JPH03187144A - 直進送り装置 - 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〕 本発明は走査型トンネル顕微鏡等に用いられる超精密位
置決め用直進送り装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、微小送り機構が適用された装置としては、例えば
物体の原子像観察を行う走査型トンネル顕微鏡が知られ
ている。

この走査型トンネル顕微鏡は、機械研磨によるＰｔ探針
を備えており、この探針を試料に近接させ、探針と試料
との間に約ＩＶ程度の電圧を印加したときに、両者間に
流れるトンネル電流を検出し、これが一定になるように
探針又は試料を上下させながら前後左右方向へ走査して
試料の表面画像を作り出すものである。従って、この走
査型トンネル顕微鏡の分解能を向上するためには、探針
又は試料を上下前後左右方向へ極微小量ずつ移動させる
直進送り装置が必要である。また試料の表面を迅速に観
察するためには、探針又は試料を長い距離に渡って、か
つ短時間で移動させることができる直進送り装置が必要
である。

このため、探針又は試料を移動する直進送り装置として
、クランプ手段と移動用アクチュエータを持った、尺取
り虫型アクチュエータが開示されている（特開昭６３−
５２００６号公報）。

しかしながら、この直進送り装置においては、前記移動
用アクチュエータの１ステツプの移動量は移動用アクチ
ュエータの変位量で制限されるため、大きな変位量を得
ることが極めて難しく、また大きく変位させるには長時
間かかるという不具合があった。このため、利用範囲は
超精密位置決め用に限られていた。

この不具合を改善する直進送り装置として、２個の移動
用圧電素子を直列に接続し、大きな変位量を得るように
した装置が開示されている（特開平１−２２５３８０号
公報〉。

しかしながら、この直進送り装置においては、移動用圧
電素子を直列に接続しているため、装置が大型化すると
共に、各移動用圧電素子の充電及び放電が同時に行われ
るため、電源の最大供給電力を２倍にする必要があると
いう不具合があった。

なお、関連する従来技術としては、２個の移動用圧電素
子を回転送り装置に使用した装置が開示されている（特
開昭６２−２０９６０１号公報）。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は上記事実を考慮し、最大供給電源の増加及び装
置の大型化を招くことなく、移動用アクチュエータの１
ステツプの移動量を倍にでき、変位速度を倍にすること
ができると共に、位置決め精度を簡便に向上することが
できる直進送り装置を得ることが目的である。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明は、被駆動部材を駆動
する柱状のシンブルと、該シンブルを軸方向に摺動可能
に嵌装するガイドと、前記シンブルの軸方向に並列に配
置され前記シンブルを軸方向に移動する第１及び第２の
移動アクチュエータと、該第１の移動アクチュエータと
前記シンブルとを連結する第１の連結手段と、前記第２
の移動アクチュエータと前記シンブルとを連結する第２
の連結手段と、前記第１及び第２の移動アクチュエータ
と前記ガイドとが固設された本体と、から戒ることを特
徴としている。

〔作用〕

上記構成の本発明では、シンブルを移動させる場合には
、第１の移動用アクチュエータを伸ばし、第１の連結手
段でシンブルを固定して、第２の連結手段のシンブルの
固定を解除する。次に、第１の移動用アクチュエータを
縮めシンブルをガイドと摺動させて送り出す。この時、
第２の移動用アクチュエータを伸ばす。次に、第２の連
結手段でシンブルを固定し、第１の連結手段のシンブル
の固定を解除し、第２の移動用アクチユエータを縮めシ
ンブルをガイドと摺動させて送り出す。この時、第１の
移動用アクチュエータを伸ばす。これらの一連の動作を
繰り返す。

従って、前記一連の動作は、従来の尺取り虫型アクチエ
ータの１ステツプの動作に相等するが、本発明の場合に
は、１ステツプの動作中に従来の２ステツプの送り動作
ができるため、移動用アクチュエータの１ステツプの移
動量を倍にでき、変位速度を倍にすることができる。ま
たシンブルかガイドと摺動して送り出されるため、シン
ブルの位置決め精度を簡便に向上することができる。

また、本発明においては、第１の移動用アクチュエータ
が伸長く充電〉する場合には、第２の移動用アクチュエ
ータが収縮（放電）するため、最大供給電源の増加を招
くことがない。また第１の移動用アクチュエータと第２
の移動用アクチュエータとが並列に配置されているため
、装置の軸方向の長さを短くすることができ、装置の大
型化を招くことがない。

〔実施例〕

本発明の直進送り装置の第１実施例を第１図〜第５図に
従って説明する。

第１図及び第２図に示される如く、直進送り装置１０の
本体１２は長さ約１４ｍｍの円柱状とされており、一方
の端部は大径部１３とされている。

また本体１２の中央部には、軸受穴１６が穿設されてい
る。この軸受穴１６には、円筒状のガイド１７が嵌合さ
れており、このガイド１７はＳＫＨ等の製作精度を有す
る材質により構成されている。

ガイド１７には、円柱状のシンブル１４が嵌装されてお
り、このシンブル１４の軸径は約６ｆｌｌｆｆｌとされ
ている。またシンブル１４とがイド１７との隙間は、２
〜３μｍとされており、シンブル１４はその軸方向（第
１図の矢印Ａ方向及び矢印Ｂ方向）に自由に移動可能と
されている。

直進送り装置１０の本体１２の外周部には、矩形状の切
欠１８が形成されており、この切欠１８は本体１２の軸
方向に沿って、本体１２の一方の端面１２Ａから大径部
１３との境までとされている。また本体１２の外周部に
は、切欠１８から１８０°回転した位置に、切欠２０が
形成されており、この切欠２０は切欠１８と同一形状と
されている。

これらの切欠１８．２０には、夫々第２の移動アクチュ
エータとしての第２の積層型アクチュエータ２２．２４
が挿入されている。これらの第２の積層型アクチュエー
タ２２．２４は約５ＩＩ１ｍの角柱とされており、長さ
は約２０ｍｍとれている。

これらの第２の積層型アクチュエータ２２．２４の一方
の端部２２Ａ、２４Ａは、夫々切欠１８．２０の大径部
１３側面１８Ａ、２ＯＡに、エポキシ系接着剤等の弾性
ある接着剤により接着されている。またこれらの第２の
積層型アクチュエータ２２．２４の他方の端部２２Ｂ、
２４Ｂは、第２の連結手段としての第２のチャック本体
２６の一方の端面２６Ａに、エポキシ系接着剤等の弾性
ある接着剤により接着されている。

この第２のチャック本体２６は、直進送り装置１０の本
体１２と略同−軸径の円柱状とされており、その中央部
には円穴２８が穿設されている。

この円穴２８にはシンブル１４がその軸方向に自由に移
動可能に挿入されている。

円穴２８の外周には第２の積層型アクチュエータ２２．
２４と対応する位置に、夫々矩形状の切込み３０が半径
方向外方に向けて形成されており、この切込み３０内に
は、第２のチャック用圧電アクチュエータ３２が夫々配
置されている。

第３図に示される如く、これらの第２のチャック用圧電
アクチュエータ３２の伸縮方向（第３図の矢印Ｃ方向及
び矢印り方向）は、第２のチャック本体２６の半径方向
外方及び内方（第３図の矢印Ｃ方向及び矢印り方向）と
されている。第２のチャック用圧電アクチュエータ３２
の一方の端部３２Ａは、切込み３０の底部３０Ａに接着
されており、切込み３０の底部３０Ａの半径方向外側部
には、切込み３０と平行に長孔３４が穿設されている。

従って、長孔３４と切込み３０とで薄板状とされた切込
み３０の底部３０Ａは、第２のチャック本体２６の半径
方向外方及び内方（第３図の矢印Ｃ方向及び矢印り方向
）へ若干量弾性変形可能とされている。

また、第２のチャック用圧電アクチュエータ３２の他方
の端部３２Ｂは、夫々伸長時にシンブル１４の外周面に
当接し、シンブル１４を挟み固定するようになっている
。

第２のチャック本体２６の外周部には、第２の積層型ア
クチュエータ２２．２４の接着位置と９０°回転した位
置に、夫々矩形状の切欠３６が形成されており、この切
欠３６は第２のチャック本体２６を軸方向に沿って貫通
している。これらの切欠３６には、夫々第１の移動アク
チュエータとしての第１の積層型アクチュエータ３８．
４０が挿入されている。

これらの第１の積層型アクチュエータ３８．４０は約５
　ｍｍの角柱とされており、長さは約２０ＩｎＩ１１と
れている。これらの第１の積層型アクチュエータ３８．
４０の一方の端部３８Ａ、４０Ａは、本体１２の端面１
２Ａに、エポキシ系接着剤等の弾性ある接着剤により接
着されている。また第１の積層型アクチュエータ３８．
４０の他方の端部３８Ｂ、４０Ｂは、夫々第１の連結手
段としての第１のチャック本体４２の一方の端面４２Ａ
に、エポキシ系接着剤等の弾性ある接着剤により接着さ
れている。

この第１のチャック本体４２は、第２のチャック本体２
６と略同−軸径の円柱状とされており、その中央部には
円穴４４が穿設されている。この円穴４４にはシンブル
１４がその軸方向に自由に移動可能に挿入されている。

円穴４４の外周には、第１の積層型アクチュエータ３８
．４０の接着位置から９０°回転した位置に、夫々矩形
状の切込み４６がその半径方向外方へ向けて形成されて
おり、この切込み４６内には、第１のチャック用圧電ア
クチュエータ４８が夫々配置されている。この第１のチ
ャック用圧電アクチュエータ４８の伸縮方向は、第１の
チャック本体４２の半径方向外方及び内方とされている
。

第１のチャック用圧電アクチュエータ４８の一方の端部
４８Ａは、切込み４６の底部４６Ａにエポキシ系接着剤
等の弾性ある接着剤により接着されており、切込み４６
の底部４６Ａの半径方向外側部には、切込み４６と平行
に長孔５０が穿設されている。従って、長孔５０と切込
み４６とで薄板状とされた底部４６Ａは、第１のチャッ
ク本体４２の半径方向外方及び内方へ若干量弾性変形可
能とされている。

また、第１のチャック用圧電アクチュエータ４８の他方
の端部４ｇＢは、夫々伸長時にシンブル１４の外周面に
当接し、シンブル１４を挟み固定するようになっている
。

直進送り装置ｌＯの本体１２、第２のチャック本体２６
及び第１のチャック本体４２には、円筒状のケース５２
が第１のチャック本体４２側から被せされており、ケー
ス５２の一方の端部５２Ａは、本体１２の大径部１３に
固着されている。またケース５２の他方の端部５２Ｂに
は、円板状の蓋５４が固着されており、この蓋５４の中
央部には円穴５６が穿設されている。この円穴５６には
、シンブル１４がその軸方向に自由に移動可能に挿入さ
れている。

また、第２のチャック本体２６に接着された第２の積層
型アクチュエータ２２．２４を駆動する信号は、第１の
チャック本体４２に接着された積層型アクチュエータ３
８．４０を駆動する信号を反転させて供給するようにな
っている。

次に本実施例の作用を説明する。

シンブル１４を第２図の右方向（第２図の矢印入方向）
へ移動させる場合には、第５図（Ａ）に示される如く、
第１の積層型アクチンエータ３８．４０及び第１の圧電
アクチンエータ４８を充電し、第２の積層型アクチュエ
ータ２２．２４゛及び第２の圧電アクチュエータ３２を
放電させる。これにより、第４図（Ａ）に示される如く
、第１の積層型アクチュエータ３８．４０が伸び、第１
の圧電アクチュエータ４８でシンブル１４を固定すると
共に、第２の圧電アクチュエータ３２のシンブル１４の
固定を解除する。この場合、第２の積層型アクチンエー
タ２２．２４は縮む。

次に、第５図（Ｂ）に示される如く、第１の積層型アク
チュエータ３８．４０を放電させ、第２の積層型アクチ
ュエータ２２．２４を充電する。

これにより、第４図（Ｂ）に示される如く、第１の積層
型アクチュエータ３８．４０が縮みシンブル１４をガイ
ド１７と摺動させ矢印入方向へ送り出す。この時、第２
の積層型アクチュエータ２２．２４が伸びる。

次に、第５図（Ｃ）に示される如く、第２の圧電アクチ
ュエータ３２を充電し、第１の圧電アクチュエータ４８
を放電させる。これにより、第４図（Ｃ）に示される如
く、第２の圧電アクチュエータ３２でシンブル１４を固
定し、第１の圧電アクチュエータ４８のシンブル１４の
固定を解除する。

次に、第５図（Ｄ）に示される如く、第２の積層型アク
チュエータ２２．２４を放電させ、第１の積層型アクチ
ュエータ３８．４０を充電する。

これにより、第４図（Ｄ）に示される如く、第２の積層
型アクチンエータ２２．２４が縮みシンブル１４をガイ
ド１７と摺動させ矢印入方向へ送り出す。この場合、第
１の積層型アクチュエータ３８．４０は伸びる。

従って、前記一連の動作は、従来の尺取り虫型アクチエ
ータのｌステップの動作に相等するが、本実施例の場合
には、ｌステップの動作中に従来の２ステツプの送り動
作ができるため、シンブル１４の１ステツプの移動量を
倍にでき、変位速度を倍にすることができる。また、第
２の積層型アクチュエータ２２．２４を充電する（伸ば
す）場合には、第１の積層型アクチユエータ３８．４０
を放電（縮む〉するため、最大供給電源の増加を招くこ
とがない。また第２の積層型アクチュエータ２２．２４
と第１の積層型アクチュエータ３８．４０とが並列に配
置されているため、直進送り装置１０の軸方向の長さを
短くすることができ、装置の大型化を招くことがない。

またシンブル１４がガイド１７と摺動して送り出される
ため、シンブル１４の位置決め精度を簡便に向上するこ
とができる。

次に、本発明の第２実施例の特徴部分について説明する
。

本第２実施例は、被駆動部材を駆動する円柱状のシンブ
ルと、該シンブルを回転可能に嵌装するガイドと、該ガ
イドを固定する本体と、前記シンブルを回転可能に内挿
し前記シンブルと同軸的に回転する中心体と、該中心体
を前記本体に対して相対的に回転させる第１の回転用ア
クチュエータと、前記シンブルと同軸的に回転する回転
体と、該回転体を前記中心体に対して相対的に回転させ
る第２の回転用アクチ一エータと、前記シンブルの軸方
向に配置され、前記本体に固定されるとともに前記シン
ブルを軸方向に移動する第１の移動アクチュエータと、
前記シンブルの軸方向に前記第１の移動用アクチエータ
と並列に配置され、前記回転体に固設されるとともに、
前記シンブルを軸方向に移動する第２のアクチュエータ
と、前記第１の移動アクチュエータと前記シンブルとを
連結する第１の連結手段と、前記第２の移動アクチュエ
ータと前記シンブルとを連結する第２の連結手段と、か
ら構成される。

更に本第２実施例を具体的に第６図〜第９図に従って説
明する。

なお、第１実施例と同一部材については、同一符号を付
して説明を省略する。

第６図及び第７図に示される如く、本実施例においては
、第１実施例の本体１２に代えてシンブル１４を回転す
るための回転本体６０が設けられている。この回転本体
６０の本体６２は円柱状とされており、この本体６２に
は、円板状の回転板６４が同軸的に配置されている。

この回転板６４及び本体６２の中央部には、円穴６６．
６８が穿設されている。円穴６６の外周には、矩形状の
切込み７０が回転板６４の半径方向外方に向けて形成さ
れており、円穴６６の外周には、切込み７０から１８０
°回転した位置に、矩形状の切込み７２が回転板６４の
半径方向外方に向けて形成されている。

円穴６６には円筒状の中心体７４の一方の端部７４Ａが
挿入されている。この中心体７４の端部７４Ａの外周か
らは、２枚の翼７６．７８が、夫々反対方向へ向けて立
設されており、これらの翼７６．７８は夫々切込み７０
．７２に揺動可能に挿入されている。

また翼７６と切込み７０の側面？ＯＡ、７０Ｂとの間に
は、夫々回転用アクチュエータ８０．８２が接着されて
おり、Ｘ７８と切込み７２との側面？２Ａ、７２Ｂとの
間には、夫々回転用アクチュエータ８４．８６が接着さ
れている。

第７図に示される如く、円穴６６の外周の回転板６４側
の前記切込み７０に対応する位置には、切込み７１が本
体６２の半径方向外方に向けて形成されており、円穴６
６の外周の回転板６４側の前記切込み７２に対応する位
置には、切込み７３が本体６２の半径方向外方に向けて
形成されている。また円穴６６の本体６２側部分には中
心体７４の他方の端部７４Ｂが挿入されている。この中
心体７４の端部７４Ｂの外周からは、２枚の翼８８．９
０が夫々反対方向へ向けて立設されており、これらの翼
８８．９０は夫々切込み７１．７３に揺動可能に挿入さ
れている。

また翼８８と切込み７１との側面７１Ａ、７１Ｂとの間
には、夫々回転用アクチュエータ９２．９４が接着され
ており、翼９０と切込み７３との側面７３Ａ、７３Ｂと
の間には、夫々回転用アクチュエータ９６．９８が接着
されている。

また、中心体７４の中央部には穴１００が穿設されてお
り、この穴１００には、シンブル１４が貫通し遊挿され
ている。

また、本体６２の中央部の円穴６８にはガイド１７が嵌
合され、このガイド１７にシンブル１４が軸方向に摺動
可能に嵌装されている。このガイド１７とシンブル１４
とは第１実施例と同程度の高精度のはめ合いとなってお
り、これによってシンブル１４の回転軸を高精度に支持
する構成となっている。

また、回転用アクチュエータ８２を駆動する信号は、回
転用アクチュエータ８０を駆動する信号を反転させて供
給するようになっており、回転用アクチュエータ９２を
駆動する信号は、回転用アクチュエータ８０を駆動する
信号を反転させて供給するようになっている。さらに回
転用アクチュエータ９４を駆動する信号は、回転用アク
チュエータ９２を駆動する信号を反転させて供給するよ
うになっている。

同様に回転用アクチュエータ８６を駆動する信号は、回
転用アクチユエータ８４を駆動する信号を反転させて供
給するようになっており、回転用アクチュエータ９６を
駆動する信号は、回転用アクチュエータ８４を駆動する
信号を反転させて供給するようになっている。さらに回
転用アクチュエータ９８を駆動する信号は、回転用アク
チュエータ９４を駆動する信号を反転させて供給するよ
うになっている。

次に本実施例の作用に付いて説明する。

なお、シンブル１４の軸方向（第７図の矢印Ａ及び矢印
Ｂ方向〉の移動は、第１実施例と同様のため、説明を省
略する。

シンブル１４を第６図の矢印Ｅ方向（第８図及び第９図
の反時計方向）へ回転させる場合には、シンブル１４を
回転板６４に固定された第１のチャック本体４２の第１
の圧電アクチュエータ４８で固定し、この状態で第８図
に示される如く、回転用アクチュエータ９４．９８を充
電しく伸ばし）、回転用アクチュエータ９２．９６を放
電させ（縮め〉、中心体７４を本体６２に対して矢印Ｅ
方向へ回転させる。これと同時に、第９図に示される如
く、回転用アクチュエータ８０．８４を充電しく伸ばし
）、回転用アクチュエータ８２．８６を放電させ（縮め
）、中心体７４に対して回転板６４を矢印Ｅ方向へ回転
させる。

従って、回転板６４は本体６２に対して矢印Ｅ方向へ各
回転用アクチュエータの伸長量の２倍回転し、一体向に
シンブル１４が矢印Ｅ方向へ各回転用アクチュエータの
伸長量の２倍回転する。

この状態で回転板６４に固定された第１のチャック本体
４２の第１の圧電アクチュエータ４８によるシンブル１
４の固定を解除し、本体６２に固定された第２のチャッ
ク本体２６の第２の圧電アクチュエータ３２によってシ
ンブル１４固定する。

次に、回転用アクチュエータ９２．９６を充電しく伸ば
し）、回転用アクチュエータ９４．９８を放電させ（縮
め）、中心体７４を本体６２に対して矢印Ｅ方向の反対
方向へ回転させる。これと同時に、回転用アクチュエー
タ８２．８６を充電しく伸ばし）、回転用アクチュエー
タ８０．８４を放電させ（縮め〉、中心体７４に対して
回転板６４を矢印Ｅ方向の反対方向へ回転させ、回転板
６４を最初の位置に戻す。

以上の作動の繰り返すことによってシンブル１４が矢印
Ｅ方向へ回転する。

従って、前記一連の動作は、従来の回転用アクチエータ
の１ステツプの回転動作に相等するが、本実施例の場合
には、１ステツプの回転動作中に従来の２ステツプの送
り動作ができるため、シンブル１４の１ステツプの回転
量を倍にでき、変位速度を倍にすることができる。

なお、上記第２実施例においては、回転用アクチュエー
タを２枚の翼７６．７８を挟んで配置したが、第１０図
に示される如く、２枚の翼１０２．１０４の各片側面１
０２Ａ、１０４Ａのみに、回転用アクチュエータ１０５
を配置してもよい。また第１０図に示される如く、翼１
０６は１枚としてもよく、３枚以上としてもよい。また
、翼１０６が１枚である場合、中心体７４は本体６２あ
るいは回転板６４に回転可能に嵌装されている。これに
よって中心体７４は、回転用アクチュエータ１０５が第
１Ｆ図中において、上下方向に伸縮する動きを、中心体
７４の回転運動へと変換することができる。

このように中心体７４を正確に回転運動させるためには
、中心体７４と本体６２、中心体７４と回転板６４を回
転可能なはめ合い状態とすることが有効である。

以上のように本第２実施例は、前述の第１実施例の直進
送りの効果に加え、回転送りをすることができると共に
、直進と回転の両機能を有する送り装置の小型化を可能
とするものである。

〔発明の効果〕

本発明は上記構成としたため、最大供給電源の増加及び
装置の大型化を招くことなく、移動用アクチュエータの
ｌステップの移動量を倍にでき、変位速度を倍にするこ
とができると共に、位置決め精度を簡便に向上すること
ができるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る第１実施例の直進送り装置を示す
分解斜視図、第２図は第１図■−■線断面図、第３図は
第１図■−■線断面図、第４図（Ａ）〜第４図（Ｄ）は
本発明に係る第１実施例の直進送り装置の作動状態を示
す概略図、第５図は本発明に係る第１実施例の直進送り
装置のタイムチャート、第６図は本発明に係る第２実施
例の直進送り装置の回転本体を示す斜視図、第７図は第
６図■−■線断面図、第８図は第７図■−■線断面図、
第９図は第７図ＩＸ−ＩＸ線断面図、第１０図及び第１
１図は本発明に係る第２実施例の直進送り装置の回転本
体の他の例を示す平面図である。 ｌＯ・ １２・ １４　・ １７　・ ２２． ２６　・ ３２　・ ３８． ４２　・ ４８　・ ６０　・ ６２　・ ６４　・ ７４　・ ・直進送り装置、 ・本体、 ・シンブル、 ・ガイド、 ４・・・第２の積層型アクチュエータ、・第２のチャッ
ク本体、 ・第２の圧電アクチュエータ、 ０・・・第１の積層型アクチュエータ、・第１のチャッ
ク本体、 ・第１の圧電アクチュエータ、 ・回転本体、 ・本体、 ・回転板、 ・中心体、 ８０． ８２． ８４． ８６． ９２． ９４． ９６、 ・回転用アクチュエータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）被駆動部材を駆動する柱状のシンブルと、該シン
   ブルを軸方向に摺動可能に嵌装するガイドと、前記シン
   ブルの軸方向に並列に配置され前記シンブルを軸方向に
   移動する第１及び第２の移動アクチュエータと、該第１
   の移動アクチュエータと前記シンブルとを連結する第１
   の連結手段と、前記第２の移動アクチュエータと前記シ
   ンブルとを連結する第２の連結手段と、前記第１及び第
   ２の移動アクチュエータと前記ガイドとが固設された本
   体と、から成ることを特徴とする直進送り装置。