JPH02241374A - 駆動機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 駆動機構に係わり、特に圧電素子を用いて微小駆動機構
に関し、 超精密加工が不用で、超高真空中での使用も可能である
ことを目的とし、 対向する固定壁および支持壁と、前記２つの壁の隙間の
中に平行に配置され、かつ支持壁に弾発手段を介して支
持された可動壁と、固定壁部材と可動壁部材とに挟まれ
て弾着され、かつ対向して設けられた電極に電圧が印加
されると伸縮する圧電体材料からなる駆動部材とを有し
、前記駆動部材が、固定壁と可動壁とに挟持される少な
くとも３個の平行に並んだクランプ素子と、クランプ素
子の各々の側面をＨの字形に連結するように固着された
少なくとも２個の直線駆動素子とからなり、駆動動作に
際して、少なくとも３個のクランプ素子の中の少なくと
も２個が、常に、固定壁と可動壁とに挟持されているか
、あるいは、駆動動作に際して、少なくとも３個のクラ
ンプ素子の両端の２個の素子と、その２個の素子を除く
他の素子とが、交互に、固定壁と可動壁とに挟持されて
いるように構成する。

半導体集積回路装置を中心として製造技術においては、
例えば、微細パターニングに用いられる露光装置におい
ては、０．１μｍの位置決め精度で、移動範囲が１０ｃ
ｍといった駆動機構が要求されている。

さらに、最近注目されている、原子の配列を実空間で観
察できる走査型トンネル顕微鏡においては、より一層高
精度のｎｍ単位の位置決め精度を有する駆動機構が要求
されている。

このような要求に応えられる性能を有し、しかも、構造
が簡単で、加工や組立に際しては、厳しい精度が不用な
高精度の位置決め用駆動機構の開発が望まれている。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、駆動機構に係わり、特に圧電素子を用いた微
小駆動機構に関する。

近年、技術革新に伴い、１μｍを割るような微小な距離
だけ、物体を移動させる技術が要求されはじめている。

〔従来の技術〕

従来の超高精度の位置決めに用いる駆動機構には、静電
吸着クランプや圧電クランプなどの固定機構を併用した
、ラウスと呼ばれる尺取り出方式の圧電駆動機構とか、
あるいは、てこを利用したり、ばねやねじを利用してマ
イクロメータの動きを拡大縮小する機械的な駆動機構と
か、永久磁石とコイルからなるローレンツ力を利用した
磁気駆動機構などがある。

これらは、どの方式の駆動機構にしても一長一短あり、
簡便な機構で、かつ高速に、しかも安定に動作する駆動
機構の出現が望まれているが、その中で、現在、圧電駆
動機構が、多用されており、今後の発展も期待される。

第４図は従来の圧電駆動機構の説明図であり、同図（Ａ
）は駆動機構の斜視図、同図（Ｂ）は駆動部材の一部拡
大図、同図（Ｃ）は駆動動作手順の説明図である。

同図（Ａ）において、駆動機構１は、Ｈの字形を横にし
た形状の駆動部材５が、２個の固定壁２に挾持された構
造となっている。

そして、駆動部材５は、並行な１組のクランプ素子６ａ
、６ｂと、その両者を工の字形に連結する直線駆動素子
７とから構成されている。

ここで、駆動部材５を構成しているクランプ素子６ａ、
６ｂと直線駆動素子７は、同図（Ｂ）に示したように、
厚さ数十μｍの圧電体材料層ＩＯが、金属の内部電極１
１を介して、数百層重積した構成になっている。

そして、この内部電極１１は、圧電体材料層１０を挟ん
で互い違いに、対向する壁の外部に露出しており、それ
ぞれの電極の露出部が外部電極１２によって、共通に接
続されている。

このそれぞれの外部電極１２に、士の直流電圧を印加す
れば、圧電体材料層１０が伸びたり、縮んだりし、その
結果、駆動部材５が伸張・収縮することになる。

そして、２個のクランプ素子６ａ、６ｂは、それぞれ、
伸張状態においては、固定壁２の間隙に固く挟持されて
動かなくなり、収縮状態においては、固定壁との間に隙
間ができて自在に動けるようになっている。

従って、同図（Ｃ）に示したように、 （イ）クランプ素子６ｂを２つの固定壁２に挟持させた
状態で、クランプ素子６ａを収縮させて自在に動くよう
にし、 （ロ）直線駆動素子７を伸張させてクランプ素子６ａを
前進させ、 （ハ）クランプ素子６ａを伸張させて固定壁２に挟持さ
せ、 （ニ）クランプ素子６ｂを収縮させて自在に動くように
し、 （ホ）直線駆動素子７を収縮させてクランプ素子６ｂを
クランプ素子６ａの方向へ前進させ、（へ）クランプ素
子６ｂを伸張させて固定壁２に挟持させ、 （ト）最初の（イ）に戻る。

この一連の駆動動作を繰り返すことによって、駆動部材
５は、固定壁２の間隙を前進することができ、また、逆
の動作を繰り返せば、後退することもできる。

圧電体材料からなる直線駆動素子７は、例えば、長さ１
５ｍｍの角柱状の形状で、印加する電圧が±１０Ｖのと
き、長平方向に約１６５μｍ伸びたり縮んだりする。

従って、例えば、１０分間に７００回程度の電圧パルス
を印加して駆動動作を繰り返せば、約１ｍｍの移動が可
能である。

クランプ素子６ａ、６ｂも、電気・機械的な性能は同じ
なので、±１．５μｍ程度の伸縮によって、固定壁２の
間隙に固く挟持されたり、自在に動けるようになったり
する必要がある。

従って、クランプ素子６ａ、６ｂの長さや２つの固定壁
２の間隙などの寸法には、非常に厳しい精度が要求され
る。

どの機構にしても一長一短あり、簡便な機構で高速に、
しかも安定に動作する粗動機構の出現が望まれている。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上述べたように、駆動機構には、従来がら種々の方式
があるが、その中で多用されている尺取り生方式の圧電
駆動機構においては、駆動部材として用いられる圧電素
子に積層型の圧電素子を用いても、伸縮量が、例えば、
１５ｍｍ長の角柱状の圧電素子に±ＩＯＶ印加したとき
、±１．５μｍ程度と非常に小さい。

そのため、駆動機構を構成するためには、圧電素子や圧
電素子を支持する固定壁などに対して、数μｍの精度で
精密加工しなければならない問題があった。

また、この尺取り生方式の圧電駆動機構を、例えば、１
０−”　Ｔｏｒｒ以下といった超高真空系で使用する場
合には、全体を２００℃程度でベーキングする必要があ
り、その際、熱変形や熱歪みのために、圧電素子と圧電
素子を支持する壁部材との摩擦係数が増大したり、壁部
材の加工・組立精度が維持できなかったりして、所定の
性能が得られない問題があった。

〔課題を解決するための手段〕

上で述べた課題は、第１図の本発明の基本構成図に示し
た手段によって解決できる。

すなわち、対向する固定壁２と支持壁３との隙間の中に
平行に配置され、かつ支持壁３に弾発手段８を介して支
持された可動壁４が設けられている。

この固定壁２と可動壁４とには、駆動部材５が挟まれて
弾着されている。

ここで、駆動部材５は、圧電体材料層１ｏが内部電極１
１を介して、複数゛層重積した構成になっており、この
内部電極１１に士の電圧が印加されると伸びたり、縮ん
だりする。

駆動部材５は、固定壁２と可動壁４とに挟持される少な
くとも３個の平行に並んだクランプ素子（６ａ、　６ｂ
、　６ｃ、　　・・・）と、そのクランプ素子（６ａ、
６ｂ、６ｃ、・・・）の各々の側面をＨの字形に連結す
るように固着された少なくとも２個の直線駆動素子（７
ａ、７ｂ、・・・）とから構成されている。

そして、駆動動作に際して、少なくとも３個のクランプ
素子（６ａ、６ｂ、６ｃ、　　・・・）の中の少なくと
も２個が、常に、固定壁２と可動壁４とに挟持されてい
るように構成した駆動機構によって達成できる。

また、駆動動作に際して、少なくとも３個のりランプ素
子（６ａ、　６ｂ、６ｃ、・・・）の両端の２個の素子
と、その２個の素子を除く他の素子とが、交互に、固定
壁２と可動壁４とに挟持されているように構成した駆動
機構によって達成できる。

〔作　用〕

本発明になる駆動機構を構成している駆動部材は、少な
くとも３個のクランプ素子と、これを相互に連結する少
なくとも２個の直線駆動素子とから構成されており、基
本的な駆動動作は、従来の駆動機構と類似の尺取り虫の
ような動作で前進・後退を行うようにしている。

しかし、弾発手段を介して支持されている可動壁が傾い
て固定壁との平行度が悪くなると、駆動部材が円滑に動
かなくなるので、本発明になる動作手順によって、これ
を防ぐようにしており、これが本発明の特徴の１つとな
っている。

すなわち、　第１図（Ｂ）の本発明になる駆動機構の駆
動動作手順の説明図において、（イ）クランプ素子６ａ
と６ｂとが固定壁２と可動壁４とに挟持されている状態
で、クランプ素子６ｃを収縮させ、 （ロ）直線駆動素子７ｂを収縮させてクランプ素子６ｃ
を前進させ、 （ハ）クランプ素子６ｃを伸張させ、 （ニ）クランプ素子６ａと６０とが２つの壁部材２と４
とに挟持されている状態で、クランプ素子６ｂを収縮さ
せ、 （ホ）直線駆動素子７ａを収縮させると同時に直線駆動
素子７ｂを伸張させてクランプ素子６ｂを前進させ、 （へ）クランプ素子６ｂを伸張させ、 （ト）クランプ素子６ｂと６０とが２つの壁部材２と４
とに挟持されている状態で、クランプ素子６ａを収縮さ
せ、 （チ）直線駆動素子７ａを伸張させてクランプ素子６ａ
を前進させ、 （す）クランプ素子６ａを伸張させ、 （ヌ）最初の（イ）に戻る。

この一連の前進動作の手順においては、直線駆動素子７
ａあるいは７ｂが伸張あるいは収縮して、粗動部材５が
前進する動作中は、常に、クランプ素子６ａ、６ｂ、６
ｃの何れかの２個が、壁部材２と４に挟持されるように
している。

また、弾発手段８が２個の場合には、駆動部材５は、可
動壁４を押している弾発手段８の押力のモーメントの釣
り合いの関係から、少なくとも、中間に位置しているク
ランプ素子６ｂが可動壁４と接触している端面の進行方
向の長さの２分の１に相当する距離を、可動壁４が傾く
ことなく円滑に移動することができる。

〔実施例〕

第２図は本発明の詳細な説明図であり、同図（Ａ）は構
成の斜視図、同図（Ｂ）はもう１つの駆動操作の説明図
である。

同図（Ａ）において、駆動機構１を組み込んだ固定壁２
、支持壁３、可動壁４、および２個の壁２．３を固定す
る上枠１３と下枠１４は、全て下請鋼を用い、切削・研
磨などによって精密加工を行い、弾発手段８には、不銹
鋼製の２個のコイルばねを用いた。

駆動部材５を構成する３本のクランプ素子６ａ、６ｂ、
６ｃ、および２本の直線駆動素子７ａ、　７ｂには、図
示してない内部電極を間に挟んだ積層型のチタン酸ジル
コン酸鉛系の圧電性セラミックスを用い、クランプ素子
６ａ、６ｂ、　６ｃは、５　Ｘ　５　Ｘ１８ｍｍ、直線
駆動素子７ａ、７ｂは、５Ｘ５Ｘ９ｍ＋ａの角柱を王の
字型に固着して製作した。

また、駆動部材５のクランプ素子６ａの上には、不銹鋼
製の駆動棒９を固着し、先端を上枠１３に貫通させた。

固定壁２と支持壁３は、口の字形に上枠１３と下枠１４
とでそれぞれ・螺着した。

可動壁４には、支持壁３から弾発手段８であるコイルば
ねによって１１０１Ｃの押圧を持たせた。

そして、この可動壁４と固定壁２との間に駆動部材５を
弾着した。

こうして組み上げた駆動機構１を、図示してない制御装
置によって、これも図示してない駆動部材５のそれぞれ
のクランプ素子６ａ、６ｂ、６ｃと直線駆動素子７ａ、
７ｂとに設けた電極に、それぞれの素子が伸張するとき
は＋１ＯＬそれぞれの素子が収縮するときは一１０Ｖの
パルス電圧を、毎秒１回の繰り返し速度で印加しながら
、第１図（Ｂ）で示した駆動手順に従って動作確認を行
った。

その結果、約１０分間で１ｍｍの駆動ができた。

また、２００°Ｃの恒温槽の中に１０時間放置してから
、上で述べたと同一の動作確認を行ったところ、可動壁
４の効果によって、熱変形などの影響を皆無にできるこ
とが確認できた。

次に、駆動機構ｌには、同一の機構を用いて、同図（Ｂ
）に示した動作手順に従って動作確認を行った。

つまり、同図（Ｂ）における（イ）から（ホ）までの動
作手順では、クランプ素子６ａ、６ｂ、　６ｃの両端の
２個の素子６ａ、６ｃと、その他の素子６ｂとを、交互
に、固定壁２と可動壁４とに挟持させながら前進させる
手順である。

言い換えれば、３個あるクランプ素子６ａ、６ｂ、６ｃ
の中の６ｂのみを伸張させたり収縮させたりしながら、
直線駆動素子７ａと７ｂとを伸張・収縮させて前進させ
る。

この動作手順によれば、直線駆動素子７ａと７ｂとを伸
張・収縮させる周期を短くすることができるので、高速
に直線駆動させることができる。

この手順に従って、第１図（Ｂ）の動作手順と同一の条
件によって、動作速度の比較を行ったところ、第２図（
Ｂ）の方が、１．５倍の速度で前進することが確認でき
た。

ここでは、駆動部材として３個のクランプ素子と２個の
直線駆動素子との構成の例を述べたが、例えば、クラン
プ素子を４個にして直線駆動素子を３個にするなど、種
々の変形が可能である。

また、駆動部材を構成するクランプ素子と直線駆動素子
との素材にも、種々の圧電材料の適応が可能であり、一
方、微動素子や探針については、本発明と本質的には無
関係である。

さらに、可動壁の弾発手段には、コイルばねを２個用い
たが、ばねの個数や押圧力、ばねの種類などには、種々
の変形が可能である。

以上述べたように、本発明になる粗動機構は、駆動部材
を固定壁と可動壁とで弾着するので、機構の加工・組立
の際の精度が緩和できる。

また、可動壁の弾発手段を制御すれば、機構の剛性、つ
まり駆動機構の固有振動数を極めて高くすることができ
るので、外部からの振動に対する除振効果を太き（する
こともできる。

さらに、超高真空中で不可欠なベーキングの際に生ずる
熱変形に対しても、可動壁が吸収する効果がある。

従って、本発明になる駆動機構は、例えば、微細パター
ニング用の露光装置とか、走査型トンネル顕微鏡などに
用いられる微細な移動機構への適用によって大いに寄与
できる。

第２図は本発明の詳細な説明図、 第３図は従来の圧電駆動機構の説明図、である。

図において、 １は駆動機構、 ３は支持壁、 ５は駆動部材、 ６ａ、　６ｂ、　６ｃはクランプ素子、７．７ａ、　７
ｂは直線駆動素子、 ８は弾発手段、 である。

２は固定壁、 ４は可動壁、

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構成図、 ！ｌ／Ｍｌ（千Ｇ／ン （，４１構片（の＠−現δ４ 本発泊Ｈの一穴方６Ｊｌ悦日Ｆ１図 寥２図（その１） ３支持壁 （ホ） （へ） （＋） （す） （ズ） （Ｂン９Ｉ）４ヨ＝、＠−１＃イ乍了１）罠の説目門図
隼１図（その２） （ニ） （ホ） （Ｂ） ｔう／っの島ｉ棚動作の悦ｇ珂困 阜２図（その２） （Ａ）左動機構の斜視図 （イ） （ロ） （ハ） （ニ） （ホ） （へ） （ト） （Ｃ）焉区寺力１１ηイ乍１１・川＊／）＊舅−［げ１
ぷ］キ３０（千り２）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　１）対向する固定壁（２）および支持壁（３）と、前
   記２つの壁（２、３）の隙間の中に平行に配置され、か
   つ該支持壁（３）に弾発手段（８）を介して支持された
   可動壁（４）と、 前記固定壁（３）と可動壁（４）とに挟まれて弾着され
   、かつ対向して設けられた電極（　）に電圧が印加され
   ると伸縮する圧電体材料からなる駆動部材（５）とを有
   し、 前記駆動部材（５）が、前記固定壁（２）と可動壁（４
   ）とに挟持される少なくとも３個の平行に並んだクラン
   プ素子（６ａ、６ｂ、６ｃ、・・・）と、該クランプ素
   子（６ａ、６ｂ、６ｃ、・・・）の各々の側面をＨの字
   形に連結するように固着された少なくとも２個の直線駆
   動素子（７ａ、７ｂ、・・・）とからなり、 駆動動作に際して、少なくとも３個の前記クランプ素子
   （６ａ、６ｂ、６ｃ、・・・）の中の少なくとも２個が
   、常に、前記固定壁（２）と可動壁（４）とに挟持され
   ていることを特徴とする駆動機構。 　２）駆動動作に際して、少なくとも３個のクランプ素
   子（６ａ、６ｂ、６ｃ、・・・）の両端の２個の素子と
   、該２個の素子を除く他の素子とが、交互に、固定壁（
   ２）と可動壁（４）とに挟持されていることを特徴とす
   る請求項１記載の駆動機構。