JPS639759B2

JPS639759B2 -

Info

Publication number: JPS639759B2
Application number: JP57174523A
Authority: JP
Inventors: Yukio Kenbo; Tomohiro Kuji; Nobuyuki Akyama; Mitsuyoshi Koizumi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-10-06
Filing date: 1982-10-06
Publication date: 1988-03-01
Also published as: JPS5965491A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はピエゾ素子を用いた微小変位装置に関
するものである。

ピエゾ素子は電圧を印加すると微小寸法の伸縮
をするので、これを利用した微小変装置が実用化
されている。

第１図はピエゾ素子を用いて顕微鏡の焦点合わ
せを行なうように構成された從来形の微小変位装
置の一例を示す。

１は顕微鏡の対物レンズ、２は焦点合わせの対
象物であるワークである。このワーク２を載置す
る上下動ブロツク７は２個の板バネ８によつて固
定ブロツク９に支承されている。ピエゾ素子３は
上記の固定ブロツク９と上下動ブロツク７との間
に介装されていて、高圧直流電源１０によつて駆
動電圧４を印加されると矢印５の如く伸縮動して
上下動ブロツク７を上下動せしめる。これにより
ワーク２が矢印６の如く上下動されて焦点合わせ
が行われる。

第２図Ａは上記のピエゾ素子３の平面図、同図
Ｂは同正面図である。この例に用いられているピ
エゾ素子３は多層型ピエゾで、点線で示したプラ
ス電極２１と実線で示したマイナス電極２２とで
複数個のピエゾ板２３をサンドイツチして電圧を
かけて伸縮変位矢印５を行わせる構造である。

ピエゾ素子３の上端はボールポイント２４を介
して上下動ブロツク７に当接し、下端は固定用ネ
ジ部材２５を介して固定ブロツク９に固着されて
いる。

この從来例においては５mm角、0.5μｍ厚のピエ
ゾ板２３を50枚積層して接着してある。この多層
型ピエゾ３に直流500Vを印加した場合、第３図
Ａに示すような伸縮変位を示す。この從来例に用
いられたピエゾ素子の特性は次の如くである。

耐荷重は７Kgである。５mm角という大きさに比
して耐荷重は比較的大きい。

500V印加時の伸長ストロークは25μｍで比較的
微小であるが、微小変位の分解能は非常に良く、
例えば0.1Vの電圧変化で約0.005μｍの伸縮を行な
わせることができる。

また、変位の応答速度が速く、1KHzで動かす
ことも容易である。

以上を総括してピエゾ素子の長所は、小型の部
材で、微小な変位を高速で、比較的高耐荷重で行
なわしめ得ることである。

一方、從来形微小変位装置に用いられている多
層型のピエゾ素子には、次に述べる如く、(イ)伸縮
の非直線性、(ロ)接着個所の破損、及び(ハ)印加電圧
の漏電といつた技術的問題点がある。

第４図は上記の(イ)伸縮の非直接性の説明図であ
る。多層形ピエゾ素子３の底面を固定ブロツク９
に固着した状態で電圧を印加して伸縮せしめると
その頂面に設けたボールポイント２４は必ずしも
矢印Ｃの如く垂直に上昇せず、例えば矢印Ｄのよ
うに斜に上昇し、その偏心寸法Ｅは約0.5mmに及
ぶことが珍しくない。このような非直線性は個々
のピエゾ板の厚さむらや材質むらに因るものと考
えられる。第５図は上述の伸縮の非直線性を模式
的に表わした説明図で、同図Ａの如く垂直に設置
した多層型ピエゾ素子に電圧を印加すると、同図
Ｂに示したように様々な形状に変化する。このた
め、ピエゾ素子３の頂面に固着したボールポイン
ト２４が上下動ブロツク７に当接していると、こ
の当接部にステイツクスリツプを生じる。

第３図Ｂは、第３図Ａの伸縮カーブのＦ部付近
にステイツクスリツプを生じたときの状態を拡大
して示した図である。実線Ｑはピエゾ素子３の変
位カーブ、破線Ｒは上下動ブロツク７の軌跡であ
る。このように、ピエゾ素子の伸縮の非直線性に
より上下動ブロツク７の動きが円滑を欠くのみで
なく、ピエゾ素子３にモーメント２７（第２図Ｂ
参照）が掛かり、該ピエゾ素子３の疲労破損を招
く。

前記の(ロ)接着個所の破損は、ピエゾ素子３が多
数のセラミツク製のピエゾ板２３を積層して接着
してあるという構造に関係し、剪断力を受けると
ピエゾ板同志の間に滑り変位を生じて接着部が破
断する。このため、前述のような從来形の微小変
位装置に用いられているピエゾ素子は組立、調整
時に剪断破損し易く、組立後でも剪断方向の力を
受けて破損することが多い。

前記の(ハ)印加電圧の漏電は、第２図に示したプ
ラス電極２１とマイナス電極２２との間に、例え
ば500Vといつた比較的高電圧を印加しなければ
ならない事に関係している問題で、ピエゾ素子３
の僅かな汚れや傷によつてリークを生じ易い。こ
のクリークを防止するために電気絶縁性塗料の塗
布などが行なわれるがその効果は完全ではない。
特に、前述のようにピエゾ素子が疲労破損若しく
は剪断破損したとき電極２１，２２がシヨートす
る虞れがあつて非常に危険である。

本発明は以上の事情に鑑みて為され、ピエゾ素
子の伸縮の非直線性によつてステイツクスリツプ
を生じる虞れが無く、ピエゾ素子の剪断破損を生
じる虞れが無く、從つて破損に伴うシヨートの虞
れの無いピエゾ式の微小変位装置を提供すること
を目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明のピエゾ式
微小変位装置は、ピエゾ素子と、該ピエゾ素子の
両端に点接触する部材と、上記の点接触部材を介
して該ピエゾ素子に与圧する手段と、上記の与圧
手段を介してピエゾ素子の伸縮変位を伝動する手
段とよりなり、上記の与圧手段を当該微小変位装
置のベースに固定したことを特徴とする。

次に、本発明の一実施例を第６図乃至第９図に
ついて説明する。

第６図は本発明のピエゾ式微小変位装置の１実
施例を示し、從来形装置（第１図）と同一の図面
参照番号を付した対物レンズ１、ワーク２、上下
動ブロツク７、板バネ８、固定ブロツク９、及び
高圧直流電源１０は從来形装置におけると同様若
しくは類似の構成部材であり、從来装置に比して
主として異なる点はピエゾ素子３の支承構造であ
る。第７図にピエゾ素子３の失承構造の平面図を
示し、第８図に同じく正面図を示し、第９図に同
じく側面図を示す。

本発明はピエゾ素子の両端に点接触する部材を
設ける。本実施例においてはピエゾ素子３の上端
と下端とにそれぞれボール受座３２を固着し、そ
のボール受座面にそれぞれボール３３を対向当接
せしめる。

本考案は上記の点接触部材を介してピエゾ素子
に与圧する手段を設ける。

本実施例においては燐青銅を用いてコの字形ケ
ース３６を形成し、その下辺に前記のボール３３
に当接するためのボール支えネジ３５を貫通螺着
するとともにその上辺にボール押えネジ３４を貫
通螺着する。

上記のボール押えネジ３４の下端はフラツトま
たは凹面またはノツチに形成してボール３３と点
接触するようにし、その上端は球面状に形成す
る。

前記のボール支えネジ３５の上端はフラツトま
たは凹面またはノツチに形成してボール３３と点
接触するようにし、その下端にはドライバ溝を形
成して捻じ込み戻し調節できるように構成する。

これによりピエゾ素子３はその伸縮方向の両端
をボール３３を介して点接触で挾持され、ボール
支えネジ３５を締め込むと伸縮方向に加圧され
る。

本発明を実施する際、本実施例のように燐青銅
などのバネ弾性を有する材料で構成したコの字形
の部材３６を用いると、その平行な両辺の間にピ
エゾ素子３を挾持して加圧することが容易であ
り、該コの字形部材の弾性により、ピエゾ素子３
の伸縮に拘らず一様な力で与圧し得るという効果
がある。

上述のように、点接触部材を介してピエゾ素子
３に与圧する手段を構成し、上記の与圧手段であ
るコの字形ケース３６を止めネジ４３により固定
ブロツク９に固着する。

本実施例においてはボール支えネジ３５を締め
込んでピエゾ素子に約３Kgの圧力を与える。この
与圧操作においてピエゾ素子３を含む電歪ユニツ
トの全長は法Ｈを±100μｍで微調整することが
できる。コード４８はコネクタ３７を介してピエ
ゾ素子３に接続し、該ピエゾ素子３とコの字形ケ
ース３６との間の空隙に電気絶縁ゴム３８を充填
する。このように構成しておくとピエゾ素子３の
汚れや傷による漏電を防止することができる。

第１０図はピエゾ式微小変位装置の作用を模式
的に描いた説明図で、本図のＡはピエゾ素子３の
下端部を固定ベース９に固着した從来形の装置を
表わし、同図Ｂはピエゾ素子３の両端を点接触部
４０で挾持した状態を表わしている。３９はピエ
ゾ素子３が収縮している時の中心線である。

從来形装置Ａにおいてはピエゾ素子３の下端を
固定ブロツク９に固着してあるので、該ピエゾ素
子３が伸長に伴つて反りを生じるとピエゾ素子３
にモーメント２７が掛かつて、断破損を招くとと
もに、その先端に偏心２６を生じてステイツクス
リツプを招く。これに対し本発明装置Ｂにおいて
はピエゾ素子３の上下両端を点接触によつて挾持
してあり、点接触部４０を介して支承されている
ピエゾ素子上端４１、及び同下端４２は、ともに
回動を拘束されていないので、モーメントを生ぜ
ず、從つてピエゾ素子３が断破損する虞れが無
い。このため断破損に因す電極シヨートの虞れも
ない。また、上端点接触部４１を中心線３９に沿
つて案内すると無理なく上下動する。從つてステ
イツクスリツプを生じる虞れが無い。

第１１図及び第１２図は上記と異なる実施例を
示し、第１１図は平面図、第１２図は断面した正
面図である。本実施例が前記の前施例と異なる点
は次のごとくである。

(i) コの字形ケース３６の上辺に切込み３６ａを
形成してこの部における弾性変形を容易ならし
め、この切込み３６ａから距離L₁の点にボー
ル受座４５を形成するとともに、距離L₂の点
にプツシヤ４９を螺着してある。これにより、
コの字形ケース３６の上辺を形成している片持
梁状の部材４４がてことして作用し、ピエゾ素
子３の伸縮がL₂／L₁倍に増幅され、プツシヤ
４９により被動部材（図示せず）を押動する。

(ii) コの字形ケース３６にカバー部３６ｂを設け
てピエゾ素子３の外周を包囲し、周囲空間全部
に電気絶縁ゴム３８を充填してある。これによ
りピエゾ素子３の汚れや傷による漏電が前例に
おけるよりも完全に防止される。

以上詳述したように、本発明を適用すると、
ピエゾ素子の伸縮の非直線性によつてステイツ
クスリツプを生じる虞れが無く、その上ピエゾ
素子の剪断破損、並びに剪断破損に因るシヨー
トを防止することができるという優れた実用的
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は從来形のピエゾ式微小変位
装置を示し、第１図は正面図、第２図Ａはピエゾ
素子の平面図、同図Ｂは同正面図、第３図Ａはピ
エゾ素子の作動特性を示す図表、同図Ｂは同図Ａ
のＦ部付近の拡大詳細図、第４図はピエゾ素子の
伸縮作動の説明図、第５図Ａ，Ｂはピエゾ素子の
変形を模式的に表わした説明図である。第６図乃
至第８図は本発明の一実施例を示し、第６図は正
面図、第７図はピエゾ素子及びその支承部材の平
面図、第８図は同正面図、第９図は同側面図であ
る。第１０図Ａは從来形ピエゾ式微小変位装置の
作動を模式的に表わした説明図、同図Ｂは本発明
のピエゾ式微小変位装置の作動を模式的に表わし
た説明図である。第１１図は前記と異なる実施例
の平面図、第１２図は同正面図である。３……ピエゾ素子、９……固定ブロツク、２３
……ピエゾ板、３２……ボール受座、３３……ボ
ール、３４……ボール押えネジ、３５……ボール
支えネジ、３６……コの字形ケース、４５……ボ
ール受座、４９……プツシヤ。

Claims

【特許請求の範囲】１ピエゾ素子と、該ピエゾ素子の伸縮方向の両
端に点接触する部材と、上記の点接触部材を介し
て該ピエゾ素子に与圧する手段と、該点接触部材
を介してピエゾ素子の伸縮変位を伝動する手段と
よりなり、上記の与圧手段を当該微小変位装置の
ベースに固定したことを特徴とするピエゾ式微小
変位装置。２上記の与圧手段は、バネ弾性を有するコの字
形部材を用いたものであることを特徴とする特許
請求の範囲第１項に記載のピエゾ式微小変位装
置。