DE69025813T2 - Piezoelektrischer/elektrostriktiver Antrieb - Google Patents

Piezoelektrischer/elektrostriktiver Antrieb

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei der Konstruktion eines bimorphen oder unimorphen, piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuators (hierin als piezoelektrischer/elektrostriktiver Aktuator bezeichnet), der als oder für ein durch Verlagerung steuerbares Element, einen Tintenstrahl-Elektor, einen VTR-Kopf, ein Umschaltelement, ein Relais, einen Druckkopf, eine Pumpe, einen Ventilator oder ein Gebläse und andere Bauteile oder Vorrichtungen verwendet wird. Der Begriff "Aktuator", wie hierin verwendet, ist ein Element, das elektrische Energie oder ein elektrisches Signal in eine mechanische Kraft, Verlagerung oder Verformung umwandeln kann.
  • In letzter Zeit wurde auf den Gebieten der Optik und Präzisionspositionierung oder der maschinellen Arbeitsvorgänge, beispielsweise zum Einstellen oder Ändern eines Lichtweges oder der Position eines Elements oder Bauteils einer Vorrichtung in der Größenordnung von Bruchteilen eines Mikrons (µm) häufig ein Element verwendet und zunehmend verlangt, dessen räumliche Verlagerung gesteuert werden kann. Um dieser Nachfrage zu entsprechen, sind verschiedene piezoelektrische oder elektrostriktive Aktuatoren vorgeschlagen und entwickelt worden, bei denen ein piezoelektrisches oder elektrostriktives Material wie z.B. ein ferroelektrisches Material eingesetzt wird, das den reversen oder konversen piezoelektrische Effekt oder den elektrostriktiven Effekt zeigt, bei denen das Anlegen einer Spannung oder eines elektrischen Feldes an ein solches piezoelektrisches oder elektrostriktives Material eine mechanische Verlagerung hervorruif.
  • Herkömmlicherweise wird der piezoelektrische/elektrostriktive Aktuator strukturell in einen monomorphen Typ, einen unimorphen Typ, einen bimorphen Typ und einen Laminationstyp klassifiziert. Der monomorphe, der unimorphe und der bimorphe Typ sorgen für ein relativ großes Ausmaß an Durchbiegung, Ablenkung oder Verwindung bzw. Verdrehung aufgrund des Quermodus des umgekehrten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekts, nämlich der Verformung senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes, das beim Anlegen einer Spannung erzeugt wird, aber diese Typen unterliegen inhärenten Problemen, wie z.B. einer geringen Größe einer erzeugten Kraft, einer geringen Ansprechgeschwindigkeit eines geringen Wirkungsgrads an elektromechanischer Umwandlung und eines geringen Grads an Betriebszuverlässigkeit aufgrund der Verwendung eines Klebers zum Verbinden der Komponentenschichten. Andererseits wird beim Laminationstyp der Längsmodus des umgekehrten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekts eingesetzt, nämlich die Verformung parallel zur Richtung des elektrischen Feldes, das durch die angelegte Spannung erzeugt wird, und er gewährleistet daher eine beträchtliche Größe der erzeugten Kraft, eine hohe Ansprechgeschwindigkeit und einen hohen Wirkungsgrad an elektromechanischer Umwandlung. Jedoch unterliegt der Laminationstyp dem inhärenten Problem, daß das Ausmaß der erzeugten Verlagerung relativ gering ist.
  • Somit weisen die herkömmlichen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuatoren nicht nur Vorteile, sondern auch Nachteile auf.
  • Die US-PS-2,540,1 94 offenbart einen piezoelektrischen Meßwandler oder Aktuator des monomorphen Typs, bei dem eine im allgemeinen längliche piezoelektrische Platte bzw. Tafel und auf der Oberfläche oder den Oberflächen der Platte bzw. Tafel ausgebildete Elektroden in Form von Streifen eingesetzt werden. Die Elektrodenstreifen erstrecken sich in die Breitenrichtung der Platte bzw. Tafel und sind voneinander in vorbestimmten Abständen in Längsrichtung der Platte bzw. Tafel beabstandet. Beim in diesem Patent geoffenbarten piezoelektrischen Aktuator verursacht das Anlegen einer Spannung an die Elektroden nur in jenem Abschnitt der piezoelektrischen Platte bzw. Tafel eine mechanische Verformung, der an die Oberfläche oder Oberflächen angrenzt, auf der/denen die Elektroden ausgebildet sind. Demgemäß sind das Ausmaß an Durchbiegung, Ablenkung oder Verwindung bzw. Verdrehung der Platte bzw. Tafel und die Größe der von der piezoelektrischen Platte bzw. Tafel erzeugten Kraft äußerst gering oder unzureichend. In diesem Zusammenhang sei darauf verwiesen, daß sich zwischen den benachbarten Elektrodenstreifen, in Längsrichtung der Platte bzw. Tafel gesehen, kein piezoelektrisches Material befindet. Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, insbesondere piezoeiektrische/elektrostriktive Aktuatoren zu verbessern, bei denen der piezoelektrische oder elektrostriktive Effekt im Längsmodus verwendet wird.
  • Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuator bereitzustellen, bei dem kein verbindender Kleber oder Leim verwendet wird und der durch das Anlegen einer relativ geringen Spannung ein ausreichendes Maß an Durchbiegung, Ablenkung oder Verwindung bzw. Verdrehung erfährt, wobei das Ansprechen auf die angelegte Spannung verbessert wird, sodaß das Durchbiegen und die Biegekraft zumindest aufgrund des Längsmodus des durch die angelegte Spannung erzeugten umgekehrten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekts erzeugt werden.
  • Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuator bereitzustellen, der sowohl den Längsmoduseffekt als auch die Quermoduseffekt ausnutzt, die eine Verformung parallel zur Richtung des von einer angelegten Spannung erzeugten elektrischen Feldes und eine Verformung senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes verursachen, sodaß die Durchbiegung oder Verwindung oder Verdrehung und die Biegekraft wirksam erzeugt werden. Der Begriff "Längsmoduseffekt" bezeichnet den umgekehrten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekt parallel zur Richtung des elektrischen Feldes. Der Begriff "Quermoduseffekt" bezeichnet den umgekehrten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekt senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes.
  • Gemäß dem Prinzip der vorliegenden Erfindung wird ein piezoelektrischer oder elektrostriktiver Aktuator bereitgestellt, wie in Anspruch 1 dargelegt.
  • Beim piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuator gemäß vorliegender Erfindung mit der oben beschriebenen Konstruktion wird zwischen den benachbarten Elektrodenstreifen eine von einer externen Quelle gespeiste Spannung angelegt, sodaß die lokalen Bereiche des piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitts, die sich jeweils zwischen den benachbarten Elektrodenstreifen befinden, elektrischen Feldern unterworfen sind, die in die zur Ebene des Substrats parallele Richtung erzeugt werden, wodurch im piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitt wirksam in der Ebene parallel zur Substratoberfläche, auf der die Elektrodenstreifen ausgebildet sind, Verformungen auftreten. Genauer gesagt werden die Verformungen aufgrund des Längsmodus des umgekehrten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekts erzeugt, die durch Anlegen der Spannung von den elektrischen Feldern erzeugt werden, wodurch das Substrat in Richtung senkrecht zur Ebene des Substrats gebogen oder verwunden wird und eine Kraft in diese Richtung erzeugt. Die Richtung der im piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitt in der Ebene parallel zur Ebene des Substrats erzeugten Verformungen kann nach Wunsch ausgewählt werden, indem die Richtung, in der die Elektrodenstreifen voneinander beabstandet sind, auf geeignete Weise ermittelt wird. Die vorliegende Anordnung ermöglicht ein großes Ausmaß an Verschiebung des Substrats bei einer relativ geringen an die Elektrodenstreifen angelegten Spannung und gewährleistet ein verbessertes Ansprechen auf das Anlegen der Spannung.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Streifen der Elektroden in parallelen länglichen Teilen aus zwei kammartigen Elektrodenmustern, die so gemustert und relativ zueinander angeordnet sind, daß die länglichen Teile eines der beiden Elektrodenmuster und die länglichen Teile des anderen Elektrodenmusters abwechselnd in Richtung senkrecht zur Länge der länglichen Teile apgeordnet sind. Jeweils eines der beiden kammartigen Elektrodenmuster umfaßt einen Verbindungsabschnitt der die länglichen Teile an einem ihrer gegenüberliegenden Enden verbindet, sodaß sich die länglichen Teile dieses einen Elektrodenmusters von ihrem Verbindungsabschnitt zum Verbindungsabschnitt des anderen Elektrodenmusters erstrecken.
  • Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Elektrodenstreifen und der piezoelektrische/elektrostriktive Abschnitt auf einer der gegenüberliegenden Hauptflächen des Substrats ausgebildet, und der Aktuator umfaßt weiters eine Laminarstruktur, die auf der anderen der gegenüberliegenden Hauptflächen des Substrats ausgebildet ist. Die Laminarstruktur besteht aus einer ersten Elektrodenschicht, einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht und einer zweiten Elektrodenschicht, und diese Schichten sind in dieser Reihenfolge ausgebildet, sodaß sich die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht in Sandwichanordnung und zwischen den Elektrodenschichten befindet.
  • Die obige Ausführungsform der Erfindung stellt einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuator vom bimorphen Typ bereit, worin für den Längsmoduseffekt durch die Kombination der Elektrodenstreifen und des piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitts gesorgt wird, während gleichzeitig für den Quermoduseffekt durch die Laminarstruktur gesorgt wird, die aus den beiden Elektrodenschichten und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht besteht, die in Sandwichanordnung von den Elektrodenschichten umgeben ist. Das heißt, sowohl der Längsmodus als auch der Quermodus werden erzeugt, indem die elektrischen Felder nur in der Richtung errichtet werden, in der der piezoelektrische/elektrostriktive Abschnitt und die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht polarisiert sind. Somit sorgt der bimorphe Aktuator-Typ für ein vergleichsweise großes Ausmaß an Durchbiegung oder Biegeversetzung bzw. -verschiebung des Substrats und ist vor Beeinträchtigung oder Verlust der ursprünglichen Polarisati6n des piezoelektrischen/elektrostriktiven Materials geschützt, wodurch die Dauerhaftigkeit und Zuverlässigkeit des Betriebs erhöht werden.
  • Weiters kann der erfindungsgemäße Aktuator betätigt werden, indem eine Spannung in Richtung parallel zur Ebene des Substrats angelegt wird, das heißt, ohne daß eine Spannung in Richtung der Dicke des Substrats angelegt wird. Demgemäß kann beim vorliegenden Aktuator eine relativ dünne Schicht aus piezoelektrischem oder eiektrostriktivem Material verwendet werden, um den piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitt und/oder die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht zu bilden, da es weniger wahrscheinlich ist, daß ein potentieller Defekt oder Fehler des piezoelektrischen oder elektrostriktiven Films die dielektrische Durchschlagsspannung verringert oder Scherbeanspruchungen zwischen den Elektrodenstreifen und dem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material verursacht.
  • Darüberhinaus ist der erfindungsgemäße Aktuator so konstruiert, daß der erforderliche Wert der Betätigungsspannung verringert wird, indem der Abstand zwischen den benachbarten Elektrodenstreifen, d.h. die Breite des piezoelektrischen oder elektrostriktiven Materials zwischen den benachbarten Elektrodenstreifen, verringert wird, anstatt die Dicke des piezoelektrischen oder elektrostriktiven Materials des piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitts zu verringern. Während die Verringerung der Dicke des piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitts zur Verringerung der erforderlichen Betätigungsspannung die Tendenz mit sich bringt, ein Isolationsversagen und eine Verringerung der erzeugten Kraft des Aktuators zu verursachen, ist es bei einer Verringerung der Breite des piezoelektrischen/elektrostriktiven Materials weniger wahrscheinlich, daß ein solches Isolationsversagen und eine Kraftverringerung verursacht werden. Weiters ist es weniger wahrscheinlich, daß die Zellularstruktur des piezoelektrischen/elektrostri ktiven Abschnitts, dessen lokale Bereiche zwischen den benachbarten Elektrodenstreifen angeordnet sind, durch einen Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Substratmaterial und dem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material beeinflußt wird, wodurch das vom Aktuator erzeugte Ausmaß an Durchbiegen oder Biegekraft durch die Antriebsspannung präzise reguliert werden kann.
  • Das Substrat kann in einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Platte oder Schicht bestehen, die aus einem piezoelektrischen/elektrostriktiven Material gebildet ist, und die beiden Elektrodenschichten können so ausgebildet sein, daß sie die piezoelektrische/elektrostriktive Platte oder Schicht in Sandwichanordnung umgeben. Weiters können die Elektrodenstreifen im piezoelektrischen/elektrostriktiven Abschnitt eingebettet sein.
  • Die obigen und wahlweisen Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der zur Zeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besser verstanden werden, wenn diese in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird, in denen die Fig. 1 bis 11 perspektivische Ansichten sind, die verschiedene Formen des piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuators gemäß vorliegender Erfindung darstellen, wobei die Fig. 1 und 3 teilweise aufgeschnittene Ansichten sind, während die Fig. 4-10 fragmentarische Ansichten sind.
  • Zunächst auf die Fig. 1-4 und 10, 11 bezugnehmend, werden verschiedene Formen des piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuators des unimorphen Typs gezeigt, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
  • Beim in Fig. 1 gezeigten piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuator wird ein im allgemeinen längliches rechteckiges Substrat 2 verwendet. An einer der gegenüberliegenden Hauptflächen dieses Substrats 2 ist eine Vielzahl von Elektroden in Form paralleler länglicher rechteckiger Streifen 4 ausgebildet, sodaß sich die Streifen 4 in Richtung der Breite des Substrats 2 erstrecken und sich voneinander in einem vorbestimmten Abstand beabstandet in Richtung der Länge des Substrats 2 erstrecken. Rechteckige längliche Zwischenräume, die zwischen jedem Paar der benachbarten Elektrodenstreifen 4 definiert werden, sind mit einem ausgewählten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material in Form des länglichen rechteckigen Elements 6 gefüllt, sodaß diese piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 6 durch die benachbarten Elektrodenstreifen 4 voneinander getrennt und beabstandet sind. Die Elektrodenstreifen 4 und die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 6 sind einstückig mit dem Substrat 2 ausgebildet. Üblicherweise haben alle Elektrodenstreifen 4 die gleiche Breite und sind mit einem gewünschten Zwischenabstand zueinander konstant beabstandet. Es ist wünschenswert, daß der Zwischenabstand zwischen den benachbarten Elektrodenstreifen 4, d.h. die Breite eines jeden piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 6 grßer ist als die Breite der Elektrodenstreifen 4. Um ein relativ großes Ausmaß an Versetzung/Verschiebung des Aktuators durch das Anlegen einer relativ geringen Spannung an die Elektrodenstreifen 4 zu erzielen, beträgt der Zwischenabstand der Streifen 4 vorzugsweise 200 µm oder weniger, mehr bevorzugt 100 µm oder weniger, und am meisten bevorzugt 60 µm oder weniger. Die Dicke der Elektrodenstreifen 4 beträgt vorzugsweise 3 pm oder mehr, mehr bevorzugt 10 µm oder mehr, und am meisten bevorzugt 20 µm oder mehr.
  • Beim Betrieb des so konstruierten piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuators werden die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 6 beim Anlegen einer Spannung an die Elektrodenstreifen 4 auf die gleiche Weise wie nach dem Stand der Technik einem elektrischen Feld unterworfen. Als Ergebnis erfahren die Elemente 6 auf Basis des Längsmodus des umgekehrten piezoelektrischen/elektrostri ktiven Effekts, d.h. aufgrund der Verformung, die in die Richtung parallel zur Richtung des beim Anlegen einer Spannung zwischen den Elektrodenstreifen 4 erzeugten elektrischen Feldes auftritt, Verschiebung bzw. Versetzung in die Richtung senkrecht zur Ebene des Substrats 2. Als Ergebnis biegt sich der Aktuator und erzeugt proportional zur angelegten Spannung eine Kraft in Richtung senkrecht zur Ebene des Substrats 2.
  • Bei den in den Fig. 2 und 11 gezeigten piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoren weisen die Substrate 2 eine quadratische bzw. eine kreisförmige Gestalt auf. An einer der gegenüberliegenden Hauptflächen des quadratischen Substrats 2 von Fig. 2 sind die Elektroden 4 als konzentrische kreisförmige Streifen 4 ausgebildet, während die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 6 so ausgebildet sind, daß sie ringförmige Zwischenräume füllen, die zwischen den benachbarten kreisförmigen Streifen 4 definiert sind. Eine Spannung wird durch die Verbindungsabschnitte 10 zwischen den benachbarten Elektrodenstreifen 4 angelegt. Beim in Fig. 11 gezeigten Aktuator haben die Elektroden 4 die Form von zwei spiralförmigen Streifen, die auf einer der gegenüberliegenden Hauptflächen des kreisförmigen Substrats 2 ausgebildet sind, und die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 6 sind so ausgebildet, daß sie spiralförmige Zwischenräume ausfüllen, die zwischen den beiden spiralförmigen Elektrodenstreifen 4 definiert sind.
  • Auf die Fig. 3 und 4 bezugnehmend werden Modifikationen der Ausführungsform von Fig. 1 gezeigt, bei denen ein Paar kammartiger Elektrodenmuster 8a, 8b so ausgebildet ist, daß die Elektrodenstreifen 4 von einem der beiden Muster 8a, 8b zwischen jenen des anderen Musters 8b, 8a angeordnet sind. Das heißt, die geradzahligen Elektrodenstreifen 4 (wie in Fig. 3 links beginnend abgezählt) sind an ihren entsprechenden Enden durch einen Verbindungsabschnitt 10 miteinander verbunden, sodaß ein kammartiges Elektrodenmuster 8a entsteht, während die ungeradzahligen Elektrodenstreifen 4 durch einen weiteren Verbindungsabschnitt 10 an ihren entsprechenden Enden miteinander verbunden sind, sodaß das andere kammartige Elektrodenmuster 8b entsteht. Die beiden Verbindungsabschnitte 10, 10 sind entlang der gegenüberliegenden Längskanten des Substrats 2 ausgebildet, sodaß die Elektrodenstreifen 4 an den Breitenenden des Substrats 2 abwechselnd mit einem und dem anderen Verbindungsabschnitt 10 verbunden sind. Genauer gesagt sind die Streifen 4 des Elektrodenmusters 8a und die Streifen 4 des anderen Eletrodenmusters 8b in Erstreckungsrichtung der Verbindungsabschnitte 10, 10 abwechselnd angeordnet. Bei der Ausführungsform von Fig. 4 sind die Verbindungsabschnitte der kammartigen Elektrodenmuster 8a, 8b so ausgebildet, daß sie die Breitenendfächen des Substrats 2 bedecken. Die Verbindungsabschnitte 10 erleichtern die Spannungsversorgung für die Elektrodenstreifen 4.
  • Bei der Ausführungsform von Fig. 4 sind Isolationsabschnitte 12 ausgebildet, um für elektrische Isolation zwischen dem Verbindungsabschnitt 10 eines der beiden Elektrodenmuster 8a, 8b und dem nicht verbundenen Ende des entsprechenden der Elektrodenstreifen 4 der anderen Elektrodenmuster 8b, 8a zu sorgen, sodaß die Isolierabschnitte 12 elektrostriktive Verformung in den entsprechenden Bereichen des Aktuators verhindern.
  • Nun wird auf die Fig. 5 bis 9 bezuggenommen, die piezoelektrische oder elektrostriktive Aktuatoren des bimorphen Typs zeigen. Beim bimorphen Aktuator-Typ von Fig. 5 ist auf beiden der gegenüberliegenden Hauptflächen des Substrats 2 eine Schicht ausgebildet, die aus den abwechselnd ausgebildeten Elektrodenstreifen 4 und piezoelektrischen/elektrostriktiven Elementen 6 besteht. Das heißt, die Anordnung der Elektrodenstreifen 4 und piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 6, wie in Fig. 5 gezeigt, wird auf den bimorphen Typ angewandt.
  • Der piezoelektrische/elektrostriktive Aktuator von Fig. 6 besteht aus einem Aktuator, wie in Fig. 3 gezeigt, und einer dreischichtigen Laminarstruktur, die von der Schicht 6, 8a, 8b entfernt einstückig auf der Hauptfläche des Substrats 2 ausgebildet ist. Die Laminarstruktur besteht aus einer ersten Elektrodenschicht 1 6, die auf dem Substrat 2 ausgebildet ist, einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 14, die auf der ersten Elektrodenschicht 16 ausgebildet ist, und einer zweiten Elektrodenschicht 16, die auf der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 14 ausgebildet ist, wodurch die Schicht 14 von und zwischen den beiden Elektrodenschichten 16 in Sandwichanordnung umgeben ist. Die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 14 besteht aus einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material, das dem für die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 6 verwendeten ähnlich ist. Das Substrat 2 des Aktuators von Fig. 6 kann durch eine elektrisch isolierende Schicht 18 ersetzt werden, wie in Fig. 7 gezeigt. In diesem Fall fungiert die Isolierschicht 18 gemeinsam mit den Elektrodenschichten 1 6 und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Platte 17 als Substrat für die Schicht 6, 8a, 8b. Auch bei diesen Aktuatoren der Fig. 6 und 7 wird eine Spannung zwischen den beiden Elektrodenschichten 16, 16 angelegt.
  • Der piezoelektrische/elektrostriktive Aktuator von Fig. 8 ist eine Modifikation der Ausführungsform von Fig. 7, bei der sich der Verbindungsabschnitt 10 des kammartigen Elektrodenmusters 8a so erstreckt, daß er mit der äußeren oder zweiten Elektrodenschicht 16 verbunden ist, während sich der Verbindungsabschnitt 10 des anderen kammartigen Elektrodenmusters 8b so erstreckt, daß er mit der inneren oder ersten Elektrodenschicht 16 verbunden ist. Bei dieser Anordnung führt das Anlegen einer Spannung an die kammartigen Elektrodenmuster 8a, 8b zum gleichzeitigen Anlegen der Spannung an die Elektrodenschichten 16, 16.
  • Der piezoelektrische/elektrostriktive Aktuator von Fig. 9 besteht aus einem Aktuator, wie in Fig. 4 gezeigt, und die dreischichtige Laminarstruktur 14, 16, 16, die entfernt von der Schicht 6, 8a, 8b, 12 einstückig auf der Oberfläche des Substrats 2 so ausgebildet ist, daß die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 14 in Sandwichanordnung von den beiden Elektrodenschichten 16, 16 umgeben und zwischen diesen angeordnet ist. Wie bei der Ausführungsform von Fig. 4 isolieren die Isolierabschnitte 12 die Elektroden 4 des Elektrodenmusters 8a elektrisch vom Verbindungsabschnitt 10 des anderen Elektrodenmusters 8b, während die Elektroden 4 des Elektrodenmusters 8b vom Verbindungsabschnitt 10 des Elektrodenmusters 8a isoliert werden.
  • Die in den Fig. 6 bis 9 gezeigten piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuatoren des bimorphen Typs erfahren aufgrund der Verformungen, die in der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 14 aufgrund der zwischen den beiden Elektrodenschichten 16, 16 angelegten Spannung zusätzlich zu den Verformungen auftreten, die in den piezoelektrischen/elektrostriktiven Elementen 6 aufgrund der an die Elektrodenstreifen 4 angelegten Spannung erzeugt werden, ein vergleichsweise großes Ausmaß an Durchbiegung. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, daß die Anlegung von Spannung an die Schichten 14 (sodaß die Schicht 14 zusammengezogen wird) und Elemente 6 (sodaß die Schicht 14 gedehnt wird) erfolgt, damit die elektrischen Felder die gleiche Polarität haben wie jene der Anfangspolarisierung, die auf die Schichten 14 und Elemente 6 angewandt wird, während sich der Aktuator biegt oder eine Kraft erzeugt. Demgemäß wird die Anfangspolarisierung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten und Elemente 14, 6 nicht beeinträchtigt oder geht nicht verloren, und ihre Betriebsstabilität und -zuverlässigkeit werden wirksam verbessert.
  • Als nächstes auf Fig. 10 bezugnehmend wird eine weitere modifizierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der die Elektrodenstreifen 4 auf einer Hauptfläche des Substrats 2 ausgebildet sind, sodaß die Streifen 4 einen geeigneten konstanten Zwischenabstand voneinander aufweisen. Die Anordnung der Elektrodenstreifen 4 ist in eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 6a mit geeigneter Dicke eingebettet. Die Laminarstruktur, die aus der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 14 und den beiden die Schicht 14 in Sandwichanordnung umgebenden Elektrodenschichten 16, 16 besteht, ist auf der Schicht 6a ausgebildet.
  • Bei den dargestellten Ausführungsformen der Fig. 1-11 ist zwar nur ein Aktuator auf einem Substrat vorgesehen, aber das Prinzip der vorliegenden Erfindung kann auch vorteilhaft auf eine Anordnung angewandt werden, bei der ein einzelnes Substrat eine Vielzahl oder Mehrzahl piezoelektrischer oder elektrostriktiver Aktuatoren trägt, von denen jeder Elektrodenstreifen und piezoelektrische/elektrostriktive Elemente oder eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht umfaßt.
  • Das in den oben beschriebenen dargestellten Ausführungsformen verwendete Substrat 2 hat je nach der Anwendung des relevanten Aktuators eine geeignete Gestalt oder Konfiguration. Beispielsweise hat das Substrat 2 eine polygonale Gestalt, wie z.B. die eines Dreiecks, Quadrats, Fünfecks oder Sechsecks, oder andere Gestalten, wie z.B. Kreis, Ellipse oder Kreisring, oder jede beliebige spezielle Gestalt, so auch eine Kombination aus den obigen Gestalten. Das Substrat 2 kann jede(n) gewünschte(n) Ausschnitt oder Lücke haben.
  • Das Substrat 2 kann aus einem Einkristall oder einem Material gebildet sein, das aus verschiedenen Keramikmaterial ien ausgewählt ist, und kann wünschenswerterweise Anisotropie aufweisen, was die Elastizität betrifft. Das Keramikmaterial kann entweder ein Oxid- oder ein Nichtoxid-Material sein. Das Substrat 2 kann aus einem Metallblech oder einem Legierungsblech bestehen, dessen relevante(r) Oberflächenabschnitt oder - abschnitte zumindest teilweise mit (einer) Isolierschicht oder -schichten bedeckt ist/sind.
  • Wenn das Substrat 2 aus einem Keramikmaterial gebildet ist, kann das Keramiksubstrat aus einem dielektrischen Blättchen, einem piezoelektrischen Blättchen oder einem anderen Keramikblättchen mit einer bestimmten Funktion bestehen, sowie aus einer elektrisch isolierenden Schicht. Weiters kann das Substrat 2 aus einem elastischen oder weichen Material, wie z.B. einem organischen Film, gebildet sein und kann entweder (eine) gerade Oberfläche oder Oberflächen oder (eine) gekrümmte Oberfläche oder Oberflächen aufweisen.
  • Das Substrat 2 kann zwar in einer gewünschten Gestalt oder Konfiguration ausgebildet werden, indem ein Material verwendet wird, das auf geeignete Weise aus verschiedenen bekannten Materialien ausgewählt wird, ist aber vorzugsweise aus einem Keramikmaterial gebildet, insbesondere einer Keramikzusammensetzung, deren Hauptkomponente im wesentlichen aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkonoxid, Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid besteht. Damit das Substrat bei einer relativ geringen Dicke, wie oben angeführt, hervorragende Eigenschaften aufweist, ist es besonders wünschenswert, die Keramikzusammensetzung zu verwenden, die Aluminiumoxid oder Zirkonoxid als Hauptkomponente enthält.
  • Die Dicke des Keramiksubstrats beträgt vorzugsweise 100 µm oder weniger, mehr bevorzugt 50 µm oder weniger und am meisten bevorzugt 30 µm oder weniger. Der Elastizitätsmodul des Keramiksubstrats liegt vorzugsweise zwischen 1,5 x 10&sup6; kg/cm² und 4,5 x 10&sup6; kg/cm², und mehr bevorzugt zwischen 2,0 x 10&sup6; kg/cm² und 4,0 x 10&sup6; kg/cm². Weiters beträgt die Biegefestigkeit des Keramiksubstrats vorzugsweise 120 MPa (1.200 kp/cm²) oder mehr und mehr bevorzugt 150 MPa (1.500 kp/cm²) oder mehr. Die Anmelder haben entdeckt, daß die Verwendung des Keramiksubstrats mit der Dicke und den Eigenschaften in den oben angeführten Bereichen wünschenswert ist, um es zu ermög ichen, daß der piezoelektrische/elektrostriktive Aktuator gemäß vorliegender Erfindung für ein ausreichend großes Ausmaß an Durchbiegung oder Biegekraft und eine ausreichend hohe Betriebsreaktion sorgt.
  • Die Elektrodenstreifen 4 und die Elektrodenschicht 16 können aus jedem bekannten Elektrodenmaterial, wie z. B. Metallen, Legierungen, intermetal 1 ischen Verbindungen oder elektrisch leitenden Keramikmaterialien gebildet sein. Beim Ausbilden der Elektroden werden diese Materialien nach einer geeigneten Technik, wie z.B. Dickfilm oder Dünnfilm-Ausbildungstechniken, Plattierungstechniken oder Beschichtungstechniken aufgetragen. Das in Form einer Schicht aufgetragene Elektrodenmaterial wird nach einem geeigneten bekannten Verfahren, wie z.B. Laserschneiden, Abstechen (in Scheiben) oder anderen maschinellen Bearbeitungsvorgängen oder photolithographische Ätztechnik gemustert.
  • Die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 6 oder die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 14, 6a kann ein bekanntes Material sein, das die umgekehrte piezoelektrische Wirkung oder die elektrostriktive Wirkung aufweist. Ein solches piezoelektrisches oder elektrostriktives Material kann entweder eine Behandlung für die anfängliche Polarisierung oder Polung erfordern oder keine solche Polarisierungsbehandlung erfordern. Das Material kann die Form eines Kristalls, eines Halbleiters, eines Keramik- oder Polymergewichtsmaterials oder eines Verbundmaterials daraus haben.
  • Die Hauptkomponente der verwendeten piezoelektrischen/elektrostriktiven Zusammensetzung besteht vorzugsweise aus Blei-Zirkonium-Titanat (PZT), Blei- Magnesium-Niobat (PMN), Blein-Nickel-Niobat (PNN), Blei-Mangan-Niobat, Blei- Antimon-Stannat, Bleititanat, Banumtitanat, Bleiniobat, Bariumniobat oder einem Gemisch daraus. Weiters kann der piezoelektrischen oder elektrostriktiven Zusammensetzung, deren Hauptkomponente aus PZT besteht, ein Material (wie z.B. PLZT) zugegeben werden, das Lanthan (La), Barium (Ba), Nioblum (Nb), Zink (Zn), Nickel (Ni) und/oder Mangan (Mn) enthält. In Anbetracht der Konstruktion des piezoel ektrischen/elektrostri ktiven Aktuators gemäß vorliegender Erfindung ist es wünschenswert, daß die piezoelektrische Konstante d&sub3;&sub3;i des Materials, das für die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente oder die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht verwendet wird, 100 x 10&supmin;¹² [C/N] oder mehr beträgt, um hervorragende Betriebseigenschaften des Aktuators zu gewährleisten.
  • Das ausgewählte piezoelektrische/elektrostriktive Material wird auf das Substrat 2 oder die Elektrodenschicht 16 durch eine Dünnfilm-Ausbildungstechnik, wie z.B. Vakuumdampfablagerung, Sputtern, Ionenplattierung, Cluster-Ionenstrahlverfahren oder CVD, oder eine Beschichtungstechnik, wie z.B. Spinning, Eintauchen, Sprühen oder Aufstreichen, oder alternativ dazu nach einer Dickfilm-Ausbildungstechnik, wie z.B. einer Bedrucktechnik unter Verwendung einer Druckpaste ohne einen verbindenden Kleber aufgetragen, um die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 6 oder die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 14, 6a zu bilden. Die Bedrucktechnik ist jedoch am meisten erwünscht. Zur Verbesserung der Eigenschaften des piezoelektrischen/elektrostriktiven Materials ist Wärmebehandlung des ausgebildeten dünnen oder dicken Films sehr wirksam.
  • Es sind zwar die zur Zeit bevorzugten Ausführungsformen des piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuators gemäß vorliegender Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben worden, es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf die Details der dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuators, umfassend ein Substrat (2,18), eine Vielzahl von Elektroden (4) in Form von Streifen, die auf zumindest einem Abschnitt zumindest einer Oberfläche des Substrats so ausgebildet sind, daß die Streifen voneinander in einer Richtung parallel zu der zumindest einen Oberfläche voneinander beabstandet sind, sowie längliche, piezoelektrische oder elektrostriktive Elemente (6, 6a), die jeweils zwischen angrenzenden Elektrodenstreifen angeordnet sind und deren Längsrichtungen parallel zu den angrenzenden Elektrodenstreifen verlaufen und die die angrenzenden Elektrodenstreifen berühren, wobei die piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elemente beim Anlegen einer Spannung zwischen den angrenzenden Elektrodenstreifen aufgrund zumindest eines Längsmodus des umgekehrten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekts ein Durchbiegen oder eine Biegekraft erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2,18) ein Keramiksubstrat ist, daß die Elektrodenstreifen (4) nach einem direkten Filmbildungsverfahren, ausgewählt aus Dickfilm- oder Dünnfilmbildungs-, Plattierungsund Beschichtungsverfahren, ohne einen verbindenden Kleber direkt auf dem Substrat (2,18) ausgebildet werden, und daß die piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elemente (6,6a) nach einem direkten Filmbildungsverfahren, ausgewählt aus Dickfilmoder Dünnfilmbildungs- und Beschichtungsverfahren, ohne einen verbindenden Kleber direkt auf dem Substrat (2,18) ausgebildet werden
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Elektrodenstreifen (4) von parallelen, länglichen Teilen zweier kammartiger Elektrodenmuster (8a, 8b) gebildet werden, die in einem Muster und relativ zueinander interdigital bzw. in Doppelkamm-Form angeordnet werden, wobei jedes der beiden kammartigen Elektrodenmuster einen Verbindungsabschnitt (10) umfaßt, der die länglichen Teile an einem der gegenüberliegenden Enden davon so verbindet, daß sich die länglichen Teile eines jeden Elektroden musters von dessen Verbindungsabschnitt zum Verbindungsbschnitt des anderen Elektrodenmusters hin erstrecken.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Elektrodenstreifen (4) und die piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuatorelemente (6) auf einer der gegenüberliegenden Hauptflächen des Substrats (2) ausgebildet werden, wobei der Aktuator weiters eine Laminarstruktur umfaßt, die aus einer auf der anderen der gegenüberliegenden Hauptflächen des Substrats ausgebildeten, ersten Elektrodensch icht (16), einer auf der ersten Elektrodenschicht ausgebildeten, piezoelektrischen oder elektrostriktiven Schicht (14), und einer auf der piezoelektrischen oder elektrostriktiven Schicht ausgebildeten, zweiten Elektrodenschicht (16) besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Substrat (2) eine piezoelektrische oder elektrostriktive Platte (1 7), die aus einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material gebildet wird, sowie zwei Elektrodenschichten (16) umfaßt, welche die piezoelektrische/elektrostiktive Schicht in Sandwichanordnung umgeben.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Vielzahl von Elektroden (4) im piezoelektrischen oder elektrostriktiven Abschnitt (6a) eingebettet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das Substrat (2) aus einem Keramikmaterial besteht, dessen Hauptkomponente aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkonoxid, Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid ausgewählt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Substrat (2) eine Dicke von 100 µm oder weniger und eine Biegefestigkeit von 120 MPa (1200 kp/cm²) oder mehr aufweist.
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