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Dokumentenidentifikation DE69823442T2 07.04.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0000905801
Titel Piezoelektrischer Antrieb, Infrarotsensor und Lichtablenker
Anmelder Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Kadoma, Osaka, JP
Erfinder Imada, Katsumi, Katano-shi, Osaka 576-0021, JP;
Moritoki, Katsunori, Takatsuki-shi, Osaka 569-1121, JP;
Masutani, Takeshi, Moriguchi-shi, Osaka 570-0083, JP;
Nomura, Koji, Shijonawate-shi, Osaka 575-0013, JP;
Kawakita, Kouji, Joyo-shi, Kyoto 610-0121, JP
Vertreter Eisenführ, Speiser & Partner, 28195 Bremen
DE-Aktenzeichen 69823442
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 30.09.1998
EP-Aktenzeichen 981184500
EP-Offenlegungsdatum 31.03.1999
EP date of grant 28.04.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.04.2005
IPC-Hauptklasse H01L 41/09

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktuator, einen pyroelektrischen Infrarotsensor und einen piezoelektrischen Lichtdeflektor, die den piezoelektrischen Aktuator einsetzen.

Beschreibung des Standes der Technik

Piezoelektrische Aktuatoren, welche Biegebewegungen unter dem Einfluss einer Spannung ausführen, die an ein piezoelektrisches Element angelegt wird, welches durch Bonden eines piezoelektrischen Materials auf eine dünne elastische Platte aus einem Metall oder dgl. hergestellt wird, werden in unterschiedlichen Vorrichtungen einschließlich eines Choppers für einen piezoelektrischen Infrarotsensor und einen Lichtdeflektor verwendet. Aktuatoren in dieser Art werden als bimorphe Aktuatoren, worin piezoelektrische Keramikplatten auf beiden Seiten einer dünnen elastischen Platte gebondet sind, und als unimorphe Aktuatoren klassifiziert, wo eine piezoelektrische keramische Platte nur auf einer Seite einer dünnen elastischen Platte gebondet ist, welche der Applikation entsprechend ausgewählt und verwendet werden. Wenn die piezoelektrischen Aktuatoren des bimorphen Typs und unimorphen Typs des Standes der Technik erforderlich sind, um eine starke Verschiebung zu erzeugen, wird die angelegte Spannung erhöht oder die Frequenz der Ansteuerspannung wird gleich der Resonanzfrequenz des Elements gewählt.

Derartige Verfahren führen jedoch zu einer signifikant höheren Beanspruchung des piezoelektrischen Oszillators, was es unmöglich macht, eine hohe Zuverlässigkeit zu erzielen.

Es gibt auch das Problem, dass das Element groß sein muss, damit eine starke Verschiebung erzielt werden kann, während die Beanspruchung der piezoelektrischen Membran minimiert werden muss.

Während der piezoelektrische Aktuator mit einer niedrigeren Spannung durch Ausnutzen einer Resonanz angesteuert werden kann, verursacht dies, dass der Ansteuerabschnitt mit einer größeren Amplitude vibriert, was die Zuverlässigkeit senkt, was zu einem weiteren Problem führt, nämlich dass die Verschiebung aufgrund von Variationen in der Resonanz zunimmt.

Aus diesen Gründen ist es bei den piezoelektrischen Aktuatoren des bimorphen Typs und unimorphen Typs des Standes der Technik schwierig gewesen, die Anforderungen des Reduzierens der Ansteuerspannung, des Erhöhens der Stärke der Verschiebung, des Verbesserns der Stabilität und des gleichzeitigen Reduzierens der Größe zu erfüllen.

Der piezoelektrische Infrarotsensor, der in letzter Zeit vermehrt angewendet worden ist, wie beispielsweise zur Messung der Nahrungstemperatur in einem Mikrowellenofen und zum Lokalisieren von Leuten in einem Raum und zur Klimakontrolle, setzt auch piezoelektrische Aktuatoren ein. Der piezoelektrische Infrarotsensor verwendet den piezoelektrischen Effekt von piezoelektrischem Material wie einem Einkristall aus LiTaO3, was auf einfache Weise wie folgt erläutert werden kann. Ein piezoelektrisches Material erfährt eine spontane Polarisation und weist immer Oberflächenladungen auf, die in einem stationären Zustand in der Atmosphäre mit Ladungen in der Atmosphäre gekoppelt sind, wodurch elektrische Neutralität beibehalten wird. Wenn das piezoelektrische Material mit einem Infrarotstrahl bestrahlt wird, ändert das piezoelektrische Material seine Temperatur, womit die Oberflächenladungen aus der Neutralität gebracht werden. Der piezoelektrische Infrarotsensor misst die Intensität des Infrarotstrahls durch Erfassen der auf der Oberfläche erzeugten Ladungen. Anders gesagt, emittiert jedes Objekt Infrarotstrahlung, die seiner Temperatur entspricht, die mit diesem Sensor gemessen werden kann, um damit die Temperatur oder die Position des Objektes zu bestimmen.

Da der piezoelektrische Effekt auftritt, wenn sich die Intensität des einfallenden Infrarotstrahls ändert, muss der piezoelektrische Infrarotsensor die Intensität des einfallenden Infrarotstrahls ändern. Ein Chopper wird normalerweise zu diesem Zweck verwendet, so dass der Infrarotstrahl auf das pyroelektrische Material intermittierend auftrifft und dementsprechend wird die Objekttemperatur gemessen. Piezoelektrische Infrarotsensoren des Standes der Technik setzen hauptsächlich Chopper ein, die auf einem elektromagnetischen Motor, einem piezoelektrischen Aktuator, etc. basieren.

46 zeigt schematisch einen piezoelektrischen Infrarotsensor des Standes der Technik, der einen piezoelektrischen Aktuator als Chopper einsetzt, der piezoelektrische Keramiken aufweist, die auf eine dünne elastische Platte gebondet sind.

In dem piezoelektrischen Infrarotsensor des Standes der Technik, der in 46 gezeigt ist, werden piezoelektrische Keramikplatten 311a, 311b auf beiden Seiten einer elastischen Distanzplatte 310 gebondet, wodurch ein Element des bimorphen Typs bereitgestellt wird. Die piezoelektrischen Keramikplatten 311a, 311b haben Elektroden, die auf ihren Oberflächen ausgebildet sind, und sind dazu ausgebildet, in der Richtung der Dicke polarisiert zu werden. Polarisationsrichtungen der piezoelektrischen Keramikplatten 311a, 311b werden derart bestimmt, dass die piezoelektrischen Keramikplatten 311a, 311b immer in den entgegengesetzten Richtungen sich deformieren. D. h., dass die Polarität der angelegten Spannung und die Richtung der Polarisation derart bestimmt werden, dass sich eine der piezoelektrischen Keramikplatten 311a, 311b ausdehnt, während die andere kontrahiert. Das bimorphe Element wird von einem Trageelement 313 gehalten und hat an der Spitze eines seiner freien Enden eine Schattierungsplatte 314, die zwischen dem einfallenden Licht 16 und dem Infrarotsensor 315 lokalisiert ist, wodurch das einfallende Licht 16 unterbrochen wird. Der Infrarotsensor 315 ist in der Nähe des bimorphen Elements derart angeordnet, dass der Infrarotsensor 315 die Schattierungsplatte 314 und das bimorphe Element nicht berührt.

Wenn eine Spannung an die elastische Distanzplatte 310 und die piezoelektrischen Keramikplatten 311a, 311b in dem piezoelektrischen Infrarotsensor des Standes der Technik angelegt wird, der wie vorstehend beschrieben konfiguriert ist, führt das bimorphe Element Biegebewegungen durch, während es an einem seiner Enden fixiert ist, während die Schattierungsplatte 314, die an der Spitze befestigt ist, eine reziproke Bewegung durchführt, sowie sich die Richtung des elektrischen Feldes ändert. Die Schattierungsplatte 314, welche die reziproke Bewegung durchführt, unterbricht den Lichtstrahl 16, der auf den Infrarotsensor 315 einfällt.

Ein in dem pyroelektrischen Infrarotsensor verwendeter Chopper muss jedoch eine relativ große Verschiebung bereitstellen. Daher wird bei dem vorbekannten piezoelektrischen Chopper des bimorphen Typs eine große Verschiebung erzielt, indem eine höhere Spannung angelegt wird und die Frequenz der Ansteuerspannung gleich der Resonanzfrequenz des Elementes gewählt wird, während das Einsetzen einer derartigen Konstruktion als piezoelektrischen Oszillator direkt unterstützt wird. Diese Konstruktion führt zu dem Problem, dass der Trageabschnitt des piezoelektrischen Choppers einer signifikanten Beanspruchung ausgesetzt wird, die es schwer macht, eine hohe Zuverlässigkeit des Trageelements zu erzielen. Es ist auch problematisch, dass das Element größer sein muss, um eine große Verschiebung bereitzustellen, während die Belastung des piezoelektrischen Oszillators minimiert wird.

Während der piezoelektrische Aktuator durch Verwenden der Resonanz mit einer geringeren Spannung angesteuert werden kann, führt dies dazu, dass der Ansteuerabschnitt mit einer stärkeren Amplitude vibriert, was die Zuverlässigkeit vermindert, was wiederum zu dem weiteren Problem führt, dass die Verschiebung aufgrund von Variationen der Resonanz zunimmt.

Aus diesen Gründen ist es schwierig für die piezoelektrischen Aktuatoren des bimorphen Typs und unimorphen Typs des Standes der Technik die Anforderungen zu erfüllen, nämlich die Ansteuerspannung zu senken, die Verschiebung zu erhöhen, die Stabilität zu verbessern und die Größe gleichzeitig zu verringern.

Im Zuge der Entwicklung, physikalische Verteilungssysteme zu verfeinern, ist in letzter Zeit der Barcode bzw. Strichcode weit reichend verwendet worden, um die Waren basierend auf digitalen Daten zu kontrollieren. Ein Strichcodeleser, der zum Lesen des Strichcodes verwendet wird, leitet einen Laserstrahl auf den Strichcode und erfasst das Muster des reflektierten Lichtes, wodurch die Information von dem Strichcode ausgelesen wird. Der Strichcode muss als solches einen Mechanismus zum Ablenken des Laserstrahls aufweisen, der von einer Laserquelle erzeugt wird. Während ein Detektor basierend auf einem zweipoligen Motor mit einem Reflektor verwendet worden ist, sind Lichtdeflektoren basierend auf dem piezoelektrischen Effekt in letzter Zeit in der Praxis verwendet worden, um Geräte bereitzustellen, die den kleineren Lichtdeflektor in sich aufnehmen.

V. J. Fowler & J. Schlafer, Proc. IEEE., Bd. 54 (1966), Seite 1437 ff. offenbart als Lichtdeflektoren basierend auf dem piezoelektrischen Effekt einen, der einen Aktuator aufweist, der aus laminierten piezoelektrischen Elementen hergestellt ist und an dem ein Spiegel befestigt ist, wobei die Richtung des Spiegels durch Anlegen einer Spannung an den Aktuator gesteuert wird (nachfolgend als erster Lichtdeflektor des Standes der Technik bezeichnet).

Es gibt zahlreiche Typen zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen. Beispielsweise wird in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 58-95710 ein weiterer Lichtdeflektor offenbart, der die Richtung des Lichts ablenkt, indem ein Spiegel mittels eines bimorphen Aktuators rotiert wird (nachfolgend als zweiter Lichtdeflektor des Standes der Technik bezeichnet). In der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 58-189618 wird ein Lichtdeflektor mit einem bimorphen Aktuator mit Elektroden offenbart, die in eine Vielzahl von Teilen aufgeteilt sind, welche das Ausmaß der Deformation steuern, indem die Anzahl der Elektroden gesteuert wird, auf die Spannungen angelegt werden (nachfolgend als dritter Lichtdeflektor des Standes der Technik bezeichnet).

Der erste Lichtdeflektor des Standes der Technik ist nachteilig, da der Winkel der Lichtablenkung in Bezug auf die angelegte Spannung nicht genügend erhöht werden kann, weil ein Aktuator aus laminierten Elementen verwendet wird.

Der zweite Lichtdeflektor des Standes der Technik ist nachteilig, weil er extrem kompliziert aufgebaut ist, weil eine Vielzahl von bimorphen Aktuatoren und ein Rotationsschaft des Spiegels mechanisch miteinander gekoppelt sind.

Der Lichtdeflektor des Standes der Technik ist nachteilig, weil ein komplexes Verfahren erforderlich ist, um das Ausmaß der Deflektion bzw. Ablenkung zu steuern:

JP 59032826 A offenbart einen pyroelektrischen Detektor, in dem eine ansteuernde Energiequelle und ein vibrierendes Stück einen piezoelektrischen Wandler vibrieren lassen, um eine Verschiebung darin zu erzeugen und um die ausgestrahlte Energie von einer Strahlungsquelle an einer reflektierenden Oberfläche zu verschieben. Das vibrierende Stück und die reflektierende Oberfläche sind darin in derselben Ebene und auf derselben longitudinalen Linie angeordnet.

Zusammenfassung der Erfindung

Der piezoelektrische Aktuator, der Infrarotsensor und der piezoelektrische Lichtdeflektor des Standes der Technik haben die vorstehend beschriebenen Probleme.

D. h., eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Aktuator bereitzustellen, der eine große Verschiebung mit einer geringen Ansteuerspannung, hoher Betriebsstabilität und geringer Größe bereitstellen kann.

Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen pyroelektrischen Infrarotsensor bereitzustellen, der den piezoelektrischen Aktuator einsetzt und sehr zuverlässig ist.

Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Lichtdeflektor mit einem einfachen Aufbau bereitzustellen, der eine einfache Steuerung der Stärke der Auslenkung erlaubt und einen großen Deflektionswinkel bereitstellen kann.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß von einem piezoelektrischen Aktuator gemäß Anspruch 1, einem pyroelektrischen Infrarotsensor gemäß Anspruch 28 und einem piezoelektrischen Lichtdeflektor gemäß Anspruch 29 gelöst.

Um die vorstehend beschriebene Aufgabe zu lösen, umfasst der piezoelektrische Aktuator gemäß der vorliegenden Erfindung einen Antriebsabschnitt, der durch Bonden bzw. Verbinden einer piezoelektrischen Membran hergestellt wird, die sich in einer Richtung senkrecht zu der Richtung einer Dicke in Übereinstimmung mit einer Spannung ausdehnt oder sich zusammenzieht, die auf die dicke und die dünne elastische Platte angelegt wird, und sie erfährt eine alternierende Ablenkung mit einer Frequenz, die der Frequenz der Ansteuerspannung entspricht, und einen Auslenkungsverstärkungsabschnitt, der in derselben Ebene wie der Antriebsabschnitt positioniert ist und synchron mit der Biegeoszillation des Antriebsabschnitts vibrieren kann und mit dem Antriebsabschnitt verbunden ist, um von der Vibration des Antriebsabschnitts vibriert zu werden, wodurch die Vibration des Antriebsabschnitts verstärkt wird, wobei eine Vibration des Antriebsabschnitts von dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt verstärkt wird.

Bei dem piezoelektrischen Aktuator wird es bevorzugt, dass der Auslenkungsverstärkungsabschnitt aus einer dünnen elastischen Platte hergestellt ist und die dünne elastische Platte einstückig mit der dünnen elastischen Platte des Antriebsabschnitts ausgebildet ist, so dass der Auslenkungsverstärkungsabschnitt von der Vibration des Antriebsabschnitts effektiv vibriert wird.

Bei dem piezoelektrischen Aktuator wird es auch bevorzugt, dass ein Ende des Auslenkungsverstärkungsabschnitts mit einem Ende der dünnen elastischen Platte des Antriebsabschnitts verbunden ist.

Eine derartige Konfiguration ermöglicht es, die effektive Länge des Elementes zu maximieren und eine starke Auslenkung mit niedriger Antriebsspannung sicherzustellen.

In diesem Fall kann der piezoelektrische Aktuator auch von dem anderen Ende der dünnen elastischen Platte des Antriebsabschnitts unterstützt werden. Diese Konfiguration ermöglicht es, die erste Mode bzw. Eigenschwingung der Biegeoszillation mit einem fixierten Ende vibrieren zu lassen, wodurch die Auslenkung größer als in dem Fall ohne Unterstützung wird.

Der piezoelektrische Aktuator kann auch an dem Verbindungsabschnitt zwischen der dünnen elastischen Platte des Antriebsabschnitts und dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt unterstützt werden. Diese Konfiguration ermöglicht es auch, die erste Mode der Biegeoszillation mit einem fixierten Ende vibrieren zu lassen, wodurch die Auslenkung größer als in dem Fall ohne Unterstützung ist.

Die Konfiguration macht es auch einfacher, die Resonanzfrequenz auszulegen, weil es nur eine vernachlässigbare Interaktion zwischen der dünnen elastischen Platte des Antriebsabschnitts und dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt beim Auslegen gibt.

Ferner wird bei dem piezoelektrischen Aktuator bevorzugt, dass die piezoelektrische Membran hergestellt wird, indem Elektrodenschichten und piezoelektrische Schichten alternierend aufeinander geschichtet werden, wobei die Elektrodenschichten die oberste und unterste Schicht darstellen, wobei die Ansteuerspannung auf jede piezoelektrische Schicht über die Elektrodenschichten angelegt wird, die oberhalb und unterhalb derselben angeordnet sind.

Diese Konfiguration ermöglicht es, die Ansteuerspannung stark zu reduzieren, während die Stärke der Auslenkung beibehalten wird. D. h., eine stärkere Auslenkung kann mit niedrigeren Ansteuerspannungen erzielt werden.

Wenn die piezoelektrische Membran aus einer laminierten Struktur besteht, wird es bevorzugt, dass eines der Paare von Elektrodenschichten, zwischen denen die piezoelektrische Schicht der piezoelektrischen Membran liegt, derart ausgebildet ist, dass eine ihrer Seitenflächen innerhalb einer Seitenfläche der piezoelektrischen Membran angeordnet ist und die andere Elektrodenschicht derart ausgebildet ist, dass eine ihrer Seitenflächen innerhalb der anderen Seitenfläche der piezoelektrischen Membran angeordnet ist.

Auch wenn die piezoelektrische Membran eine laminierte Struktur aufweist, wird es bevorzugt, dass eines der Paare von Elektrodenschichten, zwischen denen die piezoelektrische Schicht der piezoelektrischen Membran angeordnet ist, derart ausgebildet ist, dass eine ihrer Kanten innerhalb einer Kante der piezoelektrischen Membran angeordnet ist und die andere Elektrodenschicht derart ausgebildet ist, dass eine ihrer Kanten innerhalb der anderen Kante der piezoelektrischen Membran ausgebildet ist.

Auch wenn die piezoelektrische Membran eine laminierte Struktur aufweist, wird es bevorzugt, dass jede Elektrodenschicht derart ausgebildet ist, dass beide Kanten jeder Elektrodenschicht innerhalb einer Kante der piezoelektrischen Membran lokalisiert sind.

Diese Konfigurationen ermöglichen es, das Auftreten von Kurzschlüssen zwischen den Elektroden zu verhindern, wenn die piezoelektrische Membran auf die vorbestimmte Größe zugeschnitten wird. Es kann auch verhindert werden, dass eine Elektrodenmigration beim Ansteuern auftritt. Es ist auch möglich, das Spanen zu verbessern, wenn die piezoelektrische Membran abgeschnitten wird.

Wenn die piezoelektrische Membran eine laminierte Struktur aufweist, wird es bevorzugt, dass jede der Elektrodenschichten eine hervorragende Elektrode an einer ihrer Kanten aufweist, während die Kante und die Seitenfläche der Elektrodenschicht innerhalb der Kante und der Seitenfläche der piezoelektrischen Membran lokalisiert ist, außer dass die Spitze der hervorragenden Elektrode einer Kante der piezoelektrischen Membran ausgesetzt ist und die hervorragende Elektrode mit einer Verbindungselektrode verbunden ist, die auf jeder weiteren Kante der piezoelektrischen Membran ausgebildet ist.

Diese Konfiguration ermöglicht es, die Elektroden auf einfache Weise miteinander zu verbinden und die Produktionskosten zu senken, weil der Herstellungsprozess einfach ist.

In diesem Fall wird es bevorzugt, dass ein Isolator oder ein Loch ausgebildet wird, um eine Isolation zwischen der Verbindungselektrode und der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts an einem Ort bereitzustellen, wo eine der Verbindungselektroden, die auf der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts bereitgestellt ist, lokalisiert ist, wenn die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts und die piezoelektrische Membran miteinander verbunden bzw. gebondet werden. Dies gewährleistet eine zuverlässige Isolation zwischen der Verbindungselektrode und der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts, womit die Zuverlässigkeit verbessert wird. Diese Konfiguration ermöglicht es auch, eine Elektrodenmigration während des Betriebes zu vermeiden. Auch weil der Produktionsprozess einfacher ist, können die Produktionskosten reduziert werden. Ferner können die Verbindungselektroden nach dem Verbinden der piezoelektrischen Membran und der dünnen elastischen Platten des Ansteuerabschnitts ausgebildet werden.

Wenn die piezoelektrische Membran eine laminierte Struktur aufweist, wird es bevorzugt, dass jede der Elektrodenschichten eine hervorragende Elektrode auf einer ihrer Seitenflächen aufweist, während die Kante und die Seitenfläche der Elektrodenschicht innerhalb der Kante und der Seitenfläche der piezoelektrischen Membran lokalisiert ist, mit der Ausnahme, dass die Spitze der hervorragenden Elektrode, die einer Seitenfläche der piezoelektrischen Membran ausgesetzt ist, und die hervorragende Elektrode ist mit einer Verbindungselektrode verbunden sind, die auf jeder anderen Kante der piezoelektrischen Membran ausgebildet ist. Eine derartige Konfiguration hat auch ähnliche Auswirkungen wie in dem Fall, wo die Verbindungselektrode auf der Kante der piezoelektrischen Membran ausgebildet ist.

Wenn die Verbindungselektrode auf der Seitenfläche wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist, ist es vorzuziehen, dass die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts kleiner als die Breite der piezoelektrischen Membran ist und die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts und die piezoelektrische Membran derart miteinander verbunden sind, dass eine Seitenfläche der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts innerhalb der Seitenfläche der piezoelektrischen Membran lokalisiert ist, womit es einfacher wird, die Verbindungselektrode und die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts zu isolieren.

Wenn die Verbindungselektrode auf der Seitenfläche wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist, kann auch eine der Verbindungselektroden und die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts isoliert werden, indem eine Nut ausgebildet wird, um die Isolation zwischen der Verbindungselektrode und der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts an einer Position bereitzustellen, wo eine der Verbindungselektroden, die auf der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts bereitgestellt sind, lokalisiert ist, wenn die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts und die piezoelektrische Membran miteinander verbunden werden.

Wenn die Verbindungselektrode auf der Seitenfläche wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist, kann eine der Verbindungselektroden und die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts auch durch Ausbilden einer Nut isoliert werden, um die Isolation zwischen der Verbindungselektrode und der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts an einer Position bereitzustellen, wo eine der Verbindungselektroden, die auf der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts bereitgestellt ist, lokalisiert ist, wenn die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts und die piezoelektrische Membran miteinander verbunden werden.

Wenn die Verbindungselektrode auf der Seitenfläche wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist, kann eine der Verbindungselektroden und die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts durch Ausbilden einer Nut isoliert werden, um die Isolation zwischen der Verbindungselektrode und der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts an einer Position bereitzustellen, wo eine der Verbindungselektroden, die auf der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts bereitgestellt ist, lokalisiert ist, wenn die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts und die piezoelektrische Membran miteinander verbunden werden.

Auch wenn die Verbindungselektrode auf der Seitenfläche wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist, kann ein Isolator zur Isolation der Verbindungselektrode und der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts an einer Position ausgebildet werden, wo eine der Verbindungselektroden, die auf der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts bereitgestellt sind, lokalisiert ist, wenn die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts und die piezoelektrische Membran miteinander verbunden werden.

Wenn ferner die piezoelektrische Membran eine laminierte Struktur aufweist, wird bevorzugt, dass jede der Elektrodenschichten eine hervorragende Elektrode zum Verbinden der Elektrodenschichten auf einer Kante der piezoelektrischen Membran aufweist und die hervorragenden Elektroden sind in einer gestaffelten Anordnung einander gegenüberzuliegen aufgestellt, während die einander gegenüberliegenden Elektroden mittels einer Verbindungselektrode, die in einem Durchloch ausgebildet ist, miteinander verbunden werden.

Diese Konfiguration ermöglicht es, die Elektroden auf einfachere und sicherere Weise miteinander zu verbinden, als wenn die Elektroden mittels Verbindungselektroden miteinander verbunden werden, die auf einer Kante oder einer Seitenfläche der piezoelektrischen Membran ausgebildet sind. Selbst wenn die Verbindungselektroden vor dem Bonden der piezoelektrischen Membran und der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts ausgebildet werden, kann die piezoelektrische Membran zuverlässig gebondet werden, ohne von einem relativ hohen Druck (ungefähr 5 kg/cm2) beschädigt zu werden, der beim Bonden angelegt wird.

Bei dem piezoelektrischen Aktuator wird es bevorzugt, dass die Verbindungselektrode und eine Oberflächenelektrode, die auf einer Oberfläche ausgebildet ist, die derjenigen gegenüberliegt, auf der die piezoelektrische Membran auf die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts gebondet wird, und eine Oberflächenelektrode und die andere Oberflächenelektrode voneinander isoliert sind.

Diese Konfiguration ermöglicht es, eine zuverlässigere Kontinuität selbst unter widrigen Bedingungen im Vergleich zu einem Fall zu erzielen, wo eine Kontaktverbindung besteht, wo die Oberflächenelektrode der piezoelektrischen Membran und die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts durch Dazwischenlegen der Klebeschicht miteinander verbunden werden, womit ein zuverlässigerer Aktuator bereitgestellt wird.

Der piezoelektrische Aktuator kann auch hergestellt werden, indem eine Elektrode auf einer anderen Oberflächenelektrode ausgebildet wird, die auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Membran ausgebildet ist, wo sie auf die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts gebondet wird, wobei beide Elektroden voneinander isoliert sind, während eine der Verbindungselektroden mit der Oberflächenelektrode verbunden wird und die andere Verbindungselektrode mit der Elektrode verbunden wird, die auf der Oberflächenelektrode ausgebildet ist.

In diesem Fall ist es vorzuziehen, dass die Elektrode auf der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts mit einer dazwischenliegenden Isolationsschicht ausgebildet wird, so dass die Elektrode der anderen Elektrode gegenüberliegt, wenn die piezoelektrische Membran und die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts miteinander verbunden werden und die Ansteuerspannung an die Elektrode und die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts angelegt wird.

Diese Konfiguration ermöglicht es, den piezoelektrischen Aktuator anzusteuern, indem eine Spannung an die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts und die Elektrode angelegt wird, welche auf der dünnen Platte ausgebildet ist und von der dünnen Platte mittels eines Verbindungsgliedes isoliert ist, beispielsweise ohne einen Draht oder dgl. von der piezoelektrischen Membran fortzuleiten wie in einer Konfiguration, bei der die Ansteuerspannung zwischen die Oberflächenelektrode der piezoelektrischen Membran und die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts angelegt wird. Somit kann ein Drahtverbindungsschritt, der einen signifikanten Teil der Produktionskosten ausmacht, eliminiert werden und die Produktionskosten können erheblich gesenkt werden.

Der piezoelektrische Aktuator kann auch in einen derartigen Aufbau aufweisen, bei dem die Elektrodenschicht und die piezoelektrische Schicht in der Richtung der Breite (transversale Richtung) der piezoelektrischen Membran alternierend laminiert sind, so dass beide Seitenflächen der piezoelektrischen Membran Elektrodenschichten werden und die Ansteuerspannung auf die piezoelektrische Membran über die Elektrodenschichten angelegt wird, zwischen denen die piezoelektrischen Membran liegt.

Diese Konfiguration ermöglicht es, die Ansteuerspannung erheblich zu reduzieren, während das Ausmaß der Auslenkung beibehalten wird.

Der piezoelektrische Aktuator kann auch eine derartige Konfiguration aufweisen, bei der die Elektrodenschicht und die piezoelektrische Schicht alternierend in der longitudinalen Richtung der piezoelektrischen Membran laminiert sind, so dass beide Kanten der piezoelektrischen Membran Elektrodenschichten werden und die Ansteuerspannung auf die piezoelektrische Membran über die Elektrodenschichten angelegt wird, zwischen denen die piezoelektrische Membran liegt. Dies ermöglicht es, eine piezoelektrische Konstante d33 zu verwenden, die größer als eine piezoelektrische Konstante d31 ist, und dadurch wird die Ansteuerspannung weiter reduziert.

Bei dem piezoelektrischen Aktuator wird es bevorzugt, dass ein Paar eine Potenzialdifferenz aufweisende Elektroden auf der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts mit einer dazwischenliegenden Isolationsschicht ausgebildet werden und die Ansteuerspannung auf die piezoelektrische Membran unter Verwendung der Elektroden angelegt wird. Dies macht es überflüssig, Kabel von den Elektroden wegzuführen, wodurch die Produktionskosten gesenkt werden und die Änderungen der Aktuatoreigenschaften aufgrund einer fremden Kraft, die auf den piezoelektrischen Aktuator wirkt, können gelindert werden und der Lötzinn, der beim Bonden des Drahtes auf die Elektrode verwendet wird, kann nachteilige Effekte in Abhängigkeit von der Form des mit der Elektrode verbundenen Drahtes haben.

Um bei dem piezoelektrischen Aktuator eine stabile Oszillation zu erzielen, wird es bevorzugt, die Resonanzfrequenz des Ansteuerabschnitts und die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts derart festzulegen, dass die tiefere Frequenz 0,6 Mal die höhere Frequenz beträgt und die Frequenz der Ansteuerspannung wird auf einen Wert zwischen der Resonanzfrequenz des Ansteuerabschnitts und der Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts gelegt. Diese Einstellungen führen dazu, dass die Resonanz des Ansteuerabschnitts und die Resonanz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts einander stark beeinflussen, was zu einer großen Auslenkung führt.

Bei dem piezoelektrischen Aktuator wird es bevorzugt, die Frequenz der Ansteuerspannung innerhalb einer stabilen Region einzustellen, wo keine substanziellen Änderungen der Auslenkung durch eine Änderung der Frequenz hervorgerufen werden, um die Fluktuation der Ausgangsauslenkung aufgrund einer Änderung der Ansteuerspannungsfrequenz zu minimieren.

Auch bei dem piezoelektrischen Aktuator wird es bevorzugt, die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts niedriger als die Resonanzfrequenz des Ansteuerabschnitts einzustellen, um das Temperaturverhalten der Ausgangsauslenkung zu verbessern (um die von einer Änderung der Temperatur verursachte Änderung der Ausgangsauslenkung zu reduzieren).

Auch bei dem piezoelektrischen Aktuator kann die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts höher als die Resonanzfrequenz des Ansteuerabschnitts eingestellt werden.

Ferner ist es bei dem piezoelektrischen Aktuator bevorzugt, die Resonanzfrequenz des Ansteuerabschnitts höher als die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts einzustellen und die Frequenz der Ansteuerspannung gleich der Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts einzustellen, damit die Amplitude der Ansteuerabschnittsvibration relativ klein ist und die Amplitude der Auslenkungsverstärkungsabschnittsvibration groß ist. Damit kann eine starke Ausgangsauslenkung bereitgestellt werden, während die Auslenkung des Ansteuerabschnitts minimiert wird, womit ein piezoelektrischer Aktuator mit einer hohen Zuverlässigkeit und großen Auslenkungen bereitgestellt wird.

In diesem Fall wird es bevorzugt, die Resonanzfrequenz des Ansteuerabschnitts auf einen Wert 1,5 Mal die Frequenz der Ansteuerspannung oder höher einzustellen und die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts auf einen Wert in der Nähe der Frequenz der Ansteuerspannung einzustellen. Diese Einstellungen ermöglichen es, die Auslenkung des Ansteuerabschnitts auf einen noch geringeren Wert einzustellen und eine starke Ausgangsauslenkung zu erzeugen, womit ein piezoelektrischer Aktuator mit einer hohen Zuverlässigkeit und einer großen Auslenkung bereitgestellt wird.

Damit die Aufgabe gelöst wird, umfasst der pyroelektrische Infrarotsensor gemäß der vorliegenden Erfindung einen Chopper, der mit dem piezoelektrischen Aktuator und einer Schattierplatte bereitgestellt ist, die im Wesentlichen in einer senkrechten Richtung bei dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt oder einer Anschlussstelle des piezoelektrischen Aktuators bereitgestellt ist und ein Infrarotsensor mit einem Infrarotstrahlungsempfänger ist derart angeordnet, dass die Schattierplatte vor dem Infrarotstrahlungsempfänger lokalisiert ist, wobei der piezoelektrische Aktuator angesteuert wird, um mit einer Ansteuerspannung einer vorbestimmten Frequenz betrieben zu werden, wodurch ein Infrarotstrahl bereitgestellt wird, der intermittierend auf den Infrarotsensor einfällt.

Der pyroelektrische Infrarotsensor der vorliegenden Erfindung, der die vorstehend beschriebene Konfiguration hat, kann kompakt gemacht werden und eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen, da der Chopper mit dem piezoelektrischen Aktuator und der Schattierplatte bereitgestellt ist, die in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung bei dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt oder der Anschlussstelle des piezoelektrischen Aktuators lokalisiert ist.

Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, umfasst der piezoelektrische Lichtdeflektor gemäß der vorliegenden Erfindung den piezoelektrischen Aktuator und einen Reflektor, der im Wesentlichen parallel zu dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt in zumindest einem Teil des Auslenkungsverstärkungsabschnitts des piezoelektrischen Aktuators angeordnet ist, wobei der piezoelektrische Aktuator angesteuert wird, um mit einer Ansteuerspannung einer vorbestimmten Frequenz betrieben zu werden, wodurch die Richtung des von dem Reflektor reflektierten Lichtes geändert wird.

Der piezoelektrische Lichtdeflektor der vorliegenden Erfindung, der den vorstehend beschriebenen Aufbau hat, kann einen einfachen Aufbau haben, eine einfache Steuerung der Stärke der Ablenkung erlauben und einen großen Ablenkwinkel des Lichtes erzielen, weil er mit dem piezoelektrischen Aktuator und einem Reflektor bereitgestellt ist, der im Wesentlichen parallel zu dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt in zumindest einem Teil des Auslenkungsverstärkungsabschnitts des piezoelektrischen Aktuators angeordnet ist.

Kurzbeschreibung der Figuren

1 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, die die Konfiguration des piezoelektrischen Aktuators gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

2 ist ein schematisches Diagramm, welches die Konfiguration der piezoelektrischen Membran 1 zeigt, welche in dem piezoelektrischen Aktuator verwendet wird, der in 1 gezeigt ist.

3 ist eine perspektivische Ansicht des piezoelektrischen Aktuators von 1 mit dem daran befestigten Trageelement.

4 ist eine perspektivische Ansicht, die die erste Variation des ersten Ausführungsbeispiels zeigt.

5 ist eine perspektivische Ansicht, welche die zweite Variation des ersten Ausführungsbeispiels zeigt.

6 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Konfiguration des piezoelektrischen Aktuators gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

7 ist ein Graph, welcher die Auslenkungen in dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.

8 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Variation des zweiten Ausführungsbeispiels zeigt.

9 ist eine Querschnittsansicht, die die piezoelektrische Membran 11a des laminierten Aufbaus zeigt, der in dem piezoelektrischen Aktuator des dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

10 ist eine perspektivische Ansicht, welche die piezoelektrische Membran 11b des laminierten Aufbaus schematisch zeigt, der in dem piezoelektrischen Aktuator des achten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

11 ist eine Querschnittsansicht, welche einen Querschnitt der piezoelektrischen Membran 11b von 10 zeigt.

12 ist eine perspektivische Ansicht, welche die piezoelektrische Membran 11c zeigt, die in dem piezoelektrischen Aktuator des neunten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

13 ist eine Querschnittsansicht, welche die piezoelektrische Membran 11c von 12 schematisch zeigt.

14 ist ein Graph, der die Frequenzcharakteristik der Auslenkung des piezoelektrischen Aktuators gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

15 ist ein Graph, der die Frequenzcharakteristik der Auslenkung zeigt, wenn die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts auf 100 Hz eingestellt ist und die Resonanzfrequenz des Ansteuerabschnitts auf 70 Hz in dem zehnten Ausführungsbeispiel eingestellt ist.

16 ist ein Graph, der die Frequenzeigenschaft der Auslenkung zeigt, wenn die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts auf 100 Hz eingestellt ist und die Resonanzfrequenz des Ansteuerabschnitts auf 60 Hz in dem zehnten Ausführungsbeispiel eingestellt ist.

17 ist ein Graph, der die Frequenzcharakteristik der Auslenkung zeigt, wenn die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts auf 100 Hz eingestellt ist und die Resonanzfrequenz des Ansteuerabschnitts auf 58 Hz in dem zehnten Ausführungsbeispiel eingestellt ist.

18 ist ein Graph, der die Frequenzcharakteristik der Auslenkung zeigt, wenn die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts auf 100 Hz eingestellt ist und die Resonanzfrequenz des Ansteuerabschnitts auf 56 Hz in dem zehnten Ausführungsbeispiel eingestellt ist.

19 ist ein Graph, der die Frequenzeigenschaft der Auslenkung zeigt, wenn die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts auf 100 Hz eingestellt ist und die Resonanzfrequenz des Ansteuerabschnitts auf 54 Hz in dem zehnten Ausführungsbeispiel eingestellt ist.

20 ist ein Graph, der die Frequenzeigenschaften der Auslenkung in dem zehnten Ausführungsbeispiel zeigt, wenn die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts auf 100 Hz und die Resonanzfrequenz des Ansteuerabschnitts auf 52 Hz eingestellt ist.

21 ist ein Graph, der die Frequenzeigenschaft der Auslenkung in dem zehnten Ausführungsbeispiel zeigt, wenn die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts auf 100 Hz eingestellt ist und die Resonanzfrequenz des Ansteuerabschnitts auf 50 Hz eingestellt ist.

22 ist ein Graph, der die Frequenzabhängigkeit der Auslenkung des piezoelektrischen Aktuators gemäß dem elften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

23 ist ein Graph, der die Frequenzabhängigkeit der Admittanz des piezoelektrischen Aktuators gemäß dem zwölften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

24 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau des Infrarotsensors gemäß dem dreizehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

25 ist eine perspektivische Ansicht, welche den Aufbau des Infrarotsensors einer Variation des dreizehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.

26 ist eine perspektivische Ansicht, welche den Aufbau des Infrarotsensors gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

27 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Konfiguration des Infrarotsensors gemäß dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

28 ist eine perspektivische Ansicht, welche den Aufbau des Infrarotsensors einer Variation der vorliegenden Erfindung zeigt.

29 ist eine perspektivische Ansicht, welche den Aufbau des piezoelektrischen Lichtdeflektors gemäß dem sechzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

30 ist eine schematische Ansicht, welche die Lichtablenkungsoperation des piezoelektrischen Lichtdeflektors gemäß dem sechzehnten Ausführungsbeispiel zeigt.

31 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche einen Teil der piezoelektrischen Membran gemäß dem dreizehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

32 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche einen Teil der piezoelektrischen Membran gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

33 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche einen Teil der piezoelektrischen Membran einer weiteren Konfiguration gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

34 zeigt die Positionsbeziehung der Elektroden der piezoelektrischen Membran einer weiteren Konfiguration gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

35 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche einen Teil der piezoelektrischen Membran einer weiteren Konfiguration gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

36 zeigt die Positionsbeziehung der Elektroden der piezoelektrischen Membran einer weiteren Konfiguration gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

37A und 37B zeigen ein Beispiel der Verbindungselektroden der piezoelektrischen Membran gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

38 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die einen Teil der Konfiguration des piezoelektrischen Aktuators gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

39 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die einen Teil der Konfiguration des piezoelektrischen Aktuators einer weiteren Konfiguration gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

40 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die einen Teil der Konfiguration des piezoelektrischen Aktuators einer weiteren Konfiguration gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

41 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die einen Teil der Konfiguration des piezoelektrischen Aktuators einer weiteren Konfiguration gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

42 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die einen Teil der Konfiguration des piezoelektrischen Aktuators einer weiteren Konfiguration gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

43A ist eine perspektivische Explosionsansicht, die einen Teil der Konfiguration des piezoelektrischen Aktuators einer weiteren Konfiguration gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

43B ist eine ebene Ansicht einer Oberfläche einer piezoelektrischen Membran 11h, welche einer dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 110c gegenüberliegt.

44 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die einen Teil der Konfiguration des piezoelektrischen Aktuators einer weiteren Konfiguration gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

45A ist eine perspektivische Ansicht, die die Konfiguration der piezoelektrischen Membran zeigt, die in dem piezoelektrischen Aktuator des siebenten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

45B ist eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie A-A' von 45A aufgenommen wurde.

46 ist eine perspektivische Ansicht, die die Konfiguration des Infrarotsensors des Standes der Technik schematisch zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.

Ausführungsbeispiel 1

1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die den Aufbau eines piezoelektrischen Aktuators gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Der piezoelektrische Aktuator des ersten Ausführungsbeispiels umfasst eine elastische Distanzscheibe 10, die hergestellt wird, indem eine dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts 10a und eine dünne elastische Platte, welche einen Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b darstellt, an einem Verbindungsabschnitt 10c miteinander verbunden werden, und eine piezoelektrische Membran 11, die auf einen Teil der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 10a gebondet ist, wie es in 1 gezeigt ist.

Die piezoelektrische Membran 11 wird hergestellt, indem Elektroden 12a, 12b auf einer Hauptoberfläche ausgebildet werden, die einer piezoelektrischen Keramikplatte 1 gegenübergestellt ist, welche in der Richtung der Dicke polarisiert ist, wie es in 2, gezeigt ist und sich in der Längsrichtung ausdehnt oder zusammenzieht, wenn eine Ansteuerspannung über die Elektroden 12a, 12b angelegt wird, in Abhängigkeit von der Polarität der Ansteuerspannung. Somit erfährt ein Ansteuerabschnitt 100 des unimorphen Typs mit der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 10a und der piezoelektrischen Membran 11 eine Biegeoszillation in Übereinstimmung mit der angelegten Ansteuerspannung. In dem piezoelektrischen Aktuator des ersten Ausführungsbeispiels wird eine Vibrationseigenschaft des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b derart eingestellt, dass er synchron mit der Biegeoszillation des Ansteuerabschnitts 100 vibriert. Somit wird der Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b angesteuert, damit er aufgrund der Vibration des Ansteuerabschnitts 100 über den Verbindungsabschnitt 10c mit derselben Frequenz vibriert.

Wenn der wie vorstehend beschrieben aufgebaute Oszillator an einem Ende (nachfolgend Trageende T1 genannt) der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 10a getragen wird, wie es in 3 gezeigt ist, und eine Ansteuerspannung mit einer vorbestimmten Frequenz (Ansteuerfrequenz) auf die piezoelektrische Membran 11 angelegt wird, vibriert der Oszillator wie nachfolgend beschrieben.

Die piezoelektrische Membran 11 expandiert oder kontrahiert in ihrer longitudinalen Richtung mit einer Frequenz gleich der Ansteuerfrequenz der Ansteuerspannung. Dies bewirkt, dass der Ansteuerabschnitt 100 eine Biegeoszillation mit derselben Frequenz wie die Ansteuerfrequenz durchführt. Da der Ansteuerabschnitt 100 an dem Trageende T1 fixiert ist, vibriert der Verbindungsabschnitt 10c aufgrund der Biegeoszillation vertikal. Die Vertikalvibration des Verbindungsabschnitts 10c induziert eine vertikale Bewegung der Spitze an dem gegenüberliegenden Ende der Verbindung mit dem Verbindungsabschnitt 10c in dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b. Der Ansteuerabschnitt 100 und der Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b vibrieren synchron und die Biegeoszillation des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b wird auf die vertikale Vibration des Verbindungsabschnitts 10c überlagert, die Vibrationsamplitude des Verbindungsabschnitts 10c kann größer gemacht werden.

Wenn der in 3 gezeigte Aufbau vorliegt und die Spannung mit der vorbestimmten Frequenz angelegt wird, kann eine Vibration erhalten werden, welche die primäre Vibration eines Auslegers mit einer effektiven Länge annähert, die der Summe aus der Länge des Ansteuerabschnitts 100 und der Länge des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b entspricht. Folglich kann bei dem ersten Ausführungsbeispiel, wo eine Ausgangsauslenkung auf der Spitze an dem gegenüberliegenden Ende der Verbindung mit dem Verbindungsabschnitt 10c in dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b erhalten wird, eine große Auslenkung in Übereinstimmung mit der effektiven Länge der primären Vibration erhalten werden.

Da bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Auslenkung des Ansteuerabschnitts 100 von dem Ansteuerverstärkungsabschnitt 10b verstärkt wird, stellt der piezoelektrische Aktuator insgesamt eine sehr starke Auslenkung bereit, während der piezoelektrische Oszillator 11 nur eine geringe Auslenkung erfährt (Expansion oder Kontraktion in longitudinaler Richtung). Zusätzlich kann der piezoelektrische Aktuator kleiner gemacht werden. Auch macht es der Verbindungsabschnitt 10c gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel möglich zu vermeiden, dass eine starke Beanspruchung, die von einer starken Deformation hervorgerufen wird, die auftritt, wenn der Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b Resonanzvibrationen erzeugt, an die piezoelektrische Membran 11 übertragen wird, welche auf dem Ansteuerabschnitt 100 gebondet ist. Folglich können die Belastungen, welche die piezoelektrische Membran 11 erfährt, auf diejenigen geringer Stärken begrenzt werden, welche von der angelegten Spannung verursacht werden, selbst wenn eine große Auslenkung von dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b erzeugt wird, weshalb eine hohe Zuverlässigkeit beibehalten wird.

Die vorstehend beschriebenen Effekte können auch erzielt werden, wenn der Ansteuerabschnitt des bimorphen Typs verwendet wird, genauso wie in dem Fall eines Ansteuerabschnitts des unimorphen Typs.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Ausgangsauslenkung auf der Spitze an dem gegenüberliegenden Ende der Verbindung mit dem Verbindungsabschnitt 10c in dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b erhalten, obwohl die vorliegende Erfindung auf diese Konfiguration nicht beschränkt ist und eine Ausgangsauslenkung auch von dem Verbindungsabschnitt 10c erhalten werden kann.

Wenn der piezoelektrische Aktuator einen wie in 4 gezeigten Aufbau hat, gibt eine Biegeoszillation des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b eine Einwirkung wie eine Abprall- bzw. Bounce-Vibration an den Ansteuerabschnitt 100 weiter, womit die Vibration des Ansteuerabschnitts 100 durch die Reaktion des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b verstärkt wird. Folglich nimmt die Amplitude der Vibration des Verbindungsabschnitts 10c zu, der mit dem freien Ende des Ansteuerabschnitts 100 verbunden ist. Folglich können größere Auslenkungen als in dem Fall erhalten werden, wo der Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b nicht bereitgestellt ist, selbst wenn eine starke Auslenkung an dem Verbindungsabschnitt 10c des Ansteuerabschnitts 100 erzeugt wird.

Bei dem piezoelektrischen Aktuator des ersten Ausführungsbeispiels wird der Ansteuerabschnitt auf der Spitze an dem gegenüberliegenden Ende der Verbindung mit dem Verbindungsabschnitt 10c der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 10a getragen, obwohl die vorliegende Erfindung auf diesen Aufbau nicht beschränkt ist und der Ansteuerabschnitt auch von einem Trageelement 13 in dem Verbindungsabschnitt 10c getragen werden kann. In diesem Fall wird eine Ausgangsauslenkung an der Spitze erhalten, die dem Verbindungsabschnitt 10c des Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b gegenüberliegt.

Wenn der piezoelektrische Aktuator einen wie vorstehend beschriebenen Aufbau hat, können auch größere Auslenkungen als in dem Fall erhalten werden, wo der Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b nicht bereitgestellt ist.

Wenn das Trageelement 13 auf dem Verbindungsabschnitt 10c in diesem Aufbau bereitgestellt ist, können effektivere Ausgestaltungen ermöglicht werden, weil die Formen des Ansteuerabschnitts 100 und des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b die Resonanzfrequenz voneinander nicht beeinflussen müssen.

Ausführungsbeispiel 2

Das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. 6 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen piezoelektrischen Aktuator gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

Der piezoelektrische Aktuator des zweiten Ausführungsbeispiels umfasst eine elastische Distanzscheibe 110, die durch Verbinden einer dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 110a und einer dünnen elastischen Platte 110b hergestellt wird, welche parallel zueinander angeordnet sind und mittels eines Verbindungsabschnitts 110c miteinander verbunden sind, und eine piezoelektrische Membran 11, die auf die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts 110a gebondet ist, wobei die dünne elastische Platte 110a von dem Trageelement 13 auf der Spitze getragen wird, welche dem Verbindungsende mit dem Verbindungsabschnitt 110c entgegengesetzt ist. Die piezoelektrische Membran 11 des zweiten Ausführungsbeispiels weist einen Aufbau auf, der demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels ähnelt. Bei diesem Aufbau umfasst der Ansteuerabschnitt 101 die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts 110a und die piezoelektrische Membran 11 wird dazu gebracht, mit einer Biegeoszillation zu vibrieren, welche wiederum eine Biegeoszillation des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 110b erzeugt, so dass die Ausgangsauslenkung an der Spitze erhalten wird, welche dem Ende gegenüberliegt, wo der Verbindungsabschnitt 110c des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 110b befestigt ist.

Da bei dem piezoelektrischen Aktuator des zweiten Ausführungsbeispiels der Auslenkungsverstärkungsabschnitt 110b auf einer Seite des Ansteuerabschnitts 101 bereitgestellt ist, wird der Auslenkungsverstärkungsabschnitt 110b auch einer Torsionsvibration unterzogen, was es ermöglicht, eine noch stärkere Auslenkung als in dem Fall des ersten Ausführungsbeispiels bereitzustellen.

Weil der Auslenkungsverstärkungsabschnitt 110b auf einer Seite des Ansteuerabschnitts 110 befestigt ist, tritt daher eine Auslenkung zwischen dem Massenzentrum des Ansteuerabschnitts 110 und dem Massenzentrum des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 110b auf. Dies führt dazu, dass die effektive Länge des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 110b länger wird, weshalb die Auslenkung der Spitze des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 110b verstärkt wird.

7 zeigt die Auslenkungen in dem Fall, dass die Auslenkungsverstärkungsabschnitte auf beiden Seiten des Ansteuerabschnitts wie in dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt angeordnet sind, und in dem Fall, dass der Auslenkungsverstärkungsabschnitt auf einer Seite des Ansteuerabschnitts wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel bereitgestellt ist. 7 ist ein Graph, der die Auslenkung des Verbindungsabschnitts gegen die Position relativ zu dem Verbindungsabschnitt des Auslenkungsverstärkungsabschnitts aufträgt. Es wird anhand von 7 klar, dass eine größere Auslenkung im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel, wo der Auslenkungsverstärkungsabschnitt 110b auf einer Seite des Ansteuerabschnitts untergebracht ist, in dem Fall des zweiten Ausführungsbeispiels bereitgestellt werden kann, wo der Auslenkungsverstärkungsabschnitt auf einer Seite des Ansteuerabschnitts bereitgestellt ist.

Produktionskosten können bei dem zweiten Ausführungsbeispiel reduziert werden, da die elastische Distanzscheibe 110 eine einfachere Form haben kann.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist das Trageelement 13 auf der oberen Oberfläche der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 110a fixiert, aber die vorliegende Erfindung ist auf diese Konfiguration nicht begrenzt und das Halteelement 13 kann eine Nut an der Spitze haben, in die die dünne elastische Platte 110a hineingehalten wird. Diese Konfiguration erlaubt es, den piezoelektrischen Aktuator zuverlässiger und leichter während der Produktion zusammenzubauen und zu befestigen.

Ausführungsbeispiel 3

Ein piezoelektrischer Aktuator gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.

Der piezoelektrische Aktuator des dritten Ausführungsbeispiels ähnelt demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels, außer dass die piezoelektrische Membran 11 durch eine piezoelektrische Membran 11a mit dem laminierten Aufbau, wie er in 9 gezeigt ist, ersetzt wird.

Die piezoelektrische Membran 11a, die in dem dritten Ausführungsbeispiel eingesetzt wird, besteht aus alternierend laminierten bzw. geschichteten Elektrodenschichten 12-k (k = 1, 2, 3, ..., n – 1) und piezoelektrischen Keramikschichten 1-k (k = 1, 2, 3, ..., n), so dass die Elektrodenschichten die obersten und untersten Schichten ausmachen, wie es in 9 gezeigt ist. Die Elektroden 12-1, 12-3, ..., 12-n sind mit einer Seitenelektrode 2a verbunden und die Elektroden 12-2, 12-4, ..., 12-(n + 1) sind mit einer Seitenelektrode 2b verbunden. Die piezoelektrischen Keramikschichten 1-k werden in der Richtung der Dicke in beiden Polaritäten polarisiert, so dass benachbarte piezoelektrische Keramikschichten einander entgegengesetzte Polaritäten aufweisen.

Bei dem piezoelektrischen Aktuator des dritten Ausführungsbeispiels, der den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweist, kann die Dicke der piezoelektrischen Keramikschichten 1-k verringert werden und die Ansteuerspannung kann auf jede der piezoelektrischen Keramikschichten durch die Seitenelektroden 2a, 2b angelegt werden und daher kann ein elektrisches Feld einer hohen Intensität in jeder der piezoelektrischen Keramikschichten wegen der geringeren Dicke der piezoelektrischen Keramikschichten erzeugt werden. Weil anders gesagt ein elektrisches Feld mit einer Intensität, die genauso groß oder größer ist als diejenige, die in der piezoelektrischen Keramikschicht 1 des ersten Ausführungsbeispiels erzeugt wird, in jeder der piezoelektrischen Keramikschichten 1-k mit einer Ansteuerspannung erzeugt werden kann, die kleiner als diejenige ist, welche auf den piezoelektrischen Aktuator des ersten Ausführungsbeispiels angelegt wird, kann eine Auslenkung gleich oder größer als diejenige des ersten Ausführungsbeispiels mit einer geringeren Ansteuerspannung erzielt werden.

Es sei angenommen, dass die Anzahl der piezoelektrischen Keramikschichten 1-k, die in der piezoelektrischen Membran 11a des dritten Ausführungsbeispiels laminiert sind, n beträgt und die Ansteuerspannung V0 in dem ersten Ausführungsbeispiel angelegt wird, dann ist die Spannung Vneed, welche zum Erzielen einer Auslenkung benötigt wird, die mit derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels verglichen ist, genauso niedrig wie durch Gleichung 1 vorgegeben. Diese Berechnung geht davon aus, dass die piezoelektrische Membran 11 und die piezoelektrische Membran 11a dieselben Profildimensionen haben.

Gleichung 1
  • Vneed = V0/n

Während eine Ansteuerschaltung zum Anlegen der Ansteuerspannung auf die piezoelektrische Membran 11, 11a typischerweise eine Aufspannschaltung oder eine Abspannschaltung verwendet, eliminiert das dritte Ausführungsbeispiel die Aufspannschaltung oder die Abspannschaltung aus der Ansteuerschaltung, weil die Intensität des elektrischen Feldes, welches in jeder der piezoelektrischen Keramikschichten erzeugt wird, gesteuert werden kann, indem die Zahl der piezoelektrischen Membranen 11a, die zu schichten ist, angepasst wird, wodurch die Ansteuerschaltung einfacher wird.

Die vorstehend beschriebenen Effekte können auch erhalten werden, wenn der Ansteuerabschnitt eines bimorphen Typs verwendet wird, genauso wie in dem Fall eines Ansteuerabschnitts des unimorphen Typs.

Es muss nicht erwähnt werden, dass die piezoelektrische Membran 11a des dritten Ausführungsbeispiels auch auf das zweite Ausführungsbeispiel angewendet werden kann, wobei ähnliche Effekte erzielt werden.

Es ist auch selbstverständlich, dass ähnliche Effekte mit dem bekannten uniformen Element sowie mit dem bimorphen Element erhalten werden können.

Ausführungsbeispiel 4

Ein piezoelektrischer Aktuator gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.

Der piezoelektrische Aktuator des vierten Ausführungsbeispiels ähnelt demjenigen des dritten Ausführungsbeispiels bis auf die Formen der Elektroden 12-k, 12-(k + 1), die am oberen und unteren Ende der piezoelektrischen Keramikschichten 1-k ausgebildet sind. 31 und 32 sind perspektivische Explosionsansichten eines Teils der piezoelektrischen Membran (Elektroden, die am oberen Ende und unteren Ende der piezoelektrischen Keramikschichten ausgebildet sind) in dem dritten und vierten Ausführungsbeispiel.

In der piezoelektrischen Membran 11a des dritten Ausführungsbeispiels sind die Elektrodenschichten 12-k (k = 1, 2, 3, ..., n + 1) etwas kleiner als die Breite der piezoelektrischen Keramikschichten 1-k (k = 1, 2, 3, ..., n), was in 31 gezeigt ist. Die Elektrodenschicht 12-k, die auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschichten 1-k ausgebildet ist, ist derart ausgebildet, dass eine Kante 83a, eine Kante 83c und eine Seitenfläche 83d darauf mit einer Kante 81a, einer Kante 81c und einer Seitenfläche 81d der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k jeweils übereinstimmt und eine Seitenfläche 83b der Elektrodenschicht 12-k leicht einwärts von einer Seitenfläche 81b der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k hin lokalisiert ist. Die Elektrodenschicht 12-(k – 1), die auf der anderen Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschichten 1-k ausgebildet ist, ist derart ausgebildet, dass dessen Kante 85a, Kante 85c und Seitenfläche 85b mit der Kante 81a, der Kante 81c und der Seitenfläche 81b der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k jeweils übereinstimmt und eine Seitenfläche 85d der Elektrodenschicht 12-(k – 1) leicht einwärts von der Seitenfläche 81d der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k hin versetzt ist.

Bei der piezoelektrischen Membran 11d des vierten Ausführungsbeispiels sind hingegen die Elektrodenschichten 12a-k (k = 1, 2, 3, ..., n + 1) etwas weniger breit als die piezoelektrischen Keramikschichten 1-k (k = 1, 2, 3, ..., n), wie es in 32 gezeigt ist, ähnlich dem dritten Ausführungsbeispiel, aber es unterscheidet sich von dem dritten Ausführungsbeispiel wie nachfolgend beschrieben. Die Elektrodenschicht 12a-k, die auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschichten 1-k ausgebildet ist, ist derart ausgebildet, dass eine Kante 87a und dessen Seitenfläche 87d mit der Kante 81a, der Kante 81c und der Seitenfläche 81d der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k jeweils übereinstimmt und eine Seitenfläche 87b der Elektrodenschicht 12a-k ist von der Seitenfläche 81b der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k leicht nach innen hin versetzt und eine Kante 87c der Elektrodenschicht 12a-k ist von der Kante 81c der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k leicht nach innen hin versetzt. Die Elektrodenschicht 12a-(k + 1), die auf der anderen Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k ausgebildet ist, ist derart ausgebildet, dass dessen Kante 88c und Seitenfläche 88b mit der Kante 81c und der Seitenfläche 81b der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k jeweils übereinstimmt und eine Kante 88a und eine Seitenfläche 88d der Elektrodenschicht 12a-(k + 1) sind von der Kante 81a und der Seitenfläche 81d der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k jeweils leicht nach innen hin versetzt.

Bei der piezoelektrischen Membran 11d des vierten Ausführungsbeispiels sind zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Elektrodenschichten 12a-k (k = 1, 2, 3, ..., n + 1), die etwas kleiner in der Länge und Breite als die piezoelektrische Keramikschicht 1-k (k = 1, 2, 3, ..., n) ausgebildet sind, die Elektrodenschichten laminiert, um die benachbarten Elektrodenschichten voneinander abzustufen, so dass eine Ecke 80a der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k mit einer Ecke 86a der Elektrodenschicht 12a-k übereinstimmt und eine Ecke 80b, die der Ecke 80a der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k diagonal gegenüberliegt, stimmt mit einer Ecke 86b der nächsten Elektrodenschicht 12a-(k + 1) überein.

Bei der piezoelektrischen Keramikschicht des vierten Ausführungsbeispiels, welche den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweist, haben eine Kante und eine Seitenfläche nur die Elektrodenschichten desselben darauf angelegten Potenzials und daher treten keine Probleme im Betrieb auf, wenn die Elektroden auf der Kante oder der Seitenfläche kurzgeschlossen werden.

Folglich treten keine Verschlechterungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit unter widrigen Bedingungen auf, wie beispielsweise hohe Temperatur und hohe Feuchtigkeit, selbst wenn die Elektroden aus einem Material hergestellt sind, welches zur Migration von Silber oder dgl. neigt. Somit kann Silber oder ein Silberbasiertes Metall, welches relativ preiswert ist, für die Elektroden verwendet werden.

Während die piezoelektrische Membran eines piezoelektrischen Aktuators typischerweise hergestellt wird, indem eine übergroße gesinterte Platte in eine vorbestimmte Form geschnitten wird, ermöglicht die piezoelektrische Membran, welche in dem vierten Ausführungsbeispiel eingesetzt wird, das Verhindern von Kurzschlüssen von Elektroden, die auf unterschiedlichen Potenzialen liegen sollen, aufgrund von Schnittgraten, die auf den Elektrodenschichten beim Abschneiden erzeugt werden können. Wenn die piezoelektrische Membran zum Trimmen der Breite geschnitten wird, wird sie zwischen der Seitenfläche 81b der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k und der Seitenfläche 87b der Elektrodenschicht 12a-k abgeschnitten oder zwischen der Seitenfläche 81d der piezoelektrischen Keramikfläche 1-k und der Seitenfläche 88d der Elektrodenschicht 12a-k abgeschnitten. Wenn die piezoelektrische Membran zum Trimmen der Länge abgeschnitten wird, wird sie zwischen der Kante 81c der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k und der Kante 87c der Elektrodenschicht 12a-k abgeschnitten oder zwischen der Seitenfläche 81a der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k und der Seitenfläche 88a der Elektrodenschicht 12a-(k + 1) abgeschnitten.

Bei einem wie vorstehend beschriebenen System werden nur die Elektroden abgeschnitten, die auf demselben Potenzial liegen sollen, womit es möglich wird, Kurzschlüsse von Elektroden zu verhindern, die auf unterschiedlichen Potenzialen liegen sollen, selbst wenn Schnittgrate beim Abschneiden erzeugt werden.

Variation

Einige Variationen des vierten Ausführungsbeispiels werden nachfolgend beschrieben.

33 ist eine perspektivische Explosionsansicht der ersten Variation, welche einen Teil der piezoelektrischen Membrane mit einem anderen Aufbau zum Erzielen des vierten Ausführungsbeispiels zeigt. 34 ist eine ebene Ansicht der piezoelektrischen Keramikschicht von oben, welche die Positionsbeziehung der Elektroden zeigt.

Bei der piezoelektrischen Membran 11e der ersten Variation sind die Elektrodenschichten 12b-k (k = 1, 2, 3, ..., n + 1) etwas weniger breit als die piezoelektrischen Keramikschichten 1-k (k = 1, 2, 3, ..., n), wie es in 33 gezeigt ist, aber der Aufbau unterscheidet sich von dem vierten Ausführungsbeispiel hinsichtlich anderer Aspekte, die nachfolgend beschrieben sind.

Die Elektrodenschicht 12b-k, die auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschichten 1-k ausgebildet wird, wird derart ausgebildet, dass Kanten 89a, 89c und Seitenfläche 89b leicht nach innen von den Kanten 81a, 81c und der Seitenfläche 81b der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k jeweils versetzt sind und eine Seitenfläche 89d der Elektrodenschicht 12b-k mit der Seitenfläche 81d der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k übereinstimmt.

Die Elektrodenschicht 12b-(k + 1), die auf der anderen Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k ausgebildet ist, wird derart ausgebildet, dass Kanten 90a, 90c und eine Seitenfläche 90d von den Kanten 81a, 81c und der Seitenfläche 81d der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k leicht nach innen hin versetzt jeweils angeordnet sind und eine Seitenfläche 90b der Elektrodenschicht 12b-(k + 1) mit der Seitenfläche 81b der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k übereinstimmt. Die piezoelektrische Membran der ersten Variation, welche diesen Aufbau aufweist, hat Effekte, welche denjenigen des vierten Ausführungsbeispiels ähneln.

35 ist eine perspektivische Explosionsansicht der zweiten Variation, die einen Teil der piezoelektrischen Membrane mit einem anderen Aufbau zum Erzielen des vierten Ausführungsbeispiels zeigt. 36 ist eine ebene Ansicht der piezoelektrischen Keramikschicht von oben, die die Positionsbeziehung der Elektroden zeigt.

Bei der piezoelektrischen Membran 11f der zweiten Variation werden die Elektrodenschichten 12c-k (k = 1, 2, 3, ..., n + 1) etwas weniger breit und weniger lang als die piezoelektrischen Keramikschichten 1-k (k = 1, 2, 3, ..., n) gemacht, wie es in 35 gezeigt ist, und werden wie nachfolgend beschrieben ausgebildet.

Die Elektrodenschicht 12b-k, die auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k ausgebildet ist, wird derart ausgebildet, dass Kanten 91a, 91c und Seitenflächen 91b und 91d von den Kanten 81a, 81c und den Seitenflächen 81b, 81d der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k jeweils leicht nach innen versetzt angeordnet sind.

Die Elektrodenschicht 12c-(k + 1), die auf der anderen Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k ausgebildet ist, wird derart ausgebildet, dass Kanten 92a, 92c und Seitenflächen 92b, 92d von den Kanten 81a, 81c und den Seitenflächen 81b, 81d der piezoelektrischen Keramikschicht 1-k jeweils leicht nach innen versetzt angeordnet sind.

Die Elektrodenschicht 12c-k hat eine hervorragende Elektrode 23-k, die in der Nähe der Seitenfläche 91b der Kante 91a ausgebildet ist und die Elektrodenschicht 12c-(k + 1) hat eine hervorragende Elektrode 23-(k + 1), die in der Nähe der Seitenfläche 92d der Kante 92a ausgebildet ist.

Die piezoelektrische Membran der zweiten Variation hat wie vorstehend beschrieben die hervorragenden Elektroden (Elektroden für die Verbindung mit externen Schaltungen), wobei alle anderen Elektrodenschichten, die auf demselben Potenzial liegen, einander gegenüberliegend angeordnet sind, so dass die Elektrodenschichten unterschiedlicher Potenziale an unterschiedlichen Orten lokalisiert sind, wie es vorstehend beschrieben ist. Die piezoelektrische Membran der zweiten Variation, die diesen Aufbau hat, hat Effekte ähnlich denjenigen des vierten Ausführungsbeispiels und macht es auch möglich, das Auftreten von Spänen der piezoelektrischen Keramikschicht an einer Position in der Nähe der Grenze zwischen der Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Keramikschicht zu unterdrücken, indem die piezoelektrische Membran zwischen einer Seitenfläche der Elektrode und einer Seitenfläche der piezoelektrischen Keramikschicht und zwischen einer Kante der Elektrode und einer Kante der piezoelektrischen Keramikschicht abgeschnitten wird.

Wenn eine Elektrodenschicht, die relativ weich ist und eine hohe Duktilität aufweist, und eine sehr spröde piezoelektrische Keramikschicht gleichzeitig abgeschnitten werden, treten Späne an einer Kante vermehrt auf, wegen eines interkristallinen Spalts in der piezoelektrischen Keramikschicht, egal wie streng die Schneidebedingungen kontrolliert werden. Dieses Problem wird mit höherer Wahrscheinlichkeit auftreten, wenn die piezoelektrische Keramikschicht dünner wird. In unseren Experimenten war es schwierig, eine piezoelektrische Keramikschicht mittels des herkömmlichen Verfahrens abzuschneiden, die dünner als 20 &mgr;m ist. Bei der zweiten Variation werden hingegen die Elektrodenschicht und die piezoelektrische Keramikschicht nicht zusammen abgeschnitten außer bei dem Abschnitt der hervorragenden Elektrode und daher können Späne beim Abschneiden vermieden werden.

Obwohl die hervorragenden Elektroden mit demselben Potenzial an derselben Kante in dem vorstehend beschriebenen Beispiel ausgebildet werden, werden Positionen von zwei hervorragenden Elektroden nicht auf dieselbe Kante bei der vorliegenden Erfindung beschränkt.

37 zeigt ein Beispiel des Ausbildens einer Verbindungselektrode der piezoelektrischen Membran 11f der zweiten Variation. 37(a) ist eine Ansicht vor der Ausbildung der Verbindungselektrode der piezoelektrischen Membran 11f. In diesem Beispiel, welches in 37(b) gezeigt ist, werden eine Verbindungselektrode 23a zum Verbinden der hervorragenden Elektrode 23-k (k = 1, 3, ..., n – 1) und eine Verbindungselektrode 23b zum Verbinden der hervorragenden Elektrode 23-k (k = 2, 4, ..., n) an vorbestimmten Positionen ausgebildet, indem Metallfilme durch Dampfdeposition oder Sputtering oder durch Anlegen einer elektrisch leitenden Paste ausgebildet werden. Bei dieser Konfiguration kann die piezoelektrische Membran 11f vibriert werden, indem die Ansteuerspannung zwischen den Elektroden 12-1, 12-n angelegt wird, die auf beiden Hauptoberflächen ausbildet sind, genauso wie in dem Fall der piezoelektrischen Membran 11 des Standes der Technik.

Die vorstehend beschriebenen Effekte können auch erhalten werden, wenn der Ansteuerabschnitt des bimorphen Typs verwendet wird genauso wie in dem Fall des Ansteuerabschnitts des unimorphen Typs.

Ähnliche Effekte können auch mit dem gemeinsamen unimorphen Element sowie mit dem bimorphen Element erhalten werden.

Ausführungsbeispiel 5

Ein piezoelektrischer Aktuator gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.

Der piezoelektrische Aktuator des fünften Ausführungsbeispiels setzt die piezoelektrische Membran des vierten Ausführungsbeispiels ein. In dem piezoelektrischen Aktuator des fünften Ausführungsbeispiels umfasst ein unimorphes Element zuständig für Vibrationen die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts 10a und die piezoelektrische Membran 11f, welche auf einem Teil der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 10a gebondet ist, wie es in 38 gezeigt ist. Insbesondere in dem fünften Ausführungsbeispiel wird ein Loch 24a, welches größer als die Verbindungselektrode 23a ist, auf der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 10a derart ausgebildet, dass die Verbindungselektrode 23a die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts 10a nicht berührt, weshalb es möglich ist, die Verbindungselektroden 23a, 23b unter Verwendung einer elektrisch leitenden Paste oder dgl. nach dem Bonden der piezoelektrischen Membran 11f und der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 10a zusammen auszubilden.

Es ist auch möglich, einen Kurzschluss zwischen der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 10a, der mit der Verbindungselektrode 23b und der Verbindungselektrode 23a elektrisch verbunden ist, zu verhindern und die Stabilität gegenüber einer Migration oder anderer Probleme bei der Herstellung oder dem Betrieb unter widrigen Bedingungen zu verbessern.

Einige Variationen des fünften Ausführungsbeispiels werden nachfolgend beschrieben.

39 ist eine partielle perspektivische Explosionsansicht des unimorphen Elementes, welches in einem piezoelektrischen Aktuator einer Variation des fünften Ausführungsbeispiels verwendet wird. Dieses unimorphe Element ist eine Variation des unimorphen Elementes des fünften Ausführungsbeispiels, das in 38 gezeigt ist, wobei ein Isolator 24b, der verhindert, dass zwischen der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 10a und der Verbindungselektrode 23a ein Kontakt entsteht, ausgebildet wird anstelle des Lochs 24a, während der Rest dem fünften Ausführungsbeispiel gleicht. Diese Konfiguration zeigt auch Ergebnisse ähnlich denjenigen des fünften Ausführungsbeispiels.

40 und 41 zeigen andere Variationen des fünften Ausführungsbeispiels, die gelten, wenn zumindest eine der Verbindungselektroden 23a, 23b auf der Seitenfläche der piezoelektrischen Membran lokalisiert ist.

40 zeigt ein Beispiel des unimorphen Elements zuständig für Vibrationen, welches die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts 10a mit einer Breite, die etwas geringer als diejenige der piezoelektrischen Membran 11f ist, und die piezoelektrische Membran 11f umfasst, welche mit einem Teil der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 10a verbunden ist. Die piezoelektrische Membran 11f ist breiter als die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts 10a und hat eine Seitenfläche, auf der die Verbindungselektroden 23a, 23b ausgebildet werden, welche gebondet sind, um über eine Seitenfläche der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 10a hinauszuragen. Diese Konfiguration ermöglicht es, die Verbindungselektroden 23a, 23b auf einfache Weise auszubilden, indem eine elektrisch leitende Paste oder dgl. verwendet wird, ohne Kurzschlüsse zwischen der Verbindungselektrode 23a und der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 10a zu erzeugen, nachdem die piezoelektrische Membran 11f und die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts 10a miteinander verbunden worden sind.

Ferner kann die Stabilität gegen Migration beim Herstellen oder Betrieb unter widrigen Bedingungen verbessert werden, indem der Abstand zwischen der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 10a und den Verbindungselektroden 23a nicht kleiner als ein vorbestimmter Minimalwert gehalten wird.

41 zeigt ferner eine weitere Variation, wobei eine Nut 24c größer als die Verbindungselektrode 23a an einer Position ausgebildet wird, wo die Verbindungselektrode 23a ansonsten lokalisiert wäre, wenn die piezoelektrische Membran 11f und die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts 10a miteinander verbunden werden. Diese Konfiguration hat auch die Effekte, welche denjenigen des fünften Ausführungsbeispiels ähneln.

Ausführungsbeispiel 6

Ein piezoelektrischer Aktuator gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahmen auf die beigefügten Figuren beschrieben.

42 ist eine partielle perspektivische Explosionsansicht, welche den Aufbau des unimorphen Elements zeigt, welches in einem piezoelektrischen Aktuator des sechsten Ausführungsbeispiels verwendet wird.

Bei dem piezoelektrischen Aktuator des sechsten Ausführungsbeispiels umfasst das für Vibration zuständige unimorphe Element eine dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts 10c und eine piezoelektrische Membran 11g, welche auf einem Teil der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 10c gebondet ist, wie es in 42 gezeigt ist.

In dem sechsten Ausführungsbeispiel ist ein Isolator 24d größer als die Verbindungselektrode 23a in der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 10a an einer Position ausgebildet, wo die Verbindungselektrode 23a ansonsten lokalisiert wäre und eine Anschlusselektrode 25a, die eine Kontinuität mit der Verbindungselektrode 23b hat und von der Elektrodenschicht 12-1 isoliert ist, wird auf der oberen Oberfläche der piezoelektrischen Membran 11g ausgebildet. Die Anschlusselektrode 25a ist mittels einer Isolationsregion 26a von der Oberflächenelektrode 12-1 isoliert. Diese Konfiguration ermöglicht es, den piezoelektrischen Aktuator des sechsten Ausführungsbeispiels durch Anlegen einer Ansteuerspannung zwischen der Oberflächenelektrode 12-1 und der Anschlusselektrode 25a anzusteuern.

Bei dem unimorphen Element P des sechsten Ausführungsbeispiels, welches wie vorstehend beschrieben, konfiguriert ist, werden eine Verbindung zwischen der Verbindungselektrode 23b und der Anschlusselektrode 25a und einer Verbindung zwischen der Verbindungselektrode 23a und der Oberflächenelektrode 12-1 jeweils durch direkten Kontakt mit Metall hergestellt, was eine zuverlässigere Verbindung als bei den Elementen der ersten bis fünften Ausführungsbeispiele bereitstellt, wo die Oberflächenelektrode auf einer Seite der piezoelektrischen Membran und die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts durch Dazwischenlegen einer Verbindungsschicht kontaktiert werden. Somit kann der piezoelektrische Aktuator mit einer hohen Zuverlässigkeit im Betrieb unter widrigen Bedingungen wie einer hohen Temperatur oder Feuchtigkeit bereitgestellt werden.

43(a) ist eine perspektivische teilweise Explosionsansicht, welche die Konfiguration eines unimorphen Elementes eines piezoelektrischen Aktuators einer Variation des sechsten Ausführungsbeispiels zeigt. 43(b) ist eine ebene Ansicht einer Oberfläche einer piezoelektrischen Membran 11h, welche einer dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 110c gegenüberliegt.

Bei dieser Variation umfasst das unimorphe Element, welches für Vibrationen zuständig ist, die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts 110c und die piezoelektrische Membran 11h, welches auf einem Teil der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 110c gebondet ist, wie es in 43(a) gezeigt ist.

Bei dieser Konfiguration wird eine Anschlusselektrode 25b, welche von einer Elektrode 12-n elektrisch isoliert ist, auf der Elektrode 12-n der piezoelektrischen Membran 11h über der Isolationsregion 26b ausgebildet und die Verbindungselektrode 23a wird mit der Anschlusselektrode 25b verbunden, wie es in 43(b) gezeigt ist. Andererseits hat die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts 110c eine Leitungsschicht 27, die über der Isolationsschicht 28 ausgebildet ist, während die piezoelektrische Membran 11f und die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts 110a derart miteinander verbunden sind, dass die Elektrode 25b einem Teil der leitenden Schicht 27 gegenüberliegt.

Da die piezoelektrische Membran 11h und die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts 110a miteinander verbunden sind, wird eine elektrische Kontinuität zwischen der Anschlusselektrode 25b und der Leitungsschicht 27 und zwischen der Oberflächenelektrode 12-n und der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 110a etabliert. Folglich kann der piezoelektrische Aktuator des sechsten Ausführungsbeispiels angesteuert werden, indem eine Ansteuerspannung zwischen der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 110a und der Leitungsschicht 27 angelegt wird.

44 zeigt eine Konfiguration, wo die Isolationsschicht 28 und die Leitungsschicht 27 auf die dünne elastische Platte des Ansteuerabschnitts 110a bis zu der Kante erstreckt wird, und eine Spannung zwischen der dünnen elastischen Platte des Ansteuerabschnitts 110a und der Leitungsschicht 27 an dessen Kante mittels eines Verbinders oder dgl. angelegt wird, wodurch der piezoelektrische Aktuator angesteuert wird.

Deshalb können nachteilige Effekte (Massenadditionseffekte) von Lötzinn oder dgl. vermieden werden, welche die Resonanzcharakteristik beeinflussen, anders als bei einem Aufbau, wo Lötzinn zum Verbinden verwendet wird, und der piezoelektrische Aktuator kann mit weniger Eigenschaftsschwankungen bereitgestellt werden.

Bei einer Konfiguration, wo eine Ansteuerspannung zwischen der Oberflächenelektrode der piezoelektrischen Membran und dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt mittels eines Kabels oder dgl. angelegt wird, welches von der Oberfläche der piezoelektrischen Membran fortläuft, gibt es das Problem, dass die Produktionskosten nicht verringert werden können, weil der Kabelverbindungsschritt die Kosten steigert.

Die in 44 gezeigte Konfiguration löst jedoch dieses Problem und macht es unnötig, ein Kabel herauszuführen, womit die Produktionskosten vermindert werden.

Es ist unnötig zu erwähnen, dass das sechste Ausführungsbeispiel ähnliche Ergebnisse wie diejenigen der anderen Ausführungsbeispiele zeigt.

Ausführungsbeispiel 7

Ein piezoelektrischer Aktuator gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.

Der piezoelektrische Aktuator gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel ähnelt demjenigen des dritten Ausführungsbeispiels mit der Ausnahme, dass eine piezoelektrische Membran 11i mit einem laminierten Aufbau, der in 45(a) gezeigt ist, anstelle der piezoelektrischen Membran 11a des dritten Ausführungsbeispiels verwendet wird.

Obwohl die piezoelektrische Membran 11i des siebten Ausführungsbeispiels einen derartigen Aufbau hat wie Elektrodenschichten und piezoelektrische Keramikschichten alternierend laminiert sind ähnlich dem ? Ausführungsbeispiel, unterscheidet sich dessen Form der Elektrodenschichten und die Verbindung zwischen den Elektroden von dem ? Ausführungsbeispiel.

Die piezoelektrische Membran 11i umfasst insbesondere eine Elektrodenschicht 30a-1, eine piezoelektrische Keramikschicht, eine Elektrodenschicht 30b-1, eine piezoelektrische Keramikschicht, eine Elektrodenschicht 30a-2, eine piezoelektrische Keramikschicht und eine Elektrodenschicht 30b-2, die aufeinander folgend geschichtet sind bzw. laminiert sind. Wie in 45(a), (b) gezeigt ist, werden die Elektrodenschicht 30a-1 und die Elektrodenschicht 30a-2 durch ein Durchloch 31a miteinander verbunden, welches mit einem elektrisch leitenden Material wie einem elektrisch leitenden Harz an einem Ende der piezoelektrischen Membran 11i gefüllt ist, während die Elektrodenschicht 30b-1 und die Elektrodenschicht 30b-2 durch ein Durchloch 31b miteinander verbunden sind, welches mit einem elektrisch leitenden Material wie einem elektrisch leitenden Harz an einem Ende der piezoelektrischen Membran 11i gefüllt ist. 45(b) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A' von 45(a).

Jeder der piezoelektrischen Keramikschichten wird in der Richtung der Dicke in beiden Polaritäten polarisiert, so dass benachbarte piezoelektrische Keramikschichten entgegengesetzte Polaritäten in Abhängigkeit von der Polarität der Spannung haben, welche auf die piezoelektrische Keramikschicht angelegt wird.

Der piezoelektrische Aktuator des siebten Ausführungsbeispiels, welches den vorstehend beschriebenen Aufbau hat, hat Effekte, die demjenigen des dritten Ausführungsbeispiels ähneln und kann die Elektroden leicht und zuverlässig miteinander verbinden.

Bei dem piezoelektrischen Aktuator des siebten Ausführungsbeispiels kann das Durchloch auch mit demselben Material wie die zuvor gesinterte Elektrode gefüllt werden.

Ausführungsbeispiel 8

Ein piezoelektrischer Aktuator gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.

Der piezoelektrische Aktuator gemäß dem achten Ausführungsbeispiel ähnelt demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels mit der Ausnahme, dass eine piezoelektrische Membran 11b eines laminierten Aufbaus, der in 10 gezeigt ist, anstelle der piezoelektrischen Membran 11 des ersten Ausführungsbeispiels verwendet wird.

Die piezoelektrische Membran 11b, die in dem achten Ausführungsbeispiel verwendet wird, wird hergestellt, indem Elektrodenschichten 42-k (k = 1, 2, 3, ..., n + 1) und piezoelektrische Keramikschichten 41-k (k = 1, 2, 3, ..., n) in der Richtung der Breite derart alternierend geschichtet werden, dass die Elektrodenschichten die obersten und untersten Schichten darstellen, wie es in 11 gezeigt ist. Die Elektroden 42-1, 42-3, ..., 42-n werden von einer Elektrode 42b miteinander verbunden, die auf einer der Hauptoberflächen ausgebildet ist und die Elektroden 42-2, 42-4, ..., 42-(n + 1) werden von einer Elektrode 42a verbunden, die auf der anderen Hauptoberfläche ausgebildet ist. Die piezoelektrischen Keramikschichten werden in einer Richtung polarisiert, die dadurch bestimmt wird, dass die Richtungen aller angelegten Spannungen berücksichtigt werden. Insbesondere wird jede der piezoelektrischen Keramikschichten in der Richtung der Dicke derart polarisiert, dass benachbarte piezoelektrische Keramikschichten entgegengesetzte Polaritäten in Abhängigkeit von der Polarität der Spannung haben, die auf die piezoelektrische Keramikschicht angelegt wird.

Bei dem piezoelektrischen Aktuator des achten Ausführungsbeispiels, der die vorstehend beschriebene Konfiguration aufweist, wird die Dicke der piezoelektrischen Keramikschichten verringert und dieselbe Ansteuerspannung wird auf jede der piezoelektrischen Keramikschichten durch die Seitenelektroden 2a, 2b angelegt, so dass ein elektrisches Feld von einer hohen Intensität in jeder der piezoelektrischen Keramikschichten wegen der geringeren Dichte der piezoelektrischen Keramikschichten erzeugt werden kann. Weil mit dieser Konfiguration ein elektrisches Feld mit einer Intensität gleich oder größer als diejenige, die in der piezoelektrischen Keramikschicht 1 des ersten Ausführungsbeispiels erzeugt wird, in jeder der piezoelektrischen Keramikschichten 1-k mit einer Ansteuerspannung geringer als diejenige erzeugt werden kann, die auf den piezoelektrischen Aktuator des ersten Ausführungsbeispiels angelegt wird, kann eine genauso große oder größere Auslenkung als diejenige des ersten Ausführungsbeispiels mit einer geringeren Ansteuerspannung erzeugt werden.

Es sei angenommen, dass die Anzahl der piezoelektrischen Keramikschichten 41-k, die in die piezoelektrische Membran 11b des achten Ausführungsbeispiels laminiert sind, n beträgt und die Ansteuerspannung V0 in dem ersten Ausführungsbeispiel angelegt wird, dann ist die Spannung Vneed 1, die zum Erzielen einer Auslenkung benötigt wird, die mit derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels vergleichbar ist, so niedrig wie diejenige, die durch Gleichung 2 angegeben wird. Diese Berechnung geht davon aus, dass die piezoelektrische Membran 11 und die piezoelektrische Membran 11a dieselben Profildimensionen haben.

Gleichung 2
  • Vneed 1 = V0{w//(n t0)}

Gleichung 2 zeigt, dass wenn die Dicke (w/n) der piezoelektrischen Keramikschichten 41-k dünner als die Dicke t0 der piezoelektrischen Membran 11, 11b ist, die Ansteuerspannung kleiner als diejenige des ersten Ausführungsbeispiels gemacht werden kann. D. h., dass die vorstehend beschriebene Konfiguration dieselben Effekte hat wie diejenigen des ersten Ausführungsbeispiels.

Indem bei dem achten Ausführungsbeispiel die kleine Anzahl laminierter Schichten n und die Dicke (w/n) der piezoelektrischen Keramikschichten 41-k größer als die Dicke der piezoelektrischen Membranen 11, 11b eingestellt wird, kann die Intensität des elektrischen Feldes reduziert werden, welches in den piezoelektrischen Keramikschichten 41-k erzeugt wird, um dadurch die Effekte zu erzielen, die durch Verringern der Spannung mit einer Abspannschaltung erzielt werden. D. h., dass in dem dritten Ausführungsbeispiel die Abspannschaltung aus der Ansteuerschaltung entfernt werden kann, indem ein angemessener Wert für die Anzahl laminierter Schichten n eingestellt wird.

Ausführungsbeispiel 9

Ein piezoelektrischer Aktuator gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.

Der piezoelektrische Aktuator gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel ähnelt demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels mit der Ausnahme, dass anstelle der piezoelektrischen Membran 11 des ersten Ausführungsbeispiels eine piezoelektrische Membran 11c mit einem laminierten Aufbau verwendet wird, die in 12 gezeigt ist.

Die piezoelektrische Membran 11c, die in dem neunten Ausführungsbeispiel eingesetzt wird, besteht aus alternierend geschichteten Elektrodenschichten 52-k (k = 1, 2, 3, ..., n + 1) und piezoelektrischen Keramikschichten 51-k (k = 1, 2, 3, ..., n) in der Richtung der Breite, so dass die Elektrodenschichten die äußersten Schichten sind, wie es in 13 gezeigt ist. Die Elektroden 52-1, 52-3, ..., 52-n sind durch eine Elektrode 52b, die auf einer der Hauptoberflächen ausgebildet ist, miteinander verbunden und die Elektroden 52-2, 52-4, ..., 52-(n + 1) sind durch eine Elektrode 52a miteinander verbunden, die auf der anderen Hauptoberfläche ausgebildet ist. Die piezoelektrischen Keramikschichten 51-k sind in der Richtung der Länge der piezoelektrischen Membran 11c polarisiert, so dass benachbarte piezoelektrische Keramikschichten 51-k und 51-(k + 1) in entgegengesetzten Richtungen in Übereinstimmung mit der Spannung polarisiert sind, die auf die piezoelektrischen Keramikschichten 51-k angelegt wird. Während die Spannung in der Richtung der Achse der Polarisation der piezoelektrischen Membran angelegt wird und die in der senkrechten Richtung dazu erzeugte Belastung in den ersten bis achten Ausführungsbeispielen verwendet wird, wird die Spannung in derselben Richtung wie die Polarisation angelegt, um dadurch eine Auslenkung der Richtung der Polarisation (Längsrichtung) in dem neunten Ausführungsbeispiel zu erzeugen.

In dem piezoelektrischen Aktuator des neunten Ausführungsbeispiels, der wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist, wird die Spannung in der Richtung der Polarisationsachse angelegt, um dadurch eine Auslenkung in der Polarisationsrichtung zu erzeugen. In einem piezoelektrischen Material ist im Allgemeinen eine piezoelektrische Konstante d33 in der Polarisationsrichtung, wenn eine Spannung in der Polarisationsrichtung angelegt wird, höher als eine piezoelektrische Konstante d31 in der Richtung senkrecht zu der Polarisationsachse, wenn eine Spannung in der Richtung der Polarisationsachse angelegt wird, und daher kann eine große Auslenkung mit einer niedrigeren Ansteuerspannung als in den Fällen des dritten Ausführungsbeispiels und des achten Ausführungsbeispiels erhalten werden. In dem neunten Ausführungsbeispiel wird die Auslenkung in der Richtung der Polarisationsachse verwendet, wenn die Spannung in der Polarisationsrichtung angelegt wird, die größer als die Auslenkung in der Richtung senkrecht zu der Polarisationsachse ist, wenn die Spannung in der Polarisationsrichtung angelegt wird. Beispielsweise ist eine piezoelektrische Konstante d31 eines piezoelektrischen Materials des PZT-Typs gleich ?185.9 × 10–12 m/V und eine piezoelektrische Konstante d33 ist 366.5 × 10–12 m/V, was doppelt so groß wie d33 ist.

Es sei angenommen, dass die Anzahl der piezoelektrischen Keramikschichten 51-k , die in der piezoelektrischen Membran 11c des neunten Ausführungsbeispiels laminiert sind, n beträgt und die Ansteuerspannung V0 in dem ersten Ausführungsbeispiel angelegt wird, dann ist die Spannung Vneed 2, die zum Erzielen einer mit dem ersten Ausführungsbeispiel vergleichbaren Auslenkung notwendig ist, genauso niedrig wie durch Gleichung 3 angegeben. Diese Berechnung geht davon aus, dass die piezoelektrische Membran 11 und die piezoelektrische Membran 11c dieselben Profildimensionen haben. In Gleichung 3 stellt t0 die Dicke der piezoelektrischen Membran 11, 11c dar und 1 stellt die Länge der piezoelektrischen Membranen 11, 11c dar.

Gleichung 3
  • Vneed 2 = {1/(n t0)}V0(d31/d33)

Wie vorstehend beschrieben ist, kann in dem neunten Ausführungsbeispiel die Ansteuerspannung proportional zu dem Richtungsverhältnis der piezoelektrischen Konstanten (d31/d33) und proportional zu der Dicke (1/n) der piezoelektrischen Keramikschichten 41-k verringert werden.

Ausführungsbeispiel 10

Das zehnte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben.

Das zehnte Ausführungsbeispiel ähnelt dem ersten Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, dass eine Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b, eine Resonanzfrequenz fr2 des Ansteuerabschnitts 100 und die Frequenz der Ansteuerspannung derart eingestellt werden, dass eine vorbestimmte Beziehung, die nachfolgend beschrieben wird, erfüllt wird.

Wie schematisch in 14 gezeigt ist, wird insbesondere in dem zehnten Ausführungsbeispiel die Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b höher gewählt als die Resonanzfrequenz fr2 des Ansteuerabschnitts 100 und die Frequenz der Spannung zum Ansteuern des Ansteuerabschnitts wird zwischen der Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b und der Resonanzfrequenz fr2 des Ansteuerabschnitts eingestellt. Um bei dem zehnten Ausführungsbeispiel eine starke Auslenkung zu erzielen, indem dafür gesorgt wird, dass der Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b effizient funktioniert, wird die Resonanzfrequenz fr2 des Ansteuerabschnitts 100 derart eingestellt, dass er nicht kleiner als 60% der Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b ist. Diese Konfiguration ermöglicht es dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b die Auslenkung effizient zu verstärken, die von dem Ansteuerabschnitt 100 erzeugt wird.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 15 bis 21 die Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz fr2 des Ansteuerabschnitts 100, der Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b und der Auslenkung beschrieben. Die in den 15 bis 21 gezeigten Auslenkungen sind diejenigen, die an einem Ende beobachtet wurden, das dem Ende gegenüberliegt, welches mit dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b verbunden ist.

15 ist ein Graph, der die Auslenkung als Funktion der Ansteuerfrequenz zeigt, wenn die Resonanzfrequenz fr2 des Ansteuerabschnitts 100 auf 70 Hz eingestellt wird und die Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b auf 100 Hz eingestellt wird (fr2 = 0,7 fr1). Aus 15 ist ersichtlich, dass eine relativ große Auslenkung in der Region zwischen der Resonanzfrequenz fr2 und der Resonanzfrequenz fr1 erzielt werden kann. 15 zeigt auch, dass es eine Region gibt, die durch Bezugszeichen 61 angezeigt wird, welche zwischen der Resonanzfrequenz fr1 und der Resonanzfrequenz fr2 liegt, wo die Auslenkung im Wesentlichen konstant bleibt, während sich die Ansteuerfrequenz ändert.

16 ist ein Graph, der die Auslenkung als Funktion der Ansteuerfrequenz zeigt, wenn die Resonanzfrequenz fr2 des Ansteuerabschnitts 100 auf 60 Hz eingestellt wird und die Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b auf 100 Hz eingestellt wird (fr2 = 0,6 fr1). Aus 16 ist ersichtlich, dass eine relativ starke Auslenkung in der Region zwischen der Resonanzfrequenz fr2 und der Resonanzfrequenz fr1 erzielt werden kann. 15 zeigt auch, dass es eine Region gibt, die durch Bezugszeichen 62 angedeutet wird, die zwischen der Resonanzfrequenz fr2 und der Rückfluss fr1 liegt, wo die Auslenkung im Wesentlichen konstant bleibt, während sich die Ansteuerfrequenz ändert.

17 ist ein Graph, der die Auslenkung als Funktion der Ansteuerfrequenz zeigt, wenn die Resonanzfrequenz fr2 des Ansteuerabschnitts 100 auf 58 Hz eingestellt wird und die Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b auf 100 Hz eingestellt wird (fr2 = 0,58 fr1). Aus 17 ist ersichtlich, dass eine starke Auslenkung erreicht werden kann, wenn die Ansteuerfrequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz fr2 oder der Resonanzfrequenz fr1 ist, aber die Auslenkung ist niedriger als das Zentrum der Region. 17 zeigt auch, dass es keine Region zwischen der Resonanzfrequenz fr2 und der Resonanzfrequenz fr1 gibt, wo die Auslenkung im Wesentlichen konstant bleibt, während die Ansteuerfrequenz sich ändert.

18, 19, 20 und 21 zeigen die Auslenkung als Funktion der Ansteuerfrequenz, wobei der Unterschied zwischen der Resonanzfrequenz fr2 des Ansteuerabschnitts 100 und der Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b verstärkt ist. Wie aus 18 bis 21 ersichtlich werden wird, nimmt die Auslenkung, die mit einer Ansteuerfrequenz im Zentrum der Region erhalten wird, ab, wenn der Unterschied zwischen der Resonanzfrequenz fr2 des Ansteuerabschnitts 100 und der Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b zunimmt. Somit zeigen 18 bis 21, dass es keine Region gibt, wo die Auslenkung im Wesentlichen konstant bleibt, während sich die Ansteuerfrequenz ändert.

Somit kann aus den Daten, die in 15 bis 21 gezeigt sind, geschlossen werden, dass eine Vibration des Ansteuerabschnitts 100 und eine Vibration des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b effektiv miteinander interagieren, wenn die Resonanzfrequenz fr2 des Ansteuerabschnitts 100 auf 60% der Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b oder höher gewählt wird.

Dies ermöglicht es, den Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b effektiv zu vibrieren, indem der Ansteuerabschnitt 100 über den Verbindungsabschnitt 10c vibriert wird. Wenn die Resonanzfrequenz fr2 des Ansteuerabschnitts 100 kleiner als 60% der Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b gewählt wird, wird eine Wechselwirkung zwischen einer Vibration des Ansteuerabschnitts 100 und einer Vibration des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b schwächer. Das bedeutet, dass eine Vibration des Ansteuerabschnitts 100 keine ausreichende Vibration des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b induzieren kann, wenn die Resonanzfrequenz fr2 kleiner als 60% der Resonanzfrequenz fr1 eingestellt wird.

Bei dem zehnten Ausführungsbeispiel wird die Ansteuerfrequenz vorzugsweise in der Frequenzregion eingestellt, wo die Auslenkung am wenigsten von der Änderung der Ansteuerfrequenz beeinflusst wird, was durch Bezugszeichen 61, 62 in 15 und 16 angedeutet wird. Dies ermöglicht es, eine stabile Ausgangsauslenkung zu erhalten, die keine bedeutsame Änderung aufweist, während sich die Ansteuerfrequenz ändert.

Es muss nicht gesagt werden, dass es von dem mechanischen Gütefaktor Qm bei der Resonanzfrequenz des Ansteuerabschnitts 100 und von dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b und weiteren Faktoren wie der piezoelektrischen Konstante abhängt, ob eine stabile Auslenkung erhalten werden kann oder nicht.

Wenn der Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b einen Ausgangsaufnehmeabschnitt aufweist, kann die Ansteuerspannung und die Ausgangsauslenkung dazu gebracht werden, sich mit derselben Phase unabhängig von Änderungen der Ansteuerfrequenz zu verändern.

Wenn es das Ziel ist, eine stärkere Auslenkung in dem zehnten Ausführungsbeispiel zu erhalten, wird die Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b ungefähr genauso groß wie die Ansteuerfrequenz eingestellt. Dies ermöglicht es, zu bewirken, dass der Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b mit einer stärkeren Amplitude bei einer kleinen Auslenkung des Ansteuerabschnitts vibriert (wenn der Ansteuerabschnitt mit einer kleineren Amplitude vibriert, ist der Ansteuerabschnitt sehr zuverlässig), weshalb eine stärkere Auslenkung erzeugt wird.

Ausführungsbeispiel 11

Das elfte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ähnelt dem zehnten Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, dass die Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b niedriger als die Resonanzfrequenz fr2 des Ansteuerabschnitts 100 eingestellt wird und die Frequenz der Spannung zum Ansteuern des Ansteuerabschnitts wird zwischen der Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b und der Resonanzfrequenz fr2 des Ansteuerabschnitts eingestellt, wie es in 22 gezeigt ist.

Um bei dem elften Ausführungsbeispiel eine starke Auslenkung zu erhalten, indem dafür gesorgt wird, dass der Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b effizient funktioniert, wird die Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b derart eingestellt, dass sie nicht kleiner als 60% der Resonanzfrequenz fr2 des Ansteuerabschnitts ist. Diese Konfiguration ermöglicht es dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b die Auslenkung effektiv zu verstärken, die von dem Ansteuerabschnitt 100 erzeugt wird.

Der Grund dafür, die Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b auf 60% der Resonanzfrequenz fr2 des Ansteuerabschnitts oder höher in dem elften Ausführungsbeispiel einzustellen, ähnelt demjenigen im Falle des zehnten Ausführungsbeispiels. Weil nämlich eine stabile Vibration erhalten werden kann, wenn die Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b derart eingestellt wird, dass sie nicht weniger als 60% der Resonanzfrequenz fr2 des Ansteuerabschnitts beträgt.

Das elfte Ausführungsbeispiel mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau hat die folgenden einzigartigen Effekte zusätzlich zu den Effekten des zehnten Ausführungsbeispiels.

Es sei angenommen, dass die Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b um &Dgr;fr1 verändert wird und die Resonanzfrequenz fr2 des Verstärkungsabschnitts 100 um &Dgr;fr2 verändert wird, wenn sich die Umgebungstemperatur um &Dgr;T ändert, wobei &Dgr;fr1 << &Dgr;fr2 ist. Somit nimmt der Unterschied zwischen der Resonanzfrequenz fr1 und der Resonanzfrequenz fr2 zu und die Auslenkung verringert sich. Eine piezoelektrische Konstante der piezoelektrischen Membran des Ansteuerabschnitts nimmt hingegen zu, wenn die Temperatur zunimmt. Folglich heben sich Einflüsse der Temperaturänderung bei dem elften Ausführungsbeispiel gegeneinander auf, was zu einer stabilen Charakteristik führt, die weniger von der Temperatur abhängt.

Wenn bei dem elften Ausführungsbeispiel ein Ausgangsaufnehmeabschnitt auf dem Verbindungsabschnitt bereitgestellt ist, kann die Ansteuerspannung und die Ausgangsauslenkung dazu gebracht werden, sich mit derselben Phase unabhängig von Änderungen der Ansteuerfrequenz zu ändern.

Das elfte Ausführungsbeispiel ermöglicht es auch, eine stärkere Auslenkung zu erhalten, genauso wie bei dem zehnten Ausführungsbeispiel, indem die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts auf einen Wert eingestellt wird, der ungefähr der Ansteuerfrequenz entspricht.

Ausführungsbeispiel 12

Das zwölfte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben.

Der piezoelektrische Aktuator des zwölften Ausführungsbeispiels ist eine Variation des piezoelektrischen Aktuators des ersten Ausführungsbeispiel, wo Dimensionen von Teilen derart bestimmt werden, dass der piezoelektrische Aktuator die Admittanzeigenschaften hat, die in 23 gezeigt sind, und mit einer Frequenz betrieben wird, die genauso groß oder kleiner als die Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b ist. Somit wird dafür gesorgt, dass der Ansteuerabschnitt 100 nicht in Resonanz vibriert, wodurch die Auslenkung des Ansteuerabschnitts 100 um einen geringen Betrag niedergehalten wird und die Belastung niedergehalten werden kann, die von der piezoelektrischen Membran ausgehalten wird.

Eine nicht resonante Vibration des Ansteuerabschnitts führt zu einer erheblich geringeren Variation der Auslenkung aufgrund einer Vibration der Resonanzfrequenz, die durch Temperaturänderungen, Variationen der Form oder weitere Faktoren verursacht werden. Somit kann eine hohe Zuverlässigkeit des Ansteuerabschnitts sichergestellt werden und der Ansteuerabschnitt kann mit einer geringen Amplitude und geringeren Variationen vibrieren.

Bei dem zwölften Ausführungsbeispiel ist es vorteilhaft, die Resonanzfrequenz fr1 des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b auf einen Wert einzustellen, der ungefähr der Ansteuerfrequenz entspricht, weshalb die kleine Vibration des Ansteuerabschnitts mit dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b stark verstärkt werden kann, indem die Resonanz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b verwendet wird. Der Auslenkungsverstärkungsabschnitt 10b umfasst nur die elastische Abstandsscheibe, die aus einer dünnen elastischen Platte besteht und daher eine sehr hohe Grenzbelastung aufweist. Folglich verschlechtert sich die Zuverlässigkeit des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b selbst dann nicht, wenn der Verstärkungsfaktor auf einen hohen Wert eingestellt wird, indem eine Ansteuerfrequenz verwendet wird, die ungefähr der Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts entspricht, weshalb der piezoelektrische Aktuator in die Lage versetzt werden kann, eine große Ausgangsauslenkung mit hoher Zuverlässigkeit zu erzeugen. Weil auch eine dünne Metallplatte sehr geringe Änderungen bei der Resonanzfrequenz aufgrund von Temperaturänderungen und weiterer Faktoren erfährt, kann eine sehr stabile Vibrationseigenschaft erzielt werden.

Während die dritten bis zwölften Ausführungsbeispiele Konfigurationen bereitstellen, welche neue technologische Aspekte zu der Konfiguration des ersten Ausführungsbeispiels hinzufügen, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Konfigurationen beschränkt und die technologischen Aspekte der dritten bis zwölften Ausführungsbeispiele können auch auf das dritte Ausführungsbeispiel angewendet werden oder weitere ähnliche Effekte erzielen. Wenn beispielsweise die laminierten piezoelektrischen Membrane 11a, 11b, 11c der dritten bis elften Ausführungsbeispiele in dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet werden, kann eine größere Ausgangsauslenkung mit noch geringerer Ansteuerspannung erhalten werden als diejenige des zweiten Ausführungsbeispiels. Wenn also die Resonanzfrequenzen und die Ansteuerfrequenz genauso wie bei dem sechsten bis zwölften Ausführungsbeispiel in dem zweiten Ausführungsbeispiel eingestellt werden, können ähnliche Effekte wie diejenigen der sechsten bis zwölften Ausführungsbeispiele erhalten werden.

Ausführungsbeispiel 13

Nachfolgend wird ein Infrarotsensor des dreizehnten Ausführungsbeispiels beschrieben. Der Infrarotsensor des dreizehnten Ausführungsbeispiels wird hergestellt, indem die Spitze des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b des piezoelektrischen Aktuators, der in 3 gezeigt ist, im Wesentlichen rechtwinklig gebogen wird, um dadurch eine Schattierplatte 14 auszubilden, welche Infrarotstrahlen unterbricht, und durch Bereitstellen eines Infrarotsensors 15, um einfallendes Licht 16 zu empfangen, dem erlaubt wird, intermittierend einzufallen, indem die Schattierplatte 14 aufgrund einer Biegeoszillation des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b sich reziprok bewegt, wie es in 24 gezeigt ist.

Der Infrarotsensor des dreizehnten Ausführungsbeispiels des vorstehend beschriebenen Aufbaus ist klein und kann mit einer niedrigen Spannung betrieben werden, da der piezoelektrische Aktuator des ersten Ausführungsbeispiels, der dazu verwendet wird, den Chopper zu machen, kleiner gemacht werden kann und eine stabile Auslenkung mit großer Amplitude bei geringen Spannungen erzeugen kann.

Der Infrarotsensor des dreizehnten Ausführungsbeispiels kann dazu verwendet werden, beispielsweise eine präzise Temperaturmessung durchzuführen.

Bei dem dreizehnten Ausführungsbeispiel kann die Schattierplatte 14 auch dazu bereitgestellt werden, sich außerhalb des Ansteuerabschnitts 10 nach außen zu erstrecken, wie es in 25 gezeigt ist.

Ausführungsbeispiel 14

Der Infrarotsensor des vierzehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird hergestellt, indem die Spitze des Verbindungsabschnitts 10c des piezoelektrischen Aktuators, der in 4 gezeigt ist, im Wesentlichen in einem rechten Winkel gebogen wird, wodurch die Schattierplatte 14a ausgebildet wird, welche den Infrarotstrahl unterbricht, und indem der Infrarotsensor derart angeordnet wird, dass das einfallende Licht 16 empfangen wird, dem erlaubt wird, intermittierend einzutreten, indem die Schattierplatte 14a reziprok bewegt wird, wie es in 26 gezeigt ist. Dieser Aufbau hat auch die Wirkungen, welche denjenigen des dreizehnten Ausführungsbeispiels ähneln.

Ausführungsbeispiel 15

Der Infrarotsensor des fünfzehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird hergestellt, indem die Spitze des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 110b des piezoelektrischen Aktuators, der in 6 gezeigt ist, im Wesentlichen rechtwinklig gebogen wird, um dadurch die Schattierplatte 14b auszubilden, welche den Infrarotstrahl unterbricht, und indem der Infrarotsensor 15 derart angeordnet wird, dass einfallendes Licht 16 empfangen wird, dem erlaubt wird, intermittierend einzutreten, indem die Schattierplatte 14b reziprok bewegt wird, wie es in 27 gezeigt ist.

Der Infrarotsensor des fünfzehnten Ausführungsbeispiels mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau kann auch noch kleiner gemacht werden und mit noch geringerer Ansteuerspannung als in dem Fall des dreizehnten Ausführungsbeispiels betrieben werden, da der piezoelektrische Aktuator des dritten Ausführungsbeispiels kleiner gemacht werden kann und eine stärkere Auslenkung erzeugen kann.

Obwohl die Schattierplatte in dem dreizehnten bis fünfzehnten Ausführungsbeispiel einfache rechteckige Formen aufweist, ist die folgende Erfindung auf diesen Aufbau nicht beschränkt und die Schattierplatte kann auch eine Form aufweisen, die durch Bezugszeichen 14c in 28 gezeigt ist. Somit ist der Infrarotsensor der vorliegenden Erfindung nicht auf die Form der Schattierplatte beschränkt und Schattierplatten unterschiedlicher Formen können eingesetzt werden.

Obwohl die Schattierplatte ausgebildet wird, indem der Auslenkungsverstärkungsabschnitt gebogen wird oder der Verbindungsabschnitt in dem dreizehnten bis fünfzehnten Ausführungsbeispiel gebogen wird, ist die vorliegende Erfindung auf diesen Aufbau nicht beschränkt und die Schattierplatte kann auch als separates Element angebracht werden. Effekte, die denjenigen der dreizehnten bis fünfzehnten Ausführungsbeispiele ähneln, können mit einer derartigen Konfiguration wie vorstehend beschrieben erzielt werden.

Ausführungsbeispiel 16

Der piezoelektrische Lichtdeflektor gemäß dem sechzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.

Der piezoelektrische Lichtdeflektor des sechzehnten Ausführungsbeispiels wird hergestellt, indem ein Reflektor 17 an der Spitze des Auslenkungsverstärkungsabschnitts 10b des piezoelektrischen Aktuators befestigt wird, wie es in 3 und auch in 29 gezeigt ist. Der Reflektor 17 kann entweder als separates Element bereitgestellt sein oder hergestellt werden, indem ein Teil des Auslenkungsverstärkungsabschnitts verwendet wird.

Ein Betrieb des piezoelektrischen Lichtdeflektors, der den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweist, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 29 und 30 beschrieben.

In 30 zeigt die durchgezogene Linie einen Zustand des Nicht-in-Betrieb-Seins (neutrale Position) an und die gestrichelte Linie zeigt den Zustand maximaler Auslenkung an.

Bei dem piezoelektrischen Lichtdeflektor bewegt sich der Reflektor 17 reziprok in der Richtung, die durch einen Pfeil in 29 angezeigt ist. Gleichzeitig wird der Verbindungsabschnitt 10c mit einer Phase ausgelenkt, die derjenigen des Reflektors 17 entgegengesetzt ist.

Eine Interaktion dieser Faktoren verursacht eine starke Änderung des Winkels des Reflektors 17, weshalb es möglich ist, das einfallende Licht stark abzulenken.

Der piezoelektrische Lichtdeflektor mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau hat einen einfachen Aufbau und erlaubt es, das Ausmaß der Deflektion bzw. Auslenkung und einen großen Deflektionswinkel einfach zu steuern.

Obwohl ein Beispiel des piezoelektrischen Lichtdeflektors, der unter Verwendung des piezoelektrischen Aktuators in 3 hergestellt worden ist, vorstehend beschrieben worden ist, ist es überflüssig zu sagen, dass der piezoelektrische Lichtdeflektor auch hergestellt werden kann, indem der andere piezoelektrische Aktuator der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Der piezoelektrische Aktuator gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt eine große Auslenkung bei einer niedrigen Ansteuerspannung und kann mit hoher Stabilität betrieben werden und ist klein und daher kann er in vielen Anwendungen einschließlich pyroelektrischer Infrarotsensoren und piezoelektrischer Lichtdeflektoren eingesetzt werden, während er zur Verbesserung der Zuverlässigkeit dieser Geräte beiträgt.

Der piezoelektrische Infrarotsensor der vorliegenden Erfindung wird mit dem Chopper bereitgestellt, der unter Verwendung des piezoelektrischen Aktuators der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, und daher stellt er gewünschte Eigenschaften mit einer relativ geringen Ansteuerspannung bereit und hat eine extrem hohe Stabilität und Zuverlässigkeit. Der piezoelektrische Infrarotsensor kann in vielfältigen Applikationen zum Messen der Temperatur von Objekten eingesetzt werden.

Der piezoelektrische Lichtdeflektor der vorliegenden Erfindung ist unter Verwendung des piezoelektrischen Aktuators der vorliegenden Erfindung hergestellt worden und stellt daher gewünschte Lichtdeflektionseigenschaften mit einer relativ geringen Ansteuerspannung bereit und hat eine extrem hohe Stabilität und Zuverlässigkeit. Der piezoelektrische Lichtdeflektor kann in vielfältigen Applikationen wie einem Strichcode-Lesegerät eingesetzt werden.


Anspruch[de]
  1. Piezoelektrischer Aktuator mit:

    einem Antriebsabschnitt (100), der eine dünne elastische Platte (10a) aufweist, die mit einer piezoelektrischen Membran (11) verbunden ist, wobei die piezoelektrische Membran ausgebildet ist, in einer longitudinalen Richtung senkrecht zu der Richtung einer Dicke in Übereinstimmung mit einer Spannung zu expandieren oder sich zusammenzuziehen, die über die Dicke der piezoelektrischen Membran angelegt wird, und wobei der Antriebsabschnitt ausgebildet ist, eine Biegeoszillation mit einer Frequenz einer Antriebsspannung einer vorbestimmten Frequenz zu erfahren, die über die Dicke der piezoelektrischen Membran angelegt wird, und

    einem Auslenkungsverstärkungsabschnitt (10b), der in derselben Ebene wie der Antriebsabschnitt untergebracht ist, synchron mit der Biegeoszillation des Antriebsabschnitts vibrieren kann und mit dem Antriebsabschnitt verbunden ist, um von der Vibration des Antriebsabschnitts vibriert zu werden, so dass die Vibration des Antriebsabschnitts verstärkt wird, wobei die Vibration des Antriebsabschnitts von dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt verstärkt wird,

    dadurch gekennzeichnet, dass der Auslenkungsverstärkungsabschnitt (10b) auf zumindest einer Seite des Antriebsabschnitts (100) entlang der Längsrichtung angeordnet ist.
  2. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 1, wobei der Auslenkungsverstärkungsabschnitt (10b) aus einer dünnen elastischen Platte besteht, die einstückig mit der dünnen elastischen Platte (10a) des Antriebsabschnitts (100) ausgebildet ist.
  3. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei ein Ende des Auslenkungsverstärkungsabschnitts (10b) mit einem Ende der elastischen Platte (10a) des Antriebsabschnitts (100) verbunden ist.
  4. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 3, wobei der piezoelektrische Aktuator an dem anderen Ende der dünnen elastischen Platte (10a) des Antriebsabschnitts (100) unterstützt wird.
  5. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 3, wobei der piezoelektrische Aktuator an einem Verbindungsabschnitt (10c) der dünnen elastischen Platte (10a) des Antriebsabschnitts und des Auslenkungsverstärkungsabschnitts (10b) unterstützt wird.
  6. Piezoelektrischer Aktuator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die piezoelektrische Membran (11a) hergestellt wird, indem Elektrodenschichten (12) und piezoelektrische Schichten (1) in der Richtung der Dicke der piezoelektrischen Membran (11a) alternierend geschichtet werden, wobei die Elektrodenschichten am oberen und unteren Ende platziert sind, während eine Antriebsspannung auf jede piezoelektrische Schicht über die Elektrodenschichten angelegt wird, die an der oberen und unteren Oberfläche der piezoelektrischen Schicht positioniert sind.
  7. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 6, wobei eine aus einem Paar von Elektrodenschichten (12), die zwischen jeder der piezoelektrischen Schichten (1) der piezoelektrischen Membran (11a) positioniert sind, derart ausgebildet ist, dass eine Seitenfläche der Elektrodenschicht innerhalb einer Seitenfläche der piezoelektrischen Membran lokalisiert ist und die andere Elektrodenschicht derart ausgebildet ist, dass eine ihrer Seitenflächen innerhalb der anderen Seitenfläche der piezoelektrischen Membran (11a) lokalisiert ist.
  8. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei eine aus dem Paar von Elektrodenschichten (12), die zwischen jede der piezoelektrischen Schichten (1) der piezoelektrischen Membran (11a) positioniert sind, derart ausgebildet ist, dass eine Kante der Elektrodenschicht innerhalb einer Kante der piezoelektrischen Membran (11a) lokalisiert ist, und die andere Elektrodenschicht derart ausgebildet ist, dass eine ihrer Kanten innerhalb der anderen Kante der piezoelektrischen Membran (11a) lokalisiert ist.
  9. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 7, wobei jede Elektrodenschicht (12) derart ausgebildet ist, dass beide Kanten jeder Elektrodenschicht innerhalb einer Kante der piezoelektrischen Membran (11a) lokalisiert sind.
  10. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 6,

    wobei jede der Elektrodenschichten (12) eine hervorragende Elektrode (23) auf einer ihrer Kanten aufweist und derart ausgebildet ist, dass Kanten und Seitenflächen der Elektrodenschicht (12) innerhalb der Kanten und Seitenflächen der piezoelektrischen Membran (12f) jeweils lokalisiert sind, außer dass die Spitze der hervorragenden Elektrode (23) auf einer der Kanten der piezoelektrischen Membran (11f) ausgestellt ist, und

    die hervorragende Elektrode (23) mittels jeder anderen Verbindungselektrode (23a, 23b) verbunden ist, die auf der Kante der piezoelektrischen Membran (11f) ausgebildet sind.
  11. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 10, wobei ein Isolator (24b) zum Isolieren der Verbindungselektrode (23a) und der dünnen elastischen Platte (10a) des Antriebsabschnitts an einer Position ausgebildet ist, wo eine der Verbindungselektroden (23a, 23b), die auf der dünnen elastischen Platte (10a) des Antriebsabschnitts bereitgestellt sind, lokalisiert wäre, wenn die piezoelektrische Membran (11f) und die dünne elastischen Platte (10a) des Antriebsabschnitts miteinander verbunden werden.
  12. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 6, wobei jede der Elektrodenschichten (12) eine hervorragende Elektrode (23) auf einer ihrer Seitenflächen aufweist und derart ausgebildet ist, dass die Kanten und die Seitenflächen der Elektrodenschicht (12) innerhalb der Kanten und der Seitenflächen der piezoelektrischen Membran (11f) jeweils lokalisiert sind, außer dass die Spitze der hervorragenden Elektrode (23) auf einer der Seitenflächen der piezoelektrischen Membran (11f) ausgestellt ist, und die hervorragenden Elektrode (23) mittels jeder anderen Verbindungselektrode (23a, 23b) verbunden ist, die auf einer der Seitenflächen der piezoelektrischen Membran (11f) ausgebildet sind.
  13. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 12, wobei die dünne elastische Platte (10a) des Antriebsabschnitts mit einer geringeren Breite als die piezoelektrische Membran (11f) ausgebildet ist, während die dünne elastische Platte (10a) des Antriebsabschnitts und die piezoelektrische Membran (11f) derart miteinander verbunden sind, dass eine der Seitenflächen der dünnen elastischen Platte (10a) des Antriebsabschnitts innerhalb der Seitenfläche der piezoelektrischen Membran (11f) lokalisiert ist.
  14. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 12, wobei eine Kerbe (24c) zum Isolieren der Verbindungselektrode (23a) und der dünnen elastischen Platte (10a) des Antriebsabschnitts an einer Position ausgebildet ist, wo eine der Verbindungselektroden (23a, 23b), die auf der dünne elastischen Platte (10a) des Antriebsabschnitts bereitgestellt sind, lokalisiert wären, wenn die dünne elastische Platte (10a) des Antriebsabschnitts und der piezoelektrischen Membran (11f) miteinander verbunden werden.
  15. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 12, wobei ein Isolator (24d) zum Isolieren der Verbindungselektrode (23a) und der dünne elastischen Platte (10a) des Antriebsabschnitts an einer Position ausgebildet ist, wo eine der Verbindungselektroden (23, 23b), die auf der dünnen elastischen Platte (10c) des Antriebsabschnitts bereitgestellt sind, lokalisiert wäre, wenn die dünne elastische Platte (10a) des Antriebsabschnitts und die piezoelektrische Membran (11g) miteinander verbunden werden.
  16. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 6, wobei jede der Elektrodenschichten (12) eine hervorragende Elektrode (23) aufweist, um die Elektroden an einer Kante der piezoelektrischen Membran (11f) miteinander zu verbinden, wobei die hervorragenden Elektroden (23) in einer gestaffelten Anordnung einander gegenüberliegend angeordnet sind und die entgegengesetzt hervorragenden Elektroden (23) mittels einer Verbindungselektrode (23a) miteinander verbunden sind, die in einem Durchgangsloch (24a) ausgebildet ist.
  17. Piezoelektrischer Aktuator gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei eine Oberflächenelektrode (12-1), die auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Membran (11g) ausgebildet ist, die einer Oberfläche entgegengesetzt ist, auf der sie mit der dünnen elastischen Platte (10a) des Antriebsabschnitts verbunden ist, und jede der Verbindungselektroden (23a, 23b) miteinander verbunden sind, während die Oberflächenelektrode (12-1), die mit einer der Verbindungselektroden (23a) verbunden ist, von der anderen Oberflächenelektrode isoliert ist.
  18. Piezoelektrischer Aktuator gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die andere Elektrode, die von der Oberflächenelektrode (12-1) isoliert ist, auf der Oberflächenelektrode ausgebildet ist, die auf der Oberfläche ausgebildet ist, auf der die piezoelektrische Membran (11g) mit der dünnen elastischen Platte (10a) des Antriebsabschnitts verbunden ist, während eine der Verbindungselektroden (23a) mit der Oberflächenelektrode (12-1) verbunden ist und die andere Verbindungselektrode (23b) ist mit der anderen Elektrode verbunden.
  19. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 18, wobei eine Elektrode, die von der dünnen elastischen Platte (10a) des Antriebsabschnitts mittels einer Isolationsschicht isoliert ist, auf der dünnen elastischen Platte (10a) des Antriebsabschnitts ausgebildet ist, um dadurch der anderen Elektrode gegenüberzuliegen, wenn die piezoelektrische Membran (11g) und die dünne elastische Platte (10a) des Antriebsabschnitts miteinander verbunden sind und eine Antriebsspannung zwischen die Elektrode und die dünne elastische Platte (10a) des Antriebsabschnitts angelegt wird.
  20. Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die piezoelektrische Membran (11b) aus alternierend geschichteten Elektrodenschichten (42) und piezoelektrischen Schichten (41) in der Richtung einer Breite der piezoelektrischen Membran (11b) ausgebildet ist, so dass Elektrodenschichten (42) am oberen und unteren Ende der piezoelektrischen Membran (11b) platziert sind, wo eine Antriebsspannung auf jede piezoelektrische Schicht (41) über die Elektrodenschichten (42) angelegt wird, die vorgesehen sind, um die piezoelektrische Schicht (41) dazwischen anzuordnen.
  21. Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die piezoelektrische Membran (11i) aus alternierend geschichteten Elektrodenschichten (30) und piezoelektrischen Schichten in der Längsrichtung der piezoelektrischen Membran (11i) ausgebildet ist, so dass Elektrodenschichten (30) an beiden Endflächen der piezoelektrischen Membran (11i) platziert sind, wo eine Antriebsspannung auf jede piezoelektrische Schicht über die Elektrodenschichten (30) angelegt wird, die dazu vorgesehen sind, die piezoelektrische Schicht dazwischen anzuordnen.
  22. Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Resonanzfrequenz des Antriebsabschnitts (100) und die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts (10b) derart ausgewählt sind, dass die untere Resonanzfrequenz 0,6 mal die höhere Resonanzfrequenz oder größer ist und die Frequenz der Antriebsspannung wird auf einen Wert zwischen der Resonanzfrequenz des Antriebsabschnitts (100) und der Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts (10b) festgelegt wird.
  23. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 22, wobei eine Frequenz der Antriebsspannung in einer stabilen Region gewählt wird, wo ein Ausmaß einer Auslenkung sich nicht erheblich mit der Frequenz ändert.
  24. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 22 oder 23, wobei die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts (10b) geringer als die Resonanzfrequenz des Antriebsabschnitts (100) gewählt ist.
  25. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 22 oder 23, wobei die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts (10b) höher als die Resonanzfrequenz der Antriebsabschnitts (100) gewählt ist.
  26. Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Resonanzfrequenz des Antriebsabschnitts (100) höher als die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts (10b) gewählt ist und die Frequenz der Antriebsspannung auf eine Frequenz eingestellt ist, die nicht größer als die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts (10b) ist.
  27. Piezoelektrischer Aktuator gemäß Anspruch 26, wobei die Resonanzfrequenz des Antriebsabschnitts (100) 1,5-mal die Frequenz der Antriebsspannung oder größer gewählt ist und die Resonanzfrequenz des Auslenkungsverstärkungsabschnitts (10b) ungefähr der Frequenz der Antriebsspannung entspricht.
  28. Pyroelektrischer Infrarotsensor mit einem Chopper, der den piezoelektrischen Aktuator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 27 und eine Schattierplatte (14) umfasst, die im Wesentlichen in rechten Winkeln auf dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt (10b) oder dem Verbindungsabschnitt (10c) des piezoelektrischen Aktuators angeordnet sind, und einem Infrarotsensor (15), der einen Infrarotstrahl-Empfangsabschnitt aufweist und derart angeordnet ist, dass die Schattierplatte (14) vor dem Infrarotstrahl-Empfangsabschnitt lokalisiert ist, wobei der Infrarotsensor (15) einen Infrarotstrahl (16) empfängt, der intermittierend einfällt, während der piezoelektrische Aktuator mit einer Antriebsspannung mit einer vorbestimmten Frequenz betrieben wird.
  29. Piezoelektrischer Lichtdeflektor mit dem piezoelektrischen Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 27 und einem Reflektor (17), der im Wesentlichen parallel zu dem Auslenkungsverstärkungsabschnitt (10b) auf zumindest einem Teil des Auslenkungsverstärkungsabschnitts (10b) des piezoelektrischen Aktuators untergebracht ist,

    wobei eine Richtung des von dem Reflektor (17) reflektierten Lichts durch Betreiben des piezoelektrischen Aktuators mittels einer Antriebsspannung mit einer vorbestimmten Frequenz verändert wird.
Es folgen 33 Blatt Zeichnungen






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A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

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