(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
面に沿って移動する移動機構であって、
基部と、
この基部の一端側に、前記基部に対して回動可能に連結された、前記面と接する中央脚部と、
一端側が前記基部の他端側に、前記基部に対して回動可能に連結された、伸縮機能を有する第１の駆動部と、
この第１の駆動部との間に前記基部が存在するよう、一端側が前記基部の他端側に、前記基部に対して回動可能に連結された、伸縮機能を有する第２の駆動部と、
前記第１の駆動部の他端側に、前記第１の駆動部に対して回動可能に連結された、前記面と接する左側脚部と、
前記第２の駆動部の他端側に、前記第２の駆動部に対して回動可能に連結された、前記面と接する右側脚部と
を具備し、
少なくとも、前記左側脚部と前記面との間の摩擦力と、前記右側脚部と前記面との間の摩擦力とが調節可能に構成されてなることを特徴とする移動機構。
【請求項２】
面に沿って移動する移動機構であって、
基部と、
この基部の一端側に、前記基部に対して回動可能に連結された、前記面と接する第１の脚部と、
前記基部の他端側に、前記基部に対して回動可能に連結された、前記面と接する第２の脚部と、
一端側が前記第２の脚部に対して回動可能に連結された、伸縮機能を有する第１の駆動部と、
この第１の駆動部との間に前記基部が存在するよう、一端側が前記第２の脚部に対して回動可能に連結された、伸縮機能を有する第２の駆動部と、
前記第１の駆動部の他端側に、前記第１の駆動部に対して回動可能に連結された、前記面と接する第３の脚部と、
前記第２の駆動部の他端側に、前記第２の駆動部に対して回動可能に連結された、前記面と接する第４の脚部と
を具備し、
少なくとも、前記第３の脚部と前記面との間の摩擦力と、前記第４の脚部と前記面との間の摩擦力とが調節可能に構成されてなることを特徴とする移動機構。
【請求項３】
第１の駆動部および第２の駆動部が圧電素子から構成されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の移動機構。
【請求項４】
摩擦力の調節は、左側脚部（あるいは第３の脚部）の、面に対する吸着力、および右側脚部（あるいは第４の脚部）の、前記面に対する吸着力を増減することでなされるよう構成されてなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の移動機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、原子間力顕微鏡や走査型トンネル顕微鏡に代表される走査型プローブ顕微鏡において用いられる移動機構に関するものである。更に詳しくは、同顕微鏡において、測定対象である試料とプローブとを相対変位させるのに用いられる移動機構に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
各種の精密測定に広く用いられている原子間力顕微鏡は、一般に図８に示すような構造を有している。
【０００３】
すなわち同図から判るように原子間力顕微鏡は、主要構成要素として、円筒状の圧電素子３１の上端面に接合された、試料（測定対象）Ｍが載置されるステージ３２と、このステージ３２の上方に、カンチレバー３３を介して設けられたプローブ３４とを具備する。そして、上記圧電素子３１に電圧を印加することでステージ３２を、したがって試料Ｍを三次元的に変位させることができるようになっている。ところで試料Ｍを変位させた際、上記カンチレバー３３には、試料Ｍとプローブ３４との間に働く原子間力によって撓みが生じる。原子間力顕微鏡は、このカンチレバー３３の撓みを検出することにより試料Ｍの形状を測定するよう構成されている。
【０００４】
しかし、上記構造のものでは測定可能な範囲が著しく制限される。すなわち測定可能な範囲は、ステージ３２（試料Ｍ）の移動機構である圧電素子３１の変位量に依存するが、この変位量は最大でも２００μｍ程度である。したがって測定可能な範囲も２００μｍ前後に制限され、それ以上の範囲を測定することはできない。
【０００５】
そこで、図９に示すような顕微鏡が提案された。
【０００６】
この提案に係るものも顕微鏡自体の原理は前者と同じであるが、移動機構の構造が異なり、この結果、ステージの変位量が格段に大きくなっている。具体的に言うと、図９の顕微鏡では、試料Ｍが載置されるステージ４１を、圧電素子（移動機構の微動部）４２だけでなく、ボールねじ機構（移動機構の粗動部）４４をも用いて変位させるよう構成している。
【０００７】
更に詳しくは、ステージ４１が載置される圧電素子４２は、ベース４３を介してボールねじ機構４４の可動ナット４４ａに取り付けられており、この可動ナット４４ａを変位（直線動）させることで、広い範囲を測定できるようにしている。
【０００８】
ところで、図９にはボールねじ機構を一つしか示していないが、実際には、互いに直交するＸ方向およびＹ方向にステージ４１を移動可能とするため、ボールねじ機構が最低二つは必要となる。つまり、広大なスペースを占有するボールねじ機構を、それらが上下に積重された格好で配置しなければならない。それゆえ大型化が避けられない。また、ボールねじ機構を用いた場合には、応答性の低下といった問題も生じる。
【０００９】
なお参考までに言うと、物体（上記試料Ｍに相当）を移動させる技術としては、インチワーム方式と呼ばれる機構も提案されている（例えば米国特許第３９０２０８４号）。
【００１０】
この機構は、物体を把持するために対向配置された複数のクランプ用素子と、このクランプ用素子を変位させる複数の送り素子とから構成される。だが、言うまでもなく非常に多くの素子を必要とするので、構造および制御が極めて複雑になるといった欠点がある。
【００１１】
したがって本発明が解決しようとする課題は、構造が簡単であり、かつ、コンパクトで、制御も容易であり、その上、可動範囲を制限されない移動機構を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この課題は、
面に沿って移動する移動機構であって、
基部と、
この基部の一端側に、前記基部に対して回動可能に連結された、前記面と接する中央脚部と、
一端側が前記基部の他端側に、前記基部に対して回動可能に連結された、伸縮機能を有する第１の駆動部と、
この第１の駆動部との間に前記基部が存在するよう、一端側が前記基部の他端側に、前記基部に対して回動可能に連結された、伸縮機能を有する第２の駆動部と、
前記第１の駆動部の他端側に、前記第１の駆動部に対して回動可能に連結された、前記面と接する左側脚部と、
前記第２の駆動部の他端側に、前記第２の駆動部に対して回動可能に連結された、前記面と接する右側脚部と
を具備し、
少なくとも、前記左側脚部と前記面との間の摩擦力と、前記右側脚部と前記面との間の摩擦力とが調節可能に構成されてなることを特徴とする移動機構によって解決される。
【００１３】
特に上記の課題は、
面に沿って移動する移動機構であって、
基部と、
この基部の一端側に、前記基部に対して回動可能に連結された、前記面と接する第１の脚部と、
前記基部の他端側に、前記基部に対して回動可能に連結された、前記面と接する第２の脚部と、
一端側が前記第２の脚部に対して回動可能に連結された、伸縮機能を有する第１の駆動部と、
この第１の駆動部との間に前記基部が存在するよう、一端側が前記第２の脚部に対して回動可能に連結された、伸縮機能を有する第２の駆動部と、
前記第１の駆動部の他端側に、前記第１の駆動部に対して回動可能に連結された、前記面と接する第３の脚部と、
前記第２の駆動部の他端側に、前記第２の駆動部に対して回動可能に連結された、前記面と接する第４の脚部と
を具備し、
少なくとも、前記第３の脚部と前記面との間の摩擦力と、前記第４の脚部と前記面との間の摩擦力とが調節可能に構成されてなることを特徴とする移動機構によって解決される。
【００１４】
なお、上記移動機構における第１の駆動部および第２の駆動部は、特に圧電素子から構成することができる。但し、これ以外に磁歪素子を採用してもよく、あるいは駆動力として、加熱・冷却による材料の自然な伸張力・収縮力を利用することもできる。
【００１５】
また本発明の移動機構は、上記摩擦力の調節が、左側脚部（あるいは第３の脚部）の、面（本発明の移動機構が移動する面）に対する吸着力、および右側脚部（あるいは第４の脚部）の、上記面に対する吸着力を増減することでなされるよう構成できる。ちなみに吸着力として具体的には、電磁吸着力や静電吸着力などが挙げられる。更に言えば、摩擦力を増大させる場合には、衝撃による押付け力（摩擦力を低減させる場合には衝撃による浮上力）を利用することもできる。
【００１６】
さて本発明の移動機構によれば、以下に詳述するようにして、上記の課題が解決されるのであるが、ここで先ず本発明の移動機構に採用されている動作原理について、図１を用いて簡単に説明する。
【００１７】
図１に示す機構は、二つの脚部１，２と、この脚部１，２に挟まれた状態で配置された一つの駆動部（圧電素子）３とから構成される。特に脚部１，２には、それが載置される面（移動面）に対する吸着機能を持たせてある。但し脚部１の吸着力は一定である。他方、脚部２の吸着力は可変である。すなわち脚部２の吸着力（摩擦力）は、脚部１の吸着力（摩擦力）よりも大きくなるよう（この状態をオンと言う）、あるいは小さくなるよう（この状態をオフと言う）調節可能に構成されている。
【００１８】
本機構を、図１中、右向きに移動させるには以下の動作を行わせればよい。先ずは駆動部３を縮めておき、脚部２の吸着力をオフにする〔図１（ａ）参照〕。次に、この状態のままで駆動部３を伸長させる。すると、脚部２は右方向に押しやられる〔図１（ｂ）参照〕。これに続いては、脚部２の吸着力をオンにする〔図１（ｃ）参照〕。最後に駆動部３を縮めると、脚部１は右側に引き寄せられる〔図１（ｄ）参照〕。これが一つのサイクルであり、これによる変位量は、図１中、δで示すとおりである。以降は、このサイクルを繰り返し実施すればよく、また、左側に移動させる場合には逆動作をさせればよく、本機構は、これによって所望の位置まで移動できる。
【００１９】
さて本発明の移動機構は、上記原理により動作可能に構成された二つの機構要素同士を、必要に応じてステージなどになる基部を間に挟んで連結した格好となっている。したがって、同機構要素を構成する駆動部個々の動作（伸縮）や脚部個々の面に対する摩擦力を相互に連携して制御すれば、本発明の移動機構は、面上を所望の方向に自由に移動あるいは旋回することが可能となる（詳しくは発明の実施の形態を参照のこと）。
【００２０】
ところで、このように構成された本発明の移動機構は、ボールねじ機構を採用した場合のごとく大きなスペースを占有しない。すなわち極めてコンパクトなものである。また本移動機構は、その一部が面に固定されているわけではないから、上述したごとく面に沿って自由に移動することができる。言い換えれば、本発明の移動機構は、その可動範囲を何ら制限されない。更に本発明の移動機構は、構成要素（特に駆動部）の数が、インチワーム方式のものに比べて格段に少ない。よって構造が簡単であり、また、これに伴い制御が容易に行える。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図２〜図６を用い、本発明の一実施形態について具体的に説明する。なお、図２は本実施形態に係る移動機構の平面図、図３は同移動機構の側面図、図４（ａ）〜（ｄ）は本実施形態に係る移動機構がＸ軸方向に移動する際の手順を示す平面図、図５（ａ）〜（ｄ）は本実施形態に係る移動機構がＹ軸方向に移動する際の手順を示す平面図、図６（ａ）〜（ｄ）は本実施形態に係る移動機構が旋回する際の手順を示す平面図である。
【００２２】
本発明の実施形態に係る移動機構（以下、本移動機構と言う）は、面、特に平面（ここでは、この面を着磁性材料から構成した）に沿って移動するよう構成されたものである。より具体的には、走査型プローブ顕微鏡において、測定対象である試料とプローブとを相対変位させるのに用いられるものである。なお、本移動機構によって運搬されるのは、試料・プローブのどちらでもよい。
【００２３】
さて本移動機構は、図２や図３から判るように、主要構成要素として、基部１１、第１の脚部（中央脚部）１２、第２の脚部１３、第１の駆動部１４、第２の駆動部１５、第３の脚部（左側脚部）１６、そして第４の脚部（右側脚部）１７を具備する。但し、第３の脚部１６および第４の脚部１７の別称である左側脚部および右側脚部について、この「左側」および「右側」という区別は便宜上のものである。したがって左右が逆になっていてもよい。
【００２４】
上記構成要素のうち基部１１は、試料あるいはプローブなどが載置されるステージとしての役割を果たす。
【００２５】
また第１の脚部１２は、基部１１の一端側に、同基部１１に対して回動（自身の中心軸線回りに回動）可能に連結されている。そして言うまでもなく、本移動機構が移動する面と接し、他の脚部と共同で上記基部１１を支持する。
【００２６】
一方、第２の脚部１３は、上記基部１１の他端側に、同基部１１に対して回動（自身の中心軸線回りに回動）可能に連結されており、第１の脚部１２と同様、上記面と接し、基部１１を支持する。なお、この第２の脚部１３については、できるだけ摩擦力を小さくするため、上記面と接触する下端部を半球状とし、かつ、その表面をテフロンなどで被覆してある。
【００２７】
更に言えば、本実施形態では、この第２の脚部１３を移動機構全体の安定性を高めるために設けている。したがって、他の方法で十分にバランスをとれるのであれば、第２の脚部１３を省くこともできる（あるいは上記面に接しないような長さとすることができる）。
【００２８】
例えば、基部１１を第１の脚部１２を超えて更に延在させれば、移動機構の重心がちょうど第１の脚部１２の上に存在するようになる。よって、この場合には上記第２の脚部１３が不要となる。但し第２の脚部１３を省略する場合、第１の駆動部１４および第２の駆動部１５は、直接、もしくは基部１１とは別体の軸を介して間接的に、基部１１に対して回動可能に連結されることになる。
【００２９】
第１の駆動部１４は、その一端側が上記第２の脚部１３に対して回動（第２の脚部１３の中心軸線回りに回動）可能に連結されている。本実施形態では、この第１の駆動部１４を圧電素子から構成しており、したがって第１の駆動部１４はその長手方向に沿った伸縮機能を有している。
【００３０】
これに対して第２の駆動部１５は、第１の駆動部１４との間に上記基部１１が存在するよう、その一端側が上記第２の脚部１３に対して回動（第２の脚部１３の中心軸線回りに回動）可能に連結されている。この第２の駆動部１５についても圧電素子から構成されており、したがって、その長手方向に沿った伸縮機能を有する。なお本実施形態では、上記第１の駆動部１４および第２の駆動部１５の伸縮量測定に、誘導電荷を検出する方法を用いている。但し、図２〜図６では、第１の駆動部１４や第２の駆動部１５に電圧を印加するためのリード線や端子などは示していない。
【００３１】
次に、上記構成要素と共に本移動機構を形成する第３の脚部１６は、第１の駆動部１４の他端側に、この第１の駆動部１４に対して回動（自身の中心軸線回りに回動）可能に連結されている。そして上記面と接し、基部１１を支持する。
【００３２】
一方、第４の脚部１７は、上記第２の駆動部１５の他端側に、この第２の駆動部１５に対して回動（自身の中心軸線回りに回動）可能に連結されている。またこの第４の脚部１７も、言うまでもなく上記面と接し、基部１１を他の脚部と共同で支持する役割を果たす。
【００３３】
更に本移動機構においては、第３の脚部１６と上記面との間の摩擦力、および第４の脚部１７と上記面との間の摩擦力が調節可能となっている。特に本実施形態では、この摩擦力の調節が、第３の脚部１６の上記面に対する吸着力（例えば電磁吸着力）および第４の脚部１７の上記面に対する吸着力（例えば電磁吸着力）を増減することでなされるよう構成している。つまり本実施形態では、第３の脚部１６および第４の脚部１７を電磁石から構成している。但し、図２〜図６ではこの第３の脚部１６や第４の脚部１７に給電するためのリード線や端子などは示していない。
【００３４】
なお、先に説明した第１の脚部１２についても、上記面に対する吸着力を有している。但し、この第１の脚部１２の吸着力（摩擦力）は調節可能ではなく、常時一定である。更に詳しくは、この第１の脚部１２の底面部分は、永久磁石（あるいは一定電流で励磁される電磁石）などから構成されている。説明が前後するが、上記第３の脚部１６の吸着力（摩擦力）は、この第１の脚部１２の吸着力（摩擦力）よりも大きくなるよう（この状態をオンと言う）、あるいは小さくなるよう（この状態をオフと言う）調節可能に構成されている。また、これと同様に、第４の脚部１７の吸着力（摩擦力）も、上記第１の脚部１２の吸着力（摩擦力）よりも大きくなるよう（この状態をオンと言う）、あるいは小さくなるよう（この状態をオフと言う）調節可能に構成されている。ちなみに、第１の脚部１２、第３の脚部１６、そして第４の脚部１７は一直線上に存在するよう配置されている。
【００３５】
続いて、図４〜図６を用い、本移動機構の機能（動作原理）について説明する。
【００３６】
まず、本移動機構をＸ軸方向に移動させる場合であるが、この際には、まず第３の脚部１６および第４の脚部１７の吸着力をオンにする〔図４（ａ）参照〕。次に、この状態のままで第１の駆動部１４を伸ばし、第２の駆動部１５を縮める。すると基部１１は、矢印で示すようにＸ軸方向に押しやられる〔図４（ｂ）参照〕。続いて、第３の脚部１６の吸着力および第４の脚部１７の吸着力をオフにする〔図４（ｃ）参照〕。そして最後に、第１の駆動部１４を縮め、第２の駆動部１５を伸ばす。ところが、このとき、基部１１は第１の脚部１２によって面上に固定されているので、上記駆動部１４，１５の挙動に関係なく不動である。この結果、本移動機構の状態は、移動前のそれに戻る〔図４（ｄ）参照〕。
【００３７】
これが一つのサイクルであり、それによる変位量は、図４中、δ１で示すとおりである。以降は、このサイクルを繰り返し実施すればよく、本移動機構は、これによって所望の位置までＸ軸方向に移動できる。
【００３８】
次に、本移動機構をＹ軸方向に移動させる場合であるが、この際には、まず第３の脚部１６および第４の脚部１７の吸着力をオンにする〔図５（ａ）参照〕。次に、この状態のままで第１の駆動部１４および第２の駆動部１５を共に同量だけ伸ばす。すると基部１１は、矢印で示すようにＹ軸方向に押しやられる〔図５（ｂ）参照〕。続いて、第３の脚部１６の吸着力および第４の脚部１７の吸着力をオフにする〔図４（ｃ）参照〕。そして最後に、第１の駆動部１４および第２の駆動部１５を縮める。しかし、このとき、基部１１は第１の脚部１２によって面上に固定されているので、上記駆動部１４，１５の挙動に関係なく不動である。この結果、本移動機構の状態は、移動前のそれに戻る〔図５（ｄ）参照〕。
【００３９】
これが一つのサイクルであり、それによる変位量は、図５中、δ２で示すとおりである。以降は、このサイクルを繰り返し実施すればよく、本移動機構は、これによって所望の位置までＹ軸方向に移動できる。
【００４０】
最後に、本移動機構を旋回させる場合であるが、この際には、まず第３の脚部１６の吸着力のみをオンにする〔図６（ａ）参照〕。次に、この状態のままで第１の駆動部１４のみを伸ばす。すると基部１１は、矢印で示すように第１の脚部１２を中心として回動する〔図６（ｂ）参照〕。続いて、第３の脚部１６の吸着力をオフにし、その一方で第４の脚部１７の吸着力をオンにする〔図６（ｃ）参照〕。そして最後に第１の駆動部１４を縮める。しかし、このとき、基部１１は第１の脚部１２および第４の脚部１７によって面上に固定されているので、第１の駆動部１４の挙動に関係なく不動である。この結果、本移動機構の状態は、移動前のそれに戻る〔図６（ｄ）参照〕。
【００４１】
これが一つのサイクルであり、それによる変位量（回転量）は、図６中、δ３で示すとおりである。以降は、このサイクルを繰り返し実施すればよく、本移動機構は、これによって所望の角度だけ旋回できる。
【００４２】
実際には、上述したX軸方向への移動、Y軸方向への移動、そして旋回が組み合わされて動作させられ、その結果、本移動機構は、面上を自由自在に移動することが可能となる。
【００４３】
なお本実施形態では、第１の駆動部１４や第２の駆動部１５を動作させる電力として矩形波を用いたが、これに替えて、変形台形波、放物線状波、正弦波、サイクロイド波などを用いることができる。
【００４４】
ちなみに本移動機構を極めて微小量だけ変位させる場合には、第３の脚部１６および第４の脚部１７で、移動する面を強固に吸着しておき、この状態で第１の駆動部１４および第２の駆動部１５を伸縮させればよい。変位センサ（図示せず）で第１の駆動部１４および第２の駆動部１５の伸縮量を測定しながら、連続的にその変位を制御すれば、極めて微小な変位量を高い精度で得ることができる。ここで参考までに言うと、変位の検出方法としては、渦電流方式、静電容量方式、光ファイバー方式、ひずみゲージ方式、更には圧電素子からなる第１の駆動部１４および第２の駆動部１５の外壁に発生する誘導電荷を利用して変位を測定する方式などが挙げられる。
【００４５】
さて上述したように、本移動機構は、駆動部１４，１５それぞれの動作（伸縮）や脚部１６，１７それぞれの、上記面に対する摩擦力を連携して制御することで、同面上を所望の方向に自由自在に移動あるいは旋回することが可能である。その一方で、このように構成された本移動機構は、ボールねじ機構を使用した場合のごとく大きなスペースを占有せず、極めてコンパクトである。また本移動機構は、その一部が移動する面に固定されているわけではないから、上述したごとく自由に面に沿って移動することができる。言い換えれば、本移動機構は、その可動範囲を何ら制限されない。更に本移動機構は、構成要素（特に駆動部）の数が、インチワーム方式のものに比べて格段に少ない。よって構造が簡単であり、また、これに伴い制御が容易に行える。
【００４６】
ここで、本実施形態に係る移動機構を、原子間力顕微鏡に利用した例を図７に示す。
【００４７】
同図中、Ａで示すのが本移動機構であり、その上には試料Ｍが載置される。また同じく図７中、２１はプローブであり、このプローブ２１はカンチレバー２２の先端に固定されている。更にカンチレバー２２の先端の直上には半導体レーザー照射装置２３が存在し、カンチレバー２２の先端（プローブ２１の背面）で反射した、この半導体レーザー照射装置２３からのレーザー光を、受光装置（四分割フォトダイオード）２４にて受けるよう構成している。
【００４８】
本顕微鏡は、これによってプローブ２１の位置を検出し、以って試料Ｍの形状を測定するようになっている。そして、この測定の間、移動機構Ａは必要に応じて面Fの上を移動（あるいは旋回）することになる。
【００４９】
なお、ここでは本発明の移動機構を、試料（測定対象物）を搬送するのに用いた場合を例に挙げて説明したが、むろん本発明に係る移動機構の用途は、これに限定されるわけではない。例えば、通常、カンチレバーによって支持されるプローブを、本移動機構を用いて変位させるようにしてもよい。つまり本発明の移動機構は、プローブの支持や変位（搬送）に使用することもできる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、構造が簡単であり、かつ、コンパクトで、制御も容易であり、その上、可動範囲を制限されない移動機構が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は本発明の移動機構に採用されてなる動作原理の概略説明図
【図２】本発明の実施形態に係る移動機構の平面図
【図３】本発明の実施形態に係る移動機構の側面図
【図４】（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施形態に係る移動機構がＸ軸方向に移動する際の手順を示す平面図
【図５】（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施形態に係る移動機構がＹ軸方向に移動する際の手順を示す平面図
【図６】（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施形態に係る移動機構が旋回する際の手順を示す平面図
【図７】本発明の実施形態に係る移動機構が利用された原子間力顕微鏡の概略図
【図８】従来型の原子間力顕微鏡の要部概略図
【図９】他の従来型原子間力顕微鏡の要部概略図
【符号の説明】
１１        基部
１２        第１の脚部（中央脚部）
１３        第２の脚部
１４        第１の駆動部
１５        第２の駆動部
１６        第３の脚部（左側脚部）
１７        第４の脚部（右側脚部）
【図１】
0004162351.tif 000002
【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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