DE60034642T2

DE60034642T2 - Piezoelektrisches/elektrostriktives Bauelement und dessen Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60034642T2
Application number: DE60034642T
Authority: DE
Inventors: Yukihisa Nagoya-city Takeuchi; Tsutomu Nagoya-city Nanataki; Koji Nagoya-city Ikeda; Koji Nagoya-city KIMURA; Kazuyoshi Nagoya-city Shibata
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1999-10-01
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2020-09-30
Also published as: US6566789B2; EP1091424A3; US20030001455A1; DE60034642D1; EP1091424A2; EP1091424B1; US6498419B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung, die einen beweglichen Abschnitt umfasst, der basierend auf der Verschiebung eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements betätigt wird, oder eine piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung, die in der Lage ist, die Verschiebung eines beweglichen Abschnitts durch ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element zu detektieren, und ein Verfahren zur Herstellung derselbigen. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung eine piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung mit ausgezeichneter mechanischer Festigkeit, Stoßfestigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit, deren beweglicher Teil in hohem Ausmaß effizient bewegt werden kann.
Beschreibung des Stands der Technik
In den letzten Jahren zeigte sich, dass, beispielsweise auf dem Gebiet der Optik, der magnetischen Aufzeichnung und der Feinbearbeitung, ein Verschiebungselement erforderlich ist, welches die Anpassung der optischen Weglänge und der Position in im Submikrometerbereich ermöglicht. Demnach wird die Entwicklung eines Verschiebungselements vorangetrieben, das eine Verschiebung aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts oder des elektrostriktiven Effekts nutzt, der auftritt, wenn Spannung an ein piezoelektrisches/elektrostriktives Material (z.B. eine ferroelektrische Substanz) angelegt wird.
Wie in 37 dargestellt, umfassen die bisher offenbarten Verschiebungselemente einen piezoelektrischen Aktuator, der einen Festlegungsabschnitt 204, einen beweglichen Abschnitt 206 und einen Stababschnitt 208, der diese hält, umfasst, welche einstückig mit einem Loch 202, das durch ein plattenförmiges Element 200 aus einem piezoelektrischen/elektrostriktiven Material bereitgestellt ist, und mit einer auf dem Stababschnitt bereitgestellten Elektrodenschicht 210 ausgebildet sind (siehe z.B. Japanische Offenlegungsschrift Nr. 10-136665 ).
Der piezoelektrische Aktuator wird so betätigt, dass der Stababschnitt 208, wenn eine Spannung an die Elektrodenschicht 210 angelegt wird, in eine Richtung entlang der Gerade, die man durch die Verbindung des Festlegungsabschnitts 204 mit dem beweglichen Abschnitt 206 erhält, gemäß dem inversen piezoelektrischen Effekt oder dem elektrostriktiven Effekt eine Ausdehnung oder Kontraktion erfährt. Demnach kann der bewegliche Abschnitt 206 eine kreis-bogenförmige Verschiebung oder eine Rotationsverschiebung in der Ebene des plattenförmigen Elements 200 durchführen.
Andererseits offenbart die Japanische Offenlegungsschrift Nr. 63-64640 eine Technik in Bezug auf einen Aktuator, der auf der Verwendung eines Bimorphs beruht. Bei diesem Verfahren werden Elektroden für das Bimorph geteilt bereitgestellt. Die geteilten Elektroden werden wahlweise gesteuert, sodass eine hoch-präzise Positionierung mit hoher Geschwindigkeit erfolgen kann. Dieses Patentdokument offenbart eine Struktur (besonders in 4), in der beispielsweise zwei einander gegenüberliegende Bimorphe verwendet werden.
Der oben beschriebene piezoelektrische Aktuator bedingt aber das Problem, dass das Betätigungsausmaß des beweglichen Abschnitts 206 klein ist, da die Verschiebung in Ausdehnungs- und Kontraktionsrichtung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Materials (d.h. in eine Richtung innerhalb der Ebene des plattenartigen Körpers 200) so wie sie ist auf den beweglichen Abschnitt 206 übertragen wird.
Alle Teile des piezoelektrischen Aktuators bestehen aus einem piezoelektrischen/elektrostriktiven Material, das zerbrechlich und relativ schwer ist. Dadurch entstehen die folgenden Probleme. Die mechanische Festigkeit ist gering, und der piezoelektrische Aktuator weist schlechtere Handhabungseigenschaften, Stoßfestigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit auf. Außerdem ist der piezoelektrische Aktuator selbst schwer und sein Betrieb neigt dazu, durch schädliche Vibrationen (beispielsweise Restvibrationen und Schallvibrationen bei Hochgeschwindigkeitsbetätigung) beeinflusst zu werden.
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen wurde vorgeschlagen, das Loch 202 mit einem flexiblen Füllmaterial zu füllen. Es ist jedoch klar, dass das Verschiebungsausmaß durch den inversen piezoelektrischen Effekt oder den elektrostriktiven Effekt auch dann reduziert wird, wenn das Füllmaterial eingesetzt wird.
Außerdem ist der in der JP-A-63-64640 geoffenbarte Aktuator so strukturiert, dass der Bimorph selbst aus zwei piezoelektrischen Elementen besteht, die miteinander laminiert sind, zusätzlich dazu, dass der Bimorph an ein Festlegungselement oder ein Zwischenelement geklebt ist. Daher bleibt die Spannung, welche sich beispielsweise durch das Härten und die Schrumpfung des Klebstoffs und die für das Verkleben und die Laminierung erforderliche Wärmebehandlung ergibt, tendenziell bestehen. Es wird befürchtet, dass die Verschiebung durch die innere Spannung gestört wird und es unmöglich wird, die Verschiebung und Resonanzfrequenz entwicklungsgetreu durchzuführen. Insbesondere wenn der Aktuator klein ist, verstärkt sich der Einfluss des Klebstoffs von selbst.
Daher wurde ein Verfahren entwickelt, um den Einfluss des Klebers zu beseitigen, der das Kleben bewirkt, bei welchem der Aktuator beispielsweise aus einem einstückig gesinterten Produkt aus Keramik besteht, um eine Struktur zu erhalten, bei der keine Klebstoffe erforderlich sind. Auch in diesem Fall wird zwangsläufig befürchtet, dass es aufgrund des unterschiedlichen Verhaltens zwischen den jeweiligen Elementen hinsichtlich Wärmeschrumpfung während des Sinterns zu inneren Restspannungen kommt.
Wenn der Aktuator klein ist, ergibt sich ferner das Problem, dass die Befestigungseigenschaft des Aktuators und die Bindungseigenschaft des Aktuators an ein anderes Teil verschlechtert werden.
WO 99/01901 offenbart eine Struktur mit parallelen Platten, die mit einem Paar an bimorphen piezoelektrischen Elementen und Isolierungsabstandshaltern an den oberen und unteren Enden bereitgestellt ist, wodurch die oberen und unteren Enden miteinander befestigt werden.
US-A-4.612.440 offenbart eine Vorrichtung zum Anpassen von Schlitzbreiten in Spektrometern. Die Schlitzbreite wird durch den Betrieb von piezoelektrischen Elementen angepasst, die auf Trägerplatten eingesetzt werden, welche einander gegenüberliegende Spaltbacken tragen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung entstand unter Berücksichtigung der zuvor erläuterten Probleme; ein Ziel dieser Erfindung ist es, eine piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung derselbigen bereitzustellen, wodurch ermöglicht wird, ein Verschiebungselement zu erhalten, das von schädlichen Vibrationen kaum beeinflusst wird und das zu Hochgeschwindigkeitsantworten mit hoher mechanischer Festigkeit in der Lage ist, und gleichzeitig ausgezeichnete Handhabungseigenschaften, Stoßfestigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit aufweist, wodurch es möglich wird, eine Vorrichtung mit geringem Gewicht, insbesondere mit einem beweglichen Abschnitt oder Festlegungsabschnitt mit geringem Gewicht zu erzielen, und die Handhabungseigenschaft der Vorrichtung und Bindungseigenschaft für Teile, die am beweglichen Abschnitt angebracht werden sollen, sowie die Befestigungseigenschaft der Vorrichtung zu verbessern, damit der bewegliche Abschnitt bei relativ geringer Spannung stark verschoben wird, und es ist möglich, eine Hochgeschwindigkeitsverschiebung der Vorrichtung, insbesondere des beweglichen Abschnitts, zu erreichen (Umsetzung einer hohen Resonanzfrequenz) sowie ein Sensorelement zu erhalten, das eine genaue Detektion der Vibration des beweglichen Abschnitts ermöglicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine wie in Anspruch 1 dargelegte piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung bereitgestellt.
Der bewegliche Abschnitt, der Festlegungsabschnitt und der dünne Plattenabschnitt können aus Keramiken oder Metall bestehen. Alternativ dazu kann jede der Komponenten aus einem Keramikmaterial oder jedes davon aus einem Metallmaterial bestehen. Ferner kann jede der Komponenten einen hybriden Strukturaufbau aufwei sen, der erhalten wird, indem die aus Keramik- und Metallmaterialien hergestellten Komponenten kombiniert werden.
Es wird auch bevorzugt, dass ein Trennabschnitt auf entweder dem beweglichen Abschnitt oder dem Festlegungsabschnitt bereitgestellt ist; und ein Teil des Trennabschnitts bildet die einander gegenüberliegenden Endflächen. Es wird auch bevorzugt, dass der dünne Plattenabschnitt, der bewegliche Abschnitt und der Festlegungsabschnitt aus einem keramischen Substrat bestehen, das in eine Einheit integriert ist, indem ein grünes Keramiklaminat gleichzeitig gesintert wird und nicht erforderliche Abschnitte abgetrennt werden. Es wird zudem bevorzugt, dass das piezoelektrische/elektrostriktive Element einen filmförmigen Aufbau aufweist und in dem keramischen Substrat mittels Sintern integriert ist.
In dieser Anordnung kann das piezoelektrische/elektrostriktive Element eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht und ein Paar an Elektroden aufweisen, die auf der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht ausgebildet sind. Es wird auch bevorzugt, dass das piezoelektrische/elektrostriktive Element eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht und ein Paar an Elektroden aufweist, die auf beiden Seiten der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht ausgebildet sind, wobei eine Elektrode des Paars an Elektroden auf zumindest dem dünnen Plattenabschnitt ausgebildet ist. In dieser Anordnung kann die durch das piezoelektrische/elektrostriktive Element bewirkte Vibration effizient über den dünnen Plattenabschnitt zum beweglichen Abschnitt oder Festlegungsabschnitt übertragen werden. Dadurch wird es möglich, das Antwortleistungsverhalten zu verbessern. Es ist besonders bevorzugt, dass das piezoelektrische/elektrostriktive Element stapelförmig aufgebaut ist und eine Vielzahl an Einheiten umfasst, die jeweils die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht und das Paar an Elektroden aufweist.
Wenn die wie oben beschriebene Anordnung zum Einsatz kommt, wird dadurch nachstehendes Merkmal erzielt. Die erzeugte Kraft des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements nimmt zu, wodurch eine große Verschiebung erzielt werden kann. Es ist ferner möglich, aufgrund der erhöhten Steifigkeit der Vorrichtung selbst eine hohe Resonanzfrequenz zu erhalten, wodurch die hohe Geschwindigkeit der Verschiebung erreicht werden kann.
Es wird auch bevorzugt, dass zwischen den einander gegenüberliegenden Endflächen ein Spalt ausgebildet ist. Ferner wird es bevorzugt, dass sich ein Element, welches sich von einem Bestandteil des beweglichen Abschnitts unterscheidet, zwischen die einander gegenüberliegenden Endflächen legt, wobei das sich unterscheidende Element beispielsweise Glas, Zement und organisches Harz, vorzugsweise organisches Harz, wie z.B. solche auf Epoxy-, Acryl-, Polyimid-, Phenol-, Silicon-, Terpen-, Xylol-, Styrol-, Melamin-, Methacryl- und Kautschukbasis oder ein Gemisch oder Copolymer davon umfasst. Insbesondere hinsichtlich der Verbindungseigenschaft, der Handhabungseigenschaft und der Härte wird es bevorzugt, dass die Verwendung von organischem Harz oder dergleichen auf Epoxy-, Acryl- und Methacrylbasis zugelassen wird. Um die Härte noch mehr zu verbessern, wird es auch bevorzugt, einen Füllstoff, wie z.B. ein anorganisches Material, einzumischen.
Insbesondere ist es möglich, einen beweglichen Abschnitt oder Festlegungsabschnitt mit geringem Gewicht effizient umzusetzen, indem der Spalt zwischen den einander gegenüberliegenden Endflächen ausgebildet wird, wodurch sich jenes Element, das leichter als der Bestandteil des beweglichen Abschnitts oder Festlegungsabschnitts ist, zwischen die einander gegenüberliegenden Endflächen legt oder indem die Endflächen mit dem Element verbunden werden. Folglich ist es möglich, die Resonanzfrequenz zu erhöhen, ohne das Verschiebungsausmaß des beweglichen Abschnitts oder des Festlegungsabschnitts zu verringern. Angesichts der hohen Resonanzfrequenz wird es bevorzugt, dass das Element aus einem harten Material besteht.
Wenn der Spalt zwischen den einander gegenüberliegenden Endflächen ausgebildet wird, werden ein Teil des beweglichen Abschnitts oder des Festlegungsabschnitts, einschließlich einer Endfläche, und ein weiterer Teil des beweglichen Abschnitts oder des Festlegungsabschnitts, einschließlich der anderen Endfläche, flexibler, was zu einer starken Deformationsfestigkeit führt. Daher ist es möglich, ausgezeichnete Handhabungseigenschaften der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung zu erhalten.
Die Gegenwart von einander gegenüberliegenden Endflächen erhöht die Oberfläche des beweglichen Abschnitts oder des Festlegungsabschnitts. Wenn der bewegliche Abschnitt über einander gegenüberliegende Endflächen verfügt, kann die Befestigungsfläche daher erhöht werden, wenn ein weiteres Teil an den beweglichen Abschnitt angebracht wird. Somit wird es möglich, die Befestigungseigenschaft für dieses Teil zu verbessern. Es wird im Folgenden angenommen, dass das Teil beispielsweise mit einem Klebstoff oder dergleichen festgemacht ist. In einem solchen Fall ist der Klebstoff vollständig bis zu den Endflächen sowie zur ersten Hauptfläche des beweglichen Abschnitts verteilt. Daher ist es möglich, beispielsweise einen Mangel bei der Anwendung des Klebstoffs aufzuheben. Dadurch kann das Teil zuverlässig befestigt werden.
Wenn der Festlegungsabschnitt andererseits über die einander gegenüberliegenden Endflächen verfügt, ist es möglich, die erfindungsgemäße piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung an einen vorbestimmten Festlegungsabschnitt anzubringen. Somit kann die Zuverlässigkeit verbessert werden.
Wie oben beschrieben, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, ein Verschiebungselement zu erhalten, das kaum von schädlichen Vibrationen beeinflusst wird und zu Hochgeschwindigkeitsantworten mit hoher mechanischer Festigkeit fähig ist, wobei es gleichzeitig ausgezeichnete Handhabungseigenschaften, Stoßfestigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit aufweist, wodurch eine Vorrichtung mit geringem Gewicht erstellt werden kann, die insbesondere über einen beweglichen Abschnitt oder Festlegungsabschnitt mit geringem Gewicht verfügt, und die Handhabungseigenschaft der Vorrichtung sowie die Befestigungseigenschaft für Teile, die am beweglichen Abschnitt oder dem Festlegungsabschnitt anzubringen sind, verbessert werden können, sodass es zu einer starken Verschiebung des beweglichen Abschnitts kommt und es möglich wird, eine Verschiebung des beweglichen Abschnitts mit hoher Geschwindigkeit zu erzielen (Umsetzung einer hohen Resonanzfrequenz), sowie ein Sensorelement aufweist, das eine genaue Detektion von Vibrationen des beweglichen Abschnitts ermöglicht.
Bei der Herstellung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung, wenn beispielsweise das piezoelektrische/elektrostriktive Element auf einem Keramiklaminat (das durch Stapeln von grünen Keramiklagen gefolgt von Sintern in eine Einheit erhalten wird), beispielsweise durch Lamination oder integriertes Sintern auf Basis der Verwendung des wie später beschriebenen Filmbildungsverfahrens, ausgebildet ist, wird die innere Restspannung an einem Abschnitt erzeugt, der zu einem piezoelektrischen/elektrostriktiven Element und/oder zu einem dünnen Plattenabschnitt ausgebildet werden soll. Insbesondere wenn das piezoelektrische/elektrostriktive Element mittels integriertem Sintern auf dem Keramiklaminat ausgebildet wird, wird die innere Restspannung tendenziell an jenem Abschnitt erzeugt, der zum piezoelektrischen/elektrostriktiven Element und/oder dünnen Plattenabschnitt ausgebildet werden soll, was auf die während des Sinterns verursachte Schrumpfung und den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Bestandteile zurückzuführen ist.
Die innere Restspannung bleibt im piezoelektrischen/elektrostriktiven Element und/oder dem dünnen Plattenabschnitt bestehen, auch nachdem nicht erforderliche Abschnitte des Keramiklaminats abgetrennt werden, um das Keramiksubstrat mit dem beweglichen Abschnitt, dem Festlegungsabschnitt und den dünnen Plattenabschnitten bereitzustellen.
Wenn die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung von diesem Zustand aus hergestellt und verwendet wird, weist der bewegliche Abschnitt in manchen Fällen die gewünschte Verschiebung nicht auf, sogar wenn ein vorbestimmtes elektrisches Feld in der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht für den Aufbau des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements erzeugt wird, was auf Nachstehendes zurückzuführen ist. Die Materialeigenschaften der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht und die Verschiebung des beweglichen Abschnitts werden durch die im piezoelektrischen/elektrostriktiven Element und/oder dünnen Plattenabschnitt erzeugte innere Restspannung beeinträchtigt.
In der vorliegenden Erfindung sind die einander gegenüberliegenden Endflächen entweder auf dem beweglichen Abschnitt oder dem Festlegungsabschnitt bereitgestellt. Daher wird der Abstand zwischen den Endflächen beispielsweise durch die im piezoelektrischen/elektrostriktiven Element und/oder dünnen Plattenabschnitt erzeugte innere Restspannung verkürzt. Die im piezoelektrischen/elektrostriktiven Element und/oder dünnen Plattenabschnitt erzeugte innere Restspannung wird also durch die Bewegung der Endflächen freigesetzt.
Daher wird die Verschiebung des beweglichen Abschnitts nicht durch die innere Restspannung beeinträchtigt. Es ist möglich, eine annähernd entwickelte und erwartete Verschiebung des beweglichen Abschnitts zu erhalten. Ferner führt die Freisetzung der Spannung auch zu einer Verbesserung der mechanischen Festigkeit der Vorrichtung.
In oben beschriebener Erfindung ist das Loch ferner vorzugsweise mit einem Gelmaterial befüllt. In dieser Anordnung neigt die oben beschriebene Erfindung dazu, das Gewicht als Ergebnis der Bildung der Endflächen auf dem beweglichen Abschnitt oder Festlegungsabschnitt zu reduzieren und das Verschiebungsausmaß des beweglichen Abschnitts zu erhöhen, obwohl die Verschiebung des beweglichen Abschnitts aufgrund der Gegenwart des Füllmaterials beschränkt ist. Somit wird der beschränkten Verschiebung des beweglichen Abschnitts durch das Füllmaterial entgegengewirkt, und es ist aufgrund der Gegenwart des Füllmaterials möglich, die Wirkung, nämlich die hohe Resonanzfrequenz und die Aufrechterhaltung der Steifigkeit, dennoch zu erzielen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer wie in Anspruch 13 dargelegten piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung bereitgestellt.
Dadurch werden der bewegliche Abschnitt und der Festlegungsabschnitt bereitgestellt, die einander gegenüberliegende Endflächen aufweisen. Demzufolge wird die im piezoelektrischen/elektrostriktiven Element und/oder Festlegungsabschnitt wäh rend der Herstellung erzeugte innere Restspannung freigesetzt, indem beispielsweise der Abstand zwischen den Endflächen verkürzt wird. Die Verschiebung des beweglichen Abschnitts wird somit durch die innere Restspannung nicht beeinträchtigt.
Der hierin verwendete Ausdruck „nach Herstellen des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements" bezieht sich auf einen Zustand, bei dem zumindest die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht ausgebildet ist. Was die nach der Bildung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht auszubildende Elektrode anlangt, kann diese nach dem Abtrennen zur Ausbildung des beweglichen Abschnitts oder Festlegungsabschnitts mit den einander gegenüberliegenden Endflächen ausgebildet werden.
Die Bereitstellung des beweglichen Abschnitts oder des Festlegungsabschnitts mit den einander gegenüberliegenden Endflächen ermöglicht einen beweglichen Abschnitt oder Festlegungsabschnitt mit geringem Gewicht. Daher ist es möglich, dass die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung, die eine Erhöhung der Resonanzfrequenz bewirken kann, ohne das Verschiebungsausmaß des beweglichen Abschnitts zu verringern mit Leichtigkeit effizient hergestellt werden. Dadurch wird die Massenherstellung der hochleistungsfähigen piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung ermöglicht.
Der bewegliche Abschnitt oder der Festlegungsabschnitt können darüber hinaus besser gebogen werden und sind sehr deformationsbeständig. Daher weist die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung ausgezeichnet Handhabungseigenschaften auf. Die Gegenwart der einander gegenüberliegenden Endflächen erhöht die Oberfläche des beweglichen Abschnitts oder des Festlegungsabschnitts. Wenn ein anderes Teil am beweglichen Abschnitt angebracht wird oder wenn die Vorrichtung an einer vorbestimmten Befestigungsposition befestigt wird, ist es möglich eine große Anbringungsfläche oder eine große Befestigungsfläche bereitzustellen. Somit können die Bindungseigenschaft für das Teil und die Befestigungseigenschaft der Vorrichtung verbessert werden.
Das bevorzugte Verfahren umfasst einen Schritt zur Herstellung eines Keramiklaminats durch einstückiges Sintern eines grünen Keramiklaminats, das zumindest eine grüne Keramiklage mit einem Fenster zum anschließenden Ausbilden zumindest des Lochs und grüner Keramiklagen aufweist, die anschließend zu den dünnen Plattenabschnitten auszubilden sind, um ein Keramiklaminat herzustellen; einen Schritt des Ausbildens des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements auf einer Außenoberfläche eines Abschnitts des Keramiklaminats, das zum dünnen Plattenabschnitt auszubilden ist; und einen Abtrennschritt zum Ausbilden des beweglichen Abschnitts oder des Festlegungsabschnitts mit einander gegenüberliegenden Endflächen mittels zumindest einer Schnittbehandlung für das Keramiklaminat, das mit dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Element ausgebildet ist.
Folglich wird bei der Herstellung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung, insbesondere wenn das piezoelektrische/elektrostriktive Element durch Sintern auf dem Keramiklaminat ausgebildet wird, die innere Restspannung, die im piezoelektrischen/elektrostriktiven Element und/oder im dünnen Plattenabschnitt erzeugt wird, wirksam freigesetzt. Wenn die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung unter Anwendung des Laminierverfahrens für grüne Keramiklagen hergestellt wird, ist es möglich, eine Vorrichtung mit geringem Gewicht, insbesondere einen beweglichen Abschnitt oder Festlegungsabschnitt mit geringem Gewicht herzustellen und die Handhabungseigenschaften der Vorrichtung, die Bindungseigenschaft für Teile, die am beweglichen Abschnitt anzubringen sind, und die Befestigungseigenschaft der Vorrichtung zu verbessern. Dadurch ist eine große Verschiebung des beweglichen Abschnitts möglich.
Es wird auch bevorzugt, dass beim Schritt des Herstellens des Keramiklaminats dieses durch einstückiges Sintern eines grünen Keramiklaminats einschließlich einer grünen Keramiklage mit einem Fenster zur Ausbildung des beweglichen Abschnitts oder des Festlegungsabschnitts mit zumindest einander gegenüberliegenden Endflächen und der grünen Keramiklagen, die anschließend zu dünnen Plattenabschnitten auszubilden sind, hergestellt wird; und dass im Abtrennschritt der bewegliche Abschnitt oder der Festlegungsabschnitt mit zumindest den einander gegenüberliegen den Endflächen durch die Schnittbehandlung für das mit dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Element ausgebildete Keramiklaminat ausgebildet werden.
Es wird auch bevorzugt, dass beim Schritt des Herstellens des Keramiklaminats dieses durch einstückiges Sintern eines grünen Keramiklaminats hergestellt wird, das eine grüne Keramiklage mit einem Fenster zur Ausbildung eines Abschnitts, der zum beweglichen Abschnitt auszubilden ist, oder eines Abschnitts der zum Festlegungsabschnitt auszubilden ist, mit zumindest den einander gegenüberliegenden Endflächen, die teilweise miteinander verbunden sind, sowie den grünen Keramiklagen, die anschließend zu den dünnen Plattenabschnitten auszubilden sind, um das Keramiklaminat herzustellen, umfasst; und beim Abtrennschritt der Abschnitt, der zum beweglichen Abschnitt auszubilden ist, oder der zum Festlegungsabschnitt auszubildende Abschnitt mit zumindest den einander gegenüberliegenden Endflächen, die teilweise miteinander verbunden sind, mittels einer Schnittbehandlung für das mit dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Element ausgebildete Keramiklaminat ausgebildet wird, wobei der bewegliche Abschnitt oder der Festlegungsabschnitt mit einander gegenüberliegenden Endflächen durch Abtrennen des Verbindungsabschnitts ausgebildet werden.
Hinsichtlich des Herstellungsverfahrens wird auch bevorzugt, dass das Loch im Abtrennschritt mittels einer Schnittbehandlung für das Keramiklaminat gleichzeitig freigelegt wird. In diesem Verfahren kann die Bildung des beweglichen Abschnitts oder des Festlegungsabschnitts mit den einander gegenüberliegenden Endflächen gleichzeitig mit der Bildung des Lochs erfolgen. In welcher Reihenfolge die Ausbildungsschritte durchgeführt werden, unterliegt dabei keiner besonderen Einschränkung.
Es wird auch bevorzugt, dass das Herstellungsverfahren ferner einen Schritt des Zulassens eines Elements, das sich von einem Bestandteil des beweglichen Abschnitts unterscheidet, umfasst, sodass sich dieses zwischen die einander gegenüberliegenden Endflächen legt.
Somit kann die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung für aktive Elemente, wie verschiedene Wandler, verschiedene Aktuatoren, regionale Frequenzfunktionselemente (Filter), Transformatoren, Vibratoren und Resonatoren für Kommunikations- und energiebezogene Anwendungen, Oszillatoren und Diskriminatoren, und als Sensorelement für verschiedene Sensoren, wie z.B. Ultraschallsensoren, Beschleunigungssensoren, Winkelgeschwindigkeitssensoren, Stoßsensoren und Massesensoren verwendet werden. Die erfindungsgemäße piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung wird besonders bevorzugt für verschiedene Aktuatoren eingesetzt, die bei Mechanismen zur Verschiebungs- und Positionierungseinstellung und Winkeleinstellung verschiedener Präzisionsteile von optischen Geräten und Präzisionsgeräten angewandt werden.
Die obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich zusammen mit den beigefügten Zeichnungen aus nachstehender Beschreibung, in der eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mittels eines veranschaulichenden Beispiels dargestellt ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Anordnung einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine perspektivische Ansicht, die eine erste modifizierte Ausführungsform der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist eine perspektivische Ansicht, die eine zweite modifizierte Ausführungsform der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist eine perspektivische Ansicht, die eine dritte modifizierte Ausführungsform der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist eine perspektivische Ansicht, die eine vierte modifizierte Ausführungsform der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist eine perspektivische Ansicht, die eine fünfte modifizierte Ausführungsform der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist eine perspektivische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung in Bezug auf die fünfte Ausführungsform zeigt;
8 ist eine perspektivische Ansicht, die eine sechste modifizierte Ausführungsform der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist eine perspektivische Ansicht, die eine siebte modifizierte Ausführungsform der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 zeigt, teilweise mit Auslassungen, eine weitere Ausführungsform des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements;
11 zeigt, teilweise mit Auslassungen, noch eine weitere Ausführungsform des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements;
12 zeigt eine Situation, in der beide piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente die Verschiebung in der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht ausführen;
13A zeigt eine Wellenform, die eine Spannungswellenform darstellt, die an das erste piezoelektrische/elektrostriktive Element angelegt werden soll; und
13B zeigt eine Wellenform, die eine Spannungswellenform darstellt, die an das zweite piezoelektrische/elektrostriktive Element angelegt werden soll;
14 zeigt eine Situation, in der das piezoelektrische/elektrostriktive Element die Verschiebung in der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführt;
15 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Anordnung zeigt, in der eine zweite piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung an einen beweglichen Abschnitt einer ersten piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung befestigt ist;
16A zeigt ein Verfahren zum Laminieren erforderlicher grüner Keramiklagen in einem ersten Herstellungsverfahren;
16B zeigt einen Zustand, bei dem ein grünes Keramiklaminat ausgebildet wird;
17 zeigt einen Zustand im ersten Herstellungsverfahren, bei dem das grüne Keramiklaminat zu einem gesinterten Keramiklaminat ausgebildet wird und anschließend ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element auf dem Keramiklaminat ausgebildet wird;
18 zeigt ein Zwischenverfahren im ersten Herstellungsverfahren, bei dem das Keramiklaminat entlang vorbestimmter Trennlinien abgetrennt wird, um die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitzustellen;
19A zeigt einen Zustand, bei dem die innere Restspannung in den dünnen Plattenabschnitten und den piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten erzeugt wird;
19B zeigt einen Zustand, bei dem ein Hauptabschnitt des beweglichen Abschnitts abgetrennt ist;
20A zeigt ein Verfahren zum Laminieren erforderlicher grüner Keramiklagen in einem zweiten Herstellungsverfahren;
20B zeigt einen Zustand, bei dem ein grünes Keramiklaminat gebildet wird;
21 zeigt einen Zustand im zweiten Herstellungsverfahren, bei dem das grüne Keramiklaminat zu einem gesinterten Keramiklaminat ausgebildet wird und anschließend ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element auf dem Keramiklaminat ausgebildet wird;
22 zeigt einen Zustand im zweiten Herstellungsverfahren, bei dem ein Keramiklaminat entlang vorbestimmter Trennlinien abgetrennt wird, um die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitzustellen;
23A zeigt ein Verfahren zum Laminieren erforderlicher grüner Keramiklagen in einem dritten Herstellungsverfahren;
23B zeigt einen Zustand, bei dem ein grünes Keramiklaminat gebildet wird;
24 zeigt einen Zustand im dritten Herstellungsverfahren, bei dem das grüne Keramiklaminat zu einem gesinterten Keramiklaminat ausgebildet wird und anschließend ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element auf dem Keramiklaminat ausgebildet wird;
25 zeigt ein Zwischenverfahren im dritten Herstellungsverfahren, bei dem das Keramiklaminat entlang vorbestimmter Trennlinien abgetrennt wird, um die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitzustellen;
26A zeigt ein Verfahren zum Laminieren erforderlicher grüner Keramiklagen in einem vierten Herstellungsverfahren;
26B zeigt einen Zustand, bei dem ein grünes Keramiklaminat gebildet wird;
27 zeigt einen Zustand im vierten Herstellungsverfahren, bei dem das grüne Keramiklaminat zu einem gesinterten Keramiklaminat ausgebildet wird und anschließend ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element auf dem Keramiklaminat ausgebildet wird;
28 zeigt ein Zwischenverfahren im vierten Herstellungsverfahren, bei dem das Keramiklaminat entlang vorbestimmter Trennlinien abgetrennt wird, um die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitzustellen;
29A zeigt ein Verfahren zum Laminieren erforderlicher grüner Keramiklagen in einem fünften Herstellungsverfahren;
29B zeigt einen Zustand, bei dem ein grünes Keramiklaminat gebildet wird;
30A zeigt einen Zustand, bei dem das grüne Keramiklaminat gesintert wird, um ein Keramiklaminat bereitzustellen;
30B zeigt einen Zustand, bei dem die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente, die als getrennte Elemente ausgebildet sind, an Oberflächen von Metallplatten geklebt werden, um als jeweilige dünne Plattenabschnitte zu dienen;
31 zeigt einen Zustand im fünften Herstellungsverfahren, bei dem die Metallplatte an das Keramiklaminat geklebt ist, um ein Hybridlaminat bereitzustellen;
32 zeigt einen Zustand im fünften Herstellungsverfahren, bei dem das Hybridlaminat entlang vorbestimmter Trennlinien abgetrennt wird, um die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung gemäß der achten modifizierten Ausführungsform bereitzustellen;
33A zeigt ein Verfahren zum Laminieren erforderlicher grüner Keramiklagen in einem sechsten Herstellungsverfahren;
33B zeigt einen Zustand, bei dem ein grünes Keramiklaminat gebildet wird;
34A zeigt einen Zustand, bei dem das grüne Keramiklaminat gesintert wird, um ein Keramiklaminat bereitzustellen, und anschließend ein Loch mit einem Füllmaterial befüllt wird;
35 zeigt einen Zustand, bei dem ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element, das als getrenntes Element ausgebildet ist, an die Oberfläche der Metallplatte des Hybridlaminats geklebt wird;
36 zeigt einen Zustand im sechsten Herstellungsverfahren, bei dem das Hybridlaminat entlang vorbestimmter Trennlinien abgetrennt wird, um die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung gemäß der neunten modifizierten Ausführungsform bereitzustellen; und
37 zeigt eine Anordnung einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung gemäß einer veranschaulichenden herkömmlichen Technik.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend sind bezugnehmend auf die 1 bis 36 veranschaulichende Ausführungsformen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung und des Herstellungsverfahrens davon gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
Es gilt anzumerken, dass die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung in einer Anordnung vorliegt, die das Element zum gegenseitigen Umwandeln der elektrischen Energie und der mechanischen Energie mittels des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements umfasst. Daher wird die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung insbesondere als aktives Element, wie z.B. als verschiedene Aktuatoren und Vibratoren, verwendet, insbesondere als Verschiebungselement, das auf der Verwendung einer durch inverse piezoelektrische Wirkung oder elektrostriktive Wirkung hervorgebrachten Verschiebung basiert. Zudem wird die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung vorzugsweise auch als passives Element, wie z.B. als Beschleunigungssensorelement und Stoßsensorelement, verwendet.
Wie in 1 gezeigt, weist die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform ein Substrat 14 auf, das eine längliche, rechteckige, parallelepipedförmige Anordnung als Gesamtes aufweist und ein Loch 12 aufweist, das annähernd an einem Hauptabschnitt in der Hauptachsenrichtung davon bereitgestellt ist.
Das Substrat 14 umfasst ein Paar an einander gegenüberliegenden dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b, einen beweglichen Abschnitt 20 und einen Festlegungsabschnitt 22 zum Halten des Paars an dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b und des Festlegungsabschnitts 20.
Piezoelektrische/elektrostriktive Elemente 24a, 24b sind an jeweiligen Stellen zumindest der dünnen Plattenabschnitte 16a bzw. 16b ausgebildet.
Solche, die als Substrat 14 verwendet werden können, umfassen eine Struktur, die Keramiken oder Metall als Ganzes sowie eine Hybridstruktur umfassen, die durch Kombinieren von Produkten, die mit Materialien aus Keramiken und Metall hergestellt wurden, erhalten wurden.
Solche, die für das Substrat 14 verwendet werden können, umfassen beispielsweise eine Struktur, bei der die jeweiligen Teile mit einem Haftmittel, wie z.B. einem organischen Harz und Glas, miteinander verklebt werden, eine einstückige Keramikstruktur, die durch Sintern und Integrieren eines grünen Keramiklaminats zu einer Einheit erhalten wird, und eine einstückige Metallstruktur, die durch Hartlöten, Löten oder eutektische Bindung oder Schweißen zu einer Einheit integriert werden.
Vorzugsweise ist es wünschenswert, das Substrat 14 mit einem Keramiklaminat aufzubauen, das durch Sintern eines grünen Keramiklaminats zu einer Einheit verbunden ist.
Die zeitabhängige Zustandsänderung tritt kaum in einstückigen Produkten aus Keramik auf, da es keine Haftmittel an verbundenen Abschnitten zwischen den jeweiligen Teilen gibt. Deshalb sind die verbundenen Teile höchst zuverlässig und ergeben eine Struktur, die für die Sicherung der Festigkeit vorteilhaft ist. Zusätzlich dazu kann das einstückige Produkt aus Keramik einfach durch das Laminierverfahren für grüne Keramiklagen wie später beschrieben hergestellt werden.
Die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b werden wie später beschrieben als getrennte Elemente hergestellt, und die hergestellten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b werden mit einem Haftmittel, wie z.B. einem organischen Harz oder Glas, oder beispielsweise durch Hartlöten, Löten oder eutektische Bindung auf dem Substrat 16 angebracht. Alternativ dazu können die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b unter Einsatz des Filmbildungsverfahrens direkt auf dem Substrat 14 ausgebildet werden, und nicht durch das oben beschriebene Klebeverfahren angebracht werden.
Die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 umfasst das Loch 12 mit beispielsweise einer rechteckigen Anordnung, die durch beide Innenwände des Paars an dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b, einer Innenwand 20a des beweglichen Abschnitts 20 und einer Innenwand 22a des Festlegungsabschnitts 22 ausgebildet ist. Die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 ist so aufgebaut, dass der bewegliche Abschnitt 20 in Übereinstimmung mit der Ansteuerung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements oder der Elemente 24a und/oder 24b verschoben wird, oder die Verschiebung des beweglichen Abschnitts 20 wird durch das piezoelektrische/elektrostriktive Element oder die Elemente 24a und/oder 24b detektiert.
Jedes der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b umfasst eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 und ein Paar an Elektroden 28, 30, das auf beiden Seiten der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 ausgebildet ist. Eine Elektrode 28 des Paars an Elektroden 28, 30 ist zumindest auf jedem der Paare an dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b ausgebildet.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die jeweiligen Endflächen des Paars an Elektroden 28, 30 und die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 für den Aufbau des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a, 24b im Wesentlichen fluchtend miteinander ausgerichtet. Ein wesentlicher Ansteuerabschnitt 18 des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a, 24b (Abschnitt, bei dem das Paar an Elektroden 28, 30 mit der dazwischen liegenden piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 miteinander überlappt ist) ist über einen Bereich von einem Teil der Außenumfangsoberfläche des Festlegungsabschnitts 22 aus zu einem Teil der Außenumfangsoberfläche des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b hin kontinuierlich ausgebildet. Insbesondere befinden sich in dieser Ausführungsform die jeweiligen Vorderendflächen des Paars an Elektroden 28, 30 an Positionen, die von der Innenwand 20a des beweglichen Abschnitts 20 aus leicht nach hinten hin geneigt sind. Das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a, 24b kann natürlich so ausgebildet sein, dass der wesentliche Ansteuerabschnitt 18 über einem Bereich von einem Teil des beweglichen Abschnitts 20 aus zu einem Teil des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b hin liegt.
Wie in 1 gezeigt, umfasst die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform einander gegenüberliegende Endflächen 36a, 36b, die im beweglichen Abschnitt 20 ausgebildet sind. Jede der Endflächen 36a, 36b ist eine Oberfläche, die im Wesentlichen parallel zur Seitenfläche des beweglichen Abschnitts 20 ist, nämlich die Oberfläche zur Ausbildung des Elements ist. Die jeweiligen Endflächen 36a, 36b sind von der oberen Oberfläche des beweglichen Abschnitts 20 bis zum Loch 12 voneinander getrennt. In dieser Anordnung sind die Abstände La, Lb, wie in 12 gezeigt, die von der Mittelachse n des beweglichen Abschnitts 20 zu den jeweiligen Endflächen 36a, 36 reichen, vorzugsweise im Wesentlichen gleich lang.
Wie in 1 gezeigt, kann beispielsweise ein Spalt (Luft) 38 zwischen den Endflächen 36a, 36b liegen. Alternativ dazu kann wie in einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10g gemäß einer in 9 gezeigten siebten modifizierten Ausführungsform ein Element, das sich vom bildenden Element des beweglichen Abschnitts 20 unterscheidet, beispielsweise ein Element 40, das beispielsweise aus einem Harz oder dergleichen besteht, zwischen den Endflächen 36a, 36b vorliegen.
Die Spannung wird über Anschlüsse (Anschlusspunkte) 32, 34 der jeweiligen Elektroden 28, 30, die jeweils auf beiden Seitenflächen (Elementausbildungsflächen) des Festlegungsabschnitts 22 ausgebildet sind, an ein Paar an Elektroden 28, 30 angelegt. Die jeweiligen Anschlüsse 32, 34 sind wie folgt positioniert. Der Anschluss 32, welcher der ersten Elektrode 28 entspricht, ist an jener Position ausgebildet, die zum hinteren Ende des Festlegungsabschnitts 22 hin geneigt ist. Der Anschluss 34, welcher der zweiten Elektrode 30 entspricht und auf der Seite des äußeren Raums vorliegt, ist an der Position ausgebildet, die zur Innenwand 22a des Festlegungsabschnitts 22 hin geneigt ist.
In dieser Ausführungsform kann die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 individuell angebracht werden, indem jene Oberflächen verwendet werden, die sich jeweils von den Oberflächen unterscheiden, auf denen die Anschlüsse 32, 34 angeordnet sind. Dadurch ist es möglich, eine hohe Verlässlichkeit für sowohl die Befesti gung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 als auch der elektrischen Verbindung zwischen dem Schaltkreis und den Anschlüssen 32, 34 zu erhalten. In dieser Anordnung wird die elektrische Verbindung zwischen den Anschlüssen 32, 34 und dem Schaltkreis beispielsweise durch eine flexible gedruckte Schaltung (auch als FPC bezeichnet), ein flexibles Flachkabel (auch als FFC bezeichnet) und Drahtbonden hergestellt.
Für das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a, 24b sind auch andere als die in 1 gezeigte Strukturen erhältlich. Wie nämlich in einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10a gemäß einer in 2 gezeigten ersten modifizierten Ausführungsform wird auch bevorzugt, dass die jeweiligen Vorderenden des Paars an Elektroden 28, 30, die für den Aufbau des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a, 24b dienen, fluchtend miteinander ausgerichtet sind und sich lediglich das Vorderende der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 zum beweglichen Abschnitt 20 hin hervorsteht. Alternativ dazu ist es wie in einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10b gemäß einer in 3 gezeigten zweiten modifizierten Ausführungsform bevorzugt, dass die jeweiligen Vorderenden der ersten Elektrode 28 und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 miteinander ausgerichtet sind und nur das Vorderende der zweiten Elektrode 30 an einer Position vorliegt, die zum Festlegungsabschnitt 22 hin geneigt ist. Die in 3 gezeigte piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10b dient zur Veranschaulichung jenes Falls, bei dem einander gegenüberliegende Endflächen 36a, 36b im Festlegungsabschnitt 22 statt dem beweglichen Abschnitt 20 bereitgestellt sind.
Alternativ dazu wird es wie in einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10c gemäß der in 4 gezeigten dritten modifizierten Ausführungsform bevorzugt, dass die jeweiligen Vorderenden der ersten Elektrode 28 und die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 bis zu den Seitenflächen des beweglichen Abschnitts 20 erstrecken gelassen werden, und das Vorderende der zweiten Elektrode 30 sich annähernd an einem Mittelabschnitt in Längsrichtung (Z-Achsenrichtung) des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b befindet.
In oben beschriebenen Ausführungsformen ist das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a, 24b aus der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 aufgebaut, die aus einer einschichtigen Struktur und dem Paar an Elektroden 28, 30 besteht. Alternativ dazu wird auch bevorzugt, dass das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a, 24b in gestapelter Form aufgebaut ist und aus einer Vielzahl von Einheiten besteht, die jeweils die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 und das Paar an Elektroden 28, 30 umfassen.
Wie in einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10d gemäß einer in 5 gezeigten vierten modifizierten Ausführungsform liegt beispielsweise jede der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26 und das Paar an Elektroden 28, 30 in mehrschichtiger Struktur vor. Die ersten Elektroden 28 und die zweiten Elektroden 30 sind abwechselnd übereinander gestapelt, um das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a, 24b bereitzustellen, das eine mehrstufige Struktur an einem Abschnitt (wesentlichen Ansteuerabschnitt 18) aufweist, an welchem sich die ersten Elektroden 28 und die zweiten Elektroden 30 miteinander überlappen, wobei sich dazwischen die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 befindet. 5 dient zur Veranschaulichung für Nachstehendes. Die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 weist eine dreischichtige Struktur auf. Die ersten Elektroden 28 sind getrennt voneinander jeweils an der unteren Oberfläche der ersten Schicht (Seitenfläche des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b) und an der oberen Oberfläche der zweiten Schicht ausgebildet. Die zweiten Elektroden 30 sind getrennt voneinander jeweils auf der oberen Oberfläche der ersten Schicht und auf der oberen Oberfläche der dritten Schicht ausgebildet. Die Anschlüsse 32a, 32b sind ferner auf den jeweiligen Enden der jeweiligen ersten Elektroden 28 bereitgestellt, und die Anschlüsse 34a, 34b sind auf den jeweiligen Enden der jeweils zweiten Elektroden 30 bereitgestellt.
Wie in einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10e gemäß einer in 6 gezeigten fünften modifizierten Ausführungsform liegt jede der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26 und das Paar an Elektroden 28, 30 in einer mehrschichtigen Struktur vor. Die erste Elektrode 28 und die zweite Elektrode 30 sind abwechselnd so übereinander gestapelt, dass eine im Wesentlichen kammartige Anordnung im Querschnitt erhalten wird, um das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a, 25b bereitzustellen, das eine mehrstufige Struktur an einem Abschnitt (wesentlicher Ansteuerabschnitt 18) aufweist, an dem sich die erste Elektrode 28 und die zweite Elektrode 30 miteinander überlappen, wobei die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 dazwischen liegt. 6 dient zur Veranschaulichung des Nachstehenden. Die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 weist eine dreischichtige Struktur auf. Die erste Elektrode 28 ist kammartig aufgebaut, um auf der unteren Oberfläche der ersten Schicht (Seitenfläche des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b) und auf der oberen Oberfläche der zweiten Schicht vorzuliegen. Die zweite Elektrode 30 ist kammartig aufgebaut, um auf der oberen Oberfläche der ersten Schicht und auf der oberen Oberfläche der dritten Schicht vorzuliegen. Bei einer solchen Struktur sind die erste Elektrode 28 und die zweite Elektrode 30 jeweils kontinuierlich und gemeinsam ausgebildet. Folglich ist es möglich, die Anzahl der Anschlüsse 32, 34 im Gegensatz zur in 5 gezeigten Struktur zu verringern. Dadurch kann die Erhöhung der Größe, zu der es in der mehrschichtigen Struktur des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a, 24b ansonsten kommen würde, unterdrückt werden.
Ein weiteres Beispiel der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10e gemäß der fünften Ausführungsform ist in 7 dargestellt. In einem solchen Fall wird das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a, 24b vorzugsweise so ausgebildet, dass das Vorderende davon auf dem dünnen Plattenabschnitt 16a, 16b liegt. 7 dient zur Veranschaulichung eines Falls, bei dem das Vorderende des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a, 24b an einem wesentlichen Hauptabschnitt in Längsrichtung des dünnen Plattenabschnitts liegt. Diese Anordnung ist insofern von Vorteil, dass der bewegliche Abschnitt 20 in großem Ausmaß verschoben werden kann.
Alternativ dazu wird es wie in einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10f gemäß einer wie in 8 gezeigten sechsten modifizierten Ausführungsform auch bevorzugt, dass zwei piezoelektrische/elektrostriktive Elemente 24a1, 24b1 mit Mehrstufenstruktur ausgebildet sind, um sich über den Festlegungsabschnitt 22 bzw. den dünnen Plattenabschnitt 16a, 16b zu erstrecken, und zwei weitere piezoelektrische/elektrostriktive Elemente 24a2, 24b2 mit Mehrstufenstruktur sind ausgebildet, um sich über den beweglichen Abschnitt 20 bzw. den dünnen Plattenabschnitt 16a, 16b zu erstrecken. In dieser Anordnung kann der bewegliche Abschnitt 20 aufgrund dessen, dass das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a, 24b eine Mehrstufenstruktur aufweist und die Anzahl an Betätigungspunkten zur Verschiebung des beweglichen Abschnitts 20 erhöht wird, stark verschoben werden. Ferner verfügt die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10f über ausgezeichnete Hochgeschwindigkeitsantworteigenschaften, was bevorzugt wird.
Alternativ dazu wird wie in der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10g gemäß einer in 9 gezeigten siebten modifizierten Ausführungsform auch bevorzugt, dass die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 eine zweischichtige Struktur aufweist, um das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a, 24b mit Mehrstufenstruktur bereitzustellen, das so ausgebildet ist, dass sich die erste Elektrode 28 auf der unteren Oberfläche der ersten Schicht (Seitenfläche des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b) und auf der oberen Oberfläche der zweiten Schicht befindet und die zweite Elektrode 30 auf der oberen Oberfläche der ersten Schicht vorliegt. In dieser Ausführungsform wird ein Element, das sich vom beweglichen Abschnitt 20 unterscheidet, zwischen die Endflächen 36a, 36b des beweglichen Abschnitts 20 gefüllt.
Die mehrstufige Struktur des wie oben beschriebenen piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a, 24b erhöht die vom piezoelektrischen/elektrostriktiven Element 24a, 24b erzeugte Kraft, wodurch es möglich ist, eine starke Verschiebung zu erzielen. Zudem wird die Steifigkeit der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 selbst erhöht, wodurch eine hohe Resonanzfrequenz erreicht werden kann. Es ist möglich, die Hochgeschwindigkeitsverschiebung mit Leichtigkeit zu erzielen.
Wenn die Zahl der Stufen gesteigert wird, ist es möglich, die Triebkraft zu verstärken. Jedoch wird dann auch der Stromverbrauch dementsprechend gesteigert. Wenn die Vorrichtung in der Praxis hergestellt und verwendet wird, wird es daher bevorzugt, beispielsweise die Anzahl der Stufen je nach Art der Verwendung und Zustand der Verwendung genau zu bestimmen. Bei einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform bleibt die Breite des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b (Entfernung in Y-Achsenrichtung) im Grunde unverändert, auch wenn die Ansteuerkraft durch Bereitstellung der mehrstufigen Struktur des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a, 24b erhöht ist. Deshalb ist die Vorrichtung beispielsweise für die praktische Umsetzung eines Aktuators zum Zweck der Rufsignalkontrolle und der Positionierung des Magnetkopfs für eine Festplatte, die in einer extrem engen Lücke eingesetzt werden sollen, besonders zu bevorzugen.
Das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a, 24b dient als Beispiel für die so genannte Sandwichstruktur, bei der die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 zwischen dem Paar an Elektroden 28, 30 liegt. Alternativ dazu kann wie in 10 gezeigt ein Paar an kammartigen Elektroden 28, 30 auf der ersten Hauptoberfläche der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 ausgebildet sein, die auf zumindest der Seitenfläche des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b ausgebildet ist. Alternativ dazu ist ferner wie in 11 gezeigt ein Paar an kammartigen Elektroden 28, 30 ausgebildet und in die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 eingebettet, die auf zumindest der Seitenfläche des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b ausgebildet ist.
Die in 10 gezeigte Struktur ist von Vorteil, da dadurch der Stromverbrauch gering gehalten werden kann. Die in 11 gezeigte Struktur ermöglicht eine wirksame Anwendung des inversen piezoelektrischen Effekts in Richtung des elektrischen Felds mit großer erzeugter Kraft und Spannung, was vorteilhafterweise zu einer großen Verschiebung führt.
Insbesondere umfasst das in 10 angeführte piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a, 24b das Paar an Elektroden 28, 30, dessen kammartige Struktur auf der ersten Hauptoberfläche der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 ausgebildet ist. In dieser Struktur liegen die erste Elektrode 28 und die zweite Elektrode 30 abwechselnd einander gegenüber, wobei ein Spalt 29 mit konstanter Breite dazwischen liegt. 10 dient als Beispiel für den Fall, bei dem das Paar an Elektroden 28, 30 auf der ersten Hauptoberfläche der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 ausgebildet ist. Alternativ dazu kann das Paar an Elektroden 28, 30 auf der ersten Hauptoberfläche der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 und zwischen dem dünnen Plattenabschnitt 16a, 16b bzw. der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 ausgebildet sein.
Andererseits ist im in 11 gezeigten piezoelektrischen/elektrostriktiven Element 24a, 24b das Paar an Elektroden 28, 30 mit kammartiger Struktur so ausgebildet, dass es in die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 eingebettet ist. In dieser Struktur liegen die erste Elektrode 28 und die zweite Elektrode 30 abwechselnd einander gegenüber, wobei ein Spalt 29 mit konstanter Breite dazwischen liegt.
Die in 10 und 11 gezeigten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b werden bevorzugt auch für die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Wenn ein Paar an kammartigen Elektroden 28, 30 wie in den in den 10 und 11 gezeigten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elementen 24a, 24b verwendet wird, kann die Verschiebung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a, 24b durch Verringern des Abstands D der Zähne des Kamms der jeweiligen Elektroden 28, 30 erhöht werden.
Die Betätigung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun erläutert. Zunächst, wenn beispielsweise zwei piezoelektrische/elektrostriktive Elemente 24a, 24b in ihrem natürlichen Zustand sind, nämlich wenn beide piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b keine Verschiebung vollziehen, stimmt die Hauptachse m der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 (Hauptachse des Festlegungsabschnitts) im Wesentlichen mit der zentralen Achse n des beweglichen Abschnitts 20, wie in 12 dargestellt, überein.
Ausgehend von diesem Zustand wird beispielsweise eine Sinuswelle Wa, die eine vorbestimmte elektrische Vorspannung Vb aufweist, an das Elektrodenpaar 28, 30 des ersten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a, wie in einer Wellenformdarstellung in 13A dargestellt, angelegt, während eine Sinuswelle Wb, mit einem Phasenunterschied von etwa 180° bezogen auf die Sinuswelle Wa, an das Elektrodenpaar 28, 30 des zweiten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24b wie in 13B dargestellt angelegt wird.
Die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 des ersten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a führt in einem Zustand, in dem beispielsweise eine Spannung mit einem Maximalwert an das Elektrodenpaar 28, 30 des ersten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a angelegt wird, eine Kontraktionsverschiebung in Richtung der ersten Hauptoberfläche aus. Dementsprechend wird wie in 14 dargestellt beispielsweise eine Belastung für den ersten dünnen Plattenabschnitt 16a erzeugt, wodurch sich der erste dünne Plattenabschnitt 16a beispielsweise nach rechts biegt, wie durch den Pfeil A dargestellt. Deshalb ist der dünne Plattenabschnitt 16a nach rechts gebogen. Zu diesem Zeitpunkt liegt ein Zustand vor, in dem keine Spannung an das Elektrodenpaar 28, 30 des zweiten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24b angelegt wird. Deshalb folgt der zweite dünne Plattenabschnitt 16b der Biegung des ersten dünnen Plattenabschnitts 16a und biegt sich nach rechts. In der Folge verschiebt sich der bewegliche Abschnitt 20 beispielsweise bezogen auf die Hauptachse m der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 nach rechts. Das Ausmaß der Verschiebung verändert sich in Abhängigkeit von dem Maximalwert der an die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b angelegten Spannung. Je höher der Maximalwert beispielsweise ist, desto größer ist das Ausmaß der Verschiebung.
Insbesondere wenn ein Material mit einer starken elektrischen Koerzitivkraft als das Ausgangsmaterial für die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 verwendet wird, wird die elektrische Vorspannung vorzugsweise so angepasst, dass der Minimalwert leicht negativ ist, wie durch die durch gestrichelte Linien in 13A und 13B dargestellten Wellenformen veranschaulicht. In diesem Fall wird die mechanische Spannung, die in derselben Richtung wie die Biegerichtung des ersten dünnen Plattenabschnitts 16a gerichtet ist, in dem zweiten dünnen Plattenabschnitt 16b bei spielsweise dadurch erzeugt, dass das piezoelektrische/elektrostriktive Element (beispielsweise das zweite piezoelektrische/elektrostriktive Element 24b), an das die negative Spannung angelegt wird, angesteuert wird. Dementsprechend ist es möglich, das Ausmaß der Verschiebung des beweglichen Abschnitts 20 weiter zu vergrößern. Anders gesagt ist es möglich, dass, wenn die Wellenformen, die durch die gestrichelten Linien in 13A und 13B dargestellt werden, eingesetzt werden, die Vorrichtung so funktioniert, dass das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24b oder 24a, an das die negative Spannung angelegt wird, das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a oder 24b, das im Wesentlichen die Verschiebung vollzieht, unterstützt.
Bei der in 8 gezeigten piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10f wird die in 13 angeführte Spannung (siehe Sinuswellenform Wa) beispielsweise an das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a1 und das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24b2, die auf einer diagonalen Linie angeordnet sind, angelegt, und die in 13B gezeigte Spannung (siehe Sinuswellenform Wb) wird an das andere piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a2 und das andere piezoelektrische/elektrostriktive Element 24b1 angelegt.
Wie oben beschrieben wird bei der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die minimale Verschiebung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a, 24b unter Verwendung der Biegung des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b zu einer größeren Verschiebung verstärkt und auf den beweglichen Abschnitt 20 übertragen. Dementsprechend ist es möglich, den beweglichen Abschnitt 20 bezogen auf die Hauptachse m der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 deutlich zu verschieben.
Insbesondere ist in dieser Ausführungsform der bewegliche Abschnitt 20 mit einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b bereitgestellt. In dieser Anordnung liegt der Spalt 38 zwischen den einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b vor, oder das Element 40, welches leichter ist als jenes Element, aus dem der bewegliche Abschnitt 20 besteht, wird zwischen die einander gegenüberliegenden End flächen 36a, 36b gelegt. Somit ist es möglich, die Resonanzfrequenz zu erhöhen, ohne das Verschiebungsausmaß des beweglichen Abschnitts 20 zu verringern.
Die Frequenz hierin gibt jene Frequenz der Spannungswellenform an, die erhalten wird, wenn der bewegliche Abschnitt 20 nach rechts und nach links verschoben wird, indem die an das Paar an Elektroden 28, 30 angelegte Spannung abwechselnd geschaltet wurde. Die Resonanzfrequenz gibt die maximale Frequenz an, bei der die Verschiebung des beweglichen Abschnitts 20 in einem vorbestimmten Vibrationsmodus folgen kann.
In der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung sind der bewegliche Abschnitt 20, die dünnen Plattenabschnitte 16a, 16b und der Festlegungsabschnitt 22 in einer Einheit integriert. Es ist nicht erforderlich, dass sämtliche Teile aus dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Material ausgebildet sind, das ein zerbrechliches Material mit relativ schwerem Gewicht ist. Daher weist die Vorrichtung folgende Vorteile auf. Die Vorrichtung verfügt über hohe mechanische Festigkeit und weist ausgezeichnete Handhabungseigenschaften, Schlagbeständigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit auf. Die Betätigung der Vorrichtung wird darüber hinaus kaum von schädlicher Vibration (beispielsweise Lärmvibration und Restvibration während des Hochgeschwindigkeitsbetriebs) beeinflusst.
In dieser Ausführungsform werden der Teil 20A des beweglichen Abschnitts 20, einschließlich der ersten Endfläche 36a, und der andere Teil 20B des beweglichen Abschnitts 20, einschließlich der zweiten Endfläche 36b, ohne weiteres gebogen, wenn der Spalt 38 zwischen den einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b ausgebildet wird, was zu einer starken Deformationsbeständigkeit führt. Folglich weist die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 ausgezeichnete Handhabungseigenschaften auf.
Die Oberfläche des beweglichen Abschnitts 20 oder des Festlegungsabschnitts 22 erhöht sich aufgrund der Gegenwart der einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b. Daher kann der Befestigungsbereich wie in 1 gezeigt erhöht werden, wenn der bewegliche Abschnitt 20 die einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b aufweist, wenn ein weiterer Teil an den beweglichen Abschnitt 20 befestigt wird. Dadurch wird es möglich, die Haftungseigenschaft für den Teil zu verbessern. Es wird nachstehend davon ausgegangen, dass der Teil beispielsweise mit einem Klebstoff oder dergleichen befestigt ist. In diesem Fall ist der Klebstoff bis zu den Endflächen 36a, 36b sowie bis zur ersten Hauptoberfläche (Befestigungsoberfläche für den Teil) des beweglichen Abschnitts verteilt. Daher ist es möglich, beispielsweise einen Mangel bei der Anwendung des Klebstoffs aufzuheben. Dadurch kann der Teil zuverlässig befestigt werden.
Als ein Beispiel für eine solche Anordnung dient 15 für einen Fall, bei dem eine weitere piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (zweite piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10B) an den beweglichen Abschnitt 20 der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (erste piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10A) befestigt wird.
Die erste piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10A weist einen Festlegungsabschnitt 22 auf, der an die Oberfläche einer Basisplatte 122 mittels Klebstoff 120 befestigt ist. Der Festlegungsabschnitt 22 der zweiten piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10B ist mittels eines Klebstoffs 124 an den beweglichen Abschnitt 10A befestigt. In dieser Anordnung sind die zwei piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtungen 10A, 10B in Serie angeordnet. Ein Element 126 mit geringem Gewicht, das sich vom beweglichen Abschnitt unterscheidet, wird zwischen die einander gegenüberliegenden Endflächen des beweglichen Abschnitts der zweiten piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung positioniert.
In einem solchen Fall wird das zum Verkleben der zweiten piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10B verwendete Haftmittel 124 bis zum Raum zwischen den Endflächen 36a, 36b des beweglichen Abschnitts 20 der ersten piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10A vollständig verteilt. Folglich wird die zweite piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10B fest an die erste piezoelektri sche/elektrostriktive Vorrichtung 10A befestigt. Wenn die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10B wie oben beschrieben angeklebt wird, kann sich das Element mit geringem Gewicht (in diesem Fall Haftmittel 124), das sich vom beweglichen Abschnitt 20 unterscheidet, gleichzeitig mit der Haftung zwischen die Endflächen 36a, 36b legen. Diese Anordnung ist von Vorteil, da dadurch die Herstellung vereinfacht werden kann.
Andererseits ist es wie in 3 gezeigt möglich, wenn der Festlegungsabschnitt 22 einander gegenüberliegende Endflächen 36a, 36b aufweist, die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform an einen vorbestimmten Festlegungsabschnitt fest anzubringen, zusätzlich zu der Wirkung, die erhalten wird, wenn der bewegliche Abschnitt 20 die einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b wie oben beschrieben aufweist. Folglich ist es möglich, die Zuverlässigkeit zu verbessern.
In der ersten Ausführungsform ist das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a, 24 ausgebildet, um die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 und das Paar an Elektroden 28, 30 auf beiden Seiten der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 auszubilden. Die erste Elektrode 28 des Paars an Elektroden 28, 30 ist auf zumindest der Außenoberfläche des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b ausgebildet. Daher kann die vom piezoelektrischen/elektrostriktiven Element 24a, 24b verursachte Vibration über den dünnen Plattenabschnitt 16a, 16b wirksam auf den beweglichen Abschnitt 20 übertragen werden. Somit wird die Antwortleistung verbessert.
In der ersten Ausführungsform ist der Abschnitt (wesentlicher Ansteuerabschnitt 18), in dem das Paar an Elektroden 28, 30 überlappt, wobei die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 dazwischen angeordnet ist, kontinuierlich ausgebildet, um in einem Bereich von einem Teil des Festlegungsabschnitts 22 bis zu einem Teil des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b zu liegen. Wenn der wesentliche Ansteuerabschnitt 18 ausgebildet wird, um sich ferner über einen Teil des beweglichen Abschnitts 20 zu erstrecken, wird befürchtet, dass die Verschiebung des beweglichen Abschnitts 20 durch den wesentlichen Ansteuerabschnitt 18 eingeschränkt wird und es unmöglich wird, ein großes Verschiebungsausmaß zu erzielen. In dieser Ausführungsform ist der wesentliche Ansteuerabschnitt 18 jedoch so ausgebildet, dass er sich nicht über sowohl den beweglichen Abschnitt 20 als auch den Festlegungsabschnitt 22 erstreckt. Deshalb ist es möglich, die Unannehmlichkeit einer eingeschränkten Verschiebbarkeit des beweglichen Abschnitts 20 zu verhindern, und es ist möglich, das Verschiebungsausmaß des beweglichen Abschnitts zu erhöhen.
Wenn das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a, 24b auf dem Teil des beweglichen Abschnitts 20 ausgebildet ist, befindet sich der wesentliche Ansteuerabschnitt 18 andererseits vorzugsweise über dem Bereich vom Teil des beweglichen Abschnitts 20 bis zum Teil des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b, und zwar aus folgenden Gründen. Wenn der wesentliche Ansteuerabschnitt 18 ausgebildet ist, um sich zu einem Teil des Festlegungsabschnitts 22 zu erstrecken, wird die Verschiebungswirkung des beweglichen Abschnitts 20 wie oben beschrieben eingeschränkt.
Als Nächstes werden die bevorzugten veranschaulichenden Anordnungen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
Zunächst beträgt der Abstand g, mittels dessen sich der wesentliche Ansteuerabschnitt 18 des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a, 24b mit dem Festlegungsabschnitt 22 oder dem beweglichen Abschnitt 22 überlappt, nicht weniger als ½ der Dicke d des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b, damit die Verschiebung des beweglichen Abschnitts gewährleistet ist.
Die Vorrichtung ist so aufgebaut, dass das Verhältnis a/b zwischen dem Abstand (Abstand in X-Achsenrichtung) a zwischen den Innenwänden der dünnen Plattenabschnitte 16a, 16b und der Breite (Abstand in Y-Achsenrichtung) b des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b 0,5 bis 20 beträgt. Das Verhältnis a/b beträgt vorzugsweise 1 bis 10 und noch bevorzugter 2 bis 8. Der vorgeschriebene Wert des Verhältnisses a/b ist in Bezug darauf vorgeschrieben, dass herausgefunden wurde, dass das Ver schiebungsausmaß des beweglichen Abschnitts 20 erhöht wird, wodurch die Verschiebung in der X-Z-Ebene ermöglicht wird.
Andererseits ist es erwünscht, dass das Verhältnis e/a zwischen der Länge (Abstand in Z-Achsenrichtung) e der dünnen Plattenabschnitte 16a, 16b und des Abstands a zwischen den Innenwänden der dünnen Plattenabschnitte 16a, 16b vorzugsweise 0,5 bis 10 und noch bevorzugter 0,7 bis 5 beträgt. Der vorgeschriebene Wert des Verhältnisses e/a ist in Bezug darauf vorgeschrieben, dass herausgefunden wurde, dass das Verschiebungsausmaß des beweglichen Abschnitts 20 erhöht werden kann und die Verschiebung bei hoher Resonanzfrequenz (Erzielung hoher Antwortgeschwindigkeit) durchgeführt werden kann.
Daher beträgt das Verhältnis a/b vorzugsweise 0,5 bis 20, und das Verhältnis e/a 0,5 bis 10, und noch bevorzugter beträgt das Verhältnis a/b 1 bis 10 und das Verhältnis e/a 0,7 bis 5, um die Auslenkungsverschiebung in Y-Achsenrichtung oder die Vibration der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform zu unterdrücken und die Struktur bereitzustellen, die über eine ausgezeichnet Hochgeschwindigkeitsantworteigenschaft verfügt und bei der die starke Verschiebung gleichzeitig bei relativ geringer Spannung erhalten wird.
Darüber hinaus ist das Loch 12 vorzugsweise mit einem Gelmaterial befüllt, beispielsweise Siliciumgel. Üblicherweise wird die Verschiebung des beweglichen Abschnitts 20 durch die Gegenwart eines solchen Füllstoffs eingeschränkt. In der ersten Ausführungsform wird jedoch beabsichtigt, das durch die Bildung der Endflächen 36a, 36b auf dem beweglichen Abschnitt 20 erzielte geringe Gewicht umzusetzen und das Verschiebungsausmaß des beweglichen Abschnitts 20 zu erhöhen. Somit wird der Einschränkung des beweglichen Abschnitts 20 aufgrund des Füllstoffs entgegengewirkt. Demnach ist es möglich, die auf die Gegenwart des Füllstoffs zurückzuführende Wirkung zu erzielen, nämlich die Umsetzung der hohen Resonanzfrequenz und die Beibehaltung der Steifigkeit.
Die Länge (Abstand in Z-Achsenrichtung) f des beweglichen Abschnitts ist vorzugsweise kurz, und zwar aus folgenden Gründen. Die Umsetzung des geringen Gewichts und die Erhöhung der Resonanzfrequenz durch Verkürzen der Länge ist also möglich. Zur Gewährleistung der Steifigkeit des beweglichen Abschnitts 20 in X-Achsenrichtung und zur Erhaltung einer zuverlässigen Verschiebung davon beträgt das Verhältnis f/d in Bezug auf die Dicke d des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b wünschenswert nicht weniger als 3, vorzugsweise nicht weniger als 10.
Die tatsächliche Größe jeder Komponente wird beispielsweise unter Berücksichtigung des Verbindungsbereichs für das Anbringen des Gegenstands am beweglichen Abschnitt 20, des Verbindungsbereichs für das Anbringen des Festlegungsabschnitts 22 an einem anderen Element, des Verbindungsbereichs für das Anbringen des Elektrodenanschlusses oder dergleichen, der Festigkeit, der Lebensdauer, des erforderlichen Verschiebungsausmaßes, der Resonanzfrequenz und der Ansteuerspannung der gesamten piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 bestimmt.
Insbesondere beträgt beispielsweise der Abstand a zwischen den Innenwänden der dünnen Plattenabschnitte 16a, 16b vorzugsweise 100 μm bis 2.000 μm, noch bevorzugter 200 μm bis 1.000 μm. Die Breite b des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b beträgt vorzugsweise 50 μm bis 2.000 μm, noch bevorzugter 100μm bis 500 μm. Die Dicke d des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b beträgt vorzugsweise 2 μm bis 100 μm, noch bevorzugter 4 μm bis 50 μm, während gilt, dass b > d in Bezug auf die Breite b des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b, damit eine wirksame Unterdrückung der Auslenkungsverschiebung, nämlich der Verschiebungskomponente in Y-Achsenrichtung, zu ermöglichen.
Die Länge e des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b beträgt vorzugsweise 200 μm bis 3.000 μm, noch bevorzugter 300 μm bis 2.000 μm. Die Länge f des beweglichen Abschnitts 20 beträgt vorzugsweise 50 μm bis 2.000 μm, noch bevorzugter 100 μm bis 1.000 μm.
Die wie oben beschriebene Anordnung übt eine derartig gute Wirkung aus, dass die Verschiebung in Y-Achsenrichtung 10 % nicht übersteigt, bezogen auf die Verschiebung in X-Achsenrichtung, während die Vorrichtung bei geringer Spannung durch geeignetes Einstellen in einem Bereich des Größenbereichs und der tatsächlichen Größe angesteuert werden kann, und es ist möglich, die Verschiebungskomponente in Y-Achsenrichtung so zu unterdrücken, dass sie nicht mehr als 5 % beträgt. Anders gesagt wird der bewegliche Abschnitt 20 in einer Achsenrichtung, und zwar im Wesentlichen in X-Achsenrichtung, verschoben. Die Hochgeschwindigkeitsantwort ist darüber hinaus ausgezeichnet, und es ist möglich, eine große Verschiebung bei relativ geringer Spannung zu erhalten.
Bei der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 ist die Form der Vorrichtung 10 keine plattenförmige Anordnung wie herkömmlicherweise. Der bewegliche Abschnitt 20 und der Festlegungsabschnitt 22 weisen eine rechteckige, parallelepipede Anordnung auf. Das Paar an dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b ist so bereitgestellt, dass die Seitenoberfläche des beweglichen Abschnitts 20 mit der Seitenoberfläche des Festlegungsabschnitts 22 zusammenhängt. Deshalb ist es möglich, die Festigkeit der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 in Y-Achsen-Richtung selektiv zu steigern.
Das bedeutet, dass es bei der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 möglich ist, selektiv auch nur die Betätigung des beweglichen Abschnitts 20 in der Ebene (XZ-Ebene) zu erhalten. Es ist möglich, die Betätigung des beweglichen Abschnitts 20 in der YZ-Ebene (Betätigung in der so genannten Schlagrichtung) zu unterdrücken.
Als nächstes werden die jeweiligen Komponenten der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
Wie oben beschrieben ist der bewegliche Abschnitt 20 jener Abschnitt, der in Bezug auf das Ansteuerausmaß des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b betätigt wird, und je nach Verwendungszweck der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 wird eine Vielzahl von Elementen daran angebracht. Wenn beispielsweise die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 als Verschiebungselement verwendet wird, wird eine Abschirmungsplatte für einen optischen Verschluss oder dergleichen daran angebracht. Insbesondere wenn die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 für einen Mechanismus zur Positionierung eines Magnetkopfs eines Festplattenlaufwerks oder zur Unterdrückung des Rufsignals verwendet wird, ist das Anbringen eines zu positionierenden Elements erforderlich, einschließlich beispielsweise des Magnetkopfs, eines Schiebers, der mit einem Magnetkopf bereitgestellt ist, und eine mit dem Schieber bereitgestellte Aufhängung.
Wie oben beschrieben ist der Festlegungsabschnitt 22 der Teil, der die dünnen Plattenabschnitte 16a, 16b und den beweglichen Abschnitt 20 hält. Wenn der Festlegungsabschnitt 22 beispielsweise zur Positionierung des Magnetkopfs eines Festplattenlaufwerks eingesetzt wird, wird die gesamte piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 durch das Halten und Festlegen des Festlegungsabschnitts 22, beispielsweise an einem an einem VCM (Voice Coil Motor) befestigten Trägerarm oder einer Fixierungsplatte oder einer an dem Trägerarm angebrachten Aufhängung fixiert. Wie in 1 dargestellt, werden die Anschlüsse 32, 34 zur Ansteuerung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b und andere Elemente in manchen Fällen an dem Festlegungsabschnitt 22 angeordnet.
Das Material für die Herstellung des beweglichen Abschnitts 20 und des Festlegungsabschnitts 22 ist nicht speziell beschränkt, vorrausgesetzt dass es Steifigkeit aufweist. Es ist jedoch möglich, vorzugsweise Keramik einzusetzen, für welche das Laminierverfahren für grüne Keramiklagen wie später beschrieben eingesetzt werden kann. Das Material umfasst spezifisch beispielsweise Materialien, die eine Hauptkomponente aus Zirconiumdioxid, dargestellt durch vollständig stabilisiertes Zirconiumdioxid und teilweise stabilisiertes Zirconiumdioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid und Titanoxid, umfassen, sowie Materialien, die eine Hauptkomponente aus Gemischen davon umfassen. In Anbetracht der hohen mechanischen Festigkeit und der hohen Zähigkeit wird jedoch vorzugsweise ein Ma terial eingesetzt, das eine Hauptkomponente aus Zirconiumdioxid umfasst, insbesondere vollständig stabilisiertes Zirconiumdioxid und ein Material, das als Hauptkomponente ein teilweise stabilisiertes Zirconiumdioxid umfasst. Das Metallmaterial umfasst jedoch beispielsweise Edelstahl und Nickel.
Wie oben beschrieben ist der dünne Plattenabschnitt 16a, 16b der Abschnitt, der in Übereinstimmung mit der Verschiebung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a, 24b angesteuert wird. Der dünne Plattenabschnitt 16a, 16b ist das dünne plattenförmige Element, das Flexibilität aufweist, und seine Funktion ist es, die Ausdehnungs- und Kontraktionsverschiebung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a, 24b, das auf der Oberfläche angeordnet ist, als Biegeverschiebung zu verstärken und die Verschiebung auf den beweglichen Abschnitt 20 zu übertragen. Deshalb reicht es nicht aus, dass die Form oder das Material des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b Flexibilität mit mechanischer Stärke in einem solchen Maß bereitstellt, dass es durch die Biegeverschiebung nicht zerbricht. Es ist möglich, unter Berücksichtigung der Antwortleistung und der Funktionsfähigkeit des beweglichen Abschnitts 20 eine angemessene Auswahl zu treffen.
Vorzugsweise beträgt die Dicke d des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b etwa 2 μm bis 100 μm. Vorzugsweise betragen die Dicken des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b und des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a, 24b zusammen 7 μm bis 500 μm. Die Dicke der Elektrode 28, 30 beträgt vorzugsweise 0,1 bis 50 μm, und die Dicke der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 beträgt vorzugsweise 3 bis 300 μm. Die Breite b des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b beträgt vorzugsweise 50 μm bis 2.000 μm.
Keramik, die auch auf ähnlich Weise für den beweglichen Abschnitt 20 und den Festlegungsabschnitt 22 verwendet wird, kann vorzugsweise als das Material für die Herstellung des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b eingesetzt werden. Ein Material, das eine Hauptkomponente aus Zirconiumdioxid umfasst, insbesondere vollständig stabilisiertes Zirconiumdioxid und ein Material, das als Hauptkomponente ein teilweise stabilisiertes Zirconiumdioxid umfasst, wird besonders bevorzugt eingesetzt, da die mechanische Festigkeit auch bei geringer Wanddicke hoch ist, die Zähigkeit hoch ist und die Reaktivität mit der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht und dem Elektrodenmaterial gering ist.
Wenn der dünnen Plattenabschnitt 16a, 16b aus einem Metallmaterial besteht, reicht es aus, dass das Metallmaterial Flexibilität aufweist und das Metallmaterial über wie oben beschriebene Biegeverschiebung verfügt. Vorzugsweise besteht der dünne Plattenabschnitt 16a, 16b jedoch aus einem Material auf Eisenbasis, wie z.B. verschiedenen Edelstahlmaterialien und verschiedenen Federstahlmaterialien. Alternativ dazu besteht der dünne Plattenabschnitt 16a, 16b vorzugsweise aus einem nicht eisenhältigen Material, wie z.B. Berylliumkupfer, Phosphorbronze, Nickel und Nickel-Eisen-Legierung.
Jene, die wie folgt vollständig oder teilweise stabilisiert sind, werden vorzugsweise als wie oben beschriebenes vollständig oder teilweise stabilisiertes Zirconiumdioxid eingesetzt. Das bedeutet, dass die Verbindung, die für vollständig oder teilweise stabilisiertes Zirconiumdioxid eingesetzt wird, Yttriumoxid, Ytterbiumoxid, Ceroxid, Calciumoxid und Magnesiumoxid umfasst. Wenn zumindest eine Verbindung von diesen zugesetzt wird und enthalten ist, kann Zirconiumdioxid vollständig oder teilweise stabilisiert werden. Das Zielzirconiumdioxid kann jedoch nicht nur durch die Zugabe eines Verbindungstyps, sondern auch durch die Zugabe einer Kombination der Verbindungen stabilisiert werden.
Die Zugabemenge jeder Verbindung sieht wünschenswerterweise wie folgt aus. Yttriumoxid oder Ytterbiumoxid werden in einer Menge von 1 bis 30 Mol-%, vorzugsweise 1,5 bis 10 Mol-%, zugesetzt. Ceroxid wird in einer Menge von 6 bis 50 Mol-%, vorzugsweise 8 bis 20 Mol-%, zugesetzt. Calciumoxid oder Magnesiumoxid wird in einer Menge von 5 bis 40 Mol-%, vorzugsweise 5 bis 20 Mol-%, zugesetzt. Yttriumoxid wird besonders bevorzugt als Stabilisator eingesetzt. In diesem Fall wird Yttriumoxid vorzugsweise in einer Menge von 1,5 bis 10 Mol-%, besonders bevorzugt 2 bis 4 Mol-%, zugesetzt. Aluminiumoxid, Siliciumdioxid oder Übergangsmetalloxid kann beispielsweise auch als Additiv eines Sinterhilfsstoffs oder dergleichen in einem Bereich von 0,05 bis 20 Gew.-% zugesetzt werden. Wenn jedoch die Sinterintegration basierend auf dem Filmbildungsverfahren als Technik zur Ausbildung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a, 24b gewählt wird, wird vorzugsweise beispielsweise auch Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Übergangsmetalloxid als Additiv zugesetzt.
Um die mechanische Festigkeit und die stabile Kristallphase zu erzielen, ist es wünschenswert, dass die mittlere Kristallkorngröße von Zirconiumdioxid 0,05 bis 3 μm, vorzugsweise 0,05 bis 1 μm, beträgt. Wie oben beschrieben kann Keramik für den dünnen Plattenabschnitt 16a, 16b auf dieselbe Weise wie für den beweglichen Abschnitt 20 und den Festlegungsabschnitt 22 verwendet werden. Vorzugsweise ist es vorteilhaft, den dünnen Plattenabschnitt 16a, 16b in Hinblick auf die Verlässlichkeit der verbundenen Abschnitte und die Festigkeit der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 mit einem im Wesentlichen identen Material herzustellen, um das Herstellungsverfahren weniger kompliziert zu gestalten.
Das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a, 24b weist zumindest die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 und das Paar an Elektroden 28, 30 für das Anlegen des elektrischen Felds an die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 auf. Es ist möglich, beispielsweise piezoelektrische/elektrostriktive Elemente 24a, 24b des unimorphen oder des bimorphen Typs einzusetzen. Die des unimorphen Typs sind jedoch für die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 wie oben beschrieben geeignet, da sie eine ausgezeichnete Stabilität des erzeugten Verschiebungsausmaßes aufweisen und vorteilhaft für die Umsetzung des geringen Gewichts sind.
Wie beispielsweise in 1 dargestellt ist es möglich, beispielsweise vorzugsweise das piezoelektrische/elektrostriktive Element zu verwenden, welches die erste Elektrode 28, die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 und die zweite Elektrode 30 umfasst, die in einem Schichtaufbau gestapelt sind. Ferner wird die Bereitstellung der wie in den 5 bis 9 gezeigten mehrstufigen Struktur bevorzugt.
Wie in 1 dargestellt sind die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b vorzugsweise auf der Außenflächenseite der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 ausgebildet, in Hinblick darauf, dass die dünnen Plattenabschnitte 16a, 16b in größerem Ausmaß angesteuert werden können. Das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a, 24b kann jedoch auf der Innenflächenseite der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10, nämlich der Innenwandfläche des Lochs 12, abhängig beispielsweise von der Verwendungsform, ausgebildet sein. Alternativ dazu können die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b sowohl auf der Außenflächenseite als auch der Innenflächenseite ausgebildet sein.
Piezoelektrische Keramik wird vorzugsweise für die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 eingesetzt. Es ist jedoch auch möglich, elektrostriktive Keramik, ferroelektrische Keramik oder anti-ferroelektrische Keramik zu verwenden.
Wenn jedoch die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 beispielsweise für die Positionierung des Magnetkopfs eines Festplattenlaufwerks eingesetzt wird, ist es wichtig, Linearität in Bezug auf das Verschiebungsausmaß des beweglichen Abschnitts 20 und die Ansteuerungsspannung oder die Ausgangsspannung bereitzustellen. Deshalb wird vorzugsweise ein Material mit einer geringen Dehnungshysterese verwendet. Vorzugsweise wird ein Material mit einem elektrischen Koerzitivfeld von nicht mehr als 10 kV/mm verwendet.
Spezifizierte Materialien umfassen Keramik, die beispielsweise Bleizirconat, Bleititanat, Bleimagnesium, Niobat, Bleinickelniobat, Bleizinkniobat, Bleimanganniobat, Bleiantimonstannat, Bleimanganwolframat, Bleicobaltniobat, Bariumtitanat, Natriumbismuttitanat, Kaliumnatriumniobat und Strontiumbismuttantalat einzeln oder als Gemisch umfasst.
Ein Material, das eine Hauptkomponente aus Bleizirconat, Bleititanat und Bleimagnesiumniobat umfasst, oder ein Material, das eine Hauptkomponente aus Natriumbismuttitanat umfasst, wird vorzugsweise eingesetzt, um ein Produkt mit einer stabilen Zusammensetzung mit einem hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor und einer piezoelektrischen Konstante und mit einer geringen Reaktivität mit den dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b (Keramik) während des Sinterns der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 zu erhalten.
Keramik, die durch die Zugabe beispielsweise von Oxiden von Lanthan, Calcium, Strontium, Molybdän, Wolfram, Barium, Niob, Zink, Nickel, Mangan, Cer, Cadmium, Chrom, Cobalt, Antimon, Eisen, Yttrium, Tantal, Lithium, Bismut, und Zinn einzeln oder als Gemisch zu dem oben beschriebenen Material erhalten wird, wird bevorzugt verwendet.
Wenn Lanthan und/oder Strontium beispielsweise in den Hauptkomponenten von Bleizirconat, Bleititanat und Bleimagnesiumniobat enthalten sind, ist das in manchen Fällen vorteilhaft, beispielsweise insofern, dass das elektrische Koerzitivfeld und die piezoelektrische Eigenschaft angepasst werden können.
Es ist wünschenswert, die Zugabe eines Materials, wie z.B. Siliciumdioxid, das dazu neigt, Glas zu bilden aus folgendem Grund zu vermeiden. Das Material, wie z.B. Siliciumdioxid, neigt dazu, mit dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Material während der Hitzebehandlung für die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht zu reagieren. In der Folge wird die Zusammensetzung verändert und die piezoelektrische Eigenschaft beeinträchtigt.
Andererseits wird das piezoelektrischen/elektrostriktive Element 24a, 24b und das Paar an Elektroden 28, 30 vorzugsweise aus einem Metall hergestellt, das bei Raumtemperatur fest ist und eine ausgezeichnete Leitfähigkeit aufweist. Es ist beispielsweise möglich, einfache Metallsubstanzen oder beispielsweise Legierungen aus Aluminium, Titan, Chrom, Eisen, Cobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Niob, Molybdän, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Gold und Blei zu verwenden. Vorzugsweise wird auch ein Cermet-Material, das durch die Dispersion in dem oben beschriebenen Metall erhalten wird, dasselbe Material wie das der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 oder des dünnen Plattenabschnitts 16a, 16b verwendet.
Das Material für die Elektroden 28, 30 des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a, 24b wird in Abhängigkeit von dem Verfahren zur Bildung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 ausgewählt und bestimmt. Wenn die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 beispielsweise durch Sintern auf der ersten Elektrode 28 ausgebildet wird, nachdem die erste Elektrode 28 auf dem dünnen Plattenabschnitt 16a, 16b ausgebildet wurde, ist es erforderlich, dass für die erste Elektrode 28 ein Metall mit einem hohen Schmelzpunkt, wie z.B. Platin, Palladium, eine Platin-Palladium-Legierung und eine Silber-Palladium-Legierung, verwendet wird, die sich bei der Sintertemperatur für die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 nicht verändert. Jedoch kann die Elektrodenausbildung der zweiten Elektrode 30, die auf der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 nach der Bildung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 ausgebildet wird, auch bei einer niedrigen Temperatur erfolgen. Deshalb ist es möglich, für die zweite Elektrode 30 ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt, wie z.B. Aluminium, Gold und Silber, zu verwenden.
Die Dicke der Elektroden 28, 30 ist auch ein Faktor zur deutlichen Reduzierung der Verschiebung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a, 24b. Deshalb wird, insbesondere für die Elektrode, die nach dem Sintern auf der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 ausgebildet wird, vorzugsweise eine organische Metallpaste verwendet, die in der Lage ist, nach dem Sintern einen dichten und dünneren Film zu erzeugen, beispielsweise ein Material wie z.B. Goldresinatpaste, Platinresinatpaste und Silberresinatpaste.
Als Nächstes werden bezugnehmend auf die 16A bis 27 mehrere Verfahren zur Herstellung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
Keramik wird vorzugsweise als Material verwendet, aus dem die jeweiligen Elemente der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestehen. Die Bestandteile der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 betreffend das Substrat 14 mit Ausnahme der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b, nämlich die dünnen Plattenabschnitte 16a, 16b, der Festlegungsabschnitt 22 und der bewegliche Abschnitt 20, werden vorzugsweise hergestellt, indem ein Laminierverfahren für grüne Keramiklagen angewandt wird. Andererseits werden die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b sowie die jeweiligen Anschlüsse 32, 34 unter Einsatz von Filmbildungsverfahren für dünne Filme oder dicke Filme hergestellt.
Gemäß dem Laminierverfahren für grüne Keramiklagen, bei dem die jeweiligen Elemente des Substrats 14 der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 einstückig ausgebildet werden können, kommt es an den Verbindungsabschnitten der jeweiligen Elemente kaum zu Zustandsveränderungen im Laufe der Zeit. Daher stellt dieses Verfahren eine hohe Zuverlässigkeit des Verbindungsabschnitts bereit und ist hinsichtlich der Gewährleistung der Steifigkeit von Vorteil.
In der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform fungieren der Grenzabschnitt (Verbindungsabschnitt) zwischen dem dünnen Plattenabschnitt und dem Festlegungsabschnitt 22 sowie der Grenzabschnitt (Verbindungsabschnitt) zwischen dem dünnen Plattenabschnitt 16a, 16b und dem beweglichen Abschnitt 20 als Angelpunkte zur Bildung einer Verschiebung. Daher ist die Verlässlichkeit des Verbindungsabschnitts ein wichtiger Punkt, der die Eigenschaften der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 bestimmt.
Die nachstehend beschriebenen Herstellungsverfahren verfügen über ausgezeichnete Reproduzierbarkeit und Formbarkeit. Daher ist es möglich, eine piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung, die eine vorbestimmte Form aufweist, innerhalb kurzer Zeit mit guter Reproduzierbarkeit zu erhalten.
Nachstehend wird ein erstes Verfahren zur Herstellung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung spezifisch erläutert. Nun werden die Definition angeführt. Das Laminat, welches durch Laminieren der grünen Keramiklagen erhalten wird, wird als grünes Keramiklaminat 58 (siehe beispielsweise 16B) definiert. Der integrierte Bestandteil, der durch Sintern des grünen Keramiklaminats 58 erhalten wird, ist als Keramiklaminat 60 (siehe beispielsweise 17) definiert. Der integrierte Bestandteil, der den beweglichen Abschnitt 20, die dünnen Plattenabschnitte 16a, 16b und den Festlegungsabschnitt 22 umfasst, der durch Abtrennen nicht erforderlicher Abschnitte vom Keramiklaminat 60 erhalten wird, ist als Keramiksubstrat 14C (siehe 18) definiert.
Im ersten Herstellungsverfahren wird das Keramiklaminat 60 schließlich zu Chipeinheiten geschnitten, um eine große Anzahl an piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtungen 10 herzustellen. Zur einfacheren Erläuterung wird hauptsächlich jener Fall beschrieben, bei dem eine einzelne piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 hergestellt wird.
Zuerst wird eine Aufschlämmung hergestellt, indem ein Bindemittel, ein Lösungsmittel, ein Dispersionsmittel und ein Weichmacher zu einem Keramikpulver, wie z.B. Zirconiumdioxid, zugesetzt und eingemischt werden. Die Aufschlämmung wird einer Schaumbehandlung unterworfen und anschließend eine grüne Keramiklage mit einer vorbestimmten Dicke mittels des Umkehrwalzenbeschichtungsverfahrens oder Rakelverfahrens hergestellt.
Dann wird die grüne Keramiklage mittels eines Verfahrens, wie z.B. Stanzen unter Verwendung einer Stanzform, Laserbearbeitung oder dergleichen, zu verschiedenen Gestalten verarbeitet, z.B. zu den in 16A dargestellten, um eine Vielzahl an grünen Keramiklagen 50A bis 50D, 52A, 52B zur Ausbildung des Substrats zu erhalten.
Die grünen Keramiklagen 50A bis 50D, 52A, 52B umfassen die Vielzahl (beispielsweise vier) an grünen Keramiklagen 50A bis 50D, die jeweils mit einem Fenster 54 ausgebildet sind, um anschließend zumindest das Loch 12 auszubilden, sowie die Vielzahl (beispielsweise zwei) an grünen Keramiklagen 52A, 52B, die anschließend zu dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b ausgebildet werden sollen. Die Anzahl an grünen Keramiklagen, auf die oben verwiesen wird, dient lediglich zur Veranschaulichung.
Anschließend werden die grünen Keramiklagen 50A bis 50D, 52A, 52B wie in 16B gezeigt, laminiert und unter Druck festgelegt, dass die grünen Keramiklagen 50A bis 50D zwischen den grünen Keramiklagen 52A, 52B liegen, um ein grünes Keramiklaminat 58 zu bilden. Dann wird das grüne Keramiklaminat 58 gesintert, um ein Keramiklaminat 60 (siehe 17) zu erhalten.
Es gilt anzumerken, dass es keinerlei spezielle Einschränkungen in Bezug auf die Anzahl des Druckfestlegungsverfahrens bzw. der Druckfestlegungsverfahren und der Reihenfolge hinsichtlich der Laminierung und Integration zu einer Einheit gibt. Diese Faktoren können je nach Struktur geeignet bestimmt werden, beispielsweise, sodass die gewünschte Struktur auf der Grundlage beispielsweise der Form des Fensters 54 und der Anzahl an grünen Keramiklagen erhalten wird.
Es ist nicht erforderlich, dass die Form des Fensters 54 in allen Fällen identisch ist. Die Form des Fensters 54 kann abhängig von der gewünschten Funktion bestimmt werden. Es gibt auch keine Einschränkung für die Anzahl an grünen Keramiklagen und die Dicke der jeweiligen grünen Keramiklagen.
Im Druckfestlegungsverfahren ist es mittels Wärmebehandlung außerdem möglich, die Laminierleistung zu verbessern. Die Laminierleistung an der Grenze der grünen Keramiklage kann verbessert werden, indem eine Hilfsverbindungsschicht, beispielsweise durch Anbringen und Aufdrucken eines Keramikpulvers (wobei eine Zusammensetzung bevorzugt wird, die gleich oder ähnlich wie jene der Keramik ist, welche für die grüne Keramiklage verwendet wurde, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten) oder eine Paste oder eine Aufschlämmung, die hauptsächlich aus einem Bindemittel besteht, auf die grüne Keramiklage bereitgestellt wird. Wenn die grünen Keramiklagen 52A, 52B dünn sind, werden sie vorzugsweise mit einem Kunststoff film, insbesondere mit einem Polyethylenterephthalatfilm, dessen Oberfläche mit einem Freisetzungsmittel beschichtet ist, das auf Silicon basiert, behandelt.
Danach werden die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b wie in 17 gezeigt jeweils auf beiden Oberflächen des Keramiklaminats 60 ausgebildet, nämlich auf den Oberflächen, die jenen Oberflächen entsprechen, an welche die grünen Keramiklagen 52A, 52B laminiert sind. Jene Verfahren, die sich als Verfahren zur Ausbildung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b eignen, umfassen Dickfilmbildungsverfahren, wie z.B. das Siebdruckverfahren, Eintauchverfahren und Dünnfilmbildungsverfahren, wie z.B. das Ionenstrahlverfahren, das Sputterverfahren, die Vakuumaufdampfung, das Ionenplattierungsverfahren, die Gasphasenabscheidung (CVD) und das Plattieren.
Wenn die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b unter Einsatz des oben beschriebenen Filmbildungsverfahrens ausgebildet werden, können die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b und die dünnen Plattenabschnitte 16a, 16b ohne die Verwendung von Haftmitteln einstückig verbunden und angeordnet werden. Es ist möglich, die Verlässlichkeit und Reproduzierbarkeit zu gewährleisten, und es ist einfach das Laminat auszubilden.
In diesem Fall werden die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b vorzugsweise aus folgendem Grund mittels Dickfilmbildungsverfahren ausgebildet. insbesondere wenn die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26 unter Verwendung des Dickfilmbildungsverfahrens ausgebildet ist, kann der Film ausgebildet werden, indem beispielsweise eine Paste, eine Aufschlämmung, eine Suspension, eine Emulsion oder ein Sol, das eine Hauptkomponente der Teilchen enthält, oder ein Pulver der piezoelektrischen Keramik mit einer mittleren Korngröße von 0,01 bis 5 μm, vorzugsweise 0,05 bis 3 μm, verwendet wird. Es ist möglich, durch Sintern des gebildeten Films gute piezoelektrische/elektrostriktive Eigenschaften zu erhalten.
Das Elektrophoreseverfahren ergibt den Vorteil, dass der Film bei hoher Dichte mit hoher Formgenauigkeit ausgebildet werden kann. Das Siebdruckverfahren ist von Vorteil, da dadurch die Herstellung vereinfacht wird; es wird somit möglich, die Filmbildung und Strukturbildung gleichzeitig durchzuführen.
Nachstehend wird spezifisch die Bildung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b erläutert. Zunächst wird das grüne Keramiklaminat 58 bei einer Temperatur von 1.200 °C bis 1.600 °C gesintert und zu einer Einheit integriert, um das Keramiklaminat 60 zu erhalten. Danach werden die ersten Elektroden 28 an vorbestimmten Positionen auf beiden Oberflächen des Keramiklaminats 60 bedruckt und gesintert. Anschließend werden die piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26 bedruckt und gesintert. Ferner werden die zweiten Elektroden 30 bedruckt und gesintert, um die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b auszubilden. Danach werden die Anschlüsse 32, 34 bedruckt und gesintert, um die jeweiligen Elektroden 28, 30 mit dem Ansteuerkreis elektrisch zu verbinden.
Wenn die Materialien so ausgewählt werden, dass die Sintertemperatur für die einzelnen Elemente gemäß der Laminatreihe geringer ist, beispielsweise wenn Platin (Pt) für die erste Elektrode 28, Bleizirconattitanat (PZT) für die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26, Gold (Au) für die Anschlüsse 32, 34 verwendet wird, wird das Material, das bereits zuvor gesintert wurde, in diesem Verfahren bei einer bestimmten Sinterstufe nicht erneut gesintert. Somit wird es möglich, Unannehmlichkeiten wie das Ablösen und die Anhäufung des Elektrodenmaterials oder dergleichen zu verhindern.
Wenn geeignete Materialien ausgewählt werden, ist es auch möglich, die jeweiligen Elemente der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b und die Anschlüsse 32, 34 nacheinander zu bedrucken, gefolgt vom einmaligen Sintern. Darüber hinaus ist es auch möglich, die jeweiligen Elektroden 30 beispielsweise bei einer geringen Temperatur bereitzustellen, nachdem die piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26 ausgebildet wurden.
Alternativ dazu können die jeweiligen Teile der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b und die Anschlüsse 32, 34 mittels des Dünnfilmbildungsverfahren, wie z.B. dem Sputterverfahren oder dem Dampfabscheidungsverfahren, ausgebildet werden. In diesem Fall ist es nicht unbedingt erforderlich, eine Wärmebehandlung durchzuführen.
Wenn die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b ausgebildet werden, werden die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b vorzugsweise zuvor auf beiden Oberflächen des grünen Keramiklaminats 58 ausgebildet, nämlich auf den jeweiligen Oberflächen der grünen Keramiklagen 52A, 52B, und das grüne Keramiklaminat 58 und die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b werden gleichzeitig gesintert. Beispielsweise sind die nachstehenden Verfahren geeignet, um ein gleichzeitiges Sintern vorzunehmen. Das Sintern kann also für sämtliche aufbauenden Filme des grünen Keramiklaminats 58 und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b erfolgen. Die ersten Elektroden 28 und das grüne Keramiklaminat 58 können gleichzeitig gesintert werden oder die anderen grundlegenden Filme mit Ausnahme der zweiten Elektroden 30 und das grüne Keramiklaminat 58 können gleichzeitig gesintert werden.
Das nachstehende Verfahren ist bereitgestellt, um die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b und das grüne Keramiklaminat 58 gleichzeitig zu sintern. Es werden Vorläufer der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26 ausgebildet, beispielsweise gemäß dem Bandbildungsverfahren, die auf der Verwendung eines Aufschlämmungsmaterials basiert. Die Vorläufer der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26 werden vor dem Sintern auf die Oberflächen des grünen Keramiklaminats 58 beispielsweise mittels des Wärmefestlegungsverfahren unter Druck laminiert, gefolgt vom gleichzeitigen Sintern, um gleichzeitig den beweglichen Abschnitt 20, die dünnen Plattenabschnitte 16a, 16b, die piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26 und der Festlegungsabschnitt 22 herzustellen. Bei diesem Verfahren ist es jedoch erforderlich, die Elektroden 28 auf den Oberflächen des grünen Keramiklaminats 58 oder auf den piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26 unter Einsatz des oben beschriebenen Filmbildungsverfahrens auszubilden.
Nachstehend ist ein weiteres Verfahren beschrieben. Die Elektroden 28, 30 und die piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26, die jeweils grundlegende Schichten der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b darstellen, werden unter Einsatz des Siebdruckverfahrens auf Abschnitten ausgebildet, die schließlich zu zumindest den dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b des grünen Keramiklaminats 58 ausgebildet werden sollen, gefolgt vom gleichzeitigen Sintern.
Die Sintertemperatur des grundlegenden Films des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 24a, 24b wird abhängig vom Material für den Aufbau desselbigen geeignet bestimmt. Die Sintertemperatur beträgt jedoch im Allgemeinen 500 °C bis 1.500 °C. Die Sintertemperatur beträgt vorzugsweise 1.000 °C bis 1.400 °C für die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 26. In diesem Fall wird das Sintern vorzugsweise in Gegenwart einer Verdampfungsquelle des Materials der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 durchgeführt, um die Zusammensetzung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 26 zu steuern. Wenn die piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26 und das grüne Keramiklaminat 58 gleichzeitig gesintert werden, ist es auch notwendig, die Sinterbedingungen für beide einander anzugleichen. Das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a, 24b ist nicht zwingend auf beiden Oberflächen des Keramiklaminats 60 oder des grünen Keramiklaminats 58 ausgebildet. Es ist jedoch natürlich zulässig, das piezoelektrische/elektrostriktive Element 24a, 24b auf lediglich einer Oberfläche auszubilden.
Schließlich werden nicht erforderliche Abschnitte vom Keramiklaminat 60 abgetrennt, das wie oben beschrieben mit den piezoelektrischen/elektrostriktiven Elementen 24a, 24b ausgebildet ist. Die abgetrennten Abschnitte befinden sich an den Seitenabschnitten des Keramiklaminats 60, insbesondere an Abschnitten, an denen das Loch 12 basierend auf dem Fenster 54 auf den Seitenflächen des Keramiklaminats 60 durch Abtrennen (siehe Abtrennlinien C1 und C2) ausgebildet ist.
Schließlich wird wie in 18 gezeigt ein Hauptabschnitt 20b des zum beweglichen Abschnitt 20 auszubildenden Abschnitts durch Abtrennen entlang der Linien C3 und C4 entfernt, um die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 herzustellen, die die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b umfasst, welche auf dem Keramiksubstrat 14 ausgebildet und mit dem beweglichen Abschnitt 20, den dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b und dem Festlegungsabschnitt 22 integriert sind. Die, die als Abtrennverfahren verwendet werden können, umfassen das mechanische Bearbeiten, wie z.B. die Bearbeitung mittels einer Plättchenschneidevorrichtung oder die Bearbeitung mittels Drahtsäge, sowie die Elektronenstrahlbearbeitung und Laserbearbeitung, die auf der Verwendung beispielsweise eines YAG-Lasers oder Excimer-Lasers basiert.
Im Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung werden die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b auf den dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b unter Einsatz von integriertem Sintern ausgebildet. Daher werden wie in 19A gezeigt beispielsweise die dünnen Plattenabschnitte 16a, 16b und die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b leicht verschoben, um zum Loch 12 hin konvex zu sein und in einem Zustand vorzuliegen, bei dem es zu einer Belastung der Form kommt, beispielsweise aufgrund der Schrumpfung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26, die während des Sinterns verursacht wird, sowie aufgrund des unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten unter dem Paar an Elektroden 28, 30, den piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26 und den dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b. Dadurch kommt es in den piezoelektrischen/elektrostriktiven Elementen 24a, 24b (insbesondere in den piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26) und in den dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b tendenziell zu inneren Restspannungen.
Die innere Restspannung in den dünnen Platteabschnitten 16a, 16b und in den piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26 wird erzeugt, wenn wie oben beschrieben integriertes Sintern durchgeführt wird sowie wenn einzelne Teile der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b beispielsweise mit einem Haftmittel an die dünnen Plattenabschnitte 16a, 16b geklebt werden. Die innere Restspannung wird nämlich in den dünnen Plattenabschnitt 16a, 16b und in den piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26 aufgrund der Härtung und Schrumpfung des Haftmittels oder dergleichen erzeugt, wenn das Haftmittel immobilisiert oder gehärtet wird. Wenn die Immobilisierung oder Härtung einer Wärmebehandlung bedarf, kommt es zu einem Anstieg der Restspannung.
Wenn die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 in diesem Zustand verwendet wird, verfügt der bewegliche Abschnitt 20 aus folgendem Grund über keine gewünschte Verschiebung, sogar wenn das vorbestimmte elektrische Feld in den piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26 erzeugt wird. Die Materialeigenschaften der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26 werden durch die in den dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b und in den piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26 erzeugte innere Restspannung gehemmt.
Im ersten Herstellungsverfahren wird wie in 19A gezeigt der Hauptabschnitt 20b des beweglichen Abschnitts 20 durch eine vorbestimmte Breite W1 (beispielsweise 100 μm) abgetrennt. Wenn der Hauptabschnitt 20b abgetrennt wird, werden die einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b im beweglichen Abschnitt 20 wie in 19B gezeigt ausgebildet. Die Endflächen 36a, 36b werden bewegt, um durch die in den dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b und den piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26 erzeugte innere Restspannung einander angenähert zu werden. Die Breite zwischen den jeweiligen Endflächen 36a, 36b nach ausgeführter Bewegung entspricht beispielsweise einer zweiten vorbestimmten Breite W2 (beispielsweise 30 μm), die kürzer als die vorbestimmte Breite W1 ist.
Die Bewegung der Endflächen 36a, 36b ergibt sich aus der Freisetzung der inneren Restspannung, die in den dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b und den piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26 erzeugt wurde. Wenn die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 in einem Zustand verwendet wird, bei dem die innere Restspannung erzeugt wird, verfügt der bewegliche Abschnitt über eine annähernd geplante Verschiebung, und die Vorrichtung kann gute Eigenschaften aufweisen. Die Wirkung wird auf gleiche Weise erhalten, wenn ein Teil des zum Festlegungsabschnitt 22 auszubildenden Abschnitts abgetrennt wird, um die einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b im Festlegungsabschnitt beispielsweise wie in 3 gezeigt auszubilden. In diesem Fall wird die in den dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b und den piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 26 erzeugte innere Restspannung durch die Bewegung der im Festlegungsabschnitt 22 ausgebildeten einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b freigesetzt. Die einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b werden nicht zwingend durch Abtrennen des Hauptabschnitts des beweglichen Abschnitts 20 oder des Festlegungsabschnitts 22 ausgebildet. Eine gleiche Wirkung wird auch erhalten, sogar wenn die einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b durch Abtrennen eines Abschnitts gebildet werden, die vom Mittelpunkt abweichen.
Wenn die wie in 17 und wie in 18 gezeigten Abtrennungen vorgenommen werden, wird die Wärmebehandlung aus folgendem Grund vorzugsweise bei 300 °C bis 800 °C nach der Abtrennung durchgeführt. Beliebige Defekte, wie z.B. Mikrorisse, treten in der Vorrichtung als Folge der maschinellen Bearbeitung tendenziell auf, wobei die Defekte mittels einer oben beschriebenen Wärmebehandlung beseitigt werden können und die Verlässlichkeit verbessert wird. Vorzugsweise wird eine Alterungsbehandlung durch zumindest 10-stündiges Stehenlassen bei einer Temperatur von ca. 80 °C nach der Wärmebehandlung aus folgendem Grund durchgeführt. Wenn die Alterungsbehandlung durchgeführt wird können beispielsweise die verschiedenen Spannungen, die während der Herstellung ausgeübt wurden, zusätzlich verringert werden, was zur Verbesserung der Eigenschaften beiträgt.
Als Nächstes wird ein zweites Herstellungsverfahren bezugnehmend auf die 20A bis 22 erläutert. Zunächst werden wie in 20A gezeigt eine Vielzahl (beispielsweise vier) an grünen Keramiklagen 50A bis 50D, die jeweils mit einem Fenster 54 ausgebildet sind, um anschließend zumindest das Loch 12 zu bilden, eine grüne Keramiklage 102, die mit einem Fenster 54 kontinuierlich ausgebildet ist, um danach das Loch 12 auszubilden, und ein Fenster 100 zur Ausbildung des beweglichen Abschnitts 20 mit den einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b sowie eine Vielzahl (beispielsweise zwei) an grünen Keramiklagen 52A, 52B, die danach zu dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b ausgebildet werden sollen, hergestellt.
Danach werden wie in 20B gezeigt die grünen Keramiklagen 50A bis 50D, 52A, 52B, 102 unter Druck laminiert und festgelegt, sodass die grünen Keramiklagen 50A bis 50D, 102 zwischen den grünen Keramiklagen 52A, 52B liegen, um ein grünes Keramiklaminat 58 zu bilden. Das Laminieren wird durchgeführt während die grüne Keramiklage 102 im Mittelpunkt positioniert wird. Während des Verfahrens kann es Abschnitte geben, auf die während des Festlegens unter Druck aufgrund der Gegenwart des Fensters 100 kein Druck angelegt wird. Daher ist es beispielsweise erforderlich, dass die Reihenfolge des Laminierens und Festlegens unter Druck verändert wird, sodass keine derartigen Abschnitte vorliegen. Dieses Verfahren ist auch in den später beschriebenen dritten und vierten Herstellungsverfahren wichtig. Danach wird das grüne Keramiklaminat 58 gesintert, um das Keramiklaminat 60 (siehe 21) zu erhalten.
Wie in 21 gezeigt werden die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b mit mehrschichtiger Struktur jeweils auf beiden Oberflächen des Keramiklaminats 60, und zwar auf den Oberflächen, die jenen entsprechen, auf welche die grünen Keramiklagen 52A, 52B laminiert sind, ausgebildet. Die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b werden zu einem Keramiklaminat 60 mittels Sintern integriert. Es ist natürlich möglich, das piezoelektrische/elektrostriktive Element lediglich auf einer Seitenfläche auszubilden. Diese Tatsache gilt auch für die später beschriebenen dritten und vierten Herstellungsverfahren.
Anschließend wird das mit den piezoelektrischen/elektrostriktiven Elementen 24a, 24b ausgebildete Keramiklaminat 60 entlang der Abtrennlinien C1, C2, C5 abgetrennt, um dadurch Seitenabschnitte und vordere Endabschnitte des Keramiklaminats 60 abzutrennen. Aus der Abtrennung ergibt sich wie in 22 gezeigt die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10, die mit dem beweglichen Abschnitt 20 mit den einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b ausgebildet ist, in welchen die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b auf dem Keramiksubstrat 14C ausgebildet sind. Die zeitliche Abfolge der Abtrennung kann sich Folgendermaßen gestalten. Das Keramiklaminat 60 kann entlang der Abtrennlinien C1 und C2 abgetrennt werden und anschließend entlang der Abtrennlinie C5 abgetrennt werden. Alternativ dazu kann das Keramiklaminat 60 entlang der Abtrennlinie C5 abgetrennt werden und anschließend entlang der Abtrennlinien C1 und C2 abgetrennt werden. Vorzugsweise werden die zuvor erläuterten Abtrennverfahren natürlich auch gleichzeitig durchgeführt.
Im zweiten Herstellungsverfahren werden die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b auf dem Keramiksubstrat 14C gleichzeitig mit der Abtrennung der nicht erforderlichen Abschnitte vom Keramiklaminat 60 ausgebildet, wodurch die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 erhalten werden kann, die mit dem beweglichen Abschnitt 20 mit den einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b ausgebildet ist. Folglich ist eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens möglich. Darüber hinaus wird die Ausbeute der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 verbessert.
Als Nächstes wird ein drittes Herstellungsverfahren bezugnehmend auf die 23A bis 25 erläutert. Zunächst werden wie in 23A gezeigt eine Vielzahl (beispielsweise vier) an grünen Keramiklagen 50A bis 50D, die jeweils mit einem Fenster 54 ausgebildet sind, um anschließend zumindest das Loch 12 zu bilden, eine grüne Keramiklage 108, die mit einem Fenster 54 kontinuierlich ausgebildet ist, um danach das Loch 12 auszubilden, und ein Fenster 104 zur Ausbildung eines Abschnitts 20D, der zum beweglichen Abschnitt 20 mit den einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b, die teilweise miteinander verbunden sind, ausgebildet werden soll und mit einem Vorsprung 106 ausgebildet ist, der teilweise zum Fenster 54 hin hervorsteht, sowie eine Vielzahl (beispielsweise zwei) an grünen Keramiklagen 52A, 52B, die danach zu dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b ausgebildet werden sollen, hergestellt.
Danach werden wie in 23B gezeigt die grünen Keramiklagen 50A bis 50D, 52A, 52B, 108 unter Druck laminiert und festgelegt, sodass die grünen Keramiklagen 50A bis 50D, 108 zwischen den grünen Keramiklagen 52A, 52B liegen, um ein grünes Keramiklaminat 58 zu bilden. Das Laminieren wird durchgeführt während die grüne Keramiklage 108 im Mittelpunkt positioniert wird. Danach wird das grüne Keramiklaminat 58 gesintert, um das Keramiklaminat 60 (siehe 24) zu erhalten.
Wie in 24 gezeigt werden die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b mit mehrschichtiger Struktur jeweils auf beiden Oberflächen des Keramiklaminats 60, und zwar auf den Oberflächen, die jenen entsprechen, auf welche die grünen Keramiklagen 52A, 52B laminiert sind, ausgebildet. Die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b werden mittels Sintern zu einem Keramiklaminat 60 integriert.
Anschließend wird das mit den piezoelektrischen/elektrostriktiven Elementen 24a, 24b ausgebildete Keramiklaminat 60 entlang der Abtrennlinien C1, C2, C5 abgetrennt, um dadurch Seitenabschnitte und vordere Endabschnitte des Keramiklaminats abzutrennen. Aus der Abtrennung ergeben sich wie in 25 gezeigt der Festlegungsabschnitt 22, die dünnen Plattenabschnitte 16a, 16b und die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b. Der zum beweglichen Abschnitt 20 auszubildende Abschnitt 20D befindet sich jedoch in einem Zustand, bei dem die einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b teilweise durch den Vorsprung 106 miteinander verbunden sind.
Anschließend wird der Vorsprung 106, der die einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b teilweise miteinander verbindet, abgetrennt, um die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 herzustellen, bei der die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b auf dem Keramiksubstrat 14C ausgebildet sind, das mit dem beweglichen Abschnitt 20, den dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b und dem Festlegungsabschnitt integriert ist.
Im dritten Herstellungsverfahren reicht es aus, dass der schmale Vorsprung 106, der die einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b miteinander verbindet, im letzten Schritt abgetrennt wird. Folglich kann das Abtrennen einfach und zuverlässig durchgeführt werden, und es wird möglich, das Herstellungsverfahren zu vereinfachen. Es ist darüber hinaus möglich, die Ausbeute der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 zu verbessern.
Als Nächstes wird bezugnehmend auf die 26A bis 28 ein viertes Herstellungsverfahren erläutert. Zunächst werden wie in 26A gezeigt eine Vielzahl (beispielsweise vier) an grünen Keramiklagen 50A bis 50D, die jeweils mit einem Fenster 54 ausgebildet sind, um anschließend zumindest das Loch 12 zu bilden, eine grüne Keramiklage 114, die mit einem Fenster 54, das danach zu dem Loch 12 ausgebildet werden soll, und einem Fenster 110 ausgebildet ist, um einen Abschnitt 20D auszubilden, der zu dem beweglichen Abschnitt 20 mit den einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b, die teilweise miteinander verbunden sind, ausgebildet werden soll und der mit einem Kreuzstück 112 zur Abtrennung des Fensters 54 und des Fensters 110 voneinander ausgebildet ist und eine Vielzahl (beispielsweise zwei) an grünen Keramiklagen 52A, 52B, die danach zu dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b ausgebildet werden sollen, hergestellt.
Danach werden wie in 26B gezeigt die grünen Keramiklagen 50A bis 50D, 52A, 52B, 114 unter Druck laminiert und festgelegt, sodass die grünen Keramiklagen 50A bis 50D, 114 zwischen den grünen Keramiklagen 52A, 52B liegen, um ein grünes Keramiklaminat 58 zu bilden. Das Laminieren wird durchgeführt während die grüne Keramiklage 114 im Mittelpunkt positioniert wird. Danach wird das grüne Keramiklaminat 58 gesintert, um das Keramiklaminat 60 (siehe 27) zu erhalten.
Wie in 27 gezeigt werden die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b mit mehrschichtiger Struktur anschließend jeweils auf beiden Oberflächen des Keramiklaminats 60, und zwar auf den Oberflächen, die jenen entsprechen, auf welche die grünen Keramiklagen 52A, 52B laminiert sind, ausgebildet. Die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b werden mittels Sintern zu einem Keramiklaminat 60 integriert.
Anschließend wird das mit den piezoelektrischen/elektrostriktiven Elementen 24a, 24b ausgebildete Keramiklaminat 60 entlang der Abtrennlinien C1, C2, C5 abgetrennt, um dadurch Seitenabschnitte und vordere Endabschnitte des Keramiklaminats abzutrennen. Aus der Abtrennung ergeben sich wie in 28 gezeigt der Festlegungsabschnitt 22, die dünnen Plattenabschnitte 16a, 16b und die piezoelektri schen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b. Der zum beweglichen Abschnitt 20 auszubildende Abschnitt 20D befindet sich jedoch in einem Zustand, bei dem die einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b teilweise durch das Kreuzstück 112 miteinander verbunden sind.
Anschließend wird das Kreuzstück 112, das die einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b teilweise miteinander verbindet, abgetrennt, um die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10 herzustellen, bei der die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b auf dem Keramiksubstrat 14C ausgebildet sind, das mit dem beweglichen Abschnitt 20, den dünnen Plattenabschnitten 16a, 16b und dem Festlegungsabschnitt integriert ist.
Im vierten Herstellungsverfahren reicht es aus, dass das Kreuzstück 112, das die einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b teilweise miteinander verbindet, im letzten Schritt abgetrennt wird. Folglich kann das Abtrennen einfach und zuverlässig durchgeführt werden, und es wird möglich, das Herstellungsverfahren zu vereinfachen. Es ist darüber hinaus möglich, die Ausbeute der piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung 10 zu verbessern.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen dienen als Beispiele für jenen Fall, bei dem der bewegliche Abschnitt 20, der Festlegungsabschnitt 22 und die dünnen Plattenabschnitte 16a, 16b mit dem Keramiksubstrat 14C aufgebaut sind. Alternativ dazu kann jeder der Teile aus einem Metallmaterial bestehen. Darüber hinaus kann alternativ dazu jeder der Teile hergestellt sein, um eine Hybridstruktur bereitzustellen, die durch Kombination mit denjenigen erhalten wird, die aus Keramik- und Metallmaterialien hergestellt sind. In diesem Fall ist es möglich, eine Haftung mit einem organischen Harz oder mit Glas, durch Hartlöten, Löten, eutektische Bindung oder Schweißen herbeizuführen, um die Metallmaterialien miteinander zu verbinden und/oder die Keramik- und Metallmaterialien miteinander zu verbinden.
Als Nächstes wird bezugnehmend auf die 29A bis 36 beispielsweise ein Herstellungsverfahren (fünftes und sechstes Herstellungsverfahren) für piezoelektri sche/elektrostriktive Vorrichtungen (piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtungen 10h und 101 gemäß den achten und neunten modifizierten Ausführungsformen) erläutert, die über eine Hybridstruktur verfügen, bei welcher der bewegliche Abschnitt 20 und der Festlegungsabschnitt 22 aus Keramik bestehen und die dünnen Plattenabschnitte 16a, 16b aus Metall bestehen. Daher wird das mittels der fünften und sechsten Herstellungsverfahren hergestellte metall- und keramikhältige Substrat als das Substrat 14D bezeichnet.
Im fünften Herstellungsverfahren werden zunächst wie in 29A gezeigt eine Vielzahl (beispielsweise vier) an grünen Keramiklagen 50A bis 50D, die jeweils mit einem Fenster 54 ausgebildet sind, um anschließend zumindest das Loch 12 zu bilden, und eine grüne Keramiklage 102, die mit einem Fenster 54 kontinuierlich ausgebildet ist, um danach das Loch 12 auszubilden, und ein Fenster 100 zur Ausbildung des beweglichen Abschnitts 20 mit den einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b hergestellt.
Danach werden wie in 29B gezeigt die grünen Keramiklagen 50A bis 50D, 102 unter Druck laminiert und festgelegt, um ein grünes Keramiklaminat 158 zu bilden. Das Laminieren wird durchgeführt während die grüne Keramiklage 102 im Mittelpunkt positioniert wird. Danach wird das grüne Keramiklaminat 158 wie in 30A gezeigt gesintert, um ein Keramiklaminat 160 (siehe 30A) zu erhalten. Zu diesem Zeitpunkt ist das Keramiklaminat 160 so ausgebildet, dass das Loch 130 durch die Fenster 54, 400 ausgebildet ist.
Anschließend werden die als getrennte Elemente ausgebildeten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b wie in 30B gezeigt jeweils mit einem Epoxykleber an die Oberflächen der Metallplatten 152A, 152B geklebt, um als dünne Plattenabschnitte zu dienen. Die getrennten Elemente der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b können beispielsweise gemäß dem Laminierverfahren für grüne Keramiklagen laminiert werden.
Anschließend werden die Metallplatten 152A, 152B mit dem Epoxykleber so auf das Keramiklaminat 160 geklebt, dass das Keramiklaminat 160 zwischen den Metallplatten 152A, 152B liegt und das Loch 130 dadurch geschlossen wird, um ein Hybridlaminat 162 (siehe 31) bereitzustellen.
Anschließend wird wie in 31 gezeigt das mit den piezoelektrischen/elektrostriktiven Elementen 24a, 24b ausgebildete Hybridlaminat 162 entlang der Abtrennlinien C1, C2, C5 abgetrennt, um dadurch Seitenabschnitte und vordere Endabschnitte des Hybridlaminats 162 abzutrennen. Aus der Abtrennung ergeben sich wie in 32 gezeigt die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10h gemäß der achten modifizierten Ausführungsform, bei der die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b auf den dünnen Plattenabschnitten ausgebildet sind, die aus den Metallplatten des Substrats 14D bestehen, und der bewegliche Abschnitt 20 mit den einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b ausgebildet ist.
Andererseits werden im sechsten Herstellungsverfahren zunächst wie in 33A gezeigt eine Vielzahl (beispielsweise vier) an grünen Keramiklagen 50a bis 50D, die jeweils mit einem Fenster 54 zur anschließenden Ausbildung zumindest des Lochs 12 ausgebildet sind, und eine grüne Keramiklage 102, die kontinuierlich mit einem Fenster 54 zur anschließenden Ausbildung des Lochs 12 und einem Fenster 100 zur Ausbildung des beweglichen Abschnitts 20 mit den einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b ausgebildet ist, hergestellt.
Danach werden die grünen Keramiklagen 50A bis 50D, 102 wie in 33B gezeigt unter Druck laminiert und festgelegt, um ein grünes Keramiklaminat 158 auszubilden. Danach wird das grüne Keramiklaminat 158 gesintert, um ein wie in 34A gezeigtes Keramiklaminat 160 zu erhalten. Zu diesem Zeitpunkt wird das Keramiklaminat 160 so ausgebildet, dass das Loch 130 durch die Fenster 54, 100 ausgebildet wird.
Anschließend werden die Metallplatten 152A, 152B wie in 34B gezeigt mit Epoxykleber so an das Keramiklaminat 160 geklebt, dass das Keramiklaminat 160 zwischen den Metallplatten 152A, 152B liegt und das Loch 130 dadurch geschlossen wird, um ein Hybridlaminat 162 bereitzustellen. In diesem Verfahren wird das Loch 130 optional mit einem Füllmaterial 164 wie in 34A gezeigt befüllt, wenn die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b an die Oberflächen der geklebten Metallplatten 152A, 152B befestigt werden, sodass ein ausreichender Klebedruck ausgeübt wird.
Es ist erforderlich, dass das Füllmaterial 164 zum Schluss entfernt wird. Daher wird vorzugsweise ein hartes Material verwendet, das sich in einem Lösungsmittel oder dergleichen leicht lösen lässt. Das Material umfasst beispielsweise ein organisches Harz, Wachs oder ein Hartlötungsfüllmaterial. Es ist auch möglich als Füllstoff ein Material zu verwenden, das durch Vermischen von Keramikpulver mit einem organischen Harz, wie z.B. Acryl erhalten wird.
Anschließend werden die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b, die als getrennte Elemente angeordnet sind, wie in 35 gezeigt mit einem Epoxykleber an die Oberflächen der Metallplatten 152A, 152B des Hybridlaminats 162 geklebt. Die getrennten Elemente der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b können beispielsweise gemäß dem Laminierverfahren für grüne Keramiklagen ausgebildet werden.
Anschließend wird das mit den piezoelektrischen/elektrostriktiven Elementen 24a, 24b ausgebildete Hybridlaminat 162 entlang der Abtrennlinien C1, C2, C5 abgetrennt, um dadurch Seitenabschnitte und vordere Endabschnitte des Hybridlaminats 162 abzutrennen. Aus der Abtrennung ergeben sich wie in 36 gezeigt die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung 10i gemäß der neunten modifizierten Ausführungsform, bei der die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 24a, 24b auf den dünnen Plattenabschnitten ausgebildet sind, die aus den Metallplatten des Substrats 14D bestehen, und der bewegliche Abschnitt 20 mit den einander gegenüberliegenden Endflächen 36a, 36b ausgebildet ist.
Wenn der gesamte Substratabschnitt aus Metall besteht, werden beispielsweise die dem in 30A gezeigten Keramiklaminat 160 entsprechenden Abschnitte mittels Formen ausgebildet. Ferner können dünnen Metallmaterialien laminiert werden, um den Substratabschnitt gemäß dem Plattierungsverfahren auszubilden.
Die oben beschriebene piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung kann für aktive Elemente, wie verschiedene Wandler, verschiedene Aktuatoren, regionale Frequenzfunktionselemente (Filter), Transformatoren, Vibratoren, Resonatoren Oszillatoren und Diskriminatoren für Kommunikations- und energiebezogene Anwendungen, und als Sensorelement für verschiedene Sensoren, wie z.B. Ultraschallsensoren, Beschleunigungssensoren, Winkelgeschwindigkeitssensoren, Stoßsensoren und Massesensoren verwendet werden. Die oben beschriebene piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung wird besonders bevorzugt für verschiedene Aktuatoren eingesetzt, die bei Mechanismen zur Verschiebungs- und Positionierungseinstellung und Winkeleinstellung verschiedener Präzisionsteile von optischen Geräten und Präzisionsgeräten angewandt werden.
Es versteht sich, dass die piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung und das Verfahren zur Herstellung derselbigen gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sind, die in anderen verschiedenen Formen ausgeführt sein können, ohne vom Inhalt oder den Hauptmerkmalen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung, Folgendes umfassend: ein Paar aus einander gegenüberliegenden dünnen Plattenabschnitten (16a, 16b), einen beweglichen Abschnitt (20) und einen Festlegungsabschnitt (22) zum Halten der dünnen Plattenabschnitte (16a, 16b) und des beweglichen Abschnitts (20); ein oder mehrere Piezoelektrische/elektrostriktive Elemente (24a, 24b), die auf zumindest einem dünnen Plattenabschnitt (16a, 16b) des Paars an dünnen Plattenabschnitten (16a, 16b) angeordnet sind; und und ein durch beide Innenwände des Paars an dünnen Plattenabschnitten (16a, 16b), einer Innenwand (20a) des beweglichen Abschnitts (20) und einer Innenwand (22a) des Festlegungsabschnitts (22) ausgebildetes Loch (12), worin: entweder der bewegliche Abschnitt (20) oder der Festlegungsabschnitt (22) einander gegenüberliegende Endflächen (36a, 36b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ansteuerabschnitt (18) des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements (24a, 24b) über einem Bereich von einem Teil des Festlegungsabschnitts (22) zu einem Teil des dünnen Plattenabschnitts (16a, 16b) oder von einem Teil des beweglichen Abschnitts (20) zu einem Teil des dünnen Plattenabschnitts (16a, 16b) angeordnet ist.
Piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung nach Anspruch 1, worin: ein Trennabschnitt (38) entweder auf dem beweglichen Abschnitt (20) oder dem Festlegungsabschnitt (22) bereitgestellt ist; und ein Teil des Trennabschnitts (38) die einander gegenüberliegenden Endflächen (36a, 36b) bildet.
Piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin der dünne Plattenabschnitt (16a, 16b), der bewegliche Abschnitt (20) und der Festlegungsabschnitt (22) aus einem keramischen Substrat (14C) bestehen, welches in eine Einheit integriert ist, indem ein grünes Keramiklaminat (58) gleichzeitig gesintert wird und nicht erforderliche Abschnitte abgetrennt werden.
Piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung nach Anspruch 3, worin das Piezoelektrische/elektrostriktive Element (24a, 24b) einen filmförmigen Aufbau aufweist und in dem keramischen Substrat (14C) mittels Sintern integriert ist.
Piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin zwischen den einander gegenüberliegenden Endflächen (36a, 36b) ein Spalt (38) ausgebildet ist.
Piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin ein Element (40), das sich von einem Bestandteil eines beliebigen des beweglichen Abschnitts (20) und des Festlegungsabschnitts (22) unterscheidet, zwischen den einander gegenüberliegenden Endflächen (36a, 36b) angeordnet ist.
Piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung nach Anspruch 6, worin das Element (40) aus organischem Harz besteht.
Piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Vorrichtung eine solche Struktur aufweist, dass die innere Restspannung, die im dünnen Plattenabschnitt (16a, 16b) und/oder im piezoelektrischen/elektrostriktiven Element (24a, 24b) während der Herstellung erzeugt wird, durch Ausbilden der einander gegenüberliegenden Endflächen (36a, 36b) freigesetzt wird.
Piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin das Piezoelektrische/elektrostriktive Element (24a, 24b) eine Piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (26) und ein Paar an Elektroden (28, 30) aufweist, die auf der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht (26) ausgebildet sind.
Piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin das Piezoelektrische/elektrostriktive Element (24a, 24b) eine Piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (26) und ein Paar an Elektroden (28, 30) aufweist, die auf beiden Seiten der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht (26) ausgebildet sind, wobei eine Elektrode (28) des Paars an Elektroden (28, 30) auf zumindest dem dünnen Plattenabschnitt (16a, 16b) ausgebildet ist.
Piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, worin das Piezoelektrische/elektrostriktive Element (24a, 24b) stapelförmig aufgebaut ist und eine Vielzahl an Einheiten umfasst, die jeweils die Piezoelektrische/elektrostriktive Schichten (26) und das Paar an Elektroden (28, 30) aufweist.
Piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin das Loch (12) mit einem Gelmaterial befüllt ist.
Verfahren dessen Produkt eine Piezoelektrische/elektrostriktive Vorrichtung (10) ist, Folgendes umfassend: ein Paar aus einander gegenüberliegenden dünnen Plattenabschnitten (16a, 16b), einen beweglichen Abschnitt (20) und einen Festlegungsabschnitt (22) zum Halten der dünnen Plattenabschnitte (16a, 16b) und des beweglichen Abschnitts (20); ein oder mehrere Piezoelektrische/elektrostriktive Elemente (24a, 24b), die auf zumindest einem dünnen Plattenabschnitt (16a, 16b) des Paars an dünnen Plattenabschnitten (16a, 16b) angeordnet sind; und und ein durch beide Innenwände des Paars an dünnen Plattenabschnitten (16a, 16b), einer Innenwand (20a) des beweglichen Abschnitts (20) und einer Innenwand (22a) des Festlegungsabschnitts (22) ausgebildetes Loch (12), worin: ein Ansteuerabschnitt (18) des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements (24a, 24b) über einem Bereich von einem Teil des Festlegungsabschnitts (22) zu einem Teil des dünnen Plattenabschnitts (16a, 16b) oder von einem Teil des beweglichen Abschnitts (20) zu einem Teil des dünnen Plattenabschnitts (16a, 16b) angeordnet ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: einen Schritt des Ausbildens des beweglichen Abschnitts (20) oder des Festlegungsabschnitts (22) mit einander gegenüberliegenden Endflächen (36a, 36b) durch Abtrennen eines vorbestimmten Teils eines beliebigen des zum beweglichen Abschnitt (20) auszubildenden Abschnitts oder eines zum Festlegungsabschnitt (22) auszubildenden Abschnitts nach erfolgter Herstellung zumindest eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements (24a, 24b).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: einen Schritt des Herstellens eines Keramiklaminats (60) durch einstückiges Sintern eines grünen Keramiklaminats (58), das zumindest eine grüne Keramiklage (50A bis 50D) mit einem Fenster (54) zum anschließenden Ausbilden zumindest des Lochs (12) und grüner Keramiklagen (52A, 52B) aufweist, die anschließend zu den dünnen Plattenabschnitten (16a, 16b) auszubilden sind, um ein Keramiklaminat (60) herzustellen; einen Schritt des Ausbildens des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements (24a, 24b) auf einer Außenoberfläche eines Abschnitts des Keramiklaminats (60), das zum dünnen Plattenabschnitt (16a, 16b) auszubilden ist; und einen Abtrennschritt zum Ausbilden des beweglichen Abschnitts (20) oder des Festlegungsabschnitts (22) mit einander gegenüberliegenden Endflächen (36a, 36b) mittels zumindest einer Schnittbehandlung für das Keramiklaminat (60), das mit dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Element (24a, 24b) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, worin beim Schritt der Herstellung des Keramiklaminats das Keramiklaminat (60) durch einstückiges Sintern eines grünen Keramiklaminats (58) hergestellt wird, das eine grüne Keramiklage (102) mit einem Fenster (100) zur Ausbildung des beweglichen Abschnitts (20) oder des Festlegungsabschnitts (22) mit zumindest den einander gegenüberliegenden Endflächen (36a, 36b) sowie den grünen Keramiklagen (52A, 52B), die anschließend zu den dünnen Plattenabschnitten (16a, 16b) auszubilden sind, um das Keramiklaminat (60) herzustellen, umfasst; und beim Abtrennschritt der bewegliche Abschnitt (20) oder der Festlegungsabschnitt (22) mit zumindest den einander gegenüberliegenden Endflächen (36a, 36b) mittels einer Schnittbehandlung für das mit dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Element (24a, 24b) ausgebildete Keramiklaminat (60) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, worin beim Schritt des Herstellens des Keramiklaminats das Keramiklaminat (60) durch einstückiges Sintern eines grünen Keramiklaminats (58) hergestellt wird, das eine grüne Keramiklage (108) mit einem Fenster (104) zur Ausbildung eines Abschnitts, der zum beweglichen Abschnitt (20) auszubilden ist, oder eines Abschnitts der zum Festlegungsabschnitt (22) auszubilden ist, mit zumindest den einander gegenüberliegenden Endflächen (36a, 36b), die teilweise miteinander verbunden sind, sowie den grünen Keramiklagen (52A, 52B), die anschließend zu den dünnen Plattenabschnitten (16a, 16b) auszubilden sind, um das Keramiklaminat (60) herzustellen, umfasst; und beim Abtrennschritt der Abschnitt (20D), der zum beweglichen Abschnitt (20) auszubilden ist, oder der zum Festlegungsabschnitt (22) auszubildende Abschnitt mit zumindest einander gegenüberliegenden Endflächen (36a, 36b), die teilweise miteinander verbunden sind, mittels einer Schnittbehandlung für das mit dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Element (24a, 24b) ausgebildete Keramiklaminat (60) ausgebildet wird, wobei der bewegliche Abschnitt oder der Festlegungsabschnitt mit einan der gegenüberliegenden Endflächen durch Abtrennen des Verbindungsabschnitts (106) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, worin das Loch (12) im Abtrennschritt mittels einer Schnittbehandlung für das Keramiklaminat (60) freigelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, das ferner den Schritt des Zulassens eines Elements (40), das sich von einem Bestandteil eines beliebigen des beweglichen Abschnitts (20) und des Festlegungsabschnitts (22) unterscheidet, umfasst, sodass sich dieses zwischen den einander gegenüberliegenden Endflächen (36a, 36b) legt.
Verfahren nach Anspruch 18, worin organisches Harz als das Element (40) verwendet wird.
Verwendung einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, worin ein oder mehrere piezoelektrische/elektrostriktive Elemente (24a, 24b) betrieben werden, um einen ersten (16a) des dünnen Plattenabschnitts (16a, 16b) in eine erste Richtung (A) zu biegen, wobei dem Biegen des ersten dünnen Plattenabschnitts (16a) das Biegen des zweiten dünnen Plattenabschnitts (16b) folgt, wodurch eine relative Verschiebung zwischen einer Achse (n) des beweglichen Abschnitts und einer Hauptachse (m) der Vorrichtung bereitgestellt wird.