JPH0353874B2

JPH0353874B2 -

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Publication number: JPH0353874B2
Application number: JP60005145A
Authority: JP
Priority date: 1984-05-03
Filing date: 1985-01-17
Publication date: 1991-08-16
Also published as: DE3474380D1; JPH02262876A; JPS60234477A; EP0160707B1; US4600854A; EP0160707A1; JPH0744857B2

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 science）及び微
小製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 Tunneling
Microscope）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つ
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チ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
つてきた。線形変位を行なう置付装置に加えて、
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、ごみ及び湿度に
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
電位によつて制御される圧電素子と共に動作する
位置付装置によつ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
は公知であつて、例えばIBM Technical
Disclosure 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
ヤネル壁部に対して対になつた脚部を交互に留
め、その中央部分を伸縮させる事によつて樋状の
チヤネル内を移動しうる装置が示されている。真
直ぐなチヤ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、より融通性のある運動ができる様にチヤ
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個の圧電脚部に乗つており、
それらのうちの４個がテーブルの内部のセクシヨ
ンへ接続されており、残りがその外部のセクシヨ
ンへ接続されており、これらのセクシヨンが圧電
素子によつて連接されている。上記群の脚部を持
ち上げたり、降下させたりするのを制御する事に
よつて並びに連続素子の適当な伸縮によつて、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、それによつてベ
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−A1−
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つ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。

更の他のタイプのステツピング・モータが
IBM TDB、Vol.16、No.６、p.1899に開示されて
いる。この場合、キヤプスタンの周辺が圧電的に
駆動さる棒状体に係合しており、棒状体は圧電変
換器によつて接線方向に移動しうる。このモータ
ーによつて、そのキヤプスタンはテープの駆動に
適した小さい回転ステツプを呈する。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、円弧状の経路に沿う変位が可
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・シユーとの係合のた
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
曲した形状になつた時に第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
回転装置によつて達成される。

［実施例］第１図は支持プレート１に取付けた回転装置の
第１実施例を示す。軸ピン２の間にブロツク３が
配置されている。ブロツク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１図の紙面から上方へ持ち上がる様
になる。ブロツク３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並びに該シユー
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ツプなど）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２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１３（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１
１はクランプ・シユー６及びブロツク３を含むバ
イモル素子４の全長に沿つて配置されている。
（バイモル素子１０及び１１は夫々より短いバイ
モル素子であつてもよい。）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はブロツク３の上に乗つ
ており、クランプ手段１５及び１７はクランプ・
シユー６に乗つている。第１図はバイモル素子１
０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（第３図）、円弧状の
径路に沿つてホーム・ポジシヨンより高い位置ま
で荷重体７を持ち上げる。

バイモル素子１０及び１１に対する電圧をカツ
トすると、クランプ手段１５及び１７は再びその
ノーマル・ポジシヨンへ戻り、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１０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がブロツク３から離れる。バイモル素子４に
於ける電位をカツトすると、このバイモル素子は
伸びて、第５図に示す状態を呈する。即ちブロツ
ク３が軸ピン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つ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。従つて、上述の手順の１つのステ
ツプに於いて、荷重体７を１秒の何分の１の弧に
沿つて持ち上げる事が可能である。このステツプ
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、より大きな振幅を用いる事によつ
て、可撓体がより大きなステツプを呈する様にす
る事も可能である。例えば長さ25mmの可撓体は約
1μm／Ｖ動く事ができる。これは、第１図ないし
第５図の例に於いて、およそ10秒の弧／Ｖに相当
する。即ち、1mVによつて10^-2秒の弧の変位が
生じ、約200Vの最大許容電圧によつておよび
１／２度（30゜）の角度変位が生じる。第１図な
いし第５図の実施例を設計する場合の最大の総偏
向量は約15度である。

第６図は第１図ないし第５図の実施例の動作に
於いて生じる各ステツプの順序を図式的に説明す
るタイミング図である。時間t₀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、ブロツク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U₁が立上がると、クランプ手段１５及び
１７が開き、t₂に於いてU₃印加されるとバイモル
素子４が屈曲する。よつて荷重体７はt₁及びt₂の
間に於いて第１の回転ステツプを呈する。t₃に於
いて、U₁はオフ状態に切換えられ、よつて荷重
体７はその到達した位置に捕捉される。t₄に於い
て、U₂が印加され、ブロツク３が解放されて軸
ピン２まわりに回転し、U₃がオフ状態にスイツ
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。
これによつて第１回目の回転ステツプが完了す
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、t₇及びt₈の間に於いて第２回目の回転
ステツプが行われる。

調整ねじ５によつ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U₁及びU₂をオンにする事によつて荷重体７
をその元の位置へ戻す事ができる。

本発明の変形を第７図及び第８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。この変形は、回転体の形
状にするため、第１図の実施例のブロツク３に対
応するハブ２３にシヤフト１８を取付け、そのシ
ヤフトの左側にもう１つのバイモル素子４７を取
付けて、更にクランプ手段１４，１５，１６，１
７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つて構成された。

シヤフト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。バイモル素
子２４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はシヤフト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３１並びに３２ないし３７（説
明の便宜上図示されてい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
られており、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３７の各々はその素子の中心に於
いて円形リブ３８，３９で支持されている。リブ
３８，３９は夫々ハウジング４２の下半分４０及
び上半分４１と一体になつた部分を構成してい
る。リブ３８，３９は第１図ないし第５図に示さ
れる実施例の支持体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ブ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。

この変形及び次の変形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つて
実施され、制御電位の印加は公知の図示しない滑
り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はシユー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つて、この
素子が屈曲し、リング１９及び２０に関してシユ
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
印加する事によつて、リング１９及び２０がこれ
らの間にシユー２５をクランプし、リング２１及
び２２の間からハブ２３を開放する。以上に於い
てはシヤフト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、同時にシヤフト
１８がハウジング４２に関して１ステツプ回転す
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こ
とは云う迄もない。

動作中の第７図及び第８図の回転装置はシヤフ
ト１８及びハウジング４２間の相対的な回転変位
を生じる。トルクはシヤフトもしくはハウジング
のいずれに於ていも得る事ができる。

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つて、より
大きなトルクを得る事ができる。

同様の簡略化した、無制限回転を得るための回
転装置の変形を第９図及び第１０図に示す。

シヤフト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。ハブ２５及び５３はシヤフト４
９に空転する様に取付けられている。各ハブは
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６
６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はこれらの間にシユー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、シヤフト４９
のわずかな回転が生じる。シヤフト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がシユー５１を開放する。バイモル素子５０
の脱勢によつて該素子は再び伸長する。そしてシ
ユー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７０の上半分６
８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）によつて相互に接続され
ている。

第７図及び第８図の変形に於ける様に、リング
６６及び６７の内側に溝部７３及び７４が設けら
れ、よつ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９図及び第１０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
か示していないが、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１１図のタイミング図は、時間t₀に於いてク
ランプ・シユー５１がリング６６及び６７によつ
てクランプされる事を示す。t₁に於いて、バイモ
ル素子５０の電極に印加される電圧U₄によつて
素子５０が屈曲し、シヤフト４９がt₁及びt₂の間
に於いて回転する。t₂に於いて、バイモル素子５
４ないし６５に電圧U₅が印加され、シユー５１
はリング６６及び６７から開放される。次にU₄
及びU₅がオフ状態にスイツチされて、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３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並行
に保つ事によつ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つ
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つた。同じ関係
が、夫々第７図、第８図、第９図及び第１０図の
変形のバイモル素子２６ないし３７並びに５４な
いし６５にも適用できる。

第１２図は本発明による回転装置の他の変形を
示す。回転を生じるバイモル素子のクランプは第
８図及び第１０図に示すものとは異つた方法で行
われる。第１２図に於いて、シヤフト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
由端にブロツク８２及び８３を担持している。こ
れらのブロツ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８
４，８５は通常の状態では両端部がハウジングの
上半分の部分７８及び下半分の部分７９に接して
おり、よつてブロツク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７
８，７９との係合から開放される。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、シヤフト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ツク用のメ
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８図及び第１０図の変形に於いても云え
る。夫々シヤフト１８及びハウジング４２並びに
シヤフト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
ツキングを必要とする。シヤフト１８，４９，７
５を捕捉するための非常に簡単な装置を第１２図
の回転装置に関連して示す。シヤフト７５の一端
に金属製のデイスク８６を取付ける。このデイス
クに誘電材層８７を被覆する。デイスク８６は金
属プレート８８からわずかに離して維持する。デ
イスク８６及びプレート８８間に電圧を印加する
事によつて電界が生じ、その静電力によつてデイ
スク８６が回転しない様に引きつけられ、固定さ
れる。デイスク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つて、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８図、第１０図及び第１２図の変形は、バイ
モル素子に印加される電圧の極性を反転し、上記
ロツキング機構を適当に逆転させる事によつて両
方向に回転させる事が容易である。

［発明の効果］本発明によりナノ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図ないし第５図は本発明の回転装置の第１
実施例を説明する図、第６図は第１図ないし第５
図の回転装置の動作のタイミング図、第７図及び
第８図は本発明の変形を説明する図、第９図及び
第１０図は本発明の別変形を説明する図、第１１
図は別変形の動作タイミング図、第１２図は他の
変形を説明する図である。１……支持プレート、２……軸ピン、３……ブ
ロツク、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。

Claims

【特許請求の範囲】１一端がブロツク３に取付けられ他端がクラン
プ・シユー６を担持する様構成されて、電圧供給
のオン・オフによつて支持プレート１の上面に対
し凸形になるような屈曲状態又は復帰状態を取る
少くとも１つの第１圧電可撓体４と、上記支持プレートの上面に並行な軸で軸回軸し
うるように、上記ブロツク３を軸支する手段２，
８，９と、上記支持プレートの上面に並行に上記第１圧電
可撓体をはさんでその両側に配設された少くとも
１対の圧電可撓体であつて、夫々両端間で支持体
１２，１３によつて上記支持プレート上に支持さ
れ、上記支持体をはさんで夫々の右半分（U1）
及び左半分（U2）に対して独立的に電圧を供給
しうるようになつており、電圧供給のオン・オフ
によつて夫々の両端が上記第１圧電可撓体から遠
ざかる方向に屈曲し又は復帰する第２圧電可撓体
１０及び第３圧電可撓体１１とを備え、上記クランプ手段１４，１５，１６，１７は第
２及び第３圧電可撓体への電圧供給がオフのとき
夫々ブロツク３及びクランプ・シユー６を不動状
態に捕捉する様になつており、上記第２及び第３圧電可撓体の右半分（U1）
を夫々オンにし、上記第１圧電可撓体４をオンに
し、上記第２及び第３圧電可撓体の右半分（U1）
を夫々オフにし、上記第２及び第３圧電可撓体の
左半分（U2）をオンにすると共に上記第１圧電
可撓体をオフにし、その後上記左半分（U2）を
オフにすることにより、第１圧電可撓体の上記他
端を円弧状の経路に沿つて移動させることを特徴
とする圧電回転装置。