JP3830515B2 - 電気機械式の位置決めユニット - Google Patents

Description

本発明は請求項１の上位概念に記載した電気機械式位置決めユニットに関する。特に本発明は少なくとも１つの、有利には管状の、圧電式のアクチエータを有し、該アクチエータが可動なスライダを備えた慣性駆動装置としての位置決めユニットに関する。このアクチエータは変化する電圧に接続するための電極を有し、この助けによりスライダは電気的にコントロール可能に動かすことができるようになっている。場合によってはスライダはこの圧電アクチエータにおいて又はこの圧電アクチエータ内で圧電運動方向で、有利には管状の摩擦面に沿って動かしたい。
圧電アクチエータにより活性化され慣性駆動装置の原理に基づいた、ナノメータ精度の位置決めユニットはアトミックな解像までの精度で位置決め器、分析器（例えばラスタゾンデミクロスコープ）及び工具としてマイクロ及びナノ技術において用いられる。この慣性駆動装置においては摩擦表面に対して相対的なスライダの移動は摩擦表面の強い加速に際してスライダの慣性力が付着摩擦より大きくなり、スライダが摩擦表面の運動にもはや追従できないことにより達成される。
位置決めユニットの特にコンパクトな形は、ＤＥ３８２２５０４Ａ１、ＷＯ−Ａ１−９４／０６１６０及びReview Sci．Instr．６３（１）（Jan．１９９２，ページ２６３／２６４）に記載されているような単軸の慣性駆動装置が形成する。この場合には単数又は複数の圧電アクチエータで摩擦面が迅速にかつゆっくり動かされる。この摩擦表面はかなり均一に、特に管状にスライダを取囲む。
ＤＥ３８２２５０４Ａ１号においてはそのつどの対象物を同時に支えかつ動かそうとする複数のスライダを有するマイクロマニプレータが開示されている。スライダに接続する、対象物を直接に受容する支持ヘッドを有するスライダは、圧電式に管状の摩擦表面において調節可能にしたい。公知の形式では内実の、シリンダ−ラム状の形を有しかつフレキシブルに曲げ可能である部材を有していないこのスライダの付着摩擦は、しかしながら調整できない。
ＷＯ−Ａ１−９４／０６１６０号に開示された位置決めユニットにおけるスライダ（”low-mass support means”）は、ワイヤに似た形を有し、このフレキシブルに曲げ可能な形を介して摩擦付着をわずかな範囲内で調整可能である。すなわち狭まい曲げ範囲においてしか有意義な摩擦付着の調節は行なわれない。このスライダ形は、摩擦付着がきわめて小さい場合にしか慣性駆動装置の運動を許さない。したがって公知の構造では測定先端、例えばラスタトンネルマイクロスコープの先端は移動できても重い対象物は移動できない。さらにこのスライダではきわめてわずかな力しか生ぜしめられない。何故ならばこの力は付着摩擦の強さで制限されるからである。
さらにＷＯ−Ａ１−９４／０６１６０号によるスライダに生ぜしめられる力は、圧電アクチエータの出力限界によっても制限される。付着から滑動への移行は−使用された表面によって決められた種々の摩擦係数の他に−少なくとも１つの圧電アクチエータを介して摩擦表面に伝達されたインパルス形とスライダのマスとに関連する。圧電アクチエータは高い電圧（約数１００ボルト以上）をかけた場合には消極し、もはや膨張運動を行なわないので、慣性駆動装置へのエネルギの供給には上限がある。
雑誌“Review Sci．Instr．”６３（１），Jan，１９９２，ページ２６３／２６４においては、長手方向に分割された円筒棒の両半部から成るスライダが記載されている。この場合、両方の円筒半部は管として構成された圧電アクチエータ内に摩擦力で保持されようとしている。このためには両方の円筒半部の間にはばねが配置され、このばねのばね力はスライダを形成する円筒部分が管から脱落せず、それでも圧電力により管の長手方向へ移動させることができるような大きさに選択されている。したがって公知の構造では、スライダ半部がちょうど圧電力により管の長手方向に移動させられ得るようにばねを機械的に調整することはきわめて困難である。２つの円筒半部とその間にある、調整が困難であるばねとから成るスライダの機械的な構造は複雑であって、圧電アクチエータのために１９〜２０ｍｍの内径を実地において下回ることはほとんどできない。装置全体の大きさによってこの装置は外部の機械的な妨害、例えば踏音に対して敏感で、対象物をアトミック精度まで位置決めすることは通常は、つまり例えば特別な振動減衰系なしでは不可能である。
しかしながら位置決めユニットとしての実地における使用の前提条件は、例えばスライダの老化、ほこり、腐蝕、ばね定数の変化等によって発生する摩擦付着の変化に対して駆動装置が製作誤差を有していることである。しかしこの製作誤差は雑誌Review Sci．Instr．６３（１）によるユニットの場合には与えられていない。この文献においては、重力に抗したスライダの運動は“Piezoelectric ceramics”が５０ボルトよりも大きい電圧で運転された場合にだけ行なわれる。したがって重力よりも大きい力に抗した使用は不可能である。特にユニットはスライダ自体の他には何も持上げることはできない。
前述のReview Sci．Instrum．６３（１）によればスライダマスは２つのシリンダ半部から成り、これらのシリンダ半部はばねで摩擦管壁に押し付けられている。運動に際して両方のマス部分が管壁に対して異なる摩擦を有していると（これはマイクロプラクシスではほとんど阻止できない）、両方のマス部分は非同期的に移動する。これによってマス部分は傾きかつ摩擦管内で引っ掛かることがある。したがってこの公知の装置の重要な欠点はスライダが常に摩擦管の内壁に対して搬送方向に対し横方向で押し付けられる２つのシリンダ半部から、ひいては２つのマス部分から成っていなければならないことである。
本発明の課題は、上述のスライダ形の欠点を除き、これによって駆動パルスあたりの送りが適宜保つことのできる許容誤差で調整可能であり、より大きな荷重を動かすことができ、大きな力を対象物に発生させるかもしくは伝達できかつ一般的な機械的な妨害に対して遮蔽することなしに、つまり普通の実験で、ナノメータ（ｎｍ）精度を有するセンチメートル（ｃｍ）運動を実施できる単軸の慣性駆動を可能にすることである。さらに位置決め器に対しては、慣性駆動装置へのエネルギの供給の上限から生じる出力限界をも克服したい。
本発明の解決策は請求項１に記載されている。本発明の改善と別の構成はその他の請求項に記載されている。
本発明のスライダは一体である。これはスライダを形成するマスユニット及び曲げユニットは結果として１つの部体に合体させられたように見える。しかしながら個々のマスユニットと個々の曲げユニットは別個に、かつ互いに無関係に製作することができる。すでに前もって個々の部体から製作することも有利である。
フレキシブルに曲げ可能な少なくとも１つのユニットの助けで、摩擦表面に対するスライダの圧着はプレロードをかける変形によって迅速に調整される。これによって付着摩擦の強さは大きな範囲で変形させることができる。
本発明による一体のスライダは少なくとも１つのフレキシブルに変形可能な曲げユニットと少なくとも１つの重いマスユニットとを有している。理論的には曲げユニットがマスユニットに対して相対的にフレキシブルに構成できれば曲げユニットも重いことができ又は理論的にはマスユニットが曲げユニットに対して相対的に重いとすればマスユニットもフレキシブルであることができる。しかしながら公知の固体物質の場合にはマス及びフレキシブル性の極端値は相互に排除しあう。
既に述べたように、圧電アクチエータの場合には慣性駆動装置へのエネルギの供給には上限がある。この問題に対しても本発明によれば、スライダ内に一体に統合されたマスユニットによって対処している。したがって（有意義な）エネルギ受容の上限にも拘らず、作用的に出力の大きい圧電駆動装置が得られる。したがって本発明によれば圧電アクチエータの効率は−原理的に−はっきりと改善される。したがって適当に選ばれた電気的なパルス形で大きいスライダマスを圧電運動に対して同期的に加速される。このスライダマスはその慣性が高いことに基づき、圧電運動の迅速な変化に際して、付着摩擦がフレキシブルな曲げユニットを用いてきわめて強く調節されていても滑りに移行する。
高い慣性マスと高く調節可能な付着摩擦は一緒になって多くの利点をもたらす。
（イ） 本発明のスライダでは重量の大きい対象物も搬送できる。
（ロ） 本発明による位置決め器で生ぜしめることのできる力は付着摩擦が強く調節された場合にきわめて高い。
（ハ） この頑丈性によって本発明の位置決め器はスライダのフレキシブルな曲げユニットの広い変形範囲で機能する。つまり、スライダの調整はきわめて誤差を許し、スライダの付着摩擦の変化のように作用する運転における変化（汚れ、湿り、腐蝕等）の影響を受けにくくなる。
（ニ） 本発明のスライダを移動させるためには、大きさが±１０ボルトの小さい電圧を単数又は複数の圧電アクチエータにかけるだけで十分であるので、多くの従来の慣性駆動装置とは異って、運転のために高電圧は不要である。これは操作を著しく容易にする。
（ホ） 本発明の別の利点は、摩擦表面にスライダをフレキシブルな曲げユニットを介して圧着することを調整することで、スライダと圧電アクチエータの間の相対運動の距離を、印加された電気的なインパルス形あたり調節できることである。これによって特に相対運動の距離を圧電アクチエータの調節範囲よりも小さく保ち、ｍｍ〜ｃｍ範囲の大きな調節範囲においてどの位置でもアトミック精度までの精度で達成することができる。
（ヘ） 本発明の位置決め器の頑丈性によってスライダは均等にかつ繰り返し可能に、秒あたりミリメートルの大きさまでの速度で移動する。
摩擦表面とスライダとの間の摩擦の強さは上述のメカニズムの他に、スライダ接触面の大きさと性質とにも関連する。このパラメータは製作に際して選択可能で、スライダのフレキシブルな曲げユニットの調整範囲を規定する定数を成す。これはマスユニットの少なくとも１つが、摩擦表面に接触する面の大きさが表面形によって選択可能であるように形成された表面を有する部材から成り、かつ又はこのマスユニットが種々異なる材料から成りかつ孔を有していることで達成可能である。
スライダのフレキシブルな曲げユニットに課される要求はそれ自体、ＰＣＴ／ＥＰ ９３／０２４１４号に提案されているような弾性的な細いワイヤが充たす。同様にフレキシブルに曲げ可能なユニットは、マスユニットが少なくとも１個所で、この個所に別個のフレキシブルな曲げユニットに相当する曲げ性が生じるように細くされることでも形成することができる。この構成の利点は一体での製作が可能になり、異なる材料の間のシーム個所がなくなることである。
本発明の別の構成によれば、スライダに又はスライダ内にスライダと一緒に搬送される対象物を固定することができる。場合によってはこの対象物はスライダと同じ位置精度で動かされることができる。
圧電アクチエータ部分が静的に空間に固定されず、本発明の別の考えにしたがって、スライダを少なくとも一端で大きな重い対象物に固定しておくと相対運動の結果、大きな対象物に対し圧電アクチエータが移動することになる。これは本発明にしたがって複数の空間方向に位置決めできる複合構造をも可能にする。
これらの複数の位置決め器を組合わせかつ対象物をそのスライダに固定することにより、本発明のスライダの前述の大きな力のリザーブに基づき、複数の空間方向での複合位置決めを、特にｘｙ−テーブル、ｘｙｚスタンド、回転脚、傾動テーブル又は回転部材として行なうことができる。
本発明はアトミック位置決め精度までの精度でかつｃｍ範囲までの位置決め距離までの距離で対象物を位置決めするための慣性駆動装置としての電気機械式の位置決めユニットに関する。この位置決めユニットは、圧電アクチエータ内で圧電運動の方向で管状の摩擦表面に沿って移動するスライダに電気的にコントロール可能な慣性運動を生ぜしめるために変化する電圧を接続するための電極を備えた、少なくとも１つの管状の圧電式のアクチエータを有している。スライダと圧電アクチエータとの間の相対運動は、スライダが摩擦表面の比較的に迅速な運動に追従しないがこの摩擦表面の比較的にゆっくりとした運動に追従することで生じる。本発明の対象はマスの高い少なくとも１つのユニット（マスユニット）とフレキシブルに変形可能な少なくとも１つのユニット（曲げユニット）から成り、摩擦表面の強さがスライダのフレキシブルな曲げユニットを介して調整可能であり、スライダのマスユニットが位置決めユニットの高い負荷可能性に役立つスライダである。位置決めユニットとのこの組合わせにより、重い対象物をも位置決めされ得るようになりかつ工具としての使用に必要な力を生ぜしめることができるようになる。
次に概略的に図示された実施に基づき本発明を詳述する。
第１図はスライダと所属する摩擦面を示した図。
第２図は第１図に対して変化させられたスライダを示した図。
第３図は特殊な表面を有するスライダを示した図。
第４図及び第５図はワイヤ状の曲げユニットの種々の形態を示した図。
第６図は質量ユニットの部体から形成された曲げユニットを示した図。
第７図は質量ユニットとその中にあるオブジェクトを示した図。
第８図は位置決めするための移動テーブルを示した図。
第９図は所属の２位置決め器を有する第８図の移動テーブルの組合わせとしてのｘｙテーブルを示した図。
第１０図は３つの、フレキシブルに曲げ可能でかつ互いに直交して協働する位置決め器の組合わせを示した図。
第１１図は組合わされた位置決め器の回転運動の実施を示した図。
本発明のスライダの構成の１つは第１図に示されている。摩擦表面１は全体として符号５で示されたスライダを取囲んでいる。このスライダ５はこの特別な場合には複数のマスユニット２ａ，２ｂ，２ｃ等と複数のフレキシブルに変形可能な曲げユニット等から成っている。この場合、ユニットの数はこの原理のためには重要ではない。第２図に示すようにそれぞれ１つのユニット２，３だけでもすでに十分である。これによって例えばスライダ５内に対象物、例えば電流導線、センサ、グラスファイバ又はホースを統合し、次いで本発明の位置決め精度で動かすために利用できる多種の構成形態がある。
摩擦面１とスライダとの間の摩擦の強さは、とりわけスライダ表面７の大きさと性質とによってスライダ製作に際して決定される。このためには第３図に示すようにマスユニット２の少なくとも１つは表面７において、摩擦表面１に接触する面の大きさが表面７の形態によって選択可能であるように成形されている。
本発明のスライダの別の特別な構成は第４図と第５図に示されている。この場合にはフレキシブルな曲げユニット３ａ，３ｂ等は弾性的な細いワイヤから成っている。このワイヤは一端における鞭毛（第４図）のように又は２つのマスユニットの間の結合部材のように見える。この場合にもワイヤの数は重要ではない。すなわち１本のワイヤは本発明の作用原理にとってすでに十分であるからである。第６図が示すようにフレキシブルな曲げユニットは１つのマスユニットが少なくとも１個所で細くされ、この個所がフレキシブルに曲げ可能でかつフレキシブルな曲げユニットを成すことによって形成されている。この原理も多様に使用することができる。
マスユニットは提示されたすべての例において、使用目的に応じて種々の材料から成りかつ又は軸方向の孔を有していることができる。例えば第７図にはマスユニット２ａの１つに１つの対象物４が固定されている例が示されている。これは棒であることができ、ｘｙ位置決めテーブルの部材として役立つか又は例えば導体路等から分離することにより材料を掻取る槍であることができる。
本発明の複数の位置決め器を複合的な装置に組合わせたことは第８図から第１０図までに示されている。第８図には前述のｘｙテーブル１つの平面が示されている。この場合には本発明の２つの位置決め器１０ａ，１０ｂが１平面内に平行に位置している。位置決め器のスライダは移動させようとする対象物１１ａ，１１ｂとしてそれぞれ１つの棒を有している。各棒はそのスライダを貫き、各位置決め器１０の外側遠くまで延びている。この両方の棒の端部には２つの板１２ａと１２ｂとが固定されている。これらの板１２ａ，１２ｂは両方の位置決め器が同期的に移動した場合に等速でスライダの運動方向に沿って移動する。この結果、本発明によればナノメータ精度とｍｍ範囲からｃｍ範囲の移動区間を有する移動テーブルが得られる。この場合、約１００ｇよりも大きい荷重体を１秒あたり１ｍｍよりも大きい速度までの速度で移動させることができる。
ラスタゾンデ測定器としてかつ工具として使用可能であるのは、本発明による位置決め器の第９図に示された組合わせである。ｘｙテーブルは約９０°回動させられて相上下して位置している２つの移動テーブル（第８図）から、すなわち全部で４つの本発明による位置決め器から成っている。２成分は第５番目の本発明の位置決め器１０から成っている。この位置決め器のスライダは対象物１１を保持している。この対象物１１は引掻き、溶接もしくはボンド付けするための先端であるか又は電流、磁界、光薬品、力等のセンサであるか又はホース又はグラスファイバであることができる。
第１０図に示すように本発明による３つの位置決め器１０ａ，１０ｂ，１０ｃを弾性的に、曲げだけは許すが延び、すえ込み又は屈折は許さない結合部材を介して組合わせると、対象物１１は３次元的に空間内で位置決めされる。
回転運動は第１１図に示すように本発明による位置決め器１０ａ，１０ｂを少なくとも２つ組合わせることで実施することができる。スライダアーム１１ａ，１１ｂの両方の単軸の運動は１つ又は２つの回転円板の大きな角度ずらされた２個所に伝達される。この角度のずれは両方の位置決め器のいずれもが力を回転運動に連結することができない死点を阻止する。直線運動を回転運動に機械的に伝達することは公知の偏心体原理の使用で行なうことができる。このための１例としては蒸気機関車の軸駆動装置があげられる。
前述の使用例のどれも単軸の慣性駆動装置の従来のスライダ、例えばＰＣＴ／ＥＰ ９３／０２４１４号及びＤＥ３８２２５０４Ａ１号もしくは雑誌Review Sci．Instr．６３（１）に記載のスライダで実現できる。
本発明による位置決め器の特性はこのために必要な頑丈性にはじめて役立つ。

Claims (10)

1. スライダ（５）をナノメータ位置決め精度までの精度とｃｍ範囲までの位置決め距離で位置決めするための慣性駆動装置としての電気機械式の位置決めユニットであって、スライダ（５）が、管状の摩擦表面（１）に沿って摩擦接触で運動可能に、管状の圧電式アクチエータ内に配置されており、圧電式アクチエータが、変化する電圧に接続するための電極を有し、前記変化する電圧の助けでスライダ（５）が電気的にコントロール可能に運動できる形式のものにおいて、フレキシブルに変形可能な少なくとも１つの曲げユニット（３）を有するスライダ（５）内に、前記曲げユニット（３）に較べて非フレキシブルでかつ大きなマスを有する少なくとも１つの重いユニット、つまりマスユニット（２）が統合されていることを特徴とする、電気機械式の位置決めユニット。
2. スライダ（５）を前記摩擦表面（１）に対して安定させる摩擦付着の強さが、少なくとも１つのフレキシブルな曲げユニット（３）を介して、慣性駆動装置の機能に関して調整可能である、請求項１記載の位置決めユニット。
3. 前記摩擦表面（１）にスライダ（５）が接触する面の大きさがスライダ（５）の表面の形態（７）によって選択可能であるように該表面が形成された１つの部体からマスユニット（２）の少なくとも１つが成りかつマスユニット（２）が種々異なる材料から成っている、請求項１又は２記載の位置決めユニット。
4. 前記摩擦表面（１）にスライダ（５）が接触する面の大きさがスライダ（５）の表面の形態（７）によって選択可能であるように該表面が形成された１つの部体からマスユニット（２）の少なくとも１つが成りかつマスユニットが孔を有している、請求項１又は２記載の位置決めユニット。
5. 前記摩擦表面（１）にスライダ（５）が接触する面の大きさがスライダ（５）の表面の形態（７）によって選択可能であるように該表面が形成された１つの部体からマスユニット（２）の少なくとも１つが成りかつマスユニット（２）が種々異なる材料から成りかつ孔を有している、請求項１又は２記載の位置決めユニット。
6. フレキシブルな曲げユニット（３）の少なくとも１つが弾性的な細いワイヤから成っている、請求項１から５までのいずれか１項記載の位置決めユニット。
7. フレキシブルな曲げユニット（３）の少なくとも１つが、少なくとも１つのマスユニット（２）を適当に細くすることで形成されている、請求項１又は２記載の位置決めユニット。
8. 少なくとも１つのスライダ（５）の外に又は少なくとも１つのスライダ（５）の内に少なくとも１つの対象物（４）が固定され、該対象物（４）がスライダ（５）と一緒に搬送される、請求項１から７までのいずれか１項記載の位置決めユニット。
9. スライダ（５）が少なくとも一端で大きく、重い対象物に固定されており、該大きな対象物に対して圧電アクチエータが動くように相対運動が与えられる、請求項１から７までのいずれか１項記載の位置決めユニット。
10. 請求項１から９までの少なくとも１項による複数の位置決めユニットが組合わされており、組合わされた位置決めユニットに固定された対象物が圧電式に、あらかじめ正確に規定された空間位置にもたらされることができることを特徴とする、位置決め装置。

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