JPH04100013A - Piezoelectric actuator - Google Patents

Piezoelectric actuator

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JPH04100013A
JPH04100013A JP2217140A JP21714090A JPH04100013A JP H04100013 A JPH04100013 A JP H04100013A JP 2217140 A JP2217140 A JP 2217140A JP 21714090 A JP21714090 A JP 21714090A JP H04100013 A JPH04100013 A JP H04100013A
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piezoelectric
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mass
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政則 上田
Hisashi Sawada
沢田 寿史
Akira Tanaka
章 田中
Noboru Wakatsuki
昇 若月
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Abstract

PURPOSE:To effectively absorb a chattering amplitude and to improve positioning accuracy by providing a piezoelectric plate with a mass body which has specific mass for attenuating the amplitude of chattering generated at the time of a collision against a stopper. CONSTITUTION:The load mass body 21 is installed on the piezoelectric plate 1 of the piezoelectric actuator to greatly absorb the chattering generated by the collision of the piezoelectric plate 1 against the stopper 9. The positioning accuracy of the piezoelectric plate 1 which uses the stopper 9 is increased to enable high-accuracy, fast switching. The mass and fitting position are determined by an experiment according to the chattering amplitude and it is most effective to arrange the mass body 21 at the upper end of the piezoelectric plate 1.

Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 印加電圧の大きさに比例して変位する圧電板を有する圧
電アクチュエータに関し、 圧電板をストッパで所定位置に位置決めする際にチャタ
リング振幅を有効に吸収することにより位置決め精度を
向上することを目的とし、印加電圧に比例して屈曲変位
する圧電板の両側に該圧電板の変位位置を規制するス斗
ツバを設けた圧電アクチュエータであって、上記圧電板
にストッパへの衝突時に発生するチャタリング振幅を減
衰させる所定質量の質量体を設けて構成する。
[Detailed Description of the Invention] [Summary] Regarding a piezoelectric actuator having a piezoelectric plate that is displaced in proportion to the magnitude of an applied voltage, a chattering amplitude can be effectively absorbed when the piezoelectric plate is positioned at a predetermined position with a stopper. A piezoelectric actuator is provided with a piezoelectric plate on both sides of which is bent and displaced in proportion to an applied voltage, and has grooves for regulating the displacement position of the piezoelectric plate. A mass body having a predetermined mass is provided to attenuate the chattering amplitude generated upon collision with the stopper.

〔産業上の利用分野] 本発明は、高速、高精度の変位が得られる圧電アクチュ
エータに関する。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a piezoelectric actuator that can provide high-speed, highly accurate displacement.

近年、高速、高精度と位置変換させるアクチュエータの
ニーズが高まり、特に光LAN等の光路変換を行う光ス
ィッチ(マルチ光フアイバ対応光スィッチ)として圧電
アクチュエータを用いる場合、10n+secで数百ミ
クロン程の距離を±1−程度の位置精度で位置変換させ
ることが要求される。
In recent years, there has been an increasing need for actuators that can change positions at high speed and with high precision.In particular, when piezoelectric actuators are used as optical switches (optical switches compatible with multi-optical fibers) that change optical paths in optical LAN, etc., distances of several hundred microns in 10n+sec have increased. It is required to convert the position with a positional accuracy of about ±1-.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

第7図は、従来のセラミック圧電板を用いた光スィッチ
の概略斜視図である。
FIG. 7 is a schematic perspective view of an optical switch using a conventional ceramic piezoelectric plate.

この図において、1はセラミック圧電板、3は可動光フ
ァイバ、5.7は固定光ファイバ、9はストッパを夫々
示す。
In this figure, 1 is a ceramic piezoelectric plate, 3 is a movable optical fiber, 5.7 is a fixed optical fiber, and 9 is a stopper.

可動光ファイバ9はセラミック圧電板の上端に接着され
、このセラミック圧電板1は基部において基台11に機
械的に固定されており、固定光ファイバ11 、12は
支持体(図示せず)によって固定される。
The movable optical fiber 9 is glued to the upper end of the ceramic piezoelectric plate, and the ceramic piezoelectric plate 1 is mechanically fixed to the base 11 at the base, and the fixed optical fibers 11 and 12 are fixed by a support (not shown). be done.

セラミック圧電板1の両面に形成された電極13A 、
 13B (13Aのみ図示)に電圧を与えることによ
って圧電板1の上端が矢印方向に屈曲変位し可動光ファ
イバ3を同方向に移動し、可動光ファイバ9の光軸を、
固定光ファイバ5.7のいずれかの光軸に一致させて、
両者を光学的に結合し、光の経路をスイッチングする。
electrodes 13A formed on both sides of the ceramic piezoelectric plate 1;
By applying a voltage to 13B (only 13A is shown), the upper end of the piezoelectric plate 1 is bent in the direction of the arrow, moving the movable optical fiber 3 in the same direction, and changing the optical axis of the movable optical fiber 9.
Align it with the optical axis of one of the fixed optical fibers 5.7,
The two are optically coupled and the optical path is switched.

〔発明が解決しようとする課題] しかしながら、上述の如き従来の圧電アクチュエータは
その利用範囲が低速の場合に限られ、特に高速、高精度
を要求される光スイフチとして利用するには解決すべき
課題が多く残されている。
[Problems to be Solved by the Invention] However, the conventional piezoelectric actuator as described above can only be used at low speeds, and there are problems that need to be solved when it is used as an optical switch that requires high speed and high precision. There are many left.

その中の1つとして圧電板のチャタリング(振動)があ
る。即ち、圧電板lの変位位置あるいは初期位置はそれ
ぞれストッパ9に当接することにより決められるが、そ
の衝突の際に圧電板がチャタリングを起こし、高速の位
置決めが行えないという問題があった。
One of these is the chattering (vibration) of a piezoelectric plate. That is, although the displacement position or the initial position of the piezoelectric plate 1 is determined by contacting the stopper 9, the piezoelectric plate chattering occurs during the collision, making it impossible to perform high-speed positioning.

本発明の目的は、圧電板をストッパで所定位置に位置決
めする際にチャタリング振幅を有効に吸収することによ
り位置決め精度を向上することにある。それにより本発
明の圧電アクチュエータを光スィッチなどの高速アクチ
ュエータとして応用できる。
An object of the present invention is to improve positioning accuracy by effectively absorbing chattering amplitude when positioning a piezoelectric plate at a predetermined position using a stopper. Thereby, the piezoelectric actuator of the present invention can be applied as a high-speed actuator such as an optical switch.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

上記目的を達成するために、本発明によれば、印加電圧
に比例して屈曲変位する圧電板の両側に該圧電板の変位
位置を規制するストッパを設けた圧電アクチュエータで
あって、上記圧電板にストッパへの衝突時に発生するチ
ャタリング振幅を減衰させる所定質量の質量体を設けた
ことを構成上の特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides a piezoelectric actuator in which stoppers are provided on both sides of a piezoelectric plate that bends and displaces in proportion to an applied voltage, for regulating the displacement position of the piezoelectric plate, the piezoelectric actuator comprising: The structure is characterized in that a mass body having a predetermined mass is provided to attenuate the chattering amplitude generated upon collision with the stopper.

上記圧電板は分極反転したLiNbO3により形成する
のが好ましい。
The piezoelectric plate is preferably formed of LiNbO3 with inverted polarization.

本発明に係る光スイッチ用圧電アクチュエータは、印加
電圧に比例して屈曲変位する圧電板と、該圧電板の両側
に設けられ圧電板の変位位置を規制するストッパと、上
記圧電板上に設けられ圧電板のストッパへの衝突時に発
生するチャタリング振幅を減衰させる所定質量の質量体
と、圧電板の上端にそれと共に変位可能に支持される少
なくとも1つの可動光ファイバと、この可動光ファイバ
に対向して圧電板の一例に配置され、圧電板の変位に応
じて可動光ファイバに光接続される少なくとも1つの固
定光ファイバとを有することを構成上の特徴とする。
A piezoelectric actuator for an optical switch according to the present invention includes a piezoelectric plate that bends and displaces in proportion to an applied voltage, stoppers provided on both sides of the piezoelectric plate to regulate the displacement position of the piezoelectric plate, and stoppers provided on the piezoelectric plate. A mass body having a predetermined mass that attenuates the chattering amplitude generated when the piezoelectric plate collides with the stopper, at least one movable optical fiber supported at the upper end of the piezoelectric plate so as to be displaceable together with the mass body, and a movable optical fiber facing the movable optical fiber. and at least one fixed optical fiber arranged on one example of the piezoelectric plate and optically connected to the movable optical fiber in response to displacement of the piezoelectric plate.

〔作 用〕[For production]

圧電板両側に設置したストッパにより高速位置決めが可
能となるが、その際に圧電板上に負荷質量体が設置され
ているため高速スイッチング時にストッパと圧電板との
衝突により発生するチャタリングを大幅に吸収できる。
Stoppers installed on both sides of the piezoelectric plate enable high-speed positioning, but at this time, a load mass is installed on the piezoelectric plate, which greatly absorbs chattering caused by collision between the stopper and the piezoelectric plate during high-speed switching. can.

圧電板を分極反転したLiNb0.により形成すること
により変位のヒステリシスがなくなりより高精度の位置
決めが可能となる。
LiNb0. polarization inverted piezoelectric plate. By forming this, displacement hysteresis is eliminated and positioning with higher precision becomes possible.

このアクチュエータをマルチモード光ファイバ対応の機
械式光スィッチDこ応用すれば外部振動に強い高速光ス
イッチが得られる。
If this actuator is applied to a mechanical optical switch D compatible with multimode optical fibers, a high-speed optical switch that is resistant to external vibrations can be obtained.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明の基本構成を示す図で、図中、1はPZ
T(チタン酸ジルコン配船)等からなる圧電バイモルフ
で印加電圧に比例した屈曲変位を生じる。(9)はスト
ッパで、圧電板1の位置決め用、圧電板の自由振動抑制
用に圧電板10両側に設置される。圧電板lは電圧を印
加しない自由状態では例えば左方のストッパに係止して
いる。
FIG. 1 is a diagram showing the basic configuration of the present invention, in which 1 is a PZ
A piezoelectric bimorph made of T (zirconium titanate) produces bending displacement proportional to the applied voltage. Stoppers (9) are installed on both sides of the piezoelectric plate 10 for positioning the piezoelectric plate 1 and suppressing free vibration of the piezoelectric plate. In a free state where no voltage is applied, the piezoelectric plate l is locked to, for example, a left stopper.

尚、ストッパ9と圧電板1との間に外部振動に相当する
応力を発生させておけば外部振動に強いアクチュエータ
を実現できる。11は圧電板1の固定台で圧電板はこれ
に半田固定される。圧電板1の両側面には電極13A 
、 13B (13Aのみ図示)が形成され、端子15
A 、 15Bを介して所定の電圧が印加される。
Note that by generating stress corresponding to external vibration between the stopper 9 and the piezoelectric plate 1, an actuator that is resistant to external vibration can be realized. 11 is a fixing base for the piezoelectric plate 1, and the piezoelectric plate is fixed to this by soldering. Electrodes 13A are provided on both sides of the piezoelectric plate 1.
, 13B (only 13A is shown) are formed, and the terminal 15
A predetermined voltage is applied via A and 15B.

以上の如き圧電アクチュエータにおいて、本発明によれ
ば、圧電板1の側面に質量体21が固設される。質量体
21は圧電板1がストッパ9に衝突する時に発生するチ
ャタリング(振動)を吸収するもので、その質量や取付
位置はチャタリング振幅に応じて実験的に決められる。
In the piezoelectric actuator as described above, according to the present invention, the mass body 21 is fixed to the side surface of the piezoelectric plate 1. The mass body 21 absorbs chattering (vibration) generated when the piezoelectric plate 1 collides with the stopper 9, and its mass and mounting position are determined experimentally depending on the chattering amplitude.

質量体21は圧電板1の上端に配置するのが最も効果的
である。
It is most effective to arrange the mass body 21 at the upper end of the piezoelectric plate 1.

第2図は第1図に示す圧電アクチュエータの具体的寸法
の一例を示すものである。
FIG. 2 shows an example of specific dimensions of the piezoelectric actuator shown in FIG. 1.

第3図にストッパ9と質量体21の効果を示す。FIG. 3 shows the effects of the stopper 9 and the mass body 21.

同図から、ストッパと質量体との組み合わせにより圧電
板1の振動(チャタリング)が抑制され、高速に位置変
換できる事がわかる。
From the figure, it can be seen that vibration (chattering) of the piezoelectric plate 1 is suppressed by the combination of the stopper and the mass body, and the position can be changed at high speed.

第4A、4B図は質量体21の質量とチャタリング減衰
時間の関係を示す。第4A図は圧電板上部の両側面に同
一の質量体21を設置し質量の大きさと変化させた場合
、第4B図は圧電板上部の両側面に同一の質量体(30
■)を設置し、下方に設けた追加の質量体(圧電板の一
側面のみ)21′の質量を種々変化させた場合である。
4A and 4B show the relationship between the mass of the mass body 21 and the chattering decay time. Fig. 4A shows the case where the same mass body 21 is installed on both sides of the upper part of the piezoelectric plate and the mass size is changed, and Fig. 4B shows the case where the same mass body 21 is installed on both sides of the upper part of the piezoelectric plate (30
(2)) is installed, and the mass of the additional mass body (only one side of the piezoelectric plate) 21' provided below is varied.

チャタリングは主に圧電板1の2次の共振であり、質量
体を設けることにより、この共振を抑制する。第4A、
4B図かられかるように、ストッパ9と質量体21とに
よりチャタリングをlQmsec以内に抑制できる。
Chattering is mainly secondary resonance of the piezoelectric plate 1, and this resonance is suppressed by providing a mass body. 4th A,
As can be seen from Figure 4B, the stopper 9 and the mass body 21 can suppress chattering to within 1Qmsec.

質量体21 (21’ )は例えばシリコンマスあるい
はセラミックマスにより形成される。
The mass body 21 (21') is formed of silicon mass or ceramic mass, for example.

圧電板1として、第5A図に示す如く2枚の圧電板(セ
ラミック)31をメタルスレート33を挾んで重ね合わ
せたセラミックのバイモルフを用いることもできるが、
第5B図に示す如く、分極反転させたLiNbOxを使
用すると変位のヒステリシスが無く、より高精度な位置
決めができることが確認されている。
As the piezoelectric plate 1, a ceramic bimorph formed by stacking two piezoelectric plates (ceramic) 31 with a metal slate 33 in between as shown in FIG. 5A can also be used.
As shown in FIG. 5B, it has been confirmed that when LiNbOx with inverted polarization is used, there is no displacement hysteresis and more accurate positioning can be achieved.

尚、第5A、5B図において、矢印は分極方向を示す。In addition, in FIGS. 5A and 5B, arrows indicate polarization directions.

第6A〜60図は、第2図に示すアクチュエータを光ス
ィッチに応用した実施例を示すものである。図中、第1
図で示したものと同一部品は、同一番号で示す。
6A to 60 show an embodiment in which the actuator shown in FIG. 2 is applied to an optical switch. In the figure, the first
Parts that are the same as those shown in the figures are designated by the same numbers.

基本的には圧電板工が質量体2工を有する点を除き第7
図に示す光スィッチと同様であり、可動光ファイバ(マ
ルチモード光ファイバ)43Aは圧電Fi1の上面にフ
ァイバガイド41Aを介して固定され、他方、固定光フ
ァイバ(マルチモード光ファイバ)43Bはファイバガ
イド41Bを介してケーシング50に固定支持される。
Basically, the piezoelectric plate is the seventh type except that it has two mass bodies.
It is similar to the optical switch shown in the figure, and a movable optical fiber (multimode optical fiber) 43A is fixed to the upper surface of the piezoelectric Fi1 via a fiber guide 41A, while a fixed optical fiber (multimode optical fiber) 43B is fixed to the upper surface of the piezoelectric Fi1 through a fiber guide. It is fixedly supported by the casing 50 via 41B.

ストッパ9もケーシング50に固定される。Stopper 9 is also fixed to casing 50.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明した様に、本発明によれば、数百シフロンのオ
ーダの変位を1OIIIsec以内で精度よく得られる
圧電アクチュエータが実現でき、光スィッチへ応用した
場合も高精度の高速スイッチングが可能であり実用性大
である。
As explained above, according to the present invention, it is possible to realize a piezoelectric actuator that can accurately obtain a displacement on the order of several hundred sifrons within 1OIIIsec, and when applied to an optical switch, high-precision high-speed switching is possible and practical. It's very sexual.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の基本構成を示す図解図、第2図は本発
明の一実施例を示す図、第3図は圧電板のチャタリング
防止効果を示す線図、第4A図及び第4B図はチャタリ
ング減衰時間と質量との関係を示す線図、第5A図及び
第5B図は圧電板の2つの構成例を示す図、第6A図、
第6B図及び第6C図は本発明に係る光スィッチの平面
図、正面図及び側面図、第7図は従来の圧電アクチュエ
ータを使用した光スィッチを示す斜視図。 1・・・圧電板、       9・・・ストッパ、2
1・・・質量体。
FIG. 1 is an illustrative diagram showing the basic configuration of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a diagram showing the chattering prevention effect of the piezoelectric plate, and FIGS. 4A and 4B. is a diagram showing the relationship between chattering decay time and mass; FIGS. 5A and 5B are diagrams showing two configuration examples of piezoelectric plates; FIG. 6A;
6B and 6C are a plan view, a front view, and a side view of an optical switch according to the present invention, and FIG. 7 is a perspective view showing an optical switch using a conventional piezoelectric actuator. 1... Piezoelectric plate, 9... Stopper, 2
1...mass body.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、印加電圧に比例して屈曲変位する圧電板(1)の両
側に該圧電板の変位位置を規制するストッパ(9)を設
けた圧電アクチュエータであって、上記圧電板にストッ
パへの衝突時に発生するチャタリング振幅を減衰させる
所定質量の質量体(21)を設けたことを特徴とする圧
電アクチュエータ。 2、上記圧電板は分極反転したLiNbO_3により形
成されることを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチ
ュエータ。 3、印加電圧に比例して屈曲変位する圧電板(1)と、
該圧電板の両側に設けられ圧電板の変位位置を規制する
ストッパ(9)と、上記圧電板上に設けられ圧電板のス
トッパへの衝突時に発生するチャタリング振幅を減衰さ
せる所定質量の質量体(21)と、圧電板の上端にそれ
と共に変位可能に支持される少なくとも1つの可動光フ
ァイバ(43A)と、この可動光ファイバに対向して圧
電板の一側に配置され、圧電板の変位に応じて可動光フ
ァイバに光接続される少なくとも1つの固定光ファイバ
(43B)とを有する光スイッチ用圧電アクチュエータ
[Claims] 1. A piezoelectric actuator comprising a piezoelectric plate (1) that bends and displaces in proportion to an applied voltage, and stoppers (9) for regulating the displacement position of the piezoelectric plate on both sides, the piezoelectric actuator comprising: A piezoelectric actuator characterized in that a mass body (21) having a predetermined mass is provided to attenuate the amplitude of chattering generated upon collision with a stopper. 2. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the piezoelectric plate is formed of LiNbO_3 with inverted polarization. 3. A piezoelectric plate (1) that bends and displaces in proportion to the applied voltage;
stoppers (9) provided on both sides of the piezoelectric plate to regulate the displacement position of the piezoelectric plate; and a mass body (9) of a predetermined mass provided on the piezoelectric plate to attenuate the chattering amplitude that occurs when the piezoelectric plate collides with the stopper. 21), at least one movable optical fiber (43A) displaceably supported at the upper end of the piezoelectric plate, and disposed on one side of the piezoelectric plate opposite to the movable optical fiber, and adapted to the displacement of the piezoelectric plate. a piezoelectric actuator for an optical switch, comprising at least one fixed optical fiber (43B) optically connected to a movable optical fiber.
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