Standard-Gibbs-Energiebzw. freien Enthalpie der bzw. zur Erzeugung eines Metalloxids beieiner Brenntemperatur größer alsder eines die piezoelektrische Keramikschicht 151 bildendenKeramikmaterials. Eine Potentialdifferenz V zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten 153, die einen gebondeten Teil 17 zwischensich einschließen,an dem die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten 15 gebondet sind,hat eine Beziehung von V < (1/2)V1,wenn eine mittlere Potentialdifferenz zwischen aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten 153 der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten 15 V1 ist.

权利要求:
Claims (28)
[1] Gebondetes mehrschichtiges piezoelektrischesEinheitselement, bestehend aus zumindest zwei überlagerten mehrschichtigenpiezoelektrischen Elementeinheiten, von denen jede aus piezoelektrischenKeramikschichten und inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselndgestapelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedeinnere Elektrodenschicht hauptsächlichaus einem leitenden Basismetallmaterial mit einer Standard-Gibbs-Energieder Erzeugung eines Metalloxids bei einer Brenntemperatur größer alsder eines die piezoelektrischen Keramikschichten bildenden Keramikmaterialsbesteht, und eine Potentialdifferenz V zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischensich einschließen,an dem die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten gebondetsind, eine Beziehung von V < (1/2)V1hat, wenn eine mittlere Potentialdifferenz zwischen aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheit V1 ist.
[2] Gebondetes mehrschichtiges piezoelektrisches Einheitselementnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mittlere PotentialdifferenzV1 zwischen aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten und eine PotentialdifferenzV zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten,die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, ferner eine Beziehungvon V ≤ (1/3)V1haben.
[3] Gebondetes mehrschichtiges piezoelektrisches Einheitselement,bestehend aus zumindest zwei überlagertenmehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten, von denen jedeaus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichtenbesteht, die abwechselnd gestapelt sind, dadurch gekennzeichnet,daß jedeinnere Elektrodenschicht hauptsächlichaus einem leitenden Basismetallmaterial mit einer Standard-Gibbs-Energieder Erzeugung eines Metalloxids bei einer Brenntemperatur größer alsder eines die piezoelektrischen Keramikschichten bildenden Keramikmaterialsbesteht, und eine elektrische Feldstärke E zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischensich einschließen,an dem die mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten gebondetsind, eine Beziehung von E < (1/2)E1hat, wenn eine mittlere elektrische Feldstärke zwischen aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheit E1 ist.
[4] Gebondetes mehrschichtiges piezoelektrisches Einheitselementnach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine mittlere elektrischeFeldstärkeE1 zwischen aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten und eine elektrischeFeldstärkeE zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten,die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, ferner eine Beziehungvon E ≤ (1/3)E1haben.
[5] Gebondetes mehrschichtiges piezoelektrisches Einheitselementnach einem der Ansprüche1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gebondete mehrschichtigeEinheitselement eine oder mehrere Seitenelektroden, die Seitenoberflächen desgebondeten mehrschichtigen Einheitselements zwischen sich einschließen, an denSeitenoberflächenaufweist, und daß zweianeinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die den gebondetenTeil zwischen sich einschließen,elektrisch mit Seitenelektroden des etwa gleichen Potentials verbundensind.
[6] Gebondetes mehrschichtiges piezoelektrisches Einheitselementnach einem der Ansprüche1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Summe von Dicken zweieraneinandergrenzender piezoelektrischer Keramikschichten, die dengebondeten Teil zwischen sich einschließen, und des gebondeten Teilsdas Zweifache der Dicke einer piezoelektrischen Keramikschicht imInneren der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten überschreitet.
[7] Gebondetes mehrschichtiges piezoelektrisches Einheitselementnach einem der Ansprüche1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten an dem gebondeten Teil mittels einem Harzmaterialgebondet sind.
[8] Gebondetes mehrschichtiges piezoelektrisches Einheitselementnach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Harzmaterial ein Keramikmaterialund/oder ein Metallmaterial enthält.
[9] Gebondetes mehrschichtiges piezoelektrisches Einheitselementnach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das HarzmaterialLeitfähigkeitzumindest an einem Teil desselben aufweist und aneinandergrenzendepiezoelektrische Keramikschichten, die den gebondeten Teil zwischensich einschließen,elektrisch verbunden sind.
[10] Gebondetes mehrschichtiges piezoelektrisches Einheitselementnach einem der Ansprüche1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrschichtigen piezoelektrischenEinheiten in direktem Kontakt an dem gebondeten Teil gebondet sind.
[11] Gebondetes mehrschichtiges piezoelektrisches Einheitselementnach einem der Ansprüche1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial ein PZT-basiertesMaterial enthält.
[12] Gebondetes mehrschichtiges piezoelektrisches Einheitselementnach einem der Ansprüche1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende BasismetallmaterialKupfer (Cu) ist.
[13] Verfahren zur Herstellung eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements, das aus zumindest zwei überlagertenmehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, vondenen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichtenbesteht, die abwechselnd gestapelt sind, gekennzeichnet durch: einenElektrodendruckschritt zum Beschichten eines Elektrodenpastenmaterialsauf zumindest eine Oberflächeeiner ungebrannten Keramikplatte, die aus einem zu einer Platteausgeformten Keramikmaterial besteht, einen Pressbondschrittzum Stapeln und Pressbonden von mit dem Elektrodenpastenmaterialbeschichteten ungebrannten Keramikplatten, um einen Stapel herzustellen, einenEntfettungsschritt zum Entfetten des Stapels, einen Brennschrittzum Brennen des Stapels in einer reduzierenden Atmosphäre, um einemehrschichtige piezoelektrische Elementeinheit herzustellen, und einen Überlagerungsschrittzum Überlagernzumindest zweier mehrschichtiger piezoelektrischer Elementeinheitenan ihren Bondoberflächenunter Verwendung der äußerstenSeiten der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten inder Stapelrichtung als Bondoberflächen, wobei das Elektrodenpastenmaterialaus einem leitenden Basismetallmaterial und/oder dessen Oxid besteht, miteiner Standard-Gibbs-Energie der Erzeugung eines Metalloxids beieiner Brenntemperatur größer alsder eines die piezoelektrische Keramikschicht bildenden Keramikmaterials,und eine Potentialdifferenz V zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischensich einschließen,eine Beziehung von V < (1/2)V1hat, wenn eine mittlere Potentialdifferenz zwischen aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten V1 ist.
[14] Verfahren zur Herstellung eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,daß einemittlere Potentialdifferenz V1 zwischen aneinandergrenzenden innerenElektrodenschichten der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheitenund eine Potentialdifferenz V zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten; die den gebondeten Teil zwischen sicheinschließen,ferner eine Beziehung von V ≤ (1/3)V1haben.
[15] Verfahren zur Herstellung eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements, das aus zumindest zwei überlagertenmehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, vondenen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichtenbesteht, die abwechselnd gestapelt sind, gekennzeichnet durch: einenElektrodendruckschritt zum Beschichten eines Elektrodenpastenmaterialsauf zumindest eine Oberflächeeiner ungebrannten Keramikplatte, die aus einem zu einer Platteausgeformten Keramikmaterial besteht, einen Pressbondschrittzum Stapeln und Pressbonden von mit dem Elektrodenpastenmaterialbeschichteten ungebrannten Keramikplatten, um einen Stapel herzustellen, einenEntfettungsschritt zum Entfetten des Stapels, einen Brennschrittzum Brennen des Stapels in einer reduzierenden Atmosphäre, um einemehrschichtige piezoelektrische Elementeinheit herzustellen, und einen Überlagerungsschrittzum Überlagernzumindest zweier mehrschichtiger piezoelektrischer Elementeinheitenan ihren Bondoberflächenunter Verwendung der äußerstenSeiten der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten inder Stapelrichtung als Bondoberflächen, wobei das Elektrodenpastenmaterialaus einem leitenden Basismetallmaterial und/oder dessen Oxid besteht, miteiner Standard-Gibbs-Energie der Erzeugung eines Metalloxids beieiner Brenntemperatur größer alsder eines die piezoelektrische Keramikschicht bildenden Keramikmaterials,und eine elektrische FeldstärkeE zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten,die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, eineBeziehung von E < (1/2)E1hat, wenn eine mittlere elektrische Feldstärke zwischen aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten der mehrschichtigen piezoelektrischenElementeinheiten E1 ist.
[16] Verfahren zur Herstellung eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,daß einemittlere elektrische FeldstärkeE1 zwischen aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten dermehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten und eine elektrischeFeldstärkeE zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten,die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, ferner eine Beziehungvon E ≤ (1/3)E1haben.
[17] Verfahren zur Herstellung eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements nach einem der Ansprüche 13 bis16, dadurch gekennzeichnet, daß diegebondeten mehrschichtigen Elementeinheiten nach dem Brennschrittoder das gebondete mehrschichtige piezoelektrische Einheitselement nachdem Überlagerungsschrittan den Seitenoberflächenmit einer oder mehreren Seitenelektroden versehen sind, die diemehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten oder das gebondetemehrschichtige piezoelektrische Einheitselement zwischen sich einschließen.
[18] Verfahren zur Herstellung eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,daß indem Überlagerungsschrittzwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondetenTeil zwischen sich einschließen,der mehrschichtigen Piezoelektrischen Elementeinheiten so überlagertwerden, daß sieelektrisch mit Seitenelektroden des etwa gleichen Potentials verbundensind.
[19] Verfahren zur Herstellung eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements nach einem der Ansprüche 13 bis18, dadurch gekennzeichnet, daß eineSumme von Dicken zweier aneinandergrenzender piezoelektrischer Keramikschichten,die den gebondeten Teil zwischen sich einschließen, und des gebondeten Teilsdas Zweifache der Dicke einer piezoelektrischen Keramikschicht imInneren der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten überschreitet.
[20] Verfahren zur Herstellung eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements nach einem der Ansprüche 13 bis19, dadurch gekennzeichnet, daß indem Überlagerungsschrittdie mehrschichtigen piezoelektrischen Einheiten mittels einem Harzmaterialgebondet werden.
[21] Verfahren zur Herstellung eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,daß dasHarzmaterial ein Keramikmaterial und/oder ein Metallmaterial enthält.
[22] Verfahren zur Herstellung eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements nach Anspruch 20 oder 21, dadurchgekennzeichnet, daß dasHarzmaterial Leitfähigkeitzumindest an einem Teil desselben aufweist und aneinandergrenzendepiezoelektrische Keramikschichten, die den gebondeten Teil zwischensich einschließen,elektrisch verbunden sind.
[23] Verfahren zur Herstellung eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements nach einem der Ansprüche 13 bis19, dadurch gekennzeichnet, daß indem Überlagerungsschrittdie mehrschichtigen piezoelektrischen Einheiten in direktem Kontaktgebondet werden.
[24] Verfahren zur Herstellung eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements nach einem der Ansprüche 13 bis23, dadurch gekennzeichnet, daß diepiezoelektrische Keramikschicht ein PZT-basiertes Material enthält.
[25] Verfahren zur Herstellung eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements nach einem der Ansprüche 13 bis24, dadurch gekennzeichnet, daß dasleitende Basismetallmaterial Kupfer (Cu) ist.
[26] Verfahren zur Herstellung eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements nach einem der Ansprüche 13 bis25, dadurch gekennzeichnet, daß diemehrschichtige piezoelektrische Elementeinheit eine n-Rotationssymmetrie(worin n eine natürlicheZahl von 3 oder größer ist)aufweist und zumindest eine bis nicht mehr als n – 1 Eckenaus der Anzahl von n Ecken der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheitso abgeschrägtwerden, daß siegegenüberden anderen verbleibenden Ecken unterschiedliche Formen erhalten.
[27] Verfahren zur Herstellung eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements, das aus zumindest zwei überlagertenmehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, vondenen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichtenbesteht, die abwechselnd gestapelt sind, gekennzeichnet durch: einenElektrodendruckschritt zum Beschichten eines Elektrodenpastenmaterialsauf zumindest eine Oberflächeeiner ungebrannten Keramikplatte, die aus einem zu einer Platteausgeformten Keramikmaterial besteht, einen Pressbondschrittzum Stapeln und Pressbonden von mit dem Elektrodenpastenmaterialbeschichteten ungebrannten Keramikplatten, um einen Stapel herzustellen, einenEntfettungsschritt zum Entfetten des Stapels, einen Brennschrittzum Brennen des Stapels in einer reduzierenden Atmosphäre, um einemehrschichtige piezoelektrische Elementeinheit herzustellen, und einen Überlagerungsschrittzum Überlagernzumindest zweier mehrschichtiger piezoelektrischer Elementeinheitenan ihren Bondoberflächenunter Verwendung der äußerstenSeiten der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten inder Stapelrichtung als Bondoberflächen, wobei das Elektrodenpastenmaterialaus einem leitenden Basismetallmaterial und/oder dessen Oxid besteht, miteiner Standard-Gibbs-Energie der Erzeugung eines Metalloxids beiei ner Brenntemperatur größer alsder eines die piezoelektrische Keramikschicht bildenden Keramikmaterials,und die mehrschichtige piezoelektrische Elementeinheit einen-Rotationssymmetrieaufweist (worin n eine natürlicheZahl von 3 oder größer ist)und zumindest eine bis nicht mehr als n – 1 Ecken aus der Anzahl vonn Ecken der mehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheit soabgeschrägtwerden, daß siegegenüberden anderen verbleibenden Ecken unterschiedliche Formen erhalten.
[28] Verfahren zur Herstellung eines gebondeten mehrschichtigenpiezoelektrischen Einheitselements nach Anspruch 26 oder 27, gekennzeichnetdurch ein Standardisieren der Anzahl von Ecken, die abgeschrägt werden,und der Formen der Abschrägungenin den überlagertenmehrschichtigen piezoelektrischen Elementeinheiten als Ganzes.

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公开号 | 公开日

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引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
2004-10-14| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|

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2007-04-05| 8131| Rejection|

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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