JPH11248719A - Displacement magnifying device and micro region scanning device using the device - Google Patents

Displacement magnifying device and micro region scanning device using the device

Info

Publication number
JPH11248719A
JPH11248719A JP10053910A JP5391098A JPH11248719A JP H11248719 A JPH11248719 A JP H11248719A JP 10053910 A JP10053910 A JP 10053910A JP 5391098 A JP5391098 A JP 5391098A JP H11248719 A JPH11248719 A JP H11248719A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fixed
displacement
piezoelectric element
pair
rotating pair
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP10053910A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3897893B2 (en
Inventor
Katsunori Honma
克則 本間
Hiroshi Muramatsu
宏 村松
Noritaka Yamamoto
典孝 山本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Instruments Inc
Original Assignee
Seiko Instruments Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Instruments Inc filed Critical Seiko Instruments Inc
Priority to JP05391098A priority Critical patent/JP3897893B2/en
Publication of JPH11248719A publication Critical patent/JPH11248719A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3897893B2 publication Critical patent/JP3897893B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To permit magnification of the displacement of a piezoelectric element by a lever and to suppress displacement which occurs in a direction different from the direction of main displacement. SOLUTION: A displacement magnifying device 201 is composed of a substrate 101, a piezoelectric element 103 fixed in parallel with the substrate 101, an input beam 104 fixed at the extending and contracting end of the piezoelectric element 103 in parallel with the substrate 101, two pairs of approximately parallel linkages which are symmetrically arranged with respect to the output axis of the piezoelectric element 103 and in which parts of the approximately parallel linkages elastically unite with the input beam 104 at rotational contrapositions, and an output beam 114 to unite the two opposed beams of the two pair of approximate parallel linkages. In addition, a micro region scanning device is constituted through the use of the displacement magnifying device 201.

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、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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a micro area used for scanning a sample or a probe of a scanning probe microscope (SPM) represented by an atomic force microscope (AFM) or a scanning near field microscope (SNOM). The present invention relates to a displacement enlarging device used for a scanning device and a minute area scanning device using the same.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art A scanning probe microscope (SPM) scans a sample surface with a mechanical probe (hereinafter, referred to as a probe) and detects an interaction between the probe and the sample surface to detect the sample. The physical quantity of the surface is expressed as nm (10-
9m) This is a device for observing in the following order. For example,
In a typical atomic force microscope (AFM) as one of the scanning probe microscopes (SPM), an atomic force acting between a probe and a sample surface is detected based on information of a change in the amount of deflection of the probe and is used. Thereby, the surface shape of the sample can be observed.

【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。
In such an apparatus, a mechanical device necessary for scanning a sample or a probe in a horizontal direction (hereinafter, referred to as XY direction) or in a horizontal direction and a height direction (hereinafter, referred to as Z direction) is a minute area scanning device. It is.

【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(Eling
s et al.)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。
A small area scanning device used for a scanning probe microscope (SPM) requires a high resolution of 0.01 to 0.1 nm, and therefore uses a piezoelectric element. Typically, for example, US Pat. No. 5,306,919 (Eling)
s et al. ) Discloses a tube-type minute area scanning device. At the early stage of the development of the scanning probe microscope (SPM), an atomic image and the like are observed using such a small area scanning device.

【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。
[0005] Such a tube-type micro-area scanning device has advantages in that the structure is simple and the resonance frequency is high when the displacement amount is about 20 µm. However, when a displacement amount of more than, for example, 50 μm or more is required, the length of the tube is increased, the resonance frequency is lowered, and at the same time, the pitching at the time of scanning in the XY direction is increased. .

【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。
In recent years when the scanning probe microscope (SPM) has become widespread, observation of a larger sample such as a biological cell is required, and a movement amount in the XY direction of 50 to 200 μm is required. In addition, since observation on a normal optical microscope is required, there is a need for a small area scanning device that is thin in the Z direction. In line with these trends,
Instead of the conventional tube type, a displacement magnifying device that enlarges the displacement of the piezoelectric element several times by a combination of a piezoelectric element, an elastic hinge, and a lever, and a thin micro area scanning device using the same are manufactured.

【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50
51594号(Tsuda et al.)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。
As such a displacement enlarging device and a micro area scanning device using the same, for example, US Pat.
No. 51594 (Tsuda et al.). The displacement enlarging device disclosed herein is an application of the principle of leverage to a structure that is formally called a parallel spring. In this example, an elastic hinge is used instead of a leaf spring. In such a displacement enlarging device, the parallel spring, which also serves as a lever, tilts with the displacement of the piezoelectric element,
It is possible to obtain a displacement enlarged about 10 times on the stage surface.

【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14
03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140
7がそれぞれ1個づつ配置される。第3の弾性ヒンジ1
407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140
8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。
FIG. 14 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a conventional displacement enlarging device using a parallel spring structure. FIG.
In, the piezoelectric element 1401 is fixed on the base 1402. A ball 14 is provided on the elastic end side of the piezoelectric element 1401.
03 is fixed. 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 an output axis of the piezoelectric element 1401. The ball 1403 contacts at any one point of the first beam 1405. A second elastic hinge 1406 is fixed to a free end side of the first beam 1405. On both sides of the base 1402, third elastic hinges 140 are provided.
7 are arranged one by one. Third elastic hinge 1
In 407, second beams 1408 are provided one by one,
It is fixed in parallel with the first beam 1405. Second beam 140
The fourth elastic hinges 1409 are fixed one by one to the free ends 8. Two fourth elastic hinges 1409
Is fixed to the output beam 1410. A second elastic hinge 1406 is fixed to an arbitrary position of the output beam 1410.
By combining two of the displacement enlargement devices so as to be orthogonal to each other, it is possible to configure a small area scanning device in the XY directions.

【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140
4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14
05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L
1の時の第2の弾性ヒンジ1406の変位量L2は、L
2=L1・b/aとなる。この第2の弾性ヒンジ140
6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。
FIG. 15 is a schematic diagram showing the operation of a conventional displacement enlarging device. FIG. 15 shows a state in which the piezoelectric element 1401 extends rightward with respect to the paper surface by L1. In this state, the first beam 1405 is pushed rightward by the ball 1403, and tilts about the first elastic hinge 1404 as a rotation center. At this time, the first elastic hinge 140
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. First beam 14
05 acts as a lever with the first elastic hinge 1404 as a fulcrum, the ball 1403 as a power point, and the second elastic hinge 1406 as a point of action, and the extension amount of the piezoelectric element 1401 is L
The displacement amount L2 of the second elastic hinge 1406 at 1 is L
2 = L1 · b / a. This second elastic hinge 140
6, the output beam 1410 moves to the right by the same displacement as the displacement of the second elastic hinge 1406. At this time,
Two second beams 1408 act as guides to keep output beam 1410 horizontal.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】[Problems to be solved by the invention]

【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。
However, in the conventional displacement enlarging device utilizing the parallel spring structure as described above, since the parallel spring performs a rotary motion about the fulcrum, it can be moved in a direction different from the main displacement direction. Displacement due to rotation occurs. Δh in FIG. 15 is the displacement due to this rotation.
This is more remarkable as the lever enlargement ratio increases. Further, when a minute area scanning device is constituted by using one or two axes of such a displacement enlarging device and is incorporated in a scanning probe microscope (SPM), there is a problem that an observed image is distorted.

【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。
Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the conventional displacement enlarging device and the minute area scanning device using the parallel spring structure, and to increase the displacement enlarging rate of the piezoelectric element by leverage. Another object of the present invention is to realize a displacement enlarging device that does not generate a displacement in a direction different from the main displacement direction, and to realize a small area scanning device that does not cause distortion in an observed image by using the device.

【0013】[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。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a displacement magnifying device used for a micro area scanning device for scanning a sample or a probe of a scanning probe microscope (SPM), and using the displacement enlarging device. In the micro-area scanning device used, the structure of an approximate parallel motion chain is adopted in the parallel spring structure combined with the piezoelectric element, so that the output point of the parallel spring performs an approximate linear motion. Further, by connecting two pairs of the approximate parallel motion chains with a beam, an approximate linear displacement without an angular displacement can be obtained. In addition, by making a part of this approximate parallel motion chain also act as a lever, the displacement of the piezoelectric element is enlarged, and the enlarged displacement can be obtained as an approximate linear displacement. Also,
A minute area scanning device was constructed by combining the displacement magnifying devices.

【0014】[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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. (1) First Embodiment FIGS. 1 and 2 are schematic views showing a first embodiment of the displacement enlarging device of the present invention.

【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の自由端には、2股形状をした入力梁10
4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。
FIG. 1 is a top view and FIG. 2 is a side view. 1 and 2, a first holder 102 on a base 101
Then, the base of the first piezoelectric element 103 is fixed. The fixing is performed in such a manner that the output shaft of the first piezoelectric element 103 and the base 101 are parallel to each other, and that the side surface of the first piezoelectric element 103 is not in contact with the base 101. A free end of the first piezoelectric element 103 is provided with a bifurcated input beam 10.
4 is fixed. 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 connecting two opposing beams of the two sets of approximate parallel motion chains. Is arranged. 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】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1
06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1
07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。
The structure of one set of approximate parallel motion chains among the two sets of approximate parallel motion chains will be described below. A first fulcrum 105 having a rotation axis perpendicular to the base 101 is fixed on the base 101. The first fulcrum 105 has the first beam 1
06 is rotatably fixed. This first beam 106
The first piezoelectric element 103 is arranged in a direction orthogonal to the output axis. The free end of the first beam 106 has a first rotating pair 1
07 is arranged. At an arbitrary position on the first beam 106,
The second rotating pair 108 is fixed. The fulcrum and the rotating pair are constituted by an elastic hinge having an integrated cutout structure. As the material of the elastic hinge, a material having high elasticity such as SUS, phosphor bronze, or polyacetal is used.

【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。
In this embodiment, SUS is used for all rotating pairs.
And a notch structure of 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. In 1,
The second rotating pair 108 is located at a position where c: d = 1: 1.

【0018】第1の回転対偶107には、第2の梁10
9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1
09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。
The first rotating pair 107 has a second beam 10
9 is fixed to the first beam 106 at an arbitrary angle. In FIG. 1, it has an angle of 90 °. Second beam 1
A third rotating pair 110 and a fourth rotating pair 111 are fixed at an arbitrary position 09. In FIG. 1, a third rotating pair 110 is fixed to the end of the second beam 109, and a fourth rotating pair 111 is a second beam between the first rotating pair 107 and the third rotating pair 110. It is fixed at an arbitrary position on 109. The third rotating pair 110 includes a third beam 112.
Are fixed parallel to the first beam 106 and the third beam 112
Is fixed to a second fulcrum 113 having a rotation axis perpendicular to the base 101.

【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1
10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。
Here, the length of the first beam 106 is (A)
The length of the third beam 112 is (B), and the third rotating pair 1
The distance between 10 and the fourth rotating pair 111 is (a)
When the distance between the rotation pair 107 and the fourth rotation pair 111 is (b), a positional relationship of A: B = a: b is provided.

【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1
11を介して、出力梁114で固定される。
The above is the configuration of one set of approximate parallel motion chains. Two sets of the approximate parallel motion chains are symmetrically arranged on the base with respect to the output shaft of the piezoelectric element 103. The two opposing beams of the two sets of approximate parallel motion chains, that is, the two second beams 109 are formed by two opposing fourth rotating pairs 1
11, and is fixed by the output beam 114.

【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10
4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10
8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10
8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10
7の出力変位量をL2とすれば、L2=L1・(c+
d)/c=2・L1である。
The free ends of the bifurcated input beam 104 are fixed to the two second rotating pairs 108 one by one. FIG.
FIG. 4 is a schematic diagram showing the operation of the first embodiment. FIG.
First, the first piezoelectric element 103
It shows a state of being stretched only. In this state, the input beam 10
4 moves to the right by L1, and accordingly, the second rotating pair 108 moves to the right by L1. Second rotating pair 10
8, the first beam 106 is moved to the first fulcrum 105
Rotate around the axis. That is, the second rotating pair 108 acts as an input point of the expansion and contraction displacement of the first piezoelectric element 103, whereby the first beam 106 acts as a lever around the first fulcrum 105 as an axis. The point of action of the lever is the first rotating pair 107. Here, as described with reference to FIG.
8 is (c), and the distance from the first rotating pair 107 to the second rotating pair 108 is (d), in FIG. 1, the position becomes c: d = 1: 1. The second rotating pair 108 is arranged. At this time, the first rotation pair 10
7 is L2, L2 = L1 · (c +
d) / c = 2 · L1.

【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。
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, and the third beam Consider the relationship between 112 and the second fulcrum 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 rotation pair 110 and the fourth rotation pair 111 is (A), and the distance between the first rotating pair 107 and the fourth rotating pair 111 is (b), there is a positional relationship of A: B = a: b.

【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。
That is, this is an approximate parallel motion chain of Watts whose output point is the fourth rotating pair 111. Therefore, with the movement of the first beam 106, the second beam 109,
The third beam 112 moves in a chain, and the fourth beam 112 on the second beam 109
Perform an approximate linear motion. At this time, the fourth rotating pair 111 linearly displaces while slightly displacing the angle. Assuming that the output displacement of the fourth rotating pair 111 is L3, it is L3 L2.

【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11
4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10
3の出力軸と同じ方向である。
In the present invention, two sets of the approximate parallel motion chains of watts are symmetrically arranged on the base with reference to the output shaft of the first piezoelectric element 103, and two opposing fourth rotating pairs 111 are arranged. Are connected by an output beam 114. Thus, 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 the output beam 11
4, only the linear displacement can be extracted. at the same time,
The output beam 114 contributes to the improvement of the rigidity of the two sets of approximate parallel motion chains, and also has the effect of preventing the second beam 109 from being twisted. The displacement output direction of the output beam 114 is the first piezoelectric element 10
3 is the same direction as the output shaft.

【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。
FIG. 4 is a sectional view of each beam of 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. I have. FIG.
FIG. 4C is a cross-sectional view of the second beam 109 near the first rotating pair 107, and FIG. 4D is a cross-sectional view of the second beam 109 near the fourth rotating pair 111. Cross section (a),
(B), (c), and (d) show that the bending stiffness in the vertical direction is (a) = (b) by changing the cross-sectional shape and the cross-sectional area.
= (C) = (d), and the unit mass is (a) =
The configuration has a mass gradient such that (b)>(c)> (d). The mass gradient is continuous and smooth. That is, the rigidity is set so as to decrease the mass as approaching the output beam 114, whereby 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 or a square hollow cross section can also be used. Further, it is also possible to realize the mass gradient not by the change of the sectional area but by the change of the component of the material.

【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1
03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1
15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1
14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。
FIG. 5 is a perspective view schematically showing a state in which the cross section of the beam described in FIG. 4 changes. (2) Second Embodiment FIGS. 6 and 7 are schematic views showing a second embodiment of the displacement enlarging device and the minute area scanning device using the same according to the present invention. 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. Fixing is the first
So that the output shaft of the piezoelectric element 103 is parallel to the base 101 and the side surface of the first piezoelectric element 103 is
Is performed in a non-contact positional relationship. First piezoelectric element 1
A bifurcated input beam 104 is fixed to the telescopic end of 03. On the base 101, two sets of approximate parallel motion chains symmetrically arranged 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 connected. An output beam 114 is arranged. The two sets of approximate parallel motion chains and the output beam 114 are all arranged on the same plane of the base 101. The output beam 114 has the second holder 1
15 is fixed, and the base 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. Fixing is the second
The output axis of the piezoelectric element 116 and the output beam 114 are parallel to each other, and the side surface of the second piezoelectric element 116 is
14 is performed in a non-contact positional relationship. A sample stage 117 is fixed to the expansion and contraction end of the second piezoelectric element 116.

【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1
06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1
07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。
The structure of one set of approximate parallel motion chains among the two sets of approximate parallel motion chains will be described below. A first fulcrum 105 having a rotation axis perpendicular to the base 101 is fixed on the base 101. The first fulcrum 105 has the first beam 1
06 is rotatably fixed. This first beam 106
The first piezoelectric element 103 is arranged in a direction orthogonal to the output axis. The free end of the first beam 106 has a first rotating pair 1
07 is arranged. At an arbitrary position on the first beam 106,
The second rotating pair 108 is fixed. The fulcrum and the rotating pair are constituted by an elastic hinge having an integrated cutout structure. As the material of the elastic hinge, a material having high elasticity such as SUS, phosphor bronze, or polyacetal is used.

【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。
In this embodiment, SUS is used for all the rotating pairs.
And a notch structure of 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. In 6,
The second rotating pair 108 is arranged at a position where c: d = 1: 1.

【0029】第1の回転対偶107には、第2の梁10
9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°の角度を有している。第2の梁1
09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11
0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。
The first rotating pair 107 has the second beam 10
9 is fixed to the first beam 106 at an arbitrary angle. In FIG. 6, the angle is 90 °. Second beam 1
A third rotating pair 110 and a fourth rotating pair 111 are fixed at an arbitrary position 09. 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 a second beam between the first rotating pair 107 and the fourth rotating pair 111. It is fixed at an arbitrary position on 109. The positions of the third 110 and the fourth rotating pair 111 are different from those of the first embodiment. Third rotating pair 11
At 0, the third beam 112 is fixed in parallel with the first beam 106, and the other end of the third beam 112 is fixed to a second fulcrum 113 having a rotation axis perpendicular to the base 101. You.

【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1
10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。
Here, the length of the first beam 106 is (A)
The length of the third beam 112 is (B), and the third rotating pair 1
The distance between 10 and the fourth rotating pair 111 is (a)
When the distance between the rotation pair 107 and the fourth rotation pair 111 is (b), a positional relationship of A: B = a: b is provided. The above is the configuration of one set of approximate parallel motion chains. Two sets of the approximate parallel motion chains are symmetrically arranged on the base with respect to the output axis of the first piezoelectric element 103.

【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。
The two opposing beams of the two sets of approximate parallel motion chains, that is, the two second beams 109 are fixed to the output beam 114 via the two opposing fourth rotating pairs 111. Is done. The free ends of the bifurcated input beam 104 are fixed to the two second rotating pairs 108 one by one.

【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10
6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。
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 rightward with respect to the paper surface by L1. In this state, the input beam 104 moves to the right by L1, and accordingly, the second rotating pair 108 moves to the right by L1. Second
With the movement of the rotating pair 108, the first beam 106 performs a rotating motion about the first fulcrum 105 as an axis. That is,
The second rotating pair 108 serves as an input point of the expansion and contraction displacement of the first piezoelectric element 103, and thereby the first beam 10
6 acts as a lever around the first fulcrum 105 as an axis. The operating point of the lever is the first rotating pair 107. Here, as described with reference to FIG. 6, 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 ((c)). d), the second position is at a position where c: d = 1: 1.
Are located. At this time, if the output displacement amount of the first rotating pair 107 is L2, L2 = L1 ·
(C + d) / c = 2 · L1.

【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。
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 Consider the relationship between 112 and the second fulcrum 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 length between the third rotating pair 110 and the fourth rotating pair 111 is set. (A), and the distance between the first rotating pair 107 and the fourth rotating pair 111 is (b), there is a positional relationship of A: B = a: b.

【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。
This is an approximate parallel motion chain of Watts with the output point of the fourth rotating pair 111. Therefore, with the movement of the first beam 106, the second beam 109,
The third beam 112 moves in a chain, and the fourth beam 112 on the second beam 109
Perform an approximate linear motion. At this time, the fourth rotating pair 111 linearly displaces while slightly displacing the angle. Assuming that the output displacement of the fourth rotating pair 111 is L3, it is L3 L2.

【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11
4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10
3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11
4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。
In the present invention, two sets of the approximate parallel motion chain of watts are symmetrically arranged on the base with reference to the output shaft of the first piezoelectric element 103, and two opposing fourth rotating pairs 111 are arranged. Are connected by an output beam 114. Thus, 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 the output beam 11
4, only the linear displacement can be extracted. at the same time,
The output beam 114 contributes to the improvement of the rigidity of the two sets of approximate parallel motion chains, and also has the effect of preventing the second beam 109 from being twisted. The displacement output direction of the output beam 114 is the first piezoelectric element 10
3 is the same direction as the output shaft. Second piezoelectric element 116 fixed to second holder 115 of output beam 114
Has an output axis orthogonal to the output axis of the first piezoelectric element 103, and the sample stage 117 can be moved by expanding and contracting the second piezoelectric element 116. 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. in this way,
By controlling the first piezoelectric element 103 and the second piezoelectric element 116 separately, the sample stage 117 can be scanned in two axial directions. (3) Third Embodiment FIGS. 9 and 10 are schematic views showing a third embodiment of the displacement enlarging device and the minute area scanning device using the same according to the present invention. 9 shows a top view and FIG. 10 shows a side view. 9 and 10, the output beam 11 of the displacement magnifying device 201 is shown.
4, the base 101 of the second displacement enlarging device 202 is fixed. 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 axis directions of the first displacement magnifying device 201 and the second displacement magnifying device 202 are orthogonal to each other, and a sample stage 117 is fixed to the output beam 114 of the second displacement magnifying device 202.

【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11
4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1
19の伸縮端には、試料台117が固定される。
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 rightward in the drawing by L1 and the piezoelectric element 103 of the second displacement magnifying device first 202 faces the paper. The upper side shows a state extended by L1. In this state, the output beam 114 of the first displacement magnifying device 201 is displaced to the right by L3, whereby the second displacement magnifying device 202 is displaced to the right by L3. At the same time, the second
The output beam 114 of the displacement magnifying device 202 extends L3 upward. As a result, the sample stage 117 fixed to the output beam 114 of the second displacement enlarging device 202 moves L3 to the right and L3 upward from the position before the movement. (4) Fourth Embodiment FIGS. 12 and 13 are schematic views showing a fourth embodiment of the displacement enlarging device and the minute area scanning device using the same according to the present invention. FIG. 12 shows a top view, and FIG. 13 shows a side view. 12 and 13, the output beam 114 of the displacement magnifying device 201 is attached to the base 101 of the second displacement magnifying device 202.
Is fixed. 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 the output beam 11 of the second displacement magnifying device 202 is
4, a third holder 118 is fixed, and a Z-axis piezoelectric element 119 is fixed thereon. Piezoelectric element for Z axis 1
A sample stage 117 is fixed to the 19 expansion and contraction ends.

【0037】[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。
As described above, the present invention relates to a displacement magnifying apparatus used for a micro area scanning apparatus for scanning a sample or a probe of a scanning probe microscope (SPM) and a micro area scanning apparatus using the same. , A base, a piezoelectric element fixed parallel to the base, an input beam fixed parallel to the base at the expansion and contraction ends of the piezoelectric element, and two sets of symmetrically arranged with respect to the output axis of the piezoelectric element. A displacement magnifying device was constituted by an approximate parallel kinematic chain and an output beam connecting two opposing beams of the two sets of approximate parallel kinematic chains, and a micro area scanning device was constituted by using the displacement magnifying device.

【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。
With the above configuration, the following effects can be obtained. (1) By introducing the structure of the approximate parallel motion chain into the parallel spring structure of the displacement magnifying device, it is possible to cause the output point of the parallel spring to perform an approximate linear motion, and further, two sets of the approximate parallel motion chain are opposed to each other. Approximate linear displacement without angular displacement can be taken out by joining with a beam. (2) In addition, by making a part of this approximate parallel motion chain also act as a lever, the displacement of the piezoelectric element is enlarged, and this enlarged displacement is obtained as an approximate linear displacement. (3) A displacement enlargement device in which a displacement in a direction different from the main displacement direction does not occur while increasing the displacement enlargement ratio of the piezoelectric element by leverage by forming a micro area scanning device by combining this displacement enlargement device. , And using this, it is possible to realize a minute area scanning device that does not cause distortion in the observation image.

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

【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。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a first embodiment of the displacement enlarging device of the present invention.

【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。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the first embodiment of the displacement enlarging device of the present invention.

【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。
FIG. 3 is a schematic view showing the operation of the first embodiment of the displacement enlarging device of the present invention.

【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。
FIG. 4 is a sectional view of a beam according to the first embodiment of the displacement magnifying apparatus of the present invention.

【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。
FIG. 5 is a perspective view of a beam of the first embodiment of the displacement enlarging device of the present invention.

【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。
FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a second embodiment of the displacement enlarging device and the minute area scanning device using the same according to the present invention.

【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。
FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a second embodiment of the displacement enlarging device of the present invention and the minute area scanning device using the same.

【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。
FIG. 8 is a schematic diagram showing the operation of a second embodiment of the displacement enlarging device of the present invention and the micro area scanning device using the same.

【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。
FIG. 9 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a third embodiment of the displacement enlarging device of the present invention and the minute area scanning device using the same.

【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。
FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of a configuration of a third embodiment of the displacement enlarging device and the minute area scanning device using the same according to the present invention.

【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。
FIG. 11 is a schematic view showing the operation of a third embodiment of the displacement enlarging device and the minute area scanning device using the same according to the present invention.

【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。
FIG. 12 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a fourth embodiment of the displacement enlarging device of the present invention and a minute area scanning device using the same.

【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。
FIG. 13 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a fourth embodiment of the displacement enlarging device and the minute area scanning device using the same according to the present invention.

【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。
FIG. 14 is a schematic diagram showing an example of a configuration of a conventional minute area scanning device according to the present invention.

【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。
FIG. 15 is a schematic view showing the operation of a conventional minute area scanning device according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 119 Z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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Base 102 First holder 103 First piezoelectric element 104 Input beam 105 First fulcrum 106 First beam 107 First rotating pair 108 Second rotating pair 109 Second beam 110 Third rotating pair 111 Fourth 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 Base 1403 Ball 1404 First elastic hinge 1405 First beam 1406 Second elastic hinge 1407 Third elastic hinge 1408 Second beam 1409 Fourth elastic hinge 1410 Output Beam

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基盤と、前記基盤に平行に固定される圧
電素子と、前記圧電素子の伸縮端に前記基盤と平行に固
定される入力梁と、前記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、前記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
力梁から成ることを特徴とする変位拡大装置。
1. A base, a piezoelectric element fixed in parallel with the base, an input beam fixed to a telescopic end of the piezoelectric element in parallel with the base, and symmetrical with respect to an output axis of the piezoelectric element. Two approximate parallel kinematic chains arranged in
A displacement magnifying device comprising an output beam connecting two opposing beams of a set of approximate parallel motion chains.
【請求項2】a) 前記2組の近似平行運動連鎖のそれ
ぞれ1組は、 前記基盤上に固定され、前記基板と垂直をなす回転軸を
有する第1の支点と、前記第1の支点に回転自在に固定
され、前記圧電素子の出力軸と直交する方向に延びる第
1の梁と、 前記第1の梁の自由端に固定される第1の回転対偶と、 前記第1の梁に固定され、前記第1の支点と自由端の間
の任意の一点に位置する第2の回転対偶と、 前記第1の回転対偶に、前記第1の梁と任意の角度を持
って固定される第2の梁と、 前記第2の梁の任意の位置に固定される第3の回転対偶
と、 前記第2の梁の任意の位置に固定される第4の回転対偶
と、 前記第3の回転対偶に固定され、第1の梁と平行に配置
される第3の梁と、第3の梁のもう一端を回転自在に固
定し、前記基盤上に固定され、前記基盤と垂直をなす回
転軸を有する第2の支点と、を含み、同時に、 b) 前記第1の梁の長さ(A)と前記第3の梁の長さ
(B)との比が、前記第3の回転対偶と前記第4の回転
対偶の間の距離(a)と、前記第1の回転対偶と前記第
4の回転対偶の間の距離(b)との比に等しい、すなわ
ち、A:B=a:bになる位置関係にあり、 c) 前記入力梁が前記第2の回転対偶に固定され、前
記出力梁の両端が前記2組の近似平行運動連鎖の対向す
る2個の前記第4の回転対偶に固定されることを特徴と
する請求項1記載の変位拡大装置。
2. A set of each of the two sets of approximate parallel motion chains is fixed on the base and has a first fulcrum having a rotation axis perpendicular to the substrate and a first fulcrum. A first beam rotatably fixed and extending in a direction perpendicular to the output axis of the piezoelectric element; a first rotating pair fixed to a free end of the first beam; and fixed to the first beam A second rotating pair located at an arbitrary point between the first fulcrum and the free end; and a second fixed to the first rotating pair at an arbitrary angle with the first beam. A second 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, and the third rotation A third beam fixed to the pair and arranged in parallel with the first beam, and the other end of the third beam is rotatably fixed to the third beam; A second fulcrum fixed and having an axis of rotation perpendicular to the base; and b) the length of the first beam (A) and the length of the third beam (B). Is the ratio of the distance (a) between the third pair of rotations and the fourth pair of rotations and the distance (b) between the first pair of rotations and the fourth pair of rotations. C) the input beam is fixed to the second rotating pair, and both ends of the output beam are opposed to each other by the two sets of approximate parallel motion chains. The displacement enlarging device according to claim 1, wherein the displacement enlarging device is fixed to the two fourth rotating pairs.
【請求項3】 前記第1の支点と、前記第2の支点と、
前記第1の回転対偶と、前記第2の回転対偶と、前記第
3の回転対偶と、前記第4の回転対偶が、弾性ヒンジに
よって構成されていることを特徴とする請求項1または
2記載の変位拡大装置。
3. The first fulcrum, the second fulcrum,
The said 1st rotation pair, the 2nd rotation pair, the 3rd rotation pair, and the 4th rotation pair are comprised by the elastic hinge, The Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned. Displacement enlargement device.
【請求項4】 前記入力梁から前記出力梁にいたるまで
に質量勾配があることを特徴とする請求項1乃至3記載
の変位拡大装置。
4. The displacement enlarging device according to claim 1, wherein a mass gradient is present from the input beam to the output beam.
【請求項5】 請求項1乃至4のいずれかに記載の変位
拡大装置の少なくとも1つと、第2の圧電素子を備えた
ことを特徴とする微小領域走査装置。
5. A small area scanning device comprising at least one of the displacement enlarging devices according to claim 1 and a second piezoelectric element.
【請求項6】 請求項1乃至4のいずれかに記載の変位
拡大装置の少なくとも2つを備えたことを特徴とする微
小領域走査装置。
6. A minute area scanning device comprising at least two of the displacement magnifying devices according to claim 1.
【請求項7】 Z軸用圧電素子を更に備えたことを特徴
とする請求項5または6記載の微小領域走査装置。
7. The small area scanning device according to claim 5, further comprising a Z-axis piezoelectric element.
JP05391098A 1998-03-05 1998-03-05 Displacement magnifying device and micro area scanning device using the same Expired - Fee Related JP3897893B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP05391098A JP3897893B2 (en) 1998-03-05 1998-03-05 Displacement magnifying device and micro area scanning device using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP05391098A JP3897893B2 (en) 1998-03-05 1998-03-05 Displacement magnifying device and micro area scanning device using the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH11248719A true JPH11248719A (en) 1999-09-17
JP3897893B2 JP3897893B2 (en) 2007-03-28

Family

ID=12955882

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP05391098A Expired - Fee Related JP3897893B2 (en) 1998-03-05 1998-03-05 Displacement magnifying device and micro area scanning device using the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3897893B2 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006001008A (en) * 1999-09-27 2006-01-05 Canon Inc Cutting method and cutting device
JP2006250804A (en) * 2005-03-11 2006-09-21 Makome Kenkyusho:Kk Displacement transfer device
JP2007218279A (en) * 2006-02-14 2007-08-30 Hioki Ee Corp Displacement increasing mechanism with displacement final output end and treatment device equipped therewith
JP2010022159A (en) * 2008-07-11 2010-01-28 Akita Univ Operation conversion type displacement magnifying device
CN102904481A (en) * 2012-03-08 2013-01-30 中南大学 Spiral compact displacement amplifying device
CN107131404A (en) * 2017-04-24 2017-09-05 天津大学 It is single to drive the pure rotation mini positioning platform of double pendulum type

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006001008A (en) * 1999-09-27 2006-01-05 Canon Inc Cutting method and cutting device
JP2006250804A (en) * 2005-03-11 2006-09-21 Makome Kenkyusho:Kk Displacement transfer device
JP2007218279A (en) * 2006-02-14 2007-08-30 Hioki Ee Corp Displacement increasing mechanism with displacement final output end and treatment device equipped therewith
JP2010022159A (en) * 2008-07-11 2010-01-28 Akita Univ Operation conversion type displacement magnifying device
CN102904481A (en) * 2012-03-08 2013-01-30 中南大学 Spiral compact displacement amplifying device
CN107131404A (en) * 2017-04-24 2017-09-05 天津大学 It is single to drive the pure rotation mini positioning platform of double pendulum type

Also Published As

Publication number Publication date
JP3897893B2 (en) 2007-03-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0864181B1 (en) Flat scanning stage for scanned probe microscopy
US5306919A (en) Positioning device for scanning probe microscopes
US6809306B2 (en) Scanning unit and scanning microscope having the same
US7690047B2 (en) Scanning probe apparatus
US7372025B2 (en) Scanning probe microscope using a surface drive actuator to position the scanning tip
JP4789162B2 (en) Actuator using comb teeth
JP5605227B2 (en) Planar positioning device and inspection device provided with the same
JP3897893B2 (en) Displacement magnifying device and micro area scanning device using the same
JPH01219602A (en) Large stroke scanning type tunnel microscope
US5223713A (en) Scanner for scanning tunneling microscope
US6194813B1 (en) Extended-range xyz linear piezo-mechanical scanner for scanning-probe and surface force applications
CN101403679B (en) Double-step jigsaw puzzle scanner of scanning probe microscope
US20070187594A1 (en) Scanning probe apparatus
Akiyama et al. Atomic force microscopy using an integrated comb-shape electrostatic actuator for high-speed feedback motion
JP2005536753A (en) Yaw rate sensor
JP2000009867A (en) Stage moving device
US5831264A (en) Electrostrictive actuator for scanned-probe microscope
US6291822B1 (en) Scanning probe microscope
Strathearn et al. A distortion-free single-chip atomic force microscope with 2DOF isothermal scanning
JP3369892B2 (en) Positioning device for micro positioning device
JP3104889B2 (en) XY scanner table for tunneling electron microscope using piezoelectric element
JP4280382B2 (en) Information detecting apparatus and information detecting method having scanning probe
JP2002125383A (en) Tubular piezoelectric actuator
Maroufi et al. MEMS in Nanopositioning
JP2001022445A (en) Displacement enlarging mechanism

Legal Events

Date Code Title Description
RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421

Effective date: 20040302

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20040414

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20040414

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20061003

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20061129

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20061219

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20061220

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110105

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110105

Year of fee payment: 4

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R3D03

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110105

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120105

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130105

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140105

Year of fee payment: 7

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees