JP3897893B2

JP3897893B2 - Displacement magnifying device and micro area scanning device using the same

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Publication number: JP3897893B2
Application number: JP05391098A
Authority: JP
Inventors: 克則本間; 宏村松; 典孝山本
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1998-03-05
Filing date: 1998-03-05
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2018-03-05
Also published as: JPH11248719A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型近視野顕微鏡（ＳＮＯＭ）に代表される走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の試料走査やプローブ走査に利用される微小領域走査装置に利用する変位拡大装置及びこれを用いた微小領域走査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、機械的探針（以下、プローブと呼ぶ）によって試料表面を走査し、プローブと試料表面との間に働く相互作用を検出することによって、試料表面の物理量をｎｍ（１０−９ｍ）以下のオーダーで観察する装置である。例えば、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一つとして代表的な原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）では、プローブと試料表面の間に働く原子間力をプローブのたわみ量変化という情報で検出し、これを利用することによって試料の表面形状を観察することができる。
【０００３】
こうした装置において、試料やプローブを水平方向（以下ＸＹ方向と呼ぶ）、もしくは水平方向と高さ方向（以下Ｚ方向と呼ぶ）に走査するために必要な機械装置が、微小領域走査装置である。
【０００４】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に利用される微小領域走査装置には、０．０１〜０．１ｎｍの高い分解能が要求されるため、圧電素子が使われる。代表的には、例えば米国特許第５３０６９１９（Ｅｌｉｎｇｓｅｔａｌ．）が開示しているようなチューブ型の微小領域走査装置が挙げられる。走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）が開発された初期には、このような微小領域走査装置を用いて原子像などが観察されている。
【０００５】
このようなチューブ型の微小領域走査装置は、変位量が〜２０μｍ程度で良い場合には、構造が簡単で、共振周波数が高いという長所がある。しかし、それ以上、例えば５０μｍ以上の変位量を必要とする場合には、チューブの長さが増加し、共振周波数が下がると同時に、ＸＹ方向走査時のピッチングも大きくなるという特性を有している。
【０００６】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の普及が広がった最近では、生物細胞などの、より大きい試料の観察が要求され、５０〜２００μｍのＸＹ方向の移動量が必要となってきた。また、通常の光学顕微鏡に搭載しての観察も必要となることから、Ｚ方向に薄い微小領域走査装置が求められている。このような趨勢に沿って、従来のチューブ型ではなく、圧電素子と弾性ヒンジと梃子の組み合わせによって圧電素子の変位を数倍に拡大する変位拡大装置と、これを用いた薄型の微小領域走査装置が製作されている。
【０００７】
このような変位拡大装置およびこれを用いた微小領域走査装置としては、例えば、米国特許第５０５１５９４号（Ｔｓｕｄａｅｔａｌ．）に開示されている。ここに開示されている変位拡大装置は、形式的には平行バネと呼ばれる構造に梃子の原理を応用したものであり、この例では、板バネに換えて弾性ヒンジを利用している。このような変位拡大装置においては、圧電素子の変位に伴い、梃子を兼ねた平行バネが傾き、５〜１０倍程度に拡大された変位をステージ面で得ることができる。
【０００８】
図１４は、平行バネ構造を利用した従来の変位拡大装置の構成の一例を示す模式図である。
図１４において、圧電素子１４０１が、基盤１４０２上に固定される。圧電素子１４０１の伸縮端側には、ボール１４０３が固定される。基盤１４０２上には、第１の弾性ヒンジ１４０４が配置され、第１の弾性ヒンジ１４０４には、圧電素子１４０１の出力軸と直交する方向に第１の梁１４０５が固定される。ボール１４０３は、第１の梁１４０５の任意の一点で接触する。第１の梁１４０５の自由端側には、第２の弾性ヒンジ１４０６が固定される。基盤１４０２の両側には、第３の弾性ヒンジ１４０７がそれぞれ１個づつ配置される。第３の弾性ヒンジ１４０７には、第２の梁１４０８が、それぞれ１本づつ、第１の梁１４０５と平行に固定される。第２の梁１４０８の自由端には、第４の弾性ヒンジ１４０９がそれぞれ１個づつ固定される。２個の第４の弾性ヒンジ１４０９には出力梁１４１０が固定される。出力梁１４１０の任意の位置に、第２の弾性ヒンジ１４０６が固定される。この変位拡大装置を２個、互いに直交するように組み合わせれば、ＸＹ方向の微小領域走査装置を構成することができる。
【０００９】
図１５は従来の変位拡大装置の動作を示した模式図である。
図１５に、圧電素子１４０１が、紙面向かって右側にＬ１だけ伸びた状態を示す。この状態において、第１の梁１４０５は、ボール１４０３によって右側に向かって押され、第１の弾性ヒンジ１４０４を回転中心として傾く。このとき、第１の弾性ヒンジ１４０４とボール１４０３の間の距離をａ、第１の弾性ヒンジ１４０４と第２の弾性ヒンジ１４０６の距離、すなわち、第１の梁１４０５の長さをｂとする。第１の梁１４０５は、第１の弾性ヒンジ１４０４を支点とし、ボール１４０３を力点、第２の弾性ヒンジ１４０６を作用点とした梃子として作用し、圧電素子１４０１の伸び量がＬ１の時の第２の弾性ヒンジ１４０６の変位量Ｌ２は、Ｌ２＝Ｌ１・ｂ／ａとなる。この第２の弾性ヒンジ１４０６の変位によって出力梁１４１０は、第２の弾性ヒンジ１４０６の変位と同じ変位量で右に動く。このときに、２本の第２の梁１４０８は出力梁１４１０を水平に保つ案内として作用する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、以上に示したような平行バネ構造を利用した従来の変位拡大装置においては、平行バネが支点を中心とした回転運動を行うことから、主変位方向とは別の方向にも回転による変位が発生してしまう。図１５におけるΔhがこの回転による変位である。これは、梃子の拡大率を大きくするほど顕著である。さらに、このような変位拡大装置を１軸ないしは２軸用いて微小領域走査装置を構成し、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に組み込んだ場合、観察像にゆがみが生じるなどの問題がある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、従来の平行ばね構造を用いた変位拡大装置および微小領域走査装置の持つ上記のような課題を解決し、梃子による圧電素子の変位拡大率を大きくしつつ、主変位方向とは別の方向への変位が発生しない変位拡大装置を実現し、これを用いて観察像にゆがみを生じない微小領域走査装置を実現することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の試料走査やプローブ走査用の微小領域走査装置に利用する変位拡大装置と、これを用いる微小領域走査装置において、圧電素子と組み合わせる平行ばね構造に、近似平行運動連鎖の構造を取り入れ、平行ばねの出力点が近似直線運動を行うようにした。さらにこの近似平行運動連鎖を２組向かい合わせて梁で結合することにより、角度変位のない近似直線変位を取り出せるようにした。加えて、この近似平行運動連鎖の１部に梃子の作用を兼ねさせることによって、圧電素子の変位を拡大し、この拡大変位が近似直線変位として得られるようにした。また、この変位拡大装置を組み合わせて微小領域走査装置を構成した。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例について図に基づいて説明する。
（１）第１の実施例
図１、図２は、本発明の変位拡大装置のうち、第１の実施例を示した模式図である。
【００１５】
図１は上面図、図２は側面図を示す。図１、図２において、基盤１０１上の第１のホルダ１０２に、第１の圧電素子１０３の基部が固定される。
固定は、第１の圧電素子１０３の出力軸と基盤１０１が平行になるように、かつ、第１の圧電素子１０３の側面が基盤１０１に非接触である位置関係で行われる。第１の圧電素子１０３の伸縮端には、２股形状をした入力梁１０４が固定される。基盤１０１上には、圧電素子１０３の出力軸を基準として対称的に配置される２組の近似平行運動連鎖と、２組の近似平行運動連鎖の対向する２本の梁を結合する出力梁１１４が配置される。この２組の近似平行運動連鎖と出力梁１１４は、すべて基盤１０１の同一平面上に配置される。
【００１６】
２組の近似平行運動連鎖のうち、１組の近似平行運動連鎖の構成を以下に説明する。
基盤１０１上に、基盤１０１と垂直をなす回転軸を有する第１の支点１０５が固定される。第１の支点１０５に、第１の梁１０６が回転自在に固定される。この第１の梁１０６は、第１の圧電素子１０３の出力軸と直交する方向に配置される。第１の梁１０６の自由端には、第１の回転対偶１０７が配置される。第１の梁１０６上の任意の位置に、第２の回転対偶１０８が固定される。支点および回転対偶は一体型切り欠き構造の弾性ヒンジによって構成される。弾性ヒンジの材質としては、ＳＵＳ、リン青銅、ポリアセタールなど弾性の高いものを用いる。
【００１７】
本実施例では、すべての回転対偶にＳＵＳを用い、同形状の切り欠き構造としている。
ここで、第１の支点１０５から第２の回転対偶１０８までの距離を（ｃ）とし、第１の回転対偶１０７から第２の回転対偶１０８までの距離を（ｄ）としたときに、図１では、ｃ：ｄ＝１：１となる位置に第２の回転対偶１０８が位置する。
【００１８】
第１の回転対偶１０７には、第２の梁１０９が、第１の梁１０６と任意の角度を持って固定される。図１では、９０°の角度を有している。第２の梁１０９の任意の位置に、第３の回転対偶１１０と、第４の回転対偶１１１が固定される。図１では、第３の回転対偶１１０が第２の梁１０９の端に固定され、第４の回転対偶１１１は、第１の回転対偶１０７と第３の回転対偶１１０の間の第２の梁１０９上の任意の位置に固定されている。第３の回転対偶１１０には、第３の梁１１２が、第１の梁１０６と平行に固定され、第３の梁１１２のもう一端は、基盤１０１と垂直を成す回転軸を有する第２の支点１１３に固定される。
【００１９】
ここで、第１の梁１０６の長さを（Ａ）、第３の梁１１２の長さを（Ｂ）とし、
第３の回転対偶１１０と第４の回転対偶１１１の間の距離を（ａ）、第１の回転対偶１０７と第４の回転対偶１１１の間の距離を（ｂ）とした時に、Ａ：Ｂ＝ａ：ｂとなる位置関係を持たせる。
【００２０】
以上が、１組の近似平行運動連鎖の構成であり、この近似平行運動連鎖が圧電素子１０３の出力軸を基準として基盤上に対称的に２組配置される。
２組の近似平行運動連鎖の対向する２本の梁、すなわち、２本の第２の梁１０９は、対向する２個の第４の回転対偶１１１を介して、出力梁１１４で固定される。
【００２１】
２個の第２の回転対偶１０８には、２股形状の入力梁１０４の自由端が１本づつ固定される。
図３は、第１の実施例の動作を示した模式図である。
図３に、第１の圧電素子１０３が、紙面向かって右側にＬ１だけ伸びた状態を示す。この状態において、入力梁１０４がＬ１だけ右側に移動し、これに伴い第２の回転対偶１０８がＬ１だけ右側に移動する。第２の回転対偶１０８の移動に伴い、第１の梁１０６は、第１の支点１０５を軸として回転運動を行う。すなわち、第２の回転対偶１０８は、第１の圧電素子１０３の伸縮変位の入力点として作用し、これにより、第１の梁１０６は、第１の支点１０５を軸とした梃子として作用する。梃子の作用点は、第１の回転対偶１０７である。ここで、図１で説明したように、第１の支点１０５から第２の回転対偶１０８までの距離を（ｃ）とし、第１の回転対偶１０７から第２の回転対偶１０８までの距離を（ｄ）としたときに、図１では、ｃ：ｄ＝１：１となる位置に第２の回転対偶１０８を配置する。この時の、第１の回転対偶１０７の出力変位量をＬ２とすれば、Ｌ２＝Ｌ１・（ｃ＋ｄ）／ｃ＝２・Ｌ１である。
【００２２】
さらにここで、第１の支点１０５、第１の梁１０６、第１の回転対偶１０７、第２の梁１０９、第３の回転対偶１１０、第４の回転対偶１１１、第３の梁１１２、第２の支点１１３の関係を考える。図１で説明したように、第１の梁１０６の長さを（Ａ）、第３の梁１１２の長さを（Ｂ）とし、第３の回転対偶１１０と第４の回転対偶１１１の間の距離を（ａ）、第１の回転対偶１０７と第４の回転対偶１１１の間の距離を（ｂ）とした時に、Ａ：Ｂ＝ａ：ｂとなる位置関係が存在する。
【００２３】
これはすなわち、第４の回転対偶１１１を出力点とするワットの近似平行運動連鎖である。したがって、第１の梁１０６の運動に伴い、第２の梁１０９、第３の梁１１２が連鎖運動し、第２の梁１０９上の第４の回転対偶１１１が近似直線運動を行う。このとき、第４の回転対偶１１１は、わずかではあるが角度変位しながら直線変位する。この第４の回転対偶１１１の出力変位をＬ３とすれば、Ｌ３≒Ｌ２である。
【００２４】
本発明においては、このワットの近似平行運動連鎖を第１の圧電素子１０３の出力軸を基準として基盤上に対称的に２組配置し、対向する２個の第４の回転対偶１１１を、出力梁１１４で連結する。これによって、第４の回転対偶１１１の角度変位の影響は、第４の回転対偶１１１自体の弾性により吸収され、出力梁１１４から直線変位のみを取り出すことができる。同時に、この出力梁１１４は、２組の近似平行運動連鎖の剛性向上に貢献し、第２の梁１０９のねじれを防ぐ作用もある。出力梁１１４の変位出力方向は第１の圧電素子１０３の出力軸と同じ方向である。
【００２５】
図４は、第１の実施例の各梁の断面図である。図４（ａ）は第１の梁１０６の第１の支点１０５付近の断面図であり、（ｂ）は第３の梁１１２の第２の支点１１３付近の断面図で、同じ形状をしている。図４（ｃ）は第２の梁１０９の第１の回転対偶１０７付近の断面図であり、図４（ｄ）は、第２の梁１０９の第４の回転対偶１１１付近の断面図である。断面（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、断面形状および断面積を変化させることで、垂直方向の曲げ剛性が（ａ）＝（ｂ）＝（ｃ）＝（ｄ）であり、かつ、単位質量は（ａ）＝（ｂ）＞（ｃ）＞（ｄ）となるような質量勾配をを有する構成としている。質量勾配は連続的かつ滑らかである。すなわち、出力梁１１４に近づくにつれて剛性はそのままに質量が小さくなるように設定されており、これにより、自重による各梁のたわみ量を最小にすることができる。第１の実施例では、Ｉ型断面を利用しているが、丸形中空断面、角形中空断面を利用することも可能である。また、質量勾配を、断面積変化ではなく材質の成分変化によって実現することも可能である。
【００２６】
図５は、図４で説明した梁の断面変化の状態を模式的に示した斜視図である。
（２）第２の実施例
図６、図７は、本発明の変位拡大装置及びこれを用いた微小領域走査装置のうち、第２の実施例を示した模式図である。図６は上面図、図７は側面図を示す。図６、図７において、基盤１０１上の第１のホルダ１０２に、第１の圧電素子１０３の基部が固定される。固定は、第１の圧電素子１０３の出力軸と基盤１０１が平行になるように、かつ、第１の圧電素子１０３の側面が基盤１０１に非接触である位置関係で行われる。第１の圧電素子１０３の伸縮端には、２股形状の入力梁１０４が固定される。基盤１０１上には、第１の圧電素子１０３の出力軸を基準として対称的に配置される２組の近似平行運動連鎖と、２組の近似平行運動連鎖の対向する２本の梁を結合する出力梁１１４が配置される。この２組の近似平行運動連鎖と出力梁１１４は、すべて基盤１０１の同一平面上に配置される。出力梁１１４には第２のホルダー１１５が固定され、この第２のホルダー１１５に、第１の圧電素子１０３の出力軸と直交する出力軸を持つ第２の圧電素子１１６の基部が固定されている。固定は、第２の圧電素子１１６の出力軸と出力梁１１４が平行になるように、かつ、第２の圧電素子１１６の側面が出力梁１１４に非接触である位置関係で行われる。第２の圧電素子１１６の伸縮端には、試料台１１７が固定される。
【００２７】
２組の近似平行運動連鎖のうち、１組の近似平行運動連鎖の構成を以下に説明する。
基盤１０１上に、基盤１０１と垂直をなす回転軸を有する第１の支点１０５が固定される。第１の支点１０５に、第１の梁１０６が回転自在に固定される。この第１の梁１０６は、第１の圧電素子１０３の出力軸と直交する方向に配置される。第１の梁１０６の自由端には、第１の回転対偶１０７が配置される。第１の梁１０６上の任意の位置に、第２の回転対偶１０８が固定される。支点および回転対偶は一体型切り欠き構造の弾性ヒンジによって構成される。弾性ヒンジの材質としては、ＳＵＳ、リン青銅、ポリアセタールなど弾性の高いものを用いる。
【００２８】
本実施例では、すべての回転対偶にＳＵＳを用い、同形状の切り欠き構造としている。
ここで、第１の支点１０５から第２の回転対偶１０８までの距離を（ｃ）とし、第１の回転対偶１０７から第２の回転対偶１０８までの距離を（ｄ）としたときに、図６では、ｃ：ｄ＝１：１となる位置に第２の回転対偶１０８を配置する。
【００２９】
第１の回転対偶１０７には、第２の梁１０９が、第１の梁１０６と任意の角度を持って固定される。図６では、９０ーの角度を有している。第２の梁１０９の任意の位置に、第３の回転対偶１１０と、第４の回転対偶１１１が固定される。
図６では、第４の回転対偶１１１が第２の梁１０９の端に固定され、第３の回転対偶１１０は、第１の回転対偶１０７と第４の回転対偶１１１の間の第２の梁１０９上の任意の位置に固定されている。この第３の回転対偶１１０と、第４の回転対偶１１１の位置が、第１の実施例とは異なる。第３の回転対偶１１０には、第３の梁１１２が、第１の梁１０６と平行に固定され、第３の梁１１２のもう一端は、基盤１０１と垂直を成す回転軸を有する第２の支点１１３に固定される。
【００３０】
ここで、第１の梁１０６の長さを（Ａ）、第３の梁１１２の長さを（Ｂ）とし、
第３の回転対偶１１０と第４の回転対偶１１１の間の距離を（ａ）、第１の回転対偶１０７と第４の回転対偶１１１の間の距離を（ｂ）とした時に、Ａ：Ｂ＝ａ：ｂとなる位置関係を持たせる。
以上が、１組の近似平行運動連鎖の構成であり、この近似平行運動連鎖が第１の圧電素子１０３の出力軸を基準として基盤上に対称的に２組配置される。
【００３１】
２組の近似平行運動連鎖の対向する２本の梁、すなわち、２本の第２の梁１０９は、対向する２個の第４の回転対偶１１１を介して、出力梁１１４で固定される。
２個の第２の回転対偶１０８には、２股形状の入力梁１０４の自由端が１本づつ固定される。
【００３２】
図８は、第２の実施例の動作を示した模式図である。
図８に、第１の圧電素子１０３が、紙面向かって右側にＬ１だけ伸びた状態を示す。この状態において、入力梁１０４がＬ１だけ右側に移動し、これに伴い第２の回転対偶１０８がＬ１だけ右側に移動する。第２の回転対偶１０８の移動に伴い、第１の梁１０６は、第１の支点１０５を軸として回転運動を行う。すなわち、第２の回転対偶１０８は、第１の圧電素子１０３の伸縮変位の入力点として作用し、これにより、第１の梁１０６は、第１の支点１０５を軸としたテコとして作用する。テコの作用点は、第１の回転対偶１０７である。ここで、図６で説明したように、第１の支点１０５から第２の回転対偶１０８までの距離を（ｃ）とし、第１の回転対偶１０７から第２の回転対偶１０８までの距離を（ｄ）としたときに、ｃ：ｄ＝１：１となる位置に第２の回転対偶１０８が位置する。この時の、第１の回転対偶１０７の出力変位量をＬ２とすれば、Ｌ２＝Ｌ１・（ｃ＋ｄ）／ｃ＝２・Ｌ１である。
【００３３】
さらにここで、第１の支点１０５、第１の梁１０６、第１の回転対偶１０７、第２の梁１０９、第３の回転対偶１１０、第４の回転対偶１１１、第３の梁１１２、第２の支点１１３の関係を考える。図６で説明したように、第１の梁１０６の長さを（Ａ）、第３の梁１１２の長さを（Ｂ）とし、第３の回転対偶１１０と第４の回転対偶１１１の間の距離を（ａ）、第１の回転対偶１０７と第４の回転対偶１１１の間の距離を（ｂ）とした時に、Ａ：Ｂ＝ａ：ｂとなる位置関係が存在する。
【００３４】
これはすなわち、第４の回転対偶１１１を出力点とするワットの近似平行運動連鎖である。したがって、第１の梁１０６の運動に伴い、第２の梁１０９、第３の梁１１２が連鎖運動し、第２の梁１０９上の第４の回転対偶１１１が近似直線運動を行う。このとき、第４の回転対偶１１１は、わずかではあるが角度変位しながら直線変位する。この第４の回転対偶１１１の出力変位をＬ３とすれば、Ｌ３≒Ｌ２である。
【００３５】
本発明においては、このワットの近似平行運動連鎖を第１の圧電素子１０３の出力軸を基準として基盤上に対称的に２組配置し、対向する２個の第４の回転対偶１１１を、出力梁１１４で連結する。これによって、第４の回転対偶１１１の角度変位の影響は、第４の回転対偶１１１自体の弾性により吸収され、出力梁１１４から直線変位のみを取り出すことができる。同時に、この出力梁１１４は、２組の近似平行運動連鎖の剛性向上に貢献し、第２の梁１０９のねじれを防ぐ作用もある。出力梁１１４の変位出力方向は第１の圧電素子１０３の出力軸と同じ方向である。出力梁１１４の第２のホルダー１１５に固定されている第２の圧電素子１１６は、第１の圧電素子１０３の出力軸と直交する出力軸を持っており、この第２の圧電素子１１６を伸縮させることで、試料台１１７を移動させることができる。この例では、第２の圧電素子１１６をＬ４だけ伸ばした状態を示しており、この結果として、試料台１１７は、移動前の位置から右へＬ３、上にＬ４移動する。このように、第１の圧電素子１０３と第２の圧電素子１１６を別々に制御させることで、試料台１１７を２軸方向に走査することができる。
（３）第３の実施例
図９、図１０は、本発明の変位拡大装置およびこれを用いた微小領域走査装置のうち、第３の実施例を示した模式図である。図９は上面図、図１０は側面図を示す。図９、図１０において、変位拡大装置２０１の出力梁１１４に、第２の変位拡大装置２０２の基盤１０１が固定される。第１の変位拡大装置２０１と第２の変位拡大装置２０２は、第１の実施例または第２の実施例で述べた変位拡大装置と同じ構成をしている。第１の変位拡大装置２０１と第２の変位拡大装置２０２の出力軸方向は直交しており、第２の変位拡大装置２０２の出力梁１１４には、試料台１１７が固定される。
【００３６】
図１１は、第３の実施例の動作を示した模式図である。
図１１に、第１の変位拡大装置２０１の第１の圧電素子１０３が、紙面向かって右側にＬ１だけ伸び、かつ、第２の変位拡大装置第１の２０２の圧電素子１０３が、紙面向かって上側にＬ１だけ伸びた状態を示す。この状態において、第１の変位拡大装置２０１の出力梁１１４は右側にＬ３変位し、これにより、第２の変位拡大装置２０２が右側にＬ３移動する。同時に、第２の変位拡大装置２０２の出力梁１１４は上側にＬ３伸びる。この結果として、第２の変位拡大装置２０２の出力梁１１４に固定されている試料台１１７は、移動前の位置から右にＬ３、上にＬ３、移動する。
（４）第４の実施例
図１２、図１３は、本発明の変位拡大装置およびこれを用いた微小領域走査装置のうち、第４の実施例を示した模式図である。図１２は上面図、図１３は側面図を示す。図１２、図１３において、変位拡大装置２０１の出力梁１１４に、第２の変位拡大装置２０２の基盤１０１が固定される。第１の変位拡大装置２０１と第２の変位拡大装置２０２は、第１の実施例または第２の実施例で述べた変位拡大装置と同じ構成をしている。第１の変位拡大装置２０１と第２の変位拡大装置２０２の出力軸は直交しており、第２の変位拡大装置２０２の出力梁１１４には、第３のホルダ１１８が固定され、この上にＺ軸用圧電素子１１９が固定されている。Ｚ軸用圧電素子１１９の伸縮端には、試料台１１７が固定される。
【００３７】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の試料走査やプローブ走査用の微小領域走査装置に利用される変位拡大装置およびこれを用いた微小領域走査装置において、基盤と、基盤に平行に固定される圧電素子と、圧電素子の伸縮端に基盤と平行に固定される入力梁と、圧電素子の出力軸を基準として対称的に配置される２組の近似平行運動連鎖と、２組の近似平行運動連鎖の対向する２本の梁を結合する出力梁により変位拡大装置を構成し、また、この変位拡大装置を用いて微小領域走査装置を構成した。
【００３８】
上記のような構成としたので、以下に記載する効果を有する。
（１）変位拡大装置の平行バネ構造に、近似平行運動連鎖の構造を取り入れることにより、平行バネの出力点に近似直線運動を行わせることができ、さらにこの近似平行運動連鎖を２組向かい合わせて梁で結合することにより、角度変位のない近似直線変位を取り出せる。
（２）加えて、この近似平行運動連鎖の１部に梃子の作用を兼ねさせることによって、圧電素子の変位を拡大し、この拡大変位が近似直線変位として得られる。
（３）この変位拡大装置を組み合わせて微小領域走査装置を構成することで、梃子による圧電素子の変位拡大率を大きくしつつ、主変位方向とは別の方向への変位が発生しない変位拡大装置を実現し、さらに、これを用いて観察像にゆがみを生じない微小領域走査装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の変位拡大装置のうち、第１の実施例の構成の一例を示した模式図である。
【図２】本発明の変位拡大装置のうち、第１の実施例の構成の一例を示した模式図である。
【図３】本発明の変位拡大装置のうち、第１の実施例の動作を示した模式図である。
【図４】本発明の変位拡大装置のうち、第１の実施例の梁の断面図である。
【図５】本発明の変位拡大装置のうち、第１の実施例の梁の斜視図である。
【図６】本発明の変位拡大装置およびこれを用いた微小領域走査装置のうち、第２の実施例の構成の一例を示した模式図である。
【図７】本発明の変位拡大装置およびこれを用いた微小領域走査装置のうち、第２の実施例の構成の一例を示した模式図である。
【図８】本発明の変位拡大装置およびこれを用いた微小領域走査装置のうち、第２の実施例の動作を示した模式図である。
【図９】本発明の変位拡大装置およびこれを用いた微小領域走査装置のうち、第３の実施例の構成の一例を示した模式図である。
【図１０】本発明の変位拡大装置およびこれを用いた微小領域走査装置のうち、第３の実施例の構成の一例を示した模式図である。
【図１１】本発明の変位拡大装置およびこれを用いた微小領域走査装置のうち、第３の実施例の動作を示した模式図である。
【図１２】本発明の変位拡大装置およびこれを用いた微小領域走査装置のうち、第４の実施例の構成の一例を示した模式図である。
【図１３】本発明の変位拡大装置およびこれを用いた微小領域走査装置のうち、第４の実施例の構成の一例を示した模式図である。
【図１４】本発明に関わる従来の微小領域走査装置の構成の一例を示す模式図である。
【図１５】本発明に関わる従来の微小領域走査装置の動作を示した模式図である。
【符号の説明】
１０１基盤
１０２第１のホルダ
１０３第１の圧電素子
１０４入力梁
１０５第１の支点
１０６第１の梁
１０７第１の回転対偶
１０８第２の回転対偶
１０９第２の梁
１１０第３の回転対偶
１１１第４の回転対偶
１１２第３の梁
１１３第２の支点
１１４出力梁
１１５第２のホルダ
１１６第２の圧電素子
１１７試料台
１１８第３のホルダ
１１９Ｚ軸用圧電素子
２０１第１の変位拡大装置
２０２第２の変位拡大装置
１４０１圧電素子
１４０２基盤
１４０３ボール
１４０４第１の弾性ヒンジ
１４０５第１の梁
１４０６第２の弾性ヒンジ
１４０７第３の弾性ヒンジ
１４０８第２の梁
１４０９第４の弾性ヒンジ
１４１０出力梁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a displacement enlargement used for a micro area scanning apparatus used for sample scanning and probe scanning of a scanning probe microscope (SPM) represented by an atomic force microscope (AFM) and a scanning near field microscope (SNOM). The present invention relates to an apparatus and a micro area scanning apparatus using the same.
[0002]
[Prior art]
A scanning probe microscope (SPM) scans the surface of a sample with a mechanical probe (hereinafter referred to as a probe) and detects the interaction between the probe and the sample surface, thereby changing the physical quantity of the sample surface to nm. (10-9m) An apparatus for observing in the order of the following. For example, in a typical atomic force microscope (AFM) as one of the scanning probe microscopes (SPM), an atomic force acting between the probe and the sample surface is detected by information of a change in the deflection amount of the probe, and this is detected. By utilizing this, the surface shape of the sample can be observed.
[0003]
In such an apparatus, a mechanical device necessary for scanning a sample or a probe in a horizontal direction (hereinafter referred to as an XY direction) or in a horizontal direction and a height direction (hereinafter referred to as a Z direction) is a micro area scanning apparatus.
[0004]
A micro-region scanning apparatus used in a scanning probe microscope (SPM) requires a high resolution of 0.01 to 0.1 nm, and therefore a piezoelectric element is used. A typical example is a tube-type micro-region scanning apparatus as disclosed in US Pat. No. 5,306,919 (Elings et al.). At the beginning of the development of a scanning probe microscope (SPM), atomic images and the like are observed using such a micro-region scanning apparatus.
[0005]
Such a tube-type micro area scanning device has the advantages that the structure is simple and the resonance frequency is high when the amount of displacement is about ˜20 μm. However, when a displacement amount of, for example, 50 μm or more is required, the tube length increases, the resonance frequency decreases, and at the same time, the pitching during XY scanning increases. .
[0006]
In recent years, the spread of scanning probe microscopes (SPM) has spread, and observation of larger samples such as biological cells has been required, and movement amounts in the XY directions of 50 to 200 μm have been required. In addition, since observation on a normal optical microscope is also required, a micro-area scanning device that is thin in the Z direction is required. Along with this trend, instead of the conventional tube type, a displacement enlarging device that expands the displacement of the piezoelectric element several times by a combination of a piezoelectric element, an elastic hinge and an insulator, and a thin micro area scanning device using the displacement enlarging device Is produced.
[0007]
Such a displacement enlarging apparatus and a micro area scanning apparatus using the same are disclosed in, for example, US Pat. No. 5,051,594 (Tsuda et al.). The displacement magnifying device disclosed here is a formally applied lever principle to a structure called a parallel spring. In this example, an elastic hinge is used instead of a leaf spring. In such a displacement enlarging apparatus, a parallel spring that also serves as an insulator is inclined with a displacement of the piezoelectric element, and a displacement enlarged about 5 to 10 times can be obtained on the stage surface.
[0008]
FIG. 14 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a conventional displacement enlarging device using a parallel spring structure.
In FIG. 14, the piezoelectric element 1401 is fixed on the base 1402. A ball 1403 is fixed to the expansion / contraction end side of the piezoelectric element 1401. A first elastic hinge 1404 is disposed on the base 1402, and a first beam 1405 is fixed to the first elastic hinge 1404 in a direction orthogonal to the output axis of the piezoelectric element 1401. The ball 1403 contacts at an arbitrary point on the first beam 1405. A second elastic hinge 1406 is fixed to the free end side of the first beam 1405. One third elastic hinge 1407 is disposed on each side of the base 1402. One second beam 1408 is fixed to the third elastic hinge 1407 in parallel with the first beam 1405. One fourth elastic hinge 1409 is fixed to each free end of the second beam 1408. The output beam 1410 is fixed to the two fourth elastic hinges 1409. The second elastic hinge 1406 is fixed at an arbitrary position of the output beam 1410. By combining two displacement magnifying devices so as to be orthogonal to each other, it is possible to configure a micro area scanning device in the XY directions.
[0009]
FIG. 15 is a schematic view showing the operation of a conventional displacement magnifying device.
FIG. 15 shows a state in which the piezoelectric element 1401 extends by L1 on the right side of the drawing. In this state, the first beam 1405 is pushed toward the right side by the ball 1403 and tilts with the first elastic hinge 1404 as the rotation center. At this time, the distance between the first elastic hinge 1404 and the ball 1403 is a, and the distance between the first elastic hinge 1404 and the second elastic hinge 1406, that is, the length of the first beam 1405 is b. The first beam 1405 acts as an insulator having the first elastic hinge 1404 as a fulcrum, the ball 1403 as a force point, and the second elastic hinge 1406 as an action point. The first beam 1405 has an extension amount when the extension amount of the piezoelectric element 1401 is L1. The displacement amount L2 of the second elastic hinge 1406 is L2 = L1 · b / a. Due to the displacement of the second elastic hinge 1406, the output beam 1410 moves to the right by the same displacement amount as the displacement of the second elastic hinge 1406. At this time, the two second beams 1408 act as a guide for keeping the output beam 1410 horizontal.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
[0011]
However, in the conventional displacement magnifying device using the parallel spring structure as described above, the parallel spring performs a rotational motion around the fulcrum, so that the displacement due to the rotation is also different from the main displacement direction. Will occur. Δh in FIG. 15 is the displacement due to this rotation. This is more conspicuous as the enlargement ratio of the insulator is increased. Furthermore, when such a displacement magnifying device is used in one or two axes to form a micro-region scanning device and incorporated in a scanning probe microscope (SPM), there is a problem that the observed image is distorted.
[0012]
Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the displacement enlarging device and the micro-region scanning device using the conventional parallel spring structure, while increasing the displacement enlarging rate of the piezoelectric element by the insulator, An object of the present invention is to realize a displacement magnifying device that does not cause displacement in a direction different from the direction, and to use this to realize a micro-region scanning device that does not distort an observed image.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, in the present invention, a displacement enlarging device used for a sample scanning or probe scanning micro region scanning device of a scanning probe microscope (SPM), and a micro region scanning device using the displacement enlarging device The parallel spring structure is combined with an approximate parallel motion chain structure so that the output point of the parallel spring performs approximate linear motion. Furthermore, two sets of these approximate parallel motion chains are faced to each other and connected by beams so that approximate linear displacement without angular displacement can be extracted. In addition, the displacement of the piezoelectric element is expanded by making a part of the approximate parallel motion chain also function as an insulator so that the expanded displacement can be obtained as an approximate linear displacement. In addition, a micro-region scanning device is configured by combining this displacement magnifying device.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(1) First embodiment
1 and 2 are schematic views showing a first embodiment of the displacement magnifying device of the present invention.
[0015]
1 is a top view and FIG. 2 is a side view. 1 and 2, the base of the first piezoelectric element 103 is fixed to the first holder 102 on the base 101.
The fixing is performed such that the output shaft of the first piezoelectric element 103 and the base 101 are parallel to each other, and the side surface of the first piezoelectric element 103 is not in contact with the base 101. Of the first piezoelectric element 103 Expansion and contraction A bifurcated input beam 104 is fixed to the end. On the base 101, two sets of approximate parallel motion chains arranged symmetrically with respect to the output axis of the piezoelectric element 103 and an output beam 114 that couples two opposing beams of the two sets of approximate parallel motion chains. Is placed. The two sets of approximate parallel motion chains and the output beam 114 are all arranged on the same plane of the base 101.
[0016]
Of the two sets of approximate parallel motion chains, the configuration of one set of approximate parallel motion chains will be described below.
A first fulcrum 105 having a rotational axis perpendicular to the base 101 is fixed on the base 101. The first beam 106 is rotatably fixed to the first fulcrum 105. The first beam 106 is disposed in a direction orthogonal to the output axis of the first piezoelectric element 103. A first rotating pair 107 is disposed at the free end of the first beam 106. The second rotating pair 108 is fixed at an arbitrary position on the first beam 106. The fulcrum and the rotating pair are constituted by an elastic hinge having an integral notch structure. As the material of the elastic hinge, a material having high elasticity such as SUS, phosphor bronze, polyacetal is used.
[0017]
In the present embodiment, SUS is used for all the rotation pairs, and the cutout structure has the same shape.
Here, when the distance from the first fulcrum 105 to the second rotating pair 108 is (c) and the distance from the first rotating pair 107 to the second rotating pair 108 is (d), FIG. 1, the second rotation pair 108 is located at a position where c: d = 1: 1.
[0018]
A second beam 109 is fixed to the first rotating pair 107 with an arbitrary angle with respect to the first beam 106. In FIG. 1, it has an angle of 90 °. The third rotating pair 110 and the fourth rotating pair 111 are fixed at an arbitrary position of the second beam 109. In FIG. 1, the third rotating pair 110 is fixed to the end of the second beam 109, and the fourth rotating pair 111 is a second beam between the first rotating pair 107 and the third rotating pair 110. 109 is fixed at an arbitrary position. A third beam 112 is fixed to the third rotating pair 110 in parallel with the first beam 106, and the other end of the third beam 112 has a rotation axis perpendicular to the base 101. The fulcrum 113 is fixed.
[0019]
Here, the length of the first beam 106 is (A), the length of the third beam 112 is (B),
When the distance between the third rotating pair 110 and the fourth rotating pair 111 is (a) and the distance between the first rotating pair 107 and the fourth rotating pair 111 is (b), A: B = A: Provide a positional relationship of b.
[0020]
The above is the configuration of one set of approximate parallel motion chains, and two sets of these approximate parallel motion chains are symmetrically arranged on the base with the output axis of the piezoelectric element 103 as a reference.
Two opposing beams of two sets of approximate parallel motion chains, that is, two second beams 109 are fixed by an output beam 114 via two opposing fourth rotating pairs 111.
[0021]
One free end of the bifurcated input beam 104 is fixed to each of the two second rotating pairs 108.
FIG. 3 is a schematic diagram showing the operation of the first embodiment.
FIG. 3 shows a state in which the first piezoelectric element 103 extends by L1 on the right side of the drawing. In this state, the input beam 104 moves to the right by L1, and accordingly, the second rotary pair 108 moves to the right by L1. As the second rotating pair 108 moves, the first beam 106 rotates about the first fulcrum 105. That is, the second rotation pair 108 acts as an input point for the expansion / contraction displacement of the first piezoelectric element 103, and thereby the first beam 106 acts as a lever with the first fulcrum 105 as an axis. The action point of the insulator is the first rotation pair 107. Here, as described with reference to FIG. 1, the distance from the first fulcrum 105 to the second rotation pair 108 is (c), and the distance from the first rotation pair 107 to the second rotation pair 108 is ( When d), in FIG. 1, the second rotating pair 108 is arranged at a position where c: d = 1: 1. If the output displacement amount of the first rotation pair 107 at this time is L2, then L2 = L1 · (c + d) / c = 2 · L1.
[0022]
Further, here, the first fulcrum 105, the first beam 106, the first rotating pair 107, the second beam 109, the third rotating pair 110, the fourth rotating pair 111, the third beam 112, the second beam Consider the relationship between the two fulcrums 113. As described with reference to FIG. 1, the length of the first beam 106 is (A), the length of the third beam 112 is (B), and the distance between the third rotating pair 110 and the fourth rotating pair 111 is as follows. (A), and the distance between the first rotation pair 107 and the fourth rotation pair 111 is (b), there is a positional relationship of A: B = a: b.
[0023]
In other words, this is an approximate parallel motion chain of watts with the fourth rotating pair 111 as an output point. Therefore, with the movement of the first beam 106, the second beam 109 and the third beam 112 are linked, and the fourth rotating pair 111 on the second beam 109 performs an approximate linear motion. At this time, the fourth rotating pair 111 is linearly displaced while being slightly angularly displaced. If the output displacement of the fourth rotation pair 111 is L3, then L3 ≒ L2.
[0024]
In the present invention, two sets of the approximate parallel motion chain of watts are symmetrically arranged on the base with respect to the output axis of the first piezoelectric element 103, and two fourth rotating pairs 111 facing each other are output. The beams 114 are connected. Thereby, the influence of the angular displacement of the fourth rotating pair 111 is absorbed by the elasticity of the fourth rotating pair 111 itself, and only the linear displacement can be taken out from the output beam 114. At the same time, the output beam 114 contributes to improving the rigidity of the two sets of approximate parallel motion chains, and also has an action of preventing the second beam 109 from being twisted. The displacement output direction of the output beam 114 is the same as the output axis of the first piezoelectric element 103.
[0025]
FIG. 4 is a sectional view of each beam in the first embodiment. 4A is a cross-sectional view of the first beam 106 near the first fulcrum 105, and FIG. 4B is a cross-sectional view of the third beam 112 near the second fulcrum 113 having the same shape. Yes. 4C is a cross-sectional view of the second beam 109 in the vicinity of the first rotating pair 107, and FIG. 4D is a cross-sectional view of the second beam 109 in the vicinity of the fourth rotating pair 111. . The cross-sections (a), (b), (c), and (d) have a vertical bending rigidity of (a) = (b) = (c) = (d) by changing the cross-sectional shape and cross-sectional area. And the unit mass has a mass gradient such that (a) = (b)>(c)> (d). The mass gradient is continuous and smooth. In other words, the stiffness is set so that the mass is reduced as it approaches the output beam 114, and the deflection amount of each beam due to its own weight can be minimized. In the first embodiment, an I-shaped cross section is used, but a round hollow cross section and a square hollow cross section can also be used. It is also possible to realize the mass gradient not by changing the cross-sectional area but by changing the material components.
[0026]
FIG. 5 is a perspective view schematically showing the state of cross-sectional change of the beam described in FIG.
(2) Second embodiment
6 and 7 are schematic views showing a second embodiment of the displacement magnifying device of the present invention and the micro area scanning device using the same. 6 shows a top view and FIG. 7 shows a side view. 6 and 7, the base of the first piezoelectric element 103 is fixed to the first holder 102 on the base 101. The fixing is performed such that the output shaft of the first piezoelectric element 103 and the base 101 are parallel to each other, and the side surface of the first piezoelectric element 103 is not in contact with the base 101. A bifurcated input beam 104 is fixed to the extendable end of the first piezoelectric element 103. On the base 101, two sets of approximate parallel motion chains arranged symmetrically with respect to the output axis of the first piezoelectric element 103 and two opposing beams of the two sets of approximate parallel motion chains are coupled. An output beam 114 is disposed. The two sets of approximate parallel motion chains and the output beam 114 are all arranged on the same plane of the base 101. A second holder 115 is fixed to the output beam 114, and a base portion of a second piezoelectric element 116 having an output axis orthogonal to the output axis of the first piezoelectric element 103 is fixed to the second holder 115. Yes. The fixing is performed in such a positional relationship that the output shaft of the second piezoelectric element 116 and the output beam 114 are parallel to each other, and the side surface of the second piezoelectric element 116 is not in contact with the output beam 114. A sample stage 117 is fixed to the extendable end of the second piezoelectric element 116.
[0027]
Of the two sets of approximate parallel motion chains, the configuration of one set of approximate parallel motion chains will be described below.
A first fulcrum 105 having a rotational axis perpendicular to the base 101 is fixed on the base 101. The first beam 106 is rotatably fixed to the first fulcrum 105. The first beam 106 is disposed in a direction orthogonal to the output axis of the first piezoelectric element 103. A first rotating pair 107 is disposed at the free end of the first beam 106. The second rotating pair 108 is fixed at an arbitrary position on the first beam 106. The fulcrum and the rotating pair are constituted by an elastic hinge having an integral notch structure. As the material of the elastic hinge, a material having high elasticity such as SUS, phosphor bronze, polyacetal is used.
[0028]
In the present embodiment, SUS is used for all the rotation pairs, and the cutout structure has the same shape.
Here, when the distance from the first fulcrum 105 to the second rotating pair 108 is (c) and the distance from the first rotating pair 107 to the second rotating pair 108 is (d), FIG. 6, the second rotation pair 108 is arranged at a position where c: d = 1: 1.
[0029]
A second beam 109 is fixed to the first rotating pair 107 with an arbitrary angle with respect to the first beam 106. In FIG. 6, the angle is 90 °. The third rotating pair 110 and the fourth rotating pair 111 are fixed at an arbitrary position of the second beam 109.
In FIG. 6, the fourth rotating pair 111 is fixed to the end of the second beam 109, and the third rotating pair 110 is the second beam between the first rotating pair 107 and the fourth rotating pair 111. 109 is fixed at an arbitrary position. This third Rotating kinematic pair 110 and the position of the fourth rotation pair 111 are different from those of the first embodiment. A third beam 112 is fixed to the third rotating pair 110 in parallel with the first beam 106, and the other end of the third beam 112 has a rotation axis perpendicular to the base 101. The fulcrum 113 is fixed.
[0030]
Here, the length of the first beam 106 is (A), the length of the third beam 112 is (B),
When the distance between the third rotating pair 110 and the fourth rotating pair 111 is (a) and the distance between the first rotating pair 107 and the fourth rotating pair 111 is (b), A: B = A: Provide a positional relationship of b.
The above is the configuration of one set of approximate parallel motion chains, and these two sets of approximate parallel motion chains are symmetrically arranged on the base with the output axis of the first piezoelectric element 103 as a reference.
[0031]
Two opposing beams of two sets of approximate parallel motion chains, that is, two second beams 109 are fixed by an output beam 114 via two opposing fourth rotating pairs 111.
One free end of the bifurcated input beam 104 is fixed to each of the two second rotating pairs 108.
[0032]
FIG. 8 is a schematic diagram showing the operation of the second embodiment.
FIG. 8 shows a state in which the first piezoelectric element 103 extends by L1 on the right side in the drawing. In this state, the input beam 104 moves to the right by L1, and accordingly, the second rotary pair 108 moves to the right by L1. As the second rotating pair 108 moves, the first beam 106 rotates about the first fulcrum 105. That is, the second rotating pair 108 acts as an input point for the expansion / contraction displacement of the first piezoelectric element 103, whereby the first beam 106 acts as a lever with the first fulcrum 105 as an axis. The lever's action point is the first rotation pair 107. Here, as described in FIG. 6, the distance from the first fulcrum 105 to the second rotation pair 108 is (c), and the distance from the first rotation pair 107 to the second rotation pair 108 is ( When d), the second rotation pair 108 is located at a position where c: d = 1: 1. If the output displacement amount of the first rotation pair 107 at this time is L2, then L2 = L1 · (c + d) / c = 2 · L1.
[0033]
Further, here, the first fulcrum 105, the first beam 106, the first rotating pair 107, the second beam 109, the third rotating pair 110, the fourth rotating pair 111, the third beam 112, the second beam Consider the relationship between the two fulcrums 113. As described in FIG. 6, the length of the first beam 106 is (A), the length of the third beam 112 is (B), and the distance between the third rotating pair 110 and the fourth rotating pair 111 is set. (A), and the distance between the first rotation pair 107 and the fourth rotation pair 111 is (b), there is a positional relationship of A: B = a: b.
[0034]
In other words, this is an approximate parallel motion chain of watts with the fourth rotating pair 111 as an output point. Therefore, with the movement of the first beam 106, the second beam 109 and the third beam 112 are linked, and the fourth rotating pair 111 on the second beam 109 performs an approximate linear motion. At this time, the fourth rotating pair 111 is linearly displaced while being slightly angularly displaced. If the output displacement of the fourth rotation pair 111 is L3, then L3 ≒ L2.
[0035]
In the present invention, two sets of the approximate parallel motion chain of watts are symmetrically arranged on the base with respect to the output axis of the first piezoelectric element 103, and two fourth rotating pairs 111 facing each other are output. The beams 114 are connected. Thereby, the influence of the angular displacement of the fourth rotating pair 111 is absorbed by the elasticity of the fourth rotating pair 111 itself, and only the linear displacement can be taken out from the output beam 114. At the same time, the output beam 114 contributes to improving the rigidity of the two sets of approximate parallel motion chains, and also has an action of preventing the second beam 109 from being twisted. The displacement output direction of the output beam 114 is the same as the output axis of the first piezoelectric element 103. The second piezoelectric element 116 fixed to the second holder 115 of the output beam 114 has an output axis orthogonal to the output axis of the first piezoelectric element 103, and the second piezoelectric element 116 can be expanded and contracted. By doing so, the sample stage 117 can be moved. In this example, the state where the second piezoelectric element 116 is extended by L4 is shown, and as a result, the sample stage 117 moves L3 to the right and L4 upward from the position before the movement. Thus, the sample stage 117 can be scanned in the biaxial direction by controlling the first piezoelectric element 103 and the second piezoelectric element 116 separately.
(3) Third embodiment
FIGS. 9 and 10 are schematic views showing a third embodiment of the displacement magnifying device of the present invention and the micro area scanning device using the same. 9 shows a top view and FIG. 10 shows a side view. 9 and 10, the base 101 of the second displacement magnifying device 202 is fixed to the output beam 114 of the displacement magnifying device 201. The first displacement magnifying device 201 and the second displacement magnifying device 202 have the same configuration as the displacement magnifying device described in the first embodiment or the second embodiment. The output shaft directions of the first displacement magnifying device 201 and the second displacement magnifying device 202 are orthogonal to each other, and the sample stage 117 is fixed to the output beam 114 of the second displacement magnifying device 202.
[0036]
FIG. 11 is a schematic diagram showing the operation of the third embodiment.
In FIG. 11, the first piezoelectric element 103 of the first displacement magnifying device 201 extends to the right by L1 toward the paper surface, and the piezoelectric element 103 of the second displacement magnifying device first 202 faces the paper surface. The upper side is shown extended by L1. In this state, the output beam 114 of the first displacement magnifying device 201 is displaced L3 to the right, thereby causing the second displacement magnifying device 202 to move L3 to the right. At the same time, the output beam 114 of the second displacement magnifying device 202 extends L3 upward. As a result, the sample stage 117 fixed to the output beam 114 of the second displacement magnifying device 202 moves L3 to the right and L3 upward from the position before the movement.
(4) Fourth embodiment
12 and 13 are schematic views showing a fourth embodiment of the displacement magnifying device of the present invention and the micro area scanning device using the same. 12 shows a top view and FIG. 13 shows a side view. 12 and 13, the base 101 of the second displacement magnifying device 202 is fixed to the output beam 114 of the displacement magnifying device 201. The first displacement magnifying device 201 and the second displacement magnifying device 202 have the same configuration as the displacement magnifying device described in the first embodiment or the second embodiment. The output axes of the first displacement magnifying device 201 and the second displacement magnifying device 202 are orthogonal, and a third holder 118 is fixed to the output beam 114 of the second displacement magnifying device 202, on which A Z-axis piezoelectric element 119 is fixed. A sample stage 117 is fixed to the extendable end of the Z-axis piezoelectric element 119.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a displacement enlarging device used for a micro scanning device for scanning a sample and scanning a probe of a scanning probe microscope (SPM), and a micro scanning device using the same. A piezoelectric element fixed in parallel to the base, an input beam fixed in parallel to the base to the expansion / contraction end of the piezoelectric element, and two sets of approximate parallel motion chains arranged symmetrically with respect to the output axis of the piezoelectric element A displacement magnifying device was constituted by an output beam connecting two opposing beams of two sets of approximate parallel motion chains, and a micro area scanning device was constituted by using this displacement magnifying device.
[0038]
Since it was set as the above structures, it has the effect described below.
(1) By adopting an approximate parallel motion chain structure in the parallel spring structure of the displacement magnifying device, it is possible to cause the output point of the parallel spring to perform approximate linear motion, and two pairs of this approximate parallel motion chain face each other. By connecting with beams, approximate linear displacement without angular displacement can be extracted.
(2) In addition, by making a part of this approximate parallel motion chain also function as an insulator, the displacement of the piezoelectric element is enlarged, and this enlarged displacement is obtained as an approximate linear displacement.
(3) Displacement enlarging apparatus that does not generate displacement in a direction different from the main displacement direction while increasing the displacement enlarging rate of the piezoelectric element by the insulator by combining the displacement enlarging apparatus to constitute a micro area scanning apparatus. Furthermore, by using this, it is possible to realize a micro-area scanning device that does not distort the observed image.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a first embodiment of a displacement magnifying apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the first embodiment of the displacement magnifying device of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing the operation of the first embodiment of the displacement magnifying device of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a beam according to a first embodiment of the displacement magnifying device of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view of the beam of the first embodiment of the displacement magnifying device of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a second embodiment of the displacement magnifying device of the present invention and the micro area scanning device using the same.
FIG. 7 is a schematic view showing an example of the configuration of a second embodiment of the displacement magnifying device of the present invention and the micro area scanning device using the same.
FIG. 8 is a schematic diagram showing the operation of the second embodiment of the displacement magnifying device of the present invention and the micro area scanning device using the same.
FIG. 9 is a schematic view showing an example of the configuration of a third embodiment of the displacement magnifying device of the present invention and the micro area scanning device using the same.
FIG. 10 is a schematic view showing an example of the configuration of a third embodiment of the displacement magnifying device of the present invention and the micro area scanning device using the same.
FIG. 11 is a schematic diagram showing the operation of the third embodiment of the displacement magnifying device of the present invention and the micro area scanning device using the same.
FIG. 12 is a schematic view showing an example of the configuration of a fourth embodiment of the displacement magnifying device of the present invention and the micro area scanning device using the same.
FIG. 13 is a schematic view showing an example of the configuration of a fourth embodiment of the displacement magnifying device of the present invention and the micro area scanning device using the same.
FIG. 14 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a conventional micro area scanning apparatus according to the present invention.
FIG. 15 is a schematic diagram showing the operation of a conventional micro area scanning apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
101 base
102 first holder
103 1st piezoelectric element
104 Input beam
105 First fulcrum
106 First beam
107 First rotation pair
108 Second rotating pair
109 Second beam
110 Third rotation pair
111 4th rotating pair
112 Third beam
113 Second fulcrum
114 Output beam
115 second holder
116 Second piezoelectric element
117 Sample stage
118 Third holder
119 Z-axis piezoelectric element
201 First displacement magnifying device
202 Second displacement magnifying device
1401 Piezoelectric element
1402 Foundation
1403 balls
1404 First elastic hinge
1405 First beam
1406 Second elastic hinge
1407 Third elastic hinge
1408 2nd beam
1409 fourth elastic hinge
1410 Output beam

Claims

A base, a piezoelectric element fixed in parallel to the base, an input beam fixed in parallel to the base to the extendable end of the piezoelectric element, and a symmetrical arrangement with respect to the output axis of the piezoelectric element 2 A displacement magnifying device comprising a pair of approximate parallel motion chains and an output beam connecting the two opposing beams of the two pairs of approximate parallel motion chains ;
a) Each of the two sets of approximate parallel motion chains is
A first fulcrum fixed on the substrate and having a rotation axis perpendicular to the substrate;
A first beam rotatably fixed to the first fulcrum and extending in a direction perpendicular to the output axis of the piezoelectric element;
A first rotating pair fixed to the free end of the first beam;
A second rotating pair fixed to the first beam and located at any one point between the first fulcrum and a free end;
The second rotating pair is fixed at an arbitrary angle with the first beam.
The beam,
A third rotating pair fixed to an arbitrary position of the second beam;
A fourth rotating pair fixed to an arbitrary position of the second beam;
A third beam fixed to the third rotating pair and disposed in parallel with the first beam;
A second fulcrum fixed to the other end of the third beam so as to be rotatable, fixed on the base and having a rotation axis perpendicular to the base;
At the same time,
b) The ratio of the length of the first beam (A) to the length of the third beam (B) is the distance between the third rotating pair and the fourth rotating pair (a) And a ratio of the distance (b) between the first rotation pair and the fourth rotation pair, i.e., A: B = a: b.
c) The input beam is fixed to the second rotating pair, and both ends of the output beam are fixed to two opposing fourth rotating pairs of the two sets of approximate parallel motion chains. Displacement magnifying device.

The first fulcrum, the second fulcrum, the first rotating pair, the second rotating pair, the third rotating pair, and the fourth rotating pair are constituted by elastic hinges. The displacement enlarging device according to claim 1, wherein the displacement enlarging device is provided.

The displacement magnifying device according to claim 1, wherein there is a mass gradient from the input beam to the output beam.

A micro-region scanning apparatus comprising at least one displacement magnifying device according to claim 1 and a second piezoelectric element.

A micro-region scanning device comprising at least two displacement magnifying devices according to any one of claims 1 to 3 .

6. The micro area scanning device according to claim 4 , further comprising a Z-axis piezoelectric element.