JP4276890B2

JP4276890B2 - Scanning mechanism and scanning probe microscope using the same

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Publication number: JP4276890B2
Application number: JP2003130671A
Authority: JP
Inventors: 喜裕上
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-05-08
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2023-05-08
Also published as: JP2004333335A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型顕微鏡等において走査対象物を一定のパターンで移動させるための走査機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査機構を用いた装置のひとつに走査型プローブ顕微鏡がある。走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、機械的探針を機械的に走査して試料表面の情報を得る走査型顕微鏡であり、走査型トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型電気容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）、走査型熱顕微鏡（ＳＴｈＭ）などを含む。最近では試料表面にダイヤモンド製の探針を押しつけて圧痕をつけ、その圧痕のつき具合を解析して試料の固さなどを調べるナノインデンテータ等もこのＳＰＭのひとつと位置づけられており、前述の各種の顕微鏡と共に広く普及している。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡で用いられる走査機構は、例えば機械的探針と試料とを相対的にＸＹ方向にラスター走査し所望の試料領域の表面情報を機械的探針を介して得るものである。ＸＹ走査の間、Ｚ方向についても試料と探針との相互作用が一定になるようフィードバック制御してＺ方向の移動を担う走査機構を動かしている。このＺ方向の動きは規則的な動きをするＸＹ方向の動きとは異なり、試料の表面形状や表面状態を反映するため不規則な動きとなるが、一般にＺ方向の走査動作とされている。このＺ方向の走査はＸＹＺ方向の各走査の中で最も高い周波数での動きとなる。
【０００４】
走査型プローブ顕微鏡のＸ方向の走査周波数は０．０５から２００Ｈｚ程度であり、Ｙ方向の走査周波数は、Ｘ方向走査周波数のＹ方向走査ライン数分の１程度であって、Ｙ方向走査ライン数は１０から１０００ラインである。またＺ方向の走査周波数はＸ走査方向周波数に対し、Ｘ方向走査１ラインあたりの画素数倍からその１００倍程度である。
【０００５】
例えば、Ｘ方向１００画素、Ｙ方向１００画素の画像を１秒で取り込むとき、Ｘ方向の走査周波数は１００Ｈｚ、Ｙ方向の走査周波数は１Ｈｚ、Ｚ方向の走査周波数は１０ｋＨｚ以上となる。なお、この例の走査周波数は走査型プローブ顕微鏡としては今のところ最も高い走査周波数にあたり、通常はＸ方向走査周波数は数Ｈｚ程度に留まっている。この例のような高い走査周波数を実現するには、その走査機構は、外部からの振動に対し安定であるのはもちろん、内部の走査動作にともない自分自身で発生する振動が小さく抑えられていることが求められる。
【０００６】
特開２００１−３３０４０２５号公報は、振動の発生が小さく抑えられた走査機構を開示している。
【０００７】
図７は、特開２００１−３３０４０２５号公報に開示されている走査機構のひとつを示している。
【０００８】
図７に示されるように、この走査機構２００は、走査機構保持台２０１と、これに固定されたアクチュエータ台座２０２、２０３と、伸縮可能なアクチュエータ２０４、２０５、２０６とを有している。アクチュエータ２０４はアクチュエータ保持部２０７を介してアクチュエータ台座２０２に支持されている。アクチュエータ２０５はアクチュエータ保持部２０８を介してアクチュエータ台座２０３に支持されている。アクチュエータ２０６はアクチュエータ保持部２０９と２１０を介してアクチュエータ台座２０２と２０３に支持されている。アクチュエータ２０６の端部には、走査対象物すなわち試料を保持するための試料保持部２１１が取り付けられている。
【０００９】
アクチュエータ２０６に面するアクチュエータ２０４の端面に微小球２１２が取り付けられており、この微小球２１２はアクチュエータ２０６の一側面に当て付けられている。アクチュエータ２０６に面するアクチュエータ２０５の端面に微小球２１３が取り付けられており、この微小球２１３はアクチュエータ２０６の一側面に当て付けられている。
【００１０】
図８は、特開２００１−３３０４０２５号公報に開示されている別の走査機構を示している。
【００１１】
図８に示されるように、この走査機構は、ＸＹ走査のための平行ばねステージ構造のＸＹステージと、Ｚ走査のためのアクチュエータ６０６を有している。ＸＹステージは、固定テーブル６０１と、可動テーブル６０７と、可動テーブル６０７のＹ軸に沿った両側に設けられた一対の弾性部材６０８、６０９と、可動テーブル６０７のＸ軸に沿った両側に設けられた一対の弾性部材６１０、６１１と、可動テーブル６０７をＸ軸に沿って移動させるための一対のＸ方向用アクチュエータ６０２、６０３と、可動テーブル６０７をＹ軸に沿って移動させるための一対のＹ方向用アクチュエータ６０４、６０５とを有している。
【００１２】
弾性部材６０８、６０９は、Ｘ軸に沿って延びるスリットを持つＸ軸に沿って長い矩形ばねであり、それぞれ、Ｘ軸に沿っては比較的高い剛性を有し、反対に、Ｙ軸に沿っては比較的低い剛性を有している。弾性部材６１０、６１１は、Ｙ軸に沿って延びるスリットを持つＹ軸に沿って長い矩形ばねであり、それぞれ、Ｙ軸に沿っては比較的高い剛性を有し、反対に、Ｘ軸に沿っては比較的低い剛性を有している。
【００１３】
図９は、特開２００１−３３０４０２５号公報に開示されている別の走査機構を示している。
【００１４】
図９に示されるように、この走査機構１２００は、走査機構保持台１２０１と、これに固定されたアクチュエータ保持部１２０６と、このアクチュエータ保持部１２０６に取り付けられたＹ軸に沿って伸縮可能なＹ走査用アクチュエータ１２０２と、Ｙ走査用アクチュエータ１２０２の他端に取り付けられたブロック１２０８と、ブロック１２０８に固定されたアクチュエータ保持部１２０９と、このアクチュエータ保持部１２０９に取り付けられたＸ軸に沿って伸縮可能なＸ走査用アクチュエータ１２０３と、Ｘ走査用アクチュエータ１２０３の他端に取り付けられたアクチュエータ連結部１２１１と、アクチュエータ連結部１２１１に固定されたＺ軸に沿って伸縮可能な二本のアクチュエータ１２０４、１２０５とを有している。
【００１５】
アクチュエータ保持部１２０６はねじ１２０７によって走査機構保持台１２０１に固定され、アクチュエータ保持部１２０９はねじ１２１０によってブロック１２０８に固定されている。ブロック１２０８は、走査機構保持台１２０１と抑え板１２１２との間に位置し、微小球１２１６、１２２２、１２２４、１２２５、１２１５によって挟み込まれている。走査機構保持台１２０１と抑え板１２１２は、互いに平行に固定されるように、ねじ１２１３、１２１４によって間隔が調整されている。アクチュエータ連結部１２１１は、ブロック１２０８と抑え板１２１７との間に位置し、微小球１２１９、１２２０により上から、また微小球１２２１により下から支えられている。ブロック１２０８と抑え板１２１７は、互いに平行に固定されるように、ねじ１２１８、１２２７によって間隔が調整されている。
【００１６】
【特許文献１】
特開２００１−３３０４０２５号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
走査機構には、結局のところ、高い走査速度が望まれる。勿論、それは、高い線形性を有していること、すなわち、走査対象物を直線的に移動させることを前提としてである。
【００１８】
上述した走査機構は、それぞれ、以下の様な不具合を有している。
【００１９】
図７に示される走査機構は、ＸＹ走査の際、アクチュエータ２０６はアクチュエータ保持部２０９と２１０を中心に回転して移動するため、走査対象物は直線から外れて移動される。つまり、この走査機構は、線形性が高くはない。
【００２０】
図８に示される走査機構は、ＸＹ走査の際、可動テーブル６０７は、二つのアクチュエータ６０２と６０３によってＸ方向に、二つのアクチュエータ６０４と６０５によってＹ方向に移動される。これらのアクチュエータを構成する圧電素子は個体差が大きい。このため、走査対象物は直線から外れて移動され易い。つまり、この走査機構は、線形性が高くはない。
【００２１】
また、可動テーブル６０７は、Ｘ軸に沿って長い矩形ばね６０８と６０９とアクチュエータ６０２と６０３とを介して、また、Ｙ軸に沿って長い矩形ばね６１０と６１１とアクチュエータ６０４と６０５とを介して、固定テーブル６０１と接続されている。このように機械的結合長さが長いため、可動テーブル６０７は振動し易い。従って、対応し得る走査速度の上限が高くはない。
【００２２】
図９に示される走査機構では、Ｙ走査用アクチュエータ１２０２の中心軸が、Ｙ走査用アクチュエータ１２０２によって移動される部分の重心位置を外れている。このため、Ｙ走査用アクチュエータ１２０２が特に高速で動作された場合に、慣性力により大きな回転モーメントが発生し易い。また、Ｙ走査用アクチュエータ１２０２によって移動される部分が移動し得る方向がＹ方向に拘束されていない。このため、Ｙ走査用アクチュエータ１２０２が特に高速で動作された場合に、走査対象物は直線から外れて移動され易い。
【００２３】
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、対応し得る走査速度の上限が高い走査機構を提供することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、走査対象物を一定のパターンで移動させる走査機構に向けられており、以下の各項に列記する走査機構を含んでいる。
【００２５】
１．本発明の走査機構は、互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸とを有しており、固定台と、固定台に収容されたＸＹステージと、ＸＹステージと固定台の間にＸ軸に沿って延びているＸアクチュエーターと、ＸＹステージと固定台の間にＹ軸に沿って延びているＹアクチュエーターとを備えている。ＸＹステージは、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部と、可動部の周囲に位置する固定部と、可動部のＸ軸に沿った両側に位置し、可動部と固定部を接続している一対の第一の弾性支持部と、可動部のＹ軸に沿った両側に位置し、可動部と固定部を接続している一対の第二の弾性支持部と、可動部のＺ軸に沿った片側に位置し、可動部と固定部を接続している少なくとも一つの第三の弾性支持部とを有している。Ｘアクチュエーターは、第一の弾性支持部と固定台に接して延びており、Ｘ軸に沿って伸縮し得、Ｙアクチュエーターは、第二の弾性支持部と固定台に接して延びており、Ｙ軸に沿って伸縮し得る。
【００２６】
この走査機構においては、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部が、Ｘ軸に沿った両側に位置する第一の弾性支持部と、Ｙ軸に沿った両側に位置する第二の弾性支持部に加えて、Ｚ軸に沿った片側に位置する第三の弾性支持部によって支持されている。このため、この走査機構は、高い共振周波数を有する。
【００２７】
２．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、可動部と固定部と第一の弾性支持部と第二の弾性支持部と第三の弾性支持部は一体的に形成されている。
【００２８】
この走査機構においては、ＸＹステージが高い共振周波数を有する。
【００２９】
３．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、第一の弾性支持部は、ＺＸ面に広がる板状部分と、ＹＺ面に広がる板状部分とを有し、第二の弾性支持部は、ＹＺ面に広がる板状部分と、ＺＸ面に広がる板状部分とを有している。
【００３０】
この走査機構においては、第一の弾性支持部と第二の弾性支持部の好適な一態様を示している。
【００３１】
４．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、ＸＹステージは、複数の第三の弾性支持部を有しており、第三の弾性支持部は、それぞれ、棒状の形状を有しており、可動部の重心を通りＺ軸に平行な直線に対して対称性良く位置している。
【００３２】
この走査機構においては、第三の弾性支持部の好適な一態様を示している。
【００３３】
５．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、Ｘアクチュエーターの中心軸は可動部の重心を通り、Ｙアクチュエーターの中心軸は可動部の重心を通っている。
【００３４】
この走査機構においては、可動部に不所望な回転が発生しない。
【００３５】
６．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、ＸアクチュエーターとＹアクチュエーターは、それぞれ、積層型圧電素子で構成され、それらは、それぞれ、電圧印加に応じてＸ軸とＹ軸に沿って伸縮する。
【００３６】
この走査機構においては、ＸアクチュエーターとＹアクチュエーターの好適な一態様を示している。
【００３７】
７．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、固定台の材質は、ＸＹステージの材質よりも、高いヤング率を有している。
【００３８】
この走査機構においては、ＸアクチュエーターとＹアクチュエーターの伸びすなわち変位が可動部に効率良く伝えられる。
【００３９】
８．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、ＸＹステージの可動部に固定されたＺステージを更に備えており、Ｚステージは、Ｚ軸に沿って伸縮し得る少なくとも一つのＺアクチュエーターを有し、Ｚアクチュエーターの中心軸直線は可動部の重心を通っている。
【００４０】
この走査機構においては、走査対象物はＺ軸に沿っても移動され得る。
【００４１】
９．本発明の別の走査機構は、第８項の走査機構において、Ｚステージは、Ｚ軸に沿って伸縮し得る二つのＺアクチュエーターを有し、二つのＺアクチュエーターはそれぞれＸＹステージの可動部からＺ軸に沿って反対側に延びている。
【００４２】
この走査機構においては、二つのＺアクチュエーターを同じ量だけ逆向きに伸縮されることにより、不所望な振動の発生が抑えられる。
【００４３】
本発明は、また、第１項〜第９項のいずれかひとつの走査機構を用いた走査型プローブ顕微鏡も含んでいる。
【００４４】
この走査型プローブ顕微鏡においては、走査機構が高い共振周波数を有するので、高速走査に好適に対応し得る。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００４６】
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。
【００４７】
図１は、本発明の第一実施形態の走査機構の上面図である。図２は、図１に示されたII−II線に沿った走査機構の断面図である。
【００４８】
図１と図２に示されるように、本実施形態の走査機構１００Ａは、互いに直交する三本の軸、すなわちＸ軸とＹ軸とＺ軸とを有しており、固定台１０１と、固定台１０１に収容されたＸＹステージ１０９と、ＸＹステージ１０９と固定台１０１の間にＸ軸に沿って延びているＸアクチュエーター１０２Ａと、ＸＹステージ１０９と固定台１０１の間にＹ軸に沿って延びているＹアクチュエーター１０２Ｂとを備えている。
【００４９】
ＸＹステージ１０９は、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部１０４と、可動部１０４の周囲に位置する固定部１０５と、可動部１０４のＸ軸に沿った両側に位置し、可動部１０４と固定部１０５を接続している一対の第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと、可動部１０４のＹ軸に沿った両側に位置し、可動部１０４と固定部１０５を接続している一対の第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄと、可動部１０４のＺ軸に沿った片側すなわち下側に位置し、可動部１０４と固定部１０５を接続している四つの第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄとを有している。
【００５０】
ＸＹステージ１０９の固定部１０５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固定台１０１に固定されている。
【００５１】
第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃは、Ｙ軸に沿っては比較的容易に弾性変形し得るが、Ｘ軸に沿っては変形し難い。第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄは、Ｘ軸に沿っては比較的容易に弾性変形し得るが、Ｙ軸に沿っては変形し難い。第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは、Ｘ軸に沿ってもＹ軸に沿っても比較的容易に弾性変形し得るが、Ｚ軸に沿っては変形し難い。
【００５２】
従って、可動部１０４は、第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃにより、Ｘ軸に沿った方向に関して高剛性に支持され、第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄにより、Ｙ軸に沿った方向に関して高剛性に支持され、第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄにより、Ｚ軸に沿った方向に関して高剛性に支持されている。
【００５３】
第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄは共にＴ字形状を有している。第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃは、それぞれ、ＺＸ面に広がる板状部分と、ＹＺ面に広がる板状部分とを有している。また、第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄは、それぞれ、ＹＺ面に広がる板状部分と、ＺＸ面に広がる板状部分とを有している。
【００５４】
より詳しくは、第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃ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可動部１０４と連続し、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連続している。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固定部１０５と連続している。これらの板状部分の厚さすなわちＺ軸に沿った寸法は共に、可動部１０４の厚さと同じである。
【００５５】
第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄは、向きが９０度異なる点を除けば、第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと全く同じ形態を有している。
【００５６】
さらに、Ｘアクチュエーター１０２Ａの側に位置する第一の弾性支持部１０６Ｃは、Ｘアクチュエーター１０２Ａによって押される押圧部１０８Ａを有し、また、Ｙアクチュエーター１０２Ｂの側に位置する第二の弾性支持部１０６Ｄは、Ｙアクチュエーター１０２Ｂによって押される押圧部１０８Ｂを有している。
【００５７】
第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは、それぞれ、可動部１０４の重心を通りＺ軸に平行な直線に対して対称性良く位置している。例えば、第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは、いずれも、棒状の形状を有し、Ｚ軸に平行に延びている。
【００５８】
第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは、可動部１０４の重心から等距離にあり、可動部１０４の重心を通りＺ軸に平行な直線に対して均等に配置されている。つまり、第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄの中心は、それぞれ、可動部１０４の重心を通りＺ軸に平行な直線上に中心がある円周上に９０度の角度間隔で位置している。
【００５９】
好ましくは、可動部１０４と固定部１０５と第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄと第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは一体的に形成されている。例えば、ＸＹステージ１０９は、一体の部品、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。
【００６０】
固定台１０１の材質は、好ましくは、ＸＹステージ１０９の材質よりも、高いヤング率を有している。例えば、固定台１０１はステンレス鋼製で、ＸＹステージ１０９はアルミニウム製である。
【００６１】
Ｘアクチュエーター１０２Ａは、第一の弾性支持部１０６Ｃの押圧部１０８Ａと固定台１０１の間に所定の予圧がかかるように配置されている。例えば、Ｘアクチュエーター１０２Ａは積層型圧電素子であり、電圧印加に応じてＸ軸に沿って伸縮する。また、Ｙアクチュエーター１０２Ｂは、第二の弾性支持部１０６Ｄの押圧部１０８Ｂと固定台１０１の間に所定の予圧がかかるように配置されている。例えば、Ｙアクチュエーター１０２Ｂは積層型圧電素子であり、電圧印加に応じてＹ軸に沿って伸縮する。
【００６２】
Ｘアクチュエーター１０２Ａの中心軸すなわちＸアクチュエーター１０２Ａの中心を通りＸ軸に平行な直線は可動部１０４の重心Ｇを通っている。同様に、Ｙアクチュエーター１０２Ｂの中心軸すなわちＹアクチュエーター１０２Ｂの中心を通りＹ軸に平行な直線は可動部１０４の重心Ｇを通っている。
【００６３】
走査機構１００Ａは更に、ＸＹステージ１０９の可動部１０４に固定された二つのＺアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂを有している。二つのＺアクチュエーター１０３Ａと１０３ＢはそれぞれＸＹステージ１０９の可動部１０４からＺ軸に沿って反対側に延びている。
【００６４】
Ｚアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂは、例えば、積層型圧電素子で構成され、電圧印加に応じてＺ軸に沿って伸縮する。Ｚアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂの中心軸すなわちＺアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂの中心を通りＺ軸に平行な直線は可動部１０４の重心を通っている。
【００６５】
これら二つのＺアクチュエーター１０３Ａと１０３ＢはＺステージを構成しており、上側のＺアクチュエーター１０３Ａの自由端に走査対象物が取り付けられる。走査対象物の質量が大きい場合、好ましくは、下側のＺアクチュエーター１０３Ｂの自由端に移動対象物と同等の質量を持つ部材が取り付けられるとよい。
【００６６】
走査機構１００Ａにおいて、Ｘ走査の際、Ｘアクチュエーター１０２ＡがＸ軸に沿って伸縮される。Ｘアクチュエーター１０２Ａの伸びは第一の弾性支持部１０６Ｃを介して可動部１０４を押し、これにより可動部１０４がＸ軸に沿って一方向に移動され、これに伴って第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６ＤはＸ軸に沿って弾性変形される。一方、Ｘアクチュエーター１０２Ａの縮みは弾性変形している第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄの復元の妨げを軽減し、これに伴って第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄが元の形状に近づくため、可動部１０４がＸ軸に沿って逆方向に移動される。
【００６７】
同様に、Ｙ走査の際、Ｙアクチュエーター１０２ＢがＹ軸に沿って伸縮される。Ｙアクチュエーター１０２Ｂの伸びは第二の弾性支持部１０６Ｄを介して可動部１０４を押し、これにより可動部１０４がＹ軸に沿って一方向に移動され、これに伴って第一の弾性支持部１０６Ａと１０６ＣはＹ軸に沿って弾性変形される。Ｙアクチュエーター１０２Ｂの縮みは弾性変形している第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃの復元の妨げを軽減し、これに伴って第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃが元の形状に近づくため、可動部１０４がＹ軸に沿って逆方向に移動される。
【００６８】
このような可動部１０４のＸ軸とＹ軸に沿った移動において、第一の弾性支持部１０６Ａと１０６ＣはＹ軸に対して対称的に配置され、第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６ＤはＸ軸に対して対称的に配置されているため、可動部１０４はＸＹ平面内で回転動作することなく移動する。また、第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは平行ばねとして作用するため、可動部１０４は、上面がＸＹ平面に対して傾斜することなく、すなわち上面とＸＹ平面の平行を保ったまま、水平に移動する。
【００６９】
さらに、Ｘアクチュエーター１０２ＡとＹアクチュエーター１０２Ｂの中心軸が可動部１０４の重心Ｇを通るため、可動部１０４が高速で移動された場合も、慣性力による回転モーメントが発生し難い。このため、可動部１０４は回転動作なく高精度に変位する。
【００７０】
Ｘアクチュエーター１０２ＡとＹアクチュエーター１０２Ｂの伸びは、第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄをそれぞれ変形させ、その結果、それらの変形の反作用は、Ｘアクチュエーター１０２ＡとＹアクチュエーター１０２Ｂがそれぞれ固定されている固定台１０１の部位にそれぞれ働く。固定台１０１の材質のヤング率がＸＹステージ１０９のそれよりも高い場合、固定台１０１に引き起こされる変形が小さいため、Ｘアクチュエーター１０２ＡとＹアクチュエーター１０２Ｂの伸びすなわち変位はそれぞれ押圧部１０８Ａと１０８Ｂに効率良く伝えられる。
【００７１】
また、Ｚ走査の際、Ｚアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂが、同じ量だけ逆向きに伸縮される。これにより、Ｚアクチュエーター１０３Ａの伸縮が可動部１０４に与えるＺ軸に沿った力が、Ｚアクチュエーター１０３Ｂの伸縮によって打ち消される。このため、可動部１０４は殆ど振動しない。
【００７２】
Ｚアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂの中心軸が可動部１０４の重心を通り、さらに、第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは可動部１０４の重心を通りＺ軸に平行な直線に対して対称的に配置されているため、Ｚアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂが高速で駆動された場合も、可動部１０４の上面は殆ど傾くことがない。これにより、高精度な動作が可能となる。
【００７３】
本実施形態の走査機構１００Ａでは、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部１０４が、Ｘ軸に沿った両側に位置する第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと、Ｙ軸に沿った両側に位置する第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄに加えて、Ｚ軸に沿った片側に位置する第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄによって支持されている。このため、走査機構１００Ａは高い共振周波数を有する。従って、走査機構１００Ａは、対応し得る走査速度の上限が高い。
【００７４】
例えば、本実施形態の走査機構１００Ａは、Ｘ軸とＹ軸に沿った方向に関して２５ｋＨｚ、Ｚ軸に沿った方向に関して４０ｋＨｚの共振周波数を有する。比較例として、走査機構１００Ａから第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄを省いた構造体を考える。このような構造体は、たかだか、Ｘ軸とＹ軸に沿った方向に関して１８ｋＨｚ、Ｚ軸に沿った方向に関して２０ｋＨｚの共振周波数を有するに留まる。
【００７５】
第二実施形態
本実施形態は、別の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。
【００７６】
図３は、本発明の第二実施形態の走査機構の上面図である。図４は、図３に示されたIV−IV線に沿った走査機構の断面図である。図３と図４において、図１や図２に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００７７】
図３と図４に示されるように、本実施形態の走査機構１００Ｂは、第一実施形態の走査機構１００Ａから、可動部１０４の下側のＺアクチュエーター１０３Ｂが省かれた構成を有している。つまり、本実施形態の走査機構１００Ｂは、ＸＹステージ１０９の可動部１０４に固定されたただ一つのＺアクチュエーター１０３Ａを有している。Ｚアクチュエーター１０３ＡはＸＹステージ１０９の可動部１０４からＺ軸に沿って上側に延びている。
【００７８】
本実施形態の走査機構１００Ｂは、第一実施形態の走査機構１００Ａと同様に、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部１０４が、Ｘ軸に沿った両側に位置する第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと、Ｙ軸に沿った両側に位置する第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄに加えて、Ｚ軸に沿った片側に位置する第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄによって支持されている。このため、走査機構１００Ｂは、高い共振周波数を有しており、対応し得る走査速度の上限が高い。
【００７９】
本実施形態の走査機構１００Ｂは、第一実施形態の走査機構１００Ａと比べてＺアクチュエーター１０３Ａの伸縮により可動部１０４に振動が引き起こされ易い。その反面、本実施形態の走査機構１００Ｂは、第一実施形態の走査機構１００Ａと比べて、可動部１０４の下側のＺアクチュエーター１０３Ｂを持たない分、組立が容易になると共に製造コストが安価になる。また、走査時に移動される部分の質量が小さい分、可動部の固有振動数が高く、高速での走査にも対応し得る。
【００８０】
第三実施形態
本実施形態は、別の走査機構に向けられている。以下、図５と図６を参照しながら本実施形態について説明する。
【００８１】
図５は、本発明の第三実施形態の走査機構の上面図である。図６は、図５に示されたVI−VI線に沿った走査機構の断面図である。図５と図６において、図１や図２に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００８２】
図５と図６に示されるように、本実施形態の走査機構１００Ｃは、第一実施形態の走査機構１００Ａに、ダンパーを付加した構成を有している。つまり、本実施形態の走査機構１００Ｃは、可動部１０４の上に置かれたダンピング部材１１０と、ダンピング部材１１０に接し、固定台１０１に固定されたカバー１１１とを更に備えている。カバー１１１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固定台１０１に固定されている。ダンピング部材１１０は、これに限定されないが、例えば、ゴムやゲル状物質から成る。
【００８３】
本実施形態の走査機構１００Ｃは、第一実施形態の走査機構１００Ａと同様に、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部１０４が、Ｘ軸に沿った両側に位置する第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと、Ｙ軸に沿った両側に位置する第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄに加えて、Ｚ軸に沿った片側に位置する第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄによって支持されている。このため、走査機構１００Ｂは、高い共振周波数を有しており、対応し得る走査速度の上限が高い。
【００８４】
可動部１０４は、このように高剛性に支持されているが、可動部１０４の固有振動数とほぼ等しい周波数の力を受けると、それが非常に小さな力であっても容易に振動してしまう。
【００８５】
本実施形態の走査機構１００Ｃでは、可動部１０４の振動はダンピング部材１１０によって速やかに減衰される。従って、本実施形態の走査機構１００Ｃにおいては、可動部１０４の固有振動数とほぼ等しい周波数の力が働いたときでも、可動部１０４は不所望な振動を殆ど起こさない。
【００８６】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。
【００８７】
上述したいずれの実施形態においては、ＸＹステージ１０９は、可動部と固定部を接続している四つの第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄを有しているが、その個数はこれに限定されない。
【００８８】
例えば、第二実施形態においては、ＸＹステージ１０９は、ただ一つの第三の弾性支持部を有していもよい。その場合、ただ一つの第三の弾性支持部の中心軸は、可動部の重心を通りＺ軸に平行な直線に一致しているとよい。
【００８９】
また、第一実施形態〜第三実施形態のいずれにおいては、ＸＹステージ１０９は、四つ以外の複数の第三の弾性支持部を有していもよい。その場合、複数の第三の弾性支持部は、可動部の重心を通りＺ軸に平行な直線の周りに等間隔で位置しているとよい。
【００９０】
つまり、ＸＹステージ１０９は、少なくとも一つの第三の弾性支持部を有していればよく、より好ましくは、それらは、可動部の重心を通りＺ軸に平行な直線に対して対称性良く位置しているとよい。
【００９１】
【発明の効果】
本発明によれば、対応し得る走査速度の上限が高い走査機構が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態の走査機構の上面図である。
【図２】図１に示されたII−II線に沿った走査機構の断面図である。
【図３】本発明の第二実施形態の走査機構の上面図である。
【図４】図３に示されたIV−IV線に沿った走査機構の断面図である。
【図５】本発明の第三実施形態の走査機構の上面図である。
【図６】図５に示されたVI−VI線に沿った走査機構の断面図である。
【図７】特開２００１−３３０４０２５号公報に開示されている走査機構のひとつを示している。
【図８】特開２００１−３３０４０２５号公報に開示されている別の走査機構を示している。
【図９】特開２００１−３３０４０２５号公報に開示されている別の走査機構を示している。
【符号の説明】
１００Ａ…走査機構、１００Ｂ…走査機構、１００Ｃ…走査機構、１０１…固定台、１０２Ａ…Ｘアクチュエーター、１０２Ｂ…Ｙアクチュエーター、１０３Ａ…Ｚアクチュエーター、１０３Ｂ…Ｚアクチュエーター、１０４…可動部、１０５…固定部、１０６Ａ，１０６Ｃ…第一の弾性支持部、１０６Ｂ，１０６Ｄ…第二の弾性支持部、１０７Ａ，１０７Ｂ，１０７Ｃ，１０７Ｄ…第三の弾性支持部、１０９…ＸＹステージ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a scanning mechanism for moving a scanning object in a fixed pattern in a scanning microscope or the like.
[0002]
[Prior art]
One of the apparatuses using the scanning mechanism is a scanning probe microscope. A scanning probe microscope (SPM) is a scanning microscope that mechanically scans a mechanical probe to obtain information on the surface of a sample, and includes a scanning tunneling microscope (STM), an atomic force microscope (AFM), and a scanning type. Includes a magnetic force microscope (MFM), a scanning capacitance microscope (SCaM), a scanning near-field light microscope (SNOM), a scanning thermal microscope (SThM), and the like. Recently, a nano-indenter that presses a diamond probe on the sample surface to make an impression, analyzes the condition of the impression to check the hardness of the sample, etc. is also positioned as one of these SPMs. Widely used with various microscopes.
[0003]
A scanning mechanism used in a scanning probe microscope is, for example, a method in which a mechanical probe and a sample are raster-scanned relatively in the X and Y directions to obtain surface information of a desired sample region via the mechanical probe. During XY scanning, the scanning mechanism responsible for movement in the Z direction is moved by feedback control so that the interaction between the sample and the probe is constant in the Z direction. This movement in the Z direction is different from the movement in the XY direction, which is a regular movement, and is an irregular movement because it reflects the surface shape and surface state of the sample, but is generally a scanning operation in the Z direction. This scanning in the Z direction is the movement at the highest frequency among the scanning in the XYZ directions.
[0004]
The scanning probe microscope has a scanning frequency in the X direction of about 0.05 to 200 Hz, the scanning frequency in the Y direction is about one-tenth the number of Y-direction scanning lines of the X-direction scanning frequency, and the number of Y-direction scanning lines. Is 10 to 1000 lines. The scanning frequency in the Z direction is about 100 times the number of pixels per line in the X direction scanning with respect to the frequency in the X scanning direction.
[0005]
For example, when an image of 100 pixels in the X direction and 100 pixels in the Y direction is captured in 1 second, the scanning frequency in the X direction is 100 Hz, the scanning frequency in the Y direction is 1 Hz, and the scanning frequency in the Z direction is 10 kHz or more. Note that the scanning frequency in this example is the highest scanning frequency for a scanning probe microscope so far, and the X-direction scanning frequency is usually only about several Hz. In order to realize a high scanning frequency as in this example, the scanning mechanism is not only stable against external vibrations, but also suppresses vibrations generated by itself due to internal scanning operations. Is required.
[0006]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-334025 discloses a scanning mechanism in which the occurrence of vibration is suppressed to a small level.
[0007]
FIG. 7 shows one of scanning mechanisms disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-334025.
[0008]
As shown in FIG. 7, the scanning mechanism 200 includes a scanning mechanism holding base 201, actuator bases 202 and 203 fixed to the scanning mechanism holding base 201, and extendable actuators 204, 205, and 206. The actuator 204 is supported on the actuator base 202 via the actuator holding portion 207. The actuator 205 is supported on the actuator base 203 via the actuator holding portion 208. The actuator 206 is supported on the actuator bases 202 and 203 via the actuator holding portions 209 and 210. A sample holder 211 for holding a scanning object, ie, a sample, is attached to the end of the actuator 206.
[0009]
A microsphere 212 is attached to the end face of the actuator 204 facing the actuator 206, and the microsphere 212 is applied to one side of the actuator 206. A microsphere 213 is attached to an end face of the actuator 205 facing the actuator 206, and the microsphere 213 is applied to one side surface of the actuator 206.
[0010]
FIG. 8 shows another scanning mechanism disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-334025.
[0011]
As shown in FIG. 8, this scanning mechanism has an XY stage having a parallel spring stage structure for XY scanning, and an actuator 606 for Z scanning. The XY stage is provided on a fixed table 601, a movable table 607, a pair of elastic members 608 and 609 provided on both sides along the Y axis of the movable table 607, and both sides along the X axis of the movable table 607. A pair of elastic members 610 and 611, a pair of X direction actuators 602 and 603 for moving the movable table 607 along the X axis, and a pair of Y for moving the movable table 607 along the Y axis Directional actuators 604 and 605 are provided.
[0012]
The elastic members 608 and 609 are rectangular springs that are long along the X axis and have slits extending along the X axis, and have relatively high rigidity along the X axis, respectively, and conversely along the Y axis. Has a relatively low rigidity. The elastic members 610 and 611 are rectangular springs that are long along the Y axis with slits extending along the Y axis, and have relatively high rigidity along the Y axis, respectively, and conversely along the X axis. Has a relatively low rigidity.
[0013]
FIG. 9 shows another scanning mechanism disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-334025.
[0014]
As shown in FIG. 9, the scanning mechanism 1200 includes a scanning mechanism holding base 1201, an actuator holding portion 1206 fixed to the scanning mechanism holding base 1201, and a Y that can be expanded and contracted along the Y axis attached to the actuator holding portion 1206. A scanning actuator 1202, a block 1208 attached to the other end of the Y scanning actuator 1202, an actuator holding portion 1209 fixed to the block 1208, and extendable along the X axis attached to the actuator holding portion 1209 An X-scanning actuator 1203, an actuator connecting portion 1211 attached to the other end of the X-scanning actuator 1203, and two actuators 1204, 1205 that can be expanded and contracted along the Z-axis fixed to the actuator connecting portion 1211. have.
[0015]
The actuator holding unit 1206 is fixed to the scanning mechanism holding table 1201 with a screw 1207, and the actuator holding unit 1209 is fixed to the block 1208 with a screw 1210. The block 1208 is located between the scanning mechanism holding base 1201 and the holding plate 1212 and is sandwiched between microspheres 1216, 1222, 1224, 1225, and 1215. The distance between the scanning mechanism holding base 1201 and the holding plate 1212 is adjusted by screws 1213 and 1214 so as to be fixed in parallel to each other. The actuator connecting portion 1211 is located between the block 1208 and the holding plate 1217 and is supported from above by the microspheres 1219 and 1220 and from below by the microsphere 1221. The space between the block 1208 and the holding plate 1217 is adjusted by screws 1218 and 1227 so as to be fixed in parallel with each other.
[0016]
[Patent Document 1]
JP 2001-304025 A
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
After all, a high scanning speed is desired for the scanning mechanism. Of course, it is premised on having high linearity, that is, moving the scanning object linearly.
[0018]
Each of the scanning mechanisms described above has the following problems.
[0019]
In the scanning mechanism shown in FIG. 7, during the XY scanning, the actuator 206 moves while rotating around the actuator holding portions 209 and 210, so that the scanning object moves away from the straight line. That is, this scanning mechanism is not highly linear.
[0020]
In the scanning mechanism shown in FIG. 8, during XY scanning, the movable table 607 is moved in the X direction by the two actuators 602 and 603 and in the Y direction by the two actuators 604 and 605. There are large individual differences in the piezoelectric elements constituting these actuators. For this reason, the scanning object is easily moved out of the straight line. That is, this scanning mechanism is not highly linear.
[0021]
In addition, the movable table 607 is connected via long rectangular springs 608 and 609 and actuators 602 and 603 along the X axis, and through long rectangular springs 610 and 611 and actuators 604 and 605 along the Y axis. The fixed table 601 is connected. Since the mechanical coupling length is long as described above, the movable table 607 is likely to vibrate. Therefore, the upper limit of the scanning speed that can be handled is not high.
[0022]
In the scanning mechanism shown in FIG. 9, the central axis of the Y scanning actuator 1202 is out of the center of gravity of the portion moved by the Y scanning actuator 1202. For this reason, when the Y-scanning actuator 1202 is operated at a particularly high speed, a large rotational moment is likely to occur due to the inertial force. Further, the direction in which the portion moved by the Y scanning actuator 1202 can move is not restricted in the Y direction. For this reason, when the Y-scanning actuator 1202 is operated at a particularly high speed, the scanning object is easily moved out of the straight line.
[0023]
The present invention has been made in consideration of such a situation, and an object of the present invention is to provide a scanning mechanism having a high upper limit of the scanning speed that can be handled.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is directed to a scanning mechanism that moves a scanning object in a fixed pattern, and includes scanning mechanisms that are listed in the following items.
[0025]
1. The scanning mechanism of the present invention has an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis that are orthogonal to each other. The X-axis is located between the fixed base, the XY stage accommodated in the fixed base, and the XY stage and the fixed base. An X actuator extending along the Y axis, and a Y actuator extending along the Y axis between the XY stage and the fixed base. The XY stage is located on both sides of the movable part along the X axis of the movable part, the movable part moved along the X axis and the Y axis, the fixed part located around the movable part, and connected to the movable part. A pair of first elastic support portions, a pair of second elastic support portions located on both sides along the Y-axis of the movable portion and connecting the movable portion and the fixed portion, and Z of the movable portion It has at least one third elastic support part which is located on one side along the axis and which connects the movable part and the fixed part. The X actuator extends in contact with the first elastic support portion and the fixed base and can expand and contract along the X axis, and the Y actuator extends in contact with the second elastic support portion and the fixed base. Can expand and contract along the axis.
[0026]
In this scanning mechanism, the movable part moved along the X axis and the Y axis has a first elastic support part located on both sides along the X axis, and a second part located on both sides along the Y axis. In addition to the elastic support part, it is supported by a third elastic support part located on one side along the Z-axis. For this reason, this scanning mechanism has a high resonance frequency.
[0027]
2. Another scanning mechanism of the present invention is the scanning mechanism according to the first item, wherein the movable portion, the fixed portion, the first elastic support portion, the second elastic support portion, and the third elastic support portion are integrally formed. Yes.
[0028]
In this scanning mechanism, the XY stage has a high resonance frequency.
[0029]
3. Another scanning mechanism of the present invention is the scanning mechanism according to the first item, wherein the first elastic support portion includes a plate-like portion extending on the ZX plane and a plate-like portion extending on the YZ plane, and the second elastic support portion. The support part has a plate-like portion extending on the YZ plane and a plate-like portion extending on the ZX plane.
[0030]
In this scanning mechanism, the suitable one aspect | mode of the 1st elastic support part and the 2nd elastic support part is shown.
[0031]
4). Another scanning mechanism of the present invention is the scanning mechanism according to the first item, wherein the XY stage has a plurality of third elastic support portions, and each of the third elastic support portions has a rod-like shape. It is positioned with good symmetry with respect to a straight line passing through the center of gravity of the movable part and parallel to the Z axis.
[0032]
In this scanning mechanism, the suitable one aspect | mode of the 3rd elastic support part is shown.
[0033]
5. According to another scanning mechanism of the present invention, in the scanning mechanism of the first item, the central axis of the X actuator passes through the center of gravity of the movable part, and the central axis of the Y actuator passes through the center of gravity of the movable part.
[0034]
In this scanning mechanism, undesired rotation does not occur in the movable part.
[0035]
6). According to another scanning mechanism of the present invention, in the scanning mechanism according to the first item, the X actuator and the Y actuator are each composed of a laminated piezoelectric element, and they are respectively in the X axis and the Y axis according to voltage application. Stretch along.
[0036]
In this scanning mechanism, a preferred embodiment of an X actuator and a Y actuator is shown.
[0037]
7). According to another scanning mechanism of the present invention, in the scanning mechanism according to the first item, the material of the fixed base has a higher Young's modulus than the material of the XY stage.
[0038]
In this scanning mechanism, the extension or displacement of the X and Y actuators is efficiently transmitted to the movable part.
[0039]
8). Another scanning mechanism of the present invention further includes a Z stage fixed to the movable part of the XY stage in the scanning mechanism of the first item, and the Z stage can expand and contract along the Z axis. It has an actuator, and the central axis of the Z actuator passes through the center of gravity of the movable part.
[0040]
In this scanning mechanism, the scanning object can also be moved along the Z axis.
[0041]
9. According to another scanning mechanism of the present invention, in the scanning mechanism according to item 8, the Z stage has two Z actuators that can expand and contract along the Z axis, and the two Z actuators are respectively moved from the movable part of the XY stage to the Z stage. It extends to the opposite side along the axis.
[0042]
In this scanning mechanism, the two Z actuators are expanded and contracted in the opposite directions by the same amount, thereby suppressing the occurrence of unwanted vibrations.
[0043]
The present invention also includes a scanning probe microscope using the scanning mechanism according to any one of Items 1 to 9.
[0044]
In this scanning probe microscope, since the scanning mechanism has a high resonance frequency, it can suitably cope with high-speed scanning.
[0045]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0046]
First embodiment
This embodiment is directed to a scanning mechanism. Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
[0047]
FIG. 1 is a top view of the scanning mechanism according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line II-II shown in FIG.
[0048]
As shown in FIGS. 1 and 2, the scanning mechanism 100A of the present embodiment has three axes orthogonal to each other, that is, the X axis, the Y axis, and the Z axis. An XY stage 109 accommodated in the base 101, an X actuator 102A extending along the X axis between the XY stage 109 and the fixed base 101, and extending along the Y axis between the XY stage 109 and the fixed base 101 Y actuator 102B.
[0049]
The XY stage 109 is located on both sides along the X axis of the movable unit 104, the movable unit 104 moved along the X and Y axes, the fixed unit 105 positioned around the movable unit 104, and the movable unit 104. A pair of first elastic support portions 106A and 106C connecting 104 and the fixed portion 105, and a pair connecting the movable portion 104 and the fixed portion 105, located on both sides along the Y axis of the movable portion 104. Second elastic support portions 106B and 106D and four third elastic support portions 107A that are located on one side, ie, the lower side, along the Z-axis of the movable portion 104 and connect the movable portion 104 and the fixed portion 105. 107B, 107C and 107D.
[0050]
The fixing portion 105 of the XY stage 109 is not limited to this, but is fixed to the fixing base 101 by, for example, screw fastening or adhesion.
[0051]
The first elastic support portions 106A and 106C can be elastically deformed relatively easily along the Y axis, but are hardly deformed along the X axis. The second elastic support portions 106B and 106D can be elastically deformed relatively easily along the X axis, but are difficult to deform along the Y axis. The third elastic support portions 107A, 107B, 107C, and 107D can be elastically deformed relatively easily along the X axis and along the Y axis, but are hardly deformed along the Z axis.
[0052]
Therefore, the movable portion 104 is supported with high rigidity in the direction along the X axis by the first elastic support portions 106A and 106C, and high in the direction along the Y axis by the second elastic support portions 106B and 106D. The third elastic support portions 107A, 107B, 107C, and 107D are supported with high rigidity in the direction along the Z axis.
[0053]
Both the first elastic support portions 106A and 106C and the second elastic support portions 106B and 106D have a T-shape. Each of the first elastic support portions 106A and 106C has a plate-like portion extending in the ZX plane and a plate-like portion extending in the YZ plane. Further, each of the second elastic support portions 106B and 106D has a plate-like portion extending in the YZ plane and a plate-like portion extending in the ZX plane.
[0054]
More specifically, each of the first elastic support portions 106A and 106C has a rectangular plate-like portion extending in the ZX plane and extending along the X axis, and a rectangular plate-like portion extending in the YZ plane and extending along the Y axis. is doing. The rectangular plate-like portion elongated along the X axis has one end along the X axis continuous with the movable portion 104, and one end along the X axis elongated in the rectangular plate along the Y axis. It is continuous with the center of the part. The rectangular plate-like portion that is elongated along the Y axis has both end portions along the Y axis continuous with the fixed portion 105. The thicknesses of these plate-like portions, that is, the dimensions along the Z-axis are both the same as the thickness of the movable portion 104.
[0055]
The second elastic support portions 106B and 106D have exactly the same form as the first elastic support portions 106A and 106C, except that the directions are different by 90 degrees.
[0056]
Further, the first elastic support portion 106C located on the X actuator 102A side has a pressing portion 108A pushed by the X actuator 102A, and the second elastic support portion 106D located on the Y actuator 102B side is And a pressing portion 108B that is pressed by the Y actuator 102B.
[0057]
The third elastic support portions 107A, 107B, 107C, and 107D are positioned with good symmetry with respect to a straight line that passes through the center of gravity of the movable portion 104 and is parallel to the Z axis. For example, each of the third elastic support portions 107A, 107B, 107C, and 107D has a bar shape and extends parallel to the Z axis.
[0058]
The third elastic support portions 107A, 107B, 107C, and 107D are equidistant from the center of gravity of the movable portion 104, and are equally disposed with respect to a straight line that passes through the center of gravity of the movable portion 104 and is parallel to the Z axis. That is, the centers of the third elastic support portions 107A, 107B, 107C, and 107D are positioned at an angular interval of 90 degrees on the circumference having a center on a straight line passing through the center of gravity of the movable portion 104 and parallel to the Z axis. is doing.
[0059]
Preferably, the movable portion 104, the fixed portion 105, the first elastic support portions 106A and 106C, the second elastic support portions 106B and 106D, and the third elastic support portions 107A, 107B, 107C, and 107D are integrally formed. ing. For example, the XY stage 109 is manufactured by selectively notching an integral part, for example, a metal block made of aluminum.
[0060]
The material of the fixing base 101 preferably has a higher Young's modulus than the material of the XY stage 109. For example, the fixed base 101 is made of stainless steel, and the XY stage 109 is made of aluminum.
[0061]
The X actuator 102A is arranged so that a predetermined preload is applied between the pressing portion 108A of the first elastic support portion 106C and the fixed base 101. For example, the X actuator 102A is a stacked piezoelectric element, and expands and contracts along the X axis in response to voltage application. Further, the Y actuator 102B is arranged so that a predetermined preload is applied between the pressing portion 108B of the second elastic support portion 106D and the fixed base 101. For example, the Y actuator 102B is a stacked piezoelectric element, and expands and contracts along the Y axis in response to voltage application.
[0062]
A straight line passing through the center axis of the X actuator 102A, that is, the center of the X actuator 102A and parallel to the X axis passes through the center of gravity G of the movable portion 104. Similarly, a straight line passing through the central axis of the Y actuator 102B, that is, the center of the Y actuator 102B and parallel to the Y axis passes through the center of gravity G of the movable portion 104.
[0063]
The scanning mechanism 100A further includes two Z actuators 103A and 103B fixed to the movable portion 104 of the XY stage 109. The two Z actuators 103A and 103B respectively extend from the movable part 104 of the XY stage 109 to the opposite side along the Z axis.
[0064]
The Z actuators 103A and 103B are composed of, for example, stacked piezoelectric elements and expand and contract along the Z axis in response to voltage application. A straight line passing through the central axes of the Z actuators 103A and 103B, that is, the centers of the Z actuators 103A and 103B and parallel to the Z axis passes through the center of gravity of the movable portion 104.
[0065]
These two Z actuators 103A and 103B constitute a Z stage, and a scanning object is attached to the free end of the upper Z actuator 103A. When the mass of the scanning object is large, a member having a mass equivalent to that of the moving object is preferably attached to the free end of the lower Z actuator 103B.
[0066]
In the scanning mechanism 100A, during X scanning, the X actuator 102A is expanded and contracted along the X axis. The extension of the X actuator 102A pushes the movable portion 104 via the first elastic support portion 106C, and thereby the movable portion 104 is moved in one direction along the X axis, and accordingly, the second elastic support portion 106B. 106D are elastically deformed along the X axis. On the other hand, the shrinkage of the X actuator 102A reduces the hindrance to the restoration of the elastically deformed second elastic support portions 106B and 106D, and accordingly, the second elastic support portions 106B and 106D approach the original shape. The movable unit 104 is moved in the reverse direction along the X axis.
[0067]
Similarly, during Y scanning, the Y actuator 102B is expanded and contracted along the Y axis. The extension of the Y actuator 102B pushes the movable portion 104 via the second elastic support portion 106D, whereby the movable portion 104 is moved in one direction along the Y axis, and accordingly, the first elastic support portion 106A. 106C are elastically deformed along the Y-axis. The contraction of the Y actuator 102B reduces the hindrance to restoration of the first elastic support portions 106A and 106C that are elastically deformed, and the first elastic support portions 106A and 106C approach the original shape along with this. The portion 104 is moved in the reverse direction along the Y axis.
[0068]
In such movement of the movable portion 104 along the X axis and the Y axis, the first elastic support portions 106A and 106C are arranged symmetrically with respect to the Y axis, and the second elastic support portions 106B and 106D are arranged in the X direction. Since it is arranged symmetrically with respect to the axis, the movable portion 104 moves without rotating in the XY plane. Further, since the third elastic support portions 107A, 107B, 107C, and 107D act as parallel springs, the movable portion 104 does not incline the upper surface with respect to the XY plane, that is, keeps the upper surface and the XY plane parallel. Move horizontally.
[0069]
Further, since the central axes of the X actuator 102A and the Y actuator 102B pass through the center of gravity G of the movable portion 104, even when the movable portion 104 is moved at high speed, a rotational moment due to inertial force is unlikely to occur. For this reason, the movable part 104 is displaced with high accuracy without rotating operation.
[0070]
The elongation of the X actuator 102A and the Y actuator 102B deforms the first elastic support portions 106A and 106C and the second elastic support portions 106B and 106D, respectively. The actuators 102B act on the parts of the fixing base 101 to which the actuators 102B are respectively fixed. When the Young's modulus of the material of the fixing base 101 is higher than that of the XY stage 109, since the deformation caused to the fixing base 101 is small, the extension or displacement of the X actuator 102A and the Y actuator 102B is efficient in the pressing portions 108A and 108B, respectively. It is well communicated.
[0071]
During Z scanning, the Z actuators 103A and 103B are expanded and contracted in the opposite direction by the same amount. As a result, the force along the Z axis that the expansion and contraction of the Z actuator 103A gives to the movable portion 104 is canceled by the expansion and contraction of the Z actuator 103B. For this reason, the movable part 104 hardly vibrates.
[0072]
The center axes of the Z actuators 103A and 103B pass through the center of gravity of the movable part 104, and the third elastic support parts 107A, 107B, 107C and 107D pass through the center of gravity of the movable part 104 and are symmetric with respect to a straight line parallel to the Z axis. Therefore, even when the Z actuators 103A and 103B are driven at high speed, the upper surface of the movable portion 104 hardly tilts. Thereby, highly accurate operation | movement is attained.
[0073]
In the scanning mechanism 100A of the present embodiment, the movable portion 104 moved along the X axis and the Y axis includes the first elastic support portions 106A and 106C located on both sides along the X axis and the Y axis. In addition to the second elastic support portions 106B and 106D located on both sides, they are supported by third elastic support portions 107A, 107B, 107C and 107D located on one side along the Z axis. For this reason, the scanning mechanism 100A has a high resonance frequency. Therefore, the scanning mechanism 100A has a high upper limit of the scanning speed that can be handled.
[0074]
For example, the scanning mechanism 100A of the present embodiment has a resonance frequency of 25 kHz with respect to the direction along the X axis and the Y axis and 40 kHz with respect to the direction along the Z axis. As a comparative example, a structure in which the third elastic support portions 107A, 107B, 107C, and 107D are omitted from the scanning mechanism 100A is considered. Such a structure remains at most having a resonant frequency of 18 kHz in the direction along the X and Y axes and 20 kHz in the direction along the Z axis.
[0075]
Second embodiment
This embodiment is directed to another scanning mechanism. Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
[0076]
FIG. 3 is a top view of the scanning mechanism according to the second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line IV-IV shown in FIG. 3 and 4, members indicated by the same reference numerals as those shown in FIGS. 1 and 2 are the same members, and detailed description thereof is omitted.
[0077]
As shown in FIGS. 3 and 4, the scanning mechanism 100 B of the present embodiment has a configuration in which the lower Z actuator 103 B of the movable unit 104 is omitted from the scanning mechanism 100 A of the first embodiment. . That is, the scanning mechanism 100B of the present embodiment has only one Z actuator 103A fixed to the movable part 104 of the XY stage 109. The Z actuator 103A extends upward from the movable portion 104 of the XY stage 109 along the Z axis.
[0078]
Similar to the scanning mechanism 100A of the first embodiment, the scanning mechanism 100B of the present embodiment has a first elastic portion in which the movable unit 104 moved along the X axis and the Y axis is located on both sides along the X axis. In addition to the support portions 106A and 106C and the second elastic support portions 106B and 106D located on both sides along the Y axis, the third elastic support portions 107A, 107B and 107C located on one side along the Z axis It is supported by 107D. For this reason, the scanning mechanism 100B has a high resonance frequency, and the upper limit of the scanning speed that can be handled is high.
[0079]
In the scanning mechanism 100B of the present embodiment, the movable portion 104 is likely to be vibrated by the expansion and contraction of the Z actuator 103A, as compared with the scanning mechanism 100A of the first embodiment. On the other hand, as compared with the scanning mechanism 100A of the first embodiment, the scanning mechanism 100B of the present embodiment is easier to assemble and less expensive to manufacture because it does not have the lower Z actuator 103B of the movable portion 104. Become. In addition, since the mass of the portion moved during scanning is small, the natural frequency of the movable portion is high, and it can cope with high-speed scanning.
[0080]
Third embodiment
This embodiment is directed to another scanning mechanism. Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
[0081]
FIG. 5 is a top view of the scanning mechanism according to the third embodiment of the present invention. FIG. 6 is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line VI-VI shown in FIG. 5 and 6, the members indicated by the same reference numerals as those shown in FIGS. 1 and 2 are the same members, and detailed description thereof is omitted.
[0082]
As shown in FIGS. 5 and 6, the scanning mechanism 100 C of this embodiment has a configuration in which a damper is added to the scanning mechanism 100 A of the first embodiment. That is, the scanning mechanism 100 C of this embodiment further includes a damping member 110 placed on the movable portion 104 and a cover 111 that is in contact with the damping member 110 and fixed to the fixed base 101. The cover 111 is not limited to this, but is fixed to the fixed base 101 by, for example, screw fastening or adhesion. Although the damping member 110 is not limited to this, For example, it consists of rubber | gum and a gel-like substance.
[0083]
Similar to the scanning mechanism 100A of the first embodiment, the scanning mechanism 100C of the present embodiment is a first elastic in which the movable portions 104 that are moved along the X axis and the Y axis are located on both sides along the X axis. In addition to the support portions 106A and 106C and the second elastic support portions 106B and 106D located on both sides along the Y axis, the third elastic support portions 107A, 107B and 107C located on one side along the Z axis It is supported by 107D. For this reason, the scanning mechanism 100B has a high resonance frequency, and the upper limit of the scanning speed that can be handled is high.
[0084]
The movable part 104 is supported with high rigidity in this way, but when it receives a force having a frequency substantially equal to the natural frequency of the movable part 104, it easily vibrates even if it is a very small force. .
[0085]
In the scanning mechanism 100 C of this embodiment, the vibration of the movable portion 104 is quickly damped by the damping member 110. Therefore, in the scanning mechanism 100 C of this embodiment, even when a force having a frequency substantially equal to the natural frequency of the movable portion 104 is applied, the movable portion 104 hardly causes undesired vibration.
[0086]
Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, 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. May be.
[0087]
In any of the above-described embodiments, the XY stage 109 has four third elastic support portions 107A, 107B, 107C, and 107D that connect the movable portion and the fixed portion. It is not limited to.
[0088]
For example, in the second embodiment, the XY stage 109 may have only one third elastic support portion. In that case, it is preferable that the central axis of only one third elastic support portion coincides with a straight line passing through the center of gravity of the movable portion and parallel to the Z axis.
[0089]
In any of the first to third embodiments, the XY stage 109 may have a plurality of third elastic support portions other than four. In that case, it is preferable that the plurality of third elastic support portions be positioned at equal intervals around a straight line passing through the center of gravity of the movable portion and parallel to the Z axis.
[0090]
In other words, the XY stage 109 only needs to have at least one third elastic support portion, and more preferably, they are positioned with good symmetry with respect to a straight line passing through the center of gravity of the movable portion and parallel to the Z axis. It is good to have.
[0091]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the scanning mechanism with the high upper limit of the scanning speed which can respond is provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view of a scanning mechanism according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line II-II shown in FIG.
FIG. 3 is a top view of a scanning mechanism according to a second embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line IV-IV shown in FIG. 3;
FIG. 5 is a top view of a scanning mechanism according to a third embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line VI-VI shown in FIG.
FIG. 7 shows one of scanning mechanisms disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-334025.
FIG. 8 shows another scanning mechanism disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-334025.
FIG. 9 shows another scanning mechanism disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-334025.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100A ... Scanning mechanism, 100B ... Scanning mechanism, 100C ... Scanning mechanism, 101 ... Fixed base, 102A ... X actuator, 102B ... Y actuator, 103A ... Z actuator, 103B ... Z actuator, 104 ... Movable part, 105 ... Fixed part, 106A, 106C ... first elastic support part, 106B, 106D ... second elastic support part, 107A, 107B, 107C, 107D ... third elastic support part, 109 ... XY stage.

Claims

A scanning mechanism for moving a scanning object in a fixed pattern;
It has an X axis, a Y axis, and a Z axis that are orthogonal to each other,
A fixed base;
An XY stage housed on a fixed base;
An X actuator extending along the X axis between the XY stage and the fixed base, and a Y actuator extending along the Y axis between the XY stage and the fixed base,
The XY stage is located on both sides of the movable part along the X axis of the movable part, the movable part moved along the X axis and the Y axis, the fixed part located around the movable part, and connected to the movable part. A pair of first elastic support portions, a pair of second elastic support portions located on both sides along the Y-axis of the movable portion and connecting the movable portion and the fixed portion, and Z of the movable portion Having at least one third elastic support portion located on one side along the axis and connecting the movable portion and the fixed portion;
The X actuator extends in contact with the first elastic support portion and the fixed base and can expand and contract along the X axis, and the Y actuator extends in contact with the second elastic support portion and the fixed base. A scanning mechanism that can expand and contract along an axis.

The scanning mechanism according to claim 1, wherein the movable portion, the fixed portion, the first elastic support portion, the second elastic support portion, and the third elastic support portion are integrally formed.

In Claim 1, a 1st elastic support part has a plate-shaped part extended on a ZX surface, and a plate-shaped part extended on a YZ surface, and a 2nd elastic support part is a plate-shaped part extended on a YZ surface; A scanning mechanism having a plate-like portion extending on the ZX plane.

2. The XY stage according to claim 1, wherein the XY stage has a plurality of third elastic support portions, each of the third elastic support portions has a bar shape, passes through the center of gravity of the movable portion, and is Z-axis. A scanning mechanism located symmetrically with respect to a straight line parallel to the scanning line.

2. The scanning mechanism according to claim 1, wherein the center axis of the X actuator passes through the center of gravity of the movable part, and the center axis of the Y actuator passes through the center of gravity of the movable part.

2. The scanning mechanism according to claim 1, wherein each of the X actuator and the Y actuator is composed of a stacked piezoelectric element, and each of them expands and contracts along the X axis and the Y axis according to voltage application.

The scanning mechanism according to claim 1, wherein the material of the fixing base has a higher Young's modulus than the material of the XY stage.

2. The apparatus according to claim 1, further comprising a Z stage fixed to a movable part of the XY stage, wherein the Z stage has at least one Z actuator that can expand and contract along the Z axis, and the central axis of the Z actuator is movable. Scanning mechanism that passes through the center of gravity of the part.

9. The scanning according to claim 8, wherein the Z stage has two Z actuators that can expand and contract along the Z axis, and each of the two Z actuators extends from the movable part of the XY stage to the opposite side along the Z axis. mechanism.

The scanning probe microscope using the scanning mechanism as described in any one of Claims 1-9.