JPH1194850A - 調整機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】それぞれのネジの操作が完全に独立した一方向
の変位を移動体に与える調整機構を提供することであ
る。 【解決手段】移動体であるカンチレバー１２を着脱可能
に保持する保持部１４は、アーム部材１８に固定された
圧電体１６に取り付けられている。アーム部材１８に
は、これをベース部材２４の上に支持するための三本の
ネジ３２と３６と５２が設けられ、その重心位置近くに
球面軸受け７４が設けられている。その外輪７６はアー
ム部材１８に固定され、内輪７５はベース部材２４に垂
直に立てたガイド軸７１に摺動可能に取り付けられてい
る。ガイド軸７１の上端部には、ガイド軸７１に通され
たコイルバネ７３を圧縮して保持するためのバネ押さえ
７２が取り付けられている。ベース部材２４に固定され
た支柱４６にはネジ４８が取り付けられ、二本の支持棒
４２と４４にはコイルバネ４０が架けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、様々な分野におけ
る調整機構に係り、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：
Atomic Force Microscope ）等の走査型プローブ顕微鏡
において使用される、カンチレバーを支持すると共にそ
の位置を調整するカンチレバー調整ユニットに関する。
また例えば、干渉計などに用いられるミラーを支持する
と共にその角度（傾斜）を調整するミラー調整機構に関
する。

【０００２】

【従来の技術】以下、従来の微動機構の一例を原子間力
顕微鏡を用いて説明する。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）
は、原子間力を利用して試料の表面形状を原子レベルの
分解能で観察することができる。原子間力は非常に近接
した原子間に働き、その大きさは原子間距離に依存して
変化する。柔軟なカンチレバーの自由端で支持した尖鋭
な探針を試料表面に近づけると、探針先端と試料表面の
原子間に原子間力が発生し、カンチレバーの自由端に変
位が生じる。ＡＦＭでは、原子間力の発生する距離に支
持した探針を用いて試料面を走査する。走査中、試料表
面の凹凸に応じて生じるカンチレバーの自由端変位を常
に測定し、そのときに探針に作用している原子間力を検
出することにより探針試料間の距離を求めて試料の凹凸
像を得る。あるいは、走査の間、フィードバック制御す
るなどしてカンチレバーの変位を一定に保ち、フィード
バック信号から試料表面の凹凸像を得る。いずれにして
も、原子間力を間接的に利用してカンチレバーの変位か
ら表面の凹凸像を得ている。

【０００３】ＡＦＭは縦方向分解能が０．１ｎｍ以下で
あり、装置の剛性、特に探針試料間の剛性を高めると共
に、外部からの振動を除去し易くするために、小型化が
進められている。

【０００４】特開平５−１４９７５４号は、その要望に
かなった小型のカンチレバー調整ユニットを開示してい
る。その構成を図８に示す。図８に示すように、カンチ
レバー１２を着脱可能に保持する保持部１４は圧電体１
６を介してアーム部材１８に固定されている。アーム部
材１８には、ベース部材２４に形成された球面座に係合
する球面部２２を下端に備えた支持脚２０が設けられて
いる。

【０００５】アーム部１８のアーム１８ａには球面部３
４を下端に備えたネジ３２が設けられ、またアーム１８
ｂには球面部３８を下端に備えたネジ３６が設けられて
いる。アーム部材１８に設けられた支持棒２８とベース
部材２４に設けられた真下に位置する支持棒（図では見
えない）には、コイルバネ２６が架けられている。

【０００６】ベース部材２４に固定された支柱４６に
は、先端に球面部５０を備えたネジ４８が設けられてお
り、このネジ４８は、アーム１８ｂの側面に向かって延
びている。アーム１８ｂの端面に設けられた支持棒４２
と支柱４６の側面に設けられた支持棒（図では見えな
い）にはコイルバネ４０が架けられている。

【０００７】このカンチレバー調整ユニットでは、ネジ
４８の回転操作は、球面部２２を支点とするアーム部材
１８の水平面に平行な方向の移動すなわち向き変更を与
え、ネジ３２とネジ３６の回転操作は、球面部２２を支
点とするアーム部材１８の鉛直面に平行な方向の移動す
なわち傾き変更を与える。従って、三本のネジ３２と３
６と４８を適宜操作することにより、球面部２２を支点
にしてアーム部材１８の向きや傾きを任意に変更でき、
結果としてカンチレバー１２の位置や傾斜の調整を行な
うことができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この調整においては、
それぞれのネジ３２と３６と４８による移動は互いに独
立していることが望ましい。つまり、三本のネジ３２と
３６と４８のいずれか一本の回転操作は一方向の移動を
与え、それ以外の方向には全く変化を与えないことが理
想である。

【０００９】しかしながら、アーム部材１８をベース部
材２４に向けて付勢しているコイルバネ２６が支持脚２
０の軸から離れて位置しているため、アーム部材１８
は、一本のネジ３２または３６または４８を操作した際
に、このネジからその軸に平行な方向を持つ力を受ける
他に、この力の方向に非平行な方向を持つ力をコイルバ
ネ２６から受ける。つまり、ネジ３２や３６や４８の操
作が加わると、アーム部材１８にはベース部材２４から
ずれる方向の力が働いてしまう。

【００１０】このような不所望な力の発生は、高精度の
調整の実現にとっては、出来る限り避けたい要因であ
り、アーム部材１８の滑らかな姿勢変化を妨げる原因
や、アーム部材１８に調整方向以外の方向の移動を与え
る誘因となる。

【００１１】この結果、例えば、球面部３４や３８がベ
ース部材２４から浮いてしまったり、球面部２２がベー
ス部材２４に形成された球面座からずれてしまうと言っ
た不具合が生じる。

【００１２】従って、一本のネジの操作つまり特定の一
方向に関する調整が、他のネジの操作つまりそれ以外の
方向に関する調整の必要性を生むといった事態を引き起
こし兼ねない。例えば、ある方向の調整が既に調整済み
の位置を狂わせてしまい、このため、その方向の再調整
が余儀なくされてしまうかも知れない。このように、不
所望な力の発生は、調整作業の複雑化を招き、位置調整
の精度を低下させたり、位置調整に要する時間を増大さ
せたりする原因となる。

【００１３】本発明は、このような不都合を解消するた
めに成されたものであり、その目的は、それぞれのネジ
の操作が完全に独立した一方向の変位を与えることので
きる調整機構を提供することであり、例えば、走査型プ
ローブ顕微鏡においては、ネジ操作によりカンチレバー
の独立した一方向の位置調整を行なうことのできる調整
機構を提供することである。言い換えれば、カンチレバ
ーの位置を短時間の内に高精度に調整できるカンチレバ
ー調整ユニットを提供することである。

【００１４】また例えば、干渉計に用いられるミラーの
位置調整においても、カンチレバー調整と同様に、一方
向の変位を与えることができ、短時間の内に高精度にミ
ラー調整ができるミラー調整ユニットを提供することを
目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、移動体を支持
すると共にその位置を調整する調整機構であり、ベース
部材と、前記移動体を保持する保持部と、保持部を支持
する支持板と、支持板をベース部材の上に支持する支持
手段と、ベース部材に設けられたガイド軸と、ガイド軸
と支持板とを連結するガイド軸に摺動可能に設けられた
球面軸受けと、支持板をガイド軸に沿ってベース部材に
向けて押し付ける手段と、支持板に水平面に対する傾斜
を与える傾斜付与手段と、支持板に鉛直軸回りに回転を
与える回転付与手段とを有している。

【００１６】例えば、支持手段と傾斜付与手段は、支持
板を貫通する三つのネジ穴と、これらのネジ穴に取り付
けられた三本のネジとを含み、回転付与手段は、ベース
部材に設けられた支柱と、これを水平に貫通するネジ穴
と、このネジ穴に取り付けられたネジとを含み、押し付
け手段は、支持板から延出したガイド軸の部分に通され
たコイルバネと、コイルバネを圧縮して保持するために
ガイド軸に取り付けられたバネ押さえとを含んでいる。

【００１７】あるいは、支持手段と傾斜付与手段は、支
持板に取り付けられた三つの圧電駆動ネジを含み、回転
付与手段は、ベース部材に設けられた支柱と、これを水
平に貫通するネジ穴と、このネジ穴に取り付けられたネ
ジとを含み、押し付け手段は、支持板から延出したガイ
ド軸の部分に通されたコイルバネと、コイルバネを圧縮
して保持するためにガイド軸に取り付けられたバネ押さ
えとを含んでいる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の調整機構を適用し
た一例として、走査型プローブ顕微鏡のカンチレバー調
整ユニットについて図面を参照しながら詳細に説明す
る。なお、カンチレバー調整ユニットにおける移動体は
カンチレバーである。

【００１９】まず、第一の実施の形態のカンチレバー調
整ユニットについて説明する。図１に示すように、カン
チレバー調整ユニットは、カンチレバー１２を着脱可能
に保持する保持部１４を備えており、この保持部１４
は、略直角二等辺三角形の支持板１８の直角部の側面に
固定された圧電体１６に取り付けられている。圧電体１
６は、支持板１８に対するカンチレバー１２の位置を微
調整する役割を担う。以下の説明においては、支持板１
８が仮想的に互いに直交して延びる二本のアームを有し
ていると見なし、この二本の仮想アームをそれぞれ符号
１８ａと１８ｂで示すとともに、このような理由から、
支持板１８は略直角二等辺三角形形状であるが、これを
アーム部材１８とも呼ぶことにする。

【００２０】支持板すなわちアーム部材１８には、仮想
アーム１８ａと１８ｂの各端部とその両者が交わる部分
（直角部）に、これを貫通するネジ穴が形成されてお
り、各ネジ穴にはそれを貫通するネジ３２と３６と５２
がそれぞれ設けられている。ネジ３２と３６と５２はそ
れぞれその下端に球面部３４と３８と５４を備えてい
る。アーム部材１８は、仮想アーム１８ａの端部に位置
するネジ３２と仮想アーム１８ｂの端部に位置するネジ
３６と直角部に位置するネジ５２とによって、ベース部
材２４の上に支持されている。

【００２１】また、アーム部材１８には、三本のネジ３
２と３６と５２の重心位置の近くに球面軸受け７４が設
けられている。球面軸受け７４の外輪７６はアーム部材
１８に固定されており、球面軸受け７４の内輪７５は、
ベース部材２４に垂直に固定されたガイド軸７１に摺動
可能に取り付けられている。従って、球面軸受け７４
は、アーム部材１８が水平面に対して傾斜可能および鉛
直軸回りに回転可能に、アーム部材１８とガイド軸７１
を連結している。

【００２２】ガイド軸７１の上端部には、ガイド軸７１
に通されたコイルバネ７３を圧縮して保持するためのバ
ネ押さえ７２が取り付けられている。圧縮保持されたコ
イルバネ７３は、球面軸受け７４の内輪７５をベース部
材２４に向けて押し付け、その結果としてアーム部材１
８の安定した支持を与える。

【００２３】ベース部材２４に固定された支柱４６に
は、これを水平に貫通するネジ穴が形成されており、こ
のネジ穴には、先端に球面部５０を備えたネジ４８が、
先端を仮想アーム１８ｂの側面に向けて取り付けられて
いる。仮想アーム１８ｂの端面には支持棒４２が、支柱
４６の側面には支持棒４４が設けられており、これらの
支持棒４２と４４にはコイルバネ４０が架けられてい
る。コイルバネ４０は仮想アーム１８ｂを支柱４６に向
けて引っ張り、アーム１８ｂの側面とネジ４８の先端の
球面部５０との接触を維持する。

【００２４】図１（Ｃ）において、ネジ３２の回転操作
による仮想アーム１８ａの端部の上昇は、球面軸受け７
４を中心にして、アーム部材１８を傾斜させる。その
際、球面軸受け７４は図２（Ａ）に示される状態から図
２（Ｂ）に示される状態へと変化し、球面軸受け７４の
内輪７５はガイド軸７１を上昇し、球面軸受け７４の外
輪７６は内輪７５に対して回転する。その結果、保持部
１４の姿勢は図３（Ａ）の実線で描かれた状態から想像
線で描かれた状態へと変化し、保持部１４の先端は下方
へ移動する。従って、保持部１４に取り付けられたカン
チレバー１２も下方へ移動する。

【００２５】また、これとは反対に、ネジ３２の逆方向
への回転操作による仮想アーム１８ａの端部の下降は、
球面軸受け７４を中心にして、アーム部材１８を逆向き
に傾斜させる。その結果、保持部１４の先端は上方へ移
動し、これに取り付けられたカンチレバー１２も上方へ
移動する。

【００２６】図１（Ａ）において、ネジ３６の回転操作
による仮想アーム１８ｂの端部の上昇は、球面軸受け７
４を中心にして、アーム部材１８を傾斜させる。そのと
きの球面軸受け７４の動作は、前述の場合と全く同様で
ある。保持部１４の姿勢は図３（Ｂ）に実線で描かれた
状態から想像線で描かれた状態へと変化し、保持部１４
は右に傾く。その結果、保持部１４に取り付けられたカ
ンチレバー１２も右に傾く。

【００２７】また、これとは反対に、ネジ３６の逆方向
への回転操作による仮想アーム１８ｂの端部の下降は、
球面軸受け７４を中心にして、アーム部材１８を逆向き
に傾斜させる。その結果、保持部１４は左に傾き、これ
に取り付けられたカンチレバー１２も左に傾く。

【００２８】図１（Ｂ）において、ネジ４８の回転操作
による前進は、アーム部材１８を球面軸受け７４を中心
にして左回りに回転させる。その結果、保持部１４の姿
勢は図３（Ｃ）の実線で描かれた状態から想像線で描か
れた状態へと変化し、保持部１４の先端は左方へ移動す
る。従って、保持部１４に取り付けられたカンチレバー
１２も左方へ移動する。

【００２９】また、これとは反対に、ネジ４８の逆方向
への回転操作による後退は、球面軸受け７４を中心にし
てアーム部材１８を右回りに回転させる。その結果、保
持部１４の先端は右方へ移動し、これに取り付けられた
カンチレバー１２も右方へ移動する。

【００３０】このカンチレバー調整ユニットでは、アー
ム部材１８をベース部材２４に向けて押し付けるコイル
バネ７３は、アーム部材１８の回転や傾斜の中心に位置
する球面軸受け７４に対して作用するので、アーム部材
１８に不所望な方向成分を持つ力を与えない。従って、
三本のネジ３２と３６と４８の各々の回転操作は、互い
に独立した一方向のみの姿勢の変化をカンチレバー１２
に与える。つまり、アーム部材１８はベース部材２４方
向に常に真っ直ぐ押圧される。

【００３１】ここで、アーム部材１８の更に安定した支
持を与えるための変形例について述べる。この変形例で
は、ベース部材２４を磁性材料で作り、アーム部材１８
を支持する三本のネジ３２と３６と５２に、図４に示さ
れる構造のネジ８０に用いる。ネジ８０は、ステンレス
等の非磁性材料で作られた中空のネジ本体８１と、先端
の球面部を構成する磁性材料で作られた球８２と、球８
２を着磁するための円柱形状の磁石８１とで構成されて
いる。

【００３２】磁石８１により着磁された球８２は、その
磁力によって、磁性材料製のベース部材２４にくっつ
く。このため、三本のネジ３２と３６と５２とベース部
材２４の接触は更に確実になるとともに、両者の確実な
接触は常に維持される。その結果、アーム部材１８はベ
ース部材２４の上に更に安定に支持される。

【００３３】次に、第二の実施の形態のカンチレバー調
整ユニットについて図５を用いて説明する。本実施形態
は基本的に前述の実施形態のネジを圧電駆動ネジに変更
したものである。続く説明において、第一の実施の形態
の部材と実質的に同じ部材は同一の参照符号で示し、そ
の詳細な説明は省略する。

【００３４】図５に示すように、アーム部材１８には、
仮想アーム１８ａの端部に圧電駆動ネジ１１０が、仮想
アーム１８ｂの端部に圧電駆動ネジ１２０が、二本の仮
想アーム１８ａと１８ｂが交わる直角部に圧電駆動ネジ
１３０が設けられている。また、ベース部材２４に固定
された支柱４６にも圧電駆動ネジ１４０が取り付けられ
ている。

【００３５】これらの圧電駆動ネジ１１０と１２０と１
３０と１４０は共に同じ構造をしている。各圧電駆動ネ
ジ１１０と１２０と１３０と１４０は、それぞれ、ネジ
１１２と１２２と１３２と１４２と、これを支持すると
共に回転させる駆動機構部１１６と１２６と１３６と１
４６とで構成されている。各ネジ１１２と１２２と１３
２はそれぞれ先端に球面部１１４と１２４と１３４を備
えている。また、図には描かれていないが、ネジ１４２
もその先端に球面部を備えている。

【００３６】圧電駆動ネジ１１０と１２０と１３０は、
駆動機構部１１６と１２６と１３６がアーム部材１８に
固定されることで、アーム部材１８に取り付けられてい
る。また、圧電駆動ネジ１４０は、駆動機構部１４６が
支柱４６に固定されることで、支柱４６に取り付けられ
ている。

【００３７】図６に示すように、圧電駆動ネジ１１０と
１２０と１３０と１４０の駆動機構部１１６と１２６と
１３６と１４６は共に、ケーブル９５を介して、これら
を制御するためのコントローラー９６に接続されてい
る。コントローラー９６にはコントロールパッド９７が
接続されており、これを用いて圧電駆動ネジ１１０と１
２０と１３０と１４０の各々を別々に操作することがで
きる。

【００３８】このような圧電駆動ネジとしては、例え
ば、米国のニューフォーカス社製のピコモーターが商業
的に入手でき適用できる。ここで、駆動機構部１１６と
１２６と１３６と１４６の一例の基本的な構造とその動
作について図７を用いて説明する。図７（Ａ）に示すよ
うに、この駆動機構は、互いに平行に配置された二本の
保持部材１５２と１５４と、これらに連結された圧電体
１５６とを有している。二本の保持部材１５２と１５４
は、回転させる対象であるネジ１５８を間に挟んで、こ
れに接触しており、静止状態においてはネジ１５６を保
持している。圧電体１５６は、その伸縮動作により、二
本の保持部材１５２と１５４にその長手方向に沿って逆
向きの移動を与える。

【００３９】圧電体１５６の伸縮動作により、二本の保
持部材１５２と１５４は、図７（Ｂ）と図７（Ｃ）に示
すように、その長手方向に沿って、互いに反対方向に移
動される。二本の保持部材１５２と１５４の逆向きの移
動は、低速時には図７（Ｂ）に示すようにネジ１５８を
回転させるが、高速時には図７（Ｃ）に示すようにネジ
１５８を回転させない。

【００４０】圧電体１５６は、ネジ１５８を回転させる
方向に応じて、低速で縮み高速で伸びるように、あるい
は高速で縮み低速で伸びるように駆動され、その結果、
ネジ１５８が所望の方向に回転される。例えば、圧電体
１５６が図７（Ｂ）の低速での縮み動作と図７（Ｃ）の
高速での伸び動作を交互に繰り返すことで、ネジ１５８
は左回りに回転される。

【００４１】以上の説明から分かるように、圧電駆動ネ
ジ１１０と１２０と１３０と１４０は、駆動時には非常
に高い分解能でネジ１１２と１２２と１３２と１４２を
回転させることができ、非駆動時にはネジ１１２と１２
２と１３２と１４２を固定している。

【００４２】従って、この実施の形態のカンチレバー調
整ユニットは、前述の実施の形態の利点に加えて、カン
チレバーを更に高い位置精度で調整できるとともに床振
動等によるカンチレバーの位置ずれの発生が少ないとい
う利点を更に有している。

【００４３】また、空気のゆらぎ等による外気の影響を
避けるためチャンバーなどを用いて、その中で試料測定
を行なう場合には、外部からコントローラー９６を介し
て圧電駆動ネジを操作することにより、外気の影響を避
けた一定雰囲気の中での安定した測定が可能になる。更
に、一定ガス雰囲気、もしくは真空の状態を保ちつつ行
なわれる試料測定についても同様である。本発明は上述
した実施の形態に何等限定されるものではなく、その要
旨を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含んで
いる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、移動体の位置を短時間
の内に高精度に調整できる調整機構が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態によるカンチレバー
調整ユニットを示している。

【図２】図１のカンチレバー調整ユニットの球面軸受け
の動作の様子を示している。

【図３】図１のカンチレバー調整ユニットにおいて、ネ
ジの回転操作により生じる保持部の姿勢変化の様子を示
している。

【図４】図１のカンチレバー調整ユニットの変形例にお
いて、アーム部材を支持する三本のネジに適用するネジ
の構造を示している。

【図５】本発明の第二の実施の形態によるカンチレバー
調整ユニットを示している。

【図６】図５のカンチレバー調整ユニットの制御系を示
している。

【図７】図５のカンチレバー調整ユニットにおける圧電
駆動ネジの駆動機構部の一例の基本構造を示している。

【図８】一従来例におけるカンチレバー調整ユニットを
示している。

【符号の説明】

１４ 保持部 １８ アーム部 ２４ ベース部材 ３２、３６、４８、５２ ネジ ７１ ガイド軸 ７４ 球面軸受け

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動体を支持すると共にその位置を調整
   する調整機構であり、 ベース部材と、 前記移動体を保持する保持部と、 保持部を支持する支持板と、 支持板をベース部材の上に支持する支持手段と、 ベース部材に設けられたガイド軸と、 ガイド軸と支持板とを連結するガイド軸に摺動可能に設
   けられた球面軸受けと、 支持板をガイド軸に沿ってベース部材に向けて押し付け
   る手段と、 支持板に水平面に対する傾斜を与える傾斜付与手段と、 支持板に鉛直軸回りに回転を与える回転付与手段とを有
   している調整機構。
2. 【請求項２】 請求項１において、支持手段と傾斜付与
   手段は、支持板を貫通する三つのネジ穴と、これらのネ
   ジ穴に取り付けられた三本のネジとを含み、回転付与手
   段は、ベース部材に設けられた支柱と、これを水平に貫
   通するネジ穴と、このネジ穴に取り付けられたネジとを
   含み、押し付け手段は、支持板から延出したガイド軸の
   部分に通されたコイルバネと、コイルバネを圧縮して保
   持するためにガイド軸に取り付けられたバネ押さえとを
   含んでいる調整機構。
3. 【請求項３】 請求項１において、支持手段と傾斜付与
   手段は、支持板に取り付けられた三つの圧電駆動ネジを
   含み、回転付与手段は、ベース部材に設けられた支柱
   と、これを水平に貫通するネジ穴と、このネジ穴に取り
   付けられたネジとを含み、押し付け手段は、支持板から
   延出したガイド軸の部分に通されたコイルバネと、コイ
   ルバネを圧縮して保持するためにガイド軸に取り付けら
   れたバネ押さえとを含んでいる調整機構。