JP2000162219A - Tubular actuator - Google Patents

Tubular actuator

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JP2000162219A
JP2000162219A JP10337097A JP33709798A JP2000162219A JP 2000162219 A JP2000162219 A JP 2000162219A JP 10337097 A JP10337097 A JP 10337097A JP 33709798 A JP33709798 A JP 33709798A JP 2000162219 A JP2000162219 A JP 2000162219A
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JP
Japan
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electrode
displacement
piezoelectric element
axis electrode
axis
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JP10337097A
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Japanese (ja)
Inventor
Michihiko Yamamoto
充彦 山本
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Shimadzu Corp
Original Assignee
Shimadzu Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To simultaneously obtain both the characteristics of a large dynamic range and good response in a tubular actuator. SOLUTION: A cylindrical piezoelectric element 1 and the respective shaft drive electrodes 11-17, attached to the cylindrical pizoelectric element 1, are provided and at least one shaft drive electrode 12 from among the shaft drive electrodes is divided into a plurality of electrodes 13, 14 and the displacement characteristics of the piezoelectric element by the divided electrodes 13, 14 are differentiated. The displacement characteristics of the piezoelectric element by the split electrodes differentiate displacement quantity and response, and with this constitution, different displacement characteristics are obtained simultaneously with a single actuator.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡(SPM)等に用いるチューブ型アクチュエータに
関する。
The present invention relates to a tube type actuator used for a scanning probe microscope (SPM) and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】微細な表面形状を二次元的な分析を行う
走査型プローブ顕微鏡(SPM)として、プローブと試
料表面との間に流れるトンネル電流を用いる走査型トン
ネル顕微鏡(STM)や、プローブと試料表面との間に
働く原子間力を測定する原子間力顕微鏡(AFM)が知
られている。
2. Description of the Related Art As a scanning probe microscope (SPM) for two-dimensionally analyzing a fine surface shape, a scanning tunnel microscope (STM) using a tunnel current flowing between a probe and a sample surface, and a scanning probe microscope (STM). 2. Description of the Related Art An atomic force microscope (AFM) for measuring an atomic force acting on a sample surface is known.

【0003】走査型トンネル顕微鏡(STM)は、探針
を試料表面の近づけ、探針あるいは試料を三次元方向に
移動可能とし、探針と試料表面との間で流れるトンネル
電流が一定となるように制御することによって原子レベ
ルの分解能で三次元形状を測定し、物質表面の表面形状
や原子配列の観察を行うものである。また、原子間力顕
微鏡(AFM)は、探針,及び探針を支持するカンチレ
バー,カンチレバーの曲がりを検出する検出手段を含む
変位測定系を備え、探針と試料との間の原子間力(引力
または斥力)を検出し、この原子間力が一定となるよう
に制御することによって物質表面の表面形状を観察する
ものであり、生物,有機分子,絶縁物等の観察を行うこ
とができる。
In a scanning tunneling microscope (STM), a probe is brought close to the surface of a sample, the probe or the sample can be moved in a three-dimensional direction, and a tunnel current flowing between the probe and the surface of the sample becomes constant. The three-dimensional shape is measured at atomic level resolution by controlling the surface shape, and the surface shape and atomic arrangement of the material surface are observed. An atomic force microscope (AFM) includes a probe, a cantilever that supports the probe, and a displacement measurement system that includes a detecting unit that detects bending of the cantilever, and an atomic force (AFM) between the probe and the sample. (Attraction or repulsion) is detected, and the surface shape of the material surface is observed by controlling the interatomic force to be constant. Thus, it is possible to observe living things, organic molecules, insulators, and the like.

【0004】走査型プローブ顕微鏡では、観察位置を走
査するために、試料とプローブとをxyz方向に三次元
的に相対移動させる走査手段を備えている。走査手段と
して、一体構成の円筒状圧電素子を備えたチューブ型ア
クチュエータが知られている。チューブ型アクチュエー
タでは、円筒状圧電素子のxy方向の湾曲変位とz方向
の軸方向変位とによって三次元的な微動を行うことがで
きる。
A scanning probe microscope is provided with a scanning means for relatively moving a sample and a probe three-dimensionally in xyz directions in order to scan an observation position. As a scanning unit, a tube-type actuator provided with an integral cylindrical piezoelectric element is known. In the tube-type actuator, three-dimensional fine movement can be performed by bending displacement of the cylindrical piezoelectric element in the xy directions and axial displacement in the z direction.

【0005】図6は従来のチューブ型アクチュエータの
構成を説明するための概略構成図である。図6におい
て、チューブ型アクチュエータ100は円筒形状の圧電
素子11を有し、対向配置したx軸用電極15,16、
及びy軸用電極17によってx,y方向の駆動を行い、
z軸用電極40によってz方向の駆動を行う。なお、y
軸用電極17と対向配置するy軸用電極については図示
していない。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram for explaining the configuration of a conventional tube type actuator. In FIG. 6, a tube-type actuator 100 has a cylindrical piezoelectric element 11, and x-axis electrodes 15, 16 arranged opposite to each other.
And driving in the x and y directions by the y-axis electrode 17 and
Driving in the z direction is performed by the z-axis electrode 40. Note that y
The y-axis electrode facing the axis electrode 17 is not shown.

【0006】チューブ型アクチュエータ100のz軸方
向の制御は、変位測定部2でz軸方向の変位を検出し、
制御部3によって検出量に基づく駆動電流を駆動アンプ
32からインピーダンス素子41を通してz軸用電極4
0に供給することによって行うことができる。
[0006] The control of the tube type actuator 100 in the z-axis direction is performed by detecting the displacement in the z-axis direction by the displacement measuring unit 2.
The drive current based on the detected amount is supplied from the drive amplifier 32 by the control unit 3 through the impedance element 41 to the z-axis electrode 4.
It can be performed by supplying 0.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】走査型プローブ顕微鏡
によって試料表面形状を精度よく観察するには、チュー
ブ型アクチュエータの軸方向駆動において、大きなダイ
ナミックレンジと良好な応答性が求められる。
In order to accurately observe the surface shape of a sample with a scanning probe microscope, a large dynamic range and good responsiveness are required in the axial drive of a tube type actuator.

【0008】圧電素子の変位量は変位部分の長さや印加
電圧に比例するため、z軸方向のダイナミックレンジを
大きくするには、圧電素子に設けるz軸用電極のz軸方
向の長さを長く設計したり、印加電圧を大きくする必要
がある。しかしながら、圧電素子のダイナミックレンジ
を大きく設計すると電気容量やストロークが大きくなる
ため、ヒステリシスが大きくなり、また、時定数が大き
くなって応答速度が遅くなる。
Since the amount of displacement of the piezoelectric element is proportional to the length of the displaced portion and the applied voltage, in order to increase the dynamic range in the z-axis direction, the length of the z-axis electrode provided on the piezoelectric element must be increased. It is necessary to design or increase the applied voltage. However, when the dynamic range of the piezoelectric element is designed to be large, the electric capacity and the stroke become large, so that the hysteresis becomes large, and the time constant becomes large and the response speed becomes slow.

【0009】図7,8は圧電素子の変位特性及び応答特
性を示す図であり、軸方向の電極の長さが短い圧電素子
Aと長い圧電素子Bについて示している。制御電圧の大
きさが同じ場合には、圧電素子Bの変位量dBは圧電素
子Aの変位量dA よりも大きくなり、また、ヒステリシ
スも大きくなる。また、圧電素子Bの時定数τBは圧電
素子Aの変位量τA よりも大きくなる。
FIGS. 7 and 8 are diagrams showing displacement characteristics and response characteristics of the piezoelectric element, and show a piezoelectric element A having a short axial electrode length and a piezoelectric element B having a long electrode length. When the magnitudes of the control voltages are the same, the displacement dB of the piezoelectric element B becomes larger than the displacement da of the piezoelectric element A, and the hysteresis also becomes larger. The time constant τB of the piezoelectric element B is larger than the displacement τA of the piezoelectric element A.

【0010】そのため、走査型プローブ顕微鏡におい
て、チューブ型アクチュエータが備える円状圧電素子の
z軸用電極の軸方向長さを長く設計すると、大きなダイ
ナミックレンジを得ることができるが、微小変化を良好
に検出することができないという問題がある。
For this reason, in a scanning probe microscope, if the axial length of the z-axis electrode of the circular piezoelectric element provided in the tube-type actuator is designed to be long, a large dynamic range can be obtained, but small changes can be satisfactorily performed. There is a problem that it cannot be detected.

【0011】図9は軸方向長さが長いz軸用電極を備え
るチューブ型アクチュエータの検出特性を示す図であ
り、(a)は試料形状を示し、(b),(c)はアクチ
ュエータと試料形状との偏差及び累積偏差を示し、
(d)はアクチュエータへの制御信号を示し、(e)圧
電素子の変位を示している。また、Aは変化が大きい場
合を示し、B及びCは変化が小さい場合を示している。
変化が大きいAの場合には大きなダイナミックレンジに
よって対応することができるが、変化が小さいBの場合
には時定数が大きいため応答遅れが大きくなって、微小
変化を検出することが難しくなり、また、小さい変化が
連続するCの場合には大きな時定数による応答遅れによ
って、フィードバック制御ループ中の発振が生じ、明瞭
な画像測定が困難となる。
FIGS. 9A and 9B are graphs showing detection characteristics of a tube type actuator having a long z-axis electrode in the axial direction. FIG. 9A shows a sample shape, and FIGS. 9B and 9C show an actuator and a sample. Indicates the deviation from the shape and the cumulative deviation,
(D) shows a control signal to the actuator, and (e) shows the displacement of the piezoelectric element. A shows a case where the change is large, and B and C show a case where the change is small.
In the case of A having a large change, it can be dealt with by a large dynamic range. However, in the case of B having a small change, the response delay becomes large due to a large time constant, making it difficult to detect a small change. In the case of C in which small changes are continuous, oscillation occurs in the feedback control loop due to a response delay due to a large time constant, and it is difficult to clearly measure an image.

【0012】また、図10は軸方向長さが短いz軸用電
極を備えるチューブ型アクチュエータの検出特性を示す
図である。なお(a)〜(e)は図19と同様に試料形
状,偏差,累積偏差,制御信号,及び圧電素子の変位を
示している。z軸用電極の軸方向長さが短いアクチュエ
ータによって試料形状の大きな変化を検出すると、ダイ
ナミックレンジが小さいため、圧電素子の変位量が限定
されたり復元まで長時間を要する等の問題が生じる。
FIG. 10 is a graph showing detection characteristics of a tube type actuator having a z-axis electrode having a short axial length. (A) to (e) show the sample shape, deviation, cumulative deviation, control signal, and displacement of the piezoelectric element as in FIG. If a large change in the sample shape is detected by an actuator having a short z-axis electrode length in the axial direction, a problem arises in that the displacement of the piezoelectric element is limited or a long time is required for restoration because the dynamic range is small.

【0013】そのため、従来のチューブ型アクチュエー
タでは、大きなダイナミックレンジと良好な応答性の両
特性を同時に得ることができず、試料に表面形状の大き
な変化あるいは微小変化のいずれかを犠牲にするか、あ
るいはz軸用電極の軸方向の長さが異なるチューブ型ア
クチュエータを交換する必要がある。
Therefore, the conventional tube-type actuator cannot simultaneously obtain both a large dynamic range and good responsiveness characteristics, and sacrifices either a large change or a minute change in the surface shape to the sample. Alternatively, it is necessary to replace the tube type actuator in which the axial length of the z-axis electrode is different.

【0014】そこで、本発明は前記した従来の問題点を
解決し、大きなダイナミックレンジと良好な応答性の両
特性を同時に得ることができるチューブ型アクチュエー
タを提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to solve the above-mentioned conventional problems and to provide a tube type actuator capable of simultaneously obtaining both a large dynamic range and good responsiveness.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明のチューブ型アク
チュエータは、円筒状圧電素子と、この円筒状圧電素子
に取り付ける各軸駆動用の電極とを備え、各軸駆動用電
極の少なくともいずれか1軸の駆動用電極を複数個に分
割し、分割した各電極による圧電素子の変位特性を異な
らせる構成とする。分割した各電極による圧電素子の変
位特性は変位量及び応答性を異ならせ、これによって1
つのアクチュエータで異なる変位特性を同時に得ること
ができる。
A tube type actuator according to the present invention includes a cylindrical piezoelectric element and electrodes for driving each axis attached to the cylindrical piezoelectric element, and at least one of the electrodes for driving each axis is provided. The driving electrode of the shaft is divided into a plurality of parts, and the divided electrodes have different displacement characteristics of the piezoelectric element. The displacement characteristics of the piezoelectric element due to each of the divided electrodes differ in displacement amount and response, and this
Different displacement characteristics can be obtained simultaneously with one actuator.

【0016】変位特性はダイナミックレンジと応答性と
することができ、該変位特性は電極の大きさや軸方向の
長さ等の電極形状や円筒状圧電素子上での設置位置など
の電極構造、及び電極の電気特性によって設定すること
ができる。ダイナミックレンジは軸方向の長さ等の電極
構造により設定することができる。また、応答性は電極
の電気特性により設定することができ、電極の電気容量
及び電極に接続するインピーダンス素子等で定まる時定
数を変更することによって設定することができる。
The displacement characteristics can be a dynamic range and a response. The displacement characteristics include an electrode structure such as an electrode shape such as an electrode size and an axial length, an electrode structure such as an installation position on a cylindrical piezoelectric element, and the like. It can be set according to the electrical characteristics of the electrodes. The dynamic range can be set by the electrode structure such as the length in the axial direction. The responsiveness can be set by the electric characteristics of the electrodes, and can be set by changing the time constant determined by the electric capacity of the electrodes, the impedance element connected to the electrodes, and the like.

【0017】チューブ型アクチュエータにおいて、分割
して異なる変位特性を備える電極は、任意の軸方向の電
極とすることができ、所定の変位特性に応じて、円筒状
圧電素子のx軸用電極、y軸用電極、及びz軸用電極の
各電極の内の1電極あるいは、任意の組み合わせとする
ことができる。
In the tube type actuator, the divided electrodes having different displacement characteristics can be electrodes in any axial direction. According to predetermined displacement characteristics, the x-axis electrode and the y-axis electrode of the cylindrical piezoelectric element can be used. One of the electrodes for the axis electrode and the z-axis electrode, or any combination thereof.

【0018】電極の分割は、圧電素子に分割電極をそれ
ぞれ個別に設置する構成、あるいは圧電素子に設けた1
つの電極に複数の駆動電圧を印加する構成とすることが
でき、分割した各電極に対して駆動電圧を印加すること
によって、1つのチューブ型アクチュエータで各電極に
対応した異なる変位特性を得ることができる。
The electrode may be divided by a structure in which the divided electrodes are individually provided on the piezoelectric element, or a structure in which the divided electrodes are provided on the piezoelectric element.
A plurality of drive voltages can be applied to one electrode, and by applying a drive voltage to each divided electrode, different displacement characteristics corresponding to each electrode can be obtained with one tube-type actuator. it can.

【0019】また、駆動電圧は、分割した各電極に同時
に入力する構成とすることも、切り換えによって個別に
入力する構成とすることもできる。本発明のチューブ型
アクチュエータによれば、圧電素子に取り付ける駆動用
電極を分割し、大きなダイナミックレンジと遅い応答性
を備えた電極と小さなダイナミックレンジと速い応答性
を備えた電極との組み合わせ等の、ダイナミックレンジ
と応答性等の変位特性について異なるものを備えること
ができ、大きなダイナミックレンジと速い応答性とを同
時に備えることができる。
The drive voltage may be inputted to each of the divided electrodes simultaneously, or may be inputted individually by switching. According to the tube-type actuator of the present invention, the drive electrode attached to the piezoelectric element is divided, and a combination of an electrode with a large dynamic range and a slow response and an electrode with a small dynamic range and a fast response, etc. Different types of displacement characteristics such as dynamic range and response can be provided, and a large dynamic range and fast response can be provided simultaneously.

【0020】本発明のチューブ型アクチュエータを走査
型顕微鏡に適用した場合、速い応答性の電極によって微
少変位の検出を行うことによって、フィードバック制御
中の遅れで生じる発振現象を防止することができ、ま
た、大きなダイナミックレンジの電極によって大きな変
位を検出することによって、測定変位の限定を無くし、
長い復元時間による測定誤差を防止することができる。
When the tube-type actuator of the present invention is applied to a scanning microscope, a small displacement is detected by an electrode having a fast response, so that an oscillation phenomenon caused by a delay during feedback control can be prevented. By detecting large displacements with a large dynamic range electrode, the limitation of the measured displacement is eliminated,
Measurement errors due to a long restoration time can be prevented.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を参照しながら詳細に説明する。図1は本発明のチ
ューブ型アクチュエータの概略構成図である。図1にお
いて、チューブ型アクチュエータ1は円筒形状の圧電素
子11を有し、該圧電素子11には対向配置してx軸用
電極15,16、及びy軸用電極17(なお、y軸用電
極17と対向配置するy軸用電極については図示してい
ない)を配置してx,y方向の駆動を行い、また、z軸
用電極12を配置してz方向の駆動を行う。以下、z軸
用電極12に本発明の分割した駆動用電極を適用した構
成例について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a tube type actuator of the present invention. In FIG. 1, a tube-type actuator 1 has a cylindrical piezoelectric element 11, and is disposed opposite to the piezoelectric element 11 so that x-axis electrodes 15, 16 and y-axis electrode 17 (y-axis electrode 17). The y-axis electrode (not shown) opposed to 17 is arranged for driving in the x and y directions, and the z-axis electrode 12 is arranged for driving in the z direction. Hereinafter, a configuration example in which the divided driving electrode of the present invention is applied to the z-axis electrode 12 will be described.

【0022】z軸用電極12は、円筒型圧電素子11の
軸方向に電極幅を異ならせた第1z軸用電極13と第2
z軸用電極14とを含む。図1は第1z軸用電極13の
軸方向の電極幅を第2z軸用電極14zの軸方向の電極
幅よりも狭く形成する。第1z軸用電極13及び第2z
軸用電極14には、それぞれ第1インピーダンス素子1
8及び第2インピーダンス素子19を通して駆動電流が
供給される。
The z-axis electrode 12 includes a first z-axis electrode 13 having a different electrode width in the axial direction of the cylindrical piezoelectric element 11 and a second z-axis electrode 13.
and a z-axis electrode 14. In FIG. 1, the electrode width in the axial direction of the first z-axis electrode 13 is formed smaller than the electrode width in the axial direction of the second z-axis electrode 14z. First z-axis electrode 13 and second z
Each of the shaft electrodes 14 has a first impedance element 1
A drive current is supplied through the second impedance element 8 and the second impedance element 19.

【0023】チューブ型アクチュエータ100のz軸方
向の制御は、変位測定部2でz軸方向の変位を検出し、
制御部3によって検出量に基づく駆動電流を形成し、前
記インピーダンス素子を通してz軸用電極12を駆動す
ることによって行われる。変位測定部2は原子間力顕微
鏡(AFM)の例であり、探針21と探針21を支持す
るカンチレバー22と変位測定装置23を含む。変位測
定装置23は、試料の表面形状に応じて変位するカンチ
レバー22の曲がりを、光学的手段等を用いて検出し、
形成した変位量を制御部3に送る。制御部3は、変位量
と設定値との偏差を求めて積算し、演算装置31におい
て偏差が零となるような制御信号を形成する。駆動アン
プ32は該制御信号に基づいてz軸用電極12に駆動電
流を印加する。変位測定部2,制御部3,及びz軸用電
極12で形成されるフィードバック系によって、z軸用
電極12は試料表面の形状に応じて変位する。
In the control of the tube type actuator 100 in the z-axis direction, the displacement measuring unit 2 detects the displacement in the z-axis direction,
This is performed by forming a drive current based on the detected amount by the control unit 3 and driving the z-axis electrode 12 through the impedance element. The displacement measuring unit 2 is an example of an atomic force microscope (AFM), and includes a probe 21, a cantilever 22 supporting the probe 21, and a displacement measuring device 23. The displacement measuring device 23 detects the bending of the cantilever 22 that is displaced according to the surface shape of the sample by using optical means or the like,
The formed displacement is sent to the control unit 3. The control unit 3 calculates and integrates a deviation between the displacement amount and the set value, and forms a control signal in the arithmetic unit 31 such that the deviation becomes zero. The drive amplifier 32 applies a drive current to the z-axis electrode 12 based on the control signal. The z-axis electrode 12 is displaced according to the shape of the sample surface by a feedback system formed by the displacement measurement unit 2, the control unit 3, and the z-axis electrode 12.

【0024】第1z軸用電極13及び第2z軸用電極1
4は、軸方向の電極幅を異ならせることによって変位の
ストロークを異ならせることができる。例えば、軸方向
の電極幅が狭い第1z軸用電極13はストロークは小さ
く、軸方向の電極幅が広い第2z軸用電極14はストロ
ークは大きくなる。
The first z-axis electrode 13 and the second z-axis electrode 1
No. 4 can change the displacement stroke by changing the electrode width in the axial direction. For example, the stroke of the first z-axis electrode 13 having a narrow axial electrode width is small, and the stroke of the second z-axis electrode 14 having a wide axial electrode width is large.

【0025】また、第1z軸用電極13及び第2z軸用
電極14は、軸方向の電極幅を異ならせることによって
電気容量を第2z軸用電極14を異ならせることができ
る。例えば、第1z軸用電極13の電気容量をC1,第
2z軸用電極14の電気容量をC2とすると、電気容量
C1は電気容量C2より小さくなる。
The first z-axis electrode 13 and the second z-axis electrode 14 can have different electric capacities by making the axial electrode widths different from each other. For example, if the capacitance of the first z-axis electrode 13 is C1 and the capacitance of the second z-axis electrode 14 is C2, the capacitance C1 is smaller than the capacitance C2.

【0026】図2は第1z軸用電極13及び第2z軸用
電極14の等価回路例である。図2の等価回路によれ
ば、第1z軸用電極13は、接続する第1インピーダン
ス素子18のインピーダンス値R1とすると、その時定
数τ1はC1×R1で定めることができ、また、第2z
軸用電極14は、接続する第2インピーダンス素子19
のインピーダンス値R2とすると、その時定数τ2はC
2×R2で定めることができる。なお、第1z軸用電極
13及び第2z軸用電極14の設置後は、第1インピー
ダンス素子18のインピーダンス値R1及び第2インピ
ーダンス素子19のインピーダンス値R2を変更するこ
とによって、時定数τ1,τ2を変更することができ
る。
FIG. 2 is an equivalent circuit example of the first z-axis electrode 13 and the second z-axis electrode 14. According to the equivalent circuit of FIG. 2, when the first z-axis electrode 13 has an impedance value R1 of the first impedance element 18 to be connected, the time constant τ1 can be determined by C1 × R1.
The shaft electrode 14 is connected to the second impedance element 19 to be connected.
, The time constant τ2 is C2
It can be determined by 2 × R2. After the first z-axis electrode 13 and the second z-axis electrode 14 are installed, the time constants τ1 and τ2 are changed by changing the impedance value R1 of the first impedance element 18 and the impedance value R2 of the second impedance element 19. Can be changed.

【0027】したがって、軸方向の電極幅を異ならせる
ことによって、第1z軸用電極13によって小さいスト
ロークで短い時定数τ1の変位特性を得ることができ、
また、第2z軸用電極14によって大きなストロークで
長い時定数τ2の変位特性を得ることができる。なお、
アクチュエータ自体の応答の時定数は、上記した圧電素
子の電気的特性による時定数と、圧電素子の物理的特性
及びフィードバック系の特性による時定数で定まる。
Therefore, by changing the electrode width in the axial direction, it is possible to obtain a displacement characteristic of a short time constant τ1 with a small stroke by the first z-axis electrode 13,
Further, the displacement characteristic of the long time constant τ2 with a large stroke can be obtained by the second z-axis electrode 14. In addition,
The time constant of the response of the actuator itself is determined by the time constant based on the electrical characteristics of the piezoelectric element and the time constant based on the physical characteristics of the piezoelectric element and the characteristics of the feedback system.

【0028】上記例では、z軸用電極について説明した
が、1x軸用電極15,16、及びy軸用電極17につ
いても、z軸用電極と同様に電極を分割し、電極幅や接
続するインピーダンス素子のインピーダンス値によって
変位のストロークや時定数を定めることができる。図3
は本発明の分割したz軸用電極を備えるチューブ型アク
チュエータの検出特性を示す図であり、図9,10と同
様に(a)は試料形状を示し、(b),(c)はアクチ
ュエータと試料形状との偏差及び累積偏差を示し、
(d)はアクチュエータへの制御信号を示し、(e)圧
電素子の変位を示している。
In the above example, the z-axis electrode has been described. However, the 1x-axis electrodes 15 and 16 and the y-axis electrode 17 are also divided in the same manner as the z-axis electrode, and the electrode width and connection are made. The displacement stroke and time constant can be determined by the impedance value of the impedance element. FIG.
10A and 10B are diagrams showing detection characteristics of a tube type actuator having a divided z-axis electrode according to the present invention, wherein FIG. 9A and FIG. 9A show sample shapes, and FIGS. Indicates the deviation from the sample shape and the cumulative deviation,
(D) shows a control signal to the actuator, and (e) shows the displacement of the piezoelectric element.

【0029】チューブ型アクチュエータの圧電素子に設
ける電極として本発明の分割した電極を用いることによ
って、(a)の試料形状に示されるような大きな変位部
分と微少変位部分が含まれる場合であっても、各形状特
性に対して異なる変位特性の電極部分で対応することが
できる。例えば、小さいストロークで短い時定数τ1の
変位特性を備える第1z軸用電極13は、速い応答性に
よって微少変位の検出を行うことができ、また、大きい
ストロークで長い時定数τ2の変位特性を備える第2z
軸用電極14は、大きなダイナミックレンジで大きな変
位を検出することができる。
By using the divided electrode of the present invention as the electrode provided on the piezoelectric element of the tube type actuator, even if a large displacement portion and a minute displacement portion as shown in the sample shape of FIG. In addition, it is possible to cope with each shape characteristic by an electrode portion having different displacement characteristics. For example, the first z-axis electrode 13 having a displacement characteristic of a short time constant τ1 with a small stroke can detect a minute displacement with a fast response, and has a displacement characteristic of a long time constant τ2 with a large stroke. 2nd z
The shaft electrode 14 can detect a large displacement with a large dynamic range.

【0030】次に、電極の分割の他の構成例について図
4,5を用いて説明する。図4の構成例は、第1z軸用
電極13及び第2z軸用電極14に対して駆動電流を切
り換えて供給する例である。駆動電流の切り換えは、第
1インピーダンス素子18及び第2インピーダンス素子
19と駆動アンプ32との間に切り換え装置33を設け
る構成によって行うことができる。切り換え装置33
は、駆動アンプ32からの駆動電流を第1z軸用電極1
3あるいは第2z軸用電極14に切り換えて供給し、一
方のz軸用電極のみを駆動させることができ、測定対象
の試料表面の形状特性に応じて選択することができる。
Next, another configuration example of the electrode division will be described with reference to FIGS. The configuration example of FIG. 4 is an example in which a drive current is switched and supplied to the first z-axis electrode 13 and the second z-axis electrode 14. The switching of the drive current can be performed by a configuration in which a switching device 33 is provided between the first impedance element 18 and the second impedance element 19 and the drive amplifier 32. Switching device 33
Indicates that the drive current from the drive amplifier 32 is supplied to the first z-axis electrode 1
The z-axis electrode 14 can be switched and supplied to the third or second z-axis electrode 14 to drive only one z-axis electrode, and can be selected according to the shape characteristics of the surface of the sample to be measured.

【0031】また、図5の構成例は、z軸用電極12を
1つの電極で構成し、電極の一方の端部に第1インピー
ダンス素子18を接続し、他方の端部に第2インピーダ
ンス素子19を接続すると共に、接地端子を電極の軸方
向の両端間に接続する。接地端子の接地位置によって、
z軸用電極12を軸方向で分割することができる。図5
の構成によれば、接地端子のz軸用電極12上での接続
位置によって、第1z軸用電極13及び第2z軸用電極
14の軸方向の長さを変更することができる。
In the configuration example shown in FIG. 5, the z-axis electrode 12 is composed of one electrode, the first impedance element 18 is connected to one end of the electrode, and the second impedance element 18 is connected to the other end. 19, and a ground terminal is connected between both ends of the electrode in the axial direction. Depending on the ground position of the ground terminal
The z-axis electrode 12 can be divided in the axial direction. FIG.
According to the configuration described above, the axial lengths of the first z-axis electrode 13 and the second z-axis electrode 14 can be changed depending on the connection position of the ground terminal on the z-axis electrode 12.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
大きなダイナミックレンジと良好な応答性の両特性を同
時に得ることができる。
As described above, according to the present invention,
It is possible to simultaneously obtain both a large dynamic range and good responsiveness.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のチューブ型アクチュエータの概略構成
図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a tube-type actuator of the present invention.

【図2】第1z軸用電極及び第2z軸用電極の等価回路
例である。
FIG. 2 is an equivalent circuit example of a first z-axis electrode and a second z-axis electrode.

【図3】本発明の分割したz軸用電極を備えるチューブ
型アクチュエータの検出特性を示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating detection characteristics of a tube-type actuator including a divided z-axis electrode according to the present invention.

【図4】本発明のチューブ型アクチュエータの電極分割
の他の構成例である。
FIG. 4 is another configuration example of the electrode division of the tube-type actuator of the present invention.

【図5】本発明のチューブ型アクチュエータの電極分割
の他の構成例である。
FIG. 5 is another configuration example of the electrode division of the tube-type actuator of the present invention.

【図6】従来のチューブ型アクチュエータの構成を説明
するための概略構成図である。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram for explaining a configuration of a conventional tube-type actuator.

【図7】圧電素子の変位特性を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing displacement characteristics of a piezoelectric element.

【図8】圧電素子の応答特性を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing response characteristics of a piezoelectric element.

【図9】軸方向長さが長いz軸用電極を備えるチューブ
型アクチュエータの検出特性を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing detection characteristics of a tube type actuator including a z-axis electrode having a long axial length.

【図10】軸方向長さが短いz軸用電極を備えるチュー
ブ型アクチュエータの検出特性を示す図である。
FIG. 10 is a diagram illustrating detection characteristics of a tube-type actuator including a z-axis electrode having a short axial length.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,100…チューブ型アクチュエータ、2…変位測定
部、3…制御部、11…円筒型圧電素子、12,40…
z軸用電極、13…第1z軸用電極、14…第2z軸用
電極、15,16…x軸用電極、17…y軸用電極、1
8…第1インピーダンス素子、19…第2インピーダン
ス素子、21…探針、22…カンチレバー、23…変位
測定装置、31…演算装置、32…駆動アンプ、33…
切り換え装置。
1,100: tube-type actuator, 2: displacement measuring unit, 3: control unit, 11: cylindrical piezoelectric element, 12, 40 ...
z-axis electrode, 13 ... first z-axis electrode, 14 ... second z-axis electrode, 15, 16 ... x-axis electrode, 17 ... y-axis electrode, 1
8 First impedance element, 19 Second impedance element, 21 Probe, 22 Cantilever, 23 Displacement measuring device, 31 Computing device, 32 Drive amplifier, 33
Switching device.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F063 AA43 BC05 BD11 CA10 CA12 DA01 DA04 DB05 DC08 DD02 EA16 EC00 FA07 GA57 LA11 MA03 2F069 AA60 CC06 DD19 DD20 GG01 GG04 GG62 HH05 HH09 JJ00 LL03 MM32  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2F063 AA43 BC05 BD11 CA10 CA12 DA01 DA04 DB05 DC08 DD02 EA16 EC00 FA07 GA57 LA11 MA03 2F069 AA60 CC06 DD19 DD20 GG01 GG04 GG62 HH05 HH09 JJ00 LL03 MM32

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 円筒状圧電素子と、該円筒状圧電素子に
取り付ける各軸駆動用の電極とを備え、前記各軸駆動用
電極の少なくともいずれか1軸の駆動用電極は複数個に
分割し、分割した各電極による圧電素子の変位特性を異
ならせる、チューブ型アクチュエータ。
1. A cylindrical piezoelectric element, and electrodes for driving each axis attached to the cylindrical piezoelectric element. At least one of the electrodes for driving each axis is divided into a plurality of electrodes. And a tube-type actuator that makes the displacement characteristics of the piezoelectric element differ depending on each divided electrode.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8115367B2 (en) * 2007-11-26 2012-02-14 Sii Nanotechnology Inc. Piezoelectric actuator provided with a displacement meter, piezoelectric element, and positioning device

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