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

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【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

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、無限軌道並進回転
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。
【0002】
【従来の技術】従来、このような分野の先行技術として
は、以下に示すようなものがあった。
【0003】(1)Louseのピエゾ素子を用いたス
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〕。
【0004】上記したピエゾ素子を用いたステージは、
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。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た先行技術(1)では、動作の信頼性に難があった。
【0006】また、上記した先行技術(2)では、動作
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。
【0007】上記した先行技術(3)はコンパクトで、
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。
【0008】更に、上記した先行技術(4)では、駆動
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。
【0009】本発明は、上記問題点を解決するために、
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。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
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。
【0011】〔2〕上記〔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この試料台を吸引することを特徴と
する。
【0012】〔3〕上記〔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。
【0013】〔4〕上記〔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。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照しながら説明する。
【0015】図1は本発明の実施例を示す無限軌道並進
回転ステージの斜視図、図2はその平面図である。
【0016】これらの図において、1は平滑な試料台
(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。
【0017】そこで、ベース6上にそれぞれ2本の直交
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。
【0018】試料台1と鋼球2,3,4間に働く動摩擦
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。
【0019】なお、上記実施例においては、積層型ピエ
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。
【0020】この点について、図3を用いて説明する。
【0021】図3において、色がついた領域が安定領域
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。
【0022】θが、 −arctan(√3/2)<θ<arctan(√3
/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。
【0023】上記した安定領域11内で、鋼球2,3,
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。
【0024】図4はその試料台の1ステップ駆動の説明
図である。
【0025】まず、図4(a)に示すように、鋼球2,
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。
【0026】次に、図4(b)に示すように、鋼球2の
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。
【0027】次に、図4(c)に示すように、鋼球3の
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。
【0028】次に、図4(d)に示すように、鋼球4の
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。
【0029】次に、図4(e)に示すように、鋼球2,
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。
【0030】この1ステップ駆動を繰り返すことによ
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。
【0031】図5は鋼球1個の動きに対する試料台の挙
動を示す図である。
【0032】鋼球2,3,4をある角度に移動した時
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。
【0033】この図からも、ある角度範囲においては試
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。
【0034】回転、並進の違いは、1つ1つの鋼球の移
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。
【0035】図6は本発明の実施例を示す無限軌道並進
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。
【0036】この場合、上方向への並進駆動を示してお
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。
【0037】なお、上記実施例においては、鋼球を示し
たが、硬度が高い球体であれば、素材は何でもよい。
【0038】また、試料台の重心がその正三角形の重心
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。
【0039】例えば、磁石を正三角形の重心位置に設置
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。
【0040】上記したことから明らかなように、本発明
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。
【0041】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
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。
【0042】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。
【0043】(A)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
ることができる。
【0044】(B)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。
【0045】(C)簡単な機構により、微小移動を可能
にすることができる。
【0046】(D)球体の駆動の態様により、任意の方
向に駆動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す無限軌道並進回転ステー
ジの透視斜視図である。
【図2】本発明の実施例を示す無限軌道並進回転ステー
ジの平面図である。
【図3】本発明の実施例を示す無限軌道並進回転ステー
ジの試料台に作用する力と安定領域の説明図である。
【図4】本発明の実施例を示す無限軌道並進回転ステー
ジの1ステップ駆動原理を示す図である。
【図5】本発明の実施例を示す無限軌道並進回転ステー
ジの球体1個の動きに対する挙動を示す図である。
【図6】本発明の実施例を示す無限軌道並進回転ステー
ジの移動量の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
1 試料台(光学ウインドウ用サファイヤ製) 2,3,4 3個の鋼球 x1,y1、x2,y2、x3,y3 2本の直交す
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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H02N 2/00 G01B 7/34 Z // G01B 7/34 G12B 1/00 601G (72)発明者 横山 浩 茨城県つくば市梅園1丁目1番4 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 井上 貴仁 茨城県つくば市梅園1丁目1番4 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 多辺 由佳 茨城県つくば市梅園1丁目1番4 工業技 術院電子技術総合研究所内 Fターム(参考) 2F063 AA43 EA16 EB23 FA07 ZA03 2F078 CA06 CA08 CB14 CC11 2H052 AA07 AD19 AD21 5H680 BB02 BB13 BB19 BB20 BC10 CC02 DD23 FF24

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
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