JPH0635364Y2 - Micro positioning mechanism - Google Patents

Micro positioning mechanism

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JPH0635364Y2
JPH0635364Y2 JP12976588U JP12976588U JPH0635364Y2 JP H0635364 Y2 JPH0635364 Y2 JP H0635364Y2 JP 12976588 U JP12976588 U JP 12976588U JP 12976588 U JP12976588 U JP 12976588U JP H0635364 Y2 JPH0635364 Y2 JP H0635364Y2
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JP
Japan
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positioning mechanism
rod body
fixed
bellows
vacuum
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JP12976588U
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重夫 岡山
洋志 徳本
好行 小林
茂 脇山
研二 大村
和徳 安藤
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工業技術院長
株式会社小坂研究所
セイコー電子工業株式会社
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Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この考案は、分析機器および走査型トンネル顕微鏡の分
野において、検出部と試料間の微小な位置合わせを行な
う微小位置決め機構に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial field of application] The present invention relates to a micropositioning mechanism for performing micropositioning between a detection unit and a sample in the field of analytical instruments and scanning tunneling microscopes.

〔考案の概要〕[Outline of device]

ベローズを介して、真空槽内(真空側)と大気側とに分
け、大気側に差動ネジ機構および駆動源となるステッピ
ングモータ又は、インチワーム機構を設け、中央に設け
られた軸を動かすことにより真空環境内に設置されたコ
マ部を前進または、後退させ、前記コマ部の先端に圧電
素子体よりなる微動機構を介して取付けられた検出探針
を相対する位置に設けられた試料に対して微小に位置合
わせする機構であり、産業上有益な秒位置決め機構であ
る。
Separate the inside of the vacuum chamber (vacuum side) and the atmosphere side via the bellows, and provide a differential screw mechanism and a stepping motor or an inchworm mechanism as a drive source on the atmosphere side, and move the shaft provided in the center. The sample piece installed in the vacuum environment is moved forward or backward by the sample provided at the opposite position of the detection probe attached to the tip of the sample piece through the fine movement mechanism composed of the piezoelectric element. It is a mechanism for finely adjusting the position, and is an industrially useful second positioning mechanism.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

試料表面と検出探針先端部間にバイアス電圧を加え前記
両者間に流れるトンネル電流を検出し、トンネル電流が
一定になるように試料表面と検出探針先端部との間を制
御する、または、トンネル電流値を検出しそのトンネル
電流値の変化をモニタして原子構造までの分解能で試料
表面を観察する走査型トンネル顕微鏡において、試料表
面のx,y方向および試料表面の凹凸に沿って動作する圧
電素子体よりなる三次元微動機構に固定された検出探針
部を検出探針先端部と試料表面間にトンネル電流が流れ
る領域(数ナノメートル10-9m)まで位置合わせする機
構が必要である。従来は、第6図に示すごとく、駆動源
であるステッピングモータ101の回転運動をクラッチ102
を介して差動ネジ機構103に伝達し、前記差動ネジ103と
噛み合った関係にあるコマ104の先端についた圧電素子
体微動機構105の先端部に取付けた検出探針106を相対す
る位置にある試料107に位置合わせするという機構があ
る。
A bias voltage is applied between the sample surface and the tip of the detection probe to detect a tunnel current flowing between the two, and the space between the sample surface and the tip of the detection probe is controlled so that the tunnel current becomes constant, or Scanning tunneling microscope that detects the tunnel current value, monitors the change in the tunnel current value, and observes the sample surface with resolution up to the atomic structure.It operates along the x and y directions of the sample surface and along the unevenness of the sample surface. It is necessary to have a mechanism for aligning the detection probe fixed to the three-dimensional fine movement mechanism composed of a piezoelectric element to the region (several nanometers 10 -9 m) where the tunnel current flows between the detection probe tip and the sample surface. is there. Conventionally, as shown in FIG. 6, the rotational movement of the stepping motor 101, which is a drive source, is changed by the clutch 102.
To the differential screw mechanism 103, and the detection probe 106 attached to the tip of the piezoelectric element fine movement mechanism 105 attached to the tip of the top 104 in a meshed relationship with the differential screw 103 There is a mechanism for aligning a sample 107.

〔考案が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the device]

前記、機構においてステッピングモータの分割と差動ネ
ジ機構による縮尺により走査型トンネル顕微鏡としての
トンネル領域への位置決めが十分行えるのであるが、差
動ネジ機構が滑らかに動作する為にも摺動部に潤滑剤が
必要である。このような機構を大気中で使用する分には
問題はないが、活性な試料表面を観察する場合は、活性
試料表面上に酸化膜を形成しずらい環境である真空環境
内で試料の準備を行い引き続き真空環境内で走査型トン
ネル顕微鏡を用いた観察をする必要がある。その為、真
空環境を汚染する様な潤滑剤は使用することができなく
なる。また、無潤滑状態では摺動部の摩擦が大きくなり
動きがぎこちなくなり、真空度を上げる為に行なう水
分、ガス出しの熱処理(ベーキング)をすることで、摺
動部が焼き付き動かなくなるという問題があった。
In the above mechanism, the stepping motor is divided and the scale of the differential screw mechanism is used to achieve sufficient positioning in the tunnel area as a scanning tunneling microscope. Lubricant required. Although there is no problem in using such a mechanism in the atmosphere, when observing the active sample surface, prepare the sample in a vacuum environment where it is difficult to form an oxide film on the active sample surface. Then, it is necessary to continue the observation using a scanning tunneling microscope in a vacuum environment. Therefore, a lubricant that pollutes the vacuum environment cannot be used. Also, in the non-lubricated state, the friction of the sliding part becomes large and the movement becomes awkward, and the heat treatment (baking) of water and gas to increase the degree of vacuum causes the sliding part to seize and become immobile. there were.

〔課題を解決するための手段〕[Means for Solving the Problems]

上記のような問題を解決するこの考案は、ベローズを介
して、真空側と大気側とに分け、大気側に差動ネジ機構
及び駆動源となるステッピングモータ又はインチワーム
機構を設け、中央に設けられた軸を動かすことにより、
真空環境内に設置されたコマ部を前進または、後退さ
せ、前記コマ部の先端に圧電素子体微動機構を介して取
付けられた検出探針を相対する位置に設けられた試料に
対して微小に位置合わせする様にした。また、真空環境
内の摺動を減らす為に前記コマ部を三点でガイド部に当
たる様にし、また、金被膜を最上層にもつ二つの下地層
よりなる潤滑膜を構成した。
This invention, which solves the above problems, is divided into a vacuum side and an atmosphere side through a bellows, and a differential screw mechanism and a stepping motor or an inchworm mechanism as a driving source are provided on the atmosphere side, and are provided in the center. By moving the axis
The top part installed in the vacuum environment is moved forward or backward, and the detection probe attached to the tip of the top part via the piezoelectric element fine movement mechanism is made minute with respect to the sample provided at the opposite position. I tried to align them. In addition, in order to reduce sliding in a vacuum environment, the top portion is brought into contact with the guide portion at three points, and a lubricating film including two base layers having a gold coating as the uppermost layer is formed.

〔作用〕[Action]

上記構成にすることにより最も潤滑剤を必要とする差動
ネジ機構が真空環境と分離した大気側に構成することが
できる為、通常の潤滑剤を使用することができる。ま
た、真空環境内に設けられたコマ部も摺動を減らす形状
を有し、真空環境を汚染することがない潤滑膜で覆うこ
とにより走査型トンネル顕微鏡に必要な位置合わせが真
空環境内でも容易に行える。
With the above configuration, since the differential screw mechanism that requires the most lubricant can be configured on the atmosphere side separated from the vacuum environment, a normal lubricant can be used. Also, the top part provided in the vacuum environment has a shape that reduces sliding, and by covering it with a lubricating film that does not contaminate the vacuum environment, the alignment required for the scanning tunnel microscope is easy even in the vacuum environment. You can do it.

〔実施例〕〔Example〕

本実施例は走査型トンネル顕微鏡の検出探針と試料間の
秒位置決めをする微小位置決め機構に関するもので、以
下図面に基づいて説明する。
The present embodiment relates to a minute positioning mechanism for second positioning between a detection probe of a scanning tunneling microscope and a sample, which will be described below with reference to the drawings.

(第一実施例) 第1図,第2図は本考案の微小位置決め機構の外部位置
決め機構と内部位置決め機構の概略図を示したもので、
各々について構成を説明する。
(First Embodiment) FIGS. 1 and 2 are schematic views of an external positioning mechanism and an internal positioning mechanism of a micro positioning mechanism of the present invention.
The configuration of each will be described.

まず外部位置決め機構について説明する。First, the external positioning mechanism will be described.

まず、外部位置決め機構は、大気側と真空側を分けるメ
インフランジ3には、段部3aを有する貫通孔が形成さ
れ、この段部3aにミニフランジA4が溶接固定されてい
る。このミニフランジA4にネジ止め等で固定されるミニ
フランジB5に真空側と大気側を分離するベローズ6を設
け、ミニフランジA,B,メインフランジ3,ベローズ6を貫
通する棒体7がベローズ6両端の一方のリング6aに溶接
固定して棒体7が溶接固定されている。そして、前記棒
体7の真空側一端には先端にアール部8が形成された柱
状部が形成され、この柱状部には、爪9aを有するひっか
け治具が装着されている。
First, in the external positioning mechanism, a through hole having a step portion 3a is formed in the main flange 3 that divides the atmosphere side and the vacuum side, and the mini flange A4 is welded and fixed to the step portion 3a. A bellows 6 for separating the vacuum side and the atmosphere side is provided on a mini flange B5 which is fixed to the mini flange A4 with screws or the like, and a rod body 7 penetrating the mini flanges A and B, the main flange 3 and the bellows 6 is a bellows 6. The rod 7 is welded and fixed to one of the rings 6a at both ends. A columnar portion having a rounded portion 8 formed at the tip is formed at one end of the rod body 7 on the vacuum side, and a hooking jig having a claw 9a is attached to the columnar portion.

また、前記棒体の他端で大気側にはクラッチケーシング
16aに固定されたステッピングモータ15が設けられ、こ
のモータの出力軸にクラッチ16が接続される。このクラ
ッチ16は回転伝達棒16aを有する回転板16bと、この伝達
棒が貫通して装着される摺動板16cとからなり、モータ
の出力軸は回転板16bと接続され、回転板の回転が伝達
棒16dを介して摺動板16cを回転するとともに、摺動板16
cは軸方向に伝達棒を案内として摺動可能である。ここ
において、摺動板16cに設けられた貫通穴は回転伝達棒1
6dの直径よりも大きい穴径になっている。このためステ
ッピングモータ15により回転板16bに固定させた回転伝
達棒16dが回転したとき、摺動板16cの貫通穴の直径が回
転伝達棒16dより大きいため、回転伝達棒16dが貫通穴側
面に接するまでは、ステッピングモータ15による回転伝
達棒16dの運動が摺動板16cに伝達されない。本願考案に
おいては、この意味においてクラッチという用語を用い
ている。
The clutch casing is provided on the atmosphere side at the other end of the rod body.
A stepping motor 15 fixed to 16a is provided, and a clutch 16 is connected to the output shaft of this motor. The clutch 16 is composed of a rotary plate 16b having a rotation transmission rod 16a and a sliding plate 16c through which the transmission rod penetrates, the output shaft of the motor is connected to the rotation plate 16b, and rotation of the rotation plate is prevented. While rotating the sliding plate 16c via the transmission rod 16d, the sliding plate 16c
c can slide in the axial direction using the transmission rod as a guide. Here, the through hole provided in the sliding plate 16c is the rotation transmission rod 1
The hole diameter is larger than the diameter of 6d. Therefore, when the rotation transmission rod 16d fixed to the rotating plate 16b by the stepping motor 15 rotates, the diameter of the through hole of the sliding plate 16c is larger than that of the rotation transmitting rod 16d, so the rotation transmitting rod 16d contacts the side surface of the through hole. Until then, the motion of the rotation transmission rod 16d by the stepping motor 15 is not transmitted to the sliding plate 16c. In the present invention, the term clutch is used in this sense.

そして、摺動板には第1のネジ10aが固定され、さらに
第1のネジの他端側には第2のネジ10bが固定され、こ
れらのネジは摺動板とともに回転し、第1,第2のネジで
差動ネジ機構10を構成する。第1のネジでは例えば、M1
0,ピッチ0.55で第2のネジは例えばM6,ピッチ0.5であ
る。
Then, the first screw 10a is fixed to the sliding plate, and the second screw 10b is fixed to the other end side of the first screw. These screws rotate together with the sliding plate, The second screw constitutes the differential screw mechanism 10. For the first screw, for example, M1
The second screw is 0, pitch 0.55, for example, M6, pitch 0.5.

第7図に差動ネジ機構の概略を示す。この図にそって、
構成を説明する。雄ネジ部201があり、この雄ネジ部201
はネジピッチが異なる大径ネジ部202と小径ネジ部203か
ら構成されている。そして、大径ネジ部202は雌ネジ部
材204とかみ合っており、一方、小径ネジ部203はブロッ
ク205の雌ねじとかみ合っている。そして、ブロック205
は雌ネジ部材204に固定させた、きょう体206内にあり、
しかも、きょう体206に設けられたバネ部材207により、
ブロック205はきょう体206内を回転できず、しかも、与
圧によりきょう体206の内壁部に押しつけられた状態に
なっている。
FIG. 7 shows an outline of the differential screw mechanism. According to this figure,
The configuration will be described. There is a male screw part 201, and this male screw part 201
Is composed of a large-diameter screw portion 202 and a small-diameter screw portion 203 having different screw pitches. The large-diameter screw portion 202 is engaged with the female screw member 204, while the small-diameter screw portion 203 is engaged with the female screw of the block 205. And block 205
Is in the housing 206 fixed to the female screw member 204,
Moreover, by the spring member 207 provided on the casing 206,
The block 205 cannot rotate inside the casing 206, and is pressed against the inner wall portion of the casing 206 by pressure.

次に動作について説明する。ここでネジは右ネジとす
る。大径ネジ部202のピッチをP0.55、小径ネジ部203の
ピッチをP0.5とし、大径ネジ部202側を後ろ、小径ネジ
部203側を前とする。
Next, the operation will be described. Here, the screws are right-hand screws. The pitch of the large-diameter screw portion 202 is P0.55, the pitch of the small-diameter screw portion 203 is P0.5, the large-diameter screw portion 202 side is the rear, and the small-diameter screw portion 203 side is the front.

まず、雄ネジ部201を右に1回転させると大径ネジ部202
は雌ネジ部材204に対し前に0.55進むことになる。それ
により、ブロック205も0.55前に進むことになるが、ブ
ロック205は又、回転規制されているため小径ネジ部203
により引っ張られ逆に小径ネジ部203のピッチ分0.5後ろ
に進むことになる。結果としてブロック205は雄ネジ部2
01を右に1回転させることで各ネジピッチの差分(0.55
−0.5=0.05)前に進むことができる。当然のことなが
ら雄ネジを左に1回転させればブロック205は0.05後ろ
に進むことになる。このようなネジ機構にすることでネ
ジピッチを小さくすることなく動作の縮尺が可能にな
る。
First, when the male screw portion 201 is rotated once to the right, the large diameter screw portion 202
Would advance 0.55 forward with respect to the internally threaded member 204. As a result, the block 205 also moves forward 0.55, but since the block 205 is also restricted in rotation, the small diameter screw portion 203
It will be pulled by and will move backward by 0.5 for the pitch of the small diameter screw portion 203. As a result, the block 205 has a male thread 2
By rotating 01 to the right one time, the difference of each screw pitch (0.55
-0.5 = 0.05) You can move forward. As a matter of course, if the male screw is rotated one turn to the left, the block 205 will move backward by 0.05. With such a screw mechanism, the scale of operation can be reduced without reducing the screw pitch.

そして、前記メインフランジ3に固定されたがわ体11に
前記棒体7のガイドとなるリニアブッシュ12が組込ま
れ、前記棒体7の振れを防いでいる。また、前記がわ体
11の外部をスライドし、前記差動ネジ機構10と直結状態
にある前記棒体7を粗移動させるためのスライド円筒13
がある。そして、前記がわ体11の外部にネジ結合され前
記スライド円筒13の動き量を制御する度決めリング14が
ある。そして、前記差動ネジ機構10を駆動する駆動源と
なるステッピングモータ15がクラッチ16を連結された構
成となっている。
A linear bush 12 serving as a guide for the rod body 7 is incorporated in the gutter body 11 fixed to the main flange 3 to prevent the rod body 7 from swinging. In addition, the body
A slide cylinder 13 for sliding the outside of 11 to roughly move the rod body 7 directly connected to the differential screw mechanism 10.
There is. Further, there is a degree determining ring 14 which is screwed to the outside of the shell 11 and controls the movement amount of the slide cylinder 13. Further, a stepping motor 15 which is a drive source for driving the differential screw mechanism 10 has a structure in which a clutch 16 is connected.

次に、内部位置決め機構について第2図を用いて説明す
る。前記外部位置決め機構1の動きを伝え本体20の穴部
をスライドするコマ21がある。コマ21は第3図に示す様
な形状をしており、前記本体20の穴部をスライドする円
筒部材中央に中央ミゾ32を円筒状に設け、中央ミゾ32の
両端には摺動部を三分割する分割ミゾ33を設けて、摺動
面積を少なくした形状にしてある。また、摺動部の摩擦
を少なくする為に真空用潤滑膜を摺動部に構成してい
る。例えば、真空用潤滑膜として、コマ21を有機溶剤及
び酸、アルカリで洗浄した後、活性反応蒸着方式と呼ば
れるイオンプレーティング装置内に備えられた治具にセ
ットし、5×10-5Torrまで真空排気の状態でチタンを電
子ビームにより加熱蒸発し具備されたイオンプレーティ
ング機構により放電プラズマを形成し、セットされてい
るコマ21に窒化チタン被膜を約0.05ミクロン/分の被膜
形成速度で約1ミクロン形成した。次いで同一装置内に
別に備えられた電子ビーム蒸発装置よりジルコニウムを
蒸発し、窒素分圧5×10-4Torrの雰囲気でイオンプレー
ティングを行い窒化ジルコニウムを約0.01ミクロン/分
の被膜形成速度で約0.1ミクロン形成した。更に、その
後、金を別の電子ビーム蒸着装置により蒸発し金被膜を
約0.05ミクロン形成した。また、前記コマ21の尾部34は
前記外部位置決め機構1の前記ひっかけ治具9にひっか
かる様なでっぱり形状をしている。また、前記尾部34と
反対側には、検出探針27を前記検出探針27と相対する位
置にある試料に対しx−y及び垂直方向zに微小移動さ
せる為に、電極間に電圧をかけると微小に変位する圧電
素子体微動機構26が固定されている。例えば、単一の円
筒状圧電素子体にx−y及びz方向に動作する様な電極
構成した圧電素子体微動機構を用いる。また、前記圧電
素子体微動機構26の先端には、絶縁盤35及び探針固定盤
36が固定されている。そして、検出探針27が固定された
探針座37が探針固定盤36にネジ止め固定されている。前
記検出探針27と探針座37の固定には例えばカシメなどを
用いる。
Next, the internal positioning mechanism will be described with reference to FIG. There is a top 21 that transmits the movement of the external positioning mechanism 1 and slides in the hole of the main body 20. The top 21 has a shape as shown in FIG. 3, and a central groove 32 is provided in the center of the cylindrical member that slides in the hole of the main body 20, and three sliding portions are provided at both ends of the central groove 32. A dividing groove 33 for dividing is provided to reduce the sliding area. Further, in order to reduce friction of the sliding portion, a vacuum lubricating film is formed in the sliding portion. For example, as a vacuum lubrication film, after cleaning the top 21 with an organic solvent, an acid, and an alkali, it is set in a jig provided in an ion plating apparatus called an active reaction vapor deposition method, and up to 5 × 10 -5 Torr A vacuum plasma was formed by heating and evaporating titanium with an electron beam to form a discharge plasma by an ion plating mechanism provided, and a titanium nitride film was formed on the set frame 21 at a film forming rate of about 0.05 μm / min to about 1 μm. Micron formed. Then, zirconium is evaporated by an electron beam evaporation device separately provided in the same device, and ion plating is performed in an atmosphere with a nitrogen partial pressure of 5 × 10 −4 Torr to make zirconium nitride at a film forming rate of about 0.01 μm / min. 0.1 micron was formed. Further, thereafter, gold was evaporated by another electron beam evaporation apparatus to form a gold coating of about 0.05 μm. Further, the tail portion 34 of the top 21 has a protruding shape so as to be caught by the hooking jig 9 of the external positioning mechanism 1. On the side opposite to the tail portion 34, a voltage is applied between the electrodes in order to slightly move the detection probe 27 in the xy direction and the vertical direction z with respect to the sample at the position facing the detection probe 27. The piezoelectric element fine-movement mechanism 26 that is slightly displaced is fixed. For example, a piezoelectric element fine movement mechanism in which a single cylindrical piezoelectric element body is composed of electrodes that operate in the xy and z directions is used. Further, at the tip of the piezoelectric element fine movement mechanism 26, an insulating board 35 and a probe fixing board are provided.
36 is fixed. Then, the probe seat 37 to which the detection probe 27 is fixed is fixed to the probe fixing plate 36 with screws. To fix the detection probe 27 and the probe seat 37, caulking or the like is used.

また、前記コマ21の移動が完了後クランプする為にクラ
ンプブロック22があり、クランプ力は、おさえ板23を介
して固定された板バネ24により発生する様になってい
る。また、前記コマ21をスライドさせる時に前記クラン
プ力を弱めるため、前記おさえ板23を持ち上げる積層圧
電素子体25が左右2本組込まれている。
Further, there is a clamp block 22 for clamping after the movement of the top 21 is completed, and the clamping force is generated by a leaf spring 24 fixed via a holding plate 23. In order to weaken the clamping force when the top 21 is slid, two laminated piezoelectric element bodies 25 for lifting the pressing plate 23 are incorporated in the left and right.

また、前記検出探針27の相対する位置に試料台28に固定
された試料29がある。前記試料台28は、本体20にバイオ
ネット−バネ固定され取付け、取外しが容易な構成とな
っている。
Further, there is a sample 29 fixed to a sample table 28 at a position opposite to the detection probe 27. The sample table 28 is fixed to the main body 20 by a bayonet spring, and is easily attached and detached.

また、前記本体20は台座31に固定された構成となってい
る。
The main body 20 is fixed to the pedestal 31.

以上述べた外部位置決め機構1と内部位置決め機構2を
用いたSTMトンネルユニットを第4図に示す。メインフ
ランジ3を境に真空側には、メインフランジに突設して
アーム3bが設けられ、円錐バネ41を有する除振台42が引
張りバネ40により懸架され、この除振台42上に前記内部
位置決め機構2が固定された構成になっている。即ち、
内部位置決め機構は引張りバネ40,円錐バネ41の二段バ
ネ系により保持された構造となっている。そして、大気
側には、外部位置決め機構1と電流導入用フランジ43が
左右2個、前記除振台42をクランプするためのクランプ
機構を動作させる除振台クランプ用直線導入機44,そし
て前記試料台28を移動させる為、カムと押し棒とからな
る試料台移動機構を動作させる試料台移動用回転導入機
45が2個付けた構成になっている。
FIG. 4 shows an STM tunnel unit using the external positioning mechanism 1 and the internal positioning mechanism 2 described above. On the vacuum side with the main flange 3 as a boundary, an arm 3b is provided so as to project from the main flange, and a vibration isolation table 42 having a conical spring 41 is suspended by a tension spring 40. The positioning mechanism 2 is fixed. That is,
The internal positioning mechanism has a structure held by a two-stage spring system including a tension spring 40 and a conical spring 41. On the atmosphere side, the external positioning mechanism 1 and the two current introduction flanges 43 are provided on the left and right sides, the straight line introduction machine 44 for the vibration isolation table for operating the clamp mechanism for clamping the vibration isolation table 42, and the sample. Rotation introduction machine for moving the sample table that moves the sample table moving mechanism consisting of a cam and push rod to move the table 28.
It consists of two 45s.

次に、この機構の動作について説明する。Next, the operation of this mechanism will be described.

(1)除振台クランプ用直流導入機44を動作させ除振台
42をクランプする。
(1) Vibration isolation table Operates the DC induction machine 44 for clamps
Clamp 42.

(2)度決めリング14を動かしスライド円筒13をメイン
フランジ3方向に棒体7の先端アール部8がコマ21の尾
部34に接するまでスライドさせる。真空側・大気側との
圧力差による力とベローズバネ力との差分の力が発生す
ることになる。圧力差による力は棒体7を真空側へ移動
させる様に働き、ベローズによるばね力は逆に棒体7を
大気側へ移動させる様に働く。ここでベローズバネ力
が、圧力差による力より小さければ常に棒体7を真空側
へ移動する様になり、差動ネジ機構10を介して棒体7と
結合されたスライド円筒13もメインフランジ3方向に移
動する様になる。その移動量を決めるのに度決めリング
14が用いられる。また、スライド円筒13とがわ体11間に
引張りバネを付けてスライド円筒13がメインフランジ3
方向に移動する様にすることで、ベローズ力が圧力差に
よる力より大きくなった(例えば、全体装置が大気圧と
いった同圧力状態にある)時でも問題なく使用できる。
(2) The indexing ring 14 is moved to slide the slide cylinder 13 in the direction of the main flange 3 until the tip rounded portion 8 of the rod 7 contacts the tail portion 34 of the top 21. A difference between the force due to the pressure difference between the vacuum side and the atmosphere side and the bellows spring force is generated. The force due to the pressure difference works to move the rod 7 to the vacuum side, and the spring force due to the bellows works to move the rod 7 to the atmosphere side. Here, if the bellows spring force is smaller than the force due to the pressure difference, the rod body 7 is always moved to the vacuum side, and the slide cylinder 13 connected to the rod body 7 via the differential screw mechanism 10 is also in the main flange 3 direction. To move to. Determining ring to determine the amount of movement
14 is used. In addition, a tension spring is attached between the slide cylinder 13 and the saw body 11 so that the slide cylinder 13 becomes the main flange 3
By moving the bellows in the direction, the bellows force can be used without any problem even when the bellows force becomes larger than the force due to the pressure difference (for example, the entire device is in the same pressure state such as atmospheric pressure).

(3)積層圧電体25に電圧を加え積層圧電体25をのばし
ておさえ板23を持ち上げてクランプブロック22を介して
コマ21に与えられたクランプ力を弱める。
(3) A voltage is applied to the laminated piezoelectric body 25 to extend the laminated piezoelectric body 25 and lift the plate 23 to weaken the clamping force applied to the top 21 via the clamp block 22.

(4)さらに度決めリング14を動かし、スライド円筒13
をメインフランジ3方向に移動させてコマ21を移動し、
検出探針27と試料29の間隔が数mm(例えば0.5〜1.5mm)
になるまでのぞき穴30からみて位置合わせし、スライド
円筒13をネジ固定する。のぞき穴30からみる場合、真空
槽に固定された焦点距離の長い顕微鏡などを用いて行わ
れる。
(4) Move the deciding ring 14 to move the slide cylinder 13
To move the top 21 toward the main flange 3 direction,
The distance between the detection probe 27 and the sample 29 is several mm (for example, 0.5 to 1.5 mm)
The slide cylinder 13 is fixed with screws by aligning the slide cylinder 13 as viewed from the peep hole 30. When viewed from the peep hole 30, it is performed using a microscope having a long focal length fixed to a vacuum chamber.

(5)圧電素子体微動機構26の軸方向動作を追従状態
(フィードバック制御)にしておき、ステッピングモー
タ15を稼動させて検出探針27をトンネル領域(数ナノメ
ートル)まで試料29に対して位置合わせする。
(5) Keep the axial movement of the piezoelectric element fine movement mechanism 26 in a follow-up state (feedback control), operate the stepping motor 15, and position the detection probe 27 with respect to the sample 29 up to the tunnel region (several nanometers). To match.

(6)積層圧電体25への電圧をきり、コマ21をクランプ
する。
(6) The voltage to the laminated piezoelectric body 25 is cut off and the top 21 is clamped.

(7)ステッピングモータ15又は、スライド円筒13を動
かしてコマ21の尾部34の出っ張りが、引掛け治具のあそ
び部のほぼ中間位置になる様に棒体7を移動させ、スラ
イド円筒13をネジ固定する。
(7) The stepping motor 15 or the slide cylinder 13 is moved to move the rod body 7 so that the protrusion of the tail portion 34 of the top 21 is located at approximately the middle position of the play portion of the hooking jig, and the slide cylinder 13 is screwed. Fix it.

(8)除振台クランプ用直線等導入機44を動作させ除振
台42のクランプを解除する。
(8) The straightening machine for the anti-vibration table clamp is operated to release the clamp of the anti-vibration table 42.

これによりフランジ3を介して伝わる振動が除振台42に
より減衰する為、先に行った位置合わせが振動により変
化することがなくなる。
As a result, the vibration transmitted through the flange 3 is damped by the vibration isolation table 42, so that the previously performed alignment does not change due to the vibration.

以上により走査型トンネル顕微鏡としての観察が行える
状態となる。次に元の状態に戻す手順を説明する。
As described above, the scanning tunnel microscope can be observed. Next, a procedure for returning to the original state will be described.

(10)除振台クランプ用直線導入機44を動作させ除振台
42をクランプする。
(10) Vibration isolation table Actuating the straight line introduction machine 44 for clamps
Clamp 42.

(11)ステッピングモータ15又はスライド円筒13を動か
しコマ21の尾部34の出張りと引張り治具9が接するまで
スライドさせる。
(11) The stepping motor 15 or the slide cylinder 13 is moved and slid until the protrusion of the tail portion 34 of the top 21 and the pulling jig 9 come into contact with each other.

(12)積層圧電体25に電圧を加えコマ21へのクランプ力
を弱める。
(12) A voltage is applied to the laminated piezoelectric body 25 to weaken the clamping force on the top 21.

(13)さらにスライド円筒13を動かして検出探針27を試
料29から遠ざける。
(13) Further, the slide cylinder 13 is moved to move the detection probe 27 away from the sample 29.

(14)積層圧電体25への電圧をきり、コマ21をクランプ
する。
(14) The voltage to the laminated piezoelectric body 25 is cut off to clamp the top 21.

以上が一連の動作であり、この様な構成により製作され
た装置がSTMトンネルユニットとして検出探針27と試料2
9の位置合わせが問題なくでき、高配向熱分解グラファ
イト(HOPG)の原子像観察もでき、十分な性能を有する
ことが確認できた。
The above is a series of operations, and the device manufactured by such a configuration is the STM tunnel unit as the detection probe 27 and the sample 2.
It was confirmed that the alignment of 9 was possible without problems, and the atomic image of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) was observed, and that it had sufficient performance.

(第二実施例) 第5図は第二実施例の外部位置決め機構の概略図を示し
たものである。本実施例においては、先の第一実施例の
棒体7を動かす際の機構として、ステッピングモータ15
を駆動源とした差動ネジ機構10を用いたのに対し、尺取
り虫のごとく動作するインチワーム機構51を用いてい
る。第8図にインチウォーム機構51の前半動作図を、第
9図にインチウォーム機構51の後半動作図を示す。第8
図、第9図に添って、インチウォーム機構51について説
明する。電圧により伸縮可能な圧電体(通常積層圧電
体)301が組み込まれた棒体302があり、棒体302は同様
な構成からなる圧電体303、305が各々組み込まれた棒体
304、306とガイドとなる支持体307、308により支持され
ている。そして、棒体304、306、支持体307、308はきょ
う体309に固定された構成となっている。
(Second Embodiment) FIG. 5 is a schematic view of an external positioning mechanism of the second embodiment. In this embodiment, a stepping motor 15 is used as a mechanism for moving the rod body 7 of the first embodiment.
In contrast to the differential screw mechanism 10 using the drive source as the drive source, the inchworm mechanism 51 that operates like a worm is used. FIG. 8 shows a first half operation diagram of the inch worm mechanism 51, and FIG. 9 shows a second half operation diagram of the inch worm mechanism 51. 8th
The inch worm mechanism 51 will be described with reference to FIGS. There is a rod body 302 in which a piezoelectric body (usually a laminated piezoelectric body) 301 that can expand and contract by a voltage is incorporated, and the rod body 302 is a rod body in which piezoelectric bodies 303 and 305 having the same structure are incorporated.
It is supported by 304, 306 and supports 307, 308 that serve as guides. The rods 304 and 306 and the supports 307 and 308 are fixed to the casing 309.

次に動作について説明する。Next, the operation will be described.

step1 圧電体305を縮めて棒体306と棒体302の接触を離
す。
step1 The piezoelectric body 305 is contracted to separate the contact between the rod body 306 and the rod body 302.

step2 圧電体301を延ばす。これにより棒体302の先端
は前に出る。
step2 Extend the piezoelectric body 301. This causes the tip of the rod 302 to move forward.

step3 圧電体305を元に戻し棒体306と棒体302を接触さ
せ保持する。
step3 Return the piezoelectric body 305 to the original position and bring the rod body 306 and the rod body 302 into contact with each other and hold them.

step4 圧電体303を縮めて棒体304と棒体302の接触を離
す。
step4 The piezoelectric body 303 is contracted to separate the contact between the rod body 304 and the rod body 302.

step5 圧電体301を元に戻す。これにより、棒体302の
後部も前に進むことになる。
step5 Put back the piezoelectric body 301. As a result, the rear portion of the rod 302 also moves forward.

step6 圧電体303を元に戻し棒体304と棒体302を接触さ
せ保持する。これにより初期の状態に戻る。
step6 Return the piezoelectric body 303 to the original position and bring the rod body 304 and the rod body 302 into contact with each other and hold them. This returns to the initial state.

以上のステップを繰り返すことにより棒体302を前進さ
せることができ、当然のことながら後退も可能となる。
インチウォーム機構51を棒体7を移動させる機構として
用いることにより、差動ネジ機構のごとく全移動量を大
きくする為にはネジ部の長さを長くする必要があり大型
化するのに対し、インチウォーム機構にすることで全移
動量に対し小型化をはかることができる。そして、性能
に関しては第一実施例と同様であることが確認できた。
By repeating the above steps, the rod 302 can be moved forward, and naturally, the rod 302 can also be moved backward.
By using the inch worm mechanism 51 as a mechanism for moving the rod body 7, in order to increase the total movement amount like a differential screw mechanism, it is necessary to increase the length of the screw portion, which increases the size. The inch worm mechanism can be downsized for the total movement. It was confirmed that the performance was the same as that of the first embodiment.

〔考案の効果〕 以上述べた構成にすることにより、大気中に主として摺
動部を設けている為、潤滑に対して特殊なものを用いる
ことなく真空環境内に設けられた対象物の位置決めが容
易に行える様になる。
[Advantages of the Invention] With the configuration described above, since the sliding portion is mainly provided in the atmosphere, the object provided in the vacuum environment can be positioned without using a special one for lubrication. It will be easy to do.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は第一実施例外部位置決め機構概略図(大気
部),第2図は内部位置決め機構概略図(真空部),第
3図はコマ部概略図、第4図は本考案の機構を用いたST
Mトンネルユニット、第5図は第二実施例外部位置決め
機構概略図(大気部),第6図は従来の例を示す概略図
である。 第7図は本考案における差動ネジ機構の概略図である。
第8図は本考案におけるインチウォーム機構の前半動作
図である。第9図は本考案におけるインチウォーム機構
の後半動作図である。 1,1a……外部位置決め機構 2……内部位置決め機構 6……ベローズ 7……棒体 10……差動ネジ機構 15……ステッピングモータ 21……コマ 26……圧電素子体微動機構 27……検出探針 29……試料 42……除振台 51……インチワーム機構
FIG. 1 is a schematic view of an external positioning mechanism (atmosphere part) of the first embodiment, FIG. 2 is a schematic view of an internal positioning mechanism (vacuum part), FIG. 3 is a schematic view of a top part, and FIG. 4 is a mechanism of the present invention. ST used
M tunnel unit, FIG. 5 is a schematic view of the external positioning mechanism of the second embodiment (atmosphere part), and FIG. 6 is a schematic view showing a conventional example. FIG. 7 is a schematic view of a differential screw mechanism according to the present invention.
FIG. 8 is a first half operation diagram of the inchworm mechanism of the present invention. FIG. 9 is a second half operation diagram of the inchworm mechanism in the present invention. 1,1a …… External positioning mechanism 2 …… Internal positioning mechanism 6 …… Bellows 7 …… Bar body 10 …… Differential screw mechanism 15 …… Stepping motor 21 …… Frame 26 …… Piezoelectric element fine movement mechanism 27 …… Detection probe 29 …… Sample 42 …… Vibration isolation table 51 …… Inch worm mechanism

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 徳本 洋志 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)考案者 小林 好行 埼玉県三郷市鷹野3丁目63番地 株式会社 小坂研究所三郷工場内 (72)考案者 脇山 茂 東京都江東区亀戸6丁目31番1号 セイコ ー電子工業株式会社内 (72)考案者 大村 研二 東京都江東区亀戸6丁目31番1号 セイコ ー電子工業株式会社内 (72)考案者 安藤 和徳 東京都江東区亀戸6丁目31番1号 セイコ ー電子工業株式会社内 審査官 飯高 勉 (56)参考文献 実開 昭59−152657(JP,U) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Hiroshi Tokumoto 1-4-1, Umezono, Tsukuba-shi, Ibaraki Electronic Technology Research Institute, Industrial Technology Institute (72) Inventor Yoshiyuki Kobayashi 3-63 Takano, Misato-shi, Saitama Kosaka Research Institute Misato Plant (72) Shigeru Wakiyama 6-31-1, Kameido, Koto-ku, Tokyo Seiko Electronics Co., Ltd. (72) Kenji Omura 6-31-1, Kameido, Koto-ku, Tokyo No. Seiko Electronics Co., Ltd. (72) Creator Kazunori Ando 6-31-1, Kameido, Koto-ku, Tokyo Seiko Electronics Co., Ltd. Tsutomu Iitaka (56) Bibliography 59-152657 (JP) , U)

Claims (5)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 【請求項1】真空側と、大気側とを分けるメインフラン
ジに固定され真空側と大気側と分離するベローズと、前
記ベローズの一端に固着され、かつ、前記ベローズと前
記メインフランジを貫通して設けられた棒体と、前記棒
体の真空側一端に設置された内部位置決め機構を搬送す
るための治具と、前記棒体の大気側他端に装着された外
部位置決め機構とからなり、該外部位置決め機構は、前
記棒体を前後に移動させる差動ネジ機構と、前記メイン
フランジに固定されたがわ体に設けられ前記棒体のガイ
ドとなるリニアブッシュと、前記差動ネジ機構を駆動さ
せる駆動手段とからなることを特徴とする微小位置決め
機構。
1. A bellows which is fixed to a main flange that separates a vacuum side and an atmosphere side and separates the vacuum side and the atmosphere side, and which is fixed to one end of the bellows and which penetrates the bellows and the main flange. A rod body provided, a jig for conveying an internal positioning mechanism installed at one end of the rod body on the vacuum side, and an external positioning mechanism mounted at the other end of the rod body on the atmosphere side, The external positioning mechanism includes a differential screw mechanism that moves the rod body back and forth, a linear bush that is provided on a saw body fixed to the main flange and serves as a guide for the rod body, and a drive that drives the differential screw mechanism. A fine positioning mechanism comprising:
【請求項2】前記差動ネジ機構を駆動させる駆動手段
は、前記差動ネジ機構の径大ネジの軸をその中心に固定
し前記軸の両側に貫通穴を持つ第1の円板と、前記第1
の円板に対向し、かつ、前記貫通穴に前記第1の円板を
摺動可能に挿入される前記第1の円板を回転するための
回転伝達棒と、前記回転伝達棒が固定される第2の円板
と、前記第2の円板を回転させるステッピングモータと
からなることを特徴とする請求項1記載の微小位置決め
機構。
2. A drive means for driving the differential screw mechanism, comprising: a first disc having a shaft of a large diameter screw of the differential screw mechanism fixed at its center and having through holes on both sides of the shaft. The first
And a rotation transmission rod for rotating the first disc that is slidably inserted into the through hole and that opposes the disc, and the rotation transmission rod is fixed. The fine positioning mechanism according to claim 1, comprising a second disc that is a stepping motor that rotates the second disc.
【請求項3】真空側と、大気側とを分けるメインフラン
ジに固定され真空側と大気側と分離するベローズと、前
記ベローズの一端に固着され、かつ、前記ベローズと前
記メインフランジを貫通して設けられた棒体と、前記棒
体の真空側一端に設置された内部位置決め機構を搬送す
るための治具と、前記棒体の大気側他端に装着された外
部位置決め機構とからなり、該外部位置決め機構は、前
記棒体を前後に移動させるインチウォーム機構であるこ
とを特徴とする微小位置決め機構。
3. A bellows that is fixed to a main flange that separates the vacuum side and the atmosphere side and separates the vacuum side and the atmosphere side, and is fixed to one end of the bellows, and penetrates the bellows and the main flange. A rod body provided, a jig for conveying an internal positioning mechanism installed at one end of the rod body on the vacuum side, and an external positioning mechanism mounted at the other end of the rod body on the atmosphere side, The minute positioning mechanism, wherein the external positioning mechanism is an inch worm mechanism that moves the rod body back and forth.
【請求項4】前記内部位置決め機構は、本体の貫通孔内
をスライドするコマと、前記コマを位置合わせ後前記コ
マの側面に対し、クランプブロックと押さえ板を介して
伝わるクランプ力を発生させる板バネと、前記コマをス
ライドさせる時には前記クランプ力を弱めるために前記
押さえ板を持ち上げる積層圧電体と、前記コマの先端部
に設けられ電圧をかけることにより微小に変位する圧電
素子体と、前記圧電素子体先端に取り付けられた検出探
針と、前記検出探針の相対する位置に設置された試料台
とからなることを特徴とする請求項1から3いずれかに
記載の微小位置決め機構。
4. The internal positioning mechanism is a plate that slides in a through hole of a main body, and a plate that generates a clamping force that is transmitted to a side surface of the frame after positioning the frame via a clamp block and a pressing plate. A spring, a laminated piezoelectric body that lifts the pressing plate to weaken the clamping force when the top is slid, a piezoelectric element body that is provided at the tip of the top and is minutely displaced by applying a voltage, 4. The micropositioning mechanism according to claim 1, comprising a detection probe attached to the tip of the element body and a sample stage installed at a position facing the detection probe.
【請求項5】前記内部位置決め機構に組み込まれた前記
コマの摺動部には、窒化チタンや炭窒化チタンをはじめ
とする窒化チタンを主成分とする第1の被膜と、前記第
1の被膜の上に形成された窒化ジルコニウムや炭窒化ジ
ルコニウムをはじめとする窒化ジルコニウムを主成分と
する第2の被膜と、前記第2の被膜の上に形成された金
又は金合金被膜とからなる真空用潤滑膜が形成されてい
ることを特徴とする請求項4記載の微小位置決め機構。
5. A first coating containing titanium nitride, such as titanium nitride or titanium carbonitride as a main component, and the first coating on the sliding portion of the top incorporated in the internal positioning mechanism. For a vacuum comprising a second coating containing zirconium nitride or zirconium carbonitride as a main component, which is formed on the second coating, and a gold or gold alloy coating formed on the second coating. The fine positioning mechanism according to claim 4, wherein a lubricating film is formed.
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