DE69714909T2

DE69714909T2 - Piezoelektrisches Element des Dünnschichttyps

Info

Publication number: DE69714909T2
Application number: DE69714909T
Authority: DE
Inventors: Koji Kimura; Masao Takahashi; Yukihisa Takeuchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-05-27
Filing date: 1997-05-23
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2017-05-24
Also published as: EP0810676A1; CN1170990A; DE69714909D1; US5852337A; EP0810676B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen an Elementen vom piezoelektrischen Film-Typ. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Mechanismus oder eine Struktur, die dazu fähig ist, die Betriebseigenschaften eines Elements zu verbessern, um elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, d. h. um elektrische Energie in mechanische Verschiebung, Kraft oder Schwingung umzuwandeln, oder entgegengesetzte Umwandlung von letzterem zu ersterem durchzuführen.

Beschreibung des Standes der Technik

In letzterer Zeit besteht im Bereich der Optik, der Präzisionserzeugung usw. der Bedarf zur Verwendung eines Verschiebungselements, um die optische Weglänge oder die Position im Submikron-Bereich einzustellen, sowie an einem Detektionselement zum Detektieren geringfügigster Verschiebung durch Umwandlung in eine elektrische Schwankung.
Um einen solchen Bedarf zu decken, sind piezoelektrische/elektrostriktive Elemente zur Verwendung für Aktuatoren entwickelt worden, bei denen das Auftreten von Verschiebung auf Basis des reversen oder inversen piezoelektrischen Effekts genutzt wird, der verursacht wird, wenn an ein piezoelektrisches Material, wie eine ferroelektrische Substanz, ein elektrisches Feld angelegt wird, sowie für Sensoren, bei denen ein dem obigen Phänomen (piezoelektrischer Effekt) entgegengesetztes Phänomen genutzt wird.
Von diesen sind etwa für Lautsprecher als derartige piezoelektrische/elektrostriktive Elementstruktur bevorzugt beispielsweise jene vom unimorphen Typ, die bisher bekannt waren, eingesetzt worden.
Gemäß diesem Stand der Technik hat die Anmelderin des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes auch bereits piezoelektrische (/elektrostriktive) Elemente vom Film-Typ aus einem Keramikmaterial vorgeschlagen, die bevorzugt für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden können, wie beispielsweise in den offengelegten japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 3-128681 und Nr. 5-49270 beschrieben.
Die bereits vorgeschlagenen piezoelektrischen Elemente vom Film-Typ weisen die folgende Struktur auf: Das Element umfasst ein Keramiksubstrat mit zumindest einem Fenster (Hohlraum), das einen dünnwandigen Membranabschnitt umfasst, der einstückig vorgesehen ist, um das Fenster zu bedecken und zu verschließen, so dass zumindest ein dünnwandiger Wandabschnitt gebildet ist. Das Element umfasst weiters an einer Außenfläche des Membranabschnitts des Keramiksubstrats eine filmförmige piezoelektrische Betätigungsschicht, die eine Kombination aus einer unteren Elektrode, einer piezoelektrischen Schicht und einer oberen Elektrode umfasst, wobei die piezoelektrische Betätigungsschicht nach einem Filmausbildungsverfahren einstückig ausgebildet und darübergeschichtet ist.
Das piezoelektrische Element vom Film-Typ wird betätigt, um beispielsweise Verschiebung, Kraft und Schwingung zu bewirken, indem der Transversaleffekt des piezoelektrischen Effekts (insbesondere die durch ein elektrisches Feld induzierte Verformung) genutzt wird, d. h. indem die Verformung genutzt wird, die in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung des elektrischen Feldes durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode verursacht wird.
Das piezoelektrische Element vom Film-Typ weist die folgenden hervorragenden Merkmale auf: Es dient als kompaktes und preisgünstiges elektromechanisches Umwandlungselement mit hoher Zuverlässigkeit, um für eine große Verschiebung bei niedriger Betriebsspannung zu sorgen, wobei die Ansprechgeschwindigkeit schnell und die erzeugte Kraft groß ist. Es ist anzuerkennen, dass ein derartiges piezoelektrisches Element vom Film-Typ nützlich ist, um es beispielsweise als Bestandteil von Aktuatoren, Filtern, Anzeigen und Sensoren zu verwenden.
Andererseits offenbart US-Patent Nr. 2.540.194 in seiner Beschreibung einen piezoelektrischen Aktuator mit einer Struktur, bei der Streifenelektroden, die sich in einer Breitenrichtung einer piezoelektrischen Schicht erstrecken, in einer Streifenkonfiguation in einer Längsrichtung der piezoelektrischen Schicht vorgesehen sind. Die Streifenelektroden sind voneinander durch einen vorbestimmten Zwischenraum auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Schicht getrennt, die die Gestalt einer Länglichen Platte mit einer vorbestimmten Dicke hat.
Dieser Aktuator wird wie folgt betätigt: Verschiedene Spannungen werden alternierend an die Streifenelektroden angelegt, die in der Streifenkonfiguration wie oben beschrieben angeordnet ist, so dass zwischen den Streifenelektroden vorbestimmte elektrische Felder angelegt werden. So wird es zugelassen, dass Verschiebung, Kraft oder Schwingung auftreten oder Umwandlung in Gegenrichtung dazu bewirkt, indem der Longitudinaleffekt des piezoelektrischen Effekts (die durch das elektrische Feld induzierte Verformung) genutzt wird, die in Abschnitten der piezoelektrischen Schicht verursacht wird, die zwischen den Streifenelektroden vorliegen, d. h. indem der Effekt in eine Richtung parallel zur Richtung des elektrischen Feldes genutzt wird.
Jedoch wird sowohl bei den herkömmlichen piezoelektrischen Elementen als auch den piezoelektrischen Elementen vom Film-Typ lediglich nur entweder der Transversaleffekt (Effekt in Richtung senkrecht zum elektrischen Feld) des piezoelektrischen Effekts genutzt, der durch die piezoelektrische Betätigungsschicht herbeigeführt wird, die die piezoelektrische Schicht und die beiden Elemente umfasst, die an seinen beiden Seiten in Dickenrichtung vorgesehen sind, oder der Longitudinaleffekt (Effekt in Richtung parallel zur Richtung des elektrischen Feldes) des piezoelektrischen Effekts, der durch die piezoelektrische Betätigungsschicht herbeigeführt wird, die die piezoelektrische Schicht und die auf einer Seite davon vorgesehene Streifenelektroden umfasst. In Hinblick darauf, ein Element mit einer kompakten Größe zu erreichen und die Funktion des Elements zu verstärken, ist es äußerst vorteilhaft, die Betätigungseigenschaften der piezoelektrischen Betätigungsschicht eines solchen Elements ausreichend zur Geltung zu bringen und zu verbessern.
Die oben beschriebene offengelegte japanische Patentveröffentlichung Nr. 5-49270 offenbart auch in Fig. 14 ihrer Zeichnungen einen piezoelektrischen Aktuator, bei dem Streifenelektroden und eine piezoelektrische Schicht ausgebildet und nacheinander und einstückig übereinander auf einem Keramiksubstrat angeordnet sind, um eine piezoelektrische Betätigungsschicht (einen Antriebsabschnitt) zu schaffen, und eine filmförmige Elektrode, eine piezoelektrische Schicht und eine filmförmige Elektrode der Reihe nach ausgebildet und übereinander darauf aufgeschichtet sind, um einstückig eine weitere piezoelektrische Betätigungsschicht (einen Antriebsabschnitt) zu schaffen.
In jeder Hinsicht wird die offenbarte Struktur jedoch bei diesem Stand der Technik nur dadurch erhalten, dass die beiden piezoelektrischen Betätigungsabschnitte (Antriebsabschnitte) einfach überlappt übereinander geschichtet werden, um sie zu einer Einheit zu kombinieren. Daher sind die beiden piezoelektrischen Schichten selbstverständlich unabdingbar erforderlich, und es ist unvermeidlich, dass die piezoelektrischen Schichten eine extrem große Gesamtdicke aufweisen. Wenn eine der piezoelektrischen Betätigungsschichten betätigt wird, wird ihre Betätigung durch das Vorhandensein der anderen piezoelektrischen Betätigungsschicht eingeschränkt oder gehemmt. Demgemäß ist die herkömmliche Technik unweigerlich mit Problemen verbunden. Beispielsweise ist es schwierig, dass die jeweiligen piezoelektrischen Betätigungsschichten die Betätigungseigenschaften ausreichend aufweisen.
Die US-A-4825227 offenbart einen piezoelektrischen Wandler im Scher-Modus, bei dem eine piezoelektrische Schicht eine einzelne kontinuierliche Elektrodenschicht auf einer Seite und Streifenelektroden auf der anderen Seite an Abschnitten der piezoelektrischen Schicht aufweist, die Zwischenräume eines Stützsubstrats überbrücken. Aufgrund einer spezifischen Polarisation der piezoelektrischen Schicht kommt es zum Durchbiegen dieser Schicht, wenn zwischen der einzelnen Elektrode einerseits und den Streifenelektroden andererseits eine Spannung angelegt wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein piezoelektrisches Element vom Film-Typ bereitzustellen, das ausgezeichnete Funktionsweise aufweist, mit dem eine kompakte Größe erreicht werden kann und das bei einer niedrigen Spannung betätigt werden kann, was es möglich macht, die Betätigungseigenschaften einer piezoelektrischen Betätigungsschicht ausreichend zum Einsatz zu bringen.
Die vorliegende Erfindung besteht in einem piezoelektrischen Element, wie in Anspruch 1 dargelegt.
Beim piezoelektrischen Element gemäß vorliegender Erfindung wird der Transversaleffekt des piezoelektrischen Effekts wirksam durch das erste piezoelektrische Betätigungsmittel ausgedrückt, und der Longitudinaleffekt des piezoelektrischen Effekts wird vorteilhaft durch das zweite piezoelektrische Betätigungsmittel ausgedrückt.
Daher ist es, wenn das obige Element beispielsweise für Aktuatoren und Vibratoren eingesetzt wird, möglich, Verschiebung und Schwingung sowohl nach oben als auch nach unten in Bezug auf das Keramiksubstrat als Membran zu erreichen, indem der Transversaleffekt der durch elektrisches Feld induzierten Spannung genutzt wird, die durch das Anlegen des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden (der ersten und der zweiten Elektrode) verursacht wird, zwischen denen die piezoelektrische Schicht in Dickenrichtung liegt, und der Longitudinaleffekt der durch elektrisches Feld induzierten Verformung genutzt wird, der durch das Anlegen des elektrischen Feldes zwischen der Vielzahl von Streifenelektroden (der zweiten Elektrode) verursacht wird, zwischen denen die piezoelektrische Schicht in planarer Richtung liegt. Weiters ist es möglich, eine kombinierte Verschiebungsamplitude und eine kombinierte Vibrationsamplitude zu nutzen, die durch Kombinieren derjenigen erhalten wird, die durch den Longitudinaleffekt und den Transversaleffekt bereitgestellt werden. Demgemäß ist es möglich, deutlich verbesserte Verschiebungseigenschaften und Vibrationseigenschaften zu erhalten. Mit anderen Worten, die obigen Ausführungen bedeuten, dass unter Verwendung einer geringeren Betriebsspannung eine gewisse Verschiebung erzielt werden kann, die jener gleichwertig ist, die durch das herkömmliche Element erzielt wird.
Was das herkömmliche piezoelektrische Element betrifft, d. h. das Element, bei dem ein piezoelektrischer Effekt eingesetzt wird, indem eine piezoelektrische Schicht verwendet wird, ist versucht worden, eine Betätigung zu erreichen, die jener entspricht, die gemäß vorliegender Erfindung erzielt wird, indem ein elektrisches Feld in einer Richtung angelegt wird, die zur einer Polarisationsrichtung einer piezoelektrischen Schicht entgegengesetzt ist, um das Keramiksubstrat als Membran mit Verschiebung sowohl nach oben als auch nach unten bereitzustellen, um die Verschiebungs- und Vibrationsamplituden zu erhöhen. Das elektrische Feld, das in die zur Polarisationsrichtung entgegengesetzte Richtung angelegt wird, ist durch das die Polarisation umkehrende elektrische Feld (auch als "kritisches elektrisches Feld" oder "elektrisches Koerzitivfeld" bezeichnet) begrenzt. Daher ist es im Fall der herkömmlichen Technik folglich schwierig, eine ausreichende Verschiebung und eine ausreichende, erzeugte Kraft zu erzielen. Darüber hinaus bleibt bei der herkömmlichen Technik auch ein Problem bestehen, das die Stabilität der Verschiebung und Vibration betrifft, weil das elektrische Feld, das angelegt wird, nahe dem die Polarisation umkehrenden elektrischen Feld liegt.
Im Prinzip jedoch ist das piezoelektrische Element gemäß vorliegender Erfindung nicht auf das oben beschriebene, die Polarisation umkehrende elektrische Feld beschränkt. Die Elektroden, an die das elektrische Feld angelegt wird, werden selektiv betätigt, indem die elektrische Spannung angelegt wird. Demgemäß ist die Zuverlässigkeit hoch und es wird stabile Betätigung erreicht.
Insbesondere ist es gemäß vorliegender Erfindung wünschen Wert, die piezoelektrische Schicht auszubilden, indem ein piezoelektrisches Material mit einem die Polarisation umkehrenden elektrischen Feld (elektrischen Koerzitivfeld) nicht über 10 kV/cm eingesetzt wird. Wenn eine aus einem solchen piezoelektrischen Material bestehende piezoelektrische Schicht verwendet wird, kann die Polarisation beim Anlegen des elektrischen Feldes relativ leicht und sofort erreicht werden. Daher ist es möglich, das Merkmal der vorliegenden Erfindung wirksam zur Geltung zu bringen. Weiters kann ein Polarisierungsvorgang, der andernfalls vor der Verwendung des Elements durchgeführt wird, weggelassen werden, indem das piezoelektrische Material zum Ausbilden der piezoelektrischen Schicht ausgewählt wird. Es versteht sich, dass ein solcher Effekt nicht nur für die dargestellten Aktuatoren und Vibratoren, sondern auf äquivalente Weise beispielsweise für Schallkörper und Anzeigenelemente eingesetzt werden kann.
Andererseits können, wenn die Struktur des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung auf einen Filter oder dergleichen angewandt wird, ein Anregungsabschnitt und ein Empfangsabschnitt konstruiert werden, indem nur eine Auswahl aus den Elektroden getroffen wird, während gemeinsam eine piezoelektrische Schicht verwendet wird. Demgemäß ist die Struktur vorteilhaft, um ein Element bereitzustellen, das eine kompakte Größe aufweist. Weiters kann das Element gemäß vorliegender Erfindung äquivalent konstruiert und als Transformator eingesetzt werden.
Wie oben beschrieben, können die Eigenschaften der piezoelektrischen Schicht, die beim herkömmlichen Element nicht eingesetzt wurden, fachgerecht genutzt werden, indem die Struktur des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung angenommen wird, wodurch es ermöglicht wird, im Vergleich zum herkömmlichen Element mit einer äquivalenten Funktion die Größe weiter zu verringern, den Verbrauch an elektrischer Leistung zu reduzieren und die Funktion zu verbessern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des piezoelektrischen Elements vom Film- Typ gemäß vorliegender Erfindung wird eine Struktur genommen, bei der das Keramiksubstrat als dünnwandiger Membranabschnitt ausgebildet ist und die piezoelektrische Betätigungsschicht an einer Außenfläche des Membranabschnitts einstückig ausgebildet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung wird eine Struktur verwendet, bei der das Keramiksubstrat mit zumindest einem Hohlraum versehen ist, ein Abschnitt des Keramiksubstrats, der einen Wandabschnitt zum Abteilen des Hohlraums gegenüber der Umgebung ergibt, als dünnwandiger Membranabschnitt ausgebildet ist, und die piezoelektrische Betätigungsschicht an einer Außenfläche des Membranabschnitts einstückig ausgebildet ist.
Bei den obigen bevorzugten Ausführungsformen ist die Vielzahl von Streifenelektroden vorzugsweise in zwei verschiedene Sätze unterteilt, die jeweils alternierende Streifenelektroden umfassen, so dass jeder der alternierenden Streifenelektroden jeweils mit einem anderen an einem der beiden Enden in einer Längsrichtung verbunden ist, um zwei kammförmige Elektroden zu bilden. Vorzugsweise besteht das Keramiksubstrat aus einem Material, das als Hauptkomponente vollständig stabilisiertes oder teilweise stabilisiertes Zirkonoxid enthält.
Um gemäß vorliegender Erfindung mit der oben beschriebenen Konstruktion eine große Verschiebung mit einer relativ niedrigen Betätigungsspannung zu erzielen, weist die piezoelektrische Schicht vorzugsweise eine Dicke von nicht mehr als 100 um auf. Vorzugsweise weist die piezoelektrische Betätigungsschicht eine Dicke nicht über 150 ,um auf.
Wenn das zweite piezoelektrische Betätigungsmittel betätigt wird, ist es vorzuziehen, das elektrische Feld in der Nähe des unteren Leiterfilms (der ersten Elektrode) zu berücksichtigen, der nicht als Elektrode genutzt wird. Demgemäß gilt wünschenswert die Beziehung 0,3 ≤ X/Y ≤ 6, mit der Maßgabe, dass die Dicke der piezoelektrischen Schicht gleich X ist und der Abstand zwischen der Vielzahl von Streifenelektroden gleich Y ist.
Um eine rasche Reaktion und große Verschiebung des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung mit der oben beschriebenen Konstruktion zu erhalten, weist der Membranabschnitt vorzugsweise eine Dicke nicht über 50 um auf. Weiters ist es, um die Betätigungseigenschaften der piezoelektrischen Betätigungsschicht zu verbessern und große Verschiebung und eine große erzeugte Kraft zu erzielen, wenn das Element beispielsweise als Detektionsabschnitt eines Aktuators eingesetzt wird, wünschenswert, dass Kristalle zur Ausbildung zumindest des Membranabschnitts des Keramiksubstrats eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 2 um aufweisen.
Es versteht sich, dass der gemäß vorliegender Erfindung eingesetzte piezoelektrische Effekt nicht nur den piezoelektrischen Effekt, sondern auch den inversen piezoelektrischen Effekt und den elektrostriktiven Effekt umfasst, und das piezoelektrische Betätigungsmittel, das ein Betätigungsmittel auf Basis des Einsatzes dieser Effekte ist, auch elektrostriktive Betätigungsmittel umfasst.
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen klar werden, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch ein veranschaulichendes Beispiel gezeigt wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A zeigt schematisch eine Querschnittansicht, die als Beispiel eine repräsentative Ausführungsform zeigt, die die Anwendung eines piezoelektrischen Elements vom Film- Typ gemäß vorliegender Erfindung als Verschiebungselement darstellt (in der Folge als "piezoelektrisches Element vom Film-Typ gemäß der repräsentativen Ausführungsform" bezeichnet).
Fig. 1B zeigt schematisch eine Querschnittansicht, die einen Zustand veranschaulicht, in dem das zweite piezoelektrische Betätigungsmittel des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ gemäß der repräsentativen Ausführungsform betätigt wird.
Fig. 1C zeigt schematisch eine Querschnittansicht, die einen Zustand veranschaulicht, in dem ein erstes piezoelektrisches Betätigungsmittel des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ gemäß der repräsentativen Ausführungsform betätigt wird.
Fig. 2A zeigt einen Graph, der eine Beziehung zwischen der Verschiebung und dem elektrischen Feld zeigt, erhalten in einem Zustand, in dem das zweite piezoelektrische Betätigungsmittel des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ gemäß der repräsentativen Ausführungsform betätigt wird.
Fig. 2B zeigt einen Graph, der eine Beziehung zwischen der Verschiebung und dem elektrischen Feld veranschaulicht, erhalten in einem Zustand, in dem das erste piezoelektrische Betätigungsmittel des piezoelektrischen Elements vorn Film-Typ gemäß der repräsentativen Ausführungsform betätigt wird.
Fig. 2C zeigt einen Graph, der eine Beziehung zwischen der Verschiebung und dem elektrischen Feld veranschaulicht, erhalten in einem Zustand, in dem sowohl das erste als auch das zweite piezoelektrische Betätigungsmittel des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ gemäß der repräsentativen Ausführungsform betätigt werden.
Fig. 3C zeigt eine perspektivische Teilansicht, die ein piezoelektrisches Element vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung eines Keramiksubstrats mit einer Hohlraumstruktur) gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht.
Fig. 3B zeigt eine perspektivische Teilansicht, die ein piezoelektrisches Element vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung einer Lage aus plattenförmigem Keramiksubstrat) gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht.
Fig. 4A zeigt eine perspektivische Teilansicht, die ein piezoelektrisches Element vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung eines Keramiksubstrats mit einer Hohlraumstruktur) gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
Fig. 4B zeigt eine perspektivische Teilansicht, die ein piezoelektrisches Element vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung einer Lage aus plattenförmigem Keramiksubstrat) gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
Fig. 5A zeigt eine perspektivische Teilansicht, die ein piezoelektrisches Element vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung eines Keramiksubstrats mit Hohlraumstruktur) gemäß einer dritten Ausführungsform veranschaulicht.
Fig. 5B zeigt eine perspektivische Teilansicht, die ein piezoelektrisches Element vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung einer Lage aus plattenförmigem Keramiksubstrat) gemäß einer dritten Ausführungsform veranschaulicht.
Fig. 6A zeigt eine perspektivische Teilansicht, die ein piezoelektrisches Element vom Film-Typ mit einer bimorphen Struktur (auf Basis der Verwendung eines Keramiksubstrats mit einer Hohlraumstruktur) gemäß einer vierten Ausführungsform veranschaulicht.
Fig. 6B zeigt eine perspektivische Teilansicht, die ein piezoelektrisches Element vom Film-Typ mit einer bimorphen Struktur (auf Basis der Verwendung einer Lage aus plattenförmigem Keramiksubstrat) gemäß einer vierten Ausführungsform veranschaulicht.
Fig. 7 zeigt eine perspektivische Teilansicht, die ein piezoelektrisches Element vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung eines Keramiksubstrats mit einer Hohlraumstruktur) gemäß einer fünften Ausführungsform veranschaulicht.
Fig. 8 zeigt eine perspektivische Teilansicht, die ein piezoelektrisches Element vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung eines Keramiksubstrats mit Hohlraumstruktur) gemäß einer sechsten Ausführungsform veranschaulicht.
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Teilansicht, die ein piezoelektrisches Element vom Film-Typ gemäß einer siebenten Ausführungsform veranschaulicht.
Fig. 10A zeigt eine veranschaulichende Querschnittansicht des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung eines Keramiksubstrats, in dem sich drei Hohlräume befinden), wie in Fig. 9 gezeigt, entlang Linie A-A.
Fig. 10B zeigt eine veranschaulichende Querschnittansicht des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung eines Keramiksubstrat, in dem sich drei Hohlräume befinden), wie in Fig. 9 gezeigt, entlang Linie B-B.
Fig. 11A zeigt eine veranschaulichende Querschnittansicht des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung einer Lage aus plattenförmigem Keramiksubstrats) wie in Fig. 9 gezeigt, entlang Linie A-A.
Fig. 11B zeigt eine veranschaulichende Querschnittansicht des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung einer Bahn aus plattenförmigem Keramiksubstrats), wie in Fig. 9 gezeigt, entlang Linie B-B.
Fig. 12A zeigt eine perspektivische Teilansicht, die eine weitere Ausführungsform des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung eines Keramiksubstrats mit Hohlraumstruktur) gemäß vorliegender Erfindung veranschaulicht.
Fig. 12B zeigt eine perspektivische Teilansicht, die eine weitere Ausführungsform des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung einer Bahn aus plattenförmigem Keramiksubstrat) gemäß vorliegender Erfindung veranschaulicht.
Fig. 13A zeigt eine perspektivische Teilansicht, die wieder eine andere Ausführungsform des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung einer Keramiksubstrat mit einer Hohlraumstruktur) gemäß vorliegender Erfindung veranschaulicht.
Fig. 13B zeigt eine perspektivische Teilansicht, die wieder eine andere Ausführungsform des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung eines plattenförmigen Keramiksubstrats) gemäß vorliegender Erfindung veranschaulicht.
Fig. 14A zeigt eine perspektivische Teilansicht, die wieder eine andere Ausführungsform des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung eines Keramiksubstrats mit einer Hohlraumstruktur) gemäß vorliegender Erfindung veranschaulicht.
Fig. 14B zeigt eine perspektivische Teilansicht, die wieder eine andere Ausführungsform des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung einer Lage aus plattenförmigem Keramiksubstrat) gemäß vorliegender Erfindung veranschaulicht.
Fig. 15 zeigt eine Querschnittansicht, die eine modifizierte Ausführungsform des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung veanschaulicht, wobei insbesondere als Beispiel ein filmförmiger piezoelektrischer Betätigungsabschnitt veranschaulicht wird, der nur auf einem dünnwandigen Abschnitt ausgebildet ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Wie oben beschrieben wird die vorliegende Erfindung konstruiert, indem eine Kombination aus einer einzelnen piezoelektrischen Schicht, die auf einem Keramiksubstrat ausgebildet ist, und zwei Arten verschiedener Elektroden (einer ersten und einer zweiten Elektrode) bereitgestellt wird, so dass die Betätigungseigenschaften und die Funktion verbessert werden, indem es ermöglicht wird, beide der jeweiligen Funktionen und Eigenschaften zu nutzen, die durch das Anlegen unterschiedlicher elektrischer Felder an die einzelne piezoelektrische Schicht erreicht werden.
Veranschaulichende Ausführungsformen einschließlich repräsentativer und einzelner Ausführungsformen, bei denen das piezoelektrische Element vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung beispielsweise als Verschiebungselement zur Anwendung kommt (in der Folge einfach als "piezoelektrisches Element vom Film-Typ gemäß der repräsentativen Ausführungsform" oder "piezoelektrisches Element vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung" bezeichnet) werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 15 erklärt.
Wie in Fig. 1A gezeigt, ist das piezoelektrische Element vom Film-Typ gemäß der repräsentativen Ausführungsform mit einem Keramiksubstrat 2 versehen. Im Keramiksubstrat 2 befindet sich ein Hohlraum 4. Ein dünnwandiger Abschnitt des Keramiksubstrats 2, der einen Wandabschnitt zum Abteilen des Hohlraums 4 gegenüber der Umgebung bildet, ist als dünnwandiger Abschnitt 2a bezeichnet, der als Membran fungiert. Eine untere Elektrode 6, eine piezoelektrische Schicht 8 und eine obere Elektrode 10 sind ausgebildet und übereinander geschichtet und einstückig an einer Außenfläche des dünnwandigen Betätigungsschichts 2a angeordnet. So wird eine filmförmige piezoelektrische Betätigungsschicht konstruiert. Die untere Elektrode 6 ist so ausgebildet, dass sie eine Einzelfilmkonfiguration aufweist. Die obere Elektrode 10 umfasst eine Vielzahl von Streifenelektroden 10a, 10b. Daher entspricht die untere Elektrode 6 in dieser Ausführungsform der ersten Elektrode, und die obere Elektrode 10 entspricht der zweiten Elektrode.
Wie in Fig. 1B gezeigt, wird an das piezoelektrische Element vom Film-Typ eine elektrische Spannung angelegt, so dass die Vielzahl von Streifenelektroden 10a, 10b zum Ausbilden der oberen Elektrode 10 abwechselnd als positive und negative Elektroden dienen. Wenn zwischen der Vielzahl von Streifenelektroden 10a, 10b ein vorbestimmtes elektrisches Feld angelegt wird, wird der dünnwandige Abschnitt 2 entsprechend dem piezoelektrischen Effekt, d. h. dem Longitudinaleffekt der durch ein elektrisches Feld herbeigeführten Verformung in dieser Ausführungsform, in einer ersten Richtung verschoben (der Richtung, in der die Streifenelektroden 10a, 10b dem freien Raum zugewandt sind, siehe einen in Fig. 1B gezeigten Pfeil). Fig. 2A zeigt eine Beziehung zwischen dem Verschiebungsausmaß und dem elektrischen Feld, das durch den Longitudinaleffekt bereitgestellt wird.
Andererseits wird, wie in Fig. 1C gezeigt, wenn zugelassen wird, dass die obere Elektrode 10 (alle oder ausgewählte der Streifenelektroden 10a, 10b) eine identische Polarität aufweist und ein elektrisches Feld zwischen der oberen Elektrode 10 und der unteren Elektrode 6 angelegt wird, gemäß vorliegender Erfindung der dünnwandige Abschnitt 2a gemäß dem piezoelektrischen Effekt, d. h. dem Transversaleffekt der durch das elektrische Feld herbeigeführten Verformung in dieser Ausführungsform, in einer zweiten Richtung verschoben wird (der Richtung, die jener entgegengesetzt ist, in der die Streifenelektroden 10a, 10b dem freien Raum zugewandt sind, siehe einen in Fig. 1C gezeigten Pfeil).
Wie oben beschrieben, ist das erste piezoelektrische Betätigungsmittel im Fall des in Fig. 1C gezeigten Zustandes aus der unteren Elektrode 6, der piezoelektrischen Schicht 8 und der oberen Elektrode 10 zusammengesetzt. Andererseits ist das zweite piezoelektrische Betätigungsmittel im Fall des in Fig. 1B gezeigten Zustandes aus der piezoelektrischen Schicht 8 und der Vielzahl von Streifenelektroden 10a, 10b zur Ausbildung der oberen Elektrode zusammengesetzt.
Daher kann die Verschiebung oder die Kraft unter Verwendung der einzelnen piezoelektrischen Schicht 8 willkürlich sowohl in der ersten als auch der zweiten Richtung erzeugt werden, indem mit vorbestimmten Zyklen das Anlegen der elektrischen Leistung oder das Anlegen der Spannung an die obere Elektrode 10 und die untere Elektrode 6 gesteuert wird. Genauer gesagt können beispielsweise die Verschiebung und die Kraft in einem Bereich dargestellt werden, der durch Kombinieren der in den Fig. 2A und 2B gezeigten Verschiebungen erhalten wird. Dieser Effekt wird unter Verwendung des herkömmlichen piezoelektrischen Elements vom Film-Typ nicht erzielt.
Wenn ein piezoelektrisches Material verwendet wird, tritt aufgrund der Polarisierungswirkung in Bezug auf den Verschiebungssbereich (a), wie in Fig. 2C gezeigt, allgemein eine Restverformung auf. Demgemäß kann eine solche Restverformung als Verschiebung genutzt werden, indem die Polarisationsrichtung um 90º gedreht wird, indem Umschaltung vorgenommen wird. Wie oben beschrieben, wird im Fall von Verschiebung beispielsweise kombinierte Verschiebung aus jenen erhalten, die durch den Longitudinal- und den Transversaleffekt erzielt wird, indem sowohl die Verschiebung, die Kraft und die Schwingung, die durch den Longitudinaleffekt herbeigeführt werden, als auch die Verschiebung, die Kraft und die Schwingung genutzt werden, die durch den Transversaleffekt herbeigeführt werden, der auf die einzelne piezoelektrische Schicht 8 ausgeübt wird. Es ist möglich, die Eigenschaften im Vergleich zu jenen auf Basis der herkömmlichen Technik deutlich zu verbessern, bei der nur einer aus dem Longitudinal- und dem Transversaleffekt genutzt wird. Weiters kann das piezoelektrische Element vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung vom Standpunkt der Beibehaltung eines Verschiebungszustands als Speichervorrichtung konstruiert werden, indem der Verschiebungsbereich (a) eingesetzt wird.
Als nächstes werden unter Bezugnahme auf Fig. 3A und die nachfolgenden Zeichnungen mehrere Ausführungsformen (einzelne Ausführungsformen) erklärt, die repräsentative Strukturen des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Elements vom Film- Typ betreffen. In den mehreren in Fig. 3A und den nachfolgenden Figuren gezeigten Ausführungsformen werden übertriebene Darstellungen für Dicke; Länge, Breite usw. verwendet, um die Schichtstrukturen aus jeweiligen Schichten leicht zu verstehen. Es versteht sich, dass diese Darstellungen nicht den tatsächlichen Abmessungen entsprechen.
Zunächst umfasst ein piezoelektrisches Element vom Film-Typ gemäß einer ersten in Fig. 3A gezeigten Ausführungsform eine untere Elektrode 16 mit einer Konfiguration in Form eines einzelnen ebenen Films, eine piezoelektrische Schicht 18, die ebenfalls eine Konfiguration in Form eines einzelnen ebenen Films aufweist, und eine filmförmige obere Elektrode 20, die aus einer Vielzahl von Streifenelektroden 20a, 20b besteht, die ausgebildet und aufeinandergeschichtet sind und einstückig auf einer Oberfläche eines dünnwandigen Keramiksubstrats 12 ausgebildet sind, dass so ausgebildet ist, das es eine Konfiguration in Form einer längsgerichteten ebenen Platte mit einer vorbestimmten Breite hat, auf die gleiche Weise wie die in Fig. 1 A gezeigte Ausführungsform. So wird eine filmförmige piezoelektrische Betätigungsschicht konstruiert.
Im Keramiksubstrat 12 befindet sich ein Hohlraum 14. Ein dünnwandiger Abschnitt des Keramiksubstrats 12, der einen Wandabschnitt zum Abteilen des Hohlraums 14 von der Umgebung bildet, ist als dünnwandiger Abschnitt 12a ausgebildet, um als Membranabschnitt zu dienen. Eine filmförmige piezoelektrische Betätigungsschicht ist an einer Außenfläche des dünnwandigen Abschnitts 12a einstückig ausgebildet. Die piezoelektrische Betätigungsschicht wird ausgebildet, indem eine untere Elektrode 16, eine piezoelektrische Schicht 18 und eine obere Elektrode 20 (Streifenelektroden 20a, 20b) übereinander angeordnet und einstückig verbunden werden, so dass sich die piezoelektrische Betätigungsschicht auf überspannende Weise zwischen den dickwandigen Abschnitten 12b, 12b des Keramiksubstrats 12 erstreckt, die sich auf beiden Seiten des Hohlraums 14 befinden.
Die Vielzahl von Streifenelektroden 20a, 20b, aus denen die obere Elektrode 20 zusammengesetzt ist, sind alternierend in einer Streifenkonfiguration angeordnet und voneinander um einen vorbestimmten Zwischenraum beabstandet. Es ist weder eine zusätzliche piezoelektrische Schicht noch eine zusätzliche piezoelektrische Betätigungsschicht auf der oberen Elektrode 20 angeordnet.
Demgemäß ist das piezoelektrische Element vom Film-Typ gemäß der in Fig. 3A gezeigten ersten Ausführungsform wie folgt konstruiert. Ein erstes piezoelektrisches Betätigungsmittel, bei dem der Transversaleffekt des piezoelektrischen Effekts genutzt wird, ist aus der unteren Elektrode 16, der piezoelektrischen Schicht 18 und der oberen Elektrode 20 zusammengesetzt. Ein zweites piezoelektrisches Betätigungsmittel, bei dem der Longitudinaleffekt des piezoelektrischen Effekts genutzt wird, ist aus der piezoelektrischen Schicht 18 und der Vielzahl von Streifenelektroden 20a, 20b der oberen Elektrode 20 zusammengesetzt. Gemäß dieser Anordnung können die beiden piezoelektrischen Effekte zur Geltung kommen, indem die einzelne piezoelektrische Schicht 18 eingesetzt wird. Daher ist es möglich, eine Verbesserung der Eigenschaften des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ zu erreichen.
Alternativ dazu kann, wie in Fig. 3B gezeigt, der filmförmige piezoelektrische Betätigungsabschnitt beispielsweise auf einer Lage aus plattenförmigem Keramiksubstrat 12 ausgebildet werden. Mit dieser Anordnung kann eine bestimmte Funktion, die zu jener des obigen Membranabschnitts gleichwertig ist, bereitgestellt werden, indem das plattenförmige Keramiksubstrat 12 unter Verwendung eines Stützelements gehalten wird, das getrennt vorgesehen ist (nicht gezeigt).
Ein piezoelektrisches Element vom Film-Typ gemäß einer zweiten in den Fig. 4A, 4B gezeigten Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Streifenelektroden 20a, 20b zur Ausbildung einer oberen Elektrode 20 in zwei verschiedene Sätze geteilt ist, die alternierende Streifenelektroden umfassen, und jede der alternierenden Streifenelektroden 20a, 20b an einem der beiden Enden in einer Längsrichtung jeweils miteinander verbunden sind, so dass zwei kammförmige Elektroden ausgebildet werden.
Genauer gesagt wird die erste kammförmige Elektrode ausgebildet, indem die alternierend angeordneten Streifenelektroden 20a am Ende an der identischen ersten Seite in Längsrichtung verbunden werden. Weiters wird die zweite kammförmige Elektrode ausgebildet, indem die alternierend in Bezug auf die Streifenelektroden 20a angeordneten Streifenelektroden 20b am Ende auf der zweiten Seite gegenüber dem Ende auf der ersten Seite für die Streifenelektroden 20a verbunden werden. Insbesondere wird beispielsweise der folgende Vorteil erzielt, indem eine solche kammförmige Elektrodenstruktur eingesetzt wird: Es ist ohne Schwierigkeiten möglich, die elektrische Spannung der Gruppe aus der Vielzahl von Streifenelektroden 20a und der anderen Gruppe aus der Vielzahl von Streifenelektroden 20b zuzuführen.
Ein piezoelektrisches Element vom Film-Typ gemäß einer dritten Ausführungsform, wie in den Fig. 5A, 5B gezeigt, weist das folgende Merkmal auf: Eine untere Elektrode 16 ist auf einem Keramiksubstrat 12 mit einer geringen Dicke vorgesehen, das in Längsrichtung angeordnet ist. Eine piezoelektrische Schicht 18 ist so vorgesehen, dass sie die untere Elektrode 16 in Breitenrichtung bedeckt. Streifenelektroden 20a, 20b, die eine obere Elektrode 20 bilden, sind so vorgesehen, dass sie die piezoelektrische Schicht 18 in Breitenrichtung jeweils überlappen.
Genauer gesagt ist die piezoelektrische Schicht 18 so aufgebaut, dass sie in Breitenrichtung des Keramiksubstrats 12 länger als die untere Elektrode 16 ist, und die obere Elektrode 20 ist so aufgebaut, dass sie in Breitenrichtung des Keramiksubstrats 1 2 länger als die piezoelektrische Schicht 18 ist. Bei dieser Ausführungsform kann verhindert werden, dass es bei der oberen und der unteren Elektrode 16, 20 zu Kurzschluss kommt, wenn es zu Positionsabweichungen der piezoelektrischen Schicht 18 oder der oberen Elektrode 20 (Streifenelektroden 20a, 20b) in Bezug auf die untere Elektrode 16 kommt.
Das piezoelektrische Element vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung ist nicht nur auf die Elemente mit unimorpher Struktur beschränkt, wie oben beschrieben, sondern das piezoelektrische Element vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung kann auch als Element mit bimorpher Struktur aufgebaut sein, wie in den Fig. 6A, 6B gezeigt.
Genauer gesagt ist beim piezoelektrischen Element vom Film-Typ, das eine in den Fig. 6A, 6B gezeigte vierte Ausführungsform betrifft, eine piezoelektrische Betätigungsschicht einstückig auf einer Oberfläche eines Keramiksubstrats 12 ausgebildet, das eine untere Elektrode 16, eine piezoelektrische Schicht 18 und eine obere Elektrode 20 (Streifenelektroden 20a, 20b) umfasst, die die gleiche Struktur wie bei der ersten Ausführungsform aufweisen (siehe Fig. 3A, 3B). Eine weitere piezoelektrische Betätigungsschicht, die die gleiche Struktur wie die obige piezoelektrische Betätigungsschicht aufweist, ist ebenfalls einstückig auf einer anderen Oberfläche des Keramiksubstrats 12 ausgebildet, die eine untere Elektrode 116, eine piezoelektrische Schicht 118 und eine obere Elektrode 120 (Streifenelektroden 120a, 120b) umfasst.
Wenn das oben beschriebene bimorphe piezoelektrische Element vom Film-Typ betätigt wird, werden Betriebsarten der beiden piezoelektrischen Betätigungsmittel auf Basis der jeweiligen piezoelektrischen Betätigungsschichten gesteuert. Wenn beispielsweise das piezoelektrische Element vom Film-Typ als Verschiebungselement verwendet wird, erfolgt eine Steuerung dahingehend, dass jeder der piezoelektrischen Betätigungsschichten, die auf den beiden Seiten des Keramiksubstrats 12 angeordnet sind, so arbeiten, dass Verschiebung, Kraft oder Vibration in die selbe Richtung bewirkt wird.
Ein piezoelektrisches Element vom Film-Typ gemäß einer fünften Ausführungsform, wie in Fig. 7 gezeigt, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Keramiksubstrat 12 eine Hohlraumstruktur aufweist. Genauer gesagt befindet sich im Keramiksubstrat 12 ein Hohlraum 14. Ein dünnwandiger Abschnitt des Keramiksubstrats 12, der einen Wandabschnitt zum Abteilen des Hohlraums 14 gegenüber der Umgebung bildet, ist als dünnwandiger Abschnitt 12a ausgebildet, um als Membranabschnitt zu dienen. Eine filmförmige piezoelektrische Betätigungsschicht, die der in der in den Fig. 3A, 3B beschriebenen Ausführungsform gleichwertig ist, ist auf einer Außenfläche des dünnwandigen Abschnitts 12a einstückig ausgebildet. Die piezoelektrische Betätigungsschicht wird aufgebaut, indem eine untere Elektrode 16, eine piezoelektrische Schicht 18 und eine obere Elektrode 20 (Streifenelektroden 20a, 20b) übereinander angeordnet und einstückig verbunden werden, so dass sich die piezoelektrische Betätigungsschicht auf überspannende Weise zwischen den dickwandigen Abschnitten 12b, 12b des Keramiksubstrats 12 erstreckt, die auf beiden Seiten des Hohlraums 14 angeordnet sind. So wird eine sogenannte Brückenpfeilerstruktur (fixer Pfeiler) bereitgestellt.
Bei einem piezoelektrischen Element vom Film-Typ gemäß einer in Fig. 8A gezeigten sechsten Ausführungsform wird ein Keramiksubstrat 12 mit einer Hohlraumstruktur verwendet, die mit einem Hohlraum 14 ausgebildet ist, der einen dünnwandigen Betätigungsschicht 12a, der in einem mittleren Abschnitt in Breitenrichtung ausgebildet ist, und dickwandige Abschnitte 12b, 12b umfasst, die auf beiden Seiten des dünnwandigen Abschnitts 12a angeordnet sind. Zwei piezoelektrische Betätigungsschichten sind auf dem dünnwandigen Abschnitt 12a des Keramiksubstrats 12 einstückig ausgebildet, so dass sich Enden der beiden piezoelektrischen Betätigungsschichten jeweils auf den dickwandigen Abschnitten 12b befinden.
Genauer gesagt erstrecken sich die jeweiligen piezoelektrischen Betätigungsschichten von den dickwandigen Abschnitten 12b zum dünnwandigen Abschnitt 12a des Keramiksubstrats 12. Bei dieser Anordnung wird jede der piezoelektrischen Betätigungsschichten ausgebildet, indem nacheinander eine untere Elektrode 16, eine piezoelektrische Schicht 18 und eine obere Elektrode 20 (Streifenelektroden 20a, 20b) übereinandergeschichtet und einstückig verbunden werden. Das piezoelektrische Element vom Film-Typ, das eine sechste Ausführungsform betrifft, unterscheidet sich von den anderen Ausführungsformen. Insbesondere wird eine elektrische Spannung an das piezoelektrische Element vom Film-Typ gemäß der sechsten Ausführungsform angelegt, so dass die Vielzahl von Streifenelektroden 20a, 20b zum Ausbilden der oberen Elektrode 20 alternierend als positive und negative Elektroden dienen. Wenn ein vorbestimmtes elektrisches Feld zwischen der Vielzahl von Streifenelektroden 20a, 20b angelegt wird, wird der dünnwandige Abschnitt 12a bei dieser Ausführungsform gemäß dem Longitudinaleffekt der durch das elektrische Feld herbeigeführten Verformung in eine zweite Richtung (die Richtung, die jener entgegengesetzt ist, in der die Streifenelektroden 20a, 20b dem freien Raum zugewandt sind) verschoben.
Wenn zugelassen wird, dass die obere Elektrode 20 (alle oder ausgewählte der Streifenelektroden 20a, 20b) eine identische Polarität aufweist, und zwischen der oberen Elektrode 20 und der unteren Elektrode 16 ein elektrisches Feld angelegt wird, wird der dünnwandige Abschnitt 12a gemäß dem Transversaleffekt des durch das elektrische Feld herbeigeführten Verformung in dieser Ausführungsform in einer ersten Richtung (der Richtung, in der die Streifenelektroden 20a, 20b dem freien Raum zugewandt sind) verschoben.
Ein piezoelektrisches Element vom Film-Typ gemäß einer siebenten Ausführungsform wird in den Fig. 9 und 10A, 10B gezeigt. Wie aus den Zeichnungen klar hervorgeht, sind in einem Keramiksubstrat 12 drei Hohlräume 14 ausgebildet jeder der Hohlräume 14 kommuniziert durch eine Kommunikationsöffnung 22 mit der Umgebung. Eine filmförmige piezoelektrische Betätigungsschicht, die wie in den Fig. 4A, 4B gezeigt aufgebaut ist, ist auf jeder der Außenflächen der dünnwandigen Abschnitte 12a des Keramiksubstrats 12 einstückig ausgebildet, während die dünnwandigen Abschnitte 12a jeweils aus den Hohlräumen 14 gebildet sind.
Genauer gesagt wird es ermöglicht, dass jeder der piezoelektrischen Betätigungsschichten eine einstückige Struktur aufweist, indem nacheinander eine untere Elektrode 16, eine piezoelektrische Schicht 18 und eine obere Elektrode 20 übereinandergeschichtet angeordnet werden. Streifenelektroden 20a, 20b, die die obere Elektrode 20 bilden, sind jeweils auf die gleiche Weise wie bei der in den Fig. 4A, 4B gezeigten Ausführungsform als kammförmige Elektroden ausgebildet.
Alternativ dazu kann, wie in Fig. 11B gezeigt, die filmförmige piezoelektrische Betätigungsschicht beispielsweise auf einer Lage aus plattenförmigem Keramiksubstrat 12 ausgebildet sein. Bei dieser Anordnung kann eine bestimmte Funktion, die jener des obigen Membranabschnitts gleichwertig ist, bereitgestellt werden, indem das plattenförmige Keramiksubstrat 12 unter Verwendung eines (nicht gezeigten) Stützelements, das getrennt vorgesehen ist, gehalten wird. In den Fig. 10A und 11A können drei piezoelektrische Betätigungsabschnitte beobachtet werden, aber entsprechend dem jeweiligen Zweck können vier piezoelektrische Betätigungsabschnitte oder mehr eingesetzt werden.
Beim piezoelektrischen Element vom Film-Typ gemäß der obigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist jede aus den oberen Elektroden 20, die jeweils die Vielzahl von Streifenelektroden 20a, 20b umfassen, in einer Streifenkonfiguration vorgesehen, während sie eine identische Größe aufweisen. Die Breiten der Streifenelektroden 20a, 20b können jedoch angemessen gewählt werden. Beispielsweise können, wie in den Fig. 12A, 12B gezeigt, die Breiten der Streifenelektroden alternierend verändert werden, so dass die Breite der Streifenelektroden 20b größer gemacht wird als die Breite der Streifenelektroden 20a. Eine derartige Elektrodenstruktur ermöglicht es, problemlos ein Band einzustellen, das erhalten wird, wenn die vorliegende Erfindung auf ein Filter angewandt wird, und in einer Umwandlungsmenge, die erzielt wird, wenn die vorliegende Erfindung auf verschiedene Wandler angewandt wird.
Das piezoelektrische Element vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung kann auch eine Struktur aufweisen, wie in den Fig. 13A, 13B gezeigt. Genauer gesagt ist die obere Elektrode 20 aus zwei Streifenelektroden 20a, 20b zusammengesetzt, die jeweils eine spiralförmige Konfiguration aufweisen. Eine Streifenelektrode 20a und die andere Streifenelektrode 20b sind so angeordnet, dass sie in einer Richtung radial nach außen von der Mitte der Spirale alternierend positioniert sind.
Das piezoelektrische Element vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung kann auch konstruiert sein, wie in den Fig. 14A, 14B gezeigt. Genauer gesagt wird die filmförmige piezoelektrische Betätigungsschicht so konstruiert, dass ein vorbestimmter Abschnitt einer oberen Elektrode 20 aus einer Vielzahl von Streifenelektroden 20a, 20b gebildet ist und der andere Abschnitt der oberen Elektrode 20 als einzelner ebener filmförmiger Elektrodenabschnitt 20c ausgebildet ist. Die piezoelektrische Betätigungsschicht ist einstückig auf einem Keramiksubstrat 12 vorgesehen. Bei der in den Fig. 14A, 14B gezeigten Ausführungsform sind die Streifenelektroden 20a, 20b jeweils als kammförmige Elektroden ausgebildet. Der folgende Vorteil wird erzielt, indem eine solche Struktur der oberen Elektrode 20 eingesetzt wird: Wenn das Element beispielsweise als Aktuator oder Vibrator verwendet wird, ist es leicht, das Gleichgewicht zwischen der erzeugten Verschiebung und der erzeugten Kraft, die durch den Transversaleffekt der durch das elektrische Feld herbeigeführten Verformung hervorgerufen wird, und der erzeugten Verschiebung und erzeugten Kraft einzustellen, die durch den Longitudinaleffekt der durch das elektrische Feld herbeigeführten Verformung hervorgerufen wird.
Wie oben beschrieben, kann das piezoelektrische Element vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung in einer Vielzahl von Formen ausgeführt sein, für die innerhalb einer Bandbreite verschiedene Modifikationen, Korrekturen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist oder den Grundmerkmalen der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass alle davon in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen.
Beispielsweise sind in den obigen Ausführungsformen bestimmte Zwischenräume zwischen der Vielzahl von Streifenelektroden 20a, 20b zur Ausbildung der oberen Elektrode 20 angeführt. Es besteht jedoch keinerlei Problem, wenn die Zwischenräume zwischen den Streifenelektroden 20a, 20b mit einem piezoelektrischen Material gefüllt werden, das zur Bildung der piezoelektrischen Schicht 18 verwendet wird. Alternativ dazu kann eine Struktur eingesetzt werden, bei der die untere Elektrode 16 und die obere Elektrode 20 umgekehrt angeordnet sind. Weiters kann alternativ dazu die obere Elektrode 20 als einzelne ebene filmförmige Elektrodenschicht vorgesehen sein, und zumindest ein Teil der unteren Elektrode 16 kann mit einer Vielzahl von Streifenelektroden ausgebildet sein. Bei einer solchen Anordnung entspricht die obere Elektrode 20, die aus der einzelnen ebenen filmförmigen Elektrodenschicht besteht, der ersten Elektrode, und die untere Elektrode 16, die aus der Vielzahl von Streifenelektroden besteht, entspricht der zweiten Elektrode.
Spezifisch wird das piezoelektrische Element vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung wie folgt erzeugt.
Zunächst werden Materialien zum Bereitstellen des Keramiksubstrats (2, 12) zum Ausbilden des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung beschrieben. Zu jenen, die als Material zum Ausbilden des Keramiksubstrats (2, 12) einsetzbar sind, gehören isolierende Materialien und dielektrische Materialien, mit der Maßgabe, dass sie große mechanische Festigkeit aufweisen, sie einer Wärmebehandlung bei etwa 1.400ºC unterzogen werden können, wie weiter unten beschrieben, und mit der piezoelektrischen Betätigungsschicht übereinander geschichtet und einstückig verbunden werden können, ohne dass ein Kleber oder dergleichen eingesetzt wird. Es gibt keinerlei Problem, auch wenn das Material in Keramikmaterialien besteht, die aus Oxid bestehen, oder aus Keramikmaterialien besteht, die aus etwas anderem als Oxid bestehen.
Um hervorragende Betriebseigenschaften, wie große Verschiebung, eine starke erzeugte Kraft und rasche Ansprechgeschwindigkeit zu erzielen, gehören zu den bevorzugt eingesetzten Materialien, von den Materialien, die den obigen Bedingungen entsprechen, jene, die als Hauptkomponente zumindest eines aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkonoxid, Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid enthalten. Insbesondere wird empfohlen, Keramikmaterialien zu verwenden, die als Hauptkomponente Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid enthalten. Davon wird aus den nachstehend angeführten Gründen besonders vorteilhaft ein Material verwendet, das als Hauptkomponente Zirkoniumoxid enthält, das vollständig oder teilweise mit zumindest einer Verbindung stabilisiert ist, die aus Yttriumoxid, Ytterbiumoxid, Ceroxid, Kalziumoxid und Magnesiumoxid ausgewählt ist. Ein solches Material macht es nämlich möglich, hohe Zähigkeit und hohe mechanische Festigkeit zu erzielen, auch wenn das Substrat geringe Dicke aufweist. Weiters erfährt ein solches Material bei einer Wärmebehandlung gemeinsam mit einem piezoelektrischen Material, das bei Filmausbildungsverfahren eingesetzt wird, geringe Belastung. Darüber hinaus weist ein solches Material geringere chemische Reaktivität mit dem oben beschriebenen piezoelektrischen Material auf.
Vorzugsweise werden die oben beschriebenen Verbindungen zur Stabilisierung von Zirkonoxid im Fall von Yttriumoxid und Ytterbiumoxid in einer Menge von 1 Mol-% bis 30 Mol-%, im Fall von Ceroxid in einer Menge von 6 Mol-% bis 40 Mol-% und im Fall von Kalziumoxid und Magnesiumoxid in einer Menge von 5 Mol-% bis 40 Mol-% hinzugegeben. Insbesondere ist es wünschenswert, Yttriumoxid als Stabilisierungsmittel zuzugeben. In diesem Fall wird Yttriumoxid wünschenswerterweise in einer Menge von nicht weniger als 1,5 Mol-% und nicht mehr als 6 Mol-% und mehr bevorzugt in einer Menge von nicht weniger als 2 Mol-% und nicht mehr als 4 Mol-% zugegeben. Wenn Yttriumoxid Zirkonoxid im obigen Zugabebereich zugegeben wird, wird es ermöglicht, dass das erhaltene Zirkonoxid eine Kristallphase aufweist, die teilweise stabilisiert ist. Demgemäß ist es möglich, ein Substrat zu erhalten, das hervorragende Substrateigenschaften aufweist.
Dem stabilisierten Zirkonoxid kann eine Sinterhilfe, wie Ton, Aluminiumoxid und Titanoxid zugegeben werden. Es ist jedoch aus den nachstehend angeführten Gründen wünschenswert, die Zusammensetzung und die Zugabemenge der Sinterhilfe so einzustellen, dass das nach dem Sintern erhaltene Substrat Siliziumoxid (SiO&sub2;, SiO) nicht in einer Menge von nicht weniger als 1% enthält. Wenn nämlich im Substrat eine übermäßige Menge an Siliziumoxid enthalten ist, besteht die Tendenz zum Auftreten einer Reaktion nach Wärmebehandlung gemeinsam mit dem piezoelektrischen Material, und es wird schwierig, die Zusammensetzung zu steuern.
Das Keramiksubstrat (2, 12) wird schlussendlich in gesinterter Form bereitgestellt. Wenn das Keramiksubstrat (2, 12) gesintert wird, ist es möglich, ein Verfahren einzusetzen, bei dem zunächst Sintern durchgeführt wird, um das Substrat vor der Bildung der piezoelektrischen Betätigungsschicht des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung auszubilden, oder ein Verfahren, bei dem Sintern nach der Bildung der piezoelektrischen Betätigungsschicht gemäß einer weiter unten beschriebenen Filmbildungstechnik durchgeführt wird, indem eine grüne Lage eines Substratmaterials verwendet wird. Insbesondere wird vorteilhaft das Verfahren eingesetzt, bei dem das Keramiksubstrat (2, 12) zunächst gesintert wird, um das Substrat zu bilden, weil jegliches Verwinden des Elements verringert werden und eine erforderliche Musterabmessungsgenauigkeit erzielt werden kann.
In Hinblick auf hohe Zuverlässigkeit wird vorzugsweise folgendes Verfahren eingesetzt, um das Keramiksubstrat (2, 12) mit der Hohlraumstruktur zu erzeugen, wie in Fig. 1, Fig. 3A usw. gezeigt: Ein offenes Loch zum Ausbilden des Hohlraums (4, 14) wird in einer grünen Lage ausgebildet, indem eine Form verwendet wird, oder durch mechanische Bearbeitung, wie Ultraschall-Bearbeitung oder Stanzen. Eine dünne grüne Lage zur Erzeugung des dünnwandigen Abschnitts (2a, 12a) wird übereinandergeschichtet und unter Druck und Wärme auf die grüne Lage auflaminiert, die mit dem offenen Loch versehen ist, gefolgt von Brennen und einstückigem Verbinden.
Es ist wünschenswert, dass zumindest ein Teil des Abschnitts des Keramiksubstrats (2, 12), an dem die piezoelektrische Betätigungsschicht des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung ausgebildet ist, als dünnwandiger Abschnitt (2a, 12a) ausgebildet ist. Wünschenswerterweise beträgt die Dicke des dünnwandigen Abschnitts (2a, 12a) im Allgemeinen nicht mehr als 50 um, vorzugsweise nicht mehr als 30 um, und mehr bevorzugt nicht mehr als 15 um, um ein Ansprechen mit hoher Geschwindigkeit und große Verschiebung des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ zu erzielen.
Wünschenswerterweise ist der dünnwandige Abschnitt (2a, 12a) im Allgemeinen so ausgebildet, dass er eine mittlere Korngröße der Kristalle von 0,1 bis 2 um, mehr bevorzugt eine mittlere Korngröße der Kristalle von nicht mehr als 1 um aufweist, so dass die Betätigungseigenschaften der darauf vorgesehenen piezoelektrischen Betätigungsschicht verbessert werden können, beispielsweise eine große Verschiebung und eine große erzeugte Kraft erzielt werden kann, wenn das Element beispielsweise als Aktuator oder als Detektionsabschnitt verwendet wird.
Es ist auch wünschenswert, dass eine Lage aus plattenförmigem Keramiksubstrat 12, wie in Fig. 3B, Fig. 4B usw., im Allgemeinen eine Dicke von nicht mehr als 50 um, vorzugsweise nicht mehr als 30 um, und mehr bevorzugt nicht mehr als 15 um, aufweist, um rasches Ansprechen und große Verschiebung des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ zu erzielen.
Wünschenswerterweise ist zumindest ein Abschnitt des Keramiksubstrats 12, der als piezoelektrische Betätigungsschicht auszubilden ist, im Allgemeinen so aufgebaut, dass er eine mittlere Korngröße der Kristalle von 0,1 bis 2 um aufweist, und mehr bevorzugt ist der Abschnitt so zusammengesetzt, dass er eine mittlere Korngröße der Kristalle von nicht mehr als 1 um aufweist, so dass die Betätigungseigenschaften der piezoelektrischen Betätigungsschicht verbessert werden können und beispielsweise eine große Verschiebung und eine große erzeugte Kraft erzielt werden können, wenn das Element beispielsweise als Aktuator oder Detektionsabschnitt eingesetzt wird.
Verschiedene Filmausbildungstechniken werden auf angemessene Weise eingesetzt, um die piezoelektrische Betätigungsschicht auszubilden, die die vorbestimmte untere Elektrode 16, die piezoelektrische Schicht 18 und die obere Elektrode 20 umfasst, die auf zumindest einer Oberfläche des Keramiksubstrats (2, 12) ausgebildet ist, wie beim piezoelektrischen Element vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung. Zu den angemessenerweise ausgewählten gehören beispielsweise Dickfilm-Ausbildungsverfahren, wie Siebdrucken, Aufspritzen, Eintauchen und Beschichten, und Dünnfilm- Ausbildungsverfahren, wie Ionenstrahl, Sputtern, Vakuumaufdampfen, Ionenplattierung, CVD und Plattieren.
Insbesondere, wenn die piezoelektrische Schicht 18 ausgebildet wird, werden bevorzugt die Dickfilm-Ausbildungstechniken eingesetzt, die beispielsweise auf dem Einsatz von Siebdrucken, Aufspritzen, Eintauchen und Auftragen basieren. Nach dem Dickfilm-Ausbildungstechniken kann die Filmausbildung auf dem Keramiksubstrat unter Verwendung einer Paste oder einer Aufschlämmung durchgeführt werden, die als Hauptkomponente Keramikteilchen aus einem piezoelektrischen Material mit einer mittleren Korngröße von 0,01 um bis 5 um und vorzugsweise 0,05 um bis 3 um enthält. So können gute Elementeigenschaften erzielt werden.
Die folgenden Techniken werden eingesetzt, damit der Film eine erwünschte Gestalt aufweisen kann: Zu den für diesen Zweck eingesetzten gehören Techniken zur Durchführung der Ausbildung von Mustern bzw. Strukturen, bei denen beispielsweise Siebdruckverfahren oder Photolithographieverfahren eingesetzt werden. Weiters gehören zu den für diesen Zweck eingesetzten auch Techniken zur Durchführung von Muster- und Strukturbildung durch das Entfernen unnötiger Abschnitte unter Einsatz von Laserbearbeitungsverfahren, die beispielsweise auf Verwendung von Excimer- und YAG- Laser basieren, oder mechanische Bearbeitungsverfahren, wie Ultraschallbearbeitung und Abstechen. So werden die jeweiligen Gestalten der unteren Elektrode 16, der piezoelektrischen Schicht 18 und der oberen Elektrode 20 erreicht.
Die Muster- und Strukturausbildung kann entweder vor oder nach der nachstehend beschriebenen Wärmebehandlung durchgeführt werden. In Hinblick auf die Einfachheit der Musterausbildung und die Genauigkeit des Musters wird die Musterausbildung wünschenswerterweise vor der Wärmebehandlung durchgeführt.
Die Struktur des Elements und die Gestalt der filmförmigen piezoelektrischen Schicht, die gemäß vorliegender Erfindung erzeugt werden, unterliegen keinerlei Einschränkung, so dass je nach der Anwendung jede Gestalt eingesetzt werden kann. Beispielsweise gibt es keinerlei Probleme im Fall der Verwendung von Vielecken, wie Dreiecken und Vierecken, kreisförmigen Konfigurationen, wie Kreisen, Ellipsen und Ringen, kammförmigen Konfigurationen, gitterförmigen Konfigurationen und speziellen Konfigurationen, die durch Kombination der obigen erzielt werden.
Die jeweiligen Filme (6, 8, 10, 16, 18, 20), die jeweils nach den oben beschriebenen Techniken auf dem Keramiksubstrat (2, 12) ausgebildet werden, können jedesmal, wenn jeder der Filme ausgebildet ist, einer Wärmebehandlung unterzogen werden, so dass eine einstückige Struktur mit dem Substrat bereitgestellt werden kann. Alternativ dazu ist es auch zulässig, gleichzeitig eine Wärmebehandlung anzuwenden, nachdem alle Filme ausgebildet sind, so dass die jeweiligen Filme einstückig mit dem Substrat verbunden sind.
In manchen Fällen ist die Wärmebehandlung nicht notwendigerweise zum einstückigen Verbinden erforderlich, wenn der Elektrodenfilm nach der Filmbildungstechnik ausgebildet wird, wie oben beschrieben. Beispielsweise wird, bevor der obere Elektrodenfilm (10, 20) ausgebildet ist, gelegentlich ein isolierender Überzug auf den Umfang des Elements aufgetragen, indem beispielsweise ein isolierendes Harz eingesetzt wird, um Isolierung zwischen dem oberen Elektrodenfilm (10, 20) und dem unteren Elektrodenfilm (6, 16) zu gewährleisten. In einem solchen Fall wird ein Verfahren wie Sputtern, Vakuumaufdampfen und Plattieren eingesetzt, bei dem keine Wärmebehandlung erforderlich ist, um den oberen Elektrodenfilm (10, 20) auszubilden.
Die Wärmebehandlung wird bei einer bestimmten Temperatur durchgeführt, um das Keramiksubstrat und die jeweiligen wie oben beschrieben ausgebildeten Filme einstückig zu verbinden. Im Allgemeinen wird für die Wärmebehandlung eine Temperatur von etwa 900ºC bis 1.400ºC eingesetzt. Vorzugsweise wird vorteilhaft eine Temperatur in einem Bereich von 1.000ºC bis 1.400ºC gewählt. Wenn die piezoelektrische Schicht (8, 18) der Wärmebehandlung unterzogen wird, wird die Wärmebehandlung bevorzugt durchgeführt, während die Atmosphäre reguliert wird, indem gleichzeitig eine Verdampfungsquelle eines piezoelektrischen Materials eingesetzt wird, so dass die Zusammensetzung der piezoelektrischen Schicht während des Zeitraums bei hoher Temperatur nicht instabil ist.
Es wird auch empfohlen, ein Verfahren einzusetzen, bei dem ein entsprechendes Deckelement so auf der piezoelektrischen Schicht (8, 18) angeordnet ist, dass ihre Oberfläche der Brennatmosphäre nicht direkt ausgesetzt ist. Das Deckmaterial, das in diesem Fall verwendet wird, besteht aus einem Material, das jenem des Substrats ähnlich ist (beispielsweise einem Material, das als Hauptkomponente Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Magnesiumoxid enthält). Was einen Brenntisch (eine Ofenstütze) betrifft, der beim Brennen verwendet wird, werden vorzugsweise zum Beispiel jene eingesetzt, die aus einem Material bestehen, das ebenso wie das Deckelement als Hauptkomponente Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Magnesiumoxid enthält.
Das Material für den unteren Elektrodenfilm (6, 16) zum Ausbilden der piezoelektrischen Betätigungsschicht, wie oben beschrieben, unterliegt keiner spezifischen Einschränkung, mit der Maßgabe, dass das Material ein Leiter ist, der die Temperatur der Wärmebehandlung und die Oxidationsatmosphäre bei hoher Temperatur in einem Bereich der Brenntemperatur aushalten kann. Beispielsweise kann das Material ein einzelnes Metall oder eine Legierung sein. Es gibt keinerlei Probleme, wenn das Material ein Gemisch aus einer isolierenden Keramik und einem Metall oder einer Legierung, oder eine leitende Keramik ist.
Mehr bevorzugt umfassen die angemessen eingesetzten Edelmetalle mit hohem Schmelzpunkt, wie Platin, Palladium und Rhodium; Elektrodenmaterialien, die als Hauptkomponente eine Legierung, wie Silber-Palladium, Silber-Platin und Platin- Palladium umfassen; Cermet-Materialien, die aus Platin und einem Keramiksubstratmaterial bestehen; Cermet-Materialien, die aus Platin und einem piezoelektrischen Material bestehen; sowie Cermet-Materialien, die aus Platin, einem Substratmaterial und einem piezoelektrischen Material bestehen. Insbesondere wird es mehr erwünscht und bevorzugt, ein Material zu verwenden, das Platin als Hauptkomponente enthält.
Wenn Glas wie Siliziumoxid als Material zum Zugeben zur Elektrode verwendet wird, besteht die Tendenz zu einer Reaktion während der Wärmebehandlung gemeinsam mit der piezoelektrischen Schicht (8, 18), was leicht eine Beeinträchtigung der Elementeigenschaften verursachen kann. Daher ist es wünschenswert, die Verwendung von Glas zu vermeiden. Das Substrat kann der Elektrode bevorzugt in einer Menge von etwa 5 bis 30 Vol.-% zugegeben werden, und das piezoelektrische Material kann der Elektrode bevorzugt in einem Bereich von 5 bis 20 Vol.-% zugegeben werden.
Andererseits unterliegt das Material zum Ausbilden der oberen Elektrode (10, 20) keiner spezifischen Einschränkung. Zu denen, die problemlos eingesetzt werden können, gehören die oben beschriebenen Elektrodenmaterialien sowie Sputterfilme, die aus Gold, Chrom oder Kupfer bestehen, und Resinat- (eine organometallische Verbindung) Druckfilme, die aus Gold oder Silber bestehen.
Die Elektrodenfilme, die unter Verwendung der leitenden Materialien wie oben beschrieben ausgebildet sind, haben allgemein nicht mehr als 20 um und bevorzugt nicht mehr als 5 um. Insbesondere wird der obere Elektrodenfilm (10, 20) vorteilhaft so ausgebildet, dass er eine Dicke nicht über 1 um und vorzugsweise nicht über 0,5 um aufweist.
Das piezoelektrische Element vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung umfasst die filmförmige piezoelektrische Betätigungsschicht, die die untere Elektrode (6, 16), die piezoelektrische Schicht (8, 18) und die obere Elektrode (10, 20) umfasst, die wie oben beschrieben ausgebildet sind, wobei zumindest ein Teil aus einer aus der unteren Elektrode und der oberen Elektrode als Vielzahl von Streifenelektroden ausgebildet ist, um eine Streifenkonfiguration bereitzustellen.
Der Abstand zwischen den Streifenelektroden (in den veranschaulichenden Ausführungsformen 10a, 10b, 20a, 20b) ist angemessen gewählt. Es ist schwierig, den Abstand definitiv zu bestimmen. Um eine große Verschiebung bei niedriger Spannung zu erzielen, liegt der Abstand jedoch effizienterweise im Allgemeinen nicht über 100 um, vorzugsweise nicht über 50 um und insbesondere nicht über 20 Nm.
Die Teilung der Streifenelektroden (10a, 10b, 20a, 20b) beträgt wünschenswerterweise nicht mehr als 200 um, insbesondere bevorzugt nicht mehr als 100 um und besonders wünschenswerterweise nicht mehr als 40 um, um eine große Verschiebung mit relativ niedriger Spannung zu erzielen.
Als piezoelektrisches Material zur Herstellung der piezoelektrischen Schicht (8, 18), die die piezoelektrische Betätigungsschicht des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung bildet, kann jedes beliebige Material eingesetzt werden, mit der Maßgabe, dass das Material den piezoelektrischen Effekt, insbesondere die durch das elektrische Feld herbeigeführte Verformung, aufweist. Beispielsweise können die Materialien kristalline Materialien oder amorphe Materialien sein. Es gibt keinerlei Probleme, wenn das Material ein Halbleitermaterial, ein dielektrische Keramikmaterial oder ein ferroelektrisches Keramikmaterial ist. Beim Material kann es sich um Materialien handeln, für die eine Polarisierungsbehandlung erforderlich ist, oder um Materialien, für die keinerlei Polarisierungsbehandlung erforderlich ist. Insbesondere wird gemäß vorliegender Erfindung für den Fall, dass vorteilhaft piezoelektrische Materialien verwendet werden, für die keine Polarisierungsbehandlung notwendig ist, oder für den Fall von Materialien, für die Polarisierungsbehandlung notwendig ist, vorteilhaft piezoelektrische Materialien verwendet, die ein die Polarisation umkehrendes elektrisches Feld (ein elektrisches Koerzitivfeld) von nicht mehr als 10 kV/cm aufweisen. So können die Eigenschaften des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ wirksam zur Geltung gebracht werden.
Spezifisch umfasst das piezoelektrische Material, das gemäß vorliegender Erfindung einsetzbar ist, vorzugsweise zum Beispiel Materialien, die eine Hauptkomponente aus Bleizirkonattitanat (PZT-System) enthalten, Materialien, die eine Hauptkomponente aus Bleititanat enthalten, Materialien, die eine Hauptkomponente aus Bleizirkonat enthalten, Materialien, die eine Hauptkomponente aus Bleimagnesiumniobat enthalten (PMN-System), Materialien, die eine Hauptkomponente aus Bleinickelniobat enthalten (PNN-System), Materialien, die eine Hauptkomponente aus Bleimangesiumwolframat enthalten, Materialien, die eine Hauptkomponente aus Bleimanganniobat enthalten, Materialien, die eine Hauptkomponente aus Bleiantimonstannat enthalten, Materialien, die eine Hauptkomponente aus Bleizinkniobat enthalten, Materialien, die eine Hauptkomponente aus Bleimagnesiumtantalat enthalten, Materialien, die eine Hauptkomponente aus Bleinickeltantalat enthalten und Verbundmaterialien aus den obengenannten.
Den oben beschriebenen Materialien können problemlos Additive von Oxiden oder andere Typen von Verbindungen zugegeben werden, beispielsweise Lanthanum, Barium, Niobium, Zink, Cer, Cadmium, Chrom, Kobalt, Antimon, Eisen, Yttrium, Tantal, Wolfram, Nickel, Mangan, Lithium, Strontium, Magnesium, Kalzium und Wismut. Beispielsweise ist es möglich, Materialien des PLZT-Systems zu verwenden, die erhalten werden, indem Materialien, die aus dem PZT-System als Hauptkomponente bestehen, Materialien des PLZT-Systems beispielsweise Lanthanoxid zugegeben wird.
Jene mit einem elektrischen Koerzitivfeld nicht über 10 kV/cm, die aus den obigen piezoelektrischen Materialien ausgewählt und nach dem Einstellen der Komponenten verwendet werden, umfassen beispielsweise das PZT-System, das PMN-System, das gemischte System aus Bleititanat und PMN, das PLZT-System, das PBZT-System, das erhalten wird, indem Barium zu Materialien zugegeben wird, die eine Hauptkomponente aus dem PZT-Systems enthalten, sowie das System, das aus drei Komponenten auf Basis des PZT-Systems besteht (beispielsweise Materialien, die als Hauptkomponenten Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat enthalten, und Materialien, die als Hauptkomponenten Bleinickelniobat, Bleititanat und Bleizirkonat enthalten).
Insbesondere können als das elektrostriktive Material das PMN-System, das PMN- Mischsystem, das PLZT-System und das PBZT-System eingesetzt werden, ohne dass eine spezielle Polarisierungsbehandlung eingesetzt wird.
Von den obigen piezoelektrischen Materialien werden bevorzugt Materialien verwendet, die Hauptkomponenten aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat enthalten, Materialien, die Hauptkomponenten enthalten, die aus Bleinickelniobat, Bleimagnesiumniobat und Bleititanat bestehen, Materialien, die Hauptkomponenten enthalten, die aus Bleinickeltantalat, Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat bestehen, oder Materialien, die Hauptkomponenten enthalten, die aus Bleimagnesiumtantalat, Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat bestehen.
Insbesondere werden aus den nachstehend angeführten Gründen bevorzugt Materialien verwendet, die Hauptkomponenten enthalten, die aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat bestehen. Diese Material haben nicht nur eine hohe piezoelektrische Konstante, sondern weisen insbesondere geringere Reaktivität mit dem Substratmaterial während der Wärmebehandlung auf.
Genauer gesagt kann beispielsweise der Bindungszustand zwischen dem Keramiksubstrat 12 und den Erhebungen der piezoelektrischen Schicht 18, wie in den Fig. 5A, 5B gezeigt, gesenkt werden, so dass er in einem solchen Grad inert ist, dass auf die Leistungsfähigkeit, die für die piezoelektrische Betätigungsschicht erforderlich ist, kein Einfluss ausgeübt wird. Weiters kommt es kaum zu Entmischung der Komponenten, die Behandlung zur Beibehaltung der Zusammensetzung kann entsprechend durchgeführt werden, und es ist leicht, eine gewünschte Zusammensetzung und eine gewünschte Kristallstruktur zu erhalten. Daher werden die obigen Materialien als Materialien zum Ausbilden der piezoelektrischen Schicht gemäß der Dickfilm-Ausbildungstechniken wie Siebdrucken, Spritzen, Eintauchen und Auftragen empfohlen.
Wenn das piezoelektrische Material des Multikomponentensystems verwendet wird, verändern sich die piezoelektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Komponenten. Bevorzugt wird jedoch im Fall des Material des Drei-Komponenten-Systems aus Bleimagnesiumniobat-Bleizirkonat-Bleititanat, das bevorzugt für das piezoelektrische Element vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt wird, eine Zusammensetzung in der Nähe der Phasengrenzen aus pseudokubischem, kristalltetragonalem, kristallrhomboedrischem Kristall verwendet. Insbesondere ist es aufgrund seiner hohen piezoelektrischen Konstante und seines hohen elektromechanischen Kopplungsfaktors vorteilhaft, eine Zusammensetzung einzusetzen, die 15 bis 50 Mol-% Bleimagnesiumniobat, 10 bis 45 Mol-% Bleizirkonat und 30 bis 45 Mol-% Bleititanat umfasst.
Wünschenswerterweise hat die piezoelektrische Schicht (8, 18), die unter Verwendung des oben beschriebenen piezoelektrischen Materials gebildet wird, im Allgemeinen eine Dicke nicht über 100 um, vorzugsweise nicht über 50 um und mehr bevorzugt von etwa 3 um bis 40 um, um beispielsweise große Verschiebung bei relativ niedriger Betätigungsspannung zu erhalten. Die filmförmige piezoelektrische Betätigungsschicht, die zusätzlich zur piezoelektrischen Schicht (8, 18) die untere Elektrode (6, 16) und die obere Elektrode (10, 20) umfasst weist im Allgemeinen eine Dicke nicht über 150 um und vorzugsweise nicht über 50 um auf.
Es ist wirksamer, das elektrische Feld in der Nähe des unteren Leiterfilms (6, 16) in Betracht zu ziehen, der nicht als Elektrode eingesetzt wird, wenn das zweite piezoelektrische Betätigungsmittel betätigt wird. Demgemäß ist es wünschenswert, das Verhältnis zwischen der Dicke X der piezoelektrischen Schicht (8, 18) wie oben beschrieben (siehe Fig. 1A) und dem Abstand Y zwischen den streifenförmigen oberen Elektroden (siehe Fig. 1A) entsprechend zu steuern. Vorzugsweise liegt das Verhältnis X/Y zwischen der Dicke X der piezoelektrischen Schicht und dem Abstand Y zwischen den oberen Streifenelektroden im folgenden Bereich:
0,3 ≤ X/Y ≤ 6.
Weiters ist es wünschenswert, das Element zu betätigen, indem das elektrische Signal, das an jedes der piezoelektrischen Betätigungsmittel angelegt wird, in Abhängigkeit von der Dicke der piezoelektrischen Schicht 18 und dem Abstand zwischen den Elektroden entsprechend gesteuert wird.
In den obigen Ausführungsformen des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ (auf Basis der Verwendung eines Keramiksubstrats mit Hohlraumstruktur) gemäß vorliegender Erfindung überlappt ein Teil des filmförmigen piezoelektrischen Betätigungsabschnitts einen Teil des dickwandigen Abschnitts des Keramiksubstrats 12. Alternativ dazu ist es beispielsweise, wie in Fig. 15 dargestellt und gezeigt, zulässig, den filmförmigen piezoelektrischen Betätigungsabschnitt nur auf dem dünnwandigen Abschnitt 12a auszubilden.
Das wie oben beschrieben erhaltene piezoelektrisches Element vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung ist auf unimorphe Elemente und bimorphe Element anwendbar, die für jene eingesetzt werden, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln, d. h. elektrische Energie in mechanische Verschiebung, Kraft und Schwingung umwandeln, oder die Umwandlung in Gegenrichtung dazu durchführen, einschließlich z. B. verschiedene Wandler, verschiedene Aktuatoren, Frequenzfunktionskomponenten (Filter usw.), verschiedene Anzeigenvorrichtungen (Anzeigen), Transformatoren, Mikrophone, Schallkörper (Lautsprecher oder dergleichen), Vibratoren, Resonatoren und Oszillatoren zur Kommunikation und Stromerzeugung, Diskriminatoren, verschiedene Sensoren, wie Ultraschallsensoren, Beschleunigungssensoren, Winkelgeschwindigkeitssensoren und Stoßsensoren, sowie Gyroskope, sowie Servoverschiebungselemente, Pulsantriebsmotoren, Ultraschallmotoren, piezoelektrische Ventilatoren und piezoelektrische Relais, wie von Kenji Uchino in "Piezoelectric/electrostrictive actuators: from the basic to application" (herausgegeben vom Japan Industrial Technology Center, veröffentlicht von Morikita- Syuppan) beschrieben. Vorzugsweise wird das piezoelektrische Element vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung vorteilhaft zum Beispiel für verschiedene Aktuatoren, Vibratoren, Schallkörper und Anzeigenvorrichtungen verwendet.
Das piezoelektrische Element vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung weist zusätzlich zu den piezoelektrischen Eigenschaften (einschließlich der elektrostriktiven Eigenschaften) auch dielektrische Eigenschaften auf. Demgemäß kann das piezoelektrische Element vom Film-Typ auch als filmförmiges Kondensatorelement verwendet werden. Wenn als das piezoelektrische Material ein Material verwendet wird, das auch ferroelektrische Eigenschaften aufweist, kann das piezoelektrische Element vom Film-Typ auch als Elektronenemissionselement verwendet werden.
Wie aus der obigen Beschreibung klar hervorgeht, werden gemäß vorliegender Erfindung das erste und das zweite piezoelektrische Betätigungsmittel ausgebildet, indem die einzelne piezoelektrische Schicht verwendet wird. Die gesamte Betätigung des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ zeigt sich in Form einer Kombination aus den Betätigungen der beiden piezoelektrischen Betätigungsmittel. Demgemäß werden die piezoelektrischen Effekte ausreichend eingesetzt, und die Elementeigenschaften des piezoelektrischen Elements vom Film-Typ werden im Vergleich zum Fall auf Basis der Verwendung des herkömmlichen einzelnen piezoelektrischen Betätigungsmittels deutlich verbessert. Als Ergebnis weist das geschaffene piezoelektrische Element vom Film-Typ hervorragende Funktionen auf, kann eine kompakte Gestalt haben und kann bei niedriger Spannung betätigt werden.
Insbesondere wenn das piezoelektrische Element vom Film-Typ gemäß vorliegender Erfindung als Verschiebungselements für Aktuatoren und Vibratoren verwendet wird, ist es möglich, die Verschiebungsamplitude, die Schwingungsamplitude und die Kraft beträchtlich zu erhöhen, indem die piezoelektrischen Effekte genutzt werden, insbesondere der Transversaleffekt und der Longitudinaleffekt der durch das elektrische Feld herbeigeführten Verformung. Somit ist es möglich, deutlich verbesserte Verschiebungseigenschaften, Vibrationseigenschaften und Krafteigenschaften zu erreichen.

Claims

1. Piezoelektrisches Element, das ein Keramiksubstrat (2, 12) und eine piezoelektrische Vorrichtung aufweist, die eine einzelne piezoelektrische Schicht (8, 18) sowie eine erste und eine zweite Elektrode (6, 10, 16, 20) umfasst, wobei die piezoelektrische Vorrichtung in einer Schichtkonfiguration über zumindest einem Teil von zumindest einer Oberfläche des Substrats (2, 12) vorliegt und die erste und die zweite Elektrode (6, 16, 10, 20) einstückig auf beiden Seiten in einer Dickenrichtung der piezoelektrischen Schicht (8, 18) angeordnet sind, wobei auf der piezoelektrischen Vorrichtung keine weitere piezoelektrische Vorrichtung angeordnet ist;

wobei die Elektroden umfassen:

die erste Elektrode (6, 16), die aus einer einzelnen Elektrodenschicht auf einer Seite der piezoelektrischen Schicht gebildet ist; und

die zweite Elektrodenstruktur (10, 20), von der zumindest ein Teil aus einer Vielzahl von Streifenelektroden auf der anderen Seite der piezoelektrischen Schicht gebildet ist;

wobei ein erstes piezoelektrisches Betätigungsmittel zum Erzielen eines piezoelektrischen Effekts zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrodenstruktur vorhanden ist; und ein zweites piezoelektrisches Betätigungsmittel zum Erzielen eines piezoelektrischen Effekts zwischen jeweiligen Streifenelektroden der zweiten Elektrodenstruktur (10, 20) vorhanden ist.

2. Element nach Anspruch 1, worin die piezoelektrische Schicht (8, 18) aus einem piezoelektrischen Material gebildet ist, das ein elektrisches Koerzitivfeldnicht über 10 kV/cm aufweist.

3. Element nach Anspruch 1 oder 2, worin das Keramiksubstrat (2, 12) eine dünnwandige flexible Membran ist und das piezoelektrische Element an einer Außenfläche der Membran einstückig ausgebildet ist.

4. Element nach Anspruch 1 oder 2, worin

das Keramiksubstrat (2, 12) zumindest einen Hohlraum (4, 14)aufweist;

ein Abschnitt des Keramiksubstrats, der eine Wand zum Abtrennen des Hohlraums (4, 14) gegenüber der Umgebung ist, als dünnwandige flexible Membran (2a, 12a) ausgebildet ist; und

die piezoelektrische Vorrichtung einstückig an einer Außenfläche der Membran (2a, 12a) ausgebildet ist.

5. Element nach Anspruch 3 oder 4, worin die Membran (2a, 12a) eine Dicke nicht über 50 um aufweist.

6. Element nach Anspruch 3, 4 oder 5, worin die Membran (2a, 12a) des Keramiksubstrats (2, 12) eine mittlere Kristallkorngröße im Bereich von 0,1 bis 2 um aufweist.

7. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Vielzahl von Streifenelektroden (10a, 10b, 20a, 20b) aus zwei alternierenden Sätzen gebildet ist, wobei die Elemente eines jeden Satzes jeweils an einem ihrer Längsenden miteinander verbunden sind, so dass die zweite Elektrode aus zwei kammförmigen Elektrodenelementen gebildet ist.

8. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin das Keramiksubstrat (2, 12) aus einem Material besteht, das als Hauptkomponente vollständig stabilisiertes oder teilweise stabilisiertes Zirkoniumoxid enthält.

9. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin die piezoelektrische Schicht (8, 18) eine Dicke nicht über 100 um aufweist.

10. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin die piezoelektrische Vorrichtung eine Dicke nicht über 150 um aufweist.

11. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin die folgende Beziehung gilt:

0,3 ≤ X/Y ≤ 6,

worin X die Dicke der piezoelektrischen Schicht (8, 18) ist und Y der Abstand zwischen der Vielzahl von Streifenelektroden (10a, 10b) ist.