JPH01234064A

JPH01234064A - 位置決め装置

Info

Publication number: JPH01234064A
Application number: JP63059518A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Tsuda; 津田　展宏; Junzo Uchida; 内田　順三; Masakazu Hayashi; 正和林; Fumihiko Ishida; 文彦石田
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1988-03-15
Filing date: 1988-03-15
Publication date: 1989-09-19
Anticipated expiration: 2010-05-17
Also published as: JPH0746908B2

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明はバイモルフ型圧電素子を使用して微小変位を
高精度に制御する位置決め装置に関する。

（従来の技術）一般に、例えば電子顕微鏡等の微調整機構等のように微
小変位を高精度に制御する位置決め装置のアクチュエー
タとして電気量を変位量に変換する圧電素子を使用した
ものが考えられている。

この圧電素子を使用したアクチュエータは変換効率が高
いうえ、発熱が小さく、熱変形によるドリフトが小さい
という利点がある反面、変位量が小さいという欠点があ
る。

そこで、従来から電圧を印加すると長さ方向に伸縮する
２枚の圧電素子を貼り合せ、一方を伸ばすと同時に他方
を縮めることにより、屈曲変位を発生させるバイモルフ
型圧電素子を片持ち梁として使用したり、或いはこのバ
イモルフ型圧電素子とてこ等の変位拡大機構とを組合わ
せて使用する構成にしていた。

しかしながら、バイモルフ型圧電素子を片持ち梁として
使用した場合には機械的強度が弱く、動作が不安定にな
る問題があるとともに、バイモルフ型圧電素子の自由端
側が固定端を中心とする円弧運動を行なうので、被駆動
体を直線性よく変位させるためには複雑な機構が必要に
なる問題があった。また、従来のように圧電素子とてこ
等の変位拡大機構とを組合わせた場合には数１０μｍ程
度の微小量しか変位させることができず、変位量の増大
を図ることが難しい問題があった。

（発明が解決しようとする課題）従来構成のものにあってはバイモルフ型圧電素子を片持
ち梁として使用した場合には機械的強度が弱く、動作が
不安定になる問題があるとともに、被駆動体を直線性よ
く変位させるためには複雑な機構が必要になる問題があ
り、また圧電素子とてこ等の変位拡大機構とを組合わせ
た場合には数１０μｍ程度の微小量しか変位させること
ができず、変位量の増大を図ることが難しい問題があっ
た。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、機械的
強度が強く、動作の安定化を図ることができるとともに
、大きな変位量を高精度に得ることができる位置決め装
置を提供することを目的とするものである。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）この発明は被駆動体搭載用のステージの両側に平行に離
間対向配置させた一対のバイモルフ型圧電素子、これら
の一対のバイモルフ型圧電素子の両端部間を連結させる
支持フレームおよび両バイモルフ型圧電素子の変位動作
をステージ側に伝達する変位量伝達アームを備えたステ
ージ変位機構をステージの変位方向に沿って複数段積層
させ、各段のステージ変位機構の変位量を順次加えてス
テージ側に伝達する変位量拡大機構を設けたものである
。

（作用）複数段のステージ変位機構の各バイモルフ型圧電素子に
それぞれ所定電圧を印加することにより、各段のバイモ
ルフ型圧電素子を両端固定部分に対し、長手方向中央部
分をステージの変位方向に沿って変位させる状態で略円
弧状に変形させ、この各段のバイモルフ型圧電素子の変
位動作を各段の変位量伝達アームを介して順次積層させ
ながらステージ側に伝達させるようにしたものである。

（実施例）以下、この発明の一実施例を第１図乃至第４図を参照し
て説明する。第１図およｄ第２図は微小変位を高精度に
制御する位置決め装置全体の概略構成を示すもので、１
１は位置決め装置本体である。この位置決め装置本体１
１には被駆動体搭載用のステージ１２および変位量拡大
機構１３がそれぞれ配設されている。この被駆動体搭載
用のステージ１２は位置決め装置本体１１の略中央に配
設された略矩形状の可動部材によって形成されている。

さらに、このステージ１２の両側には変位量拡大機構１
３の第１のステージ変位機構１４および第２のステージ
変位機構１５がそれぞれステージ１２の変位方向（第１
図中で矢印Ｘ方向）に沿って積層状態で配設されている
。

また、第１のステージ変位機構１４にはステージ１２の
両側に平行に離間対向配置させた一対のバイモルフ型圧
電素子１６ａ、１６ｂ、これらの一対のバイモルフ型圧
電素子１６ａ、１６ｂの両端部間を連結させる支持フレ
ーム１７および両バイモルフ型圧電素子１６ａ、１６ｂ
の変位動作をステージ１２側に伝達する変位量伝達アー
ム１８がそれぞれ設けられている。この場合、バイモル
フ型圧電素子１６ａ、１６ｂは第４図に示すように電圧
を印加すると長さ方向に伸縮する２枚の圧電素子１，２
を貼り合せて形成されており、一方を伸ばすと同時に他
方を縮めることにより、屈曲変位を発生させるものであ
る。なお、第３図および第４図はバイモルフ型圧電素子
１６ａ、１６ｂの電極構造を示すもので、第４図中の各
圧電素子１．２の矢印は分極方向を示し、また図全体は
片持ち支持のバイモルフ型圧電素子機構を示している。

さらに、第３図は第１図の一部を拡大した図である。

さらに、支持フレーム１７は略矩形枠状の枠体によって
形成されており、この支持フレーム１７の一対の対向壁
面に圧電素子取付は用開口部１９ａ、１９ｂがそれぞれ
形成されている。そして、バイモルフ型圧電素子１［ｉ
ａ、１６ｂの両端部が支持フレーム１７の圧電素子取付
は用開口部１９ａ、１９ｂの周縁部位に固定されている
。さらに、変位量伝達アーム１８は支持フレーム１７の
内部側に所定間隔を存して配設された略矩形枠状の枠体
によって形成されている。この変位量伝達アーム１８に
はバイモルフ型圧電素子１６ａ。

１６ｂ側に向けて突設された突起部２０ａ。

２０ｂが形成されており、バイモルフ型圧電素子１［５
ａ、１６ｂにおける長手方向略中央部位がこれらの突起
部２９ａ、２０ｂに固定されている。

一方、第２のステージ変位機構１５にはステージ１２の
両側に平行に離間対向配置させた一対のバイモルフ型圧
電索子２１ａ、２１ｂ、コレラノ一対のバイモルフ型圧
電素子２１ａ、２１ｂの両端部間を連結させる支持フレ
ーム２２および両バイモルフ型圧電素子２１ａ、２１ｂ
の変位動作をステージ１２側に伝達する変位量伝達アー
ム２３がそれぞれ設けられている。この場合、バイモル
フ型圧電素子２１ａ、２１ｂは前述したバイモルフ型圧
電素子１６ａ、１６ｂと同一構成になっている。さらに
、第１のステージ変位機構１４の変位量伝達アーム１８
の内面にはステージ１２の両側にバイモルフ型圧電素子
２１ａ、２１ｂを支持する各一対の支持突起２４．２４
．２５．２５がそれぞれ形成されている。そして、バイ
モルフ型圧電素子２１ａ、２１ｂの両端部はこれらの支
持突起２４，２４．２５．２５にそれぞれ固定されてお
り、これらのバイモルフ型圧電素子２１ａ。

２１ｂの支持フレーム２２は第１のステージ変位機構１
４の変位量伝達アーム１８と一体的に形成されている。

また、ステージ１２の両側面にはバイモルフ型圧電素子
２１ａ、２ｉｂ側に向けて突設された突起部２６ａ、２
６ｂが形成されている。

そして、バイモルフ型圧電素子２１ａ、２１ｂにおける
長手方向略中央部位がこれらの突起部２６ａ、２６ｂに
固定されており、これらの突起部２６ａ、２６ｂによっ
て第２のステージ変位機構１５の変位量伝達アーム２３
が形成されている。

次に、上記構成の作用について説明する。まず、変位量
拡大機構１３の第１のステージ変位機構１４および第２
のステージ変位機構１５の各バイモルフ型圧電素子１６
ａ、１６ｂ、２１ａ。

２１ｂにそれぞれ電圧が印加されない不動作状態では各
バイモルフ型圧電素子１６ａ、１６ｂ。

２１ａ、２１ｂはそれぞれ略直線状の通常状態で保持さ
れるので、この状態では被駆動体搭載用のステージ１２
も所定の不動作位置で保持される。

そして、第１のステージ変位機構１４の各バイモルフ型
圧電素子１６ａ、１６ｂにそれぞれ所定電圧Ｖ１、第２
のステージ変位機構１５の各バイモルフ型圧電素子２１
ａ、２１ｂにそれぞれ所定電圧Ｖ２が印加されると第３
図および第４図中に仮想線で示すようにこれらの各バイ
モルフ型圧電素子１６ａ、１６ｂ、２１ａ、２１ｂを構
成している一方の圧電素子１側が長さ方向に縮み、他方
の圧電素子２側が伸びる状態で変形する。そのため、各
バイモルフ型圧電索子１６ａ、１６ｂｓ　２１ａ。

２１ｂが両端固定部分に対し、長手方向中央部分をステ
ージ１２の変位方向（Ｘ方向）に沿って変位させる状態
で略円弧状に変形する。したがって、この場合には第１
のステージ変位機構１４の各バイモルフ型圧電素子１６
ａ、１６ｂの変形動作にともない各バイモルフ型圧電素
子１６ａ、１６ｂの長手方向中央部分がＸ方向にＸｌだ
け変位するので、これと同時に支持フレーム１７の内部
側に配設されている第２のステージ変位機構１５の各構
成部材およびステージ１２が第１のステージ変位機構１
４の変位量伝達アーム１８を介して支持フレーム１７に
対してＸ方向にｘｌだけ変位する。

さらに、第２のステージ変位機構１５の各バイモルフ型
圧電素子２１ａ、２１ｂの変形動作にともない各バイモ
ルフ型圧電素子２１ａ、２１ｂの長手方向中央部分がＸ
方向にＸ２だけ変位するので、これと同時に変位量伝達
アーム１８の内部側に配設されているステージ１２が第
２のステージ変位機構１５の変位量伝達アーム２３を介
して変位量伝達アーム１８に対してＸ方向にＸ２だけ変
位する。したがって、ステージ１２を支持フレーム１７
に対してＸ方向にＸ　、＋　Ｘ　２だけ変位させること
ができ、変位量拡大機構１３の第１のステージ変位機構
１４および第２のステージ変位機構１５の各バイモルフ
型圧電素子１６　ａ、　　１６　ｂ。

２１ａ、２１ｂの変位動作を各段の変位量伝達アーム１
８．２３を介して順次積層させながらステージ１２側に
伝達させることができる。

そこで、上記構成のものにあってはバイモルフ型圧電素
子１６ａ、１６ｂの両端部を支持フレーム１７に、また
バイモルフ型圧電素子２１ａ。

２１ｂの両端部を支持フレーム２２にそれぞれ固定させ
るようにしているので、バイモルフ型圧電素子を片持ち
梁として使用する場合に比べて機械的強度を高めること
ができ、動作の安定化を図ることができる。さらに、第
１のステージ変位機構１４および第２のステージ変位機
構１５の各バイモルフ型圧電素子１６ａ、１６ｂ、２１
ａ。

２１ｂの変位動作を各段の変位量伝達アーム１８゜２３
を介して順次積層させながらステージ１２側に伝達させ
るようにしているので、従来に比べて変位量の増大を図
ることができ、高精度な位置決めを行なうことができる
。

なお、この発明は上記実施例に限定されるものではない
。例えば、上記実施例では第１のステージ変位機構１４
および第２のステージ変位機構１５をステージ１２の変
位方向に沿って２段に積層させ、２段のステージ変位機
構１４．１５の変位量を順次加えてステージ１２側に伝
達する変位量拡大機構１３を設けた場合について示した
が、第５図および第６図に示す別の実施例のようにステ
ージ変位機構３１，３２．３３をステージ１２の変位方
向に沿って３段に積層させ、３段のステージ変位機構３
１，３２．３３の変位量を順次加えてステージ１２側に
伝達する変位量拡大機構３４を設けてもよく、さらに４
段以上の多数段のステージ変位機構をステージ１２の変
位方向に沿って積層させる構成にしてもよい。

また、第１のステージ変位機構１４および第２のステー
ジ変位機構１５の各バイモルフ型圧電素子１６ａ、１６
ｂ、２１ａ、２１ｂの変位特性はそれぞれ異なるもので
あってもよく、各バイモルフ型圧電素子１６ａ、１６ｂ
、２１ａ、２１ｂの印加電圧もそれぞれ異なるものであ
ってもよい。

この場合、例えば第１のステージ変位機構１４の一方の
バイモルフ型圧電素子１６Ｈの変位量をＸ３、他方のバ
イモルフ型圧電素子１６ｂの変位量をｘ４にそれぞれ設
定するとステージ１２は支持フレーム１７に対して（Ｘ
３＋Ｘ４）／２だけ変位するようになっている。

また、上記実施例では各バイモルフ型圧電素子１６ａ、
１６ｂ、２１ａ、２１ｂを構成する圧電素子１．２の外
面にそれぞれ単一の電極を設けた構成のものを示したが
、第７図に示すように各バイモルフ型圧電素子１６ａ、
１６ｂ、２１ａ。

２１ｂを構成する圧電素子１，２の外面にそれぞれ複数
の電極４１　ａ　、４２　ａ　ｒ　　４３　ａ　＊　　
４４　ａ　％４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ、４４ｂを並設さ
せた電極構造にしてもよい。

さらに、その他この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々
変形実施できることは勿論である。

［発明の効果］この発明によれば被駆動体搭載用のステージの両側に平
行に離間対向配置させた一対のノくイモルフ型圧電素子
、これらの一対のバイモルフ型圧電素子の両端部間を連
結させる支持フレームおよび両バイモルフ型圧電素子の
変位動作をステージ側に伝達する変位量伝達アームを備
えたステージ変位機構をステージの変位方向に沿って複
数段積層させ、各段のステージ変位機構の変位量を順次
加えてステージ側に伝達する変位量拡大機構を設けたの
で、機械的強度が強く、動作の安定化を図ることができ
るとともに、大きな変位量を高精度に得ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図はこの発明の一実施例を示すもので、
第１図は位置決め装置全体の平面図、第２図は同斜視図
、第３図はバイモルフ型圧電素子の取付は状態を示す平
面図、第４図は第３図の一部を拡大した状態を示す要部
の平面図、第５図および第６図はこの発明の別の実施例
を示すもので、第５図は位置決め装置全体の平面図、第
６図は同斜視図、第７図はさらに別の実施例を示す要部
の平面図である。１２・・・ステージ、１３．３４・・・変位量拡大機構
、１４・・・第１のステージ変位機構、１５・・・第２
のステージ変位機構、１６．　１６ｂ、　　２１．ａ。２１ｂ・・・バイモルフ型圧電素子、１７．２２・・・
支持フレーム、１８．２３・・・変位量伝達アーム、３
１．３２．３３・・・ステージ変位機構。指定代理人工業技術院計ｒ：ＬｔＴＩ究所長　眼部　音出願人復代
理人　　弁理士　鈴江武彦出願人代理人　　弁理士　鈴江武彦第１図第２図第　３図第　４図第５図− ｚ ≦ 第６図第７図

Claims

【特許請求の範囲】

　被駆動体搭載用のステージの両側に平行に離間対向配
置させた一対のバイモルフ型圧電素子、これらの一対の
バイモルフ型圧電素子の両端部間を連結させる支持フレ
ームおよび前記両バイモルフ型圧電素子の変位動作を前
記ステージ側に伝達する変位量伝達アームを備えたステ
ージ変位機構を前記ステージの変位方向に沿って複数段
積層させ、各段のステージ変位機構の変位量を順次加え
て前記ステージ側に伝達する変位量拡大機構を設けたこ
とを特徴とする位置決め装置。