JPH02241373A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

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】 〔概　要〕 圧電アクチュエータに関し、 μｍ単位以下の超精密な加工・組立精度を不用にするこ
とを目的とし、 対向する２個の側板に固定されて対向する２個の固定壁
部材と、前記固定壁部材の壁面に突設された複数個の締
めつけ手段によって、固定壁部材の隙間に、平行移動可
能に支持された可動壁部材と、圧電体材料からなる２個
のクランプ素子と直線駆動素子とがＨの字形に固着され
た可動部材と、前記クランプ素子に固着された可動棒と
を有し、前記可動棒が側板をを貫通するように、かつ可
動部材のクランプ素子が、締め付け手段によって、固定
壁部材と可動壁部材とに挟持されるように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、圧電アクチュエータに関する。

近年、半導体集積回路装置を中心として製造技術の進展
に伴い、例えば、微細パターニングに用いられる露光装
置においては、０．１μｍの位置決め精度で、移動範囲
が１０ｃｍといったアクチュエータが要求されている。

さらに、原子の配列を実空間で観察できる走査型トンネ
ル顕微鏡においては、より一層高精度のｎｍ単位の位置
決め精度を有するアクチュエータが要求されている。

このような要求に応えられる性能を有し、しかも、構造
が簡単で、加工や組立に際しては、厳しい精度がいらな
い高精度の位置決め用アクチュエータの開発が望まれて
いる。

〔従来の技術〕

従来の超高精度の位置決めに用いるアクチュエータには
、静電吸着クランプや圧電クランプなどの固定機構を併
用した、ラウスと呼ばれる尺取り主力式の圧電アクチュ
エータとか、あるいは、てこを利用したり、ばねやねじ
を利用してマイクロメータの動きを拡大縮小する機械的
なアクチュエータとか、永久磁石とコイルからなるロー
レンツ力を利用した磁気アクチュエータなどがある。

何れにしても、どの方式のアクチュエータにしても一長
一短あり、簡便な機構で、かつ高速に、しかも安定に動
作するアクチュエータの出現が望まれている。

その中でも、現在、圧電アクチュエータが、多用されて
おり、今後の発展も期待される。

第２図は従来の圧電アクチュエータの説明図であり、同
図（Ａ）はアクチュエータの斜視図、同図（Ｂ）は動作
手順の説明図である。

同図（Ａ）において、圧電アクチュエータ１は、Ｈの字
形をした可動部材５が、２個の固定壁部材２．３に挟持
された構造となっている。

ここで、可動部材５は、並行な１組のクランプ素子６ａ
、６ｂと、その両者をＨの字形に連結する直線駆動素子
７とから構成されている。

そして、２個のクランプ素子６ａ、６ｂは、それぞれ、
伸張状態においては、固定壁部材２．３の間隙に固く挟
持されて動かなくなり、収縮状態においては、固定壁部
材２．３との間に隙間ができて自在に動けるようになっ
ている。

従って、同図ＣＢ）に示したように、 （イ）クランプ素子６ｂを固定壁部材２．３に挟持させ
た状態で、クランプ素子６ａを収縮させて自在に動くよ
うにし、 （ロ）直線駆動素子７を伸張させてクランプ素子６ａを
前進させ、 （ハ）クランプ素子６ａを伸張させて固定部材２．３に
挟持させ、 （ニ）クランプ素子６ｂを収縮させて自在に動くように
し、 （ホ）直線駆動素子７を収縮させてクランプ素子６ｂを
クランプ素子６ａの方向へ前進させ、（へ）クランプ素
子６ｂを伸張させて固定部材２．３に挟持させ、 （ト）最初の（イ）に戻る。

この一連の尺取り土様の動作を繰り返すことによって、
可動部材５は、固定壁部材２と３の間隙を前進すること
ができる。

また、この動作の逆の動作を繰り返せば、後退すること
もできる。

圧電体材料からなる直線駆動素子７は、圧電体の材料や
、単一構成か、積層型かなどに依存するが、例えば、長
さ１０ｍｍの角柱状の形状で、印加するパルス電圧が±
１０■のとき、長手方向に約１μｍ伸びたり縮んだりす
る。

従って、例えば、１０分間に１０００回の直流パルスを
印加して尺取り土様の動作を繰り返せば、約１ｍｌ１１
の移動が可能である。

クランプ素子６ａ、６ｂも、同様の圧電体材料で作られ
ているので、電気・機械的な性能は同じである。

一般に、クランプ素子６ａ、６ｂの長さは２０〜３０Ｉ
ＩＩＩ１１程度なので、士数μｍの伸縮によって、固定
壁部材２．３の間隙に゛固く挟持されたり、自在に動け
るようになったりする必要がある。

すなわち、クランプ素子６ａ、６ｂの長さや固定部材２
．３の間隙などの寸法には、非常に厳しい精度が要求さ
れる。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上述べたように、超高精度の位置決めに用いることが
できるアクチュエータには、種々の方式そして、その中
で従来から多用されている、尺取り主力弐の圧電アクチ
ュエータにおいては、可動部材を構成する圧電素子とし
て、例えば、積層型で、長さが１０ｍｍの角柱状の圧電
素子を用いたときの伸縮量は、パルス電圧を±ＩＯＶ印
加したとき、±１μｍ程度と非常に小さい。

そのため、アクチュエータを構成するためには、圧電素
子や圧電素子を支持する固定壁部材に対して、μｍ単位
以下の高い精度で精密加工しなければならない。

すなわち、具体的には、まず、２個のクランプ素子は、
それぞれ１μｍ以下の精度で長さが同一でなければなら
ない。

次に、２個のクランプ素子の固定壁部材と当接するそれ
ぞれの両端面は、１μｍ以下の精度で平面度と平行度と
が同一でなければならない。

また、クランプ素子を挟持する２つの固定壁部材の壁面
も、１μｍ以下の精度で平面度と平行度とが同一でなけ
ればならない。

さらに、２個のクランプ素子の長さと、そのクランプ素
子を挟持する２個の固定壁部材の間隔との関係は、１μ
ｍ以下の精度で同一でなければならない。

このように、従来の圧電アクチュエータにおいては、加
工・組立精度上多くの困難な問題があった。

〔課題を解決するための手段〕

上で述べた課題は、対向する２個の側板に固定されて対
向する２個の固定壁部材と、前記固定壁部材の壁面に突
設された複数個の締め付け手段によって、固定壁部材の
隙間に、平行移動可能に支持された可動壁部材と、圧電
体材料からなる２個のクランプ素子と直線駆動素子とが
Ｈの字形に固着された可動部材と、前記クランプ素子に
固着された可動棒とを有し、前記可動棒が側板をを貫通
するように、かつ可動部材のクランプ素子が、締め付け
手段によって、固定壁部材と可動壁部材とに挟持される
ように構成した圧電アクチュエータによって達成できる
。

〔作　用〕

本発明になる圧電アクチュエータ１においては、対向す
る２つの固定壁部材の間隙に、それぞれの固定壁部材か
ら突設した締め付け手段９によって、平行移動可能に支
持された可動壁部材が設けられており、粗動部材を固定
壁部材と可動壁部材とで挟んで保持するようにしており
、これが本発明の特徴となっている。

すなわち、幾つか必要な加工・組立精度の中で、可動部
材の２個のクランプ素子のそれぞれの平面度と平行度、
およびクランプ素子を挟持する固定壁部材と可動壁部材
とのそれぞれの平面度とが所定の精度で仕上がっていれ
ばよいようにしている。

そして、可動部材を固定壁部材に保持するに際しては、
締め付け手段によって、可動壁部材を如何ようにも移動
調整できるので、長さの絶対値を、従来のような２個の
固定壁部材の間隔と同一にする必要がないようにしてい
る。

このことは、クランプ素子の長さ、つまり外側寸法と、
２個の固定壁部材の間隔、つまり内側寸法とを所定の高
精度で一致させるという極めて困難を伴う加工・組立に
比較して、はるかに容易な、クランプ素子の端面を所定
の平面度と平行度とに加工し、クランプ素子を挟持する
固定壁部材と可動壁部材との壁面を所定の平面度にする
だけでよいことを意味している。

また、締め付け手段によって可動壁部材を容易に移動で
きるようにしている。

従って、可動部材が破損したり、性能劣化が起こったり
して、交換が必要になった際には、極めて容易に可動部
材の交換が可能である。

さらに、締め付け手段の締め付け具合を調整することに
よって、圧電アクチュエータ自体の剛性を加減できるよ
うにしている。

従って、例えば、走査型トンネル顕微鏡の粗動装置など
の用途においては、ｎｍ単位の超高精度で移動させるこ
とが行われており、外部振動との共振による影響が無視
できないが、本発明の圧電アクチュエータによれば、そ
の影響をなくすることが可能となる。

〔実施例〕

第１図は本発明の詳細な説明図である。

同図において、圧電アクチュエータ１を構成する固定壁
部材２．３、可動壁部材４、および２個の固定壁部材２
．３を固定する２枚の側板８などは、全て不錆鋼を用い
、切削・研磨などによって精密加工した。

また、締め付け手段９には、不精鋼製のねじを用い、可
動壁部材４に対して、固定壁部材２からは２本、固定壁
部材３からは２木ずつ４本、計６木のねじを調整して可
動壁部材４を移動できるようにした。

可動部材５を構成する２本のクランプ素子６ａ、６ｂ、
および直線駆動素子７には、積層型のチタン酸ジルコン
酸鉛系の圧電性セラミックスを用い、クランプ素子６ａ
、６ｂは、５Ｘ５Ｘ１Ｂｍｍ、直線駆動素子７は、５　
Ｘ　５　Ｘ　９　ｍｍの角柱をＨ字型に固着して製作し
た。

また、可動部材５のクランプ素子６ａの上には、図示し
てない被移動物体に連結される可動棒１０として、不精
鋼製の３薗φの丸棒を固着した。

この可動棒１０が、一方の側板８を貫通するように組み
立てを行い、クランプ素子６ａ、６ｂが、図示してない
電極に＋ＩＯＶのパルスを印加して伸張したとき、固定
壁部材３と可動壁部材４とによって１０ｋｇの締め付け
圧力が掛かるように、締め付け手段９を調整した。

こうして組み上げた圧電アクチュエータ１は、図示して
ない制御装置によって、可動部材５のそれぞれのクラン
プ素子６ａ、６ｂと直線駆動素子７とに設けた図示して
ない電極に、それぞれの素子が伸張するときは＋１０■
、それぞれの素子が収縮するときは一１０■の直流パル
ス電圧を、毎秒１回の繰り返し速度で印加しながら、第
２図（Ｂ）で示した駆動手順に従って動作確認を行った
。

その結果、従来例と同様の精度で動作する性能が確認さ
れた。

また、締め付け手段９を加減して、可動部材５の交換が
極めて容易にできることが確認でき、さらに、クランプ
素子６ａ、６ｂの長さの絶対値が任意に選べるので、加
工も非常に容易であることが確認できた。

さらに、締め付け手段９の締め付け圧力を変えて剛性を
大きくすると、圧電アクチュエータ１の固有振動数も高
くなり、外部振動に対する影響を低減できることも確認
した。

ここで、可動部材を構成するクランプ素子と直線駆動素
子との素材には、種々の圧電材料の適応が可能であり、
種々の変形が可能である。

また、可動壁部材の締め付け手段には、ねじを簡便な方
法として用いたが、ねじの本数や位置などには種々の変
形が可能であり、さらに、可動壁部材の支持手段として
は、ねじ以外の支持手段も可能である。

以上述べたように、本発明になる圧電アクチュエータは
、可動部材を固定壁部材と締め付け手段によって移動可
能に支持された可動壁部材とで挟持するので、加工・組
み立ての際の精度が緩和できるばかりでなく、締め付け
手段の締め付け具合を制御すれば、アクチュエータとし
ての剛性を極めて高くし、外部振動の影響を低減するこ
ともできる。

従って、例えば、微細パターニング用の露光装置や走査
型トンネル顕微鏡の粗動装置など、高精度で物体を移動
させなければならない分野の発展に寄与するところが大
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明図、 第２図は従来の圧電アクチュエータの説明図、である。 図において、 １は圧電アクチュエータ、 ２．３は固定壁部材、　４は可動壁部材、５は可動部材
、　　　　６ａ、６ｂはクランプ素子、７は直線駆動素
子、　　　８は側板、 ９は締め付け手段、　　１０は可動棒、である。 代理人　弁理士　　井　桁　貞　− 不＋　θ月７７７實λ己イ列言先［］月ｍ第　１　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　対向する２個の側板（８）に固定されて対向する２個
   の固定壁部材（２、３）と、 前記固定壁部材（２、３）の壁面に突設された複数個の
   締め付け手段（９）によって、該固定壁部材（２、３）
   の隙間に、平行移動可能に支持された可動壁部材（４）
   と、 圧電体材料からなる２個のクランプ素子（６ａ、６ｂ）
   と直線駆動素子（７）とがＨ字形に固着された可動部材
   （５）と、 前記クランプ素子（６ａ）に固着された可動棒（１０）
   とを有し、 前記可動棒（１０）が、前記側板（８）を貫通するよう
   に、かつ前記可動部材（５）の前記クランプ素子（６ａ
   、６ｂ）が、前記締め付け手段（９）によって、前記固
   定壁部材（３）と前記可動壁部材（４）とに挟持されて
   なることを特徴とする圧電アクチュエータ。