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Dokumentenidentifikation DE69607666T2 31.08.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0725450
Titel Laminiertes piezoelektrisches Element und Vibrationswellenantrieb
Anmelder Canon K.K., Tokio/Tokyo, JP;
Taiheiyo Cement Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Ezaki, Toru, Tokyo, JP;
Yamakawa, Takahiro, Kita-ku, Tokyo, JP;
Maruyama, Yutaka, Ohta-ku, Tokyo, JP;
Kojima, Nobuyuki, Ohta-ku, Tokyo, JP
Vertreter Tiedtke, Bühling, Kinne & Partner, 80336 München
DE-Aktenzeichen 69607666
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 25.01.1996
EP-Aktenzeichen 963005038
EP-Offenlegungsdatum 07.08.1996
EP date of grant 12.04.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.08.2000
IPC-Hauptklasse H01L 41/08
IPC-Nebenklasse H01L 41/09   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schichtpiezoelektroelement oder ein Vibrationsbetätigungsglied, das für einen Vibrationswellenmotor geeignet ist.

Herkömmlicherweise verwendet, wie dies bei beispielsweise in den offengelegten Japanischen Patentanmeldungen Nr. 3-40 767 und 3- 117 384 gezeigt ist, ein Ultraschallwellenmotor der Langevin-Art ein Vibrationselement mit einem Aufbau, der durch ein Schichten (Stapeln) einer Vielzahl von piezoelektrischen Elementplatten als Einzellagen gebildet wird, die jeweils rechte und linke oder vordere und hintere Abschnitte mit einer entgegengesetzten Polarisationsrichtung in der Richtung der Dicke haben, um eine Elektrodenplatte zwischen benachbarte Platten sandwichartig anzuordnen (siehe Fig. 8).

In der Vergangenheit wurde ein sogenanntes Schichtkeramikpiezoelektroelement, das durch ein einstückiges Ausführen des vorstehend erwähnten Aufbaus erhalten worden ist, verwendet, um die Antriebsspannung zu senken und um die Größe des Elementes zu verringern.

Es ist zu beachten, dass ein Schichtkeramikpiezoelektroelement 101 den nachstehend beschriebenen Aufbau hat. Das heißt, eine Innenelektrode 102, an der Elektrodenmuster, die durch ein Teilen eines Ringes in vier Abschnitte erhalten werden, ausgebildet sind, ist zwischen zwei benachbarten Keramiklagen vorhanden und jede andere Innenelektrode 102 in der Schichtrichtung ist mit Zwischenlagenanschlussleitungen 103 verbunden, wie dies in den Fig. 7A und 7B gezeigt ist. An der Oberfläche des Elementes 101 sind Oberflächenelektroden 104 mit den Zwischenlagenanschlussleitungen 103 verbunden.

Das Element 101 ist so polarisiert, dass seine Dicke an dem ersten und zweiten Quadrant zunimmt und an dem dritten und vierten Quadrant abnimmt, wenn beispielsweise eine positive Spannung angelegt wird (natürlich zeigt es ein entgegengesetztes Verhalten an den jeweiligen Quadranten beim Anlegen einer negativen Spannung).

Wenn das Element 101 angetrieben wird, wird ein Resonanzfrequenzsignal mit einer vorgegebenen Phase zu dem ersten und dritten Quadranten eingegeben (was nachstehend als die "A-Phase" bezeichnet ist) und ein Resonanzfrequenzsignal mit einem Phasenunterschied von 90º gegenüber dem erstgenannten Signal wird an dem zweiten und vierten Quadranten eingegeben (was nachstehend als "B-Phase" bezeichnet ist), womit eine oszillierende Schwingung bewirkt wird.

Bei dem vorstehend erwähnten Schichtkeramikpiezoelektroelement kann die Dicke von jeder Lage, die das Element bildet, ausreichend kleiner als jene der Einzellagen-Elementeplatte sein und ein Mehrlagenaufbau kann verwirklicht werden. Aus diesem Grund kann die zum Antreiben des Elementes erforderliche Spannung außerordentlich verringert werden und eine Verringerung der Größe und ein Niedrigspannungsantriebsvorgang des Elementes kann verwirklicht werden. Wie dies vorstehend beschrieben ist, hat das Element viele gute Eigenschaften.

Wenn jedoch der Ultraschallwellenmotor der Langevin-Art oder das Betätigungsglied der Langevin-Art tatsächlich unter Verwendung des vorstehend erwähnten Schichtkeramikpiezoelektroelementes hergestellt wird, ist der Unterschied (ΔF) zwischen den Resonanzfrequenzen der Phase A und Phase B des Schwingungselementes groß und der Koeffizient (Qm) der mechanischen Qualität ist demjenigen eines Motors unterlegen, der Einzellagen-Piezoelektroelementplatten verwendet. Als ein Ergebnis kann ein Motor oder ein Betätigungsglied, der oder das praktisch verwendet werden kann, nicht erzielt werden.

Es ist zu beachten, dass von einem der Erfinder der vorliegenden Erfindung ebenfalls die US-Patentanmeldung Nr. 08/111 052 und die Europäische Patentanmeldung Nr. 0 584 775 angemeldet worden ist.

Ein Aspekt der Erfindung ist es, ein Schichtpiezoelektroelement oder geschichtetes piezoelektrisches Element gemäß Anspruch 1 zu schaffen, bei dem jeweils die obere und die untere Fläche mit Ausnahme der Oberflächenelektroden des Elementes so ausgebildet ist, dass sie eine ebene Fläche mit einem Höhenunterschied ist, der weniger als oder gleich 20 um beträgt, wobei die Fläche von jeder Oberflächenelektrode so eingestellt ist, dass sie innerhalb des Bereiches von 0,002 mm² bis 0,2 mm² fällt, und jede Oberflächenelektrode so ausgebildet ist, dass sie von der Elementfläche vorsteht.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Die Fig. 1A und 1B zeigen jeweils eine Aufbauansicht bzw. eine Außenansicht von einem Schichtkeramikpiezoelektroelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen Qm, ΔF und dem Vorstehbetrag der Oberflächenelektrode bei Versuch 3.

Fig. 3 zeigt eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen Qm, ΔF und der Fläche der Oberflächenelektrode bei Versuch 4.

Die Fig. 4A und 4B zeigen jeweils eine Aufbauansicht bzw. eine Außenansicht von einem Schichtkeramikpiezoelektroelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 5A und 5B zeigen jeweils eine Aufbauansicht bzw. eine Außenansicht von einem Schichtkeramikpiezoelektroelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht von einem Ultraschallmotor, in dem das Schichtkeramikpiezoelektroelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eingebaut ist.

Die Fig. 7A und 7B zeigen jeweils eine Aufbauansicht bzw. eine Außenansicht von einem Schichtkeramikpiezoelektroelement gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 8 zeigt eine Schnittansicht von einem herkömmlichen Ultraschallwellenmotor, in dem eine Vielzahl an Keramikpiezoelektroelementplatten eingebaut ist.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Ebenheit der oberen und unteren Fläche des Elementes so definiert, dass jede Fläche so ausgebildet ist, dass sie eine ebene Fläche mit einem Höhenunterschied oder einer Oberflächenrauhigkeit ist, der bzw. die weniger als oder gleich 20 um beträgt.

Es wurde auf der Grundlage von Versuchsergebnissen herausgefunden, dass, wenn die Oberflächenrauhigkeit bei jeweils der oberen und unteren Oberfläche des Elementes größer als 20 um ist, wenn das Element bei einem Ultraschallmotor oder Betätigungsglied der Langevin-Art verwendet wird, der Koeffizient (Qm) der mechanischen Qualität als Ganzes abnimmt und die Differenz (ΔF) zwischen den Resonanzfrequenzen bei den jeweiligen Phasen groß wird.

Ein Verfahren zum Herstellen eines Schichtkeramikpiezoelektroelementes mit einer ebenen oberen und unteren Oberfläche wird grob in die nachstehend erörterten zwei Verfahren eingeteilt.

Bei einem Verfahren wird ein Element mit einer großen Ebenheit hergestellt, in dem eine Verzugskorrektur (Nachsintern) oder ein Läppen nach dem Sintern ausgeführt wird. In diesem Fall können Oberflächenelektroden und dergleichen anschließend ausgebildet werden.

Bei dem anderen Verfahren wird das Element hergestellt, während Prozesse wie beispielsweise das Ausbilden, Sintern und dergleichen sorgfältig gesteuert werden, so dass eine Verformung oder ein Verzug nicht bewirkt wird.

Die vorliegende Erfindung kann eines der vorstehend erwähnten Verfahren aufgreifen und ist nicht auf ein spezielles Herstellverfahren besonders beschränkt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Höhe von jeder Oberflächenelektrode nicht berücksichtigt. Aus diesem Grund müssen, wenn das Element verwendet wird, die Anschlüsse so ausgebildet sein, dass die Höhe von jeder Oberflächenelektrode aufgehoben wird.

Genauer gesagt muss beispielsweise die nachstehend erörterte Gegenmaßnahme ergriffen werden. Das heißt, der Anschlussabschnitt von einer Elektrodenplatte, der mit der Oberflächenelektrode zu verbinden ist, muss in Übereinstimmung mit der Höhe der Elektrode mit Vertiefungen versehen sein.

Beim Messen der Oberflächenrauhigkeit (mit Ausnahme der Oberflächenelektrodenabschnitte) bei jeweils der oberen und der unteren Oberfläche des Elementes wird die Differenz vorzugsweise dreidimensional unter Verwendung einer Formmessvorrichtung einer kontaktfreien Art gemessen, während das Element auf einer ebenen Fläche angeordnet ist, da der Wert dann genau gemessen werden kann.

Die Differenz kann durch eine Formmessvorrichtung einer Kontaktart wie beispielsweise einer Oberflächenrauhigkeitmesseinrichtung gemessen werden. Wenn jedoch das Element eine konvexe hintere Oberfläche hat, kann das Element versehentlich durch beispielsweise den Meßfühlerdruck betätigt werden, und eine genaue Messung kann dann beeinträchtigt sein.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird zusätzlich zu dem vorstehend erörterten Erfordernis die Fläche von jeder Oberflächenelektrode so eingestellt, dass sie innerhalb des Bereiches von 0,002 mm² bis 0,2 mm² fällt, und jede Oberflächenelektrode ist so ausgebildet, dass sie von der Elementfläche vorragt.

Wenn das Element derartige Oberflächenelektroden hat, kann ein Element, das einen Anschluss mit Oberflächenelektroden unter Verwendung von Elektrodenplatten ermöglicht und eine geringe Resonanzfrequenzdifferenz (ΔF) und einen hohen Koeffizient (Qm) der mechanischen Qualität hat, verwirklicht werden.

Genauer gesagt wurde durch Versuche herausgefunden, dass, wenn die Fläche von jeder Oberflächenelektrode kleiner als 0,002 mm² ist, der Widerstandswert des Verbindungsabschnittes zunimmt und der Koeffizient (Qm) der mechanischen Qualität abnimmt; wenn die Fläche größer als 0,02 mm² ist, der Einfluss der Elektrodendicke oder des Vorstehbetrages der Elektrode nicht beseitigt werden kann, selbst wenn eine flexible Schaltungstafel verwendet wird, und die Differenz (ΔF) zwischen den Resonanzfrequenzen der Phasen nimmt zu.

Jede Oberflächenelektrode ragt vorzugsweise von der Elementoberfläche vor, um eine Verbindung mit einer Elektrodenplatte sicherzustellen.

Als ein Verfahren zum Ausbilden der vorstehend erwähnten Oberflächenelektroden ist ein Druckverfahren das einfachste Verfahren. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Herstellverfahren beschränkt. Beispielsweise kann ein CVD- Verfahren, ein Zerstäubungsverfahren oder dergleichen angewendet werden. Alternativ kann eine Leiterlage an der gesamten Oberfläche des Elementes ausgebildet sein und seine Umfangsabschnitte können durch beispielsweise Ätzen zum Ausbilden von Oberflächenelektroden entfernt werden.

Wenn ein numerischer Wert, der die Fläche von jeder Oberflächenelektrode definiert, in den Durchmesser eines Kreises umgewandelt wird, hat jede Oberflächenelektrode einen Durchmesser von ungefähr 50 um bis 500 um. Da die Oberflächenelektrode keine kreisartige Form haben muss, wird die Fläche zum Definieren der Oberflächenelektrode bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet. Die Fläche der Oberflächenelektrode, die bei diesem Ausführungsbeispiel definiert ist, ist die Vorstehfläche unter Betrachtung von oben und umfasst nicht die Höhenkomponente von einem vorstehenden oder vorragenden Abschnitt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Vorstehbetrag von jeder Oberflächenelektrode so definiert, dass er innerhalb des Bereiches von 1 um bis 20 um fällt.

Das Schichtkeramikpiezoelektroelement, das nur die vorstehend erwähnten zwei Erfordernisse erfüllt, ist ausreichend praktisch anwendbar. Außerdem wurde durch Versuche herausgefunden, dass, wenn der Vorstehbetrag von jeder Oberflächenelektrode von der Elementfläche in den vorstehend erwähnten Bereich fällt, ein Element mit einer kleineren Differenz (ΔF) zwischen den Resonanzfrequenzen der Phasen und einem höheren Koeffizient (Qm) der mechanischen Qualität verwirklicht werden kann, und ein elektrischer Anschluss zuverlässig erzielt werden kann, womit ein Element mit einer höheren Zuverlässigkeit vorgesehen wird.

Das Herstellverfahren der Oberflächenelektroden mit dem vorstehend erwähnten Vorstehbetrag ist nicht speziell beschränkt. In Hinblick auf den Vorstehbetrag (auf die Dicke) der auszubildenden Oberfächenelektrode ist das Druckverfahren am geeignetsten.

Bei einem Schichtkeramikpiezoelektroelement 11, das in den Fig. 5A und 5B (die nachstehend beschrieben sind) gezeigt ist, d. h. bei dem Element, bei dem Elektroden 12, die innerhalb des Elementes vorhanden sind, durch eine Zwischenlagenanschlussleitung 13, die im Inneren des Elementes ausgebildet ist, verbunden sind, wenn das Element 11 einem Oberflächenläppen unterworfen ist, wird das Piezoelektroelementmaterial (das normalerweise aus Keramik auf PZT-Grundlage besteht) mehr als die Zwischenlagenanschlussleitung 13 (die normalerweise aus Ag-Pd oder Pt besteht) geschliffen, und folglich steht die Zwischenlagenanschlussleitung 13 von der Elementfläche vor. Aus diesem Grund kann durch ein Steuern der Läppbedingung eine Oberflächenelektrode 13 mit dem vorstehend erwähnten Vorstehbetrag ausgebildet werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Positionsbeziehung der an dem Element ausgebildeten Oberflächenelektroden so definiert, dass die Oberflächenelektroden eine gut ausgeglichene Anordnung an der Oberfläche des Elementes haben.

Selbst wenn der Einfluss der Dicke oder des Vorstehbetrages von jeder Oberflächenelektrode unter Verwendung einer flexiblen Schaltungstafel beseitigt werden kann, da die Oberflächenelektroden selbst nicht schwingen, können sie Störkomponenten in Hinblick auf die Resonanz werden. Wenn derartige Oberflächenelektroden so ausgebildet sind, dass sie an einem Abschnitt des Elementes konzentriert sind, wird die Resonanzfrequenz des Elementabschnittes, an dem die Oberflächenelektroden konzentriert sind, von derjenigen der anderen Elementabschnitte unterschiedlich und folglich nimmt der Koeffizient (Qm) der mechanischen Qualität ab.

Es ist zu beachten, dass "die gut ausgeglichene Anordnung der Oberflächenelektroden an der Oberfläche des Elementes" nicht nur einen Fall umfasst, bei dem beispielsweise acht Oberflächenelektroden unter gleichwinkligen Abständen an einem einzigen Umfang angeordnet sind, sondern auch einen Fall, bei dem Paare an Oberflächenelektroden, die nahe zueinander sind, an vier Positionen unter gleichen Winkelabständen an einem einzigen Umfang angeordnet sind.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind, wie dies in Fig. 5A gezeigt ist, Innenelektroden 12 des Elementes 11 mit Zwischenlagenanschlussleitungen 13 verbunden, die im Inneren des Elementes ausgebildet sind.

Wenn die Zwischenlagenanschlussleitungen 13 im Inneren des Elementes ausgebildet sind, können Zwischenlagenanschlussleitungen (wie beispielsweise die in Fig. 7 gezeigten Zwischenlagenanschlussleitungen 103), die zusätzliche Vorsprünge an der Außenwandfläche des Elementes ausbilden, weggelassen werden, und eine Störung in Hinblick auf die Resonanz des Elementes kann beseitigt werden. Aus diesem Grund kann die Resonanzfrequenzdifferenz des Vibrationselementes weiter verringert werden und ein höherer Koeffizient (Qm) der mechanischen Qualität wird erhalten, da die Resonanzkurve spitz wird.

Die Zwischenlagenanschlussleitungen 13 im Inneren des Elementes sind sogenannte Durchgangslöcher und können unter Verwendung eines Herstellverfahrens für ein Keramiksubstrat einer Niedrigtemperatursinterart ausgebildet werden.

Bei einem allgemeinen Verfahren zum Ausbilden von Durchgangslöchern werden Löcher in einem Rohblatt eines Piezoelektroelementes vor dem Schichten ausgebildet und mit einer Leiterpaste gefüllt. Danach werden Innenelektrodenmuster auf das Blatt gedruckt und danach werden die Blätter geschichtet und gesintert.

Durch dieses Verfahren werden die Innenelektroden und die Durchgangslöcherelektroden einstückig gesintert und Anschlussleitungen, die die Lagen des Elementes verbinden, können ausgebildet werden.

Natürlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das vorstehend erwähnte Verfahren beschränkt, solange die Zwischenlagenanschlussleitungen innerhalb des Elementes ausgebildet sind.

Darüber hinaus ist bei diesem Ausführungsbeispiel, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, ein Verfahren zum Zuführen von elektrischer Energie zu einem Element A gemäß diesem Ausführungsbeispiel definiert, so dass eine Anschlusstafel B sich in einem Druckkontakt mit der Oberfläche des Elementes A mit den Oberflächenelektroden befindet.

Eine Leiterlage ist an der Anschlusstafel B ausgebildet. Beispielsweise, wenn das Element A gemäß diesem Ausführungsbeispiel bei einem Ultraschallmotor der Langevin-Art verwendet wird, greifen, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, die Oberflächenelektroden, die von der Oberfläche des Elementes A vorstehen, in die Leiterlage an der Anschlusstafel B durch die Feststellkraft einer Schraube C und Statoren D&sub1; und D&sub2;, womit ein zuverlässiger elektrischer Anschluss erzielt wird. Außerdem erfahren die Oberflächenelektroden und die Leiterlage eine plastische Verformung, wodurch ein gleichmäßiger Kontaktzustand verwirklicht wird.

Es ist zu beachten, dass die Anschlusstafel B vorzugsweise eine sogenannte flexible Schaltungstafel aufweist, die durch ein Ausbilden eines Leiters wie beispielsweise Kupfer oder Lötmittel an der Oberfläche einer Tafel ausgebildet ist, die aus einem polymerischen Material mit einer hohen Elastizität oder Plastizität oder einem Isolationsmaterial mit sowohl einer hohen Elastizität als auch einer hohen Plastizität besteht.

Die Anschlusstafel B mit einer derartigen leichten Eigenverformung aufgrund der Befestigungskraft der Schraube C und der Statoren D&sub1; und D&sub2; beseitigt den Einfluss der von der Oberfläche des Elementes A vorstehenden Oberflächenelektroden, um einen gleichmäßigen Kontaktzustand mit dem Element A zu erzielen.

Es ist zu beachten, dass ein Anschlussmuster, das aus einem Leiter besteht, an fast der gesamten Fläche der Leiterlage an der Heiztafel B ausgebildet ist, um so unabhängig eine Energiezufuhr und einen elektrischen Anschluss an den Oberflächenelektroden des Schichtkeramikpiezoelektroelementes A zu erzielen.

Bei einem herkömmlichen Ultraschallmotor der Langevin-Art, der eine Vielzahl an Schichteinzellagen-Piezoelektroelementplatten verwendet, ist jede der sechs Metallplatten b&sub1; bis b&sub6;, die als Elektroden dienen, sandwichartig zwischen benachbarten der fünf Keramikpiezoelektroelemente a&sub1; bis a&sub5; zum Erhalten eines Vibrationselementes angeordnet, wie dies beispielsweise in Fig. 8 gezeigt ist, und ein Antriebssignal wird zu dem Vibrationselement über die Metallplatten b&sub1; bis b&sub6; eingegeben. Diese sechs Metallplatten b&sub1; bis b&sub6; absorbieren die Höhendifferenzen oder Unebenheiten der oberen und der unteren Fläche der Keramikpiezoelektroelementplatten a&sub1; bis a&sub5; und die Feststellkraft oder Befestigungskraft einer Schraube c und der Statoren d&sub1; und d&sub2; wirken gleichmäßig an den Plattenflächen der Keramikpiezoelektroelementplatten a&sub1; bis a&sub5;. Als ein Ergebnis wird ein Ultraschallmotor mit einer geringen Differenz (ΔF) zwischen den Resonanzfrequenzen der Phasen und einem hohen Koeffizient der mechanischen Qualität (Qm) verwirklicht. Natürlich ist aufgrund der Vibrationsabsorptionswirkung der vielen Metallplatten b&sub1; bis b&sub6;, die zwischen benachbarten Keramikpiezoelektroelementplatten sandwichartig angeordnet sind, der Motorwirkungsgrad nicht hoch.

Da jedoch in dem Fall des Schichtkeramikpiezoelektroelementes die Elektroden bereits innerhalb des Elementes ausgebildet worden sind, ist nur eine Elektrodenplatte zum Erzielen eines elektrischen Anschlusses mit den Oberflächenelektroden des Elementes A erforderlich, wie dies beispielsweise in Fig. 6 gezeigt ist, und ein hoher Wirkungsgrad wird theoretisch erzielt. Wenn jedoch in der Praxis das Element unter Verwendung der Schraube und der Statoren befestigt wird, tritt der Einfluss der Höhendifferenzen, die an der oberen und an der unteren Fläche des Elementes vorhanden sind und die bei der herkömmlichen Einzellagen-Piezoelektroelementplatte absorbiert werden, in beträchtlicher Weise auf und die Feststellkraft oder Befestigungskraft der Schraube und der Statoren wird an der Plattenoberfläche des Elementes ungleichmäßig. Als ein Ergebnis beeinträchtigt diese Ungleichmäßigkeit den Wirkungsgrad des Motors und erhöht die Differenz der Resonanzfrequenz zwischen den Phasen.

Unter diesen Umständen kann bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, da zumindest die Ebenheit der oberen und der unteren Fläche der piezoelektrischen Elemente und die Fläche von jeder Oberflächenelektrode detailliert definiert sind, wenn das Schichtkeramikpiezoelektroelement bei beispielsweise einem Ultraschallmotor oder einem Betätigungsglied der Langevin-Art verwendet wird, die Feststellkraft der Schraube und der Statoren gleichmäßig an der Plattenoberfläche des Elementes wirken, und ein Ultraschallmotor oder ein Betätigungsglied mit den ursprünglichen Eigenschaften des piezoelektrischen Elementes und ein in der Praxis zufriedenstellendes Leistungsvermögen können vorgesehen werden.

Versuchsbeispiele, die die Wirkung des Schichtkeramikpiezoelektroelementes gemäß der vorliegenden Erfindung aufzeigen, werden nachstehend beschrieben.

- Versuch 1 -

Ein piezoelektrisches Blatt auf PZT-Basis wurde verwendet und Innenelektroden 2 wurden durch das Druckverfahren ausgebildet, womit ein Schichtkeramikpiezoelektroelement 1 mit dem in den Fig. 1A und 1B gezeigten Aufbau hergestellt worden ist.

Das Element 1 hatte eine Dicke von ungefähr 100 um pro Lage und insgesamt wurden 15 Lagen geschichtet. Das Element hatte einen Durchmesser von 10 mm und einen Innendurchmesser von 5 mm. Zwischenlagenanschlussleitungen 3 wurden in einer derartigen Weise ausgebildet, dass die Seitenflächen von den jeweils anderen piezoelektrischen Blättern mit einem Isolationsmaterial während des Herstellens des Elementes beschichtet wurden, die Blätter unter Verwendung einer Leiterpaste verbunden wurden und anschließend die Blätter gesintert wurden. Die obere und die untere Fläche des Elementes wurden einem Läppen nach dem Sintern zum Ausbilden von glatten Oberflächen mit einer Höhendifferenz (die nachstehend als "Ebenheit" bezeichnet ist) von 1 bis 20 um bei jeder Oberfläche unterworfen. Auf der glatten oberen Fläche des Elementes wurden 1 um dicke Oberflächenelektroden 4, die mit den Zwischenlagenanschlussleitungen 3 verbunden sind, an der Seitenfläche des Elementes durch das Zerstäubungsverfahren ausgebildet. Die Anzahl an Elektroden betrug insgesamt acht, d. h. vier + und - Elektroden der Phase A und Phase B und vier Erdungselektroden. Wie dies in den Fig. 1A und 1B gezeigt ist, wurden jeweils vier Oberflächenelektroden so ausgebildet, dass sie an dem vorderen und an dem hinteren Abschnitt der oberen Fläche des Elementes konzentriert sind.

Wenn verschiedene Schichtkeramikpiezoelektroelemente bei Ultraschallwellenmotoren der Langevin-Art polarisiert und zusammengebaut worden sind, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, wurde ihr Koeffizient der mechanischen Qualität (Qm) gemessen. Als ein Ergebnis betrug der Koeffizient der mechanischen Qualität (Qm) 500 bis 700. Andererseits betrug die Differenz (ΔF) zwischen den Resonanzfrequenzen der Phasen A und B 70 bis 100 Hz.

- Versuch 2 -

Einige Schichtkeramikpiezoelektroelemente, die im Wesentlichen den gleichen Aufbau und den gleichen Zustand wie jene von Versuch 1 mit der Ausnahme hatten, dass sie ohne ein Läppen der oberen und unteren Fläche des Elementes nach dem Sintern bei Versuch 1 hergestellt wurden und eine Ebenheit hatten, die 24 bis 40 um betrug, wobei sie in Ultraschallwellenmotoren der Langevin-Art eingebaut wurden und ihre Koeffizienten der mechanischen Qualität (Qm) und ihre Differenzen (ΔF) zwischen den Resonanzfrequenzen der Phase A und Phase B gemessen wurden. Als ein Ergebnis war der Wert Qm 200 bis 250 und der Wert ΔF betrug 110 bis 230 Hz.

Da der Wert Qm gleich oder größer als der Wert 500 war und der Wert ΔF gleich oder kleiner als 110 Hz in Hinblick auf die Leistung des Motors war, waren die Ergebnisse von Versuch 2 nicht zu bevorzugen.

- Versuch 3 -

Es wurden Elemente (mit einer Ebenheit von 15 um) unter Befolgung der gleichen Verfahren wie bei Versuch 1 so hergestellt, dass sie den gleichen Aufbau und den gleichen Zustand wie jene von Versuch 1 mit Ausnahme dessen hatten, dass die Oberflächenelektroden durch das Druckverfahren ausgebildet wurden, so dass die Fläche von jeder Oberflächenelektrode 4 einen Wert hatte, der an der Abszisse von Fig. 2 abgetragen ist. Danach wurden diese Elemente in Ultraschallwellenmotoren der Langevin-Art eingebaut und ihre Koeffizienten der mechanischen Qualität (Qm) und die Differenzen (ΔF) zwischen den Resonanzfrequenzen der Phase A und der Phase B wurden gemessen.

Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen den gemessenen Werten Qm und ΔF und der Fläche der Oberflächenelektrode.

- Versuch 4 -

Es wurden Elemente (mit einer Ebenheit von 15 um) unter Befolgung der gleichen Verfahren wie bei Versuch 1 so hergestellt, dass sie im Wesentlichen den gleichen Aufbau und den gleichen Zustand wie jene bei Versuch 1 mit Ausnahme dessen hatten, dass die Oberflächenelektroden durch das Druckverfahren ausgebildet wurden, so dass jede Oberflächenelektrode 4 eine Fläche von 0,02 mm² hatte, und der Vorstehbetrag von jeder Elektrode hatte einen Wert, der entlang der Abszisse von Fig. 3 abgetragen ist. Danach wurden diese Elemente in Ultraschallwellenmotoren der Langevin-Art eingebaut und ihre Koeffizienten der mechanischen Qualität (Qm) und die Differenzen (ΔF) zwischen den Resonanzfrequenzen der Phase A und Phase B wurden gemessen.

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen den gemessenen Werten Qm und ΔF und dem Vorstehbetrag der Obeflächenelektrode.

- Versuch 5 -

Es wurden Elemente (mit einer Ebenheit von 15 um) unter Befolgung der gleichen Verfahren wie bei Versuch 1 so hergestellt, dass sie im Wesentlichen den gleichen Aufbau und den gleichen Zustand wie jene bei Versuch 1 mit Ausnahme dessen hatten, dass die Oberflächenelektroden (Fläche gleich 0,02 mm² und Vorstehbetrag gleich 5-10 um) 4 unter gleichen Winkelabständen an der oberen Fläche des Elementes ausgebildet wurden, wie dies in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist. Danach wurden diese Elemente in Ultraschallwellenmotoren der Langevin- Art eingebaut und ihre Koeffizienten der mechanischen Qualität (Qm) und die Differenzen (ΔF) zwischen den Resonanzfrequenzen der Phase A und Phase B wurden gemessen. Der Wert Qm betrug 830 und der Wert ΔF betrug 57 Hz.

Diese Ergebnisse zeigen, dass die Ausbildungspositionen der Oberflächenelektroden wirkungsvoll die Werte von Qm und ΔF verbessern.

- Versuch 6 -

Es wurden Löcher (Durchgangslöcher) mit einem Durchmesser von 150 um unter Verwendung einer Stanzmaschine an jedem piezoelektrischen Blatt ausgebildet, das aus dem gleichen Material wie jene bei Versuch 1 verwendeten Blätter bestand, und eine aus Ag-Pd bestehende Leiterpaste wurde in diese Löcher gefüllt. Danach wurden Innenelektrodenmuster auf die Blätter gedruckt und die Blätter wurden geschichtet und gesintert, wie dies in Fig. 5A gezeigt ist, womit ein Element mit Innenelektroden 12 und Zwischenlagenanschlussleitungen 13 hergestellt wurde.

Die obere und die untere Oberfläche des Elementes wurde so geläppt, dass sie eine derartige Ebenheit hatte, wie dies nachstehend in der Tabelle 1 gezeigt ist, und die Oberflächenelektroden 14, die jeweils eine Fläche und einen Vorstehbetrag hatten, wie dies nachstehend in der Tabelle 1 gezeigt ist, wurden durch das Druckverfahren zum Herstellen von Elementen der Art A ausgebildet. Andererseits wurden Durchgangselektroden, die durch ein Läppen so ausgebildet wurden, dass sie von der Oberfläche des Elementes vorstehen, als Oberflächenelektroden 14 verwendet, die jeweils eine Fläche und einen Vorstehbetrag haben, wie dies in der Tabelle 1 nachstehend gezeigt ist, so dass Elemente der Art B hergestellt wurden. Diese Arten an Schichtkeramikpiezoelektroelementen 11 wurden polarisiert und in Ultraschallwellenmotoren der Langevin-Art eingebaut und ihre Koeffizienten der mechanischen Qualität (Qm) und die Differenzen (ΔF) zwischen den Resonanzfrequenzen der Phase A und der Phase B wurden gemessen.

In der Tabelle 1 sind nachstehend die Messergebnisse gezeigt.

Tabelle 1

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, kann, wenn das Element eine Elementebenheit von 20 um oder weniger hatte, die Fläche der Oberflächenelektrode 0,2 mm² oder weniger betrug und der Vorstehbetrag der Oberflächenelektrode 20 um oder weniger betrug, das Element ein hohes Leistungsvermögen als ein Vibrationselement aufzeigen.

Die vorstehend erwähnten Versuchsbeispiele zeigen, dass das Schichtkeramikpiezoelektroelement gemäß der vorliegenden Erfindung eine geringe Differenz (ΔF) der Resonanzfrequenzen zwischen den Phasen und einen hohen Koeffizient (Qm) der mechanischen Qualität hat, wenn es in einen Ultraschallwellenmotor der Langevin-Art eingebaut ist. Des Weiteren kann das Schichtkeramikpiezoelektroelement gemäß der vorliegenden Erfindung als ein Element für einen ringförmigen Ultraschallwellenmotor in einer zufriedenstellenden Weise verwendet werden.

Wie dies vorstehend beschrieben ist, kann gemäß dem vorstehend erwähnten piezoelektrischen Element ein Vibrationswellenmotor oder Betätigungsglied mit ursprünglichen Eigenschaften des piezoelektrischen Elementes und mit einem in der Praxis zufriedenstellenden Leistungsvermögen vorgesehen werden.


Anspruch[de]

1. Geschichtetes piezoelektrisches Element (1) mit einer oberen und einer unteren Fläche und mit:

einer Anzahl an Oberflächenelektroden (4), die an zumindest der oberen und der unteren Fläche angeordnet sind;

und wobei

die obere und die untere Fläche eine Oberflächenrauhigkeit von weniger als 20 um mit Ausnahme an den Bereichen haben, an denen die Oberflächenelektroden (4) angeordnet sind;

die Fläche jeder Oberflächenelektrode (4) zwischen 0,002 mm² bis 0,2 mm² beträgt;

und jede Oberflächenelektrode von der Oberfläche, an der sie angeordnet ist, vorragt.

2. Geschichtetes piezoelektrisches Element gemäß Anspruch 1, wobei

jede Oberflächenelektrode von der Oberfläche, an der sie angeordnet ist, um zwischen 1 um bis 20 um vorragt.

3. Geschichtetes piezoelektrisches Element gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei

das piezoelektrische Element im Wesentlichen eine zylindrische Form hat und die obere und die untere Fläche axiale Endseiten des Elementes sind.

4. Geschichtetes piezoelektrisches Element gemäß einem der vorherigen Ansprüche, das des Weiteren eine Vielzahl an Innenelektroden (2) innerhalb des geschichteten Elementes aufweist, wobei die Innenelektroden (2) durch zumindest einen Zwischenlagenleiter (13) miteinander verbunden sind.

5. Geschichtetes piezoelektrisches Element gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei

eine Vielzahl an Oberflächenelektroden (4) an Umfangsrandpositionen an zumindest entweder der oberen oder der unteren Oberfläche ausgebildet sind.

6. Geschichtetes piezoelektrisches Element gemäß Anspruch 4, wobei

das Element mit einer mittleren Bohrung ausgebildet ist und eine Vielzahl an Oberflächenelektroden (4) benachbart zu der mittleren Bohrung positioniert sind.

7. Verfahren zum Herstellen des geschichteten piezoelektrischen Elementes von einem der Ansprüche 3 bis 6 mit den folgenden Schritten:

Zusammenbauen einer Vielzahl an keramischen piezoelektrischen Blättern in einer Schichtaufreihung und

Sintern der Blätter miteinander zum Ausbilden des piezoelektrischen Elementes.

8. Vibrationsbetätigungsglied mit einem Kontaktelement, einem Vibrationselement (D&sub1;, D&sub2;), das unter Reibung mit dem Kontaktelement in Kontakt steht, und einem elektromechanischen Energiewandler (A), der mit dem Vibrationselement (D&sub1;, D&sub2;) funktional in Kontakt steht, wobei

der elektromechanische Energiewandler (A) ein geschichtetes piezoelektrisches Element (1) gemäß Anspruch 1 ist.

9. Vibrationsbetätigungsglied gemäß Anspruch 8, das des Weiteren eine Schaltungstafel (B) aufweist, die mit der Oberfläche des piezoelektrischen Elementes (1) in Kontakt steht, an der die Oberflächenelektrode (4) ausgebildet ist, wobei sie zu einem Liefern von elektrischer Energie zu dem piezoelektrischen Element (1) in der Lage ist.

10. Vibrationsbetätigungsglied gemäß Anspruch 9, wobei

die Schaltungstafel (B) eine flexible Schaltungstafel ist.

11. Vibrationsbetätigungsglied gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei

eine Vielzahl an Innenelektroden (2) innerhalb des geschichteten piezoelektrischen Elementes (1) vorgesehen ist, wobei die Innenelektroden (2) durch zumindest einen Zwischenlagenleiter (13) miteinander verbunden sind.







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