JPH08101220A

JPH08101220A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH08101220A
Application number: JP23880894A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ito; 武史伊藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1994-10-03
Filing date: 1994-10-03
Publication date: 1996-04-16

Abstract

(57)【要約】【目的】高速走査に適した圧電駆動体を備えた走査型
プローブ顕微鏡を提供する。【構成】走査型プローブ顕微鏡において、走査型プロ
ーブ顕微鏡が備える圧電素駆動体１を内周面５及び外周
面４に電極７，６が設けられた略筒状とし、その略筒状
の圧電駆動体の両端２，３を異なる径とし、両端部間の
少なくとも一方の周面の径は、両端部間において単調に
変化するよう構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型プローブ顕微鏡
に関し、特に走査型プローブ顕微鏡のアクチュエータに
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、真空状態にある分析室中に配置
した試料にプローブを近接させ、該プローブによって試
料の表面分析を行う走査型プローブ顕微鏡があり、この
走査型プローブ顕微鏡として、例えば、プローブと試料
表面との間に流れるトンネル電流を用いる走査型トンネ
ル顕微鏡（ＳＴＭ）や、プローブと試料表面間に働く原
子間力を測定する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が知られて
いる。例えば、走査型トンネル顕微鏡は、探針を試料表
面に近づけて探針または試料の何れかを３次元方向に移
動可能とする構成を備え、探針と試料表面と間に流れる
トンネル電流を用いることによって、試料表面の原子配
列の観察や、試料表面の表面形状の観察等を原子の大き
さのオーダーで行うものである。この観察においては、
例えば、図５に示すように、トンネル電流Ｊｔが一定と
なるようにアクチュエータにフィードバックをかけてＺ
方向の変位を制御するとともに、スキャナーによって
Ｘ，Ｙ方向に走査を行い、このときのフィードバック量
をデータとして取り込むこんで試料表面の凹凸を観察を
行う定電流モードと、図６に示すように、アクチュエー
タのＺ方向への定電圧印加により探針の試料に対する高
さを一定とし、スキャナーによってＸ，Ｙ方向に走査を
しながらトンネル電流Ｊｔの変化を測定して試料表面の
凹凸を観察する可変電流モード（定高さモード）が知ら
れている。

【０００３】そして、この走査プローブ顕微鏡において
は、原子レベルの分解能で試料表面を観察するには、探
針または試料を原子スケールの精度で試料表面の面内方
向（Ｘ軸，Ｙ軸方向）、及び試料表面の凹凸に沿う方向
（Ｚ軸方向）に動作する微動機構が必要である。この微
動機構として、従来、棒状の圧電素子をそれぞれ直行す
るように組み立てた構造のトライポッド型や円筒状の圧
電素子の内側と外側に電極を取り付けたチューブ構造の
型が知られている。超精密加工面や半導体加工表面の評
価等に走査型プローブ顕微鏡を使用する場合には、一般
に広い走査範囲が望ましい。しかしながら、走査時間は
走査範囲に比例して増加するため、走査範囲の拡大の際
には同時に走査の高速化が必要となる。前記円筒型の圧
電素子は、ある程度の剛性を保持したままで大きな走査
範囲をとることができるものとして知られている。円筒
型の圧電素子を用いた円筒型圧電駆動部材は、図７の概
略図、図８の正面図、及び図９の平面図に示すように、
円筒状の圧電素子の内側と外側に分割した電極を取り付
けた構造であり、内側電極を接地して何れかの外側電極
に電圧を印加することにより、電圧を印加した部分が伸
縮して筒を傾かせ、これによってＸ，Ｙ方向の走査を行
わせるものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
走査型プローブ顕微鏡では、高速走査の点で問題があ
る。従来の走査型プローブ顕微鏡に使用する円筒型圧電
駆動体では、試料のより大きな範囲を測定するため、単
位印加電圧に対する歪みの量を多くすると、円筒型圧電
駆動体自体や特に円筒型圧電駆動体の取り付け部におけ
る剛性が低下し、そのため高速走査が困難となる。例え
ば、前記図８に示すような従来の円筒型圧電駆動体の場
合、水平方向（圧電駆動体の軸方向と直交する方向）に
生じる歪み量Δｘは以下の式（１）によって表すことが
できる。 Δｘ＝ｄ₃₁・ΔＶ・（Ｌ²／（ａ・ｔ）） …（１）ここで、ｄ₃₁は等価圧電定数、ΔＶは電極への印加電
圧、Ｌは円筒型圧電体の長さ、ｔは円筒型圧電体の厚
さ、ａは円筒型圧電体の半径である。

【０００５】従来の円筒型圧電体において、単位印加電
圧に対する歪み量を多くするには、前記式（１）から円
筒型圧電体の長さＬを長くする方法（図１０の（ａ）参
照）、円筒型圧電体の半径ａを小さくする方法（図１０
の（ｂ）参照）、あるいはその両方を行う方法（図１０
の（ｃ）参照）が考えられる。しかしながら、前記方法
による歪み量の増加では、円筒型圧電体の半径ａが円筒
型圧電体の長さＬや厚さｔに対して減少し、円筒型圧電
体自体や円筒型圧電体の取り付け部の剛性が低下するこ
とになる。また、前記式（１）において、円筒型圧電体
の厚さｔを薄くすることにより、単位印加電圧に対する
歪み量を多くすることができるが、この場合にも、円筒
型圧電体自体や円筒型圧電体の取り付け部の剛性が低下
する。そして、この剛性の低下は、円筒型圧電体の走査
速度を下げ、高速走査を困難とする。そこで、本発明は
前記した従来の走査型プローブ顕微鏡の問題点を解決
し、高速走査に適した圧電駆動体を備えた走査型プロー
ブ顕微鏡を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、走査型プロー
ブ顕微鏡において、走査型プローブ顕微鏡が備える圧電
駆動体を内周面及び外周面に電極が設けられた略筒状と
し、その略筒状の圧電駆動体の両端を異なる径とし、両
端部間の少なくとも一方の周面の径は、両端部間におい
て単調に変化するよう構成することによって、前記目的
を達成する。

【０００７】本発明の略筒状の圧電駆動体は、走査型プ
ローブ顕微鏡のプローブを微動させるための一機構に用
いられ、設置された電極に電圧を印加することによって
プローブの走査を行うものである。また、圧電駆動体の
略筒形状は、両端を外周面と内周面を持ち、断面が円形
の壁部によって一体につなぐ構造であり、本発明におい
ては、その両端の径が異なり、その両端間においては円
形断面の径は単調に変化するものである。

【０００８】本発明の第１の実施態様は、本発明の圧電
駆動体の取り付け部の径を反対側の径より大きくするも
のであり、これによって、略筒状の圧電駆動体を走査型
プローブ顕微鏡の固定部分に取り付けたときの圧電駆動
体の取り付け部における剛性を高めることができる。本
発明の第２の実施態様は、本発明の圧電駆動体の略筒状
の外周面の形状を円錐台形とするものであり、これによ
って、圧電駆動体の両端間の周の径を単調に変化する構
成とすることができる。本発明の第３の実施態様は、本
発明の圧電駆動体の略筒状の外周面及び内周面の形状を
円錐台形とするものであり、これによって、圧電駆動体
の両端間の周の径を単調に変化する構成とすることがで
きる。本発明の第４の実施態様は、本発明の圧電駆動体
の略筒状の外周面の形状を円錐台形とし、内周面の形状
を円筒形とするものであり、これによって、圧電駆動体
の両端間の周の径を単調に変化する構成とすることがで
きる。

【０００９】本発明の第５の実施態様は、本発明の圧電
駆動体の略筒状の外周面の形状を円筒状の形状とし、内
周面の形状を円錐台形とするものであり、これによっ
て、圧電駆動体の両端間の周の径を単調に変化する構成
とすることができる。本発明の第６の実施態様は、本発
明の圧電駆動体の略筒状の外周面及び内周面の形状を指
数関数的に変化する形状とするものであり、これによっ
て、圧電駆動体の両端間の周の径を単調に変化する構成
とすることができる。本発明の第７の実施態様は、本発
明の圧電駆動体の略筒状の外周面の形状を指数関数的に
変化する形状とし、内周面の形状を円筒形とするもので
あり、これによって、圧電駆動体の両端間の周の径を単
調に変化する構成とすることができる。

【００１０】

【作用】走査型プローブ顕微鏡において、略筒状の圧電
駆動体の両端を異なる径とし、両端部間の内周面あるい
外周面の少なくとも一方の周面の径を、両端部間におい
て単調に変化する形状の圧電駆動体の内周面及び外周面
に電極を設け、内周面を設置し、外周面に分割して設け
た電極に選択的に電圧を印加する。この電圧印加によっ
て、圧電駆動体に歪みが生じる。圧電駆動体の端部の大
径の端部を走査型プローブ顕微鏡の固定側に固定する
と、圧電駆動体の他方の小径の端部は歪みによって圧電
駆動体の軸方向と直交する方向に歪むことになる。本発
明の圧電駆動体自体及び取り付け部における剛性は高い
ため、走査型プローブ顕微鏡は、この圧電駆動体の歪み
によりプローブを高速で走査することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照しながら詳
細に説明する。

【００１２】（本発明の第１の実施例）はじめに、図１
〜図４を用いて本発明の第１の実施例について説明す
る。本発明の第１の実施例の圧電駆動体の概略形状は、
図１に示すように、円錐台形である。図１の（ａ）にお
いて、圧電駆動体１は、２つの端部２，３を有し、その
径は異なって形成されている。そして、この２つの端部
２，３間は、その断面において直線状に結ばれて円錐台
形の形状を構成している。

【００１３】この円錐台形の形状は、外周面４と内周面
５を有し、その軸方向と垂直な面で切った断面は円形で
ある。そして、内周面５には電極７が設けられ、外周面
４には分割された電極６が設けられている。電極６，７
への電圧印加は、図３に示すように、内周面５の電極７
を接地し、外周面４の分割された電極６のいずれかに対
して選択的に電圧を印加するものである。この電極６へ
の電圧印加によって、その部分が歪むことになる。

【００１４】図１の（ｂ）は、実施例１の圧電駆動体の
一部を切断した図であり、実施例１の圧電駆動体の周面
部の厚みがｔであることを示しているか、この厚みｔは
両端部の間で必ずしも均一である必要はなく、端部３か
ら端部２にかけて徐々に薄くなるよう構成することもで
きる。

【００１５】また、図２に示すように、実施例１の圧電
駆動体の端部の内で、走査型プローブ顕微鏡の固定側に
取り付けられる端部３の径ａとし、反対側のプローブを
走査する端部２の径をａとし、圧電駆動体の長さをＬと
すると、本発明の圧電駆動体では、ａ＞ｂの関係があ
る。

【００１６】（実施例１の作用）ここで、実施例１の構
成の圧電駆動体において、水平方向（圧電駆動体の軸方
向と直交する方向）に生じる歪み量Δｘは以下の式
（２），（３）によって近似表示することができる。

【００１７】 Δｘ＝∫₀ ^L［ｄ₃₁・（ΔＶ／ｔ）・〔２ｌ／｛（ｂ−ａ）・ｌ／Ｌ＋ａ｝〕］ｄｌ …（２）＝ｄ₃₁・（ΔＶ／ｔ）・｛Ｌ²／（ｂ−ａ）²｝・｛ｂ−ａ＋ａ・ｌｏｇ（ａ／ｂ）｝ …（３）ここで、ｄ₃₁は等価圧電定数、ΔＶは電極への印加電
圧、Ｌは円錐台形圧電体の長さ、ｔは円錐台形圧電体の
厚さ、ａは円錐台形圧電体の取り付け部側端部の半径、
ｂは円錐台形圧電体の取り付け部側と反対側端部の半径
である。ただし、ｔ＞０、ａ＞ｂ＞０とする。

【００１８】なお、前記式（２）は、図４において、斜
線で示す微小区間ｄｌについて「０」から「Ｌ」まで積
分することにより求めることができる。

【００１９】この式（２）あるいは式（３）で表される
実施例１の構成の圧電駆動体の歪み量と、前記式（１）
で表される従来の圧電駆動体の歪み量とを、円錐台形圧
電体の取り付け部側と反対側端部の半径であるｂ以外の
値を同一としｂのみを変化させることにより比較する
と、本発明の圧電駆動体は従来の圧電駆動体より、単位
電圧当たりについてより大きな変化量が得られることが
理解できる。

【００２０】ｂ以外の定数を「１」として、前記式
（１）と式（３）との数値の比較を行うと、従来の歪み
量が「１」であるのに対して、本発明の実施例１の歪み
量は、例えばｂが「０．９」の場合には「１．０７２
１」となり、ｂが「０．８」の場合には「１．１５７
２」となり、ｂが「０．５」の場合には「１．５４５
２」となり、ｂが「０．３」の場合には「２．０５７
０」となり、ｂが「０．１」の場合には「３．４６３
２」となる。

【００２１】（本発明の第２の実施例）次に、図１１，
図１２を用いて本発明の第２の実施例について説明す
る。本発明の第２の実施例の圧電駆動体の概略形状は、
図１１に示すように、その形状が指数関数的に変化する
ものである。図１１の（ａ）において、圧電駆動体１１
は、２つの端部１２，１３を有し、その径は図１２に示
すように端部１２の径ｃは端部１３の径ａより小径に形
成されている。そして、この２つの端部１２，１３間
は、その断面において指数関数的な形状により構成され
ている。そして、実施例２では、端部１２からの周面の
径の減少量が指数関的に増加する場合の形状を示してお
り、このときの歪み量Δｘは次式（４）によって近似的
に表現される。

【００２２】 Δｘ＝∫₀ ^L［ｄ₃₁・（ΔＶ／ｔ）・〔２ｌ／｛ａ−（ａ−ｂ）・ｅ^l／ｅ^L｝〕］ｄｌ …（４）この指数関数的に変化する形状は、前記実施例１と同様
に、外周面４と内周面５を有し、その軸方向と垂直な面
で切った断面も円形となる。そして、内周面５には電極
７が設けられ、外周面４には分割された電極６が設けら
れている。電極６，７への電圧印加は、図３に示すよう
に、内周面５の電極７を接地し、外周面４の分割された
電極６のいずれかに対して選択的に電圧を印加するもの
である。この電極６への電圧印加によって、その部分が
歪むことになる。

【００２３】また、圧電駆動体１１の厚さｔは、均一で
ある必要はなく、端部１３から端部１２にかけて徐々に
薄く形成することもできる。

【００２４】（本発明の第３の実施例）次に、図１３，
図１４を用いて本発明の第３の実施例について説明す
る。本発明の第３の実施例の圧電駆動体の概略形状は、
図１３に示すように、その形状が前記実施例２と同様に
指数関数的に変化するものである。図１３の（ａ）にお
いて、圧電駆動体２１は、２つの端部２２，２３を有
し、その径は図１４に示すように端部２２の径ｃは端部
２３の径ａより小径に形成されている。そして、この２
つの端部２２，２３間は、その断面において指数関数的
な形状により構成されている。そして、実施例３では、
端部２３からの周面の径の減少量が指数関的に増加する
場合の形状を示しており、このときの歪み量Δｘは次式
（５）によって近似的に表現される。

【００２５】 Δｘ＝∫₀ ^L［ｄ₃₁・（ΔＶ／ｔ）・〔２ｌ／｛ａ＋（ａ−ｂ）・（１＋ｅ^l）／（ｅ^L−１）｝〕］ｄｌ …（５）この指数関数的に変化する形状は、前記実施例１，２と
同様に、外周面４と内周面５を有し、その軸方向と垂直
な面で切った断面も円形となり、周面に接地する電極、
及び該電極に電圧を印加した場合の動作も同様に行われ
る。

【００２６】（本発明の第４の実施例）次に、図１５を
用いて本発明の第４の実施例について説明する。本発明
の第４の実施例の圧電駆動体の概略形状は、図１５に示
すように、その外周面３４の形状は円筒状であり、内周
面３５の形状は円錐台形に形成されている。図におい
て、圧電駆動体３１は、２つの端部３２，３３を有し、
その外周面３４の径は両端部間で同一であり、内周面３
５の径は端部３２から端部３３に向かって直線状に減少
している。

【００２７】これによって、走査型プローブ顕微鏡の固
定側に取り付けられる端部３３の厚さは、自由端となる
他方の端部３２の厚さと比較して厚く形成することがで
き、取り付け部分において大きな剛性を得ることができ
る。

【００２８】（本発明の第５の実施例）次に、図１６を
用いて本発明の第５の実施例について説明する。本発明
の第５の実施例の圧電駆動体の概略形状は、図１６に示
すように、その外周面４４の形状は円錐台形であり、内
周面４５の形状は円筒状に形成されている。図におい
て、圧電駆動体４１は、２つの端部４２，４３を有し、
その外周面４４の径は端部３２から端部３３に向かって
直線状に増加し、内周面４５の径は両端部間で同一であ
る。

【００２９】これによって、走査型プローブ顕微鏡の固
定側に取り付けられる端部４３の厚さは、自由端となる
他方の端部４２の厚さと比較して厚く形成することがで
き、取り付け部分において大きな剛性を得ることができ
る。

【００３０】（本発明の第６の実施例）次に、図１７を
用いて本発明の第６の実施例について説明する。本発明
の第６の実施例の圧電駆動体の概略形状は、図１７に示
すように、その外周面５４の形状は指数関数的に変化
し、内周面５５の形状は円筒状に形成されている。図に
おいて、圧電駆動体５１は、２つの端部５２，５３を有
し、その外周面５４の径は端部５２から端部５３に向か
って、端部５２からの周面の径の減少量が指数関的に増
加し、内周面５５の径は両端部間で同一である。

【００３１】これによって、走査型プローブ顕微鏡の固
定側に取り付けられる端部５３の厚さは、自由端となる
他方の端部５２の厚さと比較して厚く形成することがで
き、取り付け部分において大きな剛性を得ることができ
る。

【００３２】（本発明の第７の実施例）次に、図１８を
用いて本発明の第７の実施例について説明する。本発明
の第７の実施例の圧電駆動体の概略形状は、図１８に示
すように、その外周面６４の形状は指数関数的に変化
し、内周面６５の形状は円筒状に形成されている。図に
おいて、圧電駆動体６１は、２つの端部６２，６３を有
し、その外周面６４の径は端部６３から端部６２に向か
って、端部６３からの周面の径の減少量が指数関的に増
加し、内周面６５の径は両端部間で同一である。

【００３３】これによって、走査型プローブ顕微鏡の固
定側に取り付けられる端部６３の厚さは、自由端となる
他方の端部６２の厚さと比較して厚く形成することがで
き、取り付け部分において大きな剛性を得ることができ
る。

【００３４】（実施例の効果）圧電駆動体のプローブを
取り付ける側の自由端は、圧電駆動体を走査型プローブ
顕微鏡の固定側に取り付ける端部よりも小径であるた
め、従来の円筒形の圧電駆動体と比較して、探針と試料
付近の視野をより大きくすることができ、走査型プロー
ブ顕微鏡を扱う際の肉眼や光学顕微鏡による探針と試料
付近の観察の自由度を大きくすることができ、走査型プ
ローブ顕微鏡の操作がより容易となる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高速走査に適した圧電駆動体を備えた走査型プローブ顕
微鏡を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の圧電駆動体の概略図であ
る。

【図２】本発明の実施例１の圧電駆動体の正面図であ
る。

【図３】本発明の実施例１の電圧印加を説明する図であ
る。

【図４】本発明の実施例１の歪み量を算出するための概
略図である。

【図５】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成図である。

【図６】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成図である。

【図７】従来の円筒型圧電駆動部材の概略図である。

【図８】従来の円筒型圧電駆動部材の正面図である。

【図９】従来の円筒型圧電駆動部材の平面図である。

【図１０】従来の円筒型圧電駆動体を説明する図であ
る。

【図１１】本発明の実施例２の圧電駆動体の概略図であ
る。

【図１２】本発明の実施例２の圧電駆動体の正面図であ
る。

【図１３】本発明の実施例３の圧電駆動体の概略図であ
る。

【図１４】本発明の実施例３の圧電駆動体の正面図であ
る。

【図１５】本発明の実施例４の圧電駆動体の概略図であ
る。

【図１６】本発明の実施例５の圧電駆動体の概略図であ
る。

【図１７】本発明の実施例６の圧電駆動体の概略図であ
る。

【図１８】本発明の実施例７の圧電駆動体の概略図であ
る。

【符号の説明】

１，１１，１２，１３，１４，１５，１６…圧電駆動
体、２，３，１２，１３，２２，２３，３２，３３，４
２，４３，５２，５３，５２，６３…端部、４，１４，
２４，３４，４４，５４，６４…外周面、５，１５，２
５，３５，４５，５５，６５…内周面、６，７…電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内周面及び外周面に電極が設けられた略
筒状の圧電駆動体であって、該略筒状の圧電駆動体の両
端は異なる径であり、両端部間の少なくとも一方の周面
の径は、両端部間において単調に変化する圧電駆動体を
備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。