(57)【要約】【課題】駆動の際の変位を従来よりも大きくと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】中空状圧電素子1と、その外周面に等間隔で設けられた複数の駆動電極5-1,5−2,5−3,5−4,5−5,5−6,5−7,5−8と、その内周面に設けられた基準電極7と、複数の圧電活性化領域3-1,3−2,3−3,3−4,3−5,3−6,3−7,3−8と、を圧電アクチュエータに具備させる。前記複数の圧電活性化領域3-1,3−2,3−3,3−4,3−5,3−6,3−7,3−8は、駆動境界境Bに対して一方側の領域である第１領域1-1または他方側の領域である第２領域1-2に属し、第１領域1-1に属する圧電活性化領域が伸張変形するときは第２領域1-2に属する圧電活性化領域は収縮変形し、第１領域1-1に属する圧電活性化領域が収縮変形するときは第２領域1-2に属する圧電活性化領域は伸張変形する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略筒型で中空状の圧電素子と、
当該圧電素子の外周面に等間隔で設けられた複数の駆動電極と、
当該圧電素子の内周面のうち少なくとも前記駆動電極に対応する位置に設けられた基準電極と、
前記駆動電極と前記基準電極との間の分極された領域である複数の圧電活性化領域と、
を具備し、
前記複数の圧電活性化領域は、当該圧電素子の変位方向に対して垂直であって且つ当該圧電素子の中心軸を含む断面を境にして、一方側の領域である第１領域または他方側の領域である第２領域に属し、前記第１領域に属する圧電活性化領域が伸張変形するときは前記第２領域に属する圧電活性化領域は収縮変形し、前記第１領域に属する圧電活性化領域が収縮変形するときは前記第２領域に属する圧電活性化領域は伸張変形する
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記複数の駆動電極は、前記断面に対して互いに対称に前記第１の領域と前記第２の領域とに配設され、互いに対向して対を成す複数対の電極を構成している
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
当該圧電素子の変位方向と、前記駆動電極の対向方向とは所定の角度を成している
ことを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記複数の駆動電極は、当該圧電素子の外周面を周方向に８等分するように周方向に等間隔で設けられた８個の電極である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうち何れか一つに記載の圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば圧電素子等の振動子を用いた圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、圧電アクチュエータとして、例えば円筒型圧電素子が知られている。円筒型圧電素子は、例えば試料やプローブを水平方向（以下ＸＹ方向と称する）と高さ方向（以下Ｚ方向と称する）とに精度良く走査する為の微小領域走査装置に用いられている。この微小領域走査装置では、円筒型圧電素子の横効果を利用して、試料やプローブを１本の円筒型圧電素子によってＸＹ方向及びＺ方向に走査する。走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に利用される微小領域走査装置には、特に、０．０１〜０．１ｎｍの高い分解能が要求される為、円筒型圧電素子が使用されることが多い。
【０００３】
このような円筒型圧電素子に関連する技術として、例えば特許文献１に次のような技術が開示されている。すなわち、特許文献１には、円筒型圧電素子の円筒側面を湾曲させ、円筒型圧電素子同士を連結する梁をＸＹ方向に走査する微小領域走査装置を利用したプローブ顕微鏡が開示されている。
【０００４】
この特許文献１に開示されている円筒型圧電素子は、周方向に４分割された４つの領域から成り、それら各領域には圧電活性化領域が設けられている。特許文献１に開示されているプローブ顕微鏡は、２個の前記円筒型圧電素子を具備している。そして、それら２個の円筒型圧電素子を協調させて駆動することで、ステージを動かしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１０８５９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている円筒型圧電素子は、その変位の際に当該変位に寄与しない圧電活性化領域が存在する。換言すれば、円筒形圧電素子が変位する際に、全ての圧電活性化領域が当該変位に寄与しているわけではない。このように、特許文献１に開示されている円筒型圧電素子は、各部位を有効に活用している構成の円筒形圧電素子ではない。つまり、この円筒型圧電素子は、駆動の際の変位を大きくとる為の最適化が成されていない。
【０００７】
本発明は、前記の事情に鑑みて為されたものであり、駆動の際の変位を従来よりも大きくとることができる圧電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】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明の一態様による圧電アクチュエータは、
略筒型で中空状の圧電素子と、
当該圧電素子の外周面に等間隔で設けられた複数の駆動電極と、
当該圧電素子の内周面のうち少なくとも前記駆動電極に対応する位置に設けられた基準電極と、
前記駆動電極と前記基準電極との間の分極された領域である複数の圧電活性化領域と、
を具備し、
前記複数の圧電活性化領域は、当該圧電素子の変位方向に対して垂直であって且つ当該圧電素子の中心軸を含む断面を境にして、一方側の領域である第１領域または他方側の領域である第２領域に属し、前記第１領域に属する圧電活性化領域が伸張変形するときは前記第２領域に属する圧電活性化領域は収縮変形し、前記第１領域に属する圧電活性化領域が収縮変形するときは前記第２領域に属する圧電活性化領域は伸張変形する
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、駆動の際の変位を従来よりも大きくとることができる圧電アクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る中空状圧電素子の構成例（圧電活性化領域の構成例）を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る中空状圧電素子の構成例（駆動電極の構成例）を示す斜視図である。
【図３】図３は、中空状圧電素子を図４に矢印Ｄで示す方向に曲げ変形させる場合における各圧電活性化領域の変形方向を示す斜視図である。
【図４】図４は、変形した中空状圧電素子の一例を示す斜視図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係る中空状圧電素子を、細径ＳＰＭプローブに適用した一例を示す斜視図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に係る中空状圧電素子を微小ステージに適用した一例を示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に係る中空状圧電素子を、細径ＳＰＭプローブに適用した一例を示す斜視図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に係る中空状圧電素子を微小ステージに適用した一例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータについて説明する。なお、本一実施形態に係る圧電アクチュエータとしては円筒型の中空状圧電素子を想定しているが、円筒型以外の柱状の中空状圧電素子にも本一実施形態を適用することができる。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係る中空状圧電素子の構成例（圧電活性化領域の構成例）を示す斜視図である。図２は、本発明の一実施形態に係る中空状圧電素子の構成例（駆動電極の構成例）を示す斜視図である。
図１及び図２に示すように、本一実施形態に係る中空状圧電素子１は、分極された領域である圧電活性化領域３−１，３−２，３−３，３−４，３−５，３−６，３−７，３−８と、当該中空状圧電素子１の外周面に設けられた駆動電極５−１，５−２，５−３，５−４，５−５，５−６，５−７，５−８と、当該中空状圧電素子１の内周面に設けられた基準電極７と、を具備する。
【００１３】
前記中空状圧電素子１本体は、例えばジルコン酸チタン酸鉛等の圧電材料から成り、中空で略円筒形状を呈する圧電素子である。
前記圧電活性化領域３−１，３−２，３−３，３−４，３−５，３−６，３−７，３−８は、図１に示すように中空状圧電素子１本体の外周を８等分するように、周方向に等間隔で設けられた８個の圧電活性化領域である。これら圧電活性化領域３−１，３−２，３−３，３−４，３−５，３−６，３−７，３−８は、それぞれ、当該中空状圧電素子１の径方向については外周面から内周面に亘って設けられ、且つ、当該中空状圧電素子１の長軸方向については一方端部近傍から他方端部近傍まで設けられている。
【００１４】
これら圧電活性化領域３−１，３−２，３−３，３−４，３−５，３−６，３−７，３−８は、当該中空状圧電素子１の内周面（基準電極７）と外周面（駆動電極５−１，５−２，５−３，５−４，５−５，５−６，５−７，５−８）との間で径方向に分極された領域である。
【００１５】
前記駆動電極５−１は、中空状圧電素子１の外周面に露出した圧電活性化領域３−１に対して設けられた電極である。前記駆動電極５−２は、中空状圧電素子１の外周面に露出した圧電活性化領域３−２に対して設けられた電極である。前記駆動電極５−３は、中空状圧電素子１の外周面に露出した圧電活性化領域３−３に対して設けられた電極である。前記駆動電極５−４は、中空状圧電素子１の外周面に露出した圧電活性化領域３−４に対して設けられた電極である。前記駆動電極５−５は、中空状圧電素子１の外周面に露出した圧電活性化領域３−５に対して設けられた電極である。前記駆動電極５−６は、中空状圧電素子１の外周面に露出した圧電活性化領域３−６に対して設けられた電極である。前記駆動電極５−７は、中空状圧電素子１の外周面に露出した圧電活性化領域３−７に対して設けられた電極である。前記駆動電極５−８は、中空状圧電素子１の外周面に露出した圧電活性化領域３−８に対して設けられた電極である。
【００１６】
前記基準電極７は、図２に示すように当該中空状圧電素子１の内周面全面に亘って設けられた駆動電極である。換言すれば、基準電極７は、中空状圧電素子１の内周面に露出した圧電活性化領域３−１，３−２，３−３，３−４，３−５，３−６，３−７，３−８の全てに亘って形成された共通電極である。なお、この基準電極７は、駆動電極５−１，５−２，５−３，５−４，５−５，５−６，５−７，５−８にそれぞれ対応させて複数に分割した態様で形成してもよい（換言すれば、共通電極として形成せず、各駆動電極に対応した個別の電極として形成してもよい）。
【００１７】
図３は、中空状圧電素子を図４に矢印Ｄで示す方向に変形させる場合における各圧電活性化領域の変形方向を示す斜視図である。図４は、曲げ変形した中空状圧電素子の一例を示す斜視図である。
本一実施形態に係る中空状圧電素子１は、その一端を固定端とし、内周面の基準電極７と、外周面の駆動電極５−１，５−２，５−３，５−４，５−５，５−６，５−７，５−８との間に電圧を印加することで、変形を生じさせることができる（駆動することができる）。以下、図３及び図４を参照して、本一実施形態に係る中空状圧電素子１の駆動方法の一例について説明する。
【００１８】
説明の便宜上、本一実施形態に係る中空状圧電素子１の駆動（図４に示す例では矢印Ｄで示す方向への曲げ変形（Ｘ軸方向への変位））の際に、その変位方向に対して垂直であって且つ中空状圧電素子１の中心軸を通る面を“駆動境界面（図１及び図３において符号Ｂが付されている面）”と称する。換言すれば、駆動境界面Ｂは、当該中空状圧電素子１の中心軸を含み且つ当該中空状圧電素子１を二等分する断面である。
【００１９】
そして、この駆動境界面Ｂを境にして、一方側の領域を“第１領域（図１及び図３において符号１−１が付された領域）”と称し、他方側の領域を“第２領域（図１及び図３において符号１−２が付された領域）”と称する。
図３及び図４に示す例では、圧電活性化領域３−１，３−２，３−７，３−８は第１領域１−１に属し、圧電活性化領域３−３，３−４，３−５，３−６は第２領域に１−２に属している。
【００２０】
図４に示すようにＸ軸方向に中空状圧電素子１を変位させる場合には、図３に示すように、第１領域１−１に属する圧電活性化領域３−１，３−２，３−７，３−８を収縮させるように駆動電極５−１，５−２，５−７，５−８に駆動電圧を印加し、第２領域１−２に属する圧電活性化領域３−３，３−４，３−５，３−６を収縮させるように駆動電極５−３，５−４，５−５，５−６に駆動電圧を印加する。
【００２１】
つまり、本一実施形態に係る中空状圧電素子１を任意の方向に曲げ変形させる為には、第１領域１−１と第２領域１−２とで逆の動き（一方が伸張、且つ、他方が収縮）をするように、互いに逆極性の電圧を、各領域に属する圧電活性化領域に印加する。詳細には、曲がる方向側の領域を収縮させ、且つ、他方側を伸張させるように、各領域に属する圧電活性化領域に互いに逆極性の電圧を印加する。
【００２２】
本例の場合、図３及び図４に示すように、第１領域１−１は収縮し、且つ、第２領域１−２は伸張するように各領域に属する各圧電活性化領域に電圧を与えることで、当該中空状圧電素子１は、第２領域１−２から第１領域１−１に向かう方向へ曲げ変形する。
【００２３】
このように、本一実施形態に係る中空状圧電素子１の変形においては、当該中空状圧電素子１に設けられた全ての圧電活性化領域３−１，３−２，３−３，３−４，３−５，３−６，３−７，３−８が、当該変形に寄与している。従って、特許文献１に開示されている技術を適用した場合よりも大きな変位を得ることができる。
【００２４】
なお、駆動境界面Ｂの向きは、固定された向きではなく、駆動方向（変位方向）に応じた向きとなる。換言すれば、駆動境界面Ｂは固定された面ではない。すなわち、所望の駆動方向（変位方向）に応じた駆動境界面Ｂの向きとすることで、上述の駆動方法と同様の駆動方法により、当該中空状圧電素子１を所望の方向へ駆動（変位）させることができる。
【００２５】
以下、本一実施形態に係る中空状圧電素子１における圧電活性化領域の配設態様を詳細に説明する。
すなわち、図３及び図４に示すように、本一実施形態に係る中空状圧電素子１では、その変位方向（図３及び図４に示す例ではＸ軸方向）と、互いに対向関係にある圧電活性化領域の対向方向（圧電活性化領域３−１と圧電活性化領域３−５との対向方向、圧電活性化領域３−２と圧電活性化領域３−６との対向方向、圧電活性化領域３−３と圧電活性化領域３−７との対向方向、圧電活性化領域３−４と圧電活性化領域３−８との対向方向）とが対応していない。換言すれば、駆動の際の中空状圧電素子１の変位方向と、互いに対向する各圧電活性化領域の対向方向とが、所定の角度を成している。
【００２６】
このように構成することで、中空状圧電素子１の駆動の際には、設けられた全ての圧電活性化領域３−１，３−２，３−３，３−４，３−５，３−６，３−７，３−８が、当該中空状圧電素子１の変位に寄与する。つまり、駆動の際に変位に寄与しない無駄な圧電活性領域が存在しない。
【００２７】
一方、特許文献１に開示されている円筒型圧電素子に代表される従来の技術では、円筒型圧電素子の変位方向と、圧電活性化領域の対向方向とが同一である（換言すれば、圧電活性化領域の対向方向が変位方向となっている）。そして、このような構成が、駆動の際に円筒型圧電素子の変位に寄与しない無駄な圧電活性領域を生じさせている。
【００２８】
以下、本一実施形態に係る中空状圧電素子の適用例を説明する。図５は、本一実施形態に係る中空状圧電素子を、細径ＳＰＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）プローブに適用した一例を示す斜視図である。図６は、本一実施形態に係る中空状圧電素子を微小ステージに適用した一例を示す斜視図である。
【００２９】
すなわち、図５に示す例では、本一実施形態に係る中空状圧電素子１の一方端側の中空部位（開口部位）に探針部材１０１を配設し、且つ、他方端を支持部１００に対して固定している。このように構成することで、探針部材１０１を被駆動体とする微小駆動機構（細径ＳＰＭ(Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ)プローブ）が実現する。
【００３０】
また、図６に示す例では、本一実施形態に係る中空状圧電素子１の一方端面に平板１０３を設け、且つ、他方端を支持部１００に対して固定している。このように構成することで微小ステージが実現し、例えばスキャナミラー等に用いることができる。
以下、図７及び図８を参照して、共振現象を利用した駆動を行う場合の適用例を説明する。
【００３１】
図７に示す例では、本一実施形態に係る中空状圧電素子１の一方端側の中空部位（開口部位）に探針部材１０１を配設し、且つ、他方端側の所定位置を支持部１００に対して固定している。このように構成することで、探針部材１０１を被駆動体とする微小駆動機構（細径ＳＰＭ(Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ)プローブ）が実現する。
【００３２】
また、図８に示す例では、本一実施形態に係る中空状圧電素子１の一方端面に平板１０３を設け、且つ、他方端側の所定位置を支持部１００に対して固定している。このように構成することで微小ステージが実現し、例えばスキャナミラー等に用いることができる。
【００３３】
ここで、図７及び図８に示す例において、支持部１００で固定している位置は、中空状圧電素子１と被駆動体（探針部材１０１或いは平板１０３）とから成る系の共振モードにおける節位置である。このように構成し、中空状圧電素子１と被駆動体（探針部材１０１或いは平板１０３）とから成る系の共振周波数の駆動信号を各圧電活性化領域に印加することで、共振現象を利用してより大きな振幅を得ることができる。
【００３４】
以上説明したように、本一実施形態によれば、駆動の際に変位を従来よりも大きくとることができる圧電アクチュエータを提供することができる。
すなわち、本一実施形態に係る中空状圧電素子１では、駆動の際に全ての圧電活性化領域３−１，３−２，３−３，３−４，３−５，３−６，３−７，３−８を利用して、当該中空状圧電素子１を変位させる（曲げる）為、そのような構成を採らない従来の中空状圧電素子に比べて変位を大きくとることができる。換言すれば、従来の技術と比較して、同じ駆動電力であっても出力を大きくとることができる。また、中空状圧電素子の各領域を無駄なく利用できる為、小型化（例えば細径化）も容易となる。
【００３５】
なお、当該中空状圧電素子１に交流の駆動信号を与え、共振現象を利用することで更に大きな変位を得るように構成することも可能である。また、伸縮させる圧電活性化領域の組み合わせを連続的に変化させることで、当該中空状圧電素子１の先端に円軌跡を描かせるように駆動することもできる。このように駆動する場合には、当該中空状圧電素子１の長軸方向端部で固定するのではなく、共振モードにおける節位置近傍で固定することで最も大きな変位を得ることができる。
【００３６】
さらには、上述の一実施形態では、８個の圧電活性化領域を設けた態様（８分割構成）の構成としているが、例えば１０個や１２個等の圧電活性化領域を設けた態様（１０分割構成や１２分割構成）の構成とし、変位方向についてより細かく制御できるように（滑らかに駆動できるように）してもよい。
【００３７】
ところで、中空状圧電素子１の製造方法としては、例えば、押出成形等でチューブ状に圧電素子を成型する方法を採用してもよいし、一体焼成した円柱状圧電素子に機械加工で穴を設ける方法を採用してもよいし、金属等の弾性体に圧電材料を接着固定する方法を採用してもよいし、水熱合成法、スパッタ法、エアロゾルデポジション法等により弾性体に圧電材料を直接成膜する方法を採用してもよい。なお、中空状圧電素子１の形態が、円柱状以外の形態、例えば多角柱状等の形態であっても、上述の一実施形態を適用することができる。
【００３８】
以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、例えば次のような変形及び応用が可能なことは勿論である。
さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示した複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示す全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
【符号の説明】
【００３９】
Ｂ…駆動境界面、  １…中空状圧電素子、  １−１…第１領域、  １−２…第２領域、  ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５，３−６，３−７，３−８…圧電活性化領域、  ５−１，５−２，５−３，５−４，５−５，５−６，５−７，５−８…駆動電極、  ７…基準電極、  １００…支持部、  １０１…探針部材、  １０３…平板。
【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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