壓電致動器、紅外線傳感器和壓電光偏轉器的制作方法

專利名稱：壓電致動器、紅外線傳感器和壓電光偏轉器的制作方法
技術領域：
本發明涉及壓電致動器、和采用該壓電致動器的紅外線傳感器以及壓電光偏轉器。
在金屬等彈性薄板上粘貼壓電陶瓷來構成元件，當壓電陶瓷上外接電壓時隨應變而進行彎曲運動的壓電致動器，可用于熱電式紅外線傳感器的遮光器或光偏轉器等種種器件。這種致動器一般有彈性薄板兩面粘接壓電陶瓷的雙壓電晶片式和僅僅單面粘接的單壓電晶片式，可根據用途分別加以利用。這種現有的雙壓電晶片式和單壓電晶片式壓電致動器，在需要大位移量的情況下，是通過加大外接電壓或使驅動頻率與元件諧振頻率一致等來獲得大位移量的。
但這樣存在壓電振動板應變顯著增大，無法做到高可靠性這種問題。
此外，還有為了減小壓電振動板應變的同時得到大位移量，必須增大形狀這種缺點。
利用諧振盡管能夠做到驅動電壓低，但這樣又會產生驅動部振動大，所以可靠性差，位移量的誤差隨諧振誤差而增大這種新問題。
所以，現有例的雙壓電晶片式和單壓電晶片式壓電致動器，難以同時滿足低驅動電壓、大位移量、高穩定性以及小型化這些要求。
近年來，熱電式紅外線傳感器廣泛用于微波爐中加熱食物溫度的測定、空調中人體位置的檢測等領域，而這種熱電式紅外線傳感器中也要用壓電致動器。這種熱電式紅外線傳感器利用的是LiTaO3單晶等熱電體的熱電效應，簡單說明的話便如下所述。也就是說，熱電體自發極化，總產生表面電荷，但在大氣中穩恒狀態下，與大氣中電荷結合而保持電中性。這種熱電體一旦有紅外線入射，熱電體溫度便變化，表面電荷狀態也因此變化，致使中性狀態被破壞。檢測該表面產生的電荷以測定紅外線入射量的就是熱電式紅外線傳感器。具體來說，物體輻射與其溫度相對應的紅外線，通過采用這種傳感器可以測定物體溫度或位置。
這樣，熱電效應是隨紅外線入射量的變化而產生的，因而熱電式紅外線傳感器中需要使輸入至熱電體的紅外線入射量變化。這種手段通常采用遮光器，由此使紅外線斷續地入射至熱電體，以檢測待檢測物體的溫度。現有的熱電式紅外線傳感器主要采用利用電磁式電動機和壓電致動器等的遮光器。
圖46是表示將彈性薄板上粘接壓電陶瓷的壓電致動器用作遮光器的現有例熱電式紅外線傳感器的示意圖。
此圖46現有例的熱電式紅外線傳感器中，彈性墊片310的兩面分別粘接有壓電陶瓷311a、311b，構成雙壓電晶片式元件。壓電陶瓷311a、311b分別在表面上形成有電極，而且沿厚度方向進行極化處理，壓電陶瓷311a、311b各自的極化方向確定為壓電陶瓷311a、311b總是在互相相反方向上產生應變。具體來說，外接電場方向和極化方向確定為，壓電陶瓷311a、311b中某一個在伸長方向上變形，另一個則收縮。雙壓電晶片式元件由支持部313保持。雙壓電晶片式元件自由端的前端部分在入射光與紅外線傳感器之間裝配有隔斷入射光的遮光板14。紅外線傳感器315配置在雙壓電晶片式元件的旁邊，不與遮光板314和雙壓電晶片式元件接觸。
如上所述構成的現有例熱電式紅外線中，一旦在彈性墊片310與壓電陶瓷311a、311b之間分別外接有電場，雙壓電晶片式元件某一端便進行固定的彎曲運動，裝配在前端的遮光板14便根據電場外接方向的變化進行往復運動。通過這種遮光板314的往復運動使入射紅外線傳感器315的入射光316斷續。
但用于熱電式紅外線傳感器的遮光器需要有相對較大的位移量，因而該現有例采用的雙壓電晶片式遮光器中，通過采用直接支持壓電振動板的構成，同時加大外接電壓，或將驅動頻率設定為元件的諧振頻率，來確保大的位移量。為此存在給壓電遮光器支持部帶來較大的變形，支持部無法做到高可靠性這種問題。此外，還有為了減小應變的同時得到大位移量而必須增大形狀這種缺點。
利用諧振盡管能夠做到驅動電壓低，但這樣又會產生驅動部振動大，所以可靠性差，位移量的誤差隨諧振誤差而增大這種新問題。
所以，現有例的雙壓電晶片式和單壓電晶片式壓電遮光器，難以同時滿足低驅動電壓、大位移量、高穩定性以及小型化這些要求。
近年來，隨著流通領域的發達，以數字方式進行商品管理，因而普遍利用條形碼。讀取此條形碼所用的條形碼閱讀器，向條形碼照射激光束，通過判斷反射光的強弱讀取條形碼。所以，條形碼閱讀器需要使激光源發生的激光束偏轉的機構。現有的偏轉器主要采用裝配有反射板的2極電動機，但出于器件小型化的目的，近年來也可以采用利用壓電效應的光偏轉器。
作為采用壓電陶瓷的光偏轉器，在“V.J.Fowler & J.Schlafer,Proc.IEEE.,Vol.54(1966),p1437”中揭示了在壓電元件疊層構成的致動器上裝配鏡面、將電壓加在該致動器上可改變鏡面方向的器件(以下稱為第一現有例的光偏轉器)。
除此以外還有種種類型的器件，諸如特開昭58-95710號公報揭示的光偏轉器(稱為第二現有例的光偏轉器)那樣，用雙壓電晶片式致動器旋轉鏡面，使光偏轉的器件，和特開昭58-189618號公報揭示的光偏轉器(稱為第三現有例的光偏轉器)那樣，通過將雙壓電晶片式致動器壓電元件的電極分成多個，并控制外接電壓的電極個數，來控制壓電元件變形量這種器件等。
但第一現有例光偏轉器，由于采用的是疊層式致動器，因而存在無法使相對于外接電壓的光偏轉角度增大這種問題。
而第二現有例光偏轉器中，則由于使多個雙壓電晶片式致動器與鏡面旋轉軸機械結合，因而存在結構極為復雜這種問題。
至于第三現有例光偏轉器，則存在偏轉量控制復雜這種問題。
綜上所述，現有例的壓電致動器、紅外線傳感器和壓電光偏轉器分別存在如上所述種種問題。
因此，本發明第一目的在于，提供一種可以以低驅動電壓獲得大位移量，能夠做到高穩定性和小型化的壓電致動器。
而且，本發明第二目的在于，提供一種采用壓電致動器的可靠性高的熱電式紅外線傳感器。
此外，本發明第三目的在于，提供一種結構和偏轉量控制均簡單、并能增大偏轉角度的光偏轉器。
為了達到上述目的，本發明的壓電致動器包括相應于厚度方向上外接的電壓在與所述厚度方向正交的某一方向上有較大伸縮的壓電振動板同彈性薄板接合，通過在所述壓電振動板的厚度方向上加上具有規定頻率的驅動電壓，按與所述驅動電壓頻率相應的頻率撓曲振動的驅動部；位于與所述驅動部相同平面上，與所述驅動部相連，以便能夠與所述驅動部的撓曲振動同步振動并通過所述驅動部的振動受到激勵振動，使所述驅動部的振動擴大的位移擴大部，由所述位移擴大部使所述驅動部的振動擴大輸出。
按照上述構成，可提供一種可以以低驅動電壓獲得大位移量，能夠做到高穩定性和小型化的壓電致動器。
上述壓電致動器較好是，所述位移擴大部由彈性薄板制成，該彈性薄板與所述驅動部彈性薄板形成為一體，以便通過所述驅動部的振動，更為有效地使位移擴大部激勵振動。
上述壓電致動器較好是，所述位移擴大部一端與所述驅動部彈性薄板一端相連。
按照上述構成，可使元件有效長為最長，可以以更低的驅動電壓確保大位移量。
而且，此時也可以由所述驅動部彈性薄板另一端支持壓電致動器。這樣的話，便可對單端固定的撓曲振動的一階模態進行激勵振動，因而與不由該部分支持的場合相比，可以增大位移量。
此外，也可以由所述驅動部彈性薄板與所述位移擴大部的連接部分支持。這種場合也可對單端固定的撓曲振動的一階模態進行激勵振動，因而與沒有支持的場合相比，可以增大位移量。
而且，設計時驅動部彈性薄板和位移擴大部相互間的影響非常少，因而諧振頻率容易設計。
另外，上述壓電致動器較好是構成為，電極層和壓電體層交替疊層時，使所述壓電振動板其頂層和底層為電極層，通過各個壓電體層上下的電極層在該壓電體層上加上驅動電壓。
按照上述構成，可以在確保相同位移量的同時，使驅動電壓顯著降低。也就是說，可以以更低驅動電壓獲得大位移量。
上述壓電振動板為疊層結構場合，較好是，所述壓電振動板夾著各個壓電體層的一對電極層當中，某一電極層形成為該電極層一側面位于所述壓電振動板某一側面的內側，另一電極層形成為該電極層一側面位于所述壓電振動板另一側面的內側。
上述壓電振動板為疊層結構場合，更好是，所述壓電振動板夾著各個壓電體層的一對電極層當中，某一電極層形成為該電極層一端面位于所述壓電振動板某一端面的內側，另一電極層形成為該電極層一端面位于所述壓電振動板另一端面的內側。
按照上述構成，可以在按規定尺寸切斷上述壓電振動板時防止電極間短路。而且，還可以將驅動時電極遷移現象防患于未然。此外，還可以改善切斷壓電振動板時的卷刃現象。
上述壓電振動板為疊層結構場合，較好是，所述各個電極層形成為在其一端面上具有突起電極，該突起電極前端部露出所述壓電振動板某一端面以外部位，該電極層端面和側面分別位于所述壓電振動板端面和側面的內側，所述突起電極每隔一個由所述壓電振動板端面上形成的連接電極連接。
按照上述構成，可以使電極間的連接變得容易，容易制造，因而可以降低制造成本。
而且，這種場合較好是，所述驅動部彈性薄板和所述壓電振動板接合時，位于所述驅動部彈性薄板上所述連接電極當中某一電極的部位，形成使該連接電極與所述驅動部彈性薄板之間絕緣用的絕緣體或空穴。由此，可以使上述某一連接電極與驅動部彈性薄板之間的絕緣可靠，從而提高可靠性。而且，按照上述構成，也可以防止驅動時電極遷移現象。此外，制造變得容易，可降低制造成本。另外，還可以將壓電振動板與驅動部彈性薄板粘接后再形成連接電極。
上述壓電振動板為疊層結構場合，上述各個電極層也可以形成為在其一側面上具有突起電極，該突起電極前端部露出所述壓電振動板某一側面以外部位，該電極層端面和側面分別位于所述壓電振動板端面和側面的內側，所述突起電極每隔一個由所述壓電振動板某一側面上形成的連接電極連接。如上所述構成，也具有與上述壓電振動板端面形成連接電極的場合相同的作用效果。
象這樣在側面形成連接電極的場合，較好是，所述驅動部彈性薄板與所述壓電振動板接合時，使所述驅動部彈性薄板寬度比所述壓電振動板窄，所述驅動部彈性薄板某一側面處于比所述壓電振動板側面更為內側的位置。由此，可使連接電極和上述驅動部彈性薄板之間容易絕緣。
而且，象這樣在側面形成連接電極的場合，也可以在所述驅動部彈性薄板與所述壓電振動板接合時，在所述驅動部彈性薄板上所述連接電極當中某一電極所處部位，形成使該連接電極與所述驅動部彈性薄板絕緣用的缺口，使其中某一連接電極和上述驅動部彈性薄板之間絕緣。
此外，象這樣在側面形成連接電極的場合，也可以在所述驅動部彈性薄板與所述壓電振動板接合時，在所述驅動部彈性薄板上所述連接電極當中某一電極所處部位，形成使該連接電極與所述驅動部彈性薄板絕緣用的絕緣體。
壓電振動板為疊層結構場合，較好是，所述各個電極層配置成分別在壓電振動板某一端部具有將電極層間連接用的突起電極，并且所述突起電極每隔一個處于相對狀態，相對的突起電極間分別由通孔內形成的連接電極連接。
由此，與在壓電振動板端面或側面形成連接電極從而將電極層間連接的場合相比，可容易、可靠地將電極層間連接。此外，即便是在粘貼壓電振動板和驅動部彈性薄板前形成連接電極的場合，對于粘接時所加的相對較高的壓力(5kg/cm2)，還是可以做到可靠接合而不損壞壓電振動板。
上述壓電致動器較好是，所述壓電振動板相對于與所述驅動部彈性薄板粘貼的面處于相對一側的面上所形成的表面電極，同所述各個連接電極連接，并使其中某一連接電極所連接的表面電極與其它表面電極絕緣分離。
這樣的話，與壓電振動板表面電極和驅動部彈性薄板間的連接做成夾著粘接層的接觸式連接這種場合相比，可提供一種即便是高溫高濕等惡劣條件下，也沒有引起接觸不良，能夠可靠導通，可靠性更高的致動器。
上述壓電致動器中，也可以在所述壓電振動板與所述驅動部彈性薄板粘貼的面上形成的表面電極上，形成與該電極絕緣的別的電極，并使所述連接電極當中某一連接電極與所述表面電極連接，所述連接電極當中其它連接電極與所述別的電極連接。
這種場合較好是，在所述驅動部彈性薄板上形成通過絕緣層與所述驅動部彈性薄板絕緣的電極，使之在所述壓電振動板與所述驅動部彈性薄板粘貼時與所述別的電極相對，并在該電極與所述驅動部彈性薄板之間提供驅動電壓。
這樣的話，與壓電振動板表面電極和驅動部彈性薄板間加驅動電壓的結構相比，可不必在壓電振動板表面一側用導線等連接，而是用例如接插件等在上述驅動部彈性薄板和該薄板上形成的與該薄板絕緣的電極之間加上電壓，來驅動壓電致動器。由此，可不用占成本較大比重的導線焊接工序，使制造成本顯著減小。
上述壓電致動器，也可以使電極層和壓電體層在所述壓電振動板寬度方向上交替疊層，以便所述壓電振動板其兩側面均為電極層，通過夾著該壓電體層的電極層在各個壓電體層上加上驅動電壓。
按照上述構成，可以在確保相同位移量的同時，使驅動電壓明顯降低。
上述壓電致動器，也可以使電極層和壓電體層在所述壓電振動板縱向方向上交替疊層，以便所述壓電振動板其兩端面均為電極層，通過夾著各個壓電體層的電極層在該壓電體層上加上驅動電壓。由此，可以利用比壓電常數d31大的壓電常數d33，從而可進一步降低驅動電壓。
而且，上述壓電致動器較好是，上述驅動部彈性薄板上通過絕緣層形成1對具有電位差的電極，利用上述電極向上述壓電振動板提供驅動電壓。由此，不必利用導線來引出電極，可削減制造成本，此外，還可利用電極上裝配的導線形狀，來抑制因作用于上述壓電致動器的外力和電極上裝配導線時所用的焊錫等所造成的致動器的特性變化。
上述壓電致動器為了獲得穩定的振動，較好是將所述驅動部諧振頻率和所述位移擴大部諧振頻率設定為低諧振頻率為高諧振頻率的0.6倍以上，并且所述驅動電壓的頻率設定在所述驅動部諧振頻率與所述位移擴大部諧振頻率之間。由此，驅動部的諧振和位移擴大部的諧振互為影響，可獲得大位移量。
上述壓電致動器，為了減小輸出位移量隨驅動頻率變化的變動，較好是將所述驅動電壓的頻率設定在實際位移量相對于該頻率變化沒有變化的穩定區域。
而且，上述壓電致動器，為了改善輸出位移量的溫度特性(減小輸出位移量的溫度變化)，較好是將所述位移擴大部諧振頻率設定得比所述驅動部諧振頻率低。
上述壓電致動器，為了使驅動部振動較小，而位移擴大部振動較大，較好是將所述驅動部諧振頻率設定得比所述位移擴大部諧振頻率高，并且所述驅動電壓的頻率設定為低于所述位移擴大部諧振頻率的頻率。這樣的話，便可以減小驅動部的位移量，但取出的是大位移量，因而可以提供一種可靠性高的大位移壓電致動器。
這種場合較好是，所述驅動部諧振頻率設定為所述驅動電壓頻率的1.5倍以上，而所述位移擴大部諧振頻率設定在所述驅動電壓頻率附近。由此，可以使驅動部的位移量進一步減小，但取出的是更為大的位移量，因而可以提供一種可靠性高的大位移壓電致動器。
為了達到上述目的，本發明的熱電式紅外線傳感器其特征在于，包括包含上述壓電致動器和與該壓電致動器的位移擴大部或連接部基本垂直設置的遮光板所構成的遮光器；以及具有紅外線入射部、并將所述遮光板設置于該紅外線入射部前方的紅外線傳感器，通過由具有規定頻率的驅動電壓使所述壓電致動器動作，使得紅外線斷續入射至所述紅外線傳感器。
按照上述構成，本發明的熱電式紅外線傳感器，具有包含上述壓電致動器和與該壓電致動器的位移擴大部或連接部基本垂直設置的遮光板所構成的遮光器，因而可做成小型，并能提高可靠性。
為了達到上述目的，本發明的壓電光偏轉器其特征在于，包括壓電致動器；以及在該壓電致動器位移擴大部至少一部分上與該位移擴大部基本水平設置的反射板，通過由具有規定頻率的驅動電壓使所述壓電致動器動作，使得經所述反射板的反射光方向變化。
按照上述構成，本發明壓電光偏轉器，具有壓電致動器；以及在該壓電致動器位移擴大部至少一部分上與該位移擴大部基本水平設置的反射板，因而結構簡單，偏轉量容易控制，而且可增大偏轉角度。
圖1是表示本發明第一實施例的壓電致動器的結構的分解立體圖。
圖2是表示在圖1的壓電致動器上使用的壓電振動板1的結構的示意圖。
圖3是在圖1的壓電致動器上安裝支持部時的立體圖。
圖4是表示第一實施例的變形例(其1)的立體圖。
圖5是表示第一實施例的變形例(其2)的立體圖。
圖6是本發明第二實施例的壓電致動器的立體圖。
圖7是表示第1與第二實施例的位移量的曲線圖。
圖8是表示第二實施例的變形例的立體圖。
圖9是模式性表示本發明第三實施例的壓電致動器中疊層結構的壓電振動板11a的剖面圖。
圖10是模式性表示本發明第八實施例的壓電致動器中的疊層結構的壓電振動板11b的立體圖。
圖11是模式性表示圖10的壓電振動板11b的剖面的剖面圖。
圖12是本發明第九實施例壓電致動器的壓電振動板11c的立體圖。
圖13是圖12中壓電振動板11c的示意剖面圖。
圖14是表示本發明第十實施例壓電致動器位移量頻率特性的曲線圖。
圖15是表示第十實施例位移擴大部諧振頻率設定為100Hz、驅動部諧振頻率設定為70Hz時位移量頻率特性的曲線圖。
圖16是表示第十實施例位移擴大部諧振頻率設定為100Hz、驅動部諧振頻率設定為60Hz時位移量頻率特性的曲線圖。
圖17是表示第十實施例位移擴大部諧振頻率設定為100Hz、驅動部諧振頻率設定為58Hz時位移量頻率特性的曲線圖。
圖18是表示第十實施例位移擴大部諧振頻率設定為100Hz、驅動部諧振頻率設定為56Hz時位移量頻率特性的曲線圖。
圖19是表示第十實施例位移擴大部諧振頻率設定為100Hz、驅動部諧振頻率設定為54Hz時位移量頻率特性的曲線圖。
圖20是表示第十實施例位移擴大部諧振頻率設定為100Hz、驅動部諧振頻率設定為52Hz時位移量頻率特性的曲線圖。
圖21是表示第十實施例位移擴大部諧振頻率設定為100Hz、驅動部諧振頻率設定為50Hz時位移量頻率特性的曲線圖。
圖22是表示本發明第十一實施例壓電致動器位移量頻率特性的曲線圖。
圖23是表示本發明第十二實施例壓電致動器導納頻率特性的曲線圖。
圖24是表示本發明第十三實施例紅外線傳感器大致構成的立體圖。
圖25是表示本發明第十三實施例變形例紅外線傳感器大致構成的立體圖。
圖26是表示本發明第十四實施例紅外線傳感器大致構成的立體圖。
圖27是表示本發明第十五實施例紅外線傳感器大致構成的立體圖。
圖28是表示本發明變形例紅外線傳感器大致構成的立體圖。
圖29是表示本發明第十六實施例壓電光偏轉器大致構成的立體圖。
圖30是說明第十六實施例壓電光偏轉器偏轉動作用的示意圖。
圖31是表示本發明第三實施例壓電振動板局部的分解立體圖。
圖32是表示本發明第四實施例壓電振動板局部的分解立體圖。
圖33是表示本發明第四實施例另一構成壓電振動板局部的分解立體圖。
圖34示出的是本發明第四實施例另一構成壓電振動板的電極位置關系。
圖35是表示本發明第四實施例另一構成壓電振動板局部的分解立體圖。
圖36示出的是本發明第四實施例另一構成壓電振動板的電極位置關系。
圖37示出的是本發明第四實施例壓電振動板的一例連接電極。
圖38是表示本發明第五實施例壓電致動器構成局部的分解立體圖。
圖39是表示本發明第五實施例另一構成壓電致動器構成局部的分解立體圖。
圖40是表示本發明第五實施例另一構成壓電致動器構成局部的分解立體圖。
圖41是表示本發明第五實施例另一構成壓電致動器構成局部的分解立體圖。
圖42是表示本發明第六實施例另一構成壓電致動器構成局部的分解立體圖。
圖43是表示本發明第六實施例另一構成壓電致動器構成局部的分解立體圖。
圖44是表示本發明第六實施例另一構成壓電致動器構成的立體圖。
圖45是表示本發明第七實施例壓電致動器壓電振動板構成的立體圖。
圖46是表示現有例紅外線傳感器大致構成的立體圖。
以下參照


本發明實施例。
(第一實施例)圖1是表示本發明第一實施例壓電致動器構成的分解立體圖。該第一實施例壓電致動器如圖1所示，包括以下構成驅動部彈性薄板10a和構成位移擴大部10b的彈性薄板在連接部10c連接成一體的彈性墊片10；以及與驅動部彈性薄板10a一部分粘貼的壓電振動板11。
這里，壓電振動板11如圖2所示構成，沿厚度方向極化的壓電陶瓷板1相對的主表面形成有電極12a、12b，通過電極12a、12b加上驅動電壓的話，便相應于所加的驅動電壓在其縱向方向伸縮。因此，由驅動部彈性薄板10a和壓電振動板11構成的單壓電晶片式驅動部100，隨所加的驅動電壓撓曲振動。這里，尤其是第一實施例壓電致動器中，位移擴大部10b其振動特性設定為與驅動部100的撓曲振動同步振動。因此，位移擴大部10b通過連接部10c靠驅動部100的激勵振動而振動，以與驅動部100相同的頻率振動。
如上所述構成的振動體，如圖3所示由驅動部彈性薄板10a端部(以下稱為支持端T1)支持，壓電振動板11一旦加上具有規定頻率(驅動頻率)的驅動電壓，便如下文所述振動。
首先，壓電振動板11隨驅動電壓以等于驅動頻率的頻率在縱向方向上伸縮。因此，驅動部100以等于驅動頻率的頻率進行撓曲振動。這里，驅動部100由支持端T1固定，因而連接部10c靠撓曲振動上下振動。通過該連接部10c的上下振動，位移擴大部10b便引發與連接部10c連接端相對一側的前端部上下運動，使得位移擴大部10b振動。這里，驅動部100和位移擴大部10b同步振動，連接部10c的振幅，由于除了連接部10c上下振動以外還加有位移擴大部10b的撓曲振動，因而可以比連接部10c上下振動的振幅大。
換言之，通過如圖3所示構成，加上規定驅動頻率的信號，從而，實際上可以使振動接近于驅動部100長度與位移擴大部10b長度的合計長度為有效長的懸臂梁的一階振動。所以，位移擴大部10b從與連接部10c連接端相對一側的前端部取出位移的第一實施例中，能夠取出與上述一次振動的有效長相對應的大位移。
以上第一實施例中，由于用位移擴大部10b擴大驅動部100所產生的位移，因而，只要壓電振動板11產生小應變(縱向方向上的伸縮)，壓電致動器總體來說，便可獲得大的位移量。此外，能夠小型化。而且，第一實施例中，位移擴大部10b處于諧振狀態等時候所產生的大位移造成的大應變，可通過連接部10c阻止其傳遞至與驅動部100粘貼的壓電振動板11。所以，盡管從位移擴大部10b取出的是大位移，但可以使作用于壓電振動板11的應變只是外接電壓所產生的小應變，能夠保持高的可靠性。
另外，上面所述效果，不僅僅對于單壓電晶片式有效，對于雙壓電晶片式也同樣可獲得上述效果。
以上第一實施例中，位移擴大部10b是從與連接部10c連接端相對一側的前端部取出位移的，但本發明不限于此，也可以如圖4所示從連接部10c取出位移。
如圖4所示構成的場合，位移擴大部10b的撓曲振動，相對于驅動部100按彈性振動方式作用，由位移擴大部10b振動的反作用使驅動部100的振動擴大。因此，驅動部100自由端連接的連接部10c振動幅度變大。所以，即便如圖4所示從連接部10c取出位移，與沒有位移擴大部10b的場合相比，也可取出大位移。
以上第一實施例的壓電致動器，是由驅動部彈性薄板10a與連接部10c相連端相對一側的端部支持構成的，但本發明不限于此，也可以如圖5所示，在連接部10c由支持部13支持。這時，位移設法從位移擴大部10b上與連接部10c的相連端相對一側的前端部取出。
即便如上所述構成，與沒有位移擴大部10b的場合相比，也可取出大位移。
這種構成當中，通過在連接部10c設置支持部13，驅動部100和位移擴大部10b的形狀不會給對方諧振頻率帶來影響，因而能夠提高設計效率。
(第二實施例)以下參照

本發明第二實施例。
圖6是表示本發明第二實施例壓電致動器的立體圖。
圖2實施例的壓電致動器，包括以下構成相互平行設置的驅動部彈性薄板110a和彈性薄板110b由連接部110c連接成一體的彈性墊片110；以及粘貼于驅動部彈性薄板110a上的壓電振動板11。彈性薄板110a由與連接部110c連接端相對一側的前端部通過支持體13支持。另外，第二實施例中壓電振動板11與第一實施例同樣構成。因此，對驅動部彈性薄板110a和壓電振動板11構成的驅動部101進行激勵產生撓曲振動，這種撓曲振動對位移擴大部110b進行激勵產生撓曲振動，由位移擴大部110b上與裝配有連接部110c的端部相對一側的端部取出位移量。
第二實施例壓電致動器是在驅動部101單側設置位移擴大部110b的，因而位移擴大部110b對扭轉振動也進行激勵振動，與第一實施例相比，可取出更加大的位移。
具體來說，通過將位移擴大部110b配置于驅動部110單側，使得驅動部110的振動重心和位移擴大部110b的振動重心產生偏移。因此，位移擴大部110b的有效長等效來說較長，從而使得位移擴大部110b前端位移擴大。
圖7示出的是如第一實施例在驅動部兩側配置位移擴大部場合和如第二實施例在單側配置位移擴大部場合的位移量。圖7曲線中，位移量以連接部的位移量為基準，用位移擴大部上距連接部的位置所對應的位移量來表示。由圖7還可知，在驅動部單側配置位移擴大部110b的第二實施例，與在驅動部兩側配置位移擴大部110b的第一實施例相比，可以增大位移量。
而且，第二實施例中彈性墊片110的形狀可做得簡單，因而可降低制造成本。
以上第二實施例是在驅動部彈性薄板110a上面接合固定支持體13的，但本發明不限于此，也可以如圖8所示，采用例如在前端部設有企口的支持體13a，用該企口夾住彈性薄板110a進行固定。通過此辦法，可以使壓電致動器的固定牢靠，制造時也容易組裝。
(第三實施例)以下參照

本發明第三實施例的壓電致動器。
該第三實施例的壓電致動器與第一實施例相比，不同之處在于用圖9所示的疊層結構的壓電振動板11a來替代壓電振動板11，除此以外均與第一實施例同樣構成。
第三實施例所用的壓電振動板11a如圖9所示，使電極層12-k(k=1,2,3,…,n+1)與壓電陶瓷層1-k(k=1,2,3,…,n)交替疊層而成，其中頂層和底層為電極層。這里，電極層12-1,12-3,…,12-n用側面電極2a連接，電極層12-2,12-4,…,12-(n+1)用側面電極2b連接。各壓電陶瓷層1-k沿向上和向下中某一厚度方向極化，以便按照各壓電陶瓷層1-k上所加電壓方向，使相鄰的壓電陶瓷層間的極化方向相反。
如上所示構成的第三實施例壓電致動器，由于可以使各壓電陶瓷層1-k厚度變薄，并且可以將經側面電極2a、2b加上的驅動電壓分別加到各壓電陶瓷層上，因而，各壓電陶瓷層可以在較薄的各壓電陶瓷層加上高的電場。換言之，與第一實施例的壓電致動器相比，可以以較低的驅動電壓，在各壓電陶瓷層1-k上加與第一實施例壓電陶瓷層1同等以上電場，因而可以以較低驅動電壓獲得與第一實施例同等以上位移量。
例如第三實施例壓電振動板11a中壓電陶瓷層1-k的疊層數為n層時，令第一實施例驅動電壓為V0，則得到與第一實施例同等位移量所需的外接電壓Vneed由式1所示，可以降低。另外，本例中假定的是壓電振動板11與壓電振動板11a的外形尺寸相同的情形。
Vneed=V0/n(式1)為了在壓電振動板11、11a加上規定驅動電壓，驅動電路通常采用升壓或降壓電路，但第三實施例中，通過適當設定壓電振動板11a疊層數，可設定各壓電陶瓷層所加的電場強度，因而，可以省略驅動電路中的升壓、降壓電路，可使驅動電路簡化。
另外，上面所述效果，不僅僅對于單壓電晶片式情形，雙壓電晶片式場合也同樣可獲得上述效果。
第三實施例的壓電振動板11a也可應用于第二實施例，不用說，這時也可獲得同樣效果。
此外，對于一般的單壓電晶片式元件或雙壓電晶片式元件，不用說，也可獲得同樣效果。
(第四實施例)
以下參照

本發明第四實施例壓電致動器。
該第四實施例的壓電致動器，與第三實施例相比，各壓電陶瓷層1-k上面和下面所形成的電極12-k,12-(k+1)形狀不同，除此以外均與第三實施例同樣構成。圖31、圖32分別是表示第三實施例和第四實施例中壓電振動板局部(壓電陶瓷層1-k和其上面與下面所形成的電極)的分解立體圖。
第三實施例所用的壓電振動板11a如圖31所示，電極層12-k(k=1,2,3,…,n+1)相對于壓電陶瓷層1-k(k=1,2,3,…,n)，形成為寬度稍稍小些。而且，壓電陶瓷層1-k某一面上形成的電極層12-k形成為電極層12-k的端面83a、端面83c和側面83d分別與壓電陶瓷層1-k的端面81a、81c和側面81d對齊，并且，形成為電極層12-k的側面83b處于壓電陶瓷層1-k側面81b稍許內側位置。而壓電陶瓷層1-k另一面上形成的電極層12-(k+1)形成為電極層12-(k+1)的端面85a、端面85c和側面85b分別與壓電陶瓷層1-k的端面81a、81c和側面81b對齊，并且，形成為電極層12-(k+1)的側面85d處于壓電陶瓷層1-k側面81d稍許內側位置。
與此不同，第四實施例所用的壓電振動板11d如圖32所示，電極層12a-k(k=1,2,3,…,n+1)的形狀與第三實施例相同，相對于壓電陶瓷層1-k(k=1,2,3,…,n)，形成為寬度稍稍小些，但以下方面與第三實施例不同。具體來說，壓電陶瓷層1-k某一面上形成的電極層12a-k形成為電極層12a-k的端面87a和側面87d分別與壓電陶瓷層1-k的端面81a、81c和側面81d對齊，并且，形成為電極層12a-k的側面87b處于壓電陶瓷層1-k側面81b稍許內側位置，電極層12a-k的側面87c處于壓電陶瓷層1-k側面81c稍許內側位置。而壓電陶瓷層1-k另一面上形成的電極層12a-(k+1)形成為電極層12a-(k+1)的端面88c和側面88b分別與壓電陶瓷層1-k的端面81c和側面81b對齊，并且，形成為電極層12a-(k+1)的端面88a和側面88d處于壓電陶瓷層1-k的端面81a和側面81d稍許內側位置。
這樣，第四實施例所用的壓電振動板11d中，電極層12a-k(k=1,2,3,…,n+1)的形狀，相對于壓電陶瓷層1-k(k=1,2,3,…,n)，呈長度和寬度稍稍小些的形狀，此外疊層時，形成為相鄰電極層在對角方向上互不相同，分別使壓電陶瓷層1-k的角部80a和電極層12a-k的角部86a對齊，下一電極層12a-(k+1)疊層時，形成為與上述壓電陶瓷層1-k的角部80a成對角位置的角部80b和電極層12a-(k+1)的角部86b對齊。
如上所述形成的第四實施例壓電振動板，僅僅是相互同電位電極層露出一端面和一側面，因而，其端面或側面即便電極間短路，使用上也沒問題。
所以，即便是將銀等易引起遷移材料用作電極這種場合，對于高溫高濕等惡劣條件也不會造成可靠性變差，即使用Ag等易引起遷移的電極也能充分確保可靠性。因此，可以用相對便宜的Ag或Ag系金屬作電極層。
壓電致動器的壓電振動板通常是按較大尺寸燒制后，切斷為規定尺寸加以利用的，而第四實施例所用的壓電振動板，可以防止切斷時很可能發生的電極層毛刺所造成的不同電位差電極間的短路。具體來說，要調整壓電振動板寬度而切斷時，設法在壓電陶瓷層1-k的側面81b與電極層12a-k的側面87b之間，或壓電陶瓷層1-k的側面81d與電極層12a-(k+1)的側面88d之間切斷。而要調整壓電振動板長度而切斷時，設法在壓電陶瓷層1-k的端面81c與電極層12a-k的端面87c之間，或壓電陶瓷層1-k的端面81a與電極層12a-(k+1)的端面88a之間切斷。
這樣的話，切斷面切斷的僅為相互同電位的電極層，因而即使因切斷而有毛刺產生，仍可防止相互不同電位的電極層間短路。
變形例下面對第四實施例的各種變形例進行說明。
圖33是表示實現第四實施例的另一結構的壓電振動板11e的一部分的第1變形例的分解立體圖，而圖34是為了表示電極的位置關系，從上方看壓電陶瓷時的平面圖。
如圖33所示，該第1變形例的壓電振動板11e，電極層12b-k(k=1、2、3、…、n+1)的形狀與壓電陶瓷層1-k(k=1、2、3、…、n)相比，寬度做得稍微小一些，在下面所述各點與第4實施例不同。
即壓電陶瓷層1-k的一個面上形成的電極層12b-k，其端面89a、89c及側面89b分別位于壓電陶瓷層1-k的端面81a、81c及81b的靠內側一些的地方，并且電極層12b-k的側面89d做成與壓電陶瓷層1-k的側面81d一致。
又，在壓電陶瓷層1-k的另一面上形成的電極層12b-(k+1)，做成其端面90a、90c及側面90d分別位于壓電陶瓷層1-k的端面81a、81c及81d的靠內側一些的地方，并且電極層12b-(k+1)的側面90d做成與壓電陶瓷層1-k的側面81b一致。如上所述構成的第1變形例的壓電振動板與第四實施例有相同的效果。
又，圖35是表示實現第四實施例的另一結構的壓電振動板11f的一部分的第2變形例的分解立體圖，又，圖36是為了表示電極的位置關系，從上方看壓電陶瓷時的平面圖。
如圖35所示，該第2變形例的壓電振動板11f，電極層12c-k(k=1、2、3、…、n+1)的形狀與壓電陶瓷層1-k(k=1、2、3、…、n)相比，寬度和長度做得稍微小一些，按照下面所述形成。
即壓電陶瓷層1-k的一個面上形成的電極層12c-k，其端面91a、91c及側面91b、91d分別形成于壓電陶瓷層1-k的端面81a、81c及側面81b、81d的靠內側一些的地方。
又，在壓電陶瓷層1-k的另一面上形成的電極層12c-(k+1)，做成其端面92a、92c及側面92b、92d分別位于壓電陶瓷層1-k的端面81a、81c及側面81b、81d的靠內側一些的地方。
而在電極層12c-k，在其端面91a的靠側面91b的地方形成凸出電極23-k，在電極層12c-(k+1)，在其端面92a的靠側面92d的地方形成凸出電極23-(k+1)。
就這樣在第2變形例的壓電振動板上，每隔一塊配置的相同電位的電極層的凸出電極(與外部電路連接用的電極)互相相對，有電位差的電極層位置錯開。如上所述構成的第2變形例的壓電振動板具有與第四實施例相同的作用效果。，同時在切斷為規定的形狀時，通過在各電極側面與壓電陶瓷層的側面之間及電極端面與壓電陶瓷層的端面之間切斷，可以抑制在電極層與壓電陶瓷層的邊界附近發生的壓電陶瓷引起的卷刃(tipping)現象的發生。
也就是說將比較柔軟、延性大的電極層與非常脆的壓電陶瓷同時切斷時，即使嚴格控制切斷條件，也會在壓電陶瓷晶粒邊界發生晶界剝離，在端部發生卷刃。壓電陶瓷層做得越薄，這種情況越容易發生。根據我們研究的結果，壓電陶瓷層的厚度為20微米時用現有的工藝要切斷是困難的。而用第2變形例的這種結構，除了凸出電極部分以外，并不同時切斷電極層和壓電陶瓷層，因此可以改善切斷時的卷刃現象。
還有，在上述例子中，在同一端部形成具有電位差的凸出電極，但是在本發明中兩個凸出電極的位置不限于同一端部。
又，圖37表示第2變形例的壓電振動板11f的連接電極形成的一個例子。圖37(a)表示壓電振動板11f的連接電極形成之前的樣子。如圖37(b)所示，這個例子中，連接凸出電極23-k(k=1、3、…、n-1)的連接電極23a與連接凸出電極23-k(k=2、4、…、n)的連接電極23b分別在規定的位置上以蒸鍍、濺射形成金屬膜的方式和涂布導電膠的方式等形成。借助于此，若在壓電振動板11f的表面和背面兩個主面上形成的電極12-1、12-n之間加以驅動電壓，則可以在壓電振動板11f上激勵起振動。
以上作用效果不僅在驅動部使用單壓電晶片式元件的情況下能夠得到，而且在驅動部使用雙壓電晶片式元件的情況下也一樣能夠得到。
而且在一般的單壓電晶片式元件和雙壓電晶片式元件的情況下都能夠得到同樣的效果。
第五實施例下面參照附圖對本發明第五實施例的壓電致動器加以說明。
這第五實施例的壓電致動器使用第四實施例的壓電振動板。在第五實施例的壓電致動器中，執行驅動的單壓電晶片式元件如圖38所示，由驅動部彈性薄板10a和與其一部分粘貼的壓電振動板11f構成。這里，特別是第五實施例中，在驅動部彈性薄板10a上形成比連接電極23a大的孔24a，以使連接電極23a與驅動部彈性薄板10a不接觸，在將壓電振動體11f與驅動部彈性薄板10a粘貼后，能夠用導電膠等形成連接電極23a、23b。
還可以防止與連接電極23b電氣連接的驅動部彈性薄板10a與連接電極23a短路，可以提高對于制造時和惡劣條件下驅動時的遷移(migration)現象等的可靠性。
下面對第五實施例的幾個變形例加以說明。
圖39是第五實施例一變形例的壓電致動器使用的單壓電晶片式元件的部分分解立體圖。如圖39所示，本單壓電晶片式元件除了在圖38所示的第五實施例的單壓電晶片式元件上形成代替孔24a用于防止驅動部彈性薄板10a與連接電極23a的接觸的絕緣部24b外，與第五實施例結構相同。這樣的構成也具有與第五實施例相同的作用效果。
又，圖40、圖41是第五實施例的另一變形例，對于連接電極23a、23b的至少一個處于壓電振動板側面的情況下是有效的結構。
圖40是由與壓電振動板11f相比寬度稍微小一些的驅動部彈性薄板10a和與其一部分粘貼的壓電振動板11f構成執行驅動的單壓電晶片式元件的例子。粘貼的該壓電振動板11f寬度比驅動部彈性薄板10a寬，形成連接電極23a、23b的側面比驅動部彈性薄板10a的側面凸出。這樣的結構，在壓電振動體11f與驅動部彈性薄板10a粘貼后不會使連接電極23a與驅動部彈性薄板10a短路，容易使用導電膠等形成連接電極23a、23b。
而且使驅動部彈性薄板10a與連接電極23a的距離大于一定值，以此可以提高對于制造時和惡劣條件下驅動時的遷移(migration)現象等的可靠性。
圖41表示又一變形例，是在驅動部彈性薄板10a上，壓電振動體11f與驅動部彈性薄板10a粘貼時連接電極23a應處的位置上形成比連接電極23a大的切口24c而成的。這樣做也有與第五實施例相同的作用效果。
第六實施例下面參照附圖對本發明第六實施例的壓電致動器加以說明。
圖42是表示本發明第六實施例的壓電致動器中的單壓電晶片式元件的結構的部分分解立體圖。
在該第六實施例的壓電致動器中，執行驅動的單壓電晶片式元件，如圖42所示由驅動部彈性薄板10c及與其部分粘貼的壓電振動板11g構成。
這里，第六實施例中驅動部彈性薄板10a的、連接電極23a所處的地方形成比連接電極23a大的絕緣體24d，在壓電振動體11g的上表面形成與連接電極23b導通，并且與電極層12-1分離的引出電極25a。而且該引出電極25a與表面電極12-1以絕緣區域26a隔開。采用這樣的結構，使第六實施例的壓電致動器能夠借助于在表面電極12-1與引出電極25a之間加驅動電壓進行驅動。
具有如上所述結構的第六實施例的單壓電晶片式元件，連接電極23b與引出電極25a的連接以及連接電極23a與表面電極12-1的連接都是金屬之間的直接連接，因此，與壓電振動板的一個表面電極和驅動部彈性薄板夾著粘接層連接的第1～第五實施例的元件相比，可以實現更加可靠的連接。借助于此，可以提供在高溫、高濕度等惡劣條件下驅動也具有高度可靠性的壓電致動器。
又，圖43(a)表示第六實施例的一變形例的壓電致動器中的單壓電晶片式元件的部分分解立體圖，圖43(b)是壓電振動板11h的與驅動部彈性薄板110c相對的表面的平面圖。
在本變形例中，執行驅動的單壓電晶片式元件，如圖43(a)所示由驅動部彈性薄板110c和與其一部分粘貼的壓電振動板11h構成。
這里，在本結構中，如圖43(b)所示，在壓電振動板11h的電極12-n上隔著絕緣區域26b形成與電極12-n在電氣上不連接的引出電極25b，連接電極23a連接于引出電極25b。另一方面，在驅動部彈性薄板110c上隔著絕緣層28形成導電層27，壓電振動體11f與驅動部彈性薄板110a粘貼，使導電層27的一部分與電極25b相向。
如上所述，壓電振動體11h與驅動部彈性薄板110c粘貼，以此使引出電極25b與導電層27電氣導通，表面電極12-n與驅動部彈性薄板110c電氣導通。從而，通過在驅動部彈性薄板110c與導電層27之間加驅動電壓，可以驅動第六實施例的壓電致動器。
圖44表示在驅動部彈性薄板110a上將絕緣層28和導電層27延長到端部為止，在該端部使用接插件等在驅動部彈性薄板110a與導電層27之間加電壓，該結構也能夠驅動壓電致動器。
采取這樣的結構，與使用焊接的連接結構相比，可以防止焊接等引起的對共振特性的不良影響(質量附加效應)，能夠提供性能偏差小的壓電致動器。
又，對于在壓電振動板的表面電極與驅動部彈性薄板之間從壓電振動板表面通過導線等加驅動電壓的結構，由于接線工序增加制造成本，故存在著不能實現低成本的問題。
而圖44的結構能夠解決這一問題。不必引出導線可以降低成本。
而且不用說的是，第六實施例具有與其他實施例相同的作用效果。
第七實施例下面參照附圖對本發明第七實施例的壓電致動器加以說明。
該第七實施例的壓電致動器與第三實施例相比，其不同點在于，使用圖45(a)所示的疊層結構的壓電振動板11i代替壓電振動板11a，此外與第三實施例結構相同。
第七實施例使用的壓電振動板11i與第四實施例一樣，具有電極層與壓電陶瓷層交錯疊層的結構，但是各電極層的形狀以及各電極間的連接結構不同于第四實施例。
也就是說，壓電振動板11i由電極層30a-1、壓電陶瓷層、電極層30b-1、壓電陶瓷、電極層30a-2、壓電陶瓷層、電極層30b-2疊層而成。這里，如圖45(a)、(b)所示，電極層30a-1及電極層30a-2在壓電振動板11i的一個端部借助于充填導電性樹脂等導電材料的通孔31a連接，電極層30b-1及電極層30b-2在壓電振動板11i的一個端部借助于充填導電性樹脂等導電材料的通孔31b連接。而圖45(b)是圖45(a)的A-A’線剖面的剖面圖。
又，各壓電陶瓷層在向上或向下的某一個厚度方向上極化，使得對應于加在各壓電陶瓷層的電壓的方向，在相鄰的壓電陶瓷層之間極化方向相反。
具有如上所述結構的第七實施例的壓電致動器具有與第三實施例相同的作用效果，同時能夠可靠、而且方便地進行電極間的連接。
而且，第七實施例的壓電致動器也可以在燒成之前用與電極材料相同的材料充填貫通孔。
第八實施例下面參照附圖對本發明第八實施例的壓電致動器加以說明。
這第八實施例的致動器與第一實施例相比，不同點在于使用圖10所示的疊層結構的振動板11b代替壓電振動板11，除此以外，其他地方與第一實施例一樣構成。
第八實施例使用的壓電振動板11b，如圖11所示，是電極層42-k(k=1、2、3、…、n+1)與壓電陶瓷層41-k(k=1、2、3、…、n)交替在寬度方向上疊層而成，最外側的一層構成電極層。這里，電極層42-1、42-3、…、42-n用形成于一個主面上的電極42b連接，電極層42-2、42-4、…、42-(n+1)用形成于另一個主面上的電極42a連接。而且，各壓電陶瓷的極化方向在各自被施加的電壓方向后決定。也就是說，各壓電陶瓷層1-k對應于各壓電陶瓷層1-k上所加的電壓的方向，在相鄰的壓電陶瓷層之間在寬度方向上極化，使極化方向相反。
具有如上所述結構的第八實施例的壓電致動器，在借助于使各壓電陶瓷層的厚度變薄，使通過側面電極2a、2b所加的驅動電壓為一定的情況下，可以在各壓電陶瓷層加上由于各壓電陶瓷層變薄造成的高電場。借助于這樣的設定，可以用比第一實施例的壓電致動器低的驅動電壓，在各壓電陶瓷層1-k上加上與第一實施例的壓電陶瓷1相同或更大的電場，因此能夠以低驅動電壓得到與第一實施例相同或更大的位移量。
例如在第八實施例的壓電振動板11b的壓電陶瓷層41-k的疊層數為n的情況下，為了得到與第一實施例相同的位移量所需要施加的電壓Vneed1,如公式(數2)所示，該電壓可以抑制得較低。式中V0表示第一實施例的驅動電壓。而且，在這一例子中假定壓電振動板11與壓電振動板11b的外形尺寸相同。還有，在公式(數2)中t0是壓電振動板11、11b的厚度，w是壓電振動板11、11b的寬度。
(數2)Vneed1=V0(w/(nt0))由公式(數2)可知，在各壓電陶瓷層41-k的厚度(w/n)比壓電振動板11、11b的厚度t0薄的情況下，可以使驅動電壓比第一實施例低。也就是說，采用上面所述的結構可以得到與第一實施例相同的效果。
又，在第八實施例中，減少疊層數目n，將各壓電陶瓷層41-k的厚度(w/n)設定得比壓電振動板11、11b的厚度t0厚，以此可以降低在各壓電陶瓷層41-k施加的電場，可以使其具有與使用降壓電路降壓相同的效果。也就是說，第三實施例借助于適當地設定疊層數目n，可以去掉驅動電路中的降壓電路。
第九實施例下面參照附圖對本發明第九實施例的壓電致動器加以說明。
這第九實施例的壓電致動器，與第一實施例相比，不同點在于使用圖12所示的疊層結構的壓電振動板11c代替壓電振動板11，除此以外的地方都和第一實施例相同。
第九實施例使用的壓電振動板11c如圖13所示，電極層52-k(k=1、2、3、…、n+1)與壓電陶瓷層51-k(k=1、2、3、…、n)交互在寬度方向上疊層構成，并使最外層為電極層。這里，電極層52-1、52-3、…、52-n用形成于一個主面的電極52b連接著，電極層52-2、52-4、…、52-(n+1)用形成于另一個主面的電極52a連接著。還有，各壓電陶瓷層51-k在壓電振動板11c的長度方向上極化，使得對應于加在各壓電陶瓷層51-k的電壓的方向，在相鄰的壓電陶瓷層51-k、51-(k+1)之間極化方向相反。也就是說，在第一實施例～第八實施例中，是在壓電振動板的極化軸方向上加電壓，利用在與其垂直的方向上發生的應變，而在第九實施例中，是在與極化方向相同的方向上加電壓，使其在極化方向(長度方向)上位移。
具有如上所述結構的第九實施例的壓電致動器，在極化軸的方向上加電壓，使極化軸的方向上產生應變。通常在壓電材料中，極化軸的方向上加電壓時的極化軸方向上的壓電常數d33比極化軸方向上加電壓時的與極化軸成垂直的方向上的壓電常數d31大，因此與第3及第八實施例相比，可以以更低的驅動電壓得到大的位移量。也就是說，第九實施例采取的結構是，利用在極化軸方向上加電壓時的極化軸方向上的位移，該位移比在極化軸方向上加電壓時的與極化軸垂直的方向上的位移大。下面是關于壓電常數的一個例子。PZT系的壓電陶瓷的壓電常數d31為-185.9×10-12m/V，壓電常數d33是壓電常數d31的大約2倍大小366.5×10-12m/V。
使用公式說明，則在第九實施例的壓電振動板11c的壓電陶瓷層51-k的疊層數目為n層的情況下，得到與第一實施例相同的位移量所需要的外加電壓Vneed2，如公式(數3)所示可以抑制得較低，式中V0為第一實施例的驅動電壓。還有，在這一例子中假定壓電振動板11與壓電振動板11c的外形尺寸相同。又，在公式(數3)中t0為壓電振動板11、11c的厚度，l為壓電振動板11、11c的長度。
(數3)Vneed2={1/(n t0)}V0(d31/d33)如上所述，第九實施例中，可以與壓電常數及各壓電陶瓷層的厚度(1/n)t0，還有各軸方向的壓電常數之比(d31/d33)成比例地減小驅動電壓。
第十實施例下面對本發明第十實施例進行說明。
這第十實施例除了設定在第一實施例位移放大部10b的共振頻率fr1、驅動部100的共振頻率fr2及驅動頻率如下面所述滿足規定的關系外，其結構都與第一實施例相同。
也就是說，該第十實施例中，如圖14所示，將位移放大部10b的共振頻率fr1設定得比驅動部的共振頻率fr2高，將對驅動部進行驅動的驅動頻率設定于位移放大部10b的共振頻率fr1與驅動部的共振頻率fr2之間。這里，第十實施例為了使位移放大部10b有效地發揮作為位移放大部的作用，得到大位移量，將驅動部的共振頻率fr2設定為位移放大部10b的共振頻率fr1的60％以上。借助于如上所述的結構，可以用位移放大部10b有效地將在驅動部100發生的位移放大。
下面參照圖15～圖21對驅動部的共振頻率fr2與位移放大部10b的共振頻率fr1的關系以及位移量加以說明。這里，圖15～圖21所示的位移量是與位移放大部10b的連接部連接的連接端的相反側的前端的位移量。
圖15的曲線是將驅動部100的共振頻率fr2設定為70Hz、將位移放大部10b的共振頻率fr1設定為100Hz的情況下(fr2=0.7fr1)的表示位移量與驅動頻率的關系的曲線。從圖15可知，在共振頻率fr2與共振頻率fr1之間可以得到比較大的位移量。而且在共振頻率fr2與共振頻率fr1之間，在圖15的曲線中，如符號61所標示，相對于驅動頻率的變化，位移量存在一個大致為一定的區域。
圖16的曲線是將驅動部100的共振頻率fr2設定為60Hz、將位移放大部10b的共振頻率fr1設定為100Hz的情況下(fr2=0.6fr1)的表示位移量與驅動頻率的關系的曲線。從圖16可知在共振頻率fr2與共振頻率fr1之間可以得到比較大的位移量。而且在共振頻率fr2與共振頻率fr1之間，如符號62所標示，相對于驅動頻率的變化，位移量存在一個大致為一定的區域。
圖17的曲線是將驅動部100的共振頻率fr2設定為58Hz、將位移放大部10b的共振頻率fr1設定為100Hz的情況下(fr2=0.58fr1)的表示位移量與驅動頻率的關系的曲線。從圖17可知，在比較接近共振頻率fr2及共振頻率fr1的驅動頻率可以得到大位移量。而在中央部位移量變小。而且在共振頻率fr2與共振頻率fr1之間，不存在相對于驅動頻率的變化位移量大致為一定的區域。
下面，在圖18、圖19、圖20及圖21同樣表示驅動部100的共振頻率fr2與位移放大部10b的共振頻率fr1的頻率差(比例)依次加大時位移量與驅動頻率的關系。從圖18～圖21可知，隨著驅動部100的共振頻率fr2與位移放大部10b的共振頻率fr1的頻率差(比例)的加大，在中央部的位移量變小，在圖18～圖21的任何一個圖中，都不存在相對于驅動頻率的變化位移量大致為一定的區域。
從上述圖15～圖21所示的數據可知，將驅動部100的共振頻率fr2設定為位移放大部10b的共振頻率fr1的60％以上，可以使驅動部100的振動與位移放大部10b的振動有效地相互作用。借助于此，驅動部100的振動可以通過連接部10c有效地激起位移放大部10b的振動。又可以了解到，如果將驅動部100的共振頻率fr2設定為位移放大部10b的共振頻率fr1的60％以下，則驅動部100的振動與位移放大部10b的振動之間的作用減弱。也就是說，如果將共振頻率fr2設定為共振頻率fr1的60％以下，則驅動部100的振動不能充分激起位移放大部10b的振動。
還有，在第十實施例中，最理想的是將驅動頻率設定于圖15、圖16中符號61、62表示的位移量與驅動頻率的變化關系不大的頻率區域。這樣，即使在驅動頻率變化，位移量也幾乎不變，能夠輸出穩定的位移量。
還有，是否能夠得到穩定的位移量，當然還取決于驅動部100與位移放大部10b在各共振頻率中的機械品質因數Qm和壓電常數等。
又，在位移放大部存在輸出提取部的情況下，可以使驅動電壓與輸出位移量同相而與驅動頻率的變化無關。
在上述第十實施例中，在想要得到更大的位移量的情況下，將位移放大部10b的共振頻率設定于驅動頻率的附近。以此可以用驅動部100的小的位移(驅動部以小的位移振動，因此驅動部的可靠性提高)使位移放大部10b有大的振動，可以取得更大的位移。
第十一實施例本發明第十一實施例如圖22所示，將位移放大部10b的共振頻率fr1設定得比驅動部的共振頻率fr2低，將對驅動部進行驅動的驅動頻率設定于位移放大部10b的共振頻率fr1與驅動部的共振頻率fr2之間，除此以外與第十實施例結構相同。第十一實施例為了使位移放大部10有效地發揮作為位移放大部的作用，得到大位移量，將位移放大部10b的共振頻率fr1設定為驅動部的共振頻率fr2的60％以上。借助于如上所述的結構，可以用位移放大部10b有效地將在驅動部100發生的位移放大。
還有，在第十一實施例中，將位移放大部10b的共振頻率fr1設定為驅動部的共振頻率fr2的60％以上，是出于與第十實施例相同的理由。也就是說，是因為若將位移放大部10b的共振頻率fr1設定為驅動部的共振頻率fr2的60％以上，就能夠得到穩定的振動。
具有如上所述結構的第十一實施例具有與第十實施例相同的效果，還具有下述特有效果。
即，若考慮在周圍環境溫度發生變化的情況下與溫度的關系，例如溫度上升ΔT時位移放大部10b的共振頻率fr1的變化Δfr1與驅動部100的共振頻率fr2的變化Δfr2相比，Δfr1＜Δfr2。因此，共振頻率fr1與共振頻率fr2的間隔拉開，位移量變小。但是驅動部的壓電振動板的壓電常數隨著溫度的上升而變大。其結果是，在第十一實施例中溫度變化的影響被抵消，能夠得到相對于溫度變化穩定的特性。
還有，在第十一實施例中，在連接部存在輸出提取部的情況下能夠使驅動電壓與輸出位移量相位相同，而與驅動頻率變化無關。
在這第十一實施例，也與第十實施例一樣，能夠借助于將位移放大部的共振頻率設定于驅動頻率附近，以輸出更大的位移量。
第十二實施例下面對本發明第十二實施例加以說明。
這第十二實施例的壓電致動器是在第一實施例的致動器中決定各部位的尺寸，使該壓電致動器具有圖23所示的導納特性，以小于位移放大部10b的共振頻率fr1的頻率驅動的。而且驅動部100的共振頻率fr2設定為驅動頻率的1.5倍以上。以此對驅動部100進行非共振驅動，將驅動部100的位移量抑制在小位移量上。借助于此，可以將加在壓電振動板上的應變抑制在較小的程度。
又，由于驅動部是進行非共振驅動，溫度、形狀的偏差等引起的共振頻率偏差造成的位移量偏差顯然也小了。由于以上原因，在驅動部可以確保高可靠性，并且能夠在驅動部激起偏差小的振動。
還有，在第十二實施例中，最好是將驅動頻率設定于位移放大部10b的共振頻率fr1附近，借助于此，對于驅動部的小振幅，可以利用位移放大部10b的共振，以此能夠用位移放大部將驅動部的小振動放大得更大。該位移放大部10b是只由彈性薄板做成的彈性墊片材料構成，因此極限應變相當高。因此，使驅動頻率接近位移放大部的共振頻率，即使設定大的放大率，在位移放大部也不會使可靠性變壞，能夠輸出大的位移，而且能夠構成高可靠性的致動器。又由于金屬薄板由溫度變化等因素引起的共振頻率變化相當小，因此能夠確保非常穩定的振動特性。
上面說明的第3～第十二實施例是在圖1的第一實施例的結構上附加新的技術要素而成的，但是本發明不限于此，可以把第3～第十二實施例的技術要素使用于第二實施例等。那樣的情況下也能夠得到同樣的效果。例如在第二實施例使用第3～第九實施例所示的疊層型壓電振動板11a、11b、11c，能夠比第二實施例以更低的驅動電壓輸出更大的位移量。又，在第二實施例中，與第6～第十二實施例一樣設定各共振頻率及驅動頻率，可以得到與第6～第十二實施例相同的效果。
第十三實施例下面說明本發明第十三實施例的紅外線傳感器。這第十三實施例的紅外線傳感器15，按照下述要求如圖24所示設置，也就是將圖3所示的壓電致動器的位移放大部10b的前端部大致彎折成直角，形成遮蔽紅外線的遮蔽板14，由位移放大部10b的撓曲振動引起的遮蔽板14的往復運動，造成入射光16的斷續入射。
如上所述構成的第十三實施例的紅外線傳感器，用于構成遮光器(chopper)的第一實施例的壓電致動器能夠以低電壓穩定地取得大的位移，并且能夠實現小型化，因此能夠提供小型的、能夠以低電壓驅動的紅外線傳感器。
該第十三實施例的紅外線傳感器可以使用于例如對檢測對象進行正確的溫度測量等。
在第十三實施例中，如圖25所示，遮蔽板14又可以設置得突出到驅動部10的外側。
第十四實施例本發明第十四實施例的紅外線傳感器，如圖26所示，將圖4所示的壓電致動器的連接部10c的前端部大致彎折為直角，形成遮蔽紅外線的遮蔽板14a，設置紅外線傳感器15，利用遮蔽板14a的往復運動使入射光16斷續入射。采取如上所述結構也有與第十三實施例相同的效果。
第十五實施例本發明第十五實施例的紅外線傳感器，如圖27所示，將圖6所示的壓電致動器的位移放大部110b的前端部大致彎折為直角，形成遮蔽紅外線的遮蔽板14b，設置紅外線傳感器15，利用遮蔽板14b的往復運動使入射光16斷續入射。
具有如上所述結構的第十三實施例的紅外線傳感器，由于使用能夠以更小型取得更大的位移量的第三實施例的壓電致動器，與第十三實施例及10相比可以做得更小，并且能夠提供可使用低電壓驅動的紅外線傳感器。
上述第十三實施例～第十五實施例中，遮蔽板做成簡單的長方形，但是本發明不限于此，也可以做成圖28中符號14c所示的形狀。也就是說，本發明的紅外線傳感器的遮蔽板的形狀沒有限定，作為遮蔽板可以使用各種形狀。
上述第十三實施例～第十五實施例中，對位移放大部或連接部進行彎折加工，形成遮蔽板，但是本發明不限于此，也可以安裝別的構件。采取如上所述手段也能夠取得與第十三實施例～第十五實施例相同的效果。
第十六實施例下面參照附圖對本發明第十六實施例的壓電光偏轉器加以說明。
這第十六實施例的壓電光偏轉器，如圖29所示，是在圖3所示的壓電致動器的位移放大部10b的前端部設置反射板17構成。這里，這個反射板17也可以安裝別的構件，又可以利用位移放大器的一部分。
下面用圖29、圖30對具有如上所述結構的壓電光偏轉器的動作加以說明。
在圖30中實線表示未驅動時(驅動時的中間位置)的狀態，虛線表示最大位移時的狀態。
在本壓電光偏轉器中反射板17在圖29中箭頭所示的方向上往復運動。又，與此同時連接部10c與反射板17以相反的相位位移。
利用這些因素的共同作用，可以使反射板17的角度變大，可以使入射光有大的偏轉。
具有如上所述結構的壓電光偏轉器，其結構和偏轉量的控制簡單，并且能夠取得大偏轉角度。
在這里對使用圖3所示的壓電致動器構成的光偏轉器的一個例子進行了敘述，當然同樣可以使用本發明的其他壓電致動器。
如上所述，本發明的壓電致動器能夠以低驅動電壓取得大位移量，而且能夠做到高穩定性和小型化，因此可以使用于熱電式紅外線傳感器及光偏轉器等各種用途，有利于這些裝置的可靠性的提高。
又，本發明的熱電式紅外線傳感器由于具備使用本發明的壓電致動器構成的遮光器(chopper)，因此能夠以比較小的驅動電壓得到所希望的特性，并且具有極高的穩定性和可靠性。
這種熱電式紅外線傳感器可以使用于檢測物體溫度，有著的廣泛用途。
還有，本發明的光偏轉器由于使用本發明的壓電致動器構成，能夠以比較小的驅動電壓得到所希望的偏光特性，而且具有極高的穩定性和可靠性。這種光偏轉器可以使用于條形碼讀出器等各種用途。
權利要求
1．一種壓電致動器，其特征在于包括相應于厚度方向上外接的電壓在與所述厚度方向正交的某一方向上有較大伸縮的壓電振動板同驅動部彈性薄板接合，通過在所述壓電振動板的厚度方向上加上具有規定頻率的驅動電壓，按與所述驅動電壓頻率相應的頻率撓曲振動的驅動部；位于與所述驅動部相同平面上，與所述驅動部相連，以便能夠與所述驅動部的撓曲振動同步振動并通過所述驅動部的振動受到激勵振動，使所述驅動部的振動擴大的位移擴大部。
2．如權利要求1所述的壓電致動器，其特征在于，所述位移擴大部由彈性薄板制成，該彈性薄板與所述驅動部彈性薄板形成為一體。
3．如權利要求1或2所述的壓電致動器，其特征在于，所述壓電致動器中，所述位移擴大部一端與所述驅動部彈性薄板一端相連。
4．如權利要求3所述的壓電致動器，其特征在于，所述壓電致動器由所述驅動部彈性薄板另一端支持。
5．如權利要求3所述的壓電致動器，其特征在于，所述壓電致動器由所述驅動部彈性薄板與所述位移擴大部的連接部分支持。
6．如權利要求1～5中任一項所述的壓電致動器，其特征在于，所述壓電致動器中，電極層和壓電體層在所述壓電振動板厚度方向上交替疊層時，所述壓電振動板其頂層和底層為電極層，通過各個壓電體層上下的電極層在該壓電體層上加上驅動電壓。
7．如權利要求6所述的壓電致動器，其特征在于，所述壓電振動板夾著各個壓電體層的一對電極層當中，某一電極層形成為該電極層一側面位于所述壓電振動板某一側面的內側，另一電極層形成為該電極層一側面位于所述壓電振動板另一側面的內側。
8．如權利要求6或7所述的壓電致動器，其特征在于，所述壓電振動板夾著各個壓電體層的一對電極層當中，某一電極層形成為該電極層一端面位于所述壓電振動板某一端面的內側，另一電極層形成為該電極層一端面位于所述壓電振動板另一端面的內側。
9．如權利要求6所述的壓電致動器，其特征在于，所述各個電極層形成為在其一端面上具有突起電極，該突起電極前端部露出所述壓電振動板某一端面以外部位，該電極層端面和側面分別位于所述壓電振動板端面和側面的內側，所述突起電極每隔一個由所述壓電振動板端面上形成的連接電極連接。
10．如權利要求9所述的壓電致動器，其特征在于，所述壓電致動器中，所述驅動部彈性薄板和所述壓電振動板接合時，位于所述驅動部彈性薄板上所述連接電極當中某一電極的部位，形成使該連接電極與所述驅動部彈性薄板之間絕緣用的絕緣體。
11．如權利要求6所述的壓電致動器，其特征在于，所述各個電極層形成為在其一側面上具有突起電極，該突起電極前端部露出所述壓電振動板某一側面以外部位，該電極層端面和側面分別位于所述壓電振動板端面和側面的內側，所述突起電極每隔一個由所述壓電振動板某一側面上形成的連接電極連接。
12．如權利要求11所述的壓電致動器，其特征在于，所述壓電致動器中，所述驅動部彈性薄板與所述壓電振動板接合時，使所述驅動部彈性薄板寬度比所述壓電振動板窄，所述驅動部彈性薄板某一側面處于比所述壓電振動板側面更為內側的位置。
13．如權利要求11所述的壓電致動器，其特征在于，所述壓電致動器中，所述驅動部彈性薄板與所述壓電振動板接合時，在所述驅動部彈性薄板上所述連接電極當中某一電極所處部位，形成使該連接電極與所述驅動部彈性薄板絕緣用的缺口。
14．如權利要求11所述的壓電致動器，其特征在于，所述壓電致動器中，所述驅動部彈性薄板與所述壓電振動板接合時，在所述驅動部彈性薄板上所述連接電極當中某一電極所處部位，形成使該連接電極與所述驅動部彈性薄板絕緣用的絕緣體。
15．如權利要求6所述的壓電致動器，其特征在于，所述各個電極層配置成分別在壓電振動板某一端部具有將電極層間連接用的突起電極，并且所述突起電極每隔一個處于相對狀態，相對的突起電極間分別由通孔內形成的連接電極連接。
16．如權利要求9～14中任一項所述的壓電致動器，其特征在于，所述壓電致動器中，所述壓電振動板相對于與所述驅動部彈性薄板粘貼的面處于相對一側的面上所形成的表面電極，同所述各個連接電極連接，并使其中某一連接電極所連接的表面電極與其它表面電極絕緣分離。
17．如權利要求9～14中任一項所述的壓電致動器，其特征在于，所述壓電致動器中，所述壓電振動板與所述驅動部彈性薄板粘貼的面上形成的表面電極上形成與該電極絕緣的別的電極，并使所述連接電極當中某一連接電極與所述表面電極連接，所述連接電極當中其它連接電極與所述別的電極連接。
18．如權利要求17所述的壓電致動器，其特征在于，所述壓電致動器中，在所述驅動部彈性薄板上形成通過絕緣層與所述驅動部彈性薄板絕緣的電極，使之在所述壓電振動板與所述驅動部彈性薄板粘貼時與所述別的電極相對，并在該電極與所述驅動部彈性薄板之間提供驅動電壓。
19．如權利要求1～5中任一項所述的壓電致動器，其特征在于，所述壓電致動器中，電極層和壓電體層在所述壓電振動板寬度方向上交替疊層，以便所述壓電振動板其兩側面均為電極層，通過夾著各個壓電體層的電極層在該壓電體層上加上驅動電壓。
20．如權利要求1～5中任一項所述的壓電致動器，其特征在于，所述壓電致動器中，電極層和壓電體層在所述壓電振動板縱向方向上交替疊層，以便所述壓電振動板其兩端面均為電極層，通過夾著各個壓電體層的電極層在該壓電體層上加上驅動電壓。
21．如權利要求1～20中任一項所述的壓電致動器，其特征在于，所述壓電致動器中，所述驅動部諧振頻率和所述位移擴大部諧振頻率設定為低諧振頻率為高諧振頻率的0.6倍以上，并且所述驅動電壓的頻率設定在所述驅動部諧振頻率與所述位移擴大部諧振頻率之間。
22．如權利要求21所述的壓電致動器，其特征在于，所述壓電致動器中，所述驅動電壓的頻率設定在實際位移量相對于該頻率變化沒有變化的穩定區域。
23．如權利要求21或22所述的壓電致動器，其特征在于，所述位移擴大部諧振頻率設定得比所述驅動部諧振頻率低。
24．如權利要求1～20中任一項所述的壓電致動器，其特征在于，所述壓電致動器中，所述驅動部諧振頻率設定得比所述位移擴大部諧振頻率高，并且所述驅動電壓的頻率設定為低于所述位移擴大部諧振頻率的頻率。
25．如權利要求24所述的壓電致動器，其特征在于，所述驅動部諧振頻率設定為所述驅動電壓頻率的1.5倍以上，而所述位移擴大部諧振頻率設定在所述驅動電壓頻率附近。
26．一種熱電式紅外線傳感器，其特征在于，包括包含權利要求1～25中任一項所述的壓電致動器和與該壓電致動器的位移擴大部或連接部基本垂直設置的遮光板所構成的遮光器；具有紅外線入射部、并將所述遮光板設置于該紅外線入射部前方的紅外線傳感器，通過由具有規定頻率的驅動電壓使所述壓電致動器動作，使得紅外線斷續入射至所述紅外線傳感器。
27．一種壓電光偏轉器，其特征在于，包括權利要求1～25中任一項所述的壓電致動器；在該壓電致動器位移擴大部至少一部分上與該位移擴大部基本水平設置的反射板，通過由具有規定頻率的驅動電壓使所述壓電致動器動作，使得經所述反射板的反射光方向變化。
全文摘要
本發明揭示一種壓電致動器、紅外線傳感器和壓電光偏轉器。提供同時滿足低驅動電壓、大位移量、高穩定性和小型化要求的高性能壓電致動器、壓電遮光器或壓電光偏轉器。其解決手段是,在處于同一平面上的彈性墊片材料10上設置部分貼著壓電體11的前端部10a,在前端部10a上設置對激起的振動幅度進行放大的位移放大部10b。又,以驅動部的共振頻率與位移放大部的共振頻率中間的頻率區域的驅動頻率進行驅動。
文檔編號G02B26/10GK1214551SQ9812089
公開日1999年4月21日 申請日期1998年9月29日 優先權日1997年9月30日
發明者今田勝巳, 守時克典, 增谷武, 野村幸治, 川北晃司 申請人:松下電器產業株式會社