(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基盤と、
前記基盤上を移動させられる移動体と、
前記移動体を支持する支持バネと、
前記移動体に基部が固定されているとともに、前記基盤の面に沿って前記基部から延びている棒状の変位機構部と、
前記変位機構部の自由端を前記基盤に接触させることにより前記移動体を移動させる圧電素子とを備え、
前記支持バネは、前記基盤の面に沿う所定方向に延びる複数の第１部分と、前記所定方向に対して直角方向に沿って延びる複数の第２部分とを備え、
前記第１部分及び前記第２部分のそれぞれは、前記直角方向に沿って交互に直列に接続されており、
前記第２部分は、前記第２部分の幅が前記第１部分の幅よりも広いことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記第１部分のそれぞれは、他の第１部分と向かい合わせに配置されており、
前記第２部分のそれぞれは、隣り合う前記第１部分の一端部間と他端部間とを交互に接続す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】
前記支持バネは、前記移動体を前記基盤に接触させた状態で押圧す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４】
前記変位機構部は、第１変位機構部と第２変位機構部とを備えており、
前記第１変位機構部は、前記第１変位機構部の長手方向の長さが前記第２変位機構部の長手方向の長さよりも長い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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、移動体の往復運動が容易に行え、微小サイズにおいて容易に構成及び機能の実現可能とする圧電アクチュエータの構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、従来の圧電アクチュエータの一例を示す斜視図である。この圧電アクチュエータ３００は微小距離の移動用ＸＹステージとして用いるものであり、各軸方向の移動を積層型圧電素子により構成したものである。固定台３０１には金属板をワイヤー放電又は金型工程により抜き加工が施され、その抜き部分３０２内に可動テーブル３０３を配置している。この可動テーブル３０３の４辺には、それぞれ支持バネ３０４が形成されていると共に当該可動テーブル３０３の４辺には支持バネ３０４を介してガイド部３０５が取り付けられている。また、このガイド部３０５の端部には積層型圧電素子３０６が可動テーブルに対して直角方向に取り付けられている。
【０００３】
図８に、支持バネ３０４の拡大平面図を示す。この支持バネ３０４は、矩形枠形状となっており、長辺３０４ａの幅が細く短辺３０４ｂの幅が大きくなっている。これは支持バネ３０４を介した可動テーブル３０３が、長辺３０４ａの幅が細くなる事及び長辺３０４ａの長さを長く設定する事で、機械特性上変位量に対する応力が指数関数的又は比例して下がることになり、長辺３０４ａ幅方向の図中Ｘ軸方向の移動に対する自由度がもてる構造となっている。図９に示すように、支持バネの幅をａ、厚さをｂとした場合、アスペクト比（ｂ／ａ）が１以上に設定されており、可動テーブル３０３移動時に対してのねじり変位を抑制している。
【０００４】
この圧電アクチュエータ３００は、Ｘ方向に移動する場合は、Ｘ方向移動用積層型圧電素子３０６ａに所定の電圧を印加して変位させる。この積層型圧電素子３０６ａが厚み方向に変位すると、ガイド部３０５ａにより繋がっている可動テーブル３０３が合わせてＸ方向に変位する。このとき、Ｘ方向の辺に形成した支持バネ３０４は短辺方向に変形する。また、Ｘ方向のガイド部３０５ａは、可動テーブル３０３のＸ方向ガイドの機能を持つ。一方、Ｙ方向の辺に形成した支持バネ３０４は長辺方向に変形しにくいので、積層型圧電素子３０６ａの変位を吸収しにくい。Ｙ方向に移動する場合もこれと同様の作用を奏する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の圧電アクチュエータ３００では、一般的には積層型圧電素子３０６を使用しているため、まず、この仕様に応じた積層型圧電素子３０６を作成する必要がある。積層型圧電素子３０６は、一般にグリーンシート法によって製造されるが、この製造プロセスを用いる場合、スラリーからグリーンシートを作成し、このグリーンシートに内部電極用導電ペーストをスクリーン印刷した後、所定枚数のグリーンシートを積層焼成する。この構成から得られる積層型圧電素子の特徴としては、強い発生力が得られるが微小な変位量になる。又作成した積層型圧電素子３０６をガイド部３０５と固定台３０１との間に組み込み、接合及び複雑な調整工程が必要になる。このため、移動用ＸＹステージ及び圧電アクチュエータ３００の製造は、複雑で調整困難、また可動テーブル３０３の移動量を増加させるにはガイド部３０５と固定台３０１間に支点を設けて拡大変位機構を設ける必要があった。そのため、構造的に更に微小化するには対応し難い構成であった。この発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、さらに、新たな観点から工夫を加えたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る圧電アクチュエータは、基盤と、平板状で、圧電素子を設けた一端自由他端固定の変位機構部を形成した移動体と、前記基盤面に追従するよう前記移動体を支持し、かつ前記移動体の移動方向を規制する支持バネとを備えた構成としたものである。
【０００７】
平板状の変位機構部に設けた圧電素子に周波電圧を印加すると、変位機構部が屈曲振動して変位機構部の自由端が基盤に接触する。変位機構部の自由端は、楕円運動を行う為、この横方向成分が移動体の移動を励起する。また、支持バネにより移動体と基盤の接触状態が安定に維持され、さらに支持バネの構造により移動体の移動方向が限定されることから、移動体の運動及び位置決めが容易に行われる。
【０００８】
また、本発明に係る圧電アクチュエータは、基盤と、平板状で、圧電素子を設けた長辺部分と短辺部分とからなり、長辺部分が自由端となり短辺部分が固定端となる変位機構部を形成した移動体と、前記基盤面に追従するよう前記移動体を支持し、かつ前記移動体の移動方向を規制する支持バネとを備えた構成としたものである。
【０００９】
長辺部分と短辺部分とから変位機構部を形成すると、変位機構部は屈曲振動すると同時に捻り振動を励起する。このため、自由端先端での振動振幅が大きくなり、上記初めの圧電アクチュエータの構成より大きな移動体の運動が得られやすい。
また、本発明に係る圧電アクチュエータは、上記いずれかの圧電アクチュエータにおいて、基盤と移動体とを加圧接触させる与圧手段を設けた構成としたものである。与圧手段により移動体と基盤とを加圧することで、より追従性が向上し、変位機構部との接触状態がよくなり、ひいては移動体の運動及び位置決めがより安定する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に係る圧電アクチュエータを示す組立図である。この圧電アクチュエータ１００は、移動体１２１を形成した可動板１１０と、基盤１３０とから構成されている。可動板１１０は、変位機構部１２６を設けた移動体１２１を４つの支持バネ１１２により支持した構造である。支持バネ１１２は、曲がりくねった蛇状になっており、長辺部分１１２ａの幅を小さく、短辺部分１１２ｂの幅を大きく、支持バネ１１２に連結している可動板１１０の外周フレーム部と移動体１２１までの長さを大きくできるように形成してある。また、支持バネ１１２の厚さは、長辺部分１１２ａにおいてアスペクト比（厚さ／幅の比）が１以上になるよう形成する。この支持バネ１１２の構造はＸ軸方向に対して屈曲変形しやすく、ＹおよびＺ軸方向に対しては変形が困難であり、ねじり変形しやすい。この支持バネ１１２に支持された移動体１２１はＸ軸方向のみに平行移動方向が規制されると同時に、Ｘ軸及びＹ軸周りに揺動させることができる。また、支持バネ１１２の構造により、基盤１３０と移動体１２１との接触状態が常に一定に保つことができる。なお、この支持バネ１１２の形状は、同図のような蛇状に限定されず、移動体１２１を無理なく移動できるものであれば、どのような形状であってもよい。
【００１１】
可動板１１０には、ステンレス鋼材やアルミニウム材や用いることができる。また、ベリリウム銅、りん青銅、黄銅、ジュラルミン、チタンやシリコン材の金属系または非金属系の弾性材料を用いることができる。この可動板１１０は、フォトファブリケーション技術により加工することが好ましい。非機械加工プロセスを用いることにより、加工成形時に発生する変形、応力及び機械的ストレスを排除でき、一括して大量に生産できるためである。また、部品の高精度化により、各要素部品の組立・調整工程を最小限におさえることができると共に、機能及び再現性が安定するためである。なお、フォトファブリケーション技術以外にも、ワイヤ放電加工など各種の加工法を用いることができる。なお、支持バネ１１２のアスペクト比は１以上になっているが、これは公知のネガティブトーン近紫外線レジスト技術などにより形成することが可能である。
【００１２】
また、移動体１２１下面の前記基盤１３０との接触部分には摺動面（図示省略）を設けるようにするのが好ましい。摺動面には、摩擦係数が大きいこと、耐摩耗性に優れること、安定した摩擦係数を維持できることなどの諸条件を満たした材料を用いることが好ましい。例えば酸化皮膜処理を施すことにより摺動面を構成することができる。また、摺動面をセルロース系繊維、カーボン系繊維、ウイスカとフェノール樹脂との接合材料、ポリイミド樹脂とポリアミド樹脂との接合材料を用いるようにしてもよい。
【００１３】
図２は、図１に示した移動体１２１の拡大図である。ここで示した変位機構部１２６は長辺部分と短辺部分から構成され、圧電素子１２８を接合した長辺部分が自由端、移動体と連結した短辺部分が固定端となっている。また、圧電素子１２８は所定方向に分極処理している。圧電素子１２８は圧電材料からなり、圧電材料とは歪発生機能、共振機能及び電圧発生機能を兼ね備えた材料をいう。すなわち、印加された電圧に応じて応力ないし変位を生じ、印加電圧の周波数により共振現象を生じさせ、加えられた力に応じて電圧が発生する特性を示す材料である。本例の圧電素子１２８には、圧電定数の高い薄膜ジルコンチタン酸鉛を用いている。また、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウムやジルコンチタン酸鉛などを用いてもよい。また、これら圧電セラミックスの代わりに、傾斜機能材料やリチウムナイオベートを用いることもできる。また、圧電素子の電極１２９には、周波電圧を印加するドライバー１４０が接続され、ドライバー１４０は印加電圧の周波数もしくは電圧、またはその両方を変化させて移動体１２１の動作を制御する。なお、変位機構部１２６の数は４個に限定されない。必要な駆動力に応じて決定すればよい。
【００１４】
また、前記変位機構部１２６と圧電素子１２８とは接着により一体化する。係る接着に要求される条件は、非常に薄い接着層であること、接着層が非常に硬く且つ強靭であること、変位機構部１２６と圧電素子１２８との接着後は共振周波数付近の抵抗値が小さいことである。変位機構部１２６と圧電素子１２８との間には、直接接合または接着剤による接合であっても接合界面が存在する。この接合界面は、変位機構部１２６と圧電素子１２８との間の伝搬特性を決める重要な因子となる。このため、接着剤の特性およびその膜厚管理が重要となる。例えば前記接着剤には、ホットメルトおよびエポキシ樹脂に代表される高分子接着剤を用いる。本例では、エポキシ系の接着剤を用いて最適膜厚になるようにしている。なお、接着剤を用いないで圧電素子１２８を直接接合してもよい。また、薄膜形成、圧膜形成のプロセス手段により圧電素子を設けるようにしてもよい。
【００１５】
さらに、圧電素子１２８には、１枚で構成されるユニモルフ型、２枚で構成されるバイモルフ型、又は、４枚以上で構成されるマルチモルフ型があり、いずれを用いるようにしてもよい。圧電素子１２８や変位機構部１２６の材料及びこれらの接着方法は、圧電アクチュエータに要求される変位機構部１２６の変位量、力、応答性及び構造的制約条件により設定される。本例の変位機構部１２６では、ユニモルフ型構成を採用してある。変位電圧特性上でヒステリシスを持ちにくい特性を持つためである。また、バイモルフ型と比較して変位量は小さいが発生力が大きいこと、移動体の負荷荷重および加圧力が適当であるためである。なお、圧電アクチュエータの仕様により、マルチモルフ型を採用し、厚みを一定に維持した上で層数を増やすことで変位と力とを増加させることもできる。係る構成による移動体１２１によれば、変位機構部１２６の屈曲および捻り変位を極めて安定に励起することができる。
【００１６】
基盤１３０は可動板１１０と同様の材料および形成技術により加工することができる。また、特別に部品として用意するのではなく、装置筐体の内側面などを利用してもよい。
つぎに、この圧電アクチュエータ１００の動作原理について説明する。図３は、この発明の圧電アクチュエータの駆動原理を示す説明図である。電極１２９に正もしくは負の電圧を印加すると、圧電素子１２８が伸長し、変位機構部１２６の自由端が基盤１３０側に屈曲する。電圧をとりされば、圧電素子１２８および変位機構部１２６は元の形状に復帰する。圧電素子１２８の変形に伴い変位機構部１２６が屈曲し、変位機構部１２６の自由端部先端が楕円運動を発生し基盤１３０に接触する。そのため自由端部先端の横方向成分（図中右から左方向）の力が摩擦力を媒介して、移動体１２１を逆方向（図中左から右方向）に微小移動させる。従って圧電素子１２８に電圧を周期的に印加することで前記微小移動が繰り返されるから、移動体１２１を連続的に移動させることができる。なお、同図では、変位機構部１２６と基盤１３０との接触部分を平面的に表したが、必ずしも平面的に接触する必要はなく、点接触であっても構わない。
【００１７】
つぎに、この圧電アクチュエータ１００の動作について説明する。一方向を向いた変位機構部１２６ａの圧電素子１２８に周波電圧を印加すると、上記説明した原理により、移動体１２１が一定方向（Ｘ方向）に移動することになる。移動体１２１は、支持バネ１１２により支持されているから、移動体１２１の移動に伴い支持バネ１１２が屈曲変形する。また、移動体１２１は支持バネ１１２の構造によりその移動方向を規制され、更に支持バネ１１２の自由度の高い方向と移動方向を一致させる構成にしているから、確実に所望する直線移動する事ができる。また、逆方向を向いた変位機構部１２６ｂの圧電素子１２８に周波電圧を印加すると、移動体１２１が逆方向に移動する。
【００１８】
また、移動体１２１を安定して駆動するには、移動体１２１と基盤１３０との対向面が均一な接触を保つことが必要である。移動体１２１はＸ方向に最もフレキシブルに支持されているから、ＸおよびＹ軸周りなど微妙に揺動する移動体面に追従することが可能である。このため、移動体１２１を安定して移動制御することができる。
（実施の形態２）
図４は、この発明の実施の形態２に係る圧電アクチュエータを示す組立図である。この圧電アクチュエータ２００は、移動体２２１に与圧をかけることができる構成にしたものである。この圧電アクチュエータ２００は移動体を形成した可動板２１０と、基盤２３０とから構成されている。
【００１９】
可動板２１０は中央に移動体２２１を形成し、この移動体２２１を支持バネ２１２によってＸ方向に自由度を設定支持した構成である。支持バネ２１２は、矩形枠を長辺部分の中心で連続的に接続した構造である。また、この支持バネ２１２は、矩形枠の幅を小さくその厚さを大きくすることで、移動体２２１がＸ軸方向のみに移動でき、かつ、基盤表面のうねりに追従してねじり変形ができる構成となっている。なお、移動体２２１には一端自由他端固定の変位機構部２２６が配置され、移動体２２１を駆動する。駆動原理は上記形態の１と同様である。
【００２０】
移動体に与圧をかける構成の断面図を図４（ｂ）に示す。与圧を発生させる構造として、移動体２２１を支持バネ２１２と比べて基盤１３０側に厚い構造で可動板２１０を形成する。この可動板２１０の外周フレームと基盤１３０とを密着して圧電アクチュエータ２００を組み立てる。この時移動体２２１の厚さにより、移動体２２１の摺動面は基盤２３０の表面と必ず接触すると同時に支持バネ２１２は厚さ方向（基盤１３０と反対側）に変形するため、移動体２２１には一定の接触圧力が常に加わる。この移動体２２１の厚さを調整することで、最適な接触圧力が管理でき、高効率かつ精密な移動体２２１の移動が可能となる。
【００２１】
また、与圧を発生させる構造は上記に限らない。図５に示すように、移動体２２１と接触する基盤２３０上に凸部２３１を形成することで、同様の機能が得られる。
この可動板２１０は上記形態の１同様の素材、加工方法により形成する事ができる。移動体２２１を凸形状にする加工方法として、可動板２１０を均一厚で形成し、移動体２２１以外をエッチング等で薄く加工する方法、接合部２２２および支持バネ２１２を有する可動板２１０と移動体２２１とを個々に加工した後接着もしくは接合する方法（図６）などがあげられる。同様に、基盤２３０に凸部２３１がある場合も、凸部２３１のみを作成した後基盤と接着もしくは接合する方法、一括して形成する方法があげられる。
【００２２】
また、図示省略するが、上記実施の形態１および２の変形例として、大小２種類のサイズの変位機構部１２６もしくは２２６を設けるようにしてもよい。この構成によれば、大きいサイズの変位機構部により粗動制御し、小さいサイズの変位機構部により微動制御することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の圧電アクチュエータによれば、平板状の変位機構部上に圧電素子を設けるから、プロセス加工処理が行え、簡単に高精度な形状が得られる。同時に、一括して大量に形成ができる上、部品数が少ないので大量低廉化が容易である。支持バネの形状および移動体の移動距離も所望の仕様によって機能が実現可能となる。また、移動体が基盤に対向追従するから、安定した移動制御が可能になる。
【００２４】
つぎに、この発明の圧電アクチュエータによれば、長辺部分と短辺部分から構成された変位機構部を有することで、自由端先端でより大きな振動振幅が得られ、移動体の動作が向上する。また、上記と同様、プロセス加工が行えるため、高精度の形状を一括して形成でき、部品数が少ないので大量低廉化が容易である。つぎに、この発明の圧電アクチュエータによれば、上記同様に高精度かつ一括製造および大量低廉化が容易であると同時に、移動体と基盤とを加圧接触させる与圧手段を設けたので、位置決め精度および効率の向上、安定した移動制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る圧電アクチュエータを示す組立図である。
【図２】図１に示した移動体を示す拡大説明図である。
【図３】この発明の圧電アクチュエータの駆動原理を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る圧電アクチュエータを示す組立図及び断面図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る圧電アクチュエータの変形例を示す組立図及び断面図である。
【図６】この発明の実施の形態２における可動板の作製例を示す組立図である。
【図７】従来の圧電アクチュエータの一例を示す斜視図である。
【図８】支持バネを示す拡大平面図である。
【図９】支持バネを示す構造説明図である。
【符号の説明】
１００    圧電アクチュエータ
１１０    可動板
１１２    支持バネ
１２１    移動体
１２６    変位機構部
１２８    圧電素子
１２９    電極
１３０    基盤
１４０    ドライバー
２００    圧電アクチュエータ
２１０    可動板
２１２    支持バネ
２２１    移動体
２２６    変位機構部
２３０    基盤
２３１    凸部
３００    圧電アクチュエータ
３０１    固定台
３０２    抜き部分
３０３    可動テーブル
３０４    支持バネ
３０４ａ  長辺部分
３０４ｂ  短辺部分
３０５    ガイド部
３０６    積層型圧電素子
【図１】
0003939048.tif 000002
【図２】
0003939048.tif 000003
【図３】
0003939048.tif 000004
【図４】
0003939048.tif 000005
【図５】
0003939048.tif 000006
【図６】
0003939048.tif 000007
【図７】
0003939048.tif 000008
【図８】
0003939048.tif 000009
【図９】
0003939048.tif 000010