JPS6320979A

JPS6320979A - 微小変位装置

Info

Publication number: JPS6320979A
Application number: JP61165848A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Fukada; 深田　哲司; Masayuki Wakamiya; 若宮　正行; Ichiro Yamashita; 一郎山下
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1986-07-15
Filing date: 1986-07-15
Publication date: 1988-01-28
Anticipated expiration: 2009-11-14
Also published as: JPH0691635B2

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】産業上の利用分野本発明は、同一面上任意方向の精密な位置決めを行うた
めの微小変位装置に関する。この装置は、ビデオカメラ
のカラー用固体撮像素子の位置合わせ、高解像度化の固
体撮像素子用変位装置、精密パターン位置合わせ装置等
に利用することができる。

従来の技術ミクロン、サブミクロンという微小変位による位置決め
は、従来はステッピング・モータや、ＤＣ・サーボモー
タを使い、ボールねじて回転運動を直進運動に変換する
機械的な手段で行われていた。このため機械的な結合に
よる誤差をな（せず、精度を上げるためには、装置が大
型化してしまう。

そこで、電気的な制御が可能な圧電素子の逆圧電効果を
利用した微小変位装置が考えられ、特公昭５１−１２４
９７号公報に示されているようなシャクトリ虫型の移動
機構がある。第８図は、前記シャクトリ虫型の移動機構
の説明図で、円筒型圧電素子１の両端に静電力、あるい
は電磁力を利用したクランプ素子２．３を取り付けた構
造である。同図（ａ）では、クランプ素子２．３は固定
台４にクランプされ、同図（ｂ）でクランプ素子３をフ
リーにし、同図（Ｃ）で圧電素子１に電圧を印加して圧
電素子１を伸ばている。同図（ｄ）では、伸びている状
態で再びクランプ素子３を固定台４にクランプし、同図
（ｅ）でクランプ素子２をフリーにし、同図（ｆ＞で印
加電圧を取り去り、同図（ｇ）で再びクランプ素子２を
クランプしている。これは、同図（ａ）と同じ状態にな
り、Δｅだけ変位したことになる。前記移動機構を２方
向に取り付けることにより、簡単に２方向微小変位装置
を得ることができる。逆圧電効果によるひずみが小さい
ことから、高精度な位置決めが可能である。

また、特公昭５８−１３０６７７号、同５８−１９６７
７３号公報には厚さ方向に分極軸を有する短冊状圧電素
子を同形の薄い金属板の上下面に貼り合わせ、一端を固
定、あるいは両端を固定した屈曲振動子（バイモルフ娠
動子）を使い、固体撮像素子を変位させて受光面積を増
やし高解像度化する固体撮像素子用変位装置が開示され
ている。

第９図はその１例の前記屈曲振動子を用いた１方向の微
小変位装置を示す。両端固定の屈曲振動子５．５°を平
行に配置し、変位量の最大となる前記屈曲振動子５．５
゛の中心位置に固体撮像素子等を載せた移動台６が設け
られている。

発明が解決しようとする問題点上述したシャクトリ虫型の微小変位装置を、同一面２方
向に取り付けることにより、容易に２方向微小変位装置
が考えられるが、絶えず駆動体の一方を静電力、あるい
は電磁力でクランプしておかなければならないので、携
帯、或は傾けて使うような装置では、動作させない時に
移動する物の固定が別途必要で構造が複雑となり、装置
が大型化してくる。また、移動している時はクランプを
外している部分に移動する物の重量が集中し、機械的に
不安定となる。さらに移動方向は装置の取り付けで決ま
ってしまい、取り付は後の任意の方向への移動はできな
い。

屈曲振動子を用いた微小変位装置の場合は、ひずみ量が
大きくとれるが、発生する力が弱く重いものを動かすこ
とができない。また、大きな荷重がかかると振動子の共
振周波数が下がり、駆動周波数の高調波成分により共振
しやすくなり、耐久性に問題が生じる。したがって、任
意方向への微小変位装置とするために前記屈曲振動子を
用いた変位装置ｇｉ（第１変位ユニット）で、他の変位
装置（第２変位ユニット）を変位させることが考えられ
るが、第２変位ユニットの重量が第１変位ユニットにか
かるため、第２変位ユニットの重量の影響を少な（する
ために、第１変位ユニットの屈曲振動子を太き（する必
要があり大型化してしまう。また、耐久性にも問題が生
じる。

問題点を解決するための手段４角形となるように作られた矩形状金属薄板の各面の上
下に、厚さ方向に分極軸を有し上下面に電極を配した板
状圧電素子２枚を互いに分極軸方向が同一となるよう貼
り合わせて、互いに独立な貼り合わせ圧電振動子を構成
し、向かい合う１対の前記貼り合わせ圧電振動子の中央
部を、固定部材を用いて接着等により固定支持し、向か
い合う他１対の前記貼り合わせ圧電振動子の中央部に移
動台を取り付け、前記貼り合わせ圧電振動子の上下面電
極の導通を図り個々に独立した１つの印加電圧端子とし
、前記金属薄板を前記貼り合わせ圧電楯動子総てに共通
の他部加電圧端子として構成し、前記圧電振動子を独立
に駆動することにより移動台を同一面２方向へ独立に微
小変位させることが出来るようにする。

作用貼り合わせ圧電振動子の上下面電極の印加電圧端子と金
属薄板の印加電圧端子に電圧を印加すれば、貼り合わせ
た板状圧電素子の１方が伸び、他方が縮み、その結果屈
曲振動が生じる屈曲振動子として機能する。中央部が固
定されている貼り合わせ圧電振動子は固定部分の両側が
片持ち構造の屈曲振動子となり、移動台を取り付けた貼
り合わせ圧電振動子そのものを前記片持ち構造屈曲振動
子の電極面に対し法線方向へ変位させることが出来る。

中央に移動台を取り付けた貼り合わせ圧電振動子は両端
を固定支持された構造の屈曲振動子であり、移動台を電
極面に対し法線方向に変位させることが出来る。この結
果、２方向へ独立な微小変位装置として小型化でき、構
造の簡単なものとなる。

実施例以下、本発明の実施例について、図面を用いて詳細に説
明する。

第１図は、本発明の一実施例を示し、同図（ａ）は斜視
図、同図（ｂ）は分解斜視図、同図（ｃ）は貼り合わせ
圧電振動子を示す分解斜視図である。４角形とした矩形
状金属薄板７の各面の上下に、第１図（ｃ）に示すよう
に、厚さ方向に分極軸を有し上下面に電極を配した板状
圧電素子（８ａ、８ｂ）、（９ａ、９ｂ）、（１０ａ、
１０ｂ）、（ｌｌａ、１１ｂ）を、それぞれ分極軸方向
が同一となるよう貼り合わせて、互いに独立な貼り合わ
せ圧電振動子８．９．１０．１１を構成している。貼り
合わせ圧電振動子１０．１１の中央部を、基台１２に取
り付は可能な凹形固定部材１３ａ、１３ｂを用いて接着
、あるいはビス等により固定支持し、貼り合わせ圧電振
動子８．９の中央部には、固体撮像素子１４等の移動さ
せる物を載せる移動台１５を取り付けている。貼り合わ
せ圧電振動子８゜９．１０．１１の上下面電極の導通を
図り、印加電圧端子１６．１？、１８．１９とし、金属
薄板７を印加電圧端子Ｌ６．１７．１８．１９に対して
共通の印加電圧端子２０とすれば、印加電圧端子２０と
１６．１７に電圧を印加することにより貼り合わせ圧電
振動子８，９は両端支持構造の屈曲振動子として機能し
、電極面に対し法線方向に変位する。その変位量は印加
電界と圧電定数ｄ　３１に比例する。貼り合わせる圧Ｔ
Ｌ′ｆ、子８ａ、８ｂ。

９ａ、９ｂの厚さが同一で、向かい合う貼り合わせ圧電
振動子８，９の分極軸方向が同一であれば同位相、同電
圧を与えると、貼り合わせ圧電振動子８．９の変位量、
変位方向が同一となり、中央部に取り付けた移動台１５
を貼り合わせ圧電振動子８，９の変位方向、すなわち電
極面に対し法線方向へ変位させることができる。中央部
を固定部材１３ａ、１３ｂで固定支持している貼り合わ
せ圧電振動子１０．１１は、片持ち構造の屈曲振動子と
して機能し、印加電圧端子２０と１８．１９に、変位量
、変位方向が同一となるよう印加電圧を与えると、貼り
合わせ圧電振動子８．９を変位方向と同一方向、すなわ
ち圧電振動子１０．１１の電極面に対し法線方向へ変位
させるので移動台１５も同一方向へ変位することになる
。貼り合わせ圧電振動子８．９と１０．１１は独立に駆
動できるので、移動台１５を同一面２方向へ変位させる
ことができる。また、貼り合わせ圧電振動子８．９．１
０．１１を同一平面に構成しているため、２方向へ独立
な微小変位装置として小型化でき、構造の簡単なものと
なる。また貼り合わせ圧電振動子の上下面電極の印加電
圧端子１６，１７．１８．１９と固定部材との導通を図
り接地端子とすれば、共通印加電圧端子２０である金属
薄板７は接地電極に挟まれているため、雑音の混入が少
なくなると共に、外部からの接触による短絡を防ぐこと
が出来る。

さらに小型化できるという利点は、固体撮像素子等の半
導体素子を微小変位させるような用途では、変位装置そ
のものを半導体素子と共にパッケージ化してしまうこと
ができるという、大きな特徴を有する。第２図にパッケ
ージ化の一例を示す。２方向微小変位装置の移動台１５
に固体撮像素子１４を導電性接着剤等で固着し、２方向
微小変位装置をセラミックの等のケース２１の内部に固
定し、固体撮像素子１４の受光面上に光を透過するガラ
スによってケース２１内に封入する。固体撮像素子１４
、および２方向度位に必要な圧電素子への電気配線は、
ケース２１に印刷された電極２０を通して外部へ取り出
される。

次に本発明の他の実施例について説明する。

第３図は、他の一実施例を示し、同図（ａ）は斜視図、
同図（ｂ）は分解斜視図である。中央部を固定部材で固
定支持された圧電振動子１０．１１の上下面電極（１０
ａ’、１０ｂ’）、（ｌｌａ’、ｌｌｂ’）を、同図（
ｂ）の斜線で示したように中央部で分離し、それぞれ上
下面電極の導通を図り、印加電圧端子１８ａ、１８ｂ、
１９ａ、１９ｂとし、共通印加電圧端子２０との間で電
圧を印加することにより、固定部両側の片持ち構造の屈
曲振動子を独立に駆動させることが出来る。例えば貼り
合わせる圧電素子の厚さが同一で、向かい合う貼り合わ
せ圧電振動子１０．１１の分極軸方向が同一であれば同
位相、同電圧を印加電圧端子２０と１８ａ。

１９ｂに印加することにより、貼り合わせ圧電振動子８
を変位させ、同様に同位相、同電圧を電圧印加端子２０
と１８ｂ、１９ｂに印加することにより、貼り合わせ圧
電振動子９を変位させることができる。すなわち貼り合
わせ圧電振動子８，９を独立に変位させることが出来る
ので、印加電圧端子１８ａ、１９ａと１８ｂ、１９ｂに
印加する電圧を異ならせることにより、貼り合わせ圧電
振動子８．９の変位量を変えて、移動台１５を水平面内
に傾きをもたせることができる。このことは、固体撮像
素子を基台に取り付けた場合に生じる水平面内の傾きを
補正できたり、集績回路等のマスク合わせの精密微小位
置合わせにおいて角度調整が出来るという大きな特徴を
有する。

第４図は、本発明の他の一実施例を示す貼り合わせ圧電
素子の分解斜視図である。中央部を固定部材で固定支持
する圧電振動子を、板状圧電素子（２１ａ、２１ｂ）、
（２２ａ、２２ｂ）、（２３ａ、２３ｂ）、（２４ａ、
２４ｂ）を金属は板７の上下面に中央部分が分離するよ
うに貼り合わせて構成したもので、固定部両側の圧電振
動子を独立に駆動出来るので、前述した傾きを補正でき
たり、微小位置合わせが出来るという大きな特徴を有す
る。

第５図は、本発明の他の一実施例を示す貼り合わせ圧電
素子の分解斜視図である。矩形状金属薄板を折り曲げて
いくことにより４角形をした矩形状金属薄板７を形成し
、金属薄板７の両端が貼り合わせる圧電素子１０ａ、１
０ｂの中央部分にくるよう構成したものである。金属薄
板の両端が固定部材により固定される部分に来ることか
ら、圧電振動子として変位量に与える影響がなく、４角
形とした矩形状金属薄板を１枚の薄板からつくりだせる
ので、簡単な構造で作り易いものとなる。

第６図は、本発明の他の一実施例を示す貼り合わせ圧電
振動子の分解斜視図である。コの字状に折り曲げた矩形
状金属薄板７ａ、７ｂを向き合わせて、４角形をした矩
形状金属薄板を構成し、金属薄板７ａ、７ｂの両端が貼
り合わせる圧電素子（１０ａ、１０ｂ）、（ｌｌａ、１
ｌｂ）の中央部分にくるよう構成したものである。金属
薄板？ａ。

７ｂの作製において、折り曲げる方向が１方向しかな（
量産性の良い構造である。

第７図は、本発明の他の一実施例を示す微小変位装置の
分解斜視図である。コの字状に折り曲げた矩形状金属薄
板７ａ、７ｂの上下面に板状圧電素子を貼り合わせた微
小変位ユニット２５ａ、２５ｂを構成し、微小変位ユニ
ット２５ａ、２５ｂの両端部分が向き合うよう配置し、
微小変位ユニット２５ａ、２５ｂの両端部分を固定部材
１３８％　１３ｂにより支持固定した構造である。全く
独立な微小変位ユニットから構成されているため、片持
ち構造となる圧電振動子の特性バラツキを、固定部材に
よる取り付は時に圧電振動子の固定部分の長さを調整す
ることにより吸収出来るという大きな特徴を有する。

片持ち構′造の貼り合わせ圧電振動子と両端支持構造の
貼り合わせ圧電振動子は、金属薄板を通して結合されて
いるため、互いに影響を受けることは避けられないが、
第７図に示したように両端支持構造の貼り合わせ圧電振
動子両側の金属薄板にＵ型のへこみ２６ａ、２６ｂ、２
６ｃ、２６ｄを設けたり、あるいは穴を設けたりして曲
げ剛性率を太き（して、影響を少なくし、信頼性の向上
が図られる。

発明の効果本発明は片持ち構造の貼り合わせ圧電振動子と両端支持
構造の貼り合わせ圧電振動子を同一平面内に構成するこ
とにより、２方向へ独立に微小変位させることができる
。こ・の結果、２方向へ独立な微小変位装置として小型
化でき、構造の簡単なものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の２方向微小変位装置を示し
、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は分解斜視図、同図
（ｃ）は貼り合わせ圧電振動子を示す分解斜視図、第２
図は本発明による２方向微小変位′装置をパッケージ化
した時の分解斜視図、第３図、第４図、第５図、第６図
及び第７図は、本発明による他の実施例を示し、第３図
（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は分解斜視図、第４図、第
５図、第６図は貼り合わせ圧電振動子の分解斜視図、第
７図は微小変位装置の分解斜視図、第８図、第９図は従
来例を示す微小変位装置の各々正面図および斜視図であ
る。７・・・金属薄板、８．９，１０．１１・・・貼り合わ
せ圧電振動子、８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂ、１０ａ、１０
ｂ、ｌｌａ、ｌｌｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ
、２３ａ、２４ａ・・・圧電素子、１２　、、。基台、１３ａ、１３ｂ・・・固定部材、１５・・・移動
台、２５ａ、２５ｂ・・・微小変位ユニット。代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　ほか１名３、乞１０
．　／　／−Ｊｌムリ会ゎぜ反電渾動予第１図　　　　
　１ｂ、１７．Ｉｌ、Ｉｉ　ｌＯ−＝　Ｅｌ）６１１ｔ
ＪＥ塙３／Ａ第２図第　３　図范５図　　　　７第　６　図７に第７図第８図第９図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）４角形とした矩形状金属薄板の各辺の両面に、厚
さ方向に分極軸を有し上下面に電極を配した板状圧電素
子２枚を、分極軸方向が同一となるよう貼り合わせて貼
り合わせ圧電振動子を構成し、向かい合う１対の前記貼
り合わせ圧電振動子の中央部を固定部材により固定支持
し、向かい合う他の１対の前記貼り合わせ圧電振動子の
中央部に移動台を取り付け、前記貼り合わせ圧電振動子
の上下面電極の導通を図り個々に独立した１つの印加電
圧端子とし、前記金属薄板を前記貼り合わせ圧電振動子
総てに共通の印加電圧端子として構成したことを特徴と
する微小変位装置。
（２）貼り合わせ圧電振動子の中央部を固定支持する固
定部材と前記貼り合わせ圧電振動子の上下面電極との導
通を図り、前記固定部材と金属薄板とは絶縁を図るよう
構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
微小変位装置。
（３）貼り合わせ圧電振動子の中央部を固定支持する固
定部材と前記金属薄板との導通をとり、前記固定部材と
前記貼り合わせ圧電振動子の上下面電極とは絶縁を図る
よう構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の微小変位装置。
（４）中央部を固定部材により固定支持する貼り合わせ
圧電振動子の上下面電極を中央部で分離し、それぞれ上
下面電極の導通を図り、個々に独立した１つの印加電圧
端子としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の微小変位装置。
（５）中央部を固定部材により固定支持する前記１対の
貼り合わせ圧電振動子において、貼り合わせる板状圧電
素子を固定部分で分離して構成したことを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の微小変位装置。
（６）１枚の矩形状金属薄板を折り曲げることにより４
角形をした矩形状金属薄板を構成し、前記金属薄板の両
端が、中央部を固定部材により固定支持する前記貼り合
わせ圧電振動子の中央固定部分に位置するよう構成した
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の微小変位
装置。
（７）コの字状に折り曲げた矩形状金属薄板を２つ用い
て４角形をした矩形状金属薄板を構成し、前記２つの金
属薄板の両端が、中央部を固定部材により固定支持する
前記貼り合わせ圧電振動子の中央固定部分に位置するよ
う構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の微小変位装置。
（８）コの字状に折り曲げた矩形状金属薄板の上下面に
板状圧電素子を貼り合わせて構成された微小変位ユニッ
ト２つを用い、微小変位ユニットの両端部分が向き合う
よう配置し、前記両端部分を固定部材により固定支持し
たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の微小変
位装置。
（９）移動台を取り付けた前記貼り合わせ圧電振動子両
端部分の金属薄板の曲げ剛性率を大きくするよう構成し
たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の微小変
位装置。