JPH07280817A - Composite scanning-probe microscope - Google Patents
Composite scanning-probe microscopeInfo
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- JPH07280817A JPH07280817A JP6068227A JP6822794A JPH07280817A JP H07280817 A JPH07280817 A JP H07280817A JP 6068227 A JP6068227 A JP 6068227A JP 6822794 A JP6822794 A JP 6822794A JP H07280817 A JPH07280817 A JP H07280817A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【従来の技術】ＡＦＭで観察を行うためには、試料上の
所定の調べたい部分にＡＦＭ探針を移動する必要があ
る。光学顕微鏡等の倒立型顕微鏡にＡＦＭを組み込む複
合型走査型プローブ顕微鏡の場合、試料表面とＡＦＭ探
針を同時に観察しながらＡＦＭで測定するためには、試
料を３次元に動かす微動機構が必要である。プレパラー
ト表面にコートした試料を下から対物レンズでのぞける
ようにするには、図８に示すように内側に共通電極をも
うけ、外側に４つの同面積からなる電極に分かれた、太
いＸＹＺの３次元に動く中空円筒型のチューブスキャナ
ーを使い、チューブスキャナーの上にプレパラートをセ
ットし、その中空部に対物レンズを嵌入することが考え
られる。2. Description of the Related Art In order to observe with an AFM, it is necessary to move an AFM probe to a predetermined portion on a sample to be examined. In the case of a compound scanning probe microscope that incorporates an AFM in an inverted microscope such as an optical microscope, a fine movement mechanism that moves the sample in three dimensions is required to measure with the AFM while observing the sample surface and the AFM probe at the same time. is there. In order to see the sample coated on the preparation surface from below with the objective lens, as shown in FIG. 8, a common electrode is provided on the inner side, and four electrodes with the same area are provided on the outer side. It is conceivable to use a hollow cylindrical tube scanner that moves in a horizontal direction, set a slide on the tube scanner, and insert an objective lens into the hollow portion.
【０００２】[0002]
【発明が解決しようとする課題】しかしこの構造におい
て、１００倍の対物レンズの直径は２７ｍｍと大きい。
チューブスキャナーの中に対物レンズを差し入れたま
ま、試料を十分に粗動に動かせるように余裕をもつとチ
ューブスキャナーの内径を少なくても３０ｍｍ、外径を
３１ｍｍ以上と大きくしなければならない。しかし、チ
ューブスキャナーの外径が３０ｍｍを超えるような大き
さであるとチューブスキャナー上に置かれた試料を３次
元に微動に動かすことが困難になるという問題点があっ
た。However, in this structure, the diameter of the 100 × objective lens is as large as 27 mm.
If the tube scanner has an allowance so that the sample can be moved roughly roughly with the objective lens still inserted, the tube scanner must have an inner diameter of at least 30 mm and an outer diameter of at least 31 mm. However, if the outer diameter of the tube scanner exceeds 30 mm, there is a problem that it becomes difficult to finely move the sample placed on the tube scanner in three dimensions.
【０００３】本発明の目的は高倍率の対物レンズを用い
た光学顕微鏡で試料を観察しながらＡＦＭ測定ができる
ように試料を３次元方向に微動で動かす機構を提供する
ことにある。An object of the present invention is to provide a mechanism for finely moving a sample in a three-dimensional direction so that AFM measurement can be performed while observing the sample with an optical microscope using a high-magnification objective lens.
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明は、第１に「平面部を有し水平に設置された
固定台、前記固定台との間に円筒ピエゾを滑動可能にす
る円筒ピエゾ滑動手段を介し該固定台に当接されたリン
グ、該円筒ピエゾ滑動手段と接触されていない前記リン
グの一辺と衝合されかつ該円筒ピエゾの一端とも衝合さ
れている円筒ピエゾ位置決め部材、前記円筒ピエゾ位置
決め部材が衝合されていない前記円筒ピエゾの他端に設
置された試料台、該固定台に接着され該円筒ピエゾ位置
決め部材の外周に接触するように設置された少なくとも
２つの単層型ピエゾまたは／及び多層型ピエゾ、該固定
台上に前記単層型ピエゾまたは／及び前記多層型ピエゾ
が対峙するように設置され、該円筒ピエゾ位置決め部材
と該単層型ピエゾまたは／及び該多層型ピエゾの一端が
圧接するように対峙する該単層型ピエゾまたは／及び該
多層型ピエゾ方向へ押圧する少なくとも１つの円筒ピエ
ゾ押圧手段、対物レンズが該円筒ピエゾに嵌入するよう
に設置された光学顕微鏡及び少なくとも試料表面を走査
し探針を有する可撓体、前記可撓体に光を照射する光
源、該可撓体で反射された光を受光する光検出器を有す
る原子間力顕微鏡からなることを特徴とする複合型走査
型プローブ顕微鏡（請求項１）」を提供する。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is, firstly, "a fixed base having a plane portion and horizontally installed, and a cylindrical piezo slideable between the fixed base and the fixed base. A ring abutting against the fixed base via a cylindrical piezo sliding means, a cylindrical piezo abutting with one side of the ring not in contact with the cylindrical piezo sliding means and also with one end of the cylindrical piezo. A positioning member, a sample base installed at the other end of the cylindrical piezo where the cylindrical piezo positioning member is not abutted, and at least 2 attached to the fixing base so as to contact the outer circumference of the cylindrical piezo positioning member. Two single-layer piezos and / or multi-layer piezos, the single-layer piezos and / or the multi-layer piezos are installed on the fixed base so as to face each other, and the cylindrical piezo positioning member and the single-layer piezo Or / and at least one cylindrical piezo pressing means for pressing in the direction of the single-layer piezo or / and the multilayer piezo facing each other so that one end of the multi-layer piezo is in pressure contact, and an objective lens is fitted into the cylindrical piezo. And a flexible body having a probe for scanning at least the sample surface, a light source for irradiating the flexible body with light, and a photodetector for receiving light reflected by the flexible body. A compound scanning probe microscope (claim 1) characterized by comprising an atomic force microscope.
【０００５】第２に「平面部を有し水平に設置された固
定台、前記固定台との間に円筒ピエゾを滑動可能にする
円筒ピエゾ滑動手段を介し該固定台に当接されたリン
グ、該円筒ピエゾ滑動手段と接触されていない前記リン
グの一辺と衝合されかつ該円筒ピエゾの一端とも衝合さ
れている円筒ピエゾ位置決め部材、前記円筒ピエゾ位置
決め部材が衝合されていない前記円筒ピエゾの他端に設
置された試料台、該固定台に接着され該円筒ピエゾ位置
決め部材の外周に接触するように設置された少なくとも
２つの単層型ピエゾまたは／及び多層型ピエゾ、該固定
台上に前記単層型ピエゾまたは／及び前記多層型ピエゾ
が対峙するように設置され、該円筒ピエゾ位置決め部材
と該単層型ピエゾまたは／及び該多層型ピエゾの一端が
圧接するように対峙する該単層型ピエゾまたは／及び該
多層型ピエゾ方向へ押圧する少なくとも１つの円筒ピエ
ゾ押圧手段からなることを特徴とする３次元微動装置
（請求項２）」を提供する。Secondly, "a fixed base having a flat portion and installed horizontally, and a ring abutted on the fixed base through a cylindrical piezo sliding means for sliding the cylindrical piezo between the fixed base and the fixed base, A cylindrical piezo positioning member that abuts one side of the ring that is not in contact with the cylindrical piezo sliding means and also abuts one end of the cylindrical piezo, and a cylindrical piezo of which the cylindrical piezo positioning member is not abutted. A sample stage installed at the other end, at least two single-layer type piezos and / or multi-layer type piezos that are adhered to the fixing stage and are installed so as to come into contact with the outer circumference of the cylindrical piezo positioning member. The single-layer piezo and / or the multi-layer piezo are installed so as to face each other, and the cylindrical piezo positioning member and one end of the single-layer piezo and / or the multi-layer piezo face each other. That the single-layer type piezoelectric / or three-dimensional fine movement apparatus characterized by comprising at least one cylindrical piezo pressing means for pressing the multilayer type piezoelectric direction (Claim 2) "provides.
【０００６】また、好ましくは「該円筒ピエゾが中空円
筒型のピエゾを積層した積層型円筒ピエゾであることを
特徴とする請求項１または２記載の複合型走査型プロー
ブ顕微鏡または微動装置（請求項３）」でもよい。ま
た、「該円筒ピエゾ滑動手段が油性部材又は球状部材で
あることを特徴とする請求項１又は２記載の微動装置
（請求項４）」でもよい。また、「前記油性部材がグリ
ースであることを特徴とする請求３記載の微動装置（請
求項５）」でもよい。また、「前記球状部材が、ステン
レス真球又はルビー真球であることを特徴とする請求４
記載の微動装置（請求項６）」でもよい。また、「該リ
ングがカーボンコートされたモリブデンリングまたは二
硫化モリブデンによりコートされたモリブデンリングま
たはサファイアリングであることを特徴とする請求項１
又は２記載の複合型走査型プローブ顕微鏡または微動装
置（請求項７）」でもよい。また、「該円筒ピエゾの内
側に共通電極を設け、外側にｚ軸方向に動作させるため
の電極を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の
微動装置（請求項８）」でもよい。また、「該固定台に
凹部を設け、該円筒ピエゾ滑動手段の球状部材の固定領
域を設けたことを特徴とする請求項４記載の微動装置
（請求項９）」でもよい。Further, preferably, the compound type scanning probe microscope or fine movement device according to claim 1 or 2, wherein the cylindrical piezo is a laminated cylindrical piezo in which hollow cylindrical piezos are laminated. 3) ”. Further, the "fine movement device (claim 4) according to claim 1 or 2 characterized in that the cylindrical piezo sliding means is an oily member or a spherical member. Further, the "fine movement device according to claim 3 (claim 5)" characterized in that the oily member is grease. In addition, “the spherical member is a stainless sphere or a ruby sphere.
The fine movement device (claim 6) "may be used. In addition, “the ring is a molybdenum ring coated with carbon, a molybdenum ring coated with molybdenum disulfide, or a sapphire ring.
Alternatively, the compound scanning probe microscope or the fine movement device according to item 2 may be used. Further, "a fine electrode device (claim 8) according to claim 1 or 2, wherein a common electrode is provided inside the cylindrical piezo and an electrode for operating in the z-axis direction is provided outside. . Further, the "fine movement device according to claim 4 (claim 9)" may be characterized in that "a concave portion is provided in the fixing base and a fixing region of the spherical member of the cylindrical piezo sliding means is provided.
【０００７】さらに、「操作１：平面部を有し水平に設
置された固定台上に、前記固定台との間に円筒ピエゾを
滑動可能にする円筒ピエゾ滑動手段を介し一端に衝合し
た円筒ピエゾ位置決め部材を有する該円筒ピエゾを当接
する操作。 操作２：該固定台上に接着された少なくとも２つの単層
型ピエゾまたは／及び多層型ピエゾを該円筒ピエゾ位置
決め部材の外周に接触させる操作。 操作３：該固定台上に接着された少なくとも１つの円筒
ピエゾ押圧手段により、該固定台上の少なくとも２つの
前記単層型ピエゾまたは／及び前記多層型ピエゾが該円
筒ピエゾを介し対峙する方向から該円筒ピエゾを押圧す
る操作。 操作４：Ｚ軸方向へ変位させる場合には該円筒ピエゾに
電圧をかけ、Ｘ軸方向又はＹ軸方向へ変位させる場合に
は少なくとも２つの前記単層型ピエゾまたは／及び前記
多層型ピエゾに電圧をかけ変位させるとにより該円筒ピ
エゾを微動させる操作。 からなることを特徴とする、３次元微動装置の操作方法
（請求項１０）」を提供する。Further, "operation 1: a cylinder which is abutted at one end via a cylindrical piezo sliding means for allowing a cylindrical piezo to slide on the fixed base which has a plane portion and is horizontally installed. Operation of abutting the cylindrical piezo having a piezo positioning member Operation 2: Operation of bringing at least two single-layer piezos and / or multilayer piezos adhered on the fixing base into contact with the outer circumference of the cylindrical piezo positioning member. Operation 3: From the direction in which at least two of the single-layer type piezo and / or the multi-layer type piezo on the fixing base are opposed to each other by the at least one cylindrical piezo pressing means adhered on the fixing base. Operation of pressing the cylindrical piezo Operation 4: When displacing in the Z-axis direction, a voltage is applied to the cylindrical piezo, and when displacing in the X-axis direction or the Y-axis direction, at least 2. The operation of finely moving the cylindrical piezo by applying a voltage to the single-layer piezo and / or the multi-layer piezo to displace it. I will provide a.
【０００８】[0008]
【作用】本発明のＸＹＺの３次元方向の微動機構におい
て、Ｚ方向には１方向のみに動くような円筒ピエゾを用
い、ＸＹ方向の微動には少なくとも２つの単層型ピエゾ
または単層型ピエゾを接着することにより形成された多
層型のピエゾを設置し、それぞれ独立に円筒ピエゾを２
軸方向に押し、単層型または／及び多層型ピエゾの反対
側から弾性体で押し返すような機構とすることにより、
対物レンズを差し入れたまま、試料を３次元方向に微動
に動かすことを可能にした。In the XYZ three-dimensional fine movement mechanism of the present invention, a cylindrical piezo that moves in only one direction in the Z direction is used, and at least two single-layer piezos or single-layer piezos are used for the fine movement in the XY directions. Install a multi-layered piezo formed by bonding the
By pushing in the axial direction and pushing back with an elastic body from the opposite side of the single layer type and / or the multilayer type piezo,
It was possible to finely move the sample in the three-dimensional direction with the objective lens still inserted.
【０００９】本発明の円筒ピエゾ押圧手段に用いる弾性
体はバネを用いたが単にバネで押し出すだけでは素直に
水平方向に動かないため、バネの先端にシリコンをはり
つけた。シリコンがナノメータオーダで素直に円筒ピエ
ゾを押し返してくれる。さらに円筒ピエゾ上の試料を固
定台上を水平に動かすために、円筒ピエゾに固定された
円筒ピエゾ位置決め手段の下にラッピングをしたモリブ
デンにカーボンコートしたリングをはりつける。モリブ
デンは表面を非常に平滑にでき、カーボンコートにより
さらに表面が硬くなりキズがはいりにくくなる。円筒ピ
エゾ位置決め手段は、いわゆるインバー材で形成されて
おり、材質としては、快削性低熱膨張材料（Ｋ−ＥＬ50
Ｓ 東北特殊鋼株式会社製）が挙げられる。材質はこれ
らに限定されることはなく、熱伝導率が低く、周辺の温
度変化により変形しにくい材質であればよい。単層型ピ
エゾ又は／及び多層型ピエゾが接着されている固定台と
モリブデンリングの間は、円筒ピエゾが単層型ピエゾ又
は／及び多層型ピエゾによって押圧されることにより滑
動するように円筒ピエゾ滑動手段が介される。円筒ピエ
ゾ滑動手段としては、固定台上をリングが水平方向に滑
動するための手段でありグリース等の油性部材やステン
レス真球、ルビー真球等の球状部材を用いる。球状部材
を用いる場合には、固定台に凹部を設け、ここに球状部
材を設置することで球状部材が任意の方向に回転できる
ようにする。これにより円筒ピエゾはＸＹ方向にスムー
ズに動くことが可能となる。本発明に用いる円筒ピエゾ
は、図６に示すような円筒ピエゾの内側に共通電極を設
け外面にＺ軸動作用電極を形成したものを用いることが
好ましく、もちろん図８に示した従来のチューブスキャ
ナを用いることも可能であり、これらに限られることな
く円筒型のピエゾは全て使用可能である。A spring was used as the elastic body used in the cylindrical piezo pressing means of the present invention, but since it cannot be moved horizontally in a straight line by simply pushing it out, silicon was attached to the tip of the spring. Silicon will push back the cylindrical piezo in a nanometer order. Further, in order to move the sample on the cylindrical piezo horizontally on the fixing table, a ring coated with carbon is attached to molybdenum lapped under the cylindrical piezo positioning means fixed to the cylindrical piezo. The surface of molybdenum can be made very smooth, and the carbon coating makes the surface harder and scratches less likely to occur. The cylindrical piezo positioning means is formed of a so-called Invar material, and the material is a free-cutting low thermal expansion material (K-EL50).
S manufactured by Tohoku Special Steel Co., Ltd.). The material is not limited to these, and may be any material as long as it has a low thermal conductivity and is hard to be deformed due to a change in ambient temperature. Cylindrical piezo slides so that the cylindrical piezo slides by being pressed by the single-layer piezo and / or the multi-layer piezo between the fixed base to which the single-layer piezo and / or the multi-layer piezo is bonded and the molybdenum ring. Means are mediated. As the cylindrical piezo sliding means, an oily member such as grease or a spherical member such as a stainless true sphere or a ruby true sphere, which is a means for the ring to slide horizontally on the fixed base, is used. When a spherical member is used, a recess is provided in the fixing base, and the spherical member is installed here so that the spherical member can rotate in any direction. This allows the cylindrical piezo to move smoothly in the XY directions. As the cylindrical piezo used in the present invention, it is preferable to use a cylindrical piezo as shown in FIG. 6 in which a common electrode is provided and a Z-axis operation electrode is formed on the outer surface. Of course, the conventional tube scanner shown in FIG. 8 is used. It is also possible to use, and not limited to these, all cylindrical piezos can be used.
【００１０】本発明により、円筒ピエゾ上の試料をＺ方
向とＸＹ方向にそれぞれ独立にスムーズに動かすことが
可能となる。また円筒ピエゾの中に対物レンズを通す構
成ににより倒立顕微鏡とＡＦＭを一体化させることが可
能となり、最大１００倍の対物レンズを使用して光学顕
微鏡で観察することが可能となる。また、本願発明にお
いて、光検出器として一般的に用いられるＡＦＭ用光検
出器、ＳＴＭ用光検出器、ＮＦＭ用光検出器を用い、そ
れぞれの専用のプローブを用いることにより、ＡＦＭ，
ＳＴＭ，ＮＦＭを組み込むことができる。According to the present invention, the sample on the cylindrical piezo can be independently and smoothly moved in the Z and XY directions. Further, the inverted microscope can be integrated with the AFM by adopting a configuration in which the objective lens is passed through the cylindrical piezo, and it becomes possible to perform observation with the optical microscope using the objective lens with a maximum magnification of 100 times. In the invention of the present application, the AFM photodetector, the STM photodetector, and the NFM photodetector generally used as photodetectors are used, and by using respective dedicated probes, AFM,
STM and NFM can be incorporated.
【００１１】[0011]
【実施例１】本発明における、単層型ピエゾ及び／又は
多層型ピエゾと押圧手段１５との位置関係において、１
つのピエゾと円筒ピエゾ１１と押圧手段１５が直線上に
設置される場合を「対向する位置」（例えば、図１）と
表現し、また直線上にはないが、円筒ピエゾ１１を挟ん
で１つのピエゾと押圧手段１５がほぼ向かい合う位置関
係にある場合を「向かい合う位置」（例えば、図４）と
表現し、両者を総称して「対峙する位置」と表現する。Embodiment 1 In the present invention, the positional relationship between the single-layer piezo and / or the multi-layer piezo and the pressing means 15 is 1
The case where the three piezos, the cylindrical piezo 11, and the pressing means 15 are installed on a straight line is referred to as “opposing position” (for example, FIG. 1). The case where the piezo and the pressing means 15 are in a position where they face each other is referred to as “opposing position” (for example, FIG. 4), and both are collectively referred to as “opposing position”.
【００１２】図１は、２つの多層型ピエゾ１２ａ，１２
ｂ及び２つの押圧手段１５ａ，１５ｂを用い、それぞれ
の多層型ピエゾと押圧手段が直線上にかつ直交するよう
に設置されたいわゆる「対向する位置」に配置した例の
３次元微動装置の概略図である。円筒ピエゾ１１に接着
された円筒ピエゾ位置決め部材１３をＸ方向からは多層
型ピエゾ１２ａ、Ｙ方向からは多層型ピエゾ１２ｂの２
軸で押さえ、多層型ピエゾ１２ａの対向する位置から円
筒ピエゾ押圧手段１５ａで、多層型ピエゾ１２ｂの対向
する位置から円筒ピエゾ押圧手段１５ａで押圧する構造
となっている。図２は円筒ピエゾ押圧手段の概略断面図
である。円筒ピエゾ押圧手段は固定台２０に固定される
固定手段２３にばね２１を入れ、一端に弾性部材を設け
た押圧棒をこれに挿入したものである。バネ２１の先端
にシリコン１７を付けると円筒ピエゾ１１はＸＹ方向に
よりスムーズに微動移動する。またバネ２１を用いずに
シリコンのみで構成してもよい。FIG. 1 shows two multilayer piezos 12a, 12
b and two pressing means 15a, 15b, and a schematic view of a three-dimensional fine movement device of an example in which the respective multi-layer piezos and the pressing means are arranged in a so-called "opposing position" so as to be arranged on a straight line and at right angles. Is. The cylindrical piezo positioning member 13 bonded to the cylindrical piezo 11 is a multilayer piezo 12a from the X direction and a multilayer piezo 12b from the Y direction.
The structure is such that it is pressed by a shaft and is pressed by the cylindrical piezo pressing means 15a from the position where the multilayer piezo 12a faces, and by the cylindrical piezo pressing means 15a from the position where the multilayer piezo 12b faces. FIG. 2 is a schematic sectional view of the cylindrical piezo pressing means. The cylindrical piezo pressing means is one in which the spring 21 is inserted in the fixing means 23 fixed to the fixing base 20, and a pressing rod having an elastic member at one end is inserted therein. When silicon 17 is attached to the tip of the spring 21, the cylindrical piezo 11 moves smoothly and finely in the XY directions. Alternatively, the spring 21 may not be used and only silicon may be used.
【００１３】円筒ピエゾ１１は外径３７ｍｍ、内径３５
ｍｍ，長さ１８ｍｍで±１５０Ｖの入力電圧に対し、±
０．９μｍ変位する。単層型ピエゾ１２は、幅１０ｍ
ｍ、厚さ１ｍｍ、長さ３１ｍｍで±２００Ｖの入力電圧
に対し、±１．５μｍ変位する。本実施例においては、
固定台２０とモリブデンリング１４の間に円筒ピエゾ滑
動手段として３つのステレンレス球を配置し３点で円筒
ピエゾ１１を支持する。ステンレス真球が転がることで
円筒ピエゾ１１はＸＹ方向に移動することができる。The cylindrical piezo 11 has an outer diameter of 37 mm and an inner diameter of 35.
mm, length 18 mm, ± 150 V input voltage ±
It is displaced by 0.9 μm. Single-layer piezo 12 has a width of 10 m
m, thickness 1 mm, length 31 mm, ± 1.5 μm displacement for ± 200 V input voltage. In this embodiment,
Between the fixed base 20 and the molybdenum ring 14, three stellenless balls are arranged as cylindrical piezo sliding means, and the cylindrical piezo 11 is supported at three points. The cylindrical piezo 11 can move in the XY directions by rolling the stainless steel sphere.
【００１４】以上の３次元微動装置を用いることによ
り、直径２７ｍｍの１００倍の対物レンズ１８を円筒ピ
エゾ１１の中空部に通すことができる。倒立型光学顕微
鏡３０に、本発明による３次元微動装置を組み込んだＡ
ＦＭを図３に示す。光学顕微鏡３０で試料２７を観察し
ながら支持台２０に組み込まれたマイクロメータ２４と
少なくとも試料表面を走査する探針を有する可撓体、前
記可撓体に光を照射する光源、該可撓体で反射された光
を受光する光検出器を有するＡＦＭヘッド２６に組み込
まれたマイクロメータ２５を調整して、ＡＦＭの探針を
見たい位置に移動することができる。光学顕微鏡の他に
蛍光顕微鏡を組み込めば蛍光反応する生物試料の見たい
位置をＡＦＭで観察することが可能である。光学顕微鏡
の倍率の変換は、ＡＦＭヘッド２６と円筒ピエゾ１１を
取り外して対物レンズ１８の交換でおこなう。By using the above-mentioned three-dimensional fine movement device, the 100 × objective lens 18 having a diameter of 27 mm can be passed through the hollow portion of the cylindrical piezo 11. An inverted optical microscope 30 incorporating a three-dimensional fine movement device according to the present invention A
FM is shown in FIG. A flexible body having a micrometer 24 incorporated in the support 20 while observing the sample 27 with the optical microscope 30 and a probe for scanning at least the sample surface, a light source for irradiating the flexible body with light, and the flexible body. By adjusting the micrometer 25 incorporated in the AFM head 26 having a photodetector for receiving the light reflected by, the probe of the AFM can be moved to a desired position. By incorporating a fluorescence microscope in addition to the optical microscope, it is possible to observe the desired position of the biological sample that undergoes fluorescence reaction with the AFM. The magnification of the optical microscope is converted by removing the AFM head 26 and the cylindrical piezo 11 and exchanging the objective lens 18.
【００１５】[0015]
【実施例２】本発明における３次元微動装置の第２の実
施例を図４に示す。この実施例において２つの多層型ピ
エゾ１２ａ，１２ｂと１つの円筒ピエゾ押圧手段１５位
置関係は、いわゆる「向かい合う位置」に設置した例で
ある。これにより構成部品を少なくすることができ、第
１の実施例と同じ微動機構が可能である。Second Embodiment FIG. 4 shows a second embodiment of the three-dimensional fine movement device according to the present invention. In this embodiment, the positional relationship between the two multi-layer piezos 12a and 12b and one cylindrical piezo pressing means 15 is an example in which they are installed at so-called "opposing positions". As a result, the number of constituent parts can be reduced, and the same fine movement mechanism as that of the first embodiment is possible.
【００１６】円筒ピエゾ１１を支持するステンレス真球
２３の配置の別の実施例を図５に示す。支持台２０に凹
部２４をつけて、ステンレス真球２３を固定できるよう
する。モリブデンリング１４はステレンレス球２３との
点でこすれながらＸＹ方向に微小移動が可能となる。マ
イクロメータ２４は、支持台に固定されており、固定台
２０の２隅にマグネットを介して２つのマイクロメータ
が固定されている。そして、２つのマイクロメータを調
節することにより固定台２０を粗動することができる。FIG. 5 shows another embodiment of the arrangement of the stainless true spheres 23 for supporting the cylindrical piezo 11. The support table 20 is provided with a recess 24 so that the stainless true sphere 23 can be fixed. The molybdenum ring 14 can be slightly moved in the XY directions while rubbing against the stellenless sphere 23. The micrometer 24 is fixed to a support base, and two micrometers are fixed to two corners of the fixed base 20 via magnets. Then, the fixed base 20 can be roughly moved by adjusting the two micrometers.
【００１７】また、ステンレス真球２３の代わりに、油
性部材を用いてもよい。ＡＦＭを液中で動作させる場
合、ステンレス真球を用い３点の支点で動作すると不具
合が生じることがある。このような場合、油性部材を用
いる効果がある。本実施例の３次元微動装置は、ＡＦＭ
と光学顕微鏡の複合型走査型プローブ顕微鏡に設置した
が、蛍光顕微鏡とＡＦＭの複合型走査型プローブ顕微鏡
等にも応用することができる。Instead of the stainless true sphere 23, an oily member may be used. When the AFM is operated in a liquid, a problem may occur if it is operated with three true fulcrums using a stainless steel true sphere. In such a case, it is effective to use the oily member. The three-dimensional fine movement device of this embodiment is an AFM.
Although it is installed in a combined scanning probe microscope of an optical microscope and an optical microscope, it can be applied to a combined scanning probe microscope of a fluorescence microscope and an AFM.
【００１８】また、本発明の少なくとも２つの単層型ピ
エゾまたは／及び多層型ピエゾは、例えば、一方が単層
型ピエゾで他方が多層型ピエゾであってもよい。The at least two single-layer piezos and / or the multi-layer piezos of the present invention may be, for example, one single-layer piezo and the other multi-layer piezo.
【００１９】[0019]
【実施例３】本発明における３次元微動機構装置の第３
の実施例を図７に示す。本実施例では円筒ピエゾ１１を
中空円筒型の積層ピエゾ４０とした例である。これによ
り同じ長さの円筒ピエゾに対してＺ方向の変位量をおよ
そ２倍にすることができる。以下にその理由を示す。[Third Embodiment] Third Embodiment of the three-dimensional fine movement mechanism device according to the present invention
An example of is shown in FIG. In this embodiment, the cylindrical piezo 11 is a hollow cylindrical laminated piezo 40. As a result, the displacement amount in the Z direction can be approximately doubled with respect to the cylindrical piezo having the same length. The reason is shown below.
【００２０】図６で示した円筒ピエゾ１１は内側に共通
電極を設け、外側にＺ軸動作用電極を形成しており、Ｚ
方向の伸び量はピエゾの横効果の性質を利用して変位す
る。それに対し、中空円筒型の積層ピエゾ４０はピエゾ
の縦効果の性質を利用して変位する。ピエゾの振動モー
ドには大きく分けて横効果の振動と縦効果の振動があ
る。横効果は分極方向と振動方向とが直交している場合
をいい、縦効果とはそれらが平行の場合をいう。The cylindrical piezo 11 shown in FIG. 6 has a common electrode inside and a Z-axis operating electrode outside.
The amount of extension in the direction is displaced by utilizing the property of the lateral effect of the piezo. On the other hand, the hollow cylinder type laminated piezo 40 is displaced by utilizing the property of the longitudinal effect of the piezo. The vibration modes of the piezo are roughly divided into horizontal vibration and vertical vibration. The lateral effect means that the polarization direction and the vibration direction are orthogonal to each other, and the longitudinal effect means that they are parallel to each other.
【００２１】無負荷時のピエゾのＺ方向の変位量ｕ0 は
次式で与えられる。 ｕ0 ＝ｎＶ1ｄα ｎ：縦効果では積層枚数、横効果では長さ、Ｖ1：印可
電圧、ｄ：等価圧電定数、α：補正係数をあらわす。ｄ
は物質固有の値であり、横効果ｄ31と縦効果ｄ33で異な
る。セラミックスであるＰＺＴ−５Ａ（Ｐｂ［Ｚr−Ｔ
i］Ｏ3）では、ｄ31＝171×10-12ｍ／Ｖ、ｄ33＝374×1
0-12ｍ／Ｖとなる。The displacement amount u 0 of the piezo in the Z direction when no load is applied is given by the following equation. u 0 = nV 1 dα n: number of stacked layers in vertical effect, length in lateral effect, V 1 : applied voltage, d: equivalent piezoelectric constant, α: correction coefficient. d
Is a substance-specific value, different transverse effect d31 and longitudinal effect d 33. Ceramics PZT-5A (Pb [Zr-T
i] O 3 ), d 31 = 171 × 10 -12 m / V, d 33 = 374 × 1
It becomes 0 -12 m / V.
【００２２】以上の理由により、本実施例の積層型円筒
ピエゾにおいて、同じ長さのピエゾでは縦効果による変
位量は横効果による変位量のおよそ２倍とすることがで
きる。そのために更に表面形状の凹凸の激しい試料の測
定も可能となる。For the above reason, in the laminated cylindrical piezo of the present embodiment, the displacement due to the vertical effect can be approximately twice as large as the displacement due to the lateral effect for the piezos of the same length. For this reason, it becomes possible to measure a sample having a more uneven surface shape.
【００２３】[0023]
【実施例４】本発明における３次元微動機構装置の第４
の実施例を示す。本実施例は図１において円筒ピエゾ１
１上の試料２７を固定台上で水平に動かすために、円筒
ピエゾ１１に固定された円筒ピエゾ位置決め手段の下に
ラッピングをしたモリブデンに二硫化モリブデンをコー
トしたリングをはりつける。モリブデンリングに二硫化
モリブデンをコートすることにより、大気中の摩擦係数
が0.025〜0.05と非常に低く、摩耗も少ない面を作るこ
とができるので、モリブデンリング上の円筒ピエゾはナ
ノメータオーダでスムーズにかつ長期間安定して動かす
ことができる。Fourth Embodiment Fourth of the three-dimensional fine movement mechanism device according to the present invention
An example of is shown. In this embodiment, a cylindrical piezo 1 is shown in FIG.
In order to move the sample 27 on 1 horizontally on the fixing table, a ring coated with molybdenum disulfide is attached to molybdenum lapped under the cylindrical piezo positioning means fixed to the cylindrical piezo 11. By coating the molybdenum ring with molybdenum disulfide, the friction coefficient in the atmosphere is as low as 0.025 to 0.05, and it is possible to create a surface with less wear.Therefore, the cylindrical piezo on the molybdenum ring can be smoothly and nanometer order. Can be moved stably for a long period of time.
【００２４】[0024]
【効果】本発明では３次元微動装置においてサンプルを
ＸＹ方向とＺ方向で独立に微小移動させるさせることが
可能となった。また円筒ピエゾを太くすることが可能と
なり、ＡＦＭと例えば倒立型光学顕微鏡と一体化するこ
とにより、最大１００倍の対物レンズを円筒ピエゾの中
空部に通すことが可能となった。更に、円筒ピエゾの上
部に固定したプレパラート表面にコートしたサンプルを
下から対物レンズでのぞくことで生物試料の見たい位置
にＡＦＭ探針を運ぶことができ、これにより大きな範囲
を測定してから測定範囲を狭めていく必要がなく、測定
時間の短縮となる。[Effect] According to the present invention, the sample can be finely moved independently in the XY direction and the Z direction in the three-dimensional fine movement device. In addition, the cylindrical piezo can be made thicker, and by integrating the AFM with, for example, an inverted optical microscope, it is possible to pass an objective lens up to 100 times through the hollow portion of the cylindrical piezo. Furthermore, the sample coated on the surface of the preparation fixed on the top of the cylindrical piezo can be carried to the desired position of the biological sample by looking through the objective lens from the bottom. It is not necessary to narrow the range, which shortens the measurement time.
【図１】は、本発明による３次元微動装置の一実施例の
概略図である。FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of a three-dimensional fine movement device according to the present invention.
【図２】は、本発明による円筒ピエゾ押圧手段の構成を
説明するための一実施例の概略断面図である。FIG. 2 is a schematic sectional view of an embodiment for explaining the configuration of the cylindrical piezo pressing means according to the present invention.
【図３】は、本実施例による３次元微動装置と原子間力
検出部と倒立型光学顕微鏡を組合わせた複合型走査型プ
ローブ顕微鏡の一実施例の概略図である。FIG. 3 is a schematic view of an example of a compound scanning probe microscope in which a three-dimensional fine movement device according to the present embodiment, an atomic force detection unit, and an inverted optical microscope are combined.
【図４】は、本発明による３次元微動装置の第２の実施
例の概略図である。FIG. 4 is a schematic view of a second embodiment of the three-dimensional fine movement device according to the present invention.
【図５】は、本発明による円筒ピエゾ滑動手段として球
状部材を用いた場合の３次元微動機構の一実施例の概略
断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of one embodiment of a three-dimensional fine movement mechanism when a spherical member is used as the cylindrical piezo sliding means according to the present invention.
【図６】は、本発明による３次元微動装置に用いる円筒
ピエゾの一実施例の概略図である。FIG. 6 is a schematic view of an embodiment of a cylindrical piezo used in the three-dimensional fine movement device according to the present invention.
【図７】は、本発明による３次元微動装置に用いる円筒
ピエゾの一実施例の概略図である。FIG. 7 is a schematic view of an embodiment of a cylindrical piezo used in the three-dimensional fine movement device according to the present invention.
【図８】は、従来の３次元微動装置に用いていたチュー
ブスキャナの概略図である。FIG. 8 is a schematic view of a tube scanner used in a conventional three-dimensional fine movement device.
１１・・・・・・・・円筒ピエゾ １２ａ，１２ｂ・・・単層型または／及び多層型ピエゾ １３・・・・・・・・円筒ピエゾ位置決め部材 １４・・・・・・・・リング １５ａ，１５Ｂ・・・円筒ピエゾ押圧手段 １７ａ，１７Ｂ・・・弾性部材 １８・・・・・・・・光学顕微鏡の対物レンズ １９・・・・・・・・試料台 ２１・・・・・・・・ばね ２４，２５・・・・・マイクロメータ ２６・・・・・・・・ＡＦＭヘッド ２７・・・・・・・・試料 ３０・・・・・・・・光学顕微鏡 ３１，３７・・・・・内側共通電極 ３２・・・・・・・・Ｚ軸動作用電極 ３３，３４・・・・・Ｘ軸動作用電極 ３５，３６・・・・・Ｙ軸動作用電極 ３８・・・・・・・・光源 ４０・・・・・・・・積層型円筒ピエゾ 以上 11 ... Cylindrical piezos 12a, 12b ... Single-layer type and / or multi-layer type piezo 13 ... Cylindrical piezo positioning member 14 ... Ring 15a , 15B ... Cylindrical piezo pressing means 17a, 17B ... Elastic member 18 ... Objective lens of optical microscope 19 ... Sample stage 21 ...・ Spring 24, 25 ・ ・ ・ Micrometer 26 ・ ・ ・ ・ ・ ・ AFM head 27 ・ ・ ・ ・ ・ ・ Sample 30 ・ ・ ・ ・ ・ ・ Optical microscope 31,37 ・ ・ ・..Inner common electrode 32 ... Z-axis operation electrode 33,34 ... X-axis operation electrode 35,36 ... Y-axis operation electrode 38 ..・ ・ ・ Light source 40 ・ ・ ・ ・ ・ ・ Layered cylindrical piezo
Claims (10)
前記固定台との間に円筒ピエゾを滑動可能にする円筒ピ
エゾ滑動手段を介し該固定台に当接されたリング、該円
筒ピエゾ滑動手段と接触されていない前記リングの一辺
と衝合されかつ該円筒ピエゾの一端とも衝合されている
円筒ピエゾ位置決め部材、前記円筒ピエゾ位置決め部材
が衝合されていない前記円筒ピエゾの他端に設置された
試料台、該固定台に接着され該円筒ピエゾ位置決め部材
の外周に接触するように設置された少なくとも２つの単
層型ピエゾまたは／及び多層型ピエゾ、該固定台上に前
記単層型ピエゾまたは／及び前記多層型ピエゾが対峙す
るように設置され、該円筒ピエゾ位置決め部材と該単層
型ピエゾまたは／及び該多層型ピエゾの一端が圧接する
ように対峙する該単層型ピエゾまたは／及び該多層型ピ
エゾ方向へ押圧する少なくとも１つの円筒ピエゾ押圧手
段、対物レンズが該円筒ピエゾに嵌入するように設置さ
れた光学顕微鏡及び少なくとも試料表面を走査し探針を
有する可撓体、前記可撓体に光を照射する光源、該可撓
体で反射された光を受光する光検出器を有する原子間力
顕微鏡からなることを特徴とする複合型走査型プローブ
顕微鏡。1. A fixed base that has a flat surface and is installed horizontally.
A ring abutting on the fixed base through a cylindrical piezo sliding means for allowing the cylindrical piezo to slide between the fixed base and one side of the ring not in contact with the cylindrical piezo sliding means and Cylindrical piezo positioning member that is also abutted with one end of the cylindrical piezo, a sample table installed at the other end of the cylindrical piezo with which the cylindrical piezo positioning member is not abutted, and the cylindrical piezo positioning member that is adhered to the fixed table At least two single-layer piezos and / or multi-layer piezos installed so as to be in contact with the outer periphery of the single-layer piezos and / or the multi-layer piezos so as to face each other, A cylindrical piezo positioning member and one end of the single-layer piezo and / or the multi-layer piezo face each other so that one end of the piezo is pressed against the single-layer piezo and / or the multi-layer piezo. At least one cylindrical piezo pressing unit, an optical microscope in which an objective lens is installed so as to be fitted into the cylindrical piezo, a flexible body having a probe for scanning at least a sample surface, and a light source for irradiating the flexible body with light, A compound scanning probe microscope comprising an atomic force microscope having a photodetector for receiving light reflected by the flexible body.
前記固定台との間に円筒ピエゾを滑動可能にする円筒ピ
エゾ滑動手段を介し該固定台に当接されたリング、該円
筒ピエゾ滑動手段と接触されていない前記リングの一辺
と衝合されかつ該円筒ピエゾの一端とも衝合されている
円筒ピエゾ位置決め部材、前記円筒ピエゾ位置決め部材
が衝合されていない前記円筒ピエゾの他端に設置された
試料台、該固定台に接着され該円筒ピエゾ位置決め部材
の外周に接触するように設置された少なくとも２つの単
層型ピエゾまたは／及び多層型ピエゾ、該固定台上に前
記単層型ピエゾまたは／及び前記多層型ピエゾが対峙す
るように設置され、該円筒ピエゾ位置決め部材と該単層
型ピエゾまたは／及び該多層型ピエゾの一端が圧接する
ように対峙する該単層型ピエゾまたは／及び該多層型ピ
エゾ方向へ押圧する少なくとも１つの円筒ピエゾ押圧手
段からなることを特徴とする３次元微動装置。2. A fixed base that has a flat surface and is installed horizontally.
A ring abutting on the fixed base through a cylindrical piezo sliding means for allowing the cylindrical piezo to slide between the fixed base and one side of the ring not in contact with the cylindrical piezo sliding means and Cylindrical piezo positioning member that is also abutted with one end of the cylindrical piezo, a sample table installed at the other end of the cylindrical piezo with which the cylindrical piezo positioning member is not abutted, and the cylindrical piezo positioning member that is adhered to the fixed table At least two single-layer piezos and / or multi-layer piezos installed so as to be in contact with the outer periphery of the single-layer piezos and / or the multi-layer piezos so as to face each other, A cylindrical piezo positioning member and one end of the single-layer piezo and / or the multi-layer piezo face each other so that one end of the piezo is pressed against the single-layer piezo and / or the multi-layer piezo. 3D fine movement apparatus characterized by comprising at least one cylindrical piezo pressing means.
層した積層型円筒ピエゾであることを特徴とする請求項
１または２記載の複合型走査型プローブ顕微鏡または微
動装置。3. The composite scanning probe microscope or fine movement device according to claim 1, wherein the cylindrical piezo is a laminated cylindrical piezo in which hollow cylindrical piezos are laminated.
状部材であることを特徴とする請求項１又は２記載の微
動装置。4. The fine movement device according to claim 1, wherein the cylindrical piezo slide means is an oily member or a spherical member.
徴とする請求３記載の微動装置。5. The fine movement device according to claim 3, wherein the oily member is grease.
ビー真球であることを特徴とする請求４記載の微動装
置。6. The fine movement device according to claim 4, wherein the spherical member is a stainless sphere or a ruby sphere.
デンリングまたは二硫化モリブデンによりコートされた
モリブデンリングまたはサファイアリングであることを
特徴とする請求項１又は２記載の複合型走査型プローブ
顕微鏡または微動装置。7. The compound scanning probe microscope or fine movement device according to claim 1, wherein the ring is a carbon-coated molybdenum ring, a molybdenum ring coated with molybdenum disulfide, or a sapphire ring. .
外側にｚ軸方向に動作させるための電極を設けたことを
特徴とする請求項１又は２記載の微動装置。8. A common electrode is provided inside the cylindrical piezo,
The fine movement device according to claim 1 or 2, further comprising an electrode for operating in the z-axis direction on the outside.
動手段の球状部材の固定領域を設けたことを特徴とする
請求項４記載の微動装置。9. The fine movement apparatus according to claim 4, wherein the fixing base is provided with a concave portion, and the fixing area of the spherical member of the cylindrical piezo slide means is provided.
固定台上に、前記固定台との間に円筒ピエゾを滑動可能
にする円筒ピエゾ滑動手段を介し一端に衝合した円筒ピ
エゾ位置決め部材を有する該円筒ピエゾを当接する操
作。 操作２：該固定台上に接着された少なくとも２つの単層
型ピエゾまたは／及び多層型ピエゾを該円筒ピエゾ位置
決め部材の外周に接触させる操作。 操作３：該固定台上に接着された少なくとも１つの円筒
ピエゾ押圧手段により、該固定台上の少なくとも２つの
前記単層型ピエゾまたは／及び前記多層型ピエゾが該円
筒ピエゾを介し対峙する方向から該円筒ピエゾを押圧す
る操作。 操作４：Ｚ軸方向へ変位させる場合には該円筒ピエゾに
電圧をかけ、Ｘ軸方向又はＹ軸方向へ変位させる場合に
は少なくとも２つの前記単層型ピエゾまたは／及び前記
多層型ピエゾに電圧をかけ変位させるとにより該円筒ピ
エゾを微動させる操作。 からなることを特徴とする、３次元微動装置の操作方
法。10. Operation 1: A cylindrical piezo abutting at one end via a cylindrical piezo sliding means for sliding a cylindrical piezo between the stationary base and a horizontally installed stationary base. Operation of abutting the cylindrical piezo having a positioning member. Operation 2: An operation of bringing at least two single-layer piezos and / or multi-layer piezos adhered on the fixing base into contact with the outer circumference of the cylindrical piezo positioning member. Operation 3: From the direction in which at least two of the single-layer type piezo and / or the multi-layer type piezo on the fixing base are opposed to each other by the at least one cylindrical piezo pressing means adhered on the fixing base. Operation of pressing the cylindrical piezo. Operation 4: When displacing in the Z-axis direction, a voltage is applied to the cylindrical piezo, and when displacing in the X-axis direction or the Y-axis direction, a voltage is applied to at least two of the single-layer piezos and / or the multi-layer piezos. An operation for finely moving the cylindrical piezo by applying and displacing. A method for operating a three-dimensional fine movement device, comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6068227A JPH07280817A (en) | 1994-02-21 | 1994-04-06 | Composite scanning-probe microscope |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2269594 | 1994-02-21 | ||
| JP6-22695 | 1994-02-21 | ||
| JP6068227A JPH07280817A (en) | 1994-02-21 | 1994-04-06 | Composite scanning-probe microscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07280817A true JPH07280817A (en) | 1995-10-27 |
Family
ID=26359956
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6068227A Pending JPH07280817A (en) | 1994-02-21 | 1994-04-06 | Composite scanning-probe microscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07280817A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007324045A (en) * | 2006-06-02 | 2007-12-13 | Hitachi High-Technologies Corp | Electron microscope apparatus and brake mechanism |
| JP2010190657A (en) * | 2009-02-17 | 2010-09-02 | Olympus Corp | Scanning mechanism and scanning probe microscope |
-
1994
- 1994-04-06 JP JP6068227A patent/JPH07280817A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007324045A (en) * | 2006-06-02 | 2007-12-13 | Hitachi High-Technologies Corp | Electron microscope apparatus and brake mechanism |
| JP2010190657A (en) * | 2009-02-17 | 2010-09-02 | Olympus Corp | Scanning mechanism and scanning probe microscope |
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