JPH0438152B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は微小変位や微小角度の制御および高速
応答などに使用する性能の優れた圧電体変位装置
に関するものである。

従来の技術と問題点 圧電体は電圧を印加すると歪み、変位が得られ
る。この変位量は一般に微小であり、実用レベル
の変位量を得るために従来より種々の工夫がなさ
れいてる。

複数枚の圧電板を積層した、いわゆる積層変位
体は圧電板の縦効果変位を利用するもので、その
圧電常数d33は大きく有利である。しかし変位量
は積層方向の長さに比例するため、必要な変位量
を得るには多数の圧電板を積層しなければなら
ず、その作業は煩雑であり、この種の装置が高価
になる理由の一つであつた。また圧電板の変位は
それぞれ隣接する圧電板との接触部分を通して積
層方向に伝達されるが、その変位量は微小である
ため、接触部分の状態によつて全体の変位量が大
きく影響される。そして、繰返し使用するうちに
接触部分の状態が変り、特性が不安定になる欠点
があつた。

別の工夫として、圧電板の横効果を利用したバ
イモルフがある。バイモルフは、例えば金属板の
両面にそれぞれ圧電体シートを貼付けたもので、
前記２枚の圧電体に適当な電圧を印加することに
より、一方の圧電体が伸びるとき他方の圧電体は
収縮して、金属板を一方向に曲げるように作用さ
せている。横効果の圧電常数d31はd33にくらべ
て小さく不利であるが、バイモルフは長さ寸法の
二乗に比例した大きな変位が得られる利点があ
る。しかし、バイモルフには２枚の圧電板の接着
や接合による応力が作用していること、さらに屈
曲による変位を得るため、その端部を機械的に固
定する際にはそれによる応力も加わり、これらは
熱的、経時的にも変化するので、微小変位的に複
雑な挙動を示す。そして、これらが屈曲方向の角
度に変化を与え、長さ寸法に比例した先端変位と
して拡大され誤差となるため、熱的・経時的に不
安定になる欠点があつた。

問題点を解決するための手段 本発明は水平ビームと、該水平ビームの両端に
連結した夫々２本ずつ合計４本の垂直ビームと、
前記各垂直ビームの他端側に連結し中央部で分割
された水平ビームを備え、少なくとも左右夫々１
本の垂直ビームに、該垂直ビームを垂直方向に伸
縮させる駆動用電極を設けたことを特徴とするも
ので、別に特別な拡大機構を設けることなく大き
な変位が得られ、且つ、角度制御も可能な圧電体
変位装置を提供するものである。

実施例 以下に本発明の一実施例を図面について説明す
る。第１図はチタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸バ
リウムなどを材料として一体に形成されている本
発明圧電体変位装置の実施例である。

１は水平ビーム、２ａ〜２ｄは前記水平ビーム
１の両端部にそれぞれ２本づつ並行に形成された
垂直ビームで、この内、両端の垂直ビーム２ａ，
２ｂにはそれぞれ両面に銀や白金などよりなる駆
動用電極３ａ，３ｂが設けられている。前記電極
が設けられた垂直ビーム２ａ，２ｂ（以下、これ
を垂直動作ビームと言う）は第２図に示す如く、
矢印Ｐ方向に分極されている。４ａ，４ｂは前記
４本の垂直ビームの他端に連結している水平ビー
ムで、中央部においてスリツト５により左右に分
離されている。６は前記電極に電圧を印加するた
めのリード線、７は電源である。

上記装置において、垂直動作ビーム２ａ，２ｂ
はその厚さ方向（垂直ビームの長さ方向に対し直
角方向）に分極されているから、分極方向に電圧
を印加すると、その極性により、垂直動作ビーム
は長さ方向に伸縮する。例えば第２図に示す方向
に電圧を印加するときは、矢印αで示すように、
垂直動作ビーム２ａ，２ｂは長さ方向に収縮す
る。そしてこの収縮変位は垂直ビーム２ｃ，２ｄ
（以下、これを垂直固定ビームと言う）を支柱と
して水平ビーム４ａ，４ｂの中央スリツト部で拡
大される。すなわち、第３図に示すように、垂直
動作ビーム２ａ，２ｂから垂直固定ビーム２ｃ，
２ｄと水平ビーム４ａ，４ｂの中央スリツト部５
までの長さをそれぞれａ，ｂとしたとき、収縮変
位△y1は水平ビーム４ａ，４ｂの中央スリツト
部で、収縮方向とは反対方向（矢印Ｙ方向）にほ
ぼｂ／ａ倍に拡大される。また、第２図と逆の電
圧を印加したときは、垂直動作ビーム２ａ，２ｂ
は伸長変位し、中央スリツト部では伸長方向と反
対方向の拡大変位が得られる。

第４図（符号は第１図と共通である）は本発明
の他実施例を示すもので、第１図の実施例におけ
る垂直固定ビーム２ｃ，２ｄの両面にも、それぞ
れ電極３ｃ，３ｄを付着させ、分極を施して垂直
動作ビームとしたもので、この例では２ａと２ｃ
および２ｂと２ｄは一方（例えば垂直ビーム２
ａ，２ｂ）が矢印αで示すように収縮するとき
は、他方（垂直ビーム２ｃ，２ｄ）は矢印βで示
すように伸長方向に電圧を印加することによつて
垂直ビームの変位が加算されて拡大される。さら
にまた、本実施例では水平ビーム４ａ，４ｂの両
面にもそれぞれ電極８ａ，８ｂを付着させ、分極
を施しており、別の電源を用いて水平方向にも変
位し得るようにしたものである。従つて、水平ビ
ーム４ａを水平方向に伸長し、水平ビーム４ｂを
収縮する方向に電圧を印加するとスリツト５の位
置は矢印ｘ１の方向へ移動する。同様に、逆方向
に電圧を印加することによりｘ２の方向へも移動
させ得る。

これ等変位拡大機構を持つた圧電体変位装置
は、例えば次のような常法により製作できる。

即ち、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸バリウ
ムを原料として常法でグリーンシートを得る。こ
れを実施例に述べた形状に一体に打抜き、高温で
焼成して焼結体を得る。そして各実施例に応じて
必要な部分にスクリーン印刷や蒸着法で電極を付
着させる。次いで各電極間に直流高電圧を印加
し、分極して完成させる。尚、スリツト５のない
連続した焼結体を得た後、適当な時点でカツター
によりスリツト５を設けてもよい。さらにまた、
各垂直ビームと水平ビーム４ａ，４ｂとの連結部
で変位拡大機構に付随して回転が生じる部分に
は、円形切欠部を設け、それによる応力を減じて
変位拡大が容易に行なわれ、かつ応力により連結
部が破損するのを防止するなどの方法もとれる。

本発明ではチタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材
料からなる一般的な圧電体について述べたが、垂
直ビームを収縮させて利用する場合や、あるいは
バイアス電圧を用いる場合には電歪材料を用いて
も本発明を実施することができる。電歪材料は電
圧を印加したとき、それと直角方向には電圧の極
性に無関係に電圧の二乗に比例した収縮変位を生
じる。電圧の印加により生じた歪を利用した本発
明では電歪材料もまた本発明の技術範囲に含まれ
るものである。電歪材料を用いた装置は分極処理
が不要な点を除き、圧電材料の場合と同様な方法
で製作できる。さらにまた、たとえばチタン酸ジ
ルコン酸鉛などの圧電性を有する粉末とエポキシ
樹脂等の有機物とからなる複合圧電体について
も、適当な方法による成型、付極、分極などの工
程により、本発明の一体化した圧電体変位装置を
得ることができる。

発明の効果 本発明は上述の如き構成を有するものであり、
次の如き多くの利点を有する。

動作部分を構成する上部の水平ビームに中央
スリツト５を設けているため、垂直ビームの垂
直方向の変位が容易に拡大されるばかりてな
く、垂直ビームの変位量を独立に制御して水平
ビーム４ａ，４ｂの拡大変位量の大きさと方向
を変えることができ、中央スリツト部５に配置
した物体の角度を変えるような用途にも使用で
きる。

左右対象に形成されているから、それぞれ左
部または右部を単独に使用する場合に比べ、構
造が安定し、使い易く、より剛性が大きくな
る。

変位拡大のための接着部分や接合部分はな
く、別の変位拡大機構を付加するときの繁雑さ
やガタツキの問題も解消できる。

曲げによる変位拡大ではなく、直接伸縮によ
る変位を利用しているから取付部分の応力によ
る変位の誤差が拡大されることもなく、安定な
変位が得られる。

本発明は極めて簡単な構造であり、大量に安
価に製作できるもので、同一の性能のものが容
易に得られる。

複数枚の本発明装置を厚さ方向に重ねて耐荷
重用として使用することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明圧電体変位装置の一実施例を示
す正面図、第２図は本発明装置の動作を説明する
ための横断面図、第３図は本発明装置における拡
大機構の動作原理を説明する図、第４図は本発明
装置の他実施例を示す正面図である。 １……水平ビーム、２ａ〜２ｄ……垂直ビー
ム、３ａ〜３ｄ……電極、４ａ，４ｂ……分割さ
れた水平ビーム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水平ビームと、該水平ビームの両端に連結し
   た夫々２本ずつ合計４本の垂直ビームと、前記各
   垂直ビームの他端に連結し中央部にて分割された
   水平ビームを備え、少なくとも左右夫々１本の垂
   直ビームに該垂直ビームを垂直方向に伸縮させる
   駆動用電極を設けたことを特徴とする一体に成形
   された圧電体変位装置。