JPH0335055B2 - - Google Patents

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JPH0335055B2
JPH0335055B2 JP59113290A JP11329084A JPH0335055B2 JP H0335055 B2 JPH0335055 B2 JP H0335055B2 JP 59113290 A JP59113290 A JP 59113290A JP 11329084 A JP11329084 A JP 11329084A JP H0335055 B2 JPH0335055 B2 JP H0335055B2
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JP
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displacement
piezoelectric element
piezoelectric
pressure
driving force
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Makoto Higomura
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Canon Inc
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/25Movable or adjustable work or tool supports
    • B23Q1/26Movable or adjustable work or tool supports characterised by constructional features relating to the co-operation of relatively movable members; Means for preventing relative movement of such members
    • B23Q1/34Relative movement obtained by use of deformable elements, e.g. piezoelectric, magnetostrictive, elastic or thermally-dilatable elements

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は、鏡面加工旋盤等の刃物台微少送り装
置、フアイバーケーブルの先端加工用の微動装
置、半導体製造装置の微動装置等において、微動
装置を駆動する圧電効果を利用した微動変位素子
(以下圧電素子という)およびこれを使用した微
少位置決め方法に関する。
〔従来技術〕
従来この種の微少位置決め装置としては、第8
図に示すように積層型の圧電素子2′と平行板バ
ネ機構1を使用する装置が一般に用いられ、また
その制御方法としては開ループ制御方式が一般に
とられている。図中、バネ機構の外枠はリンク機
構を構成し、圧電素子2′の長さが変化すると素
子の支持腕がバネ機構1の上辺を下辺に対して微
少変位させる。しかしながらこのような装置にお
いては圧電素子2′の電圧・変位特性が第9図に
示すようにヒステリシスを有するため、圧電素子
2′の変位がその変位移動方向により一義的に決
まらず、このため位置決め精度が低下する欠点が
あつた。そこでこのような欠点を改良するため、
第10図に示すように変位検出器12並びに圧電
素子駆動用電圧増巾器13を使用し圧電素子2′
の変位を目標値にフイードバツク制御することに
より、位置決めの精度を向上するように構成した
装置が用いられている。しかしながらこのような
装置においては、特別に変位そのものを測定する
ための変位検出器や非線型補償回路等を必要とす
ることから装置が極めて複雑且つ大型となり、こ
のために装置を構成、設置する場合に多大の制約
をともなうものであつた。
〔発明の目的〕
本発明は、このような事情に鑑みなされたもの
で、その目的は、圧電素子のヒステリシス現象に
起因する設定変位の誤差を小型で簡単な装置構成
で解消することを可能とする圧電型微動変位素子
およびこれを使用した微少位置決め方法を提供す
ることにある。
本発明は、上述の目的を達成するために、圧電
型微動変位素子において、積層された複数の圧電
素子のうち少なくとも一つを圧力検出用として利
用すると共に、他を駆動力発生用として利用し、
圧力検出用圧電素子に接続される電極を駆動力発
生用圧電素子に接続される電極に対して少なくと
も一つ別異に設け、駆動力発生用圧電素子の変位
に対応して発生する圧力が圧力検出用圧電素子に
作用することにより圧力検出用圧電素子に発生す
る電圧を圧力検出用圧電素子に接続されている電
極を介して検出させるようにしている。
また、本発明の微少位置決め方法は、上述した
ような圧電型微動変位素子を駆動源として利用す
ると共に、斯かる圧電型微動変位素子の変位のた
めに該圧電型微動変位素子の駆動力発生用圧電素
子に電圧を印加して発生させる際、変位目標値に
応じた圧力を駆動力発生用圧電素子に発生させる
ために必要な印加電圧を得るために、変位目標値
を変位−圧力変換回路により印加電圧に変換し、
変位−圧力変換回路で変換された印加電圧と圧電
型微動変位素子の圧力検出用圧電素子に接続され
ている電極に生じる電圧に基づいて圧電型微動変
位素子に圧力フイードバツク制御している。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例について添付図面を参照
して説明する。第1図は本発明による積層型圧電
素子の一実施例、第2図及び第3図は同じく他の
実施例、第4図は本発明による積層型圧電素子を
使用した微動装置及びその制御機構の一実施例、
第5図、第6図a,b及び第7図a,bは同じく
微動装置の他の実施例である。
第1図に示すように本発明による積層型圧電素
子2は駆動用圧電素子2aと圧力検出用圧電素子
2bとから構成され、駆動用圧電素子2aは電極
4にまた圧力検出用圧電素子2bは電極5に接続
されている。なお、3a,3bは絶縁体である。
いまこのような構成の積層型圧電素子2を弾性
体例へば後述する微動装置の平行板バネ機構に介
装し、駆動用圧電素子2aに電極4を介して電圧
を印加すると、圧電素子2aに変位が発生し、積
層型圧電素子2内には前記変位に対応した圧力が
発生する。これにより、両圧電素子2a,2bに
は前記発生圧力に対応し且つ圧電素子2aに印加
された前記電圧と逆電位の電圧が発生する。こゝ
で本実施例においては該電圧が圧力検出用圧電素
子2bにより電極5を介して検出されるように構
成されている。
ところで、圧電素子2の変位をX、発生圧力を
F、板バネ機構のばね定数をKとすれば、これら
の間にはX∝K・Fの関係が成立するから、即ち
圧電素子2の変位量は発生圧力Fに比例すること
となる。このことから、本実施例においては、圧
電素子2の変位Xを圧力検出用圧電素子2bの出
力する出力圧力Fに基づいて制御できるように構
成されており、このようにすることにより複雑、
大型な変位検出器を不要とし、装置を簡単、小型
にすると同時に制御性を向上するようになされて
いる。
次に第4図に参照すると、図は本発明による微
動装置並びにその制御機構を示すものであるが、
駆動用の積層型圧電素子2が弾性変形を利用する
平行板バネ機構1に介装されており、該圧電素子
2はその変位量を変位−圧力変換回路6、圧力検
出用増巾器7並びに電圧増巾器8によりフイード
バツク制御されるように構成されている。なお、
鏡面加工旋盤の刃物台等(図示せず)は平行板バ
ネ機構1上に装着されるもので、平行板バネ機構
1が圧電素子2の変位に対応して一定に変形する
ことにより、その所定の微少位置決めが行なわれ
るようになつている。
なお、変位−圧力変換回路6は、刃物台等の変
位即ち平行板バネ機構1の変形に対応すべき積層
型圧電素子2の変位を、該変位を発生させるため
積層型圧電素子2に発生させるべき圧力即ち駆動
用圧電素子2aに印加すべき電圧に変換するよう
に構成されている。
以上第4図に示されるような構成において、変
位−圧力変換回路6に変位目標値即ち刃物台等の
目標変位を与えると、変換回路6は前記変位目標
値に対応して駆動用圧電素子2aに印加すべき電
圧を出力し、この出力電圧が圧電素子駆動用電圧
増巾器8により電圧増巾され、駆動用圧電素子2
aに駆動電力として印加される。これにより圧電
素子2aに歪が発生し、平行板バネ機構1が変形
し、図示しない刃物台等が所定量微少変位する。
このとき積層型圧電素子2には前述したように平
行板バネ機構1を変形させるための圧力が発生
し、これにより該圧力に対応した前記印加電圧と
逆電位の電圧が発生し、このため駆動用圧電素子
2aに印加される実際上の印加電圧が変動し、従
つて圧電素子2の変位量が変位目標値から外れよ
うとするが、このとき前記発生圧力に基づく発生
電圧が圧力検出用圧電素子2b並びに電極5を介
して電圧検出用増巾器7に検出され、この出力電
圧が変位−圧力変換回路6が出力する前記電圧に
フイードバツクされ、駆動用圧電素子2aに印加
される電圧が所定の電圧に制御される。これによ
り圧電素子2の変位が変位目標値に合致し、前記
刃物台等の微少位置決めが正に達成される。
次に第2図並びに第3図を参照すると、図は本
発明による積層型圧電素子の他の実施例である
が、第2図は第1図に示す実施例において駆動用
圧電素子2aと圧力検出用圧電素子2bの各々の
電極4,5の一方を共通にした場合を示し、第3
図は第1図に示す実施例において圧力検出用圧電
素子2bを複数枚(図は2枚の場合を示す)積層
し、これを直列に接続した場合を示す。第8図に
示す実施例の場合は圧電素子2bの出力する出力
圧力が増巾されるので圧力検出感度を向上するこ
とができる。
更に第5図、第6図a,b並びに第7図a,b
は本発明による微動装置の他の実施例であり、第
5図に示す実施例は例えば半導体焼付装置の露光
部を支える機械装置用定盤11と基盤用定盤10
の間に本発明による積層型圧電素子2を3個配設
したものである。このような構成によれば、例え
ば定盤11に載置される機械装置が水平でない場
合、積層型圧電素子2等の1個又は2個を夫々修
正目標値を与えて前述した変位−圧力変換回路
(図示せず)を介して制御すればこれら圧電素子
は正確に伸縮し、レベリングがなされる。又機械
装置を微少量上下する場合、3個の圧電素子を同
量伸縮させることで実現される。なお本実施例で
は圧電素子2に負荷される圧力は装置等の自重に
より負荷されるように構成されているが、機械装
置が著しく軽量な場合にはスプリング等の他弐方
法により前記圧力を負荷するように構成しても構
わない。
更に第6図a,b並びに第7図a,bに示す微
動装置においては、積層型圧電素子2が介装され
る平行板バネ機構1の構造が前述した第4図の実
施例の場合と異なり、第6図においては同図bに
示されるようにワークの取付面即ち作動点が力点
に関して拡大されるように構成されており、一方
第7図においては同図bに示されるように作動点
が力点に関して縮少されるように構成されてい
る。このように構成すれば、微動装置の変位量を
圧電素子2の変位量に関して拡大或いは縮少して
作動させることができる。
なお、本発明による積層型圧電素子並びにこれ
を使用した微少位置決め装置は、ロボツトやマニ
ピユレータ等の駆動源として用いても極めて好適
であることは容易に類推されるところである。
〔発明の効果〕
以上詳細に説明したように、本発明によれば、
圧電型微動変位素子内の圧力検出用圧電素子に接
続されている電極からの検出圧力に応じた電圧に
基づいて斯かる圧電型微動変位素子の変位量を制
御可能とすることができ、もしくは斯かる圧電型
微動変位素子を用いてその変位量を圧力フイード
バツクで制御することができるので、従来の変位
量そのものを制御する方式において必要となる複
雑で大型な変位検出器が不要となり、極めて簡単
で小形な装置構成でその変位量を正確に制御する
ことが可能となる。
従つて、本発明によれば、微少位置決め装置の
装着スペース等に関する制限及び制約が解消され
る。また、このように変位量を圧力的に制御する
ことから、圧電素子が有するヒステリシス特性が
見掛け上消滅し、従来位置とされた非線形補償回
路が不要となる。このため、制御並びに制御精度
が向上する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による積層型圧電素子の一実施
例、第2図及び第3図は同じく他の実施例、第4
図は本発明による積層型圧電素子を使用した微動
装置及びその制御機構の一実施例、第5図、第6
図a,b及び第7図a,bは同じく微動装置の他
の実施例で、図中第6図b並びに第7図bは圧電
素子の力点と微動装置の作動点の関係を示す説明
図、第8図は微動装置の従来例、第9図は圧電素
子の電圧・変位特性、第10図は変位量検出を行
い位置決めフイードバツクを行つている微少位置
決め装置の従来例である。 1…弾性変形を利用した平行板バネ機構、2,
2′…積層型圧電素子、2a…駆動用圧電素子、
2b…圧力検出用圧電素子、3a,3b…絶縁
体、4,5…電極、6…変位−圧力変換回路、7
…電圧検出用増巾器、8,13…電圧増巾器、1
0…基盤用定盤、11…機械装置用定盤、12…
変位検出器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 積層された複数の圧電素子のうち少なくとも
    一つを圧力検出用として利用すると共に、他を駆
    動力発生用として利用し、前記圧力検出用圧電素
    子に接続される電極を前記駆動力発生用圧電素子
    に接続される電極に対して少なくとも一つ別異に
    設け、前記駆動力発生用圧電素子の変位に対応し
    て発生する圧力が前記圧力検出用圧電素子に作用
    することにより前記圧力検出用圧電素子に発生す
    る電圧を前記圧力検出用圧電素子に接続されてい
    る電極を介して検出させることを特徴とする圧電
    型微動変位素子。 2 積層された複数の圧電素子のうち少なくとも
    一つを圧力検出用として利用すると共に、他を駆
    動力発生用として利用し、前記圧力検出用圧電素
    子に接続される電極を前記駆動力発生用圧電素子
    に接続される電極に対して少なくとも一つ別異に
    設け、前記駆動力発生用圧電素子の変位に対応し
    て発生する圧力が前記圧力検出用圧電素子に作用
    することにより前記圧力検出用圧電素子に発生す
    る電圧を前記圧力検出用圧電素子に接続されてい
    る電極を介して検出させる圧電型微動変位素子を
    駆動源として利用し、前記圧電型微動変位素子の
    変位のために前記圧電型微動変位素子の前記駆動
    力発生用圧電素子に電圧を印加して圧力を発生さ
    せる際、変位目標値に応じた圧力を前記駆動力発
    生用圧電素子に発生させるために必要な印加電圧
    を得るために、前記変位目標値を変位−圧力変換
    回路により前記印加電圧に変換し、前記変位−圧
    力変換回路で変換された前記印加電圧と前記圧電
    型微動変位素子の前記圧力検出用圧電素子に接続
    されている電極に生じる電圧に基づいて前記圧電
    型微動変位素子の変位を圧力フイードバツク制御
    することを特徴とする微少位置決め方法。
JP59113290A 1984-06-02 1984-06-02 圧電型微動変位素子及びこれを使用した微少位置決め方法 Granted JPS60259347A (ja)

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