JP3174740B2 - マイクロ位置決め装置に使用する非傾斜プレート・アクチュエータ - Google Patents
マイクロ位置決め装置に使用する非傾斜プレート・アクチュエータInfo
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
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- H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
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Description
【０００１】
【発明の背景】本発明は観察中のサンプルの表面に対す
るプローブ先端の位置を制御する微小位置決め装置（マ
イクロ位置決め装置）に使用する微少運動変換位置決め
器、さらに詳細には、アッベ・オフセット・エラー(Abb
e Offcet error)を排除する改良型非傾斜位置決め器に
関する。
るプローブ先端の位置を制御する微小位置決め装置（マ
イクロ位置決め装置）に使用する微少運動変換位置決め
器、さらに詳細には、アッベ・オフセット・エラー(Abb
e Offcet error)を排除する改良型非傾斜位置決め器に
関する。
【０００２】走査プローブ顕微鏡やプロフィルメータ(P
rofilometer)のような微小位置決め装置にプローブ先端
運動を発生するために、区分けした圧電性セラミックチ
ューブ(Piezoceramic tube)がアクチュエータとして一
般的に用いられる。このようなアクチュエータには簡易
性、大きな動作範囲、小さなサイズおよび剛性に関した
利点を有する。こうしたアクチュエータの不利な点は、
測定が難しい運動を導入する予測できぬチューブ端の傾
斜が生じることである。アッベ・オフセット・エラー(A
bbe Offset error)として寸法測定度量衡の分野で周知
のこの問題は、例えばＪ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．第７４
巻、Ｎｏ．９、１９９３年１１月１日、第８３頁乃至第
１０９頁に記載される論文「走査プローブ顕微鏡におけ
る寸法測定度量衡(Dimensional Metrology with Scanni
ng Prove Microscopes)」で解説されている。１９９４
年４月２６日付けでＥｌｉｎｇｓ他に交付された米国特
許第５，３０６，９１９号では圧電チューブをＳ字形に
湾曲させることで、好ましからざる傾斜発生の問題を解
決すべく提案している。湾曲のために予測のできぬ傾斜
が生じるため、この提案された解決策は完全に満足すべ
きものではない。従って、本発明の第１の目的は傾斜の
発生を排除する微小位置決め装置に用いる位置決め器を
提供することである。
rofilometer)のような微小位置決め装置にプローブ先端
運動を発生するために、区分けした圧電性セラミックチ
ューブ(Piezoceramic tube)がアクチュエータとして一
般的に用いられる。このようなアクチュエータには簡易
性、大きな動作範囲、小さなサイズおよび剛性に関した
利点を有する。こうしたアクチュエータの不利な点は、
測定が難しい運動を導入する予測できぬチューブ端の傾
斜が生じることである。アッベ・オフセット・エラー(A
bbe Offset error)として寸法測定度量衡の分野で周知
のこの問題は、例えばＪ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．第７４
巻、Ｎｏ．９、１９９３年１１月１日、第８３頁乃至第
１０９頁に記載される論文「走査プローブ顕微鏡におけ
る寸法測定度量衡(Dimensional Metrology with Scanni
ng Prove Microscopes)」で解説されている。１９９４
年４月２６日付けでＥｌｉｎｇｓ他に交付された米国特
許第５，３０６，９１９号では圧電チューブをＳ字形に
湾曲させることで、好ましからざる傾斜発生の問題を解
決すべく提案している。湾曲のために予測のできぬ傾斜
が生じるため、この提案された解決策は完全に満足すべ
きものではない。従って、本発明の第１の目的は傾斜の
発生を排除する微小位置決め装置に用いる位置決め器を
提供することである。
【０００３】高速の用途に適用ができ、大きな動作範囲
を有し、熱的に補正され、二次元および三次元の運動に
使用ができ、構造の簡単な位置決め器を提供することも
望ましいであろう。従って、本発明の他の目的は以上の
ような属性全てを有する位置決め器を提供することであ
る。
を有し、熱的に補正され、二次元および三次元の運動に
使用ができ、構造の簡単な位置決め器を提供することも
望ましいであろう。従って、本発明の他の目的は以上の
ような属性全てを有する位置決め器を提供することであ
る。
【０００４】
【発明の概要】一組のエレメント相互間の線に沿った相
対的な水平運動を制御するため微小位置決め装置に用い
る位置決めアクチュエータを提供することによって、前
述の目的及び更に追加される目的が本発明の原理に従っ
て達成される。このアクチュエータは相対する一組の平
行エッジ（端縁部）と、このエッジ相互間にわたる相対
する一組の平行面とを有する比較的薄い圧電プレートか
ら成る。このプレート面は運動線に平行である。第１エ
ッジはエレメント相互間の相対的な動きを防止するため
第１エレメントに結合し、第２エッジはエレメント相互
間の相対的な動きを防止するために第２エレメントに結
合する。圧電プレートの第１面は大体等しい区画に分割
する。各区画にはその上面に一つの第１電極が設けられ
ている。これら第１の電極を、少なくとも二本の行と少
なくとも二本の列の第１電極が形成されるような方法で
圧電プレート上に配列する。任意の行または列における
第１電極は極性が交番する。本発明の一実施例では、プ
レート上の第１電極のプラス極性の全てを相互に電気的
に接続され、また圧電プレート上の第１電極のマイナス
極性の全てを相互に接続する。少なくとも一つの第２電
極を圧電プレートの厚さを介して一組の第１電極に対位
させ反対側の面に配している。対角的に対位する第１組
の象限内で第１極性を示し、対角的に対位する第２組の
象限内では反対極性である電界をプレートの間に形成す
るため、第１及び第２電極に差動電圧を印加すべくそれ
ぞれの電極にコントローラを結合する。
対的な水平運動を制御するため微小位置決め装置に用い
る位置決めアクチュエータを提供することによって、前
述の目的及び更に追加される目的が本発明の原理に従っ
て達成される。このアクチュエータは相対する一組の平
行エッジ（端縁部）と、このエッジ相互間にわたる相対
する一組の平行面とを有する比較的薄い圧電プレートか
ら成る。このプレート面は運動線に平行である。第１エ
ッジはエレメント相互間の相対的な動きを防止するため
第１エレメントに結合し、第２エッジはエレメント相互
間の相対的な動きを防止するために第２エレメントに結
合する。圧電プレートの第１面は大体等しい区画に分割
する。各区画にはその上面に一つの第１電極が設けられ
ている。これら第１の電極を、少なくとも二本の行と少
なくとも二本の列の第１電極が形成されるような方法で
圧電プレート上に配列する。任意の行または列における
第１電極は極性が交番する。本発明の一実施例では、プ
レート上の第１電極のプラス極性の全てを相互に電気的
に接続され、また圧電プレート上の第１電極のマイナス
極性の全てを相互に接続する。少なくとも一つの第２電
極を圧電プレートの厚さを介して一組の第１電極に対位
させ反対側の面に配している。対角的に対位する第１組
の象限内で第１極性を示し、対角的に対位する第２組の
象限内では反対極性である電界をプレートの間に形成す
るため、第１及び第２電極に差動電圧を印加すべくそれ
ぞれの電極にコントローラを結合する。
【０００５】本発明の一態様に従えば、上記アクチュエ
ータの一組を含む位置決め器が提供される。この一組の
アクチュエータはそれぞれのプレートを平行に、あるい
は互いに共面的な関係で配列し、剛性の中間エレメント
がアクチュエータ・プレートの各々の一端に結合され
る。アクチュエータ・プレートのこの「折り返し」によ
り熱的に補正されるコンパクトな設計になる。
ータの一組を含む位置決め器が提供される。この一組の
アクチュエータはそれぞれのプレートを平行に、あるい
は互いに共面的な関係で配列し、剛性の中間エレメント
がアクチュエータ・プレートの各々の一端に結合され
る。アクチュエータ・プレートのこの「折り返し」によ
り熱的に補正されるコンパクトな設計になる。
【０００６】本発明の他の態様に従えば、二次元位置決
め装置は矩形状アレーに配した複数の上記位置決め器か
らなり、この矩形状アレーの各辺に配したアクチュエー
タ・プレートはアレーの反対側の辺に配したアクチュエ
ータ・プレートに平行であり、アレーの隣接辺のアクチ
ュエータ・プレートに直角である。
め装置は矩形状アレーに配した複数の上記位置決め器か
らなり、この矩形状アレーの各辺に配したアクチュエー
タ・プレートはアレーの反対側の辺に配したアクチュエ
ータ・プレートに平行であり、アレーの隣接辺のアクチ
ュエータ・プレートに直角である。
【０００７】本発明のさらに他の態様に従えば、各アク
チュエータ・プレートに対する適切な電極構造を活用し
て三次元運動を達成することができる。
チュエータ・プレートに対する適切な電極構造を活用し
て三次元運動を達成することができる。
【０００８】
【発明の詳細な記述】本発明の詳細な説明に先立ち、解
説が走査プローブ顕微鏡を指す場合、その解説は表現さ
れたものだけに限定する意図のないことを理解された
い。走査プローブ顕微鏡は本発明に適合する環境である
微小位置決め装置の例示としての形態に過ぎず、こうし
た他の装置でもプロフィロメータ(profilometer)にする
ことができる。説明では特に圧電材料を指しているが、
電気歪み材料や、磁気歪み材料のような他の材料でも微
少運動トランスジューサとして利用することができる。
説が走査プローブ顕微鏡を指す場合、その解説は表現さ
れたものだけに限定する意図のないことを理解された
い。走査プローブ顕微鏡は本発明に適合する環境である
微小位置決め装置の例示としての形態に過ぎず、こうし
た他の装置でもプロフィロメータ(profilometer)にする
ことができる。説明では特に圧電材料を指しているが、
電気歪み材料や、磁気歪み材料のような他の材料でも微
少運動トランスジューサとして利用することができる。
【０００９】図面を参照すると、図１乃至図４には本発
明による位置決め器の基本的な構造ブロックとして用い
た本発明によるアクチュエータが例示されている。こう
して図に示すように、例示としてはＰＺＴ材で形成され
るが、圧電単結晶プレートまたは電気歪み材料、あるい
は磁気歪み材料のような他の適切な材料で形成した圧電
プレート１０には相対する一組の平行なエッジ１２、１
４がある。エッジ１２は例示としての固定ベースである
第１エレメント１６に固定し、そのため、エッジ１２と
エレメント１６との間には相対運動は発生しない。同様
に、エッジ１４は例示としての可動部材である第２エレ
メント１８に固定し、これによってエッジ１４とエレメ
ント１８相互間には相対運動は行われない。走査プロー
ブ顕微鏡に使用するとき、プローブ先端は通常、図１に
見られるように垂直にエレメント１８に装着されるであ
ろうし、表面が走査されるサンプルはベース１６に固定
した支持部に装着することが考えられる。こうして、本
発明はエレメント１６、１８相互間の相対的な水平運動
に関係する。
明による位置決め器の基本的な構造ブロックとして用い
た本発明によるアクチュエータが例示されている。こう
して図に示すように、例示としてはＰＺＴ材で形成され
るが、圧電単結晶プレートまたは電気歪み材料、あるい
は磁気歪み材料のような他の適切な材料で形成した圧電
プレート１０には相対する一組の平行なエッジ１２、１
４がある。エッジ１２は例示としての固定ベースである
第１エレメント１６に固定し、そのため、エッジ１２と
エレメント１６との間には相対運動は発生しない。同様
に、エッジ１４は例示としての可動部材である第２エレ
メント１８に固定し、これによってエッジ１４とエレメ
ント１８相互間には相対運動は行われない。走査プロー
ブ顕微鏡に使用するとき、プローブ先端は通常、図１に
見られるように垂直にエレメント１８に装着されるであ
ろうし、表面が走査されるサンプルはベース１６に固定
した支持部に装着することが考えられる。こうして、本
発明はエレメント１６、１８相互間の相対的な水平運動
に関係する。
【００１０】本発明によれば、プレート１０の相対する
面上に適切な方法に従って電極が位置づけられ、これら
面はエッジ１２、１４の間に延びている。第１面２０上
では図１に示すように、それぞれ例示としての矩形状の
形をし、全体で第１面２０を個々の象限に分割する四個
の電極２２、２４、２６、２８が配される。圧電プレー
ト１０の反対側の面３０にはプレート１０の厚さを介し
電極２２、２４、２６、２８の各々に相対する少なくと
も一つの電極が配される。第１実施例では図２に示すよ
うに、一つの電極３２を反対側面３０上に配し、第１面
２０上に配した電極によって被覆された領域を少なくと
も被覆する。第２実施例では図３に示すように、第１面
２０上に配した電極２２、２４、２６、２８の各々にそ
れぞれ対位させて四個の矩形電極３４、３６、３８、４
０が反対側面３０上に配される。
面上に適切な方法に従って電極が位置づけられ、これら
面はエッジ１２、１４の間に延びている。第１面２０上
では図１に示すように、それぞれ例示としての矩形状の
形をし、全体で第１面２０を個々の象限に分割する四個
の電極２２、２４、２６、２８が配される。圧電プレー
ト１０の反対側の面３０にはプレート１０の厚さを介し
電極２２、２４、２６、２８の各々に相対する少なくと
も一つの電極が配される。第１実施例では図２に示すよ
うに、一つの電極３２を反対側面３０上に配し、第１面
２０上に配した電極によって被覆された領域を少なくと
も被覆する。第２実施例では図３に示すように、第１面
２０上に配した電極２２、２４、２６、２８の各々にそ
れぞれ対位させて四個の矩形電極３４、３６、３８、４
０が反対側面３０上に配される。
【００１１】面２０及び３０の双方に配した全ての電極
が、プログラムされたコンピュータをも含むコントロー
ラ４２に結合する。第１面２０の対角的に対位する第１
組の象限では第１極性を示し、第１面２０の対角的に対
位する第２組の象限において反対極性を提示する圧電プ
レート１０の厚さにわたり電界を形成するため、コント
ローラ４２は全ての電極に電圧を印加する。こうして、
図４に詳しく観察されるように、反対側電極に対する電
極２４、２６の極性は反対側電極に対し電極２２、２８
に表れる極性とは逆である。従って、圧電プレート１０
の圧電材料はその内部に形成される電界の極性に従って
膨張または収縮するため、さらにまた、圧電プレート１
０の下側、上側半分は横方向に逆に駆動されるため、圧
電プレート１０はエッジ１２、１４の平行性を維持する
Ｓ字形運動に加わり、それによって、エレメント１６に
対するエレメント１８の傾斜が排除される。従って、エ
レメント１６、１８相互間の相対運動が圧電プレート１
０の第１面２０、反対側面３０に平行な線に沿って行わ
れる。
が、プログラムされたコンピュータをも含むコントロー
ラ４２に結合する。第１面２０の対角的に対位する第１
組の象限では第１極性を示し、第１面２０の対角的に対
位する第２組の象限において反対極性を提示する圧電プ
レート１０の厚さにわたり電界を形成するため、コント
ローラ４２は全ての電極に電圧を印加する。こうして、
図４に詳しく観察されるように、反対側電極に対する電
極２４、２６の極性は反対側電極に対し電極２２、２８
に表れる極性とは逆である。従って、圧電プレート１０
の圧電材料はその内部に形成される電界の極性に従って
膨張または収縮するため、さらにまた、圧電プレート１
０の下側、上側半分は横方向に逆に駆動されるため、圧
電プレート１０はエッジ１２、１４の平行性を維持する
Ｓ字形運動に加わり、それによって、エレメント１６に
対するエレメント１８の傾斜が排除される。従って、エ
レメント１６、１８相互間の相対運動が圧電プレート１
０の第１面２０、反対側面３０に平行な線に沿って行わ
れる。
【００１２】図５は、エレメント１８に二次元運動を伝
達すべく、それぞれ図１〜図４に関し解説したタイプで
ある四個のアクチュエータ４４、４６、４８、５０がエ
レメント１６、１８（図５には示されてない）相互間の
矩形状アレーにどのように位置決めされるかを示す。対
位するアクチュエータ４４、４８のプレートは互いに平
行で、隣り合い、相互に平行なプレート４６、５０に直
角である。Ｘ軸に沿った運動はアクチュエータ４６、５
０も電極に適正電圧を印加して制御し、Ｙ軸に沿った運
動はアクチュエータ４４、４８の電極に適正電圧を印加
して制御する。
達すべく、それぞれ図１〜図４に関し解説したタイプで
ある四個のアクチュエータ４４、４６、４８、５０がエ
レメント１６、１８（図５には示されてない）相互間の
矩形状アレーにどのように位置決めされるかを示す。対
位するアクチュエータ４４、４８のプレートは互いに平
行で、隣り合い、相互に平行なプレート４６、５０に直
角である。Ｘ軸に沿った運動はアクチュエータ４６、５
０も電極に適正電圧を印加して制御し、Ｙ軸に沿った運
動はアクチュエータ４４、４８の電極に適正電圧を印加
して制御する。
【００１３】図６は、アクチュエータ４５、４７がＸ軸
に沿った運動を制御し、アクチュエータ４９、５１がＹ
軸に沿った運動を制御する図５に提示する構成の変更し
たものを例示する。組アクチュエータは共面であるとし
て図示しているが、この共面であることは必要とされな
い。必要なのはアクチュエータが有効になる運動線に各
アクチュエータの面を平行にすることである。
に沿った運動を制御し、アクチュエータ４９、５１がＹ
軸に沿った運動を制御する図５に提示する構成の変更し
たものを例示する。組アクチュエータは共面であるとし
て図示しているが、この共面であることは必要とされな
い。必要なのはアクチュエータが有効になる運動線に各
アクチュエータの面を平行にすることである。
【００１４】傾斜を最小にする一つの方法はエレメント
の厚さｔ（図５）に比べ全体幅ｓ（図５）が大きくなる
構造を形成することである。しかし、二次元運動を処理
する場合、各方向に幅の広い一枚のプレートを使用する
と、柔軟性が低下する。従って、二次元における柔軟性
を実現し、両次元で駆動ができるようにするには、好適
には、各方向のプレートをそれぞれ幅が狭く、変換する
方法で電極の駆動をすべく図１のようにそれぞれ区分し
た電極が配される若干数の区画に分割すべきである。こ
うして、矩形状アレーの各側に三つの共面位置決め器７
６を配した有利な構造の平面図を図７に示す。図７に記
載する構成の変異体はＺ軸を中心に各アクチュエータ７
６を９０°だけ回転させることになろう（図５から図６
への変更に類似）。
の厚さｔ（図５）に比べ全体幅ｓ（図５）が大きくなる
構造を形成することである。しかし、二次元運動を処理
する場合、各方向に幅の広い一枚のプレートを使用する
と、柔軟性が低下する。従って、二次元における柔軟性
を実現し、両次元で駆動ができるようにするには、好適
には、各方向のプレートをそれぞれ幅が狭く、変換する
方法で電極の駆動をすべく図１のようにそれぞれ区分し
た電極が配される若干数の区画に分割すべきである。こ
うして、矩形状アレーの各側に三つの共面位置決め器７
６を配した有利な構造の平面図を図７に示す。図７に記
載する構成の変異体はＺ軸を中心に各アクチュエータ７
６を９０°だけ回転させることになろう（図５から図６
への変更に類似）。
【００１５】アクチュエータの動作範囲は最初に挙げた
構造の端部に取り付ける他の構造を構築し、最初に挙げ
た構造の基部に向けて後方に返すことで二倍にすること
ができる（図８および図９参照）。この構成では所与の
動作範囲に対する設計が一層コンパクトになり、Ｚ軸方
向における熱的な補正も行われる。この二つの構造から
のＺ軸運動は相対する方向に行われるため、この構成に
はＸ−Ｙ軸運動に関わる寄生Ｚ軸運動を無効にする利点
もある。
構造の端部に取り付ける他の構造を構築し、最初に挙げ
た構造の基部に向けて後方に返すことで二倍にすること
ができる（図８および図９参照）。この構成では所与の
動作範囲に対する設計が一層コンパクトになり、Ｚ軸方
向における熱的な補正も行われる。この二つの構造から
のＺ軸運動は相対する方向に行われるため、この構成に
はＸ−Ｙ軸運動に関わる寄生Ｚ軸運動を無効にする利点
もある。
【００１６】第８図は、こうして、四枚の平行な圧電プ
レート５２、５４、５６、５８を有する紙の面内へと、
この紙面の外部への移動に用いる例示としての位置決め
器を示す。例えば、圧電プレート５２、５４は図５のア
クチュエータ４４に対応することができ、圧電プレート
５６、５８は図５のアクチュエータ４８に対応すること
ができる。図８の設計では、圧電プレート５２、５８は
平行エッジの内の第１番目を基部６０に固定し、反対側
の平行エッジを剛性中間部材６２に固定する。圧電プレ
ート５４、５６は第１平行エッジを中間部材６２に固定
し、反対側の平行エッジを部材６４に固定する。一組の
圧電プレート５２、５４は圧電プレート組５６、５８と
同様、相互に平行で、互いに隣り合い、互いの上部にセ
ットした関係にある。走査プローブ顕微鏡では、プロー
ブの先端（図示せず）は（これから下方に伸びる）部材
６４に固定されるであろうし、サンプルはプローブ下部
にある基部６０に固定されるだろう。図８に記載する構
成には数々の利点がある。先ず、この構成ではコンパク
トな設計を維持しながら有効長Ｌ（図４）が二倍にな
る。さらに上述のように、この構成では垂直（Ｚ軸）方
向に熱補正が行われ、Ｘ−Ｙ軸運動に関わる寄生Ｚ軸運
動を自動的に無効にする。
レート５２、５４、５６、５８を有する紙の面内へと、
この紙面の外部への移動に用いる例示としての位置決め
器を示す。例えば、圧電プレート５２、５４は図５のア
クチュエータ４４に対応することができ、圧電プレート
５６、５８は図５のアクチュエータ４８に対応すること
ができる。図８の設計では、圧電プレート５２、５８は
平行エッジの内の第１番目を基部６０に固定し、反対側
の平行エッジを剛性中間部材６２に固定する。圧電プレ
ート５４、５６は第１平行エッジを中間部材６２に固定
し、反対側の平行エッジを部材６４に固定する。一組の
圧電プレート５２、５４は圧電プレート組５６、５８と
同様、相互に平行で、互いに隣り合い、互いの上部にセ
ットした関係にある。走査プローブ顕微鏡では、プロー
ブの先端（図示せず）は（これから下方に伸びる）部材
６４に固定されるであろうし、サンプルはプローブ下部
にある基部６０に固定されるだろう。図８に記載する構
成には数々の利点がある。先ず、この構成ではコンパク
トな設計を維持しながら有効長Ｌ（図４）が二倍にな
る。さらに上述のように、この構成では垂直（Ｚ軸）方
向に熱補正が行われ、Ｘ−Ｙ軸運動に関わる寄生Ｚ軸運
動を自動的に無効にする。
【００１７】図９の構成は図８に記載する「折り返し」
または「折り畳み」構成の変形である。アクチュエータ
・プレートを相互の上部にセットする組で配列する代わ
りに、これらのアクチュエータ・プレートは図８に示す
ように共面、あるいは平行にオフセットをとって配列す
ることができる。こうして、アクチュエータ・プレート
６６、６８、７０は基部６０と剛性中間部材６２に固定
し、アクチュエータ・プレート７２、７４は剛性中間部
材６２と部材６４に固定する。アクチュエータ・プレー
ト６６、６８、７０上の電極に印加される極性はアクチ
ュエータ・プレート７２、７４上の対応電極に印加され
る極性とは逆であり、そのため、アクチュエータ・プレ
ート７２、７４の動きはアクチュエータ・プレート６
６、６８、７０の動きに付加したものになる、
または「折り畳み」構成の変形である。アクチュエータ
・プレートを相互の上部にセットする組で配列する代わ
りに、これらのアクチュエータ・プレートは図８に示す
ように共面、あるいは平行にオフセットをとって配列す
ることができる。こうして、アクチュエータ・プレート
６６、６８、７０は基部６０と剛性中間部材６２に固定
し、アクチュエータ・プレート７２、７４は剛性中間部
材６２と部材６４に固定する。アクチュエータ・プレー
ト６６、６８、７０上の電極に印加される極性はアクチ
ュエータ・プレート７２、７４上の対応電極に印加され
る極性とは逆であり、そのため、アクチュエータ・プレ
ート７２、７４の動きはアクチュエータ・プレート６
６、６８、７０の動きに付加したものになる、
【００１８】圧電プレートはその電極をバイポーラ電源
からの固定電圧に対し運動範囲が二倍になるように区分
することができる。相対する各組の電極に＋Ｖ／−Ｖ電
圧を印加することによって図１、図３に記載するように
圧電プレートの前面と背面をそれぞれの象限に区分する
と、各区画には２Ｖの電圧が印加される。圧電材料がこ
の電圧を支持できれば、運動範囲が二倍になる結果とな
る。しかし、二次元運動が達成されるに過ぎない。これ
とは別様に、圧電プレートの前面を図１のように区分
し、背面には図２のように一個の電極を備えることがで
きる。そこで、背面電極は接地ができ、各区画には±Ｖ
電圧だけが印加できるようになる。この後者の構成はア
レーにおける全ての圧電プレートの背面電極はＺ軸運動
をも促がすべく浮動、位置変動させ、完全な三次元変換
運動が行えるという利点がある。
からの固定電圧に対し運動範囲が二倍になるように区分
することができる。相対する各組の電極に＋Ｖ／−Ｖ電
圧を印加することによって図１、図３に記載するように
圧電プレートの前面と背面をそれぞれの象限に区分する
と、各区画には２Ｖの電圧が印加される。圧電材料がこ
の電圧を支持できれば、運動範囲が二倍になる結果とな
る。しかし、二次元運動が達成されるに過ぎない。これ
とは別様に、圧電プレートの前面を図１のように区分
し、背面には図２のように一個の電極を備えることがで
きる。そこで、背面電極は接地ができ、各区画には±Ｖ
電圧だけが印加できるようになる。この後者の構成はア
レーにおける全ての圧電プレートの背面電極はＺ軸運動
をも促がすべく浮動、位置変動させ、完全な三次元変換
運動が行えるという利点がある。
【００１９】例示としての位置決め器を作成した。この
位置決め器はｄ31=１．７Å／Ｖなる関係を満たすＰＺ
Ｔ−５Ａ圧電プレートで製作した。寸法はＬ=１．
５″、ｗ=０．２５″、ｔ=０．０１″、ｓ=１．５０″
であった。その結果、光学顕微鏡を用いた変位の観察に
よって測定される４６ミクロン／１００Ｖ駆動電圧なる
動作範囲になった。駆動電圧としての±１２０Ｖの場
合、動作範囲は１１０ミクロンになった。構造は図８に
記載するようにそれ自体を折り返したものである。原則
として、いかなるＰＺＴ材料でも３００Ｖ／０．５ｍｍ
を維持できるはずであるため、一方の電極に＋Ｖ電圧
を、反対側電極に−Ｖ電圧を印加し、さらに通常の±１
５０Ｖ電源を使用することによって動作範囲も二倍にす
ることができよう。その構造は最小共振周波数が多くの
用途に適正な約５００Ｈｚになる。もちろん、Ｌ、ｗま
たはｔを変化させることによって動作範囲の拡大、縮小
がこれに対応する共振周波数の増減と共に可能であろ
う。測定した動作範囲と共振周波数は理論上の計算値に
一致する。
位置決め器はｄ31=１．７Å／Ｖなる関係を満たすＰＺ
Ｔ−５Ａ圧電プレートで製作した。寸法はＬ=１．
５″、ｗ=０．２５″、ｔ=０．０１″、ｓ=１．５０″
であった。その結果、光学顕微鏡を用いた変位の観察に
よって測定される４６ミクロン／１００Ｖ駆動電圧なる
動作範囲になった。駆動電圧としての±１２０Ｖの場
合、動作範囲は１１０ミクロンになった。構造は図８に
記載するようにそれ自体を折り返したものである。原則
として、いかなるＰＺＴ材料でも３００Ｖ／０．５ｍｍ
を維持できるはずであるため、一方の電極に＋Ｖ電圧
を、反対側電極に−Ｖ電圧を印加し、さらに通常の±１
５０Ｖ電源を使用することによって動作範囲も二倍にす
ることができよう。その構造は最小共振周波数が多くの
用途に適正な約５００Ｈｚになる。もちろん、Ｌ、ｗま
たはｔを変化させることによって動作範囲の拡大、縮小
がこれに対応する共振周波数の増減と共に可能であろ
う。測定した動作範囲と共振周波数は理論上の計算値に
一致する。
【００２０】ＰＺＴ−５Ａ圧電材料を用いた例示として
の位置決め器を製作したが、他の材料でもその製作に適
したものがある。例えば、ニオブ酸塩リチウム単結晶材
料およびα石英単結晶材料はもとより、他のＰＺＴ材料
も位置決め器プレートの製作に選択することができる。
の位置決め器を製作したが、他の材料でもその製作に適
したものがある。例えば、ニオブ酸塩リチウム単結晶材
料およびα石英単結晶材料はもとより、他のＰＺＴ材料
も位置決め器プレートの製作に選択することができる。
【００２１】従って、圧電プレート・アクチュエータを
使用した微小位置決め装置に用いるもので、アッベ・オ
フセット・エラーを排除する改良型非傾斜位置決め器は
既に開示されている。本明細書に若干の例示としての実
施例が開示されたが、当該技術に通常の精通度を有する
者にとって他の実施例と他の修正がいかなるものである
は明らかであろうと理解され、本発明は付属の特許請求
の範囲によってのみ制限されるものとする。
使用した微小位置決め装置に用いるもので、アッベ・オ
フセット・エラーを排除する改良型非傾斜位置決め器は
既に開示されている。本明細書に若干の例示としての実
施例が開示されたが、当該技術に通常の精通度を有する
者にとって他の実施例と他の修正がいかなるものである
は明らかであろうと理解され、本発明は付属の特許請求
の範囲によってのみ制限されるものとする。
【図１】本発明の原理に従って形成し、発明的な二次元
位置決め器の基本的な構造ブロックとして機能する一次
元アクチュエータの第１面を示す。
位置決め器の基本的な構造ブロックとして機能する一次
元アクチュエータの第１面を示す。
【図２】図１に記載するアクチュエータの反対側面の第
１実施例を示す。
１実施例を示す。
【図３】図１に記載するアクチュエータの反対側面の他
の実施例である。
の実施例である。
【図４】図１〜図３に記載するアクチュエータの動きを
示す。
示す。
【図５】図１〜図３に例示するタイプのアクチュエータ
を用いた二次元位置決め器のアクチュエータ配置図を示
す。
を用いた二次元位置決め器のアクチュエータ配置図を示
す。
【図６】図１〜図３に例示するタイプのアクチュエータ
を用いた二次元位置決め器のアクチュエータ配置図を示
す。
を用いた二次元位置決め器のアクチュエータ配置図を示
す。
【図７】図１〜図３に記載するタイプのアクチュエータ
を用いた改良堅牢型二次元位置決め器のアクチュエータ
配置図を示す。
を用いた改良堅牢型二次元位置決め器のアクチュエータ
配置図を示す。
【図８】図１〜図３に記載するタイプで、複数の平行、
折り返しアクチュエータを使用した位置決め器のコンパ
クト設計を示す。
折り返しアクチュエータを使用した位置決め器のコンパ
クト設計を示す。
【図９】図１〜図３に記載するタイプで、複数の平行、
折り返しアクチュエータを使用した位置決め器のコンパ
クト設計を示す。
折り返しアクチュエータを使用した位置決め器のコンパ
クト設計を示す。
１０ 圧電プレート １２ エッジ １４ エッジ １６ 第１エレメント １８ 第２エレメント ２０ 第１面 ２２ 電極 ２４ 電極 ２６ 電極 ２８ 電極 ４２ コントローラ
フロントページの続き (72)発明者 ラファエル ネイザン クレインマン アメリカ合衆国 08901 ニュージャー シイ，ニューブランズウィック，アパー トメント ６エフ，ランディング レー ン 10 (56)参考文献 特開 昭62−174811（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−55606（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−274503（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−287022（ＪＰ，Ａ) ＲＥＶＩＥＷ ＯＦ ＳＣＩＥＮＴＩ ＦＩＣ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ, 1993，Ｖｏｌ．64，Ｎｕｍ．11，ｐ. 3332−3333 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 37/20 H01L 21/68 G01N 13/00 - 13/24 G01N 37/00 G05D 3/00 - 3/20 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (22)
- 【請求項１】 一組のエレメント相互間における一次元
水平運動を制御するマイクロ位置決め装置用の位置決め
アクチュエータであって、該アクチュエータは、 一組の対位する平行エッジと、そのエッジの間に延びる
一組の対位する平行面とを有する微少運動トランスジュ
ーサ・プレートからなり、該面は該一次元水平運動の方
向と並行であり、該アクチュエータは更に、 該平行エッジの第１番目を該エレメントの第１番目に結
合し、該エレメント相互間の相対的な動きを防止する結
合手段と、 該平行エッジの第２番目を該エレメントの第２番目に結
合し、該エレメント相互間の相対的な動きを防止する結
合手段とからなり、 該平行面の第１番目は複数の区画に分割され、各区画は
その上に第１電極を有し、第１の電極の少なくとも二本
の行及び少なくとも２本の列を形成するよう構成されて
おり、該アクチュエータは更に、 該平行面の第２番目上にある少なくとも一つの第２電極
からなり、該電極は該プレートの厚さを介して該第１電
極のそれぞれ一つに対位させて配されており、該アクチ
ュエータは更に、 該第１、第２電極に電圧を印加する該第１、第２電極に
結合した制御手段からなり、該制御手段は、第１組の区
画においては第１極性であり、第２組の区画では逆極性
である電界を該プレートの厚さにわたって形成すること
を特徴とする位置決めアクチュエータ。 - 【請求項２】 請求項１に記載のアクチュエータにおい
て、該第１電極が第１番目の面の区画の内の一つにおい
てそれぞれ実質的に等しいサイズの矩形電極からなるア
クチュエータ。 - 【請求項３】 請求項１に記載のアクチュエータにおい
て、該少なくとも一つの第２電極が該第１電極の全てに
対位する一つの電極からなることを特徴とするアクチュ
エータ。 - 【請求項４】 請求項１に記載のアクチュエータにおい
て、該少なくとも一つの第２電極がそれぞれ該第１電極
の内の各一つに対応し、対位する少なくとも四つの第２
電極からなるアクチュエータ。 - 【請求項５】 請求項１に記載するアクチュエータを一
組備える一次元位置決め器であって、 該第１番目のアクチュエータのプレートはその平行エッ
ジを第１及び第２エレメントにそれぞれ結合し、 該第２番目のアクチュエータのプレートはその平行エッ
ジを該第２エレメントと第３エレメントとにそれぞれ結
合し、該第２番目のアクチュエータのプレートは該第１
番目のアクチュエータのプレートに対し平行な関係にあ
り、 該第１及び第３エレメント間における目標とする全体的
な一次元運動が第１及び２番目のアクチュエータの該プ
レートに平行な線に沿って実行される一次元位置決め
器。 - 【請求項６】 請求項５に記載の位置決め器において、
該第２番目のアクチュエータのプレートが該第１番目の
アクチュエータのプレートに隣り合い、さらにその上部
にセットされた位置決め器。 - 【請求項７】 請求項５に記載の位置決め器において、
該第２番目のアクチュエータのプレートが該第１番目の
アクチュエータのプレートに対し共面である位置決め
器。 - 【請求項８】 請求項５に記載の一次元位置決め器を複
数備える二次元位置決め器であって、 該複数の一次元位置決め器を二つのグループに分割し、
各グループにおけるアクチュエータのプレートを相互平
行にし、他のグループにおけるアクチュエータのプレー
トに直角にし、 直角軸組の内の各軸に平行な独立した動きを該第１及び
第３エレメント間で実行できることを特徴とする二次元
位置決め器。 - 【請求項９】 請求項１に記載のアクチュエータを複数
備える一次元位置決め器であって、該複数のアクチュエ
ータすべてのプレートはそれらの平行エッジを該第１及
び第２エレメントにそれぞれ結合し、該プレートを相互
に実質的に共面となるように配列したことを特徴とする
一次元位置決め器。 - 【請求項１０】 請求項９に記載の位置決め器を一組備
える一次元位置決め装置であって、一組の位置決め器の
内の各位置決め器のプレートは一組の位置決め器の内の
他の位置決め器のプレートに平行であり、該他の位置決
め器のプレートから離したことを特徴とする一次元位置
決め装置。 - 【請求項１１】 請求項１０に記載の位置決め装置を一
組備える一次元位置決め器であって、 第１番目の該位置決め装置のプレートはその平行エッジ
を該第１及び第２エレメントにそれぞれ結合し、 第２番目の該位置決めデバイスのプレートはその平行エ
ッジを該第２エレメントと第３エレメントとにそれぞれ
結合し、該第２番目の位置決め装置のプレートは該第１
番目の位置決め装置の対応プレートに対し平行な関係に
あり、 該第１及び第３エレメント間における目標とする一次元
運動が該複数のアクチュエータのプレートに平行な線に
沿って行われることを特徴とする一次元位置決め器。 - 【請求項１２】 請求項１１に記載の位置決め器におい
て、該第２番目の位置決め装置が該第１番目の位置決め
装置の対応プレートに隣り合い、さらにその上部にセッ
トされる位置決め器。 - 【請求項１３】 請求項１１に記載の位置決め器におい
て、該第２番目の位置決め装置のプレートは該第１番目
の位置決め装置の対応プレートに対し共面である位置決
め器。 - 【請求項１４】 請求項１１に記載の一次元位置決め器
を一組備える二次元位置決め器であって、第１番目の該
一次元位置決め器の第１番目は一組の直角軸の内の第１
番目に平行な一次元運動に合わせた構成であり、第２番
目の該一次元位置決め器は該一組の直角軸の内の第２番
目に平行な一次元運動に合わせた構成であり、該一組の
直角軸の各軸に平行な独立の動きを該第１及び第３エレ
メント間で行うことができることを特徴とする二次元位
置決め器。 - 【請求項１５】 請求項１に記載のアクチュエータを複
数備える二次元位置決め装置であって、 該複数のアクチュエータすべてのプレートはその平行エ
ッジを該第１及び第２エレメントにそれぞれ結合し、 該プレートを二つのグループに分割し、各グループのプ
レートを相互に平行にし、さらに他のグループのプレー
トに直角にし、 直角軸組の各軸に平行な独立の動きを該第１及び第２エ
レメント相互間で行うことができることを特徴とする二
次元位置決め装置。 - 【請求項１６】 請求項１５に記載の位置決め装置を一
組備える二次元位置決め器であって、 第１番目の該位置決め装置のプレートはその平行エッジ
を該第１及び第２エレメントにそれぞれ結合し、 第２番目の該位置決め装置のプレートはその平行エッジ
を該第２エレメントと第３エレメントとにそれぞれ結合
し、該第２番目の位置決め装置のプレートは該第１番目
の位置決め装置の対応プレートに対し平行な関係にあ
り、 該第１及び第３エレメント間における目標とする二次元
運動が行われることを特徴とする二次元位置決め器。 - 【請求項１７】 請求項１６に記載の位置決め器におい
て、該第２番目の位置決め装置のプレートが該第１番目
の位置決め装置の対応プレートに隣り合い、さらにその
上部にセットされる位置決め器。 - 【請求項１８】 請求項１６に記載の位置決め器におい
て、該第２番目の位置決め装置のプレートが該第１番目
の位置決め装置の対応プレートに対し共面である位置決
め器。 - 【請求項１９】 請求項１に記載のアクチュエータにお
いて、該微少運動トランスジューサ・プレートをＰＺＴ
−５Ａ材料で形成するアクチュエータ。 - 【請求項２０】 請求項１に記載のアクチュエータにお
いて、該微少運動トランスジューサ・プレートをＰＺＴ
材料と、ニオブ酸塩リチウム単結晶材料と、α石英単結
晶材料とから成るグループから選択せれる材料から形成
するアクチュエータ。 - 【請求項２１】 該行と該縦列との各々における第１電
極が交番する極性である請求項１に記載のアクチュエー
タ。 - 【請求項２２】 請求項１に記載のアクチュエータにお
いて、所与の極性の第１電極が電気的に一体に接続され
るアクチュエータ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/599570 | 1996-02-09 | ||
| US08/599,570 US5693997A (en) | 1996-02-09 | 1996-02-09 | Non-tilting plate actuator for use in a micropositioning device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09265933A JPH09265933A (ja) | 1997-10-07 |
| JP3174740B2 true JP3174740B2 (ja) | 2001-06-11 |
Family
ID=24400171
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02419997A Expired - Fee Related JP3174740B2 (ja) | 1996-02-09 | 1997-02-07 | マイクロ位置決め装置に使用する非傾斜プレート・アクチュエータ |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5693997A (ja) |
| EP (1) | EP0790481B1 (ja) |
| JP (1) | JP3174740B2 (ja) |
| KR (1) | KR100277415B1 (ja) |
| DE (1) | DE69713821T2 (ja) |
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| DE19744126A1 (de) * | 1997-10-01 | 1999-04-15 | Thomas Ludwig Dipl Phys Kalka | Vorrichtung zur Positionierung im nm-Bereich |
| US6140742A (en) * | 1998-05-12 | 2000-10-31 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | High authority actuator |
| JP3845543B2 (ja) * | 1999-10-01 | 2006-11-15 | 日本碍子株式会社 | 圧電／電歪デバイス及びその製造方法 |
| JP3436727B2 (ja) | 1999-10-01 | 2003-08-18 | 日本碍子株式会社 | 圧電／電歪デバイス及びその製造方法 |
| JP3845544B2 (ja) * | 1999-10-01 | 2006-11-15 | 日本碍子株式会社 | 圧電／電歪デバイス及びその製造方法 |
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| JP3436735B2 (ja) * | 1999-10-01 | 2003-08-18 | 日本碍子株式会社 | 圧電／電歪デバイス及びその製造方法 |
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| WO2001026168A1 (fr) * | 1999-10-01 | 2001-04-12 | Ngk Insulators, Ltd. | Dispositif piezo-electrique / electrostrictif |
| WO2002035695A1 (fr) * | 2000-10-20 | 2002-05-02 | Fujitsu Limited | Organe de commande piezo-electrique, procede d'entrainement et dispositif de stockage d'informations |
| GB0323920D0 (en) | 2003-10-11 | 2003-11-12 | Johnson Electric Sa | Electric motor |
| JP2006118916A (ja) * | 2004-10-20 | 2006-05-11 | Sii Nanotechnology Inc | 表面情報計測装置及び表面情報計測方法 |
| DE102009039922A1 (de) * | 2009-04-21 | 2010-11-04 | Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg | Ultraschallmotor |
| US9236555B2 (en) | 2012-01-12 | 2016-01-12 | Robert Bosch Gmbh | Piezoelectric based MEMS structure |
| DE102018115086B3 (de) * | 2018-06-22 | 2019-08-29 | Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg | Verstellvorrichtung |
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|---|---|---|---|---|
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| GB2113459B (en) * | 1982-01-14 | 1985-09-18 | Standard Telephones Cables Ltd | Piezo-electric ceramic couplers |
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-
1996
- 1996-02-09 US US08/599,570 patent/US5693997A/en not_active Expired - Lifetime
-
1997
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| ＲＥＶＩＥＷ ＯＦ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ，１９９３，Ｖｏｌ．６４，Ｎｕｍ．１１，ｐ．３３３２−３３３３ |
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