JP3506867B2 - プローブ走査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は走査型プローブ顕
微鏡等のプローブ走査装置に関し、特にｚ方向のダイナ
ミックレンジを簡単かつ迅速に変更できる機構を備えた
プローブ走査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】本出願人は、先に、図５に示されている
ようなＺ粗動系とＺ微動系とを一体化したプローブ走査
装置を発明し、特許出願した（特願平８年２５３０１
号）。図５のプローブ走査装置の構成と動作を、以下に
簡単に説明する。

【０００３】変位検出器１とカンチレバー２は、試料３
の上方に設けられている。試料台４の下には、試料３を
Ｘ，Ｙ方向に走査する微動系５、例えばピエゾスキャナ
を用いた２次元スキャナが置かれている。該微動系５の
下には、試料台４を上下するスピンドルが配置されてい
る。該スピンドルは、上部（試料台固定部）８ａと中央
軸部８ｂと下部８ｃとから構成され、該下部８ｃにはコ
イル８ｄが巻かれている。該下部８ｃおよびコイル８ｄ
は、磁石１６と共にボイスコイルモータを形成してい
る。スピンドルは、軸受け１２により、ベース部１５に
固定されている。コイル８ｄには、図示されていない定
電流源が接続されている。

【０００４】スピンドルの下部８ｃには、位置調整ねじ
１７が接触しており、これにより、Ｚ粗動の移動範囲を
規定している。スピンドルの上部８ａと中筒１１の間に
は、ばね要素１０が固定されており、ばねクランプ９に
よりばね要素１０の作動長が変えられるように構成され
ている。ばね要素１０の作動長が変えられると、ばね定
数が変わる。ばね要素１０は、好ましくは１２０°間隔
に３本吊されている。このばね要素１０とばねクランプ
９は、装置のダイナミックレンジ（Ｚ方向の移動距離）
を切替えるのに使用される。

【０００５】中筒１１は、ベース部１５に粘性体ハウジ
ング１３ａの中に充填された粘性体１３ｂ（例えば、ポ
リエチレン等のポリマ類）により連結されている。該粘
性体ハウジング１３ａの外部には、ヒータ１４が巻回さ
れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図６は、前記した装置
のダイナミックレンジを切替える機構の拡大図である。
今、ばね要素１０がばね定数２ｋのばね１０ａと１０ｂ
とを直列に接続したものから構成されているとすると、
ばね要素１０の総合のばね定数はｋとなる。この時、ス
ピンドルに力Ｆが加わると、該スピンドルの変位Ｘは、
下式のようになる。 Ｘ＝（Ｆ−ｍｇ）／ｋ ここに、ｍはスピンドル８ａ〜８ｃ、コイル８ｄ、試料
３、試料台４、微動系５およびばね要素１０の質量の
和、ｇは重力の加速度である。

【０００７】そこで、ばねクランプ９ａを内方へ捩じ込
んで、ばね１０ａと１０ｂの接続部をクランプすると、
ばね要素１０のばね定数は２ｋとなる。したがって、該
スピンドルの変位Ｘは、下式のようになる。 Ｘ＝（Ｆ−ｍｇ）／２ｋ このように、ばねクランプ９ａを内方へ捩じ込んで、ば
ね１０ａと１０ｂの接続部をクランプすると、ダイナミ
ックレンジは１／２となり、試料表面の変位の読取り分
解能は向上する。

【０００８】しかしながら、前記した構成のダイナミッ
クレンジ変更機構はばねクランプ９ａを内方へ捩じ込む
構成を有しているので、構成が複雑でかつ操作が面倒で
あるという問題があった。この発明の目的は、前記した
従来装置の問題点を除去し、構成が簡単で、操作性が良
好なダイナミックレンジ切替え機構を有するプローブ走
査装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記した目的を達成する
ために、本発明は、少なくとも、ｚ方向に配置されたボ
イスコイルモータからの動力を受けるスピンドルと該ス
ピンドルの先端に取付けられた探針とを有するプローブ
走査装置において、前記スピンドルに弾性部材を選択的
に連結する低融点金属を用いたスイッチ手段を具備し、
該スイッチ手段により、前記スピンドルに弾性部材を連
結することによりダイナミックレンジを切替えるように
した点に特徴がある。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態のプロ
ーブ走査装置の構成図である。図示されているように、
筐体２１はボイスコイル箱を形成しており、該筐体２１
に磁石２２が固着され、該磁石２２の心棒部２３に可動
子２４が遊嵌されている。該可動子２４はメンブレン２
５によって弾性的に前記筐体２１に支持されており、ま
たその周囲にコイル２６が巻回されている。該磁石２
２、心棒部２３、可動子２４、メンブレン２５およびコ
イル２６は、スピーカ等で使用されているボイスコイル
モータを形成している。

【００１１】前記可動子２４には、Ｚ方向に延びる第１
のスピンドル２８ａの一端が固着されている。該スピン
ドル２８ａの他端には、細線２８ｂが接続され、該細線
２８ｂには、第２のスピンドル２８ｃが接続されてい
る。スピンドル２８ｃの端部には変位検出器２９が装着
されており、該変位検出器２９にカンチレバー等の探針
３０が装着されている。また、該スピンドル２８ｃはそ
の中央部で第１のばね３１により、またその下端部で第
２のばね３２により中筒３３に支持されている。該第
１、第２のばね３１、３２は中筒３３に設けられた例え
ば十字型の板ばねから構成されている。なお、前記細線
２８ｂは、スピンドル２８ｃが図示されていないｘ，ｙ
方向のスキャン装置により走査された時に起きる可動子
２４に対するスピンドル２８ｃの歪みを吸収する働きを
している。

【００１２】前記筐体２１は試料室に突出する細管部３
４とこれに連なる太管部３５とを有し、該太管部３５の
一部にヒータ用コイル３６が巻回されている。また、該
太管部３５と前記中筒３３との間には、例えばクリコー
ルフタレート等のポリマ類からなる粘性体３７が挿入さ
れている。該粘性体３７は室温では固体と同様の性質を
示すが、前記ヒータ用コイル３６に通電することにより
加熱されると粘性を示すようになる。

【００１３】筐体２１内であって可動子２４の近傍に、
ダイナミックレンジ切替え機構が装着されている。該ダ
イナミックレンジ切替え機構は、ダイナミックレンジ用
ばね４１と、機械式ダイナミックレンジスイッチ４２
と、平行ばね４３とから構成されている。４４はファン
であり、前記筐体２１に形成された孔２１ａを通って、
空気流を発生する働きをする。

【００１４】次に、前記機械式ダイナミックレンジスイ
ッチ４２の一具体例を、図２および図３を参照して説明
する。図２は該機械式ズームスイッチ４２をスピンドル
２８ａを含む面で切った断面図、図３は図２をＸ−Ｘ´
線で切った断面図を示す。機械式ダイナミックレンジス
イッチ４２は、図示されているように、外周の一部に加
熱コイル５０が巻回された円筒状部材５１と、その中に
充填された低融点金属５２から構成されている。前記ダ
イナミックレンジ用ばね４１は例えばＳＵＳで作ること
ができ、スピンドル２８ａは例えばインバー（ＩＮＶＡ
Ｒ）等の低膨脹材で作ることができる。 また、前記円
筒状部材５１はアルミニュウム、真鍮等から作ることが
でき、低融点金属５２としてはウッドメタル（ｕアロ
イ）等を用いることができる。図４はｕアロイの粘性特
性の一例を示す図であり、横軸に温度、縦軸に粘度を示
している。図から明らかなように、ｕアロイの粘度は約
５５°Ｃを境にして、大きく変化することが分かる。す
なわち、約５５°Ｃまでは固化しており、この温度を越
えると急激に軟化することが分かる。

【００１５】次に、本実施形態の動作を説明する。本実
施形態のダイナミックレンジ機構を使用しない時には、
前記加熱コイル５０に通電して低融点金属５２を５５°
Ｃを少し越える温度に設定する。そうすると、低融点金
属５２は軟化しているので、スピンドル２８ａはダイナ
ミックレンジ用ばね４１から切り離され、通常の状態で
動作させることができる。この時、ファン４４は作動さ
れているので、筐体２１内の空気は流動し、スピンドル
２８ａは冷却される。このため、加熱コイル５０で発生
した熱が、細線２８ｂ等を介して、スピンドル２８ｃ等
を含むスキャン装置に伝達されるのを防止することがで
きる。

【００１６】次に、ダイナミックレンジ機構を使用する
時には、加熱コイル５０への通電を停止する。そうする
と、低融点金属５２の温度は急速に５５°Ｃより低くな
り、該低融点金属５２の固化は急速に始まり、スピンド
ル２８ａをダイナミックレンジ用ばね４１に短時間に連
結する。この結果、ダイナミックレンジ用ばね４１のば
ね定数が、前記第１、第２のばね３１、３２のばね定数
に加算される。例えば、ダイナミックレンジ用ばね４１
のばね定数が前記第１、第２のばね３１、３２のばね定
数の合計の９倍である場合には、装置のダイナミックレ
ンジは合計のばね定数に反比例するので、１／１０にな
る。

【００１７】以上のように、本実施形態によれば、ダイ
ナミックレンジ切替え機構がダイナミックレンジ用ばね
４１と機械式ダイナミックレンジスイッチ４２とから構
成されているだけであるので、構成が簡単である。ま
た、加熱コイル５０に流す電流をオンオフするだけでダ
イナミックレンジの切替えができるので、従来のばねク
ランプ９ａ（図６参照）を捩じ込む方式に比べて、大幅
に操作性が良くなる。

【００１８】上記の実施形態においては、筐体内にダイ
ナミックレンジ切替え機構が一つしか装着されていない
が、本発明はこれに限定されることなく、複数個設けて
も良い。

【００１９】

【発明の効果】この発明によれば、低融点金属を用いた
スイッチ手段をオンオフすることにより、ダイナミック
レンジを切替えることができるので、構成および操作が
簡単であるという効果がある。また、先行装置のよう
に、ばねクランプを捩込むなどの機構および操作が不要
となるので、装置の信頼性が高く、また操作性が良好で
あるという効果がある。

【００２０】また、前記スイッチ手段に用いられている
低融点金属は、約５５°Ｃ程度の低温で固化状態から軟
化状態に切り替わるので、通常使用時における低融点金
属の加熱温度は、例えば６０°Ｃ程度の低温で良い。こ
のため、該スイッチ手段の加熱部材に流している電流を
停止すると、該低融点金属の温度を急速に５５°Ｃ以下
にすることができ、ダイナミックレンジの切替を短時間
に行えるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の断面図である。

【図２】図１の機械式ダイナミックレンジスイッチの一
例の断面図である。

【図３】図２のＸ−Ｘ´断面図である。

【図４】前記機械式ダイナミックレンジスイッチに使用
されている定融点金属の粘性特性を示す図である。

【図５】先行のプローブ走査装置の一例を示す構成図で
ある。

【図６】先行のダイナミックレンジ切替え機構の構成図
である。

【符号の説明】 ２１ 筐体 ２２ 磁石 ２３ 心棒部 ２４ 可動子 ２５ メンブレン ２６ コイル ２８ａ、２８ｃ スピンドル ２８ｂ 細線 ３０ 探針 ４１ ダイナミックレンジ用ばね ４２ 機械式ダイナミックレンジスイッチ ４３ 平行ばね ５０ 加熱コイル ５１ 円筒状部材 ５２ 定融点金属

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−196930（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−258070（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−321954（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−273276（ＪＰ，Ａ) 実開 平７−23979（ＪＰ，Ｕ) 特公 平７−92373（ＪＰ，Ｂ２) 実公 平４−21050（ＪＰ，Ｙ２) 特許3468655（ＪＰ，Ｂ２) 特許2883952（ＪＰ，Ｂ２) 特許3106242（ＪＰ，Ｂ２) 特許3390318（ＪＰ，Ｂ２) 特許3128512（ＪＰ，Ｂ２) 特許3106239（ＪＰ，Ｂ２) 特許3459710（ＪＰ，Ｂ２) 国際公開96／7074（ＷＯ，Ａ１) Ｄ． Ｎ． Ｄａｖｙｄｏｖ， Ｒ. Ｄｅｌｔｏｕｒ， Ｎ． Ｈｏｒｉ ｉ， Ｖ． Ａ． Ｔｉｍｏｆｅｅｖ, ａｎｄ Ａ． Ｓ． Ｇｒｏｋｈｏｌ ｓｋｉ，”Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｓｃａ ｎｎｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍｉ ｃｒｏｓｃｏｐｅ ｗｉｔｈ ａ ｍａ ｇｎｅｔｉｃ ｃｏａｒｓｅ ａｐｐｒ ｏａｃｈ”，Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃ ｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎ ｔｓ，日本，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓ ｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ, 1993年11月，第64巻、第11号，ｐ．3153 −3156 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 H02K 33/00 - 33/18 H04R 9/00 - 9/18 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも、ｚ方向に配置されたボイス
   コイルモータからの動力を受けるスピンドルと該スピン
   ドルの先端に取付けられた探針とを有するプローブ走査
   装置において、 前記スピンドルに弾性部材を選択的に
   連結する低融点金属を用いたスイッチ手段を具備し、
   該スイッチ手段により、前記スピンドルに弾性部材を連
   結することによりダイナミックレンジを切替えるように
   したことを特徴とするプローブ走査装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のプローブ走査装置におい
   て、 前記スイッチ手段を複数個並列に設けたことを特徴とす
   るプローブ走査装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のプローブ走査装
   置において、 前記スイッチ手段は、外周に加熱部材が設けられた円筒
   状部材と、該円筒状部材の中に充填された低融点金属と
   からなり、 前記スピンドルは該低融点金属の中を挿通していること
   を特徴とするプローブ走査装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載のプローブ走査装置におい
   て、 前記スピンドルは低熱膨脹材から形成されていることを
   特徴とするプローブ走査装置。
5. 【請求項５】 請求項１記載のプローブ走査装置におい
   て、 前記スイッチ手段から発生される熱が前記探針を走査す
   るスキャナ部に伝わるのを防止するための送風手段を具
   備したことを特徴とするプローブ走査装置。