DE69401855T2

DE69401855T2 - Piezoelektrische Anordnung

Info

Publication number: DE69401855T2
Application number: DE69401855T
Authority: DE
Inventors: Koji Kimura; Natsumi Shimogawa; Yukihisa Takeuchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd; Seiko Epson Corp
Current assignee: NGK Insulators Ltd; Seiko Epson Corp
Priority date: 1993-06-08
Filing date: 1994-06-08
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2014-06-09
Also published as: EP0629007A1; EP0629007B1; DE69401855D1; SG66279A1; JP3318687B2; JPH06350155A; US6584660B1; HK117197A

Description

HINTERGRUND-DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrische Vorrichtung zum Umwandeln 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 Eingangsspannung in eine elektrische Ausgangsladung (elektrische Ausgangsspannung) umzuwandeln und auch eine elektrische Eingangsspannung in eine mechanische Ausgangsformänderung umzuwandeln. Im letzteren Fall wird die Vorrichtung manchmal als elektrostriktive Vorrichtung bezeichnet. Der Begriff "piezoelektrische Vorrichtung", wie hierin verwendet, ist in seiner allgemeinsten Bedeutung zu interpretieren, sodaß er auch eine elektrostriktive Vorrichtung umfaßt. Analog dazu ist der Begriff "piezoelektrisches Material", wie hierin verwendet, in seiner allgemeinsten Bedeutung zu interpretieren, sodaß er auch elektrostriktives Material umfaßt. Wenn die Ausgangsgröße der piezoelektrischen Vorrichtung eine mechanische Formänderung ist, kann eine solche Formänderung genützt werden, um mechanische Kraft, Verlagerung oder Schwingung zu erzeugen.
Bisher wurden piezoelektrische Vorrichtungen für verschiedene Zwecke eingesetzt. Beispielsweise besteht auf dem Gebiet der Optik oder Präzisionstechnologie ein steigender Bedarf an Aktuatoren, mit denen die Längen und/oder Positionen des optischen Weges in Größenordnungen unterhalb des µm-Bereichs eingestellt werden können, oder an Sensoren, mit denen sich eine feine mechanische Verlagerung feststellen läßt. Im Hinblick auf einen solchen Bedarf wurden in Verbindung mit der Anwendung piezoelektrischer Vorrichtungen verschiedene Vorschläge gemacht. Im speziellen ist eine unimorphe oder bimorphe piezoelektrische Vorrichtung bekannt, die beim Anlegen einer elektrischen Eingangsspannung eine Krümmungs- oder Biegeverformung erfährt und die für Tintenstrahldruckköpfe, zur Aussendung von Schall (z.B. für Lautsprecher und dergleichen), Vibratoren usw. verwendet werden kann. Die unimorphe oder bimorphe piezoelektrische Vorrichtung kann auch verwendet werden, um eine Krümmungs- oder Biegeverformung in eine elektrische Spannung umzuwandeln, z.B. als Mikrophon oder Sensor. Beispielsweise unter Bezugnahme auf Tintenstrahldruckköpfe, die eine unimorphe oder bimorphe piezoelektrische Vorrichtung umfassen, ist es in Anbetracht der Tatsache, daß für den Konsumenten oder Anwender eine qualitativ hochwertige Hochgeschwindigkeitsdruckleistung erforderlich ist, in hohem Maße wünschenswert, eine piezoelektrische Vorrichtung mit hoher Dichte und minimierter Größe zu erzeugen, die unter niedriger Betriebsspannung arbeitet und dennoch eine zufriedenstellende Ansprecheigenschaft und Betriebszuverlässigkeit bietet.
Um die obengenannten gewünschten Eigenschaften der piezoelektrischen Vorrichtung zu erreichen, wurde es, da das Substrat im Bereich jedes piezoelektrischen Wandlers als Membran fungiert, allgemein als notwendig erachtet, daß das gesamte Substrat eine verringerte Dicke aufweist. In vielen Fällen kann allerdings keine verringerte Dicke des Substrats als Ganzes erreicht werden, ohne die mechanische Festigkeit des Substrats herabzusetzen. Daher offenbart die dem Zessionar der vorliegenden Anmeldung übertragene US-A-5.210.455, um den scheinbar unvereinbaren Anforderungen von verringerter Dicke und zufriedenstellender mechanischer Festigkeit gleichzeitig gerecht zu werden, eine verbesserte piezoelektrische Vorrichtung, die ein lokal dünnwandiges Substrat sowie piezoelektrische Wandler umfaßt, die auf den dünnwandigen Bereichen des Substrats ausgebildet und einstückig damit verbunden sind.
Wie insbesondere in der US-A-5.210.455 geoffenbart, kann das lokal dünnwandige Substrat durch Laminieren einer relativ dicken grünen Bahn einer ersten Keramikschicht mit fensterartigen Öffnungen darin und einer relativ dünnen grünen Bahn aus einer zweiten Keramikschicht ohne derartige Öffnungen gebildet werden. Nach dem einstückigen Verbinden der beiden Keramikschichten durch Brennen zur Bildung des Substrats definieren die Öffnungen in der ersten Keramikschicht zusammen mit der zweiten Keramikschicht Hohlräume mit dünnwandigen Bodenwänden, die von der zweiten Keramikschicht gebildet werden. Weiters können die piezoelektrischen Wandler eine erste Elektrodenschicht, eine piezoelektrische Schicht und eine zweite Elektrodenschicht umfassen, die aufeinanderfolgend miteinander laminiert sind. Die piezoelektrischen Wandler sind auf jenen Außenflächenbereichen des Substrats angeordnet, die den entsprechenden Hohlräumen gegenüberliegen, und sind durch Brennen einstückig mit dem Substrat verbunden.
Die piezoelektrische Vorrichtung gemäß obengenanntem Vorschlag erwies sich insofern als in hohem Maße vorteilhaft, als es die lokalen dünnwandigen Bereiche des Substrats gegenüber den jeweiligen piezoelektrischen Wandern ermöglichen, einen zufriedenstellenden Betrieb der Wandler zu erreichen, und weiters, als der übrige, relativ dicke Bereich des Substrats dazu dient, eine ausreichende mechanische Festigkeit des Substrats als Ganzes zu erreichen.
Dennoch wäre es in hohem Maße wünschenswert, eine weiter verbesserte piezoelektrische Vorrichtung bereitzustellen, die noch bessere Betriebseigenschaften aufweist und dennoch die obengenannten Vorteile beibehält. Ausgehend von der in der US-A-5.210.455 geoffenbarten piezoelektrischen Vorrichtung führten die Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes umfassende Versuche und Untersuchungen durch und gelangten zu der Erkenntnis, daß eine beträchtliche Verbesserung erreicht werden kann, indem sorgfältig auf die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, die Struktur und das Verhalten des Substrat und der piezoelektrischen Wandler an den oder nahe der dünnwandigen Bereiche(n) des Substrats geachtet wird.
Zunächst bestehen bei der piezoelektrischen Vorrichtung nach dem früheren Vorschlag der Erfinder das Substrat und der piezoelektrische Wandler im allgemeinen aus Materialien, die eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung und somit unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Daher besteht während der Herstellung der piezoelektrischen Vorrichtung, insbesondere während dem Abkühlen, das auf das Sintern zum Ausbilden des piezoelektrischen Wandlers auf dem Substrat oder das Brennen zum einstückigen Verbinden des Substrats und des piezoelektrischen Wandlers folgt, die Tendenz, daß im piezoelektrischen Wandler unerwünschte Restspannungen erzeugt werden, die die Betriebseigenschaften der Vorrichtung als Ganzes beeinträchtigen können. Gemäß einer Erkenntnis, zu der die Erfinder gelangt sind, kann eine in hohem Maße verbesserte piezoelektrische Vorrichtung realisiert werden, indem die Unterschiede in der Schrumpfung der Materialien für das Substrat und den piezoelektrischen Wandler effektiv ausgeglichen werden.
Weiters ist es bei der piezoelektrischen Vorrichtung nach dem früheren Vorschlag der Erfinder, worin ein gemeinsames Substrat mit einer Anordnung versehen ist, die eine Vielzahl piezoelektrischer Wandler umfaßt, bei gleichzeitiger Betätigung benachbarter Wandler oft schwierig, ein ausreichendes Ausmaß an Verlagerung der dünnwandigen Bereiche des Substrats in eine Richtung senkrecht zur allgemeinen Oberfläche des Substrats und eine zufriedenstellende Volumsänderung des Hohlraums zu erreichen. Außerdem kann der Betrieb der Wandler durch den Betrieb benachbarter Wandler beeinflußt werden, was es schwierig macht, ein gewünschtes Ausmaß an gleichmäßiger Verlagerung der dünnwandigen Bereiche des Substrats zu erreichen. Gemäß einer weiteren Erkenntnis, zu der die Erfinder gelangt sind, kann eine stark verbesserte piezoelektrische Vorrichtung erreicht werden, indem unerwünschte Wechselwirkungen benachbarter Wandler ausgeschaltet oder unterdrückt wird.
Im speziellen wurde bestätigt, daß es beim Einsatz der piezoelektrischen Vorrichtung nach dem früheren Vorschlag der Erfinder, beispielsweise als Aktuator für einen Tintenstrahldruckkopf, Fälle geben kann, in denen die in den Hohlraum gefüllte Tinte nicht in ausreichender Menge oder mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen werden kann, oder in denen es schwierig ist, eine ausreichende Druckqualität zu erreichen. Gemäß wieder einer anderen Erkenntnis, zu der die Erfinder gekommen sind, können deutlich verbesserte Tintenausstoßeigenschaften erreicht werden, indem eine ausreichende Verlagerungseigenschaft des piezoelektrischen Wandlers und eine zufriedenstellende Volumsänderung des Hohlraums erreicht wird. Es wurde auch festgestellt, daß eine deutlich verbesserte Druckqualität erreicht werden kann, indem Schwankungen in der Verlagerungseigenschaft der piezoelektrischen Wandler und so in der Menge und Geschwindigkeit des Tintenausstoßes ausgeschaltet oder minimiert werden.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft somit die Bereitstellung einer stark verbesserten piezoelektrischen Vorrichtung auf der Basis der obengenannten Erkenntnisse.
Es ist ein primäres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine stark verbesserte piezoelektrische Vorrichtung bereitzustellen, die es möglich macht, ein ausreichendes Ausmaß an Verlagerung des dünnwandigen Bereichs des Substrats und eine zufriedenstellende Vol umsänderung des Hohlraums zu erreichen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine stark verbesserte piezoelektrische Vorrichtung bereitzustellen, die die Spannungen im piezoelektrischen Wandler wirksam verringern kann, die aufgrund des Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien oder aufgrund des Schrumpfens des piezoelektrischen Wandlers beim Sintern des Wandlers auf dem Substrat entstehen.
Wieder ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine stark verbesserte piezoelektrische Vorrichtung bereitzustellen, die mit einer Anordnung versehen ist, die eine Vielzahl piezoelektrischer Wandler umfaßt, mit welcher Vorrichtung sich unerwünschte Wechselwirkungen benachbarter Wandler ausschalten oder unterdrücken lassen.
Die piezoelektrische Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung wird in Anspruch 1 dargelegt.
Ein Merkmal der Anordnung der piezoelektrischen Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ist die Ausbildung zumindest einer Nut im relativ dickwandigen Bereich des Substrats angrenzend an die periphere Wand des Hohlraums und um diese herum. Da sich die Nut entlang der peripheren Wand des Hohlraums entlang erstreckt und eine Tiefe aufweist, die größer als die Dicke der Bodenwand des Hohlraums ist, kann für eine höhere Nachgiebigkeit des relativ dickwandigen Substratbereichs angrenzend an die periphere Wand des Hohlraums gesorgt werden, wodurch die dünnwandigen Bereiche des Substrats bei Brennschrumpfung während der Herstellung der Vorrichtung leicht verformt werden können. Daher kann trotz der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien für das Substrat und den piezoelektrischen Wandler der Wandler während der Herstellung der Vorrichtung in ziemlich uneingeschränktem Maße dem Brennschrumpfen ausgesetzt werden, wodurch die Restspannungen im Wandler minimiert werden und eine stark verbesserte Betriebseigenschaft der Vorrichtung gewährleistet wird.
Darüber hinaus kann, wenn die piezoelektrische Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung eine Anordnung aus piezoelektrischen Wandlern umfaßt, die auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sind, die Nut im relativ dickwandigen Bereich des Substrats vorteilhaft zwischen benachbarten Wandlern angeordnet sein, um für geringes Schwingungsübertragungsvermögen des Substrats zwischen benachbarten Wandlern zu sorgen. Das dient dazu, unerwünschte Wechselwirkungen oder ein Übersprechen zwischen den Wandlern auszuschalten oder zu unterdrücken, und macht es leicht möglich, in gleichmäßiger Weise ein gewünschtes Ausmaß an Verlagerung der dünnwandigen Bereiche des Substrats in eine Richtung senkrecht zur allgemeinen Oberfläche des Substrats zu erreichen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter erklärt, in denen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht ist, die eine piezoelektrische Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
die Fig. 2A und 2B Schnittansichten entlang der Linie 2-2 aus Fig. 1 sind;
Fig. 3 eine perspektivische Exposionsansicht ist, die ein Beispiel für ein mehrschichtiges Substrat der Vorrichtung zeigt;
Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 aus Fig. 3 ist;
die Fig. 5A und 5B Schnittansichten sind, die den Betrieb einer bekannten piezoelektrischen Vorrichtung zeigen;
die Fig. 6A, 6B und 6C Schnittansichten sind, die die piezoelektrische Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 7 eine Schnittansicht ist, die die piezoelektrische Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 8 eine Schnittansicht ist, die die piezoelektrische Vorrichtung einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 9 eine Schnittansicht in vergrößertem Maßstab ist, die die detaillierte Anordnung des piezoelektrischen Wandlers in der Ausführungsform aus Fig. 8 zeigt; und
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht ist, die die Anordnung der piezoelektrischen Vorrichtung zeigt, mit der die Versuche durchgeführt wurden.
Aus Gründen der Zweckmäßigkeit werden in allen Figuren die gleichen Bezugszahlen verwendet, um gleiche oder äquivalente Elemente zu bezeichnen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nun auf die Fig. 1 bis 4 Bezug nehmend wird eine erste Ausführungsform der unimorphen piezoelektrischen Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung gezeigt, die als Ganzes mit Bezugszahl 1 bezeichnet ist. Die piezoelektrische Vorrichtung 1 umfaßt ein lokal dünnwandiges Keramiksubstrat 2 und eine Vielzahl piezoelektrischer Wandler 3, die an der Deckfläche des Substrats 2 angeordnet sind. Genauer gesagt weist das Substrat 2 eine Vielzahl dünnwandiger Bereiche 2a auf, und die piezoelektrischen Wandler 3 sind auf den dünnwandigen Bereichen 2a angeordnet. Das Substrat 2 umfaßt eine Vielzahl geschlossener Hohlräume 4 darin, die jeweils durch eine Verschlußwand 2b an der Unterflächenseite des Substrats 2, periphere Wände 2c im Substrat 2 und eine Bodenwand an der Deckflächenseite des Substrats 2 definiert werden, von denen die Bodenwand vom dünnwandigen Bereich 2a des Substrates 2 gebildet wird. Die Bodenwand 2a fungiert bei Betrieb der Vorrichtung 1 als Membran des piezoelektrischen Wandlers 3. Das Substrat 2 weist angrenzend an die dünnwandigen Bereiche 2a relativ dickwandige Bereiche 2d auf, worin Nuten 5 ausgebildet sind, die jeweils so angeordnet sind, daß sie sich entlang der peripheren Wand 2c des Hohlraums 4 erstrecken und an der Deckfläche des Substrats 2 öffnen.
Wie in Fig. 2A gezeigt, können die piezoelektrischen Wandler 3 nach einem in der Folge detaillierter beschriebenen, herkömmlichen Filmbildungsverfahren einstückig mit dem Substrat 2 ausgebildet sein, bei welchem Verfahren eine untere Elektrodenschicht 3a, eine filmförmige piezoelektrische Schicht 3b und eine obere Elektrodenschicht 3c der Reihe nach aufeinanderlaminiert werden. Wie weiters in den Fig. 3 und 4 gezeigt, kann das Substrat 2 nach einem bekannten Laminationsverfahren gebildet werden, worin eine untere grüne Bahn 21, die die Verschlußwand 2b des Substrats 2 bildet, eine grüne Zwischenbahn 22, die mit fensterartigen Öffnungen 22a ausgebildet ist, die dem Hohlraum 4 entsprechen, sowie eine dünnwandige obere grüne Bahn 23, die die Bodenwand 2a des Hohlraums 4 bildet, der Reihe nach aufeinanderlaminiert und gesintert werden, um ein einstückiges Substrat 2 zu bilden (Fig. 4).
Die Details der drei grünen Bahnen 21, 22, 23, die das einstückige Substrat 2 bilden, werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 erklärt. Die obere grüne Bahn 23 weist flache Bereiche 23a auf, die den Bodenwänden 2a des Substrats 2 entsprechen, sowie schlitzartige Öffnungen 23b, die sich in Querrichtung durch die obere grüne Bahn 23 hindurch erstrecken. Die grüne Zwischenbahn 22 weist neben den fensterartigen Öffnungen 22a schlitzartige Nuten 22b auf, deren Böden sich nahe der unteren grünen Bahn 21 befinden. Die obere grüne Bahn 23 und die grüne Zwischenbahn 22 sind so aufeinandergelegt, daß die schlitzartigen Öffnungen 23b in der oberen grünen Bahn 23 und die schlitzartigen Nuten 22b in der grünen Zwischenbahn 22 miteinander ausgerichtet werden, um die Nut 5 im Substrat 2 zu bilden. Bei Verwendung der piezoelektrischen Vorrichtung 1 als Aktuator für einen Tintenstrahldruckkopf kann die untere grüne Bahn 21 Durchgangslöcher 21a aufweisen, die als Einlaß, der mit einem Tintenbehälter verbunden ist, und/oder als Auslaß, der mit einer Ausstoßdüse verbunden ist, zu verwenden sind.
Unter weiterer Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4, wobei beispielhaft angenommen wird, daß der Hohlraum 4 quadratische Umrisse aufweist, hat die Nut 5 im Substrat 2 eine Länge L, die zumindest 1/8, vorzugsweise ¼ oder mehr, der Länge der Längskante des Hohlraums 4 beträgt. Weiters weist die Nut 5, wie in Fig. 2A gezeigt, eine Tiefe D&sub1; auf, die im wesentlich gleich groß wie oder größer als die Dicke t der dünnwandigen Bodenwand 2a des Hohlraums 4 ist und die vorzugsweise der folgenden Gleichung (1) entspricht:
D&sub1; ≥ (t + D&sub2;/3) ...(1)
worin D&sub2; die Tiefe des Hohlraums 4 ist. Mehr bevorzugt entspricht die Tiefe D&sub1; der Nut 5 der folgenden Gleichung (2):
D&sub1; ≥ (t + 2 x D&sub2;/3) ... (2)
Vorteilhafterweise hat die Nut 5 eine Breite W&sub1;, wie ebenfalls in Fig. 2A gezeigt, die so festgelegt ist, daß die Breite W&sub2; des dickwandigen Bereichs 2d, gemessen zwischen der Seitenwand der Nut 5 und der gegenüberliegenden peripheren Wand 2c des Hohlraums 4, innerhalb eines Bereichs zwischen 20 µm und 200 µm, vorzugsweise zwischen 20 µm und 100 µm, liegt. Wenn die Breite W&sub2; des dickwandigen Bereichs 2d geringer als 20 µm ist, wird die Steifheit des dünnwandigen Bereichs 2d oft übermäßig verringert, was es schwierig macht, die gewünschte vertikale Verlagerung der Bodenwand 2a des Hohlraums 4 wirksam herbeizuführen und dadurch eine effiziente Volumsänderung des Hohlraums 4 zu erreichen. Darüber hinaus besteht die Tendenz, daß im dickwandigen Bereich 2d während der Bildung der Nut 5 Risse oder ähnliche Fehler auftreten, was es schwierig macht, die Produktivität bei der Herstellung der piezoelektrischen Vorrichtung zu verbessern. Wenn andererseits die Breite W&sub2; des dickwandigen Bereichs 2d größer als 200 µm ist, wird es oft schwierig, während des Brennens eine ausreichende Relaxation der piezoelektrischen Filmschicht zu erreichen und so die Eigenschaften des piezoelektrischen Materials wirksam zu verbessern. Darüber hinaus wird es aufgrund der erhöhten Steifheit des dickwandigen Bereichs 2d schwierig, eine ausreichende seitliche Verlagerung der peripheren Wand 2c des Hohlraums 4 zu erreichen, um dadurch eine große Volumsänderung des Hohlraums 4 zu ermöglichen.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, daß der obengenannte bevorzugte Bereich der Breite W&sub2; auch anwendbar ist, wenn in jedem dickwandigen Bereich 2d des Substrats 2 zwei oder mehr Nuten 5 ausgebildet sind.
Die Nuten 5 können einen quadratischen Querschnitt, wie in den Fig. 2A und 4 gezeigt, oder einen anderen geeigneten Querschnitt, wie z.B. einen V-förmigen oder trapezförmigen Querschnitt, aufweisen.
Was die Dicke des dünnwandigen Bereichs 2a des Substrats 2 betrifft, d.h. die Bodenwand des Hohlraums 4, die als Membran des piezoelektrischen Wandlers 3 fungiert, weist der dünnwandige Bereich 2a, um für verbesserte Hochgeschwindigkeitsansprecheigenschaften und eine hohe Umwandlungseffizienz des Wandlers 3 zu sorgen, eine Dicke auf, die vorzugsweise 50 µm oder weniger, bevorzugter 30 µm oder weniger, noch bevorzugter 10 µm oder weniger, beträgt.
Die piezoelektrische Vorrichtung 1 gemäß vorliegender Erfindung umfaßt die Nut 5 im relativ dickwandigen Bereich 2d des Substrats 2, das an die periphere Wand 2c des Hohlraums 4 angrenzt und diese umgibt. Es ist daher möglich, angrenzend an die periphere Wand 2c des Hohlraums 4 für eine höhere Nachgiebigkeit des relativ dickwandigen Substratbereichs 2d zu sorgen, aufgrund derer die dünnwandigen Bereiche 2a des Substrats 2 bei der Brennschrumpfung während der Herstellung der Vorrichtung 1 leicht verformt werden können. Das bedeutet, daß der Wandler 3 bei der Herstellung der Vorrichtung 1 in relativ uneingeschränktem Ausmaß der Brennschrumpfung ausgesetzt werden kann, wodurch die Restspannungen im Wandler 3 minimiert werden und eine stark verbesserte Betriebseigenschaft der Vorrichtung 1 gewährleistet wird. Als Ergebnis ist es möglich, für verbesserte Eigenschaften des Wandlers 3, einschließlich der relativen Dielektrizitätskonstante, zu sorgen und Materialeigenschaften, die dem piezoelektrischen Material zu eigen sind, umfassender zu nutzen.
Wie aus Fig. 2B weiter entnommen werden kann, gewährleistet die Bildung der Nuten 5 in den dickwandigen Bereichen 2d des Substrats 2, daß die Membran des piezoelektrischen Wandlers 3, die von der Bodenwand 2a des Hohlraums 4 gebildet wird, in ausreichendem Maße vertikal zur Verschlußwand 2b verlagert werden kann, wodurch gleichzeitig seitliche Verlagerungen der gegenüberliegenden peripheren Wände 2c zur Mitte des Hohlraums 4 hin herbeigeführt werden. Eine resultierende höhere Nachgiebigkeit der Membran des piezoelektrischen Wandlers 3 in Kombination mit den seitlichen Verlagerungen der gegenüberliegenden peripheren Wände 2c ermöglicht eine rasche Volumsänderung des Hohlraums und sorgt für eine beträchtlich erhöhte Menge an aus dem Hohlraum 4 ausgestoßener Tinte.
Wenn zudem die piezoelektrische Vorrichtung 1 gemäß vorliegender Erfindung eine Anordnung an piezoelektrischen Wandlern 3 umfaßt, die auf einem gemeinsamen Substrat 2 ausgebildet sind, sorgen die in den relativ dickwandigen Bereichen 2d des Substrats 2 ausgebildeten und zwischen den benachbarten Wandlern 3 angeordneten Nuten 5 für ein geringes Schwingungsübertragungsvermögen des Substrats 2 zwischen den benachbarten Wandlern 3. Die Nuten 5 dienen somit dazu, unerwünschte Wechselwirkungen oder Übersprechen zwischen benachbarten Wandlern 3 wirksam auszuschalten oder zu unterdrücken und es leicht zu ermöglichen, daß die dünnwandigen Bereiche 2a des Substrats 2 ein gleichmäßiges Ausmaß an gewünschter vertikaler Verlagerung erreichen. Selbst wenn benachbarte Wandler 3 gleichzeitig betätigt werden, dient die Nut 5 weiters dazu, Zugkräfte zwischen den Wandlern zu absorbieren, um dadurch die Schwankungen im Ausmaß der vertikalen Verlagerung der Membran zu minimieren.
Zu Vergieichszwecken veranschaulichen die Fig. 5A und 5B schematisch die Betriebsweise der piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der obengenannten US-A-5.210.455, die mit einer Vielzahl piezoelektrischer Wandler 31, 32 auf einem Keramiksubstrat 2 mit offenen Hohlräumen 4 versehen ist, die an der Unterflächenseite des Substrats 2 nicht mit einer Verschlußwand abgeschlossen sind.
Wie in Fig. 5A gezeigt, erfährt, wenn nur der piezoelektrische Wandler 31 betätigt wird, die Bodenwand 2a des Substrats 2 eine vertikale Verlagerung, die durch leichte seitliche Verlagerungen der dickwandigen Bereiche 2d unterstützt wird, welche die gegenüberliegenden peripheren Wände 2c des Hohlraums 4 bilden. Wenn jedoch benachbarte piezoelektrische Wandler 31, 32 gleichzeitig betätigt werden, wie aus Fig. 5B zu entnehmen, heben die auf den dickwandigen Bereich 2d zwischen diesen Wandlern 31, 32 ausgeübten seitlichen Kräfte einander gegenseitig auf, wodurch die Tendenz entsteht, daß die gewünschten vertikalen Verlagerungen der Bodenwände 2a des Substrats 2 mehr oder minder behindert werden. Das Ausmaß an vertikaler Verlagerung, das durch die Membran des Wandlers in einem solchen Betriebszustand erreicht wird verringert sich im Vergleich zu jener Situation, daß nur ein einzelner Wandler betätigt wird.
Wenn die piezoelektrische Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung beispielsweise als Aktuator für einen Tintenstrahldruckkopf verwendet wird, führt eine unzureichende vertikale Verlagerung der Membran oft zu einer geringen Menge an ausgestoßener Tinte. Weiters wurde festgestellt, daß aufgrund des unterschiedlichen Ausmaßes an Verlagerung der Membran die Vorrichtung je nach Betriebszustand zu Schwankungen in den Betriebseigenschaften tendiert. Darüber hinaus kann aufgrund der Steifheit des dickwandigen Bereichs 2d zwischen benachbarten Wandern 31, 32 unerwünschte Wechselwirkungen oder Übersprechen zwischen den Wandlern verursacht werden. Diese Probleme sind ausgeprägter, wenn das Substrat 2 der Vorrichtung 1 aufgrund der Bildung geschlossener Hohlräume, die wie die in Fig. 2A gezeigte durch Verschlußwände verschlossen sind, eine höhere Steifheit aufweist.
Die vorliegende Erfindung bietet somit eine einzigartige Lösung für die obengenannten Probleme, indem zumindest eine Nut 5 im dickwandigen Bereich 2d des Keramiksubstrats 2 ausgebildet wird.
In den Fig. 6A, 6B und 6C wird eine zweite Ausführungsform der unimorphen piezoelektrischen Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung gezeigt, die der in den Fig. 5a und 5B gezeigten, bekannten Vorrichtung insofern ähnlich und direkt damit vergleichbar ist, als das Substrat 2 offene Hohlräume 4 aufweist. Das Ausbilden der Nuten 5 in den dickwandigen Bereichen 2d des Substrats 2 macht es möglich, für eine höhere Nachgiebigkeit der Membran 2a und für ein daraus resultierendes erhöhtes Ausmaß an vertikaler Verlagerung derselben beim Betrieb der Vorrichtung zu sorgen. Wie aus den Fig. 6B und 6C zu entnehmen, dienen die Nuten 5 zwischen benachbarten Wandern dazu, Wechselwirkungen oder ein Übersprechen zwischen den Wandlern wirksam zu unterdrücken, und das Ausmaß an vertikaler Verlagerung der Membran 2a kann im wesentlichen unbeeinflußt vom Betriebszustand der Vorrichtung einheitlich gehalten werden, d.h. unabhängig davon, ob nur ein Wandler betätigt wird (Fig. 6B) oder benachbarte Wandler gleichzeitig betätigt werden (Fig. 6C).
In Fig. 7 wird eine dritte Ausführungsform der unimorphen piezoelektrischen Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung gezeigt, bei der jeder dickwandige Bereich 2d des Substrats 2 relativ breit und mit zwei Nuten 5a, 5b ausgebildet ist, deren Tiefe größer als die Dicke der Bodenwand 2a des Hohlraums 4 ist. Diese Ausführungsform sorgt wirksam für eine verbesserte Nachgiebigkeit der Membran 2a des piezoelektrischen Wandlers 3, insbesondere, wenn eine Vielzahl von Wandlern 3 im relativ großem Abstand auf dem Substrat 2 angeordnet ist.
In den Fig. 8 und 9 wird eine vierte Ausführungsform der unimorphen piezoelektrischen Vorrichtung gezeigt, die in den dickwandigen Bereichen 2d des Substrats 2 ebenfalls mit den Nuten 5 versehen ist. Diese Ausführungsform ist der Vorrichtung ähnlich, die in der parallelen US-Patentanmeldung Nr. 08/206.939 oder der Europäischen Patentanmeldung Nr. 94 301 633.7 der Anmelderin geoffenbart wird, deren Offenbarung durch Verweis hierin aufgenommen ist.
Im speziellen umfaßt die piezoelektrische Vorrichtung 1 gemäß der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform piezoelektrische Wandler 3, deren piezoelektrische Schicht 3b Abmessungen aufweist, die ausreichen, um die untere Elektrodenschicht 3a im wesentlichen vollständig zu bedecken. Die piezoelektrische Schicht 3b weist zumindest eine Kante 11 in der Form eines Vorsprungs auf, der über die untere Elektrodenschicht 3a vorragt und zumindest lokal unvollständig mit dem Keramiksubstrat 2 verbunden ist, wie bei 12 gezeigt. Der Begriff "unvollständig verbunden", wie hierin verwendet, bezieht sich auf einen spezifischen Verbindungszustand zwischen dem Keramiksubstrat 2 und zumindest einer Kante 11 der piezoelektrischen Schicht 3b, der es erlaubt, daß die piezoelektrische Schicht 3b eine im wesentlichen ungehinderte Bewegung relativ zum Substrat 2 vollführt. Angrenzend an die Kanten 11 der piezoelektrischen Schicht 3b können Pufferharzschichten 13 zwischen der oberen Elektrodenschicht 3c und dem Substrat 2 vorgesehen sein, um für eine glatte und flexible Verbindung der oberen Elektrodenschicht 3c mit dem Substrat 2 zu sorgen und die obere Elektrodenschicht 3c dadurch vor möglichen Beschädigungen durch Stöße oder Schwingungen während der Herstellung der Vorrichtung oder bei Betrieb zu schützen.
Die obengenannte Anordnung der in den Fig. 8 und 9 gezeigten piezoelektrischen Vorrichtung 1 macht es leicht möglich, die piezoelektrische Vorrichtung mit verbesserter Produktivität herzustellen, weil es nicht notwendig ist, die Kanten der piezoelektrischen Schicht 3b präzise mit jenen der unteren Elektrodenschicht 3a auszurichten. Die Kanten 11 der piezoelektrischen Schicht 3b der in den Fig. 8 und 9 gezeigten Vorrichtung 1 dienen dazu, Kurzschlüsse zwischen der unteren und der oberen Elektrodenschicht 3a bzw. 3c zu vermeiden. Darüber hinaus ermöglichen es die unvollständig verbundenen Bereiche 12 zwischen dem Keramiksubstrat 2 und der Kante 11 der piezoelektrischen Schicht 3b, die über die untere Elektrodenschicht 3a hinausragt, daß sich die piezoelektrische Schicht 3b relativ zum Substrat 2 ungehindert bewegt. So ist es möglich, zufriedenstellende Zuverlässigkeit und Funktionen der Vorrichtung zu erreichen, z.B. die Erzeugung einer großen Kraft oder Verlagerung oder einer hohen Ausgangsspannung.
Es ist anzumerken, daß die vorliegende Erfindung auch auf eine piezoelektrische Vorrichtung angewandt werden kann, die einen einzelnen, auf dem Substrat ausgebildeten piezoelektrischen Wandler umfaßt. Auch in diesem Fall dient die Bildung der Nuten in den dickwandigen Bereichen des Substrats angrenzend an die dünnwandige Bodenwand des Hohlraums dazu, für eine höhere Nachgiebigkeit der Bodenwand und daher beträchtlich verbesserte Betriebseigenschaffen der Vorrichtung zu sorgen.
Um stark verbesserte Betri ebseigenschaften der piezoelektri schen Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung zu erreichen, umfaßt das Substrat 2 als Hauptkomponente vorzugsweise Zirkonoxid, das eine Kristallphase aufweist, die vorzugsweise durch Zusatz zumindest einer Verbindung, ausgewählt aus der aus Yttriumoxid, Ceroxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid bestehenden Gruppe, vollständig oder teilweise stabilisiert wurde.
Die Menge der Additive, die erforderlich ist, um das Zirkonoxid, wie oben beschrieben, teilweise oder vollständig zu stabilisieren, kann für Yttriumoxid 1-30 Mol-%, für Ceroxid 6-50 Mol-% und für Magnesiumoxid und Kalziumoxid 5-40 Mol-% betragen. Insbesondere für Yttriumoxid beträgt die Menge vorzugsweise 2-7 Mol-%, mehr bevorzugt 2-4 Mol-%, da das Zirkonoxid, dem Yttriumoxid in einer solchen Menge zuzusetzen ist, eine teilweise stabilisierte Kristalphase aufweist und so besonders hervorragende Substrateigenschaften aufweist.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Ausbilden des Keramiksubstrats 2 mit zumindest einem Hohlraum besteht darin, eine erste grüne Bahn mit einer gewünschten Dicke und zumindest einer fensterartigen Öffnung herzustellen, die unter Verwendung einer geeigneten Form, durch Stanzen mit einem geeigneten Prägestempel oder maschinelle Bearbeitung, wie z.B. Ultraschallbehandlung, ausgebildet wird. Weiters wird eine zweite, relativ dünne grüne Bahn so hergestellt, daß sie eine Dicke aufweist, die jener des dünnwandigen Bereichs des Substrats entspricht. Die zweite grüne Bahn wird unter vorbestimmten Temperatur/Druck-Bedingungen auf die erste grüne Bahn aufgebracht, dann gebrannt und die beiden somit einstückig verbunden.
Das Material für das Keramiksubstrat 2 kann eine Sinterhilfe, wie z.B. Ton oder dergleichen, enthalten. In diesem Fall ist es, zumindest sofern die zweite grüne Bahn für den dünnwandigen Bereich 2a betroffen ist, wünschenswert, die Zusammensetzung und die Menge an Sinterhilfe so einzustellen, daß zumindest der gesinterte dünnwandige Bereich des Substrats kein Glasmaterial, wie Siliziumoxid, Boroxid, Phosphoroxid, Germaniumoxid, in einer Menge von 1 % oder mehr enthält. Der Grund dafür ist, daß eine zu große Menge an Glasmaterial während der Wärmebehandlung oft zu unerwünschten Reaktionen des Substratmaterials mit dem piezoelektrischen Material führt, was es schwierig macht, die Zusammensetzung des piezoelektrischen Materials zu steuern.
Im Fall von Keramiksubstrat 2, worin der Hohlraum 4 zum Definieren des dünnwandigen Bereichs 2a im allgemeinen quadratische Umrisse aufweist, ist es vorteilhaft, daß der Hohlraum 4 Abmessungen aufweist, die so festgelegt sind, daß die Länge des Hohlraums um das 2- bis 20fache größer ist als seine Breite. Weiters ist der Wandler 3 auf dem dünnwandigen Bereich 2a des Substrats 2 über eine Fläche ausgebildet, die vorzugsweise 50-95% der Breite des Hohlraums 4 entspricht, um zu gewährleisten, daß durch den piezoelektrischen Wandler 3 ein ausreichendes Ausmaß an Verlagerung oder Kraft erzeugt wird.
Damit das wie oben erklärt geformte Keramiksubstrat 2 zutriedenstellende Betriebseigenschaften des darauf ausgebildeten piezoelektrischen Wandlers 3 ermöglicht, ist es vorteilhaft, die Oberflächenrauhigkeit Ra des Substrats 2 so zu regulieren, daß diese in einem Bereich von 0,03-0,9 µm liegt. In diesem Fall kann die im piezoelektrischen Wandler 3 auftretende Formänderung oder Spannung wirksam auf das Substrat 2 mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra im obengenannten Bereich übertragen werden und umgekehrt. Durch eine solche Regulierung der Oberflächenrauhigkeit Ra kann auch eine hohe mechanische Festigkeit des relativ dünnen Substrats gewährleistet werden.
Die grüne Bahn für das Keramiksubstrat 2 kann vor dem Ausbilden des piezoelektrischen Wandlers 3 einem Sintervorgang bei einer Temperatur von 1.000ºC bis 1.800ºC unterzogen werden. Alternativ dazu kann die grüne Bahn für das Keramiksubstrat 2 einem geeigneten Filmbildungsverfahren zum Ausbilden des piezoelektrischen Wandlers 3 unterzogen und dann gesintert werden. Die Ausbildung des piezoelektrischen Wandlers 3 auf dem zuvor gesinterten Keramiksubstrat 2 ist im Hinblick auf die Minimierung der Verwerfung des Endproduktes und die Dimensionsstabilität des piezoelektrischen Wandlers 3 oft wünschenswert.
Die Nut 5 im dickwandigen Bereich 2d des Substrats 2 kann nach verschiedenen Verfahren entweder vor dem Sinterschritt in der grünen Bahn oder im bereits gesinterten Substrat ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Nut im gesinterten Substrat nach einem geeigneten Verfahren, wie z.B. Laserstrahl-, Elektronenstrahl-, Schnitt-, Schuß- und Ultraschallverfahren, ausgebildet werden. Weiters kann die Nut in der grünen Bahn durch Pressen oder Stanzen mit einem geeigneten Prägestempel ausgebildet werden. Das Nutbildungsverfahren kann entweder vor oder nach dem Ausbilden des filmartigen piezoelektrischen Wandlers durchgeführt werden. Unter anderem eignet sich das Laserstrahlverfahren insofern besonders, als die Ausbildung von Nuten mit relativ komplizierter Form in vereinfachter Weise durchgeführt werden kann. In diesem Fall ist es vorteilhaft, besonders auf die Verfahrensbedingungen zu achten, um thermische Spannungen während des Nutbildungsverfahrens zu vermeiden und dadurch die Bildung von Rissen im Keramiksubstrat zu verhindern. Von diesem Standpunkt aus wurde hestätigt, daß ein geeigneter Laser ein Nd-YAG-Laser mit Gauß'scher oder Normalverteilung der Energie im Strahl ist, bei dem eine TEM 00-Einzelmodusresonanz eingesetzt wird.
Vorteilhafterweise wird das Laserstrahlverfahren zum Ausbilden der Nut im dickwandigen Bereich des Keramiksubstrats gemäß vorliegender Erfindung so durchgeführt, daß die Pulsbreite bzw. Pulsdauer des Laserstrahls auf 140 ns oder weniger, vorzugsweise 100 ns oder weniger, reguliert wird, indem mit einem Q-Switch bei einer Frequenz von 3,6 kHz eine Pulssteuerung durchgeführt wird, beispielsweise indem der Laserstrahldurchmesser mittels eines geeigneten Konzentrationslinsensystem auf 50 µm oder weniger, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 5-10 µm, konzentriert wird und indem das Verfahren mit einem Vorschub von 50 mm/s oder weniger durchgeführt wird.
Der piezoelektrische Wandler 3 auf dem Keramiksubstrat 2, der die Elektrodenschichten 3a, 3c und die piezoelektrische Schicht 3b umfaßt, kann nach einem an sich bekannten, geeigneten Filmbildungsverfahren ausgebildet werden. Das heißt, das Filmbildungsverfahren, das angewandt werden kann, um den piezoelektrischen Wandler 3 der Vorrichtung 1 gemäß vorliegender Erfindung auszubilden, umfaßt ein Dickfilmbildungsverfahren, wie z. B. Siebdruck-, Spritz-, Tauch- oder Beschichtungsverfahren, und ein Dünnfilmbildungsverfahren, wie z.B. Ionenstrahl-, Sputter-, Vakuumdampfabscheidungs-, Ionplating-, chemische Dampfphasenabscheidungs-(CVD-) oder Plattierungsverfahren. Insbesondere das Dickfilmbildungsverfahren kann vorteilhafterweise eingesetzt werden, um eine filmartige piezoelektrische Schicht auszubilden. Der Grund dafür ist, daß es das Dickfilmbildungsverfahren leicht möglich macht, einen Film auf dem Keramiksubstrat auszubilden, indem eine Paste oder Aufschlämmung verwendet wird, deren Hauptkomponente ein Pulver aus piezoelektrischem Keramikmaterial ist. In diesem Fall ist es, wenn das Pulver aus piezoelektrischem Keramikmaterial eine durchschnittliche Teilchengröße im Bereich von 0,01 µm bis 5 µm, vorzugsweise 0,05 µm bis 3 µm aufweist, leicht möglich, hervorragende Betriebseigenschaften der piezoelektrischen Vorrichtung zu erzielen. Das Muster eines solchen Films kann zwar nach Siebdruckverfahren oder Photolithographieverfahren ausgebildet werden, es kann aber auch ausgebildet werden, indem unnötige Bereiche des Films durch Laserschneiden, Schnitt-, Ultraschallbehandlungs- oder andere geeignete Bearbeitungsverfahren entfernt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten spezifischen Konstruktionen, Formen und/oder Muster des piezoelektrischen Wandlers beschränkt. Beispielsweise kann der Wandler je nach der Nutzung der piezoelektrischen Vorrichtung eine dreieckige, rechteckige oder andere polygonale Form, eine kreisförmige, elliptische oder ringförmige Form, ein kamm- oder gitterartiges Muster oder eine beliebige Kombination dieser Formen und/oder Muster aufweisen.
Die Elektrodenschichten 3a, 3c und die piezoelektrische Schicht 3b, die nach einem gewählten Verfahren, wie oben beschrieben, auf dem Keramiksubstrat ausgebildet wurden, können zur einstückigen Verbindung mit dem Substrat entweder in verschiedenen Schritten jedesmal, wenn eine Schicht auf dem Substrat ausgebildet wurde, oder gleichzeitig in einem einzelnen Schritt wärmebehandelt werden, nachdem alle Schichten zu einer Laminatstruktur auf dem Substrat ausgebildet wurden. Bei Anwendung dieser Verfahren zur Herstellung der piezoelektrischen Vorrichtung, wie in den Fig. 8 und 9 gezeigt, ist es möglich, die Kanten der piezoelektrischen Schicht 3b unvollständig an das Keramiksubstrat 2 zu binden. Wenn ein Filmbildungsverfahren eingesetzt wird, um die Elektrodenschichten auf dem Substrat oder der piezoelektrischen Schicht auszubilden, ist es nicht immer eine Vorbedingung, die Wärmebehandlung durchzuführen, um die Filmschichten einstückig mit dem Substrat oder der piezoelektrischen Schicht zu verbinden. So kann es beispielsweise Fälle geben, in denen vor dem Ausbilden der oberen Elektrodenschicht 3c ein Überzug aus Isolierharz oder dergleichen auf der Peripherie des Wandlers 3 angebracht wird, oder worin vorgeschobene Kunstharzschichten 13, wie in Fig. 9 gezeigt, auf dem Keramiksubstrat 2 ausgebildet werden, um für eine verbesserte Isolierung zwischen den beiden Elektrodenschichten 3a, 3c auf beiden Seiten der piezoelektrischen Filmschicht 3b zu sorgen. In diesen Fällen wird die obere Elektrodenschicht 3c vorzugsweise nach einem Verfahren ausgebildet, das keine Wärmebehandlung erfordert.
Die zum einstückigen Verbinden der Filmschichten 3a, 3b, 3c des piezoelektrischen Wandlers 3 und des Keramiksubstrats 2 geeignete Temperatur der Wärmebehandlung liegt im allgemeinen in einem Bereich von 900-1.400ºC, vorzugsweise 1.000-1.400ºC. Wenn die piezoelektrische Filmschicht 3b einer Wärmebehandlung unterzogen wird, erfolgt diese vorzugsweise unter Steuerung der Atmosphäre durch gleichzeitiges Erhitzen der Verdampfungsquelle für das piezoelektrische Material, um die Zusammensetzung des piezoelektrischen Materials zu stabilisieren und unerwünschte Änderungen der Zusammensetzung unter Hochtemperaturbedingungen zu vermeiden. Es ist auch vorteilhaft, ein Verfahren anzuwenden, wonach die piezoelektrische Filmschicht gebrannt wird, während sie mit einem geeigneten Abdeckelement bedeckt ist, um zu verhindern, daß die piezoelektrische Filmschicht direkt der Brennatmosphäre ausgesetzt wird. In diesem Fall besteht das Abdeckelement vorzugsweise aus einem Material, das dem Keramiksubstratmaterial ähnlich ist.
Die untere und die obere Elektrodenschicht 3a bzw. 3c des piezoelektrischen Wandlers 3 kann aus jedem elektrisch leitenden Material gebildet werden, welches dem oxidierenden Brennen und der Wärmebehandlungsatmosphäre mit beträchtlich hoher Temperatur standhalten kann, wie oben erklärt. So können die Elektrodenschichten aus einem einzelnen Metall, einer Metall-Legierung, einem Gemisch aus Metall oder Legierung mit einem elektrisch isolierenden Keramikmaterial, z.B. TiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2; usw., oder einem elektrisch leitenden Keramikmaterial gebildet werden. Es wird jedoch bevorzugt, ein Elektrodenmaterial zu verwenden, dessen Hauptkomponente ein Edelmetall mit hohem Schmelzpunkt ist, wie z.B. Platin, Palladium oder Rhodium, oder eine Legierung, wie Silber-Palladium, Silber-Platin, Platin-Palladium oder dergleichen. Im Hinblick auf eine verbesserte Haftung der Elektrodenschichten an der piezoelektrischen Filmschicht und/oder dem Keramiksubstrat wird eher bevorzugt, ein Cermetmaterial aus Platin und dem Keramikmaterial für das Substrat, ein Cermetmaterial aus Platin und dem Keramikmaterial für das Substrat und dem piezoelektrischen Material für die piezoelektrische Filmschicht zu verwenden. Unter anderem wird eher bevorzugt, ein Material zu verwenden, das eine Platin umfassende Hauptkomponente aufweist.
Hinsichtlich der dem Elektroden material zuzusetzenden Additivmaterialien sollte die Verwendung von Glasmaterial wie Siliziumoxid vermieden werden, weil ein solches Material während der Wärmebehandlung zur Reaktion mit dem piezoelektrischen Material neigt, wodurch die Eigenschaften der piezoelektrischen Vorrichtung beeinträchtigt werden. Die dem Elektrodenmaterial zuzusetzende Menge an Substratmaterial beträgt vorzugsweise 5-30 Vol-%, und die Menge des dem Elektrodenmaterial zuzusetzenden piezoelektrischen Materials beträgt vorzugsweise 5-20 Vol-%.
Die Elektrodenschichten 3a, 3c, die aus einem leitenden Material wie oben erwähnt bestehen, können eine Dicke von 20 µm oder weniger, vorzugsweise 5 µm oder weniger, aufweisen.
Die piezoelektrische Schicht 3b kann aus jedem piezoelektrischen Material gebildet werden, das aufgrund des piezoelektrischen Effekts ein relativ großes Ausmaß an feldinduzierter Formänderung oder Verlagerung aufweist, wenn eine Spannung daran angelegt wird. Das piezoelektrische Material kann entweder ein kristallines Material oder ein amorphes Material sein und es kann sich dabei um ein Halbleiter-Material oder ein dielektrisches oder ferroelektrisches Keramikmaterial handeln. Weiters kann das piezoelektrische Material entweder eine Polarisierungsbehandlung zu Beginn erfordern oder nicht.
Vorzugsweise weisen die gemäß vorliegender Erfindung einsetzbaren piezoelektrischen Materialien jedoch eine Zusammensetzung auf, deren Hauptkomponente Bleizirkonattitanat, (PZT), Bleimagnesiumniobat (PMN), Bleinickelniobat (PNN), Bleimanganniobat, Bleiantimonstannat, Bleizinkniobat, Bleititanat, Bleizirkonat oder ein Gemisch oder eine feste Lösung davon ist. Weiters kann den oben angeführten piezoelektrischen Materialien, deren Hauptkomponente PZT oder dergleichen ist, eine geeignete Menge an Additiven zugesetzt werden, die ein Oxid oder eine Verbindung von Lanthan, Barium, Niob, Zink, Cer, Cadmium, Chrom, Kobalt, Antimon, Eisen, Yttrium, Tantal, Wolfram, Nickel, Mangan, Lithium, Strontium, Kalzium und/oder Wismut umfaßt, um ein Material zu erhalten, dessen Hauptkomponente PLZT ist. Die Zugabe von Glasmaterial wie Siliziumoxid sollte jedoch vermieden werden, da in den piezoelektrischen Materialien wie PZT enthaltenes Blei dazu neigt, mit dem Glasmaterial zu reagieren, was es schwierig macht, eine gewünschte Zusammensetzung der piezoelektrischen Filmschicht zu erreichen, wodurch unerwünschte Schwankungen und Beeinträchtigungen der Betriebseigenschaften der piezoelektrischen Vorrichtung hervorgerufen werden.
Von den oben angeführten piezoelektrischen Materialien wird vorzugsweise ein Material eingesetzt, dessen Hauptkomponente ein Gemisch aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat oder ein Gemisch aus Bleinickelniobat, Bleimagnesiumniobat, 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 während der Wärmebehandlung ein besonders geringes Reaktionsvermögen mit dem Substratmaterial auf, und es kommt daher zu keiner Entmischung seiner Komponenten. Daher dient eine geeignete Behandlung zum Beibehalten der Zusammensetzung dazu, leicht eine gewünschte Zusammensetzung oder Kristalstruktur zu erreichen. Weiters wird es mit der in den Fig. 8 und 9 gezeigten Ausführungsform möglich, die Kanten der piezoelektrischen Schicht 3b in einem derartigen unvollständig verbundenen Zustand mit dem Keramiksubstrat 2 über die unter Elektrodenschicht 3a hinausragen zu lassen, daß ein einwandfreier Betrieb des piezoelektrischen Wandlers 3 gewährleistet wird. 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 Dickfilmbildungsverfahren, wie z.B. Siebdruck-, Spritz-, Tauch-, Beschichtungsverfahren und dergleichen, eignet.
Ein solches piezoelektrisches Mehrkomponentenmaterial weist zwar piezoelektrische Eigenschaften auf, die je nach der Zusammensetzung der Komponenten variieren, aber ein gemäß vorliegender Erfindung zweckmäßig einsetzbares Drei komponenten material, das aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat besteht, weist vorzugsweise eine Zusammensetzung in der Nähe der Phasengrenzen einer pseudokubischen Kristallphase, einer tetragonalen Kristallphase und einer rhomboedrischen Kristallphase auf. Um eine ausreichend hohe piezoelektrische Konstante und einen ausreichend hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor zu gewährleisten, ist es besonders vorteilhaft, eine Zusammensetzung einzusetzen, die 15-50 Mol-% Bleimagnesiumniobat, 10-45 Mol-% Bleizirkonat und 30-45 Mol-% Bleititanat enthält.
Der piezoelektrische Wandler, der die Elektrodenschichten 3a, 3c und die oben beschriebene piezoelektrische Filmschicht 3b umfaßt, hat im allgemeinen eine Dicke von 100 µm oder weniger. Um ein relativ großes Ausmaß an Verlagerung bei relativ geringer Spannung zu gewährleisten, hat die piezoelektrische Filmschicht 3b eine Dicke, die vorzugsweise 50 µm oder weniger beträgt und noch bevorzugter im Bereich von 3-40 µm liegt.
Bei unimorphen oder bimorphen piezoelektrischen Vorrichtungen, bei denen der quergerichtete Effekt der feldinduzierten Formänderung ausgenutzt wird, ist es, wenn das piezoelektrische Material eine Polarisationsbehandlung erfordert, in der Praxis allgemein üblich, die Behandlung durch Anlegen einer Spannung zwischen der oberen und der unteren Elektrode durchzuführen. Im Fall der obengenannten filmartigen piezoelektrischen Vorrichtung, wie gemäß vorliegender Erfindung, ist es vorzuziehen, die Polarisierungsbehandlung so durchzuführen, daß die obere Elektrodenfilmschicht die positive Elektrode ist. Das heißt, im Fall der gemäß vorliegender Erfindung ausgebildeten piezoelektrischen Schicht tendieren Spannungen, die während des Sinterns oder der Wärmebehandlung in der piezoelektrischen Schicht erzeugt werden, dazu, Domänen oder Ausrichtungen in eine Richtung entlang der Polarisationsrichtung zu bilden, was es möglich macht, in der Folge eine wirksame Polarisationsbehandlung durchzuführen.
Zur Bestätigung der vorteilhaften Funktionsweise der vorliegenden Erfindung wurden Vergleichsversuche mit einer Reihe von Proben der piezoelektrischen Vorrichtung durchgeführt, die jeweils ein Substrat mit Hohlräumen und 5 gleichartigen piezoelektrischen Wandlern 3A, 3B, 3C, 3D und 3E aufweisen, wie in Fig. 10 gezeigt. Die Details dieser Proben sind die folgenden.
Vergleichsprobe S&sub1; weist, wie in den Fig. 5A und 5B gezeigt, offene Hohlräume auf und umfaßt keine Nuten in den dickwandigen Bereichen des Substrats.
Vergleichsprobe S&sub2; weist geschlossene Hohlräume auf, die von einer Verschlußwand, wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt, verschlossen ist, und umfaßt keine Nuten in den dickwandigen Bereichen des Substrats.
Vergleichsprobe S&sub3; weist offene Hohlräume auf und umfaßt seichte Nuten in den dickwandigen Bereichen des Substrats, wobei jede Nut zwischen benachbarten Wandlern angeordnet ist und eine Tiefe aufweist, die im wesentlichen die gleiche wie die Dicke des dünnwandigen Bereichs des Substrats ist.
Die erfindungsgemäße Probe S&sub4; weist geschlossene Hohlräume auf und umfaßt Nuten in den dickwandigen Bereichen des Substrats, wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt, wobei jede Nut zwischen benachbarten Wandlern angeordnet ist und eine Tiefe von 100 µm aufweist, was größer ist als die Dicke des dünnwandigen Bereichs des Substrats.
Die erfindungsgemäße Probe S&sub5; weist geschlossene Hohlräume auf und umfaßt Nuten in den dickwandigen Bereichen des Substrats, wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt, wobei jede Nut zwischen benachbarten Wandlern angeordnet ist und eine Tiefe von 50 µm aufweist, was größer ist als die Dicke des dünnwandigen Bereichs des Substrats.
Die erfindungsgemäße Probe S&sub6; weist geschlossene Hohlräume auf und umfaßt Nuten in den dickwandigen Bereichen des Substrats, wobei zwei Nuten zwischen benachbarten Wandern angeordnet sind, wie in Fig. 7 gezeigt, wovon jede eine Tiefe von 100 µm aufweist, was größer ist als die Dicke des dünnwandigen Bereichs des Substrats.
Jede Probe umfaßt ein Substrat, das eine Schicht umfaßt, die die periphere Wand des Hohlraums bildet und eine Dicke von 150 µm aufweist, die mit einer Verschlußwand mit einer Dicke von 150 µm kombiniert sein kann, wobei die Dicke des dünnwandigen Bereichs 10 µm beträgt.
Zunächst wurden unter Verwendung der Vergleichsproben S&sub1; und S&sub2; und der erfindungsgemäßen Probe S&sub4;, die mit einer Eingangsspannung von 30 V betrieben wurden, die vertikale Verlagerung oder Biegung und die relative Dielektrizitätskonstante bezogen auf den in der Mitte des Substrats angeordneten piezoelektrischen Wandler 3C gemessen. Die Messung des Ausmaßes der vertikalen Verlagerung des zentralen Wandlers 3C wurde unter Verwendung eines Doppler-Laservibrometers durchgeführt. Das Ergebnis der Messung wird nachstehend in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
Aus Tabelle 1 geht hervor, daß, bezogen auf die Vergleichsprobe S&sub2; und die erfindungsgemäße Probe S&sub4;, die beide ein Substrat mit geschlossenen Hohlräumen umfassen, das durch den zentralen Wandler 3C der Probe S&sub4; erreichte Ausmaß an vertikaler Verlagerung höher ist als das durch den zentralen Wandler 3C der Vergleichsprobe S&sub2; erzielte. Weiters unter Bezugnahme auf die erfindungsgemäße Probe S&sub4; und die Vergleichsprobe S&sub1;, die ein Substrat mit offenen Hohlräumen umfaßt, ist das durch den zentralen Wandler 3C der Probe S&sub4; erzielte Ausmaß an vertikaler Verlagerung, obwohl das Substrat von Probe S&sub4; geschlossene Hohlräume enthält, im wesentlichen genauso groß wie durch den zentralen Wandler 3C der Vergleichsprobe S&sub1;. Darüber hinaus weist der Wandler der erfindungsgemäßen Probe S&sub4; die höchste relative Dielektrizitätskonstante auf. Es wird angenommen, daß der Grund dafür die minimierten Restspannungen in der piezoelektrischen Filmschicht und deren verbesserte Materialeigenschaften sind, die beide durch das Ausbilden der Nuten in den dickwandigen Bereichen des Substrats und die resultierende erhöhte Nachgiebigkeit der dünnwandigen Bereiche erreicht werden.
An den Proben S&sub1; bis S&sub6; wurden Versuche durchgeführt, um die Größe der Wechselwirkung oder des Übersprechens zwischen benachbarten piezoelektrischen Wandern quantitativ zu messen. Diese Größe ist als reduzierte Verlagerungsrate Dred (in %) definiert und wird durch folgende Formel ausgedrückt:
worin Dn (3A-3E) das Ausmaß an Verlagerung von Wandler 3n ist, wenn alle Wandler 3A-3E gleichzeitig in Betrieb sind, und Dn(3n) das Ausmaß an Verlagerung von Wandler 3n ist, wenn nur dieser Wandler in Betrieb ist. Die nachstehende Tabelle 2 zeigt die reduzierte Verlagerungsrate Dred (in %) für jeden Wandler der Proben S&sub1; bis S&sub6;. Tabelle2
Aus Tabelle 2 ist zu entnehmen, daß bei den Vergleichsproben S&sub1; bis S&sub3; bei gleichzeitigem Betrieb benachbarter Wandler die Verlagerung jeder Wandlers tendenziell verringert wird und sich die Schwankungen der reduzierten Verlagerungsrate Dred erhöhen. Im Gegensatz dazu führt bei den erfindungsgemäßen Proben S&sub4; bis S&sub6; der gleichzeitige Betrieb benachbarter Wandler nicht zu einer wesentlichen Verringerung der Verlagerung jedes Wandlers und zu keinen Schwankungen der reduzierten Verlagerungsrate Dred. Somit ermöglicht es die vorliegende Erfindung, die Wechselwirkung oder ein Übersprechen zwischen benachbarten piezoelektrischen Wandlern zu unterdrücken. Bei den Vergleichsproben S&sub2; und S&sub3; ist die Unterdrückung der Wechselwirkung oder von Übersprechen zwischen benachbarten piezoelektrischen Wandern im Fall von Nuten, deren Tiefe im wesentlichen gleich groß wie die Dicke der dünnwandigen Bereiche ist, immer noch unzureichend. Bei den Proben S&sub4; und S&sub5; gemäß vorliegender Erfindung dient eine größere Tiefe der Nuten dazu, die Wechselwirkung oder ein Übersprechen zwischen benachbarten piezoelektrischen Wandlern wirksamer zu unterdrücken. Bei den Proben S&sub4; und S&sub6; gemäß vorliegender Erfindung führt weiters die Ausbildung zweier Nuten zwischen benachbarten Wandlern zu einer noch wirksameren Unterdrückung der Wechselwirkung oder von Übersprechen zwischen benachbarten piezoelektrischen Wandlern.
Aus der obigen detaillierten Beschreibung ist deutlich zu entnehmen, daß ein Merkmal der piezoelektrischen Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung die Ausbildung zumindest einer Nut im relativ dickwandigen Bereich des Substrats angrenzend an die periphere Wand des Hohlraums und um diese herum ist. Daher ist es möglich, für eine höhere Nachgiebigkeit des relativ dickwandigen Substratbereichs in der Nähe der peripheren Wand des Hohlraums zu sorgen, mit der die dünnwandigen Bereiche des Substrats aufgrund von Brennschrumpfung während der Herstellung der Vorrichtung leicht verformt werden können. Daher kann der Wandler während der Herstellung der Vorrichtung trotz der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien des Substrats und des piezoelektrischen Wandlers relativ ungehindert der Brennschrumpfung unterzogen werden, wodurch die Restspannungen im Wandler minimiert werden und eine stark verbesserte Betriebseigenschaft der Vorrichtung gewährleistet wird.
Darüber hinaus dienen die Nuten im relativ dickwandigen Bereich des Substrats, wenn die piezoelektrische Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung eine Anordnung aus piezoelektrischen Wandlern umfaßt, die auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sind, dazu, Wechselwirkungen oder ein Übersprechen zwischen den Wandlern wirksam auszuschalten oder zu unterdrücken, und machen es leicht möglich, gleichmäßig ein gewünschtes Ausmaß an Verlagerung der dünnwandigen Bereiche des Substrats in eine Richtung senkrecht zur allgemeinen Oberfläche des Substrats zu erzielen.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf einige bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sind diese nur als beispielhaft zu verstehen.

Claims

1. Piezoelektrische Vorrichtung, umfassend ein Keramiksubstrat (2) mit einer Außenfläche, wobei das Substrat lokal mit zumindest einem Hohlraum (4) ausgebildet ist, der durch zumindest eine periphere Wandfläche und eine Bodenwandfäche definiert ist, wobei die Bodenwandfläche eine der Außenfläche gegenüberliegende Oberfläche mit einem Bodenwandbereich (2a) mit verringerter Dicke ist und die periphere Wandfläche eine Oberfläche eines dickwandigen Bereichs (2d) ist, der an den Hohlraum (4) angrenzt und diesen umgibt, wobei die Vorrichtung weiters zumindest einen filmartigen piezoelektrischen Wandler (3) umfaßt, der einstückig mit dem Substrat (2) ausgebildet und an der Außenfläche gegenüber der Bodenwandfläche angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der dickwandige Bereich mit zumindest einer Nut (5) ausgebildet ist, die sich die periphere Wandfläche entlang erstreckt und eine Tiefe aufweist, die größer als die Dicke des Bodenwandbereichs ist, wobei die Nut (5) so angeordnet ist, daß gleichzeitige Verlagerungen des Bodenwandbereichs (2a) und des dickwandigen Bereichs (2d) zwischen dem Hohlraum (4) und der Nut (5) zugelassen werden, wodurch eine Volumsänderung des Hohlraums (4) verursacht wird.

2. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Keramiksubstrat (2) Zirkonoxid als Hauptkomponente umfaßt, wobei das Zirkonoxid eine vollständig oder teilweise stabilisierte Zirkonoxid-Kristallphase aufweist.

3. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 2, worin das Zirkonoxid eine Zirkonoxid-Kristallphase aufweist, die durch die Zugabe von zumindest einem von Yttriumoxid, Ceroxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid vollständig oder teilweise stabilisiert worden ist.

4. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin die Dicke des Bodenwand bereichs (2a) 50 µm oder weniger beträgt.

5. Piezoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 his 4, worin der piezoelektrische Wandler (3) eine erste Elektrodenschicht (3a), eine piezoelektrische Schicht (3b) und eine zweite Elektrodenschicht (3c) umfaßt, die aufeinanderfolgend miteinander laminiert sind.

6. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 5, worin die piezoelektrische Schicht (3b) ein Material umfaßt, das als Hauptkomponente ein Gemisch aus Bleimangesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat aufweist.

7. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 5, worin die piezoelektrische Schicht ein Material umfaßt, das als Hauptkomponente ein Gemisch aus Bleinickelniobat, Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat aufweist.

8. Piezoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin das Keramiksubstrat (2) eine erste Schicht (22), die mit zumindest einer fensterartigen Öffnung (22a) ausgebildet ist, sowie eine zweite Schicht (23) auf einer Seite der ersten Schicht (22) umfaßt, wobei die Öffnung (22a) in der ersten Schicht eine Peripherie aufweist, welche die periphere Wandfläche des Hohlraums (4) bildet, und die zweite Schicht (23) eine Seite der Öffnung (22a) in der ersten Schicht verschließt und dadurch die Bodenwandfäche des Hohlraums (4) bildet.

9. Piezoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin das Keramiksubstrat (2) eine erste Schicht (22), die mit zumindest einer fensterartigen Öffnung (22a) ausgebildet ist, sowie eine zweite Schicht (23) auf einer Seite der ersten Schicht (22) umfaßt, wobei die Öffnung (22a) in der ersten Schicht eine Peripherie aufweist, welche die periphere Wandfläche des Hohlraums (4) bildet, und die zweite Schicht (23) eine Seite der Öffnung (22a) in der ersten Schicht verschließt und dadurch die Bodenwandfäche des Hohlraums (4) bildet, und worin das Keramiksubstrat weiters eine dritte Schicht (21) auf der der zweiten Schicht (23) gegenüberliegenden Seite der ersten Schicht (22) umfaßt, wobei die dritte Schicht (21) zumindest teilweise eine weitere Seite der Öffnung (22a) in der ersten Schicht verschließt.

10. Piezoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin das Keramiksubstrat eine erste Schicht, die mit zumindest einem dünnwandigen Bereich ausgebildet ist, um den Hohlraum zu definieren, sowie eine zweite Schicht auf der ersten Schicht auf der Seite einer Innenfläche des Substrats umfaßt, um den Hohlraum in der ersten Schicht zu verschließen.