DE69106431T2 - Piezoelektrischer/elektrostriktiver Antrieb mit mindestens einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht. - Google Patents
Piezoelektrischer/elektrostriktiver Antrieb mit mindestens einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft unimorphe, bimorphe und andere Typen piezoelektrischer oder elektrostriktiver Betätigungselemente (Aktoren), die einer Verschiebung bzw. Verformung wie Biegen oder Krümmen unterliegen und jene, die z.B. für verformungssteuerbare Elemente verwendet werden, z.B. für Motoren aus festen Elementen, Relais, Schaltelemente, Kameraverschüsse, Druckköpfe, Pumpen, Ventilatoren oder Gebläse, Mikrophone, Schallkörper (etwa für Lautsprecher), Tintenstrahlejektoren und andere Bestandteile oder Geräte. Der hierin verwendete Ausdruck "Aktor" bezieht sich auf ein Element, das elektrischen Strom in eine mechanische Kraft, Verschiebung oder Spannung transduzieren oder umwandeln kann.
- In letzter Zeit wurden Elemente in hohem Maße verwendet, deren Verformung steuerbar ist; sie spielen in den Bereichen Optik, Präzisionspositionierung oder maschinelle Bearbeitungsverfahren eine immer größer Rolle, um z.B. die optische Weglänge oder die Position eines Elements oder Bestandteils einer Vorrichtung in der Größenordnung von Bruchteilen eines Mikrons (um) einzustellen oder zu verändern. Zur Erfüllung dieser Aufgabe wurden verschiedene piezoelektrische oder elektrostriktive Aktoren vorgeschlagen und entwickelt, die ein piezoelektrisches oder elektrostriktives Material wie etwa ein ferroelektrisches Material verwenden, das einen umgekehrten oder reziproken piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekt zeigt, wobei ein derartiges piezoelektrisches oder elektrostriktives Material bei Anlegen einer Spannung oder eines elektrischen Feldes daran eine mechanische Verformung verursacht.
- Strukturell sind piezoelektrische/elektrostriktive Aktoren üblicherweise in monomorphe, unimorphe, bimorphe und Laminationstypen unterteilt. Die monomorphen, unimorphen und bimorphen Typen ermöglichen ein relativ hohes Maß an Biegeverformung,verbiegung oder -verdrehung, die auf die transverse Art des piezoelektischen oder elektrostriktiven Umkehreffekts und genauer gesagt auf die mechanische Spannung zurückzuführen sind, die senkrecht zur Richtung des beim Anlegen einer elektrischen Spannung erzeugten elektrischen Feldes auftritt. Diese Typen weisen inhärente Probleme auf, z.B. ein geringes Ausmaß an erzeugter Kraft, eine niedrige Ansprechgeschwindigkeit und ein niedriger Wert elektromechanischer Umwandlungseffizienz. Der Laminationstyp hingegen bedient sich der longitudinalen Art des piezoelektrischen oder elektrostriktiven Umkehreffekts, worin die mechanische Spannung parallel zur Richtung des elektrischen Feldes auftritt. Dadurch gewährleistet er ein hohes Maß an erzeugter Kraft, eine hohe Ansprechgeschwindigkeit und einen hohen Wert elektromechanischer Umwandlungseffizienz. Die inhärente Schwierigkeit des Laminationstyps liegt allerding darin, daß das erreichte Verformungsausmaß relativ gering ist.
- Der herkömmliche piezoelektrische/elektrostriktive Aktor des unimorphen oder bimorphen Typs weist auch den Nachteil einer relativ niedrigen Betriebszuverlässigkeit auf, die sich aus der Verwendung eines Klebstoffs zum Aneinanderkleben der den Aktor aufbauenden Platten ergibt, z.B. der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente oder Schichten.
- Somit haben die herkömmlichen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktoren sowohl Vor- als auch Nachteile und weisen auch einige Probleme auf, deren Lösung wünschenswert wäre.
- Es wäre besonders wünschenswert, einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktor z.B. des unimorphen oder bimorphen Typs bereitzustellen, vorzugsweise ohne Klebstoff oder Kitt, der durch Anlegen einer relativ geringen Spannung mit einem guten Ansprechen auf die angelegte Spannung ein ausreichendes Verformungsausmaß erfährt.
- Die vorliegende Erfindung stellt einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktor mit zumindest einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit bereit, die jeweils eine erste Elektrodenschicht, eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht und eine zweite Elektrodenschicht enthält, die auf einem Keramiksubstrat übereinandergelagert sind; oder mit zumindest einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit, die jeweils eine Vielzahl an in einem Muster beabstandeten Elektrodenschichtstreifen, die auf einem Keramiksubstrat ausgebildet sind, und eine Vielzahl an in einem Muster beabstandeten piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichtstreifen enthält, die auf dem Keramiksubstrat ausgebildet sind und von denen jede zwischen und in Kontakt mit angrenzenden Elektrodenstreifen angeordnet ist; wobei das Keramiksubstrat Keramikteilchen und Korngrenzen enthält, die durch die Keramikteilchen definiert sind, wobei der Aktor dadurch gekennzeichnet ist, daß zumindest in einem ausgewählten Abschnitt des Keramiksubstrats, auf dem die Einheit(en) angeordnet ist/sind, Blei in den Korngrenzen enthalten ist.
- Die Autoren sind der Ansicht, daß ein piezoelektrischer/elektrostriktiver Aktor, der eine oben beschriebene Laminarstruktur ist, einen ausreichend großen Wert an Verformung oder Kraft mit einer relativ niedrigen Spannung und einem verbesserten Betriebsansprechen bereitstellen kann. Es ist wünschenswert, daß die piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten mit einer erhöhten Integrationsdichte auf dem Keramiksubstrat angeordnet sind.
- Üblicherweise wird in der vorliegenden Erfindung ein herkömmlich verwendeter Klebstoff zum Verbinden dünner Platten eines bekannten unimorphen oder bimorphen Aktors zum Verbinden des Keramiksubstrats und der Elektrodenschicht oder Schichtstreifen, des Keramiksubstrats mit der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht oder den Schichtstreifen, oder der Elektrodenschicht oder den Schichtstreifen und der piezoelektrischen Schicht oder den Schichtstreifen nicht benutzt. Daher kann der erfindungsgemäße Aktor eine verbesserte Betriebszuverlässigkeit und Haltbarkeit sowie eine verringerte Verformungsabweichung aufweisen.
- Ein Hauptaugenmerk liegt auf dem Material der Korngrenzen, die im Abschnitt des Keramiksubstrats bestehen, auf dem die piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit(en) angeordnet ist/sind. Die Korngrenzen weisen nämlich in diesem Abschnitt eine Zusammensetzung auf, die einen relativ niedrigen Schmelzpunkt besitzt und Blei enthält. Diese Zusammensetzung ermöglicht eine starke Bindung zwischen dem Keramiksubstrat und der Elektrode und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht oder den Schichtstreifen, und dient weiters zur Verringerung der mechanischen Spannungen zwischen dem Substrat und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht oder den Schichtstreifen nach deren Wärmebehandlung. In der Folge kann die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht ausreichend dicht werden, wodurch sich eine wirkungsvolle Kraftübertragung zum Substrat ergibt, das als Schwingungsplatte fungiert.
- Im Keramiksubstrat des erfindungsgemäßen piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktors ist Blei im allgemeinen in Form einer Verbindung, z.B. eines Oxids, in den Korngrenzen vorhanden, die durch die Oberflächen der polykristallinen Keramikteilchen definiert sind. Es ist im allgemeinen wünschenswert, daß die Korngrenzen zumindest 40 Gew.- %, vorzugsweise zumindest 50 Gew.-% und noch bevorzugter zumindest 60 Gew.-% des Bleielements enthalten.
- Da die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit eine Laminarstruktur ist, kann eine vergleichsweise große Anzahl an piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten leicht auf der Hauptfläche des Keramiksubstrats mit hoher Integrationsdichte ausgebildet werden.
- Beim piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktor zur Erzeugung einer großen Kraft oder eines großen Ausmaßes von Krümmungs- und Biegungsverformung mit einer relativ niedrigen daran angelegten elektrischen Spannung ist es wünschenswert, daß der Aktor eine Gesamtdicke von nicht mehr als 300 um, vorzugsweise von nicht mehr als 150 um, aufweist, während das Keramiksubstrat eine Dicke von nicht mehr als 100 um, vorzugsweise 50 um, aufweist.
- Bevorzugte und andere Merkmale der erfindungsgemäßen Verfahren und spezifische Beispiele dafür sind in der folgenden ausführlichen Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen erläutert, worin Fig.1 eine fragmentarische vergrößerte Ansicht im Querschnitt eines Keramiksubstrats eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktors ist und Figuren 2 bis fragmentarische Perspektivansichten unterschiedlicher Formen des piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktors sind.
- Bezugnehmend auf Fig.1 ist ein polykristallines Keramiksubstrat dargestellt, das für einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktor verwendet wird. Dieses Keramiksubstrat enthält Keramikteilchen 24, die eine Hauptkomponente darstellen, und Korngrenzen 26, die durch die Oberflächen der Keramikteilchen 24 definiert sind. Die Korngrenzen 26 enthalten eine Zusammensetzung, die einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist und in der Blei (Pb) in Form einer Verbindung, z.B. eines Oxids, diffundiert ist. Das erfindungsgemäße Keramiksubstrat einschließlich der Korngrenzen 26 (siehe Fig.1) unterscheidet sich von einem herkömmlichen Keramiksubstrat, bei dem nur Quarzglas oder eine ähnliche Zusammensetzung in den Korngrenzen zwischen den einzelnen Keramikteilchen vorliegt.
- Auf dem Keramiksubstrat, dessen Korngrenzen 26 Blei in Form eines Oxids oder einer anderen Verbindung in einer geeigneten Menge, vorzugsweise zumindest 40 Gew.-%, enthalten, ist zumindest eine piezoelektrische/elektrostriktive Einheit ausgebildet. Die Korngrenzen 26 tragen zu einer Erhöhung der Dichte der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht jeder Einheit und zu einer Verbesserung der Bindungsfestigkeit zwischen dem Substrat und der Einheit bei. Daher führt das Keramiksubstrat mit Korngrenzen 26 dazu, die Betriebseigenschaften des piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktors zu verbessern.
- Es ist erforderlich, daß das Oxid oder eine andere bleihältige Verbindung zumindest in einem Abschnitt des Keramiksubstrats vorgesehen ist, auf dem die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit(en) ausgebildet ist/sind. Weiters ist die Verbindung in den Korngrenzen vorzugsweise in der gesamten Dicke eines solchen Abschnitts des Substrats enthalten. Am bevorzugtesten ist die Verbindung in der gesamten Masse des Keramiksubstrats gleichmäßig enthalten.
- Es folgen einige Beispiele von piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktoren, die das Keramiksubstrat mit der in Fig.1 dargestellten Struktur verwenden.
- Bezugnehmend auf Fig.2 ist eine piezoelektrische/elektrostriktive Einheit dargestellt, die auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen eines im allgemeinen länglichen rechteckigen Keramiksubstrats 2 ausgebildet ist. Die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit ist eine Laminarstruktur, die aus einer ersten Elektrodenschicht 4, einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 6 und einer zweiten Elektrodenschicht 8 besteht, die einstückig auf dem Substrat in der oben angeführten Reihenfolge ausgebildet sind. Die ersten und zweiten Elektrodenschichten 4, 8 besitzen jeweilige Endabschnitte 4a, 8a, die sich über die korrespondierende Endfläche der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 6 hinaus erstrecken. Beim Betrieb des Aktors wird eine Spannung zwischen den Elektrodenschichten 4, 8 durch die Endabschnitte 4a, 8a angelegt. Wenn die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 6 (nachstehend als piezoelektrische Schicht 6" bezeichnet) einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, das durch eine elektrische Spannung gebildet wird, die durch die Elektrodenschichten 4, 8 daran angelegt wird, erzeugt der Aktor eine Kraft oder erfährt aufgrund des transversen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekts eine Verformung in Form eines Krümmens oder Biegens in der zu den Hauptflächen des Keramiksubstrats 2 senkrechten Richtung.
- In dem in Fig.3 dargestellten piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktor ist ein Paar kammartiger Elektrodenschichtmuster 18a, 18b auf dem Keramiksubstrat ausgebildet. Jedes Elektrodenschichtmuster 18a, 18b weist eine Vielzahl an Elektrodenschichtstreifen 16 auf, die durch einen Verbindungsabschnitt 10 miteinander verbunden sind. Jeder Elektrodenschichtstreifen 16 eines der zwei Muster 18a, 18b ist zwischen den angrenzenden Schichtstreifen 16 des anderen Musters 18b, 18a in beabstandeter Beziehung zueinander in der Ausdehnungsrichtung der Verbindungsabschnitte 10 angeordnet. Die Elektrodenschichtstreifen 16 des Elektrodenschichtmusters 18a und die Schichtstreifen 16 des anderen Elektrodenschichtmusters 18b sind abwechselnd in der Ausdehnungsrichtung der Verbindungsabschnitte 10, 10 angeordnet. Zwischen jedem Paar der angrenzenden Elektrodenschichtstreifen 16 ist ein piezoelektrischer/elektrostriktiver Schichtstreifen 17 (nachstehend als "piezoelektrischer Schichtstreifen 17" bezeichnet) in Kontakt mit den Elektrodenschichtmustern 18a, 18b ausgebildet. Beim erfindungsgemäßen Aktor wird ein elektrisches Feld an die piezoelektrischen Schichtstreifen 17 in der Richtung parallel zu den Hauptflächen des Keramiksubstrats 2 angelegt, wodurch der Aktor eine Kraft erzeugt oder in der Richtung senkrecht zur Ebene des Substrats 2 aufgrund des piezoelektrischen oder elektrostriktiven Längseffekts einer Verbiegung oder Krümmung unterworfen wird.
- Der in Fig.4 dargestellte piezoelektrische/elektrostriktive Aktor besitzt eine Vielzahl piezoelektrischer/elektrostriktiver Einheiten, von denen jede aus der ersten Elektrodenschicht 4, der piezoelektrischen Schicht 6 und der zweiten Elektrodenschicht 8 besteht. Die Einheiten weisen eine Laminarstruktur auf, die jener von Fig.2 ähnelt und sind auf dem Keramiksubstrat 2 in beabstandeter und voneinander unabhängiger Beziehung mit relativ hoher Integrationsdichte angeordnet.
- Bezugnehmend auf Fig.5 ist eine weitere Form eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktors dargestellt, worin die Elektrodenschichtmuster auf einer Hauptfläche des Keramiksubstrats 2 ausgebildet sind, sodaß die Elektrodenschichtstreifen 16 voneinander gleichmäßig in einem geeigneten Abstand entfernt sind. Die Anordnung der Elektrodenschichtstreifen 16 ist in der piezoelektrischen Schicht 6 eingebettet, um die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit zu bilden. Der Aktor weist eine zweite Einheit auf, die aus einer Elektrodenschicht 22, einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 28 (nachstehend als "piezoelektrische Schicht 28" bezeichnet) und einer weiteren Elektrodenschicht 22 besteht, die übereinander ausgebildet sind. Der vorliegende Aktor verwendet sowohl den piezoelektrischen oder elektrostriktiven Querals auch Längseffekt.
- Bei dem in Fig.6 dargestellten piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktor weist das keramische Substrat 2 eine runde Form auf, und die Elektrodenschichtstreifen 16 sind zu zwei Spiralschichtstreifen auf einer der gegenüberliegenden Hauptflächen des Substrats 2 ausgebildet. Zwei piezoelektrische Schichtstreifen 17 sind so ausgebildet, um spiralförmige Zwischenräume zu füllen, die zwischen den zwei Spiralelektrodenschichtstreifen 16 definiert sind.
- In den Beispielen der Figuren 7, 8 und 9 ist eine Vielzahl piezoelektrischer/elektrostriktiver Einheiten (4, 6, 8) parallel zueinander auf der gleichen Hauptfläche des länglichen Substrats 2 ausgebildet, sodaß die piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten (4, 6, 8) in Längsrichtung des Substrats 2 voneinander beabstandet sind. Im Aktor der Figuren 7 und 8 sind die piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten (4, 6, 8) durch in jeweiligen Abschnitten des Keramiksubstrats 2 ausgebildete rechteckige Schlitze 20 voneinander getrennt, von denen jeder zwischen den angrenzenden piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten angeordnet ist. Der Aktor von Fig.7 besitzt Isolierschichten 14, die einen hinteren Teil der freiliegenden Endfläche der piezoelektrischen Schicht 6 zum elektrischen Isolieren der ersten und zweiten Elektrodenschicht 4, 8 abdecken. Beim Aktor von Fig.9 weist das Keramiksubstrat 2 eine Vielzahl länglicher rechteckiger Löcher 12 auf, die in einem geeigneten Abstand in Längsrichtung hindurch ausgebildet sind, um eine Vielzahl von Balkenabschnitten 2a zu definieren. Auf jedem Balkenabschnitt 2a des Substrats 2 ist eine piezoelektrische/elektrostriktive Einheit (4, 6, 8) ausgebildet.
- In diesen als erfindungsgemäße Ausführungsformen konstruierten piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktoren sind die Elektrodenschichten 4, 8, 22 oder die Elektrodenschichtstreifen 16 (Elektrodenschichtmuster 18) und die piezoelektrische Schicht 6, 28 oder Schichtstreifen 17 aus geeigneten Elektroden- und piezoelektrischen oder elektrostriktiven Materialien ausgebildet, um eine Laminarstruktur der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit zu bilden, die durch Wärmebehandlung integriert wird. Die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit wird beim Herstellungsverfahren ohne Verwendung irgendeines Klebstoffs an das Keramiksubstrat gebunden. Es folgt eine Beschreibung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
- Das Keramiksubstrat (2), welches die piezoelektrische(n)/elektrostriktive(n) Einheit(en) trägt, kann aus einem elektrisch isolierenden oder dielektrischen Material bestehen, das eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit aufweist und bei einer Temperatur zwischen 800 und 1500ºC wärmebehandelt werden kann, wie dies im folgenden beschrieben ist. Das isolierende oder dielektrische Material kann eine Oxid oder eine Nichtoxidzusammensetzung sein, die vorzugsweise als Hauptkomponente(n) zumindest eine der folgenden Substanzen enthält: Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkonoxid, Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid. Man beachte, daß sich der Ausdruck "Hauptkomponente" auf eine Komponente bezieht, deren Anteil zumindest 50 Gew.-% der gesamten Zusammensetzung ausmacht. Da Blei (Pb) in Form eines Oxids oder einer anderen Verbindung in den Korngrenzen der Keramikteilchen des Keramiksubstrats enthalten ist, ist eine elektrisch isolierende oder dielektrische Zusammensetzung, die Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid als Hauptkomponente(n) enthält, als Material des Keramiksubstrats zu empfehlen, sodaß der Aktor hervorragende Eigenschaften bei einer relativ kleinen Dicke des Keramiksubstrats aufweist. Am bevorzugtesten besteht das Keramiksubstrat aus einer Zusammensetzung, deren Hauptkomponente Aluminiumoxid ist.
- Die Keramikzusammensetzung des Keramiksubstrats kann vorteilhafterweise SiO oder SiO&sub2; enthalten, vorzugsweise in einer Menge von 0,5-5 Gew.-%, am bevorzugtesten in einer Menge von 1-3 Gew.-%. Das Vorhandensein von SiO oder SiO&sub2; ist wirksam, eine übermäßige Reaktion der Keramikzusammensetzung mit dem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material während der Wärmebehandlung zu vermeiden, welche Reaktion die Eigenschaften des erhaltenen Aktors beeinträchtigt. Weiters ist das Vorhandensein von SiO oder SiO&sub2; wünschenswert, um das Keramiksubstrat mit den Korngrenzen zu bilden, das ein Material mit niedrigem Schmelzpunkt enthält, worin Pb gleichmäßig in Form eines Oxids enthalten ist.
- Blei (Pb) kann in den Korngrenzen des Keramiksubstrats in Form einer Verbindung, z.B. eines Oxids, durch eines der folgenden Verfahren eingebracht werden. Gemäß dem ersten Verfahren wird das Keramiksubstrat in einer bleihältigen oder einer eine Bleiverbindung enthaltenden Atmosphäre bei einer Temperatur von nicht weniger als 700ºC wärmebehandelt, die es dem Blei erlaubt, durch die Korngrenzen der Keramikteilchen des Substrats in Form eines Oxids oder einer anderen Verbindung zu diffundieren. Das zweite Verfahren besteht in der Verwendung einer grünen Platte, die Blei oder eine Verbindung wie ein Oxid oder Sauerstoffsäurensalz enthält oder damit beschichtet ist. Die grüne Platte wird zum Keramiksubstrat gebrannt, dessen Korngrenzen dann Blei enthalten. Das dritte Verfahren besteht in der Wärmebehandlung des Keramiksubstrats, das an erwünschten Abschnitten einer Hauptfläche davon, eine Masse oder Massen von Blei oder einer Bleiverbindung enthält. Alternativ dazu werden die erwünschten Abschnitte der Hauptfläche des Substrats mit einer Paste beschichtet, die Blei oder eine Bleiverbindung enthält. Somit kann Blei in den erwünschten Abschnitten (im gesamten Abschnitt) des Keramiksubstrats in die Korngrenzen eingebracht werden.
- Die Wärmebehandlung zum Einbringen von Blei in die Korngrenzen des Keramiksubstrats kann entweder vor dem Bilden der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit(en) auf dem Substrat oder alternativ dazu zum Zeitpunkt des Wärmebehandelns der Einheit(en) auf dem Keramiksubstrat erfolgen, d.h. wenn die Elektrodenschichten (Schichtstreifen) und die piezoelektrische Schicht (Schichtstreifen) gebrannt werden. Im zweiteren Fall wird die nicht gebrannte Laminarstruktur des Aktors in einer Atmosphäre gebrannt, die Blei allein oder eine Bleiverbindung enthält.
- Zur Sicherstellung eines guten Betriebsansprechens und eines großen Ausmaßes einer Biegungs- oder Krümmungsverformung oder -ablenkung beträgt die Dicke des Keramiksubstrats vorzugsweise nicht mehr als 100 um, noch bevorzugter nicht mehr als 50 um und am bevorzugtesten nicht mehr als 30 um. Die Biegefestigkeit des Keramiksubstrats beträgt vorzugsweise mehr als 500 kp/cm² und noch bevorzugter 1000 kp/cm².
- Die grüne Platte für das Keramiksubstrat kann man vor dem Bilden der Einheit(en) (4, 6, 8, 16, 17, 22, 28) auf dem gebrannten Substrat brennen. Alternativ dazu wird/werden die ungebrannten Einheit(en) auf der grünen Platte für das Keramiksubstrat gebildet, und die Einheit(en) werden mit der grünen Platte gemeinsam gebrannt. Zur Verringerung des Verziehens des hergestellten Aktors und zur Verbesserung der Dimensions- und Musterbildungsgenauigkeit der Einheit(en) ist es wünschenswert, die Einheit(en) auf dem vorgebrannten Keramiksubstrat zu bilden.
- Das Keramiksubstrat kann je nach Verwendungszweck oder Anwendung des Aktors eine erwünschte Form oder Konfiguration aufweisen. Beispielsweise kann das Substrat eine polygonale Form wie ein Dreieck oder Quadrat, eine im allgemeinen runde Form wie ein Kreis, eine Ellipse oder ein Kreisring, oder jede andere besondere Ausgestaltung wie eine kamm- oder gitterartige Form oder eine Kombination von zwei oder mehr oben angeführten Formen aufweisen.
- Jede piezoelektrische/elektrostriktive Einheit (4, 6, 8, 16, 17, 22, 28) kann durch geeignete bekannte Verfahren auf dem Substrat gebildet werden. Beispielsweise können die ebenen Elektrodenschichten (4, 8, 22) oder das Elektrodenschichtmuster 18 und die ebene piezoelektrische Schicht (6, 28) oder Schichtstreifen (17) auf jeweiligen Materialien durch ein Dickschichtbildungsverfahren gebildet werden, z.B. durch Siebdruck, ein Beschichtungsverfahren wie Tauchen, oder durch ein Dünnschichtbildungsverfahren we Sputtern, Vakuumdampfablagerung und Plattieren. Andere Verfahren eignen sich aber ebenfalls. Bei den ebenen piezoelektrischen Schichten (6, 28) oder Schichtstreifen (17) ist es wünschenswert, das Siebdruck-, Tauch- oder Beschichtungsverfahren anzuwenden, das eine leichte Schichtbildung auf dem Substrat ermöglicht. Dabei verwendet man eine Paste oder Aufschlämmung, deren Hauptkomponente aus einem piezoelektrischen/elektrostriktiven Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,1-5 um, vorzugsweise 0,1-2 um, besteht, was für verbesserte Eigenschaften des hergestellten Aktors vorteilhaft ist. Die ebenen Schichten (6, 28) oder Schichtstreifen (17) können durch Siebdruck oder Photolitographie oder durch das Entfernen unerwünschter Abschnitte des aufgebrachten Materials durch Laserschneiden, Ultraschallschneiden oder Abschälen oder ein anderes mechanisch-maschinelles Bearbeitungsverfahren in geeigneter Weise mit einem Muster versehen und dimensioniert werden. Insbesondere ist es wünschenswert, das Laserschneid- oder mechanisch-maschinelle Bearbeitungsverfahren durchzuführen, um die piezoelektrischen Schichten oder Schichtstreifen gemeinsam mit dem Keramiksubstrat zu bilden. Dieses Verfahren ist vorzuziehen, wenn auf dem Substrat eine relativ große Anzahl an Einheiten vorhanden sind, wie dies in Figuren 7, 8 und 9 dargestellt ist.
- Der gesamte Aktor oder die Elektrodenschichten oder Schichtstreifen können jede beliebige Form oder Konfiguration annehmen, wie dies oben in Bezug auf das Substrat angeführt ist, wobei die Konfiguration je nach Verwendungszweck des Aktors ausgewählt wird.
- Die Elektroden- und piezoelektrischen Schichten oder Schichtstreifen (4, 6, 8, 16, 17, 22, 28), die durch ein oben beschriebenes ausgewähltes Verfahren auf dem Keramiksubstrat 2 gebildet werden, können zur Verbindung mit dem Substrat 2 nach dem Bilden jeder dieser Schichten oder Schichtstreifen entweder in mehreren Schritten oder gleichzeitig in einem Schritt nach dem Bilden der Schichten oder Schichtstreifen zu einer Laminarstruktur auf dem Substrat 2 zur Verbindung mit dem Substrat wärmebehandelt werden. Die Wärmebehandlung oder Brenntemperatur zur Verbindung der Schichten oder Schichtstreifen (4, 6, 8, 16, 17, 22, 28) mit dem Keramiksubstrat 2 liegt im allgemeinen in einem Bereich zwischen 800 und 1500ºC, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1000 und 1400ºC. Zur Vermeidung einer Änderung der Zusammensetzung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Materials während der Wärmebehandlung der Schicht oder Schichtstreifen (6, 17, 28) ist es wünschenswert, die Wärmebehandlungsatmosphäre durch Erhitzen mit der Verdampfungsquelle des piezoelektrischen/elektrostriktiven Materials zu steuern.
- Die Elektrodenschichten oder Schichtstreifen (4, 8, 16, 22) für jede einzelne piezoelektrische/elektrostriktive Einheit können aus jedem elektrisch leitenden Material ausgebildet sein, das einer oxidierenden Wärmebehandlungsatmosphäre mit Temperaturen wie oben angegeben standhält. Beispielsweise können die Elektrodenschichten oder Schichtstreifen aus einem einzigen Metall, einer Metallegierung, einer Mischung eines Metalls oder einer Legierung und einem elektrisch isolierenden Keramikmaterial oder einem elektrisch leitenden Keramikmaterial bestehen. Es ist jedoch vorzuziehen, daß das Elektrodenmaterial eine Hauptkomponente aufweist, die aus einem Edelmetall mit einem hohen Schmelzpunkt, z.B. Platin, Palladium oder Rhodium, oder einer Legierung, z.B. einer Silber-Palladium-, Silber-Platin- oder Platin-Palladium-Legierung besteht. Insbesondere ist ein Material vorzuziehen, dessen Hauptkomponente Platin oder eine Platinlegierung ist. Der Ausdruck "Hauptkomponente" bezieht sich auf eine Komponente, deren Anteil zumindest 50 Volums-% des gesamten Elektrodenmaterials ausmacht.
- Das Keramikmaterial, das zur Bildung der oben angeführten Mischung für Elektrodenschichten oder Schichtstreifen zu einem Metall oder einer Legierung hinzuzufügen ist, ist vorzugsweise das gleiche wie das Keramikmaterial für das Keramiksubstrat oder das piezoelektrische oder elektrostriktive Keramikmaterial für die piezoelektrische Schicht oder Schichtstreifen. Bei Verwendung des Keramikmaterials für das Keramiksubstrat als Additiv zum Material für die Elektrodenschichten oder Schichtstreifen, liegt der Anteil des Keramikadditivs vorzugsweise in einem Bereich von 5-30 Volums-%. Wenn das piezoelektrische oder elektrostriktive Keramikmaterial als Additiv für die Elektrodenschichten oder Schichtstreifen verwendet wird, liegt der Anteil des Keramikadditivs vorzugsweise in einem Bereich von 5-20 Volums-%. Es ist besonders wünschenswert, eine Mischung des Keramikmaterials für das Substrat und des Keramikmaterials für die piezoelektrische Schicht oder Schichtstreifen als keramisches Additiv zu verwenden, das dem Material für die Elektrodenschichten oder Schichtstreifen hinzuzufügen ist.
- Während die Dicke der Elektrodenschichten oder Schichtstreifen jeder piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit je nach Anwendung des Aktors in geeigneter Weise ausgewählt werden, ist die erste Elektrodenschicht 4 des Quereffekt-Aktors von Fig.2 mit einer Dicke von nicht mehr als 15 um, vorzugsweise von nicht mehr als 5 um ausgebildet. Die Elektrodenstreifen 16 des Längseffekt-Aktors von Fig.3 sind mit einer Dicke von mehr als 3 um, vorzugsweise mehr als 10 um, noch bevorzugter 20 um ausgebildet.
- Die piezoelektrischen Schichten oder Schichtstreifen (6, 17, 28) jeder Einheit können aus jedem beliebigen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material bestehen, das ein relativ großes Ausmaß an mechanischer Spannung oder Verformung aufgrund des reziproken oder umgekehrten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekts bewirkt, wie dies auf dem Gebiet wohlbekannt ist. Das piezoelektrische oder elektrostriktive Material kann ein Halbleitermaterial oder ein dielektrisches oder ferroelektrisches Keramikmaterial sein. Weiters kann das piezoelektrische oder elektrostriktive Material unter Umständen eine anfängliche Polarisierungs- oder Polungsbehandlung oder keine derartige Behandlung erfordern.
- Die für die piezoelektrischen Schichten oder Schichtstreifen (6, 17, 28) verwendete piezoelektrische/elektrostriktive Zusammensetzung besteht vorzugsweise aus einem bleihältigen Oxid. Es ist besonders wünschenswert, als Hauptkomponente der Zusammensetzung Bleizirkontitanat (PZT), Bleimagnesiumniobat (PMN), Bleinickelniobat (PN N), Bleizinkniobat, Bleimanganniobat, Bleiantimonstannat, Bleititanat oder eine Mischung davon zu verwenden. Weiters kann man ein Material (z.B. PLZT), das ein Oxid oder eine Verbindung von Lanthan (La), Barium (Ba), Niob (Nb), Zink (Zn), Nickel (Ni) und/oder Mangan (Mn) enthält, zur piezoelektrischen oder elektrostriktiven Zusammensetzung hinzufügen, deren Hauptkomponente aus PZT besteht.
- Angesichts der Konstruktion des erfindungsgemäßen piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktors beträgt die piezoelektrische Konstante d&sub3;&sub1; des für die ebenen piezoelektrischen Schichten 6, 28 oder Schichtstreifen 17 verwendeten Materials zumindest 50 x 10&supmin;¹² [C/N], noch bevorzugter zumindest 100 x 10&supmin;¹² [C/N], oder es beträgt die piezoelektrische Konstante d&sub3;&sub3; vorzugsweise zumindest 100 x 10&supmin;¹² [C/N], noch bevorzugter zumindest 200 x 10&supmin;¹² [C/N], um ausgezeichnete Betriebseigenschaften des Aktors zu gewährleisten.
- Es wurden die in Fig.2 dargestellten Exemplare des piezoelektrischen/elektrostriktiven Quereffektaktors hergestellt. Es folgt die Erklärung der Herstellungsweise dieser Exemplare und der Beziehung zwischen der gemessenen piezoelektrischen Konstante der Exemplare und der gemessenen Menge des in den Korngrenzen der Keramiksubstrate der Exemplare enthaltenen Bleis.
- Bei jedem Exemplar verwendete man das Keramiksubstrat 2, das eine Dicke von 50 um aufweist und dessen Hauptkomponente Aluminiumoxid ist. Auf diesem Keramiksubstrat 2 wurde zunächst durch Siebdruck eine ungebrannte Schicht für die erste Elektrodenschicht 4 gebildet. Nach dem Brennen dieser ungebrannten Schicht wurde eine ungebrannte Schicht für eine piezoelektrische Schicht 6 durch Siebdruck auf der ersten Elektrodenschicht 4 gebildet. Nach dem Brennen der ungebrannten Schicht für die Schicht 6 wurde die zweite Elektrodenschicht 8 durch Sputtern auf der piezoelektrischen Schicht 6 gebildet. Auf diese Weise stellte man die verschiedenen Exemplare des Aktors von Fig.2 her. Die erste Elektrodenschicht 4 bildete man aus einer Zusammensetzung, deren Hauptkomponente Platin ist. Die Zusammensetzung der Schicht 4 besteht aus 85 Volums-% Platin, 10 Volums-% piezoelektrisches oder elektrostriktives Material und 5 Volums-% Zirkonoxid. Die piezoelektrische Schicht 6 bildete man aus einer Zusammensetzung, deren Hauptkomponente Bleimagnesiumniobat ist. Die Zusammensetzung der Schicht 6 ist 37 Mol-% Bleititanat, 24 Mol-% Bleizirkonat und 39 Mol-% Bleimagnesiumniobat. Die zweite Elektrodenschicht 8 bestand aus Gold. Die Dicke der ersten Elektrodenschicht 4 und der piezoelektrischen Schicht 6 wurden auf 5 um bzw. 30 um eingestellt, während die zweite Elektrodenschicht 8 mit einer Dicke von 0,3 um ausgebildet war.
- Die ungebrannte Schicht für die erste Elektrodenschicht 4 wurde bei 1200ºC gebrannt, während jene für die piezoelektrische Schicht 6 bei 1250ºC gebrannt wurde. Die Anteile des in den Brennatmosphären für die Schicht 6 enthaltenen Bleioxids und die Brennzeiten wurden auf die einzelnen Exemplare abgestimmt, sodaß die Bleianteile, die in den Korngrenzen des Keramiksubstrats 2 durch die Schichten 4, 6 diffundierten, auf die in Tabelle 1 angeführten Werte eingestellt wurden, die durch die Messung des in den Korngrenzen des Substrats 2 enthaltenen Bleioxids bestätigt wurden.
- Die piezoelektrischen Konstanten d&sub3;&sub1; der einzelnen Aktorexemplare mit unterschiedlichem Bleigehalt wurden gemessen. Die gemessenen piezoelektrischen Konstanten sind auch in Tabelle 1 angeführt. Bei einigen Proben der Exemplare, deren Bleigehalt 0% beträgt, stellte man ein Abblättern oder Ablösen der Schichten 4, 6, 8 vom Substrat 2 fest. TABELLE 1 Bleigehalt (Gew.-%) in Korngrenzen Piezoelektrische Konstanten d&sub3;&sub1; (x 10&supmin;¹² C/N)
- Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die piezoelektrischen Konstanten der Exemplare, deren Bleianteil der Korngrenzen des Substrats 2 40 Gew.-% oder mehr beträgt, aureichend hoch ist, und daß die piezoelektrische Konstante bei einem Bleigehalt von 50% oder mehr deutlich steigt.
Claims (15)
1. Piezoelektrischer/elektrostriktiver Aktor mit (a) zumindest einer
piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit (4, 6, 8, 22, 28), wobei jede Einheit eine erste
Elektrodenschicht (4, 22), eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (6, 28) und eine
zweite Elektrodenschicht (8, 22) enthält, die auf einem Keramiksubstrat (2)
übereinandergelagert sind; oder mit (b) zumindest einer
piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit (16, 17), wobei jede Einheit eine Vielzahl an
in einem Muster beabstandeten Elektrodenschichtstreifen (16), die auf einem
Keramiksubstrat (2) ausgebildet sind, und eine Vielzahl an in einem Muster
beabstandeten Elektrodenschichtstreifen (17) enthält, die auf dem Keramiksubstrat
ausgebildet sind und von denen jeder zwischen und in Kontakt mit angrenzenden
Elektrodenstreifen angeordnet ist; wobei das Keramiksubstrat Keramikteilchen (24) und
Korngrenzen (26) enthält, die durch die Keramikteilchen definiert sind, dadurch
gekennzeichnet, daß:
in zumindest dem/den Abschnitt(en) des Keramiksubstrats, auf dem/denen zumindest
eine piezoelektrische/elektrostriktive Einheit angeordnet ist, Blei enthalten ist.
2. Piezoelektrischer/elektrostriktiver Aktor nach Anspruch 1, worin die genannten
Korngrenzen (26) zumindest 40 Gew.-% Blei enthalten.
3. Piezoelektrischer/elektrostriktiver Aktor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin das
Keramiksubstrat (2) zumindest eine Hauptkomponente, ausgewählt aus Aluminiumoxid,
Magnesiumoxid, Zirkonoxid, Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid enthält.
4. Piezoelektrischer/elektrostriktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1-3, worin das
Keramiksubstrat (2) Siliziumoxid in einer Menge von 0,5-5 Gew.-% enthält.
5. Piezoelektrischer/elektrostriktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1-4, worin eine
Vielzahl an piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten (4, 6, 8, 16, 17, 22, 28) auf
dem Keramiksubstrat (2) ausgebildet ist, sodaß die Einheiten in einer Richtung parallel
zu gegenüberliegenden Hauptflächen des Substrats voneinander beabstandet sind.
6. Piezoelektrischer/elektrostriktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1-4, worin eine
Vielzahl an piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten (4, 6, 8, 16, 17, 22, 28) auf
dem Keramiksubstrat (2) ausgebildet ist, sodaß die Einheiten übereinandergelagert sind.
7. Piezoelektrischer/elektrostriktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1-6, worin das
Keramiksubstrat (2) eine Dicke von nicht mehr als 100 um aufweist.
8. Piezoelektrischer/elektrostriktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1-7, worin die
erste Elektrodenschicht (4, 22) oder die Elektrodenschichtstreifen (16) eine
Hauptkomponente, ausgewählt aus Platin, Palladium oder Rhodium; Legierungen
umfassend Silber und Palladium; Legierungen umfassend Silber und Platin; Legierungen
umfassend Platin und Palladium enthalten.
9. Piezoelektrischer/elektrostriktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1-8, worin die
Korngrenzen (26) über dem gesamten Keramiksubstrat (2) Blei enthalten.
10. Piezoelektrischer/elektrostriktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1-9, worin die
Korngrenzen (26) im Abschnitt (5) des Keramiksubstrats (2) das Blei in Form eines Oxids
enthalten.
11. Piezoelektrischer/elektrostriktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1-10, der eine
piezoelektrische Konstante d&sub3;&sub1; von zumindest 50 x 10&supmin;¹² C/N aufweist.
12. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktors
umfassend das Anordnen einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht (6, 17, 28)
zwischen Elektrodenschichten (4, 8, 16, 22) dafür auf einem Keramiksubstrat (2),
gekennzeichnet durch das Einarbeiten von Blei in den Korngrenzen (26) des
Keramiksubstrats zumindest in Bereichen, wo die genannten Schichten angeordnet sind.
13. Verfahren nach Anspruch 12, worin das Blei durch Wärmebehandlung des
Keramiksubstrats (2) bei zumindest 700ºC in einer Blei oder eine Bleiverbindung
enthaltenden Atmosphäre eingearbeitet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, worin das Keramiksubstrat (2) durch Brennen einer
grünen Bahn gebildet wird, die Blei oder Bleiverbindungen enthält oder damit
beschichtet ist.
15. Verfahren nach Anspruch 12, worin das Blei durch Aufbringen einer Masse von Blei
oder einer Bleiverbindung, oder durch das Auftragen einer Blei oder eine
Bleiverbindung enthaltenden Paste auf den genannten Bereichen und durch
anschließende Wärmebehandlung eingearbeitet wird.
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