JP7242063B2 - ピエゾステージ - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子の変位を拡大して出力するピエゾステージに関する。

従来、圧電素子を利用して、顕微鏡のステージを所定方向に移動させて位置決めする微動機構が知られている（例えば、特許文献１の図１参照。）。
この微動機構は、弾性支点２重平行リンク機構と菱形拡大機構とで構成されており、オートフォーカス用のピエゾステージとして精度よく動作するようになっている。

特開平１０－４７９３１号公報

しかしながら、上記特許文献１の微動機構の場合、厚板鋼板にワイヤカット放電加工を施して弾性支点２重平行リンク機構と菱形拡大機構を製作するため、製造コストが増大するという問題があった。

本発明の目的は、比較的安価に製造できるピエゾステージを提供することである。

上記目的を達成するため、この発明は、ピエゾステージであって、
圧電素子と、
前記圧電素子の伸縮方向の両端に取り付けられている一対のホルダーと、
前記一対のホルダーに両端部が固定され、前記伸縮方向と交差する方向に前記圧電素子を挟む配置に対を成して設けられている板バネと、
前記板バネの長手方向中央部に固定されている駒部と、
を備え、
前記板バネの両端部が固定される前記ホルダーの面は、それぞれ前記圧電素子に向けて下る傾斜面に形成されており、
前記板バネは、その長手方向中央側が前記圧電素子寄りに撓んだ形状を呈するように、前記ホルダーの傾斜面に密接して固定されており、
前記圧電素子に電圧が印加された際に、前記対を成す板バネが前記圧電素子を挟んで対称的に弾性変形して、前記駒部を前記伸縮方向と交差する方向に移動させるように構成されているようにした。

かかる構成のピエゾステージにおいて、対を成す板バネにそれぞれ取り付けられている駒部のうち、一方の駒部を例えばステージに固定して、圧電素子に電圧を印加するようにすれば、その圧電素子の変位を対を成す板バネの弾性変形によって拡大して出力するように、他方の駒部を移動させることができる。
そして、このピエゾステージは、圧電素子に一対のホルダーと対を成す板バネを取り付けるようにして製造することができるので、上記従来技術のピエゾステージのように、厚板鋼板にワイヤカット放電加工を施して製造するものに比べて安価に製造することができる。
また、このピエゾステージであれば、材質や厚みや幅などを設計変更してバネ定数を調節した板バネに付け替えたり、撓み量が異なるなど形状が異なる板バネに付け替えたりすることで、駒部を移動させる移動量や駆動力の調整を容易に行うことができる。つまり、対を成す板バネを付け替えるようにして、ピエゾステージの動作特性を容易に調整することができる。

このピエゾステージの一方の駒部を例えばステージに固定した状態で、圧電素子に電圧を印加すると、一対のホルダーを離間させるように圧電素子が伸長し、その圧電素子の伸長に伴い、対を成す板バネが圧電素子を挟んで対称的に弾性変形する。ここでは、撓んでいる板バネが伸びるように弾性変形し、対を成す板バネが互いに離間する方向に弾性変形する。
つまり、このピエゾステージであれば、圧電素子の伸長が、対を成す板バネの伸びにより増幅されて、他方の駒部を好適に移動させることができる。

板バネの両端部が密接して固定されるホルダーの面を角度のついた傾斜面にすることで、板バネの長手方向中央側を圧電素子寄りに撓ませた形状で、その板バネをホルダーに固定し易くなる。

また、望ましくは、
前記ホルダーと前記駒部の間の前記板バネの一部に、前記板バネの弾性変形を規制する拘束部材が配設されているようにする。

このピエゾステージは、圧電素子に一対のホルダーと対を成す板バネを取り付け、その板バネに拘束部材を取り付けるようにして製造することができるので、上記従来技術のピエゾステージのように、厚板鋼板にワイヤカット放電加工を施して製造するものに比べて安価に製造することができる。
また、このピエゾステージであれば、板バネに取り付ける拘束部材の位置を調節したり、板バネに取り付ける拘束部材のサイズを調節したりすることで、その板バネが弾性変形する部分や範囲を調整できるので、駒部を移動させる移動量や駆動力の調整を容易に行うことができる。つまり、板バネに取り付ける拘束部材の位置やサイズを調整するようにして、ピエゾステージの動作特性を容易に調整することができる。

また、望ましくは、
前記拘束部材は、前記駒部を挟む配置に対を成して設けられているようにする。

こうすることで、板バネの弾性変形をバランスよく調整でき、ピエゾステージを好適に動作させることができる。

本発明によれば、比較的安価に製造できるピエゾステージが得られる。

実施形態１のピエゾステージを示す正面図（ａ）、上面図（ｂ）、側面図（ｃ）である。 実施形態１のピエゾステージの動作原理の説明図である。 実施形態２のピエゾステージを示す正面図（ａ）、上面図（ｂ）、側面図（ｃ）である。 実施形態２のピエゾステージの動作原理の説明図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るピエゾステージの実施形態について詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

（実施形態１）
本実施形態のピエゾステージ１０は、例えば、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、圧電素子１と、圧電素子１の伸縮方向の両端に取り付けられている一対のホルダー２，２と、一対のホルダー２，２に両端部が固定され、圧電素子１を挟む配置に対を成して設けられている板バネ３，３と、板バネ３の長手方向中央部に固定されている駒部４等を備えている。

圧電素子１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛を主原料とする圧電セラミック層と内部電極層とが交互に積層されてなる素子である。
この圧電素子１には、電圧を印加するためのリード線（図示省略）が接続されており、圧電素子１に電圧を印加すると伸長するように変位する。

ホルダー２は、例えば、圧電素子１の端面に接着されて取り付けられている。
圧電素子１の両端に取り付けられている一対のホルダー２，２は、圧電素子１の変位に応じて接離するように配置が切り替わるようになっている。
また、このホルダー２において、板バネ３の両端部が密接して固定されている面は、それぞれ圧電素子１に向けて下る傾斜面に形成されている。

板バネ３は、その両端部がネジなどによってホルダー２の傾斜面に固定されている弾性部材である。
本実施形態では、金属製の板バネ３を用いている。

板バネ３は、圧電素子１の伸縮方向と交差する方向（ここでは、圧電素子１の伸縮方向と直交する方向）に、その圧電素子１を挟む配置に対を成して設けられている。
この板バネ３は、その長手方向中央側が圧電素子１寄りに撓んだ形状を呈している。換言すれば、一対の板バネ３，３は、その長手方向中央側を互いに近接させるように撓んだ形状を呈している。
なお、この板バネ３の両端部が密接して固定されるホルダー２の面が、それぞれ圧電素子１に向けて下る傾斜面に形成されているので、板バネ３の長手方向中央側を圧電素子１寄りに撓ませた形状で、その板バネ３をホルダー２に固定し易くなっている。

駒部４は、板バネ３の長手方向中央側の外面側にネジなどによって固設されている。
この駒部４は、板バネ３の弾性変形に応じて、圧電素子１の伸縮方向と交差する方向（ここでは、圧電素子１の伸縮方向と直交する方向）に移動するように構成されている。
そして、対を成す板バネ３にそれぞれ取り付けられている駒部４のうち、一方の駒部４が例えばステージＳに固定され、他方の駒部４が圧電素子１の変位を拡大して出力するために移動するように構成されている。

次に、本実施形態のピエゾステージ１０の動作原理について説明する。

例えば、図２に示すように、ピエゾステージ１０を所定位置に設置するにあたり、そのピエゾステージ１０の一方の駒部４をステージＳの上面に固定する。
ピエゾステージ１０の一方の駒部４をステージＳに固定した状態で、圧電素子１に電圧を印加すると、一対のホルダー２，２を離間させるように圧電素子１が伸長し、その圧電素子１の伸長に伴い、対を成す板バネ３，３が圧電素子１を挟んで対称的に弾性変形する。ここでは、撓んでいる板バネ３が伸びるように弾性変形し、対を成す板バネ３，３が互いに離間する方向に弾性変形する。
そして、圧電素子１の伸長が、対を成す板バネ３，３の伸びにより増幅されて、他方の駒部４を上方へ移動させるようになる。
このように、圧電素子１の伸長が対を成す板バネ３，３の伸びにより増幅されるので、圧電素子１の変位を拡大して出力するように、他方の駒部４を上方へ移動させることができる。

このようなピエゾステージ１０であれば、圧電素子１の変位を拡大して出力するように、駒部４を上方へ移動させることができる。
特に、このピエゾステージ１０は、圧電素子１に一対のホルダー２，２と対を成す板バネ３，３を取り付けるようにして製造することができるので、従来技術のピエゾステージのように、厚板鋼板にワイヤカット放電加工を施して製造するものに比べて安価に製造することができる。

また、このピエゾステージ１０であれば、材質や厚みや幅などを設計変更してバネ定数を調節した板バネ３に付け替えたり、撓み量が異なるなど形状が異なる板バネ３に付け替えたりすることで、駒部４を上方へ移動させる移動量や駆動力の調整を容易に行うことができる。
つまり、一対の板バネ３，３を付け替えるようにして、ピエゾステージ１０の動作特性を容易に調整することができる。
これに対し、厚板鋼板にワイヤカット放電加工を施して製造する従来技術のピエゾステージの場合、移動量や駆動力の調整を行うには、そのピエゾステージ自体を製造し直さなければならず、容易に動作特性を変更することはできない。

（実施形態２）
次に、本発明に係るピエゾステージの実施形態２について説明する。なお、実施形態１と同一部分には同符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。

実施形態２のピエゾステージ１０には、例えば、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、ホルダー２と駒部４の間の板バネ３の一部に、板バネ３の弾性変形を規制する拘束部材５が配設されている。
この拘束部材５は、駒部４を挟む配置に対を成して板バネ３に設けられている。

拘束部材５は、例えば、剛性を有する金属製の板状部材であり、２枚１組で使用される。
具体的には、２枚の拘束部材５で板バネ３を挟み込み、２枚の拘束部材５同士をボルトなどで締結して、その拘束部材５を板バネ３に固着している。
この拘束部材５によって板バネ３が挟み込まれた部分は、弾性変形しないように剛性が付与された態様になる。
特に、拘束部材５は、板バネ３のホルダー２側の部分と、板バネ３の駒部４側の部分の弾性変形を規制しないように配設されている。
つまり、拘束部材５が取り付けられた板バネ３は、板バネ３のホルダー２側の部分と、板バネ３の駒部４側の部分とが弾性変形可能とされている。

このようなピエゾステージ１０であっても、例えば、図４に示すように、圧電素子１の変位を拡大して出力するように、駒部４を上方へ移動させることができる。
特に、このピエゾステージ１０であれば、板バネ３に取り付ける拘束部材５の位置を調節したり、板バネ３に取り付ける拘束部材５のサイズを調節したりすることで、その板バネ３が弾性変形する部分や範囲を調整できるので、駒部４を上方へ移動させる移動量や駆動力の調整を容易に行うことができる。
つまり、一対の板バネ３，３に取り付ける拘束部材５を調整するようにして、ピエゾステージ１０の動作特性を容易に調整することができる。

そして、このピエゾステージ１０は、圧電素子１に一対のホルダー２，２と対を成す板バネ３，３を取り付け、その板バネ３に拘束部材５を取り付けるようにして製造することができるので、従来技術のピエゾステージのように、厚板鋼板にワイヤカット放電加工を施して製造するものに比べて安価に製造することができる。

なお、以上の実施の形態においては、圧電セラミック層の材料としてチタン酸ジルコン酸鉛を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、酸化亜鉛など、他の材料を用いることもできる。

また、以上の実施の形態のピエゾステージ１０において、板バネ３は、その長手方向中央側が圧電素子１寄りに撓んだ形状（圧電素子１に近づくように撓んだ形状）を呈するようにホルダー２に固定されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、板バネ３は、その長手方向中央側が圧電素子１から離れるように撓んだ形状を呈するようにホルダー２に固定されていてもよい。その場合、板バネ３の両端部が密接して固定されているホルダー２の面は、それぞれ圧電素子１に向けて上がる傾斜面に形成されているものとする。
このような構成のピエゾステージ１０であれば、ピエゾステージ１０の一方の駒部４をステージＳに固定した状態で、圧電素子１に電圧を印加すると、一対のホルダー２，２を離間させるように圧電素子１が伸長し、その圧電素子１の伸長に伴い、対を成す板バネ３，３が圧電素子１を挟んで対称的に弾性変形する。ここでは、撓んでいる板バネ３が伸びるように弾性変形し、対を成す板バネ３，３が互いに接近する方向に弾性変形する。
そして、圧電素子１の伸長が、対を成す板バネ３，３の伸びにより増幅されて、他方の駒部４を下方へ移動させるようになる。

また、以上の実施の形態においては、ピエゾステージ１０の一方の駒部４をステージＳの上面に固定し、圧電素子１の変位を拡大して出力するように、他方の駒部４を上方（または下方）へ移動させる場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、ピエゾステージ１０の一方の駒部４をステージＳなどの下面に固定し、圧電素子１の変位を拡大して出力するように、他方の駒部４を下方（または上方へ）へ移動させるようにしてもよい。
また、ピエゾステージ１０の一方の駒部４をステージＳなどの側面に固定し、圧電素子１の変位を拡大して出力するように、他方の駒部４を前後方向や左右方向（側方）に移動させるようにしてもよい。

また、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

１ 圧電素子
２ ホルダー
３ 板バネ
４ 駒部
５ 拘束部材
１０ ピエゾステージ
Ｓ ステージ

Claims (3)

1. 圧電素子と、
   前記圧電素子の伸縮方向の両端に取り付けられている一対のホルダーと、
   前記一対のホルダーに両端部が固定され、前記伸縮方向と交差する方向に前記圧電素子を挟む配置に対を成して設けられている板バネと、
   前記板バネの長手方向中央部に固定されている駒部と、
   を備え、
   前記板バネの両端部が固定される前記ホルダーの面は、それぞれ前記圧電素子に向けて下る傾斜面に形成されており、
   前記板バネは、その長手方向中央側が前記圧電素子寄りに撓んだ形状を呈するように、前記ホルダーの傾斜面に密接して固定されており、
   前記圧電素子に電圧が印加された際に、前記対を成す板バネが前記圧電素子を挟んで対称的に弾性変形して、前記駒部を前記伸縮方向と交差する方向に移動させるように構成されていることを特徴とするピエゾステージ。
2. 前記ホルダーと前記駒部の間の前記板バネの一部に、前記板バネの弾性変形を規制する拘束部材が配設されていることを特徴とする請求項１に記載のピエゾステージ。
3. 前記拘束部材は、前記駒部を挟む配置に対を成して設けられていることを特徴とする請求項２に記載のピエゾステージ。

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