DE112005002182B4 - Piezoelektrische Betätigungsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, die ein piezoelektrisches Element enthält, welches ein Paar von Elektroden aufweist, die auf der Oberfläche eines Blattes aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial ausgebildet sind, und mit einem Halterungsteil, welches das piezoelektrische Element haltert, bei der: das piezoelektrische Keramikmaterial wenigstens eine der folgenden Anforderungen (a) bis (e) befriedigt: (a) die Massendichte (bulk density) ist gleich mit oder kleiner als 5 g/cm3, der Young'sche Modul Y11 E, der gemäß einem Resonanz-Antiresonanz-Verfahren berechnet wird, ist gleich mit oder größer als 90 GPa; (b) der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit ist gleich mit oder größer als 2 Wm–1K–1; (c) der thermische Ausdehnungskoeffizient ist gleich mit oder größer als 3,0 ppm/°C über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C hinweg; (d) der pyroelektrische Koeffizient ist gleich mit oder kleiner als 400 μCm–2K–1 über den Temperaturbereich von –30°C bis 160°C hinweg; und (e) der mechanische Qualitätsfaktor Qm, der gemäß dem Resonanz-Antiresonanz-Verfahren berechnet wird, ist gleich mit oder kleiner als 50 über einen Temperaturbereich von –30°C bis 80°C, und wobei das piezoelektrische Keramikmaterial aus einem kornorientierten oder keimorientierten piezoelektrischen Keramikmaterial besteht, welches aus einer polykristallinen Substanz hergestellt, deren Hauptphase als eine isotrope Perovskit-Zusammensetzung existiert, wiedergegeben durch die allgemeine Formel {Lix(K1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw}O3 (worin 0 ≤ x ≤ 0,2, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 0,4, 0 < w ≤ 0,2 ist, und x + z + w > 0 gilt), und welches spezifische Kristallflächen der Körner oder Keime ...

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, die einen piezoelektrischen Umkehr-Effekt und einen Elektrostriktionseffekt unter dem Einfluss eines starken elektrischen Feldes verwendet wie beispielsweise eine Laminat-Betätigungsvorrichtung, ein piezoelektrischer Übertrager, ein Ultraschallmotor, eine bimorphe Zelle, ein Sonargerät, ein piezoelektrischer Ultraschallwandler, ein piezoelektrischer Summer oder ein piezoelektrischer Lautsprecher.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Piezoelektrische Betätigungsvorrichtungen oder Stellglieder verwenden piezoelektrische Keramikmaterialien und stellen industrielle Produkte dar, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln, wobei sie im äußersten Fall eine Verschiebung oder Versetzung bewirken, die einem piezoelektrischen Umkehr-Effekt zuzuschreiben ist, und weit verbreitet auf Gebieten der Elektronik und der Mechatronik angewendet werden.
  • Die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung enthält folgendes: ein piezoelektrisches Element, welches wenigstens ein Paar aus Elektroden aufweist, die auf einem Blatt aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial ausgebildet sind; einen Halterungsteil, der das piezoelektrische Element haltert; einen Klebeteil oder einen Festhalteteil wie beispielsweise eine Feder, die das piezoelektrische Element einschränkt, so dass es in dem Halterungsteil verbleibt; eine Leitung, über die eine Spannung an das piezoelektrische Element angelegt wird, und ein elektrisch isolierendes Teil wie beispielsweise Harz oder Siliziumöl, welches über das Paar der Elektroden aufgeschichtet ist. Bei der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung wird das piezoelektrische Element, welches das Blatt aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial enthält, mit Hilfe von Klebemittel, Formung oder mit Hilfe einer Feder festgehalten oder zurückgehalten. Obwohl keine Spannung angelegt ist, wird eine mechanische Einschränkungskraft (Voreinstelllast) angelegt. Wenn darüber hinaus bei der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung eine Spannung an die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung angelegt wird, wird das piezoelektrische Element zusammen mit einem Anstieg in der Spannung versetzt oder verschoben. Dies erhöht dann die mechanische Kraft der Einschränkung (erhöht die Last).
  • Demzufolge ist die Verschiebung oder Versetzung der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung, im Gegensatz zur Verschiebungsqualität des piezoelektrischen Elements selbst, kleiner aufgrund einer Voreinstelllast und einer Erhöhung in der Last.
  • Die Arbeitsbedingungen und Antriebsbedingungen für die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung umfassen solche Parameter wie die Temperatur, die Stärke des treibenden elektrischen Feldes, die Treiberwellenform, die Treiberfrequenz und ob ein Antriebsmodus aus einem kontinuierlichen Antrieb oder einem intermittierenden Antrieb besteht. Ein Temperaturbereich schwankt ausgeprägt abhängig von der Umgebungstemperatur für die Verwendung der Produkte. Die untere Grenze des Temperaturbereichs ist gleich oder höher als –40°C und die obere Grenze der Temperatur ist gleich oder niedriger als etwa 160°C. Bei einem piezoelektrischen Summer, einer Sonarvorrichtung, einem piezoelektrischen Lautsprecher oder ähnlichen Vorrichtung ist die Amplitude in der Stärke des antreibenden elektrischen Feldes gleich mit oder kleiner als 500 V/mm. Für einen Ultraschallmotor, einen piezoelektrischen Wandler oder Übertrager oder eine ähnliche Einrichtung ist die Amplitude gleich mit oder kleiner als 1000 V/mm. Für eine Laminat-Betätigungsvorrichtung ist die Amplitude gleich mit oder kleiner als 3000 V/mm. Wenn darüber hinaus ein Resonanzantrieb als antreibende Form eingesetzt wird, ist die antreibende Wellenform eine Sinuswelle. Für die anderen Antriebsformen kann die Antriebswellenform aus irgendeiner von vielfältigen Wellen bestehen, das heißt aus einer Sinuswelle, einer trapezförmigen Welle, einer dreieckförmigen Welle, einer rechteckförmigen Welle und aus einer pulsierenden Welle. Darüber hinaus ist die Antriebsfrequenz, die für einen Ultraschallmotor, ein Sonargerät, einen piezoelektrischen Ultraschallwandler oder ähnliches verwendet wird gleich oder höher als 20 kHz, während die Antriebsfrequenz, die für andere Produkte verwendet wird, unter 20 kHz fällt.
  • Als piezoelektrisches Keramikmaterial kann in der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung beispielsweise ein Blei-Zirkon-Titan-System (Pb(Zr,Ti)O3) (im Folgenden als PZT-System bezeichnet) oder ähnliches verwendet werden. Das PZT-System als piezoelektrisches Keramikmaterial zeitigt hohe piezoelektrische Eigenschaften und wird für einen Hauptteil der piezoelektrischen Keramikmaterialien verwendet, die gegenwärtig in der Praxis verwendet werden. Da jedoch das PZT-System für das piezoelektrische Keramikmaterial Bleioxid (PbO) enthält, welches einen hohen Verdampfungsdruck aufweist, wird dadurch die Umwelt sehr stark belastet.
  • Es wurden vielfältige piezoelektrische Keramikmaterialien aus einem Barium-Titan-System (BaTiO3), welches kein Blei enthält, entwickelt.
  • Stand der Technik hierzu ist beispielsweise aus der EP 1 283 553 A2 oder der US 2004/0 127 344 A1 bekannt.
  • Spezifischer ausgedrückt ist in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung JP 11-180 766 A eine Zusammensetzung offenbart, deren piezoelektrische Spannungskonstante d33, gemessen gemäß einem Resonanzverfahren, gleich ist mit oder größer ist als 300 pC/N. Die Rate der temperaturabhängigen Änderung in der piezoelektrischen Spannungskonstanten d33 ist bei Temperaturen in einem Bereich von –30°C bis 85°C klein.
  • In der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung JP 2003-128 460 A ist ein piezoelektrisches Element offenbart, welches ein Blatt aus einem Barium-Titan-System für das Keramikmaterial und eine Elektrode enthält. Hierbei ist die Rate der temperatur abhängigen Änderung in einer piezoelektrischen Spannungskonstanten d31, berechnet aus einem Verzerrungsfaktor, der durch das Element mit einem Signal entsprechend einer Amplitude bei einer elektrischen Feldstärke von 1 kV/mm, die daran angelegt wurde, berechnet wurde, klein.
  • Jedoch ist die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, die das herkömmliche piezoelektrische Element enthält, für die praktische Anwendung nicht ausreichend widerstandsfähig.
  • Die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung sollte vielfältige Eigenschaften verwenden und zwar entsprechend der Verwendungen von viefältigen oder diversen industriellen Produkten wie beispielsweise einer Laminat-Betätigungsvorrichtigung, einem piezoelektrischen Umformer, einem Ultraschallmotor, einer bimorphen Zelle, einem Sonargerät, einem piezoelektrischen Ultraschallwandler, einem piezoelektrischen Summer und einem piezoelektrischen Lautsprecher. Jedoch erfüllt in der Realität keine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung die Eigenschaften, die bei den diversen industriellen Produkten wie einer Laminat-Betätigungsvorrichtung, piezoelektrischer Umsetzer, Ultraschallmotor, bimorphe Zelle, Sonargerät, piezoelektrischer Summer und piezoelektrischer Lautsprecher gefordert werden. Es bestand somit bedarf nach Verbesserungen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung richtet sich auf die zuvor erläuterten Probleme, die dem betreffenden Stand der Technik anhaften, und zielt darauf ab, eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung zu schaffen, die eine ausgezeichnete praktische Verwendbarkeit aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung mit unter anderem einem piezoelektrischen Element, welches ein Paar von Elektroden aufweist, die an der Oberfläche eines Blattes aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial ausgebildet sind, und mit einem Halterungsteil, welches das piezoelektrische Element haltert.
  • Das piezoelektrische Keramikmaterial, welches bei der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung verwendet wird, befriedigt wenigstens eine der weiter unten beschriebenen Anforderungen (a) bis (e).
    • (a) Die Massendichte (bulk density) sollte gleich sein mit oder kleiner sein als 5 g/cm3, und der Young'sche Modul Y11 E, der entsprechend einem Resonanz-Antiresonanz-Verfahren berechnet wird, sollte gleich sein mit oder größer sein als 90 GPa.
    • (b) Der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit sollte gleich sein mit oder größer sein als 2 Wm–1K–1.
    • (c) Der Koeffizient der thermischen Ausdehnung sollte gleich sein mit oder größer sein als 3,0 ppm/°C über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C hinweg.
    • (d) Der pyroelektrische Koeffizient sollte gleich sein mit oder kleiner sein als 400 μCm–2K–1 über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C.
    • (e) Der mechanische Qualitätsfaktor Qm, der mit Hilfe des Resonanz-Antiresonanz-Verfahrens berechnet wird, sollte gleich sein oder mit kleiner sein als 50 über einen Temperaturbereich von –30°C bis 80°C.
  • Bei der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung befriedigt das piezoelektrische Keramikmaterial wenigstens eine der Anforderungen (a) bis (e). Die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung zeitigt daher eine ausgezeichnete praktische Verwendbarkeit.
  • Die Vorteile der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden weiter unten in Bezug auf jede der Anforderungen beschrieben.
  • Wenn das piezoelektrische Keramikmaterial wenigstens die Anforderung (a) befriedigt, kann das Gewicht der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung reduziert werden und Störsignale oder Rauschen, die bzw. das erzeugt wird, wenn die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung angetrieben wird, kann reduziert werden. Darüber hinaus wird auch die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Keramikmaterials höher, die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung zeigt ein schnelles Ansprechverhalten oder einen schnellen Versetzungsvorgang oder Verschiebevorgang trotz einer hohen Antriebsfrequenz. Dies schafft die Möglichkeit, dass die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung schnell arbeiten kann oder schnell betätigt werden kann.
  • Im Allgemeinen kann die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung Störsignale erzeugen, wenn sie angetrieben wird. Die Störsignale (noise) ist der Tatsache zuzuschreiben, dass dann, wenn sich das piezoelektrische Element streckt oder kontrahiert und das Halterungsteil wie beispielsweise ein Gehäuse, welches die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung enthält, oder irgendein Teil, an welchem die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung angebracht ist, dieses mit der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung mitschwingt. Wenn daher die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung selbst so ausgelegt ist oder ein Industrieprodukt, welches die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung verwendet, so ausgelegt ist, sollte die Struktur desselben so ausgelegt sein, um eine solche Resonanz zu verhindern. Wenn beispielsweise die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung für ein Brennstoffeinspritzventil ausgelegt ist, um durch eine trapezförmige Welle angetrieben zu werden und da die Antriebsfrequenz hoch ist oder die Spannungsanstiegsrate hoch ist und die Struktur komplex ist, ist es schwer eine Resonanz durch die Konstruktion der Struktur zu verhindern.
  • Wenn das piezoelektrische Keramikmaterial die Anforderung (a) gemäß der vorliegenden Erfindung befriedigt, da dabei das Gewicht des piezoelektrischen Keramikmaterials reduziert wird, wird die kinetische Energie, die beim Antrieb der Betätigungsvorrichtung ausgeübt wird, kleiner. Demzufolge kann das Erzeugen von Störsignalen oder Rauschen minimiert werden. Da ferner die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung ein schnelles Ansprechverhalten oder eine schnelle Verschiebung oder Versetzung ermöglicht und zwar trotz der hohen Antriebsfrequenz, kann die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung schnell betätigt werden oder schnell arbeiten. Die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung erweist sich in der Praxis als ausgezeichnet, wenn diese beispielsweise für ein Brennstoffeinspritzventil oder eine ähnliche Einrichtung eingesetzt wird.
  • Wenn allgemein gesagt eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung oder ein piezoelektrisches Stellglied angetrieben wird, kann die Temperatur der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung ansteigen. Eine Verschiebung, die durch die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung verursacht wird oder irgendeine andere Eigenschaft kann sich zusammen mit den Anstieg in der Temperatur ändern.
  • Wenn ein piezoelektrisches Keramikmaterial die Anforderung (b) gemäß der vorliegenden Erfindung befriedigt, wird die Wärmeabstrahlungsqualität des piezoelektrischen Keramikmaterials verbessert. Ein Anstieg in der Temperatur einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung kann daher unterdrückt werden. Demzufolge kann eine Änderung bei einer Verschiebung oder Versetzung oder irgendeine andere Eigenschaft, die sich aufgrund des Anstiegs der Temperatur des piezoelektrischen Keramikmaterials ergibt, unterdrückt werden. Daher besitzt die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung ausgezeichnete praktische Verwendbarkeit.
  • Wenn allgemein gesagt eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung bei einer Umgebungstemperatur von beispielsweise 120°C oder höher verwendet wird, wenn also der Anstieg in der Temperatur der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung stark ist, neigt die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung dazu eine hohe Temperatur aufzuweisen. Es besteht daher eine Gefahr, dass die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung selbst oder das Halterungsteil oder ähnliches, welches beispielsweise aus einem Harz hergestellt ist und in der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung enthalten ist, thermisch altert.
  • Wenn ein piezoelektrisches Keramikmaterial die Anforderung (b) befriedigt, da ein Anstieg in der Temperatur unterdrückt werden kann, kann ein thermisches Altern eines Halterungsteiles verhindert werden. Wenn demzufolge eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung beispielsweise für einen Ultraschallmotor, eine Sonarvorrichtung oder einen Ultraschallwandler ausgelegt ist, deren Halterungsteil relativ unmittelbar thermisch altert, zeitigt die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung eine praktische Verbesserung. Darüber hinaus ist in einem Fall eines Ultraschallmotors, eines Sonargerätes oder eines Ultraschallwandlers nicht nur das Halterungsteil sondern auch ein Klebemittelteil beispielsweise aus Harz hergestellt. Das Klebemittelteil kann dazu verwendet werden, um das piezoelektrische Element an einer Halterung zu befestigen oder an irgendeinem anderen Teil, welches aus einem Metall besteht. Selbst in diesem Fall kann solange das piezoelektrische Keramikmaterial die Anforderung (b) befriedigt und dabei der Anstieg in der Temperatur unterdrückt werden kann, das thermische Altern des Klebemittelteiles verhindert werden.
  • Wenn ein piezoelektrisches Keramikmaterial die Anforderung (c) befriedigt, kann eine Differenz in der thermischen Ausdehnung zwischen piezoelektrischem Keramikmaterial und einer Elektrode, einem Halterungsteil oder irgendeinem anderen Teil, welches in Kontakt mit dem piezoelektrischen Keramikmaterial gelangt, reduziert werden.
  • Allgemein gesagt ändert sich die Temperatur einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung zusammen mit einer Änderung in der Umgebungstemperatur bei der Verwendung oder aufgrund eines Anstiegs in der Temperatur, der dann entsteht, wenn die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung angetrieben wird. Selbst wenn darüber hinaus während der Herstellung der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung beispielsweise wenn ein piezoelektrisches Element erhitzt wird und an irgendetwas befestigt wird, ändert sich die Temperatur der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung. Wenn die Temperaturänderung auftritt, kann eine Differenz in der thermischen Ausdehnung zwischen dem piezoelektrischen Keramikmaterial und einer Elektrode, einem Halterungsteil oder irgendeinem anderen Teil auftreten, welches in Berührung mit dem piezoelektrischen Keramikmaterial gelangt. Als ein Ergebnis wird eine thermische Spannung in der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung erzeugt. Dabei kann die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung sogar brechen.
  • Wenn ein piezoelektrisches Keramikmaterial die Anforderung (c) gemäß der vorliegenden Erfindung befriedigt, bei der ein Unterschied in der thermischen Ausdehnung reduziert werden kann, kann eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung gegen ein Brechen aufgrund einer thermischen Spannung geschützt werden.
  • Wenn darüber hinaus eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung für einen Ultraschallmotor, eine Sonarvorrichtung, einem piezoelektrischen Ultraschallwandler, einem piezoelektrischen Summer oder einem piezoelektrischen Lautsprecher eingesetzt wird, kann ein piezoelektrisches Element, welches ein piezoelektrisches Keramikmaterial verwendet, und können irgendwelche anderen Teil erhitzt werden und können aneinander angebracht sein beispielsweise unter Verwendung eines thermisch aushärtenden Harzes. Selbst in diesem Fall kann solange das piezoelektrische Keramikmaterial die Anforderung (c) befriedigt, die Differenz in der thermischen Ausdehnung reduziert werden und die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung am Brechen gehindert werden und zwar aufgrund einer thermischen Spannung und einer restlichen thermischen Spannung, die beim Erwärmen und bei der Befestigung erzeugt wird. Demzufolge ist die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, die das piezoelektrische Keramikmaterial verwendet, welches die Anforderung (c) befriedigt, in der Praxis verbessert einsetzbar, wenn dieser an einen Ultraschallmotor, ein Sonargerät, einen piezoelektrischen Ultraschallwandler, einem piezoelektrischen Summer oder an piezoelektrische Lautsprecher angepasst wird.
  • Wenn ein piezoelektrisches Keramikmaterial die Anforderung (d) befriedigt, kann das Auftreten eines pyroelektrischen Effektes in einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung eingeschränkt werden.
  • Wenn allgemein gesagt eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung oder ein Industrieprodukt, welches die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung enthält, hergestellt wird oder transportiert wird oder nach seiner Fertigung aufbewahrt wird und wenn dessen Temperatur geändert wird, ergibt sich eine Gefahr dahingehend, dass eine Spannung in der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung aufgrund des pyroelektrischen Effektes entwickelt werden kann. Bei der Anstrengung die Entwicklung einer Spannung zu vermeiden wird ein Metallclip oder Joch oder eine ähnliche Vorrichtung verwendet, um die Verbindung zwischen den Elektrodenanschlüssen kurzzuschließen, welche die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung enthält, oder es wird die Konfiguration eines Produktes so modifiziert, um einen Widerstand zwischen den Elektrodenanschlüssen anzuschließen. Als ein Ergebnis wird bei einem Prozess ein Metallclip oder Joch oder ein Teil wie beispielsweise ein Widerstand, der ursprünglich für die Herstellung der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung nicht erforderlich ist, erforderlich. Dies kann aber zu einer Erhöhung der Herstellungskosten führen.
  • Wenn ein piezoelektrisches Keramikmaterial die Anforderung (d) gemäß der vorliegenden Erfindung befriedigt, wird das Auftreten des pyroelektrischen Effektes in einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung eingeschränkt. Daher braucht bei einem Herstellungsprozess ein Teil, welches dazu benötigt wird, um den piezoelektrischen Effekt, wie er beim Stand der Technik auftritt, nicht länger enthalten zu sein und es können somit die Herstellungskosten reduziert werden. Daher kann die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung verbessert praktisch eingesetzt werden, wenn sie als eine Betätigungsvorrichtung eingesetzt oder angepasst wird, die beispielsweise ein laminiertes oder dickes piezoelektrisches Element enthält, welches eine große Ladungsmenge erzeugt und zwar aufgrund des pyroelektrischen Effektes, das heißt wenn die Vorrichtung beispielsweise an ein Brennstoffeinspritzventil angepasst ist, ebenso an einen laminierten piezoelektrischen Übertrager oder Transformator, einen lamninierten Ultraschallmotor, oder einen laminierten piezoelektrischen Lautsprecher.
  • Wenn ein piezoelektrisches Keramikmaterial die Anforderung (e) befriedigt, wird der Schalldruck, der an irgendeinem Punkt anders als einem Resonanzpunkt erzeugt wird, erhöht. Es wird daher eine Differenz in dem Schalldruck zwischen einem Resonanzpunkt und irgendeinem anderen Punkt in einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung reduziert. Daher lässt sich die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung in der Praxis sehr vorteilhaft einsetzen, wenn diese beispielsweise als ein piezoelektrischer Summer, ein piezoelektrischer Lautsprecher oder ein piezoelektrisches Schallerzeugungsteil wie beispielsweise einem Sender/Empfänger eingesetzt wird.
  • Gemäß der vorangegangenen Beschreibung schafft die vorliegende Erfindung eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, die sich in der Praxis ausgezeichnet einsetzen lässt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Graph, der die Temperaturabhängigkeit einer Größe einer dynamischen Spannung D33 wiedergibt, die bei einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung gemäß einem Beispiel 1 auftritt;
  • 2 ist ein Graph, der die Temperaturabhängigkeit einer Größe der dynamischen Spannung D33 wiedergibt, die bei einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung gemäß einem Beispiel 2 auftritt;
  • 3 ist ein Graph, der die Temperaturabhängigkeit einer Größe der dynamischen Spannung D33 veranschaulicht, die bei einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung gemäß einem Beispiel 3 auftritt;
  • 4 ist ein Graph, der die Temperaturabhängigkeit einer Größe der dynamischen Spannung D33 darstellt, die bei einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung gemäß einem Beispiel 4 auftritt;
  • 5 ist ein Graph, der eine Temperaturabhängigkeit einer Größe der dynamischen Spannung D33 zeigt, die bei einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung gemäß einem Beispiel 5 auftritt;
  • 6 ist ein Graph, der Beziehungen zwischen der elektrischen Antriebsfeldstärke und einer Größe D33 der dynamischen Spannung auftritt, die bei jeweiligen piezoelektrischen Betätigungsvorrichtungen der Beispiele 1 bis 5 gemäß einem Beispiel 6 auftritt;
  • 7 ist ein Graph, der einen Messwert darstellt, der eine Temperaturcharakteristik einer piezoelektrischen Spannungskonstanten d31 wiedergibt, die bei einem Furnier auftritt, welches bei dem Beispiel 5 erzeugt wurde, und welcher die Größen der dynamischen Spannungen darstellt, die bei dem Beispiel 5 unter elektrischen Antriebsfeldstärken beobachtet wurden, die von 1000 V/mm bis 2000 V/mm reichten, wobei der gemessene Wert und die Größen der dynamischen Spannungen relativ zu den Werten standardisiert wurden, die bei 20°C erhalten wurden;
  • 8 ist ein Graph, der die Temperaturabhängigkeiten von Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung wiedergibt, die bei den piezoelektrischen Keramikmaterialien aufgetreten sind, die gemäß dem Beispiel 2 und anhand eines Vergleichsbeispiels 1 hervorgerufen wurden, wobei die Temperaturabhängigkeiten gemäß einem Beispiel 9 beobachtet wurden;
  • 9 ist ein Graph, der Temperaturabhängigkeiten von Änderungen in den Größen der Polarisation wiedergibt, die bei den piezoelektrischen Keramikmaterialien auftreten, die gemäß dem Beispiel 4 und gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 erzeugt wurden, wobei die Temperaturabhängigkeiten gemäß einem Beispiel 10 beobachtet wurden;
  • 10 ist ein Graph, der Beziehungen zwischen einer Durchbruchswahrscheinlichkeit und einem InF-Wert wiedergibt, die in den jeweiligen piezoelektrischen Keramikmaterialien erstellt wurden, die bei dem Beispiel 5 und dem Vergleichsbeispiel 1 gemäß einem Beispiel 11 erzeugt wurden;
  • 11 ist ein Graph, der Temperaturabhängigkeiten der mechanischen Qualitätsfaktoren darstellt, die bei piezoelektrischen Elementen beobachtet wurden, die bei dem Beispiel 4, dem Beispiel 5, dem Vergleichsbeispiel 2 und einem Vergleichsbeispiel 3 auftraten, wobei die Temperaturabhängigkeiten gemäß einem Beispiel 12 beobachtet wurden;
  • 12 ist ein Graph, der die Temperaturabhängigkeit eines Young'schen Moduls (Y11 E) wiedergibt, die bei einem piezoelektrischen Element gemäß dem Beispiel 5 beobachtet wurde, wobei die Temperaturabhängigkeit gemäß einem Beispiel 13 beobachtet wurde;
  • 13 ist ein Graph, der die Temperaturabhängigkeit einer Resonanzfrequenz (Fr) darstellt, die bei dem piezoelektrischen Element gemäß dem Beispiel 5 auftrat, wobei die Temperaturabhängigkeit gemäß einem Beispiel 3 beobachtet wurde;
  • 14 ist ein Graph, der die Temperaturabhängigkeit eines dielektrischen Verlustes (tanδ) wiedergibt, die bei dem piezoelektrischen Element gemäß dem Beispiel 5 auftritt, wobei die Temperaturabhängigkeit gemäß dem Beispiel 13 beobachtet wurde;
  • 15 ein erläuterndes Diagramm, welches ein Beispiel der Struktur einer piezoelektrischen Betätigungsvorrrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wiedergibt;
  • 16 ein erläuterndes Diagramm, welches schematisch die Struktur der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung gemäß dem Beispiel 1 veranschaulicht;
  • 17 ein erläuterndes Diagramm, welches die Struktur eines laminierten piezoelektrischen Elements gemäß dem Beispiel 1 darstellt;
  • 18 ein erläuterndes Diagramm, welches die Struktur eines piezoelektrischen Elements (Furniers) zeigt, welches mit einem Blatt aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial gemäß dem Beispiel 1 ausgebildet war; und
  • 19 ein erläuterndes Diagramm, welches darstellt auf welche Weise piezoelektrische Elemente (Furniere) und interne Elektrodenplatten gemäß dem Beispiel 1 zu stapeln sind.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein piezoelektrisches Element und ein Halterungsteil. Das piezoelektrische Element enthält ein Blatt aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial und Elektroden, die auf wenigstens einem Teil der Oberfläche des Blattes aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial ausgebildet sind.
  • Spezifischer ausgedrückt besteht das piezoelektrische Keramikelement beispielsweise aus einem Blatt aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial und einem Paar von Elektroden, die das Blatt aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial einfassen.
  • Darüber hinaus kann als piezoelektrisches Element ein laminiertes piezoelektrisches Element mit einer Vielzahl an Blättern aus piezoelektrischem Keramikmaterial und einer Vielzahl an Elektroden alternativ übereinandergestapelt realisiert werden. Wenn das laminierte piezoelektrische Element als piezoelektrisches Element angepasst wird, wird ein Größe der Verschiebung oder Versetzung, die durch die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung ausgeführt wird, erhöht.
  • Das Halterungsteil haltert das piezoelektrische Element und ist beispielsweise aus einem Schrumpfrohr aus Harz hergestellt.
  • Das piezoelektrische Keramikmaterial, welches bei der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, befriedigt wenigstens eine der Anforderungen (a) bis (e).
  • Die Anforderung (a) fordert, dass die Massendichte (bulk density) gleich sein soll mit oder kleiner sein soll als 5 g/cm3 und dass der Young'sche Modul Y11 E, der gemäß einem Resonanz-Antiresonanz-Verfahren berechnet wird, gleich sein muss mit oder größer sein muss als 90 GPa. Wenn die Massendichte des piezoelektrischen Keramikmaterials 5 g/cm3 überschreitet, können Störsignale, die während des Antriebs einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung auftreten, verstärkt werden. Die untere Grenze der Massendichte sollte daher gleich sein mit oder größer sein als 4,4 g/cm3 und zwar unter Berücksichtigung der Festigkeit und der Verschiebung der Versetzung der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung, die nicht reduziert werden sollten.
  • Die Massendichte eines piezoelektrischen Keramikmaterials kann gemäß beispielsweise einem weiter unten beschriebenen Verfahren gemessen werden.
  • Das Trockengewicht W1 [g] eines Keramikmaterials, das Unterwasser-Gewicht W2 [g] desselben und das Feuchtgewicht W3 [g] desselben werden gemessen und es wird dann die Massendichte des Keramikmaterials gemäß der folgenden Gleichung berechnet (Archimedes-Verfahren): Massendichte = (W1 × pw)/(W3 – W2) worin pw die Dichte [g/cm3] des Wassers bezeichnet, die festgestellt wird, wenn das Unterwasser-Gewicht gemessen wird.
  • Wenn ein Young'scher Modul Y11 E gemäß dem Resonanz-Antiresonanz-Verfahren gemessen wird und unter 90 GPa fällt, kann die Antriebsfrequenz für eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung absinken. In bevorzugter Weise sollte der Young'sche Modul Y11 E gleich sein mit oder größer sein als 95 GPa. Noch bevorzugter sollte der Young'sche Modul Y11 E gleich sein mit oder größer sein als 100 GPa. Es sei angenommen, dass ein piezoelektrisch aktiver Teil, der eine Verschiebung erfährt, wenn ein Antrieb erfolgt, und ein piezoelektrisch inaktiver Teil, der kaum eine Verschiebung erfährt und zwar selbst dann nicht wenn dieser koexistent in der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung in der gleichen Weise angetrieben wird und zwar wie bei einer Laminat-Betätigungsvorrichtung oder einem piezoelektrischen Übertrager oder Transformator, wird während des Antriebs eine innere Spannung erzeugt. Bei der Anstrengung die innere Spannung zu mildern, sollte die obere Grenze des Young'schen Moduls Y11 E gleich sein mit oder kleiner sein als 120 GPa.
  • Der Young'sche Modul Y11 E kann gemäß dem Resonanz-Antiresonanz-Verfahren gemessen werden. Gemäß dem Resonanz-Antiresonanz-Verfahren wird der Young'sche Modul Y11 E so gemessen, wie in der Literaturstelle ”Standard EMAS-6001 by Electronic Materials Manufacturers Association of Japan an Piezoelectric Ceramic Transducer Testing Method – vibrations in radial direction of disk transducer” beschrieben ist (ausgegeben von dem Komitee of Piezoelectric Ceramic Technology von der Electronic Materials Manufacturers Association in Japan, 20. Juli 1977) und in der Literaturstelle ”Standard EMAS-6007 by Electronic Materials Manufacturers Association of Japan an Piezoelectric Ceramic Transducer Testing Method – measurement and calculation of material constant” (ausgegeben von dem Komitee of Piezoelectric Ceramic Technology von der Electronic Materials Manufacturers Association in Japan, März 1986) oder auch in der Literaturstelle ”Standard EMAS-6100 by Electronic Materials Manufacturers Association of Japan an Electrical Testing Method for Piezoelectric Ceramic Transducer” (ausgegeben von dem Komitee of Piezoelectric Ceramic Technology von der Electronic Materials Manufacturers Association in Japan, März 1993) beschrieben ist.
  • Die Anforderung (b) fordert, dass der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit gleich sein sollte mit oder größer sein sollte als 2 Wm–1K–1.
  • Wenn der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit unter 2 Wm–1K–1 fällt, kann die Wärmeabstrahlqualität verschlechtert werden. Als ein Ergebnis kann die Temperatur der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung während des Antriebs derselben ansteigen und eine Verschiebung oder Versetzung oder irgendeine andere Eigenschaft derselben neigt zu einer Schwankung. In bevorzugter Weise sollte der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit gleich sein oder größer sein als 2,2 Wm–1K–1.
  • Der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit eines piezoelektrischen Keramikmaterials kann beispielsweise gemäß dem weiter unten beschriebenen Verfahren gemessen werden.
  • Spezifischer ausgedrückt wird der Koeffizient der thermischen Diffusionsfähigkeit gemäß einem Laser im Puls-Erhitzungsverfahren gemessen. Es wird eine spezifische Wärme gemäß einer Differenzial-Abtastkalorimetrie (DSC) gemessen. Der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit wird dann gemäß der folgenden Gleichung berechnet: λ = αρpCp worin λ einen Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit [Wm–1K–1] bezeichnet, α einen Koeffizienten der thermischen Diffusionsfähigkeit [10–7m–2s–1] bezeichnet, ρ die Massendichte (bulk density) [kg/m3] eines piezoelektrischen Keramikmaterials bezeichnet und Cp eine spezifische Wärme [Jkg–3K–1] bezeichnet.
  • Die Forderung (c) bedeutet, dass der Koeffizient der thermischen Ausdehnung gleich sein sollte mit oder größer sein sollte als 3,0 ppm/°C über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C.
  • Wenn über dem spezifischen Temperaturbereich der Koeffizient der thermischen Ausdehnung eines piezoelektrischen Keramikmaterials unter 3,0 ppm/°C fällt, entsteht die Gefahr, dass eine thermische Spannung unmittelbar in einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung erzeugt werden kann. Als ein Ergebnis kann die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung unmittelbar brechen.
  • In bevorzugter Weise sollte der Koeffizient der thermischen Ausdehnung gleich sein mit oder größer sein als 3,5 ppm/°C. Noch bevorzugter sollte der Koeffizient der thermischen Ausdehnung gleich sein mit oder größer sein als 4,0 ppm/°C. Wenn der Koeffizient der thermischen Ausdehnung eines piezoelektrischen Keramikmaterials größer ist als derjenige eines Metallteiles, welches aus Eisen (Fe) oder ähnlichem hergestellt ist und welches in einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung enthalten ist, wird eine thermische Spannung unmittelbar erzeugt. Von diesem Gesichtspunkt aus betrachtet sollte die obere Grenze des thermischen Ausdehnungskoeffizienten gleich sein mit oder größer sein als 11 ppm/°C.
  • Der thermische Ausdehnungskoeffizient eines piezoelektrischen Keramikmaterials kann gemäß dem weiter unten beschriebenen Verfahren gemessen werden, um hier ein Beispiel anzuführen.
  • Spezifischer gesagt wird ein Koeffizient der linearen thermischen Ausdehnung gemäß einem thermo-mechanischen Analyseverfahren (TMA) gemessen und es wird der thermische Ausdehnungskoeffizient dann anhand der folgenden Gleichung berechnet: β = (1/L0) × (dL/dT) worin β einen Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung [10–6/°C] bezeichnet, L0 die Länge einer Probe [m] bei der Bezugstemperatur (25°C) bezeichnet, und dT eine Temperaturdifferenz [°C] bezeichnet und dL eine Länge der Ausdehnung [m] bezeichnet, die der Temperaturdifferenz dT zugeordnet ist.
  • Die Forderung (d) verlangt, dass der pyroelektrische Koeffizient gleich ist mit oder kleiner ist als 400 μCm–2K–1 und zwar über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C.
  • Wenn der pyroelektrische Koeffizient eines piezoelektrischen Keramikmaterials die Größe von 400 μCm–2K–1 über dem spezifischen Temperaturbereich überschreitet, tritt der pyroelektrische Effekt kaum mehr auf. Es besteht dann die Gefahr, dass eine Spannung in einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung aufgrund einer Temperaturänderung entwickelt wird.
  • In bevorzugter Weise sollte der pyroelektrische Koeffizient eines piezoelektrischen Keramikmaterials gleich sein mit oder kleiner sein als 350 μCm–2K–1 über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C. Noch bevorzugter sollte der pyroelektrische Koeffizient eines piezoelektrischen Keramikmaterials gleich sein mit oder kleiner sein als 300 μCm–2K–1.
  • Was hier als pyroelektrischer Koeffizient bezeichnet wird, bedeutet einen Temperaturkoeffizienten einer Größe der Polarisation, die in einem piezoelektrischen Keramikmaterial auftritt. Der pyroelektrische Koeffizient kann gemäß dem weiter unten beschriebenen Verfahren gemessen werden, um hier ein Beispiel zu nennen.
  • Der pyroelektrische Koeffizient γ wird durch Definieren der Gleichung γ = dP/dT [Cm–2K–1] ausgedrückt (worin P die Größe einer Polarisation bedeutet und T eine Temperatur bezeichnet). Normalerweise werden messbare Parameter wie beispielsweise ein Strom I, ein Bereich S einer Probenelektrode, eine Änderung in der Temperatur dT und ein Intervall dt zwischen den Messungen dazu verwendet, um den pyroelektrischen Koeffizienten gemäß der folgenden Gleichung zu berechnen: γ = (I/S) × (dt/dT) [Cm–2K–1]
  • Spezifischer ausgedrückt wird ein piezoelektrisches Element in einen Thermostaten oder einen Elektroofen platziert, um die Temperatur des piezoelektrischen Elements bei einer konstanten Rate zu erhöhen oder abzusenken. Zu diesem Zeitpunkt fließt ein Strom I [A] von jeder der Elektroden auf der oberen und unteren Seite des piezoelektrischen Elements und wird gemessen und zwar unter Verwendung eines Mikroamperemeters. Die Stromwerte, die während einer Messzeit t [s] gemessen werden, werden integriert, um einen Betrag der erzeugten Ladung [C] herauszuarbeiten. Der Betrag der erzeugten Ladung wird dann durch den Bereich oder die Fläche von jeder Elektrode geteilt, die in dem piezoelektrischen Element enthalten ist, wodurch die Temperaturcharakteristik der Größe der Polarisation P (C/cm2) bei jeder Temperatur berechnet wird. Es wird somit der Temperaturkoeffizient desselben berechnet (pyroelektrisches Stromverfahren).
  • Die Forderung (e) postuliert, dass der mechanische Qualitätsfaktor Qm, der entsprechend dem Resonanz-Antiresonanz-Verfahren gemessen wird, gleich sein muss mit oder kleiner sein muss als 50 und zwar über einen Temperaturbereich von –30°C bis 80°C.
  • Über den vorangegangen spezifizierten Temperaturbereich kann, wenn der mechanische Qualitätsfaktor Qm eines piezoelektrischen Keramikmaterials den Wert von 50 überschreitet, ein Schalldruck an irgendeinem Punkt verschieden von einem Resonanzpunkt, abfallen.
  • In bevorzugter Weise sollte der mechanische Qualitätsfaktor Qm eines piezoelektrischen Keramikmaterials gleich sein mit oder kleiner sein als 40 über einen Temperaturbereich von –30°C bis 80°C. Noch bevorzugter sollte der mechanische Qualitätsfaktor Qm gleich sein oder kleiner sein als 35. Nebenbei bemerkt, wenn der mechanische Qualitätsfaktor Qm zu klein wird, wird auch eine Amplitude bei einer Resonanzfrequenz klein. Dies hat zur Folge, dass ein Schalldruck abfällt. Die untere Grenze des mechanischen Qualitätsfaktors Qm sollte daher gleich sein mit oder größer sein als 5.
  • Der mechanische Qualitätsfaktor Qm kann gemäß dem weiter unten beschriebenen Verfahren gemessen werden, um ein Beispiel anzuführen.
  • Gemäß dem Resonanz-Antiresonanz-Verfahren wird der mechanische Qualitätsfaktor Qm so beschrieben, wie dies in der Literaturstelle ”Standard EMAS-6001 by Electronic Materials Manufacturers Association of Japan an Piezoelectric Ceramic Transducer Testing Method – vibrations in radial direction of disk transducer” beschrieben ist (ausgegeben von dem Comitee of Piezoelectric Ceramic Technology von der Electronic Materials Manufacturers Association in Japan, 20. Juli 1977), oder in der Literaturstelle ”Standard EMAS-6007 by Electronic Materials Manufacturers Association of Japan an Piezoelectric Ceramic Transducer Testing Method – measurement and calculation of material constant” beschrieben (ausgegeben von dem Comitee of Piezoelectric Ceramic Technology von der Electronic Materials Manufacturers Association in Japan, März 1986) oder in der Literaturstelle ”Standard EMAS-6100 by Electronic Materials Manufacturers Association of Japan an Electrical Testing Method for Piezoelectric Ceramic Transducer” beschrieben (ausgegeben von dem Comitee of Piezoelectric Ceramic Technology von der Electronic Materials Manufacturers Association in Japan, März 1993).
  • In bevorzugter Weise sollte ein piezoelektrisches Keramikmaterial, welches in einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung gemäß der Erfindung verwendet wird, alle Anforderungen (a) bis (e) befriedigen.
  • In diesem Fall wird die praktische Verwendbarkeit einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung in einem großen Ausmaß verbessert.
  • Wenn darüber hinaus in bevorzugter Weise eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung unter solch einem Antriebszustand oder Antriebsbedingung angetrieben wird, dass eine Treiberspannung eine konstante Amplitude in der elektrischen Feldstärke von 1000 V/mm oder mehr aufweist, sollte die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung die Anforderungen (f) und (g) befriedigen, die weiter unten beschrieben werden.
    • (f) Eine Größe der dynamischen Spannung D33, die durch Teilen einer Spannung (strain) berechnet wird, die in einer Richtung eines elektrischen Feldes auftritt und zwar in einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung durch die elektrische Feldstärke, sollte gleich sein mit oder größer sein als 250 pm/V über einem Temperaturbereich von –30°C bis 80°C.
    • (g) Die Weite oder Breite der Schwankung WD33 in der Größe der dynamischen Spannung D33, die von einer Temperaturänderung abgeleitet wird, wird mit Hilfe der folgenden Gleichung (1) ausgedrückt und sollte innerhalb von ±14% über den spezifischen Temperaturbereich von –30°C bis 80°C fallen: WD33 (%) = [{2 × D33max/(D33max + D33min)} – 1] × 100 (1) worin D33max den Maximalwert der Größe der dynamischen Spannung bezeichnet, der über dem Temperaturbereich von –30°C bis 80°C beobachtet wird, und worin D33min den minimalen Wert der Größe der dynamischen Spannung bezeichnet, die über dem Temperaturbereich von –30°C bis 80°C beobachtet wird.
  • Wenn die Forderungen (f) und (g) befriedigt werden, wird die Schwankung einer Verschiebung oder Versetzung, die von einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung durchgeführt wird und die aus einer Temperaturänderung abgeleitet wird, reduziert. Selbst wenn mit anderen Worten die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung unter Bedingungen oder in einer Umgebung verwendet wird, in welcher eine Temperaturänderung drastisch auftritt, ergibt sich trotzdem eine im Wesentlichen konstante Verschiebung oder Versetzung. Daher kann die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung an industrielle Produkte angepasst werden bzw. bei diesen eingesetzt werden, die in einer Umgebung verwendet werden, in welcher sich die Temperatur drastisch ändert beispielsweise kann sie bei sich selbst bewegenden Teilen eingesetzt werden.
  • Die Temperaturabhängigkeit einer Verschiebung oder Versetzung, die durch eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung durchgeführt wird, wird weiter unten beschrieben.
  • Die Verschiebung, die von einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung durchgeführt wird, die entsprechend einem Konstantspannungs-Antriebsverfahren angetrieben wird, lässt sich durch die folgende Gleichung A1 ausdrücken: ΔL1 = D33 × EF × L0 (A1), worin D33 die Größe einer dynamischen Spannung (strain) [m/V] bezeichnet, EF eine maximale elektrische Feldstärke [V/m] bezeichnet und L0 die Länge [m] eines Blattes aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial bezeichnet, die vor dem Anlegen einer Spannung beobachtet wird. Was hier als Größe der dynamischen Spannung bezeichnet wird, ist eine Größe der Verschiebung, die in einer Richtung parallel zu der Spannungs-Anlegerichtung durch das Blatt aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial ausgeführt wird, wenn eine hohe Spannung, die von Null aus auf 3000 V/mm in der elektrischen Feldstärke alterniert und keinen dielektrischen Durchbruch verursacht, angelegt wird, wobei deren Amplitude konstant gehalten wird, um die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung anzutreiben. Die Größe der dynamischen Spannung lässt sich mit Hilfe der folgenden Gleichung A2 ausdrücken: D33 = S/EF = (ΔL1/L0)/(V/L0) (A1), worin S eine maximale Spannung (strain) bezeichnet. Die Größe der dynamischen Spannung D33 ist nicht nur temperaturabhängig, sondern auch von der elektrischen Feldstärke abhängig.
  • Wie aus den Gleichungen (A1) und (A2) hervorgeht, ist eine Verschiebung (ΔL1), die von einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung ausgeführt wird, proportional zu dem Produkt aus einer Größe der dynamischen Spannung D33 abhängig von einer angelegten elektrischen Feldstärke, und der angelegten elektrischen Feldstärke.
  • Um die Weite oder Breite einer Variation in der Verschiebung zu reduzieren, die von der Betätigungsvorrichtung ausgeführt wird und zwar über einen Temperaturbereich entsprechend der Verwendung hinweg, sollte die Temperaturabhängigkeit einer Größe der dynamischen Spannung D33, die von der elektrischen Antriebsfeldstärke abhängig ist, minimiert werden.
  • Es braucht dabei nicht erwähnt zu werden, dass die Größe der dynamischen Spannung D33, welche die Verschiebungsqualität repräsentiert, in bevorzugter Weise groß sein sollte.
  • Wenn eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung die Anforderung (f) nicht befriedigt, das heißt wenn eine Größe der dynamischen Spannung D33 unter 250 pm/V über einen spezifischen Temperaturbereich von –30°C bis 80°C fällt, oder wenn die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung die Anforderung (g) nicht befriedigt, das heißt wenn die Breite der Schwankung von WD33 in einer Größe der dynamischen Spannung D33, die von einer Änderung in der Temperatur abgeleitet wird, außerhalb des Bereiches von ±14% über dem spezifischen Temperaturbereich von –30°C bis 80°C fällt, wird eine Verschiebung oder Versetzung, welche die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung ausführt, kleiner und es wird die Temperaturabhängigkeit der Verschiebung oder Versetzung größer.
  • Wenn eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung unter solch einem Antriebszustand oder Antriebsbedingung angetrieben wird, bei der eine Antriebsspannung eine konstante Amplitude in der elektrischen Feldstärke von 100 V/mm oder mehr haben sollte, sollte die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung in bevorzugter Weise die Anforderungen (h) und (i) zufrieden stellen, die weiter unten beschrieben werden.
    • (h) Die Größe der dynamischen Spannung D33, die berechnet wird indem eine Spannung, die in der Anlegerichtung eines elektrischen Feldes in der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung auftritt, durch die elektrische Feldstärke berechnet wird, sollte gleich sein mit oder größer sein als 250 pm/V über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C hinweg.
    • (i) Die Breite der Variation WD33 in der Größe der dynamischen Spannung D33, die von einer Änderung in der Temperatur abgeleitet wird, kann durch die folgende allgemeine Gleichung (2) ausgedrückt werden und sollte innerhalb von ±14% fallen: WD33 (%) = [{2 × D33max/(D33max + D33min)} – 1] × 100 (2), worin D33max den maximalen Wert der Größe der dynamischen Spannung bezeichnet, der bei einer Temperatur beobachtet wird, die von –30°C bis 160°C reicht, und worin D33min den minimalen Wert der Größe der dynamischen Spannung bezeichnet, die bei einer Temperatur in dem Bereich von –30°C bis 160°C beobachtet wird.
  • Wenn eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung die Anforderungen (h) und (i) befriedigt, kann die Temperaturabhängigkeit der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung noch weiter verbessert werden. Es kann nämlich in diesem Fall die Temperaturabhängigkeit einer Verschiebung oder Versetzung durch die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung über einen weiten Temperatur von –30°C bis 160°C reduziert werden.
  • In bevorzugter Weise sollte eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung für ein Brennstoffeinspritzventil angepasst sein. In diesem Fall sollte die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgezeichnete Eigenschaften aufweisen und zwar in einem größtmöglichen Ausmaß.
  • Darüber hinaus kann eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auch für ein Sonargerät angepasst werden, ferner für einen Ultraschallmotor oder auch für einen piezoelektrischen Ultraschallwandler.
  • Darüber hinaus kann eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auch an ein piezoelektrisches Schallteil angepasst werden. Das piezoelektrische Schallteil umfasst beispielsweise einen piezoelektrischen Summer und einen piezoelektrischen Lautsprecher.
  • Ferner sollte ein piezoelektrisches Element, welches in einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, in bevorzugter Weise aus einem laminierten piezoelektrischen Element bestehen, welches Blätter aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial und Elektroden aufweist, die abwechselnd gestapelt sind.
  • In diesem Fall wird der oben erläuterte Vorteil entsprechend einem eingeschränkten Auftreten des pyroelektrischen Effektes, der mit Hilfe der Forderung (d) geliefert wird, in bemerkenswerter Weise demonstriert. Wenn im Allgemeinen ein laminiertes piezoelektrisches Element verwendet wird, nimmt die Menge an Ladung, die dem piezoelektrischen Effekt zuzuschreiben ist, zu. Demzufolge kann eine Polarisation, die in dem piezoelektrischen Element auftritt, leicht zu einer Verschlechterung führen. Darüber hinaus kann ein Arbeiter, der das piezoelektrische Element handhabt, einen elektrischen Schlag erhalten. Solange jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung die Anforderung (d) erfüllt wird kann, selbst dann, wenn das laminierte piezoelektrische Element verwendet wird, das Auftreten des pyroelektrischen Effektes unterdrückt werden.
  • Das laminierte piezoelektrische Element besitzt eine Struktur, bei der Blätter aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial und Elektroden abwechselnd gestapelt sind. Spezifischer gesagt kann beispielsweise die Struktur als Elektroden vereinheitlicht und als gebrannte Struktur realisiert werden, indem abwechselnd viele Blätter aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial, die noch nicht gebrannt worden sind, und eine Vielzahl an Elektroden übereinandergestapelt werden und dann der laminierte Körper gebrannt wird (firing), oder es kann eine Struktur realisiert werden, indem eine Vielzahl an piezoelektrischen Elementen gebondet werden, von denen jedes Elektroden aufweist, die auf einem gebrannten Blatt aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial ausgebildet sind.
  • Darüber hinaus sollte ein piezoelektrisches Keramikmaterial, welches in einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, in bevorzugter Weise aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial bestehen, welches kein Blei enthält.
  • In diesem Fall kann die Ungefährlichkeit der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung in Bezug auf die Umwelt verbessert werden.
  • In bevorzugter Weise sollte das piezoelektrische Keramikmaterial, welches in einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird, Korn-orientiert sein bzw. aus einem kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterial bestehen, welches aus einer polykristallinen Substanz hergestellt ist, dessen Hauptphase als eine isotrope Perovskit-Verbindung existiert, ausgedrückt durch eine allgemeine Formel {Lix(K1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw)O3, worin gilt 0 ≤ x ≤ 0,2, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 0,4, 0 ≤ w ≤ 0,2 und x + z + w > 0. Hierbei sind die spezifischen Kristallflächen der Körner oder Keime, welche die polykristalline Substanz bilden, orientiert.
  • In diesem Fall kann eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, welche die Anforderungen (a) bis (e) befriedigt, oder eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, welche die Anforderungen (a) bis (i) befriedigt, unmittelbar realisiert werden.
  • Das kornorientierte piezoelektrische Keramikmaterial besitzt eine Grundzusammensetzung aus Kalium-Natrium-Niobat (K1-yNayNbO3), welches aus einer Art einer isotropen Perovskit-Verbindung besteht. Das kornorientierte piezoelektrische Keramikmaterial enthält eine vorbestimmte Menge an Lithium (Li), welches für einen Teil eines A-Seiten-Elements (K oder Na) als Substitution tritt und/oder eine vorbestimmte Menge von Tantal (Ta) enthält und/oder Antimon (Sb) enthält, welches einen Teil eines B-Seiten-Elements (Nb) ersetzt. Bei der oben angegebenen allgemeinen Formel x + z + w > 0 wird angezeigt, dass wenigstens eines der Elemente gemäß Lithium (Li), Tantal (T) und Antimon (Sb) als Substitutionselement enthalten sein sollte.
  • In der oben angegebenen allgemeinen Formel bezeichnet y das Verhältnis aus Kalium (K), welches in dem kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterial enthalten ist, zu dem Natrium (Na), welches darin enthalten ist. Das kornorientierte piezoelektrische Keramikmaterial, welches bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, sollte wenigstens eines der Elemente K und Na als ein A-Seiten-Element enthalten. Mit anderen Worten ist das Verhältnis von K zu Na, y nicht auf irgendeinen spezifischen Wert beschränkt, sondern kann auf irgendeinen Wert eingestellt werden, der gleich ist mit oder größer ist als 0 und der gleich ist mit oder kleiner ist als 1. Zum Erzielen einer ausgezeichneten Verschiebungscharakteristik sollte der Wert von y in bevorzugter Weise gleich sein mit oder größer sein als 0,05 und sollte gleich sein mit oder kleiner sein als 0,75, noch bevorzugter gleich sein oder größer sein als 0,20 und gleich sein mit oder kleiner sein als 0,70, und noch bevorzugter gleich sein mit oder größer sein als 0,35 und gleich sein mit oder kleiner sein als 0,65, noch bevorzugter gleich sein mit oder größer sein als 0,40 und gleich sein mit oder kleiner sein als 0,60 oder noch bevorzugter gleich sein mit oder größer sein als 0,42 und gleich sein mit oder kleiner sein als 0,60.
  • Nebenbei bemerkt bezeichnet x einen Betrag des Lithiums (Li), welches das Kalium (K) und/oder Natrium (Na) ersetzt, welches aus einem A-Seiten-Element besteht. Wenn Li für einen Teil von K und/oder Na tritt, werden die piezoelektrischen Eigenschaften verbessert, es wird die Curie-Temperatur angehoben und/oder eine Verdichtung vereinfacht. Der Wert x sollte in bevorzugter Weise gleich sein mit oder größer sein als 0 und gleich sein mit oder kleiner sein als 0,2. Wenn der Wert x 0,2 überschreitet, wird die Verschiebungseigenschaft verschlechtert. Der Wert von x sollte gleich sein mit oder größer sein als 0 und gleich sein mit oder kleiner sein als 0,15. Noch bevorzugter sollte der Wert von x gleich sein mit oder größer sein als 0 und gleich sein mit oder kleiner sein als 0,10.
  • Darüber hinaus bezeichnet z einen Betrag an Tantal (Ta), welches an die Stelle von Niob (Nb) tritt, welches ein B-Seiten-Element ist. Wenn Ta für einen Teil von Nb ersetzt wird oder einen Teil substituiert, wird die Verschiebungscharakteristik verbessert. Spezifischer ausgedrückt sollte der Wert von z gleich sein mit oder größer sein als 0 und gleich sein mit oder kleiner als 0,4. Wenn der Wert von z 0,4 überschreitet, fällt die Curie-Temperatur ab. Dies macht es schwierig, das piezoelektrische Keramikmaterial als ein piezoelektrisches Material für elektrische Heimanwendungen oder Automobile zu verwenden. Der Wert von z sollte in bevorzugter Weise gleich sein mit oder größer sein als 0 und gleich sein mit oder kleiner als 0,35, oder noch bevorzugter gleich sein mit oder größer sein als 0 und gleich sein mit oder kleiner als 0,30.
  • Ferner bezeichnet w einen Betrag von Antimon (Sb), welches Niob (Nb) substituiert, welches aus einem B-Seiten-Element besteht. Wenn Sb für einen Teil von Nb substituiert wird, wird die Verschiebungseigenschaft verbessert. Spezifischer ausgedrückt sollte der Wert von w gleich sein mit oder größer sein als 0 und gleich sein mit oder kleiner als 0,2. Wenn der Wert von w 0,2 überschreitet, wird die Verschiebungscharakteristik verschlechtert und/oder es fällt die Curie-Temperatur ab. Der Wert von w sollte in bevorzugter Weise gleich sein mit oder größer sein als 0 und gleich sein mit oder kleiner sein als 0,15.
  • Wenn sich die Temperatur des kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials von hoch auf niedrig ändert, ändern sich die Kristallphasen desselben von einem kubischen Kristall zu einem tetragonalen Kristall (erste Kristallphasen-Übergangstemperatur = Curie-Temperatur), von dem tetragonalen Kristall zu dem orthorhombischen Kristall (zweite Kristallphasen-Übergangstemperatur) oder von einem orthorhombischen Kristall zu einem rhombohedralen Kristall (dritte Kristallphasen-Übergangstemperatur). Bei Temperaturen höher als die erste Kristallphasen-Übergangstemperatur verschwindet die Verschiebungs- oder Versetzungseigenschaft, da die Kristallphase dann ein kubischer Kristall ist. Darüber hinaus bei Temperaturen niedriger als der zweiten Kristallphasen-Übergangstemperatur ist die Kristallphase ein orthorhombischer Kristall. Daher werden die Temperaturabhängigkeiten einer Verschiebung und eine offenkundige dynamische elektrostatische Kapazität jeweils erhöht. Demzufolge wird die Kristallphasen-Übergangstemperatur auf einen Wert größer als ein Temperaturbereich für die Verwendung eingestellt, und es wird die Kristallphasen-Übergangstemperatur auf einen Wert kleiner als der für die Verwendung gedachte Temperaturbereich eingestellt. Somit sollte das piezoelektrische Keramikmaterial in bevorzugter Weise als ein tetragonaler Kristall existieren und zwar über den gesamten bei der Verwendung auftretenden Temperaturbereich hinweg.
  • In Verbindung mit dem Kalium-Natrium-Niobat (K1-yNayNbO3), welches die Grundzusammensetzung des kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials ist, offenbart das Journal of American Ceramic Society (U.S.A. 1959, Vol. 42[9], S. 438–442) und die Beschreibung des US Patents US 2 976 246 A , dass sich die Temperaturen von K1-yNayNbO3 von hoch nach niedrig ändern und sich dabei die Kristallphasen von einem kubischen Kristall zu einem tetragonalen Kristall ändern (erste Kristallphasen-Übergangstemperatur = Curie-Temperatur), von einem tetragonalen Kristall zu einem orthorhombischen Kristall (zweite Kristallphasen-Übergangstemperatur), oder von einem orthorhombischen Kristall zu einem rhombohedralen Kristall (dritte Kristallphasen-Übergangstemperatur). Wenn darüber hinaus der Wert von y auf 0,5 eingestellt wird, liegt die erste Kristallphasen-Übergangstemperatur bei ca. 420°C, die zweite Kristallphasen-Übergangstemperatur liegt bei etwa 190°C und die dritte Kristallphasen-Übergangstemperatur liegt bei etwa –150°C. Daher ist die Temperaturdomäne, die es ermöglicht, dass der tetragonale Kristall existiert, ein Bereich von 190°C bis 420°C und ist innerhalb des Temperaturbereiches für die Verwendung von industriellen Produkten von –40°C bis 160°C inkonsistent.
  • Andererseits können die erste und die zweite Kristallphasen-Übergangstemperaturen des kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung frei variiert werden indem die Menge an Lithium (Li), Tantal (Ta) oder Antimon (Sb) geändert wird, die ein Substitutionselement darstellen, um an die Stelle von einem anderen Element zu treten, welches in dem Kalium-Natrium-Niobat (K1-yNayNbO3) enthalten ist, das heißt der Grundzusammensetzung des kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials.
  • Es wurden viele Regressionsanalysen hinsichtlich der Mengen an substitionellem Lithium (Li), Tantal (Ta) und Antimon (Sb) durchgeführt und es wurden Werte der Kristallphasen-Übergangstemperaturen gemessen, wobei der Wert von y in einem Bereich von 0,4 bis 0,6 eingestellt wurde, was die Möglichkeit schuf die piezoelektrischen Eigenschaften sehr stark oder ausgeprägt zu verbessern. Die Ergebnisse sind durch die folgenden Gleichungen B1 und B2 zum Ausdruck gebracht.
  • Die Gleichungen B1 und B2 demonstrieren, dass die Erhöhung der Menge an substitionellem Lithium (Li) bewirkt, dass die erste Kristallphasen-Übergangstemperatur angehoben wird und bewirkt, dass die zweite Kristallphasen-Übergangstemperatur abfällt. Darüber hinaus führten Erhöhungen in den Mengen von Substitution-Tantal (Ta) und Substitution-Antimon (Sb) beide dazu, dass die erste Kristallphasen-Übergangstemperatur und auch die zweite Kristallphasen-Übergangstemperatur abfallen. Erste Kristallphasen-Übergangstemperatur = (388 + 9x – 5z – 17w) ± 50 [°C] (B1), Zweite Kristallphasen-Übergangstemperatur = (190 – 18,9x – 3,9z – 5,8w) ± 50 [°C] (B2).
  • Die erste Kristallphasen-Übergangstemperatur ist die Temperatur, die zur Folge hat, dass die piezoelektrischen Eigenschaften vollständig verschwinden. Darüber hinaus nimmt eine dynamische Kapazität abrupt bei Temperaturen zu, die dicht bei der ersten Kristallphasen-Übergangstemperatur gelegen sind. Die erste Kristallphasen-Übergangstemperatur sollte daher in bevorzugter Weise gleich sein mit oder höher sein als die Summe aus einer oberen Grenzwertumgebungstemperatur für die Verwendung der industriellen Produkte und 60°C. Die zweite Kristallphasen-Übergangstemperatur besteht aus der Temperatur, die einen Kristallphasenübergang hervorbringt, jedoch nicht bewirkt, dass die piezoelektrischen Eigenschaften verschwinden. Die zweite Kristallphasen-Übergangstemperatur sollte daher auf einen Wert eingestellt werden, der die Temperaturabhängigkeit der Verschiebung oder eine dynamische Kapazität nicht nachteilig beeinflusst, und sollte bevorzugt gleich sein mit oder kleiner als die Summe aus der unteren Grenzwert-Umgebungstemperatur für die Verwendung der industriellen Produkte und 40°C.
  • Nebenbei bemerkt variiert die obere Grenzwert-Umgebungstemperatur für die Verwendung von industriellen Produkten abhängig von der Verwendung und kann daher bei 60°C, 80°C, 100°C, 120°C, 140°C oder 160°C liegen. Die untere Grenzwert-Umgebungstemperatur für die Verwendung von industriellen Produkten kann daher betragen –30°C oder –40°C.
  • Demzufolge sollte die erste Kristallphasen-Übergangstemperatur, die durch die Gleichung B1 geliefert wird, in bevorzugter Weise gleich sein mit oder höher liegen als 120°C. Daher sollten die Werte von x, z und w in bevorzugter Weise die Bedingung erfüllen: (388 + 9x – 5z – 17w) ± ≥ 120.
  • Darüber hinaus sollte die zweite Kristallphasen-Übergangstemperatur, die durch die Gleichung B2 abgeleitet wird, in bevorzugter Weise gleich sein mit oder niedriger sein als 10°C. Daher sollten die Werte von x, z und w in bevorzugter Weise die Bedingung befriedigen: (190 – 18,9x – 3,9z – 5,8w) – 50 ≤ 10.
  • Bei dem kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterial sollten die Werte von x, y und z in der allgemeinen Formel {Lix(k1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw}O3 die Beziehungen befriedigen, die durch die folgenden Gleichungen (3) und (4) wiedergegeben werden. 9x – 5z – 17w ≥ –318 (3) –18,9x – 3,9z – 5,8w ≤ – 130 (4)
  • Die dynamische Kapazität (offenkundige dynamische Kapazität) wird dadurch berechnet indem ein Betrag der Ladung Q [C], der sich in einem Kondensator angesammelt hat, wenn eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung und der Kondensator miteinander in Reihe geschaltet werden und eine Spannung an die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung angelegt wird, um die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung anzutreiben und zwar unter solch einem Antriebszustand oder Antriebsbedingung, dass die Treiberspannung eine konstante Amplitude in der elektrischen Feldstärke von 100 V/mm oder mehr aufweist, wobei die Spannung V [V] an die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung angelegt ist.
  • Nebenbei bemerkt kann das kornorientierte piezoelektrische Keramikmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung lediglich aus einer isotropen Perovskit-Verbindung hergestellt werden (erstes KNN-System bzw. Zusammensetzung oder Verbindung), die durch die zuvor angegebene allgemeine Formel wiedergegeben ist oder kann irgendein anderes Element enthalten, welches aktiv hinzuaddiert wird oder ein anderes Element ersetzt.
  • In dem ersteren Fall sollte das kornorientierte piezoelektrische Keramikmaterial lediglich aus der ersten KNN-System-Verbindung oder Zusammensetzung hergestellt sein, kann jedoch irgendein anderes Element enthalten oder auch eine Phase enthalten sofern die isotrope Perovskit-Kristallstruktur aufrecht erhalten werden kann und die Sinterungseigenschaften, piezoelektrischen Eigenschaften oder ähnliche Eigenschaften nicht nachteilig beeinflusst werden. Speziell wird eine Verunreinigung oder ein Fremdstoff unvermeidbar in ein örtlich aushärtbares industrielles Rohmaterial miteingemischt, dessen Reinheitsbereiche von 99% bis 99,9% reichen und welches zur Herstellung des kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials verwendet wird. Beispielsweise kann Niob-Pentaoxid (Nb2O5), welches aus einem der Rohmaterialien des kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials besteht, höchstens 0,1 Gew.% enthalten oder weniger an Tantal (Ta) und 0,15 Gew.% oder weniger an Fluor (F) als Verunreinigungen enthalten, die aus Rohstoffen oder einem Herstellungsverfahren her stammen.
  • Wenn darüber hinaus Bismut (Bi) bei einem Herstellungsprozess verwendet wird, ist ein Vermischen desselben mit einem Rohmaterial unvermeidbar, wie dies in Bezug auf das Beispiel 1 an späterer Stelle noch beschrieben werden soll.
  • Bei dem letzteren Fall verbessert beispielsweise das Hinzugeben von Mangan (Mn) effektiv den Abfall der Temperaturabhängigkeit einer offensichtlich oder erscheinenden dynamischen Kapazität und führt zu einer Erhöhung in der Verschiebung oder Versetzung. Zusätzlich verbessert das Hinzugeben von Mn effektiv die Reduzierung eines dielektrischen Verlustes tanδ und eine Erhöhung eines mechanischen Qualitätsfaktors Qm. Daher liefert die Zugabe von Mn eine Betätigungsvorrichtung vom Resonanzantriebstyp mit bevorzugten Eigenschaften.
  • Ferner besitzt ein kornorientiertes piezoelektrisches Keramikmaterial spezifische Kristallflächen der Körner, die einen Polykristall bilden, dessen Hauptphase als eine isotrope Perovskit-Verbindung oder Zusammensetzung existiert, welche durch die zuvor angegebene allgemeine Formel wiedergegeben ist und welche orientiert ist. Im Folgenden bestehen die spezifischen Kristallflächen der Körner, die orientiert sind, in bevorzugter Weise aus pseudo-kubischen {100}-Ebenen.
  • Nebenbei bemerkt besitzt die isotrope Perovskit-Zusammensetzung allgemein eine Struktur, die in einen tetragonalen Kristall, orthorhombischen Kristall, trigonalen Kristall oder ähnlichem Kristall klassifiziert werden kann oder der leicht einer Spannung ausgesetzt ist und zwar verglichen mit der Struktur des kubischen Kristalls. Da die Spannung vernachlässigbar ist, wird die Struktur der isotropen Perovskit-Zusammensetzung als kubischer Kristall betrachtet. Daher bezeichnet der pseudo-kubische {HKL}-Kristall den tetragonalen Kristall, den orthorhombischen Kristall oder den trigonalen Kristall, der somit als kubischer Kristall betrachtet wird, und dieser wird mit Miller-Indizes bezeichnet.
  • In diesem Fall kann die Verschiebung, die von der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung ausgeführt wird, erhöht werden und es kann die Temperaturabhängigkeit einer erscheinenden dynamischen Kapazität reduziert werden.
  • Wenn die pseudo-kubischen {100}-Ebenen ebenenorientiert sind, kann das Ausmaß der Ebenenorientierung mit einem mittleren Orientierungsgrad F (HKL) angezeigt oder ausgedrückt werden, der entsprechend dem Lotgering'schen Verfahren berechnet wird, welches durch die Gleichung (1), die weiter unten angegeben ist, wiedergegeben wird. WD33 (%) = [{2 × D33max/(D33max + D33min)} – 1] × 100 (1).
  • In der Gleichung (1) bezeichnet ΣI(hkl) die Gesamtsumme der Röntgenstrahl-Beugungsintensitäten von allen Kristallflächen (hkl), gemessen an einem kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterial, und ΣI0(hkl) bezeichnet die Gesamtsumme der Röntgenstrahl-Beugungsintensitäten von allen Kristallflächen (hkl), gemessen an einem nicht-kornorientierten Keramikmaterial mit der gleichen Zusammensetzung wie das kornorientierte piezoelektrische Keramikmaterial. Darüber hinaus bezeichnet ΣI'(HKL) die Gesamtsumme der Röntgenstrahl-Beugungsintensitäten der spezifischen Kristallflächen (HKL), die kristallographisch äquivalent zueinander sind und gemessen werden an dem kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterial, und wobei Σ'I0(HKL) die Gesamtsumme der Röntgenstrahl-Beugungsintensitäten von spezifischen Kristallflächen (HKL) bezeichnet, die ein kristallographisches Äquivalent untereinander darstellen und an einem nicht-kornorientierten Keramikmaterial gemessen werden, welches die gleiche Zusammensetzung besitzt wie das kornorientierte piezoelektrische Keramikmaterial.
  • Wenn demzufolge Körner, die eine polykristalline Substanz bilden, nicht alle orientiert sind, beträgt der mittlere Orientierungsgrad F(HKL) gleich 0%. Wenn die (HKL)-Ebenen von allen Körnern, welche die polykristalline Substanz bilden, parallel zu den Messebenen orientiert sind, liegt der mittlere Orientierungsgrad F(HKL) bei 100%.
  • Im Allgemeinen gilt je größer das Verhältnis der orientierten Körner zu den gesamten Körnern oder allen Körnern ist, je ausgezeichneter werden die Charakteristika der polykristallinen Substanz. Es sei beispielsweise angenommen, dass spezifische Kristallflächen ebenenorientiert sind, wenn eine polykristalline Substanz dafür ausgelegt wird die ausgezeichneten piezoelektrischen Eigenschaften aufzuweisen, so sollte der mittlere Orientierungsgrad F(HKL), der gemäß dem Lotgering'schen Verfahren berechnet wird, wie dieses durch die Gleichung (1) wiedergegeben ist, in bevorzugter Weise gleich sein mit oder großer sein als 30%. Noch bevorzugter sollte der mittlere Orientierungsgrad F(HKL) gleich sein mit oder größer sein als 50%. Noch bevorzugter sollte der mittlere Orientierungsgrad oder F(HKL) gleich sein oder mit größer sein als 70%. Darüber hinaus sollten die spezifischen Kristallflächen, die orientiert sein sollen, aus Flächen bestehen, die senkrecht zu einer Polarisationsachse verlaufen. Wenn beispielsweise das Kristallsystem einer Perovskit-Verbindung oder Zusammensetzung aus einem tetragonalen System besteht, sollten die spezifischen Kristallflächen, die orientiert sein sollen, in bevorzugter Weise aus den pseudo-kubischen {100}-Ebenen bestehen.
  • Der Orientierungsgrad der pseudo-kubischen {100}-Ebenen, die in einem kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterial enthalten sind, wird entsprechend dem Lotgering'schen Verfahren berechnet und dieser sollte in bevorzugter Weise bei 30% oder höher liegen. Darüber hinaus sollte das Kristallsystem des kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials in bevorzugter Weise aus einem tetragonalen System bestehen und zwar über einem Temperaturbereich von 10°C bis 160°C.
  • Nebenbei bemerkt, wenn spezifische Kristallflächen axial orientiert sind, kann das Ausmaß der Orientierung nicht durch den gleichen Orientierungsgrad (Gleichung (1)) definiert werden und zwar als einer, der auf die Ebenenorientierung angewendet wird. Wenn jedoch die Röntgenstrahlbeugungen durch die Ebenen, die senkrecht zu einer Achse der Orientierung verlaufen, gemessen werden, kann ein mittlerer Orientierungsgrad (axialer Orientierungsgrad), der entsprechend dem Lotgering'schen Verfahren berechnet wird und basierend auf den Ergebnissen der Beugungen durch die (HKL)-Ebenen erhalten wird, dafür verwendet werden, um das Ausmaß der axialen Orientierung anzugeben. Darüber hinaus zeigt der axiale Orientierungsgrad eines kompakten Körpers mit spezifischen Kristallflächen der Körner, die nahezu perfekt axial orientiert sind, nahezu den gleichen axialen Orientierungsgrad wie einen solchen, der an einem kompakten Körper gemessen wird, welcher spezifische Kristallflächen der Körner aufweist, die nahezu perfekt ebenenorientiert sind.
  • Wie oben darlegt ist, kann sofern eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung betrachtet wird, wenn ein piezoelektrisches Keramikmaterial verwendet wird, welches die Anforderung (a) befriedigt, das heißt wenn die Massendichte des piezoelektrischen Keramikmaterials gleich ist mit oder kleiner ist als 5 g/cm3, das erzeugte Rauschen oder die erzeugten Störsignale, wenn die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung angetrieben wird, minimiert werden. Das piezoelektrische Keramikmaterial, welches die Anforderung (a) befriedigt, kann unmittelbar unter Verwendung eines kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials realisiert werden, welches aus einer Zusammensetzung hergestellt ist, welches durch die oben genannte allgemeine Formel wiedergegeben ist.
  • Um dies spezifischer zum Ausdruck zu bringen, kann die Massendichte eines piezoelektrischen Keramikmaterials gleich sein mit oder kleiner sein als 5,0 g/cm3 durch Verdichten eines kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials, welches beispielsweise aus einer Verbindung oder Zusammensetzung hergestellt ist, die durch die oben angegebene allgemeine Formel wiedergegeben wird, so dass die Verbindung oder Zusammensetzung eine relative Dichte von 95% oder mehr aufweist.
  • Selbst wenn im Gegensatz dazu ein Blei-Zirkon-Titan(PZT)-Systemmaterial verdichtet wird, reicht die Massendichte desselben von etwa 7,4 g/cm3 bis etwa 8,5 g/cm3. Daher sind die Störsignale, die in einer Betätigungsvorrichtung erzeugt werden, welche ein kornorientiertes piezoelektrisches Keramikmaterial verwendet, geringer als die Störsignale, die in einer Betätigungsvorrichtung erzeugt werden, welches das PZT-Systemmaterial verwendet.
  • Als nächstes wird die Resonanzfrequenz einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung, die ein kornorientiertes piezoelektrisches Keramikmaterial verwendet, weiter unten beschrieben. Der Young'sche Modul Y11E des kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials, welches bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird entsprechend einem Resonanz-Antiresonanz-Verfahren gemessen und dieser ist gleich mit oder größer als 90 GPa. Die Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung, die das kornorientierte piezoelektrische Keramikmaterial verwendet, ist größer, da die Massendichte des kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials klein ist und der Young'sche Modul desselben groß ist.
  • Als Nächstes wird weiter unten die Wärmeabstrahlqualität einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung beschrieben, die ein kornorientiertes piezoelektrisches Keramikmaterial verwendet. Der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit des kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials kann gleich sein mit oder größer sein als 2 Wm–1K–1. Wenn demzufolge das kornorientierte piezoelektrische Keramikmaterial verwendet wird, kann die Forderung (b) unmittelbar befriedigt werden. Als ein Ergebnis wird die Wärmeabstrahlqualität der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung verbessert und es kann ein Anstieg in der Temperatur unterdrückt werden.
  • Als Nächstes wird eine thermische Spannung, die dann erzeugt wird, wenn eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, die ein kornorientiertes piezoelektrisches Keramikmaterial verwendet, eine Temperaturänderung erfährt, weiter unten beschrieben.
  • Der Koeffizient der thermischen Ausdehnung eines kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials ist gleich mit oder größer als 3,0 ppm/°C über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C hinweg. Es kann daher die Anforderung (c) unmittelbar erfüllt werden. Als ein Ergebnis kann eine Differenz in dem Koeffizienten der thermischen Ausdehnung zwischen dem kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterial und einem Halterungsteil, welches aus einem Metall oder einem Harz hergestellt ist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient größer ist als 3,0 ppm/°C, reduziert werden. Demzufolge kann eine thermische Spannung, die dann erzeugt wird, wenn eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, die das kornorientierte piezoelektrische Keramikmaterial verwendet, einer Temperaturänderung unterworfen wird, reduziert werden.
  • Als Nächstes wird die pyroelektrische Eigenschaft einer Betätigungsvorrichtung beschrieben, welche ein kornorientiertes piezoelektrisches Keramikmaterial verwendet. Der pyroelektrische Koeffizient des kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials ist gleich mit oder kleiner als 400 μCm–2K–1 über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C. Daher wird die oben erläuterte Anforderung (d) mühelos befriedigt. Als ein Ergebnis ist eine Spannung, die an den Anschlüssen in der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung entwickelt wird, welche das kornorientierte piezoelektrische Keramikmaterial verwendet, so niedrig, um ein Produkt zu realisieren, welches keine Verbindung zwischen den Anschlüssen benötigt, um diese kurzzuschließen und zwar unter Verwendung eines Metallclips oder eines Metalljoches oder welches keinen Widerstand aufweist, der zwischen die Anschlüsse geschaltet ist.
  • Als Nächstes wird die mechanische Festigkeit einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung, die ein kornorientiertes piezoelektrisches Keramikmaterial verwendet, weiter unten beschrieben. Eine biaxiale Biege-Bruchlast, die ein kornorientiertes piezoelektrisches Keramikmaterial erfahren kann, ist größer als diejenige eines PZT-System-piezoelektrischen Keramikmaterials. Demzufolge weist die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, die das kornorientierte piezoelektrische Keramikmaterial verwendet, eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit auf und diese kann daher kaum brechen.
  • Als Nächstes wird der mechanische Qualitätsfaktor QM einer Betätigungsvorrichtung, die ein kornorientiertes piezoelektrisches Keramikmaterial verwendet, weiter unten beschrieben. Der mechanische Qualitätsfaktor QM des kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials ist gleich mit oder kleiner als 30 bei Raumtemperatur (25°C). Es kann daher die weiter oben erläuterte Anforderung (e) unmittelbar realisiert werden. Da der mechanische Qualitätsfaktor Qm eines gesamten Oszillationssystems, welches in der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung enthalten ist, die das kornorientierte piezoelektrische Keramikmaterial verwendet, abgesenkt werden kann, ermöglicht es die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung ein piezoelektrisches Akustikteil zu realisieren und zwar aufgrund einer Differenz in einem Schalldruck zwischen einem Resonanzpunkt und irgendeinem anderen Punkt, die begrenzt ist.
  • Als Nächstes wird die Verschiebungscharakteristik einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung, die ein kornorientiertes piezoelektrisches Keramikmaterial verwendet, weiter unten beschrieben.
  • Wenn eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, die ein kornorientiertes piezoelektrisches Keramikmaterial verwendet, dafür eingesetzt wird ein Treiberquelle zu realisieren, wird eine Größe einer dynamischen Spannung D33, die unter solch einer Antriebsbedingung auftritt, das eine Treiberspannung einer konstanten Amplitude in der elektrischen Feldstärke von 100 V/mm oder mehr aufweist, und kein dielektrischer Durchbruch verursacht wird, gleich sein mit oder größer als 250 pm/V und zwar über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C. Wenn ferner die Zusammensetzung des Keramikmaterials und der Herstellungsprozess desselben optimiert werden, kann die Größe der dynamischen Spannung D33 auf 300 pm/V oder mehr erhöht werden, ferner auch auf 350 pm/V oder mehr, ferner auch bis auf 400 pm/V oder mehr und selbst bis auf 450 pm/V oder mehr oder selbst bis auf 500 pm/V oder mehr.
  • Ferner kann die Breite der Variation in der Verschiebung (= die Breite oder Weite der Variation in einer Größe der dynamischen Spannung) innerhalb von ±14% oder weniger fallen und zwar mit dem Quotienten von (ein maximaler Wert – ein minimaler Wert) um 2 als Bezugswert. Wenn die Zusammensetzung des Keramikmaterials und der Herstellungsprozess derselben optimiert werden, kann die Breite der Schwankung der Verschiebung reduziert werden, so dass diese innerhalb von ±12% oder weniger fällt, ferner innerhalb von ±10% oder weniger fällt, oder ferner auch innerhalb von ±8% oder noch weniger fällt.
  • Darüber hinaus ist die Breite der Variation in einer Verschiebung über einen Temperaturbereich von –30°C bis 80°C (= die Breite der Schwankung in der Größe der dynamischen Spannung), die unter solch einer Antriebsbedingung verursacht wird, dass eine Treiberspannung eine konstante Amplitude gemäß einer elektrischen Feldstärke von 100 V/mm oder mehr aufweist, in einem Bereich innerhalb von ±14% oder weniger fallen mit einem Quotienten von (ein maximaler Wert – ein minimaler Wert) durch 2 als ein Bezugswert. Wenn die Zusammensetzung des Keramikmaterials und der Herstellungsprozess derselben optimiert werden, kann die Variationsbreite in einer Verschiebung oder Versetzung reduziert werden, so dass sie in einem Bereich von ±12% oder weniger fällt, ferner in einem Bereich von ±9% oder weniger fällt, ferner in einem Bereich von ±7% oder weniger fällt, ferner auch in einem Bereich innerhalb von ±5% oder weniger fällt, oder noch weiter innerhalb eines Bereiches von ±4% oder weniger liegt. Dies führt zu einer Betätigungsvorrichtung, die dann, wenn der Antrieb gemäß einem Konstantspannungs-Antriebsverfahren erfolgt, eine Verschiebung aufweist, die kaum noch temperaturabhängig ist.
  • Eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Gesamt-Verschiebungsquelle aufweisen, die durch ein kornorientiertes piezoelektrisches Keramikmaterial hervorgerufen wird. Ein piezoelektrisches Keramikmaterial, welches durch die allgemeine Formel (1) ausgedrückt wird und irgendein anderes piezoelektrisches Keramikmaterial können in einem Ausmaß kombiniert werden, so dass die Verschiebungscharakteristik einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung nicht nachteilig beeinflusst wird, wodurch dann eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung leicht konstruiert werden kann. In einem Fall einer laminierten Betätigungsvorrichtung kann beispielsweise das kornorientierte piezoelektrische Keramikmaterial, welches durch die allgemeine Formel (1) ausgedrückt wird, 50% oder mehr des Volumens eines piezoelektrischen Keramikmaterials belegen und es kann ein Bariumtitanat-System eines piezoelektrischen Keramikmaterials den restlichen Prozentsatz von weniger als 50% belegen.
  • Ein Beispiel der Struktur einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun in Verbindung mit 15 beschrieben. Wie in 15 gezeigt ist, enthält eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 1 ein piezoelektrisches Element 2 mit einem Blatt aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial, einem Halterungsteil 4, welches das piezoelektrische Element haltert, einem Gehäuseteil 3, welches das piezoelektrische Element und andere Teile aufnimmt, und ein Förderteil 5, welches eine Verschiebung fördert oder weitergibt, die von dem piezoelektrischen Element ausgeführt wird.
  • Wie in 17 gezeigt ist, auf die noch später eingegangen wird, kann ein laminiertes piezoelektrisches Element mit Blättern aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial 21 und mit inneren Elektroden 22 und 23, die abwechselnd gestapelt sind, als ein piezoelektrisches Element 2 eingesetzt werden.
  • Darüber hinaus kann ein Furnier (veneer) piezoelektrisches Element mit einem Blatt aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial, welches zwischen zwei internen Elektroden eingefasst ist (nicht gezeigt) als piezoelektrisches Element 2 eingesetzt werden.
  • Ein Paar von externen Elektroden 25 und 26 ist an den Flanken des piezoelektrischen Elements 2 ausgebildet. Zwei angrenzende interne Elektroden 22 und 23 in dem piezoelektrischen Element 2 sind elektrisch mit den externen Elektroden 25 bzw. 26 verbunden.
  • Wie in 15 gezeigt ist, ist ein Förderteil 5 wie beispielsweise ein Kolben an einem Ende in einer Stapelrichtung des piezoelektrischen Elements 2 angeordnet, welches in der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung 1 enthalten ist. Eine Scheibenfeder 55 ist in einem Raum zwischen dem Gehäuse 3 und dem Förderteil 5 eingefügt, wodurch dann eine Voreinstelllast auf das piezoelektrische Element 2 ausgeübt wird. Das Förderteil 5 ist entlang mit der Verschiebung des piezoelektrischen Elements 2 bewegbar und kann somit die Bewegung oder Verschiebung zur Außenseite hin übertragen. Darüber hinaus besitzt das Gehäuse 3 Durchgangslöcher 31 und 32. Es sind Anschlüsse (Leitungen) 61 und 62, über die eine Ladung nach außen hin zugeführt wird, in die Durchgangslöcher 31 bzw. 32 eingeführt. Es werden Dichtungsvorrichtungen oder Dichtungsringe 31 und 32 dazu verwendet, um die Innenseite des Gehäuses 3 luftdicht zu halten. Die Anschlüsse 61 und 62 sind elektrisch mit externen Anschlüssen 25 und 26 verbunden, die an dem piezoelektrischen Element 2 jeweils ausgebildet sind.
  • Wie in 15 gezeigt ist, ist ein O-Ring 35 in einem Raum zwischen dem Kolbenteil 5 und dem Gehäuse 3 positioniert, um die Innenseite des Gehäuses 3 luftdicht zu halten. Darüber hinaus erlaubt es der O-Ring 35, dass das Kolbenteil 5 gestreckt oder kontrahiert werden kann.
  • Die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung kann beispielsweise für ein Brennstoffeinspritzventil ausgelegt sein. Darüber hinaus kann die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung als eine laminierte Betätigungsvorrichtung, als ein piezoelektrischer Übertrager oder Transformator, als ein Ultraschallmotor, eine bimorphe Zelle, ein Sonargerät, als ein piezoelektrischer Ultraschallwandler, als ein piezoelektrischer Summer oder als ein piezoelektrischer Lautsprecher ausgelegt sein.
  • (Beispiel 1)
  • Bei dem vorliegenden Beispiel wurde ein piezoelektrisches Element mit einem Blatt aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial hergestellt und dazu verwendet, um eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung oder Stellglied herzustellen. Bei dem vorliegenden Beispiel enthält die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 11 ein Joch oder Aufspannvorrichtung 8, welches bzw. die in 16 gezeigt ist, und die als ein Modell einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung hergestellt wurde.
  • Spezifischer gesagt enthält die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 11 des vorliegenden Beispiels ein laminiertes piezoelektrisches Element 2, welches Blätter aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial als eine Treiberquelle verwendet, und mit einem piezoelektrischen Element 2, welches in dem Joch oder Aufspannvorrichtung 8 verriegelt ist.
  • Das Joch 8 enthält ein Gehäuse 81, welches das piezoelektrische Element 2 aufnimmt, und einen Kolben (Kupplungsteil) 82, der an das piezoelektrische Element 2 gekuppelt ist und der eine Verschiebung des piezoelektrischen Elements 2 überträgt oder weiterleitet. Der Kolben 82 ist an eine Führung 83 über eine Scheibenfeder 85 gekuppelt. Ein Sockel 815 ist in dem Gehäuse 81 ausgebildet und das piezoelektrische Element 2 ist auf dem Sockel 815 platziert. Das piezoelektrische Element 2, welches auf dem Sockel 815 platziert ist, ist durch einen Kopf 821 des Kolbens 82 gesichert oder befestigt. Dabei wird eine Voreinstelllast auf das piezoelektrische Element 2 durch die Scheibenfeder 85 aufgebracht. Darüber hinaus kann ein Ende (Messteil 88) des Kolbens 82 gegenüber dem Kopf 821 zusammen mit der Verschiebung des piezoelektrischen Elements 2 bewegt werden.
  • Es wird nun ein Verfahren zum Aufbringen einer Voreinstelllast weiter unten beschrieben. Die Voreinstelllast wird dadurch aufgebracht indem eine zylinderförmige Stoßstange (nicht gezeigt) in einen Spalt zwischen dem Kolben 82 und einer Stoßschraube 84 eingeführt wird und indem eine exakte Last auf die Führung 83 unter Verwendung einer Testmaschine vom Typ Amsler aufgebracht wird. Danach werden zur Aufrechterhaltung der Voreinstelllast die Stoßschraube 84 und das Gehäuse 81 mit der aufgebrachten Last befestigt. Danach wird die Stoßstange (push rod) entfernt.
  • Bei dem vorliegenden Beispiel besteht der Grund warum das Modell einer piezoelektrischem Betätigungsvorrichtung so hergestellt wird darin, die Temperatureigenschaft einer Verschiebung oder Versetzung zu bewerten, die durch die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung ausgeführt wird. Da die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung länglich ausgebildet ist, kann das piezoelektrische Element 2 in einen Thermostaten eingebracht werden und das Messteil 88 kann außerhalb des Thermostaten (bei Raumtemperatur) angeordnet werden. Zur Bewertung der Temperaturcharakteristik, die noch an späterer Stelle beschrieben wird, wird der Abschnitt der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung 11, der unter einer strichlierten Linie in 16 gezeigt ist, in den Thermostaten gebracht. Bin adiabatisches Teil 86 ist in der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung zu dem Zweck vorgesehen, um eine thermische Übertragung auf einen Abschnitt der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung zu verhindern, der oberhalb der strichlierten Linie in der Zeichnung gezeigt ist. Das Modell einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung ist funktionsmäßig äquivalent mit der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung, die in 15 gezeigt ist.
  • Wie in 17 gezeigt ist, ist bei dem vorliegenden Beispiel des piezoelektrische Element 2 als ein laminiertes piezoelektrisches Element ausgebildet mit Blättern aus piezoelektrischem Keramikmaterial 21 und mit inneren Elektroden 22 und 23, die abwechselnd gestapelt sind. Darüber hinaus ist eine Tonerde-Platte 245 an beiden Enden des piezoelektrischen Elements 2 in einer Stapelrichtung platziert.
  • Die zwei externen Elektroden 25 und 26 sind an den Flanken des piezoelektrischen Elements 2 ausgebildet und war in solcher Weise, um das piezoelektrische Element einzufassen. Die externen Elektroden 25 und 26 sind mit Leitungen 61 und 62 jeweils verbunden.
  • Die internen Elektroden 22 und 23 und die externen Elektroden 25 und 26 sind miteinander verbunden, so dass zwei benachbarte interne Elektroden 22 und 23 in dem piezoelektrischen Element 2 mit den externen Elektroden 25 und 26 mit jeweils wechselseitig unterschiedlichen Potenzialen verbunden sind.
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung gemäß dem vorliegenden Beispiel weiter unten beschrieben.
    • (1) Herstellen eines Natrium-Niobat (NaNbO3) plattenförmigen Pulvers Ein Dibismut-Trioxidpulver (Bi2O3), ein Natriumcarbonat (Na2CO3)-Pulver und ein Diniobium-Pentaoxidpulver (Nb2O5) wurden in Einheiten von g/m2 gemäß einer Zusammensetzung abgewogen, die als Bi2.5Na3.5Nb5O18 ausgedrückt werden kann und zwar unter Verwendung eines stöchiometrischen Verhältnisses. Die Pulver wurden dann feucht gemischt. Danach wurden 50 Gew.% von Natriumchlorid (NaCl) als ein Flussmittel zu dem Rohmaterial hinzugegeben und es wurde die Mischen trocken gemischt und zwar für eine Stunde.
  • Danach wurde die Mischung in einen Platin-Tiegel gegossen und für eine Stunde auf 850°C erhitzt. Nachdem das Flussmittel vollständig aufgelöst war, wurde die Mischung für zwei Stunden auf 1100°C erhitzt. Es wurde somit ein Reaktanz vorbereitet, welches sich ausdrücken lässt als Bi2.5Na3.5Nb5O18. Nebenbei bemerkt betrug die Temperaturanstiegsrate 200°C pro Stunde und es wurde der Ofen gemäß einem Kühlverfahren abgekühlt. Nach der Vervollständigung des Abkühlvorganges wurde das Flussmittel entfernt und zwar durch Baden des Reaktanz in heißem Wasser. Dies führte zu einem Bi2.5Na3.5Nb5O18-Pulver. Das resultierende Bi2.5Na3.5Nb5O18-Pulver bestand aus einem plattenförmigen Pulver mit {001}-Ebenen der Körner oder Keime desselben und zwar als Entwicklungsebenen.
  • Danach wurde eine Menge aus Natriumcarbonat (Na2CO3), die für die Herstellung des Natriumniobats (NaNbO3) erforderlich war, in dem plattenförmigen Pulver gemäß Bi2.5Na3.5Nb5O18 gemischt. Es wurde Natriumchlorid (NaCl) als ein Flussmittel verwendet und es wurde die Mischung thermisch in dem Platin-Tiegel bei 950°C für acht Stunden behandelt.
  • Das resultierende Reaktanz enthielt sowohl Dibismut-Trioxid (Bi2O3) als auch den NaNbO3-Puder oder Pulver. Nachdem das Flussmittel aus dem Reaktanz entfernt worden war, wurde das Reaktanz in eine 1 N Nitridsäure (HNO3) gelegt, um das Bi2O3 aufzulösen, welches als eine Überschusskomponente erzeugt worden war. Ferner wurde die Lösung gefiltert, um das Natriumniobatpulver (NaNbO3) aufzulösen und es wurde das NaNbO3-Pulver gespült und zwar mit einem Ionenaustausch-Wasser bei 80°C. Das resultierende NaNbO3-Pulver bestand aus einem plattenförmigen Pulver mit pseudo-kubischen {100}-Ebenen der Körner oder Keime desselben und zwar als Entwicklungsebenen. Der Durchmesser eines Kornes reichte von 10 μm bis 30 μm und das Seitenverhältnis desselben reichte von etwa 10 bis etwa 20.
    • (2) Herstellung eines kornorientierten Keramikmaterials mit einer Zusammensetzung, ausgedrückt als {Li0,07(K0,43Na0,57)0,93}{Nb0,84Ta0,09Sb0,07}O3.
  • Es wurde ein Natriumcarbonatpulver (Na2CO3), ein Kaliumcarbonatpulver (K2CO3), ein Lithiumcarbonatpulver (Li2CO3), ein Diniobium-Pentaoxidpulver (Nb2O5), ein Ditantal-Pentaoxidpulver (Ta2O5) und ein Diantimon-Pentaoxidpulver (Sb2O5) mit einer Reinheit von 99,99% oder noch höher in Einheiten von g/m3gemäß einer stöchiometrischen Zusammensetzung abgewogen, die ausgedrückt wird als {Li0,07(K0,43Na0,57)0,93}{Nb0,84Ta0,09Sb0,07}O3, um ein Mol einer Mischung herzustellen, welches 0,05 mol Natriumniobat (NaNbO3) davon subtrahiert enthielt. Unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels als ein Medium wurde die Mischung feucht gemischt und zwar in einer Zirkonschale (Zr) und zwar für 20 Stunden. Danach wurde die Mischung bei 750°C für fünf Stunden kalziniert. Unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels als Medium wurde die Mischung feuchtpulverisiert und zwar in der Zr-Schale und dies für zwanzig Stunden. Dies führte zu einem kalzinierten Pulver, dessen mittlerer Korndurchmesser bei etwa 0,5 μm lag.
  • Um die Zusammensetzung {Li0.07(K0,43Na0,57)0,93}{Nb0,84Ta0,09Sb0,07}O3 zu realisieren, kalziniertes Pulver und plattenförmiges Natriumniobat (NaNbO3) in Einheiten von g/m2 abgewogen, so dass das Verhältnis aus kalziniertem Pulver zu NaNbO3 bei 0,95 mol bis 0,05 mol lag. Unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels als Medium wurde die Mischung in der Zirkonschale (Zr) für zwanzig Stunden feucht gemischt. Dies führte zu einem pulverisierten Schlamm. Danach wurden ein Bindemittel (Polyvinyl-Butyral) und ein Plastifizierer (Dibutylphthalat) zu dem Schlamm hinzugegeben und es wurde der Schlamm für zwei Stunden gemischt.
  • Danach wurde eine Band-Formungsausrüstung dazu verwendet, um den gemischten Schlamm in ein Band von angenähert 100 μm Dicke zu formen. Ferner wurde das Band gefaltet oder umgekrempelt und gerollt. Dies führte zu einem plattenförmigen kompakten Körper von 1,5 mm Dicke. Danach wurde der plattenförmige kompakte Körper in Luft entfettet und zwar unter solchen Bedingungen, dass die Erwärmungstemperatur bei 600°C lag und die Erwärmungszeit fünf Stunden betrug, wobei die Temperaturanstiegsrate bei 50°C pro Stunde liegen sollte und die Abkühlungsrate aus einer Ofenabkühlungsrate bestehen sollte bzw. auch bestand. Ferner wurde der entfettete plattenförmige Körper gemäß dem kalt-isostatischem Pressverfahren (CIP) bei einem Druck von 300 MPa geformt und wurde dann in Sauerstoff für fünf Stunden bei 1110°C gesintert. Somit wurde ein piezoelektrisches Keramikmaterial (kornorientiertes piezoelektrisches Keramikmaterial) hergestellt.
  • Die Dichte des gesinterten kompakten Körpers des hergestellten piezoelektrischen Keramikmaterials wurde berechnet und es wurde der mittlere Orientierungsgrad F(100) der pseudo-kubischen {100}-Ebenen der Körner parallel zu den Bandoberflächen berechnet und zwar gemäß dem Lotgering'schen Verfahren, was durch die oben angegebene Gleichung (1) ausgedrückt wird.
  • Ferner wurde das erzeugte piezoelektrische Keramikmaterial geschliffen, poliert und bearbeitet, um ein Blatt aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial 21 herzustellen, welches aus einer in 18 gezeigten scheibenförmigen Probe bestand und zwar mit 0,485 mm Dicke und 11 mm im Durchmesser, deren obere und untere Flächen parallel zur Bandfläche verliefen. Es wurde eine Goldbrenn-Elektrodenpaste (Au) (ALP 3057 von Sumitomo Metal Mining Co., Ltd.) auf die obere und die untere Oberfläche der Probe aufgedruckt und wurde dann getrocknet. Danach wurde ein Maschenriemen-Sinterungsofen verwendet, um die Probe bei 850°C für zehn Minuten zu brennen oder zu tempern. Es wurde somit eine Elektrode 210 mit 0,01 mm Dicke auf dem Blatt aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial 21 ausgebildet. Ferner wurde die scheibenförmige oder plattenförmige Probe zylinderförmig geschliffen, um einen Durchmesser von 8,5 mm zu erreichen. Die Absicht bestand dabei darin eine Nabe von mehreren Mikrometern in der Größe zu beseitigen, die unvermeidbar an dem Perimeter der Elektrode ausgebildet wird und zwar während des Druckvorganges. Danach wurde die Probe vertikal polarisiert. Dies führte zu einem piezoelektrischen Element (Furnier; veneer) 20 mit einer Gesamtoberflächenelektrode 210, die auf dem Blatt aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial 21 ausgebildet war.
  • Eine Resonanzfrequenz (Fr) und die piezoelektrischen Eigenschaften, das heißt ein Young'scher Modul (Y11 E), eine piezoelektrische Spannungskonstante (d31), ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient (kp), ein mechanischer Qualitätsfaktor (Qm), eine Dielektrizitätskonstante (ε33 1/ε0), welche eine dielektrische Eigenschaft angibt, und ein dielektrischer Verlust (tanδ) wurden an dem hergestellten piezoelektrischen Element 20 bei Raumtemperatur (25°C) gemäß einem Resonanz-Antiresonanz-Verfahren gemessen. Darüber hinaus wurde eine erscheinende Dichte, eine Offen-Porosität und eine Massendichte (bulk density) an dem gesinterten kompakten Körper gemessen, an welchem eine Elektrode noch nicht ausgebildet worden war, entsprechend einem Archimedes-Verfahren.
  • Darüber hinaus wurde die erste Kristallphasen-Übergangstemperatur (Curie-Temperatur) und die zweite Kristallphasen-Übergangstemperatur erhalten und zwar durch Messen der Temperaturcharakteristik der dielektrischen Konstanten. Nebenbei bemerkt, wenn die zweite Kristallphasen-Übergangstemperatur gleich war mit oder niedriger lag als 0°C, war die Breite der Schwankung oder Variation in der dielektrischen Konstante, die bei den Temperaturen höher als der zweiten Kristallphasen-Übergangstemperatur beobachtet wurden, sehr klein. Wenn daher die Spitzenposition der Dielektrizitätskonstanten nicht identifiziert werden kann, wurde die Temperatur, welche bewirkt, dass die Dielektrizitätskonstante sich abrupt ändert, als die zweite Kristallphasen-Übergangstemperatur betrachtet.
  • Danach wurde das hergestellte piezoelektrische Element dazu verwendet, um ein laminiertes piezoelektrisches Element herzustellen und es wurde das laminierte piezoelektrische Element dazu verwendet, um eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung zu konstruieren. Die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung wurde dann bewertet.
  • Wie in 19 gezeigt ist, besaßen die piezoelektrischen Elemente 20, die gemäß der oben erläuterten Weise hergestellt worden waren und die internen Elektrodenplatten 22 (23), die aus rostfreiem Stahl (SUS) hergestellt worden waren, eine Dicke von 0,02 mm und einen Durchmesser von 8,4 mm und enthielten Vorsprünge, über die jede interne Elektrodenplatte mit einer externen Elektrode verbunden wurde oder war, was noch später beschrieben werden soll, die abwechselnd gestapelt worden waren. Zu diesem Zeitpunkt wurden die internen Elektrodenplatten 22 (23) so angeordnet, dass die Vorsprünge derselben sich in der Stapelungsrichtung erstrecken konnten und zwar von abwechselnd unterschiedlichen Positionen aus und mit solchen von jeder anderen Schicht ausgerichtet waren. Es wurden somit vierzig Blätter aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial 21 und einundvierzig interne Elektrodenplatten 22 (23) abwechselnd übereinander gestapelt. Eine Tonerde-Platte (Isolierplatte) mit 2 mm Dicke und 8,5 mm Durchmesser wurde dann auf die obere und untere Fläche des laminierten Körpers aufgestapelt, wodurch dann das laminierte piezoelektrische Element 2 gemäß der Darstellung in 17 erzeugt worden war.
  • Danach wurden streifenförmig gestaltete externe Elektroden 25 und 26, die aus rostfreiem Stahl (SUS) hergestellt waren, an den Vorsprüngen der internen Elektrodenplatten 22 und 23 angeschweißt, so dass die piezoelektrischen Elemente elektrisch miteinander parallel geschaltet wurden. Ferner wurden Leitungen 61 und 62 hergestellt und wurden elektrisch jeweils an die externen Elektroden 25 und 26 angeschlossen.
  • Darüber hinaus wurde ein kammförmiges Harz-Isolierteil (nicht gezeigt) in Spalte eingeführt, die durch die identischen Elektrodenplatten erzeugt worden waren und in Flanken des laminierten Körpers offen waren, um dadurch eine Isolation unter den Vorsprüngen der internen Elektrodenplatten 22 und 23 sicherzustellen, ferner zwischen den internen Elektrodenplatten 22 und 23 mit entgegengesetzter Polarität, und den Goldelektroden (Au) mit den entgegengesetzten Polaritäten der piezoelektrischen Elemente. Es wurde eine Siliziumpaste auf den laminierten Körper aufgebracht und es wurde der laminierte Körper dann mit einem Halterungsteil 4 ummantelt, welches in Form eines Isolierrohres realisiert wurde. Dies führte zu einem laminierten piezoelektrischen Element 2.
  • Danach wurde eine kompressive Spannung von 150 MPa auf das laminierte piezoelektrische Element 2 in der Stapelungsrichtung bei Raumtemperatur (25°C) für 30 Sekunden aufgebracht und zwar für den Zweck die Klebeverbindung unter den Goldelektroden (Au) zu verbessern, die in dem laminierten piezoelektrischen Element 2 enthalten waren und auch von den Elektrodenplatten, die darin enthalten waren (Druckalterung). Während ferner eine kompressive Spannung von 30 MPa in der Stapelungsrichtung bei Raumtemperatur (25°C) aufgebracht wurde, wurde eine Sinuswelle mit einer Amplitude gemäß der elektrischen Feldstärke von 1500 V/mm von Null aus bei einer Frequenz von 40 Hz für dreißig Minuten aufgebracht (Spannungsalterung). Danach wurde gemäß der Darstellung in 16 das laminierte piezoelektrische Element 2 in dem Joch 8 blockiert oder verriegelt. Es wurde eine Plattenfeder 85, deren Federkonstante bei 2,9 N/μm lag, durch Druckschweißen in der Stapelungsrichtung des piezoelektrischen Elements 2 aufgebracht und zwar durch Auferlegen einer Voreinstelllast von 16,4 MPa. Somit wurde dann die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 11 vervollständigt, wie in 16 veranschaulicht ist.
  • Danach wurde die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung mit einer Anlegespannung angetrieben, die von 485 V über 728 V auf 970 V wechselte, da diese aus einer trapezförmigen Welle bestand und zwar mit einer konstanten Amplitude (bei der elektrischen Feldstärke von 1000 V/mm von Null aus, 1500 V/mm von Null aus, oder 2000 V/mm von Null aus). Die Temperaturabhängigkeit einer Größe der dynamischen Spannung D33 wurde dann über einem Temperaturbereich von –40°C bis 160°C gemessen.
  • Für die Messung einer Größe der dynamischen Spannung D33, wurde ein Verschiebungssensor vom elektrostatischen Kapazitätstyp verwendet, um eine Verschiebung unter solchen Antriebsbedingungen zu messen, bei denen eine Antriebsspannung gemäß einer trapezförmigen Welle eine Frequenz aufwies und zwar von 0,5 Hz und 10 Hz, mit einer Anstiegszeit von 150 μs und einer Abfallzeit in der gleichen Größe und die ein Tastverhältnis oder Tastverhältnisfaktor von 50 zu 50 aufwies. Die Größe der dynamischen Spannung D33 wurde dann gemäß der Gleichung A2 berechnet.
  • Darüber hinaus wurden die berechneten Werte dazu verwendet, um die Weite oder Breite der Schwankung in der Größe der dynamischen Spannung D33 über einen Temperaturbereich von –30°C bis 80°C zu erhalten bzw. abzuleiten und der Weite oder Breite der Schwankung derselben über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C abzuleiten. Hierbei wurden die Weiten der Schwankungen oder Variationen mit dem Quotienten von 2 als ein Bezugswert (ein Maximalwert – ein Minimalwert) erhalten.
  • Ein piezoelektrisches Keramikmaterial (kornorientiertes Keramikmaterial), welches gemäß dem vorliegenden Beispiel hergestellt wurde, wurde hoch verdichtet, so dass die Massendichte desselben bei 4,72 g/cm3 lag. Darüber hinaus waren die pseudo-kubischen {100}-Ebenen der Körner oder Keime parallel zu der Bandebene oder Bandfläche orientiert und der mittlere Orientierungsgrad der pseudo-kubischen {100}-Ebenen, die gemäß dem Lotgering'schen Verfahren gemessen wurden, erreichte 88,5%.
  • Die Ergebnisse der Bewertung der piezoelektrischen Eigenschaften, die bei Raumtemperatur (25°C) beobachtet wurden, waren solcher Art, dass die Resonanzfrequenz Fr bei 376 kHz lag, der Young'sche Modul Y11 E bei 103,0 GPa lag, die piezoelektrische Spannungskonstanten d31 86,5 pm/V betrug, der elektromechanische Kopplungskoeffizient kp 48,8% ausmachte, der mechanische Qualitätsfaktor Qm bei 18,2 lag, die Dielektrizitätskonstante ε33t/ε0 bei 1042 lag und der dielektrische Verlust tanδ bei 6,4% lag. Darüber hinaus lag die erste Kristallphasen-Übergangstemperatur (Curie-Temperatur), die anhand der Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten berechnet wurde, bei 282°C, und die zweite Kristallphasen-Übergangstemperatur lag bei –30°C. Die Tabelle 1 listet diese Ergebnisse auf.
  • Die Tabelle 2, 1, und die Tabelle 7 geben die Temperaturcharakteristik einer Größe der dynamischen Spannung D33 an, die mit der Treiberfrequenz für die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung gemessen wurde, die bei dem vorliegenden Beispiel so erzeugt wurde, dass sie auf 0,5 Hz eingestellt war.
  • Über einem Temperaturbereich von –30°C bis 80°C betrug der Minimalwert einer Größe der dynamischen Spannung D33 gleich 303 pm/V und wurde beobachtet, wenn die Amplitude beim Antreiben gemäß dem elektrischen Feld bzw. Feldstärke von 1000 V/mm und die Temperatur bei –30°C lag. Der maximale Wert der Breite der Variation in der Größe der dynamischen Spannung D33 lag bei ±3,8% und wurde beobachtet, wenn die Amplitude der antreibenden elektrischen Feldstärke bei 1500 V/mm lag.
  • Über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C betrug der Minimalwert einer Größe der dynamischen Spannung D33 gleich 303 pm/V und wurde beobachtet, wenn die Amplitude des antreibenden elektrischen Feldes bzw. Feldstärke bei 1000 V/mm lag und die Temperatur bei –30°C lag. Der maximale Wert der Breite der Variation in der Größe der dynamischen Spannung D33 betrug ±7,7% und wurde beobachtet, wenn die Amplitude in der antreibenden elektrischen Feldstärke bei 2000 V/mm lag.
  • (Beispiel 2)
  • Ein kornorientiertes Keramikmaterial mit der Zusammensetzung gemäß {Li0,07(K0,45Na0,55)0,93}{Nb0,82Ta0,10Sb0,08}O3 wurde gemäß der gleichen Prozedur wie der einen hergestellt, die bei dem Beispiel 1 angewendet wurde, mit der Ausnahme, dass die Brenntemperatur für den entfetteten plattenförmigen kompakten Körper auf 1105°C eingestellt wurde. Das hergestellte kornorientierte Keramikmaterial wurde relativ zu der Dichte eines gesinterten kompakten Körpers bewertet, hinsichtlich einem mittleren Orientierungsgrad bewertet, und hinsichtlich der piezoelektrischen Eigenschaften und zwar unter den gleichen Bedingungen wie denjenigen, die bei dem Beispiel 1 festgelegt worden waren. Darüber hinaus wurde eine laminierte Betätigungsvorrichtung, die vierzig Blätter aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial enthielt, gemäß der gleichen Prozedur wie derjenigen hergestellt, die bei dem Beispiel 1 angewendet worden war und es wurden dann die Charakteristika der Betätigungsvorrichtung ausgewertet.
  • Das kornorientierte Keramikmaterial, welches bei dem vorliegenden Beispiel hergestellt wurde, wurde hoch verdichtet, so dass die Massendichte desselben bei 4,72 g/cm3 lag. Darüber hinaus waren die pseudo-kubischen {100}-Ebenen der Körner oder Keime parallel zu der Bandoberfläche orientiert. Der mittlere Orientierungsgrad der pseudo-kubische {100}-Ebenen, die gemäß dem Lotgering'schen Verfahren berechnet wurden, erreichten 94,6%. Ferner waren die Ergebnisse der Auswertung der piezoelektrischen Eigenschaften, die bei Raumtemperatur (25°C) beobachtet wurden, so beschaffen, dass die Resonanzfrequenz F4 374 kHz betrug, der Young'sche Modul Y11 E bei 102,5 GPa lag, die piezoelektrische Spannungskonstante d31 bei 88,1 pm/V lag, der elektromechanische Kopplungskoeffizient kp bei 48,9% lag, der mechanische Qualitätsfaktor Qm bei 16,6 lag, die Dielektrizitätskonstante ε33 t/ε0 bei 1071 lag und der dielektrische Verlust tanδ bei 4,7% lag. Darüber hinaus wurde eine erste Kristallphasen-Übergangstemperatur (Curie-Temperatur) basierend auf der Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten erhalten, die bei 256°C lag, und es wurde die zweite Kristallphasen-Übergangstemperatur mit –35°C ermittelt.
  • Die Tabelle 1 listet die oben erläuterten Ergebnisse auf.
  • Die Tabelle 3, 2, und die Tabelle 7 repräsentieren die Temperaturcharakteristik einer Größe der dynamischen Spannung D33, gemessen mit einer Treiberfrequenz für die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, die bei der vorliegenden Ausführungsform erzeugt wurde und auf 0,5 Hz eingestellt wurde.
  • Wie aus den Tabellen und den Zeichnungen ersehen werden kann, liegt der minimale Wert einer Größe der dynamischen Spannung D33 über einem Temperaturbereich von –30°C bis 80°C bei 355 pm/V und wird beobachtet, wenn die Amplitude der treibenden elektrischen Feldstärke 1000 V/mm beträgt und die Temperatur bei 20°C liegt. Der maximale Wert der Weite der Variation in der Größe der dynamischen Spannung D33 beträgt ±8,0% und wird beobachtet, wenn die Amplitude der treibenden elektrischen Feldstärke bei 1000 V/mm liegt.
  • Über einem Temperaturbereich von –30°C bis 160°C liegt der minimale Wert einer Größe der dynamischen Spannung D33 bei 355 pm/V und wird beobachtet, wenn die Amplitude der treibenden elektrischen Feldstärke bei 1000 V/mm liegt und zwar bei einer Temperatur bei 20°C. Der maximale Wert der Breite der Variation in der Größe der dynamischen Spannung D33 beträgt ±13,8% und wird beobachtet, wenn die Amplitude in der treibenden elektrischen Feldstärke bei 2000 V/mm liegt.
  • (Beispiel 3)
  • Es wurde ein kornorientiertes Keramikmaterial mit der Zusammensetzung von {Li0,065(K0,45Na0,55)0,935}{Nb0,83Ta0,05Sb0,08}O3 gemäß der gleichen Prozedur hergestellt, wie die Prozedur, die bei dem Beispiel 1 verwendet wurde mit der Ausnahme, dass die Brenntemperatur für ein entfettetes plattenförmiges Kompaktmaterial auf 1105°C eingestellt wurde. Das hergestellte kornorientierte Keramikmaterial wurde relativ zu der Dichte eines gesinterten Körpers, einem mittleren Orientierungsgrad und hinsichtlich der piezoelektrischen Eigenschaften unter den gleichen Bedingungen bewertet wie denjenigen, die bei dem Beispiel 1 spezifiziert wurden. Darüber hinaus wurde eine laminierte Betätigungsvorrichtung mit vierzig Blatt aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial gemäß der gleichen Prozedur hergestellt wie derjenigen, die bei dem Beispiel 1 angewendet wurde und es wurden dann die Charakteristika der Betätigungsvorrichtung ausgewertet.
  • Das gemäß dem vorliegenden Beispiel hergestellte kornorientierte Keramikmaterial wurde so hoch verdichtet, dass die Massendichte bei 4,71 g/cm3 lag. Darüber hinaus wurden die pseudo-kubischen {100}-Ebenen der Körner parallel zu der Bandoberfläche orientiert und der mittlere Orientierungsgrad der pseudo-kubischen {100}-Ebenen, der gemäß dem Lotgering'schen Verfahren berechnet wurde, erreichte 93,9%. Ferner lagen die Ergebnisse der Bewertung der piezoelektrischen Eigenschaften, die bei Raumtemperatur (25°C) beobachtet wurden, so, dass die Resonanzfrequenz Fr bei 371 kHz lag, der Young'sche Modul Y11 E bei 100,2 GPa lag, die piezoelektrische Spannungskonstante d31 bei 95,2 pm/V lag, der elektromechanische Kopplungskoeffizient kp bei 50,4% lag, der mechanische Qualitätsfaktor Qm bei 15,9 lag, die Dielektrizitätskonstante ε33 t/ε0 bei 1155 lag und der dielektrische Verlust tanδ 5,2% betrug. Darüber hinaus lag die erste Kristallphasen-Übergangstemperatur (Curie-Temperatur), die basierend auf der Temperatureigenschaft der dielektrischen Konstante erhalten wurde, bei 261°C, und die zweite Kristallphasen-Übergangstemperatur betrug –12°C. In der Tabelle 1 sind diese Ergebnisse aufgelistet.
  • Die Tabelle 4, 3., und die Tabelle 7 zeigen die Temperaturcharakteristik einer Größe der dynamischen Spannung D33, gemessen mit der Treiberfrequenz für die Betätigungsvorrichtung, die anhand des vorliegenden Beispiels hergestellt wurde, und diese Frequenz wurde auf 0,5 Hz eingestellt.
  • Wie sich aus den Tabellen und der Zeichnung entnehmen lässt, wird über einen Temperaturbereich von –30°C bis 80°C der minimale Wert einer Größe der dynamischen Spannung D33 von 347 pm/V beobachtet und wird auch dann beobachtet, wenn die Amplitude der elektrischen Treiberfeldstärke 1000 V/mm beträgt und die Temperatur 80°C beträgt. Der maximale Wert der Breite der Variation in der Größe der dynamischen Spannung D33 liegt bei ±5,6% und wird dann beobachtet, wenn die Amplitude der elektrischen Treiberfeldstärke bei 1500 V/mm liegt.
  • Über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C wird ein minimaler Wert einer Größe der dynamischen Spannung D33 von 347 pm/V erreicht und dieser wird beobachtet, wenn die Amplitude der elektrischen Treiberfeldstärke 1000 V/mm beträgt und die Temperatur 80° beträgt. Der maximale Wert der Breite der Variation in der Größe der dynamischen Spannung D33 liegt bei ±11,5% und wird dann beobachtet, wenn die Amplitude der elektrischen Treiberfeldstärke bei 1500 V/mm liegt.
  • (Beispiel 4)
  • Bei dem vorliegenden Beispiel wurde ein kornorientiertes piezoelektrisches Keramikmaterial mit der gleichen Zusammensetzung wie bei dem Beispiel 1 gemäß einer Prozedur hergestellt, die von der einen gemäß dem Beispiel 1 verschieden ist.
  • Spezifischer gesagt wurde ein plattenförmiges Natriumniobatpulver (NaNbO3), ein nicht plattenförmiges NaNbO3-Pulver, ein Kaliumniobatpulver (KNbO3), ein Kaliumtantalpulver (KTaO3), ein Lithiumantimonpulver (LiSbO3) und ein Natriumantimonitpulver (NaSbO3) in einer Einheit von g/m3abgewogen und zwar gemäß der Zusammensetzung von {Li0,07(K0,43Na0,57)0,93){Nb0,84Ta0,09Sb0,07)O3. Unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels als Medium wurden die Pulver für 20 Stunden feucht gemischt.
  • Nachdem ein Bindemittel (Polyvinylbutyral) und ein Plastifizierer (Dibutylphthalat) zu dem Schlamm hinzugegeben worden war, wurde der resultierende Schlamm für zwei weitere Stunden gemischt.
  • Nebenbei bemerkt wurde der Anteil des plattenförmigen Natriumniobatpulvers (NaNbO3) so bestimmt, dass 5 Gew.% eines A-Seiten-Elements, welches die erste KNN-System-Festkörperlösung (ABO3) war, aus Ausgangsmaterialien hergestellt, die aus dem NaNbO3 plattenförmigen Pulver zugefügt werden können. Darüber hinaus wurde das nicht plattenförmige NaNbO3-Pulver, das KNbO3-Pulver, das KTaO3-Pulver, das LiSbO3-Pulver und das NaSbO3-Pulver gemäß einem Festphasenverfahren hergestellt. Es wurde nämlich eine Mischung, die vorbestimmte Mengen eines Kaliumcarbonatpulvers (K2CO3), eines Natriumcarbonatpulvers (Na2CO3), die Diniobium-Pentaoxidpulvers (Nb2O5), eines Ditantal-Pentaoxidpulvers (Ta2O5) und/oder eines Diantimon-Pentaoxidpulvers (Sb2O5), die eine Reinheit von 99,9% aufwiesen, bei 750°C für fünf Stunden erhitzt. Das Reaktanz wurde dann unter Verwendung einer Kugelmühle pulverisiert.
  • Danach wurde eine Bandformungsausrüstung dazu verwendet, um den gemischten Schlamm in ein Band zu formen und zwar mit einer Dicke von angenähert 100 μm. Ferner wurde das Band gefaltet und umgekrempelt und gerollt, um einen plattenförmigen kompakten Körper mit einer Dicke von 1,5 mm herzustellen. Danach wurde der plattenförmige kompakte Körper in Luft entfettet und zwar unter solchen Bedingungen, dass die Erhitzungstemperatur auf 600°C eingestellt wurde, die Erhitzungszeit fünf Stunden betrug und die Temperaturanstiegsrate bei 50°C pro Stunde lag und wobei dann die Abkühlungsrate aus einer Rate der Ofenabkühlung bestand. Ferner wurde der entfettete plattenförmige kompakte Körper gemäß einem isostatischen Kaltpressverfahren (CIP) unter einem Druck von 300 MPa geformt. Danach wurde der plattenförmige kompakte Körper unter Verwendung einer Heißpresse gesintert, die einen Druck von 35 kg/cm2 (3,42 MPa) während des Erhitzen aufbrachte und zwar unter solchen Bedingungen, dass die Brenntemperatur 1130°C betrug, die Heizzeit fünf Stunden betrug und die Temperaturanstiegs- oder -absenkrate 200°C pro Stunde betrug. Somit wurde ein piezoelektrisches Keramikmaterial (kornorientiertes piezoelektrisches Keramikmaterial) hergestellt.
  • Das kornorientierte Keramikmaterial, welches gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, wurde so hoch verdichtet, dass die Massendichte bei 4,78 g/cm3 lag. Darüber hinaus waren die pseudo-kubischen {100}-Ebenen der Körner parallel zur Bandoberfläche orientiert. Der mittlere Orientierungsgrad der pseudo-kubischen Ebenen {100}, wurde gemäß dem Lotgering'schen Verfahren berechnet und erreichte 96%. Ferner waren die Ergebnisse der Bewertung der piezoelektrischen Eigenschaften, die bei Raumtemperatur (25°C) beobachtet wurden, so beschaffen, dass die Resonanzfrequenz Fr bei 362 kHz lag, der Young'sche Modul Y11 E bei 96,6 GPa lag, die piezoelektrische Spannungskonstante d31 bei 96,5 pm/V lag, der elektromechanische Kopplungskoeffizient kp bei 51,9% lag, der mechanische Qualitätsfaktor Qm bei 15,2 lag, die Dielektrizitätskonstante ε33 t/ε0 bei 1079 lag und der dielektrische Verlust tanδ bei 4,7% lag. Ferner lag die erste Kristallphasen-Übergangstemperatur (Curie-Temperatur), die auf den Temperaturcharakteristika der Dielektrizitätskonstanten basierten und davon abgeleitet wurden, bei 279°C, und die zweite Kristallphasen-Übergangstemperatur betrug –28°C. Die Tabelle 1 enthält diese Ergebnisse.
  • Die Tabelle 5, 4, und die Tabelle 7 zeigen die Temperaturcharakteristik einer Größe der dynamischen Spannung D33, gemessen mit der Treiberfrequenz für die Betätigungsvorrichtung, die gemäß dem vorliegenden Beispiel hergestellt wurde und auf 0,5 Hz eingestellt war.
  • Wie anhand der Tabellen und der Zeichnung ersehen werden kann, kann über einen Temperaturbereich von –30°C bis 80°C der minimale Wert einer Größe der dynamischen Spannung D33 von 427 pm/V beobachtet werden, wenn die Amplitude der elektrischen Treiberfeldstärke bei 1000 V/mm liegt und die Temperatur 50°C beträgt. Der maximale Wert der Breite der Variation in der Größe der dynamischen Spannung D33 beträgt ±7,2% und wird beobachtet, wenn die Amplitude der elektrischen Treiberfeldstärke 1000 V/mm beträgt.
  • Über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C wird ein maximaler Wert einer Größe der dynamischen Spannung D33 von 427 pm/V beobachtet, wenn die Amplitude der elektrischen Treiberfeldstärke 1000 V/mm beträgt und die Temperatur 50°C beträgt. Der maximale Wert der Breite der Variation in der Größe der dynamischen Spannung D33 liegt bei ±9,4% und wird beobachtet, wenn die Amplitude der elektrischen Treiberfeldstärke 2000 V/mm beträgt.
  • (Beispiel 5)
  • Bei dem vorliegenden Beispiel wurde ein piezoelektrisches Keramikmaterial (kornorientiertes piezoelektrisches Keramikmaterial) mit einer Zusammensetzung, die die Zugabe von 0,0005 mol von Magnesium (Mn) zu der Zusammensetzung spezifiziert, ausgedrückt als {Li0,065(K0,435Na0,55)0,935}{Nb0,83Ta0,09Sb0,08}O3und wurde bei dem Beispiel 3 hergestellt und dazu verwendet, um eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung herzustellen.
  • Um hier nun zu beginnen, so wurde ein Natriumcarbonatpulver (Na2CO3), ein Kaliumcarbonatpulver (K2CO3), ein Lithiumcarbonatpulver (Li2CO3), ein Diniobium-Pentaoxidpulver (Nb2O5), ein Ditantal-Pentaoxidpulver (Ta2O5), ein Diantimon-Pentaoxidpulver (Sb2O5) und ein Magnesiumdioxidpulver (MnO2) mit einer Reinheit von 99,99% oder noch höher abgewogen und zwar in Einheiten von g/m2 gemäß einer Zusammensetzung, die eine Subtraktion von 0,05 mol von Natriumniobat (NaNbO3) von der Zusammensetzung spezifiziert, die aus der Summenbildung von 1 mol von {Li0,07(K0,43Na0,57)0,93){Nb0,83Ta0,09Sb0,08}O3 und 0,0005 mol von Mn spezifiziert. Unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels als ein Medium wurden die Pulver in einer Zirkonschale (Zr) für zwanzig Stunden feucht gemischt. Danach wurde die Mischung bei 750°C für fünf Stunden kalziniert. Unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels als Medium wurde die Mischung in der Zr-Schale für zwanzig Stunden feucht pulverisiert. Dies führte zu einem kalzinierten Pulver, dessen mittlerer Korndurchmesser bei ca. 0,5 μm lag.
  • Die nachfolgende Prozedur war die gleiche wie die eine für das Beispiel 1 mit der Ausnahme, dass die Brenntemperatur für den entfetteten plattenförmigen Kontaktkörper auf 1105°C eingestellt wurde. Es wurde somit ein kornorientiertes Keramikmaterial mit der Zusammensetzung hergestellt, welche die Summenbildung aus 1 mol von {Li0,065(K0,435Na0,55)0,935}{Nb0,83Ta0,09Sb0,08}O3und 0,0005 mol von Mn spezifiziert.
  • Das hergestellte kornorientierte Keramikmaterial wurde relativ zu der Dichte eines gesinterten kompakten Körpers, einem mittleren Orientierungsgrad und relativ zu den piezoelektrischen Eigenschaften unter den gleichen Bedingungen wie diejenigen bei dem Beispiel 1 bewertet. Darüber hinaus wurde eine Laminat-Betätigungsvorrichtung hergestellt, die vierzig Blätter aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial enthielt und zwar gemäß der gleichen Prozedur wie derjenigen, die bei dem Beispiel 1 angewendet wurde, und es wurde die Temperaturcharakteristik einer Größe der dynamischen Spannung D33 ausgewertet.
  • Das kornorientierte Keramikmaterial, welches gemäß dem vorliegenden Beispiel hergestellt wurde, wurde hoch verdichtet, so dass die Massendichte desselben bei 4,71 g/cm3 lag. Darüber hinaus waren die pseudo-kubischen {100}-Ebenen der Körner oder Keime parallel zu der Bandoberfläche orientiert und der mittlere Orientierungsgrad der pseudo-kubischen {100}-Ebenen wurde gemäß dem Lotgering'schen Verfahren berechnet und erreichte 89,6%. Ferner waren die Ergebnisse der Bewertung der piezoelektrischen Eigenschaften, die bei Raumtemperatur (25°C) beobachtet wurden, so beschaffen, dass die Resonanzfrequenz Fr bei 368 kHz lag, der Young'sche Modul Y11 E bei 98,7 GPa lag, die piezoelektrische Spannungskonstante d31 bei 99,1 pm/V lag, der elektromechanische Kopplungskoeffizient kp 52,0% betrug, der mechanische Qualitätsfaktor Qm bei 20,3 lag, die Dielektrizitätskonstante ε33 t/ε0 bei 1159 lag und der dielektrische Verlust tanδ bei 2,7% lag. Demzufolge hatte die Zugabe von Mn zu dem Vorteil geführt, dass der mechanische Qualitätsfaktor Qm erhöht wurde und der dielektrische Verlust tanδ reduziert wurde.
  • Darüber hinaus lag die erste Kristallphasen-Übergangstemperatur (Curie-Temperatur), die basierend auf der Temperaturcharakteristik der dielektrischen Konstante abgeleitet wurde, bei 263°C, und die zweite Kristallphasen-Übergangstemperatur lag bei –15°C. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 aufgelistet.
  • Die Tabelle 6, 5, und die Tabelle 7 zeigen die Temperaturcharakteristik einer Größe der dynamischen Spannung D33, gemessen mit der Treiberfrequenz für die Betätigungsvorrichtung, die bei dem vorliegenden Beispiel hergestellt worden war und die auf 0,5 Hz eingestellt worden war.
  • Wie sich aus den Tabellen und der Zeichnung entnehmen lässt, liegt über einem Temperaturbereich von –30°C bis 80°C der Minimalwert einer Größe der dynamischen Spannung D33 bei 355 pm/V und wird dann beobachtet, wenn die Amplitude in der elektrischen Treiberfeldstärke 1000 V/mm beträgt und die Temperatur bei 50°C oder 80°C liegt. Der maximale Wert der Breite der Variation in der Größe der dynamischen Spannung D33 liegt bei ±10,4% und wird beobachtet, wenn die Amplitude der elektrischen Treiberfeldstärke bei 1000 V/mm liegt.
  • Über einem Temperaturbereich von –30°C bis 160°C liegt der minimale Wert einer Größe der dynamischen Spannung D33 bei 355 pm/V und wird beobachtet, wenn die Amplitude der elektrischen Treiberfeldstärke bei 1000 V/mm liegt und die Temperatur 50°C oder 80°C beträgt. Der maximale Wert der Breite der Weite der Variation in der Größe der dynamischen Spannung D33 liegt bei ±11,8% und wird erhalten, wenn die Amplitude der elektrischen Treiberfeldstärke bei 1000 V/mm liegt.
  • Als Beispiele zum Vergleichen mit den Beispielen 1 bis 5 wurden Furniere (veneers), die aus Blei-Zirkon-Titanat(PZT)-Keramik hergestellt wurden, welches ein typisches piezoelektrisches Keramikmaterial darstellt, hergestellt und wurden in der gleichen Weise ausgewertet oder bewertet wie die Beispiele 1 bis 5 (Vergleichsbeispiele 1 bis 5).
  • (Vergleichsbeispiel 1)
  • Das Vergleichsbeispiel 1 bestand aus einem Beispiel einer Laminat-Betätigungsvorrichtung, die für Kraftfahrzeugbrennstoffeinspritzventile geeignet ist und die ein Blei-Zirkon-Titanat-Material (PZT) des tetragonalen Systems verwendet, dessen Beschaffenheit zwischen denjenigen des weichen und harten Systems (halbhart) liegt. Hierbei bezeichnet das Weichsystem oder Softsystem Materialien, deren mechanische Qualitätsfaktoren Qm gleich sind mit oder kleiner sind als 100, während das Hartsystem Materialien betrifft, deren mechanische Qualitätsfaktoren Qm gleich sind mit oder größer sind als 1000.
  • Es wurde ein Bleioxidpulver (PbO), einer Zirkondioxidpulver (ZrO2), ein Titandioxidpulver (TiO2), ein Strontiumcarbonatpulver (SrCO3), ein Yttriumoxidpulver (Y2O3), ein Diniobium-Pentaoxidpulver (Nb2O5) und die Dimangan-Trioxidpulver (Mn2O3) in Einheiten von g/m3 abgewogen und zwar entsprechend einer Zusammensetzung von (Pb0,92Sr0,09){(Zr0,543Ti0,457)0,985(Y0,5Nb0,5)0,01Mn0,005}O3. Es wurde als Medium Wasser verwendet, um die Pulver in einer Zirkonschale (Zr) feucht zu mischen. Danach wurde die Mischung für sieben Stunden bei 790°C kalziniert. Ferner wurde als ein Medium ein organisches Lösungsmittel verwendet, um die Mischung in der Zr-Schale feucht zu pulverisieren. Dies führte zu einem Schlamm aus einem kalzinierten Pulver, dessen mittlerer Korndurchmesser angenähert bei 0,7 μm lag.
  • Nachdem ein Bindemittel (Polyvinylbutyral) und ein Plastifizierer (Dibutylphthalat) zu dem Schlamm hinzugegeben worden war, wurde der Schlamm in der Zr-Schale für zwanzig Stunden gemischt.
  • Danach wurde eine Bandformungsausrüstung dazu verwendet, um den gemischten Schlamm in ein Band zu formen und zwar mit einer Dicke von angenähert 100 μm. Ferner wurde das Band gefaltet oder thermisch umgekrempelt, um einen plattenförmigen kompakten Körper mit 1,2 mm Dicke herzustellen. Der plattenförmige kompakte Körper wurde in Luft entfettet. Der entfettete plattenförmige kompakte Körper wurde auf eine Magnesiumoxidplatte (MgO) platziert und zwar in einem Tonerdeschiffchen und wurde in Luft für zwei Stunden bei 1170°C gesintert.
  • Die nachfolgende Prozedur war dann die gleiche wie die eine, die für das Beispiel 1 angewendet wurde, mit der Ausnahme, dass eine Silberpaste (Ag) als ein Elektrodenmaterial zur Durchführung des Brennvorganges verwendet wurde.
  • Die Massendichte des piezoelektrischen Keramikmaterials des vorliegenden Vergleichsbeispiels lag bei 7,60 g/cm3. Darüber hinaus waren die Ergebnisse der Auswertung der piezoelektrischen Eigenschaften, die bei Raumtemperatur (25°C) beobachtet wurden, solcher Weise, dass die Resonanzfrequenz Fr bei 255 kHz lag, der Young'sche Modul Y11 E bei 76,5 GPa lag, die piezoelektrische Spannungskonstante d31 bei 158,0 pm/V lag, der elektromechanische Kopplungskoeffizient kp bei 60,2% lag, der mechanische Qualitätsfaktor qm 540 betrug, die Dielektrizitätskonstante ε33 t/ε0 bei 1701 lag und der dielektrische Verlust tanδ bei 0,2% lag. Diese Ergebnisse sind in der Tabelle 1 aufgelistet.
  • (Vergleichsbeispiel 2)
  • Das Vergleichsbeispiel 2 stellt ein Beispiel einer Laminat-Betätigungsvorrichtung dar, welches als eine Laminat-Betätigungsvorrichtung ausgebildet sein kann, um eine Positionierung vorzunehmen und welches in einer Halbleiterherstellungsausrüstung verwendet werden kann, in welcher eine Änderung in der Umgebungstemperatur klein ist. Die Laminat-Betätigungsvorrichtung verwendete ein piezoelektrisches Keramikmaterial, welches aus einem Blei-Zirkon-Titanat-Material (PZT) hergestellt war, welches zu dem rhombohedralen Softsystem gehört.
  • Zur Herstellung des piezoelektrischen Keramikmaterials des vorliegenden Vergleichsbeispiels wurde ein Bleioxidpulver (PbO), ein Zirkondioxidpulver (ZrO2), ein Titandioxidpulver (TiO2), ein Strontiumcarbonatpulver (SrCO3), ein Yttriumoxidpulver (Y2O3) und ein Diniobium-Pentaoxidpulver (Nb2O5) in der Einheit von g/m3 abgewogen und zwar entsprechend einer Zusammensetzung gemäß (Pb0,895Sr0,115){(Zr0,57Ti0,43)0,978(Y0,5Nb0,5)0,01Mn0,012}O3. Es wurde als Medium Wasser verwendet, um die Pulver in einer Zirkonschale (Zr) für zwanzig Stunden feucht zu mischen. Danach wurde die Mischung für fünf Stunden bei 875°C kalziniert. Ferner wurde Wasser als Medium verwendet, um die Mischung in der Zr-Schale feucht zu pulverisieren.
  • Es wurde ein Bindemittel (Polyvinylalkohol) zu dem Schlamm hinzugegeben, so dass das Bindemittel 1 Gew.% des Schlamms oder des kalzinierten Pulvers belegt hat. Danach wurde der resultierende Schlamm unter Verwendung eines Sprühtrockners getrocknet und somit granuliert.
  • Danach wurden Formen oder Stempel dazu verwendet, um einen Trockenpressformungsvorgang durchzuführen. Dies führte zu einem kompakten Körper mit einem Durchmesser von 15 mm und einer Dicke von 2 mm. Danach wurde der scheibenförmige kompakte Körper in Luft entfettet. Ferner wurde, nachdem der entfettete plattenförmige kompakte Körper gemäß einem isostatischen Kaltpressverfahren (CIP) unter einem Druck von 200 MPa geformt worden war, dieser auf eine Magnesiumoxidplatte (MgO) in einem Tonerdeschiffchen platziert und wurde in Luft für zwei Stunden bei 1260°C gesintert.
  • Die nachfolgende Prozedur war die gleiche wie die eine für das Vergleichsbeispiel 1.
  • Die Massendichte des piezoelektrischen Keramikmaterials des vorliegenden Vergleichsbeispiels betrug 7,45 g/cm3. Ferner waren die Ergebnisse der Auswertung der piezoelektrischen Eigenschaften, die bei Raumtemperatur (25°C) beobachtet werden konnten, so beschaffen, dass die Resonanzfrequenz Fr bei 229 kHz lag, der Young'sche Module Y11 E bei 60,2 GPa lag, die piezoelektrische Spannungskonstante d31 bei 212,7 pm/V lag, der elektromechanische Kopplungskoeffizient kp bei 67,3% lag, der mechanische Qualitätsfaktor Qm bei 47,5 lag, die Dielektrizitätskonstante ε33 t/ε0 bei 1943 lag und die dielektrische Verlustgröße tanδ bei 2,1 lag. Diese Ergebnisse sind in der Tabelle 1 aufgelistet.
  • (Vergleichsbeispiel 3)
  • Das Vergleichsbeispiel 3 stellt ein Beispiel einer Laminat-Betätigungsvorrichtung dar, die für Kraftfahrzeug-Klopfsensoren geeignet ist und die ein piezoelektrisches Keramikmaterial verwendet, welches aus einem Blei-Zirkon-Titanat-Material (PZT) hergestellt ist, welches zu dem tetragonalen Softsystem gehört.
  • Zur Herstellung des piezoelektrischen Keramikmaterials, welches bei dem vorliegenden Vergleichsbeispiel verwendet wurde, wurde ein Bleioxidpulver (PbO), ein Zirkondioxidpulver (ZrO2), ein Titanoxidpulver (TiO2), ein Strontiumtitanatpulver (StTiO3) und ein Diantimon-Trioxidpulver (Sb2O3) in der Einheit von g/m3 abgewogen und zwar entsprechend einer Zusammensetzung von (Pb0,95Sr0,05){(Zr0,53Ti0,47)0,97Sb0,022}O3. Es wurde Wasser als Medium dafür verwendet, um die Pulver in einer Zirkonschale (Zr) für zwanzig Stunden feucht zu mischen. Danach wurde die Mischung bei 825°C für fünf Stunden kalziniert. Ferner wurde Wasser als Medium dazu verwendet, um die Mischung in der Zr-Schale feucht zu pulverisieren.
  • Die nachfolgende Prozedur war identisch mit derjenigen, wie sie für das Vergleichsbeispiel 2 angewendet wurde, mit der Ausnahme, dass die Sinterungstemperatur auf 1230°C eingestellt wurde.
  • Die Massendichte des piezoelektrischen Keramikmaterials des vorliegenden Vergleichsbeispiels betrug 7,60 g/cm3. Die Ergebnisse der Auswertung der piezoelektrischen Eigenschaften, die bei Raumtemperatur (25°C) beobachtet werden konnten, waren so beschaffen, dass die Resonanzfrequenz Fr bei 238 kHz lag, der Young'sche Modul Y11 E bei 66,5 GPa lag, die piezoelektrische Spannungskonstante d31 bei 203,4 pm/V lag, der elektromechanische Kopplungskoeffizient kp bei 62,0% lag, der mechanische Qualitätsfaktor Qm 55,8 betrug, die Dielektrizitätskonstante ε33 t/ε0 bei 2308 lag und die dielektrische Verlustgröße tanδ bei 1,4% lag. Diese Ergebnisse sind in der Tabelle 1 aufgelistet.
  • (Vergleichsbeispiel 4)
  • Das Vergleichsbeispiel 4 ist ein Beispiel einer Laminat-Betätigungsvorrichtung, die für Ultraschallhochleistungsmotoren geeignet ist und die ein piezoelektrisches Keramikmaterial verwendet, welches aus Blei-Zirkon-Titanat-Material (PZT) hergestellt ist, welches zu einem tetragonalen semiharten System gehört.
  • Für die Herstellung des piezoelektrischen Keramikmaterials, welches bei dem vorliegenden Vergleichsbeispiel verwendet wurde, wurde ein Bleioxidpulver (PbO), ein Zirkondioxidpulver (ZrO2), ein Titandioxidpulver (TiO2), ein Strontiumcarbonatpulver (SrCO3), ein Diantimon-Trioxidpulver (Sb2O3) und ein Mangancarbonatpulver (MnCO3) in der Einheit von g/m3 abgewogen und zwar gemäß der folgenden Zusammensetzung (Pb0,965Sr0,05){(Zr0,5Ti0,5)0,96Sb0,03Mn0,01}O3. Es wurde Wasser als ein Medium dafür verwendet, um die Pulver in einer Zirkonschale (Zr) feucht zu mischen. Danach wurde die Mischung bei 875°C für fünf Stunden kalziniert. Ferner wurde Wasser als ein Medium dafür verwendet, um die Mischung in der Zr-Schale feucht zu pulverisieren.
  • Die nachfolgende Prozedur war die gleiche wie die eine für das Vergleichsbeispiel 2, mit der Ausnahme, dass die Sinterungstemperatur auf 1230°C eingestellt wurde.
  • Die Massendichte des piezoelektrischen Keramikmaterials des vorliegenden Vergleichsbeispiels lag bei 7,76 g/cm3. Die Ergebnisse der Auswertung der piezoelektrischen Eigenschaften, die bei Raumtemperatur (25°C) beobachtet wurden, waren so beschaffen, dass die Resonanzfrequenz Fr bei 267 kHz lag, der Young'sche Modul Y11 E bei 85,7 GPa lag, die piezoelektrische Spannungskonstante d31 bei 136,9 pm/V lag, der elektromechanische Kopplungseffizient kp bei 57,9% lag, der mechanische Qualitätsfaktor Qm bei 850 lag, die Dielektrizitätskonstante ε33 t/ε0 gleich 1545 betrug und der dielektrische Verlust tanδ bei 0,2% lag. Diese Ergebnisse sind in der Tabelle 1 aufgelistet.
  • (Vergleichsbeispiel 5)
  • Das Vergleichsbeispiel 5 betrifft eine Laminat-Betätigungsvorrichtung, die für hochempfindliche Winkelgeschwindigkeitssensoren geeignet ist, die ein piezoelektrisches Keramikmaterial verwenden, welches aus einem Blei-Zirkon-Zitanat-Material (PZT) hergestellt ist, welches zu dem tetragonalen Hartsystem gehört. Für die Herstellung des piezoelektrischen Keramikmaterials, welches bei dem vorliegenden Vergleichsbeispiel verwendet wurde, wurde ein Bleioxidpulver (PbO), ein Zirkondioxidpulver (ZrO2), ein Titandioxidpulver (TiO2), ein Zinkoxidpulver (ZnO), ein Mangancarbonatpulver (MnCO3), und ein Diniobium-Pentaoxidpulver (Nb2O5) in der Einheit von g/m2 abgewogen und zwar gemäß einer Zusammensetzung von Pb{(Zr0,5Ti0,5)0,98(Zn0,33Nb0,67)0,01Mn0,01}O3. Es wurde als Medium für einen Feuchtmischvorgang der Pulver in einer Zirkonschale (Znr) Wasser verwendet. Danach wurde die Mischung bei 800°C für fünf Stunden kalziniert. Ferner wurde Wasser als Medium dafür verwendet, um die Mischung in der Zr-Schale feucht zu pulverisieren.
  • Die nachfolgende Prozedur war die gleiche wie die eine, die bei dem Vergleichsbeispiel 2 realisiert wurde, mit der Ausnahme, dass die Sinterungstemperatur auf 1200°C eingestellt wurde.
  • Die Massendichte des piezoelektrischen Keramikmaterials des vorliegenden Vergleichsbeispiels betrug 7,84 g/cm3. Die Ergebnisse der Auswertung der piezoelektrischen Eigenschaften, die bei Raumtemperatur (25°C) beobachtet wurden, waren so beschaffen, dass die Resonanzfrequenz Fr 272 kHz betrug, der Young'sche Modul Y11 E bei 89,8 GPa lag, die piezoelektrische Spannungskonstante d31 bei 103,6 pm/V lag, der elektromechanische Kopplungskoeffizient kp bei 54,1% lag, der mechanische Qualitätsfaktor Qm bei 1230 lag, die Dielektrizitätskonstante ε33 t/ε0 bei 1061 lag und der dielektrische Verlust tanδ bei 0,2% lag. Diese Ergebnisse sind in der Tabelle 1 aufgelistet.
  • (Beispiel 6) Einschränken der unteren Grenze einer Größe der dynamischen Spannung
  • Wenn eine elektrische Treiberfeldstärke kleiner ist als 1000 V/mm, wird eine Größe der dynamischen Spannung kleiner.
  • Bei dem Beispiel wird erreicht, dass eine Größe der dynamischen Spannung, die mit der elektrischen Treiberfeldstärke für die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung erreicht werden soll, abfällt.
  • 6 zeigt die Beziehungen zwischen der elektrischen Treiberfeldstärke und der Größe der dynamischen Spannung, beobachtet bei 20°C, die in piezoelektrischen Betätigungsvorrichtungen erstellt wurden, die gemäß den Beispielen 1 bis 5 jeweils hergestellt worden waren.
  • 6 veranschaulicht, dass dann, wenn die elektrische Treiberfeldstärke auf 100 V/mm eingestellt wird, was die untere Grenze für die Betätigungsvorrichtung darstellt, die Größe der dynamischen Spannung bei 250 pm/V oder mehr liegt.
  • (Beispiel 7) Einschränken der Temperaturcharakteristik einer Größe der dynamischen Spannung unter einer kleinen elektrischen Feldstärke.
  • Bei dem vorliegenden Beispiel wird erreicht, dass die Weite oder B reite der Variation in der Verschiebung, die erhalten wird, wenn die Größe der dynamischen Spannung klein ist und die elektrische Treiberfeldstärke kleiner ist als 1000 V/mm, erreicht wird.
  • Zu diesem Zweck sollte die an eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung anzulegende Spannung abgesenkt werden, um eine Messung durchzuführen. Wenn die elektrische Feldstärke unter 500 V/mm fällt, führt die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, die bei dem vorliegenden Beispiel hergestellt wurde, eine kleine Verschiebung durch. Dies bringt jedoch eine Möglichkeit mit sich, dass die Präzision bei der Messung verschlechtert wird. Es ist darüber hinaus die Temperaturcharakteristik schwer zu bewerten.
  • Wenn die piezoelektrische laterale Spannungskonstante d31 eines Furnier (veneer) gemessen wird, kann, obwohl der Absolutwert einer Verschiebung schwer einzuschätzen ist, die Temperaturcharakteristik der Verschiebung eingeschätzt werden. Es wurde daher bei dem vorliegenden Beispiel die piezoelektrische laterale Spannungskonstante d31 eines Furniers gemäß einem Resonanz-Antiresonanz-Verfahren gemessen.
  • 7 zeigt für einen Vergleich den gemessenen Wert der Temperaturcharakteristik der piezoelektrischen Spannungskonstanten d31 des Furniers (veneer), die bei dem Beispiel 5 erzeugt wurde, und die Größen der dynamischen Spannungen, die bei dem Beispiel 5 erhalten wurden und zwar unter elektrischen Treiberfeldstärken, die von 1000 V/mm bis 2000 V/mm reichten. Hierbei wurden die piezoelektrische Spannungskonstante und die Größen der dynamischen Spannungen unter Verwendung von Werten standardisiert, die bei 20°C erhalten wurden.
  • Wie aus 7 ersehen werden kann verläuft die Weite der Variation in der piezoelektrischen Spannungskonstante d31 des Furniers über einen Temperaturbereich von –30°C bis 80°C und liegt bei ±7,8%. Die Weite oder Breite der Variation in der piezoelektrischen Spannungskonstanten d31 des Furniers liegt über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C bei ± 9,2%. Die Werte sind nahezu die gleichen wie die Weiten oder Breiten der Variationen in den Größen der dynamischen Spannungen, die unter elektrischen Treiberfeldstärken erzielt wurden, die von 1000 V/mm bis 2000 V/mm reichten.
  • Demzufolge kann sofern die Betätigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung betroffen ist, selbst dann, wenn die elektrische Treiberfeldstärke auf einen kleineren Wert als 1000 V/mm reduziert wird, die Breite der Schwankung oder Variation in der Verschiebung über einen weiten Temperaturbereich von –30°C bis 160°C reduziert werden.
  • (Beispiel 8) Einschränkung eines Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit
  • Die Tabelle 8 listet die Ergebnisse der Messung auf, die an gesinterten kompakten Körpern durchgeführt wurden, die gemäß dem Beispiel 2 und dem Vergleichsbeispiel 1 hergestellt worden waren und zwar in Bezug auf einen Koeffizienten der thermischen Diffusionsfähigkeit, einer spezifischen Wärme und in Bezug auf einen Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit.
  • Für die Messung des Koeffizienten der thermischen Diffusionsfähigkeit, wurden die gesinterten kompakten Körper geschliffen oder bearbeitet, so dass sie eine scheibenförmige Gestalt mit 0,75 mm Dicke und 10 mm Durchmesser erhielten. Es wurde Kohlenstoff auf die Oberflächen von jeder der Scheiben aufgesprüht und zwar in einer Dicke von ca. 1 μm, wodurch die Oberflächen geschwärzt wurden. Die resultierenden Scheiben wurden als Proben für die Messung des Koeffizienten der thermischen Diffusionsfähigkeit verwendet.
  • Ein Laserimpuls-Heizverfahren wurde dafür verwendet, um ein Verfahren für die Messung des Koeffizienten der thermischen Diffusionsfähigkeit durchzuführen. Die dabei verwendete Ausrüstung bestand aus dem Modell TC-7000, welches von der Firma ULVAC-RIKO INC. hergestellt wird, und die Messtemperatur lag bei 25°C, 120°C oder 160°C. Das Bestrahlungslicht stammte von einem Rubinlaserlicht (mit einer Erregerspannung von 2,5 kV und mit einem Homogenisierungsfilter und einem Neutraldichtefilter, die dabei verwendet wurden). Darüber hinaus lag die Präzision bei der Messung des Koeffizienten der thermischen Diffusionsfähigkeit bei ±5%.
  • Für die Messung einer spezifischen Wärme wurden Teststücke, deren Gewichte von 70 mg bis 90 mg reichen, aus den gesinterten kompakten Körpern gewonnen und wurden als Proben für die Messung verwendet.
  • Es wurde in Differenzial-Abstastkalorimeter (DSC) verwendet, um ein Verfahren zum Messen einer spezifischen Wärme durchzuführen. Das dabei verwendete Gerät bestand aus einem Differenzial-Abtastkalorimetermodell Perkin-Elmer DSC-7 und die Messtemperatur lag bei 25°C, 120°C oder 160°C. Die Temperaturanstiegsrate lag bei 10°C/min–1. Die Präzision bei der Messung eines Koeffizienten der thermischen Diffusionsfähigkeit lag in der Größenordnung von ±1%.
  • Ein Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit wurde als Produkt aus einem Koeffizienten der thermischen Diffusionsfähigkeit und der Wärmekapazität (einer Dichte einer spezifischen Wärme) gemäß der folgenden Gleichung A3 berechnet: λ = αρCp (A3), worin λ einen Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit [Wm–1K–1] bezeichnet, α einen Koeffizienten der thermischen Diffusionsfähigkeit [m2s–1] bezeichnet, ρ eine Massendichte eines gesinterten kompakten Körpers [kgm–3] bezeichnet und Cp eine spezifische Wärme [Jkg–1K–1] bezeichnet.
  • Wie in der Tabelle 8 aufgelistet ist, überschreitet der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit des Beispiels 2 den Wert 2 Wm–1K–1 bei irgendeinem der Temperaturwerte 25°C, 120°C und 160°C und ist ein größerer Wert, der nahezu das Zweifache von demjenigen des Vergleichsbeispiels 1 beträgt. Dies demonstriert, dass die Verwendung des kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung die Realisierung einer Betätigungsvorrichtung ermöglicht, die eine ausgezeichnete Wärmeabstrahlqualität aufweist.
  • (Beispiel 9) Einschränkung eines Koeffizienten der thermischen Ausdehnung
  • Die Tabelle 9 listet die Ergebnisse einer Messung auf, die an gesinterten kompakten Körpern (piezoelektrischen Keramiken) durchgeführt wurden, die bei dem Beispiel 2 und dem Vergleichsbeispiel 1 hergestellt worden waren und zwar in Bezug auf einen Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung und einen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung. 8 zeigt die Temperaturcharakteristik des Koeffizienten der thermischen Ausdehnung, der bei 25°C beobachtet wurde, die als eine Bezugstemperatur betrachtet wird.
  • Für die Messung eines Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung, wurden gesinterte kompakte Körper geschliffen oder bearbeitet, um eine Weite oder Breite von 5 mm, eine Dicke von 1,5 mm und eine Länge von 10 mm zu erreichen und wurden als Proben für die Messung des Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung verwendet.
  • Es wurde eine thermomechanische Analyse (TMA) durchgeführt und zwar in Form eines Verfahrens zum Messen eines Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung. Das dabei verwendete Gerät bestand aus einem thermomechanischen Analysiermodell TMA-50, hergestellt von Shimadzu Corp. Eine Messtemperatur reichte dabei von –100°C bis 500°C. Die Temperaturanstiegsrate lag bei 2°C/Minute. Die Messatmosphäre bestand aus einer Luftatmosphäre.
  • Ein Koeffizient der linearen thermischen Ausdehnung wurde als Änderungsrate ΔL/L0 definiert und zwar in der Länge einer Probe, wobei ΔL eine Temperaturänderung bezeichnet und L0 die Länge einer Probe bei der Bezugstemperatur (25°C) bezeichnet. Ein Koeffizient der linearen thermischen Ausdehnung (ΔL/L0) – gegenüber – einer Temperaturkurve wurde dazu verwendet, um einen Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung β gemäß der weiter unten angegebenen Gleichung A4 abzuleiten. Hierbei wurde der β-Wert gemäß einem Zentral-Differenzverfahren berechnet und zwar mit einer Temperaturdifferenz dT, die auf 20°C eingestellt war.
  • Nebenbei bemerkt ist der β-Wert äquivalent zu einer Ableitung einer Temperatur, die aus der ΔL/L0-gegenüber-Temperaturkurve gewonnen wird. β = (1/L0) × (dL/dT) (A4).
  • Bei der zuvor angegebenen Gleichung bezeichnet L0 die Länge einer Probe bei der Bezugstemperatur (25°C), dT bezeichnet eine Temperaturdifferenz (20°C) und dL bezeichnet eine Länge der Ausdehnung, die der Differenz in der Temperatur dT zugeordnet ist.
  • Wie aus der Tabelle 9 und auch aus 8 ersehen werden kann, überschreitet der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des Beispiels 2 den Wert 4 ppm/°C über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C hinweg. Auf der anderen Seite fällt der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des Vergleichsbeispiels 1 unter 3 ppm/°C über einen Temperaturbereich von 100°C bis 160°C hinweg. Dies demonstriert, dass die Verwendung eines kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung die Realisierung einer Betätigungsvorrichtung ermöglicht, bei der eine thermische Spannung, die zwischen dem piezoelektrischen Keramikmaterial und einem Metall oder einem Harz auftritt, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient größer ist, begrenzt ist.
  • (Beispiel 10) Einschränkung eines piezoelektrischen Koeffizienten
  • 9 zeigt die Ergebnisse der Messung, die an Furnieren (veneers) durchgeführt wurden, die bei dem Beispiel 4 hergestellt worden waren und auch in Verbindung mit dem Vergleichsbeispiel 1 in Bezug auf die Temperatureigenschaft einer Änderung in einer Größe der Polarisation Pr.
  • Zum Messen der Temperatureigenschaft einer Größe der Polarisation Pr, wurden die piezoelektrischen Elemente, die bei dem Beispiel 4 und dem Vergleichsbeispiel 1 hergestellt worden waren, als Proben für die Messung verwendet. Ein piezoelektrisches Strommessverfahren wurde dafür eingesetzt, um die Messung über einen Temperaturbereich von –40°C bis 200°C durchzuführen.
  • Die piezoelektrischen Elemente wurden in einen Thermostat gegeben und es wurde die Temperatur desselben von 25°C auf –40°C in einer Rate von 2°C/Minute abgesenkt. Danach wurde die Temperatur der piezoelektrischen Elemente von –40°C auf 200°C in der Rate von 2°C/Minute erhöht. Es wurde ein Strom, der aus der oberen und unteren Elektrodenfläche herausfließt, bei jedem der piezoelektrischen Elemente in Intervallen von angenähert 30 Sekunden mit Hilfe eines Mikroamperemeters gemessen. Zur gleichen Zeit wurden auch die Temperaturen und exakten Zeitpunkte, zu welchen der Strom gemessen wurde, ebenso aufgezeichnet. Eine Änderung in der Größe der Polarisation ΔP [C/cm2] und eine Temperaturänderung, die während eines Intervalls zwischen sich anschließenden Messungen auftrat, also ΔT wurden gemäß den folgenden Gleichungen berechnet: ΔP = {(I1 + I2)/2) × (t1 – t2)/S, ΔT = T1 – T2, worin ΔP eine Änderung in der Größe der Polarisation [μC/cm2] bezeichnet, (t1 – t2) einen Intervall [s] zwischen aufeinanderfolgenden oder sich aneinander anschließenden Messungen bezeichnet, I1 einen Strom [A] bezeichnet, der zu einem Zeitpunkt t1 gemessen wurde, T1 die Temperatur [°C] zu dem Zeitpunkt t1 bezeichnet, I2 einen Strom [A] bezeichnet, der zu einem Zeitpunkt t2 gemessen wurde, T2 die Temperatur [°C] zu dem Zeitpunkt t2 bezeichnet und S einen Bereich oder Fläche [cm2] von einer der Elektroden eines piezoelektrischen Elements bezeichnet. Ein pyroelektrischer Koeffizient bei der Temperatur, die als Quotient (T1 + T2)/2 ausgedrückt wird, wurde als Absolutwert des Quotienten ΔP/ΔT berechnet.
  • Es wurde dann eine thermomechanische Analyse (TMA) gemäß einem Verfahren zum Messen eines Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung durchgeführt. Das dabei verwendete Gerät bestand aus einem thermomechanischen Analysiermodell TMA-50, welches Shimadzu Corp. hergestellt wird. Ein Messtemperaturbereich reichte von –100°C bis 500°C. Die Temperaturanstiegsrate lag bei 2°C/Minute und die Messatmosphäre bestand aus Atmosphärenluft.
  • Über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C betrug der pyroelektrische Koeffizient des Furniers des Beispiels 4 271 μCm–2K–1. Andererseits lag der pyroelektrische Koeffizient des Furniers des Vergleichsbeispiels 1 bei 581 μCm–2K–1 oder war um das Zweifache größer als derjenige des Beispiels 4. Dies demonstriert, dass die Verwendung eines kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung die Realisierung einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung ermöglicht, bei der eine Variation einer Klemmenspannung, die aus einer Änderung in der Umgebungstemperatur resultiert, begrenzt wird.
  • (Beispiel 11) Differenz in einer Bruchlast
  • 10 zeigt die Weibull-Beiträge als Ergebnisse der Messung, die an den gesinterten Kompaktkörpern (piezoelektrischen Keramikmaterialien) durchgeführt wurde, welche bei dem Beispiel 5 und bei dem Vergleichsbeispiel 1 jeweils in Bezug auf eine Bruchlast erzeugt worden waren.
  • In 10 zeigt die Abszissenachse die natürlichen Logarithmen einer Bruchlast F [N], und die Ordinatenachse zeigt die Bruchwahrscheinlichkeiten [%].
  • Für die Messung einer Bruchlast wurden die gesinterten Kompaktkörper geschliffen oder bearbeitet, um eine Gestalt gemäß 0,4 mm in der Dicke auf 7 mm zu erreichen, dessen vier Ecken C-angefast wurden und zwar gemäß einer Anfasabmessung von 1 mm. Es wurden somit Proben für die Messung hergestellt.
  • Es wurde ein biaxiales Biegetestverfahren (ein Kugel-auf-Ring-Verfahren) durchgeführt und zwar als Verfahren zum Messen einer Bruchlast unter Verwendung eines Autografen. Der dabei verwendete Ring bestand aus dem Modell SC211 mit einem Außendurchmesser von 6 mm und mit einem Innendurchmesser von 4 mm, und die dabei verwendete Kugel bestand aus Zirkonoxid (ZrO2) und besaß einen Durchmesser von 2 mm. Sowohl der Ring als auch die Kugel wurden Spiegel-endbehandelt. Darüber hinaus betrug die Last oder Belastungsgeschwindigkeit 0,5 mm/Minute. Die Zahl der Proben, die anhand des Beispiels 5 hergestellt wurden, betrug N, das heißt 26, und die Zahl der Proben, die anhand des Vergleichsbeispiels 1 hergestellt wurden, betrug N, und zwar 25.
  • Ein mittlerer Wert der Bruchlasten F, die auf die Probe 5 aufgebracht wurden, lag bei 11,7 N (der maximale Wert lag bei 12,9 N und der minimale Wert lag bei 9,9 N). Ein Weibull-Koeffizient m betrug 17,7. Andererseits lag ein mittlerer Wert der Buchlasten, die auf das Vergleichsbeispiel 1 aufgebracht wurden, bei 7,2 N (der maximale Wert lag bei 7,6 N und der minimale Wert lag bei 6,7 N). Der Weibull-Koeffizient m betrug 34,8. Die Bruchlasten, die in Verbindung mit dem Beispiel aufgebracht wurden, waren um das Zweifache größer als diejenigen, die bei dem Vergleichsbeispiel aufgebracht wurden.
  • Demzufolge ermöglicht die Verwendung eines kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung die Realisierung einer Betätigungsvorrichtung, die kaum bricht und zwar trotz einer Spannung, die während dem Zusammenbau und dem Antrieb auftritt.
  • (Beispiel 12) Temperaturcharakteristik des mechanischen Qualitätsfaktors Qm
  • 11 zeigt die Ergebnisse der Messung, die an piezoelektrischen Elementen durchgeführt wurden, welche gemäß dem Beispiel 4, dem Beispiel 5, dem Vergleichsbeispiel 2 und dem Vergleichsbeispiel 3 durchgeführt wurden und zwar in Bezug auf die Temperaturcharakteristik eines mechanischen Qualitätsfaktors (Qm).
  • Das Beispiel 4 und das Beispiel 5 zeigten kleine Werte nahe der Temperatur von 25°C (Raumtemperatur). Bei Temperaturen höher als 25°C und niedriger als dieser Temperaturwert, wurden die mechanischen Qualitätsfaktoren derselben größer.
  • Der maximale Wert trat bei dem Beispiel 4 bei Temperaturen auf, die von –30°C bis 80°C reichten, und betrug 32,6, welcher Wert bei 80°C beobachtet wurde. Darüber hinaus wird der mechanische Qualitätsfaktor über einem Temperaturbereich höher als 80°C größer, das heißt der mechanische Qualitätsfaktor beträgt dann 48,4 bei 100°C und liegt bei 73,4 bei 160°C.
  • Der maximale Wert, der bei dem Beispiel 5 beobachtet wurde und zwar bei Temperaturen von –30°C bis 80°C lag bei 41,2, welcher Wert bei 80°C beobachtet wurde. Darüber hinaus wurde der mechanische Qualitätsfaktor über einem Temperaturbereich hinweg größer, der höher lag als 80°C, das heißt der mechanische Qualitätsfaktor lag bei 81,6 und zwar bei 100°C und lag bei 103,1 bei 160°C.
  • Andererseits betrug der maximale Wert, der bei dem Vergleichsbeispiel 2 auftrat und zwar bei Temperaturen in dem Bereich von –30°C bis 80°C gleich 65,2 und zwar bei –30°C. Darüber hinaus zeigte das Vergleichsbeispiel 1 bei –30°C einen Wert von 61,1.
  • Daher machte es die Verwendung eines kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung möglich den mechanischen Qualitätsfaktor Qm eines gesamten Oszillationssystems abzusenken, welches in einer Betätigungsvorrichtung enthalten ist, und zwar über einen Temperaturbereich von –30°C bis 80°C und erlaubt somit die Realisierung eines piezoelektrischen Akustikteiles, bei welchem eine Differenz in einem Schalldruck zwischen einem Resonanzpunkt und irgendeinem anderen Punkt begrenzt ist.
  • (Beispiel 13) Temperaturcharakteristik eines dielektrischen Verlustes tanδ
  • 12, 13 und 14 zeigen die Ergebnisse der Messungen, die an dem piezoelektrischen Element vorgenommen wurden, welches gemäß dem Beispiel 5 hergestellt worden war und zwar in Bezug auf die Temperaturabhängigkeiten eines Young'schen Moduls (Y11 E), und in Bezug auf die Resonanzfrequenz (Fr) bzw. in Bezug auf einen dielektrischen Verlust (tanδ).
  • Über einen Temperaturbereich von –30°C bis 80°C nahm der Young'sche Modul (Y11 E) bei der Temperatur von –10°C oder weniger ab. Der minimale Wert des Young'schen Moduls betrug 91 GPa, der bei –30°C beobachtet wurde. Die Resonanzfrequenz (Fr) nahm auch bei der Temperatur von –10°C oder geringerem Wert ab. Der minimale Wert der Resonanzfrequenz lag bei 353 kHz, der bei –30°C beobachtet wurde, oder war größer als 81 kHz, der bei dem Vergleichsbeispiel 5 bei Raumtemperatur (25°C) beobachtet wurde.
  • Demzufolge ermöglicht die Verwendung eines kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials die Realisierung einer Betätigungsvorrichtung, die eine hohe Resonanzfrequenz über einem Temperaturbereich von –30°C bis 160°C aufweist.
  • Darüber hinaus ist der dielektrische Verlust (tanδ) hoch und zwar über einem Temperaturbereich von 0°C bis –30°C hinweg, und bleibt nahezu bei 3% konstant. Über einem Temperaturbereich von 80°C bis 160°C ist der dielektrische Verlust (tanδ) niedrig und liegt bei etwa 1,2%. Die Verwendung eines kornorientierten piezoelektrischen Keramikmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung schafft die Möglichkeit den dielektrischen Verlust (tanδ) bei hohen Temperaturen niedrig zu halten, bei denen die Wärmeableitung von einer Betätigungsvorrichtung, die angetrieben wird, Probleme aufwirft. Daher ist die Wärmeableitung von der Betätigungsvorrichtung angenommenermaßen eingeschränkt oder begrenzt.
    Figure DE112005002182B4_0002
    Tabelle 2 (Beispiel 1)
    Elektrische Treiberfeldstärke: EF Temperatur [°C] Größe der dynamischen Spannung [pm/V]
    EF = 2000 V/mm 160 443
    120 391
    80 379
    50 385
    20 404
    –10 392
    –30 387
    –40 372
    EF = 1500 V/mm 160 390
    120 356
    80 342
    50 350
    20 369
    –10 358
    –30 344
    –40 323
    EF = 1000 V/mm 160 332
    120 317
    80 312
    50 317
    20 326
    –10 317
    –30 303
    –40 280
    Tabelle 3 (Beispiel 2)
    Elektrische Treiberfeldstärke: EF Temperatur [°C] Größe der dynamischen Spannung [pm/V]
    EF = 2000 V/mm 160 566
    120 476
    80 448
    50 429
    20 441
    –10 446
    –30 462
    –40 455
    EF = 1500 V/mm 160 499
    120 433
    80 401
    50 388
    20 398
    –10 417
    –30 417
    –40 417
    EF = 1000 V/mm 160 422
    120 379
    80 379
    50 365
    20 355
    –10 384
    –30 417
    –40 412
    Tabelle 4 (Beispiel 3)
    Elektrische Treiberfeldstärke: EF Temperatur [°C] Größe der dynamischen Spannung [pm/V]
    EF = 2000 V/mm 160 519
    120 444
    80 424
    50 425
    20 448
    –10 462
    –30 462
    –40 450
    EF = 1500 V/mm 160 485
    120 415
    80 384
    50 393
    20 415
    –10 425
    –30 430
    –40 411
    EF = 1000 V/mm 160 434
    120 375
    80 347
    50 350
    20 357
    –10 380
    –30 385
    –40 370
    Tabelle 5 (Beispiel 4)
    Elektrische Treiberfeldstärke: EF Temperatur [°C] Größe der dynamischen Spannung [pm/V]
    EF = 2000 V/mm 160 675
    120 600
    80 564
    50 559
    20 571
    –10 588
    –30 559
    –40 500
    EF = 1500 V/mm 160 572
    120 546
    80 512
    50 502
    20 531
    –10 537
    –30 527
    –40 467
    EF = 1000 V/mm 160 431
    120 460
    80 441
    50 427
    20 465
    –10 493
    –30 483
    –40 436
    Tabelle 6 (Beispiel 5)
    Elektrische Treiberfeldstärke: EF Temperatur [°C] Größe der dynamischen Spannung [pm/V]
    EF = 2000 V/mm 160 510
    120 460
    80 444
    50 438
    20 462
    –10 480
    –30 498
    –40 492
    EF = 1500 V/mm 160 474
    120 418
    80 403
    50 395
    20 418
    –10 426
    –30 458
    –40 450
    EF = 1000 V/mm 160 450
    120 367
    80 355
    50 355
    20 381
    –10 403
    –30 438
    –40 427
    Tabelle 7
    Figure DE112005002182B4_0003
    Tabelle 8
    Beispiel Nr. Temperatur: T [°C] Dichte: ρ [kgm–3] spezifische Wärme: Cp [Jgk–3K–1] Koeffizient der thermischen Diffusionsfähigkeit: α [10–7m2s–1] Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit: λ [Wm–1K–1]
    Beispiel 2 25 4720 553 8,80 2,30
    120 4720 602 8,16 2,32
    160 4720 621 8,15 2,39
    Vergleichsbeispiel 1 25 7600 335 4,73 1,20
    120 7600 366 4,75 1,32
    106 7600 377 4,79 1,37
    Tabelle 9
    Beispiel Nr. Temperatur [°C] Koeffizient der linearen thermischen Ausdehnung: ΔL/L0 [%] Koeffizient der thermischen Ausdehnung: β [ppa°C]
    Beispiel 2 –40 –0,036 5,5
    –30 –0,030 5,8
    0 –0,012 5,3
    20 –0,002 4,7
    50 0,014 5,3
    80 0,029 5,2
    100 0,040 5,0
    120 0,049 4,8
    140 0,059 4,6
    160 0,068 4,1
    180 0,076 4,1
    200 0,083 3,6
    Vergleichsbeispiel 1 –40 –0,035 5,7
    –30 –0,029 5,7
    0 –0,011 5,6
    20 –0,002 4,3
    50 0,011 3,9
    80 0,022 3,1
    100 0,027 2,7
    120 0,033 2,5
    140 0,037 2,2
    160 0,041 1,9
    180 0,045 1,7
    200 0,048 1,6

Claims (9)

  1. Piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, die ein piezoelektrisches Element enthält, welches ein Paar von Elektroden aufweist, die auf der Oberfläche eines Blattes aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial ausgebildet sind, und mit einem Halterungsteil, welches das piezoelektrische Element haltert, bei der: das piezoelektrische Keramikmaterial wenigstens eine der folgenden Anforderungen (a) bis (e) befriedigt: (a) die Massendichte (bulk density) ist gleich mit oder kleiner als 5 g/cm3, der Young'sche Modul Y11 E, der gemäß einem Resonanz-Antiresonanz-Verfahren berechnet wird, ist gleich mit oder größer als 90 GPa; (b) der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit ist gleich mit oder größer als 2 Wm–1K–1; (c) der thermische Ausdehnungskoeffizient ist gleich mit oder größer als 3,0 ppm/°C über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C hinweg; (d) der pyroelektrische Koeffizient ist gleich mit oder kleiner als 400 μCm–2K–1 über den Temperaturbereich von –30°C bis 160°C hinweg; und (e) der mechanische Qualitätsfaktor Qm, der gemäß dem Resonanz-Antiresonanz-Verfahren berechnet wird, ist gleich mit oder kleiner als 50 über einen Temperaturbereich von –30°C bis 80°C, und wobei das piezoelektrische Keramikmaterial aus einem kornorientierten oder keimorientierten piezoelektrischen Keramikmaterial besteht, welches aus einer polykristallinen Substanz hergestellt, deren Hauptphase als eine isotrope Perovskit-Zusammensetzung existiert, wiedergegeben durch die allgemeine Formel {Lix(K1-yNay)1-x}{Nb1-z-wTazSbw}O3 (worin 0 ≤ x ≤ 0,2, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 0,4, 0 < w ≤ 0,2 ist, und x + z + w > 0 gilt), und welches spezifische Kristallflächen der Körner oder Keime aufweist, welche die polykristalline Substanz bilden, und welche orientiert sind.
  2. Piezoelektrische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der dann, wenn die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung unter einem derartigen Antriebszustand angetrieben wird, dass eine Treiberspannung eine konstante Amplitude in der elektrischen Feldstärke von 100 V/mm oder mehr aufweist, die folgenden Anforderungen (f) und (g) befriedigt werden: (f) die Größe der dynamischen Spannung (strain) D33, die durch Teilen einer Spannung, welche in einem elektrischen Feld in Anlegerichtung durch die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung durch die elektrische Feldstärke entsteht, gleich ist mit oder größer ist als 250 pm/V und zwar über den Temperaturbereich von –30°C bis 80°C; und (g) die Breite der Variation WD33 in der Größe der dynamischen Spannung D33, die aus einer Temperaturänderung abgeleitet wird, welche durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt ist, innerhalb von ±14% über dem Temperaturbereich von –30°C bis 80°C fällt: WD33 (%) = [{2 × D33max/(D33max + D33min)} – 1] × 100 (1) fällt, worin D33max den maximalen Wert der Größe der dynamischen Spannung bezeichnet, der bei der Temperatur beobachtet wird, die von –30°C bis 80°C reicht, und worin D33min den minimalen Wert der Größe der dynamischen Spannung bezeichnet, der bei Temperaturen von –30°C bis 80°C beobachtet wird.
  3. Piezoelektrische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der dann, wenn die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung unter solch einer Antriebsbedingung angetrieben wird, dass eine Treiberspannung mit einer konstanten Amplitude in der elektrischen Feldstärke von 100 V/mm oder mehr die folgenden Anforderungen (h) und (i) befriedigt werden: (h) die Größe der dynamischen Spannung D33, die durch Teilen einer Spannung, welche in einer elektrischen Feldanlegerichtung durch die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung entsteht, durch die elektrische Feldstärke geteilt wird, gleich ist mit oder größer ist als 250 pm/V über den Temperaturbereich von –30°C bis 160°C; und (i) die Breite der Variation WD33 in der Größe der dynamischen Spannung D33, die aus einer Temperaturänderung abgeleitet wird, welche durch die folgende allgemeine Gleichung (2) ausgedrückt wird, innerhalb von ±14% fällt und zwar über einen Temperaturbereich von –30°C bis 160°C: WD33 (%) = [{2 × D33max/(D33max + D33min)} – 1] × 100 (2), worin D33max den maximalen Wert der Größe der dynamischen Spannung bezeichnet, der bei Temperaturen beobachtet wird, die von –30°C bis 160°C reichen, und worin D33min den minimalen Wert der Größe der dynamischen Spannung bezeichnet, der bei Temperaturen in dem Bereich von –30°C bis 160°C beobachtet wird.
  4. Piezoelektrische Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung für ein Brennstoffeinspritzventil ausgelegt ist.
  5. Piezoelektrische Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung für irgendeine der Einrichtungen gemäß einer Sonarvorrichtung, einem Ultraschallmotor und einem piezoelektrischen Ultraschallwandler ausgelegt ist.
  6. Piezoelektrische Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung als ein piezoelektrisches Schallteil ausgelegt ist bzw. als solches verwendet ist.
  7. Piezoelektrische Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das piezoelektrische Element aus einem laminierten piezoelektrischen Element besteht, welches Blätter aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial und Elektroden aufweist, die abwechselnd übereinandergestapelt sind.
  8. Piezoelektrische Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das piezoelektrische Keramikmaterial aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial besteht, welches kein Blei enthält.
  9. Piezoelektrische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Orientierungsgrad von pseudo-kubischen {100}-Ebenen der Körner oder Keime, die das kornorientierte Piezoelektrische Keramikmaterial bilden, welches gemäß einem Lotgering'schen Verfahren berechnet wird, gleich ist mit oder größer ist als 30%, und bei dem das Kristallsystem aus einem tetragonalen System über einem Temperaturbereich von 10°C bis 160°C besteht.
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