JPS63238491A - １次元移動機構 - 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〕 この発明は、圧電アクチュエータを用いる１次元移動機
構に関する。

（従来の技術〕 移動させたいものを原子スケールで変位させる移動機構
、例えば、走査型トンネル顕微鏡の試料や探針の移動機
構としては、電圧制御により比較的簡単にサブミクロン
オーダの伸縮変位が得られる圧電アクチュエータを用い
た移動機構が用いられる。第５図（ａｉと（ｂ）は従来
のこの種の移動機構の１例を示したものであって、Ａは
移動体、Ｂは移動体Ａのガイド部である。移動体Ａは平
行する２本の水平な下アーム１と上アーム２及び垂直方
向（Ｚ方向とする）の中央アーム３を有するＨ体をなし
ている。これら各アーム１〜３は圧電アクチュエータで
構成された伸縮アームである。ガイド部Ｂは平行する２
本のガイド溝６．７を有し、ガイド溝６にアームｌと２
の一端脚部が係合され、ガイド溝７にアーム１と２の他
端脚部が係合される。

この構成においては、下アーム１の圧電アクチュエータ
に負の電圧、上アーム２の圧電アクチュエータに正の電
圧を印加すると、上アーム２は伸張して左右の脚がガイ
ド溝６．７の底に押圧力により固定され、下アーム１は
縮んで左右の脚とガイド溝６．７との係合が弛む。次い
で、中央アーム３の圧電アクチュエータに負の電圧を印
加して縮ませたのち、下アーム１と上アーム２の圧電ア
クチュエータに上記とは逆の電圧をタイミングを少しず
らせて印加すると下アーム１の脚がガイド溝６．７に固
定され、上アーム２の脚は固定を解かれる。次いで、中
央アーム３の圧電アクチュエータを無負荷にすると、移
動体Ａは中央アーム３の上記縮み量分だ゛け図示矢印の
向きに微少移動することになる。このシーケンスを繰り
返すことにより移動体Ａを尺取虫状に移動させることが
できる。

第６図はこの種の移動機構の他の従来例の基本構成と移
動原理を示したものである。図において、ＩＡ及び２Ａ
は移動部材、３Ａは圧電アクチュエータであって、移動
部材ＩＡと２Ａの裏面には該移動部材を基板に独立に固
定する静電チャックが取着される。

Ｘ方向矢印向きに移動させる場合には、移動部材２Ａを
基板に固定し、圧電アクチュエータ３Ａに負の電圧を印
加する。これにより圧電アクチュエータ３Ａは電圧値に
対応した量だけ長手方向に伸縮する。次いで、移動部材
ＩＡを基板上に固定するとともに移動部材２Ａの固定を
解き、圧電アクチュエータ３Ａの電圧印加を無（すと、
圧電アクチュエータ３Ａが伸縮前の状態に戻るので、移
動部材２Ａが上記伸縮量だけ右向きに移動する。

反対方向に直進させるためには、圧電アクチュエータ３
Ａの伸縮に対して移動部材ＩＡと２Ａの固定のタイミン
グを入れ替えればよい。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このように、圧電アクチュエータを用いる移動機構は圧
電アクチュエータとクランプ手段を組合わせてなり、上
記第５図（ａ）と（ｂｌの従来例では、ガイド溝６．７
との圧接係合によるクランプ手段を用いている。ところ
で、市販されている圧電アクチュエータの最大変位量は
２０μｍ程度であるので、第５図（ａ）、（ｂ）の構成
では、上記ガイド溝の機械加工精度を極めて高精度なも
のにする必要があり、加工コストが高価になるという問
題があ北。

また、第６図の従来のものでは、クランプ手段として静
電チャックを使用しているので、移動速度（ステッピン
グレート）を高くすると、静電チャック誘電層の残留分
極が顕著になって、静電力による移動部材の固定及び固
定解除の動作が不確実となり、１サイクル当たりの変位
量が減少するようになるので、高速移動時には、変位量
が安定しなくなるという問題がある。

、また、第５図（ａｌ、（ｂ）の従来例では、移動する
アームの上記脚が上記ガイド溝内を摺動する状態となり
、第６図の従来例では、移動部材ＩＡ、２Ａは、その移
動時に、基板に対して摺動移動する状安定になるという
問題がある。

この発明は上記問題を解消するためになされたもので、
移動時は摺動することなく移動し、クランプとその解除
動作を圧電アクチュエータの動作サイクルに確実に応答
させることができ、機械加工精度としては現在技術で容
易に得られる精度で済む１次元移動機構を得ることを目
的とする。

〔問題を解決するための手段〕

この発明は上記目的を達成するため、ガイド面を所定の
間隔を隔てて対向して平行に伸びる２本のガイド板と、
該両ガイド面間に所定の隙間を残して移動可能に配置さ
れる移動体からなり、該移動体が、上記ガイド板間方向
の幅中心に対する対称構造を有し、伸縮部と、該伸縮部
の両側に連続してクランプ用圧電アクチュエータを保持
してなるクランプ部を有し、上記伸縮部が、２つの所定
間隔を隔てる境界部との間を橋絡して移動用圧電アクチ
ュエータが圧入される収納部を画成してなる平行する２
本の弾性伸縮部からなり、上記クランプ部は、対応する
上記ガイド板にクランプ係合可能な所定面積のクランプ
面部を有するクランプ子と該クランプ子に上記クランプ
用圧電アクチュエータの伸長変位を直接もしくは増幅し
て伝達して上記クランプ子を外方へ駆動する部分からな
る構成としたものである。

〔作用〕

この発明では、クランプ手段として圧接係合手段が用い
られ、該クランプ手段にクランプ用圧電アクチュエータ
の変位が増幅して伝達されるので、必要な機械加工精度
は通常容易に達成し得る精度で済む。また、移動時、移
動部分はガイド板とは非接触状態で移動するので、移動
サイクルを高めても、１移動サイクル当たりの移動量は
変化せず、高速移動を達成することができる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図及び第２図において、１０は除振台の如き基台、
２１．２１は所定間隔を隔てて平行するガイド板であっ
て、ガイド面を対向して除振台ｌＯの水平をなす台面上
に垂直に立設されている。３０は所定厚さの板状をなす
移動体（インチワーム）であって、第３図に示す構成を
有している。

第３図では、説明の便宜上、移動０体３０が非クランプ
状態にあって、宙に浮いた状態で示しである。

移動体３０は左右対称構造の切欠きブロック状体であっ
て、放電加工技術（精度５μｍ程度）を用いて形成され
、第３図に示すように、伸縮部４０と該伸縮部の上下に
境界部５０を介して連続するクランプ部６０からなる。

伸縮部４０は上下の境界部５０を橋絡する２本の平行す
る弾性伸縮部４１．４１からなり、該弾性伸縮部４１．
４１は移動用圧電アクチュエータ４２を収納する収納部
４３を画成しており、圧電アクチュエータ４２は下側の
境界部５０から突出する受圧部５０Ａの上面に一端面を
当接し上側の境界部５０を螺入・貫通する固定用ねじ４
４により他端面に係合されたボール４５を介し押圧力を
受けて上記収納部４３に収納されている。弾性伸縮部４
１は一方端部に有する縦向きの平行ばね部４６を介して
上側の境界部５０に一体に連続し、他方端部に有する横
向きの平行ばね部４７を介して下側の境界部５０の上記
受圧部５０Ａの側面に一体に連続している。下側のクラ
ンプ部６０は、底側か間隙を介して下側の境界部５０に
対向する内側コ字部６２と該内側コ字部６２の開口部を
覆う外側コ字部６３からなる変位伝達部６１を有してお
り、両コ字部６２．６３はクランプ用圧電アクチュエー
タ６６の変位力を受ける受圧部６４と該受圧部６４の両
端から平行して伸びる伝達部６５．６５からなり、圧電
アクチュエータ６６は両受圧部６４間に圧入されている
。６７は固定用ねし、６８はボールである。内側コ字部
６２と外側コ字部６３の伝達部６５端部は、コ字形をな
し互いに平行する外側ヒンジ部６９と内側ヒンジ部７０
とを有する弾性ヒンジ機構部７１の外側ヒンジ部６９、
内側ヒンジ部７０に一体に連続している。この弾性ヒン
ジ機構部７１には弾性増幅機構部（ヒンジ部）７２が一
体に連続している。７３はクランプ子であって、・外面
側に他部より若干突出する所定面積のクランプ面部７３
ａを有し、自由端を弾性ヒンジ機構部７１に近接対向し
て上記ヒンジ部７２に並列に設けられており、該ヒンジ
部７２とともに縦向き平行ばね部７４を介して境界部５
０に一体に連続している。外側ヒンジ部６９、内側ヒン
ジ部７０及びヒンジ部７２は内外面を円弧凹面にするこ
とにより形成した弾性ヒンジ（最薄内部）を有している
。上側のクランプ部６０も上記下側のクランプ部６０と
同一構造を有している。

次に、この実施例の動作について説明する。

先づ、クランプ動作を上側のクランプ部６０について説
明する。クランプ用圧電アクチュエータ６６に所定の正
の電圧を印加すると、該圧電アクチュエータ６６は電圧
値に応じた量だけ上下方向（Ｚ軸方向）に伸張する。こ
の圧電アクチュエータ６６の伸張によりコ字部６２と６
３の受圧脚６４に両者を相対的に離間させる向きの押圧
力が作用し両者の伝達層６５に２軸方向で相反する向き
の引張力が作用する。今、説明の便宜上、コ字部６３が
図に対して下方に変位したとすると、外側ヒンジ部６９
の最薄内部α部分が内側ヒンジ部７０の弾性ヒンジＨを
中心に回動し該回動に伴いヒンジ部７２の最薄内部β部
分が回動してクランプ子７３にはこれを図示矢印向きに
回動させようとする回動力が作用する。該回動力により
クランプ子７３は回動変位しようとするが、平行ばね部
７４の作用によってＺ軸方向の成分は消され横方向（Ｙ
軸方向）の成分だけが作用することになり、左右のクラ
ンプ子７３はそのクランプ面７３ａがＺ軸方向に平行し
た姿勢のままでそれぞれガイド板２１．２１に向かって
変位しガイド板２１．２１に圧接係合（クランプ）する
ことになる。この時のクランプ子７３の変位量は、距離
Ｈαと距離Ｉ４βとの比で決まり、圧電アクチュエータ
６６の変位量の３倍程度の変位量が容易に得られる。

上記電圧の印加を停止すると、外側ヒンジ部６９、内側
ヒンジ部７０及びヒンジ部７２は弾性変位して図示の位
置に復帰し左右のクランプ子７３は摩擦係合していたガ
イド板２１から離間してクランプが解かれる。

圧電アクチュエータ６６の最大変位量は前記したように
２０μｍ程度であるので、今、該変位の拡大率が３倍で
あるとすると、対称構造であるので、６倍の１２０μｍ
と°なる。現在容易に得られる機械加工精度は３０μｍ
程度であるので、クリアランスδを考慮すると、クラン
プ子７３の変位量としては最小限４０μｍ程度は必要で
あるが、上記実施例はこの要求を充分に満足することが
できる。

上側のクランプ部６０の上記クランプ動作時、クランプ
子７３を人間の手に例えれば、移動体３０は、両手で左
右のガイド板２１を突っ張るような状態になるので、上
側の左右のクランプ子を除く他部はガイド板２１．２１
に対して非接触状態となる。

次に、伸縮部４０の伸縮動作について説明する。

今、上側の圧電アクチュエータ６６が伸張して上側のク
ランプ部６０が上記したクランプ動作を行っているもの
とする。この状態で、移動用圧電アクチュエータ４２に
正の所定の電圧を印加して伸張させると境界部５０にＺ
軸方向に向く力が作用するので、横向き平行ばね部４７
の弾性変位により左右の弾性伸縮部４１がＺ軸方向に伸
張する、電圧の印加を停止すると、圧電アクチュエータ
４２は印加前の状態へ縮むので、平行ばね部４７が弾力
により図示の状態に復帰する。逆に、圧電アクチュエー
タ４２に負の所定の電圧を印加すると該圧電アクチュエ
ータ４２は縮み左右の弾性伸縮部４１も平行ばね部４７
の変位によりＺ軸方向に縮む。

次に、実施例の移動体３０を下向きに移動させる場合に
は、下記のシーケンスを実行させる。なお、移動体３０
の下側のクランプ部６０の圧電アクチュエータ６６が正
の電圧を受けて該クランプ部６０が左右のガイド板２１
にクランプ係合しているものとする。

（１１移動用圧電アクチユエータ４２に負の電圧を印加
して伸縮部４０を縮ませるとともに、上側のクランプ部
６０の圧電アクチュエータ６６に正の電圧を印加してク
ランプ動作させるとともに下側のクランプ部６０の圧電
アクチュエータ６６を無負荷にしてクランプを解除させ
、移動用圧電アクチュエータ４２の印加電圧を除去する
。これにより、移動体３０は全体として伸縮部４０の上
記縮み分だけ下向きに移動する。

このシーケンスを繰り返すことにより、移動体３０は尺
取運動してガイド板２１と摺動することなく移動するの
で、ガイド板２１．２１に沿う方向に任意の距離を移動
させることができる。

次に、この発明の他の実施例を第４図を参照して説明す
る。

第４図に示す１次元移動機構は水平移動に適した移動機
構であって、上下に所定間隔を隔てて平行するガイド板
２１Ａ、２１Ａ間を移動する移動体３００は、伸縮部４
０を２つ備える上、両伸縮部４０の間に３つ目の中央ク
ランプ部６０Ａを有している点において第１図の実施例
と相違し、中央クランプ部６０Ａは境界部５０Ｃ，５０
Ｃを介して左右の伸縮部４０に連続している。なお、中
央クランプ部６０Ａは他のクランプ部６０と同じ構成を
有している。

今、図において、左側及び右側のクランプ部６０をそれ
ぞれが内包する圧電アクチュエ７り６６の伸長によりク
ランプさせた場合、両クランプ部のクランプ子７３は、
人間に例えれば両手でガイド板２１Ａ、２１Ａを突っ張
るような状態になるので、両りランプ部６０間にある部
分（伸縮部４０、境界部５０．５０Ｃ）はガイド板２１
Ａ、２１Ａ間に完全に浮いた非接触状態に保持される。

この保持時の伸縮部４０や境界部５０．５０Ｃの姿勢は
平行ばね部′１４があるためにその上下面間の中心線が
ガイド板２１．２１と平行す′る姿勢となる。

実施例の移動体３００をＸ方向へ直線移動させる場合に
は、下記のシーケンスを実行させる。なお、今、各伸縮
部４０の圧電アクチュエータ４２、・各クランプ部６０
．６０Ａの圧電アクチュエータ６６は無負荷すなわち電
圧が印加されていない状態にあるとする。

ｉｌｌ左右のクランプ部６０のクランプ用圧電アクチュ
エータ６６に正の電圧を印加して両クランプ部６０のク
ランプ子７３をガイド板２１Ａ、２１Ａに係合させる。

これにより、上記したように左右クランプ部６０のクラ
ンプ子７３を除く他部は宙に浮いた状態となる。この状
態で、左側の伸縮部４０が包持する移動用圧電アクチュ
エータ４２に正の電圧を印加して伸長させるとともに右
側の伸縮部４０が正大保持している圧電アクチュエータ
４２に負の電圧を印加して縮ませる。これにより移動体
３００の中央クランプ部６０Ａは図示矢印の向きに変位
する。この変位時、移動体３００の移動部分は摺動する
ことなく変位する。

（２）中央クランプ部６０Ａのクランプ用圧電アクチュ
エータ６６に正の電圧を印加して該クランプ部６０Ａの
クランプ子７３をガイド板２１Ａ、２１Ａにクランプ係
合させる。

（３）左右のクランプ部６０のクランプ用圧電アクチュ
エータ６６の印加電圧を除去して両アームのクランプを
解除する。

（４）左右伸縮部４０の圧電アクチュエータ夕４２の印
加電圧を除去する。

この一連の動作により移動体３００は、わずかにＸ軸の
矢印向きに変位するので、該動作を繰り返すことにより
上記方向へ無限に移動させることができる。反対方向に
移動させる場合には上記シーケンスにおいて圧電アクチ
ュエータに印加する電圧のタイミングを変更すればよい
ことは明らかである。

このように、本実施例では、左右のクランプ部がクラン
プ動作をした場合、他部が上下ガイド板間に完全に浮く
ので、移動用圧電アクチュエータの付勢による移動部分
の移動はガイド板と摺動することなく行われる。このた
め、従来のような摩擦力の影響を受けないので、常時、
移動用圧電アクチュエータに印加した電圧の大きさに対
応した量だけ移動することになり、移動量が安定する。

上記２つの実施例では、クランプはクランプ子の弾性圧
接力により、従来のような静電チャックを使用しないの
で、クランプとその解除動作はクランプ用圧電アクチュ
エータへの電圧印加、電圧除去に正確に応答することに
なり、移動体を高速で移動させることができる。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明した通り、クランプ動作はクランプ
子の弾性圧接係合によるクランプ動作であり、しかも、
・圧電アクチュエータの変位を増幅して該クランプ子に
伝達させる構成となっていることにより、機械加工精度
を通常得られる程度の精度で済ませることができるので
、従来に比して製作コストを低減することができ、また
、クランプ動作が上記弾性圧接係合によるものである上
、移動時、移動部分は浮き状態で移動するので、１移動
サイクル当たりの移動量が移動用圧電アクチュエータの
伸縮量に正確に応答するので、従来に比して高精度な微
動変位を簡単に得ることができる他、高速移動を容易に
実現することができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す１部破断して模式的に
示した側面図、第２図は上記実施例におけるｎ−ｎ矢視
図を模式的に示した図、第３図は上記実施例における移
動体の詳細図、第４図はこの発明の他の実施例を模式的
に示した図、第５図（ａｌと（ｂ）は従来の移動機構を
説明するための図、第６図は従来の他の移動機構の基本
構成と移動原理を示す図である。 ２１．２１　Ａ−ガイド板、３０．３００−・移動体、
４〇−伸縮部、４１−弾性伸縮部、４２・・・移動用圧
電アクチュエータ、４６．４７．７４−平行ばね部、５
０・−・境界部、６０−・・クランプ部、６０　Ａ−中
央クランプ部、６１・−変位伝達部、６６−・クランプ
用圧電アクチュエータ、７１・−弾性ヒンジ機構部、７
２・−弾性増幅機構部、７３−・・クランプ子、７３ａ
・・・クランプ面部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガイド面を所定の間隔を隔てて対向して平行に伸
   びる２本のガイド板と、該両ガイド面間に所定の隙間を
   残して移動可能に配置される移動体からなり、該移動体
   が、上記ガイド板間方向の幅中心に対する対称構造を有
   し、伸縮部と、伸縮部の両側に連続してクランプ用圧電
   アクチュエータを保持してなるクランプ部を有し、上記
   伸縮部が、２つの所定間隔を隔てる境界部との間を橋絡
   して移動用圧電アクチュエータが圧入される収納部を画
   成してなる平行する２本の弾性伸縮部からなり、上記ク
   ランプ部は、対応する上記ガイド板にクランプ係合可能
   な所定面積のクランプ面部を有するクランプ子と該クラ
   ンプ子に上記クランプ用圧電アクチュエータの伸長変位
   を直接もしくは増幅して伝達して上記クランプ子を外方
   へ駆動する部分からなることを特徴とする１次元移動機
   構。
2. （２）伸縮部の弾性伸縮部は一方端部に圧電アクチュエ
   ータの伸縮方向に平行する平行ばね部を有し他方端部に
   上記平行方向と直行する向きの平行ばね部を有すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の１次元移動機
   構。
3. （３）クランプ部が、該クランプ部を伸縮部と境界する
   境界部に連続する横向き平行ばね部と、クランプ用圧電
   アクチュエータが圧入される収納部を画成する変位伝達
   部、該変位伝達部に一体に連続して該変位伝達部のアー
   ム長手方向変位を回動変位に変換する弾性ヒンジ機構部
   と、クランプ子に並列し上記弾性ヒンジ機構部と上記平
   行ばね部に一体に連続して上記弾性ヒンジ機構部の上記
   回動変位を増幅して上記クランプ子に伝達する弾性増幅
   機構部を有し、上記クランプ子が、上記平行ばね部を介
   して上記境界部に一体に連続する一端が自由端であるク
   ランプ子であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   または第２項記載の１次元移動機構。