JPH01267492A

JPH01267492A - ２次元圧電微動装置

Info

Publication number: JPH01267492A
Application number: JP63096432A
Authority: JP
Inventors: Tomio Ono; 富男小野; Takeshi Kondo; 雄近藤; Tetsuya Egawa; 哲也江川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-04-19
Filing date: 1988-04-19
Publication date: 1989-10-25

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）本発明は、精密位置決めに用いられる２次元の微動装置
に係わり、特に圧電変位素子を用いた２次元圧電微動装
置に関する。

（従来の技術）近年、各種半導体製造装置やメカトロニクスの分野等に
おいて、ミクロン、サブミクロン粘度の位置決めが問題
となっており、高精度で小型。

高速の微動装置が必要となっている。そこで最近、この
種の微動装置の駆動源として、電圧を制御することによ
り比較的容易にサブミクロンオーダの変位が得られる圧
電変位素子が用いられるようになっている。

第６図に圧電変位素子の一例を示す。この圧電変位素子
は積層型と呼ばれるもので、分極処理された圧電板１を
図のような極性で積層し、各圧電板１の両面に形成され
た電極２を通−して、リード線３を取出したものである
。電源４により電圧を印加すると、圧電変位素子はベー
ス（固定端）５に対し図中破線で示したように変形する
。このように、印加電界と平行な方向に変位が生じる効
果は圧電縦効果と呼ばれており、図で電界と平行な方向
に生じている変位δが発生変位である。

第７図に積層型圧電変位素子を用いて構成した従来の２
次元圧電微動装置を示す。Ｘ軸駆動用圧電変位素子６１
は、その一端を固定金具７１を介してネジ８１によりベ
ース５に固定されており、他端はＸステージ９□に固定
されている。また、Ｙ軸駆動用圧電変位素子６□は、そ
の一端を固定金具７２を介してネジ８□によりＸステー
ジ９１に固定され、他端はＹステージ９□に固定されて
いる。そして、Ｘステージ９．はＸ軸駆動用圧電変位素
子６．により、Ｙステージ９□はＹ軸駆動用圧電変位素
子６□により駆動され、各々に印加する電圧によりＸ、
Ｙ方向の変位を制御することができる。

しかしながら、この種の装置にあっては次のような問題
があった。即ち、ｘ、ｙ軸の両方向に駆動するために２
つのステージが必要となり、また各々のステージを支持
するための直線運動案内機構等を必要とする。このため
、全体構成が複雑化し大型化する。また、Ｙ軸駆動系の
重量が全てＸ軸駆動系にかかるため、Ｘ軸駆動系の負担
が大きくなりＸ軸駆動の高速化が困難となる。

（発明が解決しようとする課８）このように従来、圧電変位素子を用いて２次元駆動を可
能にした装置では、全体構成の複雑化及び大型化を招く
と共に、高速駆動が困難である等の問題があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、構成が単純で小形軽量化に適し、且
つ高速駆動を可能とした２次元圧電微動装置を提供する
ことにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の骨子は、圧電横効果を有する圧電変位素子から
平行板バネを形成し、この板バネによりステージを支持
−駆動することにある。

即ち本発明は、Ｘ、Ｙの２軸方向に微動駆動するための
２次元圧電微動装置において、被駆動物体を搭載するス
テージと、このステージと固定端との間に配置された複
数の圧電変位素子により構成する少なくとも２組の平行
板バネとを具備してなり、これらの平行板バネを相互に
直交配置するようにしたものである。

また本発明は、上記圧電変位素子として、分極処理した
圧電板の両面に電極を被着し、圧電横効果により変位す
るものを用いるようにしたものである。

（作　用）本発明によれば、複数組の平行板バネが互いに直角に１
つのステージを支持すると同時に、平行板バネを構成す
る圧電変位素子が圧電横効果によりステージを駆動する
ことになる。即ち、平行板バネが支持部材と駆動源との
両者を兼ねることになり、従って小型軽量化が容易であ
り、高速化を達成できる。さらに、圧電変位素子が平行
板バネとして動くように構成されているため、Ｘ、　Ｙ
軸の両方向を駆動した時の相互干渉が少ないという特徴
も備えている。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係わる２次元圧電微動
装置を示す概略構成図である。図中１０は図示しない被
駆動物体を搭載する矩形状のステージであり、このステ
ージ１０とベース（固定端”）３０　（３０□、３０□
）との間には複数の板状圧電変位素子２０　（２０，、
〜、２０４）が設けられている。Ｘ軸駆動用圧電変位素
子２０１゜２０□は、一端がステージ１０に固定され、
他端がベース３０．に接続されている。そして、これら
の圧電変位素子２０１．２０□は互いに平行に配置され
て平行板バネを構成している。また、Ｙ輪駆動用圧電変
位素子２０３．２０４は、一端がステージ１０に固定さ
れ、他端がベース３０□に接続されている。そして、こ
れらの圧電変位素子２０３，２０．は、互いに平行に配
置されて平行板バネを構成している。また、圧電変位素
子２０、．２０□からなる平行板バネと圧電変位素子２
０．．２０４からなる平行板バネとは、相互に直交配置
されている。

ここで、圧電変位素子２０は、第２図に示す如く、分極
処理された圧電板２１の両面に電極２２゜２３を被着し
、各電極２２．２３からリード５０を取り出したもので
ある。電源４０により電圧を印加すると、圧電変位素子
２０は図中破線で示したように変形し、さらに印加する
電圧の正負により圧電変位素子２０は伸長又は縮長する
。このように電界と直交する方向に変位が生じる効果は
、圧電横効果と呼ばれている。なお、図で電界と直角な
方向に生じている変位δが発生変位である。

このような圧電横効果を有する圧電変位素子２０には、
前記第１図に示す如く電圧が印加されている。即ち、Ｘ
軸駆動用圧電変位素子２０１゜２０□には、リード５０
を介して電源４０、が接続される。ここで、圧電変位素
子２０＋　、２０２は圧電板２１の分極方向を同一方向
に揃えて配置されており、該分極方向に対して同じ関係
に電圧が印加されるものとなっている。同様にＹ軸駆動
用圧電変位素子２０３，２０４には、リード５０を介し
て電源４０□が接続される。ここで、圧電変位素子２０
ｉ　、２０４も圧電板２１の分極方向を同一方向に揃え
て配置されており、該分極方向に対して同じ関係に電圧
が印加されるものとなっている。

このような構成であれば、電源４０により印加する電圧
により各圧電変位素子２０は伸縮することになり、この
伸縮によりステージ１０は微動駆動される。ここで、Ｘ
方向に駆動した場合について、第３図を参照して説明す
る。電源４０．によりＸ軸駆動用圧電変位素子２０１．
２０□に電圧を印加すると、圧電変位素子２０．．２０
□は共に同じ量だけ伸び、これによりステージ１０はＸ
方向に移動する。このとき、Ｙ軸駆動用圧電変位素子２
０３．２０４は平行板バネとして働くため、ステージ１
０は回転せずに並進移動する。この平行板バネのＸ方向
の剛性は小さいのでステージ１０の変位を妨げない。こ
のため、第３図に破線で示したような変形が生じる。ま
た、Ｙ方向に駆動した場合も同様であり、さらにＸ、Ｙ
両方向を駆動した場合の相互干渉は少ない。

かくして本実施例によれば、２枚の圧電変位素子を平行
配置して平行板バネを構成し、２つの平行板バネを直交
配置しているので、ステージ１０をＸ方向及びＹ方向に
微小駆動することができ、且つステージ１０を回転する
ことなく並進移動させることができる。そしてこの場合
、ステージ１０は１個で済み、またステージ１０をガイ
ドする直線案内機構等のガイド機構は不要となる。この
ため、小型軽量で、高速駆動が可能な２次元微動を可能
とすることができる。

第４図は本発明の第２の実施例を示す概略構成図である
。なお、第１図と同一部分には同一符合を付して、その
詳しい説明は省略する。

この実施例が先に説明した実施例と異なる点は、ステー
ジの安定度を増すためにステージ１０を４方向から支持
することにある。即ち、前記第１図に示す構成に加え、
ステージ１０の前記圧電変位素子２０．．２０□を取付
けた辺に対向する辺とベース３０．との間に平行板バネ
を構成するＸ軸駆動用圧電変位素子２０ｓ、２０６がそ
れぞれ設けられている。これらの圧電変位素子の配置方
向は、圧電変位素子２０＋、２０゜と平行で且つこれら
と同一直線上にあり、また圧電変位素子２０３．２０４
と直角である。また、ステージ１０の前記圧電変位素子
２０３．２０４を取付けた辺に対向する辺とベース３０
４との間には、平行板バネを構成するＹ軸駆動用圧電変
位素子２０７．２０８がそれぞれ設けられている。これ
らの圧電変位素子２０？、２０．の配置方向は、圧電変
位素子２０３．２０．と平行で且つこれらと同一直線上
にあり、また圧電変位素子２０．。

２０２と直角である。

また、Ｘ駆動用圧電変位素子２０５，２０６の分極方向
はＸ駆動用圧電変位素子２℃１．２０□と逆方向であり
、これによりＸ駆動用圧電変位素子２０１．２０２が伸
びるときには、Ｘ駆動用圧電変位素子２０ｓ、２０６が
縮むようになっている。Ｙ軸駆動用圧電変位素子２０７
，２０８についても同様である。

このような構成であれば、先に説明した第１の実施例と
同様に、ステージ１０をＸ方向及びＹ方向に並進移動す
ることができ、先の実施例と同様の効果が得られる。ま
た、ステージ１０を４方向から支持しているので、ステ
ージ１０の安定度が更に増す利点もある。

第５図は本発明の第３の実施例を示す概略構成図である
。なお、第１図と同一部分には同一符合を付して、その
詳しい説明は省略する。この実施例が先に説明した第２
の実施例と異なる点は、個々の圧電変位素子を積層構造
としたことにある。

即ち、圧電変位素子６０　（６０＋　、〜、６０ｓ）は
、分極方向を逆にした２枚の圧電板６１．６２を積層し
て接着し、両面に電極６３．６５を被着し、さらに接着
部に挟持電極６４を配置して構成されている。また、ス
テージ１０の対向する辺に固定された圧電変位素子同士
は分極方向が逆で、一方が伸びる時に他方が縮むように
なっている。

このような構成であれば、先の第２の実施例と同様の効
果は勿論のこと、駆動電圧を上げることなく個々の圧電
変位素子の駆動力を上げることも可能であり、より高速
な駆動を行うことができる。

また、圧電変位素子の積層構造は２層に限らず、板バネ
として機能する範囲で３層以上にすることもでき、より
一層の高速化をはかることも可能である。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
なく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施
することができる。前記圧電変位素子を構成する圧電板
の分極方向は実施例に同等限定されるものではなく、同
一平行板バネを構成する２つの圧電変位素子が印加電圧
により同一方向に伸縮するものであればよい。例えば、
前記第１図において圧電変位素子２０□、２０２の各圧
電板２１の分極方向が逆であれば、リード５０の接続関
係を変え、一方の圧電変位素子に印加する電圧の向きを
逆にすればよい。また、平行板バネは必ずしも２組の圧
電変位素子から構成する必要はなく、７３組以上の圧電
変位素子から構成してもよい。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、圧電横効果を有す
る圧電変位素子からなる複数組の平行板バネによりステ
ージを支持・駆動すると共に、平行板バネを互いに直角
となるように配置しているので、全体構成の簡略化をは
かり、小型軽量で高速動作の可能な２次元圧電微動装置
を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係わる２次元圧電微動
装置を示す概略構成図、第２図は同実施例に用いた圧電
横効果を有する圧電変位素子の構成及び動作を説明する
ため図、第３図は同実施例の作用を説明するための模式
図、第４図は本発明の第２の実施例を示す概略構成図、
第５図は本発明の第３の実施例を示す概略構成図、第６
図は圧電縦効果を有する積層型圧電変位素子の構成及び
動作を説明するため図、第７図は従来の２次元圧電微動
装置を示す概略構成図である。１０・・・ステージ、２０　（２０，、〜、２０ｇ、）
＋６０　（６０１、〜、６０ｓ）・・・圧電変位素子、
２１．６１．６２・・・圧電板、２２，２３゜６Ｂ、６
４．６５・・・電極、３０　（３０＋　、〜。３０４）・・・ベース（固定端）　、４０　（４０＋　
。４０□）・・・電源、５０・・・リード。出願人代理人　　弁理士　鈴江武彦第　６　図つ２　図第４　図第５　図第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被駆動物体が搭載されるステージと、このステー
ジと固定端との間に配置された複数の板状圧電変位素子
により構成する少なくとも２組の平行板バネとを具備し
、前記２組の平行板バネは相互に直交配置されているこ
とを特徴とする２次元圧電微動装置。
（２）被駆動物体が搭載されるステージと、このステー
ジの４辺と固定端との間に配置された複数の板状圧電変
位素子により構成する４組の平行板バネとを具備し、前
記ステージの隣接する辺に接続された平行板バネ同士は
相互に直交配置されていることを特徴とする２次元圧電
微動装置。
（３）前記圧電変位素子は、分極処理した圧電板の両面
に電極を被着し、圧電横効果により変位するものである
ことを特徴とする請求項１又は２記載の２次元圧電微動
装置。
（４）前記圧電変位素子は、印加電圧に応じて長手方向
に伸縮するものであり、平行配置されて板バネを構成す
るものであることを特徴とする請求項１又は２記載の２
次元圧電微動装置。