JPS6123676B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、物体の位置を精度よく移動する試料
移動装置に関するものである 先に特公昭51―12497、および特願昭51―60017
において、高精度で物体の位置を移動させること
ができる新規の試料移動装置を提供した。

第１図および第２図においてその基本構造と動
作原理について述べるが、この装置の特徴とする
ところは、逆圧電効果をもつ部材に電圧を印加し
た場合に生じる伸縮効果と、該部材の両端に固定
した静電クラツチあるいは電磁クラツチの吸着効
果を利用し、電圧印加を交互に繰り返すことによ
つて得られるステツプ移動を利用したものであ
る。

以下、図面により説明する。

第１図ｂにおいて、１は逆圧電効果を呈する材
料からなる円筒状の胴部材、２は胴部材の端面に
固定された導電性物質よりなる脚部材である。
３，４は半導電性誘電体よりなる摺動子部材であ
り試料台７との間に電圧を印加することにより両
者の間に吸引力が働き、試料台７を保持すること
ができる。胴部材と脚部材２とは絶縁されてお
り、脚部材２を摺動子部材３とは導電性接着剤
（図示せず）で接着固定されている。５は支持台
で胴部材１をベース６に支持するためのものであ
る。

本例においては、静電クラツチ式を示すが、磁
気的効果を問題にしない場合には、磁性体よりな
る摺動子部材を使用し、摺動子部材に導線を巻い
て、電流を流して摺動子部材を磁化させることに
より得られる電磁力を利用した電磁クラツチ式を
用いてもよい。本発明における実施例においても
同様である。

胴部材１の内外面には電圧印加用の電極が被着
してあり、この電極間にスイツチS₃を介して、電
源E₃が接続され電圧を印加することができる。

また、摺動子部材３，４と試料台７との間にも
スイツチS¹を介して電源E₁の電圧が、スイツチ
S₂を介して電源E₂の電圧をそれぞれ印加するこ
とが可能なようになつている。

いま、胴部材および各摺動子部材に対して電圧
印加状態を１，電圧を印加してない状態を０とす
ると、試料台７を右方に移動させる場合、第２図
のような順序で各部に電圧を印加させればよい。

第１図ａは試料台７をとりはずした状態を装置
上部からみた場合の各部の配置を示したものであ
る。

ここで□Ａ，□Ｂ，□Ｃはそれぞれの部分に電圧を印
加するための電源およびスイツチ回路をふくめて
記号をつけたものであり、□Ａはスイツチ回路S₁と
電源E₁を含み□Ｂ，□Ｃ，□Ｄ，□Ｅはそれぞれスイツ
チ回路、S₃，S₂，S₄，S₅および電源E₃，E₂，
E₄，E₅をそれぞれ含む。（以下、この記号により
記述する）。

第３図ａ，ｂは試料台７をＸ，Ｙ平面上の任意
の位置に移動することが可能なようにした装置の
基本構成図であり、第４図は動作状態を示すもの
であり、ａはＸ軸方向の移動の動作状態を示し、
ｂはＹ軸方向の移動の動作状態を示すものであ
る。

第４図ａおよびｂにおいては、動作状態１〜６
までが１単位動作となる。

本発明は、上述の如く、電歪駆動により試料台
Ｘ，Ｙ平面上任意の位置に移動することが可能な
装置において、試料台の移動範囲をできうるかぎ
り広範囲に移動することを可能にしたことであ
る。

さらに、他の目的は試料台の位置を検出可能と
することができる。

本発明の説明にはいる前に従来装置の問題点に
ついて第５図を用いて述べる。

いま、試料台７が右方に移動して行つた場合、
試料台７の最大移動範囲は試料台７の左端面が摺
動子部材３からはずれるところまでである。これ
以上移動させた場合第５図ｂの如く、試料台７は
摺動子部材３から脱落してしまう。これと逆な方
向すなわち、試料台７を左方に移動させた場合に
も同一のことが起きる。

このように、試料台の移動範囲は、静電クラツ
チの試料台への接触面積の大小によつて決められ
ることがわかる。第５図ａは第５図ｂを上方から
みた場合の概略図である。

第６図は本発明の一実施例で以上の問題点を解
決する試料台を提供するもので、試料台Ｘ，Ｙ平
面上を移動できる装置について記述する。

図からあきらかな如く、摺動子部材３，４，８
を図の如く配置する。すなわち、摺動部材３は半
円形をしており、摺動子部材４および８は1/4円
形のものである。これらの摺動子部材において、
Ｘ，Ｙ軸の直交する点に摺動子部材３をおき、
Ｘ，軸上に摺動子部材４をＹ軸上に摺動子部材８
をおく。各摺動子部材間は動作時においても、お
たがいに、電気的、機械的に接触しない程度の空
間を設えて固定する。

上述の如く配置した試料台駆動機構上に円形の
試料台７を載置した場合、試料台７の移動範囲は
第５図において点線で示した範囲内を移動させる
ことができ、第１図、および第３図で示した構造
における試料移動範囲に比較して、非常に拡大さ
れていることがわかる。

第６図をさらに改良し、第７図に示す如く各摺
動部材がおたがいにある間隙をもつてかみ合うよ
うな構造にすることによりその効果が著しくなる
ことはあきらかであるる。

第８図および第９図に摺動子部材の別の形状例
を示す。

第８図に示す摺動子部材ではＸ方向あるいはＹ
方向の試料台の移動範囲は第６図に示すものより
もさらに拡張される。第９図に示すものは、Ｘ方
向およびＹ方向に試料台の移動範囲が拡大され
る。

なお、第６図、第７図、第９図示実施例では摺
動子部材３，４，８を移動方向がＸ―Ｙ軸の直角
方向になるように近接して配置したが、移動方向
の２軸が平行でない適当な角度を持つていれば２
軸の移動を制御することにより所定の位置に移動
することが可能であり、本発明も摺動子部材３，
４，８の大きさ、配置を図示の特定の大きさ、配
置に限定するものでないことは当然である。

第６図乃至第９図示の装置は、各摺動子部材を
近接して配置するとともに試料台７との接触面積
を大きくとることにより、試料台７の移動に対し
て、その端部が摺動子部材より脱落しないように
したことに特徴がある。

上述の構造をもつ試料移動装置を使用して実験
を遂行する場合、試料台７上に試料を着脱する作
業がある。このような場合、試料台７の中心点を
各摺動子部材の交点においた状態で行なうことが
多い、また実験中試料台がどの方向にどの位い移
動したかを検知する必要が多くある。

以下、本発明を別の実施例を参照して詳細に説
明する。

上述の如く、試料台７と摺動子部材との間に電
圧を印加し、両者の間に吸引力を発生させて試料
台を拘束する原理はJohnsen―Rahbek効果を利
用したものである。

ここでJohnsen―Rahbek効果について簡単に
述べると、第１０ａに示した如く、金属１０と半
導体１１とのそれぞれの接触面を研磨して接触さ
せ、両者間に電圧を印加すると両者間に吸引力が
発生する。このときに単位面積当りに発生する力
Ｆは(1)式によつて求めることができる。

Ｆ＝Ｖ^２／８πｄ^２dyn／cm² (1) ここではＶは印加する電圧であり、ｄは接触面
の実効的な間隙である。第５図ａの如く両者の接
触面をいかに良好に研磨しても、その接触面を拡
大してみるとき、極微細な凹凸が接触面上にあ
り、この先端部が接触している状態となる。

この状態における電気的な等価回路は第１０図
ｂの如く表わすことができる。

ここでＲ_bはバルク（buIk）の部分の抵抗であ
り、Ｒ_cは接触面の抵抗である。Ｃ_cは接触部分の
空間のキヤパシタンスである。

上述の如く、静電クラツチ動作時においては第
１０図ｂに示した回路によつて試料台（金属）と
摺動子部材（半導体）間にはたえず電源が流れて
いることになる。この電流がどの位の値であるか
の実測値を第１１図に示す。このときの摺動子部
材の接触面積は２cm²の場合である。一例として、
印加電圧を100Vとするとき、１μＡが得られ
た。

この電流の値は印加電圧および接触部分の条件
（仕上げ精度が同一のとき）が同一のときには、
試料台と摺動子部材との接触面積の違いによつ
て、流れる電流が変化することがわかる。

本発明は、この結果を利用して試料台の位置を
検知しようとするものである。

第６図に示した構造の装置における、電気的等
価回路は第１２図に示すごとくなる。ここでＲ_b
は試料台７の抵抗であり、Ｒ_c１は摺動子部材
３，Ｒ_c２は摺動子部材４，Ｒ_c３は摺動子部材８
と試料台７との間の夫々の接触抵抗、Ｃ_c１，Ｃ_c
２，Ｃ_c３は、前記の各接触部分のキヤパシタン
スである。

また、A₁，A₂、A₃はそれぞれの上記摺動子部
材に流れる電流である。

このように回路構成された状態において、試料
台７を所定の位置に設定しておき、その点での各
摺動子部材に流れる電流を読みだしておく、つな
ぎに試料台７を移動することにより、各摺動子部
材と試料台との相対位置がずれることにより、Ｒ
_c１，Ｒ_c２，Ｒ_c３，Ｃ_c１，Ｃ_c２，Ｒ_c３の値が
変化し、流れる電流も変わることがわかる。

試料台の位置と電流との関係をあらかじめ求め
ておけば、逆に電流値を読むことにより試料台の
位置を容易に検出できることが可能となる。

第１３図は第６図示の構成を列にとつて試料台
７と摺動子部材３，４および８との間に流れる電
流を検出して、それぞれの電流値と所定位置にお
けるそれぞれの設定値と比較してどちらも一致す
れば、試料台７の移動を停止させるようにした構
成図である。

第１３図に示す装置の動作を説明する。まず、
所望の位置での摺動子部材３と試料台７との間に
流れる電流I₁，摺動子部材４と試料台７との間に
流れる電流I₂および摺動子部材８と試料台７との
間に流れる電流I₃はあらかじめ測定されて即知で
あるので、電流I₃と電流I₂との比が摺動抵抗器２
９の抵抗イと抵抗ロとの比になるように、電流Ｉ
と電流（I₂＋I₃）との比が抵抗ハと抵抗ニとの比に
なるように摺動抵抗器２８および２９を設定す
る。そして最初にＸ軸方向に試料台７を移動させ
るように制御回路２７からパターン発生器１６へ
信号を送信すると同時にスイツチ回路２３，２４
にも信号を送信し、電流I₃が抵抗イに流れ、電流
I₂が抵抗１２に流れるようにする。すると試料台
７がＸ軸方向に移動し、電流I₃，電流I₂が変化
し、それにつれて抵抗イ，抵抗ロのそれぞれの両
端に発生する電圧ＶイおよびＶロは変化する。比
較器２６では三種類の出力信号を発信するように
する。すなわち、たとえば電圧Ｖイが電圧Ｖロよ
り大きいときは“―１”の信号、逆に電圧Ｖロが
電圧Ｖイより大きいときは“１”の信号、両電圧
が一致すれば“０”の信号を制御回路２７へ発信
する。制御回路２７では、たとえば比較器２６か
らの信号が“―１”のときはＸ軸の正の方向の移
動を行なうための制御信号をパターン発生器１６
に送信し、比較器２６からの信号が“１”のとき
は逆のＸ軸の負の方向の移動を行なう制御信号を
送信する。また“０”の信号を受信したときはＸ
軸方向の移動を停止する。同様にＹ軸方向の移動
を行なうための制御信号をパターン発生器１６に
送信する。さらにその制御信号はスイツチ回路２
３，２４に送信されたスイツチ切換信号となる。
そして、試料台７がＹ軸方向へ移動すると、抵抗
ハ，ニの両端に発生するそれぞれの電圧Ｖハ，Ｖ
ニが変化する。比較器２５では、上記比較器２６
と同様の三種類の信号を発生する。然して、電圧
Ｖハ，Ｖニが一致すれば“０”の信号を制御回路
２７に送信する。制御回路２７は、比較器２５か
ら“０”の信号を受信するまで、パターン発生器
１６にＹ軸方向の移動を続けるように制御信号を
送信し、“０”の信号を受信すると、パターン発
生器１６から発生するパルスパターンがＸ軸方向
の移動になるように制御する。同時にスイツチ回
路２３，２４に信号を送信してスイツチを切り換
える。上述の動作は、抵抗イの両端に発生する電
圧Ｖイと抵抗ロの両端に発生する電圧Ｖロが等し
く、かつ抵抗ハに発生する電圧Ｖハと抵抗ニに発
生する電圧Ｖニが等しくなるまで繰り返す。然し
て、試料台７の所望の位置に漸次近づき、所望の
位置に至達すると比較器２５，２６の出力が共に
“０”となり、制御回路２７によりパターン発生
器１６の動作を停止する。

以上の動作において、制御回路２７は、Ｘ軸方
向の移動のときは、比較器２６の出力信号によつ
てのパターン発生器１６を制御し、Ｙ軸方向の移
動のときは、比較器２５の出力信号によつてパタ
ーン発生器を制御する。このような制御回路とし
ては制御用のコンピユータが適している。

また、試料台７の中心点と摺動子部材の中心点
を合わせるだけであれば、摺動抵抗器２８，２９
は省略してもよい。パターン発生回路１６は、第
１４図に示すように、発振器１５から出力波形ｆ
を入力として、スイツチ回路S₁，S₂，S₄に、さら
に、第１３図においては図示されてはいないが、
第６図に示す胴部材に電圧を加えるための電源の
オン―オフを動作を行なうスイツチ回路S₃，S₅に
送信するパルスを発生させるものである。一例と
して第１４図には第４図に示す場合におけるスイ
ツチ回路S₁，S₂，S₃，S₄，S₅に送信する波形、
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅを示す。波形ｂはスイツチ回
路S₃へ、波形ｄはS₅へ送信するものである。

上述のように、あらかじめ摺動子部材と試料台
との間に流れる電流を試料台の全位置においてあ
らかじめ測定しておき、所望の位置での電流値
I₁，I₂およびI₃に設定しておけば、所望の位置に
試料台が移動した時に移動を停止する。

【図面の簡単な説明】

第１図は電歪駆動型試料移動装置の従来例を示
す図、第２図は第１図の動作状態を示す図、第３
図は従来の電歪駆動型試料移動装置を示す図、第
４図は第３図の動作状態を示す図、第５図は従来
の電歪駆動型試料移動装置を示す図、第６図から
第９図までは本発明に係る実施例を示す図、第１
０図はヤンセン―レーベツク効果の説明図、第１
１図は試料台と摺動子部材との間に流れる電流を
示す曲線図、第１２図は第５図における装置の等
価回路図、第１３図は本発明に係る実施例を示す
図、第１４図はパターン発生回路からの出力波形
を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 一端が固定端に支持され、逆電圧効果により
   長さが伸縮可能な胴部材と、前記胴部材の他端と
   前記固定端にそれぞれ支持され、共通平面をなす
   摺動面を有する第１，第２の摺動子部材と、前記
   第１，第２の摺動子部材の摺動面に乗せられる試
   料台と、前記試料台と前記第１，第２の摺動子部
   材とを静電引力もしくは電磁力により電気的に交
   互に拘束せしめる手段とを有し、前記胴部材の伸
   縮を利用して前記試料台の位置を移動せしめる装
   置において、前記第１，第２の摺動子部材は微細
   な間隙をおいて近接して配置され、かつたがいに
   交錯する形状を有することを特徴とする試料移動
   装置。