JPH07191756A - 微動駆動装置及びそれを用いた情報記録及び／又は再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 一対の圧電素子を用いた微動駆動機構におけ
る固有振動数を上げて、高速で正確な微動駆動を行なわ
せる。 【構成】 可動部の駆動方向の前後に、電極配置方向が
互いに一致している一対の圧電素子を取付け、該一対の
圧電素子に電圧を印加して駆動方向に互いに伸縮させて
可動部を駆動する微動駆動機構において、一対の圧電素
子にそれぞれ印加する駆動電圧の位相をずらすことによ
って駆動方向の張力を増大させることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば走査型トンネル
顕微鏡や精密な位置制御が要求される機器に好適に適用
し得る微動駆動装置及びそれを用いた情報記録及び／又
は再生装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から知られている微動駆動装置は、
図８に示されているように、分極処理をした１対の同特
性の圧電素子１ａ，１ｂを順方向に直列させることによ
り、可動部２を挟設してなる微動駆動機構を構成し、両
圧電素子１ａ，１ｂに同じ大きさの順方向バイアス電圧
Ｖ_B を印加して同量だけ伸長させると共に、それぞれに
１つの駆動信号を出力極性が相反する２つの増幅器３
ａ，３ｂにより増幅して、得られる互いに逆相の駆動電
圧を重畳させることによって、２つの圧電素子１ａ，１
ｂの伸長量が互いに逆方向となるように増減し可動部２
を移動させている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この様な微動駆動装置
の駆動速度の限界は、微動駆動機構の固有振動数によっ
て制限されているが、分極処理した１対の同特性の圧電
素子を可動部に対し直列に配置し、２つの圧電素子を互
いに逆方向に伸長させて駆動する微動駆動機構では、２
つの圧電素子が可動部の駆動方向に及ぼす力（これを軸
力と称する）が、固有振動数を決定する最も大きな要因
の１つになっている。

【０００４】この軸力と固有振動数の関係にはほぼ比例
関係があり、軸力が高くなるほど固有振動数は上昇す
る。

【０００５】しかしながら上述の従来例では、分極処理
した１対の同特性の圧電素子を可動部に対し直列に配置
し、２つの圧電素子を互いに逆方向に同量だけ同時に伸
長させているため、可動部にかかる軸力が一定になり、
固有振動数をある程度以上に上昇させることができな
い。

【０００６】軸力を上昇させるには、圧電素子の両端に
印加される電圧を増加させれば良いが、圧電素子の耐電
圧以上を印加することはできず、従って固有振動数の上
昇にも限界がある。

【０００７】本発明の目的は、従来の微動駆動機構の可
動部と圧電素子の位置関係を変えずに、可動部にかかる
軸力を上昇させることによって上述の従来方法の欠点を
解消し、剛性が高く、正確な微動駆動が行える微動駆動
装置及びそれを用いた情報記録及び／又は再生装置を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、可動部の駆動方向の前後に、それぞれ
の電極配置方向を互いに一致させて１対の圧電素子を取
付け、該１対の圧電素子の伸縮を印加する駆動電圧によ
って互いに逆動作させる微動駆動機構において、前記駆
動電圧の位相をずらせて印加する手段を備えることを特
徴とする。

【０００９】また、可動部の第１の駆動方向の前後に、
それぞれの電極配置方向を互いに一致させて取付けた第
１の１対の圧電素子と、該第１の１対の圧電素子のそれ
ぞれの外側部分を支持する支持体と、該支持体の第１の
駆動方向とは異なる第２の駆動方向の両側に、それぞれ
の電極配置方向を互いに一致させて取付けた第２の１対
の圧電素子と、前記第１，第２のそれぞれ１対の圧電素
子の伸縮を印加する駆動電圧によって互いに逆動作させ
る２軸微動駆動機構において、前記駆動電圧の位相をず
らせて印加する手段を備えることを特徴とする。

【００１０】さらに、情報記録媒体を支持する支持部
と、前記情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再
生を行うためのプローブ電極と、該プローブ電極を前記
情報記録媒体に相対的に走査する微動駆動手段を具備す
る情報記録及び／又は再生装置において、前記微動駆動
手段として前記の微動駆動装置を用いることを特徴とす
る。

【００１１】

【作用】可動部の駆動方向の前後に、取付けられる１対
の圧電素子それぞれに、駆動量の減少を招くことのない
範囲で位相差のある駆動電圧を印加することで、可動部
に作用する軸力を容易に上昇させることができ、微動駆
動機構の固有振動数を高めることができる。

【００１２】

【実施例】本発明の原理を図１〜図２を用いて説明す
る。

【００１３】図１は本発明の微動駆動装置の原理的な説
明図であり、ガイド機構１１に摺動可能に取りつけられ
た可動部１２の両側には圧電素子１３ａ、１３ｂが取り
つけられ、例えば何れも中央に負極が現れるように分極
処理されている。

【００１４】このように配置された微動駆動機構は、例
えば圧電素子１３ａ、１３ｂの負極側電極を基準電位に
接地すると共に、他方の正極側電極に増幅器１５からの
駆動電圧を印加する。そしてどちらか一方の圧電素子の
正極側電極と増幅器１５との間に、駆動電圧の位相を遅
らせるための遅延回路１８を設ける。本説明では圧電素
子１３ｂの正極側電極と増幅器１５との間に遅延回路１
８を設けた。

【００１５】図２（ａ）は圧電素子１３ａ、（ｂ）は圧
電素子１３ｂにそれぞれ印加される駆動電圧の時間変化
を示したもので、電圧Ｅ／２を中心にして、電圧０から
電圧Ｅまでの間で変化する正電圧である。

【００１６】圧電素子１３ｂに印加される電圧は、遅延
回路１８により圧電素子１３ａに印加される電圧波形と
同形であり、位相をπだけずらしてある。

【００１７】駆動電圧波形として、駆動電圧波形の交流
成分のｄｕｔｙ比（図２のＴ２に対するＴ１の値）が１
でないような波形を選択している。

【００１８】駆動電圧波形を前述のように選択し、更に
位相を非同期にすることで、圧電素子１３ａ、１３ｂの
変位量は互いに同期せず、図２（ｃ）に示されるように
ｄｕｔｙ比が１（Ｔ１＝Ｔ２）の時の軸力（ｆ０）より
も可動部に作用する軸力が最大△ｆだけ高くなる。その
際の軸力ｆ１は（Ｔ１＋Ｔ２）／２周期で増減する。以
下実施例により本発明を具体的に説明する。

【００１９】実施例１ 本実施例では駆動電圧として図２（ａ）に示されるＥ＝
１００Ｖ、Ｔ１＝１２０ｍｓ、Ｔ２＝８０ｍｓとした駆
動電圧波形を圧電素子１３ａに印加した。圧電素子１３
ｂには遅延回路１８により同形でπだけ位相がずれてい
る駆動電圧波形が印加される。

【００２０】本実施例では駆動波形の交流成分のｄｕｔ
ｙ比が１である波形を、πだけ位相をずらして各々の圧
電素子に印加した場合の軸力ｆ０が１００ｋｇｆなのに
対し、本発明の手段をこうじることにより軸力は最大５
０ｋｇｆ増加した。

【００２１】従って、軸力が高くなった分、微動駆動機
構の固有振動数が上昇する。

【００２２】本実施例では、圧電素子として積層型の圧
電素子を用いた。

【００２３】図３は、本実施例による可動部１２がガイ
ド機構１１に対する変位量を、非接触式の静電容量セン
サーを用いて測定した結果である。

【００２４】駆動電圧の波形を図２のようなものに選ぶ
ことにより、位相をずらす前と同量の変位量（この例で
は５μｍ）を得ることができる。

【００２５】このように本実施例では、圧電素子に印加
される電圧の位相をずらすことにより、可動部に働く軸
力を変更できるので、微動駆動機構の固有振動数を上昇
させることができ、高速で正確な可動部１２の駆動を実
現することができる。

【００２６】なお、上記の配線のまま圧電素子１３ａ、
１３ｂの可動部１２に対する左右関係を逆転させても駆
動可能であり、この場合には可動部１２の駆動方向が上
記の場合とは逆になる。

【００２７】本実施例では駆動電圧波形として図２
（ａ）に示される波形を用いたが、これはなんら制限さ
れるものでなく、駆動波形の交流成分のｄｕｔｙ比が１
以外であればよく、図４、５に示されるような波形でも
構わない。

【００２８】実施例２ 図６は第２の実施例の構成図である。図６において、弾
性ヒンジばね１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄからなる
ガイド機構により、図面左右方向に移動可能とされた可
動部１２は、第１の枠体１７の中央に配置されており、
可動部１２と枠体１７の左右の間隙に配置された例えば
感度０．１（μｍ／Ｖ）の圧電素子１３ａ，１３ｂは、
それぞれに例えば５０（Ｖ）の電圧がかけられた際に、
５（μｍ）ずつ伸長するようにされている。

【００２９】また、第１の枠体１７の外側には第２の枠
体１９が配置され、第１の枠体１７は弾性ヒンジばね１
１ｅ，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈからなるガイド機構によ
って第２の枠体１９から図面の上下方向に移動可能に支
持され、上下の間隙に設けられた圧電素子１３ｃ，１３
ｄにより枠体１７、可動部１２を図面の上下方向に相対
的に駆動可能とされている。なお、圧電素子１３ｃ，１
３ｄを駆動する制御回路は、図示した圧電素子１３ａ，
１３ｂを駆動する回路と全く同じ構成になっており、複
雑化を避けるために図示を省略している。

【００３０】上述の構成で、圧電素子１３ａ，１３ｂに
対して、図２に示されているような波形で振幅が１０Ｖ
_PPの駆動信号を増幅器１５を通して１０倍にし、圧電素
子１３ａにはそのまま、圧電素子１３ｂには遅延回路１
８により位相をπだけずらして印加される。

【００３１】各々の圧電素子は駆動電圧の波形に伴って
伸縮しようとするが、可動部１２の前後に圧電素子が位
置しているので、波形通りには伸縮できず、その分、軸
力として可動部１２に加わることになる。この結果、微
動駆動機構の固有振動数が上昇する。

【００３２】なお、圧電素子１３ｃ，１３ｄについても
同様な駆動制御により、可動部１２を上下方向に微動す
ることができる。

【００３３】このように本実施例では、圧電素子に印加
される電圧の位相をずらすことにより、固有振動数を上
昇させることができ、増幅器１５に入力される駆動電圧
の位相を遅延回路１８で位相をπ遅らせることにより、
Ｘ方向の固有振動数が５．６ｋＨｚから６．１ｋＨｚ
に、またＹ方向は２．６ｋＨｚから３．０ｋＨｚへと１
０％程度上昇させることができた。固有振動数は、可動
部の変位量を静電容量センサーで測定し、スペクトラム
アナライザで解析することにより算出した。

【００３４】なお、以上何れの場合においても、駆動電
圧が各々の圧電素子の耐圧を超過したり、圧電素子１３
ａ，１３ｂに分極方向と逆の電界が印加することがない
ように制限することが、圧電素子１３の劣化を防止する
上で望ましい。

【００３５】実施例３ 図７は第３の実施例である情報記録及び／又は再生装置
のブロック線図であり、同図において２１はマイクロメ
カニクス技術で作成された複数のプローブ電極、２２は
複数のプローブ電極をＺ方向に微動させる機構であるＺ
方向微動機構２３にセットするためのプローブ電極アタ
ッチメント、２４は複数のプローブ電極をＺ方向に粗動
させるＺ方向粗動機構である。２５は記録媒体で、２５
１はガラスを研磨して得られた基板、２５２は基板２５
１の上にＣｒ（下引き層）とＡｕを真空蒸着法により形
成した下地電極、２５３はグラファイト（ＨＯＰＧ）の
記録層である。記録層２５３は下地電極２５２の上に導
電性接着剤で接着され、記録層表面の記録再生領域はへ
き開により原子オーダで平滑になっている。２６は記録
媒体２５をＸＹ方向に微動させるＸＹ方向微動機構、２
７は記録媒体２５をＸＹ方向に粗動させるＸＹ方向粗動
機構である。２８は記録再生装置との接続を行なうイン
ターフェースであり、書込み読出し情報の入出力、ステ
ータスの出力、制御信号の入力、アドレス信号の出力を
行なう。２８０は記録再生装置内の各ブロック間の相互
作用の集中制御を行なう制御回路、２８１は書込み読出
し情報（データ）を制御回路２８０からの指示により書
込んだり読出したりする書込み読出し回路、２８２は書
込み読出し回路からの指令信号で複数のプローブ電極２
１と記録媒体２５との間に書込み用のパルス状電圧を印
加してデータを書込んだり、読出し用の電圧を印加する
電圧印加回路、２８３は記録・再生時に複数のプローブ
電極２１と記録媒体２５との間に流れる電流を検出する
トンネル電流検出回路、２８４は制御回路２８０などの
指示によりトンネル電流検出回路２８３や位置検出回路
２８８の信号を基に複数のプローブ電極２１や記録媒体
２５の位置を決定する位置決め回路、２８５は位置決め
回路２８４からのサーボ信号を基に複数のプローブ電極
２１や記録媒体２５の位置をサーボするサーボ回路、２
８６はサーボ回路２８５の信号に従い複数のプローブ電
極２１のＺ方向微動・粗動機構２３，２４を駆動するＺ
方向駆動回路、２８７はサーボ回路２８５の信号に従い
記録媒体２５のＸＹ方向微動・粗動機構２６，２７を駆
動するＸＹ方向駆動回路である。

【００３６】本図では制御回路２８０、書込み読込み回
路２８１、電圧印加回路２８２、トンネル電流検出回路
２８３は１つしか記載されていないが、実際には複数の
プローブ電極の数だけ使用する。

【００３７】次に、情報記録再生装置の動作を説明す
る。複数のプローブ電極２１は記録媒体２５との接触を
避けるために、初期位置は稍々上方にあり、使用時には
Ｚ方向微動・粗動機構２３，２４によって記録媒体２５
に接近される。この時、電圧印加回路２８２により２０
０（ｍＶ）の読取電圧をプローブ電極２１と記録媒体２
５の下地電極２５２の間に印加しておき、トンネル電流
検出回路２８３で検出される電流が１００（ｐＡ）にな
るまで接近させ、Ｚ方向微動・粗動機構２３，２４を保
持し、その後にＸＹ方向微動機構２６を用いて記録媒体
２５上を走査して記録再生を行う。記録は記録媒体２５
の記録領域上を１列ずつ複数のプローブ電極２１で走査
しながら制御回路２８０で指令された書き込み位置で電
圧印加回路２８２よりパルス状電圧を印加することによ
り行われる。このパルス状電圧はパルス高さ４（Ｖ）、
パルス幅１（μｓ）であり、電圧を印加されたグラファ
イト膜の表面が凹状に変化するための閾値である。

【００３８】再生は、電圧印加回路２８２より複数のプ
ローブ電極２１と下地電極２５２の間に２００（ｍＶ）
の読み取り電圧を印加しながら、ＸＹ方向微動機構２６
を用いてプローブ電極２１で記録領域を走査し、トンネ
ル電流検出回路２８３での電流の変化から読み取りを行
う。

【００３９】この装置は記録再生装置であったが、記録
のみ又は再生のみの装置であってもよいことは言うまで
もない。また、書き込み読み出しの条件は上記実施例に
限定されることはなく、記録媒体２５側に設けたＸＹ方
向微動機構・粗動機構２６，２７は、プローブ電極２１
側に設けてもよい。

【００４０】この情報記録及び／又は再生装置のＸＹ方
向微動機構に前述の微動駆動装置を用いたところ、高速
書き込み、読み出しが可能になった。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明にかかわる微
動駆動装置及びそれを用いた情報記録及び／又は再生装
置は、可動部を挟む１対の圧電素子によって可動部に加
えられる軸力を増加させることができるので、装置の固
有振動数を上昇させることができ、高速で精密な微動駆
動を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理的説明図。

【図２】（ａ）本発明を説明する圧電素子に印加される
電圧の波形図。（ｂ）本発明を説明する圧電素子に印加
される位相をずらした電圧の波形図。（ｃ）本発明を説
明する軸力の増加を示すグラフ。

【図３】第１の実施例の可動部の変位量を示すグラフ。

【図４】第１の実施例の圧電素子に印加される他の電圧
の波形図。

【図５】第１の実施例の圧電素子に印加される他の電圧
の波形図。

【図６】第２の実施例による微動駆動装置の構成図。

【図７】第３の実施例による記録再生装置のブロック回
路構成図。

【図８】従来の微動駆動装置の説明図。

【符号の説明】

１１ ガイド機構 １１ａ〜１１ｈ 弾性ヒンジばね １２ 可動部 １３ａ〜１３ｄ 圧電素子 １５ 増幅器 １７，１９ 枠体 １８ 遅延回路 ２１ プローブ電極 ２５ 記録媒体 ２６ ＸＹ方向微動機構

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 41/09 (72)発明者 川瀬 俊光 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可動部の駆動方向の前後に、それぞれの
   電極配置方向を互いに一致させて１対の圧電素子を取付
   け、該１対の圧電素子の伸縮を印加する駆動電圧によっ
   て互いに逆動作させる微動駆動機構において、前記駆動
   電圧の位相をずらせて印加する手段を備えることを特徴
   とする微動駆動装置。
2. 【請求項２】 可動部の第１の駆動方向の前後に、それ
   ぞれの電極配置方向を互いに一致させて取付けた第１の
   １対の圧電素子と、該第１の１対の圧電素子のそれぞれ
   の外側部分を支持する支持体と、該支持体の第１の駆動
   方向とは異なる第２の駆動方向の両側に、それぞれの電
   極配置方向を互いに一致させて取付けた第２の１対の圧
   電素子と、前記第１，第２のそれぞれ１対の圧電素子の
   伸縮を印加する駆動電圧によって互いに逆動作させる２
   軸微動駆動機構において、前記駆動電圧の位相をずらせ
   て印加する手段を備えることを特徴とする２軸微動駆動
   装置。
3. 【請求項３】 前記駆動電圧波形の交流成分のｄｕｔｙ
   比が１以外であることを特徴とする請求項１又は２記載
   の微動駆動装置。
4. 【請求項４】 前記１対の圧電素子に印加される駆動電
   圧の位相差が、πであることを特徴とする請求項１又は
   ２記載の微動駆動装置。
5. 【請求項５】 情報記録媒体を支持する支持部と、前記
   情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う
   ためのプローブ電極と、該プローブ電極を前記情報記録
   媒体に相対的に走査する微動駆動手段を具備する情報記
   録及び／又は再生装置において、前記微動駆動手段とし
   て請求項１又は２記載の微動駆動装置を用いることを特
   徴とする情報記録及び／又は再生装置。