JP2002082036A

JP2002082036A - 走査型プローブ顕微鏡用スキャナー

Info

Publication number: JP2002082036A
Application number: JP2000273849A
Authority: JP
Inventors: Toshio Ando; 敏夫安藤; Kiwamu Saito; 究齋藤; Akitoshi Toda; 明敏戸田
Original assignee: Kanazawa University NUC; Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Kanazawa University NUC; Olympus Corp
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2002-03-22

Abstract

(57)【要約】【課題】走査動作に伴う振動の発生が抑えられた、これ
により高精度な位置制御を高速で行える走査型プローブ
顕微鏡用走査機構を提供する。【解決手段】走査機構２００は、アクチュエータ台座２
０２と、この台座に設けられたアクチュエータ保持部材
２０６,２０７と、この保持部材に保持されたＹ方向に
伸縮可能なアクチュエータ２０３と、アクチュエータ２
０３の一端に固定されたＸ方向に伸縮可能なアクチュエ
ータ２０４と、アクチュエータ２０４の一端に固定され
たＺ方向に伸縮可能なアクチュエータ２０５と、アクチ
ュエータ２０５の一端に設けられた試料保持部材２０８
とを有している。アクチュエータ２０５はその中央付近
がアクチュエータ２０４に接合されており、アクチュエ
ータ２０４はその中央付近がアクチュエータ２０３に接
合されており、アクチュエータ２０３はその中央付近が
保持部材２０６,２０７によって保持されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡や、走査型プローブ顕微鏡の技術を応用した試料観
察や加工や情報記録などを行う装置などに用いられる、
走査型プローブ顕微鏡用走査機構(スキャナー)に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】被移動物(移動対象物)をＸＹＺ方向に直
線的に動かし並進移動させたり、それぞれの軸に対して
回転移動させたりするステージ機構は、機械機構の最も
基本的な要素の一つである。またモータなどの駆動機構
を使いステージ移動を電気信号などの制御信号に応じて
移動制御できる自動ステージはあらゆる場面で使われて
いる。このようなステージ機構におけるステージ(可動
ステージ)はステージを固定するステージ機構の支持部
に保持されるので、ステージは被移動物の支持部に対す
る位置関係を変化させる機構であると言える。

【０００３】被移動物をくり返し往復させるもしくは回
転半回転動作をさせる機械的動作を伴い、比較的短い時
間内にその動作をさせることが可能な機械機構の場合、
その機械機構は走査機構とも呼ばれる。(以下、断りの
無い限りこのような機械的な走査機構を単に走査機構あ
るいはスキャナーと呼ぶ。)例えば走査型顕微鏡などに
は、そのような走査機構が搭載されている。そのような
走査機構が搭載された走査型顕微鏡装置として、走査型
プローブ顕微鏡やレーザ走査型顕微鏡、さらには電子ビ
ームを固定したまま試料を走査して画像を得るタイプの
電子走査型顕微鏡が例としてあげられる。

【０００４】走査型プローブ顕微鏡(ＳＰＭ)は機械的探
針を機械的に走査して試料表面の情報を得る走査型顕微
鏡であって、走査型トンネリング顕微鏡(ＳＴＭ)、原子
間力顕微鏡(ＡＦＭ)、走査型磁気力顕微鏡(ＭＦＭ)、走
査型電気容量顕微鏡(ＳＣａＭ)、走査型近接場光顕微鏡
(ＳＮＯＭ)、走査型熱顕微鏡(ＳＴｈＭ)などの総称であ
る。最近では試料表面にダイヤモンド製の探針を押しつ
け圧痕をつけその圧痕のつき具合を解析して試料の固さ
などを調べるナノインデンテータなどもこのＳＰＭの一
つと位置づけられており、前述の各種の顕微鏡とともに
広く普及している。

【０００５】走査型プローブ顕微鏡は、機械的探針と試
料とを相対的にＸＹ方向にラスター走査し所望の試料領
域の表面情報を機械的探針を介して得て、モニターＴＶ
上にマッピング表示することができる。また、ＳＮＯＭ
などは機械的探針先端から発せられる光を被加工物に作
用して微細加工を行ったり、光による情報記録を行った
りすることができる。さらには、ナノインデンテータに
よれば試料表面に凹凸を形成し、やはり微細加工を行っ
たり、情報記録を行ったりすることができる。

【０００６】このような走査型プローブ顕微鏡において
は、ＸＹ走査の間、Ｚ方向についても試料と探針との相
互作用が一定になるようフィードバック制御してＺ方向
の移動を担う走査機構を動かしている。このＺ方向の動
きは規則的な動きをするＸＹ方向の動きとは異なり、試
料の表面形状や表面状態を反映するため不規則な動きと
なるが、一般にＺ方向の走査動作とされている。そして
このＺ方向の走査はＸＹＺ各方向のなかでは最も高い周
波数での動きとなる。走査型プローブ顕微鏡のＸ方向の
走査周波数は０.０５から２００Ｈｚ程度であり、Ｙ方
向の走査周波数は、Ｘ方向走査周波数のＹ方向走査ライ
ン数分の１程度であって、Ｙ方向走査ライン数は１０か
ら１０００ラインである。またＺ方向の走査周波数はＸ
走査方向周波数に対し、Ｘ方向走査１ラインあたりの画
素数倍からその１００倍程度である。

【０００７】例えば、Ｘ方向１００画素、Ｙ方向１００
画素の画像を１秒で取り込むとき、Ｘ方向の走査周波数
は１００Ｈｚ、Ｙ方向の走査周波数は１Ｈｚ、Ｚ方向の
走査周波数は１０ｋＨｚ以上となる。なお、この例の走
査周波数は走査型プローブ顕微鏡としては今のところ最
も高い走査周波数にあたり、通常はＸ方向走査周波数は
数Ｈｚ程度に留まっている。例のような高い走査周波数
を実現するには、その走査機構は、外部からの振動に対
し安定であるのはもちろん、内部の走査動作にともない
自分白身で発生する振動が小さく抑えられていることが
求められる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】走査機構のステージを
動かすとステージを支持する走査機構の支持部にはその
反作用力が作用し振動として支持部に伝わる。支持部に
伝わった振動は、支持部を揺らしたり、その揺れが再度
ステージに作用してステージを揺らしたりするので、高
精度で位置制御することを求められるステージではこの
振動を抑えることが必要である。振動の発生を抑えるた
め、ステージを動かす際ステージの加速度が小さくなる
よう、ステージをゆっくり動かすことは一つの有効な方
法である。しかし、短い時間内に所望の位置に移動させ
る必要がある場合、求められる移動速度性能を発揮する
には、ゆっくり移動させる方法は採用できない。このよ
うな場合は振動を抑えるための別の工夫が必要となる。
短い時間内に所望の位置に移動させる必要がある場合と
は、走査型プローブ顕微鏡を例に取れば、一つには高速
走査し短時間に画像を取り込む場合である。また、試料
の凹凸が大きく、Ｚ方向の移動を短時間に行わなければ
ならない場合である。

【０００９】本発明の目的は、振動の発生が抑えられ
た、これにより高精度な位置制御を高速で行える走査型
プローブ顕微鏡用スキャナーを提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による走査型プロ
ーブ顕微鏡用スキャナーは、走査のために移動対象物を
第一の方向に移動させるための第一の駆動部と、移動対
象物を第一の方向とは異なる第二の方向に移動させる第
二の駆動部と、移動対象物を第一の方向および第二の方
向とは異なる第三の方向に移動させる第三の駆動部とを
有しており、第一の駆動部の中央付近は第二の駆動部の
端部に接合され、第二の駆動部の中央付近は第三の駆動
部の端部に接合されている。

【００１１】

【発明の実施の形態】(第１の実施の形態)本発明の第１
の実施の形態の走査機構を備える機械式走査型顕微鏡す
なわち走査型プローブ顕微鏡を図１に示す。

【００１２】図１において、走査型プローブ顕微鏡１０
０は、大まかに走査型プローブ顕微鏡機能の部分と光学
顕微鏡機能の部分とからなる。

【００１３】走査型プローブ顕微鏡機能の部分は、筐体
１０１、光センサーユニット１０２、センサーユニット
用Ｚステージ１０３、スライドガラス１０４、スライド
ガラス保持部材１０５、カンチレバーチップ１０６、走
査機構保持台１０７、走査機構２００、アクチュエータ
駆動回路１１２、走査制御回路１１３、フィードバック
回路１１４、ＡＣ/ＤＣ変換回路１１５、発振回路１１
６、プリアンプ回路１１７、半導体レーザ駆動回路１１
８、コンピュータ１１９、モニターＴＶ１２０を有して
いる。

【００１４】また光学顕微鏡機能の部分は、光源ランプ
１３９とレンズ１３８を含む顕微鏡観察照明光学系１１
０、接眼レンズ１４０を含む顕微鏡観察観察光学系１１
１、ハーフプリズム１３７、顕微鏡照明ランプ電源１２
１、更に走査型プローブ顕微鏡機能の部分と共用する光
センサーユニット１０２の対物レンズ１２２を有してい
る。

【００１５】走査型プローブ顕微鏡機能の部分について
説明を加える。

【００１６】走査機構保持台１０７は手動で微小送りが
できる三本のマイクロメータヘッド１３５,１３６(図１
には二本のみが描かれている)により、筐体１０１上に
３点支持されている。また、走査機構２００は、走査機
構保持台１０７に支持されており、試料１０９は、図中
下向きに、すなわちカンチレバーチップ１０６側と対向
するように走査機構２００に取り付けられる。走査機構
２００は、試料１０９をＸ,Ｙ,Ｚ方向に微動走査させ
る。この走査機構２００の構成は後で詳しく説明する。
走査機構２００は、Ｘ,Ｙ,Ｚ方向の各々に関してカンチ
レバーチップ１０６の探針１３２と試料１０９との位置
の粗調整を行う調整機構を備えていてもよい。

【００１７】光センサーユニット１０２は、カンチレバ
ーチップ１０６のカンチレバー１３１の動きを測定す
る、光てこ方式の光センサーである。光センサーユニッ
ト１０２は、対物レンズ１２２、対物レンズ支持台１２
３、プリズム１２４、偏光ビームスプリッター１２５、
コリメートレンズ１２６、半導体レーザ１２７、レーザ
位置調整ステージ１２８、二分割フォトダイオード１２
９、フォトダイオード位置調整ステージ１３０を有して
いる。

【００１８】半導体レーザ１２７から発せられた光は、
コリメートレンズ１２６で平行光とされた後、偏光ビー
ムスプリッター１２５で反射された後、プリズム１２４
で更に反射され、対物レンズ１２２に入る。平行光は対
物レンズ１２２で集光され、カンチレバーチップ１０６
のカンチレバー１３１の背面に集光される。カンチレバ
ー１３１の背面で反射された光は、逆の道をたどり偏光
ビームスプリッター１２５を通り、更に直進して二分割
フォトダイオード１２９に至る。カンチレバー１３１の
角度変位は、二分割フォトダイオード１２９上の光スポ
ットの動きに反映され、電気信号として出力される。

【００１９】光センサーユニット１０２の対物レンズ１
２２は、顕微鏡観察照明光学系１１０、顕微鏡観察観察
光学系１１１とともに、光学顕微鏡観察光学系を構成
し、試料１０９の光学顕微鏡観察を可能にする。なお対
物レンズ１２２は、光学顕微鏡用の対物レンズであり、
例えば２０倍の倍率を有する。

【００２０】センサーユニット用Ｚステージ１０３は、
対物レンズ１２２を含む光センサーユニット１０２の位
置を粗動調整するためのステージであって、光センサー
ユニット１０２に含まれる対物レンズ１２２を上下さ
せ、光センサーの焦点合わせや顕微鏡観察の焦点合わせ
を行う。

【００２１】スライドガラス保持部材１０５は、スライ
ドガラス１０４を保持する。スライドガラス保持部材１
０５には、カンチレバーチップ１０６の取り付け部から
離れたところに、カンチレバー１３１を励振させるため
の励振用圧電体１３３が固定されている。この励振用圧
電体１３３にはカンチレバー１３１の共振周波数近傍の
交流電圧が印加され、この電圧印加に応じて励振用圧電
体１３３は振動し、その振動はカンチレバーチップ１０
６に伝わりカンチレバー１３１を振動させる。

【００２２】このようにカンチレバー１３１を振動させ
る測定では、光センサーユニット１０２から出力される
カンチレバーの変位信号は交流的になる。ＡＣ/ＤＣ変
換回路１１５は、これを直流信号に変換する回路であ
る。カンチレバーを振動させない測定では、この回路は
バイパスされ動作されなくてもよい。

【００２３】また、図１には、液体中での観察の様子が
描かれており、走査機構２００の試料１０９付近からカ
ンチレバーチップ１０６が固定されたスライドガラス１
０４近傍に、水１３４が垂らされており、試料１０９と
カンチレバーチップ１０６は共に水中に位置している。
大気中での測定を行う場合には、この水１３４は不要で
ある。

【００２４】図１に示されるように、走査型プローブ顕
微鏡１００には、装置を制御・駆動するための電気回路
などが含まれている。これら回路の動作については従来
より提案されている走査型プローブ顕微鏡の回路動作と
同様である。

【００２５】走査制御回路１１３には、コンピュータ１
１９から、ＸＹＺ走査の制御信号が与えられる。図１
に、Ｚで示される信号は、走査機構２００のＺ方向走査
用のアクチュエータとカンチレバーチップ１０６の探針
１３２との距離を調整するための信号である。この信号
Ｚは主に、測定前のフォースカーブ測定など、測定条件
設定時にコンピュータから出力される。またコンピュー
タ１１９は発振回路１１６を制御して、励振用圧電体１
３３を動作させ、カンチレバー１３１をその共振周波数
付近で振動させる。

【００２６】測定に入ると、コンピュータ１１９から出
力されるラスター走査制御信号(図１にＸ,Ｙで示され
る)に基づいて、走査機構２００のアクチュエータがＸ
Ｙ方向に走査される。カンチレバー１３１の先端にある
探針１３２と試料１０９表面との相互作用に基づくカン
チレバー１３１の変位は光センサーユニット１０２で検
出され、光センサーユニット１０２はその変位信号を出
力する。光センサーユニット１０２からの変位信号出力
は、プリアンプ回路１１７で増幅され、ＡＣ/ＤＣ変換
回路１１５に入力される。ＡＣ/ＤＣ変換回路１１５
は、発振回路１１６からの参照信号の周波数成分の信号
を抽出し、交流信号を直流信号に変換する。

【００２７】フィードバック回路１１４は、コンピュー
タ１１９から指示されたセッティング信号とＡＣ/ＤＣ
変換回路１１５からの入力信号とを比較し、走査制御回
路１１３にＺ方向フィードバック信号Ｚｆｂを送る。こ
のＺ方向フィードバック信号ＺｆｂがＺ方向アクチュエ
ータの走査制御信号となる。走査制御回路１１３は、Ｚ
方向フィードバック信号Ｚｆｂに基づいてアクチュエー
タ駆動回路１１２を制御し、走査機構２００のアクチュ
エータを駆動する。コンピュータ１１９は、自分自身が
発生するＸ,Ｙの走査制御信号とフィードバック回路１
１４からの信号を元に、試料の表面情報を三次元情報と
して処理し、モニターＴＶ１２０に表示させる。

【００２８】本実施の形態の走査機構２００について、
図２と図３を参照しながら、詳しく説明する。

【００２９】図２と図３に示されるように、走査機構２
００は、走査機構保持台２０１と、これに固定されたア
クチュエータ台座２０２と、アクチュエータ台座２０２
に設けられたアクチュエータ保持部材２０６,２０７
と、アクチュエータ保持部材２０６,２０７によって保
持されたアクチュエータ２０３と、アクチュエータ２０
３の一端に固定されたアクチュエータ２０４と、アクチ
ュエータ２０４の一端に固定されたアクチュエータ２０
５と、アクチュエータ２０５の一端に設けられた試料保
持部材２０８とを有している。

【００３０】アクチュエータ２０５はＺ方向(第一の方
向)に伸縮可能であり、その中央付近がアクチュエータ
２０４の端部に接合されている。アクチュエータ２０４
はＸ方向(第二の方向)に伸縮可能であり、その中央付近
がアクチュエータ２０３の端部に接合されている。アク
チュエータ２０３はＹ方向(第三の方向)に伸縮可能であ
り、その中央付近がアクチュエータ保持部材２０６,２
０７によって保持されている。

【００３１】アクチュエータ２０３,２０４,２０５は、
例えば、積層型圧電体であり、圧電体は、例えば、長さ
が１０ｍｍで断面が５ｍｍ×３ｍｍであり、１００Ｖの
電圧を印加することで３μｍ伸び縮みする。アクチュエ
ータ２０３,２０４,２０５は、それぞれ、そこから延び
る二本の線を介しての駆動電圧の印加に応じて、Ｙ,Ｘ,
Ｚ方向に伸縮する。これらのアクチュエータは円筒型圧
電体であってもかまわない。

【００３２】アクチュエータ保持部材２０６と２０７
は、アクチュエータ２０４のおよそ中央付近あるいは重
心付近を保持している。アクチュエータ２０３は、アク
チュエータ２０４の中央付近あるいは重心付近を保持し
ている。アクチュエータ２０４は、アクチュエータ２０
５の中央付近あるいは重心付近を保持している。

【００３３】アクチュエータ２０５は、その端部に、移
動対象物、例えば試料を保持するための試料保持部材２
０８を備えている。試料保持部材２０８は、この端面に
試料台ガラスが取り付けられる。

【００３４】次に、図２に示される走査機構２００のＺ
方向の動作について、これを模式的に示している図４を
参照して説明する。図４には、続く説明に必要な部材の
みが示されている。

【００３５】図４において、アクチュエータ２０５は積
層型圧電体であり、その中央付近が、アクチュエータ保
持部材３０１によって、走査機構保持台２０１に設けら
れたアクチュエータ台座２０２に固定されている。アク
チュエータ保持部材３０１は図２の中のアクチュエータ
２０４に対応するが、図３では走査機構のＺ方向の動作
の説明のため模式的な図であるので、アクチュエータ保
持部材３０１は図２のアクチュエータ２０４の様に移動
動作はしない。積層圧電体２０５は、電圧の印加に応じ
て、アクチュエータ保持部材３０１に固定された中央付
近を基準にして、その両側の部分が、矢印で示されるよ
うに、両方向に伸縮する。

【００３６】一般に、アクチュエータの動作は、これを
保持するアクチュエータ保持部材に振動やアクチュエー
タの動作の反作用による衝撃を与える。このような振動
や衝撃は、走査機構を揺らす原因となる。高速での走査
や高い周波数での走査では、走査機構の振動は極力抑え
られることが望まれる。

【００３７】本実施の形態では、アクチュエータ２０５
の中央付近が保持されているので、図中に×印で示され
るアクチュエータ２０５とアクチュエータ保持部材３０
１の境界面付近においては、衝撃がバランスし、アクチ
ュエータ台座２０２や走査機構保持台２０１に伝わる振
動が抑えられる。これは後述する図１４と図１５と図１
６に示される比較例と比べることにより良く理解されよ
う。

【００３８】なお、図４においては、試料保持部材２０
８のために、アクチュエータ保持部材３０１に対する形
状対称性がわずかにくずれているが、対称性のバラツキ
は試料保持部材２０８の重量が小さい場合はアクチュエ
ータ２０５へのアクチュエータ保持部材３０１の接合位
置精度によるバラツキ以内で収まるので、衝撃をバラン
スさせアクチュエータ台座２０２や走査機構保持台２０
１に伝わる振動を抑える効果は十分発揮される。

【００３９】以上は、Ｚ方向走査用のアクチュエータ２
０５に関する振動発生の抑制の説明であるが、Ｘ方向走
査用のアクチュエータ２０４とＹ方向走査用のアクチュ
エータ２０３についても同様に振動の発生が抑制され
る。

【００４０】従来、このような積層型圧電体等のアクチ
ュエータは、走査範囲を広く取るため、つまり長いスト
ロークを得るため、通常は一方の端部が保持される。こ
のため、アクチュエータの動作の反作用がアクチュエー
タ保持部材にかかり、これが走査機構を揺らせてしまっ
ている。

【００４１】これに対し、本実施の形態のようにアクチ
ュエータの中央付近が保持された走査機構では、運動系
の重心付近が保持されるため、保持位置でのぶれが抑え
られる。その結果、この走査機構は、振動が少なく、高
速走査に対しても安定に動作する。

【００４２】図１に示される走査型プローブ顕微鏡で
は、Ｘ方向１００画素/ライン、Ｙ方向１００ライン(１
００００画素/画面)でのデータ取り込みにおいて、０.
５μｍ×０.５μｍの試料表面の観察範囲を、０.５秒/
画面という画像取り込み速度で液体中の試料(１５０ｎ
ｍ径のラテックス球)を測定表示することが行えた。０.
５秒/画面という画像取り込み速度の値は、走査型プロ
ーブ顕微鏡においては、極めて短時間である。なお、こ
の測定には、大気中での共振周波数が１.３３ＭＨｚ、
液体中での共振周波数が４７５ｋＨｚの、作製プロセス
の設計上の寸法が長さ９μｍ×幅２μｍ×厚さ０.０９
μｍの窒化シリコン製のカンチレバーを用いた。また、
そのばね定数は１４３ｐＮ/ｎｍと見積もられた。

【００４３】また、本実施の形態の走査機構は、アクチ
ュエータ２０５に、市販のアクチュエータをそのまま加
工することなく使えるので、コストを安く抑えることが
できるという利点も有している。

【００４４】(第２の実施の形態)本発明の第２の実施の
形態について図５を参照して説明する。図５は、図４に
相当する図面であり、続く説明に必要な部材のみが示さ
れている。また、これらの図面中、同じ参照符号で示さ
れる部材は同等の部材を示している。

【００４５】本実施の形態の走査機構では、Ｚ方向走査
用のアクチュエータ３０２は、例えばアルミニウムのブ
ロックからなるアクチュエータ連結部材３０３と、これ
に連結された二本の積層型圧電体３０４,３０５とを有
している。二本の積層型圧電体３０４,３０５は、一般
に広く市販されているものであり、これらは、アクチュ
エータ連結部材３０３を間に挟んで直線的に延びるよう
に、接着剤によってアクチュエータ連結部材３０３に固
定されている。また、積層型圧電体３０４の自由端に
は、試料保持部材２０８が取り付けられている。

【００４６】図４との類似性から理解されるように、本
実施の形態の走査機構も、アクチュエータ３０２の中央
付近が保持されているため、振動が少なく、高速走査に
対しても安定に動作する。

【００４７】さらに、本実施の形態の走査機構では、二
本の積層型圧電体３０４,３０５の間に挟まれたアクチ
ュエータ連結部材３０３に、アクチュエータ２０４が接
着される。このため、本実施の形態の走査機構は、第１
の実施の形態の走査機構に比べて、アクチュエータ３０
５の取り付けの際の接着領域位置や接着領域広さなどの
バラツキに対しても、走査機構の個体差(性能差)が出に
くいという利点を有している。

【００４８】(第３の実施の形態)本発明の第３の実施の
形態について図６と図７を参照して説明する。本実施の
形態の走査機構は、図６と図７に示されるように、図２
と図３に示される第１の実施の形態の走査機構２００と
類似している。

【００４９】本実施の形態の走査機構４００は、図６と
図７に示されるように、走査機構保持台４０１と、これ
に固定されたアクチュエータ台座４０２と、アクチュエ
ータ台座４０２に設けられたアクチュエータ保持部材４
０６,４０７と、アクチュエータ保持部材４０６,４０７
によって保持されたアクチュエータ４０３と、アクチュ
エータ４０３の一端に固定されたアクチュエータ４０４
と、アクチュエータ４０４の一端に固定されたアクチュ
エータ４０５と、アクチュエータ４０４の一端に固定さ
れた釣り合い重り部材４０９と、アクチュエータ４０５
の一端に設けられた試料保持部材４０８とを有してい
る。

【００５０】アクチュエータ４０３,４０４,４０５は、
第１の実施の形態と同様に、積層圧電体であり、さら
に、釣り合い重り部材４０９も同等の積層圧電体であ
る。アクチュエータ４０５はＺ方向(第一の方向)に伸縮
可能であり、その中央付近がアクチュエータ４０４の一
方の端部に接合されている。釣り合い重り部材４０９は
アクチュエータ４０５とほぼ同じ重量を有しており、そ
の中央付近がアクチュエータ４０４の他方の端部に接合
されている。アクチュエータ４０４はＸ方向(第二の方
向)に伸縮可能であり、その中央付近がアクチュエータ
４０３の端部に接合されている。アクチュエータ４０３
はＹ方向(第三の方向)に伸縮可能であり、その中央付近
がアクチュエータ保持部材４０６,４０７によって保持
されている。

【００５１】図２と図３に示される第１の実施の形態の
走査機構２００では、Ｚ方向走査用のアクチュエータ２
０５の動作範囲が大きく形状や重さが大きいものを使用
した場合は、Ｘ方向走査用アクチュエータ２０４とＹ方
向走査用アクチュエータ２０３との接合部に対するＸ方
向走査用アクチュエータ２０４まわりの非対称性が無視
できなくなり制振の性能が下がることが予想される。

【００５２】本実施の形態の走査機構４００は、Ｘ方向
走査用のアクチュエータ２０４のＺ方向走査用のアクチ
ュエータ２０５を取り付けた端部と反対側の端部に固定
された釣り合い重り部材４０９を更に有しているので、
対称性が向上しており、結果としてＸ方向走査用アクチ
ュエータ２０４とＹ方向走査用アクチュエータ２０３と
の接合部からＹ方向走査用アクチュエータ２０３を介し
てアクチュエータ台座４０２に伝わる振動が抑えられ
る。従って、本実施の形態の走査機構は、振動が少な
く、高速走査に対しても安定に動作する。

【００５３】また、本実施の形態の走査機構は、第１の
実施の形態の走査機構に比べて、Ｘ方向走査に伴い発生
する振動が低減できるという利点を有している。比較的
平坦な試料を高速に走査し測定する場合に以下に述べる
利点を有している。

【００５４】図６と図７では、釣り合い重り部材４０９
としてアクチュエータ４０５と同じ積層圧電体が用いら
れているが、重量が同じであれば金属ブロックなど、他
の材料が用いられてもよい。また、より制振性を高める
ために、Ｙ方向走査用のアクチュエータ４０３のアクチ
ュエータ４０４が接合された端部の反対側の端部に、や
はり釣り合い重り部材が設けられているとよい。この場
合はＹ方向走査に伴い発生する振動も低減することがで
きる。このような形態は後ほど図１２と図１３を用いて
説明する第５の実施の形態の走査機構のなかで取り入れ
られている。

【００５５】(第４の実施の形態)本発明の第４の実施の
形態について図８〜図１１を参照して説明する。本実施
の形態の走査機構５００は、図８〜図１１に示されるよ
うに、走査機構保持台５０１と、これに固定されたアク
チュエータ台座５０２と、アクチュエータ台座５０２に
取り付けられた第一の案内板５０３と、第一の案内板５
０３に固定され第一の案内板５０３と第二の案内板５０
７との間に走査アクチュエータ５１０が入る間隔を作る
スペーサ部材５０４,５０５,５０６と、第一の案内板５
０３と第二の案内板５０７の間に配置されアクチュエー
タ保持部材５０８,５０９を介して第二の案内板５０７
に固定される走査アクチュエータ５１０と、走査アクチ
ュエータ５１０と案内板５０３,５０７の間に配置され
る金属製の微小球５１１,５１２,５１３,５１４とを有
している。

【００５６】走査アクチュエータ５１０は、アクチュエ
ータ保持部材５０８,５０９によって保持されたＹ方向
に伸縮可能なアクチュエータ５１５と、アクチュエータ
５１５の一端に固定されたＸ方向に伸縮可能なアクチュ
エータ５１６と、アクチュエータ５１６の一端に固定さ
れたＺ方向に伸縮可能なアクチュエータ５１７と、アク
チュエータ５１７の一端に設けられた試料保持部材５２
１とを有している。

【００５７】アクチュエータ５１５,５１６はそれぞれ
一本の積層型圧電体であり、アクチュエータ５１７は、
二本の積層型圧電体５１８,５１９と、両者を連結する
アクチュエータ連結部材５２０とを有している。アクチ
ュエータ５１７は、ほぼ中央に位置するアクチュエータ
連結部材５２０がアクチュエータ５１６の端部に接合さ
れている。アクチュエータ５１６は、その中央付近がア
クチュエータ５１５の端部に接合されている。アクチュ
エータ５１５は、その中央付近がアクチュエータ保持部
材５０８,５０９によって保持されている。

【００５８】走査アクチュエータ５１０の動作は第一も
しくは第二の実施の形態と同様であって、高い周波数で
走査されるＺ方向走査用のアクチュエータ５１７の中央
部にあるアクチュエータ連結部材５２０にＸ方向走査用
のアクチュエータ５１６が接合されているため、走査時
の衝撃がバランスし、案内板５０７やアクチュエータ台
座５０２側に伝わる振動が抑えられる。

【００５９】また、本実施の形態の走査機構５００は、
第１の実施の形態の走査機構２００に比べて、以下に述
べる利点を有している。第一の実施の形態の走査機構２
００では、三本のアクチュエータがアクチュエータ台座
に固定される箇所はアクチュェータ保持部材のみであ
り、その固定部分から試料保持部材までの機械的な長さ
が長くなっている上、Ｙ方向走査のアクチュエータがＺ
方向に振動するのを制限する機構を有していない。これ
に対し、本実施例の形態の走査機構５００では、アクチ
ュエータ側面に微小球５１１,５１２,５１３,５１４が
固定されており、この微小球５１１,５１２を介して案
内板５０３に、また微小球５１３,５１４を介して案内
板５０７に当て付けられている。この微小球と案内板５
０３,５０７とはアクチェエータのＸＹ平面内の運動に
対して滑ることでアクチュエータの伸縮を妨げずにＺ方
向の振動を低減するため、本実施の形態の走査機構は、
より振動が少なく、高速走査に対しても安定に動作す
る。

【００６０】微小球と案内板を使った走査機構は、特開
平９−８９９１０号にも開示されているが、本実施の形
態の走査機構５００では、Ｙ,Ｘ方向走査用のアクチュ
エータの端面はそれぞれＸ,Ｚ方向走査用のアクチュエ
ータに接着されており、従ってＸ,Ｙ,Ｚ方向走査用のア
クチュエータが互いに接合されている点と、微小球は駆
動部材であるアクチュエータ側面に配置されている点に
おいて、特開平９−８９９１０号のプローブ走査機構と
は異なっている。本実施形態の走査機構５００では、
Ｘ,Ｙ,Ｚ方向走査用のアクチュエータが互いに接合され
ているため接合部での機械剛性は十分高く、Ｘ,Ｙ,Ｚ方
向走査用のアクチュエータの各長さの和が長くリンキン
グを発生しやすい点を、ＸＹ面内の動作を許容する案内
機構を用いた振動低減の為の機構を組み合わせることに
より解決しており、その結果、より振動が少なく、高速
走査に対しても安定に動作する走査機構となっている。

【００６１】なお、微小球をアクチュエータに固定せ
ず、転がり動作が可能な転がり案内機構として微小球お
よびその接触部分に耐久性を持たせることももちろん本
発明に含まれる。

【００６２】また、微小球を用いる代わりに二枚の案内
板の間をゲルやシリコーンゴム、シリコーングリースあ
るいはシリコーン油で満たして静圧案内機構とすること
なども本発明に含まれる。なお、静圧案内機構は案内機
構としての性質と同時に振動減衰機構としての性質を有
している場合があり、見方によってはいわゆるダンバー
機構と映る場合もあるが、一番高い周波数で振動動作す
る第一の駆動部材の移動方向に対する第二もしくは第三
の振動部材の振動を抑えつつ、それぞれが担う移動方向
への移動を妨げないことから本発明の効果を案内機構を
用いた振動減衰の機構と同様に実現し得る。

【００６３】(第５の実施の形態)本発明の第５の実施の
形態について図１２と図１３を参照して説明する。図１
２と図１３に示されるように、本実施の形態の走査機構
６００は、走査機構保持台６０１と、これに固定された
アクチュエータ台座６０２と、このアクチュエータ台座
に取り付けられたアクチュエータ保持部材６０６,６０
７と、アクチュエータ保持部材６０６,６０７によって
保持されたＹ方向走査用のアクチュエータ群６０３と、
アクチュエータ群６０３の一端に固定されたＸ方向走査
用のアクチュエータ群６０４と、アクチュエータ群６０
４の一端に固定されたＺ方向走査用のアクチュエータ群
６０５と、アクチュエータ群６０５の一端に設けられた
試料保持部材６０８とを有している。ここで、アクチュ
エータ群とは、動作が逆向きの二つのアクチュエータを
連結部材を挟んで接合した構造体を言う。

【００６４】アクチュエータ群６０５は、そのほぼ中央
に位置する連結部材がアクチュエータ群６０４の端部に
接合されており、アクチュエータ群６０４は、そのほぼ
中央に位置する連結部材６１１がアクチュエータ群６０
３の端部に接合されており、アクチュエータ群６０３
は、そのほぼ中央に位置する連結部材がアクチュエータ
保持部材６０６,６０７によって保持されている。

【００６５】さらに、走査機構６００は、アクチュエー
タ群６０４の他端に固定された、Ｘ方向走査に関する釣
り合い重り部材６０９と、アクチュエータ群６０３の他
端に固定された、Ｙ方向走査に関する釣り合い重り部材
６１０とを有している。ここで、アクチュエータ群の他
端とは、前述のアクチュエータ群の一端という用語で指
摘された端の反対側の端を言う。釣り合い重り部材６０
９は、例えば、アクチュエータ群６０５と同等のアクチ
ュエータ群であり、そのほぼ中央に位置する連結部材が
アクチュエータ群６０４の端部に接合されている。

【００６６】加えて、走査機構６００は、Ｘ方向走査用
のアクチュエータ群の連結部材６１１から伸びる金属板
６１２と、アクチュエータ台座６０２に設けられた磁石
位置調整部材６１５,６１６と、磁石位置調整部材６１
５,６１６に取り付けられた二つの磁石６１４,６１５と
を有している。金属板６１２は二つの磁石６１４,６１
５の間を延びており、このように配置された金属板６１
２と磁石６１４,６１５は、磁性ダンパー機構を構成し
ている。

【００６７】図６と図７を参照して説明した本発明の第
３の実施の形態との類似性から理解が容易なように、本
実施の形態の走査機構６００は、釣り合い重りの６０
９,６１０を備えていることにより対称性が良く、アク
チュエータの動きにつれ発生する振動がアクチュエータ
台座６０２に伝わるのを抑える構造になっている。ま
た、本実施の形態の走査機構６００は、アクチュエータ
の動作に伴い発生する振動を減衰させる振動減衰の為の
機構が組み込まれている。

【００６８】振動減衰の為の機構は具体的には磁性ダン
パー機構を有している。磁性ダンパー機構は銅板などの
金属板を磁石の間に非接触で配置し、両者が相対的に動
くときに金属板のなかに起こる渦電流により振動のエネ
ルギーを熱エネルギーに変換し大気中へと放出すること
によりダンピングを実現する速度比例型のダンピング機
構である。

【００６９】本実施の形態の走査機構６００では、銅製
の金属板６１２は、アクチュエータ群を動かした時その
ＹＺ面内の振動に対して振動が減衰する。Ｙ方向の動作
は磁性タンパーのダンピング能力に対して十分な発生力
をもったアクチュエータ群６０３により駆動されるの
で、この磁性ダンパーは実質的にＺ方向の振動の減衰に
ついて効果を発揮する。

【００７０】既に市販されている走査型プローブ顕微鏡
においても、床などから伝わる外部振動を走査機構に伝
えない為の除振機構として磁性ダンパー(エディーカレ
ントダンパー)を採用しているものがある。これに対し
て、本発明における磁性ダンパーは、アクチュエータの
動きに伴い発生する振動を抑えることが主目的であり、
前述の除振機構とは異なる。実際、本発明の実施の形態
の走査機構６００においては、磁性ダンパー機構を構成
する金属板６１２は連結部材６１１に固定され、実質的
にアクチュエータと連結されており、アクチュエータの
振動を抑える。本発明で問題にしているアクチュエータ
の動作に伴って発生するノイズ振動は、前述の除振機構
に使っている磁性ダンパーで問題にしている外部からの
振動に比べて、振幅は小さく、周波数は高い。

【００７１】このように本実施の形態の走査機構６００
は、Ｘ,Ｙ,Ｚ方向走査用のアクチュエータがアクチュエ
ータの中央付近で接合されていることによって振動が抑
えられており、また、釣り合い重りを利用して構造の対
称性を高めることによってアクチュエータの動作に伴っ
て発生する振動が低く抑えられている。さらにＸ,Ｙ,Ｚ
方向走査用のアクチュエータの各長さの和が長くリンキ
ングを発生しやすい点はダンパー機構を利用した振動低
減の為の機構を組み合わせることにより解決しており、
より振動が少なく、高速走査に対しても安定に動作する
走査機構となっている。

【００７２】また、ダンパー機構は磁性ダンパー機構に
限らず、空気ダンパー機構や流体ダンパー機構など、各
種のダンパー機構が利用可能である。アクチュエータの
振動を実質的に直接ダンピングするという考えを逸脱し
ない範囲において成されるあらゆる実施はすべて本発明
に含まれる。

【００７３】以下、本発明の走査機構の利点の理解を助
けるための比較例について説明する。以下に述べる比較
例はいずれも従来例に従う走査機構である。

【００７４】(第１の比較例)第１の比較例について図１
４を参照して説明する。本比較例の走査機構は、図１４
に示されるように、走査機構保持台７０１と、これに固
定されたＬ字形状のアクチュエータ台座７０２と、この
アクチュエータ台座７０２に取り付けられた二本のアク
チュエータ７０３,７０４と、これらの二本のアクチュ
エータ７０３,７０４によって保持されたアクチュエー
タ７０５とを有している。

【００７５】アクチュエータ７０３,７０４,７０５は、
例えば積層型圧電体であり、それぞれ、Ｘ方向、Ｙ方
向、Ｚ方向に伸縮し得る。Ｘ方向走査用の積層型圧電体
７０３とＹ方向走査用の積層型圧電体７０４は、それぞ
れ、一方の端部がアクチュエータ台座７０２に固定され
ている。Ｚ方向走査用の積層型圧電体７０５は、長いス
トロークすなわち走査範囲を得るために、一方の端部
が、Ｘ方向走査用の積層型圧電体７０３とＹ方向走査用
の積層型圧電体７０４の他方の端部に接着により固定さ
れている。

【００７６】この走査機構では、Ｚ方向走査用の積層型
圧電体７０５の伸縮動作は、Ｘ,Ｙ方向走査用の積層型
圧電体７０３,７０４にモーメントを発生させる。これ
は振動を発生させ、発生した振動はアクチュエータ台座
７０２や走査機構保持台７０１に伝わり、走査機構を揺
らす。

【００７７】上述した実施形態の走査機構はいずれも、
この比較例の走査機構に比べて、振動ノイズが低減され
ている。

【００７８】(第２の比較例)第２の比較例について図１
５を参照して説明する。本比較例の走査機構は、図１５
に示されるように、走査機構保持台８０１と、これに固
定されたＬ字形状のアクチュエータ台座８０２と、この
アクチュエータ台座８０２に固定されたＸ走査用のアク
チュエータ８０３と、Ｘ走査用のアクチュエータ８０３
の自由端部に固定されたＹ走査用のアクチュエータ８０
４と、Ｙ走査用のアクチュエータ８０４の自由端部に固
定されたＺ走査用のアクチュエータ８０５とを有してい
る。

【００７９】この走査機構では、Ｚ方向走査用の積層型
圧電体８０５の伸縮動作は、第１の比較例と同様に、Ｙ
方向走査用の積層型圧電体８０４やＸ方向走査用の積層
型圧電体８０３にモーメントを発生させる。これは振動
を発生させ、発生した振動はアクチュエータ台座８０２
や走査機構保持台８０１に伝わり、走査機構を揺らす。

【００８０】上述した実施形態の走査機構はいずれも、
この比較例の走査機構に比べて、振動ノイズが低減され
ている。

【００８１】(第３の比較例)第３の比較例について図１
６を参照して説明する。本比較例の走査機構は、図１６
に示されるように、走査機構保持台９０１と、これに固
定されたＬ字形状のアクチュエータ台座９０２と、Ｘ方
向走査用のアクチュエータ９０３と、Ｙ方向走査用のア
クチュエータ９０４と、Ｚ方向走査用のアクチュエータ
９０５とを有している。アクチュエータ９０３,９０４,
９０５は、例えば積層型圧電体であり、それぞれＺ方
向、Ｙ方向、Ｚ方向に伸縮し得る。

【００８２】Ｘ方向走査用のアクチュエータ９０３とＹ
方向走査用のアクチュエータ９０４の一方の端部はアク
チュエータ台座９０２に固定され、Ｚ方向走査用のアク
チュエータ９０５の一方の端部は走査機構保持台９０１
に固定されている。三本の積層型圧電体９０３,９０４,
９０５の他方の端部は互いに連結されている。つまり、
本比較例の走査機構は、走査型トンネリング顕微鏡の走
査機構として最も一般的な構造の一つである、いわゆる
トライポッド型の走査機構である。

【００８３】この走査機構では、Ｚ方向走査用の積層型
圧電体９０５の伸縮動作は、その反作用が走査機構保持
台９０１に直接伝わって走査機構を揺らしたり、ＸＹ方
向走査用の積層型圧電体９０３,９０４を歪ませ、その
振動がアクチュエータ台座９０２に伝わって走査機構を
揺らしたりする。

【００８４】上述した実施形態の走査機構はいずれも、
この比較例の走査機構に比べて、振動ノイズが低減され
ている。

【００８５】これまで、いくつかの実施の形態について
図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上
述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨
を逸脱しない範囲で行われるすべての実施を含む。

【００８６】従って、本明細書には以下の各項に記す発
明が含まれている。

【００８７】１．走査のために移動対象物を第一の方向
に移動させるための第一のアクチュエータと、移動対象
物を第一の方向とは異なる第二の方向に移動させる第二
のアクチュエータと、移動対象物を第一の方向および第
二の方向とは異なる第三の方向に移動させる第三のアク
チュエータとを有しており、第一のアクチュエータの中
央付近は第二のアクチュエータの端部に接合され、第二
のアクチュエータの中央付近は第三のアクチュエータの
端部に接合されていることを特徴とする走査機構。

【００８８】２．走査のために移動対象物を第一の方向
に移動させるための第一のアクチュエータと、移動対象
物を第一の方向とは異なる第二の方向に移動させる第二
のアクチュエータと、移動対象物を第一の方向および第
二の方向とは異なる第三の方向に移動させる第三のアク
チュエータとを有しており、第一のアクチュエータの重
心付近は第二のアクチュエータの端部に接合され、第二
のアクチュエータの重心付近は第三のアクチュエータの
端部に接合されていることを特徴とする走査機構。

【００８９】３．第二のアクチュエータまたは第三のア
クチュエータの他方の端部に設けられた少なくとも一つ
の釣り合い重りを更に有していることを特徴とする第１
項または第２項に記載の走査機構。

【００９０】４．第二のアクチュエータまたは第三のア
クチュエータと組み合わされた少なくとも一つの振動減
衰のための機構を更に有していることを特徴とする第１
項ないし第３項のいずれか一つに記載の走査機構。

【００９１】５．振動減衰の為の機構は、案内機構を有
している第４項に記載の走査機構。

【００９２】６．案内機構は、微小球の滑り案内を有し
ていることを特徴とする第５項に記載の走査機構。

【００９３】７．案内機構は、微小球の転がり案内を有
していることを特徴とする第５項に記載の走査機構。

【００９４】８．案内機構は、ゲルやゴムや油などを利
用した静圧案内を有していることを特徴とする第５項に
記載の走査機構。

【００９５】９．振動減衰の為の機構は、ダンパー機構
を有している第４項に記載の走査機構。

【００９６】１０．ダンパー機構は、アクチュエータの
振動を実質的に直接ダンピングする構造を有しているこ
とを特徴とする第９項に記載の走査機構。

【００９７】１１．ダンパー機構は、磁性ダンパーを有
している第１０項に記載の走査機構。

【００９８】１２．ダンパー機構は、粘性ダンパーを有
している第１０項に記載の走査機構。

【００９９】１３．アクチュエータは、圧電体を有して
いる第１項ないし第１２項のいずれか一つに記載の走査
機構。

【０１００】１４．上記各項のいずれか一つに記載の走
査機構を含んでいる走査型プローブ顕微鏡。

【０１０１】また、上述した実施の形態では、圧電体の
アクチュエータを例にあげて説明したが、駆動部の運動
系の重心付近を保持することにより振動の発生を抑える
という技術思想は他のアクチュエータにも適用できる。

【０１０２】さらに本発明の走査機構は、振動を抑えて
高速動作を可能にする利点のほかに、走査ノイズ音を低
減する効果もあり、これにより不快な駆動音を低減する
ことができる。

【０１０３】

【発明の効果】本発明によれば、走査動作に伴う振動の
発生が抑えられた、高精度な位置制御を高速で行える走
査型プローブ顕微鏡用スキャナーが提供される。これに
より、ノイズの少ない高精度な測定データを高速で取り
込める走査型プローブ顕微鏡が提供されるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の走査機構を備える
走査型プローブ顕微鏡を示している。

【図２】図１に示される走査機構の斜視図であり、理解
を容易にするために上下逆に描かれている。

【図３】(Ａ)は図２の走査機構のＺ方向から見た平面
図、(Ｂ)は図２の走査機構のＹ方向から見た側面図、
(Ｃ)は図２の走査機構のＸ方向から見た側面図である。

【図４】図２に示される第１の実施の形態の走査機構の
動作を説明するための模式図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態の走査機構の動作を
説明するための模式図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態の走査機構の斜視図
であり、理解を容易にするために上下逆に描かれてい
る。

【図７】(Ａ)は図６の走査機構のＺ方向から見た平面
図、(Ｂ)は図６の走査機構のＹ方向から見た側面図、
(Ｃ)は図６の走査機構のＸ方向から見た側面図である。

【図８】本発明の第４の実施の形態の走査機構の斜視図
である。

【図９】図８に示される走査機構の分解斜視図である。

【図１０】図８に示される走査アクチュエータの斜視図
である。

【図１１】図８の走査機構のＺ方向から見た平面図であ
る。

【図１２】本発明の第５の実施の形態の走査機構の斜視
図であり、理解を容易にするために上下逆に描かれてい
る。

【図１３】図１２の走査機構のＺ方向から見た平面図で
ある。

【図１４】本発明の走査機構の理解を助けるために、従
来例に従う第１の比較例の走査機構を説明するための図
面であり、(Ａ)はこの走査機構の斜視図であり、(Ｂ)は
この走査機構のＸ方向から見た側面図である。

【図１５】本発明の走査機構の理解を助けるために、従
来例に従う第２の比較例の走査機構を説明するための図
面であり、(Ａ)はこの走査機構の斜視図であり、(Ｂ)は
この走査機構のＸ方向から見た側面図である。

【図１６】本発明の走査機構の理解を助けるために、従
来例に従う第３の比較例の走査機構を説明するための図
面であり、(Ａ)はこの走査機構の斜視図であり、(Ｂ)は
この走査機構のＸ方向から見た側面図である。

【符号の説明】

２００走査機構２０３アクチュエータ２０４アクチュエータ２０５アクチュエータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者齋藤究石川県金沢市角間町（番地なし）金沢大学内 (72)発明者戸田明敏東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】走査のために移動対象物を第一の方向に
移動させるための第一の駆動部と、移動対象物を第一の
方向とは異なる第二の方向に移動させる第二の駆動部
と、移動対象物を第一の方向および第二の方向とは異な
る第三の方向に移動させる第三の駆動部とを有してお
り、第一の駆動部の中央付近は第二の駆動部の端部に接
合され、第二の駆動部の中央付近は第三の駆動部の端部
に接合されている、走査型プローブ顕微鏡用スキャナ
ー。
【請求項２】第二の駆動部もしくは第三の駆動部に釣
り合い重りがついていることを特徴とする請求項１に記
載の走査型プローブ顕微鏡用スキャナー。
【請求項３】第二の駆動部もしくは第三の駆動部に案
内機構が組み合わされていることを特徴とする請求項１
または請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡用スキャ
ナー。