JPH02235123A - 微動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、走査型トンネル顕微鏡その他で用いる１軸方
向にナノメートルオーダーの精度で微小変位する微動装
置に関するものである．［従来の技術］ 近年原子、分子オーダーの分解能を有する走査型トンネ
ル顕微鏡が開発され、表面構造解析、表面粗さ計測など
に応用されている。

この走査トンネル顕微鏡は導電性試料と導電性探針の間
に電圧を印却し、ｉｎｎ程度の距離まで接近させるとト
ンネル電流が流れその距離によりトンネル電流が指数関
数的に変化することを利用したものである．その探針と
して先端を電界研摩等で非常に先鋭に仕上げたものを用
いて、導電性物質からなる試料表面との距離を一定に保
ち２次元的に走査する表面の原子配列または凹凸の形状
によりトンネル電流が変化し表面像を得ることができる
．（「固体物理Ｊ　Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．３．１９８７
，ｐｐｌ７６−ｔ８ａ）。

このような従来の走査型トンネル顕微鏡を初めとするナ
ノメートルオーダーの微小位置決めを必要とする微動装
置には、特開昭６３−１　９７４５号公報に開示されて
いるように、板ばねをマイクロメータヘッドで押す機構
あるいはニッケイメカニカル１９８７．６．１．Ｐａｇ
ｅ７０の図６に示されているように平行ばねを利用した
機構が用いられていた。

従来の板ばねを用いた徴勤装置の構造を第７図に示す。

２８はマイクロメータヘッド、２０は板ばね、２３はサ
ンプルホルダ支持台、３２はサンプルホルダ、３３はサ
ンプル、３４は探針、３５はチューブ圧電素子である． サンプル３３と探針３４間の距離を接近させるためには
マイクロメータヘッド２日を回転させサンプルホルダ支
持台２３およびサンプルホルダ支持台２３およびサンプ
ルホルダ３２、サンプル３３を板ばね２０の固定点７１
を支点として、Ｚ方向に移動させる． ［発明が解決しようとする課題］ 前記従来の微動装置においては、Ｚ方向穆動距離が小さ
く数マイクロメートル程度の場合にはサンプル３３は近
似的に直線移動するが、移動距離が増して数ミリメート
ルオーダ程度になると、直線運動から外れた円弧状の運
動を行なう。

このためミリメートルオーダのＺ方向移動を行なう場合
位置決めすべきポイントが２方向移動により、ずれるた
め、精密な位置決めができないという欠点がある。別の
従来例である平行ばねを用いた構造についても同様の欠
点があった。

また平行ばねや板ばねの機構は、外乱の振動（音響振動
、床振動、空間振動）に弱い構成である，走査型トンネ
ル顕微鏡においては試料と探針間の距離は数ナノメート
ルまで近接していて、外部の振動の影響が装置全体に大
きく関与するため、外部振動の影響を極力防止しなけれ
ばならない。また、高速走査を行なうために゛は装置の
固有振動数を高める必要があるが、前記平行ばねや板ば
ねの機構は、装置の固有振動数を大きく下げる原因とな
っていた。

本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされたものであっ
て、ストロークの長い直線移動を高精度で行い、かつ外
部振動の影響を減少させて動作の信頼性を高めた微動装
置の提供を目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、前記目的を達成するため、弾性変形により微
動変位するプレートと、該プレートの微動変位部分に対
向して設けた微動駆動手段とを備え、前記プレートの表
面及び裏面に例えば同心円状の切欠き溝を交互に形成し
、さらにこのプレートの外周部の少なくとも両側２箇所
が固定された構成としている。

［作用］ プレートの変位部分は微動駆動手段により円弧運動する
ことなく直線的に移動する。プレート外周部が固定され
ているため外部振動の影響が減少し装置の剛性が高まる
． ［実施例］ 第１１は本発明に係る微動装置の第１の実施例の斜視図
、第２図は第１図の微動装置のＡ−Ａ断面図である。１
は弾性変形するヒンジ板（プレート）でありその表面及
び裏面に各々切欠溝１５、１６が形成されている．２は
ヒンジ板を変位させるための圧電素子、３は位置決めす
べき試料、４は中間柱、５は基台、６はヒンジ板１と中
間柱４を接続するための固定ネジ、１１は走査型トンネ
ル顕微鏡用探針、１２は探針１１をＸＹＺ方向に変位さ
せるためのチューブ型圧電素子である。本実施例は、走
査型トンネル顕微鏡における試料３と探針１１間距離を
接近させるための、くわしくは、試料と探針間にトンネ
ル電流が流れる距Ｎ（１ナノメートル程度）まで接近さ
せるための微動装置である。

従って、ヒンジ板１上には、試料３が搭載固定され、そ
の上部には、探針１１とそれを支持して走査するための
チューブ型圧電素子１２が設置されている。探針１１と
試料３間距離はあらかじめ、数マイクロメートルの距離
まで光学顕微鏡等で観察しながら接近させてある。

本実施例の微動装置には、試料３が保持されているが、
探針１１を保持してもよい。

第２図のＡ−Ａ断面図を用いて、微動装置の構成と穆動
機構についてさらに詳細な説明を行なう。

ヒンジ板（プレート）１は、第１図に示すように、試料
３を中心として同心円状に、しかも表面と裏面の各々に
交互に切欠溝１５、１６を設けている。ここで試料３を
上下に円滑に変位させるには、このような切欠溝１５、
１６が少なくとも１本は、表面と裏面に設けられなけれ
ばならない。

ヒンジ板１と基台５は、圧電素子２と中間柱４を強固に
はさみ込んで固定している．この固定力により微動装置
の固有振動数を高めることができる。

本実施例では、ヒンジ板１上の試料３を変位させる手段
として圧電素子２を用いている。圧電素子２に電圧を印
加することにより、圧電素子２が上下方向に伸縮運動し
、それに伴い、ヒンジ板１上の試料３は上下に運動を行
なう。

以上の機構をもつ微動装置を走査型トンネル顕微鏡に搭
載したところ、試料と探針間距離を数マイクロメートル
の距離からトンネル電流が流れる距離（１ナノメートル
程度）まで微動できることを確認した。また、試料と探
針間距離が１ナノメートル程度の距離を保持しながらチ
ューブ型圧電素子１２をＸＹＺ方向に高速操作したとこ
ろ、安定な試料３の像を得ることを確認し、高速運動に
十分対応できる徹勅装置を提供できた。本実施例におい
て、ヒンジ板１の変位駆動手段として圧電素子２を用い
たがこれに限定するものではない。

本実施例では、微動装置を走査型トンネル顕微鏡に搭載
したが、本発明はステッパーのマスク微動ステージや、
干渉計のミラー微動ステージ等他の微動ステニジにも応
用できる。

第３図に本発明の第２の実−施例を示す。この実施例で
は、圧電素子２が多段に積層されている。

このような構成によりプレート１の変位距１１Ｍ（スト
ローク）を大きくすることかでぎる．中間柱４の長さは
圧電素子２の長さに応じて調整してある。その他の構成
、作用効果は前記第１の実施例と同様である。

第４図の本発明の第３の実施例を示す。

３１はヒンジ板（プレート）、３は試料、４は中間柱で
ある。ヒンジ板３１には、試料３を中心に同心円状に切
欠溝１５、１６が表面と裏面交互に多数設けられている
．このように切欠溝を多数，設けることにより、上下方
向の運動ストロークを大きくすることができる。本実施
例により、ヒンジ板１の変位距離を変位手段の選択によ
りミリメートルオーダーとすることが可能となり、走査
型トンネル顕微鏡以外のより幅広い他の精密機器への適
用が可能となる。

次に第５図を用いて本発明の第４の実施例について説明
する。

１はヒンジ板、３は試料、４は中間柱、５は基台、６は
ねじ、７はマイクロメータヘッドである。

本実施例においては、ヒンジ板１の変位駆動手段として
、変位距離をマイクロメートルオーダーから、ミリメー
トルオーダーまで調節できるマイクロメータヘッドを取
り付けた。これにより圧電素子２を変位駆動手段として
用いた実施例に比べ１０倍から１００倍の変位を得るこ
とが可能となった。前記第３の実施例のヒンジ板３１と
組み合わせれば、さらに、変位距離を大きくすることが
可能となる。また、マイクロメータヘッドに与える回転
力を、ステッピンクグモーターにより与えればさらに高
分解能でかつ正確な微動制御が可能となる． 次に第６図を用いて、本発明の第５の実施例の説明を行
なう． ｌはヒンジ板、４は中間柱、５は基台、ｉｏはスリット
部である．ヒンジ板１に切欠溝１５とほぼ直交して数ケ
所にスリット部１０を設けている．これによりヒンジ板
１を変位させる圧電素子（不図示）に印加する電圧は、
スリット部を設けない構造に比べ小さくてすむ．従って
所望の変位距離を小さい電圧で得ることが可能となり消
費電力の削減が図られる． 〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明に係る微動装置の構成によ
り、微動を行なクな時の横方向ずれはなくなり、また、
外部振動に十分耐える剛性の高い装置が得られる．また
本発明の構成により、精度のよい位置合わせが可能とな
り、装置の信頼性の向上に大きな効果がある．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る微動装置の第１の実施例の斜視図
、第２図は第１図の微動装置のＡ−Ａ断面図、第３図は
本発明の第２の実施例の斜視図、第４図は本発明の第３
の実施例の要部断面図、第５図は本発明の第４の実施例
の斜視図、第６図は本発明の第５の実施例の要部斜視図
、第７図は従来の微動装置の構成図である． １　： ２　： ３　： ７　＝ １０： １２　： １５　； ヒンジ板、 圧電素子、 試料、 マイクロメータヘッド、 スリット、 チューブ型圧電素子、 １６：切欠溝。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）弾性変形により微動変位するプレートと、該プレ
   ートの微動変位部分に対向して設けた微動駆動手段とを
   備え、前記プレートはその両面に切欠溝を有しかつ前記
   微動変位部分の少なくとも両側２箇所が固定されたこと
   を特徴とする微動装置。
2. （２）前記微動変位部分はプレートの中央部に位置し、
   前記切欠溝は該微動変位部分の周囲に同心円状に形成さ
   れたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の微動
   装置。
3. （３）前記プレートの両面の各々に複数本の切欠溝が交
   互に形成されたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の微動装置。
4. （４）前記プレートの外周部が固定されたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の微動装置。
5. （５）前記プレートの切欠溝にほぼ直交するスリットが
   形成されたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の微動装置。
6. （６）前記微動駆動手段は圧電素子からなることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の微動装置。
7. （７）前記微動手段はマイクロメータヘッドからなるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の微動装置。