DE69819832T2

DE69819832T2 - Piezoelektrischer Aktuator

Info

Publication number: DE69819832T2
Application number: DE69819832T
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Nagaokakyo-shi Kohno; Hiroshi Nagaokakyo-shi Nakatani; Toshiaki Nagaokakyo-shi Kaji
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-09-02
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2018-08-28
Also published as: EP0901172A1; EP0901172B1; DE69819832D1; JPH1187790A; US6274966B1; JP3456380B2

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktuator und insbesondere eine Verbesserung in einem geschichteten piezoelektrischen Aktuator des Typs d₃₁, welcher eine große Verschiebung durchmacht.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein herkömmlicher geschichteter piezoelektrischer Aktuator 1 des Typs d₃₁, welcher als ein interessanter herkömmlicher Aktuator in der vorliegenden Erfindung angesehen wird, ist in 8 gezeigt. Der geschichtete piezoelektrische Aktuator 1 des Typs d₃₁ ist eben und im Wesentlichen rechtwinklig in einer Längsrichtung, mit einer Seite des Aktuators 1 in der Längsrichtung, die an einem Befestigungsabschnitt 2, wie z. B. einer Basis, befestigt wird, und mit dem Ende auf der anderen Seite, das verschoben wird.
Der piezoelektrische Aktuator 1 weist einen Aktuatorkörper 6 mit einer Schichtstruktur von mehreren piezoelektrischen Schichten 3 und mehreren inneren Elektroden 4 und 5 auf, die zwischen den piezoelektrischen Schichten 3 gebildet werden. Der Aktuatorkörper 6 weist eine erste Hauptfläche 7 und eine zweite Hauptfläche 8 sowie eine erste Endfläche 9 und eine zweite Endfläche 10 mit den Hauptflächen 7 und 8, die durch die nach außen gerichteten Hauptflächen der zwei piezoelektrischen Schichten 3a und 3b gebildet werden, die die äußersten Schichten bilden, und mit den Endflächen 9 und 10, die durch die Endflächen der mehreren piezoelektrischen Schichten 3 gebildet werden, auf.
Auf der ersten Endfläche 9 und der zweiten Endfläche 10 des Aktuatorkörpers 6 werden eine erste äußere Elektrode 11 und eine zweite äußere Elektrode 11 entsprechend gebildet. Um den piezoelektrischen Aktuator zu betätigen, wird eine Spannung an der ersten und der zweiten äußeren Elektrode 11 und 12 von außerhalb des Aktuatorkörpers 6 angelegt.
Die oben erwähnten inneren Elektroden 4 werden erste innere Elektroden 4 genannt, welche mit der ersten äußeren Elektrode 11 auf der ersten Endfläche 9 verbunden werden, wohingegen die inneren Elektroden 5 zweite innere Elektroden 5 genannt werden, welche mit der zweiten äußeren Elektrode 12 auf der zweiten Endfläche 10 verbunden werden. Das Anlegen einer Spannung an die äußeren Elektroden 11 und 12 bewirkt, dass die ersten inneren Elektroden 4 und die zweiten inneren Elektroden 5 verschiedene Polaritäten aufweisen. Die ersten inneren Elektroden 4 und die zweiten inneren Elektroden 5 werden abwechselnd in der Richtung angeordnet, in welcher sie übereinander platziert werden.
Auch der Seite der ersten Endfläche 9 des Aktuatorkörpers 6 wird ein piezoelektrisch aktiver Bereich 13 gebildet, welcher durch Anordnen der ersten inneren Elektroden 4 und der zweiten inneren Elektroden 5 übereinander gebildet wird. Der piezoelektrisch aktive Bereich 13 wird dichter an einem Ende des Aktuators als der Abschnitt des Aktuators gebildet, der an dem Befestigungsabschnitt 2 befestigt ist. Auf der Seite der zweiten Endfläche 10 des Aktuatorkörpers 6 wird ein piezoelektrisch inaktiver Bereich gebildet, welcher dem Befestigungsbereich entspricht, der an dem Befestigungsabschnitt 2 zu befestigen ist. Der Befestigungsbereich wird so befestigt, dass sich der piezoelektrische Aktuator 1 von dem Befestigungsabschnitt 2 nicht ablöst, wenn der Aktuatorkörper 6 verschoben wird.
Für den Zweck der zunehmenden Verschiebung werden die piezoelektrischen Schichten 3a und 3b, die die äußersten Schichten des veranschaulichten piezoelektrischen Aktuators 1 sind, so gebildet, dass sie innerhalb mindestens des piezoelektrisch aktiven Bereichs 13 piezoelektrisch aktiv sind. Insbesondere weist die erste äußere Elektrode 11 einen Erweiterungsabschnitt 14 und einen Erweiterungsabschnitt 15 auf, welche sich bis zu der ersten Hauptfläche 7 und der zweiten Hauptfläche 8 entsprechend erstrecken, mit dem Erweiterungsabschnitt 14, der durch die piezoelektrische Schicht 3a auf der Seite der ersten Hauptfläche 7 auf die zweiten inneren Elektroden 5 zeigt, die eine Polarität aufweisen, welche sich von der Polarität der ersten äußeren Elektrode 11 unterscheidet, und dem Erweiterungsabschnitt 15, der durch die piezoelektrische Schicht 3b auf der Seite der zweiten Hauptfläche 8 auf die zweiten inneren Elektroden 15 zeigt.
Eine Form der Verschiebung des piezoelektrischen Aktuators 1 ist in 9 gezeigt. In 9 wird der piezoelektrische Aktuator 1 auf die durch die gestrichelten Linien dargestellte Form deformiert, indem die Verschiebung 16 eines Endabschnittes des piezoelektrischen Aktuators 1, wie durch den Pfeil angegeben, bewirkt wird.
Der oben beschriebene piezoelektrische Aktuator, obwohl nur um einen kleinen Betrag verschoben, lässt sich leicht und schnell verschieben, so dass er in der Praxis in Tintenstrahldruckern vorteilhaft verwendet werden kann. Wenn jedoch ein Hochleistungsdrucker zu verwirklichen ist, ist es notwendig, die Tinte in großen Mengen ausströmen zu lassen. In diesem Fall ist ein Aktuator, welcher eine große Verschiebung durchmachen kann, erwünscht.
Um dies zu erreichen, wurde ein Fortschritt in der Entwicklung eines neuen Materials mit einer großen Konstante d₃₁ und einem sehr effizienten Aktuator des Typs d₃₁ erreicht, der aber nicht bis zu dem Punkt, wo der piezoelektrische Aktuator, welcher eine ausreichende Leistung aufweist, hergestellt werden kann. Für die Entwicklung eines neuen Materials sind insbesondere erhebliche Anstrengung und Zeit erforderlich, um die Konstante d₃₁ nur um einige Prozent zu erhöhen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen Aktuator bereitzustellen, welcher leicht um einen größeren Betrag verschoben werden kann, ohne sich auf die Entwicklung eines neuen Materials zu verlassen. Die Erfindung ist in den Ansprüchen definiert.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt einen geschichteten piezoelektrischen Aktuator des Typs d₃₁ bereit, welcher einen Aktuatorkörper mit einer Schichtstruktur aus mehreren piezoelektrische Schichten und mehreren inneren Elektroden, die zwischen den piezoelektrischen Schichten gebildet werden, enthält. Der Aktuatorkörper weist eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche sowie eine erste Endfläche und eine zweite Endfläche auf, wobei die erste und die zweite Hauptfläche durch nach außen gerichtete Hauptflächen der zwei piezoelektrischen Schichten, die die äußersten Schichten sind, gebildet werden, und wobei die erste und die zweite Endfläche durch die Endflächen der piezoelektrischen Schichten gebildet werden. Der piezoelektrische Aktuator enthält ebenfalls eine erste äußere Elektrode und eine zweite äußere Elektrode, welche auf mindestens der ersten Endfläche und der zweiten Endfläche des Aktuatorkörpers gebildet werden. Die inneren Elektroden werden entweder als eine erste innere Elektrode, welche mit der ersten äußeren Elektrode auf der ersten Endfläche verbunden wird, oder als eine zweite innere Elektrode, welche mit der zweiten äußeren Elektrode auf der zweiten Endfläche verbunden wird, klassifiziert. Die ersten inneren Elektroden und die zweiten inneren Elektroden werden abwechselnd in einer Richtung angeordnet, in welcher sie übereinander untergebracht werden. Der Aktuatorkörper weist einen piezoelektrisch aktiven Bereich auf, der durch Anordnen der ersten inneren Elektroden und der zweiten inneren Elektroden übereinander gebildet wird. Die erste äußere Elektrode weist einen Erweiterungsabschnitt auf, welcher sich bis zu der ersten Hauptfläche des Aktuatorkörpers erstreckt. In dem piezoelektrisch aktiven Bereich zeigen die zweiten inneren Elektroden durch die piezoelektrische Schicht, die die äußerste Schicht auf der Seite der ersten Hauptfläche ist, auf den Erweiterungsabschnitt der ersten äußeren Elektrode, wodurch die piezoelektrische Schicht, die die äußerste Schicht auf der Seite der ersten Hauptfläche ist, piezoelektrisch aktiv wird, so dass eine große Verschiebung auftritt. Die piezoelektrische Schicht, die die äußerste Schicht auf der Seite der zweiten Hauptfläche ist, ist piezoelektrisch inaktiv.
Daher wird der durch das Biegen verursachte Verschiebungswert zu der Verschiebung der Komponente d₃₁ addiert, so dass es möglich wird, die Effizienz zu erhöhen, mit der die Verschiebung auftritt, und die Verschiebung insgesamt zu erhöhen.
Demgemäß kann, wenn der piezoelektrische Aktuator der vorliegenden Erfindung zum Beispiel auf einen Tintenstrahldrucker angewendet wird, eine größere Menge von Tinte ausströmen, was zu einer verbesserten Druckerleistung führt.
In dem oben beschriebenen piezoelektrischen Aktuator wird, wenn irgendeine der ersten äußeren Elektrode und zweiten äußeren Elektrode einen Erweiterungsabschnitt aufweist, welcher sich bis zu der zweiten Hauptfläche erstreckt, die piezoelektrische Schicht, die die äußerste Schicht auf der Seite der zweiten Hauptfläche ist, piezoelektrisch inaktiv gemacht. Daher kann, wenn an dem piezoelektrisch aktiven Bereich die inneren Elektroden mit der gleichen Polarität wie die äußere Elektrode, die den Erweiterungsabschnitt aufweist, welcher sich bis zu der zweiten Hauptfläche erstreckt, auf den Erweiterungsabschnitt zeigen, welcher sich bis zu der zweiten Hauptfläche erstreckt, die piezoelektrische Schicht, welche die äußerste Schicht auf der Seite der zweiten Hauptfläche ist, zuverlässig piezoelektrisch inaktiv gemacht werden, da die inneren Elektroden und der sichtbare Erweiterungsabschnitt der äußeren Elektrode die gleiche Polarität aufweisen.
Außerdem wird, wenn die erste und die zweite äußere Elektrode im Wesentlichen nicht auf der zweiten Hauptfläche gebildet werden, in dem piezoelektrisch aktiven Bereich, der bewirkt, dass die piezoelektrisch aktive Schicht, welche die äußerste Schicht auf der Seite der zweiten Hauptfläche ist, piezoelektrisch inaktiv wird, die piezoelektrische Schicht, welche die äußerste Schicht auf der Seite der zweiten Hauptfläche ist, zuverlässig piezoelektrisch inaktiv gemacht, unabhängig von der Polarität der inneren Elektroden, die nach innen längs der piezoelektrischen Schicht gebildet werden, welche die äußerste Schicht auf der Seite der zweiten Hauptfläche ist.
Daneben ist es möglich, wenn der Aktuatorkörper so gebildet wird, dass er einen piezoelektrisch aktiven Bereich an einem Ende in einer Längsrichtung davon und einen piezoelektrisch inaktiven Bereich an dem anderen Ende in der Längsrichtung davon aufweist, mit dem piezoelektrisch inaktiven Bereich, der ein an einem Befestigungsabschnitt zu befestigender Befestigungsbereich ist, zu verhindern, dass der piezoelektrische Aktuator von dem Befestigungsabschnitt getrennt wird, wenn der Aktuatorkörper verschoben wird. Die Trennung von dem Befestigungsabschnitt neigt dazu, in piezoelektrischen Aktuatoren aufzutreten, wie zum Beispiel dem piezoelektrischen Aktuator der vorliegenden Erfindung, dessen Verschiebung insgesamt als eine Folge des Biegens größer gemacht wird. Folglich ist das Ausbilden des Aktuatorkörpers in dieser Weise insbesondere beim Verhindern der Trennung von dem Befestigungsabschnitt in derartigen piezoelektrischen Aktuatoren effektiv.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung offensichtlich, welche sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht eines geschichteten piezoelektrischen Aktuators 21 des Typs d₃₁, der in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an einem Befestigungsabschnitt 22 montiert wird.
2 ist eine Vorderansicht, die eine Form der Verschiebung des piezoelektrischen Aktuators 21 von 1 veranschaulicht.
3 ist eine Ansicht, die eine Form der Verschiebung eines herkömmlichen piezoelektrischen Aktuators 1, der in 8 gezeigt ist, auf der Basis einer FEM-Simulation zeigt.
4 ist ein Schaubild, das die Verteilung des Betrages der Verschiebung eines Endes des piezoelektrischen Aktuators 1 in der X-Richtung und in der Z-Richtung auf der Basis der Ergebnisse der in 3 veranschaulichten FEM-Simulation zeigt.
5 ist eine Ansicht, die eine Form der Verschiebung des in 1 gezeigten piezolektrischen Aktuators 21 der Basis der FEM-Simulation zeigt.
6 ist ein Schaubild, das die Verteilung des Betrages der Verschiebung eines Endes des piezoelektrischen Aktuators 21 in der X-Richtung und in der Z-Richtung auf der Basis der in 5 veranschaulichten Ergebnisse der FEM-Simulation zeigt.
7, welche 1 entspricht, ist eine Ansicht, die einen geschichteten piezoelektrischen Aktuator 41 des Typs d₃₁ in einer anderen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
8, welche 1 entspricht, ist eine Ansicht eines herkömmlichen piezoelektrischen Aktuators 1 des Typs d₃₁, welcher als ein interessanter herkömmlicher Aktuator in der vorliegenden Erfindung angesehen wird.
9, welche 2 entspricht, ist eine Ansicht, die eine Form der Verschiebung des piezoelektrischen Aktuators 1 von 8 zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1, welche 8 entspricht, ist eine Ansicht, die einen geschichteten piezoelektrischen Aktuator 21 des Typs d₃₁ in einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie unten beschrieben, teilen der piezoelektrische Aktuator 21 und der piezoelektrische Aktuator 1 von 8 viele gemeinsame Merkmale.
Der piezoelektrische Aktuator 21 ist eben und im Wesentlichen rechtwinklig in einer Längsrichtung, mit einer Seite des piezoelektrischen Aktuators 21 in der Längsrichtung davon, die an einem Befestigungsabschnitt 22, wie zum Beispiel einer Basis, befestigt wird, und dem Ende der andere Seite des piezoelektrischen Aktuators 21, das verschoben wird.
Der piezoelektrische Aktuator 21 weist einen Aktuatorkörper mit einer Schichtstruktur aus mehreren piezoelektrischen Schichten 23 und mehreren inneren Elektroden 24 und 25 auf, die zwischen den piezoelektrischen Schichten 23 gebildet werden. Jede piezoelektrische Schicht 23 ist aus einem piezoelektrischen keramischen Material hergestellt, wie sie zum Beispiel einem keramischen Material des Typs PZT (lead titanate zirconate/Blei-Titanat-Zirconat), und jede der inneren Elektroden 24 und 25 ist zum Beispiel aus Ag/Pd hergestellt. Eine piezoelektrische Schicht 23 ist zum Beispiel 20 μm dick, wohingegen eine innere Elektrode 24 und eine innere Elektrode 25 zum Beispiel 2 μm dick sind.
Der Aktuatorkörper 26 wird gewöhnlich durch einen vollständigen Einbrennprozess in einem gebildet, der eine erste Hauptfläche 27 und eine zweite Hauptfläche 28 sowie eine erste Endfläche 29 und eine zweite Endfläche 30 aufweist, mit der ersten und der zweiten Hauptfläche 27 und 28 entsprechend, die durch die nach außen gerichteten Hauptflächen von zwei piezoelektrischen Schichten 23a und 23b gebildet werden, die die äußersten Schichten des Aktuatorkörpers 26 bilden, und mit der ersten und der zweiten Endfläche 29 und 30, die durch die Endflächen mehrerer piezoelektrischer Schichten 23 gebildet werden.
Auf der ersten Endfläche 29 und der zweiten Endfläche 30 des Aktuatorkörpers 26 werden eine erste äußere Elektrode 31 und eine zweite äußere Elektrode 32 entsprechend gebildet. Die äußeren Elektroden 31 und 32 sind aus mehreren Dünnschicht-Elektrodenabschnitten zusammengesetzt, die aus Cr, Au oder dergleichen hergestellt sind. Um den piezoelektrischen Aktuator 21 zu betätigen, wird eine Spannung auf die erste und die zweite äußere Elektrode 31 und 32 von außerhalb des Aktuatorkörpers 26 angelegt.
Die inneren Elektroden 24 werden erste innere Elektroden 24 genannt, die mit der ersten äußeren Elektrode 31 auf der ersten Endfläche 29 verbunden werden, wohingegen die inneren Elektroden 25 zweite innere Elektroden 25 genannt werden, welche mit der zweiten äußeren Elektrode 32 auf der zweiten Endfläche 30 verbunden werden. Folglich bewirkt das Anlegen einer Spannung an den äußeren Elektroden 31 und 32, dass die ersten inneren Elektroden 24 und die zweiten inneren Elektroden 25 verschiedene Polaritäten aufweisen. Die ersten inneren Elektroden 24 und die zweiten inneren Elektroden 25 werden abwechselnd in einer Richtung angeordnet, in welcher sie übereinander untergebracht werden.
Auf der Seite der ersten Endfläche 29 des Aktuatorkörpers 26 wird ein piezoelektrisch aktiver Bereich 33 gebildet, welcher durch Anordnen der ersten inneren Elektroden 24 und der zweiten inneren Elektroden 25 übereinander gebildet wird. Auf der Seite der zweiten Endfläche 30 des Aktuatorkörpers 26 wird ein piezoelektrisch inaktiver Bereich gebildet, welcher dem Befestigungsbereich entspricht, der an dem Befestigungsabschnitt 22 zu befestigen ist. Der Befestigungsbereich wird so befestigt, dass sich der Aktuatorkörper 26 von dem Befestigungsabschnitt 22 nicht löst, wenn der Aktuatorkörper 26 verschoben wird.
An dem piezoelektrisch aktiven Bereich 33 weist die erste äußere Elektrode 31 einen Erweiterungsabschnitt 34 auf, welcher sich bis zu der ersten Hauptfläche 27 erstreckt und durch die piezoelektrische Schicht 23a, welche die äußerste Schicht auf der Seite der ersten Hauptfläche 27 ist, auf die zweiten inneren Elektroden 25 zeigt. Die zweiten inneren Elektroden 25 weisen eine Polarität auf, die sich von der Polarität der ersten äußeren Elektrode 31 unterscheidet, so dass die piezoelektrische Schicht 32a piezoelektrisch aktiv ist.
Demgemäß nutzen der oben beschriebene piezoelektrische Aktuator 21 und der piezoelektrische Aktuator 1 von 8 gemeinsame Merkmale.
In der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich die erste äußere Elektrode 31 nicht bis zu der zweiten Hauptfläche 28, wohingegen die zweite äußere Elektrode 32 an dem piezoelektrisch inaktiven Bereich 33 einen Erweiterungsabschnitt 35 aufweist, der sich bis zu der zweiten Fläche 28 erstreckt. Der Erweiterungsabschnitt 35 zeigt auf die zweiten inneren Elektroden 25 durch die piezoelektrische Schicht 23b, welche die äußerste Schicht auf der Seite der zweiten Hauptfläche 28 ist. Da die zweiten inneren Elektroden 25 die gleiche Polarität wie die zweite äußere Elektrode 32 aufweisen, ist die piezoelektrische Schicht 23b piezoelektrisch inaktiv.
2, welche 9 entspricht, veranschaulicht eine Form der Verschiebung des piezoelektrischen Aktuators 21. Wie durch die gestrichelten Linien von 2 angegeben, biegt sich der piezoelektrische Aktuator 21, wenn er verformt wird, indem eine Verschiebung 36 eines Endabschnittes des piezoelektrischen Aktuators 21, wie durch den Pfeil gezeigt, hervorgerufen wird. Dieses Biegen des piezoelektrischen Aktuators 21 tritt auf, wenn die piezoelektrische Schicht 23b, welche piezoelektrisch inaktiv wird, sich piezoelektrisch nicht verformt. Folglich tritt in dem piezoelektrischen Aktuator 21, wenn die durch Biegen verursachte Verschiebung zu der Verschiebung der Komponente d₃₁ addiert wird, die Gesamtverschiebung 36 effizienter auf und ist größer als die in 9 dargestellte gewöhnliche Verschiebung 16 der Komponente d₃₁, so dass eine große Verschiebung auftritt.
Obgleich in der in 1 gezeigten Ausführungsform die zweite äußere Elektrode 32 die Elektrode war, die einen Erweiterungsabschnitt 35 aufweist, der sich bis zu der zweiten Hauptfläche 28 erstreckt, kann in anderen Ausführungsformen die erste äußere Elektroden 31 die Elektrode sein, die den Erweiterungsabschnitt aufweist, der sich bis zu der zweiten Hauptfläche 28 erstreckt. In diesem Fall kann die Auswahl der Anordnung der inneren Elektroden 24 und 25 so erfolgen, dass die ersten inneren Elektroden 24, die die gleiche Polarität wie die erste äußere Elektrode 31 aufweisen, durch die piezoelektrische Schicht 23b, welche die äußerste Schicht auf der Seite der zweiten Hauptfläche 28 ist, auf den Erweiterungsabschnitt der ersten äußeren Elektrode 31 zeigen.
Auf der Basis der Ergebnisse der Verschiebungssimulation des piezoelektrischen Aktuators 21 wurde unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) ein Vergleich zwischen der Ausführungsform des piezoelektrischen Aktuators 21 von 1 gemäß der vorliegenden Erfindung und des herkömmlichen piezoelektrischen Aktuators 1 von 8 vorgenommen.
3 ist eine Ansicht, die eine Form der Verschiebung zeigt, die in dem herkömmlichen piezoelektrischen Aktuator 1 auftritt, auf der Basis der Ergebnisse der FEM-Simulation, wohingegen 4 ein Schaubild ist, das die Verteilung des Betrages der Verschiebung eines Endabschnittes des piezoelektrischen Aktuators 1 in der X-Richtung und in der Z-Richtung zeigt, wenn eine Spannung mit einer Frequenz von 1,000000 × 10³ Hz an den äußeren Elektroden 11 und 12 angelegt wird. Es ist zu erwähnen, dass die X-Richtung und die Z-Richtung in 3 angegeben werden. Der an dem Befestigungsabschnitt 2 zu befestigende Befestigungsbereich 17 ist ebenfalls in 3 gezeigt.
In der FEM-Simulation beträgt die Gesamtlänge des piezoelektrischen Aktuators 1 7 mm, beträgt die Länge des piezoelektrischen aktiven Bereiches 33 2,5 mm, betragen die Länge und die Dicke des Befestigungsbereiches 17 4 mm und 0,72 mm entsprechend.
Wie in 3 gezeigt, verformt sich ein Endabschnitt des herkömmlichen piezoelektrischen Aktuators 1 im Wesentlichen nur in der X-Richtung, mit der maximalen Verschiebung eines Endabschnittes gleich 0,76 μm, wie in 4 gezeigt ist.
5, welche 3 entspricht, ist eine Ansicht, die eine Form der Verschiebung zeigt, die in dem piezoelektrischen Aktuator 21 der Ausführungsform auftritt, wohingegen 6, welche der 4 entspricht, ein Schaubild ist, das den Betrag der Verschiebung eines Endabschnittes des piezoelektrischen Aktuators 21 in der X-Richtung zeigt. Es ist zu erwähnen, dass 5 den Befestigungsbereich 37 zeigt, der an dem Befestigungsabschnitt 22 zu befestigen ist.
Wie in 5 gezeigt, verformt sich ein Endabschnitt des piezoelektrischen Aktuators 21 der vorliegenden Ausführung nicht nur in der X-Richtung, sondern auch in der Z-Richtung, mit dem maximalen Betrag der Verschiebung' eines Endabschnittes in der X-Richtung gleich 0,82 μm, wie in 6 gezeigt, welcher 8 % größer als der in 4 gezeigte herkömmliche maximale Verschiebungsbetrag ist. Da der Gesamtbiegungseinfluss auf die Zunahme der Effizienz, mit der die Verschiebung auftritt, größer als der Einfluss auf die Verringerung dieser Effizienz ist, der durch die piezoelektrische Schicht 23b verursacht wird, die piezoelektrisch inaktiv wird, nimmt der Betrag der Verschiebung zu.
Zum Beispiel neigt in dem Fall, wo der piezoelektrische Aktuator 21 der vorliegenden Ausführungsform auf einen Tintenstrahldrucker angewendet wird, wenn die Biegung zu groß wird, indem ein großer Betrag der Verschiebung in der Z-Richtung verursacht wird, die Richtung, in welcher die Tinte ausströmt, dazu sich zu ändern. Folglich ist es für spezielle Anwendungen notwendig, den Betrag der Biegung zu berücksichtigen.
7, welche der 1 entspricht, ist eine Ansicht, die einen piezoelektrischen Aktuators 41 in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In 7 sind die entsprechenden Teile zu denen von 1 mit den gleichen Bezugszeichenziffern bezeichnet. Sich überschneidende Beschreibungen sind unten nicht angegeben.
In der in 7 veranschaulichten Ausführungsform werden sowohl die erste äußere Elektrode 31, als auch die zweite äußere Elektrode 32 nicht im Wesentlichen auf einer zweiten Hauptfläche 28 an einem piezoelektrisch aktiven Bereich 33 gebildet, indem eine piezoelektrische Schicht 23b auf der Seite der zweiten Hauptfläche 28 piezoelektrisch inaktiv gemacht wird.
In 7 wird, obgleich ein Raum, welcher von der gleichen Größe wie die Dicke der zweiten äußeren Elektrode 32 ist, zwischen einem Aktuatorkörper 26 und einem Befestigungsabschnitt 22 gebildet wird, dieser Raum in der Tat mit einem Klebstoff gefüllt, der zum Befestigen des piezoelektrischen Aktuators 41 an dem Befestigungsabschnitt 22 verwendet wird.
Ähnlich zu dem piezoelektrischen Aktuator 21 von 1 hat es sich bestätigt, dass der piezoelektrische Aktuator 41 der vorliegenden Ausführungsform Verschiebungen wie die in 2 und 5 gezeigten durchmacht, und die in 6 gezeigten Verschiebungswerte und Verteilung des Verschiebungsbetrages aufweist.
Obgleich in 7 die inneren Elektroden, die direkt über der piezoelektrischen Schicht 23b auf der Seite der zweiten Hauptfläche 28 angeordnet werden, die zweiten inneren Elektroden 25 sind, die die gleiche Polarität wie die zweite äußere Elektrode 32 aufweisen, können die ersten inneren Elektroden 24, die die gleiche Polarität wie die erste äußere Elektrode 31 aufweisen, direkt darüber an Stelle der zweiten inneren Elektroden 25 angeordnet werden.
In der Struktur von 7 weist die erste äußere Elektrode 31 einen Erweiterungsabschnitt 42 auf, der sich bis zu der zweiten Hauptfläche 28 erstreckt, mit einem Endabschnitt des Erweiterungsabschnittes 42, der etwas innerhalb des piezoelektrisch aktiven Bereiches 33 angeordnet wird, so dass ein Endabschnitt des Erweiterungsabschnites 42 durch die piezoelektrische Schicht 23b nur auf einen sehr kleinen Abschnitt der zweiten inneren Elektroden zeigt, welche eine Polarität aufweisen, die sich von der Polarität des Erweiterungsabschnittes 42 unterscheidet. Es ist nicht ausreichend, dass ein Endabschnitt des Erweiterungsabschnittes 42 nur auf einen sehr kleinen Abschnitt der zweiten inneren Elektroden zeigt, um die piezoelektrische Schicht 23b piezoelektrisch aktiv zu machen. Entsprechend versteht es sich, dass eine Ausführungsform, in welcher entweder die erste äußere Elektrode 31 oder die zweite äußere Elektrode 32 längs nur einem sehr kleinen Abschnitt der zweiten Hauptfläche 28 gebildet wird, innerhalb des Gebietes der vorliegenden Erfindung fällt.
Während die Erfindung insbesondere mit Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, wird der Fachmann verstehen, dass der Verzicht auf und andere Änderungen in Form und Details darin vorgenommen werden können, ohne von dem Sinn der Erfindung abzuweichen.
Liste der Bezugszeichen Übersetzung E–D EP 98 116 210.0

Claims

Piezoelektrischer Aktuator (21) des Typs d₃₁, umfassend: einen Aktuatorkörper, der eine laminierte Struktur aus mehreren piezoelektrischen Schichten (23) und aus mehreren inneren Elektroden (24, 25) enthält, die zwischen den piezoelektrischen Schichten gebildet werden; wobei der Aktuatorkörper eine erste Hauptfläche (27), eine zweite Hauptfläche (28), eine erste Endfläche (29) und eine zweite Endfläche (30) aufweist; wobei die erste Hauptfläche (27) und die zweite Hauptfläche (28) durch nach außen zeigende Hauptflächen von zwei der mehreren piezoelektrischen Schichten (23), die die äußersten Schichten sind, bereitgestellt werden; wobei die erste Endfläche (29) und die zweite Endfläche (30) durch die Endflächen der piezoelektrischen Schichten (23) bereitgestellt werden; und eine erste äußere Elektrode (31) und eine zweite äußere Elektrode (32), welche auf mindestens der ersten Endfläche (29) und der zweiten Endfläche (30) entsprechend zum Anlegen einer Spannung daran von außen bereitgestellt werden; wobei die inneren Elektroden (24, 25) entweder als eine erste innere Elektrode (24), die mit der ersten äußeren Elektrode (31) an der ersten Endfläche (29) verbunden ist, oder als eine zweite innere Elektrode (25), die mit der zweiten äußeren Elektrode (32) an der zweiten Endfläche (30) verbunden ist, eingeteilt werden; wobei die ersten inneren Elektroden (24) und die zweiten inneren Elektroden (25) abwechselnd in einer Richtung angeordnet werden, in welcher die erste und die zweite innere Elektrode miteinander laminiert werden; wobei der Aktuatorkörper einen piezoelektrisch aktiven Bereich durch Anordnen der ersten inneren Elektroden (24) und der zweiten inneren Elektroden (25) übereinander aufweist; wobei die erste äußere Elektrode einen Verlängerungsabschnitt aufweist, der sich bis zur ersten Hauptfläche erstreckt; und wobei die zweiten inneren Elektroden auf den Verlängerungsabschnitt der ersten äußeren Elektrode im piezoelektrisch aktiven Bereich durch die piezoelektrische Schicht zeigen, welche die äußerste Schicht auf der Seite der ersten Hauptfläche ist, wodurch die piezoelektrische Schicht, welche die äußerste Schicht auf der Seite der ersten Hauptfläche ist, piezoelektrisch aktiv wird, und die piezoelektrische Schicht, welche die äußerste Schicht auf der Seite der zweiten Hauptfläche ist, piezoelektrisch inaktiv wird.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 1, bei dem entweder eine der ersten äußeren Elektrode und der zweiten äußeren Elektrode einen Verlängerungsabschnitt aufweist, welcher sich bis zur zweiten Hauptfläche erstreckt; und wobei die inneren Elektroden, die die gleiche Polarität wie die äußere Elektrode aufweisen, einen Verlängerungsabschnitt aufweisen, welcher sich bis zur zweiten Hauptfläche erstreckt, auf den Verlängerungsabschnitt zeigen, welcher sich bis zur zweiten Hauptfläche im piezoelektrischen aktiven Bereich durch die piezoelektrische Schicht erstreckt, die die äußerste Schicht auf der Seite der zweiten Hauptfläche ist, wodurch die piezoelektrische Schicht, die die äußerste Schicht auf der Seite der zweiten Hauptfläche ist, piezoelektrisch inaktiv wird.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 1, bei dem sowohl die erste, als auch die zweite äußere Elektrode im Wesentlichen nicht auf der zweiten Hauptfläche im piezoelektrisch aktiven Bereich bereitgestellt werden, wodurch die piezoelektrische Schicht, welche die äußerste Schicht auf der Seite der zweiten Hauptfläche ist, piezoelektrisch inaktiv wird.
Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Aktuatorkörper den piezoelektrisch aktiven Bereich an einer Seite in Längsrichtung davon, und einen piezoelektrisch inaktiven Bereich an der anderen Seite in Längsrichtung davon aufweist, wobei der piezoelektrisch aktive Bereich ein Befestigungsbereich ist, der an einem Befestigungsabschnitt zu befestigen ist.