JPS5910155B2 - 圧電くさびを利用した修正装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は圧電体の変形を利用した駆動装置に関する。

圧電式駆動装置は、機械的組立体が非常に精度の条件を
満すとすれば１ミクロンより良好な制度で位置決め誤差
を修正することができる。

この発明は、弾性要素の形を成ししかも一つの次元が変
形をもたらす圧電機構を制御する圧電により、非常に正
確でかつ安定したプリセット形の機械的構成要素を設け
て上記条件を容易に得ることができるようにするもので
ある。

位置決め装置における固定構成要素と可動構成要素との
間に圧電円板の積重ね体（スタック）を設けた場合には
、下記の現象が観察される。

すなわち、 （１） 積重ね体にプリストレスがかけられなければ
、圧電装置の精度を役に立たないものとするような程度
の大きさの組立体のすき間が存在し、そして装置は信頼
できないものとなる。

なお正確な位置ぎめのためにプリストレスは調節可能で
あることが好ましい。

（２）装置にプリストレスがかけられるとしても、異な
る構成要素の表面の整合はずれのためなお小さな斜めの
変位が観察され、有効な動きを減少させ、これもまた欠
点である。

本発明はこれらの問題点に鑑みなされたもので、その目
的は圧電体に調節可能な初期応力を与える・と共に圧電
体と関連構成要素との間の完全な整合を有する圧電駆動
装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の特徴は、相互に離間
する２つの端部ブロックの平行な外面の間の距離を２つ
の平行な端面をもつ圧電積重ね体により電気的に制御す
る圧電駆動装置において、前記外面の間を連結し前記圧
電積重ね体をかこむ１対の弾性変形可能な側面部と、前
記外面の内壁と圧電積重ね体の端面の間に当該端面に当
接する１対の端部片とを有し、前記外面の前記内壁は円
筒状で、一方の端部片は円筒状内壁に当接しかつ整合す
る円筒状外壁をもち、他方の端部片は圧電積重ね体と当
接する面の反対側に２つの傾斜面を有し、前記円筒状の
内壁に当接しかつ整合すると共に前記他方の端部片の２
つの傾斜面に滑動可能に結合する２個のくさび形スペー
サ部材がもうけられ、該くさび形スペーサ部材の間隔を
調節する手段により圧電積重ね体の初期応力が調節され
る圧電駆動装置にある。

第１図には圧電セラミック円板の積重ね体（スタック）
を示し、この積重ね体におけるバイアスは矢印Ａまたは
矢印Ｂで示す方向の電界を前もって加えることによって
掛けられ、Ａ，Ｂは、円板の平らな面に垂直で矢印Ａ，
Ｂは逆向きである。

矢印Ａの方向にバイアスを掛けた円板１，３・・・の間
には、矢印Ｂの方向にバイアスを掛けた円板２，４・・
・が配列されている。

各円板の二つの面は銀めっきされ、また積重ね体の二つ
の隣接面は一つの同じ電極に接触して配置される。

例えば円板１，２間に電極ｐが設けられまた円板２，３
間に電極ｍが設けられる。

矢印に対して同じように配置される面は電極を介して共
通接地Ｍ（電極ｍ，ｍ・・・）か、または極端子ＨＴ（
電極ｐ，ｐ・・・）に接続され、極端子ＨＴはそれ自体
正または負の直流電圧源に接続される。

圧電駆動装置としての積重ね体の動作を以下に説明する
。

極端子ＨＴ山と接地Ｍのとの間に直流電圧が印加される
と、積重ね体の円板は膨張かまたは収縮する。

厚さの変動の大きさの程度は例えば数１０ボルトで約１
ミクロンである。

円板の組立体は装置を有効に、そして特に信頼できるよ
うにするため最大可能な注意を払って設置されなければ
ならない。

第２図において、この発明による設置は銅、または圧電
円板の積重ね体の及ぼす応力の作用でかなりの寸法上の
変化を受けるのに十分でかつ低い弾性をもつ材料による
平行六面体型の構成要素２０から成る。

この構成要素２０は積重ね体を収容しかつ弾性構成要素
の実際の横断面積を減少させる手段を備えている。

一つの大きな面には二つの直線部分ＭＮ，ＰＱおよび二
つの円筒状部分ＮＰ，ＭＱを含む輪郭ＭＮＰＱを見るこ
とができ、円筒状部分ＮＰ，ＭＱの中央部分は、周囲が
正確な円弧を形成している。

構成要素２０内には、円筒状内面をもつ二つの端部ブロ
ック２０１ ，２０２および、装置を調整する際に要求
されたように穴あけされ構成要素２０の変形し得る部分
を形成する二つの平らな側面部２０３，２０４がもうけ
られる。

以下の説明では平行六面体の三つの隣接面に平行な三つ
の平面を決める基準三軸系を考える。

構成要素２０の二つの相対した小さな面を符号２０５，
２０６で表わすと、三軸系の原点■は面２０５の中心に
位置され得、軸ＩＸは平行六面体の対称軸ＸＸと一致す
る。

平而ＸＩＹは曲線ＭＮＰＱの平面に平行であり、軸ＩＺ
は曲線ＭＮＰＱの平面に垂直である（第２図）。

構成要素２０の内部には、例えば面２０５から面２０６
へ向って軸ＸＸ上に端部片２１、第１図に示すものと同
じ静重ね体２２、端部片２３および一組のくさび形のス
ペーサ部材２４．２５が配置される。

端部片２１およぴくさび形スペーサ部材２４，２５は凹
部ＭＮＰＱの形に合いこれに対し滑動可能な円筒面を備
えている。

端部片２１の反対の面は、積重ね体２２と接触する端部
片２３の面と同様に平らである。

端部片２３の二つの傾斜した平らな部分は平面ＸＩＹに
対して対称であり、またスペーサ２４．２５における同
一平面の対応部分と接触し、従って端部片２３は、組立
体が圧縮される時スペーサ２４．２５から離れる方向へ
動くようにされる。

軸ＩＺに平行に上記スペーサ２４，２５を通るねじ２６
はそれらスペーサを一緒に動かすようにし、また構成要
素２０における引張りと積重ね体２２の圧縮とによって
装置をプリストレス（初期応力）の状態にするのに用い
られる。

装置を適当に調整すると、積重ね体２２は圧電円板がも
つとも収縮したときでも圧縮された状態とすることがで
きる。

調整を容易にするため、側面部２０３，２０４には穴２
７があけられ、引張りによって生じた応力を受ける実際
の横断面積を減少しそして側面部の弾性変形を増大する
。

例として長さｌＯｏ＋ｔｍ（ＸＸ方向の寸法）の構成要
素２０の場合には、プリストレスの状態で長さｌＯμの
変化が生じた。

また最大印加電圧は８００■であった。

この変化の範囲内では、現象は事実上直線的であり、そ
して電圧と長さの変化との間には８０■／μ程度の比例
係数が記録された。

従って相当な機械的利点をもつ装置が圧電駆動装置によ
り形成される。

実際には第２図に示す装置は往復運動する部片に固く取
付けできる必要があることが明らかである。

この目的で、端面２０５，２０６には固定ねじを受ける
ためのねじ山付き穴２８が設けられる。

なお、端部片２１及びスペーサ２４，２５が円筒面によ
り、やはり円筒面内壁を有する端部ブロック２０１ ，
２０２に滑動可能に当接する構造は本発明の特徴で、円
筒面当接の滑動により、圧電体のわずかな組立誤差を吸
収して正確な位置ぎめを行なうことができる。

第３図にはこの発明による装置を用いた応用装置の第１
実施例を示す。

板３２は基部３１に取付けられたローラトラック３３に
より基部３１に平行に変位する。

この運動はねじナット装置３４によって行なわれ、ねじ
は軸３４１のねじ付き部分で表わされる。

クランク３５で駆動される軸３４１は軸受３３１および
複動止め装置３３２内で横方向へ運動せずに回転する。

板３２はローラ装置３６１を介して板３６を支持する。

第２図に示すものと同じ装置３７は板３２の縁部３２１
と板３６の縁部３６１との間に設けられる。

位置の調節は例えば図示してない要素に加えて板３２に
関係なく板３６の縁部に取付けられたミラー３６３を有
する干渉計装置によって行なわれ、板３２の位置はねじ
ナット装置３４によってさほど正確でなしに調節される
。

第３図の場合、この発明の付加的利益は、板３２．３６
間への装置３７の挿置が、単に積重ね体で構成した圧電
くさびを″用いる際に必要であるようないかなる関連し
たプリストレス要素の設備も必要としないことからもた
らされる。

第４図には、この発明による装置を用いた応用装置の第
２実施例を示す。

板４２は基部４１に固定したローラトラック４３上を基
部４１に平行に変位する。

装置３７はねじナット装置４４と板４２に属する下向き
伸長部４２１の縁部４２２との間に挿置される。

この応用例は第３図の応用例と比較して、この発明が第
３図Ｃこ示す板の一方を除去するように利用されること
がわかる。

第５図に第２実施例の変形実施例を示す。

板５２は基部５１に取付けられた箱５３上を変位する。

この場合、板５２はねじ山付き軸５４１の通るねじナッ
ト装置５４にいかなる中間構成要素もなしに直接固定さ
れる。

圧電装置による変位はこの場合複動止め装置５５１にお
ける作用で行なわれる。

この複動止め装置５５１はハウジング５５内に収容され
る。

箱５３の壁５３１には装置３Ｔを挿入するハウジング構
成要素５３２が固定される。

上記装置３７は溶接または他の固定方法によって箱５３
に固定される。

なお、この発明による装置は、セラミック以外の任意の
圧電材料から成る非円形または円板の圧電体に適用でき
る。

この発明は、非常に正確な位置決め（１ミクロンまたは
１ミクロンの何分の一以内の）をすばやく行なわなけれ
ばならない装置に応用できる。

これは特に集積回路の製造に使用される種類の電子マス
ク製造機およびマスクフオトリピータ装置における場合
である。

以上のごとく、本発明によると圧電体の初期応力が調節
可能で、かつ圧電積重ね体と他の構成要素との間の整合
が完全であるので、極めて正確でかつ精度のよい圧電駆
動装置が提供される。

最後に本発明の実施の態様を列挙する。

（１） 少なくとも二つの平行な端面をもちこれらの
端面を形成する端部に位置した二つのブロックと上記ブ
ロックの横に取付けられた二つの平面状の弾性変形可能
な側面部とを備えた構成要素、上記構成要素内に収容さ
れ膨張により上記ブロックを離すようにする圧電積重ね
体、上記積重ね体と上記ブロックとの間に挿置され上記
構成要素内に上記圧電体によって発生された応力を調整
する調整装置、および上記圧電体に可変直流電圧を印加
する装置を有する圧電体を利用し．た駆動装乱 （２）上記端而に垂直な軸をもつ圧電セラミック円板で
上記圧電体が構成される上記第１項に記載の駆動装置。

（３）上記圧電体によってもたらされた応力の作用で上
記構成要素の膨張を調整するため上記側面部が穴あけさ
れる上記第１項に記載の駆動装ｌ（４）上記調整装置が
、ナットとして作用するようＱこ穴あけされかつ二つの
傾斜面をもつ端部片と共に面取りされた二つのスペーサ
を備えたねじナット装置で構成され、上記傾斜面および
上記面取りしたスペーサがねじナット装置によって上記
スペーサを共に動かす時、端部片（こより上記第１項に
記載の駆動装置。

（５）上記構成要素が上記側面部に取付けられた上記端
部ブロックを単に残すようにして凹部を備えた鋼製の矩
形平行六面体である上記第１項に記載の駆動装島 （６）上記積重ね体および上記構成要素の対称軸を容易
番こ整列できるようにするために上記ブロックおよび上
記スペーサがそれぞれ凹形および凸形の接触表面をもっ
ている上記第ｌ項に記載の駆動装置。

（７）第１装置で並進する板を有し、物体保持部材と上
記板との間の第２並進装置が上記第１項に記載の駆動装
置で構成される物体保持部材の位置決め装置。

（８）ねじナット装置を有し、この装置のねじの位置が
上記第１項に記載の駆動装置によって調整できる物体保
持板の位置決め装置。

（９）ねじナット装置を有し、物体保持板とねじナット
装置との間に上記第１項に記載の駆動装置が設けられる
物体保持板の位置決め装置。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術による圧電円板の積重ね体のブロック
図、第２図はこの発明による装置の斜視図、第３図、第
４図、第５図はこの発明による装置を利用した応用装置
の三つの実施例の概略図である。 図面中、２０は平行六面対構成要素、２１ ，２３は端
部片、２２は積重ね体、２４．２５はスペーサ、２６は
ねじ、２０１ ，２０２は端部ブロック、２０３，２０
４は平らな堅い側面部、２０５，２０６は端面、ＨＴは
極端子である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 相互に離間する２つの端部ブロックの平行な外面の
   間の距離を２つの平行な端面をもつ圧電積重ね体により
   電気的に制御する圧電駆動装置において、前記外面２０
   ５，２０６の間を連結し前記圧電積重ね体２２をかこむ
   １対の弾性変形可能な側面部２０３，２０４と、前記外
   面の内壁と圧電積重ね体２２の端面の間に当該端面に当
   接する１対の端部片２１，２３とを有し、前記外面の前
   記内壁は円筒状で、一方の端部片２１は前記円筒状の内
   壁に当接しかつ整合する円筒状外壁をもち、他方の端部
   片２３を圧電積重ね体と当接する面の反対側に２つの傾
   斜面を有し、前記円筒状の内壁に当接しかつ整合すると
   共に前記端部片２３の２つの傾斜面に滑動可能に結合す
   る２個のくさび形スペーサ部材２４，２５がもうけられ
   、該くさび形スペーサ部材２４．２５の間隔を調節する
   手段２６により圧電積重ね体の初期応力が調節されるこ
   とを特徴とする圧電駆動装置。