JPH07270559A

JPH07270559A - 密封式超精密微動装置

Info

Publication number: JPH07270559A
Application number: JP6063330A
Authority: JP
Inventors: Mutsuo Munekata; 睦夫宗片; Susumu Matsuno; 晋松野; Koji Kawasaki; 浩二川崎; Shoichi Ono; 昭一小野
Original assignee: Chichibu Onoda Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1994-03-31
Publication date: 1995-10-20

Abstract

(57)【要約】【目的】装置の小型化を図るとともに、圧電素子の破損
を防止する。【構成】取付フランジ２に固着した圧電素子１にキャッ
プ３を被せて密封した超精密微動装置であって；該キャ
ップ３が、直筒状の胴部３ａと該胴部の先端に設けた伸
縮自在な頭部３ｃとを備え、該頭部に受部３ｄと伸縮部
３ｅとを設け、圧電素子の先端にボールジョイント４の
半球５を固定し、該半球５を前記受部３ｄに嵌着する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、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ステージに装着され、微小移動させるため
の密封式超精密微動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信の高度化に伴い長距離伝送
しても損失が小さ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ー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、圧電素子の側
面電極間で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（特開平２ー１９６４７９号参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来例の圧電アクチュ
エータは出力軸方向に伸縮できる構造にするため金属ケ
ースの側部をへら加工などにより硬いばね性を持たせて
いる。

【０００７】この装置では、金属ケースの側部に蛇腹状
のばねが形成されているので、直径が大きくなり大型化
するとともに、出力軸が圧電素子と全面で直接接着され
ているため、次のような問題がある。

【０００８】（1）出力軸の先端とステージをネジ等で
螺着する際に出力軸に回転力が加わり、圧電素子が曲げ
力を受けるので、圧電素子は破損する。（2）重量物を載せ、ｘｙ軸方向に高速駆動すると、出
力軸に対して平行でない曲げ力が加わるため圧電素子が
破損する。

【０００９】この発明は前記事情に鑑み、装置の小型化
を図るとともに、圧電素子の破損を防止することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、取付フラン
ジに固着した圧電素子にキャップを被せて密封した超精
密微動装置であって；該キャップが、直筒状の胴部と該
胴部の先端に設けた伸縮自在な頭部とを備え、前記キャ
ップの頭部と前記圧電素子の先端との間に半球と受部と
からなるボールジョイントを配設したことを特徴とする
密封式超精密微動装置、又は、

【００１１】取付フランジに固着した圧電素子にキャッ
プを被せて密封した超精密微動装置であって；該キャッ
プが、直筒状の胴部と該胴部の先端に設けた伸縮自在な
頭部とを備え、前記キャップの頭部と前記圧電素子の先
端との間に半球と受部とからなるボールジョイントを配
設し、該キャップの頭部に出力部材を圧接し、該出力部
材と取付フランジとを圧電素子側に付勢する予圧力ばね
を設けたことを特徴とする密封式超精密微動装置、によ
り前記目的を達成しようとするものである。

【００１２】

【作用】圧電素子に電圧を印加すると、該圧電素子が急
激に伸びボールジョイントを介してキャップの頭部の伸
縮部が圧電素子の変位方向に伸び出力部材を移動させ
る。その後、電圧をゼロにすると該圧電素子はゆっくり
と元の状態に戻る。

【００１３】この時、該出力部材に引っ張り応力が加わ
っても、圧電素子には予圧力が加えられているので破損
することがない。

【００１４】又、該出力部材に変位方向と異なる方向の
力が加わってもボールジョイントの球部と受部とによ
り、その力は吸収され圧電素子には伝達されない。

【００１５】

【実施例】この発明の第１実施例を図１により説明す
る。圧電素子１の後端に取付フランジ２を設けるととも
に、該取付フランジ２に該圧電素子１を被覆するキャッ
プ３が固着する。該圧電素子１は、圧電、電歪、磁歪な
どの素子を指称し、変位方向Ａに直列に接続されてい
る。この圧電素子１の個数は必要に応じて適宜選択され
る。

【００１６】この圧電素子１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。

【００１７】圧電素子１の先端１ａと前記キャップ３は
ボールジョイント４を介して接続されている。このボー
ルジョイント４は圧電素子１の先端１ａに接続された半
球５とキャップ３の頭部３ｃに形成された半球状の受部
３ｄから構成されている。この半球５が小さい時には、
別途補助部材を設け、この補助部材の表面に該半球５を
固着し、該補助部材の裏面を圧電素子１の先端に固着し
てもよい。

【００１８】このキャップ３の頭部３ｃの先端には出力
部材７が圧接されている。この出力部材７の外側にはテ
ーブル等が螺着されるタップ１０が設けられている。

【００１９】前記出力部材７と取付フランジ２との間に
は、コイルばね１２が配接されている。このコイルばね
１２は、キャップ３に遊嵌合されいる。このコイルばね
１２は圧電素子１に予圧力を与えるものであるが、コイ
ルばねの代わりに皿ばねなどのばね部材を用いてもよ
い。

【００２０】圧電素子１は、ステンレスなどの金属によ
り形成されたキャップ３により覆われている。このキャ
ップ３は、直筒状の胴部３ａと、該胴部３ａの後端のフ
ランジ部３ｂと、該胴部３ａの先端の頭部３ｃとを備え
ている。この頭部３ｃは、半球状の受部３ｄと、蛇腹状
ばね若くは円錐状の斜面に伸縮できる波状ばねからなる
伸縮部３ｅと、を備えている。この伸縮部３ｅの長さ、
位置及びばね定数は必要に応じて適宜選択されるが、例
えば、ばね定数は５０〜５００ｋｇ／ｍｍ程度に設定さ
れる。該キャップ３のフランジ部３ｂは、電子ビームや
プラズマ溶接等により取付フランジ２に固着され、厚電
素子１には０．５〜５ｋｇｆの予圧が加えられる。

【００２１】出力部材７と取付フランジ２との間には、
燐青銅、ステンレス、真鍮等のばね材で形成された連結
支柱２０が配設されている。この支柱２０は、コイルば
ね１２を締め付け、圧電素子１に所定の予圧力を与える
為のもので、上端部２０ａ、及び下端部２０ｂにねじ部
２１が設けられている。尚、前記コイルばねを省略し、
該連結支柱２０に蛇行ねじ部を形成して圧電素子に予圧
力を付与しても良い。

【００２２】この予圧支柱２０は、断面円形状であり、
その全長Ｌは直径の５倍以上に形成される。

【００２３】この支柱２０の先端２０ａは出力部材７に
固定されている固定ナット２５に螺着され、又、その後
端２０ｂは取付フランジ２から突出し、その後端２０ｂ
のねじ部２１には調圧ナット２６が螺着されている。

【００２４】連結支柱２０は、圧電素子１の中心軸１ｃ
を挟んで左右対称に配設されているが、必ずしもこれに
限定されるものではなく、例えば、中心軸１ｃを中心と
する円上に９０度づつ間隔をおいて４本配設しても良
い。

【００２５】取付フランジ２には、絶縁ガラスで覆われ
た電流導入端子３０が設けられており、該電流導入端子
３０は取付フランジ２と半田又はガラス融着されてい
る。

【００２６】取付フランジ２の凹部２ａ内に突出する電
流導入端子３０の先端は、圧電素子１のプラスとマイナ
スの各リード線３１に半田又はカシメ接合され、熱収縮
チューブで被覆され、又、取付フランジ２の外方に突出
する電流導入端子３０の後端は、破水性及び耐湿性樹脂
を埋め込み高温環境下で結露しないように被覆されてい
る。

【００２７】この装置は密封構造となっている。即ち、
キャップ３のフランジ部３ｂと取付フランジ２が電子ビ
ーム又はプラズマ溶接されており、取付フランジ２の電
流導入端子３０はガラス融着処理されている。

【００２８】次に、この実施例の作動について説明す
る。回転ピッチの調整できる締め付具を用いて調圧ナッ
ト２６を回して連結支柱２０の引っ張り力を調整してコ
イルばね１２のばね力を調整し、キャップ３を被った圧
電素子１に所定の予圧（圧縮力）を加える。

【００２９】この時、圧電素子形状が、例えば長さ５ｍ
ｍ、幅７ｍｍ、高さ９ｍｍである場合には、該キャップ
３を被った圧電素子１には、１０〜１００ｋｇｆの圧縮
力が加えられる。

【００３０】出力部材７のタップ１０に図示しないテー
ブルを螺着し、該テーブルに被移動物を載置する。この
時、出力部材７に圧着されているキャップ３の頭部３ｃ
に回転力が加わるが、その回転力はボールジョイント４
の半球５と受部６とにより吸収され、圧電素子１に伝達
されることはない。

【００３１】圧電素子１に所定の電圧、例えば、１４０
Ｖを印加すると、該圧電素子１は、予圧力に打ち勝ちな
がら矢印Ａ方向に伸長する。この時の伸び量は、例え
ば、１０μｍである。

【００３２】この圧電素子１の伸長によりボールジョイ
ント４のキャップ３の頭部３ｃを押圧するので、キャッ
プ３の伸縮部３ｅが伸び、出力部材７が矢印Ａ方向に移
動し、被移動物を同方向に微動させる。この様に出力部
材７の移動に伴いキャップ３の頭部３ｃの伸縮部３ｅは
伸びるが、小さいばね定数（１ｋｇ／ｍｍ以下）に設定
されているので、出力部材７に平行でない力が加わって
も曲げ力が吸収され、円滑な移動を阻害することはな
い。。

【００３３】圧電素子１の印加電圧をゼロにすると、該
圧電素子１はゆっくりと元の長さに戻る。この時、キャ
ップ３を被った圧電素子１は取付フランジ２と出力部材
７により圧縮力、即ち予圧を受けているので、出力部材
７に該圧縮力より小さな引っ張り力が加わってもキャッ
プ３を被った圧電素子１は両者２、７から離れることは
ない。即ち、これら１、２、７はあたかも一体物の如き
状態で変位するのである。そのため、キャップ３を被っ
た圧電素子１がこの引っ張り力の影響を受けることはな
い。

【００３４】出力部材７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３の頭部３ｃと出力部材
７とが離れる。そのため、キャップ３内の圧電素子１に
引っ張り力が加わることはない。

【００３５】該装置に圧電素子１の変位方向Ａと異なる
方向、例えば矢印Ａ１方向からの力が加わると、該力は
キャップ３を変位させるが、ボールジョイント４の半球
５と受部３ｅとにより吸収されるので圧電素子１に伝達
されることはない。

【００３６】尚、この装置は、前述のように密封構造に
し、空気中の水蒸気、粉塵等を完全に遮断するようにし
たことも特徴の一つである。

【００３７】上記実施例のボールジョイント４は、図３
の様に構成しても良い。図３は、第２実施例を示す図で
あり、第１実施例と異なる点は、キャップ３の頭部３ｃ
に半球１０５を接着剤で固着し、半球状又はＶ字状凹部
１０６を有する受部部材１０７を圧電素子１の先端１ａ
に接着剤で固着したことである。

【００３８】この発明の第３実施例を図４により説明す
るが、第一実施例との相違点は、変位拡大機構が付加さ
れていることである。即ち、一枚の板体、例えば、ステ
ンレス製板１０１を放電加工、レーザー加工、プラズマ
加工等により切溝Ｈを形成して固定部１１０と変位伝達
ブロック１２０と変位拡大ブロック１３０とレバー変位
拡大機構１４０と予圧機構１５０とを一体的に形成す
る。

【００３９】固定部１１０の収容部１１１には、キャッ
プ３を被った圧電素子１０２が配置され、該素子１０２
の後端は取付フランジ２を介して収容部１１１の底部に
固定されている。該キャップ３の頭部３ｃは、変位伝達
ブロック１２０に当接している。この圧電素子１０２は
板体１０１の中心線１０１ｃ方向に変位する縦置き圧電
素子で、例えば、圧電、電歪、磁歪などの素子が用いら
れる。

【００４０】変位伝達ブロック１２０はコ字状に形成さ
れ、その中央部には、キャップ３の頭部３ｃが圧接され
ている。該ブロック１２０は第１レバー変位拡大機構１
４０に連続している。

【００４１】この第１レバー変位拡大機構１４０は板体
１０１の中心線を挟んで左右対称に配設され、第１レバ
ー１４１は、力点ヒンジ１４２を介して変位伝達ブロッ
ク１２０と連続し、支点ヒンジ１４３を介して固定部１
１０と連続し、又、作用点ヒンジ１４４を介して変位拡
大ブロック１３０の側柱１３１に連続している。

【００４２】この第１レバー１４１の支点、力点、作用
点は中心線１０１ｃと直交する直線１４０ｃ上に位置し
ている。変位拡大ブロック１３０は前記変位伝達ブロ
ック１２０の外側を囲むコ字状のブロックであり、両ブ
ロック１２０、１３０の中心は中心線１０１ｃ上に位置
する。

【００４３】第１レバー変位拡大機構１４０のレバー１
４１は、予圧機構１５０を介して固定部１１０に連続し
ているが、この予圧機構１５０は、中心線１０１ｃを挟
んで左右対称に配設されている。この予圧機構１５０
は、予圧力ばね１５１と回り止め１５２と引張りブロッ
ク１５３を備えており、該引張りブロック１５３に螺着
された予圧力調圧ねじ１５４によりばね力が調整され
る。

【００４４】すなわち、圧電素子１０２の予圧力は、レ
バー１４１の力点のほぼ真下に配した予圧力ばね１５１
を予圧力調圧ねじ１５４によりばね力を調整することに
より、ばね力が、レバー１４１及び変位伝達ブロック１
２０に連続して伝達され、変位伝達ブロックの中央部か
ら圧電素子１０２に予圧を付与する。又、予圧力調整ね
じを回す際のねじりは固定部１１０と引っ張りブロック
１５３の間に板状に形成された回り止め１５２により規
制され、引っ張りブロック１５３は回転しない。

【００４５】次に第３実施例の作動について説明する。
圧電素子１０２に電圧を印加すると、該圧電素子１０２
が中心線１０１ｃ方向に電圧に応じて伸び予圧機構５０
のばね力に抗してキャプ３の頭部３ｃを変位させるの
で、変位伝達ブロック１２０は矢印Ａ１０１方向に移動
する。

【００４６】該変位伝達ブロック１２０が矢印Ａ１０１
方向に移動すると、レバー変位拡大機構１４０の力点ヒ
ンジ１４２を介してレバー１４１が引っ張られる。該レ
バー１４１は作用点ヒンジ１４４を介して変位拡大ブロ
ック１３０を矢印Ａ１０１方向に移動させる。そのた
め、圧電素子１０２の変位量はてこの原理により５〜２
０倍に拡大されて変位拡大ブロック１３０に伝えられ
る。

【００４７】この時、レバー１４１の支点、力点、作用
点が同一直線１４０ｃ上に位置するので、作用点ヒンジ
１４４の横方向成分は小さい。又、レバー１４１は左右
対称に配設されているので、両側の側柱１３１を同時に
平行に移動させ、変位拡大ブロック１３０を矢印Ａ１０
１方向に変位させる。

【００４８】次に前記印加電圧をゼロにすると圧電素子
１０２は縮むとともに、予圧機構１５０のばね力により
前記各ブロック１２０、１３０は確実に元の位置に戻
る。

【００４９】このようにして、圧電素子１０２の変位量
は第１レバー変位拡大機構１４０により拡大されて変位
拡大ブロック１３０に伝達される。

【００５０】キャップ３、ボールジョイント４の作用は
前記第一実施例と同一なので、その説明は省略する。

【００５１】圧電素子１０２は、その両端を変位伝達ブ
ロック１２０と固定部１１０とにそれぞれ固定され、
又、予圧力ばね１５１の引張り力も調圧ねじ１５４によ
り任意に調整できる。

【００５２】この発明の第４実施例を図５により説明す
る。この実施例と第４実施例との相違点は、レバー変位
拡大機構を２段に設けるとともに圧電素子１０２を複数
個直列に配設して更に変位拡大量を増大せしめたことで
ある。図５において、図４と同一図面符号はその名称も
機能も同一である。

【００５３】側板１３１は力点ヒンジ１７２を介して第
２レバー変位拡大機構１７０の第２レバー１７１に連続
し、外側板１３４は支点ヒンジ１７３を介して第２レバ
ー１７１に連続し、又、第２レバー１７１は作用点ヒン
ジ１７４を介して変位拡大ブロック１３０に連続してい
る。

【００５４】第２レバー１７１の支点、力点、作用点は
中心線１０１Ｃと直交する直線１７０ｃ上にそれぞれ位
置し、その作用は前記第１レバー変位拡大機構１４０と
同じである。

【００５５】

【発明の効果】この発明は以上の様に構成したので、次
の如き顕著な効果を奏する。（1）キャプが、直筒状の胴部と、該胴部の先端に設け
た伸縮自在な頭部とを備えているので、胴部に蛇腹状の
伸縮部を設けている従来例に比べ、キャップの直径を小
さくすることができる。従って、装置の小型化を図るこ
とができる。

【００５６】（2）キャップの頭部が出力部材に当接し
ているので、出力部材に予圧力を超える引っ張り力が加
わった場合には両者は離れる。そのため、該圧電素子に
引っ張り力が伝わることが無いので、圧電素子の破損を
防止することができる。

【００５７】（3）圧電素子の先端を半球と受部とから
なるボールジョイントを介してキャップに接続し、該キ
ャップの頭部を出力部材に圧接したので、出力部材やキ
ャプに圧電素子の変位方向と異なる方向の力が加わって
も、ボールジョイントの作用によりその力は吸収され
る。そのため、圧電素子に前記力が伝達されることがな
いので、圧電素子の破損事故を防止できる。

【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】図１の圧電素子とキャップとを示す縦断面図で
ある。

【図３】第２実施例を示す断面図の一部を示す図であ
る。

【図４】本発明の第３実施例を示す縦断面図である。

【図５】本発明の第４実施例を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１圧電素子２取付フランジ３キャップ３ａ胴部３ｂフランジ部３ｃ頭部３ｄ受部３ｅ伸縮部４ボールジョイント５半球７出力部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｂ２３Ｑ 5/22 ５２０Ｂ 5/28 Ｃ (72)発明者小野昭一千葉県佐倉市大作２丁目４番２号小野田セメント株式会社中央研究社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子にキャップを被せて密封した超精
密微動装置であって；該キャップが、直筒状の胴部と該
胴部の先端に設けた伸縮自在な頭部とを備えていること
を特徴とする密封式超精密微動装置。
【請求項２】取付フランジに固着した圧電素子にキャッ
プを被せて密封した超精密微動装置であって；該キャッ
プが、直筒状の胴部と該胴部の先端に設けた伸縮自在な
頭部とを備え、前記キャップの頭部と前記圧電素子の先
端との間に半球と受部とからなるボールジョイントを配
設したことを特徴とする密封式超精密微動装置。
【請求項３】取付フランジに固着した圧電素子にキャッ
プを被せて密封した超精密微動装置であって；該キャッ
プが、直筒状の胴部と該胴部の先端に設けた伸縮自在な
頭部とを備え、前記キャップの頭部と前記圧電素子の先
端との間に半球と受部とからなるボールジョイントを配
設し、該キャップの頭部に出力部材を圧接し、該出力部
材と取付フランジとを圧電素子側に付勢する予圧力ばね
を設けたことを特徴とする密封式超精密微動装置。
【請求項４】該キャップの頭部に伸縮部とボールジョイ
ントの受部とを設けたことを特徴とする請求項２、又
は、３記載の密封式超精密微動装置。
【請求項５】該キャップの頭部に伸縮部とボールジョイ
ントの半球固定部とを設けたことを特徴とする請求項
２、又は、３記載の密封式超精密微動装置。
【請求項６】キャップの頭部の伸縮部が、蛇腹状ばね若
くは円錐状の斜面に伸縮できる波状ばねであることを特
徴とする請求項４、又は、５記載の密封式超精密微動装
置。
【請求項７】圧電素子の先端にボールジョイントの半球
を固着したことを特徴とする請求項２、又は、３記載の
密封式超精密微動装置。
【請求項８】圧電素子の先端にボールジョイントの受部
を形成したことを特徴とする請求項２、又は、３記載の
密封式超精密微動装置。
【請求項９】ボールジョイントの受部が、半球状である
ことを特徴とする請求項４、又は、８記載の密封式超精
密微動装置。
【請求項１０】ボールジョイントの受部が、断面Ｖ字状
であることを特徴とする請求項４、又は、８記載の密封
式超精密微動装置。
【請求項１１】取付フランジとキャップのフランジ部と
を、電気溶接により固着せしめたことを特徴とする請求
項２、又は、３記載の密封式超精密微動装置。
【請求項１２】取付フランジとキャップのフランジ部と
を、プラズマ溶接により固着せしめたことを特徴とする
請求項２、又は、３記載の密封式超精密微動装置。
【請求項１３】取付フランジに電流導入端子が硝子で融
着されており、電流導入端子の外側は破水性及び耐湿性
樹脂で覆い、その内側は圧電素子のリード線と半田結合
して接合部を熱収縮チューブで覆ったことを特徴とする
請求項２、又は、３記載の密封式超精密微動装置。
【請求項１４】予圧力ばねが、出力部材と取付フランジ
との間に介在せしめたコイルばねであることを特徴とす
る請求項３記載の密封式超精密微動装置。
【請求項１５】予圧力調整手段を設けたことを特徴とす
る請求項３記載の密封式超精密微動装置。
【請求項１６】取付フランジに固着した圧電素子にキャ
ップを被せて密封し、該圧電素子を固定部と変位伝達ブ
ロックとの間に配設し、該取付フランジを該固定部に固
着し、該キャプの頭部を前記変位伝達ブロックに当接さ
せ、該変位伝達ブロックの左右に変位拡大ブロックと連
続するレバー変位拡大機構を設けた密封式超精密微動装
置であって；該キャップが、直筒状の胴部と、該胴部の
先端に設けた伸縮自在な頭部とを備え、前記キャップの
頭部と前記圧電素子の先端との間に半球と受部とからな
るボールジョイントを配設したことを特徴とする密封式
超精密微動装置。
【請求項１７】レバー変位拡大機構を、圧電素子の変位
方向に複数段設けたことを特徴とする請求項１６記載の
密封式超精密微動装置。
【請求項１８】該変位伝達ブロックを該圧電素子側に付
勢する予圧機構を左右対称に配設したことを特徴とする
請求項１６、又は、１７記載の密封式超精密微動装置。