JPH09117165A

JPH09117165A - 微動装置

Info

Publication number: JPH09117165A
Application number: JP7290336A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Hoshino; 吉弘星野
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1995-10-12
Filing date: 1995-10-12
Publication date: 1997-05-02

Abstract

(57)【要約】【課題】微動装置において、装置の大型化を招くこと
なく、かつ単体で大きな変位と高精度な微小変位との両
立を可能とする。【解決手段】電圧を印加されることによって軸方向
（Ｚ軸方向）に伸縮すると共に軸方向に直交する平面に
含まれる方向（Ｘ軸とＹ軸の各方向）に変形する円筒型
圧電素子12と、円筒型圧電素子の内側空間に配置される
剛体部13とからなり、円筒型圧電素子と剛体部の各々の
軸方向を同じにして円筒型圧電素子と剛体部の各端部を
共通の端面部材11に固定し、円筒型圧電素子が標準の長
さにあるとき、円筒型圧電素子と剛体部の各端面が同一
面に位置するように構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は微動装置に関し、特
に、高倍率顕微鏡における観察部や観察対象物を移動さ
せるための移動機構、あるいは半導体検査装置の移動機
構に最適な微細変位を発生する微動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡のような高倍率顕
微鏡や、半導体検査装置等の分野では、数μｍまたはそ
れ以下の微細な変位を正確に得る微動運動を生じさせる
ことが必要となる。このような微動運動を発生させる機
構のアクチュエータとしては、圧電素子を利用したもの
が多く用いられてる。図９に従来のアクチュエータの代
表的な例を示す。

【０００３】図９（ａ）は、特開昭６１−２０９８４６
号公報に示された圧電素子アクチュエータを示す。この
アクチュエータでは、２つの剛体部７１，７２が２つの
平板部７３，７４で連結されており、各剛体部７１，７
２から突出した突起７５，７６間にロッド状の圧電素子
７７が配置されている。一方の剛体部７１を固定し、他
方の剛体部７２を自由にした構造において、圧電素子７
７に電圧を印加すると、平板部７３，７４が平行性を維
持して弾性変形し、他方の剛体部７２を並進変位させ
る。この構造を基本構造とし、他の同様な構造と組み合
わせることにより、２軸以上の変位を生じる微動装置を
構成することができる。

【０００４】図９（ｂ）は、特開昭６３−２３６９９２
号公報に示された圧電素子アクチュエータを示す。この
アクチュエータでは、円筒型圧電素子８１の内側面に共
通電極８２を設け、外側面に、Ｚ軸駆動用電極８３と、
周方向に４分割することにより形成されたＸ軸駆動用電
極８４およびＹ軸駆動用電極８５とが上下２段構成で設
けられている。円筒型圧電素子８１の一方の端面は固定
され、電極８２〜８５に所定の電圧を印加することによ
り、他方の端面に３軸方向の変位を発生させることがで
きる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の各微動装置は高
精度に微小変位を発生することができる。しかしなが
ら、これらの微動装置により得られる変位の大きさは、
圧電素子の持つ変位能力によって制限され、せいぜい数
μｍ〜数十μｍ程度である。従って、従来これらの微動
装置を例えば高倍率顕微鏡の試料テーブルとして用いる
場合には、大きな変位を発生する他の移動装置と組み合
わせることにより、大変位と高精度な変位との両立を図
ってきた。

【０００６】しかし、従来の装置構成を採用すれば、構
造の異なる少なくとも２つの移動装置を用いなければな
らず、このため、装置が大型化、かつ複雑化し、また高
価になるという問題があった。

【０００７】本発明の目的は、前述した従来の問題を解
決し、装置の大型化を招くことなく、かつ単体で大きな
変位と高精度な微小変位との両立を可能にする微動装置
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段および作用】第１の本発明
（請求項１に対応）に係る微動装置は、上記の目的を達
成するため、電圧を印加されることによって軸方向（Ｚ
軸方向）に伸縮すると共に軸方向に直交する平面に含ま
れる方向（例えばＸ軸とＹ軸の各方向）に変形する円筒
型圧電素子と、円筒型圧電素子の内側空間に配置される
支柱部とからなり、円筒型圧電素子と支柱部の各々の軸
方向を同じにして円筒型圧電素子と支柱部の各端部を共
通の端面部材に固定し、円筒型圧電素子が標準の長さ
（望ましくは軸方向に伸縮しない自然の長さ）にあると
き、円筒型圧電素子の非固定端面と支柱部の非固定端面
とが同一面上に位置するように構成される。

【０００９】第１の本発明では、共通の端面部材に固設
された円筒型圧電素子と支柱部の各端面をほぼ同一面上
にあるように構成し、移動手段である円筒型圧電素子の
端面を軸方向および移動方向に微小駆動することによ
り、支柱部の端面を突出させたり、逆に円筒型圧電素子
の端面を突出させることができる。平らなベース面上に
当該微動装置を各端面を下方に向けて設置し、円筒型圧
電素子を軸方向に伸縮駆動すると共に移動したい方向に
変形駆動し、伸縮動作と変形動作を組合せかつ内側の支
柱部との軸方向長さの長短の関係を利用して、円筒型圧
電素子と支柱部の各下端部を脚部として用いることによ
り、さらに移動方向に対して所定周期に微小移動を繰り
返すことにより、相対的に大きな変位での移動を行うこ
とができる。本発明に係る微動装置は、上記周期的動作
を必要に応じて繰り返すことによって、単体で大変位と
高精度な変位とを両立することができる。

【００１０】第２の本発明（請求項２に対応）に係る微
動装置は、上記第１の発明において、支柱部が、円筒型
圧電素子の内側空間と外側空間のうちいずれか一方に配
置されることを特徴とする。

【００１１】第３の本発明（請求項３に対応）に係る微
動装置は、上記第１または第２の発明において、支柱部
が剛体部材であることを特徴とする。

【００１２】第４の本発明（請求項４に対応）に係る微
動装置は、上記第１または第２の発明において、支柱部
が積層型圧電素子で形成されることを特徴とする。この
構成では、支柱部が積層型圧電素子で形成され、印加電
圧で制御して積層型圧電素子はそれ自体長さを変化させ
ることができるので、微動装置を組み立てる際に、円筒
型圧電素子と積層型圧電素子の各端面部の位置調整が容
易となる。

【００１３】第５の本発明（請求項５に対応）に係る微
動装置は、上記第１または第２の発明において、上記支
柱部が、電圧印加によって軸方向に伸縮しかつ軸方向に
直交する平面に含まれる方向に変形する他の円筒型圧電
素子であり、円筒型圧電素子と他の円筒型圧電素子の各
々が標準の長さにあるとき、円筒型圧電素子の非固定端
面と他の円筒型圧電素子の非固定端面とが同一面上に位
置するように構成したことを特徴とする。円筒型圧電素
子を２つを利用して構成することにより、大変位の移動
において移動速度を高めることができる。

【００１４】第６の本発明（請求項６に対応）に係る微
動装置は、上記の各発明において、円筒型圧電素子が、
軸方向の伸縮を行う第１駆動部と、上記平面に含まれる
直交する２軸の少なくともいずれか一方の軸の方向に変
形を行う第２駆動部を有するように構成される。

【００１５】第７の本発明（請求項７に対応）に係る微
動装置は、上記の各発明において、円筒型圧電素子が、
軸方向の伸縮を行う第１駆動部と、第１駆動部の両側
に、平面に含まれる直交する２軸の少なくともいずれか
一方の軸の方向に変形を行う第２駆動部を有するように
構成される。

【００１６】第８の本発明（請求項８に対応）に係る微
動装置は、上記の各発明において、他の円筒型圧電素子
が、軸方向の伸縮を行う第１駆動部と、上記平面に含ま
れる直交する２軸の少なくともいずれか一方の軸の方向
に変形を行う第２駆動部を有するように構成される。

【００１７】第９の本発明（請求項９に対応）に係る微
動装置は、上記の各発明において、他の円筒型圧電素子
は、軸方向の伸縮を行う第１駆動部と、第１駆動部の両
側に、上記平面に含まれる直交する２軸の少なくともい
ずれか一方の軸の方向に変形を行う第２駆動部を有する
ように構成される。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００１９】図１は本発明に係る微動装置の第１実施形
態を示す。この実施形態による微動装置では、図中上部
側端面部に位置する共通のプレート１１に円筒型圧電素
子１２と円柱形の剛体部１３とが固設される。プレート
１１は所要の厚みおよび剛性を有する。剛体部１３は好
ましくは円筒型圧電素子１２の内側空間に配置され、後
述するように移動時に支柱として機能する。剛体部１３
と円筒型圧電素子１２はプレート１１を介して一体化さ
れて形成され、剛体部１３の軸方向と円筒型圧電素子１
２の軸方向は同じ方向となっている。円筒型圧電素子１
２の下端面には本微動装置の脚部となるリング１４が固
設される。一方剛体部１３は、円筒型圧電素子１２が収
縮したとき、微動装置を支える支柱部としての機能を有
する。好ましくは、円筒型圧電素子１２の軸方向の長さ
が標準的な長さ（軸方向に伸縮をしないときの長さ）で
あるとき、剛体部１３の軸方向の長さはほぼ等しくなる
ように設定される。なお円筒型圧電素子１２の上記標準
的な長さは任意に定義することができる。

【００２０】円筒型圧電素子１２では、その内側のほぼ
全面に共通な電極１５が配置され、外側には、Ｚ軸駆動
用電極１６、および周方向に４分割されて形成されたＸ
軸駆動用電極１７、Ｙ軸駆動用電極１８が２段構成で配
置される。なおＺ軸方向は円筒型圧電素子１２の軸方向
と一致し、Ｘ軸およびＹ軸はＺ軸に直交する平面に含ま
れると共に互いに直交している。外側の電極１６，１
７，１８に対して適宜に電圧を印加すると、Ｘ，Ｙ，Ｚ
の３軸のいずれかの方向またはそれらを組合せた方向に
駆動することが可能である。

【００２１】円筒型圧電素子１２の軸方向の長さが標準
的な長さであるとき、剛体部１３の下端面とリング１４
の下端面はほぼ同一面上にあるように構成される。円筒
型圧電素子１２のＺ軸駆動用電極１６に所要電圧を印加
してＺ軸方向に微小駆動することにより、剛体部１３の
端面を円筒型圧電素子１２のリング１４の端面から突出
させたり、逆にリング１４の端面を剛体部１３の端面か
ら突出させることができる。

【００２２】円筒型圧電素子１２の内面に設けられた共
通電極には基準電位が与えられている。円筒型圧電素子
１２の外面の電極１６，１７，１８の少なくともいずれ
かに必要な電圧を加えることにより圧電素子１２に移動
のための必要な変化を生じさせることができる。図１に
おいて、円筒型圧電素子１２の各電極に必要な電圧を印
加するための構成の図示は省略される。本微動装置は、
円筒型圧電素子１２のＺ軸方向の伸縮動作と、移動しよ
うとする方向の変形動作、すなわちＸ軸方向またはＹ軸
方向の変形動作との組合せによって、移動が行われる。

【００２３】次に、図２の（ａ）〜（ｅ）の移動例を参
照して本実施形態に係る微動装置の動作を説明する。図
２は、微動装置をＸ軸方向に移動させる例を示してい
る。図２の（ａ）〜（ｅ）は移動を行うための５つの基
本動作を示す。各基本動作の内容は次の通りである。

【００２４】（ａ）：円筒型圧電素子１２をＺ軸方向に
収縮駆動し、剛体部１３の下端面をリング１４の下端面
から突出させた状態で平らなベース面１９上に設置す
る。このとき、剛体部１３の下端面のみがベース面１９
に接触し、静止して立った状態になる。この状態を基準
状態とする。

【００２５】（ｂ）：円筒型圧電素子１２をＸ軸方向に
変形駆動することにより、リング１４が固設された下端
面をＸ軸方向に移動させる。

【００２６】（ｃ）：（ｂ）に示された状態のまま、円
筒型圧電素子１２を、そのリング１４の下端面が剛体部
１３の下端面より下方へ突出するまでＺ軸方向に伸長駆
動し、リング１４の下端面をベース面１９に接触させ、
静止して立った状態にさせる。このとき円筒型圧電素子
１２の軸方向の長さは、剛体部１３の軸方向の長さより
も長くなり、剛体部１３の下端面はベース面１９から離
れる。

【００２７】（ｄ）：円筒型圧電素子１２をＸ軸方向に
変形駆動することにより、プレート１１を介して剛体部
１３をＸ軸方向に移動する。剛体部１３はベース面１９
から離れた状態に保持される。

【００２８】（ｅ）：再び、円筒型圧電素子１２をＺ軸
方向に収縮駆動する。円筒型圧電素子１２の軸方向の長
さは剛体部１３の長さよりも短くなり、剛体部１３の下
端面がベース面１９に接触し、静止して立った状態にな
る。こうして、微動装置は基準状態に戻る。基準状態に
戻すことにより、１周期分の移動が完了する。このと
き、微動装置の位置は、図２（ａ）で示した初期の位置
に対してＸ軸方向に微少量変位している。

【００２９】上記の（ａ）〜（ｅ）の基本動作を繰り返
すことによって、Ｘ軸方向の移動に関して微動装置によ
って大きな変位の移動を行うことができる。また繰り返
し回数を少なくする、または静止状態で変形を生じるこ
とにより微小の変位を生じさせることができる。このよ
うにしてＸ軸方向の移動に関して単体の微動装置によっ
て大きな変位の移動と高精度の微小変位とを両立するこ
とができる。Ｙ軸方向の移動に関しても、Ｚ軸方向の伸
縮駆動とＹ軸方向の変形駆動との組合せによって、上記
と同様に単体の微動装置によって大変位の移動と高精度
の微小変位を両立して行うことができる。

【００３０】また上記実施形態ではプレート１１を介し
て円筒型圧電素子１２の内部に剛体部１３を固設する構
成となっているが、逆に外側に剛体部、内側に円筒型圧
電素子を設ける構成としても上記と同様な作用を生じさ
せることができる。

【００３１】図３は本発明に係る微動装置の第２実施形
態を示す。本実施形態による微動装置では剛体部１３の
代わりに積層型圧電素子が使用される。共通のプレート
１１を介して円筒型圧電素子１２と積層型圧電素子２０
とが固設され、さらに円筒型圧電素子１２および積層型
圧電素子２０の各下端面には微動装置の脚部となるリン
グ１４、ブロック２１がそれぞれ固設されている。円筒
型圧電素子２０の構成および微動装置としての動作は、
前述の第１実施形態で説明した微動装置に準じる。

【００３２】本実施形態による微動装置の特徴は、円筒
型圧電素子１２の内側空間にＺ軸方向に伸縮駆動するこ
とが可能な積層型圧電素子２０を設けるようにしたた
め、個々の圧電素子１２，２０をＺ軸方向に伸縮駆動す
ることにより、リング１４の下端面とブロック２１の下
端面との間のＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向の相対的距離を、前
記の第１実施形態の微動装置の場合に比較して大きくと
ることができる。このため、本実施形態の微動装置を組
み立てる際のリング１４の端面とブロック２１の端面の
位置関係の調整を容易にすることができる。なお図３に
おいて、積層型圧電素子２０を伸縮駆動するための電源
部や制御部の図示は省略されている。

【００３３】図４は本発明に係る微動装置の第３実施形
態を示す。本実施形態による微動装置では、前記の第２
実施形態とは逆に、少なくとも２つの積層型圧電素子２
２が円筒型圧電素子１２の外側に配置されるように構成
される。本実施形態による微動装置の動作および作用・
効果等は、前記第２実施形態で説明された微動装置と実
質的に同じである。図４において、図３で示した要素と
実質的に同一の要素には同一の符号を付している。

【００３４】第５図は本発明に係る微動装置の第４実施
形態を示す。本実施形態による微動装置では、上部に位
置する共通のプレート１１を介して２つの円筒型圧電素
子１２，２３が内外二重の同軸構造で固定されている。
円筒型圧電素子１２，２３の個々の下端面には、本微動
装置の脚部となるリング１４、ブロック２４がそれぞれ
固設されている。円筒型圧電素子１２，２３のそれぞれ
の構成は前述の第１実施形態で説明したものと実質的に
同じである。

【００３５】図６は、第４実施形態による微動装置のＸ
軸方向の移動動作を示している。図６の（ａ）〜（ｆ）
の各動作は図２の（ａ）〜（ｅ）の動作に対応してい
る。第１実施形態における前述の剛体部１３の代わりに
他の円筒型圧電素子２３が使用される点を除けば、本実
施形態による移動の基本動作は、第１実施形態による移
動の基本動作と実質的に同じである。また前述の剛体部
１４はそれ自体伸縮・変形動作を行わなかったが、その
代わりに使用される円筒型圧電素子２３は、必要に応じ
て適宜に伸縮・変形するように構成される。

【００３６】本実施形態による微動装置の特徴は、２個
の円筒型圧電素子１２，２３が両方共に３軸方向の移動
機能を有しており、特に図６の（ｂ），（ｄ）に示され
るように両方の円筒型圧電素子１２，２３によって移動
しようとする方向に変形することができるので、１周期
分の移動動作による移動量が第１の実施形態による微動
装置に比べて大きくすることができる。これによって、
微動装置の移動速度を高めることができる。

【００３７】また円筒型圧電素子１２，２３のいずれか
一方の駆動動作を静止状態に保持すれば、微小変位の場
合において、高精度の微動を生じさせることもできる。
このように単体の微動装置によって大きな変位の移動と
高精度の微小変位を行うことができる。

【００３８】前述の各実施形態では、円筒型圧電素子と
して図９（ｂ）に示した電極配置のものを使用したが、
電極配置がこれに限定されるものではないことは勿論で
ある。他の電極配置を有する円筒型圧電素子の例を図７
および図８に示す。

【００３９】図７に示す円筒型圧電素子では、円周方向
に４分割されることによって形成されたＸ軸駆動電極１
７とＹ軸駆動電極１８からなるＸＹ軸駆動用電極部を２
個のＺ軸駆動用電極１６で挟み込み、３段構成となって
いる。これにより、ＸＹ軸駆動部と円筒型圧電素子の両
端面の各々との距離を等しくし、円筒型圧電素子１２の
上端および下端のどちらを固定したときでも、均一なＸ
Ｙ軸方向の変位を得ることができる。

【００４０】図８に示す円筒型圧電素子では、Ｚ軸駆動
用電極１６を２つのＸＹ軸駆動用電極部で挟み込むよう
にした３段構成となっている。これにより、上下のＸＹ
軸駆動部の各々を独立して駆動することが可能となり、
ＸＹ軸方向に駆動する際に、回転方向の移動を発生する
ことなく水平に移動することができる。

【００４１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、微動装置自体が自走機能の構造を有するため、装
置の大型化を招くことなく、単体の微動装置によって大
きな変位の移動と高精度な微小変位の移動の両方を行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る微動装置の第１実施形態を示す一
部を切り欠いた外観斜視図である。

【図２】第１実施形態の微動装置の基本動作を示す説明
図である。

【図３】本発明に係る微動装置の第２実施形態を示す一
部を切り欠いた外観斜視図である。

【図４】本発明に係る微動装置の第３実施形態を示す正
面図である。

【図５】本発明に係る微動装置の第４実施形態を示す一
部を切り欠いた外観斜視図である。

【図６】第４実施形態の微動装置の基本動作を示す説明
図である。

【図７】円筒型圧電素子の他の例を示す外観斜視図であ
る。

【図８】円筒型圧電素子の他の例を示す外観斜視図であ
る。

【図９】従来の微動装置の例を示す構成図である。

【符号の説明】

１１プレート（端面部材）１２円筒型圧電素子１３剛体部１４リング１５共通電極１６Ｚ軸駆動用電極１７Ｘ軸駆動用電極１８Ｙ軸駆動用電極１９ベース面２０，２２積層型圧電素子２３円筒型圧電素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電圧印加によって軸方向に伸縮しかつ前
記軸方向に直交する平面に含まれる方向に変形する円筒
型圧電素子と、支柱部とからなり、前記円筒型圧電素子
と前記支柱部の各々の軸方向を同じにして前記円筒型圧
電素子と前記支柱部の各端部を端面部材に固定し、前記
円筒型圧電素子が標準の長さにあるとき、前記円筒型圧
電素子の非固定端面と前記支柱部の非固定端面とが同一
面上に位置するように構成したことを特徴とする微動装
置。
【請求項２】前記支柱部は、前記円筒型圧電素子の内
側空間と外側空間のうちいずれか一方に配置されること
を特徴とする請求項１記載の微動装置。
【請求項３】前記支柱部は剛体部材であることを特徴
とする請求項１または２記載の微動装置。
【請求項４】前記支柱部は積層型圧電素子であること
を特徴とする請求項１または２記載の微動装置。
【請求項５】前記支柱部は、電圧印加によって軸方向
に伸縮しかつ前記軸方向に直交する平面に含まれる方向
に変形する他の円筒型圧電素子であり、前記円筒型圧電
素子と前記他の円筒型圧電素子の各々が標準の長さにあ
るとき、前記円筒型圧電素子の非固定端面と前記他の円
筒型圧電素子の非固定端面とが同一面上に位置するよう
に構成したことを特徴とする請求項１または２記載の微
動装置。
【請求項６】前記円筒型圧電素子は、前記軸方向の伸
縮を行う第１駆動部と、前記平面に含まれる直交する２
軸の少なくともいずれか一方の軸の方向に変形を行う第
２駆動部を有することを特徴とする請求項１〜５のいず
れか１項に記載の微動装置。
【請求項７】前記円筒型圧電素子は、前記軸方向の伸
縮を行う第１駆動部と、前記第１駆動部の両側に、前記
平面に含まれる直交する２軸の少なくともいずれか一方
の軸の方向に変形を行う第２駆動部を有することを特徴
とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の微動装置。
【請求項８】前記他の円筒型圧電素子は、前記軸方向
の伸縮を行う第１駆動部と、前記平面に含まれる直交す
る２軸の少なくともいずれか一方の軸の方向に変形を行
う第２駆動部を有することを特徴とする請求項５記載の
微動装置。
【請求項９】前記他の円筒型圧電素子は、前記軸方向
の伸縮を行う第１駆動部と、前記第１駆動部の両側に、
前記平面に含まれる直交する２軸の少なくともいずれか
一方の軸の方向に変形を行う第２駆動部を有することを
特徴とする請求項５記載の微動装置。