JPH04179283A - 圧電素子変位増幅機構 - 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、圧電素子変位増幅機構に関し、特に、温度の
変化による最大変位のドリフトを製造段階でコントロー
ルするための構造に関する。

〔従来の技術〕

第４図は、従来の圧電素子変位増幅機（１４の一例の構
造を示す斜視図である。

第４図において、Ｌ字状の固定部材１に圧電素子２の−
・端が固着され、圧電素子２の他端は、変位伝達部３を
介してレバーア−ｚ、　４の中間部に接続されている。

又、Ｌ字状の固定部材１の先端部とレバーアーム４の一
端とが薄板状のヒンジ５を介して接続されている。

」１記の固定部材１とレバーアーｌ、４とヒンジ５と変
位伝達部３とは、一体構造となって拡大金具６を構成し
ている。

この拡大金具は６は、金属板をワイヤカット放電加工法
などによって製作する。

」二連のような構造の圧電素子変位増幅機構は以１ぐの
ようにして組み立てる。

先ず、拡大金具６を用意する。

次に、熱硬化性樹脂からなる接着剤で、変位伝達部３と
固定部材１との間に圧電素子２の両端を接着・接合する
。

このようにして組み立てた圧電素子変位増幅機構におい
て、圧電素子２に電圧を印加すると、圧電素子２が発生
する変位は変位伝達部３を介してレバーアーム４に伝え
らる。

レバーアーム４は、ヒンジ５を支点とするてこの原理で
、レバーアーム４の先端の出力端７で変位を拡大し、こ
の部分に最大変位が発生ずる。

その後、圧電素子２への印加電圧を０ポルＩ・に戻すと
、圧電素子２の変位が復帰し、レバーアーム４の変位も
同時に復帰する。

このような圧電素子変位増幅機構は、圧電素子の変位を
増幅し伝達する用途に用いられるだけでなく、レバーア
ームが動作ｌＩｈに回転運動することを利用する用途に
も用いられる。

例えば、レバーアームの」二面に反射鏡を固着すれば、
反射鏡の傾斜角度を変えることができるので、光通信や
、プリンタや、デイスプレィや或いはレーダーなどのシ
ステムにおいて、光路もしくはレーザビームを分岐した
り、結合したり、偏向したり或いは走査したりすること
ができる。

上述した従来の圧電素子変位増幅機＋１４ては、拡大金
具６には、５ＵＳ３０４が用いられている。

これは、この何科の弾性係数か１９０００〜２１０００
ｋｇｆ／−と大きく、ばね性が良いからである。

〔発明が解決しようとする課題〕

」−述のように、従来の圧電素子変位増幅機構では、拡
大金具の材質として、５ＵＳ３０４か用いられていた。

このため、この圧電素子変位増幅機４’ｌ＋）では、以
ドに述べるように、？ｉｌ１度の変化による最大変位の
ドリフトが大きいという欠点がある。

以下にその説明を行なう。

先ず、以下に示す実験を行なった。

第４図に示す圧電素子変位増幅機構を６０°Ｃまで加熱
した後、室温まで冷却しながら途中の温度での形状の変
化を観測する。

尚、ここで使用した圧電素子変位増幅機構は、第４図に
示すように、外形・］法（縦×横Ｘ　Ｉ！７み）が、そ
れぞれ３４．　Ｘ　３０　ｘ　３　ｍｍであり、熱膨張
係数が１７．３　Ｘ　１０−６／”Ｃであった。又、変
位伝達部３の長さは１．９−ｍである。

圧電素子２は、従来知られているチタン酸ジルコン酸鉛
（ＰＺＴ）系のセラミックスを積層したもので、熱膨張
係数か−１，０Ｘ　１０−”／’Ｃであった。長さは２
０　ｍｍである。

」１記の実験の結果、第５図に示すように、圧電素子変
位増幅機構の温度が１°Ｃ下降すると、変位伝達部３と
レバーアーム４の境界部８には殆んど変位が生じないが
、レバーアーム４とヒンジ５との境界部９にはレバーア
ーム４を００１μｍ引き下げるような変位が生じること
が分った。

この結果、レバーアーム４ては、上記のレバーアーム４
とヒンジ５との境界部９での変位がてこの原理によって
拡大され、出力端７が上に向って１．２μｍ変位してし
まう。

又、レバーアーム４も５０μｍ・ａｄ傾斜してしまう。

上述のような、温度変化によるレバーアーム４の出力端
７の位置の変動は、最大変位にとっては、第４図におい
て圧電素子２に電圧を印加していない時の出力端７の始
点の位置が変化することであり、その結果、圧電素子変
位増幅機構の出力性能が変動してしまうことになる。

例えば、上に述べた圧電素子変位増幅機構では、２５°
Ｃの環境の中でｌ）　Ｃ１５０Ｖを印加すると１８０μ
ｍの最大変位を発生するが、ｅ　ｏ　’ｃの環境の中で
は、１３８／１ｍの最大変位しか発生しないことになり
、その差が４２μＩ丁１にもなる。

このような圧電素子変位増幅機構のレバーアーム４の」
二面に反射鏡を固着して、光通信やプリンタやデイスプ
レィやレーダーなどのンステトて、光路もしくはレーザ
ビームを分岐したり結合したり偏向したり走査したりす
る用途に用いる場合には、温度の変化によって、レバー
アーム４の傾斜角度がドリフトして、光路もしくはレー
ザビームがずれてしまい、分岐・結合ができなくなった
り、あるいは、走査位置にぶれが生してしまうという問
題が発生する。

圧電素子変位増幅機構を高精度の光学スキャナ用または
レーザビームの偏向走査用として、−２０〜＋５０℃の
温度範囲の環境の中で使用する場合、レバーアーム４の
最大駆動角度を、例えば７ｍｒａｄとすれば、レバーア
ーム４の傾斜角度の温度ドリフトは、その約１万分の１
である０、７μｒａｄ／°Ｃとすることが望ましい。

本発明の目的は、」二連のような従来の圧電素子変位増
幅機構の欠点を除去し、７ｍ度による最大変位のドリフ
トの大きさ及びレバーアームの傾斜角度のドリフトの大
きさを製造段階でコントロールし、ユーザの使用方法会
条件に適した出力温度特性を有する圧電素子変位増幅機
構を適切な製造コストで提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の圧電素子変位増幅機構は、固定部材とこの固定
部材に設けられたヒンジとこのヒン／に固定されこのヒ
ンジを支点としててこの作用を行なうレバーアームとが
一体に成形された拡大金具き、 圧電効果により変位を発生する圧電素子と、この圧電素
子が発生する変位を前記レバーアームに伝達する変位伝
達部材キを含み、 前記拡大金具と前記圧電素子と前記変位伝達部材とは、
前記圧電素子の−・端が前記固定部材に固イ“（ｆされ
、他端が前記変位伝達部材Ａを介して前記レバーアーム
の力点に固定されるように組み立てられている圧電素子
変位増幅機構において、前記圧電素子の長さとこの圧電
素子の熱膨張係数との積をＸｌとし、 前記変位伝達部材の長さとこの変位伝達部材の熱膨張係
数との積をＸ２とし、 前記固定部材と前記ヒンジの長さの和と前記固定部材の
熱膨張係数との積をＸ、ｌとした時、ＸｌとＸ２の和が
ほぼＸ、ｌに等しいことを１．Ｉ」徴とする。

〔実施例〕

次に、本発明の最適な実施例について、図面を参照して
説明する。

本願発明者は、圧電素子変位増幅機構を高温下または低
温下において動作させると、常温時における出力性能と
異なる出力性能を示す原因が、圧電素子と拡大金具の熱
膨張係数を考慮した材料の組み合せにあると推測した。

そこで、圧電素子変位増幅ａ構の構造を第１図に示すよ
うな構造にした。

第１図は、本発明の第１の実施例の構造を示す斜視図で
ある。

本実施例が、第４図に示す従来の圧電素子変位増幅機構
と異なるのは、変位伝達部か、従来の圧電素子変位増幅
機構では、拡大金具と同一・の材料で一体に成形されて
いたのに対して、本実施例では、変位伝達部材１０とし
て、拡大金具とは別に成形され、固着されていることで
ある。

本実施例は、以下のようにして製作する。

先ず、固定部材１とレバーアーム４とヒンジ５が一体と
なっている拡大金具６と、変位伝達部材１０とを、それ
ぞれ第２図に示すような高剛性の材料を、ワイヤカット
放電加工法などで加工して作る。

次に、変位伝達部材１０の一端を、熱硬化性樹脂からな
る接着剤で、レバーアーム４の中間部に設けられた凹部
に差し込んで接着する。

次いで、変位伝達部材１０の他端と固定部材１との間に
、圧電素子２の両端を接着する。接着剤としては、−１
−記と同様の接着剤を用いる。

以ｔ゛に、−に連のようにして製イ′ｌした８種類の圧
電素子変位増幅機構を６０°Ｃまて加熱した後、室温ま
で冷却しながら形状の変化をｔｌＪＪ測した結果につい
て述へる。

なお、本実施例の圧電素子変位増幅機構の外形寸法は、
いずれも、従来の圧電素子変位増幅機構で説明したもの
と同一であって、縦×横×厚ろが、それぞれ３４　Ｘ　
３０　Ｘ　３　ｍｍであり、変位伝達部材１０の長さは
１．９ｍｍである。

又、圧電素子２の長さは２０＋１ｌＩＮである。

本実施例において、室温て圧電素子２にｌ）　Ｃ１５０
Ｖの電圧を印加すると、レバーアーｌ、　４の先端の出
力端７に１８０　ｔｔ　ｍの最大変位を発生する。

第２図は、本実施例におけるそれぞれの圧電素子変位増
幅機構の出力端７での出力温度特性を示すものである。

同図から判るように、拡大金具６に３２Ｎｉ　−４Ｃｏ
−Ｆｅ合金（以下Ｓ、Ｉｎｖと記す）を用い、変位伝達
部材１０に５ＵＳ４１０を用いた圧電素子変位増幅機構
が、温度変化による最大変位のドリフトが最も少ない。

この理由は以下のように考えられる。

圧電素子２は、長さが２０ｍｌ１１で、熱膨張係数が−
１，ＯＸ　１０−６／℃であるから、１°Ｃ当りの長さ
の変化量は一２０ｘｌＯ−６ｍｍとなる。

一方、変位伝達部４Ａ’　１０は、月利である５ＵＳ４
１０の熱膨張係数か９．９Ｘ　１０−６／’Ｃてあり、
長さが１，９１であるから、その４°Ｃ当りの長さの変
化量は１９ｘｌＯ−６ｍｍとなる。

すなわち、圧電素子２の長さの変化と変位伝達部材１０
の長さの変化とは、方向が互いに反対で絶対値がほぼ等
しいので、圧電素子２さ変位伝達部材１０を合せた部分
ては、温度変化による長さの変化は殆どない。

しかも、変位伝達部Ｈ１０を除く拡大金具６には、熱膨
張係数がｏ、ｉｘ　１０−６／°Ｃと極めて小さいＳ、
Ｉｎｖを用いているので、圧電素子変位増幅機構全体と
しては温度変化による最大変位のドリフトが小さくなっ
ている。

」−述のような、拡大金具６にＳ、Ｉｎｖを用い、変位
伝達部材１０に５ＵＳ４１０を用いた圧電素子変位増幅
機構では、２５°Ｃの環境の中で１）　Ｃ１５０Ｖを印
加すると１８０　ｉｔ　ｍの最大変位が発生し、６０°
Ｃの環境の中てＩＪ　１７９１ｉ　ｍの最大変位が発生
する。

その差は、従来の集電素子変位増幅機構では４２ｕｍで
あったものが、本実施例では、わずか１／１ｍに減って
いる。

−・方、この場合、温度変化によるレバーアーム４の傾
斜角度のドリフトは、最大駆動角度の１／１３０００の
０．５μｒａｄ／’Ｃであり、従来の圧電素子変位増幅
機構に比べると１／１００になっている。

このため、本実施例の圧電素子変位増幅機構ＣＪ１高ｉ
！ｊ１７度の光学スキャリーーまたはレーザービームの
偏向、走査用としても実用可能である。

次に、本発明の第２の実施例について述べる。

本実施例の＋７４造は、第１図に示した第１の実施例と
同様の構造であるが、その外形寸法および圧電素子２の
長さが第１の実施例のものは５１．％なっている。

本実施例の外形寸法は、縦×横×厚みがそれぞれ２４　
Ｘ　３０　Ｘ　３　ｍｍであり、圧電素子２の長さは１
０關である。

そして、圧電素子２にＩ）　Ｃ１５０Ｖを印加した時の
最大変位の大きさは、９０μｍである。

第３図は、第２図と同様に本実施例の出力端７での出力
温度特性を表わす。

第３図から判るように、本実施例では、変位伝達部材１
０に２９Ｎｉ−１７Ｃｏ−Ｆｅ合金（以下Ｋ　ｏ　ｖと
記す）を用い、又、拡大金具６にＳ。

Ｉｎｖを用いた場合に、温度変化による最大変位のドリ
フト及びレバーアーム４の傾斜角度のドリフトを無くす
ことができる。

変位伝達部材１０の材質が第１の実施例と異なったのは
、圧電素子２の長さが１０ｍｍと短かくなったため、１
°Ｃ当りの圧電素子２の長さの変化量が−１０Ｘ　１０
−’ｍｍと小さくなったからである。

この場合は、％Ｈ膨張係数かＳ　Ｕ　Ｓ　４１．０より
も小さいＫｏｖ（熱膨張係数５　、３　Ｘ　１０−６／
’Ｃ）を変位伝達部材１０（長さ１．９ｒｈｍ）に用い
ると、変位伝達部材１０の長さの１°Ｃ当りの変化量が
１０　Ｘ　１０−６ｍｍとなるので、圧電素子２の長さ
の変化が打ち消される。

以」二の述へたことから、〆ｌ＋ｉｆ度変化による最大
変位のドリフト及びレバーアート４の傾斜角度のドリフ
トは、圧電素子２と変位伝達部材１０と拡大金具６の材
質と寸法に依イＹすることが判った。

そこで、形状の定まった圧電素子変位増幅機構では、下
記に示す式によって変位伝達部４Ｊ　１０と拡大金具６
の材質を選定すれば、温度変化による最大変位のドリフ
ト及びレバーアーム４の傾斜角度のドリフトの人きさを
コントロールすることがてきる。

αｌ（”Ｉ・デ（００テα＋ｉ”Ｌへ＋αｌ＋”Ｌｌｌ
但し、α８　；拡大金具の月ｘ′！ｊの熱膨張係数ＬＫ
　；拡大金具の固定部組とヒンジの長さの和 αＡ　：圧電素子のクツ１膨張係数 ＩＪＡ；圧電素子の長さ α、Ｉ　；変位伝達部材の材質の熱膨張係数Ｌｌｌ　；
変位伝達部材の長さ である。

〔発明の効果〕

以」二説明したように、本発明は、圧電素子の長さと熱
膨張係数との積をＸｌ’を変位伝達部材の長さと熱膨張
係数との積をＸ２Ｎ固定部材とヒンジの長さの和と拡大
金具の熱膨張係数との積をＸ３とした時、ＸＩ　とＸ２
との和がほぼＸ３に等しくなるように、拡大金具と変位
伝達部Ｈの材質を選定することにより、ｌ！１１（度変
化による最大変位のドリフトの大きさ及びレバーアーム
の傾斜角のドリフトの大きさを製造段階でコントロール
することがてき、ユーザの使用条イ！１に適した出力？
！６Ｌ度’４’！ｉ性を持つ圧電素子変位増幅機構１４
を適切な製造コスト提供てきるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例の（・１１４造を示す
斜視図、第２図は、第１の実施例の出力／１ＩｌｌＩ瓜
１、冒（１を示す図、第３図は、本発明の第２の実施例
の出力温度特性を示す図、第４図は、従来の圧電素子変
位増幅機構の構造を示す斜視図、第５図は、圧電素子変
位増幅機構における、温度変化による最大変位のドリフ
トを説明するための図である。 １・・・固定部組、２・・・圧電素子、３・・・変位伝
達部、４・・・レバーアーム、５・・・ヒンジ、６・・
・拡大金具、７・・・出力端、８，９・・・境界部、１
０・・・変位伝達部材。 代理人　弁理士　内　原　　ｉ゛ｉ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．固定部材とこの固定部材に設けられたヒンジとこの
   ヒンジに固定されこのヒンジを支点としててこの作用を
   行なうレバーアームとが一体に成形された拡大金具と、 圧電効果により変位を発生する圧電素子と、この圧電素
   子が発生する変位を前記レバーアームに伝達する変位伝
   達部材とを含み、 前記拡大金具と前記圧電素子と前記変位伝達部材とは、
   前記圧電素子の一端が前記固定部材に固着され、他端が
   前記変位伝達部材を介して前記レバーアームの力点に固
   定されるように組み立てられている圧電素子変位増幅機
   構において、 前記圧電素子の長さとこの圧電素子の熱膨張係数との積
   をＸ＿１とし、 前記変位伝達部材の長さとこの変位伝達部材の熱膨張係
   数との積をＸ＿２とし、 前記固定部材と前記ヒンジの長さの和と前記拡大金具の
   熱膨張係数との積をＸ＿３とした時、Ｘ＿１とＸ＿２の
   和がほぼＸ＿３に等しいことを特徴とする圧電素子変位
   増幅機構。２．請求項１記載の圧電素子変位増幅機構に
   おいて、前記拡大金具の材質が、３２Ｎｉ−４Ｃｏ−Ｆ
   ｅ合金であり、Ｘ＿１とＸ＿２の和がほぼ０であること
   を特徴とする圧電素子変位増幅機構。