JPH09251319A - 微小位置決め装置用の位置決め器 - Google Patents
微小位置決め装置用の位置決め器Info
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- JPH09251319A JPH09251319A JP9026558A JP2655897A JPH09251319A JP H09251319 A JPH09251319 A JP H09251319A JP 9026558 A JP9026558 A JP 9026558A JP 2655897 A JP2655897 A JP 2655897A JP H09251319 A JPH09251319 A JP H09251319A
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- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/86—Scanning probe structure
- Y10S977/872—Positioner
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- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Control Of Position Or Direction (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 アッベオフセットエラーをなくすために予測
困難な傾斜を除去する微小位置決め装置用の位置決め器
を提供すること 【解決手段】 本発明の位置決め器は、第１の自由端部
と第２のピボット端部とを有する剛体の伸長部材を具備
している。第１の自由端部は第１の要素に強固に結合さ
れている。少なくとも一対のアクチュエータが伸長部材
のピボット端部にピボット結合されている。適当なアク
チュエータの一例は微小動作トランスデューサである。
その一対のピボット結合部は、伸長部材の長軸に関して
その一対のピボット結合部が他方のピボット結合部の反
対側に位置するようにして伸長部材に取り付けられてい
る。
困難な傾斜を除去する微小位置決め装置用の位置決め器
を提供すること 【解決手段】 本発明の位置決め器は、第１の自由端部
と第２のピボット端部とを有する剛体の伸長部材を具備
している。第１の自由端部は第１の要素に強固に結合さ
れている。少なくとも一対のアクチュエータが伸長部材
のピボット端部にピボット結合されている。適当なアク
チュエータの一例は微小動作トランスデューサである。
その一対のピボット結合部は、伸長部材の長軸に関して
その一対のピボット結合部が他方のピボット結合部の反
対側に位置するようにして伸長部材に取り付けられてい
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、観察中のサンプル
の表面に対してプローブチップの位置を適切に制御する
ための微小位置決め装置に用いられる微小動作トランス
デューサ位置決め器に関し、特に、位置決め器が傾斜し
た場合であってもアッベオフセットエラーを除去するよ
うに改良された位置決め器に関する。
の表面に対してプローブチップの位置を適切に制御する
ための微小位置決め装置に用いられる微小動作トランス
デューサ位置決め器に関し、特に、位置決め器が傾斜し
た場合であってもアッベオフセットエラーを除去するよ
うに改良された位置決め器に関する。
【０００２】
【従来の技術】セグメントに分かれた圧電セラミックス
管は、走査プローブ顕微鏡やプロファイルメータのよう
な微小位置決め装置中のプローブチップを動作させるア
クチュエータとして一般的に用いられる。このようなア
クチュエータは、簡単で、広範囲、小型、強固等の利点
を有する。これらのアクチュエータで不都合なことは、
管の端部の予測不可能な傾斜であり、この傾斜は計測困
難な動作を引き起こす。この問題はアッベオフセットエ
ラーとして寸法計測学の分野で周知であるが、この問題
は、例えば、論文：“Dimensional Metrology with
Scanning ProbeMicroscopes", J.Appl.Phys., Volume
74, No. 9, November 1, 1993, pages 83-109. で記述
されている。 U.S. Patent No. 5,306,919, issued Apr
il 26, 1994, to Elings et alにおいては、この望まし
くない傾斜の問題を、圧電管をＳ字状に曲げることによ
って解決する方法を提案している。この曲げは予測困難
な傾斜を生じるので、この提案された解決策は完全なも
のではない。
管は、走査プローブ顕微鏡やプロファイルメータのよう
な微小位置決め装置中のプローブチップを動作させるア
クチュエータとして一般的に用いられる。このようなア
クチュエータは、簡単で、広範囲、小型、強固等の利点
を有する。これらのアクチュエータで不都合なことは、
管の端部の予測不可能な傾斜であり、この傾斜は計測困
難な動作を引き起こす。この問題はアッベオフセットエ
ラーとして寸法計測学の分野で周知であるが、この問題
は、例えば、論文：“Dimensional Metrology with
Scanning ProbeMicroscopes", J.Appl.Phys., Volume
74, No. 9, November 1, 1993, pages 83-109. で記述
されている。 U.S. Patent No. 5,306,919, issued Apr
il 26, 1994, to Elings et alにおいては、この望まし
くない傾斜の問題を、圧電管をＳ字状に曲げることによ
って解決する方法を提案している。この曲げは予測困難
な傾斜を生じるので、この提案された解決策は完全なも
のではない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】それ故、本発明の目的
は、アッベオフセットエラーをなくすために予測困難な
傾斜を除去する微小位置決め装置用の位置決め器を提供
することである。また、広範囲を達成するようにアクチ
ュエータの動作を拡大し、温度補償および２次元、３次
元動作が可能で、しかも構造が簡単な位置決め器が要求
されている。したがって、本発明の別の目的は、これら
の属性の全てを有する位置決め装置を提供することであ
る。
は、アッベオフセットエラーをなくすために予測困難な
傾斜を除去する微小位置決め装置用の位置決め器を提供
することである。また、広範囲を達成するようにアクチ
ュエータの動作を拡大し、温度補償および２次元、３次
元動作が可能で、しかも構造が簡単な位置決め器が要求
されている。したがって、本発明の別の目的は、これら
の属性の全てを有する位置決め装置を提供することであ
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の原理に従って、
一対の要素間の１次元水平動作を制御する微小位置決め
装置用の位置決め器を提供することにより、上述の目的
や他の目的を達成することができる。この位置決め器
は、第１の自由端部と第２のピボット端部とを有する剛
体の伸長部材を具備している。第１の自由端部は第１の
要素に強固に結合されている。少なくとも一対のアクチ
ュエータが伸長部材のピボット端部にピボット結合され
ている。適当なアクチュエータの一例は微小動作トラン
スデューサである。その一対のピボット結合部は、伸長
部材の長軸に関してその一対のピボット結合部が他方の
ピボット結合部の反対側に位置するようにして伸長部材
に取り付けられている。
一対の要素間の１次元水平動作を制御する微小位置決め
装置用の位置決め器を提供することにより、上述の目的
や他の目的を達成することができる。この位置決め器
は、第１の自由端部と第２のピボット端部とを有する剛
体の伸長部材を具備している。第１の自由端部は第１の
要素に強固に結合されている。少なくとも一対のアクチ
ュエータが伸長部材のピボット端部にピボット結合され
ている。適当なアクチュエータの一例は微小動作トラン
スデューサである。その一対のピボット結合部は、伸長
部材の長軸に関してその一対のピボット結合部が他方の
ピボット結合部の反対側に位置するようにして伸長部材
に取り付けられている。
【０００５】各アクチュエータの一端は、剛性の中間支
持部材を介してその個々のピボット結合部に取り付けら
れている。各アクチュエータの他端は剛体の固定ベース
（すなわち第２の要素）に固定されている。各対のアク
チュエータは、伸長部材のピボット端部を旋回させるこ
とによって協同して第１の素子を動作させるように制御
される。アクチュエータを駆動してこれを異なる方向に
動作させる制御手段が設けられている。好ましい実施の
形態において、伸長部材が非傾斜位置にあるとき、各微
小動作トランスデューサ・アクチュエータの動作は伸長
部材の長軸に平行な方向になされる。従って、伸長部材
は制御された方法で傾斜する。
持部材を介してその個々のピボット結合部に取り付けら
れている。各アクチュエータの他端は剛体の固定ベース
（すなわち第２の要素）に固定されている。各対のアク
チュエータは、伸長部材のピボット端部を旋回させるこ
とによって協同して第１の素子を動作させるように制御
される。アクチュエータを駆動してこれを異なる方向に
動作させる制御手段が設けられている。好ましい実施の
形態において、伸長部材が非傾斜位置にあるとき、各微
小動作トランスデューサ・アクチュエータの動作は伸長
部材の長軸に平行な方向になされる。従って、伸長部材
は制御された方法で傾斜する。
【０００６】本発明による一つの実施の形態において、
ピボット結合部は、伸長部材のピボット端に固定される
と共に剛性の中間支持部材を介して微小動作トランスデ
ューサ・アクチュエータに固定されたピボット球であ
る。
ピボット結合部は、伸長部材のピボット端に固定される
と共に剛性の中間支持部材を介して微小動作トランスデ
ューサ・アクチュエータに固定されたピボット球であ
る。
【０００７】本発明による他の実施の形態において、位
置決め器は、２次元水平動作可能に構成され、さらに、
少なくとも１個の追加中間支持部材と、少なくとも１個
の追加ピボット結合部、および少なくとも１個の追加微
小動作トランスデューサ・アクチュエータを有する。本
実施の形態では、一対の追加剛性中間支持部材、一対の
追加ピボット結合部、および一対の追加微小動作トラン
スデューサ・アクチュエータが設けられることが有利で
ある。これらの追加の一対の構成は、第１と第２のピボ
ット結合部を通る第１の線が第３と第４のピボット結合
を通る第２の線と伸長部材の長軸で直角に交差するよう
にして、第１の対と同様に配置されている。したがっ
て、伸長部材は、その自由端部が直交軸座標系内で２次
元水平動作を行うようにして傾斜可能である。
置決め器は、２次元水平動作可能に構成され、さらに、
少なくとも１個の追加中間支持部材と、少なくとも１個
の追加ピボット結合部、および少なくとも１個の追加微
小動作トランスデューサ・アクチュエータを有する。本
実施の形態では、一対の追加剛性中間支持部材、一対の
追加ピボット結合部、および一対の追加微小動作トラン
スデューサ・アクチュエータが設けられることが有利で
ある。これらの追加の一対の構成は、第１と第２のピボ
ット結合部を通る第１の線が第３と第４のピボット結合
を通る第２の線と伸長部材の長軸で直角に交差するよう
にして、第１の対と同様に配置されている。したがっ
て、伸長部材は、その自由端部が直交軸座標系内で２次
元水平動作を行うようにして傾斜可能である。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明による実施の形態として、
以下には走査プローブ顕微鏡を例にとり説明するが、本
発明はこれに限定されるものではない。走査プローブ顕
微鏡は、本発明を適用するのに適切な環境であるところ
の、プロファイルメータ等の他の装置を含む微小位置決
め装置の一つの形態を示すにすぎない。また、以下の説
明では、特に、圧電性セラミックス材料を引用している
が、電気歪みまたは磁気歪み材料のような他の材料を用
いても良い。
以下には走査プローブ顕微鏡を例にとり説明するが、本
発明はこれに限定されるものではない。走査プローブ顕
微鏡は、本発明を適用するのに適切な環境であるところ
の、プロファイルメータ等の他の装置を含む微小位置決
め装置の一つの形態を示すにすぎない。また、以下の説
明では、特に、圧電性セラミックス材料を引用している
が、電気歪みまたは磁気歪み材料のような他の材料を用
いても良い。
【０００９】ここで説明する本発明のデザインは、モー
メント・アームの傾斜を用いて微小動作トランスデュー
サ・アクチュエータの比較的小範囲の動作を拡大するも
のである。図１はそのような傾斜を説明するものであ
る。そこに示されるように、長さＬの剛性の伸長部材１
０は自由端部１２と第２端部１４を有している。第２端
部１４は、全体長２ｄを有する横部材１６の中心に固着
されている。本発明にしたがって、一対の対向する微小
動作トランスデューサ・アクチュエータ（図１に図示せ
ず）が、横部材１６の中心から等距離に配置されてい
る。
メント・アームの傾斜を用いて微小動作トランスデュー
サ・アクチュエータの比較的小範囲の動作を拡大するも
のである。図１はそのような傾斜を説明するものであ
る。そこに示されるように、長さＬの剛性の伸長部材１
０は自由端部１２と第２端部１４を有している。第２端
部１４は、全体長２ｄを有する横部材１６の中心に固着
されている。本発明にしたがって、一対の対向する微小
動作トランスデューサ・アクチュエータ（図１に図示せ
ず）が、横部材１６の中心から等距離に配置されてい
る。
【００１０】一方のアクチュエータは、横部材１６の一
端を微小距離δｚだけ下方に動かし、他方のアクチュエ
ータは、横部材１６の一端を同距離δｚだけ上方に動か
す。この差動動作が伸長部材１０の垂直な動きを最小限
に抑える。横部材１６の一端の垂直変位δｘは、次の関
係によって部材１０の自由端部１２の横方向動作δｘと
して拡大される。 （δｘ／δｚ）＝（Ｌ／ｄ） この場合の拡大率は容易に１０以上とすることができ
る。第２のアクチュエータ対と共に第２の横部材を横部
材１６に直交して設けて、紙面と直交する方向に自由端
部１２を動作させるようにすることも可能であり、この
結果、自由端部１２の２次元動作を実現できる。
端を微小距離δｚだけ下方に動かし、他方のアクチュエ
ータは、横部材１６の一端を同距離δｚだけ上方に動か
す。この差動動作が伸長部材１０の垂直な動きを最小限
に抑える。横部材１６の一端の垂直変位δｘは、次の関
係によって部材１０の自由端部１２の横方向動作δｘと
して拡大される。 （δｘ／δｚ）＝（Ｌ／ｄ） この場合の拡大率は容易に１０以上とすることができ
る。第２のアクチュエータ対と共に第２の横部材を横部
材１６に直交して設けて、紙面と直交する方向に自由端
部１２を動作させるようにすることも可能であり、この
結果、自由端部１２の２次元動作を実現できる。
【００１１】図２は、１次元位置決め器を提供するため
に図１に示された原理を用いた本発明の物理的な実施の
形態を示している。図２は、一対の要素間の１次元の水
平動作を制御するための折り返し位置決め器を示してい
る。走査プローブ顕微鏡の典型的な環境において、第１
の要素はプローブチップ１８である。第２の要素２０は
ベースである。観察下のサンプル（図示せず）は、支持
部材（図示せず）を介してベース２０に取り付けられて
いる。この支持部材によってそのサンプルはプローブチ
ップ１８に対向する極めて近接位置に配置される。プロ
ーブチップ１８は、剛性の伸長部材２２の第１の自由端
部に固着されており、これらの間の相対的な水平運動が
防止されている。
に図１に示された原理を用いた本発明の物理的な実施の
形態を示している。図２は、一対の要素間の１次元の水
平動作を制御するための折り返し位置決め器を示してい
る。走査プローブ顕微鏡の典型的な環境において、第１
の要素はプローブチップ１８である。第２の要素２０は
ベースである。観察下のサンプル（図示せず）は、支持
部材（図示せず）を介してベース２０に取り付けられて
いる。この支持部材によってそのサンプルはプローブチ
ップ１８に対向する極めて近接位置に配置される。プロ
ーブチップ１８は、剛性の伸長部材２２の第１の自由端
部に固着されており、これらの間の相対的な水平運動が
防止されている。
【００１２】典型的に、伸長部材２２は、石英等の剛性
材料の円筒管である。他の剛性材料も利用可能である
が、石英は熱膨張係数が低いという利点を持っている。
伸長部材２２はその対向する端部間に伸びる中心縦軸２
４を有し、プローブチップ１８はこの軸に沿って配置さ
れている。さらに、位置決め器は、第１と第２の剛性の
中間支持部材２６、２８を有する。各支持部材２６、２
８は、それぞれのピボット手段３０、３２によりプロー
ブチップ１８と反対側の伸長部材２２の第２のピボット
端部に結合されている。典型的に、各々のピボット手段
３０、３２は、それぞれの支持部材２６、２８および伸
長部材２２に対してエポキシ樹脂または他の適当な接着
剤により固定された固体のルビー球である。この実施の
形態においては、エポキシ樹脂の柔軟性によって剛性の
伸長部材２２を球３０と３２上で旋回自在に取り付ける
ことができる。
材料の円筒管である。他の剛性材料も利用可能である
が、石英は熱膨張係数が低いという利点を持っている。
伸長部材２２はその対向する端部間に伸びる中心縦軸２
４を有し、プローブチップ１８はこの軸に沿って配置さ
れている。さらに、位置決め器は、第１と第２の剛性の
中間支持部材２６、２８を有する。各支持部材２６、２
８は、それぞれのピボット手段３０、３２によりプロー
ブチップ１８と反対側の伸長部材２２の第２のピボット
端部に結合されている。典型的に、各々のピボット手段
３０、３２は、それぞれの支持部材２６、２８および伸
長部材２２に対してエポキシ樹脂または他の適当な接着
剤により固定された固体のルビー球である。この実施の
形態においては、エポキシ樹脂の柔軟性によって剛性の
伸長部材２２を球３０と３２上で旋回自在に取り付ける
ことができる。
【００１３】球３０と３２は、縦軸２４に関して反対側
にあり、縦軸２４に直交しかつ互いに平行なピボット軸
３４、３６（図３）の周囲で支持部材２６、２８の各一
方に対して伸長部材２２を旋回動作させる。微小動作ト
ランスデューサ・アクチュエータ３８、４０は、ベース
２０と支持部材２６、２８の各１方との間に結合され、
かつ、各ピボット軸３４、３６と直交する線に沿って配
置された各支持部材２６、２８とベース２０との間の相
対移動を制御可能である。図２の折り返しデザインにお
いて、伸長部材２２およびアクチュエータ３８、４０
は、全て支持部材２６、２８の同じ側に配置されてい
る。
にあり、縦軸２４に直交しかつ互いに平行なピボット軸
３４、３６（図３）の周囲で支持部材２６、２８の各一
方に対して伸長部材２２を旋回動作させる。微小動作ト
ランスデューサ・アクチュエータ３８、４０は、ベース
２０と支持部材２６、２８の各１方との間に結合され、
かつ、各ピボット軸３４、３６と直交する線に沿って配
置された各支持部材２６、２８とベース２０との間の相
対移動を制御可能である。図２の折り返しデザインにお
いて、伸長部材２２およびアクチュエータ３８、４０
は、全て支持部材２６、２８の同じ側に配置されてい
る。
【００１４】典型的に、微小動作トランスデューサ・ア
クチュエータ３８、４０は、内部電極および外部電極を
有する中空の圧電セラミックス管である。電極に第１の
極性の電圧がかかると、アクチュエータの長さは増大す
る。電極に逆の極性の電圧がかかると、アクチュエータ
の長さは減少する。望ましくは、アクチュエータ３８、
４０は同一であり、また、コントローラ４２は、プログ
ラム化されたコンピュータを有し、かつ、アクチュエー
タ３８、４０の電極に結合されており、アクチュエータ
３８、４０の一方の長さを増加させて他方の長さを減少
させるようにしてこれらの電極に電圧をかける。この差
動動作は、図１について前述したように、伸長部材２２
を傾斜させる。
クチュエータ３８、４０は、内部電極および外部電極を
有する中空の圧電セラミックス管である。電極に第１の
極性の電圧がかかると、アクチュエータの長さは増大す
る。電極に逆の極性の電圧がかかると、アクチュエータ
の長さは減少する。望ましくは、アクチュエータ３８、
４０は同一であり、また、コントローラ４２は、プログ
ラム化されたコンピュータを有し、かつ、アクチュエー
タ３８、４０の電極に結合されており、アクチュエータ
３８、４０の一方の長さを増加させて他方の長さを減少
させるようにしてこれらの電極に電圧をかける。この差
動動作は、図１について前述したように、伸長部材２２
を傾斜させる。
【００１５】図３は、プローブチップ１８の２次元動作
を行うために、図２に示された構成にさらに２個のアク
チュエータを追加した構成を示している。この構成にお
いて、アクチュエータ３８、４０はＸ軸に沿った動作を
制御する。同一のアクチュエータ４４、４６は、個別の
中間支持部材４８、５０を有すると共に、個別のピボッ
ト軸５６、５８を有する個別の球５２、５４を有してお
り、アクチュエータ３８、４０に対して対称かつ直交的
に配置されている。アクチュエータ４４、４６は、コン
トローラ４２（図２）に結合され、コントローラ４２は
水平動作の所望のＹ軸成分を得るようにしてそれらの電
圧印加を制御する。
を行うために、図２に示された構成にさらに２個のアク
チュエータを追加した構成を示している。この構成にお
いて、アクチュエータ３８、４０はＸ軸に沿った動作を
制御する。同一のアクチュエータ４４、４６は、個別の
中間支持部材４８、５０を有すると共に、個別のピボッ
ト軸５６、５８を有する個別の球５２、５４を有してお
り、アクチュエータ３８、４０に対して対称かつ直交的
に配置されている。アクチュエータ４４、４６は、コン
トローラ４２（図２）に結合され、コントローラ４２は
水平動作の所望のＹ軸成分を得るようにしてそれらの電
圧印加を制御する。
【００１６】図３から明かなように、第１と第２の球３
０、３２は、プローブチップ１８のＸ軸動作に平行な線
に沿って配置され、同様に、第３と第４のピボット球５
２、５４はプローブチップ１８のＹ軸動作に平行な線に
沿って配置されている。各対のピボット球を結ぶこれら
の線は、Ｘ、Ｙ軸と同様に、伸長部材２２の中心縦軸２
４と交差している。ピボット球３０、３２、５２、５４
は縦軸２４から等距離にあり、これらの球は縦軸２４を
中心とする四角形の各コーナに位置するとみなすことが
できる。しかし、対向する各対のアクチュエータについ
てはアクチュエータの縦軸２４からの距離が等しいこと
が望ましいが、この距離が両方の対で同じである必要は
ない。
０、３２は、プローブチップ１８のＸ軸動作に平行な線
に沿って配置され、同様に、第３と第４のピボット球５
２、５４はプローブチップ１８のＹ軸動作に平行な線に
沿って配置されている。各対のピボット球を結ぶこれら
の線は、Ｘ、Ｙ軸と同様に、伸長部材２２の中心縦軸２
４と交差している。ピボット球３０、３２、５２、５４
は縦軸２４から等距離にあり、これらの球は縦軸２４を
中心とする四角形の各コーナに位置するとみなすことが
できる。しかし、対向する各対のアクチュエータについ
てはアクチュエータの縦軸２４からの距離が等しいこと
が望ましいが、この距離が両方の対で同じである必要は
ない。
【００１７】望ましくは、アクチュエータ３８、４０、
４４、４６の各動作は、伸長部材２２が非傾斜位置にあ
る場合に縦軸２４と平行な方向に行われる。前述の４個
のアクチュエータを用いた実施の形態だけでなく、プロ
ーブチップ１８の２次元の動作を３個のアクチュエータ
を用いて行うことも考えられる。３個のアクチュエータ
の実施の形態において、アクチュエータは伸長部材２２
の周囲に三角形状に配置される。
４４、４６の各動作は、伸長部材２２が非傾斜位置にあ
る場合に縦軸２４と平行な方向に行われる。前述の４個
のアクチュエータを用いた実施の形態だけでなく、プロ
ーブチップ１８の２次元の動作を３個のアクチュエータ
を用いて行うことも考えられる。３個のアクチュエータ
の実施の形態において、アクチュエータは伸長部材２２
の周囲に三角形状に配置される。
【００１８】前述の位置決め器は、広範囲だけでなく、
少なくとも２つの他の重要な利点を有している。第１の
利点は、アッベオフセットエラーを低減できることであ
る。アッベオフセットは、走査プローブ顕微鏡の容量形
センサのような位置センサがプローブチップの平面中に
ない場合に起きる。走査ヘッドの無制御の傾斜は、位置
センサによって検出できないプローブチップの動作を引
き起こす可能性がある。前述したような本発明の位置決
め器の構成の利点は、傾斜を非常に都合よく制御できる
と共に予測でき、それ故、計測位置に対して必要なあら
ゆる補正を成し得ることである。
少なくとも２つの他の重要な利点を有している。第１の
利点は、アッベオフセットエラーを低減できることであ
る。アッベオフセットは、走査プローブ顕微鏡の容量形
センサのような位置センサがプローブチップの平面中に
ない場合に起きる。走査ヘッドの無制御の傾斜は、位置
センサによって検出できないプローブチップの動作を引
き起こす可能性がある。前述したような本発明の位置決
め器の構成の利点は、傾斜を非常に都合よく制御できる
と共に予測でき、それ故、計測位置に対して必要なあら
ゆる補正を成し得ることである。
【００１９】第２の利点は、本発明の位置決め器の折り
返しデザインと対称性によって、熱膨張に起因する誤差
を低減できる（すなわち、本質的に熱的補償される）点
である。この熱的補償は図２で説明できる。本システム
は、構成部品の熱膨張特性を利用して、周囲温度が変化
してもプローブチップ１８の位置がベース２０に対して
一定に保持されるようにデザインされている。このよう
な熱的補償は、２つの長さＬ1とＬ2の比を、２つの熱膨
張係数Ｅ1とＥ2の比に対して反比例するように調整する
ことで実現可能である。ここで、下付き符号「１」は伸
長部材２２を意味し、下付き符号「２」はアクチュエー
タ３８、４０、４４、４６（いずれも同一）の一つを意
味する。これは、それらの要素が、長さの差の大半を生
じさせるからである。なお、この関係は、次のように表
される。 （Ｌ1／Ｌ2）＝（Ｅ2／Ｅ1） したがって、温度が変化すると、２つの長さＬ1とＬ2は
同じ量だけ変化する。
返しデザインと対称性によって、熱膨張に起因する誤差
を低減できる（すなわち、本質的に熱的補償される）点
である。この熱的補償は図２で説明できる。本システム
は、構成部品の熱膨張特性を利用して、周囲温度が変化
してもプローブチップ１８の位置がベース２０に対して
一定に保持されるようにデザインされている。このよう
な熱的補償は、２つの長さＬ1とＬ2の比を、２つの熱膨
張係数Ｅ1とＥ2の比に対して反比例するように調整する
ことで実現可能である。ここで、下付き符号「１」は伸
長部材２２を意味し、下付き符号「２」はアクチュエー
タ３８、４０、４４、４６（いずれも同一）の一つを意
味する。これは、それらの要素が、長さの差の大半を生
じさせるからである。なお、この関係は、次のように表
される。 （Ｌ1／Ｌ2）＝（Ｅ2／Ｅ1） したがって、温度が変化すると、２つの長さＬ1とＬ2は
同じ量だけ変化する。
【００２０】図２の折り返しデザインは、コンパクトで
かつ熱補償の利点を有するが、これらの利点を必要とし
ない場合もある。図４に示するように、本発明は、折り
返し以外のデザインにも同様に適用可能である。
かつ熱補償の利点を有するが、これらの利点を必要とし
ない場合もある。図４に示するように、本発明は、折り
返し以外のデザインにも同様に適用可能である。
【００２１】さらに、固体のルビー球は、典型的なピボ
ットとして説明したが、他のピボットを用いてもよい。
ここで、図５は、細い部分で曲がる一般的な屈曲部６
４、６６が利用できることを示しており、図６は、強固
なワイヤ６８、７０もまた利用できることを示してい
る。
ットとして説明したが、他のピボットを用いてもよい。
ここで、図５は、細い部分で曲がる一般的な屈曲部６
４、６６が利用できることを示しており、図６は、強固
なワイヤ６８、７０もまた利用できることを示してい
る。
【００２２】図７は、傾斜が生じるときのプローブチッ
プの垂直動作を示している。すなわち、伸長部材２２が
角度αで傾斜する場合には、この傾斜によって生じるプ
ローブチップの垂直変位はＬ1（１−ＣＯＳα）に等し
い。走査プローブ顕微鏡の典型的な寸法と動作に関し
て、全体の垂直変位は１０ｎｍのオーダである。この垂
直変位は、いくつかの方法で補償できる。図２に示すよ
うに、小さな拡張アクチュエータ６０を伸長部材２２に
設け、この動作を相殺することが可能である。また、ｚ
軸アクチュエータ６２を設けて、動作を相殺するように
制御可能である。さらに、傾斜アクチュエータ３８、４
０、４４、４６を、垂直動作を相殺するように動作させ
ることも可能である。
プの垂直動作を示している。すなわち、伸長部材２２が
角度αで傾斜する場合には、この傾斜によって生じるプ
ローブチップの垂直変位はＬ1（１−ＣＯＳα）に等し
い。走査プローブ顕微鏡の典型的な寸法と動作に関し
て、全体の垂直変位は１０ｎｍのオーダである。この垂
直変位は、いくつかの方法で補償できる。図２に示すよ
うに、小さな拡張アクチュエータ６０を伸長部材２２に
設け、この動作を相殺することが可能である。また、ｚ
軸アクチュエータ６２を設けて、動作を相殺するように
制御可能である。さらに、傾斜アクチュエータ３８、４
０、４４、４６を、垂直動作を相殺するように動作させ
ることも可能である。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
予測困難な傾斜を除去可能で、かつ、温度補償および２
次元、３次元動作が可能であり、しかも構造が簡単な位
置決め器を提供することができる。
予測困難な傾斜を除去可能で、かつ、温度補償および２
次元、３次元動作が可能であり、しかも構造が簡単な位
置決め器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 アクチュエータの動作を拡大するレバー原理
を用いた傾斜を説明する図である。
を用いた傾斜を説明する図である。
【図２】 本発明に従って、２つの微小動作トランスデ
ューサ・アクチュエータを用い、傾斜により１次元水平
動作可能に構成された折り返し型の位置決め器を示す側
面図である。
ューサ・アクチュエータを用い、傾斜により１次元水平
動作可能に構成された折り返し型の位置決め器を示す側
面図である。
【図３】 ４つの微小動作トランスデューサ・アクチュ
エータを用い、斜動により２次元水平動作可能に構成さ
れた折り返し型の位置決め器の概要を示す平面図であ
る。
エータを用い、斜動により２次元水平動作可能に構成さ
れた折り返し型の位置決め器の概要を示す平面図であ
る。
【図４】 図２と同様の非折り返し型の位置決め器を示
す側面図である。
す側面図である。
【図５】 図２〜図４に示された球の替わりのピボット
結合部の一例を示す図である。
結合部の一例を示す図である。
【図６】 図２〜図４に示された球の替わりのピボット
結合部の別の一例を示す図である。
結合部の別の一例を示す図である。
【図７】 傾斜による水平動作の間のプローブチップの
垂直動作を幾何学的に説明する図である。
垂直動作を幾何学的に説明する図である。
１０、２２……伸長部材 １２……自由端部 １４……第２端部 １６……横部材 １８……プローブチップ ２０……ベース ２４……縦軸 ２６、２８、４８、５０……支持部材 ３０、３２、５２、５４……球 ３４、３６、５６、５８……ピボット軸 ３８、４０、４４、４６、６０……アクチュエータ ４２……コントローラ ６２……ｚ軸アクチュエータ ６４、６６……屈曲部 ６８、７０……強固なワイヤ
フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 ラファエル ナタン クレインマン アメリカ合衆国，08901 ニュージャージ ー，ミドルセックス，ランディング レイ ン 10，アパートメント ６エフ
Claims (21)
- 【請求項１】 一対の要素間の１次元水平動作を制御す
る微小位置決め装置用の位置決め器において、 第１の自由端部と第２のピボット端部を有し、前記自由
端部が前記一対の要素中の第１の要素に対してその間の
相対水平移動を防止するように結合されると共に、前記
自由端部から前記ピボット端部まで伸びる長軸を有する
伸長部材と、 一対の剛性中間支持部材と、 前記長軸の一方の側に設けられ、前記伸長部材のピボッ
ト端部を前記一対の支持部材中の第１の支持部材にピボ
ット結合する第１のピボット結合部と、 前記長軸に関して前記第１のピボット結合部と反対側に
設けられ、前記伸長部材のピボット端部を前記一対の支
持部材中の第２の支持部材にピボット結合する第２のピ
ボット結合部と、 前記第１の支持部材に対してその間の相対移動を防止す
るように結合された一方の端部と、前記一対の要素中の
第２の要素に対してその間の相対移動を防止するように
結合された他方の端部を有し、前記第１の支持部材と前
記第２の要素との間で前記伸長部材を傾斜させるための
相対移動を行わせるように制御可能な第１の微小動作ト
ランスデューサ・アクチュエータと、 前記第２の支持部材に対してその間の相対移動を防止す
るように結合された一方の端部と、前記一対の要素中の
第２の要素に対してその間の相対移動を防止するように
結合された他方の端部を有し、前記第２の支持部材と前
記第２の要素との間で前記伸長部材を傾斜させるための
相対移動を行わせるように制御可能な第２の微小動作ト
ランスデューサ・アクチュエータと、 前記第１と第２の支持部材を差動動作させるために前記
第１と第２のアクチュエータを選択的に駆動する制御手
段と、を有し、 それによって、前記伸長部材が、傾斜ラインに沿ってこ
の伸長部材の自由端部を動作させるようにして傾くよう
に制御されることを特徴とする微小位置決め装置用の位
置決め器。 - 【請求項２】 前記伸長部材に結合され、かつ、前記第
１の要素を、前記第１と第２の支持部材に対して前記伸
長部材の長軸に沿って選択的に動作させるように前記制
御手段によって駆動される第３の微小動作トランスデュ
ーサ・アクチュエータを有し、 それによって、前記伸長部材の傾斜による垂直動作が補
償されることを特徴とする請求項１の位置決め器。 - 【請求項３】 前記伸長部材が、前記支持部材に関して
前記アクチュエータと同じ側に配置されるようにして前
記支持部材に結合されたことを特徴とする請求項１の位
置決め器。 - 【請求項４】 前記第１と第２のアクチュエータが、同
一の熱膨張係数と同一の長さを有し、 伸長部材の長さの各アクチュエータの長さに対する比
が、伸長部材の熱膨張係数の各アクチュエータの熱膨張
係数に対する比に反比例し、 それによって、温度補償が可能であることを特徴とする
請求項３の位置決め器。 - 【請求項５】 第１と第２のピボット結合部の各々が、
前記伸長部材の第２のピボット端部に取り付けられかつ
前記一対の支持部材の各々に取り付けられた個別のピボ
ット球を有することを特徴とする請求項１の位置決め
器。 - 【請求項６】 前記ピボット球の各々が、固体ルビー球
であることを特徴とする請求項５の位置決め器。 - 【請求項７】 前記ピボット結合部が、前記傾斜ライン
に平行な動作軸に沿って配置されたことを特徴とする請
求項１の位置決め器。 - 【請求項８】 第３と第４の剛性中間支持部材と、 前記伸長部材のピボット端部を前記第３の支持部材にピ
ボット結合する第３のピボット結合部と、 前記長軸に関して前記第３のピボット結合部と反対側に
設けられ、前記伸長部材のピボット端部を前記第４の支
持部材にピボット結合する第４のピボット結合と、 前記第３の支持部材に対してその間の相対移動を防止す
るように結合された一方の端部と、前記第２の要素に対
してその間の相対移動を防止するように結合された他方
の端部を有し、前記第３の支持部材と前記第２の要素と
の間で前記伸長部材を傾斜させるための相対移動を行わ
せるように制御可能な第３の微小動作トランスデューサ
・アクチュエータと、 前記第４の支持部材に対してその間の相対移動を防止す
るように結合された一方の端部と、前記第２の要素に対
してその間の相対移動を防止するように結合された他方
の端部を有し、前記第４の支持部材と前記第２の要素と
の間で前記伸長部材を傾斜させるための相対移動を行わ
せるように制御可能な第４の小動作トランスデューサ・
アクチュエータと、 前記第３と第４の支持部材を差動動作させるために前記
第３と第４のアクチュエータを選択的に駆動する制御手
段とを有し、 それによって、２次元水平動作可能用に構成されたこと
を特徴とする請求項１の位置決め器。 - 【請求項９】 第１と第２のピボット結合部を通る第１
の線は、第３と第４のピボット結合を通る第２の線と前
記長軸で直角に交差し、 それによって、前記伸長部材の自由端部が、前記第１の
線に平行な第１の座標軸と前記第２の線に平行な第２の
座標軸を有する直交軸座標系において２次元動作を行
い、かつ、前記第１と第２のアクチュエータが前記第１
の座標軸と平行な動作を制御し、前記第３と第４のアク
チュエータが前記第２の座標軸と閉恋うな動作を制御す
るようにして、前記伸長部材が傾けられることを特徴と
する請求項８の位置決め器。 - 【請求項１０】 前記伸長部材に結合され、かつ、前記
第１の要素を、前記支持部材に対して前記伸長部材の長
軸に沿って選択的に動作させるように前記制御手段によ
って駆動される第５の微小動作トランスデューサ・アク
チュエータを有し、 それによって、前記伸長部材の傾斜による垂直動作が補
償されることを特徴とする請求項８の位置決め器。 - 【請求項１１】 前記伸長部材が、前記支持部材に関し
て前記アクチュエータと同じ側に配置されるようにして
前記支持部材に結合されたことを特徴とする請求項８の
位置決め器。 - 【請求項１２】 前記第１、第２、第３、および第４の
アクチュエータが、同一の熱膨張係数と同一の長さを有
し、 伸長部材の長さの各アクチュエータの長さに対する比
が、伸長部材の熱膨張係数の各アクチュエータの熱膨張
係数に対する比に反比例し、 それによって、温度補償が可能であることを特徴とする
請求項１１の位置決め器。 - 【請求項１３】 前記第１、第２、第３、および第４の
ピボット結合部の各々が、前記伸長部材のピボット端部
に取り付けられかつ前記支持部材の各々に取り付けられ
た個別のピボット球を有することを特徴とする請求項８
の位置決め器。 - 【請求項１４】 各々のピボット球が、固体ルビー球で
あることを特徴とする請求項１３の位置決め器。 - 【請求項１５】 前記第１、第２、第３、および第４の
ピボット結合部が、前記伸長部材の長軸を中心とする四
角形の各コーナに配置されていることを特徴とする請求
項９の位置決め器。 - 【請求項１６】 前記剛性伸長部材が、剛性プラスチッ
ク製の円筒管を有することを特徴とする請求項１の位置
決め器。 - 【請求項１７】 前記剛性伸長部材が、石英管を有する
ことを特徴とする請求項１６の位置決め器。 - 【請求項１８】 前記微小動作トランスデューサ・アク
チュエータの各々が、内部電極と外部電極を持つ個別の
中空の圧電セラミック製円筒を有することを特徴とする
請求項１の位置決め器。 - 【請求項１９】 前記伸長部材が非傾斜位置にある場合
に、前記アクチュエータの各々が、前記伸長部材の長軸
と平行な方向に動作することを特徴とする請求項１の位
置決め器。 - 【請求項２０】 前記伸長部材が非傾斜位置にある場合
に、前記アクチュエータの各々が、前記伸長部材の長軸
と平行な方向に動作することを特徴とする請求項８の位
置決め器。 - 【請求項２１】 一対の要素間の２次元水平動作を制御
する微小位置決め装置用の位置決め器において、 第１の自由端部と第２のピボット端部を有し、前記自由
端部が前記一対の要素中の第１の要素に対してその間の
相対水平移動を防止するように結合されると共に、前記
自由端部から前記ピボット端部まで伸びる長軸を有する
伸長部材と、 ３つの剛性中間支持部材と、 前記長軸の周囲に三角形状に配置され、その各々が前記
伸長部材のピボット端部を前記３つの支持部材中の各々
に個別にピボット結合する３つのピボット結合部と、 その各々が、前記３つの支持部材の各々に対してその間
の相対移動を防止するように結合された一方の端部と、
前記一対の要素中の第２の要素に対してその間の相対移
動を防止するように結合された他方の端部を有し、前記
３つの支持部材の各々と前記第２の要素との間で前記伸
長部材を傾斜させるための相対移動を行わせるように制
御可能な、実質的に平行に配置された３つの微小動作ト
ランスデューサ・アクチュエータと、 前記３つの支持部材を差動動作させるために前記３つの
アクチュエータを選択的に駆動する制御手段と、を有
し、 それによって、前記伸長部材が、この伸長部材の自由端
部を動作させるようにして傾くように制御されることを
特徴とする微小位置決め装置用の位置決め器。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/600,658 US5627371A (en) | 1996-02-09 | 1996-02-09 | Tilting positioner for a micropositioning device |
| US600658 | 1996-02-09 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09251319A true JPH09251319A (ja) | 1997-09-22 |
| JP3369892B2 JP3369892B2 (ja) | 2003-01-20 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02655897A Expired - Fee Related JP3369892B2 (ja) | 1996-02-09 | 1997-02-10 | 微小位置決め装置用の位置決め器 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
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| EP (1) | EP0790480B1 (ja) |
| JP (1) | JP3369892B2 (ja) |
| KR (1) | KR100269547B1 (ja) |
| DE (1) | DE69713820T2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| DE19817802B4 (de) * | 1996-11-12 | 2009-08-06 | Marco Systemanalyse Und Entwicklung Gmbh | Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement |
| US6593749B2 (en) * | 2001-05-31 | 2003-07-15 | Innovative Micro Technology | Wafer level method for probing micromechanical devices |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US5103095A (en) * | 1990-05-23 | 1992-04-07 | Digital Instruments, Inc. | Scanning probe microscope employing adjustable tilt and unitary head |
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| US5103094A (en) * | 1991-05-02 | 1992-04-07 | Wyko Corporation | Compact temperature-compensated tube-type scanning probe with large scan range |
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-
1996
- 1996-02-09 US US08/600,658 patent/US5627371A/en not_active Expired - Lifetime
-
1997
- 1997-01-28 DE DE69713820T patent/DE69713820T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1997-01-28 EP EP97300526A patent/EP0790480B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1997-02-06 KR KR1019970003731A patent/KR100269547B1/ko not_active IP Right Cessation
- 1997-02-10 JP JP02655897A patent/JP3369892B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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