JPH0769139B2 - 圧電素子微小位置決め機構 - Google Patents
圧電素子微小位置決め機構Info
- Publication number
- JPH0769139B2 JPH0769139B2 JP63195811A JP19581188A JPH0769139B2 JP H0769139 B2 JPH0769139 B2 JP H0769139B2 JP 63195811 A JP63195811 A JP 63195811A JP 19581188 A JP19581188 A JP 19581188A JP H0769139 B2 JPH0769139 B2 JP H0769139B2
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- Japan
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- electrode
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- 239000000523 sample Substances 0.000 description 37
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 5
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- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
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Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は分析機器および走査型トンネル顕微鏡の分野
において、検出部と試料間を微小に位置決めする微小位
置決め機構に関する。
において、検出部と試料間を微小に位置決めする微小位
置決め機構に関する。
この発明は管状に形成された圧電素子体の内側と外側に
電圧を加えることにより生じる圧電素子体の変形によ
り、前記管状圧電素子体に固定された検出部又は試料を
微細にしかも高速に位置合わせ可能にするものであり、
産業上有益な圧電素子微小位置決め機構である。
電圧を加えることにより生じる圧電素子体の変形によ
り、前記管状圧電素子体に固定された検出部又は試料を
微細にしかも高速に位置合わせ可能にするものであり、
産業上有益な圧電素子微小位置決め機構である。
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x,y方向及
び試料表面の凹凸に添って動作する三次元の微小位置決
め機構が必要である。そして、従来はx,y軸を一体に形
成した圧電素子体にz軸用棒状圧電素子体を組合わせた
もの(STM装置の試料 第33回応用物理学関連連合講演
会予稿(1986)小野雅敏、他)や、x,y,z軸を一体に形
成したキュービック状圧電素子体からなるもの(第32回
応用物理学関連連合講演会予稿(1985)岡山重夫、他)
が知られている。
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x,y方向及
び試料表面の凹凸に添って動作する三次元の微小位置決
め機構が必要である。そして、従来はx,y軸を一体に形
成した圧電素子体にz軸用棒状圧電素子体を組合わせた
もの(STM装置の試料 第33回応用物理学関連連合講演
会予稿(1986)小野雅敏、他)や、x,y,z軸を一体に形
成したキュービック状圧電素子体からなるもの(第32回
応用物理学関連連合講演会予稿(1985)岡山重夫、他)
が知られている。
従来の圧電素子微小位置決め機構において、x,y軸を一
体に形成した圧電素子体にz軸用棒状圧電素子体を組合
わせたものは、構造上振動的観点からみると共振周波数
が数100Hzと比較的低い為、試料表面と検出探針部の相
対走査速度が遅い状態では問題はないが、試料表面と検
出探針先端部との間の制御応答速度に限りがある。
体に形成した圧電素子体にz軸用棒状圧電素子体を組合
わせたものは、構造上振動的観点からみると共振周波数
が数100Hzと比較的低い為、試料表面と検出探針部の相
対走査速度が遅い状態では問題はないが、試料表面と検
出探針先端部との間の制御応答速度に限りがある。
これに対して、x,y,z軸を一体に形成したキュービック
状圧電素子体は、前記のものより一体構造に形成されて
いる分、構造上より高剛性に形成されていることもあ
り、共振周波数を高くもっていける為、高速走査が可能
となっていた。
状圧電素子体は、前記のものより一体構造に形成されて
いる分、構造上より高剛性に形成されていることもあ
り、共振周波数を高くもっていける為、高速走査が可能
となっていた。
しかし、前記キュービック状圧電素子体は、3軸を一つ
の圧電素子材より切り出したもので、棒状圧電素子体が
横応力に対し、やや弱いこともあり破損の危険性が常に
あった。
の圧電素子材より切り出したもので、棒状圧電素子体が
横応力に対し、やや弱いこともあり破損の危険性が常に
あった。
上記の問題点を解決するために、この発明は外面が平面
を有する管状に形成された圧電素子体の内側と外側に少
なくとも一組、対になる電極、または内側,外側の一方
に共通電極を設け他方に分割電極を設けて電極構成によ
り三次元までの動作を可能にした。
を有する管状に形成された圧電素子体の内側と外側に少
なくとも一組、対になる電極、または内側,外側の一方
に共通電極を設け他方に分割電極を設けて電極構成によ
り三次元までの動作を可能にした。
上記に示した方法により、小形でより高剛性な微小位置
決め機構が形成され、扱い易く、しかも高剛性な為、共
振周波数が高く高速走査が可能となる。しかも、外面が
平面を有することにより曲面状形成されたものより電極
付精度が容易に得られ、試料面内走査(x−y軸)時の
相互干渉を緩和することができる。
決め機構が形成され、扱い易く、しかも高剛性な為、共
振周波数が高く高速走査が可能となる。しかも、外面が
平面を有することにより曲面状形成されたものより電極
付精度が容易に得られ、試料面内走査(x−y軸)時の
相互干渉を緩和することができる。
本実施例は走査型トンネル顕微鏡の検出探針と試料間の
微細な位置決めをする微小位置決め機構に関するもの
で、以下、図面に基づいて説明していくこととする。
微細な位置決めをする微小位置決め機構に関するもの
で、以下、図面に基づいて説明していくこととする。
第1図は、本発明の第1の実施例の微小位置決め機構を
示したもので、圧電素子体1上に、絶縁材2及びメネジ
が切られた金属製の検出探針台3が取付けられ、オネジ
が切られた検出探針ホルダー4に固定された検出探針5
が前記検出探針台3に組込まれている。前記圧電素子体
1は第2図に示す様に、内,外周共四面カットされた管
状圧電素子体に、第3図に示す様に四角柱の相対する外
周面にx軸動作用の電極x1,x2とy軸動作用の電極y1,y2
を構成し、更に各面に共通したz軸動作用の電極zを設
け、管の軸方向と平行な軸(z軸)及び管の軸方向に対
し直交する軸(x,y軸=面内)に動く様にしたものであ
る。また、管の内側には共通電極6(GND)が形成さ
れ、配線をし易くする為に外周面に一部折り返して電極
付けが行われる。
示したもので、圧電素子体1上に、絶縁材2及びメネジ
が切られた金属製の検出探針台3が取付けられ、オネジ
が切られた検出探針ホルダー4に固定された検出探針5
が前記検出探針台3に組込まれている。前記圧電素子体
1は第2図に示す様に、内,外周共四面カットされた管
状圧電素子体に、第3図に示す様に四角柱の相対する外
周面にx軸動作用の電極x1,x2とy軸動作用の電極y1,y2
を構成し、更に各面に共通したz軸動作用の電極zを設
け、管の軸方向と平行な軸(z軸)及び管の軸方向に対
し直交する軸(x,y軸=面内)に動く様にしたものであ
る。また、管の内側には共通電極6(GND)が形成さ
れ、配線をし易くする為に外周面に一部折り返して電極
付けが行われる。
例えば、厚電素子を高さ12mm,巾10mm,肉厚1.5mmの管状
の四角柱にし、x,y軸用電極で縦2mm,横8mm,z軸用の電極
で縦6mm,内側電極折り返し巾を1mm、そして各電極間の
継縁巾を1mmに形成することにより形成される。次に動
作について説明すると、z軸方向は内側電極に対しプラ
ス又はマイナス電圧を加えることにより圧電素子体が厚
み方向に変位することで結果としてz軸方向の変位が生
じる。x及びy軸方向は第9図に示す様に、例えばx軸
の一方向に動作させる場合は、相対する電極x1,x2の一
方、例えばここでは電極x2に内側電極に対しプラス電圧
を加え、また他方、例えばここでは電極x1にマイナスの
電圧を加えることにより、電極x2と電極GND間の圧電素
子は縮む方向に変形し、電極x1と電極GND間の圧電素子
は延びる方向に変形する。これにより第9図(b)に示
す様に電極x2の方向に上部が傾き、結果として電圧を加
えていない状態(a)から(b)に示す様に検出探針5
の先端部を矢印(A)の方向に変位させるものであり、
これとy軸方向の変位と合わせてx,y軸方向に自在に動
作させるものである。この様に構成した圧電素子微小位
置決め機構を走査型トンネル顕微鏡のトンネルユニット
に組込んだのが第7図である。第7図において、箱体73
には試料71を取付ける絶縁材からなる試料台72が固定さ
れ、また、前記箱体73には、試料71と検出探針先端部5
との間をその間でトンネル電流が流れる数10Åまで近づ
ける粗位置決め機構としての送り機構74、例えば精密マ
イクロメータが取付けられている。そして、前記送り機
構74の先端部には継手75を介して本発明の圧電素子微小
位置決め機構11が取付けられている。この様な系に組込
んで本発明の圧電素子微小位置決め機構が、走査型トン
ネル顕微鏡用の微小位置決め機構として有用であること
を確認した。
の四角柱にし、x,y軸用電極で縦2mm,横8mm,z軸用の電極
で縦6mm,内側電極折り返し巾を1mm、そして各電極間の
継縁巾を1mmに形成することにより形成される。次に動
作について説明すると、z軸方向は内側電極に対しプラ
ス又はマイナス電圧を加えることにより圧電素子体が厚
み方向に変位することで結果としてz軸方向の変位が生
じる。x及びy軸方向は第9図に示す様に、例えばx軸
の一方向に動作させる場合は、相対する電極x1,x2の一
方、例えばここでは電極x2に内側電極に対しプラス電圧
を加え、また他方、例えばここでは電極x1にマイナスの
電圧を加えることにより、電極x2と電極GND間の圧電素
子は縮む方向に変形し、電極x1と電極GND間の圧電素子
は延びる方向に変形する。これにより第9図(b)に示
す様に電極x2の方向に上部が傾き、結果として電圧を加
えていない状態(a)から(b)に示す様に検出探針5
の先端部を矢印(A)の方向に変位させるものであり、
これとy軸方向の変位と合わせてx,y軸方向に自在に動
作させるものである。この様に構成した圧電素子微小位
置決め機構を走査型トンネル顕微鏡のトンネルユニット
に組込んだのが第7図である。第7図において、箱体73
には試料71を取付ける絶縁材からなる試料台72が固定さ
れ、また、前記箱体73には、試料71と検出探針先端部5
との間をその間でトンネル電流が流れる数10Åまで近づ
ける粗位置決め機構としての送り機構74、例えば精密マ
イクロメータが取付けられている。そして、前記送り機
構74の先端部には継手75を介して本発明の圧電素子微小
位置決め機構11が取付けられている。この様な系に組込
んで本発明の圧電素子微小位置決め機構が、走査型トン
ネル顕微鏡用の微小位置決め機構として有用であること
を確認した。
また、先の実施例に示した様な三次元様圧電素子微小位
置決め機構は、第8図のように電極構成を変えることに
より、一次元動作用,三次元動作用とすることもでき
る。
置決め機構は、第8図のように電極構成を変えることに
より、一次元動作用,三次元動作用とすることもでき
る。
第8図において、試料5側に継縁材の試料台82を介して
二次元用圧電素子微小位置決め機構11aがある。この圧
電素子微小位置決め機構11aは、外周部に電極x1,x2,y1,
y2、内周部に共通電極GNDを有する四角柱型のものであ
り、相対する位置にある検出探針5に対し試料71を直交
する向き、つまり面内(x,y軸)に動作させ、更に検出
探針5側に外周部に電極z、内周部に共通電極GNDを有
する四角柱型の一次元動作用圧電素子微小位置決め機構
11bを設け、試料71に対し垂直方向(z軸)に動作させ
る様にしたものである。
二次元用圧電素子微小位置決め機構11aがある。この圧
電素子微小位置決め機構11aは、外周部に電極x1,x2,y1,
y2、内周部に共通電極GNDを有する四角柱型のものであ
り、相対する位置にある検出探針5に対し試料71を直交
する向き、つまり面内(x,y軸)に動作させ、更に検出
探針5側に外周部に電極z、内周部に共通電極GNDを有
する四角柱型の一次元動作用圧電素子微小位置決め機構
11bを設け、試料71に対し垂直方向(z軸)に動作させ
る様にしたものである。
第2の実施例として第4図に三次元動作用圧電素子体1a
を示す。ここで圧電素子体1aは内側部の加工を第1の実
施例のものより容易にするために円形とした。これによ
り内周部はボーリング加工により形成され、他は、第1
実施例と同じにした微小位置決め機構としての構成及び
電極構成については第1の実施例に示したものと同様で
ある。
を示す。ここで圧電素子体1aは内側部の加工を第1の実
施例のものより容易にするために円形とした。これによ
り内周部はボーリング加工により形成され、他は、第1
実施例と同じにした微小位置決め機構としての構成及び
電極構成については第1の実施例に示したものと同様で
ある。
第3の実施例として第5図に三次元動作用圧電素子体1b
を示す。ここで圧電素子体1bは角部21を面取りしてあ
り、角部21を面取りすることで、x,y軸動作用電極の継
縁部つまり不動部を少なくし、動作を第1の実施例で示
したものより容易にした。又、角部を面取りしない場
合、圧電素子の内外面間厚さがこの部分で最大になり、
対向する側面電極を伸縮させることによって圧電素子全
体の曲げ変形を行おうとする時に、この角部の剛性が増
すので、面取りにより剛性を軽減し変形しやすくすると
いう意味がある。例えば、中央の空洞部を直径7mmの内
円に、面取り部の巾を1mmとし、他は第1実施例と同じ
にした。そして、微小位置決め機構としての構成及び電
極機構については第1の実施例に示したものと同じであ
る。
を示す。ここで圧電素子体1bは角部21を面取りしてあ
り、角部21を面取りすることで、x,y軸動作用電極の継
縁部つまり不動部を少なくし、動作を第1の実施例で示
したものより容易にした。又、角部を面取りしない場
合、圧電素子の内外面間厚さがこの部分で最大になり、
対向する側面電極を伸縮させることによって圧電素子全
体の曲げ変形を行おうとする時に、この角部の剛性が増
すので、面取りにより剛性を軽減し変形しやすくすると
いう意味がある。例えば、中央の空洞部を直径7mmの内
円に、面取り部の巾を1mmとし、他は第1実施例と同じ
にした。そして、微小位置決め機構としての構成及び電
極機構については第1の実施例に示したものと同じであ
る。
第4の実施例として第6図に三次元動作用圧電素子体1c
を示す。前記圧電素子体1cには、接着固定を確実に行う
様に端部につば部22を設けたものである。前記つば部22
は、例えば直径15mm、厚さ1mmの円板状とし、他の構成
は第1〜3実施例に示したものと同じである。そして、
微小位置決め機構としての構成及び電極構成については
第1実施例に示したものと同じである。
を示す。前記圧電素子体1cには、接着固定を確実に行う
様に端部につば部22を設けたものである。前記つば部22
は、例えば直径15mm、厚さ1mmの円板状とし、他の構成
は第1〜3実施例に示したものと同じである。そして、
微小位置決め機構としての構成及び電極構成については
第1実施例に示したものと同じである。
尚、第1〜第4の実施例のいずれの場合でも圧電素子体
の内周部は貫通させてもよいし、片方の一端部を閉じた
構造にしても良い。
の内周部は貫通させてもよいし、片方の一端部を閉じた
構造にしても良い。
以上説明した様に、この発明によると外面が平面を有す
る管状に形成された圧電素子体の内側と外側に少なくと
も一組の対になる電極、又は内側と外側の一方に共通電
極を設け、他方に分割電極を設け、電極構成で三次元ま
での動作を可能にすることで小型で扱い易く、しかも高
剛性を有することで高速走査が可能になり、面内走査時
の二軸間干渉が緩和でき、走査型トンネル顕微鏡の試料
と検出探針間の位置合わせに十分有用な圧電素子微小位
置決め機構を構成することが可能となった。又、面取り
により電極が形成されない部分である4角柱の継縁部つ
まり不動部が少なくなること又内外面間厚さが薄くなる
ことにより変形に対する剛性が軽減することで、動作が
容易になるという効果がある。
る管状に形成された圧電素子体の内側と外側に少なくと
も一組の対になる電極、又は内側と外側の一方に共通電
極を設け、他方に分割電極を設け、電極構成で三次元ま
での動作を可能にすることで小型で扱い易く、しかも高
剛性を有することで高速走査が可能になり、面内走査時
の二軸間干渉が緩和でき、走査型トンネル顕微鏡の試料
と検出探針間の位置合わせに十分有用な圧電素子微小位
置決め機構を構成することが可能となった。又、面取り
により電極が形成されない部分である4角柱の継縁部つ
まり不動部が少なくなること又内外面間厚さが薄くなる
ことにより変形に対する剛性が軽減することで、動作が
容易になるという効果がある。
第1図は本発明の第1の実施例の斜視図、第2図は第1
の実施例で用いた三次元動作用圧電素子体の斜視図、第
3図(a)は三次元動作用圧電素子体電極の外側配置展
開図、第3図(b)は三次元動作用圧電素子体電極の内
側配置展開図、第4図は第2の実施例の斜視図、第5図
は第3の実施例の斜視図、第6図は第4の実施例の斜視
図、第7図は本発明の微小位置決め機構を組込んだトン
ネルユニットの第1の概略図、第8図は本発明の微小位
置決め機構を組込んだトンネルユニットの第2の概略
図、第9図(a),第9図(b)は管状圧電素子体の曲
げ動作を示す説明図である。 1,11,12,10,20,30……圧電素子体 2……絶縁材 3……検出探針台 4……検出探針ホルダー 5……検出探針 6……内側共通電極(GND) 7a,7b……x軸動作用電極 8a,8b……y軸動作用電極 9……z軸動作用電極 71……試料 74……送り機構
の実施例で用いた三次元動作用圧電素子体の斜視図、第
3図(a)は三次元動作用圧電素子体電極の外側配置展
開図、第3図(b)は三次元動作用圧電素子体電極の内
側配置展開図、第4図は第2の実施例の斜視図、第5図
は第3の実施例の斜視図、第6図は第4の実施例の斜視
図、第7図は本発明の微小位置決め機構を組込んだトン
ネルユニットの第1の概略図、第8図は本発明の微小位
置決め機構を組込んだトンネルユニットの第2の概略
図、第9図(a),第9図(b)は管状圧電素子体の曲
げ動作を示す説明図である。 1,11,12,10,20,30……圧電素子体 2……絶縁材 3……検出探針台 4……検出探針ホルダー 5……検出探針 6……内側共通電極(GND) 7a,7b……x軸動作用電極 8a,8b……y軸動作用電極 9……z軸動作用電極 71……試料 74……送り機構
フロントページの続き (72)発明者 大村 研二 東京都江東区亀戸6丁目3番1号 セイコ ー電子工業株式会社内 審査官 小林 邦雄 (56)参考文献 特開 昭62−117379(JP,A)
Claims (2)
- 【請求項1】検出部と試料間を微小に位置決めする微小
位置決め機構において、4角柱管状に一体に形成された
圧電素子体の内側に共通電極を設け、外側に一周にわた
る帯状のz軸方向動作用電極と、前記4角柱の相対する
側面に角々x軸方向、y軸方向に動作させる為の一対の
分割電極が設けられ、前記z軸方向動作用電極及び分割
電極と前記共通電極との間に電圧を加えることにより前
記管状圧電素子体の先端に取り付けられた検出部又は試
料を3次元動作させ微小に位置決めすることを特徴とす
る圧電素子微小位置決め機構。 - 【請求項2】前記4角柱管状の圧電素子の内側は円形穴
であり、かつ、外側の4角柱の各角部が面取りしてある
ことを特徴とする請求項1記載の圧電素子微小位置決め
機構。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63195811A JPH0769139B2 (ja) | 1988-08-05 | 1988-08-05 | 圧電素子微小位置決め機構 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63195811A JPH0769139B2 (ja) | 1988-08-05 | 1988-08-05 | 圧電素子微小位置決め機構 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0244787A JPH0244787A (ja) | 1990-02-14 |
| JPH0769139B2 true JPH0769139B2 (ja) | 1995-07-26 |
Family
ID=16347380
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63195811A Expired - Lifetime JPH0769139B2 (ja) | 1988-08-05 | 1988-08-05 | 圧電素子微小位置決め機構 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0769139B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5198715A (en) * | 1990-05-23 | 1993-03-30 | Digital Instruments, Inc. | Scanner for scanning probe microscopes having reduced Z-axis non-linearity |
| US5424596A (en) * | 1992-10-05 | 1995-06-13 | Trw Inc. | Activated structure |
| JP5292849B2 (ja) * | 2007-02-28 | 2013-09-18 | カシオ計算機株式会社 | 圧電アクチュエータ、カメラ装置及び移動用ステージ装置 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60109774A (ja) * | 1983-11-18 | 1985-06-15 | Olympus Optical Co Ltd | 圧電型変位装置 |
| JPS62117379A (ja) * | 1985-11-16 | 1987-05-28 | Tohoku Metal Ind Ltd | 円筒型圧電アクチユエ−タ及びその製造方法 |
-
1988
- 1988-08-05 JP JP63195811A patent/JPH0769139B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0244787A (ja) | 1990-02-14 |
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