JP4339059B2 - 変位拡大装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば積層圧電アクチュエータ等の微小変位アクチュエータを備えた微小変位装置における微小な変位量を拡大する変位拡大装置に関する。

従来、走査型プローブ顕微鏡のスキャナや電子顕微鏡内ステージ等のように微小範囲内で例えばｎｍオーダの精密な位置決め制御がなされる移動体を移動させる手段には、電圧印加に基づき所定方向へ微小変位する微小変位アクチュエータ（例えばピエゾ素子等の積層圧電アクチュエータ）を備えた微小変位装置が用いられている。しかし、この場合において微小変位アクチュエータ自体の長さ方向（積層方向）への変位量は、積層方向長さ１０ｍｍの積層圧電アクチュエータの場合で僅か１０μｍという積層方向長さに対して高々０．１％程度の変位量しか得られない。一方、前記スキャナやステージ等では１００μｍ以上の移動量（変位量）が必要とされる場合もある。そのため、かかる場合には、前記積層圧電アクチュエータ（微小変位アクチュエータ）の積層方向長さを大きく（長く）することで比例的に前記変位量を増大できるものの、その一方で、前記微小変位アクチュエータが長くなる分だけ、省スペース化の要請には対応できないことになる。そこで、このような微小変位装置には、通常、微小変位アクチュエータ（積層圧電アクチュエータ）の長さを大きくすることなく、実用的な変位量を得るために、例えば特許文献１に記載されるような変位拡大装置が付設されている。

さて、特許文献１には、梃子式（レバー式）変位拡大装置の一例が開示されており、当該変位拡大装置は、積層圧電アクチュエータ（微小変位アクチュエータ）の変位（伸長）方向に延出された一対の脚部の先端にヒンジ部（支点）を介して設けられた一対のレバー状変位体を有している。両変位体には、これら両変位体を前記両ヒンジ部の中間で連結する変位受け部（力点）が設けられており、当該変位受け部が前記積層圧電アクチュエータの変位（伸長）方向の先端面に当接係合されている。そして、積層圧電アクチュエータが電圧印加に基づき変位（伸長）した場合には、前記変位受け部（力点）が押圧されることにより、レバー状をなす両変位体の各先端部（作用点）が前記各ヒンジ部を支点として積層圧電アクチュエータの変位（伸長）方向に対しほぼ直交し且つ互いに逆向きとなる方向へ移動（変位）するようになっている。従って、この特許文献１の変位拡大装置によれば、積層圧電アクチュエータが変位（伸長）した際における両変位体の先端部（作用点）の変位量（移動量）が、前記積層圧電アクチュエータ自体の変位量（伸長量）よりも大きなものとなるため、微小変位装置から得られる（出力される）変位量を拡大できるとしている。

ところが、特許文献１の変位拡大装置では、積層圧電アクチュエータの変位量（伸長量）との対比において前記変位体の先端部（作用点）の変位量（移動量）の変位拡大率を大きくしようとする場合、レバー状をなす変位体の長さを大きく（長く）する必要があった。そのため、積層圧電アクチュエータ（微小変位アクチュエータ）自体の長さは大きくならなくても、当該積層圧電アクチュエータの積層方向へレバー状をなして延びる変位体の長さが大きくなるため、やはり省スペース化の要請には対応できないという問題があった。そこで、近時においては、このような省スペース化の要請にも対応するべく、例えば特許文献２に記載されるような変位拡大装置が新たに提案されている。

この特許文献２の変位拡大装置は、積層圧電アクチュエータ（微小変位アクチュエータ）の長さ方向（積層方向）に沿うように当該積層圧電アクチュエータにおける全長以上の長さを有する弾性部材を備えた構成とされている。即ち、この弾性部材は、当該弾性部材の両端部を前記積層圧電アクチュエータにおける積層方向の両端部に連結固定されており、その全体形状が前記積層圧電アクチュエータの長さ方向（積層方向）に対して直交する横方向に撓んだ形状をなしている。従って、電圧の印加に基づき積層圧電アクチュエータが積層方向へ変位（伸長）した場合には、前記弾性部材の撓みが緩和されるため、当該弾性部材の中央部分が前記積層圧電アクチュエータの変位（伸長）方向に対して直交する横方向に所定の変位拡大率でもって変位（収縮移動）するものとされている。
特開平７−１７６１５６号公報（請求項１、図１） 特開平１１−２０４８４８号公報（請求項１、図１）

ところが、特許文献２の変位拡大装置の場合にも依然として次のような問題がある。即ち、両端部を積層圧電アクチュエータの両端部に連結固定された状態で撓んだ形状をなす前記弾性部材の弾性力が常に積層圧電アクチュエータに加わった状態となるため、当該積層圧電アクチュエータにおける各圧電素子の積層部分にクリープ現象や疲労破壊が起こる可能性がある。従って、そのような場合には、微小変位装置における変位量の拡大を確実に図れない虞がある。また、積層圧電アクチュエータの長さ方向（積層方向）長さに対する弾性部材の変位量（収縮移動量）でもって表される変位拡大率についても、その最大発生変位は約１％であって、必ずしも十分なものとは言い難かった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、省スペース化の要請に対応しつつ、必要十分な変位拡大率でもって微小変位アクチュエータの変位に基づいた微小変位装置における変位量の拡大を確実に実現することができる変位拡大装置を提供することにある。

上記目的を達成させるために、請求項１に記載の発明は、所定条件下で長さ方向へ伸長する微小変位アクチュエータと共に微小変位装置に装備され、微小変位アクチュエータの伸長時には、微小変位アクチュエータの自由端が長さ方向において変位する変位量よりも大きな変位量でもって微小変位アクチュエータの長さ方向と直交する方向へ変位する作用点部を有し、当該作用点部の変位量を微小変位装置の変位量として出力させる変位拡大装置において、該変位拡大装置は、微小変位アクチュエータの長さ方向に沿って形成された一対の孔と両孔間を繋ぐ長孔とからなる孔部と、前記長さ方向に沿う両側辺部の略中央寄り部分に長孔を挟んで対をなす切欠部とを備えた板体からなり、前記板体は、前記作用点部に加え、前記微小変位アクチュエータの自由端と共に変位可能とされる力点部と、前記微小変位アクチュエータの固定部と共に固定支持される支点部と、前記作用点部と力点部及び支点部の各近傍にそれぞれ配置される複数のヒンジ部と、前記各ヒンジ部の間を剛体態様で連結するリンク部とを備え、前記微小変位アクチュエータの自由端と共に前記力点部が変位した際には、前記各ヒンジ部とリンク部とにより形成される低次対偶のリンク機構の動きに基づき前記作用点部が変位するようにしたことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の変位拡大装置において、前記各ヒンジ部は、前記力点部の変位時において、前記微小変位アクチュエータの長さ方向へ変位する第１ヒンジ部と、前記微小変位アクチュエータの長さ方向と直交する方向へ変位する第２ヒンジ部とを含んで構成され、当該第２ヒンジ部が前記作用点部の近傍に配置されることを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の変位拡大装置において、前記リンク機構は、前記力点部と支点部とを結ぶ直線を基準として線対称の配置構成となるように設けられていることを要旨とする。
請求項４に記載の発明は、前記板体を長さ方向又は長さ方向に直交する方向に複数連結した形状として一体化されていることを要旨とする。

本発明によれば、省スペース化の要請に対応しつつ、必要十分な変位拡大率でもって微小変位アクチュエータの変位に基づいた微小変位装置における変位量の拡大を実現することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図４に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態の圧電アクチュエータ（微小変位装置）１０には、所定長さの積層型圧電素子（微小変位アクチュエータ）１１が装備されており、当該積層型圧電素子１１の長さ方向の両端面には、超硬アルミ合金からなる略直方体形状をなす一対の連結ブロック１２が接合されている。前記各連結ブロック１２の上面及び下面には、半円柱状をなす凸部（図１には上面のみ示す）１２ａが突設されており、当該連結ブロック１２の凸部１２ａを介して所定長さの変位拡大装置１３が前記積層型圧電素子１１の長さ方向に沿うように組み付けられている。

前記積層型圧電素子１１は、所定数のピエゾ素子（例えば圧電セラミック等）を長さ方向に積層したものであり、図示しない電極からの電圧の印加に基づき（即ち、所定条件の下で）、長さ方向に伸長するようになっている。但し、本実施形態の積層型圧電素子１１では、図１において右方の端面に接合した連結ブロック１２が図示しない外壁等に固定されており、積層型圧電素子１１は当該連結ブロック１２を接合した右方端が前記電圧の印加時において移動（変位）しない固定部である固定端１１ａとされている。その一方で、図１において左方の端面に接合された連結ブロック１２は前記外壁等に固定されておらず、積層型圧電素子１１は当該連結ブロック１２を接合した左方端が前記電圧の印加時において移動（変位）自在な自由端１１ｂとされている。従って、積層型圧電素子１１に電圧が印加された場合には、前記左方端である自由端１１ｂが、図１において左斜め下方向に移動（変位）するようになっている。

一方、前記変位拡大装置１３は、可撓性を有する材料（例えばチタン合金等）からなる長板状の板体１３ａで構成されており、その幅方向寸法及び長さ方向寸法は前記積層型圧電素子１１と略同一（具体的には、長さ方向寸法のみ連結ブロック１２の分だけ長い）に形成されている。図２（ａ）に示すように、この板体１３ａには、当該板体１３ａの一方端側（図２（ａ）において左方端側）及び他方端側（図２（ａ）において右方端側）の各位置に一対の円孔１４ａが形成されている。また、前記板体１３ａには、両円孔１４ａ間を繋ぐ長孔１４ｂが、前記板体１３ａの長さ方向に沿うように形成されている。そして、前記両円孔１４ａと長孔１４ｂにより略アレイ形状の孔部１４が形成（画定）されている。なお、前記各円孔１４ａは、その直径が前記連結ブロック１２の半円柱状の凸部１２ａを平面視した場合の弦の長さと同一寸法に形成されており、これら各円孔１４ａに前記凸部１２ａが嵌合係止されることで、変位拡大装置１３（板体１３ａ）は、積層型圧電素子１１と共に圧電アクチュエータ１０に装備されるようになっている。また、前記板体１３ａの長さ方向に沿う両側部（図２（ａ）において上辺及び下辺）の略中央寄り部分には、長さ方向において対応する上下各位置に、二対の半円状切欠部１４ｃが形成されている。なお、この半円状切欠部１４ｃの直径は、前記円孔１４ａの直径と同等の長さである。

次に、上記のように構成された変位拡大装置１３（板体１３ａ）の力学的構造について説明すると、以下のようになる。即ち、前記板体１３ａにおいて、前記各円孔１４ａ及び半円状切欠部１４ｃの中心Ｏを夫々通って板体１３ａの長さ方向と直交する方向へ延びる各直線Ｙ１〜Ｙ４上の位置には、複数（本実施形態では８つ）のヒンジ部１５ａ〜１５ｈが設けられる。各ヒンジ部１５ａ〜１５ｈは、板体１３ａに対して長さ方向に作用する力が加わった際に、板体１３ａの所定部位を変位させて当該板体１３ａを変形させるための弾性ヒンジとして機能する部位となる。なお、図２（ｂ）に示すように、各ヒンジ部（例えばヒンジ部１５ｅ）は、前記円孔１４ａ若しくは半円状切欠部１４ｃの円弧縁と前記各直線Ｙ１〜Ｙ４（例えば直線Ｙ４）との交点に設けられるのでなく、前記板体１３ａにおいて各直線Ｙ１〜Ｙ４により切断される最小断面部の中央部よりも上辺（又は下辺）寄りの位置に設けられるようになっている。因みに、図２（ｂ）は図２（ａ）においてヒンジ部１５ｅの近傍を囲み示した点線部分を拡大したものである。

また、図２（ａ）に示すように、板体１３ａの長さ方向において互いに隣り合うヒンジ部１５ａ〜１５ｈ同士は、剛体態様で機能するリンク部１６ａ〜１６ｈによって連結されている。具体的には、ヒンジ部１５ａとヒンジ部１５ｂはリンク部１６ａ、ヒンジ部１５ｂとヒンジ部１５ｃはリンク部１６ｂ、ヒンジ部１５ｃとヒンジ部１５ｄはリンク部１６ｃ、ヒンジ部１５ｄとヒンジ部１５ｅはリンク部１６ｄによって夫々連結されている。また、ヒンジ部１５ｅとヒンジ部１５ｆはリンク部１６ｅ、ヒンジ部１５ｆとヒンジ部１５ｇはリンク部１６ｆ、ヒンジ部１５ｇとヒンジ部１５ｈはリンク部１６ｇ、ヒンジ部１５ｈとヒンジ部１５ａはリンク部１６ｈによって夫々連結されている。そして、本実施形態では、各ヒンジ部１５ａ〜１５ｈと各リンク部１６ａ〜１６ｈとで低次対偶のハニカム状周期構造をなすリンク機構１６が構成される。即ち、リンク機構１６を構成する各ヒンジ部１５ａ〜１５ｈ及び各リンク部１６ａ〜１６ｈは、板体１３ａに対して長さ方向に作用力が加わった際に、当該板体１３ａの所定部位を図２において紙面と直交する方向には変位（移動）させることなく、当該紙面と平行な方向に変位（移動）させるように機能する。なお、ハニカム状周期構造について、一般には正六角形セル又は正四角形セルからなる蜂の巣状構造のことをいうが、本明細書においては、図２（ａ）に例示するリンク機構１６のような周期構造を有する多角形セル構造のものをハニカム状周期構造というものとする。

また、板体１３ａ内に前述したような低次対偶のハニカム状周期構造をなすリンク機構１６が形成されたことにより、当該板体１３ａ（変位拡大装置１３）には以下に記載するような支点部１７と力点部１８及び作用点部１９が設けられることになる。即ち、前記板体１３ａにおいて、積層型圧電素子１１の固定端１１ａに右方の連結ブロック１２を介して支持される右方端側（図２において右方端側）の部位には、支点部１７が設けられる。その一方で、前記板体１３ａにおいて、積層型圧電素子１１の自由端１１ｂに左方の連結ブロック１２を介して支持される左方端側（図２において左方端側）の部位には、当該積層型圧電素子１１の自由端１１ｂと共に変位可能とされる力点部１８が設けられる。

従って、前記積層型圧電素子１１への電圧印加に基づき、当該積層型圧電素子１１が伸長して前記自由端１１ｂが長さ方向へ変位（移動）すると、前記板体１３ａの力点部１８には同じ方向（図２（ａ）において−Ｘ方向となる左方向）に向けて作用力が加わることになる。そのため、前記板体１３ａにおいては、力学的に、各ヒンジ部１５ａ〜１５ｈに夫々予め決められた方向（図２（ａ）において矢印で各々示す方向）に作用力が働き、当該各方向に各ヒンジ部１５ａ〜１５ｈが変位（移動）することになる。その結果、板体１３ａの上辺側では前記２つの半円状切欠部１４ｃと位置対応する２つのヒンジ部１５ｆ，１５ｇの近傍部位であって両ヒンジ部１５ｆ，１５ｇの略中間となる部位が作用点部１９となり、該作用点部１９が板体１３ａの長さ方向と直交する方向（図２（ａ）においてＹ方向となる上方向）へ変位（移動）する。また同様に、板体１３ａの下辺側では前記２つの半円状切欠部１４ｃと位置対応する２つのヒンジ部１５ｂ，１５ｃの近傍部位であって両ヒンジ部１５ｂ，１５ｃの略中間となる部位が作用点部１９となり、該作用点部１９が板体１３ａの長さ方向と直交する方向（図２（ａ）において−Ｙ方向となる下方向）へ変位（移動）する。

なお、その際における各ヒンジ部１５ａ〜１５ｈ及び各リンク部１６ａ〜１６ｈの具体的な変位（移動）の態様は次のようになる。即ち、図２（ａ）からも理解されるように、前記各ヒンジ部１５ａ〜１５ｈ及び各リンク部１６ａ〜１６ｈからなる低次対偶のリンク機構１６は、前記支点部１７と力点部１８とを結ぶ直線Ｐを基準とした場合に線対称の配置構成となるように構成されている。そして、各ヒンジ部１５ａ〜１５ｈ間を連結する各リンク部１６ａ〜１６ｈは、リンク機構１６に作用力が加わった場合に剛体態様で機能するようになっている。従って、図２（ａ）の状態において−Ｘ方向へ前記力点部１８が変位（移動）すると、この力点部１８を左側から囲むように位置する剛体態様のリンク部１６ｈが同様に−Ｘ方向へ変位（移動）する。そして、このリンク部１６ｈの変位（移動）に追随するように、前記直線Ｐよりも上辺側及び下辺側に位置する各ヒンジ部１５ａ〜１５ｈ及び残りの各リンク部１６ａ〜１６ｇが上辺側及び下辺側の夫々において同一の変位（移動）態様となるように変位（移動）する。

例えば、板体１３ａの上辺側における各ヒンジ部及びリンク部の変位（移動）態様は次のようなものとなる。即ち、前述したように、前記力点部１８と共にリンク部１６ｈが−Ｘ方向へ変位（移動）した場合、図３に示すように、当該リンク部１６ｈに連結されたヒンジ部１５ｈは変位量Ｕだけ−Ｘ方向に変位（移動）することになる。すると、このヒンジ部１５ｈにリンク部１６ｇを介して連結されたヒンジ部１５ｇは、リンク部１６ｇが剛体態様の連結要素として機能し両ヒンジ部１５ｈ，１５ｇ間の距離（長さ）を変化させないため、図３に示すように、変位量ＶだけＹ方向に変位（移動）することになる。なお、この場合において、長さ方向（−Ｘ方向）の変位量Ｕと幅（高さ）方向（Ｙ方向）の変位量Ｖとの比率（変位拡大率）は、Ｖ／Ｕ＝ｃｏｔθの式で表される。そして、この場合は、各リンク部１６ａ〜１６ｈが剛体態様で機能するため、リンク部が伸びた場合に発生する変位拡大率の頭打ちというものがなくなり、図３においてリンク部１６ｇがＸ方向に対してなす角度（リンク機構１６の特性角θ）を小さな鋭角（例えば７度程度等）にしてやれば、変位拡大率を増大することが可能となる。また、前記両変位量Ｕ，Ｖにより表される板体１３ａにおける長さ方向と幅（高さ）方向の単位長さ当りの変位（ひずみ）の関係を示すポアソン比は、アクチュエーション方向となる幅（高さ）方向において幅狭になる縮み変位でなく幅広になる伸び変位となるため負の値となり、前記リンク機構１６は負のポアソン比を有することになる。

その結果、このような負のポアソン比を有するリンク機構１６にあっては、前記板体１３ａの上辺側において、ヒンジ部１５ｇにリンク部１６ｆを介して連結されたヒンジ部１５ｆがヒンジ部１５ｇの変位に伴い同様に変位量ＶだけＹ方向に変位する結果、前記作用点部１９が同様に変位量ＶだけＹ方向に変位する。なお、その際において、ヒンジ部１５ｆにリンク部１６ｅ介して連結されたヒンジ部１５ｅは、ヒンジ部１５ｆの変位に伴い、一定量だけＸ方向に変位しようとするが、当該ヒンジ部１５ｅの近傍には前記支点部１７が設けられているため、ヒンジ部１５ｅは−Ｘ方向に所定の変位量（＜Ｕ）だけ変位することなる。同様に、板体１３ａの下辺側においても、各ヒンジ部１５ａ〜１５ｄ及び各リンク部１６ａ〜１６ｃが上辺側の前記各ヒンジ部１５ｅ〜１５ｈ及び各リンク部１６ｅ〜１６ｇと同一の変位（移動）態様となるように変位（移動）する。従って、この下辺側に設けられた作用点部１９も前記リンク機構１６は負のポアソン比に基づき−Ｙ方向へ前記変位量Ｖと同量の変位量でもって変位（移動）する。

このように、本実施形態における各ヒンジ部１５ａ〜１５ｈは、前記積層型圧電素子１１の自由端１１ｂと共に力点部１８が積層型圧電素子１１の長さ方向に沿う方向に変位した際に、積層型圧電素子１１の長さ方向へ変位する第１ヒンジ部と、当該積層型圧電素子１１の長さ方向と直交する方向へ変位する第２ヒンジ部に分類される。具体的には、各ヒンジ部１５ａ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｈが積層型圧電素子１１の長さ方向へ変位する第１ヒンジ部として機能し、各ヒンジ部１５ｂ，１５ｃ，１５ｆ，１５ｇが積層型圧電素子１１の長さ方向と直交する方向へ変位する第２ヒンジ部として機能するようになっている。そして、図２（ａ）に示すように、第２ヒンジ部となる各ヒンジ部１５ｂ，１５ｃ，１５ｆ，１５ｇが作用点部１９の近傍に配置されるようになっている。

次に、以上のように構成された圧電アクチュエータ１０の作用について説明する。
さて、積層型圧電素子１１に電圧が印加される前は、図４に二点鎖線で示すように、変位拡大装置１３を構成する板体１３ａは何ら変位（変形）していないが、その状態において、積層型圧電素子１１に所定電圧（例えば、１５０ボルト）が印加されると、積層型圧電素子１１は自由端１１ｂが長さ（積層）方向に伸長する。すると、積層型圧電素子１１の自由端１１ｂと共に板体１３ａの力点部１８が同方向へ変位する結果、リンク機構１６の第１ヒンジ部１５ａ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｈが同じく長さ（積層）方向に変位し、その一方、第２ヒンジ部１５ｂ，１５ｃ，１５ｆ，１５ｇが長さ（積層）方向と直交する方向（アクチュエーション方向）に変位する。その結果、変位拡大装置１３（板体１３ａ）は、図４に実線で示すような形状に変位（変形）する。

具体的には、図４に示すように、変位拡大装置１３（板体１３ａ）の上辺側は、当該上辺側に設けられた作用点部１９を中心としてＹ方向に反るような形状になる。また、板体１３ａにおける孔部１４は長孔１４ｂの上側縁がＹ方向に反るような形状になる。一方、変位拡大装置１３（板体１３ａ）の下辺側は、当該下辺側に設けられた作用点部１９を中心として−Ｙ方向に反るような形状になる。また、板体１３ａにおける孔部１４は長孔１４ｂの下側縁が−Ｙ方向に反るような形状になる。そのため、変位拡大装置１３（板体１３ａ）は、電圧印加に基づく積層型圧電素子１１の伸長に伴い、当該積層型圧電素子１１の長さ（積層）方向と直交する方向に、前記積層型圧電素子１１の長さ（積層）方向への変位（移動）量を所定の変位拡大率でもって拡大した変位量だけ変位（移動）するようになる。

ここで例えば、長さ方向寸法が５０ｍｍであって、幅方向寸法（高さ方向寸法、アクチュエーション方向寸法ともいう。）が１４ｍｍの板体１３ａにより変位拡大装置１３を構成し、この変位拡大装置１３（板体１３ａ）を連結ブロック１２を介して積層型圧電素子１１に組み付けて圧電アクチュエータ１０を構成したとする。そして、その積層型圧電素子１１に対して１５０Ｖの電圧を印加した場合、前記リンク機構１６による低次対偶でのリンク動作に基づき作用点部１９が図４の二点鎖線で示す位置から実線で示す位置へと変位した場合の変位量を有限要素解析により求めてみたところ４００μｍという解析結果を得ることができた。従って、アクチュエーション方向たる幅（高さ）方向の１４ｍｍを単位高さとすると、その単位高さ当りの伸び（変位）は４００μｍ／１４ｍｍ≒３％となる。因みに、特許文献２における弾性部材について、本実施形態の前記板体１３ａと長さ方向寸法及び幅方向寸法を略同一の設定条件にした場合の変位量を同じく有限要素解析により求めてみたところ、−２０６μｍ（−となるのはポアソン比が正の値であるため）という解析結果になった。従って、この特許文献２においては単位高さ当りの伸び（変位）が−２０６μｍ／１４ｍｍ≒−１．２％となり、この特許文献２との比較結果からも、電圧の印加に基づく積層型圧電素子１１の変位量が同じとした場合において本実施形態の変位拡大装置１３（板体１３ａ）の変位拡大率が如何に優れて大きなものであるかが理解される。

従って、本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）電圧印加に基づき積層型圧電素子１１が長さ方向へ変位（伸長）した際、変位拡大装置１３（板体１３ａ）は作用点部１９が低次対偶のリンク機構１６の動きにより積層型圧電素子１１の長さ方向と直交する方向（アクチュエーション方向）へ、約３％という大きな単位高さ当りの伸び（変位）でもって変位する。即ち、従来技術（例えば特許文献２）との対比において非常に大きな変位拡大率でもって積層型圧電素子１１の変位量を実用的な変位量に拡大して変換出力することができる。従って、省スペース化の要請に対応しつつ、必要十分な変位拡大率でもって積層型圧電素子１１（微小変位アクチュエータ）の変位に基づいた圧電アクチュエータ１０（微小変位装置）における変位量の拡大を確実に実現することができる。

（２）変位拡大装置１３（板体１３ａ）において剛体態様の各リンク部１６ａ〜１６ｈと共にリンク機構１６を構成する各ヒンジ部１５ａ〜１５ｈについては、力点部１８の変位時に変位する方向の違いにより第１ヒンジ部と第２ヒンジ部に分類されている。つまり、積層型圧電素子１１の長さ方向へ変位する第１ヒンジ部１５ａ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｈと、積層型圧電素子１１の長さ方向と直交する方向（アクチュエーション方向）へ変位する第２ヒンジ部１５ｂ，１５ｃ，１５ｆ，１５ｇとに分類され、第２ヒンジ部（１５ｂ等）が板体１３ａ内で作用点部１９の近傍に配置されるようにした。従って、第２ヒンジ部１５ｂ，１５ｃ，１５ｆ，１５ｇの変位をダイレクトに作用点部１９のアクチュエーション方向への変位に反映させることができる。

（３）板体１３ａ内に設けられるリンク機構１６は力点部１８と支点部１７とを結ぶ直線Ｐを基準とした場合に線対称の配置構成となるハニカム状周期構造をなしているため、板体１３ａの長さ方向に沿う両側部（上辺側及び下辺側）において各ヒンジ部及び各リンク部が同一の変位態様にて変位する。従って、変位拡大機能を安定的に発揮することができる。

（４）しかも、変位拡大装置１３は、可撓性材料からなる長板状の板体１３ａに一対の円孔１４ａと両円孔１４ａ間を繋ぐ長孔１４ｂとで画定される孔部１４、及び複数の半円状切欠部１４ｃを設けるだけであるため、変位拡大装置１３の構成は非常に簡単なものとなる。従って、変位拡大装置１３の製造コストを非常に安価なものとできる。

（５）また、各ヒンジ部１５ａ〜１５ｈの間は、剛体態様のリンク部１６ａ〜１６ｈによって連結されているため、積層型圧電素子１１が伸長した場合に、一つのヒンジ部（例えばヒンジ部１５ａ）の変位動作が他の全てのヒンジ部１５ｂ〜１５ｈに必ず伝達されるようになっている。従って、リンク機構１６における各ヒンジ部１５ａ〜１５ｈに対し所定方向に変位（移動）させるための作用力を確実に伝達させることができる。

（６）また、変位拡大装置１３（板体１３ａ）に設けられたリンク機構１６は、負のポアソン比を有するハニカム状周期構造をなすリンク機構であるため、積層型圧電素子１１の伸長時に力点部１８に加わる作用力を極力有効に利用することができる。即ち、前記作用力に基づく変位拡大装置１３の変位（移動）方向（即ち、アクチュエーション方向）を板体１３ａの幅（高さ）方向外側へ向けて出力することができる。つまり、収縮型のアクチュエーションでなく伸長型のアクチュエーションを得ることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した第２の実施形態を図５及び図６に従って説明する。なお、以下に説明する実施形態では、既に説明した第１の実施形態と同一構成には同一符号を付す等して、その重複した説明を省略又は簡略する。

さて、図５に示すように、本実施形態の変位拡大装置２０は可撓性を有する材料からなる板体２０ａで構成されており、この変位拡大装置２０（板体２０ａ）は、前記第１の実施形態における変位拡大装置１３（板体１３ａ）を長さ方向と直交する方向に複数（２枚）連結させて一体化したものとされている。即ち、前記一対の変位拡大装置１３（板体１３ａ）を作用点部１９同士が互いに接合される連結態様に連結して一体化した構成とされている。従って、図示はしないが、図５における板体２０ａの紙面と直交する方向の下側には、第１の実施形態における積層型圧電素子１１が図５における上下方向へ並列状をなすように一対配置され、それら一対の積層型圧電素子１１の長さ方向の両端部には連結ブロック１２がそれぞれ接合されている。但し、この第２の実施形態においては、全ての連結ブロック１２が外壁等に固定されておらず、一対の積層型圧電素子１１はそれぞれの両端部が電圧印加時に変位（移動）自在な自由端として構成されている。

また、図５に示すように、本実施形態の板体２０ａは、その上辺に形成された二対の半円状切欠部１４ｃ及び下辺に形成された二対の半円状切欠部１４ｃと当該板体２０ａの長さ方向において夫々対応する位置に二つの円孔１４ａが形成されている。これら各円孔１４ａは第１の実施形態における板体１３ａを並列状に連結したことにより、当該一対の板体１３ａにおける上辺側及び下辺側の半円状切欠部１４ｃ同士が繋がって形成されたものである。そして、前記二つの円孔１４ａからは板体２０ａの両端部に向けて当該板体２０ａの長さ方向に沿うスリット１４ｄがそれぞれ切欠形成されている。さらに、前記第１の実施形態の場合と同様に板体２０ａ内には複数のヒンジ部１５ａ〜１５ｈと複数のリンク部１６ａ〜１６ｈからなる低次対偶でハニカム状周期構造をなすリンク機構１６が当該板体２０ａの上側半分と下側半分にそれぞれ設けられている。

そして、このような板体２０ａにて構成される本実施形態の変位拡大装置２０では、支点部１７と力点部１８及び作用点部１９が次のような配置構成になっている。即ち、図５に示すように、支点部１７は板体２０ａの下辺中央部に設けられており、この支点部１７となる部位が図示しない外壁等に固定支持されて固定部となる。従って、前述した一対の積層型圧電素子１１が電圧印加に基づいてそれぞれ長さ方向に伸長すると、両積層型圧電素子１１は長さ方向の両端が全て自由端となっているため、前記板体２０ａの左右両端に設けられた４つの円孔１４ａ近傍が夫々力点部１８として機能することになる。また、前記板体２０ａの上辺中央部には、前記支点部１７から板体２０ａの長さ方向と直交する方向へ延びる直線Ｐと交差する部位に作用点部１９が設けられている。従って、本実施形態における前記リンク機構１６は、作用点部１９と支点部１７とを結ぶ直線Ｐを基準とした場合に線対称の配置構成となるように構成されている。

そこで次に、以上のように構成された第２の実施形態における圧電アクチュエータの作用について説明する。
さて、本実施形態においても、前記一対の積層型圧電素子１１に電圧が印加される前は、図６に二点鎖線で示すように、変位拡大装置２０を構成する板体２０ａは何ら変位（変形）していないが、その状態において、電圧の印加がなされると、各積層型圧電素子１１は各両端部（自由端）が長さ（積層）方向に変位する。即ち、図６において右方向及び左方向に同程度伸長する。すると、各積層型圧電素子１１の各両端部（自由端）と共に板体２０ａにおける４つの力点部１８が各々連動して同方向へ変位するため、リンク機構１６の第１ヒンジ部１５ａ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｈは板体２０ａの長さ方向に変位し、第２ヒンジ部１５ｂ，１５ｃ，１５ｆ，１５ｇは板体２０ａの長さ方向と直交する方向に変位する。その結果、変位拡大装置２０（板体２０ａ）は、図６に２点鎖線で示す形状から実線で示す形状へ変位（変形）する。しかも、本実施形態では、変位拡大装置２０（板体２０ａ）における作用点部１９（具体的には上辺の作用点部１９）の変位量が、前記第１の実施形態の変位拡大装置１３（板体１３ａ）における作用点部１９の変位量と比して４倍程度となる。その理由は、板体２０ａにおける下側半分での変位量が上側半分における変位量に重畳的に作用するからであり、その結果、本実施形態での変位拡大率は更に大きなものとなる。

従って、第２の実施形態によれば、前記第１の実施形態の効果（１）〜（６）とほぼ同様の効果を得ることができる上に、さらに前記（１）の効果における変位拡大率については、第１の実施形態の変位拡大装置１３における作用点部１９の変位量との対比で４倍程度という飛躍的な拡大を図ることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明を具体化した第３の実施形態を図７に従って説明する。なお、本実施形態でも、既に説明した第１の実施形態と同一構成には同一符号を付す等して、その重複した説明を省略又は簡略する。

さて、図７に示すように、本実施形態の変位拡大装置２１（板体２１ａ）は、第１の実施形態の変位拡大装置１３（板体１３ａ）を図７において長さ方向と直交する方向に複数（４枚）、及び、その長さ方向に複数（２枚）というように、複数（合計８枚）の板体１３ａを夫々単一のセルとして連結することで一体化した構成としている。即ち、長さ方向において連結される板体１３ａ同士は力点部１８同士が互いに接合される連結態様とされ、長さ方向と直交する方向において連結される板体１３ａ同士は作用点部１９同士が互いに接合される連結態様とされている。そして、図７において右半分で一番下側の板体１３ａの右方端の円孔１４ａ近傍に支点部１７が設けられている。そして、各板体１３ａ（セル）毎にそれぞれ前記第１の実施形態の場合と同様にハニカム状周期構造をなすリンク機構１６が各ヒンジ部１５ａ〜１５ｈ及び各リンク部１６ａ〜１６ｈにより設けられている。従って、本実施形態の場合は、前記変位拡大装置２１（板体２１ａ）を連結形成する各板体１３ａの下側に配設された複数（合計８つ）の積層型圧電素子１１に対する電圧の印加を選択的に行うと、板体２１ａの上辺に設けられた作用点部１９を積層型圧電素子１１の長さ方向に対して斜め方向へ変位させることも可能となる。

なお、前記各実施形態は以下のような別の実施形態（別例）に変更してもよい。
・前記第３の実施形態では、複数ある積層型圧電素子１１毎に選択的に電圧を印加させることで作用点部１９の変位の方向（板体２１ａの長さ方向に対する斜め方向等）を決定しているが、各積層型圧電素子１１への電圧の印加量を個別に制御することで作用点部１９の変位の方向を決定するようにしてもよい。このように構成することで、より高精度な変位を提供することができる。

・前記第２の実施形態においては、第１の実施形態における変位拡大装置１３の板体１３ａを長さ方向と直交する方向へ２つ並列状の連結態様とすることで、変位拡大装置２０の板体２０ａを構成しているが、２つに限らず３つ以上を並列状に連結態様で板体２０ａを構成してもよい。

・前記各実施形態では、変位拡大装置１３，２０，２１の板体１３ａ，２０ａ，２１ａの長さ方向に沿う両側部（上辺及び下辺）に二対の半円状切欠部１４ｃが形成されているが、これらの半円状切欠部１４ｃは二対に限らない。即ち、図８に示す変位拡大装置１１３（板体１１３ａ）のようにしてもよい。つまり、この板体１１３ａでは両端部の円孔１１４ａ間を繋ぐ長孔１１４ｂにより孔部１１４が画定されると共に、この孔部１１４を囲むように複数のヒンジ部１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｄ，１１５ｅ，１１５ｇ，１１５ｈ及びリンク部１１６ａ，１１６ｃ，１１６ｄ，１１６ｅ，１１６ｇ，１１６ｈが配設されている。そして、第２ヒンジ部１１５ｂ，１１５ｇと対応する位置に、一対の半円状切欠部１１４ｃが形成されている。なお、切欠部の形状は半円状でなく、例えば三角形状の切欠部でもよい。

・前記各実施形態では、長孔１４ｂと共に孔部１４を画定する円孔１４ａが形成されているが、この円孔１４ａの形状は円形以外の形状でもよい。例えば、楕円形状、四角形状等の孔で円孔１４ａの代わりとしてもよい。

・前記第１の実施形態では、変位拡大装置１３（板体１３ａ）の支点部１７を、当該変位拡大装置１３（板体１３ａ）の右方端側に設けているが、図２における下辺の中央部に設けてもよい。なお、その際には力点部１８が両端部に設けられるようになる。このように構成すると、作用点部１９が図２における上辺の中央部のみとなり、積層型圧電素子１１が伸長した際の作用点部１９の変位量が前記第１の実施形態の場合に比して２倍程度となる。

・前記第１の実施形態では、変位拡大装置１３を可撓性を有する板体１３ａに複数の円孔１４ａ等を形成することで構成したが、図９に示す変位拡大装置２１３のように、回動自在な複数のヒンジ部（例えば軸受等）と当該各ヒンジ部を連結する複数の剛体態様のリンク棒（リンク部）で構成してもよい。即ち、この変位拡大装置２１３は、第１ヒンジ部２１５ａ，２１５ｄ，２１５ｅ，２１５ｈ及び第２ヒンジ部２１５ｂ，２１５ｇの間が剛体態様のリンク部（棒）２１６ａ，２１６ｃ，２１６ｄ，２１６ｅ，２１６ｇ，２１６ｈによりハニカム状周期構造をなすように連結されている。

・前記各実施形態では、積層型圧電素子１１の伸長に伴って各変位拡大装置１３，２０，２１を拡大変位させるために、第２ヒンジ部１５ｂ，１５ｃ，１５ｆ，１５ｇは、第１ヒンジ部１５ａ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｈに対して変位拡大装置１３が負のポアソン比を有するように配置されている。しかし、変位拡大装置が正のポアソン比を有するような位置に第２ヒンジ部１５ｂ，１５ｃ，１５ｆ，１５ｇを配置してもよい。このように構成すると、積層型圧電素子１１が伸長した場合、変位拡大装置は収縮するようになり、アクチュエーション方向が収縮方向において得たい場合に対応できる。

・前記各実施形態においては、微小変位アクチュエータとして積層型圧電素子１１を用いたが、その他の微小変位アクチュエータを用いてもよい。例えば、マイクロマシーンやＭＥＭＳ（微小機械電子システム）を用いてもよい。

・前記第３の実施形態において、長さ方向において連結される板体１３ａ同士を支点部１７同士が互いに接合される連結態様としてもよい。即ち、板体２１ａの左半分と右半分の各下側に夫々配設される積層型圧電素子１１を、板体２１ａの中央部分に位置する端部が固定端１１ａとなるようにし、その反対側の端部が自由端１１ｂとなるようにする。そして、板体２１ａの長さ方向における左端部及び右端部を前記各自由端１１ｂに支持するようにする。このように構成すると、各支点部１７が板体２１ａの中央付近に配置されるため、前記板体２１ａの長さ方向の両端側（図７において右端及び左端側）に設けられた８つの円孔１４ａ近傍が夫々力点部１８として機能するようになる。

次に、上記各実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）長さ方向寸法が微小変位アクチュエータの長さ方向寸法と略同一の可撓性材料からなる板体を有し、当該板体の長さ方向の一方端側に前記力点部が設けられると共に、当該板体の長さ方向の他方端側に前記支点部が設けられ、当該板体の長さ方向に沿う両側部のうち少なくとも一方の側部に前記作用点部が設けられた請求項１〜請求項３のうち何れか一項に記載の変位拡大装置。

（ロ）長さ方向寸法が微小変位アクチュエータの長さ方向寸法と略同一の可撓性材料からなる板体を有し、当該板体の長さ方向の一方端側及び他方端側に前記力点部がそれぞれ設けられると共に、当該板体の長さ方向に沿う両側部のうち一方の側部に前記支点部が設けられ、当該板体の長さ方向に沿う両側部のうち他方の側部に前記作用部が設けられた請求項１〜請求項３のうち何れか一項に記載の変位拡大装置。

（ハ）前記板体には当該板体の長さ方向の一方端側及び他方端側に位置する一対の円孔と当該板体の長さ方向に沿うように延びて前記両円孔間を繋ぐ長孔とで画定される略アレイ形状の孔部が形成されると共に、前記板体の長さ方向に沿う両側部には長さ方向において対応する位置に二対の半円状切欠部が形成されており、前記各ヒンジ部は、前記板体の長さ方向と直交する方向へ前記各円孔及び各半円状切欠部の各中心をそれぞれ通って延びる各直線上に位置するように設けられている技術的思想イ又は技術的思想ロに記載の変位拡大装置。

（ニ）前記力点部同士、前記支点部同士、又は前記作用点部同士が互いに接合される連結態様に複数の板体を連結して一体化した技術的思想イ〜技術的思想ハのうち何れか一項に記載の変位拡大装置。

第１の実施形態における圧電アクチュエータを示す斜視図。 （ａ）は第１の実施形態における変位拡大装置を示す正面図、（ｂ）はその一部拡大図。 リンク機構のヒンジ部及びリンク部の変位態様を示す説明図。 第１の実施形態における変位拡大装置の変位（変形）を示す説明図。 第２の実施形態における変位拡大装置の正面図。 第２の実施形態における変位拡大装置の変位（変形）を示す説明図。 第３の実施形態における変位拡大装置の正面図。 第１の実施形態における変位拡大装置の別例を示す正面図。 第１の実施形態における変位拡大装置の他の別例を示す正面図。

符号の説明

１０…圧電アクチュエータ（微小変位装置）、１１…積層型圧電素子（微小変位アクチュエータ）、１１ａ…固定端、１１ｂ…自由端、１３，２０，２１，１１３，２１３…変位拡大装置、１３ａ，２０ａ，２１ａ，１１３ａ…板体、１４，１１４…孔部、１４ａ，１１４ａ…円孔、１４ｂ，１１４ｂ…長孔、１４ｃ，１１４ｃ…半円状切欠部、１５ａ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｈ，１１５ａ，１１５ｄ，１１５ｅ，１１５ｈ，２１５ａ，２１５ｄ，２１５ｅ，２１５ｈ…第１ヒンジ部、１５ｂ，１５ｃ，１５ｆ，１５ｇ，１１５ｂ，１１５ｇ，２１５ｂ，２１５ｇ…第２ヒンジ部、１６…リンク機構、１６ａ〜１６ｈ，１１６ａ，１１６ｃ，１１６ｄ，１１６ｅ，１１６ｇ，１１６ｈ，２１６ａ，２１６ｃ，２１６ｄ，２１６ｅ，２１６ｇ，２１６ｈ…リンク部、１７…支点部、１８…力点部、１９…作用点部、Ｏ…中心、Ｕ，Ｖ…変位量、Ｙ１〜Ｙ４，Ｐ…直線。

Claims (4)

1. 所定条件下で長さ方向へ伸長する微小変位アクチュエータと共に微小変位装置に装備され、微小変位アクチュエータの伸長時には、微小変位アクチュエータの自由端が長さ方向において変位する変位量よりも大きな変位量でもって微小変位アクチュエータの長さ方向と直交する方向へ変位する作用点部を有し、当該作用点部の変位量を微小変位装置の変位量として出力させる変位拡大装置において、
   該変位拡大装置は、微小変位アクチュエータの長さ方向に沿って形成された一対の孔と両孔間を繋ぐ長孔とからなる孔部と、前記長さ方向に沿う両側辺部の略中央寄り部分に長孔を挟んで対をなす切欠部とを備えた板体からなり、
   前記板体は、前記作用点部に加え、前記微小変位アクチュエータの自由端と共に変位可能とされる力点部と、前記微小変位アクチュエータの固定部と共に固定支持される支点部と、前記作用点部と力点部及び支点部の各近傍にそれぞれ配置される複数のヒンジ部と、前記各ヒンジ部の間を剛体態様で連結するリンク部とを備え、
   前記微小変位アクチュエータの自由端と共に前記力点部が変位した際には、前記各ヒンジ部とリンク部とにより形成される低次対偶のリンク機構の動きに基づき前記作用点部が変位するようにした変位拡大装置。
2. 前記各ヒンジ部は、前記力点部の変位時において、前記微小変位アクチュエータの長さ方向へ変位する第１ヒンジ部と、前記微小変位アクチュエータの長さ方向と直交する方向へ変位する第２ヒンジ部とを含んで構成され、当該第２ヒンジ部が前記作用点部の近傍に配置される請求項１に記載の変位拡大装置。
3. 前記リンク機構は、前記力点部と支点部とを結ぶ直線を基準として線対称の配置構成となるように設けられている請求項１又は請求項２に記載の変位拡大装置。
4. 前記板体を長さ方向又は長さ方向に直交する方向に複数連結して一体化されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の変位拡大装置。

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