JPH0150194B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は微動装置に関し、詳しくは超微細加工
時の位置合わせや、真空トンネル顕微鏡における
試料あるいは探針の移動に用いるのに好適な微動
装置に関する。

［従来技術］ 真空トンネル顕微鏡は超高真空中に置かれた金
属等の導電性物質の表面構造を原子的な尺度で観
側する装置として知られている。このような真空
トンネル顕微鏡は、真空中に載置された金属と先
端の径が１mm程度の極細金属探針との間に1V程
度の電圧を加えてこの探針の先端を金属表面から
１mm程度まで近づけると、真空トンネル効果によ
つて1μA程度の電流が流れることを応用したもの
で、このような真空トンネル効果においては0.1
mmの距離変化に対しトンネル電流が１桁づつ敏感
に変化するので、この感度を利用して表面から探
針先端までの距離が一定に保たれるようになして
面内を走査すれば、表面の凹凸などの構造を原子
の尺度で測定できる。

ただしそのためには探針の先端が原子尺度で尖
つていること、物体面と探針との間の相対的振動
振幅が原子尺度以下に抑えられることおよび熱膨
張による至みを避けるために極度に安定した温度
環境のもとで測定されるべきことなどの条件が必
要である。

ところで物体面と探針との間の距離を一定に保
たせるための移動、および面内走査には駆動装置
が必要であるが、そのためには、探針を物体面に
垂直な方向と面に沿つた方向との少くとも２方向
にそれぞれ独立した原子尺度で移動させる必要が
ある。

そこで、従来は、第３図に示すような圧電駆動
体が用いられてきた。すなわち、１は直方体の形
状に切出された圧電性部材であり、圧電性部材１
の対向する二面に金属電極２が設けられ、その両
極間に駆動電圧V_Dを印加するように構成されて
いる。しかして電極２間に電圧V_Dを印加すると
電極２を有する二面間の距離Ｗが電圧の極性と圧
電性部材１の有する圧電定数とに応じて伸延また
は収縮し、同時に他の２組の対向する面間の距離
が上述した距離Ｗの伸縮とは反対傾向の伸縮、伸
延をするのでこのような圧電駆動体の一方向のみ
の伸縮が利用されてきた。

なお、圧電性部材１は、その材料が単結晶の場
合、結晶軸に固有な圧電定数を有するもので、そ
の定数はテンソル量で表わされる。また、セラミ
クスの場合は成形焼結後電極２の両端に電圧を印
加して昇温し圧電性を具えるための分極化が行わ
れる。

かくして従来、２軸方向の移動や位置合せを必
要とする微動装置には、２個以上の上記のような
一方向圧電駆動体が別個にまたは互いに接着剤で
接合させて用いられてきた。

しかしながら、このように構成された従来の圧
電駆動体にあつては同じ材料によつて構成されて
も個々の部材１が少しづつ異なる性能を持ち、特
に接着した部分が圧電性材料と弾性が異なるため
に、駆動時に原子尺度のずれが生ずるなどの問題
点があり、ドリフトや２軸動の独立性が保てない
という欠点があつた。

［発明の目的］ 本発明は、上記の欠点を解消するためになされ
たもので、ジルコン酸チタン酸鉛等のセラミクス
あるいは水晶等の単結晶の圧電性材料を用いて駆
動体を形成し、超微細加工、顕微鏡等における試
料や探針等の移動、位置決め、および固定等に対
し、正確で信頼性の高い微動装置を提供すること
を目的とするものである。

［発明の概要］ すなわち、本発明は、直方体形状の圧電駆動部
材に対向電極を設け、対向電極に電圧を印加する
ことにより電圧の印加方向とは直角な方向に変位
を発生させ、この変位により圧電駆動部材の変位
方向の移動が制御される微動装置において、１つ
の頂点から互いに直交するＸ方向およびＹ方向の
２つの方向に向けてそれぞれ延在された２つの直
方体形状をなす圧電駆動部と、圧電駆動部の延在
された側の端部それぞれ固定され、圧電駆動部よ
り厚いＸ方向およびＹ方向の厚さを有する壁部と
により切欠き部１１を有する枠型に形成され、
個々の圧電駆動部に設けた電極に延在された方向
と直角をなす方向に電圧の印加が可能な圧電駆動
部材と、２つの圧電駆動部に供給する電圧の発生
手段と、圧電駆動部の１つに１つの電圧が印加さ
れたときにその圧電駆動部の延在方向に直角な他
方向の変位を補正する手段とを具えたことを特徴
とするものである。

［実施例］ 以下に、図面に基づいて本発明の実施例を詳細
かつ具体的に説明する。

第１図は本発明の原理的構成を示すもので、こ
こで、１０は圧電性材料によつて形成した駆動体
（以下で駆動部材という）であり、本例ではその
外形が角板状をなす駆動部材１０に切欠き部１１
を設け、この切欠き部１１によつて、１つの頂点
１２を共有する圧電駆動部１３および１４が形成
されるようにする。

しかして、この切欠き部１１によつて頂点１２
に糾合された腕部形状をなすＸ方向およびＹ方向
の圧電駆動部１３および１４を細長に形成すると
共に、これらの圧電駆動部１３および１４の付け
根側にそれぞれＸ方向およびＹ方向に十分な厚さ
の保たれる壁部１５および１６が形成されるよう
にする。

かくして、圧電駆動部１３および１４のそれぞ
れ斜線を施して示した面と図示されないその切欠
き１１側の対向面との双方に電極１３Ａおよび１
４Ａを設け、これらの電極１３Ａおよび１４Ａを
Ｘ方向駆動電圧発生回路１７およびＹ方向駆動電
圧発生回路１８に信号線１７Ａおよび１８Ａで接
続する。

なお、１９および２０はＸ方向およびＹ方向の
駆動信号を駆動電圧発生回路１７および１８にそ
れぞれ供給する入力端子であり、２１は１方向の
変位動作に対して他方向の変位の影響が発生しな
いように後述するような補正信号が出力される補
正回路である。

続いて、このように駆動部材１０およびその駆
動回路等によつて構成した微動装置における頂点
１２の変位動作について述べることとする。

まず２つの圧電駆動部１３および１４が結合さ
れる頂点１２において、Ｘ方向の位置移動すなわ
ち変位のみを起こさせる作用を説明する。

この場合、駆動信号を入力端子１９に印加して
Ｘ方向駆動電圧を駆動電圧発生回路１７に発生さ
せ、これを信号線１７Ａによつて電極１３Ａに印
加すると、圧電駆動部１３は主にＸ方向に延伸ま
たは収縮する。しかしてこの場合、厚い壁部１５
は動作の影響を受けない固定壁の役割を果たす。

しかしながら、圧電駆動部１３は頂点１２を介
して他の圧電駆動部１４に結合されているため、
その自由なＸ方向の伸縮が妨げられると共に、他
の圧電駆動部１４をも伸縮させる影響を与えるの
で、結局頂点１２は、Ｘ方向のみならずＹ方向に
も変位する。

そこで、このようなＹ方向への変位を消去補正
するために、Ｘ方向駆動電圧発生回路１７の出力
波形を信号線１７Ｂによつて補正回路２１に供給
し、ここで圧電駆動部１４の剛性の強さならびに
圧電定数の符号と大きさ等に応じて反転、増幅、
減衰または他の必要な変換等を行い、信号線２２
Ｙを通じて、Ｙ方向駆動電圧発生回路１８に供給
し、更にこれらからそれぞれ信号線１８Ａを介し
て補正電圧を電極１４Ａに印加することにより、
補正作用を行う。

Ｙ方向の変位を発生させる場合についても同様
にして独立に駆動することができる。すなわち、
第１図において、信号線１８Ｂにより補正回路２
１に入力された出力波形信号に対して必要な変換
が行われ、それぞれ信号線２３Ｘによつて出力さ
れることにより補正作用が行われる。

なお、腕部形状をなす圧電駆動部１３および１
４は頂点１２において互いに結合されており、腕
部としての自由端を有しないために、個々の腕部
のゆれ振動（リード型振動）に対し剛性が強く、
通常の使用時における外部振動に対して極めて顕
著な除振効果が得られる。

なお、本願人は第２図に示すような形状の二次
元微動機構用圧電駆動部材を試作し、微動装置と
しての有効性を確認した。ここで、１０はチタン
酸ジルコン酸鉛を圧電性材料として使用し形成し
た駆動部材であり、その寸法をmm単位で示す。単
体の第３図で示したような圧電駆動の場合に対応
して、その対向電極２間の距離すなわち幅をＷ、
長い辺の方向の長さをｌ、電源の電圧をV_Dとす
ると、駆動電圧を印加したことによる長さ方向の
延びはd₃₁l V_D／Ｗで表わされる。なおここでd₃₁
は横方向圧電定数と呼ばれ、0.01〜0.3nｍ／Ｖの
程度であつて、本実験ではd₃₁＝0.22nｍ／Ｖのチ
タン酸ジルコン酸鉛セラミクス圧電性材料を用い
た。

その結果補正後のＸ方向の変位は１ボルト当り
1.62nｍとなり実効的横方向圧電定数は0.16nｍ／
Ｖとなつた。すなわち、上記単体の場合に比べ第
２図に示した駆動部材１０では圧電駆動部１３お
よび１４が頂点１２、壁部１５および１６との交
点で拘束されているため、Ｘ方向に30nｍ変位す
るときＹ方向の変位が2.5nｍ存在した。そこで、
本微動装置の補正回路を用いて、Ｘ方向の伸縮を
引き起こすため電極１３Ａへ印加する電圧の一部
を反転してＹ方向の伸縮を引き起こす電極１４Ａ
へ印加することにより上記のＸ方向変位に伴うＹ
方向の変位を測定限界の0.02nｍ以下に補正する
ことができた。

かくして、本実験により軸の微動を完全な独立
系として制御することの可能なことが確認でき
た。更にまた、共振周波数特性については、上記
駆動部材１０と同じ寸法の細い腕部形状をした単
体の圧電駆動体を、その一端のみを固定した状態
でゆれ（リード型）振動の剛性を比較実験した結
果、上記の駆動部材１０のように、頂点１２で拘
束されているときの剛性が単体の駆動体２の場合
の40倍以上であることが確認された。なお、駆動
部１３および１４の長さと厚い壁部１５および１
６との厚さとの比は２対１ないし１対１程度とし
たときに、動かない壁部としては好適であつた。

［効果］ 以上説明したように、本発明によれば、互いに
直交する２軸方向に圧電駆動部を設けて、個々の
駆動部を２つの方向にそれぞれ独立して駆動させ
るようになすとともに１つの駆動部の駆動時に他
の駆動部による変位の影響を補正させるようにし
たので、任意の圧電定数を有する圧電性部材によ
つて２軸の微動を完全な独立系として電圧で制御
することが可能となり、更にまた、２つの圧電駆
動部の一端を一頂点で結合すると共にそれぞれの
他端部を強固な壁部に固定させるようにしたの
で、単一の腕部状駆動体と比較して剛性が高くな
り振動除去をもたらすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明微動装置の原理的構成をその圧
電駆動部材の斜視図と共に示すブロツク図、第２
図は実験のために試作した本実験にかかる圧電駆
動部材の構成を説明するための斜視図、第３図は
従来の圧電駆動体の原理的構成を一例として示す
斜視図である。 １……圧電性部材、２……金属電極、１０……
駆動部材、１１……切欠き部、１２……頂点、１
３，１４……圧電駆動部、１３Ａ，１４Ａ……電
極、１５，１６……壁部、１７，１８……駆動電
圧発生回路、１７Ａ，１７Ｂ，１８Ａ，１８Ｂ…
…信号線、１９，２０……入力端子、２１……補
正回路、２２Ｙ，２３Ｘ……信号線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 直方体形状の圧電駆動部材に対向電極を設
   け、該対向電極に電圧を印加することにより電圧
   の印加方向とは直角な方向に変位を発生させ、そ
   の変位により前記圧電駆動部材の変位方向の移動
   が制御される微動装置において、１つの頂点１２
   から互いに直交するＸ方向およびＹ方向の２つの
   方向に向けてそれぞれ延在された２つの直方体形
   状をなす圧電駆動部１３，１４と、該圧電駆動部
   １３，１４の延在された側の端部がそれぞれ固定
   され、当該圧電駆動部１３，１４より厚いＸ方向
   およびＹ方向の厚さを有する壁部とにより切欠き
   部１１を有する枠型に形成され、前記個々の圧電
   駆動部１３，１４に設けた電極１３Ａ，１３Ｂに
   前記延在された方向と直角をなす方向に電圧の印
   加が可能な圧電駆動部材１０と、前記２つの圧電
   駆動部１３，１４に供給する前記電圧の発生手段
   １７，１８と、前記圧電駆動部１３，１４の１つ
   に前記１つの電圧が印加されたときに、前記圧電
   駆動部１３，１４の延在方向に直角な他の方向の
   変位を補正する手段２１とを具えたことを特徴と
   する微動装置。