JPS60259347A - 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 - Google Patents

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

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JPS60259347A
JPS60259347A JP59113290A JP11329084A JPS60259347A JP S60259347 A JPS60259347 A JP S60259347A JP 59113290 A JP59113290 A JP 59113290A JP 11329084 A JP11329084 A JP 11329084A JP S60259347 A JPS60259347 A JP S60259347A
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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

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】 〔技術分野〕 本発明は、鏡面加工旋盤等の刃物台微少送シ装置、ファ
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装置に関する。
〔従来技術〕
従来この種の微少位°置決め装置即微動装置としては、
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l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シー義的に
決まらず、このため位置決め精度が低下する欠点があっ
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18を使用し圧電素子2′の変位を目標値にフィー
ドバック制御することによシ、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シ、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
であった。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、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解消することにあり更に微動装置を
駆動する積層型圧電素子に圧力検出用の圧電素子を組込
み、前記圧力検出用圧電素子が出力する電圧に基づき前
記微動装置の変位を目標値にフィードバック制御するこ
とによシ、従来必要とされた変位検出器や非線型補償回
路を不要とし、もって簡単・小型に構成することができ
るようにした微少位置決め装置を提供することにある。
即ち後述する本発明の実施例によれば、微動装置を駆動
する積層型圧電素子に駆動力発生用圧電素子と圧力検出
用圧電素子を積層し、前記微動装置が変位するとき該変
位量に対応して発生する出力圧力に因る前記圧、力検出
用圧電素子の出力電圧に基づき前記変位量を目標変位量
にフィードバック制御するように構成されている。
〔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) (bl l′i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、3
b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を弾性体例へは
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に雷、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z内には前記
変位に対応した圧力が発生する。これによシ、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2
aに印加された前記電圧と逆電位の電圧が発生する。゛
こ\で本実施例においては該電圧力゛;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X1発生圧力をF、板バ
ネ機構のはね定数をKとすれば、これらの間にはXαに
、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シ複雑。
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図を参照すると、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l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並びに電圧増中器8に
よりフィードバッ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l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シ、
その所定の微少位置決めが行なわれるようになっている
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圧素子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中器4により電圧増巾され、駆動
用圧電素子2aに駆動電力として印加される。これによ
υ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
だめ駆動用圧電素子2aに印加される実際上の印加電圧
が変動し、従って圧電素子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ィードバックされ
、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確に達成さ
れる。
以上説明したように、本発明による微少位置決め装置に
よれば、微動装置を駆動する積層型圧電素子に組込んだ
圧力検出用圧電素子が、微動装置を駆動するときその変
位量に対応して出力する出力圧力に基づき前記変位量を
圧力的に制御するものであるから、従来の変位量そのも
のを制御する方式においては欠くことができない複雑且
つ大聖 ′な変位検出器を用いる必要がなくなり、従っ
て装置を極めて簡単且つ小型にすることができる。また
このよう咳変位量を圧力的に制御することによυ、圧電
素子が有するヒステリシス特性が見掛上消滅し、従来必
要とされた非線型補償回路も不要となり、また同時に制
御性並びに制御精度が大巾に向上する。
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の各々の電極仝、5の一方を共通にした
場合を示し、第8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3図に示
す実施例の帯金は圧電素子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(al (bl並びに第7図(al
 (blは本発明による微動装置の他の実施例であシ、
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1o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、8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ょ多負荷されるよ−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−の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) (bj並びに第7図(a) (bl
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
の場合と異なシ、第6図においては同量)図に示される
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シ、一方第7図においては同(
ロ)図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成いは
縮少して作動させることができる。
ナオ、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、ロボットやマニピュレータ等の
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〕
以上説明したように、本発明による積層型圧電素子及び
これを使用した微少位置決め装置は、積層型圧電素子に
圧力検出用圧電素子を組込み、該圧力検出用圧電素子が
、微動装置が駆動されるときその変位量に対応して出力
する出力圧力に基づき前記変位量を制御するように構成
したものであるから、従来の変位量そのものを制御する
方式において用いられる複雑・大型な変位検出器が不要
となり、装置を極めて簡単・小型にできる利点がある。
従って装着を装着するに当ってのスペース等に関する制
限、制約が解消される利点がある。
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上消滅し、従来
必要とされた非線型補償回路が不要となシ、これと同時
に制御性並びに制御精度が向上する利点がある。
【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[al (bl及び第7図
(a) (bl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ィードバックを行って
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、z′・
・・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、3ty・・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 8.18・・・電圧増巾器 10・・・基盤用定盤 11・・・機械装置用定盤 12・・・変位検出器 第 2 図 第 3 1 第 4 図 第 6 図 笛 7[

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、圧電型の微動変位素子において、駆動力発生用の圧
    電素子と圧力検出用の圧電素子を積層した圧電型微動変
    位素子 2、上記圧電型微動変位素子を使用し、目標変位を圧力
    に変換し、圧力フィードバック制御を行うことによシ位
    置決めする微少位置決め装置
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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