JPH0454877A - 移動テーブル及びその駆動方法 - Google Patents

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、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） 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
「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２３．２４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２−２５５
４号参照）。

（発明が解決しようとする課題） ところが、本出願人が既に捉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１．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
端にはお互いに載物台が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ル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の上に設けらており、その自由端側には載物板１
２を介して先端部にＳＴＭの探針１０を備えたアーム１
１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１
７に接続されている。また、電源１７および切換回路１
８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の内面電極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の内面電極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個に報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Ｙ
２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
Ｘ＋力方向圧電素子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（ロ）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番二載せられた試料台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１３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ｌＯ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−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２、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とが相対滑りを起こす条件は式（２）であって、
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＝１μｍ、μ＝０．１５の場合、周波数は３７４七で
ある。高さ４０ｍ、直径１０閤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、二〇載物台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
に試料台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、信鯨性良く試料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、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 (4)

【特許請求の範囲】
1. 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たことを
   特徴とする移動テーブル。
2. ２．前記載物台がヨークとコイルとからなる電磁石から
   構成されることを特徴とする請求項１に記載の移動テー
   ブル。
3. ３．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
   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
   とする移動テーブルの駆動方法。
4. ４．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。