DE69408565T2

DE69408565T2 - Piezoelektrische Anordnung

Info

Publication number: DE69408565T2
Application number: DE69408565T
Authority: DE
Inventors: Koji Kimura; Mitsuru Kurashina; Yukihisa Takeuchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1993-11-26
Filing date: 1994-11-25
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2014-11-26
Also published as: DE69408565D1; US5594292A; EP0656665A1; JP3521499B2; JPH07202284A; EP0656665B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrische Vorrichtung zur Umwandlung einer mechanischen Eingangsgröße in eine elektrische Ausgangsgröße und umgekehrt.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Wie nach dem Stand der Technik allgemein bekannt, werden piezoelektrische Vorrichtungen typischerweise verwendet, um eine mechanische Eingangsbelastung in eine elektrische Ausgangsladung (Spannung) umzuwandeln und auch, um eine elektrische Eingangsspannung in eine mechanische Ausgangsverformung umzuwandeln. Im letzteren Fall kann die Ausgangsverformung eingesetzt werden, um mechanische Kraft, Verlagerung oder Vibration zu erzeugen, und die Vorrichtung wird manchmal als elektrostriktive Vorrichtung bezeichnet. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit ist der Begriff "piezoelektrische Vorrichtung", wie hierin verwendet, in seiner allgemeinsten Bedeutung so zu interpretieren, daß er auch eine elektrostriktive Vorrichtung umfaßt. Ebenso ist, wenn nicht anders angegeben, der Begriff "piezoelektrisches Material" in seiner allgemeinsten Bedeutung so verwendet, daß er auch ein elektrostriktives Material umfaßt.
Was den Stand der Technik betrifft, gibt es eine steigende Nachfrage nach Aktuatorvorrichtungen, mit denen sich die Längen und/oder Positionen eines optischen Weges im Submikrometerbereich einstellen lassen, oder nach Sensoren, die feine mechanische Verlagerung als elektrische Änderung detektieren können. Um diese Nachfrage zu befriedigen, sind Entwicklungen gemacht worden, um verbesserte Aktuatoren oder Sensoren zu verwirklichen, bei denen Verlagerung aufgrund eines umgekehrten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekts eingesetzt wird, die durch ein elektrisches Feld erzeugt wird, das an ein piezoelektrisches oder elektrostriktives Material, wie ferroelektrisches Material, angelegt wird, und umgekehrt. Im Fall von Aktuatoren beispielsweise sind die Entwicklungen darauf gerichtet, eine kompakte und kostengünstiger Anordnung der Vorrichturig zu erzielen, die bei geringer Antriebsspannung stabil arbeitet und dennoch eine Hochgeschwindigkeitsansprecheigenschaft und zufriedenstellende Zuverlässigkeit im Betrieb bietet.
Bekannte piezoelektrische Vorrichtungen des in den EP-A-408305 und 408306 gezeigten Typs umfassen typischerweise ein Keramiksubstrat mit einem Hohlraum, der durch einen dünnwandigen Bereich im Substrat definiert ist. Der dünnwandige Bereich des Substrats ist mit einem piezoelektrischen Wandler darauf versehen. Ein solcher Wandler besteht aus laminierten Schichten, die eine untere Elektrodenschicht, eine piezoelektrische oder elektrostriktive Schicht und eine obere Elektrodenschicht umfassen, die aufeinander ausgebildet sind. Bei einer solchen Anordnung bekannter Vorrichtungen wird, wenn eine piezoelektrische Schicht, die ein piezoelektrisches Material und nicht ein elektrostriktives Material umfaßt, zwischen den beiden Elektrodenschichten ausgebildet ist und an die obere und die untere Elektrode eine Spannung mit einer Polarität angelegt wird, die gleich jener zur Durchführung einer Polarisationsbehandlung der piezoelektrischen Schicht ist, durch das angelegte elektrische Feld eine Verformungswirkung in Querrichtung herbeigeführt und bewirkt, daß sich der piezoelektrische Wandler zum Hohlraum hin wölbt. Alternativ dazu wird, wenn eine elektrostriktive Schicht, die ein elektrostriktives Material umfaßt, zwischen den beiden Elektrodenschichten ausgebildet ist und an die obere und die untere Elektrode eine Spannung angelegt wird, bewirkt, daß sich der elektrostriktive Wandler unabhängig von der Polarität der angelegten Spannung zum Hohlraum hin wölbt.
Wenn die obengenannte bekannte piezoelektrische Vorrichtung als Aktuator für ein Relais verwendet werden soll, ist der piezoelektrische Wandler mit einem Kontakt auf seiner oberen Elektrodenschicht versehen. Um den Wandler in eine Richtung zum Kontakt hin, d.h. vom Hohlraum weg, anzutreiben, muß, wenn die Schicht zwischen den beiden Elektrodenschichten aus einem piezoelektrischen Material und nicht einem elektrostriktiven Material besteht, an die obere und die untere Elektrode eine Spannung mit einer Polarität angelegt werden, die der für eine Polarisierungsbehandlung der piezoelektrischen Schicht verwendeten entgegengesetzt ist. In diesem Fall jedoch muß die Spannung auf ein Maß begrenzt werden, das kleiner als ein Koerzitivfeld ist, das die umgekehrte Polarisierung bewirkt. Daher kann nicht nur kein ausreichendes Verlagerungsausmaß erzielt werden, sondern auch die Verlagerung selbst wird instabil. Alternativ dazu ist es, wenn die Schicht zwischen den beiden Elektrodenschichten aus einem elektrostriktiven Material besteht, unmöglich, eine Polarisationsbehandlung durchzuführen, um dadurch die Polarisationsrichtung zu bestimmen. Als Folge verläuft die Antriebsrichtung des Wandlers immer zum Hohlraum hin, auch wenn die Polarität der angelegten Spannung umgekehrt wird, und es ist daher unmöglich, den Wandler in entgegengesetzte Richtung vom Hohlraum weg zu treiben.
Es ist natürlich möglich, Verlagerung des Wandlers in eine Richtung vom Hohlraum weg zu bewirken, indem eine Reaktionskraft des Wandlers eingesetzt wird, wenn er in seine Anfangsposition zurückkehrt, nachdem er zum Hohlraum hin getrieben wurde. In diesem Fall ist es jedoch schwierig, das Verlagerungsausmaß und die Geschwindigkeit des Wandlers zu steuern. Der piezoelektrische Wandler kann auch in eine Richtung vom Hohlraum weg getrieben werden, indem der Wandler an der Innenfläche des dünnwandigen Bereichs im Substrat ausgebildet wird. Insbesondere aufgrund der Hohlraumstruktur des Keramiksubstrats kann der Wandler jedoch nicht leicht an der Innenfläche des dünnwandigen Bereichs ausgebildet werden.
Außerdem kann im Fall der obengenannten Anordnung piezoelektrischer Vorrichtungen aufgrund der möglichen Herstellungstoleranz während der Herstellungsschritte der piezoelektrische Wandler an einer Position ausgebildet sein, die ein wenig aus der Mitte des dünnwandigen Bereichs des Keramiksubstrats versetzt ist. In diesem Fall wird die Verlagerung des Wandlers beträchtlich durch die Starrheit des relativ dickwandigen Bereichs beeinflußt, der an den dünnwandigen Bereich angrenzt, und das Verlagerungsausmaß wird an einem Abschnitt des Wandlers, der näher beim dickwandigen Abschnitt liegt, geringer. Daher kann mit einer solchen piezoelektrischen Vorrichtung auch in Kombination mit verschiedenen Hilfsmaßnahmen kein angemessenes Ausmaß an Verlagerung erreicht werden.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine piezoelektrische Vorrichtung bereitzustellen, in der der piezoelektrisches Wandler bei stabil gesteuertem Verlagerungsausmaß und -kraft in eine Richtung vom Hohlraum im Keramiksubstrat weg angetrieben werden kann.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine piezoelektrische Vorrichtung bereitzustellen, worin das Verlagerungsausmaß des Wandlers oder die Volumsänderung des Hohlraums stabil gehalten werden kann, auch wenn der piezoelektrische Wandler an einer von der Mitte des dünnwandigen Bereichs des Keramiksubstrats versetzten Position ausgebildet ist.
Gemäß vorliegender Erfindung wird eine piezoelektrische Vorrichtung bereitgestellt, wie in Anspruch 1 dargelegt.
Bei der Anordnung der piezoelektrischen Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung wird, wenn eine Betriebsspannung an die obere und die untere Elektrodenschicht des piezoelektrischen Wandlers angelegt wird, so daß die Polarität der angelegten Spannung gleich jener für die Polarisierungsbehandlung der piezoelektrischen Schicht ist, in der piezoelektrischen Schicht eine durch das elektrische Feld herbeigeführte Verformungswirkung in Querrichtung bewirkt, so daß der piezoelektrische Wandler dazu zeigt, sich nach unten zu wölben, d.h. zum Hohlraum im Keramiksubstrat hin. Der dickwandige Bereich des Substrats, der den Hohlraum umgibt, verhindert jedoch das Abwärtswölben des Randabschnitts des piezoelektrischen Wandlers, der an den dickwandigen Bereich angrenzt. Als Folge wird der Randabschnitt des piezoelektrischen Wandlers, der an den nichtoperativen Abschnitt angrenzt, nach oben gehoben, d.h. vom Hohlraum weg, wobei der gegenüberliegende Randabschnitt, der an den dickwandigen Bereich angrenzt, einen Hebelpunkt darstellt, so daß der piezoelektrische Wandler als ganzes vom Hohlraum weg verlagert wird.
Die piezoelektrische Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung kann vorteilhaft als Aktuator für ein Relais verwendet werden. Ein solcher Aktuator kann zu dem Typ gehören, der in der Veröffentlichung "Piezoelectric/elektrostrictive actuators; from basis to applications" von Kenji Uchino, herausgegeben vom Japan Industrial Technoloy Center und veröffentlicht von Morikita Publishers geoffenbart wird. Die piezoelektrische Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung kann auch vorteilhaft als Pumpelement oder Sensor verwendet werden.
Die piezoelektrische Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung kann an der Außenfläche des dünnwandigen Bereichs mit zumindest einem piezoelektrischen Wandler versehen sein, der den inaktiven Abschnitt umgibt.
Alternativ dazu kann die Außenfläche des dünnwandigen Bereichs jedoch mit zwei piezoelektrischen Wandlern versehen sein, wobei sich der inaktive Abschnitt zwischen den piezoelektrischen Wandlern befindet. In diesem Fall können die piezoelektrischen Wandler aus zwei unteren Elektrodenschichten, die an der Außenfläche des dünnwandigen Bereichs ausgebildet und voneinander beabstandet sind, zwei an den unteren Elektrodenschichten ausgebildeten piezoelektrischen Schichten und zumindest einer oberen Elektrodenschicht bestehen, die auf den piezoelektrischen Schichten ausgebildet ist.
jede der unteren Elektrodenschichten kann einen Rand aufweisen, der sich über einen dickwandigen Bereich des Keramiksubstrats erstreckt, das den Hohlraum umgibt.
Das Keramiksubstrat kann angrenzend an den dünnwandigen Bereich einen dickwandigen Bereich aufweisen, wobei die obere Elektrodenschicht einen Rand aufweist, der sich über den dickwandigen Bereich erstreckt.
Das Keramiksubstrat kann Zirkoniumoxid als Hauptkomponente umfassen, wobei das Zirkoniumoxid eine vollständig stabilisierte oder teilweise stabilisierte Kristallphase aufweist. In diesem Fall kann das Zirkoniumoxid durch die Zugabe zumindest eines aus Yttriumoxid, Zeroxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid stabilisiert sein.
Die piezoelektrische Schicht kann ein Material umfassen, das als Hauptkomponente ein Gemisch aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat oder ein Gemisch aus Bleinickelniobat, Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat aufweist.
Vorteilhaft hat der dünnwandige Bereich des Keramiksubstrats eine Dicke, die nicht größer als 50 um ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nun auf Fig. 1 Bezug nehmend wird eine piezoelektrische Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, die allgemein mit Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Die Vorrichtung 1 gemäß vorliegender Ausführungsform umfaßt ein Paar piezoelektrischer Wandler 2, 3, die auf einem Keramiksubstrat 5 vorgesehen sind. Im speziellen umfaßt das Keramiksubstrat 5 einen dünnwandigen Bereich 5a und einen Hohlraum 5b mit einem Boden, der durch den dünnwandigen Bereich 5a gebildet ist. Die piezoelektrischen Wandler 2, 3 sind an der Außenfläche des dünnwandigen Bereichs 5a vorgesehen. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit können jene Bereiche 5c des Keramiksubstrats 5, die sich an beiden Seiten des dünnwandigen Bereichs 5a und des Hohlraums 5b befinden, als dickwandige Bereiche bezeichnet werden.
Der piezoelektrische Wandler 2 besteht aus einer unteren Elektrodenschicht 2a, die an der Außenfläche des dünnwandigen Bereichs 5a ausgebildet ist, wobei eine piezoelektrische Schicht 2b und eine obere Elektrodenschicht 2c der Reihe nach auf der unteren Elektrodenschicht 2a ausgebildet und damit laminiert sind. Auf ähnliche Weise besteht der piezoelektrische Wandler 3 aus einer unteren Elektrodenschicht 3a, die an der Außenfläche des dünnwandigen Bereichs 5a ausgebildet ist, wobei eine piezoelektrische Schicht 3b und eine obere Elektrodenschicht 3c der Reihe nach auf der unteren Elektrodenschicht 3a ausgebildet und damit laminiert sind.
Bei den piezoelektrischen Wandlern 2, 3 erstrecken sich die jeweiligen einen Ränder der unteren Elektroden über die dickwandigen Bereiche 5c auf dem Keramiksubstrat 5. Die unteren Elektrodenschichten 2a, 3a der piezoelektrischen Wandler 2, 3 sind bezogen aufeinander so angeordnet, daß ein vorbestimmter Abstand dazwischen bleibt. Harzschichten 4 sind zwischen dem Keramiksubstrat 6 und den oberen Elektrodenschichten 2c, 3c entlang der Ränder der piezoelektrischen Schichten 2b, 3b angeordnet. Diese Harzschichten 4 sorgen für elektrische Isolierung und verbessern dadurch die Betriebszuverlässigkeit der piezoelektri schen Vorrichtung 1.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind die oberen Elektrodenschichten 2c, 3c der piezoelektrischen Wandler 2, 4 als einheitliche Schicht ausgebildet. Die piezoelektrische Vorrichtung 1 kann beispielsweise als Pumpeinheit für ein Fluid verwendet werden, indem ein Durchgangsloch 7 im Substrat 5 ausgebildet wird. In diesem Zusammenhang können benachbarte Hohlräume 5b über Kommunikationsdurchgänge in den Trennwänden zwischen den Hohlräumen 5b, d.h. in den dickwandigen Abschnitten 5c des Substrats in Kommunikation miteinander gehalten werden, so daß Fluid von einem Hohlraum 5b in den anderen strömen kann. Weiters kann die piezoelektrische Vorrichtung 1 als Aktuator eines Relais verwendet werden. In diesem Fall kann ein Kontaktelement 22 in einer angemessenen Position, die sich vorzugsweise zwischen den beiden piezoelektrischen Wandlern 2, 3 befindet, auf der einheitlichen oberen Elektrodenschicht vorgesehen sein. Alternativ dazu kann die obere Elektrodenschicht selbst als Kontaktelement verwendet werden.
Es versteht sich, daß, wenn die piezoelektrische Vorrichtung 1 als Pumpelement oder Sensor verwendet wird, es nicht notwendig ist, das Kontaktelement 22 auf der oberen Elektrodenschicht vorzusehen. Ebenso ist, wenn die piezoelektrische Vorrichtung 1 als Aktuator für ein Relais verwendet werden, das Ausbilden von Durchgangsloch 7 nicht Bedingung.
Die Fig. 2 und 3 zeigen eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die im wesentlich der obengenannten ersten Ausführungsform gleicht, sich aber insofern davon unterscheidet, als eine Vielzahl piezoelektrischer Vorrichtungen 1 einstückig auf einem gemeinsamen Keramiksubstrat 5 ausgebildet wird, indem eine Vielzahl von Hohlräumen 5b im Keramiksubstrat 5 ausgebildet und eine Vielzahl von Paaren piezoelektrischer Wandler 2, 3 auf dem Substrat 5 vorgesehen wird.
Der Betrieb der piezoelektrischen Vorrichtung 1 gemäß der obengenannten Ausführungsformen wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 4A und 4B erklärt.
Bei der in Fig. 4A gezeigten piezoelektrischen Vorrichtung 1 wird, wenn eine Betriebsspannung an die unteren Elektrodenschichten 2a, 3a und die oberen Elektrodenschichten 2c, 3c der piezoelektrischen Wandler 2, 3 angelegt wird, so daß die Polarität der angelegten Spannung die gleiche ist wie jene für die Polarisierungsbehandlung der piezoelektrischen Schichten 2b, 3b, in den piezoelektrischen Schichten 2b, 3b eine durch das elektrische Feld herbeigeführte Verformungswirkung in Querrichtung verursacht, so daß die piezoelektrischen Wandler 2, 3 dazu neigen, sich nach unten zu wölben, d.h. zum Hohlraum 5b im Keramiksubstrat 5 hin. Der dickwandige Bereich 5c des Substrats 5, der den Hohlraum 5b umgibt, verhindert jedoch die Abwärtswölbung der Randabschnitte der piezoelektrischen Wandler 2, 3, die an die dickwandigen Bereiche 5c des Substrats 5 angrenzen. Als Folge werden die Randabschnitte der piezoelektrischen Wandler 2, 3, die sich am dünnwandigen Bereich 5a des Substrats 5 befinden, nach oben gehoben, d.h. in eine Richtung weg vom Hohlraum 5b, wobei die gegenüberliegenden Randabschnitte, die an die dickwandigen Bereiche 5c angrenzen, Hebelpunkte darstellen. Als Ergebnis wird der gesamte dünnwandige Bereich 5a des Substrats, der mit den piezoelektrischen Wandlern 2, 3 versehen ist, vom Hohlraum 5b weg nach oben verlagert. Aufgrund der Aufwärtsverlagerung des dünnwandigen Bereichs 5a des Substrats 5 wird das Volumen des Hohlraums 5b erhöht, wodurch ein Unterdruck innerhalb des Hohlraums 5b erzeugt wird, der zum Pumpen einer Flüssigkeit verwendet werden kann.
Die Fig. 5A und 5B veranschaulichen den Betrieb der piezoelektrischen Vorrichtung 1,. worin die piezoelektrischen Wandler 2, 4 an leicht versetzten Stellen auf dem dünnwandigen Bereich 5a des Substrats 5 ausgebildet sind, so daß der Halbierungspunkt zwischen den piezoelektrischen Wandlern 2, 3 von der Mitte des dünnwandigen Bereichs 5a seitlich verlagert wird, d.h. zum dickwandigen Bereich 5c auf der rechten Seite in den Figuren. In diesem Fall ist es, wenn die Betriebsspannung an die obere und die untere Elektrodenschicht angelegt wird, möglich, das Verschieben oder Wölben des dünnwandigen Bereichs 5a des Keramiksubstrats nach oben zu bewirken, wie in Fig. 5B gezeigt. Dabei wird das Verlagerungsausmaß des piezoelektrischen Wandlers 3 auf der rechten Seite aufgrund eines erhöhten Ausmaßes an Überlappung des Wandlers 3 in Bezug auf den dickwandigen Bereich 5c auf der rechten Seite verringert. Daher ist es möglich, ein ausreichendes Gesamtausmaß an Verlagerung des dünnwandigen Bereichs 5a des Substrats 5 zu erreichen, das im wesentlichen gleich jenem Ausmaß an Verlagerung gehalten wird, das durch eine piezoelektrische Vorrichtung erreicht wird, worin die piezoelektrischen Wandler an richtigen, nicht versetzten Positionen auf dem dünnwandigen Bereich 5a des Substrats 5 ausgebildet sind.
Es ist festzustellen, daß das Ausbilden eines Paares piezoelektrischer Wandler 2, 3 auf dem dünnwandigen Bereich 5a des Keramiksubstrats 5 insofern besonders vorteilhaft ist, als die Gesamteigenschaften der piezoelektrischen Vorrichtung 1 durch mögliche Versetzung der Wandler 2, 3 nicht wesentlich beeinflußt wird und die Vorrichtung 1 daher mit einer verbesserter Ausbeute bei der Herstellung erzeugt werden kann.
Fig. 6 zeigt die piezoelektrische Vorrichtung 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die sich von der vorherigen Ausführungsformen insofern unterscheidet, als der dünnwandige Bereich 5a des Keramiksubstrats 5 mit einem Paar piezoelektrischer Wandler 15, 16 versehen ist, die aus einzelnen unteren Elektrodenschichten 15a, 16a, einer gemeinsamen piezoelektrischen Schicht 17 und einer gemeinsamen Elektrodenschicht 18 bestehen, die sich beide über die unteren Elektrodenschichten 15a, 16a und benachbarte dickwandige Bereiche 5c des Substrats 5 erstrecken. Aufgrund der Ausbildung der piezoelektrischen Schicht 17 als Einzelschicht ist es möglich, die Herstellung der Vorrichtung zu erleichtern und dadurch die Kosten zu senken. Es sollte jedoch angemerkt werden, daß der dünnwandige Bereich 5a des Substrats 5 relativ hohe Starrheit aufweist, die dem Abschnitt der piezoelektrischen Schicht 17 zwischen den benachbarten unteren Elektrodenschichten 15a, 16a entspricht. Daher ist das Ausmaß an Verlagerung des diinnwandigen Bereichs 5a etwas geringer als jenes, das durch die piezoelektrische Vorrichtung erreicht wird, bei der einzelne piezoelektrische Schichten voneinander getrennt sind, wie beispielsweise bei der Ausführungsform von Fig. 3.
Fig. 7 zeigt die piezoelektrische Vorrichtung 1 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, worin die auf dem dünnwandigen Bereich 5a des Keramiksubstrats 5 ausgebildeten piezoelektrischen Wandler 15, 16 piezoelektrische Schichten umfassen, deren Ränder enden, ohne sich über die dickwandigen Bereiche 5c zu erstrecken. Bei dieser Ausführungsform ist es ebenfalls möglich, die Verlagerung des dünnwandigen Bereichs 5a nach oben, d.h. in eine Richtung vom Hohlraum 5b weg, zu bewirken. In diesem Fall ist das Ausmaß an Verlagerung des dünnwandigen Bereichs jedoch im Vergleich zu jener piezoelektrischen Vorrichtung 1, bei der die sich die Ränder der piezoelektrischen Schichten über die dickwandigen Bereiche 5c erstrecken, etwas geringer.
Fig. 8 zeigt eine tuntte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, worin eine Vielzahl von Hohlräumen 5c im Keramiksubstrat 5 ausgebildet ist, jeweils in Kombination mit einer piezoelektrischen Vorrichtung 1, deren Basisstruktur im wesentlichen die gleiche wie die in Fig. 1 gezeigte ist. In diesem Fall kann, wie in Fig. 8 gezeigt, nur die gewählte piezoelektrische Vorrichtung 1 betätigt werden, um die Umschaltfunktion eines Relais durchzuführen.
Fig. 9 zeigt eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, worin die piezoelektrische Vorrichtung 1 einen dünnwandigen Abschnitt 5a des Substrat 5 und einen piezoelektrischen Wandler umfaßt, die in ihren Ruhepositionen ebenfalls beide vom Hohlraum 5b weg nach oben ragen. In diesem Fall ist es auch unter Bedingungen geringer Belastung leicht möglich, den dünnwandigen Abschnitt 5a des Substrat 5 in einem gewünschten Ausmaß nach oben zu wölben.
Fig. 10 zeigt eine siebente Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, worin das Substrat 5 mit einer Vielzahl piezoelektrischer Vorrichtungen 1 versehen ist. In diesem Fall sind die dickwandigen Bereiche 5c des Substrats 5 zwischen den benachbarten piezoelektrischen Vorrichtungen 1 mit jeweiligen Rillen 6 ausgebildet, die jeweils eine Tiefe aufweisen, die größer als die Dicke der dünnwandigen Bereiche 5a ist. Die Rillen 6 können einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt aufweisen, wie in Fig. 10 gezeigt, oder alternativ dazu einen quadratischen oder trapezförmigen Querschnitt. Es können auch zwei oder mehr Rillen 6 zwischen den benachbarten Wandlern angeordnetsein.
Eine solche Anordnung des Substrats 5 dient dazu, die Starrheit der dickwandigen Bereiche 5c des Substrats 5 angrenzend an die piezoelektrischen Vorrichtungen 1 zu verringern und dadurch für eine erhöhte Nachgiebigkeit der dünnwandigen Bereiche 5a zu sorgen. So kann das Substrat während der Herstellung der Vorrichtung trotz der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien für das Substrat und den piezoelektrischen Wandler Brennschrumpfung des piezoelektrischen Films in relativ uneingeschränktem Umfang unterzogen werden, wodurch die Restspannung im Wandler minimiert und eine stark verbesserte Betriebseigenschaft der Vorrichtung gewährleistet wird. Darüber hinaus können die Rillen 6 in den dickwandigen Bereichen 5c des Substrats 5 vorteilhaft zwischen benachbarten Wandlern angeordnet werden, um für eine geringe Schwingungsdurchlässigkeit des Substrats zwischen benachbarten Wandlern zu sorgen. Das dient dazu, unerwünschte Interaktion oder Kreuzkopplung zwischen den Wandlern wirksam auszuschalten oder zu unterdrücken, und macht es leicht möglich, gleichförmig ein erwünschtes Ausmaß an Verlagerung der dünnwandigen Bereiche des Substrats in eine Richtung vom Hohlraum weg zu erreichen.
Weiters ist es vorteilhaft, wie in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform gezeigt, die piezoelektrische Schicht so auszubilden, daß sie Abmessungen aufweist, die ausreichen, damit sie die untere Elektrodenschicht im wesentlichen vollständig bedeckt und sich weiter über das Keramiksubstrat erstreckt. Eine solche piezoelektrische Schicht dient dazu, die Anforderung einer präzisen Ausrichtung der Ränder der piezoelektrischen Schicht relativ zum Rand der unteren Elektrodenschicht zur Vermeidung von Kurzschluß zwischen der oberen und der unteren Elektrodenschicht überflüssig zu machen.
Die Fig. 11 und 12 zeigen eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, worin die piezoeiektrische Vorrichtung 1 vier piezoelektrische Wandler 2A, 2B, 3A, 3B auf dem dünnwandigen Bereich 5a des Keramiksubstrats 5 umfaßt. Der Hohlraum 5b im Substrat 5a kann einen gewünschten Umriß haben, z.B. eine quadratische Kontur, wie aus Fig. 11 hervorgeht. In diesem Fall sind die piezoelektrischen Wandler 2A, 2B, 3A, 3B so angeordnet, daß sie sich entlang der vier Seiten des Hohlraums über die jeweiligen dickwandigen Bereiche 5c des Substrats 5 erstrecken und dadurch einen inaktiven Mittelabschnitt des dünnwandigen Bereichs 5a umgeben, der mit einer Harzschicht 4 versehen sein kann. Die piezoelektrischen Schichten dieser Wandler 2A, 2B, 3A, 3B können durch jeweilige obere Elektrodenschichten 2c, 3c oder, alternativ dazu, durch eine einzige obere Elektrodenschicht bedeckt sein.
Die bisher erklärten verschiedenen Ausführungsform erfordern jeweils das Bereitstellen von zwei oder mehr piezoelektrischen Wandlern zur Ausbildung einer piezoelektrischen Vorrichtung. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Ausführungsformen beschränkt. Die Fig. 13 und 14 zeigen eine neunte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, worin die piezoelektrische Vorrichtung 1 einen einzigen piezoelektrischen Wandler 2 auf dem dünnwandigen Bereich 5a des Keramiksubstrats 5 umfaßt. Der Hohlraum 5b im Substrat 5 kann gewünschte Umrisse, z.B. eine im wesentlichen kreisförmige Kontur, aufweisen, wie aus Fig. 13 hervorgeht. In diesem Fall umfaßt der piezoelektrische Wandler 2 eine ringförmige untere Elektrodenschicht 2a, die an der Außenfläche des dünnwandigen Bereichs 5a ausgebildet ist, und eine ringförmige piezoelektrische Schicht 2b, die auf der unteren Elektrodenschicht 2a ausgebildet und damit laminiert ist. Die untere Elektrodenschicht 2a und die piezoelektrische Schicht 2a umgeben einen inaktiven Mittelabschnitt des dünnwandigen Bereichs 5a, der mit einer Harzschicht 4 versehen sein kann.
Was den dünnwandigen Bereich 5a des Keramiksubstrats 5 betrifft, weist dieser, um für eine verbesserte Hochgeschwindigkeitsansprecheigenschaft und hohe Wandlungseffizienz des piezoelektrischen Wandlers zu sorgen, eine Dicke auf, die vorzugsweise nicht größer als 50 um, mehr bevorzugt nicht größer als 30 um und noch mehr bevorzugt nicht größer als 10 um ist.
Der piezoelektrische Wandler, wie gemäß vorliegender Erfindung verwendet, hat eine Dicke, die vorzugsweise nicht größer als 100 um ist. Außerdem hat die piezoelektrische Schicht, um für eine verbesserte Hochgeschwindigkeitsansprecheigenschaft zu sorgen und ein ausreichendes Ausmaß an Verlagerung des Wandlers zu verwirklichen, eine Dicke, die vorzugsweise nicht größer als 50 um und mehr bevorzugt nicht größer als 40 um und nicht kleiner als 3 um ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Materials der piezoelektrischen Schicht in der Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung umfaßt das Keramiksubstrat 5 vorzugsweise Zirkoniumoxid als Hauptkomponente mit einer Kristallphase, die durch die Zugabe zumindest einer Verbindung, die aus einer aus Yttriumoxid, Zeroxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist, vollständig oder teilweise stabilisiert ist.
Die Menge an Additiven, die erforderlich ist, um das Zirkoniumoxid teilweise oder vollständig zu stabilisieren, wie oben beschrieben, kann 1-30 Mol-% für Yttriumoxid, 6- 50 Mol-% für Zeroxid und 5-40 Mol-% für das Magnesiumoxid und Kalziumoxid betragen. Was insbesondere Yttriumoxid betrifft, beträgt die Menge vorzugsweise 2-4 Mol-%, da Zirkoniumoxid, dem Yttriumoxid in einer solchen Menge zugegeben ist, eine besonders stabilisierte Kristallphase aufweist und daher besonders gute Substrateigenschaften aufweist.
Die grüne Bahn für das Keramiksubstrat 5 kann vor der Bildung des piezoelektrischen Wandlers Sintern bei einer Temperatur von 1.000ºC bis 1.800ºC unterzogen werden. Alternativ dazu kann die grüne Bahn für das Keramiksubstrat einem geeigneten Filmausbildungsverfahren zur Bildung des piezoelektrischen Wandlers unterzogen und dann gesintert werden. Die Bildung des piezoelektrischen Wandlers auf dem zuvor gesinterten Keramiksubstrat ist in Hinblick auf eine Minimierung der Verwerfung im Endprodukt und Verbesserung der Abmessungsgenauigkeit des piezoelektrischen Wandlers oft wünschenswert.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Ausbilden des Keramiksubstrats mit zumindest einem Hohlraum besteht darin, eine erste grüne Bahn, die eine gewünschte Dicke aufweist und mit zumindest einer Ausnehmung ausgebildet ist, unter Einsatz eines geeigneten Formungs- oder Bearbeitungsverfahrens, wie Ultraschallbearbeitung, herzustellen. Weiters wird eine zweite grüne Bahn hergestellt, wobei es sich um eine relativ dünne Bahn mit einer Dicke handelt, die jener des dünnwandigen Bereichs des Substrats entspricht.
Weiters wird eine dritte grüne Bahn hergestellt, die eine Bodentafel zum Verschließen der Unterseite des Hohlraums ist. Daher hat die dritte grüne Bahn eine Dicke, die jener des Bodens des Hohlraums entspricht, und ist gegebenenfalls mit dem Durchgangsloch ausgebildet. Die drei grünen Bahnen werden unter vorbestimmten Temperatur/Druckbedingungen übereinandergelegt, so daß die erste grüne Bahn in Sandwichanordnung zwischen der zweiten und der dritten grünen Bahn liegt, und dann gebrannt und einstückig miteinander verbunden.
Das Material für das Keramiksubstrat kann eine Sinterhilfe, wie Ton oder dergleichen, enthalten. In diesem Fall ist es wünschenswert, die Zusammensetzung und Menge der Sinterhilfe zu einzustellen, daß zumindest der gesinterte dünnwandige Bereich des Substrats kein glasiges Material, wie Siliziumoxid, Boroxid, Phosphor(III)-oxid, Germaniumoxid in einer Menge von 1 % oder mehr enthält. Der Grund dafür ist, daß eine übermäßige Menge an glasigem Material oft zu unerwünschter Reaktion des Substratmaterials mit dem piezoelektrischen Material während der Hitzebehandlung führt, was es schwierig macht, die Zusammensetzung des piezoelektrischen Materials zu steuern.
Damit das Keramiksubstrat 5, das wie oben erklärt ausgebildet worden ist, zufriedenstellende Betriebseigenschaften der darauf ausgebildeten piezoelektrischen Wandler ermöglicht, wird die Oberflächenrauhigkeit Ra des Substrats vorzugsweise auf einen Bereich von 0,03-0,9 um reguliert. In diesem Fall kann die Verwindung oder Belastung, die im piezoelektrischen Wandler auftritt, wirksam auf das Substrat 5 übertragen werden, dessen Oberflächenrauhigkeit Ra im obengenannten Bereich liegt, und umgekehrt. Durch eine solche Regulierung der Oberflächenrauhigkeit wird auch wirksam eine hohe mechanische Festigkeit des relativ dünnen Substrats gewährleistet.
Der piezoelektrische Wandler auf dem Keramiksubstrat 5, der die obere und die untere Elektrodenschicht und die piezoelektrische Schicht umfaßt, kann nach einem geeigneten an sich bekannten Filmausbildungsverfahren hergestellt werden. Das heißt, das Filmausbildungsverfahren, das angewandt werden kann, um den piezoelektrischen Wandler der Vorrichtung 1 gemäß vorliegender Erfindung auszubilden, umfaßt ein Dickfilm-Ausbildungsverfahren, wie Siebdrucken, Spritzen, Tauchen oder Beschichten, und ein Dünnfilm-Ausbildungsverfahren, wie lonenstrahlverfahren, Sputtern, Vakuumdampfabscheidung, Ionenplating, chemische Dampfphasenabscheidung (CVD) oder Metallisieren. Insbesondere kann das Dickfilm-Ausbildungsverfahren vorteilhaft angewandt werden, um eine filmartige piezoelektrische Schicht auszubilden. Der Grund dafür ist, daß es das Dickfilm-Ausbildungsverfahren problemlos ermöglicht, unter Verwendung einer Paste oder Aufschlämmung, deren Hauptkomponente Pulver aus piezoelektrischem Keramikmaterial ist, einen Film auf dem Keramiksubstrat auszubilden. In diesem Fall ist es, wenn das Pulver aus piezoelektrischem Keramikmaterial eine durchschnittliche Teilchengröße in einem Bereich von 0,01 um bis 5 um, vorzugsweise 0,05 um bis 3 um aufweist, leicht möglich, hervorragende Betriebseigenschaften der piezoelektrischen Vorrichtung zu verwirklichen. Das Muster eines solchen Films kann zwar nach dem Siebdruckverfahren oder Photolithographieverfahren ausgebildet werden, aber das Muster kann auch ausgebildet werden, indem unnötige Bereiche des Films durch Laserschneiden, Abstechen, Ultraschallbearbeitung oder ein anderes geeignetes Bearbeitungsverfahren entfernt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine spezifische Konstruktion, Gestalt und/oder Muster des in den Zeichnungen dargestellten piezoelektrischen Wandlers beschränkt. Beispielsweise kann der Wandler je nach Benutzung der piezoelektrischen Vorrichtung eine dreieckige, rechteckige oder andere mehreckige Gestalt, kreisförmige elliptische oder ringförmige Gestalt, ein kamm- oder gitterartiges Muster oder eine Kombination aus diesen Formen und/oder Mustern aufweisen.
Die obere und die untere Elektrodenschicht sowie die piezoelektrischen Schichten, die nach einem ausgewählten Verfahren, wie oben erklärt auf dem Keramiksubstrat 5 ausgebildet sind, können entweder in verschiedenen Schritten hitzebehandelt werden, um sie jedesmal, wenn eine Schicht auf dem Substrat ausgebildet worden ist, einstückig mit dem Substrat zu verbinden, oder gleichzeitig in einem einzigen Schritt hitzebehandelt werden, um sie einstückig mit dem Substrat zu verbinden, nachdem aus allen Schichten eine laminierte Struktur auf dem Substrat gebildet worden ist. In diesem Zusammenhang sollte angemerkt werden, daß, wenn ein Filmausbildungsverfahren eingesetzt wird, um die Filmschichten auf dem Substrat auszubilden, es nicht immer unbedingt notwendig ist, die Hitzebehandlung durchzuführen, um die Schichten einstückig mit dem Substrat zu verbinden. Daher kann es beispielsweise, um für eine erhöhte Isolierung zwischen den beiden Elektrodenschichten (d.h. der unteren und der oberen Elektrodenschicht) auf beiden Seiten der piezoelektrischen Filmschicht zu sorgen, Fälle geben kann, in denen vor der Bildung der Elektrodenschichten ein Überzug aus Isolierharz oder dergleichen auf der Peripherie des Wand lers bereitgestellt wird. In diesem Fall werden die Elektrodenschichten vorzugsweise nach einem Verfahren ausgebildet, das keine Hitzebehandlung erfordert.
Die Hitzebehandlungstemperatur, die zum einstückigen Verbinden der Filmschichten der piezoelektrischen Wandler und des Keramiksubstrats 5 geeignet ist, liegt im allgemeinen im Bereich von 900-1.400ºC, vorzugsweise 1.000-1.400ºC. Wenn die piezoelektrische Filmschicht einer Hitzebehandlung unterzogen wird, erfolgt diese, um die Zusammensetzung des piezoelektrischen Materials zu stabilisieren und eine unerwünschte Änderung in der Zusammensetzung bei einer Hochtemperaturbedingung zu vermeiden, vorzugsweise, während die Atmosphäre durch Erhitzen der Verdampfungsquelle des piezoelektrischen Materials ebenfalls gesteuert wird. Es ist auch vorteilhaft, ein Verfahren zum Brennen der piezoelektrischen Filmschicht einzusetzen, während sie von einem geeigneten Abdeckelement bedeckt ist, um zu verhindern, daß die piezoelektrische Filmschicht direkt der Brennatmosphäre ausgesetzt ist. In diesem Fall besteht das Abdeckelement vorzugsweise aus einem Material, das dem Keramiksubstratmaterial ähnlich ist.
Die unteren Elektrodenschichten des piezoelektrischen Wandlers können aus jedem elektrisch leitenden Material gebildet werden, daß dem oxidierenden Brennen und der Hitzebehandlungsatmosphäre unter einer Bedingung beträchtlich hoher Temperatur standhalten kann, wie oben erklärt. So können die unteren Elektrodenschichten aus einem einzelnen Metall, einer Metall-Legierung, einem Gemisch aus Metall oder Legierung mit einem elektrisch isolierenden Keramikmaterial oder einem elektrisch leitenden Keramikmaterial gebildet werden. Es ist jedoch vorzuziehen, ein Elektrodenmaterial zu verwenden, dessen Hauptkomponente ein Edelmetall mit einem hohen Schmelzpunkt ist, wie Platin, Palladium oder Rhodium, oder eine Legierung wie Silber-Palladium, Silber-Platin, Platin-Palladium oder dergleichen. In Hinblick auf eine verbesserte Haftung der Elektrodenschichten an der piezoelektrischen Filmschicht und/oder dem Keramiksubstrat wird bevorzugt auch ein Cermetmaterial, wie Platin und das Keramikmaterial für das Substrat und/oder piezoelektrische Material für die piezoelektrische Filmschicht verwendet. Es ist jedoch mehr vorzuziehen, Platin als Hauptkomponente zu verwenden. Was dem Elektrodenmaterial zuzugebende Additivmaterialien betrifft, sollte die Verwendung von glasigem Material, wie Siliziumoxid, vermieden werden, weil ein solches Material dazu neigt, während der Hitzebehandlung mit dem piezoelektrischen Material zu reagieren, wodurch die Eigenschaften der piezoelektrischen Vorrichtung beeinträchtigt werden. Die Menge des Substratmaterials, das dem Elektrodenmaterial zuzugeben ist, beträgt vorzugsweise 5-30 Vol-%, und die Menge des piezoelektrischen Materials, das dem Elektrodenamterial zuzugeben ist, beträgt vorzugsweise 5-20 Vol-%. Das Material für die obere Elektrodenschicht ist nicht auf die obengenannten Materialien beschränkt, und die obere Elektrodenschicht kann aus einem gesputterten Gold-, Chrom- oder Kupferfilm oder aus einem aufgedruckten Film bestehen, der aus einer Gold oder Silber enthaltenden Organometallverbindung besteht.
Die untere Elektrodenschicht, die aus einem leitenden Material wie oben erwähnt besteht, hat eine Dicke, die vorzugsweise nicht größer als 20 um und mehr bevorzugt nicht größer als 5 um ist. Andererseits hat die obere Elektrodenschicht, die aus einem leitenden Material wie oben erwähnt besteht, eine Dicke, die im allgemeinen nicht größer als 1 um und vorzugsweise nicht größer als 0,5 um ist.
Die piezoelektrischen Schichten können aus jedem piezoelektrischen Material gebildet werden, das aufgrund des piezoelektrischen Effekts ein relativ großes Ausmaß an feldinduzierter Verformung oder Verlagerung aufweist, wenn eine elektrische Spannung daran angelegt wird. Das piezoelektrische Material kann entweder ein kristallines Material oder ein amorphes Material sein, und es kann sich um ein halbleitendes Material oder ein dielektrisches oder ferroelektrisches Keramikmaterial handeln. Weiters kann das piezoelektrische Material entweder eine anfängliche Polarisierungs- oder Polungsbehandlung erfordern oder keine derartige Behandlung erfordern.
Vorzugsweise jedoch weisen die piezoelektrischen Materialien, die gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt werden können, eine Zusammensetzung auf, deren Hauptkomponente Bleizirkonattitanat (PZT), Bleimagnesiumniobat (PMN), Bleinickelniobat (PNN), Bleimanganniobat, Bleiantimonstannat, Bleizinkniobat, Bleititanat, Bleizirkonat, Bleinickeltantalat, Bleimagnesiumtantalat oder ein Gemisch oder eine feste Lösung daraus ist.
Weiters kann den oben angeführten piezoelektrischen Materialien eine geeignete Menge von Additiven zugegeben werden, die ein Oxid oder eine Verbindung von Lanthan, Barium, Niob, Zink, Zer, Kadmium, Chrom, Kobalt, Antimon, Eisen, Yttrium, Tantal, Wolfram, Nickel, Mangan, Lithium, Strontium, Kalzium und/oder Wismut umfassen. Beispielsweise kann dem piezoelektrischen Material, dessen Hauptkomponente PZT oder dergleichen ist, Lanthan zugegeben werden, um ein Material zu erhalten, dessen Hauptkomponente PLZT ist. Die Zugabe von glasigem Material wie Siliziumoxid sollte jedoch vermieden werden, da in piezoelektrischen Materialien, wie PZT, enthaltenes Blei dazu neigt, mit dem glasigen Material zu reagieren, was es schwierig macht, eine gewünschte Zusammensetzung der piezoelektrischen Filmschicht zu erreichen, wodurch unerwünschte Schwankung und Beeinträchtigung der Betriebseigenschaften der piezoelektrischen Vorrichtung verursacht wird.
Von den oben angeführten piezoelektrischen Materialien wird vorzugsweise ein Material verwendet, dessen Hauptkomponente (i) ein Gemisch aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat oder (ii) ein Gemisch aus Bleinickelniobat, Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat) oder (iii) ein Gemisch aus Bleinickeltantalat, Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat oder (iv) ein Gemisch aus Bleimagnesiumtantalat, Bleirriagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat umfaßt. Es ist besonders vorteilhaft, ein piezoelektrisches Material zu verwenden, dessen Hauptkomponente ein Gemisch aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat umfaßt. Ein solches piezoelektrisches Material weist besonders geringe Reaktivität mit dem Substratmaterial während der Hitzebehandlung auf ist daher frei von Segregation seiner Komponenten. Daher können nicht nur die Ränder der piezoelektrischen Schicht, die sich über den dickwandigen Bereich des Keramiksubstrats erstrecken, in einem solchen verbundenen Zustand mit dem Substrat gehalten werden, um den richtigen Betrieb des piezoelektrischen Wandlers zu gewährleisten, sondern als Ergebnis einer geeigneten Behandlung zur Beibehaltung der Zusammensetzung kann auch problemlos eine gewünschte Zusammensetzung oder Kristallstruktur erzielt werden. Darüber hinaus weist ein solches piezoelektrisches Material eine besonders hohe piezoelektrische Konstante auf und kann als Material verwendet werden, das sich zum Ausbilden der piezoelektrischen Filmschicht nach dem obengenannten Dickfilm-Ausbildungsverfahren, wie Siebdrucken, Spritzen, Tauchen, Beschichten und dergleichen, eignet.
Da ein solches piezoelektrisches Mehrkomponentenmaterial eine piezoelektrische Eigenschaft aufweist, die je nach der Zusammensetzung der Komponenten variiert, hat ein aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat bestehendes Dreikomponentenmaterial, das gemäß vorliegender Erfindung auf geeignete Weise verwendet werden kann, vorzugsweise eine Zusammensetzung in der Nähe der Phasengrenzen einer pseudokubischen Kristallphase, einer tetragonalen Kristallphase und einer rhombhoedrischen Kristallphase. Um eine(n) ausreichend hohe(n) piezoelektrische Konstante und elektromechanischen Kopplungsfaktor zu gewährleisten, wird besonders vorteilhaft eine Zusammensetzung verwendet, die 15-50 Mol-% Bleimagnesiumniobat, 10-45 Mol-% Bleizirkonat und 30-45 Mol-% Bleititanat enthält.
Der piezoelektrische Wandler, der Elektrodenschichten und die piezoelektrische Filmschicht wie oben beschrieben umfaßt, hat vorzugsweise eine Dicke von 100 um oder weniger. Um ein relativ großes Ausmaß an Verlagerung bei einer relativ geringen Spannung zu gewährleisten, hat die piezoelektrische Filmschicht eine Dicke, die vorzugsweise 50 um oder weniger ausmacht und mehr bevorzugt in einem Bereich von 3-40 um liegt.
Bei der piezoelektrischen Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung können die Abmessungen und/oder das Material der piezoelektrischen Wandler, die ein Paar auf einem dünnwandigen Abschnitt des Substrats bilden, gleich sein. Es ist aber auch möglich, ein Paar piezoelektrischer Wandler bereitzustellen, deren Abmessungen und/oder Material sich voneinander unterscheiden, so daß sie eine piezoelektrische Vorrichtung darstellen, die als Filtervorrichtung oder Transformator verwendet werden kann.
Um vorteilhafte Funktionen der vorliegenden Erfindung zu bestätigen, wurden Proben der piezoelektrischen Vorrichtung mit herkömmlicher Struktur und Proben der piezoelektrischen Vorrichtungen mit einer in Fig. 1 gezeigten Basisstruktur hergestellt. Bei jeder Probe besteht das Keramiksubstrat aus Zirkoniumoxid als Hauptkomponente, die eine durch die Zugabe von Yttriumoxid teilweise stabilisierte Kristallphase aufweist, und ist mit einem dünnwandigen Bereich mit einer Dicke von 10 um ausgebildet. Eine untere Elektrode, die Platin umfaßt und eine Dicke von 5 um aufweist, sowie eine piezoelektrische Schicht, die ein Material umfaßt, dessen Hauptkomponente eine Zusammensetzung aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat ist, und die eine Dicke von 30 um aufweist, wurden nach einem Siebdruckverfahren als Muster auf dem dünnwandigen Bereich des Keramiksubstrats ausgebildet und dann durch Sintern einstückig mit dem Substrat verbunden, und eine obere Elektrodenschicht bestand aus Gold und wurde nach einem Sputterverfahren gebildet. Mit diesen Proben wurden Verlagerungstests durchgeführt, um das durch das Anlegen einer Betriebsspannung von 30 V Gleichspannung auf den piezoelektrischen Wandler erreichte Ausmaß an Verlagerung des piezoelektrischen Wandlers zu messen. Die Messung wurde unter Verwendung eines Laser-Verlagerungsmessers gemessen. Das Ergebnis der Messung wird in nachstehender Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
Anmerkung: * ... Das Ausmaß an Verlagerung ändert sich im Zeitverlauf.
Wie aus obiger Tabelle 1 hervorgeht, kann die piezoelektrische Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung eine Aufwärtsverlagerung des piezoelektrischen Wandlers in einem zufriedenstellenden Ausmaß bewirken, das im wesentlichen gleich groß ist wie die Abwärtsverlagerung herkömmlicher piezoelektrischer Vorrichtungen, bei denen die Polarisierungseigenschaft der piezoelektrischen Filmschicht voll ausgenutzt wird.
Aus der obigen detaillierten Beschreibung geht hervor, daß es gemäß vorliegender Erfindung möglich ist, eine piezoelektrische Vorrichtung zu verwirklichen, die einen dünnwandigen Bereich des Substrats umfaßt, der nach oben, gewölbt oder verschoben werden kann, d.h. in eine Richtung weg von einem Hohlraum, der durch den dünnwandigen Bereich definiert ist, indem eine Betriebsspannung mit einer Polarität angelegt wird, die die gleiche wie die Polarität für eine Polarisierungsbehandlung der piezoelektrischen Filmschicht ist, wodurch bewirkt wird, daß sich das Volumen des Hohlraums erhöht oder ein negativer Druck im Hohlraum erzeugt wird. Eine solche Verlagerung des dünnwandigen Bereichs nach oben kann erreicht werden, ohne daß die Polarisierungseigenschaft der piezoelektrischen Filmschicht und so die richtigen Eigenschaften der Vorrichtung geopfert werden. Darüber hinaus ist es möglich, die Ausbeute bei der Herstellung der piezoelektrischen Vorrichtung zu verbessern, da, auch wenn der piezoelektrische Wandler an einer Position ausgebildet wird, die relativ zum Substrat lateral versetzt ist, der dünnwandige Bereich des Substrats in einem Ausmaß nach oben verschoben werden kann, das im wesentlichen gleich groß ist wie dasjenige, das durch einen piezoelektrischen Wandler erreicht wird, der sich an einer richtigen Position ohne laterale Versetzung befindet.
Die vorliegende Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf einige bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden, diese sind jedoch nur als Beispiele angeführt. Es versteht sich, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können. Beispielsweise kann, obwohl die obengenannten Ausführungsformen der piezoelektrischen Vorrichtung hauptsächlich für Aktuatoren für ein Relais bestimmt sind, die Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung auch als Pumpelement oder Sensor verwendet werden.
Der Hohlraum des Keramiksubstrats kann beispielsweise eine Ausnehmung sein, die an der dem dünnwandigen Bereich gegenüberliegenden Seite offen ist, und die dickwandigen Abschnitte können den Hohlraum nur an zwei gegenüberliegenden Seiten verschließen. Das Substrat kann aus einer Vielzahl einstückig verbundener Schichten gebildet sein.

Claims

1. Piezoelektrische Vorrichtung, umfassend ein Keramiksubstrat (5) mit einem Hohlraum (5b), der durch einen dünnwandigen Bereich (5a) des Substrats und dickwandige Bereiche (5c) des Substrats, die an den dünnwandigen Bereich (5a) auf zumindest zwei gegenüberliegenden Seiten davon angrenzen, definiert ist, wobei der dünnwandige Bereich (5a) an einer Außenfläche zumindest einen piezoelektrischen Wandler (2,3) aufweist, der einen ersten Rand aufweist, der an eine Seite des dünnwandigen Bereichs (5a) angrenzend oder auf einem dickwandigen Bereich (5c) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der dünnwandige Bereich (5a) einen inaktiven Abschnitt aufweist, der angrenzend an einen zweiten Rand des piezoelektrischen Wandlers (2,3) gegenüber seinem ersten Rand angeordnet ist, so daß die Betätigung des piezoelektrischen Wandlers durch eine angelegte Spannung das Biegen des dünnwandigen Bereichs in die Richtung vom Hohlraum weg verursacht.

2. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der piezoelektrische Meßwandler (2,3) den inaktiven Abschnitt umgibt.

3. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Außenfläche des dünnwandigen Bereichs (5a) mit zwei piezoelektrischen Wandlern (2,3) versehen ist und der inaktive Abschnitt zwischen den piezoelektrischen Wandlern (2,3) angeordnet ist.

4. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 3, worin die piezoelektrischen Wandler (2,3) aus zwei unteren Elektrodenschichten (2a,3a), die auf der Außenfläche des dünnwandigen Bereichs (5a) ausgebildet und voneinander beabstandet sind, zwei piezoelektrischen Schichten (2b,3b), die auf den unteren Elektrodenschichten (2a,3a) ausgebildet sind, und zumindest einer oberen Elektrodenschicht (2c,3c) bestehen, die auf den piezoelektrischen Schichten (2b,3b) ausgebildet ist.

5. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 4, worin das Keramiksubstrat (5) einen dickwandigen Bereich (5c) aufweist, der den dünnwandigen Bereich (5a) umgibt, wobei die unteren Elektrodenschichten (2a,3a) jeweils einen Rand aufweisen, der sich über den dickwandigen Bereich (5c) erstreckt.

6. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 4, worin das Keramiksubstrat (5) einen dickwandigen Bereich (5c) aufweist, der den dünnwandigen Bereich (5a) umgibt, wobei die obere Elektrodenschicht (2c,3c) einen Rand aufweist, der sich über den dickwandigen Bereich (5c) erstreckt.

7. Piezoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Keramiksubstrat (5) Zirkoniumoxid als Hauptkomponente umfaßt, wobei das Zirkoniumoxid eine vollständig stabilisierte oder teilweise stabilisierte Kristallphase aufweist.

8. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 7, worin das Zirkoniumoxid durch Zugabe von zumindest einem der Stoffe Yttriumoxid, Zeroxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid stabilisiert ist.

9. Piezoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin die piezoelektrische Schicht (2b,3b) ein Material mit einem Gemisch aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat als Hauptkomponente umfaßt.

10. Piezoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin die piezoelektrische Schicht (2b,3b) ein Material mit einem Gemisch aus Bleinickelniobat, Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat als Hauptkomponente umfaßt.

11. Piezoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin der dünnwandige Bereich (5a) des Keramiksubstrats (5) eine Dicke aufweist, die nicht größer als 50 um ist.

12. Piezoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin der piezoelektrische Wandler (2b,3b) eine Dicke aufweist, die nicht größer als 100 um ist.