(57)【要約】１枚の基板から作られた２次元アクチュエータであって、前記基板の直交部分を傾斜させるように構成され、それによって、直交部分アクチュエータの相対的励起によって規定される基板の複合２次元運動を生じさせる、という前記アクチュエータ。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の直交部分が形成される形に折り曲げられた基板から形成されたアクチュエータ構成であって、当該直交部分の各々が制御可能なアクチュエータ層を備えることでアクチュエータを形成しており、その結果、複数の直交部分アクチュエータの相対的励起によって基板の一部分に複合２次元運動を生じさせる、
という前記アクチュエータ構成。
【請求項２】
２次元運動とはＸＹ運動であり、第１の直交部分アクチュエータが励起されると基板の一方の端部がＹ平面で移動し、第２の直交部分アクチュエータが励起されると基板の前記端部がＸ平面で移動するようになっていること、
を特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ構成。
【請求項３】
前記直交部分アクチュエータのうち少なくとも１つのアクチュエータ層は、圧電層であること、
を特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ構成。
【請求項４】
前記直交部分アクチュエータのうち少なくとも１つのアクチュエータ層は、磁気ひずみ層であること、
を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のアクチュエータ構成。
【請求項５】
ｄ３１モードの作用を利用すること、
を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のアクチュエータ構成。
【請求項６】
直交部分の各々がヘアピンの形状であること、
を特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ構成。
【請求項７】
直交部分の少なくとも１つは、スロットによって隔てられた複数のヘアピンを有すること、
を特徴とする請求項６に記載のアクチュエータ構成。
【請求項８】
平らな金属製部材を有する圧電セラミックアクチュエータであって、
当該金属製部材には細長いスロットが設けられており、当該スロットは部材のエッジの１つに並行であり、全体が部材の周縁部の内部に入るように位置づけられており、それによって、スロットの各端部に端部部分を作り、複数のアクチュエータセクションを形成していること、
【請求項９】
２つの平らな金属製部材が、両者のスロットの位置を合わせた状態で重ねあわされており、両スロットの端部分が一方の端部で接合されてヘアピン形状が形成されていること、
を特徴とする請求項８に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
アクチュエータ層は、スロット又は各スロットのいずれかの側にある平らな金属部材に形成されていること、
を特徴とする請求項８又は９に記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
アクチュエータ層は圧電層であること、
を特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
アクチュエータ層は磁気ひずみ層であること、
を特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
前記平らな金属プレートの１つの主要面は、端部分と端部分との間で厚みが小さくなっていること、
を特徴とする請求項８乃至１２のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１４】
前記厚みの小さくなった部分には金属層が設けられており、それによって金属部材の熱特性を変化させていること、
を特徴とする請求項１３に記載のアクチュエータ。
【請求項１５】
前記金属は銅であること、
を特徴とする請求項１４に記載のアクチュエータ。
【請求項１６】
アクチュエータ層は、スロット又は各スロットの長さを超え、端部分にまで延びていること、
を特徴とする請求項１０に従属する場合の請求項１３に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
運動システムとして圧電アクチュエータを用いることは公知であり、複数軸駆動の実現のためにフレーム内にそれらを組み入れる、といったものがある。こうしたアプローチが適しているのは、レーザポジショナなどの用途に高コストのアクチュエータを設置するなど、コストよりも精度や力を優先する場合である。
【背景技術】
【０００２】
単純なベンダー構造物を組み合わせて複数軸運動を実現することは可能であるが、その場合の組立作業の作業内容は、アクチュエータ自体のコストをたちまち超えてしまう。また、こうした環境では、ピボットの使用は全く望ましくなく、それは、アクチュエータに適用できる運動が小さいからである。３ｍｍの径の低摩擦ピボットを実現するには、運動する部品同士の間に少なくとも５０ミクロンのフリープレイを持たせる必要があるが、これは、可能な運動のうち相当な割合である。このようなやり方で２次元運動を実現しようとすれば、リンケージは最小でも１００ミクロンのフロートを有することになるであろう。フロートについては、ニードルピボットおよび曲げヒンジを用いることで小さくできるが、これらはそれぞれ、コスト、剛性が高い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、本発明は、ピボットロスを小さくした低コストのアクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
目的達成のために、本発明が提供するアクチュエータは、１枚の基板から形成され、前記基板が有する直交部分の１つを傾斜させるように構成されており、それによって、複数の直交部分アクチュエータの相対的励起によって規定される基板の複合２次元運動を生じさせる。
【発明の効果】
【０００５】
これにより、上記目的は達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明をより深く理解できるように、これ以降の部分で添付図面を参照しながら、本発明に関わる実施の形態について説明する。
本発明が提供するのは活物質アクチュエータであり、積層基板で作られた複数の直交する部分をｄ３１モードの動作を利用して曲げ、それによって、直行する複数の部分アクチュエータの相対的励起によって規定される組み合わせＸＹ運動を実現する。
【０００７】
図１に示すような形で、コバールメタルなどの適当な基板が形成されている。
形状としては、４つの平らな面（１０ａ〜１０ｄ）を有し、そのうち２つの面（１０ａ，１０ｂ）は共直線関係にあり、それぞれ共直線関係にある２組の面がブリッジ部分（３０）を挟む形で平たいＵ字形を成している。最終形状を作りやすくするためには、２つの共直線面（１０ａ，１０ｂ）の間のエリア（２０ａ）、および２つの共直線面（１０ｃ，１０ｄ）の間のエリア（２０ｂ）をそれぞれ、くびれ形成パンチによる厚み減らしや酸エッチングなどの手段で薄くしておくのが有効である。ただし、このことは完成品の装置の動作にとっては必須でない。また、剛性に影響を与えるおそれがあるため、剛性を維持するための適当な手段を講じなければならない。
【０００８】
ここから、その平たい形状のものに対して、一連の折り曲げ処理を施す。各レッグは、共直線関係にある２つの部分の間に設けられたエリア（２０ａ，２０ｂ）の中央で折り曲げられるが、一方の部分は上向きに折り曲げられ、もう一方の部分は下向きに折り曲げられる。さらにブリッジ部分（３０）の中央で垂直になるように折り曲げると、図２に示す形ができ上がる。
【０００９】
図３では、平らな面（１０）の各々に極性（poled）圧電セラミックプレート（４０）が装着された状態になっている。圧電セラミックプレートの装着および製造の技術については公知のものであり、ここで特に説明する必要はない。当該プレートは折り曲げられた部分の外面に固定され、その結果、２つのヘアピン形状部分が形成されるが、適当な電圧が与えられて圧電セラミックプレートが励起されると、これらは外向きに開く。プレート４０は、必要であれば、折り曲げに先立って装着しておくことも可能である。
【００１０】
図４は、励起された際のヘアピン部の動きを示す。この動きは一般に、ｄ３１駆動（d31 actuation）と呼ばれるが、それは、使用される第３の平面の増大に応じた、２次元および３次元の縮小だからである。第３の平面とはフィールドの平面である。ここで、３１、３２、３３という数字については、１桁目は適用されるフィールドの方向を示し、２桁目は運動面を表す。
【００１１】
次いで、システムが一方の自由端部６０で固定されている場合、第２のアクチュエータ５０が有するもう一方の自由端部５０の先端がどのように動作するか考える。第１のヘアピン７０の励起によって、先端はＹ平面で立ち上がることになる。その高さは加えられた電荷に正比例するが、それは、素材のヒステリシスや他の制限の範囲内であり、使用されている特定の素材に関して達成可能な最大変形に達するまでのことである。次いで、第１のヘアピンに対して垂直な第２のヘアピン８０のプレートに加えられる第２の電荷について考える。ここで、観念上のスポット（notional spot）５０はＸ平面で運動することになる。
【００１２】
圧電その他のエレクトロセラミックのアクチュエータについて有用な特徴は、その形状変化が、適用されたフィールドに比例する、という点である。電気ひずみ素材や圧電素材は電界に対応するが、一方、磁気ひずみ素材は磁界に対応する。
こうした素材のいずれかを上で説明した素材と置き換えることで、１つ又は複数の刺激に対応することもできる。例えば、先端５０の位置は、１つの磁気兼電気ひずみアクチュエータで２つの現象を計測することによって判断することができる。
【００１３】
上述の素材は比例特性または近比例特性を有するので、公知のレベルの刺激を２つのアクチュエータに加えること、および、各アクチュエータのストローク範囲のサイズで、ボックス内のいずれかの位置に観念上のスポット５０を位置づけることが可能となる。これにより、光学ファイバの位置決め（例えば、複数のレシーバの間で信号ファイバを移動させること）に適したアクチュエータが作られる。
【００１４】
単純な正弦信号を用いて行う、２つのアクチュエータの調整刺激（coordinated stimulation）についてさらに考える。１つのアクチュエータへの入力が正弦であり、もう一方への入力が同期で、しかも逆になっていれば、観念上のポイントのネット位置（net position）は、信号振幅に比例した円を描くことになる。この動きを図５に示す。円形運動を維持するには、円の開始点で、目標とする径への縦アクチュエータ７０の初期励起が必要とされる。
【００１５】
モータを簡単にする目的で、有効ストローク全体の２分の１に相当する径を有するクランクに、複合出力を連結することができる。クランクからの出力は、はずみ車やギアの付加によって、簡単にモータ出力に変換される。振動モータを作るのであれば、単に出力シャフトを回転偏心に装着する、というやり方でそれは可能である。
それぞれのアクチュエータから引き出せる力は等しくはならないであろう。これは、重力が通常の方向に働くとすれば、縦向きのアクチュエータは横向きのそれを引き上げねばならなくなるからである。たとえ、重力の影響を補う形に部品の向きを決めておいた場合でも、第１のアクチュエータの剛性については、重量増加後の第２のアクチュエータも動かせるように、より高くしておかねばならない。
【００１６】
図６は改良型の構造を示し、ここでのリフタアクチュエータは、スロット９０で隔てられたヘアピン７０ａ、７０ｂから成る。スロットについては、リフタアクチュエータの上側面７１、下側面７２のいずれに入れてもよい。さらに、ヘアピン７０ａ、７０ｂ各々の面７１、７２についても、極性圧電セラミックプレートを装着した形することができる。
効果的かつ優れているのは、下側のアクチュエータについて、単に幅の広いプレートを使用しただけではなく、複数のヘアピンから成る構成とした点である。なぜなら、複数のプレートでありながら単一プレートと同じ異方性を有し、そのため、力出力が大きくなる一方でストロークは維持されるからである。
【００１７】
別の形として、図６のような複数プレート構成を、２枚のスロット付き基板から形成することにしてもよく、その場合、２枚の基板はスロットの位置が一致する形で一方が他方の上に重ねられた状態とし、両基板の端部はその一方で一体に接続されてヘアピンを形成する、という形にする。
理解されるであろうが、複数プレート構成の場合、リフタアクチュエータとして形成されるヘアピンの数には制限がない。そして、各ヘアピンはスロット９０によって隔てられている。スロットは上側面７１を延び、さらに、対応するスロットを下側面７２に有しているが、その長さは、スロットの各端部において各ヘアピンの間に強固な接続が存在するようなものとする。さらに、上述の複数ヘアピン構成は、もう一方の直交アクチュエータ８０において用いることもできる。
【００１８】
さらに、各ヘアピンに電気セラミックプレート（圧電セラミックプレートであるのが好ましい）を装着させることは、効果的ではあるが必須ではない。
図７に示すプレート７５は、本発明において使用できるものである。プレート７５はエッチング加工部分７６と複数のスロット９０とを有するが、ここでの場合、スロットは２つであり、それらがプレート７５を３つの面７５ａ、７５ｂ、７５ｃに隔てている。面７５ａ、７５ｂ、７５ｃの各々の下側には圧電セラミックプレート４５が装着されており、当該圧電セラミックプレート４５は、自身が励起されるタイミングで、プレート７５の運動を実現する。圧電プレートのサイズについては、図８に示すように、エッチング加工部分７６の幅ｘを超えて延びる長さとするのが好ましい。
【００１９】
プレート７５のエッチング加工部分７６については、エッチング加工部分の範囲内に、銅などの金属層を有することとしてもよい。これは、プレート７５の熱膨張係数と圧電プレートのそれとの間の差を原因とする熱効果を補償するためである。さらに、プレート７５は、通常、コバールなどの基板から形成されている。エッチングプロセスは当業者の間では公知であるため、ここでは詳しくは説明しない。ただし、エッチングは通常、化学エッチング又は電気化学機械加工を用いて実現される。
【００２０】
本発明におけるプレート７５は、リフタアクチュエータ７０として働く形で利用することもできるが、もう一方の直交アクチュエータ８０に置き換えてもよい。スロット９０を備えたエッチング加工プレート７５という、この型の構造であれば、複数のプレートを１枚の金属基板から形成することができ、そうすることで、剛性からくる耐変形性（単一プレートの場合に生じるようなもの）は低くなる。
【００２１】
図９はヘアピン構成の実施の形態を示し、この形態は、エッチング加工プレートを本発明の直交アクチュエータとして利用した場合に形成されるものである。
こうした構成のヘアピンは、２枚のエッチング加工プレート７５を用いて形成され、当該プレート７５各々のエッチング加工部分７６が互いに向き合う形となっている。さらに、スロットについては、一方のプレートにあるスロットが、もう一方の向き合うプレートのスロットに一直線に対応するように配置されている。各スロットの長さは、周縁エリア７７（プレート７５のうち、エッチング加工されていない両端部が存在する位置）に届かない程度とする。すなわち、スロットが延びる範囲は、プレートのエッチング加工部分の幅に収まる。さらに、スロットの端部には形を付けることがあるかもしれないが、その場合は丸くするのが好ましい。
【００２２】
両エッチング加工プレートは、それらの対向する周縁端部７７の一方において接合されて、ヘアピン形状を作る。従って、周縁端部のうち接合されない方の端部では、両プレートの間にギャップが存在することになる。
各エッチング加工プレート７５の外側面７４には、圧電セラミックプレートなどの電気セラミックプレート４５を装着する場合もあるが、その場合の圧電プレートの長さは、各スロットの長さを超えて、周縁エリア７７にまで延びる。
【００２３】
プレート７５に関する有用な特徴は、それがどんな長さでもよいこと、そして、プレート７５に付けられた圧電セラミックプレートが励起される際に必要となる力に応じて、プレートにスロットを入れることができること、となる。さらに、スロット９０は、プレート７５の長さに沿って均一な動作を実現し、長さは強さに比例する。
図９のヘアピン構成を見ると、２枚のエッチング加工プレートが使用され、これらが一方の端部で接合されてヘアピンを形成しているが、ヘアピンは、エッチング加工部分が分かれて存在する１枚のプレートから形成してもよい。このプレートについては、エッチング加工部分の間にあるエリアを中心にして折り曲げることで、単一プレートからヘアピン構成を形成することができ、そうすれば、複数のプレートを接着して一体にする必要がない。
【００２４】
理解されるであろうが、図７および図８に示した構造を上述の折り曲げ構造と切り離した形で用いても、複数スロットを備えたプレートの使用によって、アクチュエータに力出力の増大をもたらすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明において用いられるＵ字形状基板を示す斜視図である。
【図２】図１に示した基板を中間状態で示す斜視図である。
【図３】図２に示した基板に圧電セラミックを装着した状態で示す斜視図である。
【図４】図３に示した基板の端部の運動を説明するための略図である。
【図５】図３に示した基板の端部の運動をさらに説明するための略図である。
【図６】図２に示した基板の変形例を示す斜視図である。
【図７】本発明によって利用できるエッチング加工プレートを示す斜視図である。
【図８】図７に示したエッチング加工プレートの側面図である。
【図９】図７に示したエッチング加工プレートを用いたヘアピン構造体を示す側面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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