JP2935231B2 - 送り装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は送り装置に係り、とくに
可動体を固定側に対して送るための送り装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）
の送り装置の１つに、慣性を利用したステップ送り装置
がある。慣性を利用した送り装置は、例えば探針を支持
する探針取付け台を圧電体から成る駆動脚によって送る
ようにしたものである。探針取付け台に滑りが起らない
ように駆動脚がゆっくりと伸縮または剪断変形し、この
変形量に相当する部分だけ取付け台が送られる。そして
可動部を動かした後に急激に駆動脚を圧電変形させて元
に戻す。このときに取付け台はその慣性のためにほとん
ど動かず、圧電体の駆動脚は取付け台または固定側に対
して滑り摩擦運動を行なう。

【０００３】従来の別の送り装置は本願出願人が特願昭
６２−１０９１３３号（特開昭６３−２７４８９４号）
によって提案している。この送り装置は２種類の駆動脚
を備え、第１の駆動脚によって可動体を支持した状態で
第２の駆動脚を収縮させて送り方向に剪断変形させ、こ
の後に第２の駆動脚を伸長させて可動体を支えるととも
に、第１の駆動脚を収縮させて剪断変形させる動作を繰
返すようにしたものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】慣性を利用した従来の
送り装置の欠点は、駆動脚が元の形に復する際にその先
端部が取付け台または固定側に対して滑り摩擦運動をす
るために、駆動脚の先端部の材料にサファイア等の硬い
物質を使用しているが、耐久性を考えると問題が多い。
また大きな試料台に載せて用いるＳＴＭにおいては、上
記の駆動脚の滑り摩擦運動によって試料の表面に傷をつ
ける欠点がある。

【０００５】これに対して本願出願人が提案している特
願昭６２−１０９１３３号（特開昭６３−２７４８９４
号）に係る送り装置は、駆動脚に滑り摩擦運動がないた
めに、試料の表面を傷つけることがない。ところがこの
装置は、可動体を交互に支持するために２組の駆動脚を
必要とし、これによって駆動脚の数が増大する欠点があ
る。しかも２種類の駆動脚の取付け位置が異なるため
に、駆動脚の先端部と接触する固定側または可動側の平
坦度に対する要求が厳しい。このために確実な送りを実
現するためには、積層した圧電体を用い、駆動脚を収縮
させたときの固定側または可動体との間の間隙を０．５
μｍ以上とる必要があった。従って多層に積層した圧電
体から成る多数の駆動脚を必要とし、これによってコス
トが増大する欠点がある。

【０００６】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであって、駆動脚が固定側または可動体に対して
滑り摩擦運動をしないようにするとともに、駆動脚の数
を少なくし、また駆動脚を収縮させたときの固定側また
は可動体との間の間隙が少なくても確実な送りを行なう
送り装置を提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、長さ方向に伸
縮しかつ送り方向および逆方向に変形する駆動脚によっ
て前記可動体を固定側に対して支持するようになし、前
記駆動脚を瞬間的に収縮させて前記駆動脚の先端部を固
定側または可動体から離間させ、前記可動体が浮いてい
る微少時間に前記駆動脚を送り方向または逆方向に変形
させ、前記駆動脚を伸長させて前記可動体を該駆動脚で
支持した後に前記駆動脚を前記可動体が追随できる速さ
で逆方向または送り方向に変形させるようにしたもので
ある。

【０００８】

【作用】従って駆動脚を収縮させてその先端部が固定側
または可動体から離間している期間であって可動体が前
記駆動脚による支持を失っている間に駆動脚が送り方向
または逆方向に変形される。そして駆動脚を伸長させて
その先端部が固定側または可動体に接触して可動体が駆
動脚で支持された後に駆動脚を上記可動体が追随できる
速さでゆっくりと逆方向または送り方向に変形させるこ
とにより、その変形量に等しい距離だけ可動体が固定側
に対して送られるようになる。

【０００９】

【実施例】図１〜図３は本発明の第１の実施例に係る送
り装置を示すものであって、この送り装置は可動体１０
を固定台１１上で図１において左方へ移動させるための
送り装置に関するものである。可動体１０はその下部に
少なくとも一対の駆動脚１２を備えている。駆動脚１２
は図２に示すように剪断変形板１３と伸縮変形板１４と
の積層体から構成され、両者の間に絶縁層１５が介装さ
れた構造になっている。あるいはまた図３に示すよう
に、２枚の剪断変形板１３と２枚の伸縮変形板１４とを
組合わせた構造にしてもよい。この場合には絶縁層１５
を省略することが可能であり、変位を増加させるにはさ
らに積層すればよい。

【００１０】つぎに図２または図３に示す駆動脚１２を
備える可動体１０の送りの動作を図１および図４を用い
て説明する。静止状態では駆動脚１２の伸縮板１４を伸
ばして可動体を支持する（図１−Ａ）。つぎに短時間△
ｔの間伸縮板１４を縮める（図１−Ｂ）。すると可動体
１０はその支持を失って自由落下を開始する。駆動脚１
２の先端部が固定台１１の表面から離間して上記可動体
１０が浮いている間に、剪断変形板１３を図１−Ｃに示
すように剪断変形させ、この後に伸縮変形板１４を伸長
させて駆動脚１２を着地させる（図１−Ｄ）。つぎに固
定台１１に接した駆動脚１２の先端部が滑らないよう
に、図１−Ｃとは逆向きに剪断変形板１３をゆっくり剪
断変形させる。するとこの変形量に等しい距離だけ可動
体１０が送られる（図１−Ｅ）。

【００１１】１ステップの移動で停止させたいときに
は、伸縮変形板１４を縮め（図１−Ｆ）、剪断変形板１
３の変形をゼロにし（図１−Ｇ）、伸縮変形板１４を伸
ばし、図１−Ａの状態に戻す。これに対して連続的に移
動するときには、図１−Ｆから、図１−Ｃの状態に剪断
変形させる。以降は図１においてＣ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｃの
順に動作を繰返す。図４は２ステップ移動して静止する
ときの伸縮変形板１４に加えられる電圧Ｖｅと、剪断変
形板１３に加えられる電圧Ｖｓのタイミングチャートを
示している。また図４においてＡ〜Ｇは図１の各ステッ
プに対応している。

【００１２】可動体１０はその駆動脚１２が縮んでいる
△ｔの間に自由落下する。ところが△ｔが非常に短時間
であるために、落下する距離は非常に小さい。すなわち
可動体１０に慣性があるために、可動体１０の高さの変
化は伸縮板１４の変形量に比較して非常に少ない。具体
的に計算すると、可動体１０が自然落下する距離ｈは次
式で与えられる。

【００１３】ｈ＝（１／２）ｇ（△ｔ）² ただしｇ＝９．８（ｍ／ｓ² ）は重力加速度である。△
ｔ＝１０μｓとすると、ｈ＝０．５ｎｍである。△ｔ＝
１００μｓとしても、ｈ＝５０ｎｍである。伸縮変形板
１４の伸縮を５００ｎｍとすると、図１−Ｃでの剪断変
形のときに駆動脚１２が、固定側１１に接触することが
なく、動摩擦のない可動体１０の移動が可能になる。

【００１４】つぎに第２の実施例を図５によって説明す
る。この実施例は可動体１０に駆動脚１２を取付けずに
固定側に駆動脚１２を取付け、可動体１０を送るように
したものである。可動体１０が十分に重ければ上部の固
定板１８は省略してもよい。下部の固定台１１に取付け
られた伸縮変形板１４と剪断変形板１３から成る駆動脚
１２と、上部の固定板１８に取付けられた同様の構造の
駆動脚１２との間に上記可動体１０が挟まれる構造にな
っている。そして上側の固定板１８は横方向の動きがで
きないようにする。この実施例においては板ばね１９に
よって横方向には動かない構造としている。

【００１５】可動体１０を押さえ込む力を増すために
は、上部固定板１８の自重を増やすか、自重を増やした
上でさらに板ばね１９の力を増やせばよい。例えば１０
ｇの自重をもつ上部固定板１８を１ｋｇ重の力で押す
と、上部固定板１８に加わる加速度はｇ（重力加速度）
の１００倍となり、△ｔ＝１０μｓの間に上部固定板１
８は５０ｎｍ下降するが、十分な隙間が確保されてお
り、上部固定板１８側の駆動脚１２が縮んで剪断変形し
ている間に駆動脚１２の底部が可動体１０に接触するこ
とはない。伸縮変形量が５００ｎｍのときに、１０ｋｇ
重の力で押すと、上部固定板１８側の駆動脚１２の伸縮
変形板１４が縮んでいる間に駆動脚１２が可動体１０に
接触することになる。このようなときには上部固定板１
８の自重を増やし、その慣性を大きくすればよい。

【００１６】圧電体から成る駆動脚１２が取付けられた
固定台１１あるいは可動体１０の質量が駆動脚１２の伸
縮変形板１４の質量に比べて十分に大きいときには、伸
縮板１４の変形量が自由落下の隙間になる。伸縮変形板
１４に対して可動体１０が十分な質量比がとれないとき
でも、最悪の場合で圧電体１４の重心位置が変化しない
という条件で考えればよいから、伸縮変形板１４の変形
量の１／２の隙間は最低限確保されることになる。

【００１７】図６は第３の実施例を示している。この実
施例は円柱状の可動体１０をその軸線方向に送るように
している。固定台１１のＶ溝の部分に取付けられた２個
の駆動脚１２および固定板１８を介して板ばね１９によ
って押えられた駆動脚１２によって可動体１０が送られ
るようになっている。駆動脚１２の伸縮変形板１４が縮
んでいる間に剪断変形板１３が可動体１０の送り方向に
変形され、駆動脚１２が着地した後に剪断変形板１３が
ゆっくりと可動体１０を軸線方向に送るようにしてい
る。なおこの実施例における固定板１８の自重とばね１
９の押える力の関係は図５の可動体１０が板の場合と同
様である。

【００１８】つぎに第４の実施例を図７によって説明す
る。この実施例は駆動脚１２の剪断変形板１３の分極方
向を軸に垂直であって円周方向とし、これによって円板
状の可動体１０を円周方向に送るようにしたものであ
る。すなわちここでは可動体１０が回転されるモータと
なっている。そしてここでは固定台が設けられておら
ず、円形の板ばね１９が固定側を構成している。なお円
形の板ばね１９はその弾性復元力がボルト２３によって
調整されるようになっている。そして円形の板ばね１９
の内周面に１２０°間隔で３個の固定脚が支持されてい
る。

【００１９】つぎに第５の実施例を図８および図９によ
って説明する。この実施例は、駆動脚１２がＸ方向剪断
変形板２６とＹ方向剪断変形板２７の２枚の剪断変形板
を備えており、これらの剪断変形板２６、２７が伸縮変
形板２９と組合わされるようになっている。従って可動
体１０は固定台１１に対してＸ方向およびＹ方向、すな
わち２次元送りが可能になる。Ｘ方向とＹ方向の変形量
を調整することにより、任意の方向の２次元移動が可能
になる。

【００２０】図１０および図１１は第６の実施例を示し
ている。この実施例は、可動体１０を円形にするととも
に、第４の実施例にさらに円周方向の剪断変形板２８を
駆動脚１２に加えたもので、２次元送りのみならず回転
運動をも可能にしている。

【００２１】図１２および図１３は２次元送りと１次元
送りとを組合わせたＳＴＭの粗動機構の実施例を示して
いる。この実施例において、可動体１０はマグネット３
２によって固定台１１に吸着されるとともに、一対の駆
動脚１２から成る１次元送り機構によって支持されてい
る。そして可動体１０の先端側にはマグネット３３を介
して探針取付け台３４が吸着されるようになっている。
この取付け台３４は２次元の送り機構から成る駆動脚１
２を介して送られるようになっている。そして取付け台
３４の先端部に取付けられている探針３５が試料台３６
上の試料３７の表面に接触して表面形状の検出を行なう
ようになっている。

【００２２】このような粗動機構は透過型電子顕微鏡の
試料導入部に装着することが可能で、電子顕微鏡とＳＴ
Ｍとの組合わせが実現される。またここでＸ方向および
Ｙ方向の送りに利用している剪断変形板は、所定の視野
に達した後にそれぞれをＸ方向およびＹ方向のスキャナ
として利用される。

【００２３】つぎに第８の実施例を図１４によって説明
する。この実施例は、円筒型の圧電体４０の下端にＸ方
向剪断変形板４１とＹ方向剪断変形板４２とを取付け、
駆動に必要な駆動脚１２の伸縮は円筒型圧電体４０の伸
縮を利用して２次元移動をするようにしている。探針３
５を取付けたチューブスキャナ４５は取付け台３４の下
端に支持されている。そしてこの取付け台３４が可動体
１０に設けられている駆動脚１２によってＺ方向に送ら
れるようになっている。このＺ方向への送りを行なう駆
動脚１２は押え板２０によって押えられるようになって
おり、しかもこの押え板２０がコイルば４３を介してボ
ルト４４によって押されている。

【００２４】探針３５を取付けたチューブスキャナ４５
を駆動脚１２によってＺ方向に送ることによって、３次
元粗動機構が実現される。チューブスキャナ４５を固定
して図６に示す第３の実施例の送り機構をスキャナ４５
の先端に取付ければ、探針３５それ自身をＺ方向、すな
わち探針３５を試料３７に接近させる方向に送る機構を
つけた３次元の粗動も可能になる。

【００２５】つぎに第９の実施例を図１５〜図１７によ
って説明する。この実施例は可動体１０を図１６および
図１７に示す円筒型圧電体４８によって送るようにした
ものであるり。円筒型圧電体４８は所定の肉厚を有する
円筒に構成され、その内周面には内側電極４９が共通電
極として３６０°連続して設けられている。これに対し
て圧電体４８の外周面には外側電極５０が９０°間隔で
４分割されて形成されている。このような円筒型圧電体
４８によって、剪断変形する圧電体を省略することが可
能になる。

【００２６】図１６に示すように４分割した電極５０を
もつ円筒型圧電体４８は図１７に示すように伸縮方向と
横方向の動きを単一の圧電体４８によって行なうことが
できる。図１７に示すように横方向の変形は、対向する
円筒側面の伸びと縮みによって円筒４８が撓むことを利
用する。円筒４８の両側の伸び量と縮み量が同じである
ように変形させると、図１７から明らかなように中心軸
上では伸びと縮みが相殺されて高さの変化が無視できる
ことになる。

【００２７】このような円筒型圧電体４８によって、伸
縮変形板と剪断変形板による２方向への変形と等価な作
用をさせて送りを実現させる動作が図１５に示される。
このように円筒から成る駆動脚１２の下端側の外周部に
よって可動体１０を支持すると、側面の伸び縮みを利用
して横方向への変形をさせるために、送りの際に可動体
１０が上下動を生ずることになる。

【００２８】このような上下動を防止した実施例が図１
８および図１９に示されている。この実施例は円筒型圧
電体４８から成る駆動脚１２の底部に底板５３を介して
円錘状のピン５４を取付けたものである。

【００２９】円筒型圧電体４８の作動原理は図１７に示
した通りであって、撓ませるときに円筒側面の高さが変
化するが、円筒の中心軸上の高さの変化は無視できるほ
ど小さい。従って円筒型圧電体４８の底部の中心軸上に
ピン５４を付け、このピン５４によって可動体１０を支
持することにより、高さの変化も非常に少ない送りを実
現できるようになる。可動体１０を支持するためには３
本以上の駆動脚１２が必要になる。このような駆動脚に
よって可動体１０を送る動作を図１８に示す。この図に
おいて、Ｅ、Ｓ、Ｎはそれぞれ円筒側面の伸び、縮み、
および伸び縮みなしの状態を示している。

【００３０】

【発明の効果】このように本発明は、駆動脚を瞬間的に
収縮させて該駆動脚の先端部を固定側または可動体から
離間させ、可動体が浮いている微少時間に駆動脚を送り
方向または逆方向に変形させ、駆動脚を伸長して可動体
を該駆動脚で支持した後に駆動脚を可動体が追随できる
速さで逆方向または送り方向に変形させるようにしたも
のである。よって可動体の移動の際に滑り摩擦運動を全
く生じさせなくなる。従って動摩擦を生ずる運動を伴う
ことなく、すなわち滑り運動なしで可動体を１次元ある
いは２次元方向に送る送り装置を実現することが可能に
なる。しかも駆動脚の送り方向または逆方向への変形
は、駆動脚が収縮して可動体が支持を失っている間に行
なわれるために、駆動脚の数が少なくて済むとともに、
駆動脚が収縮したときの固定側または可動体との間の間
隙を少なくすることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の動作を示す正面図である。

【図２】駆動脚の拡大斜視図である。なお本図以降の図
において圧電体中の矢印は分極軸を示す。

【図３】駆動脚の拡大斜視図である。

【図４】送り動作を示すグラフである。

【図５】第２の実施例の送り装置の外観斜視図である。

【図６】第３の実施例の送り装置の縦断面図である。

【図７】第４の実施例の送り装置の平面図である。

【図８】第５の実施例の送り装置の正面図である。

【図９】同側面図である。

【図１０】第６の実施例の送り装置の正面図である。

【図１１】図１０におけるＸＩ〜ＸＩ線矢視図である。

【図１２】第７の実施例の平面図である。

【図１３】同正面図である。

【図１４】第８の実施例の縦断面図である。

【図１５】第９の実施例の送り動作を示す正面図であ
る。

【図１６】同送り装置の駆動脚を示す横断面図である。

【図１７】同駆動脚の変形を示す正面図である。

【図１８】第１０の実施例の送り装置の動作を示す正面
図である。

【図１９】同駆動脚の縦断面図である。

【符号の説明】

１０ 可動体 １１ 固定台 １２ 駆動脚 １３ 剪断変形板 １４ 伸縮変形板 ４８ 円筒状圧電体 ４９ 内側電極 ５０ 外側電極 ５４ ピン

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 長さ方向に伸縮しかつ送り方向および逆
   方向に変形する駆動脚によって可動体を固定側に対して
   支持するようになし、 前記駆動脚を瞬間的に収縮させて前記駆動脚の先端部を
   固定側または可動体から離間させ、前記可動体が浮いて
   いる微少時間に前記駆動脚を送り方向または逆方向に変
   形させ、 前記駆動脚を伸長させて前記可動体を該駆動脚で支持し
   た後に前記駆動脚を前記可動体が追随できる速さで逆方
   向または送り方向に変形させるようにしたことを特徴と
   する送り装置。