JPH0440951B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、圧電体の逆圧電効果によつて生じる
変位を利用して機械的な変位量を得る圧電駆動装
置に関するものである。

従来より圧電駆動装置としては、例えば特公昭
51−12497号公報に示された如くの装置が知られ
ている。この装置は、第１図に略図で示した如
く、圧電体１に両端に、基板４と静電的に吸着で
きる脚部２，３が固着され、この圧電体１，脚部
２，３および基板４への電源供給状態をスイツチ
S₁，S₂，S₃の操作により適宜に制御し「シヤクト
リ虫」の如くの動作状態を行なわせ微小な機械的
変位を精度よく得ようとするものである。

しかしながら上記装置は、圧電体１における変
位量を所望の機械的変位量として取出すために、
脚部材を基板との間で静電的な吸着力による係止
構成を形成しており、もちろんこの係止条件がな
ければ「シヤクトリ虫」の如くの動作形態が得ら
れず装置として成り立たず、駆動装置としての使
用範囲が制限されたものとなる問題点を有してい
た。即ち、上記発明は、静電的な吸着力による係
止を必要とするために脚部材、あるいは基板を形
成する材料、あるいは静電的な吸着力の他部所へ
の影響度に制限を生じることになり、上記装置の
使用範囲はまずこの点で大きく限定されたものと
なる。また、何らかの力を生じる部材即ち、能動
部材という見方で上記装置を見てみると、動作形
態も考えて圧電体と二つの脚部材および基板との
関係ということで、大きく３個の能動部材を有し
ているという見方ができる。そして、これらの能
動部材の生じる力の間には、圧電体の逆圧電効
果、静電的な吸着力と何らの関係もない。このた
め、先に述べた「シヤクトリ虫」の如くの動作形
態を効率よく得るには、スイツチS₁，S₂，S₃の操
作タイミングおよび力を生じるための制御系に大
きな注意を払わなければならない煩わしさを有し
ており、この点においても、装置の使用範囲に制
限を受けることになることは明らかである。

本発明は、上述した如くの従来装置の問題点を
解決できた圧電駆動装置を提供するものであり、
以下図面と共に説明する。

第２図イ，ロは、本発明による圧電駆動装置の
一実施例に使用される圧電体の一例の動作状態を
示した略図である。

第２図イ，ロに図示した如く矢印ａの如くの分
極方向を有し薄く形成された圧電体は、印加する
電圧の極性を変化させることにより実線で示した
状態と破線で示した状態間で変化する。

即ち圧電体は、印加電圧の極性により径方向お
よび厚み方向に機械的な変化を生じ、本発明の一
実施例はこの変位を極めて簡単な構成で有効に利
用するものであり、第３図に示したその一実施例
は第２図に図示した、薄く形成された圧電体を複
数枚積層し、かつ任意の所定枚数で電気的に複数
個のブロツクに分離した状態で、この圧電積層体
を所定の外囲器内に嵌挿せしめ、上記ブロツク毎
に動作制御を行ない例えば従来例と同様な「シヤ
クトリ虫」の如くの動作形態等の種々の動作形態
により所望の微小変位を実現するものである。

第３図イ，ロは第２図に示した圧電体を使用し
た本発明による圧電駆動装置の一実施例を示す構
成図であり、同図イは、構成を説明するための分
解断面図、同図ロは、その完成状態を示す外観図
を夫々示している。

図中５は、第２図に図示した如くの圧電体を示
し、複数枚積層され圧電積層体を構成する。

この圧電積層体は、６₁，６₂……６_o-1，６_oで
示したｎ対の電極群６と、（ｎ−１）個の電気的
に浮いた状態になされ絶縁スペーサとなる少なく
とも１枚以上の圧電体５ａとにより、電気的にｎ
個のブロツクに分離される。尚、図示の実施例に
おいては、１つのブロツクは、４枚の圧電体５か
ら形成されているが、適宜の枚数選択が可能であ
ることはいうまでもなく、また、電気的に浮いた
圧電体５ａに替え、圧電体５の逆圧電効果に影響
を及ぼさない特性の絶縁体を使用することも可能
である。

一方、各ブロツクの周囲には、ヤング率が圧電
体５と同等の材料で形成され、電極６₁，６₂……
６_oの引き出し部７ａを有した係止用リング７が
絶縁物８を介して取り付けられている。この係止
用リング７は、各ブロツクの圧電積層体の変位特
性をできるだけ減少させないように十分薄く形成
かつ電極引き出し部の他に切れ目を入れる等の配
慮がなされている。

９は上述した圧電体５，係止用リング７等から
なる圧電積層体が嵌挿される外囲器を示し、内部
に電極６₁……６_oの挿通部９ａを有している。

以下、第３図イ，ロに示した実施例の動作につ
いて説明する。

第４図イからヘは第３図に示した本発明による
圧電駆動装置における基本動作を概略的な断面図
で示した動作状態図である。尚、第４図中におい
ては、動作をわかり易くするために、複数枚の圧
電体５，係止用リング７等よりなるｎ個のブロツ
クを１０₁，１０₂……１０_(o-1)，１０_oとして簡略
化しまた電圧の印加によるブロツクの変位も極め
て大きく図示している。

各ブロツクの圧電体は、第２図にも図示した如
く分極方向に電圧が印加された場合径方向に伸び
厚み方向に縮み、逆に分極方向に反して電圧が印
加されると径方向に縮み、厚み方向に伸びる。こ
のため、各ブロツクは外囲器９内で、分極方向に
電圧が印加された場合、圧電体の径方向への伸び
により係止用リング７が外囲器９の内壁と当接
し、移動できない圧接による固定状態となり、逆
に分極方向に反して電圧が印加された場合、圧電
体の厚み方向への伸びにより、上述の圧接による
固定は解除され外囲器９内で移動可能状態とな
る。

今、各ブロツクの圧電体の全てに分極方向に電
圧を印加した状態を基準に考える。この場合、各
ブロツクは径方向に伸長し、第４図イに示す如く
外囲器９の内壁と当接し、固定状態となつてい
る。

このような状態から、第４図における左端のブ
ロツク１０₁の電圧印加の状態を反転させてやる
と、このブロツク１０₁は径方向に縮み、即ち厚
み方向に伸長し、第４図ロの如くの状態となる。
この時左端のブロツク１０₁の厚み方向への伸び、
Δtは、極めて微小な変位となるということはい
うまでもなく、例えば外囲器９を固定し、ブロツ
ク１０₁を移動させたい部材と直接あるいは間接
的に連結することにより種々の分野で微小な機械
的変位を得る駆動源として使用できることにな
る。尚適宜の手段で圧電積層体を固定し、外囲器
９を移動可能にすることにより、外囲器９と移動
させたい部材との連結による駆動装置としても構
成できることはいうまでもない。

さらに、順次ブロツクの電圧印加状態を反転さ
せてやれば、Δtの整数倍の変位量が極めて簡単
に得られることになり、微調節の必要な箇所にお
ける駆動装置に極めて有効となる。

また、所望の変位量が大きい場合には、第４図
ハないしヘに示した如くの動作を繰り返すことに
よつて、本発明の駆動装置においては簡単に得ら
れることになる。即ち、まず同図イの固定状態か
ら、移動させたい方向（この場合左方向とする）
にある最大（ｎ−１）個のブロツクの電圧印加特
性を反転させ、同図ハに示した如くの状態を得
る。次いで移動させたい方向側端部にある最小１
個のブロツク（図では１０₁）再び固定状態に戻
してやり、同図ニの如くの状態になり、この状態
が得られた後で先のハの状態において固定状態に
あつた最小１個のブロツク（図では１０ｎ）の電
圧印加特性を反転させ、同図ホの状態を得る。

このホの状態から、順次移動させたい方向側ブ
ロツク（図では１０₂）より電圧印加特性を反転
させてやり、圧電積層体の状態として同図イと同
様の状態である同図ヘの如くの状態を得る。

以上のような動作を行なうことにより、圧電積
層体は同図イから同図ヘへと、固定という状態は
同一であるが、その位置はΔt（ｎ−２）だけ左方
向に変位したことになる。即ち同図イの状態を基
準とするとイ→ハ→ニ→ホ→ヘ（イ）という動作
を繰り返し行なつてやれば、Δt（ｎ−２）ずつの
変位量が得られることになり、例えば、おおよそ
の変位量設定は上述した如くの動作で行ない正確
な変位量設定を同図イからロへの動作即ち、Δt
の整数倍の変位を利用して行なう如くの特徴ある
微小駆動装置を提供できることになる。

また、同図トからルに示した如く最小２個のブ
ロツクを固定状態に置き、移動させたい方向から
順次電圧供給の反転動作を行なつてやれば、ほぼ
連続的とみなせる微小変位動作が得られることに
なる。

第４図イないしヘで説明した動作も、Δtおよ
びΔt（ｎ−２）という変位量が微小であるため、
繰り返し行なつた場合、連続動作であるとみなし
てもさしつかえはないが、同図トないしルに示し
た動作は、先の実施例の如くいわゆる「シヤクト
リ虫」の如く動作形態とはならず、より微小な連
続動作となるわけであり、本発明は特徴ある微小
変位量を得られる電圧駆動装置を提供することが
できる。

尚、第４図イないしヘで説明した変位動作だけ
を期待しようとする場合には、第５図のように、
ブロツクを構成する圧電体５の積層枚数を多，少
の二群に分け、３個のブロツクを形成し、即ち圧
電積層体を両端部、中央部に分けると共に、先の
実施例で各ブロツクの周囲に取付けた係止用リン
グを両端部のみに設け、上記両端部、中央部への
電圧印加極性およびタイミング「シヤクトリ虫」
の如くの動作形態となるように制御しても実現で
きることになる。

第６図は、本発明による圧電駆動装置の他の実
施例を示す略断面図であり、同図からも明らかで
あるが、この実施例は、圧電体として中空形状の
一体化されたものを使用し、外周部と内周部に電
極群を構成したものである。即ち、この実施例は
圧電体の分極方向を先の実施例の如く、互いに対
向する方向ではなく径方向になした例である。尚
先の実施例の如くに互いに分極方向を対向させた
積層体として構成することも可能なことはいうま
でもなく、また図中第３図と同図番のものは、同
一機能を有するものである。

さて第６図に図示した実施例の動作であるが、
先の実施例と、圧電体および電極群の構成は異な
るものの、ブロツク毎に電圧の印加を制御し圧電
体を径方向あるいは厚み方向に変位させることが
可能であることは図面からも明らかであり、この
ため各ブロツクは外囲器９との間で、固定状態，
移動状態を作り、第４図で示した先の実施例と同
様の動作形態を実現できることはいうまでもなく
詳細な説明は省略する。

ただ、この第６図に図示した実施例は圧電体が
中空状であり、電極群の配設作業が先の実施例に
比較して極めて簡単となり、また個々のブロツク
を形成する径方向と直交する方向の厚みも径方向
の厚みさえ印加電圧等を考え適宜に設定してやれ
ば、ある程度の自由度をもつて設定できることに
なる。

即ち、先の実施例の場合１個のブロツクの変位
量であるΔtを種々の値に設定しようとすれば、
径方向と直交する方向の厚みを制御しなければな
らないわけであるが、この方向の厚みは、電圧が
印加される厚みであり、圧電体１枚の厚みが厚く
なれば当然、所定の変位量を得るために必要な印
加電圧が高くなり、電圧を印加する制御系処理が
極めて煩わしくなる問題がある。従つて先の実施
例の場合、１枚１枚の圧電体の厚みを種々制御す
ることは現実問題として無理があり、このため圧
電体を薄く形成し、かつ電極群をはさみ込みなが
ら積層するという極めて煩わしい作業を行なわな
ければ種々の特性の駆動装置を得ることができな
い問題点を実用化を考えた場合有していることに
なる。

これに対し、第６図における実施例は、先にも
述べた如く電極群の配設作業は簡単であるし、か
つ径方向と直交する方向の各ブロツクの厚みもあ
る程度の自由度を持つて設定できるため実用化を
考えた場合、種々の特性の圧電駆動装置を簡単な
構成で提供できることになる。

さらに、圧電体の中空部に移動させたい部材を
直接あるいは先の実施例の外囲器に対応する内囲
器を介して間接的に装着する如くの展開も考えら
れ、例えば図示はしないが、写真用カメラや顕微
鏡等の光学装置におけるレンズを上記中空部に装
着してやれば、従来高精度の加工技術の要求され
ていたレンズの微動機構に替え、本発明による圧
電駆動装置によつて簡単にかつ電気的に極めて精
度の高い微動調節を可能とすることができる等の
応用を考えることのできる特徴をも有することに
なる。

第７図は本発明による圧電駆動装置の更に他の
実施例を示した略外観図であり、第３図，第６図
と同図番のものは、同一機能部材である。

この実施例は、図面からも明らかなように、上
述してきた実施例において円柱形に形成していた
圧電体を角柱形に形成した例を示している。

この実施例も、圧電駆動装置としての微小変位
を得る動作は、先の二つの実施例と同様の動作形
態が可能となることはいうまでもなく、詳細な説
明は省略する。

ただ角柱形であるため、図示した如く、先の実
施例では個々のブロツク毎に圧電体の周囲に設け
られていた係止用部材８が相対向する二面のみに
設けられているため、外囲器９との間における各
ブロツクの固定状態に差を有することになる。即
ち先に述べた実施例においては、圧電体５の径方
向への伸長変位の殆んどを係止のための圧接力と
して利用していたのに対し、この実施例において
は、相対向する面間の変位のみを、係止のための
圧接力として利用することになる。

尚、上記係止のための圧接力の利用の仕方は、
圧電体を角柱状に形成した場合、４つの径方向に
わたつて、等しい力を得ることが困難となるため
であることは明らかであるが、駆動装置として考
えた場合、円柱形として構成できない場合にも簡
単に対処できるという特徴の一つになるというこ
とはいうまでもない。

以上述べてきたように、本発明は圧電体への電
圧印加を制御することにより、圧電体の逆圧電効
果によつて生じる径方向および厚み方向という二
方向への変位を有効に利用するべく、圧電体を電
気的に複数個のブロツクに分離し、かつこの圧電
体を外囲器内に嵌挿せしめ、この外囲器と上記ブ
ロツク間との関係により、上記圧電体あるいは外
囲器より、微小な機械的変位量を取り出せる圧電
駆動装置を提供するものであり、種々の分野で多
くの装置への使用が考えられる極めて実用価値の
高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来知られている圧電駆動装置の略構
成図、第２図イ，ロは本発明による圧電駆動装置
の一実施例に使用される圧電体の一例の動作状態
略図、第３図イ，ロは本発明による圧電駆動装置
の一実施例図であり、同図イは分解略断面図およ
び側面図、同図ロはその完成斜視図、第４図イ〜
ヘ，ト〜ル）は第３図に示した本発明による圧電
駆動装置の一実施例の動作状態を説明するための
略断面図、第５図は本発明による圧電駆動装置の
他の実施例図、第６図は本発明による圧電駆動装
置の更に他の実施例図、第７図は本発明による圧
電駆動装置の更に他の実施例を示している。 ５……圧電体、６……電極群、７……係止用リ
ング、８……絶縁物、９……外囲器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電圧の印加による逆圧電効果により機械的な
   変位を生じる薄い圧電体を一方向に複数枚積層し
   た圧電積層体を電気的に分離された少なくとも３
   個以上の複数個のブロツクに分離する分離手段
   と、前記分離された複数個のブロツクのうち少な
   くとも２個のブロツクの周囲あるいは一部に取付
   けられる係止用部材と、前記分離されたブロツク
   毎の前記圧電体の分極方向に設けられる電極群を
   含み前記圧電体への電圧供給を制御する電圧供給
   手段と、前記分離手段、係止用部材、電極群を備
   えた前記圧電積層体が嵌挿される外囲器とから構
   成され、前記電圧供給手段による正・逆電圧の印
   加により前記ブロツク毎に独立して前記圧電体を
   夫々径方向あるいは厚み方向に変位させ、前記正
   電圧の印加による前記径方向の変位により前記係
   止用部材を前記外囲器内面に当接せしめ前記ブロ
   ツクと外囲器間に固定状態を作ると共に、前記逆
   電圧の印加による前記厚み方向の変位により前記
   当接を解除して前記厚み方向への移動状態を作
   り、前記固定状態と移動状態との適宜の組合せに
   よる前記圧電積層体と外囲器との関係を制御する
   と共に、前記圧電積層体あるいは外囲器のどちら
   か一方を移動できない如くになし、前記外囲器あ
   るいは圧電積層体より機械的変位量を取り出すこ
   とを特徴とする圧電駆動装置。 ２ 前記分離手段は、前記圧電積層体の所定部分
   を電気的に不作動状態となすことにより得られる
   前記所定部分であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の圧電駆動装置。 ３ 前記分離手段は、前記圧電積層体の変位特性
   を妨げない特性を有する絶縁物より構成されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の圧
   電駆動装置。 ４ 前記係止用部材は、ヤング率が前記圧電積層
   体と近似した材料で構成されると共に前記圧電の
   逆圧電効果による変位特性を妨げないように十分
   薄く形成されることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項および第３項のいずれかに記載の圧電駆動
   装置。 ５ 前記係止用部材は、前記ブロツクの全部に設
   けられ前記圧電体への電圧供給制御を前記ブロツ
   ク毎に独立して行うことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の圧電
   駆動装置。 ６ 前記係止用部材は、前記ブロツクの両端の２
   個に設けられ、前記電圧供給手段による電圧供給
   制御を前記両端のブロツクと、その間にはさまれ
   たブロツクの３部分単位で行うことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに
   記載の圧電駆動装置。 ７ 前記薄い圧電体は、互いに分極方向が対向す
   るように積層される特許請求の範囲第１項に記載
   の圧電駆動装置。 ８ 前記分離手段は、前記圧電積層体の薄い圧電
   体間に設けられる前記電極群のうちのいくつかを
   電気的に浮いた状態となすことにより得られる電
   気的に浮いた状態の前記薄い圧電体のいくつかで
   あることを特徴とする特許請求の範囲第７項に記
   載の圧電駆動装置。 ９ 前記薄い圧電体は、径方向に分極された中空
   形状に構成されたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の圧電駆動装置。 １０ 前記分離手段は、前記中空形状の薄い圧電
   体の外周面と内周面に設けられる電極群を複数個
   の対として構成することにより得られる電圧が印
   加されない部分の薄い圧電体のいくつかであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第９項に記載の圧
   電駆動装置。 １１ 前記圧電積層体は、角柱状に形成されると
   ともに、前記係止用部材が相対向する前記角柱状
   圧電体面に設けられることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の圧電駆動装置。