JPH067042B2 - 圧電素子微動機構 - Google Patents
圧電素子微動機構Info
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- JPH067042B2 JPH067042B2 JP62071014A JP7101487A JPH067042B2 JP H067042 B2 JPH067042 B2 JP H067042B2 JP 62071014 A JP62071014 A JP 62071014A JP 7101487 A JP7101487 A JP 7101487A JP H067042 B2 JPH067042 B2 JP H067042B2
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- piezoelectric element
- electrode
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- fine movement
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、分析機器及び走査型トンネル顕微鏡の分野に
おいて、検出探針部の微小位置出しを行う微動機構に関
する。
おいて、検出探針部の微小位置出しを行う微動機構に関
する。
本発明は、中空円筒状圧電素子体の内側に一つの共通電
極を設け、外側に二段又は、三段からなるx,y及びz
軸に中空円筒状圧電素子体に固定した検出探針の先端を
動作させる為の各電極を設けたもので、高剛性で微細な
位置出しを可能にしたものであり、産業上有益な圧電素
子微動機構である。
極を設け、外側に二段又は、三段からなるx,y及びz
軸に中空円筒状圧電素子体に固定した検出探針の先端を
動作させる為の各電極を設けたもので、高剛性で微細な
位置出しを可能にしたものであり、産業上有益な圧電素
子微動機構である。
資料表面と検出探針先端部間に流れるトンネル電流を検
出し、トンネル電流が一定になるように、試料表面と検
出探針先端部との間を制御して、原子構造を観察する走
査型トンネル顕微鏡においては、試料表面のx,y方向
及び試料表面の凹凸に添って動作する三次元の微動機構
が必要である。そして、従来はx,y軸を一体に形成し
た圧電素子体にz軸用棒状圧電素子体を組合わせたもの
(STM装置の試作 第33回応用物理学関連連合講演会
予稿(1986) 小野雅敏,他) やx,y,z軸を一体に形成したキュービック状圧電素
子体からなるもの(特許1620572号(昭和60年
特許願第60451号)、第32回応用物理学関連連合講
演会予稿(1985) 岡山重夫,他) や中空円筒状圧電素子体からなるもの(Singletube thre
e-dimensional scanner for scanning tunneling micro
scopy,G. Binning 他,1986 American institute of
physics ReV.Sci.Instrum.57(8),August 1986) が知られている。キュービックタイプの圧電素子体の構
成は特許1620572号(昭和60年特許願第604
51号)第2図に示される。第2図から明らかなよう
に、立方体型の圧電体の1つの頂点のまわりの3面にそ
れぞれ正方形の穴を開けることによって、立方体本体か
ら当該頂点に向かって直方体状の梁が3本集まるような
形状を成している。電極は、3本の梁x、y、zのそれ
ぞれについて対向する2面に形成されている。例えば立
方体の1を15mm、正方形の穴の1辺を9mmとし
て、梁を1辺1mmで長さ9mmの正四角柱状にする。
梁が集まる頂点に探針を設置する。3本の梁のうちたと
えばxの梁の電極間に電圧を加えたとき、xの梁がyと
zの梁をたわませながら電圧に比例して伸縮することに
より、探針をx方向に変位させるようにする。y、zの
梁の電極の場合も同様にする。中空円筒タイプとして、
第8図に示すような電極配置のものが考案されている。
この中空円筒タイプは、円筒の内側全面に共通電極5を
設け、外側は軸方向に平行な4つの同面積からなる電極
配置となっている。本件における圧電素子は、圧電素子
をはさむ対向電極に加える制御電圧によって、内部に生
じた電場と垂直な2方向に等しく縮み(伸び)、同時に
電場に平行な方向にその分伸びる(縮む)。中空円筒型
圧電素子の円筒面の一部領域において半径方向の電場を
加えた場合、当該領域の圧電素子面積を拡大(または縮
小)するような変位を生ずる。例えば第8図の電極7a
と5の間に電圧を加えた場合には7a領域の面積が伸縮
し、一方7bと5の間には電圧は加わっていないので7
b領域の面積は伸縮しないことにより、中空円筒が折れ
曲がり第8図探針はz方向に変位する。よって、第8図
において、x及びy方向の動きは、それぞれ、共通電極
5と7a又は7b、8a又は8bの一方との間に電圧を
加えることによって動作する。次にz方向の動きは、7
a、7b、8a、8bと共通電圧5との電位差をそれぞ
れVx1、Vx2、Vy1、Vy2とすると、変位はそ
れぞれ次式によって示される。
出し、トンネル電流が一定になるように、試料表面と検
出探針先端部との間を制御して、原子構造を観察する走
査型トンネル顕微鏡においては、試料表面のx,y方向
及び試料表面の凹凸に添って動作する三次元の微動機構
が必要である。そして、従来はx,y軸を一体に形成し
た圧電素子体にz軸用棒状圧電素子体を組合わせたもの
(STM装置の試作 第33回応用物理学関連連合講演会
予稿(1986) 小野雅敏,他) やx,y,z軸を一体に形成したキュービック状圧電素
子体からなるもの(特許1620572号(昭和60年
特許願第60451号)、第32回応用物理学関連連合講
演会予稿(1985) 岡山重夫,他) や中空円筒状圧電素子体からなるもの(Singletube thre
e-dimensional scanner for scanning tunneling micro
scopy,G. Binning 他,1986 American institute of
physics ReV.Sci.Instrum.57(8),August 1986) が知られている。キュービックタイプの圧電素子体の構
成は特許1620572号(昭和60年特許願第604
51号)第2図に示される。第2図から明らかなよう
に、立方体型の圧電体の1つの頂点のまわりの3面にそ
れぞれ正方形の穴を開けることによって、立方体本体か
ら当該頂点に向かって直方体状の梁が3本集まるような
形状を成している。電極は、3本の梁x、y、zのそれ
ぞれについて対向する2面に形成されている。例えば立
方体の1を15mm、正方形の穴の1辺を9mmとし
て、梁を1辺1mmで長さ9mmの正四角柱状にする。
梁が集まる頂点に探針を設置する。3本の梁のうちたと
えばxの梁の電極間に電圧を加えたとき、xの梁がyと
zの梁をたわませながら電圧に比例して伸縮することに
より、探針をx方向に変位させるようにする。y、zの
梁の電極の場合も同様にする。中空円筒タイプとして、
第8図に示すような電極配置のものが考案されている。
この中空円筒タイプは、円筒の内側全面に共通電極5を
設け、外側は軸方向に平行な4つの同面積からなる電極
配置となっている。本件における圧電素子は、圧電素子
をはさむ対向電極に加える制御電圧によって、内部に生
じた電場と垂直な2方向に等しく縮み(伸び)、同時に
電場に平行な方向にその分伸びる(縮む)。中空円筒型
圧電素子の円筒面の一部領域において半径方向の電場を
加えた場合、当該領域の圧電素子面積を拡大(または縮
小)するような変位を生ずる。例えば第8図の電極7a
と5の間に電圧を加えた場合には7a領域の面積が伸縮
し、一方7bと5の間には電圧は加わっていないので7
b領域の面積は伸縮しないことにより、中空円筒が折れ
曲がり第8図探針はz方向に変位する。よって、第8図
において、x及びy方向の動きは、それぞれ、共通電極
5と7a又は7b、8a又は8bの一方との間に電圧を
加えることによって動作する。次にz方向の動きは、7
a、7b、8a、8bと共通電圧5との電位差をそれぞ
れVx1、Vx2、Vy1、Vy2とすると、変位はそ
れぞれ次式によって示される。
Δx=(Vx1−Vx2)・β Δy=(Vy1−Vy2)・β Δz=(Vx1+Vx2+Vy1+Vy2)・α ここで、α、βは動作定数である。
Δzの式の右辺の各項は、制御電圧によって、各電極領
域の長手方向への変形を反映している。4つの制御電圧
のいずれか1つを変化させた場合もΔx、Δy、Δzの
うち複数の成分が変化する。Xx1+Vx2=0、か
つ、Xy1+Vy2=0をみたす場合にのみ、干渉なし
に、Δzを0に保ったままΔx、Δyを独立に変化させ
ることができる。逆に、Vx1とVx2、Vy1とVy
2に同相電圧を加えることによってΔzを発生させる。
第8図の従来例において、x、y、z方向へ駆動する際
には、圧電素子に以下のような電圧を加える。円筒の内
側に形成された共通電極5をグラウンド(0V)とす
る。x方向に変化させるためには、例えば、7aにV
x、7bに−Vxを、y方向に変化させるためには、例
えば、8aにVy、8bに−Vyを、又z方向に変位さ
せるためには、7a、7b、8a、8bの各々にVzの
電圧を加えればよい。従って、これらの電圧を合成して
7aにVx+Vz、7bに−Vx+Vz、8aにVy+
Vz、8bに−Vy+Vzを加えればよい。すなわち、
制御系にVx+Vz、−Vx+Vz、Vy+Vz、及び
−Vy+Vzの4通りの合成出力を用意し、それぞれの
出力を第8図の圧電素子の電力7a、7b、8a、8b
に接続することにより、それぞれVx、Vy、Vzに比
例するx、y、z方向の変位を得る。
域の長手方向への変形を反映している。4つの制御電圧
のいずれか1つを変化させた場合もΔx、Δy、Δzの
うち複数の成分が変化する。Xx1+Vx2=0、か
つ、Xy1+Vy2=0をみたす場合にのみ、干渉なし
に、Δzを0に保ったままΔx、Δyを独立に変化させ
ることができる。逆に、Vx1とVx2、Vy1とVy
2に同相電圧を加えることによってΔzを発生させる。
第8図の従来例において、x、y、z方向へ駆動する際
には、圧電素子に以下のような電圧を加える。円筒の内
側に形成された共通電極5をグラウンド(0V)とす
る。x方向に変化させるためには、例えば、7aにV
x、7bに−Vxを、y方向に変化させるためには、例
えば、8aにVy、8bに−Vyを、又z方向に変位さ
せるためには、7a、7b、8a、8bの各々にVzの
電圧を加えればよい。従って、これらの電圧を合成して
7aにVx+Vz、7bに−Vx+Vz、8aにVy+
Vz、8bに−Vy+Vzを加えればよい。すなわち、
制御系にVx+Vz、−Vx+Vz、Vy+Vz、及び
−Vy+Vzの4通りの合成出力を用意し、それぞれの
出力を第8図の圧電素子の電力7a、7b、8a、8b
に接続することにより、それぞれVx、Vy、Vzに比
例するx、y、z方向の変位を得る。
以上に示した従来の圧電素子微動機構において、x軸,
y軸を一体に形成した圧電素子体にz軸用棒状圧電素子
体を組合わせたものは、構造上振動的観点からみると、
第5図に示す様に比較的共振周波数が低い位置にあり、
試料表面をゆっくり走査する上では問題はないが、試料
表面と検出探針先端部との間の制御の応答速度に限りが
ある。その点からすると、x,y,z軸を一体に形成し
たキュービック状圧電素子体や中空円筒状圧電素子体か
らなるものは、よりリジッドに形成されていることもあ
り、共振周波数を高くもっていける為、速い走査が可能
になる。検出探針を試料の凹凸面にそって、走査する目
的は、走査中の各時点で探針によって検出する信号を、
その時の探針位置の局所情報として解釈しながら空間分
布を描き出すことにある。
y軸を一体に形成した圧電素子体にz軸用棒状圧電素子
体を組合わせたものは、構造上振動的観点からみると、
第5図に示す様に比較的共振周波数が低い位置にあり、
試料表面をゆっくり走査する上では問題はないが、試料
表面と検出探針先端部との間の制御の応答速度に限りが
ある。その点からすると、x,y,z軸を一体に形成し
たキュービック状圧電素子体や中空円筒状圧電素子体か
らなるものは、よりリジッドに形成されていることもあ
り、共振周波数を高くもっていける為、速い走査が可能
になる。検出探針を試料の凹凸面にそって、走査する目
的は、走査中の各時点で探針によって検出する信号を、
その時の探針位置の局所情報として解釈しながら空間分
布を描き出すことにある。
試料の各測定点において探針の位置を変位させようとす
る場合、圧電素子上の電極間に制御電圧を加える。この
時、圧電素子の変位量は制御電圧の大きさに比例する。
走査しながら、試料の凹凸を測定する場合においては、
制御電圧を時間変化させる。この時、圧電素子の共振周
波数が問題となる。共振周波数とは、固有振動数のこと
で、その振動数になると、最大の振幅で振動する。圧電
素子を振動機として使用する場合は、最大の効率が得ら
れるので、固有振動数付近で使用することが多い。制御
電圧の時間変化の周波数成分がいずれも圧電素子の共振
周波数に比べて十分低周波のものであるかぎり、圧電素
子は制御電圧の変化に十分追従できる。従って、この場
合、圧電素子は制御電圧の振幅に比例して、大きな効率
で、かつ、位相遅れの少ない変位を生じさせることがで
きる。従って、圧電素子の共振周波数が高ければ高いほ
ど、制御電圧の時間変化の周波数を高くして、圧電素子
を大きな効率で、かつ、速く伸縮することができる。速
く伸縮することができれば、それだけ速く走査すること
ができる。上記キュービックタイプの圧電素子はセラミ
ック圧電体を1mm角の柱状に成形した部分があるため
に、横応力が探針部分に突発的に加えられるとこわれや
すい。しかし、探針をx、y、z方向に変位させるため
に対応する梁の電極に電圧を各々独立にかけるので、軸
間の干渉が少ない。又、中空円筒型圧電素子は前述のΔ
x、Δy、Δzの式からわかるように、変位Δx、Δy
を得ようとして、共通電極5と電極7a、7b、8a、
8bとの間に加えた各電圧が、変位Δzにも影響を及ぼ
す。同様に、変位Δzを得るために共通電極5と電極7
a、7b、8a、8bとの間に加えた各電圧が、変位Δ
x、Δyに影響を及ぼす。以上のことから、キュービッ
クタイプと中空円筒タイプを比較すると、構造上、中空
円筒タイプはキュービックタイプより、横応力に対して
強いので、破損の危険性からみると、中空円筒タイプの
方が扱い易いといえる。しかし、中空円筒タイプはx、
y、z軸の干渉がキュービックタイプより、中空円筒タ
イプとして、第8図に示す様な電極配置のものが考案さ
れている。この中空円筒タイプは、内側に共通電極5を
設け、外側に4つの同面積からなる電極配置となってい
る。このタイプの動作について説明すると、まず、x及
びy方向の動きは、それぞれ7a又は7b、8a又は8
bの一方に電圧を加えることによって動作する。次にz
方向の動きは、7a,7b,8a,8bに同電圧を加え
ることにより動作するものである。つまり7a,7b,
8a,8bと内側電極5との電位差をそれぞれ、V
x1,Vx2,Vy1,Vy2とすると、変位はそれぞれ次
式によって示される。
る場合、圧電素子上の電極間に制御電圧を加える。この
時、圧電素子の変位量は制御電圧の大きさに比例する。
走査しながら、試料の凹凸を測定する場合においては、
制御電圧を時間変化させる。この時、圧電素子の共振周
波数が問題となる。共振周波数とは、固有振動数のこと
で、その振動数になると、最大の振幅で振動する。圧電
素子を振動機として使用する場合は、最大の効率が得ら
れるので、固有振動数付近で使用することが多い。制御
電圧の時間変化の周波数成分がいずれも圧電素子の共振
周波数に比べて十分低周波のものであるかぎり、圧電素
子は制御電圧の変化に十分追従できる。従って、この場
合、圧電素子は制御電圧の振幅に比例して、大きな効率
で、かつ、位相遅れの少ない変位を生じさせることがで
きる。従って、圧電素子の共振周波数が高ければ高いほ
ど、制御電圧の時間変化の周波数を高くして、圧電素子
を大きな効率で、かつ、速く伸縮することができる。速
く伸縮することができれば、それだけ速く走査すること
ができる。上記キュービックタイプの圧電素子はセラミ
ック圧電体を1mm角の柱状に成形した部分があるため
に、横応力が探針部分に突発的に加えられるとこわれや
すい。しかし、探針をx、y、z方向に変位させるため
に対応する梁の電極に電圧を各々独立にかけるので、軸
間の干渉が少ない。又、中空円筒型圧電素子は前述のΔ
x、Δy、Δzの式からわかるように、変位Δx、Δy
を得ようとして、共通電極5と電極7a、7b、8a、
8bとの間に加えた各電圧が、変位Δzにも影響を及ぼ
す。同様に、変位Δzを得るために共通電極5と電極7
a、7b、8a、8bとの間に加えた各電圧が、変位Δ
x、Δyに影響を及ぼす。以上のことから、キュービッ
クタイプと中空円筒タイプを比較すると、構造上、中空
円筒タイプはキュービックタイプより、横応力に対して
強いので、破損の危険性からみると、中空円筒タイプの
方が扱い易いといえる。しかし、中空円筒タイプはx、
y、z軸の干渉がキュービックタイプより、中空円筒タ
イプとして、第8図に示す様な電極配置のものが考案さ
れている。この中空円筒タイプは、内側に共通電極5を
設け、外側に4つの同面積からなる電極配置となってい
る。このタイプの動作について説明すると、まず、x及
びy方向の動きは、それぞれ7a又は7b、8a又は8
bの一方に電圧を加えることによって動作する。次にz
方向の動きは、7a,7b,8a,8bに同電圧を加え
ることにより動作するものである。つまり7a,7b,
8a,8bと内側電極5との電位差をそれぞれ、V
x1,Vx2,Vy1,Vy2とすると、変位はそれぞれ次
式によって示される。
△x=(Vx1−Vx2)・β △y=(Vy1−Vy2)・β △z=(Vx1+Vx2+Vy1+Vy2)・α ここで、α,βは動作定数大きくなる上、制御方法が従
来用いていたものとは異なるものを必要とするといった
問題があった。
来用いていたものとは異なるものを必要とするといった
問題があった。
上記の問題点を解決するために、本発明では中空円筒圧
電素子体の内側に一つの共通電極を設け、x,y及びz
軸に動作させる為の各電極を二段又は三段で外側に設
け、中空円筒圧電素子体の円筒中心部に固定された探針
先端部のx,y,z軸の三次元の微細位置出しを可能に
した。
電素子体の内側に一つの共通電極を設け、x,y及びz
軸に動作させる為の各電極を二段又は三段で外側に設
け、中空円筒圧電素子体の円筒中心部に固定された探針
先端部のx,y,z軸の三次元の微細位置出しを可能に
した。
上記に示した方法により、中空円筒圧電素子体上に各動
作電極を形成することにより、内側電極と各電極間の電
位差をそれぞれVx1,Vx2,Vy1,Vy2,Vz
とすると、各変位は以下の様になる。
作電極を形成することにより、内側電極と各電極間の電
位差をそれぞれVx1,Vx2,Vy1,Vy2,Vz
とすると、各変位は以下の様になる。
Δx=(Vx1−Vx2)・β Δy=(Vy1−Vy2)・β Δz=(Vx1+Vx2+Vy1+Vy2)α+V
zγ ここで、α,β,γは動作定数である。この様に、従来
品と違い単独にzのみ動かす事ができ、しかもαのかか
る項よりもγがかかる項が大きく、電気的干渉要因を減
らすことができる上、従来の微動機構に用いられた制御
系により、探針先端部の三次元の微細位置出しを高速で
できることが可能になる。
zγ ここで、α,β,γは動作定数である。この様に、従来
品と違い単独にzのみ動かす事ができ、しかもαのかか
る項よりもγがかかる項が大きく、電気的干渉要因を減
らすことができる上、従来の微動機構に用いられた制御
系により、探針先端部の三次元の微細位置出しを高速で
できることが可能になる。
本実施例は、走査型トンネル顕微鏡の検出探針部を微細
に位置決めする微動機構に関するもので、以下、図面に
基づいて説明していくこととする。
に位置決めする微動機構に関するもので、以下、図面に
基づいて説明していくこととする。
〔第1実施例〕 第1図,第2図(a)及び第2図(b)は本発明、第1実施例
の電極配置による微動機構の概観とその電極配置を展開
図で示したものである。中空円筒圧電素子体1の上部に
は絶縁性材料で形成された探針ホルダー2が固定され、
探針ホルダー2の中央部に探針3がバネ4により固定さ
れている。そして、中空円筒圧電素子体1の内側には共
通電極(GND)5が形成され、外側にはz軸動作用電
極6が円筒の上段周囲全面に及びその下の段にx軸動作
用電極7a,7bが形成されており、7aと7bは同面
積からなる。又、さらにその下の段には、x軸動作用電
極7a,7bに対し、90°ずらした位置にy軸動作用電
極8a,8bが形成され、8aと8bは同面積からな
る。このようにz、x、yの三段構造の電極配置を形成
した。次に、動作について説明すると、z軸動作用電極
6が円筒の上段周囲全面に形成されているのでz軸方向
は内側電極に対し+又は−電圧を加えることにより圧電
素子が全円周にわたって均等に厚み方向に変位すること
で結果として円筒の周囲全面にわたって同量のz軸方向
の変位が生じる。z及びy軸方向は、第7図(a),第7
図(b)に示す様に相対する電極の一方に内側電極に対し
+の電圧を加え、又、他方には−の電圧を加えることに
より、一方は縮む方向に圧電素子が変形し、他方は延び
る方向に変形することで第7図(b)に示す様に傾きが生
じ結果として、第7図(a)に示す圧電を加えていない状
態から第7図(b)に示す様に探針先端部を矢印(10)の方
向に変位させ、x及びy軸方向に動作させるものであ
る。
の電極配置による微動機構の概観とその電極配置を展開
図で示したものである。中空円筒圧電素子体1の上部に
は絶縁性材料で形成された探針ホルダー2が固定され、
探針ホルダー2の中央部に探針3がバネ4により固定さ
れている。そして、中空円筒圧電素子体1の内側には共
通電極(GND)5が形成され、外側にはz軸動作用電
極6が円筒の上段周囲全面に及びその下の段にx軸動作
用電極7a,7bが形成されており、7aと7bは同面
積からなる。又、さらにその下の段には、x軸動作用電
極7a,7bに対し、90°ずらした位置にy軸動作用電
極8a,8bが形成され、8aと8bは同面積からな
る。このようにz、x、yの三段構造の電極配置を形成
した。次に、動作について説明すると、z軸動作用電極
6が円筒の上段周囲全面に形成されているのでz軸方向
は内側電極に対し+又は−電圧を加えることにより圧電
素子が全円周にわたって均等に厚み方向に変位すること
で結果として円筒の周囲全面にわたって同量のz軸方向
の変位が生じる。z及びy軸方向は、第7図(a),第7
図(b)に示す様に相対する電極の一方に内側電極に対し
+の電圧を加え、又、他方には−の電圧を加えることに
より、一方は縮む方向に圧電素子が変形し、他方は延び
る方向に変形することで第7図(b)に示す様に傾きが生
じ結果として、第7図(a)に示す圧電を加えていない状
態から第7図(b)に示す様に探針先端部を矢印(10)の方
向に変位させ、x及びy軸方向に動作させるものであ
る。
本実施例では、外径5mm,内径3mm,高さ10mmのPZT
圧電素子体にx,y,z軸電極の幅をそれぞれ2mm,
1.5mm,3.5mmにしたものを作製した。この様に構成し
た中空円筒型微動機構の周波数特性を測定したところ、
第6図に示す様な結果が得られ、共振周波数を従来より
高い値にするこたができ、高速走査が可能になった。
圧電素子体にx,y,z軸電極の幅をそれぞれ2mm,
1.5mm,3.5mmにしたものを作製した。この様に構成し
た中空円筒型微動機構の周波数特性を測定したところ、
第6図に示す様な結果が得られ、共振周波数を従来より
高い値にするこたができ、高速走査が可能になった。
〔第2実施例〕 第3図(a)及び第3図(b)は、本発明第2実施例の電極配
置を示したものであり、中空円筒圧電素子体1の内側に
は共通電極(GND)5が形成され、外側には、一周に
わたる帯状のZ軸動作用電極6及び一周を四等分した四
つの位置にx軸動作用電極7a,7b及びy軸動作用電
極8a,8bが各々形成されている。7a,7b,8
a,8bは同面積からなり、隣り合う電極が他の動作軸
用電極となる様に設定された二段構造の電極配置を形成
した。本実施例では、外径5mm,内径3mm,高さ10mmの
PZT圧電素子体にx,y,z軸電極の幅をそれぞれ
1.5mm,1.5mm,6.5mmにしたものを作製した結
果、第1実施例と同等な特性を得ることができた。
置を示したものであり、中空円筒圧電素子体1の内側に
は共通電極(GND)5が形成され、外側には、一周に
わたる帯状のZ軸動作用電極6及び一周を四等分した四
つの位置にx軸動作用電極7a,7b及びy軸動作用電
極8a,8bが各々形成されている。7a,7b,8
a,8bは同面積からなり、隣り合う電極が他の動作軸
用電極となる様に設定された二段構造の電極配置を形成
した。本実施例では、外径5mm,内径3mm,高さ10mmの
PZT圧電素子体にx,y,z軸電極の幅をそれぞれ
1.5mm,1.5mm,6.5mmにしたものを作製した結
果、第1実施例と同等な特性を得ることができた。
〔第3実施例〕 第4図(a)及び第4図(b)は、本発明第3実施例の電極配
置を示したものであり、中空円筒圧電素子体1の内側に
は共通電極(GND)5が形成され、外側にはz軸動作
用電極6及びx軸動作用電極7a,7b及びy軸動作用
電極8a,8bが作成されている。71,72,81,82
は同面積の正弦曲線及び直線からなり、隣り合う電極の
向きが180°異なる様に配列してあり、しかも、隣り合
う電極が異なる動作軸用電極となる様に設定された二段
構造の電極配置を形成した。本実施例では、外径5mm,
内径3mm,高さ10mmのPZT圧電素子体に、z軸電極の
幅を4mmに、x,y軸の電極の底辺の長さを約6mm,高
さ約3.5mmにしたものを作製した結果、第1実施例と
同等な特性を得ることができた。
置を示したものであり、中空円筒圧電素子体1の内側に
は共通電極(GND)5が形成され、外側にはz軸動作
用電極6及びx軸動作用電極7a,7b及びy軸動作用
電極8a,8bが作成されている。71,72,81,82
は同面積の正弦曲線及び直線からなり、隣り合う電極の
向きが180°異なる様に配列してあり、しかも、隣り合
う電極が異なる動作軸用電極となる様に設定された二段
構造の電極配置を形成した。本実施例では、外径5mm,
内径3mm,高さ10mmのPZT圧電素子体に、z軸電極の
幅を4mmに、x,y軸の電極の底辺の長さを約6mm,高
さ約3.5mmにしたものを作製した結果、第1実施例と
同等な特性を得ることができた。
従って、本電極配置にすることにより、電極中心から両
端に至る間の変形量を変化させることにより、隣り合う
変形していない部分との境界に生じる剪断応力を矩形の
ものより減らすことが可能になる。この点についてさら
に詳しく説明する。第2図から第4図の円筒面の展開図
の横軸、つまり周回方向をθ軸と呼ぶことにして各θ面
素(θ−Δθ<θ<θ+Δθ)なる矩形領域)の変形を
考えてみると、第2図及び第3図の電極構成では電極間
の境界でθ面素の変形量が不連続に変化する。これは電
極間の境界に剪断応力が発生することを意味する。剪断
応力は圧電素子内部の電場を乱し素子特性に悪影響を及
ぼすおそれがある。
端に至る間の変形量を変化させることにより、隣り合う
変形していない部分との境界に生じる剪断応力を矩形の
ものより減らすことが可能になる。この点についてさら
に詳しく説明する。第2図から第4図の円筒面の展開図
の横軸、つまり周回方向をθ軸と呼ぶことにして各θ面
素(θ−Δθ<θ<θ+Δθ)なる矩形領域)の変形を
考えてみると、第2図及び第3図の電極構成では電極間
の境界でθ面素の変形量が不連続に変化する。これは電
極間の境界に剪断応力が発生することを意味する。剪断
応力は圧電素子内部の電場を乱し素子特性に悪影響を及
ぼすおそれがある。
第4図aでは電極境界をL=Asin(θ)+Bなる正
弦曲線および直線によって画している。各電極は円筒面
に楔を打ち込んだときの切り口の形になる。この電極構
成で7aと7b、あるいは8aと8bに逆相の電圧をく
わえることにより、各θ面素の長手方向の伸縮量をsi
n(θ)あるいはcos(θ)にほぼ比例させることが
できるので有害な剪断応力の発生を避けることができ
る。
弦曲線および直線によって画している。各電極は円筒面
に楔を打ち込んだときの切り口の形になる。この電極構
成で7aと7b、あるいは8aと8bに逆相の電圧をく
わえることにより、各θ面素の長手方向の伸縮量をsi
n(θ)あるいはcos(θ)にほぼ比例させることが
できるので有害な剪断応力の発生を避けることができ
る。
この発明によると以上説明した様に、中空円筒圧電素子
体の内側に一つの共通電極を設け、外側にx,y及びz
軸に動作させる為の各電極を二段又は三段で設けること
により、本質的に従来の微動機構に用いられていた制御
系を用いて、中空円筒圧電素子体の円筒中心部に固定さ
れた探針先端部のx,y,z軸、三次元の微細位置出し
を行うことが可能になった。
体の内側に一つの共通電極を設け、外側にx,y及びz
軸に動作させる為の各電極を二段又は三段で設けること
により、本質的に従来の微動機構に用いられていた制御
系を用いて、中空円筒圧電素子体の円筒中心部に固定さ
れた探針先端部のx,y,z軸、三次元の微細位置出し
を行うことが可能になった。
第1図は、本発明の第1実施例の電極配置による微動機
構の概観図、第2図(a)及び第2図(b)は、第1実施例の
電極配置展開図、第3図(a)及び第3図(b)は、第2実施
例の電極配置展開図、第4図(a)及び第4図(b)は、第3
実施例の電極配置展開図、第5図は、従来の微動機構の
周波数特性図、第6図は、本発明の中空円筒型微動機構
の周波数特性図、第7図(a)及び第7図(b)は、本発明の
中空円筒型微動機構の一軸動作を示す図、第8図は、従
来の電極配置による中空円筒型微動機構を示す図であ
る。 1・・・・・・中空円筒圧電素子体 2・・・・・・探針ホルダー 3・・・・・・探針 4・・・・・・バネ 5・・・・・・内側共通電極(GND) 6・・・・・・z軸動作用電極 71,72・・・x軸動作用電極 81,82・・・y軸動作用電極
構の概観図、第2図(a)及び第2図(b)は、第1実施例の
電極配置展開図、第3図(a)及び第3図(b)は、第2実施
例の電極配置展開図、第4図(a)及び第4図(b)は、第3
実施例の電極配置展開図、第5図は、従来の微動機構の
周波数特性図、第6図は、本発明の中空円筒型微動機構
の周波数特性図、第7図(a)及び第7図(b)は、本発明の
中空円筒型微動機構の一軸動作を示す図、第8図は、従
来の電極配置による中空円筒型微動機構を示す図であ
る。 1・・・・・・中空円筒圧電素子体 2・・・・・・探針ホルダー 3・・・・・・探針 4・・・・・・バネ 5・・・・・・内側共通電極(GND) 6・・・・・・z軸動作用電極 71,72・・・x軸動作用電極 81,82・・・y軸動作用電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01J 37/28 Z (72)発明者 坂井 文樹 東京都江東区亀戸6丁目31番1号 セイコ ー電子工業株式会社内 (72)発明者 宮田 千加良 東京都江東区亀戸6丁目31番1号 セイコ ー電子工業株式会社内 (72)発明者 脇山 茂 東京都江東区亀戸6丁目31番1号 セイコ ー電子工業株式会社内 審査官 中村 和夫 (56)参考文献 特開 昭60−109774(JP,A)
Claims (3)
- 【請求項1】中空円筒状に形成された圧電素子体の円筒
中心部に固定された探針の先端部をx,y,z軸、三次
元に微動位置出しする機構において、中空円筒圧電素子
体の内側に共通電極を設け、外側にx,y及びz軸方向
に動作させる為の各電極を設けたことを特徴とする圧電
素子微動機構。 - 【請求項2】前記中空円筒圧電素子体の外側に、一周に
わたる帯状のz軸用電極と、一周を二等分した一対の相
対する帯状電極を互いに90°ずらした位置に二段形成
し、各々x及びy軸用電極にし、三段構造としたことを
特徴とする特許請求の範囲第1項記載の圧電素子微動機
構。 - 【請求項3】前記中空円筒圧電素子体の外側に、一周に
わたる帯状のz軸用電極と、一周を四等分した四つの位
置に各一個形成される電極の各々隣り合う電極が異なる
動作軸電極となる様に設定し、二段構造としたことを特
徴とする特許請求の範囲第1項記載の圧電素子微動機
構。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62071014A JPH067042B2 (ja) | 1987-03-25 | 1987-03-25 | 圧電素子微動機構 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62071014A JPH067042B2 (ja) | 1987-03-25 | 1987-03-25 | 圧電素子微動機構 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS63236992A JPS63236992A (ja) | 1988-10-03 |
JPH067042B2 true JPH067042B2 (ja) | 1994-01-26 |
Family
ID=13448228
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP62071014A Expired - Lifetime JPH067042B2 (ja) | 1987-03-25 | 1987-03-25 | 圧電素子微動機構 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH067042B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2816851B2 (ja) * | 1988-12-17 | 1998-10-27 | 株式会社 トーキン | 圧電捩り変位素子,圧電伸縮変位素子,及び圧電複合変位素子 |
US4935634A (en) * | 1989-03-13 | 1990-06-19 | The Regents Of The University Of California | Atomic force microscope with optional replaceable fluid cell |
JP2571625B2 (ja) * | 1989-06-16 | 1997-01-16 | 日本電子株式会社 | 走査形トンネル顕微鏡 |
JP2691460B2 (ja) * | 1989-12-05 | 1997-12-17 | キヤノン株式会社 | トンネル電流検出装置 |
JP5228500B2 (ja) * | 2008-01-23 | 2013-07-03 | 富士通株式会社 | 電磁界分布計測方法、走査型電磁界センサユニット、および走査型電磁界計測装置 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5437489B2 (ja) * | 1972-04-17 | 1979-11-15 |
-
1987
- 1987-03-25 JP JP62071014A patent/JPH067042B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS63236992A (ja) | 1988-10-03 |
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