JP3324352B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は焦電型赤外線センサなど
に利用され電気信号を機械的運動に変換する圧電アクチ
ュエータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】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ーコンディショナーに
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。この焦電型赤
外線サセンサは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。

【０００３】物体はその温度に応じた赤外線を放射して
おり、この焦電型赤外線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、赤外線入射量を断続ある
いは開閉して強制的に変化させる必要がある。この手段
として用いられる機構をチョッパといい、入射する赤外
線を強制的に断続し検出物体の温度を検知する。従来の
チョッパとしては電磁モータ及び圧電アクチュエータ等
が用いられていた。

【０００４】図５は弾性体平板に圧電体を接着したアク
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
を接着して貼合わせて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、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。

【０００５】図５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、５１はシム、
５２ａ、５２ｂは圧電体、５３は遮蔽板、５４は台座、
５５は固定具、５６はシム用配線、５７ａ、５７ｂは圧
電体用配線、５８は赤外線検出部、５９は遮蔽板５３に
設けたスリット、６０は赤外線である。シム５１の両面
には圧電体５２ａ、５２ｂ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。

【０００６】圧電体５２ａ、５２ｂは表面に電極が印刷
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５２ａ、５２ｂそれぞれの分極の方向は、
シム５１から取り出された配線５６と圧電体５２ａ、５
２ｂから取り出された配線５７ａ、５７ｂによりシム５
１と圧電体５２ａ、５２ｂそれぞれの間に加えられる電
界の向きにより異なるが、圧電体５２ａ、５２ｂ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５２ａ、５２ｂ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。

【０００７】バイモルフ型素子は台座５４と固定具５５
とによりシム５１の部分と圧電体５２ａ、５２ｂの部分
が同時に挟み込まれることにより保持されている。シム
５１の圧電体５２ａ、５２ｂが接着されていない部分に
はシム用配線５６が取り付けられ、また圧電体５２ａ、
５２ｂの表面には圧電体用配線５７ａ、５７ｂ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５３が取り付けられ、遮蔽板５３にはスリット
５９が設けられている。遮蔽板５３の近傍には赤外線検
出部５８が遮蔽板５３及びバイモルフ型素子に接触しな
いように配置される。

【０００８】シム用配線５６及び圧電体用配線５７ａ、
５７ｂによりシム５１と圧電体５２ａ、５２ｂ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５
３及びスリット５９は電界の印加方向の変化に応じて往
復運動を行う。このスリット５９の往復運動により赤外
線検出部５８に入射する赤外線６０を断続する。

【０００９】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。

【００１０】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荷
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ことができる。以下
に上記の特徴を持つチョッパの構造の一例を示す。

【００１１】図６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。図６において、６１ａ、６１ｂはシ
ム、６２ａ、６２ｂは圧電体、６３ａ、６３ｂは重り、
６４はセンサ台座、６５ａ、６５ｂはユニモルフ型素子
固定具、６６ａ、６６ｂはシム用配線、６７ａ、６７ｂ
は圧電体用配線、６８は赤外線検出部、６９ａ、６９
ｂ、６９ｃ、６９ｄはユニモルフ型素子固定ネジ、７０
は赤外線である。

【００１２】また、図７はシム７１ａ、７１ｂの詳細を
示す斜視図であり、７１は遮蔽部、７２は圧電体接着
部、７３は切り欠き部、７４は位置決め部、７５ａ、７
５ｂは固定用穴である。遮蔽部７１と圧電体接着部７２
は折曲げによって直角をなし、圧電体接着部７２から位
置決め部７４にいたる間に幅が圧電体接着部７２よりも
小さくなるように成形された切り欠き部７３を設け、位
置決め部７４の両端には固定用穴７５ａ、７５ｂが設け
られている。

【００１３】シム７１ａ、７１ｂは図７に示すように幅
が細い切り欠き部７３が設けられ、切り欠き部７３にお
いて図６に示すようにセンサ台座６４とユニモルフ型素
子固定具６５ａ、６５ｂによって挟まれ、更にユニモル
フ型素子固定ネジ６９ａ、６９ｂ、６９ｃ、６９ｄをそ
れぞれ固定用穴７５ａ、７５ｂ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配置され
ている。

【００１４】またシム６１ａ、６１ｂのそれぞれ向かい
合う面すなわち圧電体接着部７２には圧電体６２ａ、６
２ｂが、センサ台座６４やユニモルフ型素子固定具６５
ａ、６５ｂ及びシム６１ａ、６１ｂ先端の遮蔽部、加え
て切り欠き部７３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６８はセンサ台座６４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７０の入射あるいは遮断を受
ける。赤外線７０を断続する遮蔽部はシム６１ａ、６１
ｂの固定する側とは反対側の端部を折り曲げて構成さ
れ、この部分の平面部分に重り６３ａ、６３ｂがそれぞ
れ接着されている。

【００１５】シム６１ａ、６１ｂの可動部以外の一箇所
すなわち位置決め部７４の一箇所にはシム用配線６６
ａ、６６ｂが、圧電体６２ａ、６２ｂには圧電体用配線
６７ａ、６７ｂ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おり、シム用配線６６ａ、６
６ｂ及び圧電体用配線６７ａ、６７ｂによりシム６１ａ
と圧電体６２ａ、シム６１ｂと圧電体６２ｂ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
にて反対方向に駆動し、赤外線７０を断続的に遮断す
る。

【００１６】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。

【００１７】以上のようにユニモルフ型素子をはじめと
する貼合わせ型素子の共振近傍での駆動により様々な利
点が得られるが、共振周波数近傍での駆動であるので、
チョッパ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が著し
く変化した。さらに、変位の安定化を図るために共振か
ら駆動周波数を離すと、変位量は低下し同様の変位を得
るためには高い駆動電圧を必要とした。かつ、形状を小
型化して変位を得る場合、シムと圧電体との接着層への
負担が増大して剥がれの原因となる。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。

【００１８】以上のような共振駆動の持つ問題を改善す
るため、以下の圧電アクチュエータを提案した。

【００１９】図８はユニモルフ型の圧電アクチュエータ
に変位拡大部を設け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。

【００２０】図８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。

【００２１】リン青銅やステンレス系合金などの弾性体
平板をコの字状に折曲げることによってシム８１と変位
拡大部８３は一体的に、かつ結合部よりシム８１及び変
位拡大部８３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８３におい
て、結合部と反対の先端は直角に、かつシム８１とは反
対側に折曲げ部９１が形成されている。シム８１の表面
において圧電体８２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８１は変位拡大部８
３との結合部の反対側の端部近傍においてセンサ台座８
４と固定具８５によって挟まれ、さらにセンサ台座８４
にはめネジ加工が、固定具８５には孔加工が施され、固
定用ネジ８６ａ、８６ｂによって固定される。センサ台
座８４上において赤外線検出部８９が配され、前記の変
位拡大部８３の先端の折曲げ部の近傍に位置している。

【００２２】また、シム８１の固定部近傍にはシム用配
線８７が、さらに圧電体８２の接着側と反対の表面のシ
ム８１の固定部に近い位置においては圧電体用配線８８
がそれぞれ取り付けられている。ここでシム用配線８７
と圧電体用配線８８より交流信号を印加するとシム８１
と圧電体８２との間に電位差が生じ、圧電体接着部の変
位拡大部８３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９１も変位し、この運動によって
赤外線検出部８９の入射する赤外線９０を断続し、チョ
ッパとしての役割を果たす。

【００２３】ここで、前記構成の圧電アクチュエータ
（チョッパ）の共振特性を図９に示す。

【００２４】図９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。ｆ１、ｆ２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ｆ１とｆ２の差も変化する。

【００２５】前記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、ｆ１とｆ２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ｆ２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
長手寸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。

【００２６】この時、ｆ１とｆ２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
を図１０に示す。

【００２７】図１０において、縦軸は変位拡大部先端部
変位、横軸は駆動周波数を示している。

【００２８】ｆ１とｆ２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、
ｆ１とｆ２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
した変位とが得られる。

【００２９】またｆ１を圧電体接着部に主に起因する共
振周波数、ｆ２を変位拡大部に主に起因する共振周波数
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。

【００３０】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し、
これを安定にするため共振周波数より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、前記の構成を有
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１００Ｈｚ、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６Ｈｚの区間で
得ることが可能である。

【００３１】同様の効果は圧電体接着部の長手寸法が１
８ｍｍ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
くなる場合や、１方の共振が励振されなくなる場合があ
る。

【００３２】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、駆動及び組立、部材の加工が容易になる。さらに圧
電体と接着した部分の振動量を低くできるので、圧電体
とシムとの剥離が起こりにくくなる。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
全体の小型化がはかれ、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
がはかれ、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
らのノイズが赤外線検出部への影響を低減できる。

【００３３】以上の特徴を有するチョッパを、簡易のた
めに以下Ｗ共振型チョッパあるいはアクチュエータと呼
ぶ。

【００３４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のＷ
共振型チョッパは、駆動に用いる振動モード以外の不要
振動もまた励振され、これによってチョッパが制御不能
となり、焦電型赤外線センサのチョッパとして使用した
場合温度測定が全くできなくなる場合があり、これは矩
形波駆動の場合によく見られた。反面サイン波駆動とす
ると不要振動は減少するが、変位量が同電圧の矩形波駆
動と比較して安定領域において２０％以上も低下する現
象が見られた。

【００３５】本発明は駆動の安定化が図られ、変位量を
十分に確保できる圧電アクチュエータを提供することを
目的とする。

【００３６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の圧電アクチュエータは、印加する交流電圧波
形を時定数τでなまった形とし、特に駆動周波数が５５
から１２０Ｈｚまでの圧電アクチュエータに対しては、
時定数τを駆動電圧周期の０．０２倍から０．１５倍と
するための一手段として、アクチュエータと直列に抵抗
を設ける構成としたものである。

【００３７】

【作用】駆動電圧波形を矩形波より時定数τだけなまら
せることにより、圧電アクチュエータの変位出力の不安
定化に起因する不要振動が励振されにくくなり、よって
安定に駆動を行うことができる。またこの駆動方法で得
られる変位量はサイン波で駆動した場合に比べて大きい
ので、圧電アクチュエータの基本特性の低下を防止でき
る。不要振動のレベルは時定数τの増加とともに減少
し、特に駆動周波数が５５Ｈｚから１２０ＨｚまでのＷ
共振型アクチュエータに対しては、時定数τが駆動電圧
周期のほぼ０．０２倍から効果が顕著に現れ始め、ある
時定数τ以上ではほぼ不要振動は確認されなくなる。時
定数τを上げすぎると変位量が減少するので、ほぼ０．
１５倍までの範囲で駆動することにより、良好な特性が
得られる。このように小型、大変位、安定駆動のチョッ
パを用いることにより、焦電型赤外線センサの小型、高
精度化が実現できる。

【００３８】

【実施例】以下、図にしたがって本発明の一実施例につ
いて説明する。

【００３９】（実施例１）図１（ａ）、図１（ｂ）は本
発明の第１の実施例における駆動回路中にＷ共振型アク
チュエータと直列抵抗を接続した場合の一例を示す斜視
図及び等価回路図である。

【００４０】図１（ａ）において、１１はシム、１２は
圧電体、１３は変位拡大部、１４ａ、１４ｂは固定具、
１５は折曲げ部、１６は結合部、１７は交流信号源、１
８は直列抵抗Ｒａである。シム１１、変位拡大部１３、
折曲げ部１５、結合部１６は１枚の板状の導電性金属体
を折曲げることにより一体的に構成される。シム１１の
片面には、厚み方向に分極処理されかつ両表面に電極が
形成された圧電体１２が接着されている。シム１１の結
合部１６と反対の端部近傍において、固定具１４ａ、１
４ｂによって挟み込まれて一方端を固定することにより
Ｗ共振型アクチュエータが形成されている。固定具１４
ａ、１４ｂもシム１１と同様に導電性材料によって形成
され、固定具１４ａと圧電体１２の接着されていない表
面の電極部においてそれぞれ電界印加用の配線が取り付
けられる。電界印加用配線を通じて直列抵抗Ｒａ１８が
圧電体１２に隣接して配され、さらに交流信号源１７と
の接続によりシム１１と圧電体１２の間に交流電圧を印
加する電気回路が形成される。

【００４１】図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＷ共振型
アクチュエータの等価回路及びこれに接続された直列抵
抗Ｒａ及び交流信号源よりなる電気回路図である。直列
抵抗Ｒｂ、直列容量Ｃａ、直列インダクタンスＬ及び並
列容量Ｃｂは圧電振動子の等価回路を示す一般的な内部
パラメータであり、等価回路は一般に図のように直列抵
抗Ｒｂ、直列容量Ｃａ、直列インダクタンスＬの直列接
続と、これに並列に接続された並列容量Ｃｂからなる。
図から分かるように圧電振動子はＣａ、Ｃｂからなる容
量Ｃを持っており、圧電振動子に直列抵抗Ｒａを直列に
接続して矩形の交流波形を印加することにより、圧電振
動子には図２（ｂ）に示すように時定数τ＝ＲａＣにな
まりをもった波形が印加されることとなる。あるいは正
確には直列抵抗Ｒｂも影響を及ぼす。

【００４２】図２（ａ）は矩形での交流電圧波形、図２
（ｂ）は時定数τのなまりをもった交流電圧波形の一例
である。Ｒａの値を調節することにより、駆動波形の時
定数の調整が行える。

【００４３】Ｗ共振型アクチュエータは各構成部材の寸
法及び取付位置によって、様々な共振周波数と振動モー
ドをもつ。例えばＷ共振型アクチュエータの駆動に利用
する変位拡大部のたわみ振動に起因する共振は、少なく
とも変位拡大部自身の形状寸法、折曲げ部の形状、圧電
体の形状及び接着位置、圧電体接着部の形状等の影響を
受ける。例えば変位拡大部の長手寸法が大、折曲げ部形
状が大すなわち質量が大であったり、また圧電体接着部
の長さ大である場合は共振周波数は低下する。

【００４４】変位拡大部の振動をより片端固定のたわみ
振動モードの近づけたい場合の１手法として圧電体の接
着位置をより結合部寄りとすることが挙げられるが、本
実施例においては導電性金属体の折曲げの簡易化のため
に結合部より幾分離してある。また折曲げ部の質量と変
位拡大部の形状を調整することも有効である。

【００４５】Ｗ共振型アクチュエータは通常の駆動に使
用する共振の他にも様々な共振をもち、駆動中には目的
とする共振以外に他の振動モードの不要共振も同時に励
振され、これら不要共振も同様に各構成部材のパラメー
タの影響を受ける。駆動周波数近傍における不要共振の
振動エネルギが十分小さければ駆動に支障はないが、逆
に大きい場合には図３（ｂ）のように通常の変位を得る
ことに対する妨げとなったり、場合によってはＷ共振型
アクチュエータ全体の振動が通常の振動と全く別のモー
ドとなり、駆動が行えなくなる場合がある。

【００４６】図３（ａ）は通常の変位波形、図３（ｂ）
は不要共振によって歪んだ変位波形の一例である。図３
（ａ）はほぼサイン波をなしており、図３（ｂ）は駆動
は行えているが不要共振によって波形が歪み、通常の変
位量が得られないばかりか、不安定な挙動によりＷ共振
型アクチュエータの機械的寿命に対して悪影響を及ぼ
す。これらの不要共振のエネルギが更に大きいと、Ｗ共
振型アクチュエータは他モードの不安定な振動となり、
急激な破壊にいたる場合もある。

【００４７】このような不要共振は、より高い周波数を
有する共振である場合が多く、これらの共振の振動モー
ドを正確に把握し、Ｗ共振型アクチュエータの形状を調
整することによって低減を図ることも可能であるが、複
数の共振のモードを正確に把握し、同時に低減させる構
成を得ることは困難であり、かつＷ共振型アクチュエー
タ本来の共振の変動も引き起こす。逆に、組立のばらつ
き程度によっても振動の不安定化の有無が見られる。

【００４８】上述のように駆動電圧の波形をなまらせる
ことにより、不要共振のレベルを低下させることがで
き、駆動の安定化が図れ、振動の他モードへの移行を防
止することができる。一例を挙げると、全体の長さが約
１６ｍｍ、幅１．５ｍｍ、金属体として厚み０．０５ｍ
ｍのスーパーインバー、圧電体寸法１１×１．５×０．
１、変位拡大部長さ約１３ｍｍで、駆動周波数が８３Ｈ
ｚの図１（ａ）の形状を有するＷ共振型アクチュエータ
において、約８００Ｈｚで振動する他モードの共振が確
認された。この振動は結合部、変位拡大部、折曲げ部が
同時にそれぞれたわみ、折曲げ部が変位拡大部との接合
部を固定端とする片端固定の振動を行う形態であった。

【００４９】折曲げ部の変位量を測定しつつ直列抵抗の
値を徐々に上げるにしたがい、折曲げ部の変位は減少
し、ある値以上では全く測定されなかった。かつ、駆動
中に他モードの振動に移行したＷ共振型アクチュエータ
について直列抵抗の挿入を行ったところ、通常の振動モ
ードとなって以後不安定とはならなかった。

【００５０】この場合のＷ共振型アクチュエータの容量
は約５０００ｐＦであり、約３０ｋΩの直列抵抗により
折曲げ部の変位は著しく減少し、約８０ｋΩにおいてほ
ぼ０となった。この時の時定数は約０．３ｍｓから０．
６ｍｓであり、これは駆動周波数８３Ｈｚの周期に対し
て０．０２５から０．０５倍である。より時定数を増せ
ばより不要共振は低減されるサイン波になると更に安定
となるが、反面得られる変位量は時定数の増加に伴って
低下する。一例を挙げれば、矩形波駆動の変位量に対
し、サイン波駆動では変位が２０％程度低下し、時定数
τだけなまらせたものは両駆動方法の変位量の間の値を
とる。

【００５１】同様の傾向は近い寸法をもつＷ共振型アク
チュエータにおいても確認され、駆動の安定化と変位量
の確保の両面からみて、駆動周波数５５Ｈｚから１２０
ＨｚのＷ共振型アクチュエータにおいては、時定数が駆
動周期の０．０２倍から０．１５倍がほぼ最適である。
またより具体的にいえば、全体の長さが１３ｍｍから１
８ｍｍ、金属体と圧電体の幅が全体の長さの０．２５倍
以下、圧電体の長さが全体の長さの０．９倍以下、静電
容量が４０００ｐＦから７０００ｐＦを有する、５５Ｈ
ｚから１２０Ｈｚで駆動するＷ共振型アクチュエータに
おいて、直列抵抗２０ｋΩから１５０ｋΩで良好な駆動
が得られる。

【００５２】なお、この駆動方法は従来例に記したよう
な構成の焦電型赤外線センサ用チョッパにそのまま用い
ることができる。温度検知の精度に対してチョッパの動
きは大きく起因し、チョッパは大変位でかつ正確な動き
が要求される。非共振駆動型の圧電バイモルフ等を用い
ると精度は向上する反面、形状が極めて大型なものとな
り、センサユニットそのものの汎用性を損なう。焦電型
赤外線センサ用チョッパとしてＷ共振型アクチュエータ
を用い、かつ上記の駆動方法を用いることで、小型で高
精度な開閉可能なチョッパが実現でき、センサユニット
の小型化、高精度化に寄与する。

【００５３】（実施例２）図４は変位拡大部の先端近傍
において１部に略平面を有する変位部材が設けられ、略
平面の法線方向は変位拡大部の変位方向の接線方向と略
垂直であり、かつシムと変位拡大部との結合部から前記
変位拡大部先端へと向かう方向に対しても略垂直である
構成のＷ共振型アクチュエータの斜視図である。

【００５４】図４において、４１はシム、４２は圧電
体、４３は変位拡大部、４４は固定部、４５は圧電体用
配線、４６は赤外線検出部、４７は赤外線、４８は変位
部材、４９は結合部である。

【００５５】シム４１と変位拡大部４３、変位部材４
８、結合部４９は一体の金属部材により構成され、平板
形状よりそれぞれ折曲げることによって形成されてい
る。シム４１と変位拡大部４３は互いに平行であり、結
合部４９を介してコの字形状を成している。シム４１に
は平面に対して垂直方向に分極された圧電体４２が片面
に接着されている。シム４１の結合部４９との結合側の
反対側は固定部４４に、ネジ止め、接着あるいは溶接等
によって固定されている。圧電体４２の表面には圧電体
用配線４５が取り付けられ、固定部４４の材質は銅等の
導電性材料とする。変位部材４８の略平面部は変位拡大
部平面に対して略直角に折り曲げられている。

【００５６】その他の構成及び駆動方法、特徴は実施例
１と同様であるが加えて、実施例１のＷ共振型アクチュ
エータは小型化、大変位化にともなって折曲げ部の長手
方向の変位すなわち回動運動に伴う変位が大きくなり、
センサ等他の部材との接触が問題となる恐れがある。こ
れに対し上記構成のＷ共振型アクチュエータは、変位部
材平面は変位方向とほぼ平行な関係にあり、片端固定の
たわみ振動にともなう回動運動によって変位部材がセン
サへ接近する恐れがなく、よって各部材の配置が容易で
あり、ユニットを効率よく小型化できる。またチョッパ
の遮蔽部はセンサに近づけるほど小変位で同様の特性が
得られ、よってチョッパの長期的な信頼性を確保及び精
度の向上を図ることができる。

【００５７】なお本実施例においては変位部材を一体と
して折曲げを行ったが、別部材において構成して接合し
ても、上記の特徴は何等損なわれないことはいうまでも
ない。

【００５８】

【発明の効果】以上のように本発明は、小型で大変位が
得られる圧電アクチュエータの駆動方法として、駆動電
圧波形を矩形波から時定数τだけなまらせることにより
Ｗ共振型アクチュエータの不要振動の励振を抑制し、圧
電アクチュエータの制御不能状態の現出を防止し、また
構成部材に不要振動による余分な機械的負荷を低減させ
信頼性を向上できる。またある範囲の時定数τを用いる
ことにより、不要振動を抑制しつつ、変位量の低下を最
小限に抑え、基本特性ほとんど低下させることのない駆
動が可能である。特に５５Ｈｚから１２０Ｈｚで駆動す
る圧電アクチュエータは、時定数τを駆動電圧周期の
０．０２から０．１５倍の範囲内で駆動することで良好
な駆動と基本特性が同時に得られる。Ｗ共振型アクチュ
エータは小型でかつ大変位が得られるので、センサ等の
ユニット全体の小型化に寄与し、特に温度検知にチヨッ
パが必要な焦電型赤外線サンサに対して、小型化、高精
度化に寄与し、同駆動方法と組み合わせることにより、
より信頼性、汎用性が高いセンサを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の第１の実施例の構成を示す斜視
図 （ｂ）本発明の第１の実施例の構成を示す電気回路図

【図２】（ａ）本発明の第１の実施例における通常の駆
動波形図 （ｂ）本発明の第１の実施例の駆動波形図

【図３】（ａ）本発明の第１の実施例における正常な変
位特性図 （ｂ）本発明の第１の実施例における不要共振を伴う変
位特性図

【図４】本発明の第２の実施例の構成を示す斜視図

【図５】従来の圧電バイモルフ型チョッパの構成を示す
斜視図

【図６】従来の共振型チョッパの構成を示す斜視図

【図７】従来の共振型チョッパの構造の詳細を示す斜視
図

【図８】従来のＷ共振型アクチュエータの構成を示す斜
視図

【図９】従来のＷ共振型アクチュエータのアドミッタン
ス特性図

【図１０】従来のＷ共振型アクチュエータの変位特性図

【符号の説明】

１１、４１ シム １２、４２ 圧電体 １３、４３ 変位拡大部 １５ 折曲げ部 １９、４９ 結合部 ４８ 変位部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−162784（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−164007（ＪＰ，Ａ) 実開 昭64−241（ＪＰ，Ｕ) 国際公開96／14687（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 41/09

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 分極処理がなされた平板状の圧電体を平
   板状の弾性部材の片面あるいは両面に接着し、一端を固
   定部材により固定された圧電体接着部と、前記圧電体接
   着部と結合して自由端が前記結合部よりも前記圧電体接
   着部の固定部に近い距離に位置する変位拡大部を有し、
   前記圧電体接着部に電界を印加して前記圧電体接着部を
   屈曲運動させることで前記圧電体接着部の自由端及び前
   記変位拡大部の自由端が変位する構成で、前記圧電体接
   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の
   差を近接させ、前記ｆ１と前記ｆ２の差が高い側の周波
   数の３０％以内となる構造を有し、前記ｆ１とｆ２の間
   の周波数において交流電圧を印加して駆動させ、前記交
   流電圧波形が矩形波から時定数τのなまりを有するよう
   にした圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】 駆動周波数が５５から１２０Ｈｚの間で
   あり、前記時定数τは駆動電圧周期に対して０．０２倍
   から０．１５倍の間である請求項１記載の圧電アクチュ
   エータ。
3. 【請求項３】 変位拡大部と、圧電体を接着する弾性部
   材とが板状の金属体の折曲げによって一体的に構成さ
   れ、前記変位拡大部は圧電体接着用弾性部材と結合して
   いないもう一方の先端近傍で折曲げ部を有する構成の請
   求項１記載の圧電アクチュエータ。
4. 【請求項４】 変位拡大部の圧電体接着用弾性部材と結
   合していないもう一方の先端近傍において少なくとも１
   部に略平面を有する変位部材が設けられ、前記略平面の
   法線方向は前記変位拡大部の変位方向の接続方向と略垂
   直であり、かつ前記圧電体接着用弾性部材と前記変位拡
   大部との結合部から前記変位拡大部先端へと向かう方向
   に対しても略垂直である構成の請求項１記載の圧電アク
   チュエータ。
5. 【請求項５】 圧電アクチュエータと電気回路的に直列
   の関係に所定の抵抗を接続することにより駆動電圧波形
   になまりを発生させる請求項１記載の圧電アクチュエー
   タ。
6. 【請求項６】 固定端から結合部までが１３ｍｍから１
   ８ｍｍ、金属体と圧電体の幅が一様で前記固定部から結
   合部までの長さに対し０．２５倍以下、圧電体の長さを
   前記固定端から結合部までの長さに対し０．９倍以下、
   駆動周波数が５５Ｈｚから１２０Ｈｚであり、かつ静電
   容量４０００ｐＦから７０００ｐＦを有し、２０ｋΩか
   ら１５０ｋΩの抵抗を用いる請求項５記載の圧電アクチ
   ュエータ。