JP2001503920A - 圧電アクチュエータによる駆動または調整要素 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、特に高周波領域において傾斜運動を発生させるために使用される圧電式駆動又は調整要素に関する。本発明の目的は、必要とされる外部の電気的接続を提供すると共に機械的負荷を大幅に減少させことができ、運動変換を行うための追加の手段を設けることなしに傾斜運動を直接発生できる圧電積層要素を提供することである。この目的は、圧電スタックを含む少なくとも二つの領域（１,２）を設け、この二つの領域（１,２）の間に、平面状積層接触部によって発生される電場に部分的に含まれるか又は全く含まれないセグメントを含む領域（３）を配置し、領域（１,２）の外部電極（４,４',５,５'）を電場減少領域又は無電場領域と呼ばれる領域に可能な限り近づけて配置することによって達成される。領域（３）は、少なくとも形態的に領域（１,２）と接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】 圧電アクチュエータによる駆動または調整要素 発明の説明 本発明は、圧電アクチュエータによる駆動または調整要素に関し、特に高周波 領域における傾斜運動を発生するのに用いられる圧電アクチュエータに関する。 圧電式駆動および調整要素は既に公知である。本発明の基礎となる駆動または 調整要素は、アクチュエータとして圧電スタックの駆動力を使用する要素である 。このような駆動装置とその利点は、たとえばＦ＆Ｍ Feinwerktechnik,Mikrote chnik,Messtechnik,Vol.104,1996,Carl Hanser Verlag Muenchen,p.68以降に記 述されている。またDE 44 45 642 A1には、隣接した二重圧電スタックを使用し た多用途駆動装置が記述されている。これら既知のスタック駆動装置はすべて、 スタックに必要な外部との電気的接続部（たとえばDE 42 24 284 A1参照）が、 静的運転においても動的運転においても著しい機械的負荷を受ける欠点がある。 スタックは、積層され、相互に接合され、各々両面で平面的に接触する多数の圧 電性の薄層から構成される。各薄層の外面の相互接触はスタックの両長辺におい て共通の電極、特にハンダ層によって実現される。これら電極、及び電場のない 相互作用的絶縁部分は、スタックの伸縮に際して共に極めて高い機械的および電 気的負荷を受ける。このようなスタックをアンペア級のパルス電流、ｋＨｚ級の 周波数で駆動した場合、スタックの伸びは通常1〜2‰であり、このため荷重サイ クルは明瞭に10⁹より低く限定される。更にこれら既知の駆動装置は、スタック の発生する純並進運動を傾斜運動に変換するために単純とはいえない機構を必要 とする欠点がある(たとえばDE 44 45 642 A1あるいはEP 0 574 945 A1を参照)。 従来の技術水準においては、更に他の用途に対する構造も知られている。たと えばDE 196 05 214 A1において、典型的には＞20ｋＨｚの周波数で作動する超音 波駆動要素が記述されている。この用途においては並進変位は極めて小さく、し たがって外部との接続部の機械的伸びも僅少であり、このため電極の配置に関し ては特段の記述がなく、また不必要でもある。 本発明の目的は、d₃₃モードで動作し、電気的結合接触部にかかる機械的負荷 を軽減した、特に他の運動変換機構を用いることなく直接に傾斜運動を行う圧電 アクチュエータによる駆動または調整要素を提供することである。 この目的は請求項１に示した特徴により達成される。本発明の本質は、圧電的 に活性な材料、特に圧電セラミック材料から成る積層構造のスタックから成る第 １と第２の領域の間に、平面状積層接触部に印加される電圧に起因する電場に含 まれない第３の領域を設け、圧電的に活性な領域の外部電気接点を可能な限り上 記電場のない領域に近く設け、かつ第３の領域を第１および第２の領域に少なく とも形態的に、望ましくは物質的に連続的に接合することにある。 以下、本発明を実施例および図面に基づいて更に説明する。 図１は本発明による圧電アクチュエータを用いた駆動または調整要素の第１の 模式的構造を示し、 図２は図１による好ましい実施態様を示し、 図３は図２による実施態様の傾斜運動に対する好ましい実施例を示し、 図４は本発明による個々の積層平面電極の好ましい実施態様を示し、 図５は図４の実施態様に従って製造され得るスタックの最小幅を示し、 図６および図７は積層平面電極の他の実施態様を示す。 本発明による基本的な構成の見取図を図１に示す。駆動装置は２つの圧電性ス タックから成り、その各々は多数の圧電セラミック層を重ねて相互に結合し、両 側のx-y面内に平面的な接触部を設けて成る。この両スタックの間に、それらと 形態的に連続して結合された領域３を設け、その側面はスタック領域1,2の隣接 する面と合同に形成されている。スタックの端面に存在する個々の層状電極の外 部との接続は、スタック全体にわたる電極4'(4)，5'(5)、たとえばスパッターに よる接続部層にハンダ付けされた電極により実現される。ただし本発明によれば 、電極4'(4),5'(5)は可能な限り圧電的に不活性な領域３に近く設けられる。 本発明の範囲内において、図２に示すように領域1,2,3はそれぞれ領域1,3,2の全 体にわたって連続した積層版により一体的に構成することが望ましい。 この場合、圧電的に不活性な領域３を形成するため特別の電極構造が必要となる が、その構造を図４、５、６、７によって更に説明する。このような構成によ って外部電極4',5'を完全に圧電的に不活性な領域３内に設けることが可能にな る。 本発明の実施を、回転鏡の駆動装置への応用可能性を模式的に示した図３によ って詳細に説明する。 ここに示した領域1,2,3を有するスタックは厚さ100μｍの圧電セラミック薄層 160枚から成り、各薄層の両側には図４に詳細を示した周期的に反復される接続 部構造が設けられる。薄層は、隣接する薄層の接続部構造が合同に重なって共通 の電極面をなすように積層される。電極面に垂直に切断すれば（図４の分離線Ａ -Ａを参照）最小単位として図５に示す断面形状が得られる。この切断面におい て4,4'および5,5'をメタライズすることにより、領域１と２の両面の電極被覆が 、奇数番目と偶数番目の接触面が電気的に接続されるように接触することになる 。電極4,4'と5,5'との間に200Ｖの電圧を印加すると、圧電性薄層中の、偶数番 目と奇数番目の接触面が重なる領域に、分極が発生する。このようにして圧電的 に活性な領域1,2と、移行領域3',3"の間の圧電的に不活性な領域３が形成される 。外部との電気的接続4,4'および5,5'は４つのメタライジング箇所と図示してい ない４本の結合配線によって実現される。このように形成したアクチュエータの 寸法はl=16ｍｍ,b＝14ｍｍ,t＝2.5ｍｍである。接触部の構造の周期性のため、 奥行ｔは奇数倍としても機能を発揮する（図４参照）。このように製作したアク チュエータは基本的に２種の動作モードで運転することができるが、本発明の目 的にとっては下記の第１のモードが目標となる。 運転モード１：領域１に0〜200Ｖ，領域２に200〜0Ｖの電圧を反対称的に印加す る。 運転モード２：領域1,2に0〜200Ｖの電圧を対称的に印加する。 図に示した測定点MP1〜MP4において、下記の長さ変化が測定される。 MP1 MP2 MP3 MP4 運転モード１ 17.7μｍ 17.9μｍ 0.5μｍ 6μｍ 運転モード２ 16.0μｍ 16.5μｍ 12.5μｍ 11.0μｍ 上に示した長さ変化はそれぞれ測定公差を含めた各領域の最大変位を示してい る。 運転モード１では測定点１および２の領域には大きな反対称的な長さ変化が現 れるが、MP3では対称軸において長さ変化は事実上起こらない。外部との接続部4 ,4'および5,5'の領域（MP4）では長さ変化は領域１および２（MP1，MP2）に比べ て約1/3と大きく減少している。これらの測定値から計算した傾斜は±0.11°で ある。このような駆動装置によってたとえば回転鏡を駆動することが可能であり 、その変位は図３で軽量かつ曲げ剛性の高い加圧板６の上部に示されている。 運転モード２では長さは対称的に１‰伸び、領域３（MP3,MP4）では僅かな収 縮が生ずる。したがって本発明によるアクチュエータは従来技術水準による単一 アクチュエータと同様に使用することもできる。 弾性部材７によって基板８と結合された曲げ剛性が高く軽量の加圧板６を用い て、このスタックに約800Ｎの対称的な力を予め加え、対称軸の周りの傾斜を許 容するようにすると、最大傾斜角はφ＝±0.2°まで増加し、ｚ方向の可能変位 は28μｍに達する。このような構成は、いずれの運転モードにおいても約20ｋＨ ｚの極めて高い共振周波数を示す。 領域３における本発明による平面電極の更に異なった構成法を図６、図７に模 式的に示す。図６はｘ方向に長さの異なる正負両極を交互に配列したものである 。これによって領域３'（ないし図示されていない領域3")における電場は減少し 、この領域の伸びが小さくなる。図７は移行領域3'において接触している板状領 域（A）と、同じ領域3'において接触していない板状領域(B)とを交互に配列した 電極構成を示す。これによって得られる領域3'（ないしは同じく図示されていな い領域３"）における電場の減少は図６の場合と同程度である。ｘ方向の電極構 成としては本発明の範囲内で更に異なったものが可能である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年１１月１８日（１９９８．１１．１８） 【補正内容】 って外部電極4',5'を完全に圧電的に不活性な領域３内に設けることが可能にな る。 本発明の実施を、回転鏡の駆動装置への応用可能性を模式的に示した図３によ って詳細に説明する。 ここに示した領域1,2,3を有するスタックは厚さ100μｍの圧電セラミック薄層 160枚から成り、各薄層の両側には図４に詳細を示した周期的に反復される接続 部構造が、不活性領域３において第２の次元（y方向）の周期的構造を有するよ うに設けられる。この構造は一つの電極構造の最大部が隣接する他の積層電極構 造の最小部と一致するように形成される。薄層は、隣接する薄層の接続部構造が 合同に重なって共通の電極面をなすように積層される。電極面に垂直に切断すれ ば（図４の分離線Ａ-Ａを参照）最小単位として図５に示す断面形状が得られる 。この切断面において4,4'および5,5'をメタライズすることにより、領域１と２ の両面の電極被覆が、奇数番目と偶数番目の接触面が電気的に接続されるように 接触することになる。電極4,4'と5,5'との間に200Ｖの電圧を印加すると、圧電 性薄層中の、偶数番目と奇数番目の接触面が重なる領域に、分極が発生する。こ のようにして圧電的に活性な領域1,2と、移行領域3',3"の間の圧電的に不活性な 領域３が形成される。外部との電気的接続4,4'および5,5'は４つのメタライジン グ箇所と図示していない４本の結合配線によって実現される。このように形成し たアクチュエータの寸法はl=16ｍｍ,b＝14ｍｍ,t=2.5ｍｍである。接触部の構造 の周期性のため、奥行ｔは奇数倍としても機能を発揮する(図４参照)。このよう に製作したアクチュエータは基本的に２種の動作モードで運転することができる が、本発明の目的にとっては下記の第１のモードが目標となる。 運転モード１：領域１に0〜200Ｖ，領域２に200〜0Ｖの電圧を反対称的に印加す る。 運転モード２：領域1,2に0〜200Ｖの電圧を対称的に印加する。 図に示した測定点MP1〜MP4において、下記の長さ変化が測定される。 MP1 MP2 MP3 MP4 運転モード１ 17.7μｍ 17.9μｍ 0.5μｍ 6μｍ 特許請求の範囲 １ 両面において平面状に接触する長方形の圧電性薄層多数から構成される圧電 スタックに基づき、スタック両端面をなし同一極性の電圧が印加される層状電極 の外部との接続が、メタライジングによって形成された、スタック全体にわたる 相互に結合された電極（4,4',5,5'）により実現され、上記圧電スタックに少な くとも２つの圧電的に活性な領域（1,2）が設けられ、その間の圧電的に不活性 な領域（3）が配置され、その中に平面状積層接触部への電圧の印加に起因する 電場に一部のみ含まれる、または全く含まれない領域（3,3"）が存在し、同平面 状積層接触部は領域（3',3"）の中に外縁部に電場が存在せず内部に少なくとも １つの電場の生ずる場所を含むように設計され、領域（1,2）の外部電極（4,4', 5,5'）が可能な限り上記の電場の低い、または存在しない領域に近く設けられ、 不活性領域（3）が活性領域（1及び2）と少なくとも形態的に連続して結合され ている、圧電アクチュエータを用いた駆動または調整要素。 ２ 領域（1,3,2）を形成する積層ブロックを用い、不活性領域（3）における積 層接触被覆を不連続に形成し、活性領域（1,2）の外部電極（4,4',5,5'）を不活 性領域（3）に含まれる部分にのみ設けることにより、不活性領域（3）が活性領 域（1及び2）と物質的にも連続して形成されることを特徴とする、請求項１の圧 電アクチュエータを用いた駆動または調整要素。 ３ 積層接触被覆の正負の電極が幾何学的に第１の次元（x方向）に順次設けら れることを特徴とする、請求項１または２の圧電アクチュエータを用いた駆動ま たは調整要素。 ４ 順次重ねられる積層接触被覆の電極が前記第１の次元（x方向）に順次設け られることを特徴とする、請求項３の圧電アクチュエータを用いた駆動または調 整要素。 ５ 活性領域（1,2）の積層接触被覆の電極が第１の次元（x方向）と垂直な第２ の次元（y方向）に順次異なった形状を有することを特徴とする、請求項３また は４の圧電アクチュエータを用いた駆動または調整要素。 ６ 不活性領域（3）の積層接触被覆の電極が第２の次元（y方向）に周期的構造 を有し、かつ電極構造の最大部が隣接する他の積層電極構造の最小部と一致す るように形成されることを特徴とする、請求項５の圧電アクチュエータを用いた 駆動または調整要素。 ７ 各スタック駆動装置がブロック全体から分離線Ａ-Ａに沿って分割すること により、最小周期（t）の奇数倍を維持して製造されることを特徴とする、請求 項６の圧電アクチュエータを用いた駆動または調整要素。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 両面において平面状に接触する圧電性薄層多数から構成される圧電スタック に基づき、スタック両端面をなし層状構造の外部との接続が、スタック全体にわ たる電極（4,4',5,5'）により実現され、上記圧電スタックに少なくとも２つの 圧電的に活性な領域（1,2）が設けられ、その間の圧電的に不活性な領域（3）が 配置され、その中に平面状積層接触部への電圧の印加に起因する電場に一部のみ 含まれる、または全く含まれない領域（3,3"）が存在し、領域（1,2）の外部電 極（4,4',5,5'）が可能な限り上記の電場の低い、または存在しない領域に近く 設けられ、不活性領域（3）が活性領域（1及び2）と少なくとも形態的に連続し て結合されている、圧電アクチュエータを用いた駆動または調整要素。 ２ 領域（1,3,2）を形成する積層ブロックを用い、不活性領域（3）における積 層接触被覆を不連続に形成し、活性領域（1,2）の外部電極（4,4',5,5'）を不活 性領域（3）に含まれる部分にのみ設けることにより、不活性領域（3）が活性領 域（1及び2）と物質的にも連続して形成されることを特徴とする、請求項１の圧 電アクチュエータを用いた駆動または調整要素。 ３ 積層接触被覆の正負の電極が幾何学的に第１の次元（x方向）に順次設けら れることを特徴とする、請求項１または２の圧電アクチュエータを用いた駆動ま たは調整要素。 ４ 順次重ねられる積層接触被覆の電極が前記第１の次元（x方向）に順次設け られることを特徴とする、請求項３の圧電アクチュエータを用いた駆動または調 整要素。 ５ 活性領域（1,2）の積層接触被覆の電極が第１の次元（x方向）と垂直な第２ の次元（y方向）に順次異なった形状を有することを特徴とする、請求項３また は４の圧電アクチュエータを用いた駆動または調整要素。 ６ 不活性領域（3）の積層接触被覆の電極が第２の次元（y方向）に周期的構造 を有し、かつ電極構造の最大部が隣接する他の積層電極構造の最小部と一致する ように形成されることを特徴とする、請求項５の圧電アクチュエータを用いた駆 動または調整要素。 ７ 各スタック駆動装置がブロック全体から分割することにより、最小周期(t) の奇数倍を維持して製造されることを特徴とする、請求項６の圧電アクチュエー タを用いた駆動または調整要素。