JPH08114408A - 電気信号変位変換装置、当該変換装置を用いた機器、および当該変換装置を用いた流体搬送装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 開口３を有するフレーム部１の上に帯板状を
した動作部２を架け渡し、動作部２の両端をフレーム２
に固定して固定部分６とする。動作部２は起歪層４の上
下両面に電極層５ａ，５ｂを形成したものであって、電
極層５ａ，５ｂ間に電気信号を印加すると、起歪層４に
伸張横歪が発生するので、両端を固定された動作部２は
座屈し、厚み方向へ変位する。逆に、動作部２に外力が
加わると、起歪層４に電気信号が発生する。 【効果】 この電気信号変位変換装置を用いると、動作
部に平行変位する部分を設けることができる。新規な構
造の小型軽量のセンサやアクチュエータを製作できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電気信号変位変換装置、
当該変換装置を用いた機器、および当該変換装置を用い
た流体搬送装置の駆動方法に関する。具体的にいうと、
本発明は、起歪層の電気的性質を利用して電気信号を動
作部の変位に変換し、逆に動作部の変位を電気信号に変
換する電気信号変位変換装置に関する。さらに、当該電
気信号変位変換装置を用いた光スキャナ、リレー、振動
発生器、移動機構等のアクチュエータや、圧力センサ、
加速度センサ、流速センサ等の物理量検出器などの機器
に関する。

【０００２】

【従来技術とその問題点】微小変位を発生させるための
マイクロアクチュエータとしては、積層型圧電アクチュ
エータがよく知られている。この積層型圧電アクチュエ
ータＣ１は、図１（ａ）に示すように、縦歪（電界方向
と平行な歪）を発生する圧電セラミック層１０１と電極
層１０２とを多層交互に積層し、電極層１０２同志を一
つおきに結線したものであって、両電極層１０２に電気
信号を入力すると圧電セラミック層１０１に縦歪が発生
し、図１（ｂ）に示すように積層型圧電アクチュエータ
Ｃ１が縦方向に伸縮する。この積層型圧電アクチュエー
タＣ１の伸縮量は各圧電セラミック層１０１の伸縮量に
圧電セラミック層１０１の層数を乗じたものとなる。従
って、積層型圧電アクチュエータＣ１の端面に駆動対象
物を固定していると、駆動対象物を平行移動させること
ができる。

【０００３】しかしながら、このような積層型圧電アク
チュエータＣ１にあっては、それ自身変位を拡大するた
めの構造を有していないので、最大変位量がアクチュエ
ータの寸法（例えば厚さ）と比較して非常に小さいとい
う問題がある。この出力変位を大きくするためには、機
械的な変位拡大機構を用いられることもあるが、変位拡
大機構を積層型圧電アクチュエータＣ１に取り付ける
と、アクチュエータが大きくなると共にコストも高くつ
くという欠点がある。また、圧電アクチュエータ自身で
変位量を大きくするためには、圧電セラミック層の積層
数を大きくする必要があるので、小型化が困難で、特に
薄型のアクチュエータを作製することができなかった。

【０００４】さらに、積層型圧電アクチュエータＣ１で
は、多層の圧電セラミック層１０１と電極層１０２を交
互に積層する必要があるので、製造プロセスが複雑とな
り、コストが高くついていた。

【０００５】このため図２（ａ）（ｂ）に示すような片
持ち梁型アクチュエータＣ２が開発されている。これは
基板層１０６、横歪（電界方向と垂直な方向の歪）を発
生する圧電材料からなる起歪層１０７、起歪層１０７の
両面の電極層１０８を積層して帯板状の動作部１０９を
形成し、当該動作部１０９の一方端部をフレーム部１１
０に固定したものである。この電極層１０８間に電気信
号を入力して起歪層１０７に電界を発生させると、横歪
のために起歪層１０７だけが伸縮するので起歪層１０７
と基板層１０６とを接合された動作層１０９が厚み方向
（図２の上方又は下方）に湾曲する。この動作層１０９
の変位方向及び変形量は電極層１０８に印加する電気信
号の極性及び信号強度で制御される。このような片持ち
梁型アクチュエータＣ２にあっては、動作部１０９の変
位はフレーム部１１０に固定されている基端部から離れ
るに従って拡大されるので、動作部１０９の自由端側に
駆動対象物を固定して駆動することにより、また動作部
１０９を長くすることにより駆動対象物を大きく変位さ
せることができる。

【０００６】なお、図２（ａ）（ｂ）では起歪層が１層
だけのユニモルフ型のものを示したが、基板層の両面に
起歪層を設けたバイモルフ型の片持ち梁型アクチュエー
タも知られている。

【０００７】しかしながら、片持ち梁型アクチュエータ
Ｃ２では、変形前後で平行を保っている動作部１０９上
の領域が存在せず、当該アクチュエータで駆動する駆動
対象物も平行移動できない。特に、変位量を大きくする
ために動作部の自由端を用い、また動作部１０９を長く
するほど、変形前後における駆動対象物の傾きも大きく
なる。このため、例えば干渉光学系などで用いる光路長
を変化させるための反射板等を駆動する用途には使用す
ることができなかった。

【０００８】また、片持ち梁型アクチュエータＣ２にお
いて、平行移動する領域を持つようにすることも試みら
れているが、これまでの方法では構造がきわめて複雑と
なり、小型化が困難でコストが高くついていた。

【０００９】さらに、片持ち梁構造であるので、動作部
１０９の先端部などに外力が加わったときに変位し易
く、変位量の精度や信頼性が低かった。同じ理由から、
駆動対象物を変位させる駆動力も弱かった。

【００１０】さらに、片持ち梁構造では、動作部１０９
の厚み方向における内部応力の変化によって初期歪を生
じるため、正しい動作を行なわせるためには無負荷時に
おいて起歪層１０７、電極層１０８及び基板層１０６の
内部応力の高精度制御が要求されていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は叙上の従来例
の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、小型化及び低コスト化が可能で、製作プロセス
制御が簡単で、かつ平行変位領域を有する構造簡単な電
気信号変位変換装置を提供することにある。また、この
電気信号変位変換装置を利用した各種機器を提案するこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の電気信号変位変
換装置は、横歪を発生する少なくとも１層の起歪層を少
なくとも２層の電極層により挟んだ構造を有する動作部
と、当該動作部を支持するフレーム部とを備え、前記動
作部はフレーム部に固定された部分と、フレーム部に固
定されていない変位可能な部分とを有し、当該固定部分
は当該固定されていない部分の周囲の少なくとも一部に
おいて当該固定されていない部分を挟むように配置され
ていることを特徴としている。

【００１３】この電気信号変位変換装置においては、電
極層のうち少なくとも１層の厚みを他の電極層の厚みと
異ならせてもよい。また、電極層のうち少なくとも１層
において、その電極層の一部分の厚みを他の部分の厚み
と異ならせてもよい。あるいは、電極層のうち少なくと
も１層もしくは起歪層において、その電極層もしくは起
歪層の一部分に開口を設けることもできる。

【００１４】また、電極層間に、起歪層よりもヤング率
の小さな材料で形成された領域を設けてもよい。あるい
は、動作部の一部を、他の部分よりもヤング率の大きな
領域とすることができる。

【００１５】また、電気信号変位変換装置は、複数の動
作部と、各動作部の電極層に電気信号を印加する電気信
号印加手段とを有し、動作部のうち少なくとも１つに印
加される電気信号の極性が、他の動作部に印加される電
気信号と逆極性になっており、フレーム部は動作部から
の力によって変形可能となっていてもよい。

【００１６】本発明による光スキャナは、前記電気信号
変位変換装置と、当該変換装置の変位部分に設けた光反
射面と、当該変換装置の変位部分を駆動する駆動手段と
を有することを特徴としている。

【００１７】本発明によるリレーは、前記電気信号変位
変換装置と、当該変換装置の変位部分を駆動する電気信
号印加手段と、当該変換装置の変位部分に設けられた第
１のスイッチング用電極と、当該第１のスイッチング用
電極と対向して設けられた第２のスイッチング用電極と
を有することを特徴としている。

【００１８】本発明による振動発生器は、前記電気信号
変位変換装置と、当該変換装置の変位部分を振動させる
ための電気信号を入力する電気信号印加手段とを有する
ことを特徴としている。

【００１９】本発明によるスピーカは、前記電気信号変
位変換装置と、当該変換装置の変位部分を振動させるた
めの電気的な音声信号を入力する電気信号印加手段とを
有することを特徴としている。

【００２０】本発明によるバルブ装置は、流体を通過さ
せるための通路と、当該通路に動作部の変位部分を臨ま
せて配置した前記電気信号変位変換装置とを備え、流体
通路と動作部との間を流れる流体の流量を制御可能とし
たことを特徴としている。

【００２１】本発明による点字ディスプレイ装置は、複
数の動作部をマトリックス状に配列された前記電気信号
変位変換装置と、当該各動作部により駆動される触覚に
より認識可能な複数個の突起とを備えたことを特徴とし
ている。

【００２２】本発明によるプリンタヘッドは、複数の動
作部を配列した前記電気信号変位変換装置と、各動作部
を駆動することによってインク粒子として吐出させるた
めのインクを保持する手段とを備えたことを特徴として
いる。

【００２３】本発明によるプローブ装置は、前記電気信
号変位変換装置と、当該変換装置の動作部に設けられた
プローブとを備えたことを特徴としている。

【００２４】本発明による発電機は、前記電気信号変位
変換装置と、当該変換装置に物理的エネルギーが加わっ
た時に当該変換装置に発生する電気エネルギーを出力す
る手段とを備えたことを特徴としている。

【００２５】本発明による圧力センサは、前記電気信号
変位変換装置と、当該変換装置の変位部分に検知圧力を
導くための圧力導入手段とを備え、導入された圧力によ
って前記変換装置の変位部分に発生する電気信号に基づ
いて当該圧力を検出するようにしたことを特徴としてい
る。

【００２６】本発明による加速度センサは、前記電気信
号変位変換装置と、加速度によって当該変換装置の変位
部分に発生する電気信号に基づいて加速度を検出するよ
うにしたことを特徴としている。

【００２７】本発明による流速センサは、前記電気信号
変位変換装置と、流体の流速によって変化する流体圧力
を当該変換装置の動作部の表面に導く手段とを備え、動
作部の表面に導かれた流体圧力から流体の流速を求める
ようにしたことを特徴としている。

【００２８】本発明による温度センサは、前記電気信号
変位変換装置と、温度変化によって当該変換装置の動作
部に熱応力を発生させる手段とを備え、当該動作部に発
生した熱応力から温度又は温度変化を求めるようにした
ことを特徴としている。

【００２９】本発明による流体搬送装置は、流体を搬送
する流体通路と、当該流体通路に臨ませて設けた少なく
とも３個の動作部を有する前記電気信号変位変換装置と
を備え、前記動作部を駆動することによって流体通路内
の流体を搬送させるようにしたことを特徴としている。

【００３０】本発明による流体搬送装置の駆動方法は、
前記各動作部の動作を一定のタイミングで切り換えるこ
とによって流体を搬送する方法であって、各動作部を一
定タイミングで閉状態、閉状態および開状態の順序で切
り換えることを特徴としている。

【００３１】また、本発明による流体搬送装置の別な駆
動方法は、前記動作部を流体通路側へ変位させて流体流
路を閉じた状態と、動作部を変位させない状態と、動作
部を流体通路と反対側へ変位させて流体通路を広くした
状態とを一定のタイミングで切り換えることによって流
体を搬送する方法であって、各動作部を一定タイミング
で流体通路側への変位状態、変位させない状態、流体通
路と反対側への変位状態および変位させない状態の順序
で切り換えることを特徴としている。

【００３２】

【作用】本発明の電気信号変位変換装置にあっては、電
極層を介して起歪層に電気信号を入力すると、起歪層の
横歪のために動作部が長さ方向に伸張するが、フレーム
部に固定されていない部分（変位部分という）の周囲の
少なくとも一部において当該変位部分を挟むように固定
されているために変位部分が座屈し、その厚み方向に変
位を生じ、この変位量は信号強度によって変化する。あ
るいは、電気信号を印加していない当初の状態で変位部
分を湾曲させた形態で固定部をフレーム部に固定してい
る場合には、電気信号を印加して動作部を長さ方向に伸
縮させると、変位部の長さ変化に応じて厚み方向に変位
を生じる。

【００３３】また、逆に、変位部分に接する物理量の変
化により変位部分に外力が加わると、物理量又はその変
化に応じた電気信号が動作部から出力される。

【００３４】しかも、本発明の電気信号変位変換装置で
は、変位部分の周囲の少なくとも一部において当該変位
部分を挟むように固定部分が配置されているので、変位
部分の中央部は変位しても元の状態と平行状態を保ちつ
つ変位する。このように一定位置が平行状態を保ったま
まで平行移動するので、この位置（変位部分の中央部）
に例えば駆動対象物を取り付けると、駆動対象物を平行
移動させることができる。また、平行移動する部分で物
理量又はその変化を感知することにより物理量の感知精
度を向上させることができる。

【００３５】また、変位部分の周囲の少なくとも一部の
対向する部分が固定されているので、いずれの部分でも
変位部分の変形時の応力が逃げることがなく、変位部分
で大きな変位量を得ることができる。特に、変位部分の
全周を固定していれば、変位部分と接する対象物が液体
や粉体の場合にも用いることができる。また、変位部分
の両端だけが固定されていれば、変位部分の拘束を小さ
くでき、大きな変位量を得ることができる。また、駆動
対象物の駆動力も大きくすることができる。

【００３６】さらに、変位部分の全周や両端などがフレ
ーム部に固定されているので、変位部分の位置精度が高
くなり、高精度で変位量を制御することが可能になる。

【００３７】また、本発明の電気信号変位変換装置で
は、動作部の座屈を利用しているので、従来例の片持ち
梁型アクチュエータのような基板層が必要なくなり、動
作部の最小単位は１枚の起歪層と１組の電極層で構成す
ることができる。このため、構造が極めて簡素化され、
小型化（特に、薄型化）と低コスト化が可能になる。

【００３８】さらに、本発明の電気信号変位変換装置は
座屈によって変位部分を変位させているので、動作部に
初期歪があってもオイラーの座屈応力を越えない限り動
作部が変形することがなく、片持ち梁型アクチュエータ
のように無負荷時における内部応力の高精度な制御も要
求されず、出力される変位量の精度を高くすることがで
きる。

【００３９】このような電気信号変位変換装置において
は、電極層のうち少なくとも１層の厚みを他の電極層の
厚みと異ならせることにより、動作部の座屈方向をコン
トロールすることができる。

【００４０】また、電極層のうち少なくとも１層におい
て、その電極層の一部分の厚みを他の部分の厚みと異な
らせることにより、その部分で動作部を変形し易くした
り、変形しにくくしたり調整することができる。同様
に、電極層のうち少なくとも１層もしくは起歪層におい
て、その電極層もしくは起歪層の一部分に開口を設ける
ことによっても、動作部の当該開口部分を変形し易くす
ることができる。あるいは、電極層間に、起歪層よりも
ヤング率の小さな材料で形成された領域を設けても動作
部を変形し易くすることができる。

【００４１】逆に、動作部の一部を、他の部分よりもヤ
ング率の大きな領域とすれば、その部分で動作部を変形
しにくくでき、特に動作部の平行変位する部分を変形し
にくくして平行変位する領域を広くできる。

【００４２】また、複数の動作部のうち一部に引張応力
を発生させてフレーム部を撓ませ、他の動作部に圧縮応
力を発生させて座屈させると、座屈した動作部の変位量
を増幅することができる。あるいは、必要に応じて異な
る動作部を駆動させるようにもできる。

【００４３】また、本発明の電気信号変位変換装置を光
スキャナやリレー、バルブ装置等のアクチュエータとし
て使用すれば、新規な構造のアクチュエータを得ること
ができる。特に、これらのアクチュエータの小型軽量化
や薄型化が可能になり、従来使用できなかった用途へも
応用できるようになる。特に、アレイ化したり、マトリ
ックス化する際には集積化して小型化することができる
ので、点字ディスプレイ装置やプリンタヘッドとしても
用いることができる。

【００４４】同様に、圧力センサや流速センサ等の物理
量検知手段として用いることもでき、新規な構造の各種
センサを提供できると共に各種センサを小型軽量化、薄
型化することができる。

【００４５】

【実施例】図３は本発明の一実施例による電気信号変位
変換装置Ａ１を示す斜視図である。この電気信号変位変
換装置Ａ１は、フレーム部１と動作部２とからなってい
る。フレーム部１はシリコン等の半導体ウエハやステン
レス等の金属薄板によって形成することができるが、こ
の実施例では半導体製造プロセスを利用できるシリコン
を用いている。フレーム部１は、歩留りや加工効率の点
から図３では矩形状をしているが、円板形など任意の形
状でも差し支えない。フレーム部１には、開口又は凹部
３が形成されており、帯板状をした動作部２は開口又は
凹部３の上に架け渡すように配置されている。動作部２
は起歪層４の上下両面に電極層５ａ，５ｂを形成したも
のであって、動作部２の両端部はフレーム部１上面に固
定された固定部分６となっており、両固定部分６間はフ
レーム部１に固定されていない変位部分７となってい
る。すなわち、動作部２は、変位部分７が開口又は凹部
３の上方に架け渡された両持ち梁構造となっている。ま
た、一方の固定部分６においては、下側の電極層５ｂが
露出しており、上下両電極層５ａ，５ｂに電気信号線８
が接続されている。

【００４６】起歪層４は電圧の印加により電界方向と垂
直な方向の横歪を発生し、あるいは横歪により縦方向の
電界を発生するものであればよく、例えば圧電材料や電
歪材料、磁歪材料等からなる機能薄膜を用いることがで
きる。特に、製作プロセスが確立されている圧電材料の
うち、圧電定数の最も大きなＰＺＴ薄膜が起歪層４に適
している。このとき圧電係数の大きなＰＺＴ膜を得るた
めには起歪層４を［１１１］方向に配向する必要があ
り、そのためには下層の電極層５ｂとして、その（１１
１）配向膜の格子定数がＰＺＴの（１１１）配向膜の格
子定数と近いＰｔ／Ｎｉ蒸着膜を用いる必要がある。一
方、上側の電極層５ａはＰｔの蒸着膜からなっている。
従って、フレーム部１、起歪層４及び電極層５ａ，５ｂ
は半導体製造プロセスを利用して加工及び膜形成するこ
とができ、高い量産性と精度を得ることができ、小型化
及び低コスト化も可能になる。

【００４７】しかして、電気信号線８を通して電極層５
ａ，５ｂ間に電圧が印加されていない初期状態では、図
４（ａ）に示すように、起歪層４はフレーム部１上にお
いて平らな状態で両持ち状に支持されている。電気信号
線８に電気信号（電圧Ｖ）を入力すると、起歪層４には
圧電横効果により横歪が発生して起歪層４が長さ方向に
伸びるが、変位部分７の両側（固定部分６）が固定され
ているので、動作部２には圧縮応力が発生する。起歪層
４に印加されている電圧Ｖが小さく、動作部２に発生す
る圧縮応力がオイラーの座屈応力σ_Eより小さい場合に
は、図４（ｂ）に示すように電気信号が入力されていて
も動作部２は平らなままで変形せず、変位部分７は変位
していない状態に保たれる。なお、オイラーの座屈応力
σ_Eは、理論的には σ_E＝（π²ＥＩ）／（ＱaＬ²） で表わされる。ここにＥは動作部２のヤング率、Ｉは動
作部２の断面２次モーメント、Ｌは変位部分７の長さ、
Ｑaは動作部２の断面積である。これに対し、印加電圧
Ｖを大きくして、ある電圧値Ｖ_Eで動作部２の圧縮応力
がオイラーの座屈応力σ_Eを越えると、図４（ｃ）に示
すように変位部分７が座屈してその中央部が厚み方向へ
変位する。このとき、変位部分７の両側は固定部分６と
なっているので、変位部分７は対称に変形し、このため
変位部分７の中央部は平行移動することになる。しか
も、変位部分７の中央部の変位量は、印加電圧Ｖの増大
に応じて大きくなる。図５は印加電圧Ｖと変位部分７の
中央部の変位量との関係の一例を示す図であって、オイ
ラーの座屈応力σ_Eに対応する印加電圧Ｖ_Eよりも大きな
電圧で変位が発生している。しかも、印加電圧Ｖ_Eを超
えて座屈することにより始めて変位を発生するので、変
位発生当初は変位量の変化速度（図５の曲線の傾き）が
大きいが、印加電圧を大きくすると、変化量の変化速度
は小さくなる。光スキャナや加速度センサのようにリニ
アな変位入出力を必要とする場合には、この変化速度が
大きくて曲線が比較的直線性のよい領域で用いるのが好
ましい。また、リレーや開閉用バルブ装置のようにオン
・オフ的な変位入出力を必要とする場合には、変位速度
が小さくてなだらかな領域を用いるのが望ましい。

【００４８】このように、動作部２は両端を固定されて
いて変位部分７は常に対称に変形するので、変位部分７
の中央部は変位量の大きさに拘らず平行になっている。
従って、例えばアクチュエータとして用いる場合には、
変位部分７の中央部に駆動対象物を固定することにより
駆動対象物を平行移動させることができる。しかも、変
位部分７の一方端部だけを固定していたのでは、フリー
な端部がフレーム部１上を滑って起歪層４に発生した内
部応力が逃げるが、本発明の電気信号変位変換装置Ａ１
では変位部分７の両側を固定しているので、大きな厚み
方向変位量を得ることができる。さらに変位部分７は両
端の固定部分６を固定されているだけであって、両側縁
は固定も拘束もされていないので、変位部分７は撓み易
く、大きな厚み方向変位量を出力できる。この結果、変
位部分７はブリッジ形に変形することによって動作部２
の横方向伸縮量を厚み方向の変位量に拡大して変換する
変位拡大機構としての機能も持ち、大きな変位量を出力
できる。

【００４９】図６に示すものは本発明の別な実施例によ
る電気信号変位変換装置Ａ２を示す斜視図であって、電
気信号線８を接続する側の固定部分６において上下の電
極層５ａ，５ｂ同志が絶縁層９によって電気的に分離さ
れている。すなわち、一方の固定部分６において、下側
の電極層５ｂの端部から延長することによってフレーム
部１の上面に電極引き出し配線１０ｂを設け、下側の電
極層５ｂ、電極引き出し配線１０ｂ及び起歪層４の各端
部を絶縁層９により覆っている。上側の電極層５ａの端
部を延長した電極引き出し配線１０ａは絶縁層９の上面
を通ってフレーム部１の上面へ導かれている。なお、絶
縁層９としては、形成プロセスが確立しているシリコン
酸化膜もしくはシリコン窒化膜を用いることができる。
従って、絶縁層９によって上下電極層５ａ，５ｂ間の電
気的リークを確実に防ぐことができ、安定した動作特性
を得ることができる。電極引き出し配線１０ａ，１０ｂ
の端部には電気信号線８を接続するためのパッド部１１
ａ，１１ｂが設けられている。なお、図６では電極引き
出し配線１０ａ，１０ｂはフレーム部１の上面に形成さ
れているが、フレーム部１の側面又は下面へ導かれてい
てもよい。

【００５０】図７に示すものは本発明のさらに別な実施
例による電気信号変位変換装置Ａ３を示す斜視図であ
る。この実施例では、電極層５ａ，５ｂの厚みが上下で
異なっており、図示のように上側の電極層５ａの厚みが
下側の電極層５ｂの厚みよりも大きくなっている。ある
いは、下側の電極層５ｂの厚みが上側の電極層５ａの厚
みより大きくなっていてもよい。このように電極層５
ａ，５ｂの厚みを上下で異ならせることにより変位部分
７を上下どちら側に座屈変位させるかを決めることがで
きる。

【００５１】また、動作部２の実効的な剛性を低下させ
て変位部分７を変形し易くするため、動作部２（特に変
位部分７）に開口１２や膜厚変化部１３を設けている。
例えば、この実施例では、固定部分６と変位部分７の境
界で動作部２が屈曲し易くするため、変位部分７の端に
おいて上下の電極層５ａ，５ｂ及び起歪層４に開口１２
をあけている。また、厚みの大きな側の電極層５ａに適
宜間隔で薄肉の膜厚変化部１３を設け、膜厚変化部１３
で変位部分７を曲り易くしている。よって、同じ電気信
号入力に対して変位部分７の厚み方向への変位量をより
大きくすることができる。但し、これら開口１２及び膜
厚変化部１３は、変位部分７の中心を通り変位部分７の
幅方向に延びた軸に関して両固定部分６側で線対称に形
成され、かつ、変位部分７の中心を通り変位部分７の長
さ方向に延びた軸に関して両側で線対称に形成されてい
ることが、ねじれ変形を起こすことなく、有効に変位量
を拡大するために必要である。

【００５２】上下の電極層５ａ，５ｂないしそこから引
き出されている電極引き出し配線１０ａ，１０ｂ同志の
絶縁は、下側の電極層５ｂの端部を起歪層４で覆うこと
によって行なっている。

【００５３】なお、開口１２や膜厚変化部１３の設け方
は、図示例に限ることなく、任意に設けることができる
ことはもちろんである。例えば、図７では開口１２は上
下の電極層５ａ，５ｂ及び起歪層４に設けているが、そ
のいずれか一部に設けていても差し支えない。例えば、
膜厚の大きな電極層５ａにのみ設けるようにしてもよ
い。さらに、変位部分７の端部のみでなく、変位部分７
の中央寄りに設けてもよい。また、薄肉状の膜厚変化部
１３を他方の電極層５ｂにも設けても差し支えない。逆
に、厚肉状の膜厚変化部１３を変位部分７の中央に設け
て変形しにくくすることにより、平行移動する領域を広
くすることもできる。

【００５４】図８に示すものは本発明のさらに別な実施
例による電気信号変位変換装置Ａ４を示す斜視図であっ
て、電極層５ａ，５ｂ間の起歪層４の一部を起歪層４よ
りもヤング率の小さな絶縁材料からなる弾性体層１４に
置き換えている。この弾性体層１４に置き換える領域は
動作部２の撓みを大きくしたい領域であって、弾性体層
１４としては形成プロセスの確立しているポリイミド等
のポリマー材料を用いることができる。例えば図８に示
す実施例では、固定部分６及び変位部分７の端部領域に
かけて弾性体層１４を設け、弾性体層１４の領域で動作
部２をフレーム部１に固定している。このように起歪層
４の一部をヤング率の小さな弾性体層１４に置換するこ
とによっても動作部２の実効的な剛性を小さくすること
ができ、変位部分７の厚み方向変位量を拡大することが
できる。特に、固定部分６と変位部分７との境界領域を
弾性体層１４に置換すると、動作部２の曲げに使用され
るエネルギーが少なくて済むので、他領域に使用する場
合に比べて大きな変位量を得ることができる。但し、こ
の弾性体層１４による置換の場合にも、変位部分７のね
じれ変形防止のため、開口１２や膜厚変化部１３の場合
と同様、動作部２の幅方向及び長さ方向に線対称に設け
る必要がある。

【００５５】図９に示すものは本発明のさらに別な実施
例による電気信号変位変換装置Ａ５を示す斜視図であっ
て、起歪層４及び電極層５ａ，５ｂの合成ヤング率より
もヤング率の大きな絶縁材料からなる無変形部１５を動
作部２の一部に設けている。この無変形部１５は変位部
分７の中央部に付加するように設けてもよく、あるいは
変位部分７の中央部を置換するように設けてもよい。こ
のように変位部分７の中央部に無変形部１５を設ける
と、変位部分７が電気信号の入力により変形しても中央
の無変形部１５は変形することなく平行移動するか、あ
るいは極めてわずかな変形で平行移動し、平行移動する
領域を広くすることができる。従って、この実施例は、
電気信号変位変換装置Ａ５の変位出力部分が完全に平行
である必要がある用途に使用するのに有効な構造であ
る。但し、この無変形部１５も、変位部分７のねじれ変
形防止のため、開口１２や膜厚変化部１３等の場合と同
様、動作部２の幅方向及び長さ方向に線対称に設ける必
要がある。

【００５６】図１０に示すものは本発明のさらに別な実
施例による電気信号変位変換装置Ａ６を示す斜視図であ
って、フレーム部１の上に少なくとも２つ以上の複数の
動作部２ａ，２ｂ，２ｃを有している。これらの動作部
２ａ，２ｂ，２ｃはそれぞれのパッド部１１ａ，１１ｂ
から独立して電気信号を入力できるようになっているの
で、それぞれ厚み方向の変位出力のための動作部２ａ，
２ｂ，２ｃとして使用することができる。

【００５７】しかし、図１０に示すように複数の動作部
２ａ，２ｂ，２ｃを有する電気信号変位変換装置Ａ６の
場合には、重要な駆動方法がある。すなわち、一部の動
作部２ｂ，２ｃの起歪層４に引っ張り応力を発生させる
ことにより、フレーム部１を内側へ撓ませて各固定部分
６間の距離を小さくし、起歪層４に圧縮応力を発生して
いる動作部２ａの変位量を拡大することである。具体的
にいうと、各動作部２ａ，２ｂ，２ｃはフレーム部１上
に平行に配置され、それぞれ両端の固定部分６がフレー
ム部１に固定されている。この複数の動作部２ａ，２
ｂ，２ｃのうち例えば中央の動作部２ａにおいては起歪
層４に横伸張歪を発生させて固定部分６間の変位部分７
に圧縮応力を生じさせ、当該動作部２ａの変位部分７を
厚み方向に変位させる。同時に、両側の動作部２ｂ，２
ｃにおいては、起歪層４に横収縮歪を発生させて固定部
分６間の変位部分７を収縮させ、この収縮力によってフ
レーム部１を内側へ撓ませ、各固定部分６間を接近させ
る。この結果、中央の動作部２ａは電気信号入力によっ
て長さ方向に延びて厚み方向に座屈して変位すると同時
に、固定部分６間の距離が短くなるので、中央の動作部
２ａの変位量が拡大されることになる。ここで、一部の
動作部２ａは伸張させて圧縮応力を発生させ、他の動作
部２ｂ，２ｃは収縮させて引っ張り応力を発生させるた
めには、各動作部２ａと２ｂ，２ｃに同一の電気信号を
極性を反転させた状態で入力することがもっとも簡便な
方法である。さらに、図１０に示すように、変位出力用
の動作部２ａと変位拡大用の動作部２ｂ，２ｃで寸法
（例えば、動作部２ａ，２ｂ，２ｃの幅）を異ならせる
ことにより、電気信号の強度に対する変位量の大きさを
制御することができる。

【００５８】また、フレーム部１を、図１０に示すよう
に、外枠部１６内に弾性ビーム１８によって一対の可動
部（もしくは、１つの可動部）１７を支持した構造と
し、各動作部２ａ，２ｂ，２ｃの両側固定部分６を両可
動部１７に（もしくは、一方の固定部分６を可動部１７
に、他方の固定部分６を外枠部１６に）固定すれば、可
動部１７が容易に弾性変位するので、変位拡大用の動作
部２ｂ，２ｃにより固定部分６間の距離を変化させ易く
なり、さらに大きな変位量を得ることが可能になる。

【００５９】なお、上記のいずれの実施例においても、
動作部２は、図１１の電気信号変位変換装置Ａ７のよう
に、２層以上の起歪層４、特に異種の起歪層４と、３層
以上の電極層５ａ，５ｂ，５ｃ，…を積層した構造とな
っていてもよい。この電気信号変位変換装置Ａ７の場合
には、異なる起歪層４の圧電定数や厚み、幅等を調整す
ることにより、座屈を起こす電圧Ｖ_Eや変位量を調整す
ることができる。また、図１２の電気信号変位変換装置
Ａ８に示すように、電気信号の入力されていない状態で
動作部２が湾曲した構造としても良い。また、図１３に
示す電気信号変位変換装置Ａ９のように、動作部２の全
周をフレーム部１に固定し、この全周にわたる固定部分
６により囲まれた変位部分７が膜状に変位するようにし
てもよい。

【００６０】次に、本発明の電気信号変位変換装置の応
用について説明する。この電気信号変位変換装置は上記
のように電気信号を入力すると変位部分で変位量を出力
する（電気エネルギー→機械エネルギー変換）ので各種
機器のアクチュエータとして用いることができる。ま
た、この起歪層によるエネルギー変換は可逆的な現象で
あるので、逆方向のエネルギー変換も可能である。すな
わち、変位部分に外力が加わると、それに応じた電気信
号が出力される（機械エネルギー→電気エネルギー変
換）ので、各種機器のセンサとして用いることもでき
る。以下に示すように本発明の電気信号変位変換装置を
各種アクチュエータや各種センサ等に使用すれば、構造
が簡単で小型のアクチュエータやセンサ等を製作するこ
とができ、電気信号線から入力する電気信号だけで簡単
に制御することができる。

【００６１】図１４は本発明の電気信号変位変換装置２
１を用いた光スキャナＢ１を示す概略断面図である。こ
の光スキャナＢ１にあっては、電気信号変位変換装置２
１の変位部分７の表面、例えば電極層５ａの上に光反射
面２２を形成してあり、電気信号線（入力用）８に駆動
回路２３が接続されている。しかして、光源２４から出
射された光ビーム２５を変位部分７の中央から外れた位
置の光反射面２２で反射させておき、駆動回路２３から
例えば交流電圧信号（又は直流と交流の重畳信号）を入
力させて動作部２の変位部分７を上下に振動させると、
図１４に示すように光反射面２２で反射された光ビーム
２５は変位部分７の振動に対応して走査される。

【００６２】図１５は本発明の電気信号変位変換装置２
１を用いたリレーＢ２を示す概略断面図である。この実
施例にあっては、動作部２と間隔をあけてフレーム部１
の上に対向基板２６を接合している。変位部分７の上面
には絶縁膜２７を介して第１のスイッチング用電極２８
を設け、対向基板２６の内面にはスイッチング用電極２
８と対向する第２のスイッチング用電極２９を設けてあ
り、スイッチング用電極２９は対向基板２６のスルーホ
ール３０を通って対向基板２６の上面へ導かれている。
両スイッチング用電極２８，２９は図１５に示すように
二次側回路に接続するようになっている。

【００６３】しかして、電気信号変位変換装置２１の電
気信号線（入力用）８を一次側回路に接続してあると、
一次側回路から電気信号線８に電圧が印加されていない
場合には、動作部２は平板状に保持されているので、両
スイッチング用電極２８，２９同志は離間しており、二
次側回路は開かれている。これに対し、一次側回路によ
り電気信号線８に所定値Ｖ_E以上の電圧が加えられる
と、動作部２が座屈して両スイッチング用電極２８，２
９同志が接触し、二次側回路が閉じる。また、このとき
一次側回路と二次側回路とは絶縁膜２７によって絶縁さ
れ互いに分離されている。このようなリレーＢ２に本発
明の電気信号変位変換装置２１を用いると、変位部分７
の平行移動する部分でスイッチング用電極２８，２９同
志を接触させることができるので、スイッチング用電極
２８，２９同志を確実に接触させることができる。ま
た、スイッチング用電極２８，２９の接触面積を比較的
大きく取ることができるので、リレーＢ２の抵抗も小さ
くできる。

【００６４】図１６は本発明の電気信号変位変換装置２
１を用いた圧力センサＢ３を示す概略断面図である。こ
の圧力センサＢ３にあっては、動作部２の全周がフレー
ム部１に固定されており、電気信号変位変換装置２１の
フレーム部１の下面にガラス基板やシリコン基板等の基
板３１を接合して当該基板３１と変位部分７との間に圧
力導入室３２を設け、基板３１には圧力導入室３２に至
る圧力導入路３３を形成してある。また、電気信号線
（出力用）８は圧力検出回路部３４に接続されている。

【００６５】しかして、圧力導入路３３を通して圧力導
入室３２に圧力Ｐが導かれると、外部との差圧によって
変位部分７が膜厚方向へ撓む。変位部分７が撓むと、起
歪層４に横歪が発生するので、圧電横効果によって起歪
層４に厚み方向の電界が発生し、動作部２の電極層５
ａ，５ｂ間に電圧が発生する。発生した電圧は変位部分
７に加わった力、すなわち圧力によって変化するので、
印加圧力Ｐは電極層５ａ，５ｂ間に発生した電気信号か
ら圧力検出回路部３４で演算される。このような圧力セ
ンサ等のセンサ向用途においても、変位部分７が安定し
た状態で平行に動くので、良好な検出精度が得られる。

【００６６】図１７は本発明の電気信号変位変換装置２
１を用いた加速度センサＢ４を示す概略断面図である。
この加速度センサＢ４は、検出しようとする加速度の方
向が動作部２の変位方向と平行となるように配置されて
おり、電気信号線（出力用）８には加速度検出回路部３
５が接続されている。

【００６７】しかして、加速度センサＢ４が加速度を感
知すると、その慣性力によって図１７のように変位部分
７が変位する。加速度検出回路部３５は、加速度による
動作部２の変形により発生した電圧を検出し、その加速
度を演算する。あるいは、振動センサとして振動の強さ
や変化も検出することができる。また、図１８の加速度
センサＢ５のように変位部分７の中央部に重り３６を固
定しておけば、加速度の検出感度を増加させることがで
きる。

【００６８】図１９は本発明の電気信号変位変換装置２
１を用いた流量調整用もしくは開閉用のバルブ装置（マ
イクロバルブ）Ｂ６を示す概略断面図である。このバル
ブ装置Ｂ６にあっては、流体の流れる流体管３７の側壁
を一部開口して当該側壁開口３８に電気信号変位変換装
置２１のフレーム部１を水密的に嵌合させたものであ
る。この電気信号変位変換装置２１にあっても、流体が
外部へ漏れないように動作部２は全周をフレーム部１に
接合されている。しかして、バルブコントローラ３９か
ら電気信号線（入力用）８に印加する電圧を変化させる
ことによって変位部分７の変位量を変化させることがで
きるので、変位部分７を大きく変位させて流体通路４０
の開度を狭くしたり、変位部分７の変位を小さくして流
体通路４０の開度を広くしたりでき、これによって流体
の流量を制御することができる。従って、このバルブ装
置Ｂ６によれば、非常に小さなバルブ装置Ｂ６を簡単な
構造で実現でき、流体流量の微調整が可能になり、コス
トも安価にできる。図１９では、動作部２ないし電気信
号変位変換装置２１が直接流体に接触しているが、側壁
開口３８にゴム等の柔軟なダイアフラムを張り、可動部
でダイアフラムを撓ませて流体通路４０の開度を調整す
るようにしてもよい。また、動作部２にゴム等の弁を設
けて流体通路４０を完全に閉じられるようにすれば、開
閉用としても使用できる。

【００６９】図２０は本発明の電気信号変位変換装置２
１を用いた流速センサＢ７を示す概略断面図である。こ
の流速センサＢ７にあっては、動作部２は全周をフレー
ム部１に固定されており、動作部２の下面側（フレーム
部１側）に基準圧力ｐ₀を導くようになっている。ま
た、電気信号変位変換装置２１は、動作部２が設けられ
ている側の面を内部にして、流体管４１に開けられた側
壁開口４２に水密的にはめ込まれており、流体通路４３
内を流れる流体の流線と動作部２とが平行となるように
配置されている。

【００７０】しかして、流体通路４３に流れる流体の流
速が大きくなると、流体の圧力ｐが低下し（ベルヌーイ
の定理）、流体の流速と差圧ｐ₀−ｐとの間には例えば
図２１に示すような関係がある。従って、流速検出回路
部４４により、電気信号線（出力用）８から出力される
電圧信号から差圧ｐ₀−ｐを求めれば、流体の流速を演
算することができる。しかも、このような流速センサＢ
７では、動作部２の表面が滑らかな流線形状になるの
で、流体の流れに影響を与えにくく、流速を検出するこ
とによって流体に乱流を生じさせたりすることがない。
また、動作部２の中央部が平行な状態で流体側へ引き付
けられて常に平行な部分で流速を検知できるので、検出
精度も良好となる。

【００７１】図２２は本発明の電気信号変位変換装置２
１を用いた振動発生器Ｂ８を示す概略断面図である。こ
の実施例にあっては、動作部２を振動に適した材質、厚
み等となるように設計している。従って、電気信号線
（入力用）８から電気信号（交流信号もしくは直流と交
流の重畳信号）を入力して機械的な振動を発生させるこ
とができる。特に、高周波信号を入力して超音波振動を
発生させるようにすれば、例えば超音波洗浄器、超音波
加湿器等に用いることができる。

【００７２】さらに、図２３の振動発生器Ｂ９に示すよ
うに、変位部分７に可聴域の振動を増幅する振動板４５
を設けることによりスピーカ、イアホーン又はブザー等
として使用することができる。

【００７３】図２４は本発明の電気信号変位変換装置２
１を用いた発電機Ｂ１０を示す概略断面図である。この
実施例にあっては、動作部２で音響エネルギーや振動エ
ネルギー等の物理的エネルギーを受けることができるよ
うになっており、動作部２に音響エネルギー等が入射す
ると変位部分７が共鳴振動する。このとき発生した電力
は電気信号線（出力用）８から例えばバッテリーや充電
電池等の充電器４６へ送られ、充電される。

【００７４】図２５は本発明の電気信号変位変換装置２
１を用いたマイクロフォンＢ１１を示す概略断面図であ
る。この実施例では、動作部２で音声を受けることがで
きるようになっており、動作部２に音声が入射すると変
位部分７が共鳴振動する。このとき発生した電圧は電気
信号線（出力用）８から増幅器４７へ入力され、音声信
号として例えば音響装置へ出力される。

【００７５】図２６は本発明の電気信号変位変換装置２
１を用いたプローブ装置Ｂ１２を示す概略断面図であ
る。このプローブ装置Ｂ１２にあっては、動作部２の変
位部分７の下面に先端の尖ったプローブ（探針）４８が
設けられており、プローブ装置Ｂ１２は微小変位可能な
Ｘ−Ｙステージ機構（図示せず）によって水平方向に位
置調整可能となっている。このプローブ４８はシリコン
製であって、シリコンウエハを異方性ウエットエッチン
グすることによってフレーム部１と同時に作製される。
このプローブ装置Ｂ１２にあっては、電気信号線（入力
用）８から電気信号変位変換装置２１に電圧を印加する
と、動作部２が座屈変形してプローブ４８は下方（Ｚ軸
方向）へ平行変位する。

【００７６】このように本発明による電気信号変位変換
装置２１を用いたプローブ装置Ｂ１２によれば、比較的
大きな変位量（約２μｍ以上）を高分解能で得ることが
できるので、例えば走査型トンネル顕微鏡（Scanning T
unneling Microscope）のマイクロアクチュエータとし
て用いることができる。すなわち、走査型トンネル顕微
鏡は、半導体結晶表面の観察など微小な表面粗さの検査
を目的とするものであって、３次元的に移動するプロー
ブ４８の先端を試料表面４９に１ｎｍ程度に接近させる
ことにより、プローブ４８と試料表面４９（原子）との
ギャップを越えてトンネル効果により流れる電流が試料
表面４９の凹凸状態で変化することを利用し、その変化
を拡大表示させ、観察するものである。また、この走査
型トンネル顕微鏡のプローブ４８で１個の原子を吸着し
て移動させることも試みられている。本発明のプローブ
装置Ｂ１２によれば、極めて小さな寸法にすることがで
き、しかもプローブ４８の変位量としてもナノレベルの
変位を得ることができ、しかもトンネル型走査顕微鏡の
マイクロアクチュエータに必要な１ｎｍ程度以上の変位
量を得ることができる。

【００７７】図２７は本発明の電気信号変位変換装置２
１を用いた温度センサＢ１３を示す概略断面図である。
この温度センサＢ１３にあっては、シリコンのフレーム
部１の上に、ＰＺＴからなる起歪層４の両面にＰｔ電極
層５ａ，５ｂを形成した動作層２の全周もしくは両端部
を固定している。このような構造では、シリコンのフレ
ーム部１は動作部２よりも熱膨張係数が大きいので、温
度が上昇するとフレーム部１と動作部２の熱膨張係数の
違いによって動作部２が引っ張られ、動作部２内に引張
熱応力が発生する。逆に、温度が下がるとフレーム部１
と動作部２内に圧縮熱応力が発生する。この熱応力によ
って起歪層４に横歪が発生するので、電気信号線（出力
用）８からは温度変化に応じた電気信号が出力され、温
度検知回路部５０は当該電気信号に基づいて温度を演算
する。このような構造の温度センサＢ１３では、構造が
簡単であるという特徴がある。

【００７８】また、上記実施例とは逆に、動作部２の熱
膨張係数をフレーム部１の熱膨張係数よりも大きくして
もよい。この場合には、温度変化によって大きな変形を
生じる動作部２が薄膜状となっていて熱容量が小さいの
で、応答性が良くなり、感度良好な温度センサＢ１３を
製作することができる。さらに、同じ効果を得るために
は、同じ熱膨張係数を有する上下の電極層５ａ，５ｂの
上面及び下面に互いに熱膨張係数の異なる薄膜を形成す
るようにしてもよい。

【００７９】図２８は本発明の電気信号変位変換装置２
１を用いた点字ディスプレイ装置Ｂ１４を示す説明図、
図２９はその構造と動作を示す断面図である。この点字
ディスプレイ装置Ｂ１４に用いられている電気信号変位
変換装置２１はマトリックス型のものであって、１枚の
フレーム部１に多数の開口又は凹部３をマトリックス状
に設け、各開口又は凹部３の上に動作部２を設けて独立
駆動可能にしたものである。各動作部２の上には突起５
１が設けられており、突起５１は点字１文字に必要な個
数だけ縦横に配列されている。この電気信号変位変換装
置２１の上面にはカバーが被せられており、各突起５１
はカバー５２に設けられた窓５３に臨んでいる。そし
て、図２９の左の突起５１のように動作部２が駆動され
ていない状態では、突起５１はカバー５２の窓５３内に
引っ込んでいるが、右の突起５１のように動作部２が駆
動されると、突起５１はカバー５２の窓５３から飛び出
す。従って、点字のパターンとなるように所要動作部２
を駆動して突起５１を突出させることにより、点字のパ
ターンを点字ディスプレイ装置Ｂ１４の表面に表示させ
ることができ、この点字ディスプレイ装置Ｂ１４の上に
指を置くと点字を読み取ることができる。

【００８０】この点字ディスプレイ装置Ｂ１４は、例え
ばコンピュータを利用した点字翻訳システムＢ１５の出
力装置として用いることができる。図２８には、その一
例を示している。点字ディスプレイ装置Ｂ１４の電気信
号線（バスライン）には、点字翻訳処理部５４が接続さ
れ、点字翻訳処理部５４にはコンパクトディスク（Ｃ
Ｄ）やフロッピィディスク、カセットテープ等の記憶媒
体５５から情報を読み出すための読み出し装置５６と、
キーボードのような入力装置５７が接続されている。し
かして、入力装置５７から言語が入力されると、点字翻
訳処理部５４は当該言語を点字に翻訳し、その点字パタ
ーンを点字ディスプレイ装置Ｂ１４に表示させるための
制御信号を点字ディスプレイ装置Ｂ１４へ一定時間毎に
送信する。点字ディスプレイ装置Ｂ１４では、点字翻訳
処理部５４から送られてきた制御信号に応じて各突起５
１を突出させたり、引っ込めたりして順次点字を表示す
る。１つの点字は一定時間（例えば１〜数秒）表示され
るが、これは使用者が調整することができる。従って、
この点字ディスプレイ装置Ｂ１４を用いれば、指先を点
字ディスプレイ装置Ｂ１４の上に置いて静止させている
だけで順次点字を読み取ることができ、従来の紙などに
穿孔した点字のように指を点字に沿って滑らせる必要が
ない。同様に、記憶媒体５５が読み出し装置５６にセッ
トされると、記憶媒体５５に記録されている情報が読み
出されて点字翻訳処理部５４へ送られ、ここで点字に翻
訳され、点字ディスプレイ装置Ｂ１４に表示される。

【００８１】図３０は本発明の電気信号変位変換装置２
１を用いたインクジェット方式のプリンタヘッドＢ１６
を示す斜視図である。ここに用いられている電気信号変
位変換装置２１も１枚のフレーム部１の上に印字ドット
数に相当する複数個の動作部２をマトリックス状に配列
したものであり、各動作部２は全周をフレーム部１に固
定されている。また、各動作部２の近傍にはインクを吐
出するインクノズル５８が配設されている。しかして、
図３１（ａ）に示すように、プリンタの制御部から指定
された印字ドットに対応する動作部２には、インクノズ
ル５８から一定量のインクが吐出され、動作部２上にイ
ンク粒子６１が供給される（あるいは、予め全ての動作
部２にインク粒子６１が供給されていてもよい）。つい
で、印字ドットに対応する動作部２を駆動すると、図３
１（ｂ）に示すように、動作部２上のインク粒子６１が
弾かれてカバー５９の窓６０から外部へ出射され、紙等
の表面に付着する。このようなプリンタヘッドＢ１６に
本発明の電気信号変位変換装置２１を用いれば、新規な
構造のインクジェット方式のプリンタヘッドを製作する
ことができ、プリンタヘッドを小型軽量化することがで
きる。なお、図３０の実施例では、インク粒子６１を吐
出させるための動作部２をマトリックス状に配列してい
るが、プリンタヘッドＢ１６の移動方向と直角な方向に
沿って１列に配列されていてもよい。

【００８２】図３２（ａ）にさらに別な構造のプリンタ
ヘッドＢ１７を示す。このプリンタヘッドＢ１７では、
フレーム部１の開口３に全周固定の動作部２と対向させ
てノズル口６３を開口されたノズル板６２を取り付け、
動作部２とノズル板６２との間にインク溜め６４を形成
している。しかして、動作部２を動作させて図３２
（ｂ）に示すように動作部２を変形させると、インク溜
め６４内のインク６５が圧縮され、ノズル口６３から外
部へインク粒子６６射出される。なお、図示しないがイ
ンク粒子６６の射出後、インク溜め６４にはインク６５
が供給される。

【００８３】図３３は本発明に係る電気信号変位変換装
置２１を用いた流体搬送装置Ｂ１８を示す断面図であ
る。この流体搬送装置Ｂ１８にあっては、パイプ状に形
成されたフレーム部１内に流体通路６７を形成し、パイ
プ状のフレーム部１の軸方向に沿って設けた少なくとも
３個の開口３にそれぞれ全周を固定した動作部２を設け
ている。この流体搬送装置Ｂ１８の両端の接続口６８に
は流体搬送用のパイプ６９が接続される。

【００８４】しかして、この流体搬送装置Ｂ１８の各動
作部２を図３４及び図３５に示すようにして駆動するこ
とにより流体搬送装置Ｂ１８によって流体を強制的に搬
送することができる。すなわち、動作部２はＡ，Ｂ，Ｃ
の３つで一組となっており、各動作部２（Ａ），２
（Ｂ），２（Ｃ）は一定時間Δｔ毎に閉→閉→開のサイ
クルを繰り返しており、しかも隣合う動作部２（Ａ），
２（Ｂ），２（Ｃ），…同志では１動作ずつずれてい
る。このような駆動方法では、１つの動作部（例えば、
２（Ａ））で流体通路６７を閉じた状態において、他の
２つの動作部（例えば、２（Ｂ），２（Ｃ））の開閉を
入れ替えることにより流体を強制的に搬送方向へ移動さ
せることができる。従って、流体搬送先の圧力が高い場
合でも流体の逆流を起こさせることなく、確実に流体を
搬送することができる。また、この駆動方法を実施する
には、動作部２は最低３個あればよい。もちろん、この
基本的な駆動方法を適当にアレンジすることは可能であ
る。例えば、動作部２を４個一組として、開部分となる
動作部２を２個連続させてもよく、それによって流体の
搬送量を増加させることができる。

【００８５】また、図３６に示すものは本発明の別な流
体搬送装置Ｂ１９を示す断面図である。これは図３３に
示したような流体搬送装置Ｂ１８のパイプ状をしたフレ
ーム部１を縦割りに２分割してヒンジ部７０から開くこ
とができるようにし、２分割されたフレーム部１Ａ，１
Ｂを係合部７１で閉じるようにしたものである。なお、
この実施例では、動作部２は両端固定のものでもよい。
しかして、係合部７１からフレーム部１Ａ，１Ｂを開い
て流体の通る柔軟なゴムチューブやビニールチューブ等
のチューブ７２を通し、フレーム部１Ａ，１Ｂを閉じ
る。この状態で、動作部２を例えば図３４及び図３５と
同様にして駆動すると、チューブ７２が動作部２で撓ま
せられながら流体が搬送される。このような流体搬送装
置Ｂ１９は、例えば病院等の医療現場で点滴を行なう場
合に、点滴液を送るチューブに簡単に脱着して使用する
ことができ、しかもチューブ７２の上から使用するの
で、汚染の恐れもない。しかも、点滴液を一定速度で精
度よく送ることができる。

【００８６】また、図３４及び図３５の駆動方法では、
動作部２は無負荷状態のフラットな状態を開状態として
いるが、図３３のような流体搬送装置Ｂ１８において、
開状態では閉状態と逆極性の駆動電圧を印加させること
により、図３７のように動作部２を外へ変位させて開状
態とするようにしてもよい。図３７のように駆動すれ
ば、動作部２の数を増加させて流体搬送装置Ｂ１８の寸
法を長くすることなく、流体搬送装置Ｂ１８で搬送する
流量を増加させることができる。

【００８７】図３８に示すものは本発明の電気信号変位
変換装置２１を用いた流体搬送装置Ｂ１８の別な駆動方
法を示す説明図、図３９はその動作タイムチャートであ
る。この駆動方法では、４つの動作部２（Ａ），２
（Ｂ），２（Ｃ），２（Ｄ）で一組となっており、各動
作部２（Ａ），２（Ｂ），２（Ｃ），２（Ｄ），…は一
定時間毎に、外側変位（開）→変位なし（開）→内側変
位（閉）→変位なし（開）というサイクルを繰り返し、
しかも隣合う動作部２（Ａ），２（Ｂ），２（Ｃ），２
（Ｄ）同志で１動作ずつずれている。従って、動作部２
（Ａ），２（Ｂ），２（Ｃ），２（Ｄ）の開閉状態のパ
ターンが図３８に示すように順次搬送方向へずれ、流体
が搬送方向へ送られる。このような駆動方法は、例えば
接着剤をノズルから定量吐出する計量塗布装置や、チュ
ーブの先端から一定供給速度で薬品等を滴下させる用途
などに用いることができる。

【００８８】

【発明の効果】本発明によれば、電気信号変位変換装置
の動作前後において、変位部分に平行状態を保持する部
分を存在させることが可能であり、無変形部と組合せる
ことによって無変形部の平行な変位を実現することがで
きる。これによって、例えば、無変形部で光を反射させ
たり、駆動対象物を移動させたりするアクチュエータと
しての応用においては、反射光ビームや駆動対象物を平
行に動かすことが可能になる。

【００８９】また、本発明の電気信号変位変換装置によ
れば、製作時における起歪層や電極層の内部応力制御も
高精度に行なう必要がないため、起歪層や電極層内の応
力を取り除くためのアニールプロセスの必要がなく、製
作プロセスの工数を減らすことによるコストダウンの効
果がある。

【００９０】また、積層型圧電アクチュエータと比較し
て、アクチュエータ寸法に対する変位量、変形量も大き
くできる。

【００９１】さらに、本発明の電気信号変位変換装置で
は、１枚の起歪層と１組の電極層で構成することができ
るので、低コスト化、小型化（特に薄型化）が可能とな
る。

【００９２】また、この電気信号変位変換装置を各種ア
クチュエータや各種センサ等に用いることにより、これ
らのアクチュエータやセンサ等の小型化および低コスト
化に貢献することができる。さらに、アクチュエータに
もセンサにも用いることができるので、アクチュエータ
とセンサを必要とする用途の場合には、同一プロセスで
同一基板上にアクチュエータとセンサを実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の積層型圧電アクチュエータであって、
（ａ）は電気信号を入力していない状態の正面図、
（ｂ）は電気信号を入力した状態の正面図である。

【図２】従来の起歪層を利用した片持ち梁型アクチュエ
ータであって、（ａ）は電気信号を入力していない状態
の正面図、（ｂ）は電気信号を入力した状態の正面図で
ある。

【図３】本発明の一実施例による電気信号変位変換装置
を示す斜視図である。

【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）は同上の電気信号変位変換
装置の動作説明のための概略断面図である。

【図５】電気信号変位変換装置における印加電圧と変位
部分の変位量との関係を示す図である。

【図６】本発明の別な実施例による電気信号変位変換装
置を示す斜視図である。

【図７】本発明のさらに別な実施例による電気信号変位
変換装置を示す斜視図である。

【図８】本発明のさらに別な実施例による電気信号変位
変換装置を示す斜視図である。

【図９】本発明のさらに別な実施例による電気信号変位
変換装置を示す斜視図である。

【図１０】本発明のさらに別な実施例による電気信号変
位変換装置を示す斜視図である。

【図１１】本発明のさらに別な実施例による電気信号変
位変換装置を示す概略断面図である。

【図１２】本発明のさらに別な実施例による電気信号変
位変換装置を示す概略断面図である。

【図１３】本発明のさらに別な実施例による電気信号変
位変換装置を示す斜視図である。

【図１４】本発明に係る光スキャナを示す概略断面図で
ある。

【図１５】本発明に係るリレーを示す概略断面図であ
る。

【図１６】本発明に係る圧力センサを示す概略断面図で
ある。

【図１７】本発明に係る加速度センサを示す概略断面図
である。

【図１８】本発明に係る別な加速度センサを示す概略断
面図である。

【図１９】本発明に係るバルブ装置を示す概略断面図で
ある。

【図２０】本発明に係る流速センサを示す概略断面図で
ある。

【図２１】流体の流速と動作部の両面に働く差圧との関
係を示す図である。

【図２２】本発明に係る振動発生器を示す概略断面図で
ある。

【図２３】本発明に係る別な振動発生器を示す概略断面
図である。

【図２４】本発明に係る発電機を示す概略断面図であ
る。

【図２５】本発明に係るマイクロフォンを示す概略断面
図である。

【図２６】本発明に係るプローブ装置を示す概略断面図
である。

【図２７】本発明に係る温度センサを示す概略断面図で
ある。

【図２８】（ａ）（ｂ）は本発明に係る点字ディスプレ
イ装置を示す説明図である。

【図２９】同上の点字ディスプレイの構造と動作を示す
拡大部分断面図である。

【図３０】本発明に係るプリンタヘッドを示す斜視図で
ある。

【図３１】（ａ）（ｂ）は同上のプリンタヘッドの動作
説明のための拡大部分断面図である。

【図３２】（ａ）（ｂ）は本発明に係る別なプリンダヘ
ッドの構造及び動作を説明するための拡大部分断面図で
ある。

【図３３】本発明に係る流体搬送装置の断面図である。

【図３４】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は同上の流体搬送
装置の動作説明図である。

【図３５】同上の流体搬送装置の駆動タイムチャートで
ある。

【図３６】本発明に係る別な流体搬送装置を示す断面図
である。

【図３７】本発明に係る流体搬送装置の別な駆動方法を
示す断面図である。

【図３８】本発明に係る流体搬送装置のさらに別な駆動
方法を示す断面図である。

【図３９】同上の流体搬送装置の駆動方法のタイムチャ
ートである。

【符号の説明】

１ フレーム部 ２，２ａ，２ｂ，２ｃ 動作部 ４ 起歪層 ５ａ，５ｂ 電極層 ６ 固定部分 ７ 変位部分 ８ 電気信号線 Ｂ１ 光スキャナ Ｂ２ リレー Ｂ３ 圧力センサ Ｂ４，Ｂ５ 加速度センサ Ｂ６ バルブ装置 Ｂ７ 流速センサ Ｂ８，Ｂ９ 振動発生器 Ｂ１０ 発電機 Ｂ１１ マイクロフォン Ｂ１２ プローブ装置 Ｂ１３ 温度センサ Ｂ１４ 点字ディスプレイ装置 Ｂ１５ 点字翻訳システム Ｂ１６，Ｂ１７ プリンタヘッド Ｂ１８ 流体搬送装置

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｄ 5/18 Ｄ 21/00 Ｇ Ｇ０１Ｋ 7/00 Ｚ Ｇ０１Ｌ 1/16 Ｇ０１Ｐ 15/09 Ｈ０１Ｌ 29/84 Ａ 41/09 Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｂ Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｍ Ｕ (72)発明者 若林 秀一 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オ ムロン株式会社内

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 横歪を発生する少なくとも１層の起歪層
   を少なくとも２層の電極層により挟んだ構造を有する動
   作部と、当該動作部を支持するフレーム部とを備え、 前記動作部はフレーム部に固定された部分と、フレーム
   部に固定されていない変位可能な部分とを有し、当該固
   定部分は当該固定されていない部分の周囲の少なくとも
   一部において当該固定されていない部分を挟むように配
   置されていることを特徴とする電気信号変位変換装置。
2. 【請求項２】 前記電極層のうち少なくとも１層の厚み
   が他の電極層の厚みと異なっている、請求項１に記載の
   電気信号変位変換装置。
3. 【請求項３】 前記電極層のうち少なくとも１層におい
   て、その電極層の一部分の厚みが他の部分の厚みと異な
   っている、請求項１に記載の電気信号変位変換装置。
4. 【請求項４】 前記電極層のうち少なくとも１層もしく
   は起歪層において、その電極層もしくは起歪層の一部分
   に開口が設けられている、請求項１に記載の電気信号変
   位変換装置。
5. 【請求項５】 前記電極層間に、起歪層よりもヤング率
   の小さな材料で形成された領域を有する、請求項１に記
   載の電気信号変位変換装置。
6. 【請求項６】 前記動作部の一部が、他の部分よりもヤ
   ング率の大きな領域となっている、請求項１に記載の電
   気信号変位変換装置。
7. 【請求項７】 複数の動作部と、各動作部の電極層に電
   気信号を印加する電気信号印加手段とを有し、動作部の
   うち少なくとも１つに印加される電気信号の極性が、他
   の動作部に印加される電気信号と逆極性になっており、
   フレーム部は動作部からの力によって変形可能となって
   いる、請求項１から６に記載の電気信号変位変換装置。
8. 【請求項８】 請求項１から６に記載の電気信号変位変
   換装置と、当該変換装置の変位部分に設けた光反射面
   と、当該変換装置の変位部分を駆動する駆動手段とを有
   する光スキャナ。
9. 【請求項９】 請求項１から６に記載の電気信号変位変
   換装置と、当該変換装置の変位部分を駆動する電気信号
   印加手段と、当該変換装置の変位部分に設けられた第１
   のスイッチング用電極と、当該第１のスイッチング用電
   極と対向して設けられた第２のスイッチング用電極とを
   有するリレー。
10. 【請求項１０】 請求項１から６に記載の電気信号変位
    変換装置と、当該変換装置の変位部分を振動させるため
    の電気信号を入力する電気信号印加手段とを有する振動
    発生器。
11. 【請求項１１】 請求項１から６に記載の電気信号変位
    変換装置と、当該変換装置の変位部分を振動させるため
    の電気的な音声信号を入力する電気信号印加手段とを有
    するスピーカ。
12. 【請求項１２】 流体を通過させるための通路と、当該
    通路に動作部の変位部分を臨ませて配置した請求項１か
    ら６に記載の電気信号変位変換装置とを備え、流体通路
    と動作部との間を流れる流体の流量を制御可能としたバ
    ルブ装置。
13. 【請求項１３】 複数の動作部をマトリックス状に配列
    された請求項１から６に記載の電気信号変位変換装置
    と、当該各動作部により駆動される触覚により認識可能
    な複数個の突起とを備えた点字ディスプレイ装置。
14. 【請求項１４】 複数の動作部を配列した請求項１から
    ６に記載の電気信号変位変換装置と、各動作部を駆動す
    ることによってインク粒子として吐出させるためのイン
    クを保持する手段とを備えたプリンタヘッド。
15. 【請求項１５】 請求項１から６に記載の電気信号変位
    変換装置と、当該変換装置の動作部に設けられたプロー
    ブとを備えたプローブ装置。
16. 【請求項１６】 請求項１から６に記載の電気信号変位
    変換装置と、当該変換装置に物理的エネルギーが加わっ
    た時に当該変換装置に発生する電気エネルギーを出力す
    る手段とを備えた発電機。
17. 【請求項１７】 請求項１から６に記載の電気信号変位
    変換装置と、当該変換装置の変位部分に検知圧力を導く
    ための圧力導入手段とを備え、 導入された圧力によって前記変換装置の変位部分に発生
    する電気信号に基づいて当該圧力を検出するようにした
    圧力センサ。
18. 【請求項１８】 請求項１から６に記載の電気信号変位
    変換装置と、加速度によって当該変換装置の変位部分に
    発生する電気信号に基づいて加速度を検出するようにし
    た加速度センサ。
19. 【請求項１９】 請求項１から６に記載の電気信号変位
    変換装置と、流体の流速によって変化する流体圧力を当
    該変換装置の動作部の表面に導く手段とを備え、 動作部の表面に導かれた流体圧力から流体の流速を求め
    るようにした流速センサ。
20. 【請求項２０】 請求項１から６に記載の電気信号変位
    変換装置と、温度変化によって当該変換装置の動作部に
    熱応力を発生させる手段とを備え、 当該動作部に発生した熱応力から温度又は温度変化を求
    めるようにした温度センサ。
21. 【請求項２１】 流体を搬送する流体通路と、当該流体
    通路に臨ませて設けた少なくとも３個の動作部を有する
    請求項１から６に記載の電気信号変位変換装置とを備
    え、 前記動作部を駆動することによって流体通路内の流体を
    搬送させるようにした流体搬送装置。
22. 【請求項２２】 前記各動作部の動作を一定のタイミン
    グで切り換えることによって流体を搬送する請求項２１
    に記載の流体搬送装置の駆動方法であって、 各動作部を一定タイミングで閉状態、閉状態および開状
    態の順序で切り換えることを特徴とする流体搬送装置の
    駆動方法。
23. 【請求項２３】 前記動作部を流体通路側へ変位させて
    流体流路を閉じた状態と、動作部を変位させない状態
    と、動作部を流体通路と反対側へ変位させて流体通路を
    広くした状態とを一定のタイミングで切り換えることに
    よって流体を搬送する請求項２１に記載の流体搬送装置
    の駆動方法であって、 各動作部を一定タイミングで流体通路側への変位状態、
    変位させない状態、流体通路と反対側への変位状態およ
    び変位させない状態の順序で切り換えることを特徴とす
    る流体搬送装置の駆動方法。