JP2004531189A - 圧電アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
【選択図】図2
Description
【0001】
本発明は、圧電材料の収縮または膨張によって運動が制御される装置に関するものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0002】
本発明の主な狙いは、二次元で移動できるアクチュエータを提供することにある。
【0003】
本発明の別の目的は、形状が特に小型であるアクチュエータを提供することにある。
【0004】
本発明の別の目的は、運動を正確かつ予測可能に維持しながら繰り返して運動を受けるアクチュエータを提供することにある。したがって、この発明に開示されたアクチュエータの型式は信頼性があることを必要とする。
【0005】
本発明の別の目的は、圧電材料内の電極の配置に対して新規な取組を提案することにある。
【0006】
本発明の別の目的は、アクチュエータが類似のアクチュエータの積層体に容易に組み付けられるような形状をしたアクチュエータを提供することにある。したがって、この発明の別の目的は、隔離状態で動作するように設計された個々のアクチュエータとして、特に小型でかつ等しく信頼性があるアクチュエータの配置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
第1の広い独立した観点においては、本発明は、電極板と圧電材料の交互差込み層の積層体からなるアクチュエータにおいて実施される。電極板の上方領域(使用時)は上下方向に撓みを生じるように付勢されたときに適応される。電極板の下方領域は上下方向に撓みを生じるように付勢されたときに適応される。電極板の1またはそれを超える別の領域は、左右方向に撓みを生じるように付勢されたときに適応される。
【0008】
上記構成はZ方向(Z軸がアクチュエータの長手方向にそって延びる)に直角なX方向およびY方向の撓みを許すので、その構成は特に有利である。この特徴の組合せは、それが特に小型総体寸法でありながら、増加した自由端揺れと共に二次元で曲がるアクチュエータを提供するので、特に有利である。
【0009】
本発明の第1の広い独立観点にもとづく副次的観点においては、前記別領域または各別領域の電極板が上方領域および下方領域の電極板に実質的に平行に延び、左バイアス付勢電圧を伝導するように適応された電極板が右バイアス付勢電圧を伝導するように適応された電極板から離間され、それらの対応する電極板がアクチュエータの幅を実質的に横切って延びている。
【0010】
この特徴の特別な組合せは、それが二次元で曲げを受けやすいアクチュエータを提供しかつシステムに加えられるエネルギに対して高度に撓みを起こすことができるので、特に有利である。この構成もまた特に小型である。
【0011】
第1の広い独立した観点にもとづく別の副次的観点においては、アクチュエータはほぼ円筒形状である。
【0012】
この観点は、特別な駆動信号の印加の下でアクチュエータが曲がったときに、その観点が達成できる揺れを最大にするので、有利である。さらに、ほぼ円筒形状のアクチュエータは、それが別の類似のアクチュエータと並んで動作するとき、小型の配列を形成するように特にうまく適応するので、有利である。
【0013】
追加の副次的観点においては、アクチュエータは1またはそれを超えるトンネルからなる。
【0014】
1またはそれを超えるトンネルを設けることは、それらが光ファイバのような細長い要素を収容することができるので、特に有利である。一旦これらの細長い要素がこれらのトンネルに挿入されると、その要素はアクチュエータが要素の保護ハウジングを構成しながらアクチュエータと共に撓むことができる。
【0015】
本発明の第1の広い独立した観点にもとづく別の副次的観点においては、圧電材料の各ストリップが約20−約35ミクロンの範囲内にある厚みを有している。
【0016】
この特別な範囲に圧電材料のストリップを選ぶことは、その範囲内で達成される曲げが長期間制御可能で信頼性を留めていながら最大にされるので、有利である。
【0017】
本発明の第1の広い独立観点にもとづく別の副次的観点においては、各電極は約2.5ミクロンの厚みを有する。
【0018】
この厚みにおいては、アクチュエータの曲げは、長期間制御可能で信頼性を留めていながら最大にされるので、有利である。
【0019】
第2の広い独立観点においては、本発明は、2またはそれを超える歯を組み込んだ櫛の構成のアクチュエータを提供する。1またはそれを超えるアクチュエータが、電極板と圧電材料の交互差込み層の積層体からなる。電極板の上方領域(使用時)は上下方向に撓みを生じるように付勢されたときに適応される。電極板の下方領域は上下方向に撓みを生じるように付勢されたときに適応される。電極板の1またはそれを超える別の領域は、左右方向に撓みを生じるように付勢されたときに適応される。
【0020】
櫛構成の当該種類の歯グループを配列することの1つの利点は、多数の角度位置が一時に達成されることである。少なくとも1つの歯は、それらのすべてでない場合に、二次元で個々に移動される。
【0021】
この構成の他の利点は、歯が特に真っ直ぐで制御しやすく、各歯が大きな終点撓みを達成し、延長期間を超えて正確な角度位置決めを達成することを受け容れることである。この種の歯グループは、個々の歯配列を製造するよりも少ない費用で容易に製造される。櫛の歯のようなアクチュエータを製造する別の利点は、この構成が特に小型であり、全体を小型にする歯の大きな配列を製造するために類似構造の他の櫛と組み合わせて動作するように容易に適応されることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
図1は、2Dアクチュエータ1の概略を示す。アクチュエータは、方形断面のほぼ円筒形状の圧電アクチュエータであり、また、この実施例においては軸穴4に光ファイバのような細長い要素5を収容する。電極は、上、下、左、右を指定した4つの別個の領域に圧電材料の本体内に定置される。これらの各電極グループは、個々に刺激される。例えば、上のみが刺激された場合には、アクチュエータの頂部が収縮し、その結果、圧電アクチュエータが動作している細長い要素を動かす収縮部分に向かって圧電アクチュエータが曲がる。電極は、上、左、右、下にそれぞれ対応するU、L、R、D入力によって刺激される。アクチュエータが主にZ方向に延び、したがってXおよびY方向に限られた空間を占めるだけであることを大文字で書くために、電極入力はアクチュエータの同じ側にすべて定置されてもよい。
【0023】
各電極は、アクチュエータの全長にわたって好ましくは延びている。しかし、これらはアクチュエータの区分を交互に刺激するだけでもよい。
【0024】
図2は、製造方法が本願において後の段階で詳細に説明される特別の好適一体型圧電ブロックの断面構成を表す。
【0025】
アクチュエータ構造の頂部に向かって、ブロックの幅を横切って延びる電極層AおよびBが交互に差し込まれる。ブロックの底に向かって類似の電極層EおよびBがある。B層をすべて便宜的に接地させて、AまたはEのいずれかに電圧を印加することによって上方移動または下方移動をそれぞれ生じさせる。この技術において、駆動電圧は単極であり、その極性は圧電材料が収縮モードにおいて反応するように印加電界に平行に整列される。
【0026】
ブロックの中間領域において、CおよびDの電極層が交互に差し込まれる。D層はブロックの幅を横切って延び、他方、C電極は左および右に分割される。C電極の適切な組に電圧を印加することは、左または右撓みを生じる。
【0027】
この実施例の圧電アクチュエータの特別寸法は、図2に書かれている。軟質PZT材料の層は、厚みが22.5μm(ミクロン)であり、電極それ自体は2.5μmの厚みを有する。中央区分は、160μm四方の中央穴を収容するために200μmの厚みを電極から奪われる。約0.2mmの左右バイアス電極間に中央間隙が設けられている。
【0028】
図3は、2D圧電アクチュエータの別実施例を表す。この圧電アクチュエータは、図2の内容において記載された類似の相互差込み電極からなる。この特別型式の圧電アクチュエータは、中央穴を廃止し、したがって、圧電アクチュエータ内に電極のより効率的な配分を可能にする。この特別型式の圧電アクチュエータは、1.8×1.8mmのブロックで、この図面には図示されていないが、31mmの活動長さと41mmの全長を有している。2.5μmの電極によって分離された30μmの軟質PZT材料の54枚層がある。容量(U/D)は0.3μFであり、(L/R)に対して0.7μFである。この構成の各電極は、1.6mmの幅と31mmの長さとを有し、その長さにそって互いに平行に延びている。L/Rバイアス電極の中央間隙は、0.2mmである。動作電圧は+90であるが、+/−37.5Vのバイアス電圧および+/−52.5Vの駆動電圧によって−15Vになる。圧電アクチュエータが負荷を受けていないならば、一端が約+/−0.8Nで把持されたとき、撓みはU/DおよびL/Rに対して+/−125μmとなる。
【0029】
上述した2Dアクチュエータは、絶縁されたユニットになるか、歯付きアクチュエータ櫛の一部を形成し、各櫛の歯は上述した形式の電極構成を有する。
【0030】
圧電櫛を製造するために、ジルコン酸チタン酸鉛のような圧電材料が電極板に積層される。既に述べたように、電極板が印加電圧によって刺激されたとき、圧電材料は印加電圧のバイアスにもとづいて上述したように収縮するか膨張することができる。上述した場合には、電圧は0Vと90Vとの間だけにあり、それゆえに電極は常に正であり、したがって、圧電材料を収縮させる。そして、圧電材料の異なる区分を収縮させることによって、異なる効果が全体の圧電アクチュエータに生じる。
【0031】
2Dアクチュエータのグループを製造する特別に有利な方法は、別個に制御可能な歯を持った櫛形状としてアクチュエータを製造することである。このような櫛形状のアクチュエータを製造する好適方法は、大きい長方形形状のアクチュエータ領域の全サイズを計測した積層電極板をつくり、次いで櫛形状を得るために適切な位置で切断することによって実施される。
【0032】
電極板は図4、5、6、7、8に示され、D、C、B、A、Eの記号がそれぞれ付され、図9に示す順序で互いの上に積層される。図9は、既に切断された穴32を示し、電極がそれらの周りに積層される。層は、電極の各2.5μm層間で22.5μmセラミックである。
【0033】
5つの異なる板があるけれども、3つの異なる型式の板がある。図4および6からわかるように、板DおよびBは、それらが各偶発的歯(図10および12に見られるように)に対して入力を有しかつ各歯が独立して刺激される点で、類似している。
【0034】
図7および8の板AおよびEは、1つのみの電極入力を有し、また、偶発的な歯のAおよび/またはE電極のすべてが同時に独立してではなく刺激される。Bの入力配置は、Dのそれとは異なり、AおよびEの入力配置も異なる。
【0035】
第3形式の電極板が図5に示される。板C(図11に示す)の電極指70は中間で鋸引きされ、鋸引きが電極材料の底まですべて達していない。
【0036】
電圧がそこを通過するとき、歯の櫛を、ファイバが現れかつ歯の配列が左から右に並ぶ端から見たならば、板Dはアクチュエータ歯の左右移動を生じる。板Cは、板Dの電圧を平衡にする左/右バイアス電圧を伝導する。この特別の例は、板Cにおいて電極間に8つの空間があるので、8枚歯櫛となっていることがわかる。板Bは板Dと類似しているが、その位置決めによってその電圧にアクチュエータ歯の上下移動をさせる。板AおよびEは、アクチュエータ歯の上下移動に対してそれぞれ正負のバイアス板となる。
【0037】
図9は、ABABACDCDCDCD穴42DCDCDCDCABABAとして板の配置を示す。
【0038】
他の構成も可能である。
【0039】
図10、11、12、13、14は、板においていくつかの鋸引き切断がアクチュエータ櫛の8枚の(本実施例において)別個の歯をつくるようになされる箇所を示す。板における鋸引き切断は、図15に示すように各アクチュエータ歯に板構成をつくる。各切断は、0.2mm幅で、各歯について0.8mmのアクチュエータを残す。
【0040】
図16は、板が切断された後で、板が別個に見えるときの各板を示す。圧電材料と共に積層されたこれら複数切断板のすべての組合せは、アクチュエータ櫛の単独の歯からつくられる。
【0041】
図17は、異なる板が単独のアクチュエータ歯においていかにして互いに電気的に取り付けられるかを示す。穴は示されていない。それは後に穴開けされる。各歯は4つの電極入力U/D制御、L/R制御、+バイアス、−バイアスを有する。
【0042】
図18は、2点Fを持つ8枚の歯付き櫛アクチュエータ構造を示す。図19は、図18のF−F線から取った断面を示す。櫛の底は、1mm幅で、0.8mmで切断部を持つ。これは各歯の横長さである。
【0043】
図20は、すべての電極入力の入口点を示す。U/D1からU/D8までは、8枚のアクチュエータ歯の各々について上/下入力である。表記は、左/右(L/R)電極入力に対して類似している。左/右バイアス電圧入力について8つの入力、上/下正および負バイアス電圧入力について各1つである。図20から、すべての電極入力が櫛の側にあることがわかる。これは、取扱を容易にし、全体の櫛をより小型にする。
【0044】
図21は、一体の圧電アクチュエータ30が32枚の歯付き櫛に似るように切断された圧電アクチュエータ30のさらに別の実施例を示す。各歯20は独立した圧電アクチュエータとして作用する。圧電櫛30の各歯20は、光ファイバを通すように開けられた穴を有する。この型式の櫛は、光システム用入力または出力配列に用いられる櫛配列を形成するように容易に積層される。例えば、32枚のアクチュエータ歯の32櫛は32枚の32櫛に対面してもよい。したがって、1024×1024(すなわち、1024口)スイッチをつくる。
【0045】
図22は、電極入力のいくつかを有する櫛構造を示す。電極刺激入力70は、各櫛歯20に対して4つに分割される。入力接続点は、別個の電極入力D、R、L、Uが、図22における2枚歯サンプルについて見られるように、櫛の外側の周りに現れるように設定される。このようにして、多くの櫛が平行に積層され、すべての電極入力がいぜんとして容易に接近できる。
【図面の簡単な説明】
【0046】
【図1】アクチュエータの概略図である。
【図2】アクチュエータの一実施例の概略断面図である。
【図3】アクチュエータの別実施例の概略断面図である。
【図4】左(L)/右(R)電極板(D)を示す。
【図5】左(L)/右(R)バイアス板(C)を示す。
【図6】上(U)/下(D)電極板(B)を示す。
【図7】上(U)/下(D)正バイアス板(A)を示す。
【図8】上(U)/下(D)負バイアス板(E)を示す。
【図9】図4−8の板(A、B、C、D、E)の配置の断面図を示す。
【図10】図4の左(L)/右(R)電極板(D)の鋸引き位置を示す。
【図11】図5の左(L)/右(R)バイアス板(C)のための鋸引き位置を示す。
【図12】図6の上(U)/下(D)電極板(B)のための鋸引き位置を示す。
【図13】図7の上(U)/下(D)正バイアス板(A)のための鋸引き位置を示す。
【図14】図8の上(U)/下(D)負バイアス板(E)のための鋸引き位置を示す。
【図15】図9の板配置の単独切断区分を示す。
【図16】板が一旦鋸引きされてしまった別個の板の概略を示す。
【図17】図15におけるように板配置の単独切断区分を示すが、穴なしであり、各層がどのように接続されるかを示す。
【図18】8枚歯アクチュエータ櫛を示す。
【図19】図18のF−F線から取った断面スライスを示す。
【図20】図18に示すような櫛の外側縁を包囲する出力を示す。
【図21】櫛アクチュエータの別実施例を示す。
【図22】櫛構造およびその電極入力の小部分を示す。
Claims (8)
- 電極板と圧電材料の交互差込み層の積層体からなるアクチュエータであって、前記電極板の上方領域(使用時)は上下方向に撓みを生じるように付勢されたときに適応され、前記電極板の下方領域は上下方向に撓みを生じるように付勢されたときに適応され、前記電極板の1またはそれを超える別の領域は、左右方向に撓みを生じるように付勢されたときに適応されるアクチュエータ。
- 前記別の領域または各別領域の前記電極板が前記上方領域および前記下方領域の電極板に実質的に平行に延び、左バイアス付勢電圧を伝導するように適応された前記電極板が右バイアス付勢電圧を伝導するように適応された前記電極板から離間され、それらの対応する電極板が前記アクチュエータの幅を実質的に横切って延びている、請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記アクチュエータがほぼ円筒形状になっている、請求項1または2に記載のアクチュエータ。
- 前記アクチュエータが1またはそれを超えるトンネルからなる、前記請求項のうち任意の一項に記載のアクチュエータ。
- 圧電材料の各ストリップが約20−35ミクロンの範囲内にある厚みを有している、前記請求項のうち任意の一項に記載のアクチュエータ。
- 前記各電極板は約2.5ミクロンの厚みを有する、前記請求項のうち任意の一項に記載のアクチュエータ。
- 2またはそれを超える歯を組み込んだ櫛の形体をしたアクチュエータであって、1またはそれを超えるアクチュエータが、電極板と圧電材料の交互差込み層の積層体からなり、前記電極板の上方領域(使用時)は上下方向に撓みを生じるように付勢されたときに適応され、前記電極板の下方領域は上下方向に撓みを生じるように付勢されたときに適応され、前記電極板の1またはそれを超える別の領域は、左右方向に撓みを生じるように付勢されたときに適応される、アクチュエータ。
- アクチュエータまたはここに参照して記載しおよび/または添付明細書および図面の適切な組合せにおいて図示された実質的に櫛の形体のアクチュエータ。
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