JP2002090282A - 無限軌道並進回転ステージ - Google Patents
無限軌道並進回転ステージInfo
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Abstract
精度の高い無限軌道並進回転ステージを提供する。 【解決手段】 無限軌道並進回転ステージにおいて、2
本の直交する積層型ピエゾ素子x1,y1、x2,y
2、x3,y3に保持される3個の鋼球2,3,4と、
ステージ7の中心部に設置される磁石5と、前記3個の
鋼球2,3,4によって支持される試料台1とを備え、
前記鋼球2,3,4を所定のタイミングと方向に繰り返
し振動させることにより、摩擦力のみにて前記試料台1
を駆動する。
Description
ステージに係り、特に、走査型プローブ顕微鏡用摩擦力
駆動X−Y−θ軸ステージに関するものである。
は、以下に示すようなものがあった。
テージ〔G.Binning,etal.,Surfa
ce Science 126(1983)236〕 (2)インチウオームモータ〔Burleigh In
struments,Inc.〕 (3)慣性力駆動タイプのステージ〔D.W.Poh
l,Rev.Sci.Instrum.58(198
7)54〕 (4)摩擦力駆動タイプのステージ〔R.Curti
s,et al.,Rev.Sci.Instrum.
64(1993)2687〕。
各種のものがあり、超高真空あるいは低温用走査型プロ
ーブ顕微鏡の試料ステージおよび探針のアプローチ機構
として広く用いられてきた。
た先行技術(1)では、動作の信頼性に難があった。
がリニアガイドによって一方向に限定されるとともに、
静止状態においてもホールド電圧が必要であり、それが
振動ノイズを発生するといった問題があった。
かつ大きな移動量を得ることができる微動機構であり、
超高真空あるいは低温用走査型プローブ顕微鏡の試料ス
テージおよび探針のアプローチ機構として広く用いられ
てきたが、その動作原理からして、動作がステージ上の
搭載物の重量に依存し、精密な位置決めおよび再現性の
良い操作は困難であった。
方向が規制され、一方向にしか駆動できないといった問
題があった。
慣性力の代わりに摩擦力を用いた、位置決め精度の高い
無限軌道並進回転ステージを提供することを目的とす
る。
成するために、 〔1〕無限軌道並進回転ステージにおいて、略正三角形
になるように配置され、2本の直交する伸縮型ピエゾ素
子に保持される硬度が高い3個の球体と、この3個の球
体によって支持される試料台とを備え、前記3個の球体
を所定のタイミングと方向に繰り返し振動させることに
より、摩擦力のみにて前記試料台を駆動することを特徴
とする。
ステージにおいて、前記ステージの中心部に磁石を配置
し、前記試料台に接触する3個の球体の3点に均等な垂
直抗力が働くようにこの試料台を吸引することを特徴と
する。
道並進回転ステージにおいて、前記3個の球体は鋼球で
あることを特徴とする。
道並進回転ステージにおいて、前記3個の球体の少なく
とも2個以上の振動により、前記試料台を駆動すること
を特徴とする。
参照しながら説明する。
回転ステージの斜視図、図2はその平面図である。
(光学ウインドウ用サファイヤ製)、2,3,4はそれ
ぞれ2本の直交する積層型ピエゾ素子x1,y1、x
2,y2、x3,y3〔(株)トーキン製〕に固定され
た3個の球体としての鋼球、5はステージ7の中心部に
設置された微小な磁石、6は積層型ピエゾ素子のベース
である。
する積層型ピエゾ素子x1,y1、x2,y2、x3,
y3が配置され、それらの積層型ピエゾ素子x1,y
1、x2,y2、x3,y3に固定された3個の鋼球
2,3,4が略正三角形に配置されており、試料台1は
それらの3個の鋼球2,3,4で支持されており、ステ
ージ7の中心部に設置された磁石5によって試料台1の
3点に均等な垂直抗力が働くようにしている。
力は静止摩擦力を越えないので、1つの鋼球が移動して
も、他の2つが静止していれば、試料台1は動かない。
実際には、1つの鋼球をある角度範囲で移動させても試
料台1が動かない範囲が存在する。
ゾ素子を示したが、積層型に限定されるものではなく、
伸縮型ピエゾ素子で差し支えない。
11であり、安定領域11を外れると不安定になるの
で、ここでは説明しないがベクトル制御で避けることに
する。つまり、試料台1が安定を保つための条件は、Σ
F=0,ΣM=0であり、つまり、 |F2 |2 =|F1 |2 ×(4sin2 θ+cos2 θ
+√3sin2θ)/4 |F3 |2 =|F1 |2 ×(4sin2 θ+cos2 θ
−√3sin2θ)/4 F2 <F1 ,F3 <F1 であれば試料台は安定である。
/2)または、 〔π−arctan(√3/2)〕<θ<〔π+arc
tan(√3/2)〕 この範囲であれば試料台1は安定である。
4を1つずつ順次同じ方向に移動し、最後に3つの鋼球
2,3,4を同時に逆方向に動かすことで、試料台1を
正確に移動させることが可能である。
図である。
3,4は正三角形の位置になるように配置し、その上に
試料台1をセットする。
みを駆動して所定距離(ここでは、X,Y軸方向)変位
させる。ここでは、鋼球3,4から試料台1に働く静止
摩擦力が、鋼球2から働く動摩擦力より大であるため
に、試料台1は移動しない。
みを駆動して所定距離(ここでは、X,Y軸方向)変位
させる。ここでも、鋼球2,4から試料台1に働く静止
摩擦力が、鋼球3から働く動摩擦力より大であるため
に、試料台1は移動しない。
みを駆動して所定距離(ここでは、X,Y軸方向)変位
させる。ここでも、鋼球2,3から試料台1に働く静止
摩擦力が、鋼球4から働く動摩擦力より大であるため
に、試料台1は移動しない。
3,4を同時に逆方向に所定距離(ここでは、−X,−
Y軸方向に所定距離)変位させると、試料台1の動摩擦
力が静止摩擦力を上回るために、試料台1は逆方向(−
X,−Y軸方向)に所定距離移動する。
り、試料台1を任意の距離と方向に移動させることがで
きる。
動を示す図である。
に、試料台1の移動量を計測したものである。移動量の
単位はナノメートルで、鋼球の移動量は1.3μmであ
る。
料台1が殆ど移動しないことが分かる。このような角度
制限があるために、鋼球を不安定角度方向に移動するに
は、安定領域で2回の移動を行えば所望の方向へ移動を
行うことができる。
動の方向によって生ずる。回転の場合には、それぞれの
鋼球を単一の円弧に沿うように移動させる。
回転ステージの移動量の測定結果を示す図であり、この
図において、縦軸は移動量(μm)、横軸は移動の回数
を示している。
り、1サイクル当たりの移動量は約1.3μmであり、
前進および後進とも再現性良く移動可能であることが示
された。
たが、硬度が高い球体であれば、素材は何でもよい。
と一致していれば、各球体にかかる抗力は力とトルクの
釣り合いから自動的に均等になる。試料台が移動すれ
ば、当然ながら重心が移動して抗力も不均等になる。
して重心位置で試料台を常に吸引すれば、磁力が試料台
の重量に比べて十分に大きければ、試料台の位置によら
ず、高い精度で常に均等な抗力を維持できる。磁石を用
いなくとも試料台の移動量が三角形の大きさに比べて十
分に小さいように制限されていれば、良い近似で均等な
抗力を維持できる。その意味で、磁力はこの範囲を広げ
る役目をする。
の無限軌道並進回転ステージは、3点支持(キネマテッ
クマウント)を採用していることから、平行度の高いス
テージ移動を、リニアガイドなどを用いずに実現でき
る。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、それらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
よれば、以下のような効果を奏することができる。
位置決め精度の高い無限軌道並進回転ステージを提供す
ることができる。
を採用していることから、平行度の高いステージ移動
を、リニアガイドなどを用いずに実現できる。
にすることができる。
向に駆動させることができる。
ジの透視斜視図である。
ジの平面図である。
ジの試料台に作用する力と安定領域の説明図である。
ジの1ステップ駆動原理を示す図である。
ジの球体1個の動きに対する挙動を示す図である。
ジの移動量の測定結果を示す図である。
る積層型ピエゾ素子 5 ステージの中心部に設置された磁石 6 ベース 7 ステージ 11 安定領域
Claims (4)
- 【請求項1】(a)略正三角形になるように配置され、
2本の直交する伸縮型ピエゾ素子に保持される硬度が高
い3個の球体と、(b)該3個の球体によって支持され
る試料台とを備え、(c)前記3個の球体を所定のタイ
ミングと方向に繰り返し振動させることにより、摩擦力
のみにて前記試料台を駆動することを特徴とする無限軌
道並進回転ステージ。 - 【請求項2】 請求項1記載の無限軌道並進回転ステー
ジにおいて、前記ステージの中心部に磁石を配置し、前
記試料台に接触する3個の球体の3点に均等な垂直抗力
が働くように前記試料台を吸引することを特徴とする無
限軌道並進回転ステージ。 - 【請求項3】 請求項1又は2記載の無限軌道並進回転
ステージにおいて、前記3個の球体は鋼球であることを
特徴とする無限軌道並進回転ステージ。 - 【請求項4】 請求項1又は2記載の無限軌道並進回転
ステージにおいて、前記3個の球体の少なくとも2個以
上の振動により、前記試料台を駆動することを特徴とす
る無限軌道並進回転ステージ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000276434A JP3844114B2 (ja) | 2000-09-12 | 2000-09-12 | 無限軌道並進回転ステージ |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JP3844114B2 JP3844114B2 (ja) | 2006-11-08 |
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- 2000-09-12 JP JP2000276434A patent/JP3844114B2/ja not_active Expired - Lifetime
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