JP4644821B2 - ポジショニング機構、及び、それを用いた顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、顕微鏡の試料ステージ等の対象物について位置決めを行うポジショニング機構、及び、そのポジショニング機構を備える顕微鏡に関する。

走査型トンネル顕微鏡や原子力間顕微鏡などの走査型プローブ顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、以下ＳＰＭという）は、原子・分子スケールの表面観察のみならず、原子・分子の操作・組み立てにも応用が期待され、ナノテクノロジーに不可欠な装置である。また、インレンズ方式の超高分解能走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、以下ＳＥＭという）は、電子ビームを試料上で極限まで絞り込み、分解能は０．４ｎｍに達している。透過型顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、以下ＴＥＭという）は数百エレクトロンボルト以上の高いエネルギーの電子を試料に当て、透過電子強弱により試料の結晶格子まで観察できる電子顕微鏡である。

ＳＰＭは、探針と試料の相対的位置制御機構において、ミリメートル単位で移動でき、探針を試料からナノメートルレベルまで近づける粗動機構と、サブピコメートルからマイクロメータスケールで制御する微動機構を有する。ＳＰＭの精度は、この粗動・微動の両ポジショニング機構の精度で決まる。下記特許文献には、ＳＰＭで用いられているポジショニング機構の例が開示されている。このポジショニング機構は、クランプの先端にサンプルホルダなどの物体が取り付けられ、そのクランプが支軸の端部に設けられた球面を保持し、球面に対するクランプの移動や廻転により先端の物体を三次元方向にポジショニング可能となっている。
特表２００４−５１５７６９号公報

近年、ＳＰＭと、ＴＥＭやＳＥＭを複合化して高性能化する試みがある。これには、現在普及しているＴＥＭ又はＳＥＭにＳＰＭを組み込む方法と、ＳＰＭ用真空チャンバーにＴＥＭ又はＳＥＭを組み込む方法が考えられるが、高機能を保ちながら複合化するためには、前者が有望である。汎用のＳＥＭに関しては試料領域が大きいため、試料領域にＳＰＭを組み込むことにより、容易にＳＰＭとの複合化が行える。しかしながら、ＴＥＭ又はインレンズ方式の超高分解能ＳＥＭに関しては試料領域がチューブ状の幅狭であるため、従来のポジショニング機構では幅広すぎて、試料ホルダ内にＳＰＭを組み込むこと、特に、三次元方向でのポジショニングを実現する機構を備えるようにＳＰＭを組み込むことは困難であった。

上記特許文献１に記載のポジショニング機構は、コンパクトな構造を有するが、安定性を欠く構成となっている。詳細には、上記ポジショニング機構は、クランプの先端に物体が取り付けられ、球面を保持する箇所を支点として移動や廻転を行うものである。このため、ｚ方向への移動にともないクランプにおける支点の位置が変動し、バランスが維持しにくい構成となっている。また、ｚ方向の移動距離を長くする場合や、廻転によるｘ方向やｙ方向への移動を操作に比して大きくする場合には、クランプの長さを長くする必要がある。しかしながら、この構成では、クランプの長さを長くすると、伸長したときに先端の物体により加わる力が大きくなり、不安定な状態となる。安定を確保するためにクランプの末端に錘を付加することも考えられるが、上述のように支点の位置が変動するため錘によってもバランスが保たれず、更に錘が球面に接触してクランプの可動を阻害する恐れがある。また、クランプには複数の錘をバランス良く付ける必要があるため、調整が煩雑である。

また、これらの顕微鏡に用いられる機構は、顕微鏡本来の用途の他に、その原理から様々な応用が考えられている。とくに、ポジショニング機構は、半導体の物性計測に用いられるプローバー、記録媒体中に高分解能で情報を書き込む記録装置、記録媒体中に書き込まれた情報を高分解能で読みだす再生装置、原子・分子の分析などに用いられる計測装置、微細加工装置など、様々な装置への応用が進められている。これらの様々な装置において、ポジショニング機構は、狭ピッチ化・多軸化・複数化する傾向にあり、これを実現するためにも、ポジショニング機構の細幅化や小型化が強く望まれている。

そこで、本発明の目的は細幅化・小型化が可能であり、且つ、安定性にも優れるポジショニング機構、及び、それを用いた顕微鏡を提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明のポジショニング機構は、所定位置に球面部を備える支軸と、当該支軸にほぼ平行に配されるガイドとを備え、三次元方向のうち当該支軸の軸方向をｚ方向とすると、当該支軸は、球面部の位置において当該ガイドに挟持され、球面部を支点としてｘｙ方向に揺動可能であり、且つ、ｚ方向にスライド可能であることを特徴とする。

この発明によれば、支軸の球面部がガイドに挟持されているため、支軸は、球面部を支点として揺動することでｘｙ方向にポジショニングし、且つ、ガイドに沿って軸方向に滑動することでｚ方向にポジショニングし、この揺動と滑動の動きにより三次元方向へのポジショニングが可能となる。三次元方向へのポジショニングは、支軸の球面部をガイドで挟持するという簡単な構成で実現されているため、細幅化・小型化が可能である。

また、支軸が可動する構成であり、支点は常に支軸の所定位置に定まっているため、ｚ方向へスライドしても常にバランスが保たれ、安定的な動きが実現される。ｚ方向の移動距離を長くする場合や、揺動によるｘ方向やｙ方向への移動を操作に比して大きくする場合には、支軸の長さを長くする必要があるが、この場合においても、支点の位置や錘の付加により簡単に安定を確保することができる。錘は支軸のいずれかの位置に一つだけ付加すればよく、複数の錘を調整する煩雑さもない。

さらに、前記ガイドはレール状であり、前記支軸の球面部は少なくとも三本のレール状のガイドに挟持されていることが望ましい。この発明によれば、支軸の球面部とガイドとは少なくとも三点で点接触するため、球面部を確実に挟持しながらも摩擦は小さく、安定した動作で滑らかな揺動と滑動が行われる。

また、前記ガイドは筒形状であり、前記支軸の球面部は筒形状のガイド内周で挟持されていても良い。この発明によれば、支軸と筒形状のガイドの内周とが線接触するため、安定的で滑らかな支軸の動きを実現することができる。

さらに、本発明のポジショニング機構は、前記支軸に対して衝撃力を加える衝撃力付加手段を備えることが望ましい。この発明によれば、衝撃力付加手段により支軸に衝撃力を与えると、支軸が揺動・滑動し、三次元方向にポジショニングすることができる。衝撃力付加手段としては、圧電素子が好ましい。磁石、ハンマーによる殴打等により、衝撃力を付加しても良い。

さらに、本発明のポジショニング機構は、前記支軸の少なくとも一部を変形させる変形手段を備えることが望ましい。この発明によれば、変形手段により、支軸の一部を伸縮・屈曲などさせて変形させ、ポジショニングを微細に調節することができる。

本発明の顕微鏡は、前記請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のポジショニング機構を備えることを特徴とする。ここで、本発明の顕微鏡とは、複数の顕微鏡を複合化した複合体としての顕微鏡であっても良いし、複合化前の単体としての顕微鏡であっても良い。この発明によれば、細幅化・小型化可能な本発明のポジショニング機構を用いるため、細幅な領域や狭小な領域にポジショニング機構を組み込むことができる。たとえば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）やインレンズ方式の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）と、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）とを複合化する場合にも、ＳＰＭに本発明のポジショニング機構を用いることによりＳＰＭ全体を細幅化することができるため、ＴＥＭやインレンズ方式のＳＥＭの細幅な試料ホルダにＳＰＭを組み込むことが可能となる。

本発明のポジショニング機構によれば、支軸をガイドで挟持するという簡単な構成で三次元方向へのポジショニングを実現し、細幅化・小型化が可能であるため、細幅・狭小なスペースにポジショニング機構を組み込むことができる。たとえば顕微鏡や再生装置など、様々な装置に組み込むことが可能である。細幅化・小型化が可能なため、複雑な構成中に組み込んだり、狭ピッチ化や多軸化や複数化も可能となる。

また、支軸が可動する構成であり、支点は常に支軸の所定位置に定まっているため、ｚ方向へスライドしても常にバランスが保たれ、安定的な動きが実現される。ｚ方向の移動距離を長くする場合や、揺動によるｘ軸方向やｙ方向への移動を操作に比して大きくする場合には、支軸の長さを長くすればよく、この場合においても、支点の位置や錘の付加により簡単に安定を確保することができる。したがって、どのような状態においても三次元方向への安定的なポジショニングが可能となる。錘は支軸のいずれかの位置に一つだけ付加すればよく、複数の錘を調整する煩雑さもない。

とくに、本発明のポジショニング機構は、顕微鏡への応用が期待される。本発明のポジショニング機構は細幅化・小型化が可能であるため、顕微鏡に用いることにより細幅・小型の顕微鏡を実現できる。たとえば、本発明のポジショニング機構は、ＳＰＭとＴＥＭ、又は、ＳＰＭとインレンズ方式のＳＥＭの複合化に有効である。とくに、ＴＥＭの試料ホルダは細幅であり、又、インレンズ方式のＳＥＭは細幅なレンズ中に試料を挿入載置する必要があるが、本発明のポジショニング機構は細幅化が可能であるため、このポジショニング機構を備えた細幅のＳＰＭを、ＴＥＭやインレンズ方式のＳＥＭの試料ホルダに組み込むことにより、複合化が可能となる。ＴＥＭやインレンズ方式のＳＥＭは既存のもので足り、何ら設計変更等を必要としないため、安価且つ簡単に複合化を行うことができる。さらに、複合化後においては、ＴＥＭやＳＥＭについてもＳＰＭのポジショニング機構を用いることができるため、従来の複雑なポジショニング機構を省略する設計変更を行い、低コスト化を図ることも可能である。また、試料の同一領域を二種類の顕微鏡で見ることができる。さらに、ＳＥＭで試料を見ながら、ＳＰＭで原子や分子の操作や組み立てを行うことも可能となる。

第１の実施形態のポジショニング機構の側面図 上記実施形態のポジショニング機構の断面図 上記実施形態のポジショニング機構の内部構造を説明する説明図 上記実施形態の支軸を示す斜視図 上記実施形態の圧電素子を示す斜視図 圧電素子に印加する電圧と時間との関係をグラフ化して説明する図 第２の実施の形態のポジショニング機構を説明する説明図 上記第１の実施形態のポジショニング機構を用いたＳＰＭを示す図 上記第１の実施形態のポジショニング機構を用いたＳＥＭを示す図

符号の説明

１０１，１０２ ポジショニング機構
１０ 支軸
１１ 球面部
１２ａ 第１の絶縁部
１２ｂ 第２の絶縁部
１３ａ 第１の圧電素子
１３ｂ 第２の圧電素子
１４ 錘部
２０，２１ ガイド
３０ ホルダ
３１ａ，３１ｂ 開口
３２ ネジ孔
３３ プローブ
３４ 固定部
４０ 対象物（試料ステージ）
５０ 電子銃
６０ 試料領域
７０ 挿入口
８０ 従来のポジショニング機構
ｃ，ｃ１，ｃ２ スリット
ｃ３ 孔
ｅ１〜ｅ６ 電極

（第１の実施の形態）
以下、本実施の形態のポジショニング機構１０１について、図面を参照しながら説明する。図１はポジショニング機構１０１の側面図であり、図２はその断面図である。図３は、内部構造を説明する説明図である。ポジショニング機構１０１は、支軸１０と、支軸１０にほぼ平行に配されるガイド２０とを備え、支軸１０はｘｙ方向に揺動可能であり、且つ、ｚ方向にスライド可能なように、外周面が球面の一部で構成される球面部１１の位置においてガイド２０に挟持されている。なお、ここでは、互いに垂直なｘ方向とｙ方向とｚ方向の三次元方向において、支軸１０の中心軸ｐの方向をｚ方向、その他の二方向をｘ方向とｙ方向と仮定する。その具体的構成としては、例えば、支軸１０と、支軸１０に略並行に配されるレール状のガイド２０とを備える。このポジショニング機構１０１は、支軸１０とガイド２０とがホルダ３０に収納されて一体的に構成され、細幅のスティック状（ペンシル型）となっている。支軸１０の先端には、位置決めされる対象物４０が取り付けられ、支軸１０の動きにより対象物４０の位置が操作されるようになっている。位置決めされる対象物４０としては、例えば顕微鏡に用いられる場合は、試料ステージやプローブである。その他、操作アームやセンサ用部材など、対象物４０は適用される装置に応じて任意である。本実施の形態では、対象物４０として試料ステージを例に説明する。

図４は、支軸１０を示す斜視図である。支軸１０は、略円柱形状であり、中央付近に球面部１１を備える。球面部１１よりも一方側には、球面部１１側から順に、第１の絶縁部１２ａ，第１の圧電素子１３ａ，錘部１４を備え、他方側には、第２の絶縁部１２ｂ，第２の圧電素子１３ｂを備える。球面部１１は球体で構成され、その他の各部１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１４は、略同一直径の円柱形状の別体で構成されており、これらの部材が中心軸ｐを揃えて並べられて連結され、中央付近に球面部１１を備える一条の略スティック状となっている。各部の位置は、これに限定されることはなく、適宜変更可能である。

球面部１１は、支軸１０のうち球面を備える部分であり、球体の表面により構成されている。この球面部１１は、球体が第１の絶縁部１２ａと第２の絶縁部１２ｂとの間に配されて連結されて構成されており、支軸１０の略中央付近に位置している。球面部１１を構成する球体の直径は、支軸１０の他の円柱形状の部分の直径よりも大きく、球面部１１が他の部分よりも膨らんだ状態となっている。球面部１１は、摩擦が小さくなるように表面が磨き加工されている。球面部１１を構成する球体としては、摩擦が少なく磨耗に強いという観点から、サファイア球が好ましい。

ここで、球面部１１は、球体の全表面に限らず、少なくとも部分的に球面であれば良い。たとえば、半球面等のような、球体表面を一部切り取って得られる面を備える場合も、本発明の球面部に含まれると定義する。本実施の形態のように、球体表面の一部領域が絶縁部１２ａ，１２ｂの連結により隠れる場合も、その領域以外は球体表面の一部から構成されており、本発明の球面部に含まれる。たとえば、球面部１１として別体の球体を用いることなく、球面部１１と絶縁部１２ａ，１２ｂとが一体的に構成されている場合であっても、球面部１１は球体表面の一部を備えるため、本発明の球面部１１に含まれる。

絶縁部１２ａ，１２ｂは、第１の圧電素子１３ａと球面部１１との間、及び、第２の圧電素子１３ｂと球面部１１との間に配されて連結されている。この絶縁部１２ａ，１２ｂは、アルミナ製であり、支軸１０が揺動したときに、圧電素子１３ａ，１３ｂの電極部分と、ガイド２０やホルダ３０とが接触して短絡するのを防ぐ役割を果たす。

ここで、絶縁部１２ａ，１２ｂは、一体的な棒状の部材で構成されており、球面部１１の中心を通るように設けられた孔に棒状の部材を挿入することにより、球面部１１の両側に絶縁部１２ａ，１２ｂが位置するようにして連結されていても良い。これによれば、球面部１１と他の部材との中心軸ｐを容易にそろえることができる。

第１の圧電素子１３ａは第１の絶縁部１２ａと錘部１４との間に配されて連結され、第２の圧電素子１３ｂは第２の絶縁部１２ｂの球面部１１とは反対側に配されて連結されている。これらの圧電素子１３ａ，１３ｂは、必要に応じて、支軸１０に対して衝撃力を加える衝撃力付加手段としての機能を果たしたり、支軸１０の先端部分を変形させる変形手段としての機能を果たす。ポジショニング機構１０１を主に粗動機構として使用する場合は、第１の圧電素子１３ａ又は第２の圧電素子１３ｂのいずれか一方、または、第１の圧電素子１３ａと第２の圧電素子１３ｂの両方を衝撃力付加手段として用いることにより支軸１０に衝撃を加え、大まかなポジショニングを行う。ポジショニング機構１０１を主に微動機構として使用する場合は、第２の圧電素子１３ｂを変形手段として用いることにより支軸１０の先端部分を屈曲・伸縮変形させ、微細なポジショニングを行う。衝撃力付加手段としては、支軸１０に衝撃を加えることが可能なものあれば良く、急激な磁場変化による磁石の急峻な移動やハンマーの殴打などにより衝撃を与えるものであっても良い。また、変形手段としては、支軸１０の一部を変形させることができるものであれば良く、例えば磁歪素子であっても良い。衝撃力付加手段と変形手段とを同時に実現するという観点からは圧電素子が好ましく、更には小型に３次元的に配置するために円筒型圧電素子（チューブピエゾ素子）が好ましい。同種類の素子を粗動用の衝撃力付加手段および微動用の変形手段の両方に使用することにより、低コスト化などのメリットがあるが、必要に応じて異なる方法により各手段を実現しても良い。

図５は、衝撃力付加手段や変形手段として機能する圧電素子１３ａ，１３ｂの例を示す斜視図である。なお、説明の便宜上、三次元方向として、支軸１０の中心軸ｐを交点として垂直に交差する二方向をｘ方向とｙ方向と仮定し、支軸１０の中心軸ｐ方向をｚ方向と仮定する。圧電素子１３ａ，１３ｂは、図示しない配線により駆動電源に接続されており、電圧を印加することにより機械的歪みを発生する。配線は、支軸１０の中心を通るように配されており、支軸１０の動きを阻害しないようになっている。圧電素子１３ａ，１３ｂには、円筒形状のフレキシブルなチューブ本体と、チューブ本体外面上に円周方向に等間隔で配される四つの矩形状の電極ｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４と、チューブ本体円周に沿った帯状の電極ｅ５と、チューブ内面に沿って配される内面電極ｅ６が設けられている。この圧電素子１３ａ，１３ｂは、内面電極ｅ６と外面上の電極ｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４、ｅ５との間にプラス又はマイナスの電圧を印加すると、面方向に電極ｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４、ｅ５が伸張または収縮する。内面電極ｅ６に対してプラスの電圧で伸張するか、収縮するかは圧電素子の分極方向に依存するので、ここでは規定しない。対向配置される矩形状の電極ｅ１と電極ｅ３、又は、電極ｅ２と電極ｅ４に、一方の電極は伸長し、他方の電極は収縮するように電圧が印加されると、圧電素子１３ａ，１３ｂがｘ方向やｙ方向に屈曲する。必ずしも二つに電極に電圧を印加しなくとも、これらの電極ｅ１〜ｅ４の少なくとも一つに電圧を印加しても良い。また、帯状の電極ｅ５に電圧を印加すると、電極ｅ５が中心軸ｐの方向に伸縮し、これにより、圧電素子１３ａ，１３ｂがｚ方向に伸縮する。電圧印加を中止すると、圧電素子１３ａ，１３ｂの屈曲・伸縮状態は解除され、基本姿勢に戻る。

この圧電素子１３ａ、１３ｂを、衝撃力付加手段として機能させる場合は、電圧印加を急峻に断ち切る、または逆方向の電圧を印加し、屈曲・伸縮状態から急激に基本姿勢に戻す又は逆方向に屈曲・伸縮させる。この急激な変形により、ｘ方向やｙ方向に衝撃力が加えられ、この衝撃力が球面部１１を支点として支軸１０を揺動させ、ｘ方向やｙ方向へのポジショニングが可能となる。また、電極ｅ５に対する電圧印加を急峻に断ち切る、または逆方向の電圧を印加すると、伸縮状態が解除されて基本状態に戻るまたは逆の伸縮状態になり、この戻り又は逆の伸縮の力によりｚ方向に衝撃力が加えられる。この衝撃により支軸１０がガイド２０に沿って滑動し、ｚ方向へのポジショニングが可能となる。

変形手段としては、曲面部１１よりも対象物４０側に位置する第２の圧電素子１３ｂのみが用いられる。第２の圧電素子１３ｂを、変形手段として機能させる場合は、電圧を調節しながら印加して、第２の圧電素子１３ｂを屈曲・伸縮させ、適当な状態になると電圧を維持し、その屈曲・伸縮状態を保つ。屈曲によりｘ方向とｙ方向にポジショニングが可能となり、伸縮によりｚ方向にポジショニングが可能となる。

なお、本実施の形態では、ｘ方向とｙ方向へのポジショニング（屈曲）は矩形状の電極ｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４により実現され、ｚ方向へのポジショニング（伸縮）は帯状の電極ｅ５により実現されているが、矩形状の電極ｅ１〜ｅ４を同時に伸長・収縮させることにより圧電素子１３ａ，１３ｂをｚ方向へ伸縮させ、三次元方向への動きを実現しても良い。また、矩形状の電極の個数や配置は任意であり、個数や配置を調整することにより、動きをより細かく制御することも可能である。また、本実施の形態の衝撃力付加手段と変形手段は支軸１０の一部を構成しているが、必要に応じて支軸１０と別体であっても良い。

錘部１４は、円筒形状であり、第１の圧電素子１３ａの端部に連結されている。錘部１４は、第２の圧電素子１３ｂの先端に取り付けられる対象物４０とほぼ等価な重量を持つ錘であり、支軸１０が球面部１１を支点として、バランスを保つようになっている。錘部１４の重量や位置は、支軸１０や対象物４０の重量、支点となる球面部１１の位置などに応じて、適宜調整すれば良い。

この支軸１０は、球面部１１において三本のレール状（細長な円柱形状）のガイド２０に挟持されている。各ガイド２０は、支軸１０の動きを案内する役割を果たし、円筒形状のホルダ３０に設けられた三つのスリットｃに各々嵌め込まれて固定されている。ガイド２０は加工のしやすさから金属が好ましいが、金属でなくても良い。ホルダ３０のスリットｃは、ガイド２０の直径よりも幅狭に設けられており、ガイド２０はホルダ３０の内周側からスリットｃに嵌め込まれ、内周側に突出するように取り付けられている。スリットｃに嵌め込まれたガイド２０は、中心軸ｐと平行に、且つ、円周方向に等間隔で配されており、内側に支軸１０が配されて、支軸１０の球面部１１を三方向から押圧しながら挟持している。各ガイド２０は円柱形状であり、球面部１１とは点接触している。なお、摩擦低減の観点からは、三本が好ましいが、四本以上であっても良い。摩擦低減の観点からは、ガイド２０は球面部１１と接触する表面が、曲面であっても、平面であっても、角であっても、球面部１１とは点接触となるため、いずれでも良い。また、球面部１１に対する三方向からの押圧力をバランス良く発揮させるためには円柱形状が好ましいが、三角柱形状や四角柱形状など、その他の形状でも良い。

ここで、ホルダ３０は、複数のスリットｃによって板バネとしての機能を備える。このため、スリットｃは、ガイド２０が支軸１０を挟持可能な程度であり、且つ、支軸１０の揺動・スライドが滑らかに行われる程度の押圧力が加わるように、幅や長さを調節しながら形成することが好ましい。

なお、各部材の位置は、上記実施の形態に限られず、本発明の作用を奏する範囲で任意である。たとえば、球面部１１は必ずしも支軸１０の中心付近である必要はなく、いずれか一方側端部に偏って位置させて、錘部１４の重量でバランスが調整されていても良い。

また、本実施の形態のポジショニング機構１０１は、支軸の長さが９１ｍｍ、球面部の直径が４．７６ｍｍである。ホルダ３０は、長さが１００ｍｍ、外径が８ｍｍ、内径が７ｍｍ程度の大きさである。また、ホルダ３０に設けられるスリットｃの幅は１．５ｍｍ、ガイド２０の直径は１．６ｍｍほどであり、スリットｃにより弾性を備えたホルダ３０自体が板バネとしての役割を果たすことにより、ガイド２０が支軸１０の球面部１１を適当な圧力で押さえている。なお、サイズはこの大きさに限るものではなく、適宜設計変更可能である。

（動作説明）
以下に、上記ポジショニング機構１０１の動作説明を行う。ポジショニング機構１０１を粗動機構として使用する場合は、第１の圧電素子１３ａ、又は／及び、第２の圧電素子１３ｂに電圧を印加する。電圧は、図６に示すように、時間とともに増加し、急峻に断ち切れる鋸歯状電圧が好ましい。たとえば、時間ａが経過後、電圧ｂに達した時点で、電圧印加を急峻に断ち切る。ｘ方向やｙ方向にポジショニングする場合は、第１の圧電素子１３ａ、又は／及び、第２の圧電素子１３ｂの矩形状の電極ｅ１〜ｅ４の少なくとも一つに電圧を印加して伸縮させた後、急峻に電圧を断ち切って基本姿勢に戻すか、又は、逆方向電圧を印加して逆の伸縮状態とすることにより、ｘ方向やｙ方向に衝撃力を与える。この衝撃力により、支軸１０は曲面部１１を支点として揺動し、対象物４０のｘ方向やｙ方向へのポジショニングが行われる。また、ｚ方向にポジショニングする場合は、帯状の電極ｅ５に電圧を印加して伸縮させ、急峻に電圧を断ち切って基本姿勢に戻すことにより、ｚ方向に衝撃力を加える。この衝撃力により、支軸１０はｚ方向に滑動し、対象物４０のｚ方向へのポジショニングが行われる。すなわち、ポジショニング機構１０１は細幅でありながらも、三次元方向へのポジショニングを可能としている。二つの圧電素子１３ａ，１３ｂの一方のみに電圧を印加しても良いが、両圧電素子１３ａ，１３ｂに電圧を調整しながら印加することにより、支軸１０の回転などの動きの制御を行っても良い。電圧を調整しながら印加して、揺動量や滑動量の制御を行っても良い。

ポジショニング機構１０１を微動機構として使用する場合は、対象物４０側にある第２の圧電素子１３ｂに電圧を印加する。ｘ方向やｙ方向にポジショニングする場合は、矩形状の電極ｅ１〜ｅ４の少なくとも一つに電圧を印加して第２の圧電素子１３ｂを屈曲させ、適当な状態で電圧を維持して屈曲状態を保つ。支軸１０の先端部分である圧電素子１３ｂが屈曲し、対象物４０のｘ方向やｙ方向へのポジショニングが行われる。また、ｚ方向にポジショニングする場合は、帯状の電極ｅ５に電圧を印加して第２の圧電素子１３ｂを伸縮させ、適当な状態で電圧を維持して伸縮状態を保つ。支軸１０の先端部分である第２の圧電素子１３ｂが伸縮し、対象物４０のｚ方向へのポジショニングが行われる。このように微動機構として用いる場合は、電圧を維持して屈曲・伸縮状態を保持するため、衝撃力が加えられることはなく、支軸１０全体の揺動・滑動は生じない。これにより、第２の圧電素子１３ｂの変形のみに起因する、三次元方向への微細なポジショニングが可能となる。

また、ポジショニング機構１０１は支軸１０が可動する構成であり、支点は常に支軸１０の所定位置に定まっているため、ｚ方向へスライドしても常にバランスが保たれ、安定的な動きが実現される。ｚ方向の移動距離を長くする場合や、揺動によるｘ方向やｙ方向への移動を操作に比して大きくする場合には、支軸１０の長さを長くする必要があるが、この場合においても、支点の位置や錘１４の付加により簡単に安定を確保することができる。錘１４は支軸１０のいずれかの位置に一つだけ付加すればよく、複数の錘を調整する煩雑さもない。

（第２の実施の形態）
本実施の形態は、ガイド２１が円筒形状である場合について説明する。図７は、本実施の形態のポジショニング機構１０２を示す断面図である。支軸１０は上記第１の実施の形態と同様であるが、ガイド２１は円筒形状となっており、ホルダ３０としての役割も兼務している。ガイド２１の内周は、支軸１０の球面部１１を確実に把持可能であり、且つ、支軸１０がガイド２１上を揺動・滑動可能な程度の低摩擦となるように、適当な押圧力で支軸１０を挟持する大きさを有している。支軸１０はガイド２１に球面部１１で挟持されているため、支軸１０が揺動・滑動し、細幅でありながらも三次元方向へのポジショニングが可能となる。球面部１１とガイド２１とは、常に線接触となっており、安定的且つ滑らかに揺動・滑動が行われる。また、ガイド２１は一点のパイプ状部材で構成されており、ガイド２１がホルダの役割も兼務するため、部品点数が少なく、複数本のガイドを使用する場合と比較して、組み立て工程の簡素化や、低コスト化を図ることができる。

（ＳＰＭの実施の形態）
上記各実施の形態のポジショニング機構１０１，１０２は、様々な応用装置に用いることが可能であるが、例えば以下のように顕微鏡に用いられる。図８は、上記第１の実施の形態のポジショニング機構１０１を用いたＳＰＭを示す図であり、（ａ）はその上面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）はその下面図である。本実施の形態のＳＰＭは、上記第１の実施の形態と同様のポジショニング機構１０１が、筒形状のホルダ３０に収納されている。ホルダ３０には、中心軸ｐと平行に、且つ、円周方向に等間隔に、六つのスリットｃ１が設けられ、そのスリットｃ１の間に両端側が屈曲した四つのスリットｃ２が設けられ、スリットｃ１の端部と、そのスリットｃ１の両隣に設けられたスリットｃ２の端部に囲まれる領域に台形状の孔ｃ３が設けられている。三つのガイド２０は、六つのスリットｃ１に一つ置きに嵌め込まれている。スリットｃ１，ｃ２と孔ｃ３は、ホルダ３０に板バネとしての機能を与え、このスリットｃ１，ｃ２と孔ｃ３によりホルダ３０が内側に向かって適当な押圧力を発揮し、ガイド２０が支軸１０を適当な力で挟持するように調節されている。ホルダ３０の先端側には、直径を通る線を境として一方側と他方側とに開口３１ａ，３１ｂを備え、ホルダ３０内に収納された支軸１０の先端に取り付けられた試料ステージ４０が開口３１ａ，３１ｂを介して露出する状態となっている。ホルダ３０の先端にはネジ孔３２が設けられており、このネジ孔３２に試料ステージ４０と対向する方向でプローブ３３が取り付けられている。ホルダ３０の先端には、後述するＳＥＭに組み込んだときに、ホルダ３０を固定する固定部（サファイア球）３４が設けられている。

このＳＰＭを使用する場合は、試料ステージ４０に試料を配置し、試料ステージ４０上の試料とプローブ３３との位置決めを行う。位置決めに際しては、まず、ポジショニング機構１０１を粗動機構として用いる。粗動機構として用いる場合は、圧電素子１３ａ，１３ｂのいずれか一方又は両方に電圧を印加し、その後に電圧を急峻に断ち切るか、又は、逆方向の電圧を印加することにより支軸１０に衝撃力を加え、支軸１０を揺動・滑動させて、三次元方向でのポジショニングを行う。粗動によるポジショニングを行った後、さらに微細なポジショニングを行うため、ポジショニング機構１０１を微動機構として用いる。微動機構として用いる場合は、第２の圧電素子１３ｂに電圧を印加し、第２の圧電素子１３ｂを屈曲・伸縮変形させて、三次元方向での微細なポジショニングを行う。本発明のポジショニング機構１０１を用いれば、細幅のホルダ３０にポジショニング機構１０１を組み込むことができ、ＳＰＭの細幅化が実現される。たとえば、ホルダ３０がＳＥＭやＴＥＭなどの試料ホルダである場合、これらの試料ホルダは細幅であるが、本発明のポジショニング機構１０１を用いることにより、これらの細幅の試料ホルダにもＳＰＭを組み込むことができる。

（ＳＥＭの実施の形態）
図９は、上記実施の形態のＳＰＭを試料領域に組み込んだインレンズ方式の走査型電子顕微鏡ＳＥＭを説明する説明図である。ＳＥＭは、鏡体内が真空となっており、内部には、電子線を照射する電子銃５０と、電子線の照射方向に設けられる試料領域６０とを備える。上記ＳＰＭは、挿入口７０から挿入されて試料領域６０に組み込まれ、固定部３４をその固定部３４と嵌合する嵌合孔（図示せず）に取り付けて固定される。試料ステージ４０には、電子銃５０から電子線が照射される。ポジショニングに際しては、ＳＥＭ自体に設けられている従来のポジショニング機構８０を用いても良いが、ＳＰＭに内蔵される本発明のポジショニング機構１０１を用いても良い。本発明のＳＰＭは細幅であるため、ＳＥＭの試料領域に組み込むことができ、ＳＰＭとＳＥＭの複合化が容易に実現できる。ＳＥＭは既存のもので足り、なんら設計変更などの必要はない。ただし、ＳＰＭに内蔵のポジショニング機構１０１を用いることができるため、ＳＥＭ自体に設けられている従来の複雑なポジショニング機構８０を省略する設計変更を行うことも可能であり、これによりＳＥＭの低コスト化を図ることもできる。また、インレンズ方式のＳＥＭとＳＰＭの複合化により、試料の同一領域を二種類の顕微鏡で見ることができる。さらに、ＳＥＭで試料を見ながら、ＳＰＭで原子や分子の操作や組み立てを行うことも可能となる。なお、本実施の形態のＳＥＭは、試料領域にＳＰＭが組み込まれる複合体としての顕微鏡を例に説明したが、複合化することなく、単体としての既存のＳＥＭの試料ホルダに本発明のポジショニング機構１０１を備えるものであっても良い。

上記各実施の形態のポジショニング機構は、顕微鏡に適用する場合を例に説明したが、ＳＰＭの応用が期待される記憶装置、再生装置、計測装置、微細加工装置など、様々な装置に利用可能である。また、上記ＳＰＭ及びＳＥＭの実施の形態では、第１の実施の形態のポジショニング機構１０１を例に説明したが、第２の実施の形態のポジショニング機構や、その他の形態の本発明のポジショニング機構が用いられたものでも良い。

また、上記実施の形態の顕微鏡は、複合形態の顕微鏡に本発明のポジショニング機構を適用した場合を例に説明したが、ＳＰＭ、ＴＥＭ、ＳＥＭの各単体に適用しても良い。

Claims (9)

1. 球体の表面により構成される球面部を備える支軸と、当該支軸にほぼ平行に配されるガイドとを備え、
   三次元方向のうち当該支軸の軸方向をｚ方向とすると、当該支軸は、球面部の位置において当該ガイドに挟持され、球面部を支点としてｘｙ方向に揺動可能であり、且つ、ｚ方向にスライド可能であり、
   前記ガイドはレール状であり、前記支軸の球面部は少なくとも三本のレール状のガイドに挟持されるか、または、前記ガイドは筒形状であり、前記支軸の球面部は筒形状のガイド内周で挟持され、
   前記支軸が球面部を支点としてバランスを保つことを特徴とするポジショニング機構。
2. 球体の表面により構成される球面部を備えるとともに、先端に位置決めされる対象物が取り付けられ、後端に錘部が連結される支軸と、当該支軸にほぼ平行に配されるガイドとを備え、
   三次元方向のうち当該支軸の軸方向をｚ方向とすると、当該支軸は、球面部の位置において当該ガイドに挟持され、球面部を支点としてｘｙ方向に揺動可能であり、且つ、ｚ方向にスライド可能であり、
   前記ガイドはレール状であり、前記支軸の球面部は少なくとも三本のレール状のガイドに挟持されるか、または、前記ガイドは筒形状であり、前記支軸の球面部は筒形状のガイド内周で挟持され、
   前記錘部の重量により、支軸が球面部を支点としてバランスを保つことを特徴とするポジショニング機構。
3. 前記支軸に対して衝撃力を加える衝撃力付加手段を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のポジショニング機構。
4. 前記支軸の先端に位置決めされる対象物が取り付けられ、前記球面部に対して位置決めされる対象物とは反対側に前記衝撃力付加手段を備えることを特徴とする請求項３に記載のボジショニング機構。
5. 前記支軸の先端に位置決めされる対象物が取り付けられ、前記球面部に対して位置決めされる対象物とは同じ側に前記支軸の少なくとも一部を変形させる変形手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のポジショニング機構。
6. 前記支軸に対して衝撃力を加える衝撃力付加手段と、前記支軸の先端に位置決めされる対象物が取り付けられ、前記球面部に対して位置決めされる対象物とは同じ側に前記支軸の少なくとも一部を変形させる変形手段とを備え、これら衝撃力付加手段と変形手段が同じ圧電素子、または、磁歪素子であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のポジショニング機構。
7. 前記支軸とレール状ガイドとがホルダに収納され、ガイドはホルダに設けられたスリットに各々嵌め込まれて固定されているとともに、ホルダが前記スリットにより板バネとして構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のポジショニング機構。
8. 前記筒形状ガイドにスリットがあり、筒形状ガイドが前記スリットにより板バネとして構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のポジショニング機構。
9. 前記請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のポジショニング機構を備えることを特徴とする顕微鏡。

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