JP4689810B2 - 圧電アクチュエータの製造方法、圧電アクチュエータ、電子機器および光情報通信機器 - Google Patents
圧電アクチュエータの製造方法、圧電アクチュエータ、電子機器および光情報通信機器Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大変位を得られる圧電アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電効果を利用した圧電アクチュエータは、小型で高トルクを得られるという特性を持つことから、様々な分野で利用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、圧電アクチュエータは本質が圧電効果であるため、大型化することなく大きな変位を得ることは難しかった。
【０００４】
本発明は、圧電アクチュエータにおいて、大型化することなく従来より大きな変位を得られるようにし、かつ、効率よく製造できるようにすることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電アクチュエータは、互いに並列に配置された第一の圧電振動体と第二の圧電振動体と、前記第一の圧電振動体の一端面と前記第二の圧電振動体の一端面同士を接合する第一の接合部材と、を有し、前記第一の圧電振動体と前記第二の圧電振動体とは互いに逆方向に伸縮させることで前記第一の圧電振動体の他端面を変位させることを特徴とする。
【０００６】
また、この圧電アクチュエータにおいて、前記第一の圧電振動体と前記第二の圧電振動体に並列に配置された第三の圧電振動体と、前記第二の圧電振動体の他端面と前記第三の圧電振動体の一端面同士を接合する第二の接合部材と、前記第三の圧電振動体の他端面が接合される基板と、を有し、前記第一の圧電振動体と前記第三の圧電振動体を同方向に伸縮させるとともに前記第二の圧電振動体は前記第一の圧電振動体と前記第三の圧電振動体に対して逆方向に伸縮させることを特徴とする。
【０００７】
これらの圧電アクチュエータによれば、圧電アクチュエータの変位は、各圧電振動体の伸縮量の和となり、長手方向の変位は大きくなる。
【０００８】
本発明の圧電アクチュエータの製造方法は圧電シートを積層する工程と、前記積層してできた立体に溝を形成する工程と、前記立体を複数個に分離する工程と、からなることを特徴とする。
【０００９】
これによれば、本発明の圧電アクチュエータを効率よく製造できる。
【００１７】
そして本発明は、これらの圧電アクチュエータを有する電子機器および光情報通信機器である。
【００１８】
また、本発明の圧電アクチュエータを用いることで電子機器、光情報通信機器、医療モジュール等の小型化、省電力化、耐環境性の向上が可能となるとともに、本発明の圧電アクチュエータは高精度の位置決めを瞬時にできるため、これら機器の応答性を向上することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施の形態〕
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る圧電アクチュエータ１は、主たる伸縮源であり互いに並列に配置された直方体の伸縮部１ａ、１ｂ、１ｃ（圧電振動体）と、伸縮部１ａ、１ｂの一端面同士を接合する接合部１ｄ（接合部材）と、伸縮部１ｂの他端面と伸縮部１ｃの一端面を接合する接合部１ｅ（接合部材）とにより構成され、断面は略Ｓ字を９０゜回転させた形状である。伸縮部１ａの他端面は出力面１３となり、伸縮部１ｃの他端面は接合面１４として支持基板１００の凸部１００ａに接合される。
【００２０】
なお、接合部１ｄ、１ｅと伸縮部１ａ〜１ｃとを点線で区別してあるが、実際には、後述する工程で製造されるため一体である。
【００２１】
伸縮部１ａ〜１ｃ及び接合部１ｄ、１ｅは、図示していないが、周知の材料からなる圧電シートを複数電極を介して積層して形成され、各圧電層の伸縮量の和が伸縮部１ａ〜１ｃの伸縮量となる。
【００２２】
また、圧電アクチュエータ１の断面方向の側面１１には電極１１ａ〜１１ｅが、側面１１の反対面である側面１２には電極１２ａがそれぞれ形成される。
【００２３】
電極１１ａは伸縮部１ａの内側端に沿って、側面１１の上辺から下辺まで細長く延びている。電極１１ｂは伸縮部１ｂの一側端に沿って、電極１１ｃは伸縮部１ｂの多側端に沿って、それぞれ側面１１の上辺から下辺まで細長く延びている。電極１１ｄは伸縮部１ｃの一側端に沿って、電極１１ｅは伸縮部１ｃの多側端に沿って、それぞれ側面１１の上辺から下辺まで細長く延びている。
【００２４】
電極１２は図１（Ｂ）に示すように、接合面１４から伸縮部１ｃ、接合部１ｅ、伸縮部１ｂ、接合部１ｄ、伸縮部１ａの中央に沿って細長く延びている。
【００２５】
なお、電極１１ａ〜１１ｅ及び電極１２は、所定の構造（一例を後述）で前記した圧電シート間の電極に接続している。
【００２６】
次に、圧電アクチュエータ１の製造方法の一例について説明する。本製造方法は、圧電アクチュエータ１を４つ同時に製造する方法である。
【００２７】
まず、図２〜図６に示す圧電シート２１〜２８を積層して積層体２９を製造する。
【００２８】
積層体２９の製造工程の詳細は以下の通りである。
【００２９】
まず、図２（Ａ）に示す圧電シート２１と、図２（Ｂ）に示す圧電シート２２を交互に積層して適当な厚さ（例えば接合部１ｄの半分の厚さ）とし、さらに図３（Ａ）に示す圧電シート２３と、圧電シート２２（図３（Ｂ）にも図示）を交互に積層し、接合部１ｄと同じ厚さの積層体を形成する。
【００３０】
圧電シート２１は、一面（例えば上面）に電極２１ａを上下に二つ、右端辺からから左端辺まで形成した構成である。電極２１ａは略長方形であり、図中下辺側に図中下向きに突出した電極２１ｂを２箇所に備える。電極２１ｂの幅は電極２１ａの幅Ｌの約１／６であり、その形成位置は図中左端からＬ／３程右側に一つ、そこからＬ／２程右側に一つである。
【００３１】
圧電シート２２は、圧電シート２１と同一面（例えば上面）に電極２２ａを上下に２つ、右端辺からから左端辺まで形成した構成である。電極２２ａは略長方形であり、図中上辺側すなわち電極２１ａとは反対側に突出した電極２２ｂを２つ備える。電極２２ｂの幅は電極２２ｂの幅Ｌの約１／８であり、その形成位置は、図中電極２２ａ右端部に一つ、そこからＬ／２程左側に一つである。
【００３２】
圧電シート２３は、圧電シート２１と同一面（例えば上面）に電極２３ａを上下に２つ、右端辺からから左端辺まで形成した構成である。電極２３ａは略長方形であり、図中下辺側すなわち電極２１ａと同一側に突出した電極２３ｂ及び電極２３ｃをそれぞれ２つずつ備える。電極２３ｂの幅は電極２３ａの幅Ｌの約１／１６であり、その形成位置は、図中電極２３ａ右側端部に一つ、そこからＬ／２程左側に一つである。電極２３ｃの幅は約Ｌ／８であり、その形成位置は、図中電極２３ａ左端部から少し内側に入ったところに一つ、そこからＬ／２程右側に一つである。
【００３３】
次に、上記した積層体の上に、図４（Ａ）に示す圧電シート２４と、図４（Ｂ）に示す圧電シート２５とを、交互に積層する。ここでの積層厚さは伸縮部１ｂの高さに等しい。
【００３４】
圧電シート２４は、圧電シート２１と同一面（例えば上面）に電極２４ａを上下に２つ、右端辺からから左端辺まで形成した構成である。電極２４ａは略長方形であり、図中下辺側すなわち電極２１ａと同一側に突出した電極２４ｂ、２４ｃ、２４ｄをそれぞれ２つずつ備える。電極２４ｂの幅は電極２４ａの幅Ｌの約１／３２であり、その形成位置は、図中電極２４ａ右端部に一つ、そこからＬ／２程左側に一つである。電極２４ｃの幅は約Ｌ／３２であり、形成位置は、電極２４ｂからＬ／６程左側に一つ、そこからＬ／２程左側に一つである。電極２４ｄの幅は約Ｌ／６であり、その形成位置は、電極２４ａ左端部に一つ、そこからＬ／２程左側に一つである。結果として中央よりの電極２４ｂ、２４ｄは連続して形成される。
【００３５】
圧電シート２５は、圧電シート２１と同一面（例えば上面）に長方形の電極２５ａを上下に２つ、右端辺からから左端辺まで形成した構成である。ここで上側の電極２５ａの上辺は圧電シート２５上端にかかっており、下側の電極２５ａの上辺の位置は圧電シート２５の図中上下方向中心に等しい。
【００３６】
次に、上記した積層体の上に、さらに、図５（Ａ）に示す圧電シート２６と、図５（Ｂ）に示す圧電シート２７とを交互に積層して適当な厚さ（例えば接合部１ｅの半分の厚さ）とし、さらに図６（Ａ）に示す圧電シート２８と、圧電シート２７（図６（Ｂ）にも図示）を交互に積層する。圧電シート２７、２８の積層厚さは、接合部１ｄと同じとする。
【００３７】
圧電シート２６は、圧電シート２１と同一面（例えば上面）に電極２６ａを上下に２つ、右端辺からから左端辺まで形成した構成である。電極２６ａは略長方形であり、図中下辺側すなわち電極２１ａと同一側に突出した電極２６ｂ、２６ｃをそれぞれ２つずつ備える。電極２６ｂの幅は電極２６ａの幅Ｌの約１／８であり、その形成位置は、図中電極２６ａ右端よりやや内側に一つ、そこからＬ／２程左側に一つである。電極２６ｃの幅は約Ｌ／６であり、形成位置は図中電極２６ａ左端部に一つ、そこからＬ／２程左側に一つである。
【００３８】
圧電シート２７は、圧電シート２１と同一面（例えば上面）に電極２７ａを上下に２つ、右端辺からから左端辺まで形成した構成である。電極２７ａは略長方形であり、図中上辺側すなわち電極２１ａとは反対側に突出した電極２７ｂを２つ備える。電極２７の幅は電極２７ａの幅Ｌの約１／８であり、その形成位置は、図中電極２７ａ左端部に一つ、そこからＬ／２程左側に一つである。
【００３９】
圧電シート２８は、圧電シート２１と同一面（例えば上面）に電極２８ａを上下に２つ、右端辺からから左端辺まで形成した構成である。電極２８ａは略長方形であり、図中下辺側すなわち電極２１ａと同一側に突出した電極２８ｂ、２８ｃをそれぞれ２つずつ備える。電極２８ｂの幅は電極２８ａの幅Ｌの約１／３２であり、その形成位置は、図中電極２８ａ右端部に一つ、そこからＬ／２程左側に一つである。電極２８ｃの幅は約Ｌ／４であり、形成位置は、図中電極２８ａ左端部に一つ、そこからＬ／２程右側に一つである。結果として中央よりの電極２８ｂ、２８ｃは連続して形成される。
【００４０】
以上の工程で幅Ｌの直方体の積層体２９を製造した後、積層体２９を仮焼きする。そして、ダイシングカッター等を用いて、図７に概略を示すように、図中縦方向に垂直溝２９ａを交互に上面及び下面から計４つ形成した後、縦横に垂直方向に等分して４つに切り分けることで、圧電アクチュエータ１の前駆体である圧電部材１ａが４つ製造される。
【００４１】
ここで、垂直溝２９ａの位置は、図中左側面からＬ／６程右側に一つ、そこからＬ／６程右側に一つ、図中右側面からＬ／６程左側に一つ、そこからＬ／６程左側に一つである。
【００４２】
そして、四つに分けられた各圧電部材１ａを本焼成し、圧電部材１ａの側面に電極１１ａ〜１１ｅ、１２ａを形成し（図示省略）、電極１１ａ〜１１ｅと電極１２ａとの間に高電圧を加えて分極処理を施すことで圧電アクチュエータ１は完成する。
【００４３】
この分極処理の際、接合部１ｄ、１ｅは電極１２ａに導通する電極を備えないため、高電圧は加えられず、分極しない。
【００４４】
この結果、圧電シート２１〜２８は以下のように分割され、伸縮部１ａ〜１ｃ及び接合部１ｄ、１ｅを形成し、電極１１ａ〜１１ｅ、１２ａに導通する。
【００４５】
圧電シート２１〜２３は、図８及び図９に示すように図中左側から２／３、１／３の大きさに電極２１ａ〜２３ａと共に二分割される。図中左側は接合部１ｄとなり、右側は伸縮部１ｃとなる。
【００４６】
圧電シート２１において、図８（Ａ）に示すように、電極２１ｂは分割され、接合部１ｄの電極２１ｂは電極１１ｄに導通し、接合部１ｄの電極２１ｂは電極１１ｃに導通する。
【００４７】
圧電シート２２において、図８（Ｂ）及び図９（Ｂ）に示すように、電極２２ｂは伸縮部１ｃのみに存在し、電極１２ａに導通する。
【００４８】
圧電シート２３において、図９（Ａ）に示すように、電極２３ｂは伸縮部１ｃのみに存在し、電極１１ｅに導通する。電極２３ｃは接合部１ｄのみに存在し、電極１１ａ、１１ｂに導通する。
【００４９】
圧電シート２４、２５は、図１０の両図に示すように電極２４ａ、２５ａと共に３等分される。図中左側は伸縮部１ａとなり、図中中央部は伸縮部１ｂとなり、図中右側は伸縮部１ｃとなる。
【００５０】
圧電シート２４において、図１０（Ａ）に示すように、電極２４ｂは伸縮部１ｃのみに存在し、電極１１ｅに導通する。電極２４ｃは伸縮部１ｂのみに存在し、電極１１ｃに導通する。電極２４ａは伸縮部１ａのみに存在し、電極１１ａに導通する。
【００５１】
圧電シート２５において、図１０（Ｂ）に示すように、電極２５ａは伸縮部１ａ〜１ｃのすべてにおいて電極１２ａに導通する。
【００５２】
圧電シート２６〜２８は、図１１及び図１２に示すように図中左側から１／３、２／３の大きさに電極２６ａ〜２８ａと共に二分割される。図中左側は伸縮部１ａとなり、右側は接合部１ｅとなる。
【００５３】
圧電シート２６において、図１１（Ａ）に示すように、電極２６ｂは接続部１ｅ側のみに存在し、電極１１ｃ、１１ｄに導通する。電極２６ｃは伸縮部１ａのみに存在し、電極１１ａに導通する。
【００５４】
圧電シート２７において、図１１（Ｂ）及び図１２（Ｂ）に示すように、電極２７ｂは伸縮部１ａのみに存在し、電極１２ａに導通する。
【００５５】
圧電シート２８において、図１２（Ａ）に示すように、電極２８ｂは接合部１ｅのみに存在し、電極１１ｅに導通する。電極２８ｃは分割され、接合部１ｅの電極２８ｃは電極１１ｂに導通し、伸縮部１ａの電極２８ｃは電極１１ａに導通する。
【００５６】
このような構成の圧電アクチュエータ１は、図１２（Ａ）に示すように、電極１１ｂ、１１ｅは、接続部１ｅの電極２８ａ〜２８ｃを介して互いに導通している。また、図９に示すように、電極１１ｂ、１１ａは、接続部１ｄの電極２３ａ〜２３ｃを介して互いに導通してる。また、電極１１ｂは圧電シート２３、２８以外の圧電シートの電極には導通しない。
【００５７】
従って、凸部１００ａから電極１１ｅ加えられた電圧は、伸縮部１ｃの電極２４ａに加わるのみならず、伸縮部１ｂに影響を与えることなく、伸縮部１ａの電極２４ａ、２６ａ、２８ａに加わり、伸縮部１ａの圧電シート２４〜２８のすべての駆動電圧となる。
【００５８】
また、図１１（Ａ）に示すように、電極１１ｃ、１１ｄは、接続部１ｅの電極２６ｂを介して互いに導通している。また、電極１１ｄは圧電シート２１、２６以外の圧電シートの電極には導通しない。
【００５９】
従って、凸部１００ａから電極１１ｄに加えられた電圧は伸縮部１ｃに影響を与えることなく、伸縮部１ｂの電極２４ａに加わり、伸縮部１ｂの圧電シート２４ａの駆動電圧となる。
【００６０】
すなわち、圧電アクチュエータ１において、電極１２ａを接地し、電極１１ｄ及び電極１１ｅに逆位相の電圧を加えると、伸縮部１ａは１ｃと同一方向に伸縮し、伸縮部１ｂは伸縮部１ｃとは逆方向に伸縮する。
【００６１】
従って、伸縮部１ｃを伸長させたとき、圧電アクチュエータ１の出力面１３の図１上方向の変位量は、伸縮部１ａ、１ｃの伸長量の和に、伸縮部１ｂの収縮量の絶対値を足した量となり、従来と比べて格段に大きくなる。
【００６２】
また、伸縮部１ｃを収縮させたときの圧電アクチュエータ１の出力面１３の図１下方向の変位量は、伸縮部１ａ、１ｃの収縮量の和に、伸縮部１ｂの伸長量の絶対値を足した量となり、従来と比べて格段に大きくなる。
【００６３】
従って、圧電アクチュエータ１は、出力面１３が従来と比べて格段に大きく変位する。
【００６４】
また、一回の製造工程で複数（本例では４つ）の圧電アクチュエータ１を同時に生産できるため、製造効率は格段に向上する。また、圧電アクチュエータ１全体を同じ材質で構成していると共に、接着等による接合を用いていない為、高強度で広い温度範囲においても安定で精密な駆動ができる。尚、ここでは側面で各内部電極の短絡を行ったがスルーホール等により短絡電極を構成しても構わない。
【００６５】
〔第２の実施の形態〕
まず、構成について説明する。図１３に示すように、圧電アクチュエータ２は圧電アクチュエータ１を２つ並べて出力部１３を隣接させ、出力部１３同士を接合部２ａで接合した構成であり、圧電アクチュエータ１と同様の製造工程により、圧電シート積層、仮焼き、分割、側面の電極配線、分極を経て複数同時に製造される。
【００６６】
なお、本実施の形態において、圧電アクチュエータ１の固定部１４は伸縮部１ｃの端部より広くなっている。
【００６７】
圧電アクチュエータ２は接合部２ａの上面を出力部２１として使用する。圧電アクチュエータ２によれば、圧電アクチュエータ１と同様の効果を得られる他、高剛性となる。
【００６８】
〔第３の実施の形態〕
まず、構成について説明する。図１４に示すように、圧電アクチュエータ３は、圧電アクチュエータ１と概略同じ構成であり、伸縮部３ａ、３ｂ、３ｃ及び接合部３ｄ、３ｅと、出力面３３と、支持基板１００の凸部１００ａに接合する接合面３４とを備えるが、電極構造及び分極構造が異なり、接合部３ｄ、３eも圧電振動体として機能する。
【００６９】
圧電アクチュエータ３は、圧電シート２１、２３の代わりに圧電シート３１１を使用し、圧電シート２２の代わりに圧電シート３１２を使用し、圧電シート２４の代わりに圧電シート３１３を使用し、圧電シート２５の代わりに圧電シート３１４を使用し、圧電シート２６、２８の代わりに圧電シート３１５を使用し、圧電シート２７の代わりに圧電シート３１６を使用し、圧電アクチュエータ１と同様の工程を経て製造される。
【００７０】
圧電シート３１１〜３１６は、上面の電極の電極の構造を除いては、電極を含めて圧電シート２１と同様の構成である。
【００７１】
圧電シート３１１〜３１６の圧電アクチュエータ３形成後の電極構造について、図１５〜１７を用いて説明する。
【００７２】
圧電シート３１１は、図１５（Ａ）に示すように、電極３１１ａの図中下辺側に図中下向きに突出した電極３１１ｂ及び３１１ｃを備える。電極３１１ｂの幅は切断前の電極３１１ａの幅Ｌの約１／３２であり、形成位置は図１５（Ａ）において右端である。電極３１１ｃの幅は約Ｌ／１６であり、形成位置は図１５（Ａ）において左端からＬ／８程右側である。
【００７３】
圧電シート３１２は、図１５（Ｂ）に示すように、圧電シート３１１とは図中上下反対の構造をした電極を備える。詳細には切断後の幅Ｌ／２の電極３１２ａの図中上辺側に図中上向きに突出した電極３１２ｂ、３１２ｃを電極３１１ｂ、３１１ｃに対応した位置に備える。
【００７４】
圧電シート３１３は、図１６（Ａ）に示すように、電極３１３ａの図中下辺側に図中下向きに突出した電極３１３ｂ、３１３ｃ、３１３ｄを備える。電極３１３ｂの幅は切断前の電極３１３ａの幅Ｌの約１／３２であり、形成位置は図１６（Ａ）において右端である。電極３１３ｃの幅は電極３１３ｂよりやや広く、形成位置は図１６（Ａ）において右端からＬ／４程左側すなわちほぼ中央である。電極３１３ｄの幅は電極３１３ｂにほぼ等しく、形成位置は図１６（Ａ）において左端である。
【００７５】
圧電シート３１４は、図１６（Ｂ）に示すように、圧電シート３１３とは図中上下反対の構造をした電極を備える。詳細には切断後の幅Ｌ／２の電極３１４ａの図中上辺側に図中上向きに突出した電極３１４ｂ、３１４ｃ、３１４ｄを、電極３１３ｂ、３１３ｃ、３１３ｄに対応した位置に備える。
【００７６】
圧電シート３１５は、図１７（Ａ）に示すように、電極３１５ａの図中下辺側に図中下向きに突出した電極３１５ｂ及び３１５ｃを備える。電極３１５ｂの幅は切断前の電極３１５ａの幅Ｌの約１／３２であり、形成位置は図１７（Ａ）において右端からＬ／８程左である。電極３１５ｃの幅は約Ｌ／１６であり、形成位置は図１７（Ａ）において左端である。
【００７７】
圧電シート３１６は、図１７（Ｂ）に示すように、圧電シート３１５とは図中上下反対の構造をした電極を備える。詳細には幅Ｌの電極３１６ａの図中上辺側に図中上向きに突出した電極３１６ｂ、３１６ｃを電極３１５ｂ、３１５ｃに対応した位置に備える。
【００７８】
また、圧電アクチュエータ３の側面３１には電極３１ａ〜３１ｅが、側面３２には電極３２ａ〜３２ｅが、それぞれ設けられている。
【００７９】
電極３１ａは伸縮部３ａの側面３１左端に上下にわたって細長く設けられ、電極３１５ｃ、３１５ａを介して、伸縮部３ａを構成する圧電シート３１５、３１６に駆動信号を伝達すると共に、電極３１３ｄ、３１３ａを介して、伸縮部３ａを構成する圧電シート３１３、３１４に入力電圧を伝達する。
【００８０】
電極３２ａは伸縮部３ａの側面３２左端に上下にわたって細長く設けられ、電極３１６ｃ、３１６ａを介して、伸縮部３ａを構成する圧電シート３１５、３１６に駆動信号を伝達すると共に、電極３１４ｄ、３１４ａを介して、伸縮部３ａを構成する圧電シート３１３、３１４に入力電圧を伝達する。
【００８１】
すなわち、電極３１ａと電極３２ａとの間に駆動電圧を入力することで、伸縮部３ａは駆動する。
【００８２】
電極３１ｂは伸縮部３ｂの側面３１中央部に上下にわたって細長く設けられ、電極３１３ｃ、３１３ａを介して、伸縮部３ｂを構成する圧電シート３１３、３１４に入力電圧を伝達する。
【００８３】
電極３２ｂは伸縮部３ｂの側面３２中央部に上下にわたって細長く設けられ、電極３１４ｃ、３１４ａを介して、伸縮部３ｂを構成する圧電シート３１３、３１４に入力電圧を伝達する。
【００８４】
すなわち、電極３１ｂと電極３２ｂとの間に駆動電圧を入力することで、伸縮部３ｂは駆動する。
【００８５】
電極３１ｃは伸縮部３ｃの側面３１右端に上下にわたって細長く設けられ、電極３１１ｂ、３１１ａを介して、伸縮部３ｃを構成する圧電シート３１１、３１２に駆動信号を伝達すると共に、電極３１３ｂ、３１３ａを介して、伸縮部３ｂを構成する圧電シート３１３、３１４に駆動信号を伝達する。
【００８６】
電極３２ｃは伸縮部３ｃの側面３２右端に上下にわたって細長く設けられ、電極３１２ｂ、３１２ａを介して、伸縮部３ｃを構成する圧電シート３１１、３１２に駆動信号を伝達すると共に、電極３１４ｂ、３１４ａを介して、伸縮部３ｂを構成する圧電シート３１３、３１４に駆動信号を伝達する。
【００８７】
すなわち、電極３１ｃと電極３２ｃとの間に駆動電圧を入力することで、伸縮部３ｃは駆動する。
【００８８】
電極３１ｄは接合部３ｄの側面３１中央に上下にわたって細長く設けられ、電極３１１ｃ、３１１ａを介して、接合部３ｄを構成する圧電シート３１１、３１２に入力電圧を伝達する。
【００８９】
電極３２ｄは接合部３ｄの側面３２中央に上下にわたって細長く設けられ、電極３１２ｃ、３１２ａを介して、接合部３ｄを構成する圧電シート３１１、３１２に入力電圧を伝達する。
【００９０】
すなわち、電極３１ｄと電極３２ｄとの間に駆動電圧を入力することで、接合部３ｄは駆動する。
【００９１】
電極３１ｅは接合部３ｅの側面３１中央に上下にわたって細長く設けられ、電極３１５ｂ、３１５ａを介して、接合部３ｅを構成する圧電シート３１５、３１６に駆動信号を伝達する。
【００９２】
電極３２ｅは接合部３ｅの側面３２中央に上下にわたって細長く設けられ、電極３１６ｂ、３１６ａを介して、接合部３ｅを構成する圧電シート３１５、３１６に駆動信号を伝達する。
【００９３】
すなわち、電極３１ｅと電極３２ｅとの間に駆動電圧を入力することで、接合部３ｅは駆動する。
【００９４】
従って、圧電アクチュエータ３によれば、伸縮部３ａ〜３ｃ及び接合部３ｄ、３ｅをそれぞれ独立に制御できる。しかも、伸縮部３ａ〜３ｃと接合部３ｄ、３eの変位は直交するため、Ｘ、Ｙステージ等が実現できる。
【００９５】
また、図１８に示すように、接合面３４のみならず出力面３３を固定し、伸縮部３ｃ以外を同位相で伸縮させると、伸縮部３ｃは回転する。従って、圧電アクチュエータ３は従来の圧電アクチュエータでは得られなかった動きをする。例えば３ｃ部にミラーを設けて用いる。
【００９６】
〔第４の実施の形態〕
次に本発明の圧電アクチュエータを用いた応用例について示す。
【００９７】
まず構成を説明する。光通信機器４は、図１９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、圧電アクチュエータ４１ａの上面に稼動部材となるミラー４１ｂを取り付けた光学部材４１を基板４２上にＭ×Ｎのマトリックス状（例えば３×３）に配置した光スイッチであり、入力部２００からの入力光を、３つ並んだ出力部２０１のうち所望の出力部３００から出力させる光スイッチである。
【００９８】
ここで、圧電アクチュエータ４１ａは圧電層を複数電極を介して積層させた構成であり、基板４２は圧電体から構成される。すなわち、圧電アクチュエータ４１ａは、上下に伸縮することで、圧電アクチュエータ４１ａ上の光路にミラー４１ｂを挿入し、また引き抜く。例えば、図２０に示す様にシステムが構成される。
【００９９】
光通信機器４は以下の工程で製造される。
【０１００】
まず、複数の圧電シートを積層して積層体を形成する。ここで、上層には電極を介して圧電シートを積層する。
【０１０１】
そして、上層を、圧電アクチュエータ４１ａとなる部分を残して切削、例えばダイシング等により削除する。下層は基板４２としてそのまま残す。
【０１０２】
そして、所定の配線を行い、圧電アクチュエータ４１ａ上面にミラー４１ｂを載置固定し、光通信機器４を完成させる。
【０１０３】
従って、光通信機器４では圧電アクチュエータ４１ａ及び図示しない配線を基板４２に配置した状態で製造できるため、圧電アクチュエータの実装工程を省略できる。
【０１０４】
また、光学機器全体を同一材料、特に線膨張係数の小さい圧電セラミックスで構成することにより幅広い温度環境下でも安定で精密な動作が可能な光学機器が実現できる。
【０１０５】
次に本発明の圧電アクチュエータを医療モジュールに応用した場合の一例について説明する。
図２１は本発明の超音波内視鏡５０を示すものである。ガイドワイヤ５１の先端面に支持部材５２を固定し、支持部材５２には圧電アクチュエータ５３を固定している。圧電アクチュエータ５３には超音波振動子５４ａを取り付けた揺動部材５４を固定している。圧電アクチュエータ５３には体外の図示しない駆動回路を接続し、体内に挿入される部分を皮膜５５で覆った構成となっている。
ここで、圧電アクチュエータ５３の各部（圧電振動体）５３ａと５３ｂの歪の方向が逆になるように制御する。すなわち５３ａを厚み方向に伸ばすと共に、５３ｂを縮ませることで揺動部材５４との接合面５３ｃは遥動する。
【０１０６】
尚、圧電アクチュエータ５３は図示したものに限らず、形状、分極方向、電極等は任意であり、本発明の実施の形態で述べた範疇のアクチュエータであれば構わない。
【０１０７】
従って、超音波内視鏡５０において超音波振動子５４ａの向きを精度良く、かつ応答性良く制御できる。また、圧電アクチュエータは同一の変位を発生する従来のアクチュエータに対し、大幅な小型化が可能なため、超音波内視鏡５０の挿入方向の断面積は小さくて済む。
従って、血管の深部等、体内の深部まで挿入可能となる。
【０１０８】
なお、本発明は上述した各実施の形態例に限定されるものではない。
【０１０９】
例えば、圧電アクチュエータ１〜３において、さらに伸縮部及び接合部の数すなわち段数を増やしてもよい。この場合は、変位をさらに大きくできる。
【０１１０】
また、圧電シート２１〜２８、３１１〜３１６の電極の突出した部分の幅は上述した例に限定されず、切断、溝形成したときに所定の電極構造となって、側面１１、１２或いは側面３１、３２に設けた電極のうち所定の電極に導通すればよい。
【０１１１】
また、電極構成を所定の構成とし、該電極を介して分極処理をすることで、超音波モータとして機能する圧電アクチュエータとすることもできる。
【０１１２】
その他、具体的な各構成要素についても発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更可能であることは勿論である。応用例についても同様であり、図２１において稼動部材を他の部材に変えれば様々な電子機器が実現可能であり、例えばプリンタヘッド等、多用途に応用できる。
【０１１３】
【発明の効果】
本発明によれば、並列方向に並べた少なくとも２つの圧電振動体の端部を、互い違いに、圧電体からなる接合部材を介して接合した圧電アクチュエータを効率よく製造できる。この圧電アクチュエータによれば、各圧電振動体を互い違いに伸長或いは伸縮させることで、長手方向の変位は従来より大きくなる。
【０１１４】
また、圧電シートを複数積層し、この積層体の上層を、圧電アクチュエータとなる部分を除いて削除し、下層を基板として残すことで、圧電アクチュエータを基板に配置した状態で製造できるため、圧電アクチュエータの実装工程を省略できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施の形態の圧電アクチュエータの構成を示す図であり、（Ａ）は斜視概略図、（Ｂ）は背面概略図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）共に図１の圧電アクチュエータに用いる圧電シートの電極構成を説明する平面図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）共に図１の圧電アクチュエータに用いる他の圧電シートの電極構成を説明する平面図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）共に図１の圧電アクチュエータに用いる他の圧電シートの電極構成を説明する平面図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）共に図１の圧電アクチュエータに用いる他の圧電シートの電極構成を説明する平面図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）共に図１の圧電アクチュエータに用いる他の圧電シートの電極構成を説明する平面図である。
【図７】図２〜図７の圧電シートからなる積層体から、図１の圧電アクチュエータの前駆体を製造する例を示す斜視概略図である。
【図８】（Ａ）は図８の前駆体における図２（Ａ）の圧電シートの平面図であり、（Ｂ）は図２（Ｂ）の同図である。
【図９】（Ａ）は図８の前駆体における図３の圧電シートの平面図であり、（Ｂ）は図３（Ｂ）の同図である。
【図１０】（Ａ）は図８の前駆体における図４の圧電シートの平面図であり、（Ｂ）は図４（Ｂ）の同図である。
【図１１】（Ａ）は図８の前駆体における図５の圧電シートの平面図であり、（Ｂ）は図５（Ｂ）の同図である。
【図１２】（Ａ）は図８の前駆体における図６の圧電シートの平面図であり、（Ｂ）は図６（Ｂ）の同図である。
【図１３】本発明を適用した第２の実施の形態の圧電アクチュエータの斜視概略図である。
【図１４】本発明を適用した第３の実施の形態の圧電アクチュエータの構成を示す図であり、（Ａ）は一側面概略図、（Ｂ）は（Ａ）の対向側面概略図である。
【図１５】（Ａ）、（Ｂ）共に図１４の圧電アクチュエータに用いる圧電シートの電極構成を説明する平面図である。
【図１６】（Ａ）、（Ｂ）共に図１４の圧電アクチュエータに用いる他の圧電シートの電極構成を説明する平面図である。
【図１７】（Ａ）、（Ｂ）共に図１４の圧電アクチュエータに用いる他の圧電シートの電極構成を説明する平面図である。
【図１８】図１４の圧電アクチュエータの使用例を示す正面図である。
【図１９】本発明を適用した第４の実施の形態の光通信機器の構成を示す図であり、（Ａ）は要部斜視概略図、（Ｂ）は平面概略図である。
【図２０】本発明の圧電アクチュエータを応用した医療モジュールの図を示す。
【図２１】本発明の圧電アクチュエータを電子機器に応用した場合のブロック図を示す。
【符号の説明】
１、２、３ 圧電アクチュエータ
１ａ、１ｂ、１ｃ 伸縮部（圧電振動体）
１ｄ、１ｅ 接合部（接合部材）
２１、２２、２３、２４ 圧電シート
２５、２６、２７、２８ 圧電シート
２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ 電極
２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａ 電極
３ａ、３ｂ、３ｃ 伸縮部（圧電振動体）
３ｄ、３ｅ 接合部（接合部材）
３１、３２、３３、３４、３５、３６ 圧電シート
３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ、３５ａ、３６ａ 電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、大変位を得られる圧電アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電効果を利用した圧電アクチュエータは、小型で高トルクを得られるという特性を持つことから、様々な分野で利用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、圧電アクチュエータは本質が圧電効果であるため、大型化することなく大きな変位を得ることは難しかった。
【０００４】
本発明は、圧電アクチュエータにおいて、大型化することなく従来より大きな変位を得られるようにし、かつ、効率よく製造できるようにすることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電アクチュエータは、互いに並列に配置された第一の圧電振動体と第二の圧電振動体と、前記第一の圧電振動体の一端面と前記第二の圧電振動体の一端面同士を接合する第一の接合部材と、を有し、前記第一の圧電振動体と前記第二の圧電振動体とは互いに逆方向に伸縮させることで前記第一の圧電振動体の他端面を変位させることを特徴とする。
【０００６】
また、この圧電アクチュエータにおいて、前記第一の圧電振動体と前記第二の圧電振動体に並列に配置された第三の圧電振動体と、前記第二の圧電振動体の他端面と前記第三の圧電振動体の一端面同士を接合する第二の接合部材と、前記第三の圧電振動体の他端面が接合される基板と、を有し、前記第一の圧電振動体と前記第三の圧電振動体を同方向に伸縮させるとともに前記第二の圧電振動体は前記第一の圧電振動体と前記第三の圧電振動体に対して逆方向に伸縮させることを特徴とする。
【０００７】
これらの圧電アクチュエータによれば、圧電アクチュエータの変位は、各圧電振動体の伸縮量の和となり、長手方向の変位は大きくなる。
【０００８】
本発明の圧電アクチュエータの製造方法は圧電シートを積層する工程と、前記積層してできた立体に溝を形成する工程と、前記立体を複数個に分離する工程と、からなることを特徴とする。
【０００９】
これによれば、本発明の圧電アクチュエータを効率よく製造できる。
【００１７】
そして本発明は、これらの圧電アクチュエータを有する電子機器および光情報通信機器である。
【００１８】
また、本発明の圧電アクチュエータを用いることで電子機器、光情報通信機器、医療モジュール等の小型化、省電力化、耐環境性の向上が可能となるとともに、本発明の圧電アクチュエータは高精度の位置決めを瞬時にできるため、これら機器の応答性を向上することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施の形態〕
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る圧電アクチュエータ１は、主たる伸縮源であり互いに並列に配置された直方体の伸縮部１ａ、１ｂ、１ｃ（圧電振動体）と、伸縮部１ａ、１ｂの一端面同士を接合する接合部１ｄ（接合部材）と、伸縮部１ｂの他端面と伸縮部１ｃの一端面を接合する接合部１ｅ（接合部材）とにより構成され、断面は略Ｓ字を９０゜回転させた形状である。伸縮部１ａの他端面は出力面１３となり、伸縮部１ｃの他端面は接合面１４として支持基板１００の凸部１００ａに接合される。
【００２０】
なお、接合部１ｄ、１ｅと伸縮部１ａ〜１ｃとを点線で区別してあるが、実際には、後述する工程で製造されるため一体である。
【００２１】
伸縮部１ａ〜１ｃ及び接合部１ｄ、１ｅは、図示していないが、周知の材料からなる圧電シートを複数電極を介して積層して形成され、各圧電層の伸縮量の和が伸縮部１ａ〜１ｃの伸縮量となる。
【００２２】
また、圧電アクチュエータ１の断面方向の側面１１には電極１１ａ〜１１ｅが、側面１１の反対面である側面１２には電極１２ａがそれぞれ形成される。
【００２３】
電極１１ａは伸縮部１ａの内側端に沿って、側面１１の上辺から下辺まで細長く延びている。電極１１ｂは伸縮部１ｂの一側端に沿って、電極１１ｃは伸縮部１ｂの多側端に沿って、それぞれ側面１１の上辺から下辺まで細長く延びている。電極１１ｄは伸縮部１ｃの一側端に沿って、電極１１ｅは伸縮部１ｃの多側端に沿って、それぞれ側面１１の上辺から下辺まで細長く延びている。
【００２４】
電極１２は図１（Ｂ）に示すように、接合面１４から伸縮部１ｃ、接合部１ｅ、伸縮部１ｂ、接合部１ｄ、伸縮部１ａの中央に沿って細長く延びている。
【００２５】
なお、電極１１ａ〜１１ｅ及び電極１２は、所定の構造（一例を後述）で前記した圧電シート間の電極に接続している。
【００２６】
次に、圧電アクチュエータ１の製造方法の一例について説明する。本製造方法は、圧電アクチュエータ１を４つ同時に製造する方法である。
【００２７】
まず、図２〜図６に示す圧電シート２１〜２８を積層して積層体２９を製造する。
【００２８】
積層体２９の製造工程の詳細は以下の通りである。
【００２９】
まず、図２（Ａ）に示す圧電シート２１と、図２（Ｂ）に示す圧電シート２２を交互に積層して適当な厚さ（例えば接合部１ｄの半分の厚さ）とし、さらに図３（Ａ）に示す圧電シート２３と、圧電シート２２（図３（Ｂ）にも図示）を交互に積層し、接合部１ｄと同じ厚さの積層体を形成する。
【００３０】
圧電シート２１は、一面（例えば上面）に電極２１ａを上下に二つ、右端辺からから左端辺まで形成した構成である。電極２１ａは略長方形であり、図中下辺側に図中下向きに突出した電極２１ｂを２箇所に備える。電極２１ｂの幅は電極２１ａの幅Ｌの約１／６であり、その形成位置は図中左端からＬ／３程右側に一つ、そこからＬ／２程右側に一つである。
【００３１】
圧電シート２２は、圧電シート２１と同一面（例えば上面）に電極２２ａを上下に２つ、右端辺からから左端辺まで形成した構成である。電極２２ａは略長方形であり、図中上辺側すなわち電極２１ａとは反対側に突出した電極２２ｂを２つ備える。電極２２ｂの幅は電極２２ｂの幅Ｌの約１／８であり、その形成位置は、図中電極２２ａ右端部に一つ、そこからＬ／２程左側に一つである。
【００３２】
圧電シート２３は、圧電シート２１と同一面（例えば上面）に電極２３ａを上下に２つ、右端辺からから左端辺まで形成した構成である。電極２３ａは略長方形であり、図中下辺側すなわち電極２１ａと同一側に突出した電極２３ｂ及び電極２３ｃをそれぞれ２つずつ備える。電極２３ｂの幅は電極２３ａの幅Ｌの約１／１６であり、その形成位置は、図中電極２３ａ右側端部に一つ、そこからＬ／２程左側に一つである。電極２３ｃの幅は約Ｌ／８であり、その形成位置は、図中電極２３ａ左端部から少し内側に入ったところに一つ、そこからＬ／２程右側に一つである。
【００３３】
次に、上記した積層体の上に、図４（Ａ）に示す圧電シート２４と、図４（Ｂ）に示す圧電シート２５とを、交互に積層する。ここでの積層厚さは伸縮部１ｂの高さに等しい。
【００３４】
圧電シート２４は、圧電シート２１と同一面（例えば上面）に電極２４ａを上下に２つ、右端辺からから左端辺まで形成した構成である。電極２４ａは略長方形であり、図中下辺側すなわち電極２１ａと同一側に突出した電極２４ｂ、２４ｃ、２４ｄをそれぞれ２つずつ備える。電極２４ｂの幅は電極２４ａの幅Ｌの約１／３２であり、その形成位置は、図中電極２４ａ右端部に一つ、そこからＬ／２程左側に一つである。電極２４ｃの幅は約Ｌ／３２であり、形成位置は、電極２４ｂからＬ／６程左側に一つ、そこからＬ／２程左側に一つである。電極２４ｄの幅は約Ｌ／６であり、その形成位置は、電極２４ａ左端部に一つ、そこからＬ／２程左側に一つである。結果として中央よりの電極２４ｂ、２４ｄは連続して形成される。
【００３５】
圧電シート２５は、圧電シート２１と同一面（例えば上面）に長方形の電極２５ａを上下に２つ、右端辺からから左端辺まで形成した構成である。ここで上側の電極２５ａの上辺は圧電シート２５上端にかかっており、下側の電極２５ａの上辺の位置は圧電シート２５の図中上下方向中心に等しい。
【００３６】
次に、上記した積層体の上に、さらに、図５（Ａ）に示す圧電シート２６と、図５（Ｂ）に示す圧電シート２７とを交互に積層して適当な厚さ（例えば接合部１ｅの半分の厚さ）とし、さらに図６（Ａ）に示す圧電シート２８と、圧電シート２７（図６（Ｂ）にも図示）を交互に積層する。圧電シート２７、２８の積層厚さは、接合部１ｄと同じとする。
【００３７】
圧電シート２６は、圧電シート２１と同一面（例えば上面）に電極２６ａを上下に２つ、右端辺からから左端辺まで形成した構成である。電極２６ａは略長方形であり、図中下辺側すなわち電極２１ａと同一側に突出した電極２６ｂ、２６ｃをそれぞれ２つずつ備える。電極２６ｂの幅は電極２６ａの幅Ｌの約１／８であり、その形成位置は、図中電極２６ａ右端よりやや内側に一つ、そこからＬ／２程左側に一つである。電極２６ｃの幅は約Ｌ／６であり、形成位置は図中電極２６ａ左端部に一つ、そこからＬ／２程左側に一つである。
【００３８】
圧電シート２７は、圧電シート２１と同一面（例えば上面）に電極２７ａを上下に２つ、右端辺からから左端辺まで形成した構成である。電極２７ａは略長方形であり、図中上辺側すなわち電極２１ａとは反対側に突出した電極２７ｂを２つ備える。電極２７の幅は電極２７ａの幅Ｌの約１／８であり、その形成位置は、図中電極２７ａ左端部に一つ、そこからＬ／２程左側に一つである。
【００３９】
圧電シート２８は、圧電シート２１と同一面（例えば上面）に電極２８ａを上下に２つ、右端辺からから左端辺まで形成した構成である。電極２８ａは略長方形であり、図中下辺側すなわち電極２１ａと同一側に突出した電極２８ｂ、２８ｃをそれぞれ２つずつ備える。電極２８ｂの幅は電極２８ａの幅Ｌの約１／３２であり、その形成位置は、図中電極２８ａ右端部に一つ、そこからＬ／２程左側に一つである。電極２８ｃの幅は約Ｌ／４であり、形成位置は、図中電極２８ａ左端部に一つ、そこからＬ／２程右側に一つである。結果として中央よりの電極２８ｂ、２８ｃは連続して形成される。
【００４０】
以上の工程で幅Ｌの直方体の積層体２９を製造した後、積層体２９を仮焼きする。そして、ダイシングカッター等を用いて、図７に概略を示すように、図中縦方向に垂直溝２９ａを交互に上面及び下面から計４つ形成した後、縦横に垂直方向に等分して４つに切り分けることで、圧電アクチュエータ１の前駆体である圧電部材１ａが４つ製造される。
【００４１】
ここで、垂直溝２９ａの位置は、図中左側面からＬ／６程右側に一つ、そこからＬ／６程右側に一つ、図中右側面からＬ／６程左側に一つ、そこからＬ／６程左側に一つである。
【００４２】
そして、四つに分けられた各圧電部材１ａを本焼成し、圧電部材１ａの側面に電極１１ａ〜１１ｅ、１２ａを形成し（図示省略）、電極１１ａ〜１１ｅと電極１２ａとの間に高電圧を加えて分極処理を施すことで圧電アクチュエータ１は完成する。
【００４３】
この分極処理の際、接合部１ｄ、１ｅは電極１２ａに導通する電極を備えないため、高電圧は加えられず、分極しない。
【００４４】
この結果、圧電シート２１〜２８は以下のように分割され、伸縮部１ａ〜１ｃ及び接合部１ｄ、１ｅを形成し、電極１１ａ〜１１ｅ、１２ａに導通する。
【００４５】
圧電シート２１〜２３は、図８及び図９に示すように図中左側から２／３、１／３の大きさに電極２１ａ〜２３ａと共に二分割される。図中左側は接合部１ｄとなり、右側は伸縮部１ｃとなる。
【００４６】
圧電シート２１において、図８（Ａ）に示すように、電極２１ｂは分割され、接合部１ｄの電極２１ｂは電極１１ｄに導通し、接合部１ｄの電極２１ｂは電極１１ｃに導通する。
【００４７】
圧電シート２２において、図８（Ｂ）及び図９（Ｂ）に示すように、電極２２ｂは伸縮部１ｃのみに存在し、電極１２ａに導通する。
【００４８】
圧電シート２３において、図９（Ａ）に示すように、電極２３ｂは伸縮部１ｃのみに存在し、電極１１ｅに導通する。電極２３ｃは接合部１ｄのみに存在し、電極１１ａ、１１ｂに導通する。
【００４９】
圧電シート２４、２５は、図１０の両図に示すように電極２４ａ、２５ａと共に３等分される。図中左側は伸縮部１ａとなり、図中中央部は伸縮部１ｂとなり、図中右側は伸縮部１ｃとなる。
【００５０】
圧電シート２４において、図１０（Ａ）に示すように、電極２４ｂは伸縮部１ｃのみに存在し、電極１１ｅに導通する。電極２４ｃは伸縮部１ｂのみに存在し、電極１１ｃに導通する。電極２４ａは伸縮部１ａのみに存在し、電極１１ａに導通する。
【００５１】
圧電シート２５において、図１０（Ｂ）に示すように、電極２５ａは伸縮部１ａ〜１ｃのすべてにおいて電極１２ａに導通する。
【００５２】
圧電シート２６〜２８は、図１１及び図１２に示すように図中左側から１／３、２／３の大きさに電極２６ａ〜２８ａと共に二分割される。図中左側は伸縮部１ａとなり、右側は接合部１ｅとなる。
【００５３】
圧電シート２６において、図１１（Ａ）に示すように、電極２６ｂは接続部１ｅ側のみに存在し、電極１１ｃ、１１ｄに導通する。電極２６ｃは伸縮部１ａのみに存在し、電極１１ａに導通する。
【００５４】
圧電シート２７において、図１１（Ｂ）及び図１２（Ｂ）に示すように、電極２７ｂは伸縮部１ａのみに存在し、電極１２ａに導通する。
【００５５】
圧電シート２８において、図１２（Ａ）に示すように、電極２８ｂは接合部１ｅのみに存在し、電極１１ｅに導通する。電極２８ｃは分割され、接合部１ｅの電極２８ｃは電極１１ｂに導通し、伸縮部１ａの電極２８ｃは電極１１ａに導通する。
【００５６】
このような構成の圧電アクチュエータ１は、図１２（Ａ）に示すように、電極１１ｂ、１１ｅは、接続部１ｅの電極２８ａ〜２８ｃを介して互いに導通している。また、図９に示すように、電極１１ｂ、１１ａは、接続部１ｄの電極２３ａ〜２３ｃを介して互いに導通してる。また、電極１１ｂは圧電シート２３、２８以外の圧電シートの電極には導通しない。
【００５７】
従って、凸部１００ａから電極１１ｅ加えられた電圧は、伸縮部１ｃの電極２４ａに加わるのみならず、伸縮部１ｂに影響を与えることなく、伸縮部１ａの電極２４ａ、２６ａ、２８ａに加わり、伸縮部１ａの圧電シート２４〜２８のすべての駆動電圧となる。
【００５８】
また、図１１（Ａ）に示すように、電極１１ｃ、１１ｄは、接続部１ｅの電極２６ｂを介して互いに導通している。また、電極１１ｄは圧電シート２１、２６以外の圧電シートの電極には導通しない。
【００５９】
従って、凸部１００ａから電極１１ｄに加えられた電圧は伸縮部１ｃに影響を与えることなく、伸縮部１ｂの電極２４ａに加わり、伸縮部１ｂの圧電シート２４ａの駆動電圧となる。
【００６０】
すなわち、圧電アクチュエータ１において、電極１２ａを接地し、電極１１ｄ及び電極１１ｅに逆位相の電圧を加えると、伸縮部１ａは１ｃと同一方向に伸縮し、伸縮部１ｂは伸縮部１ｃとは逆方向に伸縮する。
【００６１】
従って、伸縮部１ｃを伸長させたとき、圧電アクチュエータ１の出力面１３の図１上方向の変位量は、伸縮部１ａ、１ｃの伸長量の和に、伸縮部１ｂの収縮量の絶対値を足した量となり、従来と比べて格段に大きくなる。
【００６２】
また、伸縮部１ｃを収縮させたときの圧電アクチュエータ１の出力面１３の図１下方向の変位量は、伸縮部１ａ、１ｃの収縮量の和に、伸縮部１ｂの伸長量の絶対値を足した量となり、従来と比べて格段に大きくなる。
【００６３】
従って、圧電アクチュエータ１は、出力面１３が従来と比べて格段に大きく変位する。
【００６４】
また、一回の製造工程で複数（本例では４つ）の圧電アクチュエータ１を同時に生産できるため、製造効率は格段に向上する。また、圧電アクチュエータ１全体を同じ材質で構成していると共に、接着等による接合を用いていない為、高強度で広い温度範囲においても安定で精密な駆動ができる。尚、ここでは側面で各内部電極の短絡を行ったがスルーホール等により短絡電極を構成しても構わない。
【００６５】
〔第２の実施の形態〕
まず、構成について説明する。図１３に示すように、圧電アクチュエータ２は圧電アクチュエータ１を２つ並べて出力部１３を隣接させ、出力部１３同士を接合部２ａで接合した構成であり、圧電アクチュエータ１と同様の製造工程により、圧電シート積層、仮焼き、分割、側面の電極配線、分極を経て複数同時に製造される。
【００６６】
なお、本実施の形態において、圧電アクチュエータ１の固定部１４は伸縮部１ｃの端部より広くなっている。
【００６７】
圧電アクチュエータ２は接合部２ａの上面を出力部２１として使用する。圧電アクチュエータ２によれば、圧電アクチュエータ１と同様の効果を得られる他、高剛性となる。
【００６８】
〔第３の実施の形態〕
まず、構成について説明する。図１４に示すように、圧電アクチュエータ３は、圧電アクチュエータ１と概略同じ構成であり、伸縮部３ａ、３ｂ、３ｃ及び接合部３ｄ、３ｅと、出力面３３と、支持基板１００の凸部１００ａに接合する接合面３４とを備えるが、電極構造及び分極構造が異なり、接合部３ｄ、３eも圧電振動体として機能する。
【００６９】
圧電アクチュエータ３は、圧電シート２１、２３の代わりに圧電シート３１１を使用し、圧電シート２２の代わりに圧電シート３１２を使用し、圧電シート２４の代わりに圧電シート３１３を使用し、圧電シート２５の代わりに圧電シート３１４を使用し、圧電シート２６、２８の代わりに圧電シート３１５を使用し、圧電シート２７の代わりに圧電シート３１６を使用し、圧電アクチュエータ１と同様の工程を経て製造される。
【００７０】
圧電シート３１１〜３１６は、上面の電極の電極の構造を除いては、電極を含めて圧電シート２１と同様の構成である。
【００７１】
圧電シート３１１〜３１６の圧電アクチュエータ３形成後の電極構造について、図１５〜１７を用いて説明する。
【００７２】
圧電シート３１１は、図１５（Ａ）に示すように、電極３１１ａの図中下辺側に図中下向きに突出した電極３１１ｂ及び３１１ｃを備える。電極３１１ｂの幅は切断前の電極３１１ａの幅Ｌの約１／３２であり、形成位置は図１５（Ａ）において右端である。電極３１１ｃの幅は約Ｌ／１６であり、形成位置は図１５（Ａ）において左端からＬ／８程右側である。
【００７３】
圧電シート３１２は、図１５（Ｂ）に示すように、圧電シート３１１とは図中上下反対の構造をした電極を備える。詳細には切断後の幅Ｌ／２の電極３１２ａの図中上辺側に図中上向きに突出した電極３１２ｂ、３１２ｃを電極３１１ｂ、３１１ｃに対応した位置に備える。
【００７４】
圧電シート３１３は、図１６（Ａ）に示すように、電極３１３ａの図中下辺側に図中下向きに突出した電極３１３ｂ、３１３ｃ、３１３ｄを備える。電極３１３ｂの幅は切断前の電極３１３ａの幅Ｌの約１／３２であり、形成位置は図１６（Ａ）において右端である。電極３１３ｃの幅は電極３１３ｂよりやや広く、形成位置は図１６（Ａ）において右端からＬ／４程左側すなわちほぼ中央である。電極３１３ｄの幅は電極３１３ｂにほぼ等しく、形成位置は図１６（Ａ）において左端である。
【００７５】
圧電シート３１４は、図１６（Ｂ）に示すように、圧電シート３１３とは図中上下反対の構造をした電極を備える。詳細には切断後の幅Ｌ／２の電極３１４ａの図中上辺側に図中上向きに突出した電極３１４ｂ、３１４ｃ、３１４ｄを、電極３１３ｂ、３１３ｃ、３１３ｄに対応した位置に備える。
【００７６】
圧電シート３１５は、図１７（Ａ）に示すように、電極３１５ａの図中下辺側に図中下向きに突出した電極３１５ｂ及び３１５ｃを備える。電極３１５ｂの幅は切断前の電極３１５ａの幅Ｌの約１／３２であり、形成位置は図１７（Ａ）において右端からＬ／８程左である。電極３１５ｃの幅は約Ｌ／１６であり、形成位置は図１７（Ａ）において左端である。
【００７７】
圧電シート３１６は、図１７（Ｂ）に示すように、圧電シート３１５とは図中上下反対の構造をした電極を備える。詳細には幅Ｌの電極３１６ａの図中上辺側に図中上向きに突出した電極３１６ｂ、３１６ｃを電極３１５ｂ、３１５ｃに対応した位置に備える。
【００７８】
また、圧電アクチュエータ３の側面３１には電極３１ａ〜３１ｅが、側面３２には電極３２ａ〜３２ｅが、それぞれ設けられている。
【００７９】
電極３１ａは伸縮部３ａの側面３１左端に上下にわたって細長く設けられ、電極３１５ｃ、３１５ａを介して、伸縮部３ａを構成する圧電シート３１５、３１６に駆動信号を伝達すると共に、電極３１３ｄ、３１３ａを介して、伸縮部３ａを構成する圧電シート３１３、３１４に入力電圧を伝達する。
【００８０】
電極３２ａは伸縮部３ａの側面３２左端に上下にわたって細長く設けられ、電極３１６ｃ、３１６ａを介して、伸縮部３ａを構成する圧電シート３１５、３１６に駆動信号を伝達すると共に、電極３１４ｄ、３１４ａを介して、伸縮部３ａを構成する圧電シート３１３、３１４に入力電圧を伝達する。
【００８１】
すなわち、電極３１ａと電極３２ａとの間に駆動電圧を入力することで、伸縮部３ａは駆動する。
【００８２】
電極３１ｂは伸縮部３ｂの側面３１中央部に上下にわたって細長く設けられ、電極３１３ｃ、３１３ａを介して、伸縮部３ｂを構成する圧電シート３１３、３１４に入力電圧を伝達する。
【００８３】
電極３２ｂは伸縮部３ｂの側面３２中央部に上下にわたって細長く設けられ、電極３１４ｃ、３１４ａを介して、伸縮部３ｂを構成する圧電シート３１３、３１４に入力電圧を伝達する。
【００８４】
すなわち、電極３１ｂと電極３２ｂとの間に駆動電圧を入力することで、伸縮部３ｂは駆動する。
【００８５】
電極３１ｃは伸縮部３ｃの側面３１右端に上下にわたって細長く設けられ、電極３１１ｂ、３１１ａを介して、伸縮部３ｃを構成する圧電シート３１１、３１２に駆動信号を伝達すると共に、電極３１３ｂ、３１３ａを介して、伸縮部３ｂを構成する圧電シート３１３、３１４に駆動信号を伝達する。
【００８６】
電極３２ｃは伸縮部３ｃの側面３２右端に上下にわたって細長く設けられ、電極３１２ｂ、３１２ａを介して、伸縮部３ｃを構成する圧電シート３１１、３１２に駆動信号を伝達すると共に、電極３１４ｂ、３１４ａを介して、伸縮部３ｂを構成する圧電シート３１３、３１４に駆動信号を伝達する。
【００８７】
すなわち、電極３１ｃと電極３２ｃとの間に駆動電圧を入力することで、伸縮部３ｃは駆動する。
【００８８】
電極３１ｄは接合部３ｄの側面３１中央に上下にわたって細長く設けられ、電極３１１ｃ、３１１ａを介して、接合部３ｄを構成する圧電シート３１１、３１２に入力電圧を伝達する。
【００８９】
電極３２ｄは接合部３ｄの側面３２中央に上下にわたって細長く設けられ、電極３１２ｃ、３１２ａを介して、接合部３ｄを構成する圧電シート３１１、３１２に入力電圧を伝達する。
【００９０】
すなわち、電極３１ｄと電極３２ｄとの間に駆動電圧を入力することで、接合部３ｄは駆動する。
【００９１】
電極３１ｅは接合部３ｅの側面３１中央に上下にわたって細長く設けられ、電極３１５ｂ、３１５ａを介して、接合部３ｅを構成する圧電シート３１５、３１６に駆動信号を伝達する。
【００９２】
電極３２ｅは接合部３ｅの側面３２中央に上下にわたって細長く設けられ、電極３１６ｂ、３１６ａを介して、接合部３ｅを構成する圧電シート３１５、３１６に駆動信号を伝達する。
【００９３】
すなわち、電極３１ｅと電極３２ｅとの間に駆動電圧を入力することで、接合部３ｅは駆動する。
【００９４】
従って、圧電アクチュエータ３によれば、伸縮部３ａ〜３ｃ及び接合部３ｄ、３ｅをそれぞれ独立に制御できる。しかも、伸縮部３ａ〜３ｃと接合部３ｄ、３eの変位は直交するため、Ｘ、Ｙステージ等が実現できる。
【００９５】
また、図１８に示すように、接合面３４のみならず出力面３３を固定し、伸縮部３ｃ以外を同位相で伸縮させると、伸縮部３ｃは回転する。従って、圧電アクチュエータ３は従来の圧電アクチュエータでは得られなかった動きをする。例えば３ｃ部にミラーを設けて用いる。
【００９６】
〔第４の実施の形態〕
次に本発明の圧電アクチュエータを用いた応用例について示す。
【００９７】
まず構成を説明する。光通信機器４は、図１９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、圧電アクチュエータ４１ａの上面に稼動部材となるミラー４１ｂを取り付けた光学部材４１を基板４２上にＭ×Ｎのマトリックス状（例えば３×３）に配置した光スイッチであり、入力部２００からの入力光を、３つ並んだ出力部２０１のうち所望の出力部３００から出力させる光スイッチである。
【００９８】
ここで、圧電アクチュエータ４１ａは圧電層を複数電極を介して積層させた構成であり、基板４２は圧電体から構成される。すなわち、圧電アクチュエータ４１ａは、上下に伸縮することで、圧電アクチュエータ４１ａ上の光路にミラー４１ｂを挿入し、また引き抜く。例えば、図２０に示す様にシステムが構成される。
【００９９】
光通信機器４は以下の工程で製造される。
【０１００】
まず、複数の圧電シートを積層して積層体を形成する。ここで、上層には電極を介して圧電シートを積層する。
【０１０１】
そして、上層を、圧電アクチュエータ４１ａとなる部分を残して切削、例えばダイシング等により削除する。下層は基板４２としてそのまま残す。
【０１０２】
そして、所定の配線を行い、圧電アクチュエータ４１ａ上面にミラー４１ｂを載置固定し、光通信機器４を完成させる。
【０１０３】
従って、光通信機器４では圧電アクチュエータ４１ａ及び図示しない配線を基板４２に配置した状態で製造できるため、圧電アクチュエータの実装工程を省略できる。
【０１０４】
また、光学機器全体を同一材料、特に線膨張係数の小さい圧電セラミックスで構成することにより幅広い温度環境下でも安定で精密な動作が可能な光学機器が実現できる。
【０１０５】
次に本発明の圧電アクチュエータを医療モジュールに応用した場合の一例について説明する。
図２１は本発明の超音波内視鏡５０を示すものである。ガイドワイヤ５１の先端面に支持部材５２を固定し、支持部材５２には圧電アクチュエータ５３を固定している。圧電アクチュエータ５３には超音波振動子５４ａを取り付けた揺動部材５４を固定している。圧電アクチュエータ５３には体外の図示しない駆動回路を接続し、体内に挿入される部分を皮膜５５で覆った構成となっている。
ここで、圧電アクチュエータ５３の各部（圧電振動体）５３ａと５３ｂの歪の方向が逆になるように制御する。すなわち５３ａを厚み方向に伸ばすと共に、５３ｂを縮ませることで揺動部材５４との接合面５３ｃは遥動する。
【０１０６】
尚、圧電アクチュエータ５３は図示したものに限らず、形状、分極方向、電極等は任意であり、本発明の実施の形態で述べた範疇のアクチュエータであれば構わない。
【０１０７】
従って、超音波内視鏡５０において超音波振動子５４ａの向きを精度良く、かつ応答性良く制御できる。また、圧電アクチュエータは同一の変位を発生する従来のアクチュエータに対し、大幅な小型化が可能なため、超音波内視鏡５０の挿入方向の断面積は小さくて済む。
従って、血管の深部等、体内の深部まで挿入可能となる。
【０１０８】
なお、本発明は上述した各実施の形態例に限定されるものではない。
【０１０９】
例えば、圧電アクチュエータ１〜３において、さらに伸縮部及び接合部の数すなわち段数を増やしてもよい。この場合は、変位をさらに大きくできる。
【０１１０】
また、圧電シート２１〜２８、３１１〜３１６の電極の突出した部分の幅は上述した例に限定されず、切断、溝形成したときに所定の電極構造となって、側面１１、１２或いは側面３１、３２に設けた電極のうち所定の電極に導通すればよい。
【０１１１】
また、電極構成を所定の構成とし、該電極を介して分極処理をすることで、超音波モータとして機能する圧電アクチュエータとすることもできる。
【０１１２】
その他、具体的な各構成要素についても発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更可能であることは勿論である。応用例についても同様であり、図２１において稼動部材を他の部材に変えれば様々な電子機器が実現可能であり、例えばプリンタヘッド等、多用途に応用できる。
【０１１３】
【発明の効果】
本発明によれば、並列方向に並べた少なくとも２つの圧電振動体の端部を、互い違いに、圧電体からなる接合部材を介して接合した圧電アクチュエータを効率よく製造できる。この圧電アクチュエータによれば、各圧電振動体を互い違いに伸長或いは伸縮させることで、長手方向の変位は従来より大きくなる。
【０１１４】
また、圧電シートを複数積層し、この積層体の上層を、圧電アクチュエータとなる部分を除いて削除し、下層を基板として残すことで、圧電アクチュエータを基板に配置した状態で製造できるため、圧電アクチュエータの実装工程を省略できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施の形態の圧電アクチュエータの構成を示す図であり、（Ａ）は斜視概略図、（Ｂ）は背面概略図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）共に図１の圧電アクチュエータに用いる圧電シートの電極構成を説明する平面図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）共に図１の圧電アクチュエータに用いる他の圧電シートの電極構成を説明する平面図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）共に図１の圧電アクチュエータに用いる他の圧電シートの電極構成を説明する平面図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）共に図１の圧電アクチュエータに用いる他の圧電シートの電極構成を説明する平面図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）共に図１の圧電アクチュエータに用いる他の圧電シートの電極構成を説明する平面図である。
【図７】図２〜図７の圧電シートからなる積層体から、図１の圧電アクチュエータの前駆体を製造する例を示す斜視概略図である。
【図８】（Ａ）は図８の前駆体における図２（Ａ）の圧電シートの平面図であり、（Ｂ）は図２（Ｂ）の同図である。
【図９】（Ａ）は図８の前駆体における図３の圧電シートの平面図であり、（Ｂ）は図３（Ｂ）の同図である。
【図１０】（Ａ）は図８の前駆体における図４の圧電シートの平面図であり、（Ｂ）は図４（Ｂ）の同図である。
【図１１】（Ａ）は図８の前駆体における図５の圧電シートの平面図であり、（Ｂ）は図５（Ｂ）の同図である。
【図１２】（Ａ）は図８の前駆体における図６の圧電シートの平面図であり、（Ｂ）は図６（Ｂ）の同図である。
【図１３】本発明を適用した第２の実施の形態の圧電アクチュエータの斜視概略図である。
【図１４】本発明を適用した第３の実施の形態の圧電アクチュエータの構成を示す図であり、（Ａ）は一側面概略図、（Ｂ）は（Ａ）の対向側面概略図である。
【図１５】（Ａ）、（Ｂ）共に図１４の圧電アクチュエータに用いる圧電シートの電極構成を説明する平面図である。
【図１６】（Ａ）、（Ｂ）共に図１４の圧電アクチュエータに用いる他の圧電シートの電極構成を説明する平面図である。
【図１７】（Ａ）、（Ｂ）共に図１４の圧電アクチュエータに用いる他の圧電シートの電極構成を説明する平面図である。
【図１８】図１４の圧電アクチュエータの使用例を示す正面図である。
【図１９】本発明を適用した第４の実施の形態の光通信機器の構成を示す図であり、（Ａ）は要部斜視概略図、（Ｂ）は平面概略図である。
【図２０】本発明の圧電アクチュエータを応用した医療モジュールの図を示す。
【図２１】本発明の圧電アクチュエータを電子機器に応用した場合のブロック図を示す。
【符号の説明】
１、２、３ 圧電アクチュエータ
１ａ、１ｂ、１ｃ 伸縮部（圧電振動体）
１ｄ、１ｅ 接合部（接合部材）
２１、２２、２３、２４ 圧電シート
２５、２６、２７、２８ 圧電シート
２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ 電極
２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａ 電極
３ａ、３ｂ、３ｃ 伸縮部（圧電振動体）
３ｄ、３ｅ 接合部（接合部材）
３１、３２、３３、３４、３５、３６ 圧電シート
３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ、３５ａ、３６ａ 電極
Claims (7)
- 互いに並列に配置された第一の圧電振動体と第二の圧電振動体と、
前記第一の圧電振動体の一端面と前記第二の圧電振動体の一端面同士を接合する第一の接合部材と、を有し、
前記第一の圧電振動体と前記第二の圧電振動体とは互いに逆方向に伸縮させることで前記第一の圧電振動体の他端面を変位させ、
前記第一の圧電振動体と前記第二の圧電振動体に並列に配置された第三の圧電振動体と、
前記第二の圧電振動体の他端面と前記第三の圧電振動体の一端面同士を接合する第二の接合部材と、
前記第三の圧電振動体の他端面が接合される基板と、を有し、
前記第一の圧電振動体と前記第三の圧電振動体を同方向に伸縮させるとともに前記第二の圧電振動体は前記第一の圧電振動体と前記第三の圧電振動体に対して逆方向に伸縮させ、
前記第一の接合部材と前記第二の接合部材は伸縮変形する圧電振動体であることを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 請求項１に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第一の圧電振動体の他端面は固定され、前記第一の圧電振動体、前記第三の圧電振動体、前記第一の接合部材、前記第二の接合部材を同位相で伸縮させることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 互いに並列に配置された第一の圧電振動体と第二の圧電振動体と、
前記第一の圧電振動体の一端面と前記第二の圧電振動体の一端面同士を接合する第一の接合部材と、を有し、
前記第一の圧電振動体と前記第二の圧電振動体とは互いに逆方向に伸縮させることで前記第一の圧電振動体の他端面を変位させ、
前記第一の圧電振動体と前記第二の圧電振動体に並列に配置された第三の圧電振動体と、
前記第二の圧電振動体の他端面と前記第三の圧電振動体の一端面同士を接合する第二の接合部材と、
前記第三の圧電振動体の他端面が接合される基板と、を有し、
前記第一の圧電振動体と前記第三の圧電振動体を同方向に伸縮させるとともに前記第二の圧電振動体は前記第一の圧電振動体と前記第三の圧電振動体に対して逆方向に伸縮させる圧電アクチュエータ二つを互いの第一の圧電振動体の他端面が隣接するように配置し、この二つの他端面同士を第三の接合部材により接合した構成とし、
この二つの圧電アクチュエータの前記第一の圧電振動体同士を互いに逆方向に伸縮させることを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 圧電振動体と接合部材は一体に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の圧電アクチュエータ。
- 圧電シートを積層する工程と、
前記積層してできた立体に溝を形成する工程と、
前記立体を複数個に分離する工程と、からなる請求項１乃至４の何れかに記載の圧電アクチュエータの製造方法。 - 請求項１乃至４の何れかに記載の圧電アクチュエータを有する電子機器。
- 請求項１乃至４の何れかに記載の圧電アクチュエータを有する光学情報通信機器。
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