JPH0294578A - 圧電型回転駆動装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、先ビームの偏向等に利用されるバイモルフ型
圧電変位素子を用いた回転駆動装置に関する。

（従来の技術） 近年、光ディスクや光ピツクアップ等にレーザビームが
広く使用されるようになり、小型で高性能の光ビーム偏
向装置の必要性が増している。

バイモルフ型圧電変位素子を用いた光ビーム偏向装置は
、構造が簡単で小型化がｉ■能であり、数多くの提案が
なされている。

第８図は、その様なバイモルフ型圧電変位素子を用いた
光ビーム偏向器の一例である。バイモルフ型圧電変位素
子８１は、２枚の圧電板８２１゜８２２を接着して構成
されている。各圧電板８２、．８２２は、それぞれ両面
に設けられた電極８３□、８３３．８３２．８３．＋に
より分極処理か施され、電極８３３．８３．、を間にし
て貼り合わされている。図中圧電板内に示した矢印が分
極方向を示す。バイモルフ型圧電変位素子８１は一端が
基台８４に固定され、他端はミラー８７に接続されてい
る。各電極８３はリード線８５により図示のように電源
８６に接続されている。

この様な構成として、電圧を印加するとバイモルフ型圧
電変位素子８１は破線で示すように変形し、ミラー８７
はφだけ回転する。これにより、ミラー８７に入射する
光ビーム８８は、反射方向が２０だけ偏向されることに
なる。

この構造は簡単であり、小型化も可能である。

しかしながら、バイモルフ型圧電☆位索Ｔは一端のみを
固定した片持ち梁構造であるために、機械的に弱く、ミ
ラーの遠心力によって破損し易い。

従って高速駆動も困難である、という問題かある。

第９図は、別のミラー偏向器である。金属板をエツチン
グ加工した枠体９４の２辺の互いに異なる而に圧電板９
１．、．９１゜を貼り、ユニモルフ構造としている。圧
電板９１＋、９１２の分極方向は第９図（ｂ）に矢印で
示した通りである。

谷変位素子の電極９３は図示のようにリード線９５を介
して電源９６に接続されている。枠体９４内に配置され
るミラー９７は、ヒンジ９８１゜９８、を介して各々変
位素子９１１，９１２の中央部に接続されている。

この様な構成として、ユニモルフ９１１９１□に゛重圧
を印加すると、′：ｊＳＯ図（ｃ）に示すように互いに
逆方向に変位し、結果としてミラー９７は回転する。

第１０図は、第９図の（１も成を拡張して、ユニモルフ
対９１．＋、９１２の他にユニモルフ対９１３゜９１４
を設けて、ミラー９７を２軸回りに回転＋１１能とした
ものである。

ところがこれら第９図および第１０図の構成では、ミラ
ーを接続するヒンジの曲げ剛性を小さくすると機械的安
定性に欠け、また共振周波数が低くなるため高速駆動が
困難になる。ヒンジの曲げ剛性を大きくすると、ユニモ
ルフの発生力が小さいためミラーの回転角が小さくなり
、またユニモルフの変形が拘束されて内部応力が生に機
械的信頼性１性が低下する、という問題がある。

（発明が解決しようとする課題） 以１：のように従来の圧電変位素子を用いた光−同盟は
、バイモルフ圧電変位素子を用いたものでは片ｔｊｊち
梁であるため機械的に弱い。またユニモルフ構成を利用
したものではヒンジを用いてミラーを固定するため、１
ａｔｆｆｌ的安定性に欠け、高速駆動も困難であり、ヒ
ンジの剛性を上げるとミラーの回転角が小さくなってユ
ニモルフ内に生じる応力のため機械的信頼性が低下する
、という問題かあった。

本発明はこの様な問題を解決し、機械的に強固で高速駆
動が可能であり、信頼性も高い圧電変位素子を用いた回
転駆動装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明にかかる回転駆動装置は、少なくとも２枚の第１
．第２のバイモルフ型圧電変位素子を用い、これらを−
直線」二に配置して一端を彼駆動体に接続し、他端を固
定して構成される。ここで第１．第２のバイモルフ型圧
電変位素子はそれぞれ、分極方向が固定端側と被駆動体
側との間で所定比率で分割された分割電極により互いに
逆向きに設定され、−力筒１．第２のバイモルフ型圧電
変位素子間−Ｃは、分極方向は１７．いに回転対称とな
るように設定される。各バイモルフ型圧電変位素子の分
割電極は、好ましくは全電極長に対する固定端側電極長
の比率が０．３〜０゜５の範囲に設定される。

（作用） 本発明の構成では、第１．第２のバイモルフ型圧電変位
素子に電圧を印加した時、それらの自由端即ち被駆動体
に接続された端部が互いに逆方向に変位する。またこの
とき、各変位素子の分極方向が固定端側と被駆動体側と
では所定の分割比率で逆になっているために、自由端は
回転する。

従ってこのバイそルフ型圧電変位素子の自由端の変位−
回転角の特性を、被駆動体が回転した時のそれとほぼ等
しくなるように設定しておけば、被駆動体に無用な応力
がかからない状態で被駆動体を回転駆動することができ
る。前述のように各素子の分割電極を、全電極長に対し
て固定端側電極長を０．３〜０，５の範囲に設定した時
、はぼこの様な条件を満たす。

そして本発明によれば、被駆動体が両側からバイモルフ
型圧電変位素子により固定されているため、機械的に強
固であり、また高剛性であるため共振周波数が高く高速
駆動がｉｉＪ能である。また、バイモルフ型圧電変位素
子の自由端の変位−回転各特性を被駆動体の端部の変位
−回転角特性と等しくすれば、バイモルフ型圧電変位素
子の変形が拘束されることはなく、内部で応力が発生せ
ず機械的信頼性が向」ニする。

二対のバイモルフ型圧電変位素子を用いれば、上述のよ
うな特性を損わずに、二軸回りの回転駆動を行う装置も
得られる。

（実施例） 以下、本発明の詳細な説明する。

第１図（ａ）（ｂ）は、本発明を光偏向器に適用した一
実施例を示す平面図と断面図である。

分割電極構造の第１．第２のバイモルフ型圧電変位索子
１１＋、１１２が、−直線上に配置され、それぞれ一端
は被駆動体であるミラー１７に接続され、他端は基台１
４．に固定されている。第１のバイモルフ型圧電変位素
子１１．は、２枚の圧電ｆ１ｍ１２ｔ＋、１２１２を貼
り合わせて構成されている。各圧電板１２＋　１．１２
＋　２にはそれぞれ一方の面に分割電極１３１１．１３
１２および１３．３．１３．、、が設けられ、貼り合わ
せる側の他ｈ゛の而に共通電極１３３，１３．１が設け
られている。このような分割電極構造を利用して、図中
矢印で示すように固定端側とミラー側とで逆方向に分極
処理が施されている。第２のバイモルフ型圧電変位素子
１１２も同様であり、分割電極１３２１．１３２２，１
３２３．１３２４と共通電極１：う３，１３４を持つ２
枚の圧電板１２．．。

１２２２を貼り合わせて構成されている。第２のバイモ
ルフ型圧電変位素子１１２の分極方向も、固定端側とミ
ラー側とで逆に設定されているが、第１．第２のバイモ
ルフ型圧電変位素子−１，１＋１１２間で見るとその分
極方向は回転対称となっている。各素子の分割電極の分
割比率は、固定端側の電極長が全電極長の０．３〜Ｏ１
５となるように設定されている。そして各素子の電極は
、図示のようにリード線１６により電源１５に接続され
ている。

なお図では、圧電板１２１１と１２２１を一体とし、同
様に圧電板１２１２と１２２２を一体としているが、こ
れらは別々のものとしてその端部をミラー１７に固定し
てもよい。

この様な構成として、電源１５により各バイモルフ型圧
電変位素子１１．，１１□に電圧を印加すると、第１図
（ｂ）の断面で見て、第１のバイモルフ型圧電変位素子
１１１の自由端は上方に変位し、第２のバイモルフ型圧
電変位素子１１．の自由端は上方に変位する。また各素
子内での分極方向を図示のように固定端側と自由端側で
異ならせているため、自由端はその変位と同時に回転を
示す。その回転角は、第１のバイモルフ型圧電変位素子
１１．では右回りであり、第２のバイモルフ型圧電変位
素子−１１２では左回りである。この結果全体として、
第１図（ｂ）に破線で示したような波型の変形を示し、
ミラー１７はこの変形に従って回転する。

二つの変位索子１１．．１１２が均一に分極されたもの
であるとすると、それぞ゛れの自由端の変位でミラー１
７を回転させるためには、その接続部に剛性の小さいヒ
ンジを介在させることが必要になる。そうしないと、変
位素子１１．．１１２内に大きい内部応力かかかるため
である。そしてヒンジを設けると従来技術で説明したよ
うに高速駆動ができなくなる。この実施例では、変位素
子１１１．１１．が直接ミラー１７に接続された状態で
も、その自由端に変位と回転が生じるために、素子の変
形が拘束されることなく、ミラー１７に回転を与えるこ
とができる。

各バイモルフ型圧電変位素子１１＋、１１２の分割電極
の分割比を選ぶことにより、好ましい結果か得られるこ
とを次に具体的に説明する。

第２図は、第１図の実施例の一方のバイモルフ型素子１
１．側のみを取出して、その自由端の変位と回転の様子
を示したものである。ここで素子の長さ（全電極長）が
ｌであり、固体端側の電極長をｒｌ！、自由端側の電極
長を（１−ｒ＞ｌ！とじている。この素子に電圧を印加
すると、電極長比率ｒをある範囲に選んだ時に、図に破
線で示すように変形する。図では自由端の変位をＷ、傾
斜角をθで示している。

第３図は、その様子を示す。即ち第３図は、。

電極長の比率「を種々変えた場合の、バイモルフの変形
の様子を示したもので、この図から、およそ０．３≦「
≦０，５の範囲で、自由端の変位Ｗか正、傾斜角θが正
となる（座標の取り方は、第２図に示しである。）　そ
して、被駆動体であるミラー１７の長さをＬとしたとき
、Ｌ−ｓｉｎθ−２ｗを満たずことにより（θが微小で
あれば、Ｌ・θ−２Ｗを満たずことにより）、第１図の
実施例によって各部に無理な応力が発生しない状態でミ
ラーをθだ＋９回転できることになる。

第４図および第５図はそれぞれ、ある一定のミラー長し
に対してこれを駆動するバイモルフ型圧１゛１ｊ変位素
子の分割電極比「を変えた時のミラーの同転μｍ０′と
、変形が拘束されたことによりバイモルフ内部に発生す
る応力σを示したものである。

これらのデータから、比率ｒがおよび０．４の点て回転
角θ′が最大値を示し、またこの点で内部応力σは十分
小さくなる。

以」−のようにこの実施例によれば、ミラーがバイモル
フ型圧電変位素子に直接接続されているため、機械的に
強固であり、高剛性であるため共振周波数が高く高速駆
動が可能である。また分割電極の比率を選ぶことによっ
て変位素子の変形は拘束されたくなり、内部応力の発生
のない信頼性の商い光偏向器が得られる。

第６図は、本発明の別の実施例の光偏向器を示す斜ン見
図である。この実施例では、２対のバイモルフ型圧電変
位素子を用いて、ミラー１７を二輪間りに回転駆動でき
るようにしている。即ち、方の対をなす第１．第２のバ
イモルフ型圧電変位素子１１１，１．１２は先の実施例
と同様の分割電極比率と分極分布をもってミラー１７に
接続されている。もう一方の対をなす第３．第４のバイ
モルフ型圧電変位素子１１３，１１．、は、第１．第２
のバイモルフ型圧電変位素子１１．．１．１２とは直交
する一直線」−に配置されている点を除き、第１．第２
のバイモルフ型圧電変位素子１１゜１１□と同様の分割
電極比率および分極分布の関係をａする。

この実施例によれば、図に示したｘ−ｙ座標系テ、第１
．第２のバイモルフ型圧電変位素子１１＋：１１２に電
圧を印加することによりｙ軸回りの回転θｙができ、第
３．第４のバイモルフ型圧電変位素子１１３．１１４に
電圧を印加することによりＸ軸回りの回転θＸができる
。

第７図は、史に他の実施例の光偏向器を示す斜視図であ
る。この実施例は、バイモルフ型圧電変位素子を４個用
いているが、基本的に第１図の実施例と同じ一軸回りの
回転駆動を行うものである。

即ち、第１．第２のバイモルフ型圧電変位素子１１１，
１１２と支持台１８の関係は、第１図の実施例と同じで
ある。これに対して史に第３．第４のバイモルフ型圧電
変位素子１１３．１３４を、支Ｉｊｉ台１８に対して第
１．第２のバイモルフ型圧電変位索子１１．．１１２と
同じ軸間りの回転駆動力を与える関係で配置される。こ
れらの変位索子１１．〜１１１に同時に電圧を印加した
時の、呂自山端の変位の方向を第７図では支持台１８−
１−に矢印で示しである。これにより、支持台１８上に
図示のようにミラー１７を固定しておけば、このミラー
１７を一軸回りに回転駆動することができる。

この実施例によれば、４個のバイモルフ型圧電変位素子
で同時にミラーを駆動するので、大きい回転力がｉＵら
れる。

本発明は上記実施例に限られるものではない。

例えば実施例では、被駆動体としてミラーを用いた光偏
向器を説明したが、用途は光偏向に限られず、各種の微
小角回転駆動に利用することができる。また第７図の構
成は、第７図から容易に類推されるように更に拡張して
、バイモルフ型圧電変位素子の対を同様の関係で被駆動
体を中心にして多数配置することが可能である。その他
本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施
することができる。

［発明の効果］ 以１−述べたように本発明による回転駆動装置は、被駆
動体かヒンジを介さず直接バイモルフ型圧電変位素子に
固定されるため機械的に強固であり、高剛性であるため
共振周波数か高く高速駆動が可能である。また、バイモ
ルフ型圧重度（：１−素ｒ・の変形が殆ど拘束されたい
ようへ条件設定がｉ＋Ｊ能であり、その様な条件に設定
することで、内部応力の発生が少なく、機械的な信頼性
が高いものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は、本発明を光−向器に適用した実
施例の平面図と断面図、第２図は、その一つのバイモル
フ型圧重度位素ｒ・の変形のＬ’Ｄ　ｊ−を説明するた
めの図、第３図は、分割電極の分割比率と変位素子の変
形の関係を示す図、第４図および第５図は、分割電極の
分割比率を変えた時のミラーの回転角および素子内に生
じる応力を示す図、第６図は、他の実施例の光偏向器を
示す図、第７図は四に他の実施例の光偏向器を示す図、
第８図は従来の光−向器の一例を示す図、第９図（ａ）
〜（ｅ）および第１０図は従来の他の光偏向器の（１が
成例を示す図である。 ］】１・・・バイモルフ型圧電変位素子、１１２・・・
第２のバイモルフ型圧電変位素子、１１３・・・第３の
バイモルフ型圧電変位素子、１１１・・・第４のバイモ
ルフ型圧電変位素子、１２＋　１＋　　１２１２゜１２
２１．１２２２・・・圧電板、１３１　　（１３１〜１
３１．１）、１３２　　（１３２１〜１３２．１）・・
・分割電極、１３３．１３４・・・共通電極、１４・・
・基台、１５・・・電源、１６・・・リード線、１７・
・・ミラー（被駆動体）、１８・・・支Ｆ！ｉ台。 第３図 出願人代理人　弁理士　鈴江武は 第 図 第 図 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　少なくとも２枚の第１，第２のバイモルフ型圧
   電変位素子が、それぞれ一端を被駆動体に接続し、他端
   を固定して一直線上に配置され、第１，第２のバイモル
   フ型圧電変位素子の分極方向は、それぞれ固定端側と被
   駆動体側との間では所定の比率で分割された分割電極に
   より互いに逆向きになるように、且つ第１、第２のバイ
   モルフ型圧電変位素子間では回転対称となるように設定
   されて、電圧印加により第１，第２のバイモルフ型圧電
   変位素子の被駆動体側端部が互いに逆方向に変位して被
   駆動体を回転駆動するようにしたことを特徴とする圧電
   型回転駆動装置。
2. （２）　第１，第２のバイモルフ型圧電変位素子が、そ
   れぞれ一端を被駆動体に接続し他端を固定して一直線上
   に配置され、第３，第４のバイモルフ型圧電変位素子が
   それぞれ一端を被駆動体に接続し他端を固定して第１，
   第２のバイモルフ型圧電変位素子の並びと直交させて一
   直線上に配置され、これら第１〜第４のバイモルフ型圧
   電変位素子の分極方向は、それぞれ固定端側と被駆動体
   側との間では所定の比率で分割された分割電極により互
   いに逆向きになるように、且つ第１，第２のバイモルフ
   型圧電変位素子間および第３，第４のバイモルフ型圧電
   変位素子間では回転対称となるように設定されて、第１
   ，第２のバイモルフ型圧電変位素子により被駆動体を第
   １の軸回りに回転駆動し、第３，第４のバイモルフ型圧
   電変位素子により被駆動体を第１の軸と直交する第２の
   軸回りに回転駆動するようにしたことを特徴とする圧電
   型回転駆動装置。
3. （３）　各バイモルフ型圧電変位素子の分割電極は、全
   電極長に対する固定端側電極長の比率が０．３〜０．５
   の範囲に設定されている請求項１または２記載の圧電型
   回転駆動装置。