(57)【特許請求の範囲】
【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変位拡大装置であって、
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変位拡大装置。
【請求項２】
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に記載の変位拡大装置。
【請求項３】
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または請求項２に記載の変位拡大装置。
【請求項４】
請求項１乃至３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。
【請求項５】
請求項１乃至３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。
【請求項６】
Ｚ軸用圧電素子を更に備えたことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の微小領域走査装置。
【発明の詳細な説明】
【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。
【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。
【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。
【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（Ｅｌｉｎｇｓ  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。
【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。
【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。
【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５０５１５９４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。
【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１４０３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１４０７がそれぞれ１個づつ配置される。第３の弾性ヒンジ１４０７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１４０８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。
【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１４０４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１４０５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Ｌ１の時の第２の弾性ヒンジ１４０６の変位量Ｌ２は、Ｌ２＝Ｌ１・ｂ／ａとなる。この第２の弾性ヒンジ１４０６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。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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の伸縮端には、２股形状をした入力梁１０４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。
【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１０６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１０７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。
【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。
【００１８】
第１の回転対偶１０７には、第２の梁１０９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１０９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。
【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となる位置関係を持たせる。
【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１１１を介して、出力梁１１４で固定される。
【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を配置する。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。
【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。
【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。
【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１１４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１０３の出力軸と同じ方向である。
【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。
【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１０３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１１５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１１４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。
【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１０６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１０７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。
【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。
【００２９】
第１の回転対偶１０７には、第２の梁１０９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ーの角度を有している。第２の梁１０９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の回転対偶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。
【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。
【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。
【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１０６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。
【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。
【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。
【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１１４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１０３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。
【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１１４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１１９の伸縮端には、試料台１１７が固定される。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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