JPH0293303A

JPH0293303A - 流動制御型除振台

Info

Publication number: JPH0293303A
Application number: JP24381888A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Akama; 赤間　善昭; Akira Sakai; 明酒井; Kazuyoshi Sugihara; 和佳杉原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-09-30
Filing date: 1988-09-30
Publication date: 1990-04-04

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明はＥ　Ｒ（Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃ
ａｌ）流体を用いた低周波除振機構を組込んだ小型の走
査型トンネル顕微鏡用除振台に関するものである。

（従来の技術）走査型トンネル顕微鏡（ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌ
ｉｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ以下ＳＴＭと呼ぶ）は原子
−つ一つを見ることができる顕微鏡である。ＳＴＭの要
素技術には粗・微動技術、探針製作技術などがあり、そ
の中で除振技術も重要な一要素である。ＳＴＭの原理は
、導電性の表面同士をその表面上ににじみ出ている原子
雲が重なり合うまで近づけ両者間に電圧を印加するとト
ンネル電流が生ずることに基づく、そこで、一方を先端
径の小さな探針、−方を観察対象とする試料とし、両者
間に流れるトンネル電流が一定となるように探針を上下
させながら試料表面上を走査させ、探針の挙動を電気的
に読取ると試料表面の凹凸情報を得ることができる。ノ
イズとなる振動等の外乱の影響を小さく抑えるためには
、探針−試料間の剛性を高め更に除振台を設けることが
必要である。ＳＴＭ用除振台には磁気浮上型を初めとし
て、Ｉ！ｌ在では金属積層型や２段バネ型が主に用いら
れている。金属積層除振台は金属板間にバネあるいはダ
ンパの役割を果たすゴムを幾つか積重ねたもので、操作
性には優れているが共振周波数は約５Ｈｚと除振効果は
小さい２段バネ除振台は金属積層型と比較すると除振効
果には優れているが操作性に劣り空間も要する。例えば
除振台や探針−試料間の共振周波数を各々５Ｈｚ、１０
ｋＨｚとすると外乱から探針−試料間に伝達される値は
５ケタ以上小さいものとなる除振台の共振周波が低けれ
ば低いほど、また探針の剛性が高ければ高いほど良好な
除振効果が得られる。

（発明が解決しようとする課Ｍ）しかしながら、低周波の領域はど除振台の振動振幅が大
きく、２段バネ型でＩＨｚ以下まで抑えようとするとバ
ネの全長が長くなり操作性はさらに劣化し、ユニット全
体が大型化してしまう、また。

配線等に影響を与えノイズを増やす原因にもなる。

本発明の目的は、従来の除振台よりもＳＴＭユニットに
伝わる振動等の伝達値（ノイズレベル）を小さくするこ
とができかつ小型で操作性の良い除振台を提供するもの
である。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）探針や試料等で構成されているＳＴＭユニットと除振台
の最上部の金属板ステージ（これを第１ステージとし、
以下上の方から第２ステージ、第３ステージ、・・・・
・・とする）とを固定し、この第１ステージと第２ステ
ージとの間に圧電素子を介する。除振台は第１構成部（
第３ステージまで）と第２構成部（第４ステージ以下）
とから構成され、各々金属積層除振台と同様な形態をと
り更にＥＲ流体に浸されている。

（作用）第１ステージと第２ステージとの間の圧電素子は、第１
ステージつまりＳＴＭユニットと第２ステージとの間に
相対変位が生ずるとこの歪みの加速度に比例して電極に
電圧を発生させる。この電圧を信号源としてＥＲ流体に
増幅した電圧を印加すると電圧の大きさに応じてＥＲ流
体の粘性が変化し、ＳＴＭユニット、第１ステージおよ
び第２ステージの総重量の慣性力よりもＥＲ流体のせん
断変形に対する抵抗力が上回ると第３ステージが一体化
される。このようなＥＲ流体の効果を用いて除振台の第
２構成部の共振周波数以下の低周波に対するＳＴＭユニ
ットの変動を抑えることが可能となる。

（実施例）本実施例の一実施例について図面を参照して説明する。

第１図は本発明における除振台の概略図である。この除
振台はおおまかに第１構成部と第２構成部とから構成さ
れるが除振効果を順序だてて説明するために第２構成部
から始める異にする。

第２図は第２貴構成部の概略を示す。金属板（６゜７．
１０．・・・）とバネ９を交互に重ね、周囲をＥＲ流体
８で取囲んでいる。ＥＲ流体８とは分散媒に微粒子であ
る分散質を混入した溶液で、通常利用されている分散媒
にはシリコーンオイルや鉱油、塩化パラフィン、分散質
には水を吸収させたでんぷんやシリカゲル等がある。最
近では分散媒にトリ２エチルヘキシル・トリメリテート
やトリイソデシル・トリメリテート、分散質にスチレン
とジビニルベンゼンの重合体をベースとしたイオン交換
樹脂を用いた例もある。ＥＲ流体８に電圧をかけると粒
子内の電荷は正極に近い側へ負電荷が、負極に近い側へ
正電荷が移動し、粒子はそれぞれ正と負に帯電した側を
くっつけて鎖状に連なる。

この状態での流体の降伏強さは電界の強さや分散質の濃
度に比例して変わる。図中で例えば外円筒１１を正極、
第３ステージ７以下の金属板を負極として、ＥＲ流体８
に電圧をかけて適度な粘性をもたせるとダンパの役割を
果たしまた溶液中の浮力によってバネ９の負担も軽減で
きる。この方式によって共振周波数を５）１ｚ以下にす
ることは容易である。

第３図は第１構成部の概略を示す、第１ステージと第２
ステージとの間に圧電素子５を図のようにずらして取付
ける。圧電素子５は圧力を受けると電圧を生ずるという
圧電効果をもつ０図のように圧縮形ではなくせん断歪み
を利用すると、急激な温度変化によって圧電素子５の分
極の状態が瞬間的に変化してパイロ電気が発生するのを
防ぐことができる。また、ＳＴＭユニットの重量を利用
することにより、市販の加速度ピックアップよりも低い
周波数を測定でき感度も上げることができる。このよう
な構成における測定周波数の下限は圧電素子５の電気容
量Ｃ（Ｆ）と電圧増幅器の入力抵抗Ｒ（Ω）とで決り、
その遮断周波数ｆｃは次式によって求まる。

ｆｃ＝　１　／　２　πＣＲまた、数個の圧電素子を並列に用いた場合の静電容量Ｃ
Ｅ、電荷９、開放出力電圧ｅは次式で表わせれる。

昨＝επｄ”　／　２ｔ　　（Ｆ　）ｑ　＝２　ｄ３３　ｍａ　　（Ｃ）ｅ　＝　ｑ／ＣＢ＝　２ｄ、、ｍａ／ＣＢ＝　４ｄ、、
＋ｎｔａ／　［７ｃｄ２（Ｖ）ここで、εは誘電率（Ｆ
／ｍ）、ｄは直径（ｍ）、ｔは厚さ（ｍ）　、　ａｓｇ
は圧電定数（ｍ／Ｖ）、ｍはＳＴＭユニットと第１ステ
ージ４との総質量（ｋｇ）、ａは加速度（ｍ／ｓ）であ
る。これらの式から最適な値を選択する。

第１ステージ４と第２ステージ６との間に相対変位が生
ずると、第２ステージ６に加わる慣性力は圧電素子５に
歪みを与え、圧電素子５の電極に加速度に比例した電圧
が発生するこの発生電圧を信号源として増幅した電圧を
ＥＲ流体８に印加して第１ステージ４が変動しないよう
に制御する。

制御方法の一例を図４に示す１図４（ａ）に示すような
信号源が圧電素子５から得られる場合、Ａ位置はＳＴＭ
ユニットや第１ステージ４、第２ステージ６の総重量と
第３ステージ７がこれらを押す力が平衡状態の瞬間を表
し、Ｂ位置はこの力つまり上述の総重量とこれらの加速
度の積が最大となる瞬間を意味する。前述した通り、圧
電素子５に生ずる電圧は上述の加速度に比例するためで
ある。

ＳＴＭユニット、第１ステージ４、第２ステージ６が定
位置（一定の高さ）を保つためには、第３ステージ７が
これらを押しあげる力が常に一定でなければならない、
従って、例えばＢ位置における力と同じ大きさの力が常
時第２ステージ６に加わるように、第３ステージ７の力
不足分をＥＲ流体８の粘性力で補う方法を取る。前述の
通り、ＥＲ流体８の粘性力は印加電圧に比例する。そこ
で。

図４（ｂ）のように信号源と１８０度位相の異なる周期
で粘性力が働くようにＥＲ流体８にフィードバック電圧
を与えることで、第３ステージ７の慣性力とＥＲ流体８
の粘性力との和が常に一定になるように制御し、ＳＴＭ
ユニットに伝わる振動成分を無視できるほど小さな値に
することが可能となる。

床面から第３ステージ７へ伝わる振動源は第２構成部を
介して５Ｈｚ以下に抑えられ、これに対し印加電圧に対
するＥＲ流体８の応答は数ｍ秒の間で起こるので、上述
の制御は容易である。ただし、ＥＲ流体に電圧を印加す
る際、正極と負極が接触しないように第５図のように両
者間にマコール等の絶縁材を設けていることを付加して
おく。参考までに、分散媒としてトリ２エチルヘキニル
・トリメリテート、分散質としてイオン交換樹脂を用い
たＥＲ流体８の回転体（２７３ｒｐｍ）に対するトルク
は０．０：３〜０．８Ｎ−ｍ　（＝　Ｘ　１０ｋＨ・ｍ
　）まで制御することが可能である。また、図３（ｂ）
で見られるように、ＥＲ流体８に印加する電圧の′正極
（例えば第２ステージ６を正極、第３ステージ７を負極
とする）とＥＲ流体８との接触面積を大きくとることも
重要なポイントである。探針を試料に接近させる粗動な
どの操作の際は除振台が揺れないように第１構成部およ
び第２構成部のＥＲ流体８に比較的高い電圧をかけて除
振台の剛性を高くして操作性の向上を図ることができる
。

以上のような構成および方法によって、小型で操作性が
良く、更にＳＴＭユニットに伝わる振動等の外乱の影響
を無視できる程小さなものとすることが可能である。

〔発明の効果〕

金属板とバネとを数層重ね、周囲をＥＲ流体で取巻いた
構成の除振台によって床面から生ずる振動を５Ｈｚ以下
に抑え、更に金属板や圧電素子、バネそしてＥＲ流体で
構成される除振台によりＳＴＭユニットへ伝達される振
動等の外乱の影響を無視できる程小さな値にすることを
可能とする。また、以上のような構成をとることによっ
て、操作性が良くかつ小型化が容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概要構成図、第２図は第２
構成部の概略図、第３図は第１構成部の概略図、第４図
は信号源となる圧電素子から出力される電圧と時間の関
係及びサーボ機構によって発生するＥＲ流体の粘性力と
時間との関係を夫々示す図、第５図はＥＲ流体に電圧を
供給する正極と負極との分岐点を表す図の一例、第６図
は従来の除振台である金ｉ精層型除振台及び２段吊りバ
ネ型除振台の概略図である。１・・・ＳＴＭユニット　　２・・・電圧増幅器３・・
・サーボ回路　　　　４・・・第１ステージ５・・・圧
電素子　　　　　６・・・第２ステージ７・・・第３ス
テージ　　　８・・・ＥＲ流体９．１７・・・バネ　　
　　　ｌＯ・・・第４ステージ１１・・・外円筒　　　
　　　１２，１３・・・電源１４．１５・・・絶縁材　
　　　１６・・・金属板１８・・・パイトンゴム　　　
１９・・・マグネット２０・・・銅代理人　弁理士　則　近　憲　佑同　　松山光之第２図第１図第３図第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ＳＴＭユニットを載置する金属基板とその下の金
属板との間に圧電素子を取付け、前記金属板間の相対変
位によって生ずる前記圧電素子の起電圧を信号源とする
、これらの金属板に下から伝わる慣性力をバネの力と前
記信号源と９０度位相の異なる増幅電圧を印加されるＥ
Ｒ流体の粘性力とで一定になるように制御する。このよ
うな方法でＳＴＭユニットの位置（高さ）が常に一定に
なるように制御することを特徴とする流動制御型除振台
。
（２）数枚の金属板の間にバネを挟んだ構成部をＥＲ流
体に浸すことにより、溶液中の浮力によるバネの負担の
軽減と適度な一定な電圧を印加されたＥＲ流体の弾性力
によるダンパの効果とを図った除振台を付加したことを
特徴とする請求項１記載の流動制御型除振台。
（３）探針の粗動や試料交換などを行う場合、操作が容
易となるようにＥＲ流体に比較的高い電圧を印加して除
振台全体の剛性を高くする方法を付加したことを特徴と
する請求項１記載の流動制御型除振台。