JP2842451B2 - Piezo actuator - Google Patents
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- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
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
体を設けて構成する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Summary] A piezoelectric actuator having a piezoelectric plate that is displaced in proportion to the magnitude of an applied voltage, wherein a chattering amplitude is effectively absorbed when the piezoelectric plate is positioned at a predetermined position by a stopper. A piezoelectric actuator provided with stoppers on both sides of a piezoelectric plate that bends and displaces in proportion to an applied voltage to regulate a displacement position of the piezoelectric plate, wherein the piezoelectric plate has a stopper. And a mass body having a predetermined mass for attenuating chattering amplitude generated at the time of collision.
本発明は、高速、高精度の変位か得られる圧電アクチ
ュエータに関する。The present invention relates to a piezoelectric actuator capable of obtaining high-speed, high-precision 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
イッチ（マルチ光ファイバ対応光スイッチ）として圧電
アクチュエータを用いる場合、10msecで数百ミクロン程
の距離を±１μｍ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 perform high-speed, high-accuracy position conversion. In particular, when a piezoelectric actuator is used as an optical switch that performs optical path conversion such as an optical LAN (multi-optical fiber compatible optical switch), a distance of about several hundred microns in 10 msec. Is required to be converted with a positional accuracy of about ± 1 μm.
第７図は、従来のセラミック圧電板を用いた光スイッ
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 and 7 are fixed optical fibers, 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 adhered to the upper end of a ceramic piezoelectric plate, and the ceramic piezoelectric plate 1 is mechanically fixed to a base 11 at a base, and the fixed optical fibers 11 and 12 are fixed by a support (not shown). Is done.
セラミック圧電板１の両面に形成された電極13A,13B
（12Aのみ図示）に電圧を与えることによって圧電板１
の上端が矢印方向の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 and 13B formed on both sides of ceramic piezoelectric plate 1
(Only 12A is shown.)
Is bent in the direction of the arrow to move the movable optical fiber 3 in the same direction, and the optical axis of the movable optical fiber 9 is made to coincide with the optical axis of one of the fixed optical fibers 5 and 7. To switch the light path.
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ッ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。However, the conventional piezoelectric actuator as described above is limited to a use range of low speed, and there are many problems to be solved particularly when used as an optical switch that requires high speed and high accuracy.
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１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 them is chattering (vibration) of a piezoelectric plate. That is, the displacement position or the initial position of the piezoelectric plate 1 is determined by contacting the stopper 9, respectively.
At the time of the collision, there is a problem that the piezoelectric plate chatters and high-speed positioning cannot be performed.
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イ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 the positioning accuracy by effectively absorbing chattering amplitude when positioning a piezoelectric plate at a predetermined position with a stopper. Thereby, the piezoelectric actuator of the present invention can be applied as a high-speed actuator such as an optical switch.
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。To achieve the above object, according to the present invention, there is provided a piezoelectric actuator provided with stoppers for restricting a displacement position of a piezoelectric plate on both sides of a piezoelectric plate that bends and displaces in proportion to an applied voltage, wherein the piezoelectric plate The present invention is characterized in that a mass body having a predetermined mass for attenuating chattering amplitude generated at the time of collision with the stopper is provided.
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 domain-inverted LiNbO 3 .
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、その可動光ファイ
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
固定光ファイバとを有することを構成上の特徴とする。The piezoelectric actuator for an optical switch according to the present invention, a piezoelectric plate that bends and displaces in proportion to an applied voltage, and a stopper that is provided on both sides of the piezoelectric plate and regulates a displacement position of the piezoelectric plate,
A mass body having a predetermined mass provided on the piezoelectric plate and attenuating chattering amplitude generated when the piezoelectric plate collides with a stopper; and at least one movable optical fiber supported at the upper end of the piezoelectric plate so as to be displaceable therewith, It is characterized by having at least one fixed optical fiber disposed on one side of the piezoelectric plate facing the movable optical fiber and optically connected to the movable optical fiber according to the displacement of the piezoelectric plate.
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。High-speed positioning is possible with the stoppers installed on both sides of the piezoelectric plate, but at that time, since the load mass is installed on the piezoelectric plate, chattering caused by collision between the stopper and the piezoelectric plate during high-speed switching is largely absorbed it can.
圧電板を分極反転したLiNbO3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。By forming the piezoelectric plate from LiNbO 3 whose polarization has been inverted, hysteresis of displacement is eliminated, and positioning with higher precision is 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
機械式光スイッチに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 compatible with a multimode optical fiber, a high-speed optical switch resistant to external vibration can be obtained.
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鉛）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１の両側に設置される。圧電板１は電圧に印
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。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15A,15Bを介して
所定の電圧が印加される。FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of the present invention, in which 1 is a PZ.
A bending displacement proportional to the applied voltage occurs in a piezoelectric bimorph made of T (zircon titanate lead) or the like. A stopper (9) is provided on both sides of the piezoelectric plate 1 for positioning the piezoelectric plate 1 and suppressing free vibration of the piezoelectric plate. The piezoelectric plate 1 is locked to, for example, a left stopper in a free state where no voltage is applied. If a stress corresponding to external vibration is generated between the stopper 9 and the piezoelectric plate 1, an actuator resistant to external vibration can be realized. Reference numeral 11 denotes a fixing base for the piezoelectric plate 1, and the piezoelectric plate is fixed to the base by soldering. On both sides of the piezoelectric plate 1, electrodes 13A,
13B (only 13A is shown) is formed, and a predetermined voltage is applied via terminals 15A 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 above-described piezoelectric actuator, according to the present invention, the mass body 21 is fixed to the side surface of the piezoelectric plate 1. Mass body
21 absorbs chattering (vibration) generated when the piezoelectric plate 1 collides with the stopper 9, and its mass and mounting position are experimentally determined according to 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.
第３図にストッパ９と質量体21の効果を示す。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。FIG. 3 shows the effect of the stopper 9 and the mass body 21. From the figure, it is understood that the 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 a 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（30mg）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 portion of the piezoelectric plate and the size of the mass is changed, and Fig. 4B shows that the same mass body (30 mg) is installed on both sides of the upper portion of the piezoelectric plate. Additional mass below (only one side of piezoelectric plate)
This is the case where the mass of 21 ′ was variously changed.
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,4
B図からわかるように、ストッパ９と質量体21とにより
チャタリングを10msec以内に抑制できる 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。Chattering is mainly secondary resonance of the piezoelectric plate 1, and this resonance is suppressed by providing a mass body. 4A, 4
As can be seen from Fig. B, the mass body 21 (21 '), in which chattering can be suppressed within 10 msec by the stopper 9 and the mass body 21, is made of, for example, a silicon mass or a ceramic mass.
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LiNbO3を使用すると変位の
ヒステリシスが無く、より高精度が位置決めができるこ
とが確認されている。As shown in FIG. 5A, a ceramic bimorph in which two piezoelectric plates (ceramics) 31 are overlapped with a metal slate 33 interposed therebetween as shown in FIG. 5A can be used. However, as shown in FIG. 5B, the polarization is reversed. It has been confirmed that there is no hysteresis of displacement when LiNbO 3 is used, and positioning can be performed with higher accuracy.
尚、第5A,5B図において、矢印は分極方向を示す。 In FIGS. 5A and 5B, the arrows indicate the polarization direction.
第6A〜6C図は、第２図に示すアクチュエータを光スイ
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 6C show an embodiment in which the actuator shown in FIG. 2 is applied to an optical switch. In the figure, the same parts as those shown in FIG. 1 are indicated by the same numbers.
基本的には圧電板１が質量体21を有する点を除き第７
図に示す光スイッチと同様であり、可動光ファイバ（マ
ルチモード光ファイバ）43Aは圧電板１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。ストッパ９もケ
ーシング50に固定される。Basically, except that the piezoelectric plate 1 has the mass 21
The movable optical fiber (multi-mode optical fiber) 43A is fixed to the upper surface of the piezoelectric plate 1 via a fiber guide 41A, and the fixed optical fiber (multi-mode optical fiber) 43B is the same as the optical switch shown in FIG. It is fixedly supported by the casing 50 via the guide 41B. The stopper 9 is also fixed to the casing 50.
以上説明した様に、本発明によれば、数百シクロンの
オーダの変位を10msec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、光スイ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 described above, according to the present invention, it is possible to realize a piezoelectric actuator that can accurately obtain a displacement of the order of several hundred cyclones within 10 msec, and can perform high-accuracy high-speed switching even when applied to an optical switch. It is great.
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イッチの平面図、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
光スイッチを示す斜視図。 １……圧電板、９……ストッパ、 21……質量体。FIG. 1 is an illustrative view showing a basic configuration of the present invention, FIG. 2 is a view showing an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a diagram showing an anti-chattering effect of a piezoelectric plate, FIGS. 4A and 4B. Is a diagram showing the relationship between chattering decay time and mass, FIGS. 5A and 5B are diagrams showing two examples of the configuration of the piezoelectric plate, and FIGS. 6A, 6B and 6C are optical diagrams according to the present invention. FIG. 7 is a plan view, front view, and side view of the switch, and FIG. 7 is a perspective view showing an optical switch using a conventional piezoelectric actuator. 1 ... piezoelectric plate, 9 ... stopper, 21 ... mass body.
フロントページの続き (72)発明者 若月 昇 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02B 26/08 H01L 41/08Continuation of the front page (72) Inventor Noboru Wakatsuki 1015 Uedanaka, Nakahara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Inside Fujitsu Limited (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G02B 26/08 H01L 41/08
Claims (3)
（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。1. A piezoelectric actuator comprising a piezoelectric plate (1) that bends and displaces in proportion to an applied voltage and a stopper (9) provided on both sides of the piezoelectric plate for regulating a displacement position of the piezoelectric plate. A piezoelectric actuator comprising a mass body (21) having a predetermined mass for attenuating chattering amplitude generated at the time of collision.
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。2. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the piezoelectric plate is formed of domain-inverted LiNbO 3 .
（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。3. A piezoelectric plate (1) that bends and displaces in proportion to an applied voltage, stoppers (9) provided on both sides of the piezoelectric plate to regulate the displacement position of the piezoelectric plate, and a stopper (9) provided on the piezoelectric plate. A mass body (21) having a predetermined mass for attenuating chattering amplitude generated when the piezoelectric plate collides with the stopper, at least one movable optical fiber (43A) supported at the upper end of the piezoelectric plate so as to be displaceable therewith, A piezoelectric actuator for an optical switch, comprising: at least one fixed optical fiber (43B) disposed on one side of the piezoelectric plate facing the movable optical fiber and optically connected to the movable optical fiber according to displacement of the piezoelectric plate.
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| JPH04100013A JPH04100013A (en) | 1992-04-02 |
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Family Applications (1)
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| JP2217140A Expired - Fee Related JP2842451B2 (en) | 1990-08-20 | 1990-08-20 | Piezo actuator |
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| JPH04100013A (en) | 1992-04-02 |
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