JPH02262876A - 圧電回転装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は表面科学（Ｓｕｒｆａｃｅ　　ｓｃ　１ｅｎｃ
ｅ　）及び微小装造技術等に使用するための、円弧状変
位の精度が秒のオーダーである様な圧電回転装置に係る
。

〔従来技術〕

原子レベルの表面の特徴を分解しうる走査トンネリング
顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　ＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭ　ｉ
　ｃ　ｒ　ｏ　ｓ　ｃ　ｏ　ｐ　ｅ　）の発明などの表
面科学に於ける並びに１μｍ以下の表面構造がデバイス
の製造に於いて制御される様な製造技術に於ける発展に
よって、例えば電極の様な物体もしくは器具をミリメー
トルないしはセンナメートルのオーダーで変位させる事
が出来、しかもナノメータの範囲の再現可能な精度が得
られる様な位置付装置が必要になってきた。線形変位を
行なう位置付装置に加えて、回転位置付装置の需要も大
きい。

上記の様な寸法の構造体を含む全ての表面の特性の調査
及び製造工程に於いて、とみ及び湿度による汚染を完全
に回避する事が必要であるという事実からして、これら
の応用面に用いられる位置付装置は真空を用いる環境に
適合する事並びに約５００°Ｋまでの加熱に耐えうるも
のである事が必須である。更に原子レベルまで特性を分
解しうるためには、位置付装置は極めて高度に振動しな
いものでなければならない。即ち装置は外界から機械的
に隔離されなければならない。これらの要件は電位によ
って制御される圧電素子と共に動作する位置付装置によ
って満足させる事ができる。

長手方向に物体を並進移動する圧電位置付装置は公知で
あって、例えばＩ　ＢＭ　　ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｓ
ｃｌｏｓｕｒｅ　　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ　（ＴＤＢ　）、
Ｖｏｌ。

２２、Ｎｏ、７、ｐ、２８９７に開示されており、Ｈ形
状の圧電部材がチャネル壁部に対して対になった脚部を
交互に留め、その中央部分を伸縮させる事によって樋状
のチャネル内を移動しうる装置が示されている。真直ぐ
なチャネルでは線形の運動しかできない事は云うまでも
ない。

更に、よシ融通性のある運動ができる様にチャネルを回
避する他の種類の圧電位置付装置が公知である。ＩＢＭ
　　ＴＤＢ％　Ｖｏｌ、２３、Ｎｏ、７Ｂ。

ｐ、３３６９　　に示される位置付装置はテーブル状の
形態を用いている。テーブルが８個の圧電脚部に乗って
おり、それらのうちの４個がテーブルの内部のセクショ
ンへ接続されておシ、残りかその外部のセクションへ接
続されており、これらのセクションが圧電素子によって
連接されている。上記群の脚部を持ち上げたシ、降下さ
せたりするのを制御する事によって並びに連続素子の適
当な伸縮によって、直交方向にテーブルを動かすことが
できる。

圧電テーブルに３つの脚部を設け、脚部の底面に静電ク
ランプ装置が設けられ、それによってペンチに対する脚
部の選択的クランプが可能な他の形態のテーブルも公知
である（ＥＰ−ＡＩ−００７１６６６）。テーブル及び
脚部に於ける付勢電圧を適当に制御する事によって装置
は線形にあるいはその脚部の１つのまわりに動く事がで
きる。

この場合、回転運動が可能であるが、３つの脚部を用い
るので、その回転は厳密には円弧状ではなく、１度保持
した位置の再発見が極めて困難である。

更に他のタイプのステッピング・モータがＩＢＭ　　Ｔ
ＤＢ％Ｖｏｌ、１６、Ｎｏ、６、ｐ、　１８９９に開示
されている。この場合、キャプスタンの周辺が圧電的に
駆動される棒状体に係合しており、棒状体は圧電変換器
によって接線方向に移動しうる。

このモーターによって、そのキャプスタンはテープの駆
動に適した小さい回転ステップを呈する。

しかしながら科学的な応用面もしくは製造技術に於ける
応用面という点からすると正確性もしくは再現性に欠け
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明が解決しようとする問題点は、前記の環境条件（
超高真空、耐熱、無振動）に適合し且つ連続回転の際に
もナノメータのオーダーの解像度（精度）を呈する、円
弧状の径路に沿う変位が可能な圧電回転装置を提供する
事にある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点は、一端を軸回転する様に支持し他端がクラ
ンプ・シユーを持つ、少くとも１個の圧電可撓部と、上
記クランプ・シユーとの保合のために配置した少くとも
１つのクランプ部材を夫々が有する少くとも１対の圧電
可撓部と、上記第１の圧電可撓部を付勢すると共に可撓
部を屈曲形状にするための並びに上記の第１の可撓部が
その屈曲した形状になった時に第２の圧電可撓部の対を
付勢して上記第１の可撓部をその位置に捕捉（以下クラ
ンプという）するための回路とを含む圧電回転装置によ
って達成される。

〔実施例〕

第７図は支持プレート１に取付けた回転装置の例を示す
。軸ビン２の間にブロック３が配置されている。ブロッ
ク３は圧電可撓部即ちいわゆるバイモル素子４を支持す
る。その電極に電圧が印加されると、付勢されてバイモ
ル素子４の右手端部が第７図の紙面から上方へ持ち上が
る様になる。

ブロック５には調整ねじ５が設けられている。このねじ
は、バイモル素子４、該素子の自由端に設けたクランプ
・シユー６並びに該シューが担持する荷重体７の質量を
釣合わせるために用いる。例えば荷重体７は検査もしく
は処理のために移動させねばならない物体あるいは器具
ないし電極（走査トンネリング顕微鏡のチップなど）で
ある。軸ピン２は支持プレート１上に設けたアングル部
８及び９に於いて支持されている。第８図はこれらの配
置を側面から示す図である。

１対のバイモル素子１０及び１１が夫々支持体１２及び
１６（支持プレート１に固定されている）に支持されて
いる。バイモル素子１０及び１１はクランプ・シユー６
及びブロック３を含むバイモル素子４の全長に沿って配
置されている。（バイモル素子１０及び１１は夫々よシ
短いバイモル素子であってもよい。）バイモル素子１０
及び１１は夫々端部にクランプ手段１４，１５及び１６
．１７を担持している。バイモル素子１０及び１１の電
極に電位が印加されない場合には、クランプ手段１４及
び１６はブロック３の上に乗っておシ、クランプ手段１
５及び１７はクランプ・シユー６に乗っている。第７図
はバイモル素子１０及び１１の右半分に対して電位が印
加されてクランプ部材１５及び１７がクランプ・シユー
６から離れた状態を示す。電圧が印加されると、バイモ
ル素子４は上方へ屈曲しく第９図）、円弧状の径路に沿
ってホーム・ポジションよシ高い位置まで荷重体７を持
ち上げる。

バイモル素子１０及び１１に対する電圧をカットすると
、クランプ手段１５及び１７は再びそのノーマル・ポジ
ションへ戻シ、バイモル素子４の持ち上げられているク
ランプ・シユー６をクランプする。次にバイモル素子１
０及び１１の左手の部分に電位を印加すると、クランプ
部材１４及び１６がブロック３から離れる。バイモル素
子４に於ける電位をカットすると、このバイモル素子は
伸びて、第５図に示す状態を呈する。即ちブロック６が
軸ビン２のまわりを軸回転する事になる。

種々のバイモル素子によって呈せられる屈曲量は印加さ
れる電圧の振幅に厳密に依存する事は云うまでもない。

従って、上述の手順の１つのステップに於いて、荷重体
７を１秒の部分の１の弧に涜って持ち上げる事が可能で
ある。このステップは所望の偏向状態が達成されるまで
反復する事ができる。更に、よシ大きな振幅を用いる事
によって、可撓体がよシ大きなステップを呈する様にす
る事も可能である。例えば長さ２５　ｍｍの可撓体は約
１μｍ　／　Ｖ動く事ができる。これは、第７図ないし
第１１図の例に於いて、およそ１０秒の弧／Ｖに相当す
る。即ち、１ｍＶによって１０−２秒の弧の変化が生じ
、約２００ｖの最大許容電圧によっておよそ１７２度（
３０’）の角度変位が生じる。第７図ないし第１１図の
例を設計する場合の最大の総偏向量は約１５度である。

第１２図は第７図ないし第１１図の例の動作に於いて生
じる各ステップの順序を図式的に説明するタイミング図
である。時間ｔ□に於いて、バイモル素子１０及び１１
の電極に於ける電位Ｕ１及びＵ２は０であるので、ブロ
ック３及びクランプ・シユー６はクランプされた状態に
ある。時間ｔ１に於いてＵｌが立上がると、クランプ手
段１５於び１７が開き、ｔ　に於いてＵ３が印加される
とバイモル素子４が屈曲する。よって荷重体７はｔｌ及
びｔ２の間に於いて第１の回転ステップを呈する。ｔ３
に於いて、Ｕｌはオフ状態に切換えられ、よって荷重体
７はその到達した位置に捕捉される。

ｔ　に於いて％Ｕ２が印加され、ブロック６が解放され
て軸ピン２まわシに回転し％Ｕ３がオフ状態にスイッチ
されてバイモル素子４が伸長した状態を呈する。ｔ５に
於いてＵ２がオフ状態に切換えられ、クランプ３はその
軸回転した位置にクランプされる。これによって第１回
目の回転ステップが完了する。ｔ６に於いて新しいサイ
クルをスタートさせる事が出来、ｔｌ及びｔ８の間に於
いて第２回目の回転ステップが行われる。

調整ねじ５によって回転装置がバランスされるので、逆
にバイモル素子４に於ける電位Ｕ３をまず逆転し、そし
てバイモル素子１０及び１１に於いてＵｌ及びＵ２をオ
ンにする事によって荷重体７をその元の位置へ戻す事が
できる。

上記の例を更に改良した本発明の実施例を第１図及び第
２図に示す。これらの図は無制限回転を呈する様に設計
された圧電回転装置を示している。

この実施例は、回転体の形状にするため、第７図の例の
ブロック３に対応するハブ２６にシャフト１８を取付け
、そのシャフトの左側にもう１つのバイモル素子４７を
取付けて、更にクランプ手段１４．１５．１６．１７を
夫々円板状のクランプ・リング１９及び２０に置換する
ことによって構成された。

シャフト１８に対して固定されたハブ２３にバイモル素
子２４が取付けられている。ハブ２３の自由端部はクラ
ンプ・シユー２５を担持している。

リング２１及び２２はシャフト１８に対して空転する様
に取付けられている。各リングは夫々複数（例えば６個
）のスポーク状のバイモル素子２６ないし６１並びに３
２ないし３７（説明の便宜上図示されてない番号を含ん
でいる事を理解されたい）を担持している。バイモル素
子２６ないし３１はリング１９及び２１の間に設けられ
ておシ、バイモル素子３２ないし３７はリング２０及び
２２の間に設けられている。バイモル素子２６ないし３
７の各々はその素子の中心に於いて円形リプ３８．３９
で支持されている。リプ３８，３９は夫々ハウジング４
２の下半分４０及び上半分４１と一体になった部分を構
成している。リプ５８．３９は第７図ないし第１１図に
示される例の支持体１２．１３に相当する。バイモル素
子２６ないし３７の電極は、各バイモル素子の半分を各
々独立して付勢しうる様にリプ３８及び３９に対して取
付ける位置に於いて分割されている。

この実施例並びに後述する実施例におけるバイモル素子
の制御は本発明に属さない適当な電子回路によって実施
され、制御電位の印加は公知の図示しない滑シ接点リン
グを用いて実施する事ができる。

リング１９及び２０はシュー２５から離隔して保持され
ているが、リング２１及び２２はこれらの間にハブ２３
をクランプしている。バイモル素子２４の電極に電圧を
印加する事によって、この素子が屈曲し、リング１９及
び２０に関してシュー２５が円弧状に僅かな変位を呈す
る。次にバイモル素子２６ないし３７の分割した電極に
電圧を印加する事によって、リング１９及び２０がこれ
らの間にシュー２５をクランプし、リング２１及び２２
の間からハブ２３を解放する。以上に於いてはシャフト
１８の回転は生じていない。バイモル素子２４に於ける
電圧がオフ状態になると、バイモル素子２４は真直ぐに
伸び、同時にシャフト１８がハウジング４２に関して１
ステップ回転する。これで次のサイクルを反復させる事
ができる。

屈曲する時にバイモル素子２６ないし３７の長さと端部
の配列状態がわずかに変わるので、これらの素子はブレ
ーキがかかるのを回避するためにリング１９ないし２２
に形成した溝部４３ないし４６の中でゆるく支持される
。バイモル素子及びクランプ・リングの間に於ける相互
の円形変位を防止するために適当な手段を設けるべきで
ある事は云う迄もない。

動作中の第１図及び第２図の回転装置はシャフト１８及
びハウジング４２間の相対的な回転変位を生じる。トル
クはシャフトもしくはノ１ウジングのいずれに於いても
得る事ができる。

単一のバイモル素子２４を用いた場合、回転装置が発生
するトルクは相当小さい。しかしながら、夫々ハブ２３
に取付けた、クランプ・シユー２５を担持する参照番号
４７．４８で示す様な２つ以上の放射バイモル素子を用
いる事によって、よシ大きなトルクを得る事ができる。

同様の簡略化した、無制限回転をうるための回転装置の
実施例を第３図及び第４図に示す。

シャフト４９にバイモル素子５０が取付けられており、
その自由端にはクランプ・シユー５１が担持されている
。ノ１プ５２及び５３はシャフト４９に空転する様に取
付けられている。各ノ・ブは夫々複数（例えば６個）の
スポーク状のバイモル素子５４ないし５９並びに６０な
いし６５を有している。バイモル素子５４ないし５９は
リング６６へ接続され、バイモル素子６０ないし６５は
リング６７へ接続されている。

動作中、電圧が印加されないと、リング６６及び６７は
これらの間にシュー５１をクランプする。

バイモル素子５０の電極に電圧が印加されると、バイモ
ル素子５０が屈曲して、シャフト４９のわずかな回転が
生じる。シャフト４９が適当に保持されているものと仮
定すると、バイモル素子５４ないし６５を付勢した場合
、リング６６及び６７がシュー５１を解放する。バイモ
ル素子５０の脱勢によって該素子は再び伸長する。そし
てシュー５１は元の位置に関してわずかに前進した位置
を呈する。この時点で次のサイクルを反復させる事がで
きる。

ハブ５２及び５３はハウジング７ｏの上半分６８及び下
半分６９（フランジ７１．７２に於いて相互に密封され
ている）によって相互に接続されている。

第１図及び第２図の実施例に於ける様に、リング６６及
び６７の内側に溝部７３及び７４が設けられ、よってブ
レーキがかからない様にバイモル素子５４ないし６５が
その長さを変えそしてわずかに屈曲する事が可能である
。

第５図及び第４図は回転位置付装置のためのトルクを発
生する単一の圧電バイモル素子５０しか示してないが、
トルクを増すためにクランプ・シユーを備えた複数のバ
イモル素子を用いてもよい事は明らかであろう。

第５図のタイミング図は、時間ｔ。に於いてクランプ・
シユー５１がリング６６及び６７によってクランプされ
る事を示す。ｔｌに於いて、バイモル素子５０の電極に
印加される電圧Ｕ４によって素子５０が屈曲し、シャフ
ト４９がｔ　及びｔ２０間に於いて回転する。ｔ２に於
いて、バイモル素子５４ないし６５に電圧Ｕ５が印加さ
れ、シュー５１はリング６６及び６７から解放される。

次にＵ４及びＵ５がオフ状態にスイッチされて、バイモ
ル素子５０が伸長し、リング６６及び６７がクランプす
る。この時点に於いて、新規なサイクルを開始しうる。

第９図に戻ると、クランプ・シユー６及び荷重体７は、
バイモル素子が付勢される場合、わずかに傾斜する。こ
の問題は、バイモル素子４の電極を分割し、バイモル素
子４の一部を上方に屈曲させ、他の部分を下方に屈曲さ
せる様にそれらの電極を付勢し、屈曲したバイモル素子
の端部を平行に保つ事によって回避する事ができる。７
：３の割合でバイモル素子４の電極を分割する事によっ
て屈曲の際にバイモル素子が呈する長さ変化の問題のほ
とんどを処理できる事が分った。同じ関係が、夫々第１
図、第２図、第３図及び第４図の実施例のバイモル素子
２６ないし３７並びに５４ないし６５にも適用できる。

第６図は本発明による回転装置の他の実施例を示す。回
転を生じるバイモル素子のクランプは第２図及び第４図
に示すものとは異った方法で行われる。第６図に於いて
、シャフト７５及びバイモル素子７６．７７よりなる回
転装置は、フランジ８０及び８１に於いてねじ止めしう
るハウジングの上半分７８及び下半分７９の中に納めら
れている。バイモル素子７６及び７７はこれらの自由端
にブロック８２及び８６を担持している。これらのブロ
ックは夫々圧電棒状体（管状体でも可）８４及び８５を
備えている。圧電棒状体８４．８５は通常の状態では両
端部がノ・クランプの上半分の部分７８及び下半分の部
分７９に接しており、よってブロック８２．８３が変位
しない様に捕捉されている。棒状体８４．８５が付勢さ
れると、棒状体が縮み、ハウジングの上下の部分７８，
７９との係合から解放される。所望の回転をうるために
バイモル素子７６．７７並びに棒状体８４．８５を適当
に付勢する適当な制御装置を創作する事は容易であろう
。更にこの実施例に於いては、シャフト７５もしくはハ
ウジングに於いてバイモル素子７６及び７７が伸長され
る際にその一方もしくは他方を捕捉するためにロック用
のメカニズムが必要とされる事も明らかであろう。同じ
事が第２図及び第４図の実施例に於いても云える。夫々
シャフト１８及びハウジング４２並びにシャフト４９及
びハウジング７０は、達成された回転がバイモル素子の
脱勢時に逆転するのを回避するためにバイモル素子が伸
長する際に相互のロッキングを必要とする。シャフト１
８．４９．７５を捕捉するための非常に簡単な装置を第
６図の回転装置に関連して示す。シャフト７５の一端に
金属製のディスク８６を取付ける。このディスクに誘電
材層８７を被覆する。ディスク８６は金属プレート８８
かられずかに離して維持する。ディスク８６及びプレー
ト８８間に電圧を印加する事によって電界が生じ、その
静電力によってディスク８６が回転しない様に引きつけ
られ、固定される。ディスク８６のために非常に薄い、
可撓性のシート状金属を選択する事によって、この装置
の効果を相当増強し、公差を緩和させる事が可能である
。

第２図、第４図及び第６図の実施例は、バイモル素子に
印加される電圧の極性を反転し、上記ロキング機構を適
当に逆転させる事によって両方向に回転させる事が容易
である。

〔発明の効果〕

本発明によりナメメータのオーダーの精度の円弧状の径
路に沿う変位が可能な圧電回転装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の第１実施例を説明する図、
第６図及び第４図は本発明の第２実施例を説明する図、
第５図は上記第２実施例の動作のタイミング図、第６図
は第３実施例を説明する図、第７図ないし第１１図は第
１の例を説明する図、第１２図は第７図ないし第１１図
の回転装置の動作のタイミング図である。 １・・・・支持プレート、２・・・・軸ピン、６・・・
・フロック、４・・・・バイモル素子、５・・・・調整
ねじ、６・・・・クランプ・シユー　７・・・・荷重体
、８．９・・・・アングル部、１０・・・・バイモル素
子、１２・・・・支持体、１４．１５．１６．１７・・
・・クランプ手段。 出願人　インター）−１３ｆル・ビジネス・マン−２ズ
・コ５せｈシ佃ン第６ｖ！Ｊ Ｎ７図 第９図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　一端がシヤフトによつて軸回転する様に支持さ
   れ、他端がクランプ・シユーを担持する様構成されて、
   電圧供給のオン・オフによつて屈曲状態又は復帰（伸長
   ）状態を取る少くとも１つの第１圧電可撓体と、 　上記第１圧電可撓体をはさんでその両側に配設され、
   一端が上記シヤフトに対して軸回転自在に取付けられた
   ハブに支持され、他端が円形のクランプ・リングを担持
   する様放射状に配置された複数個の第２圧電可撓体及び
   複数個の様３圧電可撓体とを備え、 　上記第１、第２、第３圧電可撓体への電圧供給のオン
   ・オフを予定順序で行なうことにより、上記第１圧電可
   撓体を支持する上記シヤフトを軸回転させることを特徴
   とする圧電回転装置。
2. （２）　一端がシヤフトによつて軸回転するように支持
   され、他端がブロツクを担持する様構成されて、電圧供
   給のオン・オフによつて屈曲状態又は復帰（伸長）状態
   を取る少くとも１つの第１圧電可撓体と、 　上記シヤフトを貫通させて上記第１圧電可撓体を包ん
   だハウジングと、 　上記シヤフトと並行に上記各ブロツクに取付けられ、
   電圧供給のオフのとき、上記ハウジングの内壁に係号し
   て上記ブロツクの移動を禁止し、電圧供給のオンのとき
   その長さを縮めて上記ブロツクの移動を許す様にした棒
   状の第２及び第３圧電可撓体とを備え、 　上記第１、第２、第３圧電可撓体への電圧供給のオン
   ・オフを予定順序で行なうことにより、上記第１圧電可
   撓体を支持する上記シヤフトを軸回転させることを特徴
   とする圧電回転装置。