JPH0460402A

JPH0460402A - 移動テーブル

Info

Publication number: JPH0460402A
Application number: JP2170253A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Matsuda; 隆一松田; Reizo Kaneko; 金子　礼三
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1992-02-26
Anticipated expiration: 2011-08-07
Also published as: JP2522852B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）この発明は顕微鏡等の載物台のように、任意の水平方向
に微小な移動が必要な移動テーブルに関するものである
。

（従来の技術）Ｓ　ＴＭ　（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　
Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：走査型トンネル顕微鏡）は、細
い針（探針）を物体表面のごく近くまで近づけ、探針と
物体の間に電圧を印加することにより、針先と物体表面
の間に隙間があってもトンネル効果現象を発生させて微
小な電流を流し、この電流を利用して探針の上下動を制
御して物体表面の凹凸を割り出す仕組みのものである。

即ち、このＳＴＭは固体表面の原子を一つ一つ見分ける
ことができる新原理の高分解能顕微鏡であり、近年では
超微細加工の半導体素子や光ディスクなどの表面観察、
遺伝子や蛋白など微細な生体物質の観測等に威力を発揮
している。

ところが、従来のＳＴＭにおいては探針の移動可能範囲
は大きくとも１０μｍ程度であって、それ以上の範囲の
試料上の観測域をカバーしようとすると、他の微小な移
動を可能とする機構、例えば圧電素子からなるいわゆる
ｒしやくとりむしＪ機構等か必要となるという問題かあ
る。

第９図はこの従来の機構を示すものである。図において
、２３．２４は固定用の積層型圧電素子、２５は進行用
の積層型圧電素子であり、これらの積層型圧電素子２３
〜２５は基盤２２の溝２６の中に、圧電素子２３．２４
が平行に配置され、圧電素子２５がこれらの平行に配置
された圧電素子２３．２４に直交する方向に両者の間に
配置されている。ます、固定用の圧電素子２３に電圧を
印加してこれを伸ばして溝２６の壁に突っ張って止め、
圧電素子２４には電圧を印加せずに縮めておく。次に進
行用の圧電素子２５に電圧を印加してこれを伸ばし、圧
電素子２５が伸びた状態で圧電素子２４に電圧を印加し
て伸ばして溝２６の壁に突っ張った状態で止める。そし
て、固定状態の圧電素子２３の電圧印加を除いて元の長
さに戻し、壁への拘束を解く。この後、進行用の圧電素
子２５の電圧印加を除いて縮めて圧電素子２３を圧電素
子２４側に移動させる。以上の動作を繰り返せば、圧電
素子２５が圧電素子２４側に進んで行く。

ところが、この機構は圧電素子を複数個その運動方向を
違えて組み合わせたものであるので、そのうちのいくつ
かは基盤に吸着力を及ぼして固着するため、これらを離
す機能を必要とし、そのため製作が面倒なものとなる。

そこで、本出願人は簡便にして駆動方法が単純である上
に、被観測試料の移動距離の制限を無（した最小移動の
ための移動テーブルを既に提案した（特願平１−２５５
４号参照）。

（発明が解決しようとする課題）ところが、本出願人が既に提案した移動テーブルは、被
観測試料の移動距離の制限が無く、かつ最小移動させる
ことができるので、非常に優れているが、被観測試料の
移動方向が平行移動に限られ、被観測試料の回転移動が
行えないという問題かある。

本発明は上記の欠点を解消することを課題とし、その目
的とするところは、載物台に乗せた物体の移動距離の制
限が無く、かつ微小移動させることが可能な移動テーブ
ルにおいて、物体を平行移動のみならず、回転移動させ
ることができる移動テーブルを提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）上記目的を達成する本発明は、基盤上に摺動可能に載置
された載物台と、この基盤上に設けられて載物台を微小
移動させる複数の駆動手段とを備えた移動テーブルであ
って、前記駆動手段が、端が前記載物台に係合し、他端
が前記基盤上に突設されたブラケットに固着されて、電
圧印加／非印加による伸縮により前記載物台を微小移動
させる圧電素子からなり、この駆動手段は、前記載物台
の中心点に対して、線対称、或いは点対称の位置に、前
記載物台を基盤上の任意の方向に微小移動、あるいは微
小回転させるように設けられていることを特徴としてい
る。

また、本発明の移動テーブルは、前記載物台を残留磁化
が大きい材料製のヨークとコイルとからなる電磁石から
構成すると共に、この載物台上に、試料が固定した状態
で載置される磁性材料製の試料台を載置し、前記コイル
に瞬時の通電を行うことによって前記ヨークに発生ずる
残留磁ツノにより前記試料台を前記載物台上に固定し、
前記コイルに時間的に振幅が減少する交流電流を印加す
ることによって前記残留磁力を消滅させるように構成し
ても良いものである。

（作用）本発明の移動テーブルによれば、基盤上に載物台が摺動
可能に載置され、この載物台を駆動するために、載物台
の周囲の基盤上に載物台の中心に対して線対称、或いは
点対称の位置に、電圧の印加／非印加により伸縮する複
数個の圧電素子が設けられている。よって、電圧を印加
する圧電素子を選択し、それに孤立波形の駆動電圧を印
加すれば、圧電素子は衝撃的に伸長し、その後収縮する
。

このとき、載物台の微小な移動に応じて、載物台上の物
体が微小距離滑って載物台の移動方向に移動する。従っ
て、駆動電圧を間欠的に数多（印加することにより載物
台上の物体の移動距離の制限を無くすることができ、ま
た、駆動電圧を印加する電極の紐の組合せによって、載
物台上の物体を回転させることもできる。

（実施例）以下、この発明を実施例により図面を参照しつつ詳細に
説明する。

第１図はＳＴＭ（走査形トンネル顕微鏡）における本発
明の試料の移動テーブル１の一実施例の構成を示すもの
である。基盤２の上面には載物台１０が摺動可能に載置
されており、この載物台１０の上には試料１２が固定さ
れた試料台１１が摺動可能に載置されている。また、試
料台１１の」−方には、円筒状の圧電素子５かあり、そ
の先端部にＳＴＭの探針１０が設置されている。圧電素
子５の外周面には複数に分割された電極３か設けられて
おり、この電極３と圧電素子５の内周面に設けられた電
極への電圧の印加により圧電素子５が伸縮するようにな
っている。また、この円筒状の圧電素子５の基部は移動
機構１７を介して図示しないアーム等に固定されている
。この移動機構３は圧電素子５を軸方向に移動させるこ
とができるものであり、探針１０を圧電素子５の駆動可
能領域であるμｍのオーダーまで試料１２粗く近づける
機能を有する。

これを更に詳しく説明すると、ＳＴＭでは、載物台ＩＯ
に載せられた試料台１１に固着された試料１２の表面の
垂直方向に探針４が駆動される。

すなわち、ＳＴＭては第１図の圧電素子５の内面電極（
図示せず）に電圧を印加することにより圧電素子５が軸
方向に駆動され、試料Ｉ２に対してその先端が原子オー
ダーまで鋭く形成された探針４がｎｍオーダーで近づき
、両者に電位差を与えた時に流れるトンネル電流によっ
て電極３に制御電圧を印加し、試料１２の表面形状をｎ
ｍオーダーの分解能で測定する。この探針４の駆動機構
及び駆動方法は公知の技術である。

一方、４つの側面を持つ載物台１０の周辺の基盤２上に
は４個のブラケット１３〜１６が図示のように突設され
ており、積層型の圧電素子６〜９の一端がこのブラケッ
ト１３〜１６に固定されている。積層型の圧電素子６〜
９のうち、圧電素子６と９の他端は載物台１０の対向す
る側面に当接しており、圧電素子７と８の他端はこの側
面に直交する側面の両端部に当接している。

すなわち、この実施例では圧電素子６．９は同一軸上に
配置されており、圧電素子７，８はこれらと直角をなす
方向に配されている。圧電素子６に任意に電圧印加し、
圧電素子９に圧電素子６と逆相に電圧印加し、かつ圧電
素子６，７に同相の電圧を印加することにより、載物台
１０を基盤２の上面内で任意方向に微小距離の並進運動
を行わせることかでき、Ｊ：た、圧電素子６と７とに互
いに逆相の電圧を印加することにより微小回転を行わせ
ることができる。そして、載物台１０の微小移動は、μ
ｌオーダあるいはそれ以下のｎｍオーダであるが、この
載物台１０の微小移動により、試料台１１は移動距離に
制限なく移動または回転できるので、その方法について
説明する。

第１図の移動テーブルでは、試料１２を載せた試料台１
１を圧電素子６等の衝撃的な変形によって、試料台１１
と載物台ｌＯの間の摩擦力を介して微小移動させること
ができる。即ち、試料１２を載せた試料台１１に作用す
る動き始めの慣性力（試料台１１の加速度と質量の積）
か、試料台ＩＩと載物台１０間の間の摩擦力以上になる
ような加速度で載物台１０を衝撃的に駆動することによ
り、試料台１１と載物台１０との間に相対滑りを生じさ
せ、試料１２を固着した試料台１１を載物台ｌＯ上で移
動させているのである。

第２図は試料台１１の移動の様子を、圧電素子６．９に
ついて示した図である。第２図（ａｌは電圧が印加され
ていない自然状態の圧電素子６．９、載物台１０、及び
試料台１１の様子を示したものである。この状態から圧
電素子６を急に縮め、圧電素子６を急に伸ばす行きの過
程では、載物台ＩＯの上の試料台１１は滑りつつ載物台
１０より遅れて載物台１０の移動する方向に移動する。

この状態を第２図ｆｂｌに示す。この後の圧電素子６の
伸びが元に戻る過程（第２図（Ｃ））においては、試料
台１１もやや引き戻されるが、試料台１１は載物台１０
の上を滑るので、圧電素子６．９か運動を停止した後に
は、第２図（ｄ）に示すように、載物台１０に対して試
料台１】は距離ｄたけずれた位置に停止することになる
。

第３図は載物台１０と試料台１１の変位量を時間と共に
示したものである。載物台１０の行きの行程では、試料
台１１は遅れはあるものの、摩擦力によって載物台】０
の動く方向に移動する。載物台１０の戻りの行程では、
試料台１１もやや遅れて引き戻されるか、滑りがあるた
め、戻り量は小さく、結局、試料台１１は一連の行程前
の位置よりも進んだ位置に止まることになる。

いま、第４図および式（１）で表される単一の余弦波の
変位Ｘが載物台１０に与えられたとすると、試料台１１
と載物台ＩＯとが相対滑りを起こす条件は式（２）Ｃ，
あって、かつ−回の衝撃で起こる相対変位ｄが最大とな
るのは式（３）の時で、移動量は式（４）であることが
解析的に分かり、実験でも確かめられた。

ｘ＝−ａｃｏｓ　（ωｔ）＋ａ　　−（１）μ　ｇ γ＝３．　７６　　　　　　　　　　　　・・・（３）
ｄ／２　ａ＝０．　６２５　　　　　　−　　（４）こ
こでａは波形の片振幅、ωは角周波数、μは摩擦係数、
ｇは重力加速度である。式（３）を満たす一例としては
、ａ＝１μｍ１μｍ０．１５の場合、周波数は３７４Ｈ
ｚである。

さらに第４図の波形を孤立的に繰り返して駆動すれば、
距離の制限無く試料台１１を移動させることができる。

本発明の移動テーブルは、これまでに説明した衝撃駆動
の方法で、試料台１１を距離の制限がなく移動させるこ
とが可能であると共に、圧電素子６等に結合されている
ので、試料台１１と載物台ｌＯとを滑らせることなくオ
ングストロームのオーダの移動も可能である。そして、
試料台１１のこの両方の移動方法とも、載物台１０の面
内の並進と回転の運動が可能であり、高性能な移動テー
ブルを実現できる。

第５図〜第７図は圧電素子６等の載物台１０に対する配
置の例を示すものである。第５図は第２図にも示した配
置例であって、圧電素子６〜９を載物台ｌＯの中心線Ｃ
Ｌに関して対称に配置しである。こうすることにより、
載物台１Ｇを２次元に移動させることができると共に、
圧電素子７゜８を逆相に電圧印加した時に微小角度の回
転運動の中心を載物台１０の中心にすることができる。

第６図は圧電素子６〜９を載物台１０の中心点Ｇに関し
て点対称に配置した実施例であり、第７図は圧電素子６
〜９の他に更に圧電素子１７，１８と、合計６個の圧電
素子を用い、第６図と同様にこれらの圧電素子６〜９，
１７．１８を載物台１０の中心点Ｇに関して点対称に配
置したものである。第６図および第７図の配置による効
果は第５図の実施例と同様である。

第８図は載物台ＩＯの要部の断面を示すものである。載
物台１０はその一部が電磁石２０となっており、載物台
１０が試料台１１を固定する機能を持つ場合の実施例で
ある。電磁石２０は、残留磁化の大きい材料からなるヨ
ーク２１と、このヨーク２１に巻かれたコイル２２とか
ら構成されている。また、この載物台１１の上に載置さ
れる試料１２を固着した試料台１１は磁性材料から作ら
れている。

以上のような試料台１１を載物台ｌＯ上に固定する機能
を有する移動テーブルにおいては、電磁石２０のコイル
２２に瞬間的な通電を行い、その後電流を０にする。前
述のように電磁石２０のヨ−ク２１は残留磁化の大きい
材料から構成されているので、コイル２２に通電した後
に電流を０にしても、電磁石２０は残留磁力によって試
料台１１を吸引し、そのヨーク２１上に試料台１１を固
定する。このように、コイル２２への通電は瞬間的であ
るので、コイル２２には熱は殆ど発生しない。

なお、この載物台１０の試料台］１の吸引力を除くには
、時間的に振幅が減少する交流磁界をコイル２２に通電
すれば良く、この交流磁界によってヨーク２１の残留磁
力が消失する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、載物台に乗せた物
体の移動距離の制限が無く、かつ微小移動させることが
可能な移動テーブルにおいて、物体を平行移動のみなら
ず、回転移動させることかできる。この結果、本発明の
移動テーブルの試料固定方法は、ＳＴＭ等の試料の微小
な移動後の固定に最適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の移動テーブルの全体構成を示す斜視図
、第２図（ａｌ〜ｆｄｌは載物台上の試料台の移動方法を
示す説明図、第３図は載物台と試料台の変位の様子を時間と共に示す
線図、第４図は圧電素子の駆動波形の一例を示す波形図、第５図は第１図の圧電素子の載物台の周囲への配置の一
例を示す平面図、第６図は第１図の圧電素子の載物台の周囲への配置の別
の例を示す平面図、第７図は第１図の圧電素子の載物台の周囲への配置の更
に別の例を示す平面図、第８図は一部が電磁石となっている載物台の要部の構造
を示す断面図である。第９図は積層形の圧電素子を３個用いた従来の移動テー
ブルの構成を示す斜視図である。ｌ・・・本発明の移動テーブル、・・・基盤、・・探針、〜９，１７．１８・・・積層型圧電素子、０・・・試料
台、１・・載物台、２・・・試料、３〜］６・・・ブラケット、０・・・電磁石、１・・・ヨーク、２・・・コイル、

Claims

【特許請求の範囲】１、基盤上に摺動可能に載置された載物台と、この基盤
上に設けられて載物台を微小移動させる複数の駆動手段
とを備えた移動テーブルであって、前記駆動手段が、一
端が前記載物台に係合し、他端が前記基盤上に突設され
たブラケットに固着されて、電圧印加／非印加による伸
縮により前記載物台を微小移動させる圧電素子からなり
、この駆動手段は、前記載物台の中心点に対して、線対
称、或いは点対称の位置に、前記載物台を基盤上の任意
の方向に微小移動、あるいは微小回転させるように設け
られていることを特徴とする移動テーブル。２、前記載物台を残留磁化が大きい材料製のヨークとコ
イルとからなる電磁石から構成すると共に、この載物台
上に、試料が固定した状態で載置される磁性材料製の試
料台を載置し、前記コイルに瞬時の通電を行うことによ
って前記ヨークに発生する残留磁力により前記試料台を
前記載物台上に固定し、前記コイルに時間的に振幅が減
少する交流電流を印加することによって前記残留磁力を
消滅させることを特徴とする請求項１に記載の移動テー
ブル。