JP2010038239A

JP2010038239A - 三次元位置決め装置

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Publication number: JP2010038239A
Application number: JP2008201776A
Authority: JP
Inventors: Ichio Osaka; 市雄大坂
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2008-08-05
Filing date: 2008-08-05
Publication date: 2010-02-18
Anticipated expiration: 2028-08-05
Also published as: JP5200745B2

Abstract

【課題】装置寸法を拡大することなく、Ｚテーブルが搭載されたベースプレートの定盤の基準平面からの浮上量が圧縮空気の圧力変動やベースプレートに作用する外力等の外乱の影響により変化することを防止する。
【解決手段】三次元位置決め装置１０では、複数個のコイルスプリング１５０が、静圧パッド１３０を通して供給される圧縮空気によりガイドプレート７８に生じる浮上力よりも、小さい反浮上力Ｆによりガイドプレート７８を定盤１２の基準平面１４側へ付勢する。これにより、反浮上力Ｆがガイドプレート７８に作用しない場合と比較して、定盤１２の基準平面１４からのガイドプレート７８の浮上量Ｒを反浮上力Ｆの大きさに応じて減少させると共に、ガイドプレート７８と基準平面１４との間に形成された空気層（空気軸受）をＺ軸方向に沿って圧縮し、この空気軸受のＺ軸方向に沿った剛性を高めることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、空気軸受手段によりＸＹテーブルを定盤の基準平面上に浮上させつつ、このＸＹテーブルをＸ方向及びＹ方向に沿って任意の位置へ移動させると共に、ＸＹテーブルに搭載されたＺテーブルの昇降台をＺ軸方向に沿って任意な位置に移動させる三次元位置決め装置に関する。

ＡＭＦ等の原子間力顕微鏡では、カンチレバーの先端に取り付けたプローブ（探針）を試料に数ｎｍ以下まで近づけ、この探針の先端と試料の原子との間に作用する原子間力が一定になるようにフィードバックを行いながら試料表面を走査し、表面を観察する。この種の原子間力顕微鏡としては、例えば、記載されたもの（走査型プローブ顕微鏡）が知られている。この走査型プローブ顕微鏡は、顕微鏡ステージ（定盤）の基準平面上に配置され、底面部を空気軸受により案内されて基準平面上を移動する移動テーブルと、移動テーブルと定盤との間に圧縮空気層を形成するために、移動テーブルに圧縮空気を選択的に供給する高さ位置制御部と、移動テーブルを定盤の基準平面に沿って移動させるＸＹ粗動機構と、カンチレバーをＸ方向、Ｙ方向及びＺ軸方向に沿ってそれぞれ微小移動させるＸＹＺ微動機構と、を備えている。また、この走査型プローブ顕微鏡では、試料の広い範囲を観察する際には、ＸＹ粗動機構により移動テーブルをＸ方向及びＹ方向に沿って移動させつつ、超音波顕微鏡やレーザ顕微鏡等の他の形式のプローブにより試料を観察することが可能とされている。

特許文献１記載の走査型プローブ顕微鏡では、通常の原子間力顕微鏡として使用される場合には、ＸＹ粗動機構により移動テーブルをＸ方向及びＹ方向に沿って所定の観察位置へ位置調整（粗調整）し、高さ位置制御部により移動テーブルへの圧縮空気の供給を停止した後、ＸＹＺ微動機構によりカンチレバーの探針を移動テーブルに搭載された試料表面に沿って移動させる。このとき、原子間力顕微鏡では、Ｚ軸方向に沿った探針の移動制御が数ｎｍ以下の高い測定分解能を要求されることから、移動テーブルの浮上量（Ｚ軸方向）の変動を避けるため、移動テーブルの底面部が定盤の基準平面に接したままの状態にされる。

しかし、ＸＹＺ微動機構によるＸ方向及びＹ方向の移動範囲は、通常、約１００μｍ以下が限界であり、それを超えて、探針をＸ方向又はＹ方向へ移動させる場合には、探針による試料観察を一旦中断した後、高さ位置制御部からの圧縮空気により移動テーブルを定盤の基準平面から浮上させつつ、ＸＹ粗動機構により移動テーブルをＸ方向及びＹ方向に沿って位置調整し直す必要がある。

このため、試料に対する観察を再開するまでの作業が煩瑣になると共に、試料に対する観察を中断した後、再開するまでに相当の時間を要するので、試料観察を効率的に行うことが困難になる。このような問題を解決するため、高さ位置制御部により移動テーブルへ供給する圧縮空気の量及び圧力をそれぞれ高い精度で制御することにより、移動テーブルの定盤の基準平面からの浮上量を一定に保ちつつ、この状態で探針により試料観察を行うことも考えられる。
特開平１１−２１１７３２号公報

しかし、移動テーブルに供給される圧縮空気は、通常、工場、研究所等の施設に設置された施設配管から供給されるものを利用しており、例えば、施設における圧縮空気の使用量（負荷）が変化すると、施設配管から供給される圧縮空気の圧力も変化し、また圧縮ポンプ等によるアキュームレータへの圧縮空気の供給時には、施設配管から供給される圧縮空気の圧力が周期変動する脈動現象が生じやすい。この結果、施設配管から供給される圧縮空気の圧力変化に伴って移動テーブルの定盤からの浮上量が変化しまうため、ＸＹＺ微動機構による探針と試料との間の間隔を所定値に保つ制御が困難になり、最悪の場合には、探針が試料に衝突して顕微鏡装置を破損させるおそれがある。

上記のように問題の発生を解決するため、従来の三次元位置決め装置には、定盤の基準平面上で移動テーブルを圧縮空気（空気軸受）により支持すると同時に、圧縮空気により移動テーブルを定盤の基準平面へ押し付けるような力（反浮上力）を作用させ、この反浮上力と空気軸受の浮上力とを互いに釣り合わせるものもある。これにより、移動テーブルを浮上させている空気軸受のＺ軸方向の剛性を大幅に高めることが可能になるので、圧縮空気の圧力変動変化、移動テーブルへの外部荷重等の外乱が加えられた場合でも、移動テーブルの浮上量の変化を効果的に抑制できる。

しかし、三次元位置決め装置に移動テーブルに反浮上力を作用させる機構（浮上バランス機構）を設ける場合には、空気配管、エアーパッド等を移動テーブルの上端側に配置すると共に、エアーパッドに対向する案内面を定盤側に配置する必要があるので、Ｚ軸方向に沿った装置寸法が拡大し易い。一方、原子間力顕微鏡には、移動テーブルの上方には余分なスペースが殆どないことから、浮上バランス機構を有する三次元位置決め装置を、原子間力顕微鏡に適用することは現実的には困難である。
本発明の目的は、上記事実を考慮して、装置寸法を拡大することなく、Ｚテーブルが搭載されたガイドプレートの定盤の基準平面からの浮上量が圧縮空気の圧力変動やベースプレートに作用する外力等の外乱の影響により変化することを効果的に抑制できる三次元位置決め装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る三次元位置決め装置は、基準平面を具備する定盤に連結されたベース部材と、前記ベース部材を介して定盤の基準平面上に配置されたＸＹテーブルと、前記ベース部材と前記ＸＹテーブルとの間に設けられ、該ＸＹテーブルを、定盤の基準平面に沿った所定のＸ方向及び、該Ｘ方向と直交するＹ方向に沿って任意の位置へ移動させるＸＹ移動手段と、前記ＸＹテーブルに、前記Ｚテーブルを定盤の基準平面と直交するＺ軸方向に沿って移動可能になるように連結されたガイドプレートと、前記ガイドプレート上に搭載されたＺテーブルと、前記Ｚテーブルと前記ガイドプレートとの間に設けられ、前記Ｚテーブルを定盤の基準平面と直交するＺ軸方向に沿って任意の位置へ移動させるＺ移動手段と、定盤の基準平面と前記ガイドプレートの下面部との間に圧縮空気を供給し、該圧縮空気により前記ガイドプレートを定盤の基準平面から浮上させる空気軸受手段と、前記ガイドプレートと前記ＸＹテーブルとの隙間内に配置され、前記ガイドプレートを、前記圧縮空気の浮上力よりも小さい反浮上力により定盤の基準平面側へ付勢する浮上バランス手段と、を有することを特徴とする。

上記請求項１に係る三次元位置決め装置では、浮上バランス手段が、空気軸受手段の圧縮空気によりガイドプレートに作用する浮上力よりも小さい反浮上力によりガイドプレートを定盤の基準平面側へ付勢することにより、このような反浮上力がガイドプレートに作用しない場合と比較して、定盤の基準平面からのガイドプレートの浮上量を反浮上力の大きさに応じて減少させると共に、ガイドプレートと定盤の基準平面との間に形成された空気層（空気軸受）をＺ軸方向に沿って圧縮し、この空気軸受のＺ軸方向に沿った剛性を高めることができる。

この結果、外部からガイドプレートにＺ軸方向に沿った外力が作用した場合及び、空気軸受手段により供給される圧縮空気の圧力が変動した場合でも、ガイドプレートに搭載されたＺテーブルのＺ軸方向に沿った浮上量の変化を小さくできる。また、請求項１に係る三次元位置決め装置では、浮上バランス手段がガイドプレートとＸＹテーブルとの隙間内に配置されていることから、浮上バランス手段の設置に伴って、装置寸法がＺ軸方向へ増大することを防止できる。

従って、請求項１に係る三次元位置決め装置によれば、装置寸法を拡大することなく、Ｚテーブルが搭載されたベースプレートの定盤の基準平面からの浮上量が圧縮空気の圧力変動やベースプレートに作用する外力等の外乱の影響により変化することを効果的に抑制できる。
また、本発明の請求項２に係る三次元位置決め装置は、請求項１記載の三次元位置決め装置において、前記浮上バランス手段は、前記ガイドプレートと前記ＸＹテーブルとの間に圧縮変形状態で配置されるコイルバネを有し、該コイルバネの復元力を前記反浮上力として、前記ガイドプレートを定盤の基準平面側へ付勢することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る三次元位置決め装置は、請求項１記載の三次元位置決め装置において、前記浮上バランス手段は、前記ガイドプレートと前記ＸＹテーブルとの間に引張り変形状態で配置されるコイルバネを有し、該コイルバネの復元力を前記反浮上力として、前記ガイドプレートを定盤の基準平面側へ付勢することを特徴とする。
また、本発明の請求項４に係る三次元位置決め装置は、請求項１記載の三次元位置決め装置において、前記浮上バランス手段は、前記ガイドプレートに取り付けられる第１の磁石と、前記ＸＹテーブルに取り付けられると共に、前記Ｚ軸方向に沿って前記第１の磁石に対向するように配置された第２の磁石とを有し、前記第１の磁石と前記第２の磁石との磁気反発力を前記反浮上力として、前記ガイドプレートを定盤の基準平面側へ付勢することを特徴とする。

また、本発明の請求項５に係る三次元位置決め装置は、請求項１記載の三次元位置決め装置において、前記浮上バランス手段は、前記ガイドプレートに取り付けられる第１の磁石と、前記ＸＹテーブル側に取り付けられると共に、前記Ｚ軸方向に沿って前記第１の磁石に対向するように配置された第２の磁石とを有し、前記第１の磁石と前記第２の磁石との磁気吸引力を前記反浮上力として、前記ガイドプレートを定盤の基準平面側へ付勢することを特徴とする。
また、本発明の請求項６に係る三次元位置決め装置は、請求項１乃至５の何れか１項記載の三次元位置決め装置において、前記ガイドプレートと前記ＸＹテーブルとの間に、前記ＸＹテーブルの前記Ｚ軸方向に沿った移動範囲を制限する移動制限手段を設けたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明の三次元位置決め装置によれば、装置寸法を拡大することなく、Ｚテーブルが搭載されたベースプレートの定盤の基準平面からの浮上量が圧縮空気の圧力変動やベースプレートに作用する外力等の外乱の影響により変化することを効果的に抑制できる。

以下、本発明の実施形態に係る三次元位置決め装置について図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施形態に係る三次元位置決め装置の平面図、図２は図１に示される三次元位置決め装置の正面図、図３は図１に示される三次元位置決め装置の側面図である。この三次元位置決め装置１０は、探針を試料表面に沿って移動させることにより、試料の表面を観察する原子間力顕微鏡に用いられるものである。具体的には、三次元位置決め装置１０は、装置の基台となる定盤１２の基準平面１４上に配置されており、後述するＺテーブル８２上に配置された試料台８３を基準平面１４に沿って任意の位置へ移動させると共に、この試料台を基準平面１４に直交するＺ軸方向に沿って任意の位置へ移動させる。このとき、試料台上には観察試料が装填されている。

一方、ＡＭＦ等の原子間力顕微鏡では、カンチレバーの先端に取り付けたプローブ（探針）を観察試料に数ｎｍ以下まで近づけ、この探針の先端と試料の原子との間に作用する原子間力が一定になるように、三次元位置決め装置１０に対するフィードバック制御を行いながら試料表面を走査し、表面を観察する。
図１及び図２に示されるように、三次元位置決め装置１０は、定盤１２の基準平面１４上に配置されている。定盤１２は肉厚プレート状に形成されており、その上面側に基準平面１４が長方形に形成されている。ここで、便宜上、基準平面１４の長手方向と一致する方向を装置のＹ方向、長手直角方向と一致する方向を装置のＸ方向として以下の説明を行う。なお、基準平面１４と直交する方向（法線方向）を装置のＺ軸方向とする。

三次元位置決め装置１０は、Ｙ方向に沿って細長いプレート状にそれぞれ形成された一対のレールベース１６、１８及び、一対のレールベース１６、１８上にそれぞれ固定される一対のガイドレール２０を備えている。一対のレールベース１６、１８は、基準平面１４上に互いに平行となるように固定されており、これら一対のレールベース１６、１８上には、それぞれＹ方向へ直線的に延在するガイドレール２０が固定されている。

図３に示されるように、三次元位置決め装置１０は、一対のレールベース１６、１８及びガイドレール２０を介して定盤１２上に支持されるＸＹテーブル２２を備えている。ＸＹテーブル２２には、Ｚ軸方向に沿って下端側に下側キャリアプレート２４がＹ方向に沿って移動可能に設けられると共に、この下側キャリアプレート２４の上側に上側キャリアプレート２６がＸ方向に沿って移動可能に設けられている。

下側キャリアプレート２４には、その下面側におけるＸ方向に沿った一端部及び他端部にそれぞれスライダ２８が固定されている。スライダ２８は、図２に示されるように、下側キャリアプレート２４の一端部及び他端部にそれぞれ複数個（本実施形態では、３個）ずつ配置されており、これら複数個のスライダ２８はＹ方向に沿って等ピッチで配列されている。

図２及び図３に示されるように、三次元位置決め装置１０では、下側キャリアプレート２４の一端部に配置された複数個のスライダ２８が一方のガイドレール２０にそれぞれ係合しており、また下側キャリアプレート２４の他端部に配置された複数個のスライダ２８が他方のガイドレール２０にそれぞれ係合している。ここで、各スライダ２８は、それぞれ係合状態にあるガイドレール２０の長手方向（Ｙ方向）に沿って低摩擦で摺動可能とされている。これにより、ガイドレール２０及びこれに係合したスライダ２８はＹリニアガイド機構３０を構成し、このＹリニアガイド機構３０は、下側キャリアプレート２４を低抵抗でＹ方向に沿って直線的に移動可能とする。

図１に示されるように、三次元位置決め装置１０には、一方のレールベース１６上にＹリニアフィード機構３２が配置されている。Ｙリニアフィード機構３２は、細長い棒状に形成されたスクリュー軸３４、このスクリュー軸３４の先端部を軸支する軸受部材３６及び、スクリュー軸３４の基端部に同軸的に連結されたサーボモータ３８を備えている。軸受部材３６及びサーボモータ３８は、それぞれレールベース１６上に固定されており、スクリュー軸３４は、軸受部材３６及びサーボモータ３８を介してレールベース１６上に支持されている。ここで、スクリュー軸３４は、その軸心が装置のＹ方向と一致するように支持されている。またスクリュー軸３４の外周面には螺旋状に延在するスクリュー溝（図示省略）が形成されている。

図１に示されるように、Ｙリニアフィード機構３２は、下側キャリアプレート２４の側端部に固定されたボールナット４０を備えている。ボールナット４０には、Ｙ方向へ貫通する挿通穴４２が穿設されており、この挿通穴４２の内周面には、スクリュー軸３４のスクリュー溝に対応する複数個のボールがそれぞれ転動可能に配設されている。Ｙリニアフィード機構３２では、スクリュー軸３４がボールナット４０の挿通穴４２を挿通すると共に、ボールナット４０内の各ボールがそれぞれスクリュー溝に係合している。

これにより、スクリュー軸３４がボールナット４０に対して相対的に回転可能になると共に、サーボモータ３８からのトルクによりスクリュー軸３４がボールナット４０に対して相対回転すると、ボールナット４０がＹ方向に沿ってスクリュー軸３４の回転方向に対応する方向（Ｙ方向に沿った前進方向又は後退方向）へ回転量に対応する距離だけ移動し、このボールナット４０と一体となって下側キャリアプレート２４もＹ方向に沿って進退する。

三次元位置決め装置１０は、Ｙリニアフィード機構３２のサーボモータ３８を含むサーボ駆動系及び、後述する静圧パッド１３０へ連通する圧力配管１３８を開閉する電磁開閉弁１４０等を制御するための駆動制御部（図示省略）を備えており、この駆動制御部は、原子間力顕微鏡の制御部から入力する制御信号に従ってサーボモータ３８の回転方向及び回転量をそれぞれ制御する。サーボ駆動系には、上記サーボモータ３８に加え、後述するサーボモータ６２及びサーボモータ１２８が含まれる。

図１に示されるように、下側キャリアプレート２４には、その中央部にＺ軸方向へ貫通する略長方形の開口部４４が形成されている。この開口部４４は、その長手方向がＸ方向と一致している。これにより、下側キャリアプレート２４は全体として矩形枠状に形成され、Ｘ方向に沿った両端部にそれぞれＹ方向へ延在する短辺縁部４６、４７が形成されると共に、Ｙ方向に沿った両端部にＸ方向へ延在する長辺縁部４８、４９が形成される。これら一対の長辺縁部４８、４９上には、それぞれ一対のガイドレール５０が固定されている。一対のガイドレール５０は、それぞれＸ方向へ直線的に延在している。また一方の短辺縁部４８には、Ｙリニアフィード機構３２のボールナット４０が連結固定されている。

図２及び図３に示されるように、上側キャリアプレート２６には、その下面側におけるＹ方向に沿った一端部及び他端部にそれぞれスライダ５２が固定されている。スライダ５２は、上側キャリアプレート２６の一端部及び他端部にそれぞれ複数個（本実施形態では、３個）ずつ配置されており、これら複数個のスライダ５２はＸ方向に沿って等ピッチで配列されている。

三次元位置決め装置１０では、上側キャリアプレート２６の一端部に配置された複数個のスライダ５２が一方のガイドレール５０にそれぞれ係合しており、また上側キャリアプレート２６の他端部に配置された複数個のスライダ５２が他方のガイドレール５０にそれぞれ係合している。ここで、各スライダ５２は、それぞれ係合状態にあるガイドレール５０の長手方向（Ｘ方向）に沿って低摩擦で摺動可能とされている。これにより、ガイドレール５０及びこれに係合したスライダ５２はＸリニアガイド機構５４を構成し、このＸリニアガイド機構５４は、上側キャリアプレート２６を低抵抗でＸ方向に沿って直線的に移動可能とする。

図１に示されるように、三次元位置決め装置１０には、一方の長辺縁部４８上にＸリニアフィード機構５６が配置されている。このＸリニアフィード機構５６は、レールベース１６上に配置されたＹリニアフィード機構３２と同様に、細長い棒状に形成されたスクリュー軸５８、このスクリュー軸５８の先端部を軸支する軸受部材６０及び、スクリュー軸５８の基端部に同軸的に連結されたサーボモータ６２を備えている。

軸受部材６０及びサーボモータ６２は、それぞれ長辺縁部４８上に固定されており、スクリュー軸５８は、軸受部材６０及びサーボモータ６２を介して長辺縁部４８上に支持されている。ここで、スクリュー軸５８は、その軸心が装置のＸ方向と一致するように支持されている。またスクリュー軸５８の外周面には螺旋状に延在するスクリュー溝（図示省略）が形成されている。

図１に示されるように、Ｘリニアフィード機構５６は、上側キャリアプレート２６の側端部に固定されたボールナット６４を備えている。ボールナット６４には、Ｘ方向へ貫通する挿通穴６６が穿設されており、この挿通穴６６の内周面には、スクリュー軸５８のスクリュー溝に対応する複数個のボール（図示省略）がそれぞれ転動可能に配設されている。Ｘリニアフィード機構５６では、スクリュー軸５８がボールナット６４の挿通穴６６を挿通すると共に、ボールナット６４内のボールがスクリュー溝に係合している。

これにより、スクリュー軸５８がボールナット６４に対して相対的に回転可能になると共に、サーボモータ６２からのトルクによりスクリュー軸５８がボールナット６４に対して相対回転すると、ボールナット６４がＸ方向に沿ってスクリュー軸５８の回転方向に対応する方向（Ｘ方向に沿った前進方向又は後退方向）へ回転量に対応する距離だけ移動し、このボールナット６４と一体となって上側キャリアプレート２６もＸ方向に沿って進退する。前述したように、サーボ駆動系の駆動制御部（図示省略）は、原子間力顕微鏡の制御部から入力する制御信号に従って、サーボモータ６２の回転方向及び回転量をそれぞれ制御する。

図１に示されるように、上側キャリアプレート２６には、その中央部にＺ軸方向へ貫通する略長方形の開口部６８が形成されている。この開口部６８は、その長手方向がＹ方向と一致している。これにより、上側キャリアプレート２６も、下側キャリアプレート２４と同様に全体として矩形枠状に形成され、Ｙ方向に沿った両端部にそれぞれＸ方向へ延在する短辺縁部７０、７１が形成されると共に、Ｘ方向に沿った両端部にＹ方向へ延在する長辺縁部７２、７３が形成される。ここで、一方の短辺縁部７０には、Ｘリニアフィード機構５６のボールナット６４が連結固定されている。

ＸＹテーブル２２では、上側キャリアプレート２６がＸリニアガイド機構５４により制限される可動範囲内で任意の位置にあり、かつ上側キャリアプレート２６がＹリニアガイド機構３０により制限される可動範囲内で任意の位置にある状態で、上側キャリアプレート２６の開口部６８が常に下側キャリアプレート２４の開口部４４と基準平面１４上で重なり合う。

図４に示されるように、ＸＹテーブル２２は、上側キャリアプレート２６の下側に配置されるテーブルフレーム７５及び、このテーブルフレーム７５の下端部に連結される肉厚プレート状のガイドプレート７８を備えている。テーブルフレーム７５は、全体として肉厚の角筒状に形成されており、その内周側にＺ方向へ貫通する収納空間８０が形成されており、この収納空間８０内には、後述するＺテーブル８２に対するＺリニアフィード機構８４が格納される。

図５に示されるように、テーブルフレーム７５には、外周側に角筒状の上側フレーム部７６が設けられると共に、この上側フレーム部７６の内周側に下側フレーム部７７が設けられている。上側フレーム部７６は、その上端部が上側キャリアプレート２６の下端面に突き当てられた状態で、上側キャリアプレート２６に連結固定されている。このとき、テーブルフレーム７５の収納空間８０は、上側キャリアプレート２６の開口部６８を通して装置上方の空間に連通する。ガイドプレート７８は、その上面側を下側フレーム部７７の下端部に突き当てた状態で固定されている。これにより、収納空間８０の下端側（開口端）がガイドプレート７８により閉塞される。

テーブルフレーム７５には、上側フレーム部７６の内周部と下側フレーム部７７の外周部との間に直動軸受１４２が配置されている。この直動軸受１４２は、図４に示されるように、下側フレーム部７７に固定されるガイドレール１４４及び、上側フレーム部７６に固定されるスライダ１４６を備えている。ガイドレール１４４はＺ方向に沿って直線的に延在しており、スライダ１４６はガイドレール１４４に係合している。

ここで、スライダ１４６の内側には、複数個のボール、コロ等の転動部材（図示省略）がそれぞれ転動可能に配置されており、スライダ１４６は、転動部材を介して低摩擦でガイドレール１４４に沿って摺動可能とされている。これにより、上側フレーム部７６は、直動軸受１４２及び下側フレーム部７７を介し、ガイドプレート７８に対してＺ方向へ相対的に移動可能となるように連結される。

三次元位置決め装置１０は、収納空間８０の上端側（開口端）に面して配置されるＺテーブル８２、このＺテーブル８２をＺ方向に沿って移動可能に支持すると共に、Ｚテーブル８２をＺ方向に沿って任意の位置へ移動させるＺリニアフィード機構８４を備えている。Ｚテーブル８２は、図１に示されるように、平面視にて、開口部６８の内周側に配置されており、この開口部６８を通ってＺテーブル８２の上方まで移動（上昇）可能とされている。ここで、Ｚテーブル８２上には、図１に示されるように、円形プレート状の試料台８３が固定されており、この試料台８３上には観察試料が装填される。

Ｚリニアフィード機構８４は、Ｚテーブル８２の下面側に固定される昇降ブロック８６及び、この昇降ブロック８６の下側に配置されるスライドブロック１００を備えている。昇降ブロック８６は、Ｚ−Ｙ平面に沿った断面形状が略直角三角形とされており、昇降ブロック８６には、Ｚ−Ｙ平面に沿った略直角三角形の断面における底辺、短辺及び斜辺にそれぞれ対応する頂面部８８、側面部９０及び斜面部９２が形成されている。

昇降ブロック８６は、その頂面部８８がＺテーブル８２の下面側へ突き当てられた状態で、Ｚテーブル８２に固定されている。また昇降ブロック８６は、その側面部９０がＺ方向と平行に延在しており、この側面部９０には、ブラケット９４を介してスライダ９６が固定されている。
一方、ガイドプレート７８の上端面には側面部９０に面してガイドレール９８が立設されている。このガイドレール９８はＺ方向に沿って直線的に延在する細長い角柱状に形成されており、このガイドレール９８には、昇降ブロック８６のスライダ９６が摺動可能に係合している。これにより、昇降ブロック８６は、ガイドレール９８及びスライダ９６により移動方向がＺ方向のみに制限される。

図４に示されるように、スライドブロック１００も、そのＺ−Ｙ平面に沿った断面形状が略直角三角形とされている。スライドブロック１００には、Ｚ−Ｙ平面に沿った略直角三角形の断面における底辺、短辺及び斜辺にそれぞれ対応する摺動面部１０２、ストッパ面部１０４及び斜面部１０６がそれぞれ形成されている。ここで、スライドブロック１００の摺動面１０２には、低摩擦材料からなる軸受部材１０３（図５（Ａ）参照）が配置されており、スライドブロック１００は、摺動面１０２の軸受部材１０３を介してガイドプレート７８の上端面に摺動可能に載置されている。

スライドブロック１００は、その斜面部１０６を昇降ブロック８６の斜面部９２に正対させており、これらの斜面部９２、１０６の間には、直動軸受１０８が介装されている。この直動軸受１０８は斜面部９２、１０６の間に一定幅の隙間を形成している。直動軸受１０８はガイドフレーム１１０及びスライダ１１２を備えており、ガイドフレーム１１０は、昇降ブロック８６の斜面部９２にボルト等により締結固定されている。ガイドフレーム１１０には、斜面部９２の傾斜方向（図４の矢印Ｓ方向）と平行に延在するガイド溝１１４が形成されており、このガイド溝１１４は、平面視では、その長手方向がＹ方向と平行に延在している。

一方、スライダ１１２は、スライドブロック１００の斜面部１０６にボルト等により締結固定されており、ガイドフレーム１１０のガイド溝１１４に係合している。ガイドフレーム１１０は、ガイド溝１１４内に複数個のボール、ころ等の転動部材を回動可能に保持しており、これらの転動部材を介してスライダ１１２に接している。これにより、スライダ１１２及びガイドフレーム１１０は、斜面部９２、１０６の傾斜方向Ｓに沿って相対的に摺動可能になり、スライダ１１２に連結されたスライドブロック１００は、その移動方向がＹ方向のみに制限される。

また、昇降ブロック８６は、複数個のコイルスプリング（図示省略）によりガイドプレート７８に連結されており、これらのコイルスプリングは、常に昇降ブロック８６をガイドプレート７８側へ付勢している。これにより、直動軸受１０８におけるガイドフレーム１１０とスライダ１１２との間に隙間（ガタ）が発生しなくなるので、直動軸受１０８のガタにより昇降ブロック８６及びＺテーブル８２がＺ方向へ変移することが確実に防止される。

Ｚテーブル８２の下面側には、Ｙ方向に沿って昇降ブロック８６に隣接するようにストッパプレート１１６が固定されている。このストッパプレート１１６は、その先端側をＹ方向に沿ってスライドブロック１００のストッパ面部１０４に対向させており、スライドブロック１００がＹ方向に沿って所定の下限対応位置まで後退すると、ストッパ面部１０４に当接してスライドブロック１００の後退方向（図４では、左方向）への移動を制限する。

また、スライドブロック１００の斜面部１０６には、その上端側の端部付近にストッパボルト１１８が捩じ込み固定されている。このストッパボルト１１８は、斜面部１０６の傾斜方向Ｓに沿ってガイドフレーム１１０の上側の端面に対向しており、スライドブロック１００がＹ方向に沿って所定の上限対応位置まで前進すると、ガイドフレーム１１０に当接してスライドブロック１００の前進方向（図４では、右方向）への移動を制限する。

図４に示されるように、スライドブロック１００には、Ｙ方向に沿った一端側のストッパ面部１０４から他端側へ向かって延在する切欠部１２０が形成されている。この切欠部１２０は、一端側（図４では、左端側）がストップ面部１０４に開口し、このストッパ面部１０４からスライドブロック１００の中間部まで直線的に延在している。また切欠部１２０は、その下端側が摺動面１０２に開口している。

Ｚリニアフィード機構８４は、切欠部１２０内における一端部付近に固定されるボールナット１２２及び、切欠部１２０内における奥側の端部に固定された軸受部材１２３を備えている。このボールナット１２２には、Ｙ方向へ貫通する挿通穴１２４が穿設されており、この挿通穴１２４の内周面には複数個のボール（図示省略）が転動可能に配設されている。また、Ｚリニアフィード機構８４は、細長い棒状に形成されたスクリュー軸１２６及び、このスクリュー軸１２６の基端部に同軸的に連結されたサーボモータ１２８を備えている。

スクリュー軸１２６には、その外周面に螺旋状に延在するスクリュー溝（図示省略）が形成されており、スクリュー軸１２６は、ボールナット１２２の挿通穴１２４を挿通すると共に、先端部が軸受部材１２３により軸支されている。スクリュー軸１２６のスクリュー溝には、ボールナット１２２のボールが転動可能に係合している。これにより、スクリュー軸１２６は、ボールナット１２２に対して回動可能に連結される。

また、サーボモータ１２８は、ガイドプレート７８上に固定されており、その駆動軸がカップリング（図示省略）を介してスクリュー軸１２６に連結されている。これにより、サーボモータ１２８からのトルクによりスクリュー軸１２６がボールナット１２２に対して相対回転すると、ボールナット１２２がＹ方向に沿ってスクリュー軸１２６の回転方向に対応する方向（Ｙ方向に沿った前進方向又は後退方向）へ回転量に対応する距離だけ移動し、このボールナット１２２と一体となってスライドブロック１００もＹ方向に沿って進退する。

Ｚリニアフィード機構８４では、スライドブロック１００がＹ方向に沿って前進すると、一対の斜面部９２、１０６間に配置された直動軸受１０８のガイドフレーム１１０とスライダ１１２とが傾斜方向Ｓに沿って互いに摺動すると共に、直動軸受１０８が発生するＺ方向に沿って上方へ向かう分力を発生させる。これにより、昇降ブロック８６は、スライドブロック１００の前進方向への移動量に対応する距離だけＺ方向に沿って上方へ移動する。このとき、スライドブロック１００がＹ方向に沿って上限対応位置まで前進すると、昇降ブロック８６は図４の２点鎖線で示される上限位置まで上昇する。

Ｚリニアフィード機構８４では、スライドブロック１００がＹ方向に沿って後退すると、直動軸受１０８のガイドフレーム１１０とスライダ１１２とが傾斜方向Ｓに沿って互いに摺動すると共に、直動軸受１０８がＺ方向に沿って下方へ向かう分力を発生する。これにより、昇降ブロック８６は、スライドブロック１００の後退方向への移動量に対応する距離だけＺ方向に沿って上方へ移動する。このとき、スライドブロック１００がＹ方向に沿って下限対応位置まで後退すると、昇降ブロック８６は図４の実線で示される下限位置まで下降する。

ここで、昇降ブロック８６にＺテーブル８２が固定されていることから、Ｚテーブル８２は、スライドブロック１００を進退させることにより、昇降ブロック８６と一体となってＺ方向へ移動（昇降）し、Ｚ方向へ所望の位置へ位置調整することが可能になっている。
また、Ｚリニアフィード機構８４では、斜面部９２、１０６のＹ方向に対する傾斜角θ（図４参照）を適宜設定することにより、スライドブロック１００の移動量に対するＺテーブル８２の昇降量の比が設定可能になる。すなわち、傾斜角θを小さく設定するに従って、スライドブロック１００の単位移動量に対するＺテーブル８２の昇降量を小さいものにすることができ、また傾斜角θを小さく設定するに従って、スライドブロック１００の単位移動量に対するＺテーブル８２の昇降量を大きいものにすることができる。

この結果、サーボモータ１２８に内蔵されたギヤ列機構の減速比を変更したり、サーボモータ１２８に新たにギヤ列機構等の減速機構を追加することなく、スライドブロック１００の移動量に対するＺテーブル８２の昇降量の比を所望の値に設定することが可能になる。特に、Ｚテーブル８２の昇降量に対する制御分解能の要求に応じて、傾斜角θを十分に小さく設定することより、サーボモータ１２８の単位作動量（回転量）を十分に小さくできない場合でも、Ｚテーブル８２の昇降量に対する分解能を十分に高いものにできるので、Ｚテーブル８２のＺ方向に沿った位置制御を極めて高い精度で行うことができる。

図４に示されるように、ガイドプレート７８には、その下端面に複数個の静圧パッド１３０が配置されると共に、複数個の静圧パッド１３０にそれぞれ連通する空気供給路１３２が設けられている。空気供給路１３２は、その基端部がガイドプレート７８の側端面に開口しており、この空気供給路１３２の開口端には、ニップル１３６を介して圧力配管１３８が接続されている。この圧力配管１３８は、その基端部が工場、研究所等の施設に設置された施設配管等の圧縮空気の供給設備（図示省略）に接続されており、この供給設備から供給される圧縮空気を空気供給路１３２に供給する。

なお、圧力配管１３８の途中には、圧縮空気の供給及び供給停止を制御するための電磁開閉弁１４０が配置されると共に、この電磁開閉弁１４０に対して上流側に減圧弁、アキュームレータ等の圧縮空気を定圧化するための圧力制御機器が必要に応じて配置される。また、圧力配管には、その基端側に相対的に内径が大きい本管部が設けられると共に、この本管部から複数個の静圧パッド１３０にそれぞれ分岐する細径の枝管部が設けられている。ここで、複数本の枝管部は、その路長が互いに略等しいものになっており、これにより、枝管部における圧力損失により各静圧パッド１３０供給される圧縮空気の圧力が変化することが防止されている。

図１に示されるように、静圧パッド１３０は、厚さが略一定とされた矩形プレート状に形成されており、図４に示されるように、ガイドプレート７８の下端面に矩形凹状に形成された嵌挿凹部７９内に嵌挿された状態で固定されている。ここで、嵌挿凹部７９の深さは、静圧パッド１３０の厚さよりも僅かに小さくなっている。これにより、静圧パッド１３０は、その下端側をガイドプレート７８の下端面から僅かに突出させている。静圧パッド１３０には、その中心部に内径一定の給気孔１３１が穿設されており、所謂、自成絞り型のものとして構成されている。

図１に示されるように、ガイドプレート７８には、複数個（本実施形態では、６個）の静圧パッド１３０が固定されているが、これら複数個の静圧パッド１３０は、Ｚテーブル８２が搭載されたガイドプレート７８の力学的な重心点に対し、互いに対称的な位置関係となるように配置されている。これにより、複数個の静圧パッド１３０からそれぞれ供給される圧縮空気の圧力（静圧）がガイドプレート７８に対してＹ軸及びＸ軸回りのモーメントが発生しなくなり、このようなモーメントによりガイドプレート７８が基準平面１４に対して傾くことが防止される。

三次元位置決め装置１０の駆動制御部は、Ｙリニアフィード機構３２及びＸリニアフィード機構５６の作動時に、電磁開閉弁１４０を開状態とし、圧力配管１３８及び空気供給路１３２を通して複数個の静圧パッド１３０にそれぞれ圧縮空気を供給する。これにより、各静圧パッド１３０の給気孔１３１からガイドプレート７８の下端面と基準平面１４との間に圧縮空気が供給されて空気層が形成される。すなわち、ガイドプレート７８及び、Ｚリニアフィード機構８４を介してガイドプレート７８に搭載されたＺテーブル８２は、空気層を介して定盤１２の基準平面１４から浮上した状態に保持される。

図５（Ａ）に示されるように、三次元位置決め装置１０は、ガイドプレート７８の上面部とＸＹテーブル２２における上側キャリアプレート２６の下面部との間（隙間内）に配置される複数個のコイルスプリング１５０（図５（Ａ）では、１個のコイルスプリング１５０のみを示す。）を備えている。
複数個のコイルスプリング１５０は、静圧パッド１３０と同様に、Ｚテーブル８２が搭載されたガイドプレート７８の力学的な重心点に対して互いに対称的な位置関係となるように配置されている。これにより、複数個のコイルスプリング１５０がそれぞれ発生する復元力によりガイドプレート７８に対してＹ軸及びＸ軸回りのモーメントが発生しなくなり、このようなモーメントによりガイドプレート７８が基準平面１４に対して傾くことが防止される。

上側キャリアプレート２６の下面部における外周側には、円板状の座受部材１５２が固着されており、この座受部材１５２の下面中心部には、Ｚ方向に沿って下方へ突出する突起状の嵌挿部１５６が一体的に形成されている。一方、ガイドプレート７８の上面部における外周側にも、Ｘ−Ｙ平面上にて座受部材１５２と一致するように、円板状の座受部材１５４が固着されており、この座受部材１５４の上面中心部には、Ｚ方向に沿って上方へ突出する突起状の嵌挿部１５８が一体的に形成されている。

図５（Ａ）に示されるように、コイルスプリング１５０は、所定量圧縮された状態で一対の座受部材１５２、１５４の間に介装されている。このとき、座受部材１５２、１５４は、嵌挿部１５６、１５８をそれぞれコイルスプリング１５０の内周側へ嵌挿している。これにより、コイルスプリング１５０は圧縮スプリングとして構成され、その復元力によりガイドプレート７８を定盤１２の基準平面１４側へ付勢する。すなわち、複数個のコイルスプリング１５０は、圧縮空気の静圧により浮上したガイドプレート７８に対して反浮上力Ｆを作用させる。

但し、複数個のコイルスプリング１５０が発生する反浮上力Ｆは、複数個の静圧パッド１３０からそれぞれ供給される圧縮空気により生じるガイドプレート７８の浮上力よりも、常に小さくなるように設定される。
図６（Ａ）に示されるように、三次元位置決め装置１０は、ガイドプレート７８の上面部とＸＹテーブル２２における上側キャリアプレート２６の下面部との間に配置される複数個のメッカロック機構１６０（図６（Ａ）では、１個のメッカロック機構１６０のみを示す。）を備えている。

複数個のコイルスプリング１５０は、好ましくは、Ｚテーブル８２が搭載されたガイドプレート７８の力学的な重心点に対して互いに対称的な位置関係となるように配置されるが、コイルスプリング１５０と異なり、概略的に重心点に対して対称的に配置されていれば良い。またガイドプレート７８と上側キャリアプレート２６との間には、少なくとも２個のメッカロック機構１６０が設置され、好ましくは、重心的を中心とする周方向に沿って、概ね１２０°又は９０°のピッチで、３個又は２個のメッカロック機構１６０が設置される。

メッカロック機構１６０は、上側キャリアプレート２６の下面部における外周側に固定されるストッパレバー１６２及び、ガイドプレート７８の上面部における外周側に固定されるロックレバー１６４を備えている。ストッパレバー１６２には、その下端部にＹ方向又はＸ方向に沿って一方向へ突出するストッパ部１６６が一体的に形成されている。
一方、ロックレバー１６４の上端部には、ストッパレバー１６２には、その下端部及び中間部にそれぞれストッパ部１６６とは反対側へ突出する上側ロック部１６８及び下側ロック部１７０が一体的に形成されている。ここで、上側ロック部１６８と下側ロック部１７０との間には、Ｚ方向に沿って所定幅Ｇの制限溝１７２が矩形凹状に形成されている。

ストッパレバー１６２は、そのストッパ部１６６を制限溝１７２内に挿入しており、ストッパ部１６６のＺ方向に沿った寸法Ｔは、幅Ｇよりも所定長だけ小さくなっている。
メッカロック機構１６０では、図６（Ａ）に示されるように、ガイドプレート７８が基準平面１４から、装置設計上、予め設定された浮上量Ｒだけ浮上している状態で、ストッパ部１６６の上端と上側ロック部１６８との間及びストッパ部１６６の下端と下側ロック部１７０との間にそれぞれ互いに等しい隙間が形成される。これにより、ガイドプレート７８が基準平面１４から浮上量Ｒだけ浮上しているときに、その位置からのガイドプレート７８のＺ方向に沿った変移量（上昇量及び下降量）がそれぞれ（Ｇ−Ｒ）／２の可動範囲内に確実に制限される。

なお、ロックレバー１６４としては、図６（Ｂ）に示されるように、上側ロック部１６８及び下側ロック部１７０にそれぞれ調整ねじ１７４及びロックナット１７６が配置されたものを用いても良い。
すなわち、上側ロック部１６８及び下側ロック部１７０には、それぞれＺ方向へ貫通するねじ穴１７８、１８０が穿設されており、これらのねじ穴１７８、１８０には、それぞれ調整ねじ１７４が上側ロック部１６８の上方及び下側ロック部１７０の下方から捩じ込まれている。

ここで、調整ねじ１７４の先端部は略半球状に加工されている。また、一対の調整ねじ１７４には、それぞれ基端側からロックナット１７６が捩じ込まれている。これらのロックナット１７６を上側ロック部１６８の上端面及び下側ロック部１７０の下端面に圧接させると共に、所定の締結トルクでロックナット１７６を締め付けることにより、調整ねじ１７４の上側ロック部１６８及び下側ロック部１７０に対するＺ方向の変移を確実に阻止できる。また、ロックナット１７６を緩めることにより、調整ねじ１７４が回転可能になる。

従って、図６に示されるロックレバー１６４を用いた場合には、調整ねじ１７４を上側ロック部１６８及び下側ロック部１７０に対する捩じ込み量を調整することにより、一対の調整ねじ１７４の先端部のＺ方向に沿った位置が調整可能になるので、一対の調整ねじ１７４の先端間に形成される制限溝１７３のＺ方向に沿った位置及び、幅Ｇがそれぞれ調製可能になる。

この結果、三次元位置決め装置１０において、ガイドプレート７８の浮上量Ｒの設定が変更される場合や、ガイドプレート７８の上昇量及び下降量の可動範囲の設定が変更される場合にも、一対の調整ねじ１７４の上側ロック部１６８及び下側ロック部１７０に対する捩じ込み量を調整するだけで、制限溝１７２のＺ方向に沿った位置及び、幅Ｇをそれぞれ調製できるので、浮上量Ｒの設定変更及びガイドプレート７８の上昇量及び下降量の設定変更にも簡単に対応できるようになる。

以上説明した本実施形態に係る三次元位置決め装置１０では、浮上バランス手段として構成された複数個のコイルスプリング１５０が、静圧パッド１３０を通して供給される圧縮空気によりガイドプレート７８に生じる浮上力よりも、小さい反浮上力Ｆによりガイドプレート７８を定盤１２の基準平面１４側へ付勢することにより、このような反浮上力Ｆがガイドプレート７８に作用しない場合と比較して、定盤１２の基準平面１４からのガイドプレート７８の浮上量Ｒを反浮上力Ｆの大きさに応じて減少させると共に、ガイドプレート７８と基準平面１４との間に形成された空気層（空気軸受）をＺ軸方向に沿って圧縮し、この空気軸受のＺ軸方向に沿った剛性を高めることができる。
この結果、外部からガイドプレート７８にＺ軸方向に沿った外力が作用した場合及び、静圧パッド１３０を通して供給される圧縮空気の圧力が変動した場合にも、ガイドプレート７８に搭載されたＺテーブル８２のＺ軸方向に沿った浮上量の変化を小さくできる。

また三次元位置決め装置１０では、複数個のコイルスプリング１５０がそれぞれガイドプレート７８とＸＹテーブル２２における上側キャリアプレート２６との隙間内に配置されていることから、複数個のコイルスプリング１５０の設置に伴って、装置寸法がＺ軸方向へ増大することを防止できる。
従って、本実施形態に係る三次元位置決め装置１０によれば、装置寸法を拡大することなく、Ｚテーブル８２が搭載されたガイドプレート７８の基準平面１４からの浮上量が圧縮空気の圧力変動やガイドプレート７８に作用する外力等の外乱の影響により変化することを効果的に抑制できる。

（浮上バランス手段の変形例）
次に、ガイドプレート７８に対する浮上バランス手段の変形例について説明する。
図５（Ｂ）には、本実施形態に係る三次元位置決め装置１０における浮上バランス手段の第１変形例が示されている。この第１変形例に係る浮上バランス手段は、ガイドプレート７８の上面部とＸＹテーブル２２における上側キャリアプレート２６の下面部との間（隙間内）に配置される複数個のコイルスプリング１８２（図５（Ｂ）では、１個のコイルスプリング１８２のみを示す。）、コイルスプリング１８２の下端部を上側キャリアプレート２６に連結する上側ブラケット１８４及び、コイルスプリング１８２の上端部をガイドプレート７８に連結する下側ブラケット１８６を備えている。

複数個のコイルスプリング１８２は、図５（Ａ）に示されるコイルスプリング１５０と同様に、ガイドプレート７８の力学的な重心点に対して互いに対称的な位置関係となるように配置されている。これにより、複数個のコイルスプリング１８２がそれぞれ発生する復元力によりガイドプレート７８に対してＹ軸及びＸ軸回りのモーメントが発生しなくなり、このようなモーメントによりガイドプレート７８が基準平面１４に対して傾くことが防止される。

上側キャリアプレート２６の下面部における外周側には、上側ブラケット１８４の上端部が連結固定されており、この上側ブラケット１８４の下端部には、Ｙ方向又はＸ方向に沿ってガイドプレート７８の中心側へ突出する屈曲部１８８が形成されると共に、この屈曲部１８８の上面側には円柱状に形成された嵌挿部１９０が一体的に形成されている。
一方、ガイドプレート７８の上面部における外周側にも、下側ブラケット１８６の下端部が連結固定されており、この下側ブラケット１８６の上端部には、上側ブラケット１８４の屈曲部１８８とは反対方向へ突出する屈曲部１９２が形成されると共に、この屈曲部１９２の下面側には円柱状に形成された嵌挿部１９４が一体的に形成されている。ここで、嵌挿部１９４と嵌挿部１９０とはＸ−Ｙ平面上で同一位置にある。

コイルスプリング１８２は、所定量圧縮された状態で上側ブラケット１８４の屈曲部１８８と下側ブラケット１８６の屈曲部１９２の間に介装されている。このとき、上側ブラケット１８４及び下側ブラケット１８６は、その嵌挿部１９０、１９４をそれぞれコイルスプリング１８２の内周側へ嵌挿している。これにより、コイルスプリング１８２は引張り圧縮スプリングとして構成され、その復元力によりガイドプレート７８を定盤１２の基準平面１４側へ付勢する。すなわち、複数個のコイルスプリング１８２は、圧縮空気の静圧により浮上したガイドプレート７８に対して反浮上力Ｆ１を作用させる。
但し、複数個のコイルスプリング１８２が発生する反浮上力Ｆ１は、複数個の静圧パッド１３０からそれぞれ供給される圧縮空気により生じるガイドプレート７８の浮上力よりも、常に小さくなるように設定される。

以上説明した第１変形例に係る浮上バランス手段を三次元位置決め装置１０に設置した場合にも、複数個のコイルスプリング１８２が、静圧パッド１３０を通して供給される圧縮空気によりガイドプレート７８に生じる浮上力よりも、小さい反浮上力Ｆ１によりガイドプレート７８を定盤１２の基準平面１４側へ付勢することにより、このような反浮上力Ｆ１がガイドプレート７８に作用しない場合と比較して、定盤１２の基準平面１４からのガイドプレート７８の浮上量Ｒを反浮上力Ｆの大きさに応じて減少させると共に、ガイドプレート７８と基準平面１４との間に形成された空気層（空気軸受）をＺ軸方向に沿って圧縮し、この空気軸受のＺ軸方向に沿った剛性を高めることができるので、ガイドプレート７８に搭載されたＺテーブル８２のＺ軸方向に沿った浮上量の変化を小さくできる。

また複数個のコイルスプリング１８２、上側ブラケット１８４及び下側ブラケット１８６がそれぞれガイドプレート７８とＸＹテーブル２２における上側キャリアプレート２６との隙間内に配置されていることから、浮上バランス手段の設置に伴って、装置寸法がＺ軸方向へ増大することも防止できる。
図７（Ａ）には、本実施形態に係る三次元位置決め装置１０における浮上バランス手段の第２変形例が示されている。この第２の変形例に係る浮上バランス手段は、ガイドプレート７８の上面部とＸＹテーブル２２における上側キャリアプレート２６の下面部との間（隙間内）に配置される一対一組の永久磁石１９６、１９８及び、上側の永久磁石１９６を上側キャリアプレート２６に連結するスペーサ２００を備えている。

ここで、一対の永久磁石１９６、１９８及びスペーサ２００は、ガイドプレート７８と上側キャリアプレート２６との間に複数組、設置されている。具体的には、複数組の永久磁石１９６、１９８は、図５（Ａ）に示されるコイルスプリング１５０と同様に、ガイドプレート７８の力学的な重心点に対して互いに対称的な位置関係となるように配置されている。これにより、複数組の永久磁石１９６、１９８がそれぞれ発生する磁気反発力によりガイドプレート７８に対してＹ軸及びＸ軸回りのモーメントが発生しなくなり、モーメントによりガイドプレート７８が基準平面１４に対して傾くことが防止される。

上側キャリアプレート２６の下面部における外周側には、柱状のスペーサ２００の上端面が固着されており、このスペーサ２００の下端面には、ブロック状の永久磁石１９６が固着されている。一方、ガイドプレート７８の上面部における外周側には永久磁石１９８が直接的に固着されている。また永久磁石１９６、１９８は、それぞれＺ方向に沿った一端面の極性がＮ極及びＳ極の一方とされると共に、他端面の極性がＮ極及びＳ極の他方とされている。

ここで、永久磁石１９６と永久磁石１９８とはＸ−Ｙ平面上で同一位置にある。また、永久磁石１９６と永久磁石１９８とは、互いに同一極性同士の端面を所定の間隔を空けて対向させている。これにより、永久磁石１９６と永久磁石１９８との間には磁気反発力が発生し、この磁気反発力はガイドプレート７８を定盤１２の基準平面１４側へ付勢する。すなわち、一対の永久磁石１９６、１９８は、圧縮空気の静圧により浮上したガイドプレート７８に対して磁気反発力を反浮上力Ｆ２として作用させる。
但し、複数組の永久磁石１９６、１９８が発生する反浮上力Ｆ２は、複数個の静圧パッド１３０からそれぞれ供給される圧縮空気により生じるガイドプレート７８の浮上力よりも、常に小さくなるように設定される。

以上説明した第２変形例に係る浮上バランス手段を三次元位置決め装置１０に設置した場合にも、複数組の永久磁石１９６、１９８が、静圧パッド１３０を通して供給される圧縮空気によりガイドプレート７８に生じる浮上力よりも、小さい反浮上力Ｆ２によりガイドプレート７８を定盤１２の基準平面１４側へ付勢することにより、このような反浮上力Ｆ２がガイドプレート７８に作用しない場合と比較して、定盤１２の基準平面１４からのガイドプレート７８の浮上量Ｒを反浮上力Ｆの大きさに応じて減少させると共に、ガイドプレート７８と基準平面１４との間に形成された空気層（空気軸受）をＺ軸方向に沿って圧縮し、この空気軸受のＺ軸方向に沿った剛性を高めることができるので、ガイドプレート７８に搭載されたＺテーブル８２のＺ軸方向に沿った浮上量の変化を小さくできる。

また複数組の永久磁石１９６、１９８及びスペーサ２００がそれぞれガイドプレート７８とＸＹテーブル２２における上側キャリアプレート２６との隙間内に配置されていることから、浮上バランス手段の設置に伴って、装置寸法がＺ軸方向へ増大することも防止できる。
図７（Ｂ）には、本実施形態に係る三次元位置決め装置１０における浮上バランス手段の第３変形例が示されている。この第３の変形例に係る浮上バランス手段は、ガイドプレート７８の上面部とＸＹテーブル２２における上側キャリアプレート２６の下面部との間（隙間内）に配置される一対一組の永久磁石２０２、２０４、永久磁石２０２を上側キャリアプレート２６に連結する上側ブラケット２０６及び、永久磁石２０４をガイドプレート７８に連結する下側ブラケット２０８を備えている。

ここで、一対の永久磁石２０２、２０４及びブラケット２０６、２０８は、ガイドプレート７８と上側キャリアプレート２６との間に複数組、設置されている。具体的には、複数組の永久磁石２０２、２０４は、図５（Ａ）に示されるコイルスプリング１５０と同様に、ガイドプレート７８の力学的な重心点に対して互いに対称的な位置関係となるように配置されている。これにより、複数組の永久磁石２０２、２０４がそれぞれ発生する磁気吸引力によりガイドプレート７８に対してＹ軸及びＸ軸回りのモーメントが発生しなくなり、モーメントによりガイドプレート７８が基準平面１４に対して傾くことが防止される。
上側キャリアプレート２６の下面部における外周側には、上側ブラケット２０６の上端部が連結固定されており、この上側ブラケット２０６の下端部には、Ｙ方向又はＸ方向に沿ってガイドプレート７８の中心側へ突出する屈曲部２１０が形成されている。

一方、ガイドプレート７８の上面部における外周側にも、下側ブラケット２０８の下端部が連結固定されており、この下側ブラケット２０８の上端部には、上側ブラケット２０６の屈曲部２１０とは反対方向へ突出する屈曲部２１２が形成されている。ここで、屈曲部２１０と屈曲部２１２とはＸ−Ｙ平面上で同一位置にある。
上側ブラケット２０６には、その屈曲部２１０の上面側に永久磁石２０２が固着されており、下側ブラケット２０８には、その屈曲部２１２の下面側に永久磁石２０４が固着されている。また永久磁石２０２、２０４は、それぞれＺ方向に沿った一端面の極性がＮ極及びＳ極の一方とされると共に、他端面の極性がＮ極及びＳ極の他方とされている。

ここで、永久磁石２０２と永久磁石２０４とはＸ−Ｙ平面上で同一位置にある。また、永久磁石２０２と永久磁石２０４とは、互いに極性が反対となる端面同士を所定の間隔を空けて対向させている。これにより、永久磁石２０２と永久磁石２０４との間には磁気吸引力が発生し、この磁気吸引力はガイドプレート７８を定盤１２の基準平面１４側へ付勢する。すなわち、一対の永久磁石２０２、２０４は、圧縮空気の静圧により浮上したガイドプレート７８に対して磁気反発力を反浮上力Ｆ３として作用させる。
但し、複数組の永久磁石２０２、２０４が発生する反浮上力Ｆ３は、複数個の静圧パッド１３０からそれぞれ供給される圧縮空気により生じるガイドプレート７８の浮上力よりも、常に小さくなるように設定される。

以上説明した第３変形例に係る浮上バランス手段を三次元位置決め装置１０に設置した場合にも、複数組の永久磁石２０２、２０４が、静圧パッド１３０を通して供給される圧縮空気によりガイドプレート７８に生じる浮上力よりも、小さい反浮上力Ｆ３によりガイドプレート７８を定盤１２の基準平面１４側へ付勢することにより、このような反浮上力Ｆ３がガイドプレート７８に作用しない場合と比較して、定盤１２の基準平面１４からのガイドプレート７８の浮上量Ｒを反浮上力Ｆの大きさに応じて減少させると共に、ガイドプレート７８と基準平面１４との間に形成された空気層（空気軸受）をＺ軸方向に沿って圧縮し、この空気軸受のＺ軸方向に沿った剛性を高めることができるので、ガイドプレート７８に搭載されたＺテーブル８２のＺ軸方向に沿った浮上量の変化を小さくできる。

また複数組の永久磁石２０２、２０４、上側ブラケット２０６及び下側ブラケット２０８がそれぞれガイドプレート７８とＸＹテーブル２２における上側キャリアプレート２６との隙間内に配置されていることから、浮上バランス手段の設置に伴って、装置寸法がＺ軸方向へ増大することも防止できる。
なお、本実施形態では、三次元位置決め装置１０を原子間力顕微鏡に適用する場合について説明したが、以上説明した三次元位置決め装置１０は、三次元方向（Ｘ、Ｙ及びＺ方向）へ高精度な位置決めが要求とされるレーザ露光装置等の各種の産業機械に適用可能であることはいうまでもない。

本発明の実施形態に係る三次元位置決め装置の構成を示す平面図である。図１に示される三次元位置決め装置の正面図である。図１に示される三次元位置決め装置の側面図である。図１に示される三次元位置決め装置におけるガイドプレート上に搭載されたＺリニアフィード機構及びＺテーブル並びに、ガイドプレートに配置された静圧パッドの構成を示す正面断面図である。（Ａ）は本実施形態に係る三次元位置決め装置における浮上バランス手段の構成を示す正面図、（Ｂ）は浮上バランス手段の第１変形例を示す正面図である。（Ａ）は図１に示される三次元位置決め装置におけるメッカロック機構の構成を示す正面図、（Ｂ）は図１に示される三次元位置決め装置におけるメッカロック機構の変形例を示す正面図である。（Ａ）は本実施形態に係る三次元位置決め装置における浮上バランス手段の第２変形例を示す正面図、（Ｂ）は浮上バランス手段の第３変形例を示す正面図である。

符号の説明

１０三次元位置決め装置
１２定盤
１４基準平面
１６、１８レールベース
２０ガイドレール
２２テーブル
２４下側キャリアプレート
２６上側キャリアプレート
２８スライダ
３０Ｙリニアガイド機構
３２Ｙリニアフィード機構
３４スクリュー軸
３６軸受部材
３８サーボモータ
４０ボールナット
４２挿通穴
４４開口部
５０ガイドレール
５２スライダ
５４Ｘリニアガイド機構
５６Ｘリニアフィード機構
５８スクリュー軸
６０軸受部材
６２サーボモータ
６４ボールナット
６６挿通穴
６８開口部
７５テーブルフレーム
７６上側フレーム部
７７下側フレーム部
７８ガイドプレート
７９嵌挿凹部
８０収納空間
８２Ｚテーブル
８３試料台
８４Ｚリニアフィード機構
８６昇降ブロック
９６スライダ
９８ガイドレール
１００スライドブロック
１０２摺動面
１０２摺動面部
１０３軸受部材
１０４ストッパ面部
１０４ストップ面部
１０６斜面部
１０８直動軸受
１１０ガイドフレーム
１１２スライダ
１１４ガイド溝
１１６ストッパプレート
１１８ストッパボルト
１２０切欠部
１２２ボールナット
１２４挿通穴
１２６スクリュー軸
１２８サーボモータ
１３０静圧パッド
１３１給気孔
１３２空気供給路
１３４連結口
１３６ニップル
１３８圧力配管
１４０電磁開閉弁
１４２直動軸受
１４４ガイドレール
１４６スライダ
１５０コイルスプリング
１５２座受部材
１５４座受部材
１５６嵌挿部
１５８嵌挿部
１６０メッカロック機構
１６２ストッパレバー
１６４ロックレバー
１６６ストッパ部
１６８上側ロック部
１７０下側ロック部
１７２制限溝
１７６ロックナット
１７８ねじ穴
１８２コイルスプリング
１８４上側ブラケット
１８６下側ブラケット
１８８屈曲部
１９０嵌挿部
１９２屈曲部
１９４嵌挿部
１９６永久磁石
１９８永久磁石
２００スペーサ
２０２永久磁石
２０４永久磁石
２０６上側ブラケット
２０８下側ブラケット
２１０屈曲部
２１２屈曲部
Ｆ、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３反浮上力

Claims

基準平面を具備する定盤に連結されたベース部材と、
前記ベース部材を介して定盤の基準平面上に配置されたＸＹテーブルと、
前記ベース部材と前記ＸＹテーブルとの間に設けられ、該ＸＹテーブルを、定盤の基準平面に沿った所定のＸ方向及び、該Ｘ方向と直交するＹ方向に沿って任意の位置へ移動させるＸＹ移動手段と、
前記ＸＹテーブルに、前記Ｚテーブルを定盤の基準平面と直交するＺ軸方向に沿って移動可能になるように連結されたガイドプレートと、
前記ガイドプレート上に搭載されたＺテーブルと、
前記Ｚテーブルと前記ガイドプレートとの間に設けられ、前記Ｚテーブルを定盤の基準平面と直交するＺ軸方向に沿って任意の位置へ移動させるＺ移動手段と、
定盤の基準平面と前記ガイドプレートの下面部との間に圧縮空気を供給し、該圧縮空気により前記ガイドプレートを定盤の基準平面から浮上させる空気軸受手段と、
前記ガイドプレートと前記ＸＹテーブルとの隙間内に配置され、前記ガイドプレートを、前記圧縮空気の浮上力よりも小さい反浮上力により定盤の基準平面側へ付勢する浮上バランス手段と、
を有することを特徴とする三次元位置決め装置。
前記浮上バランス手段は、前記ガイドプレートと前記ＸＹテーブルとの間に圧縮変形状態で配置されるコイルバネを有し、該コイルバネの復元力を前記反浮上力として、前記ガイドプレートを定盤の基準平面側へ付勢することを特徴とする請求項１記載の三次元位置決め装置。
前記浮上バランス手段は、前記ガイドプレートと前記ＸＹテーブルとの間に引張り変形状態で配置されるコイルバネを有し、該コイルバネの復元力を前記反浮上力として、前記ガイドプレートを定盤の基準平面側へ付勢することを特徴とする請求項１記載の三次元位置決め装置。
前記浮上バランス手段は、前記ガイドプレートに取り付けられる第１の磁石と、前記ＸＹテーブルに取り付けられると共に、前記Ｚ軸方向に沿って前記第１の磁石に対向するように配置された第２の磁石とを有し、前記第１の磁石と前記第２の磁石との磁気反発力を前記反浮上力として、前記ガイドプレートを定盤の基準平面側へ付勢することを特徴とする請求項１記載の三次元位置決め装置。
前記浮上バランス手段は、前記ガイドプレートに取り付けられる第１の磁石と、前記ＸＹテーブル側に取り付けられると共に、前記Ｚ軸方向に沿って前記第１の磁石に対向するように配置された第２の磁石とを有し、前記第１の磁石と前記第２の磁石との磁気吸引力を前記反浮上力として、前記ガイドプレートを定盤の基準平面側へ付勢することを特徴とする請求項１記載の三次元位置決め装置。
前記ガイドプレートと前記ＸＹテーブルとの間に、前記ＸＹテーブルの前記Ｚ軸方向に沿った移動範囲を制限する移動制限手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の三次元位置決め装置。