JP3870304B2

JP3870304B2 - Sealed precision fine motion device

Info

Publication number: JP3870304B2
Application number: JP34825396A
Authority: JP
Inventors: 清大嶋; 睦夫宗片
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1996-12-26
Filing date: 1996-12-26
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2016-12-26
Also published as: JPH10190085A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、密封式精密微動装置に関するもので、光ファイバ用接合装置、磁気ヘッド加工用ダイシング装置、半導体用露光装置などのＸＹステージに利用される。
【０００２】
近年、光通信の高度化に伴い長距離伝送しても損失が低い光ファイバが要求されるが、この様な光ファイバを作るためには、光ファイバのコア同士を接合する時にサブミクロン領域（１μｍ以下）の位置決め精度が必要となる。
【０００３】
そこで、この要求を満たすために次のような精密位置決め装置が用いられている。即ち、
有底筒体内に圧電素子を収納し、その先端に出力軸を固着するとともに、該出力軸を前記筒体先端に被せたキャップから摺動自在に突出させ、該キャップと出力軸のばね係止部との間にコイルばねを介在せしめた精密位置決め装置。（特開平４−１６５６８３号参照）
【０００４】
従来の位置決め装置では、圧電素子の出力部材がキャップを貫通する構造となっているので、軸摺動部の密封が完全でなく長期間の高湿環境では空気中の水蒸気の侵入を遮断できない。そのため、圧電素子がショートすることがある。
【０００５】
そこで、圧電素子が金属ケースと金属部材及びガラス端子によって封止された圧電アクチュエータが用いられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来例では、金属ケースの外周に設けた鍔状取付部と、金属部材の外周に設けた鍔状取付部から一定寸法だけ突出させて環状に設けた突起部がつき合わされ、前記突起部が一定寸法だけつぶされ溶接されている。
しかし、この様な接合方法では金属ケースと金属部材とに鍔が必要となるので、この鍔の存在により大幅な小型化は困難となる。
又、圧電素子が伸縮すると、接合部にたわみ応力が働くので、該接合部が破断し、シール漏れする恐れがある。
【０００７】
この発明は、上記事情に鑑み、基台とキャップとの接合部の破断を防止すると共に、簡単に正確な予圧力を付与出来るようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、基台に圧電素子を設け、該圧電素子に、ばね部を有するキャップを被せると共に、該キャップの下端部を該基台に気密に接合せしめた密封式精密微動装置であって；該キャップの下端部の内面が、該基台の側面に形成された突起状のリング部に溶接手段により接合され、前記キャップは鍔部のないキャップであり、該圧電素子が、その両端を直接挟み込む予圧調整ブロックにより予圧力を付与され、該予圧調整ブロックの頭部には、前記キャップのばね部に嵌着されるボールジョイントの球体が設けられていることを特徴とする密封式精密微動装置、である。
【０００９】
この発明は、基台に圧電素子を設け、該圧電素子に、ばね部を有するキャップを被せると共に、該キャップの下端部を該基台に気密に接合せしめた密封式精密微動装置であって；該キャップの下端部の内面が、該基台の側面に形成された突起状のリング部に溶接手段により接合され、前記キャップは、鍔部のないキャップであり、該圧電素子が、その両端を直接挟み込む予圧調整ブロックにより予圧力を付与され、該予圧調整ブロックの頭部には、前記キャップの蓋部に設けられた受部に圧接するボールジョイントの球体が設けられていることを特徴とする密封式精密微動装置、である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
密封式精密微動装置の圧電素子は金属部材で形成した基台に固定され、該基台には前記圧電素子を覆うキャップが固定されている。
このキャップの下端部の内面は、基台の側面に気密に接合されている。この両面を接合する場合には、電気溶接、シーム溶接、又は、レーザービーム溶接などの接合手段を用い、基台の側面とキャップの下端部内周面とを溶接する。この溶接の場合には、前記両面のいずれか一方の面にリング部を形成し、該リング部を他方の面でつぶして溶接してもよい。
【００１１】
この圧電素子に圧縮力を加えるため予圧調整ブロックを用いても良い。この予圧調整ブロックは、板ばねタイプであり、ばね材であるリン青銅、ステンレス、鋼材などにより方形状に形成され、頭部と底部及び該両部を連結する胴部とを備えている。
【００１２】
その頭部にはばね部が設けられ、底部は対向する一対の係止片から構成されている。胴部は圧電素子の伸縮方向の長さより少し短く、例えば、０．１〜０．３ｍｍ短く形成されている。
【００１３】
この予圧調整ブロックを圧電素子に被せ、該ばねの頭部と底部とにより圧電素子の両端を直接挟み圧縮力を与える。
この予圧調整ブロックの形状、板厚、板幅などは、ばね力などを考慮して適宜選択でき、例えば、頭部と底部とをそれぞれ対向する一対の係止片から構成したり、頭部及び底部をそれぞれ一対の係止片に分割することなく、一体にしてもよい。又、圧電素子の側面に該ばねの胴部を密着させセンターリングしやすくするが、必ずしもこの様にする必要はなく両者を離してもよい。
【００１４】
予圧調整ブロックのばね部は、必要に応じて適宜な位置に形成され、例えば、胴部や底部又は頭部及び底部に形成される。
このばね部の形状も必要に応じて適宜選択され、例えば、半円形、４分の３円形、く字状等が採用される。又、胴部にばね穴を設けてばね部とすることもできる。
【００１５】
この圧電素子２の予圧力を変える場合には、予圧調整ブロックの予圧力を変える、即ち、予圧調整ブロックを必要なばね力を有する予圧調整ブロックに交換すればよい。
【００１６】
【実施例１】
この発明の第１実施例を図１〜図４により説明する。精密微動装置Ｓは、基台１に固定された圧電素子２と、該圧電素子２に被せられた予圧調整ブロック３と、該基台１に固定され、かつ、前記圧電素子２を密封するキャップ５と、から構成されている。
【００１７】
基台１は、金属部材などにより形成した円柱状体であり、該圧電素子２のプラスとマイナスのリード線に半田付けされる電流導入端子（図示しない）が設けられている。該基台１の上面にはキャップ５と、予圧調整ブロック３を被った圧電素子２と、が固定されている。また、その側面１Ｇには突起状のリング部１Ｒが設けられている。
【００１８】
この圧電素子２は、圧電、電歪、磁歪などの素子を指称し、変位方向に直列に接続されている。この圧電素子２の個数は、必要に応じて適宜選択される。
この圧電素子２として、例えば、プラスとマイナスの内部電極が交互に積層し、圧電セラミック電極が一体焼成され、圧電素子端面の外部電極で直列につないだ積層型圧電素子が用いられ、予め高い直流電圧、例えば、３ｋｖ／ｍｍで分極処理されている。
【００１９】
圧電素子２の頭部２ａにはボールジョイントの球体７が設けられ、この球体７はキャップ５のばね部５ａに嵌着されている。このキャップ５は金属製で、その下端部にはフランジ部５ｂが設けられている。このキャップ５の肉厚や形状、材質等は必要に応じて適宜選択される。
【００２０】
次に本実施例の作動について説明する。圧電素子２を基台１に固着した後、該圧電素子２の上面２ａに球体７を載せ、該球体７をキャップ５のばね部５ａに嵌着しながらキャップ５を圧電素子２に被せる。
該基台１を下部電極２０に載置し、該キャップ５に切欠スリーブ２１と上部電極２５とを順次挿入する。
【００２１】
上部電極２５をキャップ５の鍔５ｂに当接させ下部電極２０に向かって押し下げると、該下部電極２０の内側傾斜面２５ａは切欠スリーブ２１の外側傾斜面２１ａを押圧するため、該切欠スリーブ２１は、内方に移動し、突起状のキャップ５のリング部５ａを押しつぶす。
【００２２】
この状態において、該電極２０、２５に電流を流すると、基台１のリング部１Ｒはキャップ５の下端部の内面５ｎに溶接され、接合部Ｙが形成される。
【００２３】
次に、キャップ５から上部電極２５、切欠スリーブ２１を順次外した後、該キャップ５に円筒状のカッタ２６を挿入するとともに、該カッタ２６を矢印方向に回転させて、カッタの刃先２６ａでフランジ部５ｂを切断する。
その後、該カッタ２６をキャップ５から外すととともに、該基台１を下部電極２０から外す。
【００２４】
従来はキャップの伸縮方向と接合面が垂直であったので、圧電素子の伸縮によりキャップの接合部に引っ張り応力がかかり、接合面で破断することがあったが、本発明の密封式微動装置ではキャップ５の下端部の内面５ｈと基台１の側面に設けられたリング部１Ｒを溶接することにより、接合面（又は接合部）がキャップの伸縮方向と同じ方向となり、圧電素子２の伸縮によりキャップが伸縮しても引っ張り応力は接合面に垂直にかからず、接合面に平行にかかるので破断しにくい。
【００２５】
圧電素子２に所定の電圧、例えば、１４０Ｖを印加すると、該圧電素子２は、矢印Ａ方向に伸長する。この時の伸び量は、例えば、４０μｍである。
【００２６】
この圧電素子２の伸長により、球体７を介して図示しない出力部材が矢印Ａ方向に移動し、被移動物を同方向に微動させる。この出力部材の移動に伴いキャップ５は引っ張られ、接合部Ｙに力がかかるが、たわみ応力は発生しない。
圧電素子２の印荷電圧をゼロにすると、該圧電素子２はゆっくりともとの長さに戻る。
【００２７】
出力部材に加わる引っ張り力が前記圧縮力より大きな場合は、キャップ５に形成されているばね部５ａと圧電素子２に固着されている球体７とが離れる。そのため、圧電素子２に引っ張り力が加わることはない。
【００２８】
該装置に圧電素子２の変位方向Ａ１と異なる方向、例えば矢印Ａ２方向からの力が加わると、該力はキャップ５を変位させるが、ボールジョイントの球体７とキャップのばね部５ａとにより吸収されるので圧電素子２に伝達されることはない。
【００２９】
【実施例２】
この発明の第２実施例を図５〜図１０により説明する。この実施例と第１実施例（図１〜図４）との相違点は、次の通りである。
（１）圧電素子に圧縮力を与えるための予圧調整ブロック３が圧電素子２に被せられていること。
予圧調整ブロック３は、板状のばね材で方形状に形成され、頭部３ａと底部３ｂと、該両部３ａ、３ｂを連結する胴部３ｃと、を備えている。
【００３０】
この胴部３ｃ、３ｃ間の長さＷ₃は圧電素子２の縦幅Ｗ₂より大きく形成されているが、必ずしもこの様に形成する必要はなく、その長さＷ₃と幅Ｗ₂とを等しく形成してもよい。
【００３１】
頭部３ａと胴部３ｃとの間には半円状のばね部３ｄが設けられているが、このばね部３ｄの形状や大きさ、ばね定数等は板厚、板幅などを変更することにより適宜変更される。例えば、ばね定数は圧電素子形状が長さ５ｍｍ、幅７ｍｍ、の場合、２０〜１５０ｋｇ／ｍｍになる様に調整され、圧電素子には、例えば、１０〜１２０ｋｇｆの圧縮力が加えられる。
【００３２】
胴部３ｃの長さＬ３は圧電素子２の長さＬ２より少し小さく形成されている。この長さＬ３は、ばね力を考慮して適宜決定され、例えば、圧電素子の長さＬ２より、０．１ｍｍ程度短く形成される。
【００３３】
底部３ｂは間隔ｔをおいて対向する一対の係止片３ｅ、３ｆからなる。この係止片３ｅ、３ｆ間の間隔ｔは必要に応じて適宜選択されるが、必ずしも間隔ｔを設ける必要はない。この予圧調整ブロック３の肉厚や横幅Ｍは必要に応じて適宜選択されるが、例えば、横幅Ｍは圧電素子の横幅Ｎと同一に形成される。
【００３４】
予圧調整ブロック３の頭部３ａには、ボールジョイントの球体７が設けられ、この球体７はキャップ５のばね部５ａに嵌着されている。このキャップ５は金属製で、その下端部の内面に溶着されている。
【００３５】
予圧調整ブロック３を圧電素子３に装着する場合は、予圧調整ブロック３の係止部３ｅ、３ｆを大きく開いて圧電素子２を挿入し、その上面２ａを頭部３ａに圧接させるとともにその上面２ｂを係止片３ｅ、３ｆに圧接し、図９の状態にする。
そうすると、圧電素子２は予圧調整ブロック３のばね部３ｄのばね力により圧縮力、即ち、予圧力を受ける。この圧電素子２を基台１に固定する。
【００３６】
圧電素子２の印加電圧をゼロにすると、該圧電素子２はゆっくりと元の長さに戻る。この時、圧電素子２は予圧調整ブロック３により圧縮力、即ち予圧を受けているので、出力部材に該圧縮力より小さな引っ張り力が加わっても、圧電素子２がこの引っ張り力の影響を受けることはない。
【００３７】
（２）キャップと基台との溶接に切欠スリーブを用いないこと。
基台１は、円錐台状に形成され、又、上部電極２５は、その下端内側に傾斜面２５ｂを備えている。
【００３８】
図１０に示す様に、上部電極２５を下部電極２０に向かって押圧すると、上部電極２５の傾斜面２５ｂはキャップ５の鍔５ｂを介してリング部１Ｒの傾斜面１Ｂを押しつぶす。
【００３９】
この状態において、電極２０、２５に電流を流して溶接した後、該精密微動装置Ｓを固定台に載置し、先端が鋭利な刃部となっている円筒状のカッタをキャップ５に被せる。その後、該カッタを下方に動かしてキャップの鍔部５ｂを切り落とす。
【００４０】
【実施例３】
この発明の第３実施例を図１１〜図１３により説明するが、第２実施例の図５〜図１０と同一図面符号は、その名称も機能も同一である。
この実施例と第２実施例との相違点は次の通りである。
（１）予圧調整ブロック３の胴部間の長さＷ₄が圧電素子２の縦幅Ｗ₄と同じであり、該胴部３ｃが圧電素子２の側面に密着していること。この様にすると、予圧調整ブロック３のセンタリングがしやすく、設計位置に正確にセットしやすい。
【００４１】
（２）ばね部３ｄが、頭部３ａと胴部３ｃとの間に形成された４分の３円形状体であり、その一部が頭部３ａの両端に突出していること。
（３）ボールジョイントの球体７がキャップ５の蓋部５ｂに設けた受部５ｃに圧接され、又、該受部５ｃに出力部材１０が固定されていること。
【００４２】
【実施例４】
この発明の第４実施例を図１４、図１５により説明するが、この実施例と第２実施例（図５〜図１０）との相違点は次の通りである。
（１）予圧調整ブロック３の胴部３Ｃ、３Ｃ間の長さＷ₄が圧電素子２の縦幅Ｗ₄と等しいこと。
【００４３】
（２）予圧調整ブロック３の横幅Ｍが圧電素子２の横幅Ｎより小さいこと。
（３）予圧調整ブロックが、その胴部３ｃ全長にわたって波形状のばね部３ｄとなっていること。
【００４４】
【実施例５】
この発明の第５実施例を図１６、図１７により説明するが、この実施例と第２実施例（図５〜図１０）との相違点は次の通りである。
（１）予圧調整ブロック３の胴部３Ｃ、３Ｃ間の長さＷ₄が圧電素子２の縦幅Ｗ₄と等しいこと。
【００４５】
（２）予圧調整ブロック３の頭部全体が円弧状のばね部３ｄとなっていること。
（３）底部３ｃの対向する係止片３ｅ、３ｆが上方に向かって傾斜しばね部３ｄを構成していること。この傾斜角度は必要に応じて適宜選択される。
【００４６】
【実施例６】
この発明の第６実施例を図１８、図１９により説明するが、この実施例と第２実施例（図５〜図１０）との相違点は、次の通りである。
（１）予圧調整ブロック３の胴部３Ｃ、３Ｃ間の長さＷ₄が圧電素子の縦幅Ｗ₄と等しいこと。
【００４７】
（２）予圧調整ブロック３の頭部３ａが皿ばね状のばね部３ｄとなっており、又、底部３ｂの係止部３ｅ、３ｆも皿ばね状のばね部３ｄを形成していること。
（３）予圧調整ブロック３の頭部３ａの横幅Ｍが、圧電素子２の横幅Ｎより小さいこと。
【００４８】
【実施例７】
この発明の第７実施例を図２０、図２１により説明するが、この実施例と第２実施例との相違点は次の通りである。
（１）予圧調整ブロックの胴部３ｃがく字状に形成され、ばね部３ｄをなしていること。このばね部３ｄの胴部３Ｃ、３Ｃ間の最小長さはＷ₆であるが、圧電素子２が挿着された時には該圧電素子２の側面に沿って垂直状に変形し、胴部３Ｃ、３Ｃ間の幅Ｗは広げられて圧電素子２の縦幅Ｗ₅と等しくなる。
（２）予圧調整ブロックの横幅Ｍは圧電素子２の横幅Ｎより小さいこと。
【００４９】
【実施例８】
この発明の第８実施例を図２２、図２３により説明するが、この実施例と第２実施例との相違点は次の通りである。
（１）予圧調整ブロック３の頭部３ａに左右対称な一対の半円形状ばね部３ｄが形成されていること。
【００５０】
（２）予圧調整ブロック３の底部３ｃの係止片３ｅ、３ｆにそれぞれ半円形状のばね部３ｄが形成されていること。
【００５１】
（３）予圧調整ブロック３の胴部３Ｃ、３Ｃ間の長さＷ₄が圧電素子の縦幅Ｗ₄と等しいこと。
（４）予圧調整ブロック３の横幅Ｍが圧電素子の横幅Ｎより小さいこと。
【００５２】
【実施例９】
この発明の第９実施例を図２４、図２５により説明するが、この実施例と第２実施例との相違点は次の通りである。
（１）予圧調整ブロック３の胴部間の長さＷ₄が圧電素子２の縦幅Ｗ₄と等しいこと。
【００５３】
（２）予圧調整ブロック３の胴部３ｃにばね穴３ｈが形成され、この胴部３ｃがばね部をなしていること。このばね穴３ｈの形状や数は必要に応じて適宜選択される。
【００５４】
【実施例１０】
この発明の第１０実施例を図２６、図２７により説明するが、この実施例と第２実施例との相違点は次の通りである。
（１）予圧調整ブロック３の頭部３ａと底部３ｂがそれぞれ間隔をおいて対向する係止片３ｅ、３ｆから構成されていること。
（２）胴部３ｃがく字状のばね部３ｄとなっていること。
【００５５】
（３）胴部３ｃの両端が４分の３円状のばね部３ｄを介して頭部３ａ及び底部３ｂの係止片３ｅ、３ｆに連結されていること。
（４）頭部３ａ及び底部３ｂの係止片３ｅ、３ｆが、内方に向かって傾斜していること。
【００５６】
【実施例１１】
この発明の第１１実施例を図２８、図２９により説明するが、この実施例と第７実施例（図２０、図２１）との相違点は予圧調整ブロック３の底部３ｂが閉じており、第７実施例の様に間隔をおいて対向する二つの係止片から構成されていないことである。この予圧調整ブロック３に圧電素子２を挿着する場合には、例えば、該ブロックに熱をかけて膨張させ、圧電素子を挿入した後常温に戻すようにする。
【００５７】
【発明の効果】
この発明は以上の様に構成したので、次のような顕著な効果を奏する。
（１）基台の側面にキャップの下端部の内面を接合したので、キャップが伸縮しても従来例のようなたわみ応力は発生しない。
従って、シール漏れが発生しないので、完全な密封状態を維持することができる。
【００５８】
（２）予圧調整ブロックを圧電素子に被せ、該圧電素子の両端を直接挟むだけで簡単に該圧電素子に予圧力を与えることができる。
（３）所望のばね定数を有する予圧調整ブロックを簡単に製作することができるので、このブロックを用いると、圧電素子に設計通りの予圧力をかけることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す縦断面図である。
【図２】溶接に用いる上部電極と切欠スリーブを示す縦断面図である。
【図３】溶接時の状態を示す縦断面図である。
【図４】キャップの鍔の切断時の状態を示す縦断面図である。
【図５】この発明の第２実施例を示す縦断面図である。
【図６】予圧調整ブロックの拡大正面図である。
【図７】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【図８】キャップの拡大断面図である。
【図９】予圧調整ブロックの装着時の圧電素子を示す図である。
【図１０】キャップと基台との溶接時の状態を示す縦断面図である。
【図１１】この発明の第３実施例を示す断面図である。
【図１２】予圧調整ブロックの拡大正面図である。
【図１３】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【図１４】この発明の第４実施例の予圧調整ブロックを示す拡大正面図である。
【図１５】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【図１６】この発明の第５実施例の予圧調整ブロックを示す拡大正面図である。
【図１７】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【図１８】この発明の第６実施例の予圧調整ブロックを示す拡大正面図である。
【図１９】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【図２０】この発明の第７実施例の予圧調整ブロックを示す拡大正面図である。
【図２１】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【図２２】この発明の第８実施例の予圧調整ブロックを示す拡大正面図である。
【図２３】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【図２４】この発明の第９実施例の予圧調整ブロックを示す拡大正面図である。
【図２５】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【図２６】この発明の第１０実施例の予圧調整ブロックを示す拡大正面図である。
【図２７】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【図２８】この発明の第１１実施例の予圧調整ブロックを示す拡大正面図である。
【図２９】予圧調整ブロックの拡大平面図である。
【符号の説明】
Ｓ精密微動装置
１基台
２圧電素子
３予圧調整ブロック
３ａ頭部
３ｂ底部
３ｃ胴部
５キャップ
Ｙ接合部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sealed precision fine movement apparatus, and is used in an XY stage such as an optical fiber bonding apparatus, a magnetic head machining dicing apparatus, and a semiconductor exposure apparatus.
[0002]
In recent years, with the advancement of optical communication, there is a demand for optical fibers that have low loss even when they are transmitted over long distances. To make such optical fibers, the submicron region ( A positioning accuracy of 1 μm or less is required.
[0003]
In order to satisfy this requirement, the following precision positioning device is used. That is,
A piezoelectric element is housed in a bottomed cylinder, and an output shaft is fixed to the tip of the piezoelectric element. The output shaft is slidably projected from a cap placed on the tip of the cylinder, and the cap and the output shaft are spring-engaged. Precision positioning device with a coil spring interposed between the two parts. (See JP-A-4-165683)
[0004]
In the conventional positioning device, since the output member of the piezoelectric element penetrates the cap, the sealing of the shaft sliding portion is not complete, and invasion of water vapor in the air cannot be blocked in a long-term high-humidity environment. For this reason, the piezoelectric element may be short-circuited.
[0005]
Therefore, a piezoelectric actuator in which a piezoelectric element is sealed with a metal case, a metal member, and a glass terminal is used.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional example, the hook-shaped mounting portion provided on the outer periphery of the metal case and the protruding portion provided in an annular shape projecting from the hook-shaped mounting portion provided on the outer periphery of the metal member by a certain dimension are attached to each other. Only the dimensions are crushed and welded.
However, since such a joining method requires a flaw on the metal case and the metal member, the presence of this flaw makes it difficult to reduce the size significantly.
Further, when the piezoelectric element expands and contracts, a bending stress acts on the joint portion, so that the joint portion may be broken and seal leakage may occur.
[0007]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to prevent breakage of a joint portion between a base and a cap and to easily apply an accurate preload.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a sealed precision fine movement device in which a piezoelectric element is provided on a base, and the piezoelectric element is covered with a cap having a spring portion, and the lower end of the cap is hermetically bonded to the base; The inner surface of the lower end portion of the cap is joined to a protruding ring portion formed on the side surface of the base by welding means , the cap is a cap without a flange portion, and the piezoelectric element is directly connected to both ends thereof. A sealed precision fine movement device characterized in that a preload is applied by a preload adjusting block to be sandwiched, and a ball joint sphere to be fitted to the spring portion of the cap is provided at the head of the preload adjusting block. .
[0009]
The present invention is a sealed precision fine movement device in which a piezoelectric element is provided on a base, and the piezoelectric element is covered with a cap having a spring portion, and the lower end of the cap is hermetically bonded to the base; The inner surface of the lower end portion of the cap is joined to a projecting ring portion formed on the side surface of the base by welding means , the cap is a cap without a flange portion, and the piezoelectric element has both ends thereof. Preload is applied by a preload adjustment block that is directly sandwiched, and a ball joint sphere that presses against a receiving portion provided on a lid portion of the cap is provided at the head of the preload adjustment block. Sealed precision fine-movement device.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The piezoelectric element of the sealed precision fine movement device is fixed to a base made of a metal member, and a cap that covers the piezoelectric element is fixed to the base.
The inner surface of the lower end portion of the cap is airtightly joined to the side surface of the base. In the case of joining both surfaces, joining means such as electric welding, seam welding, or laser beam welding are used to weld the side surface of the base and the inner peripheral surface of the lower end portion of the cap. In the case of this welding, a ring portion may be formed on one of the two surfaces, and the ring portion may be crushed and welded on the other surface.
[0011]
A preload adjusting block may be used to apply a compressive force to the piezoelectric element. This preload adjusting block is of a leaf spring type, is formed in a rectangular shape from phosphor bronze, stainless steel, steel, or the like, which is a spring material, and includes a head portion, a bottom portion, and a body portion that connects the two portions.
[0012]
A spring portion is provided on the head portion, and the bottom portion is constituted by a pair of opposing locking pieces. The body portion is formed slightly shorter than the length of the piezoelectric element in the expansion / contraction direction, for example, 0.1 to 0.3 mm.
[0013]
The preload adjusting block is placed on the piezoelectric element, and both ends of the piezoelectric element are directly sandwiched between the head and the bottom of the spring to apply a compressive force.
The shape, plate thickness, plate width, etc. of this preload adjustment block can be appropriately selected in consideration of the spring force and the like.For example, the head and the bottom can be constituted by a pair of engaging pieces facing each other, The bottom portion may be integrated without being divided into a pair of locking pieces. Further, the body of the spring is brought into close contact with the side surface of the piezoelectric element to facilitate centering. However, it is not always necessary to do so, and the two may be separated.
[0014]
The spring portion of the preload adjusting block is formed at an appropriate position as necessary, and is formed, for example, at the body portion, the bottom portion, or the head portion and the bottom portion.
The shape of the spring portion is also appropriately selected as necessary, and for example, a semicircle, a quarter quarter, a square shape, etc. are employed. Also, a spring hole can be provided in the body portion to form a spring portion.
[0015]
When the preload of the piezoelectric element 2 is changed, the preload of the preload adjustment block is changed, that is, the preload adjustment block may be replaced with a preload adjustment block having a necessary spring force.
[0016]
[Example 1]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The precision fine movement device S includes a piezoelectric element 2 fixed to the base 1, a preload adjusting block 3 placed on the piezoelectric element 2, and a cap fixed to the base 1 and sealing the piezoelectric element 2. 5.
[0017]
The base 1 is a cylindrical body formed of a metal member or the like, and is provided with a current introduction terminal (not shown) that is soldered to the plus and minus lead wires of the piezoelectric element 2. A cap 5 and a piezoelectric element 2 covered with a preload adjusting block 3 are fixed to the upper surface of the base 1. Further, a projecting ring portion 1R is provided on the side surface 1G.
[0018]
The piezoelectric element 2 refers to an element such as piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive, and is connected in series in the displacement direction. The number of the piezoelectric elements 2 is appropriately selected as necessary.
As the piezoelectric element 2, for example, a laminated piezoelectric element in which positive and negative internal electrodes are alternately laminated, a piezoelectric ceramic electrode is integrally fired, and connected in series with an external electrode on the end face of the piezoelectric element is used. Polarization is performed at a voltage, for example, 3 kv / mm.
[0019]
A ball joint sphere 7 is provided on the head 2 a of the piezoelectric element 2, and the sphere 7 is fitted to the spring portion 5 a of the cap 5. The cap 5 is made of metal, and a flange portion 5b is provided at the lower end thereof. The thickness, shape, material, and the like of the cap 5 are appropriately selected as necessary.
[0020]
Next, the operation of this embodiment will be described. After the piezoelectric element 2 is fixed to the base 1, the sphere 7 is placed on the upper surface 2 a of the piezoelectric element 2, and the cap 5 is put on the piezoelectric element 2 while the sphere 7 is fitted to the spring portion 5 a of the cap 5.
The base 1 is placed on the lower electrode 20, and the notch sleeve 21 and the upper electrode 25 are sequentially inserted into the cap 5.
[0021]
When the upper electrode 25 is brought into contact with the flange 5b of the cap 5 and pushed down toward the lower electrode 20, the inner inclined surface 25a of the lower electrode 20 presses the outer inclined surface 21a of the notched sleeve 21, so that the notched sleeve 21 The ring portion 5a of the protruding cap 5 is crushed.
[0022]
In this state, when a current is passed through the electrodes 20 and 25, the ring portion 1 </ b> R of the base 1 is welded to the inner surface 5 n of the lower end portion of the cap 5, and the joint portion Y is formed.
[0023]
Next, after sequentially removing the upper electrode 25 and the notch sleeve 21 from the cap 5, the cylindrical cutter 26 is inserted into the cap 5, and the cutter 26 is rotated in the direction of the arrow, and the cutter blade edge 26a is used to form a flange. The part 5b is cut.
Thereafter, the cutter 26 is removed from the cap 5 and the base 1 is removed from the lower electrode 20.
[0024]
Conventionally, the expansion / contraction direction of the cap and the bonding surface are perpendicular to each other, so that a tensile stress is applied to the bonding portion of the cap due to expansion / contraction of the piezoelectric element, and the bonding surface may break. By welding the inner surface 5 h of the lower end portion of the cap 5 and the ring portion 1 </ b> R provided on the side surface of the base 1, the joining surface (or joining portion) becomes the same direction as the direction of expansion and contraction of the cap. Even if the cap expands and contracts, the tensile stress is not applied perpendicular to the joint surface and is applied parallel to the joint surface, so that it is difficult to break.
[0025]
When a predetermined voltage, for example, 140 V is applied to the piezoelectric element 2, the piezoelectric element 2 expands in the direction of arrow A. The amount of elongation at this time is, for example, 40 μm.
[0026]
By the extension of the piezoelectric element 2, an output member (not shown) moves through the sphere 7 in the direction of arrow A, and the object to be moved is finely moved in the same direction. As the output member moves, the cap 5 is pulled and a force is applied to the joint Y, but no bending stress is generated.
When the applied voltage of the piezoelectric element 2 is reduced to zero, the piezoelectric element 2 slowly returns to its original length.
[0027]
When the tensile force applied to the output member is larger than the compression force, the spring portion 5a formed on the cap 5 and the sphere 7 fixed to the piezoelectric element 2 are separated. Therefore, no tensile force is applied to the piezoelectric element 2.
[0028]
When a force from a direction different from the displacement direction A1 of the piezoelectric element 2 is applied to the device, for example, the direction of the arrow A2, the force displaces the cap 5, but is absorbed by the ball joint sphere 7 and the cap spring portion 5a. Therefore, it is not transmitted to the piezoelectric element 2.
[0029]
[Example 2]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The differences between this embodiment and the first embodiment (FIGS. 1 to 4) are as follows.
(1) The piezoelectric element 2 is covered with a preload adjustment block 3 for applying a compressive force to the piezoelectric element.
The preload adjusting block 3 is formed of a plate-shaped spring material into a square shape, and includes a head portion 3a, a bottom portion 3b, and a body portion 3c that couples the portions 3a and 3b.
[0030]
The length W ₃ between the body portions 3c and 3c is formed larger than the longitudinal width W ₂ of the piezoelectric element 2, but it is not always necessary to form the length W ₃ and the width W ₂ . You may form equally.
[0031]
A semicircular spring portion 3d is provided between the head portion 3a and the body portion 3c. The shape, size, spring constant, etc. of the spring portion 3d can be changed by changing the plate thickness, plate width, and the like. As appropriate. For example, the spring constant is adjusted so as to be 20 to 150 kg / mm when the shape of the piezoelectric element is 5 mm in length and 7 mm in width. For example, a compressive force of 10 to 120 kgf is applied to the piezoelectric element.
[0032]
The length L3 of the body portion 3c is formed slightly smaller than the length L2 of the piezoelectric element 2. The length L3 is appropriately determined in consideration of the spring force, and is formed, for example, approximately 0.1 mm shorter than the length L2 of the piezoelectric element.
[0033]
The bottom portion 3b is composed of a pair of locking pieces 3e and 3f that are opposed to each other with an interval t. The interval t between the locking pieces 3e and 3f is appropriately selected as necessary, but it is not always necessary to provide the interval t. The thickness and width M of the preload adjusting block 3 are appropriately selected as necessary. For example, the width M is formed to be the same as the width N of the piezoelectric element.
[0034]
The head 3 a of the preload adjusting block 3 is provided with a ball joint sphere 7, and the sphere 7 is fitted to the spring portion 5 a of the cap 5. The cap 5 is made of metal and is welded to the inner surface of the lower end portion.
[0035]
When the preload adjusting block 3 is attached to the piezoelectric element 3, the engaging portions 3e and 3f of the preload adjusting block 3 are opened wide to insert the piezoelectric element 2, the upper surface 2a thereof is pressed against the head 3a, and the upper surface 2b thereof. Is brought into pressure contact with the locking pieces 3e and 3f to obtain the state shown in FIG.
Then, the piezoelectric element 2 receives a compression force, that is, a preload, by the spring force of the spring portion 3 d of the preload adjusting block 3. The piezoelectric element 2 is fixed to the base 1.
[0036]
When the applied voltage of the piezoelectric element 2 is reduced to zero, the piezoelectric element 2 slowly returns to its original length. At this time, since the piezoelectric element 2 is subjected to a compressive force, that is, a preload, by the preload adjusting block 3, even if a tensile force smaller than the compressive force is applied to the output member, the piezoelectric element 2 is affected by this tensile force. There is no.
[0037]
(2) Do not use a notched sleeve for welding the cap and base.
The base 1 is formed in a truncated cone shape, and the upper electrode 25 is provided with an inclined surface 25b inside the lower end thereof.
[0038]
As shown in FIG. 10, when the upper electrode 25 is pressed toward the lower electrode 20, the inclined surface 25 b of the upper electrode 25 crushes the inclined surface 1 </ b> B of the ring portion 1 </ b> R via the flange 5 b of the cap 5.
[0039]
In this state, current is applied to the electrodes 20 and 25 and welding is performed. Then, the precision fine movement device S is placed on a fixed base, and a cylindrical cutter having a sharp blade tip is placed on the cap 5. Thereafter, the cutter is moved downward to cut off the collar portion 5b of the cap.
[0040]
[Example 3]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 11 to 13. The same reference numerals as those in FIGS. 5 to 10 of the second embodiment have the same names and functions.
The differences between this embodiment and the second embodiment are as follows.
(1) The length W ₄ between the body portions of the preload adjusting block 3 is the same as the longitudinal width W ₄ of the piezoelectric element 2, and the body portion 3 c is in close contact with the side surface of the piezoelectric element 2. If it does in this way, it will be easy to center the preload adjustment block 3, and it will be easy to set to a design position correctly.
[0041]
(2) The spring portion 3d is a three-quarter circular body formed between the head portion 3a and the trunk portion 3c, and part of the spring portion 3d protrudes from both ends of the head portion 3a.
(3) The ball joint sphere 7 is pressed against the receiving portion 5c provided on the lid portion 5b of the cap 5, and the output member 10 is fixed to the receiving portion 5c.
[0042]
[Example 4]
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 14 and 15. The difference between this embodiment and the second embodiment (FIGS. 5 to 10) is as follows.
(1) The length W ₄ between the body portions 3C and 3C of the preload adjusting block 3 is equal to the vertical width W ₄ of the piezoelectric element 2.
[0043]
(2) The lateral width M of the preload adjusting block 3 is smaller than the lateral width N of the piezoelectric element 2.
(3) The preload adjusting block is a wave-shaped spring portion 3d over the entire length of the body portion 3c.
[0044]
[Example 5]
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 16 and 17. The difference between this embodiment and the second embodiment (FIGS. 5 to 10) is as follows.
(1) The length W ₄ between the body portions 3C and 3C of the preload adjusting block 3 is equal to the vertical width W ₄ of the piezoelectric element 2.
[0045]
(2) The entire head portion of the preload adjusting block 3 is an arcuate spring portion 3d.
(3) The engaging pieces 3e and 3f facing the bottom portion 3c are inclined upward to form the spring portion 3d. This inclination angle is appropriately selected as necessary.
[0046]
[Example 6]
A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 18 and 19. Differences between this embodiment and the second embodiment (FIGS. 5 to 10) are as follows.
(1) The length W ₄ between the body portions 3C and 3C of the preload adjusting block 3 is equal to the vertical width W _{4 of the} piezoelectric element.
[0047]
(2) The head portion 3a of the preload adjusting block 3 is a disc spring-like spring portion 3d, and the locking portions 3e and 3f of the bottom portion 3b also form a disc spring-like spring portion 3d.
(3) The lateral width M of the head 3 a of the preload adjusting block 3 is smaller than the lateral width N of the piezoelectric element 2.
[0048]
[Example 7]
A seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 20 and 21. Differences between this embodiment and the second embodiment are as follows.
(1) The body portion 3c of the preload adjusting block is formed in a square shape and forms a spring portion 3d. The minimum length between the body portions 3C and 3C of the spring portion 3d is W ₆ , but when the piezoelectric element 2 is inserted, it deforms vertically along the side surface of the piezoelectric element 2, and the body portion 3C, The width W between 3C is expanded to be equal to the vertical width W ₅ of the piezoelectric element 2.
(2) The lateral width M of the preload adjusting block is smaller than the lateral width N of the piezoelectric element 2.
[0049]
[Example 8]
The eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 22 and 23. The difference between this embodiment and the second embodiment is as follows.
(1) A pair of symmetrical semi-circular spring portions 3d are formed on the head portion 3a of the preload adjusting block 3.
[0050]
(2) A semicircular spring portion 3d is formed on each of the locking pieces 3e and 3f of the bottom portion 3c of the preload adjusting block 3.
[0051]
(3) The length W ₄ between the body portions 3C and 3C of the preload adjusting block 3 is equal to the longitudinal width W _{4 of the} piezoelectric element.
(4) The lateral width M of the preload adjusting block 3 is smaller than the lateral width N of the piezoelectric element.
[0052]
[Example 9]
The ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 24 and 25. The difference between this embodiment and the second embodiment is as follows.
(1) The length W ₄ between the body portions of the preload adjusting block 3 is equal to the vertical width W ₄ of the piezoelectric element 2.
[0053]
(2) A spring hole 3h is formed in the body part 3c of the preload adjusting block 3, and the body part 3c forms a spring part. The shape and number of the spring holes 3h are appropriately selected as necessary.
[0054]
[Example 10]
A tenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 26 and 27. Differences between this embodiment and the second embodiment are as follows.
(1) The head portion 3a and the bottom portion 3b of the preload adjusting block 3 are configured by locking pieces 3e and 3f that are opposed to each other with a space therebetween.
(2) The trunk portion 3c is a square spring portion 3d.
[0055]
(3) Both ends of the body portion 3c are connected to the locking pieces 3e and 3f of the head portion 3a and the bottom portion 3b through a three-quarter-shaped spring portion 3d.
(4) The locking pieces 3e and 3f of the head 3a and the bottom 3b are inclined inward.
[0056]
Example 11
The eleventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 28 and 29. The difference between this embodiment and the seventh embodiment (FIGS. 20 and 21) is that the bottom 3b of the preload adjusting block 3 is closed. As in the seventh embodiment, it is not composed of two locking pieces facing each other with a gap therebetween. When the piezoelectric element 2 is inserted into the preload adjusting block 3, for example, the block is heated and expanded, and the piezoelectric element is inserted and then returned to room temperature.
[0057]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, the following significant effects can be obtained.
(1) Since the inner surface of the lower end of the cap is joined to the side surface of the base, even if the cap expands and contracts, the bending stress as in the conventional example does not occur.
Accordingly, no seal leakage occurs, so that a complete sealed state can be maintained.
[0058]
(2) The preload can be easily applied to the piezoelectric element simply by covering the piezoelectric element with the preload adjusting block and directly sandwiching both ends of the piezoelectric element.
(3) Since a preload adjusting block having a desired spring constant can be easily manufactured, if this block is used, a preload as designed can be applied to the piezoelectric element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing an upper electrode and a notch sleeve used for welding.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a state during welding.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a state at the time of cutting a ridge of the cap.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an enlarged front view of a preload adjustment block.
FIG. 7 is an enlarged plan view of a preload adjustment block.
FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of a cap.
FIG. 9 is a diagram showing a piezoelectric element when the preload adjusting block is mounted.
FIG. 10 is a longitudinal sectional view showing a state in which the cap and the base are welded.
FIG. 11 is a sectional view showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is an enlarged front view of a preload adjustment block.
FIG. 13 is an enlarged plan view of a preload adjustment block.
FIG. 14 is an enlarged front view showing a preload adjusting block according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is an enlarged plan view of a preload adjusting block.
FIG. 16 is an enlarged front view showing a preload adjusting block according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is an enlarged plan view of a preload adjustment block.
FIG. 18 is an enlarged front view showing a preload adjusting block according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is an enlarged plan view of a preload adjustment block.
FIG. 20 is an enlarged front view showing a preload adjusting block according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 21 is an enlarged plan view of a preload adjustment block.
FIG. 22 is an enlarged front view showing a preload adjusting block according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 23 is an enlarged plan view of a preload adjustment block.
FIG. 24 is an enlarged front view showing a preload adjusting block according to the ninth embodiment of the present invention.
FIG. 25 is an enlarged plan view of a preload adjustment block.
FIG. 26 is an enlarged front view showing a preload adjusting block according to the tenth embodiment of the present invention.
FIG. 27 is an enlarged plan view of a preload adjustment block.
FIG. 28 is an enlarged front view showing a preload adjusting block according to an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 29 is an enlarged plan view of a preload adjusting block.
[Explanation of symbols]
S Precise Tremor Device 1 Base 2 Piezoelectric Element 3 Preload Adjustment Block 3a Head 3b Bottom 3c Body 5 Cap Y Joint

Claims

A sealed precision fine movement device in which a piezoelectric element is provided on a base, a cap having a spring portion is covered on the piezoelectric element, and a lower end of the cap is hermetically bonded to the base;
The inner surface of the lower end portion of the cap is joined to a protruding ring portion formed on the side surface of the base by welding means ,
The cap is a cap without a buttock,
The piezoelectric element is preloaded by a preload adjusting block that directly sandwiches both ends thereof,
A sealed precision fine movement device characterized in that a ball joint sphere fitted to the spring portion of the cap is provided at the head of the preload adjusting block.

The sealed precision fine movement device according to claim 1 , wherein the base is formed in a columnar shape or a truncated cone shape .

Welding means, electric welding, seam welding, or sealing precision fine movement apparatus according to claim 1, wherein either Der Rukoto laser beam welding.

Claims preload adjusting block comprises a spring portion, and the body, formed at both ends of the body portion, and wherein the top and bottom are engaged to both end surfaces of the piezoelectric elements, that you have been composed Item 2. The fine precision fine movement device according to item 1 .

Spring portion, the head, torso, or, sealing precision fine movement apparatus according to claim 4, wherein it has been found on the bottom.

A sealed precision fine movement device in which a piezoelectric element is provided on a base, a cap having a spring portion is covered on the piezoelectric element, and a lower end of the cap is hermetically bonded to the base;
The inner surface of the lower end portion of the cap is joined to a protruding ring portion formed on the side surface of the base by welding means ,
The cap is a cap without a buttock,
The piezoelectric element is preloaded by a preload adjusting block that directly sandwiches both ends thereof,
A sealed precision fine movement device characterized in that a ball joint sphere that comes into pressure contact with a receiving portion provided on a lid portion of the cap is provided on a head of the preload adjusting block.