JP4739359B2 - 圧電アクチュエータ及びそれを備えた電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、光通信分野あるいは情報記録装置等において使用される光路切換え、調整機能を備えたアクチュエータに関する。

光通信分野で用いられている光スイッチは図１に示すように一方の複数チャンネルの光ファイバー群と他方の複数チャンネルの光ファイバー群との間に介在し、一方の光ファイバーの端部から出射される光を、他方の複数の光ファイバーの端部に切換え入射させる機能を担うもので、大きく分類すると「メカニカル型」「平面光導波路型」「ミラー型」「バブル型」の四方式のものがある。最近の光通信分野においては数百チャンネルを超えるような多数導波路に適用できる大規模光スイッチを必要とするようになっていて、これに対応出来るものとして「ミラー型」が注目されている。ミラー型は光ファイバーからの入射光をシリコン基板などを使った微小ミラーで反射させ、光の経路を変更する方式である。ミラーを変位させて光を反射又は透過させたり、ミラーの向きを変えて反射光の出射方向を変更させたりするものである。多チャンネル光スイッチとしては１つのミラーの向きを変えることで複数のチャンネルに光を切換え出射させることができるので、コンパクトな多チャンネル切換え光スイッチとして有利である。

ところで、この種のチャンネル光スイッチの駆動には静電型のアクチュエータが使用された例が示されている。これは静電圧を正電圧から逆電圧に切換え印加することでミラー部材を駆動させるものであるが、静電力を用いるものであるため駆動力が弱く、大きな負荷の駆動には不向きであり、振動等の外乱に対しても弱い上、極めて大きな駆動電圧を要し、湿度の影響を受け易いといった問題があった。

本発明の課題は、被稼動部材を傾斜するように駆動可能でコンパクトな構造で駆動力が大きく振動等の外乱に対しても、温度・湿度といった環境条件にも影響されないアクチュエータを提供することにある。

本発明の圧電アクチュエータは、一端が固定されたユニモルフあるいはバイモルフ構造の第一の圧電部材と、一端が固定され他端が前記第一の圧電部材の他端に固定されるとともに前記第一の圧電部材の変位とは逆方向に変位する第二の圧電部材と、前記第一の圧電部材の他端と前記第二の圧電部材の他端に固定された被稼動部材と、を有することを特徴とする圧電アクチュエータとした。

本発明の圧電アクチュエータは、被稼動部材を傾斜するように駆動可能でコンパクトな構造で駆動力が大きく振動等の外乱に対しても、温度・湿度といった環境条件にも影響されないアクチュエータを提供することができる。

本発明の圧電アクチュエータは、コンパクトな構造で駆動力が大きく振動等の外乱に対しても、温度・湿度といった環境条件にも影響されないため、光スイッチの光路方向を決めるミラー、レンズ、ファイバー、プリズムといった光デバイスを備えた電子機器の駆動用に用いて有効である。

本発明は、光通信分野で求められている多チャンネルの切換えをコンパクトな構造で確実な動作が可能な光スイッチを開発して提供することに出発している。図１に示すように一方の複数チャンネルの光ファイバー群と他方の複数チャンネルの光ファイバー群との間に介在し、一方の光ファイバーの端部から出射される光を、他方の複数の光ファイバーの所望の端部に切換え入射させる機能を担うものとして、図２に示すようなミラーを用いるもの、図３に示すようなレンズを用いるものなどを想定した。この他光路方向を変更させる手段としてはファイバーやプリズムといった光学デバイスを用いることも選択出来る。図２において示したものは縦一横に複数マトリックス状に配列された出力用のファイバー・アレーと受光用のファイバー・アレー、更に二つのミラー・アレーから構成されている。出力用のファイバー・アレーから出力された光は１番目のミラー・アレーで反射され、２番目のミラー・アレーで更に反射された後、受光用のファイバー・アレーに入射される構成となっている。二つのミラー・アレーにおける各ミラーの角度を調整することにより出力用のファイバー・アレーからの出力光を受光用のファイバー・アレーの任意のポートのファイバーに入射することが出来るものである。また、図３に示したものは出力用の各ファイバーの端面に設けられたレンズと受光用の各ファイバーの端面に設けられたレンズの角度を可変することにより出力光を任意のポートのファイバーに向けると共に、ロス無く入射光を受光するような構成としたものである。この様に、縦一横に複数マトリックス状に配列された出力用のファイバー・アレーと受光用のファイバー・アレーを用いる構成とすることで、光を飛ばす空間距離を極めて小さくできるためスイッチの大規模化に際してもロスの小さなスイッチが実現できるのである。

さて、このような出力用のファイバー・アレーと受光用のファイバー・アレー間に介在させ、光路方向を変更させる光学デバイスを所望方向に駆動制御することがこの光スイッチには必要であるが、それに応える手段として本発明は小型で発生力の大きな圧電素子を駆動源に用いるようにした。圧電素子に曲げ変位を発生させてその角度変位が最大となる点で被稼動部材を支持するようにしたり、被稼動部材の支持点に偶力を与えることによって大きな変位を得るようにし、更にこの駆動機構を互いに交わる２軸、一般には直交する２軸に対して回転駆動させるように組合せた機構とすることによって、被稼動部材を所望方向に向けることが出来る機構を実現したものである。以下に圧電素子を用いたアクチュエータの各種態様を順次提示する。

圧電素子を用いたアクチュエータの基本形態を図４に示す。１）は長手方向に伸縮する短冊状の圧電素子を２枚重ね合わせたバイモルフ型で、電圧を逆に印加して図の右側に示すように一方の圧電素子が伸びるように、他方の圧電素子が縮むように差動的に伸縮させることによって、バイメタル形態で上下に反り返る。２）は１枚の短冊状の圧電素子を金属と貼り合わせたユニモルフ型で、圧電素子に電圧を印可すると正逆の電圧により圧電素子が伸び、又は縮む。金属は伸縮しないので、圧電素子と金属は相対的に長さが変わり、図の右側に示すようにバイメタル形態で上下に反り返る。この部材の一端を固定すれば他端は反りに応じて変位することになる。この変位を駆動力として利用する。

次にロッド状の圧電素子の軸方向伸縮運動を直接利用する形態のアクチュエータを示す。図５の１）に示したものは一端を固定した圧電部材Ａと同じく一端を固定した圧電部材Ｂの他端とを被稼動部材の異なる部位に接続し、両圧電部材Ａ，Ｂの伸び動作によって前記被稼動部材に偶力を発生させるものである。２）に示したものは一端を固定した圧電部材Ａと同じく一端を固定した圧電部材Ｂの他端とをＺ字形状の被稼動部材の両端部に部位に接続し、両圧電部材Ａ，Ｂの伸び動作によって前記被稼動部材に偶力を発生させるものである。そして、３）示したものは一端を固定した圧電部材Ａと同じく一端を固定した圧電部材Ａ’を並行させて他端で被稼動部材を挟む形態で保持し、それとは対称形態で一端を固定した圧電部材Ｂと同じく一端を固定した圧電部材Ｂ’を並行させて他端は前記被稼動部材を挟む形態で保持配置する構造とした。圧電部材Ａが伸びる時はＡ’は縮み、圧電部材Ｂは縮みＢ’は伸びるように作動する。すなわち、圧電部材ＡとＡ’および圧電部材ＢとＢ’は常に伸縮が逆となり、圧電部材ＡとＢ’および圧電部材Ａ’とＢは常に伸縮が同じとなるように作動するように構成される。この作動によって前記被稼動部材に偶力を発生させるものである。

圧電素子を用いた種々の形態のアクチュエータを以下に順次紹介する。図６の（ａ）に示すものは一端を固定した一つのユニモルフ又はバイモルフの短冊状圧電部材Ａの他端に長手方向を異にする他のユニモルフ又はバイモルフの短冊状圧電部材Ｂの一端を取り付けたものである。この構成によると圧電部材Ｂの他端部は圧電部材Ａの他端の変位量に圧電部材Ｂの変位量が合成された変位をすることになる。例えば、一端が固定された圧電部材Ａの他端が図面の表裏方向に変位するもので、今電圧の印加によって裏面側に変位されたときは、圧電部材Ｂの他端に固定されたミラーは図面中Ｙ方向から見て反時計方向に回転される。そして圧電部材Ｂも図面の表裏方向に変位するもので、今電圧の印加によって表面側に変位されたときは、圧電部材Ｂの他端に固定されたミラーは図面中Ｘ方向から見て
反時計方向に回転される。これら２つの変位を独立に制御することによりミラーに自由な動きをさせることができる。

図６の(ｂ)に示すものは(ａ)に示したものを二つ組合せたアクチュエータである。すなわち被稼動部材としてここではミラーを示しているが、このミラーの異なる部分をそれぞれの端部と接続した形態であり、該ミラーは４つの圧電部材の夫々の動きに応じた２つの支持部の変位によってその向きが変るものである。ミラーがあらゆる向きを取ることが出来るようにその支持部は玉継手のようなフリージョイントが好ましい。ただし、小型のアクチュエータを作る場合には剛性の低い弾性素材をフリージョイントとして使用しても構わない。このような構成とすることで、例えばエッチングによりユニモルフの金属部やバイモルフの中間電極を兼ねる所定形状の弾性部を形成し、その上でゾル−ゲル法やスッパタ法等により圧電部材を構成する製法がとれる。

図７に２つのユニモルフ又はバイモルフの短冊状の圧電部材Ａ，Ａ’を長手方向に繋ぎ合せた形態を示す。両端を固定し両圧電部材に逆方向の反りを発生させ、両部材を繋ぎ合わせた接合部分に捻り運動を起こさせるものである。図中イはユニモルフ方式の横断面図、ハは平面図で中央の接合部に支持部材を介してミラーが載置されたものを示している。いま、ロに示すように圧電部材Ａには電圧を印加して凸状の反りを生じさせ、圧電部材Ａ’には電圧を印加して凹状の反りを生じさせると接合部は矢印で示す捻れ運動を生じ、ミラーを右下がり状態とする。印加電圧を逆転させるとＡが凹状にＡ’が凸状に反り、左下がり状態とする。すなわち全体として接合部を節とする屈曲変位を起こさせるものである。 また、この機構を異なる方向、ここでは直交する方向に組合せた形態をニ、ホに示す。図中ニは横断面図、ハは平面図である。この構成によれば、圧電部材Ａ，Ａ’によって屈曲変位を起こし中央部のミラーを傾斜させることができる上に、異なる方向にも圧電部材Ｂ，Ｂ’によって同様の屈曲変位を起こさせ、中央部において圧電部材Ａ，Ａ’の中央部を異なる方向に傾けるように作用し、載置されたミラーには両機構の合成傾斜変位を与えることができる。

図８に上記の機構を異なる方向、一般には直交する方向に組合せた形態を示す。まず両側の固定部に固定された圧電部材Ａ，Ａ’と同様の圧電部材Ｂ，Ｂ’の接合部に枠体の軸を固定し、更に該枠体の前記圧電部材とは異なる向きで図６に示した機構の圧電部材Ｃ，Ｃ’と同様の圧電部材Ｄ，Ｄ’とを配置し、その接合部に被稼動部材（ミラー）を中央で固定した軸を固定する。そして、この圧電部材の組合せにおいてＡとＢ、Ａ’とＢ’、ＣとＤ、Ｃ’とＤ’とは、反り動作を同じくするように構成する。いま、圧電部材に電圧を印加して図に示すようにＡとＢが凸状にＡ’とＢ’、が凹状に反るようにさせると、枠体は右下がりに傾く。そして、図に示すように圧電部材ＣとＤに表面側に凸となるように反らせ、圧電部材Ｃ’とＤ’には裏面側に凸となるように反らせれば、右下がりに傾いた枠内においてミラーは御辞儀をする態様で手前に傾くことになる。このように異なる方向の捻り運動を枠体を介して組合せることによって、被稼動体をあらゆる向きに姿勢制御することが可能となる。

また、この図８に示された機構は図５に示した圧電素子の伸縮力を直接利用して偶力を発生させる圧電アクチェータを用いても実現できることは容易に理解されよう。

次に異なる捻り形態の圧電部材を図９に示す。この捻り変位素子は図９の(１)に示すように２つのユニモルフ又はバイモルフの短冊状の圧電部材Ａ，Ａ’を長手方向に並行させて繋ぎ合せた形態となっている。一端側を共に固定し一方の圧電部材Ａには左側に凸、他方の圧電部材Ａ’には右側に凸となるよう互いに反対の反りが与えられるように電圧が印加される。するとこの場合には圧電部材Ａの他端側は図中時計方向に変位しようとし、圧電部材Ａ’の他端側は反時計方向に変位しようとする。ところが両部材は側面で接合状態となっているため、他端の中央部は双方の力がキャンセルし合い、圧電部材Ａの他端側角部が図中右側へ、圧電部材Ａ’の他端側角部が図中左側へ変位する。すなわちこの両部材Ａ，Ａ’の他端は上から見ると反時計方向に捻れ運動を生じることになる。また、この形
態では圧電部材Ａと圧電部材Ａ’の分極方向を異ならせれば、同一方向の印加電圧で捻れ運動を起こすことができる。その場合には個々の圧電部材の多様な変位は制限されるが、電極を共通とし印加電圧も同じとして単純化することができる。

この捻り変位素子機構を異なる方向、一般には直交する方向に組合せた形態を図９の(２)示す。まず圧電部材Ａ，Ａ’の一方を固定部に固定すると共に同様の圧電部材Ｂ，Ｂ’の一方を他の固定部に固定して、両部材の他端を枠体の対向する中心部にそれぞれ固定し、更に該枠体の前記圧電部材とは異なる向きで対向する位置に図９の(１)に示した機構の圧電部材Ｃ，Ｃ’と同様の圧電部材Ｄ，Ｄ’との一端を固定するように配置し、その両部材の他端で稼動部材（ミラー）の対向する部位を固定する。そして、この圧電部材の組合せにおいてＡ、Ａ’とＢ、Ｂ’がそしてＣ、Ｃ’とＤ、Ｄ’が捻り動作の向きをそれぞれ同じくするように構成する。いま、圧電部材に電圧を印加して図に示すようにさせると、枠体は右下がりに傾く。そして、図に示すようにＡ、Ａ’とＢ、Ｂ’とが縦方向に時計方向に捻れると枠体は図中でのけぞる形態で回動し、圧電部材Ｃ、Ｃ’とＤ、Ｄ’が図に示したように横方向時計回りに動けば、のけぞる形態で傾いた枠内においてミラーは右下がりに傾くことになる。このように異なる方向の捻り運動を枠体を介して組合せることによって、被稼動体をあらゆる向きに姿勢制御することが可能となる。

変位方向を異にする２組の圧電部材で被稼動部材（ミラー）を支持する枠体を構成した更に異なる形態を図１０に示す。図１０に示したものは１対のＵ字状のユニモルフ又はバイモルフ型圧電部材Ａ，Ｂの両端を互いに接合してリング状に形成すると共に対向する両部材Ａ，Ｂの中心部を軸部材を介して固定部材に固定し、もう１対のＵ字状のユニモルフ又はバイモルフ型圧電部材Ｃ，Ｄの両端も互いに接合してリング状に形成すると共に対向する両部材Ｃ，Ｄの中心部を前記圧電部材Ａ，Ｂの接合部に軸部材を介してそれぞれ固定し内側枠体とし、該内側枠体の接合部に被稼動体（ミラー）の両端部の軸を取り付けた構造である。図の(１)はＵ字状がコの字状に形成された角型タイプで、(２)はＵ字状が半円形に形成された丸型タイプというだけで、基本的に同じものと考えてよい。圧電部材ＡとＢ及び圧電部材ＣとＤは電圧が印加されると反りが逆形態となるように構成されるので、その接合部には捻れ力が働くことになる。いま、(１)において、中央部が固定された圧電部材Ａの両端部が図面上表側に反りかえり（図中○で表示）、中央部が固定された圧電部材Ｂの両端部が図面上裏側に反りかえる（図中●で表示）力を受けると、接合部に接続された軸は右側が裏側に左側が表側に移動するように回転変位される。この回転変位によって内側枠体を構成している圧電部材Ｃ，Ｄのリングを右下がり方向に傾斜させる。この圧電部材Ｃ，Ｄのリングも電圧が印加されると変形し、例えば圧電部材Ｃの両端部が図面上表側に反りかえり、中央部が固定された圧電部材Ｂの両端部が図面上裏側に反りかえる力を受けると、ミラーが固定された軸は上方が表側に下方が裏側に反りかえり、御辞儀をするように回転する。印加電圧の方向が変れば当然ながら反対の駆動となる。

図１１に本発明における部材の支持形態の例を示す。１）に示した例は左右の圧電部材Ａ，Ｂが紙面の上下方向にそれぞれ逆の向きで反りかえる形態のアクチュエータに適用されるものである。両圧電部材の自由端部中央に該圧電部材より細い部材で稼動部材を両側から挟むように支持するものである。矢印で示す向きに回転力が生じたとき中央の被稼動部材Ａ，Ｂは時計方向に回転変位させられるが、その際、この細く剛性の低い支持部はその動きを妨げることなく大きな回転変位を許容する変換機能を果たす。２）に示した例は同じ左右の圧電部材Ａ，Ｂが紙面の上下方向にそれぞれ逆の向きで反りかえる形態のアクチュエータに適用されるもので、両圧電部材の自由端部中央を該圧電部材より細い部材で連結接続するものである。矢印で示す向きに力が生じたとき圧電部材Ａは上方に圧電部材Ｂは下方に変位しようとするが、その際、この細く剛性の低い支持部はその動きを妨げることなく大きな回転変位を許容する変換機能を果たす。その結果、この細い中央の連結部材は右下がりに傾斜させられるが、この細い部材に被稼動部材を取り付けておけばその右下がりに傾斜が該被稼動部材に伝達されることになる。３）に示す例は両端支持構造をとるバイモルフタイプ又はユニモルフタイプの圧電部材の固定端側構造を示したものである。例えば、交互に切り欠き溝を設けた構造の支持部で図示していない圧電部材を支持する。この構造によって、バイモルフタイプ又はユニモルフタイプの圧電部材の両端部での拘束をなくし、上下方向への変形を大きくする。溝は図示したように両面でなく片面であってもよいし、厚み方向ではなく幅方向の切り込みであってもよい。

以上、各種形態の圧電アクチュエータの例を示してきた。本発明は光通信分野で求められている多チャンネルの切換えをコンパクトな構造で確実な動作が可能な光スイッチを開発して提供することに出発しており、これらは光スイッチに適用されるミラー等の光デバイスを駆動するアクチュエータを意図して開発されたものである。しかし、この圧電アクチュエータはこれに限らず、ＣＤ、ＤＶＤをはじめとする光ピックアップの駆動、調整等各種機器のアクチューエータとして適用できることは明らかであり、用途は光スイッチに限定されるものではない。

光通信に用いられる出力側と受光側のファイバアレー組合せを示す図である。 出力側と受光側のファイバアレー間のミラー式光スイッチを示す図である。 出力側と受光側のファイバアレー間のレンズ式光スイッチを示す図である。 バイモルフタイプとユニモルフタイプの圧電部材を説明する図である。 偶力を発生させるメカニズムを説明する図である。 複数の圧電部材を用いたアクチュエータの例を示す図である。 圧電部材に屈曲運動を起こさせるアクチュエータの例を示す図である。 ２組の圧電部材に屈曲運動を起こさせるアクチュエータと枠体を用いて２軸駆動を可能にしたアクチュエータの例を示す図である。 反り運動を行なう２組の圧電部材を並行して接合し、接合部を軸とした捻り運動を発生させる圧電部材と、それを２組に枠体を用いて２軸駆動を可能にしたアクチュエータの例を示す図である。 圧電部材自体で枠体を形成し、それを２組用いて２軸駆動を可能にしたアクチュエータの例を示す図である。 本発明における支持機構例を示す図である。

符号の説明

Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ａ'，Ｂ'，Ｃ'，Ｄ' それぞれ圧電部材を示す

Claims (5)

1. 一軸上に設けられており、一端が固定され他端が一の方向へ変位するユニモルフあるいはバイモルフ構造の第一の圧電部材と、
   前記一軸上に設けられ一端が固定され他端が前記第一の圧電部材の他端に繋ぎ合わされるとともにこの他端が前記第一の圧電部材の変位とは逆方向に変位するユニモルフあるいはバイモルフ構造からなる第二の圧電部材と、
   一端が固定され前記一軸とは異なる他軸上に設けられており他端が前記一の方向へ変位するユニモルフあるいはバイモルフ構造の第三の圧電部材と、
   一端が固定され前記他軸上に設けられ他端が前記第三の圧電部材の他端に繋ぎ合わされるとともにこの他端が前記第三の圧電部材の変位とは逆方向に変位するユニモルフあるいはバイモルフ構造からなる第四の圧電部材と、
   前記第一の圧電部材の他端と前記第二の圧電部材の他端と前記第三の圧電部材の他端と前記第四の圧電部材の他端に固定され揺動する被稼動部材と、
   を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記一軸と前記他軸とは直交していることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 一軸上に設けられており一端が固定され他端が一の方向へ変位するユニモルフあるいはバイモルフ構造の第一の圧電部材と、
   前記一軸上に設けられ一端が固定され他端が前記第一の圧電部材の他端に繋ぎ合わされるとともにこの他端が前記第一の圧電部材の変位とは逆方向に変位するユニモルフあるいはバイモルフ構造からなる第二の圧電部材と、
   前記第一の圧電部材の他端と前記第二の圧電部材の他端に固定され前記一軸と直交する軸回りに揺動する枠体と、
   一端が前記枠体に固定され前記一軸とは異なる他軸上に設けられ、他端が前記一の方向へ変位するユニモルフあるいはバイモルフ構造の第三の圧電部材と、
   一端が前記枠体に固定され前記他軸上に設けられ他端が前記第三の圧電部材の他端に繋ぎ合わされるとともにこの他端が前記第三の圧電部材の変位とは逆方向に変位するユニモルフあるいはバイモルフ構造からなる第四の圧電部材と、
   前記第三の圧電部材の他端と前記第四の圧電部材の他端に固定され前記他軸と直交する軸回りに揺動する被稼動部材と、
   を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
4. 前記第一の圧電部材、前記第二の圧電部材、前記第三の圧電部材、前記第四の圧電部材は夫々平行に配置された二つの圧電部材で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記被稼動部材が光路方向を決めるミラー、レンズ、ファイバー、プリズムといった光デバイスである請求項１乃至４の何れか一つに記載の圧電アクチュエータ付電子機器。

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