(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部材と可動部材によって構成される駆動ユニットを、点対称に複数配置した回転駆動系に構成、又は直交三軸に積み上げて構成した駆動装置において、
可動部材は磁性体からなる上プレートと下プレートを平行板ばねで中継して構成し、上プレートには一対の永久磁石を配置し、下プレートの上面にはコイル、下面には摺動材を貼り付け、固定部材は、摺動相手材と磁性体とを貼り付けて構成し、さらに固定部材の磁性体には、前記永久磁石の移動方向の幅よりも狭くした溝を形成したことを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
請求項１記載の駆動装置において、上プレートに一対の逆極の永久磁石をとりつけ、下プレートに扁平薄型コイルを配置し、摺動材を磁性体とし、固定部材の磁性体と閉磁気ループを形成したことを特徴とする駆動装置。
【請求項３】
請求項１記載の駆動装置において、上プレートに単一の永久磁石をとりつけ、磁性体からなる上プレートから伸びる閉磁気ループとなるヨーク材を配し、このヨーク材に、間隙をもって貫通されるコイル材をもうけ、下プレートの上面に前記コイルを貼り付け、下面に一対の摺動材を貼り付け、固定部材の摺動相手材の下部構成部と前記の上プレートにとりつけた圧力印加部が当接する当接部材を固定部材と一体としたことを特徴とする駆動装置。
【請求項４】
請求項１記載の駆動装置において、下プレート材は、非導電性であるガラスエポキシ基板もしくはガラス部材、セラミック材で構成したことを特徴とする駆動装置。
【請求項５】
請求項１記載の駆動装置において、固定部材の摺動相手材の下の磁性体は、永久磁石より幅の狭い状態で移動方向の溝を形成したことを特徴とする駆動装置。
【請求項６】
請求項１記載の駆動装置において、平行板ばねを複数個用いて、磁性体である上プレートの面積を大きく取れるよう構成したことを特徴とする駆動装置。
【請求項７】
請求項１記載の駆動装置において、駆動ユニットの上プレート部をベース磁性体とすることによって、前記の駆動方向に直交する1軸ごとの駆動装置ユニットを積み上げ、直交３軸駆動としたことを特徴とする駆動装置。
【請求項８】
請求項１記載の駆動装置を、重力方向の駆動に際し、平板磁性体プレートを直角曲げしたＬ型磁性体の垂直面に天秤型としたプレートを設け、一端に駆動装置ユニットを設け、他方に測定用探針を配したことを特徴とする駆動装置。
【請求項９】
請求項１記載の駆動装置を、直角曲げした磁性体の垂直面に天秤型のプレート回転の駆動をおこない、直角曲げした水平面下に、２つの駆動装置ユニットをもうけ、一方が直線運動、他方が回転することによって３軸方向の駆動を可能としたことを特徴とする駆動装置。
【請求項１０】
請求項１記載の駆動装置において、略円形の固定部材と略回転形の回転移動体を設け、ここに２個以上の上記の駆動ユニットを点対称に配置して、回転移動体を固定摺動運動もしくは固定時の微小回転運度をすることを特徴とする駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度範囲につき絶対零度から永久磁石のキューリ温度以下まで、複数直交軸、回転軸駆動に関してサブナノメートルの分解能をもち、さらに移動距離0.1ｍｍ以上を移動する慣性駆動ユニットを用いて直線もしくは、回転する駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体検査装置、走査型電子顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、物性物理分野の表面分析等では、探針の先端を試料に接触もしくは１ｎｍまで非接触で接近させるためのメカニカル探針駆動装置が用いられる。特許文献１：特開2006-254595に記載された例では、複数のメカニカル探針の先端を検査対象である電子素子の端子に接触させ、探針を経由して電気的信号を電子素子に印加して、電子素子の電気的特性を測定するものが記載されている。探針の先端半径は数10nm程度であり、走査型プローブ顕微鏡を構成でき、さらには、探針をサブナノメータオーダで操作する機能を有する。
【０００３】
本駆動装置は、半導体検査装置や走査電子顕微鏡等の内部に組み込まれるために、可能な限り小型に構成することが望ましい。
【０００４】
駆動軸に結合された電気機械変換素子、ピエゾ素子に鋸歯状波パルス電圧を供給して駆動軸を軸方向に変位させ、この駆動軸に関して固定部材と摩擦結合させた可動部材を軸方向に移動させる固着・摺動状態を繰り返して移動する駆動装置が知られている（以下、このような駆動装置を慣性駆動装置と呼ぶ）。
【０００５】
この慣性駆動装置の固着状態では、電気機械変換素子として一般的なピエゾ素子によって、0.01ｎｍ、サブナノメートルのオーダの高分解能で移動可能である。ピエゾ素子を鋸歯状波パルス電圧駆動によって固着状態から摺動状態を繰り返すことによって、ｍｍオーダの移動を可能とし、固着状態でピエゾ素子をサブナノメートルのオーダの高分解能移動をさせることができ、ｍｍオーダとサブナノメータ制の移動の両者の使い分けができる。
【０００６】
図10に特開2006-254595号公報の従来例を示す。図中に直交３軸、Ｐx、Ｐｙ、Ｐｚ軸を示す。Ｐｙ軸の固定部材10の上に可動部材12をとりつけ、この上に、Ｐｘ軸方向の慣性ピエゾ駆動装置11をとりつけ、これにＰｚ軸駆装置13をとりつけ、これに探針ホルダ15を取り付け、先端に探針16を取り付けている。
【０００７】
図10の駆動装置では、固定部材に対して可動部材に剪断変位型ピエゾ素子が使用されてきた。先ず、低速で、可動部材のピエゾ素子を変位させる。このとき、固着状態から可動部材を前記ピエゾ素子変形に基づいて移動させる。次に、高速で、前記の駆動電界と逆の勾配の電圧（立下り）を印加するとピエゾ素子と固定部材に介在する摺動部材によってスリップが生じ、可動部材の慣性によって、スリップ摺動した分だけ移動する。このような、ピエゾ素子を用いた固定部に対する可動部材の低速変位と高速戻し動作を繰り返すことによって、移動部材を移動させる。これを慣性駆動と称する。固定部材に可動部材を固着させたときは、サブナノメータオーダで移動を制御できる。このように、固定部材と可動部材の固着状態と摺動状態をとりこみ、固着状態における移動と、固着-摺動動作状態による移動をおこなうことが可能である。
【０００８】
図11に駆動装置の駆動波形と変位変化を説明する。この動作は、可動部材の慣性に基づくものを応用したものである。静止状態である固着状態を別名ステイック（ｓｔｉｃｋ）と称し、摺動状態をスリップ（ｓｌｉｐ）と称し、別名、「スチック・スリップ駆動」とも呼ばれている。固着状態は、移動体とベース間を磁石の吸引力もしくは外部弾性体による圧力を印加し、このときの摩擦力Ｆ、摩擦係数μ、押圧もしくは磁力による引力をＮとすると、式1であらわされる。
F＝μN                式1
この摩擦係数μを鋸波の単一もしくは連続パルスとしてピエゾ素子に電圧印加し、固着状態と摺動状態を変化させて、移動させている。固着状態での摩擦係数はいわゆる静止摩擦係数であり、摺動時の動摩擦係数より大きい。この摩擦係数μの過渡応答特性が慣性駆動の基本となる。図9のピエゾ駆動装置の場合、ステップは最大5μｍをとることができ、粗シーク時に用いる。駆動周波数を上げ、ステップ変位を小さくとった移動も可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開2006-254595号公報
【特許文献２】特開2010-164577号公報
【特許文献３】特開2004-148474号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】森田清三著  「原子間力顕微鏡のすべて」工業調査会版  1995年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特開2006-254595号公報に記載されている、ピエゾ素子を用いた駆動装置の問題点を以下に述べる。固定部材に対して可動部材を固着状態での圧電素子の動作範囲が各軸5μｍと小さく、ヒステリシスが大きく、位置制御に関して、このヒステリスをあらかじめ推定して所定の位置に制御して位置再現性を求めて駆動するなど制御上の問題があった。一般にピエゾ素子はヒステリシスが50％以上と大きく、駆動電圧機械変換の線形性が十分確保できなかった。絶対温度77°Ｋ以下になると、常温300°Ｋの駆動電圧に対する移動量である駆動感度にくらべ、１/5から１/7と小さくなり、さらに液体ヘリウム温度4.2°Ｋではまったく動作しなくピエゾ素子もあった。低温になるにしたがって、さらにヒステリシスが大きくなり、あらかじめ、駆動感度とヒステリシス特性を測定し、電圧機械変換特性を校正するほか手間がかかった。
【００１２】
さらに、前記、可動部材に取り付けた剪断変位型ピエゾ素子を用いた摺動駆動機構では、可動部材を重力方向に垂直方向に移動させる場合、いわゆる左右の動きに関しては、右駆動も左駆動も摺動駆動感度の差はない。しかし、可動部材を垂直方向に移動させる場合には、可動部材の重量の関係で重力上方向と下方向の駆動感度が異なり、上下方向に関して正確に移動させることはできなかった。図9のＰｚ方向の駆動は可動部材の重力による上下動の駆動感度をあらかじめ把握する必要があった。
さらに可動部材にとりつけられた積層型剪断型ピエゾ素子は高価であり、1軸駆動するにも複数個のピエゾ素子と複数の磁石を用いて、固定部材と可動部材に吸引力を生じさせており、構造が複雑であった。この吸引力と鋸波電圧駆動によって固着状態と摺動状態の摩擦変化を生じさせている。上記の、ピエゾ素子を用いた駆動装置の問題点である絶対零度での安定動作確保と重力による駆動感度変化、安価に構成することが本願の課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
従来の課題を解決にあたり、温度特性、駆動感度のばらつき、固着時の可動部材の線形性、ダイナミックレンジ、製造コスト、部品コストをすべて改善するため、高価な剪断変位型ピエゾ素子と磁石による固定部材と可動部材の吸引力のための永久磁石を用いず、永久磁石回路と扁平コイルもしくは角筒型、円筒形コイルによる電磁駆動を構成し、しかも線形性を考慮して平行板ばねを用いて、可動部材を構成した。さらには可動部材をユニット化し、複数配置して、固定部材とあわせて回転駆動もしくは直交三軸駆動をおこなえるよう工夫した。
【００１４】
基本となる可動部材ユニットを説明する。可動部材は永久磁石がとりつけられた上プレートと下プレートをつなぐ第１及び第２の弾性体からなる平行板ばねで中継している。固定部材は基本的には鉄板等の磁性プレートにサファイア基板、白板ガラス、もしくは青板ガラスで研磨面を有するプレートを貼り付けて構成し、上プレートに取り付けられた一対の逆極の永久磁石から始まる磁気ループを固定部材の磁性体とあわせて形成している。下プレートの下面には摺動材と上面には扁平コイルを貼り付けた。
これによって、可動部材と固定部材を磁気的に吸引させ、可動部材の固着時の静止摩擦と摺動時の動摩擦の変化を生じさせている。この磁気ループ中の磁束に扁平コイルを配置し、フレミングの左手の法則にのっとり、電流印加によって左右の起動力を得て可動部材の固着時と摺動時に可動させる。固着状態のとき、摩擦力Ｆ、摩擦係数μ、吸引力Ｎ、コイル線長Ｌ、磁束密度Ｂ、電流ｉ、電気機械変換効率ｅ、平行板ばねの弾性係数ｋと移動変位ｘ  とすると式2が成り立つ。固着状態での上プレートの推力は摩擦力Ｆ以上だと摺動するため、これ以下となっている。
Ｆ＝μＮ＞ｅＢＬｉ＝ｋｘ            式２
剪断型のピエゾ素子であればコンパクトな構成で電圧印加により、同様な動作が可能であるが、本願は、この構成を上プレートと下プレートの動作において、電流量、扁平コイルの構成、一対の平行板ばねによって構成するため、起動力を計算上で求めることができ、設計が容易である。
この可動部材をユニットとなし、このユニットを点対称に複数配置した構成によって回転、もしくは直交三軸に積み上げて構成したことを特徴とする駆動装置を提供することとした。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、ピエゾ素子を使用しないため、絶対零度から電磁駆動に用いられる永久磁石のキューリ温度以下までの温度範囲を実現できる。慣性駆動における固着状態での動作範囲を一般的なピエゾ素子を用いたものより10倍程度大きくとり、線形性を確保でき、走査型プローブ顕微鏡に要求される測定対象面に垂直な方向についてサブナノメータ0.01ｎｍオーダでの分解能を有し、さらには慣性駆動によるステップ送りによって0.1ｍｍから10ｍｍ以上は容易に移動させることができる。この可動部材ユニットを組み上げると、従来、大きな課題となった重力方向Ｚ軸に依存しない安定した駆動を天秤プレートの一端に可動部材ユニットをとりつけ、回転軸を介して他端に探針をとりつけ回転駆動によって実現できる。さらには、直交三軸直線駆動は、Ｘ、Ｙ、Ｚ各軸を積み上げることにより実現できる。さらには、駆動ユニットは構造および、設計が簡単であり、通常の部材で構成できるため従来の高価な積層型の剪断型ピエゾ素子を用いたものより１/20以下の安価な構成となる。さらにはピエゾ素子のように、物性物理で常用される液体窒素温度において駆動感度が１／5から１/7に激減しさらには液体ヘリウム温度でまったく動作しない素子もあったという課題を解決できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】駆動装置の三面図と斜視図である
【図２】駆動装置の他の構成の三面図である
【図３】駆動ユニットを3つ用いた回転駆動装置である
【図４】3軸駆動装置の斜視図とＸＹＺ軸を示す
【図５】Ｚ軸方向の駆動装置である
【図６】Ｘ、Ｙ、Ｚ駆動装置の写真である
【図７】固着時の駆動装置ユニットの電流-変位特性である
【図８】固着時の駆動装置ユニットの伝達特性である
【図９】本願の駆動電流波形と変位図である
【図１０】従来例のピエゾ駆動装置である
【図１１】従来例の駆動波形と変位図である
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１７】
図１を参照して、半導体検査装置で使用されている探針駆動装置の構成及び動作を説明する。本願の電磁駆動型のアクチュエータの原理を説明し、三軸駆動装置へと話を展開する。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は立面図、図１（ｃ）は側面図、図１（ｄ）は概念図として駆動ユニットの移動部に探針ホルダを取り付けた斜視図を示す。この構成は測定対象の表面に慣性駆動ステップ送りによって測定対象表面の20ｎｍまでアプローチし、その後、固着状態とし、１ｎｍまで探針を接近させて走査型プローブ顕微鏡として機能するものである。もしくは、表面の抵抗測定のため、駆動ユニットを複数もうけ、探針を測定対象基板に接触させ2端子法もしくは4端子法での抵抗測定、もしくはホール定数測定の基本構成を示す。
【００１８】
三面図である図1（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を説明する。立面図（ｂ）において磁性体からなる上プレート20と、該上プレート移動部の両端に固定された第１及び第２の弾性体からなる一対の平行板ばね21,22を介して下プレート23と中継する。これによって、下プレートが固定部材に固着されているときは、上プレートが後述する電磁駆動によって左右に可動する。図中、破線で平行板ばねの左右動作を示す。
下プレート23は非導電材料で構成され、上面には扁平薄型コイル24が貼り付けられ、下面には摺動材25が一対貼り付けられている。摺動材は、たとえばマンガン亜鉛（Ｍｎ−Ｚｎ）フェライト、ニッケル亜鉛（Ｎｉ-Ｚｎ）フェライトもしくは、ＰＬＺＴほかの陶質のセラミック材で構成され、固定部材と当接する。このため当接する摺動材面は平面度を確保し、研磨している。摺動材は固定部材を構成する白板ガラス、青板ガラスもしくはサファイアの研磨面と当接し、基本的な動作となる固着動・摺動が可能な表面粗度と平面度を有している。
上プレート20は磁性体で構成され、下面に一対の磁石26，26を逆極に貼り付けている。上プレート20は一対の磁石のループを形成している。この磁気ループは磁石26から磁力線を発し扁平薄型コイル24を通り、非導電性の下プレート23、摺動材25と固定部材を構成するサファイア板27を通過し、その下の磁性体28でループを形成し、逆順に、サファイア基板27、摺動材25、下プレート23、扁平薄型コイル24を通り、磁石26へと磁力線を形成し、磁性体である上プレート20を介して閉磁気ループとなる。
【００１９】
上プレート20と下プレート23の中継となる平行板ばね21,22は、ばね用ステンレス板、ベリリウム銅を用い、エポキシ接着剤もしくは、ステンレス板の場合は溶接接合をおこなう。図中のコの字形状とした平行板バネは接着もしくはスポット溶接をおこなうために、上、下プレート２０，２３に当接して固定している。
【００２０】
下プレート23は非導電性材料でしかも剛性のある材料で構成されている。ガラス・エポキシ基板、セラミック基板もしくはガラス材を用いる。渦電流による広域応答特性を確保するための設計である。鋸歯状波の立ち上がりのスルーレートは高くないが、立下りは急峻でスルーレートが高いため前記の材料を用いて高周波特性を確保している。剛性のある材料をもちいるのは固着・摺動運動の制御性を確保するため、一次共振周波数より高い副次共振周波数をできるだけ高くとり、制御性を改善するためである。
【００２１】
本駆動装置の基本動作を、従来例で説明した図11を書き直した図9を参照して説明する。ピエゾ素子の場合は電圧駆動であるが、本願の駆動装置は電流印加による電磁駆動であるため式２に示すように、駆動元は電流である。摺動運動を行う場合は、鋸歯状波でおこなう。立ち上げ901部分で、電流駆動し、可動部材の下プレート23は固定部材と固着した状態である。このとき、上プレート20は薄型扁平コイルの電流増加によって移動を始める。実験では片側ストローク30μｍまで動く。ここで、急激に電流を零に下げると、上プレート20の慣性によって、下プレート23が摺動材25と固定部材の摺動相手材27サファイアとの摺動によって基点から３０μｍの位置にとどまる。次に一定期間おいて、傾斜電流902を印加すると、下プレート23が固定部材に固着され、さらに３０μｍ移動し、急激に電流を零に下げると上プレート部の慣性によって、下プレート部が摺動材25と固定部材の摺動相手材27のサファイアとの摺動によって基点から６０μｍの位置となる。この動作を繰り返して固着・摺動動作をおこなう。ここで電流上昇期間901の期間、下プレート23は固定部材に固着された状態で、３０μｍ移動すると述べたが、負の電流傾斜の場合はマイナス３０μｍ移動する。積層型ピエゾ素子の場合は駆動電圧２００Vで、最大5μｍ程度しか移動できないが、本駆動装置の場合、平行板ばねと電磁駆動によって一つの鋸歯状波で30μｍ以上を移動し、しかも後述する線形性（リニアリティ）を確保した状態で動作可能である。上プレートと下プレートを中継する平行板ばねのばね定数の設計、重量設計によって自由に設計可能である。
駆動電流の鋸歯状波は、緩やかな上昇と急激な下降が必須条件であり、グランドＧＮＤ点を図中のＧＮＤ1、ＧＮＤ2に設定してもかまわない。プラスマアイナス電源によるＢ級増幅器による場合は図中のＧＮＤ設定がＧＮＤ2であり、Ｄ級増幅器の場合はパルス幅変調ＰＷＭによって等価的にＧＮＤ2に設定できる。図中、下の部分は、鋸歯状波903を連続で駆動し、高速で可動部材を移動させる場合を示す。変位は連続的に増大するが、鋸歯状波ごとの立下りによって少し変位がキックバックされる様子を示す。
【００２２】
固定部材の摺動相手材27の下のベース磁性体28は鋼板もしくは磁性ステンレス、フェライト材からなり、図1（ｃ）に示す側面図に示すように、磁石26,26の駆動方向の幅より狭めたレール部29をもうけ、可動ユニット100の直線駆動を可能としている。この可動部材ユニットを構成する可動部材の上プレート20に探針ホルダ30と探針31をもうけ図1（ｄ）に斜視図で示す。
【００２３】
可動部材を構成する扁平薄型コイル24に電流を流す方向を図1（ａ）に示し、磁力線を紙面に垂直に入る印◎と垂直に出てくる印●で示す。フレミングの左手の法則にしたがって、コイル電流に対する、推力は同じ方向となる。この推力によって、可動部材と固定部材の固着・摺動運動の推力を得ることができる。前記の磁気ループを形成するにあたり、磁石26から固定部材の磁性材料の距離Ｒが大きくなると、可動部材と固定部材の引力Ｎが小さくなり、摩擦に変化により固着・摺動駆動にかかわるため、この距離と磁石による磁束密度、吸引力の設計が求められる。実験では、サファイア基板0.3ｍｍとか青板、白板ガラス0.3から1ｍｍ厚のものを用いた。
【実施例２】
【００２４】
図２は図１の駆動ユニットと固定部材の別の実施例を三面図  図２（ａ）、（ｂ）と（ｃ）で示す。磁気回路構成を単一の永久磁石を用いて構成している。上プレート32と下プレート39を設け、平行板ばね21,22で中継している。板ばね構造体33とローラ34をつけた押圧部分をもうけ、固定部材とつながっている当接部材35に押し当てている。ローラ部分の軸受けは、たとえばベリリウム銅板を加工して、直径φ0.5ｍｍの勘合穴をもうけ、ここにプラチナイリジウム直径0.5ｍｍシャフト介して、軸を通し、両端をつぶしてストトッパーとした。
【００２５】
上プレート32、下プレート39で構成される可動部材ユニット２００に関して説明する。可動部材ユニット200と固定部材を吸引させる磁石を用いていないため、可動部材ユニット200は上プレート32に板ばね構造体33とローラ34をつけた押圧部分をもうけ、図１に示す構成の可動部材と固定部材間の磁気引力に相当する押力を発生させている。ローラが当接されている当接部材35は平面度が良く、研磨されたガラス基板、サファイア基板もしくはステンレス基板で構成されている。ローラ34の断面は円柱型ではなく、当接部分の断面は略楕円形状としている。機械的な基準が、駆動ユニット200を構成する下プレート39の下面に取り付けた一対の摺動材40と固定部材の摺動相手材41にあるため、機械的な基準を補い、圧接し押力を印加する構成としている。
【００２６】
上プレート32を磁性体で構成し、下面に単一の永久磁石36をはりつけ、磁気閉ループを形成するヨーク材37をとりつけ、長尺のヨーク材37を上プレート32に取り付けている。
このヨーク材37はプレート材を角型コイル38に貫通させたのち、上プレートに接合している。上プレート32とヨーク材37、永久磁石36で磁気閉ループを構成し、図中、角型コイル上部の磁気ギャップへの磁束密度を印加する構成としている。
【００２７】
この角型コイル38の下部は下プレート39に貼り付けている。さらに下プレート39の下面に一対の摺動材40を貼り付ける。この摺動材40は固定部材の摺動相手材41に当接され固着状態と摺動状態の基本動作の機械基準となる。摺動相手材41は図1と同様、白板ガラス、青板ガラスもしくはサファイア板で構成した。厚さは0.3から1ｍｍを使用した。
摺動材40の２個と上記のローラによって３点支持を形成し、摺動材40と固定部材の摺動相手材41の当接を安定化させている。固定部材のベース部42は前記のローラ当接部分35と固定されている（図２（ｃ）参照）。この固定部材のベース部42は非磁性材でもかまわない。
基本的な動作は、図１と同じように、図9の電圧駆動を電流駆動に置き換えて、固着・摺動の動作と同様である。移動ユニット200の上プレートの平行板ばね中継の電磁駆動による動作による。
【実施例３】
【００２８】
実施例3を図3に示す。図１の可動部材ユニット100を点対称に二個以上配置した回転駆動系に構成したものを図3に示す。固定部材４１は、同じく、サファイア板、白板ガラス、青板ガラスと磁性材料で構成され、円形としている。図示していないがベース磁性体にはドーナツ・レールとドーナツ型の摺動相手部もしくは長方形をなすサファイア基板を複数位置して構成してもよい。部分的な摺動相手材を貼り付けて配している。回転軸45をもうけ、駆動ユニット100の上プレートをつないだ回転移動体46を粗シークのときの摺動駆動によるステップ送り、もしくは固着状態での微小な回転位置制御をおこなうこともできる。
【実施例４】
【００２９】
図4は駆動装置ユニット100を直交三軸に積み上げて構成したものを示す。Ｙ軸駆動ユニット101の上プレートを磁性体で大きく形成し、その上に、Ｘ軸駆動ユニット102、Ｚ軸直線駆動ユニット103を積み上げている。このためＹ、Ｘ、Ｚの順に駆動重量が大きくなる。そこで、下積みとなるＹ軸駆動ユニット101の駆動感度を改善するため、大型のコイル、磁石と移動体としている。このような背景から、上プレートと下プレートを中継する平行ばね支持体も、図中、2つ以上の弾性体を配して構成している、図中では4本の板ばね弾性体によって支持されたものを示す。この弾性体は、10-8パスカル以下の超高真空、絶対零度まで駆動するとき、ばね用ステンレス板もしくはベリリウム銅板が用いられる。
【実施例５】
【００３０】
図5は前記の積み上げ式の直線三軸駆動を行う際の重力方向であるＺ軸駆動を改善するものを示す。図5（ａ）は平面図を示し、図5（ｂ）は側面図を示す。回転軸50をもうけ、駆動ユニット100にプレート材51をもうけ、一端に駆動ユニット100と他端に探針ホルダ30、探針31をもうけている。両者の重量バランスをとって、中心軸５０をもうけている。可動部材ユニット100と当接する固定部材は磁性板金を折り曲げて側面図（ｂ）上、Ｌ型板状磁性体52に固定部材の摺動相手材53を配置している。この摺動相手材も前記と同じように、白板ガラス、青板ガラスもしくはサファイア板が磁性板金に貼り付けられている。これによって、図4に示す、直交三軸駆動装置のＺ軸駆動装置の重力による上下の駆動感度差を解消できた。前記の回転軸基準は、可動部材ユニット100と固定部材53の当接部分が機械的な基準となるため、プレート材51に直径0.5ｍｍの穴をもうけ、研磨したプラチナイリジウム針を貫通させた構成としている。これによって回転摺動抵抗を極力低減している。超高真空、極低温での使用を画策しており、潤滑剤はまったく使用していない。回転軸に小型・ボールベアリングを使う場合は、すべてのボールをはずして溶剤で超音波洗浄した後、再組み立てして用いる必要がある。
【実施例６】
【００３１】
図6は別の駆動方式のＸ、Ｙ、Ｚ三軸駆動装置の写真を示す。可動部材ユニット100を3個配置して、図中に示すＹ軸は直線駆動、Ｘ軸は回転駆動、重力方向Ｚ軸は、図５に示すプレート材51の回転による駆動によって構成している。直角曲げした側面がＬ型の磁性体板60にＺ軸駆動の駆動ユニットをもうけ、軸受け61に天秤となるプレート材62をつけ、一方にＺ軸可動部材ユニット100、他端に探針ホルダ30と探針31をもうけて重量バランスをとっている。
【００３２】
Ｌ型の磁性体60の下部には、駆動方向が直進するＹ軸駆動ユニットとＸ軸駆動ユニットが駆動方向について直交する配置となっている。Ｘ軸駆動は、Ｙ軸駆動が固着した状態でおこない、円弧運動をする。以上の構成によって、Ｘ軸とＺ軸は円弧運動、Ｙ軸は直進運動によって３軸駆動装置を構成している。
【００３３】
図7は、固定部材と可動部材が固着した状態における、従来の剪断ピエゾ素子を用いた駆動装置のヒステリシス70（破線）、と比較して本願の電磁式駆動装置のヒステリシス71（実線）を示す。横軸は、剪断ピエゾの場合が、電圧、本願の駆動ユニットの場合は電流である。剪断ピエゾの駆動範囲が10μｍ（+/-5μｍ）に対して、本願の平行板ばねを用いたものが54μｍ（＋／-27μｍ）と駆動範囲が広いことを示す。さらにストロークに対してのヒステリシスが剪断ピエゾ48％に対して本願の駆動装置が3％と小さく、原子間力顕微鏡もしくはトンネル顕微鏡として用いるとき、制御性が良いことがわかる。トンネル顕微鏡は測定対象平面に対して0.01ｎｍの分解能を有するため、ピエゾのヒステリシス補償をおこなうと測定時間を要するか、後の演算に時間がかかり、測定精度、測定速度が減退する以上にデメリットが多い。さらに物性物理の測定分野での液体ヘリウム温度4.2Ｋ以下で可動しないのは致命的な欠陥となる。
図７に示すヒステリシス数値は動作電圧、電流零の変位の差に対して最大ストロークの変位の比として計算している。
本願の電磁駆動の場合、平行板ばねの設計、永久磁石とコイルを用いた電磁駆動の設計自由度があるため、ストロークの調整、駆動感度の設定が容易である。
【００３４】
図8は、本願の可動部材ユニット100の固着状態における駆動周波数対振幅の伝達特性を示す。横軸に対数周波数を示し、縦軸に振幅をデシベル（ｄＢ）表示している。この共振周波数：ｆ0は、可動部材ユニット100の上プレート20、永久磁石26,26と上プレートにとりつけられた部材の加算質量：ｍ  と平行板ばね定数：ｋによって式3で求まる。
共振周波数  ｆ0＝１／2π＊√（ｋ/ｍ）              式3
高速な慣性ステップ送りを行う際は、共振周波数以下の点80か、共振周波数以上の点８１近傍の周波数で、鋸歯状波電流によって駆動する。鋸歯状波電流は零ピークの電流駆動波形でもいいし、鋸歯状波の最大点と最小点の中間点が接地点となる+/-駆動電流でもよい。
高速送りする際は、共振周波数以下の周波数で、鋸歯状波電流駆動が有効である。精密な粗シークの場合は、位相が180度変化し、一鋸歯状波によるステップ距離は小さくなるが、細かいステップによる精度の良い送りができる。
積層型ピエゾ素子の場合は０Ｖ-200Ｖ駆動し、鋸歯状波の立ち下げの急激なスルーレート（立ち下げ特性）、200Ｖ／1μ秒以下が要求されるが、電流駆動の場合は立ち下げ特性は1ｍ秒でも十分に駆動できるメリットもあり、回路構成も容易に実現できる利点がある。
図9に電流駆動波形と固着・摺動運動変位を示す。
【００３５】
図４に示すｘｙｚ駆動装置において、Ｙ軸方向には0.01ｎｍの分解能で作動する走査型プローブ顕微鏡解析には、測定表面との距離を１ｎｍ以下にアプローチさせ、トンネル電流を検出して測定する。分解能に優れるトンネル顕微鏡として用いた場合、トンネル電流検出によってフィードバック制御をかけることができ、0.01ｎｍの制御が可能となる。摂動による分光測定では、サブナノメータのオーダでウォブリングさせ、サンプリング測定するモードもあり、このときの周波数設定は、この共振周波数を避けて設定する必要がある。
【００３６】
上記の電磁駆動式、慣性型駆動装置を用いることによって、従来の剪断型ピエゾ素子を用いて構成していた駆動装置にくらべ、格段に安価で、絶対零度から使用する永久磁石のキューリ温度以下まで使用できる。
【００３７】
ちなみに、エネルギ積の大きい永久磁石として、ネオジ鉄磁石のキューリ点温度：623°Ｋ、サマリウムコバルト磁石のキューリ点温度：896°Ｋであるが、実際、走査型プローブ顕微鏡として用いるとなると、キューリ点以下、ネオジ鉄磁石の場合150℃、（423°Ｋ）もしくはサマリウムコバルト磁石だと３５０℃（623°Ｋ）だと安定した駆動感度が得られる。しかし、部材の接着、接合まで考慮して設計する必要がある。特殊な材料の分析には400°Ｋまで測定できるものを実現できるが、コイル材質、接着関係に細心の注意が必要である。
【００３８】
以上、固着・摺動型駆動を電磁型で構成することによって、絶対零度から４００°Ｋまでの広範囲の駆動感度をほぼ一定にすることができるため、室温300°Ｋで駆動感度の校正曲線をとっておくと、そのまま絶対零度での駆動特性を把握することができ、定量的で正確な測定が可能となる。さらには、ヒステリシス特性がピエゾ素子と比べ格段に改善できるので測定の線形性と信頼性を確保できる。
【００３９】
重力方向の駆動感度差解消も図５に示すように天稟型とすることによって課題解消ができ、固着時の動作範囲を大きくとることができ、しかも線形性が改善されたことから走査型プローブ顕微鏡でのＸＹ描画、ＺＸ描画が容易となる。よって、本願の課題がすべて解消できた。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
半導体検査装置内、走査型顕微鏡内部の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）としての走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等では、探針の先端を試料に非接触で表面を原子オーダで測定するための駆動装置として開発した。粗シークのステップ送りと固着状態においての0.01ｎｍオーダでの制御が可能となり走査型プローブ顕微鏡としてまた、2個の三次元駆動装置からなる2端子もしくは４個の三次元駆動装置からなる4端子構成（３端子を含む）として測定面に探針を接触させて半導体、有機ＬＥＤ、液晶、ＬＥＤアレイ他の表面特性の電気パラメータ/測定、検査を絶対零度の環境下でも迅速に行うことができる。
【符号の説明】
【００４１】
20    上プレート
21    平行板ばね
23    下プレート
24    扁平薄型コイル
25    摺動材
26    永久磁石
27    摺動相手材
28    ベース磁性体
29    レール部
30    探針ホルダ
31    探針
100    駆動ユニット
101    Ｙ軸駆動ユニット
102    Ｘ軸駆動ユニット
103    Ｚ軸駆動ユニット
【要約】
【課題】従来の圧電素子を用いた慣性駆動型の駆動装置では絶対零度になると駆動感度が１/7以下に低減し、しかもヒステリシスが大きく、原子分解能に該当するサブナノメートルオーダの動作と慣性駆動によるステップ駆動による移動の両者の機能をもつ駆動装置の正確な駆動が困難だったものを改善する駆動装置を提供する。
【解決手段】本発明によると、基本的には電磁型慣性移動型の駆動装置によって、固着時はサブナノメータの分解能でヒステリシスを低減した状態で駆動し、摺動状態、固着状態を繰り返す場合は目標位置への粗動アプローチとなる駆動ユニットとし、複数の駆動ユニットを直交３軸方向に配置し、３軸型駆動装置、もしくは回転駆動装置を構成する。
【選択図】  図1【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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