JPH039713B2 - - Google Patents

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JPH039713B2
JPH039713B2 JP60060451A JP6045185A JPH039713B2 JP H039713 B2 JPH039713 B2 JP H039713B2 JP 60060451 A JP60060451 A JP 60060451A JP 6045185 A JP6045185 A JP 6045185A JP H039713 B2 JPH039713 B2 JP H039713B2
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JP
Japan
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piezoelectric
piezoelectric drive
voltage
drive
displacement
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JP60060451A
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JPS61219549A (ja
Inventor
Hiroshi Tokumoto
Hiroshi Bando
Shigeo Okayama
Koji Kajimura
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
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Publication date
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Publication of JPS61219549A publication Critical patent/JPS61219549A/ja
Publication of JPH039713B2 publication Critical patent/JPH039713B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/25Movable or adjustable work or tool supports
    • B23Q1/26Movable or adjustable work or tool supports characterised by constructional features relating to the co-operation of relatively movable members; Means for preventing relative movement of such members
    • B23Q1/34Relative movement obtained by use of deformable elements, e.g. piezoelectric, magnetostrictive, elastic or thermally-dilatable elements

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

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
測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1nm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を金属表面か
ら1nm程度にまで近づけると、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0.1nm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劣
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
張による歪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
直な方向と面内の二方向との三軸方向にそれぞれ
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駆動部材であり、圧電駆動部
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VD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VD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
と圧電駆動部材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組の対応する面間
の距離が上述した距離Wの伸縮とは反対方向の収
縮、伸延をするのでこのような圧電駆動部材の一
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
の定数はテンソン量で表わされる。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、三軸方向の移動や位置合わせを
必要とする微動装置には、上記のような一方向圧
電駆動体を三個以上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、ドリフトや三軸移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、そ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3つ方向に向けてそれ
ぞれ延在された3つの直方体形状をなす圧電部と
3つの圧電部と一体的に形成され、圧電部の延在
された側の端部がそれぞれ固定される壁部とを有
し、個々の圧電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、3つの圧電部に供給する電圧の発生手段
と、圧電部の1つの電圧が印加されたときに、圧
電部の延在方向に直角な他の2つの方向の変位を
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
外形が正六面体をなす駆動部材10に切欠き部1
1を設け、この切欠き部11によつて、1つの頂
点12を形成している3つの面にそれぞれ正方形
の切欠き孔が得られるようにする。
しかして、この切欠き部11と個々の切欠き孔
とによつて頂点12に紆合されるようにした腕部
形状をなすX方向、Y方向およびZ方向の圧電駆
動部13,14および15を形成し、これらの圧
電駆動部13,14および15を細長に形成する
と共に、これらの圧電駆動部13,14および1
5の付け根側にそれぞれX方向、Y方向およびZ
方向の十分な厚さの壁部16,17および18が
形成されるようにする。
かくして、圧電駆動部13,14および15の
それぞれ斜線を施して示した面と図示されないそ
の切欠き部11側の対向面との双方に電極13
A,14Aおよび15Aを設け、これらの電極1
3A,14Aおよび15AをX方向駆動電圧発生
回路19、Y方向駆動電圧発生回路20およびZ
方向駆動電圧発生回路21に信号線19A,20
Aおよび21Aで接続する。
なお、22,23および24はX方向、Y方向
およびZ方向の駆動信号を駆動電圧発生回路1
9,20および21にそれぞれ供給する入力端子
であり、25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、このように構成した駆動部材10およ
びその駆動回路による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。
まず三箇所の圧電駆動部13,14および15
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22に印加して
X方向駆動電圧を駆動電圧発生回路19に発生さ
せ、これを信号線19A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16
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および15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および15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方向とZ方向とにも変位する。
そこで、このようなY方向とZ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1
9の出力波形を信号線19Bによつて補正回路2
5に供給し、ここで圧電駆動部14および15の
剛性の強さならびに圧電定数の符号と大ささ等に
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26Yおよび26Zを通じて、Y
方向駆動電圧発生回路20およびZ方向駆動電圧
発生回路21に供給し、更にこれらからそれぞれ
信号線20Aおよび21Aを介して補正電圧を電
極14Aおよび15Aに印加することにより、補
正作用を行う。
Y方向やZ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20Bまたは2
1Bにより補正回路25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
27Xおよび27Zまたは28Xおよび28Y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13,14お
よび15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図に示すような寸法の三次
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、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VDとすれば、駆動電圧を
印加したことによる長さ方向の延びはd31lVD/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0.18nm/
Vとなつた。すなわち、上記の単体の場合に比べ
第2図に示した駆動部材10では圧電駆動部1
3,14および15が頂点12で拘束された影響
があるが、X方向に30nm変位するとき補正前の
Y方向およびZ方向の変位がそれぞれ2.5nmあつ
たのに対し補正後は上述したように測定限界0.2n
m以下になつた。
かくして、本実線により三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の場合の
50倍以上であることが確認された。なお、駆動部
13,14および15の長さと厚い壁部16,1
7および18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3軸方向に圧電駆動部を設けて、個々の
駆動部を3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
よつて三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、3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
り振動除去の効果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
動部材の寸法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
3,14,15……圧電駆動部、13A,14
A,15A……電極、16,17,18……壁
部、19,20,21……駆動電圧発生回路、1
9A,19B,20A,20B,21A,21B
……信号線、22,23,24……入力端子、2
5……補正回路、26Y,26Z,27X,27
Z,28X,28Y……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、Y方向およびZ方向
    の3つの方向に向けてそれぞれ延在された3つの
    直方体形状をなす圧電駆動部13,14,15
    と、該3つの圧電駆動部13,14,15の延在
    された側の端部がそれぞれ固定される壁部16,
    17,18とが切り欠き部11を設けることで形
    成された、前記個々の圧電駆動部13,14,1
    5に設けた電極13A,14A,15A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3つの圧電駆動部
    13,14,15に供給する前記電圧の発生手段
    19,20,21と、前記圧電駆動部13,1
    4,15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13,14,15の延在方
    向に直角な他の2つの方向の変位を補正する手段
    25とを備えたことを特徴とする微動装置。
JP60060451A 1985-03-25 1985-03-25 微動装置 Granted JPS61219549A (ja)

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JPS61219549A JPS61219549A (ja) 1986-09-29
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