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DE69026765T2 - Einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Film enthaltende piezoelektrischer/elektrostriktiver Antrieb - Google Patents

Einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Film enthaltende piezoelektrischer/elektrostriktiver Antrieb

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Publication number
DE69026765T2
DE69026765T2 DE69026765T DE69026765T DE69026765T2 DE 69026765 T2 DE69026765 T2 DE 69026765T2 DE 69026765 T DE69026765 T DE 69026765T DE 69026765 T DE69026765 T DE 69026765T DE 69026765 T2 DE69026765 T2 DE 69026765T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
piezoelectric
electrostrictive
substrate
actuator
film
Prior art date
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Application number
DE69026765T
Other languages
English (en)
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DE69026765D1 (de
Inventor
Koji Kimura
Masato Komazawa
Yukihisa Takeuchi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGK Insulators Ltd
Seiko Epson Corp
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Seiko Epson Corp
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Publication date
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Application filed by NGK Insulators Ltd, Seiko Epson Corp filed Critical NGK Insulators Ltd
Publication of DE69026765D1 publication Critical patent/DE69026765D1/de
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Publication of DE69026765T2 publication Critical patent/DE69026765T2/de
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen bimorphen oder unimorphen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuator, der als oder für ein verschiebungssteuerbares Element, für einen Trockenelementmotor, einen Tintenstrahl-Ejektor, ein Relais, ein Umschaltelement, einen Kameraverschluß, einen Druckkopf, eine Pumpe, einen Ventilator oder ein Gebläse und andere Bauteile oder Vorrichtungen verwendet werden kann. Der Begriff "Aktuator", wie hierin verwendet, ist ein Element, das elektrische Energie in eine mechanische Kraft, Verschiebung oder Verformung umwandeln kann. In der vorliegenden Beschreibung wird anstelle von "piezoelektrisch oder elektrostriktiv" oft "piezoelektrisch/elektrostriktiv" verwendet, wobei diese Worte den Betriebsmodus beschreiben.
  • In letzter Zeit ist auf den Gebieten der Optik und Präzisionspositionierung oder der (spanenden) Bearbeitungsvorgänge, beispielsweise zum Einstellen oder Ändern einer optischen Weglänge oder der Position eines Elements oder Bauteils einer Vorrichtung in der Größenordnung von Bruchteilen eines Mikrons (µm) häufig ein Element eingesetzt und zunehmend verlangt worden, dessen Verschiebung gesteuert werden kann. Um dieser Nachfrage zu entsprechen, sind verschiedene piezoelektrische oder elektrostriktive Aktuatoren vorgeschlagen und entwickelt worden, bei denen ein piezoelektrisches oder elektrostriktives Material wie ein ferroelektrisches Material eingesetzt wird, das die umgekehrte oder reziproke piezoelektrische Wirkung oder die elektrostriktive Wirkung aufweist, bei denen das Anlegen einer Spannung oder eines elektrischen Feldes an ein solches piezoelektrisches oder elektrostriktives Material eine mechanische Verschiebung hervorruft.
  • Herkömmlicherweise wird der piezoelektrische/elektrostriktive Aktuator strukturell in einen monomorphen Typ, einen unimorphen Typ, einen bimorphen Typ und einen Laminationstyp klassifiziert. Der monomorphe, der unimorphe und der bimorphe Typ sorgen für ein ein relativ großes Ausmaß an Biegeverschiebung oder Durchbiegung oder Verwindung aufgrund des Quermodus des umgekehrten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekts, nämlich der Verformung senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes, das beim Anlegen einer Spannung erzeugt wird, aber diese Typen unterliegen inhärenten Problemen, wie einer geringen Größe einer erzeugten Kraft, einer geringen Ansprechgeschwindigkeit und eines geringen Grads an Betriebszuverlässigkeit aufgrund der Verwendung eines Klebers zum Verbinden der Komponentenschichten. Andererseits wird beim Laminationstyp der Longitudinal modus des umgekehrten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekts eingesetzt, nämlich die Verformung parallel zur Richtung des elektrischen Feldes, und er gewährleistet daher eine beträchtliche Größe der erzeugten Kraft, eine hohe Ansprechgeschwindigkeit und ein hohes Maß an elektromechanischer Umwandlungseffizienz. Jedoch unterliegt der Laminationstyp dem inhärenten Problem, daß das Ausmaß der hervorgerufenen Verschiebung relativ gering ist.
  • Der herkömmliche piezoelektrische/elektrostriktive Aktuator des unimorphen oder bimorphen Typs unterliegt auch einer relativ geringen Betriebszuverlässigkeit, die sich aus der Verwendung eines Haftmittels zum Verbinden der Komponenten lagen oder -platten des Aktuators, wie eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements, ergibt.
  • Die GB-A-21 651647 und die FR-A-2570223 beschreiben piezoelektrische Laminatelemente, bei denen die Elektroden und piezoelektrischen Schichten aus Pulvern gebildet sind, die in einer Hartglasschicht verteilt sind, die als Haftmittel agiert.
  • Somit weisen die herkömmlichen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuatoren sowohl Nachteile als auch Vorteile auf und unterliegen einigen Problemen, die gelöst werden sollten.
  • Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese Probleme zu lösen, beispielsweise einen unimorphen oder bimorphen piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuator bereitzustellen, bei dem kein Haftmittel oder Kleber verwendet wird. Der Aktuator kann ein ausreichendes Ausmaß an Verschiebung ergeben, wenn eine relativ geringe Spannung angelegt wird, wobei auf die angelegte Spannung besser angesprochen wird.
  • Ein weiterer Vorteil, der mit der Erfindung erzielt werden kann, ist die Bereitstellung eines solchen Aktuators, worin piezoelektrische/elektrostriktive Aktuatoreinheiten mit hoher Integrationsdichte auf einem Substrat oder Träger ausgebildet werden.
  • Gemäß vorliegender Erfindung wird ein piezoelektrischer/elektrostriktiver Aktuator bereitgestellt, wie in Anspruch 1 dargelegt.
  • Der piezoelektrische/elektrostriktive Aktuator gemäß vorliegender Erfindung, worin jede piezoelektrische/elektrostriktive Aktuatoreinheit aus einer Laminarstruktur wie oben beschrieben besteht, liefert ein großes Ausmaß an Verschiebung durch Anlegen einer relativ geringen Spannung daran, wobei auf die angelegte Spannung gut angesprochen wird. Weiters können die laminaren piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheiten mit verbesserter Integrationsdichte auf dem Substrat ausgebildet werden. Obwohl der piezoelektrische/elektrostriktive Aktuator gemäß vorliegender Erfindung, der die laminierten Filme einstückig auf dem Substrat ausgebildet umfaßt, dem herkömmlichen Laminaraktuator vom Bulktyp in der Konstruktion mehr oder minder ähnlich ist, kann der vorliegende Aktuator ein ausreichendes Ausmaß an Biegeverschiebung oder Verwindung aufgrund des Quermodus des umgekehrten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekts erfahren, die beim Anlegen eines elektrischen Feldes erzeugt wird, und demgemäß eine große Kraft erzeugen, während verbesserte Betriebsreaktion gewährleistet ist.
  • Weiters umfaßt die Laminarstruktur die Elektrodenfilme und den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film, die einstückig auf das Substrat laminiert sind, ohne einen verbindenden Klebstoff, wie er herkömmlicherweise zum Verbinden dünner Komponenten bahnen des bekannten unimorphen oder bimorphen Aktuators verwendet wird. Folglich weist der vorliegende piezoelektrische/elektrostriktive Aktuator über einen verlängerten Verwendungszeitraum eine verbesserte Betriebszuverlässigkeit auf, und die vom Aktuator hervorzurufende Verschiebung unterliegt einem minimalen Ausmaß an Drift.
  • Die Laminarstruktur gemäß vorliegender Erfindung ermöglicht es, die piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheiten auf einfache Weise mit relativ hoher Dichte auf der gleichen Oberfläche des Substrats auszubilden.
  • Gemäß den Erkenntnissen der Anmelder beträgt die Dicke des erfindungsgemäßen Aktuators zum Erzielen eines großen Ausmaßes an Biegeverschiebung und der entsprechend großen erzeugten Kraft vorzugsweise 300 µm oder weniger, und mehr bevorzugt 150 µm oder weniger, und die Biegefestigkeit des Keramiksubstrats beträgt vorzugsweise zumindest 120 MPa (1.200 kp/cm²) und mehr bevorzugt zumindest 150 MPa (1.500 kp/cm²).
  • Die obigen und wahlweise Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch das Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besser verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird, in denen die Fig. 1 bis 7 fragmentarische perspektivische Ansichten sind, die verschiedene Formen des piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuators gemäß vorliegender Erfindung darstellen.
  • Zunächst auf Fig. 1 Bezug nehmend wird ein Beispiel für einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuator gemäß vorliegender Erfindung gezeigt, worin eine piezoelektrische/elektrostriktive Aktuatoreinheit auf einer der gegenüberliegenden Hauptflächen eines allgemein länglichen rechteckigen Keramiksubstrats 2 ausgebildet ist. Die piezoelektrische/elektrostriktive Aktuatoreinheit ist eine Laminarstruktur, die aus einem ersten Elektrodenfilm 4, einem piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 6 und einem zweiten Elektrodenfilm 8 besteht, die in der Reihenfolge der Beschreibung einstückig auf dem Substrat ausgebildet sind. Der erste und der zweite Elektrodenfilm 4, 8 weisen jeweilige Anschlußabschnitte 4a, 8a auf, die sich über die entsprechende Endfläche des piezoelektrischen/elektrostriktiven Films 6 hinaus erstrecken. Der Anschlußabschnitt 8a bedeckt einen Teil der Endfläche des Films 6. Beim Betrieb des Aktuators wird durch die Anschlußabschnitte 4a, 8a eine Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenfilm 4, 8 angelegt.
  • Fig. 2 zeigt ein Beispiel für einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuator, bei dem zwei piezoelektrische/elektrostriktive Aktuatoreinheiten auf den jeweiligen gegenüberliegenden Hauptflächen des Substrats 2 vorgesehen sind. Jeder Abschnitt besteht aus dem ersten und dem zweiten Elektrodenfilm 4, 8 sowie dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 6, der zwischen den beiden Filmen 4, 6 liegt. Die piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheiten (4, 6, 8) sind durch Wärmebehandlung strukturell mit dem Substrat 2 integriert.
  • Fünf verschiedene Formen des Aktuators, die eine Vielzahl von piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheiten auf dem Substrat 2 umfassen, sind in den Fig. 3 bis 7 dargestellt. Die piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheiten (4, 6, 8) sind in jener Richtung angeordnet, die entweder senkrecht oder parallel zu den Hauptflächen des Substrats 2, d. h. der Ebene des Substrats, verläuft.
  • In den Beispielen der Fig. 3, 4 und 5 ist die Vielzahl piezoelektrischer/ elektrostriktiver Aktuatoreinheiten (4, 6, 8) auf derselben Hauptfläche des länglichen Substrats 2 parallel zueinander ausgebildet, so daß die piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheiten (4, 6, 8) voneinander in der Längsrichtung des Substrats 2 beabstandet sind. Beim Aktuator der Fig. 3 und 4 sind die piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheiten (4, 6, 8) voneinander durch rechteckige Schlitze 10 getrennt, die in jeweiligen Abschnitten des Keramiksubstrats 2 ausgebildet sind und sich jeweils zwischen den benachbarten piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheiten befinden. Der Aktuator von Fig. 3 weist isolierende Filme 14 auf, die einen hinteren Teil der freiliegenden Endfläche des piezoelektrischen/elektrostriktiven Films 6 bedecken, um den ersten und den zweiten Elektrodenfilm 4, 8 elektrisch voneinander zu isolieren.
  • Beim Aktuator von Fig. 5 weist das Keramiksubstrat 2 eine Vielzahl länglicher rechteckiger Löcher 12 auf, die in einem geeigneten Abstand in Längsrichtung durch dieses hindurch ausgebildet sind, um eine Vielzahl von Trägerabschnitten 2a zu definieren. Auf jedem der Trägerabschnitte 2a des Substrats 2 ist eine piezoelektrische/elektrostriktive Aktuatoreinheit ausgebildet, die jeweils aus dem ersten Elektrodenfilm 4, dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 6 und dem zweiten Elektrodenfilm 8 besteht.
  • Beim Beispiel von Fig. 6 sind die zwei piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheiten auf derselben Hauptfläche des Keramiksubstrats 2 aufeinander angeordnet. Im spezielleren ist die erste piezoelektrische/elektrostriktive Aktuatoreinheit (4, 6, 8) auf dem Substrat 2 ausgebildet, und die zweite piezoelektrische/elektrostriktive Aktuatoreinheit (4, 6, 8) ist auf der ersten piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheit ausgebildet, so daß die beiden ersten Elektrodenfilme 4, 4, die beiden piezoelektrischen/elektrostriktiven Filme 6,6 und den einzelnen gemeinsamen zweiten Elektrodenfilm 8 in Sandwichanordnung umgeben, der die beiden Filme 6, 6 voneinander trennt. Die beiden piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheiten und das Substrat stellen eine einstückig ausgebildete Laminierung dar.
  • Beim in Fig. 7 dargestellten piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuator kommt ein relativ großes Keramiksubstrat 2 zum Einsatz, auf dem eine Vielzahl von piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheiten (4, 6, 8) in zwei Reihen parallel zur Länge des Substrats ausgebildet ist, so daß die piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheiten einer jeden Reihe in gewünschten Abständen angeordnet sind. Jede piezoelektrische/elektrostriktive Aktuatoreinheit ist eine Laminarstruktur, die aus dem ersten und dem zweiten Elektrodenfilm 4, 8 und dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 6 in Sandwichanordnung zwischen den beiden Elektrodenfilmen 4, 8 besteht, wie oben beschrieben.
  • Beim Betrieb der piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoren, wie oben dargestellt, wird eine Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenfilm 4, 8 angelegt, so daß der piezoelektrische/elektrostriktive Film 6 einem elektrischen Feld ausgesetzt ist. Als Ergebnis unterliegt der piezoelektrische/elektrostriktive Film 6 mechanischen Spannungen aufgrund des Transversalmodus des umgekehrten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekts, der durch das elektrische Feld erzeugt wird, wodurch der Film 6 eine Biegeverschiebung erfährt und eine Kraft in die Richtung senkrecht zur Ebene des Keramiksubstrats 2 erzeugt.
  • Beim gemäß vorliegender Erfindung konstruierten piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuator sind die Elektrodenfilme 4, 8 und der piezoelektrische/elektrostriktive Film 6 aus geeigneten Elektroden und piezoelektrischen oder elektrostriktiven Materialien gebildet, um eine Laminarstruktur der piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheit bereitzustellen, die durch Wärmebehandlung mit dem Keramiksubstrat 2 einstückig verbunden wird, das als oszillierende oder auf andere Weise arbeitende Platte fungiert. Genauer gesagt wird die piezoelektrische/elektrostriktive Aktuatoreinheit beim Herstellungsverfahren mit dem Keramiksubstrat verbunden, ohne daß ein verbindender Klebstoff verwendet wird. Das wird beim Herstellungsverfahren für den vorliegenden Aktuator beschrieben.
  • Zunächst werden der erste Elektrodenfilm 4, der piezoelektrische/elektrostriktive Film 6 und der zweite Elektrodenfilm 8 auf dem Keramiksubstrat 2 nach einem Verfahren ausgebildet, das aus verschiedenen bekannten Techniken zum Ausbilden von Filmen ausgewählt ist, wie Dickfilm-Ausbildungsverfahren, wie z. B. Siebdruck, Beschichtungsverfahren, wie Eintauchen, Verspinnen oder Sprühen, und Dünnfilm- Ausbildungsverfahren, wie Sputtern, Ionenplattierung, Vakuum-Dampfablagerung, CVD und Metallisieren. Das Verfahren zum Ausbilden dieser Filme 4, 6, 8 ist zwar nicht auf die oben angeführten beschränkt, aber die Siebdruck- und Tauchverfahren werden zum Ausbilden des piezoelektrischen/elektrostriktiven Films 6 vorgezogen., da bei diesen Verfahren eine Paste oder Aufschlämmung verwendet werden kann, deren Hauptkomponente aus einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material besteht, um dem Film 6 die für den Aktuator erwünschten Eigenschaften zu verleihen. Die Filme 4, 6, 8 können üblicherweise in einem Siebdruck- oder Photolitographieverfahren gemustert werden. Jedoch können die Filme in den gewünschten Formen ausgebildet werden, indem unnötige Abschnitte der aufgetragenen Massen der Elektrode und der piezoelektrischen oder elektrostriktiven Materialien durch Laserbearbeitung oder Abstechen oder andere mechanische Bearbeitungsverfahren entfernt werden. Insbesondere ist es wünschenswert, das Keramiksubstrat und die zu Beginn aufgetragenen Filme nach dem Laser- oder mechanischen Bearbeitungsverfahren gleichzeitig auf eine gewünschte Form hin zu bearbeiten. Dieses Verfahren erleichtert die Musterung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheiten, die mit hoher Integrationsdichte auf dem Substrat ausgebildet werden.
  • Die Konstruktion und die Form oder Konfiguration des Aktuators sind nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten beschränkt, sondern können je nach der Anwendung des relevanten Aktuators entsprechend bestimmt werden. Beispielsweise hat der Aktuator die Form eines Vielecks, wie eines Dreiecks, Quadrats, Fünfecks oder Sechsecks, eine allgemein runde Form, wie die eines Kreises, einer Ellipse oder eines Kreisrings, oder jegliche spezielle Form, wie eine kammartige oder gitterartige Zellenkonfiguration, und eine Kombination aus zwei oder mehr der oben angeführten Formen. Das Prinzip der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft als Aktuator mit zwei oder mehr piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheiten ausgeführt sein, die auf der gleichen Oberfläche des Substrats ausgebildet sind, wie in den Fig. 3-7 dargestellt.
  • Insbesondere sind die kammartigen Anordnungen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheiten, wie in den Fig. 3-5 gezeigt, vorteilhaft für eine erhöhte Integrationsdichte und verbesserte Verschiebungs- und Krafteigenschaften.
  • Wenn der Aktuator eine relativ große Anzahl an piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheiten auf demselben Substrat aufweist, beträgt der Abstand der piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheiten vorzugsweise 3.000 µm oder weniger, mehr bevorzugt 1.000 µm oder weniger, und am meisten bevorzugt 500 µm oder weniger, so daß der Aktuator eine beträchtliche Integrationsdichte der piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheiten aufweist.
  • Die Elektrode und die piezoelektrischen/elektrostriktiven Filme 4, 6, 8, die nach dem gewählten Verfahren, wie oben beschrieben, auf dem Keramiksubstrat 2 ausgebildet sind, können entweder in verschiedenen Schritten wärmebehandelt werden, um sie mit dem Substrat 2 einstückig zu verbinden, nachdem diese Filme ausgebildet worden sind, oder alternativ dazu zur Integration mit dem Substrat gleichzeitig in einem Schritt wärmebehandelt werden, nachdem zumindest zwei oder alle Filme zu einer Laminarstruktur auf dem Substrat 2 ausgebildet worden sind. Die Wärmebehandlung ist jedoch nicht wesentlich, wenn der Film 8 durch Ionenplattieren, Sputtern, Vakuumdampfablagerung, CVD oder Metallisieren ausgebildet ist. Die Wärmebehandlungstemperatur zur Integration der Filme 4, 6, 8 mit dem Keramiksubstrat 2 liegt im allgemeinen in einem Bereich zwischen 800ºC und 1.400ºC, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1.100ºC und 1.400ºC. um eine Veränderung in der Zusammensetzung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Materials während der Wärmebehandlung des Films 6 zu vermeiden, ist es wünschenswert, die Wärmebehandlungsatmosphäre durch Erhitzen mit der Verdampfungsquelle des piezoelektrischen/elektrostriktiven Materials zu regulieren. Da der erste Elektrodenfilm 4 im allgemeinen direkt auf dem Keramiksubstrat 2 ausgebildet wird, kann der Verbindungszustand zwischen dem ersten Elektrodenfilm 4 und dem Substrat 2 unter gewissen Bedingungen verbessert werden, indem ein Zwischenfilm zwischen dem ersten Elektrodenfilm und dem Substrat angeordnet wird. "Verbindungszustand" ist so zu interpretieren, daß damit die Verbindungsfestigkeit oder Haftung und die Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten an der Verbindungsgrenzfläche gemeint ist.
  • Die Keramikzusammensetzung für das Keramiksubstrat 2 kann entweder ein isolierendes oder dielektrisches Oxid- oder Nichtoxidmaterial sein, das eine hohe mechanische Festigkeit besitzt und wärmebehandelt werden kann. Vorzugsweise besteht die Hauptkomponente der Keramikzusammensetzung aus zumindest einem Material, das aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid, Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid ausgewählt ist. Damit das Substrat bei einer relativ geringen Dicke hervorragende Eigenschaften aufweist, ist es wünschenswert, daß die Keramikzusammensetzung für das Substrat Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid als Hauptkomponente enthält. Weiters macht der in der Keramikzusammensetzung enthaltene Gehalt an Siliziumoxid oder -dioxid (SiO, SiO&sub2;) vorzugsweise nicht mehr als 10 Gew.-% und mehr bevorzugt nicht mehr als 3 Gew.-% aus. Die Obergrenze für das Siliziumoxid oder -dioxid ist wichtig, um dessen Umsetzung mit dem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material während des Wärmebehandlungsverfahrens zu verhindern, welche Umsetzung die Eigenschaften des hergestellten Aktuators beeinflußt.
  • Gemäß einer Erkenntnis der Anmelder beträgt die Dicke des Keramiksubstrats 2 vorzugsweise nicht mehr als 100 µm, mehr bevorzugt nicht mehr als 50 µm und am meisten bevorzugt nicht mehr als 30 µm, und liegt der Elastizitätsmodul des Substrats vorzugsweise zwischen 1,5 · 10&sup5; MPa (1,5 · 10&sup6; kg/cm²) und 4,5 · 10&sup5;MPa (4,5 · 10&sup6; kg/cm²) und mehr bevorzugt zwischen 2,0 · 10&sup5; MPa (2,0 · 10&sup6; kg/cm²) und 4,0 · 10&sup5; MPa (4,0 · 106 kg/cm²), um ein sehr gutes Betriebsansprechverhalten und ein großes Ausmaß an Biegeverschiebung oder Verwindung zu gewährleisten.
  • Die grüne Bahn für das Keramiksubstrat 2 kann gebrannt werden, bevor die Filme 4, 6, 8 auf dem Substrat ausgebildet werden, oder alternativ dazu kann zumindest einer der Filme auf der grünen Bahn ausgebildet werden, bevor die grüne Bahn gemeinsam mit den Filmen gebrannt wird. Jedoch werden die Filme wünschenswerterweise auf das gesinterte Keramiksubstrat 2 aufgebracht, um das unerwünschte Verwerfen oder Verziehen und Abmessungsfehler des Substrats zu minimieren.
  • Wie der piezoelektrische/elektrostriktive Aktuator als Ganzes kann das Keramiksubstrat 2 je nach der Anwendung des Aktuators eine geeignete Form oder Konfiguration haben.
  • Beispielsweise hat das Substrat 2 eine vieleckige Form, wie die eines Dreiecks oder Quadrats, eine allgemein runde Form, wie die eines Kreises, einer Ellipse oder eines Kreisrings, oder jede spezielle Form, einschließlich einer kammartigen oder gitterartigen Form, und eine Kombination aus zwei oder mehr der oben angeführten Formen.
  • Die für den vorliegenden piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuator verwendeten Elektrodenfilme 4, 8 können aus jedem elektrisch leitenden Material gebildet werden, das eine Hochtemperatur-Oxidationswärmebehandlungsatmosphäre aushalten kann. Beispielsweise können die Filme 4, 8 aus einem einzelnen Metall, einer Legierung aus Metallen, einem Gemisch aus einem Metall bzw. einer Legierung und einem elektrisch isolierenden Keramikmaterial bzw. einem elektrisch leitenden Keramikmaterial gebildet sein. Jedoch weist das Elektrodenmaterial vorzugsweise eine Hauptkomponente auf, die aus einem Edelmetall mit einem hohen Schmelzpunkt, wie Platin, Palladium oder Rhodium, oder einer Legierung wie Silber-Palladium-Legierung, Silber-Platin-Legierung oder Platin-Palladium-Legierung besteht. Das Keramikmaterial, das einem Metall oder einer Legierung zuzugeben ist, um das oben angeführte Gemisch für die Elektrodenfilme 4, 8 bereitzustellen, ist vorzugsweise das gleiche wie das Keramikmaterial für das Keramiksubstrat 2 oder das piezoelektrische oder elektrostriktive Keramikmaterial, das für den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 6 verwendet wird. Wenn das für das Keramiksubstrat 2 verwendete Keramikmaterial als ein Additiv zum Material für die Elektrodenfilme 4, 8 verwendet wird, liegt der Gehalt des Keramikmaterials vorzugsweise in einem Bereich von 5-30 Volumen.-%. Wenn das piezoelektrische oder elektrostriktive Keramikmaterial für die Filme 4, 8 verwendet wird, liegt der Gehalt des Keramikmaterials vorzugsweise in einem Bereich von 5-20 Volumen.-%. Es ist besonders wünschenswert, ein Gemisch aus dem Keramikmaterial für das Substrat 2 und dem Keramikmaterial für den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 6 als Keramikadditiv zur Zugabe zum Material für die Elektrodenfilme 4, 8 zu verwenden. Die Verwendung dieses Keramikgemisches erzielt die gleichen Funktionen, wie sie durch den Zwischenfilm erreicht werden, der zwischen dem Substrat 2 und dem Elektrodenfilm 4 angeordnet ist, wie oben beschrieben.
  • Während der erste und der zweite Elektrodenfilm 4, 8 einer jeden piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoreinheit je nach der Verwendung des Aktuators auf geeignete Weise gewählt werden, beträgt die Dicke eines jeden Elektrodenfilms im allgemeinen nicht mehr als 15 µm, und vorzugsweise nicht mehr als 5 µm.
  • Der piezoelektrische/elektrostriktive Film 6, der für den vorliegenden Aktuator verwendet wird, kann aus jedem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material gebildet werden, das aufgrund des umgekehrten piezoelektrischen Effekts oder des elektrostriktiven Effekts mechanische Spannungen verursacht, wie nach dem Stand der Technik wohlbekannt. Das piezoelektrische oder elektrostriktive Material kann ein kristallines oder nichtkristallines Material, ein Halbleitermaterial oder ein dielektrisches oder ferroelektrisches Keramikmaterial sein. Weiters kann das piezoelektrische oder elektrostriktive Material entweder eine Behandlung zur anfänglichen Polarisierung oder Polung erfordern oder eine solche Polarisierungsbehandlung nicht erfordern.
  • Die Hauptkomponente der verwendeten piezoelektrischen/elektrostriktiven Zusammensetzung besteht vorzugsweise aus Bleizirkoniumtitanat (PZT), Bleimagnesiumniobat (PMN), Bleinickelniobat (PNN), Bleimanganniobat, Bleiantimonstannat, Bleititanat, Bariumtitanat, Bleiniobat, Bariumniobat oder einem Gemisch daraus. Weiters kann der piezoelektrischen oder elektrostriktiven Zusammensetzung, deren Hauptkomponente aus PZT besteht, ein Material (wie PLZT) zugegeben werden, das ein Oxid oder eine Verbindung von Lanthan (La), Barium (Ba) Niobium (Nb), Zink (Zn), Nickel (Ni) und/oder Mangan (Mn) enthält.
  • In Anbetracht der Konstruktion des piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuators gemäß vorliegender Erfindung beträgt die piezoelektrische Konstante d&sub3;&sub1; des für den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 6 verwendeten Materials wünschenswerterweise zumindest 50 · 10&supmin;¹² [C/N] und mehr erwünscht zumindest 100 · 10&supmin;¹² [C/N], um hervorragende Betriebseigenschaften des Aktuators zu gewährleisten. Weiters beträgt die Dicke des Films 6 vorzugsweise nicht mehr als 100 µm, mehr bevorzugt nicht mehr als 50 µm und am meisten bevorzugt nicht mehr als 30 µm, um die erforderliche Spannungshöhe, die durch die Filme 4,8 an den Film 6 anzulegen ist, zu verringern.
  • Die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen des piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuators gemäß vorliegender Erfindung sind zwar unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben worden, es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf die Details der dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuators, umfassend ein Keramiksubstrat (2) und zumindest eine piezoelektrische oder elektrostriktive Aktuatoreinheit, die auf zumindest einem Abschnitt zumindest einer Oberfläche des Substrats ausgebildet ist, wobei die oder jede Aktuatoreinheit einen ersten Elektrodenfilm (4), einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Film (6) und einen zweiten Elektrodenfilm (8) umfaßt, wobei die Filme (4, 6, 8) in der angeführten Reihenfolge auf das Substrat laminiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Aktuatoreinheit ohne Verwendung eines verbindenden Klebstoffs an das Keramiksubstrat (2) gebunden ist, dadurch, daß zumindest der piezoelektrische oder elektrostriktive Film (6) durch ein Dickfilm-Ausbildungsverfahren ausgebildet wird und dadurch, daß zumindest der erste Elektrodenfilm (4) und der piezoelektrische oder elektrostriktive Film (6) bei einer Temperatur im Bereich von 1.100 bis 1.400ºC hitzebehandelt werden, um sie mit dem Substrat (2) einstückig zu verbinden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Keramiksubstrat (2) einen Elastizitätsmodul im Bereich von 1,5 · 10&sup5; bis 4,5 · 10&sup5; MPa (1,5 · 10&sup6; bis 4,5 · 10&sup6; kp/cm²) aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin der gebildete Aktuator eine Dicke von 300 µm oder weniger aufweist und das Keramiksubstrat (2) eine Biegefestigkeit von zumindest 120 MPa (1.200 kp/cm²) aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Keramiksubstrat (2) eine Hauptkomponente aufweist, die aus zumindest einem Material besteht, das aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid, Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid ausgewählt ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das Keramiksubstrat (2) aus einer Keramikbahn bzw. -schicht besteht, die nicht mehr als 10% Siliziumoxid enthält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin eine Vielzahl der Aktuatoreinheiten (4, 6, 8) auf dem Keramiksubstrat (2) in einer Richtung senkrecht oder parallel zu einer Ebene des Substrats ausgebildet ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Keramiksubstrat (2) eine Dicke von nicht mehr als 100 µm aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin der oder jeder piezoelektrische oder elektrostriktive Film (6) eine Dicke von nicht mehr als 100 µm aufweist.
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