JPH0989912A - テーブル機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】試料やプローブ等の対象物をｘ方向、ｙ方向、
ｚ方向に独立に移動させることを可能にするテーブル機
構を提供する。 【解決手段】主テーブル１２は隣合う三面から三組の棒
状ばね１４ｘ、１４ｙ、１４ｚが垂直に延び、これらは
副テーブル１６の互いに直交した三つの壁部に固定され
ている。固定台２２は、副テーブルの１６の各壁面に対
向した三つの面から三組の棒状ばね２０ｘ、２０ｙ、２
０ｚが延び、これらは副テーブルの１６の各壁部に固定
されている。固定台２２はその一面２２ａでもって固定
枠２４に固定され、副テーブル１６が固定枠２４に対し
て浮いた状態で支持されている。固定枠２４には、副テ
ーブル１６の各壁部に設けた穴１８ｘ、１８ｙ、１８ｚ
を通って、ｘ、ｙ、ｚ方向に延びる圧電アクチュエータ
ー２６ｘ、２６ｙ、２６ｚが固定されており、それらの
自由端は主テーブル１２の近傍に位置している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡や走査型レーザー顕微鏡等のためのテーブル機構に
関する。

【０００２】

【従来の技術とその課題】走査型プローブ顕微鏡や走査
型レーザー顕微鏡などに用いられるテーブル機構は、試
料台を介して載置された試料やホルダーを介して取り付
けられたプローブ等を走査する機能（別の言い方をすれ
ば変位させる機能）を備えている。

【０００３】三次元的な走査機能を実現する手段として
は、円筒型の圧電アクチュエーターや、三本の積層型圧
電アクチュエーターを互いに直交させて連結したトライ
ポッドが知られている。

【０００４】円筒型の圧電アクチュエーターでは、その
変位発生は円筒形状の圧電体の伸縮と湾曲によるため、
ｘ、ｙ方向（湾曲する方向）の変位にはｚ方向（伸縮す
る方向）の変位が伴ない、純粋なｘ、ｙ方向の変位とな
っていない。また、そのストロークは、ｘ、ｙ方向には
３０μｍ程度あるが、ｚ方向には数μｍ程度しかなく、
対称性が良くない。

【０００５】トライポッドは、ｘ、ｙ、ｚ方向に均等の
ストロークを有するが、三本の積層型圧電アクチュエー
ターが直交して連結されているため、一本の積層型圧電
アクチュエーターを伸縮させた際に、他の二本の積層型
圧電アクチュエーターがその動きに干渉してしまい、そ
の方向の変位には、やはり他の方向の変位が伴なう。

【０００６】このように、円筒型圧電アクチュエーター
やトライポットでは、特定の一方向だけの変位を簡単に
得ることが出来ない。特定の一方向だけの変位を得るこ
とは不可能ではないが、そのためには、その方向に関す
る制御に加えて、ずれを補償する制御が必要となり、制
御の面でかなりの負担が要求される。

【０００７】また、一軸の直線移動機構において、移動
軸方向以外の方向には変位しないテーブル機構は、既に
知られている。このテーブル機構は、移動方向に対して
直角に二組の平行ばねを組み合わせ、一方の平行ばねに
よる沈み込み（変位方向とは異なる方向への移動）を他
方の平行ばねによる沈み込みで相殺して補償している。
このようなテーブル機構は、例えば、小森治之、東川隆
「ナノメータポジショナとその応用」自動化技術第２１
巻第８号（１９８９）６５〜６７頁に開示されている。
また、この一軸テーブル機構を複数重ねて組み合わせて
二次元的な移動機構を構成することも示唆されている。
しかし、これらの組み合わせにより三次元移動機構を構
成することは、原理的には可能であるが、駆動のバラン
スなどの面を考慮すると実用上は使用に耐え得るもので
はない。走査型プローブ顕微鏡等への運用を考えると、
テーブル機構は、やはり、三次元的な走査機能を（一軸
機構の組み合わせでなく）機構的に備えていることが望
ましい。

【０００８】本発明は、このような実情に鑑みて成され
たものであり、その目的は、特定の方向への変位を容易
に得ることのできる、三次元的な走査機能を備えたテー
ブル機構を提供することである。言い換えれば、試料や
プローブ等の対象物をｘ方向、ｙ方向、ｚ方向に独立に
移動させることを可能にするテーブル機構を提供するこ
とである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、被積載体を
ｘ、ｙ、ｚ方向に移動させるテーブル機構において、六
面体をなす主テーブルの互いに隣合う三面にそれぞれ二
本の棒状ばね部材が配設されており、このばね部材が副
テーブルの互いに直交する三面に結合されており、さら
にこの副テーブル面内に棒状ばね部材と同方向にそれぞ
れ二本の棒状ばね部材が主テーブルを包囲する固定台に
連結されていることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図１〜図３を参照しながら説明する。図１と図２から
分かるように、立方体形状の主テーブル１２は、互いに
隣合う三面の各面から三組の棒状ばね１４ｘ、１４ｙ、
１４ｚが垂直に延びている。各組の二本の棒状ばね１４
ｘ、１４ｙ、１４ｚが並ぶ方向は互いに直交している。
つまり、二本の棒状ばね１４ｘはｚ方向に間隔を置いて
位置し、二本の棒状ばね１４ｙはｘ方向に間隔を置いて
位置し、二本の棒状ばね１４ｚはｙ方向に間隔を置いて
位置している。

【００１１】副テーブル１６は互いに直交した三つの壁
部を有し、壁部の内側面は主テーブル１２の前述の三面
と平行に対峙し、各壁部には主テーブル１２から延びた
三組の棒状ばね１４ｘ、１４ｙ、１４ｚが固定されてい
る。副テーブル１６の各壁部には、圧電アクチュエータ
ー２６ｘ、２６ｙ、２６ｚが通るための穴１８ｘ、１８
ｙ、１８ｚが、各組の二本の棒状ばね１４ｘ、１４ｙ、
１４ｚの付け根の間に空けられている。

【００１２】主テーブル１２の近くにはＬ字形状の固定
台２２が位置しており、固定台２２は、副テーブルの１
６の各壁面に対向した三つの面から三組の棒状ばね２０
ｘ、２０ｙ、２０ｚが延びており、棒状ばね２０ｘ、２
０ｙ、２０ｚは副テーブルの１６の各壁部に固定されて
いる。各組の二本の棒状ばね２０ｘ、２０ｙ、２０ｚは
互いに直交する方向に並んでおり、その方向はそれぞれ
棒状ばね１４ｘ、１４ｙ、１４ｚが並ぶ方向と一致して
いる。すなわち、二本の棒状ばね２０ｘはｚ方向に間隔
を置いて位置し、二本の棒状ばね２０ｙはｘ方向に間隔
を置いて位置し、二本の棒状ばね２０ｚはｙ方向に間隔
を置いて位置している。これらの十二本の棒状ばね１４
ｘ、１４ｙ、１４ｚ、２０ｘ、２０ｙ、２０ｚは共に、
同じ材質で同じ形状で、同じ弾性特性を有している。

【００１３】固定台２２は、その外側の一面２２ａをも
って、これまで説明した構造体を囲む固定枠２４にねじ
止め等により堅固に固定されている。従って、副テーブ
ル１６は、固定枠２４の内側面から所定の間隔を置いて
浮いた状態で支持されている。固定枠２４には、副テー
ブル１６の各壁部に設けた穴１８ｘ、１８ｙ、１８ｚを
通って、ｘ、ｙ、ｚ方向に延びた圧電アクチュエーター
２６ｘ、２６ｙ、２６ｚが固定されている。圧電アクチ
ュエーター２６ｘ、２６ｙ、２６ｚの他端すなわち自由
端は、主テーブル１２の各面に対して、近傍に位置して
いるか、あるいは接触しており、駆動（走査）時には主
テーブル１２を押圧して移動させる。

【００１４】このテーブル機構では、主テーブル１２を
＋ｘ方向に移動させるには、圧電アクチュエーター２６
ｘを伸ばし、その後に、−ｘ方向に移動させるには、圧
電アクチュエーター２６ｘを縮める。この動作を繰り返
すことにより、主テーブル１２はｘ方向に往復移動（走
査）される。同様に、主テーブル１２を±ｙ方向に移動
させるときは、圧電アクチュエーター２６ｙを伸縮さ
せ、±ｚ方向に移動させるときには、圧電アクチュエー
ター２６ｚを伸縮させる。

【００１５】次に、主テーブル１２をｘ方向に移動させ
る場合を例にして、そのときの主テーブル１２の動きに
ついて図３を参照しながら説明する。同図には、移動前
の状態が想像線で、移動後の状態が実線で示されてい
る。

【００１６】圧電アクチュエーター２６ｘを伸長させて
主テーブル１２を＋ｘ方向に押圧して移動させると、主
テーブル１２と副テーブル１６を連結している二本の棒
状ばね１４ｙはｙ軸に対して斜めになる。このため、主
テーブル１２と副テーブル１６の間隔はΔｙ狭まる。ま
た、主テーブル１２が＋ｘ方向に押されると、主テーブ
ル１２の移動に伴なって副テーブル１６も＋ｘ方向に移
動する。このため、副テーブル１６と固定台２２を連結
している二本の棒状ばね２０ｙはｙ軸に対して、棒状ば
ね１４ｙとは反対方向に同じだけ斜めになる。従って、
固定台２２と副テーブル１６の間隔もΔｙ狭まる。結
局、主テーブル１２と副テーブル１６の間隔の狭まりと
副テーブル１６と固定台２２の間隔の狭まりとが打ち消
す合うため、主テーブル１２はｙ方向にずれない。

【００１７】言い換えれば、主テーブル１２は副テーブ
ル１６にΔｙ近づくが、副テーブル１６も固定台２２に
Δｙ近づくため、結果として、固定台２２に対しては、
主テーブル１２はｙ方向に移動しない。

【００１８】このような棒状ばね１４ｙと棒状ばね２０
ｙの動きにつられて、ｚ方向に関しても同様の動きを示
すため、すなわち、副テーブル１６が＋ｘ方向に移動す
るために主テーブル１２の−ｚ方向の沈み込みが自動的
に補償され、その結果として、主テーブル１２はｚ方向
にも移動しない。

【００１９】従って、主テーブル１２は、ｙ方向やｚ方
向の移動を伴なうことなく（厳密にはｙ方向やｚ方向の
移動を伴なうだろうが、その量は僅かである）、ｘ方向
のみに移動する。これにより、主テーブル１２を例えば
３０μｍ程度の振幅でｘ方向に往復移動（走査）させる
ことができる。

【００２０】以上、主テーブル１２をｘ方向に移動させ
る場合の動きに説明したが、上の議論は主テーブル１２
をｙ方向やｚ方向に移動させる場合にも成り立つ。すな
わち、主テーブル１２をｙ方向に移動させる場合には、
棒状ばね１４ｚと棒状ばね２０ｚの働きにより、また、
主テーブル１２をｚ方向に移動させる場合には、棒状ば
ね１４ｘと棒状ばね２０ｘの働きにより、副テーブル１
６に向かう主テーブル１２の沈み込みが補償される。

【００２１】これまでに説明したように、この実施の形
態のテーブル機構では、主テーブル１２を、他に干渉さ
れることなく、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向に独立に同一の
ストロークで移動させることができる。本装置を走査型
プローブ顕微鏡に適用するにあたっては、主テーブル１
２には、試料を載置する試料台や観察のためのプローブ
等が取り付けられる。すなわち、走査対象物が間接的に
主テーブル１２に保持される。従って、試料やプローブ
等の対象物をｘ方向、ｙ方向、ｚ方向に独立に対象性良
く移動させることが出来るようになる。

【００２２】本発明は、上述の実施例に限定されるもの
ではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内において変形
されたものも含む。なお、本発明は、以下の各項の発明
を含んでいる。

【００２３】１．主テーブルと、副テーブルと、固定部
材と、主テーブルと副テーブルを連結する第一、第二、
第三の主テーブル支持手段と、副テーブルと固定部材を
連結する第一、第二、第三の副テーブル支持手段と、主
テーブルに第一の方向に力を与える第一の力発生手段
と、主テーブルに第二の方向に力を与える第二の力発生
手段と、主テーブルに第三の方向に力を与える第三の力
発生手段とを備えているテーブル機構。

【００２４】２． 第１項において、第一、第二、第三
の主テーブル支持手段の各々は、それぞれ、二本の平行
な棒状ばね部材を有しており、第一、第二、第三の副テ
ーブル支持手段の各々は、それぞれ、二本の平行な棒状
ばね部材を有している、テーブル機構。

【００２５】３． 第２項において、第一の主テーブル
支持手段の棒状ばね部材と第一の副テーブル支持手段の
棒状ばね部材は平行に位置しており、第二の主テーブル
支持手段の棒状ばね部材と第二の副テーブル支持手段の
棒状ばね部材は平行に位置しており、第三の主テーブル
支持手段の棒状ばね部材と第三の副テーブル支持手段の
棒状ばね部材は平行に位置している、テーブル機構。

【００２６】４． 第３項において、第一の主テーブル
支持手段の二本の棒状ばね部材の並び方向と第一の副テ
ーブル支持手段の二本の棒状ばね部材の並び方向は平行
になっており、第二の主テーブル支持手段の二本の棒状
ばね部材の並び方向と第二の副テーブル支持手段の二本
の棒状ばね部材の並び方向は平行になっており、第三の
主テーブル支持手段の二本の棒状ばね部材の並び方向と
第三の副テーブル支持手段の二本の棒状ばね部材の並び
方向は平行になっている、テーブル機構。

【００２７】５． 第４項において、第一の主テーブル
支持手段の棒状ばね部材と第一の副テーブル支持手段の
棒状ばね部材は共に第一の方向に直交しており、第二の
主テーブル支持手段の棒状ばね部材と第二の副テーブル
支持手段の棒状ばね部材は共に第二の方向に直交してお
り、第三の主テーブル支持手段の棒状ばね部材と第三の
副テーブル支持手段の棒状ばね部材は共に第三の方向に
直交している、テーブル機構。

【００２８】６． 第５項において、主テーブルは互い
に直交する第一、第二、第三の平面を有しており、第一
の方向は第一の平面に立てた法線の向きに一致してお
り、第二の方向は第二の平面に立てた法線の向きに一致
しており、第三の方向は第三の平面に立てた法線の向き
に一致している、テーブル機構。

【００２９】７． 第６項において、第一の主テーブル
支持手段の棒状ばね部材と第一の副テーブル支持手段の
棒状ばね部材は第三の方向に平行であり、第二の主テー
ブル支持手段の棒状ばね部材と第二の副テーブル支持手
段の棒状ばね部材は第一の方向に平行であり、第三の主
テーブル支持手段の棒状ばね部材と第三の副テーブル支
持手段の棒状ばね部材は第二の方向に平行である、テー
ブル機構。

【００３０】８． 第７項において、固定部材は、副テ
ーブル支持手段の棒状ばね部材が連結した固定部と、固
定台を保持する固定枠とからなり、主テーブルと副テー
ブルと固定台と棒状ばね部材は一体的に形成されてい
る、テーブル機構。

【００３１】９． 第８項において、第一の力発生手段
は、一端が固定枠に取り付けられ、他端が主テーブルの
第一の平面の近傍に位置している第一の積層型圧電アク
チュエーターを有しており、第二の力発生手段は、一端
が固定枠に取り付けられ、他端が主テーブルの第二の平
面の近傍に位置している第二の積層型圧電アクチュエー
ターを有しており、第三の力発生手段は、一端が固定枠
に取り付けられ、他端が主テーブルの第三の平面の近傍
に位置している第三の積層型圧電アクチュエーターを有
している、テーブル機構。

【００３２】１０． 第９項において、第二の主テーブ
ル支持手段の棒状ばね部材と第二の副テーブル支持手段
の棒状ばね部材は第一の方向に一列に並んでいる、テー
ブル機構。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、試料やプローブ等の対
象物をｘ方向、ｙ方向、ｚ方向に独立に移動させること
を可能にするテーブル機構が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施の形態のテーブル機構の斜視
図である。

【図２】図１に示したテーブル機構の三面図（正面図と
平面図と右側面図）である。

【図３】主テーブルをｘ方向に移動させたときの動きを
説明するための図である。

【符号の説明】

１２…主テーブル、１４ｘ、１４ｙ、１４ｚ…棒状ば
ね、１６…副テーブル、１８ｘ、１８ｙ、１８ｚ…穴、
２０ｘ、２０ｙ、２０ｚ…棒状ばね、２２…固定台、２
４…固定枠、２６ｘ、２６ｙ、２６ｚ…圧電アクチュエ
ーター。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被積載体をｘ、ｙ、ｚ方向に移動させるテ
   ーブル機構において、六面体をなす主テーブルの互いに
   隣合う三面にそれぞれ二本の棒状ばね部材が配設されて
   おり、このばね部材が副テーブルの互いに直交する三面
   に結合されており、さらにこの副テーブル面内に棒状ば
   ね部材と同方向にそれぞれ二本の棒状ばね部材が主テー
   ブルを包囲する固定台に連結されていることを特徴とす
   るテーブル機構。
2. 【請求項２】請求項１において、主テーブルと固定台の
   間隙に圧電アクチュエーターが挿入されており、圧電ア
   クチュエーターは、主テーブルに配設された二本の棒状
   ばね部材の間の中央に配設され、圧電アクチュエーター
   の一端と固定台とは接着されており、他方の圧電アクチ
   ュエーターの一端と主テーブルとは押圧力によって接触
   していることを特徴とするテーブル機構。
3. 【請求項３】請求項１において、主テーブル、副テーブ
   ル、固定台、棒状ばね部材が一体であることを特徴とす
   るテーブル機構。