JPH04275074A - 圧電駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学機器または半導体
製造装置などに用いられるサブミクロンオーダの精度を
要する精密な位置決め装置、また特に走査型トンネル顕
微鏡（ＳＴＭ）において探索針を試料面に接近させるた
めの好適な移動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧電駆動装置のクランプの手段と
方法は次のような２つのタイプがある、１．移動用圧電
素子の伸縮方向の両端に固着されたクランプ用圧電素子
に電圧を印加することにより、円筒案内面の把持又は対
向する平行案内面の間を突っ張るようにクランプ力を与
えるクランプ手段を用いるタイプ（例えば、米国特許第
３９０２０８４号や米国特許第３９０２０８５号、また
特許公開公報昭６２−１２３９７０号公報や同昭６２−
１３８０７１号公報）２．移動用圧電素子の伸縮方向の
両端面に固着され案内平板の上面をスライドする端子部
材を、固定具により案内平板の上面に押さえ込むように
クランプ力を与えるクランプ手段を用い、クランプ解除
用圧電素子に電圧を印加してクランプを解除するタイプ
（例えば、特許公開公報昭６３−５２００６号公報）

【
０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術１にお
ける問題点としては、クランプ用圧電素子に電圧を印加
することによりクランプが行なわれるため、目標とする
移動位置を保持するためには電圧を切ることができない
。このことは精密な位置決め装置として利用する上での
大きな問題点となる。また、案内面及びクランプ作用面
の平行度や平面度等の形状精度と表面粗さが、少なくと
もクランプ動作の変位量より小さくなければ、クランプ
の作用と解除が確実に行なえなくなるため歩行不能とな
る。従って１０μｍ程度の変形量しか得られない圧電素
子をクランプ用のアクチュエータとして用いる場合には
、案内面及びクランプ作用面には１０μｍ以下の形状精
度と表面粗さが要求されることになる。このことは、高
精度な合わせ加工を伴う組立て作業が必要になるばかり
でなく、製品としてのバラツキが多くなる原因となり、
結果的に製品コストを高めることになる。

【０００４】上記の従来技術２における問題点としては
、クランプ機構が複雑であるため多くの部品が必要とな
り、全体としてより小型にまとめることに限界があるば
かりでなく、クランプ機構が案内平板の下面に固定され
いるため、組立て調整及びその後のメインテナンスが困
難となる。また固定具が端子部材周辺を囲っているため
移動対象物を端子部材上に設置するスペースが限定され
るという構造上の問題点がある。また、端子部材に対す
るクランプ力の作用が平面対平面で行なわれるため、精
度良く均一に押しつけることは極めて困難である。この
ことはクランプ力が作用する際の片当たりによる横ズレ
の原因となり、高精度かつ連続的な直進性が失われる。

【０００５】以上説明してきたように、従来の技術によ
る圧電素子を用いた圧電駆動装置は、圧電素子固有の優
れた変位制御性と小型化へ可能性を有するにもかかわら
ず、精密な移動装置または位置決め装置として応用する
には多くの問題があり、電磁アクチュエータに代替する
ことは及ばなかった。

【０００６】従って本発明の目的は、 １．構造が簡素で小型化が容易であり、クランプ作用と
解除を確実にするための高精度な合わせ加工を伴う組立
て作業を必要とせず、メインテナンス作業や移動対象物
が設置できるフリースペースを確保しやすく、２．移動
位置の保持に電圧の印加を必要とせず、３．移動過程に
おいて連続的かつ高精度な直進性が得られる圧電駆動装
置を実現することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による上記の目的
を達成するための手段は、 １．１つの基板平面上に、移動用圧電素子と一体化され
た端子部材を１対のクランプ用圧電素子と案内部材との
間に挾み込む位置において平面的に配置し、クランプ用
圧電素子に球面圧接子を設け端子部材に対して点接触の
クランプ力を与えることを基本的な手段とする。また更
にクランプ用圧電素子の変形量を機械的に拡大する手段
を備える。

【０００８】２．組立ての際に、電圧を印加していない
クランプ用圧電素子が端子部材にクランプ力を作用する
ように固定し、クランプの解除を正又は負の電圧をクラ
ンプ用圧電素子に印加して行なう。

【０００９】３．端子部材と案内部材の接触面の断面形
状を、移動体の進行方向に対し垂直方向の移動を規制す
る形状にする。

【００１０】

【作用】１．１つの基板平面上に、移動用圧電素子と一
体化された端子部材を１対のクランプ用圧電素子と案内
部材との間に挾み込む位置において平面的に配置しする
ことによって、構造が簡素で小型化が容易であり、メイ
ンテナンス作業や移動対象物が設置できるフリースペー
スを確保しやすくなる。クランプ用圧電素子に球面圧接
子を設け端子部材に対して点接触のクランプ力を与え、
更にクランプ用圧電素子の変形量を機械的に拡大する手
段を設けることにより、クランプ作用と解除を確実にす
るための、高精度な合わせ加工や位置調整を伴う煩雑な
組立て作業をする必要が無くなる。

【００１１】２．電圧を印加していないクランプ用圧電
素子が端子部材にクランプ力を作用するように固定し、
クランプの解除を正又は負の電圧をクランプ用圧電素子
に印加して行なうことにより、移動位置の保持に電圧を
印加する必要がなくなり、精密な位置決め装置として応
用できるようになる。

【００１２】３．端子部材と案内部材の接触面の断面形
状を、移動体の進行方向に対し垂直方向の移動を規制す
る形状にすることにより、移動過程において連続的かつ
高精度な直進性が得られる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を用いて説明する
。

【００１４】図１は本発明による圧電駆動装置の一実施
例の基本構成図であり、（ａ）は一実施例の斜視図、（
ｂ）はＡの方向から見る平面図、（ｃ）はＢの方向から
見る側面図を示したものである。ベース板１０の上面に
おいて、移動用圧電素子１の伸縮方向の両端面にクラン
プ力を受けるための２個の端子部材２、３を固着して一
体と成した移動体は、クランプの作用動作と解除動作を
行う一対のクランプ用圧電素子４、５と、案内部材８の
間に挾み込まれるように配置される。またクランプ用圧
電素子４、５の端面には球面圧接子６、７が固着され、
端子部材２、３の側面と点接触するようになっている。 ここでクランプ用圧電素子４、５は球面圧接子６、７を
介して端子部材２、３に対してクランプ力を与えるよう
に、ベース板１０に固定されたクランパ固定部材９に固
定されバックアップされている。また移動用圧電素子１
と端子部材２、３からなる移動体の直進性を補償するた
めには、図１（ｃ）の変形として図１（ｄ）に示すよう
に案内部材８と端子部材２、３の接触面の断面形状を斜
面にして、同図の面において上下方向の移動を規制する
、或いは、図１（ｅ）に示すようにＶ型の断面形状にす
るなどの手段を用いる。

【００１５】次に、上記のような実施例の構成の本発明
に係る圧電駆動装置の動作について図２によって説明す
る。図２（ａ）〜（ｇ）は上記実施例の圧電駆動装置の
動作をステップ毎に示した動作状態図である。

【００１６】まず図２（ａ）の停止状態において、クラ
ンプ用圧電素子４、５は端子部材２、３にクランプ力を
与えて停止位置を保持している。次に図２（ｂ）におい
てクランプ用圧電素子５に負の電圧を印加して収縮させ
て端子部材３のクランプを解除する。次に図２（ｃ）に
おいて移動用圧電素子１に正の電圧を印加して伸長し端
子部材３を移動させる。次に図２（ｄ）においてクラン
プ用圧電素子５の電圧を解除し伸長して端子部材３にク
ランプ力を作用させる。次に図２（ｅ）においてクラン
プ用圧電素子４に負の電圧を印加して収縮させて端子部
材４のクランプを解除する。次に図２（ｆ）において移
動用圧電素子１の電圧を解除して収縮させて端子部材２
を移動させる。次に図２（ｇ）においてクランプ用圧電
素子４の電圧を解除し伸長して端子部材２にクランプ力
を作用させる。これら、図２（ａ）〜（ｇ）に示された
一連の動作を１サイクルとして、同図の紙面において左
から右へ連続的に移動していく。尚、この一連の動作を
逆順に行なうことにより進行方向を逆にすることができ
る。

【００１７】以上説明してきたような本実施例の圧電駆
動装置をベース板１０の上面において簡単に組み立てる
方法として、例えば次のような手順が考えられる。

【００１８】１．案内部材８を所定の移動方向に従って
ベース板１０に固定する ２．端子部材２、３を案内部材８に予圧を与えて面接触
させ、案内部材８の案内面に習った状態で、移動用圧電
素子１の伸縮方向の両端面に固着する。

【００１９】３．クランプ用圧電素子４、５をクランパ
固定部材９に固着し、球面圧接子６、７をクランプ用圧
電素子４、５の端面に固着する。

【００２０】４．例えば、クランプ用圧電素子４、５の
変形量の半分程度をクランプ力を与えるために利用し、
残りの変形量をクランプを解除する際の離れ動作に利用
するものとすれば、クランプ用圧電素子４、５のクラン
プ解除の際に印加する電圧の半分程度を印加してあらか
じめ収縮させておく。従って、この段階においてクラン
プ力は調整可能である。

【００２１】５．４の状態を維持しながら球面圧接子６
、７が端子部材２、３の側面に接触する位置でクランパ
固定部材９をベース板１０に固定し、クランプ用圧電素
子４、５の電圧を解除して伸長させ、所定のクランプ力
を与える。ここでクランパ固定部材９の固定位置は球面
圧接子６、７と端子部材２、３の２つの接触点で一義的
に決まってしまうので微調整の必要はない。

【００２２】上記のような組立て手順に依れば部品の合
わせ加工の必要性がなくなることは言うまでもなく、部
品加工に精度が要求されるのは案内部材８の案内面の平
面性と端子部材２、３の側面の平行性のみであるから、
部品加工及び組立て作業において省力化が図られ、製造
コストの低減につながる。

【００２３】図３と図４は、図１で示した基本的な実施
例におけるクランプ用圧電素子のみによるクランプ手段
に対し、クランプ用圧電素子の変形量を機械的に拡大す
る手段を加えた場合の実施例を示すものである。クラン
プ用圧電素子の変形量を拡大して端子に作用させること
は、クランプの作用と解除をより確実にする効果ばかり
でなく、部品加工の精度を低減し、組立てをより容易に
するという効果が得られるため重要である。

【００２４】図３（ａ）で示すクランプ用圧電素子の変
形量を機械的に拡大する手段は、各頂点近傍に切欠きを
有するパンタグラフ式の弾性ヒンジ１１、１２をクラン
パ固定部材９に固定し、更に弾性ヒンジ１１、１２の内
部において、クランプ用圧電素子４、５を移動用圧電素
子１と平行に固定したものである。ここでクランプ用圧
電素子４、５に正の電圧を印加し伸長させてクランプを
解除する方法となることが、図１における実施例のクラ
ンプを解除する方法と異なる。弾性ヒンジ１１、１２は
端子部材２、３にクランプ力を作用させる役割を果たし
、このクランプ力は切欠き部のバネ定数に関係し、切欠
き部の厚さを適当に決めることによりクランプ力を調整
することができる。図３（ａ）に示した実施例で用いた
形状の弾性ヒンジ１１、１２よる変位拡大の特性は、図
３（ｂ）に示すような符号付けを行なうと、数１によっ
て表される。

【００２５】

【数１】

【００２６】数１によって示されるように、内角θが９
０°以上であればΔＬ＜ΔＨとなり変位が拡大されるよ
うになり、内角θが更に大きくなるに従って変位拡大率
は急増していく特性を持つ。これは変位拡大率を大きく
することが弾性ヒンジの小型化につながるため、圧電駆
動装置の小型化を目指すにはには極めて都合の良い変位
拡大機構となる。

【００２７】尚、図３に示した実施例は、図１に示した
実施例と基本的には同様な方法で組立てが可能である。

【００２８】クランプ用圧電素子の変形量を機械的に拡
大する他の手段として、図４にレバー式の変位拡大機構
を用いた実施例を示す。図４においてレバー１３、１４
は支点１５、１６に支持され、クランパ固定部材９に固
定されたクランプ用圧電素子４、５の伸縮を受けて回転
する。また端子部材２、３に対するレバー１３、１４の
作用点には球面圧接子１９、２０が固定され、点接触で
のクランプ力をバネ部材１７、１８によって作用させる
。クランプの解除はクランプ用圧電素子４、５に正の電
圧を印加して伸長して行い、その変位の拡大率は支点と
球面圧接子間のレバー比で決まる。

【００２９】尚、図４に示した実施例は、図１に示した
実施例と基本的には同様な方法で組立てが可能である。

【００３０】上記の図３の実施例のさらに具体的な実施
例として、図５に圧電駆動装置を内蔵するステージの構
成を斜視図によって示す。図５において図３の実施例で
示した圧電駆動装置をステージベース２５に構成し、弾
性変形可能な接続板２１、２２によって端子部材２、３
とステージスライダ２４を接続し、端子部材２、３の移
動量をステージスライダ２４に伝達する。ステージベー
ス２５とステージスライダ２４は一対のクロスローラガ
イド２３によって案内され円滑な摺動を行う。このよう
に構成されたステージは、圧電駆動装置の精密な移動性
能及びクロスローラガイドの直進性と耐荷重性を備える
ものとなり、精密な移動装置としての汎用性が高まる。

【００３１】上記の図３の実施例を走査型トンネル顕微
鏡における探針の移動機構に応用した実施例を図６に示
す。図６において図３の実施例で示した圧電駆動装置の
端子部材２に探針２６が固定されたスキャナ２８を搭載
する。移動用圧電素子１に固着された端子部材２ととも
に探針２６は、図２で説明したシーケンスに従って試料
２７に向かってステップ的に接近していく。ここで端子
部材２は案内部材８との平滑に仕上げられた接触面に完
全に習ってスライドし、弾性ヒンジ１１、１２は端子部
材２、３の側面に垂直なクランプ力を与えるため、移動
中の進行方向のガタは発生しない。また圧電駆動装置の
停止方法は、探針２６と試料２７の間でトンネル電流が
検出され時点で、移動用圧電素子１への印加電圧の増加
を停止するようフィードバックをかける。そして端子部
材２をクランプして固定する。このような方法によって
、探針２６を試料２７とトンネル電流が流れる数ｎｍの
位置に停止させる、極めて高い位置決め精度を実現でき
る。

【００３２】本発明は上記の実施例に限定されるもので
はなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能
であることは勿論である。

【００３３】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明による
圧電駆動装置は、構造が簡素で小型化が容易であり、ク
ランプ作用と解除を確実にするための、高精度な合わせ
加工や位置調整を伴う煩雑な組立て作業をする必要がな
い。また移動位置の保持に電圧を印加する必要がなく、
移動過程において連続的かつ高精度な直進性が得られる
ため、精密な位置決め装置を構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による圧電駆動装置の実施例の基本構成
図である。

【図２】（図１）に示した圧電駆動装置の実施例の動作
状態図である。

【図３】本発明によるパンタグラフ式の変位拡大手段を
用いた圧電駆動装置の実施例である。

【図４】本発明によるレバー式の変位拡大手段を用いた
圧電駆動装置の実施例である。

【図５】本発明による圧電駆動装置をステージの駆動機
構に応用した実施例である。

【図６】本発明による圧電駆動装置を走査型トンネル顕
微鏡の探針の移動機構に応用した実施例である。

【符号の説明】

１…移動用圧電素子、２、３…端子部材、４、５…クラ
ンプ用圧電素子、６、７、１９、２０…球面圧接子、８
…案内部材、９…クランパ固定部材１０…ベース板、１
１、１２…弾性ヒンジ、１３、１４…レバー、１５、１
６…支点、１７、１８…バネ部材、２１、２２…接続板
、２３…クロスローラガイド、２４…ステージスライダ
、２５…ステージベース２６…探針、２７…試料、２８
…スキャナ、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】移動用圧電素子と、上記移動用圧電素子の
   伸縮方向の両端面にクランプ力を受けるための２個の端
   子部材を固着して一体と成した移動体と、クランプの作
   用動作と解除動作を行う一対のクランプ用圧電素子と、
   案内部材から構成され、上記クランプ用圧電素子によっ
   て上記端子部材を上記案内部材に押し付けてクランプを
   行う圧電駆動装置において、上記クランプ用圧電素子が
   上記案内部材との間に上記端子部材を挾み込む位置に固
   定され、上記クランプ用圧電素子に対し正または負の電
   圧を印加してクランプの解除動作を行うことを特徴とす
   る圧電駆動装置 【請求項２】請求項１に記載された圧電駆動装置におい
   て、上記クランプ用圧電素子の変形量を機械的に拡大し
   て上記端子に対するクランプの作用動作と解除動作を行
   なう手段を備えることを特徴とする圧電駆動装置【請求
   項３】請求項１に記載された圧電駆動装置において、上
   記案内部材及び上記端子部材の上記案内部材との接触面
   の断面形状を、上記移動体の進行方向に対し垂直方向の
   移動を規制する形状にしたことを特徴とする圧電駆動装
   置 【請求項４】請求項１、請求項２または請求項３に記載
   された圧電駆動装置において、上記圧電駆動装置をクロ
   スローラガイドステージの内部に配置し、上記移動体の
   上記端子部材の端面とステージスライダを弾性変形可能
   な接続部材で連結し、上記移動体の移動をステージスラ
   イダに伝達するように構成されたことを特徴とする圧電
   駆動装置。 【請求項５】案内部材と、上記案内部材に接触しながら
   所定の方向に移動する移動体と、無通電時に上記移動体
   をクランプする圧電素子を用いたクランプ体からなる圧
   電駆動装置において、上記移動体を上記案内部材と上記
   クランプ体との間に配置したことを特徴とする圧電駆動
   装置。