JPS60234477A - 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（５ｕｒｆａｃｅ　５ｃｉｅｎｃｅ　
）及び微小製造技術等に使用するだめの、円弧状変位の
精朋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％徴を分解しうる走査トンネリング
顕微倚（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌ　ｉｎｇ　Ｍ
ｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　）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々いしはセンチ
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太きい。

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。更に原子レベル寸で特性を分
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　Ｂ　Ｍ　ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｓ
ｃｌｏｓｕｒｅ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ　（Ｔ　Ｄ　Ｂ　）
、Ｖｏｌ。２２、Ｎｏ、７、Ｉ）、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
は云う寸でもない。

更に、より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。Ｉ　Ｂ
Ｍ　ＴＤＢ、　Ｖｏｌ、２３、Ｎｏ、７Ｂ。

１）、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
へ接続されており、残りが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り、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ととがで
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−Ａｔ−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　ＴＤ
Ｂ、　Ｖｏｌ、１６、Ｎｏ、　６．９．１８９９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け再現性に欠け
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（
＠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
弥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、少くとも１個の圧電可撓部を用い、その
一端を軸回転する様に支持Ｌ７、その他端がクランプ手
段を担持し、少くとも１対の第２の圧電可撓部を用い、
その各々を上記クランプ手段の係合のために配置した少
くとも１つのクランプ部材へ接続し、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だめの並
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）するだめの回路
を用いる圧電回転装置によって達成される。

〔実施例〕

第１図は支持フツート１に取付けた回転装置の第１実施
例を示す。軸ピン２０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。その電極には、付勢されるとバイモル素子
４が第１図の紙面から外へその右手端部を持ち上げる様
に電圧が印加される。ブロック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・シュー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は検査もしくけ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。軸ビン２は支持プレート１
上に設けたアングルγτじ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１ｏ及び１１はクランプ・シュー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１２は夫々より
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１ｏ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の上に乗っており、クランプ手段１
５及び１７はクランプ・シュー６に乗っている。第１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・シュー
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３図）、弧状の径路に沿っ
てホーム・ポジションより高い位＠まで荷重体７を持ち
上げる。

バイモル素子１０及び１ｊに対する電圧をカットすると
、クランプ手段］５及び１７は再びそのノーマルーポジ
ションへ戻す、バイモル素子４の持ち」−げられている
クランプ・ンユー６をクランプする。次にバイモル素子
１ｏ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３
が軸ピン２の寸わりを軸回転する事に々る。

種々のバイモル素子によって呈ぜ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捷でもない。

従って、−ヒ述の手順の１つのステップに於いて、荷重
体７を１秒の何分の１の弧に沿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捷
で反復する事ができる。５．ＦＦ−に、より大きな振幅
を用いる事によって、可撓体がより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図の例に於層て、およそ１０秒の、Ｊ　
／　Ｖに相当する。即ち、１ｍＶによって１０−２秒の
弧の変位が生じ、約２００■の最大許容電圧によってお
よそ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１゜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ＴＪ２はＯであるので、ブ
ロック３及びクランプ・シュー６はクランプされた状態
にある。時間ｔ１に於いてＵ、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１１
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けオフ状態に切換えられ、よって荷
重体７ばその到達した位置に捕捉される。

１４に於いて、Ｕ２が印加され、ブロック３が解放され
て軸ピン２まわりに回転し、ＴＪ、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ｌｌｉ＋ｔ＋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、１７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をまずオフ状態にし
、そしてバイモル素子】０及び１１に於いてＵｌ及びＴ
Ｊ２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。

本発明の第２の実施例を第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。この実施例は、軸ピ／２をシャフト１
８に、クランプ子役１４ないし１７を２対のクランプ・
リング１９．２０及び２１．２２に置換する事によって
第１図ないし第５図の実施例に基ついて構成したもので
ある。

シャフト１８に対してハブ２３が固定されている。ハブ
２３の自由端部はクランプ・ンユー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３１並びに
３２ないし３７（説明の便宜上図示されてない番号を含
んでいる事を胛解されたい）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
れておね、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ｎている。バイモル素子２６ないし
３７の各々はその中心に於いて円形リブ３８．３９に於
いて支持されている。

リブ３８．３９は夫々ハウジング４２の下半分４０及び
上半分４１と一体になった部分を構成している。リブ３
８．３９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に対して数句ける位置に於い
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はシュー２５から離隔して保持され
ているが、リング２１及び２２ばこれらの間にハブ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がわずかに円形の変位を呈す
る。次にバイモル素子２６ないし３７の分割した電極に
雷、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２
２０間からハブ２３を解放する。以上に於いてば／ギフ
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７図及び第８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・・クランプ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・シュー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、無制限回転をつるための回転装置の
実施例を第９図及び第１０図に示す。

シャフト４９にバイモル素子５ｏが取付けられており、
その自由端にはクランプ・シュー５１が担持されている
。ハブ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６６へ接続され、バイモル素子６ｏないし６５はリン
グ６７へ接続されている。

動作中、電圧が印加されがいと、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ねると、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々いし６５を付勢しまた場
合、リング６６及び６７がンユー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↑冴に関してわずかに前進した
位置を？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の一ヒ半分６８７！
！！び下半分６９（フランジ７１．７２に於いて相互に
密封をれている）によって相互に接続されている。

第７図及び第８図の実施例に於ける様に、リング６６及
び６７の内側に構部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しか示してないが
、トルクを増すためにクランプ・７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ｔ。に於いてクランプ
・シュー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５ｏが屈曲し、シャ
フト４９が１１及びｔ２の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Ｕ、が印加
され、−７ニー　５　］はリング６６及び６７がら解放
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５ｏ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・シュー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ょっ
て屈曲の際にバイモル素子が呈する長さ変化の問題の１
１とんどを処理できる事が分った。同じ関係が、夫々第
７図、第８図、第９図及び第１０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１２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８図及び第１
０図に示すものとは異った方法で行われる。第１２図に
於いて、／ヤフト７５及びバイモル素子７６．７７より
々る回転装置ｔｄ、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８３を相持している。

これらのブロックは夫々圧電棒状体（管状体でも可）８
４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８４．８
５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、／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８図及び第１０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４
９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。シャツ
）１８．４９．７５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。デイスり８６１り
ひブＩ・・−１・８８間に電圧を印加する事によって電
界か生じ、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７−ト状金
１萬を選択する事によって、この装（４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図の実施例は、パイモル素
子＋／ｒｃ印加される電圧の極性を反転し、−ヒ記ロノ
キノ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〕

本発明によりナノメータのオーダーの精度の円弧状の径
路に清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図は本発明の第２
実施例を説明する図、第９図及び第１０図は本発明の第
：う実施例を説明する図、第１１図は上記第３実施例の
動作のタイミング図、第１２図は第４実施例を説明する
図である。 １　・・支持プレート、２・・・・軸ピン、３・・・ブ
ロック、４　・・バイモル素子、５　・・調整ねじ、６
　フランツ電ンユー、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　インタープーンヨナノいビジネス・マシース
ズ・コ〒ポレーション代理人　弁理士　岡　１）　次　
生 （外１名） 第１頁の続き ■発明者　ヘルマン・ニーヴエル　スイゲルト　ニド ＠発明者　ヴオルフガンク・ディ　スイーテル・ポール
　ラフ ス国チューリッヒ８１３４、アトリスビル、レルステン
シラーセ９番地 ス国チューリッヒ８１３４、アドリスビノペフエルゼン
ホンユトラーセ１幡地

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 一端が軸回転する様に支持され、他端が捕捉体を担持す
   る様構成されてなる少くとも１つの圧電可撓体と、 電圧が印加される事によって上記圧電可撓体が屈曲状態
   を呈する時に」−記捕捉体を捕捉し、上記圧電旬撓体が
   伸長した後に上記捕捉体を解放する様構成されてなる少
   くとも１対の捕捉手段とを有する圧電回転装置。