JPH059195U - 圧電式微小送り装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電素子の駆動方向の最大変位の範囲を超え
て被駆動体を変位させる場合に、ステップノイズの発生
を防止する。 【構成】 圧電式微小送り装置１０は、リニアベアリン
グ３０によってガイドされる出力軸２８を挟んで対向す
る位置に配置された一対の駆動端部２４、２５と、これ
らの一対の駆動端部２４、２５に連結された第１の微小
送り装置１２と第２の微小送り装置１４を備えている。
これらの第１の微小送り装置１２と第２の微小送り装置
１４はそれぞれ２個の圧電素子２０、２２を備えてお
り、これらの圧電素子２０、２２はそれぞれ駆動電圧印
加装置３２に接続されている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は圧電式微小送り装置に関する。

【０００２】

【従来技術】

圧電素子等の微動アクチユエータを利用した微小送り装置としては、特開昭６ ３−５２００６号公報に記載された走査型トンネル顕微鏡の移動機構がある。こ れは、２つのクランプ機構と移動機構を持った出力軸から成り、クランプ動作と 、移動運動を交互に繰り返す、尺取り虫方式とよばれる方法で出力軸に微小なス テップ移動を行わせるものである。この他に、特開平２−９５１８１号公報に記 載された、圧電モータの駆動方法、圧電モータ及びディスク記憶装置のヘッドが あり、これは、一対の圧電素子をそれぞれの変移方向が直交するようにベースに 取付け、しかも互いの圧電素子の変位を妨げないような柔機構をその変位合成部 に持たせた構造の圧電駆動ユニットに関するもので、大きく変位駆動させる場合 には、前記一対の圧電素子に位相差を有する高周波の交流電流を印加し変位合成 部に楕円軌道を描く周回運動をさせ、この周回運動部に被駆動体を押し付け被駆 動体を移動させ、微小位置決め時には、前記一対の圧電素子に互いに極性の異な る直流電圧を印加し、変位合成部の柔機構の弾性変形により変位合成部を駆動方 向に微小変位させて被駆動体を移動させるものである。

【０００３】 一方、走査型トンネル顕微鏡の観察においては試料と深針間のトンネル電流を 検出するために、試料と深針の間隙が数ナノメータとなるような高精度に制御す る必要があり、この位置決めには圧電素子を用いる。しかし、圧電素子の変位量 はその全長の１／１０００程度しか得られないため、高精度な制御をするための 剛性の高さも考慮すると、制御可能な範囲は数マイクロメートルとなる。そこで 、前記位置決め用圧電素子を微動装置として試料と深針の間隙を制御するもう一 つの機構として粗動装置なるものを用いて微動装置の制御可能な範囲まで試料を 移動させるという方法を用いる。この粗動装置に要求される性能として、微動装 置と同様に高剛性であることと、最大変位量がミリメートルのオーダで、位置決 め分解能が微動装置の最大制御範囲より十分小さいこと等が挙げられる。

【０００４】 ところで、実際に走査型トンネル顕微鏡の実験を行っていると、実験中に熱ド リフトや試料の傾き等の影響で試料の位置が微動装置の制御範囲からずれてきて 粗動装置により試料の位置決めをし直す必要が生じる場合がたびたびある。上記 従来の駆動装置によれば高い分解能で試料の位置決めができるのは駆動装置の圧 電素子の駆動方向の最大変位の範囲である。従って、その範囲を超えて試料を位 置決めするには、試料を変位させるための被駆動体の持ちかえ動作が必要であり 、その際に、変位合成部が被駆動体から離れるため、被駆動体の位置が変動して ステップノイズが発生するという不具合があった。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

本考案は上記の事項に基づいてなされたもので、圧電素子の駆動方向の最大変 位の範囲を超えて被駆動体を変位させる場合に、ステップノイズの発生を防止す ることができる圧電式微小送り装置を提供することを目的としたものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

請求項１に記載の考案は、被駆動体となる出力軸と、該出力軸の移動方向をガ イドするガイド機構と、前記出力軸を挟んで配置された少なくとも一対の駆動端 部と、互いに交差し前記駆動端部の一方に一端を連結され他端をベースに連結さ れた二つの圧電素子から成る第１の微小送り装置と、互いに交差し前記駆動端部 の他方に一端を連結され他端をベースに連結された二つの圧電素子から成る第２ の微小送り装置と、前記第１の微小送り装置と前記第２の微小送り装置とに駆動 電圧を印加して前記駆動端部の一方によって前記出力軸を所定速度で微小送りし ている途中に他方を前記出力軸の送り方向と反対方向へ前記所定速度より速い速 度で移動して前記出力軸を連続的に微小送りする駆動電圧印加手段と、を備えた ことを特徴としている。

【０００７】 また、請求項２に記載の考案は、被駆動体となる出力軸と、該出力軸の移動方 向をガイドするガイド機構と、前記出力軸を挟んで配置された少なくとも一対の 駆動端部と、互いの変位方向の交差角が９０度より小さい角度をもつて交差し前 記駆動端部の一方に一端を連結され他端をベースに連結された二つの圧電素子か ら成る第１の微小送り装置と、互いの変位方向の交差角が９０度より小さい角度 をもつて交差し前記駆動端部の他方に一端を連結され他端をベースに連結された 二つの圧電素子から成る第２の微小送り装置と、前記第１の微小送り装置と前記 第２の微小送り装置とに駆動電圧を印加して常に前記駆動端部の少なくとも一方 が前記出力軸に当接した状態で前記出力軸を微小送りする駆動電圧印加手段と、 を備えたことを特徴としている。

【０００８】

【作用】

請求項１に記載の圧電式微小送り装置では、駆動電圧印加手段によって、第１ の微小送り装置と第２の微小送り装置とに駆動電圧が印加され、駆動端部の一方 によって出力軸を所定速度で微小送りしている途中に、駆動端部の他方を出力軸 の送り方向と反対方向へ前記所定速度より速い速度で移動し出力軸を連続的に微 小送りする。従って、圧電素子の駆動方向の最大変位をこえて出力軸を変位させ る場合においても、出力軸を連続的に速やかに移動することができ、駆動端部と 出力軸の接触、離脱による出力軸のずれを、送り動作によって補正することがで きるため、尺取り虫方式の微小送り装置において問題となるステップノイズの発 生を防止することができる。

【０００９】 また、請求項２に記載の圧電式微小送り装置では、駆動電圧印加手段によって 、第１の微小送り装置と第２の微小送り装置とに駆動電圧が印加され、常に駆動 端部の少なくとも一方が出力軸に当接した状態で出力軸を微小送りする。従って 、出力軸を圧電素子の駆動方向の最大変位の範囲を超えて変位する場合において も、出力軸の持ちかえ時に、少なくとも一対の駆動端部の少なくとも一方が出力 軸に当接しているため、出力軸の持ちかえ時の被駆動体の位置変動が抑制されて ステップノイズの発生を防止することができる。

【００１０】

【実施例】

本考案の第１実施例を図１〜図４に従って説明する。

【００１１】 図１に示される如く、本実施例の圧電式微小送り装置１０は、出力軸２８を挟 んで対向する位置に配置された少なくとも一対（本実施例では一対）の駆動端部 ２４、２５と、駆動端部２４に連結された第１の微小送り装置１２と、駆動端部 ２５に連結された第２の微小送り装置１４を備えており、これらの第１の微小送 り装置１２と第２の微小送り装置１４はそれぞれ２個の圧電素子２０、２２を備 えている。

【００１２】 第１の微小送り装置１２の圧電素子２０及び圧電素子２２は、例えばチタン酸 ジルコン酸鉛等で構成され、その形状は直方体とされており、例えば低電圧で大 変位を得る積層体構造をなしている。これらの圧電素子２０及び圧電素子２２は 、ベース２６に対して逆Ｖ字状に配設されており、圧電素子２０の一方の端部２ ０Ａ及び圧電素子２２の一方の端部２２Ａは、夫々駆動端部２４によって連結さ れている。この駆動端部２４は、セラミツクス又は金属（例えば、ＳＫＨ）等の 耐摩耗性材料で構成されている。また、圧電素子２０の他方の端部２０Ｂ及び圧 電素子２２の他方の端部２２Ｂは、夫々セラミツクス又は金属（例えば、ＳＫＨ ）等の耐摩耗性材料で構成されたベース２６の傾斜面２６Ａ、２６Ｂに接着され 固定されており、これらの傾斜面２６Ａ、２６Ｂは、圧電素子２０の変位方向（ 図１の矢印Ｘ方向）と圧電素子２２の変位方向（図１の矢印Ｙ方向）とが９０度 より小さい交差角θ（図２参照）となるよう設定されている。従って、これらの 圧電素子２０及び圧電素子２２に駆動電圧を印加し、圧電素子２０及び圧電素子 ２２を伸縮させると、圧電素子２０及び圧電素子２２は図２の想像線で示される ように撓み、駆動端部２４を移動させる。

【００１３】 なお、本実施例においては、圧電素子２０と圧電素子２２との変位方向の交差 角θが６０度となる場合について示されている。

【００１４】 また、被駆動体となる出力軸２８は、ガイド機構としてのガタの無いリニアベ アリング３０（例えば、ＴＨＫ社製リニアブツシユ）によって支持されており、 図２に示される如く、出力軸２８の変位方向（図２の矢印Ｗ方向）と圧電素子２ ０の変位方向（図２の矢印Ｘ方向）との成す角α１と、出力軸２８の変位方向（ 図２の矢印Ｗ方向）と圧電素子２２の変位方向（図２の矢印Ｙ方向）との成す角 α２とが互いに等しくされている。

【００１５】 さらに、図１に示される如く、駆動端部２４と出力軸２８は、圧電素子２０及 び圧電素子２２に印加する電圧によって、圧電素子２０及び圧電素子２２が延び た場合には、接触し、圧電素子２０及び圧電素子２２が縮んだ場合には、非接触 となるように制御できるように十分接近して位置決めされている。

【００１６】 なお、第２の微小送り装置１４は、第１の微小送り装置１２と同一構造のため 説明を省略する。

【００１７】 図１に示される如く、駆動電圧印加手段としての駆動電圧印加装置３２は、第 ２の微小送り装置１４の圧電素子２０及び圧電素子２２と第１の微小送り装置１ ４の圧電素子２２及び圧電素子２０に、それぞれ図４に示す駆動電圧ＰＺＴＡ、 ＰＺＴＢ、ＰＺＴＣ、ＰＺＴＤ、を印加するようになっており、これによって、 図３（Ｂ）〜図３（Ｈ）に示される如く、一対の駆動端部２４、２５の内の少な くとも一方が常に出力軸２８と接触した状態で、一対の駆動端部２４、２５がそ れぞれ出力軸２８と接触と非接触とを繰り返し、出力軸２８を微小送りするよう になっている。

【００１８】 また、駆動電圧印加装置３２は任意波形発生回路３４とパワーアンプ３６とを 備えており、任意波形発生回路３４は例えば４チャンネルのデジタル・アナログ 変換器３８付きのマイクロコンピュータ４０で構成され、パワーアンプ３６は任 意波形発生回路３４の電圧信号に応じて圧電素子に電圧を印加する４チャンネル パワーアンプとされている。

【００１９】 次に、本実施例の作用を説明する。 図３（Ａ）は第１の微小送り装置１２と第２の微小送り装置１４との双方に駆 動電圧印加装置３２から駆動電圧を印加していない状態を示す。

【００２０】 まず、図４の横軸の位置Ｂに対応する駆動電圧ＰＺＴＡ、ＰＺＴＢを第２の微 小送り装置１４の圧電素子２０及び圧電素子２２に印加することによって、図３ （Ｂ）に示される如く、駆動端部２５を出力軸２８の変位方向の後方で出力軸２ ８に当接させる。

【００２１】 次に、図４の横軸の位置Ｃに対応する駆動電圧ＰＺＴＡ、ＰＺＴＢを第２の微 小送り装置１４の圧電素子２０及び圧電素子２２に印加することによって、図３ （Ｃ）に示される如く、駆動端部２５を出力軸２８に押し付けたまま、移動させ 出力軸２８を変位方向（矢印Ａ方向）へ押し出す。

【００２２】 このとき、図４の横軸の位置Ｃに対応する駆動電圧ＰＺＴＣ、ＰＺＴＤを第１ の微小送り装置１２の圧電素子２２及び圧電素子２０に印加することによって、 駆動端部２４を変位方向の後方に移動させる。

【００２３】 次に、図４の横軸の位置Ｄに対応する駆動電圧ＰＺＴＡ、ＰＺＴＢ、ＰＺＴＣ 、ＰＺＴＤを第２の微小送り装置１４の圧電素子２０及び圧電素子２２と第１の 微小送り装置１２の圧電素子２２及び圧電素子２０とに印加することによって、 図３（Ｄ）に示される如く、駆動端部２５の位置が第２の微小送り装置１４の変 位方向の変位範囲を終える前に、駆動端部２４を変位方向の後方で出力軸２８に 当接させ、移動させ出力軸２８を変位方向（矢印Ａ方向）へ押し出す。

【００２４】 次に、図４の横軸の位置Ｅに対応する駆動電圧ＰＺＴＡ、ＰＺＴＢ、ＰＺＴＣ 、ＰＺＴＤを第２の微小送り装置１４の圧電素子２０及び圧電素子２２と第１の 微小送り装置１２の圧電素子２２及び圧電素子２０とに印加することによって、 図３（Ｅ）に示される如く、駆動端部２５の位置が第２の微小送り装置１４の変 位方向の変位範囲を終える時に、駆動端部２５を変位方向へ移動させながら出力 軸２８から離脱させ、ここからは、駆動端部２４のみで出力軸２８を変位方向（ 矢印Ａ方向）へ押し出す。

【００２５】 次に、図４の横軸の位置Ｆに対応する駆動電圧ＰＺＴＣ、ＰＺＴＤを第１の微 小送り装置１２の圧電素子２２及び圧電素子２０に印加することによって、図３ （Ｆ）に示される如く、駆動端部２４を出力軸２８に押し付けたまま、移動させ 出力軸２８を変位方向（矢印Ａ方向）へ押し出す。

【００２６】 このとき、図４に示される如く、図４の横軸の位置Ｆに対応する駆動電圧ＰＺ ＴＡ、ＰＺＴＢを第２の微小送り装置１４の圧電素子２０及び圧電素子２２に印 加することによって、駆動端部２５を変位方向の後方に移動させる。

【００２７】 次に、図４の横軸の位置Ｇに対応する駆動電圧ＰＺＴＡ、ＰＺＴＢ、ＰＺＴＣ 、ＰＺＴＤを第２の微小送り装置１４の圧電素子２０及び圧電素子２２と第１の 微小送り装置１２の圧電素子２２及び圧電素子２０とに印加することによって、 図３（Ｇ）に示される如く、駆動端部２４の位置が第１の微小送り装置１２の変 位方向の変位範囲を終える前に、駆動端部２５を変位方向の後方で出力軸２８に 当接させ、移動させ出力軸２８を変位方向（矢印Ａ方向）へ押し出す。

【００２８】 次に、図４の横軸の位置Ｈに対応する駆動電圧ＰＺＴＡ、ＰＺＴＢ、ＰＺＴＣ 、ＰＺＴＤを第２の微小送り装置１４の圧電素子２０及び圧電素子２２と第１の 微小送り装置１２の圧電素子２２及び圧電素子２０とに印加することによって、 図３（Ｈ）に示される如く、駆動端部２４の位置が第１の微小送り装置１２の変 位方向の変位範囲を終える時に、駆動端部２４を変位方向へ移動させながら出力 軸２８から離脱させ、ここからは、駆動端部２５のみで出力軸２８を変位方向（ 矢印Ａ方向）へ押し出す。

【００２９】 次に、図４の横軸の位置Ｂに対応する駆動電圧ＰＺＴＡ、ＰＺＴＢ、ＰＺＴＣ 、ＰＺＴＤを第２の微小送り装置１４の圧電素子２０及び圧電素子２２と第１の 微小送り装置１２の圧電素子２２及び圧電素子２０とに印加して上記手順を繰り 返す。

【００３０】 この様に、本実施例の圧電式微小送り装置１０では、駆動電圧印加装置３２に よって、第１の微小送り装置１２と第２の微小送り装置１４に図４に示される駆 動電圧ＰＺＴＡ、ＰＺＴＢ、ＰＺＴＣ、ＰＺＴＤを印加して、駆動端部２４、２ ５の一方によって出力軸２８を所定速度で微小送りしている途中に、駆動端部２ ４、２５の他方を出力軸２８の送り方向と反対方向へ前記所定速度より速い速度 で移動して出力軸２８を連続的に速やかに微小送りする。従って、圧電素子２０ 、２２の駆動方向の最大変位をこえて出力軸２８を変位させる場合においても、 出力軸２８を連続的に移動することができる。

【００３１】 また、本実施例の圧電式微小送り装置１０では、駆動端部２４、２５が出力軸 ２８と接触したり離脱する際にも、出力軸２８を微小送りできるため、駆動端部 ２４、２５と出力軸２８の接触、離脱による出力軸２８のずれを、送り動作によ って補正することができ、尺取り虫方式の微小送り装置において問題となるステ ップノイズの発生を防止することができる。

【００３２】 なお、本実施例では、駆動電圧印加装置３２の駆動電圧によって、駆動端部２ ４、２５の一方によって出力軸２８を微小送りしている途中に、駆動端部２４、 ２５の他方を出力軸２８の送り方向と反対方向へ移動して出力軸２８を連続的に 微小送りするようにしたが、これに代えて、駆動電圧印加装置３２の駆動電圧を 駆動端部２４、２５の一方が出力軸２８と離れる場合のみ、駆動端部２４、２５ の他方を出力軸２８と当接させるようにしても良く。この場合には、出力軸２８ の移動は断続的となるが、常に駆動端部２４と駆動端部２５との内の少なくとも 一方が出力軸２８に当接した状態で出力軸２８を微小送りするため、出力軸２８ を圧電素子２０、２２の駆動方向の最大変位の範囲を超えて変位する場合におい ても、出力軸２８の持ちかえ時に、出力軸２８の位置変動が抑制されてステップ ノイズの発生を防止することができる。

【００３３】

【考案の効果】

本考案は上記構成としたので、圧電素子の駆動方向の最大変位の範囲を超えて 被駆動体を変位させる場合に、ステップノイズの発生を防止することができると いう優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例の圧電式微小送り装置の構成
を示す図である。

【図２】本考案の一実施例の圧電式微小送り装置の第１
の微小送り装置の動作説明図である。

【図３】（Ａ）〜（Ｈ）は本考案の一実施例の圧電式微
小送り装置の動作説明図である。

【図４】本考案の一実施例の圧電式微小送り装置の各圧
電素子に印加する駆動電圧を示す図である。

【符号の説明】

１０ 圧電式微小送り装置 １２ 第１の微小送り装置 １４ 第２の微小送り装置 ２０ 圧電素子 ２２ 圧電素子 ２４ 駆動端部 ２５ 駆動端部 ２６ ベース ２８ 出力軸 ３０ リニアベアリング（ガイド機構） ３２ 駆動電圧印加装置

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 被駆動体となる出力軸と、該出力軸の移
   動方向をガイドするガイド機構と、前記出力軸を挟んで
   配置された少なくとも一対の駆動端部と、互いに交差し
   前記駆動端部の一方に一端を連結され他端をベースに連
   結された二つの圧電素子から成る第１の微小送り装置
   と、互いに交差し前記駆動端部の他方に一端を連結され
   他端をベースに連結された二つの圧電素子から成る第２
   の微小送り装置と、前記第１の微小送り装置と前記第２
   の微小送り装置とに駆動電圧を印加して前記駆動端部の
   一方によって前記出力軸を所定速度で微小送りしている
   途中に他方を前記出力軸の送り方向と反対方向へ前記所
   定速度より速い速度で移動して前記出力軸を連続的に微
   小送りする駆動電圧印加手段と、を備えたことを特徴と
   する圧電式微小送り装置。
2. 【請求項２】 被駆動体となる出力軸と、該出力軸の移
   動方向をガイドするガイド機構と、前記出力軸を挟んで
   配置された少なくとも一対の駆動端部と、互いの変位方
   向の交差角が９０度より小さい角度をもつて交差し前記
   駆動端部の一方に一端を連結され他端をベースに連結さ
   れた二つの圧電素子から成る第１の微小送り装置と、互
   いの変位方向の交差角が９０度より小さい角度をもつて
   交差し前記駆動端部の他方に一端を連結され他端をベー
   スに連結された二つの圧電素子から成る第２の微小送り
   装置と、前記第１の微小送り装置と前記第２の微小送り
   装置とに駆動電圧を印加して常に前記駆動端部の少なく
   とも一方が前記出力軸に当接した状態で前記出力軸を微
   小送りする駆動電圧印加手段と、を備えたことを特徴と
   する圧電式微小送り装置。