(57)【要約】【課題】  スリップ・スティック方式で駆動される圧電モータを提供する。【解決手段】  固定体と、該固定体と対向して配置される可動体と、前記固定体と可動体との間に配置されて剪断モードで作動し、一端は固定体に固定され、他端は可動体に接触する複数の圧電素子と、を備え、複数の圧電素子それぞれの分極方向は、相異なる方向である圧電駆動装置。【選択図】      図７
2013158242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定体と、
前記固定体と対向して配置される可動体と、
前記固定体と前記可動体との間に配置されて剪断モードで作動する複数の圧電素子と、を備え、
前記複数の圧電素子のそれぞれの一端は前記固定体に固定され、他端は前記可動体に接触し、
前記複数の圧電素子それぞれの分極方向は、相異なる方向である、
ことを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項２】
前記複数の圧電素子それぞれは、分極方向が互いに逆方向である第１圧電層及び第２圧電層を含む請求項１に記載の圧電駆動装置。
【請求項３】
前記第１圧電層と第２圧電層とは、互いに積層する請求項２に記載の圧電駆動装置。
【請求項４】
一端が前記固定体に接触し、他端は前記可動体を前記複数の圧電素子に向けて弾力的に押し付ける弾性部材をさらに備える請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項５】
前記可動体と前記固定体のうち少なくとも１つに配置される磁石を備え、前記可動体は、前記磁石の磁力によって前記複数の圧電素子を押圧する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項６】
前記圧電駆動装置は、前記複数の圧電素子と前記可動体とのスリップ・スティックによって並進運動を実現する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項７】
前記複数の圧電素子は３個以上であり、
前記分極方向は、放射方向または該放射方向と垂直な方向である請求項１乃至６のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項８】
前記可動体の前記複数の圧電素子との接触面は曲面であり、
前記可動体は、前記複数の圧電素子によって傾斜運動する請求項１乃至７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項９】
前記複数の圧電素子を前記曲面の接線方向で支持する支持部をさらに備える請求項８に記載の圧電駆動装置。
【請求項１０】
前記可動体の変位を検出する変位検出手段をさらに備える請求項１乃至９のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項１１】
前記変位検出手段は、前記可動体と前記固定体との対向する面に配置される複数の電極を備え、
前記可動体の変位による前記複数の電極間の静電容量の変化を検出する請求項１０に記載の圧電駆動装置。
【請求項１２】
固定体と、
前記固定体と対向して配置される可動体と、
前記固定体と前記可動体との間に配置されて剪断モードで作動する少なくとも１つ以上の圧電素子と、を備え、
前記少なくとも１つ以上の圧電素子のそれぞれの一端が前記固定体に固定され、他端は前記可動体に接触され、
前記一つ以上の圧電素子のそれぞれは、第１圧電ユニット及び第２圧電ユニットと、を備え、
前記第１圧電ユニットの分極方向と前記第２圧電ユニットの分極方向とは、互いに異なる方向である、
ことを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項１３】
前記第１圧電ユニットと前記第２圧電ユニットのうち少なくとも１つは、分極方向が互いに逆方向である第１圧電層及び第２圧電層を含む請求項１２に記載の圧電駆動装置。
【請求項１４】
前記第１圧電層と第２圧電層とは、互いに積層する請求項１３に記載の圧電駆動装置。
【請求項１５】
前記第１圧電ユニットの分極方向は、第２圧電ユニットの分極方向に対して垂直である請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項１６】
前記第１圧電ユニットと第２圧電ユニットとは、互いに積層する請求項１５に記載の圧電駆動装置。
【請求項１７】
前記可動体は、自重、弾性力、磁力のうち少なくとも１つによって前記少なくとも１つ以上の圧電素子に抗して押圧された請求項１２乃至１７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項１８】
前記可動体の前記少なくとも１つ以上の圧電素子との接触面は平面である請求項１２乃至１７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項１９】
前記圧電駆動装置は、前記少なくとも１つ以上の圧電素子と前記可動体とのスリップ・スティックによって並進運動及び回転を実現できる請求項１２乃至１８のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項２０】
前記可動体の前記少なくとも１つ以上の圧電素子との接触面は曲面であり、
前記可動体は、前記少なくとも１つ以上の圧電素子によって傾斜運動する請求項１２乃至１９のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項２１】
前記固定体には、前記少なくとも１つ以上の圧電素子を前記曲面の接線方向に支持する支持台が設けられた請求項２０に記載の圧電駆動装置。
【請求項２２】
前記可動体の変位を検出する変位検出手段をさらに備え、
前記変位検出手段は、前記可動体と前記固定体との対向する面に配置される複数の電極を備える請求項１２乃至２１のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項２３】
固定体と、
前記固定体と対向して配置される可動体と、
前記固定体と可動体との間に配置されて剪断モードで作動する複数の圧電素子を備え、
前記複数の圧電素子の一端が前記固定体に固定され、他端は前記可動体に接触し、
前記複数の圧電素子それぞれの分極方向が相異なる方向であり、
前記複数の圧電素子それぞれは、第１圧電層及び第２圧電層と、を備え、
前記第１圧電層の分極方向が、前記第２圧電層の分極方向に対して垂直で、
前記固定体と前記可動体のうち少なくとも１つは貫通部を備える圧電駆動装置。
【請求項２４】
前記第１圧電層の分極方向と前記第２圧電層の分極方向のうち１つは、放射方向または該放射方向と垂直な方向である請求項２３に記載の圧電駆動装置。
【請求項２５】
前記圧電駆動装置は、前記複数の圧電素子と前記可動体とのスリップ・スティックによって並進運動を実現する請求項２３又は２４に記載の圧電駆動装置。
【請求項２６】
前記可動体は、自重、弾性力、磁力のうち少なくとも１つによって前記複数の圧電素子に抗して押圧された請求項２３乃至２５のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項２７】
前記可動体の変位を検出する変位検出手段をさらに備え、
前記変位検出手段は、前記可動体と前記固定体との対向する面に配置される複数の電極を備える請求項２３乃至２６のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の圧電効果を用いてスリップ・スティック方式で駆動される圧電駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、光学装置、半導体処理装置、高精度アライナなどには、数ｍｍ〜数ｃｍの範囲で対象物を移動させることができる。そのため一ステップの移動距離が数μm未満、たとえば、数十ｎｍから数ｐｍレベルの精度で対象物をさせることが移動の可能な位置調整器が要求される。したがって、微細な変位を引き起こす簡単な構造のアクチュエータの開発が求められる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、小さくて単純な構造で２次元以上の自由度で対象体を移動させることができるスリップ・スティック（ｓｌｉｐ−ｓｔｉｃｋ）駆動方式の圧電駆動装置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】
本発明の一側面による圧電駆動装置は、固定体と、前記固定体と対向して配置される可動体と、前記固定体と前記可動体との間に配置されて剪断モードで作動する複数の圧電素子と、を備え、
前記複数の圧電素子のそれぞれの一端は前記固定体に固定され、他端は前記可動体に接触し、かつ、前記複数の圧電素子それぞれの分極方向は、相異なる方向である。前記複数の圧電素子それぞれは、分極方向が互いに逆方向である第１圧電層及び第２圧電層を含む。前記第１圧電層と第２圧電層とは、互いに積層する。
【０００５】
当該装置は、一端が前記固定体に接触し、他端は前記可動体を前記複数の圧電素子に向けて弾力的に押し付ける弾性部材をさらに備える。当該装置は、前記可動体と前記固定体のうち少なくとも１つに配置される磁石を備え、前記可動体は、前記磁石の磁力によって前記複数の圧電素子を押圧する。
【０００６】
前記圧電駆動装置は、前記複数の圧電素子と前記可動体とのスリップ・スティックによって並進運動を実現する。前記複数の圧電素子は３個以上であり、前記分極方向は、放射方向または放射方向と垂直な方向である。前記複数の圧電素子と接触する前記可動体の表面は曲面である。前記可動体は、前記複数の圧電素子によって傾斜運動する。当該装置は、前記複数の圧電素子を前記曲面の接線方向で支持する支持部をさらに備える。
【０００７】
当該装置は、前記可動体の変位を検出する変位検出手段をさらに備える。前記変位検出手段は、前記可動体と前記固定体との対向する面に配置される複数の電極を備え、前記可動体の変位による前記複数の電極間の静電容量の変化を検出する。
【０００８】
本発明の一側面による圧電駆動装置は、固定体と、前記固定体と対向して配置される可動体と、前記固定体と前記可動体との間に配置されて剪断モードで作動する少なくとも１つ以上の圧電素子とを備える。前記少なくとも１つ以上の圧電素子のそれぞれの一端が前記固定体に固定され、他端は前記可動体に接触される。前記少なくとも１つ以上の圧電素子それぞれは、第１圧電ユニット及び第２圧電ユニットを備える。前記第１圧電ユニットの分極方向と前記第２圧電ユニットの分極方向とは、互いに異なる方向である。
【０００９】
前記第１圧電ユニットと前記第２圧電ユニットのうち少なくとも１つは、分極方向が互いに逆方向である第１圧電層及び第２圧電層を含む。前記第１圧電層と第２圧電層とは、互いに積層する。前記第１圧電ユニットの分極方向は、第２圧電ユニットの分極方向に対して垂直である。前記第１圧電ユニットと第２圧電ユニットとは、互いに積層する。
【００１０】
前記可動体は、自重、弾性力、磁力のうち少なくとも１つによって前記少なくとも１つ以上の圧電素子に抗して押圧される。前記可動体の前記少なくとも１つ以上の圧電素子との接触面は平面である。
【００１１】
前記圧電駆動装置は、前記少なくとも１つ以上の圧電素子と前記可動体とのスリップ・スティックによって並進運動及び回転を実現できる。
【００１２】
前記少なくとも１つ以上の圧電素子と接触する前記可動体の表面は曲面であり、前記可動体は、前記少なくとも１つ以上の圧電素子によって傾斜運動する。前記固定体には、前記少なくとも１つ以上の圧電素子を前記曲面の接線方向に支持する支持台が設けられる。
【００１３】
当該装置は、前記可動体の変位を検出する変位検出手段をさらに備え、前記変位検出手段は、前記可動体と前記固定体との対向する面に配置される複数の電極を備える。
【００１４】
本発明の一側面による圧電駆動装置は、固定体と、前記固定体と対向して配置される可動体と、前記固定体と可動体との間に配置されて剪断モードで作動する複数の圧電素子を備える。前記複数の圧電素子のそれぞれの一端が前記固定体に固定され、他端は前記可動体に接触する。前記複数の圧電素子それぞれの分極方向が相異なる方向である。前記複数の圧電素子のそれぞれは、第１圧電層及び第２圧電層と、を備える。前記第１圧電層の分極方向は、前記第２圧電層の分極方向に対して垂直である。前記固定体と前記可動体のうち少なくとも１つは貫通部を備える。前記第１圧電層の分極方向と前記第２圧電層の分極方向のうち１つは、放射方向または該放射方向に対して垂直な方向である。
【００１５】
前記圧電駆動装置は、前記複数の圧電素子と前記可動体とのスリップ・スティックによって並進運動を実現する。前記可動体は、自重、弾性力、磁力のうち少なくとも１つによって前記複数の圧電素子に抗して押圧される。前記可動体の変位を検出する変位検出手段をさらに備え、前記変位検出手段は、前記可動体と前記固定体との対向する面に配置される複数の電極を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】可動体を並進運動させるスリップ・スティック駆動方式の圧電駆動装置の一実施形態の概略的な側面図である。
【図２】剪断モードで作動する圧電素子の剪断変位を示す図面である。
【図３】弾性部材を用いて、可動体を圧電素子に抗して押圧する構造の一例を示す側面図である。
【図４】磁石を用いて、可動体を圧電素子に抗して押圧する構造の一例を示す側面図である。
【図５】スリップ・スティック駆動のための駆動信号の例を示すグラフである。
【図６】スリップ・スティック駆動過程を示す図面である。
【図７】一実施形態による、図１に示した圧電駆動装置中での複数の圧電素子の配置を示す平面図である。
【図８】図１に示した圧電駆動装置の一実施形態に適用される圧電素子の一実施形態の斜視図である。
【図９】図１に示した圧電駆動装置の一実施形態による、可動体の並進運動を示す図面である。
【図１０】図１に示した圧電駆動装置の一実施形態による、可動体の並進運動を示す図面である。
【図１１】図１に示した圧電駆動装置の一実施形態による、可動体の並進運動を示す図面である。
【図１２】可動体を傾斜運動させるスリップ・スティック駆動方式の圧電駆動装置の一実施形態の側面図である。
【図１３】一実施形態による、図１２に示した圧電駆動装置中での複数の圧電素子の配置を示す平面図である。
【図１４】可動体を回転させるスリップ・スティック駆動方式の圧電駆動装置の一実施形態の平面図である。
【図１５】一実施形態による、図１４に示した圧電駆動装置中での可動体の回転を示す図面である。
【図１６】可動体を並進／回転させるスリップ・スティック駆動方式の圧電駆動装置の一実施形態の側面図である。
【図１７】一実施形態による、図１６に示した圧電駆動装置中での複数の圧電素子の配置を示す平面図である。
【図１８】一実施形態による、図１６に示した圧電駆動装置に適用される圧電素子の一実施形態の斜視図である。
【図１９】一実施形態による、可動体の並進変位を検出するための変位検出手段の構成図である。
【図２０】一実施形態による、図１９に示した変位検出手段中で可動体が−Ｘ方向に移動した場合の電極の配置を示す図面である。
【図２１】図１９に示した変位検出手段の一実施形態による、可動体の位置による電極の配置を示す図面である。
【図２２】可動体の回転変位を検出するための変位検出手段の一実施形態の構成図である。
【図２３】可動体の回転変位を検出するための変位検出手段の他の実施形態の構成図である。
【図２４】中央部に貫通部が設けられたスリップ・スティック駆動方式の圧電駆動装置の一実施形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付した図面を参照して圧電駆動装置の実施形態を詳細に説明する。図面で同じ参照符号は同じ構成要素を示し、図面上で各構成要素のサイズや厚さは、説明の明瞭性のために誇張している。
【００１８】
図１は、スリップ・スティック駆動方式の圧電駆動装置の一実施形態の側面図であり、図２は、剪断モードで作動する圧電素子の剪断変位を示す図面である。図１によれば、固定体１０、可動体２０、及び複数の圧電素子３０が図示されている。
【００１９】
固定体１０と可動体２０とは、互いに対向して離隔して配置される。複数の圧電素子３０は、固定体１０と可動体２０との互いに対向する２つの面１１、２１の間に配置される。複数の圧電素子３０は、固定体１０に固定される固定端３０１と、可動体２０に摩擦が生じるように接触する可動端３０２と、を備える。固定端３０１は、固定体１０の面１１に固定され、可動端３０２は、可動体２０の面２１に摩擦が生じるように接触する。一例として、複数の圧電素子３０は、固定体１０の面１１に接着する。接着剤は、一例として、エポキシ系列の接着剤、溶剤蒸発型接着剤などが使われる。
【００２０】
本実施形態の圧電素子３０は、図２に示したように、剪断モードで作動する。破線で示したのは、圧電素子３０に駆動電圧が印加される前の態様であり、実線で示したのは、圧電素子３０に駆動電圧が印加されて剪断変形された態様である。剪断モードで作動する場合の圧電素子３０の変位ΔＬは、圧電素子３０に印加される電圧Ｖ及び剪断モードでの圧電定数ｄ１５によって、以下のように表示される。
【００２１】
【数１】
2013158242.tif 000003
剪断モードの圧電定数ｄ１５は、横モード（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｍｏｄｅ）や縦モード（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  ｍｏｄｅ）の圧電定数ｄ３１、ｄ３３に比べて大きい。例えば、ＰＺＴ（Ｌｅａｄ  Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  Ｔｉｔａｎａｔｅ）の場合では、常温における縦モード、横モード、及び剪断モードの圧電定数ｄ３１、ｄ３３、ｄ１５は、それぞれ２００〜７００ｐｉｃｏ−ｍｅｔｅｒ／Ｖ、−６０〜−３５０ｐｉｃｏ−ｍｅｔｅｒ／Ｖ、及び３００〜８００ｐｉｃｏ−ｍｅｔｅｒ／Ｖであり、剪断モードの圧電定数ｄ１５が最も大きい。したがって、剪断モードで作動する場合には、縦モードまたは横モードで作動する場合に比べて相対的に低い電圧で大きい変位が生じうる。
【００２２】
可動体２０は、自重によって複数の圧電素子３０に力を加えることで可動端３０２と摩擦が生じるように接触する。また、図３に示したように、可動体２０を複数の圧電素子３０に抗して押圧する弾性部材４０が設けられる。弾性部材４０は、例えば、一端４１は固定体１０に固定され、他端４２は可動体２０に弾力的に接触する板バネである。また、可動体２０は、磁力によって複数の圧電素子３０に抗して押圧される。図４によれば、固定体１０が磁性を持つ材料からなる場合には、可動体２０に磁石５０が配され、固定体１０との磁気引力によって可動体２０が複数の圧電素子３０に抗して押圧される。磁石５０が固定体１０に設けて、磁性材料からなる可動体２０を引き寄せることで、可動体２０は複数の圧電素子３０に抗して押圧されてもよい。また、可動体２０と固定体１０それぞれに磁石５０を設けて、互いに磁気引力を作用させることによって、可動体２０は複数の圧電素子３０に抗して押圧されてもよい。
【００２３】
本実施形態の圧電駆動装置は、圧電素子３０のスリップ・スティック運動の組み合わせによって可動体２０を移動させる。図５によれば、圧電素子３０を駆動するための駆動信号の一例が図示されている。図５に示した駆動信号は鋸歯波形である。駆動信号は、電圧が急激に変動する区間Ｓ１と、電圧が緩やかに変動する区間Ｓ２と、を備える。
【００２４】
図５に示した駆動信号が圧電素子３０に印加される時の圧電モータの挙動を、図６に示した。図６の（ａ）に示した状態は、駆動信号が印加されていない状態である。この状態で駆動信号の区間Ｓ１が印加されれば、圧電素子３０は、図２に示したように剪断モードに変形する。この時、駆動信号の電圧の変化による圧電素子３０の変形が、可動体２０の慣性及び可動体２０と固定体１０とに付加した押圧力に耐えられるように速く発生すれば、圧電素子３０の可動端３０２は、可動体２０の面２１に滑りつつ図６の（ｂ）に示したように変形される。可動体２０は動かない。圧電素子３０の可動端３０２が可動体２０に対して滑りつつ変形される区間を、スリップ区間といい、駆動信号の区間Ｓ１がスリップ区間に対応する。次いで、駆動信号の区間Ｓ２が圧電素子３０に印加されれば、圧電素子３０は徐々に元の状態に戻る。この時に、圧電素子３０の可動端３０２は可動体２０の面２１に抗して押圧された状態であるので、可動端３０２は元の状態に戻り、可動体２０は、既定の方向に移動する。したがって、図６の（ｃ）に示したように、可動体２０は、図面の左側に移動する。圧電素子３０が変形状態から元の状態に戻り、可動体２０が可動端３０２と共に移動する区間を、スティック区間といい、駆動信号の区間Ｓ２がスティック区間に対応する。前述したように、スリップ・スティック駆動を繰り返すことで可動体２０を移動させる。
【００２５】
スリップ・スティック駆動のための駆動信号の形態は、鋸歯状に限定されるものではない。駆動信号は、電圧の勾配が急に変わる区間と緩やかに変わる区間とを持ついかなる形態であってもよい。例えば、図５に破線で示したサイクロイド波形信号（ｃｙｃｌｏｉｄａｌ  ｗａｖｅ  ｓｉｇｎａｌ）、一点鎖線で示した、切り取られた正弦波信号（ｃｌｉｐｐｅｄ  ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ  ｗａｖｅ  ｓｉｇｎａｌ）などが駆動信号として採用される。
【００２６】
本実施形態の圧電モータは、可動体２０を２次元平面内で並進運動させる。このために、複数の圧電素子３０が放射状に配置される。例えば、図７に示したように、３個の圧電素子３０−１、３０−２、３０−３が中心点Ｃから放射状に配置される。本実施形態では、３個の圧電素子３０−１、３０−２、３０−３が中心点Ｃを中心として１２０°間隔で配置されているが、これにより本発明の範囲が限定されるものではない。必要に応じて４個またはそれ以上の圧電素子３０が配置されてもよい。中心点Ｃから各圧電素子３０−１、３０−２、３０−３までの距離がいずれも同じである必要はない。また、３個の圧電素子３０−１、３０−２、３０−３が必ずしも対称に配置される必要もない。圧電素子３０の数及び配置形態は、要求される可動体２０の駆動特性に好適に定められる。図７に示した実施形態では、３個の圧電素子３０−１、３０−２、３０−３の分極方向は相異なる。例えば、３個の圧電素子３０−１、３０−２、３０−３の分極方向は放射方向であり、互いに１２０°の間隔をなす。以下、分極方向は、剪断モードによる圧電素子の変形方向と同じ意味で使われる。
【００２７】
図８には、圧電素子３０の一実施形態の構成を図示した分解斜視図である。図８を参照すれば、圧電素子３０は、互いに積層した第１及び第２圧電層３１、３２を備える。第１及び第２圧電層３１、３２の間には共通電極３３が配され、第１及び第２圧電層３１、３２の下部面及び上部面には、それぞれ駆動電極３５、３４が配置される。駆動電極３４、３５の上部面及び下部面には、ターミナルプレート３６、３７が配置される。第１及び第２圧電層３１、３２は、分極方向が互いに逆方向である。例えば、第１圧電層３１の分極方向は、中心点Ｃから外側に向かう方向であり、第２圧電層３２の分極方向は、中心点Ｃに向かう方向である。ターミナルプレート３７は、固定体１０の面１１に固定され、ターミナルプレート３６は、可動体２０の面２１に摩擦が生じるように接触する。
【００２８】
圧電層３１、３２は、圧電物質の蒸着工程またはペースト状態の圧電物質を所定厚さ、例えば、０．５mmないし１mmほどに焼結させる方法などの本技術分野で周知の製造工程により形態を作り、圧電特性を発生させるポーリング工程を行うことで形成される。圧電素子３０を剪断モードで動作させるためには、ポーリング工程で圧電層３１、３２に剪断方向のストレスを加えた状態で電界を印加できる。圧電層３１、３２は、バルク圧電物質のスライスで形成してもよい。圧電物質としては、例えば、ＰＺＴ（Ｌｅａｄ  Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  Ｔｉｔａｎａｔｅ）セラミックス材料、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｎａ２ＷＯ３、Ｚｎ２Ｏ３、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ５、Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５、ＢｉＦｅＯ３、ＮａＮｂＯ３、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、Ｎａ０．５Ｂｉ０．５ＴｉＯ３などが使われる。電極３３、３４、３５は、導電性のある金属物質で形成される。電極３３、３４、３５は、１つの金属層で形成されてもよく、例えば、Ｔｉ層とＰｔ層の２つの金属層で形成されてもよい。電極３３、３４、３５は、圧電層３１または圧電層３２に導電性金属物質、例えば、Ａｇ−Ｐｄペーストをスクリーンプリンティングすることで形成されもよい。但し、前述した圧電層及び電極を作る工程によって本発明の範囲が限定されるものではない。例えば、市販の剪断モードでポーリングされた圧電物質を、必要に応じて所望の形態に切断して圧電層３１、３２を形成してもよい。また、圧電層３１、３２として、薄膜形態の圧電層が複数積層された圧電スタックが採用されてもよい。
【００２９】
図６を参照すれば、可動体２０は、圧電素子３０の分極方向の逆方向に移動するということが分かる。このような性質を用いて、可動体２０を平面内で並進運動させる過程の例を説明する。以下で、圧電素子３０−１、３０−２、３０−３の第１圧電層３１に駆動電圧を印加した場合、圧電素子３０−１、３０−２、３０−３の分極方向をそれぞれＰ１−１、Ｐ２−１、Ｐ３−１といい、圧電素子３０−１、３０−２、３０−３の第２圧電層３２に駆動電圧を印加した場合、圧電素子３０−１、３０−２、３０−３の分極方向をそれぞれＰ１−２、Ｐ２−２、Ｐ３−２という。
【００３０】
圧電素子３０−１の第１圧電層３１と、圧電素子３０−２、３０−３の第２圧電層３２とに駆動信号を印加する。それにより、圧電素子３０−１、３０−２、３０−３は、図９に破線で示したように、それぞれＰ１−１、Ｐ２−２、Ｐ３−２方向に分極される。スリップ・スティック作用によって、可動体２０は、破線で示したようにＰ１−１の逆方向、すなわち、Ｐ１−２方向に移動する。可動体２０をＰ１−１方向に移動させるためには、圧電素子３０−１の第２圧電層３２と、圧電素子３０−２、３０−３の第１圧電層３１とに駆動信号を印加する。それにより、図９に一点鎖線で示したように、圧電素子３０−１、３０−２、３０−３はそれぞれＰ１−２、Ｐ２−１、Ｐ３−１方向に分極され、スリップ・スティック作用によって、可動体２０は一点鎖線で示したようにＰ１−１方向に移動する。
【００３１】
図１０を参照すれば、圧電素子３０−１、３０−２、３０−３をそれぞれＰ１−２、Ｐ２−１、Ｐ３−２方向に分極させれば、可動体２０は、破線で示したようにＰ２−２方向に移動し、圧電素子３０−１、３０−２、３０−３をそれぞれＰ１−１、Ｐ２−２、Ｐ３−１方向に分極させれば、可動体２０は、一点鎖線で示したようにＰ２−１方向に移動する。
【００３２】
同様に、図１１を参照すれば、圧電素子３０−１、３０−２、３０−３をそれぞれＰ１−２、Ｐ２−２、Ｐ３−１方向に分極させれば、可動体２０は、破線で示したようにＰ３−２方向に移動し、圧電素子３０−１、３０−２、３０−３をそれぞれＰ１−１、Ｐ２−１、Ｐ３−２方向に分極させれば、可動体２０は、一点鎖線で示したようにＰ３−１方向に移動する。
【００３３】
前述したように、図９ないし図１１の駆動形態を組み合わせれば、可動体２０を２次元平面内から任意の位置に並進運動させる。また、圧電層３１、３２の剪断モードでの変形量は、印加される駆動信号の電圧サイズに比例するので、図９ないし図１１の駆動形態の組み合わせにおいて、各圧電素子３０−１、３０−２、３０−３に印加される駆動信号の電圧サイズを異ならせることで、任意の方向に可動体２０を並進運動させる。
【００３４】
圧電現象を用いたモータは、単位電圧当たり誘導される変位が非常に小さくて精密な駆動が可能であるという点、広範囲な温度範囲で制御できるという点、固定された状態で圧電素子は、剛体構造物とほぼ同じ機械的特性を示すという点、小さな変位内で非常に強い力を発生させるという点の特性によって、圧電現象を用いる位置調整器が、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、光学装備、半導体工程装備、超精密整列機（ａｌｉｇｎｅｒ）などに適用される。本実施形態による圧電駆動装置は剪断モードで動作するので、印加される駆動電圧の単位サイズ当たり変位が、横モードまたは鐘モードで動作する場合に比べて相対的に大きい。したがって、横モードまたは縦モードで動作する場合に比べて相対的に低い駆動電圧でも同じ変位を引き起こす。
【００３５】
圧電素子３０は、バルク圧電物質のスライスまたは圧電物質の蒸着工程またはペースト状の圧電物質を焼結する工程により微小サイズに製造される。また本実施形態の圧電駆動装置を、例えば、３個の圧電素子３０−１、３０−２、３０−３を放射状に配置する簡単な構造で実現でき、小型化が可能である。
【００３６】
本実施形態の圧電駆動装置は、例えば、ＳＰＭでプローブを、試料表面から数μm未満に離れた位置に移す垂直方向の変位調整器に適用される。また、ＳＰＭでプローブでスキャンできる一画面のサイズに制限があるため、プローブを水平方向に他の位置に移動させる必要があるが、本実施形態の圧電駆動装置は、このための水平方向の変位調整器にも適用される。さらに、本実施形態の圧電モータは、光学装備の焦点微細調整のためのレンズ駆動装置、自動焦点装置などにも適用される。
【００３７】
圧電駆動装置は、可動体２０ａを傾斜運動させてもよい。図１２を参照すれば、圧電素子３０と摩擦が生じるように接触する可動体２０ａの面２２が曲面である。図１２には、面２２が凸曲面に図示されているが、これにより本発明の範囲が限定されるものではない。例えば、面２２は、凹曲面または他の形態の曲面であってもよい。圧電素子３０は面２２に接触し、面２２の接線方向に傾斜して配置される。このために、固定体１０には、圧電素子３０を面２２に対して接線方向に傾くように支持する支持部１２が設けられる。例えば、図１３に示したように、３個の圧電素子３０−１、３０−２、３０−３が放射状に配置される。３個の圧電素子３０−１、３０−２、３０−３の分極方向は相異なる方向であり、例えば、放射方向である。このような構成によって、例えば、図９ないし図１１に示したように、圧電素子３０−１、３０−２、３０−３の分極方向及び駆動信号の電圧を調節すれば、可動体２０ａを、図１２に示したように、任意の方向に傾斜運動させる。このような構造の圧電駆動装置を採用することによってゴニオメータの実装が可能となる。前述した構造の圧電駆動装置は、精密光学器械や真空環境で作動する光学部品の反射ミラーの角度調節、光ファイバの方向調節などのために適用される。
【００３８】
圧電駆動装置は、可動体２０を回転させてもよい。図１４を参照すれば、圧電素子２００−１、２００−２、２００−３が、中心点Ｃを基準として放射状に配置される。圧電素子２００−１、２００−２、２００−３の分極方向は、放射方向と垂直な方向である。このような構造の圧電駆動装置は、図８に示した並進運動のための圧電駆動装置で圧電素子３０−１、３０−２、３０−３を９０°回転させて配置した形態と同一である。したがって、圧電素子２００−１、２００−２、２００−３の詳細な形態についての説明は略する。
【００３９】
一方向のみに回転させようとする場合には、圧電素子２００−１、２００−２、２００−３は、第１及び第２圧電層３１、３２のうち１つのみ備えればよく、双方向で回転させようとする場合には、第１及び第２圧電層２１３２を備える圧電素子２００−１、２００−２、２００−３を採用すればよい。本実施形態では、第１及び第２圧電層３１、３２を備える圧電素子２００−１、２００−２、２００−３を採用して可動体２０を双方向に回転させる実施形態について説明する。以下、圧電素子２００−１、２００−２、２００−３の第１圧電層３１に駆動電圧を印加した場合、圧電素子２００−１、２００−２、２００−３の分極方向をそれぞれＲ１−１、Ｒ２−１、Ｒ３−１といい、圧電素子２００−１、２００−２、２００−３の第２圧電層３２に駆動電圧を印加した場合、圧電素子２００−１、２００−２、２００−３の分極方向をそれぞれＲ１−２、Ｒ２−２、Ｒ３−２という。
【００４０】
図１５を参照すれば、圧電素子２００−１、２００−２、２００−３の第１圧電層３１に駆動信号を印加する。そうすれば、圧電素子２００−１、２００−２、２００−３は、実線で示したように、それぞれＲ１−１、Ｒ２−１、Ｒ３−１方向に分極される。それにより、スリップ・スティック作用によって可動体２０は、圧電素子２００−１、２００−２、２００−３の分極方向の逆方向、すなわち、時計回り方向に回転する。一方、圧電素子２００−１、２００−２、２００−３の第２圧電層３２に駆動信号を印加して、圧電素子２００−１、２００−２、２００−３を、破線で示したように、Ｒ１−２、Ｒ２−２、Ｒ３−２方向に分極させれば、可動体２０は、圧電素子２００−１、２００−２、２００−３の分極方向の逆方向、すなわち、逆時計回り方向に回転する。このような構成によって、可動体２０を回転させられる非常に簡単な構造の圧電駆動装置の実現が可能である。
【００４１】
前述した実施形態では、第１及び第２圧電層３１、３２が単一の圧電物質層で形成されると図示されているが、これによって本発明の範囲が限定されるものではない。第１及び第２圧電層３１、３２それぞれは、同じ分極方向を持つ複数の圧電物質層が積層された形態である。
【００４２】
図１６及び図１７は、圧電モータの他の実施形態の側面も及び平面図である。図１８は、図１６及び図１７に図示された圧電素子３００の一実施形態の斜視図である。図１６及び図１７に示した圧電モータは、可動体２０の並進運動及び回転を行えるように構成される。図１６ないし図１８を参照すれば、３個の圧電素子３００−１、３００−２、３００−３が中心点Ｃから放射状に配置される。本実施形態では、３個の圧電素子３００−１、３００−２、３００−３が中心点Ｃを中心として１２０°間隔で配置されているが、これによって本発明の範囲が限定されるものではなく、必要に応じて、４個またはそれ以上の圧電素子３００が配置されてもよい。中心点Ｃから各圧電素子３００−１、３００−２、３００−３までの距離がいずれも同一である必要はない。また、３個の圧電素子３００−１、３００−２、３００−３が必ずしも対称に配置されなくてよい。圧電素子３００の数及び配置形態は、要求される可動体２０の駆動特性にとって好適となるに定められる。
【００４３】
圧電素子３００は、剪断モードで動作し、分極方向が互いに垂直である第１圧電ユニット３１０及び第２圧電ユニット３２０が積層した形態である。第１圧電ユニット３１０は、互いに積層した第１及び第２圧電層３１１、３１２を備える。第１及び第２圧電層３１１、３１２の間には共通電極３１３が配され、第１及び第２圧電層３１１、３１２の下部面及び上部面には駆動電極３１４３１５がそれぞれ配置される。第２圧電ユニット３２０は、互いに積層した第３及び第４圧電層３２１、３２２を備える。第３及び第４圧電層３２１、３２２の間には共通電極３２３が配され、第３及び第４圧電層３２１、３２２の上部面及び下部面には、それぞれ駆動電極３２４、３２５が配置される。駆動電極３１５、３２５の間には絶縁層３３０が介在される。駆動電極３２４、３１４の上部面及び下部面には、それぞれターミナルプレート３５０、３４０が配置される。
【００４４】
第１圧電ユニット３１０の分極方向は、放射方向である。また、第１及び第２圧電層３１１、３１２の分極方向は、互いに逆方向である。例えば、第１圧電層３１１の分極方向は、中心点Ｃから外側に向かう方向であり、第２圧電層３１２の分極方向は、中心点Ｃに向かう方向である。ターミナルプレート３４０は、固定体１０の面１１に固定される。
【００４５】
第１及び第２圧電ユニット３１０、３２０は、分極方向が互いに異なり、図１８に示したように互いに垂直である。すなわち、第２圧電ユニット３２０の分極方向は、放射方向に対して垂直な方向である。第３及び第４圧電層３２１、３２２の分極方向は、互いに逆方向である。例えば、中心点Ｃを基準として第３圧電層３２１の分極方向は逆時計回り方向であり、第４圧電層３２２の分極方向は時計回り方向である。ターミナルプレート３５０は、可動体２０の面２１に摩擦が生じるように接触する。
【００４６】
第１圧電ユニット３１０を駆動して可動体２０を並進運動させる。詳細な並進駆動過程は、図９ないし図１１で説明する通りである。すなわち、図９ないし図１１で参照符号３０−１、３０−２、３０−３を、それぞれ３００−１、３００−２、３００−３と見なせばよいので、重なる説明は略する。
【００４７】
また、第２圧電ユニット３２０を駆動して可動体２０を回転させる。詳細な回転駆動過程は図１５で説明する通りである。すなわち、図１５で参照符号２００−１、２００−２、２００−３を、それぞれ３００−１、３００−２、３００−３と見なせばよいので、重なる説明は略する。
【００４８】
また、可動体２０の代りに図１２に示した曲面２２を持つ可動体２０ａが適用される場合に、第１圧電ユニット３１０を駆動して可動体２０を傾斜運動させる。
【００４９】
前述した構成によって、可動体２０を並進／傾斜運動及び回転させる圧電駆動装置の実現が可能である。
【００５０】
前述した実施形態では、第１ないし第４圧電層３１１、３１２、３２１、３２２が単一の圧電物質層になっていると図示されているが、これによって本発明の範囲が限定されるものではない。第１ないし第４圧電層３１１、３１２、３２１、３２２それぞれは、同じ分極方向を持つ複数の圧電物質層が積層された形態でもありうる。
【００５１】
図７に示した可動体２０の並進運動の可能な圧電モータには、可動体２０の並進運動の変位を検出するための並進変位検出手段が設けられる。例えば、並進変位検出手段は、可動体２０及び固定体１０に設けられる複数の対向電極間の静電容量の変化に基づく静電容量方式によって、可動体２０の並進運動の変位を検出できる。図１９には、静電容量方式の並進変位検出手段の一例が図示されている。図１９を参照すれば、固定体１０に第１及び第２電極４０１、４０２が設けられ、可動体２０に第３及び第４電極４０３、４０４をそれぞれ配置できる。第１及び第２電極４０１、４０２は固定体１０の面１１に、第３及び第４電極４０３、４０４は可動体２０の面２１に設けられる。例えば、第１ないし第４電極４０１、４０２、４０３、４０４は“Ｘ”状に配置される。すなわち、基準位置Ｒを原点とする平面座標係で、第１及び第２電極４０１、４０２は、第１、第３四分面に配され、第３及び第４電極４０３、４０４は、第２、第４四分面に配置される。
【００５２】
例えば、図２０に示したように、可動体２０が−Ｘ方向に移動した場合に、第２電極４０２と第４電極４０４とが上下方向に互いに対向する。第２電極４０２と第４電極４０４との間には、例えば、空気が存在する。したがって、第２電極４０２及び第４電極４０４は、１つのキャパシタを構成する。第２電極４０２及び第４電極４０４によって実現されるキャパシタの静電容量は、第２電極４０２と第４電極４０４とが互いに対向する面積に比例する。したがって、第２電極４０２と第４電極４０４との間の静電容量の変化を検出することで可動体２０の−Ｘ方向の変位を検出できる。図面に図示されてはいないが、可動体２０が＋Ｘ方向に移動した場合に、第１電極４０１と第３電極４０３とが上下方向に互いに対向して１つのキャパシタを構成し、第１電極４０１と第３電極４０２との間の静電容量の変化を検出することで可動体２０の＋Ｘ方向の変位を検出できる。
【００５３】
同様に、可動体２０が−Ｙ方向に移動した場合には、第２電極４０２と第３電極４０３との間の静電容量の変化を、＋Ｙ方向に移動した場合には第１電極４０１と第４電極４０４の間の静電容量の変化を検出することで可動体２０の−Ｙ、＋Ｙ方向の変位を検出できる。
【００５４】
図２１を参照すれば、図２１の（ａ）のように、基準位置Ｒが第１四分面に存在する場合には、第１電極４０１が第３及び第４電極４０３、４０４と、図２１の（ｂ）のように第２四分面に存在する場合には、第４電極４０４が第１及び第２電極４０１、４０２と、図２１の（ｃ）のように第３四分面に存在する場合には、第２電極４０２が第３及び第４電極４０３、４０４と、図２１の（ｄ）のように第４四分面に存在する場合には、第３電極４０３が第１及び第２電極４０１、４０２と対向する。したがって、対向する電極間の静電容量の変化を検出して、任意の方向における可動体２０の変位を検出できる。
【００５５】
第１ないし第４電極４０１、４０２、４０３、４０４の形態は、図１９ないし図２１に示した形態に限定されず、圧電モータの形態及び圧電素子の配置形態に鑑みて、並進変位の検出のために適当な形態で実現される。また、電極の数も４個に限定されない。
【００５６】
図１９に示した形態の並進変位検出手段は、図１２に示した可動体２０を傾斜運動させる圧電モータで可動体２０の傾斜角度を検出するために適用される。この場合には、対向電極の対向面積と共に対向電極間の距離も変わるので、これに鑑みて静電容量の変化を検出でき、並進変位検出手段によって検出された変位に基づいて可動体２０の傾斜角度を算出できる。図１２で、固定体１０の面１１を可動体２０の面２２に対応する曲面状にすることで、対向電極間の距離が変わらないようにもできる。
【００５７】
図１４に示した可動体２０の回転可能な圧電モータには、可動体２０の回転変位を検出するための静電容量方式の回転変位検出手段が設けられる。例えば、図２２によれば、固定体１０の面１１（図１）に半円形の帯状の第１電極５０１が設けられ、これと対向する可動体２０の面２１（図１）にやはり、半円形の帯状の第２電極５０２が設けられる。可動体２０が回転すれば、第１電極５０１と第２電極５０２との対向面積が変化する。すなわち、可動体２０が回転し始めれば、静電容量が徐々に増加し、第１及び第２電極５０１、５０２が完全に重なった後には、再び静電容量が徐々に低減する。したがって、可動体２０の回転による第１電極５０１と第２電極５０２との間の静電容量の変化を検出すれば、可動体２０の回転変位を検出できる。
【００５８】
回転方向を検出するために、例えば、第１電極５０１が２つに分割される。図２３を参照すれば、第１電極５０１は、第１及び第２分割電極５０１−１、５０１−２を備える。
【００５９】
可動体２０が時計回り方向に回転する時には、第２分割電極５０１−２と第２電極５０２との間の静電容量が先ず増加する。第２分割電極５０１−２と第２電極５０２との間の静電容量が最大値に至った後には、第２分割電極５０１−２と第２電極５０２との間の静電容量が最大値を維持しつつ、第１分割電極５０１−１と第２電極５０２との間の静電容量が増加する。第１分割電極５０１−１と第２電極５０２との間の静電容量が最大値に至った後には、第１分割電極５０１−１と第２電極５０２との間の静電容量が最大値を維持しつつ、第２分割電極５０１−２と第２電極５０２との間の静電容量が低減する。次いで、第１分割電極５０１−１と第２電極５０２との間の静電容量が低減する。
【００６０】
可動体２０が逆時計回り方向に回転する時には、第１分割電極５０１−１と第２電極５０２との間の静電容量が先ず増加する。第１分割電極５０１−１と第２電極５０２との間の静電容量が最大値に至った後には、第１分割電極５０１−１と第２電極５０２との間の静電容量が最大値を維持しつつ、第２分割電極５０１−２と第２電極５０２との間の静電容量が増加する。第２分割電極５０１−２と第２電極５０２との間の静電容量が最大値に至った後には、第２分割電極５０１−２と第２電極５０２との間の静電容量が最大値を維持しつつ、第１分割電極５０１−１と第２電極５０２との間の静電容量が低減する。次いで、第２分割電極５０１−２と第２電極５０２との間の静電容量が低減する。
【００６１】
前述した過程をまとめれば、以下の表１の通りである。この表から可動体２０の回転方向が分かり、静電容量の変化過程を追跡すれば、可動体２０の回転変位が分かる。
【００６２】
【表１】
2013158242.tif 000004
前述した方法以外にも、変位検出手段は、固定体１０及び可動体２０が、並進変位または回転変位による抵抗の変化を用いる抵抗方式で構成されてもよい。この場合、変位検出手段は、固定体１０と可動体２０のうち少なくとも１つに設けられる抵抗パターンと、固定体１０と抵抗パターン及び／または可動体２０と抵抗パターンとを連結するプロブと、を備えて実現される。可動体２０の移動につれてプロブと抵抗パターンとの接触位置が変わり、これによって、プロブと抵抗パターンとを連結する電路の抵抗が変わる。この抵抗変化を感知することで可動体２０の変位を検出できる。それ以外にも、変位検出手段は、ロータリーエンコーダまたはリニアエンコーダによって実現されてもよい。
【００６３】
図２４には、圧電駆動装置の他の実施形態が図示されている。図２４によれば、固定体１０及び可動体２０にそれぞれ貫通部１３、２３が設けられる。貫通部１３、２３は、互いに連通するように形成される。貫通部１３、２３は、それぞれ固定体１０と可動体２０との中心部を貫通して形成される。前述した構成によれば、圧電モータが適用された装置の他の構成要素が貫通部１３、２３を介して移動し、圧電モータが光学装備に適用された場合、光が貫通部１３、２３を通過する。したがって、圧電モータが適用される装置の設計自由度を向上させる。
【００６４】
本発明は、添付した図面に図示された実施形態を参照として説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の保護範囲は特許請求の範囲のみによって定められねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、スリップ・スティック方式の圧電駆動装置関連の技術分野に好適に用いられる。
【符号の説明】
【００６６】
１０    固定体
１２    支持部
１３、２３  貫通部
２０、２０ａ  可動体
３０、２００、３００  圧電素子
３１、３２  第１及び第２圧電層
３３、３１３、３２３  共通電極
３４、３５、３１４、３２４、３２５  駆動電極
３０１  固定端
３０２  可動端
３１０、３２０  第１及び第２圧電ユニット
３１１、３１２  第１及び第２圧電層
３２１、３２２  第３及び第４圧電層
３３０  絶縁層
４０    弾性部材
４０１、４０２、４０３、４０４  第１ないし第４電極
５０    磁石
５０１、５０２  第１及び第２電極
５０１−１、５０１−２  第１及び第２分割電極
【図１】
2013158242.tif 000005
【図２】
2013158242.tif 000006
【図３】
2013158242.tif 000007
【図４】
2013158242.tif 000008
【図５】
2013158242.tif 000009
【図６】
2013158242.tif 000010
【図７】
2013158242.tif 000011
【図８】
2013158242.tif 000012
【図９】
2013158242.tif 000013
【図１０】
2013158242.tif 000014
【図１１】
2013158242.tif 000015
【図１２】
2013158242.tif 000016
【図１３】
2013158242.tif 000017
【図１４】
2013158242.tif 000018
【図１５】
2013158242.tif 000019
【図１６】
2013158242.tif 000020
【図１７】
2013158242.tif 000021
【図１８】
2013158242.tif 000022
【図１９】
2013158242.tif 000023
【図２０】
2013158242.tif 000024
【図２１】
2013158242.tif 000025
【図２２】
2013158242.tif 000026
【図２３】
2013158242.tif 000027
【図２４】
2013158242.tif 000028