(57)【要約】【課題】圧電駆動ユニットを備えた微小変位移動機構において、圧電素子に電圧を印加することなく最適位置への位置決めを継続できるようにする。【解決手段】微小変位移動機構は、進行方向の前後に第１、第２の圧電駆動ユニットを備え、両圧電駆動ユニット間を第３の圧電駆動ユニットで接合し、第１、第２の圧電駆動ユニットで移動経路を固定解除するとともに、第３の圧電駆動ユニットにより進行方向の移動を行う。第１、第２の圧電駆動ユニットは、圧電素子１１に給電したときに収縮して移動経路との固定を解除するとともに、圧電素子１１への給電を停止したときに伸張して移動経路に固定するフレーム１０を有する構造体を備えている。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
進行方向の前後に第１、第２の圧電駆動ユニットを備え、両圧電駆動ユニット間を第３の圧電駆動ユニットで接合し、前記第１、第２の圧電駆動ユニットで移動経路を固定解除するとともに、前記第３の圧電駆動ユニットにより進行方向の移動を行う微小変位移動機構において、
前記第１、第２の圧電駆動ユニットが、圧電素子に給電したときに収縮して前記移動経路との固定を解除するとともに、前記圧電素子への給電を停止したときに伸張して前記移動経路に固定するフレーム構造体を備えていることを特徴とする微小変位移動機構。
【請求項２】
前記フレーム構造体が、長方形あるいは正方形の金属あるいはセラミクスを加工することにより、長方形あるいは正方形の開口部と、少なくとも進行方向前方側の角部に切り落とし部を形成したものであることを特徴とする請求項１に記載の微小変位移動機構。
【請求項３】
試料を装着する台座上にコの字型部材を設け、該コの字型部材の開口部に前記圧電素子の略中央部を挿通し、その開口幅を給電時の前記圧電素子の幅より広く、かつ、給電前記圧電素子の幅より停止時の前記圧電素子の幅より狭く設定したことを特徴とする請求項１に記載の微小変位移動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を駆動源とした微小変位機構、特に走査型プローブ顕微鏡において、プローブ先端に試料を位置決めするのに適した微小変位移動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特許文献１が知られており、圧電式並進運動装置により光学顕微鏡ステージプレートの中心を直接駆動し、照準を行うことが開示されている。
また、特許文献２には、ニアフィールド顕微鏡や走査型トンネル顕微鏡において、試料とプローブの間隔を制御するため、複数の圧電素子で構成された運動部に特定電圧を加え、複数の圧電素子を伸縮させ、反復することで壁面を上下に移動させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１９４５７９号公報
【特許文献２】特開平１１−１１２０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
先行技術文献で示された技術によれば、圧電素子を駆動源とした並進運動機構により微少なストロークが可能となり、光学顕微鏡における照準、ニアフィールド顕微鏡、走査型トンネル顕微鏡における試料とプローブの間隔調整に適している。
しかし、例えば、走査型プローブ顕微鏡に採用した場合、試料をプローブ先端に対し最適位置に調整後、試料をその位置を保持するため、圧電素子に対する電圧印加を継続しなければならない。そのため、印加する電圧信号に様々なノイズが重畳されて試料に微小振動を与え、ノイズの原因となってしまう。
そこで、本発明の目的は、圧電素子に電圧を印加することなく最適位置への位置決めを継続できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するため、本発明では、進行方向の前後に第１、第２の圧電駆動ユニットを備え、両圧電駆動ユニット間を第３の圧電駆動ユニットで接合し、第１、第２の圧電駆動ユニットで移動経路を固定解除するとともに、第３の圧電駆動ユニットにより進行方向の移動を行う微小変位移動機構において、第１、第２の圧電駆動ユニットが、圧電素子に給電したときに収縮して前記移動経路との固定を解除するとともに、圧電素子への給電を停止したときに伸張して移動経路に固定するフレーム構造体を備えるようにした。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、最適位置に調整後、圧電素子に対する電圧印加を停止することができるので、圧電素子に印加する電圧信号に重畳されるノイズを効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、圧電素子を利用した微小変位移動機構の移動メカニズムを示した図である。
【図２】図２は、実施例１におけるフレーム構造体を示す図である。
【図３】図３は、実施例１において、圧電素子に電圧を印加した際のフレームの弾性変形を示す図である。
【図４】図４は、実施例１において、２つのフレーム構造体を組み合わせて圧電駆動ユニットを構成した図である。
【図５】図５は、実施例２におけるフレーム構造体を示す図である。
【図６】図６は、実施例２におけるフレーム構造体を組み合わせて圧電駆動ユニットを構成した図である。
【図７】図７は、実施例３におけるフレーム構造体を示す図である。
【図８】図８は、実施例３におけるフレーム構造体を組み合わせて圧電駆動ユニットを構成した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例】
【０００９】
図１は、圧電素子を利用した微小変位移動機構の移動メカニズムを示したものである。
微小変位移動機構は、平行で平坦な板材間で画定される移動経路を、両端固定、前端解除、前端伸張、前端固定、後端解除、後端収縮を繰り返すことで微少移動を実現する。
ここで、圧電体は、例えば積層型圧電体を想定しており、電圧を印加すると伸びる方向に変位を発生するように用いるものである。
第１の圧電駆動ユニット１、第２の圧電駆動ユニット２、第３の圧電駆動ユニット３を組み合わせたものを用い、第１の圧電駆動ユニット１、第２の圧電駆動ユニット２は、図において垂直方向に伸縮し、進行方向からみて後端、前端のそれぞれを移動経路に沿って固定あるいは解放するものである。また、第３の圧電駆動ユニット３は、図において、水平方向に伸縮し、右方移動の駆動源となっている。
なお、以下で説明する実施例では、微小変位移動機構により試料を駆動する走査型プローブ顕微鏡への適用を前提としているが、本発明は、微小加工の移動機構、治具や、バルクの圧電体から構成される走査型プローブ顕微鏡のスキャナ等にも適用できる。
また、図１は、試料を進行方向端部（右端）に固定した場合を一例として示している。
【００１０】
まず、初期状態（ステップ１）では、圧電駆動ユニット１、２が伸長状態で、微小変位移動機構は、前後端において、移動経路を画定する、平行で平坦な板材間に固定されている。
ステップ２で前端側にある第２の圧電駆動ユニット２を収縮させて解放し、ステップ３で、その状態のまま圧電駆動ユニット３を伸張させ、圧電駆動ユニット２を右方へ移動させる。
次に、ステップ４で、第２の圧電駆動ユニット２を伸張させて固定し、ステップ５で、後端側にある圧電駆動ユニット１を収縮させて解放後、ステップ６で、この圧電駆動ユニット３を収縮させた後、圧電駆動ユニット１、２を伸張させ、ステップ１に戻る。
【００１１】
図１においては、その進行方向である右端に試料または試料を載せる超微動機構を装着あるいは載置する。装着した試料Ｓが、プローブに対し最適な位置に到達するまで、以上のステップを繰り返す。
本発明において、従来技術と異なる点は、圧電駆動ユニット１、２のそれぞれが、内蔵する圧電素子に対する電圧を印加したときに収縮し、電圧印加を停止したときに伸張する点である。
以下、圧電駆動ユニット１、２の構成を具体的な実施例に基づいて説明する。
【００１２】
［実施例１］
図２は、実施例１における圧電駆動ユニット１、２のフレーム構造体の一方を示しており、左側が平面図、右側が側面図である。フレーム１０は、例えば、厚さ２０ｍｍ、幅２０ｍｍのステンレス板あるいは真鍮板などをフライス加工することにより、長方形あるいは正方形の開口部１０ａと、四隅に切り落とし部１０ｂを備えた１２角形形状に加工されたものである。
このような金属板以外にも、サファイア、アルミナ等、曲げ・圧縮強度が高いセラミックスを成形、加工してもよい。
【００１３】
開口部１０ａの水平方向中心線Ａ−Ａに沿って、圧電素子１１が水平方向に配置され、両端部は、開口部１０ａの内壁に固着されている。
フレーム１０の外周側及び内周側には、切り落とし部１０ｂの両端付近に位置して、内周側の切り欠き溝１２ａ及び外周側の切り欠き溝１２ｂがそれぞれ８個ずつ、互いに対向し、水平方向中心線Ａ−Ａ、垂直方向中心線Ｂ−Ｂの双方に線対称に配置されている。
【００１４】
ここで、図２は、圧電素子１１に電圧を印加していない状態を示しているが、圧電素子１１に電圧を印加すると、図３に示すように、フレーム１０の開口部１０ａが水平方向の中心線Ａ−Ａに沿って伸張する。その際、切り欠き溝１２ａ及び１２ｂにより、フレーム１０は、開口部１０ａの水平方向中心線Ａ−Ａに沿う両辺がともに水平方向中心線Ａ−Ａに近接するように弾性的に撓み、移動経路を画定する板材との係合が解除される。
すなわち、圧電素子１１に電圧を印加したとき、フレーム１０が幅方向に収縮し、板材間との固定を解除する。これに対して、圧電素子への印加電圧が０Ｖになったとき、及び給電が停止されたとき、フレーム１０が幅方向に伸張し、図２の状態に復帰し、移動経路を画定する板材間に固定されることになる。
【００１５】
このフレーム構造体を、図４のように、圧電駆動ユニット３の両端に接合することで、圧電駆動ユニット１、２が構成される。そして、図１で説明したステップ１〜６のように、伸張による固定、収縮による解除、そして、移動駆動源となる圧電駆動ユニット３を構成する圧電素子への電圧印加、給電停止を繰り返すことにより、微小変位移動機構を移動させることが可能となる。
【００１６】
その際、走査型プローブ顕微鏡のプローブ信号をモニターし、先端に取り付けた試料がプローブに近接し、相互作用が発生したのを検知したとき、最終的にすべての圧電駆動ユニット１、２、３への給電を停止することで、試料を最適位置に自動的に位置決めすることが可能となる。
なお、図３において、破線は、四隅に切り落とし部を設けず、フレーム１０が長方形とした場合の変形状態を示している。
【００１７】
圧電駆動ユニット３を構成する圧電素子としては、例えば、１５０Ｖを印加したとき、１９００Ｎの力と、３２μｍ伸張するものを採用し、金属の種類、厚さ、幅によりフレーム１０の剛性を調整することで、上述の電圧印加時の解除、給電停止時の固定を実現することができる。また、切り欠き溝を外周側あるいは内周側のみに設けたり、配置、深さ、間隔を選定してもよい。
【００１８】
［実施例２］
上述のように、最終的に位置決めを行う際、圧電駆動ユニット３への給電を停止することで１ストローク分の収縮による後退が発生する。
この収縮分を見込んで、１ストローク追加してもよいが、本実施例では、図５に示すように、フレーム１０のうち、進行方向の後方の辺１０ｃに切り欠き溝を形成しないことで、圧電駆動ユニット３への給電停止時の後退を抑制することができる。すなわち、フレーム１０の後方側は、辺１０ｃに切り欠き溝がないため、圧電素子に電圧を印加したときの収縮がなく、移動経路との間隙を最小限にとどめることができる。そのため、圧電素子への給電を停止した直後に、移動経路と係合することで、１ストローク分の後退を後端側で抑制することができる。
【００１９】
図５においては、一例として、その移動方向である右端に、試料または試料を超微動機構を装着あるいは載置するようにしている。
このフレーム構造体を、図６のように、各フレーム１０の切り欠き溝を形成しない辺１０ｃを対向させ、圧電駆動ユニット３を構成する圧電素子の両端に接合することで、圧電駆動ユニット６が構成される。そして、図１で説明したステップ１〜６のように、伸張による固定、収縮による解除、そして、移動駆動源となる圧電駆動ユニット３への電圧印加、給電停止を繰り返すことにより、微小変位移動機構を移動させることが可能となる。
【００２０】
［実施例３］
実施例３は、位置決め終了時の１ストローク分の後退をさらに低減するもので、図７に示すように、先端に試料を取り付けた底面が平滑な台座１４の上面に、コの字型部材１３を取り付け、その開口部に、圧電素子１１の中央部を挿入する。コの字型開口幅は、圧電素子１１に電圧を印加し、伸張により断面積が減少したときは、圧電素子１１が自由にスライドでき、圧電素子１１への給電を停止し、断面積が増大したときは、圧電素子１１が係合する幅に設定されている。この構成により、圧電素子１１への給電を停止した直後に、コの字型部材１３を介して台座１４が圧電素子１１の中央部で係合し、１ストローク分の後退を抑止することが可能となる。
【００２１】
このフレーム構造を、図８のように、圧電駆動ユニット３を構成する圧電素子の両端に接合することで、圧電駆動ユニットが構成される。そして、図１で説明したステップ１〜６のように、伸張による固定、収縮による解除、そして、移動駆動源となる圧電駆動ユニット３の電圧印加、給電停止を繰り返すことにより、微小変位移動機構を移動させることが可能となる。
なお、図８においては試料を台座１４の右端（図８における進行方向）に装着した例を示している。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、圧電素子に印加する電圧信号に重畳されるノイズを効果的に抑制することができるので、走査型プローブ顕微鏡等の位置決め装置として広く採用されることが期待できる。
【符号の説明】
【００２３】
１  第１の圧電駆動ユニット
２  第２の圧電駆動ユニット
３  第３の圧電駆動ユニット
１０  フレーム
１１、１５  圧電素子
１２ａ、１２ｂ  切り欠き溝
【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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