JPS62203573A - 圧電式アクチユエ−タ - Google Patents
圧電式アクチユエ−タInfo
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- JPS62203573A JPS62203573A JP61045965A JP4596586A JPS62203573A JP S62203573 A JPS62203573 A JP S62203573A JP 61045965 A JP61045965 A JP 61045965A JP 4596586 A JP4596586 A JP 4596586A JP S62203573 A JPS62203573 A JP S62203573A
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Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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。
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、例えば半導体製造装置や光学装置等において
用いられる微小変位駆動素子としての圧電式アクチュエ
ータに関する。
用いられる微小変位駆動素子としての圧電式アクチュエ
ータに関する。
近年、半導体素子の高集積化が進む中で、その製造工程
においてサブミクロンオーダの変位量を制御する技術が
必要になってきている。また光学分野において光路長精
密制御技術の必要性が増加している。これらの技術分野
において、微小変位を生じさせる変位駆動素子は、微小
変位を計測する変位計７１１１素子とともに重要な役割
を果たしている。特に微小変位駆動素子としての圧電式
アクチュエータは、従来の電磁式アクチュエータに比べ
て、 ■位置決め精度が高い ■変換効率が高い ■小型軽量である ■磁気的影響の授受がない ■応答速度が速い ■バックラッシュがなく位置決めが容易である■無接点
であり、信頼性が高い といった長所ををしている。なお圧電式アクチュエータ
は変位量が少ないこと、ヒステリシスを宵していること
、等の欠点を有しているが、前者に関しては、いわゆる
粗微動方式を用いることによって解決でき、また後者に
対してはクローズトループ制御を用いることにより改善
し得る。
においてサブミクロンオーダの変位量を制御する技術が
必要になってきている。また光学分野において光路長精
密制御技術の必要性が増加している。これらの技術分野
において、微小変位を生じさせる変位駆動素子は、微小
変位を計測する変位計７１１１素子とともに重要な役割
を果たしている。特に微小変位駆動素子としての圧電式
アクチュエータは、従来の電磁式アクチュエータに比べ
て、 ■位置決め精度が高い ■変換効率が高い ■小型軽量である ■磁気的影響の授受がない ■応答速度が速い ■バックラッシュがなく位置決めが容易である■無接点
であり、信頼性が高い といった長所ををしている。なお圧電式アクチュエータ
は変位量が少ないこと、ヒステリシスを宵していること
、等の欠点を有しているが、前者に関しては、いわゆる
粗微動方式を用いることによって解決でき、また後者に
対してはクローズトループ制御を用いることにより改善
し得る。
圧電式アクチュエータは以上のような長所を生かし半導
体製造装置や光学装置等に利用されるようになってきた
が、最近は圧電素子の更に超精密な応用として、走査型
トンネル電流・マイクロスコピー（以下ＳＴＭと略称す
る）への応用検討が進んでいる。
体製造装置や光学装置等に利用されるようになってきた
が、最近は圧電素子の更に超精密な応用として、走査型
トンネル電流・マイクロスコピー（以下ＳＴＭと略称す
る）への応用検討が進んでいる。
第４図は上記Ｓ’ｒＭの原理を示す図である。図示の如
く圧電式アクチュエータ１の駆動端にタングステン製の
探触針２を取付け、この探触針２の尖鋭な針先２ａを彼
検体３に対し、針先２ａと肢検体３の表面との間にトン
ネル電流４が流れる程度の距離をおいて非接触状態で近
接させ、かつ上記トンネル電流４が常に一定となるよう
に針先２ａを上下に変位させながら、点線で示すように
走査する。このとき針先２ａを変位させるのに必要な印
加電圧の値を、その探触針位置に応じてプロットするこ
とにより、「表面トンネル電流プロファイル」を得るも
のとなっており、数人の精度が得られる。この装置に圧
電式アクチュエータ１は不可欠であり、圧電式アクチュ
エータ１の構造。
く圧電式アクチュエータ１の駆動端にタングステン製の
探触針２を取付け、この探触針２の尖鋭な針先２ａを彼
検体３に対し、針先２ａと肢検体３の表面との間にトン
ネル電流４が流れる程度の距離をおいて非接触状態で近
接させ、かつ上記トンネル電流４が常に一定となるよう
に針先２ａを上下に変位させながら、点線で示すように
走査する。このとき針先２ａを変位させるのに必要な印
加電圧の値を、その探触針位置に応じてプロットするこ
とにより、「表面トンネル電流プロファイル」を得るも
のとなっており、数人の精度が得られる。この装置に圧
電式アクチュエータ１は不可欠であり、圧電式アクチュ
エータ１の構造。
材質、保持方法等の研究開発が進められている。
第５図は探触針１２を互いに直交したＸ、’／１２方向
に駆動させるための圧電式アクチュエータ１０を示す図
である。図示の如く圧電セラミックス・ブロック１１を
くり抜くことにより、３本の等価な柱状部１１ｘ、ｌｌ
ｙ、ｌｌｚの結合体となし、各柱状部１１ｘ、ｌｌｙ、
ｌｌｚの交イ〕つた部分に探触針１２を固定する構造と
なっている。
に駆動させるための圧電式アクチュエータ１０を示す図
である。図示の如く圧電セラミックス・ブロック１１を
くり抜くことにより、３本の等価な柱状部１１ｘ、ｌｌ
ｙ、ｌｌｚの結合体となし、各柱状部１１ｘ、ｌｌｙ、
ｌｌｚの交イ〕つた部分に探触針１２を固定する構造と
なっている。
この構造において、各柱状部１１ｘ、ｌｌｙ。
１１ｚは各々１個づつ圧電変位素子部を構成しており、
それぞれ電極１３ｘ、１３ｙ、１３ｚとリード線１４ｘ
、１４ｙ、１４ｚを各々一対づつ設けられている。かく
して柱状部１１ｘは探触針１２をＸ方向に変位させ、柱
状部１１ｙは探触針１２をｙ方向に変位させ、柱状部１
１ｚは探触針１２をＺ方向に変位させるための素子とな
っている。第５図では圧電変位が厚み横効果にしたかう
如く電極を配置したものとなっているか、厚み縦効果に
よる方式も検討されている。
それぞれ電極１３ｘ、１３ｙ、１３ｚとリード線１４ｘ
、１４ｙ、１４ｚを各々一対づつ設けられている。かく
して柱状部１１ｘは探触針１２をＸ方向に変位させ、柱
状部１１ｙは探触針１２をｙ方向に変位させ、柱状部１
１ｚは探触針１２をＺ方向に変位させるための素子とな
っている。第５図では圧電変位が厚み横効果にしたかう
如く電極を配置したものとなっているか、厚み縦効果に
よる方式も検討されている。
上記第５図に示したものによれば、探触針１２をｘ、ｙ
、Ｚ方向に人オーダの変位を行なわせることが可能であ
る。しかるに上記のようなＳＴＭなどの超精密検査装置
にとっては、温度変化による熱膨張および特性値の変化
が重要な問題となる。
、Ｚ方向に人オーダの変位を行なわせることが可能であ
る。しかるに上記のようなＳＴＭなどの超精密検査装置
にとっては、温度変化による熱膨張および特性値の変化
が重要な問題となる。
圧電素子としてジルコンチタン酸鉛系のセラミックス（
ＰＺＴ）を用いたときの熱膨張は、Ｏ〜３Ｘ１０程度あ
る。したかって第５図の柱状部１１ｘ、ｌｌｙ、ｌｌｚ
の長さを１０關とすると、温度が１℃変化すると３００
人の誤差が生じる。
ＰＺＴ）を用いたときの熱膨張は、Ｏ〜３Ｘ１０程度あ
る。したかって第５図の柱状部１１ｘ、ｌｌｙ、ｌｌｚ
の長さを１０關とすると、温度が１℃変化すると３００
人の誤差が生じる。
したがって数人オーダの超精密検査を行なう上では過大
な誤差となる。このような熱膨張の影響をなくすための
（１４造として第６図に示すような構造を有するものが
検討されている。
な誤差となる。このような熱膨張の影響をなくすための
（１４造として第６図に示すような構造を有するものが
検討されている。
第６図に示すものは、３個の圧電素子
２１ａ、２１ｂ、２１ｃを同一方向に平行に配置し、中
央の素子２１ｂに探触針２２を取付け、これらを保持部
材２３ａ、２３ｂ、２３ｃにて一体的に保持し、中央の
素子２１ｂを変位用、両側の素子２１ａ、２１Ｃを熱膨
張補償用としたものである。第６図の構成にすれば、圧
電素子の熱膨張の影響は抑制される。
央の素子２１ｂに探触針２２を取付け、これらを保持部
材２３ａ、２３ｂ、２３ｃにて一体的に保持し、中央の
素子２１ｂを変位用、両側の素子２１ａ、２１Ｃを熱膨
張補償用としたものである。第６図の構成にすれば、圧
電素子の熱膨張の影響は抑制される。
しかしながら、上記構成のものでは圧電効果の特性値の
温度による変化は補償できない。すなわち圧電効果の特
性値は、印加電圧をＶ、圧電定数をｄ、としたとき、 Δｘ−ｄＶ なる変位量ΔＸとして表わせるが、ここで圧電定数ｄは
厚み縦効果を利用する場合は、ｄ−ｄ３３となり、厚み
よこ効果を利用する場合は、ｄ−ｄ、、となる。これら
の圧電定数のうち、例えば定数ｄ３１に例をとると、そ
の温度特性は圧電飼料の種類により、正温度特性のもの
と、負温度特性のものとがある。したがって温度変化の
大きな材料を用いると、異なる温度ごとに異なる値の電
圧を印加しない限り、特性値に誤差が生じることになる
。
温度による変化は補償できない。すなわち圧電効果の特
性値は、印加電圧をＶ、圧電定数をｄ、としたとき、 Δｘ−ｄＶ なる変位量ΔＸとして表わせるが、ここで圧電定数ｄは
厚み縦効果を利用する場合は、ｄ−ｄ３３となり、厚み
よこ効果を利用する場合は、ｄ−ｄ、、となる。これら
の圧電定数のうち、例えば定数ｄ３１に例をとると、そ
の温度特性は圧電飼料の種類により、正温度特性のもの
と、負温度特性のものとがある。したがって温度変化の
大きな材料を用いると、異なる温度ごとに異なる値の電
圧を印加しない限り、特性値に誤差が生じることになる
。
そこで本発明は、たとえ周囲温度が変化しても圧電定数
がほとんど変化しない極めて良好な温度特性を何し、Ｓ
ＴＭなどの超音波精密検査装置等の変位駆動素子として
極めて好適な圧電式アクチュエータを提供することを目
的とする。
がほとんど変化しない極めて良好な温度特性を何し、Ｓ
ＴＭなどの超音波精密検査装置等の変位駆動素子として
極めて好適な圧電式アクチュエータを提供することを目
的とする。
本発明は上記問題点を解決し目的を達成するために、次
のような手段を講じた。すなわち、圧電定数（例えばｄ
３□）の温度特性が互いに逆極性の二種の圧電素子を、
積み重ねるようにする。
のような手段を講じた。すなわち、圧電定数（例えばｄ
３□）の温度特性が互いに逆極性の二種の圧電素子を、
積み重ねるようにする。
このような手段を講じたことにより、二種の圧電素子に
おける各圧電定数（例えばｄ３１）の温度特性が互いに
補償しあい、圧電式アクチュエータ全体としての圧電定
数の温度特性が平坦化されることになる。
おける各圧電定数（例えばｄ３１）の温度特性が互いに
補償しあい、圧電式アクチュエータ全体としての圧電定
数の温度特性が平坦化されることになる。
第１図（ａ）（ｂ）は本発明の第１実施例を示す斜視図
および側面図である。図中４個の圧電素子３１〜３４は
、全て電極３５．３６方向に矢印で示す如く分極を有し
ている。そして各素子は第２図に圧電素子３０として示
すように、圧電横効果すなわち印加電界と直交する方向
へ変位する特性を釘している。その変位量ΔＸは Δｘ＝ｄ３１ で表わせる。
および側面図である。図中４個の圧電素子３１〜３４は
、全て電極３５．３６方向に矢印で示す如く分極を有し
ている。そして各素子は第２図に圧電素子３０として示
すように、圧電横効果すなわち印加電界と直交する方向
へ変位する特性を釘している。その変位量ΔＸは Δｘ＝ｄ３１ で表わせる。
第１図に示す圧電素子３１〜３４のうち、２個の圧電素
子たとえば３１．３３の圧電セラミックスはＡ材料から
なり、残りの２個の圧電素子たとえば３２．３４の圧電
セラミックスはＢ材料からなっている。Ａ、Ｂ材料は圧
電定数ｄ３１が各々第３図に示すような温度特性を存し
ている。すなわち、Ａ材料は温度変化に対して正特性を
有しており、Ｂ材料は温度変化に対して負特性を有して
いる。Ａ材料の組成は、 （Ｐｂ Ｓ ） （Ｚｒ Ｔｉ ）０３
１−ｘ ｒｘ １−ｙ ｙ＋Ｎｂ２０５ 系におけるＸ＋ ”／＋ Ｚを変動することによっ
て得られた。またＢ材料は、 ｘＰｂ （Ｍｎｌ／３ Ｎｂ２／３０３ ｙＰｂ（Ｚ
ｒ Ｔ ｉ ｚ）０３ ＋ａＰｂＣｒｏａ系に−
ｚ おけるｘ、ｙ、ｚ、 αを変動することによって得ら
れた。そして例えばＡ材料をｘ−０，０４゜ｙ−０，４
７，ｚ−０，８重Ｅ１％なる組成とし、Ｂ材料をｘ−０
，０５，ｙ＝０．９５゜ｚ−０，４６，ａ−１，０重量
９６なる組成とし、Ａ材料のｄ３１の温度特性とＢ材料
のｄ３１温度特性とが互いに補償し合うようにした。
子たとえば３１．３３の圧電セラミックスはＡ材料から
なり、残りの２個の圧電素子たとえば３２．３４の圧電
セラミックスはＢ材料からなっている。Ａ、Ｂ材料は圧
電定数ｄ３１が各々第３図に示すような温度特性を存し
ている。すなわち、Ａ材料は温度変化に対して正特性を
有しており、Ｂ材料は温度変化に対して負特性を有して
いる。Ａ材料の組成は、 （Ｐｂ Ｓ ） （Ｚｒ Ｔｉ ）０３
１−ｘ ｒｘ １−ｙ ｙ＋Ｎｂ２０５ 系におけるＸ＋ ”／＋ Ｚを変動することによっ
て得られた。またＢ材料は、 ｘＰｂ （Ｍｎｌ／３ Ｎｂ２／３０３ ｙＰｂ（Ｚ
ｒ Ｔ ｉ ｚ）０３ ＋ａＰｂＣｒｏａ系に−
ｚ おけるｘ、ｙ、ｚ、 αを変動することによって得ら
れた。そして例えばＡ材料をｘ−０，０４゜ｙ−０，４
７，ｚ−０，８重Ｅ１％なる組成とし、Ｂ材料をｘ−０
，０５，ｙ＝０．９５゜ｚ−０，４６，ａ−１，０重量
９６なる組成とし、Ａ材料のｄ３１の温度特性とＢ材料
のｄ３１温度特性とが互いに補償し合うようにした。
第１図（ａ）（ｂ）のものは、以上の組成の圧電セラミ
ックスの両面に銀ニッケルなどの電極３５．３６を設け
、分極処理および枯化を行なった後、エポキシ樹脂等の
接着剤で相互間を接着し、その接着部を跨ぐようにブリ
ッジ電極３７，３８゜３９を設け、印加電圧端子４１．
４２を取付けたものである。
ックスの両面に銀ニッケルなどの電極３５．３６を設け
、分極処理および枯化を行なった後、エポキシ樹脂等の
接着剤で相互間を接着し、その接着部を跨ぐようにブリ
ッジ電極３７，３８゜３９を設け、印加電圧端子４１．
４２を取付けたものである。
上記の如く構成された本実施例においては、第３図に示
すように、Ａ材料とＢ材料とが互いに補償し合う特性と
なっているので、上記Ａ材料、Ｂ材料からなる圧電セラ
ミックスを備えた素子を対として積み重ねた本圧電式ア
クチュエータは、全体の温度特性が第４図Ｃのように温
度変化に対してほとんど変化しない平坦な特性となる。
すように、Ａ材料とＢ材料とが互いに補償し合う特性と
なっているので、上記Ａ材料、Ｂ材料からなる圧電セラ
ミックスを備えた素子を対として積み重ねた本圧電式ア
クチュエータは、全体の温度特性が第４図Ｃのように温
度変化に対してほとんど変化しない平坦な特性となる。
かくしてＳＴＭなどの超音波精密検査装置等の変位駆動
素子として好適な圧電式アクチュエータとなる。
素子として好適な圧電式アクチュエータとなる。
なお本発明は前記実施例に限定されるものではない。例
えば、前記実施例では二種の圧７はセラミックス材料を
備えた圧電素子を２個づつ用いた場合を示したが、素子
の個数は変位量に応じて設定すればよい。この場合の変
位量は次式にて表わせる。
えば、前記実施例では二種の圧７はセラミックス材料を
備えた圧電素子を２個づつ用いた場合を示したが、素子
の個数は変位量に応じて設定すればよい。この場合の変
位量は次式にて表わせる。
Δ）（＝−ｊｌ （ｄ３１Ａ＋ｄ３１ Ｂ） Ｖた
だし、ｎは人材材、Ｂ材料からなる圧電セラミックスを
各々備えた素子の数であり、ｄ、、Ａ。
だし、ｎは人材材、Ｂ材料からなる圧電セラミックスを
各々備えた素子の数であり、ｄ、、Ａ。
ｄ３１ＢはＡ材料、Ｂ材料からなる各々の圧電セラミッ
クスの圧電定数、■は印加電圧である。このほか本発明
の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは
勿論である。
クスの圧電定数、■は印加電圧である。このほか本発明
の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは
勿論である。
本発明によれば、圧電定数（例えばｄ３１）の温度特性
が互いに逆極性の二種の圧電素子が積み車ねられている
ので、二種の圧電素子における各圧電定数（例えばｄ３
、）の温度特性が互いに補償しあい、圧電式アクチュエ
ータ全体としての圧電定数の温度特性が平坦化されるこ
とになる。その結果、たとえ周囲温度が変化しても圧電
定数がほとんど変化しない極めて良好な温度特性を何し
、ＳＴＭなどの超音波精密検査装置等の変位駆動素子と
して極めて好適な圧電式アクチュエータを提供できる。
が互いに逆極性の二種の圧電素子が積み車ねられている
ので、二種の圧電素子における各圧電定数（例えばｄ３
、）の温度特性が互いに補償しあい、圧電式アクチュエ
ータ全体としての圧電定数の温度特性が平坦化されるこ
とになる。その結果、たとえ周囲温度が変化しても圧電
定数がほとんど変化しない極めて良好な温度特性を何し
、ＳＴＭなどの超音波精密検査装置等の変位駆動素子と
して極めて好適な圧電式アクチュエータを提供できる。
第１図（ａ）（ｂ）〜第３図は本発明の一実施例を示す
図で、第１図（ａ）（ｂ）は（１′４成を示す斜視図お
よび側面図、第２図は一つの圧電素子の構成を示す斜視
図、第３図は二種の圧電セラミックス材料における圧電
定数（ｄ３１ ）の温度特性を示す図である。第４図〜
第６図は従来技術を説明するための図である。 ３１〜３４・・・圧電素子、３５．３６・・・電極、３
７．３８．３９・・・ブリッジ電極、４１．４２・・・
電圧印加端子。 出願人代理人 弁理士 坪井 淳 （ａ） （ｂ）第１図 第２図 第３図
図で、第１図（ａ）（ｂ）は（１′４成を示す斜視図お
よび側面図、第２図は一つの圧電素子の構成を示す斜視
図、第３図は二種の圧電セラミックス材料における圧電
定数（ｄ３１ ）の温度特性を示す図である。第４図〜
第６図は従来技術を説明するための図である。 ３１〜３４・・・圧電素子、３５．３６・・・電極、３
７．３８．３９・・・ブリッジ電極、４１．４２・・・
電圧印加端子。 出願人代理人 弁理士 坪井 淳 （ａ） （ｂ）第１図 第２図 第３図
Claims (2)
- （１）圧電定数の温度特性が互いに逆極性の二種の圧電
素子を、積み重ねてなることを特徴とする圧電式アクチ
ュエータ。 - （２）圧電定数がｄ＿３＿１である特許請求の範囲第１
項記載の圧電式アクチュエータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61045965A JPS62203573A (ja) | 1986-03-03 | 1986-03-03 | 圧電式アクチユエ−タ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61045965A JPS62203573A (ja) | 1986-03-03 | 1986-03-03 | 圧電式アクチユエ−タ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62203573A true JPS62203573A (ja) | 1987-09-08 |
Family
ID=12733948
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61045965A Pending JPS62203573A (ja) | 1986-03-03 | 1986-03-03 | 圧電式アクチユエ−タ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62203573A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007512713A (ja) * | 2003-11-20 | 2007-05-17 | バイキング テクノロジィーズ エル．シー． | 電気機械アクチュエータの一体式熱補償 |
| JP2013099736A (ja) * | 2011-10-20 | 2013-05-23 | Canon Inc | 圧電デバイス、塵埃除去装置、及び撮像装置 |
-
1986
- 1986-03-03 JP JP61045965A patent/JPS62203573A/ja active Pending
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS=1985 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007512713A (ja) * | 2003-11-20 | 2007-05-17 | バイキング テクノロジィーズ エル．シー． | 電気機械アクチュエータの一体式熱補償 |
| JP2013099736A (ja) * | 2011-10-20 | 2013-05-23 | Canon Inc | 圧電デバイス、塵埃除去装置、及び撮像装置 |
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