DE102007015057A1

DE102007015057A1 - Piezoelektrischer Schwinger

Info

Publication number: DE102007015057A1
Application number: DE200710015057
Authority: DE
Inventors: Burhanettin Suwon Koc; Dong Kyun Lee; Jung Ho Suwon Ryu; Byung Woo Kang
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2006-04-06
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2007-10-31
Also published as: FR2900514A1; US20070236106A1; JP2007275885A; KR100759521B1; GB2436892B; GB0706921D0; US7501745B2; GB2436892A; JP4456615B2; FR2900514B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schwinger zum Feinantrieb eines Geräts, indem durch Verwendung einer Kombination zwischen einer Longitudinalschwingung und einer Biegeschwingung eine elliptische Bewegung erzeugt wird. Der piezoelektrische Schwinger liefert ferner eine hohe Effizienz und kann mit geringem Kostenaufwand gefertigt werden, indem ein vereinfachter Aufbau verwendet wird. Der piezoelektrische Schwinger umfasst ein piezoelektrisches Element, erste bis dritte Seitenelektroden und ein Kraftübertragungselement. Das piezoelektrische Element umfasst: eine erste piezoelektrische Elementschicht, auf der eine zweigeteilte Deckelektrode ausgeformt ist; ein zweites piezoelektrisches Element, das unterhalb der ersten piezoelektrischen Elementschicht angeordnet ist und auf dem eine innere Masseelektrode ausgeformt ist; und eine dritte piezoelektrische Elementschicht, die unterhalb der zweiten piezoelektrischen Elementschicht angeordnet ist, wobei das dritte piezoelektrische Element eine innere Masseelektrode aufweist, die in Bezug zu einer Stapelebene symmetrisch zu der Deckelektrode ist, und wobei eine Bodenelektrode in einer Ebene gegenüber der Ebene ausgebildet ist, auf der die Innenelektrode ausgeformt ist. Die ersten und zweiten Seitenelektroden dienen zur elektrischen Verbindung von Elektrodenbahnen, die diagonal zwischen den Elektrodenbahnen verlaufen, die in den ersten und dritten piezoelektrischen Elementschichten des piezoelektrischen Elements ...

Description

Diese Anmeldung stützt sich auf die Koreanische Patentanmeldung Nummer 10-2006-0031621, die am 6. April 2006 beim Koreanischen Amt für Geistiges Eigentum eingereicht wurde und deren Offenbarung durch Bezugnahme mit eingebunden ist.
Stand der Technik
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Schwinger, und zwar auf einen piezoelektrischen Schwinger, der zum Feinantrieb eines Geräts innerhalb eines kleinen begrenzten Raumes, wie einem tragbaren Elektronikgerät, verwendet werden kann, indem durch die Kombination zwischen einer Longitudinalschwingung und einer Biegeschwingung eine elliptische Bewegung erzeugt wird.
2. Beschreibung des Stands der Technik
In den letzten Jahren gilt der Ultraschallmotor unter Verwendung eines piezoelektrischen Schwingers als neuer Motor, der den elektromagneti schen Motor ablöst. Im Vergleich zum elektromagnetischen Motor ermöglicht der Ultraschallmotor unter Verwendung des piezoelektrischen Schwingers eine ausgezeichnete Einstellungsmöglichkeit, geringe Geräuschentwicklung und verursacht kein Magnetfeld.
Ein piezoelektrisches Element erzeugt entweder eine mechanische Dehnung in Bezug zu einem angelegten elektrischen Feld oder eine elektrische Spannung in Bezug zu einer mechanischen Spannung. Ein piezoelektrischer Schwinger oder ein piezoelektrischer Stator unter Verwendung eines piezoelektrischen Elements wird bei seiner Resonanzfrequenz betrieben, die in einem Bereich zwischen mehreren zehn kHz bis zu mehreren hundert kHz liegt, und kann durch eine Stapelstruktur oder eine Ausdehnungsstruktur eine verstärkte mechanische Dehnung an einen Rotor übertragen. Ein derartiges piezoelektrisches Element kann an sich als Schwinger verwendet werden oder mit einer spezifisch ausgeformten Struktur kombiniert werden.
Ein piezoelektrischer Ultraschallmotor unter Verwendung des piezoelektrischen Elements verfügt über ein Wanderwellen-Antriebssystem und ein Standwellen-Antriebssystem. Der piezoelektrische Ultraschallmotor wird auf Grundlage einer Überlagerung von zwei Wanderwellen mit vorbestimmtem Phasenunterschied angetrieben.
Herkömmliche piezoelektrische Ultraschallmotoren werden in dem US-Patent Nr. 6,720,711, der US-Offenlegungsschrift Nr. 2004/0189155 und der Japanischen Offenlegungsschrift mit der Veröffentlichungsnummer 2004-297951 offenbart.
Das US-Offenlegungschrift Nr. 2004/0189155 und die Japanische Offenlegungsschrift mit der Veröffentlichungsnummer 2004-297951 schlagen einen piezoelektrischen Ultraschall-Schwinger zur Miniaturisierung vor. Für diesen Zweck sind leitfähige Beschichtungen stoffschlüssig auf der Oberfläche des Ultraschall-Schwingers ausgeformt, um Außenelektroden einer ersten Außenelektrodengruppe mit Außenelektroden einer zweiten Außenelektrodengruppe elektrisch zu verbinden.
Die leitfähigen Beschichtungen müssen jedoch auf der Oberfläche des Schwingers ausgeformt sein, der eine kleine Größe aufweist und der rechtwinklig-quaderförmig ist. Aus diesem Grund sind der Miniaturisierung des Ultraschall-Schwingers Grenzen gesetzt. Zudem besteht bei der Miniaturisierung ein Problem dahingehend, dass mehrere Seitenelektroden ausgeformt sein müssen, die für die Außenelektrode verwendet werden.
Aufgrund der Größencharakteristik der Außenelektrode gestaltet es sich in der Praxis schwierig, die leitfähigen Beschichtungen auf der Oberfläche des Schwingers auszuformen, um die Außenelektroden der ersten Außenelektrodengruppe und die Außenelektroden der zweiten Außenelektrodengruppe elektrisch miteinander zu verbinden. Ein elektrischer Kurzschluss vermindert die Produktzuverlässigkeit und die Produktausbeute.
Ein Problem des Stands der Technik in Bezug auf das US-Patent Nummer 6,720,711, die US-Offenlegungsschrift Nr. 2004/0189155 und die Japanische Offenlegungsschrift mit der Veröffentlichungsnummer 2004-297951 besteht darin, eine Drahtverbindung in einem piezoelektrischen Schwingungskörper zu realisieren. Da die Schwinger immer kleiner entworfen werden, wird die elektrische Verdrahtung zu einem wichtigen Problem. Wenn im piezoelektrischen Schwinger eine mechanische Dehnung von 0,1 μm auftritt und wenn die Schwingungsfrequenz bei 250 kHz liegt, beträgt die Beschleunigung, die auf einen Lötpunkt wirkt, mehr als 200.000 mm/s². Auf Grundlage dieser Tatsache wird die Lötverbindung bei einem Schwinger mit kleiner Größe, bei dem ein Lötpunkt nicht an einem Knotenpunkt (einer Position, die sich während der Schwingungen nicht bewegt) platziert ist, durch die hohe Beschleunigung geschwächt, wodurch beim Betrieb des piezoelektrischen Schwingers ein erhebliches Problem auftritt.
Vorteile der Erfindung
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie einen piezoelektrischen Schwinger mit einer kleinen Größe und mit einer hohen Effizienz vorschlägt, der mit geringem Kostenaufwand gefertigt werden kann, indem ein vereinfachter Aufbau mit zumindest einer Seitenelektrode und ohne zusätzliche leitfähige Beschichtung verwendet wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie einen piezoelektrischen Schwinger vorschlägt, der in großer Stückzahl gefertigt werden kann und der bei verschiedenen Schwingungsfrequenzen betrieben werden kann, indem Drähte angelötet werden, so dass eine Wechselspannung an Knotenpunkte des piezoelektrischen Schwingers angelegt werden kann, wobei die Zuverlässigkeit des piezoelektrischen Schwingers weiter erhöht wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie ein Verfahren zur Fertigung eines piezoelektrischen Schwingers vorschlägt, der mit einer kleinen Größe, geringem Kostenaufwand und in großer Stückzahl gefertigt werden kann.
Weitere Aspekte und Vorteile des vorliegenden allgemeinen erfinderischen Konzepts werden teilweise durch die folgende Beschreibung erläutert und werden teilweise durch die Beschreibung offensichtlich oder können durch Umsetzung des allgemeinen erfinderischen Konzepts erkannt werden.
Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass ein piezoelektrischer Schwinger Folgendes umfasst: ein piezoelektrisches Element, umfassend eine erste piezoelektrische Elementschicht, auf der eine zweigeteilte Deckelektrode ausgeformt ist, ein zweites piezoelektrisches Element, das unterhalb der ersten piezoelektrischen Elementschicht angeordnet ist und auf dem eine innere Masseelektrode ausgeformt ist, und ein drittes piezoelektrisches Element, das unterhalb der zweiten piezoelektrischen Elementschicht angeordnet ist, wobei das dritte piezoelektrische Element eine Innenelektrode aufweist, die in Bezug zu einer Stapelebene symmetrisch zu der Deckelektrode ist, und eine Bodenelektrode, die in einer Ebene gegenüber der Ebene ausgebildet ist, in der die Innenelektrode ausgeformt ist; eine Seitenelektrode, umfassend erste und zweite Seitenelektroden, um Elektrodenbahnen elektrisch miteinander zu verbinden, die diagonal zwischen den Elektrodenbahnen verlaufen, die in den ersten und dritten piezoelektrischen Elementschichten des piezoelektrischen Elements ausgebildet sind, und eine dritte Seitenelektrode, um die innere Masseelektrode der zweiten piezoelektrischen Elementschicht mit der Bodenelektrode der dritten piezoelektrischen Elementschicht elektrisch zu verbinden; und ein Kraftübertragungselement, das an einer Seite des piezoelektrischen Elements ausgeformt ist, um eine durch das piezoelektrische Element erzeugte Schwingung nach außen zu übertragen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein piezoelektrischer Schwinger Folgendes umfasst: ein piezoelektrisches Element, umfassend eine N-Schicht-Stapelstruktur, umfassend mehrere erste piezoelektrische Elementschichten, die mit zweigeteilten Deckelektroden ausgeformt sind, und mehrere zweite piezoelektrische Elementschichten, die mit inneren Masseelektroden ausgeformt sind, wobei die ersten piezoelektrischen Elementschichten und die zweiten piezoelektrischen Elementschichten in entsprechender Reihenfolge abwechselnd aufeinander geschichtet sind, und eine M-Schicht-Stapelstruktur, die unterhalb der N-Schicht-Stapelstruktur angeordnet ist, wobei die M-Schicht-Stapelstruktur mehrere dritte piezoelektrische Elementschichten aufweist, die mit Innenelektroden ausgeformt sind, die in Bezug zu einer Stapelebene symmetrisch zu den Deckelektroden des ersten piezoelektrischen Elements mit N-Schicht-Stapelstruktur ausgeformt sind, und mehrere zweite piezoelektrische Elementschichten, die auf der N-Schicht-Stapelstruktur aufeinander geschichtet sind, wobei die dritten piezoelektrischen Elementschichten und die zweiten piezoelektrischen Elementschichten in entsprechender Reihenfolge abwechselnd nach unten hin aufeinander geschichtet sind, wobei die dritte piezoelektrische Elementschicht ganz unten in der M-Schicht-Stapelstruktur angeordnet ist; eine Seitenelektrode, umfassend erste und zweite Seitenelektroden, um Elektrodenbahnen elektrisch miteinander zu verbinden, die diagonal zwischen den Elektrodenbahnen verlaufen, die in den N-Schicht- und M-Schicht-Stapelstrukturen des piezoelektrischen Elements ausgeformt sind, und eine dritte Seitenelektrode, um die inneren Masseelektroden der N-Schicht- und der M-Schicht-Stapelstrukturen und die Bodenelektrode der M-Schicht-Stapelstruktur elektrisch miteinander zu verbinden; und ein Kraftübertragungselement, das an einer Seite des piezoelektrischen Elements ausgeformt ist, um eine durch das piezoelektrische Element erzeugte Schwingung nach außen zu übertragen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass jede Deckelektrode und Innenelektrode des piezoelektrischen Elements einen gekrümmten Bahnverlauf aufweist, so dass sich benachbarte Bahnenden zwischen den zweigeteilten Bahnverläufen vom Mittelbereich des piezoelektrischen Elements in entgegengesetzte Richtung bis zur Außenseite des piezoelektrischen Elements erstrecken.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sich Abschnitte der inneren Masseelektrode und der Bodenelektrode bis zur Außenseite des piezoelektrischen Elements erstrecken.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sich vorbestimmte Abschnitte der inneren Masseelektrode und der Bodenelektrode des piezoelektrischen Elements bis zum Rand des piezoelektrischen Elements erstrecken, wobei die dritte Seitenelektrode an einer Längsseite des piezoelektrischen Elements ausgeformt ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sich vorbestimmte Abschnitte der inneren Masseelektrode und der Bodenelektrode bis zur Längsseite des piezoelektrischen Elements erstrecken, wobei die dritte Seitenelektrode an derselben Seite wie die erste oder zweite Seitenelektrode ausgebildet ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass jede Deckelektrode und jede Innenelektrode des piezoelektrischen Elements einen gekrümmten Bahnverlauf aufweist, so dass sich benachbarte Bahnenden zwischen den zweigeteilten Bahnverläufen von einem Mittelbereich des piezoelektrischen Elements in entgegengesetzte Richtung bis zur Außenseite des piezoelektrischen Elements erstrecken, und dass sich nicht benachbarte Bahnenden bis zur Außenseite des piezoelektrischen Elements erstrecken.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sich die innere Masseelektrode und die Bodenelektrode des piezoelektrischen Elements bis zu den Außenseiten des piezoelektrischen Elements erstrecken, und dass die dritte Seitenelektrode an derselben Seite wie die erste oder zweite Seitenelektrode ausgebildet ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die gekrümmten Bahnverläufe unter einem rechten Winkel gekrümmt sind.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der piezoelektrische Schwinger ferner einen Lötpunkt umfasst, um an Knotenpunkte der Deckelektrode und der Bodenelektrode des piezoelektrischen Elements ein elektrisches Signal anzulegen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der piezoelektrische Schwinger ferner einen Lötpunkt umfasst, um an Knotenpunkte der Deckelektrode und der Bodenelektrode des piezoelektrischen Elements ein elektrisches Signal anzulegen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der piezoelektrische Schwinger ferner einen Lötpunkt umfasst, um an den Mittelbereich der Bodenelektrode des piezoelektrischen Elements eine externe Wechselspannung anzulegen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sich die Seitenelektrode bis zur Innenseite der Seite erstreckt, an der die Bodenelektrode nicht ausgeformt ist, wobei sie die Bodenelektrode nicht berührt, so dass an der Bodenfläche des piezoelektrischen Elements Lötpunkte ausgebildet sind, um eine externe Wechselspannung anzulegen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die externe Wechselspannung durch ein FPCB (Flexible Printed Circuit Board) angelegt wird, wobei das FPCB mit den Lötpunkten verbunden ist, die auf der Bodenfläche des piezoelektrischen Elements ausgeformt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Diese und/oder weitere Aspekte und Vorteile des vorliegenden allgemeinen erfinderischen Konzepts werden offensichtlich und können anhand der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser erkannt werden, wobei:
1 eine perspektivische Darstellung des piezoelektrischen Schwingers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine perspektivische Explosionsdarstellung des in 1 gezeigten piezoelektrischen Schwingers ist;
3A bis 3D Draufsichten sind, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Bahnverläufe der Innenelektroden, Deckelektroden und Bodenelektroden zeigen;
4A und 4B eine perspektivische Darstellung und ein Schnitt sind, die eine Polarisierungsrichtung des piezoelektrischen Schwingers zeigen, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen ersten Kanal beziehungsweise einen zweiten Kanal umfasst;
5A bis 5C gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Graph einer Admittanz in Bezug zu einer Frequenz des piezoelektrischen Schwingers und einer Schwingungsrichtung in jedem Betriebsmode des piezoelektrischen Schwingers darstellen;
6A und 6B Schnitte sind, die einen Betrieb eines Aktuators darstellen, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit dem piezoelektrischen Schwinger gefertigt ist;
7A bis 7C verschiedene Zustände darstellen, bei denen Drähte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Anlegen einer Wechselspannung mit dem piezoelektrischen Schwinger verbunden sind;
8A bis 8B in Ansicht von unten eine Modifikation des piezoelektrischen Schwingers im Bereich eines Lötpunkts zeigen, um eine Wechselspannung an einen ersten Kanal und an einen zweiten Kanal anzulegen;
9 eine perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Schwingers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
10 eine perspektivische Explosionsdarstellung des in 9 gezeigten piezoelektrischen Schwingers ist;
11A bis 11C Draufsichten auf piezoelektrische Schichten sind, die bei der Fertigung eines piezoelektrischen Schwingers gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
12A bis 12E Schnitte sind, die ein Verfahren zur Fertigung des piezoelektrischen Schwingers gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
13 eine perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Schwingers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
14 eine perspektivische Explosionsdarstellung des in 13 gezeigten piezoelektrischen Schwingers ist;
15A bis 15C Draufsichten auf piezoelektrische Schichten sind, die bei der Fertigung eines piezoelektrischen Schwingers gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
16 eine perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Schwingers gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
17 eine perspektivische Explosionsdarstellung des in 16 gezeigten piezoelektrischen Schwingers ist; und
18A bis 18C Draufsichten auf piezoelektrische Schichten sind, die bei der Fertigung eines piezoelektrischen Schwingers gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
In Detail wird nun auf die Ausführungsformen der vorliegenden allgemeinen erfinderischen Idee Bezug genommen, wobei Beispiele durch die beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind und identische Bezugszeichen durchgängig auf identische Elemente verweisen. Die Ausführungsformen werden nachfolgend erläutert, um das vorliegende allgemeine erfinderische Konzept unter Bezugnahme auf die Figuren zu erläutern.
1 ist eine perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Schwingers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines in 1 gezeigten piezoelektrischen Schwingers.
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst der piezoelektrische Schwinger 1 ein piezoelektrisches Element mit vier Schwingungselementen, eine Innenelektrodenbahn, eine Außenelektrodenbahn und ein Kraftübertragungselement.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, umfasst das piezoelektrische Element 100 erste bis dritte piezoelektrische Elementschichten 110, 120 und 130, die in entsprechender Reihenfolge aufeinander geschichtet sind.
Die Deckelektroden 111 und 112 weisen zweigeteilte Bahnverläufe auf und sind auf der ersten piezoelektrischen Elementschicht 110 ausgeformt. Die Deckelektroden 111 und 112 sind Außenelektrodenbahnen, die nach außen hin freigelegt sind und die mit Drähten verlötet sind, so dass von einer Spannungsquelle eine Wechselspannung angelegt werden kann.
Eine innere Masseelektrode 121 ist auf der zweiten piezoelektrischen Elementschicht 120 ausgeformt, die unterhalb der piezoelektrischen Elementschicht 110 angeordnet ist.
Zudem sind Innenelektroden 131 und 132 auf der Oberfläche der dritten piezoelektrischen Elementschicht 130 ausgeformt, die unterhalb der zweiten piezoelektrischen Elementschicht 120 angeordnet ist. Eine Bodenelektrode 133 ist auf der Bodenfläche der dritten piezoelektrischen Elementschicht 130 ausgeformt. Die Bodenelektrode 133 ist eine Außenelektrodenbahn, die nach außen hin freigelegt ist und die durch Drähte mit einem externen Massekontakt verlötet ist.
Wie in 2 gezeigt, weisen die Innenelektroden 131 und 132, die in der dritten piezoelektrischen Elementschicht 130 ausgeformt sind, Bahnverläufe auf, die in Bezug zu einer Ebene (XY-Ebene), auf der die piezoelektrischen Elementschichten aufeinander geschichtet sind, symmetrisch zu den Deckelektroden 111 und 112 sind.
Die erste piezoelektrische Elementschicht 110 des piezoelektrischen Elements 100 ist oberhalb der zweiten piezoelektrischen Elementschicht 120 angeordnet und umfasst zwei Schwingungselemente, die auf die rechte und linke Seite aufgeteilt sind.
Das heißt, dass das piezoelektrische Element 100 mehrere Schwingungselemente umfasst, die in Bezug zu der Stapelrichtung des piezoelektri schen Elements auf die rechte und linke Seite und auf die obere und untere Seite aufgeteilt sind.
Wie in 2 gezeigt, umfassen die Außenelektroden, die an einer Außenseite des piezoelektrischen Elements 100 freigelegt sind, die Deckelektroden 111 und 112, die Seitenelektroden 200 und die Bodenelektrode 133.
Die Deckelektroden 111 und 112, die in der ersten piezoelektrischen Elementschicht 110 ausgeformt sind, sind so auf der Innenseite des piezoelektrischen Elements ausgeformt, dass sie sich nicht bis zu einem Rand der ersten piezoelektrischen Elementschicht 110 erstrecken. Die Bahnenden 111a und 112a benachbarter Seiten in den zweigeteilten Deckelektrodenbahnen 111 und 112 weisen gekrümmte Bahnverläufe 111c und 112c auf, so dass sie sich von dem Mittelbereich seitlich entgegengesetzt bis zur Außenseite des piezoelektrischen Elements erstrecken. Diese Bahnverläufe sind in Bezug zum Mittelbereich des piezoelektrischen Elements symmetrisch.
Die horizontal zweigeteilten Deckelektrodenbahnen 111 und 112 dienen jeweils als erster Kanal CH1 und zweiter Kanal CH2, um eine Wechselspannung anzulegen.
Da die gekrümmten Abschnitte 111c und 112c der Deckelektroden 111 und 112, die sich bis zum Rand des piezoelektrischen Elements erstrecken, am Seitenrand der ersten piezoelektrischen Elementschicht 110 ausgeformt sind, sind die auf beiden Seiten des piezoelektrischen Elements 100 ausgeformten ersten und zweiten Seitenelektroden 210 und 220 elektrisch miteinander verbunden.
Die ersten und zweiten Seitenelektroden 210 und 220 dienen dazu, die Bahnverläufe 111 und 132 oder 112 und 131 elektrisch miteinander zu verbinden, die diagonal zu den Bahnverläufen verlaufen, die in den ersten und dritten piezoelektrischen Elementschichten 110 und 130 ausgeformt sind, so dass die Bahnverläufe gleichzeitig versorgt werden. Das heißt, dass der linke Bahnverlauf 111, der in der ersten piezoelektrischen Elementschicht 110 ausgeformt ist, wie in 2 gezeigt, elektrisch mit dem rechten Bahnverlauf 132, der in der dritten piezoelektrischen Elementschicht 130 ausgeformt ist, durch die erste Seitenelektrode 210 verbunden ist. Ebenso ist der in der ersten piezoelektrischen Elementschicht 110 ausgeformte rechte Bahnverlauf 112 durch die zweite Seitenelektrode 220 mit dem linken Bahnverlauf 131, der in der dritten piezoelektrischen Elementschicht 130 ausgeformt ist, elektrisch verbunden. Aufgrund dieser Verbindung kann die Wechselspannung gleichzeitig an die Schwingungselemente angelegt werden, die durch die Deckelektroden 111 und 112 für den ersten Kanal CH1 und den zweiten Kanal CH2 der ersten piezoelektrischen Elementschicht 110 diagonal verlaufen.
Da die ersten und zweiten Seitenelektroden 210 und 220 jeweils auf beiden Seiten des piezoelektrischen Elements 100 ausgeformt sind, ist es nahezu ausgeschlossen, dass es zu einem elektrischen Kurzschluss kommt. Zudem ist es möglich, zu verhindern, dass die Seitenelektrode 200 aufgrund der Schwingung auseinander bricht, da die ersten und zweiten Seitenelektroden 210 und 220 über eine ausreichende Breite an beiden Seiten befestigt sind.
Die Bodenelektrode 133, die auf der Bodenfläche der dritten piezoelektrischen Elementschicht 130 ausgeformt ist, fungiert als Massekontakt, wobei die Bodenelektrode 133 mit der inneren Masseelektrode 121, die in der zweiten piezoelektrischen Elementschicht 120 ausgeformt ist, durch die dritte Seitenelektrode 230 elektrisch verbunden ist. Die dritte Seitenelektrode 230 darf nur an der Stelle ausgeformt sein, an der die Deckelektroden 111 und 112 und die Innenelektroden 131 und 132 isoliert sind. Die dritte Seitenelektrode 230 kann zum Beispiel an der Seite oder dem Rand des piezoelektrischen Elements 100 ausgeformt sein.
Zudem muss ein Abschnitt der Bodenelektrode 133 an der Seite oder dem Rand der dritten piezoelektrischen Elementschicht 130 ausgeformt sein, so dass die Bodenelektrode 133 und die dritte Seitenelektrode 230 elektrisch miteinander verbunden werden können. Zu diesem Zweck sollten die Bodenelektrode 133 und die innere Masseelektrode 121 vorzugsweise dieselbe Form aufweisen, da die Bodenelektrode 133 durch die dritte Seitenelektrode mit der inneren Masseelektrode 121 verbunden wird.
Wie in 2 gezeigt, umfassen die inneren Elektrodenbahnen die innere Masseelektrode 121 und die Innenelektroden 131 und 132.
Die innere Masseelektrode 121, die in der zweiten piezoelektrischen Elementschicht 120 ausgeformt ist, erstreckt sich bis zu der Seite oder dem Rand der zweiten piezoelektrischen Elementschicht 120. Zu diesem Zweck weisen die innere Masseelektrode 121 und die Bodenelektrode 133 vorzugsweise dieselbe Form auf, da die innere Masseelektrode 121 mit der Bodenelektrode 133, die auf der Bodenfläche der dritten piezoelektrischen Elementschicht 130 ausgeformt ist, elektrisch verbunden ist.
Genau wie die Deckelektroden 111 und 112 weisen die Innenelektroden 131 und 132, die in der dritten piezoelektrischen Elementschicht 130 ausgeformt sind, horizontal zweigeteilte Bahnenverläufe auf. Die Innenelektroden 131 und 132 sind in Bezug zu einer Ebene (XY-Ebene), auf der das piezoelektrische Element gestapelt ist, symmetrisch zu den Deckelektroden 111 und 112, die in der ersten piezoelektrischen Elementschicht 110 ausgeformt sind. Aus diesem Grund sind in den Bahnenverläufen, die in den ersten und dritten piezoelektrischen Elementschichten 110 und 130 ausgeformt sind, die Bahnverläufe 111 und 132 oder 112 und 131, die diagonal verlaufen, durch erste und zweite Seitenelektroden 210 und 220 elektrisch miteinander verbunden. Das heißt, dass der rechte Bahnverlauf 132, der in der dritten piezoelektrischen Elementschicht 130 ausgeformt ist, durch die erste Seitenelektrode 210 mit dem linken Bahnverlauf 111, der in der ersten piezoelektrischen Elementschicht 110 ausgeformt ist, verbunden ist. Ebenso ist der linke Bahnverlauf 131, der in der dritten piezoelektrischen Elementschicht 130 ausgeformt ist, durch die zweite Seitenelektrode 220 mit dem rechten Bahnverlauf 112, der in der ersten piezoelektrischen Elementschicht 110 ausgeformt ist, verbunden.
Wie in 1 gezeigt, ist das Kraftübertragungselement 300 an einer Seite des piezoelektrischen Elements 100 ausgeformt und überträgt die durch das Schwingungselement erzeugte Schwingung nach außen.
Das Kraftübertragungselement 300 kann abhängig von den Schwingungseigenschaften der Schwingungselemente an der rechten Seite oder in der Ebene ausgeformt sein, in der die erste oder zweite Seitenelektrode 210 und 220 ausgeformt ist, oder in einer Ebene ausgeformt sein, in der die Bodenelektrode ausgeformt ist. Obwohl in 1 nur ein Kraftübertragungselement 300 vorgesehen ist, können auch mehrere Kraftübertragungselemente vorgesehen sein.
3A bis 3D sind Draufsichten auf Bahnverläufe der Innenelektroden, Deckelektroden und Bodenelektroden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Obwohl die Bahnverläufe und ihre Kombinationen auf verschiedene Weisen veränderbar sind, weisen die Deckelektroden 111 und 112 und die Innenelektroden 131 und 132, die eine Form symmetrisch zu den Deckelektroden 111 und 112 aufweisen, gekrümmte Bahnverläufe 111c, 112c und 131c und 132c auf, so dass sich benachbarte Bahnenden 111a, 112a und 131a und 132a zwischen den zweigeteilten Bahnverläufen der ersten und dritten piezoelektrischen Elementschichten 110 und 130 von einem Mittelbereich des piezoelektrischen Elements in entgegengesetzte Richtung bis zu einem Rand des piezoelektrischen Elements erstrecken.
Unter Bezugnahme auf 3A und als Beispiel für mögliche Kombinationen erstrecken sich vorbestimmte Abschnitte der inneren Masseelektrode 121 und der Bodenelektrode 133 bis zu einem Rand des piezoelektri schen Elements. Aus diesem Grund ist die dritte Seitenelektrode 230 am Seitenende des piezoelektrischen Elements ausgeformt. In diesem Fall müssen die Deckelektroden 111 und 112 und die Innenelektroden 131 und 132 so ausgeformt sein, dass sie sich nicht bis zum Rand des piezoelektrischen Elements erstrecken, um die dritte Seitenelektrode 230 elektrisch nicht zu kontaktieren.
Unter Bezugnahme auf 3B erstrecken sich vorbestimmte Abschnitte der inneren Masseelektrode 121 und der Bodenelektrode 133 im Gegensatz zu 3A bis zu einem Seitenrand des piezoelektrischen Elements. Aus diesem Grund ist die dritte Seitenelektrode 230 in derselben Ebene ausgeformt, in der die erste Seitenelektrode 210 und die zweite Seitenelektrode 220 ausgeformt sind.
In diesem Fall können sich die Bahnverläufe der Deckelektroden 111 und 112 und Innenelektroden 131 und 132 bis zu einem Rand des piezoelektrischen Elements erstrecken. Das heißt, dass die Deckelektroden 111 und 112 und die Innenelektroden 131 und 132 so innerhalb des piezoelektrischen Elements ausgebildet sind, dass sie sich nicht bis zur Außenseite der ersten und dritten piezoelektrischen Elementschichten 110 und 130 erstrecken. Dabei weisen die benachbarten Bahnenden 111a, 112a, 131a und 132a zwischen den horizontal zweigeteilten Bahnverläufen die gekrümmten Bahnverläufe 111c, 112c und 131a und 132a auf, so dass sie sich von einem Mittelbereich des piezoelektrischen Elements in entgegengesetzte Richtung bis zur Außenseite des piezoelektrischen Elements erstrecken. Weitere, nicht zueinander benachbarte Bahnenden 111b, 112b, 131b und 132b zwischen den zweigeteilten Bahnverläufen weisen Bahnverläufe auf, die sich bis zum Rand des piezoelektrischen Elements erstrecken.
3C und 3D zeigen Elektrodenbahnen, die auf die gleiche Weise wie die der 3A und 3B zusammengesetzt sind. Es besteht jedoch ein Unterschied, dahingehend, dass die gekrümmten Bahnverläufe der Deckelektroden 111 und 112 und der Innenelektroden 131 und 132 zueinander einen rechten Winkel bilden.
Ein Betrieb des piezoelektrischen Schwingers 1 gemäß der vorliegenden Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 dargelegt werden.
4A ist eine perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Schwingers, der einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal umfasst, um eine Wechselspannung anzulegen, und 4B ist ein Schnitt entlang der Schnittlinie A-A', die eine Polarisierungsrichtung des in 4A gezeigten piezoelektrischen Schwingers zeigt.
Unter Bezugnahme auf die 4A und 4B sind die ersten bis dritten piezoelektrischen Elemente, die aus den Keramikschichten ausgeformt sind, so aufeinander geschichtet, dass die Polarisationsrichtung (durch Pfeile angezeigt) wechselt, so dass Schwingungen als Antwort auf Antriebssignale, die an den ersten Kanal CH1 und den zweiten Kanal CH2 angelegt werden, gleichzeitig auf der linken Seite der ersten piezoelektrischen Elementschicht und der rechten Seite der dritten piezoelektrischen Elementschicht und der rechten Seite der ersten piezoelektrischen Elementschicht und der linken Seite der dritten piezoelektrischen Elementschicht erzeugt werden.
5A ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen Admittanz und Frequenz darstellt, wenn die Wechselspannung an jeden Kanal des piezoelektrischen Schwingers angelegt wird, wobei 5A bis 5B Schwingungsmoden beim Betrieb der Longitudinalschwingung beziehungsweise der Biegeschwingung des piezoelektrischen Schwingers darstellen, wenn eine Wechselspannung angelegt wird. 6A und 6B sind Schnitte, die den eigentlichen Betrieb eines Aktuators mit dem piezoelektrischen Schwinger gemäß den Schwingungsmoden von 5 darstellen.
Wie aus 5A ersichtlich, liegt ein Spitzenwert des Longitudinalschwingungsmodes von 5B bei ungefähr 222 kHz, und ein Spitzenwert des Biegeschwingungsmodes von 5C bei ungefähr 224 kHz. Wenn an den ersten Kanal CH1 eine Wechselspannung angelegt wird, wird die Admittanz in einem Zustand gemessen, in dem der zweite Kanal CH2 offen ist. Wenn die Wechselspannung an den zweiten Kanal CH2 angelegt wird, wird die Admittanz in einem Zustand gemessen, in dem der erste Kanal CH1 offen ist. Dabei kann die Frequenz, bei der der Longitudinalschwingungsmode und der Biegeschwingungsmode erzeugt werden, entsprechend der Größe des piezoelektrischen Schwingers angepasst werden.
Aus diesem Grund werden die Longitudinalschwingung und die Biegeschwingung gleichzeitig erzeugt, wenn eine Resonanzfrequenz von ungefähr 223 kHz an den ersten Kanal CH1 oder an den zweiten Kanal CH2 angelegt wird. Die Resonanzfrequenz von ungefähr 223 kHz entspricht einer mittleren Frequenz zwischen dem Longitudinalschwingungsmode und dem Biegeschwingungsmode.
Demzufolge werden, wie in 6A gezeigt, beim Anlegen der Wechselspannung an den ersten Kanal CH1, während der zweite Kanal CH2 offen ist, die Längsdehnung und die Biegespannung des piezoelektrischen Schwingers 1 durch die durch das Schwingungselement erzeugte mechanische Spannung gleichzeitig erzeugt (durch einen schraffierten Abschnitt angezeigt), wodurch eine elliptische Bewegung gegen den Uhrzeigersinn erzielt wird. Aufgrund der elliptischen Bewegung gegen den Uhrzeigersinn wird das Förderglied 3, das die Lagerführung 2 über das Kraftübertragungselement 300 berührt, nach unten bewegt.
Wie in 6A gezeigt, werden beim Anlegen der Wechselspannung an den zweiten Kanal CH2, während der erste Kanal CH1 offen ist, die Längsdehnung und die Biegespannung des piezoelektrischen Schwingers 1 durch die durch das Schwingungselement erzeugte mechanische Spannung gleichzeitig erzeugt (durch einen schraffierten Abschnitt ange zeigt), wodurch eine elliptische Bewegung gegen den Uhrzeigersinn erzielt wird. Aufgrund der elliptischen Bewegung gegen den Uhrzeigersinn wird das Förderglied 3, das die Lagerführung 2 über das Kraftübertragungselement 300 berührt, nach oben bewegt.
Dabei können alle vier Schwingungselemente gleichzeitig in Schwingung versetzt werden, indem Wechselspannungen mit verschiedenen Phasen an den ersten Kanal CH1 und an den zweiten Kanal CH2 angelegt werden. In diesem Fall kann der Phasenunterschied zwischen dem ersten Kanal CH1 und dem zweiten Kanal CH2 90° oder –90° sein. Die Variation des Phasenunterschieds bestimmt die Bewegungsrichtung des Förderglieds 3.
Eine Befestigungsstelle der Drähte, um an den ersten Kanal und den zweiten Kanal eine Wechselspannung anzulegen, soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die 5 und 7 erläutert werden. Die Drähte können durch Verlöten oder durch leitfähige Kleber, zum Beispiel leitfähiges Epoxydharz, an der Elektrode befestigt werden. Zur Vereinfachung der Erläuterung soll das Lötverfahren für Veranschaulichungszwecke nachfolgend beschrieben werden.
Wie in den 5B und 5C gezeigt, bildet sich in dem Bild des Longitudinalschwingungsmodes und des Biegeschwingungsmodes des piezoelektrischen Schwingers 1 beim Anlegen einer Wechselspannung am Mittelbereich des piezoelektrischen Elements ein Knotenpunkt, an dem während der Schwingungen keine Bewegung auftritt. Aus diesem Grund ist ein Lötpunkt 510 vorzugsweise an Knotenpunkten der Deckelektroden 111 und 112 und der Bodenelektrode 133 des piezoelektrischen Elements 100 angeordnet, so dass der piezoelektrische Schwinger 1 und der Draht 500, der mit einer externen Spannungsquelle (nicht gezeigt) verbunden ist, verlötet werden.
Wie oben beschrieben, beträgt die Beschleunigung, die auf den Lötpunkt wirkt, mehr als 200.000 mm/s², wenn im piezoelektrischen Schwinger eine mechanische Dehnung von 0,1 μm auftritt und wenn die Schwin gungsfrequenz 250 kHz beträgt. Falls ein Schwinger eine so kleine Größe hat, dass der Lötpunkt nicht am Knotenpunkt angebracht werden kann, wird die Lötkraft durch die hohe Beschleunigung verringert, wobei die Betriebszuverlässigkeit des piezoelektrischen Schwingers herabgesetzt wird.
In Anbetracht dieser Tatsache sollte der Lötpunkt 510 vorzugsweise so ausgeformt sein, dass eine externe Wechselspannung, wie in 7A gezeigt, an die gekrümmten Abschnitte 111c und 112c der Deckelektroden 111 und 112 der ersten piezoelektrischen Elementschicht 110 angelegt werden kann, wobei der Lötpunkt 510 im Mittelbereich der Bodenelektrode 133 der dritten piezoelektrischen Elementschicht 130 so ausgeformt sein sollte, dass dieser mit dem Massekontakt, wie in 7C gezeigt, verbunden ist. Die gekrümmten Abschnitte 111c und 112c, die im piezoelektrischen Schwinger 1 ausgeformt sind, haben eine Größe, die im Wesentlichen der Bahnbreite der Deckelektroden 111 und 112 entspricht. Da zum Löten ausreichend Platz vorgesehen werden kann, kann der Draht 500 auf der Oberfläche des Schwingers sicherer befestigt und gelagert werden.
8 stellt eine Ausführungsform der Lötpunktposition zum Anlegen der Wechselspannung an den ersten Kanal und an den zweiten Kanal dar.
Wie in 8A gezeigt, sind Seitenelektroden 200, die dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal zugeordnet sind, nicht mit der Bodenelektrode 133 kontaktiert und erstrecken sich in die Bodenfläche des piezoelektrischen Elements, in der die Bodenelektrode 133 ausgeformt ist, die mit der Masse verbunden ist. Das heißt, dass der erste Kanal, der zweite Kanal und die Masseelektrode so auf der Bodenfläche des piezoelektrischen Elements aufsetzen, dass sie auf einer einzigen Ebene miteinander verdrahtet werden können.
Wie in 8B gezeigt, kann anstelle des Drahts ein FPCB verwendet werden, um eine externe Wechselspannung anzulegen. Aus diesem Grund und im Hinblick auf die tatsächliche Produktanwendung ist vorzugsweise ein Energieverbindungsanschluss (d.h. eine Verbindung des FPCBs mit dem Lötpunkt, der auf der Bodenfläche des piezoelektrischen Elements ausgebildet ist) so vorzusehen, dass drei Elektroden in einer Ebene (der Bodenfläche des piezoelektrischen Elements) angeordnet sind.
Nachfolgend sollen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert werden.
Ausführungsform 1
9 ist eine perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Schwingers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 10 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des in 9 gezeigten piezoelektrischen Schwingers.
Der piezoelektrische Schwinger umfasst ein piezoelektrisches Element mit vier Schwingungselementen, einer inneren Elektrodenbahn, einer außen liegenden Elektrodenbahn und einem Kraftübertragungselement.
Wie in den 9 und 10 gezeigt, umfasst das piezoelektrische Element 400 eine N-Schicht-Stapelstruktur 410 und eine M-Schicht-Stapelstruktur 420. Die N-Schicht-Stapelstruktur 410 ist so aufgebaut, dass eine erste piezoelektrische Elementschicht 110 und eine zweite piezoelektrische Elementschicht 120 abwechselnd aufeinander geschichtet sind. Die M-Schicht-Stapelstruktur 420 ist unterhalb der N-Schicht-Stapelstruktur 410 angeordnet, wobei eine dritte piezoelektrische Elementschicht 130 und die zweite piezoelektrische Elementschicht 120 abwechselnd aufeinander geschichtet sind.
Deckelektroden 111 und 112, die in zwei Bereiche aufgeteilt sind, sind auf der ersten piezoelektrischen Elementschicht 110 ganz oben an der N-Schicht-Stapelstruktur 410 angeordnet, wodurch zwei Schwingungselemente ausgebildet werden. Die Deckelektroden 111 und 112 sind außen liegende Elektrodenbahnen, die sich bis zur Außenseite erstrecken und die mit einem Draht 500 verlötet sind, so dass von einer Spannungsquelle eine Wechselspannung angelegt werden kann.
Eine innere Masseelektrode 121 ist in der zweiten piezoelektrischen Elementschicht 120 ausgeformt, die nach unten hin benachbart zu der obersten piezoelektrischen Elementschicht 110 der N-Schicht-Stapelstruktur 410 angeordnet ist. Die innere Masseelektrode 121 soll nachfolgend als innere N-Schicht-Masseelektrode bezeichnet werden.
Eine Innenelektrode ist in den piezoelektrischen Elementschichten ausgeformt, die sich nach unten hin benachbart zu den piezoelektrischen Elementschichten anschließen, in denen die inneren Masseelektroden 121 ausgeformt sind. Die Innenelektroden haben dieselbe Form und Ausgestaltung wie die Deckelektroden 111 und 112. Die Innenelektroden sollen nachfolgend als N-Schicht-Innenelektroden bezeichnet werden und sind durch die gleichen Bezugszahlen 111 und 112 wie die Deckelektroden bezeichnet. In einer piezoelektrischen Elementschicht ist die Masseelektrode so ausgeformt, dass sie dieselbe Form und Ausgestaltung wie die innere Masseelektrode 121 aufweist, die in der zweiten piezoelektrischen Elementschicht 120 ausgeformt ist. Diese die N-Schicht-Stapelstruktur 410 umfassende alternierende Stapelung weist erste bis N-te piezoelektrische Elementschichten auf (N ist eine gerade Zahl, die gleich oder größer als 4 ist).
Ebenso sind die Innenelektroden 131 und 132 in der piezoelektrischen Elementschicht so ausgeformt, dass sie nach unten hin benachbart zu der untersten piezoelektrischen Elementschicht der N-Schicht-Stapelstruktur 410 angeordnet sind. Die Innenelektroden 131 und 132 sind in den Bahnverläufen in Bezug zu einer Stapelebene (XY-Ebene) symmetrisch zu den Innenelektrodenbahnen der N-Schicht-Stapelstruktur 410 ausgeformt. Die Innenelektroden 131 und 132 werden nachfolgend als M-Schicht-Innenelektroden bezeichnet.
Eine piezoelektrische Elementschicht, die mit einer Masseelektrode (nachfolgend als innere M-Schicht-Masseelektrode bezeichnet) ausgeformt ist, die dieselbe Form und Ausgestaltung wie die innere N-Schicht-Masseelektrode 121 aufweist, ist unterhalb der M-Schicht-Stapelstruktur angeordnet. Diese die M-Schicht-Stapelstruktur 420 umfassende alternierende Stapelung weist erste bis M-te piezoelektrische Elementschichten auf (M ist eine gerade Zahl, die gleich oder größer als 3 ist). Die unterste piezoelektrische Elementschicht der M-Schicht-Stapelstruktur 420 entspricht der piezoelektrischen Elementschicht, die die inneren M-Schicht-Elektroden 131 und 132 und die Bodenelektrode 133 auf der Bodenfläche der piezoelektrischen Elementschicht umfasst.
Die Bodenelektrode 133 weist dieselbe Größe und Ausgestaltung wie die inneren M-Schicht-und N-Schicht-Masseelektroden 122 auf. Die Bodenelektrode 133 ist eine außen liegende Elektrodenbahn, die zur Außenseite freigelegt ist und die durch den Draht 500 mit dem außen liegenden Massekontakt verlötet ist.
Die N-Schicht-Stapelstruktur 410 des piezoelektrischen Elements 400 ist auf der M-Schicht-Stapelstruktur 420 angeordnet und umfasst zwei Schwingungselemente, die auf die linke und rechte Seite aufgeteilt sind. Die M-Schicht-Stapelstruktur 420 umfasst zwei Schwingungselemente, die auf die linke und rechte Seite aufgeteilt sind.
Die Kombination der Bahnverläufe der Innenelektrode, der inneren Masseelektrode, der Deckelektrode und der Bodenelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung soll nachfolgend im Detail erläutert werden.
Die Deckelektrode, die N-Schicht-Innenelektroden 111 und 112 und die M-Schicht-Innenelektroden 131 und 132, die eine Form aufweisen, die symmetrisch zu den N-Schicht-Innenelektroden 111 und 112 ist, weisen gekrümmte Bahnverläufe 111c, 112c, 131c und 132c auf, so dass benachbarte Bahnenden 111a, 112b, 131a und 132a zwischen den zweigeteilten Bahnverläufen auf den piezoelektrischen Elementschichten sich von einem Mittelbereich des piezoelektrischen Elements in entgegengesetzte Richtung bis zu einer Außenseite des piezoelektrischen Elements erstrecken.
Ferner erstrecken sich Bereiche der inneren N-Schicht-und M-Schicht-Masseelektroden 121 und der Bodenelektrode 133 bis zum Rand des piezoelektrischen Elements. Aus diesem Grund ist das Seitenelement 200, das üblicherweise die inneren Masseelemente 121 und die Bodenelektrode 133 verbindet, am Seitenende des piezoelektrischen Elements 400 ausgeformt. In diesem Fall müssen die Deckelektrode, die N-Schicht-Innenelektroden 111 und 112 und die M-Schicht-Innenelektroden 131 und 132 so auf dem piezoelektrischen Element ausgeformt sein, dass sie nicht mit der Seitenelektrode 200 elektrisch verbunden sind und dass sie nicht an den Rand des piezoelektrischen Elements stoßen.
Nachfolgend soll ein Verfahren zur Fertigung des piezoelektrischen Schwingers 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen dargelegt werden.
11 ist eine Draufsicht auf eine piezoelektrische Schicht, die bei der Fertigung eines piezoelektrischen Schwingers 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Insbesondere zeigt 11A eine Draufsicht auf eine piezoelektrische Schicht, die mit einer Deckelektrodenbahn und einer N-Schicht-Innenelektrodenbahn ausgeformt ist, und 11B ist eine Draufsicht auf eine piezoelektrische Schicht, die mit den inneren N-Schicht- und M-Schicht-Masseelektrodenbahnen und den Bodenelektrodenbahnen ausgeformt ist, und 11C ist eine Draufsicht auf eine piezoelektrische Schicht, die mit einer M-Schicht-Innenelektrodenbahn ausgeformt ist.
Unter Bezugnahme auf 11 können Elektrodenbahnen durch die Verwendung von Siebdruck gedruckt werden, um einen piezoelektrischen Schwinger 1 mit einem 6×2-Array herzustellen. Zudem können die Elektrodenbahnen durch bekannte Verfahren, zum Beispiel durch Tape-Casting, ausgeformt sein. Der in der piezoelektrischen Schicht 630 von 11C ausgeformte Bahnverlauf ist symmetrisch zu dem Bahnverlauf, der in der piezoelektrischen Schicht 630 von 11A ausgeformt ist.
Eine N-Schicht-Stapelstruktur wird dadurch ausgebildet, dass die piezoelektrische Schicht für die innere Masseelektrode und die piezoelektrische Schicht für die Innenelektrode wiederholt aufeinander geschichtet werden, bis die Gesamtzahl an aufeinander geschichteten piezoelektrischen Schichten in der folgenden Reihenfolge die N-Schicht ausmacht: die erste piezoelektrische Schicht (die piezoelektrische Schicht 610 von 11A) für die Deckelektrode, die zweite piezoelektrische Schicht (die piezoelektrische Schicht 620 von 11B) für die innere Masseelektrode, die erste piezoelektrische Schicht (die piezoelektrische Schicht 610 von 11A) für die Innenelektrode, die zweite piezoelektrische Schicht 620 für die innere Masseelektrode, die erste piezoelektrische Schicht 610 für die Innenelektrode, usw.
Daran anschließend wird eine M-Schicht-Stapelstruktur dadurch ausgebildet, dass die piezoelektrische Schicht für die innere Masseelektrode und die piezoelektrische Schicht für die Innenelektrode wiederholt aufeinander geschichtet werden, bis eine Gesamtzahl an aufeinander geschichteten piezoelektrischen Schichten in der folgenden Reihenfolge die M-Schicht ausmacht: die dritte piezoelektrische Schicht (die piezoelektrische Schicht 630 von 11C) für die Innenelektrode, die zweite piezoelektrische Schicht (die piezoelektrische Schicht 620 von 11B) für die innere Masseelektrode, die dritte piezoelektrische Schicht 630 für die Innenelektrode, die zweite piezoelektrische Schicht 620 für die innere Masseelektrode, ... unterhalb der piezoelektrischen Schicht 620 für die innere Masseelektrode, die ganz unten in der N-Schicht-Stapelstruktur 410 vorgesehen ist. Die in 11C gezeigte piezoelektrische Schicht 630 ist ganz unten in der M-Schicht-Stapelstruktur angeordnet.
Die piezoelektrische Schichtstruktur 600 von 12A ist durch diese Schichtverfahren ausgeformt.
Wie in 12B gezeigt, ist die piezoelektrische Schichtstruktur 600 entlang einer Schnittlinie zurechtgeschnitten, so dass piezoelektrische Elementeinheiten 400 mit einem 6×2-Array ausgebildet werden.
Wie in 12C gezeigt, sind die ersten und zweiten Seitenelektroden 210 und 220 an beiden Seiten der piezoelektrischen Elementeinheit 400 angeordnet, und die dritte Seitenelektrode 230 ist am Seitenende der piezoelektrischen Elementeinheit 400 angeordnet.
Die erste Seitenelektrode 210 wird verwendet, um die Wechselspannung gleichzeitig an die linken Bahnverläufe, die als das linke Schwingungselement der N-Schicht-Stapelstruktur 410 dienen, und an die rechten Bahnverläufe, die als das rechte Schwingungselement der M-Schicht-Stapelstruktur 420 dienen, anzulegen. Zudem wird die zweite Seitenelektrode 220, die auf einer Fläche gegenüber der Seite ausgeformt ist, an der die erste Seitenelektrode 210 ausgebildet ist, verwendet, um eine Wechselspannung gleichzeitig an die rechten Bahnverläufe, die als das rechte Schwingungselement der N-Schicht-Stapelstruktur 410 dienen, und and die linken Bahnverläufe, die als das linke Schwingungselement der M-Schicht-Stapelstruktur 420 dienen, anzulegen.
Das Kraftübertragungselement 300 ist an der dritten Seitenelektrode 230 befestigt. Das Kraftübertragungselement 300 besitzt eine hervortretende Form und überträgt die Antriebskraft, die von dem piezoelektrischen Element 400 erzeugt wird, nach außen.
Wie in den 12D und 12E gezeigt, ist der Draht 500 mit den Deckelektroden 111 und 112 und der Bodenelektrode 133 der M-Schicht-Stapelstruktur 420 verlötet, so dass ein elektrisches Signal von einer externen Spannungsquelle an den piezoelektrischen Schwinger 1 angelegt werden kann.
Wie oben beschrieben, sind Lötpunkte 510, wie in 12D gezeigt, vorzugsweise an den gekrümmten Bereichen 111c und 112c der Deckelektroden ausgeformt, und der Lötpunkt 510 ist, wie in 12E gezeigt, am Mittelbereich der Bodenelektrode 133 ausgeformt.
Ausführungsform 2
13 ist eine perspektivische Darstellung des piezoelektrischen Schwingers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 14 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des in 13 gezeigten piezoelektrischen Schwingers.
Da der piezoelektrische Schwinger von 13 dem piezoelektrischen Schwinger gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nahezu gleicht, soll sich der Schwerpunkt der nachfolgenden Beschreibung auf andere Elemente konzentrieren.
Anders als bei der ersten Ausführungsform erstrecken sich Bereiche der inneren Masseelektrode 121 und der Bodenelektrode 133 bis zu den beiden Außenseiten des piezoelektrischen Elements. Aus diesem Grund ist die dritte Seitenelektrode 230, die die inneren N-Schicht- und die M-Schicht-Masseelektroden 121 und die Bodenelektrode 133 elektrisch verbindet, an der gleichen Seite ausgeformt wie die Ebene, in der die ersten oder zweiten Seitenelektroden 210 und 220 ausgeformt sind, die für gewöhnlich die Deckelektroden 111 und die Innenelektroden 112 der N-Schicht-Stapelstruktur 410 und die Innenelektroden 131 und 132 der M-Schicht-Stapelstruktur 420 verbinden, die diagonal in der N-Schicht-Innenelektrode verlaufen.
Dabei können sich in diesem Fall die Bahnverläufe der Deckelektrode 111 und/oder der Innenelektrode 112 bis zum Rand des piezoelektrischen Elements erstrecken.
15 ist eine Draufsicht auf die piezoelektrische Schicht, die bei der Fertigung des piezoelektrischen Schwingers gemäß der zweiten Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. 15A ist insbesondere eine Draufsicht auf die piezoelektrische Schicht, die mit der Deckelektrodenbahn und der N-Schicht-Innenelektrodenbahn versehen ist, 15B ist eine Draufsicht auf die piezoelektrische Schicht auf der die inneren N-Schicht- und M-Schicht-Masseelektrodenbahnen und die Bodenelektrodenbahn ausgeformt sind, und 15C ist eine Draufsicht auf die piezoelektrische Schicht, auf der die M-Schicht-Innenelektrodenbahn ausgeformt ist.
Da die Verarbeitung und die Verfahren zum Beispiel beim Stapeln der mehreren piezoelektrischen Schichten, wobei diese in piezoelektrische Elementeinheiten aufgeteilt werden und zur Verbindung mit der externen Spannungsquelle verlötet werden, identisch mit denen der ersten Ausführungsform sind, soll der Kürze wegen auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden.
Ausführungsform 3
16 ist eine perspektivische Darstellung des piezoelektrischen Schwingers gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 17 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des in der 16 gezeigten piezoelektrischen Schwingers.
Da der piezoelektrische Schwinger von 16 mit dem piezoelektrischen Schwinger der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nahezu identisch ist, soll sich die nachfolgende Beschreibung auf andere Elemente, insbesondere die gekrümmten Abschnitte der Elektroden, konzentrieren.
Deckelektroden und Innenelektroden 111 und 112, die in der N-Schicht-Stapelstruktur 410 und in den M-Schicht-Innenelektroden 131 und 132 ausgeformt sind und eine Form aufweisen, die symmetrisch zu diesen ist, weisen gekrümmte Bahnverläufe 111c, 112c, 131c und 132c auf, so dass sich benachbarte Bahnenden 111a und 112a zwischen den zweigeteilten Bahnverläufen von einem Mittelbereich des piezoelektrischen Elements in entgegengesetzte Richtung zu einer Außenseite des piezoelektrischen Elements erstrecken.
Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform bilden die gekrümmten Bahnen der Deckelektrode 111 und der Innenelektrode 112, wie in den 16 und 17 gezeigt, einen rechten Winkel.
18 ist eine Draufsicht auf eine piezoelektrische Schicht, die bei der Fertigung eines piezoelektrischen Schwingers gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. 18A ist insbesondere eine Draufsicht auf die piezoelektrische Schicht, die mit der Deckelektrodenbahn und der N-Schicht-Innenelektrodenbahn ausgeformt ist, wobei 18B eine Draufsicht auf die piezoelektrische Schicht ist, die mit den inneren N-Schicht- und M-Schicht-Masseelektrodenbahnen und der Bodenelektrodenbahn ausgeformt ist, und wobei 18C eine Draufsicht auf die piezoelektrische Schicht ist, die mit der M-Schicht-Innenelektrodenbahn ausgeformt ist.
Da die Verarbeitung und Verfahren zum Beispiel beim Stapeln der mehreren piezoelektrischer Schichten, wobei diese in piezoelektrische Elementeinheiten aufgeteilt werden und zur Verbindung mit der externen Spannungsquelle verlötet werden, identisch mit denen der ersten Ausführungsform sind, soll der Kürze wegen auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden.
Obwohl die 16 bis 18 beispielhaft die Fälle zeigen, bei denen die unter einem rechten Winkel gekrümmten Bahnverläufe auf die erste Ausführungsform angewendet werden, ist offensichtlich, dass sie auf die gleiche Weise ebenfalls auf die zweite Ausführungsform anwendbar sind.
Wie oben beschrieben, liefert die vorliegende Erfindung einen piezoelektrischen Schwinger, der eine hohe Effizienz liefern kann und der mit geringem Kostenaufwand und einer kleinen Größe gefertigt werden kann, indem eine vereinfachte Struktur ohne zusätzliche leitfähige Beschichtungen verwendet wird.
Zudem kann der piezoelektrische Schwinger zur Fertigung in großer Stückzahl bei verschiedenen Schwingungsfrequenzen betrieben werden, indem Drähte angelötet werden, um die Wechselspannung an Knotenpunkte des piezoelektrischen Schwingers anzulegen und um die Zuverlässigkeit des piezoelektrischen Schwingers weiter zu erhöhen. Zudem kann der piezoelektrische Schwinger verhindern, dass die Lötverbindung selbst während der Schwingungen des piezoelektrischen Schwingers nicht geschwächt wird, indem Drähte mit Knotenpunkten verlötet werden, die den gekrümmten Abschnitten entsprechen, die über eine ausreichende Breite ausgeformt sind.
Des Weiteren kann der höchst zuverlässige piezoelektrische Schwinger gemäß dem Verfahren zur Fertigung des piezoelektrischen Schwingers mit geringem Kostenaufwand und in großer Stückzahl gefertigt werden.
Obwohl einige Ausführungsformen des vorliegenden allgemeinen erfinderischen Konzepts dargestellt und erläutert wurden, können vom Fachmann Änderungen in diesen Ausführungsformen gemacht werden, ohne von den Prinzipien und dem Boden des allgemeinen erfinderischen Konzepts abzuweichen, dessen Umfang in den beigefügten Ansprüchen und ihren Entsprechungen dargelegt ist.

Claims

Piezoelektrischer Schwinger, umfassend: ein piezoelektrisches Element, umfassend: eine erste piezoelektrische Elementschicht, auf der eine zweigeteilte Deckelektrode ausgeformt ist; ein zweites piezoelektrisches Element, das unterhalb der ersten piezoelektrischen Elementschicht angeordnet ist und auf dem eine innere Masseelektrode ausgeformt ist; und ein drittes piezoelektrisches Element, das unterhalb der zweiten piezoelektrischen Elementschicht angeordnet ist, wobei das dritte piezoelektrische Element eine Innenelektrode aufweist, die in Bezug zu einer Stapelebene symmetrisch zu der Deckelektrode ist, und wobei eine Bodenelektrode in einer Ebene gegenüber der Ebene ausgebildet ist, in der die Innenelektrode ausgeformt ist; eine Seitenelektrode, umfassend: erste und zweite Seitenelektroden, um Elektrodenbahnen elektrisch miteinander zu verbinden, die diagonal zwischen den Elektrodenbahnen verlaufen, die in den ersten und dritten piezoelektrischen Elementschichten des piezoelektrischen Elements ausgebildet sind, und eine dritte Seitenelektrode, um die innere Masseelektrode der zweiten piezoelektrischen Elementschicht mit der Bodenelektrode der dritten piezoelektrischen Elementschicht elektrisch zu verbinden; und ein Kraftübertragungselement, das an einer Seite des piezoelektrischen Elements ausgeformt ist, um eine durch das piezoelektrische Element erzeugte Schwingung nach außen zu übertragen.
Piezoelektrischer Schwinger, umfassend: ein piezoelektrisches Element, umfassend: eine N-Schicht-Stapelstruktur, umfassend mehrere erste piezoelektrische Elementschichten, die mit zweigeteilten Deckelektroden ausgeformt sind, und mehrere zweite piezoelektrische Elementschichten, die mit inneren Masseelektroden ausgeformt sind, wobei die ersten piezoelektrischen Elementschichten und die zweiten piezoelektrischen Elementschichten in entsprechender Reihenfolge abwechselnd aufeinander geschichtet sind; und eine M-Schicht-Stapelstruktur, die unterhalb der N-Schicht-Stapelstruktur angeordnet ist, wobei die M-Schicht-Stapelstruktur mehrere dritte piezoelektrische Elementschichten aufweist, die mit Innenelektroden ausgeformt sind, die in Bezug zu einer Stapelebene symmetrisch zu den Deckelektroden des ersten piezoelektrischen Elements mit N-Schicht-Stapelstruktur ausgebildet sind, und mehrere zweite piezoelektrische Elementschichten, die auf der N-Schicht-Stapelstruktur aufeinander geschichtet sind, wobei die dritten piezoelektrischen Elementschichten und die zweiten piezoelektrischen Elementschichten in entsprechender Reihenfolge abwechselnd nach unten hin aufeinander geschichtet sind, wobei eine dritte piezoelektrische Elementschicht ganz unten in der M-Schicht-Stapelstruktur angeordnet ist; eine Seitenelektrode, umfassend erste und zweite Seitenelektroden, um Elektrodenbahnen, die diagonal zwischen Elektrodenbahnen verlaufen, die in den N-Schicht- und M-Schicht-Stapelstrukturen des piezoelektrischen Elements ausgeformt sind, elektrisch miteinander zu verbinden; und eine dritte Seitenelektrode, um die inneren Masseelektroden der N-Schicht- und M-Schicht-Stapelstrukturen und die Bodenelektrode der M-Schicht-Stapelstruktur elektrisch miteinander zu verbinden; und ein Kraftübertragungselement, das an einer Seite des piezoelektrischen Elements ausgebildet ist, um eine durch das piezoelektrische Element erzeugte Schwingung nach außen zu übertragen.
Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Deckelektrode und Innenelektrode des piezoelektrischen Elements einen gekrümmten Bahnverlauf aufweist, so dass sich benachbarte Bahnenden zwischen den zweiteiligen Bahnenverläufen vom Mittelbereich des piezoelektrischen Elements in entgegengesetze Richtung bis zur Außenseite des piezoelektrischen Elements erstrecken.
Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich Abschnitte der inneren Masseelektrode und der Bodenelektrode des piezoelektrischen Elements bis zu einer Außenseite des piezoelektrischen Elements erstrecken.
Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich vorbestimmte Abschnitte der inneren Masseelektrode und der Bodenelektrode bis zum Rand des piezoelektrischen Elements erstrecken, wobei die dritte Seitenelektrode an einem Seitenende des piezoelektrischen Elements ausgeformt ist.
Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeicqhnet, dass sich vorbestimmte Abschnitte der inneren Masseelektrode und Bodenelektrode bis zur Außenseite des piezoelektrischen Elements erstrecken, wobei die dritte Seitenelektrode an derselben Seite wie die erste oder zweite Seitenelektrode ausgebildet ist.
Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Deckelektrode und Innenelektrode des piezoelektrischen Elements einen gekrümmten Bahnverlauf aufweist, so dass sich benachbarte Bahnenden zwischen den zweigeteilten Bahnverläufen vom Mittelbereich des piezoelektrischen Elements in entgegengesetzte Richtung bis zur Außenseite des piezoelektrischen Elements erstrecken, und dass sich nicht benachbarte Bahnenden bis zur Außenseite des piezoelektrischen Eleiments erstrecken.
Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die innere Masseelektrode und die Bodenelektrode des piezoelektrischen Elements bis zu Längsseiten des piezoelektrischen Elements erstrecken, und dass die dritte Seitenelektrode an derselben Seite wie die erste oder zweite Seitenelektrode ausgebildet ist.
Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmten Bahnverläufe rechtwinklig gekrümmt sind.
Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmten Bahnverläufe rechtwinklig gekrümmt sind.
Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 3, ferner umfassend: einen Lötpunkt zum Anlegen eines elektrischen Signals an Knotenpunkte der Deckelektrode und Bodenelektrode des piezoelektrischen Elements.
Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 7, ferner umfassend: einen Lötpunkt zum Anlegen eines elektrischen Signals an Knotenpunkte der Deckelektrode und Bodenelektrode des piezoelektrischen Elements.
Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 11, ferner umfassend: einen Lötpunkt zum Anlegen einer externen Wechselspannung an den gekrümmten Abschnitt der Deckelektrode des piezoelektrischen Elements.
Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 12, ferner umfassend: einen Lötpunkt zum Anlegen einer externen Wechselspannung an den gekrümmten Abschnitt der Deckelektrode des piezoelektrischen Elements.
Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 13, ferner umfassend: einen Lötpunkt zum Anlegen einer externen Wechselspannung an den Mittelbereich der Bodenelektrode des piezoelektrischen Elements.
Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 14, ferner umfassend: einen Lötpunkt zum Anlegen einer externen Wechselspannung an den Mittelpunkt der Bodenelektrode des piezoelektrischen Elements.
Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Seitenelektrode bis zur Innenseite der Seite erstreckt, an der die Bodenelektrode nicht ausgeformt ist, wobei sie die Bodenelektrode nicht berührt, so dass auf der Bodenfläche des piezoelektrischen Elements Lötpunkte ausgebildet sind, um eine externe Wechselspannung anzulegen.
Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Wechselspannung durch ein FPCB (Flexible Printed Circuit Board) angelegt wird, wobei das FPCB mit den Lötpunkten verbunden ist, die auf der Bodenfläche des piezoelektrischen Elements ausgeformt sind.
Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die N-Schicht-Stapelstruktur vier oder mehr geradzahlige piezoelektrische Elemente umfasst, und dass die M-Schicht-Stapelstruktur drei oder mehrere ungeradzahlige piezoelektrische Elemente umfasst.