DE69109990T2

DE69109990T2 - Piezoelektrischer Antrieb.

Info

Publication number: DE69109990T2
Application number: DE69109990T
Authority: DE
Inventors: Yoshiki Inoue; Atsushi Ochi; Kaneo Uehara
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-10-05
Filing date: 1991-10-07
Publication date: 1995-10-12
Anticipated expiration: 2011-10-08
Also published as: DE69109990D1; US5237239A; EP0479328A2; JPH04214686A; EP0479328B1; EP0479328A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Antrieb und insbesondere auf einen spaltartigen (slit-type) piezoelektrischen Antrieb.

Beschreibung des Standes der Technik

Ein piezoelektrischer Antrieb ist ein Wandler,der elektrische Energie umwandelt, indem der elektrostriktive Effekt eines piezoelektrischen Elementes ausgenutzt wird.
Insbesondere verwendet ein Elektrostriktionseffektelement die Verformung, die in dem piezoelektrischen Element erzeugt wird, das einen starken Elektrostriktionseffekt entfaltet, wie Bleimagnesiumniobat-Bleititanat-Keramik und Bleizirkonattitanat-Keramik, wenn eine Elektrode aus Metall oder ähnlichem Material auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen des piezoelektrischen Elements angebracht wird, und eine Betriebsspannung angelegt wird.
Bei dem oben genannten Elektrostriktionseffekt ist die Verformung, die parallel zum angelegten Feld (longitudinaler Elektrostriktionseffekt) erzeugt wird, gewöhnlich ungefähr zweimal so groß, wie die Verformung, die senkrecht zum elektrischen Feld (transversaler Elektrostriktionseffekt) erzeugt wird, so daß es vorteilhaft ist die Vorhergehende zu verwenden, wobei außerdem die Übertragungseffizienz von elektrischer zu mechanischer Energie hoch ist.
Bei einem piezoelektrischen Antrieb, der den longitudinalen Elektrostriktionseffekt ausnützt (hier im folgenden als Aktor bezeichnet), ist der Betrag der Verschiebung pro Einheitslänge des Aktors im wesentlichen proportional zur Intensität des angelegten Feldes.
Um nämlich eine hohe Auslenkung zu erhalten, ist es notwendig, eine hohe Spannung zwischen die gegenüberliegenden Elektroden anzulegen, oder die Distanz zwischen den Elektroden zu verringern.
Um eine hohe Spannung anzulegen braucht man jedoch ein groß-dimensioniertes und teures Netzgerät, wobei sich auch die Betriebsunsicherheit erhöht, so daß es zweckmäßiger ist, die Distanz zwischen den gegenüberliegenden Elektroden zu verringern.
Hierzu wird ein piezoelektrischer Antrieb bzw. Aktor mit keramisch beschichteter Kondensator-Bauart vorgeschlagen, um den Aktor mit kleinerer Distanz zwischen den gegenüberliegenden Elektroden zu realisieren.
Die Ausbildung des Aktors in der vorstehend genannten Bauart wird in Fig. 1B dargestellt.
Fig. 1A ist ein Querschnitt des Aktors in der Ebene parallel zur Beschichtungsrichtung der Ausführung. Zusätzlich ist in Fig 1B die Projektion auf seine Beschichtungsrichtung dargestellt.
Wie in Fig. 1A dargestellt, besteht dieser Aktor aus einem keramischen Bauteil, in dem interne Elektroden vorgesehen sind, die in seinem Inneren einen spezifischen Abstand haben, und aus einem keramischen Bauteil, in dem keine interne Elektrode eingebaut ist.
Der kerainische Bauteil mit den internen Elektroden im Inneren wird gewöhnlich als aktive Schicht 1 bezeichnet und ist der Bauteil, der zum Betrieb als ein Element beiträgt, das den longitudinalen Elektrostriktionseffekt in der Keramik erzeugt, wenn eine Spannung zwischen den internen Elektroden angelegt wird.
In der aktiven Schicht 1 werden interne Elektroden 3a und 3b mit einem spezifischen Abstand im Inneren der Keramik 2 gebildet und abwechselnd für jede Schicht mit externen Elektroden 4a und 4b verbunden, die auf der Seitenoberfläche des Aktors vorgesehen sind, und die benachbarten internen Elektroden bilden wechselseitig gegenüberliegende Elektroden mit einer keramischen Schicht zwischen sich.
Der Abstand zwischen den internen Elektroden kann mit der herkömmlichen schichtkeramischen Kondensatortechnologie auf einen minimalen Abstand von ungefähr 10 um gebracht werden.
Andererseits wird der Bauteil, der in seinem Inneren keine internen Elektroden hat, gewöhnlich als inaktive Schicht 5 bezeichnet und ist der Bauteil, der zum Betrieb des Aktors wegen des Fehlens von internen Elektroden, zum Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den Elektroden nichts beiträgt, außer den Elektrostriktionseffekt zu zeigen. Dieser Bauteil ist jedoch nötig um Fluktuation in den Komponenten der Keramik 2 der aktiven Schicht 1 im Moment der Hochtemperaturwärmebehandlung während des Herstellungsprozesses, der im folgenden beschrieben wird, zu verhindern.
Indem die Bauart mit der oben genannten schichtkeramischen Kondensatorstruktur versehen wird, ist es möglich, den Abstand zwischen den internen Elektroden der aktiven Schicht 1 zu reduzieren. Daher wird es möglich, sogar mit niedriger Spannung ein hohes elektrisches Feld an das elektrostriktive Material anzulegen, wobei eine Ausführung realisiert wird, die den longitudinalen Elektrostriktionseffekt ausnutzt und bei schwacher Spannung betrieben werden kann.
Bei einem Antrieb der oben genannten Ausführung ist der Bereich, in dem die internen Elektroden überlappen (der Abschnitt des innersten Rechtecks in Fig. 1B) klein verglichen mit der Querschnittsfläche des Aktors.
Wenn daher durch das Anlegen von Spannung an den Aktor eine große Verformung in dem Abschnitt, in dem sich die internen Elektroden überlappen, erzeugt wird, so tritt eine hohe Spannungskonzentration im Grenzabschnitt 6, zwischen dem Abschnitt, in dem sich die internen Elektroden überlappen, und dem Abschnitt, in dem sie sich nicht überlappen auf, und es können Fälle auftreten in denen der Aktor, falls die angelegte Spannung hoch genug ist, zerbricht.
Um diesen Defekt des herkömmlichen Aktors zu verbessern, wird ein Antrieb vorgeschlagen in dem Kerben (im folgenden als Spalten bezeichnet) parallel zu den internen Elektroden auf der Seitenoberfläche der schichtkeramischen Kondensatorbauart eines piezoelektri-schen Aktors vorgesehen sind.
Ein Aktor dieser Bauart wird in EP-A-0 094 078 offenbart (Japanisches Patent, Offenlegungsnummer 58-196077) und seine Ausführung ist in Fig. 2A und Fig. 2B dargestellt. Ein Aktor dieser Bauart wird im folgenden als Spalten- Aktor bezeichnet.
Fig. 2A zeigt einen Schnitt in einer Ebene parallel zur Schicht-Richtung des Spalten-Aktors und Fig. 2B zeigt die Seitenoberfläche des Spalten-Aktors, in der keine externen Elektroden gebildet sind.
Mit diesem Spalten-Aktor ist es möglich, seinen mechanischen Zusammenbruch zu verhindern, indem im Moment der Entstehung einer Verzerrung in dem Spalten-Aktor die Spannungskonzentration dadurch verteilt und abgebaut wird, daß eine Vielzahl von Spalten vorgesehen sind, die die Seitenoberfläche des Spalten-Aktors in den Abschnitten umgeben, in denen keine Überlappung der internen Elektroden existiert, und daher keine Spannung auftritt (nämlich der Abschnitt der Keramik zwischen den externen Elektroden 4a und 4b und den internen Elektroden 3b und 3a.
Als Ergebnis ist es möglich, eine größere Auslenkung zu erzielen, da eine höhere Spannung als beim herkömmlichen Aktor angewendet werden kann.
Im folgenden wird das Herstellungsverfahren des Spalten- Aktors beschrieben.
Zuerst wird Pulver eines Materials, das den Elektostriktionseffekt vorweist, so wie eine Bleimagnesiumniobat-Bleititanat-Keramik oder eine Bleizirkonattitanat-Keramik als Ausgangsmaterial verwendet, ein organisches Lösungsmittel, ein Binder und ein Weichmacher werden zugefügt, und durch Rühren und Mixen dieser Ingredienzien wird ein Schlamm vorbereitet.
Daraufhin wird aus dem Schlamm eine grüne keramische Platte (green sheet) nach der Doktor-Blade-Methode oder mit ähnlichen Methoden hergestellt.
Nach dem Trocknen der grünen Platte (green sheet) werden eine Paste für die internen Elektroden, die Pulver einer Silberpalladium-Legierung als Hauptbestandteil enthält und eine Paste für das Spaltenbildungsmaterial, die Kohlenstoff als Hauptbestandteil enthält, auf die grüne Platte (green sheet) mit Siebdruck oder mit einem ähnlichen Verfahren gedruckt.
Als nächstes wird ein keramisch geschichteter Körper durch Integration mittels Stapelung und Thermokompressions-Schweißen gewonnen.
Durch die Behandlung des keramisch geschichteten Körpers bei 600ºC in Luft werden der Binder und das spaltenformende Material thermisch zersetzt und zerstreut, und entstehen Leerstellen für die Spalten.
Daran anschließend wird ein keramisch gesinterter Körper, der in seinem Inneren Leerstellen für die Spalten hat, gewonnen, indem der keramisch geschichtete Körper bei hoher Temperatur von ungefähr 1100ºC gebrannt wird. Dann wird der gesinterte Körper geschnitten und nach Zündung einer Silberpaste für die externen Elektroden auf den zwei Seiten, auf denen sich die internen Elektroden erstrecken, werden Zuleitungsdrähte 8 für das Anlegen einer externen Spannung angebracht und der Spalten-Aktor (Slit- type Aktor) vervollständigt.
Es sei erwähnt, daß man, um die Auslenkung des Aktors in der tatsächlichen Verwendung nach außen zu übertragen, gewöhnlich die Oberfächen von Kopf und Boden des Aktors unter Verwendung von Klebstoff 10 oder ähnlichem mit metallischen Vorrichtungen 9 verbindet, um die Auslenkung in dem Aktor auf die metallische Vorrichtung zu übertragen, wie in Fig. 3 dargestellt.
Der herkömmliche Spalten-Aktor erzeugt manchmal im Ablauf seines Herstellungsverfahrens die folgende Unbequemlichkeit.
Fig. 4 zeigt den Stand der Dinge in der Mitte des Herstellungsverfahrens eines herkömmlichen Spalten-Aktors, und stellt einen Schnitt der Schichtung grüner Platten 13 (green sheet) mit den Mustern für die interne Elektrodenpaste 11 und für das spaltenformende Material 12, die gedruckt werden, dar. Es sei erwähnt, daß in Fig. 4 der Bauteil der inaktiven Schicht fehlt.
In Fig. 4 hat der Abschnitt der grünen Platte (green sheet), der mit A bezeichnet ist, keine gedruckten internen Elektroden, und es gibt geschichtete grüne Platten (green sheet), auf denen das Muster für den spaltenformenden Bauteil 12 nur auf jeder fünften Schicht gedruckt ist.
Im Gegensatz dazu ist der Abschnitt B der Darstellung allein mit dem Muster für die interne Elektrodenpaste bedruckt, und eine große Anzahl dieser Schichten sind geschichtet.
In der Darstellung zeigt der abwechselnd lange und kurze Strich den Abschnitt, in dem die spaltenbildenden Materialien geschichtet sind < der Abschnitt ist mit A gekennzeichnet), die Schnittstelle für die Trennung des Spalten-Aktors in einzelne Teile nach der Sinterung des keramisch geschichteten Körpers.
Fig. 5 ist ein Schnitt des keramisch gesinterten Körpers, der durch Thermokompressionsschweißen und Brennen des keramisch geschichteten Körpers gewonnen wurde. Zusätzlich zur Integration des ganzen Systems wird das spaltenbildende Material zersetzt und zerstreut, um die Leerstellen 14 für die Spalten zu bilden.
In Fig. 5 ist die Anzahl der Schichten mit dem gedruckten Muster (der Abschnitt ist mit A gekennzeichnet) klein, so daß dort der Grad der Druckanwendung während des Thermokompressionsschweißvorganges schwächer ist als in dem Bereich, der mit B bezeichnet ist.
Aufgrund dessen ist der Kontraktionsgrad beim Sintern in Abschnitt A größer als in Abschnitt B, und es wird eine insgesamt ungleichmäßige Kontraktion erzeugt, was die Bildung von Brüchen in Abschnitt A begünstigt.
Wenn solche Brüche 15 erzeugt werden, wird die mechanische Festigkeit des Spalten-Aktors, der von dem keramisch gesinterten Körper abgetrennt ist, reduziert, so daß der Bauteil bei Anwendung einer Schweißkraft dazu tendiert, zerstört zu werden.
Wenn außerdem große und tiefe Brüche erzeugt werden, die sogar in den Bereich der gegenüberliegenden internen Elektroden hineinreichen, kann das Anlegen einer Spannung zum Zweck einer Auslenkung aufgrund einer Entladung, die zwischen den internen Elektroden zustandekommt, zum Zusammenbruch des Aktors führen.
Aus diesem Grund ist es bei herkömmlichen Spalten-Aktoren schwierig eine große Auslenkung durch Anlegen einer hohen Spannung zu erzielen, da die Spannung, die angelegt werden kann, auf geringe Werte begrenzt ist.
Im folgenden werden Probleme beschrieben, die beim Einsatz des Spalten-Aktors auftreten.
Wie oben beschrieben, wird, wie in Fig. 3 gezeigt, gewöhnlich um die Auslenkungen des Spalten-Aktors nach außen zu führen, seine obere und untere Oberfläche mit metallischen Vorrichtungen 9 verbunden.
In diesem Fall wird als Klebstoff 10 ein Kunstharz mit hohem Young'schen Elastizitätsmodul verwendet, um die Auslenkung des Aktors nicht zu absorbieren, und es wird im allgemeinen ein thermosetzendes Kunstharz verwendet.
Demzufolge wird das Verbinden der metallischen Vorrichtungen 9 mit dem Aktor durch Abkühlen des erhitzten Zustands von 150º bis 200ºC auf gewöhnliche Temperaturen ausgeführt.
Bei dieser Operation ist der Betrag der Kontraktion beim Abkühlen für die metallische Vorrichtung höher, da der Wärmeausdehnungskoeffizeint der metallischen Vorrichtung 9 größer ist als der Ausdehnungskoeffizient des Aktors.
Aus diesem Grunde werden Kompressionskräfte an der Endoberfläche des Aktors erzeugt, wie mit den Pfeilen in Fig. 3 dargestellt, und das Resultat ist, daß die inaktive Schicht 5 verformt wird, wie durch die unterbrochene Linie in der Zeichnung dargestellt ist.
Außerdem wird die Verformung des Aktors eine Rolle spielen, wenn eine Spannung an den Aktor angelegt wird.
In Fig. 3 wird die aktive Schicht 1 in Richtung der Schichtung gemäß dem longitudinalen Elektrostriktionseffekt verlängert und senkrecht zur Schichtungsrichtung gemäß dem transversalen Elektrostriktionseffekt verkürzt, wenn eine Spannung an den Aktor angelegt wird.
Es wird jedoch keine Verformung in der inaktiven Schicht 5 erzeugt, so daß die aktive Schicht 1 in eine Verformung gezwungen wird, wie von den abwechselnd langen und kurzen Strichen in Fig. 3 gezeigt. (Die Verlängerung gemäß dem longitudinalen Elektrostriktionseffekt ist in der Figur nicht dargestellt.)
Daher wird als kombinierter Effekt dieser beider Arten der Deformation eine hohe Zugspannung an der Grenzschicht der aktiven Schicht 1 und der inaktiven Schicht 5 erzeugt, die in dem Abschnitt der internen Elektrode 3c der äußersten Schicht ist.
Die Festigkeit des Aktors gegenüber Zugspannung ist in der Grenzschicht zwischen Keramik und interner Elektrode schwächer als in der Keramik selbst, die das elektrostriktive Material ist.
Wenn demzufolge eine hohe Spannung an den Aktor angelegt wird, zum Zweck eine hohe Auslenkung zu erzielen, gibt es die Tendenz des mechanischen Zusammenbruchs an der Grenzschicht der Elektrode 3c der äußersten Schicht.
Erwartungsgemäß tritt eine ähnliche Situation auch bei den internen Elektroden der äußersten Schicht der gegenüberliegenden Seite auf (nämlich am unteren Ende des Aktors).
Obwohl die vorstehende Beschreibung unter Bezug auf einen gewöhnlichen Aktor, der kein Spalten-Aktor ist angefertigt wurde, treten ähnliche Phänomene auch beim Spalten-Aktor auf.
Aus diesem Grund ist es nötig, bei der herkömmlichen Spalten-Bauart die angelegte Spannung auf geringe Werte zu begrenzen, um mechanischen Zusammenbruch an der Grenzschicht der internen Elektrode der äußersten Schicht zu vermeiden.
Um vorstehendes zusamenzufassen, werden beim herkömmlichen Spalten-Aktor im Verlauf des Herstellungsverfahrens leicht Brüche erzeugt, und darüber hinaus wirkt bei dessen Einsatz eine große Zugspannung auf die Grenzschicht der internen Elektrode der äußersten Schicht.
Deswegen hat der herkömmliche Spalten-Aktor den Nachteil, daß es notwendig ist bei dessen Einsatz die angelegte Spannung auf ein niedriges Niveau zu begrenzen, um dielektrischen Zusammenbruch zwischen den internen und externen Elektroden zu verhindern und um den mechanischen Zusammenbruch des Spalten-Aktors zu verhindern, wobei es schwierig ist eine große Auslenkung unter Verwendung einer hohen Spannung zu erzielen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demzufolge ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen piezoelektrische Antrieb (Aktor) bereitzustellen, der aufgrund seiner Bauart die oben genannten Nachteile verbessert.
Entsprechend einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung, sind bei einem piezoelektrischen Aktor der Bauart, bei der eine Materialschicht, die den Elektrostriktionseffekt vorweist, und eine Schicht interner Elektroden abwechselnd geschichtet sind, die jeweiligen internen Elektroden derart mit externen Elektroden verbunden, daß die benachbarten internen Elektroden von beiden Seiten gegenüberliegen, und es sind Kerben parallel zu den internen Elektroden auf der Seitenoberfläche parallel zur Schichtungsrichtung vorgesehen, wobei das Elektrostriktionseffekt-Bauteil entsprechend der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kerbe betrachtet in Richtung der Schichtung auf der Außenseite der äußersten Schicht der internen Elektroden vorgesehen ist, und daß die Schicht auch zwischen den internen Elektroden der äußersten Schicht und der benachbarten Elektrode vorgesehen ist.
Entsprechend einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung sind bei einem piezoelektrischen Antrieb der Bauart, bei der eine Materialschicht, die den Elektrostriktionseffekt vorweist, und eine Schicht interner Elektroden abwechselnd geschichtet sind, die jeweiligen internen Elektroden derart mit externen Elektroden verbunden, daß die benachbarten internen Elektroden von beiden Seiten gegenüberliegen, und es sind Kerben parallel zu den internen Elektroden auf der Seitenoberfläche parallel zur Schichtungsrichtung vorgesehen, wobei das Elektrostriktionseffekt-Bauteil entsprechend der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Enden der internen Elektroden, die mit einer der externen Elektroden verbunden sind, sich auf den zwei Seitenoberflächen erstrecken, auf denen keine externen Elektroden ausgebildet sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Das oben gesagte und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung deutlicher werden, wobei:
Fig. 1A und Fig. 1B jeweils einen Längsschnitt und eine Projektion darstellen, die die Ausführung eines herkömmlichen piezoelektrischen Aktors zeigen;
Fig. 2A und Fig. 2B jeweils einen Längsschnitt und ein Aufriß darstellen, die die Ausführung eines herkömmlichen piezoelektrischen Spalten-Aktors (Slit-type Aktor) zeigen;
Fig. 3 ein Diagramm zeigt, das den Zustand der Verbindung des Aktors mit den metallischen Vorrichtungen veranschaulicht;
5Fig. 4 einen Schnitt zeigt, der die Ausführung des keramisch geschichteten Körpers während des Herstellungsverfahrens des herkömmlichen Spalten-Aktors (Slit- type Aktor) darstellt;
Fig. 5 einen Schnitt zeigt, der die Ausführung eines keramisch gesinterten Körpers während des Herstellungsverfahrens des herkömmlichen Spalten-Aktors (Slit-type Aktor) darstellt;
Fig. 6A bis Fig. 6C sind jeweils einen Längsschnitt, einen Seitenaufriß und eine Projektion zeigt, die die Ausführung eines ersten Gegenstandes der vorliegenden Erfindung darstellen;
Fig. 7 einen Schnitt zeigt, der die Ausführung eines keramisch geschichteten Körpers während des Herstellungsverfahrens des ersten Gegenstandes der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 8 einen Längsschnitt zeigt, der die bevorzugte Ausführung des zweiten Gegenstandes der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 9 einen vergrößerten Teilschnitt zeigt, um die Verformungsbedingung zu beschreiben, wenn der zweite Gegenstand der vorliegenden Erfindung mit metallischen Vorrichtungen verbunden ist, und eine Spannung angelegt ist; und
Fig. 10 ein Diagramm der Auslenkungscharakteristik zeigt, um die Wirkungsweise des zweiten Gegenstandes der vorliegenden Erfindung zu beschreiben.

BESCHREIBUNG DER VORTEILHAFTEN ERFINDUNGSGEGENSTÄNDE

Bezugnehmend auf Fig. 6A bis 6C hat der Spalten-Aktor (Slit-type Aktor) gemäß der vorliegenden Erfindung die Bauart, in der die internen Elektroden 3b, die mit den externen Elektroden 4b verbunden sind, sich zu beiden Seitenoberflächen erstrecken, auf denen die externen Elektroden 4a und 4b nicht vorgesehen sind.
Bei dem vorliegenden Gegenstand ist die Schnittfläche des Spalten-Aktors (Slit-type Aktor) 4 mm x 4 mm, der Abschnitt der Überlappung der internen Elektroden 3a und 3b ist 3 mm x 3 mm, und jede Spalte reicht von der Seitenoberfläche des Aktors 0,5 mm tief in sein Inneres hinein.
Die Höhe des Spalten-Aktors ist 10 mm, der gegenseitige Abstand der internen Elektroden ist 0,1 mm und der Abstand zwischen Spalte und interner Elektrode ist 0,1 mm.
Im folgenden wird das Herstellungsverfahren des ersten Gegenstandes der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Beim ersten Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird als Elektrostriktionseffekt-Material ein Bleimagnesiumniobat-Bleititanat-System (0,9Pb (Mg1/3 Nb2/3)O&sub3; - 0,1 PbTiO&sub3;) als Ausgangsmaterial verwendet, eine vorbestimmte Menge eines organischen Lösungsmittels, ein Binder und ein Weichmacher werden dann dem erhitzten und pulverisiertem Ausgangsmaterial beigefügt, und durch Rühren und Mixen dieser Igredienzien wird ein Schlamm erzeugt.
Der Schlamm wird mit dem Doktor-Blade-Verfahren auf einen Polyesterfilm gegossen und eine grüne 130 um dicke Platte (green sheet) ist hergestellt.
Nach Schneiden der grünen Platte (green sheet) in eine vorbestimmte Gestalt, wird eine Paste für die internen Elektroden, die aus Pulver einer Silber-Paladium- Legierung besteht, und eine Paste für das spaltenbildende Material, die als Hauptbestandteil Kohlenstaub enthält, werden unter Verwendung des Siebdruckverfahrens auf vorbestimmte Positionen gedruckt.
Eine vorbestimmte Anzahl dieser grünen Platten werden in einer vorbestimmten Ordnung geschichtet und zu einem ganzeinheitlichem Körper mittels Thermokompressionsschweißen geformt.
Fig. 7 ist ein Schnitt des keramisch geschichteten Körpers der vorliegenden Erfindung. Er ist derart ausgebildet, daß das Muster der internen Elektrodenpaste 11a abwechselnd auf einer Schicht vorhanden und nicht vorhanden ist.
Daher kann im Vergleich zu dem herkömmlich geschichtetem Körper ein gleichmäßiger Druck auf einfache Weise auf die Abschnitte A und B des keramisch geschichteten Körpers ausgeübt werden.
Als nächstes wird der keramisch geschichtete Körper, der wie oben beschrieben erzeugt wurde, bei 600ºC in Luft behandelt, der Binder und das spaltenbildende Material, in dem keramisch geschichtetem Körper werden durch thermische Zersetzung entfernt, und ein keramisch gesinterter Körper mit internen Leerstellen wird durch Erhitzen bei 1100ºC erzeugt.
Wie oben gesagt, kann gemäß dem vorliegenden Gegenstand der Erfindung ein keramisch gesinterter Körper hoher Qualität gewonnen werden, wobei keine Restspannung im Inneren des keramisch geschichteten Körpers erzeugt wird, und die Bildung von Brüchen unterdrückt wird, da während der gesamten Zeit des Thermokompressionsschweißvorganges und der Integration des keramisch geschichteten Körpers ein überall gleichwirkender Druck aufgewendet wird.
Schließlich werden nach dem Schneiden des keramisch geschichteten Körpers an vorbestimmten Positionen, und dem Aufbringen und Einbrennen einer Silberpaste für die externen Elektroden auf den zwei Seiten, auf denen sich die internen Elektroden erstrecken, Zuleitungsdrähte für die Spannungsversorgung angebracht, die den Spalten-Aktor der vorliegenden Erfindung vervollständigen.
Als Resultat der Herstellung von jeweils 500 Exemplaren des Spalten-Aktors der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, und des herkömmlichen Spalten-Aktors, wurde ermittelt, daß der Ausschuß des erstgenannten 0% im Gegensatz zu 13% des letzteren war, der 65 Einheiten mit Brüchen aufwies.
Es sei erwähnt, daß nachdem ein Spalten-Aktor der vorliegenden Erfindung und ein herkömmlicher Spalten-Aktor einer Polarisationsbehandlung von 150V DC eine Minute lang ausgesetzt war, die Messung der Auslenkung bei 150 V für beide Arten von Aktoren 7,5 um betrug.
Im folgenden wird der zweite Ausführungsgegenstand der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 8 ist ein Längsschnitt, der die Ausführung des zweiten Gegenstandes der vorliegenden Erfindung darstellt.
Die Ausführung des Spalten-Aktors (Slit-type Aktor) der vorliegenden Erfindung hat eine Querschnittsfläche von 4 mm x 4 mm, die Fläche für den überlappenden Abschnitt der internen Elektroden 3a und 3b, der der Abschnitt ist, in dem die Auslenkung erzeugt wird, hat eine Querschnittsfläche von 3 mm x 3 mm, und der Abstand zwischen den internen Elektroden ist 0,1 mm.
Außerdem hat jede Spalte 7 eine Tiefe von 0,5 mm gemessen von der Oberfläche und eine Ausdehnung in Schichtungsrichtung von 5 um.
In dem vorliegenden Gegenstand sind neben den oben genannten Ausführungen eine Spalte 7a, positioniert außerhalb der internen Elektrode 3c der äußersten Schicht, und eine Spalte 7b, positioniert zwischen der internen Elektrode der äußersten Schicht und der benachbarten internen Elektrode 3d.
Ähnlich sind die Schlitze 7e und 7d auf beiden Seiten der internen Elektrode 3e vorgesehen, die die äußerste Schicht auf der Bodenoberfläche des Spalten-Aktors (Slit- type Aktor) in der Darstellung ist.
Im folgenden wird die oben beschriebene Ausführung als Struktur I bezeichnet.
Der oben genannte Spalten-Aktor wurde unter identischen Bedingungen wie der erste Gegenstand hergestellt, indem als Elektostriktionseffektmaterial eine Bleizirkonat- Titanat-Keramik ausgewählt wurde.
Weiterhin wurde das Schichtungsverfahren des keramisch geschichteten Körpers, nämlich das Drucken der Muster der internen Elektroden auf die grüne Platte (green sheet), anders als bei dem ersten Erfindungsgegenstand ausgeführt, und zwar genau so ausgeführt wie das Schichtungsverfahren bei dem herkömmlichen Spalten-Aktor.
In Fig. 9 wird ein vergrößerter vertikaler Schnitt dargestellt, in dem ein Spalten-Aktor mit der Struktur I der vorliegenden Erfindung mit einer metallischen Vorrichtung 9 verbunden wird.
Wie der Figur zu entnehmen ist, ist eine Spalte 7a außerhalb der internen Elektrode 3c der äußersten Schicht vorgesehen. Außerdem ist ebenso eine Spalte 7b zwischen der internen Elektrode 3c der äußersten Schicht und der benachbarten internen Elektrode 3d vorgesehen.
Von der Zugspannung, die auf die Zwischenschicht der internen Elektrode 3c ausgeübt wird, wird die Spannung, die als Resultat des Verbindungsvorganges mit der metallischen Vorrichtung auftritt (eine Kraft, die in Fig. 4 aufwärts gerichtet ist), durch die Anwesenheit von Schlitz 7a entspannt.
Auf der anderen Seite wird die Spannung, die als Resultat des Anlegens einer Spannung an den Spalten-Aktor auftritt (eine Kraft, die in Fig. 9 aufwärts gerichtet ist), durch die Anwesenheit von Schlitz 7b entspannt.
Aus diesen Umständen ist dafür gesorgt, daß mechanischer Zusammenbruch an der Grenzschicht der internen Elektrode 3c der äußersten Schicht weniger wahrscheinlich auftritt.
Als nächstes werden, um den Effekt der vorliegenden Erfindung zu bekräftigen, Kopf und Bodenenden des Spalten- Aktors, der wie oben beschrieben hergestellt wurde, mit metallischen Vorrichtungen 9 verbunden, wobei Kunstharz verwendet wurde, und bei 150ºC ausgehärtete.
Auf der anderen Seite wurde zum Zweck des Vergleichs ein herkömmlicher Spalten-Aktor, bei dem die Spalten 7a, 7b, 7c und 7d des Spalten-Aktors des vorliegenden Erfindungsgegenstandes fehlen, einem ähnlichen Verfahren ausgesetzt.
Daran anschließend wurde, nachdem jeweils 20 Exemplare beider Arten von Spalten-Aktoren eine Minute lang bei 150V DC einer Polarisationsbehandlung ausgesetzt wurden, die Veränderung der Auslenkung für den Fall des Betriebs mit einer Spannung mit einer Spannungsantriebsrate von 100 V/min (DC) für beide Arten untersucht.
Das Resultat des Tests ist in Fig. 10 dargestellt.
Im Gegensatz zum Auftreten von mechanischen Zusammenbrüchen im Bereich von 240 bis 290 V beim herkömmlichen Spalten-Aktor, wurde die Zusammenbruchsspannung beim Spalten-Aktor des vorliegenden Ausführungsbeispiels in den Bereich von 620 bis 690 V angehoben. Als Resultat wurde mit dem Spalten-Aktor der vorliegenden Ausführung eine größere Auslenkung erzielt als mit dem herkömmlichen Spalten-Aktor.
Indem 20 Exemplare eines Spalten-Aktors in einer Ausführung hergestellt wurden, die zusätzlich eine Spalte, jede an der Position 100 jim außerhalb der Spalten 7a und 7c des Spalten-Aktors der Struktur I hat, die in Fig. 6A dargestellt ist (im folgenden mit Struktur II bezeichnet), wurde dieser Spalten-Aktor der Struktur II auch in gleicher Art und Weise einer Spannung ausgesetzt, wie der Spalten-Aktor der Struktur I. In diesem Fall wurde die Zusammenbruchsspannung weiter in den Bereich von 720 bis 780V erhöht, wie in Fig. 10 dargestellt.
Das Resultat wird als weitere Spannungsreduktion betrachtet, die durch Zunahme der vorgesehenen Spalten erzeugt wird, und zwar wird die Zugspannung an der Grenzschicht der internen Elektroden der äußersten Schicht beim Verbinden des Spalten-Aktors mit den metallischen Vorrichtungen reduziert.
Wie oben beschrieben, kann entsprechend der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung ein keramisch geschichteter Körper ohne interne Restspannung erzeugt werden, und ein keramisch gesinterter Körper hoher Qualität ohne interne Brüche kann durch Erhitzen des geschichten Körpers erzeugt werden.
Darüber hinaus ist es beim Spalten-Aktor entsprechend der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung möglich, die Zugspannung, die in der Grenzschicht der internen Elektrode der äußersten Schicht bei angelegter Spannung von den angebundenen metallischen Vorrichtungen zur Weiterführung der Auslenkung erzeugt wird, zu entspannen, indem Spalten an weiteren äußeren Positionen der internen Elektroden der äußersten Schicht vorgesehen sind, und indem Spalten zwischen den internen Elektroden der äußersten Schichten und entsprechenden benachbarten internen Elektroden vorgesehen sind. Daher kann die Zusammenbruchsspannung, die zu mechanischen Zusammenbrüchen führt, erhöht werden, und da der Spalten-Aktor es ermöglicht, kann eine große Auslenkung nach außen übertragen werden.
Obgleich die Erfindung anhand spezifischer Erfindungsgegenstände beschrieben wurde, ist es nicht beabsichtigt, daß diese Beschreibung die Erfindung einschränkt. Zahlreiche Modifikationen der offenbarten Erfindungsgegenstände sowie anderer Gegenstände der Erfindung werden dem Fachmann beim Studium der Beschreibung der vorliegenden Erfindung offensichtlich sein. Die anhängenden Ansprüche schließen daher den Umfang der Erfindung ein.

Claims

1. Piezoelektrischer Antrieb, bestehend aus:

einem Träger aus piezoelektrischem Material (5), der eine Seitenoberfläche hat, die sich zwischen seinen Kopf und Bodenoberflächen erstreckt,

einer ersten Anordnung interner Elektrodenschichten (3a, 3d), die in dem Träger eingebettet sind, wobei die internen Elektrodenschichten der ersten Anordnung jede voneinander räumlich getrennt sind, aber elektrisch mit einer externen Elektrode (4a) verbunden sind,

einer zweiten Anordnung interner Elektrodenschichten (3b, 3c, 3e), die derart in dem Trager eingebettet sind, daß sie jeweils zwischen die internen Elektrodenschichten (3a, 3d) der ersten Anordnung geschichtet sind und gemeinsam mit einer zweiten externen Elektrode (4b) verbunden sind,

einer Vielzahl Kerben (7), die derart auf der Oberfläche gebildet sind, daß sie eine längliche Achse des Trägers einschließen,

dadurch gekennzeichnet, daß jede eines Paares der äußersten internen Elektrodenschichten (3c, 3e) zwischen einem Paar der Kerben (7a, 7b, 7c, 7d), die an dem äußersten Teilstück des Trägers (5) angeordnet sind, gelagert ist.

2. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, in dem

der Träger derart rechtwinklig ausgebildet ist, daß er vier Seitenoberflächen hat,

Enden der ersten und zweiten Anordnung der internen Elektrodenschichten aus zwei der vier Seitenoberflächen derart herausgebildet sind, daß sie jeweils mit den ersten und zweiten externen Elektroden verbunden sind, und

ein Paar gegenüberliegende Enden der ersten Anordnung interner Elektrodenschichten von den übrigen zwei der vier Seitenoberflächen frei zugänglich ist.

3. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, außerdem bestehend aus

einem Paar zusätzlicher Kerben, die jeweils zwischen den äußersten Kerben und den Kopf und Bodenoberflächen vorgesehen sind.

4. Piezoelektrischer Antrieb bestehend aus:

einer Vielzahl piezoelektrischer Schichten (13), mit einer Vielzahl interner Elektrodenschichten (3a-3e), die jeweils zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordnet sind,

zwei externen Elektroden (4a, 4b), die alternierend mit den internen Elektroden verbunden sind, und

einer Vielzahl Kerben (7), die derart auf der Seitenoberfläche eines beschichteten Teils (5) der piezoelektrischen Schichten und der internen elektrischen Schichten vorgesehen sind, daß sich jede der Kerben entlang der Richtung parallel der Hauptoberfläche der internen Elektrodenschichten erstreckt,

dadurch gekennzeichnet, daß jede der äußersten internen Elektrodenschichten (3c, 3e) zwischen einem Paar der Kerben (7a, 7b, 7c, 7d) angeordnet ist.