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    DieAnmeldung befasst sich mit einem piezoelektrischen Schichtelement(10), in dem über eineVerbindungsmaterialschicht (19) eine Vielzahl von Schichtkörpereinheiten(11) übereinandergeschichtet ist, in denen abwechselnd Keramikschichten und Elektrodenanordnungsschichtenmit einem eine Innenelektrode bildenden Elektrodenabschnitt übereinandergeschichtet sind. Beide Endabschnitte des piezoelektrischen Schichtelements(10) in Aufschichtungsrichtung bestehen aus den Schichtkörpereinheiten(11). In diesem piezoelektrischen Schichtelement (10) sind die DickeL2 der Verbindungsmaterialschicht (19) unddie QuerschnittsflächeS2 im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtungso eingestellt, dass sie die folgenden Ausdrücke 1 und 2 erfüllen:(N1 x L1)/(S1 x Y1) ≧ (N2 x L2)/(S2 x (2000 - 10800 x L2)x Y2) ... Ausdruck 1S2 ≦ S1 ... Ausdruck2mitL1: Höhe (mm) der Schichtkörpereinheitin Aufschichtungsrichtung,S1: Querschnittsfläche (mm2) der Schichtkörpereinheit im rechten Winkelzur Aufschichtungsrichtung,Y1: Elastizitätsmodul(MPa) der Schichtkörpereinheitin Aufschichtungsrichtung,N1: Anzahlder übereinandergeschichteten Schichten der Schichtkörpereinheit,L2:Höhe (mm)der Verbindungsmaterialschicht in Aufschichtungsrichtung,S2: Querschnittsfläche (mm2)der Verbindungsmaterialschicht im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung,Y2: Elastizitätsmodul (MPa) des die Verbindungsmaterialschichten...
    公开号:DE102004012282A1
    申请号:DE200410012282
    申请日:2004-03-12
    公开日:2004-10-28
    发明作者:Hiroaki Kariya Asano
    申请人:Denso Corp；
    IPC主号:H01L41-083
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein piezoelektrisches Schichtelement, das sichaus einer Vielzahl von über Verbindungsmaterialien übereinandergeschichteten Schichtkörpereinheitenzusammensetzt, in denen abwechselnd Keramikschichten und Elektrodenanordnungsschichten übereinandergeschichtet sind. Die Erfindung betrifft auch ein Herstellungsverfahren dafür.
    [0002] Umbei einem piezoelektrischen Schichtelement mit abwechselnd übereinandergeschichteten Keramikschichten und Elektrodenanordnungsschichtendurch den piezoelektrischen Effekt in Axialrichtung eine große Verrückung despiezoelektrischen Elements zu erzielen, muss die Anzahl an übereinandergeschichteten Keramikschichten erhöht werden.
    [0003] Allerdingsist es nicht einfach, ein piezoelektrisches Schichtelement herzustellen,das eine große Anzahl übereinandergeschichteter Schichten hat. Die Herstellungseffizienz lässt sichdaher nur schwer halten.
    [0004] Deswegenfindet in einigen Fällendas folgende Verfahren Anwendung. Als Untereinheiten werden mehrereElementeinheiten vorgefertigt, die eine geringe Anzahl an übereinandergeschichteten Schichten haben, und diese Elementeinheiten werdendann überVerbindungsmaterialien übereinander geschichtet,um ein piezoelektrisches Schichtelement anzufertigen, das eine vorbestimmteAnzahl übereinandergeschichteter Schichten hat.
    [0005] Allerdingstreten bei diesem herkömmlichen piezoelektrischenSchichtelement die folgenden Probleme auf. Wenn die Härte desVerbindungsmaterials nicht angemessen ist, verringert sich der piezoelektrischeWirkungsgrad dieses piezoelektrischen Schichtelements und auch dieLebensdauer des Verbindungsmaterials selbst.
    [0006] Wenndas Verbindungsmaterial zu weich ist, wird der piezoelektrischeEffekt der angesprochenen Elementeinheiten, aus dem sich das beschichtetepiezoelektrische Element zusammensetzt, durch eine Druckverformungder Verbindungsmaterialschicht absorbiert und verschlechtert sichder piezoelektrische Effekt.
    [0007] Wenndas Verbindungsmaterial dagegen zu hart ist, neigt das Verbindungsmaterialdazu, durch einen Ermüdungsfehlerzu brechen, der durch die bei der Verrückung der Elementeinheitenauftretenden Dehnungen und Spannungen verursacht wird, und können sichdie Elementeinheiten voneinander lösen.
    [0008] Angesichtsder obigen Probleme liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einpiezoelektrisches Schichtelement mit einer Vielzahl von übereinander geschichtetenElementeinheiten zur Verfügungzu stellen, das übereine lange Zeitdauer eine hervorragende Leistungsfähigkeitaufrechterhalten kann. Außerdemist es Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren dafür zur Verfügung zustellen.
    [0009] Gemäß einerersten Ausgestaltung der Erfindung ist ein piezoelektrisches Schichtelementvorgesehen, in dem übereine Verbindungsmaterialschicht eine Vielzahl von Schichtkörpereinheiten übereinandergeschichtet ist, in denen abwechselnd Keramikschichten und Elektrodenanordnungsschichtenmit einem eine Innenelektrode bildenden Elektrodenabschnitt übereinandergeschichtet sind, wobei beide Endabschnitte in Aufschichtungsrichtung ausden Schichtkörpereinheitenbestehen und die Dicke L2 der Verbindungsmaterialschichtund die QuerschnittsflächeS2 im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtungso eingestellt sind, dass L2 und S2 die folgenden Ausdrücke 1 und 2 erfüllen: (N1 × L1)/(S1 × Y1) (N2 × L2)/(S2 × ((2000 – 10800 × L2) × Y2)) ... Ausdruck1 S2 ≤ S1... Ausdruck 2mit L1: Höhe(mm) der Schichtkörpereinheitin Aufschichtungsrichtung, S1: Querschnittsfläche (mm2) der Schichtkörpereinheit im rechten Winkelzur Aufschichtungsrichtung, Y1: Elastizitätsmodul(MPa) der Schichtkörpereinheit inAufschichtungsrichtung, N1: Anzahlder übereinandergeschichteten Schichten der Schichtkörpereinheit, L2: Höhe(mm) der Verbindungsmaterialschicht in Aufschichtungsrichtung, S2: Querschnittsfläche (mm2)der Verbindungsmaterialschicht im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung, Y2: Elastizitätsmodul (MPa) des die Verbindungsmaterialschichtenbildenden Materials, N2: Anzahl anVerbindungsmaterialschichten.
    [0010] Indem oben beschriebenen piezoelektrischen Schichtelement gemäß der erstenAusgestaltung der Erfindung ist also über die die Ausdrücke 1 und2 erfüllendenVerbindungsmaterialschichten eine Vielzahl von Schichtkörpereinheiten übereinander geschichtet.
    [0011] Beider Verbindungsmaterialschicht, deren Form durch die Ausdrücke 1 und2 festgelegt ist, sind das Elastizitätsmodul Y2,die QuerschnittsflächeS2 und die Höhe L2 in Aufschichtungsrichtunggut miteinander abgestimmt. Daher hat die Verbindungsmaterialschichtinsgesamt eine passende Härte.
    [0012] Indem piezoelektrischen Schichtelement, in dem über die Verbindungsmaterialschichteneine Vielzahl der Elementeinheiten übereinander geschichtet ist,ist also die Härteder Verbindungsmaterialschichten passend eingestellt. Dementsprechend unwahrscheinlichist es, dass die durch den piezoelektrische Effekt jeder Elementeinheiterzeugte Verrückungdurch die Verformung der Verbindungsmaterialschicht absorbiert wird.
    [0013] Dadurchist die Leistungsfähigkeitdieses piezoelektrischen Schichtelements so hervorragend, dass daspiezoelektrische Element durch den piezoelektrischen Effekt einegroßeVerrückungerzeugen kann, d.h. dass der piezoelektrische Effekt hoch ist.
    [0014] Indem piezoelektrischen Schichtelement hat die Verbindungsmaterialschichteine passende Flexibilität.Daher ist es unwahrscheinlich, dass die Verbindungsmaterialschichtdurch einen Ermüdungsfehlerbricht, wenn durch den piezoelektrischen Effekt jeder ElementeinheitDehnungen und Spannungen erzeugt werden.
    [0015] Deswegenkann das piezoelektrische Schichtelement seine hervorragende Leistungsfähigkeit über einelange Zeitdauer halten.
    [0016] Gemäß einerzweiten Ausgestaltung der Erfindung ist ein piezoelektrisches Schichtelementvorgesehen, in dem übereine Verbindungsmaterialschicht eine Vielzahl von Schichtkörpereinheiten übereinandergeschichtet ist, in denen abwechselnd Keramikschichten und Elektroden anordnungsschichtenmit einem eine Innenelektrode bildenden Elektrodenabschnitt übereinandergeschichtet sind, wobei in mindestens einem der beiden Endabschnittein Aufschichtungsrichtung und/oder in dem in Aufschichtungsrichtungmittleren Abschnitt ein als Inertschicht dienendes Haltebauteilangeordnet ist und die Dicke L2 der Verbindungsmaterialschichtund die QuerschnittsflächeS2 im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtungso eingestellt sind, dass L2 und S2 die folgenden Ausdrücke 3 und 4 erfüllen: (Ni × L1)/(S1 × Y1) + (N3 × L3)/(S3 × Y3) ≥ (N2 × L2)/(S2 × ((2000 – 10800 × L2) × Y2)) ... Ausdruck3 S2 ≤ S1... Ausdruck 4mit L1: Höhe(mm) der Schichtkörpereinheitin Aufschichtungsrichtung, S1: Querschnittsfläche (mm2) der Schichtkörpereinheit im rechten Winkelzur Aufschichtungsrichtung, Y1: Elastizitätsmodul(MPa) der Schichtkörpereinheit inAufschichtungsrichtung, N1: Anzahlder übereinandergeschichteten Schichten der Schichtkörpereinheit, L2: Höhe(mm) der Verbindungsmaterialschicht in Aufschichtungsrichtung, S2: Querschnittsfläche (mm2)der Verbindungsmaterialschicht im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung, Y2: Elastizitätsmodul (MPa) des die Verbindungsmaterialschichtenbildenden Materials, N2: Anzahl anVerbindungsmaterialschichten, L3: Höhe (mm)des Haltebauteils in Aufschichtungsrichtung, S3:Querschnittsfläche(mm2) des Haltebauteils im rechten Winkelzur Aufschichtungsrichtung, Y3: Elastizitätsmodul(MPa) des Haltebauteils in Aufschichtungsrichtung, N3: Anzahl an Haltebauteilen.
    [0017] Indem oben beschriebenen piezoelektrischen Schichtelement gemäß der zweitenAusgestaltung der Erfindung ist also über die die Ausdrücke 3 und4 erfüllendenVerbindungsmaterialschichten eine Vielzahl von Schichtkörpereinheitenund Haltebauteilen übereinandergeschichtet.
    [0018] Beider Verbindungsmaterialschicht, deren Form durch die Ausdrücke 3 und4 festgelegt ist, sind das Elastizitätsmodul Y2,die QuerschnittsflächeS2 und die Höhe L2 inAufschichtungsrichtung gut miteinander abgestimmt. Daher hat dieVerbindungsmaterialschicht insgesamt eine passende Härte.
    [0019] Indem piezoelektrischen Schichtelement, in dem über die Verbindungsmaterialschichteneine Vielzahl der Elementeinheiten übereinander geschichtet ist,ist also die Härteder Verbindungsmaterialschichten passend eingestellt. Dementsprechend unwahrscheinlichist es, dass die durch den piezoelektrische Effekt jeder Elementeinheiterzeugte Verrückungdurch die Verformung der Verbindungsmaterialschicht absorbiert wird.
    [0020] Dadurchist die Leistungsfähigkeitdieses piezoelektrischen Schichtelements so hervorragend, dass daspiezoelektrische Element durch den piezoelektrischen Effekt einegroßeVerrückungerzeugen kann, d.h. dass der piezoelektrische Effekt hoch ist.
    [0021] Indem piezoelektrischen Schichtelement hat die Verbindungsmaterialschichteine passende Flexibilität.Daher ist es unwahrscheinlich, dass die Verbindungs materialschichtdurch einen Ermüdungsfehlerbricht, wenn durch den piezoelektrischen Effekt jeder ElementeinheitDehnungen und Spannungen erzeugt werden.
    [0022] Deswegenkann das piezoelektrische Schichtelement seine hervorragende Leistungsfähigkeit über einelange Zeitdauer halten.
    [0023] Darüber hinauslässt sichdurch Änderndes Parameters N3 in Ausdruck 3 beliebigfestlegen, ob das Haltebauteil mit beiden Endabschnitten des piezoelektrischenSchichtelements oder nur mit einem Endabschnitt verbunden wird.
    [0024] Gemäß einerdritten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellungeines piezoelektrischen Schichtelements vorgesehen, in dem über eineVerbindungsmaterialschicht eine Vielzahl von Schichtkörpereinheiten übereinandergeschichtet ist, in denen abwechselnd Keramikschichten und Elektrodenanordnungsschichten übereinandergeschichtet sind, und in dem das die Verbindungsschicht bildendeVerbindungsmaterial aus Epoxydharz, Silikonharz, Urethanharz oderPolyamidharz besteht, wobei das Herstellungsverfahren für das piezoelektrischeSchichtelement folgende Schritte umfasst: einen Einheitsherstellungsschritt,bei dem Schichtkörpereinheitenhergestellt werden, in dem die Keramikschichten und die Elektrodenanordnungsschichtenabwechselnd übereinandergeschichtet sind; einen Aufschichtungsschritt, bei dem dieSchichtkörpereinheiten über einauf einer Endflächeder Schichtkörpereinheitangeordnetes Verbindungsmaterial übereinander geschichtet werden;und einen Härtungsmaterialanordnungsschritt,bei dem in einem von den zueinander benachbarten Schichtkörpereinheitenund von einer Umfangsflächedes Verbindungs materials gebildeten Spalt ein Härtungsmaterial angeordnet wird.
    [0025] Beidem Herstellungsverfahren fürdas piezoelektrische Schichtelement gemäß der dritten Ausgestaltungder Erfindung wird also der Härtungsmaterialanordnungsschrittdurchgeführt,nachdem die Schichtkörpereinheitenim Aufschichtungsschritt miteinander verbunden wurden.
    [0026] Indem Härtungsmaterialanordnungsschritt wirdin einem Spalt, der von den zueinander benachbarten Schichtkörpereinheitenund von einer Umfangsflächedes in dem Aufschichtungsschritt angeordneten Verbindungsmaterialsgebildet wird, ein Härtungsmaterialangeordnet. Auf diese Weise wird eine Verbindungsmaterialschichtgebildet, die sich aus dem Härtungsmaterialund dem Verbindungsmaterial zusammensetzt.
    [0027] Dadurch,dass bei dem obigen Herstellungsverfahren das Härtungsmaterial in dem Härtungsmaterialanordnungsschrittin dem Spalt angeordnet wird, kann auch dann, wenn die Härte desVerbindungsmaterials in der Verbindungsmaterialschicht nicht ausreicht,die Härteder Verbindungsmaterialschicht insgesamt bei einem passenden Wertgehalten werden.
    [0028] Mitanderen Worten wird also in dem durch das obige Herstellungsverfahrenhergestellten piezoelektrischen Schichtelement die Härte derVerbindungsmaterialschicht, in der das Verbindungsmaterial und dasHärtungsmaterialmiteinander kombiniert werden, passend eingestellt. Daher schließen sich einehervorragende piezoelektrische Leistungsfähigkeit und eine lange Produktlebensdauernicht gegenseitig aus.
    [0029] DieVerbindungsmaterialschicht besteht bei der ersten oder zweiten Ausgestaltungder Erfindung aus einem aus Silikonharz, Epoxydharz, Urethanharz,Polyimidharz oder Polyamidharz bestehenden Verbindungsmaterial.
    [0030] Beider ersten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorzuziehen, dassdas piezoelektrische Schichtelement die Ausdrücke 1 und 2 in einem Betriebstemperaturbereichvon nicht weniger als 80°Cbzw. nicht höherals 200°Cerfüllt.
    [0031] Fallsdie Betriebstemperatur des piezoelektrischen Schichtelements mindestens80°C und höchstens200°C beträgt, istes in diesem Fall unwahrscheinlich, dass in der VerbindungsmaterialschichtProbleme auftreten.
    [0032] Beider zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorzuziehen, dassdas piezoelektrische Schichtelement die Ausdrücke 3 und 4 in einem Betriebstemperaturbereichvon nicht weniger als 80°Cbzw. nicht höherals 200°Cerfüllt.
    [0033] Fallsdie Betriebstemperatur des piezoelektrischen Schichtelements mindestens80°C und höchstens200°C beträgt, istes in diesem Fall unwahrscheinlich, dass in der VerbindungsmaterialschichtProbleme auftreten.
    [0034] Beider ersten und zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorzuziehen,dass die Elektrodenanordnungsschicht einen Elektrodenabschnitt mit elektrischerLeitfähigkeitund einen Warteabschnitt enthält,der einem Bereich entspricht, in dem der Elektrodenabschnitt voneinem Endabschnitt der Elektrodenanordnungsschicht nach innen zurückweicht,und dass der Bereich auf der Endfläche der Schichtkörpereinheitin Aufschichtungsrichtung, in dem die Verbindungsmaterialschichtausgebildet ist, einem Bereich entspricht, der in dem Bereich enthaltenist, in dem sich die Elektrodenabschnitte auf jeder Elektrodenanordnungsschichtin Aufschichtungsrichtung überlappen.
    [0035] Indiesem Fall kann die Verbindungsmaterialschicht in dem einen Teilelektrodenaufbauzeigenden piezoelektrischen Schichtelement so angeordnet sein, dassein Inertbereich vermieden wird, in dem sich die Elektrodenabschnittein Aufschichtungsrichtung nicht überlappenund kein piezoelektrischer Effekt erzeugt wird.
    [0036] Dementsprechendkann die Spannung, die durch den piezoelektrischen Effekt der Schichtkörpereinheitverursacht wird, im Wesentlichen gleichmäßig auf der Endfläche derVerbindungsmaterialschicht in Aufschichtungsrichtung aufgebrachtwerden und wird im Inneren der Verbindungsmaterialschicht selteneine Dehnung erzeugt.
    [0037] Deswegenkommt es bei dieser Verbindungsmaterialschicht durch die Expansionund Kontraktion des piezoelektrischen Schichtelements selten zuProblemen wie einem Ermüdungsfehleroder einem Ablösender Verbindungsflächen.
    [0038] Esist vorzuziehen, dass die Verbindungsmaterialschicht aus einem auseinem Verbindungsmaterial bestehenden Bereich und einem aus einemHärtungsmaterialbestehenden Bereich besteht und diese Bereiche miteinander kombiniertsind.
    [0039] Indiesem Fall kann die vorgesehene Leistungsfähigkeit der Verbindungsmaterialschichtinsgesamt durch die Kombination aus Verbindungsmaterial und Härtungsmaterialerreicht werden.
    [0040] Beider Kombination aus Verbindungsmaterial und Härtungsmaterial kann das Verbindungsmaterialaus einem großenBereich von Materialien gewähltwerden, die sich als Verbindungsmaterial eignen.
    [0041] AlsHärtungsmaterialeignet sich in diesem Zusammenhang Silikonharz, Epoxydharz, Urethanharz,Polyamidharz oder Polyamidharz.
    [0042] Esist vorzuziehen, dass das die Verbindungsmaterialschicht bildendeVerbindungsmaterial aus Epoxydharz, Silikonharz, Urethanharz oderPolyamidharz besteht.
    [0043] Indiesem Fall lässtsich durch das aus Epoxydharz, Silikonharz, Urethanharz oder Polyamidbestehende Verbindungsmaterial eine hochgradig dauerhafte Verbindungsmaterialschichtmit passender Härtebilden, deren Verbindungskraft und Härte gut abgestimmt sind.
    [0044] Esist vorzuziehen, dass die Dicke der Verbindungsmaterialschicht nichtweniger als 0,0001 mm und nicht mehr als 0,01 mm beträgt.
    [0045] Indiesem Fall ist die Schichtdicke der Verbindungsmaterialschichtgering, so dass die Wirkung der ersten und zweiten Ausgestaltungder Erfindung sehr hoch ist.
    [0046] Wenndie Dicke der Verbindungsmaterialschicht dagegen weniger als 0,0001mm betragen würde,bestündedie Möglichkeit,dass die Schichtkörpereinheitennicht ausreichend fest verbunden wären.
    [0047] Wenndie Dicke der Verbindungsmaterialschicht mehr als 0,01 mm betragenwürde,bestünde dieMöglichkeit,dass der piezoelektrische Effekt des piezoelektrischen Schichtelementsinsgesamt nicht ausreichend hoch gehalten werden könnte.
    [0048] Beider dritten Ausgestaltung ist es vorzuziehen, dass der Härtungsmaterialanordnungsschrittein Schritt ist, bei dem das Härtungsmaterialmit Hilfe eines Vakuumverfahrens, eines einen Kapillareffekt nutzendenVerfahrens oder eines Spritzgussverfahrens eingefüllt wird.
    [0049] Durchjedes dieser Verfahren lässtsich das Härtungsmaterialwirksam in den Spalt einfüllenund dort anordnen.
    [0050] Umein besseres Verständnisder Erfindung zu ermöglichen,folgt nun eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung,die zusammen mit den beigefügtenZeichnungen zu lesen ist. Es zeigen:
    [0051] 1 schematisch das Aufschichtenvon Keramikschichtkörpernin Ausführungsbeispiel1;
    [0052] 2 schematisch den Aufbauvon übereinandergeschichteten Keramikschichtkörpernin Ausführungsbeispiel1;
    [0053] 3 im Schnitt den Aufbaudes piezoelektrischen Schichtelements in Ausführungsbeispiel 1;
    [0054] 4 im Schnitt die Form derVerbindungsmaterialschicht in Ausführungsbeispiel 1;
    [0055] 5 eine grafische Darstellungdes Zusammenhangs zwischen der (in einem Bereich von 0 bis 5000 μm liegenden)Dicke und des Elastizitätsmodulsin Ausführungsbeispiel1;
    [0056] 6 eine grafische Darstellung,in der der Bereich in der grafischen Darstellung von 5, in dem die Dicke derVerbindungsmaterialschicht 0 bis 100 μm beträgt, vergrößert gezeigt ist;
    [0057] 7A und 7B im Schnitt die Form anderer Verbindungsmaterialschichtenin Ausführungsbeispiel1;
    [0058] 8 im Schnitt den Aufbaudes piezoelektrischen Schichtelements in Ausführungsbeispiel 2; und
    [0059] 9 im Schnitt den Aufbaudes piezoelektrischen Schichtelements in Ausführungsbeispiel 3.
    [0060] UnterBezugnahme auf die 1 bis 7 wird zunächst daspiezoelektrische Schichtelement 10 gemäß Ausführungsbeispiel 1 erläutert.
    [0061] Wiein 3 gezeigt ist, entsprichtdas piezoelektrische Schichtelement 10 dieses Ausführungsbeispielseinem Element, in dem eine Vielzahl von Schichtkörpereinheiten 11 übereinandergeschichtet ist, in denen abwechselnd Keramikschichten 111 undElektrodenanordnungsschichten 112 mit einem eine Innenelektrodebildenden Elektrodenabschnitt 503 übereinander geschichtet sind.In diesem Fall entspricht das piezoelektrische Schichtelement 10 einemElement, dessen beide Endabschnitte in Aufschichtungsrichtung ausden Schichtkörpereinheiten 11 bestehen.
    [0062] Indiesem piezoelektrischen Schichtelement 10 sind die DickeL2 der Verbindungsmaterialschicht 19 unddie QuerschnittsflächeS2, die im Großen und Ganzen im rechten Winkelzur Aufschichtungsrichtung verläuft,so eingestellt, dass sie die folgenden Ausdrücke 1 und 2 erfüllen: (N1 × L1)/(S1 × Y1) ≥ (N2 × L2)/(S2 × ((2000 – 10800 × L2) × Y2)) ... Ausdruck1 S2 ≤ S1... Ausdruck 2mit L1: Höhe(mm) der Schichtkörpereinheitin Aufschichtungsrichtung, S1: Querschnittsfläche (mm2) der Schichtkörpereinheit im rechten Winkelzur Aufschichtungsrichtung, Y1: Elastizitätsmodul(MPa) der Schichtkörpereinheit inAufschichtungsrichtung, N1: Anzahlder übereinandergeschichteten Schichten der Schichtkörpereinheit, L2: Höhe(mm) der Verbindungsmaterialschicht in Aufschichtungsrichtung, S2: Querschnittsfläche (mm2)der Verbindungsmaterialschicht im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung, Y2: Elastizitätsmodul (MPa) des die Verbindungsmaterialschichtenbildenden Materials, N2: Anzahl anVerbindungsmaterialschichten.
    [0063] Esfolgt nun eine genauere Erläuterung,wobei zunächstauf den Aufbau des piezoelektrischen Schichtelements 10 gemäß diesemAusführungsbeispieleingegangen wird.
    [0064] Wiein 3 gezeigt ist, setztsich das piezoelektrische Schichtelement 10 aus 25 einzelnen über dieVerbindungsmaterialschicht 19 übereinander geschichteten Schichtkörpereinheiten 11 zusammen bzw.entspricht dieses piezoelektrische Schichtelement 10 einemElement, das mit insgesamt 500 aktiven Keramikschichtenversehen ist.
    [0065] DerQuerschnitt des piezoelektrischen Schichtelements 10 gemäß diesemAusführungsbeispielstellt im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung im Großen undGanzen ein Quadrat dar. Mit den zueinander entgegengesetzten Seiten 115 despiezoelektrischen Schichtelements 10 ist ein Paar Seitenelektroden 116 verbunden.
    [0066] Wiein 3 gezeigt ist, sindbei diesem Ausführungsbeispielin den Schichtkörpereinheiten 11 die0,08 mm dicken Keramikschichten 111 und die 0,003 mm dickenElektrodenanordnungsschichten 112 abwechselnd übereinandergeschichtet bzw. stellt die Schichtkörpereinheit 11 beidiesem Ausführungsbeispieleinen Schichtkörpermit einer Teilelektrodenstruktur dar, die sich aus 22 Keramikschichten 111 und21 Elektrodenanordnungsschichten 112 zusammensetzt.
    [0067] DieHöhe derSchichtkörpereinheit 11 beträgt in Aufschichtungsrichtung1,8 mm. Die Querschnittsflächedieser Schichtkörpereinheit 11 beträgt im rechtenWinkel zur Aufschichtungsrichtung 46 mm2.Der tatsächlichgemessene Elastizitätsmodulder Schichtkörpereinheit 11 beträgt 57000MPa.
    [0068] Wiein 2 gezeigt ist, setztsich die Elektrodenanordnungsschicht 112 aus einem Elektrodenabschnitt 503,der aus einem elektrisch leitenden Material besteht, und einem Warteabschnitt 504 zusammen,der kein leitendes Material enthält.
    [0069] Inden Elektrodenanordnungsschichten 112 ist der Warteabschnitt 504 jeweilseiner der beiden Seiten 115 zugewandt, mit der die (in 3 gezeigten) Seitenelektroden 116 verbundensind. Liegt der Warteabschnitt 504 auf der einen Seiteder Elektrodenanordnungsschicht 112 frei, liegt der Elektrodenabschnitt 503 aufder anderen Seite frei. In den Elektrodenanordnungsschichten 112 tretender Warteabschnitt 504 und der Elektrodenabschnitt 503 inAufschichtungsrichtung auf jeder Seite 115 abwechselnd auf.
    [0070] Wiein 3 gezeigt ist, sindbei diesem Ausführungsbeispieldie Schichtkörpereinheiten 11 in dempiezoelektrischen Schichtelement 10 übereinander geschichtet, wobeisie überdie Verbindungsmaterialschichten 19 verbunden sind, indenen ein aus Silikonharz bestehendes Verbindungsmaterial gehärtet ist.
    [0071] Indem piezoelektrischen Schichtelement 10 gemäß diesemAusführungsbeispielsind der ElastizitätsmodulY2 des die Verbindungsmaterialschicht 19 bildendenVerbindungsmaterials, die HöheL2 in Aufschichtungsrichtung und die Querschnittsfläche S2 im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtungso eingestellt, dass sie die oben beschriebenen Ausdrücke 1 und2 erfüllen.
    [0072] DerElastizitätsmodulY2 des Verbindungsmaterials beträgt in diesemAusführungsbeispiel1,2 MPa. Dabei erfolgte die Messung des ElastizitätsmodulsY2 anhand eines blockförmig gestalteten Prüfkörpers, derzum Aushärtengetrocknet wurde.
    [0073] Indem piezoelektrischen Schichtelement 10 gemäß diesemAusführungsbeispielwird die HöheL2 der Verbindungsmaterialschicht bei einemElastizitätsmodulY2 = 1,2 MPa auf 0,001 mm eingestellt, damitAusdruck 1 erfülltwerden kann, und ist die in 4 gezeigteQuerschnittsflächeS2 im rechten Winkel zur Axialrichtung auf7 mm2 eingestellt.
    [0074] Esfolgt nun eine Erläuterungder optimalen Gestaltung der Verbindungsmaterialschicht 19 unter Anwendungder Ausdrücke1 und 2.
    [0075] Wennauf das (in 3 gezeigte)piezoelektrische Schichtelement 10 gemäß diesem Ausführungsbeispieleine Last gegeben wird, durch die das piezoelektrische Schichtelement 10 inAufschichtungsrichtung zusammengedrückt wird, kommt es in den Schichtkörpereinheiten 11 undden zur Verbindung der Schichtkörpereinheiten 11 dienendenVerbindungsmaterialschichten 19 zu einer Druckverformung.
    [0076] Wenndie Gesamtsumme der Druckverformung sämtlicher Verbindungsmaterialschichten 19 dieGesamtsumme der Druckverformung sämtlicher Schichtkörpereinheiten 11 überschreitet,besteht die Möglichkeit,dass sich der piezoelektrische Wirkungsgrad des piezoelektrischenSchichtelements 10 insgesamt deutlich verschlechtert.
    [0077] Umein piezoelektrisches Schichtelement realisieren zu können, dessenpiezoelektrische Leistungsfähigkeithoch ist, muss die Druckverformung der Verbindungsmaterialschichtim Allgemeinen so weit unterdrücktwerden, dass sie, wie im folgenden Bezugsausdruck 1 gezeigt, kleinerals die Druckverformung der Schichtkörpereinheit ist: (N1 × L1)/(S1 × Y1) ≥ (N2 × L2)/(S2 × Y2) ... Bezugsausdruck1
    [0078] DieErfinder führtenin diesem Fall an dem piezoelektrischen Schichtelement mit den übereinandergeschichteten Schichtkörpereinheitenumfangreiche Untersuchungen und Prüfungen durch. Anhand dessenstellten sie fest, dass der obige Bezugsausdruck 1 bei einem tatsächlichenpiezoelektrischen Schichtelement nicht passt.
    [0079] DieErfinder führtendaher verschiedene weitere Versuche durch und stellten fest, dassder tatsächlichgemessene Elastizitätsmodul(effektiver Elastizitätsmodul)der Verbindungsmaterialschicht des piezoelektrischen Schichtelements,wie in den 5 und 6 gezeigt ist, tendenziellvon der Dicke der Verbindungsmaterialschicht 19 in Aufschichtungsrichtungabhängt.Die Erfinder berücksichtigtendaher diese Tatsache.
    [0080] Inden 5 und 6 bezeichnet die Ordinatenachsedas Verhältnisvon (effektiver Elastizitätsmodul)/(ElastizitätsmodulY2) und die Abszissenachse die Dicke derVerbindungsmaterialschicht 19.
    [0081] DieErfinder wiesen durch verschiedene Untersuchungen Folgendes nach:Wie in 5 gezeigt ist,ist in dem Bereich, in dem die Dicke der Verbindungsmaterialschicht 19 geringist, die angesprochene Tendenz der Verbindungsmaterialschicht 19,von der Dicke in Aufschichtungsrichtung abhängig zu sein, besonders deutlich.Insbesondere nimmt in dem Bereich, in dem die Verbindungsmaterialdicke nichtmehr als 500 μmbeträgt,der tatsächlichgemessene effektive Elastizitätsmodulplötzlichzu.
    [0082] Andererseitserhärtetesich Folgendes: In dem Bereich, in dem die Schichtdicke nicht weniger als1000 μmbeträgt,ist der effektive Elastizitätsmodulstabil und konnte nachgewiesen werden, dass dieser Wert im Großen undGanzen mit dem ElastizitätsmodulY2 übereinstimmt.Darüberhinaus führten dieErfinder verschiedene zusätzlicheVersuche durch, bei denen das Material der Verbindungsmaterialschichtund die Form, wie die Verbindungsmaterialschicht 19 angeordnetwurde, geändertwurden. Durch diese Versuche kamen die Erfinder zu folgenden Erkenntnissen. (1) Die Korrelation des Verhältnisses(effektiver Elastizitätsmodul)/(ElastizitätsmodulY2) zur Schichtdicke ist in dem Bereich,in dem die Schichtdicke nicht mehr als 500 μm beträgt, hoch. (2) Das Verhältnis(effektiver Elastizitätsmodul)/(ElastizitätsmodulY2) steht in dem Bereich, in dem die Schichtdickenicht mehr als 500 μmbeträgt,selten in Bezug zu der Form, wie die Verbindungsmaterialschicht 19 angeordnetwird. Das Verhältnis(effektiver Elastizitätsmodul)/(ElastizitätsmodulY2) hängtin dem Bereich, in dem die Schichtdicke nicht mehr als 500 μm beträgt, in ersterLinie von der Dicke und der Querschnittsfläche der Verbindungsmaterialschicht 19 ab. (3) Das Verhältnis(effektiver Elastizitätsmodul)/(ElastizitätsmodulY2) steht in dem Bereich, in dem die Schichtdickenicht mehr als 500 μmbeträgt,selten in Bezug zu der Art des die Verbindungsmaterialschicht 19 bildendenVerbindungsmaterials.
    [0083] Darüber hinausstellten die Erfinder fest, dass das unter Punkt (1) beschriebeneVerhältnis(effektiver Elastizitätsmodul)/(ElastizitätsmodulY2) mit hoher Genauigkeit vor allem über dieSchichtdicke der Verbindungsmaterialschicht 19 genähert werden kann.Und zwar lässtsich der effektive Elastizitätsmoduldurch den folgenden Ausdruck 5 gut über den ElastizitätsmodulY2 nähern: (effektiver Elastizitätsmodul)= (2000 – 10800 × L2) × Y2 ... Ausdruck5
    [0084] Ausdruck1 wird erzielt, wenn der effektive Elastizitätsmodul in Ausdruck 5 durchden nach Y2 aufgelösten Bezugsausdruck 1 ersetztwird.
    [0085] Mitanderen Worten berücksichtigtder obige Bezugsausdruck 1, der üblicherweiseverwendet wird, nicht den Grad der Abhängigkeit zwischen der Schichtdickeder Verbindungsmaterialschicht und dem Elastizitätsmodul. Im Gegensatz dazuwird in dem oben beschriebenen Ausdruck 1 der Fall berücksichtigt,dass die Dicke der Verbindungsmaterialschicht gering ist.
    [0086] Wenndaher die Ausdrücke1 und 2 Anwendung finden, könnendie Verbindungsmaterialschichten 19 auch in dem Bereichmöglichstoptimal gestaltet werden, in dem die Dicke der Verbindungsmaterialschichtgering ist.
    [0087] Indem piezoelektrischen Schichtelement 10 gemäß diesemAusführungsbeispielist die Seitenelektrode 116 wie in 3 gezeigt durch einen leitenden Zusatzstoffmit der Seite 115 jeder Schichtkörpereinheit 11 verbunden.
    [0088] Indiesem Fall liegt der in Aufschichtungsrichtung jeder zweiten Elektrodenanordnungsschicht 112 entsprechendeElektrodenabschnitt 503 auf einer Seite 115 derSchichtkörpereinheiten 11 frei. Dementsprechendist eine der beiden mit den Seiten 115 des piezoelektrischenSchichtelements 10 verbundenen Seitenelektroden 116 aufjeder zweiten Elektrodenanordnungsschicht 112 elektrischmit diesem Elektrodenabschnitt 503 verbunden. Die andere Seitenelektrode 116 istdagegen elektrisch mit dem jeder zweiten Elektrodenanordnungsschicht 112 entsprechendenElektrodenabschnitt 503 verbunden, der von der einen Seitenelektrode 116 elektrischisoliert angeordnet ist.
    [0089] Indem piezoelektrischen Schichtelement 10 wird beim Anlegeneiner Spannung zwischen den beiden Seitenelektroden 116 inden Keramikschichten 111 jeder Schichtkörpereinheit 11 derpiezoelektrische Effekt erzeugt.
    [0090] AlsNächstesfolgt eine Erläuterungdes Herstellungsverfahrens fürdas piezoelektrische Schichtelement 10 gemäß diesemAusführungsbeispiel.
    [0091] Eswird zunächstdas Verfahren zur Herstellung der angesprochenen Schichtkörpereinheitenerläutert.
    [0092] Beider Herstellung der Schichtkörpereinheiten 11 wirdaus einer Schlämme,die ein Material zur Fertigung piezoelektrischer Elemente darstellt,eine (nicht gezeigte) Grünlagegefertigt.
    [0093] DieSchlämmewird angesetzt, indem zu einem piezoelektrischen Keramikmaterialwie Blei-Titanat-Zirconat (PZT) ein Bindemittel und eine winzige MengeWeichmacher und Antischäummittelhinzugegeben und das Ganze dann in einem organischen Lösungsmittelverteilt wird.
    [0094] Beidiesem Ausführungsbeispielwurde die Schlämmedurch Rakeln auf einen nicht gezeigten Trägerfilm aufgebracht, wodurchsich eine Grünlage vorbestimmterDicke ergab. Beim Erzeugen der Grünlage aus der Schlämme kannaußerRakeln aber auch ein Extrusionsverfahren oder ein anderes VerfahrenAnwendung finden.
    [0095] AlsNächsteswird wie in 1 gezeigtauf der Aufschichtungsflächedes Grünlagenstücks 521 durchSiebdruck eine Ag-Pd-Paste aufgebracht, die ein leitendes Materialdarstellt. Die Ag-Pd-Paste wurde in diesem Fall in den Abschnittenmit Ausnahme des dem Außenumfangsabschnittder Aufschichtungsflächeentsprechenden Seitenabschnitts aufgebracht, wodurch auf der Aufschichtungsfläche ein Bereichausgebildet werden konnte, der den oben angesprochenen Warteabschnitt 504 ergab.
    [0096] Dieoben angesprochene Schlämmewird als Zusatzstoff auf die gesamte Aufschichtungsfläche aufgebracht,auf der das leitende Material aufgebracht wurde.
    [0097] DieGrünlagenstücke 521 werdendann nacheinander übereinandergeschichtet. Und zwar wurden die Grünlagenstücke 521 in diesemFall wie in 1 gezeigt übereinandergeschichtet, so dass die Anordnung des Warteabschnitts 504 abwechselndumgekehrt war. Auf diese Weise wurde ein (nicht gezeigter) Zwischenschichtkörper hergestellt.
    [0098] AlsNächsteswird wie in 2 gezeigteine Schichtkörpereinheit 11 hergestellt,indem dieser Zwischenschichtkörpergebrannt wird. der Zwischenschichtkörper wurde in diesem Ausführungsbeispiel zweiStunden lang in einer 1200°CheißenAtmosphäregehalten, um den Zwischenschichtkörper zu brennen. Danach wurdeder gebrannte Zwischenschichtkörperin dem Ofen abgekühlt.
    [0099] Wennder Zwischenschichtkörperauf diese Weise gebrannt wird, ergibt das auf die Aufschichtungsfläche desGrünlagenstücks 521 aufgebrachte leitendeMaterial einen schichtförmigenElektrodenabschnitt 503. In dieser Schichtkörpereinheit 11 gibt dieElektrodenanordnungsschicht 112 den Elektrodenabschnitt 503 anden entgegengesetzten Seiten 115 auf jeder zweiten Schichtfrei. Die Elektrodenanordnungsschicht 112, die den Elektrodenabschnitt 503 ander einen Seite 115 frei gibt, gibt den Elektrodenabschnitt 503 nichtan der anderen Seite 115 frei.
    [0100] AlsNächsteswerden 25 einzelne der auf diese Weise hergestellten Schichtkörpereinheiten 11 über dieVerbindungsmaterialschichten 19 miteinander verbunden und übereinandergeschichtet.
    [0101] Dasnotwendige Volumen fürdas Verbindungsmaterial wurde in diesem Fall anhand einer Querschnittsfläche S2 = 7 mm2 und einerHöhe L2 = 0,001 mm in Aufschichtungsrichtung berechnet,die ihrerseits mit dem oben beschriebenen Ausdruck 1 errechnet wordenwaren. Das auf diese Weise errechnete vorbestimmte Volumen für das Verbindungsmaterialwurde dann auf die Verbindungsfläche derSchichtkörpereinheit 11 aufgebracht.
    [0102] DieQuerschnittsform der Verbindungsmaterialschicht 19 diesesAusführungsbeispielswar wie in 4 gezeigtim rechten Winkel zur Axialrichtung im Großen und Ganzen kreisförmig.
    [0103] Alsdas Verbindungsmaterial bei diesem Ausführungsbeispiel auf die Verbindungsfläche der Schichtkörpereinheit 11 aufgebrachtwurde, wurde daher ein vorbestimmtes Volumen Verbindungsmaterialaufgebracht, so dass das Verbindungsmaterial im zentralen Abschnittder Verbindungsflächeim Großenund Ganzen in Form eines Kreises aufgebracht werden konnte.
    [0104] DieAnordnung und die Querschnittsform des die Verbindungsmaterialschichtbildenden Verbindungsmaterials ist jedoch nicht auf einen einfachenKreis beschränkt.Wie in den 7A und 7B gezeigt ist, können auchverschiedene andere Anordnungen und Querschnittsformen Anwendungfinden. Das Verbindungsmaterial wird also entsprechend der Anordnungund der Querschnittsform des die Verbindungsmaterialschicht bildendenVerbindungsmaterials aufgebracht.
    [0105] Wenndie Schichtkörpereinheiten 11 miteinanderverbunden werden, werden die Schichtkörpereinheiten 11 mitdem darauf aufgebrachten Verbindungsmaterial zunächst so aufeinander geschichtet, dasssie vorläufigdas piezoelektrische Schichtelement 10 aufbauen.
    [0106] Danachwird dieses vorläufigaufgebaute piezoelektrische Schichtelement 10 in Aufschichtungsrichtungzusammengepresst, so dass die 25 einzelnen Schichtkörpereinheiten 11,deren Höhein Aufschichtungsrichtung L1 = 1,8 mm beträgt, unddie 24 einzelnen Verbindungsmaterialschichten 19, deren Höhe in AufschichtungsrichtungL2 = 0,001 mm beträgt, miteinander kombiniertwerden und sich die vorgesehene Aufschichtungshöhe ergibt. Das Verbindungsmaterialwird dann getrocknet, währenddas piezoelektrische Schichtelement 10 auf der vorgesehenenAufschichtungshöhegehalten wird. Auf diese Weise werden die Verbindungsmaterialschichten 19 mitder vorbestimmten Form ausgebildet.
    [0107] Wenndie Schichtkörpereinheiten 11 soaufeinander geschichtet und miteinander verbunden werden, dass daspiezoelektrische Schichtelement 10 in die vorgesehene Aufschichtungshöhe gebracht wird,lässt sichaus dem vorbestimmten Volumen Verbindungsmaterial die Verbindungsmaterialschicht 19 bilden,deren QuerschnittsflächeS2 und deren Höhe in AufschichtungsrichtungL2 beträgt.
    [0108] Beidem piezoelektrischen Schichtelement 10 gemäß diesem Ausführungsbeispielwird das Paar Seitenelektroden 116 dann durch einen leitendenZusatzstoff mit den Seiten 115 des piezoelektrischen Schichtelements 10 verbunden.
    [0109] Daspiezoelektrische Schichtelement 10 ist so aufgebaut, dassbeim Aufbringen einer vorbestimmten Spannung auf die beiden Seitenelektroden 116 injeder Keramikschicht 111 der piezoelektrische Effekt erzeugtwird, so dass in dem piezoelektrischen Schichtelement 10 insgesamteine großeVerrückung realisiertwerden kann.
    [0110] Wieoben beschrieben ist, sind in dem auf Grundlage der Ausdrücke 1 und2 gestalteten piezoelektrischen Schichtelement 10 gemäß diesemAusführungsbeispieldie QuerschnittsflächeS2 und die Höhe L2 inAufschichtungsrichtung der Verbindungsmaterialschicht 19 gutmit dem angesprochenen Bezugselastizitätsmodul Y2 abgestimmt.
    [0111] Indem piezoelektrischen Schichtelement 10, in dem die Elementeinheiten 11 über dieVerbindungsmaterialschichten 19 übereinander geschichtet sind,ist demnach die Härteder Verbindungsmaterialschicht 19 passend eingestellt.Dadurch wird die durch den piezoelektrischen Effekt hervorgerufene Lageveränderungjeder Elementeinheit 11 selten durch die Verformung derVerbindungsmaterialschicht 19 absorbiert.
    [0112] Daherist die Leistungsfähigkeitdes piezoelektrischen Schichtelements 10 so hoch, dassdurch den piezoelektrischen Effekt eine große Lageveränderung erzielt werden kann.
    [0113] Indiesem piezoelektrischen Schichtelement 10 ist die Verbindungsmaterialschicht 19 ausreichendflexibel. Daher unterliegt die Verbindungsmaterialschicht 19 selteneinem Ermüdungsfehler,der durch die durch den piezoelektrischen Effekt jeder Elementeinheit 11 erzeugtenDehnungen und Spannungen hervorgerufen wird.
    [0114] Dementsprechendlässt sichdie hervorragende Leistungsfähigkeitdieses piezoelektrischen Schichtelements 10 über einelange Zeitdauer aufrechterhalten.
    [0115] AlsNächsteswird Ausführungsbeispiel2 erläutert.In diesem Ausführungsbeispielsind auf den beiden Endabschnitten des piezoelektrischen Schichtelements 10 gemäß Ausführungsbeispiel1 zusätzlicheHaltebauteile 18 aufgeschichtet.
    [0116] UnterBezugnahme auf 8 wirddas piezoelektrische Schichtelement 10 gemäß diesemAusführungsbeispielnun im Hinblick auf die beiden Endabschnitte beschrieben, mit denendie Haltebauteile 18 verbunden sind.
    [0117] Beidiesem piezoelektrischen Schichtelement 10 sind die Endflächen deran den beiden Endabschnitten angeordneten Schichtkörpereinheiten 11 unddie Endflächender Haltebauteile 18 miteinander über eine Verbindungsmaterialschicht 19 verbunden,die die gleiche wie die zwischen den Schichtkörpereinheiten 11 vorgeseheneVerbindungsmaterialschicht 19 ist.
    [0118] DieHöhe L3 des aus Aluminiumoxid bestehenden Haltebauteils 18 beträgt in Aufschichtungsrichtung2 mm, die Querschnittsflächeim rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung 46 mm2 undder tatsächlichgemessene ElastizitätsmodulY3 380000 MPa.
    [0119] ImFall der Verbindungsmaterialschicht 19 gemäß diesemAusführungsbeispielsind der ElastizitätsmodulY2 des Verbindungsmaterials, die Höhe L2 in Aufschichtungsrichtung und die Querschnittsfläche S2 im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtungso eingestellt, dass sie die folgenden Ausdrücke 3 und 4 erfüllen: (N1 × L1)/(S1 × Y1) + (N3 x L3)/(S3 x Y3) ≥ (N2 × L2)/(S2 × ((2000 – 10800 × L2) × Y2)) ... Ausdruck3 S2 ≤ S1... Ausdruck 4mit L1: Höhe(mm) der Schichtkörpereinheitin Aufschichtungsrichtung, S1: Querschnittsfläche (mm2) der Schichtkörpereinheit im rechten Winkelzur Aufschichtungsrichtung, Y1: Elastizitätsmodul(MPa) der Schichtkörpereinheit inAufschichtungsrichtung, N1: Anzahlder übereinandergeschichteten Schichten der Schichtkörpereinheit, L2: Höhe(mm) der Verbindungsmaterialschicht in Aufschichtungsrichtung, S2: Querschnittsfläche (mm2)der Verbindungsmaterialschicht im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung, Y2: Elastizitätsmodul (MPa) des die Verbindungsmaterialschichtenbildenden Materials, N2: Anzahl anVerbindungsmaterialschichten, L3: Höhe (mm)des Haltebauteils in Aufschichtungsrichtung, S3:Querschnittsfläche(mm2) des Haltebauteils im rechten Winkelzur Aufschichtungsrichtung, Y3: Elastizitätsmodul(MPa) des Haltebauteils in Aufschichtungsrichtung, N3: Anzahl an Haltebauteilen.
    [0120] Dain diesem Ausführungsbeispieldie Haltebauteile 18 auf die beiden Endabschnitte des piezoelektrischenSchichtelements geschichtet wurden, beträgt die Anzahl N3 an Haltebauteilen 18 indem obigen Ausdruck 2.
    [0121] Dain diesem Ausführungsbeispielmit den beiden Endabschnitten des piezoelektrischen Schichtelements 10 dieHaltebauteile 18 verbunden werden, werden anstelle derAusdrücke1 und 2 gemäß Ausführungsbeispiel1 die Ausdrücke3 und 4 angewendet.
    [0122] Anhanddieser Ausdrückelassen sich fürdas piezoelektrische Schichtelement 10, dessen beide Endabschnittemit den Haltebauteile 18 verbunden sind, jederzeit diepassende HöheL2 der Verbindungsmaterialschicht 19 inAufschichtungsrichtung und die passende Querschnittsfläche S2 berechnen.
    [0123] Indiesem Ausführungsbeispielwerden zwar die Haltebauteile 18 auf beiden Endabschnittedes piezoelektrischen Schichtelements 10 aufgeschichtet, dochist es anstelle dessen auch möglich,das Haltebauteil 18 nur auf einem Endabschnitt des piezoelektrischenSchichtelements 10 aufzuschichten. In diesem Fall reichtes, die Anzahl N3 der aufgeschichteten Schichtendes Haltebauteils 18 im Ausdruck 3 zu ändern.
    [0124] Darüber hinausmuss die Aufschichtung nicht unbedingt auf dem Endabschnitt erfolgen,sondern kann auch auf mindestens einem Abschnitt in dem in Aufschichtungsrichtungmittleren Abschnitt erfolgen.
    [0125] DerAufbau und die Funktionsweise sind ansonsten die gleichen wie beiAusführungsbeispiel1.
    [0126] Schließlich wirdnoch auf das Ausführungsbeispiel3 eingegangen, bei dem verglichen mit dem piezoelektrischen Schichtelementgemäß Ausführungsbeispiel1 der Aufbau der Verbindungsmaterialschicht geändert ist.
    [0127] Wiein 9 gezeigt ist, enthält das piezoelektrischeSchichtelement 10 gemäß diesemAusführungsbeispieleine Verbindungsmaterialschicht 19, die sich aus einemaus dem Verbindungsmaterial 191 bestehenden Bereich undeinem aus dem Härtungsmaterial 192 bestehendenBereich zusammensetzt.
    [0128] Daspiezoelektrische Schichtelement 10 ist so aufgebaut, dassdie Verbindungsmaterialschicht 19 insgesamt den oben beschriebenenAusdruck 1 erfüllt.
    [0129] Daspiezoelektrische Schichtelement 10 wird wie folgt hergestellt.Nachdem die benachbarten Schichtkörpereinheiten 11 wiein Ausführungsbeispiel1 gezeigt miteinander durch das Verbindungsmaterial 191 verbundenwurden, wird das aus Epoxydharz bestehende Härtungsmaterial 192 durchein den Kapillareffekt nutzendes Verfahren in den Spalt zwischenden Schichtkörpereinheiten 11 gefüllt.
    [0130] Außer demden Kapillareffekt nutzenden Verfahren, das in diesem Ausführungsbeispielverwendet wird, kann das Härtungsmaterial 192 auchdurch ein Vakuumverfahren, ein Spritzgussverfahren usw. eingefüllt werden.
    [0131] Indiesem Ausführungsbeispielwird das Härtungsmaterial 192 miteiner nicht gezeigten Spendervorrichtung eingefüllt, die aus einer Spenderdüse, derenPosition gesteuert wird, eine vorbestimmte Menge flüssigen Isoliermaterialsausgeben kann. Mit dieser Spendervorrichtung wurde in diesem Ausführungsbeispieldas Härtungsmaterial 192 inden Spalt zwischen den zueinander benachbarten Schichtkörpereinheiten 11 eingefüllt und wurdedadurch die aus dem Verbindungsmaterial 191 und dem Härtungsmaterial 192 bestehendeVerbindungsmaterialschicht 19 gebildet.
    [0132] Während beidem piezoelektrischen Schichtelement 10 gemäß diesemAusführungsbeispielals Verbindungsmaterial 191 ein weiches Material eingesetztwurde, wurde ein Teil der Verbindungsmaterialschicht 19 wieoben beschrieben aus dem Härtungsmaterial 192 gefertigt.Dadurch konnte in der Verbindungsmaterialschicht 19 insgesamteine ausreichend hohe Härterealisiert werden.
    [0133] Wenndas Härtungsmaterial 192 ander Außenumfangsseitedes Verbindungsmaterials 191 vorgesehen wird, lässt sichfür denElastizitätsmodulder Verbindungsmaterialschicht 19 insgesamt ein passenderWert sicherstellen.
    [0134] Beidiesem piezoelektrischen Schichtelement 10 kann daher,indem der Bereich fürdie Auswahl des Verbindungsmaterials 191 und der Bereich für die Formder Verbindungsmaterialschicht 19 ausgeweitet wird, dieGestaltungsfreiheit erhöhtwerden.
    [0135] DerAufbau und die Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels sind ansonstendie gleichen wie bei Ausführungsbeispiel1.
    [0136] DieErfindung wurde zwar aus Veranschaulichungsgründen unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispielebeschrieben, doch versteht sich, dass der Fachmann hiervon verschiedeneAbwandlungen vornehmen kann, ohne vom Grundkonzept und Schutzumfangder Erfindung abzuweichen.
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] Piezoelektrisches Schichtelement (10),in dem übereine Verbindungsmaterialschicht (19) eine Vielzahl vonSchichtkörpereinheiten(11) übereinander geschichtetist, in denen abwechselnd Keramikschichten (111) und Elektrodenanordnungsschichten (112)mit einem eine Innenelektrode bildenden Elektrodenabschnitt (503) übereinandergeschichtet sind, wobei beide Endabschnitte in Aufschichtungsrichtungaus den Schichtkörpereinheiten(11) bestehen und die Dicke L2 derVerbindungsmaterialschicht (19) und die Querschnittsfläche S2 im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtungso eingestellt sind, dass L2 und S2 die folgenden Ausdrücke 1 und 2 erfüllen: (N1 × L1)/(S1 × Y1) ≥ (N2 × L2)/(S2 × ((2000 – 10800 × L2) × Y2)) ... Ausdruck1 S2 ≤ S1... Ausdruck 2mit L1: Höhe(mm) der Schichtkörpereinheitin Aufschichtungsrichtung, S1: Querschnittsfläche (mm2) der Schichtkörpereinheit im rechten Winkelzur Aufschichtungsrichtung, Y1: Elastizitätsmodul(MPa) der Schichtkörpereinheit inAufschichtungsrichtung, N1: Anzahlder übereinandergeschichteten Schichten der Schichtkörpereinheit, L2: Höhe(mm) der Verbindungsmaterialschicht in Aufschichtungsrichtung, S2: Querschnittsfläche (mm2)der Verbindungsmaterialschicht im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung, Y2: Elastizitätsmodul (MPa) des die Verbindungsmaterialschichtenbildenden Materials, N2: Anzahl anVerbindungsmaterialschichten.
    [2] Piezoelektrisches Schichtelement (10), indem übereine Verbindungsmaterialschicht (19) eine Vielzahl vonSchichtkörpereinheiten(11) übereinander geschichtetist, in denen abwechselnd Keramikschichten (111) und Elektrodenanordnungsschichten (112)mit einem eine Innenelektrode bildenden Elektrodenabschnitt (503) übereinandergeschichtet sind, wobei in mindestens einem der beiden Endabschnittein Aufschichtungsrichtung und/oder in dem in Aufschichtungsrichtungmittleren Abschnitt ein als Inertschicht dienendes Haltebauteil(18) angeordnet ist und die Dicke L2 derVerbindungsmaterialschicht (19) und die Querschnittsfläche S2 im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtungso eingestellt sind, dass L2 und S2 die folgenden Ausdrücke 3 und 4 erfüllen: (N1 × L1)/(S1 × Y1) + (N3 × L3)/(S3 × Y3) ≥ (N2 × L2)/(S2 × ((2000 – 10800 × L2) × Y2)) ... Ausdruck3 S2 ≤ S1... Ausdruck 4mit L1: Höhe(mm) der Schichtkörpereinheitin Aufschichtungsrichtung, S1: Querschnittsfläche (mm2) der Schichtkörpereinheit im rechten Winkelzur Aufschichtungsrichtung, Y1: Elastizitätsmodul(MPa) der Schichtkörpereinheit inAufschichtungsrichtung, N1: Anzahlder übereinandergeschichteten Schichten der Schichtkörpereinheit, L2: Höhe(mm) der Verbindungsmaterialschicht in Aufschichtungsrichtung, S2: Querschnittsfläche (mm2)der Verbindungsmaterialschicht im rechten Winkel zur Aufschichtungsrichtung, Y2: Elastizitätsmodul (MPa) des die Verbindungsmaterialschichtenbildenden Materials, N2: Anzahl anVerbindungsmaterialschichten, L3: Höhe (mm)des Haltebauteils in Aufschichtungsrichtung, S3:Querschnittsfläche(mm2) des Haltebauteils im rechten Winkelzur Aufschichtungsrichtung, Y3: Elastizitätsmodul(MPa) des Haltebauteils in Aufschichtungsrichtung, N3: Anzahl an Haltebauteilen.
    [3] Piezoelektrisches Schichtelement nach Anspruch 1,das die Ausdrücke1 und 2 in einem Betriebstemperaturbereich von nicht weniger als80°C bisnicht höherals 200°Cerfüllt.
    [4] Piezoelektrisches Schichtelement nach Anspruch 2,das die Ausdrücke3 und 4 in einem Betriebstemperaturbereich von nicht weniger als80°C bisnicht höherals 200°Cerfüllt.
    [5] Piezoelektrisches Schichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis4, bei dem die Elektrodenanordnungsschicht (112) einenElektrodenabschnitt (503) mit elektrischer Leitfähigkeitund einen Warteabschnitt (504) enthält, der einem Bereich entspricht,in dem der Elektrodenabschnitt (503) von einem Endabschnittder Elektrodenanordnungsschicht nach innen zurückweicht, und dass der Bereichauf der Endflächeder Schichtkörpereinheit(11) in Aufschichtungsrichtung, in dem die Verbindungsmaterialschicht(19) ausgebildet ist, einem Bereich entspricht, der indem Bereich enthalten ist, in dem sich die Elektrodenabschnitte(503) auf jeder Elektrodenanordnungsschicht (112)in Aufschichtungsrichtung überlappen.
    [6] Piezoelektrisches Schichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis5, bei dem die Verbindungsmaterialschicht (19) aus einemaus einem Verbindungsmaterial (191) bestehenden Bereichund einem aus einem Härtungsmaterial(192) bestehenden Bereich besteht und diese Bereiche miteinanderkombiniert sind.
    [7] Piezoelektrisches Schichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis6, bei dem das die Verbindungsmaterialschicht (19) bildendeVerbindungsmaterial (191) aus Epoxydharz, Silikonharz,Urethanharz oder Polyamidharz besteht.
    [8] Piezoelektrisches Schichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis7, bei dem die Dicke der Verbindungsmaterialschicht (19)nicht weniger als 0,0001 mm und nicht mehr als 0,01 mm beträgt.
    [9] Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischenSchichtelements (10), in dem über eine Verbindungs materialschicht(19) eine Vielzahl von Schichtkörpereinheiten (11) übereinandergeschichtet ist, in denen abwechselnd Keramikschichten (111) undElektrodenanordnungsschichten (112) übereinander geschichtet sind,und in dem das die Verbindungsschicht (19) bildende Verbindungsmaterial (191)aus Epoxydharz, Silikonharz, Urethanharz oder Polyamidharz besteht,wobei das Herstellungsverfahren für das piezoelektrische Schichtelementfolgende Schritte umfasst: einen Einheitsherstellungsschritt,bei dem Schichtkörpereinheiten(11) hergestellt werden, in dem die Keramikschichten (111)und die Elektrodenanordnungsschichten (112) abwechselnd übereinandergeschichtet sind; einen Aufschichtungsschritt, bei dem dieSchichtkörpereinheiten(11) überein auf einer Endflächeder Schichtkörpereinheitangeordnetes Verbindungsmaterial (191) übereinander geschichtet werden;und einen Härtungsmaterialanordnungsschritt,bei dem in einem von den zueinander benachbarten Schichtkörpereinheiten(11) und von einer Umfangsfläche des Verbindungsmaterials(191) gebildeten Spalt ein Härtungsmaterial (192)angeordnet wird.
    [10] Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischenSchichtelements nach Anspruch 9, bei dem der Härtungsmaterialanordnungsschrittein Schritt ist, bei dem das Härtungsmaterial(192) mit Hilfe eines Vakuumverfahrens, eines einen Kapillareffekt nutzendenVerfahrens oder eines Spritzgussverfahrens in den Spalt eingefüllt wird.
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