(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）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、
（ｂ）該３個の球体によって支持される試料台とを備え、
（ｃ）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無限軌道並進回転ステージ。
【請求項２】
請求項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無限軌道並進回転ステージ。
【請求項３】
請求項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無限軌道並進回転ステージ。
【発明の詳細な説明】
【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，ｅｔ  ａｌ．，Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  １２６（１９８３）２３６〕
（２）インチウオームモータ〔Ｂｕｒｌｅｉｇｈ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，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，ｅｔ  ａｌ．，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 ×（４ｓｉｎ2 θ＋ｃｏｓ2 θ＋√３ｓｉｎ２θ）／４
｜Ｆ3 ｜2 ＝｜Ｆ1 ｜2 ×（４ｓｉｎ2 θ＋ｃｏｓ2 θ−√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）
２，３，４    ３個の鋼球
ｘ１，ｙ１、ｘ２，ｙ２、ｘ３，ｙ３    ２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
【図１】
0003844114.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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