CN104347792B - 压电致动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电致动器，其包括大致为长方体的压电元件。所述压电元件的一个外表面包括第一区域和从第一区域突出并与所述一个外表面中对应于活性部分的区域重叠的第二区域。所述第二区域具有配置成与被驱动体接触并与其产生摩擦力的平坦表面。所述平坦表面在所述压电元件的纵向上比在其横向上短。所述平坦表面在其横向中心区域在所述压电元件的纵向上比在其横向端部区域长。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电致动器。
背景技术
已知的压电致动器包括压电体和摩擦构件，其中，所述压电体适于响应施加于其的电力同时产生第一和第二振动模式，所述摩擦构件与压电体分离并且部分地固定到在压电体的一侧上形成为凹陷的凹部(参见，例如，日本专利申请公开No.2008-99549)。
发明内容
在日本专利申请公开No.2008-99549中公开的压电致动器的压电元件(压电体)具有活性和非活性部分，当向其施加电压时，其分别适于进行位移或不位移。当电压施加到所述压电元件时，所述活性部分进行位移。当活性部分进行位移时，固定到所述压电体的摩擦构件与被驱动体接触并且与其产生摩擦力。根据因此产生的摩擦力，压电元件驱动被驱动体。通过使用压电元件与被驱动体彼此接触时产生的摩擦力驱动被驱动体的压电致动器需要进一步提高驱动力。
因此，本发明的目的是提供一种驱动力进一步提高的压电致动器。
根据本发明的一个方面的压电致动器包括：配置成响应于施加于其的电压彼此同时产生第一和第二振动模式的大致为长方体的压电元件；所述压电元件具有活性部分，所述活性部分位于设置在压电元件中的多个内部电极之间，并且配置成响应于施加于其的电压进行位移；所述压电元件的一个外表面包括第一区域和第二区域，所述第二区域例如从第一区域突出并与所述一个外表面中对应于活性部分的区域重叠；所述第二区域具有配置成与被驱动体接触并与其产生摩擦力的平坦表面；所述平坦表面在所述压电元件的纵向上比在其横向上短；并且所述平坦表面在其横向中心区域在所述压电元件的纵向上比在其横向端部区域长。
在根据本发明的一个方面的压电致动器中，第二区域具有上述平坦表面，并且位于例如与所述一个外表面中对应于活性部分的区域重叠的位置。因此，第二区域包括响应于施加于其的电压而产生相对大的位移的区域，该区域作为大面积。这使所述压电元件与所述被驱动体彼此大面积接触并产生大的摩擦力。平坦表面的横向端部区域位于在所述压电元件的横向方向上的非活性部分中，或者相比平坦表面的中心区域横向更接近非活性部分。非活性部分不被施加于其的电压位移，因此起到抑制第二区域位移的作用。由于平坦表面在横向端部区域比横向中心区域在纵向上更短，抑制压电元件位移的区域具有相对小的面积。因此，具有上述平坦表面的第二区域提高了压电致动器的驱动力。
在根据本发明的一个方面的压电致动器中，所述平坦表面的横向长度等于或短于活性部分的横向长度。在这种情况下，当从与所述一个外表面正交的方向观察时，平坦表面位于所述活性部分的内部。因此，这可以限制平坦表面的横向端部抑制压电元件位移。
在根据本发明的一个方面的压电致动器中，当从与所述一个外表面正交的方向观察时，第二区域可与活性部分的中心重叠。活性部分的中心是响应于施加于其的电压的产生最大位移的位置。当所述第二区域与活性部分的中心重叠时，由施加于其的电压产生的第二区域的位移增加。
从以下给出的具体实施方式和仅通过举例说明的方式给出并且因此不认为限制本发明的附图中，将会更全面地理解本发明。
本发明的进一步的适用范围从以下给出的具体实施方式中将变得显而易见。然而，应当理解，具体实施方式和具体的实例，虽然指示本发明的优选实施例，仅通过举例说明的方式给出，因为本发明的精神和范围内的各种变化和修改，对于本领域技术人员而言，从所述具体实施方式中将变得显而易见。
附图说明
图1是根据一实施例的多层压电致动器的透视图；
图2是压电元件的透视图；
图3是沿图1所示的线III-III截取的剖视图；
图4是图1所示的多层压电致动器的分解透视图；
图5A和图5B是各自示出根据所述实施例的多层压电致动器的振动模式的视图；
图6A和图6B是各自示出根据所述实施例的多层压电致动器如何驱动转子的视图；
图7是示出制造根据所述实施例的多层压电致动器的方法的流程图；
图8是示出通过层压和冲压工艺获得的多层体的透视图；
图9是经过冲压工艺的多层体的侧视图；并且
图10A是示出在驱动时根据所述实施例的多层压电致动器的位移大小的视图，并且图10B是示出示出在驱动时传统的多层压电致动器的位移大小的视图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本发明的优选实施例进行详细说明。在说明中，相同的构成部分或具有相同功能的那些构成部分将用相同的标记指代，同时省略对其重复的描述。
参考图1至图4，将对根据一实施例的多层压电致动器的结构进行说明。图1是根据本实施例的多层压电致动器的透视图。图2是压电元件的透视图。图3是沿图1所示的线III-III截取的剖视图。图4是图1所示的多层压电致动器的分解透视图。图3和4由单点划线(dash-single-dot)在多层压电致动器的纵向中心描绘中心线CL。在图4中，假定通孔导体在垂直延伸的单点划线通过的位置形成，同时通孔省略，因为它非常小。
如图1所示，多层压电致动器1响应施加于其的AC电压进行位移，以便移动被驱动体DB(例如，转子)。多层压电致动器1包括通过将多个压电层层压并集成在一起形成的基本上为长方体的压电元件2。压电元件2具有多层部分3和保护膜5。
压电元件2的多层部分3具有矩形的第一主表面(在图1的上面)3a和矩形的第二主表面(在图1的下面)3b。在以下的说明中，第一和第二主表面3a、3b的较长和较短侧方向以及第一和第二主表面3a、3b彼此相对所沿的方向，即压电层的层压方向，将分别称为多层部分3(压电元件2)的纵向、横向和厚度方向。多层部分3设定为分别在长度、宽度和厚度方向具有约为1至20mm、1至10mm和0.2至5mm的尺寸。在本实施例中，横向方向与宽度方向一致，并且纵向方向垂直于横向方向延伸。
外部电极层11设置在多层部分3的第一主表面3a的纵向中心位置。当在上面安装另一个外部装置时，外部电极层11作为端电极。外部电极层11以横向方向设置在第一主表面3a的纵向中心位置。外部电极层11包括在第一主表面3a上彼此电绝缘的第一外部电极12、接地外部电极13和第二外部电极14。
第一外部电极12位于横向方向的一端侧并且具有矩形形状。第一外部电极12连接到外部装置的电压输出端。接地外部电极13位于横向方向上的大致中心并且具有矩形形状。接地外部电极13连接到外部装置的接地端。第二外部电极14位于横向方向的另一端侧并且具有矩形形状。第二外部电极14连接到外部装置的电压输出端。第一外部电极12、接地外部电极13以及第二外部电极14通过将导电膏施加到压电元件2的第一主表面3a并在预先确定的温度(例如，约700℃)烧结该导电膏而形成。通过烧结导电膏得到的烧结的电极层可以进一步进行电镀，以便在其上形成镀层。包含主要由Ag组成的导电材料的物质可作为导电膏使用。镀层的一个实例是Ni/Au镀层。
外部电极12、13、14也可通过溅射、气相沉积等使用在对应于外部电极12、13、14的部分形成有相应开口的金属掩模形成，在这种情况下构成外部电极12、13、14的薄膜结构的实例包括Cr/Ni、NiAu/Ag、SnAg以及Au。
如图3所示，多层部分3的第二主表面3b包括第一区域4A和一对从第一区域4A突出的第二区域4B1、4B2。第二区域4B1、4B2的位置设置成在例如在平行于压电层10、20、30、40、50、70的层压方向的方向从第一区域4A突出。
令L为多层部分3的纵向尺寸，第二区域4B1设置成在例如与多层部分3的一个纵向端部3c隔开L/3的位置在多层部分3的宽度方向延伸。第二区域4B2设置成在例如与多层部分3的另一个纵向端部3d隔开L/3的位置在多层部分3的宽度方向延伸(参见图3)。在本实施例中，每个第二区域4B1、4B2的横向长度与多层部分3的宽度相同。
保护膜5由比多层部分3硬的材料构成，其实例包括DLC(类金刚石碳)、TiN、SiC和BP(磷化硼)。保护膜5覆盖第二主表面3b(第一区域4A和第二区域4B1、4B2)。保护膜5构成压电元件2的一个外表面。保护膜5具有覆盖第一区域4A的第一区域5A和覆盖第二区域4B1、4B2的第二区域5B1、5B2。第二区域5B1、5B2在平行于压电层10、20、30、40、50、70的层压方向的方向上从第一区域5A突出。
在本实施例中，保护膜5的第二区域5B1、5B2分别具有平坦表面5B11、5B21。平坦表面5B11、5B21作为与被驱动体DB接触并与其产生摩擦力的摩擦部分。被驱动体DB被摩擦力移动。当压电元件2不具有保护膜5时，第二主表面3b的第二区域4B1、4B2具有作为摩擦部分的平坦表面。总体上保护膜5并不总是需要覆盖第二主表面3b，而是可以制成例如覆盖至少第二区域4B1、4B2。保护膜5的厚度例如约为0.5到20μm。
当从所述第二主表面(图2中的上面)3b侧观察时，每个平坦表面的5B11、5B21具有椭圆形状，其在压电元件2的横向方向上的直径比其在纵向方向上的大。也就是说，每个平坦表面5B11、5B21在压电元件2的纵向方向上的直径(长度)LP2比在压电元件2的横向方向上的直径(长度)LP1短。每个平坦表面5B11、5B21的横向中心区域的纵向长度(直径)LP2比在其横向端部区域的纵向长度LP3长。横向中心区域是每个平坦表面5B11、5B21在横向方向上的中心区域，并且横向端部区域是其在横向方向上的端部区域。在本实施例中，每个平坦表面5B11、5B21在横向中心区域的纵向长度等于每个平坦表面5B11、5B21在压电元件2的纵向上的长度。当从第二主表面3b侧观察时，每个平坦表面5B11、5B21可以具有在压电元件2的横向方向上的长度比在其纵向方向上长、同时其横向端部具有侧面的(任何基本上为矩形和多边形形状和它们的组合的)形状。在这种情况下，每个平坦表面5B11、5B21在横向中心区域还具有比在横向端部区域更长的纵向长度。在每个平坦表面5B11、5B21中，中心区域是包括至少穿过其中心并且沿其纵向方向摆放的线段的区域。每个平坦表面5B11、5B21中的端部区域是包括至少一个其横向端的区域。
如图3和4所示，多层部分3构造为多层体，其中具有压电特性(即，当施加电压时适于变形)的矩形片状压电层10、20、30、40、50、60、70、中继电极层21、第一内部电极层31、第一接地电极层(接地电极层)41以及第二内部电极层51层压。中继电极层21、第一内部电极层31、第一接地电极层(接地电极层)41以及第二内部电极层51在压电元件2内沿压电层10、20、30、40、50、70的层压方向(即，压电元件2的厚度方向)逐个布置。
外部电极层11在作为多层部分3的第一主表面3a的压电层10上(将在后面说明)形成。中继电极层21、第一内部电极层31、第一接地电极层41和第二内部电极层51分别在压电层20、30、40和50上形成。
每个压电层10、20、30、40、50、70例如由主要由PZT组成的压电陶瓷材料制成。每个压电层10、20、30、40、50、70具有例如约10至100μm的厚度。实际上在多层压电致动器1中，多个压电层10、20、30、40、50、70集成到其边界难识别的程度。
中继电极层21在压电层20的纵向中心位置横向地布置在压电层20上。中继电极层21包括在压电层20上彼此电绝缘的第一中继电极22、接地中继电极23和第二中继电极24。第一中继电极22位于横向方向的一端侧并且具有矩形形状。接地中继电极23位于横向方向的中心并且具有矩形形状，该矩形形状的纵向方向定向在横向方向上。第二中继电极24位于横向方向的另一端侧并且具有矩形形状。
第一内部电极层31包括在压电层30上彼此电绝缘的第一电极32、接地中继电极33和第二电极34。接地中继电极33安置在例如当从厚度方向观察时与处在纵向中心位置的接地中继电极23重叠的位置，并且具有矩形形状。
第一电极32具有电极部分32a和中继电极部分32b。电极部分32a设置成相比压电元件2的纵向中心位置更靠近一端3c(即更靠近压电层30的一端30c)。电极部分32a安置在例如在从接地中继电极33延伸到一端30c的基本上所有区域中覆盖压电层30的上表面的位置，并且具有矩形形状。厚度形成区域101在电极部分32a中对应于第二区域4B1的位置形成。当在压电元件2的厚度方向观察时，厚度形成区域101具有长方体的形状，其在压电元件2的横向方向上比在其纵向方向上长。厚度形成区域101的横向长度可以等于或短于电极部分32a在压电元件2的横向方向上的长度。厚度形成区域101由与电极部分32a相同的导电材料制成，并且具有例如约0.5至10μm的高度。
中继电极部分32b设置在纵向中心。中继电极部分32b安置在例如从电极部分32a突出到纵向中心位置并且当从厚度方向观察时与第一中继电极22重叠的位置，并且具有矩形形状。
第二电极34具有电极部分34a和中继电极部分34b。电极部分34a设置成相比压电元件2的纵向中心位置更靠近另一端3d(即更靠近压电层30的另一端30d)。电极部分34a安置在例如在从接地中继电极33延伸到另一端30d的基本上所有区域中覆盖压电层30的上表面的位置，并且具有矩形形状。具有与厚度形成区域101相同的形状和厚度的厚度形成区域102在电极部分34a中对应于第二区域4B2的位置形成。厚度形成区域102由与电极部分34a相同的导电材料制成。
中继电极部分34b设置在纵向中心。中继电极部分34b安置在例如从电极部分34a突出到纵向中心位置并且当从厚度方向观察时与第二中继电极24重叠的位置，并且具有矩形形状。
第一接地电极层41包括在压电层40上彼此电绝缘的第一中继电极42、接地电极43和第二中继电极44。接地电极43安置在例如覆盖压电层40的上表面的基本上整个表面的位置，并且具有大致为矩形的形状。接地电极43设置成例如当从厚度方向观察时与电极部分32a、34a及接地中继电极23、33都重叠。具有与厚度形成区域101相同的形状和厚度的厚度形成区域111在接地电极43中对应于第二区域4B1的位置形成。类似地，具有厚度形成区域101相同的形状和厚度的厚度形成区域112在接地电极43中对应于第二区域4B2的位置形成。厚度形成区域111、112由与接地电极43相同的导电材料制成。
在接地电极43的纵向中心位置，在压电层40的横向方向的两端侧形成矩形凹进。第一和第二中继电极42、44分别设置在所述凹进处。第一中继电极42安置在例如当从厚度方向观察时与中继电极部分34b和第一中继电极22重叠的位置。第二中继电极44安置在例如当从厚度方向观察时与中继电极部分34b和第二中继电极24重叠的位置。
第二内部电极层51包括在压电层50上彼此电绝缘的第三电极54、接地中继电极53和第四电极52。接地中继电极53安置在例如当从厚度方向观察时与处在纵向中心位置的接地中继电极23、33重叠的位置，并且具有矩形形状。
第三电极54具有电极部分54a和中继电极部分54b。电极部分54a设置成相比压电元件2的纵向中心位置更靠近一端3c(即更靠近压电层50的一端50c)。具有与厚度形成区域101相同的形状和厚度的厚度形成区域121在电极部分54a中对应于第二区域4B1的位置形成。厚度形成区域121由与电极部分54a相同的导电材料制成。
中继电极部分54b设置在纵向中心。电极部分54a安置在例如在从接地中继电极53延伸到一端50c的基本上所有区域中覆盖压电层50的上表面的位置，并且具有矩形形状。结果，当从厚度方向观察时，电极部分54a与电极部分32a及接地电极43的一部分重叠。中继电极部分54b具有矩形形状，例如从电极部分54a突出到纵向中心位置，并且当从厚度方向观察时与第二中继电极24、44及中继电极部分34b重叠。
第四电极52包括电极部分52a和中继电极部分52b。电极部分52a设置成相比压电元件2的纵向中心位置更靠近另一端3d(即更靠近压电层50的另一端50d)。具有与厚度形成区域101相同的形状和厚度的厚度形成区域122在电极部分52a中对应于第二区域4B1的位置形成。厚度形成区域122由与电极部分52a相同的导电材料制成。
中继电极部分52b设置在纵向中心。电极部分52a安置在例如在从接地中继电极53延伸到另一端50d的基本上所有区域中覆盖压电层50的上表面的位置，并且具有矩形形状。结果，当从厚度方向观察时，电极部分52a与电极部分34a及接地电极43的一部分重叠。中继电极部分52b安置在例如从电极部分52a突出到纵向中心位置并且当从厚度方向观察时与第一中继电极22、42及其上的中继电极部分32b重叠的位置，并且具有矩形形状。
在压电层10、20、30、40的对应于第一中继电极22、42和中继电极部分32b、52b的位置形成在其厚度方向穿透压电层10、20、30、40的通孔。第一通孔导体6设置在这些通孔中。第一通孔导体6将第一外部电极12、第一中继电极22、第一电极32、第一中继电极42和第四电极52电连接在一起。
在压电层10、20、30、40的对应于接地中继电极23、33、53和接地电极43的纵向中心区域的位置形成在其厚度方向穿透压电层10、20、30、40的通孔。接地通孔导体7设置在这些通孔中。接地通孔导体7将接地外部电极13、接地中继电极23、33、接地电极43和接地中继电极53电连接在一起。
在压电层10、20、30、40的对应于第二中继电极24、44和中继电极部分34b、54b的位置形成在其厚度方向穿透压电层10、20、30、40的通孔。第二通孔导体8设置在这些通孔中。第二通孔导体8将第二外部电极14、第二中继电极24、第二电极34、第二中继电极44和第三电极54电连接在一起。
第一通孔导体6、接地通孔导体7和第二通孔导体8位于压电元件2的纵向的中心位置，并沿压电元件2的横向方向布置成一排。通孔导体6、7、8包含电导电材料。通孔导体6、7、8中所含的导电材料可以是从由Pd、Ag、Cu、W、Mo、Sn和Ni组成的组中选择的至少一种金属或含有至少一种这些金属的合金。每个通孔导体6、7、8具有例如约20到100μm的直径。由电极层11、21、31、41、51和压电层10、20、30、40、50、70构成的压电元件2包括厚度调整层LY1、LY2和用于振动压电元件2的驱动层LY3。驱动层LY3包括活性部分，而每个厚度调整层LY1、LY2包括非活性部分。
驱动层LY3由第一内部电极层31、压电层30、第一接地电极层41、压电层40和第二内部电极层51构成。厚度调整层LY1由压电层10、中继电极层21和压电层20构成。厚度调整层LY2由压电层50、70构成。在驱动层LY3中，与第一内部电极层31、第一接地电极层41和第二内部电极层51重叠，并且适于响应施加于其的电压而进行位移的区域，是活性部分。也就是说，如图4所示，活性部分在压电元件2的横向方向上的长度，等于第一内部电极层31、第一接地电极层41和第二内部电极层51在压电元件2的横向方向上的长度La1。在驱动层LY3中，与第一内部电极层31、第一接地电极层41和第二内部电极层51都不重叠，并且不响应施加于其的电压进行位移的区域，是非活性部分。在制造压电元件2时，对厚度调整层LY1、LY2进行抛光以便调整其厚度，从而调节压电元件2中的振动频率。厚度调整层LY1、LY2设定为大致相同的厚度，由此压电元件2具有关于厚度方向对称的结构。
在驱动层LY3中，位于第一内部电极层31与第一接地电极层41之间的压电层30和位于第一接地电极层41与第二内部电极层51之间的压电层40已经极化。极化从第一内部电极层31到第一接地电极层41并且从第二内部电极层51到第一接地电极层41施加影响。
在多层部分3中，第二区域4B1、4B2从第一区域4A突出，突出的量对应于厚度形成区域101、102、111、112、121、122的厚度。因此，第二区域4B1、4B2突出的高度可以通过厚度形成区域的数量和高度来调整。
多层压电致动器1的操作现在将参考图5A、5B、6A和6B进行说明。图5A和图5B是各自示出多层压电致动器1的振动模式的视图。图6A和图6B是各自示出多层压电致动器1如何驱动被驱动体DB的视图。
多层压电致动器1在驱动时具有两个谐振模式。具体地，多层压电致动器1根据相互叠加的如图5A所示的压电元件2的纵向振动的纵向振动模式和如图5B所示的压电元件2的厚度方向的弯曲振动模式而振动。在纵向和弯曲振动模式中的各谐振频率已经通过抛光压电元件2的厚度调整层LY1、LY2(参见图3)而适合彼此。
图6A和6B示出纵向和弯曲振动模式相互叠加的状态。由第一电极32、接地电极43及压电层30构成的活性部分A1和由第四电极52、接地电极43及压电层40构成的活性部分A4被驱动。在这种情况下，如图6A所示，保护膜5的第二区域5B2中的平坦表面5B21与被驱动体DB接触，从而在第二区域5B2的平坦表面5B21与被驱动体DB之间产生摩擦力。在第二区域5B2的平坦表面5B21与被驱动体DB之间产生的摩擦力使被驱动体DB在图6A中箭头方向上移动。由于因施加电压所引起的位移在活性部分A1、A4的中心最大，因此当从压电元件2的厚度方向观察时，所述第二区域5B2可以与活性部分A1、A4的中心重叠。
由第二电极34、接地电极43及压电层30构成的活性部分A2和由第三电极54、接地电极43及压电层40构成的活性部分A3被驱动。在这种情况下，如图6B所示，保护膜5的第二区域5B1中的平坦表面5B11与被驱动体DB接触，从而在第二区域5B1的平坦表面5B11与被驱动体DB之间产生摩擦力。在第二区域5B1的平坦表面5B11与被驱动体DB之间产生的摩擦力使被驱动体DB在图6B中箭头方向上移动。由于因施加电压所引起的位移在活性部分A2、A3的中心最大，因此当从压电元件2的厚度方向观察时，所述第二区域5B1可以与活性部分A2、A3的中心重叠。
当压电元件2通过将彼此相移90°的电压分别施加到第一和第二外部电极12、14而驱动时，彼此相移180°的椭圆形运动分别在摩擦部分(平坦表面5B11、5B21)出现。结果，摩擦力交替地作用在被驱动体DB上，由此使被驱动体DB移动。
参考图3和图6，上述振动分别在压电元件2的纵向中心位置、与一端3c隔开L/6的位置以及与另一端3d隔开L/6的位置具有节点(其中无振幅在振动中出现)。一端3c、另一端3d、与一端3c隔开L/3的位置(即，设置第二区域5B1的位置)以及与另一端3d隔开L/3的位置(即，第二区域5B2设置的位置)是最大振幅出现的位置。
制造根据本实施例的多层压电致动器1的方法现在将参考图7进行说明。图7是示出制造根据本实施例的多层压电致动器1的方法的流程图。
如图7所示，制造多层压电致动器1的方法始于涂层制备工艺S1。所述涂层制备工艺S1将用于制造压电层10至70的压电材料、有机溶剂和有机粘合剂混合在一起，以便将它们变成涂层材料。随后，执行片材制备工艺S2。片材制备工艺S2将通过涂层制备工艺S1制得的涂层材料施加到PET膜201，以便形成各自具有对应于每个压电层的厚度的压电片材。
在片材制备工艺S2之后，执行通孔形成工艺S3。通孔形成工艺S3在使压电片材在对应于布置通孔导体6、7、8的位置的预定位置形成通孔。在使压电片材形成通孔之后，执行内部电极印刷工艺S4和电极材料图案形成工艺S5。内部电极印刷工艺S4可以在电极材料图案形成工艺S5之后执行。
使用导电膏，内部电极印刷工艺S4通过丝网印刷等使未切割的压电层10至70的上表面形成它们的对应的电极图案和通孔导体图案。在这里，压电层10至70形成有对应于外部电极层11、中继电极层21、第一内部电极层31、第一接地电极层41、第二内部电极层51以及通孔导体6、7、8的图案。
电极材料图案形成工艺S5通过丝网印刷等为至少第一内部电极层31、第一接地电极层41以及第二内部电极层51的期望位置提供导电膏，其中所述导电膏由与相应的电极层相同的材料制成。所述导电膏分别变为厚度形成区域101、102、111、112、121、122。每个厚度形成区域101至122形成长方体。例如，厚度形成区域101至122分别在纵向和横向方向具有约0.5至5mm以及0.5至10mm的长度。厚度形成区域101至122具有例如约0.5至10μm的厚度，其可以通过例如重复丝网印刷工艺的数量等调整。
层压和冲压工艺S6将未切割的压电层10、20、30、40、50、70以此顺序对齐层压，以便产生如图8所示的多层体80。多层体80通过等静压制进行冲压。如图9所示，设置在PET膜201上的多层体80放置在基片202上。多层体80、PET膜201和基片202用真空包装膜203、204真空密封。真空密封的多层体80沉入到储存在水槽中的水中，例如，以便进行等静压制。等静压制导致多层体80的不与PET膜201接触的外表面突出。如图9所示，这样就形成了第二区域4B1、4B2。基片202防止多层体80的与PET膜201接触的外表面突出。这就以良好的选择性在压电元件2的一个外表面上形成第二区4B1、4B2。通过等静压制施加到多层体80的压强例如大约为1000kgf/cm2(约100MPa)。水的温度约为例如60℃。在等静压制之后，执行脱粘和烧制工艺S7。基片202由例如不锈钢制成。
压电材料膏通过具有远远高于使多层体80形成凹部的加工精度的位置精度的分配器或丝网印刷施加。这提高了用于形成第二区域4B1、4B2的位置精度，并且从而可以防止第二区域4B1、4B2的位置偏移。当压电材料胶通过分配器或丝网印刷施加时，压电材料图案的高度可以如上所述保持得低，由此多层压电致动器1可以获得较低的剖面。通过分配器或丝网印刷进行施加是已知工艺，其可以以非常低的成本容易地形成第二区域4B1、4B2。
接下来，执行脱粘和烧制工艺S7。在这里，在预定的热处理条件下，对多层体80脱粘并且然后烧制。这使烧制的多层体80形成了与对应于活性部分的区域重叠的第二区域4B1、4B2。例如，每个第二区域4B1、4B2具有约5至30μm的高度以及约0.5至2mm的宽度。
在烧制多层体80之后，执行抛光工艺S8。抛光工艺S8抛光厚度调整层LY1、LY2，以便彼此适应各自的纵向和弯曲振动模式的谐振频率。具体地，对压电层10或70抛光。在抛光工艺S8之后，第二区域4B1、4B2部分地变平，以便形成各自的平坦表面。
随后，执行表面电极形成工艺S9。在这里，使用导电膏，通过丝网印刷等在压电层10的上表面上形成对应于第一外部电极12、接地外部电极13以及第二外部电极14的电极图案，所述第一外部电极12、接地外部电极13以及第二外部电极14的电极图案用于将暴露于压电层10的上表面的通孔导体6、7、8电连接到外部电路。此后，电极图案在预定的热处理条件下烧结。这形成第一外部电极12、接地外部电极13和第二外部电极14。外部电极12、13、14可通过溅射、气相沉积等通过如上所述的金属掩模形成。
接下来，执行保护膜形成工艺S10。保护膜形成工艺S10形成保护膜5以便覆盖形成有第二区域4B1、4B2的多层体80的整个外表面。对于形成保护膜5，等离子体CVD等可以使用。在保护膜形成工艺S10之后，分别形成具有平坦表面5B11、5B21的第二区域5B1、5B2。
当在多层体80的厚度方向观察时，每个平坦表面5B11、5B21具有椭圆形形状，其中在压电元件2的纵向方向的直径LP2比在其横向方向的直径LP1短。在平坦表面5B11、5B21的横向方向上的端部区域中，可以形成不与第一内部电极层31、第一接地电极层41和第二内部电极层51的任何一个重叠的部分。这样的部分与非活性部分重叠并且作用以便抑制第二区域5B1、5B2位移。如上所述形成椭圆形的平坦表面5B11、5B21减少了在平坦表面5B11、5B21中的端部区域。在压电元件2的横向方向上的每个5B11、5B21的长度LP1等于或短于在压电元件2的横向的方向上的活性部分的长度La1。不同于上述椭圆形形状，每个平坦表面5B11、5B21可以具有在压电元件2的横向方向上的长度大于在其纵向方向上的长度、同时其横向端部具有侧面的形状(任何基本上为矩形的和多边形形状和它们的组合)。在这种情况下，每个平坦表面5B11、5B21在横向中心区域还具有比在横向端部区域更长的纵向长度。也就是说，本实施例中的端部区域比在在横向中心区域的纵向长度等于在横向端部区域的纵向长度的情况下小。每个平坦表面5B11、5B21的横向长度可以等于或短于上述电极的横向长度。
接下来，执行极化工艺S11。为了使压电材料达到固定的极性，极化工艺S11通过已知的技术执行极化。此后，执行用于将多层体80切割成压电元件2的切片工艺S12。多层体80沿图8中所示的虚线切割。单独切割的压电元件2放到滚筒抛光机中，以便执行滚筒抛光工艺S13。最后，执行用于检查电学特性的电学特性检查工艺S14和外部检查工艺S15，从而结束在图7中所示的制造工艺。
由此构造的多层压电致动器1的操作和效果现在将进行说明。
如上所述，多层压电致动器1包括：通过层压多个压电层形成的长方体元件体，其具有第一和第二主表面；布置在该元件体内以便相对第一和第二主表面的第一内部电极层，其具有第一电极和第二电极，其中第一电极包括相比元件体的纵向方向的中心位置布置得更靠近一端的电极部分，第二电极与第一电极电绝缘、包括相比中心位置布置得更靠近另一端的电极部分；接地电极层，其具有布置在元件体内、以便通过第二主表面侧的压电层相对第一内部电极层的第一和第二电极的电极部分的接地电极；布置在元件体内以便通过压电层与接地电极层相对的第二内部电极层，其具有第三电极和第四电极，其中第三电极包括相比中心位置布置得更靠近一端的电极部分，第四电极与第三电极电绝缘、包括相比中心位置布置得更靠近另一端的电极部分；在所述第一主表面上形成的外部电极层，其具有彼此电绝缘的第一外部电极、第二外部电极和接地外部电极；在元件体内厚度方向上延伸、以便将第一外部电极、第一电极和第四电极彼此电连接的第一通孔导体，其中厚度方向为压电层的层压方向；在元件体内厚度方向上延伸、以便将第二外部电极、第二电极和第三电极彼此电连接的第二通孔导体；以及在元件体内厚度方向延伸、以便将接地外部电极和接地电极彼此电连接的接地通孔导体；第一通孔导体、第二通孔导体和接地通孔导体放置在中心位置并且沿所述元件体的横向方向布置成一排；并且压电致动器1在其纵向方向产生纵向振动并在其厚度方向产生弯曲振动。
在根据本实施例的多层压电致动器1中，用于在压电元件2内将第一外部电极12、第一电极32和第四电极52彼此电连接的第一通孔导体6，用于在压电元件2内将第二外部电极14、第二电极34和第三电极54彼此电连接的第二通孔导体8，以及用于在压电元件2内将接地外部电极13和接地电极43彼此电连接的接地通孔导体7放置在所述压电元件2的纵向中心位置，并且在压电元件2的横向方向布置成一排。电极间的电连接通过在压电元件2内形成的通孔导体6、7、8实现。因此，压电致动器1可以无需考虑与其他组件接触而设计，并且其组件可以比在传统多层压电致动器中提供侧电极的情况下制作得更小。
用于将电极彼此连接的通孔导体6、7、8设置在压电元件2内，从而可以防止受到其周围环境的影响。这可以提高可靠性。当存在侧电极时，在制造过程中，在形成多层体80并将其切割成压电元件之后形成用于每个压电元件的侧电极的过程是必需的。在压电元件2内提供通孔导体6、7、8可以除去在切割多层体80之后的侧电极形成过程。
通过接地电极43，相对于压电元件2的纵向中心位置对角地安置的第一和第四电极32、52彼此电连接，同时类似安置的第二和第三电极34、54彼此电连接。因此，多层压电致动器1引起在纵向方向上的纵向振动和在厚度方向上的弯曲振动，其节点位于所述压电元件2的中心位置(中心线CL位于其中)。由于通孔导体6、7、8在作为节点的中心位置形成，多层压电致动器1可以减轻作用在通孔导体6、7、8上的应力。这可以提高可靠性。
设置通孔导体的压电元件部分的周围在结构上更柔软。因此，在压电元件2的纵向中心位置提供多个通孔导体6、7、8使压电元件2的结构在其中心位置附近更柔软，由此压电元件2变得更容易变形。具体地，如图10A和10B所示，根据本实施例的多层压电致动器1的位移(图10A中由位移DP1表示)大于传统的在纵向中心位置无通孔导体形成的多层压电致动器p的位移(在图10B中由位移DP2表示)。这样可以在驱动时增加位移而无需增强作用在压电元件2上的内部应力，从而提高性能。上文所述可提高多层压电致动器1的可靠性和性能，同时使它更小。
在多层压电致动器1中，压电元件2的一个外表面包括从第一区域5A突出的第二区域5B1、5B2，同时第二区域5B1、5B2具有配置成与被驱动体DB接触并且与其产生摩擦力的平坦表面5B11、5B21。因此，作为摩擦部分的平坦表面5B11、5B21不需要构造为与压电元件2分离的构件，并且压电元件2(非活性部分)没有必要形成用于固定分离构件的凹陷。因此，形成平坦表面5B11、5B21不影响非活性部分的设计和尺寸，从而可以防止压电元件2的尺寸受限。这消除了因形成凹陷造成的摩擦部分的位置的变化，并且限制谐振频率在谐振模式(第一和第二振动模式)变化。结果，驱动多层压电致动器1的状态可以保持不变。
由于作为摩擦部分的平坦表面5B11、5B21不是由多层压电致动器1中的分离构件构成，因此，例如分离构件从压电元件2剥离的问题不会出现。
在多层压电致动器1中，在第二区域5B1、5B2中的每个平坦表面5B11、5B21在压电元件2纵向方向的长度LP2比在其横向方向的长度LP1短，而在横向中心部分的纵向长度LP2长于在横向端部区域的纵向长度LP3。第二区域5B1、5B2位于例如与第二主表面3b的活性部分对应的活性部分重叠的位置。第二区域5B1、5B2包括响应于施加于其的电压而产生相对大的位移的区域，该区域作为大面积。结果，在多层压电致动器1中，所述压电元件2与所述被驱动体通过大面积彼此接触并产生大的摩擦力。平坦表面5B11、5B21的横向端部区域位于所述压电元件2的横向方向的非活性部分中，或相比平坦表面5B11、5B21的中心区域横向地更接近非活性部分。非活性部分不被施加于其的电压位移，并且因此起到抑制第二区域5B1、5B2位移的作用。由于每个平坦表面5B11、5B21在横向端部区域的纵向长度LP3比在横向中心区域的纵向长度LP2短，因此抑制压电元件2位移的区域具有相对小的面积。因此，具有平坦表面5B11、5B21的第二区域5B1、5B2提高了多层压电致动器1的驱动力。
每个平坦表面5B11、5B21在压电元件2的横向方向上的长度LP1等于或短于活性部分在压电元件2的横向方向上的长度La1。结果，当从压电元件2的厚度方向观察时，平坦表面5B11、5B21位于所述活性部分的内部。这可以限制平坦表面5B11、5B21的横向端部区域抑制压电元件2位移。
在多层压电致动器1中，当从正交于一个外表面的方向(压电元件2的厚度方向)观察时，压电元件2的每个第二区域5B1、5B2可以与其相应的活性部分中心重叠。活性部分的中心是当电压施加于其时产生最大位移的位置。当每个第二区域5B1、5B2与其相应的活性部分的中心重叠时，它们响应于施加于其的电压进行更多位移。
虽然本发明的优选实施例以在前面说明，但本发明并不一定限于上述实施例，并且可以在不从其主旨偏离的范围内以各种方式修改。
虽然位于压电元件2的外表面的电极层(外部电极层11)和位于压电元件2内的电极层(中继电极层21、第一内部电极层31、第一接地电极层41以及第二内部电极层51)通过安置在压电元件2内的通孔导体6、7、8彼此电连接，但这不是限制性的。例如，包括在位于所述压电元件2内的电极层中的电极可以拉出，以便暴露在压电元件2的外表面，并且这样拉出暴露在压电元件2的外表面的电极部分和位于压电元件2的外表面的电极层可以通过在压电元件2的外表面设置的导体彼此电连接。与此同时，在本实施例中，保护膜5在压电元件2的外表面上形成。当保护膜5包含导电材料时，同样优选的是，采用通过通孔导体6、7、8实现电连接的结构以便防止短路出现。
从这样描述的本发明中，将显而易见的是本发明可以以许多方式变化。这些变化不视为脱离本发明的精神和范围，并且对本领域技术人员将显而易见的所有这些修改应包括在随附权利要求的范围之内。
Claims (3)
1.一种压电致动器，其特征在于，包括配置成响应于施加于其的电压彼此同时产生第一和第二振动模式的大致为长方体的压电元件，
其中所述压电元件具有活性部分，所述活性部分位于设置在所述压电元件中的多个内部电极之间，并且配置成响应于施加于其的电压产生位移，
其中所述压电元件的一个外表面包括第一区域和第二区域，所述第二区域定位成从所述第一区域突出并与所述一个外表面中对应于所述活性部分的区域重叠，
其中所述第二区域具有配置成与被驱动体接触并与其产生摩擦力的平坦表面，
其中所述平坦表面沿所述压电元件的纵向的长度比沿所述压电元件的横向的长度短，并且
其中所述平坦表面在其横向中心区域沿所述压电元件的纵向的长度比在其横向端部区域沿所述压电元件的纵向的长度长。
2.根据权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，所述平坦表面的横向长度等于或短于所述活性部分的横向长度。
3.根据权利要求1或2所述的压电致动器，其特征在于，当从与所述一个外表面正交的方向观察时，所述第二区域与所述活性部分的中心重叠。
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