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Dokumentenidentifikation DE69031839T2 07.05.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0584842
Titel Geschichtete Keramikanordnung und Verfahren zur deren Herstellung
Anmelder Mitsui Petrochemical Industries, Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Nagayama, Hiroyuki c/o Hironori Kitamura, Nagaura Sodegaura-shi,Chiba, JP;
Ushida, Yoshihisa c/o Hironori Kitamura, Nagaura Sodegaura-shi,Chiba, JP
Vertreter HOFFMANN · EITLE, 81925 München
DE-Aktenzeichen 69031839
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 05.04.1990
EP-Aktenzeichen 931176127
EP-Offenlegungsdatum 02.03.1994
EP date of grant 17.12.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.05.1998
IPC-Hauptklasse H01L 41/08

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines laminierten keramischen Elements das einen elektrorestriktiven Effekt auswertet, und insbesondere ein Verfahren, das die Stufen umfaßt: Zusammenfügen einer Vielzahl ungebrannter roher keramischer Platten aus einem Material mit einem piezoelektrischen Effekt und/oder einem elektrorestriktiven Effekt als Hauptbestandteil, mit einer zwischen jeder keramischen Platte und der nächst benachbarten Platte angeordneten inneren Elektrode mit einer Einkerbung, um ein Laminat auf solche Weise auszubilden, daß die innere Elektrode aus zwei Sets mit aufeinanderfolgenden Einkerbungen der Elektroden an verschiedenen seitlichen Stellen des Laminats, die alternierend so angeordnet sind, daß die Elektroden mit Einkerbungen an einer seitlichen Stelle eines dieser Sets bilden, und die Elektroden mit Einkerbungen an der anderen seitlichen Stelle das andere Set bilden, bestehen, Brennen der zusammengefügten keramischen Platten mit inneren Elektroden, und Verbinden der inneren Elektroden jedes Sets mit einer äußeren (externen) Elektrode.

Ein solches Verfahren wird in der EP-A-0094078 beschrieben. Das nach dem nachfolgend beschriebenen Herstellungsverfahren erhältliche laminierte keramische Element kann eine Spannungskonzentration aufgrund von durch die Applikation eines elektrischen Feldes verursachten ungleichmäßig verteilten Spannungen verhindern und ist deshalb zur Verwendung für einen Stellantrieb (Actuator) oder für eine ähnliche Verwendung geeignet, sowie auch für ein Verfahren zur Herstellung solcher Bauelemente.

Es ist allgemein bekannt, daß ein laminiertes keramisches Element, das einen elektrorestriktiven Effekt auswertet, sich für einen Stellantrieb oder eine ähnliche Verwendung eignet. Die Figuren 7(A) und 7(B) der anhängenden Zeichnungen veranschaulichen ein typisches als Stellantrieb ausgestaltetes laminiertes keramisches Element.

In Figur 7(A) wird gezeigt, daß ein laminiertes keramisches Element, das mit der Bezugsziffer 2 bezeichnet ist, eine in vielen Schichten angeordnete Vielzahl keramischer Platten 4 umfaßt, mit dazwischenliegenden inneren filmförmigen Elektroden 6a, 6b. Im Querschnitt der Figur 7(A) betrachtet, sind die inneren Elektrode 6a, 6b relativ zu zwei benachbarten inneren Elektroden schräg angeordnet, wobei eine Gruppe, die aus jeder der Elektroden 6a besteht, und die andere Gruppe der Elektroden 6b mit entsprechenden äußeren Elektroden 8a und 8b verbunden sind. Wenn eine bestimmte Spannung an die äußeren Elektroden 8a, 8b angelegt wird, ergibt ein keramisches Element 2 mit einer solchen Anordnung an inneren Elektroden 6a, 6b und äußeren Elektroden 8a, 8b ein elektrisches Feld in einer Richtung senkrecht zu den keramischen Platten 4, wodurch das keramische Element 2 in den Richtungen des Pfeiles A unter der Wirkung des elektrischen Feldes deformiert wird und als Stellantrieb (Actuator) wirkt.

In einem laminierten in keramischem Element 2 dieses bekannten Typs sind solche Bereiche 10 der in Schichten angeordneten keramischen Platten, die nicht durch innere Elektroden 6a, 6b durchschnitten sind, voneinander untrennbar.

Ein laminiertes keramisches Element 2 dieser bekannten Art besitzt jedoch den Nachteil, daß an der Grenze des Teils 12, die zwischen den inneren Elektroden 6a und 6b und dem Teil 10, der nur zwischen den inneren Elektroden 6a und 6a oder 6b und 6b existiert, vorhanden ist, eine Konzentrationsspannung auftritt, weil der Teil 12, der zwischen den inneren Elektroden 6a und 6b vorhanden ist, durch das durch die angelegte Spannung erzeugte elektrische Feld stark beeinflußt wird, während der Teil 10, der nur zwischen den inneren Elektroden 6a und 6a, oder 6b und 6b vorhanden ist, durch das elektrische Feld nur schwach beeinflußt wird. Eine solche Konzentrationsspannung kann die Dauerhaftigkeit des laminierten keramischen Elements 2 beträchtlich verringern.

Im Hinblick auf eine Eliminierung dieses Nachteils schlagen die japanischen offengelegten Patentanmeldungen 58-196068 und 59-175176 ein laminiertes keramisches Element vor, wie es in Figur 8(A) und 8(B) dargestellt wird, worin das laminierte keramische Element 2a filmförmige innere Elektroden 6 umfaßt, von denen jede zwischen zwei benachbarten keramischen Platten 4 von Ende zu Ende liegt, Isolierschichten 14, von denen jede am Rand jeder anderen inneren Elektrode angeordnet ist, und ein Paar äußerer Elektroden 8a, 8b, die an den zwei lateralen Seiten des Elementes angeordnet sind, um die Isolierschichten zu bedecken. Da jede der inneren Elektroden 6 so zwischen zwei benachbarten keramischen Platten angeordnet ist, daß sie die gesamte Oberfläche davon bedeckt, werden alle keramischen Platten, die im Element 2a enthalten sind, gleichmäßig durch ein daran angelegtes elektrisches Feld in der Richtung senkrecht zu den Platten beeinflußt. Ein laminiertes keramisches Element 2a, das keramische Platten 4 umfaßt und eine wie in den Figuren 8(A) und 8(B) veranschaulichte Anordnung besitzt, ist deshalb frei von Spannungskonzentration, wie sie in einem Element der Figuren 7(A) und 7(B) auftreten kann, und läßt deshalb eine verbesserte Dauerhaftigkeit erwarten.

Ein laminiertes keramisches Element 2a der Figuren 8(A) und 8(B) erfordert andererseits jedoch ein relativ kompliziertes Herstellungsverfahren, weil jede der Isolierschichten 14 an den Rändern jeder anderen innereen Elektrode 6 angeordnet ist, was das Verfahren ziemlich unwirtschaftlich macht und deshalb die Herstellungskosten des Produktes erhöht. Wenn ein solches Element eine fehlerhaft ausgebildete Isolierschicht aufweist, können darüberhinaus die zwei äußeren Elektroden 8a, 8b kurzgeschlossen werden, und machen das Element betriebsunfähig.

Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme ist es deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein laminiertes keramisches Element bereitzustellen, das eine Spannungskonzentration aufgrund einer durch ein elektrisches Feld verursachten ungleichmäßig verteilten Spannung verhindern kann, und das deshalb beständig ist und für einen Stellantrieb oder eine ähnliche Anwendung geeignet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Elemente auf industriell vorteilhafte und wirtschaftliche Weise.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung laminierter keramischer Elemente, wie anfänglich definiert, bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß jede Einkerbung und die benachbarten keramischen Platten zusammen einen Zwischenraum definieren;

die entsprechende äußere Elektrode, an die die inneren Elektroden jedes Sets verbunden sind, entlang der Seite des Laminats angeordnet sind, an der sich die Einkerbungen des anderen Sets befinden; und

die Vielzahl ungebrannter roher keramischer Platten eine Zug- Scher-Adhäsions-Festigkeit besitzen, die, wenn zwei der ungebrannten rohen keramischen Platten in senkrechter Richtung bei einer Temperatur von weniger als 150 ºC mit einem Druck von weniger als 200 kg/cm² zusammengepreßt werden, weniger als 10 % der Zugfestigkeit der ungebrannten rohen Platten beträgt.

Bevorzugte Merkmale davon werden in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.

Ein elektrorestriktiver Effekt, wie er in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, bedeutet einen Effekt, bei dem ein Objekt in Spannung versetzt wird, wenn daran ein elektrisches Feld angelegt wird. Spezifischer ausgedrückt bedeutet er einen piezoelektrischen Effekt, der eine Spannung erzeugt, die proportional zu angelegten Spannung ist, und/oder, in der strikten Wortbedeutung, einen elektrorestriktiven Effekt, der proportional ist zum Quadrat der angelegten Spannung.

Da ein nach dem nachfolgend beschriebenen Herstellungsverfahren hergestelltes laminiertes keramisches Element Zwischenräume umfaßt, die entlang bestimmter Ränder der inneren Elektroden des Elementes angeordnet sind, und diese Zwischenräume keine inneren Elektroden besitzen, kann jede andere innere Elektrode mit einer äußeren Elektrode ohne Schwierigkeit verbunden werden, wenn die Zwischenräume dieser anderen Elektroden entlang eines lateralen Randes angeordnet sind, und die der restlichen Elektroden entlang eines anderen lateralen Randes des Elementes angeordnet sind, so daß jede der äußeren Elektroden von den nicht miteinander in Beziehung stehenden inneren Elektroden durch diese entsprechenden Zwischenräume getrennt ist. Solche Zwischenräume sind wirksam, um eine Spannungskonzentration aufgrund einer durch Anlegen eines elektrischen Feldes verursachten ungleichmäßigen Spannungsverteilung zu verhindern und damit die Dauerhaftigkeit des laminierten Elements zu erhöhen. Ein solches Element eignet sich zur Verwendung für einen Stellantrieb.

Darüberhinaus kann das hier beschriebene Herstellungsverfahren verwendet werden zur Verhinderung einer Konzentrationsspannung in dem resultierenden keramischen Element, die aufgrund einer durch das Anlegen eines elektrischen Feldes an das laminierte keramische Element verursachten ungleichmäßigen Verteilung der Spannung hervorgerufen wird, auch wenn dieses nicht wegen seines elektrorestriktiven Effekts, sondern wegen anderer Effekte, einschließlich des photoelektrischen Effektes, verwendet wird.

Die Erfindung wird unter beispielhafter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen näher verständlich, worin bedeuten:

Figur 1 ist ein Längsschnitt einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen laminierten keramischen Elements;

Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht einer in der Ausführungsform der Figur 1 verwendeten keramischen Platte;

Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Abänderung der keramischen Platte der Figur 2;

Figur 4 ist ein Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen laminierten keramischen Elements;

Figur 5 ist eine perspektivische Darstellung einer in der Ausführungsform der Figur 4 verwendeten keramischen Platte;

Figur 6 ist einen perspektivische Darstellung einer Abänderung der kermischen Platte der Figur 5;

Die Figuren 7(A) und (B) sind ein Längsschnitt bzw. ein Querschnitt eines konventionellen laminierten keramischen Elements; und

die Figuren 8(A) und (B) stellen einen Längsschnitt bzw. einen Querschnitt eines anderen konventionellen laminierten keramischen Elements dar.

In der Figur 1 ist ein laminiertes keramisches Element 20 als Stellantrieb zur Verwendung für einen Schlagdruckkopf oder einen X-Y-Schreiber usw. ausgestaltet. Dieses keramische Element 20 umfaßt eine Vielzahl elektrorestriktiver keramischer Platten 22, die in vielen Schichten angeordnet sind, und ebenfalls eine Vielzahl interner Elektroden 24 (24a,24b), die jeweils zwischen zwei benachbarten keramischen Platten 22 angeordnet sind.

Spezifischer ausgedrückt umfaßt das laminierte keramische Element 20 eine Vielzahl elektrorestriktiver keramischer Platten 22, eine erste und eine zweite Gruppe filmförmige innerer Elektroden 24a, 24b, wobei die Elektroden der ersten und der zweiten Gruppen alternierend angeordnet sind und jeweils zwischen zwei benachbarten keramischen Platten 22 liegen, eine erste äußere Elektrode 32a, die an einen Rand jeder der inneren Elektroden 24a der ersten Gruppe verbunden ist und eine zweite äußere Elektrode 32b, die an einem Rand jeder der internen Elektroden 24b der zweiten Gruppe verbunden ist, wobei Zwischenräume 30 zwischen der ersten äußeren Elektrode 32a und jeder der inneren Elektroden 24b der zweiten Gruppe und zwischen der zweiten äußeren Elektroden 32b und jeder der inneren Elektroden 24a der ersten Gruppe vorgesehen sind. Als Ergebnis sind die Zwischenräume 30 zwischen zwei benachbarten keramischen Platten 22 angeordnet.

In dieser Ausführungsform wird der Zwischenraum 30 durch eine an einem Rand jeder der ersten und zweiten inneren Elektroden 24a, 24b ausgebildeten Einkerbung 28 und den gegenüberliegenden Oberflächen der keramischen Platten 22, die die Elektrode sandwichartig umgeben, definiert.

Jede der filmförmigen inneren Elektroden 24 (24a,24b) wird durch Applikation einer Paste aus Metall auf die Oberfläche einer keramischen Platte 22, wie in Figur 2 dargestellt, ausgebildet. Das für die inneren Elektroden 24 (24a,24b) zu verwendende Metall kann z.B. Platin, Palladium, eine Silber- Palladium-Legierung oder Silber sein. Da die keramischen Platten 22 nach der Laminierung gebrannt werden, kann die metallische Paste vorzugsweise aus einem Metall sein, das bei der Brenntemperatur der keramischen Platten gesintert werden kann. Die Metallpaste kann gepulvertes Zirkoniumdioxid, gepulvertes Glas und/oder calciniertes und gepulvertes Keramikmaterial enthalten, das mit den für den erfindungsgemäßen Zweck zu verwendenden elektrorestriktiven keramischen Platten chemisch äquivalent ist, um die Adhäsion zwischen den keramischen Platten 22 und den entsprechenden inneren Elektroden 24 (24a,24b) nach dem Brennen zu verbessern.

Wenn eine innere Elektrode 24 (24a oder 24b) durch Applikation einer Metallpaste auf der Oberfläche einer keramischen Platte 22 ausgebildet wird, wird ein Teil des peripheren Randes davon mit einer Maske bedeckt, um eine halbkreisförmige Einkerbung 28 oder einen künftigen Zwischenraum 26 vorzusehen, der, wie in Figur 2 gezeigt, keine Metallpaste enthält. Die Einkerbung 28 muß nicht notwendigerweise halbkreisförmig sein, und kann an einer Ecke der keramischen Platte 22, wie in Figur 3 dargestellt, ausgebildet werden.

Die Dicke der inneren Elektrode 24 (24a,24b) liegt vorzugsweise zwischen 0,5 µm und 20 µm, und insbesondere zwiscchen 1 µm und 10 µm, obwohl sie keinesfalls als auf diese Werte beschränkt anzusehen ist. Die Metallpaste kann durch Siebdruck, Walzendruck oder mittels irgendeiner anderen geeigneten Technik aufgebracht werden.

Die keramischen Platten 22 sind aus Materialien, die nach Brennen elektrorestriktive Effekte zeigen und umfassen als hauptsächliche Bestandteile PbTiO&sub3;, PbZrO&sub3;, und eine Perowskit-Kompositverbindung auf Bleibasis, wie z.B. Pb(Mg1/3Nb2/3)O&sub3; und Pb(Ni1/3Nb2/3)O&sub3;. Solche kermische Platten 22 können vor der Laminierung und dem Brennen auf die folgende Weise hergestellt werden.

Wenn Wasser als Lösungsmittel verwendet wird, werden ein Bindemittel, wie z.B. Hydroxyethylcellulose, Methylcellulose, Polyvinylalkohol oder ein wachsartiges Gleitmittel und ein Weichmacher, wie z.B. Glycerin, Polyalkylglykol, Sorbitat, Triethylenglykol, Petriol oder Polyol zu calcinierter und gepulverter Keramik, die den Hauptbestandteil darstellt, zugegeben, und dann unter Bildung einer Vormischung zum Verformen gut gemischt. Wenn andererseits ein organisches Lösungsmittel, wie z.B. Ethylalkohol, Methylethylketon, Benzol oder Toluol verwendet wird, wird ein Bindemittel, wie z.B. Polymethylmethacrylat, Polyvinylalkohol, Polyvinylbutyral oder Celluloseacetat und ein Weichmacher, wie z.B. Dibutylphthalat, Polyethylenglykol oder Glycerin, zur calcinierten und gepulverten Keramik, wie vorstehend beschrieben, zugegeben und gut gemischt, um eine Vormischung zum Verformen herzustellen.

Die Vormischung wird dann unter Ausbildung eines Keramikstückes mit der gewünschten Dicke unter Verwendung eines Rakelverfahrens oder durch Strangpressen oder mittels irgendeiner anderen geeigneten Technik geformt. Nach dem Trocknen wird das geformte Stück in die gewünschten Längs- und Breitendimensionen geschnitten und eine rohe Keramikplatte 22 erhalten. Die Dicke der rohen Keramikplatte 22 liegt vorzugsweise zwischen 0,02 µm und 2 µm, und insbesondere zwischen 0,05 µm und 0,5 µm, obwohl sie keinesfalls als auf diese Werte beschränkt anzusehen ist. Danach wird eine innere Elektrode 24 (24a oder 24b) auf einer Oberfläche der rohen Keramikplatte 22 durch Aufbringen einer Metallpaste ausgebildet.

Eine erfindungsgemäße rohe Keramikplatte 22 kann vorzugsweise unter Verwendung von Wasser als Lösungsmittel und durch Strangpressen geformt werden, obwohl andere Lösungsmittel und Verformungsverfahren, wie vorstehend beschrieben, ebenfalls geeignet sind. Wenn die keramische Platte auf die vorstehend beschriebene bevorzugte Weise geformt wird, zeigen die getrockneten keramischen Platten ein hervorragendes Nicht- Anhaften gegeneinander mit einem verringerten Verhältnis an Bindemittel und/oder Weichmacher. Darüberhinaus kann der sogenannte zukünftige Zwischenraum, der durch eine Einkerbung 28 auf einer rohen keramischen Platte ausgebildet ist, wirksam zur Bildung eines Zwischenraumes 30 nach der Laminierung und dem Brennen dienen, weil die Platte in diesem Bereich nicht an den benachbarten Platten anhaftet, wenn sie zwischen diese gelegt wird. Es ist festzustellen, daß eine gewünschte keramische Platte 22 mit einem Zwischenraum 30 auch durch Kombination der Verwendung eines organischen Lösungsmittels und Strangpressen oder durch Kombination der Verwendung eines organischen Lösungsmittels und eines Rakelverfahrens auf entsprechende Weise hergestellt werden kann.

Die Art und Menge des zu verwendenden Binders und/oder Weichmachers und die Trocknungsbedingungen, unter denen die rohen keramischen Platten 22 gebildet werden, werden so gewählt, daß die Zug-Scher-Adhäsions-Festigkeit jeder rohen keramischen Platte 22 geringer als 10 % und vorzugsweise geringer als 5 % der Zugfestigkeit der ungebrannten rohen Platte ist, wenn sie bei einer Temperatur von weniger als 150 ºC mit einem Druck von weniger als 200 kg/cm² zusammengepresst werden.

Wenn die rohen keramischen Platten 22 unter Verwendung von Wasser als Lösungsmittel und durch Strangpressen ausgebildet werden, beträgt das Verhältnis des zu 100 Gewichtsteilen des calcinierten Pulvers zuzugebendem Bindemittels vorzugsweise zwischen 1 und 10 Gewichtsteile, und insbesondere zwischen 2 und 5 Gewichtsanteilen, während das Verhältnis an zu 100 Gewichtsteilen des calcinierten Pulvers zuzugebendem Weichmacher ebenfalls vorzugsweise zwischen 1 und 10 Gewichtsteilen und insbesondere zwischen 2 und 5 Gewichtsteilen liegt.

Dann wird eine innere Elektrode 24 (24a oder 24b) mit einer Einkerbung 28 zur Ausbildung eines sogenannten zukünftigen Zwischenraum 26 an einer Seite jeder der rohen keramischen Platten 22, die geformt, getrocknet und auf eine bestimmte Größe zugeschnitten wurden, ausgebildet. Die Einkerbung 28 wird ausgebildet, indem man einen Teil der Oberfläche der rohen keramischen Platte abdeckt. Danach werden die keramischen Platten, von denen jede eine innere Elektrode 24 (24a oder 24b) besitzt, zusammengesetzt, um ein Laminat auszubilden, bei dem die zukünftigen Zwischenräume 26 so angeordnet sind, daß sie alternierend gegenüberliegenden Seiten des Laminats, wie in Figur 2 dargestellt, gegenüberliegen. Das Laminat wird dann heißgepreßt, entwachst und bei einer bestimmten Temperatur gebrannt. Als Ergebnis davon werden die inneren Elektroden 24 (24a,24b) fest an die entsprechenden Platten 22 gebunden. Das Laminat kann vor dem Entfetten auf eine bestimmte Größe zugeschnitten sein, oder es kann alternativ nach dem Brennen zugeschnitten werden. Darüberhinaus müssen die sogenannten zukünftigen Zwischenräume 26 nicht notwendigerweise so angeordnet sein, daß sie alternierend gegenüberliegenden Seiten des Laminats gegenüberliegen. Wichtig ist hier nur, daß die keramischen Platten so angeordnet sind, daß jeweils zwei benachbarte ihre Zwischenräume an verschiedenen Stellen aufweisen und jede der anderen keramischen Platten ihre Zwischenräume an der gleichen vertikalen Stelle besitzen. Wie in Figur 3 dargestellt können zwei Gruppen von Zwichenräumen des Laminats an benachbarten Ecken vorhanden sein, die abwechselnd um 90 º voneinander versetzt sind.

Als Ergebnis sind die inneren Elektroden der ersten Gruppe 24a und die der zweiten Gruppe 24b alternierend im keramischen Laminat angeordnet.

Wenn das Laminat bei hoher Temperatur gebrannt wird, erhalten zwei benachbarte keramische Platten des Laminats einen nicht gebundenen Bereich, d.h. den Zwischenraum 30, der dem sogenannten durch die abgerundete Einkerbung 28 der inneren Elektrode 24 zwischen ihnen gebildeten zukünftigen Zwischenraum 26 entspricht.

Dann werden eine erste äußere Elektrode 32a und eine zweite äußere Elektrode 32b auf dem gebrannten Laminat angeordnet und mit allen ersten inneren Elektroden 24a bzw. allen zweiten inneren Elektroden 24b verbunden, um ein laminiertes keramisches Element 20 auszubilden. Auf andere Weise ausgedrückt, wird in einem erfindungsgemäßen laminierten keramischen Element 20 die äußere Elektrode 32a mit einer Gruppe innerer Elektroden 24a, die durch jede der anderen Elektroden des Laminats, die ihre Zwischenräume 30 an der gleichen vertikalen Stelle des Laminats besitzen, gebildet wird, verbunden, während die äußere Elektrode 32b mit einer anderen Gruppe innerer Elektroden 24b verbunden wird, die durch den Rest der Elektroden gebildet wird, die ihre Zwischenräume 30 an einer anderen gleichen vertikalen Stelle des Laminats besitzen. Die äußeren Elektroden 32a, 32b sind vorzugsweise aus Silber oder Lötmetall, sind aber nicht darauf beschränkt. Diese äußeren Elektroden 32a, 32b werden vorzugsweise ausgebildet, indem man eine Silberpaste entlang zwei verschiedenen lateralen Seiten des Laminats aufbringt und dann das aufgebrachte Silber sintert; das Verfahren zur Ausbildung der äußeren Elektroden ist aber nicht notwendigerweise auf das vorstehend beschriebene beschränkt. Es ist wünschenswert, daß die äußeren Elektroden 32a, 32b eine Breite besitzen, die geringer ist als die der Einkerbungen 28 . Wenn die Breite der äußeren Elektroden 32a, 32b größer ist als die der Einkerbungen 28 ist, können die äußeren Elektroden 32a, 32b durch irgendeine der inneren Elektroden 24 (24a, 24b) kurzgeschlossen werden.

Obgleich der Zwischenraum 30 gemäß den Figuren 1 bis 3 am Rand oder an einer Ecke jeder inneren Elektrode 24 (24a, 24b) eines erfindungsgemäßen laminierten keramischen Elementes ausgebildet ist, kann ein solcher Zwischenraum alternativ zwischen einer inneren Elektrode 24 (24a oder 24b) und einem Block 29, wie in den Figuren 4 bis 6 dargestellt, ausgebildet sein.

In Figur 5 wird ein sogenannter zukünftiger Zwischenraum 26 entlang einer Randzone der inneren Elektrode 24 (24a oder 24b) ausgebildet, indem man eine Metallpaste auf der keramischen Platte 22 so aufbringt, daß der zukünftige Zwischenraum 26 eine bestimmte Breite (l) besitzt und keine Metallpaste trägt. Dann wird eine Schicht eines länglichen Blockes 29 entlang des entsprechenden Randes der keramischen Platte 22 ausgebildet und mit der inneren Elektrode 24 (24a oder 24b) auf solche Weise nebeneinander angebracht, das sie voneinander durch den Abstand (l) auf der keramischen Platte 22 getrennt sind. Die Blockschicht 29 kann zweckmäßigerweise ausgebildet werden, indem man eine Metallpaste, die die gleiche ist wie die, die zur Bildung der inneren Elektrode 24 (24a, 24b) verwendet wrude, anwendet; alternativ kann eine solche Blockschicht 29 aber auch ausgebildet werden, indem man ein verschiedenes Material, wie z.B. ein nichtleitfähiges Material, verwendet. Wenn eine Blockschicht 29 durch Anwendung einer Metallpaste, wie sie für die inneren Elektroden 24 (24a,24b) verwendet wird, ausgebildet wird, so wird sie zweckmäßigerweise wie die inneren Elektroden ausgebildet. Es ist wünschenswert, daß die Blockschicht 29 eine Dicke besitzt, die dieselbe ist wie die der entsprechenden inneren Elektrode 24 (24a oder 24b).

Obgleich die in Figur 5 veranschaulichte Blockschicht eine längliche Form besitzt, kann sie verschieden ausgestaltet und lokalisiert sein, wie z.B. in Figur 6 dargestellt, wo sie an einer Ecke einer keramischen Platte 22 lokalisiert ist und eine dreieckige Konfiguration besitzt. Mit einer solchen Anordnung wird es klar, daß die innere Elektrode 24 (24a oder 24b) und die Blockschicht 29 voneinander elektrisch isoliert sind.

Danach werden die keramischen Platten, von denen jede eine innere Elektrode 24 (24a oder 24b) und eine Blockschicht 29 trägt, zusammengesetzt um ein Laminat auszubilden, wobei ihre zukünftigen Zwischenräume 26 so angeordnet sind, daß sie, wie in Figur 5 dargestellt, gegen gegenüberliegenden Seiten des Laminats alternierend geschlossen sind. Das Laminat wird dann heißgepreßt, entwachst und bei einer bestimmten Temperatur gebrannt. Als Ergebnis werden die inneren Elektroden 24 (24a, 24b) fest an die entsprechenden Platten 22 gebunden. Das Laminat kann vor dem Entfetten auf eine bestimmte Größe zugeschnitten sein, oder kann alternativ nach dem Brennen zugeschnitten werden. Darüberhinaus müssen die Blockschichten 29 nicht notwendigerweise so angeordnet sein, daß sie gegen gegenüberliegenden Seiten des Laminats alternierend geschlossen sind. Wichtig ist es hier nur, daß die keramischen Platten so angeordnet sind, daß zwei benachbarte ihre Zwischenräume an verschiedenen Stellen besitzen, und jede andere der keramischen Platten ihre Zwischenräume an einer gleichen vertikalen Stelle besitzen. Wie in Figur 6 dargestellt, können zwei Gruppen von Zwischenräume eines Laminats nahe benachbarten Ecken lokalisiert sein, die um 90 º voneinander versetzt sind.

Dann werden eine erste äußere Elektrode 32a und eine zweite äußere Elektrode 32b entlang zwei verschiedener lateraler Seiten des Laminats angeordnet und mit allen ersten inneren Elektroden 24a bzw. allen zweiten inneren Elektroden 24b verbunden, um ein laminiertes keramisches Element 20 auszubilden. Es ist empfehlenswert, daß die Blockschichten 29 auch mit den entsprechenden inneren Elektroden 24a, 24b verbunden sind, und deshalb mit den entsprechenden äußeren Elektroden 32a, 32b. Es ist wünschenswert, daß die äußeren Elektroden 32a, 32b eine Breite besitzen, die geringer ist als die der Blockschichten 29. Wenn die Breite der äußeren Elektroden 32a, 32b größer als die der Blockschichten 29 ist, können die äußeren Elektroden 32a, 32b durch irgendeine der inneren Elektroden 24 (24a,24b) kurzgeschlossen werden.

Wenn an die äußeren Elektroden 32 des wie vorstehend beschrieben hergestellten laminierten keramischen Elements 20 mittels eines Leiterpaares 34 eine Spannung angelegt wird, wird entlang der Längsrichtung des keramischen Elements 20 ein elektrisches Feld ausgebildet, das deshalb in der gleichen Richtung eine Deformation bewirkt, um als Stellantrieb (Actuator) zu wirken.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird es ersichtlich, daß erfindungsgemäß jede andere innere Elektrode eines laminierten keramischen Elementes leicht miteinander verbunden werden kann. Darüberhinaus verhindern die im Element vorgesehenen Zwischenräume wirksam eine aufgrund einer durch Anlegen eines elektrischen Feldes verursachten ungleichen Spannungsverteilung vorhandene Spannungskonzentration, weshalb die Dauerhaftigkeit des Elementes verbessert werden kann. Ein solches laminiertes keramisches Element eignet sich zur Verwendung als Stellantrieb oder für andere Anwendungen. Darüberhinaus kann das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Konzept zur Verhinderung irgendeiner durch Anlegen eines elektrischen Feldes an ein laminiertes keramisches Element, das nicht wegen seines elektrorestriktiven Effektes, sondern aufgrund anderer Effekte, einschließlich des photoelektrischen Effektes, verwendet wird, verursachten unregelmäßigen Spannungsverteilung hervorgerufenen Spannungskonzentration verwendet werden.

Beispiele

Die vorliegende Erfindung wird nun durch Beispiele näher beschrieben.

Beispiel 1

Es wurde ein laminiertes keramisches Element 20 mit der nachfolgend beschriebenen Anordnung hergestellt. Eine Vielzahl keramischer Platten 22 mit einem elektrorestriktiven Effekt wurden so angeordnet, um ein Laminat auszubilden, in dem sie, eine nach der anderen, alternierend eine erste Gruppe filmförmiger innerer Elektrode 24a und eine zweite Gruppe filmförmiger innerer Elektrode 24b tragen. Dann wurde eine erste äußere Elektrode 32a auf einer lateralen Seite des Laminats ausgebildet und mit jeder der ersten Gruppe der inneren Elektroden 24a verbunden, und auf gleiche Weise eine zweite äußere Elektrode 32b auf einer anderen lateralen Seite des Laminats ausgebildet und mit jeder der zweiten Gruppe der inneren Elektrode 24b verbunden. Zwischen der ersten äußeren Elektrode 32a und jeder der zweiten inneren Elektroden 24b und zwischen der zweiten äußeren Elektrode 32b und jeder der ersten inneren Elektroden 24a wurde ein Zwischenraum 30 vorgesehen. Mit anderen Worten wurde der Zwischenraum 30 durch eine halbkreisförmige Einkerbung 28 definiert, die an einem Rand einer inneren Elektrode 24a oder 24b und den gegenüberliegenden Oberflächen der zwei benachbarten keramischen Platten, die die innere Elektrode sandwichartig umgeben, ausgebildet wurde.

Es soll aber festgestellt werden, daß, obwohl die Einkerbung 28 im obigen Beispiel eine halbkreisförmige Gestalt besitzt, diese Einkerbung aber auch eine davon verschiedene Form besitzen kann, solange ein geeigneter Zwischenraum ausgebildet wird, der durch die am Rand einer inneren Elektrode 24a oder 24b und den gegenüberliegenden Oberflächen der zwei benachbarten keramischen Platten 22, die die innere Elektrode sandwichartig umgeben, ausgebildete Einkerbung definiert ist. Dadurch, daß eine Einkerbung 28 einer inneren Elektrode vorgesehen wird, wird zwischen zwei benachbarten keramischen Platten 22 ein Zwischenraum 30 ausgebildet, und deshalb sind die innere Elektrode 24a oder 24b und die danebenliegende äußere Elektrode 32b oder 32a physikalisch und elektrisch voneinander isoliert.

Das Vorläufermaterial für das laminierte keramische Element 20 dieses Beispiels wurde hergestellt, indem man eine bestimmte Menge Methylcellulose als Bindemittel und ebenfalls eine bestimmte Menge Glycerin als Weichmacher und Wasser, das als Lösungsmittel verwendet wurde, zu einer bestimmten Menge eines calcinierten Pulvers eines elektrorestriktiven Materials, das als Hauptbestandteile PbTiO&sub3;, PbZrO&sub3;, Pb(Mg1/3Nb2/3)O&sub3; enthielt, zugab und gut mischte. Dann wurde aus dem Vorläufermaterial durch Strangpressen eine bestimmte Zahl Grünfolien mit einer Dicke von 120 µm hergestellt und die Folien getrocknet.

Die Folien wurden dann in eine bestimmten Größe zugeschnitten und eine Silber/Palladium-Paste wurde auf die Oberfläche, mit Ausnahme des Bereiches des sogenannten halbkreisförmigen zukünftigen Zwischenraums 26, wie in Figur 2 dargestellt, durch Siebdruck aufgebracht, um eine innere Elektrode 24 (24a oder 24b) auszubilden. 100 Grünfolien, auf denen die Paste appliziert worden war, wurden zur Bildung eines Laminats zusammengesetzt und heißverpreßt. Zur Laminierung wurden die Grünfolien so angeordnet, daß die zukünftigen Zwischenräumen 26 alternierend zwei benachbarten lateralen Seiten des Laminats gegenüberlagen. Das erhaltene Laminat wurde bei 500 ºC entwachst und dann bei 1100 ºC gebrannt. Das gebrannte Laminat wurde zur Herstellung individueller Elemente zurechtgeschnitten.

Bei einer Beobachtung eines Schnittes des gebrannten Laminates mittels eines Rasterelektronenmikroskops zeigte jede innere Elektrode eine Dicke von 2 bis 3 µm, und an jedem der sogenannten zukünftigen Zwischenräume 26 war ein Zwischenraum mit einer Höhe von etwa 2 bis 3 µm ausgebildet.

An jedem Element wurde dann ein Paar äußerer Elektroden 32a, 32b durch Applizieren einer Silberpaste entlang seiner zwei verschiedenen lateralen Seiten, wie in Figur 2 dargestellt, ausgebildet, die dann so gesintert wurden, daß sie mit den entsprechenden Enden der korrespondierenden inneren Elektroden 24 (24a,24b), die zwischen zwei benachbarten Zwischenräumen 30 lokalisiert waren, elektrisch verbunden waren. Dann wurde an jede der der äußeren Elektroden ein Leiter angelötet und das Laminat durch Applikation einer Gleichstromspannung mittels der Leiter polarisiert, um ein laminiertes keramisches Element 20, wie in Figur 1 dargestellt, herzustellen.

Das laminierte keramische Element besaß die Dimensionen Länge x Breite x Höhe = 5 mm x 5 mm x 10 mm. Wenn es einer Gleichstromspannung von 100 Volt unterworfen wurde, zeigte es eine Deformation bis zu 11 µm. Nachdem sinusförmige Spannungsimpulse mit einer maximalen Spannung von 100 V mit einer Frequenz von 1 kHz kontinuierlich ca. 100000000 mal an das Element angelegt wurden, um die Dauerhaftigkeit des Elementes zu testen, zeigte dieses weder irgendeine Verringerung im Wert der Deformation noch irgendwelche funktionelle Mängel.

Beispiel 2

Wie im vorhergehenden Beispiel 1 wurde ein laminiertes keramisches Element 20 mit der nachfolgend beschriebenen Anordnung hergestellt. Es wurde eine Anzahl keramischer Platten 22 mit einem elektrorestriktiven Effekt so angeordnet, um ein Laminat auszubilden, in dem diese, eine nach der anderen, alternierend eine erste Gruppe filmförmiger innerer Elektroden 24a und eine zweite Gruppe filmförmiger innerer Elektroden 24b trugen. Dann wurde eine erste äußere Elektrode 23a an einer lateralen Seite des Laminats ausgebildet und mit jeder der ersten Gruppe der inneren Elektrode 24a verbunden, und auf gleiche Weise eine zweite äußere Elektrode 32b an einer anderen lateralen Seite des Laminats ausgebildet und mit jeder der zweiten Gruppe der inneren Elektrode 24b verbunden.

Zwischen der ersten äußeren Elektrode 32a und jede der zweiten inneren Elektroden 24b und zwischen der zweiten äußeren Elektrode 32b und jeder der ersten inneren Elektroden 24a wurde eine Blockschicht 29 so vorgesehen, daß durch die Blockschicht 29, die daneben liegende innere Elektrode 24a oder 24b und die gegenüberliegenden Oberflächen der zwei benachbarten keramischen Platten, die die innere Elektrode 24a oder 24b sowie die Blockschicht 29 sandwichartig umgeben, ein Zwischenraum 30 definiert wurde.

Die ersten und zweiten äußeren Elektroden 32a, 32b wurden mit den entsprechenden ersten und zweiten Gruppen der inneren Elektroden 24a, 24b, die jede der anderen im laminierten keramischen Element angeordneten inneren Elektroden umfassen, verbunden. Deshalb waren die erste äußere Elektrode 32a und jede der zweiten inneren Elektroden 24b durch einen Zwischenraum 30 voneinander physikalisch und elektrisch isoliert, und auf gleiche Weise waren durch einen Zwischenraum 30 die zweite äußere Elektrode 32b und jede der ersten inneren Elektroden 24a physikalisch und elektrisch voneinander isoliert.

Ein Vorläufermaterial für das laminierte keramische Element 20 dieses Beispiels wurde hergestellt, indem eine bestimmte Menge Methylcellulose als Bindemittel und ebenfalls eine bestimmte Menge Glycerin als Weichmacher und Wasser als Lösungsmittel zu einer bestimmten Menge eines calcinierten Pulvers eines elektrorestriktiven Materials, das als Hauptbestandteile PbTiO&sub3;, PbZrO&sub3;, Pb(Mg1/3Nb2/3)O&sub3; enthielt, zugegeben und gut gemischt wurde. Dann wurde aus dem Vorläufermaterial durch Strangpressen eine bestimmte Zahl Grünfolien mit einer Dicke von 120 µm hergestellt und die Folien getrocknet.

Die Folien wurden dann auf eine bestimmte Größe zugeschnitten und eine Silber/Palladium-Paste auf eine Oberfläche jeder der Folien, mit Ausnahme der Fläche für den sogenannten zukünftigen Zwischenraum 26 mit einer Breite (l) von 0,5 mm, wie in Figur 5 dargestellt, durch Siebdruck aufgebracht, um eine innere Elektrode 24 (24a oder 24b) und eine entsprechende Blockschicht 29, die von jeder anderen durch den sogenannten zukünftigen Zwischenraum 26 getrennt war, auszubilden. 100 Grünfolien, auf denen die Paste appliziert worden war, wurden zur Bildung eines Laminats zusammengelegt und hitzeverpreßt. Für die Laminierung wurden die Grünfolien so angeordnet, daß die Blockschichten 29 alternierend zwei benachbarten lateralen Seiten des Laminates gegenüberlagen. Das erhaltene Laminat wurde bei 500 ºC entwachst und dann bei 1100 ºC gebrannt. Das gebrannte Laminat wurde zur Herstellung individueller Elemente zurechtgeschnitten.

Bei Betrachtung eines Schnittes des gebrannten Laminats mittels eines Rasterelektronenmikroskops zeigte jede der inneren Elektroden 24 (24a,24b) und die entsprechende Blockschicht 29 eine Dicke von 2 bis 3 µm und an jedem der sogenannten zukünftigen Zwischenräume 26 zwischen der inneren Elektrode 24 (24a oder 24b) und der Blockschicht 29 war ein Zwischenraum 30 mit einer Höhe von ebenfalls 2 bis 3 µm ausgebildet.

Dann wurde ein Paar äußerer Elektroden 32a, 32b an jedem Element durch Applizieren einer Silberpaste entlang seiner zwei verschiedenen lateralen Seite, wie in Figur 5 dargestellt, ausgebildet, die dann gesintert wurden, damit sie mit den entsprechenden Enden der korrespondierenden inneren Elektroden 24 (24a,24b), die zwischen zwei benachbarten Blöcken 29 lokalisiert waren, elektrisch verbunden wurden. Dann wurde ein Leiter an jeder der äußeren Elektroden angelötet und das Laminat durch Anlegen einer Gleichstromspannung mittels der Leiter polarisiert, um ein laminiertes keramisches Element 20, wie in Figur 4 dargestellt, herzustellen.

Das laminierte keramische Element besaß die Dimensionen Länge x Breite x Höhe = 5 mm x 5 mm x 10 mm. Wenn es einer Gleichstromspannung von 100 V unterworfen wurde, zeigte es eine Deformation von bis zu 10 µm. Nachdem ein sinusförmiger Spannungsimpuls mit einer maximalen Spannung von 100 V mit einer Frequenz von 1 kHz hintereinander an das Element ca. 100000000 mal angelegt wurde, um die Dauerhaftigkeit des Elementes zu testen, zeigte dieses weder eine Verringerung im Wert der Deformation noch irgendwelche funktionelle Mängel.

Vergleichsbeispiel

Zum Vergleich wurde ein laminiertes keramisches Element vom konventionellen Typ, wie in Figur 7 dargestellt, hergestellt und dem gleichen Dauerhaftigkeitstest unterworfen, bei dem an die Probe ca. 10000 mal hintereinander Spannungsimpulse angelegt wurden. Als Ergebnis des Tests wurde gefunden, daß die Probe zerstört war.

Ein erfindungsgemäßes laminiertes keramisches Element kann deshalb eine Konzentrationsspannung, die aufgrund einer durch Anlegen eines elektrischen Feldes verursachten ungleichen Spannungsverteilung auftritt, aufgrund der an den Rändern der inneren Elektroden vorgesehenen Zwischenräume wirksam verhindern, und besitzt deshalb eine bemerkenswert verbesserte Dauerhaftigkeit im Vergleich mit einem konventionellen laminierten keramischen Element, wie es in Figur 7 dargestellt wird.

Ein erfindungsgemäßes laminiertes keramisches Element kann auch ohne dem Erfordernis von Isolierschichten hergestellt werden, wie dies bei einem konventionell laminierten keramischen Element, wie in Figur 8 dargestellt, der Fall ist. Ein erfindungsgemäßes laminiertes keramisches Element ist deshalb frei von irgendwelchen Funktionsstörungen, die durch defekte Isolierschichten verursacht werden. Solche laminierten keramischen Elemente können mit einer hohen Förderleistung auf relativ einfache Weise hergestellt werden.

Wenn die äußere Elektrode durch Applikation einer Metallpaste ausgebildet wird, ist es bevorzugt, daß das erfindungsgemäße laminierte keramische Element Blockschichten aufweist, um zu verhindern, daß die Paste in Bereiche der inneren Elektroden eingebracht wird.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Herstellung eines laminierten keramischen Elements (20) mit den Stufen: Zusammenfügen einer Vielzahl ungebrannter roher keramischer Platten (22) aus einem Material mit einem piezoelektrischen Effekt und/oder einem elektrostriktiven Effekt als Hauptbestandteil, mit einer zwischen jeder keramischen Platte und der nächst benachbarten Platte angeordneten inneren Elektrode (24a, 24b) mit einer Einkerbung (28), um ein Laminat auf solche Weise auszubilden, daß die inneren Elektroden aus zwei Sets mit aufeinanderfolgenden Einkerbungen der Elektroden an verschiedenen seitlichen Stellen des Laminats, die alternierend so angeordnet sind, daß die Elektroden (24a) mit Einkerbungen an einer seitlichen Stelle eines dieser Sets bilden, und die Elektroden (24b) mit Einkerbungen an der anderen seitlichen Stelle das andere Set bilden, bestehen, Brennen der zusammengefügten keramischen Platten (22) mit inneren Elektroden (24a, 24b), und Verbinden der inneren Elektroden jedes Sets mit einer externen Elektrode (32a, 32b); dadurch gekennzeichnet, daß:

jede Einkerbung (28) und die benachbarten keramischen Platten (22) zusammen einen Zwischenraum (30) bilden;

die entsprechende externe Elektrode (32a, 32b), an die die inneren Elektroden jedes Sets verbunden sind, entlang der Seite des Laminats angeordnet ist, an der sich die Einkerbungen des anderen Sets befinden; und

die Vielzahl ungebrannter roher keramischer Platten eine Zug-Scher-Adhäsions-Festigkeit besitzen, die, wenn zwei der ungebrannten rohen keramischen Platten in senkrechter Richtung bei einer Temperatur von weniger als 150 ºC mit einem Druck von weniger als 200 kg/cm² zusammengepresst werden, weniger als 10 % der Zugfestigkeit der ungebrannten rohen Platten (22) beträgt.

2. Verfahren zur Herstellung eines laminierten keramischen Elementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die weitere Stufe das Ausbildens einer Sperrschicht (29) umfaßt, die jeder keramischen Platte (22) zur Zeit der Ausbildung der Platte benachbart ist, um eine Einkerbung (28) am Rand der Platte (22) vorzusehen, um eine Aussparung 1 zwischen der Sperrschicht (29) und der Platte (22) auszubilden, damit zwischen jeder inneren Elektrode (24a, 24b) und ihrer entsprechenden Sperrschicht (29) ein Zwischenraum ausgebildet wird, wenn die keramische Platte und die innere Elektrode gebrannt werden.

3. Verfahren zur Herstellung eines laminierten keramischen Elements nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner die Stufe des Verbindens der entsprechenden externen Elektroden (32a, 32b) mit einer ersten Gruppe jeder zweiten Sperrschicht (29) im Laminat beziehungsweise mit einer zweiten Gruppe des Rests der Sperrschichten (29) umfaßt.







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