JP2006014585A - 微小変位付与装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐久性に優れる軽量の微小変位付与装置を提供すること。
【解決手段】 基部、基部に薄肉部を介して接続され、この薄肉部の弾性変形により基部に対して変位可能とされている作動部、および基部に設置されている、上記の作動部に変位エネルギーを付与して作動部を基部に対して微小変位させる駆動装置を備える微小変位付与装置において、少なくとも上記の薄肉部が、この薄肉部の厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維を含む繊維強化複合材から形成されていることを特徴とする微小変位付与装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、走査型トンネル顕微鏡のプローブを高い精度で位置決めするために有利に用いることができる微小変位付与装置に関する。

微小変位付与装置は、例えば、走査型トンネル顕微鏡のプローブを微小変位させて観察対象の試料表面に対して精度良く位置決めするため、精密機械加工される対象物を微小変位させて加工用の工具に対して精度良く位置決めするため、あるいは光学レンズを光軸に沿って微小変位させて焦点を精密に調節するために用いられている。

特許文献１には、図２２に示す構成の従来の微小変位付与装置が開示されている。この微小変位付与装置２２０は、基板２２１、基板２２１に接続されている第一のヒンジ部２２２ａと、基板２２１に積層圧電アクチュエータ２２４を介して接続されている第二のヒンジ部２２２ｂとにより支持されている第一のレバーアーム２２３ａ、そしてレバーアーム２２３ａの先端近傍の部位に接続されているヒンジ部２２２ｄと、基板（基部）２２１に接続されているヒンジ部（薄肉部）２２２ｃとにより支持されている第二のレバーアーム（作動部）２２３ｂから構成されている。

この微小変位付与装置２２０の積層圧電アクチュエータ２２４が電圧の印加により長さ方向に伸びると、第一のレバーアーム２２３ａの先端近傍に設けられたヒンジ部２２２ｄが、てこの原理によりアクチュエータ２２４の伸び量よりも大きな量にて上方に微小変位する。これにより第二のレバーアーム（作動部）２２３ｂの先端近傍の部位は、上記と同様の理由によりヒンジ部２２２ｄの変位量よりも大きな量にて図２２に記入した矢印２２８が示す方向に微小変位する。この微小変位付与装置２２０を用いることにより、第二のレバーアーム２２３ｂの先端近傍の部位に固定された対象物を微小変位させることができる。特許文献１には、このような従来の微小変位付与装置２２０よりも更に大きな変位量が得られる変位拡大装置（微小変位付与装置）が開示されている。

非特許文献１には、図２３に示す構成の微小変位付与装置が開示されている。この微小変位付与装置２３０は、基部２３１ａ、２３１ｂ、基部２３１ａ、２３１ｂに薄肉部２３２を介して接続されている作動部２３３、そして作動部２３３を各々の基部に対して微小変位させる圧電アクチュエータ２３４ａ、２３４ｂから構成されている。

この微小変位付与装置２３０の圧電アクチュエータ２３４ａ、２３４ｂの各々が電圧の印加により長さ方向に伸びると、作動部２３３は各々の圧電アクチュエータの伸び量に対応する量にて図２３に記入した矢印２３８が示す方向に微小変位する。非特許文献１には、この微小変位付与装置２３０の他にも様々な構成の微小変位付与装置が記載されており、そのうちの幾つかを組み合わせて構成される六自由度駆動機構が開示されている。

また非特許文献１には、図２４に示す構成の微小変位付与装置が開示されている。この微小変位付与装置２４０は、基部２４１、基部２４１に各々薄肉部２４２ａ、２４２ｂを有する一対の支柱２４６ａ、２４６ｂを介して接続されている作動部２４３、そして支柱２４６ａに変位エネルギーを付与して作動部２４３を基部２４１に対して微小変位させる積層圧電アクチュエータ２４４から構成されている。積層圧電アクチュエータ２４４は、ボールベアリング２４９を介して支柱２４６ａに変位エネルギーを付与する。

この微小変位付与装置２４０の圧電アクチュエータ２４４が電圧の印加により長さ方向に伸びると、作動部２４３は、てこの原理によりアクチュエータ２４４の伸び量よりも大きな量にて図２４に記入した矢印２４８が示す方向に微小変位する。そして微小変位付与装置２４０は、例えば、作動部２４３に固定された走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）のプローブ２４７を微小変位させ、これを観察対象の試料表面に対して精度良く位置決めするために用いられる。
特開平９−２１５３４７号公報 江田弘編，「超精密工作機械の製作」，工業調査会，１９９３年３月１日，ｐ．４７−５１，ｐ．７０−７１

上記の従来の微小変位付与装置は、基部に対して作動部を変位可能とするために、両者を薄肉部を介して互いに接続した構成とされている。通常、薄肉部は基部及び作動部と共に、例えば、ステンレススチールなどの金属材料から形成される。このような従来の微小変位付与装置を用いることにより、例えば、上記のように走査型トンネル顕微鏡のプローブを高い精度で位置決めすることができる。しかしながら従来の微小変位付与装置は、長期間にわたって使用を続けると、薄肉部が繰り返し弾性変形されて内部にクラックを生じ、極端な場合には薄肉部が破断して使用できなくなる場合もあり、その耐久性を向上させることが望ましい。

本発明の課題は、耐久性に優れる軽量の微小変位付与装置を提供することにある。

本発明は第一に、基部、基部に薄肉部を介して接続され、この薄肉部の弾性変形により基部に対して変位可能とされている作動部、および基部に設置されている、上記の作動部に変位エネルギーを付与して作動部を基部に対して微小変位させる駆動装置を備える微小変位付与装置において、少なくとも上記の薄肉部が、この薄肉部の厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維を含む繊維強化複合材から形成されていることを特徴とする微小変位付与装置にある。

上記の第一の発明の微小変位付与装置の好ましい態様は、下記の通りである。
（１）基部、薄肉部及び作動部が繊維強化複合材から一体に形成され、そして上記の薄肉部に含まれている繊維の両端が、基部及び作動部のそれぞれの内部にまで伸びている。
（２）駆動装置が二枚以上の板状圧電素子の積層体からなる。

本発明は第二に、基部、基部に薄肉部を有する支柱を介して接続され、この薄肉部の弾性変形により基部に対して変位可能とされている作動部、および基部に設置されている、上記の作動部もしくは支柱に変位エネルギーを付与して作動部を基部に対して微小変位させる駆動装置を備える微小変位付与装置において、少なくとも上記の薄肉部が、この薄肉部の厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維を含む繊維強化複合材から形成されていることを特徴とする微小変位付与装置にもある。

上記の第二の発明の微小変位付与装置の好ましい態様は、下記の通りである。
（１）基部と作動部とが、両端に薄肉部を有する支柱を介して接続されている。更に好ましくは、基部、薄肉部、支柱及び作動部が繊維強化複合材から一体に形成され、基部の側の薄肉部に含まれている繊維の両端が、基部及び支柱のそれぞれの内部にまで伸び、そして作動部の側の薄肉部に含まれている繊維の両端が、作動部及び支柱のそれぞれの内部にまで伸びている。
（２）駆動装置が二枚以上の板状圧電素子の積層体からなる。

本発明は第三に、一枚の板状圧電素子もしくは二枚以上の板状圧電素子の積層体の少なくとも一方の表面に、この表面から離隔した薄肉部を中央に有する作動部を固定してなる微小変位付与装置において、少なくとも上記の薄肉部が、この薄肉部の厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維を含む繊維強化複合材から形成されていることを特徴とする微小変位付与装置にもある。

上記の第三の発明の微小変位付与装置の好ましい態様は、下記の通りである。
（１）作動部が薄肉部と共に繊維強化複合材から一体に形成され、そして上記の薄肉部に含まれている繊維の両端が、それぞれ作動部の縁まで伸びている。

本発明の微小変位付与装置は、長期間の使用により薄肉部が繰り返し弾性変形され、その内部にクラックを生じた場合であっても、このクラックの薄肉部厚み方向への更なる成長が、薄肉部厚み方向と交差するように配置された複数本の繊維によって妨げられるため、薄肉部が破断し難く優れた耐久性を示す。

次に、本発明の微小変位付与装置を、添付の図面を用いて説明する。図１は、第一の発明の微小変位付与装置の構成例を示す図である。図１（ａ）、図１（ｂ）、そして図１（ｃ）は、それぞれ微小変位付与装置１０の正面図、平面図、そして右側面図である。

図１の微小変位付与装置１０は、基部１１、基部１１に薄肉部１２を介して接続され、薄肉部１２の弾性変形により基部１１に対して変位可能とされている作動部１３、および基部１１に設置されている、上記の作動部１３に変位エネルギーを付与して作動部１３を基部１１に対して微小変位させる駆動装置１４などから構成されている。そして微小変位付与装置１０の薄肉部１２は、薄肉部１２の厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維１５を含む繊維強化複合材から形成される。

図１の微小変位付与装置１０の薄肉部１２を形成する繊維強化複合材の繊維１５としては、例えば、炭素繊維が用いられ、そして母材（マトリックス）１９としては、例えば、エポキシ樹脂が用いられる。なお、図１に示す複数本の繊維は、その配置を理解し易くするために、互いに隣接する繊維と繊維との間隔を実際よりは広くして記入してある。互いに隣接する繊維と繊維との間隔に特に制限は無いが、例えば、１０〜２００μｍに設定される。また薄肉部１２の厚みは、例えば、０．１〜２．０ｍｍに設定される。

そして図１の微小変位付与装置１０の駆動装置１４としては、例えば、二枚以上の板状圧電素子の積層体（以下、積層型圧電素子という）が用いられている。

図２は、図１の微小変位付与装置１０の駆動装置１４として用いる積層型圧電素子の構成を示す斜視図である。図２の積層型圧電素子は、板状圧電素子２１ａから板状圧電素子２１ｈまでの合計で八枚の板状圧電素子が積層された構成を有している。

これらの板状圧電素子のそれぞれは、厚み方向に分極処理された圧電セラミック板と、その上面及び下面の各々に配置された一対の電極層とから構成されている。例えば、板状圧電素子２１ａは、分極処理された圧電セラミック板２２ａと、その上面及び下面の各々に配置された電極層２３ｂ、２３ａとから構成されている。同様に、板状圧電素子２１ｂは、分極処理された圧電セラミック板２２ｂと、電極層２３ｃ、２３ｂとから構成されている。電極層２３ｂは、板状圧電素子２１ａの上面側の電極層及び板状圧電素子２１ｂの下面側の電極層として兼用されている。板状圧電素子２１ｃから板状圧電素子２１ｈまでの各々の板状圧電素子の構成は、板状圧電素子２１ａと同様である。

そして八枚の板状圧電素子は、隣り合う圧電セラミック板の分極方向が互いに逆向きとなるように積層されている。すなわち、例えば、圧電セラミック板２２ａの分極方向は上向きに、圧電セラミック板２２ｂの分極方向は下向きに、そして圧電セラミック板２２ｃの分極方向は上向きにというように、各々の圧電セラミック板は、その分極方向が板状圧電素子２１ａの側から板状圧電素子２１ｈの側に向かって交互に逆向きとなるように配置されている。

また、上記の板状圧電素子の積層体の上面及び下面には、分極処理されていない圧電セラミック板２４ｂ、２４ａがそれぞれ付設されている。そして図２に示すように、電極層２３ｂ、電極層２３ｄ、電極層２３ｆ及び電極層２３ｈの各々には、その積層型圧電素子の右側面の側の端部に、例えば、ガラス製の絶縁体２５ａが付設されており、同様に電極層２３ｃ、電極層２３ｅ及び電極層２３ｇの各々には、その積層型圧電素子の左側面の側の端部に絶縁体２５ｂが付設されている。これらの絶縁体２５ａ、２５ｂが付設されているため、電極層２３ａ、電極層２３ｃ、電極層２３ｅ、電極層２３ｇ及び電極層２３ｉは、積層型圧電素子の右側面に形成された外部電極２６によって互いに電気的に接続され、そして電極層２３ｂ、電極層２３ｄ、電極層２３ｆ及び電極層２３ｈは、上記外部電極２６と同様に積層型圧電素子の左側面に形成されている外部電極によって互いに電気的に接続される。

そして上記の積層型圧電素子の右側面に備えられた外部電極２６と、左側面に備えられた外部電極との間に直流電圧を印加すると、各々の板状圧電素子の一対の電極層間に直流電圧が印加される。その結果、各々の板状圧電素子はその厚み方向に伸び、そして各々の板状圧電素子の伸び量を合計した量にて積層型圧電素子がその長さ方向に伸びる。

積層型圧電素子は、その各々の板状圧電素子に印加する直流電圧の値を調節することにより長さ方向の変位量を数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の分解能で制御することが可能であるため、本発明の微小変位付与装置の駆動装置として特に好ましく用いることができる。なお、積層型圧電素子の構成例や製造方法などについては多くの文献（例えば、日本工業技術振興協会固体アクチュエータ研究部会編「精密制御用ニューアクチュエータ便覧」，株式会社フジ・テクノシステムズ，１９９４年１２月２１日，ｐ．６０−７０）に記載があるため詳しい説明は省略する。

そして図１の微小変位付与装置１０において、駆動装置１４として用いる積層型圧電素子が直流電圧の印加により長さ方向に伸びると、作動部１３は、てこの原理により積層型圧電素子の伸び量よりも大きな量にて図１に記入した矢印１８が示す方向に微小変位する。このような微小変位付与装置１０を用いることにより、作動部１３に固定された対象物を微小変位させることができる。

上記のように微小変位付与装置１０の薄肉部１２は、薄肉部１２の厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維１５を含む繊維強化複合材から形成されている。この薄肉部１２の内部に配置されている繊維１５は、微小変位付与装置１０の長期間の使用により薄肉部１２が繰り返し弾性変形され、その内部にクラックを生じた場合であっても、このクラックの薄肉部厚み方向への更なる成長を抑制する。このため、微小変位付与装置１０は、薄肉部１２が破断し難く優れた耐久性を示す。なお、このような繊維が薄肉部厚み方向へのクラックの成長を妨げる理由については、後に詳しく説明する。

また、上記の薄肉部１２に含まれている繊維１５は、薄肉部に破断を生じ難くする一方で、作動部１３の変位に必要となる薄肉部の弾性変形を妨げ難い。これは微小変位付与装置１０の薄肉部１２を形成している繊維強化複合材は、繊維の長さ方向には弾性変形（伸縮）し難いが、繊維の長さ方向に交差する方向には繊維が撓んで弾性変形し易いからである。

図１に示すように微小変位付与装置１０の基部１１、薄肉部１２及び作動部１３は繊維強化複合材から一体に形成され、そして上記の薄肉部１２に含まれている繊維の両端が、基部１１及び作動部１３のそれぞれの内部にまで伸びていることが好ましい。これにより弾性変形によって応力の集中し易い薄肉部１２と基部１１との接続部、あるいは薄肉部１２と作動部１３との接続部における薄肉部の破断を更に抑制することができる。

また、基部、薄肉部及び作動部を繊維強化複合材から一体に形成することには、更に次のような利点がある。従来の微小変位付与装置では、その剛性を高くするために基部、薄肉部、そして作動部がステンレススチールなどの金属材料から一体に形成されている。しかしながら、例えば、ステンレススチールを用いた場合には、その比重が大きい（約８．０）ために作動部の質量が大きくなり、作動部を微小変位させる積層型圧電素子の作動に大きな電気エネルギーが必要となるため、圧電素子にて発熱を生じ、この発熱により基部や作動部が熱膨張して作動部の変位量に誤差を生じ易くなる。また作動部の質量が大きくなると作動部の固有振動数が小さくなるため、作動部を高速で微小変位させることが難しくなる。

図１の微小変位付与装置１０の基部１１、薄肉部１２及び作動部１３を、例えば、エポキシ樹脂中に炭素繊維を整列配置させた繊維強化複合材から一体に形成すると、その比重が小さい（約１．５）ために作動部１３の質量を小さくすることができる。これにより、上記圧電素子の発熱が抑えられ、基部や作動部の熱膨張が小さくなるので、作動部を高い精度で微小変位させることができるようになり、また作動部の固有振動数が大きくなるので、作動部を高速で微小変位させることができるようになる。

繊維強化複合材の繊維の例としては、炭素繊維、炭化珪素（ＳｉＣ）繊維、アラミド繊維、およびアルミナ繊維などが挙げられる。そして繊維強化複合材の母材（マトリックス）の例としては、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂（ナイロン樹脂）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリアミノビスマスレイド樹脂、もしくは変性ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）樹脂などの樹脂材料、およびアルミニウムなどの軽量金属材料などが挙げられる。母材としては、比重が小さいことから樹脂材料を用いることが好ましい。

また、本発明の微小変位付与装置に用いる駆動装置の例としては、圧電アクチュエータ（例えば、積層型圧電素子）、磁歪アクチュエータ（例えば、上記の「精密制御用ニューアクチュエータ便覧」の９０頁から１１１頁に記載されている超磁歪アクチュエータ）、リニアモータ、およびボイスコイルモータなどが挙げられる。駆動装置としては、例えば、サーボモータやステッピングモータなどのモータと、送りネジやラックピニオンなどの送り要素とを組み合わせて構成される駆動装置を用いることもできる。駆動装置としては、上記のように積層型圧電素子を用いることが特に好ましい。更に、後に詳しく説明するように、本発明の微小変位付与装置を、別の本発明の微小変位付与装置の作動部に変位エネルギーを付与する装置として用いることもできる。

以下、図３〜図２１を用いて本発明の微小変位付与装置の別の構成例について説明するが、各装置が備える薄肉部はその厚み方向に交差するように配置された複数本の繊維を含む繊維強化複合材から形成され、これらの繊維により薄肉部の破断が抑制されて装置の耐久性が向上することについては図１の微小変位付与装置の場合と同様であるので、各装置の説明において薄肉部に含まれる繊維の機能についての説明は省略する。

図３は、第一の発明の微小変位付与装置の別の構成例を示す正面図である。図３の微小変位付与装置３０の構成は、作動部１３と駆動装置１４とが薄肉部２２を介して接続されていること以外は図１の微小変位付与装置１０と同様である。この薄肉部２２もまた、その厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維を含む繊維強化複合材から形成されていることが好ましい。

微小変位付与装置３０は、ボールベアリングが用いられていないために図１の微小変位付与装置１０よりも装置構成が簡単であるという利点を有している。

図４は、第一の発明の微小変位付与装置のさらに別の構成例を示す正面図である。図４の微小変位付与装置４０は、基部４１、基部４１に薄肉部４２を介して接続され、薄肉部４２の弾性変形により基部４１に対して変位可能とされている作動部４３、および基部４１に設置されている、上記の作動部４３に変位エネルギーを付与して作動部４３を基部４１に対して微小変位させる駆動装置１４などから構成されている。そして微小変位付与装置４０の薄肉部４２は、薄肉部４２の厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維１５を含む繊維強化複合材から形成される。

図４の微小変位付与装置４０は、図１の微小変位付与装置１０の作動部１３に生じる微小変位を、薄肉部３２を介して作動部４３に付与するように構成されている。すなわち図４の微小変位付与装置４０の作動部４３に変位エネルギーを付与する装置として、図１の微小変位付与装置１０が用いられている。

この微小変位付与装置４０において、駆動装置１４として用いる積層型圧電素子が直流電圧の印加により長さ方向に伸びると、薄肉部３２は、てこの原理により積層型圧電素子の伸び量よりも大きな量にて上方に変位し、その結果作動部４３が、薄肉部３２の変位量よりも大きな量にて図４に記入した矢印４８が示す方向に微小変位する。

図４の微小変位付与装置４０は、作動部４３の変位量が図１の微小変位付与装置１０の作動部１０の変位量よりも大きいという利点を有している。

図５は、第一の発明の微小変位付与装置のさらに別の構成例を示す正面図である。図５の微小変位付与装置５０は、基部５１、基部５１に薄肉部５２ａ、５２ｂを介して接続され、薄肉部５２ａ、５２ｂの弾性変形により基部５１に対して変位可能とされている作動部５３、および基部５１に設置されている、上記の作動部５３に変位エネルギーを付与して作動部５３を基部５１に対して微小変位させる駆動装置１４から構成されている。そして微小変位付与装置５０の薄肉部５２ａ、５２ｂの各々は、その厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維１５を含む繊維強化複合材から形成される。

図５の微小変位付与装置５０の基部５１、薄肉部５２ａ、５２ｂ、および作動部５３は、薄肉部の厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維１５を含む繊維強化複合材から一体に形成され、そして各々の薄肉部に含まれている繊維１５の両端は、基部５１及び作動部５３のそれぞれの内部にまで伸びている。

この微小変位付与装置５０において、駆動装置１４として用いる積層型圧電素子が長さ方向に伸びると、作動部５３は積層型圧電素子の変位量に対応する量にて図５に記入した矢印５８が示す方向に微小変位する。微小変位付与装置５０は、図２４の微小変位付与装置２４０の場合と同様に、例えば、作動部５３に走査型トンネル電子顕微鏡のプローブを取り付けて、これを高精度で位置決めするために用いられる。

図６は、第一の発明の微小変位付与装置のさらに別の構成例を示す正面図である。図６の微小変位付与装置６０の構成は、基部６１と作動部６３とを接続する薄肉部６２ａ、６２ｂのそれぞれが、基部６１に対して斜めに伸びていること以外は図５の微小変位付与装置５０と同様である。

図６の微小変位付与装置６０の基部６１、薄肉部６２ａ、６２ｂ、および作動部６３は、薄肉部の厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維、すなわち薄肉部６２ａの厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維１５ａと、薄肉部６２ｂの厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維１５ｂとを含む繊維強化複合材から一体に形成される。そして薄肉部６２ａ、６２ｂの各々に含まれている繊維の両端は、基部６１及び作動部６３のそれぞれの内部にまで伸びている。

この微小変位付与装置６０において、駆動装置１４として用いる積層型圧電素子が長さ方向に伸びると、作動部６３は、基部６１と作動部６３とが基部６１に対して各々斜めに伸びる薄肉部６２ａ、６２ｂを介して接続されているために図６に記入した矢印６８が示す方向に微小変位（回転）する。

図７は、第一の発明の微小変位付与装置のさらに別の構成例を示す斜視図であり、そして図８は、図７の微小変位付与装置７０の部分拡大図である。

図７及び図８に示す微小変位付与装置７０は、基部７１ａ、７１ｂ、基部７１ａ、７１ｂに薄肉部７２を介して接続され、薄肉部７２の弾性変形により基部に対して変位可能とされている作動部７３、および各々の基部に設置されている、上記の作動部７３に変位エネルギーを付与して作動部７３を基部に対して微小変位させる駆動装置１４ａ、１４ｂから構成されている。そして微小変位付与装置７０の薄肉部７２の各々は、その厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維１５を含む繊維強化複合材から形成される。図７の微小変位付与装置７０は、図５の微小変位付与装置５０の二個を、各々の作動部５３を向かい合わせて互いに接合した構成を有している。

図７の微小変位付与装置７０の薄肉部７２を形成する繊維強化複合材の繊維１５としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）繊維が用いられ、そして母材（マトリックス）としては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂が用いられる。

そして微小変位付与装置７０の基部７１ａ、７１ｂ、薄肉部７２、および作動部７３は、薄肉部の厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維１５を含む繊維強化複合材から一体に形成され、そして各々の薄肉部に含まれている繊維１５の両端は、基部及び作動部のそれぞれの内部にまで伸びている。

この微小変位付与装置７０において、駆動装置１４ａ、１４ｂの各々として用いる積層型圧電素子が長さ方向に伸びると、作動部７３は各々の積層型圧電素子の変位量に対応する量にて図７に記入した矢印７８が示す方向に微小変位する。すなわち微小変位付与装置７０は、例えば、その作動部７３の上に置かれた物品を上下方向に微小変位させて位置決めする装置（昇降ステージ）として用いることができる。

図９は、第一の微小変位付与装置のさらに別の構成例を示す斜視図である。但し、微小変位付与装置９０の薄肉部９２に含まれる繊維の記載は省略してある。

図９に示す微小変位付与装置９０は、基部９１ａ、９１ｂ、基部９１ａ、９１ｂに薄肉部９２を介して接続され、薄肉部９２の弾性変形により基部に対して変位可能とされている作動部９３、および各々の基部に設置されている、上記の作動部９３に変位エネルギーを付与して作動部９３を基部に対して微小変位させる駆動装置１４ａ、１４ｂから構成されている。そして微小変位付与装置９０の薄肉部９２の各々は、その厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維を含む繊維強化複合材から形成される。図９の微小変位付与装置９０は、図６の微小変位付与装置６０の二個を、各々の作動部６３を向かい合わせて互いに接合した構成を有している。

そして微小変位付与装置９０の基部９１ａ、９１ｂ、薄肉部９２、および作動部９３は、薄肉部の厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維を含む繊維強化複合材から一体に形成され、そして各々の薄肉部に含まれている繊維の両端は、基部及び作動部のそれぞれの内部にまで伸びている。

この微小変位付与装置９０において、駆動装置１４ａ、１４ｂの各々として用いる積層型圧電素子が長さ方向に伸びると、作動部９３は図９に記入した矢印９８が示す方向に微小変位（回転）する。すなわち微小変位付与装置９０は、例えば、その作動部９３の上に置かれた物品を上下方向を軸として微少量にて回転変位させて位置決めする装置（回転ステージ）として用いることができる。

図１０は、第一の発明の微小変位付与装置のさらに別の構成例を示す斜視図であり、そして図１１は、図１０の微小変位付与装置１００の部分拡大図である。

図１０及び図１１に示す微小変位付与装置１００は、基部１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ、これらの基部に薄肉部１０２を介して接続され、薄肉部１０２の弾性変形により基部に対して変位可能とされている作動部１０３、および各々の基部に設置されている、上記の作動部１０３に変位エネルギーを付与して作動部１０３を基部に対して微小変位させる駆動装置１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄから構成されている。そして微小変位付与装置１００の薄肉部１０２の各々は、その厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維１５を含む繊維強化複合材から形成される。微小変位付与装置１００は、図５の微小変位付与装置５０の四個を、これら作動部が正方形を形成するように並べて互いに接合した構成を有している。

図１０及び図１１に示す微小変位付与装置１００の薄肉部１０２を形成する繊維強化複合材の繊維１５としては、例えば、炭素繊維が用いられ、そして母材（マトリックス）としては、例えば、エポキシ樹脂が用いられる。

そして微小変位付与装置１００の基部１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ、薄肉部１０２、および作動部１０３は、図１１の拡大図に示すように薄肉部の厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維１５を含む繊維強化複合材から一体に形成されている。そして各々の薄肉部１０２に含まれている繊維の両端は、基部及び作動部のそれぞれの内部にまで伸びている。

この微小変位付与装置１００において、駆動装置１４ａ、１４ｂの各々として用いる積層型圧電素子が長さ方向に伸びると、作動部１０３は積層型圧電素子の変位量に対応する量にて図１０に記入した矢印１０８ａが示す方向に微小変位し、そして駆動装置１４ｃ、１４ｄの各々として用いる積層型圧電素子が長さ方向に伸びると、作動部１０３が積層型圧電素子の変位量に対応する量にて矢印１０８ｂが示す方向に微小変位する。すなわち微小変位付与装置１００は、例えば、その作動部１０３の上に置かれた物品を二次元方向に微小変位させて位置決めする装置（ＸＹステージ）として用いることができる。

また、例えば、上記の図１０の微小変位付与装置１００の作動部１０３の上に、図７の微小変位付与装置７０の基部７１ａ、７１ｂを固定することで、微小変位付与装置７０の作動部７３の上に置かれた物品を位置決めするＸＹＺステージを構成することができ、さらに上記作動部７３の上に図９の微小変位付与装置９０の基部９１ａ、９１ｂを固定することで、微小変位付与装置９０の作動部９３の上に置かれた物品を位置決めするＸＹＺθステージを構成することができる。

図１２は、図１０の微小変位付与装置１００と同様の構成の微小変位付与装置を例にして、本発明の微小変位付与装置の薄肉部に含まれる繊維の機能を説明する図である。図１２においては、図１０の微小変位付与装置１００と対応する構成要素には同じ符号を記入してある。なお、以下では、薄肉部を形成する繊維強化複合材の繊維が炭素繊維である場合を例として、繊維の機能を説明する。

図１２（ａ）は、微小変位付与装置の薄肉部１０２の内部に炭素繊維が存在しない場合に、例えば、装置の長期使用によって作動部１０３と薄肉部１０２との接続部位に生じたクラック１２７の成長の仕方について説明する図である。図１２（ａ）に示すように、微小変位付与装置の薄肉部１０２には炭素繊維が含まれていないため、さらに装置の使用を続けた場合にはクラック１２７（あるいは同様に薄肉部１０２の内部にて生じたクラック）が成長して薄肉部１０２が破断する可能性が高い。

図１２（ｂ）は、微小変位付与装置の作動部１０３の内部に薄肉部１０２の厚み方向と平行に配置された炭素繊維１５ａが存在する場合に、上記と同様のクラック１２７の成長の仕方について説明する図である。図１２（ｂ）に示すように、薄肉部１０２の厚み方向と平行に配置された炭素繊維１５ａがクラック１２７の薄肉部の厚み方向に垂直な方向への成長を妨げるため、薄肉部１０２の破断の可能性は炭素繊維が無い場合（図１２（ａ）の場合）よりも低下する。しかしながら、薄肉部１０２を破断させ易い、薄肉部厚み方向へのクラックの成長を妨げることはできない。

図１２（ｃ）は、微小変位付与装置の薄肉部１０２の内部に薄肉部１０２の厚み方向と直交（交差）するように配置された炭素繊維１５ｂが存在する場合に、上記と同様のクラック１２７の成長の仕方について説明する図である。図１２（ｃ）に示すように、薄肉部１０２の厚み方向と直交するように配置された炭素繊維１５ｂがクラック１２７（あるいは同様に薄肉部１０２の内部にて生じたクラック）の薄肉部厚み方向への成長を妨げるため、薄肉部の破断の可能性は更に低下する。

図１２（ｄ）は、微小変位付与装置の薄肉部１０２の内部に薄肉部１０２の厚み方向と直交（交差）するように配置された炭素繊維１５ｂと、更に炭素繊維１５ｂに直交するように配置された炭素繊維１５ａが存在する場合に、上記と同様のクラック１２７の成長の仕方について説明する図である。図１２（ｄ）に示すように、薄肉部１０２の厚み方向と直交するように配置された炭素繊維１５ｂがクラック１２７（あるいは同様に薄肉部１０２の内部にて生じたクラック）の薄肉部厚み方向への成長を妨げ、更に炭素繊維１５ａがこのクラック１２７の繊維１５ｂに沿った成長を妨げるため、薄肉部の破断の可能性は更に低下する。

上記のように、繊維強化複合材の繊維がその内部に生じたクラックの成長を抑制することについては、公知文献（例えば、電子通信学会編著，「電子工学のための複合材料」，社団法人電子通信学会，昭和６１年１０月１５日，ｐ１７−１９）に記載されている。

図１３は、第二の発明の微小変位付与装置の構成例を示す正面図である。図１３の微小変位付与装置１３０は、基部１３１、基部１３１に各々薄肉部１３２ａ、１３２ｂを有する一対の支柱１３７ａ、１３７ｂを介して接続され、これらの薄肉部の弾性変形により基部１３１に対して変位可能とされている作動部１３３、および基部１３１に設置されている、上記の作動部１３３に変位エネルギーを付与して作動部１３３を基部１３１に対して微小変位させる駆動装置１４から構成されている。そして微小変位付与装置１３０の薄肉部１３２ａ、１３２ｂの各々は、その厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維１５を含む繊維強化複合材から形成される。

図１３の微小変位付与装置１３０の構成は、作動部１３３が各々薄肉部１３２ａ、１３２ｂを有する一対の支柱１３７ａ、１３７ｂを介して基部１３１に接続されていること以外は図５の微小変位付与装置５０と同様である。

そして図１３に示すように、基部１３１と作動部１３３とは、両端に薄肉部１３２ａ、１３２ｂを有する支柱を介して接続されていることが好ましい。更に基部１３１、薄肉部１３２ａ、１３２ｂ、支柱１３７ａ、１３７ｂ及び作動部１３３は繊維強化複合材から一体に形成され、各々の支柱の基部１３１の側の薄肉部１３２ｂに含まれている繊維１５の両端が、基部１３１及び支柱のそれぞれの内部にまで伸び、そして作動部１３３の側の薄肉部１３２ａに含まれている繊維１５の両端が、作動部１３３及び支柱のそれぞれの内部にまで伸びていることが好ましい。

この微小変位付与装置１３０において、駆動装置１４として用いる積層型圧電素子が長さ方向に伸びると、作動部１３３は積層型圧電素子の変位量に対応する量にて図１３に記入した矢印１３８が示す方向に微小変位する。

図１４は、第二の発明の微小変位付与装置の別の構成例を示す正面図である。図１４の微小変位付与装置１４０の構成は、基部１３１に設置されている駆動装置１４が、支柱１３７ａに変位エネルギーを付与して作動部１３３を基部１３１に対して微小変位させること以外は図１３の微小変位付与装置１３０と同様である。このように支柱に変位エネルギーを付与することにより、作動部１３３を、てこの原理により駆動装置１４として用いる積層型圧電素子の変位量よりも大きな量にて微小変位させることができる。

図１５は、第二の発明の微小変位付与装置のさらに別の構成例を示す正面図である。図１５の微小変位付与装置１５０は、基部１３１、基部１３１に各々薄肉部１３２ａ、１３２ｂを有する一対の支柱１３７ａ、１３７ｂを介して接続され、これらの薄肉部の弾性変形により基部１３１に対して変位可能とされている作動部１３３、および基部１３１に設置されている、上記の作動部１３３に変位エネルギーを付与して作動部１３３を基部１３１に対して微小変位させる駆動装置１４などから構成されている。そして微小変位付与装置１５０の薄肉部１３２ａ、１３２ｂの各々は、その厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維１５を含む繊維強化複合材から形成される。

図１５の微小変位付与装置の駆動装置１４には、基部１３１に薄肉部１３２ｃを介して接続され、この薄肉部１３２ｃの弾性変形により基部１３１に対して変位可能とされている作動部１５３が備えられており、そして駆動装置１４は、作動部１５３に形成された薄肉部１３２ｄを介して作動部１３３に変位エネルギーを付与する。すなわち図１５の微小変位付与装置１５０の作動部１３３に変位エネルギーを付与する装置として、第一の発明の微小変位付与装置が用いられている。

この微小変位付与装置１５０において、駆動装置１４として用いる積層型圧電素子が長さ方向に伸びると、薄肉部１３２ｄは、てこの原理により積層型圧電素子の伸び量よりも大きな量にて図１５に記入した矢印１５８ａが示す方向に微小変位し、その結果作動部１３３は図１５に記入した矢印１５８が示す方向に微小変位する。

図１６は、第二の発明の微小変位付与装置のさらに別の構成例を示す正面図である。図１６の微小変位付与装置１６０は、基部１６１、基部１６１に薄肉部１６２ａ、１６２ｂを有する支柱１６７と、薄肉部１６２ｃとを介して接続され、これらの薄肉部の弾性変形により基部１６１に対して変位可能とされている作動部１６３、および基部１６１に設置されている、上記の支柱１６７に変位エネルギーを付与して作動部１６３を基部１６１に対して微小変位させる駆動装置１４から構成されている。そして微小変位付与装置１６０の薄肉部１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃの各々は、その厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維１５を含む繊維強化複合材から形成される。

図１６の微小変位付与装置１６０の基部１６１、薄肉部１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、支柱１６７、および作動部１６３は、各々の薄肉部の厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維１５を含む繊維強化複合材から一体に形成されている。そして支柱１６７の基部１６１の側の薄肉部１６２ｂに含まれている繊維の両端は、基部１６１及び支柱１６７のそれぞれの内部にまで伸び、そして作動部１６３の側の薄肉部１６２ａに含まれている繊維の両端は、作動部１６３及び支柱１６７のそれぞれの内部にまで伸びている。また薄肉部１６２ｃに含まれている繊維の両端は、基部１６１及び作動部１６３のそれぞれの内部にまで伸びている。

この微小変位付与装置１６０において、駆動装置１４として用いる積層型圧電素子が長さ方向に伸びると、作動部１６３が、てこの原理により積層型圧電素子の変位量よりも大きな量にて図１６に記入した矢印１６８が示す方向に微小変位する。

図１７は、第三の発明の微小変位付与装置の構成例を示す斜視図であり、そして図１８は、図１７に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した微小変位付与装置１７０の断面図である。

図１７及び図１８に示す微小変位付与装置１７０は、板状圧電素子１７４の各々の表面に、この表面から離隔した薄肉部１７２を中央に有する作動部１７３ａ、１７３ｂを固定した構成を有している。このような構成の微小変位付与装置は、ムーニーアクチュエータとも呼ばれており、その構成や動作原理の詳細については、特開平６−３３８６４０号、特開平７−１６２０５１号及び特開２００１−１５８２３号の各公報に記載されている。

そして図１７の微小変位付与装置１７０において、作動部１７３ａ、１７３ｂの各々の薄肉部１７２は、薄肉部１７２の厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維１５を含む繊維強化複合材から形成される。作動部１７３ａ、１７３ｂのそれぞれは、例えば、板状の繊維強化複合材を切削加工して薄肉部を形成することにで容易に作製することができ、例えば、エポキシ樹脂を用いて板状圧電素子１７４の表面に固定される。

この微小変位付与装置１７０において、板状圧電素子１７４がその厚み方向に伸びると、作動部１７３ａ及び１７３ｂは、それぞれ図１８に記入した矢印１７８ａ、１７８ｂが示す方向に微小変位する。一方、板状圧電素子１７４は上記のように厚み方向に伸びると同時に、そのポアソン比に基づいて上下の表面の面積が縮小する。この面積の縮小により、各々の薄肉部１７２は、板状圧電素子１７４の側とは逆側に膨出するように撓んで微小変位する。すなわち薄肉部１７２は、板状圧電素子表面の面積の縮小を薄肉部厚み方向の変位に変換する。従って微小変位付与装置１７０は、板状圧電素子１７４が厚み方向に伸びると、この伸び量に対応する量に、さらに圧電素子表面の面積の縮小を薄肉部厚み方向に変換した変位量を加えた量にて上下方向に伸びる（微小変位する）。このような微小変位付与装置１７０を用いると、板状圧電素子を単体で用いる場合よりも大きな変位量が得られる。

図１８に示すように、作動部１７３ａ、１７３ｂの各々は、薄肉部１７２と共に繊維強化複合材から一体に形成され、そして上記の薄肉部１７２に含まれている繊維の両端が、それぞれ作動部の縁まで伸びていることが好ましい。また、より大きな変位量を得るために、微小変位付与装置１７０の板状圧電素子１７４に代えて、二枚以上の板状圧電素子の積層体（積層型圧電素子）を用いることも好ましい。なお、作動部は、板状圧電素子（あるいは積層型圧電素子）の一方の表面にのみ固定されていてもよい。

図１９は、第三の発明の微小変位付与装置の別の構成例を示す断面図である。図１９の微小変位付与装置１９０は、作動部１９３ａ、１９３ｂの各々の厚みが薄肉部１９２と同じ厚みに設定されていること以外は、図１７及び図１８に示す微小変位付与装置１７０と同様の構成である。各々の作動部は、例えば、板状の繊維強化複合材を湾曲させて作製することができ、その縁部にて板状圧電素子１７４の表面に固定されている。

図２０は、第三の発明の微小変位付与装置のさらに別の構成例を示す斜視図であり、そして図２１は、図２０に記入した切断線II−II線に沿って切断した微小変位付与装置２００の断面図である。図２０及び図２１に示す微小変位付与装置２００の構成は、作動部２０３ａ、２０３ｂがそれぞれドーム状に形成され、中央に板状圧電素子１７４の表面と離隔した薄肉部２０２が備えられていること以外は図１７の微小変位付与装置１７０と同様である。また図２０及び図２１に示すように、薄肉部２０２を形成する繊維強化複合材としては、薄肉部の厚み方向に交差するように整列配置された複数本の繊維１５ａと、この繊維１５ａと直交するように整列配置された複数本の繊維１５ｂとを含む繊維強化複合材を用いることも好ましい。

第一の発明の微小変位付与装置の構成例を示す図である。 図１の微小変位付与装置の駆動装置として用いる積層型圧電素子の構成を示す斜視図である。 第一の発明の微小変位付与装置の別の構成例を示す正面図である。 第一の発明の微小変位付与装置の更に別の構成例を示す正面図である。 第一の発明の微小変位付与装置の更に別の構成例を示す正面図である。 第一の発明の微小変位付与装置の更に別の構成例を示す正面図である。 第一の発明の微小変位付与装置の更に別の構成例を示す斜視図である。但し、薄肉部に含まれる繊維の記載は省略してある。 図７の微小変位付与装置の部分拡大図である。 第一の発明の微小変位付与装置の更に別の構成例を示す斜視図である。但し、薄肉部に含まれる繊維の記載は省略してある。 第一の発明の微小変位付与装置の更に別の構成例を示す斜視図である。但し、薄肉部に含まれる繊維の記載は省略してある。 図１０の微小変位付与装置の部分拡大図である。 本発明の微小変位付与装置の薄肉部に含まれる繊維の機能を説明する図である。 第二の発明の微小変位付与装置の構成例を示す正面図である。 第二の発明の微小変位付与装置の別の構成例を示す正面図である。 第二の発明の微小変位付与装置の更に別の構成例を示す正面図である。 第二の発明の微小変位付与装置の更に別の構成例を示す正面図である。 第三の発明の微小変位付与装置の構成例を示す斜視図である。 図１７に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した微小変位付与装置の断面図である。 第三の発明の微小変位付与装置の別の構成例を示す断面図である。 第三の発明の微小変位付与装置の更に別の構成例を示す斜視図である。 図２０に記入した切断線II−II線に沿って切断した微小変位付与装置の断面図である。 従来の微小変位付与装置の構成例を示す正面図である。 従来の微小変位付与装置の別の構成例を示す斜視図である。 従来の微小変位付与装置の更に別の構成例とその使用の態様を示す斜視図である。

符号の説明

１０、３０、４０、５０、６０、７０、９０、１００、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１９０、２００ 微小変位付与装置
１１、４１、５１、６１、７１ａ、７１ｂ、９１ａ、９１ｂ、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ、１３１、１６１ 基部
１２、２２、３２、４２、５２ａ、５２ｂ、６２ａ、６２ｂ、７２、９２、１０２、１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄ、１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、１７２、１９２、２０２ 薄肉部
１３、４３、５３、６３、７３、９３、１０３、１３３、１５３，１６３、１７３ａ、１７３ｂ、１９３ａ、１９３ｂ、２０３ａ、２０３ｂ 作動部
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ 駆動装置
１５、１５ａ、１５ｂ 繊維
１６ ボールベアリング
１８、４８、５８、６８、７８、９８、１０８ａ、１０８ｂ、１３８、１４８、１５８、１６８、１７８ａ、１７８ｂ 作動部の変位方向を示す矢印
１９ 母材
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ、２１ｈ、１７４ 板状圧電素子
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ 分極処理されている圧電セラミック板
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ、２３ｇ、２３ｈ、２３ｉ 電極層
２４ａ、２４ｂ 分極処理されていない圧電セラミック板
２５ａ、２５ｂ 絶縁体
２６ 外部電極
１２７ クラック
１３７ａ、１３７ｂ、１６７ 支柱
２２０、２３０、２４０ 微小変位付与装置
２２１ 基板
２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ、２２２ｄ ヒンジ部
２２４、２４４ 積層圧電アクチュエータ
２２３ａ、２２３ｂ レバーアーム
２２８ レバーアーム２２３ｂの変位方向を示す矢印
２３１ａ、２３１ｂ、２４１ 基部
２３２、２４２ａ、２４２ｂ 薄肉部
２３３、２４３ 作動部
２３４ａ、２３４ｂ 圧電アクチュエータ
２３８、２４８ 作動部の変位方向を示す矢印
２４６ａ、２４６ｂ 支柱
２４７ プローブ
２４９ ボールベアリング

Claims (9)

1. 基部、該基部に薄肉部を介して接続され、該薄肉部の弾性変形により基部に対して変位可能とされている作動部、および該基部に設置されている、上記の作動部に変位エネルギーを付与して該作動部を基部に対して微小変位させる駆動装置を備える微小変位付与装置において、少なくとも上記の薄肉部が、該薄肉部の厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維を含む繊維強化複合材から形成されていることを特徴とする微小変位付与装置。
2. 基部、薄肉部及び作動部が繊維強化複合材から一体に形成され、そして上記の薄肉部に含まれている繊維の両端が、基部及び作動部のそれぞれの内部にまで伸びている請求項１に記載の微小変位付与装置。
3. 駆動装置が二枚以上の板状圧電素子の積層体からなる請求項１もしくは２に記載の微小変位付与装置。
4. 基部、該基部に薄肉部を有する支柱を介して接続され、該薄肉部の弾性変形により基部に対して変位可能とされている作動部、および該基部に設置されている、上記の作動部もしくは支柱に変位エネルギーを付与して該作動部を基部に対して微小変位させる駆動装置を備える微小変位付与装置において、少なくとも上記の薄肉部が、該薄肉部の厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維を含む繊維強化複合材から形成されていることを特徴とする微小変位付与装置。
5. 基部と作動部とが、両端に薄肉部を有する支柱を介して接続されている請求項４に記載の微小変位付与装置。
6. 基部、薄肉部、支柱及び作動部が繊維強化複合材から一体に形成され、基部の側の薄肉部に含まれている繊維の両端が、基部及び支柱のそれぞれの内部にまで伸び、そして作動部の側の薄肉部に含まれている繊維の両端が、作動部及び支柱のそれぞれの内部にまで伸びている請求項５に記載の微小変位付与装置。
7. 駆動装置が二枚以上の板状圧電素子の積層体からなる請求項４乃至６のうちのいずれかの項に記載の微小変位付与装置。
8. 一枚の板状圧電素子もしくは二枚以上の板状圧電素子の積層体の少なくとも一方の表面に、該表面から離隔した薄肉部を中央に有する作動部を固定してなる微小変位付与装置において、少なくとも上記の薄肉部が、該薄肉部の厚み方向と交差するように整列配置された複数本の繊維を含む繊維強化複合材から形成されていることを特徴とする微小変位付与装置。
9. 作動部が薄肉部と共に繊維強化複合材から一体に形成され、そして上記の薄肉部に含まれている繊維の両端が、それぞれ作動部の縁まで伸びている請求項８に記載の微小変位付与装置。

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