JPS61219549A - 微動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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Ｔ時の位置
合わせや、真空トンネル顕微鏡におけるステージあるい
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Ｘれた金属と先端の径がＩｎＩ３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１ｎ層程度にまで近づけると、真空ト
ンネル効果によってＩＩＬＡ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釧
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っている
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、ｌ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Ｖｏ
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−１
−述した距離Ｗの伸縮とは反対傾向の収縮、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、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
具−１−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
にあっては同じ材料によって構成されても個々の部材ｌ
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った。

［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、顕微鏡等におけるステージや探針等の移動、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
圧電部と、３つの圧電部と一体に形成され、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つに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、１
０は圧電性材料によって形成した駆動体（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１１を設け、この切欠き部１１
によって、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っ
て頂点１２に結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１
５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１５の付は根側にそれぞれＸ方向、Ｙ方向お
よびＺ方向の十分な厚さの壁部１Ｂ、１？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１１側
の対向面との双方に電極１３Ａ、１４Ａおよび１５Ａを
設け、これらの電極１３Ａ、１４Ａおよび１５ＡをＸ方
向駆動電圧発生回路１８、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　、
２０Ａ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１９．２０および２
１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１８に発生させ、これを信号
線１９＾によって電極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ｉ
Ｆするために、Ｘ方向駆動電圧発生回路１８の出力波形
を信号線１９Ｂによって補正回路２５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２８Ｙおよび２８Ｚ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
圧回路２１に供給し、更にこれらからそれぞれ信号線２
ＯＡ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２図
において、信号線２０Ｂまたは２１Ｂにより補正回路２
５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によっ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１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Ｖ、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、ｌＯ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ｎｍ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、対向型８ｉ２間の距離すなわち幅をＷ、長
い辺の方向の長さを見、電源の電圧をＶｏ　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ｄａｍ
ｎ　Ｖｏ　／　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．Ｏｌ　　〜０．３ｎｍ／Ｖ
の程度であって、本実験ではｄ３１＝０．２２Ｂｍ／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ポルト当り１．８２
ｒ＋＋ｓとなり実効的横方向圧電定数は０．１８Ｂｍ／
Ｖとなった。すなわち、」二記の単体の場合に比べ第２
図に示した駆動部材ｌＯでは圧電駆動部１３．１４およ
び１５が頂点１２で拘束された影響があるが、Ｘ方向に
３０Ｂｍ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あったのに対し補正後は」二連
したように測定限界０．２ｎ■以下になった。

かくして、本実験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、−１一記駆動部材ｌＯ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ｌＯ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１Ｂ、１？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った。

［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
電性部材によって三軸の微動を完全な独立系として電圧
で制御２ 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、弔−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ック図、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、 １３．１４．１５・・・圧電駆動部、 ＋３Ａ、１４Ａ、１５Ａ・・・電極、 １Ｂ、１７．１８・・・壁部、 １９．２０．２１・・・駆動電圧発生回路、１９Ａ、１
９Ｂ、２０Ａ、２０Ｂ、２１Ａ、２１Ｂ・・・信号線、
２２．２３．２４・・・入力端子、 ２５・・・補正回路、 ２ＢＹ、２Ｂ２，２７Ｘ、２７Ｚ、２８Ｘ、２８Ｙ・・
・信号線。 Ｃｑ 糠 医 Ｏつ 派

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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つの頂点から互いに直交する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と、
   該３つの圧電駆動部と一体に形成され、該圧電駆動部の
   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
   、前記個々の圧電駆動部に設けた電極に前記延在された
   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
   材と、前記３つの圧電駆動部に供給する前記電圧の発生
   手段と、前記圧電駆動部の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
   とする微動装置。