JPS6364580A - 圧電アクチユエ−タ - 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、外部機構に結合されてこれを駆動する圧電ア
クチュエータに係り、特に微細変位発生機構に好適な圧
電アクチュエータに関する。

〔従来の技術〕

圧電アクチュエータは微小変位用アクチュエータとして
種々の分野に用いられている。特にμｍオーダの調節を
必要とする半導体集積回路製造装置や電子顕微鏡等の微
細位置決め機構のアクチュエータには、大部分圧電アク
チュエータが使用されている。以下、このような圧電ア
クチュエータの使用例を図により説明する。

第３図ｆａｔ、　（ｂｌは微細位置決め装置の側面図で
ある。各図で、１０，１１．１２はそれぞれ図で左。

右、中央に存在する剛体部である。１６ａ、１６３′は
それぞれ剛体部１０．１２の間にこれらと一体に形成さ
れ、かつ、互いに平行である平板状の平行たわみ梁であ
り、又、１６ｂ、１６ｂ’　はそれぞれ国１１体部１１
．１２の間にこれらと一体に形成され、かつ、互いに平
行である平板状の平行たわみ梁である。１７ａ、１７ｂ
はそれぞれ平行たわみ梁１６ａ、１６ａ’　および平行
たわみ梁１６ｂ、１６ｂ’　と各剛体部とを一体成形す
るために生じた貫通孔を示す。１８ａは剛体部１０から
貫通孔１７ａに突出する突出部、１８ｃｉ　は剛体部１
２から貫通孔１７ａに突出する突出部であり、これら突
出部１８ａ、１８Ｃ，は互いに図の縦方向において、間
隔を有して重なっている。同じく、１８ｂは剛体部１１
から貫通孔１７ｂに突出する突出部、１８ｃ２は剛体部
１２から貫通孔１７ｂに突出する突出部であり、これら
突出部１８ｂ、１８Ｃ１は、突出部１８ａ、　　１．８
ｃ、と同様の関係にある。１９ａは突出部１８ａと突出
部１８ｃ＋　との間に固定された圧電素子を積層した圧
電アクチュエータ、１９ｂは突出部１８ｂと突出部１８
Ｃ２との間に固定された圧電アクチュエータ１９ａと同
じ圧電アクチュエータである。

圧電アクチュエータ１９ａは平行たわみ梁１６ａ。

１６ａ′の面に垂直な方向の力を発生し、それらに曲げ
変形を生ぜしめ、又、圧電アクチュエータ１９ｂは平行
たわみ梁１６ｂ、１６ｂ’　の面に垂直な方向の力を発
生し、それらに曲げ変形を生ぜしめる。これら圧電アク
チュエータ１９ａ、１９ｂに発生する力の大きさは、図
示しない装置により、当該圧電アクチュエータ１９ａ、
ｉ９ｂに印加される電圧によって制御される。２０は剛
体部１０．１１を互いに剛に連結する他の剛体構造であ
る。

このような微細位置決め装置において、圧電アクチュエ
ータ１９ａ、１９ｂに任意の値の電圧を印加すると、圧
電アクチュエータ１９ａ、１９ｂは第３図Ｔｂｌに示す
矢印方向に当該電圧に応して伸び、これにより力ｆを発
生する。この結果、剛体部１２は平行たわみ梁１６ａ、
１６ａ’　、１６ｂ。

１６ｂ′をたわませて押上げられ、第３図（ａ）に示す
状態から値εだげ変位する。したがって、Ｆｌｊ体部１
２に加工対象物体を載置しておけば、圧電アクチュエー
タ１９ａ、１９ｂに任意の電圧を印加することによりこ
れを任意に微細位置決めすることができる。

上記微細位置決め装置に限らず、他の種々の装置に圧電
アクチュエータを適用する場合、これら装置の所定位置
に圧電アクチュエータを取付けて固定する必要がある。

ところが、圧電素子はセラミック材料で作られるので、
これを外部機構に取付けるためのねし穴等の加工が困難
である。このため、圧電アクチュエータには取付けのた
めの補助部材が用いられていた。これを第４図により説
明する。

第４図は従来の圧電アクチュエータの断面図である。図
で、２１は積層形の圧電素子、２２は圧電素子２１をそ
の底部で固定する側面が開口されたケーシングである。

ケーシング２２は外部構造との連結を行うねじ穴２２ａ
、およびリード線を挿通する貫通穴２２ｂを有する。２
３は外部構造に圧電素子２１を取付ける取付部材であり
、取付用のねじ穴２３ａを有する。２４は圧電素子２１
を取付部材２３に固定する接着剤層である。なお、Ｘ、
Ｙは座標軸を示す。

ケーシング２２をそのねじ穴２２ａを用いて外部機構（
例えば前述の微細位置決め装置の突出部１８ａ）に固定
し、又、取付部材２３をそのねし穴２３ａを用いて外部
機構（同じく突出部１８Ｃ，）に固定することにより圧
電アクチュエータが対象装置に装置される。リード線を
介して圧電素子２１に電圧を印加すると、圧電素子２１
はＸ軸方向に伸長し又は縮み、取付けられた外部機構に
変位を発生せしめる。

圧電素子２１は上記のような取付手段により、駆動対象
の所定部分に取付けられ、これに、電圧に応じた変位を
発生させるが、圧電素子２１に印加する電圧と変位量と
の間には比例関係が成立しない。これを第５図に示す。

第５図は圧電素子の特性図である。図で、横軸には電圧
が、縦軸には変位量がとっである。図から明らかなよう
に、電圧と変位量は比例関係になく、かつ、ヒステリシ
ス特性が存在する。そして、変位精度を維持するために
は、上記ヒステリシス特性を補償する必要がある。

従来装置においては、このｆｉＩｉ償手段として例えば
次のような手段が採用されていた。即ち、圧電アクチュ
エータの駆動対象の変位部の変位ごを公知のレーザ測長
器で検出し、この検出値と変位目標値との偏差で印加電
圧を補正するフィードバック制御により上記ヒステリシ
ス特性の補償が行われていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このような補償手段は、レーザ測長器の
ような微小な変位を検出する測定器が必要であり、装置
が大型化するばかりでなく、それぞれ用途、形状、大き
さ、設置個所等の異なる駆動対象に測定器を取付けるの
は、その適正な取付に多大な手間と時間を要し、汎用性
と低コスト化の点で大きなネックとなっていた。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、ヒス
テリシス特性の補償を容易に行うことができる圧電アク
チュエータを提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は、圧電素子の一端
を固定状態とし、その他端に、圧電素子の主変位方向に
対してのみ低いｍｌ性を有する弾性機構を設け、この弾
性機構における変形部にその変形量を検出する検出手段
を備えたことを特徴とする。

〔作用〕

圧電素子に電圧が印加されると、その伸縮の変位は、こ
の変位の方向の剛性が低い弾性機構のたわみ変形を介し
て外部機構に伝達される。検出手段は、上記たわみ梁変
形のたわみ量を検出し、これに比例した信号を出力する
。この信号は変位量に比例するので、これがフィードバ
ックの信号として用いられる。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例に係る圧電アクチュエータの断
面図である。図で、第４図に示す部分と同一部分には同
一符号を付して説明を省略する。

２５はケーシング２２の上端と取付部材２３とを連結す
る弾性部材である。この弾性部材２５にはＸ軸方向に厚
みが薄い平板形状の金属材料が用いられる。したがって
、Ｘ軸方向の力に対しては剛性が低くて容易にたわむが
、その他の方向の力やモーメントに対しては高い剛性を
示し、変形困難である。２６は弾性部材２５の適所に貼
着されたひずみゲージである。

次に、本実施例の動作を説明する。今、圧電素子２１に
電圧が印加されると、圧電素子２１はＸ軸方向に伸びる
（又は縮む）。この伸び（又は縮み）により弾性部材２
５は容易にたわみ、取付部材２３を押上げ（引下げ）る
。部ち、圧電素子２１の変位は弾性部材２５のたわみ変
形を介して外部機構に伝達される。この場合、圧電素子
２１が発生ずる力は大きく、又、弾性部材２５のＸ軸方
向の剛性は充分に小さいので、伝達される変位量は程ん
ど低下せず、圧電素子２１の変位量がほぼそのまま伝達
される。弾性部材２５にたわみ変形が生しると、そのた
わみ変形に比例してひずみゲージ２６がひずみ、その抵
抗値をこれに応じて変化する。したがって、この抵抗値
の変化を電気信号としてとり出せば、変位量を得ること
ができ、この信号を用いてフィードバック制御を行うこ
とにより、圧電素子２１のヒステリシス特性を補償し、
精度の高い変位を得ることができる。なお、弾性部材２
５の存在により圧電素子２１は外力から充分に保護され
る。

第２図は本発明の他の実施例に係る圧電アクチュエータ
の断面図である。図で、第・１図に示す部分と同一部分
には同一符号を付して説明を省略する。２７ａはケーシ
ング２２の上端と取付部材２３との間に設けられた平行
１こわみ梁構造である。

平行たわみ梁構造２７ａは、ケーシング２２の上端に連
結された剛体部２８ａ、および剛体部２８ａと取付部材
２３とを結合する互いに平行な平板状のたわみ梁２９ａ
、２９ａ′で構成されている。

平行たわみ梁構造２７ｂも平行たわみ梁構造２７ａと同
様の構造であり、剛体部２８ｂ、および平行なたわみ梁
２９ｂ、２９ｂ′で構成されている。

３０はたわみ￥２９ａに貼着されたひずみゲージである
。

このような平行たわみ梁構造２７ａ、２７ｂはＸ軸方向
の力に対しでは剛性が低く、容易に変位するが、他方向
の力およびモーメントに対し　テは極めて高い剛性を示
し、はとんど変形しない。そして、さきの実施例と同じ
く、圧電素子２１の変位■はそのまま外部機構に伝達さ
れる。

圧電素子２１に電圧が印加されると、圧電素子２１はＸ
軸方向に伸び（又は縮み）、これに応じて平行たわみ梁
構造２７ａ、２７ｂが変位し、この変位が外部機構に伝
達される。このとき、たわみ”ｌ　２９　ａが他のたわ
み梁２９ａ’　、２９ｂ。

２９ｂ′　とともにたわみ、このたわみに応じてひずみ
ゲージ３０にひずみが生じ、その抵抗値が変化する。し
たがって、さきの実施例と同様、これを電気信号として
とり出し、この信号を用いてフィードバック制御を行え
ば、圧電素子２１のヒステリシス特性を補償し、精度の
高い変位を得ることができる。又、平行たわみ梁構造２
７ａ、２７ｂの介在により、圧電素子２１は外力から充
分に保護される。

なお、上記各実施例の説明では、ケーシング、取付部材
、および弾性機構（弾１１部材、平行たわみ梁構造）を
別体に構成した例について説明したが、これらは放電加
工等により一体形成することができる。又、圧電素子は
必ずしもケーシングおよび取付部材に接着固定する必要
はなく、弾性機構の弾性力により抑えるだけにしてもよ
い。

（発明の効果〕 以上述べたように、本発明では、圧電素子の一方端に、
圧電素子の主変位方向と同一方向に対してのみ低い剛性
を有する弾性機構を設け、この弾性機構の変形部に、そ
の変形量を検出する検出手段を備えたので、別途測定器
を使用することな（、圧電素子のヒステリシス特性を容
易に補償することができ、ひいてはその汎用性と低コス
ト化を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ本発明の実施例に係る圧
電アクチュエータの断面図、第３図（ａ）。 （ｂｌは微細位置決め装置の側面図、第４図は従来の圧
電アクチュエータの断面図、第５図は圧電素子の特性図
である。 ２１・・・・・・圧電素子、２２・・・・・・ケーシン
グ、２３・・・・・・取付部材、２５・・・・・・弾性
部材、２６．３０・・・・・・ひずみゲージ、２７ａ、
２７ｂ・・・・・・平行たゎみ梁構造。 第１図 第２図 第３図 ｆσノ （ｂ） 第４図 〉 ２ａ 第５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）一端が固定状態とされた圧電素子と、この圧電素
   子の他端に設けられ当該圧電素子の主変位方向に対して
   のみ低い剛性を有する弾性機構と、この弾性機構におけ
   る変形部の変形量を検出する検出手段とを備えたことを
   特徴とする圧電アクチュエータ。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記弾性機構は
   、前記主変位方向の厚みが薄い平板で構成されているこ
   とを特徴とする圧電アクチュエータ。
3. （３）特許請求の範囲第１項において、前記弾性機構は
   、前記主変位方向と同一方向の主たわみ方向を有する平
   行たわみ梁構造であることを特徴とする圧電アクチュエ
   ータ。