JP2005124263A

JP2005124263A - Preloading mechanism and positioning device for multilayer piezoelectric actuator

Info

Publication number: JP2005124263A
Application number: JP2003353867A
Authority: JP
Inventors: Akira Nemoto; 章根本; Katsuhiko Iida; 克彦飯田
Original assignee: NANO CONTROL KK
Current assignee: NANO CONTROL KK
Priority date: 2003-10-14
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2005-05-12

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mechanism for preloading a multilayer piezoelectric actuator easily and uniformly. <P>SOLUTION: The preloading mechanism 10 comprises a bottom plate part 11 and a cover part 12 clamping a multilayer piezoelectric actuator 5 in the layer direction, and an outer wall part 13 surrounding the side face of the multilayer piezoelectric actuator 5. Slits 17 and 17' are made, at a specified interval T, in the outer wall part 13 perpendicularly to the longitudinal direction thereof. The parts provided with the slits 17 and 17' function as springs and when the cover part 12 is secured to the upper surface of the outer wall part 13 by means of a bolt 15, the bottom plate part 11 and the cover part 12 preload the multilayer piezoelectric actuator 5. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、積層型圧電アクチュエータに予圧を与える予圧機構および積層型圧電アクチュエータとこの予圧機構とからなる微動機構を備えた位置決め装置に関する。 The present invention relates to a preload mechanism for applying a preload to a multilayer piezoelectric actuator, and a positioning device including a multilayer piezoelectric actuator and a fine movement mechanism including the preload mechanism.

圧電セラミック板の縦振動を利用して所望の変位または振動を得る積層型圧電アクチュエータは、その積層方向に加わる圧縮応力には強いが、その逆の引張応力に弱いという欠点を有している。そこでこの欠点を補うために、積層型圧電アクチュエータを所定の圧力で積層方向に締め付ける予圧機構が用いられる場合がある。このような予圧機構として、例えば、積層型圧電アクチュエータの端面にそれぞれ配置された座部材と、これらの座部材を連結する複数の蛇行ばねと、からなる予圧機構が知られている（例えば、非特許文献１参照）。 A laminated piezoelectric actuator that obtains a desired displacement or vibration by utilizing the longitudinal vibration of a piezoelectric ceramic plate has a drawback that it is strong against compressive stress applied in the lamination direction but is weak against the opposite tensile stress. Therefore, in order to compensate for this drawback, there is a case where a preload mechanism for tightening the multilayer piezoelectric actuator in the stacking direction with a predetermined pressure may be used. As such a preload mechanism, for example, a preload mechanism including a seat member disposed on each end face of the multilayer piezoelectric actuator and a plurality of meandering springs connecting these seat members is known (for example, non-loading mechanism). Patent Document 1).

しかしながら、非特許文献１に示される予圧機構では、それぞれの蛇行ばねに均一に力が掛かるようにバランスをとることが難しい。つまり積層型圧電アクチュエータに均一に予圧を与えることが難しいという問題がある。また、一度作製した蛇行ばねのばね定数を変えることが難しいため、積層型圧電アクチュエータに与える予圧力と積層型圧電アクチュエータの長さに応じて、ばね定数と長さの異なる複数種の蛇行ばねを準備しなければならないという問題がある。さらにこの予圧機構を用いた場合には、積層型圧電アクチュエータの側面が露出するために、油や水等の液体の液滴やミストが発生する環境で用いるためには、これをさらに容器に封入しなければならない。この場合、積層型圧電アクチュエータとこの予圧機構とからなる微動機構全体が大型化するために、この微動機構を用いた装置、例えば、位置決めステージもまた大型化してしまう。
日経メカニカル、１９９５．７．１０ｎｏ．４５８，７３頁 However, in the preload mechanism shown in Non-Patent Document 1, it is difficult to achieve a balance so that force is uniformly applied to each meandering spring. That is, there is a problem that it is difficult to uniformly apply a preload to the multilayer piezoelectric actuator. In addition, since it is difficult to change the spring constant of the meandering spring once manufactured, a plurality of kinds of meandering springs having different spring constants and lengths are provided according to the preload applied to the laminated piezoelectric actuator and the length of the laminated piezoelectric actuator. There is a problem of having to prepare. Furthermore, when this preload mechanism is used, the side surface of the laminated piezoelectric actuator is exposed, so that it can be further sealed in a container for use in an environment where liquid droplets or mist such as oil or water are generated. Must. In this case, since the entire fine movement mechanism including the laminated piezoelectric actuator and the preload mechanism is increased in size, an apparatus using the fine movement mechanism, for example, a positioning stage is also increased in size.
Nikkei Mechanical, 1995.7.10 no. 458, 73 pages

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、積層型圧電アクチュエータに容易かつ均一に予圧を与えることができる予圧機構を提供することを目的とする。また本発明は、長さの変更やばね定数の設定が容易である予圧機構を提供することを目的とする。さらに本発明は、積層型圧電アクチュエータの密閉が容易な小型の予圧機構を提供することを目的とする。さらにまた、本発明はこのような予圧機構と積層型圧電アクチュエータからなる微動機構を備えた位置決め装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a preload mechanism capable of easily and uniformly applying a preload to a multilayer piezoelectric actuator. Another object of the present invention is to provide a preload mechanism that can easily change the length and set the spring constant. A further object of the present invention is to provide a compact preload mechanism in which a laminated piezoelectric actuator can be easily sealed. Still another object of the present invention is to provide a positioning device provided with such a preload mechanism and a fine movement mechanism composed of a laminated piezoelectric actuator.

本発明によれば、積層型圧電アクチュエータの積層方向に所定の予圧を与える積層型圧電アクチュエータ用予圧機構であって、
前記積層型圧電アクチュエータをその積層方向で挟み込む２枚の台座部と、
前記積層型圧電アクチュエータの外周側面を取り囲むように、前記２枚の台座部間に前記２枚の台座部と連結して配置される筒状の外側壁部と、
を有し、
前記外側壁部が所定のばね定数を有するばねとして機能するように前記外側壁部に所定のスリットが形成され、前記２枚の台座部が前記積層型圧電アクチュエータに所定の予圧を与えることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ用予圧機構、が提供される。
この予圧機構においては、２枚の台座部のうちの１の台座部は外側壁部と一体とすることが好ましい。 According to the present invention, there is provided a preload mechanism for a stacked piezoelectric actuator that applies a predetermined preload in the stacking direction of the stacked piezoelectric actuator,
Two pedestals that sandwich the stacked piezoelectric actuator in the stacking direction;
A cylindrical outer wall portion disposed between the two pedestal portions and connected to the two pedestal portions so as to surround an outer peripheral side surface of the multilayer piezoelectric actuator;
Have
A predetermined slit is formed in the outer wall portion so that the outer wall portion functions as a spring having a predetermined spring constant, and the two pedestal portions apply a predetermined preload to the stacked piezoelectric actuator. A preload mechanism for a laminated piezoelectric actuator is provided.
In this preload mechanism, it is preferable that one of the two pedestal portions is integrated with the outer wall portion.

また本発明によれば、筒型の積層型圧電アクチュエータの積層方向に所定の予圧を与える積層型圧電アクチュエータ用予圧機構であって、
前記積層型圧電アクチュエータをその積層方向で挟み込むリング状の２枚の台座部と、
前記積層型圧電アクチュエータの外側側面を取り囲むように、前記２枚の台座部間に前記２枚の台座部と連結して配置された筒状の外側壁部と、
前記積層型圧電アクチュエータの内孔に挿通され、前記２枚の台座部の一方とは離隔し、他方とは連結された筒状の内側壁部と、
を有し、
前記外側壁部が所定のばね定数を有するばねとして機能するように前記外側壁部に所定のスリットが形成され、前記２枚の台座部が前記積層型圧電アクチュエータに所定の予圧を与えることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ用予圧機構、が提供される。
この予圧機構においては、２枚の台座部のうちの一方を外側壁部と一体とし、他方を内側壁部と一体とすることが好ましい。 According to the present invention, there is also provided a preload mechanism for a stacked piezoelectric actuator that applies a predetermined preload in the stacking direction of a cylindrical stacked piezoelectric actuator,
Two ring-shaped pedestals sandwiching the stacked piezoelectric actuator in the stacking direction;
A cylindrical outer wall portion disposed so as to be connected to the two pedestal portions between the two pedestal portions so as to surround an outer side surface of the multilayer piezoelectric actuator;
A cylindrical inner wall portion that is inserted into an inner hole of the multilayer piezoelectric actuator, separated from one of the two pedestal portions, and connected to the other;
Have
A predetermined slit is formed in the outer wall portion so that the outer wall portion functions as a spring having a predetermined spring constant, and the two pedestal portions apply a predetermined preload to the stacked piezoelectric actuator. A preload mechanism for a laminated piezoelectric actuator is provided.
In this preload mechanism, it is preferable that one of the two pedestal portions is integrated with the outer wall portion and the other is integrated with the inner wall portion.

これら予圧機構では、２枚の台座部のうちの少なくとも１の台座部は外側壁部とボルト締めにより連結され、このボルト締めにより連結される外側壁部と台座部との間には銅板等をシール部材として挟むことが好ましい。このような構造とすることにより、予圧機構への積層型圧電アクチュエータの配置を容易に行うことができる。外側壁部に設けられるスリットは、外側壁部の長さ方向に略垂直に所定間隔で複数形成され、かつ、外側壁部に垂直な一面毎に外側壁部の長さ方向から見て線対称に位置するように設けることが好ましい。この場合において、外側壁部の長さ方向において隣接するスリットどうしは、外側壁部の長さ方向から見た場合に外側壁部の周回りに完全には重ならないように形成することが好ましい。これにより外側壁部のばね定数を外側壁部全体で均一にすることができる。スリットを樹脂封止すれば、またはスリットが形成されている部分を金属箔で覆うことによって、積層型圧電アクチュエータの変位を妨げることなく、積層型圧電アクチュエータを使用環境から保護することができる。 In these preload mechanisms, at least one of the two pedestal portions is connected to the outer wall portion by bolting, and a copper plate or the like is interposed between the outer wall portion and the pedestal portion connected by bolting. It is preferable to sandwich the sealing member. With such a structure, the multilayer piezoelectric actuator can be easily arranged in the preload mechanism. A plurality of slits provided in the outer wall portion are formed at predetermined intervals substantially perpendicular to the length direction of the outer wall portion, and line-symmetric as viewed from the length direction of the outer wall portion for each surface perpendicular to the outer wall portion. It is preferable to provide so that it may be located in. In this case, it is preferable that the slits adjacent to each other in the length direction of the outer wall portion are formed so as not to completely overlap the circumference of the outer wall portion when viewed from the length direction of the outer wall portion. As a result, the spring constant of the outer wall portion can be made uniform over the entire outer wall portion. If the slit is resin-sealed, or the portion where the slit is formed is covered with a metal foil, the multilayer piezoelectric actuator can be protected from the use environment without disturbing the displacement of the multilayer piezoelectric actuator.

本発明によれば、円筒型の積層型圧電アクチュエータと円筒型の予圧機構からなる微動機構を備えた位置決め装置が提供される。すなわち、本発明によれば、
直状のボールネジと、
前記ボールネジを回転させる回転駆動装置と、
前記ボールネジと螺合するナット部と、
前記ボールネジの軸方向に伸縮する筒状の積層型圧電アクチュエータと、前記積層型圧電アクチュエータにその積層方向において所定の予圧を与える筒状の予圧機構とを備え、前記予圧機構の内孔に前記ボールネジが挿通され、かつ、前記予圧機構が前記ナット部と連結された筒状の微動機構と、
前記ボールネジの回転にしたがって前記ボールネジの軸方向に移動し、かつ、前記積層型圧電アクチュエータの伸縮にしたがって微小移動するように前記予圧機構と連結された被駆動体と、
を具備し、前記被駆動体を位置決めする位置決め装置であって、
前記予圧機構は、
前記積層型圧電アクチュエータをその積層方向で挟み込む２枚のリング状の台座部と、
前記積層型圧電アクチュエータの外側側面を取り囲むように、前記２枚の台座部間に前記２枚の台座部と連結して配置され、所定のばね定数を有するばねとして機能するように所定のスリットが形成された外側壁部と、
前記積層型圧電アクチュエータの内孔に挿通され、かつ、前記２枚の台座部の一方と離隔し、他方と連結された筒状の内側壁部と、
を有することを特徴とする位置決め装置、が提供される。 According to the present invention, a positioning device including a fine movement mechanism including a cylindrical stacked piezoelectric actuator and a cylindrical preload mechanism is provided. That is, according to the present invention,
A straight ball screw,
A rotation driving device for rotating the ball screw;
A nut portion screwed with the ball screw;
A cylindrical laminated piezoelectric actuator that expands and contracts in the axial direction of the ball screw; and a cylindrical preload mechanism that applies a predetermined preload to the laminated piezoelectric actuator in the stacking direction, and the ball screw is provided in an inner hole of the preload mechanism. A cylindrical fine movement mechanism in which the preload mechanism is connected to the nut portion;
A driven body connected to the preload mechanism so as to move in the axial direction of the ball screw according to the rotation of the ball screw and to move minutely according to the expansion and contraction of the stacked piezoelectric actuator;
A positioning device for positioning the driven body,
The preload mechanism is
Two ring-shaped pedestals sandwiching the stacked piezoelectric actuator in the stacking direction;
A predetermined slit is arranged between the two pedestal portions so as to surround the outer side surface of the multilayer piezoelectric actuator and is connected to the two pedestal portions so as to function as a spring having a predetermined spring constant. A formed outer wall,
A cylindrical inner wall portion that is inserted into the inner hole of the multilayer piezoelectric actuator, is spaced apart from one of the two pedestal portions, and is connected to the other;
A positioning device is provided.

このような位置決め装置には、さらに、ボールネジのその軸方向と垂直な方向へのぶれを吸収する振れ回り機構を設けることが好ましい。この振れ回り機構としては、板部材にボールネジを貫挿する穴部と、穴部の周囲がバネとして機能するように穴部の周囲の所定位置にスリットとが形成したものを用いることができる。 Such a positioning device is preferably provided with a swinging mechanism that absorbs the shake of the ball screw in the direction perpendicular to the axial direction. As the swinging mechanism, a mechanism in which a hole portion through which a ball screw is inserted into a plate member and a slit formed at a predetermined position around the hole portion so that the periphery of the hole portion functions as a spring can be used.

本発明の予圧機構は、換言すれば、積層型圧電アクチュエータを収容する容器に所定のばね定数をもたせたものであるために、積層型圧電アクチュエータに均一に予圧を与えることができ、しかも小型化が容易である。また、スリットの形状や位置、数等を調整することによって、所定のばね定数に容易に設定することができる。さらに、長さの異なる積層型圧電アクチュエータに対しても、外側壁部の長さを変えることによって容易に対応することができる。さらにまた、外側壁部にスリットを設けるという簡単な加工によって製造することができるために安価である。また、このような予圧機構を用いることにより、位置決め装置をコンパクトに構成することができる。 In other words, since the preload mechanism of the present invention has a predetermined spring constant in a container that accommodates the multilayer piezoelectric actuator, it can uniformly apply a preload to the multilayer piezoelectric actuator and can be downsized. Is easy. Moreover, it can be easily set to a predetermined spring constant by adjusting the shape, position, number, etc. of the slits. Furthermore, it is possible to easily cope with laminated piezoelectric actuators having different lengths by changing the length of the outer wall portion. Furthermore, since it can be manufactured by a simple process of providing a slit in the outer wall portion, it is inexpensive. Further, by using such a preload mechanism, the positioning device can be made compact.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明に係る予圧機構１０の概略斜視図であり、図２はその概略断面図である。予圧機構１０は、積層型圧電アクチュエータ５をその積層方向で挟み込む２枚の台座部（以下、一方の台座部を「底板部１１」といい、他方の台座部を「蓋部１２」ということとする）と、積層型圧電アクチュエータ５の側面周りを取り囲む外側壁部１３と、を有している。ここで外側壁部１３の長さ方向をＸ方向と規定する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. FIG. 1 is a schematic perspective view of a preload mechanism 10 according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic sectional view thereof. The preload mechanism 10 includes two pedestal portions (hereinafter, one pedestal portion is referred to as a “bottom plate portion 11” and the other pedestal portion is referred to as a “lid portion 12”) that sandwiches the stacked piezoelectric actuator 5 in the stacking direction. And an outer wall portion 13 surrounding the side surface of the multilayer piezoelectric actuator 5. Here, the length direction of the outer wall portion 13 is defined as the X direction.

底板部１１と蓋部１２と外側壁部１３には、ヤング率の大きい金属材料、例えば、鉄、ステンレス等が好適に用いられる。予圧機構１０は、換言すれば、積層型圧電アクチュエータ５を収容する容器である。予圧機構１０では、底板部１１と外側壁部１３は一体となっており、蓋部１２はボルト１５によって外側壁部１３の上面に固定されるようになっている。ボルト１５によって締め付けられる蓋部１２と外側壁部１３との間には、銅板等のシールリング１８（図１では図示省略）を配置することが好ましく、これにより蓋部１２と外側壁部１３との間は気密にシールされる。 For the bottom plate portion 11, the lid portion 12, and the outer wall portion 13, a metal material having a large Young's modulus, such as iron or stainless steel, is preferably used. In other words, the preload mechanism 10 is a container that houses the multilayer piezoelectric actuator 5. In the preload mechanism 10, the bottom plate portion 11 and the outer wall portion 13 are integrated, and the lid portion 12 is fixed to the upper surface of the outer wall portion 13 by a bolt 15. A seal ring 18 (not shown in FIG. 1) such as a copper plate is preferably disposed between the lid portion 12 and the outer wall portion 13 that are tightened by the bolts 15. It is sealed airtight.

外側壁部１３には、Ｘ方向に垂直にスリット１７（蓋部１２側から数えて奇数番目）とスリット１７´（蓋部１２から数えて偶数番目）とが、Ｘ方向に所定間隔Ｔで形成されており、このスリット１７・１７´が形成されている部分が、ばねとして機能する。このようなスリット１７・１７´は、公知の機械加工、例えば、砥石によるスライシング加工やレーザー加工によって形成することができる。後に詳細に説明するように、スリット１７・１７´はそれぞれ外側壁部１３に垂直な一面毎にＸ方向から見て線対称となるように設けられている。さらに、スリット１７とスリット１７´とは、Ｘ方向から見た場合に外側壁部１３の周回りに完全には重ならないように設けられている。 In the outer wall portion 13, slits 17 (odd numbers counted from the lid portion 12 side) and slits 17 ′ (even numbers counted from the lid portion 12) are formed at a predetermined interval T in the X direction perpendicular to the X direction. The portion where the slits 17 and 17 'are formed functions as a spring. Such slits 17 and 17 'can be formed by known machining, for example, slicing with a grindstone or laser machining. As will be described in detail later, the slits 17, 17 ′ are provided so as to be line symmetric when viewed from the X direction for each surface perpendicular to the outer wall portion 13. Further, the slit 17 and the slit 17 ′ are provided so as not to completely overlap around the outer wall 13 when viewed from the X direction.

積層型圧電アクチュエータ５の詳細な構造は図示しないが、積層型圧電アクチュエータ５は、一般的に知られているように、圧電セラミック板と内部電極とがＸ方向に交互に積層され、この内部電極が一層おきに接続された構造を有している。積層型圧電アクチュエータ５は、公知の接着タイプのものでも、一体焼成タイプのものでも構わない。図１には示していないが、積層型圧電アクチュエータ５の内部電極に駆動電圧を印加するためのリード線は、例えば、外側壁部１３においてスリット１７・１７´が形成されている部分から離れた位置に貫通孔を設け、この貫通孔に通して配置することができる。 Although the detailed structure of the multilayer piezoelectric actuator 5 is not shown, the multilayer piezoelectric actuator 5 includes piezoelectric ceramic plates and internal electrodes that are alternately stacked in the X direction, as is generally known. Have a structure in which every other layer is connected. The laminated piezoelectric actuator 5 may be a known adhesive type or an integral firing type. Although not shown in FIG. 1, the lead wire for applying the driving voltage to the internal electrode of the multilayer piezoelectric actuator 5 is separated from the portion where the slits 17 and 17 ′ are formed in the outer wall portion 13, for example. A through hole is provided at a position, and the through hole can be disposed through the through hole.

積層型圧電アクチュエータ５の長さをＬとし、外側壁部１３の長さ（底板部１１の上面と外側壁部１３の端面との距離）をＮとすると、ΔＬ＝Ｌ−Ｎの関係式が成り立つように、積層型圧電アクチュエータ５の長さＬが僅かに外側壁部１３の長さＮより長くなっている。このため、積層型圧電アクチュエータ５の一方の端面を底板部１１に樹脂接着剤等を用いて固定した後にボルト１５を締め付けると、外側壁部１３が伸びて外側壁部１３の端面と蓋部１２とが密着固定される。こうして底板部１１と蓋部１２とが積層型圧電アクチュエータ５にＸ方向で予圧を与える。底板部１１と蓋部１２は積層型圧電アクチュエータ５に予圧を与えている状態で変形することがなく、しかも積層型圧電アクチュエータ５を駆動した際に積層型圧電アクチュエータ５の変位に追従して変位することができる程度に、高い剛性を有している。 When the length of the multilayer piezoelectric actuator 5 is L and the length of the outer wall portion 13 (the distance between the upper surface of the bottom plate portion 11 and the end surface of the outer wall portion 13) is N, the relational expression ΔL = L−N is obtained. In order to hold, the length L of the multilayer piezoelectric actuator 5 is slightly longer than the length N of the outer wall 13. For this reason, when one end face of the laminated piezoelectric actuator 5 is fixed to the bottom plate portion 11 using a resin adhesive or the like and then the bolt 15 is tightened, the outer wall portion 13 extends and the end face of the outer wall portion 13 and the lid portion 12. And are firmly fixed. Thus, the bottom plate portion 11 and the lid portion 12 apply a preload to the multilayer piezoelectric actuator 5 in the X direction. The bottom plate portion 11 and the lid portion 12 are not deformed in a state where a preload is applied to the multilayer piezoelectric actuator 5, and are displaced following the displacement of the multilayer piezoelectric actuator 5 when the multilayer piezoelectric actuator 5 is driven. It has such a high rigidity that it can be used.

なお、樹脂接着剤を用いなくとも、積層型圧電アクチュエータ５を予圧機構１０に収容することができることはいうまでもない。また、積層型圧電アクチュエータ５を底板部１１に樹脂接着剤で固定する場合には、積層型圧電アクチュエータ５の変位が接着剤に吸収されないように、接着剤として硬度の高い材料を用い、かつ、接着層の厚さを薄くすることが好ましい。 Needless to say, the laminated piezoelectric actuator 5 can be accommodated in the preload mechanism 10 without using a resin adhesive. Further, when the laminated piezoelectric actuator 5 is fixed to the bottom plate portion 11 with a resin adhesive, a high hardness material is used as an adhesive so that the displacement of the laminated piezoelectric actuator 5 is not absorbed by the adhesive, and It is preferable to reduce the thickness of the adhesive layer.

このような予圧機構１０では、外側壁部１３全体がばねとして機能するために、積層型圧電アクチュエータ５に均一に予圧を与えることができる。また、予圧機構１０への積層型圧電アクチュエータ５のセッティングも容易である。外側壁部１３の内径は、積層型圧電アクチュエータ５の外径に応じて短くすることができるために、予圧機構１０は、小型化が容易である。 In such a preload mechanism 10, since the entire outer wall portion 13 functions as a spring, it is possible to uniformly apply a preload to the multilayer piezoelectric actuator 5. In addition, setting of the multilayer piezoelectric actuator 5 to the preload mechanism 10 is easy. Since the inner diameter of the outer wall portion 13 can be shortened in accordance with the outer diameter of the multilayer piezoelectric actuator 5, the preload mechanism 10 can be easily downsized.

次に、外側壁部１３に形成するスリット１７・１７´のパターンについて詳細に説明する。図３（ａ）はスリット１７が形成されている部分のＸ方向に垂直な面における断面図であり、図３（ｂ）はスリット１７´が形成されている部分のＸ方向に垂直な面における断面図である。 Next, the pattern of the slits 17 and 17 ′ formed in the outer wall portion 13 will be described in detail. 3A is a cross-sectional view of a portion perpendicular to the X direction of the portion where the slit 17 is formed, and FIG. 3B is a sectional view of a portion perpendicular to the X direction of the portion where the slit 17 ′ is formed. It is sectional drawing.

図３（ａ）に示されるように、つまりＸ方向から見て、スリット１７は軸Ｍについて対称となるように外側壁部１３に形成されており、２つのスリット１７間の斜線部で示した領域Ａによって外側壁部１３がＸ方向で分断されないようになっている。スリット１７とスリット１７´の形状は同じである。スリット１７´は図３（ｂ）に示されるように、スリット１７が形成されている位置を紙面内で９０度回転させた位置に設けられている。このように、スリット１７とスリット１７´とは、Ｘ方向から見た場合に外側壁部１３の周回りに完全には重ならないように、外側壁部１３に設けられている。 As shown in FIG. 3A, that is, as viewed from the X direction, the slit 17 is formed in the outer wall portion 13 so as to be symmetric with respect to the axis M, and is indicated by a hatched portion between the two slits 17. The outer wall 13 is not divided in the X direction by the region A. The shapes of the slit 17 and the slit 17 'are the same. As shown in FIG. 3B, the slit 17 ′ is provided at a position obtained by rotating the position where the slit 17 is formed by 90 degrees within the paper surface. As described above, the slit 17 and the slit 17 ′ are provided in the outer wall portion 13 so as not to completely overlap the circumference of the outer wall portion 13 when viewed from the X direction.

このようにスリット１７・１７´が形成されている外側壁部１３のばね定数に大きな影響を与える因子としては、（１）外側壁部１３を構成する材料のヤング率、（２）外側壁部１３の肉厚ｔ（図２参照）、（３）スリット１７・１７´間の幅Ｔ、（４）スリット１７・１７´の段数、（５）スリット１７間の長さＳ、が挙げられる。 Factors that greatly affect the spring constant of the outer wall 13 in which the slits 17 and 17 ′ are formed in this way are (1) Young's modulus of the material constituting the outer wall 13, and (2) the outer wall 13 (see FIG. 2), (3) the width T between the slits 17 and 17 ′, (4) the number of steps of the slits 17 and 17 ′, and (5) the length S between the slits 17.

外側壁部１３を構成する材料のヤング率が大きければ外側壁部１３のばね定数が大きくなり、外側壁部１３の肉厚が厚ければ外側壁部１３のばね定数が大きくなる。また、スリット１７・１７´間の幅Ｔが狭くなれば外側壁部１３のばね定数は小さくなり、近似的にこの幅Ｔの３乗に比例してばね定数が変化する。スリット１７・１７´の段数が多くなれば外側壁部１３のばね定数は小さくなる。外側壁部１３に形成するスリット１７・１７´の段数は、４段に限定されるものではないが、２段以上とすることが好ましい。さらに、スリット１７間の長さＳが短くなれば外側壁部１３のばね定数は小さくなる。 If the Young's modulus of the material constituting the outer wall portion 13 is large, the spring constant of the outer wall portion 13 is increased, and if the outer wall portion 13 is thick, the spring constant of the outer wall portion 13 is increased. Further, if the width T between the slits 17 and 17 'is reduced, the spring constant of the outer wall portion 13 is reduced, and the spring constant changes approximately in proportion to the cube of the width T. As the number of steps of the slits 17 and 17 ′ increases, the spring constant of the outer wall portion 13 decreases. The number of the slits 17 and 17 ′ formed in the outer wall portion 13 is not limited to four, but is preferably two or more. Furthermore, if the length S between the slits 17 is shortened, the spring constant of the outer wall 13 is reduced.

このようにスリット１７・１７´の形状や位置、数等を調整することにより、外側壁部１３のばね定数を所望の値に設定することができる。なお、外側壁部１３のばね定数は、これらの因子を考慮してＦＥＭ解析によってシミュレーションし、求めることができる。 Thus, the spring constant of the outer wall part 13 can be set to a desired value by adjusting the shape, position, number, and the like of the slits 17 and 17 '. The spring constant of the outer wall portion 13 can be obtained by simulation by FEM analysis in consideration of these factors.

外側壁部１３のばね定数が一定に定められている場合において、実際に積層型圧電アクチュエータ５に与えられる予圧の大きさは、積層型圧電アクチュエータ５の長さＬと外側壁部１３の長さＮとの差であるΔＬを調整することによって、変えることができる。具体的には、例えば、外側壁部１３の開口面を研削加工することによって外側壁部１３の長さＮを調整する。 In the case where the spring constant of the outer wall portion 13 is fixed, the magnitude of the preload actually applied to the multilayer piezoelectric actuator 5 is the length L of the multilayer piezoelectric actuator 5 and the length of the outer wall portion 13. It can be changed by adjusting ΔL, which is the difference from N. Specifically, for example, the length N of the outer wall 13 is adjusted by grinding the opening surface of the outer wall 13.

例えば、ヤング率が２１００００Ｎ／ｍｍ^２、ポアソン比が０．３の鉄系金属を用いて、外径が６０ｍｍφ、内径が４０ｍｍφ（肉厚ｔが１０ｍｍ）、長さＮが３９．８ｍｍの外側壁部１３と厚さが１０ｍｍの底板部１１とが一体となっている有底筒状容器と、厚さが１０ｍｍの蓋部１２とを準備する。この外側壁部１３に、図１〜図３に示すスリット１７・１７´のパターンで、開口面から第一段のスリット１７までの長さが１４．５ｍｍ、スリット１７・１７´の合計段数が４、Ｘ方向に隣接するスリット１７とスリット１７´の間の幅Ｔが４ｍｍ、スリット１７・１７´自体の幅（Ｘ方向幅）が１ｍｍ、スリット１７間（スリット１７´間）の長さＳが２０ｍｍとなるようにスリット１７・１７´を形成すると、この外側壁部１３のばね定数は約２２ｋＮ／ｍｍとなる。 For example, using an iron-based metal having a Young's modulus of 210000 N / mm ² and a Poisson's ratio of 0.3, an outer wall having an outer diameter of 60 mmφ, an inner diameter of 40 mmφ (wall thickness t is 10 mm), and a length N of 39.8 mm A bottomed cylindrical container in which a portion 13 and a bottom plate portion 11 having a thickness of 10 mm are integrated, and a lid portion 12 having a thickness of 10 mm are prepared. In the outer wall 13, the length from the opening surface to the first-stage slit 17 is 14.5 mm in the pattern of the slits 17 and 17 ′ shown in FIGS. 1 to 3, and the total number of the slits 17 and 17 ′ is 4. The width T between the slit 17 adjacent to the X direction and the slit 17 ′ is 4 mm, the width of the slits 17 and 17 ′ itself (X direction width) is 1 mm, and the length S between the slits 17 (between the slits 17 ′). When the slits 17 and 17 'are formed so that becomes 20 mm, the spring constant of the outer wall portion 13 becomes about 22 kN / mm.

このような底板部１１と外側壁部１３とからなる有底筒状容器に長さＬが４０ｍｍ（ΔＬ＝０．２ｍｍ）の積層型圧電アクチュエータ５を収容して蓋部１２を取り付けると、積層型圧電アクチュエータ５には、４．４ｋＮの予圧が与えられる。外側壁部１３の長さＮをさらに短くすれば、より大きな予圧を積層型圧電アクチュエータ５に与えることができる。 When the laminated piezoelectric actuator 5 having a length L of 40 mm (ΔL = 0.2 mm) is accommodated in such a bottomed cylindrical container composed of the bottom plate portion 11 and the outer wall portion 13, the lid portion 12 is attached. A preload of 4.4 kN is applied to the piezoelectric actuator 5. If the length N of the outer wall portion 13 is further shortened, a larger preload can be applied to the multilayer piezoelectric actuator 5.

このような予圧機構１０には、図４の断面図に示すように、スリット１７・１７´にシリコンゴム等の各種の軟質性樹脂２１を充填することが好ましい。これにより、積層型圧電アクチュエータ５の変位を抑制することなく、積層型圧電アクチュエータ５をその使用雰囲気から隔離して保護することができ、耐久性が高められる。 As shown in the cross-sectional view of FIG. 4, the preload mechanism 10 is preferably filled with various soft resins 21 such as silicon rubber in the slits 17 and 17 ′. Thereby, without suppressing the displacement of the multilayer piezoelectric actuator 5, the multilayer piezoelectric actuator 5 can be isolated and protected from the use atmosphere, and durability is improved.

このようにスリット１７・１７´を軟質性樹脂２１で封止しても、樹脂材料は水分（水蒸気）を完全には遮断することができないために、図５の断面図に示すように、スリット１７・１７´が形成されている部分を、積層型圧電アクチュエータ５の変位を抑制しないように、金属箔２２で撓みをもたせて覆うことも好ましい。例えば、金属箔２２は溶接により外側壁部１３に取り付けることができる。なお、スリット１７・１７´を樹脂封止し、さらにスリット１７・１７´が形成されている部分を金属箔２２で覆ってもよい。 Even if the slits 17 and 17 'are sealed with the soft resin 21, the resin material cannot completely block moisture (water vapor). Therefore, as shown in the sectional view of FIG. It is also preferable to cover the portions where 17 and 17 ′ are formed with a metal foil 22 so as to prevent the displacement of the multilayer piezoelectric actuator 5. For example, the metal foil 22 can be attached to the outer wall 13 by welding. The slits 17 and 17 ′ may be sealed with resin, and the portions where the slits 17 and 17 ′ are formed may be covered with the metal foil 22.

次に、外側壁部１３に設けるスリットの別の形態について説明する。図６は、スリット２７・２７´を外側壁部１３に形成した状態を、図３と同様に示した説明図である。スリット２７間の長さＳ´は、図１〜図３に示したスリット１７間の長さＳの１／２であり、かつ、スリット２７間の領域Ａ´の全面積が図１〜図３に示したスリット１７間の領域Ａの全面積とほぼ等しくなっている。スリット２７´は、スリット２７の位置を紙面内で４５度回転させた位置に形成されている。このようなスリット２７・２７´が形成されている予圧機構と先に説明した予圧機構１０とを比較すると、領域Ａ´の全面積と領域Ａの全面積がほぼ同じであっても、スリット間長さの短いスリット２７・２７´が形成されている場合に外側壁部１３のばね定数は大きくなる。 Next, another form of the slit provided in the outer wall portion 13 will be described. FIG. 6 is an explanatory view showing the state in which the slits 27 and 27 ′ are formed in the outer wall portion 13 in the same manner as in FIG. 3. The length S ′ between the slits 27 is ½ of the length S between the slits 17 shown in FIGS. 1 to 3, and the total area of the region A ′ between the slits 27 is as shown in FIGS. The total area of the area A between the slits 17 shown in FIG. The slit 27 'is formed at a position obtained by rotating the position of the slit 27 by 45 degrees within the paper surface. Comparing the preload mechanism in which such slits 27 and 27 'are formed with the preload mechanism 10 described above, even if the total area of the region A' and the total area of the region A are substantially the same, When the short slits 27 and 27 'are formed, the spring constant of the outer wall portion 13 is increased.

図７は、スリット２８・２８´を外側壁部１３に形成した状態を、図３と同様に示した説明図である。５箇所のスリット２８は軸Ｍについて対称となるように設けられている。スリット２８´は、スリット２８の位置を紙面内で３６度回転させた位置に形成されている。このように、スリットを形成する位置を正多角形の頂点の位置と対応させると、Ｘ方向で隣接するスリットどうしの重なり方の設定が容易である。 FIG. 7 is an explanatory view showing the state in which the slits 28 and 28 ′ are formed in the outer wall portion 13 in the same manner as FIG. The five slits 28 are provided so as to be symmetric with respect to the axis M. The slit 28 ′ is formed at a position obtained by rotating the position of the slit 28 by 36 degrees within the paper surface. As described above, when the positions where the slits are formed correspond to the positions of the vertices of the regular polygon, it is easy to set how to overlap the adjacent slits in the X direction.

次に、予圧機構の別の形態について説明する。図８は円筒型の積層型圧電アクチュエータ７を収容する予圧機構３０の概略断面図である。予圧機構３０は、積層型圧電アクチュエータ７をその積層方向で挟み込むリング状の底板部３１および蓋部３２と、積層型圧電アクチュエータ７の外側側面を取り囲む外側壁部３３と、積層型圧電アクチュエータ７の内孔に挿通された内側壁部３４と、を有している。 Next, another form of the preload mechanism will be described. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the preload mechanism 30 that houses the cylindrical laminated piezoelectric actuator 7. The preload mechanism 30 includes a ring-shaped bottom plate portion 31 and a lid portion 32 that sandwich the stacked piezoelectric actuator 7 in the stacking direction, an outer wall portion 33 that surrounds the outer side surface of the stacked piezoelectric actuator 7, and the stacked piezoelectric actuator 7. And an inner wall portion 34 inserted through the inner hole.

底板部３１と外側壁部３３とは一体であり、蓋部３２と内側壁部３４とは一体である。また、外側壁部３３と蓋部３２とはボルト１５によって連結され、外側壁部３３と蓋部３２との間にはシールリング１８が配置されている。先に説明した予圧機構１０と同様に、外側壁部１３に設けられていたスリット１７等と同じスリット１７・１７´が外側壁部３３に形成されており、外側壁部３３が積層型圧電アクチュエータ７を締め付けるばねとして機能する。積層型圧電アクチュエータ７の伸縮が妨げられないように、内側壁部３４と底板部３１とは離隔している。内側壁部３４と底板部３１との間の隙間には、例えば、樹脂を充填することができる。 The bottom plate portion 31 and the outer wall portion 33 are integral, and the lid portion 32 and the inner wall portion 34 are integral. The outer wall portion 33 and the lid portion 32 are connected by a bolt 15, and the seal ring 18 is disposed between the outer wall portion 33 and the lid portion 32. Similar to the preload mechanism 10 described above, the same slits 17 and 17 ′ as the slits 17 and the like provided in the outer wall 13 are formed in the outer wall 33, and the outer wall 33 is a laminated piezoelectric actuator. 7 functions as a spring for tightening. The inner wall portion 34 and the bottom plate portion 31 are separated from each other so that expansion and contraction of the multilayer piezoelectric actuator 7 is not hindered. The gap between the inner wall portion 34 and the bottom plate portion 31 can be filled with, for example, resin.

このような円筒型の積層型圧電アクチュエータ７と予圧機構３０とから構成される微動機構と、ボールネジ機構とを用いることにより、コンパクトな位置決め装置を構成することができる。 By using such a fine movement mechanism composed of the cylindrical laminated piezoelectric actuator 7 and the preload mechanism 30 and a ball screw mechanism, a compact positioning device can be configured.

図９は位置決め装置４０の概略構造を示す説明図であり、図１０は位置決め装置４０に用いられている微動機構５０の概略斜視図である。位置決め装置４０は、直状のボールネジ４１と、ボールネジ４１を回転させるモータ４２と、モータ４２の枢軸４２ａとボールネジ４１とを連結するカップリング４３と、ボールネジ４１と螺合し、予圧機構３０の底板部３１と連結されたナット部４４と、円筒型の積層型圧電アクチュエータ７と予圧機構３０とから構成される筒状の微動機構５０と、予圧機構３０の蓋部３２に取り付けられたブラケット４５と、ブラケット４５と連結され、ボールネジ４１の軸方向と平行に設けられたガイド４６と嵌合されているステージ４７と、ガイド４６やモータ４２等を保持する台座４８とを備えている。ボールネジ４１は予圧機構３０の内孔（内側壁部３４の内側）に挿通されているが、予圧機構３０とボールネジ４１とは螺合しておらず、同様にブラケット４５とボールネジ４１も螺合していない。ボールネジ４１の両端はベアリング部４９（図９では一方のみを示す）により支持されている。 FIG. 9 is an explanatory view showing a schematic structure of the positioning device 40, and FIG. 10 is a schematic perspective view of a fine movement mechanism 50 used in the positioning device 40. The positioning device 40 includes a straight ball screw 41, a motor 42 that rotates the ball screw 41, a coupling 43 that connects the pivot 42a of the motor 42 and the ball screw 41, and the ball screw 41, and a bottom plate of the preload mechanism 30. A nut portion 44 connected to the portion 31, a cylindrical fine movement mechanism 50 including the cylindrical laminated piezoelectric actuator 7 and the preload mechanism 30, and a bracket 45 attached to the lid portion 32 of the preload mechanism 30. The stage 47 is connected to the bracket 45 and fitted with a guide 46 provided in parallel to the axial direction of the ball screw 41, and a pedestal 48 for holding the guide 46, the motor 42, and the like. The ball screw 41 is inserted into the inner hole of the preload mechanism 30 (inside the inner wall portion 34), but the preload mechanism 30 and the ball screw 41 are not screwed together, and similarly the bracket 45 and the ball screw 41 are screwed together. Not. Both ends of the ball screw 41 are supported by bearing portions 49 (only one is shown in FIG. 9).

このような構造を有する位置決め装置４０では、ナット部４４とステージ４７とはブラケット４５および予圧機構３０を介して連結されているので、モータ４２を駆動してボールネジ４１を回転させることにより、ステージ４７をボールネジ４１の軸方向で移動させることができる。つまり、モータ４２の駆動によりステージ４７のおおまかな位置合わせを行うことができる。また、伸縮自在な微動機構５０がナット部４４とブラケット４５との間に挟まれているので、ボールネジ４１を静止させてナット部４４を不動とした状態において、積層型圧電アクチュエータ７を伸縮させることにより、ボールネジ４１の軸方向にステージ４７を積層型圧電アクチュエータの伸縮（微動機構５０の伸縮）にしたがって微小移動させることができる。つまり、微動機構５０の伸縮によりステージ４７をさらに精密に位置決めすることができる。 In the positioning device 40 having such a structure, since the nut portion 44 and the stage 47 are connected via the bracket 45 and the preload mechanism 30, the stage 47 is driven by rotating the ball screw 41 by driving the motor 42. Can be moved in the axial direction of the ball screw 41. In other words, the stage 47 can be roughly aligned by driving the motor 42. Further, since the telescopic fine movement mechanism 50 is sandwiched between the nut portion 44 and the bracket 45, the laminated piezoelectric actuator 7 can be expanded and contracted in a state where the ball screw 41 is stationary and the nut portion 44 is not moved. Thus, the stage 47 can be finely moved in the axial direction of the ball screw 41 in accordance with the expansion and contraction of the multilayer piezoelectric actuator (extension and contraction of the fine movement mechanism 50). That is, the stage 47 can be positioned more precisely by extending and contracting the fine movement mechanism 50.

なお、先に説明した図４および図５に示されるように、位置決め装置４０に用いられる微動機構５０の予圧機構３０の外側壁部３３に設けられたスリット１７・１７´は、樹脂封止され、および／または金属箔により被覆されていることが好ましい。また、内側壁部３４と底板部３１との間隙部が樹脂封止されていることも好ましい。これにより、例えば、位置決め装置４０が湿度の高い雰囲気等で用いられる場合であっても、積層型圧電アクチュエータ７をその環境から保護することができる。 4 and 5 described above, the slits 17 and 17 'provided in the outer wall portion 33 of the preload mechanism 30 of the fine movement mechanism 50 used in the positioning device 40 are resin-sealed. And / or is preferably covered with a metal foil. It is also preferable that the gap between the inner wall portion 34 and the bottom plate portion 31 is resin-sealed. Thereby, for example, even when the positioning device 40 is used in an atmosphere with high humidity, the laminated piezoelectric actuator 7 can be protected from the environment.

図１１は、Ｚ方向厚さを薄くした予圧機構３０´の内部に２個の直方体型（Ｘ方向が長手方向であり、かつ伸縮方向である）の積層型圧電素子（図示せず）がボールネジ４１をＹ方向で挟むように配置されてなる微動機構５０´の概略斜視図である。位置決め装置４０に、先に示した微動機構５０に代えてこの微動機構５０´を用いることにより、位置決め装置４０の厚さ（Ｚ方向厚さ）を薄くして、コンパクトな構成とすることができる。 FIG. 11 shows two cuboid-type (X direction is a longitudinal direction and expansion / contraction direction) stacked piezoelectric element (not shown) inside a preload mechanism 30 ′ with a reduced thickness in the Z direction. It is a schematic perspective view of fine movement mechanism 50 'arrange | positioned so that 41 may be pinched | interposed in a Y direction. By using this fine movement mechanism 50 ′ in place of the fine movement mechanism 50 described above for the positioning apparatus 40, the thickness (Z-direction thickness) of the positioning apparatus 40 can be reduced and a compact configuration can be achieved. .

図１２に示す微動機構５０″は、図１１に示した微動機構５０´に振れ回り機構６０を設けた構造を有している。この微動機構５０″は先に示した微動機構５０・５０´に代えて位置決め装置４０に用いることができ、振れ回り機構６０はステージ４７（図９参照）に取り付けられる。振れ回り機構６０は、板部材６１にスリット６２が同心円状に形成された構造を有しており、図１２に示す状態において、このスリット６２が形成されている部分はＹ−Ｚ面内で変位可能な剛性の弱いバネとして機能するようになっている。 A fine movement mechanism 50 ″ shown in FIG. 12 has a structure in which the fine movement mechanism 50 ′ shown in FIG. 11 is provided with a swinging mechanism 60. The fine movement mechanism 50 ″ includes the fine movement mechanisms 50 and 50 ′ described above. Instead of this, it can be used for the positioning device 40, and the swing mechanism 60 is attached to the stage 47 (see FIG. 9). The swing mechanism 60 has a structure in which slits 62 are formed concentrically on the plate member 61. In the state shown in FIG. 12, the portion where the slits 62 are formed is displaced in the YZ plane. It is designed to function as a possible weak spring.

例えば、ボールネジ４１の軸方向とステージ４７の走りが完全に一致していない場合でも振れ回り機構６０が設けられていれば、ボールネジ４１がその軸方向と垂直な方向（つまり、Ｙ−Ｚ面内）でぶれても、その振れ回り（変位）が振れ回り機構６０のバネによって吸収されるため、ボールネジ４１等の動きが悪くなったり、位置決め精度が低下するといった問題の発生を回避することができる。このような効果は、積層型圧電素子（図示せず）がＸ方向からずれて変位した場合にも得ることができる。 For example, even if the axial direction of the ball screw 41 and the running of the stage 47 do not completely match, if the swing mechanism 60 is provided, the ball screw 41 is in a direction perpendicular to the axial direction (that is, in the YZ plane). ) Is absorbed by the spring of the swing mechanism 60, so that problems such as poor movement of the ball screw 41 and reduced positioning accuracy can be avoided. . Such an effect can also be obtained when a laminated piezoelectric element (not shown) is displaced from the X direction.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、図１には円柱型の積層型圧電アクチュエータ５を示したが、積層型圧電アクチュエータは直方体形状であってもよい。この場合には、外側壁部１３として円筒状のものを用いてもよいし、角筒状のものを用いてもよい。また、本発明の予圧機構には、図１３の断面図に示す蓋部１２´のように、その外表面側に突起部１２ａを有するものを用いてもよい。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such a form. For example, FIG. 1 shows a cylindrical stacked piezoelectric actuator 5, but the stacked piezoelectric actuator may have a rectangular parallelepiped shape. In this case, the outer wall portion 13 may be a cylindrical shape or a rectangular tube shape. Moreover, you may use for the preload mechanism of this invention what has the projection part 12a in the outer surface side like lid | cover part 12 'shown in sectional drawing of FIG.

図３（ａ）に示したスリット１７を外側壁部１３に設ける場合には、一段目のスリットを図３（ａ）のように配置し、二段目のスリットを図３（ａ）に示した状態を紙面内において９０度回転させた位置（図３（ｂ）と同じ）に配置し、三段目のスリットは図３（ａ）に示した状態を紙面内において時計回りに４５度回転させた位置に配置し、四段目のスリットは図３（ａ）に示した状態を紙面内において反時計回りに４５度回転させた位置に配置してもよい。 When the slit 17 shown in FIG. 3 (a) is provided in the outer wall 13, the first-stage slit is arranged as shown in FIG. 3 (a), and the second-stage slit is shown in FIG. 3 (a). The third stage slit is rotated 45 degrees clockwise in the plane of the paper shown in FIG. 3A. The fourth slit may be arranged at a position obtained by rotating the state shown in FIG. 3A by 45 degrees counterclockwise in the drawing.

図１４（ａ）の断面図に示すように、長さＮが一定の外側壁部１３を備えた予圧機構１０に、長さＮよりも相当に短い積層型圧電アクチュエータ５ａを装着する場合には、積層型圧電アクチュエータ５ａに所定の予圧が与えられるように、積層型圧電アクチュエータ５ａと蓋部１２との間に所定長さのスペーサ６ａを配置すればよい。このスペーサ６ａは底板部１１側に配置してもよい。 As shown in the cross-sectional view of FIG. 14A, when the stacked piezoelectric actuator 5a that is considerably shorter than the length N is attached to the preload mechanism 10 having the outer wall 13 having a constant length N. A spacer 6a having a predetermined length may be disposed between the multilayer piezoelectric actuator 5a and the lid 12 so that a predetermined preload is applied to the multilayer piezoelectric actuator 5a. The spacer 6a may be disposed on the bottom plate part 11 side.

反対に、図１４（ｂ）の断面図に示すように、長さＬが一定の外側壁部１３を備えた予圧機構１０に、長さがＬよりも長い積層型圧電アクチュエータ５ｂを装着する場合には、長い積層型圧電アクチュエータ５ｂに所定の予圧が与えられるように、外側壁部１３と蓋部１２との間に所定長さのスペーサ６ｂを配置すればよい。 On the contrary, as shown in the cross-sectional view of FIG. 14B, when the stacked piezoelectric actuator 5b having a length longer than L is attached to the preload mechanism 10 having the outer wall portion 13 having a constant length L. In this case, a spacer 6b having a predetermined length may be disposed between the outer wall portion 13 and the lid portion 12 so that a predetermined preload is applied to the long laminated piezoelectric actuator 5b.

外側壁部１３に形成するスリットは、図１〜図３に示したように、必ずしもＸ方向に垂直な面内になければならないものではない。図１５は外側壁部１３に設けることができるスリットの別の形態を外側壁部１３の平面展開図に示した説明図である。図１５（ａ）に示すスリット２９ａは、Ｘ方向と所定の角度θで交差するように形成されている。この交差角度θが９０度未満であれば、理論的に外側壁部１３をばねとして機能させることができ、交差角度θが大きくなるとばね定数は大きくなり、交差角度θが小さくなるとばね定数は小さくなる。また、図１５（ｂ）に示すスリット２９ｂは三角波様の形態を有している。この三角波の形態に代えて、ＳＩＮ波様の形態としてもよい。このようなスリット２９ｂでも、外側壁部１３はばねとして機能する。 As shown in FIGS. 1 to 3, the slit formed in the outer wall portion 13 does not necessarily have to be in a plane perpendicular to the X direction. FIG. 15 is an explanatory view showing another form of the slit that can be provided in the outer wall portion 13 in a plan development view of the outer wall portion 13. The slit 29a shown in FIG. 15A is formed so as to intersect the X direction at a predetermined angle θ. If the crossing angle θ is less than 90 degrees, the outer wall 13 can theoretically function as a spring. When the crossing angle θ increases, the spring constant increases, and when the crossing angle θ decreases, the spring constant decreases. Become. Further, the slit 29b shown in FIG. 15B has a triangular wave shape. Instead of this triangular wave form, a SIN wave form may be used. Even in such a slit 29b, the outer wall 13 functions as a spring.

上記説明においては、予圧機構１０として底板部１１と外側壁部１３とが一体である構造を示したが、蓋部１２を外側壁部１３にボルト１５で固定したのと同様に、底板部１１を外側壁部１３とは別体とし、かつ、底板部１１をボルトにより外側壁部１３に取り付け自在な構造としてもよい。この場合には、所定長さの筒材を所定長さで切断することによって、積層型圧電アクチュエータ５の長さＬに応じて、所望される異なる長さＮの外側壁部１３用部材を容易に準備することができる。 In the above description, a structure in which the bottom plate portion 11 and the outer wall portion 13 are integrated as the preload mechanism 10 is shown, but the bottom plate portion 11 is the same as the case where the lid portion 12 is fixed to the outer wall portion 13 with the bolt 15. The outer wall 13 may be separated from the outer wall 13 and the bottom plate 11 may be attached to the outer wall 13 with a bolt. In this case, the member for the outer wall portion 13 having a different desired length N can be easily obtained according to the length L of the multilayer piezoelectric actuator 5 by cutting the cylindrical material having a predetermined length. Can be prepared.

積層型圧電アクチュエータと本発明の予圧機構からなる微動機構は、位置決め装置や微小振動発生装置として好適である。また、本発明の位置決め装置は、各種工作・加工機械、半導体製造装置等に好適である。 A fine movement mechanism comprising a laminated piezoelectric actuator and the preload mechanism of the present invention is suitable as a positioning device or a minute vibration generator. Further, the positioning device of the present invention is suitable for various machine / processing machines, semiconductor manufacturing devices, and the like.

本発明に係る予圧機構の一実施形態を示す概略斜視図。1 is a schematic perspective view showing an embodiment of a preload mechanism according to the present invention. 図１に示す予圧機構の概略断面図。FIG. 2 is a schematic sectional view of the preload mechanism shown in FIG. 1. スリット部のＸ方向に垂直な断面図。Sectional drawing perpendicular | vertical to the X direction of a slit part. スリット部に樹脂を充填した形態を示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows the form which filled the slit part with resin. スリットを金属箔で覆った形態を示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows the form which covered the slit with metal foil. 別のスリットの形態を図３と同様に示した説明図。Explanatory drawing which showed the form of another slit similarly to FIG. さらに別のスリットの形態を図３と同様に示した説明図。Furthermore, the explanatory view which showed the form of another slit similarly to FIG. 本発明に係る予圧機構の別の実施形態を示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows another embodiment of the preload mechanism which concerns on this invention. 位置決め装置の構造を示す説明図。Explanatory drawing which shows the structure of a positioning device. 図９に示す位置決め装置に用いられる微動機構の概略構造を示す斜視図。The perspective view which shows schematic structure of the fine movement mechanism used for the positioning apparatus shown in FIG. 位置決め装置に用いられる別の微動機構の概略構造を示す斜視図。The perspective view which shows schematic structure of another fine movement mechanism used for a positioning apparatus. 位置決め装置に用いられるさらに別の微動機構の概略構造を示す斜視図。The perspective view which shows schematic structure of another fine movement mechanism used for a positioning apparatus. 蓋部の別の実施形態を示す断面図。Sectional drawing which shows another embodiment of a cover part. 予圧機構へスペーサを用いて積層型圧電アクチュエータを配置した形態を示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows the form which has arrange | positioned the lamination type piezoelectric actuator using the spacer to the preload mechanism. さらに別のスリットの形態を外側壁部を平面展開して示した説明図。Furthermore, the explanatory view which showed the form of another slit which developed the outside wall part plane.

符号の説明Explanation of symbols

５・５ａ・５ｂ…積層型圧電アクチュエータ、６ａ・６ｂ…スペーサ、７…積層型圧電アクチュエータ、１０…予圧機構、１１…底板部、１２…蓋部、１２ａ…突起部、１３…外側壁部、１５…ボルト、１７・１７´…スリット、１８…シールリング、２１…樹脂、２２…金属箔、２７・２７´…スリット、２８・２８´…スリット、２９ａ・２９ｂ…スリット、３０・３０´…予圧機構、３１…底板部、３２…蓋部、３３…外側壁部、３４…内側壁部、４０…位置決め装置、４１…ボールネジ、４２…モータ、４２ａ…枢軸、４３…カップリング、４４…ナット部、４５…ブラケット、４６…ガイド、４７…ステージ、４８…台座、４９…ベアリング部、５０・５０´…微動機構、６０…振れ回り機構、６１…板部材、６２…スリット 5 · 5a · 5b ... laminated piezoelectric actuator, 6a · 6b ... spacer, 7 ... laminated piezoelectric actuator, 10 ... preload mechanism, 11 ... bottom plate portion, 12 ... lid portion, 12a ... projection, 13 ... outer wall portion, 15 ... Bolt, 17/17 '... Slit, 18 ... Seal ring, 21 ... Resin, 22 ... Metal foil, 27/27' ... Slit, 28/28 '... Slit, 29a / 29b ... Slit, 30/30' ... Preload mechanism, 31 ... bottom plate, 32 ... lid, 33 ... outer wall, 34 ... inner wall, 40 ... positioning device, 41 ... ball screw, 42 ... motor, 42a ... pivot, 43 ... coupling, 44 ... nut , 45 ... bracket, 46 ... guide, 47 ... stage, 48 ... pedestal, 49 ... bearing part, 50 · 50 '... fine movement mechanism, 60 ... swinging mechanism, 61 ... plate member, 62 ... slit

Claims

積層型圧電アクチュエータの積層方向に所定の予圧を与える積層型圧電アクチュエータ用予圧機構であって、
前記積層型圧電アクチュエータをその積層方向で挟み込む２枚の台座部と、
前記積層型圧電アクチュエータの外周側面を取り囲むように、前記２枚の台座部間に前記２枚の台座部と連結して配置される筒状の外側壁部と、
を有し、
前記外側壁部が所定のばね定数を有するばねとして機能するように前記外側壁部に所定のスリットが形成され、前記２枚の台座部が前記積層型圧電アクチュエータに所定の予圧を与えることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ用予圧機構。 A preload mechanism for a multilayer piezoelectric actuator that applies a predetermined preload in the stacking direction of the multilayer piezoelectric actuator,
Two pedestals that sandwich the stacked piezoelectric actuator in the stacking direction;
A cylindrical outer wall portion disposed between the two pedestal portions and connected to the two pedestal portions so as to surround an outer peripheral side surface of the multilayer piezoelectric actuator;
Have
A predetermined slit is formed in the outer wall portion so that the outer wall portion functions as a spring having a predetermined spring constant, and the two pedestal portions apply a predetermined preload to the stacked piezoelectric actuator. A preload mechanism for stacked piezoelectric actuators.

前記２枚の台座部のうちの１の台座部は前記外側壁部と一体であることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータ用予圧機構。 2. The preload mechanism for a stacked piezoelectric actuator according to claim 1, wherein one of the two pedestals is integrated with the outer wall.

筒型の積層型圧電アクチュエータの積層方向に所定の予圧を与える積層型圧電アクチュエータ用予圧機構であって、
前記積層型圧電アクチュエータをその積層方向で挟み込むリング状の２枚の台座部と、
前記積層型圧電アクチュエータの外側側面を取り囲むように、前記２枚の台座部間に前記２枚の台座部と連結して配置された筒状の外側壁部と、
前記積層型圧電アクチュエータの内孔に挿通され、前記２枚の台座部の一方とは離隔し、他方とは連結された筒状の内側壁部と、
を有し、
前記外側壁部が所定のばね定数を有するばねとして機能するように前記外側壁部に所定のスリットが形成され、前記２枚の台座部が前記積層型圧電アクチュエータに所定の予圧を与えることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ用予圧機構。 A preload mechanism for a stacked piezoelectric actuator that applies a predetermined preload in the stacking direction of a cylindrical stacked piezoelectric actuator,
Two ring-shaped pedestals sandwiching the stacked piezoelectric actuator in the stacking direction;
A cylindrical outer wall portion disposed so as to be connected to the two pedestal portions between the two pedestal portions so as to surround an outer side surface of the multilayer piezoelectric actuator;
A cylindrical inner wall portion that is inserted into an inner hole of the multilayer piezoelectric actuator, separated from one of the two pedestal portions, and connected to the other;
Have
A predetermined slit is formed in the outer wall portion so that the outer wall portion functions as a spring having a predetermined spring constant, and the two pedestal portions apply a predetermined preload to the stacked piezoelectric actuator. A preload mechanism for stacked piezoelectric actuators.

前記２枚の台座部のうちの一方は前記外側壁部と一体であり、他方は前記内側壁部と一体であることを特徴とする請求項３に記載の積層型圧電アクチュエータ用予圧機構。 4. The preload mechanism for a stacked piezoelectric actuator according to claim 3, wherein one of the two pedestals is integral with the outer wall and the other is integral with the inner wall.

前記２枚の台座部のうちの少なくとも１の台座部と前記外側壁部とは、ボルト締めにより連結されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の積層型圧電アクチュエータ用予圧機構。 The laminated mold according to any one of claims 1 to 4, wherein at least one of the two pedestals is connected to the outer wall by bolting. Preload mechanism for piezoelectric actuators.

前記ボルト締めにより連結される前記外側壁部と前記台座部との間にシール部材が挟まれていることを特徴とする請求項５に記載の積層型圧電アクチュエータ用予圧機構。 The preload mechanism for a stacked piezoelectric actuator according to claim 5, wherein a seal member is sandwiched between the outer wall portion and the pedestal portion connected by the bolting.

前記スリットは、前記外側壁部の長さ方向に略垂直に所定間隔で複数形成され、かつ、前記外側壁部に垂直な一面毎に前記外側壁部の長さ方向から見て線対称となるように配置されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の積層型圧電アクチュエータ用予圧機構。 A plurality of the slits are formed at a predetermined interval substantially perpendicular to the length direction of the outer wall portion, and are symmetrical with respect to each surface perpendicular to the outer wall portion when viewed from the length direction of the outer wall portion. The preload mechanism for a laminated piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 6, wherein the preload mechanism is arranged as described above.

前記外側壁部の長さ方向において隣接するスリットどうしは、前記外側壁部の長さ方向から見た場合に前記外側壁部の周回りで完全には重ならないように形成されていることを特徴とする請求項７に記載の積層型圧電アクチュエータ用予圧機構。 The slits adjacent in the length direction of the outer wall portion are formed so as not to overlap completely around the outer wall portion when viewed from the length direction of the outer wall portion. The preload mechanism for a laminated piezoelectric actuator according to claim 7.

前記スリットが樹脂封止されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の積層型圧電アクチュエータ用予圧機構。 9. The preload mechanism for a laminated piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the slit is sealed with resin.

前記外側壁部において前記スリットが形成されている部分が金属箔で覆われていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の積層型圧電アクチュエータ用予圧機構。 The preload mechanism for a laminated piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 9, wherein a portion of the outer wall portion where the slit is formed is covered with a metal foil.

直状のボールネジと、
前記ボールネジを回転させる回転駆動装置と、
前記ボールネジと螺合するナット部と、
前記ボールネジの軸方向に伸縮する筒状の積層型圧電アクチュエータと、前記積層型圧電アクチュエータにその積層方向において所定の予圧を与える筒状の予圧機構とを備え、前記予圧機構の内孔に前記ボールネジが挿通され、かつ、前記予圧機構が前記ナット部と連結された筒状の微動機構と、
前記ボールネジの回転にしたがって前記ボールネジの軸方向に移動し、かつ、前記積層型圧電アクチュエータの伸縮にしたがって微小移動するように前記予圧機構と連結された被駆動体と、
を具備し、前記被駆動体を位置決めする位置決め装置であって、
前記予圧機構は、
前記積層型圧電アクチュエータをその積層方向で挟み込む２枚のリング状の台座部と、
前記積層型圧電アクチュエータの外側側面を取り囲むように、前記２枚の台座部間に前記２枚の台座部と連結して配置され、所定のばね定数を有するばねとして機能するように所定のスリットが形成された外側壁部と、
前記積層型圧電アクチュエータの内孔に挿通され、かつ、前記２枚の台座部の一方と離隔し、他方と連結された筒状の内側壁部と、
を有することを特徴とする位置決め装置。 A straight ball screw,
A rotation driving device for rotating the ball screw;
A nut portion screwed with the ball screw;
A cylindrical laminated piezoelectric actuator that expands and contracts in the axial direction of the ball screw; and a cylindrical preload mechanism that applies a predetermined preload to the laminated piezoelectric actuator in the laminating direction, and the ball screw is provided in an inner hole of the preload mechanism. A cylindrical fine movement mechanism in which the preload mechanism is connected to the nut portion;
A driven body connected to the preload mechanism so as to move in the axial direction of the ball screw according to the rotation of the ball screw and to move minutely according to the expansion and contraction of the stacked piezoelectric actuator;
A positioning device for positioning the driven body,
The preload mechanism is
Two ring-shaped pedestals sandwiching the stacked piezoelectric actuator in the stacking direction;
A predetermined slit is disposed between the two pedestal portions so as to surround the outer side surface of the multilayer piezoelectric actuator and is connected to the two pedestal portions so as to function as a spring having a predetermined spring constant. A formed outer wall,
A cylindrical inner wall portion that is inserted into the inner hole of the multilayer piezoelectric actuator, is spaced apart from one of the two pedestal portions, and is connected to the other;
A positioning apparatus comprising:

前記ナット部は前記予圧機構を挟み込むように２部設けられ、そのうちの一方に前記被駆動体が連結されていることを特徴とする請求項１１に記載の位置決め装置。 The positioning device according to claim 11, wherein the nut portion is provided in two portions so as to sandwich the preload mechanism, and the driven body is connected to one of them.

前記スリットは、前記外側壁部の長さ方向に略垂直に所定間隔で複数形成され、かつ、前記外側壁部に垂直な一面毎に前記外側壁部の長さ方向から見て線対称となるように配置されていることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の位置決め装置。 A plurality of the slits are formed at a predetermined interval substantially perpendicular to the length direction of the outer wall portion, and are symmetrical with respect to each surface perpendicular to the outer wall portion when viewed from the length direction of the outer wall portion. The positioning device according to claim 11, wherein the positioning device is arranged as described above.

前記外側壁部の長さ方向において隣接するスリットどうしは、前記外側壁部の長さ方向から見た場合に前記外側壁部の周回りで完全には重ならないように形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の位置決め装置。 The slits adjacent in the length direction of the outer wall portion are formed so as not to overlap completely around the outer wall portion when viewed from the length direction of the outer wall portion. The positioning device according to claim 13.

前記スリットが樹脂封止されていることを特徴とする請求項１１から請求項１４のいずれか１項に記載の位置決め装置。 The positioning device according to claim 11, wherein the slit is resin-sealed.

前記外側壁部において前記スリットが形成されている部分が金属箔で覆われていることを特徴とする請求項１１から請求項１５のいずれか１項に記載の位置決め装置。 The positioning device according to any one of claims 11 to 15, wherein a portion of the outer wall portion where the slit is formed is covered with a metal foil.

前記ボールネジのその軸方向と垂直な方向へのぶれを吸収する振れ回り機構をさらに具備することを特徴とする請求項１１から請求項１６のいずれか１項に記載の位置決め装置。 The positioning device according to any one of claims 11 to 16, further comprising a swinging mechanism that absorbs a shake of the ball screw in a direction perpendicular to an axial direction thereof.

前記振れ回り機構は、前記ボールネジを貫挿する穴部と、前記穴部の周囲がバネとして機能するように前記穴部の周囲の所定位置に形成されたスリットと、を有する板部材からなることを特徴とする請求項１７に記載の位置決め装置。 The whirling mechanism includes a plate member having a hole portion through which the ball screw is inserted, and a slit formed at a predetermined position around the hole portion so that the periphery of the hole portion functions as a spring. The positioning device according to claim 17.