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Dokumentenidentifikation DE69020629T2 11.01.1996
EP-Veröffentlichungsnummer 0395018
Titel Schichtartiges piezoelektrisches Element und Verfahren zu dessen Herstellung.
Anmelder Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo, JP;
Hitachi Metals, Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Harada, Takeshi, Toride-shi, JP;
Kanamaru, Masatoshi, Tsukuba Hausu 1-205, Niihari-gun, Ibaraki-ken, JP;
Kohno, Akiomi, Nishiibaraki-gun, Ibaraki-ken, JP;
Jomura, Shigeru, Nishitama-gun, Tokyo, JP
Vertreter Beetz und Kollegen, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69020629
Vertragsstaaten DE, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 25.04.1990
EP-Aktenzeichen 901078717
EP-Offenlegungsdatum 31.10.1990
EP date of grant 05.07.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.01.1996
IPC-Hauptklasse H01L 41/08

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Stapelelement und den Aufbau eines piezoelektrischen Gesamtstapelstellgliedes, welches hervorragende Eigenschaften in Bezug auf Unempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit, Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit aufweist und insbesondere mit niedriger Betriebsspannung betrieben werden kann.

Beschreibung des Standes der Technik

Piezoelektrische Keramiken haben die Eigenschaft, mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und umgekehrt, so daß die Anwendung dieser Keramiken als Sensoren und Stellglieder für die Erfassung dynamischer Größen vorangetrieben wurde. Da jedoch die relative Ausdehnung piezoelektrischer Keramiken pro angelegter Spannungseinheit niedrig ist, muß eine sehr hohe Spannung angelegt werden, um praktisch relevante Verschiebungen zu erzeugen. Dementsprechend wird häufig ein Verfahren verwendet, um die anzulegende Spannung herabzusetzen, bei dem ein Aufbau verwendet wird, bei dem eine große Zahl piezoelektrischer Keramikschichten von kleinstmöglicher Dicke gestapelt werden. Piezoelektrische Elemente mit einem solchen Aufbau werden piezoelektrische Stapelelemente genannt.

Eine der fortschrittlichsten Technologien für die Herstellung von piezoelektrischen Stapelelementen ist das Green- sheet-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird pulverisiertes piezoelektrisches Material in einem geeigneten Lösungsmittel aufgelöst, der sich so ergebende Brei wird in die Form einer Schicht gebracht und die Schicht wird mit einer Metallpaste bedeckt, die als Elektrode dienen soll, und zwar mittels Siebdruck etc. . Eine große Zahl so hergestellter Schichten wird gestapelt und mittels Druck verbunden, dann getrocknet und gesintert. Dank des obigen Herstellungsverfahrens ist es möglich geworden, die anzulegende Spannung, die fur eine maximale Ausdehnung von 0,1 % nötig ist, auf 100 V zu senken, ein Wert, der als maximale Ausdehnung bei kommerziellen piezoelektrischen Elementen akzeptabel ist. Piezoelektrische Stapelelemente, die mittels dieses Green-sheet-Verfahrens nach dem Stand der Technik hergestellt wurden, sind bereits bekannt aus z.B. der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 59-32040 und dem Artikel in Sensor Gijutsu (Technology) 3, Nr. 12, S. 31 (1983).

Darüber hinaus ist als Elektrodenstruktur, welche die interne Spannung eines piezoelektrischen Stapelelements verringert und seine Zuverlässigkeit erhöht, ein System beschrieben, bei dem die Fläche der piezoelektrischen Keramik und die der Elektrode gleich groß ist (im folgenden als Gesamtstapelsystem bezeichnet), und zwar in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 63-17354. Der Querschnitt des piezoelektrischen Gesamtstapelelements ist in den Fig. 8 und 9 gezeigt. Fig. 9 zeigt den A-A-Schnitt des Elements in Fig. 8.

Als weiteres Beispiel des Standes der Technik, soweit sich dieser auf die vorliegende Erfindung bezieht, kann die japanische Patentanmeldung Kokai Nr. (Offenlegung) 62-62 571 und 61-27 688 etc. genannt werden.

In dem ersten der oben beschriebenen Verfahren nach dem Stand der Technik wird das Sintern der Green-sheets der piezoelektrischen Keramikschicht 1 und ihre Stapelung mit der Elektrode 2 gleichzeitig bei etwa 1300 ºC durchgeführt. Daher wurden Edelmetalle, die bei hoher Temperatur stabil bleiben, insbesondere Silber-Palladium-Legierungen (AgPd) als Material für die Elektrode 2 gemeinhin verwendet. Jedoch tritt bei piezoelektrischen Elementen mit der besagten Silber-Palladium-Legierungselektrode das Problem auf, daß Kurzschlüsse zwischen den Elektroden bei Betrieb in feuchter Atmosphäre auftreten. Der denkbare Grund hierfür ist, daß Wasser in das Gießharz 5 eindringt, das die Seitenflächen des piezoelektrischen Elements schützen soll, und sich eine Wasserschicht zwischen dem Stapel und dem Harz 5 bildet, was zu einem niedrigen Kontaktwiderstand zwischen den Elektroden führt oder dazu, daß Silber sich darin in Form von Ionen (Ag&spplus;) löst, welche durch das elektrische Feld angezogen werden und sich in der Nähe der benachbarten Elektroden ansammeln, wodurch ein stromführender Pfad gebildet wird. Dieses Phänomen wird allgemein als "Migration" bezeichnet und ist ein gemeinsames Problem aller elektrischen Teile mit Silber- oder Legierungselektroden auf Silberbasis.

Auf der anderen Seite wird bei piezoelektrischen Gesamtstapelelementen als letztere der Technologien nach dem Stand der Technik ein Verfahren angewendet, bei dem der Isolator 4 entlang der Endfläche der Elektrode 2 beschichtet wird, um die Elektrode 2 und den Außenanschluß 3 abwechselnd zu verbinden, wie in Fig. 8 gezeigt. Bei diesem Verfahren muß jedoch die Breite und Dicke des Isolators 4 verglichen mit der Dicke der Elektrode 2 ausreichend groß sein, um die notwendige dielektrische Stärke sicherzustellen, wodurch eine Verringerung des Abstandes zwischen den Elektroden oder der Dicke der piezoelektrischen Keramikschichten 1 verhindert wird, was zu Schwierigkeiten bei der Verringerung der Betriebsspannung führt. Da sich weiterhin der Anschluß 3 auf der rauhen Oberfläche des Isolators 4 befindet, ist seine Zuverlässigkeit problematisch. Ein weiteres Problem ist, daß aufgrund der Kompliziertheit der Herstellungsschritte das Produktionsergebnis schlecht und die Produktionskosten hoch sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Aufbau eines piezoelektrischen Gesamtstapelelements anzugeben, bei dem kein Kurzschluß von Elektroden auftritt, auch nicht in feuchter Atmosphäre, das insbesondere bei niedriger Spannung arbeitet und hervorragende Eigenschaften in Bezug auf Zuverlässigkeit und niedrige Kosten aufweist, und ein Verfahren für die Herstellung eines solchen piezoelektrischen Elements anzugeben.

Die obigen Aufgaben werden gelöst durch ein piezoelektrisches Stapelelement nach Anspruch 1 bzw. ein Herstellungsverfahren für ein piezoelektrisches Stapelelement nach Anspruch 6. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf einzelne Ausführungsformen der Erfindung.

Es ist insbesondere effektiv aber nicht einschränkend, ein sogenanntes Gesamtstapelsystem zusammenzusetzen, bei dem die Fläche der piezoelektrischen Keramikschicht gleich der der Metallschicht für die Elektrode ist.

In Anspruch 1 bedeutet der Ausdruck "das elektrisch isolierende Bestandteilssubstitut, bestehend aus dem Oxid und/oder Nitrid des Materials der besagten Metallschicht" ein Produkt, das durch Konvertierung wenigstens eines Teils der Metallschicht mit geeigneten Mitteln, z.B. Unterwerfung wenigstens eines Teils der Schicht einer Oxidationsbehandlung, wobei wenigstens ein Teil des Teils in oxidiertes Metall umgewandelt wird, zu einem elektrisch isolierenden Bestandteil gemacht wird. Durch eine solche Behandlung wird sozusagen das Metall des besagten Teils durch den isolierenden Bestandteil ersetzt oder, mit anderen Worten, der isolierende Bestandteil ersetzt das Metall und dieses wird nicht damit beschichtet.

Weitere Vorteile und spezielle Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden kurz beschrieben.

Die Seitenfläche des Stapels wird vorzugsweise mit Gießharz beschichtet.

Die Flächenausdehnung der piezoelektrischen Keramikschicht ist vorzugsweise in etwa gleich der der Metallschicht.

Eine Heizung wird vorzugsweise auf der Außenseite des Stapels vorgesehen.

Elektrisch isolierende Bestandteile sind vorzugsweise abwechselnd mit jeder Metallschicht angeordnet.

Eine piezoelektrische Stapelanordnung (z.B. Stellglied und Sensor) wird vorzugsweise mit einem Außendraht versehen, welcher unter den jeweiligen Elektroden der oben genannten piezoelektrischen Elemente die positiven Elektroden verbindet, und mit einem externen Draht, welcher die negativen Elektroden verbindet.

Das piezoelektrische Element wird gemäß Anspruch 6 mit der piezoelektrischen Keramikschicht und der Metallschicht hergestellt, vorzugsweise mit denselben Abmessungen außer der Dicke. Die Metallschicht wird vorzugsweise aus Aluminium oder einer Legierung einer festen Lösung aus Aluminium mit Silicium, Magnesium oder Germanium hergestellt. Darüber hinaus umfaßt eine effektive Metallschicht vorzugsweise ein Aluminiumlegierungskernmaterial und ein Oberflächenmaterial aus einer Aluminiumlegierung mit niedrigerem Schmelzpunkt als das Kernmaterial auf beiden Seiten des Kernmaterials. In diesem Fall beträgt die Warmformtemperatur (des Elements) z.B. 580 bis 650 ºC.

Der Prozeß umfaßt wenigstens einen Schritt der Bildung eines Metallfilms auf wenigstens einer Seitenoberfläche einer gesinterten piezoelektrischen Keramikschicht und einen Schritt des Stapelns der piezoelektrischen Keramikschichten und ihrer Aufheizung unter Druck, um sie miteinander zu verbinden.

Anstelle von nur piezoelektrischen Keramikschichten können auch piezoelektrische Keramikschichten mit Metallschichten zwischen jeweiligen Keramikschichten gestapelt werden, wobei die Metallschicht optional aus einem metallischen Material gebildet werden kann, sei es Nickel oder Kupfer.

Zusammenfassend, der Prozeß zur Herstellung von piezoelektrischen Stapelelementen der vorliegenden Erfindung umfaßt die Stapelung von Schichten abwechselnd aus gesintertem piezoelektrischem Keramikmaterial und Elektrodenschichten, und dann Aufheizung oder Heizung unter Druck bei einer Temperatur, die niedriger als die Sintertemperatur für das piezoelektrische Keramikmaterial ist, und Beibehaltung der Bedingungen für eine vorgegebene Zeit, um die Verbindung zu bewerkstelligen, insbesondere vorzugsweise der Diffusionsverbindung der gestapelten Schichten.

Der Ausdruck "gesinterte piezoelektrische Keramik" bedeutet im folgenden das durch Sinterung einer piezoelektrischen keramischen Green-sheet hergestellte Produkt.

Vorzugsweise wird nach dem Verbindungsschritt der verbundene Stapel unter Druck gekühlt. Insbesondere ist es beim Kühlen nach dem Verbindungsschritt wünschenswert, eine Spannung bei einer Temperatur anzulegen, die um 20 bis 70 ºC über dem Curie-Punkt der piezoelektrischen Keramik liegt, um die Polarisierung der Keramik hervorzurufen. Mit "Curie-Punkt" ist iin folgenden die Temperatur gemeint, bei welcher die piezoelektrische Keramik ihre charakteristische Eigenschaft verliert, und "Polarisierung" bedeutet einen Schritt bei der Behandlung der Keramik, bei dem sie in ein piezoelektrisches Element umgewandelt wird.

Im allgemeinen ist ein piezoelektrisches Keramikmaterial ein ferroelektrisches Material mit der Kristallstruktur eines Perowskits. Bei Temperaturen über dem Curie-Punkt liegt es als Kristall des kubischen Systems vor, während es bei Temperaturen unterhalb des Curie-Punkts eine kristalline Phase annimmt, die gegenüber dem kubischen System deformiert ist, was zur Entwicklung von Versetzungen in der Kristallstruktur, d.h. Polarität (oder Orientierung) führt. Die piezoelektrische Keramik unmittelbar nach der Sinterung ist die Zusammensetzung von Kristallen, und Teile unterschiedlicher Polarität sind miteinander in jedem Kristall vermischt. Bei einer piezoelektrischen Keramik, welche nur gesintert wurde, ist die Summe der Polarisationsvektoren für den jeweiligen Kristall Null, und die Keramik ist insgesamt unpolar. Bei Anlegen eines vorgegebenen elektrischen Feldes an die Keramik wird die Richtung der Polarisation für jeden einzelnen Kristall vorgegeben. Dies wird Polarisierung und eine solche Behandlung wird Polarisationsbehandlung genannt.

Das Material für die Elektroden kann in jeder gewünschten Form verwendet werden, inklusive Film, Folie und Paste. Insbesondere bevorzugt als Material sind reines Aluminium, Nickel, Legierungen auf Aluminiumbasis und Legierungen auf Nickelbasis, weil sie anders als Silber oder Legierungen auf Silberbasis keine Migration zeigen. Unter demselben Gesichtspunkt können auch Platin und Palladium verwendet werden. Wenn eine Aluminiumelektrode verwendet wird, so hat sie vorzugsweise eine dreilagige Struktur, wobei die beiden Oberflächenmaterialien aus einer Aluminium-Silicium-Legierung bestehen und das Kernmaterial Aluminium ist.

Die Form der Stapelung ist nicht auf planare Stapelung beschränkt; sie kann auch zylindrisch sein.

Polarisation bewirkt, daß sich das Volumen der piezoelektrischen Keramik von selbst vergrößert, was zur Bildung von großer interner Spannung führt. Wenn dementsprechend die Polarisationsbehandlung beim Abkühlen vorgenommen wird, löst sich die interne Dehnung (in anderen Worten interne Spannung) als Ergebnis der Kompensierung zwischen Volumenkontraktion aufgrund der Kühlung und der Volumenvergrößerung aufgrund der Polarisation auf, und damit verbessert sich die Stärkenzuverlässigkeit der piezoelektrischen Keramik.

Wenn reines Aluminium oder Legierungen auf Aluminiumbasis als Elektrodenmaterial verwendet wird, so kann die Stapeltemperatur (Verbindungstemperatur) stark erniedrigt werden, so daß die sich entwickelnde thermische Spannung klein bleibt. Da Aluminium ein aktives Metall ist, verbessert sich darüber hinaus die Verbindung der Elektrode mit der piezoelektrischen Keramik.

Außerdem dient bei der vorliegenden Erfindung das Einsatzmaterial für die Verbindung der piezoelektrischen Schichten miteinander auch als Elektrodenmaterial, so daß sich die Herstellungsschritte vereinfachen.

Der Hauptpunkt bei der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von Aluminium, Nickel u.dgl. als Elektrodenmaterial. Aluminium, Nickel u.dgl. sind sehr aktive Metalle, wenn sie eine saubere Oberfläche haben, aber sie wechseln in einen chemisch stabilen, sog. passiven Zustand, wenn die Oberfläche oxidiert oder nitridiert ist. Daher ist es möglich, gesinterte piezoelektrische Keramikschichten zu stapeln, indem sie miteinander verbunden werden, wobei die aktiven Oberfläche der oben genannten metallischen Materialien ausgenutzt werden, und das metallische Material so wie es ist, als Elektrode zu verwenden. Wenn der Teil der Elektrode, welcher sich selbst auf der Seitenfläche des Stapels zeigt, einer Stabilisationsbehandlung unterworfen wird, so tritt in diesem Fall eine Erniedrigung des Isolationswiderstandes selbst dann nicht auf, wenn die Seitenfläche während des Betriebs in feuchter Atmosphäre mit Wasser angefeuchtet wird, noch tritt Migration aufgrund der Auflösung der Elektrode in Wasser in Form von Ionen auf.

Wenn insbesondere die vorliegende Erfindung auf ein piezoelektrisches Gesamtstapelelement angewendet wird, bei welchem die Elektrode über die gesamte Fläche der piezoelektrischen Keramikschicht gebildet ist, so kann ein Isolator ohne Erzeugung von Unregelmäßigkeiten auf der Seitenfläche des Elements gebildet werden. Dementsprechend kann die Dicke der piezoelektrischen Keramikschicht reduziert werden und damit die Betriebsspannung erniedrigt werden. Da sich darüber hinaus der Drahtanschluß auf der flachen Seitenfläche befindet, erhöht sich die Zuverlässigkeit. Da darüber hinaus die Herstellungsschritte einfach werden, verbessert sich auch die Produktivität.

Die oben genannte Stabilisationsbehandlung kann z.B. durch Oxidierung des Teils der Aluminiumelektrode vorgenommen werden, die auf der Seitenfläche des Stapels offenliegt, wobei dieser Teil nicht mit dem Drahtanschluß mittels anodischer Oxidation verbunden ist, und außerdem dem Auffüllen verbliebener Löcher mittels Elektrophorese, wodurch ein dichter elektrischer Isolator gebildet wird. Als Ergebnis der Behandlung wird verhindert, daß sich der Isolatorwiderstand verringert, selbst wenn die Seitenfläche bei Betrieb in feuchter Atmosphäre mit Wasser befeuchtet wird.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann der Feuchtigkeitswiderstand eines piezoelektrischen Stapelelements verbessert, die Betriebsspannung erniedrigt und die Zuverlässigkeit eines piezoelektrischen Gesamtstapelelements erhöht werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht des Stapels vor Beschichtung mit Gießharz des piezoelektrischen Stapelelements einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 ist eine Schnittansicht des Stapels in Fig. 1 in der Ebene ABC. Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht des effektivsten Aufbaus einer Elektrode für die Stapelung. Fig. 4 ist ein Prozeßflußdiagramm mit den Schritten für die Herstellung des piezoelektrischen Stapelelements einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 5 ist eine Teilansicht einer Form der Endfläche einer Elektrode. Fig. 6 ist ein Prozeßflußdiagramm mit den Schritten für die Herstellung des piezoelektrischen Stapelelements einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 7 ist ein Diagramm zur Darstellung eines Gerätes, wie es für die Bildung einer Isolatorschicht verwendet wird. Fig. 8 ist eine Teilansicht in zwei Richtungen eines piezoelektrischen Gesamtstapelelements nach dem Stand der Technik. Fig. 9 ist der A-A-Schnitt des Elements in Fig. 8. Fig. 10 ist ein longitudinaler Schnitt einer Massenflußsteuerung als ein Anwendungsbeispiel. Fig. 11 ist ein longitudinaler Schnitt einer Einspritzdüse als ein Anwendungsbeispiel. Fig. 12 ist ein longitudinaler Schnitt einer beweglichen Stufe für Präzisionspositionierung als ein Anwendungsbeispiel. Fig. 13 ist ein longitudinaler Schnitt des Druckkopfes eines Druckers als Anwendungsbeispiel.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Stapelelements gemäß der vorliegenden Erfindung vor der Beschichtung der Seitenfläche mit Gießharz. Fig. 2 ist eine Teilansicht des Elements in Fig. 1 in der Ebene ABC.

Dielektrische Keramiken, welche die Eigenschaft haben, daß elektrische Polarisierung hervorgerufen wird, wenn Druck auf sie ausgeübt wird, nämlich Piezoelektrizität, werden piezoelektrische Keramik genannt. Darunter befinden sich Bariumtitanat (BaTiO&sub3;), Bleititanat (PbTiO&sub3;), Bleititanatzirkonat (Pb(Zr,Ti)O&sub3;, etc., die weite Verwendung finden.

Die Pulver dieser piezoelektrischen Keramiken werden mit einem Lösungsmittel vermischt, um eine Paste zu bekommen, und Green-sheets erhält man durch Formung der Paste. Piezoelektrische Keramikschichten 1 werden durch Sinterung der Green-sheets erhalten. Ein Stapel wird durch Verwendung einer größeren Zahl von derart hergestellten piezoelekrischen Keramikschichten 1 gebildet, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, indem zwischen den jeweiligen Schichten Elektrodenplatten 2a und 2b angebracht werden, und dann Wärme und Druck zugeführt werden.

Außenanschlüsse 3a und 3b für die Elektrodenplatten 2a und 2b werden an zwei Stellen auf der Seitenfläche des oben hergestellten Stapels gebildet, und die Elektrodenplatten 2a und 2b jeder anderen Schicht werden abwechselnd mit den Außenanschlüssen 3a und 3b verbunden. Zu dieser Zeit werden die Endflächen der Elektroden 2a und 2b, welche nicht durch die Anschlüsse 3a und 3b bedeckt sind und sich auf der Seitenfläche des Stapels zeigen, in elektrisch isolierende Bestandteile 4a und 4b z.B. als Oxide oder Nitride umgewandelt.

Wie in Fig. 2 gezeigt wird außerdem die mit dem Anschluß 3a verbundene Elektrode 2a bei dem dem Anschluß 3b benachbarten Teil in einen elektrisch isolierenden Bestandteil 4a umgewandelt, um elektrischen Kontakt mit dem Anschluß 3b zu vermeiden, und die mit dem Anschluß 3b verbundene Elektrode 2b wird bei dem den Drahtanschluß 3a benachbarten Teil in einen elektrisch isolierenden Bestandteil 4b umgewandelt, um elektrischen Kontakt mit dem Anschluß 3a zu vermeiden. Das Material der jeweiligen Elektroden 2a und 2b wird ausgewählt unter Aluminium, Legierungen einer festen Lösung aus Aluminium mit Silicium, Magnesium oder Germanium, Nickel und Legierungen aus fester Lösung von Nickel mit Chrom, Palladium oder Kupfer oder Phosphor, Kupfer und Legierungen aus einer festen Lösung von Kupfer mit Phosphor oder Zink.

Eine besonders bevorzugte Struktur einer Elektrode ist in Fig. 3 gezeigt, wobei ein Oberflächenmaterial 22 aus Aluminiumlegierung, Nickellegierung oder Kupferlegierung auf beiden Seiten eines Kernmaterials aus Aluminium, Nickel oder Kupfer gebildet wird.

Die Übernahme des Elektrodenmaterials und der Isolationsstrukturen wie oben beschrieben bietet die folgenden Vorteile.

Erstens, wenn eine Elektrode mit Aluminium als Hauptkomponente verwendet wird, geht bei einer Temperatur von 580 bis 660 ºC (Schmelzpunkt von Aluminium), die bei der Bildung eines Stapels durch Wärme und Druck herrscht, nur die Oberflächenschicht der Elektrode in die Flüssigphase, so daß der Oxidfilm der Aluminiumlegierungselektrodenoberfläche durchbrochen wird und die oben erwähnte Flüssigphase der aktiven Legierung die enge Verbindung und die Reaktion der Legierung mit der piezoelektrischen Keramik begünstigt. Auf der anderen Seite bleibt Aluminium des Kernmaterials in der festen Phase, womit eine dichte Elektrode gebildet und eine konstante Dicke der Elektrode eingehalten wird. Auch wenn eine Nickel- oder Kupferelektrode verwendet wird, gilt dasselbe Prinzip wie bei Aluminium, außer daß die geeignete Temperatur unterschiedlich ist.

Als nächstes wird durch Konvertierung der Endfläche der Elektrode, die zur Stapelung der piezoelektrischen Keramikschichten dient, in einen Isolator die Beschränkung in Bezug auf die Dicke der piezoelektrischen Keramikschicht 1, wie sie bei dem Beispiel nach dem Stand der Technik (Fig. 8) gilt, auf gehoben, und die Senkung der Betriebsspannung wird möglich. Da darüber hinaus die Seitenfläche des Stapels anders als bei den Beispielen nach dem Stand der Technik flach ist, ist die Form des Drahtanschlusses 3 glatt und das Brechen von Drähten ist gering. Außerdem ist Migration und Kurzschluß zwischen der Elektrode 2 selbst dann gering, wenn Wasser in das Gießharz 5 bei Betrieb in feuchter Atmosphäre eindringt.

Der Prozeß zur Herstellung eines piezoelektrischen Stapelelements wird im folgenden mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben.

a) Geformte und gesinterte piezoelektrische Keramikschichten 1 und Aluminiumlegierungselektroden 2a und 2b wurden abwechselnd aufgeschichtet und dann bis etwa 600 ºC aufgeheizt und dieser Bedingung für 1 h oder weniger ausgesetzt, während ein Druck von 1 kg/mm² oder weniger auf sie ausgeübt wurde, unter Verwendung einer Warmpresse in Argonatmosphäre, um einen Stapel zu bilden. Die Seitenfläche des Stapels wurde poliert und dann wurde eine Elektrode 3' auf der Seitenfläche gebildet, wo sich Elektroden 2a jeder anderen Schicht zeigten.

b) Die Elektrode 3' wurde einer anodischen Oxidationsbehandlung unterworfen, wobei die Endflächen der Elektroden 2a in Kontakt mit der Elektrode 3' in ein Oxid 4a umgewandelt wurden.

c) Der resultierende Stapel wurde durch Schneiden longitudinal geteilt, so daß sich eine Gesamtstapelstruktur ergab, bei der die Elektrode 2a und die Elektrode 2b dieselbe Fläche hatten. Die Figur zeigt das oben genannte b) von der rechten Seite aus gesehen und zeigt das Oxid 4a, als trete es heraus, um seine Position deutlich zu machen.

d) Ein Drahtanschluß 3a wurde auf der Seitenfläche gebildet, wo die Oxide 4a und die Elektroden 2b abwechselnd vorhanden waren, und elektrisch mit den Elektroden 2b kontaktiert.

e) Der Drahtanschluß 3a wurde einer anodischen Oxidationsbehandlung unterworfen, wodurch die Endflächen der Elektroden 2b in Kontakt mit dem Drahtanschluß 3a in das Oxid 4b überführt wurden.

f) Ein Drahtanschluß 3b wurde auf der Seitenfläche gebildet, wo die Elektroden 2a mit einer metallischen Oberfläche und die Oxide 4b abwechselnd präsent waren, und elektrisch mit den Elektroden 2b kontaktiert.

Obgleich die nachfolgenden Schritte nicht in der Figur gezeigt sind, so wurde ein Draht für die Anlegung einer Spannung an den Drahtanschluß 3 angeschlossen und die Seitenfläche des Stapels mit Gießharz beschichtet. Schließlich wurde die Polarisationsbehandlung durchgeführt, um die gewünschte Piezoelektrizität herzustellen, wodurch sich ein piezoelektrisches Stapelelement ergab.

Wenn Nickellegierungen für die Elektrode 2 verwendet werden, so beträgt die Heiztemperatur 850 bis 1300 ºC, und wenn Kupferlegierungen verwendet werden, so beträgt die Heiztemperatur 700 bis 1000 ºC.

Selbst wenn die selektive Oxidation von Elektroden mittels anodischer Oxidation nicht durchgeführt wird und eine Isolationsstruktur nach dem Verfahren nach dem Stand der Technik übernommen wird, so kann die Vermeidung von Kurzschlüssen der Elektroden bei Betrieb in feuchter Atmosphäre durch Nitridierung oder Oxidierung z.B. mittels Glimmentladungsplasma der Endflächen der Elektroden erreicht werden, die sich auf der Seitenfläche des Stapels zeigen, bevor der Stapel mit Gießharz beschichtet wird.

In der oben gezeigten Ausführungsform war die Endfläche der Elektrode flach. Eine andere Ausführungsform, bei der die Situation unterschiedlich ist, wird im folgenden mit Bezug auf Fig. 5 beschrieben. Wenn die Wärme beim Stapeln der piezoelektrischen Keramikschichten 1 und der Elektroden 2 oberhalb der Schmelztemperatur der Elektrode 2 liegt, so schmilzt die Elektrode 2 und drängt aus der Seitenfläche des Stapels, wie in Fig. 5 gezeigt. Die Elektrode 2 einer solchen Form wird der anodischen Oxidationsbehandlung unterworfen, um ein Oxid 4 zu bilden. Bei Übernahme einer solchen Form wird die Haftung zwischen piezoelektrischer Keramikschicht 1 und der Elektrode verstärkt und die Stärke des Stapels verbessert. Darüber hinaus ist ein dicker Isolator, wie er bei dem Beispiel nach dem Stand der Technik verwendet wurde, nicht notwendig, so daß sich dieses Verfahren für die Verminderung der Dicke der piezoelektrischen Keramikschicht 1 eignet.

Ein anderer Prozeß für die Herstellung eines piezoelektrischen Stapelelements wird im folgenden mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben.

a) Geformte und gesinterte piezoelektrische Keramikschichten 1 und Aluminiumlegierungselektroden 2a und 2b, deren Flächen unterschiedlich bei jeder Lage sind, wurden abwechselnd gestapelt und auf 600 ºC oder weniger geheizt und dieser Bedingung für 1 h oder weniger ausgesetzt, während ein Druck von 1 kg/mm² oder weniger unter Verwendung einer Warmpresse in Argonatmosphäre auf sie ausgeübt wurde, um einen Stapel zu formen. Die Seitenfläche des Stapels wurde poliert und dann eine Elektrode 3' auf der Seitenfläche gebildet, wo sich nur die Elektroden mit größerer Fläche zeigen.

b) Die Elektrode 3' wurde einer anodischen Oxidationsbehandlung unterworfen, wobei die Endflächen der Elektroden 2a in Kontakt mit der Elektrode 3' in ein Oxid 4a umgewandelt wurden. Obgleich die Figur das Oxid 4 zeigt, als trete es auf der der Elektrode 3' gegenüberliegenden Seite heraus, um zu verdeutlichen, daß die besagte gegenüberliegende Seite ebenfalls in Oxid umgewandelt wurde, ist die Fläche tatsächlich flach.

c) Der Stapel wurde geschnitten, so daß die Elektroden 2a und 2b dieselbe Fläche erhielten und sich eine Gesamtstapelstruktur ergab.

d) Ein Drahtanschluß 3a wurde auf den Elektroden 2a gebildet, von denen jede andere Schicht der Oxidationsbehandlung unterworfen wurde, und elektrisch mit der Elektrode 2b verbunden.

e) Der Drahtanschluß 3b wurde einer anodischen Oxidationsbehandlung unterworfen, wodurch die Endflächen der Elektroden 2b in ein Oxid 4b umgewandelt wurden.

f) Ein Drahtanschluß 3b wurde auf der Seitenfläche gebildet, wo die Elektroden 2a mit metallischer Oberfläche und die Oxide 4b abwechselnd präsent waren, und mit den Elektroden 2a elektrisch kontaktiert.

Die folgenden Schritte sind dieselben wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform.

Der oben beschriebene Prozeß eignet sich zur Produktion von piezoelektrischen Stapelelementen, bei denen Elektroden relativ großer Fläche verwendet werden und kein Schneiden des Stapels erforderlich ist.

Bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen können auch Maßnahmen wie die Verbesserung der Wasserdurchlässigkeit von Gießharz, welches die am weitesten außen liegende Schicht des piezoelektrischen Elements bedeckt, um zu verhindern, daß Wasser in das Element eindringt, oder die Abdeckung des gesamten Elements mit einer metallischen Schicht angewendet werden. Beispiele für geeignete Gießharze sind Epoxyharz (welches für das Vergießen der meisten Halbleiterelemente verwendet wird) oder Epoxyharze mit Phenol-Novolak-Harz als Heilungsbeschleuniger, Silikon als Flexibilitäts-Agent oder Pulver aus Silicium und Aluminium als Füllstoff zur Verbesserung der Steifigkeit; und außerdem Polyimid-Harze, Fluorcarbon-Harze, etc.

Als Beispiele für aktive Metalle, welche chemisch durch Oxidation oder Nitridierung stabilisiert werden können, können neben Aluminium Legierungen auf Aluminiumbasis, Nickel und Legierungen auf Nickelbasis, Zinn, Legierungen auf Zinnbasis, Indium, Legierungen auf Indiumbasis, Titan, Legierungen auf Titanbasis, Zirkon, Legierungen auf Zirkonbasis, Eisen, Legierungen auf Eisenbasis, Zink, Legierungen auf Zinkbasis, etc., genannt werden.

Im folgenden wird eine Ausführungsform bezüglich des Verfahrens für die Isolatorbehandlung der Elektrodenendflächen weiter mit Bezug auf Fig. 7 beschrieben. Piezoelektrische Keramikschichten 1 und Aluminiumlegierungselektroden 2 mit kleinerer Fläche als erstere werden gestapelt, um einen abwechselnden Stapel 6 wie in der Figur gezeigt zu erhalten. Eine temporäre Elektrode 10 wird an den Positionen auf der Seitenfläche des oben erhaltenen Stapels gebildet, wo sich die Endflächen der Elektroden von jeder anderen Schicht zeigen. Dann wird der Stapel in eine elektrolytische Lösung 9 eingetaucht, während ein Gleichstrom 8 angeschlossen wird, so daß die temporäre Elektrode als Anode wirkt und ein Metall 7 mit stärkerer Ionisationstendenz als die temporäre Elektrode 10 als Kathode wirkt. Mit diesem Apparat wird die Oberfläche der Elektrode 2 in Kontakt mit der temporären Elektrode 10 anodisch oxidiert und eine poröse Oxidschicht geformt. Die hier verwendete elektrolytische Lösung ist z.B. eine wäßrige Lösung von schwefliger Säure, Oxalsäure, Borsäure, etc. Dann wird der Stapel einer Elektrophorese unterworfen, wobei der Stapel in eine elektrolytische Lösung eingetaucht wird, die ein Harz enthält, das darin anstelle der elektrolytischen Lösung dispergiert ist, wodurch das Harz imprägniert wird oder sich an der Innenseite und der Oberfläche der Löcher der porösen Oxidschicht auf der Oberfläche der anodisch oxidierten Elektrode 2 anlagert; somit wird die löcherfüllende Behandlung erreicht, und eine dichte elektrisch isolierende Schicht wird auf der Endfläche der Elektrode 2 gebildet. Die so gebildete isolierende Schicht isoliert den Außenanschluß und die interne Elektrode voneinander.

Die obigen Ausführungsformen wurden hauptsächlich mit Aluminiumelektroden als Beispielen beschrieben. Wenn eine Nickelelektrode verwendet wird, so ist eine Kombination eines Kernmaterials 121 aus Nickel und eines Oberflächenmaterials aus einer Nickel-Phosphor-Legierung vorzuziehen, und wenn eine Kupferelektrode verwendet wird, so ist eine Kombination eines Kernmaterials 121 aus Kupfer und eines Oberflächenmaterials 122 aus einer Kupfer-Phosphor-Legierung oder Kupfer-Zink-Legierung vorzuziehen.

Wenn eine Elektrodenplatte mit Nickel als Hauptkomponente verwendet wird und die Temperatur zur Bildung des Stapels durch Wärme und Druck 900 bis 1050 ºC beträgt, so geht nur die Oberflächenschicht der Elektrodenplatte in die flüssige Phase über, so daß der Oxidfilm auf der Oberfläche der Nickel-Phosphor-Legierungselektrodenplatte durchbrochen wird und die Flüssigphase der aktiven Nickel-Phosphor-Legierung die enge Verbindung und Reaktion mit der piezoelektrischen Keramik begünstigt. Auf der anderen Seite bleibt das Nickel des Kernmaterials fest, und somit wird eine vorgegebene Dicke der Elektrodenplatte beibehalten.

Wenn eine Elektrodenplatte mit Kupfer als Hauptkomponente verwendet wird, so kann derselbe Effekt wie mit Nickel als Hauptkomponente bei einer Heiztemperatur von 700 bis 1000 ºC erzielt werden.

Bezüglich des Verfahrens für die Bildung eines Elektrodenmetalls auf der piezoelektrischen Keramik sind neben der obigen die folgenden Verfahren effektiv: Beschichtung einer Paste metallischen Materials, gefolgt von Backen, Bedecken, physikalisch-chemikalische Dampfabscheidungsverfahren wie Verdampfen und Sputtern, etc.

Stapel wurden durch Stapelung piezoelektrischer Keramikschichten gebildet, beschichtet mit Metallfilmen wie oben beschrieben, und Aufheizen unter Druck. Der ausgeübte Druck war z.B. 0,5 kg/mm² und die Verbindungsatmosphäre war Luft oder ein Edelgas (z.B. Ar). Eine hohe Verbindungsstärke wurde bei einer Heiztemperatur von 850 bis 1050 ºC für Nickel-Phosphor-Legierungen erreicht, etwa 1060 ºC für Kupfer, 700 bis 950 ºC für Kupfer-Phosphor-Legierungen und 800 bis 950 ºC für Kupfer-Zink-Legierungen.

Wenn eine Elektrodenplatte aus mehreren Schichten verwendet wird, so kann der Stapel z.B. durch abwechselndes Stapeln einer piezoelektrischen Kernschicht 1, bedeckt mit einem Metallfilm 22 mit Nickel-Phosphor-Legierung, Kupfer- Phosphor-Legierung oder Kupfer-Zink-Legierung als Hauptkomponente und einer Nickel- oder Kupferplatte 21, und Aufheizen unter Druck gebildet werden.

Bei Anwendung dieses Verfahrens geht nur die Metallschicht der Legierung in die Flüssigphase und der Metallfilm 2 bleibt fest, wodurch eine vorgegebene Elektrodenplattendicke erhalten wird, so daß die jeweiligen Schichten des Stapels parallel zueinander gebildet werden und sich keine Verbindungsspannung in den piezoelektrischen Keramikschichten aufbaut und sich folglich ein Stapel mit wenig Spannung ergibt.

Fig. 10 ist ein longitudinaler Schnitt, der ein Beispiel einer Massenflußsteuerung zeigt, bei der ein piezoelektrisches Stapelelement gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet wird. In Fig. 10 wird ein piezoelektrisches Element 11 durch Anlegen einer Spannung verlängert oder kontrahiert, die Bewegung wird auf ein Diaphragma 12 übertragen, wodurch sich die Öffnung einer Öffnung 13 in der Fluidpassage (z.B. Gas), die gesteuert werden soll, einstellt und so die Flußrate gesteuert wird.

Solch eine Massenflußsteuerung zeigt ein stark verbessertes Verhalten im Vergleich zu einer Steuerung nach Stand der Technik mit einer Zylinderspule. Außerdem führt dies zu Verbesserungen in Bezug auf Lebensdauer und hohe Betriebsspannung, welche ernste Probleme bei der Verwendung von piezoelektrischen Elementen nach dem Stand der Technik sind.

Fig. 11 ist ein longitudinaler Schnitt eines Beispiels einer Einspritzdüse mit piezoelektrischem Stapelelement der vorliegenden Erfindung. In Fig. 11 wird ein piezoelektrisches Element 21 durch Anlegen einer Spannung verlängert oder kontrahiert, die Bewegung wird auf einen Zylinder 22 übertragen, durch den eine Passage 23 auf der Treibstoffeinlaßseite mit einer Passage 24 zum Zylinder verbunden ist. Die Menge des eingespritzten Treibstoffs wird durch Einstellung der Länge der Zeit der Spannungsanlegung an das piezoelektrische Element gesteuert.

Solch eine Einspritzdüse erfordert anders als bei der Verwendung von piezoelektrischen Elementen nach dem Stand der Technik keinen Aufwärts-Transformator für eine hohe Spannung und ist frei von solchen Problemen wie Verkürzung der Lebensdauer aufgrund der Anlagerung von Treibstoffdämpfen. Somit kann der Vorteil von piezoelektrischen Elementen sehr effektiv genutzt werden, insbesondere in Bezug auf die Verbesserung der Reaktion und Genauigkeit der Treibstoffeinspritzung.

Fig. 12 ist eine Seitenansicht eines Beispiels einer beweglichen Stufe für Präzisionspositionierung mittels piezoelektrischen Stapelelements gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 12 dient die Stufe 34 der Grobjustierung, welche durch ein Linearstellglied 33 bewegt wird, wie z.B. eine Kugelschraube. Eine Feinjustagestufe 32 auf ersterer Stufe wird mittels piezoelektrischen Elements 31 bewegt.

Die Verwendung des piezoelektrischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer solchen beweglichen Stufe ermöglicht es, die Feuchtigkeitsunempfindlichkeit und Zuverlässigkeit der beweglichen Stufen mit piezoelektrischen Elementen zu verbessern, die eine deutlich bessere Reaktion und Genauigkeit zeigen als die nach dem Stand der Technik, und eine bewegliche Stufe zu konstruieren, die auch in feuchter Atmosphäre außerordentlich zuverlässig ist.

Fig. 13 ist eine Seitenansicht eines Beispiels eines Druckkopfes eines Druckers mit dem piezoelektrischen Stapelelement gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 13 zeigt, wie eine durch ein piezoelektrisches Element 41 erzeugte Verschiebung über einen Hebel einer Plattenfeder 42 auf einen Druckstift 43 übertragen wird, um zu drucken.

Solch ein Druckkopf zeigt nicht nur ein außerordentliches Verhalten, sondern hat auch den Vorteil einer großen Druckleistung bei kleiner Größe. Außerdem zeigt er gute Eigenschaften in Bezug auf ausreichende Genauigkeit auch in feuchter Atmosphäre.


Anspruch[de]

1. Piezoelektrisches Stapelelement, das einen Stapelaufbau von mehreren piezoelektrischen Keramikschichten (1) und Metallschichten (2a, 2b) zwischen den jeweiligen piezoelektrischen Keramikschichten (1) und ein Paar von Außenanschlüssen (3a, 3b) auf der Seitenfläche des Stapelaufbaus umfaßt, wobei die besagte Metallschicht (2a, 2b) eine Platte aus metallischem Material aus einer einzelnen oder mehreren Schichten ist, die aus der Gruppe von Aluminium, Aluminiumbasis- Legierungen, Nickel, Nickelbasis-Legierungen, Kupfer, Kupferbasis-Legierungen und aktiven Metallen, die chemisch durch Oxidation und/oder Nitrierung stabilisierbar sind, besteht, wobei die besagten Metallschichten (2a, 2b) elektrisch alternativ mit einem der Außenanschlüsse (3a, 3b) verbunden sind, wobei der andere Außenanschluß elektrisch keinen Kontakt mit den Metallschichten (2a, 2b) hat und die nicht kontaktierten Endabschnitte der Metallschichten (2a, 2b) aus einem elektrisch isolierenden Bestandteilsubstitut (4a, 4b) aus dem Oxid und/oder Nitrid des Materials der besagten Metallschichten (2a, 2b) besteht.

2. Piezoelektrisches Stapelelement nach Anspruch 1, wobei der elektrisch isolierende Bestandteil (4a, 4b) ausgewählt wird unter anodisch oxidiertem Aluminium, anodisch oxidiertem Nickel, plasmaentladungsnitriertem Aluminium und plasmaentladungsnitriertem Nickel.

3. Piezoelektrisches Stapelelement nach Anspruch 1, wobei die für die Metallschicht (2a, 2b) benutzte Legierung eine feste Lösung von Aluminium mit entweder Silicium, Magnesium oder Germanium oder einer Mischung davon ist.

4. Piezoelektrisches Stapelelement nach Anspruch 1, wobei die für die Metallschicht (2a, 2b) verwendete Legierung eine feste Lösung von Nickel mit entweder Chrom, Palladium oder Kupfer oder einer Mischung daraus ist.

5. Piezoelektrisches Stapelelement nach Anspruch 1, wobei die für die Metallschicht (2a, 2b) verwendete Legierung wenigstens ein metallisches Material aus der Gruppe der Nickel-Phosphor-Legierungen, Kupfer-Phosphor-Legierungen und Kupfer-Zink-Legierungen ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Stapelelementes, das die Bildung eines Stapelaufbaus durch Stapelung mehrerer piezoelektrischer Keramikschichten (1) und Metallschichten (2a, 2b) zwischen den jeweiligen piezoelektrischen Keramikschichten (1) und dann die Anbringung eines Paars von Außenanschlüssen (3a, 3b) an der Seitenfläche des besagten Stapelaufbaus, umfaßt, wobei ein Material für die besagten Metallschichten hauptsächlich Aluminium, Nickel oder Kupfer enthält,

wobei der Prozeß umfaßt:

nach Stapelung der besagten Metallschichten (2a, 2b) zwischen die besagten piezoelektrischen Keramikschichten (1) Unterwerfen der Endteile der jeweils anderen Metallschicht (2a) einer anodischen Oxidationsbehandlung und einer Lochfüllungsbehandlung mittels Elektrophorese oder Plasmaentladungsnitrierungsbehandlung, auf die die Einteilung des Stapelaufbaus durch Schneiden erfolgt, Bilden eines der Anschlüsse (3a, 3b), so daß er die behandelten Teile und die unbehandelten Metallschichtenden direkt bedeckt, dann Unterwerfen der anderen Enden der unbehandelten Metallschichten und -teile einer anodischen Oxidationsbehandlung und einer Lochfüllungsbehandlung mittels Elektrophorese oder Plasmaentladungsnitridierungsbehandlung und nachfolgend Bildung des anderen Außenanschlusses.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die besagten piezoelektrischen Keramikschichten (1) und die besagten Metallschichten (2a, 2b) bis auf ihre Dicke dieselben Abmessungen haben.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine für die besagten Metallschichten (2a, 2b) verwendete Legierung Aluminium oder eine feste Lösung von Aluminium mit entweder Silicium, Magnesium oder Germanium oder einer Mischung daraus ist.

9. Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine für die besagten Metallschichten (2a, 2b) verwendete Legierung Nickel oder eine feste Lösung aus Nickel mit entweder Chrom, Palladium oder Kupfer oder einer Mischung daraus ist.

10. Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein für die besagten Metallschichten (2a, 2b) verwendetes Material ein Mitglied aus der Gruppe ist, die aus Nickel-Phosphor-Legierungen, Kupfer-Phosphor-Legierungen und Kupfer- Zink-Legierungen besteht.







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