WO2013054789A1 - 圧電素子及び圧電アクチュエータ - Google Patents

圧電素子及び圧電アクチュエータ Download PDF

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piezoelectric
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淳二 岡田
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オリンパス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric element and a piezoelectric actuator using the piezoelectric element.
  • Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-212519 discloses a method of manufacturing a small cylindrical piezoelectric element. That is, according to the manufacturing method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-212519, first, a piezoelectric element having a cylindrical shape, and a convex portion that is convex in the radial direction and whose longitudinal direction is the axial direction is formed on the outer peripheral surface. The formed piezoelectric element is extruded. Subsequently, a drive electrode is formed on the outer peripheral surface including the convex portion, and a reference electrode is formed on the inner peripheral surface.
  • the piezoelectric element when it is miniaturized (for example, when it is miniaturized to an outer diameter of about 100 ⁇ m to 1 mm), the accuracy required for the component parts to maintain the performance becomes high. In other words, in order to achieve downsizing while maintaining performance, the processing difficulty of the component parts becomes high.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric element and a piezoelectric actuator that can be miniaturized with a configuration in which good machining accuracy can be obtained by simple machining.
  • a piezoelectric element comprises: A rod-like elastic body having a substantially cylindrical shape; In the range that does not reach both end faces in the major axis direction of the rod-like elastic body along the major axis direction of the rod-like elastic body, an elongated hole-shaped slit formed on the side peripheral surface of the rod-like elastic body; A piezoelectric member provided on a portion of the side peripheral surface other than the portion where the slit is formed; The electrode provided on the piezoelectric member on the side peripheral surface in a range that does not reach both end portions of the slit in the major axis direction and that straddles the slit in the circumferential direction of the rod-shaped elastic body Members, It is characterized by comprising.
  • a piezoelectric actuator comprises: A rod-like elastic body having a substantially cylindrical shape; In the range that does not reach both end faces in the major axis direction of the rod-like elastic body along the major axis direction of the rod-like elastic body, an elongated hole-shaped slit formed on the side peripheral surface of the rod-like elastic body; A piezoelectric member provided on a portion of the side peripheral surface other than the portion where the slit is formed; The electrode provided on the piezoelectric member on the side peripheral surface in a range that does not reach both end portions of the slit in the major axis direction and that straddles the slit in the circumferential direction of the rod-shaped elastic body Members, A drive circuit for applying a predetermined alternating signal to the electrode member; Comprising The slits are formed one by one at positions that divide the rod-like elastic body into four equal parts in the circumferential direction, The electrode member is divided into four electrode members
  • the piezoelectric element according to the third aspect of the present invention comprises: A rod-like elastic body having a substantially cylindrical shape; In the range that does not reach both end faces in the major axis direction of the rod-like elastic body along the major axis direction of the rod-like elastic body, an elongated hole-shaped slit formed on the side peripheral surface of the rod-like elastic body; A piezoelectric member provided on a portion of the side peripheral surface other than the portion where the slit is formed; The electrode provided on the piezoelectric member on the side peripheral surface in a range that does not reach both end portions of the slit in the major axis direction and that straddles the slit in the circumferential direction of the rod-shaped elastic body Members, Comprising The slits are respectively formed at three positions that divide the rod-like elastic body into three equal parts in the circumferential direction, The electrode members are three electrode members that are electrically insulated from each other by the slits.
  • a piezoelectric actuator comprises: A rod-like elastic body having a substantially cylindrical shape; In the range that does not reach both end faces in the major axis direction of the rod-like elastic body along the major axis direction of the rod-like elastic body, an elongated hole-shaped slit formed on the side peripheral surface of the rod-like elastic body; A piezoelectric member provided on a portion of the side peripheral surface other than the portion where the slit is formed; The electrode provided on the piezoelectric member on the side peripheral surface in a range that does not reach both end portions of the slit in the major axis direction and that straddles the slit in the circumferential direction of the rod-shaped elastic body Members, A drive circuit for applying a predetermined alternating signal to the electrode member; Comprising The slits are respectively formed at three positions that divide the rod-like elastic body into three equal parts in the circumferential direction, The electrode members are three electrode members that are electrical
  • a piezoelectric element and a piezoelectric actuator that can be miniaturized with a configuration in which good machining accuracy can be obtained by simple machining.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an elastic body constituting the piezoelectric element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the elastic body shown in FIG. 2 provided with a piezoelectric member.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the piezoelectric element shown in FIG. 1 during polarization processing.
  • FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional view taken along line AA ′ shown in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a phase difference between the alternating signals V1, V2, and V3.
  • FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional view taken along line AA ′ shown in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a phase difference between the alternating signals V1, V2, and V3.
  • FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional view taken along line AA ′ shown in FIG.
  • FIG. 6
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of alternating signals V1, V2, V3, and V4 applied to each electrode member included in a piezoelectric element having a four-electrode structure.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a modification of the drive circuit.
  • FIG. 9 is a diagram showing a drive circuit obtained by star delta conversion of the drive circuit shown in FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an elastic body included in the piezoelectric element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the elastic body shown in FIG. 2 provided with a piezoelectric member.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention during polarization processing.
  • FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional view taken along line AA shown in FIG.
  • the piezoelectric element 1 according to the first embodiment includes a substantially cylindrical rod-shaped elastic body 3, a piezoelectric member 9, and electrode members 7-1, 7-2, 7-3.
  • the Z-axis is set in the major axis direction of the rod-like elastic body 3 as shown in FIG. 1
  • the X-axis is set in the directions perpendicular to each other in a plane perpendicular to the major-axis direction of the rod-like elastic body 3 as shown in FIG. Set the axis and Y axis.
  • the rod-like elastic body 3 is a substantially cylindrical elastic body having a through hole 3H formed so as to penetrate through the central portions of both end faces in the long axis direction (Z-axis direction) as shown in FIG. It is a cylindrical shell-shaped elastic body made of stainless steel (SUS material), titanium or the like.
  • a plurality of slits s 1, s 2, s 3, and s 4 are provided along the long axis direction (Z-axis direction) on the side circumferential surface of the rod-shaped elastic body 3, and extend in a portion excluding the portions near both ends of the rod-shaped elastic body 3. It is formed in a hole shape.
  • the slits s1, s2, s3, and s4 are formed along the major axis direction within a range that does not reach both end surfaces in the major axis direction of the rod-shaped elastic body 3.
  • the slits s1, s2, s3, and s4 are formed at positions that divide the rod-shaped elastic body 3 into four equal parts in the circumferential direction, as shown in FIG.
  • the slits s1, s2, s3, and s4 are two pairs of slits (slits s1 and s3) provided to form a pair at portions facing each other on the side circumferential surface of the rod-shaped elastic body 3. And a pair consisting of a slit s2 and a slit s4).
  • the opposing directions of the slits in each pair form approximately 90 degrees.
  • each of the slits s1, s2, s3, s4 for example, fine processing such as laser processing or etching can be exemplified.
  • the slits s1, s2, s3, and s4 are formed so as to be aligned with the central axis of the rod-shaped elastic body 3 by these fine processing.
  • one end face 3E of the rod-shaped elastic body is masked, for example, PVD method (sputtering, laser ablation, etc. ), CVD method, chemical solution method (CSD method), hydrothermal synthesis method, aerosol deposition method (AD method), etc., and a piezoelectric member (for example, lead zirconate titanate) (PZT) etc.).
  • PVD method sputtering, laser ablation, etc.
  • CVD method chemical solution method
  • CSSD method chemical solution method
  • AD method aerosol deposition method
  • PZT lead zirconate titanate
  • the piezoelectric member deposited on the portion of the side peripheral surface of the rod-shaped elastic body 3 that overlaps the electrode member 7-1 is labeled with the piezoelectric member 9-1, and the electrode member 7-
  • the piezoelectric member deposited on the portion overlapping 2 is labeled with the piezoelectric member 9-2
  • the piezoelectric member deposited on the portion overlapping the electrode member 7-3 is labeled with the piezoelectric member 9-3
  • the piezoelectric member deposited on the portion overlapping the electrode member 7-4 is denoted by the reference numeral 9-4.
  • the electrode members 7-1, 7-2, 7-3 and 7-4 are electrodes formed in “predetermined regions (details will be described later)” on the piezoelectric member 9.
  • the piezoelectric members 9-1, 9-2, 9-3, and 9-4 are provided with the two pairs of slits s1, s2, s3, and s4 on the side peripheral surface of the rod-shaped elastic body 3. These are two pairs of piezoelectric members provided in a part other than the part and facing each other. These piezoelectric members 9-1, 9-2, 9-3, 9-4 are each polarized in the radial direction of the rod-shaped elastic body 3 to become active regions.
  • the electrode members 7-1, 7-2, 7-3 and 7-4 are formed in “predetermined regions” on the piezoelectric member 9 provided on the side peripheral surface of the rod-shaped elastic body 3.
  • the electrode members 7-1, 7-2, 7-3, and 7-4 are both end surfaces of the slits s 1, s 2, s 3, and s 4 in the major axis direction (Z-axis direction) of the rod-like elastic body 3.
  • the circumferential direction of the rod-like elastic body 3 extends across the entire circumference of the rod-like elastic body 3 across the slits s1, s2, s3, and s4. Is provided.
  • the electrode members 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 for example, a method of sputtering or vapor deposition with gold, platinum or the like, or an electrode material such as nickel, gold, silver or the like is used.
  • the method of forming by plating can be mentioned.
  • Electrode members 7-1, 7-2, 7-3, and 7-4 are used when a high voltage V is applied between the piezoelectric member 9 and the rod-shaped elastic body 3 during the polarization process shown in FIG. Use. That is, by applying a high voltage V between each electrode member 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 and the one end face 3 E where the rod-shaped elastic body 3 is exposed, the piezoelectric member 9 is applied. Of these, the portion overlapping each electrode member is polarized in the radial direction, and the piezoelectric members 9-1, 9-2, 9-3, 9-4 are used as active regions. Thus, in the polarization process, one end face 3E of the rod-shaped elastic body 3 is utilized as a common electrode (one electrode of the electrode for polarization).
  • the piezoelectric members 9-1, 9-2, 9-3, 9-4 By applying predetermined charges to the piezoelectric members 9-1, 9-2, 9-3, 9-4 using the electrode members 7-1, 7-2, 7-3, 7-4, the piezoelectric members The member 9 is vibrated to displace the piezoelectric element in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction described above.
  • the rotation direction can be switched by the advance / delay of the phase of the alternating signal applied to each electrode member 7-1, 7-2, 7-3, 7-4. It is obvious that the piezoelectric element expands and contracts in the Z-axis direction when an in-phase alternating signal is applied to each of the electrode members 7-1, 7-2, 7-3, 7-4.
  • the first embodiment it is possible to provide a piezoelectric element and a piezoelectric actuator that can be miniaturized with a configuration in which good machining accuracy can be obtained by simple machining.
  • the piezoelectric element according to the first embodiment has a four-electrode structure.
  • the piezoelectric element according to the second embodiment has a three-electrode structure.
  • the slit is formed at a position where the rod-shaped elastic body 3 is equally divided into four in the circumferential direction as shown in FIG. 5 (slits s1, s2, s3, s4).
  • the slits are formed at three positions that divide the rod-shaped elastic body 3 into three equal parts in the circumferential direction (slits s1, s2, s3). ).
  • the slits s1, s2, and s3 are formed so that the straight lines that connect the adjacent slits in the shortest form approximately 120 degrees.
  • the electrode members 7-1, 7-2, and 7-3 are used to apply predetermined charges to the piezoelectric members 9-1, 9-2, and 9-3 to vibrate the piezoelectric members 9, thereby
  • the element is displaced in the above-described X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction. That is, a bending operation is excited in the rod-shaped elastic body 3 by sequentially applying predetermined alternating signals to the electrode members 7-1, 7-2, 7-3 by the drive circuit shown in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a phase difference between the alternating signals V1, V2, and V3.
  • the alternating signal V2 sin ( ⁇ + 2 ⁇ / 3)
  • the alternating signal V3 sin ( ⁇ -2 ⁇ ).
  • the phase difference between the alternating signals applied to the electrode members adjacent to each other among the electrode members 7-1, 7-2, and 7-3 is approximately 120 degrees.
  • the bar-shaped elastic body 3 swings and rotates by sequentially applying an alternating signal having a phase difference of approximately 120 degrees to each electrode member.
  • the direction of rotation of the rod-shaped elastic body 3 in the swinging motion can be switched by the advance / delay of the phase of the alternating signal applied to the electrode member. Further, when an in-phase alternating signal is simultaneously applied to the electrode members 7-1, 7-2, and 7-3, the rod-shaped elastic body 3 expands and contracts in the Z-axis direction.
  • the second embodiment it is possible to provide a piezoelectric element and a piezoelectric actuator that realize good processing accuracy and downsizing with simple processing.
  • Examples of application fields of the piezoelectric element and the piezoelectric actuator according to the second embodiment include the following fields. That is, examples include a microactuator, a sensor, a rotating micromotor, a light source (for example, laser light source or LED light source), a fiber or image fiber drive source, and a scanning of a microsensor (for example, cantilever).
  • examples include a microactuator, a sensor, a rotating micromotor, a light source (for example, laser light source or LED light source), a fiber or image fiber drive source, and a scanning of a microsensor (for example, cantilever).
  • the piezoelectric element 1 which concerns on this 2nd Embodiment is set as the structure provided with three electrode members, a slit is formed in the position which divides the rod-shaped elastic body 3 into 4 equally in the circumferential direction, and these slits, for example.
  • a configuration is also possible in which four electrode members insulated from each other are provided.
  • the configuration in which the four electrode members are provided in the piezoelectric element 1 (hereinafter referred to as “four-electrode structure”) and the configuration in which the three electrode members are provided in the piezoelectric element 1 (hereinafter, “ Consider the difference in function and effect with the three-electrode structure.
  • the alternating signals V1, V2, V3, V4 applied to the respective electrode members included in the piezoelectric element 1 having the four-electrode structure are, for example, as shown in FIG. 8, the phase difference between the alternating signals applied to the adjacent electrode members. Is an alternating signal of approximately 90 degrees.
  • the three-electrode structure piezoelectric element can have a larger electrode width than the four-electrode structure piezoelectric element. Therefore, according to the piezoelectric element having the three-electrode structure, a larger output can be obtained even when the outer diameter is the same as compared with the piezoelectric element having the four-electrode structure. Can be reduced).
  • the number of wirings can be reduced as compared with the piezoelectric element having the four-electrode structure.
  • the adoption of the three-electrode structure is superior to the four-electrode structure from the viewpoint of ease of miniaturization.
  • the drive circuit of the piezoelectric element is not limited to the configuration shown in FIG. 6, and may have the configuration shown in FIG.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a modification of the drive circuit.
  • the drive circuit shown in FIG. 9 is a circuit obtained by so-called star delta conversion of the drive circuit shown in FIG.
  • the above-described embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and the effect described in the column of the effect of the invention Can be extracted as an invention.
  • SYMBOLS 1 Piezoelectric element, s1, s2, s3, s4 ... slit, V ... high voltage, V1 ... first voltage source, V2 ... second voltage source, 3 ... rod-shaped elastic body, 3H ... through-hole, 3E ... one side End face, 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 ... electrode member, 9 ... piezoelectric member, 9-1, 9-2, 9-3, 9-4 ... piezoelectric member overlapping the electrode member.

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Abstract

　圧電素子を次のように構成する。略円筒形状を呈する棒状弾性体3と、棒状弾性体3の長軸方向に沿って、棒状弾性体3の長軸方向における両端面に達しない範囲で、棒状弾性体3の側周面に形成された長孔形状のスリットs1,s2,s3と、側周面のうち前記スリットs1,s2,s3が形成された部位以外の部位に設けられた圧電部材9と、長軸方向については前記スリットs1,s2,s3の両端部位に達しない範囲で、且つ、棒状弾性体3の周方向については前記スリットs1,s2,s3を跨いだ態様で、側周面の前記圧電部材9上に設けられた電極部材7-1,7-2,7-3と、を圧電素子に具備させる。

Description

圧電素子及び圧電アクチュエータ
　本発明は、圧電素子、及び該圧電素子を用いた圧電アクチュエータに関する。
　従来より、円筒型圧電素子の小型化が望まれている。円筒型圧電素子の小型化には、製造上の困難さが伴う。特開２００９－２１２５１９号公報には、小型の円筒型圧電素子を製造する方法が開示されている。すなわち、特開２００９－２１２５１９号公報に開示されている製造方法によれば、まず、円筒形状を呈する圧電素子であって、径方向に凸で軸方向を長手方向とする凸部が外周面に設けられた形態の圧電素子を押出成形する。続いて、前記凸部を含む外周面に駆動電極を形成し、内周面には基準電極を形成する。そして、それら電極を利用して当該圧電素子に分極処理を施した後、前記凸部を機械加工で除去する。これら一連の工程により、複数個に分割された駆動電極を備える円筒型圧電素子を得ることができる。
　ところで、圧電素子を小型化していく場合（例えば外径１００μｍ～１ｍｍ程度まで小型化する場合）、その性能を維持する為に構成部品に求められる精度は高くなる。換言すれば、性能を維持したまま小型化を実現するには、構成部品の加工難易度が高くなってしまう。
　特開２００９－２１２５１９号公報に開示されている製造方法によれば、上述した外周面の凸部を除去する工程において高精度な機械加工を要する。この機械加工の精度が良好でない場合には、例えば当該円筒型圧電素子の割れや駆動電極の短絡等の様々な不具合が生じる虞がある。具体的には、例えば前記凸部の除去が不完全であれば、駆動電極に電圧を印加しても十分な変位を得られないことがある。また、前記凸部の除去加工が深すぎて溝を形成してしまった場合には、駆動電極に電圧を印加した際の変形で、当該円筒型圧電素子に割れが発生する虞がある。つまり、特開２００９－２１２５１９号公報に開示されている技術を利用して、良好な加工精度を維持しつつ、圧電素子の小型化を実現することは困難である。
　本発明は、前記の事情に鑑みて為されたものであり、良好な加工精度を簡略な加工で得られる構成で小型化を実現した圧電素子及び圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
　前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による圧電素子は、
　略円筒形状を呈する棒状弾性体と、
　前記棒状弾性体の長軸方向に沿って、前記棒状弾性体の長軸方向における両端面に達しない範囲で、前記棒状弾性体の側周面に形成された長孔形状のスリットと、
　前記側周面のうち前記スリットが形成された部位以外の部位に設けられた圧電部材と、
　前記長軸方向については前記スリットの両端部位に達しない範囲で、且つ、前記棒状弾性体の周方向については前記スリットを跨いだ態様で、前記側周面の前記圧電部材上に設けられた電極部材と、
　を具備することを特徴とする。
　前記の目的を達成するために、本発明の第２の態様による圧電アクチュエータは、
　略円筒形状を呈する棒状弾性体と、
　前記棒状弾性体の長軸方向に沿って、前記棒状弾性体の長軸方向における両端面に達しない範囲で、前記棒状弾性体の側周面に形成された長孔形状のスリットと、
　前記側周面のうち前記スリットが形成された部位以外の部位に設けられた圧電部材と、
　前記長軸方向については前記スリットの両端部位に達しない範囲で、且つ、前記棒状弾性体の周方向については前記スリットを跨いだ態様で、前記側周面の前記圧電部材上に設けられた電極部材と、
　前記電極部材に所定の交番信号を印加する駆動回路と、
　を具備し、
　前記スリットは、当該棒状弾性体を周方向に４等分する位置に１つずつ形成され、
　前記電極部材は、前記スリットによって、互いに独立した４つの電極部材に分割されており、
　前記駆動回路は、互いに対向する電極部材間に所定の交番信号を印加する、
　ことを特徴とする。
　前記の目的を達成するために、本発明の第３の態様による圧電素子は、
　略円筒形状を呈する棒状弾性体と、
　前記棒状弾性体の長軸方向に沿って、前記棒状弾性体の長軸方向における両端面に達しない範囲で、前記棒状弾性体の側周面に形成された長孔形状のスリットと、
　前記側周面のうち前記スリットが形成された部位以外の部位に設けられた圧電部材と、
　前記長軸方向については前記スリットの両端部位に達しない範囲で、且つ、前記棒状弾性体の周方向については前記スリットを跨いだ態様で、前記側周面の前記圧電部材上に設けられた電極部材と、
　を具備し、
　前記スリットは、前記棒状弾性体を周方向に３等分する３つの位置にそれぞれ形成されており、
　前記電極部材は、前記スリットによって互いに電気的に絶縁された３つの電極部材である
　ことを特徴とする。
　前記の目的を達成するために、本発明の第４の態様による圧電アクチュエータは、
　略円筒形状を呈する棒状弾性体と、
　前記棒状弾性体の長軸方向に沿って、前記棒状弾性体の長軸方向における両端面に達しない範囲で、前記棒状弾性体の側周面に形成された長孔形状のスリットと、
　前記側周面のうち前記スリットが形成された部位以外の部位に設けられた圧電部材と、
　前記長軸方向については前記スリットの両端部位に達しない範囲で、且つ、前記棒状弾性体の周方向については前記スリットを跨いだ態様で、前記側周面の前記圧電部材上に設けられた電極部材と、
　前記電極部材に所定の交番信号を印加する駆動回路と、
　を具備し、
　前記スリットは、前記棒状弾性体を周方向に３等分する３つの位置にそれぞれ形成されており、
　前記電極部材は、前記スリットによって互いに電気的に絶縁された３つの電極部材である
　ことを特徴とする。
　本発明によれば、良好な加工精度を簡略な加工で得られる構成で小型化を実現した圧電素子及び圧電アクチュエータを提供することができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電素子の構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示す圧電素子を構成する弾性体を示す斜視図である。 図３は、図２に示す弾性体に圧電部材を設けたものを示す斜視図である。 図４は、分極処理時の図１に示す圧電素子を示す斜視図である。 図５は、図４に示すＡ－Ａ´線における断面矢視図を示す図である。 図６は、交番信号Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３間の位相差を示す図である。 図７は、４電極構造の圧電素子の備える各電極部材に印加する交番信号Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の一例を示す図である。 図８は、駆動回路の一変形例を示す図である。 図９は、図６に示す駆動回路をスターデルタ変換した駆動回路を示す図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電素子の構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す圧電素子が具備する弾性体を示す斜視図である。図３は、図２に示す弾性体に圧電部材を設けたものを示す斜視図である。図４は、分極処理時の本発明の第１実施形態に係る圧電素子を示す斜視図である。図５は、図４に示すＡ－Ａ線における断面矢視図を示す図である。　
　図１乃至図５に示すように、本第１実施形態に係る圧電素子１は、略円筒形状の棒状弾性体３と、圧電部材９と、電極部材７－１，７－２，７－３，７－４と、を具備する。ここで、図１に示すように棒状弾性体３の長軸方向にＺ軸を設定し、図５に示すように棒状弾性体３の長軸方向に垂直な面内で互いに直交する方向にＸ軸とＹ軸とを設定する。
　前記棒状弾性体３は、図２に示すように長軸方向（Ｚ軸方向）における両端面の中心部位を貫通するように形成された貫通孔３Ｈを有する略円筒形状の弾性体であり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ材）やチタン等から成る円筒殻状の弾性体である。この棒状弾性体３の側周面には、複数のスリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４が長軸方向（Ｚ軸方向）に沿って、当該棒状弾性体３の両端近傍部位を除いた部位に長孔形状に形成されている。換言すれば、これらスリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４は、当該棒状弾性体３の長軸方向については両端面に達しない範囲で、前記長軸方向に沿って形成されている。
　前記スリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４は、図５に示すように、棒状弾性体３を周方向に４等分する位置に形成されている。換言すれば、これらスリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４は、当該棒状弾性体３の側周面のうち互いに対向する部位において対を成すように設けられた二対のスリット（スリットｓ１とスリットｓ３とから成る対、及び、スリットｓ２とスリットｓ４とから成る対）である。これら二対のスリットは、各対におけるスリットの対向方向同士（対向するスリット同士を最短で結ぶ直線同士）が略９０度を成す。
　なお、各スリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４の具体的な形成方法としては、例えばレーザー加工やエッチング等の微細加工を挙げることができる。各スリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４は、これらの微細加工によって、当該棒状弾性体３の中心軸に対して揃えて形成される。
　上述したように棒状弾性体３に各スリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４を形成した後（図２参照）、棒状弾性体の一方端面３Ｅをマスキングした状態で、例えばＰＶＤ法（スパッタ、レーザーアブレーションなど）、ＣＶＤ法、化学溶液法（ＣＳＤ法）、水熱合成法、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）等の成膜技法を用いて、棒状弾性体３表面に圧電部材（例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等）を堆積する。これにより、棒状弾性体３のうち、一方端面３Ｅ及びスリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４を除く表面に、圧電部材が堆積される。
　ここで、図５に示すように棒状弾性体３の側周面のうち電極部材７－１と重なる部分に堆積された圧電部材には圧電部材９－１と符号を付し、電極部材７－２と重なる部分に堆積された圧電部材には圧電部材９－２と符号を付し、電極部材７－３と重なる部分に堆積された圧電部材には圧電部材９－３と符号を付し、電極部材７－４と重なる部分に堆積された圧電部材には圧電部材９－４と符号を付す。なお、各電極部材７－１，７－２，７－３，７－４は、圧電部材９上の“所定の領域（詳細は後述する）”に形成される電極である。
　上述したように、圧電部材９－１，９－２，９－３，９－４は、棒状弾性体３の側周面のうち前記二対のスリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４が設けられた部位以外の部位に設けられた、互いに対向する二対の圧電部材である。これら圧電部材９－１，９－２，９－３，９－４は、それぞれ当該棒状弾性体３の径方向に分極されて活性領域となる。
　前記電極部材７－１，７－２，７－３，７－４は、当該棒状弾性体３の側周面に設けられた圧電部材９上の“所定の領域”に形成されている。詳細には、電極部材７－１，７－２，７－３，７－４は、当該棒状弾性体３の長軸方向（Ｚ軸方向）についてはスリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４の両端面に達しない範囲（スリットの長さを越えない領域）で、且つ、当該棒状弾性体３の周方向についてはスリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４を跨いで当該棒状弾性体３の全周に亘って設けられている。
　具体的な電極部材７－１，７－２，７－３，７－４の形成方法としては、例えば金、白金等でスパッタや蒸着を行なう方法や、ニッケル、金、銀等の電極材料をメッキで形成する方法を挙げることができる。
　これら電極部材７－１，７－２，７－３，７－４は、図４に示す分極処理の際に、圧電部材９と棒状弾性体３との間に高電圧Ｖを印加する際に用いる。すなわち、各電極部材７－１，７－２，７－３，７－４と、棒状弾性体３が露出している一方端面３Ｅとの間に高電圧Ｖを印加することにより、圧電部材９のうち各電極部材と重なる部分を径方向に分極し、圧電部材９－１，９－２，９－３，９－４を活性領域とする。このように、分極処理の際には、棒状弾性体３の一方端面３Ｅを共通電極（分極用電極の一方電極）として活用する。
　以下、本第１実施形態に係る圧電素子を圧電アクチュエータとして利用する際の駆動方法について説明する。
　前記電極部材７－１，７－２，７－３，７－４を利用して各圧電部材９－１，９－２，９－３，９－４に所定の電荷を与えることで、圧電部材９を振動させて、圧電素子を上述のＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に変位させる。
　例えば、図５に示すように、第１の電圧源Ｖ１を電極部材７－２と電極部材７－４とに接続し、それら電極間に交番電圧Ｖ１＝Ｖｃｏｓθを印加し、第２の電圧源Ｖ２を電極部材７－１と電極部材７－３とに接続し、それら電極間に交番電圧Ｖ２＝Ｖｓｉｎθを印加する。このように駆動回路を構成することで、隣接する電極部材同士の交番信号の位相差は順次略９０度となる。このように駆動することで、圧電素子には屈曲動作が励起され、首振り回転運動が生じる。
　なお、各電極部材７－１，７－２，７－３，７－４に印加する交番信号の位相の進み／遅れによって回転方向を切り替えることができる。また、各電極部材７－１，７－２，７－３，７－４に同相の交番信号を印加すると、圧電素子は、Ｚ軸方向に伸び縮みすることは明らかである。
　以上説明したように、本第１実施形態によれば、良好な加工精度を簡略な加工で得られる構成で小型化を実現した圧電素子及び圧電アクチュエータを提供することができる。
［第２実施形態］
　以下、本発明の第２実施形態に係る圧電素子及び圧電アクチュエータについて説明する。説明の重複を避ける為、第１実施形態との相違点について説明する。上述の第１実施形態に係る圧電素子は４電極構造を採っている。一方、本第２実施形態に係る圧電素子は３電極構造を採る。
　すなわち、上述した第１実施形態に係る圧電素子では、スリットを、図５に示すように、棒状弾性体３を周方向に４等分する位置に形成している（スリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４）。
　一方、本第２実施形態に係る圧電素子では、スリットを、図６に示すように、棒状弾性体３を周方向に３等分する３つの位置に形成している（スリットｓ１，ｓ２，ｓ３）。換言すれば、本第２実施形態においては、スリットｓ１，ｓ２，ｓ３が、互いに隣り合うスリット同士を最短で結ぶ直線同士が略１２０度を成すように形成されている。
　以下、本第２実施形態に係る圧電素子を圧電アクチュエータとして利用する際の駆動方法について説明する。
　前記電極部材７－１，７－２，７－３を利用して各圧電部材９－１，９－２，９－３に所定の電荷を与えることで、圧電部材９を振動させて、圧電素子を上述のＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に変位させる。すなわち、図６に示す駆動回路によって、各電極部材７－１，７－２，７－３に対して、所定の交番信号を順次印加していくことで、棒状弾性体３に屈曲動作を励起させる。
　前記所定の交番信号とは、例えば、電極部材７－３に対しては交番信号Ｖ１＝ｓｉｎθ、電極部材７－２に対しては交番信号Ｖ２＝ｓｉｎ（θ＋２π／３）、電極部材７－１に対しては交番信号Ｖ３＝ｓｉｎ（θ－２π／３）である。
　これら交番信号Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３同士の位相差は、詳細には図７に示すような関係にある。図７は、交番信号Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３間の位相差を示す図である。同図に示すように、交番信号Ｖ１＝ｓｉｎθと交番信号Ｖ２＝ｓｉｎ（θ＋２π／３）との間の位相差、交番信号Ｖ２＝ｓｉｎ（θ＋２π／３）と交番信号Ｖ３＝ｓｉｎ（θ－２π／３）との間の位相差、及び、交番信号Ｖ３＝ｓｉｎ（θ－２π／３）と交番信号Ｖ１＝ｓｉｎθとの間の位相差はいずれも略１２０度である。
　換言すれば、各電極部材７－１，７－２，７－３のうち互いに隣り合う電極部材に印加される交番信号同士の位相差は、略１２０度である。
　上述したように略１２０度位相差の交番信号を各電極部材に順次印加することで、棒状弾性体３は首振り回転運動を行う。
　なお、電極部材に印加する交番信号の位相の進み／遅れによって、棒状弾性体３の首振り回転運動における回転方向を切り替えることができる。また、各電極部材７－１，７－２，７－３に同相の交番信号を同時に印加すると、棒状弾性体３は、Ｚ軸方向に伸縮する。
　以上説明したように、本第２実施形態によれば、簡略な加工で良好な加工精度と小型化とを実現した圧電素子及び圧電アクチュエータを提供することができる。
　本第２実施形態に係る圧電素子及び圧電アクチュエータの具体的な適用分野としては、例えば下記の分野を挙げることができる。すなわち、マイクロアクチュエータ、センサー、回転用マイクロモータ、光源（例えばレーザ光源やＬＥＤ光源等）ファイバーやイメージファイバーの駆動源、及びマイクロセンサー（例えばカンチレバー等）の走査等の分野を挙げることができる。
　ところで、本第２実施形態に係る圧電素子１は３個の電極部材を備える構成としているが、他にも例えば棒状弾性体３を周方向に４等分する位置にスリットを形成し、それらスリットによって互いに絶縁された４個の電極部材を備えさせる構成も考えられる。
　以下、このように４個の電極部材を圧電素子１に備えさせた構成（以降、“４電極構造”と称する）と、３個の電極部材を圧電素子１に備えさせた構成（以降、“３電極構造”と称する）との作用効果における相違を考察する。
　なお、４電極構造の圧電素子１の備える各電極部材に印加する交番信号Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４は、例えば図８に示すように、互いに隣接する電極部材に印加する交番信号同士の位相差が略９０度の交番信号である。
・棒状弾性体３の外径が互いに同じ値であっても、３電極構造の圧電素子は、４電極構造の圧電素子に比べて、電極幅を大きくとることができる。従って、３電極構造の圧電素子によれば、４電極構造の圧電素子に比べて、同じ外径であってもより大きな出力を得ることができる（同じ出力とした場合には、外径をより小さくすることができる）。
・３電極構造の圧電素子によれば、４電極構造の圧電素子に比べて配線数を削減できる。
・３電極構造の圧電素子によれば、４電極構造の圧電素子に比べて、より簡単な構成で精度を維持しつつ、より小型の圧電アクチュエータの製作が可能となる。
　３電極構造を採ることは、小型化の容易さの観点からも、４電極構造に比べて優位となる。
　以上、第１実施形態及び第２実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で変形／応用が可能なことは勿論である。
《変形例》
　例えば、圧電素子の駆動回路は図６に示す構成に限られず、図９に示す構成としてもよい。図９は、駆動回路の一変形例を示す図である。図９に示す駆動回路は、図６に示す駆動回路を所謂スターデルタ変換した回路である。
　以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で変形／応用が可能なことは勿論である。
　さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
　　１…圧電素子、ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４…スリット、　Ｖ…高電圧、　Ｖ１…第１の電圧源、　Ｖ２…第２の電圧源、　３…棒状弾性体、　３Ｈ…貫通孔、　３Ｅ…一方端面、　７－１，７－２，７－３，７－４…電極部材、９…圧電部材、　９－１，９－２，９－３，９－４…電極部材と重なる圧電部材。

Claims (8)

  1. 　略円筒形状を呈する棒状弾性体と、
    　前記棒状弾性体の長軸方向に沿って、前記棒状弾性体の長軸方向における両端面に達しない範囲で、前記棒状弾性体の側周面に形成された長孔形状のスリットと、
    　前記側周面のうち前記スリットが形成された部位以外の部位に設けられた圧電部材と、
    　前記長軸方向については前記スリットの両端部位に達しない範囲で、且つ、前記棒状弾性体の周方向については前記スリットを跨いだ態様で、前記側周面の前記圧電部材上に設けられた電極部材と、
    　を具備することを特徴とする圧電素子。
  2. 　前記スリットは、当該棒状弾性体を周方向に４等分する位置に１つずつ形成され、
    　前記電極部材は、前記スリットによって、互いに独立した４つの電極部材に分割されている
    　ことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
  3. 　略円筒形状を呈する棒状弾性体と、
    　前記棒状弾性体の長軸方向に沿って、前記棒状弾性体の長軸方向における両端面に達しない範囲で、前記棒状弾性体の側周面に形成された長孔形状のスリットと、
    　前記側周面のうち前記スリットが形成された部位以外の部位に設けられた圧電部材と、
    　前記長軸方向については前記スリットの両端部位に達しない範囲で、且つ、前記棒状弾性体の周方向については前記スリットを跨いだ態様で、前記側周面の前記圧電部材上に設けられた電極部材と、
    　前記電極部材に所定の交番信号を印加する駆動回路と、
    　を具備し、
    　前記スリットは、当該棒状弾性体を周方向に４等分する位置に１つずつ形成され、
    　前記電極部材は、前記スリットによって、互いに独立した４つの電極部材に分割されており、
    　前記駆動回路は、互いに対向する電極部材間に所定の交番信号を印加する、
    　ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
  4. 　前記駆動回路は、隣接する電極部材同士の交番信号の位相差が略９０度となるように、互いに対向する電極部材間に所定の交番信号を印加する
    　ことを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
  5. 　略円筒形状を呈する棒状弾性体と、
    　前記棒状弾性体の長軸方向に沿って、前記棒状弾性体の長軸方向における両端面に達しない範囲で、前記棒状弾性体の側周面に形成された長孔形状のスリットと、
    　前記側周面のうち前記スリットが形成された部位以外の部位に設けられた圧電部材と、
    　前記長軸方向については前記スリットの両端部位に達しない範囲で、且つ、前記棒状弾性体の周方向については前記スリットを跨いだ態様で、前記側周面の前記圧電部材上に設けられた電極部材と、
    　を具備し、
    　前記スリットは、前記棒状弾性体を周方向に３等分する３つの位置にそれぞれ形成されており、
    　前記電極部材は、前記スリットによって互いに電気的に絶縁された３つの電極部材である
    　ことを特徴とする圧電素子。
  6. 　前記棒状弾性体の前記周方向における前記電極部材の長さは、前記棒状弾性体の前記周方向における前記スリットの長さ以上の長さである
    　ことを特徴とする請求項５記載の圧電素子。
  7. 　略円筒形状を呈する棒状弾性体と、
    　前記棒状弾性体の長軸方向に沿って、前記棒状弾性体の長軸方向における両端面に達しない範囲で、前記棒状弾性体の側周面に形成された長孔形状のスリットと、
    　前記側周面のうち前記スリットが形成された部位以外の部位に設けられた圧電部材と、
    　前記長軸方向については前記スリットの両端部位に達しない範囲で、且つ、前記棒状弾性体の周方向については前記スリットを跨いだ態様で、前記側周面の前記圧電部材上に設けられた電極部材と、
    　前記電極部材に所定の交番信号を印加する駆動回路と、
    　を具備し、
    　前記スリットは、前記棒状弾性体を周方向に３等分する３つの位置にそれぞれ形成されており、
    　前記電極部材は、前記スリットによって互いに電気的に絶縁された３つの電極部材である
    　ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
  8. 　前記３つの電極部材のうち互いに隣接する前記電極部材に印加される前記所定の交番信号同士の位相差は、略１２０度であり、
    　前記駆動回路は、前記３つの電極部材に順次、前記所定の交番信号を印加する
    　ことを特徴とする請求項７に記載の圧電アクチュエータ。
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