JPH09318883A - テーブル機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、特定の方向への変位を容易に得るこ
とができる。 【解決手段】固定台１に４本の第１の棒状ばね部材２ａ
〜２ｄを介して副テーブル３を連結し、この副テーブル
３に対して４本の第２の棒状ばね部材４ａ〜４ｄを介し
て主テーブル５を連結し、かつ固定台１と主テーブル５
との間にｘ軸方向圧電アクチュエータ６及びｙ軸方向圧
電アクチュエータ７を設けるとともに固定台１における
主テーブル１及び副テーブル３の中心位置となるところ
にｚ軸方向圧電アクチュエータ８を設けた。

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顕微鏡などに適用されるテーブル機
構に関する。

【０００２】

【従来の技術】このように走査型プローブ顕微鏡や走査
型レーザ顕微鏡などに用いられるテーブル機構は、試料
台上に載置された試料や、ホルダーを介して載置された
プローブ等を走査させる機能（変位させる機能とも称す
る）を備えている。

【０００３】このような走査機能において、三次元的な
走査機能を実現する手段としては、例えば円筒型の圧電
アクチュエータや、３本の積層型圧電アクチュエータを
互いに直交させて連結したトライポッドがある。

【０００４】このうち円筒型の圧電アクチュエータは、
その変位発生が円筒状の圧電体の伸縮と湾曲であるた
め、例えばｘｙ方向（湾曲する方向）の変位には、ｚ方
向（伸縮する方向）の変位が伴い、純粋なｘ及びｙ方向
のみの変位とはならない。

【０００５】一方、トライポッドは、３本の積層型圧電
アクチュエータを互いに直交させて連結しているので、
１本の積層型圧電アクチュエータを伸縮させた際に、他
の２本の積層型圧電アクチュエータがその動きに干渉し
てしまい、これら他の２本の積層型圧電アクチュエータ
の変位方向にも他の方向の変位が伴ってしまう。

【０００６】このように円筒型の圧電アクチュエータや
トライポッドでは、他の方向の干渉を受けて、特定の一
方向に対する変位を簡単に得ることができない。そこ
で、特定の一方向に対する変位を得るためには、その一
方向に関する制御を加え、変位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加わる。

【０００７】なお、試料台等の走査動作が２次元的（ｘ
ｙ平面内）なものに限るならば、一方向のみの変位を簡
単に得ることのできるテーブル機構は、例えば昭和６１
年度精密工学会春期大会論文集ｐ４３〜４４「板バネを
利用した直動及び回転機構」において開示され、既に知
られた技術である。

【０００８】このテーブル機構は、一方向に対して２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することにより補償するもので
ある。

【０００９】しかしながら、走査型プローブ顕微鏡や走
査型レーザ顕微鏡などへの適用を考えると、テーブル機
構は、２次元的走査でなく、３次元的な走査機能を備え
ていることが望ましい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、円筒型
の圧電アクチュエータやトライポッドでは、他の方向の
干渉を受けて、特定の一方向に対する変位を簡単に得る
ことができない。そこで、特定の一方向に対する変位を
得るためには、その一方向に関する制御を加え、変位ず
れを補償する制御が必要となり、制御の面でかなりの負
担が加わる。

【００１１】一方、試料台等の走査動作が２次元的なも
のに限るならば、一方向のみの変位を簡単に得ることの
できるテーブル機構はあるが、これでは走査型プローブ
顕微鏡や走査型レーザ顕微鏡などに適用する場合、３次
元的な走査機能を備えていることが望ましい。そこで本
発明は、特定の方向への変位を容易に得ることができる
３次元的な走査機能を備えたテーブル機構を提供するこ
とを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１によれば、固定
台と、この固定台に対して第１の棒状ばね部材を介して
連結された副テーブルと、この副テーブルに対して第２
の棒状ばね部材を介して連結された主テーブルと、固定
台に対して一端が固定されるとともに他端が主テーブル
に対して接触し、主テーブルを３次元空間の各方向に移
動させる複数の変位素子と、を備えたテーブル機構であ
る。

【００１３】このようなテーブル機構であれば、主テー
ブルを３次元空間のうち例えば±ｘ軸方向に移動させる
場合には、複数の変位素子のうち±ｘ軸方向の変位素子
を駆動し、同様に、主テーブルを例えば±ｙ軸方向に移
動させる場合には、±ｙ軸方向の変位素子を駆動する。
このような主テーブルの移動において、ｘｙ軸方向への
移動では、第１及び第２の棒状ばね部材の曲げ変位によ
る作用があり、±ｚ軸方向への移動では、これら棒状ば
ね部材の軸方向の伸縮変位により作用がある。

【００１４】すなわち、主テーブルのｘｙ軸方向への移
動において、第１及び第２の棒状ばね部材の曲げ変位に
より主テーブルと副テーブルとの間隔が狭まり、主テー
ブルのｚ軸方向への移動が打ち消される。

【００１５】又、主テーブルのｚ軸方向への移動におい
て、第１の棒状ばね部材は、主テーブルの中心位置から
等距離・等間隔に配置され、さらに第２の棒状ばね部材
は、副テーブルの中心位置から等距離・等間隔に配置さ
れ、かつ同一材質、同一形状、同一弾性係数を有してい
れば、主テーブルは、ｘｙ平面内で傾かず、平行を保っ
てｚ軸方向に移動が可能となる。

【００１６】請求項２によれば、請求項１記載のテーブ
ル機構において、第１及び第２の棒状ばね部材は、それ
ぞれ主テーブル及び副テーブルの中心位置から等距離で
かつ等間隔位置に配置されている。

【００１７】請求項３によれば、請求項１記載のテーブ
ル機構において、複数の変位素子は、主テーブルの側面
側に配置されてｘ方向に主テーブルを移動させるｘ方向
圧電アクチュエータと、主テーブルの側面側に配置され
てｘ方向に直交するｙ方向に主テーブルを移動させるｙ
方向圧電アクチュエータと、主テーブル及び副テーブル
の中心位置に配置され、ｘ方向及びｙ方向に対して互い
に直交するｚ方向に主テーブルを移動させるｚ方向圧電
アクチュエータと、から成る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
について図面を参照して説明する。図１はテーブル機構
の立体構成図、図２は上方から見た図、図３はＡ−Ａ断
面図である。

【００１９】固定台１は、立方体形状に形成されてい
る。この固定台１の内部には、４本の第１の棒状ばね部
材２ａ〜２ｄを介して副テーブル３が配置され、かつこ
の副テーブル３に対して４本の第２の棒状ばね部材４ａ
〜４ｄを介して主テーブル５が配置されている。

【００２０】具体的に固定台１は、立方体形状で、その
上方に中心位置に正方形状の孔を形成したものとなって
いる。なお、この固定台１は、加工の度合い上２体以上
の部品から構成され、それぞれビス等により堅固に固定
したものとなっている。

【００２１】副テーブル３及び主テーブル５は、それぞ
れ正方形状の板形状に相似形状に形成され、かつ同軸上
に配置されている。このうち副テーブル３の中心には、
正方形状の孔が形成されている。

【００２２】なお、主テーブル５の大きさは、副テーブ
ル３と比較して小さく形成されている。固定台１と副テ
ーブル３とを連結する４本の第１の棒状ばね部材２ａ〜
２ｄは、それぞれ一端が副テーブル３の上面から垂直に
立設されると共に、他端が固定台１内部の上部に連結さ
れている。

【００２３】又、これら第１の棒状ばね部材２ａ〜２ｄ
は、それぞれ副テーブル３の中心位置から等距離・等間
隔、すなわち副テーブル３の４隅に配置されている。こ
の副テーブル３の上面には、上記の如く４本の第２の棒
状ばね部材４ａ〜４ｄを介して主テーブル５が連結され
ている。

【００２４】４本の第２の棒状ばね部材４ａ〜４ｄは、
主テーブル５の中心位置から等距離・等間隔、すなわち
主テーブル５の４隅で、かつ副テーブル３の上面及び主
テーブル５の下面に対してそれぞれ垂直方向に配置され
ている。

【００２５】ところで、上記第１及び第２の棒状ばね部
材２ａ〜２ｄ、４ａ〜４ｄは、それぞれ同一材料、同一
形状であって、同一弾性係数を有している。一方、固定
台１と主テーブル５との間、すなわち互いに直交する２
面、例えばｘｚ面とｙｚ面上には、それぞれｘ軸方向圧
電アクチュエータ６、ｙ軸方向圧電アクチュエータ７が
設けられている。

【００２６】このうちｘ軸方向圧電アクチュエータ６
は、一端側が固定台１に固定され、かつ他端側が主テー
ブル５に接触し、電圧の印加により伸縮して主テーブル
５をｘ軸方向に移動させるものである。

【００２７】ｙ軸方向圧電アクチュエータ７は、一端側
が固定台１に固定され、かつ他端側が主テーブル５に接
触し、電圧の印加により伸縮して主テーブル５をｙ軸方
向に移動させるものである。

【００２８】又、固定台１において、主テーブル１及び
副テーブル３の中心位置となるところには、ｚ軸方向圧
電アクチュエータ８が立設されている。このｚ軸方向圧
電アクチュエータ８は、一端側が固定台１に固定され、
かつ他端側が主テーブル５に接触し、電圧の印加により
伸縮して主テーブル５をｚ軸方向に移動させるものであ
る。

【００２９】次に上記の如く構成されたテーブル機構の
作用について説明する。主テーブル５を＋ｘ軸方向に移
動させる場合には、圧電アクチュエータ６に電圧を印加
し、この圧電アクチュエータ６を伸ばす。

【００３０】逆に主テーブル５を−ｘ軸方向に移動させ
る場合には、圧電アクチュエータ６に逆電圧を印加し、
圧電アクチュエータ６を縮める。同様に、主テーブル５
を±ｙ軸方向に移動させる場合には、圧電アクチュエー
タ７に電圧を印加し、この圧電アクチュエータ６を伸縮
させる。

【００３１】このような主テーブル５のｘｙ軸方向への
移動では、第１及び第２の棒状ばね部材２ａ〜２ｄ、４
ａ〜４ｄの曲げ変位による作用があり、ｚ軸方向への移
動では、これら第１及び第２の棒状ばね部材２ａ〜２
ｄ、４ａ〜４ｄの軸方向の伸縮変位による作用がある。

【００３２】ここで、主テーブル５をｘｙ平面内で移動
させたときの動作について、ｘ軸方向への動きを例に取
って図４を参照して説明する。なお、同図において実線
は主テーブル５の移動後を示し、破線は主テーブル５の
移動前を示す。

【００３３】圧電アクチュエータ６に電圧を印加して、
この圧電アクチュエータ６を例えば＋Δｘ軸方向に伸ば
し、主テーブル５を＋Δｘ軸方向に押圧して移動させる
と、主テーブル５と副テーブル３とを連結している４本
の第２の棒状ばね部材４ａ〜４ｄは、図４に示すように
ｚ軸方向に対して斜めになる。

【００３４】これにより主テーブル５と副テーブル３と
間隔は、ｚ軸方向にΔｚ_o だけ狭まる。又、このように
主テーブル５が＋ｘ軸方向に押圧されると、この主テー
ブル５の移動に伴って、第１及び第２の棒状ばね部材２
ａ〜２ｄ、４ａ〜４ｄにより連結されていることから副
テーブル３も＋ｘ軸方向に移動する。

【００３５】これにより、副テーブル３と固定台１とを
連結している４本の第１の棒状ばね部材２ａ〜２ｄは、
ｚ軸方向に対して第２の棒状ばね部材４ａ〜４ｄと逆方
向に同じだけ斜めになる。

【００３６】従って、固定台１と副テーブル３の間隔も
Δｚ_o だけ狭まる。結局、主テーブル５と副テーブル３
との間隔の狭まりと、副テーブル３と固定台１との間隔
の狭まりとが打ち消し合うため、主テーブル５は、ｚ軸
方向に干渉しない。

【００３７】換言すれば、主テーブル５がｘ軸方向に移
動するときにｚ軸方向には移動しない。主テーブル５が
ｙ軸方向に移動する場合においても同様の原理で、主テ
ーブル５はｚ軸方向には移動しない。

【００３８】次に主テーブル５をｚ軸方向に移動させた
ときの作用について図５を参照して説明する。なお、図
中において実線は主テーブル５の移動後を示し、破線は
主テーブル５の移動前を示す。

【００３９】圧電アクチュエータ８に電圧を印加して、
この圧電アクチュエータ８を伸長させ、主テーブル５を
＋Δｚ₁ 軸方向に移動させると、主テーブル５と副テー
ブル３とを連結する４本の第２の棒状ばね部材４ａ〜４
ｄは、引っ張り力を受けて伸び、副テーブル３と固定台
１とを連結している４本の第１の棒状ばね部材２ａ〜２
ｄは、圧縮力を受けて縮む。

【００４０】ここで、これら第１の棒状ばね部材２ａ〜
２ｄは、主テーブル５の中心位置から等距離・等間隔に
配置され、さらに４本の第２の棒状ばね部材４ａ〜４ｄ
は、副テーブル３の中心位置から等距離・等間隔に配置
され、かつ同一材質、同一形状、同一弾性係数を有して
いるので、主テーブル５は、ｘｙ平面内で傾かず、平行
を保ってｚ軸方向に移動が可能となる。

【００４１】このように上記一実施の形態においては、
固定台１に４本の第１の棒状ばね部材２ａ〜２ｄを介し
て副テーブル３を連結し、この副テーブル３に対して４
本の第２の棒状ばね部材４ａ〜４ｄを介して主テーブル
５を連結し、かつ固定台１と主テーブル５との間にｘ軸
方向圧電アクチュエータ６及びｙ軸方向圧電アクチュエ
ータ７を設けるとともに固定台１における主テーブル１
及び副テーブル３の中心位置となるところにｚ軸方向圧
電アクチュエータ８を設けたので、他の方向の干渉を受
けることなく、３次元的な走査機能、すなわちｘ軸方
向、ｙ軸方向及びｚ軸方向に対する変位を簡単に得るこ
とができる。そのうえ、これら３次元的な走査方向に対
する変位を得るために変位ずれの補償を制御する必要も
ない。

【００４２】従って、走査型プローブ顕微鏡や走査型レ
ーザ顕微鏡などに適用するに望ましいテーブル機構であ
る。なお、本発明は、上記一実施の形態に限定されるも
のでなく次の通り変形してもよい。

【００４３】例えば、主テーブル５及び副テーブル３
は、それぞれ正方形状の板形状に形成した場合について
説明したが、これらは円形形状に形成してもよい。これ
ら主テーブル５及び副テーブル３が円形形状に形成され
れば、第１及び第２の棒状ばね部材２ａ〜２ｄ、４ａ〜
４ｄは、それぞれ複数本づつ設けるようにしてもよい。
又、固定台１は、立方形状に限ることはない。

【００４４】

【発明の効果】以上詳記したように本発明の請求項１〜
３によれば、特定の方向への変位を容易に得ることがで
きる３次元的な走査機能を備えたテーブル機構を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるテーブル機構の一実施の形態を
示す立体構成図。

【図２】同テーブル機構を上方から見た図。

【図３】同テーブル機構のＡ−Ａ断面図。

【図４】主テーブルのｘｙ平面内で移動させたときの動
作説明図。

【図５】主テーブルのｚ軸上で移動させたときの動作説
明図。

【符号の説明】

１…固定台、 ２ａ〜２ｄ…第１の棒状ばね部材、 ３…副テーブル、 ４ａ〜４ｄ…第２の棒状ばね部材、 ５…主テーブル、 ６…ｘ軸方向圧電アクチュエータ、 ７…ｙ軸方向圧電アクチュエータ、 ８…ｚ軸方向圧電アクチュエータ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定台と、 この固定台に対して第１の棒状ばね部材を介して連結さ
   れた副テーブルと、 この副テーブルに対して第２の棒状ばね部材を介して連
   結された主テーブルと、 前記固定台に対して一端が固定されるとともに他端が前
   記主テーブルに対して接触し、前記主テーブルを３次元
   空間の各方向に移動させる複数の変位素子と、を具備し
   たことを特徴とするテーブル機構。
2. 【請求項２】 前記第１及び第２の棒状ばね部材は、そ
   れぞれ前記主テーブル及び前記副テーブルの中心位置か
   ら等距離でかつ等間隔位置に配置されていることを特徴
   とする請求項１記載のテーブル機構。
3. 【請求項３】 前記複数の変位素子は、前記主テーブル
   の側面側に配置されてｘ方向に前記主テーブルを移動さ
   せるｘ方向圧電アクチュエータと、 前記主テーブルの側面側に配置されてｘ方向に直交する
   ｙ方向に前記主テーブルを移動させるｙ方向圧電アクチ
   ュエータと、 前記主テーブル及び前記副テーブルの中心位置に配置さ
   れ、ｘ方向及びｙ方向に対して互いに直交するｚ方向に
   前記主テーブルを移動させるｚ方向圧電アクチュエータ
   と、から成ることを特徴とする請求項１記載のテーブル
   機構。