JP3844114B2

JP3844114B2 - Endless orbit translation rotation stage

Info

Publication number: JP3844114B2
Application number: JP2000276434A
Authority: JP
Inventors: 顯旭姜; 浩横山; 貴仁井上; 由佳多辺
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-09-12
Filing date: 2000-09-12
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2020-09-12
Also published as: JP2002090282A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無限軌道並進回転ステージに係り、特に、走査型プローブ顕微鏡用摩擦力駆動Ｘ−Ｙ−θ軸ステージに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の先行技術としては、以下に示すようなものがあった。
【０００３】
（１）Ｌｏｕｓｅのピエゾ素子を用いたステージ〔Ｇ．Ｂｉｎｎｉｎｇ，ｅｔａｌ．，ＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ１２６（１９８３）２３６〕
（２）インチウオームモータ〔ＢｕｒｌｅｉｇｈＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．〕
（３）慣性力駆動タイプのステージ〔Ｄ．Ｗ．Ｐｏｈｌ，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．５８（１９８７）５４〕
（４）摩擦力駆動タイプのステージ〔Ｒ．Ｃｕｒｔｉｓ，ｅｔａｌ．，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．６４（１９９３）２６８７〕。
【０００４】
上記したピエゾ素子を用いたステージは、各種のものがあり、超高真空あるいは低温用走査型プローブ顕微鏡の試料ステージおよび探針のアプローチ機構として広く用いられてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した先行技術（１）では、動作の信頼性に難があった。
【０００６】
また、上記した先行技術（２）では、動作がリニアガイドによって一方向に限定されるとともに、静止状態においてもホールド電圧が必要であり、それが振動ノイズを発生するといった問題があった。
【０００７】
上記した先行技術（３）はコンパクトで、かつ大きな移動量を得ることができる微動機構であり、超高真空あるいは低温用走査型プローブ顕微鏡の試料ステージおよび探針のアプローチ機構として広く用いられてきたが、その動作原理からして、動作がステージ上の搭載物の重量に依存し、精密な位置決めおよび再現性の良い操作は困難であった。
【０００８】
更に、上記した先行技術（４）では、駆動方向が規制され、一方向にしか駆動できないといった問題があった。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するために、慣性力の代わりに摩擦力を用いた、位置決め精度の高い無限軌道並進回転ステージを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕無限軌道並進回転ステージにおいて、略正三角形になるように配置され、２本の直交する伸縮型ピエゾ素子に保持される硬度が高い３個の球体と、この３個の球体によって支持される試料台とを備え、前記３個の球体を所定のタイミングと方向に繰り返し振動させることにより、前記３個の球体を１つずつ順次移動させ、結果として３個の球体の全てを移動させ、摩擦力のみにて前記試料台を駆動することを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載の無限軌道並進回転ステージにおいて、前記ステージの中心部に磁石を配置し、前記試料台に接触する３個の球体の３点に均等な垂直抗力が働くように前記試料台を吸引することを特徴とする。
【００１２】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の無限軌道並進回転ステージにおいて、前記３個の球体は鋼球であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施例を示す無限軌道並進回転ステージの斜視図、図２はその平面図である。
【００１５】
これらの図において、１は平滑な試料台（光学ウインドウ用サファイヤ製）、２，３，４はそれぞれ２本の直交する積層型ピエゾ素子ｘ１，ｙ１、ｘ２，ｙ２、ｘ３，ｙ３〔（株）トーキン製〕に固定された３個の球体としての鋼球、５はステージ７の中心部に設置された微小な磁石、６は積層型ピエゾ素子のベースである。
【００１６】
そこで、ベース６上にそれぞれ２本の直交する積層型ピエゾ素子ｘ１，ｙ１、ｘ２，ｙ２、ｘ３，ｙ３が配置され、それらの積層型ピエゾ素子ｘ１，ｙ１、ｘ２，ｙ２、ｘ３，ｙ３に固定された３個の鋼球２，３，４が略正三角形に配置されており、試料台１はそれらの３個の鋼球２，３，４で支持されており、ステージ７の中心部に設置された磁石５によって試料台１の３点に均等な垂直抗力が働くようにしている。
【００１７】
試料台１と鋼球２，３，４間に働く動摩擦力は静止摩擦力を越えないので、１つの鋼球が移動しても、他の２つが静止していれば、試料台１は動かない。実際には、１つの鋼球をある角度範囲で移動させても試料台１が動かない範囲が存在する。
【００１８】
なお、上記実施例においては、積層型ピエゾ素子を示したが、積層型に限定されるものではなく、伸縮型ピエゾ素子で差し支えない。
【００１９】
この点について、図３を用いて説明する。
【００２０】
図３において、色がついた領域が安定領域１１であり、安定領域１１を外れると不安定になるので、ここでは説明しないがベクトル制御で避けることにする。つまり、試料台１が安定を保つための条件は、
ΣＦ＝０，ΣＭ＝０であり、つまり、
｜Ｆ₂｜²＝｜Ｆ₁｜²×（４ｓｉｎ²θ＋ｃｏｓ²θ＋√３ｓｉｎ２θ）／４
｜Ｆ₃｜²＝｜Ｆ₁｜²×（４ｓｉｎ²θ＋ｃｏｓ²θ−√３ｓｉｎ２θ）／４
Ｆ₂＜Ｆ₁，Ｆ₃＜Ｆ₁であれば試料台は安定である。
【００２１】
θが、
−ａｒｃｔａｎ（√３／２）＜θ＜ａｒｃｔａｎ（√３／２）または、
〔π−ａｒｃｔａｎ（√３／２）〕＜θ＜〔π＋ａｒｃｔａｎ（√３／２）〕
この範囲であれば試料台１は安定である。
【００２２】
上記した安定領域１１内で、鋼球２，３，４を１つずつ順次同じ方向に移動し、最後に３つの鋼球２，３，４を同時に逆方向に動かすことで、試料台１を正確に移動させることが可能である。
【００２３】
図４はその試料台の１ステップ駆動の説明図である。
【００２４】
まず、図４（ａ）に示すように、鋼球２，３，４は正三角形の位置になるように配置し、その上に試料台１をセットする。
【００２５】
次に、図４（ｂ）に示すように、鋼球２のみを駆動して所定距離（ここでは、Ｘ，Ｙ軸方向）変位させる。ここでは、鋼球３，４から試料台１に働く静止摩擦力が、鋼球２から働く動摩擦力より大であるために、試料台１は移動しない。
【００２６】
次に、図４（ｃ）に示すように、鋼球３のみを駆動して所定距離（ここでは、Ｘ，Ｙ軸方向）変位させる。ここでも、鋼球２，４から試料台１に働く静止摩擦力が、鋼球３から働く動摩擦力より大であるために、試料台１は移動しない。
【００２７】
次に、図４（ｄ）に示すように、鋼球４のみを駆動して所定距離（ここでは、Ｘ，Ｙ軸方向）変位させる。ここでも、鋼球２，３から試料台１に働く静止摩擦力が、鋼球４から働く動摩擦力より大であるために、試料台１は移動しない。
【００２８】
次に、図４（ｅ）に示すように、鋼球２，３，４を同時に逆方向に所定距離（ここでは、−Ｘ，−Ｙ軸方向に所定距離）変位させると、試料台１の動摩擦力が静止摩擦力を上回るために、試料台１は逆方向（−Ｘ，−Ｙ軸方向）に所定距離移動する。
【００２９】
この１ステップ駆動を繰り返すことにより、試料台１を任意の距離と方向に移動させることができる。
【００３０】
図５は鋼球１個の動きに対する試料台の挙動を示す図である。
【００３１】
鋼球２，３，４をある角度に移動した時に、試料台１の移動量を計測したものである。移動量の単位はナノメートルで、鋼球の移動量は１．３μｍである。
【００３２】
この図からも、ある角度範囲においては試料台１が殆ど移動しないことが分かる。このような角度制限があるために、鋼球を不安定角度方向に移動するには、安定領域で２回の移動を行えば所望の方向へ移動を行うことができる。
【００３３】
回転、並進の違いは、１つ１つの鋼球の移動の方向によって生ずる。回転の場合には、それぞれの鋼球を単一の円弧に沿うように移動させる。
【００３４】
図６は本発明の実施例を示す無限軌道並進回転ステージの移動量の測定結果を示す図であり、この図において、縦軸は移動量（μｍ）、横軸は移動の回数を示している。
【００３５】
この場合、上方向への並進駆動を示しており、１サイクル当たりの移動量は約１．３μｍであり、前進および後進とも再現性良く移動可能であることが示された。
【００３６】
なお、上記実施例においては、鋼球を示したが、硬度が高い球体であれば、素材は何でもよい。
【００３７】
また、試料台の重心がその正三角形の重心と一致していれば、各球体にかかる抗力は力とトルクの釣り合いから自動的に均等になる。試料台が移動すれば、当然ながら重心が移動して抗力も不均等になる。
【００３８】
例えば、磁石を正三角形の重心位置に設置して重心位置で試料台を常に吸引すれば、磁力が試料台の重量に比べて十分に大きければ、試料台の位置によらず、高い精度で常に均等な抗力を維持できる。磁石を用いなくとも試料台の移動量が三角形の大きさに比べて十分に小さいように制限されていれば、良い近似で均等な抗力を維持できる。その意味で、磁力はこの範囲を広げる役目をする。
【００３９】
上記したことから明らかなように、本発明の無限軌道並進回転ステージは、３点支持（キネマティックマウント）を採用していることから、平行度の高いステージ移動を、リニアガイドなどを用いずに実現できる。
【００４０】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００４２】
（Ａ）慣性力の代わりに摩擦力を用いた、位置決め精度の高い無限軌道並進回転ステージを提供することができる。
【００４３】
（Ｂ）３点支持（キネマティックマウント）を採用していることから、平行度の高いステージ移動を、リニアガイドなどを用いずに実現できる。
【００４４】
（Ｃ）簡単な機構により、微小移動を可能にすることができる。
【００４５】
（Ｄ）球体の駆動の態様により、任意の方向に駆動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す無限軌道並進回転ステージの透視斜視図である。
【図２】本発明の実施例を示す無限軌道並進回転ステージの平面図である。
【図３】本発明の実施例を示す無限軌道並進回転ステージの試料台に作用する力と安定領域の説明図である。
【図４】本発明の実施例を示す無限軌道並進回転ステージの１ステップ駆動原理を示す図である。
【図５】本発明の実施例を示す無限軌道並進回転ステージの球体１個の動きに対する挙動を示す図である。
【図６】本発明の実施例を示す無限軌道並進回転ステージの移動量の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１試料台（光学ウインドウ用サファイヤ製）
２，３，４３個の鋼球
ｘ１，ｙ１、ｘ２，ｙ２、ｘ３，ｙ３２本の直交する積層型ピエゾ素子
５ステージの中心部に設置された磁石
６ベース
７ステージ
１１安定領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an endless track translation rotation stage, and more particularly to a frictional force drive XY-θ axis stage for a scanning probe microscope.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there have been the following prior arts in this field.
[0003]
(1) A stage using a Louse piezo element [G. Binning, et al. , Surface Science 126 (1983) 236]
(2) Inch Worm Motor [Burleigh Instruments, Inc. ]
(3) Inertial force drive type stage [D. W. Pohl, Rev. Sci. Instrum. 58 (1987) 54]
(4) Frictional force drive type stage [R. Curtis, et al. Rev. Sci. Instrum. 64 (1993) 2687].
[0004]
There are various types of stages using the above-described piezo element, and they have been widely used as an approach mechanism for a sample stage and a probe of a scanning probe microscope for ultra-high vacuum or low temperature.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the prior art (1) described above has difficulty in operation reliability.
[0006]
In the prior art (2), the operation is limited to one direction by the linear guide, and a hold voltage is required even in a stationary state, which causes vibration noise.
[0007]
The above prior art (3) is a fine movement mechanism that is compact and can obtain a large amount of movement, and has been widely used as an approach mechanism for a sample stage and a probe of a scanning probe microscope for ultra-high vacuum or low temperature. However, from the principle of operation, the operation depends on the weight of the load on the stage, and precise positioning and operation with good reproducibility are difficult.
[0008]
Furthermore, the above-described prior art (4) has a problem that the driving direction is restricted and the driving can be performed only in one direction.
[0009]
In order to solve the above-described problems, an object of the present invention is to provide an endless track translation rotary stage having high positioning accuracy using a frictional force instead of an inertial force.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] In an endless track translation rotation stage, three spheres that are arranged in a substantially equilateral triangle and are held by two orthogonally extending telescopic piezo elements, and supported by the three spheres. The three spheres are sequentially moved one by one by repeatedly vibrating the three spheres in a predetermined timing and direction, and as a result, all of the three spheres are moved. The sample stage is driven only by a frictional force.
[0011]
[2] In the endless track translation rotation stage described in [1] above, a magnet is disposed at the center of the stage so that an equal vertical drag acts on three points of the three spheres contacting the sample stage. The sample stage is sucked.
[0012]
[3] In the endless track translation rotation stage described in [1] or [2], the three spheres are steel balls.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 1 is a perspective view of an endless track translation rotation stage showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view thereof.
[0015]
In these figures, 1 is a smooth sample stage (made of sapphire for optical windows), 2, 3 and 4 are two orthogonal stacked piezoelectric elements x1, y1, x2, y2, x3, y3 [Co., Ltd. Steel balls as three spheres fixed to Tokin], 5 is a minute magnet installed in the center of the stage 7, and 6 is a base of the laminated piezo element.
[0016]
Therefore, two orthogonal stacked piezoelectric elements x1, y1, x2, y2, x3, y3 are arranged on the base 6 and fixed to the stacked piezoelectric elements x1, y1, x2, y2, x3, y3. The three steel balls 2, 3, 4 are arranged in a substantially equilateral triangle, and the sample stage 1 is supported by the three steel balls 2, 3, 4. The installed magnet 5 causes an equal normal force to act on the three points of the sample table 1.
[0017]
Since the dynamic friction force acting between the sample stage 1 and the steel balls 2, 3 and 4 does not exceed the static friction force, even if one steel ball moves, the sample stage 1 will move if the other two are stationary. Absent. Actually, there is a range where the sample stage 1 does not move even if one steel ball is moved within a certain angle range.
[0018]
In the above-described embodiment, the laminated piezo element is shown. However, the laminated piezo element is not limited to the laminated piezo element and may be an expandable piezo element.
[0019]
This point will be described with reference to FIG.
[0020]
In FIG. 3, the colored region is the stable region 11, and becomes unstable when the region is outside the stable region 11. Therefore, although not described here, it will be avoided by vector control. In other words, the conditions for keeping the sample stage 1 stable are:
ΣF = 0, ΣM = 0, that is,
| F ₂ | ² = | F ₁ | ² × (4 sin ² θ + cos ² θ + √3 sin 2θ) / 4
| F ₃ | ² = | F ₁ | ² × (4 sin ² θ + cos ² θ−√3 sin 2θ) / 4
If F ₂ <F ₁ and F ₃ <F ₁ , the sample stage is stable.
[0021]
θ is
-Arctan (√3 / 2) <θ <arctan (√3 / 2) or
[Π-arctan (√3 / 2)] <θ <[π + arctan (√3 / 2)]
Within this range, the sample stage 1 is stable.
[0022]
Within the stable region 11, the steel balls 2, 3, 4 are sequentially moved in the same direction one by one, and finally, the three steel balls 2, 3, 4 are simultaneously moved in the opposite direction, whereby the sample stage 1 is moved. It is possible to move accurately.
[0023]
FIG. 4 is an explanatory diagram of one-step driving of the sample stage.
[0024]
First, as shown to Fig.4 (a), the steel balls 2,3,4 are arrange | positioned so that it may become a regular triangle position, and the sample stand 1 is set on it.
[0025]
Next, as shown in FIG. 4B, only the steel ball 2 is driven and displaced by a predetermined distance (here, in the X and Y axis directions). Here, since the static friction force acting on the sample stage 1 from the steel balls 3 and 4 is larger than the dynamic friction force acting on the steel ball 2, the sample stage 1 does not move.
[0026]
Next, as shown in FIG. 4C, only the steel ball 3 is driven and displaced by a predetermined distance (here, X and Y axis directions). Again, since the static friction force acting on the sample stage 1 from the steel balls 2 and 4 is larger than the dynamic friction force acting on the steel ball 3, the sample stage 1 does not move.
[0027]
Next, as shown in FIG. 4D, only the steel ball 4 is driven to be displaced by a predetermined distance (here, X and Y axis directions). Again, since the static friction force acting on the sample stage 1 from the steel balls 2 and 3 is larger than the dynamic friction force acting on the steel ball 4, the sample stage 1 does not move.
[0028]
Next, as shown in FIG. 4 (e), when the steel balls 2, 3 and 4 are simultaneously displaced in the reverse direction by a predetermined distance (here, predetermined distances in the −X and −Y axis directions), Since the dynamic friction force exceeds the static friction force, the sample stage 1 moves a predetermined distance in the reverse direction (−X, −Y axis direction).
[0029]
By repeating this one-step driving, the sample stage 1 can be moved in an arbitrary distance and direction.
[0030]
FIG. 5 is a diagram showing the behavior of the sample stage with respect to the movement of one steel ball.
[0031]
The amount of movement of the sample stage 1 is measured when the steel balls 2, 3 and 4 are moved to a certain angle. The unit of movement is nanometers, and the movement of steel balls is 1.3 μm.
[0032]
This figure also shows that the sample stage 1 hardly moves in a certain angle range. Since there is such an angle limitation, in order to move the steel ball in the unstable angle direction, if the movement is performed twice in the stable region, the steel ball can be moved in a desired direction.
[0033]
The difference between rotation and translation is caused by the direction of movement of each steel ball. In the case of rotation, each steel ball is moved along a single arc.
[0034]
FIG. 6 is a diagram showing measurement results of the movement amount of the endless track translation rotation stage showing the embodiment of the present invention. In this figure, the vertical axis shows the movement amount (μm), and the horizontal axis shows the number of movements. .
[0035]
In this case, translational driving in the upward direction is shown, and the amount of movement per cycle is about 1.3 μm, indicating that both forward and backward movement can be performed with good reproducibility.
[0036]
In the above embodiment, a steel ball is shown, but any material can be used as long as it has a high hardness.
[0037]
Further, if the center of gravity of the sample stage coincides with the center of gravity of the equilateral triangle, the drag applied to each sphere is automatically equalized from the balance of force and torque. If the sample stage moves, the center of gravity naturally moves and the drag becomes uneven.
[0038]
For example, if a magnet is placed at the center of gravity of an equilateral triangle and the sample stage is always attracted at the position of the center of gravity, if the magnetic force is sufficiently large compared to the weight of the sample stage, it will always be highly accurate regardless of the position of the sample stage. Even drag can be maintained. Even if a magnet is not used, if the amount of movement of the sample stage is limited to be sufficiently smaller than the size of the triangle, uniform drag can be maintained with good approximation. In that sense, the magnetic force serves to expand this range.
[0039]
As apparent from the above, track translation and rotation stage of the present invention, since employing a three-point support (Kinemate I Kkumaunto), a high stage movement of parallelism, without using a linear guide realizable.
[0040]
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and they are not excluded from the scope of the present invention.
[0041]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0042]
(A) It is possible to provide an endless track translation rotary stage with high positioning accuracy using frictional force instead of inertial force.
[0043]
(B) since it adopts a three-point support (Kinemate I Kkumaunto), a high stage movement degree of parallelism can be realized without using a linear guide.
[0044]
(C) With a simple mechanism, a minute movement can be made possible.
[0045]
(D) Depending on the driving mode of the sphere, it can be driven in any direction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of an endless track translation rotation stage showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of an endless track translation rotation stage showing an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a force and a stable region acting on a sample stage of an endless track translation rotation stage showing an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a one-step driving principle of an endless track translation rotation stage showing an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating the behavior of an endless track translation rotation stage according to an embodiment of the present invention with respect to the movement of one sphere.
FIG. 6 is a diagram showing a measurement result of a moving amount of an endless track translation rotary stage showing an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Sample stage (made by sapphire for optical window)
2, 3, 4 3 steel balls x1, y1, x2, y2, x3, y3 Two orthogonal stacked piezo elements 5 Magnet installed in the center of the stage 6 Base 7 Stage 11 Stable area

Claims

(A) three spheres arranged so as to be substantially equilateral triangles and having high hardness held by two orthogonal stretchable piezoelectric elements;
(B) a sample stage supported by the three spheres,
(C) By repeatedly vibrating the three spheres in a predetermined timing and direction, the three spheres are sequentially moved one by one, and as a result, all the three spheres are moved, and only the frictional force is moved. An endless track translational rotation stage characterized by driving the sample stage.

The endless track translational rotation stage according to claim 1, wherein a magnet is arranged at the center of the stage, and the sample stage is attracted so that an equal vertical drag acts on three points of three spheres contacting the sample stage. An endless orbit translation and rotation stage characterized by

The endless track translation rotary stage according to claim 1 or 2, wherein the three spheres are steel balls.