DE69519081T2

DE69519081T2 - Piezoelektrisches/elektrostriktives Dünnfilmelement mit einem Membran mit mindestens einem spannungsaufnemenden Gebiet am Rande

Info

Publication number: DE69519081T2
Application number: DE69519081T
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Nanataki; Yukihisa Takeuchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1994-12-21
Filing date: 1995-12-21
Publication date: 2001-05-10
Anticipated expiration: 2015-12-22
Also published as: EP0718900A3; JP3501860B2; US5889353A; CN1132943A; CN1123939C; EP0718900B1; EP0718900A2; US5940947A; US5767612A; JPH08181360A; DE69519081D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein bimorphes, bimorphes oder andere Typen von piezoelektrischen und/oder elektrostriktiven Filmelementen, die Verlagerung oder Kraft in Form von Biegung, Auslenkung oder Durchbiegung erzeugen oder delektieren und für Aktuatoren, Filter, Anzeigenvorrichtungen, Transformatoren, Mikrophone, Schallkörper (wie Lautsprecher), verschiedene Resonatoren, Oszillatoren oder Vibratoren, Diskriminatoren, Kreisel, Sensoren und andere Komponenten und Vorrichtungen verwendet werden können. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung solcher piezoelektrischer oder elektrostriktiver Filmelemente. Mit dem Begriff "Element", wie hierin verwendet, ist ein Element gemeint, das fähig ist, elektrische Energie in mechanische Energie überzuführen oder umzuwandeln, d. h. mechanische Verlagerung, Spannung oder Vibrationen, oder mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.

Erörterung des Standes der Technik

In den letzten Jahren gibt es in den Bereichen der Optik und der Präzisionspositionierungs- oder Bearbeitungsvorgänge steigenden Bedarf an einem Element, dessen Verlagerung gesteuert wird, um eine optische Weglänge oder eine Position eines Elements oder einer Komponente einer Vorrichtung in der Größenordnung von Bruchteilen eines um einzustellen oder zu regulieren, sowie an einem Detektionselement, das dazu ausgebildet ist, winzigste Verlagerung eines Objekts als elektrische Änderung zu detektieren. Um diese Forderung zu erfüllen, sind piezoelektrische und/oder elektrostriktive Filmelemente (in der Folge als "P/E-Filmelemente" bezeichnet) zur Verwendung für Aktuatoren oder Sensoren entwickelt worden, wobei die Elemente ein piezoelektrisches Material, wie z. B. ein ferroelektrisches Material, umfassen, und den umgekehrten oder reziproken piezoelektrischen Effekt nutzen, um bei Anlegen eines elektrischen Feldes an das piezoelektrische Material mechanische Verlagerung hervorzurufen, oder den piezoelektrischen Effekt nutzen, um bei Ausübung eines Drucks oder einer mechanischen Spannung ein elektrisches Feld zu erzeugen. Von diesen Elementen ist ein herkömmliches P/E-Filmelement vom unimorphen Typ beispielsweise vorteilhaft für einen Lautsprecher eingesetzt worden.
Es sind für verschiedene Zwecke eingesetzte Keramik-P/E-Filmelemente vorgeschlagen worden, wie in der JP-A-3-128681 (d. h. in den parallelen US-Patentanmeldungen mit den Seriennummern 07/550,977; 07/860,128, 08/102,960; 08/384,469; 08/392,083 und 08/452,092) und in der JP-A-5-49270 (d. h. in US-Patent Nr. 5.210.455 und der US- Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/013,046) geoffenbart, die vom Zessionar der vorliegenden Erfindung eingereicht wurden. Ein Beispiel für die geoffenbarten Elemente weist ein Keramiksubstrat auf, das zumindest ein Fenster hat und einstückig mit einer dünnen Membran ausgebildet ist, die das oder die Fenster verschließt, so dass zumindest ein dünnwandiger Membranabschnitt oder schwingungsfähiger Abschnitt bereitgestellt wird. An einer Außenfläche eines jeden Membranabschnitts des Keramiksubstrats ist eine piezoelektrische/elektrostriktive Einheit (in der Folge als "P/E-Einheit" bezeichnet) ausgebildet, bei der es sich um eine einstückige Laminatstruktur handelt, die aus einer unteren Elektrode, einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht (in der Folge als "P/E-Schicht" bezeichnet) und einer oberen Elektrode besteht. Die P/E-Einheit ist durch ein geeignetes Filmbildungsverfahren auf dem entsprechenden Membranabschnitt des Keramiksubstrats ausgebildet. Das so gebildete P/E-Filmelement hat eine relativ geringe Größe und ist relativ kostengünstig und kann als elektromechanischer Wandler mit hoher Zuverlässigkeit verwendet werden. Weiters weist dieses Element hohe Betriebsreaktion auf und sorgt bei Anlegung einer niedrigen elektrischen Spannung für ein relativ großes Ausmaß an Verlagerung, wobei eine relativ große Kraft erzeugt wird. Daher wird das oben beschriebene Element vorteilhaft als Element für einen Aktuator, einen Filter, eine Anzeigenvorrichtung, einen Sensor oder andere Komponenten oder Vorrichtungen verwendet.
Um das P/E-Filmelement wie oben beschrieben herzustellen werden die untere Elektrode, die P/E-Schicht und die obere Elektrode einer jeden P/E-Einheit durch ein geeignetes Filmbildungsverfahren in dieser Reihenfolge auf den Membranabschnitt des Keramiksubstrats auflaminiert, und es wird nach Bedarf Wärmebehandlung (Brennen oder Sintern) unterzogen, so dass die P/E-Einheit einstückig auf dem Membranabschnitt ausgebildet wird. Eine weitere Untersuchung der Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes hat gezeigt, dass die piezoelektrischen/elektrostriktiven Eigenschaften des Elements aufgrund der Wärmebehandlung (Brennen oder Sintern) beeinträchtigt werden, die während der Bildung der P/E-Einheit, genauer gesagt der P/E- Schicht, durchgeführt wird.
Im Detail beschrieben ist die P/E-Schicht während der Wärmebehandlung der P/E- Schicht Spannungen aufgrund von Schrumpfung beim Brennen der P/E-Schicht oder P/E- Einheit ausgesetzt, die mit dem Membranabschnitt des Keramiksubstrats in Kontakt steht. Die Spannungen bleiben nach dem Brennen darin bestehen und verhindern, dass das P/E-Filmelement eine ausreichend dichte Sinterstruktur aufweist. In diesem Fall kann das P/E-Filmelement die erwünschten oder beabsichtigten piezoelektrischen/elektrostriktiven Eigenschaften nicht aufweisen. Die Restspannungen nach dem Brennen der P/E-Schicht beeinträchtigen die piezoelektrischen/elektrostriktiven Eigenschaften auf unerwünschte Weise und verringern insbesondere das Ausmaß an Verlagerung des Membranabschnitts, das bei Betätigung der P/E-Einheit hervorgerufen wird.
Um beispielsweise einen Aktuator für eine Anzeigenvorrichtung zu erzeugen, wird eine Vielzahl von Fenstern in einem geeigneten Muster über ein Keramiksubstrat ausgebildet, und P/E-Einheiten wie oben beschrieben werden auf jeweiligen dünnwandigen Membranabschnitten ausgebildet, die die entsprechenden Fenster verschließen. In diesem Fall kann das Ausmaß an Verlagerung der Membranabschnitte aufgrund der Spannungen, die nach dem Brennen in der P/E-Schicht verbleiben, insbesondere wenn zwei oder mehrere benachbarte P/E-Einheiten gleichzeitig betätigt werden, im Vergleich zu dem Ausmaß an Verlagerung bei Betätigung einer einzelnen P/E-Einheit beträchtlich verringert werden. Das heißt, wenn die beiden benachbarten P/E-Einheiten beispielsweise gleichzeitig betätigt werden, stört die Verlagerung des Membranabschnitts, der eine der beiden P/E-Einheiten trägt, jene des Membranabschnitts, der die andere P/E-Einheit trägt, was zu einer Reduktion des Ausmaßes an Verlagerung dieser Membranabschnitte führt. Die Reduktion der Ausmaße der Verlagerung der Membranabschnitte ist wesentlich, wenn der Abstand zwischen den benachbarten P/E- Einheiten verringert wird, um der in letzter Zeit bestehenden Forderung nach einer größerer Anzahl der P/E-Einheiten pro Flächeneinheit zu entsprechen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement bereitzustellen, bei dem jede piezoelektrische/elektrostriktive Einheit durch ein Filmbildungsverfahren an einer Außenfläche eines dünnwandigen Membranabschnitts eines Keramiksubstrats ausgebildet wird, wobei das piezoelektrische/elektrostriktive Filmelement effizient mechanische Spannungen, die in der P/E-Einheit hervorgerufen werden, beim Anlegen einer relativ niedrigen elektrischen Spannung in ein großes Ausmaß an Verlagerung umwandeln kann, und bei dem es zu keiner beträchtlichen Reduktion des Ausmaßes an Verlagerung kommt, wenn zwei oder mehr auf jeweiligen Membranabschnitten ausgebildete P/E-Einheiten gleichzeitig betätigt werden.
Es ist ein zweites Ziel der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das sich zur Erzeugung eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements eignet, das fähig ist, die oben beschriebenen hervorragenden Eigenschaften aufzuweisen.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement bereit, wie in Anspruch 1 dargelegt.
Beim gemäß vorliegender Erfindung konstruierten piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelement ist der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt auf zumindest einem von einander gegenüberliegenden Endteilen des Membranabschnitts des Keramiksubstrats ausgebildet, auf dem die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit nicht angeordnet ist. In Gegenwart des mechanische Spannung abschwächenden Abschnitts ist es weniger wahrscheinlich, dass die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit durch eine Kraft beeinflusst wird, die vom Keramiksubstrat empfangen wird, wodurch die in der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit erzeugten mechanischen Spannungen mit hoher Effizienz in Verlagerung umgewandelt werden können, während ein großes Ausmaß an Verlagerung des Membranabschnitts gewährleistet ist, wenn an die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit eine relativ niedrige elektrische Spannung angelegt wird.
Weiters wird, wenn das Filmelement mit einer Vielzahl piezoelektrischer/elektrostriktiver Einheiten versehen ist, das Ausmaß an Verlagerung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten im Vergleich zum Ausmaß an Verlagerung, wenn jede piezoelektrische/elektrostriktive Einheit allein betätigt wird, nicht wesentlich verringert, auch wenn diese Einheiten gleichzeitig betätigt werden. Daher gewährleistet das erfindungsgemäße Filmelement unabhängig von der Anzahl der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten, die gleichzeitig betätigt werden, ein im Wesentlichen konstantes Ausmaß an Verlagerung in jedem Membranabschnitt und im Wesentlichen beständige Betriebseigenschaften des Filmelements.
Gemäß einer ersten bevorzugten Anordnung des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung liegen die einander gegenüberliegenden Abschnitte des Umfangs eines jeden Fensters einander in einer Richtung parallel zu einer geraden Linie gegenüber, die parallel zur Ebene der Hauptfläche des Basisabschnitts verläuft und durch einen Mittelpunkt eines jeden Fensters hindurchgeht und entlang der jedes Fenster die kürzeste Abmessung aufweist. In diesem Fall macht die Abmessung des mechanische Spannung abschwächenden Abschnitts in dieser Richtung gemessen, nicht mehr als 40 % der kürzesten Abmessung eines jede Fensters aus.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Anordnung des ersten Aspekts der Erfindung weist der Membranabschnitt zumindest einen Biegungspunkt auf.
Gemäß einer dritten bevorzugten Anordnung des ersten Aspekts der Erfindung umfasst der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt einen Endteil, der an den entsprechenden einen der einander gegenüberliegenden Abschnitte des Umfangs eines jeden Fensters angrenzt, wobei der Endteil so gekrümmt ist, dass er in eine Richtung weg von der Ebene der Hauptfläche des Basisabschnitts vorragt.
Gemäß einer vierten bevorzugten Anordnung des ersten Aspekts der Erfindung ist die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit so angeordnet, dass beide der einander gegenüberliegenden Endflächen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit von den entsprechenden einander gegenüberliegenden Abschnitten des Umfangs eines jeden Fensters in Richtung zur Mitte des Membranabschnitts hin beabstandet sind. In diesem Fall ist der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt an jedem der einander gegenüberliegenden Endteile des Membranabschnitts vorgesehen, der sich zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit und den entsprechenden einander gegenüberliegenden Abschnitten des Umfangs eines jeden Fensters befindet.
Gemäß einer fünften bevorzugten Anordnung des ersten Aspekts der Erfindung ist die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit so angeordnet, dass nur eine der einander gegenüberliegenden Endflächen der piezoelektrischen/ elektrostriktiven Einheit von dem entsprechenden einen der einander gegenüberliegenden Abschnitte des Umfangs eines jeden Fensters in Richtung zur Mitte des Membranabschnitts hin beabstandet ist. In diesem Fall ist der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt an nur einem der einander gegenüberliegenden Endteile des Membranabschnitts vorgesehen, der sich zwischen der einen der einander gegenüberliegenden Endflächen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit und dem entsprechenden einen der einander gegenüberliegenden Abschnitte des Umfangs eines jeden Fensters befindet.
Gemäß einer sechsten bevorzugt Anordnung des ersten Aspekts der Erfindung weist der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt eine nach oben konvexe Gestalt auf, so dass er aus der Ebene in eine Richtung von jedem Fenster weg ragt.
Gemäß einem vorteilhaften Merkmal der vierten bevorzugten Anordnung des ersten Aspekts der Erfindung weist der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt, der an jedem der einander gegenüberliegenden Endteile des Membranabschnitts vorgesehen ist, eine nach oben konvexe Gestalt auf, so dass er aus der Ebene in eine Richtung von jedem Fenster weg ragt, wobei der Membranabschnitt einen Mittelteil aufweist, auf dem die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit ausgebildet ist, wobei der Mittelteil eine nach unten konkave Gestalt aufweist, die aus der Ebene in eine Richtung zu jedem Fenster hin ragt.
Gemäß einem vorteilhaften Merkmal der fünften bevorzugten Anordnung des ersten Aspekts der Erfindung weist der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt, der nur an einem der einander gegenüberliegenden Endteile des Membranabschnitts vorgesehen ist, eine nach oben konvexe Gestalt auf, so dass er aus der Ebene in eine Richtung von jedem Fenster weg ragt, wobei ein Teil des Membranabschnitts, der den anderen der einander gegenüberliegenden Endteile umfasst und auf dem die piezoelektrische/ elektrostriktive Einheit ausgebildet ist, eine nach unten konkave Gestalt aufweist, so dass er aus der Ebene in eine Richtung zu jedem Fenster hin ragt.
Gemäß einem vorteilhaften Merkmal der sechsten bevorzugten Anordnung des ersten Aspekts der Erfindung umfasst das Keramiksubstrat eine Membranplatte, die den Membranabschnitt enthält und die auf der Hauptfläche des Basisabschnitts ausgebildet ist, so dass der Membranabschnitt jedes Fenster schließt. In diesem Fall hat die nach oben konvexe Gestalt des die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitts eine Höhe, die nicht größer als das Doppelte der Dicke des Membranabschnitts ist. Die Höhe wird von einer der einander gegenüberliegenden Hauptflächen der Membranplatte aus gemessen, die vom Basisabschnitt entfernt ist.
Gemäß einer siebenten bevorzugten Anordnung des ersten Aspekts der Erfindung weist der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitte eine nach unten konkave Gestalt auf, so dass er in eine Richtung zu jenem Fenster hin ragt.
Gemäß einem vorteilhaften Merkmal der siebenten bevorzugten Anordnung des ersten Aspekts der Erfindung ist der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt an zumindest einer der einander gegenüberliegenden Seiten der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit vorgesehen.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der siebenten bevorzugten Anordnung des ersten Aspekts der Erfindung umfasst das Keramiksubstrat eine Membranplatte, die den Membranabschnitt umfasst und die so auf der Hauptfläche des Basisabschnitts ausgebildet ist, dass der Membranabschnitt jedes Fenster verschließt. Die nach unten konkave Gestalt des die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitts weist eine Höhe auf, die nicht mehr als das Doppelte der Dicke des Membranabschnitts ausmacht. Die Höhe wird von einer der einander gegenüberliegenden Hauptflächen der Membranplatte aus gemessen, die vom Basisabschnitt entfernt ist.
Beim gemäß vorliegender Erfindung konstruierten piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelement kann der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt eine gewellte Gestalt haben, die zumindest einen nach oben konvexen Teil und zumindest einen nach unten konkaven Teil aufweist. Der Membranabschnitt kann eine durchschnittliche Kristallkorngröße von nicht mehr als 5 um und eine Dicke von nicht mehr als 30 um aufweisen. Die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit kann eine Dicke von nicht mehr als 100 um aufweisen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements bereitgestellt, wie in Anspruch 18 dargelegt.
Das Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements gemäß vorliegender Erfindung ermöglicht die kommerziell vorteilhafte Herstellung der Filmelemente mit verbesserter Effizienz.
Gemäß einer ersten bevorzugten Anordnung des zweiten Aspekts der Erfindung umfasst der Schritt des Ausbildern zumindest der unteren Elektrode und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht das Ausbilden der unteren Elektrode und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht auf solche Weise, dass beide der einander gegenüberliegenden Endflächen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit von den entsprechenden einander gegenüberliegenden Abschnitten des Umfangs eines jeden Fensters in Richtung zur Mitte des Membranabschnitts hin beabstandet sind, wobei der Schritt des Brennens der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht das Brennen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht umfasst, so dass beide der einander gegenüberliegenden Endabschnitte des Membranabschnitts nach oben gekrümmt werden, so dass jeder der einander gegenüberliegenden Endteile den die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitt bereitstellt, während ein Mittelteil des Membranabschnitts zwischen den einander gegenüberliegenden Endteilen nach unten gekrümmt wird.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Anordnung des zweiten Aspekts der Erfindung umfasst der Schritt des Ausbildens zumindest der unteren Elektrode und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht das Ausbilden der unteren Elektrode und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht auf solche Weise, dass nur eine der einander gegenüberliegenden Endflächen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit vom entsprechenden der einander gegenüberliegenden Abschnitte des Umfangs eines jeden Fensters in Richtung zur Mitte des Membranabschnitts hin beabstandet ist, wobei der Schritt des Brennens der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht das Brennen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht auf solche Weise umfasst, dass nur einer der einander gegenüberliegenden Endteile des Membranabschnitts nach oben gekrümmt wird, wodurch der mechanische Spannung abschwächende Abschnitt bereitgestellt wird, während ein Teil des Membranabschnitts, der den anderen der einander gegenüberliegenden Endteile umfasst und auf dem die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit ausgebildet ist, nach unten gekrümmt wird.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements bereitgestellt, wie in Anspruch 21 dargelegt.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements bereitgestellt, wie in Anspruch 22 dargelegt.
Gemäß einer bevorzugten Anordnung des vierten Aspekts der Erfindung umfasst der Schritt des Herstellens des Keramiksubstrats das Ausbilden des Membranabschnitts auf solche Weise, dass der Membranabschnitt allgemein eine nach oben konvexe Gestalt aufweist, die in die Richtung von jedem Fenster weg ragt, sowie das Pressen einer Lehre gegen zumindest einen Mittelteil des Membranabschnitts in Richtung zu jedem Fenster hin.
Gemäß vorliegender Erfindung kann der Membranabschnitt das Fenster vollständig verschließen oder sich in Art einer Brücke zwischen zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Fensters erstrecken.
Die obigen und fakultative Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der zur Zeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung bei Betrachtung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verstanden werden, in denen:
Fig. 1 eine perspektivische Explosionsansicht ist, die schematisch ein Beispiel für eine Basisstruktur eines konstruierten piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements zeigt, auf das die vorliegende Erfindung in den nachstehenden Ausführungsformen angewandt wird;
Fig. 2 ein Aufriss im Querschnitt des piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements von Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht im Querschnitt des Filmelements von Fig. 1 in einer Ebene ist, die parallel zur kurzen Seite eines Fensters verläuft und durch den Mittelpunkt des Fensters hindurchgeht, und eine Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Ansicht ist, die ein weiteres Beispiel für das piezoelektrische/elektrostriktive Filmelement gemäß vorliegender Erfindung zeigt;
Fig. 5 eine Fig. 3 entsprechende Ansicht ist, die wieder ein anderes Beispiel für das piezoelektrische/elektrostriktive Filmelement gemäß vorliegender Erfindung zeigt;
Fig. 6 eine Fig. 3 entsprechende Ansicht ist, die ein weiteres Beispiel für das piezoelektrische/elektrostriktive Filmelement gemäß vorliegender Erfindung zeigt;
Fig. 7 eine Fig. 3 entsprechende Ansicht ist, die wieder ein anderes Beispiel für das piezoelektrische/elektrostriktive Filmelement gemäß vorliegender Erfindung zeigt;
die Fig. 8(a) bis 8(c) vergrößerte Teilquerschnittansichten sind, die Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements von Fig. 3 zeigen;
die Fig. 9(a) bis 9(c) vergrößerte Teilquerschnittansichten sind, die Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements von Fig. 4 zeigen;
die Fig. 10(a) bis 10(c) vergrößerte Teilquerschnittansichten sind, die Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements von Fig. 5 zeigen;
die Fig. 11 (a) bis 11 (c) vergrößerte Teilquerschnittansichten sind, die Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelemente der Fig. 6 und 7 zeigen;
die Fig. 12(a) und 12(b) vergrößerte Teilquerschnittansichten sind, die Verfahrensschritte zur Herstellung eines beim Verfahren von Fig. 11 verwendeten Keramiksubstrats zeigen;
Fig. 13 eine perspektivische Explosionsansicht ist, die ein weiteres Beispiel für das piezoelektrische/elektrostriktive Filmelement gemäß vorliegender Erfindung mit einer Vielzahl von piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten zeigt;
Fig. 14 einer Querschnittansicht entlang Linie 14-14 von Fig. 13 ist; und
Fig. 15 eine der von Fig. 14 entsprechende Querschnittansicht ist, die wieder ein anderes Beispiel für das piezoelektrische/elektrostriktive Filmelement gemäß vorliegender Erfindung mit einer Vielzahl von piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In der Folge wird eine Ausführungsform eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements gemäß vorliegender Erfindung beschrieben, worin eine piezoelektrische/elektrostriktive Einheit durch ein Filmbildungsverfahren an einer Außenfläche eines Membranabschnitts ausgebildet ist, der ein Fenster eines Keramiksubstrats verschließt, und worin ein angemessen dimensionierter die mechanische Spannung abschwächender oder dämpfender Abschnitt auf zumindest einem Abschnitt des Membranabschnitts ausgebildet ist, auf dem die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit nicht angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform hat das Keramiksubstrat ein Fenster.
Auf die Fig. 1 und 2 Bezug nehmend, die ein Beispiel für ein piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement (in der Folge als "P/E-Filmelement" bezeichnet) zeigen, auf das die vorliegende Erfindung angewandt wird, weist ein Keramiksubstrat 2 eine einstückige Struktur auf, die aus einer Basisplatte 4 mit einer vorbestimmten Dicke, wobei die Basisplatte 4 ein rechteckiges Fenster 6 mit angemessener Größe aufweist, und einer relativ dünnen Membranplatte 8 besteht, die das Fenster 6 verschließt. Die Membranplatte 8 ist auf eine der einander gegenüberliegenden Hauptflächen der Basisplatte 4 gelegt, die als Stützelement dient. Die Membranplatte 8 weist einen Membranabschnitt 10 auf, der dem Fenster 6 der Basisplatte 4 entspricht. An der Außenfläche der Membranabschnitts 10 des planaren Keramiksubstrats 2 sind nach einem bekannten Filmbildungsverfahren ein unterer Elektrodenfilm 12, eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (in der Folge als "P/E- Schicht" bezeichnet) 14 und ein oberer Elektrodenfilm 16 in dieser Reihenfolge auflaminiert, so dass eine filmartige piezoelektrische/elektrostriktive Einheit (in der Folge als "P/E-Einheit" bezeichnet) 18 gebildet wird. Wie nach dem Stand der Technik bekannt, wird an die untere und die obere Elektrode 12, 16 über jeweilige (nicht gezeigte) Leiterabschnitte eine geeignete elektrische Spannung angelegt.
Wenn das wie oben beschrieben konstruierte P/E-Filmelement als Aktuator verwendet wird, wird zwischen den beiden Elektroden 12, 16 der P/E-Einheit 18 auf bekannte Weise eine elektrische Spannung angelegt, so dass die P/E-Schicht 14 einem elektrischen Feld ausgesetzt ist und eine durch das elektrische Feld herbeigeführte mechanische Verwindung erfährt. Als Folge verursacht die P/E-Einheit 18 aufgrund der Verwindungswirkung in Querrichtung der P/E-Schicht 14 eine Biegungs-, Abbiegungs- oder Durchbiegungsverlagerung oder -kraft, so dass die Verlagerung oder Kraft in eine Richtung senkrecht zur Ebene oder den Hauptflächen des Substrats 2 auf das Keramiksubstrat 2 (Membranabschnitt 10) wirkt.
Das P/E-Filmelement gemäß vorliegender Erfindung weist einen geeigneten die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitt auf, der als Teil des Membranabschnitts 10 des Keramiksubstrats 2 ausgebildet ist, auf dem die P/E-Einheit 18 nicht ausgebildet ist. Detaillierter beschrieben befindet sich beim erfindungsgemäßen P/E- Filmelement zumindest eine der einander gegenüberliegenden Endflächen der P/E- Einheit 18 (wie in Fig. 2 zu sehen), die auf dem Membranabschnitt 10 ausgebildet sind, innerhalb vom Membranabschnitt 10, so dass die Endfläche der P/E-Einheit 18 nach innen versetzt oder vom entsprechenden Ende des Fenster 6 beabstandet ist, das im Keramiksubstrat 2 ausgebildet ist. Mit anderen Worten, der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt besteht aus einem Teil des Membranabschnitts, der zwischen der zumindest einen der einander gegenüberliegenden Endflächen der P/E-Einheit 18 und dem oder den entsprechenden Ende oder Enden von Fenster 6 angeordnet ist. Bei einem P/E-Filmelement, wie beispielsweise in Fig. 3 gezeigt, sind zwei die mechanische Spannung abschwächende Abschnitte 20, 20 auf den einander gegenüberliegenden Seiten (wie in Fig. 3 gezeigt) der P/E-Einheit 18 an den Abschnitten des Membranabschnitts 10 ausgebildet, der zwischen den einander gegenüberliegenden Endflächen der P/E-Einheit 18 und den entsprechenden einander gegenüberliegenden Enden von Fenster 6 angeordnet ist. Mit anderen Worten, die beiden die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte 20, 20 bestehen aus den oben angegebenen Abschnitten des Membranabschnitts 10, die jeweilige Breitenabmessungen n, n' aufweisen, wie in Fig. 3 angegeben, und auf denen die P/E-Einheit 18 nicht getragen wird. Wie in Fig. 3 gezeigt, weist ein jeder der die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte eine nach oben gekrümmte konvexe Gestalt auf, die in eine Richtung weg von der Unterseite des Fensters 6 nach außen ragt. In Gegenwart der so ausgebildeten die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte 20 des Membranabschnitts 10 können mechanische Spannungen, die in der P/E-Einheit 18 entstehen, mit hoher Effizienz in Verlagerung umgewandelt werden, und der Membranabschnitt 10 erfährt durch das Anlegen einer relativ niedrigen elektrischen Spannung an die P/E-Einheit 18 ein ausreichend großes Ausmaß an Verlagerung. Außerdem verhindert das Vorsehen der die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte, wie oben beschrieben, wirksam eine Reduktion des Ausmaßes an Verlagerung von Membranabschnitt 10, wenn zwei oder mehrere benachbarte P/E-Einheiten 18 gleichzeitig betätigt werden. Daher ermöglichen es die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte 20, die Forderung nach erhöhter Dichte der P/E-Einheiten 18 pro Einheitsfläche des P/E- Filmelements zu erfüllen.
Bei Betätigung der P/E-Einheit 18, die auf dem Membranabschnitt 10 mit den beiden die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitten 20, 20 ausgebildet ist, die jeweils auf den einander gegenüberliegenden Seiten der P/E-Einheit ausgebildet sind und die die nach oben gekrümmte konvexe Gestalt aufweisen, wie in Fig. 3 gezeigt, wird der Membranabschnitt 10 nach unten verlagert, wie durch einen Pfeil in Fig. 3 angegeben, mit anderen Worten, wird zum Fenster 6 hin durchgebogen. In Gegenwart der die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte 20, 20, die wie oben beschrieben ausgebildet sind, ist es weniger wahrscheinlich, dass die in der P/E-Einheit 18 bei ihrer Betätigung erzeugten mechanischen Spannungen von einer Kraft von einem Basisabschnitt des Keramiksubstrats 2 (d. h. Basisplatte 4) beeinflusst werden, wodurch die in der P/E-Einheit 18 erzeugten mechanischen Spannungen mit hoher Effizienz in Verlagerung von Membranabschnitt 10 umgewandelt werden. Weiters erfährt der Membranabschnitt 10 durch das Anlegen einer relativ niedrigen elektrischen Spannung ein ausreichend großes Ausmaß an Verlagerung. Mit den die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitten 20 wird der Einfluss der Kraft vom Basisabschnitt des Keramiksubstrats 2, der bei ihrer Betätigung auf die P/E-Einheit 18 wirken würde, wirksam vermieden oder verringert. Demgemäß ist es weniger wahrscheinlich, dass das Ausmaß an Verlagerung eines jeden Membranabschnitts 10 verringert wird, auch wenn die beiden oder mehreren benachbarten P/E-Einheiten 18 gleichzeitig betätigt werden, und das Ausmaß an Verlagerung der gleichzeitig betätigten P/E-Einheiten 18 unterscheidet sich nicht vom Ausmaß an Verlagerung, wenn jede P/E-Einheit 18 unabhängig von den anderen P/E-Einheiten betätigt wird.
Das P/E-Filmelement von Fig. 3 weist den Membranabschnitt 10 auf, dessen die P/E- Einheit 18 tragender Mittelteil so in einer konkaven Gestalt nach unten gekrümmt ist, dass er in das Fenster 6 vorragt, so dass der Membranabschnitt 10 im Querschnitt allgemein eine "M"-Gestalt annimmt. Insbesondere werden mit dem erfindungsgemäßen P/E-Filmelement, das den "M"-förmigen Membranabschnitt 10 mit den beiden die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitten 20, 20, die auf den einander gegenüberliegenden Seiten der P/E-Einheit 18 ausgebildet sind, die Vorteile wie oben beschrieben wirksam erzielt. Der Begriff "Endfläche" der P/E-Einheit 18 bezeichnet allgemein die Endflächen der drei Schichten 12, 14, 16 der P/E-Einheit 18, die in Bezug aufeinander fluchtend sind. Wenn beispielsweise die P/E-Einheit 14 und die obere Elektrode 16 länger sind als die untere Elektrode 12, wie in Fig. 3 durch eine strichlierte Linie angezeigt, ist die Endfläche der P/E-Einheit 18 als Endfläche der unteren Elektrode 12 definiert. Daher ist die Breitenabmessung n, n' eines jeden die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitts 20 durch die Endfläche der kürzesten der drei Schichten der P/E-Einheit 18 bestimmt.
Es versteht sich, dass die Konstruktion des P/E-Filmelements gemäß vorliegender Erfindung keineswegs auf das Filmelement von Fig. 3 beschränkt ist. Beispielsweise müssen die beiden die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte 20, 20 nicht symmetrisch auf den einander gegenüberliegenden Seiten der P/E-Einheit 18 angeordnet sind. Das Prinzip der vorliegenden Erfindung kann in Form von P/E- Filmelementen ausgeführt sein, wie in den Fig. 4 bis 7 gezeigt, die im Wesentlichen die gleichen Vorteile wie oben beschrieben liefern.
Beim in Fig. 4 gezeigten P/E-Filmelement ist die P/E-Einheit 18 so auf dem Membranabschnitt 10 ausgebildet, dass die P/E-Einheit 18 vom Mittelteil des Membranabschnitts 10 zu einem der einander gegenüberliegenden Enden von Fenster 6 hin versetzt ist, so dass nur ein die mechanische Spannung abschwächender Abschnitt 20 auf der Seite der Endfläche der P/E-Einheit 18 bereitgestellt wird, die vom oben angegebenen einen Ende von Fenster 6 entfernt ist. Genauer gesagt besteht der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt 20 aus einem Teil des Membranabschnitts 10, der zwischen der oben angeführten Endfläche der P/E-Einheit 18 und dem entsprechenden Ende von Fenster 6 angeordnet ist. Wie in Fig. 4 gezeigt, weist der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt 20 eine nach oben gekrümmte konvexe Gestalt, die nach außen, in eine Richtung vom Fenster 6 weg vorragt. Andererseits weist der andere Teile des Membranabschnitts 10, auf dem die P/E-Einheit 18 ausgebildet ist, eine nach unten gekrümmte konkave Gestalt auf, die nach innen zur Unterseite von Fenster 6 hin vorragt. Beim erfindungsgemäßen P/E-Filmelement, worin der Membranabschnitt 10 aus dem nach oben gekrümmten konvexen Teil und dem nach unten gekrümmten konkaven Teil besteht, die aneinander anliegen, fungiert der konvexe Teil als der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt 20, der die piezoelektrischen/elektrostriktiven Eigenschaften verbessert, wenn die zwei oder mehreren benachbarten P/E-Einheiten 18 gleichzeitig betätigt werden. Weiters bewirkt der konkave Teil des Membranabschnitts 10, der die P/E-Einheit 18 trägt, wirksam eine Verringerung der Starrheit des Membranabschnitts 10 als Ganzes in Richtung seiner Verlagerung bei Anlegen der Antriebsspannung an die P/E-Einheit 18. Daher kann das erfindungsgemäße P/E-Filmelement ein ausreichend großes Ausmaß an Verlagerung gewährleisten. Beim in Fig. 4 gezeigten Filmelement ist die Endfläche der P/E-Einheit 18, die vom die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitt 20 entfernt ist, am entsprechenden Ende des konkaven Teils des Membranabschnitts 10 angeordnet. Die Endfläche der P/E-Einheit 18 kann sich jedoch über das entsprechende Ende von Fenster 6 hinaus erstrecken, d. h. kann sich über die Basisplatte 4 erstrecken, wie durch eine strichpunktierte Linie in Fig. 4 gezeigt.
Als nächstes auf Fig. 5 Bezug nehmend wird eine weitere Form des P/E-Filmelements gemäß vorliegender Erfindung beschrieben. Das Filmelement von Fig. 6 ist mit jenem von Fig. 3 identisch, bei dem die beiden die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte 20, 20 jeweils auf den einander gegenüberliegenden Seiten der P/E-Einheit 18 ausgebildet sind. Anders als die die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte 20 von Fig. 3, von denen jeder aus einem einzelnen nach oben gekrümmten konvexen Teil besteht, weist jeder der die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte 20 im P/E-Filmelement von Fig. 5 eine gewellte Gestalt auf, bei der die konvexen und konkaven Teile aneinander anliegen. Die so gebildeten die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte 20 können ähnliche Vorteile wie oben beschrieben gewährleisten. Obwohl die beiden die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte 20, 20 im Filmelement von Fig. 5 auf den einander gegenüberliegenden Seiten der P/E-Einheit 18 vorgesehen sind, kann an einer der einander gegenüberliegenden Seiten der P/E-Einheit 18 ein einzelner gewellter die mechanische Spannung abschwächender Abschnitt 20 vorgesehen sein, wie im Filmelement von Fig. 4.
Auf die Fig. 6 und 7 Bezug nehmend werden andere Formen des gemäß vorliegender Erfindung konstruierten P/E-Filmelements gezeigt. Bei den Filmelementen der vorangegangenen Beispiele der Fig. 3 bis 5 ragt der Endteil des die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitts 20, der an das entsprechende Ende von Fenster 6 angrenzt, nach außen in Richtung von Fenster 6 weg vor. Im Gegensatz dazu ragt der entsprechende Endteil des die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitts 20 der Fig. 6 und 7 nach innen zur Unterseite von Fenster 6 hin vor.
Beim P/E-Filmelement von Fig. 6 ist der Mittelteil des Membranabschnitts 10, der die P/E-Einheit 18 trägt, auf der Seite von Fenster 6 nach unten gekrümmt, während beim Filmelement von Fig. 7 der Mittelteil von Membranabschnitt 10, der die P/E-Einheit 18 trägt, nach oben gekrümmt ist und nach außen in Richtung weg vom Fenster 6 vorragt. Insbesondere bewirkt die Konstruktion des P/E-Filmelements von Fig. 6 wirksam eine Reduktion der Starrheit des Membranabschnitts 10 in Richtung der Verlagerung des Membranabschnitts 10 beim Anlegen einer elektrischen Spannung daran, wodurch ein großes Ausmaß an Verlagerung gewährleistet wird.
Bei den P/E-Filmelementen der Fig. 6 und 7 sind die beiden konkaven die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte 20, 20 jeweils an den einander gegenüberliegenden Seiten der P/E-Filmelemente 18 ausgebildet. Jedoch können die Filmelemente der Fig. 6 und 7 so modifiziert werden, dass ein einzelner die mechanische Spannung abschwächender Abschnitt 20 auf einer der einander gegenüberliegenden Seiten der P/E-Einheit 18 ausgebildet ist, wie beim Filmelement von Fig. 4.
Aus der obigen Beschreibung geht hervor, dass der Endteil des die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitts 20, der an das entsprechende Ende von Fenster 6 angrenzt, vorzugsweise einen Teil der konvexen oder konkaven Gestalt bildet. Genauer gesagt ist es wünschenswert, dass der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt 20 keinen ebenen Endteil aufweist, der mit der Deckfläche des Keramiksubstrats 2 fluchtet und sich von der Umfangskante von Fenster 6 aus gerade erstreckt. Der ebene oder gerade Endteil des die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitts 20 würde seine Spannungsabschwächungswirkung beeinträchtigen, mit anderen Worten, das Ausmaß der Verlagerung der P/E-Einheiten 18 verringern, wenn sie gleichzeitig betätigt werden. Da ein solcher ebener Endteil keine ausreichend hohe die mechanische Spannung abschwächende Wirkung aufweisen würde, ist der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt, der aus einer Kombination aus dem ebenen Teil und dem gekrümmten Teil besteht, von Nachteil, wenn die Dichte der P/E-Einheiten 18 pro Einheitsfläche des Filmelements hoch ist. Es ist vorzuziehen, dass die Breitenabmessung (n, n') eines jeden die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitts, der sich zwischen der Endfläche der P/E-Einheit und dem entsprechenden Ende des Fensters befindet, so klein wie möglich ist, während eine ausreichende Spannungsabschwächungswirkung gewährleistet wird.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, weist der Membranabschnitt 10 mit dem oder den gemäß vorliegender Erfindung konstruierten die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitt(en) vorzugsweise zumindest einen Biegungspunkt auf, um eine erhöhte Spannungsabschwächungswirkung zu erreichen. Genauer gesagt weist der gemäß vorliegender Erfindung ausgebildete Membranabschnitt 10 vorzugsweise zumindest einen konvexen Abschnitt und zumindest einen konkaven Abschnitt auf, die aneinander anliegen, so dass zumindest ein Biegungspunkt im Membranabschnitt 10 bereitgestellt wird. Es ist anzumerken, dass sich der Biegungspunkt entweder im die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitt 20 oder in dem Abschnitt des Membranabschnitts 10 befindet, auf dem die P/E-Einheit 18 getragen wird.
Der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt 20, der als Teil des Membranabschnitts 10 gemäß vorliegender Erfindung bereitgestellt ist, weist die erwünschte Spannungsabschwächungswirkung wie oben beschrieben auf, solange der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt 20 entlang der Umfangskanten von Fenster 6 des Keramiksubstrats 2 ausgebildet ist. Vorteilhafter ist der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt 20 über eine Breite n, n', die nicht mehr als 40% der Abmessung (m) der kurzen Seite des rechteckigen Fensters 6 ausmacht, wie entlang einer gerade Linie gemessen, die parallel zu den kurzen Seiten des Rechtecks von Fenster 6 verläuft und durch den Mittelpunkt von Fenster 6 hindurchgeht, als Umfangsteil des Membranabschnitts 10 ausgebildet. Die Abmessung n, n' macht vorzugsweise nicht mehr als 30% und mehr bevorzugt nicht mehr als 15% der Abmessung (m) aus. Es ist anzumerken, dass die Breitenabmessungen n und n' nicht notwendigerweise identisch sind.
In Hinblick auf die Verlagerungseigenschaften des P/E-Filmelements ist es vorzuziehen, dass der gemäß vorliegender Erfindung konstruierte die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt 20 einen nach oben gekrümmten konvexen Teil oder einen nach unten gekrümmten konkaven Teil aufweist. Die (in den Fig. 3 und 4 mit "a" bezeichnete) maximale Höhe des konvexen Teils des die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitts 20 und die (in den Fig. 6 und 7 mit "d" bezeichnete) maximale Tiefe des konkaven Teils des die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitts 20, wie von der Deckfläche des Substrats 2 gemessen, sind vorzugsweise so bestimmt, dass sie das Doppelte der Dicke des Membranabschnitts 10 nicht übersteigen. Insbesondere sind die maximale Höhe "a" und die maximale Tiefe "d" so bestimmt, dass sie nicht geringer als 1 um und nicht größer als die Dicke von Membranabschnitt 10 sind.
Das Keramiksubstrat 2, auf dem die P/E-Einheit 18 getragen wird, ist aus einem bekannten Keramikmaterial gebildet und vorteilhaft aus stabilisiertem Zirkoniumdioxid, teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid und Gemischen daraus ausgewählt. Besonders vorteilhaft wird ein Material eingesetzt, wie von den Erfindern des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes in US-Patent Nr. 5.430.344 geoffenbart, das als Hauptkomponente Zirkoniumdioxid enthält, das teilweise stabilisiert ist, indem (eine) Verbindung(en) wie Yttriumoxid zugegeben wird/werden und das eine Kristallphase aufweist, die im Wesentlichen aus einer tetragonalen Phase oder einem Gemisch aus zumindest zwei Arten aus kubischer, tetragonaler und monokliner Phase besteht. Das Keramiksubstrat 2 aus dem oben beschriebenen Material weist auch bei geringer Dicke hohe mechanische Festigkeit und hohe Zähigkeit auf, und es ist weniger wahrscheinlich, dass es chemisch mit dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Material reagiert. Das Keramiksubstrat 2 wird vorzugsweise hergestellt, indem 1) unter Einsatz einer Metallform oder durch Ultraschallbearbeitung oder mechanische Bearbeitung eine grüne Bahn hergestellt wird, die die Basisplatte ergibt und in der eine Öffnung (Fenster 6) ausgebildet ist, 2) auf die grüne Bahn für die Basisplatte eine dünne grüne Bahn gelegt wird, die die Membranplatte 8 (Membranabschnitt 10) ergibt, und die grünen Bahnen durch Heißpressen aneinandergeklebt verbunden werden, und 3) die grünen Bahnen zu einer einstückigen Struktur gebrannt werden. Das so erhaltene Keramiksubstrat 2 weist hohe Zuverlässigkeit auf. Um ausreichend hohe mechanische Festigkeit zu gewährleisten, wird die durchschnittliche Kristallkorngröße des Keramikmaterials für den Membranabschnitt 10, auf dem die P/E-Einheit 18 getragen wird, allgemein so reguliert, dass sie nicht größer als 5 um, bevorzugt nicht größer als 2 um, mehr bevorzugt nicht größer als 1 um ist. Um eine ausreichend hohe Betriebsreaktionsgeschwindigkeit des Elements und große Verlagerung des Elements zu gewährleisten, beträgt die Dicke des Membranabschnitts 10 im Allgemeinen 50 um oder weniger und liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 um bis 30 um, mehr bevorzugt in einem Bereich von 3 um bis 15 um.
Jede der grünen Bahnen für die Basisplatte 4 und die Membranplatte 8 kann aus einer Vielzahl dünner Bahnen bestehen, die übereinandergelegt sind. Das Fenster 6 des Keramiksubstrats 2 oder der Membranabschnitt 10 hat zwar in den vorliegenden Ausführungsformen rechteckige Gestalt, die Gestalt von Fenster 6 kann aber auch auf geeignete Weise aus anderen Gestalten gewählt werden, wie kreisförmige, polygonale und elliptische Gestalt, sowie Kombinationen aus diesen Gestalten, je nach der Anwendung oder Nützlichkeit des P/E-Filmelements. Bei Ausführungsformen der Fig. 3 bis 7, worin das Fenster rechteckige Gestalt aufweist, wie in Fig. 1 gezeigt, ist die oben angegebene Abmessung (m) die Länge der kürzesten Seiten von Fenster 6. Wenn das Fenster 6 beispielsweise kreisförmige oder elliptische Gestalt aufweist, ist der Durchmesser des Kreises oder die Länge der Nebenachse der Ellipse die kürzeste Abmessung des kreisförmigen oder elliptischen Fensters 6, wie entlang einer geraden Linie gemessen, die durch den Mittelpunkt des Fensters hindurchgeht. So stellt (m) die kürzeste Abmessung von Fenster 6 in jeder Gestalt dar, wie entlang der geraden Linie gemessen, die durch den Mittelpunkt des Fensters hindurchgeht. Gemäß vorliegender Erfindung sind die die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte 20 vorzugsweise entlang der jeweiligen einander gegenüberliegenden Abschnitte des Umfangs von Fenster 6 ausgebildet, die die kürzeste Abmessung (m) ergeben, so dass die die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte für einen höheren Grad an Spannungsabschwächungswirkung sorgen.
Die oben angegebenen Elektroden 12, 16 und die P/E-Schicht 14 sind durch ein geeignetes Filmausbildungsverfahren auf dem Membranabschnitt 10 des Keramiksubstrats 2 gebildet, wie oben beschrieben, wodurch die P/E-Einheit 18 bereitgestellt wird. Die P/E-Schicht 14 ist auf geeignete Weise durch ein Dickfilm-Ausbildungsverfahren gebildet, wie Siebdrucken, Aufsprühen, Beschichten oder Tauchverfahren. Für das Dickfilmausbildungsverfahren wird eine Paste oder Aufschlämmung verwendet, die als Hauptkomponente piezoelektrische/elektrostriktive Keramikteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 0,01 um bis 7 um, vorzugsweise 0,05 um bis 5 um, verwendet, um die filmartige P/E-Schicht 14 auf dem Membranabschnitt 10 des Keramiksubstrats 2 auszubilden. In diesem Fall weist das resultierende Filmelement hervorragende piezoelektrische/elektrostriktive Eigenschaften auf. Unter den oben beschriebenen Dickfilm-Ausbildungsverfahren wird Siebdrucken besonders vorteilhaft eingesetzt, da es feine Musterung zu relativ niedrigen Kosten ermöglicht. Die Dicke der P/E-Schicht 14 beträgt vorzugsweise 50 um oder weniger und liegt mehr bevorzugt im Bereich von 3 um bis 40 um, um für eine relativ große Verlagerung der P/E-Schicht 14 mit einer relativ niedrigen elektrischen Spannung zu sorgen.
Die obere und die untere Elektrode 16, 12 der P/E-Einheit 18 sind aus einem elektrisch leitenden Material gebildet, das Oxidationsatmosphären mit ziemlich hoher Temperatur aushaken kann. Beispielsweise können die Elektroden 12, 16 aus einem einzelnen Metall, einer Legierung aus Metallen, einem Gemisch aus einem Metall oder einer Legierung und einer elektrisch isolierenden Keramik oder einer elektrisch leitenden Keramik gebildet sein. Das Elektrodenmaterial hat jedoch vorzugsweise eine Hauptkomponente, die aus einem Edelmetall mit einem hohen Schmelzpunkt, wie Platin, Palladium oder Rhodium, oder einer Legierung, wie Silber/Palladium-Legierung, Silber/Platin-Legierung oder Platin/Palladium-Legierung besteht. Die Elektroden 12, 16 können auch aus einem Platincermet und dem Keramikmaterial für das Substrat 2 oder dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Material für die P/E-Schicht 14 gebildet werden. Mehr bevorzugt bestehen die Elektroden ausschließlich aus Platin oder umfassen als Hauptkomponente eine platinhältige Legierung. Wenn die oben beschriebenen Cermets verwendet werden, wird der Gehalt des Substratmaterials vorzugsweise in einem Bereich von 5 bis 30 Vol.-% gehalten, während das piezoelektrische/elektrostriktive Material vorzugsweise in einem Bereich von 5 bis 20 Vol.-% gehalten wird.
Die Elektroden 12, 16 werden unter Einsatz des oben beschriebenen leitenden Materials ausgebildet, indem auf geeignete Weise eines der bekannten Filmbildungsverfahren ausgewählt wird, zu denen die Dickfilm-Ausbildungsverfahren wie oben beschrieben, sowie Dünnfilm-Ausbildungsverfahren, wie Sputtern, Ionenstrahlverfahren, Vakuumdampfabscheidung, Ionenplattierung, CVD und Galvanisieren gehören. Die Dickfilm- Ausbildungsverfahren, wie Siebdrucken, Aufsprühen, Eintauchen und Beschichten, können vorteilhaft eingesetzt werden, um die untere Elektrode 12 auszubilden, während die oben beschriebenen Dünnfilm-Ausbildungsverfahren sowie die Dickfilm- Ausbildungsverfahren vorteilhaft eingesetzt werden können, um die obere Elektrode 16 auszubilden. Die Dicke der so gebildeten Elektroden 12, 16 ist im Allgemeinen nicht größer als 20 um, vorzugsweise nicht größer als 5 um. Die Gesamtdicke der P/E-Einheit 18, die die Summe aus der Dicke dieser Elektroden 12, 16 und der P/E-Schicht 14 ist, beträgt vorzugsweise 100 um oder weniger, mehr bevorzugt 50 um oder weniger.
Das piezoelektrische/elektrostriktive Material zum Ausbilden der P/E-Schicht 14 der P/E- Einheit 18 enthält vorzugsweise als Hauptkomponente Bleizirkonattitanat (PZT), Bleimagnesiumniobat (PMN), Bleinickelniobat (PNN), Bleimanganniobat, Bleiantimonstannat, Bleizinkniobat, Bleititanat, Bleimagnesiumtantalat, Bleinickeltantalat oder ein Gemisch daraus. Weiters kann ein Material (wie PLZT), das ein Oxid oder eine andere Verbindung von Lanthan, Barium, Niobium, Zink, Zer, Kadmium, Chrom, Kobalt, Antimon, Eisen, Yttrium, Tantal, Wolfram, Nickel, Mangan, Lithium, Strontium oder Wismut enthält, nach Bedarf dem oben angegebenen piezoelektrischen/elektrostriktiven Material zugegeben werden.
Unter den piezoelektrischen/elektrostriktiven Materialien, wie oben angegeben, wird empfohlen, ein Material zu verwenden, das als Hauptkomponente eines der folgenden Gemische enthält: ein Gemisch aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat; ein Gemisch aus Bleinickelniobat, Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat; ein Gemisch aus Bleimagnesiumniobat, Bleinickeltantalat, Bleizirkonat und Bleititanat; sowie ein Gemisch aus Bleimagnesiumtantalat, Bleimagnesiumnfobat, Bleizirkonat und Bleititanat. Weiters können diese Materialien, in denen ein Teil von Blei (Pb) durch Strontium und/oder Lanthan ersetzt ist, vorteilhaft für die P/E-Schicht 14 verwendet werden. Diese piezoelektrischen/elektrostriktiven Materialien werden empfohlen, wenn die P/E-Schicht 14 durch ein Dickfilm-Ausbildungsverfahren, wie Siebdrucken, gebildet wird. Wenn das piezoelektrische/elektrostriktive Material mit drei oder mehr Komponente verwendet wird, variieren seine piezoelektrischen/elektrostriktiven Eigenschaften je nach der Zusammensetzung der Komponenten des Materials. Jedoch weist ein Drei-Komponenten-Material aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat oder ein Vier-Komponenten-Material aus Bleimagnesiumniobat, Bleinickeltantalat, Bleizirkonat und Bleititanat oder ein Vier-Komponenten-Material aus Bleimagnesiumtantalat, Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat vorzugsweise eine Zusammensetzung in der Nähe der Phasengrenzen einer pseudokubischen Kristallphase, einer tetragonalen Kristallphase und einer rhomboedrischen Kristallphase auf. Um eine ausreichend hohe piezoelektrische/elektrostriktive Konstante und einen elektromechanischen Kopplungsfaktor zu gewährleisten ist es besonders wünschenswert, eine der folgenden Zusammensetzungen einzusetzen, nämlich 1) eine Zusammensetzung, die 15 bis 50 Mol-% Bleimagnesiumniobat, 10 bis 45 Mol-% Bleizirkonat und 30 bis 45 Mol-% Bleititanat enthält, 2) eine Zusammensetzung, die 15 bis 50 Mol-% Bleimagnesiumniobat, 10 bis 40 Mol-% Bleinickeltantalat, 10 bis 45 Mol-% Bleizirkonat und 30 bis 45 Mol-% Bleititanat enthält, 3) eine Zusammensetzung, die 15 bis 50 Mol- % Bleimagnesiumniobat, 10 bis 40 Mol-% Bleimagnesiumtantalat, 10 bis 45 Mol-% Bleizirkonat und 30 bis 45 Mol-% Bleititanat enthält.
Die Elektrodenfilme und P/E-Schicht (12, 16, 14), die an der Außenfläche des Membranabschnitts 10 des Keramiksubstrats 2 wie oben beschrieben ausgebildet sind, können entweder in verschiedenen Schritten wärmebehandelt (gebrannt) werden, nachdem jeder dieser Filme und die Schicht gebildet worden sind, um sie mit dem Substrat 2, d. h. dem Membranabschnitt 10, einstückig zu verbinden, oder gleichzeitig in einem einzigen Schritt wärmebehandelt (gebrannt) werden, um sie mit dem Substrat 2 zu verbinden, nachdem alle aus den Filmen und der Schicht auf dem Membranabschnitt 10 ausgebildet worden sind. Weiters kann die obige Wärmebehandlung (das Brennen) der Elektrodenfilme (12, 16) je nach dem Verfahren zum Ausbilden dieser Filme nicht erforderlich sein. Die Temperatur der Wärmebehandlung (des Brennens) zum einstückigen Verbinden der Elektrodenfilme und der P/E-Schicht mit dem Membranabschnitt wird allgemein so reguliert, dass sie in einem Bereich von 500ºC bis 1.400ºC, vorzugsweise 1.000ºC bis 1.400ºC liegt. Um Veränderungen in der Zusammensetzung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Materials der P/E-Schicht 14 bei hoher Temperatur zu vermeiden, ist es wünschenswert, die P/E-Schicht 14 Wärmebehandlung zu unterziehen oder zu brennen, während die Brennatmosphäre so reguliert wird, dass sie die Verdampfungsquelle des piezoelektrischen/elektrostriktiven Materials enthält. Es empfiehlt sich auch, die P/E-Schicht 14 zu brennen, während sie mit einem geeigneten Deckelement bedeckt ist, so dass die Oberfläche der Schicht 14 der Brennatmosphäre nicht direkt ausgesetzt ist. Das Deckelement kann aus einem Material gebildet sein, das dem von Keramiksubstrat 2 ähnlich ist.
Das wie oben beschrieben konstruierte P/E-Filmelement kann durch verschiedene Verfahren hergestellt werden, die Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung bekannt sind, einschließlich der folgenden fünf Verfahren. Beim ersten Verfahren wird ein Abschnitt von Membranabschnitt 10, auf dem die P/E-Einheit 18 nicht angeordnet ist, beim Brennen der P/E-Schicht 14 der P/E-Einheit 18 in die gewünschte Gestalt gebracht, indem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Keramiksubstrat 2 und P/E-Einheit 18 reguliert werden. Beim zweiten Verfahren wird eine Presskraft auf den Membranabschnitt 10 angewandt, wenn die P/E-Schicht 14 der P/E-Einheit 18 gebrannt wird, so dass der Abschnitt des Membranabschnitts 10, auf dem die P/E-Einheit 18 nicht angeordnet ist, in die gewünschte Gestalt gebracht wird. Beim dritten Verfahren wird der Umfangsabschnitt des Membranabschnitts 10 in die gewünschte Gestalt gebracht, indem die Brennschrumpfung und Sinterfähigkeit der P/E-Schicht 14 der P/E-Einheit 18 reguliert wird. Beim vierten Verfahren wird der Membranabschnitt 10 in seinem grünen Zustand auf geeignete Weise geformt, bevor er gebrannt wird. Beim fünften Verfahren werden die Breite und die Dicke der unteren Elektrode 12 und der P/E-Schicht 14 reguliert. Gemäß vorliegender Erfindung wird das P/E-Filmelement vorteilhaft nach einem der folgenden Verfahren hergestellt, die in den Fig. 8 bis 12 veranschaulicht werden.
Auf die Fig. 8(a) bis 8(c) Bezug nehmend wird ein Beispiel für das Verfahren zur Herstellung des P/E-Filmelements von Fig. 3 beschrieben. Zunächst wird das Keramiksubstrat 2 mit dem Membranabschnitt 10 hergestellt, der eine konvexe Gestalt aufweist, d. h. in Richtung von Fenster 6 weg in einem Ausmaß "h" nach außen vorragt, wie in Fig. 8(a) angegeben. Nachdem das Keramiksubstrat 2 gebrannt ist, werden die untere Elektrode 12 und die P/E-Schicht 14 durch ein geeignetes Filmbildungsverfahren nacheinander auf die Außenfläche des konvexen Membranabschnitts 10 auflaminiert, so dass die Laminatstruktur aus der Elektrode 12 und der P/E-Schicht 14 von den einander gegenüberliegenden Enden von Fenster 6, wie in Fig. 8(b) gezeigt, um vorbestimmte geeignete Abstände n, n' beabstandet sind, wie in Fig. 8(b) angegeben. Wenn die P/E- Schicht 14 gebrannt wird, nachdem die obere Elektrode 16 nach Bedarf darauf ausgebildet wurde, weist die P/E-Schicht 14 eine größere Brennschrumpfung auf als der Membranabschnitt 10, der bereits gebrannt worden ist, wodurch ein Mittelteil des Membranabschnitts 10, der der die P/E-Einheit 18 trägt, nach innen, zum Fenster 6 hin, gekrümmt oder durchgebogen wird, wie in Fig. 8(c) gezeigt. Demgemäß werden an den einander gegenüberliegenden Seiten der P/E-Einheit 18 zwei die mechanische Spannung abschwächende Abschnitte 20, 20 ausgebildet, die jeweils eine nach oben gekrümmte konvexe Gestalt aufweisen.
Das Keramiksubstrat 2 in den Verfahren der Fig. 8(a) und 8(b), das den nach außen ragenden konvexen Membranabschnitt 10 aufweist, wird problemlos erhalten, indem die Sinterrate oder -geschwindigkeit oder der Schrumpfungsprozentsatz der Basisplatte 4 und der Membranplatte 8 reguliert wird (Fig. 1 und 2), die Konfiguration der Membranplatte 8 in ihrem grünen Zustand vor ihrem Brennen auf geeignete Weise eingestellt wird oder die Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den beiden Platten 4, 8 genutzt wird. Genauer gesagt ragt der Membranabschnitt 10 nach außen vor, wenn das Sintern einer grünen Bahn, die die Membranplatte 8 ergibt, dem Sintern einer grünen Bahn vorangeht, die die Basisplatte 4 ergibt, oder wenn die durch das Sintern der grünen Bahn für die Basisplatte 4 verursachte Schrumpfung größer als jener der grünen Bahn für die Membranplatte 8 ist.
Das Ausmaß "h" an Vorragen des Membranabschnitts 10 des Keramiksubstrats 2 beträgt allgemein 1 bis 20% der kürzesten Abmessung (m), wie entlang der geraden Linie gemessen, die durch die Mitte des Fensters hindurchgeht, vorzugsweise 2 bis 10% der Abmessung (m). Wenn das Ausmaß an Vorragen "h" zu gering ist, kann das Ausmaß an Durchbiegung nach unten des Membranabschnitts 10 beim Brennen der P/E-Schicht 14 übermäßig groß sein. Wenn das Ausmaß an Vorragen "h" zu groß ist, kann es schwierig sein, den Membranabschnitt 10 beim Brennen der P/E-Schicht 14 nach unten in das Fenster 6 durchzubiegen.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des P/E-Filmelements von Fig. 4 unter Bezugnahme auf die Fig. 9(a) bis 9(c) beschrieben. Zunächst wird ein Keramiksubstrat 2 hergestellt, dessen Membranabschnitt 10 eine konvexe Gestalt aufweist, die der von Fig. 8(a) ähnlich ist. An der Außenfläche des konvexen Membranabschnitts 10 ist die P/E-Einheit 18 so ausgebildet, dass die P/E-Einheit 18 teilweise über einer der einander gegenüberliegenden Abschnitte des Umfangs von Fenster 6 angeordnet ist, wie in Fig. 9(b) gezeigt. Dann wird die P/E-Schicht 14 gebrannt, so dass ein P/E-Filmelement bereitgestellt wird, das einen die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitt 20 aufweist, der entlang dem anderen der einander gegenüberliegenden Umfangsabschnitte von Fenster 6 und daran angrenzend ausgebildet ist, wie in Fig. 9(c) gezeigt. Der Teil von Membranabschnitt 10, auf dem die P/E-Einheit 18 ausgebildet wird, wird aufgrund der mechanischen Spannungen, die durch das Schrumpfen der P/E-Schicht 14 beim Brennen derselben auftreten, auf der Seite von Fenster 6 nach unten durchgebogen, wodurch er eine konkave Gestalt annimmt. Andererseits behält der Teil des Membranabschnitts 10, der die P/E-Einheit 18 nicht trägt, nach dem Brennen die konvexe Gestalt bei, wodurch der nach oben gekrümmte konvexe die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt 20 bereitgestellt wird, wie in Fig. 9(c) gezeigt.
Als nächstes auf die Fig. 10(a)-10(c) Bezug nehmend wird ein Verfahren zur Herstellung des P/E-Filmelements von Fig. 5 gezeigt. Zunächst wird ein Keramiksubstrat 2 hergestellt, dessen Membranabschnitt 10 eine gewellte Form aufweist, wie in Fig. 10(a) gezeigt. Das Keramiksubstrat 2 mit dem gewellten Membranabschnitt 10 kann durch die oben beschriebenen Verfahren leicht erhalten werden. Beispielsweise wird der Membranabschnitt 10 in die gewellte Gestalt gebracht, indem eine grüne Bahn für die Basisplatte 4 vor dem Sintern einer grünen Bahn für die Membranplatte 8 gesintert wird. Auf dem so hergestellten Keramiksubstrat 2 wird die P/E-Einheit 18 ausgebildet, wie in Fig. 10(b) gezeigt. Dann wird die P/E-Schicht 14 der P/E-Einheit 18 gebrannt, so dass das P/E-Filmelement wie in Fig. 10(c) gezeigt bereitgestellt wird, worin ein Mittelteil des Membranabschnitts 10, der die P/E-Einheit 18 trägt, auf der Seite von Fenster 6 nach unten durchgebogen wird, wodurch eine konkave Gestalt gebildet wird, während die Endteile des Membranabschnitts 10, die auf den einander gegenüberliegenden Seiten der P/E-Einheit 18 angeordnet sind, wie in Fig. 10(c) gezeigt, nach dem Brennen die gewellte Gestalt beibehalten, wodurch die beiden die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte 20, 20 bereitgestellt werden, wie in Fig. 10(c) gezeigt. Das so erhaltene P/E-Filmelement gewährleistet ein verbessertes Verlagerungsausmaß von Membranabschnitt 10 bei Betätigung der P/E-Einheit 18. Weiters unterliegt das erfindungsgemäße Filmelement nicht dem negativen Einfluss, der auftritt, wenn die benachbarten zwei oder mehr P/E-Einheiten gleichzeitig betätigt werden, wodurch eine beträchtliche Reduktion der Ausmaße an Verlagerung der P/E-Einheiten verhindert wird.
Auf die Fig. 11 (a) bis 11(c) Bezug nehmend wird ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des P/E-Filmelements der Fig. 6 und 7 beschrieben. Zunächst wird ein Keramiksubstrat 2 hergestellt, wie in Fig. 11 (a) gezeigt, worin der Membranabschnitt 10 zwei Ausnehmungsabschnitte aufweist, die angrenzend an die einander gegenüberliegenden Umfangsabschnitte von Fenster 6 ausgebildet sind, die die kürzeste Abmessung (m) von Fenster 6 ergeben. Die beiden Ausnehmungsabschnitte von Membranabschnitt 10, die eine geeignete Tiefe aufweisen, stellen zwei die mechanische Spannung abschwächende Abschnitte bereit. Das Keramiksubstrat 2 mit den beiden Ausnehmungsabschnitten wird beispielsweise nach einem Verfahren erhalten, wie in Fig. 12 veranschaulicht.
Genauer beschrieben wird auf die Fig. 12(a) und 12(b) Bezug nehmend zunächst ein Keramiksubstrat 2 hergestellt, das einen konvexen Membranabschnitt 10 aufweist, der in eine Richtung vom Fenster 6 weg nach außen vorragt, wie beim Verfahren von Fig. 8. Wie in Fig. 12(a) gezeigt, ist ein Paar Abstandshalter 19, 19, die aus einem Keramikmaterial bestehen und eine vorbestimmte Höhe aufweisen, jeweils entlang der einander gegenüberliegenden Umfangskanten von Fenster 6 angeordnet, so dass das Fenster 6 zwischen den beiden Abstandshaltern 19 angeordnet ist. Dann wird eine geeignete Presslehre oder ein Druckelement 21 gegen die gekrümmte konvexe Oberfläche von Membranabschnitt 10 gepresst, während der Membranabschnitt 10 erhitzt und auf einer geeigneten Temperatur gehalten wird, so dass die Endteile der konvexen Oberfläche von Membranabschnitt 10 nach unten verformt oder in das Fenster durchgebogen werden, wodurch die Abschnitte des Membranabschnitts 10, die an die einander gegenüberliegenden Umfangskanten von Fenster 6 angrenzen, nach unten in das Fenster 6 gekrümmt werden, wie in Fig. 12(b) gezeigt. Die Presslehre 21 wird gegen die konvexe Oberfläche von Membranabschnitt 10 gepresst, bis die Lehre 21 in anliegenden Kontakt mit den Abstandshaltern 19 gebracht ist. So werden dem Membranabschnitt 10 die beiden Ausnehmungsabschnitte angrenzend an die Kanten von Fenster 6 verliehen, wie oben beschrieben. Andererseits ist der nach oben ragende Mittelteil von Membranabschnitt 10 nach dem Profil der anliegenden Oberfläche von Lehre 21 geformt. Bei diesem spezifischen Beispiel wird der Mittelteil von Membranabschnitt 10 im Wesentlichen abgeflacht. Als Ergebnis wird das Ausmaß an Vorragen des nach oben vorragenden Mittelteils kleiner gestaltet als das der ursprünglichen Gestalt von Fig. 11 (a). Die Abstandshalter 19 können einstückig mit der Membranplatte 8 ausgebildet und auf dem Keramiksubstrat 2 belassen werden, oder können davon nach Bedarf nach dem Pressvorgang des Membranabschnitts 10 entfernt werden.
Auf einem Mittelteil des hergestellten Keramiksubstrats 2, in dessen Membranabschnitt 10 die beiden Ausnehmungsabschnitte ausgebildet sind, wie oben beschrieben, werden die untere Elektrode 12 und die P/E-Einheit 14 durch ein geeignetes Filmbildungsverfahren nacheinander auflaminiert, so dass die Laminatstruktur aus der unteren Elektrode 12 und der P/E-Schicht 14 von den einander gegenüberliegenden Enden von Fenster 6 um geeignete Abstände n, n' beabstandet ist, wie in Fig. 11(b) gezeigt. Wenn die P/E-Schicht 14 gebrannt wird, nachdem die obere Elektrode 16 nach Bedarf ausgebildet worden ist, weist die P/E-Schicht 14 eine größere Brennschrumpfung auf als der Membranabschnitt 10, der gebrannt worden ist, wodurch der Mittelteil von Membranabschnitt 10 nach unten zu Fenster 6 hin verformt wird, wie in Fig. 11(c) gezeigt. Nach diesem Verfahren werden an den einander gegenüberliegenden Seiten der P/E-Einheit 18 zwei die mechanische Spannung abschwächende Abschnitte 20, 20 ausgebildet, die jeweils eine konkave Gestalt haben. Obwohl der Mittelteil des Membranabschnitts 10, der die P/E-Einheit 18 trägt, beim vorliegenden Verfahren, wie das P/E-Filmelement von Fig. 6 nach unten gekrümmt wird, wie in Fig. 11(c) gezeigt, kann der Mittelteil des Membranabschnitts 10 auch nach oben gekrümmt sein, wie beim Filmelement von Fig. 7. In diesem Fall wird der Membranabschnitt 10 in die konvexe Gestalt gebracht, indem das Ausmaß an Verformung des Mittelteils von Membranabschnitt 10 reguliert wird, indem beispielsweise die Brennschrumpfung der P/E-Schicht 14 reduziert wird (auf einen Wert, der geringer als der bei der Ausführungsform von Fig. 11 eingesetzte ist).
Beim nach dem erfindungsgemäßen Verfahren konstruierten piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelement können mechanische Spannungen, die durch Brennschrumpfung der P/E-Schicht 14 während der Wärmebehandlung der P/E- Schicht 14 verursacht werden, die mit dem Membranabschnitt 10 des Keramiksubstrats 2 in Kontakt steht, aufgrund des Vorhandenseins des/der die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitts oder Abschnitte 20 verringert werden, wodurch die P/E- Schicht 14 ausreichend verdichtet wird, und die Restspannungen können verringert werden.
Beim oben beschriebenen Verfahren werden der untere Elektrodenfilm 12, die P/E- Schicht 14 und der obere Elektrodenfilm 16 durch das/die oben angegebene Filmbildungsverfahren an der Außenfläche des Membranabschnitts 10 des Keramiksubstrats 2 ausgebildet und dann bei der oben angeführten Brenntemperatur gebrannt, wodurch jeweilige Filme und Schichten mit den erwünschten Dickewerten bereitgestellt werden. So wird die P/E-Einheit 18 einstückig auf dem entsprechenden Abschnitt des Membranabschnitts 10 ausgebildet. Während die P/E-Schicht 14 auf wünschenswerte Weise gebrannt wird, unmittelbar nachdem sie auf der unteren Elektrode 12 ausgebildet wurde, d. h. bevor die obere Elektrode 16 ausgebildet ist, kann das Brennen der P/E- Schicht 14 durchgeführt werden, nachdem die obere Elektrode 16 auf der P/E-Schicht 14 ausgebildet wurde.
Beim so erhaltenen P/E-Filmelement gemäß vorliegender Erfindung ist der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt 20 des Membranabschnitts 10 auf zumindest einer der einander gegenüberliegenden Seiten der P/E-Einheit 18 ausgebildet, was es ermöglicht, in der P/E-Einheit 18 erzeugte mechanische Spannungen mit hoher Effizienz in Verlagerung des Membranabschnitts 10 umzuwandeln. Weiters ist, wenn eine Vielzahl von P/E-Einheiten 18 auf jeweiligen Membranabschnitten 10 des Keramiksubstrats 2 vorgesehen ist, das Ausmaß an Verlagerung eines jeden Membranabschnitts 10, das auftritt, wenn die zwei oder mehr benachbarten P/E-Einheiten 18 gleichzeitig betätigt werden, annähernd gleich groß wie das Ausmaß an Verlagerung, das auftritt, wenn nur eine P/E-Einheit 18 betätigt wird. Demgemäß kann das P/E-Filmelement vorteilhaft beispielsweise für Sensoren, Aktuatoren oder Wandler verwendet werden.
Das erfindungsgemäße P/E-Filmelement, das bei Betätigung der P/E-Einheit 18, die auf der Außenfläche des Membranabschnitts 10 ausgebildet ist, wirksam Verlagerung erfährt, wird vorteilhaft für Filter, verschiedene Sensoren, wie einen Beschleunigungssensor, einen Stoßsensor, einen Ultraschallsensor oder einen Winkelgeschwindigkeitssensor, Transformatoren, Mikrophone, Schallkörper, wie Lautsprecher, Diskriminatoren und verschiedene Vibratoren und Resonatoren für Leistungsvorrichtungen und Kommunikationsvorrichtungen verwendet. Weiters kann das erfindungsgemäße Filmelement besonders vorteilhaft als unimorpher, bimorpher oder anderer Typ piezoelektrischer/elektrostriktiver Aktuatoren eingesetzt werden, die Verlagerung in der Form von Biegung oder Durchbiegung hervorrufen und für Anzeigenvorrichtungen, Servo-Verlagerungselemente, impulsbetriebene Motoren, Ultraschallmotoren, piezoelektrische Ventilatoren und andere verwendet werden, wobei diese Elemente und Motoren in "FUNDAMENTALS TO APPLICATIONS OF PIEZOELECTRIC/ELECTROSTRICTIVE ACTUATORS", Kenji uchino, Japan Industrial Technology Center, herausgegeben von Morikit-shuppan, beschrieben werden.
Als nächstes wird auf Fig. 13 Bezug genommen, die ein Beispiel für das P/E-Filmelement gemäß vorliegender Erfindung zeigt, sowie auf Fig. 14, die das Filmelement schematisch im Querschnitt entlang Linie 14-14 von Fig. 13 zeigt. Das erfindungsgemäße P/E-Filmelement weist eine einstückige Struktur auf, die ein Keramiksubstrat 22 und eine Vielzahl von piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten (in der Folge als "P/E-Einheiten" bezeichnet) 24 umfasst, auf relevanten Außenflächen der dünnwandigen Membran- oder Vibrationsabschnitte des Keramiksubstrats 22 ausgebildet sind. Beim Betrieb wird jeder der Membranabschnitte des Keramiksubstrats 22 bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die entsprechende P/E-Einheit 24 gebogen, durchgebogen, abgebogen oder auf andere Weise verformt.
Im Spezielleren weist das Keramiksubstrat 22 eine einstückige Laminatstruktur auf, die aus einer relativ dünnen Verschlussplatte (Membranplatte) 26, einer Verbindungsplatte (Basisplatte) 28 und einer Abstandshalterplatte (Basisplatte) 30 besteht, die zwischen der Verschluss- und der Verbindungsplatte 26 bzw. 28 angeordnet ist. Diese Platten 26, 28, 30 sind aus einem Zirkoniumdioxidmaterial gebildet. Die Verbindungsplatte 28 weist drei Kommuniktionslöcher 32 auf, die durch die Dicke der Platte 28 hindurch mit einem geeigneten Abstand dazwischen ausgebildet sind. Die Anzahl, die Gestalt, die Abmessungen, die Position und andere Parameter der Kommunikationslöcher 32 kann je nach einer spezifischen Anwendung des Filmelements angemessen bestimmt werden. Die Abstandshalterplatte 30 ist mit einer Vielzahl quadratischer Fenster 36 (bei dieser Ausführungsform drei davon) ausgebildet. Diese Abstandshalterplatte 30 ist so auf die Verbindungsplatte 28 gelegt, dass die Kommunikationslöcher 32 der Verbindungsplatte 28 mit den jeweiligen Fenstern 36 kommunizieren. Die Verschlussplatte 26 ist auf eine Hauptfläche der Abstandshalterplatte 30 gegenüber von der Verbindungsplatte 28 gelegt, so dass die Öffnungen der Fenster 36 der Abstandshalterplatte 30 verschlossen werden. Wenn die Verschlussplatte 26, die Abstandshalterplatte 30 und die Verbindungsplatte 28 so aufeinandergelegt sind, sind drei Druckkammern 38 innerhalb des Keramiksubstrats 22 ausgebildet, so dass die Kammern 38 durch die Kommunikationslöcher 32 mit einem Außenraum kommunizieren.
Das Keramiksubstrat 22 ist ein einstückiger gebrannter Körper, der wie oben beschrieben aus einem geeigneten Keramikmaterial, wie Zirkoniumdioxidmaterial, gebildet ist. Während das Keramiksubstrat 22 der vorliegenden Ausführungsform eine dreischichtige Struktur ist, die aus der Verschlussplatte 26 (Membranplatte), der Abstandshalterplatte 30 (Basisplatte) und der Verbindungsplatte 28 (Basisplatte) besteht, kann das Substrat als eine vierschichtige oder andere mehrschichtige einstückige Struktur mit vier oder mehr Schichten oder Platten ausgebildet sein, wie in Fig. 15 gezeigt. Detaillierter beschreiben weist das Filmelement von Fig. 15 eine Fünf-Schicht- Struktur auf, worin auf der Hauptfläche der Verschlussplatte 26, die von den P/E- Einheiten 24 entfernt ist, zwei Abstandshalterplatten 30 und zwei Verbindungsplatten 28 abwechselnd aufeinandergelegt sind. Bei der so gebildeten fünfschichtigen einstückigen Struktur des Filmelements kommunizieren die Druckkammern 38 und die Zwischenkammern 46, die innerhalb des Keramiksubstrats ausgebildet sind, durch Kommunikationslöcher 48 miteinander, die durch die Dicke der Verbindungsplatten 28 hindurch ausgebildet sind.
Filmartige P/E-Einheiten 24 sind an der Außenfläche der Verschlussplatte 26 ausgebildet, so dass die P/E-Einheiten 24 mit den jeweiligen Druckkammern 38 ausgerichtet sind, wie in einer Ebene parallel zur Verschlussplatte 26 gesehen. Jede der P/E-Einheiten 24 umfasst eine untere Elektrode 40, eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (in der Folge als "P/E-Schicht" bezeichnet) 42 und eine obere Elektrode 44, die nacheinander durch ein geeignetes oder geeignete Filmbildungsverfahren auf einem Abschnitt der Verschlussplatte 26 ausgebildet sind, der sich in Ausrichtung mit einem der Fenster 36 des Keramiksubstrats 22 befindet, d. h. an der Außenfläche eines Membranabschnitts des Keramiksubstrats. Beim Betrieb wird der Druck in der Druckkammer 38 bei Betätigung der entsprechenden P/E-Einheit 24 erhöht, so dass ein Fluid, das in der Druckkammer enthalten ist, durch das entsprechende Kommunikationsloch 48 wirksam abgegeben werden kann. Das so konstruierte P/E-Filmelement kann nicht nur als Aktuator, sondern auch als Sensor oder dergleichen verwendet werden, der dazu ausgebildet ist, ein elektrisches Spannungssignal zu erzeugen, das Biegeverlagerung des Membranabschnitts des Keramiksubstrats repräsentiert.
Im oben konstruierten P/E-Filmelement sind die die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte auf den einander gegenüberliegenden Seiten einer jeden der P/E-Einheit 24 ausgebildet, wie in der Richtung gesehen, in der die Fenster 36 in einer geraden Reihe angeordnet sind.
Das P/E-Filmelement gemäß vorliegender Erfindung kann zwar für Aktuatoren, Sensoren und Wandler, besonders vorteilhaft als Element von Anzeigenvorrichtungen, als Lautsprecher, Servo-Verlagerungselemente, impulsgetriebene Motoren, Ultraschallmotoren, Beschleunigungssensoren, Stoßsensoren, Oszillatoren, Vibratoren und Resonatoren verwendet werden, es versteht sich jedoch, dass das erfindungsgemäße Filmelement auch andere nach dem Stand der Technik bekannte Anwendungen hat.

BEISPIELE

Um die vorliegende Erfindung noch besser deutlich zu machen, werden einige Beispiele für die P/E-Filmelemente gemäß vorliegender Erfindung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung keineswegs auf die Details der folgenden Beispiele beschränkt ist, sondern mit verschiedenen Änderungen, Modifikationen und Verbesserungen ausgeführt werden kann, die Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung finden können, ohne dass vom Prinzip und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie in den beiliegenden Ansprüchen definiert, abgewichen wird.

BEISPIEL 1

Zunächst wurde ein rechteckiges Keramiksubstrat mit vier rechteckigen Fenstern hergestellt, von denen jedes eine Breite von 0,5 mm und eine Länge von 0,7 mm aufwies. Die vier rechteckigen Fenster sind in einer geraden Reihe in Längsrichtung des Keramiksubstrats so angeordnet, dass die 0,7 mm langen Seiten der benachbarten Fenster 0,2 mm voneinander beabstandet sind. Die Fenster waren durch jeweilige 10 um dicke Membranabschnitte des Substrats verschlossen. Die Membranabschnitte und der Basisabschnitt des Keramiksubstrats waren aus einem Pulver aus teilweise mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumdioxid gebildet, das eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,4 um aufweist. Das teilweise stabilisierte Zirkoniumdioxid wurde zu grünen Bahnen geformt, die dann nach einem bekannten Verfahren gebrannt wurden. Der Basisabschnitt des Substrats hat eine Dicke von 200 um, gemessen nach dem Brennen des Substrats.
An einer Außenfläche eines jeden der Membranabschnitte des Keramiksubstrats wurde durch Siebdrucken eine Schicht aus einer Platinpaste ausgebildet, bei 120ºC 10 min lang getrocknet und bei 1.350ºC zwei Stunden lang gebrannt, wodurch eine untere Elektrode mit einer Dicke von 5 um bereitgestellt wurde. Dann wurde auf der unteren Elektrode unter Verwendung eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Materials, das im Wesentlichen aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat bestand, eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (in der Folge als "P/E-Schicht" bezeichnet) ausgebildet. Dieses Material wurde durch Siebdrücken aufgetragen, bei 120ºC 20 min lang getrocknet und bei 1.300ºC gebrannt, wodurch eine P/E-Schicht mit einer Dicke von 30 um bereitgestellt wurde. Die P/E-Schicht wurde auf der unteren Elektrode ausgebildet, so dass jede der einander gegenüberliegenden Endflächen der P/E-Schicht vom entsprechenden der einander gegenüberliegenden Enden des Fensters (0,7 mm Längsseite von Fenster 6) einen Abstand von 0,1 mm aufwies. Eine geeignete Form, die aus Aluminiumoxidkeramik gebildet war, wurde auf das Keramiksubstrat aufgebracht, wobei die untere Elektrode und die P/E-Schicht so auf den jeweiligen Membranabschnitten ausgebildet wurden, so dass jeder aus den Membranabschnitten an seinen einander gegenüberliegenden Seiten durch die Aluminiumoxid-Keramikform in Sandwichanordnung umschlossen wurde. In diesem Zustand wurde das Keramiksubstrat erneut bei 1.300ºC gebrannt. So wurde das Keramiksubstrat mit den "M"-förmigen Membranabschnitten, wie in Fig. 3 gezeigt, erhalten, worin zwei die mechanische Spannung abschwächende Abschnitte mit einer nach oben gekrümmten konvexen Gestalt, die vom Fenster 6 weg vorragte, auf den einander gegenüberliegenden Seiten einer jeden P/E-Schicht ausgebildet wurden, nämlich an den 0,1 mm breiten einander gegenüberliegenden Endteilen des Membranabschnitts 10, von denen jeder zwischen einem der einander gegenüberliegenden Enden oder Kanten von Fenster 6 und der entsprechenden der einander gegenüberliegenden Endflächen der P/E-Schicht angeordnet ist.
Daraufhin wurden ein dünner Cr-Film und ein dünner Cu-Film durch Sputtern auf der P/E-Schicht ausgebildet, die auf jedem der "M"-förmigen Membranabschnitte des Keramiksubstrat vorgesehen war, so dass eine obere Elektrode mit einer Gesamtdicke von 0,3 um bereitgestellt wurde. Auf diese Weise wurde das beabsichtigte P/E- Filmelement gemäß vorliegender Erfindung erhalten. Das so erhaltene Filmelement wurde Polarisierung unterzogen, indem 100 V zwischen der oberen und der unteren Elektrode der P/E-Einheit angelegt wurden, so dass die P/E-Schichten beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die P/E-Einheit während der Verwendung des Filmelements in eine Richtung zu den entsprechenden Membranabschnitten hin zu verlagern sind.
Als Vergleichsbeispiel wurde ein herkömmliches P/E-Filmelement hergestellt, indem das Keramiksubstrat wie oben beschrieben hergestellt verwendet wurde und eine 30 um dicke Platte aus einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material mit einem leitenden Kleber an jeden Membranabschnitt des Substrats geklebt wurde.
Um die piezoelektrischen/elektrostriktiven Eigenschaften der wie oben beschrieben erhaltenen erfindungsgemäßen und herkömmlichen Filmelemente zu bewerten, wurde eine Spannung von 30 V zwischen der oberen und der unteren Elektrode einer jeden der P/E-Einheiten eines jeden Filmelements in Richtung der Polarisierungsbehandlung, wie oben erklärt, aufgebracht, und das Ausmaß an Verlagerung der relevanten P/E- Einheit wurde mit einer Laser-Doppier-Vorrichtung gemessen. Auf diese Weise wurden alle vier P/E-Einheiten zu unterschiedlichen Zeitpunkten betätigt, und ein erster Durchschnittswert der Verlagerungsausmaße dieser P/E-Einheiten wurde berechnet. Auf ähnliche Weise wurde eine Spannung von 30 V an alle vier P/E-Einheiten eines jeden Elements angelegt, um sie gleichzeitig zu betätigen, und die Ausmaße an Verlagerung der jeweiligen P/E-Einheiten wurden gemessen. Ein zweiter Durchschnitt der Ausmaße an Verlagerung der vier P/E-Einheiten, die gleichzeitig betätigt wurden, wurde ebenfalls berechnet. Auf Basis der so erhaltenen Ergebnisse wurde das Verhältnis zwischen dem Verlagerungsausmaß, das bei Betätigung aller P/E-Einheiten gemessen wurde (gleichzeitige Betätigung), und dem Verlagerungsausmaß berechnet, das bei Betätigung einer jeden einzelnen P/E-Einheit gemessen wurde (einzelne Betätigung), wie dargestellt durch: (zweiter Durchschnittswert/erster Durchschnittswert) · 100 (%). Die Ergebnisse der Messung die Berechnung sind in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben. TABELLE 1
Aus den obigen Ergebnissen in Tabelle 1 geht hervor, dass das P/E-Filmelement gemäß vorliegender Erfindung, bei dem jeder der Membranabschnitte des Keramiksubstrats die mechanische Spannung abschwächende Abschnitte aufweist, die eine nach oben gekrümmte konvexe Gestalt aufweisen und die an den einander gegenüberliegenden Endteilen des Membranabschnitts ausgebildet sind, auf dem die P/E-Einheit nicht ausgebildet ist, indem Fall, wo alle P/E-Einheiten gleichzeitig betätigt wurden, im Wesentlichen das gleiche Ausmaß an Verlagerung aufwies wie in dem Fall, wo jeweils eine P/E-Einheit allein betätigt wurde. Das stellt eine starke Verbesserung gegenüber dem herkömmlichen Filmelement dar, bei dem das Verhältnis zwischen dem Verlagerungsausmaß bei Betätigung aller P/E-Einheiten und dem Verlagerungsausmaß bei Betätigung einer einzelnen P/E-Einheit 50% betrug.

BEISPIEL 2

Zunächst wurde ein Keramikpulver, das eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,4 um aufweist und im Wesentlichen aus 85 Gew.-% eines mit 3 Mol-% Yttriumoxid teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxidpulvers und 15 Gew.-% Aluminiumoxid besteht, nach einem bekannten Verfahren mit einem Bindemittel, einem Weichmacher und einem organischen Lösungsmittel gemischt, um eine Aufschlämmung herzustellen. Diese Aufschlämmung wurde verwendet, um mit einem Rakelverfahren eine grüne Bahn herzustellen, die nach dem Brennen die Basisplatte des Keramiksubstrats mit einer Dicke von 200 um bereitstellt.
Andererseits wurde ein mit 3 Mol-% Yttriumoxid teilweise stabilisiertes Zirkoniumdioxidpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,3 um nach einem bekannten Verfahren mit einem Bindemittel, einem Weichmacher und einem organischen Lösungsmittel gemischt, um eine Aufschlämmung herzustellen. Diese Aufschlämmung wurde verwendet, um in einer Umkehrwalzenbeschichtungsmaschine eine grüne Bahn bereitzustellen, die nach dem Brennen die Membranplatte mit einer Dicke von 10 um bereitstellt.
Daraufhin wurde die grüne Bahn für die Basisplatte mit einer geeigneten Metallform in einem Muster gestanzt, so dass die Fenster ausgebildet wurden. Dann wurde die grüne Bahn für die Membranplatte auf die grüne Bahn für die Basisplatte gelegt, und sie wurden durch Thermopressen bei 80ºC für 1 min unter einem Druck von 100 kg/cm² miteinander verbunden. Die so erhaltene einstückige Laminatstruktur wurde bei 1.500 ºC zwei Stunden lang gebrannt, wodurch das Keramiksubstrat bereitgestellt wurde, bei dem die konvexen Membranabschnitte um eine Distanz (h) von 20 um nach außen vorragten.
Daraufhin wurden die untere Elektrode und die P/E-Schicht auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 auf der Außenfläche eines jeden konvexen Membranabschnitts des so erhaltenen Keramiksubstrats ausgebildet. Nach dem Brennen der unteren Elektrode und der P/E-Einheit auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wurde das Keramiksubstrat mit den "M"-förmigen Membranabschnitten erhalten, wie in Fig. 3 gezeigt. Detaillierter beschrieben wurden im erhaltenen Keramiksubstrat der Mittelteil des Membranabschnitts, auf dem die untere Elektrode und die P/E-Schicht ausgebildet waren, so nach unten gekrümmt, dass sie eine konkave Gestalt bildeten. Andererseits behielten die einander gegenüberliegenden Endteile des Membranabschnitts, die die untere Elektrode und die P/E-Einheit nicht tragen, die ursprüngliche konvexe Gestalt bei, so dass sie vom Fenster weg nach außen vorragten, wodurch auf den einander gegenüberliegenden Seiten der P/E-Schicht zwei die mechanische Spannung abschwächende Abschnitte bereitgestellt wurden, die jeweils eine nach oben gekrümmte konvexe Gestalt aufwiesen. Dann wurde die obere Elektrode auf der gebrannten P/E-Schicht einer jeden P/E-Einheit auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ausgebildet, so dass das gemäß vorliegender Erfindung konstruierte P/E-Filmelement bereitgestellt wurde.
Das so erhaltene Keramiksubstrat wurde Polarisierungsbehandlung unterzogen. Dann wurde der erste Durchschnittswert der Verlagerungsausmaße aller P/E-Einheiten, die gemessen wurden, wenn sie zu unterschiedlichen Zeiten betätigt wurden, und der zweite Durchschnittswert von Verlagerungsausmaßen aller P/E-Einheiten, die gemessen wurden, wenn sie gleichzeitig betätigt wurden, auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten. Auf Basis der so erhaltenen Ergebnisse wurde das Verhältnis berechnet, wie durch: (zweiter Durchschnittswert/erster Durchschnittswert) · 100 (%) dargestellt. Die Ergebnisse zeigten, dass das erfindungsgemäße Filmelement hervorragende Eigenschaften aufwies, die jenen des Filmelements von Beispiel 1 ähnlich waren.

BEISPIEL 3

Zunächst wurde ein Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,4 um, das im Wesentlichen aus 99,75 Gew.-% eines mit 3 Mol-% Yttriumoxid teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxidpulver und 0,25 Gew.-% Aluminiumoxid bestand, bei 500ºC für zwei Stunden wärmebehandelt und wurde dann in einer Kugelmühle 30 Stunden nach einem herkömmlichen Verfahren mit einem Bindemittel, einem Weichmacher und einem organischen Lösungsmittel gemischt, um eine Aufschlämmung herzustellen. Die erhaltene Aufschlämmung wurde verwendet, um nach einem Rakelverfahren eine grüne Bahn zu bilden, die nach dem Brennen die Basisplatte des Keramiksubstrats mit einer Dicke von 200 um ergab.
Unterdessen wurde ein Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,2 um, das im Wesentlichen aus 70 Gew.-% eines mit 3 Mol-% teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxidpulvers und 30 Gew.-% Aluminiumoxidpulver bestand, in einer Kugelmühle für 30 h nach einem herkömmlichen Verfahren mit einem Bindemittel, einem Weichmacher und einem organischen Lösungsmittel gemischt, um eine Aufschlämmung herzustellen. Die Aufschlämmung wurde verwendet, um in einer Umkehrwalzenbeschichtungsmaschine eine grüne Bahn bereitzustellen, die nach dem Brennen die Membranplatte mit einer Dicke von 10 um ergibt.
Danach wurde die grüne Bahn für die Basisplatte mit einer geeigneten Metallform in einem Muster gestanzt, um die Fenster auszubilden. Dann wurde die grüne Bahn für die Membranplatte auf die grüne Bahn für die Basisplatte gelegt, und sie wurden durch Thermopressen bei 80ºC für 1 min unter einem Druck von 100 kg/cm² miteinander verbunden. Die so erhaltene einstückige Laminatstruktur wurde bei 1.500ºC 2 h lang gebrannt, um das Keramiksubstrat mit Membranabschnitten mit einer gewellten Gestalt bereitzustellen, wie in Fig. 10(a) gezeigt.
Daraufhin wurden die untere Elektrode und die P/E-Schicht auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 auf der Außenfläche eines jeden der gewellten Membranabschnitte des so erhaltenen Keramiksubstrats ausgebildet. Nach dem Brennen der unteren Elektrode und der P/E-Schicht wurde ein Keramiksubstrat mit Membranabschnitten erhalten, bei denen auf den einander gegenüberliegenden Seiten der P/E-Schicht jeweils gewellte die mechanische Spannung abschwächende Abschnitte ausgebildet waren. Genauer gesagt wurde die gewellte Gestalt des Membranabschnitts an den einander gegenüberliegenden Endteilen des Membranabschnitts beibehalten, auf denen die untere Elektrode und die P/E-Schicht nicht angeordnet sind, so dass die gewellten, die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte bereitgestellt wurden. Dann wurde die obere Elektrode auf der gebrannten P/E-Schicht auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ausgebildet, wodurch ein gemäß vorliegender Erfindung konstruiertes P/E-Filmelement erzeugt wurde.
Das so erhaltene Filmelement wurde Polarisierungsbehandlung unterzogen, und dann wurde das Verhältnis zwischen dem Ausmaß an Verlagerung bei Betätigung aller P/E- Einheiten (gleichzeitige Betätigung) und dem Ausmaß an Verlagerung bei Betätigung einer einzelnen P/E-Einheit (einzelne Betätigung) auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten. Die Ergebnisse zeigten, dass das oben angegebene Verhältnis beim erfindungsgemäßen Filmelement, bei dem die gewellten, die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte auf den einander gegenüberliegenden Seiten einer jeden der P/E-Einheiten ausgebildet waren, 85% betrug. Somit wurde festgestellt, dass die wie oben beschrieben ausgebildeten gewellten, die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte wirksam die nach dem Stand der Technik auftretende beträchtliche Reduktion des Ausmaßes an Verlagerung verhinderten, wenn die zwei oder mehr benachbarten P/E-Einheiten gleichzeitig betätigt wurden. Die Ergebnisse zeigten auch, dass der Durchschnittswert der Ausmaße an Verlagerung aller P/E- Einheiten, die gemessen wurden, wenn sie zu unterschiedlichen Zeiten betätigt wurden (einzelne Betätigung) 0,18 um betrug.

BEISPIEL 4

Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 2 wurde eine grüne Bahn für die Basisplatte unter Verwendung eines Pulvers mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,4 um gebildet, das im Wesentlichen aus 99,9 Gew.-% eines mit 4 Mol-% Yttriumoxid teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxidpulver und 0,1 Gew.-% Aluminiumoxid bestand. Auf ähnliche Weise wurde eine grüne Bahn für die Membranplatte ausgebildet, indem ein Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,4 um verwendet wurde, das im Wesentlichen aus 99,5 Gew.-% eines mit 4 Mol-% Yttriumoxid teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxidpulver und 0,5 Gew.-% Aluminiumoxid bestand.
Die so erhaltene grüne Bahn für die Basisplatte wurde unter Verwendung einer geeigneten Metallform in einem Muster gestanzt, so dass die Fenster ausgebildet wurden. Die grüne Bahn für die Membranplatte wurde auf die grüne Bahn für die Basisplatte gelegt und Thermopressen bei 80ºC für 1 min unter einem Druck von 100 kg/cm² unterzogen. Die so erhaltene einstückige Laminatstruktur wurde bei 1.500ºC 2 h lang gebrannt, wodurch ein Keramiksubstrat mit konvexen Membranabschnitten bereitgestellt wurde, die jeweils um eine Distanz von 50 um nach außen vorragten.
Auf dem oben erhaltenen Keramiksubstrat wurde ein Paar Aluminiumoxid-Abstandshalter mit einer Höhe von 20 um entlang der langen. Seiten eines jeden der Fenster angeordnet, so dass die Abstandshalter die Öffnung eines jeden Fensters in Sandwichanordnung umgeben, wie in Fig. 12(a) gezeigt. Dann wurde eine planare poröse Presslehre aus Aluminiumoxid auf jedem der konvexen Membranabschnitte angeordnet. In diesem Zustand wurde das Keramiksubstrat für 5 h bei 1.500ºC gebrannt, so dass ein Keramiksubstrat bereitgestellt wurde, bei dem jeder Membranabschnitt mit einem konvexen Mittelteil mit einer Höhe von 20 um und konkaven Endteilen mit einer Tiefe von 15 um angrenzend an die einander gegenüberliegenden Kanten der oben angegebenen langen Seiten des Fensters ausgebildet war. Dann wurden, wie in Fig. 11(b) gezeigt, die untere Elektrode und die P/E-Schicht auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 auf dem konvexen Mittelteil eines jeden der Membranabschnitte ausgebildet. Durch Brennen der unteren Elektrode und der P/E-Schicht wurde der konvexe Mittelteil des Membranabschnitts, auf dem die untere Elektrode und die P/E-Schicht ausgebildet waren, zum Fenster hin abwärts gekrümmt, während die konkaven Teile des Membranabschnitts, auf denen die untere Elektrode und die P/E-Schicht nicht ausgebildet waren, die ursprüngliche konkave Gestalt beibehielten, so dass sie als die mechanische Spannung abschwächende Abschnitte fungierten, die jeweils eine gekrümmte konkave Gestalt aufwiesen. Die obere Elektrode wurde auf jeder der gebrannten P/E-Schichten ausgebildet, wodurch das gemäß vorliegender Erfindung konstruierte P/E-Filmelement erzeugt wurde.
Das so erhaltene Filmelement wurde Polarisierungsbehandlung wie in Beispiel 1 unterzogen, und das Verhältnis zwischen dem Ausmaß an Verlagerung bei Betätigung aller P/E-Einheiten (gleichzeitige Betätigung) und dem Ausmaß an Verlagerung bei Betätigung einer einzelnen P/E-Einheit (einzelne Betätigung) wurde wie in Beispiel 1 erhalten. Die Ergebnisse zeigten, dass das oben angegebene Verhältnis beim erfindungsgemäßen Filmelement mit den Membranabschnitten, bei denen die konkaven, die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte jeweils auf den einander gegenüberliegenden Seiten der entsprechenden P/E-Einheit ausgebildet waren, 90% betrug. Somit wurde festgestellt, dass die die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitte mit der konkaven Gestalt, die wie oben beschrieben ausgebildet wurden, wirksam die beträchtliche Reduktion im Ausmaß an Verlagerung verhindern, die nach dem Stand der Technik auftritt, wenn die zwei oder mehr P/E-Einheiten gleichzeitig betätigt werden. Die Ergebnisse zeigten auch, dass der Durchschnittswert der Ausmaße an Verlagerung, die gemessen wurden, wenn alle P/E-Einheiten gleichzeitig betätigt wurden, 0,20 um betrug.

Claims

1. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement, umfassend:

ein Keramiksubstrat (2, 22), das einen Basisabschnitt (4, 30) mit zumindest einem Fenster (6, 38) und einen Membranabschnitt (10, 26) enthält, der als einstückiger Teil des Basisabschnitts ausgebildet ist und jedes des zumindest einen Fensters verschließt;

eine filmartige piezoelektrische/elektrostriktive Einheit (18, 24), die eine untere Elektrode (12, 40), eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (14, 42) sowie eine obere Elektrode (16, 44) enthält, die in der genannten Reihenfolge auf einer Außenfläche des Membranabschnitts ausgebildet sind;

wobei die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit (18, 24) so auf dem Membranabschnitt angeordnet ist, dass zumindest eine von einander gegenüberliegenden Endflächen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit in eine Richtung zu einer Mitte des Membranabschnitts um einen vorbestimmten Abstand (n, n') von einem entsprechenden von einander gegenüberliegenden Abschnitten einer Umfangswand eines jeden Fensters beabstandet ist;

gekennzeichnet durch einen die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitt (20), der aus jedem von zumindest einem einander gegenüberliegenden Endteilen des Membranabschnitts gebildet ist, der nicht die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit trägt und der zwischen der zumindest einen der einander gegenüberliegenden Endflächen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit und dem entsprechenden zumindest einen der einander gegenüberliegenden Abschnitte des Umfangs eines jeden Fensters angeordnet ist, wobei der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt, wenn keine elektrische Betätigungsspannung an die piezoelektrische/- elektrostriktive Einheit angelegt ist, in Bezug auf eine Ebene gekrümmt ist, die eine Hauptfläche des Basisabschnitts (4, 30) umfasst, an der jedes Fenster vom Membranabschnitt verschlossen wird.

2. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach Anspruch 1, worin die einander gegenüberliegenden Abschnitte des Umfangs eines jeden Fensters einander in einer Richtung gegenüberliegen, die parallel zu einer geraden Linie verläuft, die parallel zur Ebene der Hauptfläche des Basisabschnitts (4, 30) verläuft und durch einen Mittelpunkt eines jeden Fensters (6, 38) verläuft und entlang der ein jedes Fenster eine kürzeste Abmessung aufweist, wobei eine Abmessung des die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitts (20), in dieser Richtung gemessen, nicht mehr als 40% der kürzesten Abmessung eines jeden Fensters ausmacht.

3. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach Anspruch 1 oder 2, worin der Membranabschnitt (10, 26) zumindest einen Biegungspunkt aufweist.

4. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt einen Endteil umfasst, der an den entsprechenden einen der einander gegenüberliegenden Abschnitte des Umfangs des jeweiligen Fensters angrenzt, wobei der Endteil so gekrümmt ist, dass er in eine Richtung weg von der Ebene der Hauptfläche des Basisabschnitts (4, 30) vorragt.

5. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit (18, 24) so angeordnet ist, dass beide der einander gegenüberliegenden Endflächen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit von den entsprechenden einander gegenüberliegenden Abschnitten des Umfangs eines jeden Fensters (6, 38) in Richtung zur Mitte des Membranabschnitts hin beabstandet sind, wobei der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt (20) an jedem der einander gegenüberliegenden Endteile des Membranabschnitts vorgesehen ist, der sich zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit und den entsprechenden einander gegenüberliegenden Abschnitten des Umfangs eines jeden Fensters befindet.

6. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit (18, 24) so angeordnet ist, dass nur eine der einander gegenüberliegenden Endflächen der piezoelektrischen/- elektrostriktiven Einheit von dem entsprechenden einen der einander gegenüberliegenden Abschnitte des Umfangs eines jeden Fensters (6, 38) in Richtung zur Mitte des Membranabschnitts hin beabstandet ist, wobei der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt (20) an nur einem der einander gegenüberliegenden Endteile des Membranabschnitts vorgesehen ist, der sich zwischen der einen der einander gegenüberliegenden Endflächen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit und dem entsprechenden einen der einander gegenüberliegenden Abschnitte des Umfangs eines jeden Fensters befindet.

7. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt (20) eine nach oben konvexe Gestalt aufweist, so dass er aus der Ebene in eine Richtung von jedem Fenster (6, 38) weg ragt.

8. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach Anspruch 5, worin der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt (20), der an jedem der einander gegenüberliegenden Endteile des Membranabschnitts (10, 26) vorgesehen ist, eine nach oben konvexe Gestalt aufweist, so dass er aus der Ebene in eine Richtung von jedem Fenster (6, 38) weg ragt, wobei der Membranabschnitt einen Mittelteil aufweist, auf dem die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit (18, 24) ausgebildet ist, wobei der Mittelteil eine nach unten konkave Gestalt aufweist, die aus der Ebene in eine Richtung zu jedem Fenster (6, 38) hin ragt.

9. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach Anspruch 6, worin der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt (20), der nur an einem der einander gegenüberliegenden Endteile des Membranabschnitts (10, 26) vorgesehen ist, eine nach oben konvexe Gestalt aufweist, so dass er aus der Ebene in eine Richtung von jedem Fenster (6, 38) weg ragt, worin ein Teil des Membranabschnitts, der den anderen der einander gegenüberliegenden Endteile umfasst und auf dem die piezoelektrische/- elektrostriktive Einheit (18, 24) ausgebildet ist, eine nach unten konkave Gestalt aufweist, so dass er aus der Ebene in eine Richtung zu jedem Fenster (6, 38) hin ragt.

10. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach einem der Ansprüche 7 bis 9, worin das Keramiksubstrat eine Membranplatte (8, 26) umfasst, die den Membranabschnitt (10, 26) enthält und die auf der Hauptfläche des Basisabschnitts (4, 30) ausgebildet ist, so dass der Membranabschnitt jedes Fenster (6, 38) schließt, wobei die nach oben konvexe Gestalt des die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitts (20) eine Höhe hat, die nicht größer als das Doppelte der Dicke des Membranabschnitts (10, 26) ist, wobei die Höhe von einer der einander gegenüberliegenden Hauptflächen der Membranplatte aus gemessen wird, die vom Basisabschnitt entfernt ist.

11. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt (20) eine nach unten konkave Gestalt aufweist, so dass er in eine Richtung zu jedem Fenster (6, 38) hin ragt.

12. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach Anspruch 11, worin der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt (20) an zumindest einer der einander gegenüberliegenden Seiten der piezoelektrischen Einheit (18, 24) vorgesehen ist.

13. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach Anspruch 11 oder 12, worin das Keramiksubstrat eine Membranplatte (8, 26) umfasst, die den Membranabschnitt (10,26) umfasst und die so auf der Hauptfläche des Basisabschnitts (4, 30) ausgebildet ist, dass der Membranabschnitt jedes Fenster (6, 38) verschließt, wobei die nach unten konkave Gestalt des die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitts (20) eine Höhe aufweist, die nicht mehr als das Doppelte der Dicke des Membranabschnitts (10, 26) ausmacht, wobei die Höhe von einer der einander gegenüberliegenden Hauptflächen der Membranplatte aus gemessen wird, die vom Basisabschnitt entfernt ist.

14. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin der die mechanische Spannung abschwächende Abschnitt (20) eine gewellte Gestalt hat, die zumindest einen nach oben konvexen Teil und zumindest einen nach unten konkaven Teil aufweist.

15. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, worin der Membranabschnitt (10, 26) eine durchschnittliche Kristallkorngröße von nicht mehr als 5 um aufweist.

16. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, worin der Membranabschnitt (10, 26) eine Dicke von nicht mehr als 30 um aufweist.

17. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, worin die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit (18, 24) eine Dicke von nicht mehr als 100 um aufweist.

18. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements, das umfasst: ein Keramiksubstrat (2, 22), das einen Basisabschnitt (4, 30) mit zumindest einem Fenster (6, 38) und einen Membranabschnitt (10, 26) enthält, der als einstückiger Teil des Basisabschnitts ausgebildet ist und jedes des zumindest einen Fensters verschließt; eine filmartige piezoelektrische/elektrostriktive Einheit (18, 24), die eine untere Elektrode (12, 40), eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (14, 42) sowie eine obere Elektrode (16, 44) enthält, die in der genannten Reihenfolge durch ein Filmbildungsverfahren auf einer Außenfläche des Membranabschnitts ausgebildet werden; wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

das Herstellen der Keramiksubstrats (2, 22), bei dem der Membranabschnitt (10, 26) eine nach oben konvexe Gestalt aufweist, die in eine Richtung weg von jedem Fenster (6, 38) ragt;

das Ausbilden durch ein Filmausbildungsverfahren zumindest der unteren Elektrode (12, 40) und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht (14, 42) der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit (18, 24) auf der nach oben konvexen Außenfläche des Membranabschnitts, so dass zumindest eine der einander gegenüberliegenden Endflächen der Einheit um einen Abstand (n, n') von einem entsprechenden der einander gegenüberliegenden Abschnitte eines Umfangs eines jeden Fensters in eine Richtung zur Mitte des Membranabschnitts hin beabstandet ist; sowie

das Brennen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht, so dass ein Teil des Membranabschnitts, auf dem die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit ausgebildet ist, nach unten gekrümmt wird, so dass sie eine nach unten konkave Gestalt aufweist, die in eine Richtung zu jedem Fenster hin ragt, während der zumindest eine der einander gegenüberliegenden Endteile des Membranabschnitts nach oben gekrümmt wird, so dass er eine nach oben konvexe Gestalt aufweist, die in eine Richtung von jedem Fenster weg ragt, wobei jeder des zumindest einen von einander gegenüberliegenden Endteilen des Membranabschnitts einen mechanische Spannung abschwächenden Abschnitt (20) bereitstellt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, worin der Schritt des Ausbildens zumindest der unteren Elektrode und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht das Ausbilden der unteren Elektrode und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht auf solche Weise umfasst, dass beide der einander gegenüberliegenden Endflächen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit von den entsprechenden einander gegenüberliegenden Abschnitten des Umfangs eines jeden Fensters in Richtung zur Mitte des Membranabschnitts hin beabstandet sind, wobei der Schritt des Brennens der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht das Brennen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht umfasst, so dass beide der einander gegenüberliegenden Endabschnitte des Membranabschnitts nach oben gekrümmt werden, so dass jeder der einander gegenüberliegenden Endteile den die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitt (20) bereitstellt, während ein Mittelteil des Membranabschnitts zwischen den einander gegenüberliegenden Endteilen nach unten gekrümmt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 18, worin der Schritt des Ausbildens zumindest der unteren Elektrode und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht das Ausbilden der unteren Elektrode und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht auf solche Weise umfasst, dass nur eine der einander gegenüberliegenden Endflächen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit vom entsprechenden der einander gegenüberliegenden Abschnitte des Umfangs eines jeden Fensters in Richtung zur Mitte des Membranabschnitts hin beabstandet ist, wobei der Schritt des Brennens der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht das Brennen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht auf solche Weise umfasst, dass nur einer der einander gegenüberliegenden Endteile des Membranabschnitts nach oben gekrümmt wird, wodurch der mechanische Spannung abschwächende Abschnitt (20) bereitgestellt wird, während ein Teil des Membranabschnitts, der den anderen der einander gegenüberliegenden Endteile umfasst und auf dem die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit (18, 24) ausgebildet ist, nach unten gekrümmt wird.

21. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements, umfassend: ein Keramiksubstrat (2, 22), das einen Basisabschnitt (4, 30) mit zumindest einem Fenster (6, 38) und einen Membranabschnitt (10,26) umfasst, der als einstückiger Teil des Basisabschnitts ausgebildet ist und jedes des zumindest einen Fensters verschließt; sowie eine filmartige piezoelektrische/elektrostriktive Einheit (18, 24), die eine untere Elektrode (12, 40), eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (14, 42) und eine obere Elektrode (16, 44) aufweist, die durch ein Filmbildungsverfahren in der genannten Reihenfolge auf einer Außenfläche des Membran ausgebildet werden, wobei das Verfahren folgende Schritt umfasst:

das Herstellen des Keramiksubstrats (2, 22), bei dem der Membranabschnitt (10, 26) gewellt ist und eine Vielzahl nach oben konvexer Teile in eine Richtung weg von jedem Fenster (6, 38) sowie eine Vielzahl nach unten konkaver Teile aufweist, die in eine Richtung zu jedem Fenster hin ragen, wobei die konvexen Teile und die konkaven Teile abwechselnd angeordnet sind;

das Ausbilden, durch ein Filmbildungsverfahren, zumindest der unteren Elektrode (12, 40) und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht (14, 42) der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit (18, 24) auf der gewellten Außenfläche des Membranabschnitts, so dass zumindest eine der einander gegenüberliegenden Endflächen der Einheit um einen Abstand (n, n') von einem entsprechenden der einander gegenüberliegenden Abschnitte eines Umfangs eines jeden Fensters in eine Richtung zur Mitte des Membranabschnitts hin beabstandet ist; sowie

das Brennen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht, so dass ein Teil des Membranabschnitts, auf dem die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht ausbildet ist, nach unten gekrümmt wird, so dass er eine nach unten konkave Gestalt aufweist, die in die Richtung zu jedem Fenster hin ragt, während der zumindest eine von einander gegenüberliegenden Endteilen des Membranabschnitts gewellt bleibt, wobei jeder des zumindest einen der einander gegenüberliegenden Endteile des Membranabschnitts einen die mechanische Spannung abschwächenden Abschnitt (20) bereitstellt.

22. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements, umfassend: ein Keramiksubstrat (2, 22), das einen Basisabschnitt (4, 30) mit zumindest einem Fenster (6, 38) und einen Membranabschnitt (10, 26) umfasst, der als einstückiger Teil, des Basisabschnitts ausgebildet ist und jedes des zumindest einen Fensters verschließt; sowie eine filmartige piezoelektrische/elektrostriktive Einheit (18, 24), die eine untere Elektrode (12, 40), eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (14, 42) und eine obere Elektrode (16, 44) umfasst, die durch ein Filmbildungsverfahren in der genannten Reihenfolge auf einer Außenfläche des Membranabschnitts ausgebildet werden, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

das Herstellen des Keramiksubstrats (2, 22), in dem jeder der einander gegenüberliegenden Endteile des Membranabschnitts (10, 26) die an einander gegenüberliegende Abschnitte eines Umfangs eines jeden Fensters angrenzen, nach unten gekrümmt wird, so dass er eine nach unten konkave Gestalt aufweist, die in eine Richtung zu jedem Fenster hin ragt, während ein Mittelteil des Membranabschnitts zwischen den einander gegenüberliegenden Endteilen nach oben gekrümmt wird, so dass der eine nach oben konvexe Gestalt aufweist, die in eine Richtung von jedem Fenster (6, 38) weg ragt;

das Ausbilden durch ein Filmbildungsverfahrens zumindest der unteren Elektrode (12, 40) und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht (14, 42) der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit (18, 24) an einer Außenfläche des nach oben gekrümmten Mittelteils des Membranabschnitts; und

das Brennen zumindest der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht, so dass die einander gegenüberliegenden Endteile des Membranabschnitts, die jeweils die nach unten konkave Gestalt aufweisen, zwei die mechanische Spannung abschwächende Abschnitte (20) bereitstellen.

23. Verfahren nach Anspruch 22, worin der Schritt des Herstellens des Keramiksubstrats (2, 22) das Ausbilden des Membranabschnitts (10) auf solche Weise, dass der Membranabschnitt allgemein eine nach oben konvexe Gestalt aufweist, die in die Richtung von jedem Fenster weg ragt, sowie das Pressen einer Lehre (21) gegen zumindest einen Mittelteil des Membranabschnitts in Richtung zu jedem Fenster hin umfasst.