(57)【要約】【課題】ステージの支持剛性を下げないままで板バネ３応力集中を緩和させ、ステージ移動のストロークを大きくすることが可能なステージ機構を提供することを目的とする。【解決手段】ステージ２は、四隅の板バネ３によってベース１に固定され、所定の均衡位置に停止している。圧電アクチュエータ４の駆動により撓み梁５をＸ方向あるいはＹ方向へ引張り、ステージ２を所望の位置へ移動・停止させる。板バネ３の形状を端部よりも中央部の方が板厚（幅）が薄くなるように形成することにより、平等強さのはり理論により応力集中を緩和させ、亀裂や破断の発生を抑えつつステージ移動のストロークを大きくすることが可能となった。【選択図】  図３
0003132464.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
対象物が載置されるステージと、
前記ベースとステージとに各々端部が固定される板バネと、
前記ステージを移動させる駆動手段と
を具備するステージ機構において、
前記板バネは、端部よりも中央部の方が板幅が小さくなるように形成されていることを特徴とするステージ機構。
【請求項２】
前記板バネは、ステージと同じ板厚を有しており、ステージの四隅に固設されるものであることを特徴とする請求項１記載のステージ機構。
【請求項３】
厚さ一定の板材からの切り出し加工により、ステージと板バネとが一体に形成されてなる請求項１または請求項２記載のステージ機構。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、例えばＳＴＭ（Scanning Tunneling Microscope）やＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）などの各種顕微鏡や、微細加工装置、精密検査装置等において、観察試料や加工品などの対象物を載置するためのステージ機構に関するものであり、特に載置ステージを平面内方向に高精度制御下で移動させることができるステージ機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ミクロンオーダー、ナノオーダーといった高精密な顕微鏡観察や細胞等の取り扱い、あるいは微細加工、精密検査などといった分野においては、試料等の対象物を移動ステージに載置し、対象物を移動ステージごと圧電アクチュエータ等によって高精度で移動させることが行われている。
【０００３】
【非特許文献１】高精度電動ＸＹステージhttp://www.siint.co.jp/products/L-trace.html
【非特許文献２】ピエゾアクチュエータ駆動式試料ステージhttp://www.sigma-koki.com/D/SigmaFineStage/SigmaFineStageSystem/SFS-60/SFS-60.html
【非特許文献２】ピエゾアクチュエータ駆動式試料ステージ（透過型）http://www.sigma-koki.com/D/SigmaFineStage/SigmaFineStageSystem/SFS-120XY/SFS-120XY.html
【０００４】
図１を参照して従来の移動式ステージ機構の構成を説明する。ここでは枠形のベース１の内側にステージ２が配置されている。観察試料等の対象物はステージ２上に載置される。ステージ２の４隅はバネ３３を介してベース１に固定されている。ステージ２のＸ方向側（図では右側）に、圧電アクチュエータを有するレバー４ａが配置され、ベース１に固定されている。ステージ２のＹ方向側（図では上側）に、圧電アクチュエータを有するレバー４ｂが配置されている。ステージ２とレバー４ａ、４ｂは、それぞれ２本の撓み梁５で連結されている。
【０００５】
レバー４ａを駆動すると、図２に示すように、ステージ２とレバー４ａを連結している撓み梁５を介してＸ方向への引張力がステージ２に加わり、バネ３３が変形するとともにステージ２がＸ方向に移動する。Ｙ方向への移動は同様にレバー４ｂの駆動により実現される。
【０００６】
同様に、バネ３３に代えて板バネ３によってステージ２を保持することも行われている。図３および図４にその構成例を示す。板バネ３を採用した場合、バネ３３にて構成する場合には、別部材であるバネ３３をベース１やステージ２に固定する作業が必要になるが、板バネ３にて構成する場合には、微細加工技術によりベース１やステージ２と一体形成することもでき好ましい。
【０００７】
図４における板バネ３の拡大図を図５に示す。図６にて説明するように、従来の板バネ３は、ステージ２の支持剛性を得るためにある程度の幅（例えば１ｍｍ）を有する均一厚さの板（例えばステンレス鋼）から構成されている。
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図７および図８に示すように、ステージを移動させた際に板バネの端部や中央の屈曲部の曲げモーメントが大きくなり、亀裂などの原因となる。ステージのストロークを大きくとりたい場合には、応力集中による影響はさらに深刻なものとなる。応力集中を緩和する解決策としては、板バネの厚さを薄くする方法があるが、薄くするとステージの支持剛性が低下してしまい、またステージの共振周波数も低下してしまい、ステージを駆動させた際に共振現象が生じる事が問題となる。
【０００９】
本考案は、ステージの支持剛性を下げないままで応力集中を緩和させ、ステージ移動のストロークを大きくすることが可能なステージ機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本考案にかかるステージ機構は、ベースと、対象物が載置されるステージと、前記ベースとステージとに各々端部が固定される板バネと、前記ステージを移動させる駆動手段と
を具備するステージ機構であって、図９に示すように、前記板バネが、端部よりも中央部の方が板幅が小さくなるように形成されていることを特徴とする。なお、ここでいう板幅とは、板バネのＸＹ方向（ステージ駆動面方向）における幅を指している。
【００１１】
このような構成とすることにより、従来の板バネに発生していた応力集中は分散されて亀裂が発生しにくくなり、高い支持剛性と大きなステージストロークとを両立させることができるものとすることができるが、これは平等強さの梁理論によって証明することができる。
【００１２】
梁（ここでは板バネを指す）の横断面が長さ方向に一様な場合、応力は曲げモーメントの大きさに比例する。よって、応力集中を分散するように構成するためには、梁の各断面での応力が一定になるようにすれば良いことになる。
【００１３】
【数１】
0003132464.tif 000003
【００１４】
ただし、σ：応力、Ｍ：曲げモーメント、ｙ：中立軸からの距離、Ｉ：断面２次モーメント、Ｚ：断面係数。
【００１５】
板バネの状態は、図１２に示すように、板バネの厚さｂ、ＸＹ方向の幅ｈであって、任意の断面ｘにおける曲げモーメントＭ、応力σ、および断面係数Ｚは次の式（２）のようになる。
【数２】
0003132464.tif 000004
【００１６】
式（１）に式（２）を代入すると、
【数３】
0003132464.tif 000005
【００１７】
ただし、ｂ0、ｈ0は、固定端の寸法である。したがって、式（３）は次の式（４）となる。
【数４】
0003132464.tif 000006
【００１８】
いま、板バネの厚さｂは一定であるので、式（４）においてｂ＝ｂ0＝（一定）とすると、
【数５】
0003132464.tif 000007
となる。この式から板バネのＸＹ方向の幅（長方形断面の幅）ｈの関数と固定端での幅ｈ0の関数が得られ、その形状を図１３、図１４に示す。この場合に梁先端に生じるたわみ量は次式のようになる。
【数５】
0003132464.tif 000008
【００１９】
このように、端部に行くにつれて幅ｈを小さくしたものは、図１２のような幅一定のものに比べてたわみ量は２倍となる。即ち、本考案に係る板バネは、端部よりも中央部の方が板厚が薄くなるように形成したことにより、応力を分散させることができ、またステージ機構のストロークを大きくとることが可能となる。
【考案を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に本考案にかかるステージ機構における好ましい実施形態について説明する。
図４は本考案に係るステージ機構を、ＳＰＭ等の顕微鏡用試料ステージに適用した場合の一例を示す斜視図である。枠形のベース１の中央に四隅の板バネ３を介してステージ２が配置されている。これらはステンレス鋼製の厚さ１ｍｍ平板をワイヤー放電加工        により切り出すことにより一体に形成されている。ステージ２上には観察すべき試料が載置される。図４ではステージ２の中央に観察光を透過させるための孔が設けられているが、図３に示すように孔のない反射型としても良い。
【００２１】
図３は図４の内部構成を示している。ベース１の中央に配置されたステージ２は、四隅の板バネ３によって所定の均衡位置に停止している。この状態から、圧電アクチュエータ４に対して公知の手段により制御された電圧を加えることにより、圧電アクチュエータ４を駆動させ、これに係合されている撓み梁５をＸ方向あるいはＹ方向へ引張り、板バネ３の復元力に抗してステージ２を所望の位置へ移動・停止させる。このようにして、ステージ２上の試料の所望の観察位置を顕微鏡視野へ移動させることができる。
【００２２】
本考案においては、板バネ３の形状にその特徴を有している。従来の板バネ３は、図６に示すような厚さ（幅）が均一なものであったため、断面形状が長さ方向に一様な板バネの場合、応力は曲げモーメントの大きさに比例するため（σ＝Ｍ／Ｚ、Ｍ：曲げモーメント、Ｚ：断面係数）、曲げモーメントの大きい部分に応力集中が生じ、図７および図８のシミュレーション結果に示すように、板バネの根元部分に最大応力がかかっており、この部分から亀裂や破断を生じさせていた。しかし、図９に示す本考案のように、板バネの端部よりも中央部の方が板厚（幅）が薄くなるように形成することにより、平等強さのはり理論により、図１０および図１１のシミュレーション結果に示すように、最大応力値を低減させることができ、亀裂や破断の発生を抑えることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来のステージ機構（バネ式）の構成を説明する図である。
【図２】従来のステージ機構（バネ式）の駆動状態図である。
【図３】ステージ機構（板バネ式）の構成を説明する図である。
【図４】ステージ機構（板バネ式）の斜視図である。
【図５】板バネの拡大斜視図である。
【図６】板バネの拡大説明図である。
【図７】従来の板バネの応力シミュレーション図である。
【図８】従来の板バネの応力シミュレーション図である。
【図９】本考案に係るステージ機構の構成を説明する図である。
【図１０】本考案に係るステージ機構の板バネの応力シミュレーション図である。
【図１１】本考案に係るステージ機構の板バネの応力シミュレーション図である。
【図１２】板バネ（等厚）の応力説明図である。
【図１３】板バネ（中央部板薄）の応力説明図である。
【図１４】板バネ（中央部板薄）の応力説明図である。
【符号の説明】
【００２４】
１・・・ベース
２・・・ステージ
３・・・板バネ
４（４ａ，４ｂ）・・・レバー
５・・・撓み梁
【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】
0003132464.tif 000018
【図１１】
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【図１２】
0003132464.tif 000020
【図１３】
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【図１４】
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