JPH10503325A - 小型直線運動アクチュエーター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 直線駆動運動（２０）。第一運転モードは、圧電素子が、該素子とそのベース（３８）との間のクランプ力が圧電素子を定位置に保持するような具合に、ゆっくり膨張せしめられる単一のクランプ技術を利用する。圧電素子（４８）は、次に、非常に迅速に収縮せしめられて、その作用により創出された慣性は上記クランプ力を越え、圧電素子はベース（３８）に対し相対移動せしめられる。第二運転モードは、先ず後部がクランプされて前部が前方へ動かされ、次に前部がクランプされて後部が前方へ動かされる二重クランプ技術を利用する。これら総ての実施例は、好ましくは、非常に薄い層と小型の装置を形成することを可能にする半導体材料を使用している。

Description

【発明の詳細な説明】 小型直線運動アクチュエーター 発明の分野 本発明は全体として改良された小型リニアステッパーアクチュエーターに関す る。詳記すれば、本発明は固定部材にクランプされた伸張部材を使用し、この伸 張部材が固定部材に対して移動する小型リニアモーターを明示するものである。 発明の背景及び要約 医療には、医師の手に合った外科用具が使用されることが多い。この用具は、 作動する時、一定の運動を有していて、あそびによる反動が殆どないことが必要 である。リニアアクチュエーターは始動時回転トルクを発生せず、様々な姿勢や 位置で作業するために実質的な力を与え、かつ非常に正確に制御するごく小さな 装置が従来技術によく取り入れられている。 ある特性種類のリニアーアクチュエーターは、電圧が印加されて直線運動を発 生する時生じる圧電材料の形状変化を利用している。「二重クランプ」型アクチ ュエーターは、圧電材料の第一端部をクランプし、この材料の全長を伸張させ、 圧電材料の他端部をクランプして材料の第一端部を解放し、次いで圧電材料の大 きさを縮めることによって作動する。上記工程を一回繰り返すと、一サイクルの 移動が生じる。 フイッシャー・ニューヨーク（Fishers New York）のバーレイ社（the Burlei gh Corp.）によって製作されたインチウォーム(Inchworm:商標)圧電リニアアク チュエーターは二重クランプアクチュエーターの一例である。このインチウォー ム装置は三つの圧電素子を含んでいて、その内の二つがモーターを通して軸方向 に延びる軸を機械的にかつ直交してつかんでいる。しかし、これらの装置の中で 最小であっても、直径（約０.５インチ）が大き過ぎて多くのマイクロ装置には 適用できない。 他の異なる直線アクチュエーターは、単一種類のクランプ方式を使用していて 、「サブマイクロ・ステップ・サイズ及びセンチメートル走行範囲を有する直線 圧電ステッパーモーター（“A Linear Piezoelectric Stepper Motor With Sub- micrometer Step size and Centimeter Travel Range”,IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control．1990年９月，第５号，３ ７巻）におけるジュディ（Judy），ポーラ(Polla)及びロビンズ(Robbins)によっ て開示されている。ここに記載されている圧電素子は、寸法が２５.４mm×１２. ７mm×１.６mmであり、一方ステッパーの全体の大きさは１５０mm×６０mm×１ ００mmより大きい。装置の作動原理は滑走構造に取付けられた圧電素子の伸縮に 基づいている。 ジュディ等の設計は、大きさが比較的大きく、組立てが困難で、その物理的方 位−保持されている方向に応じて性能特性が大きく異なっていた。ジュディ等の 装置は、装置全体の大きさを減少させることが困難な、かさのある圧電セラミッ ク、金属及び非電導絶縁体で作られた構成要素を使用した。黄銅製滑走電極がプ レート間のテフロン絶縁層を静電的にクランプしている。このテフロンは約６３ .５μｍの厚みを有している。ジュディのシステムは圧電素子をその伸張中にク ランプすることによって作動し、ベースに対して動くことができないので荷重を 前方に押すようになっている。収縮中は、クランプ力が取り除かれて、圧電素子 がベースに対して移動するようになっている。 二つのタイプの二重クランプリニアモーターが、米国特許第４７３６１３１号 における藤本により、また米国特許第４７０９１８３号におけるラング（lang） により開示されている。前記’１３１号特許は、二つの圧電素子が運動拡大レバ ーを通して運動軸に垂直な側壁上でクランプしている。’１８３号特許も圧電材 料に依存して側壁の機械的なクランプを達成し、二重クランプ直線運動を行う。 側壁クランプには、高度の製造精度とコストが必要である。 振動現象に依存するリニアモーターは、振動を移動部材に転換する圧電素子の 使用を含み、二，三の異なる方策を使用している。これらのタイプの装置は、意 図する作動方針に対して非能率的であり、軸外又は直交する運動を発生する際、 実質的なエネルギーを消費する。直線、円又は楕円運動は、繰り返し摩擦しなが ら移動部材に伝達される。各種の駆動方法が、軸，ねじり及び走行波振動現象を 含んで使用されてきた。 例えば、大西の米国特許第５０３６２４５号及び第５１３４３３４号は、圧電 素子が「Ｃ」形状構造の脚を振動して脚に垂直なレールに沿って走行する装置を 記載している。 山口の米国特許第５１４０２１５号は、長さ方向における長手振動を励起する 一方の部材で楕円運動を転換し、他方の部材が厚み方向におけるたわみ振動を励 起する。従来技術におけるこれらの装置のすべては、本発明により使用される小 型の種類には不向きである。 上記の諸問題の多くは、本発明に基づく小型直線運動アクチュエーターにより 解決される。この直線運動アクチュエーターは、実質的に小型化された装置にお いて、正確で制御可能な直線運動を提供する。 二方向増分直線運動を行うための直線運動アクチュエーターが開示されている 。この直線運動アクチュエーターは、電圧源と、摺動及び当接可能に係合した各 第一及び第二ウエハ面を提供する第一及び第二ウエハ素子と、相対位置において 第一及び第二ウエハ面を選択的に保持するクランプシステムと、第一のウエハ素 子に作動可能に結合されていて、第二ウエハに対して第一ウエハの運動を行う伸 張可能な部材と、電圧源、締付け手段及び伸張可能部材に選択的に接続されてい て、運動の各特性を制御するための電子制御システムとを有している。この電子 制御システムは、クランプシステムと伸張可能部材へ出力された電圧の振幅、周 波数及び波形を制御し、それによって伸張可能部材が第二ウエハに対して第一ウ エハの制御された、二方向選択性直線運動を行う。 好ましくは、半導体技術が圧電材料のような形状変化可能な材料と組み合わさ れて、小型直線アクチュエーターを提供するとよい。静電クランプ半導体ウエハ とベース半導体は、共に光沢面を有していて、摺動且つ当接可能に係合して配置 されている。ワイヤーリードはウエハ間に静電クランプ力を選択的に提供する。 選択的に伸張可能な圧電素子がクランプウエハの第一端部において固定して担持 されている。圧電素子の第二端部は慣性質量に結合されている。作動電圧は、ク ランプ電圧がウエハ間に印加されている間、圧電素子に選択的に印加され、ベー スウエハに対して所定の位置にクランプウエハを保持する。この時、作動電圧は 急激に変化せしめられ、圧電素子はこの変化する電圧に応じてその大きさが急速 に変化する。慣性質量は、圧電素子の急速な動きに慣性的に耐え、クランプ力を 越えてベースウエハに対してクランプウエハを移動する。 これに代わる一つの方法として、圧電素子への電圧を急激に変化した時、クラ ンプ電圧の極性を急速に切り替えることができる。これによって、電荷が蓄積し ないようにし、絶縁層の圧縮が避けられる。サイクルが繰り返され、正確な増分 直線運動を行う。リニアアクチュエーターの運動は容易に逆行させることができ る。 静電クランプ及び伸張部材への電圧は、適正な周波数，振幅及び波形を提供す るように制御される。周波数は調整可能であって、好ましくは、静電クランプに 印加される電圧波形の周波数は、伸張部材に加えられる電圧周波数より低いある ファクターであるとよい。電圧振幅はアクチュエーターの出力を制御するために 調整可能である。クランプに加えられる電圧と伸張部材に加えられる電圧の波形 はアクチュエーターの出力を制御するために調整可能である。付加的に設けられ た位相角差制御器により、クランプ電圧波形と伸張部材電圧波形間の位相角差を 制御する。 アクチュエーターの二重クランプの実施例が提供されているが、これは半導体 技術を使用して、アクチュエーターの空間方位に関係なく、使用可能な力のレベ ルと繰り返し増分を有する二重クランプリニアアクチュエーターを提供するもの である。 図面の簡単な説明 以下、本発明のこれら及び他の態様を添付図面に従って詳細に記述する。 図１は、支持ケース内に示されている本発明による小型直線運動アクチュエー ターの拡大された破断断面図である； 図１Ａは第一実施例の移動部分を形成する層の断面図である； 図２は滑走電気接触線の破断図である； 図３は図１の線３−３から見た断面図である； 図４は二重クランプを使用する本発明の第二実施例を示す破断詳細図である； 図５は本発明による小型直線運動アクチュエーターの各素子に対する制御盤及 び電気接続部を示す概略図である； 図６は、リニアアクチュエーターの制御システムのブロック図である； 図７は本発明により使用される例示制御回路の電子回路図である； 図８はクランプ電圧と伸張部材電圧の函数として例示アクチュエーターの出力 を示すグラフである； 図９はクランプ電圧と伸張部材電圧の函数としてリニアアクチュエーターの速 度を示すグラフである； 図１０は第一実施例のタイミング図である； 図１１は第二実施例のタイミング図である； 図１２は各負荷の大きさに関するクランプ電圧の函数として、アクチュエータ ーの単一クランプの実施例の速度を示すグラフである； 図１３は各クランプ周波数に関するクランプ電圧の函数として、アクチュエー ターの単一クランプの実施例によって発生された力を示すグラフである； 図１４は各クランプ電圧に関する伸張部材電圧の函数として、アクチュエータ ーの単一クランプの実施例によって発生された力を、図８に示したクランプ電圧 と伸張部材電圧間の位相と共に示すグラフである； 図１５は各クランプ電圧に関する外部負荷の函数として、アクチュエーターの 単一クランプの実施例の速度を示すグラフである； 図１６は各グライダー重量体に関する負荷力の函数として、アクチュエーター の単一クランプの実施例のグライダー速度の推定値を示すグラフである； 図１７はグライダー質量の函数として、アクチュエーターの単一クランプの実 施例によって発生された力を示すグラフである； 図１８は伸張部材とクランプ波形の位相制御変動の函数として、アクチュエー ターの単一クランプの実施例によって発生された力を示すグラフである。 好適実施例の説明 添付図面により好適な実施例を詳細に説明する。 図１は、本発明における第一実施例の極小リニアアクチュエーターを示してい る。この第一実施例は、ベースとグライダーを有しており、それらは相互にクラ ンプされているが、クランプ力に打ち勝って動き得るようになっている。このア クチュエーターは、ケースＣに取り付けられたベース２２と、該ベースに対して 動き得るグライダー２４を有していて、マスロード２６に対して力を与えるよう になっている。 操作力は、制御用ワイヤートランク２８を介し複数のワイヤー４０，７６，７ ８，８０によって供給される。これらのワイヤーは、グライダーが動くとき、ワ イヤー間の電気的短絡を防ぐために、分離状態が保たれるようになっている。又 、これらのワイヤーには、如何なる不測の短絡をも防ぐために絶縁処理を施して も差し支えない。 装置を覆っているケースは図１において符号Ｃで示してあり、動かないように 固定されている装置の一部品である。このケースは円筒形をしており、内部にプ ラグ３２を有している。ベース２２は支持要素３０とウエハベース３４を有して いて、ウエハベース３４はエポキシ等によってサポートエレメント３０に取付け られている。アクチュエーターの構成は図１Ａに詳細に示されている。支持要素 ３０は一端３１をプラグに結合され片持ち状態となっている。プラグ３２に対す るこのうな支持要素３０の結合は、ベースが円筒形のケースの軸方向に対して平 行な方向へ動くのを防止している。支持要素３０の上面は、粗面の高さが、直線 の長さ５mm当たり１μｍ以下となるように研磨されている。そして、支持要素３ ０の上には絶縁層３６が設けられており、支持要素３０とウエハベース３４との 間を絶縁している。この絶縁層３６は点本発明酸化物であることが最も好ましい 。 ウエハベース３４は研磨された上面３８がシリコンで形成されている。この表 面３８は、絶縁層３９、好ましくはＳｉＯ₂の天然酸化物層によって覆われてい る。窒化シリコンＳｉ₃Ｎ₄のもう一つの層４１が天然酸化物層３９の上に形成さ れているが、これは必ずしも必要とするものではない。Ｓｉ₃Ｎ₄層は、天然酸化 物層３９を安定化させ、且つその層の物理的強度を向上させるのに役立つ。 このような合成層３９，４１は、高度に研磨された表面３８に形成されるので 、非常に平坦である。 ウエハベース３４上にＳｉＯ₂層及びＳｉ₃Ｎ₄層を形成するには、半導体技術 において良く知られている幾つかの技術が用いられる。最も好ましい技術は、天 然酸化物層を形成するシリコン材の表面を酸素中で加熱することである。このよ うにすると、シリコンと絶縁物との間の結合強度が非常に高くなるという附帯的 な利点を有する。これに準ずる技術としては、酸化物のスパッタリングや化学的 蒸着がある。 ウエハベース３４には、そこに電気的に接続されているワイヤ４０によって電 位が与えられる。 グライダー２４は、クランピングウエハ４６と伸張可能部材４８を含んでいる 。クランピングウエハ４６は、好ましくは低度に研磨された表面４４を有するシ リコンで形成されている。又、本発明においては上記した絶縁層３９，４１を、 ウエハベース３８にではなく、クランピングウエハ４６の研磨面４４に形成して もよい。 クランピングウエハ４６には、研磨層４４を形成している面とは反対の面に絶 縁層５２が形成されている。伸張可能部材４８は絶縁層５２に取付けられている 。伸張可能部材４８の部分４９は図示していない支持要素によって片持ちされて いる。この伸張可能部材４８は、刺激に応じてサイズの変化する材料で形成され ている。より好ましくは、伸張可能部材４８は、そこに与えられる電界によって サイズが伸張及び／又は収縮するものである。好ましい材料としては、ＰＺＴの ような圧電材料があり、一例としてコネティカット州のトランスデューサー・プ ロダクツ社から手に入れられるＬＴＺ−２ＭというＰＺＴ材料がある。他の材料 を使用することも可能であって、その中には、ニチノールのような形状記憶材料 があり、またＰＬＺＴのような電歪材料があり、更には特有の磁界に応じて寸法 を変える磁気抵抗素子などがある。そのほか、与えられた刺激に対応して比較的 早くサイズを増減させるものである限り、どのような材料を用いても構わない。 伸張可能部材４８はエポキシ接着剤によってクランピングウエハ４６上の絶縁 層５２に接着されている。電気的なリードワイヤ５４，５６は、伸張及び収縮を 制御するために、伸張可能部材４８に電位を与えるようになっている。 マスロード２６は概略的に示されているが、ウエハベースに対してグライダー が動くことによって生み出される力を受けるようになっている。マスロード２６ 、有用荷重(Payload)を受けるように意図された装置に接続されているワーク・ インターフェース・ロッド６４を有している。伸張可能部材４８は、好ましくは 、エポキシのような絶縁性の接着剤６０によってマスロード２６に取り付けられ ている。グライダー組立体２４の運動は、それによって、マスロード２６の直線 運動に変換される。マスロード２６は円筒形のケースＣの内面に接触するのに好 適 な形状をしていて、それによって円筒形内部がシールされている。ワーク・ベー ス・シール６６は、マスロード２６とケースＣの間をシールし、モーター内に液 漏れするのを防止している。シール６６は環状の円錐台形としてもよいし、“Ｏ ”リングとしても差し支えない。 本発明においてより良い感度制御を行うために、マスロードに接触させてセン サー３００が配置されている。センサー３００としては、力センサー，加速度計 等が用いられる。このセンサーはワイヤ接続とすることもできるしワイヤレスと することもでき、後で述べるようにしてフィードバックを与えるためのものであ る。 末端のチップで与えられた力のレベルは、伸張可能部材４８と、グライディン グウエハ４６及びベースウエハ３４間のインターフェイスとに、直接伝えられる 。コントローラー１２０は、ワークピースからワーク・インターフェース・ロッ ド６４に与えられる荷重の変化を、電圧，電流，位相角の変化を監視することに よって直接検出することができる。コントローラー１２０は、これらの変化に対 応しフィードバック機構を介して自動的にプログラムされる。その際、グライダ ーの波形制御，電圧増幅，周波数制御１３２，伸張可能部材の波形制御１３４， 伸張可能部材の電圧制御１３６，伸張可能部材の周波数制御１３８，位相制御１ ２６の一つ又はそれ以上のセッティングを調節することになる。このようにして 特定の力の変位関係が、システムの動力と機構的限度内に維持される。本発明の フィードバック制御を助けるために、他のセンサーをこのシステムに付加しても よい。 次に動作させるための操作を説明するが、ここで説明するのはモーターを順方 向へ動作させるための説明であって、反対の操作によってモーターの逆方向の運 動が行われるということを理解してもらいたい。 操作の最初のステップは、クランピングウエハ４６とウエハベース３４の間に 電力を供給することによってクランプ力を与えることである。このクランプ力は 、伸張可能部材４８をゆっくり伸張させるなどして、慎重に制御し、最善の環境 のもとでウエハベースに対するクランピング部材の位置を確保する。この力は、 伸張可能部材４８の収縮の最大スピードにより十分な慣性力が与えられたとき、 ク ランピングウエハ４６とウエハベースの間が離れるのを妨げるほど強くはない。 又、クランプ力は、マスロードを押している間、二つのウエハ間の結合を十分に 確保できるものでなければならない。従って、このクランプ力は重要である。 このクランプ力は、このモーターの重要な部分の一つである。静電気によるク ランプ力は、物理的には次の式で表わされることが知られている。 ここで、_Eは絶縁材料の誘電定数であり、Ａは二つのウエハの表面積であり、Ｖ は二つのウエハ間に与えられる電圧であり、ｘは二つのウエハ間の間隔である。 二つのウエハ間の間隔は、絶縁層３９，４１の厚さであることは言うまでもない 。それ故、式(1)は、クランプ力が、グライダーからベースを分離している絶縁 層の厚さの二乗に反比例することを示している。この厚さが増加した場合には、 クランピング層の領域を、その厚さの二乗に比例するようにして増加させねばな らない。それ故、ウエハベースとグライダーの間の絶縁層を厚くすると、それ相 当の力を得るためには、ウエハベースとグライダーの領域を大きくする必要があ るということが分かる。 ジュディ氏等の設計においては、二つの層の間に、テフロン製のスリーブが用 いられている。テフロンのスリーブは厚さが約６３.５μｍであった。それ故、 ベースとグライダーの間に十分なクランプ力を得るためには、これらの二つのエ レメントの表面領域は本発明に比べて比較的大きくする必要があった。 これとは対照的に、本発明は、非常に薄い、例えば５０Å−２μｍの厚さの絶 縁層を半導体材料によって形成する。シリコン等の材料は、通常の半導体細密化 技術を用いることによって非常に正確に処理することができる。この処理は高度 の研磨によって絶縁層を非常に薄くすることができる。絶縁層は５０Å位に薄く することが可能であるが、本発明による絶縁層４２の好適な厚さは１μｍである 。この厚さはジュディ氏等の絶縁層よりも二桁ほど薄くなっている。それ故、同 じクランプ力を得るための構成としては四桁ほど（領域は平方ではないが距離が あるため）小さくなる。 同じクランプ力を得るためのサイズがこのように減じられたということは、細 密化を促進するということになる。 操作の説明に戻る。グライダーが適度のクランプ力でベースにクランプされる と、伸張可能部材４８は、例えば１ｍｓを越えて徐々にゆっくりと長さを増大し ていく。この長さの増大によってマスロード２６を押すことになる。このような 、ゆっくりした増大は、グライダーとベースの間のクランプ力に打ち勝つことは ない。その結果、マスロードは、伸張可能部材の可能な伸張量に比例した量で順 方向へ押されることになる。 この時点において、伸張可能部材のサイズを出来るだけ短時間に現象させるた めに、伸張可能部材に与えている電圧を急速に、例えば２００−５００ｎｓで低 減する。急速な収縮によって生じる慣性力は、グライダーとウエハベースとの間 に、クランプ力に打ち勝つのに十分な力を生じさせ、ウエハベースからグライダ ーを引き上げる。この力は、クランプ力に打ち勝ち且つウエハベース上でグライ ダーを順方向へ動かす。クランプ力の力量は本明細書において詳細に説明されて いる。しかし、そのクランプ力は、伸張可能部材が徐々に長さを増大させるとき 、その力に抗するのに十分であり且つウエハに対するグライダーの位置を維持さ せるために、十分高く設定されなければならないということを理解すべきである 。しかしながら、クランプ力は、伸張可能部材が最大率でサイズを減少するとき に生じる慣性に抗するほと十分に高くはない。この高い慣性は、慣性力に打ち勝 ち、クランピングによって生じる力に抗して、グライダー２４をウエハベース３ ４に対して移動させる。これが操作の一周期であり、次の周期においてマスロー ド２６を更に順方向へ動かすことになる。 それ故、上記の説明からも分かるように、本発明は、半導体ウエハ材料とその 技術を用いることによって、従来例の場合よりもクランピングウエハをより蜜に 配置することを可能にする。このことは、装置の小型化を可能にし、また同じ位 のサイズの装置の場合には出力される力と速度を増大させることになる。事実、 本発明の装置は、同じ力特性を得るようにする場合には、ジュディ氏等の場合よ りは、６３²＝３９６９倍小さくすることが可能となった。 本発明のもう一つの利点は、本発明によって用いられた操作の異なるモードか ら得られる。ジュディ氏等は、グライダーがウエハベースに対して動かされたと き、静電気によるクランプが、周期ごとに、その時間中消失したと述べている。 しかしながら、クランプが消失している時間の間には、動力効果が、ベースに対 するグライダーの位置に影響する。このことは、装置が、グライダーが保持され ていた位置次第で異なる操作をするであろうことを意味する。 それに対して、本発明の技術は、いつでもクランプの力を維持する。本発明は 、クランプを締めるのではなく、クランプ力を一定に維持できる適切な値にセッ トする。本発明の第一実施例によれば、クランプ電圧は一定値に保たれる。より 詳細に説明した本発明の第二実施例によれば、クランプ電圧が周期的に変化する 。この周期の変化は、回路に蓄積した電荷を取り去る。 あらゆる半導体物質は、多くの金属と同様にウエハのクランプとして用いられ 得る。しかしながら、容易に利用でき、強固であって、簡単に酸化シリコンの純 粋絶縁層を形成でき、さらに、一般の半導体技術を用いて容易に加工できるので 、結晶シリコンが、好適な物質である。アモルファス、または多結晶質のシリコ ンもまた利用可能である。ゲルマニウムとガリウム砒素もまた便利な物質である が壊れやすい。これらの半導体は、利用可能であるが、好適ではない。シリコン 炭化物，ガリウム窒化物，ガリウム燐化物を含むものもまた、利用可能ではある が、さらに好適ではない。また、例えば、アルミニウム等の金属も利用可能であ るが、純粋酸化物が存在するので信頼性に欠ける。ステンレス鋼の薄膜も利用可 能であるが、それらの表面が薄い酸化物の層でスパッタ皮膜される必要性がでで くる。これにより、更に粒状の表面を形成する。銅，真鍮，金もまた、利用可能 である。 従って、本装置を製造するのに適した工程は、シリコンをウエハに形成する工 程と、その表面を磨いて表面が平らになるようにする工程と、酸素に直面してい る表面を加熱することによって酸化物を生成する工程と、通常の化学的蒸着技術 によって、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）の表面にシリコン窒化物（Ｓｉ₃Ｎ₄）を形 成する工程からなる。 図２は、各ウエハ７６，７８，８０とそれぞれのウエハに関連づけられたシリ ンダー７０，７２，７４の詳細な接続図を示す。各ウエハ７６，７８，８０は、 それぞれ、剛体の棒状に形成されていて、その一端が制御ワイヤートランク２８ を通って接続されており、また、所定の長さを有している。各ワイヤー（例えば ワイヤー７６のようなワイヤー）は、それぞれ、シリンダー７０にその内部で関 連づけられた状態のままでいることができる長さを有している。各シリンダーは 、それぞれ、リードワイヤー（例えばリードワイヤー５０のようなワイヤー）に よってその接続位置に接続せしめられている。制御ワイヤートランク２８から出 ている各ワイヤー７６，７８，８０は、それぞれ、外径がシリンダーの内径にく らべて幾分小さく形成されているが、シリンダーの内側との接触点によじれ（ｋ ｉｎｋ）１２０を含有している。従って、ワイヤー７６，７８，８０は、関連づ けられたシリンダー７０，７２，７４の内側と接触し、且つ、伸張部が、互いに 応動するスライド接続を形成する。ワイヤーは、この間ずっと、シリンダーに対 応してスライドする。しかし、シリンダー自体は、動かず、また、接続物である リードワイヤー５０も動かない。 図３は、図１の３−３断面図であり、シリンダー７０，７２，７４の配置及び 複数の層との接触状態を示す。図４は、より一般的な二重クランプ方式を用いた リニアアクチュエーターである本発明の第二実施例を示す図である。図４の実施 例は、装置全体のほんの一部分であって、図１に示す部分とは異なる部分を示す 。 図４の実施例は、絶縁層４４の上に支持要素３０とウエハベース３４を含んで いる。 図４の実施例のグライダー８４は、第一実施例のグライダーとは全く異なった 形態をしている。グライダー８４は、基部グライダー８６と末端部グライダー８ ８を含む二つの分離片を含んでいる。 各グライダー片は、それぞれ、それらに接触せしめられるそれぞれのリードワ イヤー９０，９６を含んでいる。各グライダー片は、また、それぞれ、表面が磨 かれた最底部を含んでいる。基部グライダー８６は、磨かれた表面９２を含み、 また、末端部グライダーは、磨かれた面９８を含む。これらの各磨かれた面は、 それぞれ、ウエハベース上の絶縁層３９に接しており、絶縁物は、図１ａの絶縁 物に類似したものでもよく、グライダーの底部表面の上に交互に形成されていて もよい。 図４のシステムの操作方法は、図１に示すような一つのクランプモーターの操 作方法とは、幾分異なる。図４（の実施例）は、二重のクランプ方式を用いてお り、その方式によって、前方へ移動させための伸張可能部材４８の伸張及び収縮 にしたがって、別個のグライダーが繰り返し締めつけられるようになっている。 本装置を、図４の右方向に移動する方法について説明する。最初に、基部グライ ダー８６は、最大収縮位置にある伸張可能部材４８によって締め付けられる。こ のとき、末端部グライダー８４は、クランプされていない。それから、伸張可能 部材６０は、最大伸張状態に伸張し、マスロード２６を図４の右方向へ押圧する 。このとき、末端部グライダーは、クランプされ、且つ、基部グライダー８６は 、クランプを解除される。伸張可能部材６０は、それから、収縮された長さに戻 り末端部グライダーを図４の右方向へ引っ張る。このとき、基部グライダー８６ は、再び、クランプされて、クランプ操作の新たなサイクルが始まる。 図４の実施例は、半導体物質が用いられているために非常に小型化されている 。 本発明における両実施例の動作は、クランプ電圧、圧電性伸張可能要素に負荷 される電圧，周波数，例えば、時間対電圧変化特性のような電圧波形の形態を含 む、種々のパラメータによって制御されている。 図５は、入力パラメータの操作を制御するパワー制御コンソール１２０を示す 図である。パワー制御コンソール１２０は、種々の要素の全ての電圧，周波数及 び位相を制御するようになっている。 クランプ電圧の大きさは、所望の特性にしたがってアクチュエーターの操作を 制御するように調整される。上述のように、ベースとグライダーの間に掛かる力 は、クランプに用いられる電圧量に比例する。従って、クランプ電圧は、グライ ダーとベースとを一緒に押さえる力の基本レベルにセットする。伸張可能部材が 伸張し、マスロードを押すとき、そのロードを押すことによって生じた力がグラ イダーとベース間のクランプ電圧値を乗り越えなければ、マスロードは、ただ前 方に移動するだけである。従って、クランプ電圧値を、ロードに留意してセット しなければならず、クランプ電圧値を小さな値にしすぎると、該ロードを移動さ せるのに充分な力が働かなくなる。 他方、クランプ電圧値は、伸張可能部材が収縮したときには、その値が直ぐに 抑えられなければならない。クランプ電圧値が高すぎると、伸張可能部材の充分 な回復を妨げてしまい、それにより、伸張可能部材の動作ステップの長さを縮め てしまう。 上述のように、伸張可能部材は、伸張及び収縮を繰り返す。この伸張及び収縮 の頻度は、本システムの物理的な特性に基づく。伸張可能部材は、例えば、伸張 や収縮するために、ある程度の時間がかかる。上述の実施例では、伸張は、比較 的ゆっくりと、例えば１ｍｓかけて行われる。収縮は、その物質の最大可能速度 で起こるが、例えば、２５０ｎｓのような、ある程度の有限の時間がかかる。反 復動作の頻度は、それらの物質が伸張及び収縮するのに要する物理的時間より早 くすることは不可能である。 また、伸張可能部材の電圧波形とクランプ部の電圧波形との位相は、本装置に 与えられる力の量に影響を与える。そのことについての実験結果の図表を図１８ に示す。通常、その位相は、０秒を囲むようになるはずであるが、幾らかの微調 整をすれば、ある程度特性値を改良できることがわかる。 図５は、グライダー制御ユニット１２２，伸張可能部材制御ユニット１２４， 位相制御ユニット１２６を含む制御コンソールを示す。グライダーベース制御ユ ニット１２２は、波形制御部１２８，振幅制御部１３０及び周波数制御部１３２ として図示された回転可能な電位差計のつまみを含んでいる。これらの電位差計 は、図７に記載のものに相当し、制御回路１２０は、更に多くのつまみを持ちう る。 グライダー波形制御部１２８は、一般的に、グライダーの波形形態を制御して いる。電圧振幅制御部１３０は、ウエハ４６とウエハベース３４の間の電圧量を 制御して静電吸引量に変化させている。その物質の特性によって、電圧振幅にお ける線形変化が非線形な影響を引き起こしうるからである。電圧振幅制御つまみ は、それらの影響を補正するために、例えば、対数的に重みがつけられていても よい。周波数制御部１３２は、波形が反復形成される割合を制御している。周波 数は、１０Ｈｚから１００Ｈｚまでの間に保たれているのが好ましい。 伸張可能部材制御ユニット１２４は、同様に、伸張可能部材に加えられる波形 の特性を制御している。第一実施例では、この波形はゆっくりと立ち上がるが、 素早く立ち下がるはずである。第二実施例では、この波形は、あらゆる所望の特 性に成しうる。加減電圧波形制御部１３６は、クランプ用に使われる電圧の波形 を制御している。加減周波数制御部１３８は、電圧の周波数を変化させる。 位相制御ユニット１２６は、クランプ電圧と伸張電圧との間のタイミングを制 御している。好適な時間特性は、既述の通りである。 図６は、図５の制御コンソール内の回路のブロック図である。周波数発生器２ ０４は、リニアアクチュエーターを駆動するために用いられる周波数を発生させ る。これらの周波数は、ある帯域にわたって調整可能である。周波数発生器２０ ４からの出力は、パルス制御ユニット２０６によって受信され、パルス制御ユニ ット２０６は、受信した出力を選択可能な時間によって位相が分けられた二つの 出力にする。一方の出力は、圧電波形発生器２１８を駆動し、他方の出力は、ク ランプ電圧発生器２１６を駆動するために分割される。本発明における好適の実 施例は、クランプ電圧波形を与えている実施例であるのに対して、一定のクラン プ電圧を用いてモーターを駆動するのは、好ましいとはいえない。方向制御部２ １２は、モーターの回転方向を制御しており、また、圧電波発生器２１８と、ク ランプ波形発生器２１６を駆動するクランプ電圧アクチュエーター２１４に接続 されている。 クランプ電圧装置２１０は、グライダーをベースにクランプするために用いら れるクランプ電圧を生じさせる。本発明の好適な実施例によれば、力センサー３ ００の出力は、所望の力量を生み出すためにこの電圧の大きさを示す為に用いら れている。 上述のように、伸張可能部材４８は、制御コンソール１２０によって制御され た状態で伸張又は収縮をする。三つに分かれた制御パラメータ，伸張可能部材波 形制御部１３４，電圧制御部１３６及び周波数制御部１３８は、伸張可能部材４ ８の伸張及び収縮に影響を与える。周波数制御部１３８は、伸張可能部材１３８ の周期的な動作を制御している。伸張可能部材波形制御部は、一般的に伸張可能 部材４８の慣性的特性とそれに付加されたマスロード２６を制御している。 第一実施例として上述した複数のパラメータを制御するための電気制御回路の 具体的な実施例を図７に、制御回路２００として示す。図７に示す回路は、本発 明のリニアアクチュエーター内部に運ばれる一つのシリコンウエハの内部に全体 的に又は部分的に作ることができ、好ましくは、通常の半導体技術を用いて、領 域５００のベース３０に作られ得る。 直流電源２０２は、電圧を印加して圧電素子を伸張させるための直流高電圧源 ２２０と、例えば、１２Ｖでロジックを作動するための低電圧源２２２とを含ん でいる。電圧源２２０は、リニアアクチュエーターから最適電力に到達するため に演算子及び／又はセンサー３００からのフィードバックによって可変であって もよい。電圧源２２０からの出力値は、１５Ｖから１０００Ｖまで変動してもよ く、また、好適な出力値は約５００Ｖである。 図７の周波数発生器２０４は、ウエハを駆動する波形を作るために用いられる 周波数を作り出す。周波数発生器２０４は、内部周波数発振器２２４と外部入力 ポート２２６を含んでいる。内部周波数発振器２２４は演算増幅発振器を用いて 演算増幅器２３６の内部のフィードバック抵抗値に基づく周波数を作りだしてい る。周波数選択スイッチ２３０は、制御可能にフィードバックレジスタ２３２を スイッチしてこれらフィードバックレジスタ２３２とコンデンサ２３４との間に ＲＣ回路網を形成する。本システムは、ＲＣ時定数に依存した周波数で発振する ので、スイッチ３００の位置に基づく周波数を作りだしている。バイアスレジス タ２３８，２４０及び２４２は、バイアス電圧を演算増幅器の入力を反転するた めに供給する。 周波数発振回路２２４は、水晶の出力に取り付けられた可変のディバイダであ ってもよく、又は、回路に一体化されたプログラム可能な周波数ディバイダであ ってもよい。 この実施例では、外部周波数も端子２２６を介して加えられる。演算増幅器２ ４４は、システムの特性を調和させるようにその振幅を調整するため、入力周波 数を調整可能な抵抗２４６からの直流バイアスと比較する。外部入力２２６と内 部周波数発振器２２４からの周波数は、二つのスイッチ接点２２８へ入力される 。スイッチ２２８の出力は、位相シフト制御ユニット２０６へ送られる。 位相シフト制御ユニット２０６は、二つの出力周波数を提供し、これらの出力 周波数間の位相遅れが０と約０.１μｓとの間の所望特性を持つように選択され る。位相制御回路２５０と位相制御回路２５２は、夫々、別々に調節可能な遅延 特性をもっている。回路２５０は、固定抵抗２５４と可変抵抗２５６とコンデン サ２ ５８とを含んでいる。これらの抵抗とコンデンサの組合せは、波形の立上りを遅 らせるＲＣ回路を構成している。ＲＣ時定数は抵抗２５６の値を変えることによ り変えられる。これは、波形の通過を遅らせ、従って、その位相角を変える。同 様に、抵抗２６６の調節は、出力波形の通過を遅らせる。 スイッチ２７６は、位相シフトを使用するか使用しないかを制御する。第一位 置では、スイッチ２７６は、位相シフトユニットの入力を出力に接続して、如何 なる位相シフトも行われないようにする。第二位置では、位相シフトは制御され 得る。 位相シフトされるか又は直接接続された回路２５０からの信号出力は、周波数 ディバイダ２０８に接続されている。ディバイダ２０８は、入力周波数を２で割 るため、Ｄ入力に接続された出力ではないＱを有する簡単なＤ型フリップフロッ プである。出力は、可変抵抗を介して結合されている。出力電圧は、クランプ波 形発生器２１６へ供給される。勿論、これは、Ｎカウンター又は任意の公知の他 のディバイダによって、プログラム可能に分割することも出来る。 グライダーに対するベースの静電クランプのための電圧は、クランプ電圧発生 器２８４によって生ぜしめられる。クランプ電圧発生器２８４は、演算増幅器２ ８８の反転用入力に接続された電圧ディバイダ２９０，２９２，２９４を含んで いる。演算増幅器２８８の出力は、接地されたドレインとバイアス抵抗２８５を もって出力に接続されたソースを有するパワーＭＯＳＦＥＴ２８６のゲートを駆 動する。そのソースは、センサー３００と抵抗３０２をもったフィードバックル ープを介して、演算増幅器の非反転用入力へも接続されている。演算増幅器２８ ８は、比較器として接続されていて、その出力は、ＭＯＳＦＥＴ２８６の電圧降 下を決定する。 ＭＯＳＦＥＴ２８６のソースは、その出力が出力端子２９６における電圧を生 成するフィルター用コンデンサ２９８へ接続されている。この出力電圧２９６は 、クランプ電圧となる。 要素２１２はモーターの回転方向制御装置である。二つのスイッチの一方を閉 じることにより、モーターの回転方向が選択的に反転せしめられる。そのスイッ チは、比較増幅器３０８と３１０を含むクランプ電圧活性器２１４を選択的に操 作する。各比較器３０８，３１０は、電圧ディバイダ３１２からの可変電圧に接 続された負の入力を有している。スイッチ３０４と３０６の位置によって、増幅 器３０８，３１０からの出力電圧は、クランプ波形発生器２１６内の演算増幅器 ３１６，３１８の反転用入力に接続されている。これらの演算増幅器の正の入力 は、二分割回路２０８からの出力電圧を受ける。クランプ波形発生器の各増幅回 路は同様の構成をもっている。演算増幅器３１６は、フォロアーとして構成され たＭＯＳＦＥＴ３２０のベースを駆動する出力を有している。このトランジスタ ３２０のソースは、可変抵抗を介して、同様にフォロアーとして構成されたもう 一つのＭＯＳＦＥＴ３２２のゲートに接続されている。フォロアーとして構成さ れたＭＯＳＦＥＴ３２２のソースは、出力端子３４６を有している。 同様に、演算増幅器３１８を含む回路は、端子３４８に出力電圧を生ぜしめる 。出力端子３４６と３４８は、グライダー４６とウエハベース３４に夫々接続さ れている。スイッチ３０６，３０８の位置を変えることによって、モーターの作 動方向を変えるため、それらの値の間で電圧も変えられるということを知るべき である。 位相制御ユニットの他方の出力は、可変抵抗２７８から、圧電素子波形発生器 ２１８の入力に接続されている。この第二の位相制御素子は、演算増幅器３５２ ，３５４の反転用入力に接続されている。これらの演算増幅器の両方の非反転用 入力は、スイッチ３０４，３０６からの各信号を受信する。比較器として構成さ れた演算増幅器は、ＭＯＳＲＥＴ３６４，３６６のゲートを電気的に制御する。 これらのＭＯＳＦＥＴは、フォロアーとして、可変抵抗３７２，３７４と抵抗３ ８０，３８２を介して接地された各ＭＯＳＦＥＴのソースをもって、同様にフォ ロアーとして接続されたパワーＭＯＳＦＥＴ３７６に接続されている。ＭＯＳＦ ＥＴ３７６と３７８のソースは、出力端子３８８，３９２に結合される電圧を生 じる。これらの端子は、導電線５４，５６に接続され、それによって伸張可能の 部材４８の伸張と収縮を制御する。 作動時、図７の回路は、静電クランプと伸張可能の素子に対する電圧波形を生 成する。スイッチ３０４が閉じられると、各増幅器３５２と３０８は、オンして 増幅器３１６と３１８へ特定の電圧を印加する。これらの電圧は、クランプ波形 発生器２１６における演算増幅器３１６，３１８へ印加される。演算増幅器の他 方の入力は、２分割分割器２０８の出力により駆動される。これは、伸張可能の 部材の駆動周波数の半分において出力端子３４６，３４８間の連続反転電圧とな る。電圧曲線の実際の形状は、可変抵抗３２８，３３０を使用することによって 制御されるＲＣ時定数に依存する。スイッチ３０６を閉じると、反対電圧ドライ バーはオンとなる。 スイッチ３０４と３０６は、圧電素子波形発生器２１８の動作を制御もする。 両方のスイッチ３０４と３０６が開放されると、波形発生器２１８は無効となる 。スイッチ３０４が閉じると、演算増幅器３５２の正の入力に低電圧を印加して 、それをオンにし、位相制御装置２０６から受けた出力電圧を通過させることを 可能にする。一方、スイッチ３０６は増幅器３５４をオンして、同電圧を使用し て動作することを可能にする。スイッチ３０４，３０６を閉じる効果の総ては、 リニアアクチュエーターの運動方向を制御することにあることが分かる。スイッ チ３０４を閉じることによって、ＭＯＳＦＥＴ３７６を駆動する波形発生回路が 起動せしめられる。スイッチ３０６を閉じることによって、端子３８８と３９２ に加えられる波形は反転せしめられる。 上述のように、アクチュエーターの速度は、周波数発生器２０４からの周波数 出力信号を変えることによって制御される。然しながら、任意の所定の入力電力 に対し、速度出力は仕事の負荷に対応して使用されなければならない。伸張可能 部材の電圧は、直接的に動力を制御する。クランプ電圧は、速度と力の相互間を 制御する。低いクランプ電圧は、高速小力を可能にする。クランプ電圧は低いの で、グライダーとベース間のクランプ力は、常に小さく維持される。然しながら 、クランプ力は比較的小さいので、最初の立上り動作は、グライダーを更に僅か 前進させることを可能にする。 速度と力との関係は、より複雑で而も余りリニアでない。発明者によってなさ れた特性は、より容易に設計され、且つ次の好適実施例を参照して説明される。 本発明のリニアアクチュエーターは、好ましくは３８.１mmの長さの圧電素子 を用いる。好適な圧電素子の幅は６.３５mmである。これは、２３４平方ミリメ ートルの好ましいクランプ面を提供する。好ましい厚さは０.８mmである。然し ながら、 より一般的には、アクチュエーターは、長さが１と２５０mmの間，幅が０.１と ５０mmの間，そして厚さが０.０１と５mmの間である。 好適な電圧素子は、質量が０.０１と４５０グラムの間の範囲であるが、１.４ グラムの質量を有する。好適なグライダーの質量は、グライダーの質量を１グラ ムと１０キログラムの間にすることが考えられるが、３０グラムである。 絶縁層３９は、好ましくは、図１Ａに示されたように、ＳｉＯ₂とＳｉ₃Ｎ₄か ら構成される。好ましくは、ＳｉＯ₂層は約０.７５μｍの厚さを有し、Ｓｉ₃Ｎ₄ 層は約０.１５μｍの厚さを有する。両方の層は、厚くて２−３μｍ，薄くて５ ０Åであり得る。 シリコン・クランプ用のウエハは、好ましくは、０.０３６mmの厚さを有する が、より一般的には０.０１と１mmの間の厚さを有する。 装置は、下記の好適パラメーターに従って作動する。 リニアアクチュエーターの性能特性は、装置の物理特性に依存するということ が上の表から明らかであろう。図８及び９は、リニアアクチュエーターの一般的 な性能展開を示しており、曲線の絶対値は、クランプ面積で選択された実際の負 荷と初期の質量に依存すると云うことが理解できる。図８と９は、各質量とクラ ンプ面積に対する絶対値であり、異なる曲線の組は性能展開を限定しており、こ れらの曲線の値は各特性を最良にするように選定され得る。 任意の所定の適用に対し別々の値を特定することにより、普通は、最大慣性質 量とクランプ面積が選択されるであろう。図８は、点１４６において最適値に達 する出力を示している。クランプ電圧の増加は、それが、伸張可能な部材が伸張 せしめられると、グライダーウエハをよりしっかりと位置保持させるようにする ため、最初に、より高い出力を生じさせる。然しながら、クランプ電圧を余り大 きくし過ぎると、伸張可能な部材の電圧が解除された時、伸張可能な部材が前進 するのを妨げる、出力は下がってしまう。クランプ面積とクランプ電圧は互いに 関連していて、クランプ面積が増大すると、同量のクランプ力を生じるのに必要 な電圧は減少する。 図９は、力とクランプ電圧の間の同様な関係を示している。ピーク速度は、ク ランプ電圧を調節することにより選択することができる。但し、クランプ電圧が 余りに高くなると、クランプ力に打ち勝って前進するための困難性が増大するた め、速度は降下し始める。電圧の増大と共に、出力もまた増大する。 ステップの長さは、伸張可能な材料の弾性限界と伸張可能な材料に印加される 電圧の関数である。 図８から分かるように、最適の力と速度は別々にセットすることができ、その 値は、異なった結果を達成するためには異なった値にセットすることが必要であ る。 図１０は、本発明の第一実施例の好適モードのアクチュエーターを制御するた めの制御コンソール１２０によって発生せしめられる波形の典型的な一組を示し ている。このタイムチャートの目的のために、我々は、伸張可能な部材４８が、 導電線５４上の電圧が正の時部材４８の長さが伸張すように、方位が合わされる と、考える。 電圧１４８は、ウエハベースに印加される電圧を表わし、又、電圧１５０は、 グライダーに印加される電圧を表わしている。電圧１４８と１５０との間の電圧 差は、クランプ用電圧を表わす。本発明の一形式によれば、クランプ電圧は、常 に一定値に単純に保持される。これは、満足した結果を生むが、ここに説明した 技術より好ましくはない。 クランプ用ディバイダが常に一定に維持されると、素子を横切る電荷の盛上げ が生じると共にウエハ間の吸引が生じて、グライダー２４とベース２２との間の 離間距離が小さくなると言うことが、本発明により分かった。本発明の好適形式 によれば、グライダーとベース間に、比較的短時間、例えば、１−４ｍｓの間、 電圧が維持される。その１−４ｍｓの時間の終わりに、グライダー／ベース間電 圧は極性が反転せしめられる。これは、その間グライダーベース間電圧が零に近 づく一瞬の時間を生じさせる。この時、グライダーとベースは僅かに離れ、引力 の増大を伴う。然しながら、この増大した引力は、電荷の盛上りを回避するよう に、反対の電荷層特性を持つ。 次に、タイムチャートに戻って、点１７０より前で、タイムチャートは、グラ イダー及びベース間電圧が負であると言うこと、即ち、グライダー上の電圧がベ ース上の電圧よりも小さいと云うことを示している。時点１７０において、導電 線間電圧は反転せしめられる。これは、クランプ用ウエハ４６とウエハベース３ ４との間の静電クランプ力を一瞬緩めるが、基本的には、直ちにクランプ力を再 び強める。この時点において、静電素子の伸張を制御する電圧である電圧１５４ は、出来るだけ急速に零まで降下する。これは幾１００ナノ秒以内の伸張可能部 材の急速な収縮を生ぜしめる。上述のように、急速な収縮は、グライダーをクラ ンプ力に打ち勝って僅かに前進せしめる。 時点１７２において、電圧１５４は徐々に増大し始める。これは、伸張可能部 材４８の長さを徐々に増大せしめる。この緩やかな増大は、マスロードを、クラ ンプ力に打ち勝って前方へ押しやる。伸張可能部材が完全に伸張すると、時点１ ７４において、部材４８を横切る電圧は再び零まで降下し、それによって先のス テップを繰り返し、更なる前進運動を生ぜしめる。 これらのステップの繰り返しによって、装置は、連続的簡欠前進運動を行う。 後退運動は、時点１７６等において、負性ライン１５５上に示されように、前進 運動に対向して遂行される。 第二実施例のための波形は、若干異なり、図１１に示されている。中央のグラ イダー８６を駆動する導電線９０上の電位を表わす曲線１６６に関係する電圧の 電位が零まで降下した時、一サイクルが時点１８０において始められると考える ことができる。同時に、端のグライダー８４に接続されたライン１６８上の電圧 は、上昇する。これは、中央のグライダー８６がウエハベースに対して自由に摺 動するが、端のグライダー８４がウエハベースに対してクランプされることを可 能にする。 この時点において、伸張可能部材４８を駆動する電圧１５４は降下して、伸張 可能部材は収縮する。端のグライダーはクランプされるので、中央のグライダー は図４において右方へ動かされる。時点１８２において完全に収縮した後、電圧 は反転せしめられて、端のグライダーは自由となり、中央のグライダーはクラン プされる。次に伸張可能部材４８に印加される電圧が増大して、端のグライダー を図４において右方へ移動せしめる。勿論、反対方向への運動は、反対のステッ プを正確に使用して遂行され得る。 図１２−１８は、クランプ用電圧，伸張可能の電圧，電圧の振幅，波形，周波 数，位相角差及びクランプ力の間の相互関係を示している。図１２−１８は、本 発明に従って使用された特定の原型に対する実際値を示している。 図１２は、種々の外部荷重に対する静電クランプ電圧の函数としてプロットし た素子の速度を示している。各設計に対して、小さ過ぎるか大き過ぎるかクラン プ電圧が劣悪な結果を生じる場合、最適範囲がある。クランプ電圧が余りにも低 く、例えば、図１３に示すように５０ボルトよりも低い場合には、移動は全く不 可能である。 図１３は、種々のクランプサイクル周波数に対して静電クランプ電圧の函数と してプロットした出力を示している。クランプ電圧の増大は、プラトー（platea us）まで増大する出力を生じる。周波数が低いと、試験された最も高い周波数よ りも全体として効果は小さい。電圧の制御周波数は、伸張可能部材に入力され、 そしてクランプ用ウエハは一般的にアクチュエーターステップの反復速度を制御 する。 図１４は、伸張可能部材に印加される電圧と種々のクランプ電圧に対して生じ る力との間のプロットを示している。異なるクランプ電圧に対しては、圧電素子 のための異なる伸張電圧が可能であることが分かる。 図１５は、異なるクランプ電圧に対する速度と外部負荷の質量との関を示して いる。 図１６は、速度，負荷及び負荷力間の三次元プロットを示している。 図１７は、出力が、少なくとも特定の範囲に亘って、グライダー質量と共に直 線的に増大することを示している、グライダー質量データの函数としての力を示 している。 図１８は、ＰＺＴクランプの力対位相のプロットを示している。 図８，９及び１２−１８は、適用−特殊設計手順を作る数学的且つ実験的模型 製作の方法によって制御可能である広範囲の作動特性を示している。本発明によ り構成されたリニアアクチュエーターの実際の使用は、重要な全変位，最小ステ ップの大きさ，最大速度，容量の大きさ強制及び最大の力を生じる。その設計手 順は、かかる一組の強制が満足せしめられ得るか否かについての予報を含んでお り、そして、その課題のための本発明によれば、完全なリニアアクチュエーター 設計の指標となる。 本発明のもう一つの利点は、変位，力又は両者の組合せの何れかによって運動 を制御する能力があることである。伝統的なリニアモーターは、モーターと仕事 片との間に高い機械的なインピーダンス即ちリニアモーターの末端にある仕事片 により創出される負荷が存在するため、変位を特定することによって、駆動でき るに過ぎない。例えば、ウォームとウォームギヤーのような回転−直線（rotary -to-linear）カップリングを介して駆動する回転モーターの場合には、先端にお いて中程度でも、高いギヤー比の機械的特徴によりモーターへ逆伝達されること はない。この条件は、仕事片のインターフェースに対して末端に余分のセンサー を付加せずに力の制御を可能にすることはできないようにしている。 本発明は、好ましくは、力又は変位を感知してその表示信号をフィードバック するセンサー３００を使用する。然しながら、これに替わって、コントローラー １２０が、電圧，電流及び位相角変化を監視することにより仕事片から仕事イン ターフェース６４上に作用する如何なる負荷変化をも直接感知するようにしても よい。コントローラー１２０は、グライダー波形の制御装置１２８，電圧の振幅 制御装置１３０，調節可能な周波数制御装置１３２，伸張可能部材の周波数制御 装置１３８及び位相制御装置１２６に対し、それらの一つ以上のセッティングを 調節するため、フィードバック機構を介して、これらの変化に自動的に応答する ようにプログラムされ得る。かくして、システムのパワーと機械的限界内で、特 定の力／変位関係が維持され得る。 本発明の装置は、３.３cmと１２cmの間であり得る装置の全変位範囲を通して 、１０−３０ナノメートルの範囲の精密な小ステップのものであり得る。実際の 理論的変位は、ウエハベースの長さによってのみ限定される。然しながら、本発 明のもう一つの好適変形例によれば、グライダー２４は、ベースに対するグライ ダーの移動長を限定するスプリングにより、ケースＣに連結されている。このス プリングは、好ましくは、グライダーを特定の位置へ偏倚させて、それにより、 クランプ力がグライダーとベース間で解放された時、スプリングは、その組合せ を零位置へ戻すように弾圧する。 好適装置は、３／８インチ（約９.５mm）の管内に納まるが、その全範囲に亘 って、１.２フィートポンドの力を出すことができる。 以上、若干の実施例のみについて詳述したが、当業者は、その教示から逸脱す ることなしに、好適実施例の多くの変形，修正が可能であることを、間違いなく 理解するであろう。 例えば、静電的なクランプに対して機械的なクランプが使用され得る。ベース ウエハインターフェースに対するグライダーウエハの摩擦を増大させるための機 械的な偏倚方法は、連続的な静電的クランプ法で達成できる性能を提供すること ができるという利点を有する。更に、機械的偏倚方法の置換により、静電的クラ ンプに要求される付加的な電子制御装置を排除することができる。 かかる総ての変形，修正は、以下の請求の範囲内に包含されるものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ペイケル，デイヴイト，ジエー アメリカ合衆国、ミネソタ州 55113、ロ スシヴイル、セツクスタント アベンニユ ー 757 (72)発明者 アードマン，アーサー，ジー アメリカ合衆国、ミネソタ州 55112、ニ ユーブ ライトン、サード ストリート エス ダブリュ 1957 (72)発明者 コステイン，ジヨン、エイ アメリカ合衆国、オハイオ州 44089、ヴ アーミリオン、クリフサイド ドライブ 6841

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．摺動可能で接続可能な係合状態にある第一及び第二ウエハ面を有する第一 及び第二ウエハ素子と、前記第一及び第二ウエハ面間で前記第一及び第二ウエハ 面の一方に形成された自然酸化物薄膜電気絶縁層と、前記第一ウエハ面を前記第 二ウエハ面に対してクランプするための手段と、前記第二ウエハ素子を前記第一 ウエハ素子に対して移動させるため操作可能に結合された慣性発生手段とを含む リニアアクチュエーター。 ２．前記絶縁層は厚さが５０Åと２μｍの間にある、請求の範囲１に記載の装 置。 ３．前記絶縁層は前記第一ウエハ面に取付けられた薄膜を含んでいる、請求の 範囲１に記載の装置。 ４．前記絶縁層は前記第二ウエハ面に取付けられた薄膜を含んでいる、請求の 範囲１に記載の装置。 ５．前記第一ウエハ素子はシリコンから成っており、且つ前記絶縁層は自然の ＳｉＯ₂の薄膜から成っている、請求の範囲２に記載の装置。 ６．前記第一ウエハ素子は、結晶シリコン，アモルファスシリコン，多結晶シ リコン，ゲルマニウム，ガリウム砒化物，シリコンカーバイド，ガリウム窒化物 ，ガリウム燐化物，アルミニウム，ステンレス鋼，銅，真鍮及び金から成る材料 群から選択された材料を含んでいる、請求の範囲１に記載の装置。 ７．前記第二ウエハ素子は、結晶シリコン，アモルファスシリコン，多結晶シ リコン，ゲルマニウム，ゲルマニウム砒化物，シリコンカーバイド，ゲルマニウ ム窒化物，ゲルマニウム燐化物，アルミニウム，鋼鉄，銅，黄銅及び金から成る 材料群から選択された材料を含んでいる、請求の範囲１に記載の装置。 ８．前記慣性発生手段は、装置の運動軸に沿って実質上形状を変更するため形 成された縦軸を有する形状変更手段を含んでいる、請求の範囲１に記載の装置。 ９．前記形状変更手段は、圧電材料，形状記憶材料，電歪材料，及びマグネト レストリクティーブ(magnetorestrictive)材料から成る材料群から選択された材 料を含んでいる、請求の範囲８に記載の装置。 １０．前記第一及び第二ウエハ面は、５ミリメートルの直線長さ当り約１ミク ロンの面高さよりも小さい粗さの面高を有している、請求の範囲１に記載の装置 。 １１．ハウジング； 前記ハウジングに強固に結合されたベース要素； 前記ベース素子の少なくとも第一面を覆う絶縁層； 前記絶縁層に接する第一面を有していて、それに対し刺激を加えること により大きさが選択的に変化し得る材料で構成された部分を含み、且つ負荷に結 合された負荷インターフェース領域を有するグライダー素子； 第一の力をもって前記ベースに前記グライダーをクランプするための接 続された第一エネルギー源；及び 前記部分を伸縮させるため前記部分へ刺激を加えるため接続された第二 エネルギー源を含み、 前記第一及び第二エネルギー源は、前記刺激の第一の量は前記グライダ ーと前記ベース間の第一の力には打ち勝たないが、前記第一の量の刺激とは異な る、前記刺激の第二の量は前記グライダーと前記ベース間の前記第一の力に打ち 勝つように、或る量のエネルギーを生成する、リニアアクチュエーター装置。 １２．前記刺激は電気的である、請求の範囲１１に記載の装置。 １３．前記第一の刺激は前記部分の緩やかな大きさの変化であり、前記第二の 刺激は前記部分の急速な大きさの変化である、請求の範囲１１に記載の装置。 １４．前記第一のエネルギー源は、前記グライダーと前記ベース間のクランプ 電圧を生成する第一電圧源を含み、前記第二のエネルギー源は、前記部分の大き さを選択的に伸張させたり収縮させたりするため接続された第二の電圧源を含み 、前記第二電圧源は緩やかな立上がり時間と急峻な立下り時間をもつ波形を生成 するようになっている、請求の範囲１３に記載の装置。 １５．前記ベースはシリコンで構成されており、前記絶縁体は前記シリコン上 にＳｉＯ₂天然酸化物である、請求の範囲１３に記載の装置。 １６．前記ＳｉＯ₂層を覆うＳｉ₃Ｎ₄層を更に含む、請求の範囲１５に記載の 装置。 １７．前記ＳｉＯ₂層は厚さが２μｍ以下である、請求の範囲１５に記載の装 置。 １８．半導体材料で構成されていて、その上に厚さ２μｍ以下の天然酸化物薄 膜絶縁層を含むベース部材； 前記絶縁層に接触する面を有し、電圧が印加されたとき大きさが変化す る材料から構成された部分を含むグライダー；及び 前記ベース部材に前記グライダーを静電的にクランプさせる第一の電圧 を生成し、且つ静電的クランプにより生まれる力に対抗して前記ベースに対し前 記グライダーを動かすように前記材料を伸張させる第二の電圧を生成する制御コ ンソール、を含む、一つの部材をもう一つの部材に対して直線運動させる装置。 １９．前記第二の電圧が、前記部分の急速な寸法変化を伴う、前記部分の寸法 の緩やかな変化を含む、請求の範囲１８に記載の装置。 ２０．前記グライダーがクランプウエハ部材と伸張可能部材とを含み、前記ク ランプウエハ部材は、前記材料の伸縮中前記ベースにクランプされる単一片部材 である、請求の範囲１８に記載の装置。 ２１．半導体材料から形成され且つ２μｍ以下の厚さの層で半導体材料の上を 絶縁する天然酸化物薄膜を含むベース部材と、 前記絶縁層と接触する表面を有するグライダーであって、該グライダーは，電 圧が負荷された時前記グライダーがサイズを変更する材料から形成される部材を 含み、該グライダーがクランプウエハ素子及び伸張可能素子を含んでいて、その 中で前記クランプウエハ素子は遠位部材と近位部材を含む２つの接片素子である ところのグライダーと、 静電的に前記グライダーを前記ベース部材に対しクランプさせる第一電圧を生 じ、そして前記材料を伸張させ、前記グライダーを前記ベースに対し静電クラン プすることによって生じる力に抗して前記ベースに対し前記グライダーを動かす ように前記材料を接触させる第二電圧を生じ、その中で前記制御コンソールは、 前記近位部材を動かしながら前記遠位部材をクランプし、且つ前記遠位部材を動 かしながら前記近位部材をクランプする電圧を生じるところの制御コンソールと 、 を備えた、一方の部材の他方の部材に対する線型運動を生じる装置。 ２２．前記グライダーに接続される複数のリードワイヤであって、前記リード ワイヤの夫々は、 硬質ワイヤ部と、 中に前記硬質ワイヤ部が滑動可能に受入れられている中空部材と、 前記グライダーに対し前記中空部材を接続する接続部と、 をさらに備えている、請求の範囲１８に記載の装置。 ２３．前記硬質ワイヤと前記中空部材が、シリンダー状である、請求の範囲２ ２に記載の装置。 ２４．前記リニアアクチュエーターが成し遂げるための出力作業ロード変数を 決定するステップ； 静電クランプ表面領域変数を決定するステップ； 慣性質量変数を決定するステップ； 静電クランプコントロール電圧変数の範囲を計算するための前記作業ロード変 数，前記クランプ表面領域変数，および慣性質量変数を使用するステップ； 伸張可能部材コントロール電圧変数の範囲を計算するための前記作業ロード変 数，前記クランプ表面領域変数，および前記慣性質量変数を使用するステップ； 前記伸張可能部材コントロール電圧変数の範囲に従う前記伸張可能部材のため のサイズ範囲を選択するステップ； 前記静電クランプに対する前記静電クランプコントロール電圧範囲を適用し且 つ前記伸張可能部材に対する前記伸張部材コントロール電圧変数範囲を適用する ステップ； それによって、前記クランプコントロール電圧および前記伸張可能部材コント ロール電圧は、前記リニアアクチュエーターに対し選択可能な２方向線型運動を もたらすステップ； を含む、静電クランプ部材と伸張可能部材を用いる線型運動アクチュエーターを 増加的に段階的に開発する方法。 ２５．前記作業ロード変数が、力，速度，或いはその両方である、請求の範囲 ２４に記載の方法。 ２６．シリコン材料のベースを形成するステップ； 前記ベースの第一表面を研磨するステップ； その上に天然酸化薄膜を形成するために酸素環境内で前記第一表面を加熱する ステ ップ； 第一研磨表面を備えたグライダー要素を形成し、前記ベースの前記酸化薄膜に 対して前記グライダー要素の前記第一研磨表面に隣接するステップ； 前記グライダー要素が前記ベースに対しクランプされるように電気的にエネル ギー化され得るように、且つ前記グライダー要素が電圧の負荷によって伸張され 得るようにする方法で、前記グライダーおよび前記ベースに対し電気的供給ライ ンを装着するステップ； を含むリニアアクチュエーターを作成する方法。 ２７．前記電気的供給ラインに対する前記スライダー要素の運動を与える、前 記電気的供給ラインとの摺動接続を形成するステップをさらに含む請求の範囲２ ６に記載の方法。 ２８．ベース、絶縁層及び前記ベースとの間に前記絶縁層を有するグライダー を形成するステップ； 第一の力量を使用して前記グライダーを前記ベースに静電的にクランプさせる ステップ； 前記グライダーの一部の大きさを第一の速度で変化させるために電圧が印加さ れた時大きさを変える材料から成る前記グライダーの前記一部に電圧を印加する ステップ； 前記第一の速度とは異なる第二の速度で前記電圧を釈放するステップ；及び 前記第一の速度で大きさを変える前記部分により打ち勝つことはないが、前記 第二の速度で大きさを変える前記部分により打ち勝つ量に、前記第一の力をセッ トするステップ。 ２９．前記静電的にクランプさせるステップが、そこを横切る電圧の極性を定 期的に反転させるステップを含む、請求の範囲２８に記載の方法。 ３０．少なくとも第一面が絶縁層で覆われハウジングに固定された一対のベー スと、重量を耐用可能な大きさに選択的に変化させ得る部材が構成された部分を 含み第一面を前記絶縁層に隣接するように設けられたグライダーと、を有し、 荷重を前記グライダーに置き、該グライダーを前記ベースの第一面にクランプ して、前記グライダーと前記ベースとにかかるこれらでは耐えきれない重量を耐 え得る程度の重量に変化させるようにした荷重の運搬方法。 ３１．前記静電クランプ手段は電圧源である、請求の範囲１に記載の装置。 ３２．前記電圧源は前記絶縁層内で正負の電圧が交互に変化する交流電圧を生 成する、請求の範囲３１に記載の装置。 ３３．前記第１のエネルギー源は前記グライダーと前記ベースの間に最初に正 の電圧を与え次に負の電圧を供給する交流電圧を生成する、請求の範囲１１に記 載の装置。 ３４．前記静電クランプ手段は前記グライダーと前記ベースとの間に最初に正 の電圧を提供し、周期的にその間の電圧の正，負を交互に変化させる手段を含ん でいる、請求の範囲２８に記載の方法。 ３５．前記装置の作業負荷の出力量を感知して、前記出力量を少なくとも前記 エネルギー源の１つを制御するためにフィードバックするセンサーを含む、請求 の範囲１１に記載の装置。 ３６．前記装置の作業負荷の出力量を感知して、前記制御コンソールの特性を 制御するために前記出力量をフィードバックするセンサーを含む、請求の範囲１ ８に記載の装置。 ３７．夫々摺動可能で接触可能に係合された第一及び第二面を有する第一及び 第二のウエハ素子と、 正電圧域と負電圧域とに周期的に変化する第一の出力電圧を生成し、前記第一 及び第二のウエハ面を互いに静電的にクランプするために接続された電圧源と、 操作可能に前記第二のウエハ素子と接続された伸張可能部材と、 前記クランプ手段への第一の出力電圧と前記伸張可能部材への第二の出力電圧 とを連続的同期的に制御するため、前記電源，前記クランプ手段及び前記伸張可 能部材に電気的に接続されていて、それにより前記伸張可能部材が先ず前記第二 ウエハに対する前記第一ウエハの直線運動を慣性的に行わせる、制御手段と、を 含むリニアアクチュエーター。