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Dokumentenidentifikation DE112005001022T5 01.03.2007
Titel Piezoelektrischer Aktuator und Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktuators
Anmelder Murata Manufacturing Co., Ltd., Nagaokakyo, Kyoto, JP
Erfinder Omura, Shinji, Nagaokakyo, Kyoto, JP;
Hayashi, Koichi, Nagaokakyo, Kyoto, JP;
Kobayashi, Shozo, Nagaokakyo, Kyoto, JP
Vertreter Rechts- und Patentanwälte Lorenz Seidler Gossel, 80538 München
DE-Aktenzeichen 112005001022
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, LY, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 14.10.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/JP2005/018920
WO-Veröffentlichungsnummer 2006073018
WO-Veröffentlichungsdatum 13.07.2006
Date of publication of WO application in German translation 01.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.03.2007
IPC-Hauptklasse H01L 41/22(2006.01)A, F, I, 20061127, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02N 2/00(2006.01)A, L, I, 20061127, B, H, DE   H01L 41/083(2006.01)A, L, I, 20061127, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft monolithische piezoelektrische Aktuatoren, die piezoelektrische Keramiken umfassen, sowie Verfahren zum Herstellen solcher piezoelektrischen Aktuatoren. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen piezoelektrischen Aktuator mit einem aktiven Abschnitt und passiven Abschnitten mit Dummy-Innenelektroden und betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen piezoelektrischen Aktuators, wobei der aktive Abschnitt zwischen den passiven Abschnitten angeordnet ist und durch das Anlegen eines elektrischen Felds verformt wird.

Stand der Technik

Piezoelektrische Aktuatoren werden zum Bewegen von Magnetköpfen oder Druckköpfen für Tintenstrahldrucker verwendet. Der folgende Aktuator ist vorgeschlagen worden: ein monolithischer piezoelektrischer Aktuator, der durch einen Prozess gemeinsamen Brennens von Innenelektroden und Keramik erzeugt wird, so dass er eine kleine Größe hat.

Nachstehende Patentschrift 1 offenbart einen beispielhaften monolithischen piezoelektrischen Aktuator. 4 ist eine perspektivische Ansicht des in Patentschrift 1 offenbarten piezoelektrischen Aktuators.

Der piezoelektrische Aktuator 101 umfasst einen keramischen Sinterkörper 102 aus einer piezoelektrischen Keramik. Der keramische Sinterkörper 102 wird durch einen Prozess gemeinsamen Brennens von Innenelektroden und Keramik erzeugt. In der nachstehenden Beschreibung ist die Richtung entlang der Dicke jeder piezoelektrischen Keramikschicht, die zwischen Innenelektroden sandwichartig eingeschlossen ist, als eine Dickenrichtung definiert. In dem keramischen Sinterkörper 102 ist ein aktiver Abschnitt 103 in der Mitte des keramischen Sinterkörpers 102 angeordnet, und passive Abschnitte 104 und 105 sind an beiden Enden desselben in der Dickenrichtung angeordnet.

In dem aktiven Abschnitt 103 sind mehrere erste Innenelektroden 106 und zweite Innenelektroden 107 abwechselnd in der Dickenrichtung angeordnet, wobei jede piezoelektrische Keramikschicht dazwischen angeordnet ist. Die ersten und zweiten Innenelektroden 106 und 107 erstrecken sich senkrecht zur Dickenrichtung des keramischen Sinterkörpers 102.

Der keramische Sinterkörper 102 weist eine erste Seitenfläche 102a auf und umfasst Isolierschichten 108, die sich an der ersten Seitenfläche 102a in einer seitlichen Richtung senkrecht zur Dickenrichtung erstrecken. Die Isolierschichten 108 bedecken Teile der ersten Innenelektroden 106, die an der ersten Seitenfläche 102a freiliegen. Ferner weist der keramische Sinterköper 102 eine zweite Seitenfläche 102b gegenüber der Seitenfläche 102a auf und umfasst Isolierschichten 109, die sich an der zweiten Seitenfläche 102b erstrecken. Die Isolierschichten 109 bedecken Teile der zweiten Innenelektroden 107, die an der Seitenfläche 102b freiliegen.

In dem passiven Abchnitt 104 sind drei Dummy-Innenelektroden 111 bis 113 in einem gestreiften Muster in der gleichen Ebene angeordnet. Zwischen Keramikschichten sind Dummy-Innenelektrodengruppen, die jeweils die drei Dummy-Innenelektroden 111 bis 113 aufweisen, angeordnet. In dem passiven Abschnitt 105 sowie dem passiven Abschnitt 104 sind mehrere andere Dummy-Innenelektrodengruppen, die jeweils Dummy-Innenelektroden 114 bis 116 aufweisen, jeweils zwischen Keramikschichten angeordnet.

Die Dummy-Innenelektroden 111 bis 113 weisen eine Streifenform auf und sind voneinander elektrisch isoliert. Die Dummy-Innenelektroden 114 bis 116 weisen ebenfalls Streifenform auf und sind voneinander elektrisch isoliert.

Eine Außenelektrode 117 erstreckt sich vertikal an der Seitenfläche 102b des keramischen Sinterkörpers 102. In dem aktiven Abschnitt 103 ist die Außenelektrode 117 mit den an der Seitenfläche 102b freiliegenden Innenelektroden 106 verbunden.

Eine ähnliche Außenelektrode, die in 4 nicht gezeigt ist, erstreckt sich an der Seitenfläche 102a. Die sich an der Seitenfläche 102a erstreckende Außenelektrode ist mit den zweiten Innenelektroden 107 elektrisch verbunden. Daher wird der aktive Abschnitt durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Außenelektrode 117 und der Außenelektrode an der Seitenfläche 102a angesteuert, so dass der monolithische Aktuator betrieben wird.

In den passiven Abschnitten 104 und 105 werden die zwischen den Keramikschichten angeordneten Dummy-Innenelektroden nicht mit einer elektrischen Spannung versorgt. Dadurch fungieren die passiven Abschnitte 104 und 105 nicht als Aktuatoren.

Ein herkömmlicher monolithischer piezoelektrischen Aktuator mit einer Konfiguration, bei der passive Abschnitte an beiden Seiten eines aktiven Abschnitts angeordnet sind, weist das Problem auf, dass wegen des unterschiedlichen Sinterverhaltens zwischen dem aktiven Abschnitt und den passiven Abschnitten ein Sinterkörper zerbricht und/oder dass die passiven Abschnitte von dem aktiven Abschnitt gelöst werden. Bei dem in der Patentschrift 1 offenbarten piezoelektrischen Aktuator 101 sind dagegen die in den passiven Abschnitten 104 und 105 enthaltenen Dummy-Innenelektroden 111 bis 113 sowie 114 bis 116 auf den gleichen Höhen angeordnet und sind voneinander getrennt. Dadurch wird ein Zerbrechen des Sinterkörpers verhindert und/oder es kann ein Lösen des aktiven Abschnitts 103 von den passiven Abschnitten 104 und 105 aufgrund des unterschiedlichen Sinterverhaltens zwischen diesen verhindert werden.

Offenlegung der Erfindung

Bei dem piezoelektrischen Aktuator 101 ist es erforderlich, den Einfluss einer Tragstruktur auf die Verformung zu mindern. In diesem Fall haben die passiven Abschnitte 104 und 105 für gewöhnlich in der Dickenrichtung eine große Größe, so dass der aktive Abschnitt 103, der verformbar ist, von einem Tragabschnitt zum mechanischen Lagern des piezoelektrischen Aktuators 101 bei einem großen Abstand beabstandet ist. Dies bewirkt, dass der keramische Sinterkörper 102 in der Dickenrichtung eine große Größe aufweist. Wenn die Anzahl der in dem aktiven Abschnitt 103 enthaltenen Innenelektroden zum Ansteuern des piezoelektrischen Aktuators erhöht wird, so dass eine große Verformung erzeugt wird, weist der keramische Sinterkörper 102 in der Dickenrichtung eine große Größe auf.

Wenn der keramische Sinterkörper 102 in der Dickenrichtung eine große Größe aufweist, weist der durch einen Prozess gemeinsamen Brennens von Elektroden und Keramik erzeugte keramische Sinterkörper 102 unvermeidlich eine große Größendifferenz in der Dickenrichtung auf.

Bei Anwendungen, bei denen monolithische piezoelektrische Aktuatoren verwendet werden, insbesondere bei Anwendungen mit elektronischen Bauelementen, muss die Größe der piezoelektrischen Aktuatoren streng gesteuert werden.

Wenn daher der keramische Sinterkörper 102 einen großen Größenunterschied in der Dickenrichtung aufweist, müssen die obere Fläche 102c und die untere Fläche 102d des keramischen Sinterkörpers 102 nicht geschliffen werden, so dass der keramische Sinterkörper 102 eine einheitliche Größe in Dickenrichtung hat. Wenn die Größe von Bereichen, die wie vorstehend beschrieben geschliffen werden, groß ist, können die Dummy-Innenelektroden 111 bis 113 sowie 114 bis 116 an den geschliffenen Flächen freiliegen. Diese Möglichkeit steigt mit einer Verringerung des Abstands zwischen den Dummy-Innenelektroden, d.h. einer Verringerung der Dicke der aufgeschichteten piezoelektrischen Keramikschichten. Das Freilegen der Dummy-Innenelektroden 111 bis 113 bzw. 114 bis 116 an der oberen Fläche und unteren Fläche des keramischen Sinterkörpers 102 kann Bestückungsfehler verursachen, wenn der piezoelektrische Aktuator 101 auf einer Leiterplatte aufgebracht wird. Der piezoelektrische Aktuator 101 mit den freiliegenden Dummy-Innenelektroden 111 bis 113 bzw. 114 bis 116 ist ein defektes Erzeugnis und muss daher weggeworfen werden. Dies senkt den Ertrag.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die obigen technischen Probleme zu lösen und einen piezoelektrischen Aktuator an die Hand zu geben, bei dem passive Abschnitte in Dickenrichtung jeweils an mindestens einer Seite eines aktiven Abschnitts angeordnet sind. Bei dem piezoelektrischen Aktuator kann verhindert werden, dass es bei dem Sinterkörper zu Absplittern kommt und/oder dass sich der aktive Abschnitt während des Brennens aufgrund unterschiedlichen Schrumpfens von den passiven Abschnitten löst. Ferner werden Dummy-Innenelektroden durch ausgeführtes Schleifen zum Angleichen der Größe des Sinterkörpers in der Dickenrichtung kaum freigelegt.

Die vorliegende Erfindung gibt ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuators mit einem keramischen Sinterkörper an die Hand, der durch gemeines Brennen von Innenelektroden und einer piezoelektrischen Keramik gebildet wird. Das Verfahren weist einen Schritt des Erzeugens des keramischen Sinterkörpers auf, der einen aktiven Abschnitt und inaktive Abschnitte umfasst. Der aktive Abschnitt umfasst piezoelektrische Keramikschichten und jede der dazwischen angeordneten Innenelektroden und wird während des Betriebs verformt. Die Richtung entlang einer Dicke der piezoelektrischen Keramikschicht ist als Dickenrichtung definiert. Die passiven Abschnitte sind jeweils an mindestens einer Seite des aktiven Abschnitts in der Dickenrichtung angeordnet, weisen piezoelektrische Keramikschichten und Dummy-Innenelektroden auf, die in Dickenrichtung angeordnet sind, und werden nicht während des Betriebs verformt. Jede der Dummy-Innenelektroden ist zwischen den piezoelektrischen Keramikschichten angeordnet. Die Dicke der zwischen den Dummy-Innenelektroden angeordneten piezoelektrischen Keramikschichten nimmt mit einem Abstand von dem aktiven Abschnitt zu. Die Dicke der äußersten piezoelektrischen Keramikschichten, die außerhalb der jeweiligen äußersten Dummy-Innenelektroden in Dickenrichtung angeordnet sind, ist größer als die der piezoelektrischen Keramikschichten, die zwischen den Dummy-Innenelektroden angeordnet sind. Das Verfahren umfasst auch einen Schritt des Angleichens der Größe des keramischen Sinterkörpers in der Dickenrichtung durch Schleifen der piezoelektrischen Keramikschichten, die sich in der Dickenrichtung am weitesten außen befinden.

Bei dem Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuators wird bei dem Angleichschritt der Abstand zwischen einer Fläche jedes der passiven Abschnitte, die in der Dickenrichtung am weitesten außen angeordnet ist, und der Dummy-Innenelektrode des passiven Abschnitts, die in der Dickenrichtung am weitesten außen angeordnet ist, auf 0,5% oder mehr der Größe des piezoelektrischen Aktuators in der Dickenrichtung angeglichen.

Bei dem Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuators bestehen der aktive Abschnitt und die passiven Abschnitte aus dem gleichen Keramikmaterial.

Das Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuators umfasst weiterhin einen Schritt des Bildens einer ersten und einer zweiten Außenelektrode zum Ansteuern des aktiven Abschnitts an jeweiligen Außenflächen des keramischen Sinterkörpers, wobei die erste und die zweite Außenelektrode mit einigen der in dem aktiven Abschnitt enthaltenen Innenelektroden elektrisch verbunden sind.

Ein durch das Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuators erhaltener piezoelektrischer Aktuator umfasst einen aktiven Abschnitt, der während des Betriebs verformt wird, mit piezoelektrischen Keramikschichten und Innenelektroden, die jeweils dazwischen angeordnet sind, und umfasst ferner passive Abschnitte mit piezoelektrischen Keramikschichten und Dummy-Innenelektroden, die in der Dickenrichtung angeordnet sind, wobei die passiven Abschnitte während des Betriebs nicht verformt werden, die Richtung entlang der Dicke der piezoelektrischen Keramikschicht als Dickenrichtung definiert ist, jeder der passiven Abschnitte an mindestens einer Seite des aktiven Abschnitts in Dickenrichtung angeordnet ist, jede der Dummy-Innenelektroden jeweils zwischen den piezoelektrischen Keramikschichten angeordnet ist. Eine Dicke der zwischen den Dummy-Innenelektroden angeordneten piezoelektrischen Keramikschichten nimmt mit dem Abstand von dem aktiven Abschnitt zu.

Der piezoelektrische Aktuator weist ferner erste und zweite Außenelektroden auf. Der keramische Sinterkörper weist eine erste Seitenfläche und eine zweite Seitenfläche auf, die einander gegenüberliegen und sich in der Dickenrichtung erstrecken. Die in dem aktiven Abschnitt enthaltenen Innenelektroden erstrecken sich in der Dickenrichtung der piezoelektrischen Keramikschichten abwechselnd zu der ersten und zweiten Seitenfläche. Die in den passiven Abschnitten enthaltenen Innenelektroden erstrecken sich zu einer der ersten und zweiten Seitenfläche. Die ersten und zweiten Außenelektroden sind an der ersten bzw. zweiten Seitenfläche angeordnet.

Bei dem Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung sind die passiven Abschnitte an mindestens einer Seite des aktiven Abschnitts angeordnet, der die in Dickenrichtung abwechselnd angeordneten piezoelektrischen Keramikschichten und Innenelektroden aufweist. Die passiven Abschnitte weisen jeweils eine Konfiguration auf, bei der die Dummy-Innenelektroden und die piezoelektrischen Keramikschichten abwechselnd angeordnet sind. Die Dicke der jeweils zwischen den Dummy-Innenelektroden angeordneten piezoelektrischen Keramikschichten nimmt mit dem Abstand von dem aktiven Abschnitt zu. Wenngleich der aktive Abschnitt sich bezüglich Schrumpfens von den passiven Abschnitten unterscheidet, kann daher verhindert werden, dass es zu Absplittern vom Sinterkörper mit dem aktiven Abschnitt und den passiven Abschnitten kommt bzw. es kann verhindert werden, dass der aktive Abschnitt von den passiven Abschnitten gelöst wird, wenn der Sinterkörper durch einen Prozess gemeinsamen Brennens von Elektroden und Keramik erzeugt wird. Denn die Dicke der jeweils zwischen den Dummy-Innenelektroden angeordneten piezoelektrischen Keramikschichten nimmt mit dem Abstand von dem aktiven Abschnitt zu, und daher ist die durch das unterschiedliche Schrumpfen verursachte Beanspruchung zwischen diesen klein.

Die Dicke der jeweils zwischen den Dummy-Innenelektroden angeordneten piezoelektrischen Keramikschichten nimmt mit dem Abstand von dem aktiven Abschnitt zu, und die Dicke der außerhalb der jeweiligen äußersten Dummy-Innenelektroden in Dickenrichtung angeordneten äußersten piezoelektrischen Keramikschichten ist größer als die der zwischen den Dummy-Innenelektroden angeordneten piezoelektrischen Keramikschichten. Selbst wenn die äußersten piezoelektrischen Keramikschichten geschliffen werden, damit die Größe des Sinterkörpers in der Dickenrichtung angeglichen wird, werden daher die Dummy-Innenelektroden kaum freigelegt. Daher kann das Auftreten von Defekten aufgrund des Freilegens der Dummy-Innenelektroden verhindert werden. Dies führt zu einer Ertragssteigerung.

Wenn der Abstand zwischen einer Oberfläche jedes passiven Abschnitts, der sich in der Dickenrichtung am weitesten außen befindet, und der Dummy-Innenelektrode des passiven Abschnitts, der sich in der Dickenrichtung am weitesten außen befindet, beim Angleichschritt auf 0,5% oder mehr der Größe des piezoelektrischen Aktuators in der Dickenrichtung angeglichen wird, kann die Möglichkeit stark verringert werden, dass die Dummy-Innenelektroden teilweise durch Schleifen freigelegt werden. Die obere Grenze für die Größe desselben in der Dickenrichtung ist nicht sonderlich beschränkt. Um die Möglichkeit zu reduzieren, dass die Dummy-Innenelektroden freigelegt werden, ist die Größe desselben in Dickenrichtung bevorzugt groß. Wenn es daher bevorzugt ist, dass die Größe des piezoelektrischen Aktuators in der Dickenrichtung nicht übermäßig groß ist, wird der Abstand dazwischen bevorzugt auf 2,0% oder weniger der Größe des piezoelektrischen Aktuators in der Dickenrichtung angeglichen.

Wenn der keramische Sinterkörper durch einen Prozess des gemeinsamen Brennens von Elektroden und Keramik erzeugt wird und daher monolithisch ist, kann effektiv verhindert werden, dass aufgrund des unterschiedlichen Schrumpfens während des gemeinsamen Brennens der keramische Sinterkörper zerbricht bzw. etwas von ihm abbricht; daher wird die vorliegende Erfindung bevorzugt eingesetzt.

Wenn das Verfahren weiterhin den Schritt des Bildens der ersten und zweiten Außenelektroden elektrisch verbunden mit einigen der in dem aktiven Abschnitt enthaltenen Innenelektroden umfasst, kann der piezoelektrische Aktuator mit den ersten und zweiten Außenelektroden erhalten werden; somit kann der piezoelektrische Aktuator mit den ersten und zweiten Außenelektroden mühelos angesteuert werden.

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktuator wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten. Daher wird nach dem Erzeugen des keramischen Sinterkörpers mit dem aktiven Abschnitt und den passiven Abschnitten die Dicke des keramischen Sinterkörpers durch Schleifen der piezoelektrischen Keramikschichten außerhalb der Dummy-Innenelektroden, die am weitesten außen in Dickenrichtung des keramischen Sinterkörpers angeordnet sind, angeglichen. Da die Dicke der piezoelektrischen Keramikschichten, die in Dickenrichtung am weitesten außen angeordnet sind, größer als die der piezoelektrischen Keramikschichten innerhalb der Dummy-Innenelektroden, die am weitesten außen in Dickenrichtung angeordnet sind, ist, werden die Dummy-Innenelektroden kaum freigelegt, selbst wenn die äußersten piezoelektrischen Keramikschichten stark geschliffen werden. Da weiterhin die Dicke der piezoelektrischen Keramikschichten zwischen den Dummy-Innenelektroden mit dem Abstand von dem aktiven Abschnitt zunimmt, ist die Verformung aufgrund des unterschiedlichen Schrumpfens klein; somit kann der piezoelektrische Aktuator, bei kaum ein Absplittern oder Grenzflächenablösen von dem keramische Sinterkörper eintritt, an die Hand gegeben werden.

Bei dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktuator kann, wenn die ersten und zweiten Außenelektroden an der ersten bzw. zweiten Seitenfläche des keramischen Sinterkörpers angeordnet sind, der piezoelektrische Aktuator problemlos auch als herkömmlicher piezoelektrischer Aktuator verwendet werden, der eine erste und eine zweite Außenelektrode aufweist, die an einem Paar von Seitenflächen angeordnet sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist eine vordere Schnittansicht eines piezoelektrischen Aktuators nach einer erfindungsgemäßen Ausführung.

2 ist eine perspektivische Ansicht eines keramischen Sinterkörpers, der zum Herstellen des in 1 gezeigten piezoelektrischen Aktuators erzeugt wurde.

3 ist eine perspektivische Ansicht einer Abwandlung eines in einem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktuator enthaltenen keramischen Sinterkörpers.

4 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines herkömmlichen monolithischen piezoelektrischen Aktuators.

1
piezoelektrischer Aktuator
2
keramischer Sinterkörper
2A
keramischer Sinterkörper
2a und 2b
erste Seitenfläche bzw. zweite Seitenfläche
2c
obere Fläche
2d
untere Fläche
2e bis 2l
Keramikschichten
3
aktiver Abschnitt
4 und 5
passive Abschnitte
6a bis 6d
erste Innenelektroden
7a bis 7d
zweite Innenelektroden
8a bis 8c sowie 9a bis 9c
Dummy-Innenelektroden
10 und 11
erste Außenelektrode bzw. zweite Außenelektrode
12
keramischer Sinterkörper
18a bis 18c und 19a bis 19c
Dummy-Innenelektroden

Beste Art der Durchführung der Erfindung

Nun werden erfindungsgemäße Ausführungen eingehend unter Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben.

1 ist eine vordere Schnittansicht eines piezoelektrischen Aktuators nach einer erfindungsgemäßen Ausführung.

Der piezoelektrische Aktuator 1 umfasst einen keramischen Sinterkörper 2. Der keramische Sinterkörper 2 wird durch einen Prozess des gemeinsamen Brennens von Elektroden und Keramik erzeugt und ist daher monolithisch. In dieser Ausführung ist die Richtung entlang der Dicke jeder piezoelektrischen Keramikschicht, die zwischen Innenelektroden angeordnet ist, als Dickenrichtung definiert. Der in 1 gezeigte keramische Sinterkörper 2 wird so erzeugt, dass ein keramischer Sinterkörper, dessen Größe in Dickenrichtung größer als die vertikale Größe des keramischen Sinterkörpers 2 ist, erzeugt und dann geschliffen wird. Dieser keramische Sinterkörper weist insbesondere eine solche Größe in der Dickenrichtung auf, dass sich dieser keramische Sinterkörper zwischen Positionen erstreckt, die durch eine Strich-Punkt-Linie A oder B angezeigt werden. Beide Endbereiche dieses keramischen Sinterkörpers, die voneinander in Dickenrichtung beabstandet sind, werden so geschliffen, dass die durch Strich-Punkt-Linie A oder B angezeigten Keramikschichtbereiche entfernt werden, wodurch der keramische Sinterkörper 2 erhalten wird.

2 ist eine perspektivische Ansicht dieses keramischen Sinterkörpers 2A, der noch nicht geschliffen wurde.

Unter Bezug auf 1 befindet sich dagegen ein aktiver Abschnitt 3 in der Mitte des keramischen Sinterkörpers 2, der sich in Dickenrichtung erstreckt. Passive Abschnitte 4 und 5 befinden sich an beiden Seiten des keramischen Sinterkörpers 2, die voneinander in der Dickenrichtung beabstandet sind. In der vorliegenden Erfindung können die passiven Abschnitte jeweils an einer Seite des keramischen Sinterkörpers angeordnet sein.

Der aktive Abschnitt 3 weist erste Innenelektroden 6a bis 6d, zweite Innenelektroden 7a bis 7d und Keramikschichten auf, wobei die ersten und zweiten Innenelektroden 6a bis 6d sowie 7a bis 7d in der Dickenrichtung abwechselnd angeordnet sind, wobei die Keramikschichten jeweils dazwischen angeordnet sind.

Der keramische Sinterkörper 2 weist eine erste Seitenfläche 2a auf, und die ersten Innenelektroden 6a bis 6d erstrecken sich zu der ersten Seitenfläche 2a. Der keramische Sinterkörper 2 weist eine zweite Seitenfläche 2b gegenüber der ersten Seitenfläche 2a auf, und die zweiten Innenelektroden 7a bis 7d erstrecken sich zu der zweiten Seitenfläche 2b.

Da bei dem keramischen Sinterkörper 2 die ersten und zweiten Innenelektroden 6a bis 6d sowie 7a bis 7d abwechselnd angeordnet sind, wobei die Keramikschichten jeweils dazwischen angeordnet sind, und die Keramikschichten in der Dickenrichtung polarisiert sind, wird der aktive Abschnitt 3 durch Anlegen elektrischer Felder zwischen den ersten und zweiten Innenelektroden 6a bis 6d sowie 7a bis 7d in der Dickenrichtung gedehnt oder zusammengezogen, wodurch der piezoelektrische Aktuator betrieben wird.

Der passive Abschnitt 4 umfasst Keramikschichten und Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c, die sich zu der ersten Seitenfläche 2a erstrecken, wobei die Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c und diese Keramikschichten abwechselnd angeordnet sind. Alle der Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c erstrecken sich zu der ersten Seitenfläche 2a, erstrecken sich aber nicht zu der zweiten Seitenfläche 2b.

Der passive Abschnitt 5 weist Dummy-Innenelektroden 9a bis 9c sowie Keramikschichten auf, wobei die Dummy-Innenelektroden 9a bis 9c und die Keramikschichten abwechselnd angeordnet sind. Die Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c erstrecken sich zu der zweiten Seitenfläche 2b, erstrecken sich aber nicht zu der ersten Seitenfläche 2a.

Eine erste Außenelektrode 10 und eine zweite Außenelektrode 11 erstrecken sich über die Seitenflächen 2a bzw. 2b. Die erste Außenelektrode 10 ist mit den in dem passiven Abschnitt 4 enthaltenen Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c und den in dem aktiven Abschnitt 3 enthaltenen ersten Innenelektroden 6a bis 6d elektrisch verbunden. Die zweite Außenelektrode 11 ist mit den in dem aktiven Abschnitt 3 enthaltenen zweiten Innenelektroden 7a bis 7d und den im passiven Abschnitt 5 enthaltenen Dummy-Innenelektroden 9a bis 9c elektrisch verbunden.

Die Innenelektrode 6a des aktiven Abschnitts 3 befindet sich zwischen dem aktiven Abschnitt 3 und dem passiven Abschnitt 4. Die Innenelektrode 6a, die am nächsten zum passiven Abschnitt 4 angeordnet ist, und die Dummy-Innenelektrode 8a, die am nächsten zum aktiven Abschnitt 3 angeordnet ist, sind mit der Außenelektrode 10 verbunden und werden daher bei dem gleichen Potential gehalten. Somit wird an der zwischen der Innenelektrode 6a und der Dummy-Innenelektrode 8a angeordneten Keramikschicht 2e kein elektrisches Feld angelegt. Die Keramikschicht 2e hat die gleiche Dicke wie die Keramikschichten, die jeweils zwischen den Innenelektroden 6a bis 6d sowie 7a bis 7d nebeneinander sandwichartig eingeschlossen sind. Die Dummy-Innenelektrode 9a, die in dem passiven Abschnitt 5 enthalten ist, der sich am nächsten zum aktiven Abschnitt 3 befindet, sowie die zweite Innenelektrode 7d, die in dem aktiven Abschnitt 3 enthalten ist, der am nächsten zum passiven Abschnitt 5 befindet, sind mit der Außenelektrode 11 verbunden und werden daher bei dem gleichen Potential gehalten. Somit wird an der zwischen der Innenelektrode 7d und der Dummy-Innenelektrode 9a angeordneten Keramikschicht 2i während des Betriebs kein elektrisches Feld angelegt.

Der keramische Sinterkörper 2 kann ein geeignetes piezoelektrisches Keramikmaterial enthalten, beispielsweise Bleititanatzirconat oder Bleititanat. Die Innenelektroden 6a bis 6d sowie 7a bis 7d, die Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c sowie 9a bis 9c und die Außenelektroden 10 und 11 können ein geeignetes leitendes Material wie Ag oder Cu enthalten. In dieser Ausführung werden die Innenelektroden 6a bis 6d und 7a bis 7d sowie die Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c sowie 9a bis 9c durch einen Druckprozess unter Verwendung einer Ag/Pd-Paste gebildet. Die Außenelektroden 10 und 11 enthalten Ag.

Zur Herstellung des piezoelektrischen Aktuators 1 dieser Ausführung wird der in 2 gezeigte keramische Sinterkörper 2A erzeugt. Wenn die Größe des keramischen Sinterkörpers 2A in der Dickenrichtung größer als ein vorbestimmter Wert ist, werden beide Enden des keramischen Sinterkörpers 2A, d.h. seine obere und untere Fläche, so geschliffen, dass der keramische Sinterkörper 2A in der Dickenrichtung eine vorbestimmte Größe hat, wodurch der keramische Sinterkörper 2A erhalten wird. Die Außenelektroden 10 und 11 werden dann an den Seitenflächen 2a bzw. 2b des keramischen Sinterkörpers 2 gebildet.

Die Dicke der piezoelektrischen Keramikschichten 2e bis 2g sowie 2i bis 2k, die jeweils zwischen den Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c bzw. 9a bis 9c sandwichartig eingeschlossen sind, nimmt mit dem Abstand von dem aktiven Abschnitt 3 zu. Die Dicke der Innenelektrodenschicht 2f, die zwischen den Dummy-Innenelektroden 8a und 8b sandwichtartig eingeschlossen ist, ist zum Beispiel größer als die der Dummy-Innenelektrode 2e.

Wie in 2 gezeigt wird, nimmt die Dicke der piezoelektrischen Keramikschichten 2e bis 2g, die zwischen den in dem passiven Abschnitt 4 enthaltenen Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c sandwichartig eingeschlossen sind, mit dem Abstand von dem aktiven Abschnitt 3 zu. Bevor der wie vorstehend beschrieben erzeugte keramische Sinterkörper 2A geschliffen wird, weist die äußerste Keramikschicht 2h außerhalb der äußersten Dummy-Innenelektrode 8c eine Dicke auf, die größer als die der piezoelektrischen Keramikschicht 2g ist.

Bevor der keramische Sinterkörper 2A geschliffen wird, haben die in dem passiven Abschnitt 4 enthaltenen äußeren piezoelektrischen Keramikschichten eine größere Dicke. Selbst wenn der keramische Sinterkörper 2A so geschliffen wird, dass seine Größe in der Dickenrichtung angeglichen wird, d.h. selbst wenn ein von einer Punkt-Strich-Linie A in 1 umgebener Bereich durch Schleifen entfernt wird, wird daher die äußerste Dummy-Innenelektrode 8c kaum freigelegt.

In dem passiven Abschnitt 5 nimmt die Dicke der piezoelektrischen Keramikschichten 2i bis 2k, die zwischen den Dummy-Innenelektroden 9a bis 9c sandwichartig eingeschlossen sind, mit dem Abstand von dem aktiven Abschnitt 3 zu. Bevor der keramische Sinterkörper 2A geschliffen wird, weist die außerhalb der äußersten Dummy-Innenelektrode 9c angeordnete äußerste piezoelektrische Keramikschicht 2l eine Dicke auf, die größer als die der piezoelektrischen Keramikschicht 2k ist. Selbst wenn wie vorstehend beschrieben Schleifen ausgeführt wird, wird daher die äußerste Dummy-Innenelektrode 9c kaum freigelegt.

Bei dem piezoelektrischen Aktuator 1 dieser Ausführung werden die äußersten Dummy-Innenelektroden 8c und 9c kaum freigelegt, selbst wenn die Größe desselben in der Dickenrichtung durch Schleifen angeglichen wird. Dies führt zu einer Verringerung der Anzahl defekter Produkte, was zu höherem Ertrag führt.

Von den in den passiven Abschnitten 4 und 5 enthaltenen piezoelektrischen Keramikschichten weisen die am nächsten zu dem aktiven Abschnitt 3 angeordneten piezoelektrischen Keramikschichten 2e und 2i im Wesentlichen die gleiche Dicke wie die zwischen den Innenelektroden 6a bis 6d sowie 7a bis 7d angeordneten piezoelektrischen Keramikschichten auf. Somit ähnelt während des Brennens das Schrumpfverhalten der Bereiche der passiven Abschnitte 4 und 5 dem Schrumpfverhalten des aktiven Abschnitts 3, wobei die Bereiche nahe dem aktiven Abschnitt 3 angeordnet sind. Dies verhindert, dass aufgrund des unterschiedlichen Schrumpfens zwischen dem aktiven Abschnitt 3 und den passiven Abschnitten 4 und 5 der Sinterkörper zerbricht oder etwas von ihm abbricht.

Die Tatsache, dass das Auftreten von Defekten oder Rissen in dieser Ausführung verhindert wird, wird nun anhand eines Experiments eingehend beschrieben.

Es wurden die folgenden Folien erzeugt: piezoelektrische keramische Grünfolien, einschließlich einer PZT-Keramik, mit jeweiligen Innenelektrodenmuster, die durch Drucken unter Verwendung einer Ag/Pd-Paste zum Bilden der Innenelektroden 6a bis 6d sowie 7a bis 7d gebildet wurden. Weiterhin wurden die folgenden Folien erzeugt: zweite piezoelektrische keramische Grünfolien, die vorrangig eine Ag/Pd-Keramik enthielten, mit jeweiligen durch Drucken gebildeten Innenelektrodenmustern, die den Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c sowie 9a bis 9c entsprachen. Die folgenden Folien wurden erzeugt: dritte piezoelektrische keramische Grünfolien ohne Innenelektrodenmuster.

Die ersten bis dritten piezoelektrischen keramischen Grünfolien wurden so geschichtet, dass der aktive Abschnitt 3 und die passiven Abschnitte 4 und 5 gebildet wurden. Die aufgeschichteten Folien wurden in der Dickenrichtung der Folien gepresst, wodurch ein Pressling erzeugt wurde. Der wie vorstehend beschrieben erhaltene Pressling wurde bei 1.050° gebrannt, wodurch der keramische Sinterkörper 2A erhalten wurde, der in der Richtung, in der die Folien geschichtet waren, lang war. Der keramische Sinterkörper 2A hatte eine Größe von 33 mm in der Dickenrichtung der Folien, d.h. in der Richtung, in der die Folien geschichtet waren, und hatte ferner ein Querschnittprofil, das 9 mm zum Quadrat und senkrecht zur Dickenrichtung war. Der Abstand zwischen der oberen oder unteren Fläche des keramischen Sinterkörpers 2A, d.h. einem der Endbereiche des keramischen Sinterkörpers 2A, die voneinander in Dickenrichtung beabstandet waren, und der äußersten Dummy-Innenelektrode, die am nächsten zu dem Endbereich angeordnet war, betrug 1,0 mm. Die Seitenflächen 2a, 2b, 2c und 2d des keramischen Sinterkörpers 2A wurden mit einer Flächenschleifmaschine geschliffen, so dass die Seitenflächen 2a, 2b, 2c und 2d eine Größe von 8,6 mm × 8,6 mm hatten. Die oberen und unteren Flächen des keramischen Sinterkörpers 2A, d.h. beide Enden des keramischen Sinterkörpers 2A, die in der Dickenrichtung voneinander beabstandet waren, wurden so bearbeitet, dass der keramische Sinterkörper 2A eine Größe von 32 mm in der Dickenrichtung hatte. Die Ag enthaltenden Außenelektroden 10 und 11 wurden dann an den Seitenflächen 2a bzw. 2b gebildet, wodurch der piezoelektrische Aktuator 1 erhalten wurde. Die Schleiftoleranz jedes in der Dickenrichtung geschliffenen Endbereichs betrug 0,5 mm.

Wenngleich die Schleiftoleranz desselben 0,5 mm betrug und der bearbeitete keramische Sinterkörper 2A wie vorstehend beschrieben eine Größe von 32 mm in der Dickenrichtung aufwies, wurden die äußersten Dummy-Innenelektroden 8c und 9c nicht freigelegt. Dies zeigt, dass das Entstehen von durch die äußersten Dummy-Innenelektroden verursachten Defekten verhindert wird.

Für gewöhnlich sind in dem piezoelektrischen Aktuator 1 die Außenelektroden 10 und 11 mit Anschlussleitungen an den passiven Abschnitten 4 und 5 elektrisch verbunden. Um die Außenelektroden 10 und 11 mit den Anschlussleitungen durch Löten zu verbinden, müssen die sich an den passiven Abschnitten 4 und 5 erstreckenden Außenelektroden 10 und 11 eine Größe von etwa 0,5 mm in Dickenrichtung haben. Wenn die piezoelektrischen Keramikschichten zwischen den Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c und 9a bis 9c die gleiche Dicke haben, wird die Anzahl der mit den Anschlussleitungen verbundenen Dummy-Innenelektroden groß und daher sind die Herstellkosten hoch. In dieser Ausführung dagegen nimmt die Dicke der Keramikschichten zwischen den Dummy-Innenelektroden mit dem Abstand von dem aktiven, Abschnitt 3 zu. Wenngleich die Außenelektroden 10 und 11 eine Größe von etwa 0,5 mm in der Dickenrichtung haben, ist die Anzahl der Dummy-Innenelektroden klein. Dies senkt die Herstellungskosten.

In der obigen Ausführung erstrecken sich die Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c sowie 9a bis 9c zu den Seitenflächen 2a bzw. 2b, so dass die Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c und 9a bis 9c mit den Außenelektroden 10 bzw. 11 verbunden sind. In einer anderen Ausführung müssen sich die Dummy-Innenelektroden nicht zu Seitenflächen erstrecken, an denen Außenelektroden ausgebildet sind. 3 zeigt einen keramischen Sinterkörper 12, der eine Abwandlung ist. Wie in dieser Figur gezeigt wird, erstrecken sich Dummy-Innenelektroden 18a bis 18c und 19a bis 19c nicht zu Seitenflächen, an denen Außenelektroden auszubilden sind, und können von nicht kontaktierender Art sein.

Zusammenfassung

Das folgende Verfahren wird an die Hand gegeben: ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuators, bei dem ein Sinterkörper aufgrund unterschiedlichen Schrumpfens während des Brennens kaum Absplittern oder Rissbildung aufweist und bei dem Defekte kaum verursacht werden, da die äußersten Dummy-Innenelektroden nicht freigelegt werden.

Das Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Aktuators 1 ist wie folgt: ein keramischer Sinterkörper wird erzeugt und die Größe des keramischen Sinterkörpers wird in einer nachstehend definierten Dickenrichtung durch Schleifen von piezoelektrischen Keramikschichten angeglichen, die in dem keramischen Sinterkörper enthalten sind und am weitesten außen in der Dickenrichtung angeordnet sind. In dem keramischen Sinterkörper sind Innenelektroden jeweils zwischen piezoelektrischen Keramikschichten angeordnet; die Dickenrichtung wird als die Richtung entlang der Dicke der piezoelektrischen Keramikschicht definiert; die passiven Abschnitte 4 und 5 sind jeweils an mindestens einer Seite des aktiven Abschnitts 3 zum Ansteuern des piezoelektrischen Aktuators in der Dickenrichtung angeordnet; Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c sowie 9a bis 9c sind in den passiven Abschnitten 4 und 5 so angeordnet, dass die Dummy-Innenelektroden 8a bis 8c sowie 9a bis 9c jeweils zwischen Keramikschichten angeordnet sind; und die Dicke der zwischen den Dummy-Innenelektroden angeordneten piezoelektrischen Keramikschichten nimmt mit dem Abstand von dem aktiven Abschnitt zu.


Anspruch[de]
Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuators mit einem keramischen Sinterkörper, der durch gemeinsames Brennen von Innenelektroden und einer piezoelektrischen Keramik gebildet ist, wobei es umfasst:

einen Schritt des Erzeugens des einen aktiven Abschnitt und passive Abschnitte aufweisenden keramischen Sinterkörpers, wobei der aktive Abschnitt piezoelektrische Keramikschichten und jede der dazwischen angeordneten Innenelektroden aufweist und während des Betriebs verformt wird, die Richtung entlang einer Dicke der piezoelektrischen Keramikschicht als Dickenrichtung definiert wird, die passiven Abschnitte jeweils an mindestens einer Seite des aktiven Abschnitts in der Dickenrichtung angeordnet sind, die passiven Abschnitte piezoelektrische Keramikschichten und Dummy-Innenelektroden aufweisen, die in der Dickenrichtung angeordnet sind, die passiven Abschnitte während des Betriebs nicht verformt werden, jede der Dummy-Innenelektroden zwischen den piezoelektrischen Keramikschichten angeordnet ist, die Dicke der zwischen den Dummy-Innenelektroden angeordneten piezoelektrischen Keramikschichten mit einem Abstand von dem aktiven Abschnitt zunimmt, die Dicke der äußersten piezoelektrischen Keramikschichten, die außerhalb der jeweiligen äußersten Dummy-Innenelektroden in Dickenrichtung angeordnet sind, größer als die der zwischen den Dummy-Innenelektroden angeordneten piezoelektrischen Keramikschichten ist; und

einen Schritt des Angleichens der Größe des keramischen Sinterkörpers in der Dickenrichtung durch Schleifen der piezoelektrischen Keramikschichten, die am weitesten außen in der Dickenrichtung angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Angleichschritt der Abstand zwischen einer Oberfläche jedes der passiven Abschnitte, die in der Dickenrichtung am weitesten außen angeordnet ist, und der Dummy-Innenelektrode des passiven Abschnitts, die in der Dickenrichtung am weitesten außen angeordnet ist, auf 0,5% oder mehr der Größe des piezoelektrischen Aktuators in der Dickenrichtung angeglichen wird. Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuators nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Abschnitt und die passiven Abschnitte aus dem gleichen Keramikmaterial bestehen. Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuators nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welches weiterhin einen Schritt des Bildens einer ersten und einer zweiten Außenelektrode zum Ansteuern des aktiven Abschnitts an jeweiligen Außenflächen des keramischen Sinterkörpers umfasst, wobei die erste und zweite Außenelektrode mit einigen der in dem aktiven Abschnitt enthaltenen Innenelektroden elektrisch verbunden sind. Piezoelektrischer Aktuator, der durch das Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktuators nach Anspruch 1 erhalten wird, mit:

einem während des Betriebs verformten aktiven Abschnitt, der piezoelektrische Keramikschichten und jeweils dazwischen angeordnete Innenelektroden aufweist; und

passiven Abschnitten, die piezoelektrische Keramikschichten und Dummy-Innenelektroden aufweisen, die in Dickenrichtung angeordnet sind, wobei die passiven Abschnitte während des Betriebs nicht verformt werden, die Richtung entlang der Dicke der piezoelektrischen Keramikschicht als eine Dickenrichtung definiert ist, jeder der passiven Abschnitte an mindestens einer Seite des aktiven Abschnitts in der Dickenrichtung angeordnet ist, jede der Dummy-Innenelektroden zwischen den piezoelektrischen Keramikschichten angeordnet ist,

wobei eine Dicke der zwischen den Dummy-Innenelektroden angeordneten piezoelektrischen Keramikschichten mit dem Abstand von dem aktiven Abschnitt zunimmt.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 5, welcher weiterhin erste und zweite Außenelektroden umfasst, wobei der keramische Sinterkörper eine erste Seitenfläche und eine zweite Seitenfläche aufweist, die einander gegenüberliegen und sich in der Dickenrichtung erstrecken; wobei sich die in dem aktiven Abschnitt enthaltenen Innenelektroden abwechselnd zu der ersten und zweiten Seitenfläche in der Dickenrichtung der piezoelektrischen Keramikschichten erstrecken; wobei sich die in den passiven Abschnitten enthaltenen Innenelektroden zu einer von erster und zweiter Seitenfläche erstrecken; und wobei die ersten und zweiten Außenelektroden an der ersten bzw. zweiten Seitenfläche angeordnet sind.






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