JPH09285146A

JPH09285146A - 微動装置

Info

Publication number: JPH09285146A
Application number: JP8113112A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Hoshino; 吉弘星野
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1996-04-10
Filing date: 1996-04-10
Publication date: 1997-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】干渉のないＸまたはＹの方向の変位を発生
し、信頼性の高いＸＹ方向の微小変位を生じさせる微動
装置を提供する。【解決手段】中心軸に直交するＸ軸とＹ軸の各方向に
変形可能な円筒形圧電部材11と、その一端に固定された
下部プレート14と、他端に弾性ヒンジ16を介して固定さ
れた上部プレート17と、２つのプレートの間を、少なく
とも２箇所の弾性ヒンジ部18a を有する３本の支柱部材
18で結合する。下部プレートを固定部として円筒形圧電
部材は固定され、圧電部材の各電極に電圧を印加すると
圧電部材に変形が生じ、当該変形に基づき上部プレート
が干渉を生じることなく移動部として移動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は微動装置に関し、特
に、試料と探針の間に働く物理量を利用して試料表面の
形状または電気的性質等を測定できる走査型プローブ顕
微鏡やその応用装置に使用される微動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、例えば測定対
象である試料の表面に対向する探針を有するカンチレバ
ーを備え、試料と探針をナノオーダの距離に接近させ、
両者の間に働く原子間力やトンネル電流などの物理量を
利用して、当該試料の測定表面およびその周囲の表面の
形状や電気的性質等の性状を測定する装置である。走査
型プローブ顕微鏡の測定分解能は原子のレベルまで及ぶ
ものである。走査型プローブ顕微鏡には、検出対象の物
理量に応じて、走査型トンネル顕微鏡、原子間力顕微
鏡、磁気力顕微鏡などがある。かかる走査型プローブ顕
微鏡は、試料と探針の相対的位置を微小に変化させるた
めのＸＹＺ微動装置を備えている。このＸＹＺ微動装置
は、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の座標系で任意
の方向に試料と探針のいずれか一方を微動させる。ＸＹ
Ｚ微動装置には一般的に円筒型圧電素子が利用されてい
る。

【０００３】図３は従来の円筒型圧電素子の典型例を示
し、このタイプの円筒型圧電素子は例えば特公平６ー７
０４２号公報に示される。当該円筒型圧電素子では、円
筒形圧電部材３１の内側面の全面に共通電極３２を設
け、その外側面には、その下部における円周全面のＺ軸
駆動用電極３３と、円周方向において等間隔で４分割さ
れた４枚の電極のうちの各々相対する２枚のＸ軸駆動用
電極３４および２枚のＹ軸駆動用電極３５を設けてい
る。当該円筒型圧電素子は、圧電部材３１の一方の端部
３１ａが固定され、電極３３，３４，３５に所要の電圧
を印加することにより、他方の端部３１ｂをＸＹＺ座標
系の任意の方向へ変形し、微動のための変位を発生す
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ここで上記円筒型圧電
素子で、当該円筒形圧電部材３１の中心軸に直交するＸ
軸とＹ軸の各方向の変位だけを考える。Ｘ方向とＹ方向
の変位は、それぞれの方向に関連する相対する２つの電
極に極性の異なる電圧を印加すると、一方の電極に対応
する圧電部材部分が伸び、他方の電極に対応する圧電部
材部分が縮み、圧電部材３１の全体に曲げ変形を生じさ
せることにより得られる。従って、Ｘ方向またはＹ方向
に関して生じさせる変位は、図４に示すように、圧電部
材３１の上端部３１ｂに示すごとく円弧状のものとな
り、そのため当該変位に誤差が生じ、純粋にＸ方向また
はＹ方向の変位を生じさせることができないという問題
を提起する。それ故に、例えば図３に示した円筒型圧電
素子を微動装置として利用して作られた走査型プローブ
顕微鏡を用いて測定された観察像は、そのままでは十分
な信頼性を得ることができず、そのため、当該観察像に
補正を加える必要が生じるという問題があった。

【０００５】本発明の目的は、上記の問題を解決するこ
とにあり、干渉のないＸ方向またはＹ方向の変位を発生
し、Ｘ方向とＹ方向の微動を正確に行い、信頼性の高い
ＸＹ方向の微小変位を生じさせる微動装置を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段および作用】第１の本発明
（請求項１に対応）に係る微動装置は、上記目的を達成
するため、中心軸に直交する２軸すなわちＸ軸とＹ軸の
各方向に変形可能な円筒形圧電部材と、円筒形圧電部材
の一端に固定された第１の剛性板材（下部プレート）
と、円筒形圧電部材の他端に弾性ヒンジ部材を介して固
定された第２の剛性板材（上部プレート）と、第１と第
２の剛性板材の間を、各々少なくとも２箇所の弾性ヒン
ジ部を有する好ましくは３本の剛性支柱部材で結合する
ように構成した。第１の剛性板材を固定部として円筒形
圧電部材は固定され、当該円筒形圧電部材の各電極に所
定の電圧を印加すると円筒形圧電部材に変形が生じ、当
該変形に基づき第２の剛性板材が移動部として移動され
る。

【０００７】第１の本発明では、微動変位にて移動する
移動部である第２の剛性板材は、円筒形圧電部材のもっ
とも大きな変位が生じる部分と弾性ヒンジ部材を介して
結合され、当該部分で変位が生じたときにＸ軸またはＹ
軸の回りに微小な回転が可能である。また第１の剛性板
材と第２の剛性板材を連結する３本の支柱部材は、２箇
所の弾性ヒンジ部を有するため、円筒形圧電部材の曲げ
変形に伴って第２の剛性板材が第１の剛性板材に対して
変位するとき、第２の剛性板材の移動を案内し、水平の
姿勢を保ったままで移動させる。このように移動部であ
る第２の剛性板材を干渉のない状態でＸまたはＹの各方
向に微動させることができる。

【０００８】第２の本発明（請求項２に対応）に係る微
動装置は、第１の発明の構成において、好ましくは、３
本の剛性支柱部材が、円筒形圧電部材の回りに等間隔で
配置される。

【０００９】第３の本発明（請求項３に対応）に係る微
動装置は、第１または第２の発明の構成において、好ま
しくは、円筒形圧電部材は外面の円周方向に４枚の電極
を備え、上記の２軸は直交する２軸であって、４枚の電
極のうち対向する２枚の電極の間に電圧を印加すること
で円筒形圧電部材に変形を生じさせる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００１１】本発明に係る微動装置は円筒型圧電素子の
タイプであり、その代表的な構成を図１に示す。円筒形
状の圧電部材１１の外側面には円周方向にほぼ９０度の
角度で位置をずらせて等間隔で４枚の電極１２，１３が
設けられる。円筒形状の圧電部材１１の外表面におい
て、相対する位置にある２枚の電極１２はＸ軸駆動用電
極であり、同様にして相対する位置にある２枚の電極１
３はＹ軸駆動用電極である。Ｘ軸とＹ軸は、圧電部材１
１の中心軸の方向（Ｚ軸方向とする）にそれぞれ直交
し、かつ両軸も直交する位置関係にある。また圧電部材
１１の内側面には共通電極（図示されず）がほぼ全面に
設けられている。

【００１２】上記の共通電極は接地電位等の基準電位に
保持される。また２枚の電極１２の各々に反対符号（極
性の異なる）の電圧を印加することによって、圧電部材
１１において必要なＸ方向の変形を生じさせる。さらに
２枚の電極１３の各々に反対符号の電圧を印加すること
によって、圧電部材１１において必要なＹ方向の変形を
生じさせる。図１において、各電極に所要の電圧を印加
するための電源の図示は省略されている。

【００１３】円筒形状の圧電部材１１の下端部には直接
に特定の剛性を有する円形の下部プレート１４が固定さ
れる。また当該圧電部材１１の上端部には剛性を有する
上端プレート１５が固定され、さらにこの上端プレート
１５には、弾性ヒンジ１６を介して、同様な剛性を有す
る円形の上部プレート１７が連結される。圧電部材１１
の下端部は下部プレート１４に直接に結合されているの
で、当該下端部が本微動装置の固定部となる。圧電部材
１１の上側部は移動自在であり、上端プレート１５に弾
性ヒンジ１６を介して連結された上部プレート１７が微
動装置の移動部となる。

【００１４】さらに、上部プレート１７と下部プレート
１４は、好ましくは３本の支柱部材１８で連結される。
３本の支柱部材１８は圧電部材１１の周囲に等間隔で配
置される。また各支柱部材１８は、下側と上側の２か所
に弾性ヒンジ部１８ａが形成される。

【００１５】上記圧電部材１１の下端部すなわち下部プ
レート１４は固定状態に保持される。圧電部材１１の電
極１２，１３に適宜に必要な電圧を印加すると、圧電部
材１１の全体が変形し、上端プレート１５が円弧状に移
動する。上端プレート１５の移動に応じて上部プレート
１７がＸ方向またはＹ方向に移動する。移動部である上
部プレート１７は弾性ヒンジ１６によって上端プレート
１５に固定され、当該弾性ヒンジ１６によりＸ軸回りま
たはＹ軸回りに微小に回転できる。また、上記の３本の
支柱部材１８は、圧電部材１１の変形に応じてＸ軸方向
またはＹ軸方向に変形しようとするが、その途中に弾性
ヒンジ部１８ａを２か所備えるので、これらの弾性ヒン
ジ部１８ａで曲げを生じさせつつ変形することになる。
以上の構成に基づいて、電極への電圧印加によって円筒
形状の圧電部材１１がＸまたはＹのいずれかまたはその
組合せの方向へ変形するとき、移動部である上部プレー
ト１７は、上記の各弾性ヒンジの部分の回転作用に基づ
き、固定された下部プレート１４に対して実質的に平行
に移動する。これによって、円筒形圧電素子である微動
装置において、ＸまたはＹの方向の変位に関して干渉の
ない正確な変位を発生することができる。

【００１６】図２に従って本実施形態の微動装置の動作
を説明する。例えば相対する２枚のＸ軸駆動用の電極１
２に所定の電圧を印加したとする。そうすると、圧電部
材１１においてＸ方向の曲げ変形が生じ、圧電部材１１
の上端プレート１５が回転しながらＸ方向に移動する。
これに伴い、弾性ヒンジ１６を介して上端プレート１５
に連結された上部プレート１７が同様にＸ方向に移動す
る。このとき、上部プレート１７のＸ方向の移動は、３
本の支柱部材１８によって規制され、かつ案内されるた
め、変形に伴う回転が除去され、下部プレート１４に対
して平行な、すなわち図２中で水平な姿勢を維持したま
まで行われる。これによって、上部プレート１７は干渉
変位を生じることなく、Ｘ方向に変位することができ
る。

【００１７】相対する２枚のＹ軸駆動用の電極１３に所
定の電圧を印加した場合にも、上部プレート１７は前述
した場合と同様にＹ方向に移動する。

【００１８】上記の説明では、圧電部材１１の上部側を
移動部としたが、圧電部材１１の上下を逆転させ、下部
側を移動部にすることも可能である。

【００１９】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、円筒形圧電部材をＸまたはＹの各方向に移動させ
る場合に、複数の弾性ヒンジ部分を介して固定プレート
と移動プレートの間に当該圧電部材を設けるようにした
ため、干渉を生じることなく高い精度でＸまたはＹの方
向へ微小変位を発生させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る微動装置の代表的実施形態を示す
外観斜視図である。

【図２】微動機構の動作状態を説明する側面図である。

【図３】従来の微動装置の一例を示す外観斜視図であ
る。

【図４】従来の微動装置の問題点を説明する側面図であ
る

【符号の説明】

１１円筒形圧電部材１２Ｘ軸駆動用電極１３Ｙ軸駆動用電極１４下部プレート１５上端プレート１６弾性ヒンジ１７上部プレート１８支柱部材１８ａ弾性ヒンジ部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中心軸に直交する２軸の各方向に変形可
能な円筒形圧電部材と、前記円筒形圧電部材の一端に固
定された第１の剛性板材と、前記円筒形圧電部材の他端
に弾性ヒンジ部材を介して固定された第２の剛性板材
と、前記第１と第２の剛性板材の間を、各々少なくとも
２箇所の弾性ヒンジ部を有する少なくとも３本の剛性支
柱部材で結合してなり、前記第１の剛性板材を固定部と
し、前記円筒形圧電部材の変形に基づき前記第２の剛性
板材を移動させることを特徴とする微動装置。
【請求項２】前記３本の剛性支柱部材は、前記円筒形
圧電部材の回りに等間隔で配置されることを特徴とする
請求項１記載の微動装置。
【請求項３】前記円筒形圧電部材は外面の円周方向に
４枚の電極を備え、前記２軸は直交する２軸であって、
前記４枚の電極のうち相対する位置にある２枚の電極の
間に所定の電圧を印加することで前記２軸の組合せで決
まる任意の方向に前記円筒形圧電部材に変形を生じさせ
ることを特徴とする請求項１または２記載の微動装置。