圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータアレイ
【課題】高さ方向の長さが大きくならず、駆動回路の数を少なくすることが可能な圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】圧電アクチュエータ１０は、底面が基部２０に固定され、基部２０から立設した柱状の圧電体３１と、圧電体３１に駆動電圧を印加するための駆動電源部と、を備える。圧電体３１に電界を付与する一対の電極３２、３３を二組備える。二組の電極は、圧電体３１の中心軸ＣＬと平行な平面である仮想平面ＶＰＬ１にて圧電体３１を二分割することにより形成される一つの領域（仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸負側の領域）と他の一つの領域（仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸正側）とのそれぞれの領域に一組ずつ存在するように形成される。駆動電源部は、圧電体３１の「２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」を有する駆動電圧Ｖinを、二組の「一対の電極」のうちの何れか一方の組の一対の電極に選択的に印加するように構成される。
【解決手段】圧電アクチュエータ１０は、底面が基部２０に固定され、基部２０から立設した柱状の圧電体３１と、圧電体３１に駆動電圧を印加するための駆動電源部と、を備える。圧電体３１に電界を付与する一対の電極３２、３３を二組備える。二組の電極は、圧電体３１の中心軸ＣＬと平行な平面である仮想平面ＶＰＬ１にて圧電体３１を二分割することにより形成される一つの領域（仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸負側の領域）と他の一つの領域（仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸正側）とのそれぞれの領域に一組ずつ存在するように形成される。駆動電源部は、圧電体３１の「２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」を有する駆動電圧Ｖinを、二組の「一対の電極」のうちの何れか一方の組の一対の電極に選択的に印加するように構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柱状の圧電体と駆動電源部とを備えるとともに前記圧電体の頂面に生じる機械的振動により移動体を移動させる圧電アクチュエータ、及び、その圧電アクチュエータを格子状に配置してなる圧電アクチュエータアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧電アクチュエータの一つ（以下、「第１従来装置」とも称呼する。）は、四角柱形状の積層圧電素子を備えている。第１従来装置は、その積層圧電素子に屈曲変形又はせん断変形を発生させることにより移動体（球状体）と接触する摩擦材を変位させ、その摩擦材の変位によって移動体を回転させるようになっている。このとき、第１従来装置は、摩擦材の第１の方向の速度と第２の方向の速度とが異なるように積層圧電素子に電圧を印加している（特許文献１を参照。）。
【０００３】
しかしながら、第１従来装置において移動体を迅速に移動させるためには、屈曲変形及びせん断変形を大きくする必要があるので、積層圧電素子の高さを高くする必要がある。その結果、圧電アクチュエータが大型化するという問題がある。
【０００４】
従来の圧電アクチュエータの別の一つ（以下、「第２従来装置」とも称呼する。）は、角柱状の積層圧電素子の内部電極に特徴を持たせ、積層圧電素子の上部に屈曲振動を発生させるとともに積層圧電素子の下部に伸縮振動を発生させ、積層圧電素子の先端に楕円運動を発生させることによって移動体を移動させている（特許文献２を参照。）。
【０００５】
しかしながら、第２従来装置は、前記屈曲振動を発生させるための駆動電圧を積層圧電素子に印加する駆動回路と、前記伸縮振動を発生させるための駆動電圧を積層圧電素子に印加する駆動回路と、を別々に備える必要がある。その結果、駆動回路の数が多くなるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２３８６４４号公報
【特許文献２】特開平５−１４６１７１号公報
【発明の概要】
【０００７】
本発明の目的の一つは、高さ方向の長さが大きくならず且つ駆動回路の数を少なくすることが可能な圧電アクチュエータを提供することにある。
【０００８】
本発明による圧電アクチュエータの一つ（以下、「第１圧電アクチュエータ」とも称呼する。）は、底面（一端）が基部に固定されるとともに前記基部から立設した柱状の圧電体と、前記圧電体に駆動電圧を印加するための駆動電源部と、を備え、前記圧電体の頂面（他端、前記底面と対向する面）に生じる機械的振動により移動体を移動させる圧電アクチュエータである。
【０００９】
前記圧電体は、前記圧電体に電界を付与する一対の電極を二組備える。更に、その二組の電極は、前記圧電体の中心軸と平行な平面にて前記圧電体を二分割することにより形成される一つの領域と他の一つの領域とのそれぞれの領域に一組ずつ存在するように形成される。
【００１０】
更に、前記駆動電源部は、「前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」を有する駆動電圧を、前記二組の一対の電極のうちの何れか一方の組の一対の電極に選択的に印加するように構成されている。即ち、前記二組の電極のうちの一組に駆動電圧が印加されたとき、他の一組に駆動電圧は印加されない。
【００１１】
これによれば、駆動電圧の周波数が「前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」であるから、前記二組の一対の電極のうちの一方にその駆動電圧が印加されているとき、圧電体に「屈曲振動と伸縮振動とが重ね合わさった振動」が発生する。その結果、圧電体の頂面は、例えば、図６の（Ｃ）において矢印Ａｒ１により示したように、圧電体の中心軸に対して傾斜した方向（斜め方向、第１方向）に振動し、移動体はその振動によって移動させられる。
【００１２】
同様に、前記二組の一対の電極のうちの他方に前記駆動電圧が印加されているとき、圧電体に「屈曲振動と伸縮振動とが重ね合わさった振動」が発生する。その結果、圧電体の頂面は、例えば、図７において矢印Ａｒ２により示したように、圧電体の中心軸に対して傾斜した方向（斜め方向、第１方向とは異なる第２方向）に振動し、移動体はその振動によって移動させられる。
【００１３】
このように、第１圧電アクチュエータは、「前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」を有する駆動電圧により駆動されるので、圧電体の屈曲振動は２次屈曲共振時の屈曲振動に近く、圧電体の伸縮振動は１次伸縮共振時の伸縮振動に近い。よって、これらの振動の振幅を大きくすることができるので、圧電体（圧電素子）の高さを大きくする必要が小さい。更に、第１圧電アクチュエータは、「前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」を有する駆動電圧を発生する駆動電源部（駆動回路）を有するのみでよいので、駆動回路の数を低減することができる。
【００１４】
本発明による他の圧電アクチュエータ（以下、「第２圧電アクチュエータ」とも称呼する。）は、第１圧電アクチュエータと同様、底面（一端）が基部に固定されるとともに前記基部から立設した柱状の圧電体と、前記圧電体に駆動電圧を印加するための駆動電源部と、を備え、前記圧電体の頂面（他端、前記底面と対向する面）に生じる機械的振動により移動体を移動させる圧電アクチュエータである。
【００１５】
前記圧電体は、前記圧電体に電界を付与する一対の電極を四組備える。更に、その四組の電極は、前記圧電体の中心軸と平行な二つの平面であって互いに交差する二つの平面にて前記圧電体を四分割することにより形成される四つの領域のそれぞれに一組ずつ存在するように形成される。
【００１６】
更に、前記駆動電源部は、「前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」を有する駆動電圧を、前記四つの領域のうちの互いに隣接する任意の二つの領域内に形成されている二組の一対の電極に選択的に印加するように構成されている。即ち、前記四組の「一対の電極」のうちの互いに隣接する領域に存在する二組の「一対の電極」に駆動電圧が印加されたとき、他の二組の「一対の電極」に駆動電圧は印加されない。
【００１７】
これによれば、圧電体に「屈曲振動と伸縮振動とが重ね合わさった振動」が発生し、圧電体の頂面は、選択された二組の「一対の電極」に応じて実質的に４方向に振動させられる。
【００１８】
更に、第２圧電アクチュエータは、第１圧電アクチュエータと同様、「前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」を有する駆動電圧により駆動されるので、圧電体の屈曲振動は２次屈曲共振時の屈曲振動に近く、圧電体の伸縮振動は１次伸縮共振時の伸縮振動に近い。よって、これらの振動の振幅を大きくすることができるので、圧電体（圧電素子）の高さを大きくする必要が小さい。更に、第２圧電アクチュエータは、「前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」を有する駆動電圧を発生する駆動電源部（駆動回路）を有するのみでよいので、駆動回路の数を低減することができる。
【００１９】
このような圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体は正四角柱であり、前記圧電体の底面の一辺の長さＬと、前記圧電体の高さＨと、の比Ｈ／Ｌが「１以上であり且つ２以下」となるように調整されていることが好適である。これによれば、前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数とを近づけることができるので（図８を参照。）、圧電体の屈曲振動を２次屈曲共振時の屈曲振動により近づけることができ、且つ、圧電体の伸縮振動を１次伸縮共振時の伸縮振動により近づけることができる。その結果、圧電体の振動振幅を大きくすることができるので、圧電体（圧電素子）の高さをより低くすることができる。
【００２０】
なお、第１圧電アクチュエータ又は第２圧電アクチュエータは、縦方向及び横方向に略一定の間隔を隔てて隣接するように（即ち、格子状に）配列されてなるアクチュエータアレイとして使用することもできる。
【００２１】
本発明装置の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の各実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧電アクチュエータの概略断面図である。
【図２】図１に示した「移動体保持部材及び移動体」の平面図である。
【図３】図１に示した「圧電素子、駆動子及び保持部材支持部」の平面図である。
【図４】図１に示した「移動体保持部材及び移動体」の概略斜視図である。
【図５】図１に示した圧電アクチュエータの駆動電源部を示した回路図である。
【図６】図１に示した圧電素子の変形の様子を説明するための図である。
【図７】図１に示した圧電素子の変形の様子を説明するための図である。
【図８】図１に示した圧電素子の「底辺長さＬに対する高さＨの比Ｈ／Ｌ」と「１次伸縮共振周波数ｆ１Ｈに対する２次屈曲共振周波数ｆ２Ｌの比ｆ２Ｌ／ｆ１Ｈ」との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータの「圧電素子、駆動子及び保持部材支持部」の平面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータの駆動電源部を示した回路図である。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータの作動時における接続の態様を示した回路図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータをアレイ化する際に使用される「移動体保持部材及び移動体」の平面図である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータをアレイ化する際に使用される「圧電素子、駆動子及び保持部材支持部」の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しつつ本発明の各実施形態に係る圧電アクチュエータについて説明する。各実施形態に係る圧電アクチュエータは、例えば、リソグラフィ装置、位置決めステージ及びカメラレンズ移動装置等に適用されるが、これらに限定されるものではない。
【００２４】
＜第１実施形態＞
（構成）
図１乃至図３に示したように、本発明の第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０は、基部２０、圧電素子３０、駆動子４０、保持部材支持部５０、移動体（旋廻体）６０、移動体保持部材７０及びミラー８０を備えている。
【００２５】
圧電アクチュエータ１０は、図１２及び図１３からも理解されるように、複数の圧電アクチュエータ１０が「縦方向及び横方向に略一定の間隔を隔てて隣接するように配列されてなる（即ち、格子状、マトリクス状に配置されてなる）」アクチュエータアレイとして作成され得る。以下、一つの圧電アクチュエータ１０について説明する。
【００２６】
圧電素子３０は、正四角柱状の圧電体３１と、二組の電極層群３２，３３と、を備える。圧電体３１（圧電素子３０）の底面（一端）は基部２０に固定され基部２０と一体化されている。即ち、圧電素子３０は、一端が基部２０に固定され、基部２０から立設し、且つ、他端が開放されている「柱状の圧電体３１」を含む。
【００２７】
圧電体３１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料からなる焼成体である。圧電体３１の高さ方向の辺は、互いに直交する「Ｘ，Ｙ及びＺ軸」のＺ軸に沿うように伸びている。従って、圧電体３１の中心軸ＣＬはＺ軸と平行である。中心軸ＣＬ（Ｚ軸）に沿って圧電体３１を見た場合の圧電体３１の形状（圧電体３１の平面視の形状）は、図３に示したように、Ｘ軸に平行な辺及びＹ軸に平行な辺を有する正方形である。圧電体３１の高さは「Ｈ」であり、圧電体３１の底面及び頂面３１ａの辺の長さは「Ｌ」である。圧電体３１はＹ軸正方向に分極されている。
【００２８】
電極層群３２は、図３に示したように、実線により示された複数の第１電極層と、破線により示された複数の第２電極層と、を含んでいる。電極層群３２は、「中心軸ＣＬを含む仮想平面であってＺ−Ｙ平面と平行な仮想平面ＶＰＬ１」により圧電体３１を二分割することにより形成される一つの領域（図３において仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸負側（左側）の領域）内に形成されている。
【００２９】
電極層群３２の複数の第１電極層は図示しない第１接続層により電気的に接続されている。電極層群３２の複数の第２電極層は図示しない第２接続層により電気的に接続されている。第１電極層の層面はＺ−Ｘ平面と平行である。第２電極層の層面もＺ−Ｘ平面と平行である。よって、第１電極層と第２電極層とは互いに平行である。第１電極層及び第２電極層のそれぞれの高さ（Ｚ軸方向長さ）は圧電体３１の高さＨよりも僅かに小さい。第１電極層及び第２電極層のそれぞれの幅（Ｘ軸方向長さ）は圧電体３１の底辺の長さＬの半分（Ｌ／２）よりも僅かに小さい。第１電極層と第２電極層は、互いに対向するように交互に配置されている。従って、電極層群３２は、「第１電極層と第２電極層とから構成される一対の電極」であると言うことができる。
【００３０】
電極層群３３は、実線により示された複数の第３電極層と、破線により示された複数の第４電極層と、を含んでいる。電極層群３３は、仮想平面ＶＰＬ１により圧電体３１を二分割することにより形成される他の一つの領域（図３において仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸正側（右側）の領域）内に形成されている。
【００３１】
電極層群３３の複数の第３電極層は図示しない第３接続層により電気的に接続されている。電極層群３３の複数の第４電極層は図示しない第４接続層により電気的に接続されている。第３電極層の層面はＺ−Ｘ平面と平行である。第４電極層の層面もＺ−Ｘ平面と平行である。よって、第３電極層と第４電極層とは互いに平行である。第３電極層及び第４電極層のそれぞれの高さ（Ｚ軸方向長さ）は圧電体３１の高さＨよりも僅かに小さい。第３電極層及び第４電極層のそれぞれの幅（Ｘ軸方向長さ）は圧電体３１の底辺の長さＬの半分よりも僅かに小さい。第３電極層と第４電極層は、互いに対向するように交互に配置されている。従って、電極層群３３は、「第３電極層と第４電極層とから構成される一対の電極」であると言うことができる。以上から、圧電素子３０は、圧電体３１に電界を付与する一対の電極（３２、３３）を二組備えていると言うことができる。
【００３２】
駆動子４０は、ステンレス及びタングステン等の耐摩耗性の金属材料、或いは、アルミナ及びジルコニア等のセラミックス材料からなる。駆動子４０は、図１及び図３に示したように平板状（又は半球状）である。駆動子４０は、圧電素子３０の頂面（上面）上に、駆動子４０の中心が圧電体３１の中心軸ＣＬと一致するように固定されている。
【００３３】
保持部材支持部５０は、圧電体３１と同じ圧電体からなる。保持部材支持部５０は、図１及び図３に示したように、直方体形状を有し、圧電素子３０の周囲を取り囲むように基部２０から立設している。保持部材支持部５０と圧電素子３０とは所定の距離Ｄだけ離間している。この結果、圧電素子３０が変形できる空間が形成されている。保持部材支持部５０の高さ（Ｚ軸方向高さ）は圧電体３１の高さＨと同一である。
【００３４】
移動体６０は、図１及び図２に示したように、上面が平坦であり、下面が球面状であり、移動体６０の上面に直交する方向から移動体６０を見た場合の形状は（即ち、移動体６０の平面視の形状）は円形である。移動体６０の下面は、圧電素子３０（圧電体３１）の高さが「初期の高さ（圧電素子３０が変形していない場合の高さ）Ｈ」以上であるとき、駆動子４０の上面と接触するようになっている。換言すると、移動体６０の下面は、圧電素子３０の高さが初期の高さＨよりも低いとき、駆動子４０の上面と離間する。
【００３５】
移動体保持部材７０は、銅、ステンレス、ニッケル及びコバール等の金属材料、アルミナ及びジルコニア等のセラミックス材料、ガラス、並びに、シリコン等の材料からなる板体である。移動体保持部材７０の上面は平面（平坦面）である。移動体保持部材７０が圧電アクチュエータ１０に組み込まれた状態において、移動体保持部材７０の上面はＸ−Ｙ平面と平行である。更に、移動体６０が移動させられていない場合、移動体保持部材７０の上面と移動体６０の上面は同一面内に存在する。
【００３６】
移動体保持部材７０の上面に直交する方向（Ｚ軸方向、以下、「保持部材主面直交方向」とも称呼する。）から移動体保持部材７０を見た場合の移動体保持部材７０の形状（移動体保持部材７０の平面視の形状）は、図２に示したように、Ｘ軸に平行な辺及びＹ軸に平行な辺を有する正方形である。従って、移動体保持部材７０は、平面視において、Ｙ軸方向の中心線であってＸ軸と平行な中心線ＤＬ１（第１中心線ＤＬ１）と、Ｘ軸方向の中心線であってＹ軸と平行な中心線ＤＬ２（第２中心線ＤＬ２）と、を有する。第１中心線ＤＬ１と第２中心線ＤＬ２との交点は、移動体保持部材７０の中心と称呼される。
【００３７】
移動体保持部材７０の厚さは、図２に破線により示した正方形ＳＨ１の外側領域において大きく、正方形ＳＨ１の内側領域において小さい。正方形ＳＨ１の重心は移動体保持部材７０の中心と一致し、正方形ＳＨ１の２辺はＸ軸に平行であり、正方形ＳＨ１の他の２辺はＹ軸に平行である。この正方形ＳＨ１の辺の長さＬ１は、圧電素子３０の辺の長さＬよりも大きい。より具体的には、この辺の長さＬ１は値（Ｌ＋２Ｄ）と等しい。即ち、図１に示したように、移動体保持部材７０は、正方形ＳＨ１の外側領域に一定の厚さの厚肉部を有している。この厚肉部の下面は平坦であり、保持部材支持部５０の上面に固定される。この厚肉部は、図１に示したように移動体保持部材７０と一体的に構成されてもよいし、移動体保持部材とは別の部材からなり且つ移動体保持部材に接着又は接合されてもよい。
【００３８】
このとき、移動体保持部材７０、圧電素子３０及び保持部材支持部５０の平面視において（Ｚ軸に沿って圧電アクチュエータ１０を見た場合）、移動体保持部材７０の中心と圧電素子３０の中心軸ＣＬとが一致し、且つ、移動体保持部材７０の第２中心線ＤＬ２が圧電素子３０の仮想平面ＶＰＬ１と一致するように、移動体保持部材７０が保持部材支持部５０の上面に固定される。
【００３９】
移動体保持部材７０はジンバル構造を有する。より具体的に述べると、移動体保持部材７０は、平面視において正方形ＳＨ１の内側に円形の穴７１を備えている。円形の穴７１の中心は移動体保持部材７０の中心と一致している。更に、移動体保持部材７０は、リング部（所定幅を有する円環部）７２を備えている。リング部７２の中心は移動体保持部材７０の中心と一致している。リング部７２の外径は円形の穴７１の径よりも小さい。リング部６１の内径は移動体６０の外径よりも大きい。
【００４０】
移動体保持部材７０は、第１のヒンジ部（梁部）７３ａ、第２のヒンジ部（梁部）７３ｂ、第３のヒンジ部（梁部）７３ｃ及び第４のヒンジ部（梁部）７３ｄを備えている。
【００４１】
第１のヒンジ部７３ａは、Ｘ軸方向に長手方向を有する帯状であって、第２中心線ＤＬ２よりもＸ軸正側の位置にて「リング部７２」と「移動体保持部材７０の円形の穴７１の外側部」とを連結している。第１のヒンジ部７３ａの長手方向に平行な中心線は移動体保持部材７０の第１中心線ＤＬ１と一致している。
【００４２】
第２のヒンジ部７３ｂは、Ｘ軸方向に長手方向を有する帯状であって、第２中心線ＤＬ２よりもＸ軸負側の位置にて「リング部７２」と「移動体保持部材７０の円形の穴７１の外側部」とを連結している。第２のヒンジ部７３ｂの長手方向に平行な中心線は移動体保持部材７０の第１中心線ＤＬ１と一致している。
【００４３】
第３のヒンジ部７３ｃは、Ｙ軸方向に長手方向を有する帯状であって、第１中心線ＤＬ１よりもＹ軸正側の位置にて移動体６０とリング部７２とを連結している。第３のヒンジ部７３ｃの長手方向に平行な中心線は移動体保持部材７０の第２中心線ＤＬ２と一致している。
【００４４】
第４のヒンジ部７３ｄは、Ｙ軸方向に長手方向を有する帯状であって、第１中心線ＤＬ１よりもＹ軸負側の位置にて移動体６０とリング部７２とを連結している。第４のヒンジ部７３ｄの長手方向に平行な中心線は移動体保持部材７０の第２中心線ＤＬ２と一致している。
【００４５】
この結果、移動体６０は、移動体保持部材７０に、実質的に二つの軸の周りに回転可能となるように保持されている。即ち、図４に示したように、移動体６０がＸ軸周りに回動しようとする力を受けたとき、第１のヒンジ部７３ａ及び第２のヒンジ部７３ｂがＸ軸周りに捩じれる。この結果、移動体６０はＸ軸周りに回転することができる。同様に、移動体６０がＹ軸周りに回動しようとする力を受けたとき、第３のヒンジ部７３ｃ及び第４のヒンジ部７３ｄがＹ軸周りに捩じれる。この結果、移動体６０はＹ軸周りに回転することができる。
【００４６】
移動体６０の上部には円柱状の支柱部８１が固定されている。支柱部８１の上部にはミラー８０が固定されている。従って、移動体６０が回動させられることによって、ミラー８０の角度が変更される。
【００４７】
更に、圧電アクチュエータ１０は、図５に示したように、駆動電源部９０を備えている。駆動電源部９０は、電源９１及びスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を含んでいる。圧電アクチュエータ１０により移動体６０を移動させるとき、スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ２のいずれか一方が選択的に閉じられる。即ち、図５の（Ａ）に示したように、スイッチング素子Ｓ２が閉じられているときスイッチング素子Ｓ１は開かれる。このとき、一対の電極３３に駆動電圧が印加されるので、圧電素子３０の仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸正方向側に存在する圧電体３１の部分に変形力（圧電体３１を変形させる力）が発生する。更に、図５の（Ｂ）に示したように、スイッチング素子Ｓ１が閉じられているときスイッチング素子Ｓ２は開かれる。このとき、一対の電極３２に駆動電圧が印加されるので、圧電素子３０の仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸負方向側に存在する圧電体３１の部分に変形力が発生する。
【００４８】
（作動）
次に、圧電アクチュエータ１０の作動について説明する。いま、図５の（Ａ）に示したように、スイッチング素子Ｓ２が閉じられ、スイッチング素子Ｓ１が開かれた状態（一対の電極３３に駆動電圧が印加される状態）であると仮定する。このとき、電源９１が発生する駆動電圧が、正弦波形を有し且つその周波数が圧電素子３０（圧電体３１）の１次伸縮共振周波数ｆ１Ｈであるならば、圧電素子３０は図６の（Ａ）に示したように、Ｚ軸方向において大きく伸縮する。
【００４９】
一方、電源９１が発生する駆動電圧が、正弦波形を有し且つその周波数が圧電素子３０（圧電体３１）の２次屈曲共振周波数ｆ２Ｌであるならば、圧電素子３０は図６の（Ｂ）に示したように、Ｚ−Ｘ平面内において屈曲する。２次屈曲共振周波数ｆ２Ｌは１次伸縮共振周波数ｆ１Ｈよりも低い周波数である。
【００５０】
本例において、電源９１が実際に発生する駆動電圧Ｖinは、正弦波形を有し且つその周波数が「圧電素子３０（圧電体３１）の２次屈曲共振周波数ｆ２Ｌと１次伸縮共振周波数ｆ１Ｈとの間の周波数ｆ」である電圧(交流電圧）である。従って、図５の（Ａ）に示したように、スイッチング素子Ｓ２が閉じられ、スイッチング素子Ｓ１が開かれた状態であると、圧電素子３０（圧電体３１）は、図６の（Ｃ）に示したように、伸縮振動と屈曲振動とを重ね合わせたように振動する。これにより、駆動子４０は図６の（Ｃ）に矢印Ａｒ１により示したように移動（振動）する。この結果、移動体６０及びミラー８０は、Ｙ軸周りであって反時計方向に回転する。
【００５１】
これに対し、圧電アクチュエータ１０は、移動体６０及びミラー８０をＹ軸周りであって時計方向に回転させる必要がある場合、図５の（Ｂ）に示したように、スイッチング素子Ｓ１を閉じ、スイッチング素子Ｓ２を開き、それにより上記駆動電圧Ｖinを一対の電極３２に印加する。この場合、圧電素子３０（圧電体３１）は、図７に示したように、伸縮振動と屈曲振動とを重ね合わせたように振動する。これにより、駆動子４０は図７に矢印Ａｒ２により示したように移動（振動）する。この結果、移動体６０及びミラー８０は、Ｙ軸周りであって時計方向に回転する。
【００５２】
以上、説明したように、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０は、
底面が基部２０に固定されるとともに前記基部２０から立設した柱状の圧電体３１と、前記圧電体３１に駆動電圧を印加するための駆動電源部９０と、を備え、前記圧電体３１の頂面３１ａに生じる機械的振動により移動体６０を移動させる圧電アクチュエータ１０であって、
前記圧電体３１は前記圧電体３１に電界を付与する一対の電極を二組備え（３２、３３）、
前記二組の電極は、前記圧電体３１の中心軸ＣＬと平行な平面（仮想平面ＶＰＬ１）にて前記圧電体３１を二分割することにより形成される一つの領域（仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸負側の領域）と他の一つの領域（仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸正側）とのそれぞれの領域に一組ずつ存在するように形成され、
前記駆動電源部９０は、
前記圧電体の２次屈曲共振周波数と前記圧電体の１次伸縮共振周波数との間の周波数を有する駆動電圧Ｖinを、前記二組の「一対の電極」のうちの何れか一方に選択的に印加するように構成されている（図５を参照。）。
【００５３】
このように圧電アクチュエータ１０は、「圧電体３１の２次屈曲共振周波数ｆ２Ｌと１次伸縮共振周波数ｆ１Ｈとの間の周波数ｆ」を有する駆動電圧Ｖinにより圧電体３１を駆動するので、圧電体３１の屈曲振動は２次屈曲共振時の屈曲振動に近く、圧電体３１の伸縮振動は１次伸縮共振時の伸縮振動に近い。よって、これらの振動の振幅を大きくすることができるので、圧電体３１（圧電素子３０）の高さＨを大きくする必要が小さい。更に、圧電アクチュエータ１０は、前記駆動電圧Ｖinを発生する駆動電源部（駆動回路）９０のみを有ればよいので、駆動回路の数を低減することができる。
【００５４】
なお、圧電体３１の底面の一辺の長さ（底辺長さ）Ｌと、圧電体３１の高さＨと、の比Ｈ／Ｌは「１以上であり且つ２以下」となるように調整されていることが好適である。表１及び図８は、底辺長さＬに対する高さＨの比Ｈ／Ｌに対して「１次伸縮共振周波数ｆ１Ｈに対する２次屈曲共振周波数ｆ２Ｌの比ｆ２Ｌ／ｆ１Ｈ」がどのように変化するかについてのＦＥＭシミュレーション結果を示す。
【表１】
【００５５】
このシミュレーション結果によれば、比Ｈ／Ｌが「１以上であり且つ２以下」であるとき、比ｆ２Ｌ／ｆ１Ｈは「０．８５以上（且つ０．９０以下）」となることが理解される。即ち、比Ｈ／Ｌが「１以上であり且つ２以下」であると、圧電体３１の２次屈曲共振周波数ｆ２Ｌと１次伸縮共振周波数ｆ１Ｈとを近づけることができるので、圧電体３１の屈曲振動を２次屈曲共振時の屈曲振動により近づけることができ、且つ、圧電体３１の伸縮振動を１次伸縮共振時の伸縮振動により近づけることができる。その結果、圧電体３１の振動振幅を大きくすることができる。従って、圧電体３１（圧電素子３０）の高さをより低くすることができる。
【００５６】
＜第２実施形態＞
次に、図９乃至図１１を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータについて説明する。この第２実施形態に係る圧電アクチュエータは、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０の圧電素子３０を圧電素子１００に置換した点、及び、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０の駆動電源部９０を駆動電源部１２０に置換した点のみにおいて、圧電アクチュエータ１０と相違している。従って、以下、この相違点を中心として説明する。
【００５７】
圧電素子１００は圧電体１０１を有する。圧電素子１００は、圧電体１０１に形成された電極層群（１１１〜１１４）を除き圧電素子３０と同一である。従って、圧電体１０１はＹ軸正方向に分極されている。
【００５８】
より具体的に述べると、圧電素子１００は、４組の電極層群１１１、１１２、１１３、１１４を備える。電極層群１１１は、図９に示したように、実線により示された複数の第１電極層と、破線により示された複数の第２電極層と、を含んでいる。電極層群１１１は、「中心軸ＣＬを含む仮想平面であってＺ−Ｙ平面と平行な仮想平面ＶＰＬ１」と、「中心軸ＣＬを含む仮想平面であってＺ−Ｘ平面と平行な仮想平面ＶＰＬ２（仮想平面ＶＰＬ１と直角に交差する平面ＶＰＬ２）」と、により、圧電体１０１を四分割することにより形成される四つの領域の一つ（即ち、仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸負側であり且つ仮想平面ＶＰＬ２よりもＹ軸正側の領域）に存在するように形成されている。
【００５９】
電極層群１１１の複数の第１電極層は図示しない第１接続層により電気的に接続されている。電極層群１１１の複数の第２電極層は図示しない第２接続層により電気的に接続されている。第１電極層の層面はＺ−Ｘ平面と平行である。第２電極層の層面もＺ−Ｘ平面と平行である。よって、第１電極層と第２電極層とは互いに平行である。第１電極層及び第２電極層のそれぞれの高さ（Ｚ軸方向長さ）は圧電体１０１の高さＨよりも僅かに小さい。第１電極層及び第２電極層のそれぞれの幅（Ｘ軸方向長さ）は圧電体１０１の底辺の長さＬの半分よりも僅かに小さい。第１電極層と第２電極層は、互いに対向するように交互に配置されている。従って、電極層群１１１は、「第１電極層と第２電極層とから構成される一対の電極」であると言うことができる。
【００６０】
電極層群１１２は、図９に示したように、実線により示された複数の第３電極層と、破線により示された複数の第４電極層と、を含んでいる。電極層群１１２は、仮想平面ＶＰＬ１と仮想平面ＶＰＬ２とにより圧電体１０１を四分割することにより形成される四つの領域の他の一つ（即ち、仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸負側であり且つ仮想平面ＶＰＬ２よりもＹ軸負側の領域）に存在するように形成されている。
【００６１】
電極層群１１２の複数の第３電極層は図示しない第３接続層により電気的に接続されている。電極層群１１２の複数の第４電極層は図示しない第４接続層により電気的に接続されている。第３電極層の層面はＺ−Ｘ平面と平行である。第４電極層の層面もＺ−Ｘ平面と平行である。よって、第３電極層と第４電極層とは互いに平行である。第３電極層及び第４電極層のそれぞれの高さ（Ｚ軸方向長さ）は圧電体１０１の高さＨよりも僅かに小さい。第３電極層及び第４電極層のそれぞれの幅（Ｘ軸方向長さ）は圧電体１０１の底辺の長さＬの半分よりも僅かに小さい。第３電極層と第４電極層は、互いに対向するように交互に配置されている。従って、電極層群１１２は、「第３電極層と第４電極層とから構成される一対の電極」であると言うことができる。
【００６２】
電極層群１１３は、図９に示したように、実線により示された複数の第５電極層と、破線により示された複数の第６電極層と、を含んでいる。電極層群１１３は、仮想平面ＶＰＬ１と仮想平面ＶＰＬ２とにより圧電体１０１を四分割することにより形成される四つの領域の他の一つ（即ち、仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸正側であり且つ仮想平面ＶＰＬ２よりもＹ軸正側の領域）に存在するように形成されている。
【００６３】
電極層群１１３の複数の第５電極層は図示しない第５接続層により電気的に接続されている。電極層群１１３の複数の第６電極層は図示しない第６接続層により電気的に接続されている。第５電極層の層面はＺ−Ｘ平面と平行である。第６電極層の層面もＺ−Ｘ平面と平行である。よって、第５電極層と第６極層とは互いに平行である。第５電極層及び第６電極層のそれぞれの高さ（Ｚ軸方向長さ）は圧電体１０１の高さＨよりも僅かに小さい。第５電極層及び第６電極層のそれぞれの幅（Ｘ軸方向長さ）は圧電体１０１の底辺の長さＬの半分よりも僅かに小さい。第５電極層と第６電極層は、互いに対向するように交互に配置されている。従って、電極層群１１３は、「第５電極層と第６電極層とから構成される一対の電極」であると言うことができる。
【００６４】
電極層群１１４は、図９に示したように、実線により示された複数の第７電極層と、破線により示された複数の第８電極層と、を含んでいる。電極層群１１４は、仮想平面ＶＰＬ１と仮想平面ＶＰＬ２とにより圧電体１０１を四分割することにより形成される四つの領域の他の一つ（即ち、仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸正側であり且つ仮想平面ＶＰＬ２よりもＹ軸負側の領域）に存在するように形成されている。
【００６５】
電極層群１１４の複数の第７電極層は図示しない第７接続層により電気的に接続されている。電極層群１１４の複数の第８電極層は図示しない第８接続層により電気的に接続されている。第７電極層の層面はＺ−Ｘ平面と平行である。第８電極層の層面もＺ−Ｘ平面と平行である。よって、第７電極層と第８極層とは互いに平行である。第７電極層及び第８電極層のそれぞれの高さ（Ｚ軸方向長さ）は圧電体１０１の高さＨよりも僅かに小さい。第７電極層及び第８電極層のそれぞれの幅（Ｘ軸方向長さ）は圧電体１０１の底辺の長さＬの半分よりも僅かに小さい。第７電極層と第８電極層は、互いに対向するように交互に配置されている。従って、電極層群１１４は、「第７電極層と第８電極層とから構成される一対の電極」であると言うことができる。
【００６６】
図１０に示したように、駆動電源部１２０は、電源１２１及び四つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４を含んでいる。電源１２１は電源９１と同一の駆動電圧Ｖin（周波数ｆ）を出力する。第２実施形態の圧電アクチュエータにより移動体６０を移動させるとき、イッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４は次に述べるように閉じられる。
【００６７】
（Ａ）スイッチング素子ＳＷ３及びスイッチング素子ＳＷ４は閉じられ、スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２は開かれる（図１１の（Ａ）を参照。）。このとき、一対の電極１１３及び一対の電極１１４に駆動電圧Ｖinが印加される。よって、図６の（Ｃ）に示したように、圧電素子１００は伸縮振動と屈曲振動とを重ね合わせたように振動する。これにより、駆動子４０は図６の（Ｃ）に矢印Ａｒ１により示したように移動（振動）する。この結果、移動体６０及びミラー８０は、Ｙ軸周りであって反時計方向に回転する。
【００６８】
（Ｂ）スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２は閉じられ、スイッチング素子ＳＷ３及びスイッチング素子ＳＷ４は開かれる（図１１の（Ｂ）を参照。）。このとき、一対の電極１１１及び一対の電極１１２に駆動電圧Ｖinが印加される。よって、圧電素子１００は、図７に示したように、伸縮振動と屈曲振動とを重ね合わせたように振動する。これにより、駆動子４０は図７に矢印Ａｒ２により示したように移動（振動）する。この結果、移動体６０及びミラー８０は、Ｙ軸周りであって時計方向に回転する。
【００６９】
（Ｃ）スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ３は閉じられ、スイッチング素子ＳＷ２及びスイッチング素子ＳＷ４は開かれる（図１１の（Ｃ）を参照。）。このとき、一対の電極１１１及び一対の電極１１３に駆動電圧Ｖinが印加される。よって、圧電素子１００は、伸縮振動と屈曲振動とを重ね合わせたように振動する。この結果、移動体６０及びミラー８０は、Ｘ軸周りであって反時計方向に回転する。
【００７０】
（Ｄ）スイッチング素子ＳＷ２及びスイッチング素子ＳＷ４は閉じられ、スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ３は開かれる（図１１の（Ｄ）を参照。）。このとき、一対の電極１１２及び一対の電極１１４に駆動電圧Ｖinが印加される。よって、圧電素子１００は、伸縮振動と屈曲振動とを重ね合わせたように振動する。この結果、移動体６０及びミラー８０は、Ｘ軸周りであって時計方向に回転する。
【００７１】
以上、説明したように、第２実施形態に係る圧電アクチュエータは、
底面が基部２０に固定されるとともに前記基部２０から立設した柱状の圧電体１０１と、前記圧電体１０１に駆動電圧を印加するための駆動電源部１２０と、を備え、前記圧電体１０１の頂面に生じる機械的振動により移動体６０を移動させる圧電アクチュエータであって、
前記圧電体１０１は前記圧電体１０１に電界を付与する一対の電極を四組備え（１１１、１１２、１１３、１１４）、
前記四組の電極は、前記圧電体１０１の中心軸ＣＬと平行な二つの平面であって互いに交差する二つの平面（仮想平面ＶＰＬ１及び仮想平面ＶＰＬ２）にて前記圧電体１０１を四分割することにより形成される四つの領域のそれぞれに一組ずつ存在するように形成され、
前記駆動電源部１２０は、
前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数を有する駆動電圧Ｖinを、前記四つの領域のうちの互いに隣接する任意の二つの領域内に形成されている二組の一対の電極に選択的に印加するように構成されている（図１１を参照。）。
【００７２】
これによれば、駆動電源部１２０によって圧電体１０１に「屈曲振動と伸縮振動とが重ね合わさった振動」を発生させることができ、且つ、圧電体１０１の頂面に設けられた駆動子４０は、選択された二組の「一対の電極」に応じて実質的に４方向に振動させられる。
【００７３】
更に、第２実施形態に係る圧電アクチュエータは、第１実施形態の圧電アクチュエータ１０と同様、「圧電体１０１の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」を有する駆動電圧Ｖinにより圧電体１０１を駆動するので、圧電体１０１の屈曲振動は２次屈曲共振時の屈曲振動に近く、圧電体１０１の伸縮振動は１次伸縮共振時の伸縮振動に近い。よって、これらの振動の振幅を大きくすることができるので、圧電体１０１（圧電素子１００）の高さを大きくする必要が小さい。更に、第２実施形態に係る圧電アクチュエータは、「圧電体１０１の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」を有する駆動電圧Ｖinを発生する駆動電源部（駆動回路）１２０を有するのみでよいので、駆動回路の数を低減することができる。
【００７４】
なお、圧電体１０１は、圧電体３１と同様、圧電体１０１の底面の一辺の長さＬと、圧電体１０１の高さＨと、の比Ｈ／Ｌが「１以上であり且つ２以下」となるように調整されていることが好適である。これによれば、圧電体１０１の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数とを近づけることができるので、圧電体１０１の屈曲振動を２次屈曲共振時の屈曲振動により近づけることができ、且つ、圧電体１０１の伸縮振動を１次伸縮共振時の伸縮振動により近づけることができる。その結果、圧電体１０１の振動振幅を大きくすることができる。従って、圧電体１０１（圧電素子１００）の高さをより低くすることができる。
【００７５】
第２実施形態に係る圧電アクチュエータは、
「四組の「一対の電極」を備え、その四組の「一対の電極」は、圧電体１０１の中心軸ＣＬに直交する平面（Ｘ−Ｙ平面に平行な平面）にて圧電体１０１を切断した断面において、前記圧電体１０１の中心軸ＣＬを原点としたときに同原点を通るＸ軸及び同原点を通り且つ同Ｘ軸と直交するＹ軸により規定される第１乃至第４象限のそれぞれの領域に一組ずつ存在するように形成され、
駆動電源部１２０は、移動体を移動させる際、
圧電体１０１の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数を有する駆動電圧Ｖinを、
前記第１及び第２象限に設けられた二組の「一対の電極」に印加するとともに他の電極には付与しない第１状態（図１１の（Ｃ）に示した状態）、
前記第２及び第３象限に設けられた二組の「一対の電極」に印加するとともに他の電極には付与しない第２状態（図１１の（Ｂ）に示した状態）、
前記第３及び第４象限に設けられた二組の「一対の電極」に印加するとともに他の電極には付与しない第３状態（図１１の（Ｄ）に示した状態）、及び、
前記第４及び第１象限に設けられた二組の「一対の電極」に印加するとともに他の電極には付与しない第４状態（図１１の（Ａ）に示した状態）、
のうちの何れかの状態を実現するように構成された圧電アクチュエータ」であると表現することもできる。
【００７６】
本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、第１実施形態及び第２実施形態に係る圧電アクチュエータは、「移動体６０及び移動体保持部材７０」をＹ軸方向（縦方向）及びＸ軸方向（横方向）に一定の間隔を隔てて隣接配置（格子状に配置）したもの（図１２を参照。）を、「基部２０、圧電素子３０、駆動子４０及び保持部材支持部５０」をＹ軸方向（縦方向）及びＸ軸方向（横方向）に一定の間隔を隔てて隣接配置（格子状に配置）したもの（図１３を参照。）に重ねることにより、第１実施形態及び第２実施形態に係る圧電アクチュエータを格子状に（縦方向及び横方向に一定の間隔を隔てて隣接するように）配列してなるアクチュエータアレイとして作製・使用することもできる。
【００７７】
更に、移動体６０は回転する移動体であったが、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のうちの一方のみに移動する移動体、又は、Ｘ−Ｙ平面内において平行移動する移動体であってもよい。加えて、各実施形態に係る圧電アクチュエータにおいて、圧電体３１又は圧電体１０１の内部に形成されている電極層はＺ−Ｘ平面に平行であったが、Ｘ−Ｙ平面に平行であってもよい。更に、圧電体３１及び圧電体１０１の形状は、正四角柱であったが、六角柱（正六角柱）、八角柱（正八角柱）等の角柱（正多角柱）、又は、円柱でもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１０…圧電アクチュエータ、２０…基部、３０…圧電素子、３１…圧電体、３１ａ…頂面、３２…電極層群（一対の電極）、３３…電極層群（一対の電極）、４０…駆動子、５０…保持部材支持部、６０…移動体、７０…移動体保持部材、８０…ミラー、９０…駆動電源部、９１…電源、１００…圧電素子、１０１…圧電体、１１１、１１２、１１３、１１４…電極層群（一対の電極）、１２０…駆動電源部、１２１…電源。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柱状の圧電体と駆動電源部とを備えるとともに前記圧電体の頂面に生じる機械的振動により移動体を移動させる圧電アクチュエータ、及び、その圧電アクチュエータを格子状に配置してなる圧電アクチュエータアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧電アクチュエータの一つ（以下、「第１従来装置」とも称呼する。）は、四角柱形状の積層圧電素子を備えている。第１従来装置は、その積層圧電素子に屈曲変形又はせん断変形を発生させることにより移動体（球状体）と接触する摩擦材を変位させ、その摩擦材の変位によって移動体を回転させるようになっている。このとき、第１従来装置は、摩擦材の第１の方向の速度と第２の方向の速度とが異なるように積層圧電素子に電圧を印加している（特許文献１を参照。）。
【０００３】
しかしながら、第１従来装置において移動体を迅速に移動させるためには、屈曲変形及びせん断変形を大きくする必要があるので、積層圧電素子の高さを高くする必要がある。その結果、圧電アクチュエータが大型化するという問題がある。
【０００４】
従来の圧電アクチュエータの別の一つ（以下、「第２従来装置」とも称呼する。）は、角柱状の積層圧電素子の内部電極に特徴を持たせ、積層圧電素子の上部に屈曲振動を発生させるとともに積層圧電素子の下部に伸縮振動を発生させ、積層圧電素子の先端に楕円運動を発生させることによって移動体を移動させている（特許文献２を参照。）。
【０００５】
しかしながら、第２従来装置は、前記屈曲振動を発生させるための駆動電圧を積層圧電素子に印加する駆動回路と、前記伸縮振動を発生させるための駆動電圧を積層圧電素子に印加する駆動回路と、を別々に備える必要がある。その結果、駆動回路の数が多くなるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２３８６４４号公報
【特許文献２】特開平５−１４６１７１号公報
【発明の概要】
【０００７】
本発明の目的の一つは、高さ方向の長さが大きくならず且つ駆動回路の数を少なくすることが可能な圧電アクチュエータを提供することにある。
【０００８】
本発明による圧電アクチュエータの一つ（以下、「第１圧電アクチュエータ」とも称呼する。）は、底面（一端）が基部に固定されるとともに前記基部から立設した柱状の圧電体と、前記圧電体に駆動電圧を印加するための駆動電源部と、を備え、前記圧電体の頂面（他端、前記底面と対向する面）に生じる機械的振動により移動体を移動させる圧電アクチュエータである。
【０００９】
前記圧電体は、前記圧電体に電界を付与する一対の電極を二組備える。更に、その二組の電極は、前記圧電体の中心軸と平行な平面にて前記圧電体を二分割することにより形成される一つの領域と他の一つの領域とのそれぞれの領域に一組ずつ存在するように形成される。
【００１０】
更に、前記駆動電源部は、「前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」を有する駆動電圧を、前記二組の一対の電極のうちの何れか一方の組の一対の電極に選択的に印加するように構成されている。即ち、前記二組の電極のうちの一組に駆動電圧が印加されたとき、他の一組に駆動電圧は印加されない。
【００１１】
これによれば、駆動電圧の周波数が「前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」であるから、前記二組の一対の電極のうちの一方にその駆動電圧が印加されているとき、圧電体に「屈曲振動と伸縮振動とが重ね合わさった振動」が発生する。その結果、圧電体の頂面は、例えば、図６の（Ｃ）において矢印Ａｒ１により示したように、圧電体の中心軸に対して傾斜した方向（斜め方向、第１方向）に振動し、移動体はその振動によって移動させられる。
【００１２】
同様に、前記二組の一対の電極のうちの他方に前記駆動電圧が印加されているとき、圧電体に「屈曲振動と伸縮振動とが重ね合わさった振動」が発生する。その結果、圧電体の頂面は、例えば、図７において矢印Ａｒ２により示したように、圧電体の中心軸に対して傾斜した方向（斜め方向、第１方向とは異なる第２方向）に振動し、移動体はその振動によって移動させられる。
【００１３】
このように、第１圧電アクチュエータは、「前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」を有する駆動電圧により駆動されるので、圧電体の屈曲振動は２次屈曲共振時の屈曲振動に近く、圧電体の伸縮振動は１次伸縮共振時の伸縮振動に近い。よって、これらの振動の振幅を大きくすることができるので、圧電体（圧電素子）の高さを大きくする必要が小さい。更に、第１圧電アクチュエータは、「前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」を有する駆動電圧を発生する駆動電源部（駆動回路）を有するのみでよいので、駆動回路の数を低減することができる。
【００１４】
本発明による他の圧電アクチュエータ（以下、「第２圧電アクチュエータ」とも称呼する。）は、第１圧電アクチュエータと同様、底面（一端）が基部に固定されるとともに前記基部から立設した柱状の圧電体と、前記圧電体に駆動電圧を印加するための駆動電源部と、を備え、前記圧電体の頂面（他端、前記底面と対向する面）に生じる機械的振動により移動体を移動させる圧電アクチュエータである。
【００１５】
前記圧電体は、前記圧電体に電界を付与する一対の電極を四組備える。更に、その四組の電極は、前記圧電体の中心軸と平行な二つの平面であって互いに交差する二つの平面にて前記圧電体を四分割することにより形成される四つの領域のそれぞれに一組ずつ存在するように形成される。
【００１６】
更に、前記駆動電源部は、「前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」を有する駆動電圧を、前記四つの領域のうちの互いに隣接する任意の二つの領域内に形成されている二組の一対の電極に選択的に印加するように構成されている。即ち、前記四組の「一対の電極」のうちの互いに隣接する領域に存在する二組の「一対の電極」に駆動電圧が印加されたとき、他の二組の「一対の電極」に駆動電圧は印加されない。
【００１７】
これによれば、圧電体に「屈曲振動と伸縮振動とが重ね合わさった振動」が発生し、圧電体の頂面は、選択された二組の「一対の電極」に応じて実質的に４方向に振動させられる。
【００１８】
更に、第２圧電アクチュエータは、第１圧電アクチュエータと同様、「前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」を有する駆動電圧により駆動されるので、圧電体の屈曲振動は２次屈曲共振時の屈曲振動に近く、圧電体の伸縮振動は１次伸縮共振時の伸縮振動に近い。よって、これらの振動の振幅を大きくすることができるので、圧電体（圧電素子）の高さを大きくする必要が小さい。更に、第２圧電アクチュエータは、「前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」を有する駆動電圧を発生する駆動電源部（駆動回路）を有するのみでよいので、駆動回路の数を低減することができる。
【００１９】
このような圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体は正四角柱であり、前記圧電体の底面の一辺の長さＬと、前記圧電体の高さＨと、の比Ｈ／Ｌが「１以上であり且つ２以下」となるように調整されていることが好適である。これによれば、前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数とを近づけることができるので（図８を参照。）、圧電体の屈曲振動を２次屈曲共振時の屈曲振動により近づけることができ、且つ、圧電体の伸縮振動を１次伸縮共振時の伸縮振動により近づけることができる。その結果、圧電体の振動振幅を大きくすることができるので、圧電体（圧電素子）の高さをより低くすることができる。
【００２０】
なお、第１圧電アクチュエータ又は第２圧電アクチュエータは、縦方向及び横方向に略一定の間隔を隔てて隣接するように（即ち、格子状に）配列されてなるアクチュエータアレイとして使用することもできる。
【００２１】
本発明装置の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の各実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧電アクチュエータの概略断面図である。
【図２】図１に示した「移動体保持部材及び移動体」の平面図である。
【図３】図１に示した「圧電素子、駆動子及び保持部材支持部」の平面図である。
【図４】図１に示した「移動体保持部材及び移動体」の概略斜視図である。
【図５】図１に示した圧電アクチュエータの駆動電源部を示した回路図である。
【図６】図１に示した圧電素子の変形の様子を説明するための図である。
【図７】図１に示した圧電素子の変形の様子を説明するための図である。
【図８】図１に示した圧電素子の「底辺長さＬに対する高さＨの比Ｈ／Ｌ」と「１次伸縮共振周波数ｆ１Ｈに対する２次屈曲共振周波数ｆ２Ｌの比ｆ２Ｌ／ｆ１Ｈ」との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータの「圧電素子、駆動子及び保持部材支持部」の平面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータの駆動電源部を示した回路図である。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータの作動時における接続の態様を示した回路図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータをアレイ化する際に使用される「移動体保持部材及び移動体」の平面図である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータをアレイ化する際に使用される「圧電素子、駆動子及び保持部材支持部」の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しつつ本発明の各実施形態に係る圧電アクチュエータについて説明する。各実施形態に係る圧電アクチュエータは、例えば、リソグラフィ装置、位置決めステージ及びカメラレンズ移動装置等に適用されるが、これらに限定されるものではない。
【００２４】
＜第１実施形態＞
（構成）
図１乃至図３に示したように、本発明の第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０は、基部２０、圧電素子３０、駆動子４０、保持部材支持部５０、移動体（旋廻体）６０、移動体保持部材７０及びミラー８０を備えている。
【００２５】
圧電アクチュエータ１０は、図１２及び図１３からも理解されるように、複数の圧電アクチュエータ１０が「縦方向及び横方向に略一定の間隔を隔てて隣接するように配列されてなる（即ち、格子状、マトリクス状に配置されてなる）」アクチュエータアレイとして作成され得る。以下、一つの圧電アクチュエータ１０について説明する。
【００２６】
圧電素子３０は、正四角柱状の圧電体３１と、二組の電極層群３２，３３と、を備える。圧電体３１（圧電素子３０）の底面（一端）は基部２０に固定され基部２０と一体化されている。即ち、圧電素子３０は、一端が基部２０に固定され、基部２０から立設し、且つ、他端が開放されている「柱状の圧電体３１」を含む。
【００２７】
圧電体３１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料からなる焼成体である。圧電体３１の高さ方向の辺は、互いに直交する「Ｘ，Ｙ及びＺ軸」のＺ軸に沿うように伸びている。従って、圧電体３１の中心軸ＣＬはＺ軸と平行である。中心軸ＣＬ（Ｚ軸）に沿って圧電体３１を見た場合の圧電体３１の形状（圧電体３１の平面視の形状）は、図３に示したように、Ｘ軸に平行な辺及びＹ軸に平行な辺を有する正方形である。圧電体３１の高さは「Ｈ」であり、圧電体３１の底面及び頂面３１ａの辺の長さは「Ｌ」である。圧電体３１はＹ軸正方向に分極されている。
【００２８】
電極層群３２は、図３に示したように、実線により示された複数の第１電極層と、破線により示された複数の第２電極層と、を含んでいる。電極層群３２は、「中心軸ＣＬを含む仮想平面であってＺ−Ｙ平面と平行な仮想平面ＶＰＬ１」により圧電体３１を二分割することにより形成される一つの領域（図３において仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸負側（左側）の領域）内に形成されている。
【００２９】
電極層群３２の複数の第１電極層は図示しない第１接続層により電気的に接続されている。電極層群３２の複数の第２電極層は図示しない第２接続層により電気的に接続されている。第１電極層の層面はＺ−Ｘ平面と平行である。第２電極層の層面もＺ−Ｘ平面と平行である。よって、第１電極層と第２電極層とは互いに平行である。第１電極層及び第２電極層のそれぞれの高さ（Ｚ軸方向長さ）は圧電体３１の高さＨよりも僅かに小さい。第１電極層及び第２電極層のそれぞれの幅（Ｘ軸方向長さ）は圧電体３１の底辺の長さＬの半分（Ｌ／２）よりも僅かに小さい。第１電極層と第２電極層は、互いに対向するように交互に配置されている。従って、電極層群３２は、「第１電極層と第２電極層とから構成される一対の電極」であると言うことができる。
【００３０】
電極層群３３は、実線により示された複数の第３電極層と、破線により示された複数の第４電極層と、を含んでいる。電極層群３３は、仮想平面ＶＰＬ１により圧電体３１を二分割することにより形成される他の一つの領域（図３において仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸正側（右側）の領域）内に形成されている。
【００３１】
電極層群３３の複数の第３電極層は図示しない第３接続層により電気的に接続されている。電極層群３３の複数の第４電極層は図示しない第４接続層により電気的に接続されている。第３電極層の層面はＺ−Ｘ平面と平行である。第４電極層の層面もＺ−Ｘ平面と平行である。よって、第３電極層と第４電極層とは互いに平行である。第３電極層及び第４電極層のそれぞれの高さ（Ｚ軸方向長さ）は圧電体３１の高さＨよりも僅かに小さい。第３電極層及び第４電極層のそれぞれの幅（Ｘ軸方向長さ）は圧電体３１の底辺の長さＬの半分よりも僅かに小さい。第３電極層と第４電極層は、互いに対向するように交互に配置されている。従って、電極層群３３は、「第３電極層と第４電極層とから構成される一対の電極」であると言うことができる。以上から、圧電素子３０は、圧電体３１に電界を付与する一対の電極（３２、３３）を二組備えていると言うことができる。
【００３２】
駆動子４０は、ステンレス及びタングステン等の耐摩耗性の金属材料、或いは、アルミナ及びジルコニア等のセラミックス材料からなる。駆動子４０は、図１及び図３に示したように平板状（又は半球状）である。駆動子４０は、圧電素子３０の頂面（上面）上に、駆動子４０の中心が圧電体３１の中心軸ＣＬと一致するように固定されている。
【００３３】
保持部材支持部５０は、圧電体３１と同じ圧電体からなる。保持部材支持部５０は、図１及び図３に示したように、直方体形状を有し、圧電素子３０の周囲を取り囲むように基部２０から立設している。保持部材支持部５０と圧電素子３０とは所定の距離Ｄだけ離間している。この結果、圧電素子３０が変形できる空間が形成されている。保持部材支持部５０の高さ（Ｚ軸方向高さ）は圧電体３１の高さＨと同一である。
【００３４】
移動体６０は、図１及び図２に示したように、上面が平坦であり、下面が球面状であり、移動体６０の上面に直交する方向から移動体６０を見た場合の形状は（即ち、移動体６０の平面視の形状）は円形である。移動体６０の下面は、圧電素子３０（圧電体３１）の高さが「初期の高さ（圧電素子３０が変形していない場合の高さ）Ｈ」以上であるとき、駆動子４０の上面と接触するようになっている。換言すると、移動体６０の下面は、圧電素子３０の高さが初期の高さＨよりも低いとき、駆動子４０の上面と離間する。
【００３５】
移動体保持部材７０は、銅、ステンレス、ニッケル及びコバール等の金属材料、アルミナ及びジルコニア等のセラミックス材料、ガラス、並びに、シリコン等の材料からなる板体である。移動体保持部材７０の上面は平面（平坦面）である。移動体保持部材７０が圧電アクチュエータ１０に組み込まれた状態において、移動体保持部材７０の上面はＸ−Ｙ平面と平行である。更に、移動体６０が移動させられていない場合、移動体保持部材７０の上面と移動体６０の上面は同一面内に存在する。
【００３６】
移動体保持部材７０の上面に直交する方向（Ｚ軸方向、以下、「保持部材主面直交方向」とも称呼する。）から移動体保持部材７０を見た場合の移動体保持部材７０の形状（移動体保持部材７０の平面視の形状）は、図２に示したように、Ｘ軸に平行な辺及びＹ軸に平行な辺を有する正方形である。従って、移動体保持部材７０は、平面視において、Ｙ軸方向の中心線であってＸ軸と平行な中心線ＤＬ１（第１中心線ＤＬ１）と、Ｘ軸方向の中心線であってＹ軸と平行な中心線ＤＬ２（第２中心線ＤＬ２）と、を有する。第１中心線ＤＬ１と第２中心線ＤＬ２との交点は、移動体保持部材７０の中心と称呼される。
【００３７】
移動体保持部材７０の厚さは、図２に破線により示した正方形ＳＨ１の外側領域において大きく、正方形ＳＨ１の内側領域において小さい。正方形ＳＨ１の重心は移動体保持部材７０の中心と一致し、正方形ＳＨ１の２辺はＸ軸に平行であり、正方形ＳＨ１の他の２辺はＹ軸に平行である。この正方形ＳＨ１の辺の長さＬ１は、圧電素子３０の辺の長さＬよりも大きい。より具体的には、この辺の長さＬ１は値（Ｌ＋２Ｄ）と等しい。即ち、図１に示したように、移動体保持部材７０は、正方形ＳＨ１の外側領域に一定の厚さの厚肉部を有している。この厚肉部の下面は平坦であり、保持部材支持部５０の上面に固定される。この厚肉部は、図１に示したように移動体保持部材７０と一体的に構成されてもよいし、移動体保持部材とは別の部材からなり且つ移動体保持部材に接着又は接合されてもよい。
【００３８】
このとき、移動体保持部材７０、圧電素子３０及び保持部材支持部５０の平面視において（Ｚ軸に沿って圧電アクチュエータ１０を見た場合）、移動体保持部材７０の中心と圧電素子３０の中心軸ＣＬとが一致し、且つ、移動体保持部材７０の第２中心線ＤＬ２が圧電素子３０の仮想平面ＶＰＬ１と一致するように、移動体保持部材７０が保持部材支持部５０の上面に固定される。
【００３９】
移動体保持部材７０はジンバル構造を有する。より具体的に述べると、移動体保持部材７０は、平面視において正方形ＳＨ１の内側に円形の穴７１を備えている。円形の穴７１の中心は移動体保持部材７０の中心と一致している。更に、移動体保持部材７０は、リング部（所定幅を有する円環部）７２を備えている。リング部７２の中心は移動体保持部材７０の中心と一致している。リング部７２の外径は円形の穴７１の径よりも小さい。リング部６１の内径は移動体６０の外径よりも大きい。
【００４０】
移動体保持部材７０は、第１のヒンジ部（梁部）７３ａ、第２のヒンジ部（梁部）７３ｂ、第３のヒンジ部（梁部）７３ｃ及び第４のヒンジ部（梁部）７３ｄを備えている。
【００４１】
第１のヒンジ部７３ａは、Ｘ軸方向に長手方向を有する帯状であって、第２中心線ＤＬ２よりもＸ軸正側の位置にて「リング部７２」と「移動体保持部材７０の円形の穴７１の外側部」とを連結している。第１のヒンジ部７３ａの長手方向に平行な中心線は移動体保持部材７０の第１中心線ＤＬ１と一致している。
【００４２】
第２のヒンジ部７３ｂは、Ｘ軸方向に長手方向を有する帯状であって、第２中心線ＤＬ２よりもＸ軸負側の位置にて「リング部７２」と「移動体保持部材７０の円形の穴７１の外側部」とを連結している。第２のヒンジ部７３ｂの長手方向に平行な中心線は移動体保持部材７０の第１中心線ＤＬ１と一致している。
【００４３】
第３のヒンジ部７３ｃは、Ｙ軸方向に長手方向を有する帯状であって、第１中心線ＤＬ１よりもＹ軸正側の位置にて移動体６０とリング部７２とを連結している。第３のヒンジ部７３ｃの長手方向に平行な中心線は移動体保持部材７０の第２中心線ＤＬ２と一致している。
【００４４】
第４のヒンジ部７３ｄは、Ｙ軸方向に長手方向を有する帯状であって、第１中心線ＤＬ１よりもＹ軸負側の位置にて移動体６０とリング部７２とを連結している。第４のヒンジ部７３ｄの長手方向に平行な中心線は移動体保持部材７０の第２中心線ＤＬ２と一致している。
【００４５】
この結果、移動体６０は、移動体保持部材７０に、実質的に二つの軸の周りに回転可能となるように保持されている。即ち、図４に示したように、移動体６０がＸ軸周りに回動しようとする力を受けたとき、第１のヒンジ部７３ａ及び第２のヒンジ部７３ｂがＸ軸周りに捩じれる。この結果、移動体６０はＸ軸周りに回転することができる。同様に、移動体６０がＹ軸周りに回動しようとする力を受けたとき、第３のヒンジ部７３ｃ及び第４のヒンジ部７３ｄがＹ軸周りに捩じれる。この結果、移動体６０はＹ軸周りに回転することができる。
【００４６】
移動体６０の上部には円柱状の支柱部８１が固定されている。支柱部８１の上部にはミラー８０が固定されている。従って、移動体６０が回動させられることによって、ミラー８０の角度が変更される。
【００４７】
更に、圧電アクチュエータ１０は、図５に示したように、駆動電源部９０を備えている。駆動電源部９０は、電源９１及びスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を含んでいる。圧電アクチュエータ１０により移動体６０を移動させるとき、スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ２のいずれか一方が選択的に閉じられる。即ち、図５の（Ａ）に示したように、スイッチング素子Ｓ２が閉じられているときスイッチング素子Ｓ１は開かれる。このとき、一対の電極３３に駆動電圧が印加されるので、圧電素子３０の仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸正方向側に存在する圧電体３１の部分に変形力（圧電体３１を変形させる力）が発生する。更に、図５の（Ｂ）に示したように、スイッチング素子Ｓ１が閉じられているときスイッチング素子Ｓ２は開かれる。このとき、一対の電極３２に駆動電圧が印加されるので、圧電素子３０の仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸負方向側に存在する圧電体３１の部分に変形力が発生する。
【００４８】
（作動）
次に、圧電アクチュエータ１０の作動について説明する。いま、図５の（Ａ）に示したように、スイッチング素子Ｓ２が閉じられ、スイッチング素子Ｓ１が開かれた状態（一対の電極３３に駆動電圧が印加される状態）であると仮定する。このとき、電源９１が発生する駆動電圧が、正弦波形を有し且つその周波数が圧電素子３０（圧電体３１）の１次伸縮共振周波数ｆ１Ｈであるならば、圧電素子３０は図６の（Ａ）に示したように、Ｚ軸方向において大きく伸縮する。
【００４９】
一方、電源９１が発生する駆動電圧が、正弦波形を有し且つその周波数が圧電素子３０（圧電体３１）の２次屈曲共振周波数ｆ２Ｌであるならば、圧電素子３０は図６の（Ｂ）に示したように、Ｚ−Ｘ平面内において屈曲する。２次屈曲共振周波数ｆ２Ｌは１次伸縮共振周波数ｆ１Ｈよりも低い周波数である。
【００５０】
本例において、電源９１が実際に発生する駆動電圧Ｖinは、正弦波形を有し且つその周波数が「圧電素子３０（圧電体３１）の２次屈曲共振周波数ｆ２Ｌと１次伸縮共振周波数ｆ１Ｈとの間の周波数ｆ」である電圧(交流電圧）である。従って、図５の（Ａ）に示したように、スイッチング素子Ｓ２が閉じられ、スイッチング素子Ｓ１が開かれた状態であると、圧電素子３０（圧電体３１）は、図６の（Ｃ）に示したように、伸縮振動と屈曲振動とを重ね合わせたように振動する。これにより、駆動子４０は図６の（Ｃ）に矢印Ａｒ１により示したように移動（振動）する。この結果、移動体６０及びミラー８０は、Ｙ軸周りであって反時計方向に回転する。
【００５１】
これに対し、圧電アクチュエータ１０は、移動体６０及びミラー８０をＹ軸周りであって時計方向に回転させる必要がある場合、図５の（Ｂ）に示したように、スイッチング素子Ｓ１を閉じ、スイッチング素子Ｓ２を開き、それにより上記駆動電圧Ｖinを一対の電極３２に印加する。この場合、圧電素子３０（圧電体３１）は、図７に示したように、伸縮振動と屈曲振動とを重ね合わせたように振動する。これにより、駆動子４０は図７に矢印Ａｒ２により示したように移動（振動）する。この結果、移動体６０及びミラー８０は、Ｙ軸周りであって時計方向に回転する。
【００５２】
以上、説明したように、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０は、
底面が基部２０に固定されるとともに前記基部２０から立設した柱状の圧電体３１と、前記圧電体３１に駆動電圧を印加するための駆動電源部９０と、を備え、前記圧電体３１の頂面３１ａに生じる機械的振動により移動体６０を移動させる圧電アクチュエータ１０であって、
前記圧電体３１は前記圧電体３１に電界を付与する一対の電極を二組備え（３２、３３）、
前記二組の電極は、前記圧電体３１の中心軸ＣＬと平行な平面（仮想平面ＶＰＬ１）にて前記圧電体３１を二分割することにより形成される一つの領域（仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸負側の領域）と他の一つの領域（仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸正側）とのそれぞれの領域に一組ずつ存在するように形成され、
前記駆動電源部９０は、
前記圧電体の２次屈曲共振周波数と前記圧電体の１次伸縮共振周波数との間の周波数を有する駆動電圧Ｖinを、前記二組の「一対の電極」のうちの何れか一方に選択的に印加するように構成されている（図５を参照。）。
【００５３】
このように圧電アクチュエータ１０は、「圧電体３１の２次屈曲共振周波数ｆ２Ｌと１次伸縮共振周波数ｆ１Ｈとの間の周波数ｆ」を有する駆動電圧Ｖinにより圧電体３１を駆動するので、圧電体３１の屈曲振動は２次屈曲共振時の屈曲振動に近く、圧電体３１の伸縮振動は１次伸縮共振時の伸縮振動に近い。よって、これらの振動の振幅を大きくすることができるので、圧電体３１（圧電素子３０）の高さＨを大きくする必要が小さい。更に、圧電アクチュエータ１０は、前記駆動電圧Ｖinを発生する駆動電源部（駆動回路）９０のみを有ればよいので、駆動回路の数を低減することができる。
【００５４】
なお、圧電体３１の底面の一辺の長さ（底辺長さ）Ｌと、圧電体３１の高さＨと、の比Ｈ／Ｌは「１以上であり且つ２以下」となるように調整されていることが好適である。表１及び図８は、底辺長さＬに対する高さＨの比Ｈ／Ｌに対して「１次伸縮共振周波数ｆ１Ｈに対する２次屈曲共振周波数ｆ２Ｌの比ｆ２Ｌ／ｆ１Ｈ」がどのように変化するかについてのＦＥＭシミュレーション結果を示す。
【表１】
【００５５】
このシミュレーション結果によれば、比Ｈ／Ｌが「１以上であり且つ２以下」であるとき、比ｆ２Ｌ／ｆ１Ｈは「０．８５以上（且つ０．９０以下）」となることが理解される。即ち、比Ｈ／Ｌが「１以上であり且つ２以下」であると、圧電体３１の２次屈曲共振周波数ｆ２Ｌと１次伸縮共振周波数ｆ１Ｈとを近づけることができるので、圧電体３１の屈曲振動を２次屈曲共振時の屈曲振動により近づけることができ、且つ、圧電体３１の伸縮振動を１次伸縮共振時の伸縮振動により近づけることができる。その結果、圧電体３１の振動振幅を大きくすることができる。従って、圧電体３１（圧電素子３０）の高さをより低くすることができる。
【００５６】
＜第２実施形態＞
次に、図９乃至図１１を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータについて説明する。この第２実施形態に係る圧電アクチュエータは、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０の圧電素子３０を圧電素子１００に置換した点、及び、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０の駆動電源部９０を駆動電源部１２０に置換した点のみにおいて、圧電アクチュエータ１０と相違している。従って、以下、この相違点を中心として説明する。
【００５７】
圧電素子１００は圧電体１０１を有する。圧電素子１００は、圧電体１０１に形成された電極層群（１１１〜１１４）を除き圧電素子３０と同一である。従って、圧電体１０１はＹ軸正方向に分極されている。
【００５８】
より具体的に述べると、圧電素子１００は、４組の電極層群１１１、１１２、１１３、１１４を備える。電極層群１１１は、図９に示したように、実線により示された複数の第１電極層と、破線により示された複数の第２電極層と、を含んでいる。電極層群１１１は、「中心軸ＣＬを含む仮想平面であってＺ−Ｙ平面と平行な仮想平面ＶＰＬ１」と、「中心軸ＣＬを含む仮想平面であってＺ−Ｘ平面と平行な仮想平面ＶＰＬ２（仮想平面ＶＰＬ１と直角に交差する平面ＶＰＬ２）」と、により、圧電体１０１を四分割することにより形成される四つの領域の一つ（即ち、仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸負側であり且つ仮想平面ＶＰＬ２よりもＹ軸正側の領域）に存在するように形成されている。
【００５９】
電極層群１１１の複数の第１電極層は図示しない第１接続層により電気的に接続されている。電極層群１１１の複数の第２電極層は図示しない第２接続層により電気的に接続されている。第１電極層の層面はＺ−Ｘ平面と平行である。第２電極層の層面もＺ−Ｘ平面と平行である。よって、第１電極層と第２電極層とは互いに平行である。第１電極層及び第２電極層のそれぞれの高さ（Ｚ軸方向長さ）は圧電体１０１の高さＨよりも僅かに小さい。第１電極層及び第２電極層のそれぞれの幅（Ｘ軸方向長さ）は圧電体１０１の底辺の長さＬの半分よりも僅かに小さい。第１電極層と第２電極層は、互いに対向するように交互に配置されている。従って、電極層群１１１は、「第１電極層と第２電極層とから構成される一対の電極」であると言うことができる。
【００６０】
電極層群１１２は、図９に示したように、実線により示された複数の第３電極層と、破線により示された複数の第４電極層と、を含んでいる。電極層群１１２は、仮想平面ＶＰＬ１と仮想平面ＶＰＬ２とにより圧電体１０１を四分割することにより形成される四つの領域の他の一つ（即ち、仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸負側であり且つ仮想平面ＶＰＬ２よりもＹ軸負側の領域）に存在するように形成されている。
【００６１】
電極層群１１２の複数の第３電極層は図示しない第３接続層により電気的に接続されている。電極層群１１２の複数の第４電極層は図示しない第４接続層により電気的に接続されている。第３電極層の層面はＺ−Ｘ平面と平行である。第４電極層の層面もＺ−Ｘ平面と平行である。よって、第３電極層と第４電極層とは互いに平行である。第３電極層及び第４電極層のそれぞれの高さ（Ｚ軸方向長さ）は圧電体１０１の高さＨよりも僅かに小さい。第３電極層及び第４電極層のそれぞれの幅（Ｘ軸方向長さ）は圧電体１０１の底辺の長さＬの半分よりも僅かに小さい。第３電極層と第４電極層は、互いに対向するように交互に配置されている。従って、電極層群１１２は、「第３電極層と第４電極層とから構成される一対の電極」であると言うことができる。
【００６２】
電極層群１１３は、図９に示したように、実線により示された複数の第５電極層と、破線により示された複数の第６電極層と、を含んでいる。電極層群１１３は、仮想平面ＶＰＬ１と仮想平面ＶＰＬ２とにより圧電体１０１を四分割することにより形成される四つの領域の他の一つ（即ち、仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸正側であり且つ仮想平面ＶＰＬ２よりもＹ軸正側の領域）に存在するように形成されている。
【００６３】
電極層群１１３の複数の第５電極層は図示しない第５接続層により電気的に接続されている。電極層群１１３の複数の第６電極層は図示しない第６接続層により電気的に接続されている。第５電極層の層面はＺ−Ｘ平面と平行である。第６電極層の層面もＺ−Ｘ平面と平行である。よって、第５電極層と第６極層とは互いに平行である。第５電極層及び第６電極層のそれぞれの高さ（Ｚ軸方向長さ）は圧電体１０１の高さＨよりも僅かに小さい。第５電極層及び第６電極層のそれぞれの幅（Ｘ軸方向長さ）は圧電体１０１の底辺の長さＬの半分よりも僅かに小さい。第５電極層と第６電極層は、互いに対向するように交互に配置されている。従って、電極層群１１３は、「第５電極層と第６電極層とから構成される一対の電極」であると言うことができる。
【００６４】
電極層群１１４は、図９に示したように、実線により示された複数の第７電極層と、破線により示された複数の第８電極層と、を含んでいる。電極層群１１４は、仮想平面ＶＰＬ１と仮想平面ＶＰＬ２とにより圧電体１０１を四分割することにより形成される四つの領域の他の一つ（即ち、仮想平面ＶＰＬ１よりもＸ軸正側であり且つ仮想平面ＶＰＬ２よりもＹ軸負側の領域）に存在するように形成されている。
【００６５】
電極層群１１４の複数の第７電極層は図示しない第７接続層により電気的に接続されている。電極層群１１４の複数の第８電極層は図示しない第８接続層により電気的に接続されている。第７電極層の層面はＺ−Ｘ平面と平行である。第８電極層の層面もＺ−Ｘ平面と平行である。よって、第７電極層と第８極層とは互いに平行である。第７電極層及び第８電極層のそれぞれの高さ（Ｚ軸方向長さ）は圧電体１０１の高さＨよりも僅かに小さい。第７電極層及び第８電極層のそれぞれの幅（Ｘ軸方向長さ）は圧電体１０１の底辺の長さＬの半分よりも僅かに小さい。第７電極層と第８電極層は、互いに対向するように交互に配置されている。従って、電極層群１１４は、「第７電極層と第８電極層とから構成される一対の電極」であると言うことができる。
【００６６】
図１０に示したように、駆動電源部１２０は、電源１２１及び四つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４を含んでいる。電源１２１は電源９１と同一の駆動電圧Ｖin（周波数ｆ）を出力する。第２実施形態の圧電アクチュエータにより移動体６０を移動させるとき、イッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４は次に述べるように閉じられる。
【００６７】
（Ａ）スイッチング素子ＳＷ３及びスイッチング素子ＳＷ４は閉じられ、スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２は開かれる（図１１の（Ａ）を参照。）。このとき、一対の電極１１３及び一対の電極１１４に駆動電圧Ｖinが印加される。よって、図６の（Ｃ）に示したように、圧電素子１００は伸縮振動と屈曲振動とを重ね合わせたように振動する。これにより、駆動子４０は図６の（Ｃ）に矢印Ａｒ１により示したように移動（振動）する。この結果、移動体６０及びミラー８０は、Ｙ軸周りであって反時計方向に回転する。
【００６８】
（Ｂ）スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２は閉じられ、スイッチング素子ＳＷ３及びスイッチング素子ＳＷ４は開かれる（図１１の（Ｂ）を参照。）。このとき、一対の電極１１１及び一対の電極１１２に駆動電圧Ｖinが印加される。よって、圧電素子１００は、図７に示したように、伸縮振動と屈曲振動とを重ね合わせたように振動する。これにより、駆動子４０は図７に矢印Ａｒ２により示したように移動（振動）する。この結果、移動体６０及びミラー８０は、Ｙ軸周りであって時計方向に回転する。
【００６９】
（Ｃ）スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ３は閉じられ、スイッチング素子ＳＷ２及びスイッチング素子ＳＷ４は開かれる（図１１の（Ｃ）を参照。）。このとき、一対の電極１１１及び一対の電極１１３に駆動電圧Ｖinが印加される。よって、圧電素子１００は、伸縮振動と屈曲振動とを重ね合わせたように振動する。この結果、移動体６０及びミラー８０は、Ｘ軸周りであって反時計方向に回転する。
【００７０】
（Ｄ）スイッチング素子ＳＷ２及びスイッチング素子ＳＷ４は閉じられ、スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ３は開かれる（図１１の（Ｄ）を参照。）。このとき、一対の電極１１２及び一対の電極１１４に駆動電圧Ｖinが印加される。よって、圧電素子１００は、伸縮振動と屈曲振動とを重ね合わせたように振動する。この結果、移動体６０及びミラー８０は、Ｘ軸周りであって時計方向に回転する。
【００７１】
以上、説明したように、第２実施形態に係る圧電アクチュエータは、
底面が基部２０に固定されるとともに前記基部２０から立設した柱状の圧電体１０１と、前記圧電体１０１に駆動電圧を印加するための駆動電源部１２０と、を備え、前記圧電体１０１の頂面に生じる機械的振動により移動体６０を移動させる圧電アクチュエータであって、
前記圧電体１０１は前記圧電体１０１に電界を付与する一対の電極を四組備え（１１１、１１２、１１３、１１４）、
前記四組の電極は、前記圧電体１０１の中心軸ＣＬと平行な二つの平面であって互いに交差する二つの平面（仮想平面ＶＰＬ１及び仮想平面ＶＰＬ２）にて前記圧電体１０１を四分割することにより形成される四つの領域のそれぞれに一組ずつ存在するように形成され、
前記駆動電源部１２０は、
前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数を有する駆動電圧Ｖinを、前記四つの領域のうちの互いに隣接する任意の二つの領域内に形成されている二組の一対の電極に選択的に印加するように構成されている（図１１を参照。）。
【００７２】
これによれば、駆動電源部１２０によって圧電体１０１に「屈曲振動と伸縮振動とが重ね合わさった振動」を発生させることができ、且つ、圧電体１０１の頂面に設けられた駆動子４０は、選択された二組の「一対の電極」に応じて実質的に４方向に振動させられる。
【００７３】
更に、第２実施形態に係る圧電アクチュエータは、第１実施形態の圧電アクチュエータ１０と同様、「圧電体１０１の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」を有する駆動電圧Ｖinにより圧電体１０１を駆動するので、圧電体１０１の屈曲振動は２次屈曲共振時の屈曲振動に近く、圧電体１０１の伸縮振動は１次伸縮共振時の伸縮振動に近い。よって、これらの振動の振幅を大きくすることができるので、圧電体１０１（圧電素子１００）の高さを大きくする必要が小さい。更に、第２実施形態に係る圧電アクチュエータは、「圧電体１０１の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数」を有する駆動電圧Ｖinを発生する駆動電源部（駆動回路）１２０を有するのみでよいので、駆動回路の数を低減することができる。
【００７４】
なお、圧電体１０１は、圧電体３１と同様、圧電体１０１の底面の一辺の長さＬと、圧電体１０１の高さＨと、の比Ｈ／Ｌが「１以上であり且つ２以下」となるように調整されていることが好適である。これによれば、圧電体１０１の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数とを近づけることができるので、圧電体１０１の屈曲振動を２次屈曲共振時の屈曲振動により近づけることができ、且つ、圧電体１０１の伸縮振動を１次伸縮共振時の伸縮振動により近づけることができる。その結果、圧電体１０１の振動振幅を大きくすることができる。従って、圧電体１０１（圧電素子１００）の高さをより低くすることができる。
【００７５】
第２実施形態に係る圧電アクチュエータは、
「四組の「一対の電極」を備え、その四組の「一対の電極」は、圧電体１０１の中心軸ＣＬに直交する平面（Ｘ−Ｙ平面に平行な平面）にて圧電体１０１を切断した断面において、前記圧電体１０１の中心軸ＣＬを原点としたときに同原点を通るＸ軸及び同原点を通り且つ同Ｘ軸と直交するＹ軸により規定される第１乃至第４象限のそれぞれの領域に一組ずつ存在するように形成され、
駆動電源部１２０は、移動体を移動させる際、
圧電体１０１の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数を有する駆動電圧Ｖinを、
前記第１及び第２象限に設けられた二組の「一対の電極」に印加するとともに他の電極には付与しない第１状態（図１１の（Ｃ）に示した状態）、
前記第２及び第３象限に設けられた二組の「一対の電極」に印加するとともに他の電極には付与しない第２状態（図１１の（Ｂ）に示した状態）、
前記第３及び第４象限に設けられた二組の「一対の電極」に印加するとともに他の電極には付与しない第３状態（図１１の（Ｄ）に示した状態）、及び、
前記第４及び第１象限に設けられた二組の「一対の電極」に印加するとともに他の電極には付与しない第４状態（図１１の（Ａ）に示した状態）、
のうちの何れかの状態を実現するように構成された圧電アクチュエータ」であると表現することもできる。
【００７６】
本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、第１実施形態及び第２実施形態に係る圧電アクチュエータは、「移動体６０及び移動体保持部材７０」をＹ軸方向（縦方向）及びＸ軸方向（横方向）に一定の間隔を隔てて隣接配置（格子状に配置）したもの（図１２を参照。）を、「基部２０、圧電素子３０、駆動子４０及び保持部材支持部５０」をＹ軸方向（縦方向）及びＸ軸方向（横方向）に一定の間隔を隔てて隣接配置（格子状に配置）したもの（図１３を参照。）に重ねることにより、第１実施形態及び第２実施形態に係る圧電アクチュエータを格子状に（縦方向及び横方向に一定の間隔を隔てて隣接するように）配列してなるアクチュエータアレイとして作製・使用することもできる。
【００７７】
更に、移動体６０は回転する移動体であったが、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のうちの一方のみに移動する移動体、又は、Ｘ−Ｙ平面内において平行移動する移動体であってもよい。加えて、各実施形態に係る圧電アクチュエータにおいて、圧電体３１又は圧電体１０１の内部に形成されている電極層はＺ−Ｘ平面に平行であったが、Ｘ−Ｙ平面に平行であってもよい。更に、圧電体３１及び圧電体１０１の形状は、正四角柱であったが、六角柱（正六角柱）、八角柱（正八角柱）等の角柱（正多角柱）、又は、円柱でもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１０…圧電アクチュエータ、２０…基部、３０…圧電素子、３１…圧電体、３１ａ…頂面、３２…電極層群（一対の電極）、３３…電極層群（一対の電極）、４０…駆動子、５０…保持部材支持部、６０…移動体、７０…移動体保持部材、８０…ミラー、９０…駆動電源部、９１…電源、１００…圧電素子、１０１…圧電体、１１１、１１２、１１３、１１４…電極層群（一対の電極）、１２０…駆動電源部、１２１…電源。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面が基部に固定されるとともに前記基部から立設した柱状の圧電体と、前記圧電体に駆動電圧を印加するための駆動電源部と、を備え、前記圧電体の頂面に生じる機械的振動により移動体を移動させる圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電体は前記圧電体に電界を付与する一対の電極を二組備え、
前記二組の電極は、前記圧電体の中心軸と平行な平面にて前記圧電体を二分割することにより形成される一つの領域と他の一つの領域とのそれぞれの領域に一組ずつ存在するように形成され、
前記駆動電源部は、
前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数を有する駆動電圧を、前記二組の一対の電極のうちの何れか一方の組の一対の電極に選択的に印加するように構成された圧電アクチュエータ。
【請求項２】
底面が基部に固定されるとともに前記基部から立設した柱状の圧電体と、前記圧電体に駆動電圧を印加するための駆動電源部と、を備え、前記圧電体の頂面に生じる機械的振動により移動体を移動させる圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電体は前記圧電体に電界を付与する一対の電極を四組備え、
前記四組の電極は、前記圧電体の中心軸と平行な二つの平面であって互いに交差する二つの平面にて前記圧電体を四分割することにより形成される四つの領域のそれぞれに一組ずつ存在するように形成され、
前記駆動電源部は、
前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数を有する駆動電圧を、前記四つの領域のうちの互いに隣接する任意の二つの領域内に形成されている二組の一対の電極に選択的に印加するように構成された圧電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の圧電アクチュエータであって、
前記圧電体は正四角柱であり、
前記圧電体の底面の一辺の長さＬと、前記圧電体の高さＨと、の比Ｈ／Ｌが１以上であり且つ２以下となるように調整された圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の圧電アクチュエータを複数個備え、前記複数個の圧電アクチュエータを格子状に配置してなる圧電アクチュエータアレイ。
【請求項１】
底面が基部に固定されるとともに前記基部から立設した柱状の圧電体と、前記圧電体に駆動電圧を印加するための駆動電源部と、を備え、前記圧電体の頂面に生じる機械的振動により移動体を移動させる圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電体は前記圧電体に電界を付与する一対の電極を二組備え、
前記二組の電極は、前記圧電体の中心軸と平行な平面にて前記圧電体を二分割することにより形成される一つの領域と他の一つの領域とのそれぞれの領域に一組ずつ存在するように形成され、
前記駆動電源部は、
前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数を有する駆動電圧を、前記二組の一対の電極のうちの何れか一方の組の一対の電極に選択的に印加するように構成された圧電アクチュエータ。
【請求項２】
底面が基部に固定されるとともに前記基部から立設した柱状の圧電体と、前記圧電体に駆動電圧を印加するための駆動電源部と、を備え、前記圧電体の頂面に生じる機械的振動により移動体を移動させる圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電体は前記圧電体に電界を付与する一対の電極を四組備え、
前記四組の電極は、前記圧電体の中心軸と平行な二つの平面であって互いに交差する二つの平面にて前記圧電体を四分割することにより形成される四つの領域のそれぞれに一組ずつ存在するように形成され、
前記駆動電源部は、
前記圧電体の２次屈曲共振周波数と１次伸縮共振周波数との間の周波数を有する駆動電圧を、前記四つの領域のうちの互いに隣接する任意の二つの領域内に形成されている二組の一対の電極に選択的に印加するように構成された圧電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の圧電アクチュエータであって、
前記圧電体は正四角柱であり、
前記圧電体の底面の一辺の長さＬと、前記圧電体の高さＨと、の比Ｈ／Ｌが１以上であり且つ２以下となるように調整された圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の圧電アクチュエータを複数個備え、前記複数個の圧電アクチュエータを格子状に配置してなる圧電アクチュエータアレイ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１８２９５１（Ｐ２０１２−１８２９５１Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４５５２３（Ｐ２０１１−４５５２３）
【出願日】平成２３年３月２日（２０１１．３．２）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２日（２０１１．３．２）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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