JPH02114871A - 焦電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、マイクロメカニズムなどに適用される焦電ア
クチュエータに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、マイクロメカニズムに組み込まれるアクチュエー
タとして、静電アクチュエータが好ましいとされてきた
。これは蓄積できるエネルギーか体積に比例する電磁型
アクチュエータや圧電アクチュエータに比べ、静電アク
チュエータは蓄積できるエネルギーが面積に比例し、厚
さに反比例するということによるものである。つまり、
体積が小さくなるにつれて比表面積が大きくなるという
一般的な事象に基づくものであり、それ故マイクロメカ
ニズムに組み込まれるアクチュエータとして静電アクチ
ュエータが有利ということになる。

静電アクチュエータの原理は、一部が重なり合って平行
に対向配置された一対の電極に電圧を印加し、該電極間
に発生する静電エネルギーを利用するもので、電極間の
ずれをなくそうとする方向に働く力を利用するものと、
電極同士を引き寄せる方向に働く力を利用するものとが
ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような静電エネルギーを利用した静電アクチュエー
タは比較的大きな出力を得るために対向配置された一対
の電極を可動子の移動方向に沿って多数配列し、これら
の電極を逐次位相差をつけて多相駆動する方法がとられ
るため、配線が非常に複雑になるという問題があった。

また、配線間の浮遊容量もクロストークを生じ易い大き
さとなるため効率か悪くなり、さらに配線部の占有容積
も電極部と同程度かそれ以上の大きさとなってしまうと
いう問題があった。

ところで、多数の電極を多相駆動する必要のないアクチ
ュエータとして、光モータが知られている。この光モー
タは光を熱エネルギーに変換し、その熱エネルギーで磁
極を構成している強磁性体を非強磁性体に相転移させて
ロータを回転させるもので、比較的室温に近い温度で相
転移する強磁性体からなる多数の磁極と、この磁極に引
力を作用させる永久磁石とから構成されている。しかし
ながら、このような光モータは磁極間の相互作用を用い
るため、磁界の漏れが効率に影響を及ぼし、磁極を高密
度に配置するとクロストークの影響で効率が悪くなる。

また、体積効果である磁気エネルギーを用いるため、大
きな出力を得るためには寸法が大きくせざるを得ず、マ
イクロメカニズムには適していない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたちので、配線
が複雑になることかなく、かつ配線間の浮遊容量もクロ
ストークの生じ難い大きさに低減でき、マイクロメカニ
ズムに適した焦電アクチュエータを提供しようとするも
のである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために本発明は、強誘電体と、この
強誘電体の表面に配置され焦電効果によって発生した電
荷を蓄積する陽電極および陰電極と、これら陽電極およ
び陰電極の一方と一部が重なり合って対向配置され且つ
他方の電極と電気的に接続された対向電極と、前記強誘
電体に熱エネルギーを与える手段とを具備してなること
を特徴とするものである。

〔作　用〕

本発明においては、強誘電体の焦電効果によって発生す
る電荷の静電エネルギーを利用して移動子を移動させる
ため、多数の電極に電圧を印加して多相駆動する必要が
なくなる。

〔実施例〕

第１図は本発明による焦電アクチュエータの基本的構成
を示す図で、図中１は強誘電体である。

この強誘電体１は第２図に示すような電場−分極特性を
持ち、第３図に示すように温度差ΔＴを与えると自発分
極ＰｓがΔＰｓ変化するものである。

なお、第２図中Ｐｒは残留分極、ＥＣは抗電場である。

また、２，３は強誘電体１の焦電効果によって発生した
電荷を蓄積する陽電極と陰電極で、これらの陽電極２と
陰電極３は強誘電体１の相対向する表面に配置されてい
る。また、４は上記陽電極２および陰電極３のどちらか
一方（この図では陽電極２）と一部が重なり合って対向
配置された対向電極である。この対向電極４は移動子基
板５のド面に取付けられ、前記陰電極３と電気的に導通
している。

このように構成される焦電アクチュエータの回路図を第
４図に示す。同図において０１は陽電極２と陰電極３で
構成されるコンデンサ部、Ｃ２は対向電極４と陽電極２
で構成されるコンデンサ部であり、Ｃ１（Ｃ２となって
いる。

上記のような構成において、強誘電体１の表面にパルス
光６を照射すると、その光エネルギーは強誘電体１の表
面に形成された黒化膜（図示せず）に吸収され、熱エネ
ルギーに変換される。この熱エネルギーによって強誘電
体１は温度上昇し、焦電効果によって強誘電体１の表面
に＋Ｑと−Ｑの電荷が現われる。なお、このときの発生
電荷量Ｑは強誘電体１の焦電係数ｐ［Ｃ−Ｃｍ−２・Ｋ
−１］　と温度変化量ΔＴ　［Ｋ］と電極面積Ａ［Ｃｍ
２コの積に比例する。

このようにして強誘電体１の表面に発生した電荷は陽電
極２と陰電極３で構成されるコンデンサ部Ｃ１に蓄積さ
れるとともに、陽電極２と対向電極４で構成されるコン
デンサ部Ｃ２に蓄積される。

ここで、コンデンサ部Ｃ１，Ｃ２はＣＩ（Ｃ２となって
いるので、電荷Ｑによる静電エネルギーの大部分はコン
デンサ部Ｃ２に蓄積され、そのエネルギー量Ｗは となる。また、強誘電体１の焦電効果で発生した電荷量
が一定と見なせる時間内において、電極２゜４のずれ方
向に作用する力ＦＸは仮想変位の法則により以下のよう
に計算できる。

ただし、Ｃ０１強誘電体の真空中の誘電率、εｒ：強誘
電体の比誘電率、Ｘは電極２と電極４が重なり合った部
分の長さ、ｙ：電極２，４間の距離、１：電極２の長さ
である。

また、電極２と４の対向する方向に働く力Ｆｙは （３）式と（４）式の比をとると、 となる。したがって、電極２，４間の距離ｄと電極幅Ｗ
との比（ｄ／ｗ）が摩擦係数μより人なる条件（ｄ　／
　ｗ　＞μ）を満たせば移動子基板５は図中矢印方向に
移動することになり、ｘ−１になるまで変位する。なお
、第１図では電極４を電極２の上方に配置したが、第５
図に示すような構成でもよい。この場合には第６図に示
すような回路構成となる。

第７図は本発明の第１実施例を示すもので、図１−１．
＋　１０は例えばガラス、セラミックス等の絶縁祠料ま
たはＳｉ、Ｇｅ等の表面に絶縁膜を形成した円板状の固
定子基板である。この固定子基板１０はその中心部を貫
通する固定シャフト１］に固定され、片側の基板面には
第８図に示すような固定子電極１２が放射状に形成され
ている。そして、この固定子電極１２０表面には誘電率
の大きな誘電膜（例えばジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）
膜）１３か約１μｍ程度の厚さで形成されている。また
、１４は例えばＰＺＴ等の強誘電体からなる回転子基板
で、この回転子基板１４は軸受１５を介して固定シャフ
ト１１に回転可能に取付けられ、両側の基板面には第９
図に示すような回転子電極１６．１７が互いに重なり合
って放射状に形成されている。そして、これら電極１．
６．１７のうち一方の電極たとえば１６は前記誘電体膜
１３にＬＢ膜等を介して接しており、前記固定子基板１
０の電極１２と一定間隔に保持されている。また、他方
の電極たとえば１７は導体１８、固定シャツＩ−１１、
導体１つを介して固定子基板１０の電極１２と電気的に
導通しており、その表面には光を熱エネルギーに変換す
る黒化膜２０が形成されている。

このような構成において、強誘電体からなる回転子基板
１４に光２１を照射すると、黒化膜２０に吸収されるこ
とによって熱エネルギーに変換され、この熱エネルギー
によって電荷±Ｑが回転子基板１４の電極１６，１．７
に発生する。なお、このとき回転子基板１４と誘電体膜
１３は第４図に示したような関係を満たすことが必要で
ある。たとえば、回転子基板１４と誘電体膜１３が同じ
誘電率εｒを持っている場合、誘電膜１３の厚さが１μ
ｍで回転子基板１４の厚さが１００μ口１であるとする
と、ＣＩ）Ｃ２の条件を満たすことができ、発生した電
荷はその殆どが電極１６と電極１２とで構成されるコン
デンサ部に蓄積される。このようにして蓄積された静電
エネルギーは回転子基板１４を回転させる力となり、第
１０図および第１１図に示すようなタイミングで電荷Ｑ
を発生させることにより回転子基板１４を回転させるこ
とができる。なお、第１０図中８１〜Ｓ６は固定側の電
極を示し、Ｒ１−Ｒ７は回転側の電極を示したものであ
り、図中の「＋」は電荷が印加されている電極を示して
いる。また、この実施例では照射光２１を固定シャフト
１１を中心として半径ｒの円周上を回転させながら回転
子基板１４に照射することにより、第１１図に示すよう
な電荷の印加タイミングを得ることができる。

第１２図ないし第１５図は本発明の第２実施例を示す図
で、この実施例は照射光を定位置に留め、しかも照射光
の点滅も不要な焦電モータであり、第１実施例と異なる
点は照射光の回転を回転子にギヤで結合したチョッパー
で行なうところにある。

すなわち、図中３１は強誘電体からなる固定子、３２．
３３は固定子電極、３４は誘電体膜、３５は回転子、３
６は回転子電極、３７は回転シャフト、３８，３９．４
０．４１はギヤ、４２はチョッパー　４３はハウジング
である。上記回転子３５はギヤ４１，４０，３９．３８
を介して回転シャフト３７と結合しており、回転シャフ
ト３７に取付けられたチョッパー４２を回転させる構造
となっている。

上記のような構成において、例えば回転子３５がθ／３
たけ回転すると、チョッパー４２は２θ／３たけ回転す
る。これにより回転子３５の電極３６には第１１図に示
したようなタイミングで電荷が印加され、回転子３５を
回転させる。

なお、上述した実施例では回転型の焦電アクチュエータ
について説明したが、第１６図に示すようなリニア型の
焦電アクチュエータも実施可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、強誘電体と、この強誘電
体の表面に配置され焦電効果によって発生した電荷を蓄
積する陽電極および陰電極と、これら陽電極および陰電
極の一方と一部が重なり合って対向配置されかつ他方の
電極と電気的に接続された対向電極と、前記強誘電体に
熱エネルギを与える手段とを具備してなるものである。

したがって、従来の静電アクチュエータのように多数配
列した電極を多相駆動する必要がないので、配線が複雑
になるようなことがなく、また配線間の浮遊容量による
クロストークも低減てき、マイクロメカニズムに適した
焦電アクチュエータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による焦電アクチュエータの基本的構成
を示す図、第２図は強誘電体の電場−分極特性を示す図
、第３図は強誘電体の自発分極と温度との関係を示す図
、第４図は第１図の回路構成を示す図、第５図は焦電ア
クチュエータの変形例を示す図、第６図はその構成図、
第７図は不発、明の第１実施例を示す焦電モータの断面
図、第８図はその固定子基板を示す平面図、第９図は同
じく回転子基板の平面図、第１０図は第１実施例の作用
を示す図、第１１図は電荷の印加タイミングを示す図、
第１２図は本発明の第２実施例を示す焦電モータの断面
図、第１３図はその固定子を示す平面図、第１４図は同
じく回転子の平面図、第１５図はチョッパーの平面図、
第１６図は本発明の第３実施例を示す焦電アクチュエー
タの構成図である。 １・・・強誘電体、２・・・陽電極、３・・・陰電極、
４・・・対向電極、１０・・・固定子基板、１１・・・
固定シャフト、１２，１６，１．７・・・電極、１４・
・・回転子基板（強誘電体）、２０・・・黒化膜、３１
・・・固定子（強誘電体）　、３２．　３’３．３６・
・・電極、３５・・・回転子、３８，３９，４０．４１
・・・ギヤ、４２・・・チョツバ 奴’ｊｌｆｌ＆心 ご 雷 、、（Ｙ）−換、〜 Ｕ〕

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　強誘電体と、この強誘電体の表面に配置され焦電効果
   によって発生した電荷を蓄積する陽電極および陰電極と
   、これら陽電極および陰電極の一方と一部が重なり合っ
   て対向配置され且つ他方の電極と電気的に接続された対
   向電極と、前記強誘電体に熱エネルギーを与える手段と
   を具備してなることを特徴とする焦電アクチュエータ。