(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動体と、前記振動体内部に設けられ、前記振動体に対し自由に可動する自由端部と前記振動体に固定された固定端部を有する変位機構部と、前記変位機構部の一方の面に接合され、その屈曲により接合された前記自由端部を可動する圧電素子と、前記変位機構部の他方の面に接触する移動体とを備える圧電アクチュエータにおいて、
前記移動体は、該移動体の周囲に形成された第１の枠体に対して支持バネにより支持され、一方、前記振動体は、該振動体の周囲に形成された第2の枠体に対して軸状の部材により支持され、その結果、前記移動体と前記振動体とは互いに姿勢が対向して追従するように揺動することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記移動体と前記支持バネと前記第１の枠体とが一体成形された第１の基板と、前記振動体と前記軸状部材と前記第２の枠体とが一体成形された第２の基板と、からな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】
前記移動体はガイド用の突起を有し、また、前記第１の枠体は、前記ガイド用の突起と係合して前記移動体の移動方向を規制するガイド用の溝を有することを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
さらに、前記振動体の前記移動体と接触する反対側の面から、前記振動体に対して、前記振動体と前記移動体との接触圧力が強化されるように与圧をかける与圧手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項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３０３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３０４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。同様に、図９に示すように、幅ａに対する厚さｂのアスペクト比（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方向移動用の積層型圧電素子３０６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３０６が厚み方向に変位すると、ガイド部３０５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３０５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３０６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。更に構造的に微小化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、平板状で一端自由他端固定とした変位機構部の振動体を形成すると共にこの変位機構部面に圧電素子を設け、且つこの変位機構部に対して、支持バネにより支持されて接触または近接させた移動体を有する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移動体に接触する。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、移動体は移動時において、支持バネにより支持され変位機構部と移動体の接触状態を安定に維持されることから、移動体の位置決め及び運動が容易に行われる。
【０００８】
また、本発明に係る圧電アクチュエータは、上記圧電アクチュエータにおいて、さらに、移動体面に対向追従するよう振動体を支持するようにしたものである。移動体は、移動時のロールなどによって振動体との接触状態が変化する場合、かかるロールなどに対して前記振動体を移動体面に対向追従させることで、変位機構部の振動を効率的に伝達するようにしている。
【０００９】
また、本発明に係る圧電アクチュエータは、上記圧電アクチュエータにおいて、さらに、移動体を支持するバネ部の構造及び構成方法より前記移動体の移動方向を規制するようにし、前記移動体の移動方向を規制するようにしたものである。移動体の移動方向に対してはバネ定数を弱めて自由度を持たせ、その他方向の変位に対してはバネ定数を強くする構造や構成方法を用いることにより、移動体の移動方向や安定した位置決めを行うことができる。
【００１０】
また、本発明に係る圧電アクチュエータは、上記圧電アクチュエータにおいて、さらに、前記振動体と移動体とを加圧接触させる与圧手段を設けたものである。与圧手段により振動体と移動体とを加圧することで、より追従性が向上するし、変位機構部との接触状態が良くなる。
【００１１】
【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、可動ステージ１１１を形成した第１基板１１０と、振動体１２１を形成した第２基板１２０とから構成されている。第１基板１１０は、可動ステージ１１１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に連結している第１基板１１０の外周フレーム部と可動ステージ１１１までの長さを大きく出来るように形成してある。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、可動ステージ１１１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。また、可動ステージ１１１は、その移動方向にガイド突起１１３が形成されている。このガイド突起１１３はガイド溝１１４に係合しており、移動体１１１の移動方向を規制している。なお、支持バネ１１２の構造によっては、ガイド部１１３、１１４なしでも移動体１１１の移動方向を実質的に規制することもできる。
【００１２】
第１基板１１０には、ステンレス鋼材やアルミニウム材を用いることができる。また、ベリリウム銅、リン青銅、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。この第１基板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できる。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、応力および機械的ストレスを排除できるためである。また、部品の高精度化により、各要素部品の組立工程を最小限に押さえることができると共に、機能およ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。
【００１３】
また、移動体１１１下面のうち前記振動体１２１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みたした材料を用いるもの好ましい。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複合材料、ポリイミド樹脂とポリアミド樹脂との複合材料を用いるようにしてもい。
【００１４】
第２基板１２０は振動体１２１を中央に形成した構造であり、この振動体１２１はＸ方向軸１２２を介して枠体１２３に繋がっている。また、枠体はＹ方向軸１２４を介して基板部１２５に繋がっている。各軸は非常に幅の狭いものであり、そのねじり変形により振動体１２１をＸ軸およびＹ軸を中心として揺動させることができる。また、振動体１２０のＸ軸方向（移動体進行方向）に、一端自由他端固定としたＬ字形状の変位機構部１２６が２個づつ対向形成されている。変位機構部１２６の先端には、移動体１１１との接触部分を特定するための突起１２７が形成されている。なお、この変位機構部１２６はＬ字形状に限らず、片持ち梁形状であってもよい。
【００１５】
図２は、図１に示した第２基板の振動体の裏面を示す斜視説明図である。各変位機構部１２６には所定方向に分極処理した圧電素子１２８が接合されている。圧電素子１２８とは、歪発生機能、共振機能およ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、加えられた圧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ある。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良い。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、圧電素子の電極には、周波電圧を印加するドライバーが接続されている。
【００１６】
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靱であること、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材を用いる。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。
【００１７】
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、または、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良い。圧電素子１２８や変位機構部１２６の材料およ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、応答性およ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。また、変位機構部１２６の固定端部から自由端部にかけてテーパを設け、応答性を向上させることもできる。係る構成による振動体１２１によれば、変位機構部１２６の屈曲変位を極めて安定に励起することができる。
【００１８】
第２基板１２０もフォトファブリケーション技術により一体的に加工することができる。この第２基板１２０の材料も第１基板と同じものを用いることができる。なお、上記構成では振動体１２０をＸ方向軸１２２、枠体１２３およびＹ方向軸１２４により支持しているが、この構成に限定されず、振動体１２０をフレキシブルに支持できればどのような構成であってもよい。例えば図３の（ａ）に示すように、第２基板１２０の対角線方向に対ねじり軸１の１３１、対ねじり軸２の１３２を設けてもよい。また、同図（ｂ）に示すように、第１基板１１０に用いたような対ねじり支持バネ１３３により振動体１２１を支持するようにしてもよい。この場合、微妙な厚み制御により、対ねじり支持バネ１３３によって前記振動体１２１を移動体１１１に加圧することができる。
【００１９】
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４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に特定電圧を印加すると、圧電素子１２８が移動体１１１側に屈曲する。電圧をとりされば、圧電素子１２８は元の形状に復帰する。圧電素子１２８が変形すると、これに伴い変位機構部１２６も屈曲し、変位機構部１２６の自由端部先端が楕円運動を発生し移動体１１１に接触する。その為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１１１に伝達され、当該移動体１１１が同方向に微小移動する。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１１１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と移動体１１１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。
【００２０】
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１２６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１１１が移動することになる。移動体１１１は、支持バネ１１２により支持されているから、移動体１１１の移動に伴い支持バネ１１２が伸縮変形する。また、移動体１１１はガイド部１１３、１１４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ことができる。また、逆方向を向いた変位機構部１２６の圧電素子１２８に周波電圧を印加すると、移動体１１が逆方向に移動する。
【００２１】
また、移動体１１１を安定して駆動するには、振動体１２１と移動体１１１との対向面が均一な接触または間隔を保つことが必要である。振動体１２１はＸ方向軸１２２、枠体１２３およびＹ方向軸１２４によりフレキシブルに支持されているから、ロールやピッチなど微妙に変位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１１１を安定して移動制御することができる。さらに、与圧をかけた状態であれば、振動体１２１と移動体１１１は安定な接触状態となり安定した駆動が可能になる。
実施の形態２．
図５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、振動体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、移動体を形成した第１基板２１０と、振動体を形成した第２基板２２０と、与圧をかける与圧部材２３０と、接触圧を調整する第１スペーサ２４０と、第１基板〜与圧部材を載せる固定基板２５０と、与圧部材２３０の与圧を調整する第２スペーサ２６０と、第１基板〜与圧部材を保持する保持基板２７０とから構成されている。
【００２２】
第１基板２１０は中央に移動体２１１を形成し、この移動体２１１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では、矩形枠の幅を小さくその厚さを大きくすることでアスペクト比を大きくし、ねじり変形を予防するようにしている。この第１基板２１０では実施の形態１のようなガイド部は設けていない。支持バネ２１２の構造により実質的にガイド部として十分に機能するからである。第２基板２２０の構造は実施の形態１と同様であるから説明を省略する。
【００２３】
第１スペーサ２４０は、第２基板２２０に形成した振動体２２１と移動体２１１との接触圧を調整する。すなわち、振動体２２１の変位機構部と移動体２１１の摺動面との間隔を調整することにより、変位量を調整し（接触力の横方向成分）、最適な移動制御が可能なようにする。なお、移動体２１１の動作原理は上記の通りである。
【００２４】
与圧部材２３０は、中央穴２３１に十字形状の通し梁２３２を形成した構成であり、この通し梁２３２の両端近傍には振動体２２１を加圧する突起２３３が形成され、その頂部が振動体２２１の下面に当接する。この突起２３３の高さと、通し梁２３２の弾性力により与圧量を調整することができる。与圧部材２３０の形状は同図に示したものに限定されず、振動体２１１に適切な与圧をかけることができるものならば、どのような形状であっても構わない。例えば図６の（ａ）に示すように、中心穴２３１の両辺から２個づつの梁２３４を延出し、この梁の先端に突起２３５を設けて与圧をかけるようにしてもよい。また、同図（ｂ）に示すように、加圧部２３６を矩形枠形状の支持バネ２３７で支持するように構成してもよい。
【００２５】
第２スペーサ２６０は、第１基板２１０と第２基板２２０との間に配置され、この厚みにより与圧を管理する。第１基板２１０、第２基板２２０および与圧部材２３０は、保持部材２７０により固定部材２５０上に保持される。なお、この第１基板２１０の代わりに実施の形態１第１基板１１０を用いることもできる。また、変位機構部の数は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。
【００２６】
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。
【００２７】
【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状に圧電素子を設けるからプロセス加工処理が行え高精度な形状が得られると共に大量低廉化が可能な製造が行える。移動体の形状及び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、振動体が移動体に対向追従するから、安定した移動制御が可能になる。
【００２８】
つぎに、この発明の圧電アクチュエータによれば、移動体面に対向追従するように振動体を支持するようにしたことより移動体の移動距離及び移動体の姿勢に対応し安定した移動制御が可能になる。
つぎに、この発明の圧電アクチュエータによれば、移動体を支持するバネ部の構造及び構成方法により前記移動体の移動方向を規制するようにしたことにより最小部品な構成で高精度に移動体の移動方向を規制する事が可能になる。
【００２９】
つぎに、この発明の圧電アクチュエータによれば、振動体と移動体とを加圧接触させる与圧手段を設けたので、さらに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に示した第２基板の振動体の裏面を示す斜視説明図である。
【図３】振動体の変形例を示す説明図である。
【図４】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５】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。
【図６】与圧部材の変形例を示す説明図である。
【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  第１基板
１１１  可動ステージ
１１２  支持バネ
１１３  ガイド突起
１１４  ガイド溝
１２０  第２基板
１２１  振動体
１２２  Ｘ方向軸
１２３  枠体
１２４  Ｙ方向軸
１２５  基板部
１２６  変位機構部
１２７  突起
１２８  圧電素子
１２９  電極
１３１  対ねじり軸１
１３２  対ねじり軸２
１３３  対ねじり支持バネ
２００  圧電アクチュエータ
２１０  第１基板
２１１  移動体
２２０  第２基板
２２１  振動体
２３０  与圧部材
２３１  中央穴
２３２  通し梁
２３３  突起
２３４  梁
２３５  突起
２３６  加圧部
２３７  支持バネ
２４０  第１スペーサ
２５０  固定基板
２６０  第２スペーサ
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
３０４ｂ  短辺
３０５  ガイド部
３０６  積層型圧電素子
【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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【図９】
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