JPH0757108B2

JPH0757108B2 - 移動テーブル及びその駆動方法

Info

Publication number: JPH0757108B2
Application number: JP2162581A
Authority: JP
Inventors: 隆一松田; 礼三金子
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-06-22
Filing date: 1990-06-22
Publication date: 1995-06-14
Anticipated expiration: 2010-06-14
Also published as: JPH0454877A

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、微小な水平方向
の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） STM（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「し
ゃくとりむし」機構等が必要となるという問題がある。

第８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2
3,24に直交する方向に両者の間に配置されている。ま
ず、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くした最小移動の
ための移動テーブルを既に提案した（特願平２−2554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がある。

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及びその駆動方法を提供す
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の移動テーブルは、載物台上
の物体を移動させる移動テーブルであって、自由端側に
載物台が掛け渡されるように取り付けられた円筒状の２
つの圧電素子を、電圧が印加されない状態で載物台の上
面が面一になるように並ばせてその他端を基盤上に固定
し、前記２つの圧電素子には内周または外周のいずれか
の周面全体に一方の電極を形成し、対向する周面には他
方の電極を周方向に複数に分割して形成すると共に、こ
れら２つの圧電素子において電圧を印加する電極をそれ
ぞれ選択する電極選択手段を設け、前記載物台をヨーク
とコイルとからなる電磁石から構成したことを特徴とし
ている。

また、上記目的を達成する本発明の移動テーブルの駆動
方法は、上述のように構成された移動テーブルにおい
て、前記物体の移動方向に応じて各圧電素子において電
圧を印加する電極を前記電極選択手段により選択し、選
択された電極にそれぞれ１周期の単一余弦波の電圧、或
いは前記単一余弦波の間欠的な連なりの電圧を印加して
２つの圧電素子をそれぞれ衝撃的に独立に変形させ、前
記２つの載物台上に載置された物体を２つの圧電素子の
変形方向に応じて衝撃的に載物台上を滑らせて、載物台
上で任意方向に微小移動、或いは微小回転させることを
特徴とするものである。

（作用）本発明の移動テーブルによれば、同一形状の円筒状の圧
電素子が２つ並べて基盤上に突設されており、その自由
端にはヨークとコイルとからなる電磁石から構成された
載物台がお互いに面一になるように取り付けられてお
り、更に、２つの円筒状圧電素子は外周側面に分割して
設けられた複数の電極により独立に変形可能に構成され
ているので、電圧を印加する電極を２つの圧電素子にお
いて選択し、それに単一波形の電圧を印加すれば、圧電
素子は衝撃的に任意の方向に変形するので、載物台上の
物体が微小距離滑って移動する。そして、駆動電圧を間
欠的に数多く印加することにより試料の移動距離の制限
を無くすることができ、また、２つの圧電素子において
駆動電圧を印加する電極の組の組合せによって、２つの
圧電素子を逆方向に変形させて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１の一実施例の構成を示すものであ
り、基盤２の上面には、円筒状の圧電素子4,5,6が突設
されている。圧電素子４は移動機構３を介して基盤２の
上に設けられており、その自由端側には載物板12を介し
て先端部にSTMの探針10を備えたアーム11が設置されて
いる。この移動機構３は圧電素子４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４の駆動
可能領域であるμｍのオーダーまで試料８に粗く近づけ
る機能を有する。一方、２つの圧電素子5,6は全く同じ
形状をしており、自由端側には電圧が印加されない状態
で上面が同一平面となるように載物台（図示しない）が
取り付けられている。そして、この載物台上には試料８
が固着された試料台９が両者に跨がって載置されてい
る。７は圧電素子4,5,6の外周面に設けられた電極であ
る。

第２図はこの円筒形圧電素子4,5,6の単体形状を示すも
のである。円筒形の圧電素子4,5,6の内周面全体に内面
電極13が形成され、その外周側面部に外部電極７が形成
されている。外周側面部に形成される外部電極７はこの
実施例では４分割されており、この４分割された外部電
極７はそれぞれ切換回路18を介して電源17に接続されて
いる。また、電源17および切換回路18は圧電素子4,5,6
それぞれに独立に設けられている。

この場合、圧電素子5,6は試料台９をその平面内にのみ
移動させる機能を、圧電素子４は試料８に対して垂直方
向に移動させる機能と水平方向に移動させる機能を司
る。そのため、圧電素子5,6の内周電極13はそれぞれ固
有の電源17のグランド側に接続される。更に、圧電素子
４の内周電極13はそれ固有の電源に接続され、その電源
のグランド端子は外部電極７用の電源のグランド端子と
共通に接続される。外部電極７は前述のようにこの実施
例では対向するように４分割されており、各対向する電
極に絶対値が等しく、極性が逆の電圧を印加することに
より、圧電素子4,5,6を水平方向に撓み変形させること
ができる。

ここで、圧電素子4,5,6の内周側面に分割された電極を
配置し、対向面全体に連続する電極を形成しても同様の
機能を発揮することは言うまでもない。各分割された電
極の数は前述の実施例では４個であるが、この数は４個
に限定されるものではなく、また、偶数個に限定される
ものでもない。分割する電極数を奇数個にした場合は、
電圧の印加方法を適宜選択することによって前記同様の
動作をさせることが可能である。

このように構成された円筒状の圧電素子の自由端には、
第３図に示すような載物台14が取り付けられ、この載置
台14の上に第１図に示したように試料台９が掛け渡され
て載置される。

第４図は２つの圧電素子5,6を基盤２への固定端を基準
に撓ませた時の上から見た試料台９の動きを示すもので
ある。試料台９は前述したように２つの圧電素子5,6の
載物台14の両方に跨がって載っており、圧電素子5,6を
同じ方向に撓ませることにより、載物台14、従ってその
上の試料台９をその平面上において、任意の水平２方向
に移動させることができる。第４図（ａ）における二点
鎖線は、圧電素子5,6を例えば第１図のY₂方向およびX₂
方向に撓ませた状態における試料台９の移動状態を示し
ている。一方、圧電素子５を第１図のX₁方向、圧電素子
６をX₂方向と互いに逆向きに撓ませることにより、試料
台９をその平面上において、回転させることが可能にな
る。第４図（ｂ）における二点鎖線は、圧電素子5,6を
逆向に撓ませた状態における試料台９の移動状態を示し
ている。

STMでは、載物台14に載せられた試料台９に固着された
試料８の表面の垂直方向に探針10が駆動される。すなわ
ち、STMでは第２図に示すように圧電素子４の内面電極1
3に電圧を印加することにより圧電素子４が軸方向に駆
動され、試料８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10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圧電素子４
に制御電圧を印加し、試料８の表面形状をnmオーダーの
分解能で測定する。この探針10の駆動機構及び駆動方法
は公知の技術である。

nmオーダーの測定を行う場合には、機構各部の熱膨張の
差による不安定現象や精度の低下が大きな問題となる
が、第１図のように同質同一形状の圧電素子4,5,6を用
いることによってこの部分の悪影響を除くことができ
る。

次に、第１図の移動テーブルにおける試料台９の移動方
法について説明する。一般に圧電素子5,6の変形可能量
は大きくとも10μｍであるが、第１図の移動テーブルで
は、試料８を載せた試料台９を圧電素子5,6の変形によ
って衝撃的に微小移動させることができる。即ち、試料
８を載せた試料台９に作用する動き始めの慣性力（試料
台９の加速度と質量の積）が、試料台９と載物台14間の
摩擦力以上になるような加速度で試料台９を衝撃的に駆
動することにより、試料台９と載物台14とに相対滑りを
生じさせ、試料８を固着した試料台９を載物台14上で移
動させているのである。

第５図は試料台９の移動の様子を、圧電素子５一個につ
いて示した図である。第５図（ａ）は電圧が印加されて
いない自然状態の圧電素子5,載物台14、及び試料台９の
様子を示したものである。この状態から圧電素子５を急
に撓ませると、行きの過程では載物台14の上の試料台９
は滑りつつ載物台14より遅れて撓みの方向に移動する。
この状態を第５図（ｂ）に示す。この後の圧電素子５の
撓みが元に戻る過程（第５図（ｃ））においては、試料
台９は載物台14の上を滑るので、圧電素子５が運動を停
止した後には、第５図（ｄ）に示すように載物台14に対
して試料台９は距離ｄだけずれた位置に停止することに
なる。

いま、第６図および式（１）で表される単一の余弦波の
変位ｘを載物台14に与えるとすると、試料台９と載物台
14とが相対的滑りを起こす条件は式（２）であって、か
つ一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） γ＝3.76 …（３） d/2a＝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＝１μｍ、μ＝0.15の場合、周波数は374Hzで
ある。高さ40mm、直径10mmの円筒形圧電素子の場合、撓
み運動の共振周波数は10数KHzであり、上記周波数、振
幅の単一波の駆動は容易である。

さらに第６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８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９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、圧電素子上に載置されているの
で、試料台９と載物台14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、これら
の２つの試料台９の移動方法とも第４図（ａ），（ｂ）
に示した両方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７図は第３図のように構成された円筒形圧電素子5,6
の自由端側に取り付けられた載物台14の上に載置される
試料台９を、載置台14上に固定する構成が付加された移
動テーブルの、要部の断面を示すものである。載物台14
は電磁石であって、残留磁化の大きい材料からなるヨー
ク19と、このヨーク19に巻かれたコイル20とから構成さ
れている。また、この載物台14の上に載置される試料８
を固着した試料台９は磁性材料から作られている。

以上のような試料台９を載物台14上に固定する機能を有
する移動テーブルにおいて、本発明では載物台14のコイ
ル20に瞬間的な通電を行い、その後電流を０にする。前
述のように載物台14のヨーク19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13に通電した後に電流
を０にしても、電磁石である載物台14は残留磁力によっ
て試料台９を吸引し、そのヨーク19上に飼料台９を固定
する。このように、コイル20への通電は瞬間的であるの
で、コイル20には熱は殆ど発生しない。

なお、この載物台14の試料台９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20に通電すれば
良く、この交流磁界によってヨーク19の残留磁力が消失
する。

よって、第７図に示した構成の移動テーブルに本発明の
方法を適用すれば、信頼性良く試料８を載物台14上に固
定することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、ヨークとコイルと
からなる電磁石から構成された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。この結果、本発明の移動テ
ーブル及びその駆動方法は、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図は本発明を適用する移動テーブルの全体構成を示
す斜視図、第２図は第１図の円筒形圧電素子単体の斜視図、第３図は第２図の円筒形圧電素子単体の自由端に載物台
を取り付けた状態の斜視図、第４図は試料台の動きを示す試料台の平面図、第５図は本発明の圧電素子の動きを示す説明図、第６図は圧電素子の駆動波形の一例を示す図、第７図は載物台の構造を示す要部断面図、第８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。１……移動テーブル、２……基盤、３……移動機構、 4,5,6……円筒形圧電素子、７……外部電極、８……試料、９……試料台、 10……探針、 13……内面電極、 14……載物台、 19……ヨーク、 20……コイル、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】載物台上の物体を移動させる移動テーブル
であって、自由端側に載物台が掛け渡されるように取り付けられた
円筒状の２つの圧電素子を、電圧が印加されない状態で
載物台の上面が面一になるように並ばせてその他端を基
盤上に固定し、前記２つの圧電素子には内周または外周のいずれかの周
面全体に一方の電極を形成し、対向する周面には他方の
電極を周方向に複数に分割して形成すると共に、これら
２つの圧電素子において電圧を印加する電極をそれぞれ
選択する電極選択手段を設け、前記載物台をヨークとコイルとからなる電磁石から構成
したことを特徴とする移動テーブル。
【請求項２】自由端側に残留磁化が大きい材料製のヨー
クとコイルとを備えた電磁石から構成される載物台が掛
け渡されるように取り付けられた円筒状の２つの圧電素
子を、電圧が印加されない状態で載物台の上面が面一に
なるように並ばせてその他端を基盤上に固定し、前記２
つの圧電素子には内周または外周のいずれかの周面全体
に一方の電極を形成し、対向する周面には他方の電極を
周方向に複数に分割して形成すると共に、これら２つの
圧電素子において電圧を印加する電極をそれぞれ選択す
る電極選択手段を設け、前記２つの載物台上に載置され
た物体を移動させる移動テーブルの駆動方法であって、前記コイルに時間的に振幅が減少する交流電流を印加し
て前記残留磁力を消滅させ、前記載物台上で前記物体の
移動を可能にした後、前記物体の移動方向に応じて各圧
電素子において電圧を印加する電極を前記電極選択手段
により選択し、選択された電極にそれぞれ１周期の単一
余弦波の電圧、或いは前記単一余弦波の間欠的な連なり
の電圧を印加して２つの圧電素子をそれぞれ衝撃的に独
立に変形させ、前記２つの載物台上に載置された物体を
２つの圧電素子の変形方向に応じて衝撃的に載物台上を
滑らせて、載物台上で任意方向に微小移動、或いは微小
回転させ、この後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物体を
前記載物台上に固定することを特徴とする移動テーブル
の駆動方法。