JPH07249802A

JPH07249802A - 密封式超精密微動装置

Info

Publication number: JPH07249802A
Application number: JP6037171A
Authority: JP
Inventors: Mutsuo Munekata; 睦夫宗片; Susumu Matsuno; 晋松野; Koji Kawasaki; 浩二川崎; Shoichi Ono; 昭一小野
Original assignee: Chichibu Onoda Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1994-03-08
Filing date: 1994-03-08
Publication date: 1995-09-26
Anticipated expiration: 2018-01-14
Also published as: JP3367003B2

Abstract

(57)【要約】【目的】予圧力の調整ができるようにするとともに、圧
電素子の破損を防止する。【構成】圧電素子１の両端にそれぞれ支持板２、３を設
け、該両支持板間に金属ベローズ１５を張設して前記圧
電素子を密封した超精密微動装置であって；前記圧電素
子１と金属ベローズ１５との間に予圧支柱２０を設け、
該予圧支柱２０を前記両支持板により保持し、該予圧支
柱２０に予圧力調整手段１５ａ，２６を設け、該圧電素
子１の先端に半球５を設け、前記支持板に該半球５の受
部６を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光ファイバ用接合装
置、磁気ヘッド加工用ダイシング装置、半導体用露光装
置などのＸＹステージに装着され、微小移動させるため
の密封式超精密微動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信の高度化に伴い長距離伝送
しても損失が低い光ファイバが要求されるが、この様な
光ファイバを作るためには、光ファイバのコア同士を接
合する時にサブミクロン領域（１μｍ以下）の位置決め
精度が必要となる。

【０００３】そこで、この要求を満たすために次のよう
な精密位置決め装置が用いられている。即ち、有底筒体
内に圧電素子を収納し、その先端に出力軸を固着すると
ともに、該出力軸を前記筒体先端に被せたキャップから
摺動自在に突出させ、該キャップと出力軸のばね係止部
との間にコイルばねを介在せしめた精密位置決め装置。
（特開平４ー１６５６８３号参照）

【０００４】従来の位置決め装置では、圧電素子の出力
部材がキャップを貫通する構造となっているので、軸摺
動部の密封が完全でなく長期間の高湿環境では空気中の
水蒸気の侵入を遮断できない。そのため、圧電素子がシ
ョートすることがある。

【０００５】そこで、圧電素子が金属ケースと金属部材
及びガラス端子によって封止された圧電アクチュエータ
が用いられている（特開平２ー１９６４７９号参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来例の圧電アクチュ
エータは出力軸方向に伸縮できる構造にするため金属ケ
ースの一部をへら加工などにより硬いばね性を持たせて
いる。しかし、この金属ケースを正確に所定のばね定数
に加工するのは困難であるため、圧電素子に加えられる
予圧力が設定値にならないことがある。又、予圧力が設
定値となったとしても、圧電素子を圧縮もしくは伸長し
ながら、ばね力を調整することができないので、所定の
ばね定数に設定することが極めて難しい。

【０００７】更に、この装置では、大きな変位量をとる
ため細長い構造の金属ケースになるとともに、出力軸が
圧電素子と全面で直接接着されているため、次のような
問題がある。（1）この装置をステージに装着して、重量物駆動や高
速駆動をしようとすると、出力軸に引っ張り力が加わ
り、圧電素子が引っ張り力を受けて破損する。

【０００８】（2）出力軸の先端とステージをネジ等で
螺着する際に出力軸に回転力が加わり、圧電素子が曲げ
力を受けるので、圧電素子は破損する。（3）重量物を載せ、ｘｙ軸方向に高速駆動すると、出
力軸に対して平行でない曲げ力が加わるため圧電素子が
破損する。

【０００９】この発明は前記事情に鑑み、予圧力の調整
ができるようにすることを目的とする。他の目的は圧電
素子の破損を防止することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、圧電素子の
両端にそれぞれ支持板を設け、該両支持板間にベローズ
を張設して前記圧電素子を密封した超精密微動装置であ
って；前記圧電素子とベローズとの間に設けられ、か
つ、前記両支持板により保持されている予圧支柱と；該
予圧支柱に設けられた予圧力調整手段と；前記支持板と
前記圧電素子の少なくても一端との間に設けられ、か
つ、半球と受部とからなるボールジョイントと；を備え
ること、により前記目的を達成しようとするものであ
る。

【００１１】

【作用】予圧力調整手段により予圧力を所定値にセット
する。その後、圧電素子に電圧を印加すると、該圧電素
子が急激に伸びボールジョイントを介して圧電素子の先
端側の支持板を移動させる。その後、電圧をゼロにする
と該圧電素子はゆっくりと元の状態に戻る。

【００１２】この時、該支持板に引っ張り応力が加わっ
ても、圧電素子には予圧力が加えられているので破損す
ることがない。又、該支持板に予圧力以上の引っ張り力
が加わると、ボールジョイントの半球と受部とが離れる
ので、その引っ張り力は圧電素子に伝達されない。

【００１３】更に、該支持板に変位方向と異なる方向の
力が加わってもボールジョイントの球部と受部とによ
り、その力は吸収され圧電素子には伝達されない。

【００１４】

【実施例】この発明の第１実施例を図１〜図４により説
明する。圧電素子１の両端に支持板２、３を設ける。該
圧電素子１は、圧電、電歪、磁歪などの素子を指称し、
変位方向Ａ１に直列に接続されている。この圧電素子１
の個数は必要に応じて適宜選択される。

【００１５】この圧電素子１として、例えば、プラスと
マイナスの内部電極が交互に積層し、圧電セラミック電
極が一体焼成され、圧電素子端面の外部電極で直列につ
ないだ積層型圧電素子が用いられ、予め高い直流電圧、
例えば、３ｋｖ／ｍｍで分極処理されている。

【００１６】圧電素子１の先端１ａと第１支持板２はボ
ールジョイント４を介して接続されている。このボール
ジョイント４は圧電素子１の先端１ａに接続された半球
５と第１支持板２に形成された断面Ｖ字状の受部６とか
ら構成されている。この半球５が小さい時には、別途補
助部材を設け、この補助部材の表面に該半球５を固着
し、該補助部材の裏面を圧電素子１の先端に固着しても
よい。

【００１７】この第１支持板２の先端には出力部材７が
接着剤等により固定されている。この出力部材７の内側
中央には第１支持板２の位置合せ穴２ａに嵌着されるセ
ンタピン７ａが設けられ、又、その外側にはテーブル等
が螺着されるタップ１０が設けられている。

【００１８】第２支持板３は、取付フランジ１１の凹部
１１ａの段部１１ｂに載置され、その上面を取付部材１
２により押圧されている。この凹部１１ａの底面には回
り止め孔１１ｃが形成されている。

【００１９】出力部材７と取付部材１２との間には圧電
素子１を密封する金属ベローズ１５が張設されている。
これらの部材７、１２と金属ベローズ１５との接続は電
子ビームやプラズマ溶接等により行われる。この金属ベ
ローズ１５の下部側に蛇行ばね部１５ａが設けられてい
るが、この蛇行ばね部１５ａの長さ、位置及びばね定数
は必要に応じて適宜選択される。この金属ベローズ１５
のばね定数は、例えば、１ｋｇ／ｍｍ以下に設定され
る。

【００２０】金属ベローズ１５と圧電素子１との間に
は、燐青銅、ステンレス、真鍮等のばね材で形成された
予圧支柱２０が配設されている。この支柱２０は図２、
図３に示す様に、上端部２０ａ、及び下端部２０ｂにね
じ部２１を有し、その中央部に蛇行ばね部２２を備えて
いるが、このばね部２２の位置、ばね定数及びその長さ
Ｍは必要に応じて適宜選択される。

【００２１】この予圧支柱２０は、例えば、断面円形状
であり、その全長Ｌは直径Ｄの５倍以上に形成され、例
えば、径Ｄ＝２、０ｍｍ、長さＬ＝５３、９ｍｍ、蛇行
ばね部２２ａの長さＭ＝２４ｍｍが選ばれる。この予圧
支柱２０の断面は必ずしも円形である必要はなく、例え
ば、角形であってもよい。又、蛇行ばね２２の代わり
に、図１１に示すように予圧支柱２０の中間部に、中空
部２２ｂを有する節部２２ａを形成してもよい。

【００２２】この予圧支柱２０の先端２０ａは第１支柱
板２に固定されている固定ナット２５に螺着され、又、
その後端２０ｂは第２支柱板３から突出している。この
後端２０ｂのねじ部２１には予圧力を調整するための調
圧ナット２６が螺着されている。この後端２０ｂは自由
に回転するのを防止するため回り止め孔１１ｃに嵌め込
まれる。

【００２３】予圧支柱２０は図４に示す様に、圧電素子
１の中心軸１ｃを挟んで左右対称に配設されているが、
必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、中心
軸１ｃを中心とする円上に９０度づつ間隔をおいて４本
配設しても良い。

【００２４】取付フランジ１１には、絶縁ガラスで覆わ
れた電流導入端子３０が設けられており、該電流導入端
子３０は取付フランジ１１とガラス融着されている。

【００２５】取付フランジ１１の凹部１１ａ内に突出す
る電流導入端子３０の先端は、圧電素子１のプラスとマ
イナスの各リード線３１に半田接合され、熱収縮チュー
ブで被覆され、又、取付フランジ１１の外方に突出する
電流導入端子３０の後端は、破水性の樹脂を埋め込み高
温環境下で結露しないように被覆されている。

【００２６】この装置は密封構造となっている。即ち、
金属ベローズ１５と出力部材７及び取付部材１２が電子
ビーム又はプラズマ溶接されており、取付フランジ１１
の電流導入端子３０はガラス融着処理されており、取付
部材１２と取付フランジ１１はＯリング３２又はメタル
シールにより完全に密封されている。なお、図におい
て、３５は取付部材１２と取付フランジ１１とを固定す
るボルトである。

【００２７】次に、この実施例の作動について説明す
る。回転ピッチの調整できる締め付具を用いて調圧ナッ
ト２６を回して予圧支柱２０の引っ張り力を調整し、圧
電素子１に所定の予圧（圧縮力）を加える。

【００２８】この予圧支柱２０のばね定数は、例えば、
圧電素子形状が長さ５ｍｍ、幅７ｍｍ、の場合、複数本
で２０〜１５０ｋｇ／ｍｍになる様に調整されており、
圧電素子１には、例えば、１０〜１２０ｋｇｆの圧縮力
が加えられる。なお、圧電素子１に加わる圧縮力が変位
量に及ぼす影響、即ち、効率＝圧縮後の変位量／無負荷
の変位量、を実験したところ、図８の結果を得た。この
実験では、長さ５ｍｍ、幅７ｍｍ、高さ９ｍｍの圧電素
子を用いたが、この場合２００ｋｇｆの圧縮力まで効率
１００％であることがわかった。

【００２９】出力部材７のタップ１０に図示しないテー
ブルを螺着し、該テーブルに被移動物を載置する。この
時、出力部材７に固着されている第１支持板２に回転力
が加わるが、その回転力はボールジョイント４の半球５
と受部６とにより吸収され、圧電素子１に伝達されるこ
とはない。

【００３０】又、予圧支柱２０の下方の後端２０ｂは、
回り止め孔１１ｃに嵌着されているので、該予圧支柱２
０が自在に回転することはない。

【００３１】圧電素子１に所定の電圧、例えば、１４０
Ｖを印加すると、該圧電素子１は、予圧支柱２０の圧縮
力に打ち勝ちながら矢印Ａ方向に伸長する。この時の伸
び量は、例えば、４０μｍである。

【００３２】この圧電素子１の伸長により第１支持板２
及び出力部材７が矢印Ａ方向に移動し、被移動物を同方
向に微動させる。この出力部材７の移動に伴い金属ベロ
ーズ１５は伸びるが、予圧支柱２０より軟らかいばね定
数（１ｋｇ／ｍｍ以下）に設定されているので、出力部
材７の円滑な移動を阻害する程度の大きな抵抗となるこ
とはない。

【００３３】圧電素子１の印加電圧をゼロにすると、該
圧電素子１はゆっくりと元の長さに戻る。この時、圧電
素子１は支柱板２、３により圧縮力、即ち予圧を受けて
いるので、出力部材７に該圧縮力より小さな引っ張り力
が加わっても圧電素子１は両支柱板２、３から離れるこ
とはない。即ち、これら１、２、３、７はあたかも一体
物の如き状態で変位するのである。そのため、圧電素子
１がこの引っ張り力の影響を受けることはない。

【００３４】出力部材７に加わる引っ張り力が前記圧縮
力より大きな場合は、第１支持板２に形成されている受
部６と圧電素子１に固着されている半球５とが離れる。
そのため、圧電素子１に引っ張り力が加わることはな
い。

【００３５】該装置に圧電素子１の変位方向Ａ１と異な
る方向、例えば矢印Ａ２方向からの力が加わると、該力
は金属ベローズ１５を変位させるが、ボールジョイント
４の半球５と受部６とにより吸収されるので圧電素子１
に伝達されることはない。

【００３６】尚、この装置は、前述のように密封構造に
し、空気中の水蒸気、粉塵等を完全に遮断するようにし
たことも特徴の一つである。

【００３７】上記実施例のボールジョイント４は、図
５、図６の様に構成しても良い。図５は、第１支持板２
に半球１０５を接着剤で固着し、半球状凹部１０６を有
する受部部材１０７を圧電素子１の先端１ａに接着剤で
固着したものである。

【００３８】図６は、両支持板２、３にそれぞれ半球状
凹部２０６を形成し、圧電素子１の両端１ａ、１ｂにそ
れぞれ半球２０５を接着剤で固着したものである。

【００３９】この発明の第２実施例を図７により説明す
るが、第１実施例と同一図面符号はその名称も機能も同
一である。この実施例と第１実施例との相違点は次の通
りであるが、第一実施例と同様の効果を得られることは
勿論である。（1）予圧支柱１２０は円柱体で蛇行ばね部が設けられ
ておらず、第２支柱板３と調圧ナット２６との間に皿ば
ね２００が介在していること。

【００４０】（2）ボールジョイントが、圧電素子１の
先端１ａに接着剤で固着された半球５と、第１支柱板２
に形成された半球状凹部１０６とから構成されているこ
と。（3）金属ベローズ１１５はその全長にわたって蛇行ば
ね部１１５ａが形成されていること。

【００４１】

【発明の効果】この発明は以上の様に構成したので、次
の如き顕著な効果を奏する。（1）圧電素子とベローズとの間に予圧支柱を設け、該
予圧支柱を前記両支持板により保持するとともに、該予
圧支柱に予圧力調整手段を設けたので、従来例と異なり
圧電素子に加える予圧力を任意に調整することができ
る。そのため、圧電素子に加えられる圧縮力を設計通り
にすることができる。

【００４２】又、支持板に固定された出力部材に引っ張
り力が加わっても、予圧力の範囲内では圧電素子に引っ
張り力が加わらない。そのため、圧電素子の破損を防止
することができる。

【００４３】（2）圧電素子の一端を半球と受部とから
なるボールジョイントを介して支持板に接続したので、
支持板に固定された出力部材に予圧力を超える引っ張り
力が加わった場合には、半球と受部とが離れる。そのた
め、圧電素子に引っ張り力が伝達されることがないの
で、圧電素子の破損事故を防止できる。

【００４４】ちなみに、図１０に示す耐久性試験装置を
用いて、本発明の装置Ｅとベローズに硬いばね性を持た
せた従来例の装置ｅとを比較したところ、図９の如き結
果を得た。この実験は長さ５ｍｍ、幅７ｍｍ、高さ６３
ｍｍ、の圧電素子を使い、本発明の装置Ｅの先端のタッ
プ１０と廻りを囲うようにして作った５００ｇの重りＷ
を直径３ｍｍのボルトＶで直接繋ぎ、圧電素子の変位方
向Ａ１と垂直に置き、室温、９０％湿度環境下におい
て、サイン波４０ＨＺで０〜１４０Ｖの電圧を印加し、
１０⁸回の試験を行った後の破損不良を調べたものであ
る。なお、図９において、３００は本発明の装置Ｅを固
定する基台である。

【００４５】図９から明らかな様に、本発明の装置Ｅで
は１０⁸回でも不良品は発生しないのに対し、従来例の
装置ｅでは、１０⁴回から不良品が発生し始め、１０⁸回
では６０％の不良率となる。このように本発明の装置Ｅ
は従来例の装置ｅに比べ大幅に不良率を減少させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す縦断面図である。

【図２】図１の予圧支柱の平面図である。

【図３】図１の予圧支柱の側面図である。

【図４】図１のIV-IV線断面図である。

【図５】他のボールジョイントを示す縦断面図である。

【図６】更に他のボールジョイントを示す縦断面図であ
る。

【図７】本発明の第２実施例を示す縦断面図である。

【図８】圧電素子の圧縮力と効率との関係を示す図であ
る。

【図９】本発明と従来例との不良率の比較図である。

【図１０】耐久実験装置を示す図である。

【図１１】他の実施例を示す図で、図３に相当する図で
ある。

【符号の説明】

１圧電素子２第１支持板３第２支持板４ボールジョイント５半球６受部７出力部材１１取付フランジ１２取付部材１５金属ベローズ１５ａ蛇行ばね部２０予圧支柱２６調圧ナット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小野昭一千葉県佐倉市大作２丁目４番２号小野田セメント株式会社中央研究社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子の両端にそれぞれ支持板を設け、
該両支持板間にベローズを張設して前記圧電素子を密封
した超精密微動装置であって；前記圧電素子とベローズ
との間に設けられ、かつ、前記両支持板により保持され
る予圧支柱と；該予圧支柱に設けられた予圧力調整手段
と；を備えていることを特徴とする密封式超精密微動装
置。
【請求項２】圧電素子の両端にそれぞれ支持板を設け、
該両支持板間にベローズを張設して前記圧電素子を密封
した超精密微動装置であって；前記圧電素子とベローズ
との間に設けられ、かつ、前記両支持板により保持され
ている予圧支柱と；該予圧支柱に設けられた予圧力調整
手段と；前記支持板と前記圧電素子の少なくても一端と
の間に設けられ、かつ、半球と受部とからなるボールジ
ョイントと；を備えていることを特徴とする密封式超精
密微動装置。
【請求項３】ボールジョイントの半球が、圧電素子の先
端に固定され、その受部が支持板に設けられていること
を特徴とする請求項２記載の密封式超精密微動装置。
【請求項４】ボールジョイントの半球が、支持板に固定
され、その受部が圧電素子の先端に設けられていること
を特徴とする請求項２記載の密封式超精密微動装置。
【請求項５】ボールジョイントが、圧電素子の両端と支
持板との間にそれぞれ設けられていることを特徴とする
請求項２記載の密封式超精密微動装置。
【請求項６】ボールジョイントの受部が、半球状凹部で
あることを特徴とする請求項２、３、４、又は、５記載
の密封式超精密微動装置。
【請求項７】ボールジョイントの受部が、断面Ｖ字状に
形成されていることを特徴とする請求項２、３、４、又
は、５記載の密封式超精密微動装置。
【請求項８】予圧力調整手段が、予圧支柱に形成された
蛇行ばね部と、支持板から突出する該予圧支柱のねじ端
部と、該ねじ端部に螺着される調圧ナットと、からなる
ことを特徴とする請求項１、又は２記載の密封式超精密
微動装置。
【請求項９】予圧力調整手段が、支持板から突出する予
圧支柱のねじ端部と、該ねじ端部に螺着される調圧ナッ
トと、該支持板と該調圧ナットとの間に介在する皿ばね
と、からなることを特徴とする請求項１、又は２記載の
密封式超精密微動装置。
【請求項１０】一方の支持板に出力部材が固着され、他
方の支持部材が取付部材と取付フランジとにより挟持さ
れていることを特徴とする請求項１、又は２記載の密封
式超精密微動装置。
【請求項１１】出力部材が、支持板の位置合せ穴に嵌合
するセンターピンを備えていることを特徴とする請求項
１０記載の密封式超精密微動装置。
【請求項１２】取付フランジが、予圧支柱の端部を挿入
せしめる回り止め孔を備えていることを特徴とする請求
項１０記載の密封式超精密微動装置。
【請求項１３】取付フランジに電流導入端子が硝子で融
着されており、電流導入端子の外側は破水性及び耐湿性
樹脂で覆い、その内側は圧電素子のリード線と半田結合
して接合部を熱収縮チューブで覆ったことを特徴とする
請求項１３記載の密封式超精密微動装置。