JPS5965491A - ピエゾ式微小変位装置 - 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】 本発明はピエゾ素子ケ用いた微小変位１ｑ置に関するも
のである。

ピエゾ素子は電圧を印加すると微小寸法の伸縮をするの
で、これｒ利用した微小変位性ｆＩＬが実用化されてい
る。

第１図はピエゾ素子を用いて顕微鏡の焦点合わせを行な
うように構成されｔ従来形の微小変位装置の一例ｒ示す
。

１は顕微鏡の対物レンズ、２は焦点合わせの対象物であ
るワークである。このワーク２を載置する上下動ブロッ
ク７は２個の板バネ８によって固定ブロック９に支承さ
れている。ピエゾ素子３は上記の固定ブロック９と上下
動ブロック７との間に介装されていて、高圧直流電源１
０によって駆動電圧４を印加されると矢印５の如く伸縮
動して上下動ブロック７を上下動せしめる。これに↓ジ
ワーク２′が矢印６の如くよ下動されて焦点合わせが行
われ゛る。

′第２図（Ａｌは上記のピエゾ素子３の平面図、同図（
Ｂｌは同正面図である。この例に用いられているピエゾ
素子３は多層型ピエゾで、点線で示したプラス電極２１
と実線で示したマイナヌ電極２２とで複数個のピエゾ板
２３１にサンドインチして電圧をかけて伸縮変位矢印５
を行わせる構造である。

ピエゾ素子３の上端はボールポイント２４を介して上下
動゛ブロック７に肖接し、下端は同定用ネジ部材２５ケ
介して固定ブロック９に固着されている。

この従来例においては５Ｍ角、０．５μｍ厚のピエゾ板
２３を５０枚積層して接着しである。この多層型ピエゾ
３に直流５ｏｏｖ、ｉ印加した場合、第３図（Ａ）に示
すような伸縮変位ケ示す。この従来例に用いられたピエ
ゾ素子の特性は次の如くである。

耐荷重は７　Ｋｙである。５Ｗ角という大きさに比して
側荷重は比較的大きい。

５００ｖ印加時の伸長ストロークは２５μｍで比較的微
小であるが、微小変位の分解能は非常に良く、例えば０
．１ｖの電圧変化で約０．　［１０５μｍの伸１１ｒｖ
ｃ行なわせることができる。

また、変位の応答速度か速く、’Ｋ）ｌｚで動かすこと
も容易である。

以上ｒ総括してピエゾ素子の長所は、小型の部材で、微
小な変位を高速で、比較的高耐荷重で行なわしめ得るこ
とがである。

一万、従来形微小変位装置に用いられている多層型のピ
エゾ素子には１次に述べる如く、（イ）伸縮の非＠線性
、　（口１ｍ着個所の破損、及び（／→印加電圧の漏電
といった技術的問題点がある。

第４図は上記の（イ）伸縮の非直線性の説明図である。

多層形ピエゾ素子３の底面ｋ１ｍ定ブロック９に固着し
た状態で電圧を印加して伸縮せしめるとその頂面に設け
たポールポイント２４は必ずしも矢印Ｃの如く垂直に上
昇せず、例えば矢印りのように斜に上昇し、その細心寸
法Ｅは約０．５履に及ぶことが珍しくない。このような
非直線性は個々のピエゾ板の厚さむらや材質むらに因る
ものと考えられる。第５図は上述の伸縮の非直線性を模
式的に表わした説明図で、同図ｔＡｌの如く垂直に設置
した多層型ピエゾ素子に電圧を印加すると、同図（Ｂｌ
に示したように様々な形状に変化する。このため、ピエ
ゾ素子３の頂面４Ｃｆｉｋ＋着したボールポイント２４
が上下動ブロック７に当接していると、この当接Ｓにス
ティックスリップケ化じる。

第３図（Ｂｌは、第３図（Ａｔの伸縮カーブのＦ部付近
にスティックスリップｒ生じたときの状態葡拡大して示
した図である。芙ｆｊＩＱはピエゾ素子３の変位カーブ
、破線Ｒは上下動ブロック７の軌跡である。このように
、ピエゾ素子の伸縮の非直線性により上下動ブロック７
の動きが円滑を欠くのみでなく、ピエゾ素子３にモーメ
ント２７（第２図（Ｂｌ参照ンが掛かり、該ピエゾ素子
３の疲労破損を招く。

前記の（ｑ接着個所の破損は、ピエゾ素子３が多数のセ
ラミック裂のピエゾ板２３を積層して接着しであるとい
う構造に関係し、剪断力を受けるとピエゾ板同志の間に
滑り変位を生じて接着部が破断する。このため、前述の
ような従来形の微小変５位装置に用いられているピエゾ
素子は組立、調整時に剪断破損し易く１組型後でも剪断
方向の刀を受けて破損することが多い。

前記のＱ４印加電圧の漏電は、第２図に示したプラス電
極２１とマイナス電極２２との間に２例えば５００ｖと
いった比較的高電圧を印加しなけれはならない事に関係
している問題で、ピエゾ素子３の一僅かな汚れや傷によ
ってＩＪ−夕を生じ易い。

このりＩＩ−りを防止するために電気絶縁性塗料の塗布
などが行なわれるがその効果は完全ではない。

特に、前述のようにピエゾ素子が疲労破損若しくは剪断
破損したとき電極２１．２２がショートする虞れがあっ
て非常に危険である。

本発明は以上の事情に鑑みて為され、ピエゾ素子の伸縮
の非ｉｓ性によってスティックスリップを生じる虞れが
無く、ピエゾ素子の剪断破損を生じる虞れが無く、従っ
て破損に伴うショートの虞れの無いピエゾ式の微小変位
装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため１本発明のピエゾ式微小変位
装置は、ピエゾ素子と、該ピエゾ素子の両端に点接触す
る部材と、上記の点接触部材を介して該ピエゾ素子に与
圧する手段と、上記の与圧手段を介してピエゾ素子の伸
縮棗位を伝動する手段とより′ｆｘり、上記の与圧手段
を当該微小変位装置のベースに固定したことを特徴とす
る。

次に、本発明の一笑施例を第６図乃至第９図について説
明する。

第６図は本発明のピエゾ式微小変位装置の１実施例を示
し、従来形装置（第１図）と同一の図面参照番号を句し
た対物レンズ１、ワーク２、上下動ブロック７、板バネ
８、同定ブロック９、及び高圧直流電源１０は従来形装
置におけると同様若しくは類似の構成部材であり、従来
装置に比して主として異なる点はピエゾ素子３の支承構
造である。第７図にピエゾ素子３の失承構造の平面図を
示し、第８図に同じく正面図を示し、第９図に同じく側
面図を示す。

本発明はピエゾ素子の両端に点接触する部材を設ける。

本実施例においてはピエゾ累イ３の上端と下端とにそれ
ぞれボール受座３２をｕＩ！　Ｎ　Ｌ／　ｈそのボール
受座面にそれぞれボール３３を対向当接せしめる。

本考案は上記の点接触部材を介してピエゾ素子に与圧す
る手段を設ける。

本実施例においては燐青銅を用いてコの字形ケース３６
を形成し、その下辺に前記のボール３３に当接するため
のボール支えネジ３５を貫通螺着するとともにその上辺
にボール押えネジ５４を貫通螺着する。

上記のボール押えネジ３４の下端はフラットまたは凹面
またはノツチに形成してボール３６と点接触するように
し、その上端は球面状に形成する。

前記のボール支えネジ５５の上端はフラットまたは凹面
またはノツチに形成してボール３３と点接触するように
し、その下端にはドライバ溝を形成して捻じ込み戻し調
節できるように構成する。

これにエクビエゾ素子３はその伸縮方向の両端をボール
３３を介して点接触で挾持され、ボール支えネジ３５を
締め込むと伸縮方向に加圧される。

本発明を実施する際、本実施例のように燐青銅などのバ
ネ弾性を有する材料で構成したコの字形の部材３６を用
いると、その平行な両辺の間にピエゾ素子３を挾持して
加圧することが容易であり、該コの字形部材の弾性によ
り、ピエゾ素子３の伸縮に拘らず一様な刀で与圧し得る
という効果がある。

上述のように、点接触部材を介してピエゾ素子３に与圧
する手段を構成し、上目ピの与圧手段であるコの字形ケ
ース３６を止めネジ４３により尚定ブロック９に尚層す
る。

Ｘえ施ヵえおいアは；ｆ：　−／Ｌ／支ええ、６５を締
め込んでピエゾ素子に約３〜の圧力を与える。この与圧
操作においてピエゾ素子３を含む！！盃ユニットの全長
は法Ｈを±１００μｍで微調整することができる。コー
ド４８はコネクタ３７を介してピエゾ素子３に接続し、
該ピエゾ素子３とコの字形ケース３６との間の空！／／
ＪｔＬ電気絶縁ゴム３Ｂを充填する。この↓うＶＬ構成
しておくとピエゾ素子３の汚れや傷による漏電を防止す
ることができる。

第１０図はピエゾ式微小変位装置の作用を模式的に描い
た説明図で、本図のＩＡＩはピエゾ素子３の下端部を固
定ベース９に固着した従来形の装置を表わし、同図（Ｂ
ｌはピエゾ素子３の両端を点接触部４０で挾持した状態
を表わしている。３９はピエゾ素子３が収縮している時
の中心線である。

従来形装置＋ＡＩにおいてはピエゾ素子３の下端を固定
ブロック９に固層しであるので、該ピエゾ素子６が伸長
に伴って反りを生じるとピゴゾ累子３にモーメント２７
が掛かって　断破損を招くとともに、その先端に偏心２
６を生じてスティックスリップを招く。これに対し本発
明装置（Ｂｌにおいてはピエゾ素子３の上下両端を点接
触によって挾持してあり１点接触部４０を介して支承さ
れているピエゾ素子上端４１．及び同下端４２は、とも
に回動を拘束されていないので、モーメントを生ぜず、
従りてピエゾ素子３が　断破損する虞れか無い。このた
め　断破損に因す電極ショートの虞れもない。また、□
上端点接触部４１を中心＃３９に沿って案内すると無理
なく上下動する。従ってスティックスリップを生じる虞
れが無い。

第１１図及び第１２図は上記と異なる実施例を示し、第
１１図は平面図、第１２図は断面した正面図である。本
実施例が前記の前施例と異なる点は次のごとくである。

（１）　　コの字形ケース３６の上辺に切込み５６ａを
形成してこの部における弾性変形を容易ならしめ、この
切込み５６ａから距ｈＬｔ　の点にボール受座４５を形
成するとともに、距離Ｌ２の点にプッシャ４９を螺着し
である。これにより、コの字形ケース３６の上辺を形成
している片持梁状の部材４４がてことして作用し、ピエ
ゾ素子３の伸縮がＬ２／Ｌ１倍に増幅され、ブツシャ４
９により被動部材（図示せず）を押動する。

（ＩＩ）　　コの字形ケース３６にカバ一部３６１）を
設けてピエゾ素子３の外周を包囲し、同曲？！間全部に
電気絶縁ゴム３８を充填しである。これによりピエゾ素
子３の汚れや傷による漏電が前１ｆ！ｌ　Ｋおけるより
も完全に防止される。

以上詳述したように、本発明を適用すると、ピエゾ素子
の伸縮６非ｍ線性によってスー亡イックスリップを生じ
る虞れが無く、その土ピエゾ素子の剪断破損、並びに剪
断破損に因るショートを防止することができるという優
れた実用的効果を奏する。

【図面の簡単な説明】 第１図乃至第５図は従来形のピエゾ式微小変位装置を示
い第１図は正面図、第２図（Ａｌはピエゾ素子の平面図
、同図ｔＢｌは同正面図、第３図（Ａｌはピエゾ素子の
作動特性を示す図表、同図（Ｂｌは同図（ＡｌのＦ部付
近の拡大詳細図、第４図はピエゾ素子の伸縮作動の説明
図、第５図（Ａｌ　、　（Ｂｌはピエゾ素子の変形を模
式的に表わした説明図である。第６図乃至第８図は本発
明の一実施例を示し、果６図は正面図、第７図はピエゾ
素子及びその支承部材の平面図、第８図は同正面図、第
９図は同仰ｊ面図である。第１０図（＾１は従来形ピエ
ゾ式微小変位装置の作動を模式的に表わしｙｃ説明図、
１０１図（Ｂ）は本発明のピエゾ式微小変位装置の作動
を模式的に表わした説明図である。第１１図は前記と異
なる実施例の平面図、第１２図は同正面図である。 ３・・・ピエゾ素子、９・・・固定プロ・〉・夕、２３
・・・ピエゾ板、３２・・・ボール受座、３３・・・ボ
ール、６４・・・ポール押えネジ、３５・・・ボール叉
えネジ、６６・・・コの字形ケース、４５・・・ポール
受座、４９・・・ブツシャ。 づ樗゛　ノ　０６ 第２　田 ′　　　　　第３圓 ヤ　４Ｉ！１ 才５（２） （Ａ）　　　　（ｉｓ） 才　６　（２） オフ１！１ オｇｒｓ　　　　　　　才ｑ２ 虚 ４５５ 才１ｌＩｉｉ オｔ２ｒｌ！Ｊ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　ピエゾ素子と、該ピエゾ素子の伸縮方向の両端に
   点接触する部材と、よ記の点接触部材ｒ介して該ピエゾ
   素子に与圧する手段と、該点播触部材を介してピエゾ素
   子の伸縮変位ケ伝動する手段とよりなり、上記の与圧手
   段を当該微小変位装置のベースに固定したこと全特徴と
   するピエゾ式微小変位装置。 ２、　上記の与圧手段は、バネ弾性ケ有するコの字形部
   材ケ用いたものであること全特徴とするｆｉ−許請求の
   範囲第１項に記載のピエゾ式微小変位装置。