JP2847560B2 - 微小平行変位駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、位相干渉法による光学素子反射面側定器や
測長器における光学素子の移動、走査型トンネル顕微鏡
における試料等の荒送り、超精密加工機における工具の
送り等に用いられる微小平行変位駆動装置に関し、詳し
くは、固定板部材と変位板部材とがピエゾ素子にその伸
縮方向の弾性圧力を加えるように圧接した弾性変形部材
を介して平行に連結されていて、ピエゾ素子への電圧の
印加に応じて固定板部材に対し変位板部材が平行に変位
する微小平行変位駆動装置に関する。

〔従来の技術〕

例えば、公知の第15図に示したようなフィゾー型位相
干渉計におけるフィゾー参照レンズの光軸方向への微小
平行移動に、USP4577131号公報に記載されている第16図
の側面図と第17図の平面図に示したような駆動装置が用
いられる。第15図において、１はレーザ光源、２は光束
拡張レンズ、３はハーフミラー、４はコリメータレン
ズ、５はフィゾー参照レンズ、６はフィゾー参照レンズ
５を光軸方向に微小平行移動させる駆動装置、７は被検
反射面、８は結像レンズ、９は干渉像の投影スクリーン
や像信号を得るCCDと言った受光検知部材であり、第16,
17図の駆動装置６において、6Aは固定板部材、6Bは変位
板部材、6Cは両端にねじ締めによってそれぞれ固定板部
材6Aおよび変位部材6Bを連結して両部材6Aと6Bを平行に
対向させているアクチュエータ、6Dはフィゾー参照レン
ズ５と言った光学素子50を変位板部材6Bに取付けている
光学素子取付枠、6Eは詳細を第18図に示したアクチュエ
ータ6Cに内蔵されているピエゾ素子6Fに電圧を印加する
電圧印加手段である。

第18図のアクチュエータ6Cは、弾性係数が小さいAl等
の金属部材から成る筒体6Gの内部にピエゾ素子6Fを収容
し、筒対6Gの孔を塞ぐように孔の両端部と螺合等によっ
て係合している栓体6Hの円錐状対向凹面の底端でピエゾ
素子6Fの両端の円錐状突端を挟圧することによりピエゾ
素子6Fを保持した構成で、ピエゾ素子6Fが印加電圧に応
じて伸縮し易いように、筒体6Gの中央部分は肉厚の薄い
伸縮部とし、それに連なる両端側の栓体6Hが係合するよ
うな部分は肉厚の厚い連結部としている。そして、アク
チュエータ6Cは、筒体6Gの連結部に設けたねじ孔にねし
込まれるねじによって第16,17図のように固定板部材6A
と変位板部材6Bとに連結している。

すなわち、第16,17図の駆動装置６は、電圧印加手段6
Eでアクチュエータ6Cのピエゾ素子6Fに印加する電圧を
変化することによって、アクチュエータ6Cのピエゾ素子
6Fに栓体6Hを介し弾性伸長応力に基づく圧力を加えてい
る弾性変形部材の筒体6Gが伸縮し、したがって固定板部
材6Aと変位板部材6Bの対向間隔が伸縮して、第15図のフ
ィゾー参照レンズ５のような光学素子50を光軸方向に微
小平行移動させるものである。

ところで、ピエゾ素子は、印加電圧によって生ずる
極部的変位が必ずしもピエゾセラミックの積層方向に真
直ぐな方向とは限らず、幾らかの曲がりが生ずる、予
圧がない場合は、伸長量が大きいと破壊することがあ
る、伸縮量と電圧関係が外部から伸縮方向に加わる圧
力の性質に依存し、圧力が比較的小さく一定であれば、
伸縮量と電圧の関係が比例した直線的になるが、圧力が
大きく伸縮量に比例するときは、伸縮量と電圧の関係が
非直線的になる、と言った特性を示す。

そこで第18図のアクチュエータ6Cは、ピエゾ素子6Fの
両端を円錐状とし、ピエゾ素子6Fを挟圧保持する栓体6H
の挟圧部を円錐角がピエゾ素子6Fのそれよりも大きい円
錐状凹面の底端としたことで、ピエゾ素子特性のの曲
がりを吸収する。また、栓体6Hの締め込みによる挟圧力
を適当にすることで、ピエゾ素子特性のの破壊の問題
を解消する。さらに、筒体6Gの弾性係数が小さいAl等の
金属材料から成る肉厚の薄い伸縮部によって、ピエゾ素
子特性のの伸縮量との電圧の関係ができるだけ直線的
になるようにしている。

このようなアクチュエータ6Cを用いた第16,17図の駆
動装置においても、イ.2個のアクチュエータ6Cを用いて
いるから、それらの特性が揃っていないと光学素子50を
平行変位させることができない、ロ．アクチュエータ6C
は、基本的に弾性変形部材の弾性伸長変形を利用したも
のであるから、筒体6GにAlのような弾性係数の小さい金
属材料を用いざるを得ず、従って温度変化によるドリフ
ト変位を生じさせ易く、たとえ２個のアクチュエータ6C
の特性を揃えたとしても、２個のアクチュエータ6C間で
駆動時の発熱や外乱により温度差が生じた場合は、光学
素子50を平行変位させることができない、ハ.2個のアク
チュエータ6Cを用いても、アクチュエータ6Cが弾性係数
の小さい金属材料から成る筒体6Gを用いた剛性の低い構
造のものであるから、例えば、光学素子取付枠6Dと光学
素子50も含めて５〜6kgfと言った比較的重量のある変位
板部材6Bをアクチュエータ6Cで支持した場合は、アクチ
ュエータ6Cに撓みが生じ易く、光学素子50を微小変位さ
せたときに撓み共振が発生し易い、等の問題がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、上述のような駆動装置の問題を解消するた
めになされたものであり、駆動源として市販のピエゾ素
子をそのまま使うことができて安価に構成され、しかも
光学素子保持枠等を設け得る変位板部材が撓むことなく
ピエゾ素子への印加電圧に応じ固定部材に対し安定して
平行変位する微小平行変位駆動装置の提供を目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、固定板部材と変位板部材とがピエゾ素子に
その伸縮方向の弾性圧力を加えるように圧接した弾性変
形部材を介して平行に連結されていて、ピエゾ素子への
電圧の印加に応じて固定板部材に対し変位板部材が平行
に変位する微小平行変位駆動装置において、弾性変形部
材が、それぞれ長さの中央から等分の中間部分２ケ所に
扁平四角断面の上層と下層とで繋がって四角断面の中層
の抜けた上下層平行撓み部分のある基本断面四角の対称
的な平行梁部と、長さの中心線に対し対称的な平面形状
と平行梁部に等しい厚さでそれぞれ平行梁部の両端部を
連結する対称的な連結梁部とから成る枠部と、各平行梁
部の中実中央部分から枠部の下面に直角に伸びる平行支
柱部とから成り、固定板部材または変位板部材が平行支
柱部の下端に連結され、ピエゾ素子が各連結梁部の中央
位置で固定板部材または変位板部材と枠部とによって挟
圧されるように平行に配設されて、変位板部材または固
定板部材が各連結梁部の中央または中央から等分の位置
で枠部の上面にスペーサ部を介し連結されていることを
特徴とする微小平行変位駆動装置、または、同じく固定
板部材に対し変位板部材が平行に変位する微小平行変位
駆動装置において、弾性変形部材が、それぞれ長さの中
央から等分の中間部分２ケ所に扁平四角断面の上層と下
層とで繋がって四角断面の中層の抜けた上下層平行撓み
部分のある基本断面四角の対称的な平行梁部と、長さの
中心線に対し対称的な平面形状と平行梁部に等しい厚さ
でそれぞれ平行梁部の両端部を連結する対称的な連結梁
部とから成る枠部と、各連結梁部の中央部分から枠部の
下面に直角に伸びる平行支柱部とから成り、固定板部材
または変位板部材が平行支柱部の下端に連結され、ピエ
ゾ素子が各平行梁部の中実な中央位置で固定板部材また
は変位板部材と枠部とによって挟圧されるように平行に
配設されて、変位板部材または固定板部材が各平行梁部
の中実な中央位置で枠部の上面にスペーサ部を介し連結
されていることを特徴とする微小平行変位駆動装置にあ
り、このいずれかの構成によって前記目的を達成する。

〔作用〕

すなわち、本発明の微小平行変位駆動装置は、前述の
アクチュエータ6Cとは異なり、弾性変形部材の枠部の長
さの中央から等分の中間部分２ケ所に平行撓み部分のあ
る平行梁部を両持ち梁としたような弾性撓み変形を利用
したものであるから、温度変化によるドリフト変位を生
じさせることが少なく、弾性変形部材に剛性の高い鋼材
等を用いることができて、重量のある変位板部材を支持
した場合も撓みが少なく、変位板部材したがって光学素
子等を微小変位させたときに撓み共振が発生することも
少なく、そして、２個のピエゾ素子の曲がりの吸収や破
壊の問題の解消および伸縮量と電圧の直線的関係を揃え
ること等はアクチュエータ6Cにおけると同様の手段で行
い得るので、安価に構成されて、光学素子等を安定して
ピエゾ素子に印加する電圧に応じ平行変位させることが
できる。

〔実施例〕

以下、第１乃至第14図によって本発明を説明する。

第１図および第２図は本発明の駆動装置の１例を示す
光学素子保持枠も含めた側面図および光学素子保持枠を
除いた平面図、第３図および第４図は他の例を示す同様
の側面図および平面図、第５図および第６図は本発明の
駆動装置に用いられる弾性変形部材の１例を示す枠部表
面の紙面に直角な方向の等変位線グラフおよび紙面に平
行な方向の等応力線グラフ、第７図および第８図は同じ
く弾性変形部材の他の例を示す等変位線グラフおよび等
応力線グラフ、第９図および第10図は第7,8図の弾性変
形部材の枠部の側面図および斜視図における第5,7図と
同様の等変位線グラフ、第11図および第12図は第７〜10
図の弾性変形部材の枠部上面四隅部分にスペーサ部を介
して連結された変位板部材表面の紙面に直角な方向の等
変位線グラフおよび斜視図におけると同様の等変位線グ
ラフ、第13図および第14図は比較例の弾性変形部材枠部
表面の紙面に直角な方向の等変位線グラフおよび紙面に
平行な方向の等応力線グラフである。

第1,2図および第3,4図に示した本発明の駆動装置60に
おいて、61は固定板部材、62は変位板部材、63は一端を
ねじ等により固定板部材61に固定されたピエゾ素子、64
はばね鋼等より成る弾性変位部材、65は変位板部材62に
ねじ等により固定されて光学素子50を取付ける光学素子
取付枠である。第1,2図の弾性変位部材64は、枠部64Aの
平行梁部中央部分から下面に直角に伸びる平行支柱部64
Bの先端にねじ等により固定板部材61を固定し、枠部64A
の平行梁部と連結梁部の４ケ所の連続部上面にスペーサ
部66を介してねじ等により変位板部材62を固定して、固
定板部材61と変位板部材62とを平行に保っている。そし
て、枠部64Aの連結梁部中央部分に螺合等によって設け
た圧力調節部材67の先端平面でピエゾ素子63の先端に形
成した球面と圧接している。また、第3,4図の弾性変位
部材64は、枠部64Aの連結梁部中央部分から下面に直角
に伸びる平行支柱部64Bの先端にねじ等により固定板部
材61を固定し、枠部64Aの平行梁部の中央部分上面にス
ペーサ部66を介してねじ等により変位板部材62を固定し
て、固定板部材61と変位板部材62を平行に保っている。
そして、枠部64Aの平行梁部中央部分に螺合等によって
設けた圧力調節部材67の先端平面でピエゾ素子63の先端
に形成した球面と圧接している。

本発明の駆動装置60においては、固定板部材61と変位
板部材62が上述のように弾性変形部材64を介して連結さ
れているから、ピエゾ素子63に印加する電圧に応じて変
化する固定板部材61と変位板部材62の相対的平行変位
は、弾性変形部材64の枠部64Aの両持ち梁としての平行
梁部の弾性撓み変形を利用している。しかも、平行梁部
は中央の力点から等分の中間部分の２ケ所に、扁平四角
断面の上層と下層とで繋って四角断面の中層の孔64Hが
あいている上下層平行撓み部分を有するから、弾性変形
部材64にばね鋼のような剛性の高い材料を用いていても
平行梁部を比較的小さい力でピエゾ素子63の伸縮方向に
弾性撓み変形させることができる。したがって、ピエゾ
素子63の伸縮量と電圧の関係を直線的にできる。また、
２個のピエゾ素子63の伸縮量と電圧の関係を圧力調節部
材67によって揃えることができる。これらによって、平
行梁部の中央の力点部分と両端側の力点部分の固定板部
材61に対する平行性を変位板部材62に実質的な撓みや傾
きが生じないように維持することができ、そのため変位
板部材62に取付けられた光学素子50を変形やテイルトさ
せることなく固定板部材61に対し安定して平行変位させ
ることができる。

なお、図示例では弾性変形部材64の枠部64の連結梁部
を四角断面の平行梁にしているが、連結梁部は平面形状
が長さの中心線に対し対称的で、且つ両連結梁部が対称
的であれば、平行梁でなくてもよい。また、固定板部材
61と変位板部材62をそれぞれ光束の通る角孔61Aと丸孔6
2Aが設けられているものにしているが、変位板部材62を
固定板部材61の反対側に光を反射する光学素子50や走査
型トンネル顕微鏡の試料あるいは超精密加工機の工具等
の取付けに利用するときは、これらの孔61Aや62Aが不要
となることは言うまでもない。さらに、固定板部材61と
変位板部材62を弾性変形部材64に対し図示例とは入れ換
えて固定してもよい。

第1,2図の本発明の駆動装置における弾性変形部材64
の枠部64Aの弾性変形は、第5,6図あるいは第７〜10図に
示したように行われる。

第5,6図は、弾性変形部材64が縦弾性係数2.1×10⁴kgf
/mm²のステンレス鋼から成っていて、枠部64Aの寸法が
第５図におけるL1,L2＝152mm、W1,W2＝21mm、孔64Hから
平行梁部と連結梁部の連結部までの距離Ｇ＝4.5mm、孔6
4Hの幅Ｐ＝27.5mm、孔64Hの紙面に直角方向の高さ5mm、
枠部64Aの厚さ15mm、孔64Hのある上下層平行撓み部分の
上層と下層の厚さが各5mmであり、２個のピエゾ素子63
の各押圧力が36kgfの条件で求めたグラフである。そし
て、第５図における等変位線l1〜l8は、l1とl2,…,l7,l
8の高さの差Δｌが各0.003786μｍ、第６図における等
応力線S1〜S8は、S1とS2,…,S7とS8の応力（方向は等応
力線に直角）の差が各0.2126kgf/mm²である。

第5,6図から、この弾性変形部材64を用いた第1,2図の
本発明の駆動装置では、弾性変形部材64に四隅で固定さ
れた変位板部材62は、傾いたり撓んだりすること殆どな
しに、固定板部材61に対し２Δｌ〜３Δｌの範囲の平行
変位をすることが分かる。

第７〜10図は、弾性変形部材64が枠部64Aの平行梁部
の孔64Hの高さを11mm、上下層平行撓み部の上層と下層
厚さを各2mmとしている点が第5,6図の弾性変形部材64と
異なる以外は第5,6図と同じ条件で求めたグラフであ
る。

第5,6図と同様の第7,8図、さらには第9,10図から、こ
の弾性変位部材64を用いた第1,2図の本発明の駆動装置
では、変位板部材62は、傾いたり撓んだりすること一層
なしに、固定板部材61に対し４Δｌ〜５Δｌの範囲の平
行変位をすることが分かる。そして、第11,12図のグラ
フも変位板部材62の撓みが表面最大高低差で２Δｌ程度
であることを示している。

また、第７〜10図は、第３〜４図の駆動装置における
弾性変形部材64の平行梁部上下層平行撓み部分の寸法を
第７〜10図の弾性変形部材64のそれと同様にすれば、第
３〜４図の駆動装置においても同様の効果が得られるこ
とを示している。

すなわち、第1,2図や第3,4図に示した本発明の駆動装
置は、第15図の駆動装置６や走査型トンネル顕微鏡の試
料荒送り装置あるいは超精密加工機の工具送り装置等と
して好適に用いられる。

以上に対して、第13,14図は、弾性変形部材が第5,6図
の枠部64Aの角孔を内接円孔とし、平行梁部の孔64Hの高
さを9mm、その上方と下方の上層と下層の厚さを3mmとし
たものである点が第5,6図のものと異なる以外は第5,6図
と同じ条件で求めたグラフである。平行支柱部のある部
分でも応力勾配が強く現れていることが第14図から分か
るように、このような弾性変形部材を用いた場合は、第
７〜12図の例と比較したときは勿論、第5,6図の例と比
較しても、変位板部材62に傾きや撓みが生じ易い。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明の微小平行変位駆動装置
は、市販のピエゾ素子をそのまま使うことができて安価
に構成され、しかも光学素子枠等を設け得る変位板部材
が撓むことなくピエゾ素子への印加電圧に応じ固定部材
に対し安定して平行に変位するから、位相干渉計の光学
素子微小駆動装置等として好適に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の駆動装置の１例を示す光
学素子保持枠も含めた側面図および光学素子保持枠を除
いた平面図、第３図および第４図は他の例を示す同様の
側面図および平面図、第５図および第６図は本発明の駆
動装置に用いられる弾性変形部材の１例を示す枠部表面
の紙面に直角な方向の等変位線グラフおよび紙面に平行
な方向の等応力線グラフ、第７図および第８図は同じく
弾性変形部材の他の例を示す等変位線グラフおよび等応
力線グラフ、第９図および第10図は第7,8図の弾性変形
部材の枠部の側面図および斜視図における第5,7図と同
様の等変位線グラフ、第11図および第12図は第７〜10図
の弾性変形部材の枠部上面四隅部分にスペーサ部を介し
て連結された変位板部材表面の紙面に直角な方向の等変
位線グラフ、および斜視図におけると同様の等変位線グ
ラフ、第13図および第14図は比較例の弾性変形部材枠部
表面の紙面に直角な方向の等変位線グラフおよび紙面に
平行な方向の等応力線グラフ、第15図は本発明の駆動装
置が用いられる位相干渉計の構成概要側面図、第16図お
よび第17図は従来の光学素子を微小平行移動させる駆動
装置の側面図および平面図、第18図は第16,17図の駆動
装置に用いられているアクチュエータの構造を示す部分
断面図である。 １……レーザ光源、２……光束拡張レンズ ３……ハーフミラー、４……コリメータレンズ ５……フィゾー参照レンズ ６……駆動装置、７……被検反射面 ８……結像レンズ、９……受光検知部材 50……光学素子 60……微小平行変位駆動装置 61……固定板部材、62……変位板部材 63……ピエゾ素子、64……弾性変位部材 64A……枠部、64B……平行支柱部 65……光学素子取付枠、66……スペーサ部 67……圧力調節部材

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定板部材と変位板部材とがピエゾ素子に
   その伸縮方向の弾性圧力を加えるように圧接した弾性変
   形部材を介して平行に連結されていて、ピエゾ素子への
   電圧の印加に応じて固定板部材に対し変位板部材が平行
   に変位する微小平行変位駆動装置において、弾性変形部
   材が、それぞれ長さの中央から等分の中間部分２ケ所に
   扁平四角断面の上層を下層とで繋がって四角断面の中層
   の抜けた上下層平行撓み部分のある基本断面四角の対称
   的な平行梁部と、長さの中心線に対し対称的な平面形状
   と平行梁部に等しい厚さでそれぞれ平行梁部の両端部を
   連結する対称的な連結梁部とから成る枠部と、各平行梁
   部の中実中央部分から枠部の下面に直角に伸びる平行支
   柱部とから成り、固定板部材または変位板部材が平行支
   柱部の下端に連結され、ピエゾ素子が各連結梁部の中央
   位置で固定板部材または変位板部材と枠部とによって挟
   圧されるように平行に配設されて、変位板部材または固
   定板部材が各連結梁部の中央または中央から等分の位置
   で枠部の上面にスペーサ部を介し連結されていることを
   特徴とする微小平行変位駆動装置。
2. 【請求項２】固定板部材と変位板部材とがピエゾ素子に
   その伸縮方向の弾性圧力を加えるように圧接した弾性変
   形部材を介して平行に連結されていて、ピエゾ素子への
   電圧の印加に応じて固定板部材に対し変位板部材が平行
   に変位する微小平行変位駆動装置において、弾性変形部
   材が、それぞれ長さの中央から等分の中間部分２ケ所に
   扁平四角断面の上層と下層とで繋がって四角断面の中層
   の抜けた上下層平行撓み部分のある基本断面四角の対称
   的な平行梁部と、長さの中心線に対し対称的な平面形状
   と平行梁部に等しい厚さでそれぞれ平行梁部の両端部を
   連結する対称的な連結梁部とから成る枠部と、各連結梁
   部の中央部分から枠部の下面に直角に伸びる平行支柱部
   とから成り、固定板部材または変位板部材が平行支柱部
   の下端に連結され、ピエゾ素子が各平行梁部の中実な中
   央位置で固定板部材または変位板部材と枠部とによって
   挟圧されるように平行に配設されて、変位板部材または
   固定板部材が各平行梁部の中実な中央位置で枠部の上面
   にスペーサ部を介し連結されていることを特徴とする微
   小平行変位駆動装置。
3. 【請求項３】弾性変形部材の枠部の連結梁部が均一四角
   断面の平行梁を成している特許請求の範囲第１項または
   第２項記載の微小平行変位駆動装置。
4. 【請求項４】固定板部材と変位板部材の弾性変形部材に
   連結している部分よりも内側の中央部に孔が設けられて
   いて、変位板部材の孔が円孔であり、変位板部材に光学
   素子保持枠が一体または取り付けで設けられている特許
   請求の範囲第１項または第２項記載の微小平行変位駆動
   装置。
5. 【請求項５】固定板部材と変位板部材と弾性変形部材が
   それぞれ別体から成っていて、それらの連結がねじによ
   る締付でなされでいる特許請求の範囲第１項または第２
   項に記載の微小平行変位駆動装置。