(57)【要約】      （修正有）【課題】粗位置決めと微細位置決めが同一の装置で利用できるようにする。【解決手段】  被駆動素子１９０にスライド自在に係合するように構成されたベース１１０と、前記ベースと前記被駆動素子との間に介在し、前記圧電素子の第１の端近傍で前記ベースに取り付けられた圧電素子１５０と、前記圧電素子の第２の端近傍に取り付けられ、選択的に前記被駆動素子に係合するように構成された摩擦素子１７０とを含む装置。圧電素子１５０を伸縮させ、被駆動素子１９０と摩擦素子１７０との間のスティックとスリップにより被駆動素子１９０を微細に移動可能とする。【選択図】  図２
2005321377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって、
被駆動素子にスライド自在に係合するように構成されたベースと、
前記ベースと前記被駆動素子との間に介在する圧電素子であって、前記圧電素子の第１の端近傍で前記ベースに取り付けられた圧電素子と、
前記圧電素子の第２の端近傍に取り付けられた摩擦素子であって、前記摩擦素子の前記被駆動素子との相対速度の関数として選択的に前記被駆動素子に係合するように構成された摩擦素子と
を有する装置。
【請求項２】
請求項１の装置であって、この装置は、さらに、
前記被駆動素子に抗して前記圧電素子を付勢するように構成された付勢素子を有するものである。
【請求項３】
請求項２の装置であって、この装置は、さらに、
前記付勢素子と前記圧電素子との間に介在する振動減衰素子を有するものである。
【請求項４】
請求項３の装置において、前記減衰素子はバイトン有するものである。
【請求項５】
請求項１の装置であって、この装置は、さらに、
前記被駆動素子に連結され、選択的に前記摩擦素子に係合されるよう構成されたウェアプレート（耐磨耗板）を有するものである。
【請求項６】
請求項５の装置において、前記ウェアプレートは、
シリコンと、
サファイアと、
セラミックと
からなる群から選択される材料を有するものである。
【請求項７】
請求項１の装置であって、この装置は、さらに、
前記圧電素子の頂面または底面の少なくとも一方の一部に隣接した低摩擦性のレストレイント（移動制約部材）を有するものである。
【請求項８】
請求項１の装置において、前記圧電素子は、前記圧電素子の前記第１の端近傍に平衡錘を含むものである。
【請求項９】
請求項１の装置において、前記圧電素子は、複数の圧電部材を有するものである。
【請求項１０】
請求項９の装置において、前記複数の圧電部材は、それぞれ実質的にリード（短冊）形状をしているものである。
【請求項１１】
請求項１０の装置において、前記複数の圧電部材は、それぞれ前記複数の圧電部材の１つに隣接して積層されているものである。
【請求項１２】
請求項１の装置において、前記圧電素子は、それぞれ前記ベースに平行で互いにオフセット角を成す第１および第２の圧電部材を含み、前記摩擦素子は、前記第１および第２の圧電部材の接合部の近傍にあるものである。
【請求項１３】
請求項１の装置において、前記被駆動素子は、前記圧電素子が前記被駆動素子に回転運動を与えるよう回転自在に前記ベースに取り付けられているものである。
【請求項１４】
請求項１３の装置において、
前記被駆動素子は、前記ベースに連結された実質的に同軸の第１および第２の回転自在部材を含み、
前記圧電素子は、前記ベースに連結された第１および第２の圧電部材を含み、
前記摩擦素子は、前記第１および第２の圧電素子にそれぞれ連結された第１および第２の摩擦部材を含み、
前記第１および第２の摩擦部材は、それぞれ前記第１および第２の回転自在部材に摩擦により係合するものである。
【請求項１５】
請求項１の装置において、前記被駆動素子は、環状の柔軟なベルトにより平衡錘に取り付けられ、前記ベルトが少なくとも１つのテンショナにより固定されるものである。
【請求項１６】
請求項１の装置において、
前記ベースは、凹部を有するスライドベッドを含み、
前記被駆動素子は、内面にウェアプレートを有するスライドテーブルを含み、
前記圧電素子は、圧電リードであって、
前記圧電リードは、前記スライドベッドの前記凹部内に載置され、前記摩擦素子を介して前記ウェアプレートに摩擦により係合するものである。
【請求項１７】
請求項１の装置において、前記摩擦素子は、
サファイアと、
水晶と、
セラミックと、
アルミニウム青銅と、
リン青銅と、
銅ベリリウムと
からなる群から選択される材料を有するものである。
【請求項１８】
請求項１の装置において、前記被駆動素子は、第１および第２の被駆動素子の一方であり、前記圧電素子は、前記第１の被駆動素子にスライド自在に係合するよう構成されており、前記第１および第２の被駆動素子は、少なくとも１つのローラーにより支持された連続的で柔軟なベルトで互いに連結されているものである。
【請求項１９】
請求項１の装置において、前記ベースと、前記被駆動素子と、前記圧電素子と、前記摩擦素子とのうち少なくとも１つは、実質的に約１０００μｍより大きい特徴的な寸法を有するものである。
【請求項２０】
請求項１の装置において、前記ベースと、前記被駆動素子と、前記圧電素子と、前記摩擦素子とのうち少なくとも１つは、実質的に約１０００μｍより小さい特徴的な寸法を有するものである。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
位置決め装置は、顕微鏡法（走査型プローブ顕微鏡法など）、マイクロアセンブリ、およびナノアセンブリといった様々なスケールの用途に使用される可能性がある。また、位置決め装置は、プロービング、特徴付け、画像処理、試験、そして操作およびアセンブリなど、様々な機能の用途に使用される可能性もある。
【０００２】
このような位置決め装置は、検査または組み立ての対象物について大きいスケールで粗く位置決めを行って対象物を大まかに定位置へ移動したのち、小さいスケールで微細に位置決めを行って検査または組み立てを完了することが必要な場合に使用されうる。さらに、微細な位置決めは、小さいスケールのアセンブリ、プローブ、および走査型顕微鏡の操作および検査において非常に重要になる場合がある。例えば、非常に小さいスケールでは、伝統的な粗位置決め装置により発生しうる振動は許容されない場合がある。それにもかかわらず、多くの場合、粗位置決めと微細位置決めが同一の装置で利用できることが、望ましいとされ、あるいは必要とされている。
【０００３】
本明細書において、用語「マイクロ電子装置」および「マイクロアセンブリ」は、マイクロ電子コンポーネント、マイクロ機械コンポーネント、マイクロ電子機械コンポーネント、ＭＥＭｓ（または、ＭＥＭＳ）コンポーネント、およびそれらのアセンブリを包含する目的で総称的に使用される。一般に、マイクロ電子装置は約１０００μｍ未満の特徴的な寸法を有する。本開示は、約１０μｍ未満の特徴的な寸法を有するナノ電子機械装置（ｎａｎｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｄｅｖｉｃｅｓまたはｎａｎｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ、略称ＮＥＭｓまたはＮＥＭＳ）を含むナノ電子装置にも関する。マクロスケールの電子装置は、微視的スケールでの移動を生じさせる際にも使用されうるため、本開示の範囲内に含まれる。一般に、マクロスケールの装置は、約１０００μｍより大きい特徴的な寸法を有する。ただし、１０００μｍはマイクロスケール装置とマクロスケール装置との絶対的な区切りではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００４】
以下の開示は、言うまでもなく、種々の実施形態の異なる特徴を実施するため、多数の異なる実施形態または実施例を提供している。以下では、本開示を簡略化するため構成要素および配置の特定の例を説明している。当然のことながら、これらは単なる例に過ぎず、限定を意図するものではない。また、本開示では種々の例で繰り返し参照符号を使用する場合がある。この反復は簡潔性および明瞭性のためであり、それ自体が種々の実施形態および／または開示される構成の関係を決定するものではない。さらに、以下の説明における第２の特徴より上位にある、または前記第２の特徴上にある第１の特徴の構造は、前記第１および第２の特徴が直接接触により構成される実施形態を含む場合があり、また前記第１および第２の特徴が直接接触し合わないよう前記第１および第２の特徴の間に追加特徴が介在可能な実施形態を含む場合もある。
【０００５】
図１ａは、本開示の態様に従った装置１００の一実施形態の少なくとも一部の斜視図を例示したものである。この装置１００は、電子機械装置、マイクロ電子機械装置（ＭＥＭＳ装置など）、マイクロ電子装置、または本開示の範囲内の他の装置の一部を含む、または有する場合がある。
【０００６】
前記装置１００は、プラスチック、金属、シリコン、および／または他の材料を有する可能性のあるベース１１０を含む。このベース１１０は、鋳造、成形、機械加工、イオンビームミリング、および／または他の方法で製造できる。前記ベース１１０は、厚さが約０．１ｍｍ〜約１ｍｍ範囲、長さが約５ｍｍ〜約２０ｍｍ範囲、幅は約２．５ｍｍ〜約５ｍｍ範囲である。他の実施形態では、前記ベース１１０は、厚さが約０．１μｍ〜約５μｍ範囲、長さが約５０μｍ〜約２００μｍ範囲、そして幅が約２５μｍ〜約５０μｍ範囲である。上記以外の範囲も可能である。本開示は、本明細書に記載する範囲に限定されるものではない。
【０００７】
絶縁体１３０は、圧電素子１５０の先端１５１を前記ベース１１０に取り付けるため使用する場合がある。この絶縁体１３０は、ガラス、酸化ケイ素、および／または他の誘電体材料を有してよい。この絶縁体１３０は、切削、研削、鋳造、機械加工、放電加工（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ、略称ＥＤＭ）、および／または他の方法で、可能性として約０．１ｍｍ〜約１ｍｍ範囲の厚さに形成できる。他の実施形態では、前記絶縁体１３０は、化学気相成長法（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、略称ＣＶＤ）、物理気相成長法（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、略称ＰＶＤ）、プラズマ化学気相成長法（ｐｌａｓｍａ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、略称ＰＥＣＶＤ）、原子層成長法（ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、略称ＡＬＤ）、および／または他の工程により、可能性として約０．１μｍ〜約５μｍ範囲の厚さで、前記ベース１１０上、またはその上位に製造または形成可能である。
【０００８】
一部の実施形態では、前記絶縁体１３０の有無は任意である。例えば、前記ベース１１０の一部または層は、前記圧電素子１５０の前記先端１５１を前記ベース１１０に直接取り付け可能にするよう誘電体材料を有する場合がある。前記圧電素子１５０および前記ベース１１０は、前記絶縁体１３０以外の特徴により電気的および／または物理的に分離することもできる。
【０００９】
前記圧電素子１５０は全体としてリード（短冊）形状をしている。例えば、この圧電素子１５０は、前記圧電素子１５０の任意の軸に実質的に直交する断面積が実質的に長方形となるよう、実質的に厚さを超える幅と、実質的に幅を超える長さとを有する、実質的に直線形状を有する場合がある。ただし、他の構成も可能である。例えば、この圧電素子１５０は、前記ベース１１０または近傍の他コンポーネントに対するこの圧電素子１５０の回転を低減するよう、円形の断面積、または場合によっては丸みを帯びてはいるが非円形の断面積を有する場合もある。この圧電素子１５０の断面積は、長さ方向に沿ったサイズおよび／または形状も異なる可能性がある。
【００１０】
この圧電素子１５０は、圧電性材料、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、メタニオブ酸鉛（ＰｂＮｂ２Ｏ６）、ポリフッ化ビニリデン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ−ｆｌｕｏｒｉｄｅ、略称ＰＶＤＦ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ポリフッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ−ｆｌｕｏｒｉｄｅ−ｔｒｉｆｌｏｕｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ、略称ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、および／または他の材料を有する場合がある。この圧電素子１５０は、焼結、研削、および／または他の工程により形成可能である。また、この圧電素子１５０は偏極させてもよい。例えば（キュリー点を超えた）加熱、電場および／または磁場の印加、および／または他の方法により、前記圧電素子１５０を偏極させることもできる。
【００１１】
この圧電素子１５０は、約０．１ｍｍ〜約１ｍｍ範囲の厚さを有しうる。また長さは約０．５ｃｍ〜約１５ｃｍ範囲、幅は約２．５ｍｍ〜約５ｃｍ範囲であってよい。他の実施形態では、前記圧電素子１５０は、約０．１μｍ〜約５μｍ範囲の厚さと、約２５μｍ〜約５０μｍ範囲の幅と、約５０μｍ〜約２００μｍ範囲の長さを有する場合がある。
【００１２】
この圧電素子１５０は電気信号に応答して伸縮する。周期的な、あるいは変動する電気信号または電波をこの圧電素子１５０に与えると、前記装置１００で粗位置決めをもたらすことができる一方、非変動電気信号を使用すると、同一の圧電素子を使って微細な位置決めをもたらすことができる。一部の実施形態では、前記圧電素子１５０は、曲げおよび伸縮による電気信号か、または伸縮の代わり曲げによる電気信号かの、どちらかに応答する。
【００１３】
前記圧電素子１５０の前記絶縁体１３０から遠位にある先端１５６に摩擦素子１７０を連結して、前記圧電素子１５０の運動を最大限に活用することもできる。前記摩擦素子１７０は、アルミニウム青銅、リン青銅、銅ベリリウム、銅合金、サファイア、および／または他の材料を有してよく、電解加工（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｍａｃｈｉｎｉｎｇ、略称ＥＣＭ）、放電加工（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｍａｃｈｉｎｉｎｇ、略称ＥＤＭ）、フライス加工、および／または他の方法により形成可能である。一実施形態では、この摩擦素子１７０は、前記圧電素子１５０から延出したボスであってよく、このような延出は、前記圧電素子１５０と一体化または連結が可能である。
【００１４】
一実施形態では、前記摩擦素子１７０は、厚さが約０．１ｍｍ〜約１ｍｍ範囲、直径が約０．８ｍｍ〜約５ｍｍ範囲に成り得る。直径は、約８μｍ〜約５０μｍ範囲に成り得る。他の実施形態では、この摩擦素子１７０の厚さが約０．１μｍ〜約５μｍ範囲になる場合もある。
【００１５】
この摩擦素子１７０の形状は、実質的に円柱型であってよい。他の実施形態では、この摩擦素子１７０は、多面体形状など他の形状または構成を有する場合もある。この摩擦素子１７０は、前記圧電素子１５０に対し、実質的に正方形または長方形の底面を有する場合もある。この摩擦素子１７０は、前記圧電素子１５０上に種々の構成で配置された複数の摩擦部材を有する場合もある。例えば、図１ｂは本開示の態様に従った前記摩擦素子１７０の異なる別の実施形態に参照番号１７０ａを割り当てたものの斜視図を例示している。前記摩擦素子１７０ａは、圧電素子１５０（図１ａ）への取り付け手段（固定穴１７２など）を有しうる中央部１７１を含む。支持部材１７４ａ〜ｄはバネ、それ以外の場合は弾性のある部材および／または柔軟な部材であってよく、摩擦部材１７５ａ〜ｄをそれぞれ支持する。前記摩擦部材１７５ａ〜ｄ、および可能性として前記摩擦素子１７０ａの要部は、組成および製造上その他、前記摩擦素子１７０に実質的に類似するものであってもよい（図１ａ）。
【００１６】
図１ａに示したように、この摩擦素子１７０は選択的に摩擦により被駆動素子１９０に係合する。前記被駆動素子１９０は、前記ベース１１０により、１若しくはそれ以上の自由度（移動平面上）で誘導される、または移動を制約される場合がある。例えば前記ベース１１０は、摩擦滑り素子か、滑り構成を伴った転動体かを使用して、平行移動について所定の自由度または方向、および／または前記被駆動素子１９０の回転を制約できる。これにより、前記被駆動素子１９０の運動は１自由度に制限される。ただし、他の実施形態ではより大きい自由度が許される場合もある。前記被駆動素子１９０は、前記装置１００により移動される物体または試験片１９９を把持または運搬する。例えば、この試験片１９９は、組み立て中のマイクロコンポーネントまたはナノ装置、または走査型電子顕微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、略称ＳＥＭ）、他の荷電粒子装置、または他タイプの顕微鏡で走査中の試料などであり得る。一部の実施形態では、前記装置１００は、前記試験片１９９を前記被駆動素子１９０の表面上に掛け留める取り付け手段を含む。例えば、この被駆動素子１９０は、前記試験片１９９を受容するように構成された凹部または溝を含む場合があり、あるいはスナップ式または摩擦式の連結部材で前記試験片１９９を前記被駆動素子１９０に固定する場合もある。
【００１７】
前記被駆動素子１９０の移動は、前記圧電素子１５０に電気信号を与えて前記圧電素子１５０を伸縮させることにより、もたらすことができる。前記摩擦素子１７０、または前記圧電素子１５０自体は、前記電気信号の周波数、振幅、および／または形状に基づき、このような移動の一部または全部を前記被駆動素子１９０に伝達する。例えば、前記装置１５０で粗位置決めをもたらすには、前記圧電素子１５０に対する電圧波形を変化させる。電圧波形の例としては、（これに限定はされないが）方形波、のこぎり波、サイクロイド、放物線波、および／またはこれらの重ね合わせまたは組み合わせなどがある。
【００１８】
例えば、のこぎり波の電圧波形を使用する実施形態の場合、前記圧電素子１５０は、バイアスまたは極性に従って伸縮する。波形の勾配が比較的緩やかな位相中は、この位相の大部分の間、前記圧電素子１５０（または前記摩擦素子１７０）が前記被駆動素子１９０に「スティック」する（貼り付く）ため、前記圧電素子の動きの大部分または全部が前記被駆動素子１９０へ伝わり得る。ただし、波形が比較的急勾配な位相中は、前記圧電素子１５０の伸縮が対応して急激になり、この急勾配な位相の大部分の間、前記圧電素子１５０（または前記摩擦素子１７０）は前記被駆動素子１９０との静止摩擦力を上回って「スリップ」する（滑る）ため、前記圧電素子１９０の動きはほとんど、または全く前記被駆動素子１９０へ伝わらない場合がある。波形の勾配が緩やかな位相に戻ると、前記圧電素子１５０の伸縮は、再びその動きを前記被駆動素子１９０に伝達するようになる。このように、前記摩擦素子１７０は、前記被駆動素子１９０に対する前記摩擦素子１７０の速度、加速度、および／または摩擦係数の関数として、選択的におよび摩擦により前記被駆動素子１９０に係合する。これは、「スリップ−スティック」運動または「スティック−スリップ」運動と呼ばれている。
【００１９】
波形の周波数は場合により異なり、一部の実施形態では約１Ｈｚ〜約１ｋＨｚの範囲になる。波形の振幅も場合により異なり、一部の実施形態では約２Ｖ〜約５００Ｖの範囲になる。前記スリップ−スティック移動による粗位置決め後は、直流電圧を印加して前記被駆動素子１９０、ひいてはその上に配置された前記物体または試験片１９９を微細に位置決めする。この直流電圧は、約１０ｍＶ〜約１ｋＶ範囲に成り得る。
【００２０】
他の実施形態では、周波数、振幅、および直流電圧は場合により異なる。例えば、波形は、前記圧電素子１５０または可能性として前記試験片１９９の機械的共鳴の励起を回避または最小化するよう形成される。ただし、例えば何らかの事情により前記被駆動素子１９０が前記摩擦素子１７０に連結されてしまった（「スタックした」）場合は、前記被駆動素子１９０を前記摩擦素子１７０から開放するため、秩序ある共鳴により前記圧電素子に作用するように、波形を意図的に選択する場合もある。前記圧電素子１５０の共鳴周波数が未知の場合は、波形の周波数掃引を行うこともある。
【００２１】
図１ａを参照しつつ図２を参照すると、本開示の態様に従った前記装置１００の別の実施形態に参照番号２００を割り当てたものの断面図が例示されている。図２の実施形態は、図１ａに示した実施形態の前述した特徴を多数有している。ただし、この装置２００は付勢素子２１５も有し、さらにこの付勢素子２１５に連結されたスペーサー２２０を含む場合もある。例示した実施形態のとおり、前記付勢素子２１５は、前記圧電素子１５０（またはそれに取り付けられた前記摩擦素子１７０）を前記被駆動素子１９０に抗して付勢するように構成された板バネまたは他タイプのバネであってよい。ただし、前記付勢素子２１５は、本開示の範囲内で、非択一的または択一的に他の機械的、電気的、および／または磁気的な付勢手段であってよく、またはこれらを含んでよい。前記付勢素子２１５の付勢力は、例えばネジ式固定部材２２５、静電場、磁場、および／または他の手段により、調整自在であってよい。ただし、一部の実施形態では調整を行わないか、調整が不要な場合もある。
【００２２】
前記装置２００は、前記被駆動素子１９０に連結された、あるいは前記被駆動素子１９０と前記摩擦素子１７０との間に介在するウェアプレート２９５を含む場合もある。このウェアプレート２９５は、シリコン、サファイア、セラミック、アルミニウムセラミック、またはこれらの合金、および／または他の材料を有する場合があり、前記被駆動素子１９０に連結または一体化される場合がある。一実施形態では、前記ウェアプレート２９５は、スクライビング、切断、研磨、および／または他の工程により、可能性として約０．１ｍｍ〜約１ｍｍ範囲の厚さに形成できる。他の実施形態では、前記ウェアプレート２９５は、化学気相成長法（ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰＶＤ）、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、原子層成長法（ＡＬＤ）、および／または他の工程により、可能性として約０．１μｍ〜約５μｍ範囲の厚さに形成できる。
【００２３】
前記摩擦素子１７０により前記ウェアプレート２９５に抗して印加される力（負荷力など）は、前記圧電阻止１５０上の前記摩擦素子１７０の位置、前記摩擦素子が「スリップ」位相または「スティック」位相にある時間長、および／または前記ウェアプレート２９５に対する前記圧電素子１５０の角度の関数として変調または調整可能である。前記ウェアプレート２９５に抗する前記摩擦素子１７０の力の機械的調整手段も、設ける場合がある（ネジ２２５など）。前記ウェアプレート２９５に抗する前記摩擦素子１７０の力の変調の調整も、１若しくはそれ以上の追加圧電素子を介して行う場合があり、前記追加圧電素子は、例えば前記圧電素子１５０と前記ベース１１０との間に載置できる。ただし一部の実施形態では、上記の付勢力と同様、調整を行わないか、調整が不要な場合がある。
【００２４】
前記スペーサー２２０は、実質的に半球形状のバイトン素子であってよい。ただし、このスペーサー２２０は、本開示の範囲内で他の材料および形状を有する場合もある。このスペーサー２２０は、前記付勢素子２１５による前記スペーサー２２０の付勢先となる前記圧電素子１５０に抗する磨耗および振動を低減し得る。
【００２５】
前記装置２００は、前記被駆動素子１９０の位置を検出するセンサ２９６およびセンサ２９７のシステムを備えている場合がある。これらのセンサ１９６、２９７は、フィードバック機構（図示せず）、あるいは別のシステムまたはサブシステムの一部にも成り得る。前記センサ２９６、２９７は、容量性または誘導性の電気センサであってもよい。また、前記センサ２９６、２９７は、熱的、光学的、磁気的、および／または他タイプのセンサであってもよい。前記センサ２９６は、単一のセンサ素子として示しているが、複数の素子またはセンサアレイを有する場合もある。同様に、前記センサ２９７は複数のセンサ素子を含むものとして示しているが、単一のセンサ素子を有する場合もあり、また図示とは異なる数のセンサ素子を有する場合もある。これらの前記センサ２９６、２９７は、前記作動部材１９０および前記圧電素子１５０とそれぞれ一体化して、またはこれに埋め込んで形成してもよい。また、前記センサ２９６、２９７は、例えば接着剤で取り付けられた別個のコンポーネントであってもよい。前記センサ２９６、２９７の位置は、場合により図と異なり、前記装置２００の他のコンポーネントに関するフィードバックおよび／または位置の情報を提供する他のセンサ（図示せず）があってもよい。一部の実施形態では、単一のセンサのみ設けられる。電子機器ベースのフィードバックまたはセンサシステムに加えて、機械的システムを使ってもよい。例えば、前記圧電素子１５０により印加される力は、機械的に増幅でき、前記ウェアプレート２９５に抗する前記摩擦素子１７０の負荷力を調整するために使用できる。
【００２６】
図２を参照しつつ図３を参照すると、本開示の態様に従った、図２に示した前記装置２００の別の実施形態に参照番号３００を割り当てたものの断面図が例示されている。上記のいくつかのコンポーネントのほか、前記装置３００は、載置部材３６２、２６４によりそれぞれ前記ベース１１０に連結されたレストレイント（移動制約部材）３５２、３５４を含む。ただし一実施形態では、これらのレストレイントは前記装置３００内に固定され得る。例えば、前記レストレイント３５２は、前記載置部材が不要になるよう前記摩擦素子１７０または前記被駆動素子１９０に連結する場合もある。
【００２７】
前記レストレイント３６２、３６４は、前記圧電素子１５０の運動が実質的に縦方向の伸縮だけに制限されるよう、この圧電素子１５０の曲げ、回転、または他の面外運動を制限し得る。直線運動用に設計された特定の形状および組成の圧電素子は、一定の周波数および一定の負荷下で曲がる動きを呈することが知られている。前記レストレイント３５２、３５４は、前記圧電素子１５０の少なくとも一部に表面接触し続けることにより、このような曲がりを防ぐ。一実施形態では、前記レストレイント３５２、３５４は、ガラス、金属、合金、および／または、マイクロスケールの実施形態の材料に類似する、または類似しない他の材料を有する場合があり、約０．１ｍｍ〜約１ｍｍ範囲の厚さを有し得る。他の実施形態では、前記レストレイント３５２およびレストレイント３５４は、シリコン、サファイア、セラミック、アルミニウムセラミック、これらの合金、および／または他の材料を有する場合があり、約０．１μｍ〜約５μｍ範囲の厚さを有し得る。一実施形態では、前記レストレイント３５２は、前記摩擦素子１７０の厚さにほぼ等しい厚さを有する。
【００２８】
前記レストレイント３５２、３５４の長さは、前記圧電素子１５０の長さの約１０％〜約９５％範囲になり得る。例えば、前記レストレイント３５２、３５４の長さを最大化するとき、前記圧電素子１５０が付勢されない、非作動配置であり得る配置にある場合、可能性として前記圧電阻止１５０の前記先端に前記摩擦素子１７０を取り付けるための十分な空間を残しつつ、実質的に前記圧電素子１５０の長さに及ぶ。一実施形態では、前記レストレイント３５２、３５４の長さは、前記圧電素子１５０の長さの約４０％〜約６０％範囲に成り得る。前記レストレイント３５２、３５４の長さは、形状、サイズ、組成、電気接続などに関して互いに異なる場合もある。
【００２９】
前記レストレイント３５２、３５４が導電性の実施形態では、前記載置部材３６２、３６４は絶縁体としての役割を果たし、前記圧電素子１５０および前記ベース１１０の短絡を防止する。一部の実施形態では、これらのレストレイントは導電性だが絶縁層で覆われ、前記圧電素子１５０および前記ベース１１０の短絡を防いでいる。前記圧電素子１５０も、エラストマー層であって、運動を可能にしつつ前記圧電素子１５０および他のいかなるコンポーネント（前記ベース１１０など）との短絡も防ぐエラストマー層で覆われる場合がある。また他の実施形態では、図３より多数または少数のレストレイントおよび載置部材が設けられる。
【００３０】
図２を参照しつつ図４を参照すると、図２に示した前記マイクロ電子装置２００の別の実施形態に参照番号４００を割り当てたものの断面図が例示されている。上記のコンポーネントに加え、前記装置４００は平衡錘４６５を含む。この平衡錘４６５は前記圧電素子１５０の前記先端１５１に取り付けられる。他の実施形態では、前記平衡錘４６５の配置は場合により異なり、前記圧電素子１５０の種々の位置に複数の平衡錘が配置される場合もある。
【００３１】
この平衡錘４６５は、ステンレス鋼、鉛、および／または他の材料を有してよく、重量は前記圧電素子１５０の重量の約５０％〜約１５０％範囲である。この平衡錘４６５は、鋳造、機械加工、電解加工（ＥＣＭ）、放電加工（ＥＤＭ）、フライス加工、および／または他の方法で製造できる。前記平衡錘は、前記圧電素子１５０と一体型にしても、接着剤、固定部材、および／または他の手段で前記圧電素子１５０に取り付けてもよい。前記平衡錘４６５の１若しくはそれ以上の横方向寸法は、前記圧電素子１５０の長さの約１０％〜約２０％範囲になり得る。前記平衡錘４６５とその態様とに関し挙げる例は、例示的なものであり、他の実施形態は異なる特性を有す場合もある。
【００３２】
図５は、本開示の態様に従った圧電素子５００の一実施形態の斜視図を例示したものである。この圧電素子５００は、図１〜図４に示した前記圧電素子１５０の実施形態の態様の一部を具体化したは、これら圧電部材５５０ａ〜ｄにそれぞれ印加される実質的に類似した電気信号が各前記部材で実質的に類似した伸縮運動を生じるよう、互いに実質的に類似し得る。これらの圧電部材５５０ａ〜ｄは、これらをベースまたは基板（図示せず）に連結する部材としても機能する絶縁体５３０ａ〜ｄにより共通端で結合できる。他の実施形態では、これらの圧電部材をクランプ、接着剤、または積層により互いに一体化する場合もある。これらの圧電部材５５０ａ〜ｄは、摩擦素子５７０ａ〜ｄを介し、調和して運動を被駆動素子に伝達することができ、各前記摩擦素子５７０ａ〜ｄは、組成および製造上、図１ａに示した前記摩擦素子１７０に実質的に類似したものであってよい。
【００３３】
図６では、図５に示した前記圧電素子５００のさらに異なる実施形態に参照番号６００を割り当てたものの斜視図を例示している。この圧電素子６００は、それぞれ図５に示した前記圧電部材５５０ａ〜ｄに実質的に類似し得る複数の圧電部材６５０ａ〜ｄを有するが、他の構成は本開示の範囲内である。スペーサー６３０ａ〜ｃが介在し、前記圧電部材６５０ａ〜ｄを連結する場合もある。これらスペーサー６３０ａ〜０ｃのうち、前記圧電部材６５０ａ〜ｄの反対端近傍に位置するものもある。例えば例示した実施形態では、前記スペーサー６３０ａは、前記圧電部材６５０ｂの前記スペーサー６３０ｂに対する反対側（反対面）の反対端近傍にある。
【００３４】
各圧電部材６５０ａ〜ｄは、それぞれ隣り合う圧電部材と反対方向へ付勢され得る。例えば、前記圧電部材６５０ａおよび６５０ｃは、前記圧電部材６５０ｂおよび６５０ｄを伸長させ得る電気信号に応答して収縮し得る。摩擦素子６７０は、前記圧電部材６５０ａ〜ｄのうち最も外側の１若しくはそれ以上の作動端付近に位置付けてよく、例えば図１ａ〜図４に示した被駆動素子の係合に使用できる。
【００３５】
図７は、本開示の態様に従った装置７００の一実施形態の斜視図を例示したものである。この装置７００は、２つの独立した移動平面または移動方向をもたらし、圧電素子７５０に取り付けられたベース７１０を含む。
【００３６】
このベース７１０は、組成および製造上、図１ａに示した前記ベース１１０と実質的に類似したものであってよい。一実施形態では、前記ベース１１０の長さおよび幅は、双方とも約５ｍｍ〜約２０ｍｍ範囲に成り得る。他の実施形態では、このベース１１０の長さおよび幅が双方約５０μｍ〜約２００μｍ範囲になる場合もある。
【００３７】
前記圧電素子７５０は、全体として角を成す部材として成形され、可能性として連結または一体化して形成された２つ以上のセグメントを含む。この圧電素子７５０の成す角度は、約４５度〜約１３５度の範囲に成り得る。この圧電素子７５０は、上記の圧電素子に類似した材料を有してよく、類似原理に従って製造してよい。一実施形態では、前記圧電素子７５０の長さおよび幅は、約０．５ｃｍ〜約１５ｃｍ範囲に成り得る。他の実施形態では、この圧電素子７５０の長さおよび幅は、約５０μｍ〜約２００μｍ範囲になる場合もある。
【００３８】
前記装置７００は、前記圧電素子７５０の２つ以上のセグメントの頂点または接合部の付近に取り付けられた摩擦素子７７０を含む場合もある。この摩擦素子７７０は、組成および製造上、図１ａに示した前記摩擦素子１７０と実質的に類似したものであってよい。
【００３９】
この装置７００は、２つの被駆動素子７９０ａおよび７９０ｂも含む。前記被駆動素子７９０ａは、前記ベース７１０に対し第１の方向７０５へスライドするように構成されており、前記被駆動素子７９０ｂは、前記被駆動素子７９０ａ（従って前記ベース７１０）に対し第２の方向７０７へスライドするように構成されている。一実施形態では、前記第１の方向７０５および第２の方向７０７は、実質的に直交し合うが、他の相対配向も本開示の範囲内である。
【００４０】
前記圧電素子７５０は、それぞれ前記摩擦素子７７０の取り付け点から遠位にある２端で前記ベース７１０に取り付けてよい。これにより、前記圧電素子７５０に電気信号を与えて、少なくとも２つの移動平面または移動方向に沿って前記圧電素子７５０を作動させることが可能になる。この２つの移動方向は、上記のように前記被駆動素子７９０ｂの表面を２次元移動するように構成された、２つの別個の部材である前記被駆動素子７９０ａ、７９０ｂの移動に対応し得る。これらの被駆動素子７９０ａ、７９０ｂは、それぞれ組成および製造上、図１ａに示した前記被駆動素子１９０と実質的に類似したものであってよい。粗位置決めは、例えば変動する電気信号を適用して、前記被駆動素子７９０ａ、７９０ｂの一方または双方のスリップ−スティック移動を生ずることにより、もたらすことができる。微細な位置決めは、例えば非変動電気信号を前記圧電素子７５０に適用することによりもたらすことができる。
【００４１】
図８は、本開示の態様に従った装置８００の一実施形態の破断図を例示したものである。この装置８００は、被駆動素子８９０に回転運動を生じるように構成できる。この装置８００は、ベース８１０および絶縁体８３０を含み、前記絶縁体８３０は、圧電素子８５０を前記ベース８１０に取り付けている。前記ベース８１０と、前記絶縁体８３０と、前記圧電素子８５０との組成および製造は、上記の実施形態のものに類似したものであってよい。前記圧電素子８５０は、スライド自在に摩擦により前記被駆動素子８９０に係合する摩擦素子８７０が取り付けられている場合がある。この被駆動素子８９０は、組成および製造上、図１ａに示した前記被駆動素子１９０に実質的に類似したものであってよく、実質的に円盤形状で、可能性として約０．５ｃｍ〜約１５ｃｍ範囲の直径を有してよい。他の実施形態では、この被駆動素子８９０の直径は約５０μｍ〜約２００μｍ範囲になり得る。
【００４２】
この被駆動素子８９０は、回転自在に前記ベース８１０に取り付けてよい。前記被駆動素子８９０の回転は、第１の変動電気信号を前記圧電素子８５０に適用することにより、もたらすことができる。変動する電気信号は、前記被駆動素子８９０のスリップ−スティック移動を生じ得る。スリップ−スティック移動を使うと粗位置決めを実現でき、他方、微細な位置決めは、非変動の電気信号の適用により可能となる。前記被駆動素子８９０は、前記第１の変動電気信号と異なる形態の変動電気信号を適用すると、反対方向に回転させることができる。
【００４３】
図９は、本開示の態様に従った装置９００の一実施形態の斜視図を例示したものである。この装置９００は、被駆動素子９９０ａ、９９０ｂの回転移動を生じることができ、前述の装置８００に類似している。この装置９００は、ベース９１０と、圧電素子９５０ａ、９５０ｂの取り付け用ブラケット９１２とを有する。前記ブラケット９１２は、酸化アルミニウム、セラミック、ベリリウム、真ちゅう、金、および／または他の材料を有し得る。例示した実施形態では、圧電素子９５０ａ、９５０ｂにそれぞれ電気信号を与えるため、電極９５５ａ、９５５ｂを採用している。この構成では、前記圧電素子９５０ａ、９５０ｂに、それぞれ摩擦素子９７０ａ、９７０ｂを取り付けてよい。これら摩擦素子９７０ａ、９７０ｂは、被駆動素子９９０ａまたは９９０ｂ、もしくはその双方に独立に係合し得る（これら摩擦素子９７０ａおよび／または９７０ｂは、前記圧電素子９５０ａおよび／または９５０ｂの各反対面上に配置できる）。図９の実施形態において、前記装置９００は、２つの圧電素子９５０ａ、９５０ｂと、２つの被駆動素子９９０ａ、９９０ｂとを含むが、本開示の範囲内で、任意数の圧電素子により係合される任意数の被駆動素子を含んでよい。
【００４４】
前記被駆動素子９９０ａ、９９０ｂは、同軸回転するよう中心軸に沿って取り付けられている。これらの被駆動素子９９０ａ、９９０ｂは、固定ユニットとして回転するように、または互いに独立して回転するするように構成できる。前記被駆動素子９９０ａ、９９０ｂの粗い回転運動は、前記電極９５５ａ、９５５ｂを介して前記圧電素子９５０ａ、９５０ｂに変動電気信号を適用する結果生じるスリップ−スティック運動により制御可能である。この信号は、一方の圧電素子（圧電素子９５０ａなど）が「スリップ」位相になり、他方の圧電素子（圧電素子９５０ｂなど）が「スティック」位相になるように与えられる。前記圧電素子９５０ａ、９５０ｂの一方または双方に非変動電気信号を与えて微細な位置決めを制御することもできる。
【００４５】
図１０は、本開示の態様に従ったマイクロ電子装置１０００の別の実施形態の側面図を例示したものである。この装置１０００は、被駆動素子１０９０、１０９１に、それぞれ基板１０１１に対し実質的に直交する運動を生じ得る。この装置１０００は、前記基板１０１１上に、またはその上位に載置されたベース１０１０を有する。前記ベース１０１０、１０１１の材料および製造方法は、前述の実施形態のベースについて説明したものに実質的に類似したものであってよい。前記ベース１０１０、１０１１は、接着剤および／または他の手段により取り付けられた別個のコンポーネントであっても、互いに一体化したものであってもよい。
【００４６】
付勢素子１０１５は前記ベース１０１０に載置され、材料および製造上、上記で説明した付勢素子に対応したものであってよく、場合によってはスペーサー１０２０が取り付けられており、材料および製造上、上記で説明したスペーサーに対応したものであってよい。前記付勢素子１０１５の張力は、例えばネジ式固定部材１０２５および／または他の手段により調整可能である。前記付勢素子１０１５は、前記圧電素子１０５０および／またはそれに取り付けられた摩擦素子１０７０をウェアプレート１０９５に抗して付勢する。この摩擦素子１０７０およびウェアプレート１０９５は、組成および製造上、前述の摩擦素子およびウェアプレートにそれぞれ実質的に類似したものであってよい。一部の実施形態では、前記ウェアプレート１０９５の有無は任意である。
【００４７】
圧電素子１０５０は、変動電気信号を適用した結果生じるスリップ−スティック運動による粗位置決め用に前記被駆動素子１０９０を移動するよう作用する。微細な位置決めをもたらすには、非変動電気信号を前記圧電素子１０５０に適用する。この圧電素子１０５０は、組成および製造上、上記で説明した圧電素子と実質的に類似したものであってよい。例示した実施形態では、前記被駆動素子１０９０は、環状のベルト１０９２を介して前記被駆動素子１０９１に取り付けられる。前記被駆動素子１０９０、１０９１は、組成および製造上、前述の被駆動素子に実質的に類似したものであってよい。ただし、第２の被駆動素子である前記被駆動素子１０９１は、第１の被駆動素子である前記被駆動素子１０９０に類似したものであっても、異なったものであってもよい。
【００４８】
前記被駆動素子１０９０、１０９１を連結する前記ベルト１０９２は、シリコン、ゴム、ステンレス鋼、および／または他の材料から成るものであってよい。このベルト１０９２は、長さが約１．５ｃｍ〜約４５ｃｍの範囲、厚さは約１００μｍ〜約２５０μｍの範囲であり得る。このベルト１０９２は、実質的に円柱型のローラーまたはテンショナ１０９３および１０９４により支持できる。これらのテンショナ１０９３、１０９４は、シリコン、金属、および／または他の材料を有してよい。これらのテンショナの寸法は、前記ベルト１０９２および前記圧電素子１０５０の寸法に従って設定される。これらのテンショナ１０９３、１０９４は、軸受けやポストなどを含む支持構造１０９９により前記基板１０９４に回転自在に取り付けることができる。前記ベルト１０９２は、第１の被駆動素子である前記被駆動素子１０９０の移動を第２の被駆動素子である前記被駆動素子１０９１に伝達する。上記で示した寸法は、マクロスケールの実施形態を参照したものであるが、可能性としてマイクロスケールの実施形態を含む、より小さいサイズに前記装置１０００をスケーリングすることも可能である。
【００４９】
図１１は、本開示の態様に従った装置１１００の一実施形態の斜視図を例示したものである。この装置１１００は、材料、構造、および寸法について、前記装置１００（図１ａ）に実質的に類似したものであってよい。例えば、ベース１１１０および被駆動素子１１９０は、材料、構造、および寸法について、前記装置１００の前記ベース１１０および前記被駆動素子１９０にそれぞれ類似したものであってよい。この装置１１００は、両端で前記ベース１１１０に固定できる圧電素子１１５０を特徴として備えている。この圧電素子１１５０は、２つ以上の部分１１５１、１１５２を含む部分に区分または分割することもでき、それらの各部は互いに電気的に絶縁できる。絶縁体１１３０ａ、１１３０ｂは、前記圧電素子１１５０を前記ベース１１１０に固定する役割を果たす。これらの絶縁体１１３０ａ、１１３０ｂは、前記装置１００の前記絶縁体１３０に実質的に類似したものであってよい。前記圧電素子１１５０は、実質的にリード形状であってよく、それ以外の場合は前記装置１００の前記圧電素子１５０に類似したものであってよい。摩擦素子１１７０は、実質的中心点で前記圧電素子１１５０に取り付け可能である。この摩擦素子１１７０は、前記装置１００の前記摩擦素子１７０に実質的に類似したものであってよい。作動時、前記装置１１００は、異なる極性の作動信号を前記圧電素子１１５０の異なるセクション１１５１、１１５２に適用することにより作用する。このような場合、前記圧電素子１１５０の１セクション（セクション１１５１）の収縮と、異なる別のセクション（セクション１１５２）における対応する伸長との結果、前記スライドテーブル１１９０に抗した前記摩擦素子のスリップ−スティック移動が生じる。
【００５０】
図１２は、本開示の態様に従った圧電素子１２５０用の電極構成１２００の一実施形態の斜視図を例示したものである。圧電素子１２５０は、前記圧電素子１５０（図１ａ）など、前述の圧電素子に実質的に類似したものであってよい。主要電極１２３１は、前記圧電素子１２５０上に、実質的にその全長にわたり配置される。一部の実施形態では、この主要電極１２３１は複数の電極である。この主要電極１２３１の配置は図面と異なる場合もある。この主要電極１２３１は、銅、金、および／または他の材料を有してよく、これらの材料は前記圧電素子１２５０上に成膜するか、前記圧電素子１２５０と一体的に形成し得る。補正電極１２３２、１２３３は、前記圧電素子１２５０上に、実質的にその全長にわたり、可能性として前記主要電極１２３１の両側辺に配置できる。これらの補正電極１２３２、１２３３の数および配置は、場合により図面と異なる。これらの補正電極１２３２、１２３３は、銅、金、および／または他の材料を有してよく、これらの材料は前記圧電素子１２５０上に成膜するか、前記圧電素子１２５０と一体的に形成し得る。
【００５１】
前記摩擦素子１７０（図１ａ）などの摩擦素子（図示せず）は、前記圧電素子１２５０に取り付けて被駆動素子（図示せず）の移動を伝達することができる。作動時、前記主要電極１２３１は、作動信号を前記圧電素子１２５０に提供するために使用できる。この作動信号は、前述の実施形態に関する説明のとおりであってよい（波形または非変動電圧など）。前記補正電極１２３２、１２３３は、前記圧電素子１２５０の湾曲または移動に補正を加えるため、前記主要電極１２３１の代わりに、または前記主要電極１２３１に加えて使用できる。前記主要電極１２３１と同様、前記補正電極１２３２、１２３３からは、前記主要電極１２３１からの供給電圧より小さい、前記供給電圧より大きい、または前記供給電圧に等しい波形の電圧または非変動電圧を供給してよい。
【００５２】
図１３は、本開示の態様に従った圧電素子１３００の別の実施形態の斜視図を例示したものである。この圧電素子１３００は、１若しくはそれ以上の前述の装置（前記装置１００など）、または他の装置において利用し得る。この装置１３００は、例えば載置部材１３３０ａ、１３３０ｂにより、ベース（図１ａの前記ベース１１０など）に載置してよい。一部の実施形態では、この載置部材の配置は図示した配置と異なる場合がある。前記圧電素子１３００は、材料および構造上、上記で説明した圧電素子に類似したものであってよい。この圧電素子１３００は、１若しくはそれ以上の圧電部材１３５０ａ〜ｃを有する場合がある。これらの部材１３５０ａ〜ｃは、一体的に形成しても、別個に形成したのち活着し合ってもよい。電極１３３１ａ、１３３１ｂ、１３３１ｃは、前記部材１３５０ａ、１３５０ｂ、１３５０ｃとの実質的長さ方向に沿ってそれぞれ取り付けてよい。これらの電極１３３１ａ、１３３１ｂ、電極１３３１ｃは、前記電極１２３１（図１２）に実質的に類似したものであってよい。
【００５３】
作動時、これらの電極１３３１ａ〜ｃは、前記部材１３５０ａ〜ｃにそれぞれ作動信号を適用するため使用できる。前述のとおり、この作動信号は波形の電圧であっても非変動電圧であってもよい。前記電極１３３１ｂを介して前記部材１３５０ｂに送る信号の極性は、前記電極１３３１ａ、１３３１ｃを介してそれぞれ前記部材１３５０ａ、１３５０ｃに送る信号の極性と反対である場合がある。これにより、前記部材１３５０ｂの伸長は、前記部材１３５０ａ、１３５０ｃの収縮に対応し、その逆も言える。摩擦素子１３７０は、前記圧電素子１３００に取り付けてスライドベッド１９０（図１ａ）などの被駆動素子（図示せず）と連動させることができる。前記摩擦素子１３７０は、材料および構造上、前述の摩擦素子（図１ａの前記摩擦素子１７０など）に類似したものであってよい。前記圧電素子１３００の熱膨張は、前記摩擦素子１３７０の望ましくない変位の原因と成り得るが、前記部材１３５０ａと反対方向への前記部材１３５０ｂの膨張により回避可能である。
【００５４】
図１４は、本開示の装置１４００のさらに異なる他の実施形態の斜視図を例示したものである。この装置１４００は、材料、構造、および寸法について、前記装置７００（図７）に類似したものであってよい。前記装置７００同様、この装置１４００は、２つの独立な移動平面をもたらし得る（１４０５および１４０７など）。この装置１４００は、複数の圧電素子１４５０ａ〜ｈを有する場合がある。一部の実施形態では、２つ以上の前記圧電素子１４５０ａ〜ｈを併せる、または角を成した単一の圧電素子７５０などの（図７）圧電素子として製造することができる。この装置１４００は、複数の摩擦素子１４７０と１４７１と１４７２と１４７３とを有し得る。これら摩擦素子１４７０と１４７１と１４７２と１４７３とは、摩擦素子７７０（図７）に実質的に類似したものであってよい。前記圧電素子１４５０ａ〜ｈは、前述の波形に応答して伸縮し、粗位置決め用にスリップ−スティック運動をもたらし得る。微細な位置決めは、前述のとおり前記圧電素子１４５０ａ〜ｈのうち１若しくはそれ以上に非変動電圧の適用によりもたらし得る。
【００５５】
本開示は、一実施形態において、被駆動素子にスライド自在に係合するように構成されたベースを含む装置を提供する。圧電素子は、前記ベースと前記被駆動素子との間に介在し、前記圧電素子の第１の端近傍で前記ベースに取り付けられている。摩擦素子は、前記圧電素子の第２の端近傍に取り付けられ、選択的に前記被駆動素子に係合するよう構成されている。
【００５６】
また、本開示では、一実施形態において、凹部を有するスライドベッドを含む装置と、内面にウェアプレートを有するスライドテーブルと、摩擦素子が取り付けられた圧電リードとを導入している。前記リードは、前記スライドベッドの前記凹部内に載置され、前記摩擦素子を介して前記ウェアプレートに摩擦により係合する。
【００５７】
本開示の態様に従って構成された装置の別の実施形態は、被駆動素子にスライド自在に係合するように構成されたベースと、それぞれ前記ベースに平行な第１および第２の圧電素子とを含む。摩擦素子は、前記第１および第２の圧電素子の接合部近傍にあり、第１の方向および第２の方向に延長する。
【００５８】
本開示の態様に従った装置の別の実施形態は、回転自在に基板に連結された回転自在な素子を含む。このような実施形態では、圧電素子は前記基板に連結されており、摩擦素子は前記圧電素子に連結されている。この摩擦素子は、前記回転自在な素子に摩擦により係合して、前記回転自在な素子に回転運動を与えるよう構成されている。
【００５９】
また、本開示の態様に従って構成された装置は、第１および第２の被駆動素子と、前記第１の被駆動素子にスライド自在に係合する圧電素子とを含む場合もある。前記第１および第２の被駆動素子は、少なくとも１つのローラーに支持された連続的で柔軟なベルトを介して互いに連結されている場合がある。
【００６０】
以上、本開示の実施形態を詳述したが、当業者であれば、本開示の要旨を変更しない範囲で種々の変形形態、置換形態、および修正形態が可能であることが理解されることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
本開示は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を読むことにより最もよく理解される。本分野の標準的慣行に基づき、種々の特徴は実際の縮尺どおりに描画されていないことをここに特筆する。例えば、種々の特徴の寸法は、説明を明瞭にするため適宜拡大または縮小している場合がある。
【図１ａ】図１ａは、本開示の態様に従った装置の一実施形態の少なくとも一部の斜視図である。
【図１ｂ】図１ｂは、本開示の態様に従った装置の一実施形態の少なくとも一部の斜視図である。
【図２】図２は、本開示の態様に従った装置の一実施形態の少なくとも一部の断面図である。
【図３】図３は、本開示の態様に従った装置の一実施形態の少なくとも一部の断面図である。
【図４】図４は、本開示の態様に従った装置の一実施形態の少なくとも一部の断面図である。
【図５】図５は、本開示の態様に従った装置の一実施形態の少なくとも一部の斜視図である。
【図６】図６は、本開示の態様に従った装置の一実施形態の少なくとも一部の斜視図である。
【図７】図７は、本開示の態様に従った装置の一実施形態の少なくとも一部の斜視図である。
【図８】図８は、本開示の態様に従った装置の一実施形態の少なくとも一部の破断斜視図である。
【図９】図９は、本開示の態様に従った装置の一実施形態の少なくとも一部の斜視図である。
【図１０】図１０は、本開示の態様に従った装置の一実施形態の少なくとも一部の側面図である。
【図１１】図１１は、本開示の態様に従った装置の一実施形態の少なくとも一部の斜視図である。
【図１２】図１２は、本開示の態様に従った装置の一実施形態の少なくとも一部の斜視図である。
【図１３】図１３は、本開示の態様に従った装置の一実施形態の少なくとも一部の斜視図である。
【図１４】図１４は、本開示の態様に従った装置の一実施形態の少なくとも一部の斜視図である。
【図１ａ】
2005321377.tif 000003
【図１ｂ】
2005321377.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【外国語明細書】
POSITIONING DEVICE FOR MICROSCOPIC MOTION
BACKGROUND
Positioning devices may be employed in applications of varying scale, such as in microscopy (e.g., scanning probe microscopy), micro-assembly, and nano-assembly.  Positioning devices may also be employed in applications of varying function, such as for probing, characterization, imaging and testing, as well as for manipulation and assembly.
Such positioning devices may be employed where it is necessary for a subject piece being examined or assembled to be coarsely positioned on a larger scale, such as to move the subject generally into place, and then finely positioned on a smaller scale to complete examination or assembly.  Moreover, fine positioning can be critical to manipulation and examination of small-scale assemblers, probes, and scanning microscopes.  For example, on very small scales, vibrations that may be caused by traditional coarse positioning devices can become intolerable.  Nonetheless, it is often desirable or necessary for coarse positioning and fine positioning to be available on the same device.
The terms "micro-electronic device" and "micro-assembly" are employed generically herein to encompass micro-electronic components, micro-mechanical components, micro-electro-mechanical components, MEMs components and assemblies thereof.  Generally, micro-electronic devices have feature dimensions that are less than about 1000 microns.  The present disclosure also relates to nano-electronic devices, including nano-electro-mechanical devices (NEMs), which may have feature dimensions that are less than about 10 microns.  Macro-scale electronic devices may also be used to generate movements on a microscopic scale and are also within the scope of the present disclosure.  Macro-scale devices generally have feature dimensions that are larger than about 1000 microns, although 1000 microns is not an absolute demarcation between micro-scale and macro-scale devices.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
The present disclosure is best understood from the following detailed description when read with the accompanying figures.  It is emphasized that, in accordance with the standard practice in the industry, various features are not drawn to scale.  In fact, the dimensions of the various features may be arbitrarily increased or reduced for clarity of discussion.
Fig. 1a is a perspective view of at least a portion of one embodiment of an apparatus according to aspects of the present disclosure.
Fig. 1b is a perspective view of at least a portion of one embodiment of an apparatus according to aspects of the present disclosure.
Fig. 2 is a sectional view of at least a portion of one embodiment of an apparatus according to aspects of the present disclosure.
Fig. 3 is a sectional view of at least a portion of one embodiment of an apparatus according to aspects of the present disclosure.
Fig. 4 is a sectional view of at least a portion of one embodiment of an apparatus according to aspects of the present disclosure.
Fig. 5 is a perspective view of at least a portion of one embodiment of an apparatus according to aspects of the present disclosure.
Fig. 6 is a perspective view of at least a portion of one embodiment of an apparatus according to aspects of the present disclosure.
Fig. 7 is a perspective view of at least a portion of one embodiment of an apparatus according to aspects of the present disclosure.
Fig. 8 is a cutaway perspective view of at least a portion of one embodiment of an apparatus according to aspects of the present disclosure. 
Fig. 9 is a perspective view of at least a portion of one embodiment of an apparatus according to aspects of the present disclosure.
Fig. 10 is a side view of at least a portion of one embodiment of an apparatus according to aspects of the present disclosure.
Fig. 11 is a perspective view of at least a portion of one embodiment of an apparatus according to aspects of the present disclosure.
Fig. 12 is a perspective view of at least a portion of one embodiment of an apparatus according to aspects of the present disclosure.
Fig. 13 is a perspective view of at least a portion of one embodiment of an apparatus according to aspects of the present disclosure.
Fig. 14 is a perspective view of at least a portion of one embodiment of an apparatus according to aspects of the present disclosure.
DETAILED DESCRIPTION
It is to be understood that the following disclosure provides many different embodiments, or examples, for implementing different features of various embodiments.  Specific examples of components and arrangements are described below to simplify the present disclosure.  These are, of course, merely examples and are not intended to be limiting.  In addition, the present disclosure may repeat reference numerals and/or letters in the various examples.  This repetition is for the purpose of simplicity and clarity and does not, in itself, dictate a relationship between the various embodiments and/or configurations discussed.  Moreover, the formation of a first feature over or on a second feature in the description that follows may include embodiments in which the first and second features are formed in direct contact, and may also include embodiments in which additional features may be formed interposing the first and second features, such that the first and second features may not be in direct contact.
Referring to Fig. 1a, illustrated is a perspective view of at least a portion of one embodiment of an apparatus 100 according to aspects of the present disclosure.  The apparatus 100 may be, include, or comprise a portion of an electro-mechanical device, a micro-electro-mechanical device (e.g., a MEMS device), a microelectronic device or other device within the scope of the present disclosure.
The apparatus 100 includes a base 110, which may comprise plastic, metal, silicon, and/or other materials.  The base 110 may be manufactured by casting, molding, machining, ion beam milling, and/or other methods.  The thickness of the base 110 may range from about 0.1 millimeters to about 1 millimeter, the length of the base 110 may range from about 5 millimeters to about 20 millimeters, and the width may range from about 2.5 millimeters to about 5 millimeters.  In other embodiments, thickness of the base 110 may range between about 0.1 microns and about 5 microns, the length may range between about 50 microns and about 200 microns, and the width may range between about 25 microns and about 50 microns.  Other ranges are possible that may be outside of those given.  The present disclosure is not meant to be limited by ranges given herein.
An insulator 130 may be employed to attach an end 151 of a piezoelectric element 150 to the base 110.  The insulator 130 may comprise glass, silicon oxide, and/or other dielectric materials.  The insulator 130 may be formed by cutting, grinding, casting, machining, electro-discharge machining (EDM), and/or other methods, possibly to a thickness ranging from about 0.1 millimeter to about 1 millimeter.  In other embodiments, the insulator 130 may be manufactured or otherwise formed on or over the base 110 by chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), plasma enhanced CVD (PECVD), atomic layer deposition (ALD), and/or other processes, possibly to a thickness ranging between about 0.1 microns and about 5 microns.
In some embodiments, the insulator 130 may be optional.  For example, a portion or layer of the base 110 may comprise a dielectric material, such that the end 151 of the piezoelectric element 150 may be attached directly to the base 110.  The piezoelectric element 150 and the base 110 may also be electrically and/or physically separated by features other than the insulator 130. 
The piezoelectric element 150 may be generally reed-shaped.  For example, the piezoelectric element 150 may have a substantially rectilinear shape having a width substantially greater than a thickness and a length substantially greater than the width, such that a cross-section substantially orthogonal to any axis of the piezoelectric element 150 may be substantially rectangular.  However, other configurations are possible.  For example, the piezoelectric element 150 may also have a circular cross-section, or perhaps a rounded but non-circular cross-section such as that which would reduce rotation of the piezoelectric element 150 relative to the base 110 or other proximate component.  The cross-section of the piezoelectric element 150 may also vary in size and/or shape along its length.
The piezoelectric element 150 may comprise piezoelectric materials such as, for example, lead zirconate titanate (PZT), lead titanate (PbTiO3), lead metaniobate (PbNb2O6), polyviylidene-fluoride (PVDF), zinc oxide (ZnO), polyviylidene-fluoride-triflourethylene (PVDF-TrFE), and/or other materials.  The piezoelectric element 150 may be formed by sintering, grinding, and/or other processes.  The piezoelectric element 150 may also be polarized.  For example, the piezoelectric element 150 may be polarized by being heated (e.g., to above the curie point) and having an electric and/or magnetic field applied, and/or by other methods.
The piezoelectric element 150 may have thickness ranging between about 0.1 millimeters and about 1 millimeter.  The length may range between about 0.5 centimeters and about 15 centimeters and the width may range between about 2.5 millimeters and about 5 centimeters.  In other embodiments, the piezoelectric element 150 may have a thickness ranging from about 0.1 microns to about 5 microns, a width ranging from about 25 microns to about 50 microns, and a length ranging from about 50 microns to about 200 microns.
The piezoelectric element 150 may respond to an electrical signal by elongating and/or constricting.  A periodic or otherwise fluctuating electrical signal or wave may be applied to the piezoelectric element 150 to achieve coarse positioning with the apparatus 100, while a non-fluctuating electrical signal may be employed to achieve fine positioning using the same piezoelectric element.  In some embodiments, the piezoelectric element 150 may respond to either electrical signal by bending, in addition to or in the alternative to elongation and/or constriction.
A friction element 170 may be coupled to an end 156 of the piezoelectric element 150 distal from the insulator 130, such as to take full advantage of the motion of the piezoelectric element 150.  The friction element 170 may comprise aluminum-bronze, phosphor-bronze, copper-beryllium, copper alloys, sapphire, and/or other materials, and may be formed by electro-chemical machining (ECM), electrical discharge machining (EDM), milling, and/or other methods.  In one embodiment, the friction element 170 may be a boss extending from the piezoelectric element 150 wherein such an extension may be integrated with, or coupled to, the piezoelectric element 150. 
In one embodiment, the thickness of the friction element 170 may range between about 0.1 millimeters and about 1 millimeter, and the diameter may range between about 0.8 millimeters and about 5 millimeters.  The diameter may range between about 8 microns and about 50 microns.  In other embodiments, the thickness of the friction element 170 may range between about 0.1 microns and about 5 microns.
The shape of the friction element 170 may be substantially cylindrical.  In other embodiments, the friction element 170 may have other shapes or configurations, such as polyhedral shapes.  The friction element 170 may also have a substantially square or rectangular footprint relative to the piezoelectric element 150.  The friction element 170 may also comprise multiple friction members arranged in various configurations on the piezoelectric element 150.  For example, Fig. 1b illustrates a perspective view of another embodiment of the friction element 170, designated by reference number 170a, according to aspects of the present disclosure.  The friction element 170a includes a central section 171 which may have means (e.g., a fastener hole 172) for attachment to an piezoelectric element 150 (Fig. 1a).  Supports 174a-d, which may be springs or otherwise resilient and/or flexible members or portions, support friction members 175a-d, respectively.  The friction members 175a-d, and possibly a substantial portion of the entire friction element 170a, may be substantially similar to the friction element 170 (Fig. 1a) in composition, manufacture, and/or otherwise.
As shown in Fig. 1a, the friction element 170 selectively frictionally engages a driven element 190.  The driven element 190 may be guided or restricted in one or more degrees of freedom (e.g., its planes of movement) by the base 110.  For example, the base 110 may restrict predetermined degrees or directions of translation and/or rotation of the driven element 190 by employing a friction slide or a rolling element bearing slide configuration.  Accordingly, motion of the driven element 190 may be limited to one degree of freedom, although other embodiments may allow more degrees of freedom.  The driven element 190 may hold or convey an object or specimen 199 that is being moved by the apparatus 100.  For example, the object 199 may be a micro-component or nano-device being assembled, or a specimen being scanned by a scanning electron microscope (SEM), other charged particle apparatus, or other types of microscopes.  In some embodiments, the apparatus 100 includes attachment means for retaining the specimen 199 on the surface of the driven element 190.  For example, the driven element 190 may include a recess or groove configured to receive the specimen 199, or a snap-type or friction connector may secure the test specimen 199 to the driven element 190.
The movement of the driven element 190 may be achieved by applying an electrical signal to the piezoelectric element 150, which may cause the piezoelectric element to elongate or contract.  The friction element 170, or the piezoelectric element 150 itself, may transfer some, all, or a portion of, such movement to the driven element 190 based on the frequency, amplitude, and/or shape of the electrical signal.  For example, to achieve coarse positioning with the apparatus 100, a voltage waveform may be applied to the piezoelectric element 150.  Examples of voltage waveforms may include, but are not limited to, square waves, saw-tooth waves, cycloidal waves, parabolic waves, and/or superimpositions or combinations thereof.
For example, in embodiments in which a saw-tooth voltage waveform is applied, the piezoelectric element 150 may elongate or contract according to its bias or polarity.  During the relatively shallow phase of the waveform, the piezoelectric element 150 (or the friction element 170) may "stick" to the driven element 190 for a substantial portion of the shallow phase such that most or all of the movement of the piezoelectric element is transferred to the driven element 190.  However, during the relatively steep phase of the waveform, the elongation/contraction of the piezoelectric element 150 will be correspondingly faster and may cause the piezoelectric element 150 (or friction element 170) to overcome the static friction against the driven element 190 and "slip" during a substantial portion of the steep phase such that little or no movement of the piezoelectric element 190 may be transferred to the driven element 190.  When the shallower phase of the waveform returns, the elongation/contraction of the piezoelectric element 150 may once again impart movement to the driven element 190.  Thus the friction element 170 may selectively and frictionally engages the driven element 190 as a function of velocity, acceleration and/or friction coefficient of the friction element 170 relative to the driven element 190.  This may be referred to as "slip-stick" or "stick-slip" motion.
The frequency of the waveform may vary and, in some embodiments, ranges between about 1 Hz and about 1 kHz.  The amplitude of the waveform may also vary and, in some embodiments, ranges between about 2 V and about 500 V.  Following the coarse positioning by slip-stick movement, a direct voltage may be applied to finely position the driven element 190 and, in turn, the object or specimen 199 positioned thereto.  The direct voltage may range between about 10 mV and about 1 kV.
In other embodiments, the frequency, amplitude, and direct voltage may vary.  For example, the wave form may be shaped to avoid or minimize exciting mechanical resonances of the piezoelectric element 150 or possibly the specimen 199.  However, a waveform may be purposefully chosen which will operate the piezoelectric element 150 in resonance in order, for example, to free the driven element 190 from the friction element 170 if it were to become inadvertently coupled to the friction element 170 ("stuck").  In a case where the resonant frequency of the piezoelectric element 150 is not known, a wave form frequency sweep may be used.
Referring to Fig. 2 with continued reference to Fig. 1a, illustrated is a sectional view of another embodiment of the apparatus 100 according to aspects of the present disclosure, herein designated by the reference numeral 200.  The embodiment of Fig. 2 comprises many of the above-described features of the embodiment shown in Fig. 1a.  However, the apparatus 200 also comprises a biasing element 215, and may also include a spacer 220 coupled to the biasing element 215.  As shown in the illustrated embodiment, the biasing element 215 may be a leaf spring or other type of spring configured to bias the piezoelectric element 150 (or an attached friction element 170) against the driven element 190.  However, the biasing element 215 may also or alternatively be or include other mechanical, electrical, and/or magnetic biasing means within the scope of the present disclosure.  The biasing force of the biasing element 215 may be adjustable, such as by a threaded fastener 225, an electrostatic or magnetic field, and/or by other means.  However, in some embodiments, no adjustment may be employed or needed.
The apparatus 200 may also include a wear plate 295 coupled to the driven element 190 or otherwise interposing the driven element 190 and the friction element 170.  The wear plate 295 may comprise silicon, sapphire, ceramic, aluminum ceramic or alloys thereof, and/or other materials and may be coupled with, or integral to, the driven element 190.  In one embodiments the wear plate 295 may be formed by scribing, cleaving, polishing, and/or other processes, possibly to a thickness ranging between about 0.1 millimeter and about 1 millimeter.  In other embodiments, the wear plate 295 may be formed by chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), plasma enhanced CVD (PECVD), atomic layer deposition (ALD), and/or other processes, possibly to a thickness ranging between about 0.1 microns and about 5 microns.
The force exerted by the friction element 170 against the wear plate 295 (e.g., the load force) may also be modulated or adjusted as a function of location of the friction element 170 on the piezoelectric element 150, the amount of time that the friction element is in a "slip" or "stick" phase, and/or the angle of the piezoelectric element 150 relative to the wear plate 295.  Mechanical adjustment means of the force of the friction element 170 against the wear plate 295 may also be provided (e.g., screw 225).  Adjustment of modulation of the force of the friction element 170 against the wear plate 295 may also occur via one or more additional piezoelectric elements that may be mounted, for example, between the piezoelectric element 150 and the base 110.  However, in some embodiments, as with the biasing force discussed above, no adjustment may be employed or needed.
The spacer 220 may be a substantially hemispherical-shaped viton element.  However, the spacer 220 may have other materials and shapes within the scope of the present disclosure.  The spacer 220 may decrease wear and vibration against the piezoelectric element 150 against which the spacer 220 is biased by the biasing element 215.
The apparatus 200 may also be equipped with a system of sensors 296, 297 that may be employed to detect the position of the driven element 190.  The sensors 196, 297 may also be part of a feedback mechanism (not shown) or another system or subsystem.  The sensors 296, 297 may be electric sensors, which may be capacitive or inductive.  The sensors 296, 297 may also be thermal, optical, magnetic, and/or other types of sensors.  Sensor 296 is shown as a single sensing element but may comprise multiple elements or a sensory array.  Similarly, sensor 297 is shown as containing multiple sensing elements but may only comprise a single sensing element, or may have a different number of sensing elements than shown.  Sensors 296, 297 may be formed integrally with, or imbedded into, the actuating member 190 and the piezoelectric element 150, respectively.  The sensors 296, 297 may also be separate components that are attached with an adhesive, for example.  The location of the sensors 296, 297 may vary from that shown and there may also be other sensors (not shown) which may provide feedback and/or location information regarding other components of the apparatus 200.  In some embodiments, only a single sensor may be provided.  In addition to using a feedback or sensor system based on electronics, a mechanical system may be used.  For example, a force exerted by the piezoelectric element 150 could be mechanically amplified and used to adjust the load force of the friction element 170 against the wear plate 295.
Referring to Fig. 3 with continued reference to Fig. 2, illustrated is a sectional view of another embodiment of the apparatus 200 shown in Fig. 2, herein designated by the reference numeral 300, according to aspects of the present disclosure.  In addition to several of the components described above, the apparatus 300 includes restraints 352, 354 coupled to the base 110 by mounts 362, 264, respectively.  In one embodiment, however, the restraints may be secured within the apparatus 300 in other manners.  For example, the restraint 352 may be coupled to the friction element 170 or the driven element 190, such that the mount 362 may not be necessary.
The restraints 362, 364 may limit bending, rotation or other out-of-plane motion of the piezoelectric element 150 such that motion of the piezoelectric element 150 may be substantially limited to longitudinal extension and contraction.  Piezoelectric elements of specific shapes and compositions that are designed for linear motion are known to exhibit bending motions at certain frequencies and under certain loads.  The restraints 352, 354 may remain in surface contact with at least a portion of the piezoelectric element 150, thereby preventing such bending.  In one embodiment, the restraints 352, 354 may comprise glass, metal, alloys, and/or other materials that may or may not be similar to the materials of a micro-scale embodiment, and may have a thickness ranging between about 0.1 millimeters and about 1 millimeter.  In other embodiments, the restraints 352, 354 may comprise silicon, sapphire, ceramic, aluminum ceramic or alloys thereof, and/or other materials, and may have a thickness ranging between about 0.1 microns and about 5 microns.  In one embodiment, the restraint 352 has a thickness about equal to the thickness of the friction element 170.
The length of the restraints 352, 354 may range between about 10% and about 95% of the length of the piezoelectric element 150.  For example, the length of the restraints 352, 354 may be maximized to substantially span the length of the piezoelectric element 150 when the piezoelectric element 150 is in an unbiased configuration, which may be a non-actuated configuration, possibly permitting sufficient space at the end of the piezoelectric element 150 to affix the friction element 170.  In one embodiment, the length of the restraints 352, 354 may range between about 40% and about 60% of the length of the piezoelectric element 150.  The lengths of the restraints 352, 354 may also be dissimilar relative to each other, such as with respect to shape, size, composition, electrical connectivity, and/or otherwise.
In embodiments in which the restraints 352, 354 are conductive, the mounts 362, 364 may serve as insulators to prevent shorting between the piezoelectric element 150 and the base 110.  In some embodiments, the restraints may be conductive but covered by an insulative layer to prevent shorting between the piezoelectric element 150 and the base 110.  The piezoelectric element 150 may also be covered by an elastomeric layer, which may allow movement but prevent shorting between the piezoelectric element 150 and any other component (e.g., the base 110).  Additionally, in other embodiments, there may be more or fewer restraints and mounts than shown in Fig. 3.
Referring to Fig. 4 with continued reference to Fig. 2, illustrated is a sectional view of another embodiment of the microelectronic apparatus 200 shown in Fig. 2, herein designated by the reference numeral 400.  In addition to several of the components described above, the apparatus 400 includes a counterbalance 465.  The counterbalance 465 may attach to the end 151 of the piezoelectric element 150.  In other embodiments, the placement of the counterbalance 465 may vary, or there may be multiple counterbalances with varying placements on the piezoelectric element 150.
The counter balance 465 may comprise stainless steel, lead, and/or other materials, and the weight of the counterbalance 465 may range between about 50% and about 150% of the weight of the piezoelectric element 150.  The counterbalance 465 may be manufactured by casting, machining, electro-chemical machining (ECM), electrical discharge machining (EDM), milling, and/or other methods.  The counterbalance may be integral to the piezoelectric element 150 or may be attached by an adhesive, fastener, and/or other means.  One or more lateral dimensions of the counterbalance 465 may range from about 10% to about 20% of the length of the piezoelectric element 150.  The examples given with regard to the counterbalance 465 and aspects thereof are exemplary - other embodiments may have different properties.
Referring to Fig. 5, a perspective view of one embodiment of a piezoelectric element 500 according to aspects of the present disclosure is illustrated.  The piezoelectric element 500 embodies some of the aspects of the embodiments of the piezoelectric element 150 shown in Figs. 1-4.  The piezoelectric element 500 comprises multiple piezoelectric members 550a-d.  The piezoelectric members 550a-d may be substantially reed-shaped, as described above with reference to Fig. 1a, although other configurations are within the scope of the present disclosure.  The piezoelectric members 450a-d may be substantially similar to one another such that a substantially similar electrical signal applied to each of the piezoelectric members 550a-d will create a substantially similar elongation or contraction motion in each of the members.  The piezoelectric members 550a-d may be bound at a common end by insulators 530a-d, which may also serve to connect them to a base or substrate (not shown).  In other embodiments, the piezoelectric members may be clamped, glued, or laminated together, or may be integral to one another.  The piezoelectric elements 550a-d may impart motion in unison to a driven element via friction elements 570a-d, wherein the friction elements 570a-d may each be substantially similar in composition and manufacture to the friction element 170 shown in Fig. 1a.  
Referring to Fig. 6, illustrated is a perspective view of another embodiment of the piezoelectric element 500 shown in Fig. 5, herein designated by reference numeral 600.  The piezoelectric element 600 comprises multiple piezoelectric members 650a-d, which may each be substantially similar to the members 550a-d shown in Fig. 5, although other configurations are within the scope of the present disclosure.  Spacers 630a-c may interpose and connect the piezoelectric members 650a-d.  Ones of the spacers 630a-c located on opposing sides of one of the piezoelectric members 650a-d may be located proximate opposing ends of the piezoelectric member.  For example, in the illustrated embodiment, the spacer 630a is proximate an opposing end and opposing side (surface) of the piezoelectric member 650b relative to the spacer 630b.
Each piezoelectric member 650a-d may be biased opposite the member next to it.  For example, piezoelectric members 650a and 650c may contract in response to an electrical signal that may cause piezoelectric members 650b and 650d to elongate.  A friction element 670 may be positioned near an actuating end of an outermost one or more of the piezoelectric members 650a-d, and may be employed to engage a driven element, such as those shown in Figs. 1a-4.
Referring to Fig. 7, illustrated is a perspective view of an embodiment of an apparatus 700 according to aspects of the present disclosure is illustrated.  The apparatus 700 achieves two independent planes or directions of movement, and includes a base 710 attached to a piezoelectric element 750.
The base 710 may be substantially similar in composition and manufacture to the base 110 shown in Fig. 1a.  In one embodiment, the length and width of the base 110 may both range from about 5 millimeters to about 20 millimeters.  In other embodiments, the base 110 may have a length and width both ranging between about  50 microns and about 200 microns.
The piezoelectric element 750 is generally shaped as an angled member, possibly including two or more segments coupled or integrally formed together.  The angle of the piezoelectric element 750 may range between about 45 degrees and about 135 degrees.  The piezoelectric element 750 may comprise similar materials as the piezoelectric elements described above, and may be manufactured according to similar principles.  In one embodiment, the piezoelectric element 750 may range from about 0.5 centimeters to about 15 centimeters in length and width.  In other embodiments, the piezoelectric element 750 may range between about 50 microns and about 200 microns in length and width.
The apparatus 700 may also include a friction element 770 attached near a vertex or junction of two or more segments of the piezoelectric element 750.  The friction element 770 may be substantially similar in composition and manufacture to the friction element 170 shown in Fig. 1a.
The apparatus 700 also includes two driven elements 790a, 790b.  The driven element 790a is configured to slide relative to the base 710 in a first direction 705, and the driven element 790b is configured to slide relative to the driven element 790a (and, hence, the base 710) in a second direction 707.  In one embodiment, the first and second directions 705, 707 are substantially orthogonal, although other relative orientations of the first and second directions 705, 707 are within the scope of the present disclosure.
The piezoelectric element 750 may attach to the base 710 at two ends each distal from the attachment point of the friction element 770.  In this manner, an electrical signal may be applied to the piezoelectric element 750 to produce actuation of the piezoelectric element 750 along at least two planes or directions of movement.  The two directions of movement may correspond to movement of the two separate pieces of the driven element 790a, 790b, which are configured to manipulate the surface of the driven element 790b in two dimensions, as described above.  The driven element components 790a-b may each be substantially similar in composition and manufacture as the driven element 190 shown in Fig. 1a.  Coarse positioning may be achieved, for example, by application of a fluctuating electrical signal to produce slip-stick movement of one or both of the driven elements 790a, 790b.  Fine positioning may be achieved, for example, by application of a non-fluctuating electrical signal to the piezoelectric element 750.
Referring to Fig. 8, a cutaway view of an embodiment of an apparatus 800 according to aspects of the present disclosure is illustrated.  The apparatus 800 may be configured to produce rotary motion in a driven element 890.  The apparatus 800 includes a base 810 and an insulator 830, wherein the insulator 830 attaches a piezoelectric element 850 to the base 810.  The composition and manufacture of the base 810, insulator 830, and piezoelectric element 850 may be similar to those in embodiments previously described.  The piezoelectric element 850 may have an attached friction element 870, which slidably frictionally engages the driven element 890.  The driven element 890 may be substantially similar in composition and manufacture to the driven element 190 shown in Fig. 1a, and may be substantially disc-shaped, possibly having a diameter ranging between about 0.5 cm and about 15 cm.  In other embodiments, the driven element 890 may have a diameter ranging from about 50 microns to about 200 microns.
The driven element 890 may be rotatably attached to the base 810.  Rotation of the driven element 890 may be achieved by applying a first fluctuating electrical signal to the piezoelectric element 850.  A fluctuating electrical signal may generate a slip-stick movement of the driven element 890.  Slip-stick movement may be employed to achieve coarse positioning, while fine positioning may be achieved by application of a non-fluctuating electrical signal.  Rotation of the driven element 890 in an opposite direction may be achieved by application of a fluctuating electrical signal of a different form than the first.
Referring to Fig. 9, a perspective view of an embodiment of an apparatus 900 according to aspects of the present disclosure is illustrated.  The apparatus 900 may produce rotational movement in driven elements 990a-b and is similar to previously described apparatus 800.  The apparatus 900 comprises a base 910 and a bracket 912 for attachment of piezoelectric elements 950a, 950b.  The bracket 912 may comprise aluminum oxide, ceramic, beryllium, brass, gold, and/or other materials.  Electrodes 955a, 955b are employed in the illustrated embodiment to apply electrical signals to piezoelectric elements 950a and 950b, respectively.  In this configuration, the piezoelectric elements 950a, 950b may have attached friction elements 970a, 970b, respectively.  The friction elements 970a, 970b may independently engage driven element 990a, driven element 990b, or both (e.g., friction elements 970a and/or 970b may be positioned on each of opposing surfaces of elements 950a and/or 950b).  In the embodiment of Fig. 9, the apparatus 900 includes two piezoelectric elements 950a, 950b and two driven elements 990a, 990b, but the apparatus 900 may include any number of driven elements engaged by any number of piezoelectric elements within the scope of the present disclosure.
The driven elements 990a, 990b may be rotationally and coaxially attached along a central axis.  The driven elements 990a, 990b may be configured to rotate only as a fixed unit, or may be configured to rotate independently.  Coarse rotational motion of the driven elements 990a, 990b may be controlled by slip-stick motion resulting from fluctuating electrical signals, which may be applied to the piezoelectric elements 950a, 950b, via electrodes 955a, 955b.  The signal may be applied such that one piezoelectric element (for example, element 950a) is in a "slip" phase, while the other piezoelectric element (for example, element 950b) is in a "stick" phase.  Non-fluctuating electrical signals may also be applied to either, or both, of the piezoelectric elements 950a, 950b to control fine positioning.
Referring to Fig. 10, a side view of another embodiment of a microelectronic apparatus 1000 according to aspects of the present disclosure is illustrated.  The apparatus 1000 may produce substantially orthogonal motion of driven elements 1090, 1091 each relative to a substrate 1011.  The apparatus 1000 comprises a base 1010 mounted on or over the substrate 1011.  The materials and method of manufacture for the base 1010 and substrate 1011 may be substantially similar to those described regarding the bases of previously described embodiments.  The base 1010 and substrate 1011 may be separate components attached by adhesive and/or other means, or they may be integral to one another.
A biasing element 1015, which may correspond in materials and manufacture to biasing elements heretofore described, possibly with an attached spacer 1020, also corresponding in materials and manufacture to spacers heretofore described, is mounted to the base 1010.  The tension of the biasing element 1015 may be adjustable, such as via a threaded fastener 1025 and/or other means.  The biasing element 1015 biases the piezoelectric element 1050 and/or an attached friction element 1070 against a wear plate 1095, which is attached to driven element 1090.  The friction element 1070 and wear plate 1095 may be substantially similar in composition and manufacture to friction elements and wear plates previously described, respectively.  In some embodiments, the wear plate 1095 may be optional.
A piezoelectric element 1050 operates to move the driven element 1090 for coarse positioning via slip-stick motion resulting from the application of a fluctuating electrical signal.  To achieve fine positioning, a non-fluctuating electrical signal may be applied to the piezoelectric element 1050.  The piezoelectric element 1050 may be similar in composition and manufacture and piezoelectric elements heretofore described.  In the illustrated embodiment, the driven element 1090 is attached to the driven element 1091 via a looped band 1092.  The driven elements 1090, 1091 may be substantially similar in composition and manufacture to driven elements previously described.  However, the second driven element 1091 may be similar to, or different from, the first driven element 1090.
The band 1092 connecting the driven elements 1090, 1091 may be silicon, rubber, stainless steel, and/or other materials.  The length of the band 1092 may range between about 1.5 centimeters and about 45 centimeters, and the band 1092 may have a thickness ranging between about 100 microns and about 250 microns.  The band 1092 may be supported by rollers or tensioners 1093, 1094, which may be substantially cylindrical.  The tensioners 1093, 1094 may comprise silicon, metal, and/or other materials.  The dimensions of the tensioners may be set according to the dimension of the band 1092 and piezoelectric element 1050. The tensioners 1093, 1094 may be rotatably attached to the substrate 1011 by support structure 1099, which may include bearings, posts, etc.  The band 1092 may translate movement of the first driven element 1090 to the second driven element 1091.  The dimensions given above reference a macro-scale embodiment, but it may be possible to scale the apparatus 1000 to smaller sizes, possibly including a micro-scale embodiment.
Referring to Fig. 11, a perspective view of an embodiment of an apparatus 1100 according to aspects of the present disclosure is illustrated.  The apparatus 1100 may be substantially similar in materials, construction, and dimension as apparatus 100 (Fig. 1a).  For example, base 1110 and driven element 1190 may be similar in materials, construction, and dimension to base 110 and driven element 190 of apparatus 100, respectively.  The apparatus 1100 features a piezoelectric element 1150 that may be anchored at both ends to the base 1110.  The element 1150 may also be sectioned or partitioned, including two or more portions 1151, 1152, which may be electrically isolated from one another.  Insulators 1130a, 1130b may serve to anchor the piezoelectric element 1150 to the base 1110.  The insulators 1130a, 1130b may be substantially similar to insulator 130 of apparatus 100.  The piezoelectric element 1150 may be substantially reed-shaped and may otherwise be similar to piezoelectric element 150 of apparatus 100.  A friction element 1170 may be attached at a substantially central point on the piezoelectric element 1150.  The friction element 1170 may be substantially similar to friction element 170 of apparatus 100.  In operation, the apparatus 1100 may operate by application of actuating signals of differing polarities to different sections 1151, 1152 of the piezoelectric element 1150.  In such case, a slip-stick movement of the friction element against the slide table 1190 may result from a contraction in one section (e.g., section 1151) of the piezoelectric element 1150 with a corresponding elongation in another section (e.g., section 1152).
Referring to Fig. 12, a perspective view an embodiment of an electrode configuration 1200 for a piezoelectric element 1250 according to aspects of the present disclosure is illustrated.  Piezoelectric element 1250 may be substantially similar to piezoelectric elements previously discussed, such as piezoelectric element 150 (Fig. 1a).  A main electrode 1231 may be placed on substantially the full length of piezoelectric element 1250.  In some embodiments, the main electrode 1231 may be a plurality of electrodes.  The placement of the main electrode 1231 may also vary from that shown.  The main electrode 1231 may comprise copper, gold, and/or other materials which may be deposited onto piezoelectric element 1250 or formed integrally therewith.  Correction electrodes 1232, 1233 may be placed on substantially the full length of the piezoelectric element 1250, possibly on either side of the main electrode 1231.  The correction electrodes 1232, 1233 may vary in number and placement from that shown.  The correction electrodes 1232, 1233 may comprise copper, gold, and/or other materials, which may be deposited onto piezoelectric element 1250, or formed integrally therewith.
A friction element (not shown) such as friction element 170 (Fig. 1a) may be attached to the piezoelectric element 1250 to transfer movement to a driven element (not shown).   In operation, the main electrode 1231 may be used to provide an actuating signal to the piezoelectric element 1250.  The actuating signal may be as previously described with respect to previous embodiments (e.g., a waveform or a non-fluctuating voltage).  The correction electrodes 1232, 1233 may be used instead of, or in addition to, the main electrode 1231 to provide corrections in the deflection or movement of the piezoelectric element 1250.  Similar to the main electrode 1231, the correction electrodes 1231, 1232 may be provided with waveform voltage or a non-fluctuating voltage, which may be smaller, larger, or the same as the voltage provided to the main electrode 1231.
Referring to Fig. 13, a perspective view of another embodiment of a piezoelectric element 1300 according to aspects of the present disclosure is illustrated.  The piezoelectric element 1300 may be utilized in one or more of the apparatus previously discussed (e.g., apparatus 100) or some other device.  The apparatus 1300 may be mounted to a base (e.g. base 110 of Fig. 1a) by mounts 1330a, 1330b, for example.  In some embodiments, the placement of the mounts will vary from the placement shown.  The piezoelectric element 1300 may be similar in materials and construction as previously described piezoelectric elements.  The piezoelectric element 1300 may have one or more piezoelectric members 1350a-c.  The members 1350a-c may be formed integrally or formed separately and subsequently attached together.  Electrodes 1331a, 1331b, 1331c may be attached along substantially the length of the members 1350a, 1350b, 1350c, respectively.  The electrodes 1331a, 1331b, 1331c may be substantially similar to electrode 1231 (Fig. 12).
In operation, the electrodes 1331a-c may be used to apply an actuating signal to the respective members 1350a-c.  As previously described the actuating signal may be a waveform or a non-fluctuating voltage.  The polarity of the signal applied to members 1350b via electrode 1331b may be opposite to the polarity of the signal applied to members 1350a, 1350c via electrodes 1331a, 1331c, respectively.  Thus, an elongation of member 1350b may correspond to a contraction of members 1350a, 1350c, and vice-versa.  A friction element 1370 may be attached  to the piezoelectric element 1300 to interface with a driven element (not shown) such as slide bed 190 (Fig. 1a).  The friction element 1370 may be similar in materials and construction to friction elements previously described (e.g. friction element 170 of Fig. 1a).  Thermal expansion in the piezoelectric element 1300, which could lead to an unwanted displacement of the friction element 1370, may be alleviated by expansion in an opposite direction of member 1350b relative to members 1350a, 1350c.
Referring to Fig. 14, a perspective view of anther embodiment of an apparatus 1400 of the present disclosure is illustrated.  The apparatus 1400 may be similar in materials, construction, and dimension to apparatus 700 (Fig. 7).  Like apparatus 700, the apparatus 1400 may achieve two independent planes of movement (e.g., 1405, 1407).  The apparatus 1400 may have multiple piezoelectric elements 1450a-h.  In some embodiments, two or more of the piezoelectric elements 1450a-h may be combined or manufactured as a single angled piezoelectric element such as piezoelectric element 750 (Fig. 7).  The apparatus 1400 may have a plurality of friction elements 1470, 1471, 1472, 1473.  The friction elements 1470, 1471, 1472, 1473 may be substantially similar to friction element 770 (Fig. 7).  The piezoelectric elements 1450a-h may elongate or contract as in response to a waveform previously described in order to achieve slip stick motion for coarse positioning.  Fine positioning may be achieved by application of a non-fluctuating voltage, as previously described, to one or more of the piezoelectric elements 1450a-h.
The present disclosure provides an apparatus including, in one embodiment, a base configured to slidably engage a driven element.  A piezoelectric element interposes the base and the driven element and is attached to the base proximate a first piezoelectric element end.  A friction element is attached proximate a second piezoelectric element end and is configured to selectively engage the driven element.
The present disclosure also introduces an apparatus including, in one embodiment,  a slide bed having a recess therein, a slide table having a wear plate on an inner surface, and a piezoelectric reed with attached friction element.  The reed is mounted in the slide bed recess and frictionally engages the wear plate via the friction element.
Another embodiment of an apparatus constructed according to aspects of the present disclosure includes a base configured to slidably engage a driven element, and first and second piezoelectric elements, each parallel to the base.  A friction element is proximate a junction of the first and second piezoelectric elements and extends in first and second directions.
Another embodiment of an apparatus according to aspects of the present disclosure includes a rotatable element rotatably coupled to a substrate.  In such an embodiment, a piezoelectric element is coupled to the substrate and a friction element is coupled to the piezoelectric element.  The friction element is configured to frictionally engage the rotatable element to impart rotary motion thereto.
An apparatus constructed according to aspects of the present disclosure may also include first and second driven elements and a piezoelectric element, which slidably engages the first driven element.  The first and second driven elements may each be coupled to one another via a continuous flexible band supported by at least one roller.
Although embodiments of the present disclosure have been described in detail, those skilled in the art should understand that they can make various changes, substitutions and alterations herein without departing from the spirit and scope of the present disclosure.
WHAT IS CLAIMED IS:
1. An apparatus, comprising:
a base configured to slidably engage a driven element;
a piezoelectric element interposing the base and the driven element and attached to the base proximate a first end of the piezoelectric element; and
a friction element attached proximate a second end of the piezoelectric element and configured to selectively engage the driven element as a function of velocity of the friction element relative to the driven element.
2. The apparatus of claim 1 further comprising a biasing element configured to bias the piezoelectric element against the driven element.
3. The apparatus of claim 2 further comprising a vibration dampening element interposing the biasing element and the piezoelectric element.
4. The apparatus of claim 3 wherein the dampening element comprises viton.
5. The apparatus of claim 1 further comprising a wear plate coupled to the driven element and configured to be selectively engaged by the friction element.
6. The apparatus of claim 5 wherein the wear plate comprises a material selected from the group consisting of:
silicon;
sapphire; and
ceramic.
7. The apparatus of claim 1 further comprising a low friction restraint adjacent a portion of at least one of a top or bottom surface of the piezoelectric element.
8. The apparatus of claim 1 wherein the piezoelectric element includes a counterweight proximate the first piezoelectric element end.
9. The apparatus of claim 1 wherein the piezoelectric element comprises a plurality of piezoelectric members.
10. The apparatus of claim 9 wherein each of the plurality of piezoelectric members are substantially reed-shaped.
11. The apparatus of claim 10 wherein each of the plurality of piezoelectric members are laminated to an adjacent one of the plurality of piezoelectric members.
12. The apparatus of claim 1 wherein the piezoelectric element includes first and second piezoelectric members each parallel to the base and angularly offset relative to each other, wherein the friction element is proximate a junction of the first and second piezoelectric members.
13. The apparatus of claim 1 wherein the driven element is rotatably attached to the base such that the piezoelectric element imparts rotational motion to the driven element.
14. The apparatus of claim 13 wherein:
the driven element includes first and second substantially coaxial rotatable members coupled to the base;
the piezoelectric element includes first and second piezoelectric members coupled to the base;
the friction element includes first and second friction members coupled to the first and second piezoelectric elements, respectively; and
the first and second friction members frictionally engage the first and second rotatable elements, respectively.
15. The apparatus of claim 1 wherein the driven element is attached to a counterweight by a looped flexible band, the band being stabilized by at least one tensioner.
16. The apparatus of claim 1 wherein:
the base includes a slide bed having a recess therein;
the driven element includes a slide table having a wear plate on an inner surface; and
the piezoelectric element is a piezoelectric reed;
wherein the piezoelectric reed is mounted in the slide bed recess and frictionally engages the wear plate via the friction element.
17. The apparatus of claim 1 wherein the friction element comprises a material selected from the group consisting of:
sapphire;
quartz;
ceramic;
aluminum-bronze;
phosphor-bronze; and
copper-beryllium.
18. The apparatus of claim 1 wherein the driven element is one of first and second driven elements, wherein the piezoelectric element is configured to slidably engage the first driven element, and wherein the first and second driven elements are each coupled to one another via a continuous flexible band supported by at least one roller.
19. The apparatus of claim 1 wherein at least one of the base, the driven element, the piezoelectric element and the friction element substantially has feature dimensions that are greater than about 1000 microns.
20. The apparatus of claim 1 wherein at least one of the base, the driven element, the piezoelectric element and the friction element substantially has feature dimensions that are less than about 1000 microns.
1. Abstract
An apparatus including a base configured to slidably engage a driven element, a piezoelectric element interposing the base and the driven element and attached to the base proximate a first piezoelectric element end, and a friction element attached proximate a second piezoelectric element end and configured to selectively engage the driven element.
2. Representative Drawing
【図１ａ】
2005321377.tif 000018
【図１ｂ】
2005321377.tif 000019
【図２】
2005321377.tif 000020
【図３】
2005321377.tif 000021
【図４】
2005321377.tif 000022
【図５】
2005321377.tif 000023
【図６】
2005321377.tif 000024
【図７】
2005321377.tif 000025
【図８】
2005321377.tif 000026
【図９】
2005321377.tif 000027
【図１０】
2005321377.tif 000028
【図１１】
2005321377.tif 000029
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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