JPH04331303A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば走査形プローブ
顕微鏡の探針（プローブ）の微動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、走査形トンネル顕微鏡（ＳＴＭ
）や走査形の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、先端が鋭く
尖った探針を試料表面に接近させ、探針先端の原子と、
試料表面の原子との物理的なインタラクションに基づく
、トンネル電流や、原子間力を検出し、探針を試料表面
に沿って走査する時の試料表面の変動する情報を原子ス
ケールレベルで出力し、ＣＲＴ等に２乃至３次元の情報
分布像を得るものである。

【０００３】上記走査に際して、探針側を走査する場合
は、この駆動にトライポッド圧電駆動体や、円筒形圧電
チューブが一般に使用されている。しかしながら、この
ような駆動部材では走査範囲が狭く、充分な観察ができ
ない。

【０００４】従って、広い範囲を走査可能な駆動装置で
あって、原子スケールレベルの微動分解能をもつ装置と
して、試料側駆動のインチワーム装置が例えば、特開昭
６３−５２００６号により提案されている。この従来例
を図５（Ａ）（Ｂ）を参照して説明する。

【０００５】側壁３０の面３８に一端面で押圧される第
１並びに第２のスライダー３１Ａ，３１Ｂが第１の圧電
体３２の両端に夫々固定されている。これらスライダー
３１Ａ、３１Ｂの他端面には、第２並びに第３の圧電体
３３Ａ，３３Ｂが一端面側で固持されている。これら両
圧電体３３Ａ、３３Ｂの他端面側は、側壁３０の押圧さ
れる面３８に平行な面３９Ａ，３９Ｂを有するブロック
３４Ａ，３４Ｂに摺動可能に当接されている。これらブ
ロック３４Ａ，３４Ｂは、ネジ３５Ａ，３５Ｂにより、
側壁３０と一体のベース３６に固定される。上記の構成
において、移動ステージがスライダー３１Ａ又は３１Ｂ
の一方に係合し、次に述べるインチワーム動作により、
微動送りされる。

【０００６】まず、第２の圧電体３３Ａに電圧を印加し
、これを矢印で示す方向に伸長することにより、第１の
スライダー３１Ａを、側壁３０に押圧し固定させる。 一方、このとき、第３の圧電体３３Ｂは電圧無印加で第
２のスライダー３１Ｂは側壁３０に対して解放されてい
る。次に、第１の圧電体３２に移動ステージの微小移動
量を決める電圧を印加する。この結果、この圧電体３２
は矢印で示す方向に所定距離Δｄ伸長し、第２のスライ
ダー３１Ｂを距離Δｄだけ破線で示すように移動させる
。そして、第３の圧電体３３Ｂに電圧を印加すると共に
、第２の圧電体３３Ａを無印加として、第２のスライダ
ー３１Ｂを矢印方向に伸長させて側壁３０に固定すると
共に、第１のスライダー３１Ａを解放にする。次に、第
１の圧電体３２の電圧印加を解除し、第１のスライダー
３１Ａを第２のスライダー３１Ｂ側に前記距離Δｄだけ
引付ける。かくして移動ステージは、距離Δｄだけ一方
向、例えばＸ方向に移動される。上記ステップを連続的
にｎ回継続することで、スライダー３１Ｂは、ｄ＝Δｄ
×ｎの距離走行し、移動ステージを距離ｄだけ移動させ
る。

【０００７】この従来のインチワームよりなる微動装置
は、第１の圧電体３２に加える電圧値を変更するだけで
、任意の移動単位量を設定でき、ＳＴＭ装置で必要な、
電子分解能の近傍での微小単位で移動させることができ
る。しかも、側壁３０、ブロック３４Ａ，３４Ｂが、数
ｍｍに亘って、平行且つ平坦であれば、ＳＴＭ装置で要
求される広範囲の移動距離を容易に達成できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の微動装置においては、移動ステージを固定すると
きには、両圧電体３３Ａ，３３Ｂに同時に電圧を印加し
ておく必要がある。

【０００９】しかし、ＳＴＭ装置においては、圧電体へ
の印加は、数１００Ｖであり、これを移動ステージの固
定のために印加しておくことは電源の不安定さ、圧電体
の温度変動で、ドリフト状態が発生し、ＳＴＭ装置のス
テージが不安定になる。本発明の目的は、安定な微動動
作が広範囲に亘って可能な微動装置を提供することであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】従って、上記目的を達成
するために、本発明の微動装置は、２つのガイド面間に
これらに沿って移動可能に配設された第１並びに第２の
スライダーと、これらスライダーをガイド面間に夫々弾
性により押圧固定する２つの弾性体と、これら弾性体の
各々に対して独立し、弾性体の弾性押圧を解除可能な第
１並びに第２の圧電体と、前記両スライダー相互を連結
し、一体とする第３の圧電体とを具備することを特徴と
する。

【００１１】

【作用】第２の圧電体に電圧を印加して、第２のスライ
ダーの押圧固定を解除しておき、第３の圧電体に電圧を
印加し、これを伸長さす。この結果、第２のスライダー
は、第３の圧電体の伸長分だけ、一方向に変位される。 次ぎに、第１の圧電体に電圧を印加して、第１のスライ
ダーの押圧固定を解除しておき、第３の圧電体の印加電
圧を解除する。この結果、第１のスライダーは、第２の
スライダーの変位方向に変位される。この操作を繰り返
すことにより、スライダーに設けられる移動ステージは
、所定範囲移動される。

【００１２】

【実施例】以下に、図１（Ａ），（Ｂ）並びに図２（Ｃ
），（Ｄ）を参照して本発明の一実施例に係わる微動装
置を説明する。なお、（Ａ）、（Ｂ），（Ｃ）並びに，
（Ｄ）は、同装置の斜視図、側面図、平面図、並びに正
面図である。

【００１３】図中、符号１はベースを示し、この一端側
上面には側板２が立設されている。また、このベース１
の上面の側板２近くには、側板２に沿ってＸ方向に伸長
するようにして上面が平坦な凸部３が形成されている。 この凸部３には、互いにＸ方向に所定間隔を有して平行
にＹ方向に伸長するようにして１対の貫通孔４ａ，４ｂ
が形成されている。これら貫通孔４ａ、ｂ４の一端側は
前記側板２に対面しており、これらの中には、電圧の印
加によりＹ方向に伸縮可能に第１並びに第２の圧電体５
ａ，５ｂが、両端が夫々貫通孔４ａ，４ｂから突出する
ようにして貫挿されている。これら圧電体５ａ，５ｂの
一端面は前記側板２の内面（ガイド面）に接着されてい
る。前記凸部３の上面には、前記両圧電体５ａ，５ｂ上
に、夫々位置するようにして、第１並びに第２のスライ
ダー６ａ，６ｂがＸ方向に摺動可能に載置されている。 これらスライダー６ａ，６ｂは、好ましくは、圧電体５
ａ，５ｂとほぼ熱膨脹率が等しいセラミックで形成され
ている。また、これらスライダー６ａ，６ｂ間には、第
３の圧電体５ｃが、これの両端がスライダー６ａ，６ｂ
の互いに対向する面に接着されるようにして設けられて
いる。この第３の圧電体５ｃは電圧の印加によりＸ方向
に伸縮可能に設定されている。かくして、両スライダー
６ａ，６ｂと第３の圧電体５ｃとでインチワームの可動
部を構成している。

【００１４】前記ベース１の他端側上面には、第１並び
に第２の平行ばね７ａ、７ｂがねじ８ａ，８ｂにより固
定されている。これら第１並びに第２の平行ばね７ａ、
７ｂは前記第１並びに第２のスライダー６ａ，６ｂと、
第１並びに第２のクランパ９ａ，９ｂを介して夫々対面
している。これらクランパ９ａ，９ｂは、平行ばね７ａ
、７ｂの可動片の自由端付近に位置し、前記第１並びに
第２の圧電体５ａ，５ｂに電圧が印加されていないとき
には、これらばね７ａ，７ｂの付勢力により、前記スラ
イダー６ａ，６ｂと一側面（ガイド面）が面接触し、こ
れらを反Ｙ方向に押圧し、これらスライダー６ａ，６ｂ
を側板２との間で、挟持し、固定している。なお、この
ときに、クランパ９ａ，９ｂと前記第１並びに第２の圧
電体５ａ，５ｂとの間には所定の隙間ができるように、
圧電体５ａ，５ｂはスライダー６ａ，６ｂより全長（Ｙ
方向の長さ）が、少し短くなるように設定されている。 上記クランパ９ａ，９ｂと前記第１並びに第２の圧電体
５ａ，５ｂとの間に形成される前記隙間が所定の間隔と
なるように、平行ばね７ａ、７ｂの位置は調整ねじ１０
ａ，１０ｂにより調節される。

【００１５】上記構成の微動装置においては、第１並び
に第２の圧電体５ａ，５ｂに電圧を印加しない状態では
、平行ばね７ａ、７ｂの付勢力により、スライダー６ａ
，６ｂは、クランパ９ａ，９ｂを介して側板２に押圧固
定されている（スライダーのクランプ）。そして第１並
びに第２の圧電体５ａ，５ｂに電圧を印加すると、これ
らはＹ方向に延びて、クランパ９ａ，９ｂを同方向に変
位させ、これらクランパ９ａ，９ｂによるスライダー６
ａ，６ｂの固定を解除させ（スライダーの解放）、スラ
イダー６ａ，６ｂをＸ方向に平行な１対のガイド面に沿
って移動可能とする。従って、今、第１のスライダー６
ａをクランプし、第２のスライダー６ｂを解放した状態
で、第３の圧電体５ｃに所定の電圧を印加すると、この
電圧値に比例した長さだけこの圧電体５ｃがＸ方向に延
びて、第２のスライダー６ｂを同方向に変位させる。 次ぎに、第２のスライダー６ｂをクランプし、第１のス
ライダー６ａを解放した状態で、第３の圧電体５ｃに印
加した電圧解除すると、この圧電体５ｃは延びた分だけ
Ｘ方向に縮み、第１のスライダー６ａを同方向に変位さ
せる。この一連の動作を繰り返すことにより、インチワ
ーム全体は、これに固定された図示しない移動ステージ
と共に、Ｘ方向に、動作回数×１動作の移動分移動し、
移動ステージを広範囲に渡って移動させることができる
。勿論、第１のスライダー６ａと、第２のスライダー６
ｂとのクランプ状態と解放状態とを上記とは逆にするこ
とにより、インチワームを反Ｘ方向に移動させるこもで
きる。

【００１６】上記構成のインチワームにおいては、第１
並びに第２の圧電体５ａ，５ｂに対する印加電圧が解除
の状態でスライダー６ａ，６ｂはクランプされるので、
これら圧電体５ａ，５ｂに電圧を印加したときに生じる
微弱な振動がインチワームに伝わったり、微弱なノイズ
が周辺の図示しない電気回路に影響を与えるようなこと
がない。また、スライダー６ａ，６ｂは圧電体５ａ，５
ｂとほぼ熱膨脹率の等しいセラミックで形成されている
ので、圧電体５ａ，５ｂとクランパ９ａ，９ｂとの間の
隙間は、ほとんど周囲の温度変化の影響を受けることが
なく、このためインチワーム全体も周囲の温度変化によ
って動作が不安定になることがない。

【００１７】次ぎに、図３（Ａ）ないし（Ｄ）並びに図
４（Ａ），（Ｂ）を参照して、他の実施例に係わる微動
装置を説明する。なお、図３の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）
、並びに（Ｄ）は、夫々装置の正面図、側面図、上面図
、並びに下面図、そして図４の（Ａ）並びに（Ｂ）は、
この装置で使用されている円筒型圧電体の斜視図並びに
展開図である。

【００１８】図３中、符号１１はベースを示し、この一
側面の上下端には、夫々この一側面と対面する側面を有
し、ベース１１から離れる方向に弾性変形可能な第１並
びに第２のアーム部１２ａ，１２ｂが一体的に突設され
ている。これらベース１１とアーム部１２ａ，１２ｂと
の互いに対面する面には、Ｘ方向に延びるように三角溝
１３ａ，１３ｂ，１３ｃが形成されており、これら三角
溝の内面でほぼ平行にのびるガイド面を構成している。 そして、ベース１１と第１のアーム部１２ａとの溝１３
ａ，１３ｂの間には第１のスライダー１４ａが、またベ
ース１１と第２のアーム部１２ｂとの溝１３ａ，１３ｃ
の間には第２のスライダー１４ｂが、アーム部１２ａ，
１２ｂの弾性力により、夫々クランプされている。これ
らスライダー１４ａ，１４ｂは、三角溝１３ａ，１３ｂ
，１３ｃの内面（ガイド面）と外面が適合するように、
円筒形状をしている。そして、これらスライダー１４ａ
，１４ｂ間には、円筒型の第３の圧電体１５ｃが、これ
の両端がスライダー１４ａ，１４ｂの互いに対向する平
坦端面に接着されるようにして設けられている。この第
３の圧電体１５ｃは電圧の印加により、後述するように
Ｘ方向並びに周方向（Θ方向）に伸縮可能に設定されて
いる。かくして、両スライダー１４ａ，１４ｂと第３の
圧電体１５ｃとでインチワームの可動部を構成している
。

【００１９】前記ベース１１と第１並びに第２のアーム
部１２ａ，１２ｂとの間の端部近くには、Ｙ方向に伸縮
可能な第１並びに第２の圧電体１５ａ，１５ｂが、一端
面を前記ベース１１の側面に取着されて、夫々設けられ
ている。これら圧電体１５ａ，１５ｂの他端はアーム部
１２ａ，１２ｂの対向一側面近くまで延びている。そし
て、この他端面は、これら圧電体１５ａ，１５ｂに電圧
が印加されていないときには、アーム部１２ａ，１２ｂ
に他側面側より螺入された調節ねじ１６ａ，１６ｂの延
出端と僅かの間隔で離間している。かくして、圧電体１
５ａ，１５ｂに電圧が印加されていないときには、スラ
イダー１４ａ，１４ｂは、アーム部１２ａ，１２ｂの弾
性力により、三角溝１３ａ，１３ｂ，１３ｃ間にクラン
プされて、固定される。そして、圧電体１５ａ，１５ｂ
に所定の電圧が印加さると、これら圧電体１５ａ，１５
ｂはＹ方向に延びて、調節ねじ１６ａ，１６ｂを押圧し
、アーム部１２ａ，１２ｂをこれらの弾性力に抗してＹ
方向に変異させる。この結果、スライダー１４ａ，１４
ｂは、、三角溝１３ａ，１３ｂ，１３ｃから解放される
。

【００２０】前記第３の圧電体１５ｃは、中心軸に沿っ
て伸縮可能であると共に、周方向にも伸縮が可能（回転
が可能）となっている。このような１自由度の回転と直
線運動とが可能な圧電体の一例について図４（Ａ），（
Ｂ）を参照して説明する。この圧電体１５ｃは、圧電材
で形成され、両端が開口した中空の円筒体１７

【００２
１】により構成されている。そして、この円筒体１７の
外周面には、帯状パターンの第１の電極１８ａと、この
第１の電極上に位置する連続した環状の第２の電極１８
ｂとが設けられている。この第１の電極１８ａは、周期
性を有するように、互いに所定間隔を有して平行に延び
、円筒体１７の中心軸に対して傾斜した多数の電極片を
、隣り合うもの相互を端部で接続して構成されている。 また、円筒体１７の内周面には、ほぼ全体に渡って一様
に第３の電極１８ｃが取着されている。

【００２２】上記構成の圧電体１５ｃにて、底部を固定
した状態で第１の電極１８ａと第３の電極１８ｃとの間
に電圧を印加すると、この圧電体１５ｃはΘ方向に僅か
に回転する。また、第２の電極１８ｂと第３の電極１８
ｃとの間に電圧を印加すると、圧電体１５ｃの上端は、
中心軸に沿って僅かにＸ方向に伸長する。そして、第１
の電極１８ａ並びに第２の電極１８ｂと、第３の電極１
８ｃとの間に電圧を夫々印加すると、圧電体１５ｃは回
転すると共に、上端が伸長する。次ぎに、上記構成の微
動装置のインチワームの作用を図３を参照して説明する
。

【００２３】第１並びに第２のスライダー１４ａ，１４
ｂがクランプされているときに、まず第２の圧電体１５
ｂに電圧を印加して、第２のスライダー１４ｂを解放す
る。この状態で、第３の圧電体１５ｃの第１の電極１８
ａと第３の電極１８ｃとの間に電圧を印加すると、圧電
体１５ｃは僅かに回転して、第２のスライダー１４ｂを
Θ方向に回転させる。また、第２の電極１８ｂと第３の
電極１８ｃとの間に電圧を印加すると、圧電体１５ｃは
延びて、第２のスライダー１４ｂをＸ方向に変位させる
。そして、第１の電極１８ａ並びに第２の電極１８ｂと
、第３の電極１８ｃとの間に電圧を夫々同時に印加する
と、圧電体１５ｃは回転し、かつ延びて、第２のスライ
ダー１４ｂをΘ方向に回転させると共に、Ｘ方向に変位
させる。次ぎに、第２の圧電体１５ｂへの印加電圧を解
除して、第２のスライダー１４ｂをクランプする。そし
て、第１の圧電体１５ａに電圧を印加して、第１のスラ
イダー１４ａを解放してから、第３の圧電体１５ｃの印
加電圧を解除することにより、第１のスライダー１４ａ
をＸ並びに（もしくは）Θ方向に変位させる。この動作
を繰り返すことにより、このインチワームは、これに取
着された移動ステージを直線動と回転動とを選択的に広
範囲に渡ってさせることができる。

【００２４】上記第２の実施例の微動装置も、第１の実
施例と同様の効果を奏する以外に、この第２の実施例で
は、第１並びに第２の圧電体１５ａ，１５ｂと調節ねじ
１６ａ、１６ｂとの隙間をこれら調節ねじ１６ａ，１６
ｂにより自由に設定できるので、各部品を高精度に形成
しなくても良く、装置を安価に製造できる効果もある。 　　上記実施例では、スライダーをガイド面間に固定す
る弾性体として平行ばね並びに弾性アーム部を使用した
が、これに限られることはなく、例えば板ばねやコイル
ばねの使用も可能である。

【００２５】

【発明の効果】本発明の微動装置は、スライダーに設け
られる移動ステージを、圧電体に電圧を印加しなくても
固定しておくことができる。このため電源の不安定さ、
圧電体の温度変動で、ドリフト状態が発生し、移動ステ
ージが不安定になることがなく、、安定な微動動作が広
範囲に亘って可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）並びに（Ｂ）は、本発明の一実施例に係
わる微動装置を示す斜視図並びに側面図である。

【図２】（Ｃ）並びに，（Ｄ）は、同微動装置を示す平
面図並びに正面図である。

【図３】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）並びに（Ｄ）は，夫々
本発明の他の実施例に係わる微動装置を示す正面図、側
面図、上面図、並びに下面図である。

【図４】（Ａ）並びに（Ｂ）は、図３に示す装置で使用
されている円筒型圧電体の斜視図並びに展開図である。

【図５】（Ａ）並びに（Ｂ）は、従来の微動装置を示す
平面図並びに側面図である。

【符号の説明】

２…側板、５ａ，１５ａ…第１の圧電体、５ｂ，１５ｂ
…第２の圧電体、５ｃ，１５ｃ…第３の圧電体、６ａ，
１４ａ…第１のスライダー、６ｂ，１４ｂ…第２のスラ
イダー、７ａ，７ｂ…平行ばね、９ａ．９ｂ…クランプ
、１２ａ，１２ｂ…アーム部、１６ａ，１６ｂ…調節ね
じ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　２つのガイド面間にこれらに沿って移
   動可能に配設された第１並びに第２のスライダーと、こ
   れらスライダーをガイド面間に夫々弾性により押圧固定
   する２つの弾性体と、これら弾性体の各々に対して独立
   し、弾性体の弾性押圧を解除可能な第１並びに第２の圧
   電体と、前記両スライダー相互を連結し、一体とする第
   ３の圧電体とを具備する微動装置。