(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
収納ケースに収納された圧電素子と、該圧電素子に予圧を与えるばねとを有する圧電ユニットであって；
該ばねが、円周方向及び半径方向に間隔をおいて複数段形成された同心の円弧状スリットを備え、かつ、Ｘ軸方向の剛性が該Ｘ軸に垂直な面方向のそれより大きい円筒型ばねであり、
前記収納ケースは、円筒ケースであり、該収納ケースの先端には受け部を有する円筒型ばねが固着され、その後端には該圧電素子を押圧する押し込み部材が螺着されていること  を特徴とする圧電ユニット。
【請求項２】
円弧状スリットが、半径方向の直線状スリットにより連結されていることを特徴とする請求項１記載の圧電ユニット。
【請求項３】
円筒型ばねが、ヒンジを介して変位受け部材に接続されていることを特徴とする請求項１、又は、２記載の圧電ユニット。
【請求項４】
圧電素子が、その先端に半球状突部を有し、受け部が、円錐状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電ユニット。
【請求項５】
収納ケースに収納された圧電素子に予圧を与えるばねを有する、微動装置を介してステージと粗動装置とを連結した移動テーブルであって；
該ばねが、円周方向及び半径方向に間隔をおいて複数段形成された同心の円弧状スリットを備え、かつ、Ｘ軸方向の剛性が該Ｘ軸に垂直な面方向のそれより大きい円筒型ばねであり、
前記収納ケースが円筒ケースであり、該収納ケースの先端には受け部を有する円筒型ばねが固着され、その後端には該圧電素子を押圧する押し込み部材が螺着され、
該粗動装置が、押し込み部材に固定されたボールねじ用ナットと、該ボールねじ用ナットに螺着されたボールねじと、
を備えていることを特徴とする移動テーブル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電ユニット及びそれを用いた移動テーブル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超精密加工機や半導体製造等に用いられる微動操作可能な移動テーブルなどとして利用されている。
【０００２】
【従来の技術】
従来の移動テーブルは、特開平４−３０９３１号公報に示す様に、押し板に連結されたスライドテーブルと、ボールねじ用ナットに螺着されたボールねじ用のねじ軸と、該ねじ軸を駆動する駆動モータと、該押し板とボールねじ用ナットとの間に装着された圧電素子と、該ボールねじに平行に配設され、かつ、該テーブルに固定されたリニアボールブッシュに挿入された案内軸と、を備えている。
そして、駆動モータによりボールねじを回転して粗動を行った後、圧電素子の駆動により押し板を微動せしめてスライドテーブルの微動を行い位置決めしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来例の移動テーブルには次の様な問題がある。
（１）スライドテーブルは、ボールねじ用ナットの移動に伴い案内軸にガイドされながら粗動し、更に、圧電素子の伸縮により微動する。
この時、高精度を得るために、ボールねじ用ナットと案内軸と圧電素子の移動方向が互いに平行になる様に組み込まれ、又、スライドテーブルをボールねじ用ナットとの組み付け誤差がないように一定に組み立てられ、該ボールねじとボールねじ用ナットの隙間も極めて小さく組み立てられ、又、押し板と圧電素子はテーブルの移動方向に隙間なく組合わされる。
ところが、この様に、スライドテーブル、圧電素子、ボールねじ用ナットの三者を上下方向及び移動方向にガタなく組み立てるのは、実際上困難であり、設計通りの組み立ては不可能である。そのため、スライドテーブルの移動が円滑にできず、直進性を得るのは困難である。
【０００４】
（２）スライドテーブルの案内軸とボールナットが一定の平行度を保って、かつ、組み付け誤差がないように組み立てると、ボールねじの回転によりボールナットの螺線運動による上下方向の力が直接圧電素子にかかってしまい、圧電素子を破壊してしまうことがある。そのため、テーブルの移動を円滑に行うことができないことがある。
【０００５】
（３）圧電素子には、コイルばねを用いて予圧が与えられている。しかし、このコイルばねではばね定数が小さいため、圧電素子の伸縮方向の変位がこのばねに吸収され、所謂高い剛性が得られない。そこで、このコイルばねを大きくしてばね定数を大きくし、高い剛性を得ることも考えられるが、このようにすると、大きなスペースが必要となり小さなスペースに収容される圧電素子に用いるのには不適切であるとともに、圧電素子の伸縮方向、即ち、Ｘ軸方向には適切なばね力が得られるが、このＸ軸に直交する方向、即ち、Ｙ軸及びＺ軸方向の弾性変形が大きすぎるので適切でない。
【０００６】
この発明は、上記事情に鑑み、Ｘ軸方向、即ち、圧電素子の伸縮方向、及びその他の方向、即ち、該Ｘ軸に垂直な面方向、にそれぞれ適度なばね力を備えたばねを得るとともに、圧電素子の破壊を防止することを目的とする。他の目的は、微動及び粗動移動装置の組み立てを簡単にすることである。
【０００７】
この発明は、収納ケースに収納された圧電素子と、該圧電素子に予圧を与えるばねとを有する圧電ユニットであって；該ばねが、円周方向及び半径方向に間隔をおいて複数段形成された同心の円弧状スリットを備え、かつ、Ｘ軸方向の剛性が該Ｘ軸に垂直な面方向のそれより大きい円筒型ばねであり、前記収納ケースは、円筒ケースであり、該収納ケースの先端には受け部を有する円筒型ばねが固着され、その後端には該圧電素子を押圧する押し込み部材が螺着されていることを特徴とする圧電ユニット、である。
【０００８】
この発明の円弧状スリットが、半径方向の直線状スリットにより連結されていることを特徴とする。この発明の円筒型ばねが、ヒンジを介して変位受け部材に接続されていることを特徴とする。この発明の圧電素子が、その先端に半球状突部を有し、受け部が、円錐状に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
この発明は、収納ケースに収納された圧電素子に予圧を与えるばねを有する、微動装置を介してステージと粗動装置とを連結した移動テーブルであって；該ばねが、円周方向及び半径方向に間隔をおいて複数段形成された同心の円弧状スリットを備え、かつ、Ｘ軸方向の剛性が該Ｘ軸に垂直な面方向のそれより大きい円筒型ばねであり、前記収納ケースが円筒ケースであり、該収納ケースの先端には受け部を有する円筒型ばねが固着され、その後端には該圧電素子を押圧する押し込み部材が螺着され、該粗動装置が、押し込み部材に固定されたボールねじ用ナットと、該ボールねじ用ナットに螺着されたボールねじと、を備えていることを特徴とする移動テーブル、である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
ボールねじに螺着されたボールねじ用ナットを微動装置を介してステージに連結する。
【００１１】
この微動装置は圧電ユニットであり、円筒型ばねと、押し込み部材と、圧電素子と、該円筒型ばねと押し込み部材とを連結し、かつ、圧電素子を収納する収納ケースと、から構成されている。
【００１２】
円筒型ばねは、円周方向及び半径方向に間隔をおいて複数段形成された同心の円弧状スリットを備えているが、要するに、小さなスペース、即ち、圧電素子の大きさに対応する小スペースに取り付けることができ、Ｘ軸方向以外の他の方向、即ち、該Ｘ軸に垂直な面方向、それぞれ要求される適切なばね力を持っており、Ｘ軸方向の剛性が該Ｘ軸に垂直な面方向のそれより大きいものであればよい。
【００１３】
変位受け部材には、円錐状の受け部が設けられており、この受け部に圧電素子の半球状突部を挿入し、該圧電素子を収納ケースに挿入し、該収納ケースの一端を結合ねじにより円筒型ばねに螺着し、その他端を締付けねじにより押し込み部材に螺着し、その締付力を調整することにより圧電素子に適切な予圧を与える。
【００１４】
該変位受け部材は、ステージのアームに固定されている。このステージの両側にはガイドが設けられ、このガイドはボールねじと平行に配設されたガイド軸に沿ってステージを案内する。
【００１５】
【実施例１】
この発明の第１実施例を図１〜図６により説明する。移動テーブル１は、図５、図６に示す様に、ステージ５に連結する微動装置２０と、該微動装置に連結された粗動装置１０と、を備えている。この粗動装置１０は、モータ１１に連結されたボールねじ１２と、該ボールねじ１２に螺着されたボールねじ用ナット１３とを備えている。
【００１６】
微動装置２０は圧電ユニットであり、円筒型ばね２１と、該円筒型ばね２１に一端が結合ボルト３６により固定され、かつ、圧電素子２５が収納される収納ケース２３と、該収納ケース２３の他端に結合ボルト２７により螺着され、かつ、圧電素子２５を押圧する押し込み部材３０と、を備えている。
【００１７】
円筒型ばね２１は、円周方向及び半径方向に間隔Ｌ1、Ｌ2をおいて複数段形成された同心の円弧状スリット１６と、該円弧状スリット１６の端部１６ａを結ぶ半径方向の直線状スリット１７と、該スリット１６、１７間に形成されたヒンジ１８、とを備えている。
【００１８】
この間隔Ｌ1、Ｌ2及び円弧状スリット１６の長さＬ5、幅Ｌ6は必要に応じて適宜選択されるが、いずれにしもにＸ軸方向の剛性がＸ軸以外の方向、即ち、該Ｘ軸に垂直な面方向のそれより大きくなる様に調整される。このばね２１は全面方向に亘って弾性変形が可能である。
【００１９】
円筒型ばね２１の幅Ｗは、ばね定数等を考慮して適宜選択される。又、円筒型ばね２１のヒンジをなす内周部２２は変位受け部材２６に連結されている。
この円筒型ばね２１の内周部２２の外側は変位受け部材２６から間隔Ｌ8離間している。
【００２０】
変位受け部材２６には、圧電素子２５の先端が挿入される円錐状の受け部３４が設けられている。この受け部３４は、圧電素子２５の位置決め及び回動を容易にするが、必ずしもこの円錐状の受け部を作る必要はなく、例えば、該受け部を平面状にしても良い。
【００２１】
収納ケース２３は、圧電素子２５と同心状の円筒ケースであり、その先端は結合ボルト３６を介して円筒型ばね２１の取付タップ１９に固定される。
【００２２】
該収納ケース２３内に圧電素子２５を収納し、その半球状突部２４を変位受け部材２６の受け部３４に当接させた後、押し込み部材３０の孔２９にリード線２８を挿入しながら該押し込み部材３０を収納ケース２３の後端及び圧電素子２５の後端に当接させる。なお、位置決めのために、圧電素子２５の後端にセンターピンを設けるとともに、該ピンを受けるピン穴を押し込み部材に設けてもよい。
【００２３】
その後、結合ボルト２７で押し込み部材３０と収納ケース２３とを締め付け、円筒型ばね２１を引っ張りながら圧電素子２５にかかる予圧を調整する。
この時、このばね２１の剛性は、圧電素子２５の伸縮方向、即ち、Ｘ軸方向が該Ｘ軸に垂直な面方向のそれより大きい。
【００２４】
変位受け部材２６は結合ねじによりアーム３９の一端に結合され、その他端はステージ５に連結されている。このステージ５の両側には、ガイド部４１が設けられ、このガイド部４１はボールねじ１２と平行なガイド軸４２に装着されている。
【００２５】
次にこの実施例の作動につき説明する。
モータ１１を駆動すると、ボールねじ１２が回転し、ボールねじ用ナット１３は矢印Ａ１３方向に移動し、ステージ５を同方向に粗動させる。
【００２６】
この時、円筒型ばね２１はＸ軸方向に比較的大きいばね定数（剛性）をもち、該Ｘ軸に垂直な面方向に比較的小さいばね定数（剛性）を持つので、ステージ５とボールねじナット１３との間に、組み付けられた圧電素子２５、押し板２６、円筒型ばね２１が製品誤差、軸ズレなどがあり、Ｙ軸方向やＺ軸方向などの力が発生しても該ばね２１の比較的小さいＹ軸方向やＺ軸方向のばね定数のばね力によりその力は吸収することができる。そのため、圧電素子２５にＹ軸方向やＺ軸方向などの力が直接かかることはないので、破損事故を防止することができる。又、該ばね２１は比較的大きなＸ軸方向の剛性（ばね定数）のばね力を有するので、ステージ５の負荷反力に耐えることができる。
【００２７】
ステージ５が目標位置近傍に到達したら、モータ１１の駆動を停止しボールねじの回転を中止させて粗動を止める。
【００２８】
次に、リード線２８を介して圧電素子２５に電圧を印加し、圧電素子２５を伸ばすと、該圧電素子２５は変位受け部材２６を矢印Ａ１３方向に押圧する。
そうすると、この部材２６は、該ばね２１の弾性力及びガイド軸４２とガイド部４１間の摩擦力に打ち勝ってステージ５をサブミクロン単位で微動をさせる。
【００２９】
この時、圧電素子２５に予圧を与えていた円筒型ばね２１は圧電素子２５に引っ張られてＸ軸方向に伸びるとともに、圧電素子２５にＸ軸方向以外の力、即ち、Ｙ軸方向やＺ軸方向などの力が加わると、その力を吸収し圧電素子２５のＹ軸方向やＺ軸方向などの変位を防止する。
【００３０】
又、圧電素子２５の力は半球状突部２４と円錐状の受け部３４とを介して変位受け部材２６に伝達される。そのため、圧電素子２５は容易に回動できるので、変則的な力に対応して回動し、その力を逃がすことができる。
【００３１】
この発明の第２実施例を図８により説明する。この実施例と第１実施例との相違点は、円筒型ばねの円弧状スリットの形状及び配例であるが、その詳細は次の通りである。円周方向及び半径方向に間隔Ｌ１１、Ｌ１２おいて、二段設けられた同心の円弧状スリット５１、５２であり、内側の円弧状スリット５２と外側の円弧状スリット５１とは互いに４５度ずれている。又、スリット５１、５２はそれぞれ４個づつ形成され、第１実施例のスリットの数より少ない。更に、半径方向のスリットは設けられていない。
【００３２】
この発明の第３実施例について説明する。この発明と第２実施例との相違点は円弧状スリット６１、６２、６３が三段設けられていることである。
【００３３】
【発明の効果】
この発明は以上の様に構成したので、Ｘ軸方向以外の外力、即ち、Ｙ軸方向やＺ軸方向などの外力を吸収することができる。そのため、圧電素子の破損が防止され、又、取付誤差が吸収されて組立作業が容易となり、更に、ガイド軸とボールねじの平行度誤差もＹ軸方向やＺ軸方向などのばね力で吸収され、ステージが円滑に移動できる。
【００３４】
又、圧電素子の先端に半球状突部を設け、変位受け部材の受け部を円錐状に形成したので、圧電素子は容易に回動できる。そのため、圧電素子にかかかる外部からの力を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例を示す縦断面図である。
【図２】この発明の第１実施例を示す平面図である。
【図３】図１のIII−III線断面図である。
【図４】円筒型ばねの要部拡大図である。
【図５】使用状態を示す図である。
【図６】図５の側面図である。
【図７】この発明の第２実施例を示す縦断面図で、図３に相当する図である。
【図８】この発明の第３実施例の縦断面図で、図３に相当する図である。
【符号の説明】
１      移動テーブル
５      ステージ
１０    粗動装置
１２    ボールねじ
１３    ボールねじ用ナット
２０    微動装置
２１    円筒型ばね
２３    収納ケース
２４    半球状突部
２５    圧電素子
２６    変位受け部材
３０    押し込み部材
３４    受け部
４１    ガイド部
４２    ガイド軸
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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