JPH1019906A - プローブ駆動装置及びこれを用いた走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広域を走査できるとともに得られた像面の湾
曲の軽減を図ることができるプローブ駆動装置を提供す
る。 【解決手段】 圧電駆動部材２１に対して拡大機構２５
が取り付けられる。拡大機構２５は、基準部２６及び拡
大変位部２７を有する。拡大変位部２７は、圧電駆動部
材２１の伸縮に従って基準部２６に対して圧電駆動部材
２５の伸縮量より大きい変位量で変位する。基準部２６
に対する拡大変位部２７の変位方向が基準部２６に対す
る所定方向に実質的に規制される。基準部２６は、ヒン
ジ付きブロック５１を介して支持基材１８に連結され、
ヒンジ５１ｂを中心としてＸＹ平面内において回動可能
となる。圧電駆動部材２２の伸縮により基準部２６が回
動される。一端にプローブ２４が取り付けられた圧電駆
動部材２３の他端は、ブロック５２を介して拡大変位部
２７に固定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電駆動部材を用
いてプローブを３次元的に移動させるプローブ駆動装置
及びこれを用いた走査型プローブ顕微鏡に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡では、プローブを
試料に対して相対的に３次元的に移動させる。例えば、
走査型プローブ顕微鏡の１つである原子間力顕微鏡等で
は、試料表面の原子的尺度の凹凸形状を測定するため、
試料表面とプローブとの間の距離を一定に保ちながらプ
ローブを試料表面と平行な面内で走査している。したが
って、試料表面に対して垂直な方向であるＺ方向のプロ
ーブの移動と、試料表面と平行なＸ，Ｙ方向の面内走査
とが必要である。

【０００３】従来、走査型プローブ顕微鏡におけるプロ
ーブや試料の駆動には、トライポッド型駆動装置（例え
ば、特開昭６３−２６５５７３号）やチューブ型駆動装
置（G. Binnig and D. P. E. Smith, Single-tube thre
e dimensional scanner forscanning tunneling micros
copy, Rev. Sci. Instrum. 57 (8) p 1688-1689, Augus
t 1986）等が用いられていた。

【０００４】図７は従来のチューブ型駆動装置１の一例
を示す図であり、図７（ａ）はその斜視図、図７（ｂ）
は当該チューブ型駆動装置を用いて得た像の様子を模式
的に示す図である。このチューブ型駆動装置１は、円筒
状等の筒状の形状を有した圧電体に、内側の面又は外側
の面のいずれか一方に全面的にグランド電極が設けら
れ、かつ他方の面には例えば４分割された電極が設けら
れた構成を有している。図７に示す例では、該チューブ
型駆動装置１上には試料２が設置され、該試料２に近接
して、プローブとしての原子間力顕微鏡用カンチレバー
３が配置されている。前記チューブ型駆動装置１では、
対向する分割電極にそれぞれ正負反対の電圧を印加する
ことによって筒状の圧電体が横方向に撓み、これにより
Ｘ方向あるいはＹ方向の走査駆動が行われる。また、Ｚ
方向の走査駆動は、分割電極にそれぞれ同電圧のオフセ
ットを印加することによって、筒状の圧電体が伸縮変位
することによって、実現される。

【０００５】また、図８は、従来のトライポット型駆動
装置の一例を示す斜視図である。このトライポット型駆
動装置は、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向にそれぞれ独立してプローブ
１０１０を駆動させるための３本の圧電駆動部材１１
ａ，１１ｂ，１１ｃを用いて構成されている。すなわ
ち、このトライポット型駆動装置は、互いに直交する３
面の平板１２ａ，１２ｂ，１２ｃからなる箱体１３と、
該箱体１３の１つの平板１２ｃ上に載置され、それぞれ
の一端がヒンジ１４ａ，１４ｂを介して他の平板１２
ａ，１２ｂの内壁に固定され、かつ前記他の平板１２
ａ，１２ｂに対して直角方向に伸縮可能な２つの圧電駆
動部材１１ａ，１１ｂと、前記１つの平板１２ｃ上の前
記２つの圧電駆動部材１１ａ，１１ｂの交点部分に固定
配置されたブロック１５と、前記ブロック１５の上に前
記１つの平板１２ｃに垂直に固定した圧電駆動部材１１
ｃと、該圧電駆動部材１１ｃの先端にホルダー１６を介
して取り付けられたプローブとしての走査型トンネル顕
微鏡用探針１０とから構成されている。Ｘ，Ｙ方向用の
圧電駆動部材１１ａ，１１ｂとしては、その伸縮方向に
圧電層を積層した積層型圧電体が用いられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、走査型プロ
ーブ顕微鏡の普及に伴い、操作性の向上のために、走査
範囲の拡大と走査速度の向上が望まれている。

【０００７】例えば試料表面の微細な凹凸形状を測定し
ようとする場合、制御電圧を時間変化させ、プローブと
試料との間の間隔を一定に保つようにサーボをかける。
この時、圧電駆動部材の共振周波数が問題となる。制御
電圧の時間変化の周波数成分が、いずれも圧電駆動部材
の共振周波数に比べて十分低い周波数のものであれば、
制御電圧の振幅に比例した効率で位相遅れが少ない変位
を生じさせることができる。したがって、圧電駆動部材
の共振周波数が高ければ高いほど圧電駆動部材を効率よ
く、速く伸縮させることができ、圧電駆動部材は、制御
電圧の変化に十分追従出来ることになる。ここで、走査
型プローブ顕微鏡で、画像を取得する場合、プローブを
Ｘ，Ｙ方向にラスタースキャンしながらＺ方向に高速で
サーボをかける。つまり、Ｚ方向に一番高い共振周波数
が要求される。

【０００８】前述した図７に示す従来のチューブ型駆動
装置において、ＸＹ面内の走査範囲を広くするには、円
筒形状の圧電体のＺ方向の長さを長くすればよい。しか
し、Ｚ方向の長さが長くなると、一番高い機械的共振周
波数を必要とするＺ方向の共振周波数が下がり、走査速
度を高くできない。また、前述した従来のチューブ型駆
動装置では、Ｘ，Ｙ方向の走査は円筒状の圧電体のＸ，
Ｙ方向への撓みを利用しているため、プローブ又は試料
をＸ，Ｙ面内で平らに走査することができず、得られた
画像は図７（ｂ）のように歪んでしまうという問題もあ
った。そのため、測定した画像をソフトウエアで平面に
補正していた。

【０００９】一方、前述した図８に示すトライポッド型
駆動装置では、一番高い機械的共振周波数を必要とする
Ｚ方向の圧電駆動部材１１ｃは、サイズの小さな共振周
波数の高い圧電体を採用できるので、走査速度を高くす
ることができる。また、走査範囲を広くするために、
Ｘ，Ｙ方向用圧電駆動部材１１ａ，１１ｂとして、比較
的変位の大きい積層型圧電体が用いられている。しか
し、積層型圧電体は、変位する軸方向に０．１ｍｍ程度
の薄いＰＺＴ等の薄膜を数百層積層した構造を有してい
るため、各層厚のばらつきにより直進性が悪い。走査範
囲を一層拡大させるために、一層変位の大きい長い積層
型圧電体を用いれば、更に直進性が悪化してしまう。積
層方向と変位方向の軸ずれの度合は、１００ロット内で
１０°以上であることもしばしばである。このように圧
電駆動部材１１ａ，１１ｂの直進性が悪いと、走査型プ
ローブ顕微鏡のプローブは、ＸＹ平面上を走査されず、
Ｚ方向に湾曲した面内を走査されることになる。一方、
走査型プローブ顕微鏡は、一般に、Ｚ方向の分解能が１
オングストローム以下であり、Ｚ方向の変位に大変敏感
である。そのため、積層型圧電体を用いた図８に示す従
来のトライポット型駆動装置を使用して得られる画像
は、大きく歪んだものとなる。

【００１０】また、プローブが機械的振動を受けると分
解能が悪化してしまうため、プローブ駆動装置において
は、高分解能を得る上で、プローブが機械的な振動を受
け難い構造を持つことが好ましい。

【００１１】さらに、走査型プローブ顕微鏡のうち原子
間力顕微鏡等においては、プローブとしてカンチレバー
が用いられ、該カンチレバーの撓みを検出するため、一
般的にいわゆる光てこ法が用いられている。光てこ法で
は、固定部に設置した光源から光をカンチレバーに照射
し、該カンチレバーからの反射光を受光面が複数に分割
され固定部に設置された光検出器にて受光し、当該反射
光の位置を検出する。したがって、プローブ駆動装置に
より走査範囲を拡大すると、照射光がカンチレバーの面
からはみ出し易くなる。もし、照射光の一部がカンチレ
バーの面からはみ出してしまうと、反射光量が減り、検
出感度の低下を招いてしまう。したがって、走査範囲が
拡大されても、照射光を適切に照射できることが重要で
ある。

【００１２】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、試料表面に対して直交する方向の機械的共振
周波数を高くして高速に走査を行うことができ、しか
も、広域を走査できるにもかかわらず得られた像面の湾
曲の軽減を図ることができるプローブ駆動装置、及びこ
れを用いた走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的
とする。

【００１３】また、本発明は、プローブが受ける機械的
振動を軽減して十分な分解能を確保することができるプ
ローブ駆動装置、及びこれを用いた走査型プローブ顕微
鏡を提供することを目的とする。

【００１４】さらに、本発明は、走査範囲が従来に比べ
て拡大されてもプローブとしてのカンチレバーに照射光
を適切に照射することができる走査型プローブ顕微鏡を
提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第１の態様によるプローブ駆動装置は、第
１の伸縮方向に伸縮可能な第１の圧電駆動部材と、第２
の伸縮方向に伸縮可能な第２の圧電駆動部材と、第３の
伸縮方向に伸縮可能な第３の圧電駆動部材とを備え、前
記第１乃至第３の圧電駆動部材の伸縮によってプローブ
を３次元的に移動させるプローブ駆動装置において、前
記第１の圧電駆動部材が取り付けられ基準部及び拡大変
位部を有する拡大機構であって、前記拡大変位部が前記
第１の圧電駆動部材の伸縮に従って前記基準部に対して
前記第１の圧電駆動部材の伸縮量より大きい変位量で変
位し、前記基準部に対する前記拡大変位部の変位方向が
前記基準部に対する所定方向に実質的に規制される拡大
機構を備えたものである。

【００１６】この第１の態様によれば、３つの圧電駆動
部材を用いているので、前述した従来のトライポット型
駆動装置と同様に、そのうちの１つの第３の圧電駆動部
材を試料表面に対して直交する方向のプローブ走査のた
めに用い、当該圧電駆動部材としてサイズの小さい圧電
体を用いることができる。したがって、当該方向の機械
的共振周波数を高くすることができ、このため、高速に
走査を行うことができる。そして、この第１の態様で
は、第１の圧電駆動部材の伸縮量（変位量）が拡大機構
により拡大されるので、第１の圧電駆動部材の伸縮量は
小さくてすむ。したがって、走査範囲を拡大しつつ、第
１の圧電駆動部材として伸縮量の小さい圧電駆動部材を
用いることができる。伸縮量の小さい圧電駆動部材は直
進性に優れている。加えて、拡大機構の拡大変位部の変
位方向は、基準部に対する所定方向に規制される。その
結果、歪みの少ない走査を行うことができる。このよう
に、前記第１の態様によれば、高速走査が可能となると
ともに、試料表面と平行な面内の走査に用いる２つの圧
電駆動部材のうちの少なくとも１つ（第１の圧電駆動部
材）に関して、走査範囲を拡大しつつ歪みの少ない走査
を行うことができる。

【００１７】本発明の第２の態様によるプローブ駆動装
置は、前記第１の態様によるプローブ駆動装置におい
て、前記第１の伸縮方向と前記拡大変位部の変位方向と
が一致し、前記拡大機構は、前記第１の圧電駆動部材お
ける前記第１の伸縮方向の中心線の両側にそれぞれ当該
中心線に対して対称に形成された１段以上の機械的てこ
構造を有するものである。

【００１８】本発明の第３の態様によるプローブ駆動装
置は、前記第１又は第２の態様によるプローブ駆動装置
において、前記拡大機構は、前記第１の圧電駆動部材を
配置するスペースであって表裏に貫通したスペースと表
裏に貫通した溝が形成された金属板からなるものであ
る。

【００１９】本発明の第４の態様によるプローブ駆動装
置は、第１乃至第３のいずれかの態様によるプローブ駆
動装置において、前記基準部は、支持基材に対して前記
拡大変位部の変位方向を含む所定平面内において回動可
能となるとともに他の動きが実質的に規制されるよう
に、前記支持基材に連結され、前記基準部は、前記第２
の圧電駆動部材の伸縮に従って前記回動が行われ、前記
第３の圧電駆動部材の前記第３の伸縮方向の一端は、前
記第３の伸縮方向が前記所定平面と交差する方向となる
ように、前記拡大変位部に対して固定され、前記第３の
圧電駆動部材の前記第３の伸縮方向の他端に対して前記
プローブが固定されるものである。

【００２０】この第４の態様によれば、基準部は、支持
基材に対して拡大変位部の変位方向を含む所定平面内に
おいて回動可能となるとともに他の動きが実質的に規制
されるように、前記支持基材に連結されているので、拡
大変位部（したがって、プローブ）が前記所定平面内の
動きに規制されつつ第１及び第２の圧電駆動部材の伸縮
により２次元に移動することになる。したがって、第２
の圧電駆動部材の直進性のずれにより生ずる走査の歪み
も軽減される。

【００２１】本発明の第５の態様によるプローブ駆動装
置は、前記第４の態様によるプローブ駆動装置におい
て、前記第２の圧電駆動部材の前記第２の伸縮方向の両
端は、前記第２の伸縮方向が前記所定平面と略平行とな
るとともに前記拡大変位部の変位方向と異なる方向とな
るように、前記支持基材及び前記基準部にそれぞれ連結
され、前記第２の圧電駆動部材の前記第２の伸縮方向の
前記両端のうちの一端は、前記第２の伸縮方向が前記基
準部に対してなす角度が変化可能となるように前記支持
基材に連結され、前記第２の圧電駆動部材の前記第２の
伸縮方向の前記両端のうちの他端は、前記第２の伸縮方
向が前記基準部に対してなす角度が変化可能となるよう
に前記支持基材に連結されたものである。

【００２２】この第５の態様によれば、第２の圧電駆動
部材の一端が当該圧電駆動部材自身の角度が変化可能と
なるように支持基材に連結されるとともに、第２の圧電
駆動部材の他端が当該圧電駆動部材自身の角度が変化可
能となるように基準部に連結されているので、第２の圧
電駆動部材の直進性のずれにより生ずる走査の歪みが一
層軽減される。

【００２３】本発明の第６の態様によるプローブ駆動装
置は、前記第５の態様によるプローブ駆動装置におい
て、前記基準部の前記支持基材に対する回動の中心線と
前記第２の圧電駆動部材の伸縮が前記基準部の前記回動
に対して作用する力点との間の距離は、前記基準部の前
記回動の前記中心線と前記プローブとの間の距離より小
さいものである。

【００２４】この第６の態様によれば、てこの原理に従
って、第２の圧電駆動部材の伸縮量（変位量）が拡大さ
れてプローブの変位量となる。このため、走査範囲を拡
大しつつ、第２の圧電駆動部材として伸縮量の小さい圧
電駆動部材を用いることができる。伸縮量の小さい圧電
駆動部材は直進性に優れていることから、一層歪みの少
ない走査を行うことができる。

【００２５】本発明の第７の態様によるプローブ駆動装
置は、前記第４乃至第６のいずれかの態様によるプロー
ブ駆動装置において、第１のブロックと、該第１のブロ
ックに対して前記所定平面内において屈曲可能なヒンジ
を介して連結された第２のブロックとを有するヒンジ付
きブロックを更に備え、前記第１のブロックが前記支持
基材に固定されるとともに前記第２のブロックが前記基
準部に固定されて、前記基準部が前記ヒンジ付きブロッ
クを介して前記支持基材に連結されたものである。

【００２６】本発明の第８の態様によるプローブ駆動装
置は、前記第５又は第６の態様によるプローブ駆動装置
において、第１のブロックと、該第１のブロックに対し
て前記所定平面内において屈曲可能なヒンジを介して連
結された第２のブロックとを有するヒンジ付きブロック
を更に備え、前記第１のブロックが前記支持基材に固定
されるとともに前記第２のブロックが前記基準部に固定
されて、前記基準部が前記ヒンジ付きブロックを介して
前記支持基材に連結され、前記第２の圧電駆動部材の前
記第２の伸縮方向の前記他端は、前記第２の伸縮方向が
前記ヒンジ付きブロックの前記第２のブロックに対して
なす角度が変化可能となるように前記第２のブロックに
連結されて、前記第２のブロックを介して前記基準部に
連結されたものである。

【００２７】本発明の第９の態様によるプローブ駆動装
置は、前記第７又は第８の態様によるプローブ駆動装置
において、前記拡大機構はその中央部付近で前記ヒンジ
付きブロックにより支持されたものである。

【００２８】この第９の態様によれば、拡大機構がその
中央部付近でヒンジ付きブロックにより支持されている
ので、拡大機構がその端部付近でヒンジ付きブロックに
より支持される場合に比べて、十分な強度で拡大機構を
保持することができる。したがって、プローブが機械的
振動を受け難くなり、高分解能を確保することができ
る。

【００２９】本発明の第１０の態様によるプローブ駆動
装置は、第１の伸縮方向に伸縮可能な第１の圧電駆動部
材と、第２の伸縮方向に伸縮可能な第２の圧電駆動部材
と、第３の伸縮方向に伸縮可能な第３の圧電駆動部材と
を備え、前記第１乃至第３の圧電駆動部材の伸縮によっ
てプローブを３次元的に移動させるプローブ駆動装置に
おいて、前記第１の圧電駆動部材が取り付けられ第１の
基準部及び第１の拡大変位部を有する第１の拡大機構で
あって、前記第１の拡大変位部が前記第１の圧電駆動部
材の伸縮に従って前記第１の基準部に対して前記第１の
圧電駆動部材の伸縮量より大きい変位量で変位し、前記
第１の基準部に対する前記第１の拡大変位部の変位方向
が前記第１の基準部に対する所定方向に実質的に規制さ
れる第１の拡大機構と、前記第２の圧電駆動部材が取り
付けられ第２の基準部及び第２の拡大変位部を有する第
２の拡大機構であって、前記第２の拡大変位部が前記第
２の圧電駆動部材の伸縮に従って前記第２の基準部に対
して前記第２の圧電駆動部材の伸縮量より大きい変位量
で所定方向に変位する第２の拡大機構と、を更に備え、
前記第１の基準部は、支持基材に対して前記第１の拡大
変位部の変位方向を含む所定平面内において回動可能と
なるとともに他の動きが実質的に規制されるように、前
記支持基材に連結され、前記第１の基準部は、前記第２
の拡大変位部の変位に従って前記前記回動が行われ、前
記第３の圧電駆動部材の前記第３の伸縮方向の一端は、
前記第３の伸縮方向が前記所定平面と交差する方向とな
るように、前記第１の拡大変位部に対して固定され、前
記第３の圧電駆動部材の前記第３の伸縮方向の他端に対
して前記プローブが固定されたものである。

【００３０】前述した第５の態様では、第２の圧電駆動
部材の伸縮が予め拡大されることなく第１の圧電駆動部
材に対して設けられた拡大機構の基準部に伝えられる
が、この第１０の態様では、第１及び第２の圧電駆動部
材の両方に対してそれぞれ拡大機構が設けられ、第２の
圧電駆動部材の伸縮が第２の圧電駆動部材に対して設け
られた拡大機構（第２の拡大機構）によって予め拡大さ
れた後に第１の圧電駆動部材に対して設けられた拡大機
構（第１の拡大機構）の基準部に伝えられる。

【００３１】本発明の第１１の態様による走査型プロー
ブ顕微鏡は、前記第１乃至第１０のいずれかの態様によ
るプローブ駆動装置を備えたものである。

【００３２】本発明の第１２の態様による走査型プロー
ブ顕微鏡は、前記第４乃至第９のいずれかの態様による
プローブ駆動装置を備えた走査型プローブ顕微鏡であっ
て、前記プローブはカンチレバーであり、前記カンチレ
バーの撓みを検出する撓み検出手段を更に備え、前記撓
み検出手段は、前記支持基材に対して固定され前記カン
チレバーの梁部に照射するための照射光を発する光源
と、前記支持基材に対して固定され複数の分割された受
光面を有し前記カンチレバーからの反射光を受光する光
検出器と、前記照射光及び前記反射光を導く導光手段
と、を有し、前記導光手段は、前記基準部に対して固定
された第１の光路変換部材と、前記拡大変位部に対して
固定された第２の光路変換部材とを備え、前記光源から
の前記照射光が前記第１及び第２の光路変換部材を順次
経て前記カンチレバーの前記梁部に略垂直に照射される
とともに、前記カンチレバーからの前記反射光が当該経
路と逆の経路を経て前記光検出器に受光されるように、
前記第１及び第２の光路変換部材が配置され、前記第１
の光路変換部材が、前記基準部の前記支持基材に対する
前記回動の前記中心線の付近に配置されたものである。

【００３３】この第１２の態様によれば、前記第４乃至
第９の態様によるプローブ駆動装置を採用することを前
提とした上で、このような導光手段が採用されているの
で、照射光がカンチレバーの移動に実質的に追従してカ
ンチレバーを照射することになり、走査範囲が従来に比
べて拡大されてもプローブとしてのカンチレバーに照射
光を適切に照射することができる。

【００３４】本発明の第１３の態様による走査型プロー
ブ顕微鏡は、前記第１２の態様による走査型プローブ顕
微鏡において、前記拡大変位部が前記拡大機構の一方端
部に位置し、前記基準部の前記支持基材に対する前記回
動の前記中心線が、前記拡大機構における他方端部に対
する前記拡大変位部寄りの位置を通るものである。

【００３５】この第１３の態様によれば、基準部の支持
基材に対する回動の中心線が拡大機構における他方端部
に対する前記拡大変位部寄りの位置を通るので、この中
心線が前記他方端部付近の位置を通る場合に比べて、前
記第１の光路変換部材をカンチレバーに近い位置に配置
することになる。したがって、第１の光路変換部材から
カンチレバーまでの光路を短くすることができ、ひいて
は、照射光をカンチレバー上に集光する集光レンズとし
て焦点距離の短いレンズを用いることができる。その結
果、カンチレバー上に形成されるスポットを十分に小さ
くすることができ、カンチレバーの移動に対する照射光
の追従の程度が必ずしも十分でない場合であっても、照
射光がカンチレバーからはみ出すようなことがなく、カ
ンチレバーに照射光を適切に照射することができる。

【００３６】本発明の第１４の態様による走査型プロー
ブ顕微鏡は、第１の方向に駆動可能な第１の駆動部材
と、第２の方向に駆動可能な第２の駆動部材と、第３の
方向に駆動可能な第３の駆動部材とを備え、前記第１の
駆動部材の固定端は前記第１の駆動部材が所定平面内に
おいて回動可能となるように支持基材に連結され、前記
第１の駆動部材は前記第２の駆動部材の駆動により前記
回動が行われ、前記第３の駆動部材の固定端が、前記第
３の方向が前記所定平面と交差する方向となるように、
前記第１の駆動部材の自由端に対して固定され、前記第
３の駆動部材の自由端に対してカンチレバーが固定され
るプローブ駆動装置を備えた走査型プローブ顕微鏡にお
いて、前記カンチレバーの撓みを検出する撓み検出手段
を更に備え、前記撓み検出手段は、前記支持基材に対し
て固定され前記カンチレバーの梁部に照射するための照
射光を発する光源と、前記支持基材に対して固定され複
数の分割された受光面を有し前記カンチレバーからの反
射光を受光する光検出器と、前記照射光及び前記反射光
を導く導光手段と、を有し、前記導光手段は、前記第１
の駆動部材の前記固定端に対して固定された第１の光路
変換部材と、前記第１の駆動部材の前記自由端に対して
固定された第２の光路変換部材とを備え、前記光源から
の前記照射光が前記第１及び第２の光路変換部材を順次
経て前記カンチレバーの前記梁部に照射されるととも
に、前記カンチレバーからの前記反射光が当該経路と逆
の経路を経て前記光検出器に受光されるように、前記第
１及び第２の光路変換部材が配置され、前記第１の光路
変換部材が、前記第１の駆動部材の前記回動の中心線に
近接して当該中心線に対する前記第１の駆動部材の前記
自由端の側に配置されたものである。

【００３７】この第１４の態様によれば、このような導
光手段が採用されているので、照射光がカンチレバーの
移動に実質的に追従してカンチレバーを照射することに
なり、プローブとしてのカンチレバーに照射光を適切に
照射することができる。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるプローブ駆動
装置及びこれを用いた走査型プローブ顕微鏡について、
図面を参照して説明する。

【００３９】図１は、本発明の一実施の形態によるプロ
ーブ駆動装置を示す斜視図である。図２は、本実施の形
態によるプローブ駆動装置を示す分解斜視図である。な
お、説明の便宜上、図１及び図２に示すように、互いに
直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸を定義する。

【００４０】本実施の形態によるプローブ駆動装置は、
図１及び図２に示すように、支持基材２０と、第１の伸
縮方向（図１及び図２に示す状態では、Ｘ方向と一致し
ている。）に伸縮可能な第１の圧電駆動部材２１と、第
２の伸縮方向（図１及び図２に示す状態では、Ｙ方向と
一致している。）に伸縮可能な第２の圧電駆動部材２２
と、第３の伸縮方向（図１及び図２に示す状態では、Ｚ
方向と一致している。）に伸縮可能な第３の圧電駆動部
材２３とを備え、圧電駆動部材２１，２２，２３の伸縮
によってプローブ２４を３次元的に移動させる。

【００４１】支持基材２０は、互いに直交する２つの
面、すなわち、ＸＺ平面と一致した内側の面２０ａ及び
ＸＹ平面と一致した下向きの面２０ｂを持っている。

【００４２】本実施の形態では、第１の圧電駆動部材２
１は、図２に示すように、複数の板状の圧電素子を積層
してなる積層型圧電体からなる。その積層方向は、図２
におけるＸ方向である。個々の圧電素子は、積層方向か
ら見て、積層された各圧電素子の両側にそれぞれ図示し
ていない電極を設けている。そして、それぞれの電極に
は、図示していない電源から駆動電圧が印加され、これ
により理想的には前記圧電素子の積層方向（Ｙ方向）に
伸縮する。この理想的に伸縮する方向が前記第１の伸縮
方向であり、本実施の形態では積層方向である。もっと
も、実際には、圧電駆動部材２１が何らの規制を受けな
いで伸縮する方向は、この伸縮方向からずれることがあ
る。

【００４３】また、第２及び第３の圧電駆動部材２２，
２３も、第１の圧電駆動部材２１と同様の積層型圧電体
からなり、第１の圧電駆動部材２１と同様の方法で駆動
される。第２の圧電駆動部材２２の積層方向はＹ方向で
あり、第３の圧電駆動部材２３の積層方向はＺ方向であ
る。

【００４４】図２に示すように、第１の圧電駆動部材２
１は、拡大機構２５に取り付けられている。拡大機構２
５は、基準部２６及び拡大変位部２７を有している。本
実施の形態では、拡大変位部２７は、拡大機構２５のＸ
方向の一方端部に位置している。拡大変位部２７は第１
の圧電駆動部材２１の伸縮に従って基準部２６に対して
第１の圧電駆動部材２１の伸縮量より大きい変位量で変
位し、基準部２６に対する拡大変位部２７の変位方向が
基準部２６に対する所定方向（図２に示す状態では、Ｘ
方向）に実質的に規制されるようになっている。本実施
の形態では、拡大機構２５は、金属板、例えば、剛性の
高い金属であるステンレスからなる板に、第１の圧電駆
動部材２１を配置するスペース２８及び溝２９を例えば
ワイヤーカット法により形成した構造を有している。ス
ペース２８及び溝２９は、ステンレス板の表裏に貫通し
ている。拡大機構２５には、ステンレス板にスペース２
８及び溝２９が形成されることによって、第１の圧電駆
動部材２１おける第１の伸縮方向（Ｘ方向）の中心線の
両側にそれぞれ当該中心線に対して対称に形成された１
段の機械的てこ構造が作り込まれている。なお、第１の
圧電駆動部材２１の伸縮方向と拡大変位部２７の変位方
向とは一致している。図２において、３０ａは当該機械
的てこの力点、３０ｂは当該機械的てこの支点、３０ｃ
は当該機械的てこの作用点である。まず圧電駆動部材２
１が伸びると、拡大機構２５の原理である機械的てこの
力点３０ａの部分が矢印１００の向きに外側に押し出さ
れる。その動きによりてこ部３１は支点３０ｂを中心に
回転運動をし、矢印１０１の向きに、作用点３０ｃをＸ
方向に押す。この場合の拡大率は、支点３０ｂと力点３
０ａとの間の距離と、支点３０ｂと作用点３０ｃとの間
の距離との比である。図２中のＹ軸を中心に正確に左右
対称にワイヤーカット法により機械的てこが作り込まれ
ているため、拡大変位部２７の変位の水平方向の軸ずれ
は、第１の圧電駆動部材２１単体の変位の場合と比べ極
めて小さい。更にプランジャー３２等により基準部２６
の側面を両側からかしめるようにすると、基準部２６の
側面を習い面として変位させることができ、より直進性
が出る。なお、図２中、３３はプランジャー３２が螺合
されるネジ穴である。また、ステンレス板の厚みが比較
的厚いので、構造上、拡大変位部２７の変位のＺ軸方向
の軸ずれは起こりにくく、やはり圧電駆動部材２１単体
の変位と比べ直進性は極めて高い。この拡大機構２５を
使うことにより広い範囲を湾曲なく走査できる。

【００４５】拡大機構２５の他の例を図３に示す。図３
は、拡大機構２５の他の例を示す概略平面図である。図
３において、図１及び図２に示す拡大機構２５と対応す
る要素には同一符号を付している。図３に示す拡大機構
２５は、機械的てこを３段階にして拡大変位部２７の駆
動範囲を５０μｍとしたものであり、他の点は図１及び
図２に示す拡大機構２５と同様である。図３中、４１
ａ，４１ｂ，４１ｃがそれぞれ第１段階の機械的てこの
力点、支点及び作用点であり、４２ａ，４２ｂ，４３ａ
が第２段階の機械的てこの力点、支点、作用点であり、
４３ａ，４３ｂ，４３ｃが第３段階の機械的てこの力
点、支点、作用点である。

【００４６】再び図１及び図２を参照すると、拡大機構
２５の基準部２６は、支持基材２０に対して拡大変位部
２７の変位方向（Ｘ方向）を含む所定平面（ＸＹ平面）
内において回動可能となるとともに他の動きが実質的に
規制されるように、支持基材２０に連結されている。本
実施の形態では、基準部２６は、ヒンジ付きブロック５
１を介して支持基材２０に連結されている。ヒンジ付き
ブロック５１は、第１のブロック５１ａと、該第１のブ
ロック５１ａに対して前記所定平面（ＸＹ平面）内にお
いて屈曲可能なヒンジ５１ｂを介して連結された第２の
ブロック５１ｃとを有する。第１のブロック５１ａは、
ネジ５２ａにて支持基材２０の下側の面に固定されてい
る。基準部２６は、ネジ５２ｂにて第２のブロック５１
ｃの下側に固定されている。したがって、基準部２６
は、第２のブロック５１ｃと一体となって、ヒンジ５１
ｂの中心を通ってＺ方向に延びる中心線（図示せず）の
回りに、ＸＹ平面内において回動可能となっており、ヒ
ンジ５１ｂによって他の動きが規制されることになる。
また、本実施の形態では、前述したように基準部２６が
第２のブロック５１ｃに固定されることによって、拡大
機構２５はその中央部付近でヒンジ付きブロック５１
（特に、その第２のブロック５１ｃ）により支持されて
いる。

【００４７】拡大変位部２７には、前記第３の圧電駆動
部材２３の前記第３の伸縮方向（図１及び図２では、Ｚ
方向）の一端（上端）が、前記第３の伸縮方向がＺ方向
となるように、ブロック５２を介して固定されている。
第３の圧電駆動部材２３の前記第３の伸縮方向の他端
（下端）には、前記プローブ２４が図示しないホルダー
を介して取り外し自在に固定されている。

【００４８】前記第２の圧電駆動部材２２の前記第２の
伸縮方向（図１及び図２に示す状態では、Ｙ方向）の両
端は、前記第２の伸縮方向が前記所定平面（ＸＹ平面）
と略平行となるとともに拡大変位部２７の変位方向（図
１及び図２に示す状態ではＸ方向）と異なる方向（図１
及び図２に示す状態ではＹ方向）となるように、支持基
材２０及び基準部２６にそれぞれ連結されている。第２
の圧電駆動部材２２の前記第２の伸縮方向の一端は、前
記第２の伸縮方向（すなわち、本実施の形態では積層方
向）が支持基材２０に対してなす角度が変化可能となる
ように支持基材２８に連結されている。本実施の形態で
は、具体的には、当該一端はＸＹ平面内において屈曲可
能なヒンジ５３を介して支持基材２０の面２０ａに固定
されている。このため、本実施の形態では、第２の圧電
駆動部材２２の第２の伸縮方向（積層方向が支持基材２
０に対してなす角度は、ＸＹ平面内においてのみ変化可
能となっている。もっとも、例えばヒンジ５３の中央部
をＸ方向の厚みを薄くするのみならずＹ方向の厚みも薄
くしてあらゆる方向に屈曲可能（この場合、もはやヒン
ジとは言えない）にしておき、前記角度の変化が一平面
に限定されないようにしてもよい。また、第２の圧電駆
動部材２２の前記第２の伸縮方向の他端は、前記第２の
伸縮方向が基準部２６に対してなす角度が変化可能とな
るように前記基準部に連結されている。本実施の形態で
は、具体的には、第２の圧電駆動部材２２の前記第２の
伸縮方向の他端は、前記第２の伸縮方向がヒンジ付きブ
ロック５１の第２のブロック５１ｃに対してなす角度が
変化可能となるようにヒンジ５４を介して第２のブロッ
ク５１ｃに連結されて、第２のブロック５１ｃを介して
基準部２６に連結されている。もっとも、例えばヒンジ
５４の中央部を図１及び図２中のＸ方向の厚みを薄くす
るのみならずＹ方向の厚みも薄くしてあらゆる方向に屈
曲可能（この場合、もはやヒンジとは言えない）にして
おき、前記角度の変化が一平面に限定されないようにし
てもよい。

【００４９】また、基準部２６の支持基材２８に対する
回動の中心線（本実施の形態では、ヒンジ５１ｂの中心
を通ってＺ方向に延びる中心線）と第２の圧電駆動部材
２２の伸縮が基準部２６の前記回動に対して作用する力
点（本実施の形態では、ヒンジ５４の中心）との間の距
離は、基準部２６の前記回動の前記中心線とプローブ２
４との間の距離より小さくされている。すなわち、本実
施の形態では、後述するように両者の距離の比は２：５
とされている。もっとも、本発明では、両者の距離を同
一にしてもよい。

【００５０】次に、主としてＹ方向の走査を行なう前記
第２の圧電駆動部材２２の動作について、説明する。前
述したように、第２の圧電駆動部材２２は、ヒンジ５３
を介して支持基材２０の内側の面２０ａにフレキシブル
に固定され、ヒンジ５４を介しヒンジ付きブロック５１
の第２のブロック５１ｃにフレキシブルに固定されてい
る。圧電駆動部材２２が力を出して変位すると、その力
はヒンジ５４を介してヒンジ付きブロック５１の第２の
ブロック５１ｃの側面に伝わる。側面に加わった力によ
りヒンジ付きブロック５１の第２のブロック５１ｃはヒ
ンジ５１ｂを中心にＹ軸方向に傾く。その傾くヒンジ付
きブロック５１の第２のブロック５１ｃと共に拡大機構
２５も傾き、その拡大変位部２７に固定されているプロ
ーブ２４もＹ軸方向に駆動される。ここで、本実施の形
態では、支点であるヒンジ付きブロック５１のヒンジ５
１ｂの中心から力点であるヒンジ５４までの距離と、支
点から作用点であるプローブ２４までの距離との比が、
２：５になっている。そのため、第２の圧電駆動部材２
２の変位を２．５倍に拡大している。本実施の形態で
は、第２の圧電駆動部材２２に２０μｍ変位のものを使
ったため、実際のＹ軸方向の走査領域は５０μｍであ
る。変位の小さい積層型圧電体は、直進性に優れてい
る。このように変位の小さい圧電駆動部材２２を使うこ
とができ、プローブは水平に走査される。さらに、Ｙ方
向のプローブ２４の動きはヒンジ付きブロック５１のヒ
ンジ５１ｂによりＸＹ平面内に制限される。さらに、第
２の圧電駆動部材２の変位は、ヒンジ５４を介して間接
的にヒンジ付きブロック５１に伝わるため、たとえ第２
の圧電駆動部材２２の直進性にずれがあっても、影響は
更に軽減される。

【００５１】なお、図１中、６０は試料であり、該試料
６０の表面はＸＹ平面と一致している。

【００５２】本実施の形態によるプローブ駆動装置で
は、Ｘ軸方向用の圧電駆動部材２１に対して拡大機構２
５を用いているため、Ｘ軸方向の駆動は積層型圧電体単
体の駆動と比べ直進性は極めて高い。また、Ｙ軸方向用
の圧電駆動部材２２には直進性の高い変位の小さい積層
型圧電体を用い、その変位を２．５倍に拡大して使って
いる。また、Ｙ方向のプローブ２４の動きはヒンジ付き
ブロック５１のヒンジ５１ｂによりＸＹ平面内に制限さ
れる。さらに、第２の圧電駆動部材２２の変位はヒンジ
５４を介し間接的にヒンジ付きブロック５１に伝わるた
め、第２の圧電駆動部材２２の直進性のずれの影響はさ
らに軽減される。このように、本実施の形態による圧電
体駆動装置によれば、広い範囲を湾曲なく走査できる。

【００５３】次に、前述した図１及び図２に示すプロー
ブ駆動装置を用いて構成した走査型プローブ顕微鏡とし
ての原子間力顕微鏡の例について、図４を参照して説明
する。図４は、この原子間力顕微鏡の概略構成を示す斜
視図である。なお、理解を容易にするため、図４におい
て、本来隠れ線（破線）となるべき部分の一部について
も、実線で示している。

【００５４】この原子間力顕微鏡では、支持基材２０の
下側には前述した図１及び図２に示すプローブ駆動装置
が取り付けられている。支持基材２０は２本のマイクロ
メーター６１と１本の差動マイクロメータ６３により支
持されている。試料（図４では図示せず）とプローブと
してのカンチレバー２４との間隔は、マイクロメータ６
１と、差動マイクロメータ６３の粗動ツマミ６３ｂによ
り予め調整される。プローブ２４と試料との間隔の微調
整は、ステッピングモータ６２を駆動することよりコン
トロールされる。粗動ツマミ６３ｂで粗動調整が終了し
たら、ストッパー６４で差動マイクロメータ６３の粗動
ツマミ６３ｂをロックする。そして、ステッピングモー
タ６２のシャフトは差動マイクロメータ６３の微動ツマ
ミ６３ａに圧着されているので、試料とプローブ２４と
の間隔を微調整する際には、ステッピングモータ６２を
駆動することにより、差動マイクロメータ６３が微動さ
れる。このようにして、プローブ２４と試料との間隔を
調整する。

【００５５】また、この原子間力顕微鏡では、図４に示
すように、カンチレバー２４の撓みを検出する光てこ法
による撓み検出手段の大部分を構成する光学素子が、支
持基材２０に対して設置されている。まず、光源として
の半導体レーザーダイオード７１はレーザーダイオード
支持体７２に固定され、支持基材２０上に配置されてい
る。ポジションセンサー（４分割フォトディテクタ等の
光検出器）７３は、メカニカルステージ７４に固定され
ている。レーザー光の光軸調整のための反射鏡７５がマ
イクロメータ７６により角度を調整可能に支持基材２０
上に配置されている。また、ヒンジ付きブロック５１の
第２のブロック５１ｃ上には、第１の光路変換部材とし
ての反射鏡７７が設けられ、反射鏡７７がブロック５１
ｃを介して基準部２６に対して固定されている。なお、
図１及び図２に示すように、第２のブロック５１ｃに
は、この反射鏡７７を設置するための斜面５８が形成さ
れている。また、図４に示すように、第２の光路変換部
材としての反射鏡７８が反射鏡支持体７９に固定されて
おり、反射鏡支持体７９はネジ（図示せず）にてブロッ
ク５２に固定されひいては前記拡大変位部２７に対して
固定されている。レーザーダイオード支持体７２と反射
鏡７４との間に配置されたコリメートレンズ８０（図４
では省略。後述する図５を参照）、スリット８１（図４
では省略。後述する図５を参照）、偏光ビームスプリッ
タ８２及び１／４波長板８３は、支持基材２０に対して
固定されている。反射鏡７５と反射鏡７７との間に配置
された集光レンズ８４も、支持基材２０に対して固定さ
れている。

【００５６】次に、光てこ法によりカンチレバーの撓み
を測定するレーザー光がカンチレバー２４にいかに照射
されるかを説明する。半導体レーザーダイオード７１か
ら出たレーザー光は、コリメートレンズ８０、スリット
８１、偏光ビームスプリッタ８２及び１／４波長板８３
を通過して反射鏡７５に入射される。そして反射鏡７５
に入射された光はほぼＺ方向に反射され、反射鏡７７に
入射する。この反射鏡７７は、半導体レーザーダイオー
ド７１からの光をＹ方向に反射する。反射鏡７７は、ヒ
ンジ付きブロック５１のヒンジ５１ｂの中心近くに配置
され第２のブロック５１ｃ及び基準部２６に対して固定
されている。このようにすることで、ヒンジ５１ｂが第
２の圧電駆動部材２２の伸縮変化によって屈曲するとき
に、その屈曲した角度と同じく、反射鏡７７の反射面も
同じ角度変化するようになっている。反射鏡７８は、第
１の反射鏡７７から反射された光を、カンチレバー２４
上に照射する。カンチレバー２４の背面により反射され
たレーザー光は、前述した経路と逆の経路を辿って偏光
ビームスプリッタ８２に戻り、該偏光ビームスプリッタ
８２にて反射されて、ポジションセンサー７３に入射す
る。このように、半導体レーザーダイオード７１からの
光を受光する第１の反射鏡７７をヒンジ５１ｂの屈曲す
る中心の近くに（すなわち、基準部２６の支持基材２０
に対する回動の中心線の付近に）配置し、反射鏡７８を
拡大機構２５の拡大変位部２７に対して固定したこと
で、各圧電駆動部材２１，２２，２３が駆動してカンチ
レバー２４の位置が変わっても、常にカンチレバー２４
に半導体レーザーダイオード７１の光を照射させ、かつ
カンチレバー７からの反射光をポジションセンサー７３
で受光できる。以上の説明からわかるように、反射鏡７
５，７７，７８は、前記プローブ駆動装置によるカンチ
レバー２４の移動にかかわらず、カンチレバー２４への
照射光の光軸が実質的に変わらないとともに、カンチレ
バー２４の撓み量が一定である場合にカンチレバー２４
からの反射光の前記光検出器における受光位置が実質的
に変わらないように、前記照射光及び前記反射光を導く
導光手段を構成している。

【００５７】次に、図５を参照して、光てこ法によるカ
ンチレバーの撓み（変位）検出の光学系を詳しく説明す
る。なお、図５では、理解を容易にするため、反射鏡７
５，７７，７８は省略し、これらによって光軸は曲げら
れないものとしている。まず、半導体レーザーダイオー
ド７１から出た光は、コリメートレンズ８０によって平
行光束にされる。そしてスリット８１により平行光束の
周辺の光強度の弱い部分がカットされ、中心部の光強度
の強い平行光束のみ偏光ビームスプリッタ８２に照射さ
れる。ここで、半導体レーザーダイオード７１から放射
される光を偏光ビームスプリッタ８２に対しｐ偏光の向
きに合わせておくことにより、レーザー光は偏光ビーム
スプリッタ８２を透過する。そして、偏光ビームスプリ
ッタ８２を透過して射出した光は、１／４波長板８３を
透過し、レーザー光の直線偏光は円偏光に変わる。そし
て、円偏光に変化した光は、集光レンズ８４により集光
されて、カンチレバー２４に照射される。カンチレバー
２４に照射された光はカンチレバー２４の撓み量により
光軸が変化して反射される。そして、反射された光は、
集光レンズ８４を通過し、１／４波長板８３でｓ偏光に
変化する。そして、ｓ偏光に変化した光は、偏光ビーム
スプリッタ８２にて照射され、偏光ビームスプリッタ８
２に形成された薄膜により入射した光軸に対して異なる
方向に反射される。そして、その反射された光は４分割
に受光面が分割されたポジションセンサー７３に入射す
る。

【００５８】ここで、カンチレバー２４の背面に集光さ
れるレーザー光のスポット径について考える。カンチレ
バー２４は、微小な力の変化により角度が大きく変化す
るように微細に作製されている。そのため、カンチレバ
ー２４の背面の反射面も例えば５０μｍ角程度の大きさ
しかない。したがって、光てこ法に使うレーザー光はそ
の大きさと同程度の大きさに集光されなければならな
い。もし、集光されたスポットがカンチレバー２４の背
面より大きいと、レーザー光の一部は反射面からはみ出
てしまい、反射しない。そのため、ポジションセンサー
７３に入射する光量が減り、感度が下がる。

【００５９】集光されるレーザー光のスポット径は、次
の２つの要素により決まる。その第１の要素は、当該光
学系の開口数ＮＡに関係している。開口のエッジにより
レーザー光は回折しシャープに結像しない。これはレー
リーの回折限界の式により与えられる。第２の要素は当
該光学系の倍率である。前述したように、図５には本実
施の形態において用いた光てこ式変位検出系を示してい
る。この光てこ式変位検出系では、２枚のレンズ８０，
８４により半導体レーザー７１の出射端の像がカンチレ
バー４の背面に光学系の倍率で転写される。この倍率
は、コリメートレンズの焦点距離をｆ１、集光レンズの
焦点距離をｆ２とすると、ｆ２／ｆ１により与えられ
る。よって、カンチレバー４の背面に集光されるスポッ
ト径Ｄは、以下の式で与えられる。

【００６０】 Ｄ＝λ／（２・ＮＡ） ＋ ｄ・（ｆ２／ｆ１） ただし、λはレーザー光の波長、ｄはレーザーダイオー
ド７１の出射端の径を示す。

【００６１】次に、スポット径Ｄを小さくする方法を前
述した２つの要素毎に考える。まずレーリーの回折限界
の式から、開口数ＮＡを大きくすることによりスポット
径Ｄを小さくできる。開口数を大きくするにはスリット
８１の直径を大きくすれば良い。しかし、スリット８１
の直径を大きくすると、レーザーの平行光束がポジショ
ンセンサー７３の受光面からはみ出てしまい、カンチレ
バー２４の変位（撓み）を検出できなくなる。本実施の
形態では、ポジションセンサー７１の受光面は３×３ｍ
ｍであり、スリット８１の直径を２ｍｍとした。つぎに
スポット径Ｄを小さくする方法は、光学系の倍率ｆ２／
ｆ１を小さくすることである。つまりｆ１を大きくする
か、ｆ２を小さくするかである。ここで、ｆ１を大きく
すると、レーザーダイオード７１からの光が、スリット
８１を通過する立体角が小さくなり、ポジションセンサ
ー７３に入射するレーザー光が弱くなり、感度が落ち
る。最終的に、ｆ２を小さくするのがスポット径Ｄを小
さくする唯一の方法となる。本実施の形態では、基準部
２６の支持基材２８に対する回動の中心線（本実施の形
態では、ヒンジ５１ｂの中心を通ってＺ方向に延びる中
心線）を、拡大機構２５における中央部付近を通るよう
に設定し、その中心線の付近に反射鏡７７を配置してい
る。このため、当該中心線を拡大機構２５における拡大
変位部２７と反対側の端部を通るように設定する場合に
比べて、ｆ２を小さくできる。今回の実施の形態ではｆ
１＝２０ｍｍ、ｆ２＝５０ｍｍとした。ここで、本実施
の形態でのスポット径Ｄを求めてみると、本実施の形態
で用いたレーザーダイオード３１の出射端の大きさｄは
１０μｍであり、波長λは６８５ｎｍであるので、Ｄ＝
４２μｍとなる。この程度の大きさならカンチレバーの
裏面で反射させるには十分小さい大きさとすることがで
きる。

【００６２】このように、本実施の形態では、広域を走
査するために駆動装置を大きくすると、カンチレバー２
４に集光するレーザースポットの径Ｄが大きくなりがち
であるが、それを従来程度の大きさにとどめ、分解能の
低下を防いでいる。

【００６３】さらに、本実施の形態では、拡大機構２５
をその中央部でヒンジ付きブロック５１により支えるこ
とにより、拡大機構２５を拡大変位部２７と反対側の端
を固定するより一層強固に拡大機構２５を保持できる。
原子間力顕微鏡は、Ｚ方向にオングストロームの分解能
があり、機械的振動を受けやすい構造だと、高分解能観
察ができない。本実施の形態の場合、拡大機構２５の拡
大変位部２７にはカンチレバー２４が設けられているた
め、もし拡大機構２５が機械的振動を受けると、カンチ
レバー２４も振動してしまい分解能が悪くなってしま
う。本実施の形態のように、拡大機構２５をヒンジ付き
ブロック５１により中央部で支えることにより、オング
ストロームの分解能を出すに十分な強度で、拡大機構２
５を保持できる。

【００６４】このように、広域を走査するために駆動装
置を大きくすると、機械的強度が低くなりがちである
が、本実施の形態によれば、拡大機構２５を中央部で支
えることにより、オングストロームの分解能を出すに十
分な機械的強度の駆動装置を実現できる。

【００６５】次に、本発明によるプローブ駆動装置の他
の実施の形態について、図６を参照して説明する。図６
は、本実施の形態によるプローブ駆動装置の要部を示す
分解斜視図である。図６において、図１及び図２中の要
素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その説
明は省略する。

【００６６】本実施の形態によるプローブ駆動装置が前
述した図１及び図２に示すプローブ駆動装置と基本的に
異なる所は、図１及び図２に示すプローブ駆動装置にお
いて、第２の圧電駆動部材に対して拡大機構２５と同様
に構成された拡大機構９０を用いた点のみである。拡大
機構９０の拡大変位部２７は、ヒンジ５４を介してヒン
ジ付きブロック５１の第２のブロック５１ｃに連結され
ている。ヒンジ５３を用いる代わりに、ヒンジ付きブロ
ック５１と同様に構成されたヒンジ付きブロック９１が
用いられている。ヒンジ付きブロック９１の第２のブロ
ック５１ｃが拡大機構９０の基準部２６に対して固定さ
れる。ヒンジ付きブロック９１の第１のブロック５１ａ
は、図６には示していないが、支持基材２０に対して固
定される。

【００６７】図６に示すプローブ駆動装置によっても、
図１及び図２に示すプローブ駆動装置と同様の利点が得
られる。

【００６８】以上、本発明の各実施の形態について説明
したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるもの
ではない。

【００６９】例えば、本発明によるプローブ駆動装置
は、原子間力顕微鏡のみならず、他の種々の走査型プロ
ーブ顕微鏡において用いることができる。

【００７０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
試料表面に対して直交する方向の機械的共振周波数を高
くして高速に走査を行うことができ、しかも、広域を走
査できるにもかかわらず得られた像面の湾曲の軽減を図
ることができる。

【００７１】また、本発明によれば、プローブが受ける
機械的振動を軽減して十分な分解能を確保することがで
きる。

【００７２】さらに、走査範囲が従来に比べて拡大され
てもプローブとしてのカンチレバーに照射光を適切に照
射することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態によるプローブ駆動装置
を示す斜視図である。

【図２】図１に示すプローブ駆動装置を示す分解斜視図
である。

【図３】拡大機構の一例を示す概略平面図である。

【図４】図１及び図２に示すプローブ駆動装置を用いた
原子間力顕微鏡の概略構成を示す斜視図である。

【図５】光てこ式変位検出系一例を示す概略構成図であ
る。

【図６】本発明の他の実施の形態によるプローブ駆動装
置の要部を示す分解斜視図である。

【図７】従来のチューブ型駆動装置の一例を示す図であ
り、図７（ａ）はその斜視図、図７（ａ）は当該チュー
ブ型駆動装置を用いて得た像の様子を模式的に示す図で
ある。

【図８】従来のトライポッド型駆動装置の一例を示す斜
視図である。

【符号の説明】

２０ 支持基材 ２１ 第１の圧電駆動部材（Ｘ方向の圧電駆動部材） ２２ 第２の圧電駆動部材（Ｙ方向の圧電駆動部材） ２３ 第３の圧電駆動部材（Ｚ方向の圧電駆動部材） ２４ プローブ（カンチレバー） ２５ 拡大機構 ２６ 基準部 ２７ 拡大変位部 ３２ プランジャー ５１ ヒンジ付きブロック ５３，５４ ヒンジ ６０ 試料 ６１ マイクロメータ ６２ ステッピングモータ ６３ 差動マイクロメータ ６４ ストッパー ７１ レーザーダイオード ７３ ポジションセンサー ７４ メカニカルステージ ７５ 反射鏡 ７７ 反射鏡（第１の光路変換部材） ７８ 反射鏡（第２の光路変換部材） ７９ レーザーダイオード支持体 ８０ コリメータレンズ ８１ スリット ８２ 偏光ビームスプリッタ ８３ １／４波長板 ８４ 集光レンズ

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の伸縮方向に伸縮可能な第１の圧電
   駆動部材と、第２の伸縮方向に伸縮可能な第２の圧電駆
   動部材と、第３の伸縮方向に伸縮可能な第３の圧電駆動
   部材とを備え、前記第１乃至第３の圧電駆動部材の伸縮
   によってプローブを３次元的に移動させるプローブ駆動
   装置において、 前記第１の圧電駆動部材が取り付けられ基準部及び拡大
   変位部を有する拡大機構であって、前記拡大変位部が前
   記第１の圧電駆動部材の伸縮に従って前記基準部に対し
   て前記第１の圧電駆動部材の伸縮量より大きい変位量で
   変位し、前記基準部に対する前記拡大変位部の変位方向
   が前記基準部に対する所定方向に実質的に規制される拡
   大機構を備えたことを特徴とするプローブ駆動装置。
2. 【請求項２】 前記第１の伸縮方向と前記拡大変位部の
   変位方向とが一致し、前記拡大機構は、前記第１の圧電
   駆動部材おける前記第１の伸縮方向の中心線の両側にそ
   れぞれ当該中心線に対して対称に形成された１段以上の
   機械的てこ構造を有することを特徴とする請求項１記載
   のプローブ駆動装置。
3. 【請求項３】 前記拡大機構は、前記第１の圧電駆動部
   材を配置するスペースであって表裏に貫通したスペース
   と表裏に貫通した溝が形成された金属板からなることを
   特徴とする請求項１又は２記載のプローブ駆動装置。
4. 【請求項４】 前記基準部は、支持基材に対して前記拡
   大変位部の変位方向を含む所定平面内において回動可能
   となるとともに他の動きが実質的に規制されるように、
   前記支持基材に連結され、 前記基準部は、前記第２の圧電駆動部材の伸縮に従って
   前記回動が行われ、 前記第３の圧電駆動部材の前記第３の伸縮方向の一端
   は、前記第３の伸縮方向が前記所定平面と交差する方向
   となるように、前記拡大変位部に対して固定され、 前記第３の圧電駆動部材の前記第３の伸縮方向の他端に
   対して前記プローブが固定されることを特徴とする請求
   項１乃至３のいずれかに記載のプローブ駆動装置。
5. 【請求項５】 前記第２の圧電駆動部材の前記第２の伸
   縮方向の両端は、前記第２の伸縮方向が前記所定平面と
   略平行となるとともに前記拡大変位部の変位方向と異な
   る方向となるように、前記支持基材及び前記基準部にそ
   れぞれ連結され、 前記第２の圧電駆動部材の前記第２の伸縮方向の前記両
   端のうちの一端は、前記第２の伸縮方向が前記支持基材
   に対してなす角度が変化可能となるように前記支持基材
   に連結され、 前記第２の圧電駆動部材の前記第２の伸縮方向の前記両
   端のうちの他端は、前記第２の伸縮方向が前記基準部に
   対してなす角度が変化可能となるように前記基準部に連
   結されたことを特徴とする請求項４記載のプローブ駆動
   装置。
6. 【請求項６】 前記基準部の前記支持基材に対する回動
   の中心線と前記第２の圧電駆動部材の伸縮が前記基準部
   の前記回動に対して作用する力点との間の距離は、前記
   基準部の前記回動の前記中心線と前記プローブとの間の
   距離より小さいことを特徴とする請求項５記載のプロー
   ブ駆動装置。
7. 【請求項７】 第１のブロックと、該第１のブロックに
   対して前記所定平面内において屈曲可能なヒンジを介し
   て連結された第２のブロックとを有するヒンジ付きブロ
   ックを更に備え、 前記第１のブロックが前記支持基材に固定されるととも
   に前記第２のブロックが前記基準部に固定されて、前記
   基準部が前記ヒンジ付きブロックを介して前記支持基材
   に連結されたことを特徴とする請求項４乃至６のいずれ
   かに記載のプローブ駆動装置。
8. 【請求項８】 第１のブロックと、該第１のブロックに
   対して前記所定平面内において屈曲可能なヒンジを介し
   て連結された第２のブロックとを有するヒンジ付きブロ
   ックを更に備え、 前記第１のブロックが前記支持基材に固定されるととも
   に前記第２のブロックが前記基準部に固定されて、前記
   基準部が前記ヒンジ付きブロックを介して前記支持基材
   に連結され、 前記第２の圧電駆動部材の前記第２の伸縮方向の前記他
   端は、前記第２の伸縮方向が前記ヒンジ付きブロックの
   前記第２のブロックに対してなす角度が変化可能となる
   ように前記第２のブロックに連結されて、前記第２のブ
   ロックを介して前記基準部に連結されたことを特徴とす
   る請求項５又は６記載のプローブ駆動装置。
9. 【請求項９】 前記拡大機構はその中央部付近で前記ヒ
   ンジ付きブロックにより支持されたことを特徴とする請
   求項７又は８記載のプローブ駆動装置。
10. 【請求項１０】 第１の伸縮方向に伸縮可能な第１の圧
    電駆動部材と、第２の伸縮方向に伸縮可能な第２の圧電
    駆動部材と、第３の伸縮方向に伸縮可能な第３の圧電駆
    動部材とを備え、前記第１乃至第３の圧電駆動部材の伸
    縮によってプローブを３次元的に移動させるプローブ駆
    動装置において、 前記第１の圧電駆動部材が取り付けられ第１の基準部及
    び第１の拡大変位部を有する第１の拡大機構であって、
    前記第１の拡大変位部が前記第１の圧電駆動部材の伸縮
    に従って前記第１の基準部に対して前記第１の圧電駆動
    部材の伸縮量より大きい変位量で変位し、前記第１の基
    準部に対する前記第１の拡大変位部の変位方向が前記第
    １の基準部に対する所定方向に実質的に規制される第１
    の拡大機構と、 前記第２の圧電駆動部材が取り付けられ第２の基準部及
    び第２の拡大変位部を有する第２の拡大機構であって、
    前記第２の拡大変位部が前記第２の圧電駆動部材の伸縮
    に従って前記第２の基準部に対して前記第２の圧電駆動
    部材の伸縮量より大きい変位量で所定方向に変位する第
    ２の拡大機構と、 を更に備え、 前記第１の基準部は、支持基材に対して前記第１の拡大
    変位部の変位方向を含む所定平面内において回動可能と
    なるとともに他の動きが実質的に規制されるように、前
    記支持基材に連結され、 前記第１の基準部は、前記第２の拡大変位部の変位に従
    って前記前記回動が行われ、 前記第３の圧電駆動部材の前記第３の伸縮方向の一端
    は、前記第３の伸縮方向が前記所定平面と交差する方向
    となるように、前記第１の拡大変位部に対して固定さ
    れ、 前記第３の圧電駆動部材の前記第３の伸縮方向の他端に
    対して前記プローブが固定されることを特徴とするプロ
    ーブ駆動装置。
11. 【請求項１１】 請求項１乃至１０のいずれかに記載の
    プローブ駆動装置を備えたことを特徴とする走査型プロ
    ーブ顕微鏡。
12. 【請求項１２】 請求項４乃至９のいずれかに記載のプ
    ローブ駆動装置を備えた走査型プローブ顕微鏡であっ
    て、 前記プローブはカンチレバーであり、 前記カンチレバーの撓みを検出する撓み検出手段を更に
    備え、 前記撓み検出手段は、前記支持基材に対して固定され前
    記カンチレバーの梁部に照射するための照射光を発する
    光源と、前記支持基材に対して固定され複数の分割され
    た受光面を有し前記カンチレバーからの反射光を受光す
    る光検出器と、前記照射光及び前記反射光を導く導光手
    段と、を有し、 前記導光手段は、前記基準部に対して固定された第１の
    光路変換部材と、前記拡大変位部に対して固定された第
    ２の光路変換部材とを備え、 前記光源からの前記照射光が前記第１及び第２の光路変
    換部材を順次経て前記カンチレバーの前記梁部に略垂直
    に照射されるとともに、前記カンチレバーからの前記反
    射光が当該経路と逆の経路を経て前記光検出器に受光さ
    れるように、前記第１及び第２の光路変換部材が配置さ
    れ、 前記第１の光路変換部材が、前記基準部の前記支持基材
    に対する前記回動の前記中心線の付近に配置されたこと
    を特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
13. 【請求項１３】 前記拡大変位部が前記拡大機構の一方
    端部に位置し、 前記基準部の前記支持基材に対する前記回動の前記中心
    線が、前記拡大機構における他方端部に対する前記拡大
    変位部寄りの位置を通ることを特徴とする請求項１２記
    載の走査型プローブ顕微鏡。
14. 【請求項１４】 第１の方向に駆動可能な第１の駆動部
    材と、第２の方向に駆動可能な第２の駆動部材と、第３
    の方向に駆動可能な第３の駆動部材とを備え、前記第１
    の駆動部材の固定端は前記第１の駆動部材が所定平面内
    において回動可能となるように支持基材に連結され、前
    記第１の駆動部材は前記第２の駆動部材の駆動により前
    記回動が行われ、前記第３の駆動部材の固定端が、前記
    第３の方向が前記所定平面と交差する方向となるよう
    に、前記第１の駆動部材の自由端に対して固定され、前
    記第３の駆動部材の自由端に対してカンチレバーが固定
    されるプローブ駆動装置を備えた走査型プローブ顕微鏡
    において、 前記カンチレバーの撓みを検出する撓み検出手段を更に
    備え、 前記撓み検出手段は、前記支持基材に対して固定され前
    記カンチレバーの梁部に照射するための照射光を発する
    光源と、前記支持基材に対して固定され複数の分割され
    た受光面を有し前記カンチレバーからの反射光を受光す
    る光検出器と、前記照射光及び前記反射光を導く導光手
    段と、を有し、 前記導光手段は、前記第１の駆動部材の前記固定端に対
    して固定された第１の光路変換部材と、前記第１の駆動
    部材の前記自由端に対して固定された第２の光路変換部
    材とを備え、 前記光源からの前記照射光が前記第１及び第２の光路変
    換部材を順次経て前記カンチレバーの前記梁部に照射さ
    れるとともに、前記カンチレバーからの前記反射光が当
    該経路と逆の経路を経て前記光検出器に受光されるよう
    に、前記第１及び第２の光路変換部材が配置され、 前記第１の光路変換部材が、前記第１の駆動部材の前記
    回動の中心線に近接して当該中心線に対する前記第１の
    駆動部材の前記自由端の側に配置されたことを特徴とす
    る走査型プローブ顕微鏡。