JPH0762603B2 - 微動機構 - Google Patents

微動機構

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JPH0762603B2
JPH0762603B2 JP63232930A JP23293088A JPH0762603B2 JP H0762603 B2 JPH0762603 B2 JP H0762603B2 JP 63232930 A JP63232930 A JP 63232930A JP 23293088 A JP23293088 A JP 23293088A JP H0762603 B2 JPH0762603 B2 JP H0762603B2
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electrode
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fine movement
electrodes
detection probe
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重夫 岡山
洋志 徳本
春樹 中川
研二 大村
茂 脇山
和俊 渡辺
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工業技術院長
株式会社小坂研究所
セイコー電子工業株式会社
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、分析機器及び走査型トンネル顕微鏡の分野に
おいて、検出探針と試料表面間を高精度に位置決めしな
がら試料表面を高精度に走査する微動機構に関する。
〔発明の概要〕
本発明は、少なくとも一部が中空状に形成されており、
その外面と内面に複数の動作電極を有する圧電駆動部材
において、その先端に固定した検出探針を三次元方向に
動作可能にする微動機構であって、少なくとも1軸以上
に2組以上の動作電極を有し、高精度多段駆動を可能に
する。
〔従来の技術〕
試料表面と検出探針先端部間に流れるトンネル電流を検
出し、トンネル電流が一定になるように試料表面と検出
探針先端部との間をサブナノメータオーダーという高精
度で制御して原子構造を観察する走査型トンネル顕微鏡
においては、試料表面の面内方向(x・y)及び試料表
面の凹凸に沿って動作する三次元の微動機構が必要であ
る。従来高知の微動機構としては、x・y軸を一体に形
成した圧電駆動部材にz軸用棒状圧電駆動部材を組合せ
たもの(STM装置の試作・第33回応用物理学関連連合講
演会予稿(1986)、小野雅敏、他),x,y,z軸を一体に形
成したキュービック状圧電駆動部材からなるもの(真空
トンネル顕微鏡用微動素子の特性評価・第32回応用物理
学関連連合講演会予稿(1985)、岡山重夫、他)及び中
空円筒状圧電駆動部材からなるもの(Single−tube thr
ee−dimensional scanner for scanning tunneling mic
rocopy,G.Binnig他1986American Institute of physics
Rev.Sci−Instrum.57(8),Augnst 1986)などが知ら
れている。
〔発明が解決しようとする課題〕
x・y軸を一体に形成した圧電駆動部材にz軸用棒状圧
電駆動部材を組合わせたものは、構造上剛性が低く共振
周波数も低いため、制御応答速度に問題がある。またキ
ュービック状圧電駆動部材からなるものは、前記形状の
ものに比べ剛性が高く共振周波数も高くできるが、加工
が難しいという欠点がある。
前記2つの形状のものに比べ中空筒状圧電駆動部材から
なるものは、剛性が高く共振周波数も高くでき、加工及
び取扱い上も容易である。しかし、z軸方向動作のため
の電極は第2図に示すように1組(6,7)しか有してい
ない。この場合、圧電駆動部材のz軸方向への変位量Δ
lは電極間の厚みt,電極7の長さl,素材からくる圧電定
数d31,印加電圧の変化量ΔVにより定まり、次の様な関
係式となる。
Δl=d31(l/t)ΔV この関係式より単位電圧当たりのz軸方向への変位量を
小さくし、z軸方向の動作分解能を原子レベルよりも小
さく(0.01〜0.001nm)するためには、印加電圧の変動
を押え、電極長さlを短くする必要がある。一方、検出
探針をトンネル電流領域まで試料表面に近づける際、検
出探針と試料表面との衝突を避けるためには、z方向の
可動量は大きくする必要がある。
上記した従来の、中空状圧電駆動部材からなる微動機構
は、z軸方向動作のための電極が1組しかないので、高
電圧まで印加できる、極めて電圧変動の少ない電源が必
要になるという欠点があった。また、x・y軸方向に走
査する場合においても、微小領域を高分解能で走査し、
なおかつ大領域の走査も可能にするには、1組の動作電
極しかないときは、前記と同様に電源に問題がある。
〔課題を解決するための手段〕
上記従来の課題を解決する本発明は少なくとも一部が中
空状に形成されており、その外面と内面にそれぞれ1つ
以上の動作電極を有する圧電駆動部材において、少なく
とも1軸以上の動作電極を2組以上有する構成としてい
る。
〔作用〕
上記に示したように、複数組設けたz軸動作電極につい
ては、検出探針をトンネル電流領域まで試料表面に近づ
ける時は、単位電圧当たりの変位量が大きくなるよう
に、1組又は複数組の動作電極に電圧を印加して、検出
探針と試料表面との衝突を避ける。トンネル電流領域で
試料表面内(x・y)を走査する時は、所望の動作分解
能に応じて、1組の動作電極又は複数組の動作電極に電
圧を印加して制御する。x・y軸動作電極を複数有する
場合も同様である。
〔実施例〕
次に、本発明の実施例について図面に基づいて説明す
る。
(第一実施例) 第1図(a)及び第1図(b)は、本発明の第一実施例
の微動機構及び動作電極の配置を示したものである。中
空円筒形状圧電駆動部材は、圧電材料例えばPZTから成
り、その寸法は例えば外径10mm、内径4mm、高さ23mmで
ある。電極構成は、中空円筒の軸方向(z軸)に2段階
に動作できるように2組の電極7a,7bを有し、さらにx
・y方向にも動作できるように、電極8a,8b,9a,9bを有
している。そして中空円筒の内面には、共通電極6を有
している。この共通電極6は、配線を容易にするために
外面に折り返して形成されている。また、x・y動作電
極8a,8b,9a,9bは外面に等分割で配置され、x軸動作電
極8aと8b及び、y軸動作電極9aと9bはそれぞれ対向した
位置に配置されており、それらの面積及び形状はすべて
同じである。z軸動作電極7aと7bは、電圧に対する動作
量を変えるために、幅を変えて形成されている。
動作について説明すると、z軸方向は、共通電極6に対
し、z軸動作電極7aおよび7bに、又はそのいずれかに、
正又は負の電圧を印加することにより圧電駆動部材が厚
み方向に変位することで結果としてz軸方向に2段階の
変位を生じる。x及びy軸方向は、それぞれの相対向す
る電極の一方に共通電極に対し正の電圧を印加し、他方
には負の電圧を印加することにより、一方は縮む方向に
圧電駆動部材が変形し、他方は延びる方向に変形するこ
とで圧電駆動部材全体として傾きが生じ、結果としてx
及びy軸方向に変位が生じる。
(第二実施例) 第3図は、本発明による第二実施例の微動機構を示した
もので、段付中空円筒形状の圧電駆動部材12の上端に、
絶縁性材料5及びメネジが切られた検出探針台4が取付
けられ、オネジが切られた検出探針ホルダー3に固定さ
れた検出探針2が前記検出探針台4に組み込まれてい
る。動作電極の構成は第一実施例と同様になっている。
以下第4図から第6図まで、本発明による他の実施例を
示す。第4図は中空円錐台形状、第5図は段付中空円錐
台形状、第6図は中空角柱形状の圧電駆動部材からなる
微動機構であり、それらの動作電極構成は基本的に第一
実施例と同様である。
次に本発明第二実施例を走査型顕微鏡のトンネルユニッ
ト部に走査要素として組込んだ例を第7図に基づいて説
明する。
微動機構12は箱体23に対して移動するスライダー24に固
定され、スライダー24は駆動伝達機構25を介して箱体23
に取付けられた粗動機構26に連結している。そして試料
21は試料台22を介して箱体23に取付けられた構成となっ
ている。
まず、検出探針2と試料21との間にトンネル電流が流れ
るように、検出探針2を試料21に近づける粗動につてい
説明する。粗動機構26としてステッピングモーターを用
い、駆動伝達機構25として精密差動ネジを用いる。
(1)粗動機構26で1パルス分スライダー24を移動す
る。(2)微動機構12のz軸動作電極7aに粗動機構26の
1パルス分の移動量より小さい分解能で電圧を印加して
いき、検出探針2を試料21に近づけていく。トンネル電
流を検出したら、z軸動作電極7aへの印加電圧を保持
し、図示していないロック機構でスライダー24をロック
し、さらにこれも図示していないクラッチを解除して駆
動伝達機構25とスライダー24との連結を切り離す。z軸
動作電極7aに最大電圧(ステッピングモーターの1パル
ス分移動量よりも大きな移動量に相当、たとえば0.5μ
m〜1μm)を印加してもトンネル電流を検出しない場
合は、z軸動作電極7aへの印加電圧を微動機構12が最も
縮まるようにし、トンネル電流を検出するまで、
(1),(2)を繰り返す。
粗動が完了したら、x・y軸動作電極8a,8b,9a,9b及び
z軸動作電極7bに所望の電圧を印加することにより、試
料21の表面を観察する。
第8図(a)及び第8図(b)は、本発明による第六実
施例の微動機構及び動作電極の配置を示したものであ
る。電極構成は、第一実施例の電極構成にx・y方向の
電極31a,31b,32a,32bを付加したものとしている。x,y動
作電極31a,31b,32a,32bはx・y動作電極8a,8b,9a,9bと
同様に外面に等分割で配置されている。x軸動作電極31
aと31b及びy軸動作電極32aと32bはそれぞれ対向した位
置に配置されており、それらの面積及び形状はすべて同
じであるが、x・y動作電極8a,8b,9a,9bの電極と電圧
に対する動作量を変えるために、幅を変えて形成されて
いる。
動作について説明する。z軸方向については第一実施例
と同様である。x軸方向については、相対向する2組の
電極8aと8b及び31aと31b,又はいずれか1組の電極8aと8
bまたは31aと31bに、共通電極6に対し相対向する電極
の一方に正の電圧を印加し、他方には負の電圧を印加す
ることにより、x軸方向に2段階の変位を生じる。y軸
方向についても同様である。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明は、少なくとも1軸以上の動
作電極を2組以上有することから、たとえば、z軸動作
電極を2組以上有するときは、特別な電源を用いること
なく、高分解能かつ動作量の大きな微動機構を実現で
き、また、x・y軸動作電極を複数組有するときは、微
小領域からの大領域までの多段駆動可能な微動機構が実
現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は第一実施例の微動機構の斜視図および動作電極
配置図、第2図は従来の中空円筒形状電極駆動部材微動
機構の斜視図および断面図、第3図は第二実施例の微動
機構の斜視図、第4図は第三実施例の微動機構の斜視
図、第5図は第四実施例の微動機構の斜視図、第6図は
第五実施例の微動機構の斜視図、第7図は第二実施例の
微動機構を組込んだ走査型トンネル顕微鏡のトンネルユ
ニット部概略図、第8図は第六実施例の微動機構の斜視
図および動作電極配置図である。 1,11,12,13,14,15……圧電駆動部材 2……検出探針 3……検出探針ホルダー 4……検出探針台 5……絶縁性材料 6……共通電極 7,7a,7b……z軸動作電極 8a,8b,31a,31b……x軸動作電極 9a,9b,32a,32b……y軸動作電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中川 春樹 埼玉県三郷市鷹野3丁目63番地 株式会社 小坂研究所三郷工場内 (72)発明者 大村 研二 東京都江東区亀戸6丁目31番1号 セイコ ー電子工業株式会社内 (72)発明者 脇山 茂 東京都江東区亀戸6丁目31番1号 セイコ ー電子工業株式会社内 (72)発明者 渡辺 和俊 東京都江東区亀戸6丁目31番1号 セイコ ー電子工業株式会社内 審査官 小林 邦雄

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】粗動機構上に設けられ、端部に検出探針が
    取り付けられた一体中空筒型の圧電駆動部材からなる微
    動機構において、前記中空筒型の圧電駆動部材の外面に
    X軸、Y軸、Z軸動作用の帯状の各分割電極を周回方向
    に形成すると共に内面には前記各分割電極に対向する電
    極が設けられ、X、Y、Z軸方向のうち少なくとも1軸
    方向については、前記動作用分割電極が中空筒軸方向に
    複数段設けられ、前記少なくとも1軸方向においては所
    望の動作分解能に応じて前記複数段の分割電極のうち必
    要な段の電極と内側電極との間に電圧を印加して前記検
    出探針の動作量を制御することを特徴とする微動機構。
  2. 【請求項2】端部に検出探針が取り付けられた一体中空
    筒型の圧電駆動部材からなる微動機構において、前記中
    空筒型の圧電駆動部材の外面に周回方向に設けられ、か
    つ、前記検出探針を前記圧電駆動部材の筒の軸方向又は
    筒軸に垂直方向に動作させるための帯状の電極のいずれ
    かの電極が中空筒軸方向に複数段設けられると共に、前
    記圧電駆動部材の内側には前記帯状電極に対向する電極
    が設けられ、所望の動作分解能に応じて前記複数段の電
    極のうち必要な段の電極と対向する内側電極との間に電
    圧を印加して前記検出探針の動作量を制御することを特
    徴とする微動機構。
  3. 【請求項3】端部に検出探針が取り付けられた一体中空
    筒型の圧電駆動部材からなる微動機構において、前記中
    空筒型の圧電駆動部材の外面に周回方向に設けられ、か
    つ前記検出探針を前記圧電駆動部材の筒の軸方向に動作
    させるための帯状の電極が前記筒軸方向に複数段設けら
    れると共に、前記圧電駆動部材の内側には前記帯状電極
    に対向する電極が設けられ、所望の動作分解能に応じて
    前記複数段の電極のうち必要な段の電極と対向する内側
    電極との間に電圧を印加して前記検出探針の動作量を制
    御することを特徴とする微動機構。
  4. 【請求項4】端部に検出探針が取り付けられた一体中空
    円筒型の圧電駆動部材からなる微動機構において、前記
    中空円筒型の圧電駆動部材の外側円周面の円周方向に前
    記検出探針を円筒軸方向に動作させる帯状の電極が円筒
    軸方向に複数段設けられると共に前記圧電駆動部材の内
    側には前記複数段の帯状電極に対向する電極が設けら
    れ、所望の動作分解能に応じて前記複数段の電極のうち
    必要な段の電極と対向する内側電極との間に電圧を印加
    して前記検出探針の動作量を制御することを特徴とする
    微動機構。
  5. 【請求項5】端部に検出探針が取り付けられた一体中空
    円筒型の圧電駆動部材からなる微動機構において、前記
    中空円筒型の圧電駆動部材の外側円周面の円周方向に前
    記検出探針を円筒軸に垂直方向に動作させる帯状の電極
    が円筒軸方向に複数段設けられると共に前記圧電駆動部
    材の内側には前記複数段の帯状電極に対向する電極が設
    けられ、所望の動作分解能に応じて前記複数段の電極の
    うち必要な段の電極と対向する内側電極との間に電圧を
    印加して前記検出探針の動作量を制御することを特徴と
    する微動機構。
  6. 【請求項6】端部に検出端針が取り付けられた一体中空
    円筒型の圧電駆動部材からなる微動機構において、前記
    中空円筒型の圧電駆動部材の外側円周面の円周方向に設
    けられ、かつ、前記検出探針を円筒軸方向に動作させる
    帯状の電極または円筒軸に垂直方向に動作させる帯状の
    電極のいずれかの電極が円筒軸方向に複数段設けられる
    と共に前記圧電駆動部材の内側には前記帯状電極に対向
    する電極が設けられ、所望の動作分解能に応じて前記複
    数段の電極のうち必要な段の電極と対向する内側電極と
    の間に電圧を印加して前記検出探針の動作量を制御する
    ことを特徴とする微動機構。
  7. 【請求項7】前記複数段設けられた各段の帯状電極が、
    それぞれ電圧に対する動作量を変えるため幅を変えて形
    成されていることを特徴とする請求項1乃至6にいずれ
    か記載の微動機構。
  8. 【請求項8】前記内側電極は共通電極であることを特徴
    とする請求項1乃至7にいずれか記載の微動機構。
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