(57)【要約】【課題】簡略な構成で小型化が容易な圧電アクチュエータを提供することを提供すること。【解決手段】略筒型の中空状圧電素子1を次のように構成する。すなわち、当該略筒型の中空状圧電素子1の中心軸を含み且つ当該中空状圧電素子を二等分する断面Pを境にして一方側において、前記中心軸に対して直交する方向である第１の方向に傾けて設けられた第１の圧電活性化領域10-1と、前記断面Pを境にして他方側において、前記第１の圧電活性化領域10-1と所定の対称性を有する態様で設けられた第２の圧電活性化領域10-2と、前記中空状圧電素子1に具備させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略筒型の中空状圧電素子であって、
当該略筒型の中空状圧電素子の中心軸を含み且つ当該中空状圧電素子を二等分する断面を境にして一方側において、前記中心軸に対して直交する方向である第１の方向に傾けて設けられた第１の圧電活性化領域と、
前記断面を境にして他方側において、前記第１の圧電活性化領域と所定の対称性を有する態様で設けられた第２の圧電活性化領域と、
を具備することを特徴とする中空状圧電素子。
【請求項２】
前記所定の対称性とは、前記第１の圧電活性化領域と前記第２の圧電活性化領域とが、前記断面を挟んで対向している
ことを特徴とする請求項１に記載の中空状圧電素子。
【請求項３】
前記所定の対称性とは、前記第１の圧電活性化領域と前記第２の圧電活性化領域とが、前記断面を挟んで互いに鏡像の関係にある
ことを特徴とする請求項２に記載の中空状圧電素子。
【請求項４】
前記略筒型とは略円筒型である
ことを特徴とする請求項１に記載の中空状圧電素子。
【請求項５】
前記内周面のうち少なくとも前記第１の圧電活性化領域及び前記第２の圧電活性化領域が露出している部位には電極が設けられ、
前記外周面のうち前記第１の圧電活性化領域が露出している部位と、前記第２の圧電活性化領域が露出している部位とには、それぞれ別個に電極が設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の中空状圧電素子。
【請求項６】
当該中空状圧電素子の一方端には被駆動体が接続され、且つ、他方端は固定されている
ことを特徴とする中空状圧電素子。
【請求項７】
当該中空状圧電素子の一方端には被駆動体が接続され、且つ、当該中空状圧電素子と前記被駆動体とから成る系の共振モードの節位置が固定されている
ことを特徴とする中空状圧電素子。
【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に開示されている技術では、一本の円筒型圧電素子に最少でも４個の圧電活性化領域、及びそれら４個の圧電活性化領域の夫々について給電部材（配線や駆動電極等）を設けなければならない。従って、特許文献１に開示されている円筒型圧電素子は小型化（特に細径化）には適さない。
【０００７】
本発明は、前記の事情に鑑みて為されたものであり、簡略な構成で小型化が容易な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、
略筒型の中空状圧電素子であって、
当該略筒型の中空状圧電素子の中心軸を含み且つ当該中空状圧電素子を二等分する断面を境にして一方側において、前記中心軸に対して直交する方向である第１の方向に傾けて設けられた第１の圧電活性化領域と、
前記断面を境にして他方側において、前記第１の圧電活性化領域と所定の対称性を有する態様で設けられた第２の圧電活性化領域と、
を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、簡略な構成で小型化が容易な圧電アクチュエータを提供することを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る中空状圧電素子の一構成例を示す斜視図。
【図２】本発明の一実施形態に係る中空状圧電素子の側面展開図。
【図３Ａ】中空状圧電素子をＸ方向に変形させる場合における第１の圧電活性化領域及び第２の圧電活性化領域の変形方向の一例を示す図。
【図３Ｂ】中空状圧電素子をＸ方向に変形させる場合における第１の圧電活性化領域及び第２の圧電活性化領域の変形方向の一例を示す図。
【図３Ｃ】中空状圧電素子をＹ方向に変形させる場合における第１の圧電活性化領域と第２の圧電活性化領域との変形方向の一例を示す図。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】従来の一般的な中空状圧電素子の側面展開図を示す図。
【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、円筒型以外の形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一構成例を示す斜視図である。図２は、本一実施形態に係る中空状圧電素子の側面展開図である。
本一実施形態に係る中空状圧電素子１は、側壁部２と、第１の圧電活性化領域１０−１と、第２の圧電活性化領域１０−２と、第１の駆動電極１２−１と、第２の駆動電極１２−２と、基準電極２２と、を具備している。
【００１３】
前記側壁部２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。この側壁部２は、側面展開した状態では図２に示すように略板形状を呈する。
前記第１の圧電活性化領域１０−１及び前記第２の圧電活性化領域１０−２は、円筒形状を呈する当該中空状圧電素子１の中心軸方向（後述するＺ軸方向）に対して所定方向（後述するＸ軸方向）に所定角度（後述する角度θ）だけ傾けた態様で設けられた略直方体形状の圧電活性化領域である。
【００１４】
前記第１の圧電活性化領域１０−１は、図２に示すように側面展開した状態の側壁部２の高さ方向に対して、反時計回りに角度θだけ傾けた態様で設けられている。一方、前記第２の圧電活性化領域１０−２は、図２に示すように側面展開した状態の側壁部２の高さ方向に対して、時計回りに角度θだけ傾けた態様で設けられている。
【００１５】
つまり、第１の圧電活性化領域１０−１と第２の圧電活性化領域１０−２とは、当該中空状圧電素子１を側面展開した状態では、図２に示すように、一対で略“ハ”の字を呈するように設けられている。換言すれば、第１の圧電活性化領域１０−１と第２の圧電活性化領域１０−２とは、側面展開した状態における側壁部２の主平面上で、長手方向に並列に、且つ、当該主平面上で略１８０度回転した態様で設けられている。
【００１６】
このように設けられることで、第１の圧電活性化領域１０−１と第２の圧電活性化領域１０−２とは、図１に示すように円筒形状を呈する中空状圧電素子１の中心軸を通り且つ当該中空状圧電素子１を二等分する断面Ｐに対して、互いに対称な（同図に示す例では鏡像の）関係となる。
【００１７】
ここで、図２に示すように、側面展開した状態における側壁部２の長手方向（円筒形状時における周方向）における、第１の圧電活性化領域１０−１の長さ及び第２の圧電活性化領域１０−２の長さを“ａ”とし、且つ、同方向における第１の圧電活性化領域１０−１と第２の圧電活性化領域１０−２との間の距離を“ｂ”とする。すると、本一実施形態に係る中空状圧電素子１の周方向の最小の長さは、“２ａ＋２ｂ”と表される。
【００１８】
一方、従来技術では円筒形状を呈する中空状圧電素子１の周方向の最小の長さは、“４ａ＋４ｂ”と表される（従来技術との対比については後に詳述する）。
なお、前記長さ“ａ”の値、及び前記距離“ｂ”の値については、圧電素子製造技術によってその最小寸法が決定される。
【００１９】
上述の各圧電活性化領域１０−１，１０−２は、当該中空状圧電素子１の径方向について外周面から内周面に亘って設けられている。詳細は後述するが、内周面における露出部位には基準電極２２が形成されており、外周面における露出部位には各駆動電極１２−１，１２−２が形成されている。
【００２０】
前記第１の駆動電極１２−１は、当該中空状圧電素子１の外周面に露出している第１の圧電活性化領域１０−１を覆うように設けられた電極である。同様に、前記第２の駆動電極１２−２は、当該中空状圧電素子１の外周面に露出している第２の圧電活性化領域１０−２を覆うように設けられた電極である。
【００２１】
前記基準電極２２は、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の為の電極である。
なお、上述した第１の駆動電極１２−１、第２の駆動電極１２−２、及び基準電極２２の形成方法としては、例えば金属材料を焼付、メッキ、或いはスパッタ等の手法で成膜して形成する方法等を挙げることができる。
【００２２】
以下、図３Ａ乃至図３Ｃを参照して、本一実施形態に係る中空状圧電素子の作用について説明する。図３Ａ及び図３Ｂは、中空状圧電素子１をＸ軸方向に変形させる場合における第１の圧電活性化領域１０−１と第２の圧電活性化領域１０−２との変形方向の一例を示す図である。図３Ｃは、中空状圧電素子１をＹ軸方向に変形させる場合における第１の圧電活性化領域１０−１と第２の圧電活性化領域１０−２との変形方向の一例を示す図である。
【００２３】
ここで、互いに直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸）を設定する。すなわち、第１の圧電活性化領域１０−１及び第２の圧電活性化領域１０−２が傾いている方向をＸ軸方向とし、第１の圧電活性化領域１０−１から第２の圧電活性化領域１０−２へ向かう方向をＹ軸方向とし、中空状圧電素子１の高さ方向（中心軸方向）をＺ軸方向とする。
【００２４】
中空状圧電素子１の一方端（図３Ａ乃至の図３Ｃに示す例では下端）を固定端とし、中空状圧電素子１の内周面に設けられた基準電極２２と、外周面に設けられた第１の駆動電極１２−１及び第２の駆動電極１２−２とに、所定の直流電圧を印加することで、当該中空状圧電素子１全体を次のように変形させることができる。
【００２５】
なお、一方端を固定端とするのではなく、一方端の近傍を固定しても勿論よい。
《Ｘ方向への駆動》
第１の駆動電極１２−１と第２の駆動電極１２−２とに同相の直流電圧を印加し、第１の圧電活性化領域１０−１と第２の圧電活性化領域１０−２とに同じ伸縮変形をさせる。図３Ａに示す例では、第１の圧電活性化領域１０−１と第２の圧電活性化領域１０−２とを共に矢印ｅで示す方向（各圧電活性化領域の長手方向）に伸張させている。
【００２６】
この結果、中空状圧電素子１は、図３Ｂに示すように全体としてＸ方向に向かって伸張変形する（図３Ｂにおいて矢印Ｂｘで示す方向に屈曲する）。
《Ｙ方向への駆動》
第１の駆動電極１２−１と第２の駆動電極１２−２とに互いに逆相の直流電圧を印加し、第１の圧電活性化領域１０−１と第２の圧電活性化領域１０−２とに互いに逆の伸縮変形をさせる。図３Ｃに示す例では、第１の圧電活性化領域１０−１を矢印ｅ´で示す方向（長手方向）に縮ませ、且つ、第２の圧電活性化領域１０−２を矢印ｅで示す方向（長手方向）に伸張させている。
【００２７】
この結果、中空状圧電素子１は全体としてｙ方向に向かって伸張変形する（図３Ｃにおいて矢印Ｂｙで示す方向に屈曲する）。
以上説明した駆動原理を利用して、例えば第１の駆動電極１２−１と第２の駆動電極１２−２とに印加する直流電圧の値に差を設けることで、駆動方向をより細かに制御することができる。
【００２８】
なお、圧電素子への入力信号として交流信号を用い、中空状圧電素子１の共振を利用して、より大きな変位を得るように構成しても勿論よい。この場合には、中空状圧電素子１を、端部ではなく共振振動モードの節に対応する位置で固定することで、最も大きな変位を得ることが可能となる。さらには、互いに位相差を有する交流信号を圧電素子への入力信号として用いることで、その端部に円（又は楕円）形状の軌道を描かせるように駆動することが可能となる。
【００２９】
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４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５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。
【００３０】
すなわち、図４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。
【００３１】
また、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６及び図７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。
【００３２】
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。
【００３３】
また、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。
【００３４】
ここで、図６及び図７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。
【００３５】
以上説明したように、本一実施形態によれば、簡略な構成で小型化が容易な圧電アクチュエータを提供することができる。具体的には、本一実施形態に係る中空状圧電素子によれば、次のような効果を得ることができる。
まず、直交２軸方向（上述のＸ軸方向及びＹ軸方向）への動作を１本の中空状圧電素子に設けた２つの圧電活性化領域により実現している為、４つの圧電活性化領域を設ける必要がある従来の円筒型電素子に比べて、より少ない配線及び簡略な構造を実現した。これにより、小型化及び細径化が容易となった。
【００３６】
以下、図８を参照して、本一実施形態に係る中空状圧電素子１が小型化及び細径化に適する点を詳細に説明する。図８は、従来の一般的な中空状圧電素子の側面展開図を示す図である。上述したように、従来の一般的な中空状圧電素子５００では、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５００−１，５００−２，５００−３，５００−４が設けられている。そして、各圧電活性化領域５００−１，５００−２，５００−３，５００−４は外周面に露出しており、駆動電極５０２−１，５０２−２，５０２−３，５０２−４が接続されている。
【００３７】
ここで、図８に示すように側面展開した状態における側壁部の長手方向（円筒形状時の周方向）における、各圧電活性化領域５００−１の長さを“ａ”とし、且つ、同方向における各圧電活性化領域間の距離を“ｂ”とする。すると、円筒形状を呈する中空状圧電素子１の周方向の最小の長さは、“４ａ＋４ｂ”と表される。一方、本一実施形態に係る中空状圧電素子１では、周方向の最小の長さは、“２ａ＋２ｂ”と表される。
【００３８】
つまり、本一実施形態に係る中空状圧電素子は、従来の技術によるそれよりも、圧電活性化領域の個数を減少させ、当該中空状圧電素子の周方向の長さを短縮させることができるので、小型化（特に細径化）に適している。このように、本一実施形態によれば、構造が単純で小型化に適し、且つ大きな振幅を発生させることができる中空状圧電素子を提供することができる。
【００３９】
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。
例えば、中空状圧電素子１は、一体焼成された構成の圧電素子であってもよいし、金属等の弾性体に圧電材料を接着固定した構成の圧電素子であってもよいし、さらには水熱合成法、スパッタ法、及びエアロゾルデポジション法等によって中空状の弾性体に圧電材料を直接成膜した構成の圧電素子であってもよい。
【００４０】
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】
【００４１】
１…中空状圧電素子、  ２…側壁部、  １０−１…第１の圧電活性化領域、  １０−２…第２の圧電活性化領域、  １２−１…第１の駆動電極、  １２−２…第２の駆動電極、  ２２…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３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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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