DE102004005528A1

DE102004005528A1 - Laminated piezoelectric elements

Info

Publication number: DE102004005528A1
Application number: DE200410005528
Authority: DE
Inventors: Rikiya Kariya Kamimura; Toshiatsu Kariya Nagaya
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2004-08-26
Also published as: JP4211419B2; JP2004241590A

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein laminiertes piezoelektrisches Element mit hervorragender Langzeitbeständigkeit. Das laminierte piezoelektrische Element der Erfindung umfasst einen laminierten Körper (10), in dem eine Vielzahl piezoelektrischer Schichten (11), die in Reaktion auf eine angelegte Spannung gestreckt werden können, und eine Vielzahl innerer Elektrodenschichten (21, 22) zum Anlegen einer angelegten Spannung abwechselnd laminiert sind, und ein Paar seitlicher Elektrodenschichten (31, 32), die auf äußeren peripheren Seiten (101, 102) des laminierten Körpers (10) bereitgestellt sind und abwechselnd mit jeweiligen inneren Elektrodenschichten (21, 22) elektrisch verbunden sind, so dass die inneren Elektrodenschichten (21, 22), die über eine piezoelektrische Schicht (11) aneinander angrenzen, entgegengesetzt polarisiert sind. In irgendeinem Bereich mit einer Fläche von 10000 mum·2· der seitlichen Elektrodenschicht (31, 32) liegt die Porösität, basierend auf Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 mum, im Bereich von 15 bis 50%, und in irgendeinem Bereich mit einer Fläche von 10000 mum·2· der seitlichen Elektrodenschicht (31, 32) liegt die Anzahl an Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 mum im Bereich von 100 bis 6000.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein laminiertes piezoelektrisches Element, das prinzipiell als eine Antriebsquelle für eine Einspritzung in einem Kraftfahrzeug verwendet wird, aber auch als ein piezoelektrisches Allzweck-Stellglied verwendet werden kann.

Ein piezoelektrisches Stellglied wird als eine Antriebsquelle für eine Einspritzung in einem Kraftfahrzeug verwendet und besteht bevorzugt aus einem laminierten piezoelektrischen Element, das einen laminierten Körper, der aus abwechselnden Laminierungen einer Vielzahl piezoelektrischer Schichten, die in Reaktion auf eine angelegte Spannung gestreckt werden können, und einer Vielzahl innerer Elektrodenschichten zum Anlegen der angelegten Spannung besteht, und ein Paar seitlicher Elektrodenschichten umfasst, die auf den äußeren peripheren Seiten des laminierten Körpers bereitgestellt sind, wobei die seitlichen Elektrodenschichten abwechselnd mit jeweiligen inneren Elektrodenschichten elektrisch verbunden sind, so dass die inneren Elektrodenschichten, die über eine piezoelektrische Schicht aneinander angrenzen, eine entgegengesetzte Polarität zeigen.

Um eine größere Versetzung bei einer geringeren angelegten Spannung zu erzielen, wird in den letzten Jahren häufig ein laminiertes piezoelektrisches Element mit 500 bis 700 abwechselnd laminierten piezoelektrischen Schichten, die jede 20 bis 200 μm sind, und inneren Elektrodenschichten, die jede 1 bis 3 μm dick sind, verwendet.

Bei dem laminierten piezoelektrischen Element können die seitlichen Elektrodenschichten durch verschiedene Verfahren gebildet werden, z.B. indem sie auf den laminierten Körper platiert werden, indem dünne Filme mittels Dampfabscheidung gebildet werden oder dergleichen. Allerdings wurde im Hinblick auf eine Verringerung der Herstellungskosten und einer Vereinfachung des Herstellungsverfahrens weitgehend ein Verfahren angewendet, bei dem ein Pastenmaterial, das ein Elektrodenmaterial enthält, mittels Siebdruck oder dergleichen als Muster auf den laminierten Körper aufgebracht und zusammen mit dem laminierten Körper gebrannt wird. Da gegenwärtig in vielen inneren Elektrodenschichten Silber/Palladium verwendet wird, wird beim Herstellen des Pastenmaterials weitgehend ein Elektrodenmaterial verwendet, das Silber als eine Hauptkomponente enthält, um die Haftung zwischen den seitlichen Elektrodenschichten und den inneren Elektrodenschichten zu verbessern.

Wenn ein von dem vorstehend erwähnten Material auf Silberbasis verschiedenes Material verwendet wird, kann aufgrund von Diffusion von Silber zwischen den seitlichen Elektrodenschichten und den inneren Elektrodenschichten aus Silber/Palladium eine Schicht mit hohem elektrischen Widerstand gebildet werden. Dies kann zu einem erhöhten Isolationswiderstand zwischen den seitlichen Elektrodenschichten und den inneren Elektrodenschichten führen, wodurch eine elektrische Leitung zwischen ihnen verschlechtert wird.

Als ein Beispiel für das laminierte piezoelektrische Element ist eine laminierte keramische Elektronikkomponente, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen keramischen Körper umfasst, der aus einer Vielzahl laminierter keramischer Lagen mit einem inneren Leiter und einer äußeren Elektrode gebildet ist, die auf der äußeren Oberfläche des keramischen Körpers bereitgestellt und mit dem inneren Leiter elektrisch verbunden ist, wobei der Anteil des inneren Leiters, der von dem keramischen Körper frei gelegt ist, durch die äußere Elektrode bedeckt wird, wobei der Hohlraumanteil von wenigstens einem von dem inneren Leiter und der äußeren Elektrode 7% oder weniger beträgt, in der ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2000-331866 offenbart.

Wenn sie als eine Antriebsquelle für eine Einspritzung in einem Kraftfahrzeug verwendet werden sollen, ist es für die laminierten piezoelektrischen Elemente notwendig, dass eine Langzeitverlässlichkeit unter ernsten Bedingungen wie etwa hoher Temperatur und hoher angelegter Spannung gewährleistet wird.

Wenn allerdings ein laminiertes piezoelektrisches Element über einen langen Zeitraum wiederholt betrieben wurde, treten aufgrund einer Spannung, die aus der Versetzung beim Betrieb resultiert, oftmals Risse oder eine Delaminierung in den seitlichen Elektrodenschichten auf, was zu einem Leitungsbruch und einer fehlenden Betriebsfähigkeit des laminierten piezoelektrischen Elements führt. Insbesondere wenn die seitliche Elektrodenschicht aus einem Material auf Silberbasis gebildet ist, neigt sie dazu, öfter Risse oder eine Delaminierung hervorzurufen, als wenn ein nicht auf Silber basierendes Material verwendet wird, da die Seitenelektrode hart ist.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend beschriebenen Probleme des Stands der Technik zu lösen und ein laminiertes piezoelektrisches Element mit hervorragender Langzeithaltbarkeit bereitzustellen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein laminiertes piezoelektrisches Element mit einem laminierten Körper, in dem eine Vielzahl piezoelektrischer Schichten, die in Reaktion auf eine angelegte elektrische Spannung gestreckt oder verlängert werden können, und eine Vielzahl innerer Elektrodenschichten zum Anlegen einer angelegten Spannung abwechselnd laminiert sind, und einem Paar seitlicher Elektrodenschichten, die auf den äußeren peripheren Seiten des laminierten Körpers bereitgestellt sind, wobei die seitlichen Elektrodenschichten abwechselnd mit jeweiligen inneren Elektrodenschichten elektrisch verbunden sind, so dass die inneren Elektrodenschichten, die über eine piezoelektrische Schicht aneinander angrenzen, entgegengesetzt polarisiert sind oder eine entgegengesetzte Polarität zeigen, bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
die seitlichen Elektrodenschichten aus einem porösen Material sind, wobei in irgendeinem Bereich mit einer Fläche von 10.000 μm² die Anzahl an Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm im Bereich von etwa 100 bis 6000 liegt und in irgendeinem Bereich mit einer Fläche von 10.000 μm² die Porösität basierend auf Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm im Bereich von etwa 15 bis 50% liegt.

Bei dem vorstehend beschriebenen laminierten piezoelektrischen Element gemäß der vorliegenden Erfindung ist die seitliche Elektrodenschicht dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem porösen Material gebildet ist, und dadurch, dass die Anzahl an Poren und die Porösität in dem vorstehend spezifizierten Bereich liegen.

Solch eine seitliche Elektrodenschicht hat eine geringe Härte und ist weich. Daher kann die seitliche Elektrodenschicht der Ausdehnung und Verlängerung der piezoelektrischen Schicht zum Zeitpunkt des Betriebs des laminierten piezoelektrischen Elements folgen, so dass es für die seitliche Elektrodenschicht unwahrscheinlich ist, dass sie einer nicht akzeptablen großen Kraft ausgesetzt wird. Somit wird die Spannung, die durch die Ausdehnung der piezoelektrischen Schichten in den seitlichen Elektrodenschichten erzeugt wird, klein, so dass es unwahrscheinlich ist, dass eine Delaminierung, Brüche, Spalten oder Risse während der Langzeitverwendung des piezoelektrischen Elements auftreten. Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein laminiertes piezoelektrisches Element mit hervorragender Langzeithaltbarkeit bereitgestellt.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen detailliert beschrieben, in denen:
die 1 eine perspektivische Ansicht ist, die das laminierte piezoelektrische Element gemäß Beispiel 1 zeigt;
die 2 eine Seitenansicht ist, die das laminierte piezoelektrische Element gemäß Beispiel 1 zeigt;
die 3 eine schematische Ansicht ist, die die positionelle Beziehung einer piezoelektrischen Schicht mit einer im Beispiel 1 aufgebrachten inneren Elektrodenschicht erläutert;
die 4 eine schematische Ansicht ist, die die positionelle Beziehung einer piezoelektrischen Schicht und einer weiteren angrenzenden piezoelektrischen Schicht der 3 mit einer inneren Elektrodenschicht in Beispiel 1 zeigt;
die 5 eine schematische Ansicht ist, die den laminierten Zustand von piezoelektrischen Schichten im Beispiel 1 erläutert; und
die 6 eine schematische Ansicht ist, die die Textur des Verbindungsabschnitts der freigelegten Endseite der inneren Elektrodenschichten und der seitlichen Elektrodenschichten im Beispiel 1 erläutert.
Das laminierte piezoelektrische Element gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft in verschiedenen Formen ausgeführt werden.
Bei dem laminierten piezoelektrischen Element der vorliegenden Erfindung ist die seitliche Elektrodenschicht aus einem porösen Material gebildet, wobei in irgendeinem Bereich mit einer Fläche von 10.000 μm² der seitlichen Elektrodenschicht die Anzahl an Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm im Bereich von etwa 100 bis 6000 und die Porösität aufgrund von Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm im Bereich von etwa 15 bis 50% liegt. Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "irgendein Bereich mit einer Fläche von 10.000 μm²" auf irgendeinen Bereich, der auf der Oberfläche der seitlichen Elektrodenschicht oder auf ihrem Querschnitt mit irgendeinem Winkel zu dieser definiert werden kann. Z.B. erscheinen in einer mit einem Abtastelektronenmikroskop aufgenommenen Fotografie Poren als dunkle Flächen, und das Elektrodenmaterial wie etwa Silber- und Palladiumteilchen, die die seitliche Elektrodenschicht bilden, erscheinen als weiße Teilchen. Unter Verwendung einer computergestützten Bildverarbeitungsmethode können die dunklen Flächen gemessen werden, um die Porösität zu erhalten oder um die Anzahl an Poren mit einem vorbestimmten Hauptdurchmesser zu zählen.
In der seitlichen Elektrodenschicht eingeschlossene Poren haben einen Hauptdurchmesser von ungefähr 1 bis 50 μm. Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Hauptdurchmesser" auf den "Hauptdurchmesser einer Gestalt, die durch ein Profil einer Pore eingeschlossen wird, das in irgendeinem Bereich mit einer Fläche von 10.000 μm² frei gelegt ist". Z.B. ist in der Gestalt, die durch ein Profil 3140 einer Pore 314 wie in 6 gezeigt, auf die später Bezug genommen wird, eingeschlossen ist, der größte Durchmesser der Hauptdurchmesser der Pore.
Wenn der Hauptdurchmesser weniger als 1 μm beträgt, ist die Pore zu klein, um die Festigkeit der seitlichen Elektrodenschicht hervorzurufen, und wenn im Gegensatz dazu der Hauptdurchmesser mehr als 50 μm beträgt, übersteigt die Porösität in dem Bereich mit einer Fläche von 10.000 μm² 50%, so dass eine lokale Festigkeit der seitlichen Elektrodenschicht stark herabgesetzt werden kann und von der Pore Risse ausgehen können.
Wenn des Weiteren die Porösität weniger als 15% beträgt, wenn die Anzahl an Poren weniger als 100 beträgt, ist die Härte der seitlichen Elektrodenschichten zu groß, und es ist für die seitliche Elektrodenschicht schwierig, der Ausdehnung der piezoelektrischen Schicht zu folgen, so dass die Langzeithaltbarkeit verschlechtert werden kann. Wenn im Gegensatz dazu die Porösität mehr als 50% beträgt, wenn die Anzahl an Poren 6000 übersteigt, kann die lokale Festigkeit der seitliche Elektrodenschicht stark herabgesetzt werden, und Risse können von der Pore ausgehen.
Bei dem laminierten piezoelektrischen Element gemäß der vorliegenden Erfindung kann die bei der Bildung des Elements verwendete piezoelektrische Schicht aus irgendeinem in der Technik üblichen Material gebildet sein, und sie ist somit nicht auf ein spezielles piezoelektrisches Material beschränkt. Die piezoelektrische Schicht ist bevorzugt aus einem dielektrischen Material wie etwa PZT (Bleizirkonattitanat) oder anderen gebildet.
Die innere Elektrodenschicht kann aus verschiedenen Materialien gebildet sein, die üblicherweise in der Technik verwendet werden, und sie ist somit nicht auf ein spezielles Elektrodenmaterial beschränkt. Die innere Elektrodenschicht kann bevorzugt aus einem Elektrodenmaterial gebildet sein, das Silber/Palladium umfasst.
Des Weiteren kann die innere Elektrodenschicht in verschiedenen Anordnungen gebildet sein. Z.B. kann die innere Elektrodenschicht auf einer gesamten Oberfläche der piezoelektrischen Schicht gebildet sein oder kann als eine Teilelektrode gebildet sein (siehe Beispiel 1, 3 und 4).
Darüber hinaus kann die seitliche Elektrodenschicht aus irgendeinem porösen Material gebildet sein, ist aber bevorzugt aus einem gesinterten Produkt eines Pastenmaterials gebildet, das ein Elektrodenmaterial, ein Bindemittel und ein kristallisiertes Glas enthält. Bei der Herstellung des Pastenmaterials kann irgendein Material ausgewählt und für das Elektrodenmaterial, das Bindemittel bzw. das kristallisierte Glas verwendet werden. In ähnlicher Weise kann beim Sintern des Pastenmaterials irgendeine Sinterbedingung in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Pastenmaterials ausgewählt werden, und das Sintern kann unter Verwendung irgendeines in der Technik üblichen Verfahrens durchgeführt werden. Das kristallisierte Glas kann in verschiedenen Mengen verwendet werden, aber es wird bevorzugt in einer Menge von etwa 2 bis 20 Gewichtsteilen relativ zu 100 Gewichtsteilen des Elektrodenmaterials verwendet.
Das kristallisierte Glas kann vorteilhaft bei der Herstellung des Pastenmaterials verwendet werden, da nicht kristallines Glas dazu neigt, dass seine Viskosität bei einer Temperatur oberhalb seines Erweichungspunkts signifikant verringert wird, was zu einer Erweichung des Glases führt. Im Gegensatz dazu ist die Verringerung der Viskosität im Falle des kristallisierten Glases nicht so groß, so dass eine Kondensation der dispergierten Metallteilchen aufgrund von Sintern verhindert wird und eine poröse seitliche Elektrodenschicht, die viele Poren enthält, erhalten werden kann. Somit können unter Verwendung des Pastenmaterials, das das kristallisierte Glas in dem vorstehend beschriebenen Bereich enthält, seitliche Elektrodenschichten erhalten werden, die Poren mit einer Porösität und Anzahl enthalten, die für die Ausführung der vorliegenden Erfindung nützlich sind.
Das kristallisierte Glas wird nachstehend weitergehend erläutert.
Das kristallisierte Glas ist ein Glasmaterial, in dem ein Anteil der Komponenten, die in dem Glas enthalten sind, kristallisiert ist. Das Verhältnis des kristallisierten Anteils zu dem Glas insgesamt wird Kristallisationsverhältnis oder Kristallinität genannt.
Bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass ein kristallisiertes Glas mit einem Kristallisationsverhältnis von etwa 10 bis 60% verwendet wird. Wenn ein kristallisiertes Glas mit einem Kristallisationsverhältnis von weniger als 10% verwendet wird, wird die Viskosität nicht ausreichend verringert, so dass die erwarteten Funktionen und Wirkungen der Erfindung nicht erzielt werden können. Wenn im Gegensatz dazu die Kristallisation mehr als 60% beträgt, kann das Sintern zu stark gehemmt werden, und die Festigkeit der seitlichen Elektrodenschicht kann zu stark herabgesetzt werden. Zusätzlich können die Poren überall in der seitlichen Elektrodenschicht so stark zunehmen, dass die elektrische Leitfähigkeit herabgesetzt wird, und die elektrische Leitung zu den inneren Elektrodenschichten kann behindert werden.
Das kristallisierte Glas umfasst bevorzugt ein oder mehrere Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus SiO₂-Bi₂O₃-CuO-MnO₂, PbO-ZnO-B₂O₃ und PbO-BaO-Si₂O₃. Diese Materialien haben einen Erweichungspunkt im Bereich von 650 bis 850°C und zeigen keinen scharfen Abfall in der Viskosität am oder oberhalb des Erweichungspunkts, so dass, wenn die seitliche Elektrodenschicht durch Brennen bei etwa 850°C gebildet wird, eine Kondensation von Metallteilchen beim Sintern effektiv verhindert werden kann, und die Poren enthaltenden seitlichen Elektrodenschichten gemäß der vorliegenden Erfindung können leicht erhalten werden.
Wie vorstehend beschrieben ist es bevorzugt, dass die seitliche Elektrodenschicht durch Sintern des Pastenmaterials gebildet wird, das eine Mischung aus dem kristallisierten Glas, Elektrodenmaterial und Bindemittel umfasst. Irgendein Elektrodenmaterial, das im Allgemeinen zum Bilden von Elektrodenschichten verwendet wird, kann verwendet werden. Ein bevorzugtes Beispiel für das Elektrodenmaterial schließt leitfähige Pulver wie etwa Silber, Palladium und dergleichen ein, ist aber nicht darauf beschränkt. Das Bindemittel ist bevorzugt ein organisches Bindemittel. Das Pastenmaterial kann optional irgendein organisches Lösungsmittel und verschiedene keramische Materialien und piezoelektrische Materialien als zusätzliche Materialien enthalten.
Hiernach wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf ihre Beispiele und unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen beschrieben.
Beispiel 1
In diesem Beispiel wird ein laminiertes piezoelektrisches Element gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 1 bis 6 beschrieben.
Wie in 1 gezeigt umfasst ein laminiertes piezoelektrisches Element 1 einen laminierten Körper 10, der aus abwechselnden Laminierungen einer Vielzahl piezoelektrischer Schichten 11, die in Reaktion auf eine angelegte Spannung verlängert werden können, und einer Vielzahl innerer Elektrodenschichten 21, 22 zum Anlegen einer angelegten Spannung besteht, und ein Paar seitlicher Elektrodenschichten 31, 32, die auf den äußeren peripheren Seiten des laminierten Körpers 10 bereitgestellt sind. Die seitlichen Elektrodenschichten 31, 32 sind abwechselnd mit den inneren Elektrodenschichten 21 bzw. 22 elektrisch verbunden, so dass die inneren Elektrodenschichten 21, 22, die über eine piezoelektrische Schicht 11 aneinander angrenzen, entgegengesetzt polarisiert sind oder eine entgegengesetzte Polarität zeigen.
Mit Bezug auf die seitlichen Elektrodenschichten 31, 32 liegt in irgendeinem Bereich mit einer Fläche von 10.000 μm² die Porösität aufgrund von Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm im Bereich von 15 bis 50%, und in irgendeinem Bereich der seitliche Elektrodenschicht mit einer Fläche von 10.000 μm² liegt die Anzahl an Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm im Bereich von 100 bis 6000.
Als nächstes wird das laminierte piezoelektrische Element 1 der 1 detailliert beschrieben.
Wie in den 1 und 2 gezeigt sind in dem laminierten piezoelektrischen Element 1 dieses Beispiels die inneren Elektrodenschichten 21, 22 abwechselnd zwischen den piezoelektrischen Schichten 11 angeordnet, während eine innere Elektrodenschicht 21 auf der Seite 101 des laminierten Körpers 10 und die andere innere Elektrodenschicht 21 auf der anderen Seite 102 des laminierten Körpers 10 frei gelegt ist. Die seitlichen Elektrodenschichten 31, 32 sind so bereitgestellt, dass sie abwechselnd mit dem Ende der inneren Elektrodenschichten 21, 22, das auf den Seiten 101 bzw. 102 des laminierten Körpers 10 frei gelegt ist, elektrisch verbunden sind. Somit ist die seitliche Elektrodenschicht 31 an der Position gebildet, wo die inneren Elektrodenschichten 21 frei gelegt sind, um so die inneren Elektrodenschichten 21 elektrisch miteinander zu verbinden. Die seitliche Elektrodenschicht 32 ist an der Position gebildet, wo die inneren Elektrodenschichten 22 frei gelegt sind, um so die inneren Elektrodenschichten 22 elektrisch miteinander zu verbinden.
Wie in 2 gezeigt ist des Weiteren der Mittelabschnitt des laminierten piezoelektrisches Elements 1 in der Laminierungsrichtung der Antriebsabschnitt 111, und die beiden Enden, zwischen denen er sandwichartig angeordnet ist, sind Pufferabschnitte 112. Beide Enden des Pufferabschnitts 112 sind Blindabschnitte 113, und die Enden der Blindabschnitte 113 sind isolierende Platten 315, 325. Der Antriebsabschnitt 111 bildet den Abschnitt, in dem sich die piezoelektrischen Schichten 11, 12 bei Anlegen einer Spannung strecken. Die Pufferabschnitte 112 strecken sich weniger als der Antriebsabschnitt 111 und bilden die Abschnitte, in denen die Spannung, die auf die festgestellten Blindabschnitte 113 auf beiden Enden des laminierten piezoelektrischen Elements 1 ausgeübt wird, abgebaut wird. Die Blindabschnitte 113 bilden den Abschnitt, der beim Anlegen einer Spannung festgestellt bleibt, und eine Isolation zwischen dem laminierten piezoelektrischen Element 1 und der Umgebung wird durch die isolierenden Platten 315, 325 sichergestellt.
Obwohl nicht veranschaulicht, ist zu beachten, dass zum Anschluss an eine äußere Energiequelle auf jeder der seitlichen Elektrodenschichten 31, 32 eine Leitung bereitgestellt ist, und ein isolierender Überzug oder Film ist auf einer gesamten Oberfläche der äußeren peripheren Oberfläche des laminierten piezoelektrischen Elements 1 einschließlich der seitlichen Elektrodenschicht 31, 32 bereitgestellt.
Darüber hinaus weist das veranschaulichte laminierte piezoelektrische Element 1 eine Anordnung mit teilweiser Elektrode auf. Und zwar ist eine innere Elektrodenschicht 21 wie in 3 gezeigt auf einer piezoelektrischen Schicht 11 bereitgestellt, wobei das Ende der inneren Elektrodenschicht 21 auf der rechten Seite der 3 gegenüber der Umgebung frei gelegt ist. Die linke Seite der 3 ist nicht durch die innere Elektrodenschicht 21 abgedeckt, und ein Reserveabschnitt 119 ist gebildet. Wie in 4 gezeigt hat eine weitere piezoelektrische Schicht 11 auf der rechten Seite einen Reserveabschnitt 109, und das Ende einer inneren Elektrodenschicht 22 ist auf der linken Seite gegenüber der Umgebung frei gelegt. Wie in 5 gezeigt ist das laminierte piezoelektrische Element 1 gemäß dieses Beispiels durch abwechselndes Laminieren einer piezoelektrischen Schicht 11 mit einer inneren Elektrodenschicht 21 auf dieser und einer piezoelektrischen Schicht 11 mit einer inneren Elektrodenschicht 22 auf dieser gebildet.
Als nächstes wird das Herstellungsverfahren und der Aufbau des laminierten piezoelektrischen Elements 1 dieses Beispiels detailliert beschrieben.
Das laminierte piezoelektrische Element 1 dieses Beispiels wird unter Verwendung des weitgehend verwendeten Grünlagenverfahrens hergestellt. Zuerst werden als ein Hauptrohmaterial für das piezoelektrische Material Pulver von Bleioxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Nioboxid, Strontiumcarbonat, etc. abgewogen, um die erwünschte Zusammensetzung zu erhalten. Dann werden diese Materialien im trockenen Zustand unter Verwendung eines Mischers vermischt, und dann wird die Mischung kalziniert.
Dann werden reines Wasser und ein Dispergiermittel zu dem kalzinierten Pulvern zugegeben, um eine Aufschlämmung zu bilden, und die Aufschlämmung wird im nassen Zustand unter Verwendung einer Kugelmühle pulverisiert. Nachdem die pulverisierten Pulver getrocknet und entölt wurden, werden ein Lösungsmittel, Bindemittel, Weichmacher, Dispergiermittel und dergleichen zu den Pulvern zugegeben und unter Verwendung einer Kugelmühle vermischt. Dann wird die resultierende Aufschlämmung in einer Vakuumkammer entgast, während sie unter Verwendung eines Rührers gerührt wird, und die Viskosität wird eingestellt.
Dann wird die Aufschlemung unter Verwendung eines Doctorblade-Geräts zu einer Grünlage mit einer konstanten Dicke geformt. Die erhaltene Grünlage wird des Weiteren durch Stanzen mit einer Presse oder durch Schneiden mit einem Schneidegerät zu einem rechtwinkligen Körper mit einer vorbestimmten Größe geformt. Eine Grünlage kann gemeinsam zum Bilden des Antriebsabschnitts, des Pufferabschnitts und des Blindabschnitts verwendet werden.
Als nächstes wird unter Verwendung eines Pastenmaterials, das Silber/Palladium im Gewichtsverhältnis Silber/Palladium = 7/3 enthält, ein Muster für eine innere Elektrodenschicht durch Siebdruck auf einer Oberfläche des rechtwinkligen Körpers gebildet. Wie in den 3 und 4 gezeigt wird das Muster beim Siebdrucken mit einem Reserveabschnitt gebildet, um so einen Aufbau mit teilweiser Elektrode zu erhalten.
Eine vorbestimmte Anzahl solcher rechtwinkliger Körper wird basierend auf dem speziellen benötigten Ausmaß an Versetzung des Antriebsabschnitts 111 und des Pufferabschnitts 112 hergestellt. Zusätzlich werden rechtwinklige Körper, auf die keine innere Elektrodenschicht 31, 32 gedruckt ist, in einer für den Pufferabschnitt 112 und dem Blindabschnitt 113 benötigten Anzahl bereitgestellt.
Dann werden diese rechtwinkligen Körper laminiert. Die laminierten rechtwinkligen Körper sind ähnlich zu jenen, die in 5 gezeigt sind, die im Wesentlichen den Zustand des Antriebsabschnitts 111 des laminierten piezoelektrischen Elements 1 zeigt.
In dem mittleren Antriebsabschnitt 111 sind nur jene rechtwinkligen Körper, auf denen das vorstehend erwähnte Muster für eine innere Elektrodenschicht 21 gebildet ist, laminiert, und in dem Pufferabschnitt 112 sind die rechtwinkligen Körper, auf denen das vorstehend erwähnte Muster gebildet ist, mit rechtwinkligen Körpern laminiert, die kein zwischen diesen angeordnetes gebildetes Muster aufweisen, und in dem Blindabschnitt 113 sind nur jene rechtwinkligen Körper laminiert, auf denen kein Muster gebildet ist. Auf diese Weise kann ein ungebrannter laminierter Körper mit dem in 1 gezeigten Aufbau erhalten werden.
Nachdem der ungebrannte laminierte Körper thermisch mit einer Warmwasser-Gummipresse gepresst wurde, wird er als Nächstes bei einer Temperatur von 400 bis 700°C entfettet und bei einer Temperatur von 900 bis 1200°C gebrannt, um einen laminierten Körper 10 zu erhalten.
Als nächstes werden die seitlichen Elektrodenschichten 31, 32 auf den Seiten des laminierten Körpers 10 gebildet.
Zuerst wird ein Pastenmaterial zum Bilden der seitliche Elektrodenschicht durch Vermischen eines Elektrodenmaterials, eines kristallisierten Glases, eines organischen Lösungsmittels und eines Harzbindemittels gefolgt von Kneten der Mischung mit einer 3-Walzen-Mühle hergestellt.
In diesem Beispiel wird eine Mischung aus Silberpulver mit einem Teilchendurchmesser von 1 bis 10 μm und Palladiumpulver mit einem Teilchendurchmesser von 0,01 bis 10 μm als das Elektrodenmaterial verwendet. Anstelle von oder zusätzlich zu solch einer Pulvermischung kann ein Legierungspulver, das durch vorausgehendes Legieren von Silber und Palladium, oder ein co-ausgefälltes Pulver, das durch gleichzeitiges Ausfällen von Silber und Palladium aus flüssiger Phase und durch Dispergieren der Mischung in einem guten Zustand erhalten wird, verwendet werden. Beim Brennen der seitlichen Elektrodenschicht werden Silber und Palladium legiert.
Relativ zu 100 Gewichtsteilen des wie vorstehend beschrieben hergestellten Elektrodenmaterials werden 2 bis 20 Gewichtsteile kristallisiertes Glas (PbO-ZnO-B₂O₃, PbO-BaO-Si₂O₃, SiO₂-Bi₂O₃-CuO-MnO₂, etc.) zugegeben, und ein organisches Lösungsmittel (Butylcarbitol, Butylcarbitolacetat, Terpineol, etc.) und ein Harzbindemittel (Ethylcellulose, etc.) werden in Mengen von 5 bis 30 Gewichtsteilen bzw. 1 bis 10 Gewichtsteilen zugegeben, um das Pastenmaterial zu erhalten. Das Pastenmaterial wird unter Verwendung eines Siebdruckverfahrens in einem Muster auf dem laminierten Körper abgeschieden, der in dem vorhergehenden Schritt hergestellt wurden, und nachdem es getrocknet wurde, wird es bei einer maximalen Temperatur von 600 bis 850°C in der umgebenden Atmosphäre gebrannt.
Es ist zu beachten, dass in dem vorstehend beschriebenen Verfahren das organische Lösungsmittel und das Harzbindemittel zugegeben werden, um die Eigenschaften des Druckens eines dicken Films und die Haftung zum Zeitpunkt des Laminierens beizubehalten, und somit kann irgendein Material und irgendeine Zusammensetzung in irgendeiner Menge verwendet werden, solange die befriedigenden Druckeigenschaften und die Haftung beibehalten werden können. Daher beschränkt dieses Beispiel den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht.
Nach dem Brennen wird der laminierte Körper mit einem isolierenden Öl geränkt, und eine Gleichspannung wird über die seitlichen Elektrodenschichten 31, 32 zwischen den inneren Elektrodenschichten 21, 22 angelegt, um die piezoelektrische Schicht 11 zu polarisieren. Isolierende Platten 315, 325 werden auf beiden Endoberflächen bereitgestellt, um das laminierte piezoelektrische Element 1 zu vervollständigen.
Für das laminierte piezoelektrische Element 1, das durch das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren hergestellt wurde, wird ein Verbindungsabschnitt der seitlichen Elektrodenschicht 31 mit der Seite 101, an der ein Endabschnitt der inneren Elektrodenschicht 21 frei liegt, nachstehend mit Bezug auf 6 beschrieben.
Das in dem Pastenmaterial enthaltene kristallisierte Glas schmilzt und fließt, so dass eine dünne Schicht 310 zwischen der seitlichen Elektrodenschicht 31 und der Seite 101 des laminierten Körpers 10 gebildet wird. In der seitlichen Elektrodenschicht 31 gibt es eine Glasphase aus dem kristallisierten Glas, das nach dem Bilden der dünnen Schicht 310 verbleibt, und Poren 314 zwischen kristallisierten Teilchen 312 aus Silber/Palladium-Legierung. Das Bezugszeichen 3140 bezeichnet das Profil der Pore der 314. Solch eine Struktur kann in Fotografien etc. des Schnitts des laminierten piezoelektrischen Elements 1, die unter Verwendung eines Abtastelektronenmikroskops etc. aufgenommen werden, beobachtet werden.
In dem Herstellungsverfahren dieses Beispiels ist das Elektrodenmaterial eine Pulvermischung aus Silber und Palladium, und das kristallisierte Glas ist PbO-ZnO-B₂O₃. Die seitliche Elektrodenschicht 31 ist aus dem Pastenmaterial gebildet, das durch Zugeben von 10 Gewichtsteilen des kristallisierten Glases zu 100 Gewichtsteilen des Elektrodenmaterials hergestellt wird.
Fotografien des Schnitts der seitlichen Elektrodenschicht 31 wurden mit einem Abtastelektronenmikroskop aufgenommen, und als Ergebnis einer Computer-gestützten Bildverarbeitung wurde gefunden, dass in irgendeinem Bereich mit einer Fläche von 10.000 μm² die Porösität aufgrund von Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm 21% und die Anzahl von Poren 225 betrug (die Probe 3 im später beschriebenen Beispiel 2).
Offensichtlich ist die seitliche Elektrodenschicht 31 bei dem in diesem Beispiel hergestellten laminierten piezoelektrischen Element 1 dadurch gekennzeichnet, dass in irgendeinem Bereich mit einer Fläche von 10.000 μm² die Porösität aufgrund von Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm 15 bis 50% und die Anzahl an Poren 100 bis 6000 beträgt.
Des Weiteren ist die seitliche Elektrodenschicht 31 weich mit einer geringen Härte (siehe Beispiel 2). Daher können die seitlichen Elektrodenschichten 31, 32 der Ausdehnung der piezoelektrischen Schicht 11 während des Betriebs des laminierten piezoelektrischen Elements 1 folgen, und es ist somit unwahrscheinlich, dass sie einer nicht akzeptablen Kraft ausgesetzt werden. Demgemäß wird die Spannung, die begleitend zu der Ausdehnung der piezoelektrischen Schicht 11 auf die seitlichen Elektrodenschichten 31, 32 ausgeübt wird, klein, so dass es für eine Delaminierung, Brüche, Spalten oder Risse unwahrscheinlich ist, in den seitlichen Elektrodenschichten 31, 32 aufzutreten, was zu einer hervorragenden Haltbarkeit während eines Langzeitbetriebs führt (siehe Beispiel 2).
Aus dem Vorhergehenden kann verstanden werden, dass in diesem Beispiel ein laminiertes piezoelektrisches Element 1 mit hervorragender Langzeithaltbarkeit bereitgestellt werden kann.
Beispiel 2
In diesem Beispiel wird die Leistung eines laminierten piezoelektrischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen mit Vergleichsbeispielen beschrieben.
Insgesamt elf (11) Proben von laminierten piezoelektrischen Elementen gemäß Beispielen der vorliegenden Erfindung (erfindungsgemäße Beispiele) und von Vergleichsbeispielen wurden hergestellt (siehe Proben 1 bis 11 in der nachstehenden Tabelle 1). Die Zusammensetzung jedes der laminierten piezoelektrischen Elemente war im Wesentlichen die Gleiche wie jene des Beispiels 1. Proben der erfindungsgemäßen Beispiele wurden unter Verwendung eines kristallisierten Glases als der Glaskomponente in dem Pastenmaterial zum Bilden von seitlichen Elektrodenschichten hergestellt. Proben der Vergleichsbeispiele wurden unter Verwendung eines nicht kristallinen Glases anstelle des kristallisierten Glases hergestellt.
Wie in Tabelle 1 gezeigt war das Elektrodenmaterial mit Ausnahme der Proben 10 und 11, in denen nur Silberpulver verwendet wurde, eine Mischung aus Silberpulver und Palladiumpulver. Die Menge an zugegebener Glaskomponente (d.h. nicht kristallines Glas oder kristallisiertes Glas) relativ zu dem Elektrodenmaterial wurde für jede Probe variiert. Die Art der Glaskomponente wurde ebenfalls variiert. Die Variationen sind im Detail in nachstehender Tabelle 1 gezeigt. Es ist zu beachten, dass das Kristallisationsverhältnis von PbO-ZnO-B₂O₃-artigem kristallisierten Glas, PbO-BaO-Si₂O₃-artigem kristallisierten Glas und SiO₂-Bi₂O₃-CuO-MnO₂-artigem kristallisierten Glas unter Verwendung des Röntgenstrahlbeugungsverfahrens durch Vergleichen der Intensität des Präzipitationssignals der kristallisierten Komponente mit der Signalintensität eines reinen Kristalls gemessen werden kann, und es wurde gefunden, dass sie ein Kristallisationsverhältnis von 30%, 20% bzw. 43% aufweisen.
Jede der Proben 1 bis 11 wurde in der Richtung schräg zu der seitlichen Elektrodenschicht geschnitten, und der Schnitt wurde unter Verwendung eines Abtastelektronenmikroskops fotografiert. Mittels Bildverarbeitung der Fotografie wurden die Porösität und die Anzahl an Poren gemessen.
Des Weiteren wurde die Härte der seitlichen Elektrodenschicht unter Verwendung eines Ultra-Mikro-Härtetesters mit einer Stempelbelastung von 10 g gemessen. Das Messergebnis wurde als die Härte der seitlichen Elektrodenschicht angesehen.
Darüber hinaus wurde eine sinusförmige Spannung mit einer maximalen Amplitude von 190 V bei einer Frequenz von 60 Hz an jede Probe angelegt, und die piezoelektrische Schicht wurde bei Umgebungstemperatur gestreckt.
Danach wurde ein 2 mm quadratisches Metallplättchen mit einem Klebstoff an die seitliche Elektrodenschicht angeklebt, und das Metallplättchen wurde in der Richtung senkrecht zu der Oberfläche der seitliche Elektrodenschicht mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/min gezogen. Die zum Zeitpunkt des Ablösens der seitlichen Elektrodenschicht gemessene Kraft wurde als die Haftfestigkeit nach Belastung aufgezeichnet. Die Anwesenheit oder Abwesenheit von Rissen in der seitlichen Elektrodenschicht nach Belastung wurde ebenfalls durch visuelle Beobachtung untersucht. Diese Messergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Es ist aus den Messergebnissen in Tabelle 1 ersichtlich, dass selbst für die seitliche Elektrodenschicht, die aus einem kristallisiertes Glas enthaltenen Pastenmaterial hergestellt wurde, in der Probe 1, in der die zugegebene Menge an kristallisiertem Glas klein war, die Porösität gering war, die Anzahl an Poren klein war, und ein Reißen auftrat. In ähnlicher Weise war in den Proben 8, 9 und 10, in denen die seitliche Elektrodenschicht aus Pastenmaterial hergestellt war, das nicht kristallines Glas enthält, die Porösität gering, war die Anzahl an Poren klein und trat ein Reißen auf. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich hat die aus diesen Proben hergestellte seitliche Elektrodenschicht eine große Härte (d.h. sie ist hart und zeigt keine Flexibilität), und die Haftfestigkeit nach Belastung war in allen Fällen klein.
Im Gegensatz dazu war in den Proben 2 bis 7 und 11, in denen kristallisiertes Glas im Bereich von 2 bis 30 Gewichtsteilen enthalten war, die Porösität hoch, die Anzahl an Poren war groß und Risse traten nicht auf, unabhängig von der Art des kristallisierten Glases. Bei der aus diesen Beispielen hergestellten seitliche Elektrodenschicht war die Härte groß, und die Haftfestigkeit nach Belastung war in allen Fällen groß.
Aus den vorstehenden Fakten wurde ermittelt, dass gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der in irgendeinem Bereich mit einer Fläche von 10.000 μm² die Porösität aufgrund von Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm 15 bis 50% und die Anzahl an Poren 100 bis 6000 beträgt, ein laminiertes piezoelektrisches Element bereitgestellt wird, das eine hervorragende Langzeithaltbarkeit hat und bei dem Risse nach Belastung nicht leicht auftreten.
Des Weiteren ist gefunden worden, dass das vorstehend beschriebene laminierte piezoelektrische Element durch Zugeben eines kristallisierten Glases zu dem Pastenmaterial bei der Herstellung der seitlichen Elektrodenschichten realisiert werden kann.

Claims

Laminiertes piezoelektrisches Element mit einem laminierten Körper, in dem eine Vielzahl piezoelektrischer Schichten, die in Reaktion auf eine angelegte Spannung gestreckt werden können, und eine Vielzahl innerer Elektrodenschichten zum Anlegen einer angelegten Spannung, abwechselnd laminiert sind, und einem Paar seitlicher Elektrodenschichten, die auf äußeren peripheren Seitenoberflächen des laminierten Körpers bereitgestellt sind, wobei die seitlichen Elektrodenschichten abwechselnd mit jeweiligen inneren Elektrodenschichten elektrisch verbunden sind, so dass die inneren Elektrodenschichten, die über eine piezoelektrische Schicht aneinander angrenzen, entgegengesetzt polarisiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Elektrodenschichten aus einem porösen Material gebildet sind, wobei in irgendeinem Bereich mit einer Fläche von 10.000 μm² die Anzahl an Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm im Bereich von 100 bis 6000 liegt und in irgendeinem Bereich mit einer Fläche von 10.000 μm² die Porösität basierend auf Poren mit einem Hauptdurchmesser von 1 bis 50 μm im Bereich von 15 bis 50% liegt.
Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, wobei das poröse Material der seitlichen Elektrodenschicht ein gesintertes Produkt eines Pastenmaterials ist, das ein Elektrodenmaterial, ein Bindemittel und ein kristallisiertes Glas enthält, und wobei in dem Pastenmaterial das kristallisierte Glas in einer Menge von 2 bis 20 Gewichtsteilen relativ zu 100 Gewichtsteilen des Elektrodenmaterials enthalten ist.
Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch 2, wobei das kristallisierte Glas ein Kristallisationsverhältnis von 10 bis 60% aufweist.
Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch 2 oder 3, wobei das kristallisierte Glas ein Material umfasst, das wenigstens ein Mitglied ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus SiO₂-Bi₂O₃-CuO-MnO₂, PbO-ZnO-B₂O₃ und PbO-BaO-Si₂O₃ enthält.
Laminiertes piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die piezoelektrische Schicht PZT (Bleizirkonattitanat) umfasst.
Laminiertes piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die innere Elektrodenschicht aus einer Elektrode gebildet ist, die Silber/Palladium umfasst.
Laminiertes piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die innere Elektrodenschicht auf wenigstens einem Teil der piezoelektrischen Schicht bereitgestellt ist.