JPH11257936A - 微小回転角センサを用いた装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 共振周波数を大きく、かつ、バネ定数は十分
に小さくしたカンチレバーを持つ記録再生装置等の応用
装置を提供すること。 【解決手段】 光を反射する部分の面積が小さな光てこ
式の記録再生または観察装置であって、半導体レーザか
ら放射されたレーザ光は、コリメータレンズと絞りを通
過後、偏光ビームスプリッタで反射され、対物レンズで
集光されてカンチレバーの表面に入射され、カンチレバ
ーの表面上で反射され、レンズで集光された後、ポジシ
ョンセンサで受光される。前記入射光または反射光のい
ずれかは前記入射光または反射光の光軸と実質的に９０
°異なる光軸を介して入射され、あるいは取り出され
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、微小回転角センサ
を用いた装置に関し、特に光を反射する部分の面積が小
さな物の微小回転を検出するのに適した微小回転角セン
サを用いた装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】G. BinnigによってPhys. Rev. Letters
Vol.58、No.9 pp.930 (1988)に原子間力顕微鏡が提案さ
れて以来、その改良および新しい応用が試みられてき
た。例えば、EP特許公開290648(1988/11/17)では、原子
間力顕微鏡のカンチレバーの変位をトンネル電流により
検出することの欠点を改善するために容量あるいは光干
渉により検出する方法に変更することが提案されてい
る。さらに、光干渉による検出の欠点を改善するため
に、Appl. Phys. Lett. 53(12), 19 September 1988 p
p.1045ー1047では、G. Meyer et alにより原子間力顕微
鏡のカンチレバーの変位を光てこ方式により検出するこ
とが提案されている。

【０００３】このような原子間力顕微鏡の進歩に対応し
て、本願の発明者らによっても、単なる原子間力顕微鏡
に限らず、例えば、米国特許5,436,448では表面形状観
察装置が、米国特許5,467,642では制御誤差補正付きの
走査型プローブ顕微鏡が、米国特許5,471,064では位置
決め装置付きの記録装置が,さらには、国際公開 WO97/3
5308によりナノメータレベルの記録装置等の各種の応用
が提案されている。

【０００４】これらの装置ではカンチレバー変位検出
は、カンチレバーの自由端の変位に伴って生じるカンチ
レバーの微小回転を、G. Meyer et alが提案したよう
な、光てこ方式を用いて検出している。光てこ方式によ
るカンチレバーの微小回転の検出は、現在最も一般的に
用いられている手法である。

【０００５】光てこ方式について簡単に説明する。ま
ず、光源からの光を被測定物の表面で反射させる。ここ
で、被測定物、即ち、反射面が角度θだけ回転すると、
反射光は反射の法則に従って被測定物の回転と同じ方向
に角度2θ変化する。θが十分に小さければ反射面から
距離Ｌ離れた点においては反射光の光束は当初の位置か
ら2Ｌθだけ変位する。Ｌを十分に大きくとれば、光束
の変位を十分に大きくできるので光スポット変位を検出
するディテクタを用いて容易に被測定物の回転角を検出
することが可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】原子間力顕微鏡および
これを応用した装置のカンチレバーは、従来、長さが数
100μm、幅が数10μm程度である。このように小さな被
測定物の場合、十分な反射光量を得るために光源からの
光をレンズを用いて収束させてその焦点位置に被測定物
を置く。従って、より小さな被測定物を対象とするため
には入射光を十分に絞りこむ必要があり、光てこ方式の
レーザ光の集光スポット径は数10ミクロン程度になされ
ていた。

【０００７】一方、先に引用した米国特許5,471,064あ
るいは国際公開 WO97/35308にあるような記録再生装置
のヘッドとしてカンチレバーを用いる際の問題点の一つ
は、データの読み出し速度がカンチレバーの共振周波数
によって制限されることである。従って、読みだし速度
を向上させるためにはカンチレバーの共振周波数を大き
くする必要がある。ただし、その一方でカンチレバーの
バネ定数は十分に小さく保つ必要がある。そのために
は、カンチレバーの大きさを全体的に小さくすることが
必須となる。メガヘルツオーダーの共振周波数を有する
カンチレバーとするためには、厚さにも依るが、全長を
10ミクロンより小さくすることが有効となる。

【０００８】カンチレバーの全長が10ミクロン程度まで
小さくなると、これに照射されるレーザのスポット径も
それに見合って小さくしないと反射効率が落ちる。例え
ば、全長が10ミクロンのカンチレバーでは、照射される
レーザのスポット径は直径5ミクロン程度とすることが
必要となる。将来、カンチレバーは更に小型化が要求さ
れる可能性があり、全長1〜5ミクロン程度までに小さい
ものになると考えられる。

【０００９】顕微鏡（表面形状観察装置）としてのAFM
の動作帯域も、記録再生装置の場合と同様にカンチレバ
ーの共振周波数によって制限される。従って、カンチレ
バーの走査速度を向上することによる観察所要時間を短
縮するためには、やはり共振周波数の高いカンチレバー
を使用する必要がある。

【００１０】非接触で動作するタイプの走査型力顕微鏡
の中には、高い共振周波数を有するカンチレバーを用い
た方が有利である場合がある。例えば、試料表面上に生
じている時間周期的な電位信号をカンチレバーとの間に
作用する静電気力によって生じるカンチレバーのたわみ
として直接的に検出する場合、当然、共振周波数が高い
ほどより高い周波数の変化まで計測可能である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】高い共振周波数を有する
カンチレバーの深針を設けた面とは異なる面に焦点位置
を合わせて平行光を焦点に絞り込んで入射させ、前記入
射光の該面からの反射光を検出するとともに、前記入射
光または反射光のいずれかは光軸と実質的に９０°異な
る光軸を介して入射され、あるいは取り出される構造の
微小回転角センサを用いた装置とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施例である記
録再生装置の概略図を示し、前述した原子間力顕微鏡を
用いた例である。

【００１３】１２２はディスク駆動用のモータ、１０２
はディスク記録媒体であり、モータ１２２により、記録
媒体１０２が回転駆動される。１０１は探針、１１０は
カンチレバー（片持ちばね）である。これらは不純物元
素をドープしたＳｉにより、カンチレバー１１０の先端
部に探針１０１が形成され、カンチレバー１１０はその
基部１１０’に取り付けられ、基部とともに、一体構造
として半導体製造技術により作られる。加圧変調記録を
行う場合、ディスク記録媒体１０２は、当然のことなが
ら、探針１０１より柔らかい材料が選ばれる。１１１は
圧電素子であり、その一端にカンチレバー１１０の取り
付け部１１０’を保持する。探針１０１の先端は、例え
ば、曲率半径２０ｎｍ以下に形成される。

【００１４】１０８はパルス電圧源であり、記録媒体１
０２に記録すべき信号１５０を与えられるとともに、こ
れに応じて圧電素子１１１に電圧パルス１０９を印加す
る。圧電素子１１１に電圧パルス１０９が印加される
と、探針１０１には次式に示す力Fが加えられ、探針１
０１は記録媒体１０２側に押し込まれ、この機械的圧力
によって記録媒体１０２には記録すべき信号に応じた凹
構造１０３が形成される。

【００１５】F = kXここで、ｋはカンチレバーのバネ定
数、ｘはカンチレバー１１０が反った量（変位）であ
る。いま、バネ定数kおよび変位Xを、それぞれ、1N/mお
よび1μmとすると探針１０１に作用する力Ｆは10^-6 Nと
なる。この力の大きさは、記録媒体１０２の材料にも依
るが、記録データとしての塑性変形を起こすには十分な
大きさである。

【００１６】圧電素子１１１は、Z-微動装置１２４に保
持される。Z-微動装置１２４はZ-粗動装置１２６に保持
される。Z-粗動装置１２６は記録媒体１０２の半径方向
駆動装置１２８に保持される。１２０は総合制御装置で
あり、外から記録指示信号Ｗ、読み出し指示信号Ｒおよ
び記録信号ＷＤを入力され、読み出し信号ＲＤを外に出
力する。また、総合制御装置１２０はモータ１２２への
駆動信号１２１、半径方向駆動装置１２８への駆動信号
１２７、Z駆動制御装置１３０への制御信号１２９およ
び記録信号ＷＤに対応した記録媒体１０２に記録すべき
信号１５０を出力するとともに、後述する回転角検出器
１０のポジションセンサ９の出力１００を入力とするZ
駆動制御装置１３０から得られる読み出し信号を信号線
１５１を介して総合制御装置１２０へ送り、読み出し信
号ＲＤとして外に出力する。制御信号１２９は、後述す
るように、探針１０１と記録媒体１０２との相対的な位
置関係の初期状態を設定するためのトリガーとして使用
されるものである。

【００１７】モータ１２２、Z-微動装置１２４、および
Z-粗動装置１２６はそれぞれの駆動信号１２１，１２
３，１２５および１２７により駆動される。モータ１２
２および半径方向駆動装置１２８は図示を省略した記録
再生装置本体部分に保持される。したがって、探針１０
１は駆動信号１２３、１２５および１２７に応じて記録
媒体１０２の表面を移動するとともに、電圧パルス１０
９が印加されたとき記録媒体１０２の表面に記録すべき
信号１５０に応じた凹構造１０３を形成する。

【００１８】なお、本発明に係わる記録再生装置は、図
に示した実施例のように記録媒体１０２を回転させるも
のに限られるものではなくXY方向に駆動するものであっ
ても良い。

【００１９】次に、回転角検出器１０について説明す
る。回転角検出器１０は記録された情報を読み出すため
の働きをするとともに、探針１０１の初期状態を設定す
るためにも利用される。

【００２０】１は半導体レーザ、２はコリメータレンズ
である。半導体レーザ１のレーザ光放射面は、コリメー
タレンズ２の焦点位置におかれている。よって、半導体
レーザ１から放射されたレーザ光は、コリメータレンズ
２によって平行光に変換される。この平行光の光束をビ
ームスプリッタ５を通過させ、対物レンズ６で集光させ
てカンチレバー１１０の先端部に焦点を結ばせる。カン
チレバー１１０の先端部の表面上で反射された光は対物
レンズ６で平行光に変換される。反射面が対物レンズ６
の光軸に対して鉛直であれば、反射光の光束は、カンチ
レバー１１０への入射光路をそのまま引き返し、ビーム
スプリッタ５に達する。反射光はビームスプリッタ５で
光路を９０°曲折されてポジションセンサ９に達する。
反射面が対物レンズ６の光軸に対して鉛直から予定の微
小範囲内で回転している場合は、反射光の光束は、カン
チレバー１１０への入射光路から幾分ずれるが、ビーム
スプリッタ５の有効範囲内を引き返し、ビームスプリッ
タ５で光路を９０°曲折されてポジションセンサ９に達
する。この回転角検出器１０は、モータ１２２および半
径方向駆動装置１２８と同様に、図示を省略した記録再
生装置本体部分に保持される。

【００２１】図２（Ａ）−（Ｄ）はそれぞれポジション
センサ９の構成例と入射光のスポット状況を示す図であ
る。ポジションセンサ９は、例えば、図に示すような２
分割フォトダイオード１１，１２あるいは４分割フォト
ダイオード１１−１４から構成される。各分割フォトダ
イオードは、ＳＰ₁、ＳＰ₂に示すようなカンチレバー１
１０からの反射光を受けると、それぞれが受けた光量に
応じた電流をそれぞれの出力端子Ｏ₁−Ｏ₄から接地点に
対して流出させる。前述したポジションセンサ９の出力
１００は、これらの出力電流をまとめて表示したもので
ある。図２（Ａ）は、カンチレバー１１０が初期設定の
状態にあり、反射光ＳＰ₁が、ダイオード１１，１２に
均等に当たっている例であり、図２（Ｂ）は、カンチレ
バー１１０が初期設定の位置から少し回転した状態にあ
り、反射光ＳＰ₂は、ダイオード１２により多く当たっ
ている例である。図２（Ｃ）は、カンチレバー１１０が
初期設定の状態にあり、反射光ＳＰ₁が、ダイオード１
１−１４に均等に当たっている例であり、図２（Ｄ）
は、カンチレバー１１０が初期設定の位置から少し回転
するとともに傾いた状態にあり、反射光ＳＰ₂は、ダイ
オード１２により多く当たっている例である。

【００２２】これらフォトダイオードの出力端子Ｏ₁−
Ｏ₄から得られる電流の差を検出することによりカンチ
レバーの回転角を求めることができる。図３はそのため
の演算回路の例を示し、図２（Ａ），図２（Ｂ）に示す
２分割フォトダイオード１１，１２を使用したポジショ
ンセンサ９に対するものである。フォトダイオード１
１，１２の出力は電流であり、図３に示すように、入力
端子Ｉ₁、Ｉ₂からオペアンプＯＡ₁と抵抗Ｒ₁とで構成さ
れた電流電圧変換アンプに導入されて出力の扱いが容易
なように電圧信号に変換される。それぞれの電圧信号は
オペアンプＯＡ₂と抵抗Ｒ₂−Ｒ₅とで構成された加算回
路ＡＤＤ₁、ＡＤＤ₂に図に示す極性で導入される。した
がって、加算回路ＡＤＤ₁には、フォトダイオード１
１，１２の出力の和に対応した電圧信号Ｅ₁が、加算回
路ＡＤＤ₂には、フォトダイオード１１，１２の出力の
差に対応した電圧信号Ｅ₂がそれぞれ得られる。ＣＡＬ
は除算回路であり（Ｅ₁−Ｅ₂）／（Ｅ₁＋Ｅ₂）の演算を
行う。その結果、半導体レーザ１から放射されたレーザ
光自体の出力の変動による影響は除去された形で、カン
チレバーの回転角に対応した電圧が出力端子Ｏ₀に得ら
れる。この除算回路はオペアンプによる回路でも良く、
加えられる電圧信号をＡＤ変換してディジタル的に処理
するものとしても良い。

【００２３】図２（Ａ）と図２（Ｂ）とを対照してみれ
ば明らかなように、図２（Ｂ）のほうがフォトダイオー
ド１２が受ける光が多いから、フォトダイオード１１，
１２の出力はその分だけ差が生じ、これに対応した電圧
がカンチレバーの回転角に対応した電圧として出力端子
Ｏ₀に得られる。

【００２４】図２（Ｃ）、図２（Ｄ）については、フォ
トダイオード１１，１３の出力の和を図２（Ａ）、図２
（Ｂ）のフォトダイオード１１の出力、フォトダイオー
ド１２，１４の出力の和を図２（Ａ）、図２（Ｂ）のフ
ォトダイオード１２の出力と対応させて上述の処理を行
えばカンチレバーの回転角が検出できるのみならず、フ
ォトダイオード１１，１２の出力の和、フォトダイオー
ド１３，１４の出力の和をそれぞれ利用して、上述と同
様の処理を行えば図２（Ａ）、図２（Ｂ）によって得ら
れるカンチレバーの回転角と直角方向の回転角に対応し
た電圧が出力端子Ｏ₀に得られる。すなわち両方の回転
角を加算すれば、カンチレバー１１０のよじれに対応し
た信号が得られることになる。

【００２５】なお、上で挙げた例では、最初、カンチレ
バー１１０の反射面が光軸に対して鉛直であり、図２
（Ａ）、図２（Ｃ）のような状態となることを前提とし
て説明したが、これは必ずしも必要なことではない。も
し、初期状態で光束中心が光軸からの偏りがある場合に
は、その初期値を記憶しておき、読み出し中に得られる
信号と初期値との差をとるものとすれば、当初の偏りに
は関係なく、その位置からのカンチレバー１１０の回転
角を得ることが出来ることは明らかである。

【００２６】ここで、探針１０１初期設定について簡単
に説明する。本実施例では、回転角検出器１０はカンチ
レバー１１０が自由状態にあるときはポジションセンサ
９からの出力が無い、換言すれば、カンチレバー１１０
からの反射光ＳＰはポジションセンサ９のフォトダイオ
ード上に無い状態になるものとされる。この状態で、記
録指示信号Ｗあるいは読み出し指示信号Ｒが総合制御装
置１２０に与えられると、総合制御装置１２０からZ駆
動制御装置１３０への制御信号１２９が出力される。Z
駆動制御装置１３０は、これを受けるとZ-粗動装置１２
６に駆動信号１２５を与える。これにより、カンチレバ
ー１１０は記録媒体１０２の表面に接近して行き、表面
から力を受けて回転を始める。その結果、カンチレバー
１１０からの反射光ＳＰがポジションセンサ９のフォト
ダイオード上に表われるようになる。さらにＺ軸方向の
粗動がなされると、図２（Ｂ）の状態から図２（Ａ）の
状態になる。したがって、 Z駆動制御装置１３０は制御
信号１２９を受けた後、ポジションセンサ９の出力が図
２（Ｂ）の状態から図２（Ａ）の状態に変化した段階で
粗動操作を停止すれば、探針１０１初期設定は完了す
る。

【００２７】次に、記録動作について説明する。記録指
示信号Ｗに応じて、上述したようにして初期化が完了す
ると、例えば、信号線１５１を介して初期化完了が総合
制御装置１２０に送られる。これを受けて、総合制御装
置１２０は入力された記録信号ＷＤに応じて記録すべき
信号１５０をパルス電圧源１０８に送るとともに、モー
タ１２２への駆動信号１２１を送る。これによって、記
録媒体１０２には凹構造１０３が形成されて記録信号Ｗ
Ｄに応じた記録がなされる。この場合、凹構造１０３が
形成されるとともにカンチレバー１１０が回転するが、
これをポジションセンサ９の出力によって検出してZ-微
動装置１２４およびZ-粗動装置１２６により、カンチレ
バー１１０を追従させるものとすれば、探針１０１に作
用する力を一定に保持することができる。

【００２８】次に、読み出し動作について説明する。読
み出し指示信号Ｒに応じて、上述したようにして初期化
が完了すると、例えば、信号線１５１を介して初期化完
了が総合制御装置１２０に送られる。これを受けて、総
合制御装置１２０はモータ１２２への駆動信号１２１を
送るとともに半径方向駆動装置１２８に駆動信号１２７
を与える。これによって、記録媒体１０２の記録トラッ
クに沿って探針１０１を移動させることができる。もち
ろんトラッキング自体は重要な技術であるが、すでに種
々の技術が提案されており、これらの内の適当なものを
選択して採用することができる。例えば、本願の発明者
らの提案した米国特許5,808,977も光てこ方式を利用す
るトラッキング方法を提案するものであるから効果的に
利用できる。記録媒体１０２の回転に応じて探針１０１
が凹構造１０３の位置に来る時とそうでない時がある。
本実施例では、初期化は凹構造１０３の位置でない状態
を前提になされているから、探針１０１が凹構造１０３
の位置に来ると、ポジションセンサ９の受けるカンチレ
バー１１０の反射光ＳＰは図２Ａの状態から急激に図２
Ｂの状態になる。これを検出すれば凹構造１０３がある
ことが検知できるから、この変化を読み出し信号として
信号線１５１を通して総合制御装置１２０に送れば、読
み出し信号ＲＤを得ることができる。この場合も、記録
時と同様、カンチレバー１１０の回転を検出してZ-微動
装置１２４およびZ-粗動装置１２６により、カンチレバ
ー１１０を追従させるものとすれば、探針１０１に作用
する力を一定に保持することができる。

【００２９】図４は、本発明の実施例である顕微鏡（表
面形状観察装置）の概略図を示し、前述した原子間力顕
微鏡を用いた例である。

【００３０】２０２は観察されるサンプル、２２２はサ
ンプルホルダ、１４０はサンプルホルダ２２２をＸＹ方
向に駆動するためのＸＹスキャナである。ＸＹスキャナ
１４０は、記録再生装置における半径方向駆動装置１２
８と同様に、図示を省略した記録再生装置本体部分に保
持され、駆動信号に応じてサンプルホルダ２２２をＸＹ
方向に駆動する。１０１は探針、１１０はカンチレバー
（片持ちばね）である。これらは不純物元素をドープし
たＳｉにより、カンチレバー１１０の先端部に探針１０
１が形成され、カンチレバー１１０はその基部を取り付
け部１１０’として、基部とともに、一体構造として半
導体製造技術により作られる。カンチレバー１１０の取
り付け部１１０’は、Z-微動装置１２４に保持される。
Z-微動装置１２４はZ-粗動装置１２６に保持される。１
３０はZ駆動制御装置であり、Z-微動装置１２４およびZ
-粗動装置１２６にそれぞれの駆動信号１２３および１
２５を与える。 Z-粗動装置１２６は図示を省略した記
録再生装置本体部分に保持され、駆動信号に応じて探針
１０１をＺ方向に駆動する。またZ駆動制御装置１３０
は回転角検出器１０のポジションセンサ９の出力１００
を入力とする。１２０は総合制御装置であり、外から観
察指示信号Ｍを入力され、観察出力信号ＭＯを外に出力
する。また、総合制御装置１２０はＸＹスキャナ１４０
への駆動信号１４２を出力するとともに、Z駆動制御装
置１３０への制御信号１２９を出力する。さらに総合制
御装置１２０は、回転角検出器１０のポジションセンサ
９の出力１００を入力とするZ駆動制御装置１３０から
得られる観察出力信号を信号線１５１を介して入力され
る。制御信号１２９は、先に記録再生装置で説明したと
同様に、探針１０１とサンプル２０２との相対的な位置
関係の初期状態を設定するためのトリガーとして使用さ
れるものである。

【００３１】次に、回転角検出器１０について説明す
る。回転角検出器１０は表面形状を観察するための働き
をするとともに、探針１０１の初期状態を設定するため
にも利用される。本実施例における回転角検出器１０
は、ビームスプリッタ５による光路の９０°曲折をカン
チレバー１１０への入射光に対して行ったものとした点
を除けば、図１で説明した記録再生装置のそれと同じで
ある。すなわち、１は半導体レーザ、２はコリメータレ
ンズである。半導体レーザ１のレーザ光放射面は、コリ
メータレンズ２の焦点位置におかれている。よって、半
導体レーザ１から放射されたレーザ光は、コリメータレ
ンズ２によって平行光に変換される。この平行光の光束
をビームスプリッタ５によって光路を９０°曲折させ、
対物レンズ６で集光させてカンチレバー１１０の先端部
に焦点を結ばせる。カンチレバー１１０の先端部の表面
上で反射された光は対物レンズ６で平行光に変換され
る。反射面が対物レンズ６の光軸に対して鉛直であれ
ば、反射光の光束は、カンチレバー１１０への入射光路
をそのまま引き返し、ビームスプリッタ５に達しこれを
通過してポジションセンサ９に達する。反射面が対物レ
ンズ６の光軸に対して鉛直から予定の微小範囲内で回転
している場合は、反射光の光束は、カンチレバー１１０
への入射光路から幾分ずれるが、ビームスプリッタ５の
有効範囲内を引き返し、ポジションセンサ９に達する。
この回転角検出器１０は、Z-粗動装置１２６、ＸＹスキ
ャナ２２２と同様に、図示を省略した記録再生装置本体
部分に保持される。

【００３２】ポジションセンサ９による出力の処理は記
録再生装置と同様にできるので説明は省略する。また、
探針１０１初期設定についても記録再生装置と同様にで
きるので説明は省略する。

【００３３】次に、表面形状の観察動作について説明す
る。観察指示信号Ｗに応じて、上述したようにして初期
化が完了すると、例えば、信号線１５１を介して初期化
完了が総合制御装置１２０に送られる。これを受けて、
総合制御装置１２０はＸＹスキャナ１４０への駆動信号
１４２を出力するからサンプルホルダ２２２はＸＹ方向
に駆動される。サンプル２０２のＸＹ方向への移動に応
じて表面形状が変化すると、探針１０１の位置が変化
し、したがってカンチレバー１１０が回転する。この回
転によるポジションセンサ９の信号変化は信号線１００
を介してZ駆動制御装置１３０に伝達され、回転角に応
じてZ-微動装置１２４およびZ-粗動装置１２６への駆動
信号１２３，１２５が出力されて探針１０１に作用する
力を一定に保持する。また、カンチレバー１１０の回転
によるポジションセンサ９の信号変化は信号線１５１に
より総合制御装置１２０に送られ、ＸＹ駆動信号に対応
した位置信号とともに観察出力信号ＭＯとして出力され
る。

【００３４】このように、本発明では、光てこ方式の光
束の往復の経路が、実質的に同じ経路をとおるので、記
録再生装置、表面形状観察装置のいずれの場合も装置を
小型化できる。

【００３５】次に、回転角検出器１０を光学系を中心
に、図５を用いて、より詳細に説明する。図５は図４で
説明した表面形状観察装置における回転角検出器１０を
示し、同じ参照符号で示すものは実質的に同じ物を示
す。

【００３６】半導体レーザ１のレーザ光放射面は、コリ
メータレンズ２の焦点位置におかれている。よって、半
導体レーザ１から放射されたレーザ光は、コリメータレ
ンズによって平行光に変換される。この平行光の光束
は、偏光ビームスプリッタ５に入射する。半導体レーザ
から放射されるレーザ光は、一般に直線偏光である。
今、図５の半導体レーザから放射されるレーザ光の偏波
面が紙面に平行な方向を向いているとする。そして、偏
光ビームスプリッタ５は、図５のようにレーザ光を入射
させた際にほぼ全てのレーザ光をカンチレバー１１０の
方向へ反射するように調整してある。偏光ビームスプリ
ッタ５で反射された光束は、１／４波長板４で円偏光に
変換された後、対物レンズ６で集光されてカンチレバー
１１０の表面上に焦点を結ぶ。カンチレバー１１０表面
上で反射された光は、今度は対物レンズ６で平行光に変
換される。被測定物の反射面が対物レンズの光軸に対し
て鉛直であれば、反射光の光束は、カンチレバー１１０
への入射光路をそのまま引き返し、偏光ビームスプリッ
タ５に達する。ただし、この時、途中１／４波長板４を
通過するので、また、入射光と反対方向に回転する円偏
光であるから１／４波長板４を通過した反射光は、紙面
と直交する偏波面を有する直線偏光になっている。偏光
ビームスプリッタ５に入射した反射光は偏光ビームスプ
リッタ５をほぼ全て透過し、ポジションセンサ９に達す
る。そして、このポジションセンサ９に達した反射光の
光束の位置変化は図２Ａ−Ｄで説明したように、例え
ば、２分割あるいは４分割フォトダイオード上に出来る
光スポットの位置変化として検出される。

【００３７】ここで、カンチレバー１１０が図５に示す
ように紙面内で角度θだけ回転したとする。尚、対物レ
ンズ６とカンチレバー１１０間の距離変化は無視できる
程度であるとする。この場合、カンチレバー１１０表面
で反射された光束の中心は、ポジションセンサ９図５に
示すように入射光の光束中心に対して２θの角度をなす
向きに反射される。従って、θが十分に小さいものと
し、また、対物レンズ６の焦点距離をLとすると、対物
レンズ６に達した反射光の光束中心は、入射光の光束中
心から２θＬ偏っている。反射光は、対物レンズ６でこ
の光束中心の偏りを持った平行光に変換され、偏光ビー
ムスプリッタ５を透過してポジションセンサ９に達す
る。従って、光束中心の偏りが光スポット径に対して十
分に小さければ、この位置に置かれたポジションセンサ
９の出力は、変位角θに比例して変化する。

【００３８】図６は図５で説明した回転角検出器１０の
カンチレバー１１０への入射光のスポットをより小さく
し、かつポジションセンサ９を小型化した例を示す。図
６では、図５の実施例に比し、絞り３、１／４波長板４
およびレンズ８が付加されるとともに、ポジションセン
サ９がレンズ８の焦点位置よりａだけずれた前寄りに配
置されている点において異なる。

【００３９】この実施例に依る光束の入射、反射は以下
のようである。半導体レーザ１から放射されたレーザ光
は、コリメータレンズ２によって平行光に変換される。
この平行光の光束は、絞り３を通過することによって形
状及び光束の径を整えられる。絞りを通過した光束は、
偏光ビームスプリッタ５に入射する。半導体レーザ１か
ら放射されるレーザ光は、一般に直線偏光である。今、
図６の半導体レーザから放射されるレーザ光の偏波面が
紙面に平行な方向を向いているとする。そして、偏光ビ
ームスプリッタ５は、図６のようにレーザ光を入射させ
た際にほぼ全てのレーザ光をカンチレバー１１０の方向
へ反射するように調整してある。偏光ビームスプリッタ
５で反射された光束は、１／４波長板４で円偏光に変換
された後、対物レンズ６で集光されてカンチレバー１１
０の表面上に焦点を結ぶ。カンチレバー１１０の表面が
金属と同等である場合を考えると、カンチレバー１１０
表面上で反射された光は、その位相は-π変化する。従
って、反射光の円偏光の偏波面の回転方向は入射光とは
反対向きである。反射光は、今度は対物レンズ６で平行
光に変換される。カンチレバー１１０の反射面が対物レ
ンズ６の光軸に対して鉛直であれば、反射光の光束は、
カンチレバー１１０への入射光路をそのまま引き返し、
偏光ビームスプリッタに達する。ただし、この時、途中
１／４波長板４を通過するので、また、入射光と反対方
向に回転する円偏光であるから１／４波長板４を通過し
た反射光は、紙面と直交する偏波面を有する直線偏光に
なっている。偏光ビームスプリッタ５は、上で述べたよ
うな状態に調整されているので、入射した反射光は偏光
ビームスプリッタ５をほぼ全て透過し、レンズ８に達す
る。そして、この反射光の光束は、レンズ８に拠って集
光される。このレンズ８の光軸上で焦点位置（集光点）
からからaだけ離れた点に配置されたポジションセンサ
９に出来る光スポットによって検出される。図６の場
合、反射光は、レンズ８で収束されるので、レンズの焦
点距離をＡとすると、光軸上でレンズの焦点位置からa
だけ離れた点での光束中心の偏りは、２θＬａ/Ａとな
るとともに、フォトダイオード上のスポットの径も図５
に比し（Ａ−ａ）/Ａとなる。従って、光束中心の偏り
が光スポット径に対して十分に小さければ、この位置に
置かれたポジションセンサ９の出力によりカンチレバー
１１０の回転角は探針１０１の位置変化として検出され
る。

【００４０】図７および図８は、さらに回転角検出器１
０の光学系の変形例を示す。それぞれ同一物には図５あ
るいは図６の同一物と同じ参照符号を付したので、説明
は省略する。ここで、光学系の構成は、任意のものが使
用でき、要は微小なカンチレバーの反射面に対して十分
に絞り込んだスポットが照射できれば良い。したがっ
て、例えば、偏光ビームスプリッタに代えて、光アイソ
レータを適用することもできる。

【００４１】

【発明の効果】微小回転角センサがきわめて小型にでき
るので、共振周波数を大きく、かつ、バネ定数は十分に
小さくしたカンチレバーを持つ記録再生装置等の応用装
置が容易に実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である記録再生装置の概略図を
示す図。

【図２】（Ａ）−（Ｄ）はそれぞれポジションセンサ９
の構成例と入射光のスポット状況を示す図。

【図３】カンチレバーの回転角を求めるための演算回路
の例を示す図。

【図４】本発明の実施例である顕微鏡（表面形状観察装
置）の概略図を示す図。

【図５】図４で説明した表面形状観察装置における回転
角検出器を示示す図。

【図６】図５で説明した回転角検出器の他の例を示す
図。

【図７】図５で説明した回転角検出器の他の例を示す
図。

【図８】図５で説明した回転角検出器の他の例を示す
図。

【符号の説明】

１：半導体レーザ、２：コリメータレンズ、５：ビーム
スプリッタ、６：対物レンズ、９：ポジションセンサ、
１０：回転角検出器、１００：ポジションセンサの出
力、１０１：探針、１０２：ディスク記録媒体、１０
３：凹構造、１０８：パルス電圧源、１０９：電圧パル
ス、１１０：カンチレバー（片持ちばね）、１１０’：
カンチレバーの基部、１１１：圧電素子、１２０：総合
制御装置、１２１：駆動信号、１２２：ディスク駆動用
のモータ、１２４：Z-微動装置、１２６：Z-粗動装置、
１２７：駆動信号、１２８：半径方向駆動装置、１２
９：制御信号、１３０：Z駆動制御装置、１５０：記録
媒体１０２に記録すべき信号、１５１：信号線、Ｆ：
力、ｋ：カンチレバーのバネ定数、ｘ：カンチレバー１
１０が反った量（変位）、Ｗ：記録指示信号、Ｒ：読み
出し指示信号、ＷＤ：記録信号、ＲＤ：読み出し信号。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江藤 公俊 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】カンチレバーに保持された探針と該探針と
   対向する面を有する部材を備えた装置であって、前記カ
   ンチレバーの探針を設けた面とは異なる面に焦点位置を
   合わせて平行光を焦点に絞り込む対物レンズと、前記焦
   点に置かれた前記カンチレバーの前記異なる面への入射
   光の該面からの反射光を検出する手段と、検出された反
   射光データから前記平行光の光軸と前記カンチレバーの
   表面との角度を検出する手段とよりなる回転角検出器を
   備え、前記入射光または反射光のいずれかは前記光軸と
   実質的に９０°異なる光軸を介して入射され、あるいは
   取り出されるものである光てこ式の記録再生または観察
   装置。
2. 【請求項２】第１項記載の装置が記録再生装置であっ
   て、前記探針に作用する力によって前記探針と対向する
   面を有する部材の表面に凹構造の記録が形成される記録
   再生装置。
3. 【請求項３】第１項記載の装置が表面形状観察装置であ
   って、前記探針と前記探針と対向する面を有する部材の
   表面との間に作用する力が一定になるように前記回転角
   検出器の出力によって前期カンチレバーの位置を制御す
   る表面形状観察装置。
4. 【請求項４】前記探針に作用する力が前期探針を保持す
   るカンチレバーを保持している圧電素子に加えられる電
   圧によって発生させられるものである第２項記載の記録
   再生装置。
5. 【請求項５】前記探針と前記探針と対向する面を有する
   部材との相対位置が該部材の表面の所定の領域で変化さ
   せられる第３項記載の表面形状観察装置。
6. 【請求項６】前記探針と対向する面を有する部材との相
   対位置が該部材の表面の所定の領域で変化させられる第
   ２項記載の記録再生装置。
7. 【請求項７】前記探針に作用する力によって前記探針と
   対向する面を有する部材の表面に凹構造の記録が形成さ
   れるとともに、前記探針と前記探針と対向する面を有す
   る部材の表面との間に作用する力が一定になるように前
   記回転角検出器の出力によって前期カンチレバーの位置
   を制御する第２項記載の記録再生装置。
8. 【請求項８】前記カンチレバーの前記異なる面への入射
   光の該面からの反射光を、該反射光を絞り込むレンズを
   介して検出するとともに、該レンズの焦点位置とは異な
   る位置に反射光の検出手段が配置された第１項記載の光
   てこ式の記録再生または観察装置。
9. 【請求項９】前記カンチレバーの前記異なる面への入射
   光と、該面からの反射光とが平行光にある領域に1/4波
   長板および偏光ビームスプリッタが配置された第１項記
   載の光てこ式の記録再生または観察装置。