JP2012185066A - Scanning mechanism and scanning type probe microscope - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a detected light follow-up type scanning mechanism with reduced vibration noise due to inertial force generated when performing XY scanning.SOLUTION: A scanning mechanism 10 comprises: a fixing frame 11; an XY stage 13 with an XY movable section 14 capable of moving in XY directions; and piezo-electric elements 12A and 12B constituting an XY actuator to scan the XY movable section 14 in the XY directions. The scanning mechanism 10 also comprises: a piezo-electric element 21 held by the XY movable section 14; a holder 22 held by the piezo-electric element 21; and a cantilever 23 held by the holder 22. The piezo-electric element 21 configures a Z actuator which scans the cantilever 23 in a Z direction. The scanning mechanism 10 additionally has a light collecting section 25 held by the XY movable section 14. The light collection section 25 allows light for detecting a displacement of the cantilever 23 to enter the cantilever 23. The piezo-electric element 21 and the light collecting section 25 are arranged so as to be aligned when projected on an X-Y plane.

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。   The present invention relates to a scanning probe microscope.

走査型プローブ顕微鏡(SPM)は、走査機構によって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)、走査型近接場光顕微鏡(SNOM)などの総称である。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、機械的探針を介して所望の試料領域の表面情報を得て、モニターTV上にマッピング表示する。   A scanning probe microscope (SPM) is a scanning microscope that obtains information on the surface of a sample by mechanically scanning a mechanical probe with a scanning mechanism, and includes a scanning tunneling microscope (STM), an atomic force microscope (AFM). ), A scanning magnetic force microscope (MFM), a scanning near-field light microscope (SNOM), and the like. The scanning probe microscope raster-scans the mechanical probe and the sample relatively in the X and Y directions, obtains surface information of a desired sample region via the mechanical probe, and displays the mapping on the monitor TV.

なかでもAFMは最も広く使用されている装置であって、機械的探針をその自由端にもつカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサーと、機械的探針と試料を相対的に走査する走査機構を主要な機械機構として備えている。その光学式変位センサーとしては、構成が簡単でありかつ高い変位検出感度を有することから、光てこ式の光学式変位センサーが最も広く使われている。カンチレバー上に直径数μmから数十μmの光束を照射し、その反射光の反射方向がレバーの反りに応じて変化するのを二分割光ディテクタなどによりとらえて、カンチレバーの自由端にある機械的探針の動作をとらえ電気信号として出力する。この出力が一定になるように走査機構をZ方向に制御しながら、同じく走査機構をXY方向に走査することにより、コンピュータのモニター上に試料表面の凹凸の状態をマッピング・表示する。   Among them, the AFM is the most widely used device, which has a cantilever having a mechanical probe at its free end, an optical displacement sensor for detecting the displacement of the cantilever, and a mechanical probe and a sample relatively. A scanning mechanism for scanning is provided as a main mechanical mechanism. As the optical displacement sensor, an optical lever type optical displacement sensor is most widely used because of its simple structure and high displacement detection sensitivity. The cantilever is irradiated with a light beam with a diameter of several μm to several tens of μm, and the reflection direction of the reflected light changes according to the warp of the lever using a two-part optical detector, etc. The probe operation is captured and output as an electrical signal. While controlling the scanning mechanism in the Z direction so that this output is constant, the scanning mechanism is similarly scanned in the XY direction, thereby mapping and displaying the uneven state of the sample surface on the computer monitor.

このようなAFMでは、液体中の生物試料を観察する場合、倒立型光学顕微鏡と組み合わせて観察することが一般的である。倒立型光学顕微鏡観察は試料の知見を得るだけでなく、試料の特定部位にカンチレバーを位置決めするときにも有効だからである。このようなAFMでは、様々な生体試料および試料基板に対応できるように、カンチレバーをXYZに走査するレバースキャンタイプの走査機構を用いることが多い。   In such an AFM, when observing a biological sample in a liquid, it is generally observed in combination with an inverted optical microscope. This is because the inverted optical microscope observation is effective not only for obtaining knowledge of the sample but also for positioning the cantilever at a specific part of the sample. In such an AFM, a lever scanning type scanning mechanism that scans the cantilever in XYZ is often used so as to be compatible with various biological samples and sample substrates.

一方、試料をXYZに走査する試料スキャンタイプの生物用AFMにおいては、倒立型光学顕微鏡による同時観察ができない上、試料や試料基板の制約が多いという問題はあるが、液体中の生きた生物試料の動く様子を高分解能で観察できるとして注目されている。生物試料の動く様子を観察しようとしたときAFMに求められるのは観察速度である。この用途では1秒以内、望ましくは0.1秒以内に一画面を得ることが目標となる。このようなAFMの高速化を行おうとしたとき、AFM装置の電気回路周りについては現在市販されている装置でも可能なレベルに達しており、課題となるところは機械機構にある。特に、走査速度の速い走査機構や、柔らかくかつ共振周波数の高いカンチレバーや、そのカンチレバーの変位を検出できる光てこ式の光学式変位センサーが挙げられる。   On the other hand, in the sample scan type biological AFM that scans the sample in XYZ, there are problems that simultaneous observation with an inverted optical microscope is not possible and there are many restrictions on the sample and the sample substrate. It is attracting attention as it can observe the movement of When observing the movement of a biological sample, what is required of the AFM is the observation speed. In this application, the goal is to obtain a screen within 1 second, preferably within 0.1 seconds. When attempting to increase the speed of such AFM, the electric circuit around the AFM device has reached a level that is possible even with devices currently on the market, and the problem lies in the mechanical mechanism. In particular, a scanning mechanism having a high scanning speed, a soft cantilever having a high resonance frequency, and an optical lever type optical displacement sensor capable of detecting the displacement of the cantilever are exemplified.

例えば、X方向100画素、Y方向100画素の画像を0.1秒で取り込むとき、走査機構に求められるX方向の走査周波数は1kHz、Y方向の走査周波数は10Hz、Z方向の走査周波数は100kHz以上に達する。   For example, when an image of 100 pixels in the X direction and 100 pixels in the Y direction is captured in 0.1 seconds, the scanning frequency required for the scanning mechanism is 1 kHz, the scanning frequency in the Y direction is 10 Hz, and the scanning frequency in the Z direction is 100 kHz. Reach above.

そして生物試料の観察に適した高い周波数のカンチレバーとしては、バネ定数が1N/m以下であって、共振周波数は300kHz以上が求められる。このようなカンチレバーの寸法は現在市販されているカンチレバーに比べて10分の1程度と極めて小さいものとなり、例えば窒化シリコン製のカンチレバーで、長さ10μm、幅2μm、厚さ0.1μmとなる。そのバネ定数は0.1N/m、大気中の共振周波数は1.2MHz、液体中での共振周波数は400kHz前後となる。   A high-frequency cantilever suitable for observing a biological sample is required to have a spring constant of 1 N / m or less and a resonance frequency of 300 kHz or more. The size of such a cantilever is as extremely small as about one-tenth that of a commercially available cantilever. For example, a cantilever made of silicon nitride has a length of 10 μm, a width of 2 μm, and a thickness of 0.1 μm. The spring constant is 0.1 N / m, the resonance frequency in the atmosphere is 1.2 MHz, and the resonance frequency in the liquid is about 400 kHz.

さらに光学式変位センサーとしては、極めて小さいカンチレバーの変位を検出するために収束光のスポット径が数μm以下となる集光光学系が要求される。   Further, as an optical displacement sensor, a condensing optical system is required in which the spot diameter of convergent light is several μm or less in order to detect a very small cantilever displacement.

以上に説明したように、生物試料のAFMによる高速観察には、倒立型光学顕微鏡観察との組み合わせが可能であること、すなわちレバースキャンタイプのAFMであることが望ましく、しかも、柔らかくて共振周波数の高い小さなカンチレバーが使用可能であるとともに、高速走査をする走査機構を備えている必要がある。   As explained above, it is desirable that high-speed observation of a biological sample by AFM is possible in combination with observation with an inverted optical microscope, that is, a lever scan type AFM, and it is soft and has a resonance frequency. It is necessary to be able to use a high and small cantilever and to have a scanning mechanism that performs high-speed scanning.

特表2010−521693号公報Special table 2010-521893

レバースキャンタイプのAFMの欠点は、カンチレバーだけでなく光てこ式光学式変位センサーをも一緒にXY走査しなければならないことにある。光てこ式光学式変位センサーには光源、ディテクタ、集光光学系が備わっているため小型化・軽量化が難しく、これが高速走査の妨げになるからである。この欠点を克服するために、特表2010−521693号公報に示すような、集光光学系だけをカンチレバーとともにXY走査する、検出光追従型の走査機構が提案されている。しかしながらこの走査機構には次の問題がある。   The disadvantage of the lever scan type AFM is that not only the cantilever but also the optical lever type optical displacement sensor must be scanned together. This is because the optical lever type optical displacement sensor is equipped with a light source, a detector, and a condensing optical system, so that it is difficult to reduce the size and weight, which hinders high-speed scanning. In order to overcome this drawback, there has been proposed a detection light tracking type scanning mechanism that performs XY scanning of only a condensing optical system together with a cantilever, as shown in JP-T-2010-521893. However, this scanning mechanism has the following problems.

走査対象物(以下ではXY可動部と呼ぶ)をXY走査すると、XY可動部には走査方向と反対の方向に慣性力がかかる。これは走査速度が速くなるほど大きくなる。またXY可動部が重いほど大きくなる。走査周波数が1kHzを超える場合、慣性力はXY可動部を変形させるほどになり、これがXY可動部に揺れ振動を生じさせる。XY可動部のZ軸に沿った寸法が長いほど、その影響は大きくなる。   When a scanning object (hereinafter referred to as an XY movable part) is XY scanned, an inertial force is applied to the XY movable part in a direction opposite to the scanning direction. This increases as the scanning speed increases. Also, the heavier the XY movable part becomes, the larger it becomes. When the scanning frequency exceeds 1 kHz, the inertial force deforms the XY movable part, and this causes a shaking vibration in the XY movable part. The longer the dimension along the Z axis of the XY movable part, the greater the influence.

前述の従来例の走査機構は、XY可動部がZアクチュエータと対物系を保持し、それらを同時にXY走査する検出光追従型の走査機構である。この走査機構において、例えばXY可動部をX−Y平面に平行なある方向へ走査すると、XY可動部には逆方向に慣性力が働く。しかしながらこの走査機構においては、Zアクチュエータと対物系がZ方向に直列に配置されているため、XY可動部がZ軸に沿って長い構造になっている。その結果、XY可動部に、X−Y平面に平行な軸を回転中心とする揺れ振動が生じやすい。さらにZアクチュエータに保持されたカンチレバーがXY可動部の端に配置されているため、XY可動部の揺れ振動が増幅され、カンチレバー位置での揺れ量がより大きくなるという問題がある。すなわち、このような走査機構は、走査時に生じる慣性力の影響を受けやすく、振動ノイズが生じやすい機構と言える。このような走査機構はサブナノメートルのオーダの精度が要求される走査型プローブ顕微鏡の高速走査には望ましくない。   The above-described conventional scanning mechanism is a detection light tracking type scanning mechanism in which the XY movable portion holds the Z actuator and the objective system, and simultaneously performs XY scanning thereof. In this scanning mechanism, for example, when the XY movable portion is scanned in a certain direction parallel to the XY plane, an inertial force acts on the XY movable portion in the opposite direction. However, in this scanning mechanism, since the Z actuator and the objective system are arranged in series in the Z direction, the XY movable portion has a long structure along the Z axis. As a result, the XY movable part is likely to generate a shaking vibration having an axis parallel to the XY plane as a rotation center. Further, since the cantilever held by the Z actuator is disposed at the end of the XY movable part, the vibration of the XY movable part is amplified, and there is a problem that the amount of vibration at the cantilever position becomes larger. That is, it can be said that such a scanning mechanism is easily affected by the inertial force generated during scanning and is likely to generate vibration noise. Such a scanning mechanism is undesirable for high-speed scanning of a scanning probe microscope that requires sub-nanometer order accuracy.

本発明は、この様な実状を考慮して成されたものであり、その目的は、XY走査時に生じる慣性力に起因する振動ノイズが低減された検出光追従型の走査機構を提供することにある。   The present invention has been made in consideration of such a situation, and an object of the present invention is to provide a detection light tracking type scanning mechanism in which vibration noise caused by inertia force generated during XY scanning is reduced. is there.

本発明の走査機構は、カンチレバーと、X−Y平面に平行なXY方向に移動可能なXY可動部と、前記XY可動部をXY方向に走査するXYアクチュエータと、前記XY可動部に保持された、X−Y平面に垂直なZ方向に前記カンチレバーを走査するZアクチュエータと、前記XY可動部に保持された、前記カンチレバーの変位を検出するための光を前記カンチレバーに入射させる集光部とを備えている。前記Zアクチュエータと前記集光部は、X−Y平面への投影において並ぶように配置されている。   The scanning mechanism of the present invention is held by the cantilever, an XY movable portion that can move in the XY direction parallel to the XY plane, an XY actuator that scans the XY movable portion in the XY direction, and the XY movable portion. A Z actuator that scans the cantilever in a Z direction perpendicular to the XY plane, and a light collecting unit that is held by the XY movable unit and that makes the light for detecting displacement of the cantilever incident on the cantilever. I have. The Z actuator and the light condensing unit are arranged so as to be aligned in the projection onto the XY plane.

本発明によれば、XY走査時に生じる慣性力に起因する振動ノイズが低減された検出光追従型の走査機構が提供される。   According to the present invention, there is provided a detection light tracking type scanning mechanism in which vibration noise caused by inertia force generated during XY scanning is reduced.

第一実施形態の走査機構の上面図である。It is a top view of the scanning mechanism of a first embodiment. 図1中のA−A線に沿った走査機構の断面図である。It is sectional drawing of the scanning mechanism in alignment with the AA in FIG. 第二実施形態の走査機構の上面図である。It is a top view of the scanning mechanism of 2nd embodiment. 図3中のB−B線に沿った走査機構の断面図である。It is sectional drawing of the scanning mechanism along the BB line in FIG. 第二実施形態の変形例である走査機構の上面図である。It is a top view of the scanning mechanism which is a modification of 2nd embodiment. 図5中のC−C線に沿った走査機構の断面図である。It is sectional drawing of the scanning mechanism along CC line in FIG. 第二実施形態の変形例である走査機構の上面図である。It is a top view of the scanning mechanism which is a modification of 2nd embodiment. 図7中のD−D線に沿った走査機構の断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line DD in FIG. 7. 第二実施形態の変形例である走査機構の上面図である。It is a top view of the scanning mechanism which is a modification of 2nd embodiment. 図9中のE−E線に沿った走査機構の断面図である。It is sectional drawing of the scanning mechanism along the EE line in FIG. 走査の衝撃によりXY可動部の土台部の変形する様子を示している。A state in which the base part of the XY movable part is deformed by the impact of scanning is shown. 第三実施形態の走査機構の上面図である。It is a top view of the scanning mechanism of 3rd embodiment. 図12中のF−F線に沿った走査機構の断面図である。It is sectional drawing of the scanning mechanism in alignment with the FF line | wire in FIG. 第三実施形態の変形例である走査機構の上面図である。It is a top view of the scanning mechanism which is a modification of 3rd embodiment. 図14中のG−G線に沿った走査機構の断面図である。It is sectional drawing of the scanning mechanism along the GG line in FIG. 第三実施形態の変形例の変形例である走査機構の断面図である。It is sectional drawing of the scanning mechanism which is a modification of the modification of 3rd embodiment. 第四実施形態による走査型プローブ顕微鏡を示している。10 shows a scanning probe microscope according to a fourth embodiment. 第四実施形態の変形例である走査型プローブ顕微鏡を示している。The scanning probe microscope which is a modification of 4th embodiment is shown. 第五実施形態による走査型プローブ顕微鏡を示している。10 shows a scanning probe microscope according to a fifth embodiment.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

<第一実施形態>
本実施形態は、走査機構に向けられている。以下、図1と図2を参照しながら本実施形態について説明する。図1は、本実施形態の走査機構の上面図であり、図2は、図1中のA−A線に沿った走査機構の断面図である。
<First embodiment>
This embodiment is directed to a scanning mechanism. Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a top view of the scanning mechanism of the present embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line AA in FIG.

図1と図2に示されるように、本実施形態の走査機構10は、固定枠11と、固定枠11内に配置されたXYステージ13と、XYステージ13と固定枠11の間に配置されたX軸に沿って延びている圧電素子12Aと、XYステージ13と固定枠11の間に配置されたY軸に沿って延びている圧電素子12Bを有している。   As shown in FIGS. 1 and 2, the scanning mechanism 10 of this embodiment is disposed between a fixed frame 11, an XY stage 13 disposed in the fixed frame 11, and the XY stage 13 and the fixed frame 11. The piezoelectric element 12A extends along the X axis, and the piezoelectric element 12B extends along the Y axis disposed between the XY stage 13 and the fixed frame 11.

XYステージ13は、互いに直交するX軸とY軸に沿って(つまりX軸とY軸を含むX−Y平面に平行なXY方向に)移動可能なXY可動部14と、XY可動部14のX軸に沿った両側に設けられた弾性部16A,16Cと、XY可動部14のY軸に沿った両側に設けられた弾性部16B,16Dと、弾性部16A〜16Dを支持している支持部15とを有している。   The XY stage 13 includes an XY movable unit 14 that is movable along an X axis and a Y axis orthogonal to each other (that is, in an XY direction parallel to an XY plane including the X axis and the Y axis), and an XY movable unit 14 Support for supporting the elastic portions 16A and 16C provided on both sides along the X axis, the elastic portions 16B and 16D provided on both sides along the Y axis of the XY movable portion 14, and the elastic portions 16A to 16D Part 15.

XYステージ13の支持部15は、圧電素子12Aと弾性部16A,16CのY軸に沿った両側に位置している。別の言い方をすれば、圧電素子12Bと弾性部16B,16DのX軸に沿った両側に位置している。支持部15は固定枠11に固定されている。支持部15の固定は、これに限定されないが、例えば、ねじ締結や接着によってなされている。   The support portions 15 of the XY stage 13 are located on both sides of the piezoelectric element 12A and the elastic portions 16A and 16C along the Y axis. In other words, the piezoelectric element 12B and the elastic portions 16B and 16D are located on both sides along the X axis. The support portion 15 is fixed to the fixed frame 11. The fixing of the support portion 15 is not limited to this, but is performed by, for example, screw fastening or adhesion.

弾性部16Aと16Bは、向きが異なる点を除けば、まったく同一形状をしている。これらは共に十字形状を有している。また弾性部16Cと16Dは、向きが異なる点を除けば、まったく同一形状をしている。これらは共にT字形状を有している。圧電素子12Aの側に位置する弾性部16Aは、圧電素子12Aによって押される押圧部17Aを有している。また圧電素子12Bの側に位置する弾性部16Bは、圧電素子12Bによって押される押圧部17Bを有している。   The elastic portions 16A and 16B have exactly the same shape except that their directions are different. Both of these have a cross shape. The elastic portions 16C and 16D have exactly the same shape except that their directions are different. Both of these have a T-shape. The elastic portion 16A located on the piezoelectric element 12A side has a pressing portion 17A that is pressed by the piezoelectric element 12A. The elastic portion 16B located on the piezoelectric element 12B side has a pressing portion 17B that is pressed by the piezoelectric element 12B.

弾性部16A,16Cは、ZX面に広がりX軸に沿って細長い矩形の板状部分と、YZ面に広がりY軸に沿って細長い矩形の板状部分とを有している。X軸に沿って細長い矩形の板状部分は、X軸に沿った一方の端部がXY可動部14と接続し、X軸に沿った一方の端部がY軸に沿って細長い矩形の板状部分の中央部と接続している。Y軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Y軸に沿った両端部が支持部15と接続している。   The elastic portions 16A and 16C have a rectangular plate-like portion that extends in the ZX plane and extends along the X axis, and a rectangular plate-like portion that extends in the YZ plane and extends along the Y axis. The rectangular plate-like portion that is elongated along the X axis is connected to the XY movable portion 14 at one end along the X axis, and the rectangular plate that is elongated at one end along the X axis along the Y axis. Connected to the central part of the shaped part. The rectangular plate-like portion that is elongated along the Y axis is connected to the support portion 15 at both ends along the Y axis.

また、弾性部16B,16Dは、YZ面に広がりY軸に沿って細長い矩形の板状部分と、ZX面に広がりX軸に沿って細長い矩形の板状部分とを有している。Y軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Y軸に沿った一方の端部がXY可動部14と接続し、Y軸に沿った一方の端部がX軸に沿って細長い矩形の板状部分の中央部と接続している。X軸に沿って細長い矩形の板状部分は、X軸に沿った両端部が支持部15と接続している。これらの板状部分の厚さ、すなわちZ軸に沿った寸法は、これに限定されないが、例えば、XY可動部14の厚さと同じである。   The elastic portions 16B and 16D have a rectangular plate-like portion that extends in the YZ plane and extends along the Y-axis, and a rectangular plate-like portion that extends in the ZX plane and extends in the X-axis. The rectangular plate-like portion elongated along the Y axis is connected to the XY movable portion 14 at one end along the Y axis, and the rectangular plate elongated at one end along the Y axis along the X axis. Connected to the central part of the shaped part. The rectangular plate-like portion that is elongated along the X axis has both end portions along the X axis connected to the support portion 15. The thickness of these plate-like portions, that is, the dimension along the Z-axis is not limited to this, but is the same as the thickness of the XY movable portion 14, for example.

このような形状を有することにより、弾性部16A,16Cは、Y軸に沿っては弾性変形しやすいが、X軸に沿っては変形しにくい。弾性部16B,16Dは、X軸に沿っては弾性変形しやすいが、Y軸に沿っては変形しにくい。従って、XY可動部14は、弾性部16A,16Cにより、X軸に沿った方向に関して高剛性に支持され、弾性部16B,16Dにより、Y軸に沿った方向に関して高剛性に支持されている。   By having such a shape, the elastic portions 16A and 16C are easily elastically deformed along the Y axis, but are not easily deformed along the X axis. The elastic portions 16B and 16D are easily deformed elastically along the X axis, but are not easily deformed along the Y axis. Therefore, the XY movable part 14 is supported with high rigidity in the direction along the X axis by the elastic parts 16A and 16C, and is supported with high rigidity in the direction along the Y axis by the elastic parts 16B and 16D.

XYステージ13は一体的に形成されている。つまり、XY可動部14と支持部15と弾性部16A〜16Dと押圧部17A,17Bは一体的に形成されている。XYステージ13は、例えばアルミニウム製の金属のブロックを選択的に切り欠いて作製される。   The XY stage 13 is integrally formed. That is, the XY movable part 14, the support part 15, the elastic parts 16A to 16D, and the pressing parts 17A and 17B are integrally formed. The XY stage 13 is produced by selectively notching a metal block made of, for example, aluminum.

固定枠11の材質は、好ましくは、XYステージ13の材質よりも高い弾性率を有している。例えば、固定枠11はステンレス鋼で、XYステージ13はアルミニウムから成る。   The material of the fixed frame 11 preferably has a higher elastic modulus than the material of the XY stage 13. For example, the fixed frame 11 is made of stainless steel, and the XY stage 13 is made of aluminum.

圧電素子12Aは、弾性部16Aの押圧部17Aと固定枠11の間に所定の予圧がかかるように配置されている。また、圧電素子12Bは、弾性部16Bの押圧部17Bと固定枠11の間に所定の予圧がかかるように配置されている。   The piezoelectric element 12A is arranged so that a predetermined preload is applied between the pressing portion 17A of the elastic portion 16A and the fixed frame 11. The piezoelectric element 12B is arranged so that a predetermined preload is applied between the pressing portion 17B of the elastic portion 16B and the fixed frame 11.

圧電素子12Aは、XY可動部14の重心を通るX軸に平行な直線が圧電素子12Aの中心を通るよう配置されている。また、圧電素子12Bは、XY可動部14の重心を通るY軸に平行な直線が圧電素子12Bの中心を通るよう配置されている。   The piezoelectric element 12A is disposed so that a straight line passing through the center of gravity of the XY movable portion 14 and parallel to the X axis passes through the center of the piezoelectric element 12A. The piezoelectric element 12B is arranged so that a straight line passing through the center of gravity of the XY movable portion 14 and parallel to the Y axis passes through the center of the piezoelectric element 12B.

圧電素子12Aは、弾性部16Aを介してXY可動部14をX軸に沿って移動させるためのXアクチュエータであり、電圧印加に応じてX軸に沿って伸縮し得る。圧電素子12Bは、弾性部16Bを介してXY可動部14をY軸に沿って移動させるためのYアクチュエータであり、電圧印加に応じてY軸に沿って伸縮し得る。   The piezoelectric element 12A is an X actuator for moving the XY movable part 14 along the X axis via the elastic part 16A, and can expand and contract along the X axis according to voltage application. The piezoelectric element 12B is a Y actuator for moving the XY movable portion 14 along the Y axis via the elastic portion 16B, and can expand and contract along the Y axis in response to voltage application.

圧電素子12Aと圧電素子12Bは、例えば、実質的に同一の二つの積層型圧電素子で構成されている。圧電素子12Aと圧電素子12Bは、X−Y平面に平行な方向にXY可動部14を走査するXYアクチュエータを構成している。   The piezoelectric element 12A and the piezoelectric element 12B are composed of, for example, two substantially identical stacked piezoelectric elements. The piezoelectric element 12A and the piezoelectric element 12B constitute an XY actuator that scans the XY movable unit 14 in a direction parallel to the XY plane.

走査機構10はまた、XY可動部14に保持された圧電素子21と、圧電素子21に保持されたホルダ22と、ホルダ22に保持されたカンチレバー23を有している。圧電素子21は、一端がXY可動部14に固定され、−Z方向に延出している。圧電素子21の自由端には、カンチレバー23を保持するホルダ22が保持されている。圧電素子21は、例えば、積層型圧電素子で構成されている。圧電素子21は、電圧印加に応じてZ軸に沿って伸縮し得る。圧電素子21は、X−Y平面に垂直なZ軸方向にカンチレバー23を走査するZアクチュエータを構成している。カンチレバー23は、その自由端に機械的探針24を有している。カンチレバー23は、例えばX軸に沿って延びている。カンチレバー23は、ホルダ22に交換可能に取り付けられてよい。   The scanning mechanism 10 also includes a piezoelectric element 21 held by the XY movable unit 14, a holder 22 held by the piezoelectric element 21, and a cantilever 23 held by the holder 22. One end of the piezoelectric element 21 is fixed to the XY movable portion 14 and extends in the −Z direction. A holder 22 that holds the cantilever 23 is held at the free end of the piezoelectric element 21. The piezoelectric element 21 is composed of, for example, a laminated piezoelectric element. The piezoelectric element 21 can expand and contract along the Z axis in response to voltage application. The piezoelectric element 21 constitutes a Z actuator that scans the cantilever 23 in the Z-axis direction perpendicular to the XY plane. The cantilever 23 has a mechanical probe 24 at its free end. The cantilever 23 extends, for example, along the X axis. The cantilever 23 may be attached to the holder 22 in a replaceable manner.

走査機構10はさらに、XY可動部14に保持された集光部25を有している。集光部25は、図示しないカンチレバーの光学式変位センサー、例えば光てこセンサーから出射されるカンチレバー23の変位を検出するための光をカンチレバー23に入射させる働きをする。集光部25は、これに限定されないが、例えば、二つの集光レンズ26A,26Bを有している。集光レンズ26A,26Bは、XY可動部14に固定された、XY可動部14を貫通して延びている筒体27によって保持されている。   The scanning mechanism 10 further includes a light collecting unit 25 held by the XY movable unit 14. The condensing unit 25 functions to make the cantilever 23 enter light for detecting the displacement of the cantilever 23, which is emitted from an optical displacement sensor (not shown), for example, an optical lever sensor. The condensing part 25 is not limited to this, For example, it has the two condensing lenses 26A and 26B. The condenser lenses 26 </ b> A and 26 </ b> B are held by a cylindrical body 27 that is fixed to the XY movable portion 14 and extends through the XY movable portion 14.

圧電素子21と集光部25は、X−Y平面への投影において並ぶように配置されている。言い換えれば、圧電素子21と集光部25は、投影されたX−Y平面上において、互いに重なることなく、一方が他方の外側に位置している。圧電素子21と集光部25は、これに限定されないが、例えば、カンチレバー23が延びている方向すなわちX軸に沿って並んでいる。   The piezoelectric element 21 and the light collecting unit 25 are arranged so as to be aligned in the projection onto the XY plane. In other words, one of the piezoelectric element 21 and the light converging unit 25 is located outside the other without overlapping each other on the projected XY plane. The piezoelectric element 21 and the light collecting unit 25 are not limited to this, but are arranged along the direction in which the cantilever 23 extends, that is, along the X axis, for example.

このように構成された走査機構10においては、X走査の際、圧電素子12AがX軸に沿って伸縮する。圧電素子12Aが伸びる時は、圧電素子12Aが弾性部16Aを弾性変形させながらXY可動部14を押す。これによりXY可動部14はX軸に沿って一方向に移動される。これに伴って弾性部16CはXY可動部14に押されることにより弾性変形される。さらに弾性部16B,16DもXY可動部14の移動方向に引っ張られるために弾性変形される。圧電素子12Aが縮む時は、弾性変形されている弾性部16A〜16Dのすべての復元力に従ってXY可動部14がX軸に沿って逆方向に移動される。このようにしてXY可動部14は、X方向に高い直進性をもって走査される。   In the scanning mechanism 10 configured as described above, the piezoelectric element 12A expands and contracts along the X axis during X scanning. When the piezoelectric element 12A extends, the piezoelectric element 12A pushes the XY movable part 14 while elastically deforming the elastic part 16A. Accordingly, the XY movable unit 14 is moved in one direction along the X axis. Accordingly, the elastic portion 16C is elastically deformed by being pushed by the XY movable portion 14. Further, the elastic portions 16B and 16D are also elastically deformed because they are pulled in the moving direction of the XY movable portion 14. When the piezoelectric element 12A contracts, the XY movable portion 14 is moved in the reverse direction along the X axis according to all the restoring forces of the elastic portions 16A to 16D that are elastically deformed. In this way, the XY movable unit 14 is scanned with high straightness in the X direction.

同様に、Y走査の際は、圧電素子12BがY軸に沿って伸縮する。圧電素子12Bが伸びる時は、圧電素子12Bが弾性部16Bを弾性変形させながらXY可動部14を押す。これによりXY可動部14はY軸に沿って一方向に移動される。これに伴って弾性部16DはXY可動部14に押されることにより弾性変形される。さらに弾性部16A,16CもXY可動部14の移動方向に引っ張られるために弾性変形される。圧電素子12Bが縮む時は、弾性変形されている弾性部16A〜16Dのすべての復元力に従ってXY可動部14がY軸に沿って逆方向に移動される。このようにしてXY可動部14は、Y方向に高い直進性をもって走査される。   Similarly, during Y scanning, the piezoelectric element 12B expands and contracts along the Y axis. When the piezoelectric element 12B extends, the piezoelectric element 12B pushes the XY movable part 14 while elastically deforming the elastic part 16B. As a result, the XY movable unit 14 is moved in one direction along the Y axis. Accordingly, the elastic portion 16D is elastically deformed by being pushed by the XY movable portion 14. Furthermore, the elastic portions 16A and 16C are also elastically deformed because they are pulled in the moving direction of the XY movable portion 14. When the piezoelectric element 12B contracts, the XY movable portion 14 is moved in the reverse direction along the Y axis in accordance with all the restoring forces of the elastic portions 16A to 16D that are elastically deformed. In this way, the XY movable unit 14 is scanned with high straightness in the Y direction.

圧電素子12Aと圧電素子12Bのそれぞれの中心軸がXY可動部14の重心を通っているため、XY可動部14が高速で移動された場合でも、慣性力による回転運動が発生し難い。このため、XY可動部14は、高速かつ高い直進性をもってXY方向に走査され得る。   Since the respective central axes of the piezoelectric element 12A and the piezoelectric element 12B pass through the center of gravity of the XY movable part 14, even when the XY movable part 14 is moved at high speed, it is difficult for rotational movement due to inertial force to occur. For this reason, the XY movable part 14 can be scanned in the XY directions with high speed and high straightness.

XY可動部14がXY方向に走査される際、圧電素子21とともにカンチレバー23もXY方向に走査される。従って、カンチレバー23も、高速かつ高い直進性をもって走査される。   When the XY movable unit 14 is scanned in the XY direction, the cantilever 23 is also scanned in the XY direction together with the piezoelectric element 21. Therefore, the cantilever 23 is also scanned with high speed and high straightness.

XY可動部14がXY方向に走査される際、集光部25もXY方向に走査される。従って、集光部25も、高速かつ高い直進性をもってXY方向に走査される。   When the XY movable unit 14 is scanned in the XY direction, the light collecting unit 25 is also scanned in the XY direction. Accordingly, the light collecting unit 25 is also scanned in the XY directions with high speed and high straightness.

集光部25には、図示しない光てこセンサーから出射されたコリメートレーザ光29が集光部25の光軸28に平行に入射する。集光部25は、入射したレーザ光29をカンチレバー23の自由端に集光して照射する。カンチレバー23の自由端で反射されたレーザ光29は、集光部25を通って図示しない光ディテクタに入射する。   A collimated laser beam 29 emitted from an optical lever sensor (not shown) is incident on the condensing unit 25 in parallel to the optical axis 28 of the condensing unit 25. The condensing unit 25 condenses and irradiates the incident laser beam 29 on the free end of the cantilever 23. The laser beam 29 reflected by the free end of the cantilever 23 is incident on an optical detector (not shown) through the condenser 25.

XY可動部14がXY方向に走査される際、集光部25とともに集光部25の焦点位置も同じ距離だけXY方向に走査されるので、集光部25によって集光されたレーザ光29の集光スポットも集光部25と同じ距離だけXY方向に走査される。従って、集光部25が作るレーザ光29の集光スポットが、高速かつ高い直進性をもってXY方向に走査される。   When the XY movable unit 14 is scanned in the XY direction, the focal position of the condensing unit 25 is also scanned in the XY direction together with the condensing unit 25, so that the laser beam 29 condensed by the condensing unit 25 The condensing spot is also scanned in the XY directions by the same distance as the condensing unit 25. Therefore, the condensing spot of the laser beam 29 created by the condensing unit 25 is scanned in the XY directions at high speed and with high straightness.

以上より、走査機構10においては、カンチレバー23と集光部25が作るレーザ光29の集光スポットが高速かつ高い直進性をもってXY方向に同じ距離だけ走査される。   As described above, in the scanning mechanism 10, the condensing spot of the laser beam 29 formed by the cantilever 23 and the condensing unit 25 is scanned at the same distance in the XY direction with high speed and high straightness.

さらに走査機構10では、集光部25と圧電素子21が、X−Y平面への投影においてX軸に沿って並ぶように配置されている。このため、集光部25と圧電素子21を含むXY可動部14のZ軸に沿った長さが短く抑えられている。その結果、XY可動部14を高速でXY方向に走査する際に生じる「慣性力に起因するXY可動部14の揺れ振動」が低減される。またカンチレバー23がXY可動部14の重心を通るX−Y平面に近づくため、カンチレバー23の揺れ振動が増加することも回避される。   Further, in the scanning mechanism 10, the light collecting unit 25 and the piezoelectric element 21 are arranged so as to be aligned along the X axis in the projection onto the XY plane. For this reason, the length along the Z-axis of the XY movable part 14 including the light collecting part 25 and the piezoelectric element 21 is suppressed to be short. As a result, “swing vibration of the XY movable unit 14 due to inertial force” generated when the XY movable unit 14 is scanned in the XY direction at high speed is reduced. Further, since the cantilever 23 approaches the XY plane passing through the center of gravity of the XY movable portion 14, an increase in the shaking vibration of the cantilever 23 is also avoided.

従って、走査機構10においては、カンチレバー23と集光部25が作るレーザ光29の集光スポットが高速かつ高い直進性をもってXY方向に同じ距離だけ走査されるので、XY走査時に生じる慣性力に起因する振動ノイズが低減された検出光追従型の走査機構が提供される。その結果、高速かつ高い直進性をもった高精度な検出光追従型の走査機構が提供される。   Accordingly, in the scanning mechanism 10, the condensing spot of the laser light 29 formed by the cantilever 23 and the condensing unit 25 is scanned at the same distance in the XY direction at high speed and with high linearity, and thus is caused by the inertia force generated during XY scanning. A scanning mechanism for detecting and following the detected light with reduced vibration noise is provided. As a result, a highly accurate detection light tracking type scanning mechanism having high speed and high straightness is provided.

<第二実施形態>
本実施形態は、走査機構に向けられている。以下、図3と図4を参照しながら本実施形態について説明する。図3は、本実施形態の走査機構30の上面図であり、図4は、図3中のB−B線に沿った走査機構30の断面図である。図3と図4において、図1と図2に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
<Second embodiment>
This embodiment is directed to a scanning mechanism. Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 3 is a top view of the scanning mechanism 30 of the present embodiment, and FIG. 4 is a cross-sectional view of the scanning mechanism 30 along the line BB in FIG. 3 and 4, members having the same reference numerals as those shown in FIGS. 1 and 2 are similar members, and detailed description thereof is omitted.

図3と図4に示すように、XYステージ33はXY可動部34を有し、XY可動部34は、その下面にZ軸に沿って延びた角穴35を有している。角穴35は、電圧印加に応じてZ軸に沿って伸縮する圧電素子21が固定されている。その結果、圧電素子21の重心は、XY可動部34の厚み(Z軸に沿った寸法)内に収まっている。すなわち圧電素子21の重心がXY可動部34の重心を通るX−Y平面に近づけられている。これはカンチレバー23の位置をXY可動部34の重心を通るX−Y平面に近づけることにもなる。圧電素子21の自由端には、カンチレバー23を保持するためのホルダ22が取り付けられている。   As shown in FIGS. 3 and 4, the XY stage 33 has an XY movable portion 34, and the XY movable portion 34 has a square hole 35 extending along the Z axis on the lower surface thereof. The square hole 35 is fixed with a piezoelectric element 21 that expands and contracts along the Z-axis in response to voltage application. As a result, the center of gravity of the piezoelectric element 21 is within the thickness (the dimension along the Z axis) of the XY movable portion 34. That is, the center of gravity of the piezoelectric element 21 is brought close to the XY plane passing through the center of gravity of the XY movable part 34. This also brings the position of the cantilever 23 closer to the XY plane passing through the center of gravity of the XY movable portion 34. A holder 22 for holding the cantilever 23 is attached to the free end of the piezoelectric element 21.

また集光部25は、XY可動部34を貫通しXY可動部34に保持されている。集光部25は、その重心がXY可動部34のZ方向の厚み内に収まるように、望ましくは、XY可動部34の重心を通るX−Y平面にほぼ一致するよう保持されている。   The light collecting unit 25 penetrates the XY movable unit 34 and is held by the XY movable unit 34. The condensing unit 25 is desirably held so as to substantially coincide with the XY plane passing through the center of gravity of the XY movable unit 34 so that the center of gravity thereof is within the thickness of the XY movable unit 34 in the Z direction.

このように構成された走査機構30においては、圧電素子21と集光部25が、X−Y平面への投影においてX軸に沿って並ぶように配置されている。さらに、圧電素子21と集光部25の重心がいずれもXY可動部34のZ方向の厚み内に収まっている。その結果、XY可動部34を高速でXY方向に走査する際に生じる「慣性力に起因するXY可動部34の揺れ振動」が低減される。またカンチレバー23がXY可動部34の重心を通るX−Y平面に近づくため、カンチレバー23の揺れ振動が増加することも回避される。   In the scanning mechanism 30 configured as described above, the piezoelectric element 21 and the light collecting unit 25 are arranged so as to be aligned along the X axis in the projection onto the XY plane. Further, the centroids of the piezoelectric element 21 and the light converging part 25 are both within the thickness of the XY movable part 34 in the Z direction. As a result, “swing vibration of the XY movable part 34 due to inertial force” that occurs when the XY movable part 34 is scanned in the XY direction at high speed is reduced. Further, since the cantilever 23 approaches the XY plane passing through the center of gravity of the XY movable portion 34, an increase in the shaking vibration of the cantilever 23 is also avoided.

[変形例1]
さらにこの走査機構では次の変形が可能である。第二実施形態の変形例である走査機構40を図5と図6に示す。図5は、本実施形態の変形例である走査機構40の上面図であり、図6は、図5中のC−C線に沿った走査機構40の断面図である。図5と図6において、図1と図2に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
[Modification 1]
Further, this scanning mechanism can be modified as follows. A scanning mechanism 40, which is a modification of the second embodiment, is shown in FIGS. FIG. 5 is a top view of a scanning mechanism 40 which is a modification of the present embodiment, and FIG. 6 is a cross-sectional view of the scanning mechanism 40 along the line CC in FIG. 5 and 6, members having the same reference numerals as those shown in FIGS. 1 and 2 are similar members, and detailed description thereof is omitted.

図5と図6に示すように、走査機構40はXYステージ43を有し、XYステージ43はXY可動部44を有している。走査機構40はまた、XY可動部44に保持された圧電素子21と、圧電素子21に保持されたホルダ22と、ホルダ22に保持されたカンチレバー23と、XY可動部44に保持された圧電素子41と、圧電素子41に保持された疑似ホルダ42を有している。   As shown in FIGS. 5 and 6, the scanning mechanism 40 has an XY stage 43, and the XY stage 43 has an XY movable unit 44. The scanning mechanism 40 also includes the piezoelectric element 21 held by the XY movable portion 44, the holder 22 held by the piezoelectric element 21, the cantilever 23 held by the holder 22, and the piezoelectric element held by the XY movable portion 44. 41 and a pseudo holder 42 held by the piezoelectric element 41.

圧電素子21は、一端がXY可動部44に固定され、−Z方向に延出している。また、圧電素子41は、一端がXY可動部44に固定され、+Z方向に延出している。つまり、圧電素子21と圧電素子41はそれぞれXY可動部44からZ軸に沿って反対側に延びている。   One end of the piezoelectric element 21 is fixed to the XY movable portion 44 and extends in the −Z direction. Further, one end of the piezoelectric element 41 is fixed to the XY movable portion 44 and extends in the + Z direction. That is, each of the piezoelectric element 21 and the piezoelectric element 41 extends from the XY movable portion 44 to the opposite side along the Z axis.

圧電素子21と圧電素子41は、例えば実質的に同一の積層型圧電素子で構成されており、電圧印加に応じてZ軸に沿って伸縮し得る。圧電素子21と圧電素子41は、X−Y平面に垂直なZ軸方向にカンチレバー23を走査するZアクチュエータを構成している。   The piezoelectric element 21 and the piezoelectric element 41 are composed of, for example, substantially the same stacked piezoelectric element, and can expand and contract along the Z-axis in response to voltage application. The piezoelectric element 21 and the piezoelectric element 41 constitute a Z actuator that scans the cantilever 23 in the Z-axis direction perpendicular to the XY plane.

XY可動部44の下面に設けられた圧電素子21の自由端には、カンチレバー23を保持するためのホルダ22が取り付けられている。つまり、カンチレバー23は圧電素子21の自由端に保持されている。XY可動部44の上面に設けられた圧電素子41の自由端には、ホルダ22と同一の部材である疑似ホルダ42が取り付けられている。疑似ホルダ42は、ホルダ22と同等の質量をもつ部材であれば置き換え可能である。   A holder 22 for holding the cantilever 23 is attached to the free end of the piezoelectric element 21 provided on the lower surface of the XY movable portion 44. That is, the cantilever 23 is held at the free end of the piezoelectric element 21. A pseudo holder 42, which is the same member as the holder 22, is attached to the free end of the piezoelectric element 41 provided on the upper surface of the XY movable portion 44. The pseudo holder 42 can be replaced if it is a member having the same mass as the holder 22.

カンチレバー23をZ方向に走査する際、図示しないZ圧電駆動部によりZ駆動信号を二つの圧電素子21,41に供給し、二つの圧電素子21,41が同じ量だけ逆向きに伸縮される。これにより、圧電素子21の伸縮がXY可動部44に与えるZ軸に沿った力が、圧電素子41の伸縮によって打ち消される。これにより、圧電素子21の伸縮により生じるXY可動部44のZ方向の振動がほぼ0に抑えられる。   When scanning the cantilever 23 in the Z direction, a Z drive signal is supplied to the two piezoelectric elements 21 and 41 by a Z piezoelectric drive unit (not shown), and the two piezoelectric elements 21 and 41 are expanded and contracted in the opposite direction by the same amount. Thereby, the force along the Z axis that the expansion and contraction of the piezoelectric element 21 gives to the XY movable portion 44 is canceled by the expansion and contraction of the piezoelectric element 41. Thereby, the vibration in the Z direction of the XY movable part 44 caused by the expansion and contraction of the piezoelectric element 21 is suppressed to substantially zero.

このように構成された走査機構40においては、二つの圧電素子21,41と集光部25が、X−Y平面への投影においてX軸に沿って並ぶように配置されている。集光部25は、その重心がXY可動部44のZ方向の厚み内に収まるように、望ましくは、XY可動部44の重心を通るX−Y平面にほぼ一致するように保持されている。二つの圧電素子21,41はほぼ同形状・同質量であるため、二つの圧電素子21,41で構成されるZアクチュエータは、その重心がXY可動部44のZ方向の厚み内に収まるように、望ましくは、XY可動部44の重心を通るX−Y平面にほぼ一致するように保持されている。その結果、XY可動部44を高速でXY方向に走査する際に生じる「慣性力に起因するXY可動部44の揺れ振動」が低減される。さらに、二つの圧電素子21,41で構成されるZアクチュエータは、XY可動部44の重心を通るX−Y平面に対してほぼ対称形となる。これは「慣性力に起因するXY可動部44の揺れ振動」を相殺するカウンターバランスとして働く。その結果、「慣性力に起因するXY可動部44の揺れ振動」がより低減される。加えて、二つの圧電素子21,41で構成されるZアクチュエータにより、カンチレバー23をZ方向に走査する際に生じる振動ノイズもほぼ0に抑えられる。   In the scanning mechanism 40 configured as described above, the two piezoelectric elements 21 and 41 and the light converging unit 25 are arranged so as to be aligned along the X axis in the projection onto the XY plane. The condensing unit 25 is desirably held so as to substantially coincide with an XY plane passing through the center of gravity of the XY movable unit 44 so that the center of gravity thereof falls within the thickness of the XY movable unit 44 in the Z direction. Since the two piezoelectric elements 21 and 41 have substantially the same shape and the same mass, the Z actuator constituted by the two piezoelectric elements 21 and 41 has a center of gravity within the thickness of the XY movable portion 44 in the Z direction. Desirably, the XY movable portion 44 is held so as to substantially coincide with the XY plane passing through the center of gravity. As a result, “swing vibration of the XY movable part 44 due to inertial force” that occurs when the XY movable part 44 is scanned in the XY direction at high speed is reduced. Further, the Z actuator composed of the two piezoelectric elements 21 and 41 is substantially symmetrical with respect to the XY plane passing through the center of gravity of the XY movable portion 44. This serves as a counterbalance that cancels out “swaying vibration of the XY movable portion 44 caused by inertial force”. As a result, “swaying vibration of the XY movable portion 44 caused by inertial force” is further reduced. In addition, the vibration noise generated when the cantilever 23 is scanned in the Z direction can be suppressed to almost zero by the Z actuator composed of the two piezoelectric elements 21 and 41.

[変形例2]
さらにこの走査機構では次の変形が可能である。第二実施形態の変形例である走査機構50を図7と図8に示す。図7は、本実施形態の変形例である走査機構50の上面図であり、図8は、図7中のD−D線に沿った走査機構50の断面図である。図7と図8において、図5と図6に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
[Modification 2]
Further, this scanning mechanism can be modified as follows. A scanning mechanism 50, which is a modification of the second embodiment, is shown in FIGS. FIG. 7 is a top view of a scanning mechanism 50 which is a modification of the present embodiment, and FIG. 8 is a cross-sectional view of the scanning mechanism 50 along the line DD in FIG. 7 and 8, members denoted by the same reference numerals as those shown in FIGS. 5 and 6 are similar members, and detailed description thereof is omitted.

図7と図8に示すように、走査機構50はXYステージ53を有し、XYステージ53はXY可動部54を有している。走査機構50はまた、XY可動部54に保持された圧電素子21と、圧電素子21に保持されたホルダ22と、ホルダ22に保持されたカンチレバー23と、XY可動部54に保持された圧電素子41と、圧電素子41に保持された疑似ホルダ42を有している。   As shown in FIGS. 7 and 8, the scanning mechanism 50 has an XY stage 53, and the XY stage 53 has an XY movable portion 54. The scanning mechanism 50 also includes the piezoelectric element 21 held by the XY movable portion 54, the holder 22 held by the piezoelectric element 21, the cantilever 23 held by the holder 22, and the piezoelectric element held by the XY movable portion 54. 41 and a pseudo holder 42 held by the piezoelectric element 41.

走査機構50はさらに、XY可動部54に保持された単レンズ56を有している。単レンズ56は、XY可動部54に形成された貫通穴55内に配置され、XY可動部54の厚み内に収まっている。単レンズ56は、望ましくは、その重心がXY可動部54の重心を通るX−Y平面にほぼ一致するように保持されている。単レンズ56は、図1に示した集光部25と同等の集光性を備えている。つまり、単レンズ56は、カンチレバー23の変位を検出するための光をカンチレバー23に入射させる集光部を構成している。例えば、単レンズ56は、長さ10μm、幅2μmの小さなカンチレバーにも集光し得るように、そのNAが0.4以上の光学特性を備えている。焦点スポット径は1.22×波長/NAで求められるため、例えば光てこセンサーの検出光に波長650nmの赤色レーザを用いた場合、NAが0.4のときに焦点スポット径は約2μmになるからである。また単レンズ56は、その直径が10mm以下であることが望ましい。XY走査の高速化を図るためには、XY可動部54自体を小型・軽量にすることが重要だからである。   The scanning mechanism 50 further has a single lens 56 held by the XY movable portion 54. The single lens 56 is disposed in a through hole 55 formed in the XY movable portion 54 and is within the thickness of the XY movable portion 54. The single lens 56 is desirably held so that the center of gravity thereof substantially coincides with the XY plane passing through the center of gravity of the XY movable unit 54. The single lens 56 has the same light collecting performance as the light collecting unit 25 shown in FIG. That is, the single lens 56 constitutes a condensing unit that makes light for detecting the displacement of the cantilever 23 incident on the cantilever 23. For example, the single lens 56 has an optical characteristic such that its NA is 0.4 or more so that light can be condensed even on a small cantilever having a length of 10 μm and a width of 2 μm. Since the focal spot diameter is obtained by 1.22 × wavelength / NA, for example, when a red laser with a wavelength of 650 nm is used as the detection light of the optical lever sensor, the focal spot diameter becomes about 2 μm when the NA is 0.4. Because. The single lens 56 preferably has a diameter of 10 mm or less. This is because it is important to make the XY movable portion 54 small and light in order to increase the speed of the XY scanning.

このように構成された走査機構50においては、二つの圧電素子21,41と単レンズ56が、X−Y平面への投影においてX軸に沿って並ぶように配置されている。単レンズ56は、それ自体がXY可動部54内に収まるように、望ましくは、その重心がXY可動部54の重心を通るX−Y平面にほぼ一致するように保持されている。また、二つの圧電素子21,41はほぼ同形状・同質量であるため、二つの圧電素子21,41で構成されるZアクチュエータは、その重心がXY可動部54の重心を通るX−Y平面にほぼ一致するように保持されている。その結果、XY可動部54を高速でXY方向に走査する際に生じる「慣性力に起因するXY可動部54の揺れ振動」が低減される。さらに、二つの圧電素子21,41で構成されるZアクチュエータは、XY可動部54の重心を通るX−Y平面に対してほぼ対称形となる。これは「慣性力に起因するXY可動部54の揺れ振動」を相殺するカウンターバランスとして働く。その結果、「慣性力に起因するXY可動部54の揺れ振動」がより低減される。加えて、二つの圧電素子21,41で構成されるZアクチュエータにより、カンチレバー23をZ方向に走査する際に生じる振動ノイズもほぼ0に抑えられる。   In the scanning mechanism 50 configured as described above, the two piezoelectric elements 21 and 41 and the single lens 56 are arranged so as to be aligned along the X axis in the projection onto the XY plane. The single lens 56 is desirably held so that its center of gravity is substantially coincident with an XY plane passing through the center of gravity of the XY movable unit 54 so that the single lens 56 itself can be accommodated in the XY movable unit 54. In addition, since the two piezoelectric elements 21 and 41 have substantially the same shape and mass, the Z actuator constituted by the two piezoelectric elements 21 and 41 has an XY plane whose center of gravity passes through the center of gravity of the XY movable portion 54. Is held to almost match. As a result, “swing vibration of the XY movable part 54 due to inertial force” generated when the XY movable part 54 is scanned in the XY direction at high speed is reduced. Further, the Z actuator composed of the two piezoelectric elements 21 and 41 is substantially symmetrical with respect to the XY plane passing through the center of gravity of the XY movable portion 54. This acts as a counterbalance that cancels out “swaying vibration of the XY movable portion 54 caused by inertial force”. As a result, “swing vibration of the XY movable portion 54 caused by inertial force” is further reduced. In addition, the vibration noise generated when the cantilever 23 is scanned in the Z direction can be suppressed to almost zero by the Z actuator composed of the two piezoelectric elements 21 and 41.

さらに集光部が小型・軽量の単レンズであるため、集光部にかかる慣性力が低減される。その結果、「慣性力に起因するXY可動部54の揺れ振動」がより低減される。またXY可動部54自体を小型・軽量にすることが可能になり、その結果、走査機構の共振周波数を上げることができる。これは高速走査に効果がある。   Furthermore, since the condensing part is a small and light single lens, the inertial force applied to the condensing part is reduced. As a result, “swing vibration of the XY movable portion 54 caused by inertial force” is further reduced. In addition, the XY movable unit 54 itself can be reduced in size and weight, and as a result, the resonance frequency of the scanning mechanism can be increased. This is effective for high-speed scanning.

[変形例3]
さらにこの走査機構では次の変形が可能である。第二実施形態の変形例である走査機構60を図9と図10に示す。図9は、本実施形態の変形例である走査機構60の上面図であり、図10は、図9中のE−E線に沿った走査機構60の断面図である。図9と図10において、図7と図8に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
[Modification 3]
Further, this scanning mechanism can be modified as follows. A scanning mechanism 60, which is a modification of the second embodiment, is shown in FIGS. FIG. 9 is a top view of a scanning mechanism 60 that is a modification of the present embodiment, and FIG. 10 is a cross-sectional view of the scanning mechanism 60 taken along line EE in FIG. 9 and 10, members denoted by the same reference numerals as those illustrated in FIGS. 7 and 8 are similar members, and detailed description thereof is omitted.

図9と図10に示すように、走査機構60はXYステージ63を有し、XYステージ63はXY可動部64を有している。走査機構60はまた、XY可動部64に保持された圧電素子21と、圧電素子21に保持されたホルダ22と、ホルダ22に保持されたカンチレバー23と、XY可動部64に保持された圧電素子41と、圧電素子41に保持された疑似ホルダ42を有している。   As shown in FIGS. 9 and 10, the scanning mechanism 60 has an XY stage 63, and the XY stage 63 has an XY movable portion 64. The scanning mechanism 60 also includes the piezoelectric element 21 held by the XY movable part 64, the holder 22 held by the piezoelectric element 21, the cantilever 23 held by the holder 22, and the piezoelectric element held by the XY movable part 64. 41 and a pseudo holder 42 held by the piezoelectric element 41.

XY可動部64の下面に設けられた圧電素子21の自由端には、カンチレバー23を保持するためのホルダ22が取り付けられている。ホルダ22は、カンチレバー23をX−Y平面に対して5度ないし20度に傾きをもって保持している。これは、カンチレバー23のレバー面と、図示しないX−Y平面に平行に配置された試料との干渉を避けるためであり、ほとんどすべてのAFMにおいて実施されている。XY可動部64の上面に設けられた圧電素子41の自由端には、ホルダ22と同一の部材である疑似ホルダ42が取り付けられている。疑似ホルダ42は、ホルダ22と同等の質量をもつ部材であれば置き換え可能である。   A holder 22 for holding the cantilever 23 is attached to the free end of the piezoelectric element 21 provided on the lower surface of the XY movable portion 64. The holder 22 holds the cantilever 23 with an inclination of 5 degrees to 20 degrees with respect to the XY plane. This is to avoid interference between the lever surface of the cantilever 23 and a sample arranged in parallel to an XY plane (not shown), and is implemented in almost all AFMs. A pseudo holder 42, which is the same member as the holder 22, is attached to the free end of the piezoelectric element 41 provided on the upper surface of the XY movable portion 64. The pseudo holder 42 can be replaced if it is a member having the same mass as the holder 22.

走査機構60はさらに、XY可動部64に保持された単レンズ66を有している。単レンズ66は、収束光をカンチレバー23のレバー面に対して垂直に入射させるように、その光軸68がX−Y平面に垂直な軸に対して5度ないし20度になるよう傾けて保持されている。また単レンズ66は、XY可動部64に形成された貫通穴65内に配置され、XY可動部64の厚み内に収まっている。単レンズ66は、望ましくは、その重心がXY可動部64の重心を通るX−Y平面にほぼ一致するように保持されている。さらに単レンズ66は、長さ10μm、幅2μmの小さなカンチレバーにも集光できるように、そのNAが0.4以上の光学特性を備えている。   The scanning mechanism 60 further has a single lens 66 held by the XY movable portion 64. The single lens 66 is tilted and held so that its optical axis 68 is 5 degrees to 20 degrees with respect to an axis perpendicular to the XY plane so that convergent light is incident perpendicularly to the lever surface of the cantilever 23. Has been. The single lens 66 is disposed in a through hole 65 formed in the XY movable portion 64 and is within the thickness of the XY movable portion 64. The single lens 66 is desirably held so that the center of gravity thereof substantially coincides with the XY plane passing through the center of gravity of the XY movable unit 64. Further, the single lens 66 has an optical characteristic that its NA is 0.4 or more so that light can be condensed even on a small cantilever having a length of 10 μm and a width of 2 μm.

このように構成された走査機構60においては、二つの圧電素子21,41と単レンズ66が、X−Y平面への投影においてX軸に沿って並ぶように配置されている。単レンズ66は、その重心がXY可動部64の重心を通るX−Y平面にほぼ一致するように保持されている。また、二つの圧電素子21,41はほぼ同形状・同質量であるため、二つの圧電素子21,41で構成されるZアクチュエータは、その重心がXY可動部64の重心を通るX−Y平面にほぼ一致するように保持されている。その結果、XY可動部64を高速でXY方向に走査する際に生じる「慣性力に起因するXY可動部64の揺れ振動」が低減される。さらに、二つの圧電素子21,41で構成されるZアクチュエータは、XY可動部64の重心を通るX−Y平面に対してほぼ対称形となる。これは「慣性力に起因するXY可動部64の揺れ振動」を相殺するカウンターバランスとして働く。その結果、「慣性力に起因するXY可動部64の揺れ振動」がより低減される。加えて、二つの圧電素子21,41で構成されるZアクチュエータにより、カンチレバー23をZ方向に走査する際に生じる振動ノイズもほぼ0に抑えられる。さらに、単レンズ66の光軸68がX−Y平面に垂直な軸に対して5度ないし20度になるよう傾けて保持されているので、カンチレバー23に対して垂直に収束光を入射させることができる。また単レンズ66は、そのNAが0.4以上の光学特性を備えている。その結果、カンチレバー23に形成する集光スポット径を直径2μm程度にまで小さくすることができる。これはカンチレバー23の変位検出の精度向上に効果がある。   In the scanning mechanism 60 configured as described above, the two piezoelectric elements 21 and 41 and the single lens 66 are arranged so as to be aligned along the X axis in the projection onto the XY plane. The single lens 66 is held so that the center of gravity thereof substantially coincides with the XY plane passing through the center of gravity of the XY movable unit 64. Further, since the two piezoelectric elements 21 and 41 have substantially the same shape and mass, the Z actuator constituted by the two piezoelectric elements 21 and 41 has an XY plane whose center of gravity passes through the center of gravity of the XY movable unit 64. Is held to almost match. As a result, “swing vibration of the XY movable part 64 due to inertial force” that occurs when the XY movable part 64 is scanned in the XY direction at high speed is reduced. Further, the Z actuator composed of the two piezoelectric elements 21 and 41 is substantially symmetrical with respect to the XY plane passing through the center of gravity of the XY movable portion 64. This serves as a counter balance that cancels out “swaying vibration of the XY movable portion 64 caused by inertial force”. As a result, “swaying vibration of the XY movable part 64 due to inertial force” is further reduced. In addition, the vibration noise generated when the cantilever 23 is scanned in the Z direction can be suppressed to almost zero by the Z actuator composed of the two piezoelectric elements 21 and 41. Furthermore, since the optical axis 68 of the single lens 66 is held at an angle of 5 degrees to 20 degrees with respect to the axis perpendicular to the XY plane, the convergent light is incident on the cantilever 23 perpendicularly. Can do. The single lens 66 has an optical characteristic with an NA of 0.4 or more. As a result, the diameter of the focused spot formed on the cantilever 23 can be reduced to about 2 μm. This is effective in improving the accuracy of detecting the displacement of the cantilever 23.

<第三実施形態>
本実施形態は、走査機構に向けられている。以下、図11〜図13を参照しながら本実施形態について説明する。
<Third embodiment>
This embodiment is directed to a scanning mechanism. Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to FIGS.

第二実施形態に示した走査機構40,50,60は、Z軸に沿って反対側に延びている二つの圧電素子21,41を有し、カンチレバー23をZ方向に走査する際に生じる振動ノイズをほぼ0に抑えている。しかしながらZ方向への走査は最大100kHz以上にも及ぶため、走査の衝撃により、二つの圧電素子21,41が設けられたXY可動部の土台部が変形するという問題がある。走査機構50を例にしたXY可動部54の土台部が変形する様子を図11に示す。この変形は、最大100kHz以上の振動ノイズとなって集光部(走査機構50では単レンズ56)に伝わる。集光部は、その外周部だけでXY可動部に保持されているため振動ノイズに対して強固であるとは言えず、その結果、集光部がXY可動部に対して振動する。これはAFM観察の高精度化を妨げる。   The scanning mechanisms 40, 50, 60 shown in the second embodiment have two piezoelectric elements 21, 41 extending on the opposite side along the Z axis, and vibrations generated when the cantilever 23 is scanned in the Z direction. Noise is suppressed to almost zero. However, since scanning in the Z direction extends to a maximum of 100 kHz or more, there is a problem that the base portion of the XY movable portion provided with the two piezoelectric elements 21 and 41 is deformed by the impact of scanning. FIG. 11 shows a state in which the base portion of the XY movable portion 54 taking the scanning mechanism 50 as an example is deformed. This deformation is transmitted to the condensing part (single lens 56 in the scanning mechanism 50) as vibration noise of 100 kHz or more at the maximum. Since the light condensing part is held by the XY movable part only at its outer peripheral part, it cannot be said that the light condensing part is strong against vibration noise. This hinders high accuracy of AFM observation.

図12は、上記問題を解決する本実施形態である走査機構70の上面図であり、図13は、図12中のF−F線に沿った走査機構70の断面図である。図12と図13において、図7と図8に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。   FIG. 12 is a top view of the scanning mechanism 70 according to the present embodiment that solves the above problem, and FIG. 13 is a cross-sectional view of the scanning mechanism 70 taken along line FF in FIG. 12 and 13, members denoted by the same reference numerals as those shown in FIGS. 7 and 8 are similar members, and detailed description thereof is omitted.

図12と図13に示すように、走査機構70はXYステージ73を有し、XYステージ73はXY可動部74を有している。走査機構70はまた、XY可動部74に保持された圧電素子21と、圧電素子21に保持されたホルダ22と、ホルダ22に保持されたカンチレバー23と、XY可動部74に保持された圧電素子41と、圧電素子41に保持された疑似ホルダ42と、XY可動部74に保持された単レンズ76を有している。単レンズ76は、XY可動部74に形成された貫通穴75内に配置され、XY可動部74の厚み内に収まっている。望ましくは、単レンズ76は、その重心がXY可動部74の重心を通るX−Y平面にほぼ一致するように保持されている。   As shown in FIGS. 12 and 13, the scanning mechanism 70 has an XY stage 73, and the XY stage 73 has an XY movable portion 74. The scanning mechanism 70 also includes the piezoelectric element 21 held by the XY movable portion 74, the holder 22 held by the piezoelectric element 21, the cantilever 23 held by the holder 22, and the piezoelectric element held by the XY movable portion 74. 41, a pseudo holder 42 held by the piezoelectric element 41, and a single lens 76 held by the XY movable portion 74. The single lens 76 is disposed in a through hole 75 formed in the XY movable part 74 and is within the thickness of the XY movable part 74. Desirably, the single lens 76 is held so that the center of gravity thereof substantially coincides with the XY plane passing through the center of gravity of the XY movable unit 74.

XY可動部74に設けられた単レンズ76と二つの圧電素子21,41から成るZアクチュエータが、X−Y平面への投影においてX軸に沿って並ぶように配置されている。単レンズ76と二つの圧電素子21,41から成るZアクチュエータとの間には、それらを機械的に分離するように、XY可動部74を貫通する開口部77が設けられている。   A Z actuator composed of a single lens 76 and two piezoelectric elements 21 and 41 provided in the XY movable portion 74 is arranged so as to be aligned along the X axis in the projection onto the XY plane. An opening 77 that penetrates the XY movable portion 74 is provided between the single lens 76 and the Z actuator composed of the two piezoelectric elements 21 and 41 so as to mechanically separate them.

このように構成された走査機構70においては、二つの圧電素子21,41と単レンズ76との間に、それらを機械的に分離する開口部77が設けられているため、Z方向への走査の際に生じる振動ノイズの単レンズ76への伝達が低減される。   In the scanning mechanism 70 configured in this way, an opening 77 that mechanically separates the two piezoelectric elements 21 and 41 and the single lens 76 is provided, so that scanning in the Z direction is performed. The transmission of vibration noise generated at the time to the single lens 76 is reduced.

[変形例]
さらにこの走査機構では次の変形が可能である。第三実施形態の変形例である走査機構80を図14と図15に示す。図14は、本実施形態の変形例である走査機構80の上面図であり、図15は、図14中のG−G線に沿った走査機構80の断面図である。図14と図15において、図12と図13に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
[Modification]
Further, this scanning mechanism can be modified as follows. A scanning mechanism 80, which is a modification of the third embodiment, is shown in FIGS. FIG. 14 is a top view of a scanning mechanism 80 which is a modification of the present embodiment, and FIG. 15 is a cross-sectional view of the scanning mechanism 80 taken along the line GG in FIG. 14 and 15, members denoted by the same reference numerals as those shown in FIGS. 12 and 13 are similar members, and detailed description thereof is omitted.

図14と図15に示すように、走査機構80はXYステージ83を有し、XYステージ83はXY可動部84を有している。走査機構80はまた、XY可動部84に保持された圧電素子21と、圧電素子21に保持されたホルダ22と、ホルダ22に保持されたカンチレバー23と、XY可動部84に保持された圧電素子41と、圧電素子41に保持された疑似ホルダ42と、XY可動部84に保持された単レンズ86を有している。   As shown in FIGS. 14 and 15, the scanning mechanism 80 has an XY stage 83, and the XY stage 83 has an XY movable portion 84. The scanning mechanism 80 also includes the piezoelectric element 21 held by the XY movable portion 84, the holder 22 held by the piezoelectric element 21, the cantilever 23 held by the holder 22, and the piezoelectric element held by the XY movable portion 84. 41, the pseudo holder 42 held by the piezoelectric element 41, and the single lens 86 held by the XY movable portion 84.

単レンズ86は、XY可動部84に形成された貫通穴85内に配置されている。単レンズ86を保持するためのXY可動部84に設けられた貫通穴85は、単レンズ86の外形(円)を僅かに広げた楕円形あるいは卵形をしており、単レンズ86は、貫通穴85内において、二つの圧電素子21,41から離れた位置で保持されている。すなわち、単レンズ86の外周部の一部分、例えば半分ないし3/4が貫通穴85に接合され、残りの外周部は貫通穴85に接触しないように保持されている。その結果、二つの圧電素子21,41に最も近い単レンズ86の部分とXY可動部84の間にすき間すなわち開口部87が形成されている。開口部87は、単レンズ86とXY可動部84を機械的に分離している。さらに単レンズ86は、XY可動部84の厚み内に収まっており、望ましくは、その重心がXY可動部84の重心を通るX−Y平面にほぼ一致するように保持されている。   The single lens 86 is disposed in a through hole 85 formed in the XY movable portion 84. A through hole 85 provided in the XY movable portion 84 for holding the single lens 86 has an elliptical shape or an oval shape in which the outer shape (circle) of the single lens 86 is slightly widened. The hole 85 is held at a position away from the two piezoelectric elements 21 and 41. That is, a part of the outer peripheral portion of the single lens 86, for example, half to 3/4 is joined to the through hole 85, and the remaining outer peripheral portion is held so as not to contact the through hole 85. As a result, a gap, that is, an opening 87 is formed between the portion of the single lens 86 closest to the two piezoelectric elements 21 and 41 and the XY movable portion 84. The opening 87 mechanically separates the single lens 86 and the XY movable part 84. Further, the single lens 86 is accommodated within the thickness of the XY movable portion 84, and is desirably held so that its center of gravity substantially coincides with the XY plane passing through the center of gravity of the XY movable portion 84.

このように構成された走査機構80においては、二つの圧電素子21,41と単レンズ86との間には、それらを機械的に分離するように、開口部87が形成されている。さらに単レンズ86は、二つの圧電素子21,41から離れた位置で保持されている。このため、単レンズ86は、二つの圧電素子21,41を保持しているXY可動部84の土台部とは完全に機械的に分離されている。その結果、Z方向への走査の際に生じる振動ノイズの単レンズ86への伝達がより低減される。   In the scanning mechanism 80 configured as described above, an opening 87 is formed between the two piezoelectric elements 21 and 41 and the single lens 86 so as to mechanically separate them. Further, the single lens 86 is held at a position away from the two piezoelectric elements 21 and 41. For this reason, the single lens 86 is completely mechanically separated from the base portion of the XY movable portion 84 that holds the two piezoelectric elements 21 and 41. As a result, transmission of vibration noise generated during scanning in the Z direction to the single lens 86 is further reduced.

第三実施形態の別の変形例を図16に示す。図16に示す走査機構90は、単レンズ96の配置を除いては、走査機構80と同じである。単レンズ96は、その光軸98がX−Y平面に垂直な軸に対して5度ないし20度になるよう傾けて保持されてもよい。このような構成においても、単レンズ96への振動ノイズの伝達の低減について同様の効果を得ることができる。   Another modification of the third embodiment is shown in FIG. The scanning mechanism 90 shown in FIG. 16 is the same as the scanning mechanism 80 except for the arrangement of the single lens 96. The single lens 96 may be held tilted so that its optical axis 98 is 5 degrees to 20 degrees with respect to an axis perpendicular to the XY plane. Even in such a configuration, a similar effect can be obtained with respect to reduction of transmission of vibration noise to the single lens 96.

<第四実施形態>
本実施形態は、第二実施形態の走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡に向けられている。以下、図17を参照しながら本実施形態について説明する。図17は、本実施形態による走査型プローブ顕微鏡100を示している。
<Fourth embodiment>
The present embodiment is directed to a scanning probe microscope including the scanning mechanism of the second embodiment. Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 17 shows a scanning probe microscope 100 according to the present embodiment.

図17に示すように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡100は、カンチレバー23を保持した走査機構50と、ホストコンピュータ101と、Z制御部103を備えたコントローラ102と、レーザ光源111と、分割ディテクタ112と、Z圧電ドライバ106と、XY圧電ドライバ107を備えている。カンチレバー23に対向する位置には、試料台117に載置された試料116が配置されている。   As shown in FIG. 17, the scanning probe microscope 100 according to the present embodiment includes a scanning mechanism 50 that holds the cantilever 23, a host computer 101, a controller 102 that includes a Z control unit 103, a laser light source 111, and a split light source. A detector 112, a Z piezoelectric driver 106, and an XY piezoelectric driver 107 are provided. A sample 116 placed on the sample stage 117 is disposed at a position facing the cantilever 23.

走査機構50は、カンチレバー23をX軸とY軸とZ軸に沿って走査するためのものであり、その詳細な構成は第二実施形態(図7と図8)で説明した通りである。この走査機構50は図示しない鏡枠によって保持されている。   The scanning mechanism 50 is for scanning the cantilever 23 along the X axis, the Y axis, and the Z axis, and the detailed configuration thereof is as described in the second embodiment (FIGS. 7 and 8). The scanning mechanism 50 is held by a lens frame (not shown).

カンチレバー23は、試料116に対向して配置されるプローブを柔軟なレバー部の自由端に備えており、カンチレバー23は試料116との相互作用に応じてZ軸に沿って変位する。   The cantilever 23 is provided with a probe disposed opposite to the sample 116 at the free end of the flexible lever portion, and the cantilever 23 is displaced along the Z axis in accordance with the interaction with the sample 116.

レーザ光源111と分割ディテクタ112は、カンチレバー23の自由端のZ軸に沿った変位を光学的に検出するための光学式変位センサーを構成しており、図示しない鏡枠に保持されている。   The laser light source 111 and the split detector 112 constitute an optical displacement sensor for optically detecting the displacement along the Z axis of the free end of the cantilever 23, and are held by a lens frame (not shown).

Z圧電ドライバ106は、走査機構50に搭載された二つの圧電素子21,41を駆動するためのものである。   The Z piezoelectric driver 106 is for driving the two piezoelectric elements 21 and 41 mounted on the scanning mechanism 50.

XY圧電ドライバ107は、走査機構50に搭載された圧電素子12A,12Bを駆動するためのものである。   The XY piezoelectric driver 107 is for driving the piezoelectric elements 12A and 12B mounted on the scanning mechanism 50.

コントローラ102は、Z圧電ドライバ106とXY圧電ドライバ107を制御するためのものある。   The controller 102 is for controlling the Z piezoelectric driver 106 and the XY piezoelectric driver 107.

ホストコンピュータ101は、カンチレバー23の変位情報と走査機構50の走査情報とに基づいて試料116の物理情報を取得する処理部を構成している。   The host computer 101 constitutes a processing unit that acquires physical information of the sample 116 based on the displacement information of the cantilever 23 and the scanning information of the scanning mechanism 50.

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は以下のように動作する。   The scanning probe microscope of the present embodiment operates as follows.

レーザ光源111と分割ディテクタ112で構成される光学式変位センサーは、例えば走査型プローブ顕微鏡によく用いられる光てこセンサーであり、レーザ光源111から照射されたコリメートレーザ光113は、走査機構50に設けられた単レンズ56を介してカンチレバー23上に直径数μm程度の集光スポットを形成し、その反射光を分割ディテクタ112で受けることで、カンチレバー23の自由端にある機械的探針24のZ変位をとらえる。分割ディテクタ112は、カンチレバー23のZ変位を反映した変位信号をコントローラ102に出力する。   The optical displacement sensor composed of the laser light source 111 and the split detector 112 is an optical lever sensor often used in, for example, a scanning probe microscope. The collimated laser light 113 emitted from the laser light source 111 is provided in the scanning mechanism 50. A condensed spot having a diameter of about several μm is formed on the cantilever 23 through the single lens 56, and the reflected light is received by the split detector 112, so that the Z of the mechanical probe 24 at the free end of the cantilever 23 is received. Capture displacement. The split detector 112 outputs a displacement signal reflecting the Z displacement of the cantilever 23 to the controller 102.

コントローラ102は、XY方向にラスター走査するためのXY走査信号を生成し、XY走査信号をXY圧電ドライバ107とホストコンピュータ101に供給する。コントローラ102はZ制御部103を含んでおり、Z制御部103は、分割ディテクタ112で得られるカンチレバー23の変位情報を一定に維持するようにZ圧電ドライバ106を制御するためのZ走査信号を生成し、そのZ走査信号をZ圧電ドライバ106とホストコンピュータ101に供給する。   The controller 102 generates an XY scanning signal for raster scanning in the XY directions, and supplies the XY scanning signal to the XY piezoelectric driver 107 and the host computer 101. The controller 102 includes a Z control unit 103. The Z control unit 103 generates a Z scanning signal for controlling the Z piezoelectric driver 106 so that the displacement information of the cantilever 23 obtained by the divided detector 112 is kept constant. Then, the Z scanning signal is supplied to the Z piezoelectric driver 106 and the host computer 101.

Z圧電ドライバ106は、コントローラ102から供給されるZ走査信号を所定のゲインで増幅してZ駆動信号を生成し、Z駆動信号を走査機構50に搭載された二つの圧電素子21,41に供給する。   The Z piezoelectric driver 106 amplifies the Z scanning signal supplied from the controller 102 with a predetermined gain to generate a Z driving signal, and supplies the Z driving signal to the two piezoelectric elements 21 and 41 mounted on the scanning mechanism 50. To do.

XY圧電ドライバ107は、コントローラ102から供給されるXY走査信号を所定のゲインで増幅してXY駆動信号を生成し、XY駆動信号を走査機構50に搭載された圧電素子12A,12Bに供給する。具体的には、コントローラ102から供給されるX走査信号を増幅して生成したX駆動信号を圧電素子12Aに供給し、コントローラ102から供給されるY走査信号を増幅して生成したY駆動信号を圧電素子12Bに供給する。   The XY piezoelectric driver 107 amplifies the XY scanning signal supplied from the controller 102 with a predetermined gain to generate an XY driving signal, and supplies the XY driving signal to the piezoelectric elements 12A and 12B mounted on the scanning mechanism 50. Specifically, the X drive signal generated by amplifying the X scan signal supplied from the controller 102 is supplied to the piezoelectric element 12A, and the Y drive signal generated by amplifying the Y scan signal supplied from the controller 102 is The piezoelectric element 12B is supplied.

ホストコンピュータ101は、コントローラ102から供給されるXY走査信号とZ走査信号とに基づいて試料116の表面形状の三次元画像を構築し、これをモニター上に表示する。   The host computer 101 constructs a three-dimensional image of the surface shape of the sample 116 based on the XY scanning signal and the Z scanning signal supplied from the controller 102, and displays this on the monitor.

この走査型プローブ顕微鏡100では、走査機構50を用いることにより、高精度にXY方向に高速走査される。従ってこの走査型プローブ顕微鏡100によれば、観察分解能が向上し、観察時間が短縮される。   In the scanning probe microscope 100, the scanning mechanism 50 is used to perform high-speed scanning in the XY directions with high accuracy. Therefore, according to the scanning probe microscope 100, the observation resolution is improved and the observation time is shortened.

[変形例]
さらにこの走査型プローブ顕微鏡では次の変形が可能である。第四実施形態の変形例である走査型プローブ顕微鏡120を図18に示す。図18において、図17に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
[Modification]
Further, the scanning probe microscope can be modified as follows. FIG. 18 shows a scanning probe microscope 120 that is a modification of the fourth embodiment. 18, members denoted by the same reference numerals as those shown in FIG. 17 are the same members, and detailed description thereof is omitted.

図18に示した走査型プローブ顕微鏡120は、図17に示した走査機構50を走査機構60に置き換えた構成になっている。さらに、レーザ光源121とビームスプリッタ122と波長板123と分割ディテクタ124を備えている。   The scanning probe microscope 120 shown in FIG. 18 has a configuration in which the scanning mechanism 50 shown in FIG. Furthermore, a laser light source 121, a beam splitter 122, a wave plate 123, and a split detector 124 are provided.

レーザ光源121とビームスプリッタ122と波長板123と分割ディテクタ124は、カンチレバー23の自由端のZ軸に沿った変位を光学的に検出するための光学式変位センサーを構成しており、それぞれ図示しない鏡枠に保持されている。これらで構成される光学式変位センサーは、例えば走査型プローブ顕微鏡によく用いられる光てこセンサーであり、レーザ光源121から照射されたコリメートレーザ光125は、ビームスプリッタ122と波長板123を介して走査機構60に設けられた単レンズ66に照射され、カンチレバー23上に直径2μm程度の集光スポットを形成する。その反射光は、波長板123を通ることでビームスプリッタ122によって偏向されて分割ディテクタ124に入射する。分割ディテクタ124は、カンチレバー23のZ変位を反映した変位信号をコントローラ102に出力する。   The laser light source 121, the beam splitter 122, the wave plate 123, and the split detector 124 constitute an optical displacement sensor for optically detecting the displacement along the Z axis of the free end of the cantilever 23, and each is not shown. It is held in a mirror frame. The optical displacement sensor composed of these is, for example, an optical lever sensor often used in a scanning probe microscope. The collimated laser light 125 emitted from the laser light source 121 is scanned through the beam splitter 122 and the wave plate 123. A single lens 66 provided in the mechanism 60 is irradiated to form a focused spot having a diameter of about 2 μm on the cantilever 23. The reflected light passes through the wave plate 123, is deflected by the beam splitter 122, and enters the split detector 124. The split detector 124 outputs a displacement signal reflecting the Z displacement of the cantilever 23 to the controller 102.

この走査型プローブ顕微鏡120では、走査機構60を用いることにより、高精度にXY方向に高速走査される。従ってこの走査型プローブ顕微鏡120によれば、観察分解能が向上し、観察時間が短縮される。またこの走査型プローブ顕微鏡120によれば、走査機構60によりカンチレバーへ照射する集光スポット径を直径2μm程度にまで小さくすることができる。これはカンチレバー23の変位検出の精度向上に効果がある。従ってこの走査型プローブ顕微鏡120によれば、より高精度に試料を観察することができる。   In the scanning probe microscope 120, by using the scanning mechanism 60, high-speed scanning in the XY directions is performed with high accuracy. Therefore, according to the scanning probe microscope 120, the observation resolution is improved and the observation time is shortened. Further, according to the scanning probe microscope 120, the diameter of the focused spot irradiated onto the cantilever by the scanning mechanism 60 can be reduced to about 2 μm in diameter. This is effective in improving the accuracy of detecting the displacement of the cantilever 23. Therefore, according to the scanning probe microscope 120, the sample can be observed with higher accuracy.

<第五実施形態>
本実施形態は、第二実施形態の走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡に向けられている。図19を参照しながら本実施形態について説明する。図19は、本実施形態による走査型プローブ顕微鏡130を示している。図19において、図18に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
<Fifth embodiment>
The present embodiment is directed to a scanning probe microscope including the scanning mechanism of the second embodiment. This embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 19 shows a scanning probe microscope 130 according to the present embodiment. 19, members denoted by the same reference numerals as those shown in FIG. 18 are similar members, and detailed description thereof is omitted.

図19に示した走査型プローブ顕微鏡130は、コリメートレーザ光136を出射するレーザ光源131と、ビームスプリッタ132と、波長板133と、ハーフミラー135と、分割ディテクタ134、対物レンズ141と、照明光144を出射する照明光源142と、照明光144を集光するコンデンサレンズ143を備えている。   A scanning probe microscope 130 shown in FIG. 19 includes a laser light source 131 that emits a collimated laser beam 136, a beam splitter 132, a wave plate 133, a half mirror 135, a split detector 134, an objective lens 141, and illumination light. The illumination light source 142 which radiates | emits 144, and the condenser lens 143 which condenses the illumination light 144 are provided.

レーザ光源131とビームスプリッタ132と波長板133と分割ディテクタ134とハーフミラー135は、カンチレバー23の自由端のZ軸に沿った変位を光学的に検出するための光学式変位センサーを構成しており、それぞれ図示しない鏡枠に保持されている。これらで構成される変位センサーは、例えば走査型プローブ顕微鏡によく用いられる光てこ方式の変位センサーであり、レーザ光源131から出射されたコリメートレーザ光136は、ビームスプリッタ132と波長板133とハーフミラー135を介して走査機構60に設けられた単レンズ66に照射され、カンチレバー23上に直径2μm程度の集光スポットを形成する。そしてその反射光は、単レンズ66とハーフミラー135と波長板123を通り、ビームスプリッタ132で分割ディテクタ134側に反射される。分割ディテクタ134は、カンチレバー23のZ変位を反映した変位信号をコントローラ102に出力する。   The laser light source 131, the beam splitter 132, the wave plate 133, the split detector 134, and the half mirror 135 constitute an optical displacement sensor for optically detecting the displacement along the Z axis of the free end of the cantilever 23. These are respectively held by a lens frame (not shown). The displacement sensor constituted by these is, for example, an optical lever type displacement sensor often used in a scanning probe microscope, and a collimated laser beam 136 emitted from a laser light source 131 includes a beam splitter 132, a wave plate 133, and a half mirror. A single lens 66 provided in the scanning mechanism 60 is irradiated through 135 to form a focused spot having a diameter of about 2 μm on the cantilever 23. The reflected light passes through the single lens 66, the half mirror 135, and the wave plate 123, and is reflected by the beam splitter 132 toward the split detector 134 side. The split detector 134 outputs a displacement signal reflecting the Z displacement of the cantilever 23 to the controller 102.

また照明光源142から出射された照明光144は、コンデンサレンズ143とハーフミラー135と単レンズ66を通って試料116に照射され、対物レンズ141に入射される。これにより倒立型光学顕微鏡によって試料116が透過観察される。   The illumination light 144 emitted from the illumination light source 142 is irradiated on the sample 116 through the condenser lens 143, the half mirror 135, and the single lens 66 and is incident on the objective lens 141. As a result, the sample 116 is observed through the inverted optical microscope.

この走査型プローブ顕微鏡130では、走査機構60を用いることにより、高精度にXY方向に高速走査される。従ってこの走査型プローブ顕微鏡130によれば、観察分解能が向上し、観察時間が短縮される。   In the scanning probe microscope 130, the scanning mechanism 60 is used to perform high-speed scanning in the XY directions with high accuracy. Therefore, according to this scanning probe microscope 130, the observation resolution is improved and the observation time is shortened.

またこの走査型プローブ顕微鏡130によれば、走査機構60によりカンチレバーへ照射する集光スポット径を直径2μm程度にまで小さくすることができる。これはカンチレバー23の変位検出の精度向上に効果がある。従ってこの走査型プローブ顕微鏡130によれば、より高精度に試料を観察することができる。   Further, according to the scanning probe microscope 130, the diameter of the focused spot irradiated to the cantilever by the scanning mechanism 60 can be reduced to about 2 μm in diameter. This is effective in improving the accuracy of detecting the displacement of the cantilever 23. Therefore, according to the scanning probe microscope 130, the sample can be observed with higher accuracy.

さらにこの走査型プローブ顕微鏡130では、倒立型光学顕微鏡による試料116の透過観察が可能になっている。これは試料116の観察位置決めなど、操作性の向上につながる。   Further, in the scanning probe microscope 130, it is possible to observe the sample 116 with an inverted optical microscope. This leads to an improvement in operability such as observation positioning of the sample 116.

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施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において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含む。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention. Also good. The various modifications and changes described here include an implementation in which the above-described embodiments are appropriately combined.

10…走査機構、11…固定枠、12A,12B…圧電素子、13…XYステージ、14…XY可動部、15…支持部、16A,16B,16C,16D…弾性部、17A,17B…押圧部、21…圧電素子、22…ホルダ、23…カンチレバー、24…機械的探針、25…集光部、26A,26B…集光レンズ、27…筒体、28…光軸、29…レーザ光、30…走査機構、33…XYステージ、34…XY可動部、35…角穴、40…走査機構、41…圧電素子、42…疑似ホルダ、43…XYステージ、44…XY可動部、50…走査機構、53…XYステージ、54…XY可動部、55…貫通穴、56…単レンズ、60…走査機構、63…XYステージ、64…XY可動部、65…貫通穴、66…単レンズ、68…光軸、70…走査機構、73…XYステージ、74…XY可動部、75…貫通穴、76…単レンズ、77…開口部、80…走査機構、83…XYステージ、84…XY可動部、85…貫通穴、86…単レンズ、87…開口部、90…走査機構、96…単レンズ、89…光軸、100…走査型プローブ顕微鏡、101…ホストコンピュータ、102…コントローラ、103…Z制御部、106…Z圧電ドライバ、107…XY圧電ドライバ、111…レーザ光源、112…分割ディテクタ、113…レーザ光、116…試料、117…試料台、120…走査型プローブ顕微鏡、121…レーザ光源、122…ビームスプリッタ、123…波長板、124…分割ディテクタ、125…レーザ光、130…走査型プローブ顕微鏡、131…レーザ光源、132…ビームスプリッタ、133…波長板、134…分割ディテクタ、135…ハーフミラー、136…レーザ光、141…対物レンズ、142…照明光源、143…コンデンサレンズ、144…照明光。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Scanning mechanism, 11 ... Fixed frame, 12A, 12B ... Piezoelectric element, 13 ... XY stage, 14 ... XY movable part, 15 ... Support part, 16A, 16B, 16C, 16D ... Elastic part, 17A, 17B ... Pressing part 21 ... Piezoelectric element, 22 ... Holder, 23 ... Cantilever, 24 ... Mechanical probe, 25 ... Condenser, 26A, 26B ... Condenser lens, 27 ... Cylinder, 28 ... Optical axis, 29 ... Laser light, DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 ... Scanning mechanism, 33 ... XY stage, 34 ... XY movable part, 35 ... Square hole, 40 ... Scanning mechanism, 41 ... Piezoelectric element, 42 ... Pseudo holder, 43 ... XY stage, 44 ... XY movable part, 50 ... Scanning Mechanism ... 53 ... XY stage 54 ... XY movable part 55 ... through hole 56 ... single lens 60 ... scanning mechanism 63 ... XY stage 64 ... XY movable part 65 ... through hole 66 ... single lens 68 ... optical axis, 70 ... scanning Structure 73 ... XY stage 74 ... XY movable part 75 ... Through hole 76 ... Single lens 77 ... Opening part 80 ... Scanning mechanism 83 ... XY stage 84 ... XY movable part 85 ... Through hole 86 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Single lens, 87 ... Opening part, 90 ... Scanning mechanism, 96 ... Single lens, 89 ... Optical axis, 100 ... Scanning probe microscope, 101 ... Host computer, 102 ... Controller, 103 ... Z control part, 106 ... Z piezoelectric Driver 107 107 XY piezoelectric driver 111 Laser light source 112 Split detector 113 Laser light 116 Sample 117 Sample stage 120 Scanning probe microscope 121 Laser light source 122 Beam splitter 123 ... Wave plate, 124 ... Division detector, 125 ... Laser light, 130 ... Scanning probe microscope, 131 ... Laser light source, 132 ... B Splitter, 133 ... wave plate, 134 ... division detector, 135 ... half mirror, 136 ... laser light, 141 ... objective lens, 142 ... illumination source 143 ... condenser lens, 144 ... illumination light.

Claims (25)

カンチレバーと、
X−Y平面に平行なXY方向に移動可能なXY可動部と、
前記XY可動部をXY方向に走査するXYアクチュエータと、
前記XY可動部に保持された、X−Y平面に垂直なZ方向に前記カンチレバーを走査するZアクチュエータと、
前記XY可動部に保持された、前記カンチレバーの変位を検出するための光を前記カンチレバーに入射させる集光部とを備え、
前記Zアクチュエータと前記集光部は、X−Y平面への投影において並ぶように配置されている走査機構。
Cantilevers,
An XY movable portion movable in an XY direction parallel to the XY plane;
An XY actuator that scans the XY movable portion in the XY direction;
A Z actuator that is held by the XY movable part and scans the cantilever in a Z direction perpendicular to an XY plane;
A light collecting unit that is held by the XY movable unit and that makes light for detecting displacement of the cantilever incident on the cantilever,
The scanning mechanism in which the Z actuator and the light condensing unit are arranged so as to be aligned in the projection onto the XY plane.
前記Zアクチュエータの重心と前記集光部の重心がいずれも前記XY可動部の厚み内に収まっている請求項1に記載の走査機構。   2. The scanning mechanism according to claim 1, wherein the center of gravity of the Z actuator and the center of gravity of the light collecting unit are both within the thickness of the XY movable unit. 前記Zアクチュエータが、Z軸に沿って伸縮し得る実質的に同一の二つの積層型圧電素子を有し、前記二つの積層型圧電素子はそれぞれ前記XY可動部からZ軸に沿って反対側に延びている請求項2に記載の走査機構。   The Z actuator has two substantially identical stacked piezoelectric elements that can expand and contract along the Z axis, and the two stacked piezoelectric elements are respectively opposite to each other along the Z axis from the XY movable portion. The scanning mechanism according to claim 2 extending. 前記二つの積層型圧電素子の一方の自由端には、前記カンチレバーを保持するホルダが保持され、前記二つの積層型圧電素子の他方の自由端には、前記ホルダとほぼ同質量の疑似ホルダが保持されている請求項3に記載の走査機構。   A holder for holding the cantilever is held at one free end of the two stacked piezoelectric elements, and a pseudo holder having substantially the same mass as the holder is held at the other free end of the two stacked piezoelectric elements. The scanning mechanism according to claim 3, which is held. 前記集光部が単レンズである請求項4に記載の走査機構。   The scanning mechanism according to claim 4, wherein the light collecting unit is a single lens. 前記カンチレバーは、X−Y平面に対して5度ないし20度の角度で前記ホルダに保持され、
前記単レンズは、その光軸がZ軸に対して5度ないし20度の角度で前記XY可動部に保持されている請求項5に記載の走査機構。
The cantilever is held by the holder at an angle of 5 to 20 degrees with respect to the XY plane;
The scanning mechanism according to claim 5, wherein the single lens is held by the XY movable unit at an angle of 5 degrees to 20 degrees with respect to the Z axis.
前記単レンズの直径が10mm以下である請求項6に記載の走査機構。   The scanning mechanism according to claim 6, wherein the single lens has a diameter of 10 mm or less. 前記単レンズのNAが0.4以上である請求項7に記載の走査機構。   The scanning mechanism according to claim 7, wherein the single lens has an NA of 0.4 or more. 前記XY可動部は、前記Zアクチュエータと前記集光部の間に設けられた開口部を有している請求項2に記載の走査機構。   The scanning mechanism according to claim 2, wherein the XY movable portion has an opening provided between the Z actuator and the light collecting portion. 前記Zアクチュエータが、Z軸に沿って伸縮し得る実質的に同一の二つの積層型圧電素子を有し、前記二つの積層型圧電素子はそれぞれ前記XY可動部からZ軸に沿って反対側に延びている請求項9に記載の走査機構。   The Z actuator has two substantially identical stacked piezoelectric elements that can expand and contract along the Z axis, and the two stacked piezoelectric elements are respectively opposite to each other along the Z axis from the XY movable portion. The scanning mechanism of claim 9 extending. 前記二つの積層型圧電素子の一方の自由端には前記カンチレバーを保持するホルダが保持され、前記二つの積層型圧電素子の他方の自由端には、前記ホルダ(およびカンチレバー)とほぼ同質量の疑似ホルダが保持されている請求項10に記載の走査機構。   A holder for holding the cantilever is held at one free end of the two stacked piezoelectric elements, and the other free end of the two stacked piezoelectric elements has substantially the same mass as the holder (and the cantilever). The scanning mechanism according to claim 10, wherein a pseudo holder is held. 前記集光部が単レンズである請求項11に記載の走査機構。   The scanning mechanism according to claim 11, wherein the light collecting unit is a single lens. 前記カンチレバーは、X−Y平面に対して5度ないし20度の角度で前記ホルダに保持され、
前記単レンズは、その光軸がZ軸に対して5度ないし20度の角度で前記XY可動部に保持されている請求項12に記載の走査機構。
The cantilever is held by the holder at an angle of 5 to 20 degrees with respect to the XY plane;
The scanning mechanism according to claim 12, wherein the single lens is held by the XY movable portion at an angle of 5 degrees to 20 degrees with respect to the Z axis.
前記単レンズの直径が10mm以下である請求項13に記載の走査機構。   The scanning mechanism according to claim 13, wherein the single lens has a diameter of 10 mm or less. 前記単レンズのNAが0.4以上である請求項14に記載の走査機構。   The scanning mechanism according to claim 14, wherein the single lens has an NA of 0.4 or more. 前記開口部は、前記Zアクチュエータに最も近い前記集光部の部分と前記XY可動部の間に形成され、前記集光部と前記XY可動部を機械的に分離している請求項9に記載の走査機構。   The said opening part is formed between the part of the said condensing part nearest to the said Z actuator, and the said XY movable part, and has isolate | separated the said condensing part and the said XY movable part mechanically. Scanning mechanism. 前記Zアクチュエータが、Z軸に沿って伸縮し得る実質的に同一の二つの積層型圧電素子を有し、前記二つの積層型圧電素子はそれぞれ前記XY可動部からZ軸に沿って反対側に延びている請求項16に記載の走査機構。   The Z actuator has two substantially identical stacked piezoelectric elements that can expand and contract along the Z axis, and the two stacked piezoelectric elements are respectively opposite to each other along the Z axis from the XY movable portion. The scanning mechanism of claim 16 extending. 前記二つの積層型圧電素子の一方の自由端には前記カンチレバーを保持するホルダが保持され、前記二つの積層型圧電素子の他方の自由端には、前記ホルダとほぼ同質量の疑似ホルダが保持されている請求項17に記載の走査機構。   A holder for holding the cantilever is held at one free end of the two stacked piezoelectric elements, and a pseudo holder having substantially the same mass as the holder is held at the other free end of the two stacked piezoelectric elements. The scanning mechanism according to claim 17. 前記集光部が単レンズである請求項18に記載の走査機構。   The scanning mechanism according to claim 18, wherein the light collecting unit is a single lens. 前記カンチレバーは、X−Y平面に対して5度ないし20度の角度で前記ホルダに保持され、
前記単レンズは、その光軸がZ軸に対して5度ないし20度の角度で前記XY可動部に保持されている請求項19に記載の走査機構。
The cantilever is held by the holder at an angle of 5 to 20 degrees with respect to the XY plane;
20. The scanning mechanism according to claim 19, wherein the single lens is held by the XY movable unit at an optical axis of 5 degrees to 20 degrees with respect to the Z axis.
前記単レンズの直径が10mm以下である請求項20に記載の走査機構。   21. The scanning mechanism according to claim 20, wherein the single lens has a diameter of 10 mm or less. 前記単レンズのNAが0.4以上である請求項21に記載の走査機構。   The scanning mechanism according to claim 21, wherein NA of the single lens is 0.4 or more. 請求項1〜請求項22のいずれかひとつに記載の走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡。   A scanning probe microscope comprising the scanning mechanism according to any one of claims 1 to 22. 倒立型光学顕微鏡を備えた請求項23に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 23, comprising an inverted optical microscope. 光学顕微鏡用の照明光源と、光学顕微鏡用の対物レンズを備え、前記照明光源から照射される照明光を前記集光部を通して試料の透過観察を行う請求項24に記載の走査型プローブ顕微鏡。   25. A scanning probe microscope according to claim 24, comprising an illumination light source for an optical microscope and an objective lens for the optical microscope, and performing illumination observation of the sample through the condensing unit with illumination light emitted from the illumination light source.
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