JP2004101206A - 走査型プローブ顕微鏡用走査機構 - Google Patents
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Abstract
【課題】振動の発生が少なく安定した高速走査を行える走査機構の提供を目的とする。
【解決手段】積層型圧電素子１１、１２、１３を走査周波数の低い順に、保持台１５に積み重ねて接着固定する。一番走査周波数の高い圧電素子１１は他のそれに比べて小さくする。圧電素子１１に取り付けられた試料台１４を直交した３方向に移動させる方法として、圧電素子１１は圧電素子の厚み方向振動モードを、圧電素子１２および１３は圧電素子の厚みすべり振動モードを用いた。
【選択図】 図１
【解決手段】積層型圧電素子１１、１２、１３を走査周波数の低い順に、保持台１５に積み重ねて接着固定する。一番走査周波数の高い圧電素子１１は他のそれに比べて小さくする。圧電素子１１に取り付けられた試料台１４を直交した３方向に移動させる方法として、圧電素子１１は圧電素子の厚み方向振動モードを、圧電素子１２および１３は圧電素子の厚みすべり振動モードを用いた。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，走査機構およびそれを組み込んだ装置に関するものである。本発明の走査機構は主に、走査型プローブ顕微鏡の走査機構や走査型顕微鏡の技術を応用した装置に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡は機械的探針で試料表面を走査し、試料表面の情報を得るものである。走査型プローブ顕微鏡の一つである原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の概略は図４に示す構成で表すことができる。ここで、４１はレーザーダイオード、４２は集光レンズ、４３はカンチレバーと呼ばれる探針、４４はミラー、４５は４分割フォトディテクター、４６は測定試料、４７は試料台、４８はスキャナーと呼ばれる３次元アクチュエーターである。レーザーダイオードの光をレンズで集光しカンチレバーの背面に当て、カンチレバーを試料表面に近づけると、カンチレバーに原子間力が働きカンチレバーがたわむ。このたわみ変位を反射したレーザー光を上下に分割したフォトディテクターで検知し、カンチレバーのたわみ変位を一定に保つように、Ｚ方向のスキャナーにフィードバックすることで、表面の凹凸形状を得ることができる。
【０００３】
このスキャナーは試料の３次元形状の情報を得るために、ＸＹ方向に試料を移動させながら、Ｚ方向について試料とカンチレバー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方向の移動を行う走査機構の働きをつかさどる。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、試料の表面形状や状態を反映するため不規則な動きとなる。この不規則な動きをＺ方向の走査動作とみなすと、このＺ方向の走査はＸＹＺの各走査動作の中で最も高い周波数動作になる。仮に、例えば、Ｘ方向１００画素Ｙ方向１００画素の画像を１秒で取り込むとすると、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Ｘ走査の画素数倍以上とすると、１０ｋＨｚ以上になる。ゆえに、Ｚ走査が最も速く、次に、Ｘ走査が速く、Ｙ走査が一番遅い走査となる。
【０００４】
このような３次元アクチュエーターであるスキャナーとしては３本の積層型ピエゾアクチュエーターが互いに直交するように連結された、いわゆるトライポッド型や円筒状の圧電体で構成された、いわゆるチューブ型スキャナーなどがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のトライポッド型スキャナーやチューブ型スキャナーはＸＹＺ各方向の運動がそれぞれ他の方向の運動と独立していないため、ある方向の運動が他の方向の運動に影響を与えてしまう。
【０００６】
チューブスキャナーでは大きな変位を得るには全長が長くなり、その固有振動数を高くするためには外形を細くするために、細長い形状になり、スキャナー支持部の反対側に試料台を設けると、試料台が長い梁の自由端に取り付いている形になり、外部の振動に対しても、また、スキャナー自信の振動に対しても不安定な構造になる。
【０００７】
これらトライポッド型スキャナーやチューブ型スキャナーの走査機構では、ある方向の変位に対して他の方向が変位する干渉や、試料台とスキャナー固定端のバランスの悪さにより、スキャナーの走査を高速化することは難しい。
【０００８】
このような走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡では、静止した試料の観察目的ではそれ程支障なく使用出来るが、時間とともに変化する試料を時間を追いながらリアルタイムで観察したり、刺激に反応する細胞の様子を観察するといった目的での使用は難しい。本発明は各方向の運動が互いに独立し、望ましくない振動を抑制して、試料台を高速走査できる走査機構を提供することを目的とする。
【０００９】
【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の走査機構は、試料台を走査するための駆動として、直交する３方向に変位する圧電素子を用いた。この直交する３方向に変位する圧電素子は、第１の方向（Ｚ方向）に移動させる駆動に圧電素子の厚み方向振動モードを、第二の方向（Ｘ方向）および第三の方向（Ｙ方向）に移動させる駆動に圧電素子の厚みすべり振動モードを用いたことを特徴とする。
【００１０】
各直交する３方向を駆動する圧電素子は、それぞれ薄板の圧電素子を接着積層したものを保持台に対し、走査周波数の低い順に単純に積み重ねた構造であり、製作が容易であること特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。（第一の実施形態）図１は本発明による走査機構の基本概略図である。１１はＺ方向に走査させるための積層型圧電素子、１２はＸ方向に走査させるための積層型圧電素子、１３はＹ方向に走査させるための積層型圧電素子で各積層型圧電素子は接着にて固定されている。１１の積層型圧電素子の上には試料台１４が固定されている。１１の積層型圧電素子は厚み方向変位を生じ、１２の積層型圧電素子は厚みすべり変位を生じ、また、１３の積層型圧電素子も厚みすべり変位を生じ、３個の積層型圧電素子は互いに直交する方向に変位可能である。
【００１２】
各３個の積層型圧電素子は保持部に対し、走査速度の遅い順に積み重ねた単純な構造で、下に位置する積層型圧電素子にはその上にある他の積層型圧電素子圧電素子の重量はかかるが、各圧電素子の変位により他の圧電素子の変位が生じることはない。各方向が独立して変位可能となっており、歪みの無い変位を得ることができる。
【００１３】
各方向の変位量は薄板の圧電素子を積層することにより、大きくするようにしている。圧電素子の厚み方向の変位量および厚みすべり方向の変位量は積層枚数に比例する。この種の圧電素子は厚さを薄くすることで高い固有振動数を得られる。積層することで厚みが増し、固有振動数は低下するが、その一枚一枚の圧電素子を薄くすることにより、数百ＫＨｚの固有振動数を得ることができる。また、圧電素子の厚み以外の寸法は固有振動数に影響が無いので形状寸法にある程度の自由度があり、チューブ型スキャナーに比べ、高い剛性が得られ、安定した構造である。
【００１４】
図１でＹ方向変位の圧電素子を一番下（保持台近傍）にすることで、一番走査速度の遅い圧電素子に一番重量負荷がかかる構造として振動および振れを抑制するるようにしている。Ｚ方向変位の圧電素子を他のＸＹ方向変位の圧電素子に比べ小さくしているのは、Ｚ方向の変位に一番高い走査周波数が求められるためである。Ｚ方向の圧電素子を小さくすることで、最も走査周波数の高い運動が他の走査に与える影響を少なくなるようにしている。
【００１５】
（第二の実施形態）図２は図１の構造のＺ方向変位の圧電素子に対し、ＸＹ変位の圧電素子挟んで逆方向に同じ圧電素子２４を取付、上下のＺ方向の圧電素子を互いに反対方向に同じ周期で走査することにより、Ｚ方向の衝撃力を打ち消す構造を目的としている。
【００１６】
（第三の実施形態）図１、図２もＸＹＺの駆動用の圧電素子を単純に積み重ねた構造であるが、この場合、保持台から試料台までの距離が長くなると、チューブ型スキャナーがそうであるように、振動による振幅の増大が考えられる。そこで、図３に示す実施の形態について説明する。Ｚ駆動の圧電素子３１とＸ駆動の圧電素子３２だけを積み重ね、剛性の高い保持プレート３７に取り付ける。Ｙ駆動の厚電素子３３は保持部３６に同じ物を２個取付、その圧電素子３３にプレート３７を取り付ける。３４は第２の実施形態で説明した、Ｚ方向の衝撃力を打ち消すための圧電素子である。この構造により、保持部から試料台までの距離がＸ駆動とＺ駆動の圧電素子を合わせた長さ分になり、ＸＹＺ駆動の圧電素子を単純に積み重ねた場合より、短くすることができる。これにより、振動による振幅の増大を抑制できる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、各方向の運動が互いに独立して、高速で走査型プローブ顕微鏡の試料台を走査できる走査機構が得られる。また、走査に伴う振動の発生を抑え、振動ノイズの少ない安定した走査機構を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の走査機構を説明するための図面である。（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、圧電素子のＺ軸変位とＸ軸変位を説明するための図である。（ｃ）はこの走査機構のＹ方向から見た図で、圧電素子のＹ軸変位を説明するための図である。
【図２】本発明の第二の実施の形態の走査機構を説明するための図面である。（ａ）はこの走査機構の斜視図である、（ｂ）はこの走査機構のＸ方向から見た側面図である。
【図３】本発明の第三の実施の形態の走査機構を説明するための図面である。
【図４】原子間力顕微鏡の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１１ Ｚ方向変位を駆動する積層圧電素子
１２ Ｘ方向変位を駆動する積層圧電素子
１３ Ｙ方向変位を駆動する積層圧電素子
１４ 試料台
１５ 保持台
２１ Ｚ方向変位を駆動する積層圧電素子
２２ Ｘ方向変位を駆動する積層圧電素子
２３ Ｙ方向変位を駆動する積層圧電素子
２４ 積層型圧電素子
２５ 試料台
２６ 保持台
３１ Ｚ方向変位を駆動する積層圧電素子
３２ Ｘ方向変位を駆動する積層圧電素子
３３ Ｙ方向変位を駆動する積層圧電素子
３４ 積層型圧電素子
３５ 試料台
３６ 保持台
３７ 保持プレート
４１ レーザーダイオード
４２ 集光レンズ
４３ カンチレバー
４４ ミラー
４５ ４分割フォトダイオード
４６ 試料
４７ 試料台
４８ スキャナー
【発明の属する技術分野】
本発明は，走査機構およびそれを組み込んだ装置に関するものである。本発明の走査機構は主に、走査型プローブ顕微鏡の走査機構や走査型顕微鏡の技術を応用した装置に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡は機械的探針で試料表面を走査し、試料表面の情報を得るものである。走査型プローブ顕微鏡の一つである原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の概略は図４に示す構成で表すことができる。ここで、４１はレーザーダイオード、４２は集光レンズ、４３はカンチレバーと呼ばれる探針、４４はミラー、４５は４分割フォトディテクター、４６は測定試料、４７は試料台、４８はスキャナーと呼ばれる３次元アクチュエーターである。レーザーダイオードの光をレンズで集光しカンチレバーの背面に当て、カンチレバーを試料表面に近づけると、カンチレバーに原子間力が働きカンチレバーがたわむ。このたわみ変位を反射したレーザー光を上下に分割したフォトディテクターで検知し、カンチレバーのたわみ変位を一定に保つように、Ｚ方向のスキャナーにフィードバックすることで、表面の凹凸形状を得ることができる。
【０００３】
このスキャナーは試料の３次元形状の情報を得るために、ＸＹ方向に試料を移動させながら、Ｚ方向について試料とカンチレバー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方向の移動を行う走査機構の働きをつかさどる。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、試料の表面形状や状態を反映するため不規則な動きとなる。この不規則な動きをＺ方向の走査動作とみなすと、このＺ方向の走査はＸＹＺの各走査動作の中で最も高い周波数動作になる。仮に、例えば、Ｘ方向１００画素Ｙ方向１００画素の画像を１秒で取り込むとすると、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Ｘ走査の画素数倍以上とすると、１０ｋＨｚ以上になる。ゆえに、Ｚ走査が最も速く、次に、Ｘ走査が速く、Ｙ走査が一番遅い走査となる。
【０００４】
このような３次元アクチュエーターであるスキャナーとしては３本の積層型ピエゾアクチュエーターが互いに直交するように連結された、いわゆるトライポッド型や円筒状の圧電体で構成された、いわゆるチューブ型スキャナーなどがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のトライポッド型スキャナーやチューブ型スキャナーはＸＹＺ各方向の運動がそれぞれ他の方向の運動と独立していないため、ある方向の運動が他の方向の運動に影響を与えてしまう。
【０００６】
チューブスキャナーでは大きな変位を得るには全長が長くなり、その固有振動数を高くするためには外形を細くするために、細長い形状になり、スキャナー支持部の反対側に試料台を設けると、試料台が長い梁の自由端に取り付いている形になり、外部の振動に対しても、また、スキャナー自信の振動に対しても不安定な構造になる。
【０００７】
これらトライポッド型スキャナーやチューブ型スキャナーの走査機構では、ある方向の変位に対して他の方向が変位する干渉や、試料台とスキャナー固定端のバランスの悪さにより、スキャナーの走査を高速化することは難しい。
【０００８】
このような走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡では、静止した試料の観察目的ではそれ程支障なく使用出来るが、時間とともに変化する試料を時間を追いながらリアルタイムで観察したり、刺激に反応する細胞の様子を観察するといった目的での使用は難しい。本発明は各方向の運動が互いに独立し、望ましくない振動を抑制して、試料台を高速走査できる走査機構を提供することを目的とする。
【０００９】
【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の走査機構は、試料台を走査するための駆動として、直交する３方向に変位する圧電素子を用いた。この直交する３方向に変位する圧電素子は、第１の方向（Ｚ方向）に移動させる駆動に圧電素子の厚み方向振動モードを、第二の方向（Ｘ方向）および第三の方向（Ｙ方向）に移動させる駆動に圧電素子の厚みすべり振動モードを用いたことを特徴とする。
【００１０】
各直交する３方向を駆動する圧電素子は、それぞれ薄板の圧電素子を接着積層したものを保持台に対し、走査周波数の低い順に単純に積み重ねた構造であり、製作が容易であること特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。（第一の実施形態）図１は本発明による走査機構の基本概略図である。１１はＺ方向に走査させるための積層型圧電素子、１２はＸ方向に走査させるための積層型圧電素子、１３はＹ方向に走査させるための積層型圧電素子で各積層型圧電素子は接着にて固定されている。１１の積層型圧電素子の上には試料台１４が固定されている。１１の積層型圧電素子は厚み方向変位を生じ、１２の積層型圧電素子は厚みすべり変位を生じ、また、１３の積層型圧電素子も厚みすべり変位を生じ、３個の積層型圧電素子は互いに直交する方向に変位可能である。
【００１２】
各３個の積層型圧電素子は保持部に対し、走査速度の遅い順に積み重ねた単純な構造で、下に位置する積層型圧電素子にはその上にある他の積層型圧電素子圧電素子の重量はかかるが、各圧電素子の変位により他の圧電素子の変位が生じることはない。各方向が独立して変位可能となっており、歪みの無い変位を得ることができる。
【００１３】
各方向の変位量は薄板の圧電素子を積層することにより、大きくするようにしている。圧電素子の厚み方向の変位量および厚みすべり方向の変位量は積層枚数に比例する。この種の圧電素子は厚さを薄くすることで高い固有振動数を得られる。積層することで厚みが増し、固有振動数は低下するが、その一枚一枚の圧電素子を薄くすることにより、数百ＫＨｚの固有振動数を得ることができる。また、圧電素子の厚み以外の寸法は固有振動数に影響が無いので形状寸法にある程度の自由度があり、チューブ型スキャナーに比べ、高い剛性が得られ、安定した構造である。
【００１４】
図１でＹ方向変位の圧電素子を一番下（保持台近傍）にすることで、一番走査速度の遅い圧電素子に一番重量負荷がかかる構造として振動および振れを抑制するるようにしている。Ｚ方向変位の圧電素子を他のＸＹ方向変位の圧電素子に比べ小さくしているのは、Ｚ方向の変位に一番高い走査周波数が求められるためである。Ｚ方向の圧電素子を小さくすることで、最も走査周波数の高い運動が他の走査に与える影響を少なくなるようにしている。
【００１５】
（第二の実施形態）図２は図１の構造のＺ方向変位の圧電素子に対し、ＸＹ変位の圧電素子挟んで逆方向に同じ圧電素子２４を取付、上下のＺ方向の圧電素子を互いに反対方向に同じ周期で走査することにより、Ｚ方向の衝撃力を打ち消す構造を目的としている。
【００１６】
（第三の実施形態）図１、図２もＸＹＺの駆動用の圧電素子を単純に積み重ねた構造であるが、この場合、保持台から試料台までの距離が長くなると、チューブ型スキャナーがそうであるように、振動による振幅の増大が考えられる。そこで、図３に示す実施の形態について説明する。Ｚ駆動の圧電素子３１とＸ駆動の圧電素子３２だけを積み重ね、剛性の高い保持プレート３７に取り付ける。Ｙ駆動の厚電素子３３は保持部３６に同じ物を２個取付、その圧電素子３３にプレート３７を取り付ける。３４は第２の実施形態で説明した、Ｚ方向の衝撃力を打ち消すための圧電素子である。この構造により、保持部から試料台までの距離がＸ駆動とＺ駆動の圧電素子を合わせた長さ分になり、ＸＹＺ駆動の圧電素子を単純に積み重ねた場合より、短くすることができる。これにより、振動による振幅の増大を抑制できる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、各方向の運動が互いに独立して、高速で走査型プローブ顕微鏡の試料台を走査できる走査機構が得られる。また、走査に伴う振動の発生を抑え、振動ノイズの少ない安定した走査機構を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の走査機構を説明するための図面である。（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、圧電素子のＺ軸変位とＸ軸変位を説明するための図である。（ｃ）はこの走査機構のＹ方向から見た図で、圧電素子のＹ軸変位を説明するための図である。
【図２】本発明の第二の実施の形態の走査機構を説明するための図面である。（ａ）はこの走査機構の斜視図である、（ｂ）はこの走査機構のＸ方向から見た側面図である。
【図３】本発明の第三の実施の形態の走査機構を説明するための図面である。
【図４】原子間力顕微鏡の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１１ Ｚ方向変位を駆動する積層圧電素子
１２ Ｘ方向変位を駆動する積層圧電素子
１３ Ｙ方向変位を駆動する積層圧電素子
１４ 試料台
１５ 保持台
２１ Ｚ方向変位を駆動する積層圧電素子
２２ Ｘ方向変位を駆動する積層圧電素子
２３ Ｙ方向変位を駆動する積層圧電素子
２４ 積層型圧電素子
２５ 試料台
２６ 保持台
３１ Ｚ方向変位を駆動する積層圧電素子
３２ Ｘ方向変位を駆動する積層圧電素子
３３ Ｙ方向変位を駆動する積層圧電素子
３４ 積層型圧電素子
３５ 試料台
３６ 保持台
３７ 保持プレート
４１ レーザーダイオード
４２ 集光レンズ
４３ カンチレバー
４４ ミラー
４５ ４分割フォトダイオード
４６ 試料
４７ 試料台
４８ スキャナー
Claims (2)
- 走査型プローブ顕微鏡において、走査のために被測定物を保持する試料台を直交する３方向に高速で移動（走査）させる機構で、第一の方向（Ｚ方向）に移動させる駆動に圧電素子の厚み方向振動モードを、第二の方向（Ｘ方向）および第三の方向（Ｙ方向）に移動させる駆動に圧電素子の厚みすべり振動モードを用いた走査機構。
- 請求項１の各直交する３方向を駆動する圧電素子は、薄板の圧電素子を接着積層した圧電素子（積層型圧電素子と呼ぶ）を用いて、それぞれ３個の積層型圧電素子は保持台に対し、走査速度の低い順に積み重ねられ（あるいは組み付けられ）、一番走査速度の高い積層型圧電素子は他のそれに比べて、小さな構造をした走査機構。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002259373A JP2004101206A (ja) | 2002-09-04 | 2002-09-04 | 走査型プローブ顕微鏡用走査機構 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002259373A JP2004101206A (ja) | 2002-09-04 | 2002-09-04 | 走査型プローブ顕微鏡用走査機構 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004101206A true JP2004101206A (ja) | 2004-04-02 |
Family
ID=32260417
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002259373A Pending JP2004101206A (ja) | 2002-09-04 | 2002-09-04 | 走査型プローブ顕微鏡用走査機構 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004101206A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006118118A1 (ja) * | 2005-04-27 | 2006-11-09 | Olympus Corporation | 走査型プローブ顕微鏡用走査機構 |
| CN105785076A (zh) * | 2016-03-18 | 2016-07-20 | 河南师范大学 | 一种压电单晶片式马达制作的扫描探针显微镜镜体 |
| CN111732073A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-10-02 | 东北林业大学 | 一种基于针尖轨迹运动加工微纳复合结构的装置及方法 |
-
2002
- 2002-09-04 JP JP2002259373A patent/JP2004101206A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006118118A1 (ja) * | 2005-04-27 | 2006-11-09 | Olympus Corporation | 走査型プローブ顕微鏡用走査機構 |
| CN105785076A (zh) * | 2016-03-18 | 2016-07-20 | 河南师范大学 | 一种压电单晶片式马达制作的扫描探针显微镜镜体 |
| CN105785076B (zh) * | 2016-03-18 | 2018-11-20 | 河南师范大学 | 一种压电单晶片式马达制作的扫描探针显微镜镜体 |
| CN111732073A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-10-02 | 东北林业大学 | 一种基于针尖轨迹运动加工微纳复合结构的装置及方法 |
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