JPH10271856A - Mobile stage - Google Patents

Mobile stage

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Publication number
JPH10271856A
JPH10271856A JP9077752A JP7775297A JPH10271856A JP H10271856 A JPH10271856 A JP H10271856A JP 9077752 A JP9077752 A JP 9077752A JP 7775297 A JP7775297 A JP 7775297A JP H10271856 A JPH10271856 A JP H10271856A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
stage
movable stage
piezo element
spring
movable
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP9077752A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Azusa Matsuda
梓 松田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP9077752A priority Critical patent/JPH10271856A/en
Publication of JPH10271856A publication Critical patent/JPH10271856A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mobile stage usable in a strong magnetic field, and capable of adjusting friction relating to driving easily. SOLUTION: This concerns a mobile stage having a stationary stage 12 and a movable stage 11, using shared piezoelectric elements 15, 17 for its driving, has a leaf spring 14 for applying an attracting force between the stationary stage 12 and the movable stage 11 to bring the movable stage 11 into contact with the stationary stage 12, and the shared piezoelectric elements 15, 17 provided for driving the movable stage 11 at all the contact parts between the stationary stage 12 and the movable stage 11 to be brought into contact with each other by this leaf spring 14.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電気信号により目
標物体の位置を例えば1ミクロン以下の精度で精密に制
御するための電子式精密移動ステージに関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electronic precision moving stage for precisely controlling the position of a target object by an electric signal with an accuracy of, for example, 1 micron or less.

【0002】[0002]

【従来の技術】シェアー型ピエゾ素子を用いて構成され
た従来の電子式精密移動ステージの構成例を図3に示
す。1は可動ステージ、2は固定ステージ、3はシェア
ー型のピエゾ素子を表す。シェアー型ピエゾ素子3に
は、可動ステージ1と一点で接する耐磨耗性の部品4が
固着される。シェアー型ピエゾ素子3は通常3ケ所設け
られ、3点で可動ステージ1を保持する。5は永久磁石
で、固定ステージ2に固着させる。可動ステージ1を強
磁性材料で作ることにより、可動ステージ1と固定ステ
ージ2の間に引力を生じさせる。この引力により、可動
ステージ1が固定ステージ2に対して移動するとき耐磨
耗性部品4と可動ステージ1の間に摩擦力を生じさせ
る。シェアー型ピエゾ素子3に電圧パルスを印加し、耐
磨耗性部品4を左右に移動させるとき、右もしくは左方
向一方のみ静止摩擦力以上の力がかかるように電圧波形
を調節する事により可動ステージ1を望みの方向に移動
させる事ができる。このような移動ステージは市販され
ている。
2. Description of the Related Art FIG. 3 shows an example of the configuration of a conventional electronic precision moving stage configured using a shear type piezo element. Reference numeral 1 denotes a movable stage, 2 denotes a fixed stage, and 3 denotes a shear type piezo element. A wear-resistant component 4 that contacts the movable stage 1 at one point is fixed to the shear type piezo element 3. The share type piezo element 3 is usually provided at three places, and holds the movable stage 1 at three points. Reference numeral 5 denotes a permanent magnet which is fixed to the fixed stage 2. By making the movable stage 1 of a ferromagnetic material, an attractive force is generated between the movable stage 1 and the fixed stage 2. This attractive force causes a frictional force between the wear-resistant component 4 and the movable stage 1 when the movable stage 1 moves with respect to the fixed stage 2. When a voltage pulse is applied to the shear-type piezo element 3 and the wear-resistant component 4 is moved to the left or right, the movable stage is adjusted by adjusting the voltage waveform so that a force greater than the static friction force is applied to only one of the right and left directions. 1 can be moved in the desired direction. Such a moving stage is commercially available.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情に
鑑みてなされたもので、従来技術で用いられていた永久
磁石を用いず、従って強磁場中で使用可能で、かつ、駆
動に関与する摩擦力を容易に調整可能な移動ステージを
提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and does not use a permanent magnet used in the prior art, and therefore can be used in a strong magnetic field and is involved in driving. It is an object of the present invention to provide a moving stage capable of easily adjusting the frictional force that occurs.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の移動ステージは、固定ステージと可動ステー
ジを有し、シェアー型ピエゾ素子を可動ステージの駆動
手段に用いる移動ステージにおいて、固定ステージと可
動ステージが接触するようにバネを用いて固定ステージ
と可動ステージの間に引力を与える引力手段と、この引
力手段により接触される固定ステージと可動ステージの
全ての接触部に設けられたシェアー型ピエゾ素子を用い
た駆動手段とを具備することを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, a moving stage according to the present invention has a fixed stage and a movable stage, and uses a shared stage piezo element as driving means for the movable stage. Attraction means for applying an attractive force between the fixed stage and the movable stage by using a spring so that the and the movable stage come into contact with each other, and a shear type provided at all contact portions of the fixed stage and the movable stage contacted by the attraction means. And a driving means using a piezo element.

【0005】また本発明の移動ステージは、引力手段の
バネとして、板バネを用いることを特徴とするものであ
る。また本発明の移動ステージは、引力手段のバネとし
て、バネ長調整ネジを有するコイルバネを用いることを
特徴とするものである。
[0005] The moving stage of the present invention is characterized in that a leaf spring is used as a spring of the attraction means. Further, the moving stage of the present invention is characterized in that a coil spring having a spring length adjusting screw is used as a spring of the attraction means.

【0006】本発明においては、永久磁石のかわりにバ
ネ等を用いた接触式の引力印加機構を用い、接触部の増
加による付加的な摩擦の増加を、新たなシェアー型ピエ
ゾ素子の導入により解消することにより、従来技術と同
等以上の駆動力を維持し、さらに摩擦力の最適状態への
調節能力が得られることを特徴とする。
In the present invention, a contact-type attractive force applying mechanism using a spring or the like instead of a permanent magnet is used, and an increase in additional friction due to an increase in the number of contact portions is eliminated by introducing a new shear-type piezo element. By doing so, a driving force equal to or higher than that of the related art can be maintained, and further, the ability to adjust the frictional force to an optimum state can be obtained.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態例を詳細に説明する。図1は、本発明の第1の実
施形態例を説明する図であって、11は可動ステージ、
12は固定ステージ、13は板バネ支持台、14は板バ
ネ、15および17は例えばPZT等のシェアー型ピエ
ゾ素子であり、この例では、可動ステージ11を図の左
右方向へ移動させる構成を示している。なお、移動方向
はこれに限定されるものではない。16及び18は磁器
(例えばSiC)製の球であり、それぞれ板バネ14及
びシェアー型ピエゾ素子17に固着させる。14のバネ
は、板バネ支持台13により可動ステージ11に固定さ
れており固定ステージ12との間に引力を生じさせる。
球16はシェアー型ピエゾ素子15を介して固定ステー
ジ12に接触させる。このような構成を用い、球16を
固定ステージ12に対して変位させるためシェアー型ピ
エゾ素子17に電圧を印加するとき、同時にシェアー型
ピエゾ素子15にもシェアー型ピエゾ素子17と同方向
の歪みが生ずるように電圧を印加すると、本来シェアー
型ピエゾ素子15が無ければ受ける固定ステージ12か
らの摩擦力を解消することができるので、磁力などを用
いた非接触式の引力機構と同等の動作をさせることがで
きる。シェアー型ピエゾ素子15と球16の間の静止摩
擦力の合計は、球18と可動ステージ11の間の静止摩
擦力の合計に等しくするのが望ましいが、必要条件では
ない。以上の構成では、引力機構に磁力を用いないので
以下の利点を生ずる。 (1) 強い磁場下で動作させ
ることができる。 (2) 積載物に影響を与えるよう
な磁束の漏洩が全くない。 (3) 可動ステージ11
あるいは固定ステージ12に磁性材料を使用する必要が
ないので軽量化に適したAlなどの材料を自由に使うこ
とができる。また図1のような構成では従来型のステー
ジと同等以上に小型化が可能である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a first embodiment of the present invention, in which 11 is a movable stage,
Reference numeral 12 denotes a fixed stage, 13 denotes a leaf spring support, 14 denotes a leaf spring, and 15 and 17 denote shear-type piezo elements such as PZT. In this example, a configuration is shown in which the movable stage 11 is moved in the left-right direction in the figure. ing. The moving direction is not limited to this. Numerals 16 and 18 are spheres made of porcelain (for example, SiC), which are fixed to the leaf spring 14 and the shear type piezo element 17, respectively. The spring 14 is fixed to the movable stage 11 by the leaf spring support 13 and generates an attractive force with the fixed stage 12.
The sphere 16 is brought into contact with the fixed stage 12 via the shear type piezo element 15. With such a configuration, when a voltage is applied to the shear-type piezo element 17 to displace the ball 16 with respect to the fixed stage 12, the shear-type piezo element 15 is simultaneously distorted in the same direction as the shear-type piezo element 17. When a voltage is applied so as to cause the friction, the frictional force from the fixed stage 12 that would otherwise be received without the shear type piezo element 15 can be eliminated, and the same operation as a non-contact type attraction mechanism using a magnetic force or the like is performed. be able to. The sum of the static friction forces between the shear type piezo element 15 and the ball 16 is desirably equal to the sum of the static friction forces between the ball 18 and the movable stage 11, but this is not a necessary condition. In the above configuration, the following advantages are obtained because no magnetic force is used for the attraction mechanism. (1) It can be operated under a strong magnetic field. (2) There is no leakage of magnetic flux that affects the load. (3) Movable stage 11
Alternatively, since there is no need to use a magnetic material for the fixed stage 12, a material such as Al suitable for weight reduction can be used freely. In addition, in the configuration as shown in FIG. 1, the size can be reduced to be equal to or more than that of the conventional stage.

【0008】図2は本発明の第2の実施形態例を説明す
る図である。可動ステージ11、固定ステージ12、シ
ェアー型ピエゾ素子15、球16、シェアー型ピエゾ素
子17、球18は、図1の同番号の部品と同じ機能をは
たす。13′は可動ステージ11に固定されたコイルバ
ネ固定機構、14′はコイルバネ、19′はシェアー型
ピエゾ素子15に固着したサファイア板、20′はバネ
長調整ネジである。コイルバネ14′は、コイルバネ固
定機構13′により可動ステージ11に固定される。球
16は、コイルバネ14′により加圧される。可動ステ
ージ11と固定ステージ12の間の引力は、コイルバネ
14′により与えられるが、その引力は、バネ長調整ネ
ジ20′により調節可能になっている。サファイア板1
9′は、ピエゾ素子15と球16間の摩擦力を調節する
ために挿入されたサファイア板である。動作は、図1の
実施形態例と同等であるが、バネ長調整ネジ20′によ
り引力の大きさを調節できるため、摩擦力の最適状態へ
の調節が容易に行われる。また板バネに比べて、コイル
バネ14′はバネ定数が変化しにくいため長期間に渡り
安定な動作が可能である。サファイア板19′は、超高
真空状態、あるいは極低温状態等通常の潤滑機構が有効
に機能しない場合、摩擦力を移動ステージの動作範囲ま
で低下させるのに有効である。
FIG. 2 is a view for explaining a second embodiment of the present invention. The movable stage 11, the fixed stage 12, the shear-type piezo element 15, the ball 16, the shear-type piezo element 17, and the ball 18 perform the same functions as the parts with the same numbers in FIG. 13 'is a coil spring fixing mechanism fixed to the movable stage 11, 14' is a coil spring, 19 'is a sapphire plate fixed to the shear type piezo element 15, and 20' is a spring length adjusting screw. The coil spring 14 'is fixed to the movable stage 11 by a coil spring fixing mechanism 13'. The ball 16 is pressed by a coil spring 14 '. The attractive force between the movable stage 11 and the fixed stage 12 is given by a coil spring 14 ', and the attractive force can be adjusted by a spring length adjusting screw 20'. Sapphire board 1
9 'is a sapphire plate inserted for adjusting the frictional force between the piezo element 15 and the ball 16. The operation is the same as that of the embodiment of FIG. 1, but the magnitude of the attractive force can be adjusted by the spring length adjusting screw 20 ', so that the frictional force can be easily adjusted to the optimum state. Further, compared to a leaf spring, the coil spring 14 ′ is less likely to change its spring constant, and thus can operate stably for a long period of time. The sapphire plate 19 'is effective in reducing the frictional force to the operating range of the moving stage when a normal lubrication mechanism does not function effectively, such as in an ultra-high vacuum state or an extremely low temperature state.

【0009】以上説明したように、機械式の引力印加機
構においてすべり点にシェアー型ピエゾ素子を用いるこ
とにより機械的な接触により生ずる付加的な摩擦力を解
消することができるので、磁石式の持つ駆動力、位置制
御能力及び小型化可能性を損なうことなく磁石及びそれ
に付随する磁性体を取り除く事ができる。したがって、
強磁場下での精密位置決め、磁気に敏感な物体の精密位
置決めが可能になる。また、ステージを構成する物質に
非磁性材料を使用可能になるので、Al等を用いて従来
例より大幅に軽量化することができ、これは積載物の重
量増加を可能にする。
As described above, by using the shear type piezo element at the slip point in the mechanical attractive force applying mechanism, the additional frictional force caused by the mechanical contact can be eliminated. The magnet and its associated magnetic material can be removed without compromising the driving force, the position control ability and the possibility of miniaturization. Therefore,
It enables precise positioning under a strong magnetic field and precise positioning of magnetically sensitive objects. In addition, since a non-magnetic material can be used as a material constituting the stage, the weight can be significantly reduced by using Al or the like as compared with the conventional example, which enables the weight of the load to be increased.

【0010】具体的な応用例として、10テスラ程度の
強磁場下で動作する走査トンネル顕微鏡用の粗動ステー
ジがある。走査トンネル顕微鏡においては、試料と探針
との間の距離を数nm程度に保つ必要があり、試料と深
針をシェアー型ピエゾ素子による距離調節能力の範囲
(通常0.5〜数十ミクロン)に近づけるための粗動機
構を必要とする。本発明は、走査トンネル顕微鏡の粗動
機構として極めて適している。従来品を用いると、永久
磁石を用いているため強磁場下では動作しなかったが、
本発明を用いれば動作可能である。また、強磁場下でな
くとも、70K度以下の極低温域では従来品は動作しな
いが、本発明では、摩擦力の最適化が可能でしかも軽量
なステージが構成可能なため4K度程度の極低温に至る
までの使用可能である。
As a specific application example, there is a coarse movement stage for a scanning tunnel microscope operating under a strong magnetic field of about 10 Tesla. In the scanning tunneling microscope, the distance between the sample and the probe needs to be kept at about several nm, and the distance between the sample and the deep needle can be adjusted by a shear type piezo element (usually 0.5 to several tens of microns). Needs a coarse movement mechanism to approach The present invention is extremely suitable as a coarse movement mechanism of a scanning tunnel microscope. When using the conventional product, it did not work under a strong magnetic field because it used a permanent magnet,
Operation is possible using the present invention. The conventional product does not operate in an extremely low temperature range of 70K or less even under a strong magnetic field. However, in the present invention, the frictional force can be optimized and a lightweight stage can be configured, so that the extremely low temperature of about 4K can be achieved. Can be used down to low temperatures.

【0011】[0011]

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、従来
技術で用いられていた永久磁石を用いず、従って強磁場
中で使用可能で、かつ、駆動に関与する摩擦力を容易に
調整可能な移動ステージを提供することができる。
As described above, according to the present invention, the permanent magnet used in the prior art is not used, so that it can be used in a strong magnetic field, and the frictional force involved in driving can be easily adjusted. A possible moving stage can be provided.

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

【図1】本発明の一実施形態例を示し、(a)は平面
図、(b)は断面正面図、(c)は側面図、(d)は断
面側面図である。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention, wherein (a) is a plan view, (b) is a cross-sectional front view, (c) is a side view, and (d) is a cross-sectional side view.

【図2】本発明の他の実施形態例を示し、(a)は平面
図、(b)は断面正面図、(c)は側面図、(d)は断
面側面図である。
2 (a) is a plan view, FIG. 2 (b) is a sectional front view, FIG. 2 (c) is a side view, and FIG. 2 (d) is a sectional side view.

【図3】従来の電子式精密移動ステージを示す断面図で
ある。
FIG. 3 is a sectional view showing a conventional electronic precision moving stage.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 可動ステージ 12 固定ステージ 13 板バネ支持台 14 板バネ 15 シェアー型ピエゾ素子 16 磁器(例えばSiC)製の球 17 シェアー型ピエゾ素子 18 磁器(例えばSiC)製の球 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Movable stage 12 Fixed stage 13 Leaf spring support stand 14 Leaf spring 15 Shear type piezo element 16 Ball made of porcelain (for example, SiC) 17 Shear type piezo element 18 Ball made of porcelain (for example, SiC)

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固定ステージと可動ステージを有し、シ
ェアー型ピエゾ素子を可動ステージの駆動手段に用いる
移動ステージにおいて、 固定ステージと可動ステージが接触するようにバネを用
いて固定ステージと可動ステージの間に引力を与える引
力手段と、 この引力手段により接触される固定ステージと可動ステ
ージの全ての接触部に設けられたシェアー型ピエゾ素子
を用いた駆動手段とを具備することを特徴とする移動ス
テージ。
1. A moving stage having a fixed stage and a movable stage, wherein a shear type piezo element is used as driving means for the movable stage. A moving stage comprising: an attractive means for applying an attractive force therebetween; and a driving means using a shear type piezo element provided at all the contact portions of the fixed stage and the movable stage contacted by the attractive means. .
【請求項2】 引力手段のバネとして、板バネを用いる
ことを特徴とする請求項1記載の移動ステージ。
2. The moving stage according to claim 1, wherein a leaf spring is used as a spring of the attraction means.
【請求項3】 引力手段のバネとして、バネ長調整ネジ
を有するコイルバネを用いることを特徴とする請求項1
記載の移動ステージ。
3. A coil spring having a spring length adjusting screw is used as a spring of the attraction means.
The described moving stage.
JP9077752A 1997-03-28 1997-03-28 Mobile stage Pending JPH10271856A (en)

Priority Applications (1)

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JP9077752A JPH10271856A (en) 1997-03-28 1997-03-28 Mobile stage

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6459088B1 (en) * 1998-01-16 2002-10-01 Canon Kabushiki Kaisha Drive stage and scanning probe microscope and information recording/reproducing apparatus using the same
JP2004004060A (en) * 2002-04-26 2004-01-08 Jeol Ltd Mobile stage device and scanning probe microscope

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