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JP3497359B2 - Probe control device - Google Patents
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JP3497359B2 - Probe control device - Google Patents

Probe control device

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JP3497359B2
JP3497359B2 JP29986897A JP29986897A JP3497359B2 JP 3497359 B2 JP3497359 B2 JP 3497359B2 JP 29986897 A JP29986897 A JP 29986897A JP 29986897 A JP29986897 A JP 29986897A JP 3497359 B2 JP3497359 B2 JP 3497359B2
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

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、2つの物体の間隔
を自動的に制御するアクチュエータの制御装置に関する
もので、例えば、ニアフィールド顕微鏡、走査型トンネ
ル顕微鏡等の試料とプローブとの距離から得られる信号
を出力する装置の試料とプローブとの間隔を制御するプ
ローブ制御装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a control device for an actuator that automatically controls the distance between two objects. For example, it can be obtained from the distance between a sample and a probe in a near field microscope, a scanning tunneling microscope or the like. The present invention relates to a probe control device that controls a distance between a sample and a probe of a device that outputs a generated signal.

【0002】[0002]

【従来の技術】実空間にて原子レベルの微小微細試料の
構造を観察できる顕微鏡として、走査型トンネル顕微鏡
(STM)や、原子間力顕微鏡(AFM)、ニアフィー
ルド顕微鏡(フォトントンネリング顕微鏡:PTM)が
よく知られている。特に、この10年ぐらいでSTM、
AFMは研究開発が進み、既に商品が発売され、それに
伴って、急速にいろいろな分野にも応用範囲が拡大して
いる。これらの顕微鏡には、競合する技術、原理は非常
に多い。本発明で説明する信号検出部と試料との間隔を
制御するプローブ制御装置は、いずれの顕微鏡でも使用
でき、かつ、最も重要部分の技術である。従来技術とし
て、現在すでに商品化され一番進んでいるSTMで説明
するが、STMに限定されることはない。
2. Description of the Related Art A scanning tunneling microscope (STM), an atomic force microscope (AFM), a near field microscope (photon tunneling microscope: PTM) is used as a microscope capable of observing the structure of an atomic level microscopic fine sample in a real space. Is well known. Especially in the last 10 years, STM,
The research and development of AFM has progressed, and the products have already been released. Along with this, the range of application is rapidly expanding to various fields. There are many competing technologies and principles for these microscopes. The probe control device for controlling the distance between the signal detection unit and the sample described in the present invention can be used in any microscope and is the most important technique. As the conventional technique, the STM which has been commercialized and is most advanced will be described, but the STM is not limited thereto.

【0003】STMの検出信号は、トンネル電流であ
る。STMのプローブは探針であり、探針と試料との間
を1nm程度の距離まで近づけるとトンネル電流が流れ
始めるが、両者の距離に対して非常に敏感で指数関数的
に変化する。従来、一般的に用いられているプローブ探
針の試料への接近方法は、拡大鏡などで距離を確認しな
がら、手動によってマイクロメータを回して近づける第
一段階と、DCモータによってマイクロメータを回して
近づける第二段階と、圧電素子を用いた微少変位手段に
よって近づける第三段階で行われている。つまり、第一
段階は、粗動移動であり、第二段階は、微少移動、第三
段階は、極微少移動である。
The detection signal of the STM is a tunnel current. The probe of the STM is a probe, and a tunnel current starts to flow when the probe and the sample are brought close to each other by a distance of about 1 nm, but they are very sensitive to the distance between them and change exponentially. Conventionally, the generally used method of approaching a sample with a probe tip is to check the distance with a magnifying glass and the like, and manually turn the micrometer to bring it closer, and turn the micrometer with a DC motor. The second step is to bring them closer together, and the third step is to bring them closer together by the fine displacement means using a piezoelectric element. That is, the first stage is coarse movement, the second stage is fine movement, and the third stage is extremely fine movement.

【0004】固体物理(Vol.28 No.3 19
93)の「走査型トンネル顕微鏡の試作」、九州大学工
学集報(第64巻 第5号 平成3年10月)の「走査
型トンネル顕微鏡の製作」、特開平3−12507号公
報、或いは、特開昭63−204672号公報には、探
針と試料との間を1nm程度の距離まで近づける技術が
開示されている。
Solid State Physics (Vol. 28 No. 3 19
93) "Trial Manufacture of Scanning Tunneling Microscope", Kyushu University Engineering Bulletin (Vol. 64, No. 5, October 1991), "Manufacturing of Scanning Tunneling Microscope", JP-A-3-12507, or Japanese Patent Laid-Open No. 63-204672 discloses a technique of bringing a probe and a sample close to each other up to a distance of about 1 nm.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のSTM装置におけるプローブ微動部は、エレクトロ
ニクス技術の応用が進んでいるにも係わらず、手動と目
視によっているため、探針と試料との間を1nm程度の
距離まで近づけるには熟練を要する。また、試料を変え
たとき、試料からの信号検出状態が良好になるように、
ブローブと試料の位置、又は角度等を変化させて移動す
る場合の配慮がされていない。現在は、必要に応じて移
動量の異なる複数の微動部、即ち、圧電素子で構成され
るブロックを複数準備して、測定時に必要な観察範囲、
移動範囲の前記ブロックに交換して、改めてプローブと
試料間隔の調整を行う等の非常に手間のかかる調整を必
要としていた。
However, the probe fine movement part in the above-mentioned conventional STM device is manually and visually irrespective of the progress of the application of the electronic technology, and therefore, the probe fine movement part is provided between the probe and the sample. Skill is required to approach the distance of about 1 nm. Also, when changing the sample so that the signal detection state from the sample becomes good,
No consideration is given when moving the probe or sample by changing the position or angle. Currently, if necessary, a plurality of fine movement parts having different movement amounts, that is, a plurality of blocks composed of piezoelectric elements are prepared, and an observation range required at the time of measurement,
It has been necessary to perform a very troublesome adjustment such as replacing the block in the moving range with another one and then adjusting the interval between the probe and the sample again.

【0006】特に、一度、プローブと試料を離し、再
度、接近させる微妙な位置調整を必要とする観察は困難
であった。また、観察する試料室を真空状態にしている
ときは、一旦、真空を解除した後に、プローブの微動部
を交換するしか方法がなく、微妙な位置調整を必要とす
る時は、この手順を繰り返すため、非常に手間と時間を
要していた。
In particular, it has been difficult to perform an observation that requires a fine position adjustment in which the probe and the sample are once separated and then brought closer to each other. In addition, when the sample chamber to be observed is in a vacuum state, the only method is to replace the fine movement part of the probe after releasing the vacuum, and repeat this procedure when fine position adjustment is required. Therefore, it took a lot of time and effort.

【0007】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであり、3つに分かれた伸縮部を同時に動作
させることで、短時間で確実にプローブと試料との間隔
の調整ができるプローブ制御装置を提供することにあ
る。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and by operating the three expanding / contracting portions at the same time, the distance between the probe and the sample can be adjusted reliably in a short time. It is to provide a probe control device.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明の第1プローブ制
御装置は、上記課題を解決するために、顕微鏡に用いら
れるプローブ制御装置において、プローブ先端と試料表
面との目標距離を、電気信号に変換した基準信号を出力
する基準信号発生部と、上記基準信号発生部から出力さ
れる基準信号と、上記プローブ先端と上記試料表面との
実際の距離を、電気信号に変換した比較信号との差異を
演算する演算部と、上記プローブを移動させる複数の伸
縮部を備えた多段アクチュエータと、上記演算部の出力
にもとづいて、上記複数の伸縮部を駆動させる駆動信号
を生成する信号生成部とを備え、上記駆動信号により、
上記プローブ先端が目標距離に到達するまで、上記複数
の伸縮部をそれぞれ個別に駆動することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, a first probe control apparatus of the present invention is a probe control apparatus used in a microscope , wherein a target distance between a probe tip and a sample surface is converted into an electric signal. Difference between the reference signal generator that outputs the converted reference signal, the reference signal that is output from the reference signal generator, and the comparison signal that is obtained by converting the actual distance between the probe tip and the sample surface into an electrical signal. A multi-stage actuator including a plurality of expansion / contraction units for moving the probe, and a signal generation unit that generates a drive signal for driving the expansion / contraction units based on the output of the calculation unit. Equipped, by the drive signal,
It is characterized in that the plurality of expansion / contraction units are individually driven until the probe tip reaches a target distance.

【0009】そのため、多段アクチュエータに搭載され
たプローブの先端と試料表面とを接近させるに際し、複
数の伸縮部がそれぞれ独自に、且つ、同時に動作するこ
とで、短時間に多くの変位量を得られる。特に、複数の
伸縮部によって総合変位量を得られることで、一つの伸
縮部によって多くの変位量を得ると問題になる制動時の
慣性力による誤差を少なくできる。また、予め、プロー
ブ先端と試料表面との間を、目標距離に近付けておく粗
動機構部の必要がなく、小型化できる。さらに、自動制
御となっているので、プローブ先端と試料表面との間を
安定に保持できる。また、プローブ先端と試料表面とを
近付ける目標となる距離を電気信号に置き換えているこ
とから、簡単に目標値を変更できる。
Therefore, when the tip of the probe mounted on the multistage actuator and the surface of the sample are brought close to each other, the plurality of expansion / contraction parts operate independently and simultaneously, so that a large amount of displacement can be obtained in a short time. . In particular, since the total amount of displacement can be obtained by the plurality of elastic portions, it is possible to reduce an error due to inertial force during braking, which is a problem when a large amount of displacement is obtained by one elastic portion. Further, it is possible to reduce the size because there is no need for the coarse movement mechanism section which brings the probe tip and the sample surface in advance close to the target distance. Furthermore, since it is automatically controlled, the space between the probe tip and the sample surface can be stably held. Moreover, since the target distance for bringing the tip of the probe and the sample surface closer is replaced with an electric signal, the target value can be easily changed.

【0010】本発明の第2プローブ制御装置は、上記課
題を解決するために、第1プローブ制御装置において、
上記信号生成部は、上記演算部から出力されたデジタル
信号値の各桁毎にD/A変換器を備えると共に、前記D
/A変換器毎に駆動信号を生成し、上記多段アクチュエ
ータの複数の伸縮部の必要移動量に応じて、上記各桁毎
の駆動信号を選択して出力し、制御することを特徴とす
る。
In order to solve the above-mentioned problems, the second probe control device of the present invention is the same as the first probe control device,
The signal generation unit includes a D / A converter for each digit of the digital signal value output from the calculation unit, and
A drive signal is generated for each A / A converter, and the drive signal for each digit is selected and output according to the required movement amount of the plurality of expansion / contraction parts of the multistage actuator, and is controlled.

【0011】そのため、プローブ先端と試料表面との目
標距離と、実際の距離との差の大きさによって、多段ア
クチュエータの伸縮部を変えられる。つまり、差が大き
いときは、より変位量の多い伸縮部を動かすことにより
短時間で接近させられる。また、変位量の大きい伸縮部
は、変位量が小さいときは不感体になって変位しない部
分がある。この問題も、複数の伸縮部を用いているの
で、上記目標距離に見合った変位量の伸縮部を使用する
ことにより解決できる。
Therefore, the expandable portion of the multistage actuator can be changed depending on the size of the difference between the target distance between the probe tip and the sample surface and the actual distance. In other words, when the difference is large, it is possible to bring them closer in a short time by moving the expansion / contraction part having a larger displacement amount. Further, the expandable portion having a large displacement amount has a portion that becomes a dead body and does not displace when the displacement amount is small. This problem is also solved by using a plurality of expansion / contraction parts, so that the expansion / contraction part having a displacement amount corresponding to the target distance is used.

【0012】本発明の第3プローブ制御装置は、上記課
題を解決するために、第1または第2プローブ制御装置
において、上記信号生成部から出力される駆動信号とは
別に、上記多段アクチュエータを粗く移動させる複数の
粗動信号を出力する粗動信号発生部と、上記粗動信号発
生部から出力される粗動信号を、上記信号生成部から出
力される駆動信号に加算する加算部とを備え、上記プロ
ーブ先端と上記試料表面との距離が、上記目標距離から
予め定めた距離に接近するまで、上記加算部により上記
粗動信号が加算された加算信号によって、上記多段アク
チュエータを移動することを特徴とする。そのため、多
段アクチュエータの複数の伸縮部を、粗動動作による大
きな変形を可能にすることで、プローブ先端と試料表面
とを短時間で目標値の間隔まで接近できる。
In order to solve the above-mentioned problems, a third probe control device of the present invention includes, in the first or second probe control device, the multi-stage actuator which is coarse, in addition to the drive signal output from the signal generator. A coarse motion signal generator that outputs a plurality of coarse motion signals to be moved; and an adder that adds the coarse motion signal output from the coarse motion signal generator to the drive signal output from the signal generator. , Until the distance between the probe tip and the sample surface approaches a predetermined distance from the target distance, the multistage actuator is moved by the addition signal obtained by adding the coarse movement signal by the addition unit. Characterize. Therefore, by allowing the plurality of expansion / contraction parts of the multi-stage actuator to be largely deformed by the coarse movement operation, the probe tip and the sample surface can be brought close to the target value in a short time.

【0013】本発明の第4プローブ制御装置は、上記課
題を解決するために、第1ないし第3のいずれかのプロ
ーブ制御装置において、上記多段アクチュエータの伸縮
部に、圧電素子を用いることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a fourth probe control device of the present invention is the probe control device according to any one of the first to third probe control devices, wherein the expandable portion of the multistage actuator is provided with a piezoelectric element. It is characterized by using an element.

【0014】したがって、上記伸縮部は、印加電圧によ
って変位を生じる圧電素子を用いることにより、小型で
大きな力を発生でき、応答性が早く、変位精度が高く、
且つ軽量、低価格の伸縮部が可能になる。
Therefore, the expanding / contracting portion is small in size and can generate a large force by using a piezoelectric element which is displaced by an applied voltage, has a high responsiveness and a high displacement accuracy.
In addition, a lightweight, low-priced expansion / contraction part is possible.

【0015】本発明の第5プローブ制御装置は、上記課
題を解決するために、第1ないし第4のいずれかのプロ
ーブ制御装置において、上記多段アクチュエータの複数
の伸縮部は、試料を搭載する試料搭載部分と、前記試料
搭載部分を取り囲む上記試料搭載部分とは、分離された
外囲部分とで構成することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, a fifth probe control apparatus of the present invention is the probe control apparatus according to any one of the first to fourth aspects, wherein a plurality of expansion / contraction parts of the multistage actuator are provided. The sample mounting portion on which the sample is mounted and the sample mounting portion surrounding the sample mounting portion are constituted by separate surrounding portions.

【0016】そのため、多段アクチュエータの外囲部分
は、プローブ先端のカバーとなり、プローブ先端の損傷
を防止できる。
Therefore, the outer portion of the multistage actuator serves as a cover for the probe tip, and damage to the probe tip can be prevented.

【0017】本発明の第6プローブ制御装置は、上記課
題を解決するために、上記第5プローブ制御装置におい
て、上記多段アクチュエータの外囲部分と、上記試料搭
載部分との空間は、密閉状態にでき、真空若しくは、不
活性ガスの封入が可能なことを特徴とする。したがっ
て、環境変化に影響されずに、正確な測定が可能にな
る。プローブは試料の微小領域の移動をしながら観察、
測定を行って行くため、空気の流れの変化等のわずかな
環境変化がドリフトとなって現れるのを防止できる。
In order to solve the above-mentioned problems, the sixth probe control apparatus of the present invention is the fifth probe control apparatus, wherein the space between the outer peripheral portion of the multistage actuator and the sample mounting portion is hermetically sealed. It is characterized by being capable of being vacuumed or filled with an inert gas. Therefore, accurate measurement is possible without being affected by environmental changes. The probe observes while moving a minute area of the sample,
Since the measurement is performed, it is possible to prevent a slight environmental change such as a change in the air flow from appearing as a drift.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下、本発明のプローブ制御装置
の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。 [実施形態1]図1は、本発明のプローブ制御装置の実
施形態1に係る概略構成図である。図1において、基準
信号発生部10から、予め決めたプローブ26の先端と
試料27の表面との間隔を、電気信号に変換した基準信
号イを出力する。出力された基準信号イは、プローブ2
6の先端と試料27の表面との目標間隔を示すものであ
り、複数の伸縮部23、24、25で構成される多段ア
クチュエータ20の変形運動による、プローブ26の先
端と試料27の表面との実際の間隔を、多段アクチュエ
ータに設けられた距離検出手段(図示せず)により検出
して得られる比較信号ロと演算部11で比較する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of a probe control apparatus of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. [Embodiment 1] FIG. 1 is a schematic configuration diagram according to Embodiment 1 of a probe control apparatus of the present invention. In FIG. 1, the reference signal generator 10 outputs a reference signal B obtained by converting the predetermined distance between the tip of the probe 26 and the surface of the sample 27 into an electric signal. The output reference signal a is the probe 2
6 shows a target distance between the tip of the probe No. 6 and the surface of the sample 27, and the tip of the probe 26 and the surface of the sample 27 are deformed by the deformation motion of the multistage actuator 20 composed of a plurality of elastic portions 23, 24, 25. The actual interval is compared with the comparison signal B obtained by detecting the distance detection means (not shown) provided in the multistage actuator in the arithmetic unit 11.

【0019】上記演算部11で得られた結果信号ハから
信号生成部12において、多段アクチュエータ20の制
御信号ニを生成する。このとき、複数の伸縮部23、2
4、25のそれぞれにあった信号とするために、第1段
駆動部14、第2段駆動部15、第3段駆動部16にて
駆動信号ホに変換する。変換された駆動信号ホは、それ
ぞれの伸縮部23、24、25に入力され、複数の伸縮
部を同時に動かすことが可能になる。
The signal generator 12 produces a control signal D for the multistage actuator 20 from the result signal C obtained by the arithmetic unit 11. At this time, the plurality of elastic portions 23, 2
In order to obtain signals suitable for 4 and 25, the first-stage driving unit 14, the second-stage driving unit 15, and the third-stage driving unit 16 convert the signals into driving signals E. The converted drive signal e is input to the respective expansion / contraction units 23, 24, 25, and it becomes possible to simultaneously move a plurality of expansion / contraction units.

【0020】そして、自動制御のループに入るまで、つ
まり、多段アクチュエータ20に設けられた上記距離検
出手段から、プローブ26の先端が、上記目標間隔まで
一定距離に接近したことを知らせる接近信号ヘ中の特定
信号が、検出信号変換部21に伝えられるまで、プロー
ブ26と試料27との間隔を近付ける。その後、自動制
御のループに入って、プローブ26の先端と試料27の
表面との間隔は、基準信号発生器10からの基準信号イ
に基づいて目標間隔に維持される。
Then, until the automatic control loop is entered, that is, the approach signal for notifying that the tip of the probe 26 has approached a predetermined distance to the target interval from the distance detecting means provided in the multi-stage actuator 20. The probe 26 and the sample 27 are brought close to each other until the specific signal of (2) is transmitted to the detection signal conversion unit 21. After that, by entering an automatic control loop, the distance between the tip of the probe 26 and the surface of the sample 27 is maintained at the target distance based on the reference signal a from the reference signal generator 10.

【0021】上記接近信号ヘを上記検出信号変換部21
から、A/D変換部22に検出信号トとして出力し、A
/D変換部22において、演算部11で演算できるデジ
タルの比較信号ロに変換する。上記基準信号イと、前記
比較信号ロとを比較した結果、その値に差がなく、結果
信号ハが“0”となれば、プローブ26の先端と試料2
7の表面との間隔は、目標間隔に達したと判断され、複
数の伸縮部23、24、25の動作は止まる。つまり、
多段アクチュエータ20の動作が止まる。
The approach signal is transferred to the detection signal converter 21.
Output as a detection signal to the A / D conversion unit 22,
The / D conversion unit 22 converts the digital comparison signal B that can be calculated by the calculation unit 11. As a result of comparing the reference signal (a) and the comparison signal (b), if there is no difference in the values and the result signal (c) becomes "0", the tip of the probe 26 and the sample 2
The distance from the surface of 7 is judged to have reached the target distance, and the operation of the plurality of stretchable portions 23, 24, 25 stops. That is,
The operation of the multistage actuator 20 stops.

【0022】自動制御のループをしているから、外部か
ら何らかの要因でプローブ26の先端と試料27の表面
との間隔が変わるトリガが入ったとしても、すぐに結果
信号ハが変動して、各伸縮部23、24、25が動きだ
し、演算部11の結果が再度“0”になるように自動制
御が動き出す。多段アクチュエータ20は、複数の伸縮
部23、24、25が同時に動くが、プローブ26の先
端と試料27の表面との間隔の大小や状態によって、そ
れぞれの伸縮部が別々の動きをするように構成されてい
る。この多段アクチュエータ20については、後で詳し
く説明するが、結果信号ハの値の大小によって、伸縮部
23、24、25を、どのように動作させるか判断して
いるのが信号生成部12である。
Since the automatic control loop is used, even if an external trigger causes a change in the distance between the tip of the probe 26 and the surface of the sample 27, the result signal C fluctuates immediately. The expansion / contraction units 23, 24, 25 start moving, and the automatic control starts moving so that the result of the calculation unit 11 becomes "0" again. In the multi-stage actuator 20, a plurality of expansion / contraction parts 23, 24, 25 move at the same time, but each expansion / contraction part moves differently depending on the size or state of the distance between the tip of the probe 26 and the surface of the sample 27. Has been done. The multistage actuator 20 will be described in detail later, but the signal generation unit 12 determines how to operate the expansion / contraction units 23, 24, and 25 depending on the value of the result signal C. .

【0023】[実施形態2]本発明の プローブ制御装置に係る信号生成部の実施形態
2について、図2にもとづいて説明する。上記実施形態
1において、信号生成部12は、結果信号ハから多段ア
クチュエータ20の制御信号ニを生成し、伸縮部23、
24、25のそれぞれにあった信号として、それぞれの
伸縮部に入力して、同時に複数の伸縮部を動かす構成に
なっている。方法としては、結果信号ハに各伸縮部の動
作に合わせたしきい値を設け、結果信号ハが、そのしき
い値より大きいか、小さいかによって、伸縮部23、2
4、25のそれぞれにあった信号を生成する。しかし、
これでは、同時に複数の伸縮部を動かすことは構成上非
常に難しくなる。
[Second Embodiment] A second embodiment of the signal generation unit according to the probe control apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. In the first embodiment, the signal generator 12 generates the control signal D for the multistage actuator 20 from the result signal C, and the expansion / contraction unit 23,
A signal corresponding to each of 24 and 25 is input to each expansion / contraction unit, and a plurality of expansion / contraction units are simultaneously moved. As a method, a threshold value corresponding to the operation of each expansion / contraction unit is provided in the result signal C, and the expansion / contraction unit 23, 2 is selected depending on whether the result signal C is larger or smaller than the threshold value.
A signal suitable for each of 4 and 25 is generated. But,
This makes it very difficult to move a plurality of expansion / contraction parts at the same time due to the configuration.

【0024】そこで、別の方法として、信号生成部12
の内部構成を図2に示す。信号生成部12は、演算部1
1から出力された結果信号ハの桁数に対応する複数のバ
イナリーコード変換部とD/A変換器とを備え、各桁の
ディジット数に対応した制御信号ニを生成する方法を用
いる。信号生成部12の出力する制御信号ニは、桁が上
位になれば、それだけ値が大きいことになり、より変位
量の多い伸縮部を動かせるので、より短時間で、プロー
ブ26の先端と試料27の表面とを接近させられること
になる。制御信号ニの値が小さい時、即ち、桁が下位の
時は、変位量の小さい伸縮部を使用することになる。
Therefore, as another method, the signal generator 12
The internal structure of the above is shown in FIG. The signal generation unit 12 includes the calculation unit 1
A plurality of binary code conversion units corresponding to the number of digits of the result signal C output from 1 and a D / A converter are provided, and a method of generating a control signal D corresponding to the number of digits of each digit is used. The control signal D output from the signal generating unit 12 has a larger value as the digit becomes higher, and the expanding / contracting unit having a larger displacement can be moved. Therefore, the tip of the probe 26 and the sample 27 can be moved in a shorter time. You will be able to get closer to the surface of. When the value of the control signal D is small, that is, when the digit is lower, the expansion / contraction unit having a small displacement amount is used.

【0025】さらに、各桁毎に各伸縮部を動作させるこ
とにより、各伸縮部の動きが加算され、短時間で目的の
変位量を得ることができる。また、従来欠点とされた変
位量の大きい伸縮部では、制御信号ニの値が非常に小さ
くなったときに、伸縮部の慣性力により対応できない問
題も解決できることになる。図2の演算部11には、ア
スキーコードで基準信号イと、比較信号ロとが入力され
る。本実施形態2の基準信号イは、「1.000」とす
る。比較信号ロは、「0.877」と仮定する。アスキ
ーコードによって示されたデジタル値は、演算部11に
よって、 基準信号イ−比較信号ロ=結果信号ハ を演算して出力する。結果信号ハは、アスキーコード2
00として、「0.123」を得る。この値を各桁の数
字に分解して、各ディジット数として各digit20
1にて振り分ける。
Further, by operating each expansion / contraction part for each digit, the movements of each expansion / contraction part are added, and the desired displacement amount can be obtained in a short time. Further, in the expansion / contraction part having a large displacement amount, which has been a defect in the related art, it is possible to solve a problem that cannot be dealt with due to the inertial force of the expansion / contraction part when the value of the control signal D becomes very small. The reference signal B and the comparison signal B are input by the ASCII code to the arithmetic unit 11 in FIG. The reference signal B of the second embodiment is “1.000”. The comparison signal b is assumed to be “0.877”. The digital value represented by the ASCII code is calculated and output by the calculation unit 11 as a reference signal B-comparison signal B = result signal C. Result signal C is ASCII code 2
As "00", "0.123" is obtained. This value is broken down into numbers for each digit, and each digit20 is used as the number of digits.
Sort by 1.

【0026】結果信号ハの「0.123」は、下から1
桁目の「3」と、下から2桁目の「2」と、下から3桁
目の「1」の3つに分解する。上記1桁目の「3」は、
信号ノとして、2桁目の「2」は、信号ウとして、3桁
目の「1」は、信号ヌとして、それぞれのバイナリーコ
ード変換部204、203、202で、アスキーコード
からバイナリーコードに変換される。
The result signal "0.123" is 1 from the bottom.
It is decomposed into three, that is, the third digit "3", the second lower digit "2", and the third lower digit "1". The first digit "3" is
As the signal No, the second digit “2” is converted to the signal C, and the third digit “1” is converted to the signal No. by the respective binary code conversion units 204, 203 and 202 to convert the ASCII code to the binary code. To be done.

【0027】バイナリーコードに変換された信号ヌ、
ウ、ノは、D/A変換器205、206、207に導か
れる。実施形態2では、8ビット1象限D/A変換器を
用いた。リファレンス電圧208は、10Vにしている
から、その出力電圧範囲は、0Vから10Vとなるの
で、変化に対して対応可能な電圧変化の範囲を、正負の
両方向に等しくするためには、5Vを中心値として動作
するように設定しておく必要がある。上記制御信号ニ
を、図1の第1段駆動部14、第2段駆動部15、第3
段駆動部16へ出力して、各伸縮部23,24,25を
動作させる。
The signal converted into a binary code,
C and NO are guided to the D / A converters 205, 206, 207. In the second embodiment, an 8-bit 1-quadrant D / A converter is used. Since the reference voltage 208 is set to 10V, its output voltage range is from 0V to 10V. Therefore, in order to make the range of voltage change that can respond to changes in both positive and negative directions, center 5V. It must be set to operate as a value. The control signal D is supplied to the first stage driving unit 14, the second stage driving unit 15 and the third stage driving unit 15 of FIG.
The data is output to the stage drive unit 16 to operate the expansion / contraction units 23, 24, 25.

【0028】さらに必要に応じて、各段の駆動部14、
15、16に導く前に、D/A変換器205,206,
207の出力電圧を増幅させるておくことも可能であ
る。特に、後で説明を加えるが、伸縮部23、24、2
5が圧電素子の時は、高圧アンプによる増幅が必要であ
る。尚、演算部11は、演算結果の値によって変わらな
いように、常に同じファーマットの桁数で出力すること
が望ましい。演算結果が大きくても、ゼロに近いような
小さくても、常に同じ形態で桁数をそろえて出力するこ
とで、確実に各伸縮部に導くことができる。
Further, if necessary, the drive units 14 of the respective stages,
Before leading to 15, 16, D / A converters 205, 206,
It is also possible to amplify the output voltage of 207. In particular, as will be described later, the stretchable portions 23, 24, 2
When 5 is a piezoelectric element, amplification by a high voltage amplifier is necessary. It is desirable that the calculation unit 11 always output with the same number of digits in the format so as not to change depending on the value of the calculation result. Whether the calculation result is large or small, such as close to zero, by outputting the same number of digits with the same number of digits, it is possible to reliably lead to each expansion / contraction part.

【0029】[実施形態3]本発明の プローブ制御装置の実施形態3について説明す
る。上記プローブ制御装置が自動制御のループに入るま
での間、即ち、多段アクチュエータ20に設けられた上
記距離検出手段から、接近信号ヘ中の特定信号が検出信
号変換部21に伝えられるまで、粗動信号発生部13に
よって、各伸縮部23、24、25の駆動信号ホに、加
算器17、18、19を用いて、粗動信号チを加算させ
る必要がある。この時、粗動信号発生部13からの信号
を徐々に変化させ、上記特定信号が検出されるまで接近
信号ヘが、少しでも出力される間は加算をつづける。検
出信号変換部21において、接近信号ヘ中の上記特定信
号が確認できた段階で、粗動信号発生部13へは停止信
号リを出力して、粗動信号チの出力を止める。上記方法
により、多段アクチュエータ20を、自動制御によらな
い粗動動作による変形を可能とし、プローブ先端と試料
表面とを短時間で目標の間隔まで到達できるようにして
いる。
[Third Embodiment] A third embodiment of the probe control apparatus of the present invention will be described. Coarse movement is performed until the probe control device enters an automatic control loop, that is, until the specific signal in the approach signal is transmitted to the detection signal conversion unit 21 from the distance detection means provided in the multistage actuator 20. It is necessary for the signal generator 13 to add the coarse movement signal H to the drive signals E of the expansion / contraction units 23, 24, 25 by using the adders 17, 18, 19. At this time, the signal from the coarse movement signal generator 13 is gradually changed, and addition is continued until the approach signal is output until the specific signal is detected. When the detection signal conversion unit 21 can confirm the specific signal in the approach signal, it outputs a stop signal RE to the coarse movement signal generation unit 13 to stop the output of the coarse movement signal H. By the above method, the multi-stage actuator 20 can be deformed by the coarse movement operation without automatic control, and the probe tip and the sample surface can reach the target distance in a short time.

【0030】[実施形態4]次に、本発明のプローブ制
御装置の実施形態4に係る多段アクチュエータの構成を
図3に示す。多段アクチュエータは、第1段から第3段
の複数の伸縮部を備え、伸縮部はいずれも電気エネルギ
ーを機械的エネルギーに可逆的に変換できる圧電材料か
らなる圧電素子で構成している。圧電材料としては、ペ
ロブスカイト結晶構造を持つ多結晶体のチタン酸バリウ
ム又は、チタン酸鉛又は、チタン酸ジリコン酸鉛の何れ
かの材料を用いることによって必要な移動量が得られ
る。また、圧電素子は小型にしても大きな変位量を確保
でき、応答性が早く、変位精度が高く、軽量、低価格化
が可能となる。
[Fourth Embodiment] FIG. 3 shows the structure of a multistage actuator according to a fourth embodiment of the probe controller of the present invention. The multistage actuator includes a plurality of first to third stages of expansion / contraction parts, and each expansion / contraction part is composed of a piezoelectric element made of a piezoelectric material capable of reversibly converting electrical energy into mechanical energy. As the piezoelectric material, a necessary amount of transfer can be obtained by using any one of polycrystalline barium titanate having a perovskite crystal structure, lead titanate, and lead titanate dilyconate. Further, even if the piezoelectric element is small, a large amount of displacement can be secured, responsiveness is fast, displacement accuracy is high, and the weight and cost can be reduced.

【0031】図3おいて、円筒形状の第1段の伸縮部2
4の内部には、点線で示すZ方向の第2段の伸縮部23
と、上記伸縮部23を変形させるため、伸縮部23の一
部にX方向に変位する圧電素子からなる微動部30を設
け、上記伸縮部23の両端は、上記伸縮部24の内面に
取着されている。さらに、上記伸縮部24の内部に、第
3段の円筒形状の伸縮部25が、下から挿入できるよう
な構造となっている。上記伸縮部24は、X方向の微動
部31、33(微動部31の裏側)と、Y方向の微動部
34、32(微動部34の裏側)及び、Z方向の微動部
35を備えさせている。上記伸縮部25は、X方向の微
動部41、43(微動41の裏側)と、Y方向の微動部
44、42(微動部44の裏側)及び、Z方向の微動部
45を備えさせている。
In FIG. 3, the cylindrical first-stage telescopic portion 2
In the inside of 4, the second-stage expansion / contraction part 23 in the Z direction shown by the dotted line.
In order to deform the expandable part 23, a part of the expandable part 23 is provided with a fine movement part 30 made of a piezoelectric element that is displaced in the X direction, and both ends of the expandable part 23 are attached to the inner surface of the expandable part 24. Has been done. Further, the third-stage cylindrical expansion / contraction part 25 has a structure that can be inserted from below into the expansion / contraction part 24. The expansion / contraction part 24 is provided with fine movement parts 31 and 33 in the X direction (back side of the fine movement part 31), fine movement parts 34 and 32 in the Y direction (back side of the fine movement part 34), and a fine movement part 35 in the Z direction. There is. The expansion / contraction part 25 includes fine movement parts 41 and 43 in the X direction (back side of the fine movement 41), fine movement parts 44 and 42 in the Y direction (back side of the fine movement part 44), and a fine movement part 45 in the Z direction. .

【0032】本実施例では、上記伸縮部24、25の側
面は、それぞれ一つの圧電素子で構成されていて、後で
説明するように、上記圧電素子に電圧を印加するための
電極を分割して設けることにより、電極毎に上記のよう
な微動部31、32、33、34、35、41、42、
43、44及び、45となる。そして、上記伸縮部25
を固定している台36に、上記伸縮部24を載置して一
体化している。更に、上記伸縮部25を固定している上
記台36も圧電素子で構成することにより、台36の高
さ(Z方向)、角度を変化させ、台36の上に載せる伸
縮部24の挿入度合を変化させられる。
In this embodiment, the side surfaces of the expandable portions 24 and 25 are each formed of one piezoelectric element. As will be described later, the electrodes for applying a voltage to the piezoelectric element are divided. By providing the fine moving parts 31, 32, 33, 34, 35, 41, 42, and
43, 44, and 45. Then, the expandable portion 25
The expansion / contraction part 24 is mounted on and integrated with the table 36 for fixing the. Further, the base 36 fixing the expansion / contraction part 25 is also made of a piezoelectric element, so that the height (Z direction) and angle of the base 36 are changed, and the insertion degree of the expansion / contraction part 24 placed on the base 36 is changed. Can be changed.

【0033】円筒形状の伸縮部25の上端には天板28
を設け、試料27を載せる台としている。円筒形状の伸
縮部24の上端にも天板36を設け、試料27を載せた
上記伸縮部25が、上記伸縮部24の内部に挿入され、
試料27が、伸縮部23に取着されたプロープ26に近
接するようになっている。伸縮部24と伸縮部25とを
一体化した後に、各伸縮部をそれぞれ動作させることに
より、距離検出信号が得られる。
A top plate 28 is provided on the upper end of the cylindrical expansion / contraction part 25.
Is provided as a table on which the sample 27 is placed. A top plate 36 is also provided on the upper end of the cylindrical expansion / contraction part 24, and the expansion / contraction part 25 on which the sample 27 is placed is inserted into the expansion / contraction part 24.
The sample 27 is arranged to be close to the probe 26 attached to the expansion / contraction part 23. A distance detection signal is obtained by operating the respective expansion / contraction units after integrating the expansion / contraction unit 24 and the expansion / contraction unit 25.

【0034】このように、円筒形状の伸縮部24を外囲
器のようにして、内部にプロープ26と、試料27を格
納しているため、 プローブ26が露出せず、プローブを保護できる。 試料27もダストから保護できる。 測定時に外部環境の変化による影響が少ない。特に、
微少スキャン範囲で測定しているため、空気流の影響を
防止ができる。 外来光を遮断できる。 測定に影響するような外来磁気を遮断できる。例え
ば、外囲器である伸縮部24を囲むように、磁気シール
ド紙、パーマロイを設ける。 伸縮部24の内部温度を変化させて、各伸縮部の温度
調整が可能となる。 伸縮部24の内部を真空状態にすることが可能とな
る。 それぞれの伸縮部を構成する複数の微動部即ち、圧電
素子の伸縮の度合いや方向を使い分けることにより、ヒ
ステリシスを最小限に押さえられる。同じ方向の微少移
動に対して、一つの圧電素子は伸びる方向に、他の圧電
素子は縮む方向に動作させ、加算された変位量が少しず
つ変化するように駆動信号を生成すれば、圧電素子の伸
ばす時と、縮める時との変位量の差によるヒステリシス
を少なくできる。
In this way, the probe 26 is not exposed and the probe can be protected because the probe 26 and the sample 27 are stored inside the cylindrical expansion / contraction part 24 like an envelope. The sample 27 can also be protected from dust. There is little effect from changes in the external environment during measurement. In particular,
Since the measurement is performed in the minute scan range, the influence of the air flow can be prevented. It can block external light. It is possible to block external magnetism that may affect the measurement. For example, magnetic shield paper and permalloy are provided so as to surround the expandable portion 24 which is an envelope. It is possible to adjust the temperature of each expansion / contraction part by changing the internal temperature of the expansion / contraction part 24. It is possible to make the inside of the expansion / contraction part 24 in a vacuum state. Hysteresis can be suppressed to a minimum by properly using the plurality of fine movement parts constituting each expansion / contraction part, that is, the degree and direction of expansion / contraction of the piezoelectric element. If one piezoelectric element operates in the extending direction and the other piezoelectric element operates in the contracting direction with respect to a minute movement in the same direction, and a drive signal is generated so that the added displacement amount changes little by little, the piezoelectric element It is possible to reduce the hysteresis due to the difference in the amount of displacement between the time of stretching and the time of contracting.

【0035】次に、伸縮部24及び伸縮部25を構成す
る圧電素子について説明する。圧電素子は、縦効果の電
極方向と伸縮歪方向が同一方向である場合(圧電定数d
33)と、横効果の電極方向と伸縮歪方向が垂直方向であ
る場合(圧電定数d31)がある。印加電圧と伸縮方向の
関係は、縦効果または、横効果のいずれを用いるかによ
って決まる。
Next, the piezoelectric elements forming the expansion / contraction part 24 and the expansion / contraction part 25 will be described. A piezoelectric element has a longitudinal effect when the direction of the electrode and the direction of stretching strain are the same (piezoelectric constant d
33 ) and the case where the lateral effect electrode direction and the stretching strain direction are vertical (piezoelectric constant d 31 ). The relationship between the applied voltage and the expansion / contraction direction depends on whether the vertical effect or the horizontal effect is used.

【0036】実際の伸縮の動作について、図5に基づい
て詳しく説明する。図5(A)に示す圧電素子61、6
2は、図3の微動部31〜35及び、41〜45に用い
られている圧電素子の部分拡大図、図5(B)は、図5
(A)の圧電素子62を横効果設計したときの説明図、
図5(C)は、図5(B)に示す圧電素子の変形状態の
説明図である。横効果設計すると、電極方向と伸縮部変
位方向が垂直になっている。圧電素子62の分極電極1
00に、プラスの電圧102を印加すると、横効果によ
り分極電極100は、分極方向に伸びようとして、結果
的に高さは、105の方向(プローブと試料との間隔を
狭める方向)に縮み、図5(C)に点線で示す矩形10
3のような形状になる。
The actual expansion / contraction operation will be described in detail with reference to FIG. Piezoelectric elements 61 and 6 shown in FIG.
2 is a partially enlarged view of the piezoelectric elements used in the fine moving parts 31 to 35 and 41 to 45 of FIG. 3, and FIG.
Explanatory drawing when the lateral effect design of the piezoelectric element 62 of (A),
FIG. 5C is an explanatory diagram of a deformed state of the piezoelectric element shown in FIG. 5B. In the lateral effect design, the electrode direction and the expansion / contraction part displacement direction are perpendicular. Polarized electrode 1 of piezoelectric element 62
When a positive voltage 102 is applied to 00, the polarization electrode 100 tries to extend in the polarization direction due to the lateral effect, and as a result, the height shrinks in the direction of 105 (the direction in which the distance between the probe and the sample is narrowed), A rectangle 10 shown by a dotted line in FIG.
It becomes a shape like 3.

【0037】圧電素子62の分極電極100に、マイナ
スの電圧102を印加すると、横効果により分極電極1
00は、分極方向に縮もうとして、結果的に高さ方向
(プローブと試料との間隔を広げる方向)に伸びて、図
5(C)に点線で示す長方形104のように伸びる。こ
の動作を第一の圧電素子61と、第二の圧電素子62と
で、上記のように操作することにより、伸縮部24に装
着されたプローブ26の位置を自由に変えられる。ま
た、伸縮部25を操作することにより試料27の位置を
変えられる。
When a negative voltage 102 is applied to the polarized electrode 100 of the piezoelectric element 62, the polarized electrode 1 is caused by the lateral effect.
00 tries to contract in the polarization direction, and as a result, extends in the height direction (direction in which the distance between the probe and the sample is widened), and extends like a rectangle 104 shown by a dotted line in FIG. By performing this operation with the first piezoelectric element 61 and the second piezoelectric element 62 as described above, the position of the probe 26 attached to the expandable portion 24 can be freely changed. Further, the position of the sample 27 can be changed by operating the expandable portion 25.

【0038】図3において、微動部31の外側にX1
極が、微動部32の外側にY1電極が設けられ、さら
に、微動部31の裏側に位置する微動部33の外側にX
2電極が、微動部32の裏側に位置する微動部34の外
側にY2電極が設けられている。
[0038] In FIG. 3, X 1 electrode on the outside of the fine portion 31, Y 1 electrode is provided on the outer side of the fine portion 32, further, on the outside of the fine positioning unit 33 located on the back side of the fine movement unit 31 X
The Y 2 electrode is provided outside the fine moving unit 34, which is located on the back side of the fine moving unit 32.

【0039】この円筒状の伸縮部24を切り開いて平面
状に表したのが図9(B)である。切り開いた伸縮部2
4′は、電極31′がX1電極、電極32′がY1電極、
電極33′がX2電極、電極34′がY2電極、電極3
5′がZ電極に相当し、5つの電極が設けられている。
FIG. 9B shows the cylindrical expansion / contraction portion 24 cut open and shown in a plane. Telescopic part 2 cut open
In 4 ', the electrode 31' is the X 1 electrode, the electrode 32 'is the Y 1 electrode,
Electrode 33 'is X 2 electrode, electrode 34' is Y 2 electrode, electrode 3
5'corresponds to the Z electrode, and five electrodes are provided.

【0040】このように構成された伸縮部24′は、上
記各電極と伸縮部24の内側に設けられた共通電極に挟
まれた個所に形成される複数の微動部の微少変形によっ
て、伸縮部24に装着された伸縮部23を、2次元状に
微少移動でき、伸縮部23に取り付けられているプロー
ブ26の位置を変化させる。また、他の実施例として、
図9(A)に示すようにZ電極を無くしてもよい。以上
のように伸縮部を複数の微動部で構成し、各電極と共通
電極に電圧を印加することによりプローブ26を移動で
きる。印加電圧は、例えば、図10に示す回路図によっ
てY電極90、共通電極91に印加する。
The expandable / contractible part 24 'constructed as described above is expanded / compressed by a slight deformation of a plurality of fine moving parts formed in a portion sandwiched by the above-mentioned electrodes and the common electrode provided inside the expandable part 24. The telescopic portion 23 mounted on the telescopic portion 24 can be finely moved in a two-dimensional manner, and the position of the probe 26 attached to the telescopic portion 23 is changed. In addition, as another embodiment,
The Z electrode may be eliminated as shown in FIG. As described above, the expandable part is composed of a plurality of fine movement parts, and the probe 26 can be moved by applying a voltage to each electrode and the common electrode. The applied voltage is applied to the Y electrode 90 and the common electrode 91 according to the circuit diagram shown in FIG. 10, for example.

【0041】以上、説明した微少移動の動作を図8にも
とづいて、詳しく説明する。原理としては、図9(B)
のX1電極31′に「+電圧」、X2電極33′に「−電
圧」を印加すると、横効果によりX1電極31′が設け
られた微動部31は縮み、X2電極33′が設けられた
微動部33は伸びるので伸縮部24の円筒状が傾斜し、
X軸方向に振れることになる。同様に、Y1電極32′
に「+電圧」、Y2電極34′に「−電圧」を印加する
とY軸方向に振り、X1電極31′、X2電極33′、Y
1電極32′、Y2電極34′に、ランプ波形などの電圧
を印加することにより微少変形が可能となる。又、Z軸
方向に関してもZ電極35′に「±電圧」を印加するこ
とにより横効果にてZ軸方向に伸縮が得られ、5つの電
極すべてを組合わせることにより、図8に示すような3
次元的な微少変形が可能となる。
The operation of the minute movement described above will be described in detail with reference to FIG. As a principle, FIG. 9 (B)
'"+Voltage" in, X 2 electrode 33' X 1 electrode 31 of the - the application of a "voltage", X 1 electrode 31 by a lateral effect 'fine motion portion 31 which is provided contracts, X 2 electrode 33' is Since the provided fine movement part 33 extends, the cylindrical shape of the expansion / contraction part 24 inclines,
It will swing in the X-axis direction. Similarly, the Y 1 electrode 32 '
When a "+ voltage" is applied to the Y 2 electrode 34 'and a "-voltage" is applied to the Y 2 electrode 34', it is swung in the Y-axis direction, and X 1 electrode 31 ', X 2 electrode 33', Y
1 electrodes 32 ', Y 2 electrode 34' in, it is possible to fine deformed by applying a voltage, such as a ramp waveform. Also in the Z-axis direction, by applying a "± voltage" to the Z electrode 35 ', expansion and contraction in the Z-axis direction can be obtained by the lateral effect, and by combining all five electrodes, as shown in FIG. Three
Dimensional microscopic deformation is possible.

【0042】図7に縦断面図として、X電極31′、3
3′、Z電極35′のみを示すが、Y電極に関してもX
電極と同じ動作が行われる。図7において、円筒形状の
伸縮部24内部に、プローブ26を搭載している伸縮部
23がある。このプローブ26の移動原理について説明
する。X1電極31′に「+電圧」を印加すると、横効
果(図5Bに示す)によりX1電極31′が設けられた
部分の圧電素子は、分極方向に伸びようとして、結果的
にはZ軸方向(円筒の軸心に平行方向)は、矢印のよ
うに縮む。さらに、X2電極33′に「−電圧」を印加
すると、X2電極33′が設けられた部分の圧電素子は
分極方向に縮もうとして、結果的にZ軸方向は、矢印
′のように伸びることになる。
FIG. 7 is a vertical sectional view showing X electrodes 31 ', 3
3'and Z electrode 35 'are shown, but the Y electrode is also X
The same operation as the electrode is performed. In FIG. 7, the expandable / contractible part 23 having the probe 26 mounted therein is inside the expandable / contractible part 24 having a cylindrical shape. The principle of movement of the probe 26 will be described. 'The application of a "+ voltage" to, X 1 electrode 31 by a lateral effect (FIG. 5B)' X 1 electrode 31 as a piezoelectric element is provided moiety will Nobiyo to the polarization direction, the result Z The axial direction (parallel to the axis of the cylinder) shrinks as shown by the arrow. Further, X 2 electrode 33 'to - the application of a "voltage", X 2 electrode 33' as a piezoelectric element portion is provided will Chijimimo in the polarization direction, resulting in the Z-axis direction, as indicated by the arrow ' It will grow.

【0043】従って、伸縮部24が傾斜し、先端の動き
は、矢印″のようにX軸方向に振れることになる。伸
縮部24の上部が、矢印″のようにX軸方向に振れる
ことは、プローブ26の先端は、矢印″と反対方向に
移動することになる。同様に、X1電極31′に「−電
圧」を印加すると、X1電極31′が設けられた部分の
圧電素子は縮もうとしてZ軸方向は、矢印のように伸
びる。X2電極33′に「+電圧」を印加すると、X2
極33′が設けられた部分の圧電素子は伸びようとして
Z軸方向は、矢印′のように縮むことになる。従って
伸縮部24が逆の方向に傾斜し、先端の動きは、矢印
″のようにX軸方向に振れることになる。
Therefore, the expanding / contracting portion 24 is tilted, and the movement of the tip end thereof is swung in the X-axis direction as indicated by the arrow ". The upper part of the expanding / contracting portion 24 is not swung in the X-axis direction as indicated by the arrow". , the tip of the probe 26 will move in the direction opposite to the arrow "Similarly, X 1 electrode 31. 'in - the application of a" voltage ", X 1 electrode 31' piezoelectric element portion is provided To shrink, the Z-axis direction extends as shown by the arrow. 'The application of a "+ voltage" in, X 2 electrode 33' X 2 electrode 33 Z-axis direction will Nobiyo the piezoelectric element portion provided would shrink as arrow '. Therefore, the expansion / contraction part 24 is inclined in the opposite direction, and the movement of the tip end swings in the X-axis direction as indicated by the arrow ".

【0044】伸縮部24の上部が、矢印″のようにX
軸方向に振れることは、プローブ26の先端は、矢印
″と反対方向に移動することになる。上記のように、
電圧を繰り返して印加することにより、伸縮部24の先
端は、矢印で示すように、X軸方向に″←→″と
自由に動かせる。プローブ26は、伸縮部24の先端の
動きとは正反対の動きをする。Y電極は図7に記載して
いないが、「±電圧」を印加することによってX電極と
同じ横効果による動作が行われ、X軸動作と全く同じよ
うにY軸方向に自由に動かせることになる。これらのX
Y電極の動作によって伸縮部24がX或は、Y軸方向傾
斜し、2次元の微少変形ができる。変形範囲は、印加電
圧値によって調整が可能である。
The upper part of the expansion / contraction part 24 is X-shaped as indicated by the arrow ".
Swinging in the axial direction causes the tip of the probe 26 to move in the direction opposite to the arrow ".
By repeatedly applying the voltage, the tip of the expansion / contraction part 24 can be freely moved in the X-axis direction by "← →" as shown by the arrow. The probe 26 moves in the opposite direction to the movement of the tip of the expandable portion 24. Although the Y electrode is not shown in FIG. 7, by applying “± voltage”, the same lateral effect as that of the X electrode is performed, and the Y electrode can be freely moved in the Y axis direction just like the X axis operation. Become. These X
The expansion / contraction portion 24 is tilted in the X or Y axis direction by the operation of the Y electrode, so that two-dimensional microscopic deformation can be performed. The deformation range can be adjusted by the applied voltage value.

【0045】さらに、伸縮部24を3次元の微少変形を
行うためには、Z電極35′を動作させる必要がある。
Z電極35′は、伸縮部24の下部の全周に設けられて
いるため、±電圧印加によって円筒形状そのものが伸縮
する。Z電極35′は、X電極と同じ横効果による動作
が行われる。「−電圧」を印加すると、Z電極35′が
設けられた部分の圧電素子は分極方向に縮もうとしてZ
軸方向は矢印のように伸び、「+電圧」を印加すると
分極方向に伸びようとして、Z軸方向は矢印のように
縮むことになる。したがって、円筒形状そのものが、矢
印或は、のように伸縮動作することになる。
Further, in order to perform the three-dimensional microscopic deformation of the expandable portion 24, it is necessary to operate the Z electrode 35 '.
Since the Z electrode 35 'is provided on the entire circumference of the lower part of the expansion / contraction part 24, the cylindrical shape itself expands / contracts by ± voltage application. The Z electrode 35 'operates by the same lateral effect as the X electrode. When a "-voltage" is applied, the piezoelectric element in the portion provided with the Z electrode 35 'tries to contract in the polarization direction and Z
The axis extends in the direction of the arrow, and when a "+ voltage" is applied, it tends to extend in the polarization direction, and the Z-axis contracts in the direction of the arrow. Therefore, the cylindrical shape itself expands and contracts as indicated by the arrow or.

【0046】以上のX、Y及び、Z電極を組合わせて±
電圧印加することにより、3次元の微少変形を可能にす
る。したがって、この伸縮部23に装着されたプローブ
26は、試料27との接近などの変化に対応することが
できる。図7は、外囲器側のプローブ26が搭載されて
いる伸縮部24の動きについて説明をしているが、試料
27が搭載されている伸縮部25についても、同じ円筒
形状であり、原理は同じである。ただし、試料27は、
円筒形状の上部に搭載していることから、移動方向は円
筒形状上部と同じである。
By combining the above X, Y and Z electrodes,
Applying a voltage enables three-dimensional microscopic deformation. Therefore, the probe 26 attached to the expansion / contraction part 23 can cope with changes such as approaching the sample 27. FIG. 7 explains the movement of the expansion / contraction part 24 on which the probe 26 on the envelope side is mounted, but the expansion / contraction part 25 on which the sample 27 is mounted has the same cylindrical shape, and the principle is Is the same. However, sample 27
Since it is mounted on the cylindrical upper part, the moving direction is the same as the cylindrical upper part.

【0047】次に、微動部の設計方法の一例を示す。ま
ず最初に、円筒状圧電素子の全長L、XY電極走査部分
の長さlx、分極方向の電極幅tを微動量である変位量
から推定して仮定値を決める。その後計算によって各値
をそれぞれ絞り込んで行く。
Next, an example of a method of designing the fine moving part will be shown. First, an assumed value is determined by estimating the total length L of the cylindrical piezoelectric element, the length l x of the XY electrode scanning portion, and the electrode width t in the polarization direction from the displacement amount which is the amount of fine movement. After that, each value is narrowed down by calculation.

【0048】この時、分極方向の電極幅tを厚くすれば
耐久性は良くなる反面、電圧値が高くなる短所があり、
薄くすると圧電材料セラミックスが割れやすい反面、電
圧値が低くなる長所が見られるなど仮定値を決める際
に、このことを考慮しておく考慮しておく必要がある。
このような問題点は、それぞれ設計段階で使用目的を検
討し最良な状態を選択して決定する。例えば、Z電極の
今回の設計一例の計算式を示す。 Δz=(d31 L V)/t L:長さ、 V:印加電圧、 t:幅、 d31:圧電歪
定数 ただし、変位量を求める式は、効果の種類、材料、電極
の構成、微動部の大きさ等によって変わることから上記
式に限らない。
At this time, if the electrode width t in the polarization direction is increased, the durability is improved, but the voltage value is increased.
This should be taken into consideration when deciding the hypothetical value such as the piezoelectric material ceramics being easily cracked when the thickness is made thin, but the advantage that the voltage value becomes low.
Such problems are determined by examining the purpose of use and selecting the best condition at the design stage. For example, the calculation formula of the present design example of the Z electrode is shown. Δz = (d 31 LV) / t L: Length, V: Applied voltage, t: Width, d 31 : Piezoelectric strain constant However, the formula for determining the displacement amount is the type of effect, material, electrode configuration, fine movement It is not limited to the above formula because it changes depending on the size of the part and the like.

【0049】以上のように、伸縮部24の圧電素子によ
る逆圧電効果を利用して、試料27との検出信号が最良
の状態になるようにプローブ26の位置を微少移動し
て、制御できる。
As described above, the position of the probe 26 can be finely moved and controlled so that the detection signal with the sample 27 is in the best state by utilizing the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric element of the expansion / contraction part 24.

【0050】[実施形態5]本発明のプローブ制御装置
の実施形態5に係る多段アクチュエータの伸縮部につい
て説明する。図4は、図3に示す伸縮部23の拡大図で
ある。上記伸縮部24以外に、プローブを微少移動させ
られる伸縮部23について、図4にもとづいて説明す
る。圧電素子からなる微動部30、30は、X方向に伸
縮する。この2つの微動部30,30の一端を、たわみ
易い薄い金属板53の両側から挟み込むように取り付け
る。さらに微動部30、30の他端には、伸縮部24の
円形内壁に取着可能な円弧状の一端を有する部材54を
取り付ける。このため、微動部30、30が、伸びると
金属板53が、たわんでZ方向に伸びることになる。つ
まり、金属板53に取付けられたプローブ26がZ方向
に下がることになる。
[Embodiment 5] An expandable portion of a multistage actuator according to Embodiment 5 of the probe controller of the present invention will be described. FIG. 4 is an enlarged view of the expansion / contraction part 23 shown in FIG. In addition to the expanding / contracting part 24, the expanding / contracting part 23 that allows the probe to be slightly moved will be described with reference to FIG. The fine moving parts 30, 30 made of a piezoelectric element expand and contract in the X direction. One end of each of the two fine moving parts 30 and 30 is attached so as to be sandwiched from both sides of a thin flexible metal plate 53. Further, a member 54 having an arc-shaped end attachable to the circular inner wall of the expansion / contraction part 24 is attached to the other ends of the fine moving parts 30, 30. Therefore, when the fine moving parts 30 and 30 extend, the metal plate 53 bends and extends in the Z direction. That is, the probe 26 attached to the metal plate 53 descends in the Z direction.

【0051】図6にもとづいて、動作原理を詳しく説明
する。微動部30、30が、X方向に伸びようとする
が、外側の端は伸縮部24の内側に取着され、外側への
移動は規制されているため、矢印a方向に伸びると、金
属板53はたわみ、Z方向即ち、矢印c方向に下がる。
この時のZ方向の長さは56となり、標準時の長さ55
より長くなる。また、微動部30、30が、矢印bの方
向に縮むと、金属板53のたわみが減少し、矢印d方向
に上がる。この時の長さ57は、標準時の長さ56より
短くなる。このように金属板53に取付けられたプロー
ブ26が、Z方向に上昇したり、下降することになる。
この実施形態は、両端の微動部30,30を伸縮させる
ことにより、金属板53のたわみを変え、金属板53に
搭載したプローブ26の先端位置を変化させることを特
徴とする。
The operating principle will be described in detail with reference to FIG. The fine movement parts 30 and 30 try to extend in the X direction, but the outer ends are attached to the inside of the elastic part 24 and the outward movement is restricted. 53 bends and descends in the Z direction, that is, in the direction of arrow c.
At this time, the length in the Z direction is 56, and the standard length is 55.
It will be longer. Further, when the fine moving parts 30, 30 contract in the direction of arrow b, the deflection of the metal plate 53 decreases, and the fine plate moves up in the direction of arrow d. The length 57 at this time is shorter than the standard length 56. Thus, the probe 26 attached to the metal plate 53 moves up and down in the Z direction.
This embodiment is characterized in that the flexure of the metal plate 53 is changed by expanding and contracting the fine moving parts 30, 30 at both ends to change the tip position of the probe 26 mounted on the metal plate 53.

【0052】[実施形態6]図11は、伸縮部24の内
部に、伸縮部25を挿入した時の水平断面図である。こ
の2つの伸縮部が持つ複数の微動部の微動方向が、一致
しないように挿入することにより、移動方向が細分化で
きる。図11に示すように、外側の伸縮部24は矢印1
の方向から矢印4の方向、内側の伸縮部25は、矢印
の方向から矢印の方向の微少変形が可能になる。この
ように、各伸縮部の電極によって構成された微動部の方
角を45°ずらすことにより、8つの方向に動きが分解
ができ、2倍の変形方向を得られる。今回の実施例で
は、さらに伸縮部23を取り付ける時に、微動部30、
30の変位方向を上記の8つの方向に一致しない方向に
取付けることにより、さらに変位方向を細かく分解でき
る。
[Sixth Embodiment] FIG. 11 is a horizontal cross-sectional view when the expandable portion 25 is inserted into the expandable portion 24. The movement directions can be subdivided by inserting the plurality of fine movement portions of the two expandable portions so that the fine movement directions do not match. As shown in FIG. 11, the outer stretchable portion 24 has an arrow 1
The direction of the arrow 4 from the direction of, and the elastic portion 25 on the inner side can be slightly deformed from the direction of the arrow to the direction of the arrow. In this way, by shifting the direction of the fine movement part constituted by the electrodes of each expansion-contraction part by 45 °, the movement can be decomposed in eight directions and a double deformation direction can be obtained. In the present embodiment, the fine movement part 30,
By mounting the displacement direction of 30 in a direction that does not coincide with the above eight directions, the displacement direction can be further decomposed.

【0053】[実施形態7]本発明のプローブ制御装置
の実施形態7に係る多段アクチュエータを図面に基づい
て説明する。プローブと試料との間隔が狭くなればなる
ほど、わずかな測定時の環境変化が結果に大きく影響を
与えることになる。そこで、多段アクチュエータ20
は、外囲器となる伸縮部24が、試料を搭載した伸縮部
25の台38の上に、固定されるようになっている。
[Seventh Embodiment] A multistage actuator according to a seventh embodiment of the probe controller of the present invention will be described with reference to the drawings. The narrower the distance between the probe and the sample, the smaller the environmental change during measurement, and the greater the influence on the result. Therefore, the multistage actuator 20
The expansion / contraction part 24 serving as an envelope is fixed on the base 38 of the expansion / contraction part 25 on which the sample is mounted.

【0054】図12は、多段アクチュエータの外観斜視
図であり、伸縮部24の上端面には固定治具の横桟13
1が載置され、前記横桟の両端近傍には、前記固定治具
の固定ねじ132を挿入するための孔が穿かれている。
そして、前記固定ねじ132は、伸縮部25の台38に
設けられたねじ孔133に螺着され、伸縮部24と伸縮
部25とが固定される。
FIG. 12 is an external perspective view of the multi-stage actuator.
1 is placed, and holes for inserting the fixing screws 132 of the fixing jig are formed in the vicinity of both ends of the horizontal rail.
Then, the fixing screw 132 is screwed into a screw hole 133 provided in the base 38 of the expansion / contraction part 25, and the expansion / contraction part 24 and the expansion / contraction part 25 are fixed.

【0055】図13は、伸縮部25とその台36の外観
斜視図であり、台38は、真空状態に対応できるよう
に、伸縮部24の断面形状に相当するOリング130を
取り付け、Oリング130上に、伸縮部24を載置し、
筒状の密閉容器を形成する。
FIG. 13 is an external perspective view of the expansion / contraction unit 25 and its base 36. The base 38 is provided with an O-ring 130 corresponding to the cross-sectional shape of the expansion / contraction unit 24 so as to be compatible with a vacuum state. Place the expansion / contraction part 24 on 130,
A cylindrical closed container is formed.

【0056】そのため、伸縮部24の内部を真空若しく
は、不活性ガスを封入ができる構造となる。プローブ2
6や伸縮部等に必要なブローブ信号線38や弾性部信号
線39は、図14に示すように、ハーメチックポート1
40を介して接続する。
Therefore, the inside of the expansion / contraction portion 24 has a structure in which a vacuum or an inert gas can be enclosed. Probe 2
6, the probe signal line 38 and the elastic part signal line 39 necessary for the expansion / contraction part and the like are arranged in the hermetic port 1 as shown in FIG.
Connect via 40.

【0057】以上のように各実施形態を説明している
が、プローブの種類、試料表面の状態、測定環境の変化
等に、合わせて多段アクチュエータの第1段から第3段
からなる伸縮部を、必要な伸縮部の移動量に合わせて、
それぞれの伸縮部をユーザーが変更できるようにしてい
る。測定に使用しない時に、伸縮部24又は、伸縮部2
5の圧電素子の劣化が確認できた時にも、ユーザーが変
更できるようになっている。特に、円筒形状の伸縮部
は、いろいろな変位量の物を用意しておき、外囲器に相
当する伸縮部と、内側に入る伸縮部を使い分けることに
より、それぞれの変位量の合計を利用して広い仕様が可
能となる。
Although the respective embodiments have been described above, the expansion / contraction part including the first to third stages of the multi-stage actuator should be selected in accordance with the type of probe, the state of the sample surface, the change of the measurement environment and the like. , According to the required amount of movement of the expandable part,
The user can change each elastic part. When not used for measurement, the stretchable portion 24 or the stretchable portion 2
Even when the deterioration of the piezoelectric element of No. 5 is confirmed, the user can change it. In particular, for the cylindrical expansion / contraction part, prepare objects with various displacement amounts, and use the expansion / contraction part corresponding to the envelope and the expansion / contraction part that enters inside to use the total displacement amount. Wide specifications are possible.

【0058】[0058]

【発明の効果】本発明によれば、プローブと試料の間隔
制御を容易に、短時間にできるプローブ制御装置を提供
できる。また、外囲部分の伸縮部を円筒形状にすること
により、プローブ、試料を保護できる。また、微動部を
圧電材料からなる圧電素子によって構成していること
で、電圧によって簡単に微少移動させることができ、移
動方向はユーザーが自由に選定できる。さらに、測定状
況合わせて、伸縮部を簡単に交換できる。
According to the present invention, it is possible to provide a probe control device capable of easily controlling the distance between the probe and the sample in a short time. Further, by making the expandable portion of the surrounding portion cylindrical, the probe and the sample can be protected. Further, since the fine movement part is composed of a piezoelectric element made of a piezoelectric material, it can be easily moved minutely by a voltage, and the moving direction can be freely selected by the user. Furthermore, the expandable part can be easily replaced according to the measurement situation.

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

【図1】本発明のプローブ制御装置の概略構成図であ
る。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a probe control device of the present invention.

【図2】本発明のプローブ制御装置の信号生成部を示す
図である。
FIG. 2 is a diagram showing a signal generation unit of the probe control device of the present invention.

【図3】本発明に係る多段アクチュエータの実施形態を
示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of a multistage actuator according to the present invention.

【図4】本発明に係る多段アクチュエータのプローブ伸
縮部の実施形態を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of a probe expanding / contracting portion of a multistage actuator according to the present invention.

【図5】本発明に係る多段アクチュエータの微動部の動
作説明図である。
FIG. 5 is an operation explanatory view of the fine movement part of the multistage actuator according to the present invention.

【図6】本発明に係る多段アクチュエータのプローブ伸
縮部の動作説明図である。
FIG. 6 is an operation explanatory view of the probe expansion / contraction unit of the multistage actuator according to the present invention.

【図7】本発明に係る多段アクチュエータの微動部の動
作説明図である。
FIG. 7 is an operation explanatory view of the fine movement part of the multistage actuator according to the present invention.

【図8】本発明に係る多段アクチュエータの伸縮部の動
作説明図である。
FIG. 8 is an operation explanatory view of the expandable portion of the multi-stage actuator according to the present invention.

【図9】本発明に係る多段アクチュエータの伸縮部の展
開図図である。
FIG. 9 is a development view of a telescopic portion of the multistage actuator according to the present invention.

【図10】本発明のプローブ制御装置に係る印加信号生
成回路図である。
FIG. 10 is an applied signal generation circuit diagram according to the probe control apparatus of the present invention.

【図11】本発明に係る多段アクチュエータの伸縮部を
水平断面図である。
FIG. 11 is a horizontal cross-sectional view of the expandable portion of the multi-stage actuator according to the present invention.

【図12】本発明に係る多段アクチュエータの外観斜視
図である。
FIG. 12 is an external perspective view of a multistage actuator according to the present invention.

【図13】本発明に係る多段アクチュエータの伸縮部の
外観斜視図である。
FIG. 13 is an external perspective view of a telescopic portion of the multistage actuator according to the present invention.

【図14】本発明に係る多段アクチュエータの一部破断
外観斜視図である。
FIG. 14 is a partially cutaway external perspective view of a multistage actuator according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 基準信号発生器 11 演算部 12 信号生成部 13 粗動信号発生部 20 多段アクチュエータ 23、24、25 伸縮部 21 検出信号変換部 26 プローブ 27 試料 31、32、33、34、35 微動部 36 台 38 プローブ信号線 39 弾性部信号線 140 ハーメチックポート 10 Reference signal generator 11 Operation part 12 Signal generator 13 Coarse motion signal generator 20 Multi-stage actuator 23, 24, 25 telescopic part 21 Detection signal converter 26 probes 27 samples 31, 32, 33, 34, 35 Fine movement part 36 units 38 probe signal line 39 Elastic section signal line 140 hermetic port

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−119665(JP,A) 特開 平2−262001(JP,A) 特開 平9−89550(JP,A) 特開 平5−190933(JP,A) 特開 平5−56667(JP,A) 特開 平7−83651(JP,A) 特開 平4−348204(JP,A) 特開 平4−248378(JP,A) 特開 平7−159150(JP,A) 特開 平11−112047(JP,A) 特開 平6−265341(JP,A) 特開 平3−209105(JP,A) 特公 平7−62603(JP,B2) 特公 平3−79677(JP,B2) 実公 平7−24951(JP,Y2) 特許3180024(JP,B2) 川見浩、井上誠司、吉村雅満、八百隆 文,“走査型トンネル顕微鏡(STM) の試作”固体物理,日本,株式会社アグ ネ技術センター,1993年 3月15日,第 28巻、第3号,p.37−42 瀧正二、岡部弘高、松重和美,“走査 型トンネル顕微鏡(STM)の製作”, 九州大学工学集報,日本,九州大学工学 部,1991年10月30日,第64巻、第5号, p.399−406 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 H01L 41/00 - 41/26 H02N 2/00 - 2/18 G01B 9/00 - 9/10 G05D 3/00 - 3/20 JICSTファイル(JOIS)Continuation of front page (56) Reference JP-A-6-119665 (JP, A) JP-A-2-262001 (JP, A) JP-A-9-89550 (JP, A) JP-A-5-190933 (JP , A) JP 5-56667 (JP, A) JP 7-83651 (JP, A) JP 4-348204 (JP, A) JP 4-248378 (JP, A) JP 7-159150 (JP, A) JP-A-11-112047 (JP, A) JP-A-6-265341 (JP, A) JP-A-3-209105 (JP, A) JP-B 7-62603 (JP, A) B2) Japanese Patent Publication 3-79677 (JP, B2) Japanese Patent Publication 7-24951 (JP, Y2) Patent 3180024 (JP, B2) Hiroshi Kawami, Seiji Inoue, Masamitsu Yoshimura, Takafumi Yao, "Scanning Tunnel" Microscope (STM) Prototype "Solid State Physics, Japan, Agne Technology Center Co., Ltd., March 15, 1993, Volume 28, No. 3, p. 37-42 Taki Shoji, Okabe Hirotaka, Matsushige Kazumi, "Production of Scanning Tunneling Microscope (STM)", Kyushu University Engineering Bulletin, Japan, Kyushu University Faculty of Engineering, October 30, 1991, Volume 64, Volume 5. Issue, p. 399-406 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G01N 13/10-13/24 G12B 21/00-21/24 H01L 41/00-41/26 H02N 2/00-2 / 18 G01B 9/00-9/10 G05D 3/00-3/20 JISST file (JOIS)

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】顕微鏡に用いられるプローブ制御装置にお
いて、 プローブ先端と試料表面との目標距離を、電気信号に変
換した基準信号を出力する基準信号発生部と、 上記基準信号発生部から出力される基準信号と、上記プ
ローブ先端と上記試料表面との実際の距離を、電気信号
に変換した比較信号との差異を演算する演算部と、 上記プローブを移動させる複数の伸縮部を備えた多段ア
クチュエータと、 上記演算部の出力にもとづいて、上記複数の伸縮部を駆
動させる駆動信号を生成する信号生成部と、を備え、 上記駆動信号により、上記プローブ先端が上記目標距離
に到達するまで、上記複数の伸縮部をそれぞれ個別に駆
動するプローブ制御装置であって、 さらに、上記信号生成部から出力される駆動信号とは別
に、上記多段アクチュエータを粗く移動させる複数の粗
動信号を出力する粗動信号発生部と、 上記粗動信号発生部から出力される粗動信号を、上記信
号生成部から出力される駆動信号に加算する加算部と、
を備え、 上記プローブ先端と上記試料表面との距離が、上記目標
距離から予め定めた距離に接近するまで、上記加算部に
より上記粗動信号が加算された加算信号によって、上記
多段アクチュエータを移動することを特徴とするプロー
ブ制御装置
1. A probe control device for use in a microscope , comprising: a reference signal generator for outputting a reference signal obtained by converting a target distance between a probe tip and a sample surface into an electric signal; and an output from the reference signal generator. A calculation unit for calculating a difference between a reference signal, a comparison signal obtained by converting the actual distance between the probe tip and the sample surface into an electric signal, and a multi-stage actuator having a plurality of expansion / contraction units for moving the probe. A signal generation unit that generates a drive signal that drives the plurality of expandable units based on the output of the arithmetic unit, the plurality of the plurality of units until the probe tip reaches the target distance by the drive signal. Of the expansion / contraction part of the probe controller , which is different from the drive signal output from the signal generation part.
In addition, a plurality of coarse
The coarse motion signal generator that outputs a motion signal and the coarse motion signal that is output from the coarse motion signal generator are
An adder for adding to the drive signal output from the signal generator,
With a distance between the probe tip and the sample surface, the target
From the distance until approaching a predetermined distance,
With the addition signal obtained by adding the coarse movement signal,
Plow characterized by moving multi-stage actuator
Control device .
【請求項2】請求項1記載のプローブ制御装置におい
て、 上記信号生成部は、上記演算部から出力されたデジタル
信号値の各桁毎にD/A変換器を備えると共に、前記各
D/A変換器毎に駆動信号を生成し、上記多段アクチュ
エータの複数の伸縮部の必要移動量に応じて、上記各桁
毎の駆動信号を選択して出力し、制御することを特徴と
するプローブ制御装置。
2. The probe control device according to claim 1, wherein the signal generation unit includes a D / A converter for each digit of the digital signal value output from the calculation unit, and the D / A converter is provided. A probe control device characterized in that a drive signal is generated for each converter, and the drive signal for each digit is selected and output according to the required movement amount of a plurality of expansion / contraction parts of the multi-stage actuator and controlled. .
【請求項3】請求項1または2に記載のプローブ制御装
置において、 上記多段アクチュエータの伸縮部に、圧電素子を用いる
ことを特徴とするプロ ーブ制御装置
3. The probe control device according to claim 1 or 2.
In this case, a piezoelectric element is used for the expansion / contraction part of the multistage actuator.
Probe controller, characterized in that.
【請求項4】請求項1ないし3のいずれかに記載のプロ
ーブ制御装置において、 上記多段アクチュエータの複数の伸縮部は、試料を搭載
する試料搭載部分と、前記試料搭載部分を取り囲み、上
記試料搭載部分とは分離された外囲部分とで構成されて
いることを特徴とするプローブ制御装置
4. The professional according to any one of claims 1 to 3.
In the probe control device, the multiple expansion / contraction parts of the multi-stage actuator carry the sample.
Surround the sample mounting part and the sample mounting part
It is composed of a sample mounting part and a separate surrounding part.
A probe control device characterized in that
【請求項5】顕微鏡に用いられるプローブ制御装置にお
いて、 プローブ先端と試料表面との目標距離を、電気信号に変
換した基準信号を出力する基準信号発生部と、 上記基準信号発生部から出力される基準信号と、上記プ
ローブ先端と上記試料表面との実際の距離を、電気信号
に変換した比較信号との差異を演算する演算部と、 上記プローブを移動させる複数の伸縮部を備えた多段ア
クチュエータと、 上記演算部の出力にもとづいて、上記複数の伸縮部を駆
動させる駆動信号を生成する信号生成部と、を備え、 上記駆動信号により、上記プローブ先端が上記目標距離
に到達するまで、上記複数の伸縮部をそれぞれ個別に駆
動するプローブ制御装置であって、 上記多段アクチュエータの複数の伸縮部は、試料を搭載
する試料搭載部分と、前記試料搭載部分を取り囲み、上
記試料搭載部分とは分離された外囲部分とで構成されて
いることを特徴とするプローブ制御装置。
5. A probe control device used in a microscope.
There are, the target distance between the probe tip and the sample surface, varying the electrical signal
A reference signal generator for outputting a reference signal conversion, a reference signal outputted from the reference signal generator, the flop
The actual distance between the tip of the lobe and the surface of the sample above is calculated as an electrical signal.
A multi-stage array equipped with a computing unit for computing the difference from the comparison signal converted to the above and a plurality of telescopic units for moving the probe.
Based on the output of the actuator and the computing unit, drive the above-mentioned multiple expansion / contraction units.
And a signal generator that generates a drive signal for moving the probe tip, and the probe tip causes the target distance to be increased by the drive signal.
Drive each of the above expansion units individually until
In the moving probe control device, the plurality of expansion / contraction parts of the multi-stage actuator include a sample mounting portion for mounting a sample, and an outer peripheral portion surrounding the sample mounting portion and separated from the sample mounting portion. A probe control device characterized by being provided.
【請求項6】請求項5に記載のプローブ制御装置におい
て、 上記信号生成部は、上記演算部から出力されたデジタル
信号値の各桁毎にD/A変換器を備えると共に、前記各
D/A変換器毎に駆動信号を生成し、上記多段アクチュ
エータの複数の伸縮部の必要移動量に応じて、上記各桁
毎の駆動信号を選択して出力し、制御することを特徴と
するプローブ制御装置
6. The probe control device according to claim 5,
Then, the signal generator is configured to output the digital signal output from the calculator.
A D / A converter is provided for each digit of the signal value, and
A drive signal is generated for each D / A converter, and the multi-stage actuator is
Depending on the required amount of movement of the multiple expansion and contraction parts of the data, each of the above digits
The feature is that the drive signal for each is selected, output, and controlled.
Probe control device .
【請求項7】請求項5または6に記載のプローブ制御装
置において、 上記多段アクチュエータの伸縮部に、圧電素子を用いる
ことを特徴とするプローブ制御装置。
7. The probe control device according to claim 5 or 6.
In this case, a piezoelectric element is used for the expansion / contraction part of the multistage actuator.
A probe control device characterized by the above.
【請求項8】請求項4ないし7のいずれかに記載のプロ
ーブ制御装置において、 上記多段アクチュエータの上記外囲部分と、上記試料搭
載部分との空間は、密閉状態にでき、真空若しくは、不
活性ガスの封入が可能なことを特徴とするプローブ制御
装置
8. A professional according to claim 4 or 7.
In the probe controller, the surrounding portion of the multistage actuator and the sample
The space between the mounting part and the
Probe control characterized by encapsulation of active gas
Equipment .
【請求項9】走査型トンネル顕微鏡,原子間力顕微鏡,
ニアフィールド顕微鏡のいずれかに用いられることを特
徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載のプローブ
制御装置。
9. A scanning tunneling microscope, an atomic force microscope,
Specially used for any of the near field microscopes
The probe according to any one of claims 1 to 8, which is a characteristic of the probe.
Control device.
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