(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージを支持する基体と、この基体に設けられ前記ステージを微動可能に支持する支持部と、前記基体に対して前記ステージを移動させる圧電素子とを備えた微動ステージ装置における圧電素子の予圧力付与方法において、
前記支持部を折り曲げバネから形成し、
前記基体の側面から前記ステージの内部にまで前記ステージの上面に露出することなく前記ステージの微動方向に延びる長穴を形成し、
前記圧電素子の一端を前記長穴内に挿入して該長穴の底部に当接させ、
座グリ穴が設けられた押し板を前記基体の側面に形成された前記長穴の開口部に配設して前記圧電素子を前記ステージの微動方向に向かう中心線上に位置決めしつつ前記長穴の底部に向けて押圧することにより前記圧電素子に予圧力を付与する
ことを特徴とする微動ステージ装置における圧電素子の予圧力付与方法。
【請求項２】
前記折り曲げバネは、微動方向に直交する方向の剛性が該微動方向の剛性よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の予圧力付与方法。
【請求項３】
前記折り曲げバネは、偶数個設けられ、微動方向に平行且つ左右対称に配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の予圧力付与方法。
【請求項４】
前記折り曲げバネは、１段あるいは複数段の板ばねで構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の予圧力付与方法。
【請求項５】
前記圧電素子の一端には半球状の凸部が形成されており、該長穴の底部にはこの凸部と係合する円錐状の凹部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の予圧力付与方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の予圧力付与方法により圧電素子に予圧力を付与することを特徴とする微動ステージ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電素子を用いた微動ステージ装置に関するものであり、更に述べると、サブミクロン単位の精密な移動精度を要する磁気ヘッド検査装置や半導体分野及び光学分野の検査装置の微小位置決めが可能な装置として用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
図６には、実開平３−４７７３３号公報に開示された従来の微動ステージ装置の要部が示されている。この微動ステージ装置１において、ステージ２は、圧電素子３に予め圧力をかけておく予圧部４とステージ２を基板５に弾性的に支持するヒンジ構造の可撓部６とを備えており、このようにステージ２を予圧部４及び可撓部６を含む一体構造とすることにより、部品点数の低減が図られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のステージにおいては、予圧部４と可撓部６とが別部分として分かれて設けられており、また、圧電素子３はステージ２の外面に当接してステージ２を外から押す態様であったため、構造が複雑で装置が大きくなってしまうといった問題がある。
また、この微動ステージ装置においては、ヒンジ構造の可撓部６の剛性を高くしようとすると圧電素子３の変位が阻害され、変位伝達効率が悪化し、一方、剛性を低くするとステージ２の応答時間が悪くなるといった問題があった。
従って、本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたものであり、装置寸法が小型化された微動ステージ装置における圧電素子の予圧力付与方法並びに微動ステージ装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明の微動ステージ装置における圧電素子の予圧力付与方法は、ステージを支持する基体と、この基体に設けられ前記ステージを微動可能に支持する支持部と、基体に対してステージを移動させる圧電素子とを備えた微動ステージ装置における圧電素子の予圧力付与方法において、支持部を折り曲げバネから形成し、基体の側面からステージの内部にまでステージの上面に露出することなくステージの微動方向に延びる長穴を形成し、圧電素子の一端を長穴内に挿入して長穴の底部に当接させ、座グリ穴が設けられた押し板を基体の側面に形成された長穴の開口部に配設して圧電素子をステージの微動方向に向かう中心線上に位置決めしつつ長穴の底部に向けて押圧することにより圧電素子に予圧力を付与することを特徴とする。支持部と予圧部とを兼ねた折り曲げバネを用いたことにより、装置サイズの小型化と、ステージへの変位伝達率の向上及び高応答性を兼ね備えている。
また、折り曲げバネは、微動方向に直交する方向の剛性が該微動方向の剛性よりも大きいと好適である。さらに、折り曲げバネは、偶数個設けられ、微動方向に平行且つ左右対称に配列されていてもよく、また、１段あるいは複数段の板ばねで構成することができる。圧電素子の一端には半球状の凸部が形成されており、長穴の底部にはこの凸部と係合する円錐状の凹部が形成されていてもよい。
また、本発明の微動ステージ装置は、このような予圧力付与方法により圧電素子に予圧力を付与するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１にこの発明の実施の形態１に係る微動ステージ装置を示す。
微動ステージ装置１１の基体１２の中央に設けられたステージ１３は、それぞれステージ１３の四隅に設けられた支持部１４により図中Ｘ軸方向に微動可能に支持されている。これら支持部１４としては、互いに平行な一対の折り曲げバネ１５が２組用いられている。ステージ１３には微小な変位を発生させる圧電素子１６が搭載されている。圧電素子１６の位置決めと固定は、押し板１７によりなされる。
【０００６】
これら支持部１４は、基体１２と同一材料からワイヤカット放電加工等の加工手段によって形成され可撓性を有しており、Ｙ軸方向に並んだ２個を１組として図１におけるステージ１３上下に１組ずつ設けられており、ステージ１３の微動方向（Ｘ軸方向）の軸線に対して線対称に形成されている。支持部１４を構成する折り曲げバネ１５は、Ｘ軸方向以外のＹ軸方向とＺ軸方向には剛性が高く、Ｘ軸方向のみ剛性が小さくなるようになっている。そのため、ステージ１３もＸ軸方向のみ剛性が小さくなるように支持されている。ステージ１３の微動の直進性を高める為、これら折り曲げバネ１５は、ステージ１３の微動方向に対して平行になるように配置され左右対称構造をとる。以上に起因し、折り曲げバネ１５の個数は偶数個が好適である。
【０００７】
ステージ１３には、圧電素子１６が挿入される長穴１８がステージ微動方向に延設されている。長穴１８には圧電素子１６が挿入され、長穴１８の開口を塞ぐように押し板１７が配設される。したがって、圧電素子１６の一端は長穴の底部１９に当接し圧電素子１６の他端は押し板１７に当接する。このとき、長穴１８の深さは圧電素子１６の全長より短めになっており、長穴１８内に圧電素子１６が挿入されていない場合の、長穴１８の底部１９と押し板１７との間の距離が圧電素子１８の非通電時の全長よりも短くなるようになっている。したがって、押し板１７によって圧電素子１６を押し込むと支持部１４がその分撓み、折り曲げバネ１５の弾性力に起因した必要な予圧が圧電素子１６に付与されるようになっており、圧電素子１６の破損が防止されている。すなわち、支持部１４は、ステージ１３内の圧電素子１６に予圧を付与する予圧部としても機能し、支持部１４は予圧部と一体化されている。
【０００８】
このときの予圧の量は、折り曲げバネ１５のバネ定数や、予め設定された、圧電素子１６の全長と長穴１８の底部１９から押し板１７までの距離との差によって決定する。また、電圧の印加により圧電素子１６を変位させる力は、この予圧よりも十分高いので、圧電素子１６の変位を阻害することなく支持部１４は変位するようになっている。例えば、本実施の形態においては、４つの折り曲げバネ１５から得られるバネ定数は、ステージ全体としてみて５００〜１０００ｋｇｆ／ｍｍに設定されている。
【０００９】
長穴１８の底部１９の中心には、円錐状の凹部２０が設けてあり、この凹部２０に圧電素子上部に形成された半球状の凸部２１が当接する。この円錐状の凹部２０と圧電素子の半球状の凸部２１により圧電素子１６にかかる外力を分散し、圧電素子１６の破損が防止されている。なお、長穴１８に挿入される圧電素子１６は、耐環境性に優れた密封式のものが用いられている。
【００１０】
図２及び３は、押し板の詳細図である。押し板１７は、圧電素子１６の位置決めをする座グリ穴２２が設けられている。この座グリ穴２２は押し板１７に対して中心に配置され、これにより圧電素子１６をステージ１３の微動方向に向かう中心線上に配置しその位置ズレを防止する。そして、このように圧電素子１６がステージ１３の中心線上に配置されることによりステージ１３のピッチング動作及びヨーイング動作を抑えることができる。座グリ穴２２には、圧電素子１６から延びるリード線２３（図１参照）を挿通するための通路２４が形成されている。
【００１１】
この様にして、基体１２に組み込まれたステージ１３は、圧電素子１６に電圧を印加すると、圧電素子１６の微小変位が相互に係合した凸部２１及び凹部２０を介してステージ１３に伝わり、それに応じてステージ１３が移動する。このとき、折り曲げバネ１５がＹ軸方向とＺ軸方向の剛性は高く、Ｘ軸方向の剛性は低く構成されていることにより、Ｘ軸方向のみにステージ１３が移動して、ステージ１３のピッチング動作及びヨーイング動作を抑えることができる。圧電素子１６の変位は、折り曲げバネ１５によりロスすることなくステージ１３の移動量として伝達される。また、折り曲げバネ１５のバネ定数を用途に応じて高くできるので最適な予圧を与えて、圧電素子１３の高速応答を損なうことなく、ステージ１３を駆動することができる。
【００１２】
以上のように構成された微動ステージ装置１１においては、ステージを支持する支持部１４が圧電素子に予圧を付与する予圧部と一体化されているため、支持部と予圧部とが別部分である場合よりも構造を簡単にし装置を小型化できる。
【００１３】
また、図１に示されるように、圧電素子１６の大部分がステージ１３の内部に挿入されていることから、従来のように圧電素子がステージの外に設けられているよりも基体を小型化することができ、特に微動方向の装置寸法を短縮することができる。
【００１４】
また、折り曲げバネ１５は、板バネ構造なのでヒンジ構造に比べて許容伸縮量を多く取り出せると共に、バネ定数を高くすることができる。その結果、従来であればヒンジの剛性を高くすると圧電素子の変位が阻害され変位伝達効率が悪くなり、一方ヒンジの剛性を低くするとステージの応答時間が悪くなるため、圧電素子が持っている微小変位と高速応答という特性を十分に生かせないという問題があったが、本実施形態の形態においては、ステージ１３への変位伝達効率を良好に維持しながら高速応答が可能となった。
【００１５】
以上説明した実施の形態においては、図４に示されるように、折り曲げバネ１５の折り曲げ段数ｎすなわち微動方向と直交する方向（Ｙ軸方向）に延びた板状部の数ｎは２つであったが、本発明はこの態様に限定されるものではない。また、折り曲げバネの幅Ｗ、長さＬ、奥行き等も適宜改変することができる。そして、折り曲げバネの折り曲げ段数ｎ、幅Ｗ、長さＬ、奥行き等を調整することにより、所定のバネ定数に設置することができ、それにより圧電素子にかける予圧を任意に調整することが可能である。例えば、図５には、実施の形態１において折り曲げバネの折り曲げ段数ｎを３つとした場合の微動ステージ装置を示す。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の微動ステージ装置によれば、ステージ内の圧電素子に予圧を与える予圧部と、基体に対してステージを支持する支持部とを兼ねた折り曲げバネを設けた事により、許容伸縮量を大きく取ることができると共に、バネ定数を高くできるので、ステージが圧電素子の微小移動をロスすることなく移動することができ高速応答が可能となった。加えて、予圧部と支持部とが同じなので従来のステージに比べて、小型化が可能となった。
【００１７】
更に、圧電素子がステージ内に挿入されてステージを押す態様であるため、圧電素子がステージを外から押す態様のものに比べ、基体の小型化が可能である。また、圧電素子の先端の半球状の凸部とステージの長穴内に設けた円錐状の凹部により圧電素子にかかる外力を分散し、圧電素子の破損を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施形態に係る微動ステージ装置の平面図である。
【図２】  この発明の実施形態に係る微動ステージ装置の押し板の拡大図である。
【図３】  図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線による断面図である。
【図４】  図１のＩＶ部の拡大図である。
【図５】  この発明の別の実施形態に係る微動ステージ装置の平面図である。
【図６】  従来の微動ステージ装置の斜視図である。
【符号の説明】
１１  微動ステージ装置
１２  基体
１３  ステージ
１４  支持部
１５  折り曲げバネ
１６  圧電素子
１７  押し板
１８  長穴
１９  底部
２０  凹部
２１  凸部
２２  座グリ穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0004164144.tif 000006
【図６】
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