JP3235099B2 - 圧電アクチュエータおよびそれを用いた焦電型赤外線センサ - Google Patents

圧電アクチュエータおよびそれを用いた焦電型赤外線センサ

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JP3235099B2
JP3235099B2 JP51519896A JP51519896A JP3235099B2 JP 3235099 B2 JP3235099 B2 JP 3235099B2 JP 51519896 A JP51519896 A JP 51519896A JP 51519896 A JP51519896 A JP 51519896A JP 3235099 B2 JP3235099 B2 JP 3235099B2
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勝政 三木
幸治 野村
武 増谷
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    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
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  • Radiation Pyrometers (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明、物体から放出される赤外線を非接触で検知す
る焦電型赤外線センサおよび同焦電型赤外線のチョッパ
として用いられる振動機構である圧電アクチュエータに
関する。
背景技術 近年、焦電型赤外線センサは、電子レンジにおける調
理物の温度測定や、エアコンにおける人体の位置検出な
どの幅広い分野で利用され、今後ますます需要が大きく
なると思われる。焦電型赤外線センサは、LiTaO3単結晶
等の焦電体による焦電効果を利用したものである。焦電
体は自発分極を有しており常に表面電荷が発生するが、
大気中における定常状態では大気中の電荷と結びついて
電気的に中性を保っている。この焦電体に赤外線が入射
すると焦電体の温度が変化し、これにともない表面の電
荷状態も中性状態が壊れて変化する。この表面に発生す
る電荷を検知し、赤外線入射量を測定するのが、焦電型
赤外線センサである。物体はその温度に応じた赤外線を
放射しており、このセンサを用いることにより物体の位
置や温度を検出できる。焦電効果は赤外線の入射量の変
化に起因するものであり、焦電型赤外線センサとして物
体の温度を検出する場合、赤外線入射量を変化させる必
要がある。この手段として用いられる手段をチョッパと
いい、入射する赤外線を強制的に断続し検出物体の温度
を検出する。従来のチョッパとしては、電磁モータや圧
電アクチュエータ等が用いられていた。
第13図は弾性体平板に圧電体を接着した圧電アクチュ
エータをチョッパとして用いた焦電型赤外線センサの従
来例の斜視図である。一般的に金属等の弾性体平板に圧
電体を接着して貼り合わせ素子を構成して片端を固定
し、圧電体による歪を利用して全体を屈曲運動を発生さ
せるアクチュエータは、一般には弾性体平板の両面に圧
電体を接着したものはバイモルフ型、片面にのみ接着し
たものはユニモルフ型と呼ばれており、また弾性体平板
はシムと呼ばれており、以下各部材をそのように呼ぶ。
第13図はバイモルフ型素子を焦電型赤外線センサ用チ
ョッパとして用いたものであり、201はシム、202a,202b
は圧電体、203は遮蔽板、204は台座、205は固定具、206
はシム用配線、207a,207bは圧電体用配線、208は赤外線
検出部、209はスリット、210は赤外線である。弾性を有
する金属製シム201の両面には圧電体202a,202bがそれぞ
れ接着され、三者が一体となりバイモルフ型素子が構成
されている。圧電体202a,202bは表面に電極が印加さ
れ、また接着面に対し垂直方向に分極処理が施されてお
り、圧電体202a,202bそれぞれの分極の方向は、シムか
ら取り出された配線206と圧電体から取り出された配線2
07a,207bによりシム201と圧電体202a,202bそれぞれの間
に加えられる電界の向きにより設定されるが、圧電体20
2a,202bが常に互いに逆の方向に歪を発生するように決
められる。すなわち、圧電体202a,202bの片方が分極方
向に伸びる方向で歪むとき、もう一方は分極方向に縮む
ように印加電界の方向と分極方向は決められる。バイモ
ルフ型素子は台座204と固定具205とによりシム201の一
部分と圧電体202a,202bの一部分が同時に挟み込まれる
ことにより固定保持されている。シム201の圧電体202a,
202bが接着されていない部分にはシム用配線206が取り
付けられ、また圧電体202a,202b表面には圧電体用配線2
07a,207bが取り付けられている。バイモルフ型素子の自
由端の先端部分には遮蔽板203が取り付けられ、遮蔽板2
03にはスリット209が設けられている。遮蔽板203の近傍
には赤外線検出部208が遮蔽板203及び、バイモルフ型素
子に接触しないように配置される。シム用配線206及び
圧電体用配線207a,207bによりシム201と圧電体202a,202
bの間にそれぞれ電界が印加されると、バイモルフ型素
子は片端固定の屈曲運動を発生し、先端に取り付けられ
た遮蔽板203及びスリット209は電界の印加方向の変化に
応じて往復運動（振動）を行う。このスリット209の往
復運動により赤外線検出部208に入射する赤外線210を断
続する。
しかしながら、上記の構成のバイモルフ型チョッパ
は、赤外線を断続するのに十分な移動距離を得るため
に、固定部から先端の移動部までの寸法を大きくする必
要があり、また非常に高い駆動電圧が必要である。
そこで、従来の改善方法として、バイモルフ型素子あ
るいはユニモルフ型素子の先端移動部分に過重負荷を設
けて共振周波数を低下させ、固定をシム部分のみで行う
ことにより圧電体が脆性破壊することを防止し、更に必
要に応じて固定部近傍のシムに切り欠きを設けるなどの
手段により共振周波数をより低下させることで、低電圧
駆動で大きな変位を得るような改善が従来においてもな
されていた。以下に上記の特徴を持つチョッパの構造の
一例を示す。
第14図は従来の改善例における、焦電型赤外線センサ
用チョッパとしてのユニモルフ型素子を、シム部分の固
定場所の幅が細くなるように成形した場合の一例を示す
斜視図である。第14図において、211a,211bはシム、212
a,212bは圧電体、213a,213bは重り、214はセンサ台座、
215a,215bはユニモルフ型素子固定具、216a,216bはシム
用配線、217a,217bは圧電体用配線、218は赤外線検出
部、219a,219bはユニモルフ型素子固定ネジ、220は赤外
線である。
また第15図はこの改善例に使用するシム211a,211bの
詳細を示す斜視図であり、221は遮蔽部、222は圧電体接
着部、223は切り欠き部、224は位置決め部、225a,225b
は固定用穴である。遮蔽部221と圧電体接着部222は折曲
げによって直角をなし、圧電体接着部222から位置決め
部224にいたる間に幅が圧電体接着部222よりも小さくな
るように形成された切り欠き部223を設け、位置決め部2
24の両端には固定用穴225a,225bが設けられている。
シム211a,211bは第15図に示すように幅が細い切り欠
き部223が設けられ、切り欠き部223の下方において第14
図が示すようにセンサ台座214とユニモルフ型素子固定
具215a,215bによって挟まれ、更にユニモルフ型素子固
定ネジ219a,219b等をそれぞれシムの固定用穴225a,225b
に挿入して位置決め及び片端固定され、互いに平行に向
かい合うように、かつ、段違いに配置されている。また
シムのもう一方のシムと向かい合う面すなわち圧電体接
着部222には圧電体212a,212bが、センサ台座214やユニ
モルフ型素子固定具215a,215b及びシム211a,211b先端の
遮蔽部等に接触しない位置で接着されてユニモルフ型圧
電アクチュエータを構成している。赤外線検出部218は
センサ台座214上にてユニモルフ型素子の自由端近傍に
て配され、赤外線220の入射あるいは遮断をうける。赤
外線220を断続する遮蔽部はシム211a,211bの固定する側
とは反対側の端部を折曲げて構成され、この部分の平面
部分に重り213a,213bがそれぞれ接着されている。シム2
11a,211bの可動部以外の一箇所すなわち位置決め部224
の一箇所にはシム用配線216a,216bが取り付けられ、圧
電体212a,212bには圧電体用配線217a,217bがそれぞれユ
ニモルフ型素子の固定部に近い位置で取り付けられてい
る。シム用配線216a,216b及び圧電体用配線217a,217bに
よりシム211aと圧電体212a、シム211bと圧電体212bの間
に電界を加えるとユニモルフ型素子は曲げを起こし、先
端の遮蔽部が移動する。２つのユニモルフ型素子を同一
周波数にて反対方向に振動させ、赤外線220を断続的に
遮断する。こうすると赤外線の入射路を開閉することに
なるので、先の従来例のようにスリットを平行移動させ
るよりも振動幅を小さくすることができる。
圧電体とユニモルフ型素子の固定部の間のシム部に切
り欠き部を設けることで、同一寸法で切り欠き部を設け
ないユニモルフ型素子に比べてより共振周波数を低下さ
せることができるので、切り欠き部を設けないものに比
べてチョッパの小型化と低周波数駆動時の変位量の増大
が図れる。
しかしながら、上記従来の改善例による切り欠き部
と、先端部に重りをもった構成のバイモルフ型あるいは
ユニモルフ型圧電アクチュエータは、一般的に共振周波
数近傍での駆動であるので、駆動時の共振周波数が固体
間でばらついた場合には大きな変位量の差が発生し、一
定に保つためには微細な調整や、高精度が要求される部
品加工や組立が必要であった。また経時的に共振周波数
が変化した場合、変位の量が著しく変化してしまう。こ
のような課題は従来例のチョッパに限らず、共振を利用
した場合全てに等しい課題である。
以上の点に鑑み、より変位が安定し、微細な調整が不
要な共振を利用した圧電アクチュエータおよびそれを用
いた焦電型赤外線センサを提供することを目的とする。
発明の開示 この課題を解決するために本発明の圧電アクチュエー
タは、圧電体と弾性部材の貼り合わせをした圧電体接着
部に変位を拡大するための部材を先端部分に取り付け、
さらに変位拡大のための部材（変位拡大部）は圧電体を
貼り合わせた部分（圧電体接着部）の先端の取り付け部
から固定部に向かう方向に配置され、かつ両者の起因す
る共振周波数が近接している構成として、両共振周波数
の間の周波数において振動させる構成としたものであ
る。
また、本発明の焦電型赤外線センサは、圧電体と弾性
部材の貼り合わせをした圧電体接着部に変位を拡大する
ための部材を先端部分に取り付け、さらに変位拡大のた
めの部材（変位拡大部）は圧電体を貼り合わせた部分
（圧電体接着部）の先端の取り付け部から固定部に向か
う方向に配置され、かつ両者の起因する共振周波数が近
接している構成として、両共振周波数の間の周波数にお
いて振動させる構成とした圧電アクチュエータの近傍に
焦電型の赤外線検出部を設け、この圧電アクチュエータ
を上記赤外線検出部に入射する赤外線の断続入射手段と
する構成としたものである。
この構成により、変位拡大部を圧電体接着部の先端の
取り付け部から固定部に向かう方向に配置することで、
全体の構成の小型化が図れる。また両共振周波数の間を
駆動周波数とすることで、複数の共振による変位拡大効
果が得られる。さらに変位拡大部に起因する共振周波数
が圧電体接着部に起因する共振周波数よりも高くなる構
成とすることにより、変位拡大部先端においてより安定
で経時的な変化も少ない振動が得られる。
図面の簡単な説明 第１図は本発明の第１の実施例における圧電アクチュ
エータの構成を示す斜視図、第２図は本発明の第１の実
施例の構成における圧電アクチュエータの共振特性図、
第３図は本発明の第１の実施例の構成における圧電アク
チュエータの変位特性図、第４図は本発明の第２の実施
例における圧電アクチュエータの構成を示す斜視図、第
５図は本発明の第３の実施例における圧電アクチュエー
タの構成を示す斜視図、第６図は本発明の第４の実施例
における圧電アクチュエータの構成を示す斜視図、第７
図は本発明の第５の実施例における圧電アクチュエータ
の構成を示す斜視図、第８図は本発明の第６の実施例に
おける圧電アクチュエータの構成を示す斜視図、第９図
は本発明の第７の実施例における圧電アクチュエータの
構成を示す斜視図、第10図は本発明の第８の実施例にお
ける圧電アクチュエータの構成を示す斜視図、第11図は
本発明の第９の実施例における圧電アクチュエータの構
成を示す斜視図、第12図は本発明の第10の実施例におけ
る圧電アクチュエータの構成を示す斜視図、第13図は従
来の圧電アクチュエータの構成を示す斜視図、第14図は
従来の圧電アクチュエータの他の構成を示す斜視図、第
15図は従来の圧電アクチュエータに使用のシムを示す斜
視図、第16図は本発明の第１の実施例における圧電アク
チュエータの具体構成例を示す模式図、第17図は同圧電
アクチュエータの変位特性図、第18図（ａ）は本発明の
第１の実施例における圧電アクチュエータの他の具体構
成例を示す模式図、第18図（ｂ）は同圧電アクチュエー
タの変位特性図、第19図は本発明の第10の実施例におけ
る圧電アクチュエータを利用した集電型赤外線センサの
構成を示す模式図、第20図（ａ）は同センサにおける駆
動波形図、第20図（ｂ）は同センサにおける駆動特性図
である。
発明を実施するための最良の形態 （実施例１） 以下、本発明の第１の実施例について説明する。
第１図は本発明の第１の実施例におけるユニモルフ型
の圧電アクチュエータを用いた焦電型赤外線センサ用チ
ョッパの一例を示す斜視図である。
第１図において、11はシム、12は圧電体、13は変位拡
大部、14はセンサ台座、15は固定具、16a,16bは固定用
ネジ、17はシム用配線、18は圧電体用配線、19は赤外線
検出部、20は赤外線、21は折曲げ部、22は結合部であ
る。
リン青銅等の弾性体平板をコの字状に折曲げることに
よって、シム11と変位拡大部13は一体的に形成される。
結合部（折曲げ部分）22よりシム11および変位拡大部13
は互いに平行、および同一方向に長手方向を有する構成
となっている。さらに変位拡大部13においては、結合部
22と反対の先端は直角に、かつシム11とは反対側に折曲
げ部21が形成されている。シム11表面において圧電体12
が接着されて圧電体接着部（ユニモルフ型素子）を形成
している。シム11は変位拡大部13との結合部の反対側の
端部近傍においてセンサ台座14と固定具15によって挟ま
れ、さらにセンサ台座14にはめネジ加工が、固定具15に
は孔加工が施され、固定用ネジ16a,16bによって固定さ
れる。センサ台座14上に赤外線検出部19が配され、前記
の変位拡大部13先端の折曲げ部の近傍に位置している。
また、シム11の固定部近傍にはシム用配線17が、さらに
圧電体12の接着側と反対の表面の、シム11の固定部に近
い位置においては圧電体用配線18が、それぞれ取り付け
られている。ここでシム用配線17と圧電体用配線18より
交流信号を印加するとシム11と圧電体12との間に電位差
が生じ、圧電体接着部の変位拡大部13との結合部が変位
し、これに応じて変位拡大部先端部の折曲げ部21も変位
し、この運動によって赤外線検出部19は入射する赤外線
20を断続的に遮断し、チョッパとしての役割を果たす。
ここで、前記構成の圧電アクチュエータの共振特性を
第２図に示す。
第２図はコの字状に折曲げられたシムと変位拡大部か
らなる圧電アクチュエータの共振特性の一例であり、縦
軸はアドミッタンス、横軸は駆動周波数を示している。
fX,fYのそれぞれの周波数において共振現象を有してい
ることがわかり、これらはそれぞれ、前記圧電アクチュ
エータの、主に圧電体接着部の振動に起因する共振と、
主に変位拡大部の振動に起因する共振のいずれかであ
り、圧電アクチュエータの構成によりいずれかに相当
し、また構成によってfXとfYの差も変化する。前述のよ
うにシムと変位拡大部とを結合部から同一方向に長手寸
法を有する構成とすることにより、fXとfYの相対位置の
操作が容易なものとなる。例えば変位拡大部材の長手寸
法が一定で、圧電体接着部の固定部から圧電体までの長
さのみを変化させた場合、すなわち圧電体接着部の長手
寸法のみを変化させた場合において、当初圧電体接着部
の長手寸法が短い状態で圧電体接着部に起因する共振周
波数がfYに相当した場合、すなわち圧電体接着部に起因
する共振周波数が変位拡大部に起因する共振周波数より
も高い場合、圧電体接着部の長手寸法を段々と長くして
いくと、両者の共振周波数は相対的に近づき、ある長さ
において両者は１つの共振として重なった状態となり、
さらに圧電体接着部の長手方法を長くした場合には、両
者の相対位置は逆転し、変位拡大部に起因する共振周波
数の方が圧電体接着部に起因する共振周波数よりも高い
値を有するようになる。
こういうふうにして、fXとfYの間を近接させる構成と
した場合の、変位拡大部先端の変位と、駆動周波数の関
係を、第３図に示す。第３図において、縦軸は変位拡大
部先端部変位（振幅）、横軸は駆動周波数を示してい
る。横軸のスケールは第２図の約３分の１である。fXと
fYの間の駆動周波数において両方の共振の影響により変
位が拡大され、かつ比較的変位量が安定な周波数領域が
存在することがわかる。よって、fXとfYを近接させ、両
周波数の間の周波数において駆動することにより、共振
による変位拡大効果と、安定した振幅とが得られる。
またfXを圧電体接着部に主に起因する共振周波数f1,f
Yを変位拡大部に主に起因する共振周波数f2とするこ
と、すなわち圧電体接着部に主に起因する共振周波数よ
りも変位拡大部に主に起因する共振周波数の方が高い構
成を有することにより、変位は拡大されて安定で、かつ
印加した交流信号と変位拡大部先端の時間差が一定の周
波数領域をさらに広く確保できる。
通常の共振を利用したユニモルフ型アクチュエータは
変位が駆動周波数により大幅な変化を示す。これを安定
にする目的で、共振周波数より５％程度離れた周波数に
おいて駆動した場合、同様の変位を得るためには高い電
圧を必要とした。これに対して、前述の構成を有する圧
電アクチュエータの場合、シムが約16mmの長手方向の寸
法を有し、変位拡大部に起因する共振周波数f2が約100H
z、圧電体接着部に起因する共振周波数f1が約85Hzとし
たとき、f1とf2の間で駆動した場合±30Vの交流印加に
より、変位拡大部先端において1.1±0.05mmの変位を約6
Hzの区間で得ることが可能である。同様の効果は圧電体
接着部の長手寸法が18mm以下の状態において、変位拡大
部の長手寸法に応じてf2が120Hz以下の構成を有する圧
電アクチュエータの場合、f2とf1の差がほぼf2の５〜25
％の間において得られる。５％以内であっても同様の効
果は得られるが、この場合駆動を行える周波数領域が少
なくなる。
また駆動電圧波形について言えば、サイン波よりもよ
り矩形的な形に近い方が、同じ大きさの電圧値に対して
変位量は大きい。
第16図は前記圧電アクチュエータの具体形状の一例を
示す模式図である。
第16図において11はシム、12は圧電体、13は変位拡大
部、14はセンサ台座、21は折曲げ部、22は結合部であ
る。
また図中のa,b,c,d,e,lは圧電アクチュエータの各部
の寸法を示し、ａは結合部22から圧電体12までの距離、
ｂは互いに平行に位置している圧電体接着部と変位拡大
部13との距離、ｃは変位拡大部13の長手方向寸法、ｄは
折曲げ部21の長さ、ｅは圧電体12の長手方向寸法、ｌは
圧電アクチュエータの固定部から先端の結合部ｂまでの
距離である。
前記圧電アクチュエータはその構成部材の材質、各部
寸法によってその共振周波数が変化し、その都度駆動特
性も変動する。よってその条件を適切に決定すること
が、目的の特性を得るためには重要である。焦電型赤外
線センサのチョッパとして用いる場合には、高い駆動周
波数ではセンサとしての感度低下につながり、また低い
駆動周波数で用いる場合には圧電アクチュエータの共振
周波数も落とさねばならず、この場合剛性不足により外
乱からの影響を受けやすくなり、また衝撃によって破壊
しやすくなる。このためある共振周波数の範囲以内で、
所定量以上の変位を得る必要がある。
シム11および変位拡大部13、結合部22の材料としてリ
ン青銅や鉄系合金を用いた場合、ａを0mmから2.5mm、ｂ
を1.2mmから3mm、ｃを11mmから15mm、ｄを3.5mmから6m
m、ｅを9mmから14mmとし、シム11等の厚みｔを0.03mmか
ら0.08mm、圧電体12の厚みｐを0.05mmから0.12mm、ｌを
14mmから18mmまでとして、おのおの調整を行うと、ほぼ
60Hzから140Hzの駆動周波数において、駆動電圧±30V以
内で変位1.0mmを得ることが可能である。圧電アクチュ
エータ自身の大きさ、および変位量の観点から、特に焦
電型赤外線センサのチョッパとして用いる場合は、前記
条件において最適化が図れ、より小型で高感度の焦電型
赤外線センサを実現できる。
より具体的な例としては、シム11等の材料としてｔが
0.05mm、幅ｗが1.0mmから2.2mmの32Ni−5Co−Feを用
い、ａを０から2mm、ｂを1.8mmから2.8mm、ｃを12.5mm
から14mm、ｄを3.8mmから4.8mm、ｅを10mmから13mm、ｐ
を0.05mmから0.12mm、ｌを14.5mmから16.5mmまでとした
場合、ほぼ70Hzから110Hzの間の駆動周波数において、
前記の特性と同等のものが得られる。32Ni−5Co−Feは
一般にはスーパーインバーと呼ばれ、低熱膨張率材料と
して知られている。圧電体は通常の金属よりもはるかに
低い熱膨張率を有し、貼り合わせにおいてこの差が大き
いと周囲の温度変化によって反りが生じる。スーパーイ
ンバーはこの現象を極力抑えることができ、よって焦電
型赤外線センサ用チョッパとして用いると、チョッパの
変位位置の温度依存性による、センサ出力の温度依存性
を軽減できる。かつスーパーインバーは他の鉄系の材料
よりも比較的曲げ性がよく、本実施例にあるような圧電
アクチュエータのシムの形成に適する。また本実施例に
みられる圧電アクチュエータの構造材として他の材料と
比較した場合、スーパーインバーは銅系の材料と、一般
のステンレス等の鉄系材料の間の性質を有し、すなわち
両材料の間の共振周波数を有し、一般の鉄系の材料に比
べて柔らかいため変位が得やすく、かつ銅系の材料より
も剛性を有するので外乱に対して強く、焦電型赤外線セ
ンサ用チョッパの構成材料として非常に適している。
第17図は、本実施例の圧電アクチュエータにおける、
同一の圧電アクチュエータの固定端から結合部先端まで
の長さを変化させた場合の、変位拡大部先端の変位量
と、駆動周波数の関係の一例を示す特性図である。
第17図において、ｌ−1,l−2,l−３はそれぞれ圧電ア
クチュエータの固定端から結合部先端までのある長さを
示し、ｌ−3,l−2,l−１の順で長いものとする。それぞ
れの長さでの変位と駆動周波数の関係は、ある駆動周波
数において変位量が最低値を示し、それよりも高い駆動
周波数あるいは低い駆動周波数に向かって変位量が増大
している。すなわち、低い駆動周波数側は圧電体接着部
の振動に起因する共振周波数f1に近づき、高い側の駆動
周波数は変位拡大部の振動に起因する共振周波数f2に接
近する。両方の共振における変位量は同じではなく、f2
側の変位量の方が大きい。圧電アクチュエータの長さを
ｌ−１からｌ−2,l−３へ変化させると、f1は徐々に低
い値へ移動するが、f2はf1よりもその移動量が小さい。
これにともない安定領域の変位量は両共振が遠ざかった
影響で減少するが、f2の値およびその近傍の変位量はよ
り減少幅が小さい。よって、ｌ−1,l−2,l−３それぞれ
の特性が互いに交わる駆動周波数はほぼ非常に近接し、
かつ変位量も近い値をとる。すなわち、この駆動周波数
によって圧電アクチュエータの駆動を行えば、取り付け
誤差がｌ−１からｌ−３の間であればほぼ同じ変位量が
得られる。さらに言えば、ある長さにおける安定領域の
変位量に対し、より長い形状を有する圧電アクチュエー
タはほぼ同程度の変位をおこす。この場合の駆動は、圧
電アクチュエータの安定領域および、安定領域よりさら
に高い周波数においての駆動となる。ここで、ｌ−１よ
りも短い寸法として、安定領域において変位量が最低に
なる駆動周波数よりも低い周波数での駆動も可能である
が、この場合は圧電体接着部に起因する共振が主体を占
めるようになり、シムと圧電体との接着層や、圧電体自
身にかかる歪が増し、信頼性的に好ましくない。逆に変
位拡大部の共振により接近させることで、前記の影響は
軽減され、信頼性はより弾性金属体の強度に依存する傾
向となる。よって変位拡大部の変位量に対する強度を確
保し、変位の安定領域の近傍およびより高い周波数にお
いて駆動することで、より高い信頼性を有し、かつ安定
な変位での駆動が得られる。具体的には、スーパーイン
バーを用いた前記の圧電アクチュエータにおいて、ｌが
16mmで駆動周波数85Hzにおいて、変位量が1.2mm得られ
ている場合、ｌが16.5mmとなっても1.1mm程度の変位量
を確保できる。よって、前記の構成および駆動方法を用
いることで、圧電アクチュエータの取付が容易で、かつ
安定した特性が得られ、さらに信頼性も向上する。ただ
し、ｌはある値で最大となり、それよりも短くなると変
位は減少傾向を示すので、この点は注意を要する。
これは本実施例の形状の圧電アクチュエータのみなら
ず、同様の構成および駆動方法を有する圧電アクチュエ
ータにおいて同様の傾向を示すことは、容易に想像がで
きる。
第18図（ａ）、第18図（ｂ）は、本実施例の圧電アク
チュエータにおける、同一の圧電アクチュエータにおい
て一部の曲げ角度を変化させた場合の、変位拡大部先端
の変位量と、駆動周波数の関係の一例を示す模式図およ
び特性図である。
第18図（ａ）において、11はシム、12は圧電体、13は
変位拡大部、14はセンサ台座、21は折曲げ部、22は結合
部である。
第18図（ａ）における圧電アクチュエータの構成は前
述の弾性金属体の折曲げにより構成されるものと同様で
あり、シム11と結合部22のなす角をα、結合部22と変位
拡大部13のなす角をβ、変位拡大部13と折曲げ部21のな
す角をγとする。α，β，γはそれぞれ本実施例におい
てはほぼ90゜をなし、この値は加工時の折曲げ誤差や、
あるいはセンサ等と組み合わせてユニット化する場合の
構成上の都合等によって、意図的に様々な角度をなす。
これらの角度の変化は同一の寸法形状を有する圧電アク
チュエータにおいて、様々な特性変化をひきおこし、角
度を任意に設定する場合にはこの点に留意する必要があ
る。例えばαについて着目すると、第18図（ｂ）のよう
に特性が変化する。
第18図（ｂ）において、α−1,α−2,α−３はそれぞ
れあるαの値を示し、α−１を90゜とし、α−２を90゜
よりも小とし、α−３を90゜よりも大とする。このと
き、シム11と変位拡大部13はつねに平行でかつ、固定部
から先端までの長さ、変位拡大部13や折曲げ部21、結合
部22、圧電体12等の角度以外の構成部材の寸法は全て同
一とする。第18図（ｂ）は、この場合における各αでの
変位拡大部先端の変位および駆動周波数の関係を示して
いる。各々の変位は前述と同様に安定領域を有し、駆動
周波数がここから遠ざかるにつれて変位が両共振点まで
拡大する。各変位を比較すると、最も大きい変位を有す
るのはα−１であり、またα−１とα−２の相違に対し
て、α−１とα−３の相違の方が大きい。すなわちαを
90゜以上としたよりも、90゜以下とした方が変位特性の
減少を小さくでき、また90゜の設計値に対して、折曲げ
の誤差を90゜よりも小さくなる方向とすれば、固体間の
特性ばらつきを軽減できる。具体例としては、本実施例
のスーパーインバーを用いて構成した圧電アクチュエー
タにおいて、αが90゜のとき変位量1.1mmであったのに
対し、80゜では1.05mm、100゜では0.95mm程度である。
また同様にβについては、βが90゜であるときの共振
周波数に対し、βのばらつきに対して共振周波数のばら
つき幅が最も小さいのは90゜近傍であり、βが90゜以上
の方が90゜以下に対して共振周波数の変動幅が小さい。
よって変位拡大部と結合部のなす角を鈍角とすること
で、共振周波数のばらつきを抑え、固体間の特性を安定
化できる。加えて、変位拡大部と結合部のなす角を鈍角
とすることで、変位拡大部先端とシムとの相対距離が増
し、両者の接触が避けられるのでより大きな変位量を得
ることが可能になる。
ところで、これまで本実施例の圧電アクチュエータの
共振に関し、変位拡大部の振動に起因する共振および圧
電体接着部に起因する共振としたが、駆動中において両
者の振動は互いに完全な独立ではなく、一方が大きく振
動している場合においても他方は微少な振動をもってお
り、変位拡大部において得られる変位量はこれらの振動
を複合したものである。またさらに幅広い観点でみる
と、構造によってはこの２つ以外の共振が励振される場
合、例えば変位拡大部の先端の折曲げ部において共振が
発生する場合や、その他の駆動に使用しない共振が駆動
周波数近傍において励振される場合等、様々である。し
かし実際に使用する周波数との距離が十分離れていた
り、使用する周波数内において不要な共振が発生した場
合においてもその規模が小さいものであれば何ら支障は
なく、本実施例と同様の駆動を行うことができる。
以上のように前記の構成とすることにより、共振を利
用しての駆動がより低電圧で安定して行え、駆動および
組立、部材の加工が容易になる。また折曲げた構成によ
り全体の長手寸法が小型化し、この構成を焦電型赤外線
センサのチョッパとして用いることにより、センサ全体
の小型化が図れ、また赤外線検出部と同一の台座への固
定を行うことで、簡易に赤外線検出部との一体化が図
れ、加えて赤外線検出部の近傍を開閉することができる
ので、開閉の面積を少なくできてチョッパの負担を軽減
できる。さらに、低電圧での駆動により、圧電体からの
ノイズの赤外線検出部への影響を低減できる。
従来の共振方式に比べて共振周波数近くでの振動が安
定であり、また、低い電圧で駆動できるので、製造の際
にいろいろなバラツキがあっても、それを吸収すること
ができる。
なお本実施例においては、圧電体接着部として圧電体
をシムの片面にのみ接着したユニモルフ型素子を用いた
が、両面に接着したバイモルフ型素子を用いても同様の
効果が得られることは言うまでもなく、また構成によっ
てはシムと圧電体を同時に固定してもよい。さらに、本
実施例で圧電体を接着した面と逆の面にのみ圧電体を接
着しても、同様の効果が得られることは言うまでもな
い。
（実施例２） 第４図は本発明の第２の実施例におけるユニモルフ型
の圧電アクチュエータを用いた焦電型赤外線センサ用チ
ョッパの一例を示す斜視図である。
第４図において、41はシム、42は圧電体、43は変位拡
大部、44はセンサ台座、45は固定具、46a,46bは固定用
ネジ、47はシム用配線、48は圧電体用配線、49は赤外線
検出部、50は赤外線、51は折曲げ部、52は結合部材であ
る。シム41および変位拡大部43はそれぞれ別部材の弾性
体平板からなり、両者の一端においてそれぞれ結合部材
52を介して結合され、シム41と変位拡大部43は互いに前
記結合部から平行に、同一方向に長手方法を有する構成
となっている。
その他の構成は第１図に示した実施例１と同様であ
り、その効果も実施例１と同様であるが、加えて、シム
41と変位拡大部43を別個の部材により構成し、結合部材
を介して結合することにより、シムと変位拡大部の材
質、寸法をそれぞれ任意に選択できるので、共振周波数
の設定や変位、強度の面からより幅広い設計が可能とな
る。また組立において、圧電体の接着が容易であり、折
曲げによる形成よりも結合部の応力集中が緩和できる。
加えて、結合部材の重みにより圧電体接着部に起因する
共振周波数f1を低下させ、変位拡大部に起因する共振周
波数f2よりも容易に低い値に設定でき、長手寸法の小型
化、安定駆動に寄与する。
またこの時、結合部材を圧電体接着部に接着されてい
る圧電体の長手方向に沿って、圧電体の接着範囲内に一
部52aが位置する構成とすることで、圧電体接着部先端
の圧電体接着範囲外に位置させるよりも、圧電体とシム
の間の接着層への応力を緩和でき、圧電体のはがれを防
止できる。
（実施例３） 第５図は本発明の第３の実施例におけるユニモルフ型
の圧電アクチュエータを用いた焦電型赤外線センサ用チ
ョッパの一例を示す斜視図である。
第５図において、61はシム、62は圧電体、63は変位拡
大部、64はセンサ台座、65は固定具、66a,66bは固定用
ネジ、67はシム用配線、68は圧電体用配線、69は赤外線
検出部、70は赤外線、71は赤外線を遮断する折曲げ部で
ある。シム61および変位拡大部63は同一の弾性体平板よ
り一体で構成され、両者の間は折曲げにより鋭角72が形
成されている。
その他の構成は第１図に示した実施例１と同様であ
り、その効果も実施例１と同様であるが、加えて、シム
と変位拡大部を鋭角をなす形状としたのでより少ない部
品数および加工によって構成が可能であり、また鋭角に
折曲げた部分72が赤外線の入射光路から遠いところにあ
るので、圧電体結合部の運動が赤外線検出部への赤外線
の入射を妨げるといった問題を防止できる。また、同じ
形状の変位拡大部においても、角度によって特に圧電体
接着部の振動に起因する共振周波数f1を変化させること
ができ、角度が大きいと圧電体接着部の振動に起因する
共振周波数は低下する。高い周波数で駆動を行う場合は
角度は小さい方が向いており、50Hz以上での駆動の場
合、45゜以内に鋭角に折曲げすると効果が著しい。
（実施例４） 第６図は本発明の第４の実施例におけるユニモルフ型
の圧電アクチュエータを用いた焦電型赤外線センサ用チ
ョッパの一例を示す斜視図である。
第６図において、81はシム、82は圧電体、83は変位拡
大部、84はセンサ台座、85は固定具、86a,86bは固定用
ネジ、87はシム用配線、88は圧電体用配線、89は赤外線
検出部、90は赤外線、91は折曲げ部である。シム81およ
び変位拡大部83は同一の弾性体平板から一体的に構成さ
れ、両者の間の結合部92は、チョッパとして開閉する距
離の1/4以上の曲率半径を有している。
その他の構成は第１図に示した実施例１と同様であ
り、その効果も実施例１と同様であるが、加えて、シム
と変位拡大部の結合部92に適当な曲率をもたせることに
より、結合部への応力集中を緩和し、機械的信頼性が向
上する。また曲率半径を少なくともチョッパの開閉距離
の1/4以上とすることで、シムと変位拡大部とが平行な
構成を有した場合、両者が駆動中に衝突することを防止
できる。この構成は前述のシムと変位拡大部とを一体で
構成し、かつ鋭角をなす構成とする場合と併用できる。
（実施例５） 第７図は本発明の第５の実施例におけるユニモルフ型
の圧電アクチュエータを用いた焦電型赤外線センサ用チ
ョッパの一例を示す斜視図である。
第７図において、101はシム、102は圧電体、103は変
位拡大部、104はセンサ台座、105は固定具、106a,106b
は固定用ネジ、107はシム用配線、108は圧電体用配線、
109は赤外線検出部、110は赤外線、111は折曲げ部、112
は重りである。弾性体平板をコの字状に折曲げることに
よって、シム101と変位拡大部103は一体的に形成され、
かつ結合部よりシム101および変位拡大部103は互いに平
行、および同一方向に長手寸法を有する構成となってい
る。またシム101の前記結合部近傍の、変位拡大部103と
相対する向きと反対の面に重り112が取り付けられてい
る。
その他の構成は第１図に示した実施例１と同様であ
り、その効果も実施例１と同様であるが、加えて、圧電
体接着部の可動部先端近傍に重りを配することにより、
圧電体接着部の振動に起因する共振周波数f1を主に低下
させ、変位拡大部の振動に起因する共振周波数f2よりも
容易に低い共振周波数として設定でき、よって容易に安
定した駆動が得られる。また重りを設けて共振周波数を
低下させることにより、重りを設けずに長手寸法におい
て共振周波数を調整した場合に比べ、全体の形状を小型
化できる。
なお、重りの取り付け位置は先端部近傍でなくてもよ
いが、同一の重りにおいては、先端部に近いほど共振周
波数に及ぼす影響が大きい。また、本実施例においては
重りを圧電体接着面と同一面に取り付けたが、これと逆
の面に取り付けた場合でも、同様の効果が得られること
は言うまでもない。この場合、重りを圧電体の長手方向
に沿って、圧電体接着の範囲内に一部あるいは全部が位
置するように取り付ければ、重りを取り付けたことによ
るシムと圧電体との接着層への応力負担を軽減でき、圧
電体のはがれを防止できる。
（実施例６） 第８図は本発明の第６の実施例におけるユニモルフ型
の圧電アクチュエータを用いた焦電型赤外線センサ用チ
ョッパの一例を示す斜視図である。
第８図において、121はシム、122は圧電体、123は変
位拡大部、124はセンサ台座、125は固定具、126a,126b
は固定用ネジ、127はシム用配線、128は圧電体用配線、
129は赤外線検出部、130は赤外線、131は折曲げ部、132
は切り欠き部である。弾性体平板をコの字状に折曲げる
ことによって、シム121と変位拡大部123は一体的に、か
つ結合部よりシム121および変位拡大部123は互いに平
行、および同一方向に長手寸法を有する構成となってい
る。なおかつシム121はもう一端の、センサ台座124と固
定具125とで挟まれる部分において、切り欠き部132を有
し、幅が細くなっている。
その他の構成は第１図に示した実施例１と同様であ
り、その効果も実施例１と同様であるが、加えて、圧電
体接着部の固定部あるいは、圧電体接着部の可動部にお
ける固定部近傍に幅方向に切り欠きを有する構造とする
ことで、圧電体接着部の振動に起因する共振周波数f1を
主に低下させ、変位拡大部の振動に起因する共振周波数
f2よりも容易に低い共振周波数として設定でき、よって
容易に安定した駆動が得られ、長手寸法の小型化にも寄
与する。
（実施例７） 第９図は本発明の第７の実施例におけるユニモルフ型
の圧電アクチュエータを用いた焦電型赤外線センサ用チ
ョッパの一例を示す斜視図である。
第９図において、141はシム、142は圧電体、143は変
位拡大部、144はセンサ台座、145は固定具、146a,146b
は固定用ネジ、147はシム用配線、148は圧電体用配線、
149は赤外線検出部、150は赤外線、151は折曲げ部、152
は孔加工部である。弾性体平板をコの字状に折曲げるこ
とによって、シム141と変位拡大部143は一体的に形成さ
れ、かつ結合部よりシム141および変位拡大部143は互い
に平行、および同一方向に長手寸法を有する構成となっ
ている。なおかつシム141はもう一端の、センサ台座144
と固定具145とで挟まれる部分において、孔加工部152を
有している。
その他の構成は第１図に示した実施例１と同様であ
り、その効果も実施例１と同様であるが、加えて、圧電
体接着部の固定部あるいは、圧電体接着部の可動部にお
ける固定部近傍に孔加工部を有する構造とすることで、
圧電体接着部の振動に起因する共振周波数f1を主に低下
させ、変位拡大部の振動に起因する共振周波数f2よりも
容易に低い共振周波数として設定でき、よって容易に安
定した駆動が得られ、また長手寸法の小型化にも寄与す
る。
また切り欠き等により幅方向に寸法を縮小した形状に
比べてねじれ応力に対して安定であり、長手方向を軸と
する回転振動モードの発生に対して強く、機械的信頼性
が向上する。なお、同様の孔加工および、実施例７で述
べた切り欠きは変位拡大部にも設けることができること
は言うまでもなく、圧電体接着部と可動部を小型化した
場合の共振周波数の増加に対して、それぞれ所定の共振
周波数を容易に得るための手段となる。
（実施例８） 第10図は本発明の第８の実施例におけるユニモルフ型
の圧電アクチュエータを用いた焦電型赤外線センサ用チ
ョッパの一例を示す斜視図である。
第10図において、161はシム、162は圧電体、163は変
位拡大部、164はセンサ台座、165は固定具、166a,166b
は固定用ネジ、167はシム用配線、168は圧電体用配線、
169は赤外線検出部、170は赤外線、171は折曲げ部であ
る。弾性体平板をコの字状に折曲げることによって、シ
ム161と変位拡大部163は一体的に形成され、かつ結合部
172よりシム161および変位拡大部163は互いに同一方向
に長手寸法を有する構成となっている。またシム161は
前記結合部172から固定端に向かって幅が狭くなってい
る。また変位拡大部163も同様に結合部172からもう一端
に向かって幅が狭くなっている。シム161表面にはシム1
61の外形に沿った形状を有する圧電体162が接着されて
いる。
その他の構成は第１図に示した実施例１と同様であ
り、その効果も実施例１と同様であるが、加えて、圧電
体接着部の可動部の外形を、変位拡大部との結合部から
固定部に向かって狭くしていくことにより、圧電体接着
部の振動に起因する共振周波数f1は外形寸法が一定幅の
場合に比べ、低い値となる。逆に変位拡大部において、
結合部からもう一端に向かって外形寸法を狭くしていく
ことにより、変位拡大部の振動に起因する共振周波数f2
は外形寸法が一定幅の場合に比べて高い値となる。よっ
て変位拡大部に起因する共振周波数f2を圧電体接着部に
起因する共振周波数f1よりも容易に高く設定できるの
で、駆動の安定化と、外形に変化がない場合と比べて長
手寸法の小型化が図れる。また本実施例においては圧電
体接着部と変位拡大部の両方に外形の変化をもたせた
が、どちらか片方においても同様の効果が得られること
は言うまでもない。
（実施例９） 第11図は本発明の第９の実施例におけるユニモルフ型
の圧電アクチュエータを用いた焦電型赤外線センサ用チ
ョッパの一例を示す斜視図である。
第11図において、181はシム、182は圧電体、183は変
位拡大部、184はセンサ台座、185は固定具、186a,186b
は固定用ネジ、187はシム用配線、188は圧電体用配線、
189は赤外線検出部、190は赤外線、191は折曲げ部であ
る。弾性体平板をコの字状に折曲げることによって、シ
ム181と変位拡大部183は一体的に形成され、かつ結合部
よりシム181および変位拡大部183は互いに同一方向に長
手寸法を有する構成となっている。また、変位拡大部18
3はシム181との結合部と反対側の一端の近傍において孔
加工部192を有している。
その他の構成は第１図に示した実施例１と同様であ
り、その効果も実施例１と同様であるが、加えて、変位
拡大部の折曲げ部近傍において孔加工部を有することに
より、変位拡大部183の振動に起因する共振周波数f2は
より高い値となり、圧電体接着部の振動に起因する共振
周波数f1よりも高い値を容易に確保でき、変位の安定化
と、孔加工部を設けずに同一の共振周波数を得る場合に
比べての全体形状の小型化に寄与する。また、孔加工部
は折曲げ部近傍でなくても効果は得られるが、圧電体接
着との結合部より距離が離れているほどその効果は大き
くなる。
なお、実施例５から９までに述べた構成を複合させる
ことにより、以上で述べた効果は一層大きなものとな
る。
（実施例10） 第12図は本発明の第10の実施例におけるユニモルフ型
の圧電アクチュエータを用いた焦電型赤外線センサ用チ
ョッパの一例を示す斜視図である。
第12図において、231はシム、232は圧電体、233は変
位拡大部、234はセンサ台座、235a,235bは固定具、237
はシム用配線、238は圧電体用配線、239は赤外線検出
部、240は赤外線、241は折曲げ部である。
リン青銅やステンレス合金等の弾性体平板をコの字状
に折曲げることによって、シム231と変位拡大部233は一
体的に形成され、かつ、結合部よりシム231および変位
拡大部233は互いに平行、および同一方向に長手寸法を
有する構成となっている。さらに変位拡大部233におい
て、結合部と反対の先端は直角に、かつシム231とは反
対側に折曲げ部241が形成されている。シム231表面にお
いて圧電体232が接着されて圧電体接着部（ユニモルフ
型素子）を形成している。シム231は変位拡大部233との
結合部242の反対側の端部近傍において固定具235a,235b
によって挟まれて固定される。センサ台座234および固
定具235a,235bはセンサの外周を覆う剛体箱等の内面に
取り付けられ、折曲げ部241はセンサ台座234上に配され
た赤外線検出部239の近傍に位置し、また変位拡大部233
は折曲げ部241から、赤外線検出部239に入射する赤外線
240の進行方向側に長手方向が伸びる構成をもつ。
その他の構成は第１図に示した実施例１と同様であ
り、その効果も実施例１と同様であるが、加えて、折曲
げ部から伸びる変位拡大部の長手方向を、入射する赤外
線の進行方向と同方向に（平行に）とる構成とすること
で、赤外線検出部を圧電体接着部と変位拡大部の結合部
よりも赤外線240に近く位置させることができ、チョッ
パとしての駆動の際、折曲げ部の振動と同時に発生する
結合部242の振動による赤外線240の進行の妨げを防止で
き、より安定な赤外線検出を行うことができる。また、
同構成とすることで変位拡大部の長手方向と重ね合わせ
て赤外線検出部やセンサ台座を配置できるので、体積を
有効活用でき、センサ全体の寸法が小型化できる。この
構成は、実施例１から９の特徴を有するいずれのチョッ
パにおいても同様に行え、かつ同様の効果を有する。
第19図、第20図（ａ），（ｂ）は本発明の第10の実施
例における、ユニモルフ型の圧電アクチュエータをチョ
ッパとして用いた焦電型赤外線センサの一例を示す模式
図および駆動波形図、駆動特性図である。
第19図において、251はシム、252は圧電体、253は変
位拡大部、254は固定部、255は折曲げ部ａ、256は結合
部、257は折曲げ部ｂ、258は温度検出器、259は赤外線
検出部である。
シム251、圧電体252、変位拡大部253、固定部254、折
曲げ部a255、結合部256によって前記実施例10と同様に
圧電アクチュエータが構成され、またその共振周波数や
駆動に用いる周波数に関しても同様である。赤外線検出
部259は赤外線を検出する素子部が円筒形の缶と赤外線
を透過する窓材に封入されることによって構成されてお
り、折曲げ部a255の近傍において取り付けられ、折曲げ
部a255の動きによって、入射する赤外線を断続してチョ
ッパとしての機能を果たす。焦電型赤外線センサは赤外
線入射による温度変化に起因するセンサであり、すなわ
ちチョッパと検出部だけで温度差を検出し、出力するこ
とは可能であるが、測定物の実際の温度の値を知ること
はできない。そこで実際の温度の値を知るため、サーミ
スタ等の温度検出器258が用いられる。温度検出器258は
通常チョッパの近傍に取り付けられてチョッパ自身の温
度を測定する。検出部に現れる温度変化はチョッパと測
定物の温度差によるものであり、チョッパ自身の温度を
基準とすることで、測定物の実際の温度を知ることがで
きる。
チョッパを構成するシム251と圧電体252のユニモルフ
型貼り合わせ素子は、通常温度特性を持ち、すなわちシ
ム251と圧電体252の熱膨張率の差によって反りを発生す
る。すなわち第19図の初期状態からチョッパ周辺の温度
を上昇させると、チョッパである圧電アクチュエータは
圧電体252を接着した側と逆の方へ反りを発生させ、結
果として折曲げ部a255は折曲げ部b257に移動する。駆動
時の変位位置もほぼこの動きに左右される。よってチョ
ッパ周辺の温度が変化すると赤外線の開閉に変化が生
じ、温度検知の精度に影響を与え、これが無視できない
レベルである場合がある。これに対しては駆動電圧を上
げてチョッパの変位量を温度特性の影響がなくなるまで
増加させる方法により、反りの影響を軽減できる。また
駆動電圧を全体的に上げるのではなく、温度特性によっ
て移動した量を補正するだけで電圧を変化させれば、前
記の影響は最小限で抑えられる。
第20図（ａ），（ｂ）はチョッパである貼り合わせ素
子型圧電アクチュエータの温度特性を補正するため、駆
動電圧波形を変化させた場合の一例を示す特性図であ
る。第20図（ａ），（ｂ）において、縦軸は駆動電圧
値、横軸は時間を表している。第20図（ａ）は通常の矩
形波駆動の波形であり、正負で等しい値の電圧値での駆
動であり、かつ１周期内の時間は正負で半々である。こ
れに対し第20図（ｂ）は正の方向にバイアスを加えて駆
動電圧を正負で非対称とした場合の一例である。バイア
スを加えた効果によって圧電アクチュエータは常に反り
を発生させる。すなわちこれを利用し、温度特性によっ
て生じた反りの反対側に反りを発生させるように駆動電
圧を調整すれば、両者の反りは相殺されてもとの位置に
おいて変位を行う。温度検知に用いる焦電型赤外線セン
サは前述のようにチョッパの温度検出手段を有してお
り、この測定温度を利用すれば、温度特性による反りの
軽減が効果的に行える。例えばある温度での先端部の位
置を基準に、周囲温度の変化による先端部の移動量をあ
らかじめ情報として得ていれば、チョッパの測定温度の
情報を駆動電圧に与えて必要な量だけバイアスを加え、
チョッパの反りを打ち消すことができる。またバイアス
を加えるのではなく、正負の電圧量の比を変化させるこ
とによっても、同様の効果が得られる。一例を上げる
と、本実施例１記載のスーパーインバーによる圧電アク
チュエータは25℃から60℃までで反りが0.1mm程度発生
する場合がある。これを打ち消すために、反りと反対方
向に変位するよう10Vのバイアスを加えると、ほぼ0.05m
m反りが軽減できる。さらに、全体の電圧量変化と、駆
動電圧の非対称を同時に実行することで、より温度特性
による反りの影響の軽減に大きな効果が得られる。特に
本発明における圧電アクチュエータは駆動電圧が小さ
く、かつ変位的に安定であるので、前記の調整が容易で
ある。
温度検知用焦電型赤外線センサはチョッパの温度検出
手段を通常有するので、あらたにこれをつけ加える必要
はなく、前記のチョッパ駆動方法を用いることで、より
安定して赤外線の開閉を行えるので、温度検知用焦電型
赤外線センサの精度が向上する。
産業上の利用可能性 以上のように本発明は、ユニモルフ型あるいはバイモ
ルフ型等の貼り合わせの圧電体接着部の自由端に変位拡
大部を接続し、かつ変位拡大部の先端が圧電体接着部の
先端部よりも固定部に近い位置にある構成とし、圧電体
接着部の振動に起因する共振周波数と、変位拡大部の振
動に起因する共振周波数とを近づけて振動させることに
より、全体の長手方向の寸法を縮小でき、これをチョッ
パとして用いることで焦電型赤外線センサ全体の小型化
ができる。
また圧電体接着部の振動に起因する共振周波数と、変
位拡大部の振動に起因する共振周波数とを互いに近づ
け、両周波数の間の周波数において同圧電アクチュエー
タを駆動することにより、両方の共振の影響により変位
拡大部先端の変位が拡大され、かつ両共振周波数の間の
周波数において、変位量が比較的安定な領域が存在し、
この領域を駆動に用いることで、低い電圧で振動させる
ことができ、共振時の変位の不安定さも軽減し、安定し
た変位特性が得られる。
さらに、圧電体接着部の振動に起因する共振周波数よ
りも変位拡大部の振動に起因する共振周波数の方を高い
値に設定することで、より広い変位が安定し、かつ駆動
信号と変位拡大機構の変位の時間差を、前述の周波数領
域内においてほぼ一定に保つことができる領域が拡大さ
れ、駆動信号と変位出力間の調整が容易となる。
この圧電アクチュエータを焦電型赤外線センサのチョ
ッパとして用いることにより、共振利用による変位拡大
にともないチョッパ全体の形状が縮小され、かつ変位量
が安定していることでチョッパとしての開閉を安定して
行え、センサ出力の精度向上が図れ、さらに経時的に見
ても信頼性が増す。
加えて、圧電アクチュエータの構成部材である弾性金
属体材料、および折曲げ加工の寸法を最適化することに
より、大きな変位量を得つつ、焦電型赤外線センサ用チ
ョッパという用途に適した開閉周波数を有し、かつ組立
ばらつきに対しても影響が少なく、安定した生産を行う
ことができる圧電アクチュエータを提供できる。またさ
らに、駆動周波数を変位の安定領域の近傍および、安定
領域よりも高い周波数とすることで、固定位置に変位量
が影響されにくく、かつ圧電体接着部に対して負荷を軽
減して駆動を行えるので、圧電体の割れや剥がれを防止
でき、より生産性、信頼性を向上させることができる。
さらに加えて、本発明の圧電アクチュエータを駆動す
る電圧を、チョッパ温度によって変動させることによ
り、温度によって影響を受けない温度検知用焦電型赤外
線センサを実現でき、および本発明の圧電アクチュエー
タは駆動電圧が通常の共振を用いた貼り合わせ素子型圧
電アクチュエータよりも低く、かつ変位が安定であるの
で、前記の操作が非常に容易である。
また圧電体接着部の固定部近傍に切り欠きや孔を設
け、あるいは圧電体接着部の先端近傍に重りを取り付
け、またあるいは外形を固定部に近づくにつれて細くす
ることにより圧電体接着部の振動に起因する共振周波数
を主に低下させることができる。またさらに変位拡大部
先端に孔加工を行うことで変位拡大部の振動に起因する
共振周波数の値を上げることができる。これらの措置に
よって容易に、かつより長手寸法を小型にして、圧電体
接着部の振動に起因する共振周波数よりも変位拡大部の
振動に起因する共振周波数の方を高い値に設定すること
ができ、小型で高精度の焦電型赤外線センサの達成が可
能となる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−16162（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−71165（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−111268（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−177980（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−101255（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02N 2/00

Claims (23)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】平板状の弾性部材に対して、平板状の圧電
    体を、前記弾性部材の片面あるいは両面に接着して貼り
    合わせ素子を構成し、前記貼り合わせ素子の一端を固定
    部材により固定した固定端とし、前記貼り合わせ素子に
    電界を印加して前記貼り合わせ素子を屈曲運動させるこ
    とで、固定されていない側の一端を振動させる圧電体接
    着部と、 前記圧電体接着部の、固定されていない側の一端部近傍
    の弾性部材または圧電体に結合し、この結合部と反対側
    の先端部が、前記結合部よりも前記圧電体接着部の固定
    端に近い位置にある変位拡大部とを有し、 前記固定端から前記結合部までの圧電体接着部の振動に
    起因して発生する共振周波数f1と、前記変位拡大部の振
    動に起因して発生する共振周波数f2との差を近傍させ、
    前記f1とf2の間の周波数において振動させる圧電アクチ
    ュエータ。
  2. 【請求項２】請求の範囲第１項において、f1とf2の差
    が、高い側の20％以内であることを特徴とする圧電アク
    チュエータ。
  3. 【請求項３】請求の範囲第１項において、圧電体接着部
    と変位拡大部が互いに単独な別個の部材からなり、前記
    圧電体接着部の先端部近傍において、前記圧電体接着部
    と前記変位拡大部とが直接、あるいは別部材を介して結
    合した構成を特徴とする圧電アクチュエータ。
  4. 【請求項４】請求の範囲第１項〜第３項において、f1よ
    りもf2が高いことを特徴とする圧電アクチュエータ。
  5. 【請求項５】請求の範囲第４項において、圧電体接着部
    の長手寸法が18mm以下で、f2が120Hz以下であり、かつf
    1とf2の周波数の差が高い方の周波数の25％以内である
    ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
  6. 【請求項６】請求の範囲第２項において、圧電体接着部
    と変位拡大部の間の両者と別個の部材を介して両者を結
    合し、かつ前記結合部材は前記圧電体接着部の長手寸法
    に沿って、圧電体装着部において平板状の弾性部材に接
    着された圧電体の接着範囲内に全体あるいは一部が位置
    していることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  7. 【請求項７】請求の範囲第１項〜第６項において、赤外
    線センサに入射する赤外線の断続入射手段として用いる
    ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
  8. 【請求項８】請求の範囲第７項において、圧電体接着部
    と変位拡大部とが互いに鋭角の角度をなして結合してい
    ることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  9. 【請求項９】請求の範囲第８項において、圧電体接着部
    と変位拡大部とが45゜以内の角度を成して結合し、振動
    させる周波数が50Hz以上であることを特徴とする圧電ア
    クチュエータ。
  10. 【請求項１０】請求の範囲第７項において、弾性部材を
    円弧形状で折曲げて圧電体接着部と変位拡大部とにした
    ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
  11. 【請求項１１】請求の範囲第７項において、圧電体接着
    部と変位拡大部間の結合部近傍において、重りが取り付
    けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  12. 【請求項１２】請求の範囲第７項において、圧電体接着
    部の固定端あるいはその近傍において平板状の弾性部材
    に切り欠きを有することを特徴とする圧電アクチュエー
    タ。
  13. 【請求項１３】請求の範囲第７項において、圧電体接着
    部の固定端あるいはその近傍において平板状の弾性部材
    に孔を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
  14. 【請求項１４】請求の範囲第７項において、圧電体接着
    部の幅が固定端側から変位拡大部との結合部側へ行くに
    したがって広くなり、変位拡大部の幅が圧電体接着部と
    の結合部側から先端の変位部へ行くにしたがって狭くな
    ることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  15. 【請求項１５】請求の範囲第７項において、変位拡大部
    の先端可動部近傍において孔を有することを特徴とする
    圧電アクチュエータ。
  16. 【請求項１６】請求の範囲第７項において、赤外線セン
    サに入射する赤外線の進行方向と平行な方向において、
    変位拡大部と圧電体接着部の結合部よりも、前記赤外線
    を検出する素子部が前記赤外線の入射方向に対して前方
    にあることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  17. 【請求項１７】請求の範囲第７項において、変位拡大部
    は、圧電体接着部先端近傍での、圧電体を接着した弾性
    部材と一体の弾性部材のコの字型の折曲げによってなさ
    れ、前記弾性部材として、鉄あるいは銅を主成分とする
    厚みが0.03mmから0.08mmまでの寸法でかつ幅が一様で1m
    mから3mmの寸法の金属材料を用い、固定端から圧電体接
    着部を経て先端部の折曲げによる結合部までの寸法が14
    mmから18mmの寸法であり、前記先端部と変位拡大部との
    間に位置して両者を結合している結合部の、前記圧電体
    接着部と直角方向の寸法を1.2mmから3mmとし、変位拡大
    部の長手寸法を11mmから15mmとし、また前記変位拡大部
    の前記結合部と反対の先端に位置し、折曲げによって変
    位拡大部と直角方向を有する部材の前記直角方向の寸法
    を3.5mmから6mmとし、さらに前記弾性部材と接着する圧
    電体を長手寸法を9mmから14mmとし、前記圧電体の厚み
    を0.05mmから0.12mmとし、かつ接着の位置を前記結合部
    からの距離で0mmから2.5mmとし、前記の形状において60
    Hzから140Hzまでの周波数において駆動を行うことを特
    徴とする圧電アクチュエータ。
  18. 【請求項１８】請求の範囲第17項において、圧電体が接
    着される弾性部材として厚みが0.05mmでかつ幅寸法が1.
    2mmから2.2mmの32Ni−5Co−Feを用い、固定端から圧電
    体接着部を経て先端の結合部までの寸法を14.5mmから1
    6.5mmとし、前記先端部と変位拡大部との間に位置して
    両者を結合している結合部の、前記圧電体接着部と直角
    方向の寸法を1.8mmから2.8mmとし、変位拡大部の長手寸
    法を12.5mmから14mmとし、また前記変位拡大部の前記結
    合部と反対の先端に位置し、折曲げによって変位拡大部
    と直角方向を有する部材の前記直角方向の寸法を3.8mm
    から4.8mmとし、さらに前記弾性部材と接着される圧電
    体を長手方法を10mmから13mmとし、前記圧電体の厚みを
    0.05mmから0.12mmとし、かつ接着の位置を前記結合部か
    らの距離で0mmから2mmとし、前記形状において70Hzから
    100Hzの周波数において駆動を行うことを特徴とする圧
    電アクチュエータ。
  19. 【請求項１９】請求の範囲第４項において、固定端から
    先端の結合部までの圧電体接着部の振動に起因して発生
    する共振周波数f1と、変位拡大部の振動に起因して発生
    する共振周波数f2の間の周波数における最低の変位量と
    なる周波数近傍および前記周波数よりも高い周波数にお
    いて駆動を行うことを特徴とする圧電アクチュエータ。
  20. 【請求項２０】請求の範囲第４項において、圧電体接着
    部先端の弾性部材と変位拡大部との間に位置して両者を
    結合している結合部の、前記圧電体接着部となす角度を
    直角もしくは鋭角とすることを特徴とする圧電アクチュ
    エータ。
  21. 【請求項２１】請求の範囲第４項において、圧電体接着
    部先端の弾性部材と変位拡大部との間に位置して両者を
    結合している結合部の、前記変位拡大部となす角度を直
    角もしくは鈍角とすることを特徴とする圧電アクチュエ
    ータ。
  22. 【請求項２２】請求の範囲第４項記載の圧電アクチュエ
    ータ近傍に温度検出手段を設け、この温度検出手段によ
    る圧電アクチュエータ検出温度に応じて圧電アクチュエ
    ータに印加する電圧値を変化させることを特徴とする焦
    電型赤外線センサ。
  23. 【請求項２３】請求の範囲第22項において、圧電アクチ
    ュエータに印加する電圧値および駆動波形を正負で非対
    称に変化させることを特徴とする焦電型赤外線センサ。
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