專利名稱：壓電元件與超聲波執(zhí)行機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電元件及包括該壓電元件的超聲波執(zhí)行機構(gòu)。
背景技術(shù)：
到目前為止，已知有這樣的超聲波執(zhí)行機構(gòu)(參考例如專利文 獻l)，即用于各種電氣設(shè)備且包括壓電元件(電氣機械轉(zhuǎn)換元件)。 該壓電元件是通過將壓電體和電極交替著疊層而構(gòu)成的。而且，所 述超聲波執(zhí)行機構(gòu)中，通過將電壓施加在電極上而讓壓電元件振動， 由此讓可動體3運動。專利文獻l:特表2003 — 501988號公報 發(fā)明內(nèi)容發(fā)明要解決的技術(shù)問題
本案發(fā)明人對以下結(jié)構(gòu)的超聲波執(zhí)行機構(gòu)進行了考察。

圖13 是該超聲波執(zhí)行機構(gòu)的立體圖，圖14 (a)是用于超聲波執(zhí)行機構(gòu) 的壓電元件的立體圖，圖14 (b)是壓電元件的分解立體圖。
如圖13、圖14所示，壓電元件100借助設(shè)置在殼體103的三 個支承部104A 104C收納在該殼體103中。在壓電元件100的端 面設(shè)置有驅(qū)動子110、 110，這些驅(qū)動子100、 100支承可動體111。 驅(qū)動子110、 110被支承部104B擠壓到可動體111上。
壓電體101和內(nèi)部電極102交替著疊層構(gòu)成壓電元件100。內(nèi) 部電極102G是跨越壓電體101的幾乎整個主要面而設(shè)的共用電極 (接地電極)。壓電體101在圖14所示的箭頭方向上極化。
內(nèi)部電極102A 102D 、 102G分別連接在外部電極 103A 103D、 103G上。該各個外部電極103A 103D、 103G設(shè)置 在壓電元件100的端面上。例如引線108A 108D、 108G借助焊 料107連接在該各個外部電極103A 103D、 103G上。于是，電 壓通過這些引線108A 108D 、 108G供到各個內(nèi)部電極 102A 102D、 102G上。
但是，壓電元件100的后述伸縮振動的共振頻率和彎曲振動的 共振頻率分別根據(jù)壓電元件100的材料、形狀等決定。于是，決定 壓電元件100的材料、形狀等要使得伸縮振動的共振頻率和彎曲振 動的共振頻率基本上一致。
下面，對超聲波執(zhí)行機構(gòu)的動作進行說明。圖6到圖8分別是 說明壓電元件的振動形態(tài)的概念圖。
將引線108G接地，同時經(jīng)由引線108A、 108C將特定頻率的 正弦波基準(zhǔn)電壓施加到布置在壓電體IOI的主要面的一個對角線上 的內(nèi)部電極102A、 102C上，經(jīng)由引線108B、 108D將大小和頻 率大致與基準(zhǔn)電壓相等的正弦波電壓施加到布置在另一對角線上的 內(nèi)部電極102B、 102D上。這樣一來，內(nèi)部電極102A、 102C上 施加了同相位電壓，內(nèi)部電極102B、 102D上施加了同相位電壓。 當(dāng)基準(zhǔn)電壓和內(nèi)部電極102B、102D上所施加的電壓的相位差是0° 的時候，如圖6所示，壓電元件100會感應(yīng)出一次模式伸縮振動。 另一方面，當(dāng)該相位差是180。的時候，如圖7所示，壓電元件IOO 會感應(yīng)出二次模式的彎曲振動。
若將與所述基本上一致的共振頻率附近的頻率的正弦波基準(zhǔn)電 壓加到內(nèi)部電極102A、 102C上，將相位與基準(zhǔn)電壓相差90。或者 是_90。、大小、頻率基本上與基準(zhǔn)電壓相等的正弦波電壓施加給 內(nèi)部電極102B、 102D，則壓電元件IOO協(xié)調(diào)地感應(yīng)出一次模式的 伸縮振動和二次模式的彎曲振動。這樣一來，壓電元件100的形狀 便按照圖8 (a)到圖8 (d)所示的順序變化。結(jié)果是，設(shè)置在壓 電元件100上的驅(qū)動子110、 110，進行從貫穿圖8紙面的方向看 近似橢圓運動。換句話說，驅(qū)動子110、 110由于壓電元件100的 伸縮振動和彎曲振動的合成振動而進行橢圓運動。在該橢圓運動的 作用下由驅(qū)動子110、 110支承的可動體111在與壓電元件100之 間進行相對運動，朝著箭頭A或者箭頭B的方向移動。
但是，在所述超聲波執(zhí)行機構(gòu)中，至少需要將五根引線 108A 108D、 108G連接在壓電元件100上的外部電極 103A 103D、 103G上。因此，在壓電元件100振動時，引線 108A 108D、 108G、作為將引線108A 108D、 108G和外部電極 103A 103D、 103G連接起來的導(dǎo)電性連接部件的焊料107成為負 擔(dān)，而妨礙了壓電元件100的振動。結(jié)果是，有超聲波執(zhí)行機構(gòu)的 效率下降之虞。
因為在由振動帶來的應(yīng)力集中的應(yīng)力集中部有尚未形成內(nèi)部電 極102A 102D、 102G的地方，所以在使壓電元件100小型化的 情況下，得不到很大的伸縮振動。結(jié)果是，有超聲波執(zhí)行機構(gòu)的效 率進一步下降之虞。
因為在應(yīng)力集中部以外的部分尚未形成內(nèi)部電極102A 102D、是，有超聲波執(zhí)行機構(gòu)的效率進一步下降之虞。
本發(fā)明正是為解決上述問題而研究開發(fā)出來的，其目的在于 抑制對壓電元件的振動的妨礙，同時，在使壓電元件小型化的情況 下，得到很大的伸縮振動，并使不太發(fā)生由振動引起的應(yīng)力的部分 的功耗下降。 解決問題的技術(shù)方案
為達成該目的，本發(fā)明所涉及的壓電元件是這樣的。該壓電元 件，由近似矩形形狀的壓電體層和內(nèi)部電極層交替疊層而構(gòu)成。所 述內(nèi)部電極層，由在疊層方向上夾著所述壓電體層交替布置的共用 電極層和供電電極層構(gòu)成。所述共用電極層具有共用電極。所述供 電電極層，具有被設(shè)置在所述壓電體層的主要面上的第一供電電極 層、和被設(shè)置在與主要面上設(shè)置有該第一供電電極層的壓電體層不 同的壓電體層的主要面上的第二供電電極層。所述第一供電電極層 具有四個分割電極和第一連接電極，該四個分割電極分別形成在將所述壓電體層的主要面的長邊方向和短邊方向分別二等分后得到的 四個區(qū)域中，該第一連接電極將該四個分割電極中分別形成在沿所 述壓電體層的主要面的第一對角線方向相向的兩個區(qū)域中的一對分
割電極相互連接起來。所述第二供電電極層具有四個分割電極和第 二連接電極，該四個分割電極分別設(shè)置在所述四個區(qū)域中，該第二 連接電極將該四個分割電極中分別設(shè)置在沿所述壓電體層的主要面 的第二對角線方向相向的兩個區(qū)域中的一對分割電極相互連接起來。所述第一連接電極和所述第二連接電極，分別設(shè)置在所述壓電 體層的長邊方向中央部分中短邊方向兩個邊緣部分以外的部分。所 述共用電極連接在設(shè)置在所述壓電元件外面的外部電極上，所述第 一供電電極層中的分別設(shè)置在沿所述第一對角線方向相向的兩個區(qū) 域的一對分割電極與所述第二供電電極層中的分別設(shè)置在沿所述第 一對角線方向相向的兩個區(qū)域的一對分割電極，由設(shè)置在所述壓電 體層外面的外部電極連接在一起。所述第一供電電極層中的分別設(shè) 置在沿所述第二對角線方向相向的兩個區(qū)域的一對分割電極與所述 第二供電電極層中的分別設(shè)置在沿所述第二對角線方向相向的兩個 區(qū)域的一對分割電極，由設(shè)置在所述壓電體層外面的外部電極連接 在一麵。 發(fā)明的效果
根據(jù)本發(fā)明，使分別設(shè)置在將壓電體層的主要面的長邊方向和 短邊方向分別二等分后得到的四個區(qū)域中沿壓電體層的主要面的第 一對角線方向相向的兩個區(qū)域中、第一供電電極層的一對第一電極 相互導(dǎo)通，使分別設(shè)置在四個區(qū)域中沿壓電體層的主要面的第二對 角線方向相向的兩個區(qū)域中、第二供電電極層的一對第二電極相互 導(dǎo)通，便能夠使引線等的數(shù)量減少。結(jié)果是，能夠抑制對壓電元件 的振動的妨礙。
因為能夠使引線等的連接工時減少，所以很容易制造超聲波執(zhí) 行機構(gòu)。特別是，因為壓電元件的機械強度較弱，所以在將引線等 連接到外部電極上之際，有壓電元件由于機械應(yīng)力而損壞之虞。但 如上所述，因為引線等的連接工時減少了，所以便能夠減少該連接 工序下對壓電元件的破壞。
而且，因為能夠使引線和外部電極的連接點減少，所以可靠性 也提高。
而且，因為第一連接電極和第二連接電極分別被設(shè)置在壓電體層 的長邊方向中央部分的除了短邊方向兩個邊緣部分以外的部分上， 所以能夠使由于一次模式的伸縮振動產(chǎn)生的應(yīng)力集中的應(yīng)力集中部 的電極的面積增大。這樣一來，即使在使壓電元件小型化的情況下， 也能夠?qū)崿F(xiàn)很大的伸縮振動。
除此以外，根據(jù)所述結(jié)構(gòu)，第一供電電極層和第二供電電極層 形成在由振動產(chǎn)生的應(yīng)力集中的應(yīng)力集中部，不形成在該應(yīng)力集中 部以外的對振動不太做貢獻的部分。這樣一來，就能夠使不太產(chǎn)生 由振動帶來的應(yīng)力的部分的功耗下降。 附圖的筒單說明
圖1是本發(fā)明實施例所涉及的超聲波執(zhí)行機構(gòu)的立體圖。 圖2是壓電元件的立體圖。 圖3是壓電元件的分解立體圖。 圖4是壓電體層的俯視圖。圖5(a)是顯示第一供電電極層和共用電極層的位置關(guān)系的圖， 圖5 (b)是顯示第二供電電極層和共用電極層的位置關(guān)系的圖。圖6是壓電元件的變形例的分解立體圖。圖7是顯示壓電元件的動作的概念圖。圖8是一次模式的伸縮振動的位移圖。圖9是二次模式的彎曲振動的位移圖。圖IO是超聲波執(zhí)行機構(gòu)的變形例的立體圖。圖IO是第二個實施例所涉及的壓電元件的分解立體圖。圖11 (a)是壓電元件的立體圖，圖11 (b)是壓電元件的分 解立體圖。圖12是超聲波執(zhí)行機構(gòu)的變形例的立體圖。 圖13是超聲波執(zhí)行機構(gòu)的立體圖。圖14 (a)是壓電元件的立體圖，圖14 (b)是壓電元件的分 解立體圖。 符號說明
1 壓電體層 2a '2d分割電極2e第一連接電極2f引出電極3共用電極層4a '4d分割電極4e第二連接電極4f引出電極5內(nèi)部電極層6供電電極層6a第一供電電極層6b第二供電電極層7a '7d外4卩電極7g共用電極用外部電極8驅(qū)動子9可動體10引線11殼體12、23、43 壓電元i牛13a 13c 支承部具體實施方式
下面，參考附圖，詳細說明本發(fā)明的實施例。
(第一個實施例)一超聲波執(zhí)行機構(gòu)的構(gòu)成一圖1是該第一個實施例所涉及的超聲波執(zhí)行機構(gòu)的立體圖。圖 2是用于該超聲波執(zhí)行機構(gòu)的壓電元件12的立體圖。圖3是壓電元 件12的分解立體圖。圖4是壓電體層1的俯視圖。圖5 (a)是顯 示第一供電電極層6a和共用電極層3之間的位置關(guān)系的圖，圖5 (b)是顯示第二供電電極層6b和共用電極層3之間的位置關(guān)系的 圖。
如圖1到圖3所示，超聲波執(zhí)行機構(gòu)包括壓電元件12。該壓電
元件12具有相互相向的一對主要面、與該主要面垂直沿著壓電 元件12的主要面的長邊方向延伸且相互相向的一對端面、以及與 這些主要面和端面都垂直且沿著壓電元件12的主要面的短邊方向 延伸、互相相向的一對側(cè)面。主要面、端面以及側(cè)面構(gòu)成壓電元件 12的外面，端面和側(cè)面構(gòu)成壓電元件12的周圍面。在該實施例中， 主要面、端面以及側(cè)面中主要面具有最大的面積。
壓電元件12，借助三個支承部13a 13c被收納在殼體11 (支 承體)中。壓電元件12的一個端面上設(shè)置有驅(qū)動子8、 8，這些驅(qū) 動子8、 8支承著平板狀的可動體9。壓電元件12的另 一個端面(與 設(shè)置有驅(qū)動子8、 8的端面相反的那一側(cè)的端面)的支承體13b將 驅(qū)動子8、 8擠壓到可動體9上。這樣一來，驅(qū)動子8、 8的上端部 和可動體9的摩擦力便被提高，壓電元件12的振動經(jīng)由驅(qū)動子8、 8可靠地傳遞給可動體9。
壓電元件12，是近似矩形形狀的壓電體層1和內(nèi)部電極層5交 替著疊層而構(gòu)成的近似長方體形狀。該壓電體層l是由鋯鈦酸鉛等 陶瓷材料制成的絕緣體層。內(nèi)部電極層5由在疊層方向(壓電元件 12的厚度方向)上夾著壓電體層1交替著布置的共用電極層3和供 電電極層6構(gòu)成。該共用電極層3具有設(shè)置在幾乎整個壓電體層1 的上側(cè)主要面上的近似矩形的共用電極3a。該共用電極3a設(shè)置有 從該長邊方向中央部分朝著壓電元件12的兩個端面分別延伸的引 出電極3b、3b。不同的壓電體層1上的共用電極3a和共用電極3a， 經(jīng)由引出電極3b在共用電極用外部電極7g相連接。該外部電極 7g分別設(shè)置在壓電元件12的兩個端面上。
供電電極層6，由設(shè)置在壓電體層1的上側(cè)主要面上的第一供 電電極層6a、和與上側(cè)主要面上設(shè)置有第一供電電極層6a的壓電 體層1不同的壓電體層1的上側(cè)主要面上的第二供電電極層6b構(gòu) 成。也就是說，壓電體層1的主要面上印刷有共用電極層3、第一 供電電極層6a、第二供電電極層6b中的任一個層。而且，如圖3 的箭頭方向所示，壓電體層1從第一供電電極層6a或者第二供電 電極層6b —側(cè)朝著共用電極層3 —側(cè)極化。 第一供電電極層6a具有四個分割電極2a 2d和第一連接電極 2e，四個分割電極2a 2d分別形成在將壓電體層1的上側(cè)主要面的 長邊方向L和短邊方向S分別二等分而得到的四個區(qū)域A1 A4(參 看圖4)中，第一連接電極2e將四個分割電極2a 2d中分別形成 在沿壓電體層1的上側(cè)主要面的第一對角線方向Dl相向的兩個區(qū) 域A2、 A4中的一對分割電極2b、 2d連接起來。 各個分割電極2a 2d是近似矩形形狀的電極，從疊層方向看去 與共用電極層3重疊(參看圖5 (a))。也就是說，各個分割電極 2a 2d夾著共用電極層3和壓電體層1相向。各個分割電極2a 2d 上設(shè)置有從它的長邊方向中央部位朝著壓電元件12的端面延伸的 引出電極2f。該各個引出電極2f從疊層方向看去不與共用電極層3 重疊(參看圖5 (a))。也就是說，該各個引出電極2f與共用電極 層3不相向。因此，在壓電體層1的與各個引出電極2f相向的部 分不產(chǎn)生電場。亦即這部分成為壓電上的非活性部分割電極2a 2d 分別經(jīng)由引出電極2f連接在外部電極7a 7d上。外部電極7c、 7d 設(shè)置在壓電元件12的一個端面上，外部電極7a、 7b i殳置在壓電元 件12的另一個端面上。 第一連接電極2e，跨越壓電體層1的長邊方向中央部位除了短 邊方向兩個邊緣部分以外的部分幾乎整個上側(cè)主要面而形成，且從 疊層方向看去與共用電極層3重疊(參看圖5 (a))。 第二供電電極層6b具有四個分割電極4a 4d和第二連接電極 4e，四個分割電極4a 4d分別形成在將壓電體層1的上側(cè)主要面的 長邊方向L和短邊方向S分別二等分而得到的四個區(qū)域A1 A4中， 第二連接電極4e將該四個分割電極2a 2d中分別形成在沿壓電體 層1的上側(cè)主要面的第二對角線方向D2相向的兩個區(qū)域Al、 A3 中的一對分割電極4a、 4c連接起來。 各個分割電極4a 4d是近似矩形形狀的電極，從疊層方向看去 與共用電極層3重疊(參看圖5 (b))。各個分割電極4a 4d上設(shè) 置有從它的長邊方向中央部位朝著壓電元件12的端面延伸的引出 電極4f。該各個引出電極4f從疊層方向看去不與共用電極層3重
疊(參看圖5 (b))。也就是說，該各個引出電極4f與共用電極層 3不相向。因此，在壓電體層1的與各個引出電極4f相向的部分不 產(chǎn)生電場。亦即這部分成為壓電上的非活性部分割電極4a 4d分別 經(jīng)由引出電極4f連接在外部電極7a 7d上。這樣一來，第一供電 電極層6a和第二供電電極層6b的相互相向的分割電極2a 2d之 間、4a 4d之間便分別由外部電極7a 7d連接起來。 第二連接電極4e，跨越壓電體層1的長邊方向中央部位短邊方 向兩個邊緣部分以外的部分幾乎整個上側(cè)主要面而形成，且從疊層 方向看去與共用電極層3重疊(參看圖5 (b))。 如上所述，第一供電電極層6a的分割電極2b、 2d由第一連接 電極2e相互連接在一起。第一供電電極層6a的分割電極2b經(jīng)由 外部電極7b連接在第二供電電極層6b的形成在所述兩個區(qū)域A2、 A4中的一個區(qū)域A2的分割電極4b上，第一供電電極層6a的分 割電極2d經(jīng)由外部電極7d連接在第二供電電極層6b的形成在所 述兩個區(qū)域A2、 A4中的另一個區(qū)域A4的分割電極4d上。也就是 說，與第一供電電極層6a的分割電極2b、 2d不同的壓電體層1上 的第二供電電極層6b的分割電極4b、 4d相亙間利用外部電極7b、 7d連接在一起。這樣一來，第一供電電極層6a的分割電極2b、 2d 和第二供電電極層6b的分割電極4b、 4d的電位就相同了 。 如上所述，第二供電電極層6b的分割電極4a、 4c由第二連接 電極4e相互連接在一起。第二供電電極層6b的分割電極4a經(jīng)由 外部電極7a連接在第一供電電極層6a的形成在所述兩個區(qū)域Al、 A3中的一個區(qū)域Al的分割電極2a上，第二供電電極層6b的分 割電極4c經(jīng)由外部電極7c連接在第一供電電極層6a的形成在所 述兩個區(qū)域A1、 A3中的另一個區(qū)域A3的分割電極2c上。也就是 說，與第一供電電極層6a的分割電極2b、 2d不同的壓電體層1上 的第二供電電極層6b的分割電極4b、 4d相互間利用外部電極7b、 7d連接在一起。這樣一來，第一供電電極層6a的分割電極2a、 2c 和第二供電電極層6b的分割電極4a、 4c的電位就相同了 。
引線10通過焊料連接在各個外部電極7a、 7b、 7g上。于是，
用以使壓電元件12振動的電壓通過該引線IO施加在內(nèi)部電極層5 上。 但是，壓電元件12的伸縮振動的共振頻率和彎曲振動的共振 頻率分別根據(jù)壓電元件12的材料、形狀等決定。于是，決定壓電 元件100的材料、形狀等要使得伸縮振動的共振頻率和彎曲振動的 共振頻率基本上一致。在該實施例中，決定壓電元件12的材料、 形狀等，使得 一 次模式的伸縮振動的共振頻率和二次模式的彎曲振 動的共振頻率基本上一致。 如上所述，需要在壓電元件12各個端面上兩個地方共計四個 地方形成外部電極7a 7d。但是，因為與引線10連接的僅僅是壓 電元件12 —個端面上的外部電極7也無妨，所以壓電元件12和引 線10的連接處共計三個地方，分別是，外部電極7a、 7c中之一與 引線10的一個連接處(在該實施例中是外部電極7a和引線10a的 連接處)、外部電極7b、 7d中之一與引線10的一個連接處(在該 實施例中是外部電極7b和引線10b的連接處)，加起來是兩個地方， 還有共用電極用外部電極7g與引線10g的一個連接處，合計是三 個地方。這樣一來，就能夠?qū)?yīng)該連接到外部電極7的引線10的 數(shù)量減少到3個。結(jié)果是，能夠抑制對壓電元件12的振動的妨礙， 從而能夠抑制超聲波執(zhí)行機構(gòu)的效率下降。 因為能夠使引線10的連接工時減少，所以很容易制造超聲波 執(zhí)行機構(gòu)。特別是，因為壓電元件12的機械強度較弱，所以在將 引線10連接到外部電極7上之際，有壓電元件12由于機械應(yīng)力而 損壞之虞。但如上所述，因為引線10的連接工時減少了，所以便 能夠減少該連接工序下對壓電元件12的破壞。
還能夠使引線10和外部電極7的連接點減少。這樣一來，便 便能夠抑制由于設(shè)置在該連接點上的焊料對振動的妨礙。再就是， 雖然從驅(qū)動超聲波執(zhí)行機構(gòu)這一方面來看該連接點是重要的地方， 但因為容易受濕度、溫度變化等外部環(huán)境的影響，所以通過使該連 接點減少，就能使超聲波執(zhí)行機構(gòu)的可靠性提高。
為了高效地感應(yīng)出二次模式的彎曲振動，最好是，分別布置在
壓電體層1的上側(cè)主要面的對角部分的一對電極的電位相同。這里，
如上所述，第一供電電極層6a的分割電極2b、 2d通過外部電極 7b、 7d與第二供電電極層6b的分割電極4b、 4d導(dǎo)通而達到電位 相同；第二供電電極層6b的分割電極4a、 4c通過外部電極7a、 7c與第一供電電極層6a的分割電極2a、 2c導(dǎo)通而達到電位相同。 結(jié)果是，能夠使分別布置在壓電體層1的上側(cè)主要面的對角部分的 一對電4及全部電位相同。 外部電極7g分別形成在壓電元件12的兩個端面上。這樣一來， 壓電元件12的方向性就沒有了 ，在將驅(qū)動子8、 8安裝到壓電元件 12上的時候，便不需要使其位置對齊了。結(jié)果是，超聲波執(zhí)行機構(gòu) 的量產(chǎn)性提高。補充說明一下，可以讓外部電極7g僅形成在壓電 元件12的一個端面上。 除此以外，因為共用電極3a、第一供電電極層6a的分割電極 2a 2d以及第二供電電極層6b的分割電極4a 4d，分別經(jīng)由引出 電極3b、 2f、 4f連接在外部電極7a 7d、 7g上，所以能夠?qū)⒐灿?電極3a、第一供電電極層6a的分割電極2a 2d以及第二供電電極 層6b的分割電極4a 4d分別引出到壓電元件12周圍面的不同位 置上。結(jié)果是，能夠在共用電極3a、第一供電電極層6a的分割電 極2a 2d以及第二供電電極層6b的分割電極4a 4d之間確保充分 的絕緣距離。這樣一來，為了得到充分的絕緣距離，最好是，形成 電位不同的電極3a、 2a 2d、 4a 4d的引出電極3b、 2f、 4f時， 使它們之間保持壓電體層1的厚度以上的間隔。
如上所述，因為共用電極3a、第一供電電極層6a的分割電極 2a 2d以及第二供電電極層6b的分割電極4a 4d，分別經(jīng)由布置 在壓電上的非活性部分的引出電極3b、 2f、 4f連接在外部電極 7a 7d、 7g上，所以壓電元件12不會產(chǎn)生多余的振動。結(jié)果是， 壓電元件12能夠進行平衡良好的振動，該振動效率提高。 如上所述，因為使第一連接電極2e和第二連接電極4e分別形 成在壓電體層1的長邊方向中央部位的短邊方向兩個邊緣部分以外 的部分，所以能夠使壓電體層1在長邊方向中央部位的電極的面積
增大。這里，因為壓電體層1的長邊方向中央部分是一次模式的伸 縮振動的節(jié)點部分，也就是由伸縮振動帶來的應(yīng)力集中的應(yīng)力集中 部，壓電效果產(chǎn)生的電荷便集中在該應(yīng)力集中部。于是，如上所述，
通過使該部分的電極的面積增大，則即使在使壓電元件12小型化 的情況下，也能夠感應(yīng)出很大的伸縮振動。結(jié)果是，能夠使超聲波 執(zhí)行機構(gòu)的效率提高。
但是，第二連接電極4e和第二連接電極4e的電極面積越大， 所產(chǎn)生的伸縮振動就越大，然而若該電極面積過大，則會妨礙二次 模式的彎曲振動。因此，最好是，使第一連接電極2e和第二連接 電極4e的寬度在壓電體層1的長邊方向長度的5%到40%左右。 另一方面，理想情況是，第一連接電極2e和第二連接電極4e 跨越壓電體層1的短邊方向S基本上整個區(qū)域而形成，但若第一連 接電極2e和第二連接電極4e形成到壓電體層1的短邊方向邊緣部 分，就難以進行內(nèi)部電極層5間的絕緣。于是，如上所述，使第一 連接電極2e和第二連接電極4e形成在壓電體層1的除去短邊方向 兩個邊緣部分的部分上。具體而言，使第一連接電極2e和第二連 接電極4e形成在從壓電體層1的短邊方向各個邊緣沿著該短邊方 向中心進入壓電體層1的厚度方向長度的區(qū)域以外的區(qū)域。
下面，對供電電極層6等進行詳細的說明。 第一供電電極層6a的分割電極2a 2d和第二供電電極層6b 的分割電極4a 4d，形成在壓電體層1的除去長邊方向兩個邊緣部 分的部分。補充說明一下，這些分割電極2a 2d、分割電極4a 4d、 所述連接電極2e、 4e,叫做從疊層方向看去與共用電極3a重疊的 部分(參考圖5)。也就是說，供電電極層6中從疊層方向上看去不 與共用電極3a重疊的部分，不是分割電極2a 2d、 4a 4d、連接 電極2e、 4e，是引出電極2f、 4f。 但是，壓電體層1的長邊方向兩端部遠離一次模式的伸縮振動 的應(yīng)力集中部很遠，不太產(chǎn)生應(yīng)力。若在不太產(chǎn)生應(yīng)力的那個區(qū)域 形成電極，則通過那個電極供來的電力便不能被高效地轉(zhuǎn)換為振動， 而容易產(chǎn)生電氣損失。因此，為了將供來的電力高效地轉(zhuǎn)換為振動，
如上所述，在伸縮振動的應(yīng)力集中部及其附近形成電極，而在不太 產(chǎn)生應(yīng)力以外的部分不形成電極。具體而言，最好是，在從壓電體 層1的長邊方向各個邊緣朝著長邊方向中心進入長度相當(dāng)于壓電體 層1的長邊方向長度的10%的區(qū)域以外的區(qū)域，形成第一供電電極層6a的分割電極2a 2d和第二供電電極層6b的分割電極4a 4d。 若在進入長度相當(dāng)于長邊方向長度的20%的區(qū)域以外的區(qū)域形成 第一供電電極層6a的分割電極2a 2d和第二供電電極層6b的分 割電極4a 4d，就更理想了。這樣一來，便能感應(yīng)出更大的一次模 式的伸縮振動，從而使超聲波執(zhí)行機構(gòu)的效率提高。
第一供電電極層6a的分割電極2a 2d、第二供電電極層6b的 分割電極4a 4d，形成在壓電體層1的除了短邊方向中央部分以外 的部分。
但是，壓電體層1的短邊方向中央部分遠離由于二次模式的彎 曲振動而產(chǎn)生的應(yīng)力集中的應(yīng)力集中部(壓電體層1的短邊方向兩 個邊緣部分)，不太產(chǎn)生應(yīng)力。若在不太產(chǎn)生應(yīng)力的那個區(qū)域形成電 極，則通過那個電極供來的電力便不能被高效地轉(zhuǎn)換為振動，而容 易產(chǎn)生電氣損失。因此，為了將供來的電力高效地轉(zhuǎn)換為振動，如 上所述，在彎曲振動的應(yīng)力集中部及其附近形成電極，而在不太產(chǎn) 生應(yīng)力以外的部分不形成電極。具體而言，最好是，在從壓電體層 1的短邊方向中央朝著短邊方向各個邊緣進入長度相當(dāng)于壓電體層 1的短邊方向長度的10%的區(qū)域以外的區(qū)域，形成第一供電電極層 6a的分割電極2a 2d和第二供電電極層6b的分割電極4a 4d。若 在進入長度相當(dāng)于短邊方向長度的20%的區(qū)域以外的區(qū)域形成第 一供電電極層6a的分割電極2a 2d和第二供電電極層6b的分割 電極4a 4d，就更理想了。這樣一來，便能感應(yīng)出更大的二次模式 的彎曲振動，從而使超聲波執(zhí)行機構(gòu)的效率提高。
第 一供電電極層6a的分割電極2a 2d和第 一連接電極2e所呈 的形狀是相對沿著壓電體層1的上側(cè)主要面的中心點M(參看圖4) 為點對稱的形狀。第二供電電極層6b的分割電極4a 4d和第二連 接電極4e所呈的形狀是相對壓電體層1的上側(cè)主要面的中心點M 為點對稱的形狀。也就是說，引出電極2f以外的第一供電電極層 6a的形狀和引出電極4f以外的第二供電電極層6b的形狀，分別是 相對壓電元件12的上側(cè)主要面的第一對角線和第二對角線的交點 成為點對稱的形狀。這樣一來，通過使供電電極層6的形狀成為相 對壓電體層1的上側(cè)主要面的中心點M是近似點對稱的形狀，壓電 元件12的振動特別是二次模式的彎曲振動的對稱性就提高了 。這 樣一來，壓電元件12就不會產(chǎn)生多余的振動，能量損失被大幅度 地減少。結(jié)果是，能夠?qū)⒐╇婋娏Ω咝У剞D(zhuǎn)換為振動。
第 一供電電極層6a的分割電極2a 2d和第 一連接電極2e所呈 的形狀、以及第二供電電極層6b的分割電極4a 4d和第二連接電 極4e所呈的形狀，是相對壓電體層1的上側(cè)主要面的長邊方向L 延伸的中心線C (參看圖4)相互顛倒過來后的形狀。也就是說， 相對中心線C將引出電極2f以外的第一供電電極層6a的形狀顛倒 過來后的形狀，就是引出電極4f以外的第二供電電極層6b的形狀。 這樣一來，通過使第一供電電極層6a的形狀和第二供電電極層6b 的形狀成為相對該中心線C大致顛倒過來后的形狀后，壓電元件 12的振動特別是二次模式彎曲振動的對稱性就提高。結(jié)果是，壓電 元件12就不會產(chǎn)生多余的振動，能量損失大幅度地減少。結(jié)果是， 能夠?qū)⒐╇婋娏Ω咝У剞D(zhuǎn)換為振動。
壓電元件12的疊層方向最外層是壓電體層1。由此能收到以下 效果。也就是說，在將小型超聲波執(zhí)行機構(gòu)(例如長度lmm 20mm 左右)安裝到電子機器內(nèi)部的非常小的空間內(nèi)的情況下，若壓電元 件12最外層是共用電極層3或者供電電極層6，則在壓電元件12 主要面周圍的金屬部件接觸到壓電元件12的主要面的時候，有該 最外層的電極層發(fā)生短路，超聲波執(zhí)行機構(gòu)的特性明顯下降的情況。 這里，如上所述，通過使壓電元件12疊層方向最外層成為是絕緣 體的壓電體層1，則即使金屬部件接觸壓電元件12的主要面，也不 會發(fā)生短路。結(jié)果是，能夠使超聲波執(zhí)行機構(gòu)的可靠性提高。
—超聲波執(zhí)行機構(gòu)的動作一下面，對超聲波執(zhí)行機構(gòu)的動作進行說明。圖6是該實施例所 涉及的一次模式的伸縮振動的位移圖。圖7是二次模式的彎曲振動 的位移圖。圖8是顯示壓電元件12的動作的概念圖。補充說明一 下，在圖6到圖8中，壓電元件12的主要面和紙面的位置關(guān)系是 平行的位置關(guān)系。
例如，若經(jīng)由引線10將與所述基本上一致的共振頻率附近的 頻率的正弦波基準(zhǔn)電壓加到共用電極層3和第一供電電極層6a之 間，經(jīng)由引線IO將相位與基準(zhǔn)交流電壓相差90°或者是一90°、大 小和頻率基本上與基準(zhǔn)交流電壓相等的基準(zhǔn)交流電壓加在共用電極 層3和第二供電電極層6b之間，則壓電元件12會協(xié)調(diào)地感應(yīng)出圖 6所示的一次模式的伸縮振動和圖7所示的二次模式的彎曲振動。
這樣一來，壓電元件12的形狀便按照圖8 (a)到圖8 (d)所 示的順序變化。結(jié)果是，設(shè)置在壓電元件12上的驅(qū)動子8、 8，進 行從貫穿圖8紙面的方向看近似橢圓運動。也就是說，驅(qū)動子8、 8 由于壓電元件12的伸縮振動和彎曲振動的合成振動而進行橢圓運 動。在該橢圓運動的作用下由驅(qū)動子8、 8支承的可動體9在與壓 電元件12之間進行相對運動，朝著圖1所示的箭頭A或者箭頭B 的方向移動。
這里，伸縮振動的伸縮方向是壓電元件12的主要面的長邊方 向，也就是說，是可動體9的可動方向。彎曲振動的振動方向是驅(qū) 動子8、 8支承可動體9的方向。壓電元件12的疊層方向是與伸縮 振動的振動方向和彎曲振動的振動方向這兩個方向都垂直的方向。
(其它實施例)在所迷實施例中，如圖3所示，供電電極層6可以是在疊層方 向上將第一供電電極層6a或第二供電電極層6b連續(xù)疊層幾層后而 形成，或者是第一供電電極層6a和第二供電電極層6b隨意地疊層 而形成。但最好是，如圖9所示，笫一供電電極層6a的層數(shù)和第 二供電電極層6b的層數(shù)相等，供電電極層6由第一供電電極層6a 和第二供電電極層6b在疊層方向上交替著疊層而形成。
第一供電電極層6a的個數(shù)和第二供電電極層6b的個數(shù)相等。 這樣一來，壓電元件12的振動對稱性就提高。這樣做以后，壓電 元件12就不會產(chǎn)生多余的振動，能量損失大幅度地減少。結(jié)果是， 能夠?qū)⒐╇婋娏Ω咝У剞D(zhuǎn)換為振動。
供電電極層6是通過在疊層方向上交替地布置第一供電電極層 6a和第二供電電極層6b而形成的。因此，壓電元件12的連接電 極2e、 4e布置部分的振動的對稱性提高。結(jié)果是，壓電元件12就 不會產(chǎn)生多余的振動，能量損失大幅度地減少。結(jié)果是，能夠?qū)⒐?電電力高效地轉(zhuǎn)換為振動。
在所述各個實施例中，最好是《又在壓電元件12的周圍面形成 外部電極7，而不在壓電元件12的主要面形成外部電極7。在這一 情況下，因為在壓電元件12外面中面積最大的主要面上不形成外 部電極7，所以即使與周圍的金屬部件接觸，也難以發(fā)生短路。而 且，因為在外部電極7和共用電極層3之間不產(chǎn)生電場，所以壓電 元件12不會產(chǎn)生多余的振動，從而能夠抑制超聲波執(zhí)行機構(gòu)的效 率下降。
在所述實施例中，使分割電極2a 2d、 4a 4d為近似矩形的電 極，但并不限于此，例如可以使分割電極2a 2d、 4a 4d為對應(yīng)于 由振動帶來的應(yīng)力分布的形狀。
在所述各個實施例中，說明的是利用焊料將引線10連接到外 部電極7的情況，不僅如此，還可以利用以下其它的電氣連接方法。 例如，通過線焊的連接、由導(dǎo)電性粘接劑的連接、利用壓力接合的 連接、利用接觸的連接等。這樣做，能夠收到與所述各個實施例一 樣的效果。
在所述實施例中，說明的是用引線10供電的情況，還可以利 用其它的供電方法。例如，用導(dǎo)電性椽膠供電、用柔性基板供電、 用接觸針供電等。這樣做，也能收到也所述實施例一樣的效果。
以下說明用導(dǎo)電性橡膠供電的一個例子。如圖10、圖ll所示， 各個支承部13a、 13b、 13c，由將硅橡膠中混入金屬粒子所得到的 導(dǎo)電性椽膠構(gòu)成。第一供電電極層6a的區(qū)域A4 (參看圖4)的分 割電極2d上設(shè)置有從該分割電極2d朝著壓電元件43的側(cè)面延伸 的引出電極2g。第二供電電極層6b的區(qū)域A3 (參看圖4)的分割
電極4c上設(shè)置有從該分割電極4c朝著壓電元件43的側(cè)面延伸的 引出電極4g。壓電元件43的兩個側(cè)面上分別設(shè)置有外部電極7e、 7f。共用電極3a經(jīng)由外部電極7g連接在支承部13b上。第一供電 電極層6a的分割電極2b、2d和第二供電電極層6b的分割電極4b、 4d，經(jīng)由引出電極2g和外部電極7e連接在支承部13c上。第一供 電電極層6a的分割電極2a、 2c和第二供電電極層6b的分割電極 4a、 4c，經(jīng)由引出電極4g和外部電極7f連接在支承部13a上。于 是，電壓通過這些支承部13a 13c等施加到內(nèi)部電極層5上。其它 方面的情況基本上和第三個實施例一樣。如上所述，因為不需要在 壓電元件43上設(shè)置焊料，所以能夠抑制由振動引起的應(yīng)力集中在 設(shè)置有焊料的壓電元件43的部位，壓電元件43破裂。
在所述實施例中，靠超聲波執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動力而被驅(qū)動的可動 體9是平板形狀，但并不限于此，可以采用任意的構(gòu)成作為可動體 9的構(gòu)成?？梢允侨鐖D12所示的結(jié)構(gòu)，可動體是一個能夠圍繞規(guī)定 的X軸旋轉(zhuǎn)的圓板體9，超聲波執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動子8、 8與該圓板 體9的側(cè)周面9a接觸。在這樣的結(jié)構(gòu)的情況下，若驅(qū)動超聲波執(zhí) 行機構(gòu)，則該圓板體9由于驅(qū)動子8、 8所進行的近似橢圓運動圍 繞著規(guī)定的X軸轉(zhuǎn)動。
在所述各個實施例中，說明的是將驅(qū)動子8、 8設(shè)置在壓電元 件12的一個端面上的情況，不僅如此，還可以使驅(qū)動子8、 8形成 在壓電元件12的一個側(cè)面上。在該情況下， 一次模式的伸縮振動 的伸縮方向成為驅(qū)動子8、 8支承可動體9的方向，二次模式的彎 曲振動的振動方向成為可動體9的可動方向。
在所述實施例中，用殼體ll構(gòu)成支承體，不僅如此，只要是支 承壓電元件12的支承部，任何結(jié)構(gòu)都可以。 工業(yè)實用性
綜上所述，本發(fā)明，通過在供電電極層的構(gòu)成上下工夫，抑制 了對壓電元件的振動的妨礙，對用于各種電子設(shè)備等的超聲波執(zhí)行 機構(gòu)等很有用。
權(quán)利要求
1. 一種壓電元件，由近似矩形形狀的壓電體層和內(nèi)部電極層交替疊層而構(gòu)成，其特征在于所述內(nèi)部電極層，由在疊層方向上夾著所述壓電體層交替布置的共用電極層和供電電極層構(gòu)成，所述共用電極層具有共用電極，所述供電電極層，具有被設(shè)置在所述壓電體層的主要面上的第一供電電極層、和被設(shè)置在與主要面上設(shè)置有該第一供電電極層的壓電體層不同的壓電體層的主要面上的第二供電電極層，所述第一供電電極層具有四個分割電極和第一連接電極，該四個分割電極分別形成在將所述壓電體層的主要面的長邊方向和短邊方向分別二等分后得到的四個區(qū)域中，該第一連接電極將該四個分割電極中分別形成在沿所述壓電體層的主要面的第一對角線方向相向的兩個區(qū)域中的一對分割電極相互連接起來，所述第二供電電極層具有四個分割電極和第二連接電極，該四個分割電極分別設(shè)置在所述四個區(qū)域中，該第二連接電極將該四個分割電極中分別設(shè)置在沿所述壓電體層的主要面的第二對角線方向相向的兩個區(qū)域中的一對分割電極相互連接起來，所述第一連接電極和所述第二連接電極，分別設(shè)置在所述壓電體層的長邊方向中央部分中短邊方向兩個邊緣部分以外的部分，所述共用電極連接在設(shè)置在所述壓電元件外面的外部電極上，所述第一供電電極層中的分別設(shè)置在沿所述第一對角線方向相向的兩個區(qū)域的一對分割電極與所述第二供電電極層中的分別設(shè)置在沿所述第一對角線方向相向的兩個區(qū)域的一對分割電極，由設(shè)置在所述壓電體層外面的外部電極連接在一起。所述第一供電電極層中的分別設(shè)置在沿所述第二對角線方向相向的兩個區(qū)域的一對分割電極與所述第二供電電極層中的分別設(shè)置在沿所述第二對角線方向相向的兩個區(qū)域的一對分割電極，由設(shè)置在所述壓電體層外面的外部電極連接在一起。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的壓電元件，其特征在于引出電極分別設(shè)置在共用電極、第一供電電極層的分割電極以及第二 供電電極層的分割電極上，所述引出電極連接在所述外部電極上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電元件，其特征在于 從疊層方向上看，共用電極層和第一供電電極層的引出電極以及第二供電電極層的引出電極不重疊。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電元件，其特征在于分割電極，被設(shè)置在所述壓電體層中的長邊方向兩個邊緣部分以外的 部分上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的壓電元件，其特征在于上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的壓電元件，其特征在于供電電極層的分割電極和連接電極所呈的形狀，是相對所述壓電體層 的主要面的中心點為點對稱的形狀。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電元件，其特征在于 第一供電電極層的分割電極及第一連接電極所呈的形狀和第二供電電極層的分割電極及第二連接電極所呈的形狀，是相對沿著所述壓電體層的 主要面的長邊方向延伸的中心線相互顛倒過來的形狀。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波執(zhí)行機構(gòu)，其特征在于 第一供電電極層的層數(shù)和第二供電電極層的層數(shù)相等。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電元件，其特征在于供電電極層，是所述第一供電電極層和所述第二供電電極層在疊層方 向上交替布置而構(gòu)成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所迷的壓電元件，其特征在于 壓電元件在疊層方向上的最外層是所迷壓電體層。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所迷的壓電元件，其特征在于外部電極，僅被設(shè)置在由所述壓電元件的端面和側(cè)面構(gòu)成的周圍面上。
12. —種超聲波執(zhí)行機構(gòu)，其特征在于包括權(quán)利要求1所述的壓電元件、設(shè)置在所述壓電元件的端面或者 側(cè)面的驅(qū)動子以及由所述驅(qū)動子支承的可動體，向所述內(nèi)部電極層供電，來讓所述壓電元件進行合成了一次模式的伸 縮振動和二次模式的彎曲振動的振動，讓所述驅(qū)動子在該振動的帶動下進行近似于橢圓的運動，從而讓所述可動體在與所述壓電元件之間做相對運 動。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的超聲波執(zhí)行機構(gòu)，其特征在于 進一步包括具有支承壓電元件的支承部的支承體，所述支承部由導(dǎo)電性椽膠制成。
全文摘要
內(nèi)部電極層(5)由在疊層方向上夾著壓電體層(1)交替布置的共用電極層(3)和供電電極層(6)構(gòu)成。共用電極層(3)具有共用電極(3a)。供電電極層(6)由第一供電電極層(6a)和第二供電電極層(6b)構(gòu)成。第一供電電極層(6a)具有四個分割電極(2a～2d)和將分割電極(2b、2d)連接起來的第一連接電極(2e)。第二供電電極層(6b)具有四個分割電極(4a～4d)和將分割電極(4b、4d)連接起來的第二連接電極(4e)。第一連接電極(2e)和第二連接電極(4e)分別設(shè)置在所述壓電體層的長邊方向中央部分中短邊方向兩個邊緣部分以外的部分。共用電極(3a)連接在外部電極(7g)上。第一供電電極層(6a)的分割電極(2b、2d)和第二供電電極層(6b)的分割電極(4b、4d)由外部電極(7b、7d)連接起來。第一供電電極層(6a)的分割電極(2a、2c)和第二供電電極層(6b)的分割電極(4a、4c)由外部電極(7a、7c)連接起來。
文檔編號H02N2/00GK101213734SQ200780000059
公開日2008年7月2日 申請日期2007年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月7日
發(fā)明者足立祐介 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社