JPH0455355B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は微小変位の制御や、高速応答などに使
用する性能の優れた圧電体変位装置に関するもの
である。

従来の技術と問題点 圧電体は電圧を印加すると歪み、変位が得られ
る。この変位量は一般に微小であり、実用レベル
の変位量を得るために従来より種々の工夫がなさ
れている。

複数枚の圧電板を積層した、いわゆる積層変位
体は圧電板の縦効果変位を利用するもので、その
圧電常数d33は大きく有利である。しかし変位量
は積層方向の長さに比例するため、必要な変位量
を得るには多数の圧電板を積層しなければなら
ず、その作業は煩雑であり、この種の装置が高価
になる理由の一つであつた。また圧電板の変位は
それぞれ隣接する圧電板との接触部分を通して積
層方向に伝達されるが、その変位量は微小である
ため、接触部分の状態によつて全体の変位量が大
きく影響される。そして、繰返し使用するうちに
接触部分の状態が変り、特性が不安定になる欠点
があつた。

別の工夫として、圧電板の横効果を利用したバ
イモルフがある。バイモルフは、例えば金属板の
両面にそれぞれ圧電体シートを貼付けたもので、
前記２枚の圧電体に適当な電圧を印加することに
より、一方の圧電体が伸びるとき他方の圧電体は
収縮して金属板を一方向に曲げるように作用させ
ている。横効果の圧電常数d31はd33にくらべて
小さく不利であるが、バイモフルは長さ寸法の二
乗に比例した大きな変位が得られる利点がある。
しかし、バイモルフには２枚の圧電板の接着や接
合による応力が作用していること、さらに屈曲に
よる変位を得るため、その端部を機械的に固定す
る際にはそれによる応力も加わり、これらは熱
的、経時的にも変化するので、微小変位的に複雑
な挙動を示す。そして、これらが屈曲方向の角度
に変化を与え、長さ寸法に比例した先端変位とし
て拡大され誤差となるため、熱的、経時的に不安
定になる欠点があつた。

問題点を解決するための手段 本発明は圧電体材料よりなり、二つのほぼ平行
なビームと、これら二つのほぼ平行な水平ビーム
の一方の端部間および中間部間を互いに連結する
二つのほぼ垂直なビームとが一体に成型され、前
記二つのほぼ平行なビームの少なくとも一つと前
記垂直なビームの少なくとも一つに圧電体動作部
を形成することにより、垂直方向の変位を拡大す
る機能を有するとともに、これと直角方向にも変
位する機能を有する性能の優れた圧電体変位装置
を提供するものである。

実施例 以下に本発明の一実施例を図面について説明す
る。第１図〜第３図において、１ａ，１ｂは二つ
のほぼ平行な水平ビームで、その断面形状は角柱
状、板状など任意の形状にできる。２ａ，２ｂは
水平ビーム１ａ，１ｂを連結する垂直ビームで、
これらは一体化した圧電材料で作られている。こ
れらのうち水平ビーム１ａ，１ｂと一方の垂直ビ
ーム２ｂの表裏両面には銀、白金等からなる電極
３ａ，３ｂおよび４が付着されて圧電体動作部を
形成し、第２図で矢印Px，Pyで示すように、厚
さ方向に分極されている。５は垂直ビーム２ｂ
（以下、これを垂直動作ビームと言う）の両面に
設けた電極４に電圧を印加するためのリード線、
６は垂直動作ビーム２ｂを駆動する電源、７は二
本の水平ビーム１ａ，１ｂの両面に設けた電極３
ａ，３ｂに電圧を印加するためのリード線、８は
水平ビーム１ａ，１ｂを駆動するための電源であ
る。

このように構成した圧電体変位装置に第２図の
極性の電圧を印加するとき、水平ビーム１ａ，１
ｂは矢印αxで示すように水平方向に収縮する
（もちろん逆極性の電圧を印加すれば伸長する）。
また垂直動作ビーム２ｂも矢印αyで示すように
垂直方向に収縮するが、第３図で示すように、水
平ビームの一方を固定した場合、垂直動作ビーム
２ｂの収縮量△y₁は垂直（固定）ビーム２ａから
垂直動作ビーム２ｂおよび水平ビーム可動端まで
の距離をそれぞれａ，ｂとしたとき、水平ビーム
の可動端でほぼｂ／ａ△y₁に拡大される。

第４図は垂直（固定）ビーム２ａと垂直動作ビ
ーム２ｂの位置を変えたものであり、この場合は
垂直動作ビーム２ｂの伸長、収縮方向と水平ビー
ム１ａ，１ｂの可動端の変位の方向が第１図の実
施例と逆方向になる（例えば、垂直動作ビーム２
ｂが収縮するとき、水平ビーム１ａ，１ｂの可動
端は第３図とは逆に垂直上方向に変位する）こと
を除き同様な垂直方向変位の拡大機能を有する。

また第５図は二つの垂直ビームをいずれも動作
ビーム２ｂ，２ｃとしたもので、その両面にはそ
れぞれ電極４ａ，４ｂが付着され、厚さ方向に分
極されている。この場合、垂直動作ビーム２ｃが
収縮する状態に対しては垂直動作ビーム２ｂを伸
長する方向に電圧を印加することにより、水平ビ
ーム１ａ，１ｂの可動端で垂直動作ビーム２ｂと
２ｃの垂直方向の変位量が加算されて拡大され
る。上記実施例では二つの水平ビームをいずれも
動作ビーム１ａ，１ｂとした例を示したが、二つ
の水平ビームのうち少なくとも一つを動作ビーム
とすれば水平方向に変位する機能を得ることが可
能である。

これら変位拡大機構をもつた圧電体装置は次の
様にして製作する。即ち、チタン酸ジルコン酸鉛
やチタン酸バリウムを原料として、常法によりグ
リーンシートを得、これを各実施例に述べた形状
に打抜き、常法により焼成体を得る。次いで圧電
体動作部に相当する部分両面に電極をスクリーン
印刷法や蒸着法により付着させた後、この部分に
直流高電圧を印加し、分極することによつて完成
させる。

これまでの説明では圧電体動作部の動作とし
て、収縮方向、または伸長方向のいずれかを用い
ることを述べてきたが、収縮−伸長の二状態間を
利用して、より大きな変位を得ることもできる。
また、圧電体動作部を収縮方向に変位させる場合
や、あるいはバイアス電圧を用いる場合には電歪
材料を使用することもできる。電歪材料は電圧を
印加したとき、それと直角方向には電圧の極性に
無関係に、電圧の二乗に比例した収縮変位を生じ
る。従つて電圧の印加により生じた歪を利用する
電歪材料も本発明に含まれるものである。電歪材
料を用いた装置は分極処理が不要な点を除き、圧
電体と全く同様な方法で製作できる。

発明の効果 本発明は以上の如き構成を有するものであり、
一方向に対しては変位拡大機能を有すると共に、
これと直角方向にも変位し得る機能を備えた二次
元の変位を制御し得る一体化した圧電体変位装置
であるから、接着部分や接合部分はなく、これら
に起因する変位の不安定さや、別の変位拡大機構
を付加するときの、いわゆるガタツキの問題も解
消できる。また曲げによる変位の拡大ではなく、
直接、伸縮による変位を利用しているから、取付
部分の応力による誤差が拡大されることもなく、
安定な変位が得られる。さらに、本発明は接着や
積層といつた繁雑な工程は必要でなく、容易に同
一性能のものが製造できることは大きな特徴で、
必要によつては複数個の圧電体を重ねて用いれ
ば、耐荷重用途にも使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明圧電体変位装置の一実施例を示
す斜視図、第２図は本発明装置の動作を示す概略
図、第３図は本発明装置における拡大機構の動作
説明図、第４図および第５図は本発明装置の他実
施例を示す正面図である。 １……水平ビーム、２……垂直ビーム、３，４
……電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 圧電材料よりなり、二つの水平ビームと、こ
   れら二つの水平ビームの一方の端部間および中間
   部間を互いに連結する二つの垂直ビームとが一体
   に成型され、前記二つの水平ビームの少なくとも
   一つと、前記垂直ビームの少なくとも一つに圧電
   体動作部を形成したことを特徴とする圧電体変位
   装置。