JPH05175567A

JPH05175567A - 積層型アクチュエータ

Info

Publication number: JPH05175567A
Application number: JP3354941A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Wakabayashi; 勝裕若林; Tomoki Funakubo; 朋樹舟窪
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1991-12-20
Filing date: 1991-12-20
Publication date: 1993-07-13

Abstract

(57)【要約】【目的】１〜３次元の位置決め、駆動、角度調節を低
い電圧により行うことができ、コンパクトで組み立てを
容易にする。【構成】圧電セラミックス板５において、対向する電
極のうち＋側電極２は４ヵ所に分けた分割電極２ａ〜ｄ
とし、−側電極３は共通電極とする。積層型３次元変位
素子１ａは、圧電セラミックス板５を分極方向４を交互
に変え、＋側電極２のスリット部８を合わせて接着剤に
より積層する。−側電極３を接続したリード線７、分割
電極２ａ〜ｄを縦方向に接続したリード線６ａ，６ｂ，
・・・を、独立した電圧印加装置および制御装置に接続
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微
鏡、原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡における
検出探針や、レーザー反射鏡の角度調整、そして超音波
モータ等の駆動源となる積層型アクチュエータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年の分析装置、半導体関連装置、光学
装置等の駆動源においては、高精度で高速の３次元方向
の位置決めが要求されている。要求される高速・高精度
のアクチュエータとして、現在は圧電素子、電歪素子等
の所謂電気−機械エネルギー変換素子が注目されてい
る。

【０００３】例えば走査型トンネル顕微鏡における検出
探針の３次元の微動・位置決め手段として、特公平３−
２４０１６号公報に記載のものが知られている。これ
は、立方体のセラミックスを加工し、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸
に棒状圧電素子体を一体的に作成したものである。この
棒状圧電素子体には各々対向する面に電極が形成され、
３軸の交点にはＺ軸方向に延びる検出探針ホルダーが固
定されている。電極のうちＸ軸、Ｙ軸用のものは、検出
探針のＺ軸に対する傾きを減らすために検出探針ホルダ
ーより所定寸法離れた位置に設けられている。検出探針
の駆動時には、各軸用の各電極に適宜駆動電圧を印加し
て、各軸上の移動量、位置を制御する。

【０００４】また、２次元の位置決め・移動装置として
は、所謂超音波モータが最近注目されている。この超音
波モータは、従来より使用されている電磁用モータに対
して以下のような点で優れている。（１）小型・軽量であり、消費電力が少ない。（２）減速ギヤなしで低速・高トルクが得られる。（３）部品点数が少なく、組み立ても容易で信頼性が
高い。（４）磁気的影響の授受がない。（５）バックラッシュがなく位置決めが容易である。かくしてこれらの利点を生かすべく、種々の往々技術の
研究・開発が進められている。

【０００５】一般的に超音波モータは、回転駆動型とリ
ニア駆動型とに大別できる。回転駆動型としては、例え
ば特公平１−１７３５３号公報に記載されるものがあ
る。これは、円環状の弾性体（通常は金属）の裏面に電
歪素子を固定し、該電歪素子に高周波電圧を印加するこ
とにより弾性体の表面に進行性の超音波振動を発生させ
る。そして、該進行性超音波振動により生じる、弾性体
表面の楕円振動により、該弾性体表面に圧接された物体
を進行性超音波振動の進行方向とは逆の方向に回転駆動
するものである。

【０００６】また、回転駆動型の他の例としては、特開
昭６１−５２１６７号公報に記載されたものも広く知ら
れている。これは、片持梁の固定端に圧電素子の振動を
与え、該片持梁の自由端にねじり楕円振動を発生させる
ものであって、該自由端に回転子を圧接して回転力を得
るものである。

【０００７】しかしながら、上記特公平１−１７３５３
号公報に記載されたものは、印加する高周波電圧の周波
数を、弾性体と電歪素子との接合体の共振周波数にほぼ
一致させる必要がある。この共振周波数は、環境温度や
駆動負荷等の変化により逐次変化するため、駆動中にこ
の共振周波数の変化を追尾する必要があり、駆動に必要
な電気回路が極端に複雑で大規模なものとなってしま
う。

【０００８】また、特開昭６１−５２１６７号公報に記
載されたものは、部品点数が多く、構造が複雑であり、
組み立てが難しく、微調整が必要であって製品の信頼性
が低い。

【０００９】このような回転駆動型の超音波モータに対
し、例えば特開平２−７８７５号に記載された如き、リ
ニア駆動型の超音波モータが考えられる。

【００１０】このリニア駆動型の超音波モータは、２対
の圧電素子と、板状の圧電素子を多数枚積層してなる積
層型圧電部材と、該圧電部材の上面及び下面に各々接着
された金属等からなる上台、下台とにより構成されてい
る。２対の圧電素子はどちらも分極方向が同一となるよ
うに絶縁部材を介して接着されている。２対の圧電素子
及び積層型圧電部材は夫々独立した駆動電圧印加用のリ
ード線に接続されている。

【００１１】上記構成の超音波モータは、積層型圧電部
材と該部材に取り付けた圧電素子とを振動させ、これに
より発生する縦・横方向の合成振動により、振動子上の
質点が任意の大きさ及び態様の楕円振動を行う。そこ
で、振動子の上面に可動部材を接触させると、該可動部
材が２次元的に駆動される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
公平３−２４０１６号公報に記載された検出探針の駆動
装置では、加工、電極塗布、圧電素子の分極動作が困難
であり、なおかつ、駆動には高い電圧が必要であり、ま
た、棒状の圧電素子を使用するために、変位量及び駆動
力が装置全体に大きさに比べ極端に小さいという欠点が
ある。

【００１３】更に、特開平２−７８７５号公報に記載さ
れた超音波モータにおいては、２対の圧電素子により振
動子に横方向の振動を発生させるため、電圧の高い駆動
電圧が必要であり、圧電素子の共振点での駆動が必要で
あった。そのために、印加する駆動電圧の電源周波数に
制限があると共に消費電力が大きくなり、また、経時変
化や使用中の発熱により共振周波数にずれが生じるた
め、駆動特性の安定性に欠けるという欠点がある。

【００１４】本発明の目的は、以上の点を鑑み、１〜３
次元の位置決め、駆動、角度調節を低い電圧により行う
ことができ、コンパクトで組み立てが容易な積層型アク
チュエータを得ることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、両面に設けられた電極の内、少なくとも
一面側の電極を複数に分割構成した電気−機械エネルギ
ー変換素子を、複数枚積層した積層型アクチュエータに
おいて、上記電気−機械エネルギー変換素子上の分割さ
れた電極にそれぞれ印加する駆動電圧を、該分割された
電極毎に制御することとした。

【００１６】また、本発明は、両面に設けられた電極の
内、少なくとも一面側の電極を複数に分割構成した電気
−機械エネルギー変換素子を、複数枚積層した積層型ア
クチュエータにおいて、上記複数枚積層された電気−機
械エネルギー変換素子を複数のブロックに分割し、個々
のブロックの内の上記分割された電極に、ブロック毎に
共通した駆動電圧を印加することにより、動作の制御を
行うこととした。

【００１７】本発明においては、上記積層された電気−
機械エネルギー変換素子の間に、該電気−機械エネルギ
ー変換素子と弾性係数、熱伝導率、熱膨張率がほぼ等し
い部材を挿入すると良い。また、上記積層された電気−
機械エネルギー変換素子の積層方向の端面に、突起を設
けると良い。

【００１８】

【作用】上記の如く構成することにより、変位させる方
向と反対の電極に駆動電圧を印加することにより積層型
アクチュエータが変位し位置決めが行われる。また、走
査型プローブ顕微鏡の検出探針のように、３次元の移動
とＺ軸の平行度が必要なものの場合は、駆動ブロックを
２つ以上に分割して制御することによりＺ軸の平行度が
保たれる。

【００１９】また、積層型アクチュエータの全ての分割
電極に周波駆動電圧を印加することにより、積層方向の
振動が得られ、任意の分割電極に周波駆動電圧を印加す
ることにより部分的な伸縮が発生し、横方向に振動が起
こる。そこで積層型アクチュエータの積層方向の端面に
可動部材を接触させることにより、該可動部材が所望の
方向に駆動される。

【００２０】

【実施例１】［構成］図１および図２を用いて本実施例
の構成を説明する。図１は本実施例の積層型３次元変位
素子１ａの斜視図である。図２は圧電セラミックス板５
を示したもので、対向する電極のうち＋側電極２は４箇
所に分けた分割電極２ａ〜ｄ、−側は共通の電極３とし
たセラミックス板であり、矢印４は分極方向を示してい
る。前記変位素子１ａは、この圧電セラミックス板５を
分極方向を交互に変え、＋側電極２のスリット部８を合
わせて接着剤により積層したものである。そして、それ
ぞれの−側電極３を接続したりリード線７、分割電極２
ａ〜ｄをそれぞれ縦方向に接続したリード線６ａ，６ｂ
（残り二つは図示していない）は、独立した図示しない
省略の電圧印加装置および制御装置に接続されてい
る。。

【００２１】［作用］上記積層型３次元変位素子１ａ
は、分割電極２ａ〜ｄへ印加する電圧の違いにより制御
される。図３は駆動時の一例の概略図で、３Ａは実線が
電圧印加前、破線が電圧印加中の状態を示す。３ＡのＡ
Ａの＋側電極２ａの面を表した３Ｂ〜Ｅは電圧印加する
電極部分と変位の方向を図示したものである。３Ｂは
（ａ）の分割電極２ａにのみ正の電圧を印加したことを
意味し、矢印１３はその時の変位の方向を示している。
同様に３Ｃは（ｂ）のみに電圧印加した時、３Ｄは
（ａ），（ｄ）に等しい正の電圧〔（ａ）＝（ｄ）〕を
印加した時、３Ｅは（ａ），（ｄ）に電圧を印加するが
（ａ）が（ｄ）より高い〔（ａ）＞（ｄ）〕電圧を印加
したときの変位方向を示した状態図である。変位方向は
印加する電極部分で決定され、変位量は印加電圧の高低
により決まる。なお、長さ方向は（ａ）〜（ｄ）全てに
電圧を印加することで制御ができ、３次元の位置決めが
この変位素子１ａにより可能である。

【００２２】［効果］本実施例によれば、１個の積層型
圧電変位素子で３次元動作が可能であるため、形状的に
コンパクトで高速・高精度の３次元アクチュエータを作
ることが容易である。

【００２３】なお、この実施例では円柱状で＋側電極２
を４分割したものを例としたが、図４における４Ａ，４
Ｂに示すように、２つ以上の分極電極でリング状や多角
形柱状の積層型変位素子でも同様な効果が得られる。ま
た、図４の４Ｃのように切欠き１６を設けておくと、接
着時の位置合わせが容易である。さらに、−側電極３は
共通電極としたが、分割電極にしても効果に違いはな
い。また、本実施例では圧電セラミックス板５を接着固
定して積層型３次元変位素子１ａを作製したが、グリー
ンシートに内部電極を印刷し、積層、切断して作製して
もよい。

【００２４】

【実施例２】［構成］図５は変位素子をレーザ光反射制
御装置に応用した例の概略構成図である。前記実施例と
の違いのみを説明すると、駆動源である積層型３次元変
位素子１ａの両端には、未分極圧電素子１０ａが積層さ
れ、上側の未分極圧電素子１０ａの上面には、レーザ光
反射鏡９が取り付けられている。＋側の分割した分割電
極２ａ〜ｄはそれぞれ独立した４個の電圧印加装置１１
ａ〜ｄに接続され、各々が制御装置１２に接続されてい
る。

【００２５】［作用］実施例１との差異のみを説明す
る。積層型３次元変位素子１ａの両端には、駆動時のセ
ラミックス板の変形により発生する熱（熱損失に基づく
発熱）や歪みを吸収するセラミックス（未分極圧電素子
１０ａ）が積層されている。この未分極圧電素子１０ａ
は本実施例にて使用している圧電素子の分極処理を行う
前のものである。この自らが変形しない未分極圧電素子
１０ａを積層することにより、積層型３次元変位素子１
ａの両端面にて、熱や歪みが緩和される。例えば、本実
施例においてはレーザ光反射鏡９が積層型３次元変位素
子１ａに接着固定されているが、未分極圧電素子１０ａ
を積層することにより、駆動による接着面の剥がれや素
子の破壊は発生しない。なお、駆動動作は未分極圧電素
子１０ａを両端面に積層しても、実施例１のものと同じ
である。また、未分極圧電素子１０ａの代わりに、圧電
素子と弾性係数、熱伝導率、熱膨張率がほぼ等しい部材
を用いても同様の作用を得ることはもちろんである。

【００２６】［効果］積層型３次元圧電変位素子１ａと
他の物質との境界面での剥離・破壊が無くなり、耐久性
が高い、形状的にコンパクトで高速・高精度の微小角度
調整装置を作ることが容易である。

【００２７】

【実施例３】［構成］図６を用いて、本発明を走査型ト
ンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や走査型原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）の検出探針先端部の位置決め装置に利用したものに
ついて、説明する。図６は前記位置決め装置駆動部の斜
視図であり、実施例１と同様に図示しない分割電極をも
つ２つの積層型３次元変位素子１ａ、１ｂで未分極圧電
素子１０ｂを挟んだ構成をしたものに検出探針ホルダー
１４および検出探針１５を取り付けた基準面平行移動型
３次元変位素子２０ａである。前記実施例と同様に、各
電極は、対応するものでどうしで繋がっており、更に図
示しない電圧印加装置および制御回路へ接続されてい
る。

【００２８】［作用］ＳＴＭ，ＡＦＭ用の位置決め装置
は、装置の特徴上、検出探針１５が常にＺ軸にほぼ平行
でなくてはならないという規制条件がある。本実施例の
位置決め装置は、この規制条件を満足するようにしたも
ので、基本構造の駆動時の状態を図７に示した。２つの
積層型３次元変位素子１ａ，１ｂの対称的な電極位置に
図示しない独立した電圧印加装置により電圧を印加する
ことで、検出探針のＺ軸に対するずれを無くしている。
位置決め装置には未分極圧電素子１０ｂが付加されてい
るが、これらは変形時の歪を緩和し、長寿命化のために
付けられたものであるとともに、Ｘ−Ｙ方向の変位位置
量拡大の作用があり、半分極品もしくは無くはも動作は
行われる。

【００２９】［効果］ＳＴＭやＡＦＭの検出探針を始め
とする位置決め装置において、Ｘ軸、Ｙ軸に関して回転
成分の無い変位を高速且つ高精度で得ることができる。
さらに図８に示したように、同じ構成の２つの積層型３
次元変位素子１ａ，１ｂを直列に配置した基準面平行移
動型３次元変位素子２０ａにおいて、上下で対称的な位
置の電極同士を接続することにより最小限の電圧印加装
置で回転成分の無い変位を得ることができる。

【００３０】

【実施例４】［構成］図９において９Ａで示すのは前記
実施例３の基準面平行移動型３次元変位素子２０ａに、
さらに未分極圧電素子１０ａ，１０ｂと圧電セラミック
ス板の対向する電極を全て全面電極した一般的な積層型
１次元変位素子１７とを直列に配置し、図示しない独立
した電圧印加装置へ接続した、基準面平行移動型３次元
変位素子２０ｂである。

【００３１】［作用］上記構成の素子を駆動した一例が
図９の９Ｂで示す状態である。分割電極部の積層方向の
伸縮は電極境界部にストレスが掛り、破損のおそれがあ
るため大きくは取れない。そこで、新たに付加した積層
型１次元変位素子１７に電圧を印加することで積層方向
に伸縮させ、Ｚ軸方向の位置決めを行う。基準平行移動
型３次元変位素子２０ｂの両端面には未分極圧電素子１
０ａが積層されているが、これは実施例２と同じ歪の緩
和の働きをもつ。

【００３２】［効果］Ｘ−Ｙ方向の必要変位量に比較
し、Ｚ軸方向の必要変位量が大きい際は、本実施例のよ
うな実駆動部を３層構造以上にすることにより、精度良
くコンパクトな基準面平行移動型３次元変位素子２０ｂ
ができる。

【００３３】

【実施例５】［構成・作用］図１０を用いて、本発明を
比較的大きなものをのせる微動位置決めステージ利用し
たものについて、説明する。図１０はベース１９に前実
施例４で記載した基準面平行移動型３次元変位素子２０
ｂを３個並列に固定し、ステージ１８を取り付けたもの
である。３個の基準面平行移動型３次元変位素子２０ｂ
の電極方向を同方向に配置し、対応する電極を接続、図
示しない電圧印加装置および制御回路繋ぐことで上記変
位素子２０ｂが同方向に平行移動し、実施例３，４と同
様な３次元の変位をステージ１８に与えることができ
る。

【００３４】なお、実施例としては基準面平行移動型３
次元変位素子２０ｂを３個利用したものについて説明し
たが、数は幾つでも、微動ステージを構成した際には同
様な効果が得られる。

【００３５】［効果］今までのアクチュエータを３個以
上組み合わせた３次元の微動ステージよりも非常にコン
パクトで部品点数の少ない位置決め装置を作製すること
ができる。また、複数個の基準面平行移動型３次元変位
素子２０ｂを独立に制御することで、ステージの角度調
整を同時に行うことも可能である。

【００３６】

【実施例６】［構成・作用］図１１は前実施例５と同
様、微動位置決めステージの概略構成図である。構成は
ステージ１８の両端面に前記基準面平行移動型３次元変
位素子２０ｂをそれぞれ固定し、ベース１９に取り付け
た位置決め装置である。前実施例５の基準面平行移動型
３次元変位素子２０ｂと同様に図示しない電圧印加装置
により電圧を印加することでステージの位置決めができ
る。

【００３７】なお、実施例としては基準面平行移動型３
次元変位素子２０ｂを２個利用したものを説明したが、
少なくとも１個であれば同様な効果が得られる。

【００３８】［効果］今までのアクチュエータを３個以
上組み合わせた３次元の微動ステージよりも非常にコン
パクトで部品点数の少ない位置決め装置を作製すること
かできる。前記実施例５と比較して形状的に薄いものが
できる。

【００３９】

【実施例７】［構成］図１２及び図１３を用いて本実施
例の構成を説明する。図１２は本実施例の積層型超音波
振動子の斜視図である。この振動子２１は、圧電セラミ
ックス板５を多数枚積層してなる圧電積層部材２２と、
この圧電積層部材２２の両端に設けられた未分極圧電素
子１０と、上端の未分極圧電素子１０の上面に設けられ
た上台２３とにより構成されている。

【００４０】上記圧電セラミックス板５において、板状
で対向する電極のうち＋側電極２は４ヵ所に分けた分割
電極２ａ〜ｄ、−側は共通の−側電極３としたもので、
矢印４は分極方向を示している。前記圧電積層部材２２
は、この圧電セラミックス板５を分極方向に交互に変
え、電極のスリット部８を合わせて数枚〜数十枚積層
し、エポキシ等の接着剤により接着したものである。上
台２３はステンレス等の金属またはアルミナ等のセラミ
ックス材からなり、所定の厚みの円板である。この上台
２３は圧電積層部材２２の上面に接着され、上台２３の
上面中央部には半球状の突起部２４が設けられている。

【００４１】圧電積層部材２２を構成する圧電セラミッ
クス板５は、＋側の分割電極２ａ〜ｄおよび全面電極の
−側電極３がそれぞれ一層おきにコモン接続され、そし
て−側電極３を接続したリード線７、分割電極２ａ〜ｄ
をそれぞれ縦方向に接続したリード線６ａ，６ｂ，６ｃ
（残り一つは図示していない）は独立した図示しない電
圧印加装置に接続されている。

【００４２】図１３は本振動子２１を駆動させるための
駆動回路の一例である。周波数ｆの交流を出力する交流
電源２５と、移相器２６ａ〜ｄと、移相器２６ａ〜ｄか
らの交流電流を増幅する電力増幅器２７ａ〜ｄから成
る。

【００４３】［作用］上記構成による作用を図１４〜図
１６を用いて説明する。上記積層型超音波振動子２１の
分割電極２ａ〜ｄへ同時に交流電圧を印加すると図１４
の１４Ａのように振動子２１は縦方向に振動する。一
方、横方向の振動は、それぞれの分割電極２ａ〜ｄに印
加する電圧の大きさで決定され、１４Ｂのように振動す
る。振動の大きさと方向は、印加する電圧と印加する電
極位置により制御可能である。図１４において、圧電セ
ラミックス板５の＋側電極２面を表した１４Ｃ〜Ｆは電
圧印加する電極部分と変位の方向を図示したものであ
る。

【００４４】１４Ｃは（ａ）の電極部に正の電圧を印加
し、（ａ）と点対象の位置にある（ｃ）の電極部には負
の電圧を印加したことを意味し、矢印１３はその時の変
位の方向を示している。同様に１４Ｄは（ｂ）に正の電
圧を印加し、（ｄ）に負の電圧を印加した時、１４Ｅは
（ａ），（ｄ）に等しい正の電圧〔（ａ）＝（ｄ）〕
を、そして（ｂ），（ｃ）に等しい負の電圧を印加した
時、さらに１４Ｆは（ａ），（ｄ）に正の電圧を印加す
るが（ａ）が（ｄ）より高い〔（ａ）＞（ｄ）〕電圧を
印加し、同様に（ｃ），（ｂ）には（ｂ）より（ｃ）に
大きな負の電圧を印加したときの変位方向を示した状態
図である。振動は交流電圧を印加することで発生し、そ
の振動方向は印加する電極部分で決定され、振動の大き
さは印加電圧の大小により決まる。

【００４５】上記二つの振動を同時に励起させ、かつ移
相制御を行う突起部２４は図１５に示すような１５Ａ〜
Ｉの各種の振動軌跡を描く。本振動子２１をリニアモー
タとして使用するためには１５Ｃ，１５Ｇなる楕円軌跡
が得らればよく、個々の電力増幅器２７ａ〜ｄの増幅率
を変えることで図１５の１５Ｊに示す、楕円軌跡の成分
ｖ，ｕの大きさを変化させることが可能である。

【００４６】図１７は上述した積層型超音波振動子２１
を用いた駆動装置の構成を示す図である。１７Ａが振動
子２１とスライダ２８とを示す斜視図、１７Ｂがスライ
ダ２８を振動子２１の突起部２４に対し一定の押圧力に
より接触させた一例の断面図である。この場合、上記ス
ライダ２８を突起部２４に対し一定の力で押圧する手段
としては１７Ｂ示すようにベアリング２９とバネ３０と
を備えた押圧機構が考えられる。

【００４７】次に本実施例の振動子２１に楕円振動を発
生させる具体的な電圧印加方法について説明する。図１
４の１４Ｃにおいて可動部材を矢印１３の方向に動かす
場合の電圧印加方法は次の通りである。楕円振動は横方
向と縦方向の振動を合成することで得られる。図１６を
用いて、図１４の１４Ｃの矢印の方向に可動部材を動か
す方法の一例を説明すると、横方向の振動を得るため
（ｂ），（ｄ）の電極部には電圧を印加せず、（ａ）部
に図１６の１６ＢのようにＱのようなｂｃｏｓωｔを
（ｃ）にＰのような−ｂｃｏｓωｔを印加する。そし
て、縦振動を得るには全ての電極部に同一な電圧を印加
すれば良く、例えばこれを図１６の１６Ａのｏのような
ａｓｉｎωｔとすると、楕円振動を得るにはこれらを足
し合わせれば良く、（ａ）〜（ｄ）に印加する電圧はそ
れぞれ数１〜４のようになる。数１〜４において、ｔａ
ｎφ＝ｂ／ａ，ｔａｎθ＝ａ／ｂである。

【００４８】

【数１】

【００４９】

【数２】

【００５０】

【数３】

【００５１】

【数４】

【００５２】上記のように電圧を印加すると振動子２１
は楕円振動を行い、図１４における１４Ｃの矢印１３方
向に可動部材は移動する。図１４における１４Ｅ，１４
Ｆの矢印１３方向の移動は、横方向の振動を（ａ），
（ｄ）および（ｂ），（ｃ）の電圧比を制御すると任意
に得られるため、１４Ｃの時と同様な考え方で縦方向の
振動を起こす電圧と組み合わせ任意の方向へ移動可能で
ある。

【００５３】［効果］本実施例の振動子２１を用いると
コンパクトで電源周波数等に規制がなく、設計が容易な
２次元のリニアモータが作製できる。

【００５４】この実施例では円柱状で電極を４分割した
ものを例としたが、実施例１で説明したものと同時に、
図１８における１８Ａ〜Ｃのように２つ以上の分割した
＋側電極２でリング状や多角柱状の積層型変位素子でも
同様な効果が得られる。また、本実施例では圧電セラミ
ックス板５を積層・接着して振動子２１を作製したが、
図１８の１８Ａのように切欠き３１を設けておくと接着
時の位置合わせが容易である。また、振動子２１はグリ
ーンシートに内部電極を印刷し、積層、切断して作製し
ても同様な効果を示す。さらに、−側電極３は共通電極
としたが分割電極にしても効果に違いはない。

【００５５】

【実施例８】［構成］図１９は本発明の実施例８を示す
図で、１９Ａは基準面平行移動型超音波振動子３２の斜
視図、１９Ｂは同振動子３２ａの駆動時の一例、１９Ｃ
図は振動軌跡の状態図である。なお、前記実施例７と同
一のものには同一符号を付し、前記実施例７との違いの
み説明する。１９Ａの基準面平行移動型超音波振動子３
２ａは、実施例７と同じように図示しない分割電極をも
つ２つの積層型超音波振動子２１ａ，２１ｂで未分極圧
電素子１０を挟んだ構成をしたものに直方体の突起３３
を取り付けた振動子である。前記実施例７と同様に、各
圧電積層部材２２の電極は縦方向に対応するものどうし
で繋がっており、更に図示しない電圧印加装置へ接続さ
れている。

【００５６】［作用］図１９の振動子３２ａは、２つの
積層型超音波振動子２１ａ，２１ｂの対称的な電極位置
に図示しない独立した電圧印加装置により同位相の電圧
を印加することで、直方体の突起３３の上面が常にＸ−
Ｙ平面と平行になるようにしている。１９Ｂは駆動時の
一例であり、１９Ｃは振動の軌跡と振動子上部の状態を
示した図である。振動子３２ａには未分極圧電素子１０
が付加されているが、これは変形時の歪を緩和し、長寿
命化のために付けられたものであるとともにＸ−Ｙ方向
の振動拡大の作用を有し、半分極品もしくは無くても動
作は行われる。

【００５７】［効果］従来の超音波リニアモータと異な
り、突起３３に回転成分がないために突起３３の形状を
半球状等にする必要がなく、可動部材との接点が従来は
点接触であるに対し、本実施例の振動子３２ａでは、円
柱や多角形柱状の突起３３を使用することで面接触とな
る。また、突起３３を用いなくとも上台２３上面部を可
動部材との接触面とすることができる。面接触のために
可動部材および突起３３の磨耗が減り、耐久性が上がる
と共に、滑りが減るために高精度の位置決め精度を持つ
モータが容易にできる。

【００５８】また、基準面平行移動型超音波振動子３２
ａにおいて、２つの積層型超音波振動子２１ａ，１ｂに
同形状のものを１８０度回転させ、直列に配置した振動
子は上下で１８０度対称的な位置の電極どうしを接続す
ることにより最小限の電圧印加装置で回転成分の無い変
位を得ることができる。

【００５９】

【実施例９】［構成］図２０を用いて本発明の実施例９
の構成を説明する。２０Ａは基準面平行移動型超音波振
動子３２ｂの斜視図を表したものである。前記実施例の
基準面平行移動型超音波振動子３２ａに未分極圧電素子
１０ａ，１０ｂと圧電セラミック板の対向する電極を全
て全面電極とした一般的な積層型１次元変位素子１７を
直列に配置し、図示しない独立した電圧印加装置へ接続
した構成の基準面平行移動型超音波振動子である。

【００６０】［作用］上記構成の振動子３２ｂを駆動し
た際の一例が図２０の２０Ｂである。積層型超音波振動
子２１ａ，２１ｂおよび未分極圧電素子１０ｂにより、
前実施例８と同様に突起３４の上面は常に本振動子３２
ｂ取り付け面（図示省略）と平行な状態を保って楕円振
動する。この楕円振動の途中で積層型１次変位素子１７
に電圧を印加させると、突起３４は図２１に示したよう
な直線運動部分（ＸーＺ間）を持つ楕円振動の軌跡を描
く。スライダ２８と突起３４の関係をＹ以上の高さでス
ライダ２８に接するようにすると、本振動子３２ｂでは
垂直方向の成分のみの運動で時に可動部材と突起物が面
接触し始め、また離れる。そのために可動部材は横滑り
することがない。よって本駆動装置には従来問題であっ
た突起３４にかかる重量により変位量が微妙に異なると
いうことがない。図２２は本振動子３２ｂでスライダ２
８を移動させている状態を示した図で２２Ａ〜Ｄは図２
１の符号位置と一致する。なお、本振動子３２ｂの両側
面には未分極電圧素子１０ａが積層されているが、これ
は実施例８と同じように歪の緩和の働きを有する。

【００６１】［効果］本実施例の振動子３２ｂは、従来
の超音波リニアモータと異なり、振動軌跡に直接部分を
有するため、滑りがなく高精度なリニアモータを作製す
ることができる。また、可動部材および突起３４の磨耗
が少なくなり、クリーンで耐久性の高いモータを作製で
きる。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように、１〜３次元の微小
位置決めを本発明の分割電極を有する積層型変位素子で
行えば、低電圧で変位量、発生力が大きく取れ、コンパ
クトで組み立てが容易な微動制御装置を作製することで
きる。また、積層体自身もグリーンシートに内部電極を
印刷、積層、切断後焼成を行う一体焼成法と、セラミッ
クス板を積層、接着する接着法で作成が容易にできるた
め、利用範囲が非常に拾い。さらに、本素子は端面にお
いて楕円振動を発生させることが可能であり、移動体を
左右及び２次元的に駆動する素子としても利用できる。
なお、積層型圧電変位素子の代わりに積層型電歪素子を
使用したものも同等の効果を示す。また、数Ｖ〜数十Ｖ
という低い電圧で駆動することができ、非共振領域で駆
動させるために、消費電力も小さいコンパクトで大きな
振動出力を取り出すことの可能な超音波振動を作製でき
る。リニアモータとして用いた場合は、駆動対象物を２
次元的に移動可能である上、設計上の制約が少なく、作
製容易な超音波振動子およびこの振動子を有する駆動装
置を提供できる。また、積層体自身もグリーンシートに
内部電極を印刷、積層、切断後焼成を行うために作成が
容易で、利用範囲が非常に広い。さらに、本振動子は、
両端面を固定して個々の電極部に位相差を持たした電圧
印加することで、カードリーダ等用のモータとしても使
用可能である。なお、積層型圧電素子の代わりに積層型
電歪振動子を使用したものも同等の効果を示す。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の積層型３次元変位素子を示
す斜視図である。

【図２】同実施例１の積層型３次元変位素子における圧
電セラミックス板を示す斜視図である。

【図３】同実施例１の積層型３次元変位素子を駆動させ
た時の概略構成図である。

【図４】同実施例１の積層型３次元変位素子の変形例を
示す斜視図である。

【図５】本発明の実施例２のレーザ光反射制御装置を示
す概略構成図である。

【図６】本発明の実施例３の基準面平行移動型３次元変
位素子を示す斜視図である。

【図７】同実施例３の基準面平行移動型３次元変位素子
を駆動させた時の斜視図である。

【図８】同実施例３の基準面平行移動型３次元変位素子
を電気的に接続した状態を示す概略構成図である。

【図９】本発明の実施例４の基準面平行移動型３次元変
位素子を示す斜視図である。

【図１０】本発明の実施例５の微動位置決めステージを
示す概略構成図である。

【図１１】本発明の実施例６の微動位置決めステージを
示す概略構成図である。

【図１２】本発明の実施例７の積層型超音波振動子を示
す斜視図である。

【図１３】同実施例７の振動子を駆動させるための駆動
回路を示す回路図である。

【図１４】同実施例７の振動子を駆動させた時の概略構
成図である。

【図１５】同実施例７の振動子の振動軌跡を示す図であ
る。

【図１６】同実施例７の振動子の電圧印加方法を示す波
形図である。

【図１７】同実施例７の振動子を用いた駆動装置を示す
概略構成図である。

【図１８】同実施例７の振動子の変形例を示す斜視図で
ある。

【図１９】本発明の実施例８の基準面平行移動型超音波
振動子を示す斜視図である。

【図２０】本発明の実施例９の基準面平行移動型超音波
振動子を示す斜視図である。

【図２１】同実施例９の振動子の振動軌跡を示す図であ
る。

【図２２】同実施例９の振動子でスライダを移動させた
状態を示す正面図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ積層型３次元変位素子２＋側電極２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ分割電極３ −側電極５圧電セラミックス板９レーザ光反射鏡１０，１０ａ，１０ｂ未分極圧電素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ電圧印加装置１２制御装置１７積層型１次元変位素子２０ａ，２０ｂ基準面平行移動型３次元変位素子２１，２１ａ，２１ｂ積層型超音波振動子２２圧電積層部材２４，３３，３４突起２５交流電源２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ移相器２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ電力増幅器３２ａ，３２ｂ基準面平行移動型超音波振動子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】両面に設けられた電極の内、少なくとも
一面側の電極を複数に分割構成した電気−機械エネルギ
ー変換素子を、複数枚積層した積層型アクチュエータに
おいて、上記電気−機械エネルギー変換素子上の分割さ
れた電極にそれぞれ印加する駆動電圧を、該分割された
電極毎に制御することを特徴とする、積層型アクチュエ
ータ。
【請求項２】両面に設けられた電極の内、少なくとも
一面側の電極を複数に分割構成した電気−機械エネルギ
ー変換素子を、複数枚積層した積層型アクチュエータに
おいて、上記複数枚積層された電気−機械エネルギー変
換素子を複数のブロックに分割し、個々のブロックの内
の上記分割された電極に、ブロック毎に共通した駆動電
圧を印加することにより、動作の制御を行うことを特徴
とする、積層型アクチュエータ。
【請求項３】上記積層された電気−機械エネルギー変
換素子の間に、該電気−機械エネルギー変換素子と弾性
係数、熱伝導率、熱膨張率がほぼ等しい部材を挿入した
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の積層型アク
チュエータ。
【請求項４】上記積層された電気−機械エネルギー変
換素子の積層方向の端面に、突起を設けたことを特徴と
する、請求項１又は２に記載の積層型アクチュエータ。