DE68902930T2

DE68902930T2 - Elektrostriktives element und keramisches material desselben.

Info

Publication number: DE68902930T2
Application number: DE8989300937T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Hagimura; Towa Totsuka Corp Uchino
Original assignee: Mitsui Toatsu Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 1988-02-05
Filing date: 1989-01-31
Publication date: 1993-05-06
Anticipated expiration: 2009-02-01
Also published as: KR890016590A; EP0328290B1; KR920009913B1; DE68902930D1; EP0328290A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrostiktiven Wandler, genauer gesagt einen elektrostriktiven Wandler, der zur Endlage-Steuerung verschiedenartigster mechanischer Systeme geeignet ist, und ein keramisches Material zur Herstellung dieses Wandlers.
In letzter Zeit sind unter dein Aspekt in hohem Umfang in VLSI-Technik (höchste Integrationsrate) in hohen Stückzahlen und mit hoher Zuverlässigkeit zu produzieren, Mess- und Steuerungstechniken für die Positionen verschiedenster Elemente in den Fertigungsanlagen erforderlich, die mit einer Schrittgenauigkeit bis in den Mikron-Bereich arbeiten.
Ferner ist auf anderen technischen Gebieten, zum Beispiel Präzisions- Bearbeitungsmaschinen, optische oder astronomische Instrumente ein Betätigungsorgan erforderlich, welches in der Lage ist, in einer Mikrongrößenordnung eine Position oder Verschiebung unterschiedlichster Geräteelemente oder optische Abstandslängen einzustellen.
Ein piezoelektrisches Element oder ein elektrostriktiver Wandler sind außerordentlich geeignete Geräteelemente als Sensor zur Positionsanzeige oder als Betätigungsorgan zur Positionssteuerung. Hierbei sind bei derartigen Betätigungsorganen entweder ein Elektromotor, der zur Umsetzung einer Rotationsbewegung in eine Längsbewegung geeignet ist, oder ein elektrischer Strom/Verschiebung-Umsetzer vorgesehen, in welchen eine elektromagnetische Spule, ein Permanentmagnet und eine Feder miteinander kombiniert sind.
Außerdem werden diese Betätigungsorgane vielfältig eingesetzt. Sie sind in ihrer Konstruktion allgemein gehalten,und damit sind auch die Steuerungsrichtungen sehr vielfältig; die Kraft, die durch solche Organe erzeugt oder umgesetzt wird, ist gering und die Anwendung ist damit nicht umfangreich.
Damit werden auf dem Gebiet der Optik und Präzisionsmaschinen Wandler einer höheren funktionellen Güte benötigt.
In verschiedenen Werkzeugmaschinen, wie z. B. für optische oder elektronische Kameras, für Meßanordnungen, die einen Laser verwenden und in der Bearbeitungsposition einer Bearbeitungsanlage für hoch integrierte Kreise, hat die geforderte Präzision bereits eine Größenordnung von 0,1 Mikron erreicht,und diese Forderung ist nur schwer zu erfüllen.
Unter diesen Umständen ist seit einiger Zeit ein elektrostriktives Betätigungsorgan als eine neue Art sehr schnell in Erscheinung getreten,und dessen zukünftige Weiterentwicklung läßt einen neuen Artikel auf dem elektronischen Keramik-Markt erwarten.
Grundsätzlich können als steuerbare Variable bei der Steuerung volltransistorisierter Umwandlungselemente die Temperatur, das Magnet- oder das elektrische Feld angesehen werden. Davon besitzt ein Element, welches den Temperaturwechsel ausnutzt, den Nachteil, daß es eine geringe Reaktion zeigt, unzureichend in der Stabilität ist und eine hohe Antriebsenergie benötigt.
Ein Element, das das Magnetfeld ausnutzt, hat den Nachteil, daß es einen geringen Belastungsgrad besitzt, daß es eine Antriebsspule benötigt und somit die Apparatur größere Abmessungen erhalten muß.
In einem elektrischen Feld/Dehnung-Wandler besteht die Wahl zwischen einem piezoelektrischen und einem elektrostriktiven Element. Ein elektrostriktives Material hat grundsätzlich den Vorteil gegenüber dem piezoelektrischen Material, daß es einen geringen Hysteresefehler besitzt, daß es keinerlei Polarisationsprozeß erfordert und daß es in der Lage ist, die unterschiedlichsten Einsatzbedingungen zu überstehen.
Dennoch führt ein derartiges Element zu dem Problem, daß es einen kleinen Streckungsfaktor aufweist. Auch geht dieses Problem Schritt für Schritt als ungelöst aus kürzlichen Veröffentlichungen hervor, der Streckungsfaktor hat noch nicht ein befriedigendes Maß erreicht.
Das zuerst genannte, d. h. das piezoelektrische Element, ist gekennzeichnet durch PZT (Leit-Zirconare-Titanate).
Auch diese Keramik weist eine Ausdehnung von 0,06 % innerhalb eines elektrischen Feldes von 10 kV/cm auf; der Hysteresefehler beträgt 15 bis 30 %.
Dabei ist zur genauen Kontrolle der Ausdehnung ein kompliziertes Programm erforderlich.
Das zuletzt genannte, d. h. das elektrostriktive Element, ist gekennzeichnet durch PMN [Pb(MgNb)O&sub3;] . Dieses besitzt einen Hysteresefehler von weniger als 5 bis 10 % und einen Ausdehnungsfaktor von 0,06 % innerhalb eines elektrischen Feldes von 10 kV/cm. Bei diesem Material besteht ein Problem darin, daß es eine große Dielektrizitätskonstante besitzt und somit eine große elektrische Antriebsleistung erforderlich ist, wodurch wiederum die Selbsterwärmung relativ stark ansteigen kann.
Als ein elektrostriktives Material außer PMN sind Keramiken bekannt, die repräsentiert sind durch [ Pb, Ba] [Zr, Ti ] O&sub3; (hierunter fallen auch solche wie PBZT).
Die Keramiken dieser Serie wurden bereits durch K. M. Leung u.a. von HANEY WELL CO. beschrieben (siehe Ferroelektrika, 1980, Bd. 27, S. 41 bis 43). Es wird in der obigen Literatur angegeben, daß die Keramiken eine Zusammensetzung von Pb0.73 Ba0.27 Bi0.02 Zr0.70 Ti0.30 O&sub3; besitzen. Nach diesem Bericht beträgt der Ausdehnungsfaktor 0,06 % in einem maximalen elektrischen Feld von 10 kV/cm.
Ferner wurden Keramiken, die aus einer Mischung von (Pb0.715 Ba0.285)0.991 (Zr0.707Ti0.293) 0.981Bi0.019 O&sub3; bestehen, von P. C. Lysne in J. App. Phys. 49(7), Juli 1978, S. 4296-4297 beschrieben.
Die JP-Offenlegung Sho 60-144984 offenbart Keramiken, die aus PBZT mit hinzugefügtem Bi oder W bestehen.
Die Keramiken, die die Erfindung in dieser Veröffentlichung betreffen, besitzen eine Zusammensetzung, die durch folgende Beziehung repräsentiert ist:
[Pbx Ba1-x] [Zry Ti1-y] O&sub3;
wobei gilt:
0.75 ≤ x ≤ 0.83
0.53 ≤ y ≤ 0.55
Insofern der Hysteresefehler dieser Keramiken in der Veröffentlichung nicht angegeben wird, ist zu vermuten, daß er sehr hoch ist.
Auch sind einige Techniken bekannt zur Substitution eines Teiles des Pb in PZT durch Alkalimetall oder alkalische Erdmetalle, die Gesamtheit des substituierten Pb nach diesem Stand der Technik beträgt nicht mehr als 30 %.
Demgegenüber sollten die keramischen Betätigungslemente nach der vorliegenden Erfindung folgende Forderungen erfüllen:
(1) einen großen Ausdehnungsfaktor (Ausdehnung in maximalem elektrischen Feld)
(2) einen kleinen Hysteresefehler
(3) ein hervorragendes Ansprechen
(4) eine hervorragende Wiederholbarkeit
(5) einen geringen Einfluß von Temperaturänderungen
(6) Bewegbarkeit bei Vorliegen einer geringen Antriebsenergie
(7) eine hohe Störungssicherheit
(8) geringe Abmaße und Gewicht
(9) einen einfachen Einsatzwechsel und Langlebigkeit
(10) ein gleichbleibendes, maßgefertigtes Erzeugnis mit niedrigen Kosten
Ein derartiges Keramikmaterial, das alle oben genannten Forderungen erfüllt, ist bisher nicht bekannt geworden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein keramisches Material, das durch eine Zusammensetzung nach folgender Formel gekennzeichnet ist:
[Pbx Ba1-x]m[Zry Ti1-y] n [M:]l O&sub3;
wobei gilt: 0,55 ≤ x ≤ 0,70
0,45 ≤ y ≤ 0,80
0,85 ≤ m ≤ 1,15
0,85 ≤ n ≤ 1,15
0,01 ≤ l ≤ 0,10
M ist ein Metall, ausgewählt aus einer Grnppe bestehend aus:
divalent Cu, Mg, Ni, Zn;
trivalent Bi, Nd, Y;
tetravalent Ce, Ge, Hf, Mn, Sn, Te, Th;
pentavalent Cr, Mn, Nb, Sb, Ta; und
sexivalent Cr, Mn, Mo, W.
Die vorliegende Erfindung ergibt ein keramisches Material, das im Unterschied zu den vorveröffentlichten Materialien nach dem Stand der Technik, einen signifikant großen Ausdehnungsfaktor und einen sehr geringen Hysteresefehler besitzt und das sehr gut für einen elektrostriktiven Wandler eingesetzt werden kann.
In der vorliegenden Beschreibung ist der Ausdehnungsfaktor äls prozentuale Ausdehnung pro elektrische Feldeinheit, d. h. nach der folgenden Formel angegeben:
Δ L/L E x 100 (%)
wobei L = Länge des Umformers, gemessen in Richtung des elektrischen Feldes,
ΔL= Ausdehnung in einem elektrischen Feld von E kV/cm.
Der maximale Ausdehnungsfaktor betrifft den Ausdehnungsfaktor in einem elektrischen Feld von 10 kV/cm. Der Hysteresefehler nimmt eine Größe ein, die durch folgende Formel repräsentiert ist:
wobei bedeuten:
ΔL&supmin; = Ausdehnung des Wandlers, wenn die Größe des elektrischen Feldes von 10 kV/cm auf 5 kV/cm gesunken ist
ΔL&spplus; = Ausdehnung des Wandlers, wenn die Größe des elektrischen Feldes von 0 kV/cm auf 5 kV/cm angestiegen ist.
Lmax = maximale Ausdehnung in einem elektrischen Feld von 10 kV/cm.
Bei den Keramiken gemäß der vorliegenden Erfindung ist der maximale Ausdehnungsfaktor ungefähr 1,5 bis 2 mal so hoch (d. h. 0,12 %), wie der des herkömmlichen Materials,und der Hysteresefehler ist niedriger als die Hälfte (d. h. 2 bis 15 %) dessen vom vorbekannten Material.
Elektrostriktive Wandler aus derartigem Material mit großem Ausdehungsfaktor und kleinem Hysteresefehler können vielfältig auf verschiedenen technischen Gebieten eingesetzt werden, z. B. für verschiedenartige Werkzeugmaschinen, Tintendrucker oder zur Focussierung von Mikroskopen.
Wenn nach der vorliegenden Erfindung der oben angegebene x-Wert niedriger als 0,55 liegt, ist der Ausdehnungsfaktor verringert; wenn x den Wert 0,70 übersteigt, dann wird der Hysteresefehler größer; wenn y kleiner als 0,50 wird, vergrößert sich ebenfalls der Hysteresefehler und wenn y den Wert 0,80 übersteigt, nimmt der Ausdehnungsfaktor ab.
Deshalb ist es wünschenswert, daß x nicht kleiner als 0,55 und nicht größer als 0,70 und y nicht kleiner als 0,50 und nicht größer als 0,80 ist.
Ferner ist es erforderlich, daß jeder Wert von m und n nicht kleiner als 0,85 und nicht größer als 1,15 ist, um eine elektrische Neutralisierung zu erreichen.
Wenn l kleiner wird als 0,001 tritt die Wirkung des beigefügten M nicht in Erscheinung; wenn l den Wert 0,1 übersteigt, dann fällt der Ausdehnungsfaktor ab.
Nun soll ein Verfahren zur Herstellung des keramischen Materials gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Zunächst erfolgt eine Beschreibung des verwendeten Materials.
Als führend für das Grundmaterial sind meistens Oxide gebräuchlich; dabei können es die wesentlichsten Carbonate, die wesentlichsten Oxalate oder Hydroxide usw. sein.
Die Materialien Barium, Bariumcarbonat sind günstig einzusetzen, es sollten auch Bariumoxide oder Bariumoxalate usw. sein.
Hinsichtlich Zirkonium, Zirkoniumoxid sollten es Zirkoniumcarbonat, Zirkoniumoxalat oder Zirkoniumhydroxide sein.
In Hinsicht auf Titan, Titanoxid sollten Titancarbonat, Titanoxalat oder Titanhydroxide zur Anwendung gelangen.
Das Metall M ist in Form seiner Oxide, Nitride oder Fluoride beigefügt.
Diese Grundmaterialien werden gemessen oder gewogen und dann in festgelegtem Verhältnis miteinander gemischt.
Als Mischanordnung eignet sich vorzugsweise eine Kugelmühle, jedoch kann es auch irgend eine andere Apparatur sein, die geeignet ist, pulverförmige Materialien zu mischen, z. B. eine Homogenisiereinrichtung, eine Walzenmühle oder ein Vibrationsmischer.
Die Zeit, die zur Mischung der Grundmaterialien erforderlich ist, hängt von der Art der Mischanordnung und von den Eigenschaften des Grundmaterials ab, jedoch liegt sie grundsätzlich in der Größenordnung von 2 bis 20 Stunden. Dieser Zeitraum ist natürlich nicht auf die angegebene Größenordnung begrenzt.
Als nächstes werden die pulverförmig vorliegenden Materialien kalziniert. Die Kalzinierungstemperatur liegt in der Größenordnung von 600 bis 1.000 ºC, vorzugsweise 800 bis 900 ºC. Die Kalzinierung wird vorzugsweise an Luft über 1 bis 10 Stunden durchgeführt.
Der angestrebte Ausdehnungsfaktor kann nicht erreicht werden, wenn die Kalzinierungstemperatur unterhalb 600 ºC liegt. Andererseits werden die Materialkörner zu groß, wenn die Kalzinierungstemperatur nicht unter 1.000 ºC bleibt. Des weiteren wird kein zusätzlicher Effekte festgestellt, wenn die Kalzinierungszeit 10 Stunden übersteigt,und eine derartige Kalzinierung ist aus ökonomischer Sicht nicht akzeptabel.
Die Kalzinierung kann in Nitrogen-Gas, Oxygen-Gas oder Argon-Gas ebenso durchgeführt werden wie in Luft.
Die kalzinierten Pulver sind das Ausgangsmaterial für den nächsten Prozeß. Als End-Zerkleinerungseinrichtung kann z.B. eine Kugelmühle, eine Vibrationsmühle oder eine Walzenmühle eingesetzt werden, wobei die Ausgangsmaterialien auf eine Feinheit von etwa 80 Maschen/cm² gebracht werden.
Das Erfordernis für eine derartige Feinmahlung ergibt sich daraus, einige unerwünschte Korngrößen, die durch den Kalzinierungsprozeß entstanden sind, zu beseitigen.
Sodann werden die Feinpulver unter einem hohen Druck gepreßt, wodurch sie in eine praktikable Form übergeführt werden, z. B. als Scheibe, zylinderförmiger oder quadratischer Körper. Ein Formdruck von 100 bis 3.000 kg/cm² ist grundsätzlich ausreichend.
Danach wird das vorgeformte Material bei einer Temperatur von 1.100 bis 1.400 ºC gesintert. Wenn die Sintertemperatur nicht über 1.100 ºC liegt, kann die von dem Sinterkörper erwartete Dichte nicht erreicht werden. Andererseits kann sich ein Teil des Materials wieder auflösen (zerfallen), wenn die Sintertemperatur 1.400 ºC übersteigt. Die am meisten praktizierte Sintertemperatur ist 1.200 bis 1.350 ºC.
Hinsichtlich der Atmosphäre, in der die Sinterung stattfindet, ist Luft am gebräuchlichsten, aber es kann auch Nitrogen-Gas, Oxygen-Gas oder Argon-Gas usw. sein.
Danach wird der so gesinterte Körper in Scheiben einer bestimmten Dicke geschnitten, auf beiden Seiten jeder Scheibe ein Elektrodenmaterial, das Platin oder Silber enthält, aufgetragen und sodann das Elektrodenmaterial festgebacken, so daß letztendlich ein elektrostriktives Element entsteht.
Da ein einzelnes Plattenelement nur eine geringe Ausdehnung zeigt, werden 50 bis 100 solcher Elemente zur praktischen Anwendung zusammengebracht.

Beispiele:

PbO, BaCO&sub3;, ZrO&sub2;, TiO&sub2; und ein Oxid des Metalls M werden ausgewogen und unter Zuhilfenahme einer Kugelmühle 10 Stunden gemischt. Die so erhaltene Mischung wird bei einer Temperatur von 800 bis 900 ºC für zwei Stunden kalziniert und sodann in einer Kugelmühle feingemahlen. Nachdem diese Mischung getrocknet ist, wird sie unter einem Druck von 1,5 T/cm² zu einem zylindrischen Körper gepreßt.
Dieser wird bei einer Temperatur von 1.200 bis 1.350 ºC über 3 Stunden gesintert und der dann vorliegende Körper in Scheiben einer Dicke von 0,80 mm geschnitten. Sodann wird auf beiden Seiten der Scheiben ein Platin-Elektrodenmaterial aufgebracht und festgebacken, so daß ein einzelner elektrostriktiver Übertrager vorliegt.
Die Elektroden werden an eine Gleichspannungsquelle von 800 V angeschlossen und sodann die Ausdehnung und Hysterese gemessen.
Die Feldstärke beträgt dabei 10 kV/cm.
Die gemessenen Ergebnisse sind aus den Tabellen 1A bis 5B zu entnehmen. Tabelle 1A zeigt Daten betreffend eine Keramikmischung nach der Erfindung, wobei Bi als Metall M eingesetzt ist. Tabelle 1B zeigt Vergleichsbeispiele von Keramiken, die nicht im Rahmen der Erfindung liegen, die ebenfalls Bi als Metall M einschließen.
Gleichermaßen zeigen die Tabellen 2A, 3A, 4A und 5A die entsprechenden Daten von Keramiken nach der Erfindung und die Nb, W, Th und Ta als das Metall M aufweisen. Die Tabellen 2B, 3B, 4B und 5B enthalten Vergleichsbeispiele von Mischungen außerhalb des Rahmens der Erfindung, wobei das gleiche Metall M wie in den betreffenden Tabellen 2A, 3A, 4A und 5A eingesetzt ist.
Wie zum Beispiel aus den Tabellen 1A bis 5A zu erkennen ist, nimmt der Hysteresefehler in den Keramiken nach der vorliegenden Erfindung einen Wert von weniger als 2 bis 5 % an und der maximale Ausdehnungsfaktor ist größer als 0,06 bis 0,09 %.
In den Vergleichsbeispielen der Tabellen 1B bis 5B haben die Keramiken den gleichen Hysteresefehler wie die Keramiken nach der vorliegenden Erfindung, zeigen einen maximalen Ausdehnungsfaktor von 0,02 bis 0,03 % und umgekehrt besitzen die Keramiken den gleichen maximalen Ausdehnungsfaktor wie der der Keramiken nach der Erfindung und zeigen einen Hysteresefehler von 15 bis 35 %.
Bis heute wurde davon ausgegangen, daß innerhalb der Wertezusammenstellung für eine Keramik nach der Erfindung nur ein kleiner Ausdehnungsfaktor erreicht werden könnte. Tabelle 1 A Tabelle 1 B Tabelle 2 A Tabelle 2 B Tabelle 3 A Tabelle 3 B Tabelle 4 A Tabelle 4 B Tabelle 5 A Tabelle 5 B
Ausgehend von der Forderung nach Erhöhung des Ausdehnungsfaktors von Keramiken nach der oben beschriebenen Zusammensetzung sind von den Erfindern verschiedene metallische Verbindungen zu diesen Keramiken hinzugefügt worden. Dies hat eine neue Zusammensetzung mit einem Ausdehnungsfaktor, der ungefähr 1,5 bis 2 mal so groß ist wie der des Ausgangsmaterials, und einem Hysteresefehler von ungefähr nur der Hälfte des Ausgangsmaterials ergeben.
Die Eigenschaft der Keramiken nach der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß diese einen größeren Ausdehnungsfaktor und einen kleineren Hysteresefehler als die bekannten piezoelektrischen Elemente oder elektrostriktiven Wandler, wie sie zum Stand der Technik bekannt sind, aufweisen.
Die bekannten piezoelektrischen Elemente besitzen einen Hysteresefehler von etwa 20 bis 25 %, wohingegen der der Elemente nach der Erfindung maximal 15 %, normalerweise 2 bis 5 % beträgt.
Darüber hinaus können die Elemente nach der Erfindung einen 1,5 bis 2 mal so großen Ausdehnungsfaktor wie die der bekannten Elemente erreichen. Das ist ein überraschendes Ergebnis.
Die erfindungsgemäßen Elemente können vielfältig als Betätigungsorgane zur Feinregulierung der Position eines Körpers und als Sensoren zur Anzeige von Kraft, Druck oder einer Verschiebung verwendet werden.

Claims

1. Keramisches Materäal, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzungsformel:

[Pbx Bal-x] m [Zry Til-y] n [M]l O&sub3;

wobei bedeuten:

0,55 ≤ x ≤ 0,70

0,45 ≤ y ≤ 0,80

0,85 ≤ m ≤ 1,15

0,85 ≤ n ≤ 1,15

0,001 ≤ l ≤ 0,1

M ist ein Metall, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus

divalent Cu, Mg, Ni, Zn

trivalent Bi, Nd, Y

tetrevalent Ce, Ge, Hf, Mn, Sn, Te, Th

pentavalent Cr, Mn, Nb, Sb, Ta und

sexivalent Cr, Mn, Mo, W.

2. Keramisches Material gemaß Anspruch 1, wobei das Metall M ein Metall ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, welches besteht aus Bi, Nd, Y, Ce, Sn, Th, Nb, Ta, Mo und W.

3. Elektrostriktiver Wandler, bei dem die Scheibe aus dem keramischen Material gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2 hergestellt ist, wobei auf beiden Seitenflachen der Scheibe jeweils eine Elektrode angebracht ist.

4. Betätigungselement, bei dem die Scheibe aus dem keramischen Material gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2 hergestellt ist, wobei auf beiden Seitenflächen der Scheibe jeweils eine Elektrode angebracht ist.