(57)【要約】【課題】伝達ロスの発生を抑制して伝達効率を向上させるとともに、組立作業性およびメンテナンス性を向上させることができる圧電アクチュエータを提供すること。【解決手段】圧電アクチュエータ１０において、伸縮・せん断変形する圧電素子１１を保持するための板バネ１２と、圧電素子１１をクロスローラガイド１４に面接触させるために圧電素子１１に対して予圧を加える予圧調整機構１３とを設ける。そして、予圧調整機構１３をコイルバネ１３ａと予圧調整ネジ１３ｂとで構成して、圧電素子１１に加える予圧を調整できるようにする。また、予圧調整機構１３を各圧電素子１１に対してそれぞれ設ける。【選択図】　　　　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つ以上の伸縮・せん断変形する圧電素子を有し、前記圧電素子の変形を直線運動に変換する圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電素子を保持する保持手段と、
前記圧電素子を接触面に対し所定の力にて押圧する予圧手段とを有し、
前記保持手段は、少なくとも１つ以上の薄板であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載する圧電アクチュエータにおいて、
前記予圧手段は、前記所定の力を調整するための調整手段を備えていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載する圧電アクチュエータにおいて、
前記予圧手段は、バネを用いて前記圧電素子を押圧することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載する圧電アクチュエータにおいて、
前記予圧手段は、気体圧力を用いて前記圧電素子を押圧することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１から請求項４に記載するいずれか１つの圧電アクチュエータにおいて、
前記予圧手段が前記圧電素子ごとにそれぞれ設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体の振動を直線運動に変換するアクチュエータに関する。さらに詳細には、圧電体の伸縮・せん断変形（振動）を直線運動に変換する圧電アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から半導体製造工程におけるパターン作製には、精度が要求されるため電子ビームが用いられている。ここで、電子ビームの照射中に、その周辺で磁気を発生するアクチュエータ（一般的なモータなど）を使用すると磁界が乱れる。そうすると、磁界の乱れの影響を受けて、電子ビームが曲がってしまい、正確なパターンを作製することができなくなる。このため、電子ビーム装置では、磁気を発生するアクチュエータの使用を避けたいという要望があった。
【０００３】
一方、圧電体の伸縮・せん断変形（振動）を直線運動に変換するアクチュエータが知られている。このアクチュエータによれば、磁気を発生しないため磁界を乱すことがないので、電子ビームに悪影響を及ぼさない。このため、電子ビーム装置において圧電アクチュエータを使用する試みがなされている。
【０００４】
そして、このような圧電アクチュエータの１つとして、例えば特開平４−２２１７９２号公報に開示されたものを挙げることができる。このアクチュエータでは、伸縮変形板とせん断変形板とを組み合わせた駆動脚（圧電体）を、送り方向およびそれに垂直な方向に変形させ、可動体の自重により駆動脚を固定側に押しつけることによって駆動脚と固定側との間に摩擦を生じさせて、駆動脚の変形（回転運動）を可動体の直進運動に変換するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した特開平４−２２１７９２号公報に開示されたアクチュエータでは、伝達ロスが発生してしまい伝達効率が悪いという問題があった。なぜなら、可動体の自重により駆動脚（圧電体）が固定側に接触させられているため、駆動脚の挙動が安定せず横ズレなどが発生するからである。このため、特開平４−２２１７９２号公報には、板バネを設けて駆動脚を固定側または可動体に押しつける力を増すことにより駆動脚の横ズレ等の伝達ロスの発生を抑制する技術も開示されている。ところが、長期間アクチュエータを使用すると駆動脚と固定側または可動体の接触部分が摩耗してしまい、そこに隙間ができてしまう。そうすると、再び駆動脚の挙動が不安定になり伝達ロスが発生してしまう。つまり、特開平４−２２１７９２号公報に開示されたアクチュエータでは、伝達ロスの発生を効果的に防止することができず、伝達効率を向上させることができなかったのである。
【０００６】
また、特開平４−２２１７９２号公報に開示されたアクチュエータには、組立作業性およびメンテナンス性が悪いという問題もあった。すなわち、駆動脚の先端部と接触する固定側あるいは可動体との間で摩擦による伝達損失が生じないように両者の接触部分を研磨して、平行度・平面度を高めた上、さらに精密な位置合わせを行って組み立てなければならない。このため、アクチュエータの組立作業に対し非常に高度な熟練した技術が必要とされていた。したがって、組立作業性が悪かった。また、正確に組み立てた後でも、長期間の使用により、駆動脚の先端部またはそれと接触する固定側あるいは可動体に摩耗が生じ、駆動脚と固定側あるいは可動体との適切な接触位置がずれてしまう。このため、両者の接触位置を修正しなければならないが、そのためにはアクチュエータを分解し、再度、位置調整を行って組み立てる必要があった。このため、メンテナンス性が悪かった。
【０００７】
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、伝達ロスの発生を防止して伝達効率を向上させるとともに、組立作業性およびメンテナンス性を向上させることができる圧電アクチュエータを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するためになされた本発明に係る圧電アクチュエータは、少なくとも１つ以上の伸縮・せん断変形する圧電素子を有し、前記圧電素子の変形を直線運動に変換する圧電アクチュエータにおいて、圧電素子を保持する保持手段と、圧電素子を接触面に対し所定の力にて押圧する予圧手段とを有し、保持手段は、少なくとも１つ以上の薄板であることを特徴とするものである。
【０００９】
この圧電アクチュエータでは、保持手段により圧電素子が保持されているので、圧電素子が変形した際に横ズレなどの余分な動きが規制される。また、予圧手段により圧電素子は所定の力にて接触面に押圧されているので、接触面の平面度が多少悪くても、両者を精度よく面接触させることができる。したがって、圧電素子の変形量に相当する直線運動（送り量）を確実に得ることができるので、伝達ロスの発生が防止されるため伝達効率が向上する。
【００１０】
また、組立時に精密な位置合わせが行われなくても、予圧手段の作用により、圧電素子を接触面に対して精度よく面接触させることができる。したがって、アクチュエータの組立作業に高度な熟練した技術が不要となるので、組立作業性が向上する。
【００１１】
さらに、保持手段に薄板を用いていることから、保持手段が予圧手段が発生する予圧よりも大きな力で圧電素子を保持することがない。これにより、予圧手段が圧電素子に加える予圧によって、圧電素子を接触面に対して確実に面接触させることができる。言い換えると、保持手段の反力により、予圧手段が圧電素子に加える予圧へ悪影響を与えないようにすることができる。
【００１２】
また、本発明に係る圧電アクチュエータにおいては、予圧手段は、所定の力を調整するための調整手段を備えていることが望ましい。これにより、使用状況に応じて圧電素子に対し最適な予圧を加えることができるので、より確実に伝達ロスを生じさせないようにすることができるからである。また、長期間の使用により摩耗が発生した場合であっても、分解することなく、調整手段により予圧を変えることによって圧電素子を接触面に対して面接触させることができる。このように、メンテナンス作業が非常に容易となるから、メンテナンス性が向上する。さらに、調整手段を設けることにより、常に圧電素子を接触面に対して面接触させることができるので、より確実に伝達ロスの発生を防止することができるため、伝達効率を向上させることができる。
【００１３】
ここで、本発明に係る圧電アクチュエータにおいては、予圧手段は、バネを用いて圧電素子を押圧するようにすればよい。このように予圧手段にバネを用いることにより、コスト面で有利になるからである。
【００１４】
あるいは、予圧手段は、気体圧力を用いて圧電素子を押圧するようにしてもよい。このように予圧手段に気体圧力を用いることにより、遠隔操作により押圧力を簡単に変更することができるとともに微調整することができるからである。
【００１５】
また、本発明に係る圧電アクチュエータにおいては、予圧手段が圧電素子ごとにそれぞれ設けられていることが望ましい。これにより、圧電素子との接触面における平面度の精度が悪い場合であっても、すべての圧電素子を接触面に対して面接触させることができるからである。その結果として、伝達ロスの発生を防止することができるため、伝達効率を向上させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の圧電アクチュエータを具体化した最も好適な実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。そこで、本実施の形態に係る圧電アクチュエータの外観構成を図１〜図３に示し、内部構成を図４〜図８に示す。図１は、圧電アクチュエータの平面図である。図２は、圧電アクチュエータの正面図である。図３は、圧電アクチュエータの側面図である。図４は、図１に示すＡ−Ａ線矢視における断面図である。図５は、図１に示すＢ−Ｂ線矢視における断面図である。図６は、図５に示すＣ−Ｃ線矢視における断面図である。図７は、図６に示すＤ−Ｄ線矢視における断面図である。図８は、図７に示すＥ−Ｅ線矢視における断面図である。
【００１７】
本実施の形態に係る圧電アクチュエータ１０本体は、図１〜図３に示すように、直方体形状をなすものであり、その大きさは約６０ｍｍ×５０ｍｍ×３０ｍｍである。圧電アクチュエータ１０本体は、図６または図８に示すように、二分割されており、ボルト２０によりそれぞれが締結されている。そして、この圧電アクチュエータ１０には、図４〜図８に示すように、圧電素子１１、板バネ１２、予圧調整機構１３、およびクロスローラガイド１４などが備わっている。
【００１８】
圧電素子１１は、せん断変形板と伸縮変形板との積層体とから構成され、その間に絶縁層が介装されたものである。この圧電素子１１に電気信号を入力すると、せん断方向と伸縮方向へ機械的に変形する。その変形を繰り返すことで圧電素子１１が回転運動をしているような動作をするようになっている。そして、このような圧電素子１１が、圧電アクチュエータ１０には８つ設けられている。より詳細に述べると、圧電素子１１は、圧電アクチュエータ１０において、クロスローラガイド１４を挟んで片側に４つずつ対向するように配置されている。
【００１９】
そして、クロスローラガイド１４の片側に配設された圧電素子１１は、図６〜図８に示すように、２つずつ板バネ１２によって保持されている。なお、圧電素子１１を保持していない板バネ１２の他端は、図７、図８に示すように、２本のボルト２１によりアクチュエータ本体に固定されている。この板バネ１２により、圧電素子１１が変形するときに発生する振動によって、圧電素子１１自身あるいはその他の構成部品の位置がずれないようにされている。この板バネ１２は、厚さが約０．１ｍｍであって、その材質はリン青銅である。このように非常に薄い板バネ１２を用いるのは、予圧調整機構１３が圧電素子１１に加える予圧によって、圧電素子１１をクロスローラガイド１４に対して確実に面接触させるためである。つまり、板バネ１２の反力により、予圧調整機構１３が圧電素子１１に加える予圧へ悪影響を与えないようにするためである。
【００２０】
予圧調整機構１３には、圧電素子１１に予圧を加えるためのコイルバネ１３ａと、予圧の大きさを調整するための予圧調整ネジ１３ｂとが備わっている。このような構成により、予圧調整機構１３は、コイルバネ１３ａの付勢力によって、圧電素子１１をクロスローラガイド１４に所定の圧力にて押圧することができるようになっている。そして、予圧調整ネジ１３ｂにより予圧調整機構１３の圧電素子１１に対する押圧力を微調整することができるようになっている。このような予圧調整機構１３が、圧電アクチュエータ１０には、各圧電素子１１に対してそれぞれ設けられている。すなわち、予圧調整機構１３が圧電素子１１と同じ数（本実施の形態では８つ）だけ設けられている。これにより、圧電素子１１と接触するクロスローラガイド１４の平面度の精度が悪い場合であっても、各圧電素子１１へ加える押圧力を微調整することができるので、各圧電素子１１をクロスローラガイド１４に対して確実に面接触させることができるようになっている。
【００２１】
このように予圧調整機構１３が圧電素子１１と同じ数だけ設けられていることにより、簡単に各圧電素子１１をクロスローラガイド１４に対して確実に最適な位置で面接触させることができるようになっているため、組立時に圧電素子１１とクロスローラガイド１４との精密な位置合わせを行う必要がない。したがって、アクチュエータの組立作業に高度な熟練した技術は要求されないので組立作業性が大幅に向上する。
【００２２】
さらに、長期間の使用により各圧電素子１１とクロスローラガイド１４との接触面に摩耗が発生し、初期に調節した圧電素子１１とクロスローラガイド１４との位置関係が変化してしまった場合であっても、分解することなく、予圧調整ネジ１３ｂを操作することにより、再び各圧電素子１１をクロスローラガイド１４に対して確実に面接触させることができる。このように、個々の圧電素子１１の位置調整が非常に容易となるから、メンテナンス性が向上する。
【００２３】
そして、クロスローラガイド１４の両面（圧電素子１１との接触面）には、図４に示すように、アルミナセラミック１４ａが貼り付けられている。圧電アクチュエータ１０では、このクロスローラガイド１４に沿って圧電アクチュエータ１０が直線運動を行うようになっている。すなわち、圧電素子１１の伸縮とせん断を合わせた機械的変形（回転運動）がクロスローラガイド１４へ摩擦により伝達されることで、圧電アクチュエータの直線運動に変換されるようになっている。言い換えると、圧電素子１１の変形量に入力電気信号の周波数を乗じた分だけ圧電アクチュエータ１０が移動するようになっている。
【００２４】
ここで、上記した圧電アクチュエータ１０の変形例について、図９〜図１１を参照して説明する。なお、図９は、圧電アクチュエータの平面図である。図１０は、図９に示すＡ−Ａ線矢視における断面図である。図１１は、図１０に示すＣ−Ｃ線矢視における断面図である。この圧電アクチュエータ３０は、図９〜図１１に示すように、上記した圧電アクチュエータ１０とほとんど同じ構成を有するものであるが、以下の２点の相違点がある。
【００２５】
第１の相違点は、圧電アクチュエータ３０では、圧電アクチュエータ１０のように予圧調整機構１３が各圧電素子１１に対してそれぞれ設けられるのではなく、図９、図１０に示すように、予圧調整機構３３が４つの圧電素子１１に対して１つだけ設けられている点である。第２の相違点は、圧電アクチュエータ３０では、圧電アクチュエータ１０のように１つの板バネ１２によって２つの圧電素子１１を保持しているのに対し、図１１に示すように、１つの板バネ３２によって４つの圧電素子１１を保持している点である。このため、圧電アクチュエータ３０は、圧電アクチュエータ１０に比べると、構成部品の数が少なく小型になっており、コスト面で有利となっている。
【００２６】
しかしながら、圧電アクチュエータ３０においては、各圧電素子１１ごとに押圧力を微調整することができない。このため、クロスローラガイド１４の平面度の精度が悪い場合には圧電素子１１とクロスローラガイド１４とが正確に面接触しない場合が生じてしまう。したがって、伝達ロスが発生するおそれがあるので、圧電アクチュエータ３０は、圧電アクチュエータ１０に比べると伝達効率が低いという不利な点もある。
【００２７】
次に、上記の構成を有する圧電アクチュエータ１０の動作について説明する。圧電アクチュエータ１０に備わる各圧電素子１１に電気信号を入力すると、各圧電素子１１が伸縮方向・せん断方向へ変形する。それを繰り返すことで、各圧電素子１１は回転運動をしているような動作をする。ここで、各圧電素子１１は板バネ１２により保持されているとともに、予圧調整機構１３によりクロスローラガイド１４に対して面接触するように押さえつけられている。このため、各圧電素子１１が変形を繰り返すと、各圧電素子１１とクロスローラガイド１４との間の摩擦により伝達され、圧電アクチュエータ１０の直線運動に変換される。
【００２８】
そして、圧電アクチュエータ１０においては、各予圧調整機構１３により各圧電素子１１に対し使用状況に応じた最適な予圧を加えることができる。このため、各圧電素子１１はクロスローラガイド１４に対して常に最適な位置関係を保持することができるので、圧電素子１１の回転運動を圧電アクチュエータ１０の直線運動に変換する際に伝達ロスが発生しない。すなわち、圧電アクチュエータ１０における伝達効率は非常に高い。
【００２９】
このことを実証すべく、本出願人は圧電素子への入力周波数に対するアクチュエータの動作速度の変化を調べた。その結果を図１２に示す。図１２は、横軸に圧電素子への入力周波数をとり、縦軸にアクチュエータの速度をとって、本実施の形態のもの（実線：菱形）、本実施の形態の変形例（一点鎖線：三角）、および従来例に相当する板バネなしのもの（破線：四角）のそれぞれについて動作速度を示したグラフである。なお、図中における直線は、実測データの１次近似線である。ここで、実験条件は、圧電素子へ加える予圧を５Ｎに設定し、入力電圧を±４０Ｖ、入力周波数を０〜５０ｋＨｚとした。そして、図１２において、入力周波数に比例してアクチュエータの速度が変化すれば、伝達ロスを生じることなく圧電素子の回転運動がアクチュエータの直線運動に変換されていると考えることができる。
【００３０】
そこで、実験結果を検討すると、図１２から明らかなように、圧電素子への入力周波数に対するアクチュエータの動作速度の特性は、板バネなしの圧電アクチュエータ（破線）に比べ、板バネを備えた圧電アクチュエータ１０（実線）あるいは３０（一点鎖線）の方が良いことがわかる。このことから、本実施の形態に係る圧電アクチュエータ１０（あるいは３０）は、従来の圧電アクチュエータに比べると、伝達ロスが発生しにくく伝達効率が向上していると言える。
【００３１】
また、板バネを備えるものの中でも、各圧電素子１１に対しそれぞれ予圧調整機構１３を設けた圧電アクチュエータ１０の方が圧電アクチュエータ３０に比べて動作速度特性が良いことがわかる。すなわち、各圧電素子に対しそれぞれ予圧調整機構を設けることにより、アクチュエータの動作速度特性をよくすることができることから、このような構成とすることにより、伝達ロスがより発生しにくくなっていると言える。そして、圧電アクチュエータ１０における一次近似直線を見ると、入力周波数にほぼ比例して動作速度が大きくなることがわかる。これらのことから、本実施の形態に係る圧電アクチュエータ１０においては、圧電素子１１の回転運動が伝達ロスを生じることなく圧電アクチュエータ１０の直線運動に効率よく変換されていると言える。
【００３２】
以上、詳細に説明したように実施の形態に係る圧電アクチュエータ１０では、伸縮・せん断変形する圧電素子１１を保持する板バネ１２を有するので、圧電素子１１が変形した際に横ズレなどの余分な動きを規制することができる。また、圧電素子１１をクロスローラガイド１４に面接触させるために圧電素子１１に対して予圧を加える予圧調整機構１３を有するので、クロスローラガイド１４の平面度が多少悪くても、クロスローラガイド１４に対して圧電素子１１を精度よく面接触させることができる。したがって、圧電素子１１の変形量に相当する直線運動（送り量）を確実に得ることができる。すなわち、圧電アクチュエータ１０においては、伝達ロスの発生が確実に防止されるので伝達効率を向上させることができる。
【００３３】
また、予圧調整機構１３が圧電素子１１と同じ数だけ設けられていることにより、それぞれの圧電素子１１をクロスローラガイド１４に対して精度よく面接触させることができる位置へ調整可能なため、組立時に両者の精密な位置合わせを行う必要がない。したがって、アクチュエータの組立作業に高度な熟練した技術が要求されないので、組立作業性が向上する。
【００３４】
さらに、長期間の使用により、圧電素子１１とクロスローラガイド１４との接触面に摩耗が発生し、初期に調節した圧電素子１１とクロスローラガイド１４との位置関係が変化してしまった場合であっても、分解することなく、予圧調整バネ１３ｂにより予圧を調整することによって圧電素子１１をクロスローラガイド１４に対して再び面接触させることができる位置へ調節することができる。これにより、圧電素子１１の位置調整が非常に容易となるのでメンテナンス性が向上する。
【００３５】
また、圧電アクチュエータ１０においては、各圧電素子１１のそれぞれに対して予圧調整機構１３を設けているので、クロスローラガイド１４における平面度の精度が悪い場合であっても、各圧電素子１１をクロスローラガイド１４に対して面接触させることができる位置へ調整可能である。その結果として、伝達ロスの発生をより効果的に防止することができるため、伝達効率をより向上させることができる。
【００３６】
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態では、圧電素子１１へ加える予圧の調整を予圧調整ネジ１３ｂとコイルバネ１３ａとを用いて行っているが、これに限られず例えば、空気圧などを利用して圧電素子１１へ加える予圧を調整するようにしてもよい。また、圧電素子１１を保持するために板バネ１２を使用しているが、板バネ１２の代わりに、圧電アクチュエータ本体と一体化された細いヒンジによって圧電素子１１を保持するようにしてもよい。さらに、使用する圧電素子１１の数は、８つに限られることなく、圧電アクチュエータの使用目的に応じて適宜に設定すればよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明に係る圧電アクチュエータによれば、少なくとも１つ以上の伸縮・せん断変形する圧電素子と、圧電素子を保持する保持手段と、圧電素子を接触面に対し所定の圧力にて押圧する予圧手段とを有するので、圧電素子が変形した際に横ズレなどの余分な動きが規制されるとともに、圧電素子が接触する接触面の平面度が多少悪くても、圧電素子を接触面に対して精度よく面接触させることができる。したがって、圧電素子の変形量に相当する直線運動（送り量）を確実に得ることができるので、伝達ロスの発生が防止されるため伝達効率を向上させることができる。
【００３８】
また、圧電アクチュエータの組立時に精密な位置合わせが行われていなくても、予圧手段の作用により、圧電素子を接触面に対して精度よく面接触させることができる。したがって、アクチュエータの組立作業に高度な熟練した技術が要求されないので、組立作業性が向上する。
【００３９】
さらに、本発明に係る圧電アクチュエータによれば、予圧手段は、所定の圧力を調整するための調整手段を備えているので、使用状況に応じて圧電素子に対し最適な予圧を加えることができるため、より確実に伝達ロスの発生を防止することができる。また、長期間の使用により摩耗が発生した場合であっても、分解することなく、調整手段により予圧を変えることによって圧電素子を接触面に対して面接触させることができる。このように、メンテナンス作業を非常に容易にすることができる。すなわち、メンテナンス性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る圧電アクチュエータの平面図である。
【図２】図１に示す圧電アクチュエータの正面図である。
【図３】図１に示す圧電アクチュエータの側面図である。
【図４】図１に示すＡ−Ａ線矢視における断面図である。
【図５】図１に示すＢ−Ｂ線矢視における断面図である。
【図６】図５に示すＣ−Ｃ線矢視における断面図である。
【図７】図６に示すＤ−Ｄ線矢視における断面図である。
【図８】図７に示すＥ−Ｅ線矢視における断面図である。
【図９】変形例の圧電アクチュエータの平面図である。
【図１０】図９に示すＡ−Ａ線矢視における断面図である。
【図１１】図１０に示すＣ−Ｃ線矢視における断面図である。
【図１２】圧電素子への入力周波数に対するアクチュエータの動作速度の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１０　　圧電アクチュエータ
１１　　圧電素子
１２　　板バネ
１３　　予圧調整機構
１３ａ　コイルバネ
１３ｂ　予圧調整ネジ
１４　　クロスローラガイド
【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】
2004072908.tif 000008
【図７】
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【図８】
2004072908.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2004072908.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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