JPS61137113A - アライナ− - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光学機器の位置決め、精密機器のコントロー
ル等に用いられる３次元的な超微小位置決めが可能な圧
電素子を利用したアライナ−（微動装置）に関する。

〔従来技術とその問題点〕

この種のアライナ−としては、米国のＢｕｒｌｅｉｇｈ
社で製品化されているＡＬＩＧＮＥＲ／ＴＲＡＮＳＬＡ
ＴＯＲ５がよく知られており、実用に供されている。第
３図はこの従来のアライナ−の構成を説明するための図
であり、第３図（ａ−）は平面図、第３図（ｂ）は一部
切欠き断面図をそれぞれ示している。このアライナ−で
は、圧電材料からなる３（１１ｉ１の円筒状の圧電素子
（例えばセラミック素子）　３１ａ、　３１ｂ。

３１ｃが、円筒３２と底板３３とからなるハウジング３
４の内部に格納固定されている。ハウジング３４の底板
３３は、接着剤３５によって円′ｗ１３３の端面に固着
されており、３個のセラミック素子３１ａ、　３１ｂ、
　３１ｃは、円筒３２の中心軸Ｏに対して１２Ｑ°間隔
で配置されるように、接着剤３５によってそれぞれの端
面がハウジング３４の底板に固着されている。各々の円
筒状圧電素子３１ａ、　３１ｂ、　３１ｃの内外面には
電極（図示せず）がコーティングされており、各圧電素
子の電極はそれぞれリード線３６ａ、　３６ｂ、　３６
ｃに接続されている。一般に圧電素子は、第４図に示す
ように、矢印で示す分極方向を示す圧電素子４１に電極
４２．４３を設け、スイッチＳ、を投入して電界Ｅを図
示のようにかけると圧電逆効果（緬効果）により電界方
向に伸び、スイッチＳ１　を切るともとの寸法に縮み、
電界の変化に数１０ｎｓｅｃのスピードで追従する。し
たがって３つの圧電素子の電圧を適当に制御して、圧電
素子に接する物体の３次元的な微小位置決めが可能とな
る。このような３次元的な微小位置決めは、カメラ等の
光学機器のレンズの光軸合わせにおいてきわめてニーズ
が大きく、かつ高スピード性を要求されてきている。

第３図において述べた構成において、円筒状圧電素子３
１ａ、　３１ｂ、　３１ｃへの電界付与手段に着目する
と、円筒状圧電素子の内外周面に電極を設け、その肉厚
方向に電圧を印加し印加方向と直角なる軸方向に圧電素
子を伸縮させんとするものであり、これは圧電素子の横
効果歪を利用せんとするものである。一般に圧電素子の
材料である強誘電セラミックの性質として、同一電界強
度のもとでは横効果による歪量は縦効果による歪量の１
／３〜１／２の大きさという関係が成立する。したがっ
て同−歪を得ようとする場合、横効果歪を利用すること
は、縦効果歪を利用する場合の２〜３倍の電界強度を必
要とすることになり効率が悪い。

一方この欠点を解決するために第５図に示すように、円
筒状セラミ’７り素子５１の両端面に電極５２゜５３を
構成し、縦効果歪を利用することも考えられる。しかし
圧電材料の伸縮率は電界強度にほぼ比例するため、セラ
ミック素子５１の肉厚を大きくして伸縮率を稼ごうとす
れば大きな電圧を必要とするごとになる。具体的に例を
示せば、伸び量は肉厚１ｍｍの円筒状セラミック素子に
６００Ｖの電圧を印加して２〜３μｍである。原理的に
は、印加電圧を大きくして伸縮量を稼くことはできるが
、より高速でアライナ−を動作させる上で好ましくなく
、また高圧であることより安全性の上からも好ましくな
い。第４図において述べた圧電素子の動作原理から判る
ように、圧電素子をより高速に伸縮させるには、スイッ
チＳ１　を高スピードで動作させることが必要であり、
このためにはトランジスタが用いられる。したがってセ
ラミック素子の印加電圧を大きくすることは、等価的に
高電圧で高スピードで動作するトランジスタの開発が必
要である。

第６図（ａ）および（ｂ）はそれぞれ電力用の合金形接
合トランジスタの構造を示しており、図中６１．６５は
半導体を、６２．６６はエミッタ電極を、６３、６７は
ベース電極を、６４．６８はコレクタ電極をそれぞれ示
している。これら電力用の合金形接合トランジスタにお
いては、エミッタ電極６２．６６、コレクタ電極６４．
６８の電流面積をできるだけ大きくして、電流密度が過
大にならないよう工夫されている。スイッチング速度が
早くなればなるほど、表皮効果の影響で、電極表面の近
傍しか電流が流れなくなるため、さらに電極の表面積を
大きくする工夫が必要である。したがって高速度で高耐
圧のトランジスタになればなるほど、半導体６１．６５
および電極の表面積も大きくなり、低耐圧のものに比べ
て歩留りも悪く高価になる。また複数個の低耐圧のｌ・
ランジスタを用いて高電圧を分割してスイッチングさせ
る方法もあるが、ディレィの問題や各トランジスタのバ
ランスの問題を解決するための調整時間を必要とする。

以」二述べた理由で、セラミック素子の印加電圧をさら
に大きくしで伸縮量を稼くことは、これに使用するスイ
ッチングトランジスタの面及び装置の小型化、安全性な
どの面からして、より高速でアライナ−を動作させる上
で好ましくなく、プライナーの廉価３小型化を図る上で
大きな障害となっている。

このような問題点を回避して低電圧印加駆動による高歪
発生を達成するために、薄板状圧電素子の厚み方向の表
裏面に電極を設定し、このような薄板を多数枚積層して
一体化した素子に電圧を並列に印加することにより、一
層当りの電界強度を大にして全体として高歪を取り出す
積層型圧電素子が開発されているが、各薄板をあまり薄
くすることが出来ないため、積層型圧電素子でも高い駆
動電圧が必要である。また薄板を積層するのに接着剤を
使用するため、生産性が悪く、コスト高である。更に接
着層が介在するために純粋な圧電素子としての一様な歪
が取り出せない。寿命等の信頼性に欠け、更に寸法が大
きい等の理由で電子部品用素子としては充分に満足の出
来るものではなかった。

しかし、最近超小形圧電セラミック素子が開発され、電
子通信学会、超音波研究会資料Ｕ　Ｓ　８３−８゜頁５
５〜５９．昭和５８年５月に発表された。この超小型圧
電セラミック素子は、積層セラミックコンデンサの製造
技術を応用することで、接着剤を使用、しないで焼成に
より圧電セラミック板を積層一体化して上記欠点を全て
克服した画期的な積層型圧電素子である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、この一体焼成タイプの積層型圧電素子
を利用し、低電圧で駆動できるようにした３次元的な位
置決めが可能なアライナ−を提供することにある。

〔発明の構成〕

本発明のアライナ−は、圧電逆効果を呈する複数個の一
体焼成タイプの積層型圧電素子と、該積層型圧電素子の
各々が独立して軸方向の伸縮作用を行えるように該積層
型圧電素子内に電界を接断する手段と、この電界の強度
を変化させるための電界付加手段と、該複数個の積層型
圧電素子を格納固定するハウジングとを具備してなり、
前記積層型圧電素子の各々に付与する電界の大きさと該
電界の接断とを制御することにより、該複数個の積１−
型圧電素子の変位量と伸縮の周期を制御できるように構
成され、前記複数個の積層型圧電素子の伸び縮めの歪を
被制御物体に伝達し、被制御物体を３次元的に位置決め
することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例について、図面を参照して説明
する。第１図は本発明によるアライナ−（＠動装置）の
構成を説明するための図であり、第１図（ａ）は平面図
、第１図（ｂ）は一部切欠き断面図をそれぞ示している
。ごのアライナ−では、寸法が１０ｍｍψ×４０１の３
個の円柱状の積層型圧電素子１１ａ、　ｌｌｂ、　ｌｌ
ｃが円筒１２と底板１３とからなるハウジング１４の内
部に設けられている。ハウジング１４の底板１３ば、接
着剤１５によって円筒１２の端面に固着されており、３
個の積層型圧電素子１１ａ、　ｌｌｂ、　Ｉｌｃは、円
筒１２の中心軸Ｏに対して１２０°間隔で配置されるよ
うに、接着剤１５によってそれぞれの端面がハウジング
１４の底板１３に固着されている。各々の積層型圧電素
子１１ａ、　ｌｌｂ、　ＩＬｃには後述するように電極
（図示せず）が設けられており、各積層型圧電素子の電
極は、それぞれり−ド線１６ａ、　１６ｂ、　１６ｃに
接続されている。

第２図は、第１図に示すアライナ−に使用する一体焼成
タイプの積層型圧電素子の構造を説明するための図であ
り、第２図（ａ）はその要部断面図を、第２図（ｂ）は
第２図（ａ）のＡ−Ａ　’線断面図をそれぞれ示してい
る。これら図を参照すると、積層型圧電素子は多数の円
板状の内部電極層２１が円柱状のセラミック２２の内部
に１００．＋１ｍの間隔で層状に埋め込まれており、こ
れら内部電極層２１の周縁部はセラミック２２より露出
している。

内部電極１ｉｉｔ２１の露出している周縁部の一部は、
第２図（ａ）に示すように、一層おきに複数個の絶縁体
２３および２４で交互に覆われている。複数個の絶縁体
２３と、絶縁体２３によって覆われていない内部電極層
２１の周縁部の一部とを覆うように一方の外部電極２５
が被着され、複数個の絶縁体２４と、絶縁体２４によっ
て覆われていない内部電極層２１の周縁部の一部とを覆
うように他方の外部電極２６が被着されている。したが
って複数の内部電極層２１は、各層おきに外部電極２５
および２６にそれぞれ接続されるので、各内部電極層２
１は互いに電気的に並列に接続されることになる。また
これら積層型圧電素子は厚み方向に分極処理が施されて
いるために、外部電極２５．２６間に電圧が印加される
とその厚み方向すなわち積層型圧電素子の軸方向に電圧
の大きざに比例して伸びる。一方電界の方向を変えると
縮む。前述したように積層型圧電素子の形状は１０ｍｍ
φＸ　４０ｍｍであり、内部電極層の間隔は１００μｍ
であるが、このような圧電素子に例えば１００Ｖの電圧
を印加すると３２μｍ伸び、この伸びは電圧値にほぼ比
例している。これら積層型圧電素子の一方の端面ば、第
１図に示したようにハウジング１４の底板１３に接着剤
１５で接着されている。また、第１図に示すようにこれ
ら積層型圧電素子１１ａ、　１１ｂ、　ＩＩＣには、電
圧を印加できるよう各々リード線１６ａ、　１６ｂ、　
１６ｃが取り出されている。

第１図および第２図に示したような構造のアライナ−は
、積層型圧電素子の各々が独立して軸方向の伸縮作用を
行えるように積層型圧電素子内に電界を接断する手段と
、この電界の強度を変化させるための電界付加手段とを
更に備えており、これら手段により積層型圧電素子の各
々に付与する電界の大きさと電界の接断を制御すること
によって、積層型圧電素子の変位量と伸縮の周期を制御
し、積層型圧電素子の伸び縮みの歪を被制御物体に伝達
し、被制御物体を３次元的に位置決めすることができる
。

以上の構造のアライナ−を用いて動作試験を行った結果
、従来の同寸法のセラミック素子を用いた場合に比べて
１／２０の印加電圧で同じ歪率が得られた。また、従来
の円筒状圧電素子を用いた場合に比べ、セラミック素子
部分はコンパクトなため１０倍の機械的強度を有した。

本実施例では、内部電極層の電極間隔が１００μｍの積
層型圧電素子を用いたが、電極間隔がさらに小さい積層
型圧電素子を用いてさらに低電圧駆動することも可能で
ある。

以」二、本発明の一実施例を説明したが、当業者であれ
ば本発明の範囲内で種々の変形、変更が可能なことは勿
論である。例えば、ハウジング内に格納固定する積層型
圧電素子の個数は３個に限られるものではなく、目的に
応じて必要な個数とすることができる。また、積層型圧
電素子の形状も円形断面に限るものではなく、矩形断面
等とすることもできる。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明したように、伸縮作用をする圧電素子
に小形高性能な積層型圧電素子を採用した構成により、 （１）低電圧駆動化が可能である、 （２）一体焼成タイプの積層素子のため、量産性。

信頼性が高い、 （３）上記理由により装置、駆動回路の小型化。

コンパクト化が可能である、 等の効果があり、その経済的１機能的、信頼性的波及効
果は甚大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のアライナ−の一実施例を説明するた
めの構成図、 第２図は、第１図の実施例に使用される積層型圧電素子
の概略図、 第３図は、従来のアライナ−を説明するための構成図、 第４図は、圧電素子の基本的性質を説明するための図、 第５図は、従来例に於いて縦効果を利用せんとした場合
の伸縮素子の斜視図、 第６図は、電力用の合金形接合トランジスタの構成図で
ある。 １１ａ、ｌｌｂ、ｌｌｃ　　・積層型圧電素子１２・・
・・・・円筒 ≧・ ・８） 一、ｔ′３ １３・・・・・・底板 １４・・・・・・ハウジング １５・・・・・・接着剤 １６ａ、１６ｂ、１６ｃ　　・リード線２１・・・・・
・内部電極層 ２２・・・・・・セラミック ２３．２４　　・・・・絶縁体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電逆効果を呈する複数個の一体焼成タイプの積
   層型圧電素子と、該積層型圧電素子の各々が独立して軸
   方向の伸縮作用を行えるように該積層型圧電素子内に電
   界を接断する手段と、この電界の強度を変化させるため
   の電界付加手段と、該複数個の積層型圧電素子を格納固
   定するハウジングとを具備してなり、前記積層型圧電素
   子の各々に付与する電界の大きさと該電界の接断とを制
   御することにより、該複数個の積層型圧電素子の変位量
   と伸縮の周期を制御することを特徴とするアライナー。