JP4240472B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、圧電材料の収縮または膨張によって運動が制御される装置に関するものである。

本発明の主な狙いは、二次元で移動できるアクチュエータを提供することにある。

本発明の別の目的は、形状が特に小型であるアクチュエータを提供することにある。

本発明の別の目的は、運動を正確かつ予測可能に維持しながら繰り返して運動を受けるアクチュエータを提供することにある。したがって、この発明に開示されたアクチュエータの型式は信頼性があることを必要とする。

本発明の別の目的は、圧電材料内の電極の配置に対して新規な取組を提案することにある。

本発明の別の目的は、アクチュエータが類似のアクチュエータの積層体に容易に組み付けられるような形状をしたアクチュエータを提供することにある。したがって、この発明の別の目的は、隔離状態で動作するように設計された個々のアクチュエータとして、特に小型でかつ等しく信頼性があるアクチュエータの配置を提供することにある。

第１の広い独立した観点においては、本発明は、電極板と圧電材料の交互差込み層の積層体からなるアクチュエータにおいて実施される。電極板の上方領域（使用時）は上下方向に撓みを生じるように付勢されたときに適応される。電極板の下方領域は上下方向に撓みを生じるように付勢されたときに適応される。電極板の１またはそれを超える別の領域は、左右方向に撓みを生じるように付勢されたときに適応される。

上記構成はＺ方向（Ｚ軸がアクチュエータの長手方向にそって延びる）に直角なＸ方向およびＹ方向の撓みを許すので、その構成は特に有利である。この特徴の組合せは、それが特に小型総体寸法でありながら、増加した自由端揺れと共に二次元で曲がるアクチュエータを提供するので、特に有利である。

本発明の第１の広い独立観点にもとづく副次的観点においては、前記別領域または各別領域の電極板が上方領域および下方領域の電極板に実質的に平行に延び、左バイアス付勢電圧を伝導するように適応された電極板が右バイアス付勢電圧を伝導するように適応された電極板から離間され、それらの対応する電極板がアクチュエータの幅を実質的に横切って延びている。

この特徴の特別な組合せは、それが二次元で曲げを受けやすいアクチュエータを提供しかつシステムに加えられるエネルギに対して高度に撓みを起こすことができるので、特に有利である。この構成もまた特に小型である。

第１の広い独立した観点にもとづく別の副次的観点においては、アクチュエータはほぼ円筒形状である。

この観点は、特別な駆動信号の印加の下でアクチュエータが曲がったときに、その観点が達成できる揺れを最大にするので、有利である。さらに、ほぼ円筒形状のアクチュエータは、それが別の類似のアクチュエータと並んで動作するとき、小型の配列を形成するように特にうまく適応するので、有利である。

追加の副次的観点においては、アクチュエータは１またはそれを超えるトンネルからなる。

１またはそれを超えるトンネルを設けることは、それらが光ファイバのような細長い要素を収容することができるので、特に有利である。一旦これらの細長い要素がこれらのトンネルに挿入されると、その要素はアクチュエータが要素の保護ハウジングを構成しながらアクチュエータと共に撓むことができる。

本発明の第１の広い独立した観点にもとづく別の副次的観点においては、圧電材料の各ストリップが約２０−約３５ミクロンの範囲内にある厚みを有している。

この特別な範囲に圧電材料のストリップを選ぶことは、その範囲内で達成される曲げが長期間制御可能で信頼性を留めていながら最大にされるので、有利である。

本発明の第１の広い独立観点にもとづく別の副次的観点においては、各電極は約２．５ミクロンの厚みを有する。

この厚みにおいては、アクチュエータの曲げは、長期間制御可能で信頼性を留めていながら最大にされるので、有利である。

第２の広い独立観点においては、本発明は、２またはそれを超える歯を組み込んだ櫛の構成のアクチュエータを提供する。１またはそれを超えるアクチュエータが、電極板と圧電材料の交互差込み層の積層体からなる。電極板の上方領域（使用時）は上下方向に撓みを生じるように付勢されたときに適応される。電極板の下方領域は上下方向に撓みを生じるように付勢されたときに適応される。電極板の１またはそれを超える別の領域は、左右方向に撓みを生じるように付勢されたときに適応される。

櫛構成の当該種類の歯グループを配列することの１つの利点は、多数の角度位置が一時に達成されることである。少なくとも１つの歯は、それらのすべてでない場合に、二次元で個々に移動される。

この構成の他の利点は、歯が特に真っ直ぐで制御しやすく、各歯が大きな終点撓みを達成し、延長期間を超えて正確な角度位置決めを達成することを受け容れることである。この種の歯グループは、個々の歯配列を製造するよりも少ない費用で容易に製造される。櫛の歯のようなアクチュエータを製造する別の利点は、この構成が特に小型であり、全体を小型にする歯の大きな配列を製造するために類似構造の他の櫛と組み合わせて動作するように容易に適応されることである。

図１は、２Ｄアクチュエータ１の概略を示す。アクチュエータは、方形断面のほぼ円筒形状の圧電アクチュエータであり、また、この実施例においては軸穴４に光ファイバのような細長い要素５を収容する。電極は、上、下、左、右を指定した４つの別個の領域に圧電材料の本体内に定置される。これらの各電極グループは、個々に刺激される。例えば、上のみが刺激された場合には、アクチュエータの頂部が収縮し、その結果、圧電アクチュエータが動作している細長い要素を動かす収縮部分に向かって圧電アクチュエータが曲がる。電極は、上、左、右、下にそれぞれ対応するＵ、Ｌ、Ｒ、Ｄ入力によって刺激される。アクチュエータが主にＺ方向に延び、したがってＸおよびＹ方向に限られた空間を占めるだけであることを大文字で書くために、電極入力はアクチュエータの同じ側にすべて定置されてもよい。図１において、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直交ＸＹＺ座標系を想定したとき、上記左右方向はＸ軸方向に対応し、上記上下方向はＹ軸方向に対応し、紙面に垂直な方向（要素５の長手方向）はＺ軸方向にそれぞれ対応する。

各電極は、アクチュエータの全長にわたって好ましくは延びている。しかし、これらはアクチュエータの区分を交互に刺激するだけでもよい。

図２は、製造方法が本願において後の段階で詳細に説明される特別の好適一体型圧電ブロックの断面構成を表す。

アクチュエータ構造の頂部に向かって、ブロックの幅を横切って延びる電極層ＡおよびＢが交互に差し込まれる。ブロックの底に向かって類似の電極層ＥおよびＢがある。Ｂ層をすべて便宜的に接地させて、ＡまたはＥのいずれかに電圧を印加することによって上方移動または下方移動をそれぞれ生じさせる。この技術において、駆動電圧は単極であり、その極性は圧電材料が収縮モードにおいて反応するように印加電界に平行に整列される。

ブロックの中間領域において、ＣおよびＤの電極層が交互に差し込まれる。Ｄ層はブロックの幅を横切って延び、他方、Ｃ電極は左および右に分割される。Ｃ電極の適切な組に電圧を印加することは、左または右撓みを生じる。

この実施例の圧電アクチュエータの特別寸法は、図２に書かれている。軟質ＰＺＴ材料の層は、厚みが２２．５μｍ（ミクロン）であり、電極それ自体は２．５μｍの厚みを有する。中央区分は、１６０μｍ四方の中央穴を収容するために２００μｍの厚みを電極から奪われる。約０．２ｍｍの左右バイアス電極間に中央間隙が設けられている。

図３は、２Ｄ圧電アクチュエータの別実施例を表す。この圧電アクチュエータは、図２の内容において記載された類似の相互差込み電極からなる。この特別型式の圧電アクチュエータは、中央穴を廃止し、したがって、圧電アクチュエータ内に電極のより効率的な配分を可能にする。この特別型式の圧電アクチュエータは、１．８×１．８ｍｍのブロックで、この図面には図示されていないが、３１ｍｍの活動長さと４１ｍｍの全長を有している。２．５μｍの電極によって分離された３０μｍの軟質ＰＺＴ材料の５４枚層がある。容量（Ｕ／Ｄ）は０．３μＦであり、（Ｌ／Ｒ）に対して０．７μＦである。この構成の各電極は、１．６ｍｍの幅と３１ｍｍの長さとを有し、その長さにそって互いに平行に延びている。Ｌ／Ｒバイアス電極の中央間隙は、０．２ｍｍである。動作電圧は＋９０であるが、＋／−３７．５Ｖのバイアス電圧および＋／−５２．５Ｖの駆動電圧によって−１５Ｖになる。圧電アクチュエータが負荷を受けていないならば、一端が約＋／−０．８Ｎで把持されたとき、撓みはＵ／ＤおよびＬ／Ｒに対して＋／−１２５μｍとなる。

上述した２Ｄアクチュエータは、絶縁されたユニットになるか、歯付きアクチュエータ櫛の一部を形成し、各櫛の歯は上述した形式の電極構成を有する。

圧電櫛を製造するために、ジルコン酸チタン酸鉛のような圧電材料が電極板に積層される。既に述べたように、電極板が印加電圧によって刺激されたとき、圧電材料は印加電圧のバイアスにもとづいて上述したように収縮するか膨張することができる。上述した場合には、電圧は０Ｖと９０Ｖとの間だけにあり、それゆえに電極は常に正であり、したがって、圧電材料を収縮させる。そして、圧電材料の異なる区分を収縮させることによって、異なる効果が全体の圧電アクチュエータに生じる。

２Ｄアクチュエータのグループを製造する特別に有利な方法は、別個に制御可能な歯を持った櫛形状としてアクチュエータを製造することである。このような櫛形状のアクチュエータを製造する好適方法は、大きい長方形形状のアクチュエータ領域の全サイズを計測した積層電極板をつくり、次いで櫛形状を得るために適切な位置で切断することによって実施される。

電極板は図４、５、６、７、８に示され、Ｄ、Ｃ、Ｂ、Ａ、Ｅの記号がそれぞれ付され、図９に示す順序で互いの上に積層される。図９は、既に切断された穴３２を示し、電極がそれらの周りに積層される。層は、電極の各２．５μｍ層間で２２．５μｍセラミックである。

５つの異なる板があるけれども、３つの異なる型式の板がある。図４および６からわかるように、板ＤおよびＢは、それらが各偶発的歯（図１０および１２に見られるように）に対して入力を有しかつ各歯が独立して刺激される点で、類似している。

図７および８の板ＡおよびＥは、１つのみの電極入力を有し、また、偶発的な歯のＡおよび／またはＥ電極のすべてが同時に独立してではなく刺激される。Ｂの入力配置は、Ｄのそれとは異なり、ＡおよびＥの入力配置も異なる。

第３形式の電極板が図５に示される。板Ｃ（図１１に示す）の電極指７０は中間で鋸引きされ、鋸引きが電極材料の底まですべて達していない。

電圧がそこを通過するとき、歯の櫛を、ファイバが現れかつ歯の配列が左から右に並ぶ端から見たならば、板Ｄはアクチュエータ歯の左右移動を生じる。板Ｃは、板Ｄの電圧を平衡にする左／右バイアス電圧を伝導する。この特別の例は、板Ｃにおいて電極間に８つの空間があるので、８枚歯櫛となっていることがわかる。板Ｂは板Ｄと類似しているが、その位置決めによってその電圧にアクチュエータ歯の上下移動をさせる。板ＡおよびＥは、アクチュエータ歯の上下移動に対してそれぞれ正負のバイアス板となる。

図９は、ＡＢＡＢＡＣＤＣＤＣＤＣＤ穴４２ＤＣＤＣＤＣＤＣＡＢＡＢＡとして板の配置を示す。

他の構成も可能である。

図１０、１１、１２、１３、１４は、板においていくつかの鋸引き切断がアクチュエータ櫛の８枚の（本実施例において）別個の歯をつくるようになされる箇所を示す。板における鋸引き切断は、図１５に示すように各アクチュエータ歯に板構成をつくる。各切断は、０．２ｍｍ幅で、各歯について０．８ｍｍのアクチュエータを残す。

図１６は、板が切断された後で、板が別個に見えるときの各板を示す。圧電材料と共に積層されたこれら複数切断板のすべての組合せは、アクチュエータ櫛の単独の歯からつくられる。

図１７は、異なる板が単独のアクチュエータ歯においていかにして互いに電気的に取り付けられるかを示す。穴は示されていない。それは後に穴開けされる。各歯は４つの電極入力Ｕ／Ｄ制御、Ｌ／Ｒ制御、＋バイアス、−バイアスを有する。

図１８は、２点Ｆを持つ８枚の歯付き櫛アクチュエータ構造を示す。図１９は、図１８のＦ−Ｆ線から取った断面を示す。櫛の底は、１ｍｍ幅で、０．８ｍｍで切断部を持つ。これは各歯の横長さである。

図２０は、すべての電極入力の入口点を示す。Ｕ／Ｄ１からＵ／Ｄ８までは、８枚のアクチュエータ歯の各々について上／下入力である。表記は、左／右（Ｌ／Ｒ）電極入力に対して類似している。左／右バイアス電圧入力について８つの入力、上／下正および負バイアス電圧入力について各１つである。図２０から、すべての電極入力が櫛の側にあることがわかる。これは、取扱を容易にし、全体の櫛をより小型にする。

図２１は、一体の圧電アクチュエータ３０が３２枚の歯付き櫛に似るように切断された圧電アクチュエータ３０のさらに別の実施例を示す。各歯２０は独立した圧電アクチュエータとして作用する。圧電櫛３０の各歯２０は、光ファイバを通すように開けられた穴を有する。この型式の櫛は、光システム用入力または出力配列に用いられる櫛配列を形成するように容易に積層される。例えば、３２枚のアクチュエータ歯の３２櫛は３２枚の３２櫛に対面してもよい。したがって、１０２４×１０２４（すなわち、１０２４口）スイッチをつくる。

図２２は、電極入力のいくつかを有する櫛構造を示す。電極刺激入力７０は、各櫛歯２０に対して４つに分割される。入力接続点は、別個の電極入力Ｄ、Ｒ、Ｌ、Ｕが、図２２における２枚歯サンプルについて見られるように、櫛の外側の周りに現れるように設定される。このようにして、多くの櫛が平行に積層され、すべての電極入力がいぜんとして容易に接近できる。

アクチュエータの概略図である。 アクチュエータの一実施例の概略断面図である。 アクチュエータの別実施例の概略断面図である。 左（Ｌ）／右（Ｒ）電極板（Ｄ）を示す。 左（Ｌ）／右（Ｒ）バイアス板（Ｃ）を示す。 上（Ｕ）／下（Ｄ）電極板（Ｂ）を示す。 上（Ｕ）／下（Ｄ）正バイアス板（Ａ）を示す。 上（Ｕ）／下（Ｄ）負バイアス板（Ｅ）を示す。 図４−８の板（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）の配置の断面図を示す。 図４の左（Ｌ）／右（Ｒ）電極板（Ｄ）の鋸引き位置を示す。 図５の左（Ｌ）／右（Ｒ）バイアス板（Ｃ）のための鋸引き位置を示す。 図６の上（Ｕ）／下（Ｄ）電極板（Ｂ）のための鋸引き位置を示す。 図７の上（Ｕ）／下（Ｄ）正バイアス板（Ａ）のための鋸引き位置を示す。 図８の上（Ｕ）／下（Ｄ）負バイアス板（Ｅ）のための鋸引き位置を示す。 図９の板配置の単独切断区分を示す。 板が一旦鋸引きされてしまった別個の板の概略を示す。 図１５におけるように板配置の単独切断区分を示すが、穴なしであり、各層がどのように接続されるかを示す。 ８枚歯アクチュエータ櫛を示す。 図１８のＦ−Ｆ線から取った断面スライスを示す。 図１８に示すような櫛の外側縁を包囲する出力を示す。 櫛アクチュエータの別実施例を示す。 櫛構造およびその電極入力の小部分を示す。

Claims (6)

1. 基端が支持構造体に関して固定され、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直交ＸＹＺ座標系におけるＺ軸に沿って長さを伸長し、ＸＹ平面内で移動可能な先端を有するアクチュエータであって、電極板と圧電材料とがＹ軸方向に交互に積層された積層体からなり、前記電極板は、前記積層体におけるＹ軸方向の上方に位置する上方領域と、前記積層体におけるＹ軸方向の下方に位置する下方領域と、前記積層体におけるＸ軸方向の左方に位置する左方領域と、前記積層体におけるＸ軸方向の右方に位置する右方領域に配置されており、前記上方領域の電極板に電圧を印加することで前記Ｙ軸方向の一方に前記先端を撓ませるように前記上方領域を付勢する手段と、前記下方領域の電極板に電圧を印加することで前記Ｙ軸方向の他方に前記先端を撓ませるように前記下方領域を付勢する手段と、前記左方領域の電極板に電圧を印加することで前記Ｘ軸方向の一方に前記先端を撓ませるように前記左方領域を付勢する手段と、前記右方領域の電極板に電圧を印加することで前記Ｘ軸方向の他方に前記先端を撓ませるように前記右方領域を付勢する手段とを備え、前記下方領域は前記上方領域から前記Ｙ軸方向に離間された、アクチュエータ。
2. 前記アクチュエータは中央穴のない構造となっている、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記左方領域及び前記右方領域は前記上方領域と前記下方領域との間に介在する、請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
4. 前記左方領域の二組の電極板のうち一方の組の電極板には第１バイアス付勢電圧が印加されるようになっており、並びに前記右方領域の二組の電極板のうち一方の組の電極板には第２バイアス付勢電圧が印加されるようになっており、前記左方領域における前記一方の組の電極板は前記右方領域における前記一方の組の電極板からＸ軸方向に離間されている、請求項１〜３の何れかに記載のアクチュエータ。
5. 前記左方領域及び前記右方領域の電極板のうち他の組の電極板は、前記左方領域における前記一方の組の電極板から前記右方領域における前記一方の組の電極板にわたって延在するように構成されている、請求項４に記載のアクチュエータ。
6. 前記アクチュエータは中央穴がある構造となっている、請求項１に記載のアクチュエータ。

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