JPH02163982A - 圧電捩り変位素子，圧電伸縮変位素子，及び圧電複合変位素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）などの顕微鏡
などの微小位置決め装置に用いられる圧電変位素子や超
音波モータなどに用いられる圧電捩り振動子として利用
される圧電変位素子に関し、特に捩り変位及び伸縮変位
の少なくとも一方を発生させることが可能な圧電変位素
子に関する。

［従来の技術］ 第５図（ａ）は従来の圧電捩り変位素子の構造例であり
、円板状の圧電捩り変位素子５１は、４個の扇型の圧電
セラミックス板５２が接合されて構成されている。夫々
の扇型の圧電セラミ・ソクス板は、第５図（ｂ）に示す
ように、夫々の扇の弦の方向に分極処理が施されており
、扇型の圧電セラミックス板の上下面に電極を施し、上
下電極間に直流電圧を印加すると、扇型の圧電セラミ・
ノクス板には、板圧と手行なすべり歪みが発生する。

４個の扇形の圧電セラミックス板５２が、円板状に接合
されている場合、夫々の扇形の圧電セラミックス板に発
生ずるすべり歪みは合成されて、円板の上下面が捩じれ
るような捩り歪みとなる。

第５図（ａ）に示した従来の圧電捩り変位素子において
は、先ず第５図（ｂ）に示すように、幅方向に分極処理
された圧電セラミ・ンクス板５３から超音波加工により
扇形の圧電セラミックス板を打ち抜いて第５図（ｃ）の
矢印で示すように、幅ｂ″向に分極処理された圧電セラ
ミックス板５２を作り、これを４個接着して円板状に構
成するか、第６図（ａ）に示すように、厚さ方向に分極
された圧電セラミックスのブロック５４から、第６図（
ｂ）の分極方向が対角線の方向になるような正四角柱５
５を切り出し、第６図（ｃ）のように４本の正四角柱５
５を分極方向が閉じたループとなるように重ねて接着し
、第６図（ｄ）のように、外周を円柱状に研治した後、
第６図（ｅ）に示すような円板状に切断するなどしてい
る。

第７図（ａ）は別の従来の圧電捩り変位素子を示す斜視
図である。この例においては、第７図（Ｃ）に示すよう
に、リング状の圧電セラミックス６１を４等分して、第
７図（ｂ）に示すような、弓形の圧電セラミックス６２
とし、夫々の弓形圧電セラミックス６２の端面の電極を
施し、弓の弧のｈ°向に分極する。つぎに各々の弓形の
圧電セラミックス６１の端面の電極を除去し、第７図（
ｃ）に小すように、４個の弓形圧電セラミックス６２の
う）極の向きを同じ向きにして、リング状に接着して構
成している。

第８図は従来の圧電伸縮変位素子の構造例であり、（ａ
）は両面に電極が施され、矢印７９で示される厚さ方向
に分極された圧電セラミックス円板に電圧を印加し厚さ
方向の伸縮変位を得るものである。低い印加電圧で大き
な変位を得るために、薄い圧電セラミックス円板７７を
複数個積層して、第８図（ｂ）の７６′のように構成さ
れている場合がある。尚、７８および７８′は電圧を印
加するための接続線である。

〔発明が解決しようとする課題］ 第５図（ａ）及び第７図（ａ）に示した従来の圧７ｔＳ
捩り変位素子、第８図（ｂ）に示した圧電伸縮変位素子
においては、複数個の圧電セラミックスが接着されて構
成されているため、接着による特性のばらつきが大きい
。また、第５図、第６図及び第７図に示した円板あるい
はリングを得るための加工が複雑で、コスト的にも非常
に費用が掛かるしのであった。

さらに、捩り変位と伸縮変位を同時に得ようとした場合
は第５図（ａ）に示した圧電捩り変位素子５１と、第８
図（ｂ）に示した圧電伸縮変位素子・７６を接着して構
成するために、やはり接着による特性のばらつきと接着
コストがかかるという問題があった。

そこで、本発明の技術課題は、以上に示した従来の圧電
捩り変位素子及び圧電伸縮変位素子の欠点を除去し、加
工が簡単で、接着工程のないためにばらつきの少ない圧
電変位素子を提供することにある。

さらに本発明の別の技術課題は、圧電捩り変位部と圧電
伸縮変位部とを有する圧電複合変位素子を提供すること
にある。

［課題を解決するための手段コ 本発明によれば、外周面を有する圧電セラミックスと、
前記外周面にこの圧電セラミックスの長さ方向に対して
交差する方向で交互に配された複数の第１の斜め電極及
び複数の第２の斜め電極とを存することを特徴とする圧
電捩り変位素子が得られる。

本発明によれば、前記圧電捩り変位素子において、前記
圧電セラミックスは、外周面及び内周面をｒイし、前記
内Ｎ面は第１の内面電極を有することを特徴とする圧電
捩り変位素子が得られる。

本発明によれば、前記圧電捩り変位素子において、少な
くとも前記第１及び第２の斜め電極により分極及び駆動
を行うことを特徴とする圧電捩り変位素子が得られる。

本発明によれば、外周面を有する圧電セラミックスと、
前記外周面にこの圧電セラミックスの円周方向に交互に
配された複数の第１の周電極及び（（数の第２の周電極
とを有することを特徴とする圧電伸縮＊面素Ｔが得られ
る。

本発明によれば、前記圧電伸縮変位素子において、前記
圧電セラミックスは、外周面及び内周面を有し、前記内
Ｎ面は第２の内面電極を有することを特徴とする圧電伸
縮変位素子が得られる。

本発明によれば、前記圧電伸縮変位素子において、少な
くとも前記第１及び第２の電極により分極及び駆動を行
うことを特徴とする圧電伸縮変位素子が得られる。

本発明によれば、前記圧電捩り変位素子よりなる第１の
駆動部と、前記圧電伸縮変位素子よりなる第２の駆動部
とを有することを特徴とする圧電複合変位素子が得られ
る。

本発明においては、前記圧電セラミックスの内周面の第
１及び第２の内面電極は、前記内周面全体に配されるか
、又は前記外周面の第１及び第２の斜め電極、又は第１
及び第２の周電極に対向して配されることが好ましい。

［作　用］ 本発明の圧電捩り変位素子においては、まず圧電セラミ
ックスの外周面に該円柱の長さ方向に幻して交差する方
向（好ましくは４５°）に複数の第１の斜め電極と複数
の第２の斜め電極を配して二端子とし、つぎに第１及び
第２の斜め電極を用いて前記圧電セラミックスに分極処
理を施すと分極方向は、前記第１及び第２の斜め電極の
長さ方向と直角な方向となる。この状態で前記第１及び
第２の斜め電極間に電圧を印加すると、電圧の極性が分
極時の電圧の極性と同じ場合は分極の方向に伸び歪みが
発生し、電圧の極性が分極時の電圧の極性と逆の場合は
分極の方向に縮み歪みが発生する。分極方向に伸び縮み
が発生した場合は、分極方向と直角な方向には夫々これ
らと反対に縮みあるいは伸び歪みが発生する。以上の結
果として、前記圧電セラミックス円柱に捩り変位が発生
する。

さらに、本発明の圧電伸縮変位素子においては、圧電セ
ラミックスの外周面にこの円柱の円周方向に複数の第１
の周電極及び慢数の第４のＪ４電極を配すと分極方向は
前記第１及び第２の周電極の長さノｊ向と直角な方向即
ぢ圧電セラミックスの長さ／、”自となる。この状態で
前記第１及び第２の周電極に電圧を印加すると、電圧の
極性が分極時の電圧の極性と同じ場合は、分極の方向に
伸び歪みが発生し、電圧の極性が分極時の電圧と極性が
逆の場合は分極方向に縮み歪みが発生する。

また、本発明においては、圧電セラミックスに圧電捩り
変位素子を第１の駆動部、圧電伸縮変位素子を第２の駆
動部として設けると第１の駆動部による捩り変位と第２
の駆動部による伸縮変位とをＨする圧電複合変位素子が
得られる。

［実施例］ 以下本発明について図面を用いて詳しく説明する。

本発明の第１の実施例について説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係る圧電捩り変位素子
の構造を示す斜視図であり、リング状圧電セラミックス
１０の外周面に長さ方向に対して４５°の角度となるよ
うに、互いに交差する複数の第１の斜め電極１１及び第
２の斜め電極１２が形成され、外周面の端面近傍の第１
の共通電極１１゛及び第２の共通電極１２′に夫々接続
されている。

第２図は本発明の実施例に係る圧電捩り変位素子の動作
原理の説明図であり、第２図（ａ）の斜視図において、
圧電セラミックス板２０の一ノｊの面には横方向に交互
に短冊状の第１及び第２の指４極２１ａ、２１ｂ、　　
　・及び２２ａ、２２ｂ。

・・が形成され、第１及び第２の接続電極２１′及び２
２−に夫々接続されて、一対の交差指電極を形成してい
る。第２図（ｂ）において、破線の矢印可よ一対の交差
指電極を用いて分極処理を施したときの分極の向きを示
しており、第１の指電極２１、ａ、２１ｂ、　　　、か
ら第２の指電極２１ａ。

２１ｂ、　　・方向に分極されている。

第２図（ｃ）、（ｄ）は第２図（ｂ）において、分極処
理された圧電セラミックス板２０に直流電圧を印加した
場合に発生する歪みの状態を示しており、第２図（ｃ）
、（ｄ）から分かるように破線２４で示される電圧の極
性が、実線２３で示される分極時の電圧の極性と同じ場
合は分極の方向に、破線２５で示される電圧の極性が、
実線２３−Ｃ示される分極時の電圧の極性と逆の場合は
分極のｈ゛向に縮み歪みが発生する。

第３図は圧電セラミックス円柱１０′の両端面が図の矢
印のように、捩じれている場合に、円柱１０′の外周面
に発生する歪みの状態を示しており、円柱１０’の中心
軸方向に対して４５″の角度の方向で、しかも捩じれの
矢印の向きに伸び歪みが発生し、これと直角な方向に縮
み歪みが発生している。

圧電セラミックス円柱１０”の外周面に、第２図と同様
な一対の交差指電極を第１の斜め電極及び第２の斜め電
極の交差指の方向が圧電セラミックス円柱１０″の長さ
方向に対して４５″となるように形成し、この一対の交
差指電極を用いて分極処理を行い、同じ交差指電極に直
流電圧を印加すると、電圧の極性が分極時の電極の極性
と同じ場合に円柱は一方向に捩じれ、電圧の極性が分極
時の逆の場合は逆方向に捩じれる。

従って、第１図の本発明の実施例に係る圧電捩り変位素
子においては、第１及び第２の共通電極２１′及び２２
′間に直流電圧を印加して分極処理を施した後１、電圧
を印加すれば、前述したようにリング状圧電セラミック
スｌＯには、両端部が捩じれるような歪みが発生する。

本発明の第２の実施例について説明する。

第４図は本発明の第２の実施例に係る圧電複合変位素子
の構造を示す斜視図である。

この図において、リング状圧電セラミックス３０の略半
分の部分をしめる第１の駆動部３０ａの外周面に長さ方
向に対して４５″の角度となるように、復数の第１の斜
め電極３１及び第２の斜め電極３２が形成され、それぞ
れ第１の共通電極３１′及び第２の共通電極３２゛に接
続されている。

さらに、残りの略半分の部分をしめる第２の駆動部３０
ｂの外周面に円周方向と平行に互いに交差する複数の第
１の周電極３３及び第２の周電極３４が形成され、夫々
、長さ方向に形成された第３及び第４の共通電極３３′
及び３４′により電気的に接続されている。第２及び第
３の共通電極３２゛及び３３′は電気的に接続されてい
る。

本発明の第２の実施例に係る圧電複合変位素子の第１の
駆動部は、第２図及び第３図で示した第１の実施例に係
る圧電捩り変位素子と同様の動作原理により駆動する。

第２の駆動部は、リング状圧電セラミックス３０の外周
面に、第２図に示したものと同様な構造の交差指電極を
第１及び第２の周電極と、第３及び第４の共通電極とよ
りなる一対の交差指電極として交差指の方向が圧電セラ
ミックスの円周方向と平行に形成したものであると考え
ることができる。第２図及び第３図で示した動作原理と
同様に、この一対の交差指電極を用いて分極処理を行い
、同じ交差指電極に直流電圧を印加すると、電圧の極性
が分極時の電圧の極性と同じ場合に円柱は伸び、電圧の
極性が分極時の電圧の極性と逆の場合は逆に長さ方向に
縮む歪みを生ずる。

従って、第４図の本発明の第２の実施例に係る圧電複合
変位素子においては、第１及び第２の共通電極３１′及
び３２′間に直流電圧を印加して分極処理を施した後、
電圧を印加すれば、前述したようにリング状圧電セラミ
ックス３０は、両端部が捩じれるような歪みが発生する
。同様にして、第１及び第２の周電極に第３及び第４の
共通電極を大々接続することよりなる一対の交差指電極
間に直流高電圧を印加して、分極処理を施した後、７ｈ
圧を印加すれば前述した様にリング状圧電セラミックス
３０は長さ方向に伸縮する。

以上の説明では、印加電圧として、直流電圧を印加した
場合に発生する捩じれ歪み及び伸縮歪みについて述べた
が、交流電圧を印加しても何等差し支えなく、捩り振動
と縦運動を同時に行う圧電複合振動子として超音波モー
タなどに使用できる。

また、本発明の実施例には示さなかったが、円筒又は円
柱形状の圧電セラミックスの外周面にこの圧電セラミッ
クスの円周方向に交互に配された複数の第１の周Ｓ極及
び複数の第２の周電極を交互に配した場合には、縦運動
のみを行う伸縮変位素子が得られることは容易に想到で
きるものである。

更に、本実施例以外にも円筒形状の圧電セラミックスの
内周面に全面電極を施したり、外周面に施された電極と
対向する電極を施すなど種々の変形が考えられるが、こ
れらは本発明の範囲に属することは、明らかである。

［発明の効果〕 以上示した様に、本発明によれば、通常一般的に適用さ
れているプレス成型技術により容易に製造することが可
能な圧電セラミックス円柱あるいは圧電セラミックスリ
ングを用いて、これらの外周面及び内周面等にこれも一
般的な技術である電極印刷を施すことにより圧電捩り変
位素子及び圧電伸縮変位素子等が得られるため、製造が
容易で、接石工程や複雑な加工工程による特性のばらつ
きの少なく、捩り変位又は伸縮変位が可能な圧電変位素
子が得られる。

更に、本発明によれば、上記した圧電変位素子と同様に
、通常一般的に適用されているプレス成型技術により容
品に製造することが可能な圧電セラミックス円柱あるい
は圧電セラミックスリングを用いて、これらの外周面及
び内周面等にこれも一般的な技術である電極印刷を施す
ことにより圧電捩り変位素子及び圧電伸縮変位素子が一
体形状として得られるため、製造が容易で、接着工程や
ｕ１雑な加工工程による特性のばらつきの少ない圧電複
合変位素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係る圧電捩り変位素子
の構造を示す斜視図、第２図（ａ）。 （ｂ）、（Ｃ）、及び（ｄ）は交差指電極を用いて分極
及び電圧印加を行った場合の歪みの発生状態の説明図、
第３図は円柱状弾性体を捩ったときの歪みの発生状態の
説明図、第４図は本発明の第２の実施例に係る圧電複合
変位素子の構造を示す斜視図、第５図（ａ）、（ｂ）、
及び（ｃ）は従来例に係る捩り変位素子の構造及び製造
工程の説明図、第６図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）
。 及び（ｅ）は従来の捩り変位素子の製造工程の説明図、
第７図（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は別の従来例に係る
捩り変位′Ｉｆ：′：Ｆの構造例を示す斜視図、第８図
（ａ）、（ｂ）は従来の圧電伸縮変位素子の構造例を示
す斜視図である。 図中１０はリング状圧電セラミックス、１１は第１の斜
め電極、１２は第２の斜め電極、１１′は第１の共通電
極、１２′は第２の共通電極、２０は圧電セラミックス
板、２１ａ、２１ｂ、　　・・は第１の指電極、２２　
ａ　、２２　ｂ　、・・は第２の指電極、２１′は第１
の接続電極、２２′は第２の接続電極、３０はリング状
圧電セラミックス、３１は第１の斜め電極、３２は第２
の斜め電極、′３】゛は第１の共通電極、３２′は第２
の共通電極、３３は第１の周電極、３４は第２の周電極
、３３−は第３の共通電極、３４′は第４の共通電極、
５１は円板状の圧電捩り変位素子、５２は扇型の圧電セ
ラミックス板、５３は圧電セラミックス板材、５４は圧
電セラミックスのブロック、５５は正四角柱、６１はリ
ング状の圧電セラミックス、６２は弓形の圧電セラミッ
クス、７６゜７６゛は圧電伸縮変位素子、７７は圧電セ
ラミックス円板、７８．７８″は接続線、７９は矢印で
ある。 第 第 図 第 図 第 図 第 図 第 因 第 ア 図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．外周面を有する圧電セラミックスと、前記外周面に
   該圧電セラミックスの長さ方向に対して交差する方向で
   交互に配された複数の第１の斜め電極及び複数の第２の
   斜め電極とを有することを特徴とする圧電捩り変位素子
   。
2. ２．前記圧電セラミックスは、外周面及び内周面を有し
   、前記内周面は第１の内面電極を有することを特徴とす
   る第１の請求項記載の圧電捩り変位素子。
3. ３．少なくとも前記第１及び第２の斜め電極により分極
   及び駆動を行うことを特徴とする第１又は第２の請求項
   記載の圧電捩り変位素子。
4. ４．外周面を有する圧電セラミックスと、前記外周面に
   該圧電セラミックスの円周方向に交互に配された複数の
   第１の周電極及び複数の第２の周電極とを有することを
   特徴とする圧電伸縮変位素子。
5. ５．前記圧電セラミックスは、外周面及び内周面を有し
   、前記内周面は第２の内面電極を有することを特徴とす
   る第４の請求項記載の圧電伸縮変位素子。
6. ６．少なくとも前記第１及び第２の電極により分極及び
   駆動を行うことを特徴とする第４又は第５の請求項記載
   の圧電伸縮変位素子。
7. ７．第１乃至第３の請求項のいずれかに記載の圧電捩り
   変位素子よりなる第１の駆動部と、第４乃至第６の請求
   項のいずれかに記載の圧電伸縮変位素子よりなる第２の
   駆動部とを有することを特徴とする圧電複合変位素子。