JP2012520989A - 電気機械式位置決め装置と方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小さく良好に操作でき、その上、選択された駆動手段と無関係に管状圧電素子の内部でロータの正確な案内を可能とするロータの電気機械式位置決め装置を準備すること【解決手段】この発明は圧電素子の内部にロータを電気機械式位置決めする少なくとも一つの管状圧電素子を備える装置に関する。これは、ロータに垂直力を及ぼすために圧電素子と接続された少なくとも一つの弾性摩擦手段を備えることを特徴とする。装置を制御する方法が開示されている。

Description

この発明は、電気機械式に位置決めする装置と方法に関する。

この種の装置はナノメートル領域、例えば走査ゾンデ顕微鏡においてゾンデを位置決めするために、使用される。この装置は電気入力値（電圧）を機械出力値（位置）に変換する。この場合には、例えば管状圧電素子が始動されて、圧電要素の内部で移動できるロータを、ゾンデとして機能を果たすワイヤを慣性駆動体によって管状摩擦表面に対して移動させる。この運動を奏するために、管状圧電素子が鋸歯状電圧経過を作用される。電圧が圧電素子の内外電極の間に設置されて、圧電経過が圧電素子内のロータの交流半部とすべりを生じる。ロータが鋸歯パルスの平らな側面中に圧電素素の内部の摩擦表面に付着し、その急な傾斜側面中にすべる。

欠点として、迅速な運転が圧電素子における鋸歯パルス中に圧電素子或いは可動された物体自体の下敷きの望まれなかった揺動を生じる。

圧電素子を含める前記駆動体が例えば国際公開第９４／０６１６０号明細書（特許文献１）に採用すべきである。ロータが正確さをもって下までナノメートル領域に移動され得る。上記ロータが一つのワイヤから成る。ロータが摩擦表面に押圧される力は、慣性駆動体の機能のために重大である。ワイヤ或いはロータの際に、この力はワイヤ自体の曲げによって奏される。正確な力は経験的にワイヤの種々の曲げによって適合されなければならない。これは、欠点として、時間のかかる難しい方法工程である。ワイヤの端部が走査トンネル式顕微鏡中に走査先端、即ちゾンデを形成する。先端の各交換の際には、欠点として、全ロータが交換されなければならなく、交換されたロータ用の力が新たに適合される。真空中では、ロータの交換がほとんど不可能である、というのは、針状ロータが管状摩擦表面から離れる装置を有しないからである。

ドイツ特許出願公開第４４４０７５８号明細書（特許文献２）から、曲げ要素を含める質量ユニットから成るロータが知られているので、摩擦力の強度は曲げ要素の曲げにわたり調整され得る。それによってより重い物体も位置決めされ得る。

この位置決め装置では、装置を操作できる非常に僅かな場所しか存在しないことが欠点である。僅かな場所しか存在しないから、位置決めユニットが出来るだけ小さく製造されるべきであるので、装置の出来るだけ大きい安定性と高い固有周波数を達成できる。結局、位置決めを行う質量ユニットが欠点として、管状摩擦表面に対して斜めであって、管状圧電素子が傾斜する。これは、欠点として、質量ユニットが摩擦表面と管圧電素子と軸方向に整合されていない結果を生じる。外に、質量ユニットの傾斜された配列が不正確な案内と摩擦特性の思いかけない変動とを生じる。この摩擦特性の思いかけない変動は慣性駆動体の機能を制限し、ロータが引っ掛かるので、位置決めユニットの故障を生じる。

慣性駆動体自体も欠点である。慣性駆動体では、圧電素子の質量とロータの質量が高い加速によって移動する。これは、欠点として、加速が揺動と振動の形態でロータに固定された物体に伝達するという結果を生じる。さらに、圧電素子におけるこの力は、第三ニュートン公理に基づいて土台に伝達される。それで、揺動運動も、ナノ位置決め器が固定されているベースプレートに伝達できる。

それ故に、他の駆動方法を備える他の位置決め装置は米国特許第４８７４９７９号明細書（特許文献３）に採用すべきである。この場合には、ロータとしての内側シリンダが交互に三つの圧電的に駆動されたクランプにより保持される。クランプの間隔は圧電素子の伸張或いは収縮によって調整されて、内部シリンダの公正な運動を生じる。好ましくは、このナノマニピュレーターが慣性駆動体の速い加速を回避する。しかし、クランプの少なくとも一つが常に高電圧下にあるので、内部シリンダが固定保持されることが欠点である。クランプによるシリンダの固定保持はこの「インチ虫」と呼ばれる位置決めユニットの駆動用の必要な条件である。「インチ虫」の場合には、常にある電圧が圧電電気クランプに印加されて、ロータを固定保持する。走査トンネル式顕微鏡に位置決めユニットの使用の際に、この電圧がロータをクランプするように、しかし、欠点として、電気的障害を測定されたトンネル電流に伝達できる。この障害を回避するために、この高電圧は非常に僅かなノイズのみ、例えば１ｍＶ未満である。これは、追加的費用と価格となり、安定な電圧供給を生成する。

国際公開第９４／０６１６０号明細書 ドイツ特許出願公開第４４４０７５８号明細書 米国特許第４８７４９７９号明細書

この発明の課題は、小さく良好に操作でき、その上、選択された駆動手段と無関係に管状圧電素子の内部でロータの正確な案内を可能とするロータの電気機械式位置決め装置を準備することである。さらに、この発明の課題は、公知の慣性駆動体とは違って、揺動なしに作動するこの種の装置を制御する方法を提供することである。

この課題は、請求項１と７に基づく装置によって並びに従属請求項に基づく方法によって解決される。

この装置は、圧電素子の内部のロータを電気機械式に位置決めする少なくとも一つの管状圧電要素を有する。この圧電素子が始動する電極と接続部を有する。

この装置は、圧電素子の内部のロータへの垂直力を及ぼす圧電素子と接続した少なくとも一つの電気手段を有する。この摩擦表面が弾性手段とロータの間の接触表面である。

弾性手段はこの発明の構成で伝導性材料、例えば銅ベリリウムから成る。伝導性によって走査先端によって導き出たトンネル電流が直接に手段を介して導き出されて評価され得る。

弾性手段は垂直力を及ぼすように、湾曲され得る。この発明による手段は、湾曲された内部部材によってばね力をロータへの垂直力を及ぼし得るケーブル接続部である。弾性手段は板ばねである。各弾性手段は好ましくは一定の永久的垂直力をロータ上へ及ぼす。

弾性手段用の材料としての銅ベリリウムは好ましい高い弾性を有する。それは比較的に硬質で良好に加工でき、それを湾曲された弾性手段を構成させる。これは例えば管状手段の刻み目と見做される。その上、それは電気伝導である。比較可能な特性を備える他の材料が使用できる。

弾性手段の傍に、直接或いは間接に圧電要素と接続されている静止摩擦手段もロータを案内し、垂直力を受けるように使用され得る。静止手段は一つの摩擦面を有する。摩擦面は静止手段とロータの間の接触面である。静止摩擦手段の可能な構成がサファイア半球である。静止摩擦手段と弾性摩擦手段は次に摩擦手段と呼ばれている。

圧電素子の軸方向位置に固定されている摩擦手段は一つのグループの摩擦手段を形成する。それ故に、一つのグループは少なくとも唯一の摩擦手段を包含する。圧電素子の軸方向伸張或いは収縮の際には、一つのグループの摩擦手段が同期的に移動される。

摩擦手段は直接に圧電素子と接続できる。それは特に間接に接続要素を介して圧電素子と接続できる。

接続要素として例えば多少とも短い管と円板が可能であり、圧電素子の一端と接続されている。さらに、短い接続要素が末端の円板と呼ばれる。円板は一つの開口を有する。円板は特にセラミックから成る。末端円板、或いはその開口には、ロータが案内されるか、或いは位置決めされる。さらに、長い管状接続要素が共軸方向保持体と呼ばれて、複数の摩擦手段の同期運動を奏する。そのような長い管状接続要素がロータの案内中にこの摩擦手段ではなく、むしろ、接続要素に配置された摩擦手段のみに基因する。

接続要素の内面には、摩擦手段が配置されている。接続要素は管と円板としてロータが軸方向に案内される一つの開口を有する。摩擦手段はその及ぼす力に関して圧電素子の内部に向けられるので、接続要素の開口を通るロータの軸方向位置決めが行われる。摩擦手段は例えば付着接着剤を介して接続要素と接続され、この接続要素を介して圧電素子の内面と接続されている。

摩擦手段は末端円板と共軸方向保持体には接続要素として固定されて、この保持体を介して圧電素子と接続できる。共軸方向保持体は共軸方向に圧電素子のほぼ全長にわたりこの圧電素子に配置されている。共軸方向保持体には、ロータが特に好ましくは非常に安定に案内されている。共軸方向保持体が一部材で形成され得る。この保持体が一端のみで圧電素子と接続され得る。共軸方向保持体は末端円板によって接続要素として一端で圧電素子と接続され得る。共軸方向保持体の他端が圧電素子の内部で自由に、即ち固定されずに存在する。共軸方向保持体の縦方向にわたり、他の摩擦手段が配置され得る。

この発明の構成では、ロータは共軸方向保持体に存在する摩擦手段により案内される。それ故に、ベースプレート上で一端に固定されている圧電素子の偏向の際に、すべての摩擦手段が同期的に移動される。ロータを位置決めするために、圧電素子が公知の形式で慣性駆動体によって鋸歯状電圧により偏向される。鋸歯信号の平らな側面中ですべての摩擦面が付着摩擦にあり、ロータが圧電運動により運ばれる。鋸歯信号の急な傾斜側面中で摩擦面がすべり駆動に変わった。ロータがその慣性に基づいて摩擦手段、共軸方向保持体と圧電素子の運動により運行されない。

圧電素子における共軸方向保持体の末端固定は、共軸方向保持体に案内されたロータへの圧電素子の完全伝達を奏する。

接続要素としての末端円板は、特に好ましく、出来るだけ標準部材として仕上げられた圧電素子とこれと平行に配置された管状共軸方向保持体とを内径或いは外径に関して互いに適合させるように用いられる。ロータ上に垂直力を及ぼす弾性手段は特に付着接着剤を介して接続要素、円板と共軸方向保持体において圧電素子と接続されている。

摩擦手段が一つ、二つ或いはそれ以上の軸方向に異なる位置において共軸方向保持体の長さにわたりこの保持体と接続され得る。特に、摩擦要素が均一に共軸方向保持体の全長にわたり分割される。

好ましくは五つ或いはそれ以上の摩擦手段が共軸方向保持体の少なくとも二つの軸方向位置に配置されている。それによってロータが特に安定に保持案内される。少なくとも五つの摩擦手段から、少なくとも一つの弾性手段が特に共軸方向保持体の中心になければならない。それは、例えば末端円板の近くに且つ対向位置する側で共軸方向保持体の末端に配置された摩擦手段が静止摩擦手段である。共軸方向保持体の中心には唯一の弾性手段が垂直力を及ぼすように配置され得る。無論、二つの末端静止摩擦手段が弾性摩擦手段によって替えられ得る。

軸方向位置に配置された摩擦手段が互いに特に方位角に均一に分配されている。異なる軸方向位置に配置された摩擦手段が互いに同様に方位角に均一に分配されている。それによって好ましくはロータの軸方向案内が圧電素子内で且つ接続要素の開口を通して保証される。

非常に好ましくはワイヤ用の差込み接続はロータを案内して軸方向位置決めするように使用される。この差込み接続はこの発明の好ましい構成には例えば一つ又は複数の刻み目によって摩擦面を備える弾性ばね要素を有する。同時に、差込み接続は静止或いは更なる弾性的に特に湾曲された摩擦面を有し、それらの摩擦面内でロータが案内され得る。内方に湾曲された刻み目は弾性ばねとしてロータを接続のこの案内面に対して押圧される。

摩擦手段は、動かなくなるか、或いはすべりずれることなしに、ロータが正確に案内されるように、共軸方向保持体と円板とに互いに配置されていることが重要である。これは、摩擦手段の方位角配列を保証する。

装置は好ましくは円筒状でないロータを位置決めするために適している。使用されたロータが円状横断面と異なる横断面を有する。円筒状でないロータが例えばじく縦整合に沿って刻み目を付けられて、軸方向並進運動中にロータの方位角回転を阻止させる。ロータの横断面が軸方向に変更できるので、例えば円状ロータが位置決めされる。これは、例えば、速度を両軸方向に前後に種々に構成するために利用され得る。

この発明の特に好ましい構成では、装置は少なくとも二つの電気的に絶縁された互いに接続された圧電素子を有する。両圧電素子が互いの中へ或いは前後に並んで配置されていて、共通の少なくとも三つのグループの摩擦手段を有し、これら摩擦手段が種々の軸方向位置で圧電素子に固定されている。これから、少なくとも一つのグループが少なくとも一つの弾性摩擦手段を包含する。これは、ロータ上に垂直力を及ぼす。

圧電素子が互いに接続されている、例えば絶縁する接着剤によって或いは絶縁する接続要素、例えばセラミックから成る例えば開口を備える末端円板によって接続されている。ロータ上に及ぼされる垂直力を受ける静止、非弾性摩擦手段が、同様に、設けられている。さらに、圧電素子の軸方向位置に固定されている摩擦手段が一つのグループの摩擦手段を形成する。これは、互いに且つ他のグループの摩擦手段まで特に方位角に配置されている。ロータを位置決めする方法にとって、一方では、次に記載されるように、管状圧電素子が使用され、他方では、この方法にとって、他の種類の圧電素子が使用される。

両圧電素子は、好ましい末端に開口を備える接続要素を有する。好ましくは、この接続要素には、ロータを案内する少なくとも一つの摩擦手段が取付けられる。この装置は圧電素子の長さにわたり三つの軸方向に配置されたグループの摩擦手段を包含する。一つのグループにより一つの或いは複数の摩擦手段が示され、一定軸方向位置で圧電素子に直接或いは間接に固定されている。一つのグループのすべての摩擦手段が同期的に移動させる。この発明の構成では、二つのグループの摩擦手段がそれぞれに末端に圧電素子に配置されて、且つ第三のグループが接続部の領域に配置されている。

両圧電素子は特に開口を備える円板によって互いに接続され、この円板に固定されて内方を突き出す少なくとも一つの摩擦手段に配置されているか、或いは固定されている。この円板の開口は、軸方向に一列に両他の対向位置する末端円板に配置されている。それによってロータの軸方向ガイドが接続要素のすべての三つの開口において保証されている。この形式では、二つの相前後に配置された圧電素子は接続要素によって互いに接続される。二つの互いの中へ配置された圧電素子はそれぞれに異なる外径と異なる長さを備えて、接続要素によって接続される。

互いに接続された圧電素子の一端が基板（ベースプレート）上に固定されている。それによりこの端に固定されたグループがいつも静止したままである。

二つのこの種の圧電素子を包含する発明による装置は、好ましくは、駆動の選択の際に、複数の自由度を保証する。電圧が両圧電素子の電極にかけられ、その圧電素子がロータの運動を突然の運動なしに鋸歯状電圧と慣性駆動体におけるように、保証される。これは、特に好ましくは、慣性駆動体を備えて、ロータの明確に障害のない位置決めを奏する。

二つの相前後に或いは互いの中へ配置された圧電素子を備えるこの種の装置においてロータを位置決めする方法は、電圧経過が両圧電素子の電極に印加され、圧電素子の収縮或いは膨張がロータの軸方向位置決めを導く。方法の一工程では、両移動可能なグループの一方の摩擦手段が軸方向に移動され、この運動中にロータが両他方グループによって保持される。第二工程では、両グループの他方が個別に移動される。電圧経過の他の工程では、両移動可能なグループが同時に移動され、ロータを案内する。三つのグループの二つの同時同期作用によってロータが移動される、というのは、この両グループの垂直力の総和が個々のグループの垂直力より大きいからである。方法は、先行技術に比べて好ましい、というのは、電気的電圧が加えられる必要なしに、三つのグループの摩擦手段がロータを永久的に固定するからである。特に二つの互いの中へ或いは相前後に接続された圧電素子を備える装置は少なくとも５摩擦手段を包含する。ロータを位置決めするこの方法はロータと三つのグループの摩擦手段の間の摩擦面における付着摩擦と滑り摩擦の交互遊びに基づいている。二つのグループの同時運動の際には、摩擦手段がロータに対する付着摩擦を残している。一つのグループのみの運行の際には、このグループが滑り摩擦で進行する。

この方法により制御される位置決め装置は僅かに費用がかかり、「インチ虫」より小さい。この発明の位置決め装置は３ミリメータの外径を備える管状圧電素子中を通過し、その間に「インチ虫」が典型的に１０ｍｍの直径を有する。この発明の位置決め装置は僅かで簡単に構成された圧電素子、即ち「インチ虫」の際の三つに代わり二つのみを有し、それ故に、より簡単な始動を有する。追加的に、この発明の装置とこの発明の方法によって慣性駆動体に対する新たな位置決め装置の大きな利点が生じる。それで、この発明の駆動体がロータの質量と無関係である。慣性駆動体では、ロータの慣性が付着摩擦から滑り摩擦までの移行の際に、ロータの質量と重要なパラメータによって与えられる。ロータの質量用の狭い領域にのみ、スリップ・ステック慣性駆動体が費用のかからなく機能する。好ましくは、この発明の方法中の運動が任意の遅い速度により機能原理を考慮することなしに行われる。好ましくは、ここに記載されたモードの外に、ナノ位置決め機が改造なしに、このモードが望まれている場合には、慣性並進のモードでも駆動される。

並進工程の正確な間隔は、慣性並進の原理に基づいて作動されるナノ位置決め機では、しばしば生産性が悪く、大きな拡散を有する。この発明のナノ位置決め機では、運動の期間の工程幅がいつも同じ大きさであり、圧電素子の行程に一致する。ロータが保持される締め付け力は、慣性並進により作動するナノ位置決め機では、比較的小さい。慣性力はロータの質量によって決定される。これは、望まれた小さい構造大きさでは同様に小さい。それ故に、慣性駆動体では僅かな締め付け力しか使用され得ない。大きい締め付け力の場合には、ロータが滑らない。この発明のナノ位置決め機では、より大きな締め付け力が使用され得て、これは、好ましくは振動に対するナノ位置決め機のより高い安定性を導く。さらに、この措置はナノ位置決め機には大きな力を及ぼすことを可能とする。

好ましくは、全てのこの発明の装置では、ロータが硬直なユニットとして全く正確に軸方向に支承されることを保証されている。ロータと摩擦手段の間の接触面が非常に均等であり、特におよそ方位角ごとのグループを定義し、場合によっては、上下に形成される。それ故に、いつも均等な定義された力が弾性手段からロータへ及ぼされる。ロータは好ましくは、特に容易に交換され得る。

圧電素子において弾性手段を備えるこの発明の位置決め機は走査ゾンデ顕微鏡の心臓部材として使用される。この発明の位置決め機は、非常に小さい工程において位置決めするために、こちらの下までナノメータ領域に利用される。ｘｙ方向における連続的運動（〜１μm ）は圧電素子の四倍区分によって長手軸線に沿って可能である。

さらに、この発明は若干の実施例と図面に基づいて説明される。

二つの圧電素子を備えるこの装置は、好ましくは他の大きな圧電素子内、或いは上に配置され得るか、或いはこれと接続され得る。大きな圧電素子は圧電素子における連続的電圧によってｘｙｚ方向における連続的運動を奏し、それに反して二つの互いの中に或いは上下に配置された圧電素子が徐々にｚ方向における粗駆動を果す。

一つの湾曲された弾性手段１５ａと四つの静止摩擦手段１５を備える装置Ｐ１の第一実施例を示す。 湾曲された弾性手段２５ａ，２５ｂと半円状弾性案内面２５ａ’，２５ｂ’を備える二つの差し込み接続部をもつ装置Ｐ２の第二実施例を示す。 図２のように、確かにプラス質量ユニット３７を備える装置Ｐ３の第三実施例を示す。 走査ゾンデ顕微鏡における図２に基づく装置Ｐ２の使用を示す。 装置Ｐ３を形成する二つの上下に配置されて、電気的に互いに絶縁された管状圧電素子（上）並びに揺動なしにロータを特に同じ形状に位置決めする電圧経過（下）を示す。 装置Ｐ４を形成する二つの上下に配置されて、電気的に互いに絶縁された管状圧電素子（上）並びに揺動なしにロータを特に同じ形状に位置決めする電圧経過（下）を示す。 管状圧電素子７８内部に走査するように配置されている図５に示されたような二つの上下に配置された管状圧電素子を備える装置Ｐ３を示す。 同じ外径を備える管状圧電素子８８上で走査するように配置されている図６に示されたような二つの互いの中に配置された管状圧電素子を備える装置Ｐ４を示す。

図１、２、５と６はこの発明の装置Ｐ１とＰ２並びにＰ３とＰ４に関する粗概略的に四つの実施例を縦断面で示す。他の図３、４、７と８は使用態様である。

図１乃至４には、鋸歯パルスによってそれぞれの管状圧電素子における電極を制御する配列は図示されていない。圧電素子の遅い収縮と拡張の際には、ロータが一緒に案内され、速い収縮と拡張の際には、ロータが慣性によってその箇所に（滑り摩擦）留まる。

管状圧電素子１１，２１，３１，４１，５１ａと５１ｂ，６１ａと６１ｂは図１乃至６においてドイツ国のレーダーホースのＰＩセラミック有限会社の全長１２ミリメータを備える圧電素子が使用される。図１乃至４のロータの電気機械式位置決め装置では、慣性運動用の駆動がそれぞれに正確な一つの管状圧電素子１１，２１，３１，４１によって与えられる。図５と６には、他の駆動が紹介される。

ロータ１４，２４，３４，４４，５４，６４，７４と８４は円筒状であり、およそ０．５ミリメータ直径を備えるタングステンワイヤから成る。ロータがトンネル電流をそらすように使用され、二重矢印に沿って移動される。

図１乃至６の装置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３とＰ４は圧電素子における末端に接続要素としての開口を備える局部的に一つのセラミック円板１３，２３，３３，４３，５３ａと５３ｃ並びに６３ａと６３ｃを有する。円板は圧電素子の端部に付着されている。円板として酸化アルミニュムセラミックが使用される。末端円板の開口の内径が１．２ミリメータであり、厚さが１ミリメータであり、直径が３ミリメータである。

円板の装置Ｐ１，Ｐ２の内部に突き出す部分の下部分には、圧電素子の内部とロータと平行に一つの管状共軸方向保持体１２，２２，３２，４２が付着されている。この保持体はアルミニュム或いはセラミックから成る。軸方向保持体１２，２２，３２，４２が１０ｍｍの全長を有する。内径が同様に、１．２ミリメータである。保持体１２，２２，３２，４２はそれぞれにケース１３，２３，３３，４３内に保持接着材によってアクリレートベースに付着されている。
[第一実施例（図１）]

図１の断面は、両静止摩擦手段１５の一方のみの上下軸方向位置において示す。実際に、両軸方向位置において二個づつの静止摩擦手段が配置されている。一つの軸方向位置の両摩擦手段がさらに、それぞれに方位角に均一に中間軸方向位置の弾性摩擦手段１５ａに対して配置されていて、ロータの正確な軸方向案内をもたらす。すべての５個の摩擦手段は軸方向位置において接続要素１３を介して圧電素子に固定されていて、それにより若干の摩擦手段を形成する。

弾性摩擦手段１５ａは図１において軸方向に共軸方向保持体１２の中心に固定付着されている。追加的不動性静止摩擦手段は直接に共軸方向保持体１２と円板１３とを介して管状圧電素子と接続されている。摩擦手段は付着されたサファイア半球から成る。

それ故に、ロータ１４を安定に軸方向に案内するために、全体５個の摩擦手段が使用されて、これら摩擦手段から４個の静止摩擦手段が共軸方向保持体１２の二つの異なる軸方向位置に配置されている。主として両摩擦手段が図の左に参照符号１５を備えている。しかし、上下サファイア半球１５の平面における選択された断面に基づいて、１個づつの他のサファイア半球が配置されていて、一緒にそれぞれに方位角に均一に弾性摩擦手段１５ａに対して配置されている。

装置Ｐ１はロータ１４に圧電素子の完全偏向の伝達を保証する。
[第二実施例（図２）]

実施例２では、二つの弾性手段２５ａと２５ａ’が上軸方向位置にあり、二つの他の弾性手段２５ｂと２５ｂ’が下軸方向位置で垂直力をロータ１４に及ぼすように存在する。これら弾性手段２５ａと２５ａ’はワイヤの差し込み接続によって形成される。この差し込み接続器は一つの弾性ばね２５ａ、２５ｂと弾性半円状摩擦面２５ａ’、２５ｂ’を有し、それに対してロータが稼働中にばね力によって押圧される。

差し込み接続器２５ａと２５ａ’は末端で円板２３に、これを介して圧電素子２１と接続されている。接続器２５ｂと２５ｂ’は管状共軸方向保持体２２の自由端部に固定されて、これを介して圧電素子２１と接続されている。すべての４個の摩擦手段は軸方向位置で接続要素２３を介して圧電素子に固定されて、それにより唯一の摩擦手段を形成する。

装置Ｐ２はロータ２４に圧電素子の完全偏向の伝達とロータの非常に良好な軸方向案内とを保証する。

この実施例では、ロータが軸方向運動方向から偏向に対する特に良好に安定化され得る。
[装置Ｐ２の使用１（図３）]

図３には、軸方向に異なる横断面を有するロータ３４における図２からの装置Ｐ２の使用の場合が示されている。ここで、より大きい横断面３７がロータの中心においてストッパとして作用し、ロータの運動を軸方向に制限させる。手段３５ａと３５ｂのカバー点間のこの追加的質量３７と、それと接続されたより大きい慣性力とにより、位置決めにおいて大きな力が伝達され、例えばより大きい質量が位置決めされる。この種のロータの箇所には、円筒状でないロータも使用され、軸方向に沿って刻み目が入れられいて、軸方向並進運動中にロータの方位角回転を阻止する。

その代わりに、球状ロータが移動され得る。これは、例えば、速度を両軸方向において前後に異なって構成させるように、利用され得る。
[装置Ｐ２の使用２（図４）]

上に描かれた図２による位置決めユニットＰ２は、図４に記載されるように、走査ゾンデ顕微鏡の心臓部材として利用され得る。

目的物Ｏがロータ４４の先端Ｓの上部に配置されている。そのために、目的物Ｏを備える目的物保持体Ｈがシリンダに螺子止めされている。シリンダＺが管状圧電アクチュエータ４１を備える装置Ｐ２を包含する。シリンダＺ並びに装置Ｐ２がベースプレート４５に付着されている。プローブＯへの走査ゾンデＳの接近は鋸歯電圧と管状圧電素子４１の収縮並びに膨張によって行われる。プローブ上のゾンデＳのｘｙ運動は公知の形式で四つのセグメントに区分した一つの外部電極を備える管状圧電素子４１によって行われる。この配列により一つの非常に小さく安定な走査ゾンデ顕微鏡が記載されている。好ましくは、走査ゾンデＳとロータ４４が二つの独立した部材である。走査ゾンデＳは、ロータ４４を交換させることなしに、特に容易に交換され得る。

記載された電気機械式位置決めユニットＰ２は、次のように逆形式で稼働され得る。ロータ４４が少なくとも一端においてベースプレートの大きな質量と接続されている。このとき、圧電素子がベースプレートと接続されていなく、不動ロータに対して移動される。

選択的に、二つの別の実施態様では、装置Ｐ２の代わりに、それぞれに図１による装置Ｐ１が使用され得る。

図５と図６に示された二つの装置Ｐ３とＰ４は、今まで示された慣性駆動体と違った方法を記載する。図５には、二つの圧電素子５１ａと５１ｂが相前後して接続要素としての開口を備える末端円板５３ｂによって互いに接続されていた。それに対して、図６には、異なる直径と長さを備える二つの圧電素子は接続要素としての末端円板６３ｂを介して互いに接続されていた。図７と８は走査型ゾンデ顕微鏡の図５と６に基づく装置の使用を示す。

別のものが記載されていない限り、図２の装置Ｐ２に対する個別部材の使用された寸法と材料が図５と６の装置Ｐ３とＰ４の使用された寸法と材料と同じである。
[第三実施例（図５）]

図５は、上部分には、装置Ｐ３を示し、その下にこの装置を稼働するこの発明の方法を示す。

Ｐ３は、接続要素５３ｂによって軸方向に相前後して接続された二つの圧電素子５１ａと５１ｂを包含する。

装置の両圧電素子５１ａと５１ｂはその対向位置する外端にはそれぞれに接続要素５３ａと５３ｂとしての一つの末端円板を備えている。さらに、管状圧電素子が他の円板５３ｂを介して軸方向に互いに接続されている。一方の管状圧電素子５１ａが自由端部に土台５６上に固定されて、第二圧電素子の対向位置する端部が固定されていない。

ロータ５４が軸方向に二重矢印に沿って位置決めされる。ロータが三グループの摩擦手段を５５ａ，ａ’，５５ｂ，ｂ’と５５ｃ，ｃ’によって保持され、案内され、移動される。グループ５５ａと５５ａ’は差し込み接続部から形成され、接続要素５３ａに対向位置する二つのばね要素を包含する。

グループ５５ｂ，ｂ’は接続要素５３ｂに対向位置する二つのばね要素を包含する。グループ５５ｃ，ｃ’は接続要素５３ｃに対向位置する二つのばね要素を包含する。

二つのグループ５５ａ，ａ’並びに５５ｃ，ｃ’は両接続された管圧電素子５１ａと５１ｂの両外端に固定されている。グループばね要素５５ａと５５ａ’は交互に直接にベースプレート５６に固定され得る。

ベースプレート５６に対して円筒状ロータ５４を移動させるために、一つのグループ５５ｂ，ｂ’或いは５５ｃ，ｃ’が圧電素子５１ａと５１ｂによって更に互いに対して静止している他の両グループに対して移動される。この場合には、相対的に互いに移動しない両他のグループはシリンダを付着摩擦力によって固定される。相対的に他の両グループに対して移動される第三グループの付着摩擦が他の両グループの付着摩擦力の総和より弱い。それ故に、このグループのロータに対する接触が滑りに移行する。

二つのクランプが作用的に圧電駆動体によりクランプされてロックされる米国特許第４８７４９７９号明細書（特許文献３）に基づく先行技術とは違って、この発明によると受動的クランプが扱われている。第三グループに対する二つのグループの同期運動の際に、ロータが連行されるので、一緒に移動されたグループの付着摩擦力の総和は個々のグループの付着摩擦力よりいつも大きいにちがいない。ロータ５４に対する接触が個々のグループには滑り摩擦に移行し、個々のグループの力が両他の一緒に移動されたグループの限界付着摩擦力を伝達するために十分ではない。

グループｉを滑すために、伝達されなければならない最小力がＦｉであるならば、三つのグループ５５ａ，ａ’並びに５５ｂ，ｂ’と５５ｃ，ｃ’に適用されるにちがいない：Ｆ＿ｉ＋Ｆ＿ｊ＞Ｆ＿ｋ，ｉ，ｊ，ｋ＝５５ａ，ａ’，５５ｂ，ｂ’，５５ｃ，ｃ’とｉ≠ｊ≠ｋを備える。

次に、電圧経過の期間がロータの移動に対して画像面で右へ案内する（図５を参照）圧電素子５１ａと５１ｂにおいて記載されている。この場合には、それぞれの圧電素子における正電圧がシリンダ軸線に沿う膨張を導き、負電圧が収縮を導く。

運動の期間は、両圧電素子５１ａと５１ｂが電圧なしに静止状態である状態で開始する。

電圧経過の部分断面（ａ）（図５の下画像図を参照）では、第一圧電素子５１ａが収縮し（負電圧）、第二圧電素子５１ｂが拡張する（正電圧）。これは、左への中間グループ５５ｂ，ｂ’の滑り摩擦を導く。右グループ５５ｃ，ｃ’がその位置を変更しなく、圧電素子５１ａが短縮し、その間に圧電素子５１ｂが延長されるので、右グループ５５ｃ，ｃ’のベースプレートに対する位置の変更が実質的に行われなく、左グループ５５ａ，ａ’がベースプレート５６に対して決して移動されないのと同様に、僅かである。

図５の電圧経過の部分断面（ｂ）では、左圧電素子５１ａの膨張が変更されないままであり、即ち収縮する。それにより、左グループ５５ａ，ａ’と中間グループ５５ｂ，ｂ’がナノマニュピュレータ（ナノ操作器）に対して移動されなく、それで、ロータ５４がおよそ二重付着摩擦力に基づいて固定される。右圧電素子５１ｂが最大に膨張することから、最大に収縮することまでの間に、右グループ５５ｃ，ｃ’が左グループ５５ａ，ａ’と右グループ５５ｃ，ｃ’の両方によって固持されるロータ５４に対して左へ滑る。

部分断面（ｃ）では、左圧電素子５１ａが膨張される。それにより、中間グループ５５ｂ，ｂ’と右グループ５５ｃ，ｃ’の両方が一緒に右へ移動し、一緒にロータ５４を案内する。左グループ５５ａ，ａ’には、ロータ５４に対する接触が滑り摩擦に移行する。この部分工程では、ロータ５４が右へ移動する。

第四部分断面（ｄ）は第一部分断面（ａ）と同様である。第一圧電素子５１ａが収縮し、第二圧電素子５１ｂが膨張する。これは、両圧電素子が再び電圧なしの出発状態に戻るまで、中間グループ５５ｂ，ｂ’の左への滑り摩擦を導く。

運動マスターが次のように要約される：まず最初に中間グループ５５ｂ，ｂ’と右グループ５５ｃ，ｃ’が個々に左へ移動される。この場合には、ロータ５４が移動しない。ロータがいつも他の両グループにより保持される。それで、中間グループ５５ｂ，ｂ’と右グループ５５ｃ，ｃ’の両方が一緒に右へ移動され、ロータ５４と一緒に右へ案内する。運動の期間内では、ナノ位置決め機のロータがこの区間だけ右へ移動され、この区間が圧電素子の行程を最高電圧から最低電圧までに一致させる。

左への運動は逆になった電圧経過によって行われる。
異なった電圧長さは、摩擦手段５５ｂ，ｂ’の行程が摩擦手段５５ｃ，ｃ’と同じであるように、適切に適合された電圧振幅によって補償され得る。
[第四実施例（図６）]

図６は上部分に装置Ｐ４を示し、その下にこの装置を稼働するこの発明による方法の電圧経過を示す。

Ｐ４は接続要素６３ｂによって二つの軸方向に互いの中へ配置された圧電素子６１ａ，６１ｂを包含する。圧電素子６１ａが６ｍｍの大きな外径と１３ミリメータの長さとを有するので、これは、圧電素子６１ｂ自体を収容できる。

装置Ｐ４の両圧電素子６１ａと６１ｂは等しく整合された外端にはそれぞれに一つの接続要素６３ａと６３ｃを備えていて、円板の開口が軸方向に上下に配置されているので、ロータ５４が軸方向にその中に移動され得る。

管状圧電素子６１ａと６１ｂが接触要素、例えば接触要素としての円板６３ｂを介してナノ位置決め機のベースプレートに対する端部に互いに接続されている。両管状圧電素子６１ａと６１ｂはこれら端部に位置決め機のベースプレート６６上に固定され、その間に圧電素子のそれぞれに対向位置する端部が固定されずに且つ目的物（図示されていない）に向けられている。

ロータ５４が軸方向に二重矢印に沿って位置決めされる。ロータが三グループのばね要素６５ａ，ａ’、６５ｂ，ｂ’並びに６５ｃ，ｃ’によって保持され、案内され、移動される。

三つの円板６３ａ，６３ｂと６３ｃの開口が軸方向に上下に配置されているので、ロータがこの開口に軸方向に位置決めされ得る。

これらグループ６５ａ，ａ’並びに６５ｃ，ｃ’の二つのグループが組合せた圧電素子６１ａと６１ｂの外端に配置されていて、その間に第三グループ６５ｂ，ｂ’が更に遠く離れて両他のグループから接続要素６３ｂに取付けられ、この接続要素が両圧電素子を互いに接続されている。

土台６６に対する円筒状ロータ６４を移動させるために、一つのグループ６５ａ，ａ’或いは６５ｃ，ｃ’が圧電素子６１ａと６１ｂによって更に互いに対して静止している他の両グループに対して移動される。この場合には、互いに対して移動されない両他のグループがシリンダを付着摩擦力によって保持する。他の両グループに対して移動される第三グループの付着摩擦がより弱い。それ故に、このグループのロータに対する接触が滑りに移行する。

さらに、受動的締め付けが扱われている。二つのグループから第三グループに対する同期運動の際に、ロータが連行されるので、一緒に移動されたグループの付着摩擦力の総和が個々のグループの付着摩擦力よりいつも大きいにちがいない。ロータ６４に対する接触が個々のグループにおいて滑り摩擦に移行し、その間に個々のグループの力が両他の一緒に移動されたグループの付着摩擦力を伝達するのに十分ではない。

一つのグループｉを滑りさせるために、伝達されなければならない最小力がＦ＿ｉであるので、これら三つのグループ６５ａ，ａ’、６５ｂ，ｂ’と６５ｃ，ｃ’に適用されるにちがいない：Ｆ＿ｉ＋Ｆ＿ｊ＞Ｆ＿ｋ、ｉ，ｊ，ｋ＝６５ａ，ａ’、６５ｂ，ｂ’、６５ｃ，ｃ’とｉ≠ｊ≠ｋを備える。

次に、電圧経過の期間は、ロータの移動のために画像面で上へ案内する（図６参照）それぞれの圧電素子６１ａと６１ｂにおいて描かれている。この場合には、それぞれの圧電素子６１ａと６１ｂにおける正電圧がシリンダ軸線に沿う膨張を導き、負電圧経過が収縮を導くことが仮定される。

運動の一つの期間は、両圧電素子６１ａと６１ｂが電圧なしで静止状態である状態で開始する。

電圧経過の部分断面（ａ）では、外部圧電素子６１ａと内部圧電素子６１ｂが拡張する（それぞれ正電圧）。これは、中間グループ６５ｃ，ｃ’と上グループ６５ａ，ａ’の付着摩擦を導き、その間に両圧電素子６１ａと６１ｂが上へ拡張する。下グループ６５ｂ，ｂ’がベースプレート６６の位置に基づいてその位置を変更しない。ばね要素６５ｂと６５ｂ’とロータの間の摩擦面には、ロータが滑り摩擦で移行し、ベースプレート６６に対して上へ移動する。両移動されたグループがロータを保持し、その間にロータが滑り摩擦で第三下グループ６５ｂ，ｂ’に移行する。

図６の電圧経過の第二部分断面（ｂ）では、外部圧電素子６１ａの膨張が変更されないままである。内部圧電素子６１ｂが負電圧経過に基づいて収縮する。それによりグループ６５ｃ，ｃ’が滑り摩擦で移行し、下へ移動し、それに対して、上グループ６５ａ，ａ’と下グループ６５ｂ，ｂ’がベースプレート６６に対して移動しなく、それによりロータ６４をおよそ二重付着摩擦力に基づいて保持する。内部圧電素子６１ｂが最高膨張から最高収縮までの間に、グループ６５ｃ，ｃ’が両グループ６５ａ，ａ’と６５ｂ，ｂ’によって保持されるロータ６４に対して下へ滑動する。

第三部分断面（ｃ）では外部圧電素子６１ａが収縮される。それによりグループ６５ａ，ａ’が単独に滑り摩擦で移送されてロータに対して下へ移動される。ロータが両他のグループ６５ｂ，ｂ’と６５ｃ，ｃ’における高い力に基づいてｚ座標に絶対に残留する。上グループ６５ａ，ａ’には、ロータ６４に対する接触が滑り摩擦で移行する。この部分断面では、ロータが移動しない。

第四部分断面（ｄ）は第一部分断面と同様である。両圧電素子６１ａと６１ｂが正電圧経過のために膨張する。これは、ロータ６４を上へ連行する。下グループ６５ｂ，ｂ’がベースプレート６６の位置に基づいてその位置を変更しない。ばね要素６５ｂと６５ｂ’とロータの間の摩擦面には、ロータが滑り摩擦で移行し、ベースプレート６６に対して上に移動する。運動マスターが次のように要約される：まず最初に上グループ６５ａ，ａ’と６５ｃ，ｃ’の両方が二つづつの弾性曲げ要素から一緒に上へ移動する。この場合には、ロータ６４が連行される。相前後にこの両グループが個々に下へ移動し、ロータ６４が変更されずに動かない。運動の期間内では、ナノ位置決め機のロータは、圧電素子の行程を最高電圧から最小電圧までに一致させる区分だけ上へ移動される。

異なった圧電長さは、摩擦手段６５ａ，ａ’の行程が摩擦手段６５ｃ，ｃ’の行程と同じであるように、適切に適合された電圧振幅によって補償され得る。
[図５による装置Ｐ３の使用１（図７）]

図５による上記位置決めユニットＰ３は走査トンネル式顕微鏡の心臓部材として利用され得る。この場合には、図５による装置Ｐ３がベースプレート６６上に組立てられている大きな直径を備える一つの管状圧電素子７８の内部に保持される。この場合に、装置Ｐ３が保持体７３ｄを介して外部圧電素子７８の端部に固定される。ロータ７４の上端には、走査ゾンデが取付けられ、プローブが走査ゾンデの上部に係止される。

ｘｙ方向における連続的運動が圧電素子７８の一つの四重セグメント区分によって長手軸線に沿って可能である。

圧電素子７８がｚ方向における精密運動のために圧電素子７８における連続的電圧変更によって利用され得る。
[図６による装置Ｐ４の使用１（図８）]

図６による上記装置Ｐ４は走査型ゾンデ顕微鏡の心臓部材として利用され得る。この場合には、装置Ｐ４とＰ６はベースプレート８６上に組立てられる等しい直径を備える管状圧電素子８８に保持される。この場合に、保持体８３を介して圧電素子８８の端部に固定されている。ロータ８４の上端には走査ゾンデが取付けられて、ゾンデが走査ゾンデの上部に係止される。

ｘｙ方向における連続的運動が圧電素子８８の一つの四重セグメント区分によって長手軸線に沿って可能である。

圧電素子８８はｚ方向における精密運動のために圧電素子８８における連続的電圧変更によって利用され得る。

各装置Ｐ１乃至Ｐ４は同様に、専ら走査型ゾンデ顕微鏡の心臓部材として表示できる。この場合には、ｘｙ方向とｚ方向における精密運動は圧電素子に連続的電圧をかけることによって達成され得る。

１１，２１，３１，４１，５１ａ，５１ｂ，６１ａ，６１ｂ．．．．管状圧電素子
１２，２２，３２，４２．．．．保持体
１３，２３，３３，４３，５３ａ，５３ｃ，６３ａ，６３ｃ．．．．セラミック円板
１３，２３，３３，４３．．．．ケース
１４，２４，３４，４４，５４，６４，７４，８４．．．．ロータ
１５，１５ａ．．．．摩擦手段
１６，２６，３６，４６，５６，６６，７６，８６．．．．ベースプレート（土台）
７８，８８．．．．圧電素子

一つの湾曲された弾性手段１５ａと四つの静止摩擦手段１５を備える装置Ｐ１の第一実施例を示す。 湾曲された弾性手段２５ａ，２５ｂと半円状弾性案内面２５ａ’，２５ｂ’を備える二つの差し込み接続部をもつ装置Ｐ２の第二実施例を示す。 図２のように、確かにプラス質量ユニット３７を備える装置Ｐ２の第三実施例を示す。 走査ゾンデ顕微鏡における図２に基づく装置Ｐ２の使用を示す。 装置Ｐ３を形成する二つの上下に配置されて、電気的に互いに絶縁された管状圧電素子（上）並びに揺動なしにロータを特に同じ形状に位置決めする電圧経過（下）を示す。 装置Ｐ４を形成する二つの上下に配置されて、電気的に互いに絶縁された管状圧電素子（上）並びに揺動なしにロータを特に同じ形状に位置決めする電圧経過（下）を示す。 管状圧電素子７８内部に走査するように配置されている図５に示されたような二つの上下に配置された管状圧電素子を備える装置Ｐ３を示す。 同じ外径を備える管状圧電素子８８上で走査するように配置されている図６に示されたような二つの互いの中に配置された管状圧電素子を備える装置Ｐ４を示す。

図５の電圧経過の部分断面（ｂ）では、左圧電素子５１ａの膨張が変更されないままであり、即ち収縮する。それにより、左グループ５５ａ，ａ’と中間グループ５５ｂ，ｂ’がナノマニュピュレータ（ナノ操作器）に対して移動されなく、それで、ロータ５４がおよそ二重付着摩擦力に基づいて固定される。右圧電素子５１ｂが最大に膨張することから、最大に収縮することまでの間に、右グループ５５ｃ，ｃ’が左グループ５５ａ，ａ’と中間グループ５５ｂ，ｂ’によって固持されるロータ５４に対して左へ滑る。

部分断面（ｃ）では、左圧電素子５１ａが膨張される。それにより、中間グループ５５ｂ，ｂ’と右グループ５５ｃ，ｃ’が一緒に右へ移動し、一緒にロータ５４を案内する。左グループ５５ａ，ａ’には、ロータ５４に対する接触が滑り摩擦に移行する。この部分工程では、ロータ５４が右へ移動する。

運動マスターが次のように要約される：まず最初に中間グループ５５ｂ，ｂ’と右グループ５５ｃ，ｃ’が個々に左へ移動される。この場合には、ロータ５４が移動しない。ロータがいつも他の両グループにより保持される。それで、中間グループ５５ｂ，ｂ’と右グループ５５ｃ，ｃ’が一緒に右へ移動され、ロータ５４と一緒に右へ案内する。運動の期間内では、ナノ位置決め機のロータがこの区間だけ右へ移動され、この区間が圧電素子の行程を最高電圧から最低電圧までに一致させる。

電圧経過の部分断面（ａ）では、外部圧電素子６１ａと内部圧電素子６１ｂが拡張する（それぞれ正電圧）。これは、中間グループ６５ｃ，ｃ’と上グループ６５ａ，ａ’の付着摩擦を導き、その間に両圧電素子６１ａと６１ｂが上へ拡張する。下グループ６５ｂ，ｂ’がベースプレート６６の位置に基づいてその位置を変更しない。ばね要素６５ｂと６５ｂ’とロータの間の摩擦面には、ロータが滑り摩擦で移行し、ベースプレート６６に対して上へ移動する。両移動されたグループがロータを保持し、その間にロータが滑り摩擦で第三下グループ６５ｂ，ｂ’に移行する。

Claims (9)

1. 圧電素子の内部にロータを電気機械式位置決めする少なくとも一つの管状圧電素子を備える装置において、ロータに垂直力を及ぼすために圧電素子と接続された少なくとも一つの弾性摩擦手段を備えることを特徴とする装置。
2. ロータに及ぼされる垂直力を受けるために圧電素子と接続された少なくとも一つの非弾性摩擦手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 圧電素子の軸方向位置に固定されている摩擦手段が一つのグループの摩擦手段を形成することを特徴とする請求項１或いは２に記載の装置。
4. 弾性或いは静止摩擦手段を圧電素子と接続する少なくとも一つの接続要素を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
5. 末端で圧電素子と接続されていて、少なくとも一つの摩擦手段に固定されている接続要素としての一つの開口を備える円板を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
6. 末端で圧電素子と接続されていて、少なくとも一つの摩擦手段に固定されている接続要素としての少なくとも一つの共軸方向管状保持体を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置。
7. 圧電素子の内部にロータを電気機械式位置決めする少なくとも一つの管状圧電素子を備える装置において、相前後に或いは互いの中に電気的に絶縁されて互いに配置された二つの圧電素子と、圧電素子の一つの軸方向異なった位置に固定されて、圧電素子の一つの軸方向位置に固定されている摩擦手段が一つのグループの摩擦手段を形成する少なくとも三グループの摩擦手段とを備えることを特徴とする装置。
8. 少なくとも一つのグループ、特に軸方向中間グループが弾性摩擦手段を包含することを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 請求項７或いは８に記載の装置によりロータを位置決めする方法において、電圧経過が両圧電素子の電極に加えられて、圧電素子の収縮或いは膨張がロータの軸方向位置決めを導き、電圧経過の一つの部分では、それぞれに一つの摩擦手段が軸方向位置に移動され、ロータのこの運動中に二つの他のグループの摩擦手段により保持され、電圧経過の一つの他の工程では、この二つのグループの摩擦手段が同時に移動され、ロータ自体を案内することを特徴とする方法。

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