(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の圧電素子を並列に配置し、該圧電素子の両端にそれぞれ支持板を設け、該支持板のいずれかにボールプランジャーを備え、前記支持板間に圧電素子に予圧をかけると共に予圧調整可能な予圧支柱を設け、伸縮構造を持つ金属容器に密封したことを特徴とする密封式超精密微動装置。
【請求項２】
複数個の圧電素子を円筒の金属キャップの中に保持することを特徴とする請求項１記載の密封式超精密微動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密加工機械、印刷機械においての工作機械のバイトの精密の位置決めや、磁気ヘッド加工用ダイシング装置、半導体露光装置等のＸＹステージに装着され、大きな発生力で、かつ微小移動させるための超精密位置決め装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の位置決め装置に組み込む圧電素子は、圧縮方向の力には強いが、曲げ方向・引っ張り方向の力には弱く、また、大きな発生力を得るためには、装置内に断面積の大きな圧電素子を使用しなければならないが、その製造方法は難しくコストがかかるという欠点がある。そのため、装置内に組み込む圧電素子は断面積の小さなものを１つ配置することが多く、大きな発生力を必要とする所には使用ができなかった。
【０００３】
また圧電素子を組み込む装置は、出力部材が先端キャップを貫通する構造になっているため、軸摺動部の密封性が完全ではなく、長期間の高湿環境では空気中の水蒸気の侵入を遮断できないという欠点があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の装置では、以下の問題がある。
（１）大きな発生力を必要とする所に使用する際は、今までの装置を複数個用いなければならず、１つの装置だけの発生力では不十分である。
（２）金属ケース内に複数個の圧電素子を並べて大きな発生力を得ようとする場合、並べる圧電素子の高さが均等でないと目的の発生力を得られず、その圧電素子を複数並べた場合、各々の圧電素子の高さ調整が難しい。
【０００５】
本発明の超精密微動装置の目的は、上記のような諸問題を解決するためになされたもので、１つの装置で大きな発生力を得て、完全に空気中の水蒸気を遮断でき、圧電素子の欠点である引っ張り力や曲げ力に強い装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の密封式超精密微動装置は、上記した課題を解決するため複数個の圧電素子を並列に配置し、該圧電素子の両端にそれぞれ支持板を設け、該支持板のいずれかにボールプランジャーを備え、前記支持板間に圧電素子に予圧をかけると共に予圧調整可能な予圧支柱を設け、伸縮構造を持つ金属容器に密封したことを特徴とする密封式超精密微動装置である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施例である。図１に示す本発明の密封式超精密微動装置は、予め取り付け部材１０が電子ビーム溶接で溶接されたステンレス製の伸縮性のある金属ベローズキャップ９と取り付けフランジ１５で構成された金属ケース（筒体）の中に、複数個の圧電素子１が、第１支持板３と第２支持板１１と予圧支柱５で支持された構造である。又金属ベローズキャップ９と取り付けフランジ１５の接合はＯ−リング又は、メタル等のパッキン部材１２を介してボルト１６で螺着して封止することを主として構成する。以下、詳細に説明する。
【０００８】
第２支持板１１に設けた複数個のボールプランジャー８を第２支持板１１の下部から押し込むことにより、圧電素子１に取り付けた下部プレート７の受け部２１をボールプランジャー８に設けた半球を介して圧電素子１を押し込んで、第１支持板３に設けた受け部２０に圧電素子１に取り付けた半球部材４が接するようにして、複数個の圧電素子の高さを一定にすることができ、各々の圧電素子の発生力が取り出せ、出力部材２から大きな発生力を出すことができる。
【０００９】
上部プレート６に半球部材４を固着し、その受け部２０を第１支持板３に設け、第２支持板１１に保持しているボールプランジャー８の受けとして逆円錐状、又は逆球状の受け部２１を下部プレート７に設けた。半球部材４、ボールプランジャー８の半球部及び受け部２０、受け部２１は変形、磨耗防止のため高硬度材を使用した。この半球部材４と第１支持板３に設けた受け部２０により、予圧力以上の引っ張り力がかかった場合でも、半球部材４と受け部２０が離れて引っ張り力がかからない。また曲げ力がかかっても半球部材４で曲げ力を緩和して曲げ力に強い構造になる。
【００１０】
金属ケース９と圧電素子１の間には、燐青銅、ステンレス、真鍮等のバネ材で形成された予圧支柱５が配置されている。この予圧支柱５は、上部と下部にネジ部を備えていてその中央部に蛇行バネ部を備えているが、このバネ部の位置、バネ定数及び長さは必要に応じて選択される。この予圧支柱５は、第１支持板３で固定されている固定ナット１７で止められ、第２支持板１１下部にある調節ナット１４により圧電素子１にかける予圧（圧縮力）を任意に調整できる。
【００１１】
圧電素子１に加える電圧は取り付けフランジ１５に絶縁ガラスで覆われた電流導入端子１３を設けて行い、電流導入端子１３は取り付けフランジ１５とガラス融着で封止さえている。取り付けフランジ１５内部の電流導入端子１３は圧電素子１のプラスとマイナスのリード線に半田接合され熱収縮チューブで被覆されている。取り付けフランジ１５外側の電流導入端子１３は撥水性の樹脂を埋め込み高湿環境下で結露しない被覆をとった。
【００１２】
次にこの実施例の作動について説明する。出力部材２のタップ１９に図示しないテーブルを螺着し、該テーブルに被移動物を戴置する。この時、装置に曲げ力がかかるが、圧電素子１に取り付けた半球部材４が曲げ力を緩和して、圧電素子１に直接曲げ力が加わらないため圧電素子１の破損が防止できる。また、予圧力以上の大きな引っ張り力が瞬間的に加わっても、半球部材４と受け部２０が離れ、引っ張り力は圧電素子１に伝達されない。
【００１３】
圧電素子１はプラスとマイナスの内部電極が交互に積層し、圧電セラミックスと電極が一体焼成され、圧電素子端面で外部電極をつないだ構造の積層型圧電素子を用い、予め高い直流電流（２ＫＶ／ｍｍ）で分極処理したものを使用した。形状が５（Ｌ）×７（Ｗ）×４０（Ｈ）ｍｍの圧電素子を使用して、１４０Ｖの電圧を印加すると、圧電素子は予圧力に打ち勝って約４０μｍ伸張して上板プレートを押し上げる。
【００１４】
また、圧電素子１の発生力は１個あたり１００ｋｇｆであるが、この装置に複数個の圧電素子１を組み込み、装置内に設置したボールプランジャー８により圧電素子１の高さを均一にすると、例えば圧電素子１を４個組み込めば４００ｋｇｆになる。このように大きな発生力を得ることができ、この発生力までの荷重の場合には圧電素子１の伸張を阻害する事なく位置決めが可能となる。
【００１５】
装置内に複数個の圧電素子１を配置し、第２支持板１１に設けた複数個のボールプランジャー８を第２支持板１１の下部から押し込むことにより、圧電素子１の下部プレート７の受け部２１をボールプランジャー８についた半球で押し込み、圧電素子１の高さのばらつきを一定にすることができる。こうすることにより、複数の圧電素子１の変位量が一定となり、複数の圧電素子１の先端がそろって出力部材２を押すため、出力部材２が出力軸に平行にテ−ブルを押し、曲げ力が加わりにくい。このことにより、圧電素子が１個の場合より数倍の発生力が得られ、かつ圧電素子１に曲げ力が加わりにくいため破損しにくくなる。
【００１６】
図２は、本発明の第２の実施例を示す。図１と違う点は、金属ダイヤフラムキャップ１８を使用したことと、支持板３の上部の中心に半球部材４を固着し、その下部に圧電素子１に接着した上部プレート６との接合部を設けている所にある。半球部材４、ボールプランジャー８の半球部及び受け部２１は変形、磨耗防止のため高硬度材を使用した。これも図１同様に圧電素子１の欠点である引っ張り力と曲げ力に強い構造になる。
【００１７】
図３、図４は、圧電素子１を４個、３個配置したときの断面図である。このように任意の数の圧電素子１を装置内に置くことができ任意の発生力を得ることができる。
【００１８】
【発明の効果】
この発明は前記のように構成され、目的の発生力に応じて必要数の圧電素子を並列に配置し、このとき生じる圧電素子の高さのばらつきを第２支持板に保持しているボールプランジャーを調整することにより、圧電素子の高さを一定にして従来の圧電素子１個を用いた微動位置決め装置の数倍の発生力が取り出される。すなわち、従来の数倍の重量物を位置決めすることができる。
【００１９】
また予圧力以上の大きな引っ張り力が瞬間的に加わっても、第２支持板に取り付けられたボールプランジャーの半球部材と下板プレートの受け部が離れ、引っ張り力は圧電素子に伝達されないので破損しない。
【００２０】
またステージに重量物を載せ出力部材と直接連結して高速駆動させた時、出力軸に平行でない曲げ力が加わっても半球部材で緩和され、直接圧電素子に曲げ力が伝達されないため、圧電素子の破損が防げる。
【００２１】
また金属キャップと取り付けフランジは電気溶接法あるいはメタルシール法により封止されており、取り付けフランジの電気導入端子部は絶縁性のセラミックスを介してガラス及び半田融着されているため、空気中の水蒸気、粉塵等を完全に遮断でき、湿度、粉塵等に強い耐久性のある超精密微動装置である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例の縦断面図を示す。
【図２】この発明の第２の実施例の縦断面図を示す。
【図３】圧電素子を４個並列に並べたときの横断面図を示す。
【図４】圧電素子を３個並列に並べたときの横断面図を示す。
【符号の説明】
１  圧電素子
２  出力部材
３  第１支持板
４  半球部材
５  予圧部材
６  上部プレート
７  下部プレート
８  ボールプランジャー
９  金属ベローズ
１０  取り付け部材
１１  第２支持板
１２  パッキン部材
１３  電流導入端子
１４  調節ナット
１５  取り付けフランジ
１６  ボルト
１７  固定ナット
１８  金属ダイヤフラム
１９  タップ
２０  受け部
２１  受け部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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