JPS63236992A - 圧電素子微動機構 - Google Patents

圧電素子微動機構

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JPS63236992A
JPS63236992A JP7101487A JP7101487A JPS63236992A JP S63236992 A JPS63236992 A JP S63236992A JP 7101487 A JP7101487 A JP 7101487A JP 7101487 A JP7101487 A JP 7101487A JP S63236992 A JPS63236992 A JP S63236992A
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hollow cylindrical
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electrode
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JP7101487A
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洋志 徳本
寛 阪東
梶村 皓二
坂井 文樹
宮田 千加良
茂 脇山
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Seiko Instruments Inc
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Seiko Instruments Inc
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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】 〔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。
〔発明の概要〕
本発明番ヨ、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、産業上を益な
圧電素子微動機構である。
〔従来の技術〕
試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
2軸角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(198
G)  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(第32回応
用物理学関連連合講演会予稿(1985)  岡山重大
、他)や中空円筒状圧電素子体からなるもの(Sing
le−tube three−dimensional
 5canner for scanningtunn
eling  m1croscopy、 G、 B1n
n1g  他、 1986八merican  1ns
titute  of  physics  ReV、
Sci、Instrum。
57 (8) 、Δugust 19BG)が知られて
いる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
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2軸角棒状圧電素子
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、よりリゲソト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。又、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x、y、z軸の干
渉がキュービックタイプより大きいが、原子レベルの小
さな領域に関しては大差はない。しかも、横応力に対し
ても強いので、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。
そこで、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7b18a又は8bの一方に電圧を加えることによ
って動作する。次に2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、?a、7b、8a、8bと内側電極5との電位
差をそれぞれ、Vx、、Vx□+vyI+VVzとする
と、変位はそれぞれ次漬によって示される。
△x=  (Vxl  −Vxz )  ・β△y−(
■y1−■y2)・β △z=  (Vx、+Vxz  +Vy、+VYz )
  ・αここで、α、βは動作定数 この様に、このタイプの電極配置によると、△2の内容
に△X、△yの要素が加わり、干渉が大きくなる上、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。
〔問題点を解決するための手段〕
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。
〔作用〕
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vxl、Vx2・。
Vyl 、V3’2 +  Vzとすると、各変位は以
下の様になる。
△x= (Vx+ −Vxz )  ・β△y= (v
y+   vy、)  ・βΔZ ” (Vx+  +
Vx2 +Vy、  十Vyt)Ot+V Z T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ず
ことができる上、従来の激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。
〔実施例〕
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。
〔第1実施例〕 第1図、第2図(al及び第2図(blは本発明、第1
実施例の?ilt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
2軸動作用電極6及びX軸動作用型i7a、7bが形成
されており、7aと7bは同面積からなる。又、X軸動
作m電4ft7a、7bに対し、90°ずらした位置に
X軸動作用電極8a、8bが形成され、8aと8bは同
面積からなる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軸方向は内側7を極に対し十
又は−電圧を加えることにより圧電素子が厚み方向に変
位することで結果としてz軸方向の変位が生じる。X及
びy軸方向は、第7図(al、第7図(blに示す様に
相対する電極の一方に内側電極に対し十の電圧を加え、
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(Ill)に示す圧電を加えていない状態から第
7図中)に示す様に探針先端部を矢印Ol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5u、内径31).高さ101)I
のPZT圧電素子体にx、y、z軸電極の幅をそれぞれ
2 m、 1.5 m@、3.5ms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とができ、高速走査が可
能になった。
〔第2実施例〕 第3図fat及び第3図(bl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i1)!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X軸動作用電極8a、8bが形成されている。7a
、7b、8a、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5關5内径3+n、高さ10m+i
のPZT圧電素子体にx、  y、  zIiIII電
極の幅をそれぞれ1.5龍、 1.51m、 6.5■
謙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(al及び第4図(bJ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?it極7a、7b及び
X軸動作用電極8a、8bが形成されている。7..7
□、al、8t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5鰭、内径3餞、高さlO■■のI’Z
T圧電素子体に、Z軸電極の幅を4龍に、x、  y軸
の電極の底辺の長さを約6m箇、高さ約3 、51m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。しかも、各x、  y電極はくさび形
の伸縮領域を形成する。
従って、本電掻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。
〔発明の効果〕
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2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。
【図面の簡単な説明】
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(al及び第2図(blは、第1実
施例の電極配置展開図、第3図(al及び第3図fbl
は、第2実施例の電極配置展開図、第4図fal及び第
4図+bl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(al及び
第7図fb)ば、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。 l・・・・・・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・・・・・・
2軸動作用電極 7□7.・・・X軸動作用電極 81.8□ ・・・y軸動作用電極 以上 出 願 人 工業技術院長 セイコー電子工業株式会社

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (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。
  2. (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。
  3. (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帯状電極
    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。
  4. (4)外側電極が二段構造からなる中空円筒圧電素子体
    で、x、y動作軸用電極が一周を四等分した、四つの正
    弦曲線及び直線よりなる形状をもち隣り合う電極の向き
    が180°異なる様に配列してある特許請求の範囲第3
    項記載の圧電素子微動機構。
JP62071014A 1987-03-25 1987-03-25 圧電素子微動機構 Expired - Lifetime JPH067042B2 (ja)

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