JP4997633B2 - ナノアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、シェアピエゾ素子の電圧印加による歪みを利用して、所望の部材を移動させるナノアクチュエータに関する。

この種のアクチュエータは、電子顕微鏡における試料の移動やナノレベルの加工あるいは探針のナノレベルでの移動の為に使用されるものであるが、特許文献１、非特許文献１に示されように個々のアクチュエータは１軸方向への移動に限られていた。
このため、２軸方向への可動は、２機のアクチュエータを必要とし、本体狭小な空間で使用することを目的に作られたアクチュエータの利用に限界を生じさせていた。
これに対し、特許文献２に示すものは、２軸方向への移動を可能にしたものであるが、可動部材を、その重力でシェアピエゾ素子の置いてあるだけなので、可動方向は水平方向に限られ、鉛直方向、斜め方向では使用できず、また、重力の小さい宇宙空間や、浮力の大きい液体中では使用できないという欠点があった。
国際公開ＷＯ ９３／１９４９４号公報 特開２００５−３５１７３５号公報 ３Ｈｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｖｅｒｙ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅＲｅｖ． Ｓｃｉ． Ｉｎｓｔｒｕｍ． Ｖｏｌ． ７０， Ｎｏ． ２， ｐ．１４５９ Ｆｅｂｒｕａｒｙ １９９９ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＰｈｙｓｉｃｓＳ． Ｈ． Ｐａｎ， Ｅ． Ｗ． Ｈｕｄｓｏｎ， ａｎｄ Ｊ． Ｃ． Ｄａｖｉｓ

本発明は、このような実用に鑑み、２軸方向への移動を可能としながら、重力の影響を殆ど受けることのないナノアクチュエータを提供することを目的とする。

発明１のナノアクチュエータは、可動部材と、シェアピエゾ素子を前記可動部材の表裏両面から挟み込んだ可動部材保持構造と、表裏において相互に異なる方向に歪むように配した前記シェアピエゾ素子に対する電圧印加の時期とＯＮ−ＯＦＦ速度をそれぞれ制御できる制御手段とを有することを特徴とする。

発明２は、発明１のナノアクチュエータにおいて、複数のシェアピエゾ素子を直線上に歪み方向を揃えて配置したシェアピエゾ素子組を構成したことを特徴とする特徴とするナノアクチュエータ

発明３は、発明２のナノアクチュエータにおいて、前記シェアピエゾ素子組は、複数個のシェアピエゾ素子組からなることを特徴とする。

発明４は、発明２又は３のナノアクチュエータにおいて、可動部材の一方の面に一つのシェアピエゾ素子組を配置し、これに対して交差する様に歪み方向を向けて、他方の面に複数のシェアピエゾ素子組を配置したことを特徴とする。

発明５は、可動部材が移動する際、その移動方向に対して直角方向に歪むシェアピエゾ素子組をそれらからの移動力が相殺される方向に歪ますことを特徴とする。

発明１により、可動部材は、その両面からシェアピエゾ素子によって保持されているので、その自重によらずに、シェアピエゾ素子との位置関係を維持することが出来るため重力による影響を殆ど受けることはない。
それ故に、２軸方向の自由度を持ちながら、コンパクトな設計（従来の方式を用いた場合の約半分）を実現したため、メカニカルループが小さくなり、その結果、外部からの機械的振動・音波の影響を受けにくい２軸アクチュエータとして動作した。

発明１のナノアクチュエータは、特許文献２と異なり、回転自由度がないため、可動部材の移動に関して直線性が高くなった。

発明１のナノアクチュエータは、特許文献２と異なり、シェアピエゾ素子に負極性電圧を印加しないので、シェアピエゾ素子が破損・劣化する可能性が低減された。

また、発明２では、複数のシェアピエゾ素子を直線上に歪み方向を揃えて配置したシェアピエゾ素子組を構成することで、所望する可動部材の動きを制御するのに必要最小限のものを提供することができた。

発明５により、可動部材が移動する際、その移動方向に対して直角方向に歪むシェアピエゾ素子組からの摩擦力が低減され、所望する動きの制御が容易になった。

可動部材（７）としては、サファイア板を実施例として示したが、平坦性・平滑性が適切なセラミックス・ガラス・金属材料等に置換しても同様な作用効果を発揮させ得る。

図２の印加電圧ダイアグラムにおいて、
（１）シェアピエゾ＃１と４、＃２と３の電圧波形を一致させても同様な作用効果を発揮させ得ることは容易に類推できる。
（２）右進、左進モードにおいてシェアピエゾ＃５、６の電圧波形を入れ替えても同様な作用効果を発揮させ得ることは容易に類推できる。
（３）サファイア板を押し出すタイミング（図２中、「Ａ」で指定）が同期していれば、印加電圧の立ち上げ、立ち下げの順番を変えても同様な作用効果を発揮させ得ることは容易に類推できる。
実施例の走査トンネル顕微鏡を、（１）原子間力顕微鏡等の各種走査プローブ顕微鏡や、（２）走査プローブ顕微鏡を複数統合したプローバ装置に置換しても同様な作用効果を発揮させ得ることは容易に類推できる。
シェアピエゾ＃１〜６の印加電圧を調整すれば、前後左右だけではなく、斜め方向にも可動させ得ることは容易に類推できる。
図２に示す印加電圧波形サイクルを繰り返すことにより、指定した方向に必要なだけ進むことは容易に類推できる。

［電気回路説明］
当装置は、６チャンネルの高圧アンプ部、マイコンによる信号生成部、及び、電源回路で構成され、６チャンネルの信号を生成、高圧アンプ部で０Ｖ〜１００Ｖのピエゾドライブ用の信号に変換出力する。（添付図１３、１４参照）
ピエゾを駆動させる波形発生回路は、２チャンネルの１２ビット乗算型ＤＡ変換器、それぞれのＤＡ変換器に接続された１２ビットのＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ、各チャンネルに接続されたアナログスィッチにより、急速Ｓｌｉｐ信号はアナログスイッチのオン／オフ、緩速Ｓｔｉｃｋ波形は１２ビットのＵＰ／ＤＯＷＮカウンタに接続されたＤＡ変換器からの出力を使用して、ドライブ波形を生成する。

本アクチュエータを粗動機構として用いて、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）装置の粗動機構を例にして、本発明の実施例を説明する。
図５は、ＳＴＭように可動部材であるサファイア板（７）にチューブピエゾ（１５）、ＳＴＭ探針（１６）を搭載した図面を示す。
板バネ（１２）を用い、サファイア板（７）を６枚のシェアピエゾ素子（１）〜（６）で挟み込んでいる。
シェアピエゾ素子（１）〜（６）の表面に直接サファイア板（７）が触れないようにセラミックス板（２０）を張り付けている。
これは、シェアピエゾ素子（１）〜（６）の表面が金属薄膜電極になっているため、それの摩耗を防ぐための措置である。
前記板バネ（１２）は、凹型フレ−ム（１４）の上端にネジ（１３）により固定されていて、その中央下面には、サファイア球（１１）により、背面版（１０）を固定してある。
背面板（１０）上面の円錐を逆にしたような形状の穴に、サファイア球（１１）をおいて、上から穴のあいた板ばね（１２）で押さえつけている。
この様な構造にした理由は、広い温度領域（−２７０度〜室温）で使用するには、部品材料の熱収縮の効果を小さくする必要があったためである。
この様にして、前記板バネ（１２）の反発力により、背面版（１０）を介して、シェアピエゾ素子（５）（６）、サファイア板（７）、シェアピエゾ素子（１）（２）（３）（４）を前記凹型フレ−ム（１４）の底面に押さえつけるようにして、可動部材の保持構造を構成してある。
前記シェアピエゾ素子（１）〜（６）は、第五シェアピエゾ素子（５）と第六シェアピエゾ素子（６）、第二シェアピエゾ素子（２）と第三シェアピエゾ素子（３）、第一シェアピエゾ素子（１）と第四シェアピエゾ素子（４）とがそれぞれ組に構成されている。
一組のシェアピエゾ素子は、図１１に示すように、互いに同方向に歪むように配置されており、上面にある組は、可動部材（７）の前後方向に、他の二つの組は、相互に直交した斜め方向に歪むように配置してある。
この様にして、それぞれのシェアピエゾ素子（１）〜（６）の正電圧印加を制御することで、可動部材（７）を前後、左右に移動できるようにしてある。

図１から図４は、前記シェアピエゾ素子（１）〜（６）に対する正電圧印加の制御パターンであり、図１は前進、図２は後進、図３は左側方、図３は右側方への制御パターンである。
実際にはこれらのパターンを回路中に記憶させ、移動方向を指示することで、正電圧印加を制御するようなコンピュータを用いる。
前記制御パターンには、緩速ＯＮ−ＯＦＦ部（Ａ）と急速ＯＮ−ＯＦＦ部（Ｂ）とがあり、緩速ＯＮ−ＯＦＦ部（Ａ）により、可動部材（７）に歪み方向又はその方向とは逆の方向に力を与えるが、急速ＯＮ−ＯＦＦ部（Ｂ）は、可動部材（７）とスリップして、可動部材（７）には力をあたえない。
この２要素の発現を制御して、可動部材（７）の移動方向を制御するものである。
図１は、第一から第六のシェアピエゾ素子（１）〜（６）に順次急速ＯＮにて正電圧印加し、一斉に緩速ＯＦＦすることで、全シェアピエゾ素子の復帰力を利用して、可動部材（７）を前進させた例である。

図２は、第一から第六のシェアピエゾ素子（１）〜（６）に一斉に緩速して、全シェアピエゾ素子の歪み力にて可動部材（７）を後退させた例である。
稼働後は、順次急速ＯＦＦにより、可動部材（７）の位置を維持させた。

図３は、可動部材（７）を左進させた例である。まず、シェアピエゾ素子（１）（４）（５）を順次に急速ＯＮにする。この時、可動部材（７）の位置は維持されたままである。次に、シェアピエゾ素子（１）（４）（５）を一斉に緩速ＯＦＦし、同時に、シェアピエゾ素子（２）（３）（６）を一斉に緩速ＯＮする。この時、可動部材（７）の位置は全シェアピエゾ素子の歪み力にて左へ移動する。その後、シェアピエゾ素子（２）（３）（６）を順次に急速ＯＦＦにし、可動部材（７）の位置は維持したまま、初期状態に戻す。

図４は、可動部材（７）を右進させた例である。まず、シェアピエゾ素子（２）（３）（６）を順次に急速ＯＮにする。この時、可動部材（７）の位置は維持されたままである。次に、シェアピエゾ素子（２）（３）（６）を一斉に緩速ＯＦＦし、同時に、シェアピエゾ素子（１）（４）（５）を一斉に緩速ＯＮする。この時、可動部材（７）の位置は全シェアピエゾ素子の歪み力にて右へ移動する。その後、シェアピエゾ素子（１）（４）（５）を順次に急速ＯＦＦにし、可動部材（７）の位置は維持したまま、初期状態に戻す。

（１）小型化された電子素子等の作製、及び、検査過程において、マスクやプローブのサブマイクロメートルオーダーでの位置合わせや、（２）プローブ顕微鏡の粗動機構に利用可能である。

前進時の印加電圧パターンを示すグラフ 後進時の印加電圧パターンを示すグラフ 左側進時の印加電圧パターンを示すグラフ 右側進時の印加電圧パターンを示すグラフ ＳＴＭ用２軸アクチュエータを示す一部切り欠き斜視図 ＳＴＭ用２軸アクチュエータの下部構造を示す平面図 ＳＴＭ用２軸アクチュエータの可動部分を示す平面図 ＳＴＭ用２軸アクチュエータの上部構造を示す底面図 ＳＴＭ用２軸アクチュエータの上部板バネを示す平面図 ＳＴＭ用２軸アクチュエータの背面図 第一から第六のシェアピエゾ素子の相対配置を示す平面図（矢印は正電圧印加により歪む方向を示す） シェアピエゾ素子の正電圧印加による歪み現象を示す側面図。 制御系を示すブロック図 図１３の制御系における出力発生回路を示す回路図

符号の説明

（１） 第一シェアピエゾ素子
（２） 第二シェアピエゾ素子
（３） 第三シェアピエゾ素子
（４） 第四シェアピエゾ素子
（５） 第五シェアピエゾ素子
（６） 第六シェアピエゾ素子
（７） 可動プレート
（１０） 背面版
（１１） サファイヤ球
（１２） 板バネ
（１３） 板バネ固定ネジ
（１４） 凹型フレーム
（１５） チューブピエゾ
（１６） ＳＴＭ探針
（１７） 試料
（１８） 試料台
（１９） 基盤
（２０） セラミックス板

Claims (1)

1. 可動部材と、
   夫々複数のシェアピエゾ素子を直線上に歪み方向をそろえて配置した複数のシェアピエゾ素子組と、
   前記複数のシェアピエゾ素子組により前記可動部材の表裏両面から挟み込んだ可動部材保持構造と、
   前記表裏両面において相互に異なる方向に歪むように配した前記シェアピエゾ素子に対する電圧印加の時期とＯＮ−ＯＦＦ速度をそれぞれ制御できる制御手段と
   を設け、前記シェアピエゾ素子の電圧印加による歪を利用して所望の部材を移動させるナノアクチュエータにおいて、
   前記可動部材の前記表裏両面のうちの一方の面に前記複数のシェアピエゾ素子組のうちの一つのシェアピエゾ素子組を配置し、
   これに対して交叉するように前記歪み方向を向けて、前記表裏両面のうちの他方の面に前記複数のシェアピエゾ素子のうちの残りの複数個のシェアピエゾ素子組を配置した
   ことを特徴とするナノアクチュエータ。