DE102015101817B4

DE102015101817B4 - Piezoelektrische vorrichtung, piezoaktor, festplattenlaufwerk und tintenstrahldruckerapparat

Info

Publication number: DE102015101817B4
Application number: DE102015101817.9A
Authority: DE
Inventors: c/o TDK Corporation Hirose Yuiko; c/o TDK Corporation Aida Yasuhiro
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2021-09-23
Anticipated expiration: 2035-02-10
Also published as: US9614463B2; US20150229238A1; CN104835906A; CN104835906B; JP2015154076A; DE102015101817A1; JP6398734B2

Abstract

Piezoelektrische Vorrichtung mit einem Piezoelement umfassend eine Piezoschicht und Elektrodenschichten, zwischen denen die Piezoschicht angeordnet ist, und mit einer Treiberschaltung, die ein elektrisches Treiberfeld mit Wechselstrom über die Elektrodenschichten an die Piezoschicht anlegt, wobei die Polarisierbarkeit γ der Piezoschicht beim Anlegen eines elektrischen Feldes bis zur Sättigungspolarisation kleiner als 1 × 10-9(C/(V·m) beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung ein Mittel, das den Minimalwert des elektrischen Treiberfeldes auf größer als das positive elektrische Koerzitivfeld der Piezoschicht einstellt, und ein Mittel, das den Maximalwert des elektrischen Treiberfeldes auf kleiner als (Pm' (Maximalwert der Polarisation) - Pr' (Quasi-Restpolarisation)) / (1 × 10-9) einstellt, aufweist, wobei die Polarisierbarkeit y = (Pm (Sättigungspolarisation) - Pr (Restpolarisation)) / Ed (Maximalwert des angelegten elektrischen Feldes) beträgt.

Description

Gebiet der Erfindungö
Die vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrische Vorrichtung, die ein Piezoelement mit einer Piezoschicht und eine Treiberschaltung aufweist, die ein elektrisches Treiberfeld zum Anlegen an die Piezoschicht steuert, und einen Piezoaktor, der die piezoelektrische Vorrichtung verwendet, sowie ein Festplattenlaufwerk und einen Tintenstrahldruckerapparat mit dem Piezoaktor.
Stand der Technik
In der letzten Zeit schreitet die praktische Anwendung des Piezoelements unter Verwendung von piezoelektrischen Dünnschichtmaterialien anstelle von piezoelektrischen Massivmaterialien fort. Beispiele dafür sind Kreiselsensor, Drucksensor, Pulswellensensor, Stoßsensor oder Mikrofon als piezoelektrische Sensoren anhand des piezoelektrischen Effekts, bei dem die auf die Piezoschicht wirkende Kraft in eine Spannung umgewandelt wird. Es gibt auch Festplattenlaufwerk-Kopfgleiter und Tintenstrahldruckkopf als Piezoaktor anhand des inversen piezoelektrischen Effekts, bei dem die Piezoschicht verformt wird, wenn ein elektrisches Feld an die Piezoschicht angelegt wird. Als weiteres sind noch Lautsprecher, Summer, Resonator usw. zu nennen, die ebenfalls den inversen piezoelektrischen Effekt nutzen.
Außerdem ermöglicht die Reduzierung der Dicke eines piezoelektrischen Materials die Verkleinerung der Elemente, so dass deren Anwendungsbereich erweitert und die Produktivität gestiegen wird, da eine große Anzahl des Elements auf einmal auf einem Substrat hergestellt werden kann. Ferner gibt es viele Vorteile in Bezug auf die Leistung wie beispielsweise die Erhöhung der Empfindlichkeit, wenn es sich um einen Sensor handelt.
Dokument aus Stand der Technik
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Japanische Veröffentlichte Ungeprüfte Patentanmeldung Nr. JP H05-114760 A
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabenstellung
Beim Anlegen eines elektrischen Feldes an einen piezoelektrischen Körper findet eine Polarisation am piezoelektrischen Körper statt, sodass eine Hysterese als Ablauf einer Veränderung der Polarisationsrichtung beobachtet wird. Beim piezoelektrischen Körper, bei dem die Veränderung der Polarisation gegenüber dem anzulegenden elektrischen Feld klein ist und sich eine Hysterese mit einem großen Rechteckigkeitsverhältnis zeigt, ereignet sich trotz der Wertänderung des anzulegenden elektrischen Feldes keine signifikante Änderung der piezoelektrischen Eigenschaften. Beim piezoelektrischen Körper hingegen, bei dem sich eine Hysterese mit einem geringen Rechteckigkeitsverhältnis zeigt, ergeben sich dahingehend Probleme, dass in Abhängigkeit von den Bedingungen des anzulegenden elektrischen Feldes keine ausreichenden piezoelektrischen Eigenschaften erhalten werden, oder dass durch einen dauerhaften Antrieb des Piezoelements die Wahrscheinlichkeit der Polarisationsverschlechterung oder der Verminderung der Belastbarkeit erhöht wird. Im Allgemeinen ist das Rechteckigkeitsverhältnis bei der verdünnten Piezoschicht im Vergleich zum piezoelektrischen Körper aus einem Massenmaterial kleiner. Diese Tendenz ist bei einer Piezoschicht, die kein Blei enthält, besonders ausgeprägt.
1 zeigt eine P-E (Polarisation - elektrisches Feld)-Hysterese für den Fall, in dem ein elektrisches Feld auf der Piezoschicht mit einer Hysterese mit relativ kleinem Rechteckigkeitsverhältnis an den positiven und den negativen Pol bis zur Sättigungspolarisation angelegt wird. Die elektrischen Felder, in denen die Polarisation 0 beträgt, sind jeweils das positive und negative elektrische Koerzitivfeld Ec+ und Ec-.
In Bezug auf die oben genannte Aufgabe zeigt die in der Patentliteratur 1 beschriebene Technik auf, dass die Abnahme des Ausmaßes der Polarisation bei einem dauerhaften Antrieb des Piezoaktors sowohl bei hohen Temperaturen als auch unter hohem Druck durch das Verfahren zu überwinden ist, beim Antrieb eines Piezoaktors ein immer positives elektrisches Feld an einen piezoelektrischen Körper anzulegen. Weil das Verfahren aber ein piezoelektrisches Massivmaterial als piezoelektrischen Körper voraussetzt, kann es bei der Anwendung des Verfahrens für eine dünne Piezoschicht leicht zur Zerstörung der Membran führen, auch wenn die Piezoschicht ein elektrisches Feld angelegt, bei dem keine Polarisationsverschlechterung stattfindet. Wenn übrigens ein elektrisches Feld angelegt wird, das kleiner als das elektrische Koerzitivfeld ist, kann das zwar zur Verringerung der Polarisationsverschlechterung beitragen, aber kein ausreichendes Ausmaß an Verschiebung erreichen.
Die vorliegende Erfindung entstand in Anbetracht der Aufgaben des oben genannten Standes der Technik und setzt ihr Ziel darin, aufgrund der dielektrischen Eigenschaften der verwendeten Piezoschicht, das an die Piezoschicht anzulegende, elektrische Treiberfeld durch die Treiberschaltung einer piezoelektrischen Vorrichtung zu steuern und dadurch eine gute Leistung in der piezoelektrischen Vorrichtung zu erzeugen.
Lösung der Aufgabe
Für die Realisierung des oben genannten Ziels handelt es sich um die erfindungsmäßige piezoelektrische Vorrichtung mit einem Piezoelement umfassend eine Piezoschicht und die Elektrodenschichten, zwischen denen die Piezoschicht angeordnet ist, und mit einer Treiberschaltung, die ein elektrisches Treiberfeld mit Wechselstrom über die Elektrodenschichten an die Piezoschicht anlegt, wobei die Polarisierbarkeit y der Piezoschicht beim Anlegen eines elektrischen Feldes bis zur Sättigungspolarisation bei kleiner als 1×10^-9(C/(V·m)) liegt, und die Treiberschaltung ein Mittel, das den Minimalwert des elektrischen Treiberfeldes auf größer als das positive elektrische Koerzitivfeld der Piezoschicht einstellt, und ein Mittel, das den Maximalwert des elektrischen Treiberfeldes auf kleiner als (Pm' (Maximalwert der Polarisation) - Pr' (Quasi-Restpolarisation)) / (1 × 10^-9) einstellt, aufweist. Hierbei beträgt Polarisierbarkeit: y = (Pm (Sättigungspolarisation) - Pr (Restpolarisation)) / Ed (Maximalwert des anzulegenden elektrischen Feldes), wobei die Einheit der Polarisation (C/m²) und die Einheit des elektrischen Feldes (V/m) betragen.
Wie oben beschrieben, ereignet sich bei einem piezoelektrischen Körper, dessen Polarisierbarkeit y bei Sättigung nahe 0 liegt, und bei dem eine Hysterese mit großem Rechteckigkeitsverhältnis gezeigt wird, keine signifikante Veränderung der erhaltenen piezoelektrischen Eigenschaften trotz der Wertänderung des anzulegenden elektrischen Feldes.
Bei der piezoelektrischen Vorrichtung wird das Ausmaß der Verschiebung des Piezoelements dadurch erweitert, dass der Minimalwert des an die Piezoschicht anzulegenden elektrischen Treiberfeldes auf größer als das positive elektrische Koerzitivfeld eingestellt wird, weil die Polarisationsrichtungen der die Piezoschicht konfigurierenden Kristallpartikel dadurch aufeinander abgestimmt werden. Des Weiteren kann ein größeres Ausmaß der Verschiebung dadurch erreicht werden, dass der Maximalwert des elektrischen Treiberfeldes auf kleiner als (Pm' (Maximalwert der Polarisation) - Pr' (Quasi-Restpolarisation)) / (1 × 10^-9) eingestellt wird, weil eine Verschiebung erzielt wird, die auf die Drehung der elektrischen Dipole in der Domäne der die Piezoschicht konfigurierenden Kristallpartikel zurückzuführen ist.
2 zeigt eine P-E-Hysterese der Piezoschicht, bei der sich die Hysterese mit einem relativ geringen Rechteckigkeitsverhältnis zeigt, beim Anlegen eines elektrischen Feldes, bei dem die Polarisation nicht zur Sättigung geführt wird. Der Maximalwert der Polarisation Pm' stellt hier das Ausmaß der Polarisation der Piezoschicht beim Anlegen des Maximalwertes Ed des anzulegenden elektrischen Feldes in der Piezoschicht dar, während die Quasi-Restpolarisation Pr' das Ausmaß der Polarisation aufzeigt, wobei die P-E-Hysterese beim Anlegen bis zum Maximalwert Ed des anzulegenden elektrischen Feldes die Achse des anzulegenden elektrischen Feldes = 0 schneidet. Des Weiteren wird der Maximalwert des elektrischen Treiberfeldes auf kleiner als der Wert eingestellt, bei dem das anzulegende elektrische Feld (Pm' - Pr') / (1 × 10^-9) beträgt, weil 1 × 10^-9 der Polarisierbarkeit y der Piezoschicht entspricht, und es zu einer Zerstörung der Piezoschicht durch das Elektrostriktionseffekt führen kann, wenn das elektrische Feld an eine Piezoschicht angelegt wird, deren (Pm' - Pr) / Ed größer als 1 × 10^-9 beträgt.
Die Piezoschicht der erfindungsmäßigen piezoelektrischen Vorrichtung weist auf der positiven und der negativen Seite des elektrischen Feldes jeweils ein elektrisches Koerzitivfeld auf. Die Treiberschaltung der piezoelektrischen Vorrichtung umfasst vorzugsweise ein Mittel, das in die Richtung mit einem kleinen Absolutwert des elektrischen Koerzitivfeldes ein positives elektrisches Feld, und in die Richtung mit einem großen Absolutwert des elektrischen Koerzitivfeldes ein negatives elektrisches Feld anlegt. Weil dadurch die piezoelektrischen Eigenschaften der Piezoschicht in einem größeren Bereich des elektrischen Feldes angetrieben werden können, kann das Ausmaß der Verschiebung der Piezoschicht noch erweitert werden.
Die Treiberschaltung der erfindungsmäßigen piezoelektrischen Vorrichtung umfasst vorzugsweise ein Mittel, das den Minimalwert des elektrischen Treiberfeldes auf mehr als fünffach vom positiven elektrischen Koerzitivfeld der Piezoschicht und den Maximalwert des elektrischen Treiberfeldes auf weniger als fünfzigfach vom positiven elektrischen Koerzitivfeld der Piezoschicht einstellt. Weil dadurch die Verschiebung, die auf die Drehung der elektrischen Dipole in der Domäne der die Piezoschicht konfigurierenden Kristallpartikel zurückzuführen ist, vergrößert wird, kann das Ausmaß der Verschiebung der Piezoschicht noch erweitert werden.
Die Piezoschicht der erfindungsmäßigen piezoelektrischen Vorrichtung besteht vorzugsweise aus Kaliumnatriumniobat. Die Wirkung des erhöhten Ausmaßes der Verschiebung durch die Einstellung des elektrischen Treiberfelds zeigt sich deutlich, weil bei Kaliumnatriumniobat das elektrische Koerzitivfeld kleiner als bei anderen Materialien ist, und die Domäne in der Kristallpartikel klein ist. Kaliumnatriumniobat kann auch Mn, Li, Ta, Ba, Sr, Zr als Zusatzstoffe enthalten.
Der erfindungsmäßige Piezoaktor weist die in der oben beschriebenen Konfiguration dargestellte piezoelektrische Vorrichtung auf. Als Piezoaktor sind in der konkreten Hinsicht die Kopfanordnung eines Festplattenlaufwerks, der Piezoaktor für einen Tintenstrahldruckkopf usw. zu nennen.
Das Festplattenlaufwerk und der Tintenstrahldruckapparat der vorliegenden Erfindung verwenden den oben beschriebenen Piezoaktor.
Wirkung der Erfindung
Durch die piezoelektrische Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann eine Erhöhung der Leistung des Piezoaktors erzielt werden, wodurch ein Festplattenlaufwerk und ein Tintenstrahldruckerapparat mit hoher Leistung bereitgestellt werden kann.
Figurenliste
Es zeigt:

[1] eine P-E-Hysterese im Sättigungszustand einer Piezoschicht nach der vorliegenden Ausführungsform,
[2] eine P-E-Hysterese bei dem Vorsättigungszustand einer Piezoschicht nach der vorliegenden Ausführungsform,
[3] einen Schaltplan für die Stromleitung einer piezoelektrischen Vorrichtung nach der vorliegenden Ausführungsform,
[4A] einen Aufbauplan für einen Piezoaktor nach der vorliegenden Ausführungsform,
[4B] einen Aufbauplan für einen Piezoaktor nach der vorliegenden Ausführungsform,
[5] einen Aufbauplan für ein Festplattenlaufwerk nach der vorliegenden Ausführungsform und
[6] einen Aufbauplan für einen Tintenstrahldruckerapparat nach der vorliegenden Ausführungsform.

Ausführungsformen der Erfindung
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen sind identische oder äquivalente Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Verhältnis der Position zwischen links und rechts sowie oben und unten ist übrigens so, wie es in den Zeichnungen gezeigt wird. Falls sich eine Erklärung wiederholt, wird sie abgekürzt.
(Das Piezoelement)
3 zeigt ein Beispiel für einen Schaltplan mit der Stromleitung einer piezoelektrischen Vorrichtung 1 nach der vorliegenden Ausführungsform. Die piezoelektrische Vorrichtung 1 weist ein Piezoelement 80, eine Treiberschaltung 20, die das elektrische Treiberfeld des Piezoelements 80 steuert, eine Stromüberwachungsschaltung 30, die den durch das Piezoelement 80 strömenden Stromwert überwacht, und ein Schaltmittel 40 auf. Das Piezoelement 80 weist eine erste Elektrodenschicht 81, eine auf der ersten Elektrodenschicht 81 ausgebildete Piezoschicht 82 und eine auf der Piezoschicht 82 ausgebildete zweite Elektrodenschicht 83 auf. Übrigens zeigt 3 das Piezoelement 80 auf den Kopf gestellt.
Die erste Elektrodenschicht 81 besteht beispielsweise aus Pt (Platin). Die erste Elektrodenschicht 81 weist beispielsweise eine Dicke von 0,02 µm bis 1,0 µm auf. Durch die Gestaltung der ersten Elektrodenschicht 81 aus Pt kann die Piezoschicht 82 mit hoher Ausrichtungsfähigkeit ausgebildet werden. Als erste Elektrodenschicht 81 können ebenfalls Metallmaterialien wie Pd (Palladium), Rh (Rhodium), Au (Gold), Ru (Ruthenium), Ir (Iridium), Mo (Molybdän), Ti (Titan) und Ta (Tantal) oder leitfähige Metalloxide wie SrRuO₃, LaNiO₃ usw. verwendet werden. Die erste Elektrodenschicht 81 kann durch Sputterverfahren, Vakuumverdampfungsverfahren, Druckverfahren, Schleuderbeschichtungsverfahren, Sol-Gel-Verfahren usw. ausgebildet werden.
Als Material für die Piezoschicht 82 kann die durch die allgemeine Formel ABO₃ darzustellende Perovskitverbindung genannt werden. Die Piezoschicht 82 besteht bevorzugt vor allem aus (K, Na) NbO₃ (Kaliumnatriumniobat). Die Piezoschicht 82 zeigt eine Hysterese mit relativ kleinem Rechteckigkeitsverhältnis, obwohl die Polarisierbarkeit y bei Sättigung bei kleiner als 1×10^-9 (C/(V·m)) liegt. Hierbei beträgt Polarisierbarkeit: y = ein (Pm (Sättigungspolarisation) - Pr (Restpolarisation)) / Ed (Maximalwert des angelegten elektrischen Feldes) (siehe 1).
Die Piezoschicht 82 kann durch Sputterverfahren, Vakuumverdampfungsverfahren, Druckverfahren, Schleuderbeschichtungsverfahren, Sol-Gel-Verfahren usw. ausgebildet werden. Die Dicke soll beispielsweise ca. von 1 µm bis 5 µm betragen.
Die zweite Elektrodenschicht 83 besteht beispielsweise aus Pt. Die zweite Elektrodenschicht 83 weist beispielsweise eine Dicke von 0,02 µm bis 1,0 µm auf. Als zweite Elektrodenschicht 83 können die Metallmaterialien Pd, Rh, Au, Ru, Ir, Mo, Ti, Ta usw. oder auch leitfähige Metalloxide wie SrRuO₃, LaNiO₃ usw. verwendet werden. Die zweite Elektrodenschicht 83 kann durch Sputterverfahren, Vakuumverdampfungsverfahren, Druckverfahren, Schleuderbeschichtungsverfahren, Sol-Gel-Verfahren usw. ausgebildet werden.
Das Piezoelement 80 kann auch mit einem Schutzfilm überzogen werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit erhöht werden.
Beim Piezoelement 80 kann zwischen einer von der ersten Elektrodenschicht 81 und der zweiten Elektrodenschicht 83 bzw. beiden und der Piezoschicht 82 eine Mittelschicht vorgesehen werden.
Als diese Mittelschicht wird ein leitfähiges Oxid verwendet. Bevorzugt sind vor allem SrRuO₃, SrTiO₃, LaNiO₃, CaRuO₃, BaRuO₃, (La_xSr₁-_x) CoO₃, YBa₂Cu₃O₇, La₄BaCu₅O₁₃, usw. die eine hohe Leitfähigkeit und Hitzebeständigkeit aufweisen.
Der oben beschriebene Laminatkörper mit dem Piezoelement 80 wird auf einem bestimmten Substrat ausgebildet. Das Piezoelement 80 braucht aber dieses Substrat nicht unbedingt aufzuweisen. Nach dem Laminieren der ersten Elektrodenschicht 81, der Piezoschicht 82 und der zweiten Elektrodenschicht 83 auf dem Substrat sowie nach der Musterung des Piezoelements 80 durch Photolithographie kann das Substrat durch Trockenätzen oder dergleichen entfernt werden. Im Fall des Piezoelements 80 mit einem Substrat kann das Substrat nach der Musterung abgeschnitten werden.
Die Größe des Piezoelements 80 in die senkrechte Richtung zur Laminierrichtung ist nicht unbedingt vorgegeben, kann aber beispielsweise ungefähr 1,0 mm × 0,3 mm betragen.
Die Treiberschaltung 20 hat die Funktion, ein bestimmtes elektrisches Feld an das Piezoelement 80 anzulegen. Zum Beispiel dadurch, dass die Treiberschaltung 20 eine Ladungspumpe umfasst und wie in 3 dargestellt an eine externe Stromquelle 51 angeschlossen wird, kann die von der externen Stromquelle 51 ausgegebene Spannung verstärkt und ein bestimmtes elektrisches Feld an das Piezoelement 80 ausgegeben werden.
Wie in 3 dargestellt kann die piezoelektrische Vorrichtung 1 neben der Treiberschaltung 20 auch eine Stromüberwachungsschaltung 30 aufweisen. Die Stromüberwachungsschaltung 30 legt das elektrische Feld an das Piezoelement 80 an und weist die Funktionen auf, die Polarisation P zu überwachen und einen bestimmten Wert des elektrischen Feldes als Signal an die Treiberschaltung 20 auszugeben.
In der piezoelektrischen Vorrichtung 1 kann auch ein Schaltmittel 40 vorgesehen sein. Das Schaltmittel 40 hat die Funktion, zwischen den Anschlüssen der Treiberschaltung 20 und der Stromüberwachungsschaltung 30 elektrisch umzuschalten. Normalerweise werden das Schaltmittel 40 und dadurch auch das Piezoelement 80 bei der Inbetriebnahme der piezoelektrischen Vorrichtung 1 mit einer Stromüberwachungsschaltung 30 angeschlossen. Nachdem dann die von der Stromüberwachungsschaltung 30 erhaltenen, unten erläuterten Signale EuI und EuII an die Treiberschaltung 20 zurückgeführt werden, findet eine Aktion der Umschaltung statt. Es ist aber auch möglich, nach einer bestimmten Zeitdauer das Schaltmittel 40 umzuschalten und dann die unten erläuterte Aktion der Stromüberwachung durchzuführen.
Die Steuerung der Aktion der Treiberschaltung 20, der Stromüberwachungsschaltung 30 und des Schaltmittels 40 kann auch zusammen in einer integrierten Schaltung durchgeführt werden. Bei der Verwendung einer Mehrzahl von piezoelektrischen Vorrichtungen in einem piezoelektrischen System können die Treiberschaltung 20, die Stromüberwachungsschaltung 30 und das Schaltmittel 40 der einzelnen piezoelektrischen Vorrichtungen 1 in einer integrierten Schaltung zusammengelegt werden.
(Das Einstellungsverfahren des elektrischen Treiberfeldes)
Die Treiberschaltung 20 der erfindungsmäßigen piezoelektrischen Vorrichtung 1 weist das Mittel, das den Minimalwert Emin des elektrischen Treiberfeldes auf größer als das positive elektrische Koerzitivfeld Ec+ der Piezoschicht 82 einstellt, und das Mittel, das den Maximalwert Emax des elektrischen Treiberfeldes auf kleiner als (Pm' (Maximalwert der Polarisation) - Pr' (Quasi-Restpolarisation)) / 1 × 10^-9 (C/ (V·m)) einstellt, auf.
Hier zeigt sich 1 × 10^-9 (C/ (V·m)) als numerischer Wert, der der Polarisierbarkeit y entspricht. Das betrifft aber den Fall, in dem die Einheit der Polarisation (C/m²) und die Einheit des elektrischen Feldes (V/m) genannt werden. In der nachfolgenden Beschreibung hingegen werden (µC/cm²) als Einheit der Polarisation und (kV/mm) als Einheit des elektrischen Feldes verwendet, sodass der kritische Wert der Polarisierbarkeit y 0,1 beträgt.
Zuerst wird die Stromüberwachungsschaltung 30 und das Piezoelement 80 durch das Schaltmittel 40 aneinander angeschlossen, um das elektrische Feld an das Piezoelement 80 anzulegen und das Ausmaß der Polarisation zu messen. Dabei wird das anzulegende elektrische Feld von der externen Stromquelle 52 erhalten. Das an das Piezoelement 80 anzulegende elektrische Feld wird von 0 kV/mm bis zum elektrischen Feld (Maximalwert Ed vom angelegten elektrischen Feld in 1), in dem die Piezoschicht 82 gesättigt wird, erhöht. Nachdem der Wert auf 0 kV / mm zurückgeführt wurde, wird es bis -Ed angelegt, und dann wieder zu Ed zurückgeführt, sodass hier eine Operation des Pendelns stattfindet. Durch diese Operation wird das positive elektrische Koerzitivfeld Ec+ erhalten, und aufgrund dieser Information wird der Minimalwert EII des anzulegenden elektrischen Feldes bewertet, um das elektrische Feld an den Treiberschalter 20 auszugeben.
Als nächstes wird die oben beschriebene Operation des Pendelns durchgeführt, indem der Maximalwert Ed des anzulegenden elektrischen Feldes von der Stromüberwachungsschaltung 30 zum Piezoelement 80 hin schrittweise um 0,1 kV / mm erhöht wird, wobei bei jedem Schritt die Polarisierbarkeit y aus Pm' (Maximalwert der Polarisation) - Pr' (Quasi-Restpolarisation) und aus dem maximalen Wert Ed des anzulegenden elektrischen Feldes bewertet wird (siehe 2). Dann wird das Maximum des anzulegenden elektrischen Feldes bewertet, bei dem die Polarisierbarkeit y 0,1 nicht überschritten wird, um dieses als Maximalwert EuI zu definieren und das elektrische Feld dann an den Treiberschalter 20 auszugeben.
Als nächstes werden der Treiberschalter 20 und das Piezoelement 80 aneinander angeschlossen, indem das Schaltmittel 40 von der Stromüberwachungsschaltung 30 auf den Treiberschalter 20 umgeschaltet wird. Innerhalb des eingegebenen Bereiches von EII bis EuI und in Abhängigkeit von den Signalen aus dem die piezoelektrische Vorrichtung 1 integrierenden piezoelektrischen System oder in Abhängigkeit von der notwendigen Eigenschaft des piezoelektrischen Systems sowie aufgrund der vom Treiberschalter 20 eingestellten Bedingungen reguliert der Treiberschalter 20 Emin und Emax, um den Bereich des elektrischen Treiberfeldes zum Piezoelement 80 festzulegen.
Innerhalb des Bereichs zwischen Emin und Emax wird dann das Piezoelement 80 unter Verwendung der externen Stromquelle 51 angetrieben.
Von den positiven und negativen elektrischen Koerzitivfeldern Ec+ und Ecgelten dabei vorzugsweise die Richtung des elektrischen Feldes mit einem kleinen Absolutwert als positiv, das elektrische Feld P = O in der positiven Richtung als Ec+ und das elektrische Feld P = O in der negativen Richtung als Ec-. Zum Antrieb des Piezoelements 80 wird vorzugsweise das positive elektrische Koerzitivfeld Ec+ als unterer Grenzwert EII des elektrischen Treiberfeldes und das elektrische Feld bei γ = 0,1 als oberer Grenzwert EuI des elektrischen Treiberfeldes definiert. Dadurch kann die Verschiebung des Piezoelements 80 der piezoelektrischen Vorrichtung 1 noch erweitert werden.
Noch mehr vorzuziehen ist, beim Antrieb des Piezoelements 80 den Minimalwert Emin des elektrischen Treiberfeldes mehr als fünffach vom positiven elektrischen Koerzitivfeld Ec+ der Piezoschicht 82 und den Maximalwert Emax des elektrischen Treiberfeldes weniger als fünfzigfach vom positiven elektrischen Koerzitivfeld Ec+ der Piezoschicht 82 zu definieren. Dadurch kann die Verschiebung des Piezoelements 80 der piezoelektrischen Vorrichtung 1 noch erweitert werden.
(Das Messungsverfahren der piezoelektrischen Konstante)
Die piezoelektrische Konstante des Piezoelements 80, die die piezoelektrische Vorrichtung 1 konfiguriert, wird durch das folgende Verfahren gemessen.
An die erste Elektrodenschicht 81 und die zweite Elektrodenschicht 83 wurde das von der Stromquelle 51 auf 1 kHz eingestellte elektrische Feld angelegt. Die Verschiebung des Piezoelements 80 wurde mit Hilfe eines Laserverschiebungsmessgerätes (hergestellt von der Firma Ono Sokki) gemessen. Die piezoelektrische Konstante (-d31) wurde dann durch die folgende Formel (1) berechnet: $d_{31} ≅ - \frac{h_{s}^{2}}{3 L^{2}} \frac{s_{11, p}}{s_{11, s}} \frac{δ}{V}$
Hierbei bedeutet h_s: Dicke des Substrats, S_11, _p: Elastizitätsmodul der Piezoschicht, S_{11, s}: Elastizitätsmodul des Substrats, L: Länge des Antriebsteils der Piezoschicht, δ: Ausmaß der Verschiebung, V: angelegte Spannung.
(Der Piezoaktor)
4A zeigt einen Aufbauplan für eine in einem (im folgenden auch als HDD bezeichneten) Festplattenlaufwerk montierte Kopfanordnung als Beispiel eines Piezoaktors unter Verwendung der piezoelektrischen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung. Wie diese Figur darstellt, umfasst die Kopfanordnung 200 eine Grundplatte 9, einen Lastträger 11, eine Biegung 17, eine piezoelektrische Vorrichtung 13 (1), die das erste und zweite Piezoelement 13a (80) als Antriebselemente sowie eine Elementschaltung 13b aufweist, und einen Schieber 19 mit einem Kopfelement19a als Hauptkomponente.
Die Elementschaltung 13b weist eine integrierte Schaltung auf, die eine Treiberschaltung, eine Stromüberwachungsschaltung und ein Schaltmittel umfasst. Weiterhin ist es auch möglich, mehrere Elementschaltungen zum Steuern einer Mehrzahl von Piezoelementen in einer einzigen integrierten Schaltung zusammenzulegen. Die Elementschaltung 13b ist zwar auf dem flexiblen Substrat zur Verdrahtung 15 angeordnet, das einen Teil der Biegung 17 bildet. Die Funktion der integrierten Schaltung kann aber auch allein an die Steuereinrichtung des Schwingspulenmotors auf dem HDD-Substrat hinzugefügt werden.
Der Lastträger 11 umfasst ein proximales Ende 11b, das beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißen auf der Grundplatte 9 befestigt ist, den ersten und zweiten Blattfederteil 11c und 11d, die sich vom proximalen Ende 11b her verjüngt erstrecken, die Öffnung 11e, die zwischen dem ersten und zweiten Blattfederteil 11c und 11d ausgebildet ist, und den Auslegerhauptabschnitt 11f, der sich vom ersten und zweiten Blattfederteil 11c und 11d kontinuierlich linear und verjüngt erstreckt.
Das erste und zweite Piezoelement 13a sind jeweils auf dem flexiblen Substrat zur Verdrahtung 15, das einen Teil der Biegung 17 bildet, mit einem vorgegebenen Abstand angeordnet. Der Schieber 19 ist an der Spitze der Biegung 17 befestigt und wird in Übereinstimmung mit der Ausdehnung des ersten und zweiten Piezoelements 13a in eine Drehbewegung gesetzt.
Das erste und zweite Piezoelement 13a bestehen aus der ersten und zweiten Elektrodenschicht sowie aus der Piezoschicht, die zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist. Bei dem Piezoaktor der vorliegenden Erfindung kann eine hohe Zuverlässigkeit und ein ausreichendes Ausmaß der Verschiebung erreicht werden, weil das anzulegende elektrische Feld, das die optimalen piezoelektrischen Eigenschaften der einzelnen Piezoelemente erzielen kann, vor der Einstellung des elektrischen Treiberfeldes in der piezoelektrischen Vorrichtung überprüft wird.
4B ist ein Aufbauplan für den Piezoaktor eines Tintenstrahldruckerkopfs als anderes Beispiel als der Piezoaktor mit der oben beschriebenen piezoelektrischen Vorrichtung und zeigt ein Anwendungsbeispiel für das Piezoelement 80 in der piezoelektrischen Vorrichtung 1.
Der Piezoaktor 300 wird dadurch konfiguriert, dass ein Isolierfilm 23, eine untere Elektrodenschicht 24, eine Piezoschicht 25 und eine obere Elektrodenschicht 26 auf einem Substrat 22 aufeinander laminiert werden.
Die Piezoschicht 25 wird nicht verformt, wenn kein vorgegebenes Entladungssignal zugeführt wird, und das elektrische Feld zwischen der unteren Elektrodenschicht 24 und der oberen Elektrodenschicht 26 nicht angelegt wird. In der Druckkammer 21 mit dem Piezoelement, dem kein Entladungssignal zugeführt wird, entsteht keine Druckänderung, sodass kein Tintentropfen aus seiner Düse 27 ausgestoßen wird.
Die Piezoschicht 25 wird hingegen verformt, wenn ein vorgegebenes Entladungssignal zugeführt wird und ein bestimmtes elektrisches Feld zwischen der unteren Elektrodenschicht 24 und der oberen Elektrodenschicht 26 angelegt wird. In der Druckkammer 21 mit dem Piezoelement, zu dem ein Entladungssignal zugeführt wird, wird sein Isolierfilm 23 stark verbogen. Dadurch steigt der Druck in der Druckkammer 21 augenblicklich, sodass Tintentropfen aus der Düse 27 ausgestoßen werden.
Als piezoelektrische Vorrichtung des erfindungsmäßigen Piezoaktors wird hier eine piezoelektrische Vorrichtung verwendet, die das elektrische Feld einstellt und anlegt, das die optimalen piezoelektrischen Eigenschaften der einzelnen Piezoelemente erzielen kann, um eine hohe Zuverlässigkeit und ein ausreichendes Ausmaß der Verschiebung zu erreichen.
(Das Festplattenlaufwerk)
5 zeigt einen Aufbauplan eines Festplattenlaufwerks, das mit der in 4A gezeigten Kopfanordnung ausgestattet ist.
Das Festplattenlaufwerk 700 weist im Gehäuse 60 eine Festplatte 61 als ein Aufzeichnungsmedium und eine Kopfstapelanordnung 62 auf, die in diesem Magnetinformationen speichert und wiedergibt. Die Festplatte 61 wird durch einen nicht dargestellten Motor gedreht.
Die Kopfstapelanordnung 62 besteht aus mehreren, in die Tiefenrichtung der Figur hin laminierten Zusammenstellungen, die durch einen Aktorarm 64, der drehbar um eine Welle durch einen Schwingspulenmotor 63 unterstützt ist, und durch eine Kopfanordnung 65, die an dem Aktorarm 64 verbunden ist, konfiguriert sind. An der Spitze der Kopfanordnung 65 wird der Kopfverschiebeteil 19 der Festplatte 61 zugewandt montiert (siehe 4A).
Die Kopfanordnung 65 (200) ist so geformt, dass das Kopfelement 19a (siehe 4A) in zwei Stufen bewegt wird. Eine relativ große Bewegung des Kopfelements 19a wird durch den Gesamtantrieb der Kopfanordnung 65 und des Aktorarms 64 mittels des Schwingspulenmotors 63 gesteuert, während eine relativ kleine Bewegung durch den Antrieb des Kopfschiebers 19 an der Spitze der Kopfanordnung 65 gesteuert wird.
Dadurch, dass bei der für die Kopfanordnung 65 verwendeten piezoelektrischen Vorrichtung die piezoelektrische Vorrichtung eingesetzt wird, die das elektrische Feld einstellt und anlegt, das die optimalen piezoelektrischen Eigenschaften der einzelnen Piezoelemente erzielen kann, können eine hohe Zuverlässigkeit und eine ausreichende Zugänglichkeit erreicht werden.
(Der Tintenstrahldruckerapparat)
6 zeigt einen Aufbauplan eines in 4B dargestellten, mit einem Tintenstrahldruckkopf ausgestatteten Tintenstrahldruckerapparats.
Der Tintenstrahldruckerapparat 800 ist hauptsächlich mit einem Tintenstrahldruckkopf 70, einem Körper 71, einem Tablett 72 und einem Kopfantriebsmechanismus 73 konfiguriert. Der Piezoaktor 300 ist am Tintenstrahldruckkopf 70 vorgesehen.
Der Tintenstrahldruckerapparat 800 weist eine Tintenpatrone mit den vier Farben Gelb, Magenta, Cyan und Schwarz auf und ist dadurch so konfiguriert, dass ein Vollfarbdruck möglich ist. Der Tintenstrahldruckerapparat 800 weist übrigens eine eigene Regler-Platte oder dergleichen in seinem Inneren auf, um das Timing des Tintenausstoßes am Tintenstrahldruckkopf 70 und das Scannen des Kopfantriebsmechanismus 73 zu steuern. Des Weiteren weist der Körper 71 das Tablett 72 auf der Rückseite auf, in dessen Inneren ein automatischer Einzelblatteinzug (automatischer kontinuierlicher Papiervorschubmechanismus) 76 vorhanden ist, um das Aufzeichnungspapier 75 automatisch zuzuführen und das Aufzeichnungspapier 75 von der vorderen Abgabeöffnung 74 zu entladen.
Dadurch, dass bei der für den Piezoaktor des Tintenstrahldruckkopfs 70 verwendeten piezoelektrischen Vorrichtung das elektrische Feld eingestellt und angelegt wird, das die optimalen piezoelektrischen Eigenschaften der einzelnen Piezoelemente erzielen kann, kann ein Tintenstrahldruckerapparat mit einer hohen Zuverlässigkeit und Sicherheit bereitgestellt werden.
Ausführungsbeispiele
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Vergleichsbeispielen konkreter erläutert, obgleich die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt werden soll.
(Ausführungsbeispiel 1)
Zunächst wurde die erste Elektrodenschicht 81, welche als Basisfilm der Piezoschicht 82 diente, auf einem 3 inches großen Substrat aus Einkristall Si durch einen Prozess des Kristallwachstums geschaffen. Diese erste Elektrodenschicht 81 war ein Pt-Film, deren Filmdicke 0,2 µm betrug. Das betreffende Erzeugungsverfahren war das Sputterverfahren, bei dem die Abscheidung beim Erhitzen des Substrats auf 500 °C durchgeführt wurde.
Anschließend wurde unter Verwendung des Sputter-Targets aus der Zusammensetzung von (K_0,5Na_0,5) NbO₃ (Kaliumnatriumniobat) eine Piezoschicht 82 auf der ersten Elektrodenschicht 81 abgeschieden. Beim Erzeugungsverfahren handelte es sich um das Sputterverfahren, bei dem die Abscheidung unter der Bedingung der Erhitzung des Substrats auf 750 °C wie bei der ersten Elektrodenschicht 81 durchgeführt wurde. Die Filmdicke betrug dabei 2,0 µm (KNN1).
Nachfolgend wurde Pt als zweite Elektrodenschicht 83 auf der Piezoschicht 82 abgeschieden. Wie bei der ersten Elektrodenschicht 81 handelte es sich beim Erzeugungsverfahren um das Sputterverfahren, wobei die Temperatur des Substrats aber auf 200 °C eingestellt wurde. Die Filmdicke betrug dabei 0,2 µm.
Dann wurde die Laminierstruktur auf dem Substrat durch die Fotolithografie gemustert. Das Substrat wurde dann durch das RIE-Trockenätzen entfernt, wodurch ein Piezoelement 80 mit einem 0,3 mm × 1,0 mm großen mobilen Teil hergestellt wurde.
Als nächstes wurde eine piezoelektrische Vorrichtung 1 mit einem Piezoelement 80 und mit dem Schaltungsaufbau wie in 3 konfiguriert. Als IC umfassend eine Treiberschaltung 20, eine Stromüberwachungsschaltung 30 und ein Schaltmittel 40 wurde eine ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) zur Miniaturisierung und zum Energiesparren verwendet.
Zunächst wurde an das Piezoelement 80 ein elektrisches Feld angelegt, bei dem die Piezoschicht 82 gesättigt wurde, wodurch jeweils 0,44 und 1,02 kV / mm als positives und negatives elektrisches Koerzitivfeld Ec- und Ec+ erhalten wurden. Folglich betrug die untere Grenze EII des anzulegenden elektrischen Feldes in diesem Zustand etwa 1 kV / mm. In diesem Fall betrug die Polarisierbarkeit y = 0,086.
Als nächstes wurde der Maximalwert Ed des anzulegenden elektrischen Feldes von der Stromüberwachungsschaltung 30 zum Piezoelement 80 hin schrittweise um 0,1 kV / mm erhöht, wobei bei jedem Schritt die Polarisierbarkeit y aus Pm' (Maximalwert der Polarisation) - Pr' (Quasi-Restpolarisation) und aus dem maximalen Wert Ed des anzulegenden elektrischen Feldes bewertet wurde (siehe 2). Als der Maximalwert Ed des maximalen, anzulegenden elektrischen Feldes, bei dem die Polarisierbarkeit y bei nicht weniger als 0,1 liegt, wurde nämlich 64 kV / mm als der obere Grenzwert EuI des anzulegenden elektrischen Feldes erhalten.
Der dadurch erhaltene untere Grenzewert EII und der obere Grenzewert EuI des anzulegenden elektrischen Feldes wurden als Signale von der Stromüberwachungsschaltung 30 an die Treiberschaltung 20 eingegeben. Das Schaltmittel 40 wurde dann von der Stromüberwachungsschaltung 30 an die Treiberschaltung 20 umgeschaltet. Nachdem dann unter der Annahme der Einschränkungen des piezoelektrischen Systems etc. Emin auf 5 kV/mm und Emax auf 52 kV/mm eingestellt wurden, wurde das Piezoelement 80 durch eine Sinuswelle im Bereich zwischen Emin und Emax angetrieben.
Die piezoelektrischen Eigenschaften des Piezoelements 80 wurde übrigens wie oben beschrieben mittels eines Laserverschiebungsmessgeräts (hergestellt von der Firma Ono Sokki) bewertet. Eine Sinuswelle mit Frequenz 1 kHz wurde durch Emin und Emax der obigen Bedingungen angelegt. Bei der Messung der Verschiebung wurde die piezoelektrische Konstante -d31 bewertet. Die piezoelektrische Konstante -d31 des Piezoelements 80 nach Ausführungsbeispiel 1 betrug 37 pm/V.
(Vergleichsbeispiele 1-1, 1-2 und 1-3)
Die Konfiguration und der Herstellungsprozess des Piezoelements der piezoelektrischen Vorrichtung in den Vergleichsbeispielen 1-1, 1-2 und 1-3 wurden genauso wie in Ausführungsbeispiel 1 durchgeführt. Der Unterschied lag jedoch in der Einstellung in der Treiberschaltung, in der EII und EuI, die von der Stromüberwachungsschaltung erhaltenen wurden, Emin und Emax definieren.
Was das jeweilige elektrische Treiberfeld betraf, so galt in Vergleichsbeispiel 1-1 die Bedingung, dass der Minimalwert Emin des elektrischen Treiberfeldes bei kleiner als 0 kV/mm (und natürlich auch bei kleiner als das elektrische Koerzitivfeld des piezoelektrischen Körpers Ec+) lag. In Vergleichsbeispiel 1-2 galt die Bedingung, dass der Minimalwert Emin des elektrischen Treiberfeldes bei größer als 0 kV/mm und bei kleiner als das elektrische Koerzitivfeld des piezoelektrischen Körpers Ec+ lag. In Vergleichsbeispiel 1-3 galt die Bedingung, dass der Maximalwert Emax des elektrischen Treiberfeldes bei größer als der obere Grenzwert EuI lag, bei dem die Polarisierbarkeit y = 0,1 betrug. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 bewertet.
(Ausführungsbeispiel 2)
Unter Verwendung des Piezoelements 80 mit der gleichen Eigenschaft wie in Ausführungsbeispiel 1 wurde die piezoelektrische Vorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels 2 konfiguriert. Dabei wurde die Größe der beiden elektrischen Koerzitivfelder überprüft, die bei der Messung der P-E-Hysterese durch die Stromüberwachungsschaltung 30 in der piezoelektrischen Vorrichtung 1 erhalten wurden. Im Gegensatz zu Ausführungsbeispiel 1 galt das eine von den beiden elektrischen Koerzitivfeldern mit einem kleinen Absolutwert als Ec+ definiert, wobei die Anlegungsrichtung von Ec+ als positive Richtung des elektrischen Feldes eingestellt wurde. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 berechnet.
(Ausführungsbeispiel 3)
In der gleichen piezoelektrischen Vorrichtung 1 wie in Ausführungsbeispiel 2 wurden Emin und Emax aufgrund des von der Stromüberwachungsschaltung 30 erhaltenen oberen und unteren Grenzwertes EII und EuI jeweils auf größer als fünffach von Ec+ und auf kleiner als fünfzigfach von Ec+ reduziert eingestellt. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 berechnet.
(Ausführungsbeispiel 4)
Außer, dass die Abscheidungstemperatur der Piezoschicht 82 auf 800 °C eingestellt wurde, wurde die piezoelektrische Vorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels 4 wie die des Ausführungsbeispiels 1 konfiguriert. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 berechnet. Ec-, Ec+, γ und EuI der Piezoschicht 82 (KNN2) betrugen jeweils 0,67kV/mm, 1,26kV/mm, 0,085 und 65kV/mm.
(Ausführungsbeispiel 5)
Unter Verwendung des gleichen Piezoelements 80 wie in Ausführungsbeispiel 4 wurde die piezoelektrische Vorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels 5 konfiguriert. Die Stromüberwachungsschaltung 30 in der piezoelektrischen Vorrichtung 1 wurde in diesem Fall in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 2 eingestellt. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 bewertet.
(Ausführungsbeispiel 6)
Unter Verwendung des gleichen Piezoelements 80 wie in Ausführungsbeispiel 4 wurde die piezoelektrische Vorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels 6 konfiguriert. Die Treiberschaltung 20 in der piezoelektrischen Vorrichtung 1 wurde in diesem Fall in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 3 eingestellt. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 bewertet.
(Vergleichsbeispiel 2)
Unter Verwendung des gleichen Piezoelements 80 aus Ausführungsbeispiel 4 wurde die piezoelektrische Vorrichtung 1 des Vergleichsbeispiels 2 konfiguriert. Die Stromüberwachungsschaltung 30 in der piezoelektrischen Vorrichtung 1 wurde in diesem Fall in der gleichen Weise wie in Vergleichsbeispiel 1-3 eingestellt. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 berechnet.
(Ausführungsbeispiel 7)
Außer, dass das Material der Piezoschicht 82 aus (Bi_0,5 Na_0,5) TiO₃ bestand, wurde die piezoelektrische Vorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels 7 in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 konfiguriert. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 berechnet. Ec-, Ec+, γ und EuI der Piezoschicht 82 (BNT) betrug dabei jeweils 0, 25 kV/mm, 0,53 kV/mm, 0,081 und 60 kV/mm.
(Ausführungsbeispiel 8)
Unter Verwendung des gleichen Piezoelements 80 wie in Ausführungsbeispiel 7 wurde die piezoelektrische Vorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels 8 konfiguriert. Die Stromüberwachungsschaltung 30 in der piezoelektrischen Vorrichtung 1 wurde in diesem Fall in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 2 eingestellt. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 berechnet.
(Ausführungsbeispiel 9)
Unter Verwendung des gleichen Piezoelements 80 wie in Ausführungsbeispiel 7 wurde die piezoelektrische Vorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels 9 konfiguriert. Die Treiberschaltung 20 in der piezoelektrischen Vorrichtung 1 wurde in diesem Fall in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 3 eingestellt. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 berechnet.
(Vergleichsbeispiel 3)
Unter Verwendung des gleichen Piezoelements 80 wie in Ausführungsbeispiel 7 wurde die piezoelektrische Vorrichtung 1 des Vergleichsbeispiels 3 konfiguriert. Die Treiberschaltung 20 in der piezoelektrischen Vorrichtung 1 wurde in diesem Fall in der gleichen Weise wie in Vergleichsbeispiel 1-3 eingestellt. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 berechnet.
(Ausführungsbeispiele 10 bis 17)
Das Material (K₀,₅Na₀,₅) NbO₃ für die Piezoschicht 82 wurde unter einer Temperatur 700° C abgeschieden, um die Filmdicke zu verändern. Die Filmdicke der Piezoschicht 82 (KNN3) betrug dabei jeweils 1,0 µm, 1,4 µm, 1,6 µm, 2,1 µm, 2,5 µm, 2,9 µm, 3,1 µm und 3,5 µm. Die Elemente außer der Piezoschicht 82 konfigurierten die piezoelektrische Vorrichtung 1 der Ausführungsbeispiele 10 bis 17 wie in Ausführungsbeispiel 3. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 berechnet. Ec-, Ec+, y und EuI der Piezoschicht 82 betrugen dabei jeweils ca. 0,8 kV/mm, 0,4 kV/mm, 0,088 und 100 kV/mm.
Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Messung von Pm', Pr', (Pm'- Pr')/0,1, Ec-, Ec+, 5Ec+ und 50Ec+ des Piezoelements, das in den Vergleichsbeispielen 1-1 bis 1-3, 2 und 3 sowie in den Ausführungsbeispielen 1 bis 17 verwendet wurde, der Filmdicke t der Piezoschicht, der von der Stromüberwachungsschaltung des Piezolements erhaltenen EII und EuI, der von der Treiberschaltung erhaltenen Emin und Emax sowie der piezoelektrischen Konstante -d31.
Die piezoelektrische Vorrichtung 1 der Ausführungsbeispiele 1 bis 17, bei der das elektrische Treiberfeld durch die Treiberschaltung 20 auf einen vorgegebenen Wert gesteuert wurde, erhielt eine höhere piezoelektrische Konstante als bei der piezoelektrischen Vorrichtung in den Vergleichsbeispielen 1-1 bis 1-3, 2 und 3 ohne diese Bedingung. Dadurch wurde bestätigt, dass die piezoelektrische Vorrichtung 1 der vorliegenden Erfindung in dem Bereich angetrieben wird, in dem die Verschiebung in Bezug auf das elektrische Feld effizienter erzielt werden kann.
Die piezoelektrische Vorrichtung 1 der Ausführungsbeispiele 2, 3, 5, 6, 8, 9 bis 17, die ein Mittel aufweist, das das positive elektrische Feld in die Richtung mit einem kleinen Absolutwert des elektrischen Koerzitivfeldes und das negative elektrische Feld in die Richtung mit einem großen Absolutwert des elektrischen Koerzitivfeldes anlegt, erhielt eine höhere piezoelektrische Konstante als bei der piezoelektrischen Vorrichtung 1 der Ausführungsbeispiele 1, 4 und 7. Dadurch wurde bestätigt, dass diese piezoelektrischen Vorrichtungen in dem Bereich des elektrischen Feldes angetrieben werden, in dem das Ausmaß der Verschiebung des Piezoelements noch größer ist, weil noch größere Verschiebungen vermutlich aufgrund der Drehung des elektrischen Dipols in der Domäne der Kristallpartikel erhalten werden.
Die piezoelektrischen Vorrichtungen 1 in den Ausführungsbeispielen 3, 6, 9 bis 17, die den Minimalwert Emin des elektrischen Treiberfeldes auf mehr als fünffach von Ec+ und den Maximalwert Emax des elektrischen Treiberfeldes auf weniger als fünfzigfach von Ec+ einstellte, erzielten eine noch höhere piezoelektrische Konstante. Dadurch wurde bestätigt, dass die piezoelektrischen Vorrichtungen durch die Verschiebung aufgrund der Drehung des elektrischen Dipols in der Domäne der Kristallpartikel in dem Bereich des elektrischen Feldes angetrieben werden, in dem das Ausmaß der Verschiebung des Piezoelements noch größer ist.
In den Ausführungsbeispielen 10 bis 17 war die Tendenz ersichtlich, dass die piezoelektrische Konstante erhöht wird, wenn die Filmdicke der Piezoschicht 82 von 1,0 µm steigt, und dass die piezoelektrische Konstante sich ab 2,5 µm senkt. Das ist darauf zurückzuführen, dass die Zunahme der Filmdicke der Piezoschicht 82 zwar eine Verbesserung der Kristallinität und eine Erhöhung der piezoelektrischen Konstante fördert, aber die Kristallinität der ersten Elektrodenschicht 81 ab um 2,5 µm nicht mehr übernommen werden kann, und sich dann die Kristalle mit unterschiedlichen Orientierungen vermehren.
Darüber hinaus kann die ausreichend hohe piezoelektrische Konstante mit der piezoelektrischen Vorrichtung unter Verwendung einer Schaltung realisiert werden, die das elektrische Treiberfeld in einem geeigneten Bereich steuert.
Oben wurden die bevorzugten erfindungsmäßigen Ausführungsformen erläutert. Die vorliegende Erfindung wird aber nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann im Umfang der erfindungsmäßigen Absicht noch durch unterschiedliche Änderungen erweitert werden, welche selbstverständlich auch zur vorliegenden Erfindung gehören.
Beispielsweise ist in den obigen Ausführungsformen die Stromüberwachungsschaltung 30 zusätzlich zur Treiberschaltung 20 vorgesehen. Die Stromüberwachungsschaltung 30 ist aber nicht unbedingt notwendig. Denn die Wirkung der vorliegenden Erfindung kann auch bei der Konfiguration ohne Stromüberwachungsschaltung 30 erzielt werden, wenn ein geeigneter Bereich für das elektrische Treiberfeld des Piezoelements 80 durch eine Sondenmessung usw. bestätigt werden kann. In dem Fall ist das Schaltmittel 40 natürlich unnötig.
In den obigen Ausführungsbeispielen wurde übrigens das Piezoelement 80 unter Verwendung der Treiberschaltung 20 und der externen Stromquelle 51 angetrieben. Es ist aber auch möglich, das Piezoelements 80 anhand einer anderen Stromquelle der piezoelektrischen Vorrichtung anzutreiben.
Bezugszeichenliste

1: piezoelektrische Vorrichtung
200: Kopfanordnung
300: Piezoaktor
700: Festplattenlaufwerk
800: Tintenstrahldruckerapparat

Claims

Piezoelektrische Vorrichtung mit einem Piezoelement umfassend eine Piezoschicht und Elektrodenschichten, zwischen denen die Piezoschicht angeordnet ist, und mit einer Treiberschaltung, die ein elektrisches Treiberfeld mit Wechselstrom über die Elektrodenschichten an die Piezoschicht anlegt, wobei die Polarisierbarkeit γ der Piezoschicht beim Anlegen eines elektrischen Feldes bis zur Sättigungspolarisation kleiner als 1 × 10^-9 (C/(V·m) beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung ein Mittel, das den Minimalwert des elektrischen Treiberfeldes auf größer als das positive elektrische Koerzitivfeld der Piezoschicht einstellt, und ein Mittel, das den Maximalwert des elektrischen Treiberfeldes auf kleiner als (Pm' (Maximalwert der Polarisation) - Pr' (Quasi-Restpolarisation)) / (1 × 10^-9) einstellt, aufweist, wobei die Polarisierbarkeit y = (Pm (Sättigungspolarisation) - Pr (Restpolarisation)) / Ed (Maximalwert des angelegten elektrischen Feldes) beträgt.
Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoschicht auf der positiven und negativen Seite des elektrischen Feldes jeweils ein elektrisches Koerzitivfeld umfasst, und dass die Treiberschaltung ein Mittel aufweist, das ein positives elektrisches Feld in die Richtung mit einem kleinen Absolutwert des elektrischen Koerzitivfeldes und ein negatives elektrisches Feld in die Richtung mit einem großen Absolutwert des elektrischen Koerzitivfeldes anlegt.
Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung ein Mittel aufweist, das den Minimalwert des elektrischen Treiberfeldes auf mehr als fünffach vom positiven elektrischen Koerzitivfeld der Piezoschicht sowie den Maximalwert des elektrischen Treiberfeldes auf weniger als fünfzigfach vom positiven elektrischen Koerzitivfeld der Piezoschicht einstellt.
Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoschicht des Piezoelements aus Kaliumnatriumniobat besteht.
Piezoaktor unter Verwendung einer piezoelektrischen Vorrichtung nach Anspruch 1.
Festplattenlaufwerk mit einem Piezoaktor nach Anspruch 5.
Tintenstrahldruckerapparat mit einem Piezoaktor nach Anspruch 5.