JP4289511B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

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,Mikrotechnik,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、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1=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。

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20kHz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。

Claims (14)

1. 圧電アクチュエータであって、
   第１と第２の圧電スタックを備え、
   該第１と第２の圧電スタックは、スタックの底部から上部の方向（ｚ方向）に伸びる積層の軸を有するスタックを形成するように積層されて配された圧電性薄層多数を含み、該スタックはその前後方向（ｙ方向）に対向して配された前部と後部を有し、且つその側方向（ｘ方向）に対向して配された第１と第２の側部を有するものであり、又該第１と第２の圧電スタックは該圧電性薄層の間に層状電極を含み、該層状電極は、該スタックの圧電活性による積層の軸方向の伸縮効果があるように、該圧電性薄層の厚み方向に電場を作用させるための電気的接触を該圧電性薄層の対向面上に形成するように配された第１と第２の電位電極を含むものであり、
   該第１と第２の圧電スタックの間に配され、且つ両者を結合して、該第１の圧電スタックの該第１の側部と該第２の圧電スタックの該第１の側部とを結合する結合部を備え、
   該結合部は、該スタックの前後方向（ｙ方向）に離間して前面と後面を有するものであり、又、該第１の電位電極は、該スタックの側方向（ｘ方向）に該第１の側部から該結合部内へ、該スタックの前後方向（ｙ方向）に沿って第１の位置で最短の長さ伸び、且つ第２の位置で最長の長さ伸びるものであり、又、該第２の電位電極は、該スタックの側方向（ｘ方向）に該結合部内へ、該スタックの前後方向（ｙ方向）に沿って第３の位置で最短の長さ伸び、且つ第４の位置で最長の長さ伸びるものであり、該第４の位置は、該スタックの前後方向（ｙ方向）において該第２の位置からずれており、それにより該結合部内における該第１の電位電極と該第２の電位電極の重なりが減ぜられ、且つ該圧電スタック内の圧電活性に対し該結合部内における圧電活性が減ぜられるものであり、
   該第１の電位電極を接続する第１の外部電極を備え、
   そして、該第２の電位電極を接続する第２の外部電極を備えてなる、圧電アクチュエータ。
2. 該第１と第２の圧電スタックの該圧電性薄層が、該第１と第２の圧電スタックの間で連続しており、それにより該結合部を形成している、請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 該第１の位置は該スタックの前後方向（ｙ方向）に沿って該第４の位置と一致し、該第２の位置は該スタックの前後方向（ｙ方向）に沿って該第３の位置と一致する、請求項２記載の圧電アクチュエータ。
4. 該第１の電位電極は、該スタックの前後方向（ｙ方向）に沿って第１の周期的構造で変化する長さで、該スタックの側方向（ｘ方向）に該結合部内へ伸び、
   該第２の電位電極は、該スタックの前後方向（ｙ方向）に沿って第２の周期的構造で変化する長さで、該スタックの側方向（ｘ方向）に該結合部内へ伸び、
   該第１の周期的構造は、該第２の周期的構造に対し１８０度変位している、請求項３記載の圧電アクチュエータ。
5. 該第１及び第２の周期的構造は同じ周期の長さを有し、
   該第１と第２の圧電スタックは、該第１と第２の周期的構造の奇数の半周期の位置に、該スタックの前後方向（ｙ方向）に対向する該前面と該後面を有する、請求項４記載の圧電アクチュエータ。
6. 該第１の位置と該第４の位置は、該結合部の該前面又は該後面と一致する、請求項５記載の圧電アクチュエータ。
7. 該第１の外部電極は、該第１の電位電極を接続する該結合部の該前面又は該後面の一方に沿って伸び、
   該第２の外部電極は、該第２の電位電極を接続する該結合部の該前面又は該後面のもう一方に沿って伸びる、請求項６記載の圧電アクチュエータ。
8. 該第１の電位電極は、該スタックの前後方向（ｙ方向）に沿って第１の周期的構造で変化する長さで、該スタックの側方向（ｘ方向）に該結合部内へ伸び、
   該第２の電位電極は、該スタックの前後方向（ｙ方向）に沿って第２の周期的構造で変化する長さで、該スタックの側方向（ｘ方向）に該結合内へ伸び、
   該第１の周期的構造は、該第２の周期的構造に対し１８０度変位している、請求項１記載の圧電アクチュエータ。
9. 該第１の位置は該スタックの前後方向（ｙ方向）に沿って該第４の位置と一致し、該第２の位置は該スタックの前後方向（ｙ方向）に沿って該第３の位置と一致する、請求項８記載の圧電アクチュエータ。
10. 該第１及び第２の周期的構造は同じ周期の長さを有し、
    該第１と第２の圧電スタックは、該第１と第２の周期的構造の奇数の半周期の位置に、該スタックの前後方向（ｙ方向）に対向する該前面と後面を有する、請求項９記載の圧電アクチュエータ。
11. 該第１の位置と該第４の位置は、該結合部の該前面又は該後面と一致する、請求項１０記載の圧電アクチュエータ。
12. 該第１の位置は該スタックの前後方向（ｙ方向）に沿って該第４の位置と一致し、該第２の位置は該スタックの前後方向（ｙ方向）に沿って該第３の位置と一致する、請求項１記載の圧電アクチュエータ。
13. 該第１の位置と該第４の位置は、該結合部の該前面又は該後面の一方と一致し、該第２の位置と該第３の位置は、該結合部の該前面又は該後面のもう一方と一致する、請求項１２記載の圧電アクチュエータ。
14. 該第１の外部電極は、該第１の電位電極を接続する該結合部の該前面又は該後面の該もう一方に沿って伸び、
    該第２の外部電極は、該第２の電位電極を接続する該結合部の該前面又は該後面の該一方に沿って伸びる、請求項１３記載の圧電アクチュエータ。

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