DE69223096T2 - Piezoelektrischer/elektrostriktiver Element mit einem keramischen Substrat aus stabilisiertem Zirkoniumdioxid - Google Patents
Piezoelektrischer/elektrostriktiver Element mit einem keramischen Substrat aus stabilisiertem ZirkoniumdioxidInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein unimorphes, bimorphes oder anders gestaltetes piezoelektrisches oder elektrostriktives Element, das Verlagerungen in Form von Verbiegen, Auslenken oder Verkrümmen erfährt und für Tintenstrahldruckköpfe, Mikrofone, Schallkörper (wie z.B. Lautsprecher), verschiedene Resonatoren oder Vibratoren, Sensoren und andere Bauteile oder Geräte verwendet werden kann. Der Ausdruck "Element" bedeutet hierin ein Element, das elektrische Energie in mechanische Energie, d.h. mechanische Kraft, Verlagerung, Spannung oder Schwingungen, oder solche mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln kann. Außerdem besitzt das Element der Erfindung neben einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Eigenschaft eine dielektrische Eigenschaft und kann daher als filmartiges Kondensatorelement eingesetzt werden.
- In den letzten Jahren kam auf dem Gebiet der Optik und bei Präzisionspositionierungs- oder -bearbeitungsvorgängen häufig ein Element zur Verwendung, dessen Verlagerung gesteuert werden kann, um eine optische Weglänge oder die Position eines Elements oder Bauteils eines Geräts in der Größenordnung von Bruchteilen eines Mikrometers (µm) einzustellen oder zu steuern; weiters wurde ein Detektorelement verwendet, das winzige Verlagerungen eines Gegenstands als elektrische Veränderung detektieren kann. Um diese Aufgaben zu erfüllen, wurden verschiedene piezoelektrische oder elektrostriktive Aktuatoren oder Sensoren aus einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material wie z.B. einem ferroelektrischen Material entwickelt, das den umgekehrten piezoelektrischen bzw. elektrostriktiven Effekt aufweist, worin ein solches piezoelektrisches oder elektrostriktives Material bei Anlegen einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Felds daran eine mechanische Verlagerung hervorruft, oder das den piezoelektrischen Effekt aufweist, worin das piezoelektrische Material bei Anlegen von Druck oder einer mechanischen Belastung eine elektrische Spannung oder ein elektrisches Feld erzeugt.
- Beispielsweise verwendet ein Tintenstrahldruckkopf ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element des herkömmlichen unimorphen oder biomorphen Typs, das erforderlich ist, um einen hochqualitativen Hochgeschwindigkeitsdruckvorgang zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wurden Anstrengungen unternommen, die Größe und erforderliche Antriebsspannung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements zu reduzieren und die Reaktion des Elements im Betrieb zu verbessern.
- Ein piezoelektrisches oder elektrostriktives Element der obigen Art wird durch ein Substrat getragen, das als Schwinger- oder Messwandlerplatte dient. Um eine ausreichende Größe und Kraft der Verbiegung oder Krümmungsverlagerung des Substrats oder der Platte sicherzustellen, ist es wichtig, einerseits die Dicke des Substrats zu verringern. Andererseits führt jedoch die Verringerung der Substratdicke ungünstigerweise zu einer Abnahme der mechanischen Festigkeit des Substrats. Außerdem ist das piezoelektrische oder elektrostriktive Element der herkömmlichen unioder bimorphen Art bezüglich seiner Betriebszuverlässigkeit unzureichend, da planare Teile wie z.B. piezoelektrische/elektrostriktive Platten, die das Element bilden, z.B. durch Klebstoffe miteinander verbunden sind.
- EP-A-408306 beschreibt ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element, bei dem ein Keramiksubstrat aus verschiedenen Materialien, wie z.B. Zirkondioxid, ausgewählt werden kann.
- Es ist daher ein vorrangiges Ziel der Erfindung, ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element bereitzustellen, das eine ausreichend große Verlagerung erfährt, durch Anlegen einer relativ niedrigen elektrischen Spannung eine große Kraft erzeugt, eine verbesserte Festigkeit und hervorragende Reaktion im Betrieb und Zuverlässigkeit aufweist sowie für Tintenstrahldruckköpfe, Mikrofone, Schallkörper (z.B. Lautsprecher) und verschiedene Oszillatoren und Vibratoren sowie diverse Sensoren wie z.B. Beschleunigungs-, Druck-, Schwingungs- oder Winkelgeschwindigkeitssensoren geeignet ist.
- Die vorliegende Erfindung bietet ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach Anspruch 1.
- Vorzugsweise wird das Zirkondioxid teilweise durch Zugabe von zumindest einer Verbindung stabilisiert, ausgewählt aus Yttrium-, Cer-, Magnesium- und Calciumoxid, wobei die Kristallphase im Wesentlichen entweder aus einer tetragonalen Phase oder einer Kombination von zumindest zwei aus der tetragonalen Phase, einer kubischen und einer monoklinen Phase, besteht.
- Um ein gesteigertes Haftverm gen zwischen dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitt und dem Substrat zu erzielen, wodurch die Verlagerung, Verformung oder mechanische Spannung, die im piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitt auftritt, wirkungsvoll auf das Substrat übertragen werden kann, besitzt das Keramiksubstrat eine Oberflächenrauheit (Ra) im Bereich von 0,03-0,9 µm.
- Bei den vorliegenden piezoelektrischen/elektrostriktiven Elementen ist der piezoelektrische/elektrostriktive Abschnitt, der aus einer Vielzahl laminierter Filme (zwei Elektrodenfilme und eine dazwischen angeordnete filmartige piezoelektrische/elektrostriktive Schicht) bestehen kann, auf dem dünnen Keramiksubstrat ausgebildet. Demzufolge sorgt das vorliegende Element für eine relativ große Verlagerung durch Anlegen einer relativ niedrigen elektrischen Spannung, wobei die Kraft oder das elektrischen Potential, die bzw. das erzeugt wird, relativ groß ist, und weist eine verbesserte Reaktion im Betrieb auf. Da der piezoelektrische/elektrostriktive Abschnitt leicht in Form von Elektroden- und piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmen oder Mustern durch ein Dickfilmbildungsverfahren, z.B. ohne Verwendung von Klebstoff, auf dem Keramiksubstrat ausgebildet werden kann, können beliebig viele piezoelektrische/elektrostriktive Einheiten auf einem einzelnen Substrat integriert werden, um ein hochintegriertes piezoelektrisches/elektrostriktives Element zu bilden.
- Außerdem besteht das Keramiksubstrat, auf dem sich der piezoelektrische/elektrostriktive Abschnitt befindet, im Wesentlichen aus Zirkondioxid, das durch Zugabe von zumindest einer Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Yttrium-, Ytterbium-, Cer-, Calcium- und Magnesiumoxid, oder zumindest einer Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Yttrium-, Cer-, Magnesium- und Calciumoxid, vollkommen oder teilweise stabilisiert wird. Die Verwendung des stabilisierten Zirkondioxids für das Keramiksubstrat bietet die folgenden Vorteile: i) Das aus dem somit stabilisierten Zirkondioxid bestehende Substrat besitzt eine hohe mechanische Festigkeit und Stärke, obwohl es nur eine geringe Dicke aufweist; ii) thermische Spannungen, die während der Hitzebehandlung des Substrats mit einem laminaren piezoelektrischen/elektrostriktiven Material entstehen, sind relativ gering; und iii) Das stabilisierte Zirkondioxid geht mit dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Material eine relativ beschränkte chemische Reaktion ein. Diese Vorteile i)-iii) führen zu den ausgezeichneten Betriebseigenschaften des erhaltenen piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements.
- Wie dies auf dem Gebiet der Erfindung allgemein bekannt ist, ist es schwierig, reines Zirkondioxid zur Herstellung dünner Platten oder Substrate zu verwenden, da reines Zirkondioxid bei etwa 1.000ºC eine Phasenumwandlung zwischen der monoklinen und der tetragonalen Phase erfährt, was zum unerwünschten Bruch des erzeugten Keramikmaterials führt. Um solche Phasenumwandlungen zu vermeiden, kann bzw. können die oben angeführte(n) zweckmäßig ausgewählte(n) Verbindung(en) zugegeben werden, um die Kristallphase des Zirkondioxids voll oder teilweise zu stabilisieren. Teilstabilisiertes Zirkondioxid heißt, dass ein Teil des so stabilisierten Zirkondioxids eine Phasenumwandlung durchmachen darf. Während das Zirkondioxid gemäß der Erfindung entweder vollständig oder teilweise stabilisiert sein kann, ist es besonders günstig, ein teilstabilisiertes Zirkondioxid bereitzustellen, das aufgrund der Phasenumwandlung infolge ausgeübter Beanspruchung, d.h. z.B. aufgrund eines durch Beanspruchung hervorgerufenen Umwandlungsverfestigungsmechanismus, eine hohe mechanische Festigkeit und Stärke aufweist. Das teilstabilisierte Zirkondioxid, das diese Vorteile besitzt, kann im Wesentlichen entweder aus einer tetragonalen Kristallphase oder einer Kombination von zumindest zwei aus der tetragonalen Kristallphase, einer kubischen Kristallphase und einer monoklinen Kristallphase, z.B. also einer Kombination der kubischen und tetragonalen Phase, bestehen. im piezoelektrischen/elektrostriktiven Element, das ohne Klebstoff als Laminarstruktur der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht(en), der Elektrodenfilme und des Substrats ausgebildet ist, wird das oben beschriebene teilstabilisierte Zirkondioxid als Material für das Substrat bevorzugt, sodass das Element eine relativ große Verlagerung erfährt und eine Kraft oder ein elektrisches Potential erzeugt, das relativ groß ist.
- Vorzugsweise wird die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht, die aus einem Material besteht, das ein Gemisch von Bleimagnesiumniobat, Bleinickelniobat und Bleizirkonattitanat als Hauptkomponente oder ein Gemisch aus Bleimagnesiumniobat und Bleizirkontitanat als Hauptkomponente enthält, in Kombination mit dem oben beschriebenen teilstabilisierten Zirkondioxidsubstrat verwendet. Während der Hitzebehandlung einer solchen durch ein Dickfilmbildungsverfahren auf dem Substrat ausgebildeten piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht reagiert diese Schicht vergleichsweise beschränkt mit dem Substrat und ist daher praktisch frei von Veränderungen in der Zusammensetzung der Schicht oder vom Auftreten einer Kristallphase von z.B. Pyrochlor. Somit kann die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht mit der erwünschten Material- und Kristallstruktur günstigerweise durch Verwendung der oben erwähnten Verbindungen als Hauptkomponente erhalten werden.
- Damit das vorliegende piezoelektrische Element für eine relativ große Verlagerung durch Anlegen einer relativ niedrigen elektrischen Spannung bei Erzeugung einer relativ großen Kraft oder eines relativ großen elektrischen Potentials sorgen kann, besitzt der piezoelektrische/elektrostriktive Abschnitt eine Dicke von höchstens 100 µm, vorzugsweise höchstens 50 µm, während das Keramiksubstrat eine Dicke von höchstens 50 µm, vorzugsweise höchstens 30 µm, noch bevorzugter höchstens 10 µm, aufweist.
- Beim piezoelektrischen/elektrostriktiven Element ist das Substrat vorzugsweise hauptsächlich aus Zirkondioxid gebildet, das durch Yttriumoxid stabilisiert wird, das dem Substratmaterial in einer Menge von 1-30 Mol-%, vorzugsweise 1,5-6 Mol-% und noch bevorzugter 2-4 Mol-% zugegeben wird. Das somit ausgebildete Substrat besitzt selbst bei einer relativ geringen Dicke eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit. Um die hohe mechanische Festigkeit des Substrats sicherzustellen, wird die durchschnittliche Kristallkorngröße des Substrats in eineni Bereich von 0,05-3 µm, vorzugsweise höchstens 1 µm, gehalten.
- Beim piezoelektrischen/elektrostriktiven Element besteht das Substrat vorzugsweise hauptsächlich aus Zirkondioxid, das durch Yttriumoxid teilstabilisiert wird, das dem Substratmaterial in einer Menge von 2-7 Mol-%, vorzugsweise 2-4 Mol-%, zugegeben wird, um selbst bei relativ geringer Dicke eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit sicherzustellen. Die Kristallphase des teilstabilisierten Zirkondioxids ist im Wesentlichen eine tetragonale Phase oder eine Kombination von zumindest zwei aus der tetragonalen Phase, einer kubischen Phase und einer monoklinen Phase. Vorzugsweise ist die Kristallphase des teilstabilisierten Zirkondioxids im Wesentlichen eine tetragonale Phase oder eine Kombination der kubischen und der tetragonalen Phase. Um die hohe mechanische Festigkeit des Substrats und die stabile Existenz der obigen Kristallphase sicherzustellen, wird die durchschnittliche Kristallkorngröße des Substrats im Bereich von 0,05-3 µm, vorzugsweise höchstens 1 µm, gehalten.
- Um hervorragende piezoelektrische/elektrostriktive Eigenschaften des Elements zu gewährleisten, enthalten die Elektroden und die piezoelektrische(n)/elektrostriktive(n) Schicht(en) kein Glas oder andere Klebematerialien. Demzufolge ist die Oberflächenrauheit des Substrats ein wichtiger Faktor zur Verbesserung des Haftvermögens zwischen dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitt und dem Substrat, sodass die Verformung und die Beanspruchung, die auf der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht auftreten, wirkungsvoll auf das Substrat übertragen werden können, das als Oszillator oder Messwandlerplatte dient. Im piezoelektrischen/elektrostriktiven Element gemäß der Erfindung wird die Oberflächenrauheit des Keramiksubstrats, die duch Ra ausgedrückt ist, im Bereich von 0,03-0,9 µm, vorzugsweise 0,1-0,7 µm, gehalten. Obwohl das Haftvermögen zunimmt, wenn die Oberflächenrauheit größer als 0,9 µm ist, nimmt die Flachheit des piezoeiektrischen/elektrostriktiven Abschnitts ab, wodurch ein un regelmäßiges elektrisches Feld an die piezoelektrische Schicht angelegt wird, wodurch die Betriebseigenschaften des Elements beeinträchtigt werden. Es ist auch sehr wichtig, die Oberflächenrauheit innerhalb des obigen Bereichs zu halten, um eine ausreichend hohe Festigkeit des Substrats sicherzustellen, das eine relativ geringe Dicke von höchstens 50 µm aufweist.
- Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen, worin:
- Fig.1 eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer Form eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements der Erfindung in Form eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuators ist;
- Fig.2 eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer weiteren Form des Aktuators gemäß der Erfindung ist;
- Fig.3 eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer weiteren Form des Aktuators gemäß der Erfindung ist;
- Fig.4 eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer weiteren Form des Aktuators gemäß der Erfindung ist;
- Fig.5 eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer weiteren Form des Aktuators gemäß der Erfindung ist;
- Fig.6 eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer weiteren Form des Aktuators gemäß der Erfindung ist;
- Fig.7 eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer weiteren Form des Aktuators gemäß der Erfindung ist;
- Fig.8 eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer weiteren Form des Aktuators gemäß der Erfindung ist;
- Fig.9 eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer weiteren Form des Aktuators gemäß der Erfindung ist;
- Fig.10 eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer weiteren Form des Aktuators gemäß der Erfindung ist;
- Fig.11 eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer weiteren Form des Aktuators gemäß der Erfindung ist;
- Fig.12 eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer Rückfläche eines Substrats eines gegenüber dem Aktuator von Fig.11 modifizierten Aktuators ist; und
- Fig.13 eine fragmentarische perspektivische Ansicht ist, die Fig.11 entspricht und die modifizierte Form des Aktuators mit dem Substrat von Fig.12 darstellt.
- Um das Prinzip der in den Ansprüchen dargelegten Erfindung weiter zu erläutern, werden derzeit bevorzugte Ausführungsformen des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen beschrieben, worin die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, um strukturell oder funktionell identische oder ähnliche Komponenten oder Elemente zu identifizieren.
- Bezug nehmend auf Fig.1 besitzt ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element bzw. Aktuator der Erfindung ein Keramiksubstrat 2 in Form einer dünnen flachen Platte und einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitt, der auf einer der gegenüberliegenden Hauptflächen des Substrats 2 ausgebildet ist. Der piezoelektrische/elektrostriktive Abschnitt besitzt eine Laminarstruktur, die aus einem ersten Elektrodenfilm 4, einer filmartigen piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 6 und einem zweiten Elektrodenfilm 8 besteht, die in dieser Reihenfolge durch ein herkömmliches Filmbildungsverfahren aufeinander laminiert sind. Der erste und der zweite Elektrodenfilm 4, 8 sind mit jeweiligen Anschlußabschnitten 4a, 8a ausgebildet, die sich von einem Ende der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 6 erstrecken. Beim Betrieb des Aktuators wird durch die Anschlußabschnitte 4a, 8a hindurch eine Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenfilm 4, 8 angelegt. Das Keramiksubstrat 2 besteht hauptsächlich aus Zirkondioxid, das gemäß der vorliegenden Erfindung stabilisiert (vorzugsweise teilstabilisiert) ist. Dieses Substrat 2 besitzt eine Oberflächenrauheit (ra), die in einem Bereich von 0,03-0,9 µm gehalten wird. Nach Anlegen der Spannung ist die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 6 einem elektrischen Feld ausgesetzt, und der Aktuator erzeugt eine Kraft oder wird durch Verbiegen oder Verkrümmen in der Richtung, die zur Ebene des Keramiksubstrats 2 senkrecht verläuft, aufgrund des Quermodus des umgekehrten piezoelektrischen Effekts bzw. elektrostriktiven Effekts verlagert.
- Eine weitere Form eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuators ist in Fig.2 dargestellt, worin ein Paar kammförmiger Elektrodenmuster 14a, 14b auf einer Hauptfläche des Keramiksubstrats 2 ausgebildet ist. Jedes Elektrodenmuster 14a, 14b besitzt eine Vielzahl von Elektrodenstreifen 10, die durch einen Verbindungsabschnitt 12 miteinander verbunden sind. jeder Elektrodenstreifen 10 eines der zwei Muster 14a, 14b ist zwischen den angrenzenden Elektrodenstreifen 10 des anderen Musters 14b, 14a im Abstand dazu in der Verlaufsrichtung des Verbindungsabschnitts 12 angeordnet. Die Elektrodenstreifen 10 des Elektrodenmusters 14a und die Streifen 10 des anderen Elektrodenmusters 14b sind also abwechselnd in Verlaufsrichtung des Verbindungsabschnitts 12 positioniert. Ein piezoelektrisches/elektrostriktives Muster 15 ist ebenfalls auf dem Keramiksubstrat 2 ausgebildet, sodass ein Zwischenraum zwischen den zwei kammartigen Elektrodenmustern 14a, 14b mit einem piezoelektrischen/elektrostriktiven Material des Musters 15 ausgefüllt ist (siehe Fig.2). Das Muster 15 besitzt genau gesagt piezoelektrische/elektrostriktive Streifen, von denen jeder zwischen angrenzenden Elektrodenstreifen 10 angeordnet ist. Somit sind die Elektrodenstreifen 10 und die piezoelektrischen/elektrostriktiven Streifen abwechselnd im Kontakt zueinander auf dem Keramiksubstrat 2 positioniert. Nach Anlegen eines elektrischen Felds an das piezoelektrische/elektrostriktive Muster 15 erzeugt der Aktuator eine Kraft oder erfährt eine Verlagerung in Form einer Verbiegung oder Verkrümmung in der zur Ebene des Keramiksubstrats 2 senkrechten Richtung, was auf den Längsmodus des umgekehrten piezoelektrischen bzw. elektrostriktiven Effekts zurückzuführen ist.
- Bezug nehmend auf Figuren 3 und 4 sind zwei modifizierte Formen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoren der Figuren 1 bzw. 2 hinsichtlich der Konfiguration des Keramiksubstrats 2 dargestellt. Die Aktuatoren der Figuren 3 und 4 besitzen ein Keramiksubstrat 16, das aus einem dickwandigen peripheren Abschnitt und einem dünnwandigen Abschnitt 16a besteht, der vom dickwandigen peripheren Abschnitt umgeben wird. Auf dem dünnwandigen Abschnitt 16a des Substrats 16 ist ein piezoelektrischer/elektrostriktiver Abschnitt des Aktuators ausgebildet, bestehend aus den Elektrodenfilmen 4, 8; 14a, 14b und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht bzw. dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Muster 6; 15.
- Ein bimorpher piezoelektrischer/elektrostriktiver Aktuator ist in Fig.5 veranschaulicht. Dieser Aktuator besitzt einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitt, der aus zwei piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten (4, 6, 8) besteht, die auf gegenüberliegenden Oberflächen des dünnwandigen Abschnitts 16a des Keramiksubstrats 16 ausgebildet sind.
- Bezug nehmend auf Fig.6, die eine weitere Form eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuators gemäß der Erfindung darstellt, ist ein runder piezoelektrischer/elektrostriktiver Abschnitt, der aus einem Elektroden muster 18 und einem piezoelektrischen/elektrostriktiven Muster 19 besteht, auf einer Hauptfläche des Keramisubstrats 2 ausgebildet. Das Elektrodenmuster 18 besteht aus zwei spiralförmigen Elektrodenstreifen, die zwei Spiralräume definieren, die mit dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Material 19 gefüllt sind.
- Bezug nehmend auf Figuren 7 bis 11 sind weitere Ausführungsformen von Aktuatoren dargestellt, die jeweils einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitt besitzen, der aus einer Vielzahl piezoelektrischer/elektrostriktiver Einheiten besteht, die auf dem Keramiksubstrat 2 ausgebildet sind. Diese Einheiten können - wie aus Fig.7 ersichtlich - übereinander auf dem Substrat 2 laminiert oder parallel zueinander auf dem Substrat 2 angeordnet sein, wie dies aus Figuren 8-11 ersichtlich ist.
- Im Aktuator von Fig.7 ist eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 6 auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen des Keramiksubstrats 2 ausgebildet. Eine Vielzahl paralleler Elektrodenstreifen 21 ist in der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 6 eingebettet, sodass die Elektrodenstreifen 21 voneinander beabstandet sind. Auf der somit gebildeten piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit (6, 21) sind ein Elektrodenfilm 20, eine filmartige piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 22 und ein weiterer Elektrodenfilm 20 ausgebildet, die in dieser Reihenfolge laminiert sind. Somit wirken zwei Elektrodenfilme 20 und die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 22 zusammen, um eine weitere piezoelektrische/elektrostriktive Einheit zu bilden.
- In den Aktuatoren der Figuren 8, 9 und 10 ist eine Vielzahl piezoelektrischer/elektrostriktiver Einheiten (4, 6, 8) parallel zueinander auf einer Hauptfläche des Keramiksubstrats 2 ausgebildet, sodass die Einheiten (4, 6, 8) in Längsrichtung des Substrats 2 voneinander beabstandet sind. Im Aktuator der Figuren 8 und 9 sind die piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten (4, 6, 8) durch rechteckige Schlitze 24, die in jeweiligen Abschnitten des Keramiksubstrats 2 jeweils zwischen angrenzenden piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten ausgebildet sind, voneinander getrennt. Der Aktuator von Fig.8 besitzt Isolierfilme 28, die einen hinteren Teil der freiliegenden Endfläche der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 6 abdecken, um den ersten und den zweiten Elektrodenfilm 4, 8 elektrisch zu isolieren. Im Aktuator von Fig.10 besitzt das Keramiksubstrat 2 eine Vielzahl länglicher rechteckiger Durchgangslöcher 26, die in einem geeigneten Abstand in Längsrichtung ausgebildet sind, um eine Vielzahl an Trägerabschnitten 2a zu definieren. Auf jedem der Trägerabschnitte 2a des Substrats 2 ist eine piezoelektrische/elektrostriktive Einheit ausgebildet, die aus dem ersten Elektrodenfilm 4, der filmartigen piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 6 und dem zweiten Elektrodenfilm 8 besteht.
- Im piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuator von Fig.11 ist eine Vielzahl piezoelektrischer/elektrostriktiver Einheiten auf einer relativ großen Oberfläche des Keramiksubstrats 2 ausgebildet, sodass die Einheiten in einem zweckmäßigen Abstand voneinander entfernt sind. Jede dieser Einheiten besteht aus dem ersten und dem zweiten Elektrodenfilm 4, 8 und der dazwischen ausgebildeten piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 6.
- Bezug nehmend auf Figuren 12 und 13 sieht man eine weitere Ausführungsform eines Aktuators, das sich hinsichtlich der Konfiguration des Keramiksubstrats 2 und der Position oder Anordnung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten (4, 6, 8) auf dem Substrat 2 von den vorangegangenen Formen unterscheidet. Wie dies aus Fig.12 ersichtlich ist, die eine hintere Hauptfläche des Keramiksubstrats 16 mit relativ großer Dicke zeigt, ist eine Vielzahl an Ausnehmungen 30 in der hinteren Fläche des Substrats 16 in geeignetem Abstand in einem Zickzackmuster angeordnet. Die Ausnehmungen 30 besitzen jeweilige Bodenwände, die die dünnwandigen Abschnitte 16a des Substrats 16 ergeben, die in einem Zickzackmuster angeordnet sind. Auf diesen dünnwandigen Abschnitten 16a des Substrats sind jeweilige piezoelektrische/elektrostriktive Aktuatoreinheiten (4, 6, 8; siehe Fig.13) ausgebildet, sodass die Einheiten im Zickzackmuster angeordnet sind.
- Beim Betrieb der so konstruierten Aktuatoren der Figuren 1-13 wird eine Spannung zwischen den zwei Elektrodenfilmen jeder piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit angelegt, wodurch die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht einem elektrischen Feld ausgesetzt ist und eine durch das elektrische Feld bewirkte mechanische Verformung erfährt. Daher erzeugen die Aktuatoren eine Kraft oder werden durch Verbiegen oder Verkrümmen in der zur Ebene des Keramiksubstrats senkrecht verlaufenden Richtung verlagert.
- Das Keramiksubstrat (2, 16), das den piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitt trägt, besteht aus einem Material, das als Hauptkomponente Zirkondioxid mit einer Kristallphase enthält, die durch eine oder mehrere ausgewählte Verbindung(en) stabilisiert wird. Die Kristallphase des teilweise durch die ausgewählte(n) Verbindung(en) stabilisierten Zirkondioxids kann im Wesentlichen aus einer tetragonalen Phase oder einer Kombination bzw. Mischung von zumindest zwei Arten kubischer, tetragonaler und monokliner Phase bestehen. Vorzugsweise besteht die Kristallphase des teilstabilisierten Zirkondioxids im Wesentlichen aus der tetragonalen Phase oder einer Kombination der kubischen und der tetragonalen Phase. Man stellte fest, dass die Betriebseigenschaften der oben beschriebenen Aktuatoren, z.B. die durch der Aktuator erzeugte Kraft oder das Verlagerungsausmaß des Aktuators, durch die Eigenschaften des Substratmaterials beeinflusst werden, die sich während der Hitzebehandlung des Substrats zur einstückigen Verbindung mit dem laminaren piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitt zeigen. Zu diesen Eigenschaften zählen Hitzebeständigkeit, Grad der chemischen Reaktion mit einem piezoelektrischen/elektrostriktiven Material durch den Elektrodenfilm sowie die mechanische Beständigkeit gegenüber thermischen Beanspruchungen. Die Verwendung von vollständig oder teilweise stabilisiertem Zirkondioxid für das Keramiksubstrat führt günstigerweise zu hervorragenden Betriebseigenschaften der Aktuatoren, z.B. zu einem relativ großen Verlagerungsausmaß der Aktuatoren mit einer relativ hohen erzeugten Kraft.
- Die obige(n) Verbindung(en) für das vollständige oder teilweise Stabilisieren des Zirkondioxids wird/werden aus der Gruppe bestehend aus Yttrium-, Ytterbium-, Calcium-, und Magnesiumoxid ausgewählt. Das Zirkondioxid wird wunschgemäß teilweise oder vollständig stabilisiert, indem zumindest eine dieser Verbindungen, d.h. ein ausgewähltes der oben angeführten Oxide oder eine ausgewählte Kombination von zwei oder mehreren dieser Oxide, zugegeben wird. Es ist vorzuziehen, das Zirkonoxid durch Zugabe von 1-30 Mol-%, vorzugsweise 1,5-6 Mol-%, Yttriumoxid oder Ytterbiumoxid, 6-50 Mol-%, vorzugsweise 8-20 Mol-%, Ceroxid oder 5-40 Mol-%, vorzugsweise 5-20 Mol-%, Calciumoxid oder Magnesiumoxid zu stabilisieren. Es ist besonders empfehlenswert, Yttriumoxid in einer Menge von 1,5-6 Mol-%, noch bevorzugter 2-4 Mol-%, zu verwenden. Mit der Kristallphase der Zirkondioxids, das durch Zugabe des Yttriumoxids im oben angeführten Bereich teilstabilisiert ist, weist das somit erhaltene Keramiksubstrat hervorragende Eigenschaften auf.
- Die oben angeführte(en) Verbindung(en) zum Teilstabilisieren des Zirkondioxids, um seine Kristallphase hauptsächlich aus einer tetragonalen Phase oder einer Kombination von zumindest zwei aus kubischer, tetragonaler und monokliner Phase bestehen zu lassen, z.B. einer Kombination von kubischer und tetragonaler Phase, wird aus der Gruppe bestehend aus Yttrium-, Cer-, Magnesium- und Calciumoxid ausgewählt. Das Zirkondioxid wird wunschgemäß durch Zugabe von zumindest einer dieser Verbindungen, d.h. einem ausgewählten der obigen Oxide oder einer ausgewählten Kombination von zwei oder mehreren dieser Oxide, teilweise stabilisiert. Es ist wünschenswert, das Zirkondioxid durch Zugabe von 2-7 Mol-% Yttriumoxid, 6-15 Mol- % Ceroxid oder 5-12 Mol-% Magnesiumoxid oder Calciumoxid teilweise zu stabilisieren. Es ist besonders empfehlenswert Yttriumoxid in einer Menge von 2-7 Mol- %, bevorzugter 2-4 Mol.-%, als teilstabilisierendes Mittel zu verwenden. Das Zirkondioxid wird durch Zugabe des Yttriumoxids im oben angeführten Bereich teilstabilisiert, sodass seine Kristallphase hauptsächlich die tetragonale Phase oder eine Kombination von zumindest zwei aus kubischer, tetragonaler und monokliner Kristallphase, z.B. die Kombination von kubischer und tetragonaler Phase, ist, wodurch hervorragende Eigenschaften des Keramiksubstrats gewährleistet werden. Um ein stabiles Bestehen der tetragonalen Kristallphase und somit eine bessere Festigkeit des Substrats sicherzustellen, wird die durchschnittliche Kristallkorngröße des Keramiksubstrats vorzugsweise in einem Bereich von 0,05-3 µm, noch bevorzugter höchstens 1 µm, gehalten. Die oben erwähnte Kristallphase wird durch einen Röntgenstrahl identifiziert, nachdem das gebrannte Keramiksubstrat auf Hochglanz poliert wird.
- Während Yttrium- und Magnesiumoxid z.B. allgemein als Verbindungen zum Stabilisieren von Zirkondioxidsubstrat bekannt sind, variiert die somit stabilisierte Kristallphase mit dem Gehalt dieser Verbindungen. Die Kristallphase wird jedoch nicht nur durch den Gehalt dieser Verbindungen, sondern auch durch die Kristallkorngröße des Zirkondioxidpulvers, die Kristallkorngröße des Zirkondioxidkeramikmaterials, das durch Brennen des Zirkondioxidpulvers entsteht, sowie die Brenntemperatur und die Zeit des Brennvorgangs bestimmt. Wenn z.B. das Yttriumoxid als Stabilisator verwendet wird, besteht das erhaltene Zirkondioxidsubstrat im Wesentlichen aus einer tetragonalen Kristallphase, wenn (a) der Anteil des zugegebenen Stabilisators in einem Bereich von 2- 4 Mol-% liegt, (b) die Korngröße des Zirkondioxidpulvers höchstens 0,1 µm beträgt und (c) die Kristallkorngröße des erzeugten Keramikmaterials (Zirkondioxidsubstrat) höchstens 1 µm beträgt. Während die Brenntemperatur vom verwendeten Substratmaterial abhängt, werden die Brenntemperatur und -zeit günstigerweise so ausgewählt, dass das Wachstum von Zirkondioxidkörnern vermieden wird. Wenn alle diese Bedingungen erfüllt sind, wird das Zirkondioxidsubstrat hergestellt, das im Wesentlichen aus der stabilen tetragonalen Kristallphase besteht. Die Kristallphase des Zirkondioxidsubstrats ist hingegen eine Kombination von zumindest zwei aus kubischer, tetragonaler und monokliner Phase, wenn der Anteil des als Stabilisator zugegebenen Yttriumoxids in einem Bereich von 2-7 Mol-% liegt, während die Kristallkorngröße des keramischen Endprodukts nicht größer als 3 µm ist. Die Korngröße des Keramikmaterials wird bei 2 µm oder weniger gehalten, um die Kombination von kubischer und tetragonaler Kristallphase zu erhalten. Die erwünschten Kristallphasen werden nicht erhalten, wenn die obigen Bedingungen nicht vollständig erfüllt sind. Wenn z.B. der Anteil des Yttriumoxids kleiner als 2 Mol-% ist, besteht das erhaltene Zirkondioxidsubstrat im Wesentlichen aus monokliner Kristallphase. Wenn die Kristallkorngrößen des Zirkondioxidpulvers und des Keramikprodukts die oben angeführten Obergrenzen übersteigen, kann eine stabile tetragonale Kristallphase nur unter Schwierigkeiten erhalten werden.
- Somit wird das teilstabilisierte Zirkondioxidsubstrat der Erfindung durch Verwendung der obigen ausgewählten Verbindung(en) in der oder den angeführten Menge(n) hergestellt, während das Zirkondioxidpulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von höchstens 0,1 µm verwendet und das Pulvermaterial bei einer Temperatur von 1.300-1.600ºC gebrannt wird.
- Das Keramiksubstrat kann eine planare oder eine flache Konfiguration aufweisen (siehe Figuren 1 und 2) oder zumindest eine Ausnehmung besitzen, deren Bodenfläche den dünnwandigen Abschnitt (16a) des Substrats (16) definiert, auf dem der piezoelektrische/elektrostriktive Abschnitt ausgebildet ist, wie dies aus Figuren 3 und 4 ersichtlich ist. Die letztere Art von Keramiksubstrat mit einer oder mehreren Ausnehmung(en) ist vorzuziehen, da nur der Abschnitt des Substrats dünnwandig ist, der der piezoelektrischen/elektrostriktiven Verlagerung ausgesetzt ist, ohne die mechanische Festigkeit des Substrats zu beeinträchtigen. Außerdem ist die letztere Art vorzuziehen, wenn mehrere piezoeiektrische/elektrostriktive Aktuatoreinheiten auf jeweiligen dünnwandigen Abschnitten des Substrats ausgebildet sind, da die angrenzenden Aktuatoreinheiten einander nicht stören, wenn diese Einheiten mit den dünnwandigen Abschnitten verlagert oder in Schwingung versetzt werden, da relativ dickwandige Abschnitte des Substrats zwischen den dünnwandigen Abschnitten angeordnet sind. Die Dimensionen der im Substrat 16 ausgebildeten Ausnehmung(en) sind vorzugsweise so festgelegt, dass die Länge jeder Ausnehmugn 2-20 Mal größer als ihre Breite ist. Um eine ausreichend große Verlagerung oder Kraft des Aktuators sicherzustellen, ist der piezoelektrische/elektrostriktive Abschnitt günstigerweise auf dem dünnwandigen Abschnitt (16a) des Substrats (16) über seiner Fläche, die 50-90% der Breite der Ausnehmung entspricht, ausgebildet.
- Um die Reaktion im Betrieb zu verbessern und das Verlagerungsausmaß des Aktuators zu steigern, beträgt die Dicke des dünnen Keramiksubstrats im Allgemeinen höchstens 50 µm, vorzugsweise höchstens 30 µm, noch bevorzugter höchstens 10 µm. Zwecks besserer Festigkeit des Substrats wird die durchschnittliche Kristallgröße des Keramiksubstrats vorzugsweise in einem Bereich von 0,05-3 µm, noch bevorzugter höchstens 1 µm, gehalten.
- Die grüne Tafel für das Keramiksubstrat kann gebrannt werden, bevor die piezoelektrische(n)/elektrostriktive(n) Einheit(en) (4, 6, 8) auf dem gebrannten Substrat ausgebildet wird bzw. werden. Alternativ dazu wird bzw. werden die ungebrannte(n) Einheit(en) auf der grünen Tafel für das Keramiksubstrat durch ein geeignetes unten beschriebenes Filmbildungsverfahren ausgebildet und die Einheit(en) gemeinsam mit der grünen Tafel gebrannt. Um das Verziehen des erzeugten Aktuators zu verringern und die Dimensions- und Mustergenauigkeit der piezoelektrische(n)/elektrostriktive(n) Einheit(en) zu verbessern, ist es günstig, die Einheit(en) auf dem gebrannten Keramiksubstrat auszubilden. In einem bevorzugten Verfahren zum Ausbilden des Keramiksubstrats (16) mit zumindest einer Ausnehmung wird eine erste grüne Tafel mit zumindest einer durch ihre Dicke hindurch ausgebildeten Öffnung durch Verwendung einer Form oder durch ein maschinelles Bearbeitungsverfahren wie z.B. Ultraschallbehandlung ausgebildet. Eine relativ dünne zweite grüne Tafel, die zumindest einen dünnwandigen Abschnitt des Substrats bildet, wird unter Hitze- und Druckeinwirkung über der ersten grünen Tafel aufgebracht, und dann werden diese grünen Tafeln zu einem einstückigen robusten Keramiksubstrat gebrannt. Das Material für das Keramiksubstrat, das als Hauptkomponente das stabilisierte Zirkondioxid enthält, kann weiters als Additive Aluminiumoxid oder Titanoxid und/oder als Sinterhilfe Ton enthalten. Es ist wünschenswert, die Zusammensetzung und Menge der Sinterhilfe so einzustellen, dass das gebrannte Substrat kein Siliziumoxid (SiO oder SiO&sub2;) in einer Menge von 1 Gew.-% oder mehr enthält.Das Substrat, das eine übermäßig große Menge an Siliziumoxid enthält, neigt dazu, während der Hitzebehandlung eine sehr starke Reaktion mit dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Material einzugehen, wodurch es schwierig wird, die Zusammensetzung des Materials zu steuern.
- Die Oberflächenrauheit des so geformten Keramiksubstrats, die durch Ra dargestellt wird, wird in einem Bereich von 0,03-0,9 µm gehalten, sodass das Substrat auf die Betriebseigenschaften des darauf ausgebildeten piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitts reagiert. Die Verformung oder die Spannungen und Beanspruchungen, die im piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitt auftreten, können wirkungsvoll auf das Substrat, dessen Oberflächenrauheit im obigen Bereich liegt, übertragen werden und umgekehrt. Eine solche Anpassung der Oberflächenrauheit (ra) kann auch eine erwünschte mechanische Festigkeit des relativ dünnen Substrats sicherstellen.
- Der piezoelektrische/elektrostriktive Abschnitt kann durch ein nachstehend beschriebenes Filmbidungsverfahren ausgebildet werden.
- Um die Elektrodenfilme (4, 8) und die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (6) auf dem Keramiksubstrat (2, 16) zu formen, ist es möglich, eines der folgenden bekannten Verfahren auszuwählen: ein Dickfilmbildungsverfahren wie z.B. Siebdrucken, Spritzen, Tauchen oder Beschichten; ein Dünnfilmbildungsverfahren wie z.B. das Ionenstrahlverfahren, Sputtern, Vakuumdampfablagern, Ionenplattieren, CVD und Plattieren. Es kommen jedoch auch andere bekannte Verfahren in Frage. Um die Eigenschaften des erzeugten Aktuators zu verbessern, wird die filmartige piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (6) vorzugsweise durch ein Dickfilmbildungsverfahren wie z.B. Siebdrucken, Spritzen, Tauchen oder Beschichten geformt, wodurch der Film unter Verwendung einer Paste oder Aufschlämmung, deren Hauptkomponente ein piezoelektrisches/elektrostriktives Keramikpulver ist, ohne Schwierigkeiten auf dem Substrat ausgebildet werden kann. Während Siebdruck oder Photolitographie für das Muster der Elektroden- und piezoelektrischen/elektrostriktiven Filme geeignet sind, kann das Muster durch Entfernen unnötiger Abschnitte der Filme durch Lasersch neiden, Abschälen, Ultraschallbehandlung oder ein anderes maschinelles Bearbeitungsverfahren ausgebildet werden.
- Der gesamte Aktuator und die Elektroden- und piezoelektrischen/elektrostriktiven Filme und Muster können je nach Verwendungszweck des Aktuators beliebige Konfigurationen aufweisen, z.B. eine dreieckige, viereckige oder eine andere polygonale Form, eine runde, elliptische und ringförmige Form, eine waben- oder gitterartige Konfiguration und jede beliebige Kombination dieser Formen.
- Die Elektroden- und piezoelektrischen Filme und Muster (4, 6, 8), die durch das oben beschriebene ausgewählte Verfahren ausgebildet werden, können entweder in verschiedenen Schritten zur einstückigen Ausbildung mit dem Substrat hitzebehandelt werden, nachdem jeder dieser Filme oder jedes dieser Muster ausgebildet wurde, oder sie können gleichzeitig in einem Schritt zur einstückigen Ausbildung mit dem Substrat hitzebehandelt werden, nachdem alle Filme oder Muster zu einer laminaren Struktur auf dem Substrat ausgebildet wurden. Bei Verwendung des Dünnfilmbildungsverfahrens zum Formen der Elektrodenfilme oder des Elektrodenmusters ist die Hitzebehandlung der Elektrodenfilme oder des Elektroden musters nicht unbedingt erforderlich.
- Die oben angeführte Hitzebehandlung zur einstückigen Verbindung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitts mit dem Keramiksubstrat erfolgt im Allgemeinen bei einer Temperatur von etwa 900-1.400ºC, vorzugsweise in einem Bereich von 1.000-1.400ºC. Um eine Änderung der Zusammensetzung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Materials während der Hitzebehandlung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht (6) zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die Atmosphäre der Hitzebehandlung durch Erhitzen mit der Verdampfungsquelle des piezoelektrischen/elektrostriktiven Materials zu regulieren. Es ist weiters empfehlenswert, ein Verfahren zum Brennen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht (6) anzuwenden, während sie mit einem geeigneten Abdeckelement abgedeckt wird, sodass die Oberfläche der Schicht (6) nicht direkt der Brennatmosphäre ausgesetzt ist. Das Abdeckelement besteht aus einem ähnlichen Material wie das Keramiksubstrat.
- Die Elektrodenfilme (4, 8, 20) und das Elektrodenmuster (14a, 14b, 18, 21) des piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitts können aus jedem elektrisch leitenden Material bestehen, das oxidierenden Brenn- und Hitzebehandlungsatmosphären mit den oben angeführten hohen Temperaturen standhalten kann. Beispielsweise können die Elektrodenfilme oder das Elektrodenmuster aus einem einzigen Metall, einer Metalllegierung, einem Gemisch eines Metalls oder einer Legierung und eines elektrisch isolierenden Keramikmaterials oder aus einem elektrisch leitenden Keramikmaterial bestehen. Es ist jedoch vorzuziehen, wenn das Elektrodenmaterial eine Hauptkomponente besitzt, die aus einem Edelmetall mit hohem Schmelzpunkt, z.B. Platin, Palladium oder Rhodium, oder einer Legierung wie z.B. einer Silber-Palladium-, Silber-Platin- oder Platin-Palladium-Legierung besteht. Es ist noch mehr vorzuziehen, ein Cermet von Platin und dem Keramikmaterial für das Substrat zu verwenden, um eine verbesserte Haftwirkung der Elektrodenfilme am Substrat zu erzielen und die Wärme- Spannungen, die während des oben beschriebenen Brennvorgangs entstehen, zu reduzieren. Noch bevorzugter ist es, ein Cermet von Platin, dem Substratmaterial und dem piezoelektrischen Material zu verwenden. Bei Verwendung der oben beschriebenen Cermets liegt der Anteil des Substratmaterials vorzugsweise in einem Bereich von etwa 5-30 Volums-%, während das piezoelektrische Material vorzugsweise in einem Bereich von etwa 5-20 Volums-% enthalten ist. Es ist weiters günstig, die Verwendung von Glas als Additiv für die Elektrode zu vermeiden, da das Glas wahrscheinlich mit der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht während ihrer Hitzebehandlung reagiert, wodurch die Betriebseigenschaften des erhaltenen Aktuators beeinträchtigt werden.
- Während die Dicke der aus einem oben erwähnten leitenden Material bestehenden Elektroden günstigerweise je nach Verwendungszweck des Aktuators ausgewählt wird, sind die Elektrodenfilme, die für den Quereffekt-piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitt verwendet werden, mit einer Dicke von höchstens 20 µm, vorzugsweise höchstens 5 µm, ausgebildet. Das Elektrodenmuster für den Längseffektpiezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitt ist mit einer Dicke von zumindest 3 µm, vorzugsweise zumindest 10 µm, noch bevorzugter zumindest 20 µm, ausgebildet.
- Die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht bzw. das piezoelektrische/elektrostriktive Muster kann aus jedem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material bestehen, das eine relativ große mechanische Spannung oder Verlagerung aufgrund des umgekehrten piezoelektrischen Effekts oder elektrostriktiven Effekts hervorruft. Das piezoelektrische oder elektrostriktive Material kann entweder ein kristallines oder ein amorphes Material und ein Halbleitermaterial oder ein dielektrisches oder ferroelektrisches Keramikmaterial sein. Außerdem kann das piezoelektrische oder elektrostriktive Material entweder eine Behandlung des anfänglichen Polarisierens bzw. Polens erfordern, oder eine solche Polarisierungsbehandlung nicht erfordern.
- Die piezoelektische/elektrostriktive Schicht bzw. das piezoelektrische/elektrostriktive Muster besitzt jedoch vorzugsweise eine Zusammensetzung, deren Hauptkomponente Bleizirkonattitanat (PZT), Bleimagnesiumniobat (PMN), Bleinickelniobat (PNN), Bleimanganniobat, Bleiantimonstannat, Bleizinkniobat, Bleititanat oder ein Gemisch oder Feststofflösung davon ist. Außerdem kann ein Material (z.B. PLZT), das ein Oxid oder eine Verbindung von Lanthan (La), Barium (Ba), Niobium (Nb), Zink (Zn), Cer (Ce), Cadmium (Cd), Chrom (Cr), Kobalt (Co), Antimon (Sb), Eisen (Fe), Yttrium (Y), Tantal (Ja), Wolfram (W), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Lithium (Li), Strontium (Sr), Calcium (Ca) und/oder Wismut (Bi) enthält, der piezoelektrischen oder elektrostriktiven Zusammensetzung zugegeben werden, deren Hauptkomponente aus den oben erwähnten Materialien besteht. Die Zugabe eines Glasmaterials sollte jedoch vermieden werden, da das Glas wahrscheinlich mit dem bleihaltigen piezoelektrischen/elektrostriktiven Material reagiert, wodurch es schwierig ist, eine erwünschte Zusammensetzung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht zu erzielen, wodurch die Betriebseigenschaften des erhaltenen Aktuators ungünstigerweise variieren und beeinträchtigt werden.
- Unter den oben erwähnten piezoelektrischen/elektrostriktiven Materialien ist es zu empfehlen, das Material zu verwenden, das ein Gemisch von Bleimagnesiumniobat (PMN), Bleinickelniobat (PNN) und Bleizirkonattitanat (PZT) als Hauptkomponente oder ein Gemisch von Bleimagnesiumniobat (PMN) und Bleizirkonattitanat (PZT) als Hauptkomponente enthält. In dieser Hinsicht beträgt der Anteil der Hauptkomponente üblicherweise 50 Mol-% oder mehr. Besonders vorzuziehen ist die Verwendung des Materials, das als Hauptkomponente das Gemisch von Bleimagnesiumniobat und Bleizirkonattitanat enthält. Die andere(n) Komponente(n) außer der Hauptkomponente ist bzw. sind vorzugsweise aus den oben angeführten piezoelektrischen/elektrostriktiven Materialien ausgewählt. Noch bevorzugter ist die piezoelektrischelelektrostriktive Schicht aus einem Material gebildet, das aus einem Gemisch von Bleimagnesiumniobat, Bleinickelniobat und Bleizirkonattitanat oder einem Gemisch von Bleimagnesiumniobat und Bleizirkonattitanat besteht. Am bevorzugtesten wird das Material verwendet, das aus einem Gemisch von Bleimagnesiumniobat und Bleizirkonattitanat besteht. Das somit ausgewählte piezoelektrische/elektrostriktive Material geht wahrscheinlich mit dem Substratmaterial während seiner Hitzebehandlung keine Reaktion ein und weist daher keine Entmischung seiner Komponenten auf, wodurch eine erwünschte Zusammensetzung oder Kristallstruktur infolge geeigneter Behandlung zur Aufrechterhaltung der Zusammensetzung leicht erzielbar ist. Das oben angeführte Material besitzt auch eine relativ hohe piezoelektrische Konstante und wird vorzugsweise dafür verwendet, die piezoelektrsiche/elektrostriktive Schicht durch ein Dickfilmbildungsverfahren wie z.B. Siebdrucken, Spritzen, Tauchen und Beschichten zu formen. Während ein derartiges aus mehreren Komponenten bestehendes piezoelektrisches/elektrostriktives Material piezoelektrische Eigenschaften aufweist, die je nach Zusammensetzung der Komponenten variieren, besitzt ein Dreikomponentenmaterial, das aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat besteht und günstigerweise zur Durchführung der Erfindung verwendet wird, vorzugsweise eine Zusammensetzung nahe der Phasengrenzen einer pseudokubischen Kristallphase, einer tetragonalen Kristallphase und einer rhomboedrischen Kristallphase. Um eine ausreichend hohe piezoelektrische Konstante und einen ausreichend hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor zu gewährleisten, ist es besonders günstig, die Zusammensetzung zu verwenden, die 15-50 Mol-% Bleimagnesiumniobat, 10-45 Mol- % Bleizirkonat und 30-45 Mol-% Bleititanat enthält.
- Der piezoelektrische/elektrostriktive Abschnitt, der aus den Elektrodenfilmen und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht besteht, besitzt im Allgemeinen eine Dicke von höchstens 100 µm. Um eine relativ große Verlagerung bei Anlegen einer relativ niedrigen elektrischen Spannung sicherzustellen, beträgt die Dicke der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht vorzugsweise höchstens 50 µm und liegt noch bevorzugter in einem Bereich von 3-40 µm.
- Es wurden Probestücke des piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuators mit verschiedenen Arten von Materialien für jeweilige Substrate hergestellt, wobei die Eigenschaften dieser Probestücke in nachstehender Tabelle 1 veranschaulicht sind. Jedes Probestück wies das Substrat mit einer Ausnehmung auf, die einen dünnwandigen Abschnitt (16a) definiert (siehe Fig.3), welches Substrat eine Dicke von 10 µm besitzt. Auf diesem dünnwandigen Abschnitt wurde durch Siebdruck eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht mit einer Dicke von 30 µm aufgebracht, die aus einem Material mit einem Gemisch von Bleimagnesiumniobat (PMN) und Bleizirkonattitanat (PZT) als Hauptkomponente besteht. Diese piezoelektrische Schicht wurde dann bei 1.000ºC oder mehr hitzebehandelt. Die Größe des dünnwandigen Abschnitts des Substrats betrug 0,8 x 3 mm. Die Bruchfestigkeit des Probestücks wurde durch Positionieren einer Sonde mit einer Stirnfläche von 0,7 mm² (0,3 mmφ) auf einem Mittelabschnitt des dünnwandigen Abschnitts und Anlegen einer Last an die Sonde in der zur Ebene des dünnwandigen Abschnitts senkrechten Richtung gemessen. Das Ausmaß der Verlagerung des Aktuators wurde unter Anlegen einer Spannung von 30 V Gleichstrom an die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht gemessen. TABELLE 1
- *1: (kp/cm²: 10µm) (1 kp/cm² = 10&sup5; Pa)
- *2: Piezoelektrisches/elektrostriktives Material
- *3: Das aus Glas bestehende Substrat besitzt eine Dicke von 50 µm. Dieses Probestück wurde durch Verbinden einer piezoelektrischen Platte mit dem Glassubstrat unter Verwendung eines Klebstoffs und nicht mittels eines Filmbildungsverfahrens erhalten.
- *4: ZrO&sub2;, stabilisiert mit 3 Mol-% Y&sub2;O&sub3;
- *5: ZrO&sub2;, stabilisiert mit 9 Mol-% MgO
- *6: ZrO&sub2;, stabilisiert mit 12 Mol-% CeO&sub2; TABELLE 2
- *1: (kp/cm²: 10µm) (1 kp/cm² = 10&sup5; Pa)
- * 2: Piezoelektrisches/elektrostriktives Material
- *3: Das aus Glas bestehende Substrat besitzt eine Dicke von 50 µm. Dieses Probestück wurde durch Verbinden einer piezoelektrischen Platte mit dem Glassubstrat unter Verwendung eines Klebstoffs und nicht mittels eines Filmbildungsverfahrens erhalten.
- *4: ZrO&sub2;, teilweise stabilisiert mit 3 Mol-% Y&sub2;O&sub3; und im Wesentlichen aus einer tetragonalen Kristallphase bestehend
- *5: ZrO&sub2;, vollkommen mit 8 Mol-% Y&sub2;0&sub3; stabilisiert und im Wesentlichen aus einer kubischen Kristallphase bestehend
- *6: ZrO&sub2;, teilweise stabilisiert mit 9 Mol-% MgO und im Wesentlichen aus kubischer und tetragonaler Kristallphase bestehend
- *7: ZrO&sub2;, teilweise stabilisiert mit 12 Mol-% CeO&sub2; und im Wesentlichen aus kubischer und tetragonaler Kristallphase bestehend TABELLE 3
- *1: C: kubische Phase T: tetragonale Phase M: monokline Phase
- *2: (kp/cm² : 10µm) (1kp/cm² = 10&sup5; Pa)
- *3: Piezoelektrisches/elektrostriktives material
- *4: ZrO&sub2; vollkommen stabilisiert mit Y&sub2;O&sub3;
- *5, *6, *7: ZrO&sub2; teilweise stabilisiert mit Y&sub2;O&sub3;
- *8: ZrO&sub2; teilweise stabilisiert mit MgO
- *9: ZrO&sub2; teilweise stabilisiert mit CeO&sub2;
- *10: Die aus Glas und Aluminiumoxid bestehenden Substrate wurden in Vergleichsbeispielen verwendet. Das aus Glas gebildete Substrat besaß eine Dicke von 50 µm. Das Probestück wurde durch Verbinden einer piezoelektrischen Platte mit dem Glassubstrat durch Klebstoff und nicht durch ein Filmbildungsverfahren verbunden.
- Es ergibt sich aus Tabellen 1-3, dass das stabilisierte Zirkondioxid weniger wahrscheinlich mit dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Material reagiert als andere Substratmaterialien und dass die Verwendung des stabilisierten ZrO&sub2; für das Substrat eine relativ große Verlagerung des Aktuators ermöglicht. Außerdem weist das aus dem stabilisierten ZrO&sub2; gemäß den Ansprüchen gebildete Substrat selbst bei geringer Dicke eine relativ hohe mechanische Festigkeit auf.
- Ein ähnlicher Versuch erfolgte mit einigen Probestücken, die unterschiedliche Werte der Oberflächenrauheit (Ra) des Substrats aufweisen. Man erkennt aus den Versuchsergebnissen (siehe nachstehende Tabelle 4), dass die Substrate mit einer Oberflächenrauheit (Ra) im Bereich von 0,03-0,9 µm hervorragende Eigenschaften aufweisen und somit Aktuatoren mit ausgezeichneten Betriebseigenschaften ergeben. TABELLE 4
- *1: C, kubische Phase T: tetragonale Phase M: monokline Phase
- *2: Haftstärke der unteren Elektrode am Substrat
- *3: Bei einer Dicke von 10 µm gemessene Bruchfestigkeit
- *4, *5, *6, *7, *8: ZrO&sub2;, teilweise stabilisiert mit Y&sub2;O&sub3;
- *7, *8: Vergleichsbeispiele, bei denen die Oberflächenrauheit des Substrats außerhalb des gemäß der Erfindung ausgewählten Bereichs liegt.
- * 10: Trennung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitts vom Substrat
Claims (22)
1. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element, umfassend ein dünnes Keramiksubstrat (2)
und einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitt, der direkt durch ein
Filmbildungsverfahren ohne Klebstoff auf dem Zirkondioxid enthaltenden
Keramiksubstrat ausgebildet ist, wobei der piezoelektrische/elektrostriktive Abschnitt im
Wesentlichen aus einer Vielzahl an Elektroden (48; 10, 12; 18; 20, 21) und zumindest
einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht (6; 15; 19; 22) besteht, die
hitzebehandelt ist, worin das Keramiksubstrat (2) aus einem Material gebildet ist, das als
Hauptkomponente Zirkondioxid enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das
Zirkondioxid eine Kristallphase besitzt, die durch Zugabe von zumindest einer der
Verbindungen Yttrium-, Ytterbium-, Cer-, Calcium- und Magnesiumoxid vollständig oder
teilweise stabilisiert ist.
2. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach Anspruch 1, worin die stabilisierende
Verbindung aus Yttriumoxid besteht, wobei das Material des Keramiksubstrats 1,0-30
Mol-% Yttriumoxid enthält.
3. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach Anspruch 2, worin das Material des
Keramiksubstrats 1,5-6 Mol-% Yttriumoxid enthält.
4. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach Anspruch 3, worin das Material des
Keramiksubstrats 2-4 Mol-% Yttriumoxid enthält.
5. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach Anspruch 1, worin die Zirkondioxid-
Kristallphase teilweise durch zumindest eine der Verbindungen Yttrium-, Cer-,
Magnesium- und Calciumoxid stabilisiert ist, wobei die Kristallphase im Wesentlichen
entweder aus einer tetragonalen Phase oder einer Kombination von zumindest zweien
aus einer tetragonalen, einer kubischen und einer monoklinen Phase besteht.
6. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach Anspruch 5, worin die Zirkondioxid-
Kristallphase im Wesentlichen aus einer Kombination der kubischen und der
tetragonalen Phase besteht.
7. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach Anspruch 5 oder 6, worin die
stabilisierende Verbindung aus Yttriumoxid besteht, wobei das Material des
Keramiksubstrats 2-7 Mol-% Yttriumoxid enthält.
8. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach Anspruch 7, worin das Material des
Keramiksubstrats 2-4 Mol-% Yttriumoxid enthält.
9. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach Anspruch 5 oder 6, worin die
stabilisierende Verbindung aus Ceroxid besteht, wobei das Material des
Keramiksubstrats 6-15 Mol-% Ceroxid enthält.
10. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach Anspruch 5 oder 6, worin die
stabilisierende Verbindung aus Magnesiumoxid oder Calciumoxid besteht, wobei das
Material des Keramiksubstrats 5-12 Mol-% des Magnesiumoxids oder des Calciumoxids
enthält.
11. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach einem der Ansprüche 1-10, worin
das Keramiksubstrat (2) eine Oberflächenrauhheit (Ra) innerhalb eines Bereichs von
0,03-0,9 µm besitzt.
12. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach einem der Ansprüche 1-11, worin
das Keramiksubstrat eine Dicke von höchstens 50 µm aufweist.
13. Piezoelektisches/elektrostriktives Element nach einem der Ansprüche 1-12, worin
das Keramiksubstrat eine durchschnittliche Kristallkorngröße von 0,05-3 µm besitzt.
14. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach Anspruch 13, worin die
durchschnittliche Kristallkorngröße höchstens 1 µm beträgt.
15. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach einem der Ansprüche 1-14, worin
das Material des Keramiksubstrats (2) weiters zumindest eines von Aluminiumoxid,
Titanoxid und Ton enthält.
16. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach einem der Ansprüche 1-15, worin
die zumindest eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (6; 15; 19; 22) aus einem
piezoelektrischen/elektrostriktiven Material gebildet ist, das als Hauptkomponente ein
Gemisch von Bleimagnesiumniobat, Bleinickelniobat und Bleizirkonattitanat oder ein
Gemisch von Bleimagnesiumniobat und Bleizirkonattitanat enthält.
1 7. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach einem der Ansprüche 1-15, worin
die zumindest eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (6; 15; 19; 22) aus einem
piezoelektrischen/elektrostriktiven Material gebildet ist, das aus einem Gemisch von
Bleimagnesiumniobat, Bleinickelniobat und Bleizirkonattitanat oder einem Gemisch
von Bleimagnesiumniobat und Bleizirkonattitanat besteht.
18. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach einem der Ansprüche 1-17, worin
die oder jede piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (6; 15; 19; 22) eine Dicke von
höchstens 50 µm besitzt.
19. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach einem der Ansprüche 1-18, worin
der piezoelektrische/elektrostriktive Abschnitt eine Dicke von höchstens 100 µm
aufweist.
20. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach einem der Ansprüche 1-19, worin
der piezoelektrische/elektrostriktive Abschnitt aus einer Vielzahl auf dem
Keramiksubstrat ausgebildeter piezoelektrischer/elektrostriktiver Einheiten besteht, die
übereinander laminiert sind.
21. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach einem der Ansprüche 1-20, worin
der piezoelektrische/elektrostriktive Abschnitt aus einer Vielzahl auf dem
Keramiksubstrat ausgebildeter piezoelektrischer/elektrostriktiver Einheiten besteht, die
parallel zueinander auf dem Substrat angeordnet.
22. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach einem der Ansprüche 1-21, worin
das Keramiksubstrat zumindest eine Ausnehmung besitzt, die zumindest einen
dünnwandigen Abschnitt (16a) definiert, auf dem der piezoelektrische/elektrostriktive
Abschnitt ausgebildet ist.
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