DE69119460T2

DE69119460T2 - Piezoelektrisches Antriebselement von Laminattyp

Info

Publication number: DE69119460T2
Application number: DE69119460T
Authority: DE
Inventors: Masahiko C O Brother Ko Suzuki; Yoshikazu C O Brothe Takahashi; Makoto C O Brother Ko Takeuchi
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 1990-03-19
Filing date: 1991-03-19
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2011-03-20
Also published as: EP0448349A2; US5089739A; EP0448349A3; DE69119460D1; EP0448349B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Antriebselement und insbesondere auf ein piezoelektrisches Antriebselement vom Laminattyp, das in einem piezoelektrischen Antrieb für einen Drucker oder ähnliches benutzt wird.
Herkömmlicherweise ist ein Laminattyp eines piezoelektrischen Antriebselementes bekannt gewesen, in dem eine Mehrzahl von piezoelektrischen Keramikschichten einer Bleizirkonattitant(PZT)Gruppe und interne Elektrodenschichten abwechselnd in einer Längs-(Laminierungs- oder Expansions- und Kontraktions-) Richtung laminiert sind und positionsmäßig aufgrund eines piezoelektrischen und elektrostriktiven Longitudinaleffektes davon versetzt werden, wenn eine Spannung an die interen Elektrodenschichten angelegt wird. Solch ein laminiertes piezoelektrisches Antriebselement, das ein laminiertes piezoelektrisches Antriebselement vom Longitudinaleffekttyp genannt wird, wird in die Längs- oder Laminierungsrichtung davon gemäß der Polarität der an die internen Elektrodenschichten angelegten Spannung expandiert und kontraktiert, und somit ist diese Versetzungsbewegung des Elementes in einem Antrieb für einen piezoelektrischen Punktaufschlagsdruckerkopf oder VTR-Kopf oder einen Oszillator für einen Ultraschallmotor oder ähnliches benutzt worden.
Jede piezolektrische Keramikschicht dieses Types von piezoelektrischem Antriebselement weist eine Dicke von ungefähr 100µm auf, jedoch ist gemäß der Anforderung für eine Manigfaltigkeit der laminierten piezoelektrischen Antriebselemente ein laminiertes piezoelektrisches Antriebselement kürzlich vorgeschlagen, das dünnere piezoelektrische Keramikschichten von ungefähr einigen 10um in Dicke aufweist.
Im allgemeinen wird die Isolierungssicherung zwischen den internen Elektrodenschichten verringert, und Migration tritt häufiger zwischen den Elektrodenschichten auf, wenn jede der piezoelektrischen Keramikschichten auf ungefähr unterhalb einige 10um in Dicke verringert wird. Damit die Verschlechterung der Isolierung verhindert und eine Feuchtigkeitsfesteeigenschaft verbessert wird für das piezoelektrische Element, ist das laminierte piezoelektrische Element mit einer internen Elektrodenstruktur vorgesehen worden, bei der ein sogenannter piezoelektrisch inaktiver Abschnitt ohne interne Elektrodenschicht an dem Umfangsabschnitt einer jeden piezoelektrischen Keramikschicht gebildet ist.
Damit eine Antriebstätigkeit mit einer niedrigen Spannung in einem solchen laminierten piezoelektrischen Antriebselement ausgeführt wird, ist es nötig, daß jede der piezoelektrischen Keramikschichten weiter in der Dicke verdünnt werden sollte und die Laminatzahl davon vergrößert wird. Da jede der piezoelektrischen Keramikschichten in der Dicke dünner wird und die Laminatzahl davon ansteigt, tritt es jedoch häufiger auf, daß ein bei einem Entfettungsvorgang benutztes Entfettungsteil beschädigt wird und eine Inhomogenietät einer jeden piezoelektrischen Keramikschicht bei einem Sintervorgang auftritt, so daß die Zuverlässigkeit des piezoelektrischen Antriebselements weiter verschlechtert wird.
Weiterhin weist bei dem laminierten piezoelektrischen Antriebselement mit dem piezoelektrisch inaktiven Abschnitt der piezoelektrisch inaktive Abschnitt eine beschränkte Wirkung auf die Versetztungsbewegung des piezoelektrischen Antriebselementes auf, wenn eine Spannung angelegt wird, das heißt, die Versetzungsbewegung des piezoelektrischen Antriebselementes wird durch die Klemmwirkung des piezoelektrisch inaktiven Abschnittes gestört, und somit tritt ein Problem auf, das Versetzungsverlust, ungleichmäßige Versetzungsverteilung und interne Spannung in dem piezoelektrischen Antriebselement auftreten.
Die DE-A-3 330 538 offenbart ein piezoelektrisches Element, das einen Stapel von piezoelektrischen Schichten aufweist, die auf jeder Seite und über eine Kante mit einer Elektrodenschicht belegt sind. Eine kleine Fläche auf jeder Seite wird unplattiert zum Isolieren der zwei Elektroden gelassen und wird mit Klebstoff gefüllt.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, ein hochzuverlässiges, mechanisch und thermisch starkes laminiertes piezoelektrisches Antriebselement vorzusehen, das einen piezoelektrisch inaktiven Abschnitt aufweist, das mit einer niedrigen Treiberspannung betreibbar ist und in der Lage ist, Versetzungsverlust, ungleichmäßige Versetzungsverteilung und interne Spannung aufgrund des piezoelektrisch inaktiven Abschnittes zu verhindern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein laminiertes piezoelektrisches Antriebselement zum Erzeugen einer longitudinalen elektrostriktiven Verformung mittels eines piezoelektrischen/ elektrostiktiven longitudinalen Effektes vorgesehen, der durch das Anlegen von Spannung daran verursacht wird, wobei das Element aufweist:
eine Mehrzahl von laminierten piezoelektrischen Untereinheiten, von denen jedes aufweist:
eine Mehrzahl von piezoelektrischen Keramikschichten zum Erzeugen der longitudinalen elektrostriktiven Verformung auf das Anlegen von Spannung daran,
eine Mehrzahl von internen Elektrodenschichten, von denen jede eine interne Elektrode und eine Ziehelektrode, durch die die Spannung anzulegen ist, aufweist und
externe Elektroden, die an beiden Seiten der piezoelektrischen Untereinheiten vorgesehen sind und mit den internen Elektroden durch die Ziehelektroden zum Anlegen der Spannung an die internen Elektroden verbunden sind;
wobei die piezoelektrischen Keramikschichten und die internen Elektrodenschichten abwechselnd aufeinander laminiert sind und die internen Elektroden eine Fläche kleiner als eine Fläche der piezoelektrischen Keramikschichten aufweisen zum Definieren von piezoelektrisch inaktiven Abschnitten als Teile der piezoelektrischen Keramikschicht, die keine darauflaminierten internen Elektroden aufweisen und die keine longitudinale elektrostriktive Verformung erzeugen;
ein Klebeteil zum Anbringen benachbarter piezoelektrischer Untereinheiten aneinander;
wobei eine Anbringungsfläche des Klebeteiles gleich oder kleiner als eine Fläche der internen Elektroden ist zum Bilden dadurch von Schlitzabschnitten zwischen jedem Paar von benachbarten piezoelektrischen Einheiten, die das Klebeteil umgeben, und wobei die Schlitzabschnitte zum Mildern von interner Spannung während des Antreibens des Elementes effektiv sind.
Die Schlitzabschnitte können mit Füllstoff wie wärmeaushärtendes Harz oder Epoxigruppe gefüllt sein, der die Verschlechterung der mechanischen Festigkeit des piezoelektrischen Antriebselementes aufgrund des Vorhandenseins der Schlitzabschnitte verhindert.
Gemäß dem laminierten piezoelektrischen Antriebselement, das so aufgebaut ist, sind der piezoelektrisch inaktive Abschnitt an dem Umfangsabschnitt der piezoelektrischen Keramikschicht durch das Klebeteil laminiert, daß eine Anbringungsfläche gleich oder kleiner als die Fläche der internen Elektrode in der Laminierungs- oder Longitudinalrichung aufweist, und das piezoelektrische Antriebselement übt die Versetzungsbewegung mit der gewünschten Antriebsspannung ohne Störung der Versetztungsbewegung des piezoelektrischen Antriebselementes durch die piezoelektrisch inaktiven Abschnitte durch.
Damit die vorliegende Erfindung leichter zu verstehen ist, wird die folgende Beschreibung gegeben, nur durch ein Beispiel, wobei Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen wird, in denen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines piezoelektrischen Antriebselementes mit einer Mehrzahl von piezoelektrischen Untereinheiten zeigt;
Fig. 2 ein schematisches Diagramm ist zum Darstellen einer jeden der piezoelektrischen Untereinheit des piezoelektrischen Antriebselementes, wie es in Fig. 1 gezeigt ist;
Fig. 3(A) und 3(B) Querschnittsansichten von abwechselnd laminierten piezoelektrischen Schichten zeigen, die die piezoelektrische Untereinheit darstellen, wie in Fig. 2 gezeigt ist;
Fig. 4 eine Versetzungsbewegung der piezoelektrischen Untereinheit zeigt, wenn eine Spannung angelegt ist;
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform des piezoelektrischen Antriebelementes zeigt, wobei ein Füllstoff benutzt wird;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht des piezoelektrischen Antriebselementes ist, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, die entlang der Linie I-I genommen ist;
Fig. 7 eine dritte Ausführungsform des piezoelektrischen Antriebselementes zeigt, bei dem die piezoelektrischen Keramikschichten und die internen Elektrodenschichten direkt und einstückig laminiert sind;
Fig. 8 eine Querschnittsansicht des piezoelektrischen Antriebselementes ist, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, die entlang der Linie II-II genommen ist; und.
Fig. 9 eine Ausführungsform einer Antriebseinheit zum Antreiben eines Druckdrahtes eines Druckers zeigt, bei dem das piezoelektrische Antriebselement dieser Erfindung benutzt wird.
Bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines piezoelektrischen Antriebselementes vom Laminattyp gemäß dieser Erfindung. Das piezoelektrische Antriebselement 10 dieser Ausführungsform weist eine Laminatstruktur auf und es weist eine Mehrzahl von Untereinheiten 5 von laminierten piezoelektrischen Antriebselementen, die vom Typ des Longitudinaleffektes sind (im folgenden als "piezoelektrische Untereinheit" bezeichnet), die in einer Tandemform laminiert sind, Klebeteile 3 jeweils zum Anbringen von benachbarten piezoelektrischen Untereinheiten 5 dadurch, externe Elektroden 4 jeweils zum Anlegen einer Antriebsspannung an die piezoelektrische Untereinheit 5 und Verbindungsteile 8 für externe Elektroden zum elektrischen Verbinden der externen Elektroden 4 miteinander.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer jeden der piezoelektrischen Untereinheiten 5, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind. Jede piezoelektrische Untereinheit 5 enthält eine Mehrzahl von im wesentlichen quadratischen piezoelektrischen Keramikschichten 1, von denen jede aus einer Bleizirkonattitanat-(PZT)Gruppe (z.B. einschließlich von Komponenten von (Pb,La)(Ti,Zr)O&sub3; und Pb(Mg1/2W1/2)O&sub3; enthält) gebildet ist und eine 20µm Dicke und eine 0,3mm x 0,3mm Fläche aufweist, und eine Mehrzahl von im wesentlichen quadratischen internen Elektrodenschichten 2 mit einer kleineren Fläche als die von jeder der piezolektrischen Keramikschicht, z.B. eine 2,5 x 2,5mm Fläche und aus einer Ag-Pd-Gruppe gebildet ist. Die piezoelektrischen Keramikschichten 1 und die internen Elektrodenschichen 2 sind abwechselnd zum Bilden der piezoelektrischen Untereinheit 5 laminiert.
Wie in Fig. 3(A) und 3(B) gezeigt ist, weist die interne Elektrodenschicht 2 eine interne Elektrode 2a (2b) und eine Ziehelektrode 2c (1c) zum elektrischen Verbinden der internen Elektrode 2a (2b) mit den externen Elektroden 4 auf. Die interne Elektrodenschicht 2 ist auf der piezoelektrischen Keramikschicht 1 durch einen Siebdruckvorgang gebildet zum Bilden einer piezoelektrischen Schicht mit einer piezoelektrischen Keramikschicht 1, einer internen Elektrode 2a (2b) einer Ziehelektrode 2c (1c) und eines piezoelektrisch inaktiven Abschnittes 7, wie in Fig. 3(A) und 3(B) gezeigt ist. Der piezoelektrische inaktive Abschnitt 7 weist einen Teil der piezoelektrischen Keramikschicht 7 (z.B. mit einer Breite von 0,25mm) auf, der nicht durch die interne Elektrodenschicht 2 bedeckt (laminiert) ist und so vorgesehen ist, daß er die interne Elektrode 2a (2b) umgibt und an den keine Treiberspannung angelegt wird und somit nicht zu der Versetzungsbewegung des piezoelektrischen Antriebselementes beiträgt, selbst wenn eine Spannung an die interne Elektrode 2a (2b) angelegt wird.
Eine Mehrzahl (z.B. mehrere bis mehrere zehnmal) von so gebildeten piezoelektrischen Schichten wird weiter auf solche Weise laminiert, daß die piezoelektrischen Keramikschichten 1 und die internen Elektrodenschichten 2 abwechselnd aufeinander laminiert werden, wodurch eine piezoelektrische Untereinheit 5 gebildet wird. In diesem Fall sind die zwei Gruppen von internen Elektrodenschichten, wie in Fig. 3(a) und 3(b) gezeigt sind, deren Ziehelektroden 2c und 1c sich in entgegengesetzte Richtungen zueinander erstrecken, abwechselnd in einer Longitudinal-(Laminierungs-)Richtung angeordnet. Weiterhin kann eine piezoelektrische Keramikschicht mit einer Dicke von 40µm, die nicht zu der Versetzungsbewegung beiträgt, an jeder der oberen und unteren Oberfläche der piezoelektrischen Untereinheit 5 in der Longitudinalrichtung gebildet werden.
Die so gebildete piezoelektrische Untereinheit wird in einem Körper bei einer Sintertemperatur von 1050ºC gesintert. Die externen Elektroden 4 sind auf beiden Seiten der Untereinheit 5 gebildet, und die Ziehelektroden 2c und 1c der laminierten internen Elektrodenschichten 2 sind mit den externen Elektroden 4 verbunden, die an den entsprechenden gegenüberliegenden Seiten der Untereinheit 5 angeordnet sind, und die abwechseln laminierten externen Elektroden 2 werden auf positive bzw. negative Polarität aufgeladen (z.B. wenn die externe Elektrode 4 auf einer Seite der Untereinheit 5 mit einer positiven Spannung versorgt wird, während die externe Elektrode 4 an der anderen Seite der Untereinheit 5 mit einer negativen Spannung versorgt wird, und umgekehrt). Die internen Elektroden 2a und 2b werden einem Polarisationsvorgang mit einem gleichgerichteten elektrischen Feld durch die externen Elektroden 4 so ausgesetzt, daß die benachbarten piezoelektrischen Keramikschichten 1a und 1b in die entgegengesetzten Richtungen zueinander entlang der Longitudinal(Laminierungs-)richtung polarisiert werden.
Wenn eine Spannung mit der gleichen Polarität angelegt wird, wie sie bei dem Polarisationsvorgang benutzt wird, wird die piezoelektrische Untereinheit 5 durch den piezoelektrischen/ elektrostriktiven Longitudinaleffekt deformiert oder versetzt, wie in Fig. 4 gezeigt ist. In diesem Fall werden die piezoelektrisch inaktiven Abschnitte 7, an die keine Spannung angelegt wird, nicht deformiert (versetzt) unabhängig von der Deformation (Versetzung) der anderen Teile der piezoelektrischen Keramikschichten 1, die durch die internen Elektroden 2a (2c) laminiert sind, und somit wird die Deformation (Versetzung) der piezoelektrischen Untereinheit 5 durch die piezoelektrisch inaktiven Abschnitte 7 verhindert, das heißt, eine beschränkende Kraft des Störens einer Versetzungsbewegung der Untereinheit 5 tritt durch die piezoelektrisch inaktiven Abschnitte 7 so auf, daß eine ungleichmäßige Versetztungsverteilung, ein Versetzungsverlust und innere Spannung innerhalb der piezoelektrischen Untereinheit 5 auftreten. Wenn mehrere Untereinheiten direkt durch die gesamten Oberflächen (3,0mm x 3,0mm in Fläche) davon kontaktiert werden und aufeinander in der Longitudinal-(Versetzungs auftretende)richtung zum Erzeugen eines piezoelektrischen Antriebselementes laminiert werden, würde gefunden, daß die beschränkende Kraft der piezoelektrisch inaktiven Abschnitte 7 vergrößert ist und ein großer Betrag des Versetzungsverlustes und eine große innere Spannung auftreten. Zum Vermeiden der obigen Nachteile kann das Klebeteil 3 zwischen benachbarten piezoelektrischen Untereinheiten zum Anbringen oder Verbinden der piezoelektrischen Untereinheiten 5 miteinander vorgesehen werden. Ein organischer Klebstoff wie ein wärmeaushärender organischer Klebstoff, ein technischer Kunststoff, z.B. Polyphenylensulfid (PPS) oder ein Lötmittel wie Ag oder ähnliches können als das Klebeteil 3 benutzt werden.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist das Klebeteil 3 zwischen benachbarten piezoelektrischen Untereinheiten 5 auf solche Weise vorgesehen, daß die Fläche des Klebeteiles 3 gleich oder kleiner als die Fläche der internen Elektroden 2a (2b) ist. Folglich wird ein Raumabschnitt (im folgenden als "Schlitzabschnitt" bezeichnet) 9 zwischen den benachbarten piezoelektrischen Untereinheiten 5 auf solche Weise gebildet, daß er jedes Klebeteil dabei umgibt. Die während des Treiberbetriebes des piezoelektrischen Antriebselementes auftretende innere Spannung wird gemildert (absorbiert) durch den Schlitzabschnitt 9, so daß eine mechansiche Beschädigung des gesamten piezoelektrischen Antrieselementes verhindert wird.
Wie oben beschrieben wurde sind die Mehrzahl von piezoelektrischen Untereinheiten 5, wie in Fig. 2 gezeigt ist, aufeinander durch die quadratischen Klebeteile 3 eines organischen Klebstoffes (z.B. mit einer Fläche unterhalb 2,5 x 2,5mm Fläche für die internen Elektroden mit einer Fläche von 2,5 x 2,5mm) laminiert, wodurch ein laminiertes piezoelektrisches Antriebselement 10 erzeugt wird, bei dem die Schlitzabschnitte 9 von ungefähr 0,25mm Breite an dem Umfangsabschnitt des Klebeteiles 3 gebildet sind, das heißt, so, daß sie das Klebeteil 3 umgeben.
Wie oben beschrieben wurde, ist jede piezoelektrische Keramikschicht 2 so entworfen, daß sie sehr dünn ist (z.B. eine Dicke von 20µm), und eine Laminierungszahl der piezoelektrischen Schichten ist in dem Bereich von einigen um bis mehrere zehnmal so daß es leicht ist, eine Sintersteuerung der Dicke der Schicht durchzuführen, und die Homogenität und die Kleinheit der Körnchendurchmesser und die Zuverlässigkeit der Piezoelektrizität und die Isolierung des piezoelektrischen Antriebselementes werden sichergestellt. Weiterhin wird die Zahl der piezoelektrischen Untereinheiten, die zu laminieren sind, wobei jede Untereinheit eine dünne piezoelektrische Keramikschicht von mehreren µm bis mehrmals 10µm aufweist, willkürlich bestimmt, so daß eine piezoelektrische Untereinheit mit einer hohen Zuverlässigkeit erhalten wird. Daher kann die Zuverlässigkeit des laminierten piezoelektrischen Antriebselementes, das die piezoelektrischen Untereinheiten aufweist, insgesamt verbessert werden.
Da weiter die piezoelektrische Untereinheit piezoelektrisch inaktive Abschnitte an den Umfangsabschnitten der internen Elektrodenschichten aufweist, ist die Isolierung zwischen internen Elektrodenschichten, die an beiden Seiten des piezoelektrischen Antriebselementes gebildet sind, in der zuverlässigkeit verbessert, und die Feuchtigkeitswiderstandseigenschaft dazwischen ist ausreichend.
Bei einem Experiment zum Messen einer Versetzungsbewegung und einer Zugfestigkeit führte das laminierte piezoelektrische Antriebselement 10 vom Longitudinaleffektyp (mit einer internen Elektrode von 2,5mm x 2,5mm in der Fläche, einem Klebeteil von 2,5mm x 2,5mm in der Fläche und einem Schlitzabschnitt von 0,25mm Breite) dieser Ausführungsform eine 7µm Versetzung beim Anlegen einer Antriebsspannung von 60V an ihre externe Elektrode 4 durch. In einem anderen Beispiel wurden mehrere (z.B. 10) piezoelektrische Untereinheiten 5 durch die Klebeteile 3 jeweils mit 2,0 x 2,0mm Fläche aneinander angebracht, und dann wurde ein Schlitzabschnitt 9 mit einer Breite von 0,5mm an dem Umfangsabschnitt eines jeden Klebeteiles 3 zum Bilden eines laminierten piezoelektrischen Antriebselementes 10 gebildet. Das so aufgebaute laminierte piezoelektrische Antriebselement 10 führte eine 8µm Versetzung durch Anlegen von 60V an die externe Elektrode 4 durch.
Zum Verleich wurden zwei laminierte piezoelektrische Antriebselemente gebildet, eines, in dem mehrere zehnfache piezoelektrische Elementuntereinheiten 5 direkt aufeinander laminiert und miteinander verbunden wurden, und das andere, in dem mehrere zehnfache piezoelektrische Untereinheiten 5 aufeinander laminiert und miteinander verbunden wurden durch Klebeteile, die jeweils 2,7 x 2,7mm Fläche aufwiesen, wobei dann ein Schlitzabschnitt 9 mit einer Breite von O,lsmm an dem Umfangsabschnitt eines Klebeteiles 3 gebildet wurde. Diese laminierten piezoelektrischen Antriebselemente führten eine 4,8µm Versetzung bzw. eine 5µm Versetzung bei dem Anlegen von 60V an die externe Elektrode 4 durch.
Wie aus dem obigen Experiment ersichtlich ist, ist gefunden worden, wenn die Fläche des Klebeteiles 3 gleich oder kleiner als die Fläche der internen Elektrode 2a (2c) ist, daß die Schlitzabschnitte 9 die piezoelektrisch inaktiven Abschnitte daran hindern, die Versetzungsbewegung des piezoelektrischen Antriebselementes vom Longitudinaleffekttyp zu beschränken. Weiter kann eine in einem Antriebsbetrieb auftretende interne Spannung unterdrückt werden und eine mechanische Beschädigung des Elementes aufgrund der piezoelektrischen inaktiven Abschnittes 7 kann durch die Schlitzabschnitte 9 verhindert werden.
Bei der obigen Ausführungsform können verschiedene Arten von Klebeteilen wie organische Klebstoffe, technische Kunststoffe und Lötmittel zum Durchführen eines Anbringungsvorganges zwischen den piezoelektrischen Untereinheiten benutzt werden. Solche Klebeteile bringen jedoch folgende Nachteile für das piezoelektrische Antriebselement.
In dem Fall eines wärmeaushärtenden organischen Klebstoffes ist es schwierig, genau einer Anbringungsfläche zu justieren, in der der Klebstoff teilweise bei einem Anbringungsvorgang beschichtet, und dort treten Verschlechterung des Anhaftens des Klebstoffes oder Beschädigung des Klebstoffes aufgrund der Zunahme der Temperatur durch Wärme auf, die durch die elektrischen Verluste der piezoelektrischen Keramikschichten verursacht wird, wenn das piezoelektrische Antriebselement betrieben wird.
Im Falle des technischen Kunststoffes ist es leicht, die genaue Justierung der Anbringungsfläche durchzuführen, in dem ein Blatt von technischen Kunststoff benutzt wird, dessen Form frei variabel ist. Jedoch haben viele Arten von technischen Kunststoff wie PPS ein unzureichendes Anhaften an der piezoelektrischen Untereinheit, wo sie eine große Festigkeit und thermische Stabilität aufweisen, daher ist es möglich, daß Zerstörung an der Grenze zwischen dem Klebeteil und der piezoelektrischen Untereinheit auftritt.
In einem Fall des Lötmittels würde eine exzellente Anhaftung der mechanischen Festigkeit zwischen dem Lötmittel und den anderen Elementen gemacht werden, daß Lötmittel weist jedoch eine Leitfähigkeit unähnlich dem organischen Klebstoff und dem Glas auf, und somit ist ein spezielles Vorgehen zum Sicherstellen der Isolierung zwischen dem Lötmittel und den externen Elektroden bei einem Vorgang des Verbindens der externen Elektroden der laminierten piezoelektrischen Untereinheiten notwendig. Dieser Vorgang macht den gesamten Vorgang kompliziert und verursacht, daß die Gesamtkosten des piezoelektrischen Antriebselementes hoch sind.
Zusätzlich benötigen die obigen Klebematerialien einen Heizvorgang des Aufheizens der Materialien bei einer hohen Temperatur, um sie zu härten. Während des Heizvorganges werden die piezoelektrischen Keramikschichten und die internen Elektroden ebenfalls erwärmt, so daß die elektrischen und physikalischen Eigenschaften der piezoelektrischen Keramikschichten und der internen Elektrodenschichten verschlechtert werden.
Damit der obige Nachteil überwunden wird, kann niedrig schmelzendes Glas benutzt werden (z.B. Glas mit einem Schmelzpunkt unterhalb 700ºC und bevorzugt unterhalb 500ºC) bevorzugt niedrig schmelzendes Bleiglas mit einer Dicke unterhalb 15µm, oder ein piezoelektrisches Keramikmaterial mit ähnlichen Komponenten wie jene eines piezoelektrischen Keramikmateriales der piezoelektrischen Untereinheiten 5 und einer niedrigeren Sintertemperatur als die des piezoelektrischen Keramikmateriales der piezoelektrischen Untereinheit 5.
Ein piezoelektrisches Antriebselement, daß das niedrig schmelzende Glas als Klebeteil benutzt, wird zuerst beschrieben.
Wenn die Komponenten des Glasklebeteiles in Hinblick auf thermische Diffusion zwischen dem Glas und der piezoelektrischen Untereinheit und so gewählt werden, daß der thermische Expansionskoeffizient des Glases mit dem der piezoelektrischen Keramikschicht übereinstimmt, wird eine hervorragende thermische Diffusionsanbringungstätigkeit durchgeführt, ohne daß eine Restverformung zurückbleibt, und ein piezoelektrisches Antriebselement mit einer starken Anbringungsoberfläche kann erhalten werden. Selbst wenn weiter ein dielektrischer Verlust in der piezoelektrischen Untereinheit auftritt und die Temperatur aufgrund der Wärme des dielektrischen Verlustes bei einem Antriebsbetrieb des piezoelektrischen Antriebselementes erhöht wird, wird das als Klebeteil dienende Glas nicht verschlechtert selbst bei einem Temperaturanstieg, da es einen ausreichend hohen Erweichungspunkt aufweist, und die Spannung, die durch den Unterschied in dem termischen Expansionskoeffizienten zwischen dem Glas und der piezoelektrischen Untereinheit verursacht würde, ist sehr gering. Als Resultat weist das piezoelektrische Antriebselement hervorragende mechanische thermische Eigenschaften auf.
Das niedrig schmelzende Glas hat die Vorteile, daß ein Siebdruckverfahren benutzt wird, in dem das Glas mit Glasurmasse geklebt wird und somit die Justierung der Anbringungsfläche genau durchgeführt wird, und das eine Schichtdicke in gewissen Masse gesteuert werden kann, in dem eine Belastung bei dem Wärmebehandlungsvorgang gesteuert wird. Das Glas selbst ist jedoch sehr zerbrechlich und empfindlich, und daher gibt es eine Möglichkeit, daß das Glas selbst durch eine Expansionsspannung bei einem antreibenden Betrieb des piezoelektrischen Antriebselementes zerbrochen wird, wenn das Glasklebeteil eine gewdhnliche Dicke (mehrere zehnfache Mikrometer) aufweist. Wenn jedoch die Dicke des Glasklebeteiles aus einen niedrig schmelzenden Glas der Bleigruppe gebildet ist, das eine Dicke unterhalb von 15µm aufweist, können die nachteilhaften Eigenschaften des Glases wie Zerbrechlichkeit und Empfindlichkeit überwunden werden.
Ein Anbringungsvorgang des Anbringens der piezoelektrischen Untereinheiten durch das niedrig schmelzende Glas wird im folgenden beschrieben.
Niedrig schmelzende Bleiglasurmasse (Erweichungspunkt von 530ºC) wird mit einem organischen Verbindungsmittel und Lösungsmittel in einer Planetenkugelmühle gemischt, so daß es in Pastenform vorliegt. Das pastöse Glas wird auf die piezoelektrische Untereinheit 5 durch ein Siebdruckverfahren auf solche Weise gedruckt, daß das pastöse Material, das eine Dicke von loum hat, konzentrisch zu der internen Elektrode 2a (2c) und innerhalb einer Fläche (e.g. 1,7 x 1,7mm), die gleich oder kleiner als die (z.B. 2,2mm x 2,2mm) der internen Elektrode 2a (2b) nach dem Wärmevorgang ist, angeordnet ist. In diesem Fall ist anzumerken, daß das gedruckte Glas nicht mit dem piezoelektrisch inaktiven Abschnitt überlappt Mehrere (z.B. 5) piezoelektrische Untereinheiten, von denen jede mit dem pastösen niedrig schmelzenden Glas bedruckt ist, werden durch das pastöse Glas in der Laminierungsrichtung (eine Richtung der Versetzungsbewegung aufgrund des Longitudinaleffektes) in einer Magnesiumoxid- und Aluminiumoxidkeramikdruckeinheit für Wärembehandlung laminiert und dann einer Wärmebehandlung bei 560 bis 580ºC in Atmosphäre zum Zwecke der Verbindung der Elemente unterworfen. In diesem Fall ist die Dicke des Glasklebeteiles 3 ungefähr 6µm, und die Anbringungsfläche ist ungefähr 2,2mm x 2,2mm.
Da die Temperatur für die obige Wärmebehandlung in dem Bereich von 560 bis 580ºC ist, ist sie ausreichend niedriger als die Sintertemperatur der piezoelektrischen Untereinheit. Daher werden die piezoelektrischen Keramikschichten und die internen Elektroden durch die Wärmebehandlung nicht verschlechtert.
Die externen Elektroden 4 des piezoelektrischen Antriebselementes 10, daß so erhalten wird, sind durch die Verbindungsteile 8 der externen Elektrode miteinander verbunden. In diesem Fall wird die Isolierung zwischen den externen Elektroden, die auf beiden Seiten des piezoelektrischen Antriebselementes angeordnet sind (positive und negative externe Elektrode) vollständig sichergestellt, da das niedrig schmelzende Glas als das Klebeteil benutzt wird, so daß die positiven (negativen) externen Elektroden zwischen den benachbarten piezoelektrischen Untereinheiten miteinander ohne spezielle Behandlung wie eine Isolierbehandlung miteinander verbunden werden. Nachdem es der Polarisationsbehandlung ausgesetzt war, wurde an das piezoelektrische Antriebselemtent eine Pulsgleichspannung von 60V angelegt, und die Versetzungsbewegung wurde mit einer Laserversetzungsmeßeinheit gemessen. Eine Versetzung von ungefähr 11,5µm wurde gemessen.
Jede der fünflaminierten piezoelektrischen Untereinheiten weist eine Versetzung von ungefähr 2,2 bis 2,4µm für eine Antriebsspannung von 60V auf, und somit war der Versetzungsverlust aufgrund der Lamisation der piezoelektrischen Unteremheiten sehr klein. Weiterhin wurde keine Verschlechterung der piezolektrischen Eigenschaft der piezoelektrischen Keramikschicht aufgrund der Wärmebehandlung zum Verbinden der piezoelektrischen Untereinheiten durch das Glasklebeteil gefunden.
Ein gemessener Wert der Zugfestigkeit einer jeden piezoelektrichen Untereinheit 5 war im Bereich von 9kgf (88,3N) bis 20kgf (96,2N) (mittlerer Wert von 13kgf (127N)). Auf der anderen Seite sah das piezoelektrische Antriebselement, das die piezoelektrischen Untereinheiten enthielt, die durch das niedrig schmelzende Glasklebeteil laminiert waren, einen gemessenen Wert von 11kgf (107,9N) bis 26kgf (225,1N) der Zugfestigkeit vor. Bei einem Zerstörungstest wurde die Zerstörung nicht an einer Anbringungs- oder Verbindungsgrenze zwischen dem Glasklebeteil und den piezoelektrischen Untereinheiten und innerhalb des Glasklebeteiles gefunden, sondern es wurde innerhalb der piezoelektrischen Untereinheiten 5 gefunden.
Wie aus dem Zerstörungstest ersichtlich ist, ist die Festigkeit der Anbringungs- oder Verbindungsgrenze im wesentlichen gleich der der piezoelektrischen Untereinheit, und somit gibt es keinen speziellen schwachen Abschnitt in dem piezoelektrischen Anriebselement dieser Ausführungsform, und es hat im wesentlichen die gleiche Festigkeit wie ein herkömmliches einstückig gesintertes piezoelektrisches Antriebselement, das kein Klebeteil benutzt. Folglich kann das piezoelektrische Antriebselement dieser Ausführungsform auf jedem Gebiet angewendet werden, auf dem es herkömmlicherweise angewendet wurde.
Bei einem Vergleich wurden zwei Gruppen von piezoelektrischen Antriebselementen mit der gleichen Struktur, wie sie oben beschrieben wurde, aber mit verschiedenen Dicken (z.B. 15µm und 20µm) gebildet, und dann wurden ihre Zugfestigkeiten gemessen, die sie sich in einem Bereich von 4kgf (39,2N) bis 12kgf (117,7N) für die ersteren und 3kgf (29,4N) bis 4kgf (39,2N) für die letzteren befanden. Für die ersteren wurde eine Hälfte der Probe in dem Glasklebeteil 3 zerstört, während die anderen in den piezoelektrischen Untereinheiten 5 zerstört wurden. Auf der anderen Seite wurden für die letzeren alle Proben in dem Glasklebteil 3 zerstört.
Ein piezoelektrisches Antriebselement, daß das piezoelektrische Keramikmaterial als Klebeteil benutzt, wird im folgenden beschrieben.
Zunächst wird die Vorbereitung des piezoelektrischen Keramikmateriales, das als Klebeteil dient, und ein Anbringungsvorgang der benachbarten piezoelektrischen Untereinheiten durch das Klebeteil im folgenden beschrieben.
Vorgesintertes Pulver aus piezoelektrischem Keramikmaterial, das Blei (Pb), Lanthan (La), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Magnesium (Mg) und Wolfram (W) in verschiedenen Zusammensetzungsverhältnissen enthält, wird fein pulverisiert zum Erzeugen von Teilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,05um, und dann werden die so erhaltenen feinen Teilchen mit organischem Verbindungsmittel und Lösungsmittel in einer Planetenkugelmühle gemischt, so daß pastöses Material (piezoelektrisches Keramikmaterial) erhalten wird. Das pastöse Material wird auf die piezoelektrische Untereinheit 5 durch ein Siebdruckverfahren auf solche Weise gedruckt, daß das pastöse Material, daß eine Dicke von 10µm aufweist, konzentrisch zu der internen Elektrode 2a (2c) und innerhalb einer Fläche die gleich oder kleiner der der internen Elektrode 2a (2b) ist, angeordnet. Mehrere (z.B. 5) piezoelektrische Untereinheiten, von denen jede mit dem pastösen piezoelektrischen Keramikmaterial beschichtet ist, werden durch das pastöse piezoelektrische Keramikmaterial in der Laminationsrichtung (eine Richtung der Versetzungsbewegung aufgrund des Longitudinaleffekties) in einer Magnesiumoxid- und Aluminiumoxidkeramikpresseinheit für Wärmebehandlung laminiert und dann einer Wärmebehandlung bei 950ºC in Atmosphäre zum Zwecke des Anbringens oder Verbindens der Elemente ausgesetzt.
Das wie oben beschriebene piezoelektrische Keramikmaterial ist ausreichend dicht bei einer Temperatur von 900ºC zusammengeballt und weist eine hohe Dichte auf. Bei den laminierten piezoelektrischen Untereinheiten, die so auf eine Anbringungs- oder Verbindungstemperatur von 950ºC wärmebehandelt sind, tritt zwischen den Komponenten von Blei (Pb), Lanthan (La), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Magnesium (Mg) und Wolfram (W) aufgrund der Unterschiede der Konzentration gegenseitige thermische Diffusion auf, und eine thermische Diffusionsschicht wird an den Grenzen zwischen den piezoelektrischen Keramikklebeteil und jeder piezoelektrischen Untereinheit gebildet. Die Dicke der thermischen Diffusionsschicht liegt in dem Bereich von ungefähr 15 bis 25 µm. Andererseits weist die piezoelektrische Keramikschicht 1 der piezoelektrischen Untereinheit 5, die mit dem piezoelektrischen Keramikklebeteil 3 kontaktiert ist, eine Dicke von 40µm auf, und somit wird eine piezoelektrische Eigenschaft der piezoelektrischen Keramikschicht 1 nicht durch die thermische Diffusion der Komponenten des Klebeteiles 3 in die piezoelektrische Keramikschicht 1 beschädigt. Da weiter die Temperatur von 950ºC für die Wärmebehandlung um 100ºC niedriger als die Sintertemperatur (1050ºC) der piezoelektrischen Untereinheit 5 ist, tritt niemals Kombildung der piezoelektrischen Keramikschichten mit Verschlechterung der internen Elektrodenschichten 2 aufgrund der thermischen Diffusion auf.
Die externen Elektroden 4 des piezoelektrischen Antriebselementes 10, das so erhalten wird, werden durch die Verbindungsteile 8 der externen Elektrode miteinander verbunden. In diesem Fall ist die Isolierung zwischen den externen Elektroden, die an beiden Seiten des piezoelektrischen Anriebselementes angeordnet sind (positive und negative Elektroden) vollstängig sichergestellt, da das piezoelektrische Keramikmaterial als das Klebeteil benutzt wird, so saß die positiven (negativen) externen Elekroden zwischen den benachbarten piezoelektrischen Untereinheiten miteinander ohne eine spezielle Behandlung verbunden sind. Nachdem es der Polarisationsbehandlung ausgesetzt wurde, wurde an das so erhaltene piezoelektrische Antriebselement eine Spannung von 60V angelegt und seine Versetzungsbewegung wurde mit einer Laserversetzeinheit gemessen. Eine Versetzung von ungefähr 11,5µm wurde gemessen.
Jede der fünflaminierten piezoelektrischen Untereinheiten weist eine Versetzung von ungefähr 2,2 bis 2,4µm für eine Antriebsspannung von 60V auf, und somit war der Versetzungsverlust aufgrund der Lamination der piezoelektrischen Elektroeinheiten sehr gering. Weiterhin wurde keine Verschlechterung der piezoelektrischen Eigenschaft der piezoelektrischen Keramikschicht aufgrund des Verbindungsvorganges gefunden.
Ein gemessener Wert der Zugfestigkeit einer jeden piezoelektrischen Untereinheit 5 war im Bereich von 9kgf (88,3N) bis 20kgf (196,2N) (mittlerer Wert von 13kgf (127,5N)). Auf der anderen Seite sah das piezoelektrische Antriebselement, das die piezoelektrischen Untereinheiten aufwies, die durch das piezoelektrische Keramikklebebteil laminiert war, einen gemessenen Wert von 8kgf (78,5N) bis 15kgf (147,2N) in Zugfestigkeit vor. Für einen Zerstörungstest wurde nicht notwendigerweise gefunden, daß die Zerstörung an einer Anbringung- oder Verbindungsgrenze zwischen dem piezoelektrischen Keramikklebeteil und den anderen Elementen und innerhalb des piezoelektrischen Keramikklebeteil auftrat, aber es wurde gefunden, daß die Zerstörung innerhalb der piezoelektrischen Untereinheiten 5 auftrat. Wie aus dem Zerstörungstest ersichtlich ist, ist die Festigkeit an der Anbringungs- oder Verbindungsgrenze im wesentlichen gleich der piezoelektrischen Untereinheit, und somit existiert kein speziell schwacher Abschnitt in den piezoelektrischen Antriebselement dieser Ausführungsform, und es weist im wesentlichen die gleiche Festigkeit wie ein herkömmliches einstückig gesintertes piezoelektrisches Antriebselement auf, daß kein Klebeteil benutzt. Folglich kann das piezoelektrische Antriebselement dieser Ausführungsform auf jedem Gebiet angewendet werden, auf das es herkömmlicherweise angewendet worden war.
Wie oben beschrieben wurde, bewirken die piezoelektrisch inaktiven Abschnite den Versetzungsverlust, die ungleichmäßige Versetzungsverteilung und die innere Spannung durch ihre Klemmwirkung, und damit die Klemmwirkung der piezoelektrischen inaktiven Abschnitte unterdrückt wird, werden die Schlitzabschnitte 9 an den Umfangsabschnitten der Klebeteile 3 vorgesehen. Wenn jedoch eine externe Kraft auf das piezoelektrische Antriebselement mit den Schlitzabschnitten 9 ausgeübt wird, ist es möglich, daß Zerstörung in der Nachbarschaft der Schlitzabschnitte 9 auftritt, da jeder der Schlitzabschnitte 9 ein Raum ist. Daher wird die gesamte Festigkeit des piezoelektrischen Antriebselementes aufgrund des Vorhandenseins des räumlichen Schlitzabschnittes 9 gesenkt.
Damit dieser Nachteil überwunden wird, können die Schlitzabschnitte 9 mit einem Füllstoff gefüllt werden, das einen kleineren Elastizitätsmodulus als das piezoelektrische Keramikmaterial aufweist, das die piezoelektrischen Keramikschichten 1 darstellt. Das Füllen eines solchen Füllstoffes in die Schlitzabschnitte 9 verhindert die Verschlechterung der gesamten mechanischen Festigkeit des piezoelektrischen Antriebselementes, während ein Effekt des Unterdrückens der Klemmwirkung der piezoelektrisch inaktiven Abschnitte durch die Schlitzabschnitte 9 erhalten bleibt. Der zu benutzende Füllstoff kann z.B. wärmeaushärtendes Harz der Epoxigruppe sein.
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform des piezoelektrischen Antriebselementes, daß das wärmeaushärtende Harz der Epoxigruppe als Füller benutzt, und Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht des in Fig. 5 gezeigten piezoelektrischen Antriebselementes, die entlang einer Linie I-I genommen ist. Die gleichen Elemente wie jene der ersten Ausführungsform, wie in Fig. 1 gezeigt ist, werden durch die gleichen Bezugszeichen dargestellt.
Das piezoelektrische Antriebselement 10' dieser Ausführungsform weist mehrere (z.B. zehn) laminierte piezoelektrische Untereinheiten 5 mit einer Fläche von 3mm x 3mm und einer Dicke von 0,5mm auf. Jede der piezoelektrischen Untereinheiten 5 weist mehrere (z.B. dreiundzwanzig) piezoelektrische Keramikschichten jeweils mit einer Fläche von 3,0mm x 3,0mm und einer Dicke von 20µm und interne Elektrodenschichten 2 jeweils mit einer internen Elektrode 2a (2b) mit einer Fläche von 2,5mm x 2,5mm und einer Dicke von 2µm auf, wobei die piezoelektrischen Keramikschichten 1 und die internen Elektrodenschichten 2 abwechselnd aufeinander auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform laminiert sind. Bei dieser Ausführungsform sind die externen Elektroden und die Verbindungsteile der externen Elektroden einstückig als externe Elektroden 4' gebildet, aber sie können getrennt voneinander als die externen Elektroden und die Verbindungsteile der externen Elektroden wie bei der ersten Ausführungsform gebildet sein. Die internen Elektroden 2a (2c) dieser Ausführungsform sind ebenfalls mit den externen Elektroden 4 durch die Ziehabschnitte der internen Elektroden (Ziehelektroden) 2c (1c) verbunden.
Wie in Fig. 6 gezeigt ist, sind bei dieser Ausführungsform die benachbarten piezoelektrischen Untereinheiten durch das Klebeteil 3 wie der wärmeaushrrtende organische Klebstoff, das Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt, das Lötmittel oder das piezoelektrische Keramikmaterial miteinander verbunden, wie oben beschrieben wurde. Das Klebeteil 3 weist eine Fläche gleich oder kleiner als die einer jeden internen Elektrode 2a (2c) auf, z.B. eine 2,5mm x 2,5mm Fläche und eine 10µm Dicke, und das wärmeaushärtende Harz der Epoxigruppe ist als Füllstoff 9' in die Schlitzabschnitte 9 auf solche Weise gefüllt, daß er das Klebeteil 3 umgibt.
Wenn an das piezoelektrische Antriebselement 10' (erstes Element), das so aufgebaut ist, eine Spannung von 60V angelegt wurde, wurde eine Versetzung von 6,3µm erhalten. Auf der anderen Seite sah ein piezoelektrisches Antriebselement (zweites Element) ohne Füllstoff 9' eine Versetzung von 7,0µm vor, und ein piezoelektrisches Antriebselement (drittes Element), das kein Füllstoff und kein Klebeteil aufwies (die Untereinheiten waren ganz und direkt aneinander angebracht), sah eine Versetzung von 4,8µm vor. Weiterhin wurden die Zugfestigkeiten zu 4,0kgf (39,2N) 3,2kgf (31,4N) und 4,6kgf (45,1N) für das erste, zweite bzw. dritte Element gemessen.
Natürlich kann die obige Technik für ein piezoelektrisches Antriebselement angewendet werden, das durch einstückiges Laminieren aller piezoelektrischen Keramikschichten und interne Elektrodenschichten ohne Laminierungsuntereinheiten erzeugt wird. Fig. 7 zeigt eine dritte Ausführungsform des piezoelektrischen Antriebselementes, das den wie oben beschriebenen Füllstoff benutzt, in dem alle der piezoelektrischen Keramikschichten und der internen Elektrodenschichen 2 einstückig zum Bilden des piezoelektrischen Antriebselementes gebildet sind. Das heißt, das piezoelektrische Antriebselement dieser Ausführungsform wird nicht durch Laminieren individuell gebildeter mehrerer piezoelektrischer Untereinheiten und dann Zusammenbauen dieser mit dem Klebeteil sondern durch einstückiges Laminieren piezoelektrischer Keramikschichten und interner Elektrodenschichten zum direkten Bilden des piezoelektrischen Antriebselementes erzeugt.
Das piezoelektrische Antriebselement 10'' dieser Ausführungsform weist einen Integrationstyp der Laminatstruktur auf, bei der piezoelektrische Keramikschichten 1' jeweils mit einer Dicke von ungefähr 30µm und interne Elektrodenschichten jeweils mit 3µm abwechselnd aufeinander laminiert sind, und es enthält Schlitzabschnitte 3a, die an einem vorbestimmten Abstand (alle neun piezoelektrischen Schichten, von denen jede eine piezoelektrische Keramikschicht und eine interne Elektrodenschicht enthält) in einer Laminierungsrichtung auf solche Weise gebildet sind, daß sie die piezoelektrischen Keramikschichten umgeben, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsform sind die laminierten internen Elektroden 2' alternativ mit zwei Gruppen von externen Elektroden (positive und negative externe Elektroden) 4' verbunden, die an beiden Seiten des piezoelektrischen Antriebselementes 10'' angeordnet sind. Das heißt, die ungeradzahligen internen Elektrodenschichten sind mit den (z.B. positiven) externen Elektroden 4' verbunden, die an der linken Seite des piezoelektrischen Antriebselementes 10'' angeordnet sind, während die geradzahligen internen Elektrodenschichten mit den (z.B. negativen) externen Elektroden 4' verbunden sind, die an der rechten Seite des piezoelektrischen Antriebselementes 10' angeordnet sind.
Jeder der Schlitzabschnitte 3a ist in dem piezoelektrischen Betätigungselement 11'' auf solche Weise gebildet, daß eine innere Grenze (Umfang) eines jeden Schlitzabschnittes 3a die gleiche Form wie die quadratische interne Elektrode aufweist, und die Grenzen des Schlitzabschnittes 3a und der internen Elektrode überlappen einander. Weiterhin ist der aus dem wärmeaushärtenden Harz der Epoxigruppe gebildete Füllstoff 9' in die Schlitzabschnitte 3a gefüllt, wie in Fig. 8 gezeigt ist.
Bei einem Experiment für die Versetzungsmessung und die Zugfestigkeit wurde ein piezoelektrisches Antriebselement 10'' (erstes Element) mit einer sichtbaren Abmessung von 6mm x 6mm x 10mm benutzt, bei dem die interne Elektrode eine Fläche von 5,5mm x 5,5mm aufwies und die piezoelektrisch inaktiven Abschnite und Schlitzabschnitte ungefähr 0,25µm breit und 10µm dick waren. Im Vergleich wurden auch ein piezoelektrisches Antriebselement (zweites Element) mit dem gleichen Aufbau und ohne Füllstoff 9' und ein piezoelektrisches Antriebselement (drittes Element) mit dem gleichen Aufbau und ohne Schlitzabschnitt gemessen. Wenn an das erste bis dritte piezoelektrische Antriebselement 35V durch die externen Elektroden angelegt wurden, wurden Versetzungen von 5,8µm, 6,9µm und 4µm für das erste, zweite bzw. dritte Element gemessen. Weiterhin wurden die Zugfestigkeiten zu 13,6kgf (133,4N), 12,1kgf (118,7N) und 14,4kgf (141,3N) für das erste, zweite und dritte Element gemessen.
Es ist aus den obigen Experimenten ersichtlich, daß, obwohl das piezoelektrische Antriebselement mit dem Füllstoff 9' etwas in dem Versetzungswert im Vergleich zu dem piezoelektrischen Element ohne Füllstoff 9' schlechter ist, es gegenüber dem herkömmlichen piezoelektrischen Antriebselement ohne Schlitzabschnitt besser ist. Weiterhin ist das piezoelektrische Antriebselement mit Füllstoff dem piezoelektrischen Antriebselement überlegen.
Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform einer Antriebseinheit zum Antreiben eines Druckdrahtes eines Druckers, in dem das piezoelektrische Antriebselement als Antriebsquelle benutzt wird.
Die Antriebseinheit 20 enthält einen U-förmigen Grundrahmen 22, der aus einer Invarlegierung gebildet ist, deren linearer Expansionskoeffizient 2,0ppm/ºC bei einer Temperatur ist, die von Zimmertemperatur bis 100ºC reicht. Eine Blattfeder 26 ist an einem Armabschnitt des U-förmigen Grundrahmens 22 vorgesehen und einstückig sowohl mit einer anderen Blattfeder 27, die parallel zu der Blattfeder 26 vorgesehen ist, als auch mit einem Schrägbewegungsteil 28 in umgekehrter U-förmiger Form gebildet. Die Blattfeder 27 ist mit einem Bewegungsteil 25 verbunden. Ein laminiertes piezoelektrisches Antriebselement 21 vom Longitudinaleffekttyp dieser Erfindung ist unter dem Bewegungsteil 25 angebracht, und ein keilförmiges Vorladeteil 32 aus Aluminium ist unter dem piezoelektrischen Antriebselement 21 vorgesehen zum Anlegen einer Vorladung an das piezoelektrische Antriebselement 21 und Kompensieren der Differenz im Expansionskoeffizienten aufgrund von Temperaturänderung. Das Schrägbewegungsteil 28 ist mit einem Schrägbewegungsarm 30 ausgerüstet, und ein Druckdraht 31 ist an einem Spitzenende des Schrägbewegungsarmes 30 vorgesehen.
Das Bewegungsteil 25 wird durch Ausdehnung des piezoelektrischen Antriebselementes 21 mit einem piezoelektrischen oder elektrostiktiven Effekt in der Laminierungs- oder Longitudinalrichtung bewegt. Durch die Versetzung des piezoelektrischen Antriebselementes 21 in die Longitudinalrichtung werden sowohl die Blattfeder 26 als auch 27 deformiert, und dann wird das Schrägbewegungsteil 28 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinne geneigt, und der Schrägbewegungsarm 30 wird ebenfalls entgegengesetzt dem Uhrzeigersinne geneigt, so daß der Druckdraht 31 nach oben bewegt wird, so daß er eine Drucktätigkeit ausführt.
Wie oben beschrieben wurde, weist das laminierte piezoelektrische Antriebselement dieser Erfindung eine hohe Zuverlässigkeit auf und kann mit einer niedrigen Treiberspannung betrieben werden. Wenn daher z.B. das laminierte piezoelektrische Antriebselement dieser Erfindung als eine Antriebsquelle eines piezoelektrischen Aufschlagdruckerkopfes benutzt wird, wird eine Treiberspannung bemerkenswert verringert, und somit wird eine Leistungsquelle gemeinsam mit einem Motor zum Treiben anderer Elemente benutzt. Als Resultat kann eine Miniaturisierung eines Druckgerätes und eine Verringerung der Kosten durchgeführt werden.
Da weiter das piezoelektrische Antriebselement einen piezoelektrisch inaktiven Abschnitt ohne interne Elektrodenschicht an dem Umfangsabschnitt davon aufweist, ist somit die Zuverlässigkeit der Isolation zwischen den internen Elektrodenschichten hoch und der Widerstand gegen Feuchtigkeit ist hervorragend.
Noch weiterhin ist das laminierte piezoelektrische Antriebselement dieser Erfindung so ausgelegt, daß die Fläche des Klebeteiles zum Anbringen benachbarter piezoelektrischer Unteremheiten dadurch gleich oder kleiner als die Fläche der internen Elektrode zum Bilden eines Schlitzabschnittes an dem Umfangsabschnitt des Klebeteiles, und eine beschränkende Wirkung des piezoelektrisch inaktiven Abschnittes auf die Versetzungsbewegung des piezoelektrischen Antriebselementes wird unterdrückt. Als Resultat werden Versetzungsbeschädigung, ungleichmäßige Versetzungsverteilung und interne Spannung des piezoelektrischen Antriebselementes unterdrückt, und somit ist das piezoelektrische Antriebselement dagegegen geschützt, daß es Zusammenbricht.
Noch weiter kann das piezoelektrische Antriebselement dieser Efindung mit einem Füllstoff in den Schlitzabschnitten gefüllt sein, so daß seine mechanische Festigkeit nicht aufgrund des Vorhandenseins der Schlitzabschnitte herabgesetzt wird.

Claims

1. Laminiertes piezoelektrisches Antriebselement zum Erzeugen einer longitudinalen elektrostriktiven Verformung mittels eines piezoelektrischen/elektrostriktiven longitudinalen Effektes, der durch das Anlegen von Spannung daran verursacht wird, wobei das Element aufweist:

eine Mehrzahl von laminierten piezoelektrischen Untereinheiten (5), von denen jede aufweist:

eine Mehrzahl von piezoelektrischen Keramikschichten (1) zum Erzeugen der longitudinalen elektrostriktiven Verformung auf das Anlegen von Spannung daran,

eine Mehrzahl von internen Elektrodenschichten (2), von denen jede eine interne Elektrode (2a) und eine Ziehelektrode (2c), durch die die Spannung anzulegen ist, aufweist und externe Elektroden (4), die an beiden Seiten der piezoelektrischen Untereinheiten vorgesehen sind und mit den internen Elektroden durch die Ziehelektrode zum Anlegen der Spannung an die internen Elektroden verbunden sind;

wobei die piezoelektrischen Keramikschichten und die interen Elektrodenschichten abwechselnd aufeinander laminiert sind und die interenen Elektroden eine Fläche kleiner als eine Fläche der piezoelektrischen Keramikschichten aufweisen zum Definieren von piezoelektrisch inaktiven Abschnitten (7) als Teil der piezoelektrischen Keramikschicht, die keine darauflaminierten internen Elektroden aufweisen und die keine longitudinale elektrostriktive Verformung erzeugen;

ein Klebeteil (3) zum Anbringen benachbarter piezoelektrischer Untereinheiten aneinander;

wobei eine Anbringungsfläche des Klebeteiles gleich oder kleiner als eine Fläche der internen Elektroden ist zum Bilden dadurch von Schlitzabschnitten (9) zwischen jedem Paar von benachbarten piezoelektrischen Einheiten, die das Klebeteil umgeben, und wobei die Schlitzabschnitte zum Mildern von interner Spannung während des Antreibens des Elementes effektiv sind.

2. Laminiertes piezoelektrisches Antriebselement nach Anspruch 1, bei dem das Klebeteil ein beliebiges Material aufweist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem wärmeaushärtenden organischen Klebstoff, technischen Kunststoff, Lötmittel, niedrig schmelzendes Glas und piezoelektrischen Keramikmaterial mit einer niedrigeren Sintertemperatur als eine Sintertemperatur der piezoelektrischen Keramikschichten besteht.

3. Laminiertes piezoelektrisches Antriebselement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Klebeteil ein niedrig schmelzendes Glas aufweist, das eine Dicke unterhalb von 15µm aufweist.

4. Laminiertes piezoelektrisches Betätigungselement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Klebeteil ein piezoelektrisches Keramikmaterial aufweist, das eine Sintertemperatur niedriger als eine Sintertemperatur der piezoelektrischen Keramikschichten aufweist.

5. Laminiertes piezoelektrisches Antriebselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter mit einem Füllstoff mit einem kleineren Elastizitätsmodul als ein Elastizitätsmodul der piezoelektrischen Keramikschichten, wobei der Füllstoff in die Schlitzabschnitte gefüllt ist.

6. Laminiertes piezoelektrisches Antriebselement nach Anspruch 5, bei dem der Füllstoff ein wärmeaushärtendes Harz der Epoxigruppe aufweist.

7. Laminiertes piezoelektrisches Betätigungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die piezoelektrischen Keramikschichten aus Bleizirkonat, Titanat gebildet sind.