JPS6070981A - 圧電式回動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、圧電現象を示すプラスチック系の電気機械変
換物質を用いた圧電式回動装置に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 一般に、直流の電圧計あるいは電流計等の可動コイル形
計器等には、いわゆるガルバノモータが使用されている
。このガルバノモータは、永久磁石による平等磁界中に
、可動コイルを置き、測定電流を該コイルに流したとき
に生じる電磁力を駆動トルクとして用いるものである。

このようなガルバノモータの構造は、例えば、第１図お
よび第２図の原理説明図に示すように、永久磁石１の空
隙中に回動軸２に固定された回転子３が配設されており
、この回転子３に可動コイル４が巻回され、かつ回動軸
３にはうず巻ばね５とブラシ６とが配設されている。そ
して可動コイル４にはうず巻ばね５．ブラシ６を介して
電流が流れるようになっている。即ち、可動コイル４に
電流が流れると磁界が発生し、永久磁石１の平等磁界中
で、回動子３がうず巻ばね５の反力に抗して回動し、又
、可動コイル４に流れる電流の方向を逆にすると逆方向
に回動する。このような原理によるガルバノモータは、
電流計等に用いられる場合には、回動輪に指針を固定し
、可動コイルに流れる電流に対応するよう目盛を設ける
ようにすればよい。又、この原理によるガルバノモータ
を往復運動を要する回動装置に用いることもできる。

回動装置として用いたものは、例えば、体腔内用超音波
送受波装置の一部として用いたものがある。

この装置は、超音波を利用して対象物に関する情報を得
る手段を、内？Ｊ！鏡の先端部に応用したものであり、
内視鏡の照明用及び観察用光学系の充分近傍に往復回動
される回転軸に超音波探触子又は超音波ミラーをその回
転中心が略一致するように固定することにより、上記往
復回動によるセクタ走査により形成される超音波断層像
を得ることができるようにしたものである。その他、こ
の積の回動装置は各分野において応用されてきている。

しかしながら、従来の構造による可動コイル形のガルバ
ノモータは、構造が複雑であり、構成部品点数が多く小
型化するにも限界があった。特に、内視鏡の先端部の体
腔内用超音波送受波装置等に用いられる回動装置は簡単
な構造でコンパクトにできるものが要請されている。又
、従来の構造では、原理的に回動範囲が制限されており
、１８００以上回動することができず、さらにエネルギ
ー効率も約３０％程度である。

［発明の目的］ 本発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、簡単な
構造であって、小型化が容易になり、又、回動範囲も必
要により３６０°以上とでき、さらにはエネルギー効率
も高くすることが可能となる圧電式回動装置を提供する
ことを目的とする。

［発明の概要］ 上記目的を達成するために本発明は、圧電現象を示す電
気機械変換物質からなるプラスチックフィルムを、該フ
ィルムの分極方向を互に逆向きにして接合したものの両
面に電極を設けた接合フィルムを形成し、この接合フィ
ルムを１枚若しくは複数枚積層したものを単独で又はば
ね性を有する部材とともにうず巻状に形成し、このうず
巻の中心部あるいはうず巻の外周端部の一方を固定し、
前記接合フィルムの電極間に電圧を印加して回動するよ
うに構成している。

［発明の実施例１ 以下、図面を参照して本発明に用いられる湾曲動作をす
る接合フィルムについてまず説明する。

プラスチック系の電気機械変換物質としてポリフッ化ビ
ニリデン等の材料が知られているが、このポリフッ化ビ
ニリデンは、フッ化ビニリデン（ＣＨ２＝ＣＦ２　）の
重合体で、構造上極性が大きく結晶性で典型的な誘電性
高分子として振る舞い、例えば、この材料よりなるフィ
ルムは強い圧電現象を示す。これらの材料は通常超音波
振動子、マイクロホンあるいはスピーカ等に応用されて
いるが、第３図に示すように、接合フィルム１１をポリ
フッ化ビニリデンの材料よりなり、分極方向が厚さ方向
で互に逆向きの２枚のフィルム１２．１３を接合して、
その厚さをｔの寸法に形成して、両面に電極１３．１４
を設け、この電極１３，１４間に電圧を加えると、第４
図に示すように湾曲する。又、この電圧の方向を変える
と逆方向に湾曲する。

以上の現象は第５図に示すような構造にすることにより
定量的な関係としてめることができる。

５− 即ち、第３図に示すと同様のポリフッ化ビニリデンの２
枚のフィルム１２．１３を接合して、その厚さをｔの寸
法の接合フィルム１１に形成して、両面に電極１４．１
５を設けるとともに、その長手方向の長さをｌとし、片
持ちばりを構成する。

そして、電極１４．１５間に一定の電圧Ｅを印加すると
、接合フィルム１１の先端部は、χの距離だけ変位する
。この場合、先端部の変位χおよび湾曲力Ｆは次の関係
式を満す。

χ−３Ｘｉ２Ｘｄ　ｘＥ／ｌ” Ｆ＝３×ｔｘＢｘｄｘＹｘＥ／４×ｌ ここで、ｄは面方向の圧電定数、Ｂは接合フィルムの幅
、Ｙは接合フィルム１１のヤング率を示す。

従って、以上の定量的関係式より、湾曲の半径は接合フ
ィルム１１の厚さｔが大きくなるとともに増大し、印加
電圧Ｅに反比例している。又、湾曲力Ｆは印加電圧Ｅに
比例している。この湾曲力は、２枚のポリフッ化ビニリ
デンのフィルム１２，１３を接合したものを１組として
接合フィルム１１を形成したものにつき発生するのであ
るから、こ６− れらの接合フィルム１１を複数枚積層することにより、
何倍かの力を発生させることができる。第６図は、接合
フィルムを複数枚積層したもので、第３図に示すと同様
の接合フィルム１１が極性により湾曲する方向にそろえ
て、かつ積層面の中央部分の一部のみ接着されている。

このように接合フィルム１１を積層したものに第７図に
示すように、各接合フィルム１１の電極間に同一方向に
電圧が印加されるように接続すると、各接合フィルム１
１は湾曲して同一の半径となる。又、湾曲力は積層した
接合フィルム１１の枚数倍だけ増加することとなる。

次に以上説明した原理を適用した本発明の具体的実施例
を図面を参照して説明する。

第８図および第９図は本発明の第一実施例に係り、第８
図は圧電式回動装置を説明する斜視図、第９図は第８図
のうず巻ばねの断面構造を示す説明図である。

これらの図において符号２１は圧電式回動装置であり、
この装置２１はうず巻ばね２２と、回動軸２３と、電圧
を発生させて回動を制御する制御装置ｆ２４等とから構
成されている。前記うず巻ばね２２は、圧雷瑣象を示す
電気機械変換物質からなるプラスチックフィルム、例え
ばポリフッ化ビニリデンの分極方向が厚さ方向で互に逆
むきの２枚のフィルム２５．２６を接合して、その両面
に電極２７．２８が設けられた細長い所定の幅の帯状の
接合フィルムをうず巻状に形成されている。

そして、このうず巻ばね２２のうず巻中心には回動軸２
３が、該回動軸２３の軸中心を合わせて取付けられてお
り、又前記うず巻ばね２２の他端部は固定されている。

前記電極２７．２８は、所定の電圧が印加されるよう制
御装［２４に電気的に接続されている。

このような構成からなる本発明の第一実施例に係る圧電
式回動装置２１によれば、まず制御［ｌ装置２４により
所定の電圧が発生しうず巻ばね２２にその電圧が印加さ
れると、該うず巻ばね２２は、湾曲して、うず巻中心で
は、該中心で回動すように動作する。従って回動軸２３
は電圧に応じた回動をすることになる。又、電圧の印加
方向を逆にすると逆方向に回動する。制卸装置２４で交
番電圧を印加すると、可動軸２３は第８図の矢印の方向
に単振動をする。この単振動の周期は、うず巻ばね２３
を形成するポリフッ化ビニリデンの材料特性、形状、印
加電圧等により変えることができる。以上に説明した動
作にて回動させることができるが、この圧電式回動装置
２１は、電圧に応じて回動する圧電材料をうず巻ばねと
しているので、構造が簡単となり従来の可動コイル形の
ガルバノモータに必要とした、永久磁石１回転子、可動
コイルあるいはブラシ等が実質的に不要となり、小型化
が容易となる。又従来の構造では原理的に１８０’以上
回動させることができなかったが、本発明による回動装
置では、うず巻ばねのうず巻数を多くすることにより３
６０°以上も回動させることも可能となる。さらに、こ
の構造の装置ではエネルギー効率を６０〜７０％程変に
することができる。

第１０図は本発明の第二実施例に係り、うず巻９− ばねの構造を示す説明図である。尚、第一実施例と対応
する部分および部材は同一符号を記す。

この実施例は、うず巻ばね３１が、第一実施例と同様の
ポリフッ化ビニリデンよりなる２枚のフィルム２５．’
２６を接合して、その両面に電極２７．２８を設けた接
合フィルムを、燐青銅あるいは鋼等の材質からなる板状
の金属ばね３２に両側より接着して、うず巻状に形成さ
れている。そして、前記電極２７．２８は金属ばね３２
の両側の同一方向に湾曲するように制卸装置２４に電気
的に接続されている。

このような構成からなる本発明の第二実施例に係る圧電
式回動装置によれば、第一実施例と同様の動作にて回動
させることができるが、この実施例は、うず巻ばねのば
ね定数がプラスチックの接合フィルムだけでは不足する
ときに適用できるものである。

第１１図は本発明は第三実施例に係り、うず巻ばねの構
造を示す説明図である。尚、第一実施例と対応する部分
および部材は同一符号を記す。

１０− この実施例は、うず巻ばね４１が第一実施例と同様のポ
リフッ化ビニリデンよりなる２枚のフィルム２５．２６
を接合して、その両面に電極２７゜２８を設けた接合フ
ィルムを、燐青銅あるいは鋼等の材質からなる線状の金
属ばね４２を介装して積層し、うず巻状に形成されてい
る。そして電極２７．２８は第二実施例と同様に制御装
置２４に電気的に接続されている。

このような構成からなる本発明の第三実施例に係る圧電
式回動装置によれば第一実施例と同様の動作にて回動さ
せることができ、又第二実施例と同様にばね定数の不足
を補うことができる。

第１２図は本発明の第四実施例に係り、圧電式回動装置
を説明する斜視図である。

この実施例の圧電式回動装置５１は、前記実施例と同様
のうず巻ばね５２のうず巻中心を固定して、うず巻ばね
５２の外側に円筒状の回動軸５３を固定して設けたもの
である。又、前記実施例と同様に制御装置２４に電気的
に接続されている。

このような構造からなる本発明の第四実施例に係る圧電
式回動装置４１ではうず巻中心が固定され、うず巻の外
側端が回動させることができる。

尚、前記各実施例において、接合フィルムを複数枚積層
してうず巻状に形成したものでもよく、積層枚数を多く
すれば、それだけ回動トルクを増大させることができる
ようになる。又、接合フィルムだけでばね定数が不足す
る場合に、板状あるいは線状の金属ばねとともに接合フ
ィルムをうず巻状に形成しているが、金属ばねを回動輪
に別途設けるようにしてもよい。ざらに金属ばねの形状
あるいは配設数は実施例に限定されず、ざらに又材質も
金属以外でもばね性を有する部材であればよい。

尚、本発明の圧電式回動装置は、直流の電圧計。

電流計等の可動コイル形計器のガルバノモータのかわり
に応用できるだけでなく、例えば、内視鏡の超音波送受
波装置の超音波ミラー回動用、ビデオディスクのトラッ
キング、レーザのスキャン。

カメラのオートフォーカス等で形状を小型化する必要が
ある場所に応用することができる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、圧電現象を示す電気
機械変換物質からなるプラスチックフィルムを接合した
フィルムをうず巻状に形成し、このうず巻中心あるいは
うず巻の外周端部に回動輪を設け、前記接合したフィル
ムに電圧を印加するようにしているので、従来の可動コ
イル形のガルバノモータよりも構造が簡単で、小型化が
容易になり、又回動範囲も必要により３６０６以上とで
き、さらにはエネルギー効率を高くできる効果をあげる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来例に係り、第１図はガルバノ
モータの構造を示す説明図、第２図は第１図のガルバノ
モータの断面図、第３図は接合フィルムの構成を示す説
明図、第４図は電圧を印加したときの接合フィルムの動
作を示す説明図、第５図は接合フィルムの定量的関係を
示すための説明図、第６図は接合フィルムを積層したも
のを示す図、第７図は第６図の積重した接合フィルムに
１３− 電圧を印加したとき、の動作を示す説明図、第８図およ
び第９図は本発明の第一実施例に係り、第８図は圧電式
回動装置を説明する斜視図、第９図は第８図のうず巻ば
ねの断面構造を示す説明図、第１０図は本発明の第二実
施例に係り、うず巻ばねの構造を示す説明図、第１１図
は本発明の第三実施例に係り、うず巻ばねの構造を示す
説明図、第１２図は本発明の第四実施例に係り、圧電式
回動装置を説明する斜視図である。 ２１．５１・・・圧電式回動装置 ２２．３１．４１．５２・・・うず巻ばね２３．５３・
・・回動軸　２４・・・制御装置２５．２６・・・フィ
ルム　２７．２８・・・電極３２．４２・・・金属ばね 、　二＼ １４−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧電現象を示す電気機械変換物質からなるプラスチック
   フィルムを、該フィルムの分極方向を互に逆向きにして
   接合したものの両面に電極を設けた接合フィルムを形成
   し、この接合フィルムを１枚若しくは複数枚積層したも
   のを単独で又はばね性を有する部材とともにうず巻状に
   形成し、このうず巻の中心部あるいはうず巻の外周端部
   の一方を固定し、前記接合フィルムの電極間に電圧を印
   加して回動するようにしたことを特徴とする圧電式回動
   装置。