JPH05323058A

JPH05323058A - 粗動微動機構

Info

Publication number: JPH05323058A
Application number: JP13349492A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Miyazaki; 俊彦宮▲崎▼; Toshimitsu Kawase; 俊光川瀬; Masahiro Tagawa; 昌宏多川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-05-26
Filing date: 1992-05-26
Publication date: 1993-12-07
Anticipated expiration: 2017-08-12
Also published as: JP3313757B2

Abstract

(57)【要約】【目的】走査型トンネル顕微鏡、その応用装置である
記録再生装置等の精密位置決めに用いる粗動微動機構を
得る。【構成】一方向に移動可能にした移動部材と、該移動
部材を挟んで移動方向に対向して設けられた一対の移動
用伸縮素子と、該移動用伸縮素子の移動部材側と反対側
をそれぞれクランプする一対のクランプ手段とを具備す
る粗動微動機構及びこれらをＸＹ軸上に配置する構成。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粗動機構，微動機構に
関するものである。特に、走査型トンネル顕微鏡及びそ
の応用装置等の精密位置決めなどに用いられる粗動微動
機構に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年において、導体の表面原子の電子構
造を直接観察できる走査型トンネル顕微鏡（以後、ＳＴ
Ｍと略す）が開発され、広範囲な応用が期待されてい
る。また、ＳＴＭ技術を応用した原子間力顕微鏡が開発
され、絶縁性の試料に対しても原子オーダーの観測がで
きるようになってきた。これらの新しい顕微鏡は、走査
型プローブ顕微鏡（ＳＰＭと略す）と総称され、顕微鏡
本来の用途の外に、その原理から様々な応用が考えられ
ている。

【０００３】特に、記録媒体中に高分解能で情報を書き
込む記録装置、また記録媒体中に書き込まれた情報を高
分解能で読みだす再生装置としての応用が進められてい
る。このようにＳＴＭ技術を応用した装置では、プロー
ブと記録媒体とを１ｎｍ程度まで近づけるため、高度な
精密制御技術が必要とされている。

【０００４】

【発明が解決しようとしている課題】上記ＳＰＭ及びＳ
ＰＭ技術を応用した装置において、プローブを記録媒体
表面の記録再生領域に移動したり、記録媒体表面に沿っ
てプローブと記録媒体とを相対的に走査する必要がある
が、ここにも、精密な移動制御技術が欠せない。そのた
めに粗動機構・走査機構などが複雑になり、装置が大型
化したり、二次元走査時に二軸の相互干渉があるなどの
問題が生じていた。

【０００５】本発明は、面内粗動機構及び微動機構の機
能を有し、探針と試料との相対的な二次元走査時に相互
干渉の無い小型のＳＰＭ及びＳＰＭ技術を応用した装置
に適用できるものを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明の粗動機構は、移動部材を一方向に案内す
る機構と、該移動部材をクランプする複数のクランプ手
段と、該移動部材の移動方向に可動な可動部と、該可動
部を挟むように移動方向に対向して設けた一対の移動用
伸縮素子とを有し、該クランプ手段の少なくとも１つを
該可動部に固定したことを特徴とする。

【０００７】また、移動部材に凹部を設け、クランプ手
段で凹部内側から広げるようにクランプする様にした。

【０００８】また、上述の目的を達成するために、本発
明の粗動微動機構は、移動部材を挟むように対向して設
けた一対の移動用伸縮素子と、該移動用伸縮素子の伸縮
方向の移動部材と反対側をそれぞれクランプするクラン
プ手段とを設置している。

【０００９】さらに、上述の目的を達成するために、本
発明は、走査型プローブ顕微鏡及びその応用装置に適用
する場合においては、プローブと、該プローブを一軸方
向に駆動するプローブ駆動手段と、試料と、該試料を一
軸方向に駆動する試料駆動手段とを、該プローブと該試
料とを相対的に面内移動させる構成とした粗動微動機構
を特徴とするものである。

【００１０】即ち、本発明は、プローブ駆動手段がプロ
ーブを設置した移動部材を挟むように対向して設けた一
対のプローブ移動用伸縮素子と、プローブ移動用伸縮素
子の伸縮方向の移動部材と反対側をそれぞれクランプす
るクランプ手段とを具備する粗動微動機構からなる様に
したものである。更に、前記試料駆動手段が前記試料を
設置した移動部材を挟むように対向して設けた一対の試
料移動用伸縮素子と、該試料移動用伸縮素子の伸縮方向
の該移動部材と反対側をそれぞれクランプするクランプ
手段とを具備する粗動微動機構からなる様にしたもので
ある。

【００１１】

【作用】本発明の粗動微動機構は、移動部材を挟むよう
に対向して設けた一対の移動用伸縮素子と、該移動用伸
縮素子の移動部材側と反対側をそれぞれクランプする少
くとも一対のクランプ手段とを具備するもので、粗動時
には、一対の移動用伸縮素子と一対のクランプ手段の一
つを作動させて移動部材を尺取り虫式に移動させて粗動
送りする。そして、微動時または走査時には、一対のク
ランプ手段でクランプしながら一対の移動用伸縮素子の
一方を伸ばし、他方を縮める駆動を行うことで移動部材
を微動送りさせる。

【００１２】

【実施例】第１実施例図１は本発明の特徴をよく表わす図面であり、本発明の
構成部品の斜視図を示している。同図において、１は移
動部材、２は移動部材１を１軸方向に案内する直線案内
部、３は移動部材１をクランプするクランパ、４はクラ
ンパ３を固定する基台である。直線案内部２は、移動部
材１に取り付ける１組の移動部２１と、基台４に取り付
ける１組の固定部２２と、直線案内するＶ型溝２３と、
球２４及び球のリテイナ２５（不図示）から構成され
る。クランパ３は、クランプ用伸縮素子３１と、この伸
縮素子の動きを拡大するてこからなっており（図３参
照）、このてこは弾性ヒンジ部３２を支点とし、クラン
プ部分３３を作用点としている。クランプ部分３３は移
動部材１に固定された移動部２１をクランプする。クラ
ンパ３は、同じ形状のもの３０と３０’の２つあり、そ
れぞれ基台４の固定部４１と可動部４２とに固定され
る。基台４には、クランパ３０を取り付けるクランパ取
付部４１と、クランパ３０’を取り付けるクランパ取付
部４２とがあり、クランパ取付部４２は可動部４３の一
部で、可動部４３は弾性ヒンジ部４４からなる平行ばね
により１軸方向に案内される。また、可動部４３の可動
方向にそれぞれ対向して設けられた一対の移動用伸縮素
子４５と４５’は、予荷重用梁部４６により変位軸方向
に予荷重が加えられている。即ち、可動部４３の可動方
向の長さと移動用伸縮素子４５と４５’の長さの総和
は、予荷重用梁部４６間の内側の寸法よりも少し長くな
っており、予荷重用梁部を弾性変形させた隙間に移動用
伸縮素子を挿入して予荷重を伸縮素子に与えている。こ
こでは伸縮素子として、１００Ｖの印加電圧で約７μｍ
の伸び変位をする圧電素子を用いた。

【００１３】図２は、組み上がった状態の粗動機構を移
動部材の移動方向軸からみた正面図である。クランパが
移動部材の下側の空間に入り込み、機構の薄型化に貢献
している。また、クランパのクランプ部３３が直線案内
の移動部２１のＶ型溝と反対側をクランプしている状態
がよく分かる。

【００１４】図３は、クランパ３の上面図である。クラ
ンパ３は、クランプ用伸縮素子３１と、この伸縮素子の
動きを拡大するてこからなっている。このてこは、クラ
ンプ用伸縮素子３１の両側の鋼球３４を力点、弾性ヒン
ジ部３２を支点、クランプ部分３３を作用点としてお
り、てこ比は約５倍である。クランプ部分３３は移動部
材１に固定された移動部２１をクランプする。クランプ
用伸縮素子は、変位軸方向に予荷重を加えた状態で設置
される。即ち、図４において、直線案内左右の移動部２
１の間の寸法Ａは、クランプ用伸縮素子と鋼球径とクラ
ンパの長さの総和Ｂよりも少し短くなっている。これに
より、クランプ用伸縮素子に電圧を印加しない状態でも
クランプ部分３３は直線案内の移動部２１の内側に押さ
れ、移動部材１を保持する。

【００１５】粗動の説明を図５に従って行なう。図５は
各伸縮素子に加える電圧の印加手順を示している。同図
の上から順番に、基準クロック、クランプ用伸縮素子３
１に加える電圧、移動用伸縮素子４５に加える電圧、移
動用伸縮素子４５’に加える電圧、クランプ用伸縮素子
３１’に加える電圧を示している。例えば、時間Ｔ１に
おいて、クランプ用素子３１には１００Ｖの電圧、移動
用素子４５には０Ｖの電圧、移動用素子４５には１００
Ｖの電圧、クランプ用素子３１’には０Ｖの電圧が印加
されている。この様にして、クロックを基準にＴ１から
Ｔ６までの電圧を各伸縮素子に印加していくと可動部材
が１ステップ動く。以下Ｔ０、Ｔ１からＴ６まで順番に
説明していく。

【００１６】Ｔ０、機構を立ち上げる前には各素子には
電圧が印加されていないので、ここで移動用素子４５’
に１００Ｖを印加する。

【００１７】Ｔ１、クランプ用素子３１に電圧１００Ｖ
を印加し、クランパ３０を動作させ、移動部材１をクラ
ンプする。

【００１８】Ｔ２、移動用素子４５に０から１００Ｖの
電圧、移動用素子４５’に１００Ｖから０Ｖの電圧をそ
れぞれに加える。クランプ用素子３１にクランプされて
いるクランプ部３３とクランプされていないクランプ部
３３’との摩擦力の差により、クランパ３０’が微小変
位する。（図１の位置関係で機構が組み上がったとし
て、クランパ３０’は右下方向へ微小に変位する）Ｔ３、クランパ用素子３１’に１００Ｖの電圧を印加
し、クランパ３０’を動作させ、移動部材１をクランパ
する。

【００１９】Ｔ４、クランパ用素子３１の印加電圧を０
Ｖにする。クランパ３０の動作は解除される。

【００２０】Ｔ５、移動用素子４５の印加電圧を１００
Ｖから０Ｖに、移動用素子４５’の印加電圧を０Ｖから
１００Ｖにする。クランプ用素子３１’にクランプされ
ているクランプ部３３’とクランプされていないクラン
プ部３３との摩擦力の差により、クランパ３０’が移動
部材１をクランプしたまま微小変位する。その結果、移
動部材１は微小移動する。（図１の位置関係で機構が組
み上がったとして、移動部材は左上方向へ微小に移動す
る）Ｔ６、クランプ用素子３１に１００Ｖの電圧を印加し、
クランパ３０を動作させ、移動部材１をクランプする。
この１サイクルで、移動部材は約５μｍ動いた。続い
て、Ｔ１からＴ６までを繰り返すと、更に約５μｍずつ
移動部材を動かすことができる。また、各伸縮素子に図
５の右から左（Ｔ６からＴ１）の様に電圧を加えると移
動部材は、逆方向に約５μｍ動かすことができる。ま
た、Ｔ２（からＴ４）の時に移動用伸縮素子４５、４
５’に加える電圧を調整することで１ステップで動く距
離を変えることができる。第２実施例図６は本発明の特徴をよく表わす図面であり、図６
（ａ）は側面図、図６（ｂ）は上面図である。同図にお
いて、１は移動部材、６２と６２’は移動部材１の両側
に対向して接着された一対の移動用伸縮素子、６３と６
３’は移動用伸縮素子６２と６２’を介して移動部材１
と接続されたクランプ用ブロック、６４と６４’はクラ
ンプ用ブロック６３と６３’をクランプするクランプ用
伸縮素子、６５と６５’はクランプ用伸縮素子とクラン
プ用ブロックの間に設けられたクランプ部、６は箱の形
状をしているフレームで、クランプ用伸縮素子とフレー
ムとは接着固定されている。７と７’はフレーム６の内
側を滑るスライド部であり、スライド部７と７’はクラ
ンプ用ブロックの両側に設けられている。ここでは伸縮
素子として１００Ｖの印加電圧で約７μｍの伸び変位を
する積層型の圧電素子を使用した。また、スライド部に
はテフロン樹脂を用いている。クランプ用伸縮素子は、
軸方向に予荷重を加えた状態で設置されている。即ち、
図６（ａ）において、クランプ用ブロックとクランプ用
伸縮素子とクランプ部の長さの総和は、フレームの内側
の寸法よりも少し長くなっている。これにより、クラン
プ用伸縮素子に電圧を印加しない状態でもクランプ用ブ
ロックはフレームの内側に押される。

【００２１】粗動微動機構の動作説明を行なう。

【００２２】最初に、粗動の説明を図７，８に従って行
なう。図７は各伸縮素子に加える電圧の時間的手順を示
している。同図の上から順番に、基準クロック、クラン
プ用伸縮素子６４に加える電圧、移動用伸縮素子６２に
加える電圧、移動用伸縮素子６２’に加える電圧、クラ
ンプ用伸縮素子６４’に加える電圧を示している。例え
ば、時間Ｔ１において、クランプ素子６４には１００Ｖ
の電圧、移動用素子６２と６２’には０Ｖの電圧、クラ
ンプ素子６４’には０Ｖの電圧が印加されている。この
様にして、クロックを基準にＴ１からＴ６までの電圧を
各伸縮素子に印加していくと移動部材が１ステップ動
く。図８は移動部材が動く状態を時間Ｔ１からＴ６まで
順番に示しており、フレームの中側だけを図示してあ
る。以下Ｔ１からＴ６まで順番に説明していく。

【００２３】Ｔ１、向かって左側のクランプ素子６４の
みに電圧が１００Ｖ印加されている。押さえつけられて
いる状態のクランプ部を黒く塗りつぶして示す。

【００２４】Ｔ２、駆動用素子６２と６２’に５０Ｖの
電圧をそれぞれに印加すると、クランプ素子６４に押さ
えられているブロック６３と押さえつけられていないブ
ロック６３’とのフレーム内壁に対する摩擦力の差によ
り、ブロック６３を固定部分として移動部材１やブロッ
ク６３’は右側へ移動する。

【００２５】Ｔ３、右側のクランプ素子６４’に１００
Ｖの電圧を印加し、ブロック６３’をクランプ状態にす
る。

【００２６】Ｔ４、左側のクランプ素子６４の印加電圧
を０Ｖにする。ブロック６３はクランプ状態から解除さ
れる。

【００２７】Ｔ５、移動用素子６２と６２’の印加電圧
を０Ｖにする。クランプ状態のブロック６３’を固定部
分として移動部材１やブロック６３が右側へ移動する。

【００２８】Ｔ６、右側のクランプ素子６４に１００Ｖ
の電圧を印加し、ブロック６３をクランプ状態にする。
この１サイクルで、移動部材１は右方向へ約５μｍ動い
た。続いて、Ｔ１からＴ６までを繰り返すと、右方向に
約５μｍ、移動部材を動かすことができる。また、各伸
縮素子に図７の右から左（Ｔ６からＴ１）の様に電圧を
加えると移動部材は、左方向に約５μｍ動かすことがで
きる。更に、Ｔ２（からＴ４）の時に移動用伸縮素子６
２、６２’に加える電圧を調整することで１ステップで
動く距離を変えることができる。また、移動用素子６２
あるいは移動用素子６２’のどちらか一方に電圧を加え
ることでも粗動が可能である。

【００２９】次に、微動の説明を図９、１０に従って行
なう。図９は、図７のＴ３の状態で各伸縮素子に加える
電圧の時間的手順を示している。同図において明らかな
ようにクランプ素子６４、６４’には１００Ｖの電圧が
加えられており、ブロック６３、６３’はフレームの内
側に押さえつけられている。また、移動用素子６２、６
２’に加える電圧の波形は、三角波になっている。図１
０は、移動部材が動く状態を順番に示している。以下順
番に説明していく。

【００３０】Ａ−Ｂ、向かって左側の移動用素子６２に
電圧５０Ｖから１００Ｖまでを、また右側の移動用素子
６２’には電圧５０Ｖから０Ｖまでを加える。移動部材
は、右方向に動く。その移動量は、約２．５μｍであ
る。

【００３１】Ｂ−Ｃ、移動用素子６２に電圧１００Ｖか
ら５０Ｖまでを、また、移動用素子６２’には電圧０Ｖ
から５０Ｖまでを加える。移動部材は、最初のＡと同じ
位置に戻る。

【００３２】Ｃ−Ｄ、移動用素子６２に電圧５０Ｖから
０Ｖまでを、また、移動用素子６２’には電圧５０Ｖか
ら１００Ｖまでを加える。移動部材は、Ａ（Ｃ）の位置
から左方向へ約２．５μｍ動く。

【００３３】Ｄ−Ｅ、移動用素子６２に電圧０Ｖから５
０Ｖまでを、また、移動用素子６２’には電圧１００Ｖ
から５０Ｖまでを加える。移動部材は、最初のＡ（Ｃ）
と同じ位置に戻る。この１サイクルで、移動部材は最初
の点を基準に±約２．５μｍの走査をすることができ
る。また、移動用素子に図９の右から左（ＥからＡ）の
様に電圧を加えると移動部材は、逆方向から±約２．５
μｍ走査することができる。更に、移動用素子に加える
三角波の波高（電圧）を調整することで走査の振幅を変
えることができる。そして、図９のＡからＥの間の任意
の点で移動用素子に加えている電圧をホールドすると任
意位置への微動ができることになる。移動用素子に加え
る電圧を制御するだけで、ｎｍオーダーの位置再現性を
得ることができる。

【００３４】本実施例の機構により、１軸方向に粗動微
動が精度よくできる。この機構を直交させて配置し、移
動部材にそれぞれ探針と試料を取り付け、探針と試料を
相対走査し、ＳＴＭの粗動微動機構として用いることが
できた。

【００３５】なお、図６の機構では、クランプ用伸縮素
子６４、６４’はフレーム６の内側に接着固定されてい
たが、図１１のようにクランプ用ブロック６３、６３’
に接着固定し、クランプ部がフレームの内側になっても
良い。この場合、フレームの移動方向長さを長くするだ
けで粗動時のストロークを長くできる。一方、図６の機
構はストロークを長くするには、フレームとクランプ用
ブロックの移動方向の長さを長くする必要がある。第３実施例図１２は本発明第３の実施例の粗動微動機構を表す側面
図である。同図において、１は移動部材、６２と６２’
は移動部材１の両側に対向して接着された一対の移動用
伸縮素子、６３と６３’は移動用伸縮素子６２と６２’
を介して移動部材１と接続されたクランプ用ブロック、
６４ａと６４ｂはクランプ用ブロック６３をクランプす
るクランプ用伸縮素子、６４ａ’と６４ｂ’はクランプ
用ブロック６３’をクランプするクランプ用伸縮素子、
６５と６５’はクランプ用伸縮素子とクランプ用ブロッ
クの間に設けられたクランプ部、６は箱の形状をしてい
るフレームで、クランプ用伸縮素子とフレームとは接着
固定されている。図示していないが、図６（ｂ）と同様
にフレーム６の内側を滑るスライド部がクランプ用ブロ
ックの両側に設けられている。ここでは伸縮素子として
１００Ｖの印加電圧で約７μｍの伸び変位をする積層型
圧電素子を使用した。また、スライド部にはテフロン樹
脂を用いている。クランプ用伸縮素子は、軸方向に予荷
重を加えた状態で設置されている。即ち、図１２におい
て、クランプ用ブロックと１組のクランプ用伸縮素子と
クランプ部の長さの総和は、フレームの内側の寸法より
も少し長くなっている。これにより、クランプ用伸縮素
子に電圧を印加しない状態でもクランプ用ブロックはク
ランプ用伸縮素子の間に保持される。

【００３６】粗動微動時の各伸縮素子に加える電圧につ
いては、上述の第２実施例と同じである。ただし、本実
施例では、図１３のようにクランプ用伸縮素子６４ｂと
６４ｂ’を伸ばし、クランプ用伸縮素子６４ａと６４
ａ’を縮めることにより、移動部材を下方向に微動する
ことができる。この時の各素子への印加電圧は、例えば
中立位置（図１２に示した位置）ではそれぞれ５０Ｖ、
図１３の位置では伸縮素子６４ａと６４ａ’に０Ｖ、伸
縮素子６４ｂと６４ｂ’に１００Ｖである。移動部材は
中立位置から約２μｍ下に微動している。また、伸縮素
子６４ａと６４ａ’に１００Ｖ、伸縮素子６４ｂと６４
ｂ’に０Ｖの電圧を加えれば移動部材を上方向に微動で
きる。こうすれば、移動部材を左右方向には粗動と微動
（走査）でき、上下方向には微動（走査）できる。

【００３７】また、図１２において、右側のクランプ用
伸縮素子６４ａ’と６４ｂ’にはそれぞれ５０Ｖの電圧
を加えてブロック６３’を中立位置に保ち、左側のクラ
ンプ用伸縮素子６４ａには０Ｖ、クランプ用伸縮素子６
４ｂには１００Ｖを加えると、移動部材を右側のブロッ
クを中心に回転させることもできる。

【００３８】なお、図１２の機構では、クランプ用伸縮
素子６４ａ、６４ａ’、６４ｂ、６４ｂ’はフレーム６
の内側に接着固定されていたが、図１４のようにクラン
プ用ブロックに接着固定し、クランプ部がフレームの内
側になっても良い。この場合、フレームの移動方向長さ
を長くするだけで粗動時のストロークを長くできる。第４実施例図１５は本発明第４の実施例の粗動微動機構を表す側面
図である。同図において、１は移動部材、６２と６２’
は移動部材１の両側に対向して接着された一対の移動用
伸縮素子、６３と６３’は移動用伸縮素子６２と６２’
を介して移動部材１と接続されたクランプ用ブロック、
６４ａと６４ｂはクランプ用ブロック６３をクランプす
るクランプ用伸縮素子、６４ａ’と６４ｂ’はクランプ
用ブロック６３’をクランプするクランプ用伸縮素子、
６５と６５’はクランプ用伸縮素子とクランプ用ブロッ
クの間に設けられたクランプ部、６は箱の形状をしてい
るフレームで、クランプ用伸縮素子とフレームとは接着
固定されている。８は移動部材を左右１軸方向に案内す
る直線案内部であり、例えばＶ溝と球からなるリニアガ
イド等が使用可能である。

【００３９】粗動微動時の各伸縮素子に加える電圧につ
いては、上述実施例と同じである。本実施例の場合は、
移動部材の１軸方向への移動精度の向上、高剛性化がは
かれる。本構成においては、第３の実施例のように可動
部の回転などはできなくなるが、移動部材のフレームに
対する剛性は上がる。第５実施例図１６は本発明のＸ−Ｙ粗動微動機構が適用される走査
型トンネル顕微鏡の図面であり、同図において、１１は
機械切断で作成したプラチナ−ロジウム製探針、２０は
探針１１をｚ方向に駆動するｚ方向駆動機構、３０は探
針１１をｙ方向に粗動及び微動するｙ方向駆動機構、ｙ
方向駆動機構３０は斜線で示されているフレーム６に固
定されている。４０は試料、４１は試料４０を固定する
試料ホルダー、５０は試料４０をｘ方向に微動及び粗動
するｘ方向駆動機構、ｘ方向駆動機構５０は斜線で示さ
れているフレーム６に固定されている。７０は各回路な
どを制御するマイクロコンピュータ、７１は探針１１と
試料４０との間にバイアス電圧を加える電圧印加回路、
７２は探針１１と試料４０との間に流れる電流を電圧に
変換し増幅を行なう電流増幅回路、７３はｘ方向駆動機
構５０及びｙ方向駆動機構３０を粗動・微動・走査する
ｘｙ方向駆動回路、７４は探針１１をｚ方向に駆動する
ｚ方向駆動回路である。

【００４０】第５実施例について、図面を用いて説明す
る。

【００４１】図１７と図１８を用いてｘ方向駆動機構の
説明をする。図１７は探針を通るｘｚ断面、図１８は探
針を通るｙｚ断面を示している。同図において、４０は
試料、５１は試料４０を取り付けたｘ方向移動部材、５
２と５２’は移動部材５１の両側に対向して接着された
一対の移動用伸縮素子、５３と５３’は移動用伸縮素子
５２と５２’を介して移動部材５１と接続されたクラン
プ用ブロック、５４と５４’はクランプ用ブロック５３
と５３’をクランプするクランプ用伸縮素子、５５と５
５’はクランプ用伸縮素子とクランプ用ブロックの間に
設けられたクランプ部、６は箱の形状をしているフレー
ム、クランプ用伸縮素子とフレームとはｙ方向案内基台
５７と５７’を介して接着固定されている。２４は球
で、移動部材５１とｘ方向案内基台５６と５６’との横
に下降されたＶ型溝に入り込み、移動部材５１の動きを
ｘ方向に運動拘束する。ここでは伸縮素子として１００
Ｖの印加電圧で約７μｍの伸び変位をする積層型の圧電
素子を使用した。クランプ用伸縮素子は、軸方向に予荷
重を加えた状態で設置されているので、クランプ用伸縮
素子に電圧を印加しない状態でもクランプ用ブロックは
フレームの内側に押される。

【００４２】図１９は、ｘ方向粗動微動機構部分を示す
上面図であり、試料４０の乗ったｘ方向移動部材５１、
移動部材５１を挾むように接着されたｘ方向移動用伸縮
素子５２と５２’、更に移動用素子５２と５２’に接着
されたクランプ用ブロック５３と５３’がある。このク
ランプ用ブロックの上面に書かれている破線の正方形
は、移動部材が中立位置にある時にクランプ部が接する
部分を示している。フレーム６にはｘ方向案内基台５６
と５６’が固定されており、その上面にはｙ方向クラン
プ用伸縮素子３８と３８’が接着されている。

【００４３】ｘ方向粗動微動機構の動作説明を行なう。
先ずｘ方向に試料４０を粗動するには、図１７におい
て、クランプ用伸縮素子５４と５４’をクランプ素子と
して、移動用伸縮素子５２及び／又は５２’を移動用素
子として尺取り虫型の駆動を行なう。例えば、移動用伸
縮素子５２と５２’にそれぞれ５０Ｖの電圧を印加して
駆動すると、１ステップで約５μｍの粗動ができる。ｘ
方向に試料４０を微動するには、クランプ用伸縮素子５
４と５４’に電圧を印加してクランプ用ブロックをクラ
ンプしておき、移動用伸縮素子５２に縮む（伸びる）電
圧を加え、移動用伸縮素子５２’には伸びる（縮む）電
圧を加えることで、ｘ方向移動部材５１に乗っている試
料４０をｘ方向に微動ができる。また、ｘ方向に試料を
走査するには、上述した移動用伸縮素子に例えば三角波
や正弦波状の電圧を印加すればよく、波高値２０Ｖの電
圧を印加で約１μｍの走査ができる。

【００４４】次に、図１７と図１８を用いてｙ方向駆動
機構の説明をする。同図において、１１は探針、２０は
探針１１をｚ方向に動かすｚ方向駆動機構、３５はｚ方
向駆動機構２０を取り付けたｙ方向移動部材、３６と３
６’は移動部材３５の両側に対向して接着された一対の
移動用伸縮素子、３７と３７’は移動用伸縮素子３６と
３６’を介して移動部材３５と接続されたクランプ用ブ
ロック、３８と３８’はクランプ用ブロック３７と３
７’をクランプするクランプ用伸縮素子、３９と３９’
はクランプ用伸縮素子とクランプ用ブロックの間に設け
られたクランプ部、６は箱の形状をしているフレーム、
クランプ用伸縮素子とフレームとはｘ方向案内基台５６
と５６’を介して接着固定されている。２４は球で、移
動部材３５とｙ方向案内基台５７と５７’との横に加工
されたＶ型溝に入り込み、移動部材３１の動きをｙ方向
に運動拘束する。ここでは伸縮素子として１００Ｖの印
加電圧で約７μｍの伸び変位をする積層型の圧電素子を
使用した。クランプ用伸縮素子は、軸方向に予荷重を加
えた状態で設置されているので、クランプ用伸縮素子に
電圧を印加しない状態でもクランプ用ブロックはフレー
ムの内側に押される。

【００４５】ｙ方向粗動微動機構の動作説明を行なう。
ｙ方向に探針１１を粗動するには、図１８において、ク
ランプ用伸縮素子３８と３８’をクランプ素子として、
移動用伸縮素子３６及び／又は３６’を移動用素子とし
て尺取り虫型の駆動を行なう。例えば、移動用伸縮素子
３６と３６’にそれぞれ５０Ｖの電圧を印加して駆動す
ると、１ステップで約５μｍの粗動ができる。ｙ方向に
探針１１を微動するには、クランプ用伸縮素子３８と３
８’に電圧を印加してクランプ用ブロックをクランプし
ておき、移動用伸縮素子３６に縮む（伸びる）電圧を加
え、移動用伸縮素子３６’には伸びる（縮む）電圧を加
えることで、ｙ方向移動部材３５に乗っている探針１１
をｙ方向に微動ができる。また、ｙ方向に試料を走査す
るには、上述した移動用伸縮素子に例えば三角波や正弦
波状の電圧を印加すればよく、波高値２０Ｖの電圧印加
で約１μｍの走査ができる。

【００４６】本実施例装置の動作説明を行なう。探針１
１と試料４０を取り付け、探針と試料との間に電圧印加
回路７１でバイアス電圧０．３Ｖを印加しながら、電流
増幅回路７２で検出される電流が１ｎＡになるまでｚ方
向駆動機構２０を駆動して探針を試料に近づける。ここ
でｘ方向駆動機構５０に主走査の三角波状の波高値２０
Ｖの電圧を加え、ｙ方向駆動機構３０に副走査の三角波
状の波高値２０Ｖの電圧を加え、それぞれ走査する。こ
れで探針１１と試料４０とを１μｍ平方の領域にわたり
二次元走査でき、ＳＴＭ動作させれば、ＳＭＴ像を得る
ことができる。また、ｘ方向駆動機構及びｙ方向駆動機
構の移動部材を案内しているＶ型溝と球部分のクリアラ
ンスから生じるｚ方向ガタなどよりもｚ方向駆動機構の
ストロークを大きくした場合は、トンネル領域に探針を
近づけた状態でサーボをかけながら粗動動作することが
できる。

【００４７】本装置でグラファイトの原子像を得ること
ができる。第６実施例図２０は本発明の第６実施例を情報記録再生装置に適用
した例を表す図面である。同図において、１０はタング
ステン製の複数のプローブ電極、２０はプローブ電極１
０をｚ方向に駆動するｚ方向駆動機構、３０はプローブ
電極１０をｙ方向に微動及び粗動するｙ方向駆動機構、
ｙ方向駆動機構３０は斜線で示されているフレーム６に
固定されている。８０はマイカをへき開して得られた平
滑な基板、８１は基板８０の上にＡｕをエピタキシャル
成長させた下地電極、８２は電気メモリー効果を有する
スクアリリウム−ビス−６−オクチルアズレン（以下Ｓ
ＯＡＺと略す）をＬＢ法（累積法）により８層累積した
記録層である。記録媒体８３は基板８０、下地電極８
１、記録層８２から構成されている。５０は記録媒体８
３をｘ方向に粗動及び微動するｘ方向駆動機構、ｘ方向
駆動機構５０は斜線で示されているフレーム６に固定さ
れている。ｘ方向駆動機構及びｙ方向駆動機構は、前記
実施例と同様の構成になっており、粗動駆動や微動駆動
も同じ方法で行う。９０は記録再生装置の上位装置との
接続を行なうインターフェース、９９は記録再生装置内
の各ブロック間の相互動作の集中制御を行なう制御回
路、９１は書込み読出し情報（データ）を制御回路９９
からの指示により書込んだり読出したりする書込み読出
し回路、９２はプローブ電極１０と記録媒体８３との間
にパルス状電圧を印加しデータを書込んだり読出し電圧
を印加する電圧印加回路、９３はプローブ電極１０と記
録媒体８３との間に流れる電流を増幅する電流増幅回
路、９４は制御回路９９などの指示により電流増幅回路
９３や位置検出回路９８の信号を基にプローブ電極１０
や記録媒体８３の位置を決定する位置決め回路、９５は
位置決め回路９４からのサーボ信号を基にプローブ電極
１０や記録媒体８３の相対位置をサーボするサーボ回
路、９６はサーボ回路９５の信号に従いプローブ電極１
０のｚ方向駆動機構２０を駆動するｚ方向駆動回路、９
７はサーボ回路９５の信号に従いｙ方向駆動機構３０や
ｘ方向駆動機構５０を駆動するｘｙ方向駆動回路であ
る。

【００４８】図２１はプローブ電極をｚ方向（記録媒体
表面と垂直方向）に駆動する機構の概略図である。１０
はプローブ電極、２６はバイモルフ梁、２７は配線領域
である。バイモルフ梁２６の断面構成は、例えば上電極
（Ａｕ）／絶縁膜（Ｓｉ₃ Ｎ ₄ ）／圧電層（ＺｎＯ）／
絶縁膜（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）／中電曲（Ａｕ）／絶縁膜（Ｓｉ
₃ Ｎ₄ ）／圧電層（ＺｎＯ）／絶縁膜（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）／
下電極（Ａｕ）となっており、寸法は６００μｍ×１２
０μｍ、厚さ１０μｍ程度のものを作製して用いた。上
中下電極に電圧を加えバイモルフとして駆動させること
で、プローブ電極１０を動かすことができ、印加電圧±
１０Ｖで変位量として約４μｍが得られる。なお、バイ
モルフ梁２６及びプローブ電極１０の製作は、マイクロ
メカニクス、あるいはマイクロマシーニングと呼ばれて
いる公知の方法で行なった。

【００４９】→［参考文献：Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｅ
ｎ，Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ，７０，４２０（１９８２）］タングステン製プローブ電極１０からの信号線はバイモ
ルフ梁２６上を通り配線領域２７上の切り替え回路へ導
かれ電圧印加回路や電流増幅回路とつながっている。ま
た各バイモルフ梁２６の制御信号をｚ方向駆動回路から
導く配線も配線領域２７上に形成されている。

【００５０】本実施例装置の動作説明を行なう。

【００５１】まず、プローブ電極１０は記録媒体８３と
の接触や衝突を避けるために離れているので、Ｚ方向駆
動機構２０によって両者を接近させる。手順はプローブ
電極１０と記録媒体の下地電極８１の間に０．１Ｖの読
み取り電圧を電圧印加回路９２で印加して、ｚ方向駆動
機構２０を駆動して電流増幅回路９３で検出される電流
が１０ｐＡになるまでプローブ電極１０を近づけること
で行なう。ここでｚ方向駆動機構２０を保持し、プロー
ブ電極１０をｙ方向駆動機構３０を用いてｙ方向へ走査
し、記録媒体８３をｘ方向駆動機構５０を用いてｘ方向
へ走査することで、プローブ電極１０と記録媒体８３と
を相対的に二次元走査できる。この状態で読出し情報を
見たところ情報は何もはいっていなかった。更に詳しく
は、プローブ電極と記録媒体とを走査しながら得られる
電流増幅回路９３の出力値はプローブ電極１０と記録媒
体８３の下地電極８１の間に流れる電流に換算して１０
ｐＡの値であった。

【００５２】記録は、記録媒体８３とプローブ電極１０
を二次元走査しながら、記録媒体８３の記録領域上の書
込み位置にきたら電圧印加回路９２でパルス状電圧（パ
ルス高さ５Ｖ，パルス幅５０ｎｓ）を印加して行なう。
このパルス状電圧は電気メモリー効果を有する記録層８
２がＯＦＦ（高抵抗）状態からＯＮ（低抵抗）状態に変
化するのに充分な電圧である。書込みのタイミング等は
制御回路９９の制御信号による。

【００５３】再生は、プローブ電極１０と記録媒体の下
地電極８１の間に０．１Ｖの読み取り電圧を電圧印加回
路９２で印加しながら、プローブ電極１０と記録媒体８
３を二次元走査し、記録媒体８３の記録領域上における
電流変化を電流増幅回路９３で見ることで行なう。更に
詳しくは、プローブ電極と記録媒体を走査しながら得ら
れる電流増幅回路９３の出力値はプローブ電極１０と記
録媒体８３の下地電極８１の間に流れる電流に換算し
て、記録ビットの位置では電流増幅回路９３の飽和する
１００ｎＡ以上であり、その他の場所は１０ｐＡの値で
あった。この電流変化は書込み読出し回路９１によって
読出し情報となりインタフェース９０を通して上位装置
へ伝えられる。読出しのタイミング等は制御回路９９の
制御信号による。

【００５４】記録ビットの寸法は直径２０ｎｍであっ
た。上述の説明は、１本のプローブ電極で行なったが、
プローブ電極からの信号を切り替える切り替え回路（不
図示）により複数のプローブ電極からの信号をインタフ
ェースへ送ることができる。

【００５５】記録領域を変える時は、ｘ方向駆動機構及
びｙ方向駆動機構の微動ストロークでカバーできる場合
は微動駆動し、ストロークが足りない場合は粗動駆動す
ることで行なう。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
移動部材の直線案内部にクランプ手段を設けたので、粗
動機構の小型化・単純化ができる。また、可動部材の凹
部にクランプ手段を設けることで薄型化することができ
る。

【００５７】また本発明によれば、粗動時の伸縮素子と
微動時の伸縮素子に同じ素子を用いる構成にしたので、
粗動微動機構の小型化・単純化ができる。

【００５８】さらに、Ｘ方向駆動機構とＹ方向駆動機構
とを同じものを用いることができ、部品点数などの軽減
化を計ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の粗動機構の構成部品を展開して
示す斜視図

【図２】本発明実施例の粗動機構の移動方向からみた正
面図

【図３】本発明実施例の粗動機構のクランパの説明図

【図４】本発明実施例の粗動機構の移動部材とクランパ
の関係を説明する図

【図５】本発明実施例の粗動機構の粗動時の電圧印加手
順図

【図６】本発明の第２の実施例の粗動微動機構の側面
図、及び上面図

【図７】本発明の第２の実施例の粗動微動機構の粗動時
の電圧印加手順図

【図８】本発明の第２の実施例の粗動微動機構の粗動時
の動きを示す側面図

【図９】本発明の第２の実施例の粗動微動機構の走査時
の電圧印加手順図

【図１０】本発明の第２の実施例の粗動微動機構の走査
時の動きを示す側面図

【図１１】本発明の第２の実施例を一部改良した本発明
粗動微動機構の側面図

【図１２】本発明の第３の実施例の粗動微動機構の側面
図

【図１３】本発明の第３の実施例の粗動微動機構の微動
時の動きを示す側面図

【図１４】本発明の第３の実施例を一部改良した粗動微
動機構の側面図

【図１５】本発明の第４の実施例の粗動微動機構の側面
図

【図１６】本発明第５実施例の粗動微動機構を適用した
走査型トンネル顕微鏡の構成図

【図１７】本発明第５実施例のＸ−Ｙ粗動微動機構の側
面図（探針を通るｘｚ面）

【図１８】本発明第５実施例のＸ−Ｙ粗動微動機構の側
面図（探針を通るｘｚ面）

【図１９】本発明第５実施例のＸ−Ｙ粗動微動機構の上
面図

【図２０】本発明第６実施例の粗動微動機構を適用した
記録再生装置の構成図

【図２１】本発明第６実施例のｚ方向駆動機構の斜視図

【符号の説明】

１移動部材２直線案内部３，３０，３０’ クランパ３１，３１’ クランプ用伸縮素子３３，３３’ クランプ部分４基台４１，４１’ クランパ取付部４３可動部４５，４５’ 移動用伸縮素子６２，６２’ 移動用伸縮素子６３，６３’ クランプ用ブロック６４，６４’，６４ａ，６４ａ’，６４ｂ，６４ｂ’
クランプ用伸縮素子６５，６５’ クランプ部６フレーム７，７’ スライド部８直線案内部１０プローブ電極１１探針２０ｚ方向駆動機構３０ｙ方向駆動機構４０試料５０ｘ方向駆動機構７０マイクロコンピュータ８３記録媒体９０インタフェース

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基台に対して直線案内機構によって一方
向に移動可能な移動部材と、該移動部材の移動方向に可
動な可動部と、該可動部を挟んで移動方向に対向して設
けた一対の移動用伸縮素子と、前記基台及び可動部にそ
れぞれ設けられ、前記移動部材をクランプする複数のク
ランプ手段とから成り、該複数のクランプ手段の作動に
よって、前記移動用伸縮素子の伸縮に基づく前記可動部
の変位を前記移動部材の変位に変換する粗動機構。
【請求項２】前記可動部が前記基台と複数の弾性ヒン
ジを介して一体に接続されている請求項１記載の粗動機
構。
【請求項３】前記クランプ手段がクランプ用伸縮素子
からなる請求項１又は２記載の粗動機構。
【請求項４】前記クランプ手段がクランプ用伸縮素子
と、該クランプ用伸縮素子の両端に生じる変位を拡大す
る為のてこ手段とを含む請求項１または２記載の粗動機
構。
【請求項５】前記移動用伸縮素子、前記クランプ用伸
縮素子が電歪素子から成り、該電歪素子に予荷重が加え
られて設けられている請求項１，２，３又は４記載の粗
動機構。
【請求項６】前記移動部材に凹部を設け、該凹部に前
記クランプ手段が収容されていて、クランプ手段で内側
から広げるようにクランプする構成にした請求項１，
２，３，４又は５記載の粗動機構。
【請求項７】一方向に移動可能な可動部材と、該可動
部材を挟んで移動方向に対向して設けられた一対の移動
用伸縮素子と、該移動用伸縮素子の移動部材側と反対側
を各々、クランプするクランプ手段とを具備する粗動微
動機構。
【請求項８】前記クランプ手段が対向した位置関係に
一対づつ設けられる請求項７記載の粗動微動機構。
【請求項９】直交する２方向に各々案内されて移動可
能に対向配置した第１及び第２の移動部材と、前記第１
移動部材を挟むように対向して設けた一対の第１移動用
伸縮素子と、該移動用伸縮素子の移動部材側と反対側を
それぞれクランプする第１クランプ手段と、前記第２移
動部材を挟むように対向して設けた一対の第２移動用伸
縮素子と、該移動用伸縮素子の移動部材側と反対側をそ
れぞれクランプする第２クランプ手段とを具備する粗動
微動機構。
【請求項１０】前記クランプ手段がクランプ用伸縮素
子からなる請求項７，８又は９記載の粗動微動機構。
【請求項１１】前記移動用伸縮素子、前記クランプ用
伸縮素子が電歪素子から成り、該電歪素子に予荷重が加
えられて設けられている請求項７，９又は１０記載の粗
動微動機構。