(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定台と、この固定台に対してそれぞれが複数弾性体からなる複数の第１の弾性部材を介して連結した副テーブルと、この副テーブルに対してそれぞれが複数弾性体からなる複数の第２の弾性部材を介して連結した主テーブルと、この主テーブルに対し垂直方向に変位可能な垂直変位素子を介して連結したテーブルと、前記固定台に一端が固定されると共に他端が前記主テーブルに接触し、この主テーブル及び前記垂直変位素子を介して連結した前記テーブルを、２次元平面の各方向に移動させる複数の変位素子と、を具備することを特徴とするテーブル機構。
【請求項２】
中央に開口を有する固定台と、この固定台の周辺部から立設した複合構造の第１の弾性部材を介して前記固定台上方で連結した中央に開口を有する副テーブルと、この副テーブルの周辺部から垂下した複合構造の第２の弾性部材を介して前記固定台の開口部分で連結した主テーブルと、この主テーブルから立設した垂直方向に変位可能な垂直変位素子を介して前記副テーブルの開口部分で連結したテーブルと、前記固定台に一端が固定されるとともに他端が前記開口部分に存在する主テーブルに接触し、この主テーブル及び前記垂直変位素子を介して連結した副テーブルの開口部分に存在する前記テーブルを、２次元平面の各方向に移動させる複数の変位素子と、を具備することを特徴とするテーブル機構。
【請求項３】
前記第１及び第２の弾性部材は、各々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または２のいずれか一つに記載のテーブル機構。
【請求項４】
前記第１の弾性部材と第２の弾性部材は並列配置された複数の棒状ばね部材であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載のテーブル機構。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一つに記載のテーブル機構を用いたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれか一つに記載のテーブル機構を用いたことを特徴とする走査型レーザ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、テーブル機構に関し、より詳しくは、例えば、走査型プローブ顕微鏡や走査型レーザ顕微鏡等に適用されるテーブル機構に関する。また、このテーブル機構を用いる走査型プローブ顕微鏡や走査型レーザ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、走査型プローブ顕微鏡や走査型レーザ顕微鏡等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、ホルダーを介して載置されたプローブ等を走査する機能（換言すれば変位させる機能）を備えている。
【０００３】
このようなテーブル機構において、三次元的な走査機能を実現する手段としては、例えば円筒型に構成した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等が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
円筒型の圧電アクチュエータでは、その変位発生は円筒形状の圧電体の湾曲と伸縮に依存するため、ｘ方向，ｙ方向（湾曲する方向）の変位に対してはｚ方向（伸縮する方向）の変位が伴い、純粋なｘ方向，ｙ方向の変位を生じさせることは困難である。ｘ方向，ｙ方向の位を大きく取ろうとする程この傾向は更に顕著となる。
【０００５】
一方、上述したトライポッドの場合には、３個の積層型圧電アクチュエータをｘ，ｙ，ｚ方向に互いに直交させて連結しているので、いずれか１個の積層型圧電アクチュエータを伸縮させた際に、他の２個の各積層型圧電アクチュエータが各々前記１個の積層型圧電アクチュエータの伸縮の動きに干渉してしまい、各々の積層型圧電アクチュエータの変位にはやはり他の積層型圧電アクチュエータの変位成分が伴ってしまうことになる。
【０００６】
このように、円筒型圧電アクチュエータやトライポッドでは、特定の一方向の正確な変位を簡単に得ることができない。特定の一方向の変位を正確に得るためには、各圧電アクチュエータの制御系において、その方向に関する制御に加え、他の方向に発生するずれを補償する制御が必要となり、圧電アクチュエータの制御の面でかなりの困難性が生じる。
【０００７】
ここで、これらの問題を解決するためのテーブル機構として、例えば図６に示したテーブル機構がある。このテーブル機構は、固定台５１と、この固定台５１に対して単一構成の第１の棒状ばね部材５２を介して連結した副テーブル５３と、この副テーブル５３に対して単一構成の第２の弾性部材５４を介して連結した主テーブル５５と、前記固定台５１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５５に接触し、この主テーブル５５を２次元平面の各方向に移動させる複数の圧電アクチュエータ５６と、主テーブル５５を垂直方向に移動させる圧電アクチュエータ５７とを具備するものである。
【０００８】
しかし、この図６に示すテーブル機構の場合、主テーブル５５において水平方向の２次元で大きな変位を得ようとした場合、第１の棒状ばね部材５２は単一構成の棒状ばねからなるものであるため、その剛性は小さくなってしまう。このため、主テーブル５５の移動時の共振点は低くなり、高速動作や制御の点で課題が残存する。即ち、テーブル機構としては、大きな変位と高速動作が要請され、前記共振点は高いことが望ましいのである。
【０００９】
そこで、本発明は、テーブルの２次元方向へ変位に関して、大きく正確な変位を実現でき、かつ、省スペース化も可能なテーブル機構を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明に係るテーブル機構は、固定台と、この固定台に対してそれぞれが複数弾性体からなる複数の第１の弾性部材を介して連結した副テーブルと、この副テーブルに対してそれぞれが複数弾性体からなる複数の第２の弾性部材を介して連結した主テーブルと、この主テーブルに対し垂直方向に変位可能な垂直変位素子を介して連結したテーブルと、前記固定台に一端が固定されると共に他端が前記主テーブルに接触し、この主テーブル及び前記垂直変位素子を介して連結した前記テーブルを、２次元平面の各方向に移動させる複数の変位素子と、を具備することを特徴とするものである。
【００１１】
この発明によれば、テーブルを垂直方向に移動させる場合には、前記主テーブルとこのテーブルとの間に連結した垂直変位素子を駆動することで、このテーブルのみを垂直方向に正確に移動できる。また、テーブルを前記垂直方向とは直交する方向の２次元平面の各方向に移動させる場合には、前記複数の変位素子を各々駆動し前記主テーブルとともにテーブルを２次元平面の各方向に移動させるものである。
【００１３】
請求項２記載の発明に係るテーブル機構は、中央に開口を有する固定台と、この固定台の周辺部から立設した複合構造の第１の弾性部材を介して前記固定台上方で連結した中央に開口を有する副テーブルと、この副テーブルの周辺部から垂下した複合構造の第２の弾性部材を介して前記固定台の開口部分で連結した主テーブルと、この主テーブルから立設した垂直方向に変位可能な垂直変位素子を介して前記副テーブルの開口部分で連結したテーブルと、前記固定台に一端が固定されるとともに他端が前記開口部分に存在する主テーブルに接触し、この主テーブル及び前記垂直変位素子を介して連結した副テーブルの開口部分に存在する前記テーブルを、２次元平面の各方向に移動させる複数の変位素子と、を具備することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項５および請求項６記載の発明に係る走査型プローブ顕微鏡および走査型レーザ顕微鏡は請求項１ないし４のいずれか一つに記載のテーブル機構を用いたことを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、本発明のテーブル機構の特徴と効果を備えた走査型プローブ顕微鏡および走査型レーザ顕微鏡を提供できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のステージ機構の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本実施の形態のテーブル機構の斜視図、図２は本実施の形態のテーブル機構の平面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。
【００１８】
本実施の形態のテーブル機構は、図１乃至図３に示すように、中央に四角形状の開口を有する固定台１と、この固定台１の開口の四隅の近傍位置から立設した合計４個の複合構造（例えば２個の棒状ばねを並列配置した構造）の第１の棒状ばね部材２と、この第１の棒状ばね部材２を介して前記固定台１の上方で連結した中央に正方形状の開口を有する副テーブル３と、この副テーブル３の開口外側の周辺部の下面からから各々垂下した合計４個の複合構造（例えば２個の棒状ばねを並列配置した構造）の第２の棒状ばね部材４と、この第２の棒状ばね部材４を介して前記固定台１の開口部分において四隅を連結した正方形状の主テーブル５と、この主テーブル５から立設した合計４個の垂直方向（図１に示すｚ方向）に変位可能な垂直変位素子である圧電アクチュエータ６を介して前記副テーブル３の開口部分で四隅を連結した正方形状のテーブル（ｚテーブル）７と、前記固定台１の開口の側面に一端が固定されるとともに他端が前記開口部分に存在する主テーブル５の側面に接触し、この主テーブル５及び前記圧電アクチュエータ６を介して連結した前記副テーブル３の開口部分に存在する前記テーブル７を、２次元平面（図１に示すｘ、ｙ方向）の各方向に各々移動させる複数の変位素子である圧電アクチュエータ８、９とを具備している。
【００１９】
前記副テーブル３の開口を含む全体、前記主テーブル５及び前記テーブル７は、各々正方形状の板材からなり、それぞれ相似形に形成され、かつ、固定台１の中心に関して同心的に配置されている。前記固定台１と、副テーブル３とを連結する４個の第１の棒状ばね部材２は、各々一端が固定台１の上面から垂直に立設されるとともに、他端が副テーブル３の下面に各々連結されている。また、各第１の棒状ばね部材２は、前記副テーブル３の中心位置から等距離、等間隔の配置で副テーブル３の４隅に連結されている。
【００２０】
さらに、前記４個の第２の棒状ばね部材４は、主テーブル５の中心位置から等距離、等間隔の配置でこの主テーブル５の４隅から立設され、かつ、副テーブル３の下面及び主テーブル５の上面に対してそれぞれ垂直配置となっている。
【００２１】
ところで、前記第１の棒状ばね部材２及び第２の棒状ばね部材４は、後に詳述するように、各々同一材料、同一形状からなり、かつ、同一の弾性係数を有する構造となっている。
【００２２】
ここで、前記圧電アクチュエータ８、前記圧電アクチュエータ９について説明する。前記圧電アクチュエータ８は、一端が固定台１のｙｚ面に沿う開口部分に固定され、かつ、他端が主テーブル５のｙｚ面に沿う側面に接触し、駆動電圧の印加により伸縮して主テーブル５を図１に示すｘ軸方向に移動させるようになっている。
【００２３】
また、前記圧電アクチュエータ９は、一端が固定台１のｘｚ面に沿う開口部分に固定され、かつ、他端が主テーブル５のｘｚ面に沿う側面に接触し、駆動電圧の印加により伸縮して主テーブル５を図１に示すｙ軸方向に移動させるようになっている。
【００２４】
また、前記主テーブル５の上面とテーブル７の下面を連結する垂直方向（ｚ軸方向）変位用の４個の圧電アクチュエータ６は、各々テーブル７の中心位置から等距離、等間隔の配置でテーブル７の４隅に配置されている。この圧電アクチュエータ６に駆動電圧を印加することにより、前記テーブル７をｚ軸方向に移動させるものである。
【００２５】
次に、上述した構成からなるテーブル機構の作用について図４、図５をも参照して説明する。まず、棒状ばね部材の変位と剛性の関係について図３、図４を参考にして述べる。図４に示すように従来例と同様な厚さｔ、長さｌの棒状ばね部材５４を一端を固定して曲げ変位力Ｆにより寸法Ｘだけ変位させた場合に、この棒状ばね部材５４にかかる最大応力σmax は下記数１で表される。
【００２６】
【数１】
0004039718.tif 000002
【００２７】
棒状ばね部材５４がその材質の弾性領域を超えないためには、数１のσmax が材料力学上で定義される耐力σps以下である必要がある。よって、棒状ばね部材５４が弾性領域を超えないための最大変位ｘmax は、下記数２となる。
【００２８】
【数２】
0004039718.tif 000003
【００２９】
また、棒状ばね部材５４の剛性Ｆ／ｘは、下記数３で表される。
【００３０】
【数３】
0004039718.tif 000004
【００３１】
数３の式から、厚さｔが大きく長さｌが小さいほど、ばね剛性は高くなることが分かる。一方、変位は数２の式から小さくなることが分かる。このように変位と剛性は相反の関係にある。しかし、大きな変位を確保しつつ、高速動作が要求される場合、棒状ばね部材５４の剛性を高くする必要がある。
【００３２】
そこで、例えば図５（ａ）のばね部材を図５（ｂ）に示すように４分割し、奥行き方向も含めて例えば４本のばね部材で本実施の形態のような第１の棒状ばね部材２又は第２の棒状ばね部材４を構成する。このように構成することにより、剛性Ｆ／ｘをあまり下げずに変位を大きくすることが可能となる。第１の棒状ばね部材２又は第２の棒状ばね部材４中のばね部材の本数を増やせば変位を減らさずに更に剛性を上げることができる。３種の棒状ばね部材の各形状に対応した各剛性と、変位（最大変位）の関係を図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。
【００３３】
上記の図５（ｂ）に示す棒状ばね部材を利用して本実施の形態の前記テーブル７を移動させる原理は下記の通りである。前記主テーブル５のｘ軸方向及びｙ軸方向の移動は、圧電アクチュエータ８及び圧電アクチュエータ９に各々駆動電圧を印加して、これらを各々伸縮することにより行う。
【００３４】
このような主テーブル５のｘ軸方向、ｙ軸方向の移動に各々連動して前記テーブル７もｘ軸方向、ｙ軸方向に移動するが、この場合に、上述した如く４本のばね部材で構成した前記第１の棒状ばね部材２、第２の棒状ばね部材４の剛性は、図５（ｃ）に示す１本のばね部材で構成する場合よりも４倍大きくなるので、ｘ軸方向、ｙ軸方向の剛性が大きく、かつ、大きな変位を得ることができるテーブル機構を実現できる。
【００３５】
一方、テーブル７のｚ軸方向への移動に関しては前記主テーブル５とテーブル７を連結する前記圧電アクチュエータ６に駆動電圧を印加して伸縮させ、これにより、テーブル７を主テーブル５に対しｚ軸方向へ変位させるものである。
【００３６】
また、本実施の形態のテーブル機構において、テーブル７は、主テーブル５に対して図２に示すような初期位置Ｘ0 、Ｙ0 （圧電アクチュエータ８及び圧電アクチュエータ９に駆動電圧を印加しない状態の位置）Ｘ0 、Ｙ0 を基準として各々ｘ軸方向、ｙ軸方向に変位するが、この初期位置Ｘ0 、Ｙ0 の設定は圧電アクチュエータ８及び圧電アクチュエータ９の伸縮状態に関連させて種々に設定できる。例えばｘ軸方向の駆動用の圧電アクチュエータ８の全伸縮量の１／２に対応した位置を初期位置とし、これを基準にテーブル７を初期位置からプラスｘ軸方向、マイナスｘ軸方向に変位させることも可能である。テーブル７の初期位置からプラスｙ軸方向、マイナスｙ軸方向への変位についても同様である
【００３７】
さらに、本実施の形態のテーブル機構を用いて、例えばテーブル７をｘ軸方向へ変位させる場合において、固定台１と副テーブル３とを第１の棒状ばね部材４で連結し、副テーブル３と主テーブル５とを第２の棒状ばね部材４で連結し、主テーブル５とテーブル７とを圧電アクチュエータ６で連結しているので、単純に固定台１上に支持部材（棒状ばね部材）を介してテーブル７を支持する場合に比べて、テーブル７の変位時の沈み込みを防止することもできる。
【００３８】
即ち、単純に固定台１上に支持部材を介してテーブル７を支持し、テーブル７をＸＹ方向に変位させる場合には、支持部材に加わる力により支持部材が屈曲してテーブル７に沈み込みが生じてしまう。一方、本実施の形態のテーブル機構によれば、前記主テーブル５の変位に伴い第１，第２の棒状ばね部材２，４が屈曲し、その分主テーブル５と副テーブル３との間の間隔が縮小するので、結果としてテーブル７の変位時の沈み込みを防止することができる。
【００３９】
この他、前記主テーブル５に対して前記圧電アクチュエータ８とは反対側に例えば弾性体（コイルバネ等）を配置して主テーブル５のｘ軸方向への変位動作を規制したり、同様に圧電アクチュエータ８と同様な圧電アクチュエータを配置して主テーブル５のｘ軸方向への変位動作を制御したりする構成も可能である。主テーブル５のｙ軸方向への変位動作に関しても同様である。
【００４０】
本発明によれば、以下の構成を付記できる。
（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、この主テーブルに対し垂直方向に変位可能な変位素子を介して連結されたテーブルと、前記固定台に一端が固定されると共に他端が前記主テーブルに対して接触し、前記主テーブルを介してテーブルを２次元平面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。この構成によれば、主テーブルに連動するテーブルの２次元平面の各方向への大きくかつ正確な変位を得ることができる。
【００４１】
付記（１）のテーブル機構において、前記第１及び第２の棒状ばね部材は、複数の棒状ばねで１つのばね部材を構成しており、各々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テーブル機構。この構成によれば、前記主テーブル及びテーブルを２次元平面の各方向に傾斜させることなく移動させることができる。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、２次元平面の変位に関する剛性が大きく、かつ大きな変位が得られるテーブル機構を提供することができる。
【００４３】
請求項２記載の発明によれば、省スペース化が可能であり、主テーブルに連動するテーブルの２次元平面の変位に関する各方向の剛性が大きくかつ正確な変位を得ることができるテーブル機構を提供することができる。
【００４４】
本発明によるテーブル機構を用いた走査型プローブ顕微鏡および走査型レーザ顕微鏡は、本発明のテーブル機構の効果を備えた走査型プローブ顕微鏡および走査型レーザ顕微鏡となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態のテーブル機構の一部を切欠して示す斜視図である。
【図２】本実施の形態のテーブル機構の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】棒状ばね部材の屈曲の状態を示す説明図である。
【図５】各種の棒状ばね部材の剛性、変位の関係を示す説明図である。
【図６】従来裏のテーブル機構の一部を切欠して示す斜視図である。
【符号の説明】
１  固定台
２  第１の棒状ばね部材
３  副テーブル
４  第２の棒状ばね部材
５  主テーブル
６  圧電アクチュエータ
７  テーブル
８  圧電アクチュエータ
９  圧電アクチュエータ
【図１】
0004039718.tif 000005
【図２】
0004039718.tif 000006
【図３】
0004039718.tif 000007
【図４】
0004039718.tif 000008
【図５】
0004039718.tif 000009
【図６】
0004039718.tif 000010