WO2014024685A1 - 走査機構および走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

走査機構および走査型プローブ顕微鏡 Download PDF

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WO2014024685A1
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axis
scanning mechanism
scanning
piezoelectric element
actuator
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PCT/JP2013/070104
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Inventor
酒井　信明
良嗣 植草
Original Assignee
オリンパス株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G01Q10/04—Fine scanning or positioning
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q20/00—Monitoring the movement or position of the probe
    • G01Q20/02—Monitoring the movement or position of the probe by optical means

Definitions

  • the present invention relates to a scanning probe microscope.
  • a scanning probe microscope is a scanning microscope that obtains information on the surface of a sample by mechanically scanning a mechanical probe with a scanning mechanism, and includes a scanning tunneling microscope (STM), an atomic force microscope (AFM). ), A scanning magnetic force microscope (MFM), a scanning near-field light microscope (SNOM), and the like.
  • the scanning probe microscope raster-scans the mechanical probe and the sample relatively in the X and Y directions, obtains surface information of a desired sample region via the mechanical probe, and displays the mapping on the monitor TV.
  • the AFM is the most widely used device, which has a cantilever having a mechanical probe at its free end, an optical displacement sensor for detecting the displacement of the cantilever, and a mechanical probe and a sample relatively.
  • a scanning mechanism for scanning is provided as a main mechanical mechanism.
  • the optical displacement sensor an optical lever type optical displacement sensor is most widely used because of its simple structure and high displacement detection sensitivity.
  • the cantilever is irradiated with a light beam with a diameter of several ⁇ m to several tens of ⁇ m, and the reflection direction of the reflected light changes according to the warp of the lever using a two-part optical detector, etc.
  • the probe operation is captured and output as an electrical signal. While controlling the scanning mechanism in the Z-axis direction so that this output is constant, the scanning mechanism is also scanned in the X-axis direction and the Y-axis direction, thereby mapping the uneven state of the sample surface on the computer monitor. indicate.
  • Such an AFM when a biological sample in a liquid is observed, it is generally observed in combination with an inverted optical microscope. This is because the inverted optical microscope observation is effective not only for obtaining knowledge of the sample but also for positioning the cantilever at a specific part of the sample.
  • Such an AFM often uses a lever scan type scanning mechanism that scans the cantilever in the XYZ axial directions so as to be compatible with various biological samples and sample substrates.
  • AFM On observing the movement of a biological sample, what is required of AFM is the observation speed. In this application, the goal is to obtain a screen within 1 second, preferably within 0.1 seconds.
  • the electric circuit around the AFM device has reached a level that is possible even with devices currently on the market, and the problem lies in the mechanical mechanism.
  • a scanning mechanism having a high scanning speed, a soft cantilever having a high resonance frequency, and an optical lever type optical displacement sensor capable of detecting the displacement of the cantilever are exemplified.
  • the scanning mechanism is required.
  • the scanning frequency in the X-axis direction reaches 1 kHz
  • the scanning frequency in the Y-axis direction reaches 10 Hz
  • the scanning frequency in the Z-axis direction reaches 100 kHz or more.
  • a high-frequency cantilever suitable for observing a biological sample is required to have a spring constant of 1 N / m or less and a resonance frequency of 300 kHz or more.
  • the size of such a cantilever is as small as about one-tenth that of a commercially available cantilever.
  • a cantilever made of silicon nitride has a length of 10 ⁇ m, a width of 2 ⁇ m, and a thickness of 0.1 ⁇ m.
  • the spring constant is 0.1 N / m
  • the resonance frequency in the atmosphere is 1.2 MHz
  • the resonance frequency in the liquid is about 400 kHz.
  • an optical displacement sensor a condensing optical system in which the spot diameter of convergent light is several ⁇ m or less is required to detect a very small cantilever displacement.
  • lever scan type AFM The disadvantage of the lever scan type AFM is that not only the cantilever but also the optical lever type optical displacement sensor must be scanned together. This is because the optical lever type optical displacement sensor is equipped with a light source, a detector, and a condensing optical system, so that it is difficult to reduce the size and weight, which hinders high-speed scanning.
  • Japanese Patent Application Publication No. 2010-521893 has proposed a detection light tracking type scanning mechanism in which only the condensing optical system is XY scanned together with the cantilever and the Z scanner.
  • the actuators in the X-axis direction and the Y-axis direction are symmetrical with respect to each axis and have the same structure.
  • the actuators in the X-axis direction and the Y-axis direction are symmetric four times.
  • the entire structure of the XY movable part that holds the cantilever and the Z scanner together with the condensing optical system is not symmetrical with respect to both the X axis and the Y axis. That is, it is not rotationally symmetric.
  • the cantilever itself does not have a symmetric structure with respect to both the X axis and the Y axis. That is, it is not rotationally symmetric.
  • the present invention has been made in consideration of such a situation, and an object thereof is to provide a scanning mechanism including actuators suitable for high-speed scanning and low-speed scanning of XY scanning.
  • the present invention is a scanning mechanism that scans an object to be scanned at high speed in the X-axis direction and scans at low speed in the Y-axis direction orthogonal to the X-axis.
  • the scanning mechanism includes a movable part to which the scanning object is attached, and an XY actuator that scans the movable part in the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the XY actuator is symmetric with respect to a straight line parallel to the Y-axis direction, and is asymmetric with respect to a straight line parallel to the X-axis direction.
  • a scanning mechanism including actuators suitable for high-speed scanning and low-speed scanning of XY scanning.
  • FIG. 1A is a top view of the scanning mechanism of the first embodiment.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line Ix-Ix in FIG. 1A.
  • 1C is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line Iy-Iy in FIG. 1A.
  • FIG. 2 shows an XY piezo driver for driving a piezoelectric element mounted on the scanning mechanism of FIGS. 1A to 1C.
  • FIG. 3 shows signals output from the XY piezo driver of FIG.
  • FIG. 4A is a top view of the scanning mechanism of the second embodiment.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line IIx-IIx in FIG. 4A.
  • FIG. 4C is a cross-sectional view of the scanning mechanism taken along line IIy-IIy in FIG. 4A.
  • FIG. 5A is a top view of a scanning mechanism according to a modification of the second embodiment.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line IIIx-IIIx in FIG. 5A.
  • FIG. 5C is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line IIIy-IIIy in FIG. 5A.
  • FIG. 6A is a top view of the scanning mechanism of the third embodiment. 6B is a cross-sectional view of the scanning mechanism taken along line IVy-IVy in FIG. 6A.
  • FIG. 7A is a perspective view of the cantilever shown in FIG. 6B.
  • FIG. 7B is a top view of the cantilever shown in FIG. 6B.
  • FIG. 7C is a side view of the cantilever shown in FIG. 6B.
  • FIG. 8A shows the deformation of the cantilever that occurs when the cantilever of FIGS. 7A-7C is scanned in its longitudinal direction.
  • FIG. 8B shows the deformation of the cantilever that occurs when the cantilever of FIGS. 7A-7C is scanned in its longitudinal direction.
  • FIG. 9A is a top view of the scanning mechanism of the first modification of the third embodiment.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line Vy-Vy in FIG. 9A.
  • FIG. 10A is a top view of a scanning mechanism according to a second modification of the third embodiment.
  • FIG. 10B is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line VIy-VIy in FIG. 10A.
  • FIG. 11 shows a scanning probe microscope provided with the scanning mechanism of the third
  • the XYZ orthogonal coordinate system is set so that the X axis is parallel to the direction of high-speed scanning of raster scanning and the Y axis is parallel to the direction of low-speed scanning of raster scanning.
  • the high-speed scanning direction of the raster scanning is the X-axis direction
  • the low-speed scanning direction is the Y-axis direction.
  • FIG. 1A is a top view of the scanning mechanism of the present embodiment
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line Ix-Ix in FIG. 1A
  • FIG. 1C is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line Iy-Iy in FIG. 1A.
  • the scanning mechanism 10 of this embodiment includes a fixed frame 11, an XY stage 19 disposed in the fixed frame 11, and an XY stage 19 and a fixed frame 11.
  • a piezoelectric element 12A extending along the X axis, and a piezoelectric element 12B extending along the X axis disposed between the XY stage 19 and the fixed frame 11 so as to face the piezoelectric element 12A;
  • the piezoelectric element 12C is disposed between the XY stage 19 and the fixed frame 11 and extends along the Y axis.
  • the XY stage 19 includes an XY movable portion 14 movable in the X-axis direction and the Y-axis direction orthogonal to each other, elastic portions 16A and 16B provided on both sides along the X-axis of the XY movable portion 14, and an XY movable portion. 14, elastic portions 16C, 17 provided on both sides along the Y axis, and support portions 15A, 15B, 15C, 15D supporting the elastic portions 16A to 16C, 17 are provided.
  • a scanning object (not shown) is attached to the XY movable unit 14.
  • the piezoelectric element 12A and the piezoelectric element 12B are disposed along the X axis of the fixed frame 11 and the XY movable portion 14.
  • the piezoelectric element 12A and the piezoelectric element 12B are disposed on both sides along the X axis of the XY movable portion 14. Further, the piezoelectric element 12A and the piezoelectric element 12B are arranged so that straight lines passing through the center of gravity of the XY movable portion 14 and parallel to the X axis pass through the centers of the piezoelectric elements 12A and 12B.
  • the arrangement of the piezoelectric elements 12A and 12B is symmetrical with respect to a straight line that passes through the center of gravity of the XY movable portion 14 and is parallel to the Y axis. That is, the arrangement of the piezoelectric element 12A and the piezoelectric element 12B is symmetric (line symmetric) in the X-axis direction with a straight line passing through the center of gravity of the XY movable portion 14 and parallel to the Y-axis as an axis of symmetry. In this embodiment, a straight line that passes through the center of gravity 14 of the XY movable part 14 and is parallel to the Y axis is used as the symmetry axis.
  • a symmetrical axis that passes through the center of the XY movable part 14 may be used. That is, any configuration may be used as long as a straight line parallel to the Y-axis direction exists so that the arrangement of the piezoelectric elements 12A and 12B is axisymmetric in the X-axis direction.
  • the piezoelectric element 12C is disposed between the fixed frame 11 and the XY movable portion 14 along the Y axis.
  • the piezoelectric element 12C is located on one side of the XY movable unit 14 along the Y axis.
  • the piezoelectric element 12C is arranged so that a straight line passing through the center of gravity of the XY movable portion 14 and parallel to the Y axis passes through the center of the piezoelectric element 12C. That is, the arrangement of the piezoelectric elements 12C is asymmetric with respect to a straight line that passes through the center of gravity of the XY movable portion 14 and is parallel to the X axis.
  • the arrangement of the piezoelectric elements 12C is asymmetric with respect to a straight line that passes through the center of gravity of the XY movable part 14 and is parallel to the X axis, but is parallel to the X axis through the center of the XY movable part 14. It may be asymmetric with respect to a straight line.
  • the elastic part 16A is disposed between the XY movable part 14 and the piezoelectric element 12A.
  • the elastic portion 16 dB is disposed between the XY movable portion 14 and the piezoelectric element 12B.
  • the elastic part 16C is disposed between the XY movable part 14 and the piezoelectric element 12C.
  • the elastic part 17 is disposed between the XY movable part 14 and the fixed frame 11.
  • the support portions 15A and 15D are located on both sides of the piezoelectric element 12A along the Y axis, and the support portions 15B and 15C are located on both sides of the piezoelectric element 12B along the Y axis.
  • the support portion 15A supports the elastic portion 16A and the elastic portion 16C
  • the support portion 15B supports the elastic portion 16B and the elastic portion 16C
  • the support portion 15C supports the elastic portion 16B and the elastic portion 17,
  • the support portion 15D is elastic.
  • the part 16A and the elastic part 17 are supported. All of the support portions 15A to 15D are fixed to the fixed frame 11.
  • the fixing of the support portions 15A to 15D is not limited to this, but is performed by, for example, screw fastening or adhesion.
  • Elastic portions 16A, 16B, and 16C have exactly the same shape except that their orientations are different. Both of these have a cross shape.
  • the elastic portion 17 has a T shape.
  • the elastic part 16A located on the piezoelectric element 12A side of the XY movable part 14 has a pressing part 18A pressed by the piezoelectric element 12A.
  • the elastic portion 16B located on the piezoelectric element 12B side of the XY movable portion 14 has a pressing portion 18B that is pressed by the piezoelectric element 12B.
  • the elastic part 16C located on the piezoelectric element 12C side of the XY movable part 14 has a pressing part 18C pressed by the piezoelectric element 12C.
  • the elastic portions 16A and 16B have a rectangular plate-like portion that extends in the ZX plane and extends along the X axis, and a rectangular plate-like portion that extends in the YZ plane and extends along the Y axis.
  • the rectangular plate-like portion that is elongated along the X axis is connected to the XY movable portion 14 at one end along the X axis, and the rectangular plate that is elongated at one end along the X axis along the Y axis. Connected to the central part of the shaped part.
  • the rectangular plate-like portion that is elongated along the Y axis has both end portions along the Y axis connected to the support portions 15A to 15D.
  • the elastic portions 16C and 17 have a rectangular plate-like portion that extends in the YZ plane and extends along the Y-axis, and a rectangular plate-like portion that extends in the ZX plane and extends along the X-axis.
  • the rectangular plate-like portion elongated along the Y axis is connected to the XY movable portion 14 at one end along the Y axis, and the rectangular plate elongated at one end along the Y axis along the X axis. Connected to the central part of the shaped part.
  • the rectangular plate-like portion elongated along the X axis has both end portions along the X axis connected to the support portions 15A to 15D.
  • the thickness of these plate-like portions that is, the dimension along the Z axis is not limited to this, but is the same as the thickness of the XY movable portion 14, for example.
  • the elastic portions 16A and 16B With respect to the movement of the XY movable portion 14 along the Y axis, extend in the ZX plane and are elongated rectangular plate portions along the X axis, and YZ Both of the rectangular plate-like portions that extend in a plane and extend along the Y axis are easily elastically deformed. That is, the elastic portions 16A and 16B are soft with respect to the movement of the XY movable portion 14 along the Y axis.
  • the rectangular plate-like portion that extends in the YZ plane and easily extends along the Y axis is easily elastically deformed, but extends in the ZX plane and is elongated along the X axis.
  • the rectangular plate-like portion is not easily elastically deformed. That is, the elastic portions 16A and 16B become hard against movement along the X axis of the XY movable portion 14.
  • the elastic parts 16C and 17 are, with respect to the movement of the XY movable part 14 along the X axis, elongated in the YZ plane and elongated in the Y axis, and elongated in the ZX plane and elongated in the X axis. Both rectangular plate-shaped parts are easily elastically deformed. That is, the elastic portions 16C and 17 are soft with respect to the movement of the XY movable portion 14 along the X axis.
  • the rectangular plate-like portion that extends in the ZX plane and is elongated along the X axis is easily elastically deformed, but extends in the YZ plane and is elongated along the Y axis.
  • the rectangular plate-like portion is not easily elastically deformed. That is, the elastic parts 16C and 17 become hard against movement along the Y axis of the XY movable part 14.
  • the XY movable portion 14 is supported with high rigidity in the direction along the X axis by the elastic portions 16A and 16B, and is supported with high rigidity in the direction along the Y axis by the elastic portions 16C and 17.
  • XY stage 19 is integrally formed. That is, the XY movable portion 14, the support portions 15A to 15D, the elastic portions 16A to 16C, the elastic portion 17, and the pressing portions 18A to 18C are integrally formed.
  • the XY stage 19 is produced by selectively notching a metal block made of, for example, aluminum.
  • the material of the fixed frame 11 preferably has a higher elastic modulus than the material of the XY stage 19.
  • the fixed frame 11 is made of stainless steel, and the XY stage 19 is made of aluminum.
  • the piezoelectric element 12A is arranged so that a predetermined preload is applied between the pressing portion 18A of the elastic portion 16A and the fixed frame 11. Further, the piezoelectric element 12B is arranged so that a predetermined preload is applied between the pressing portion 18B of the elastic portion 16B and the fixed frame 11. Furthermore, the piezoelectric element 12 ⁇ / b> C is arranged so that a predetermined preload is applied between the pressing portion 18 ⁇ / b> C of the elastic portion 16 ⁇ / b> C and the fixed frame 11.
  • the piezoelectric element 12A is a first X actuator for scanning the XY movable portion 14 in the X-axis direction via the elastic portion 16A, and can expand and contract along the X-axis in response to voltage application.
  • the piezoelectric element 12B is a second X actuator for scanning the XY movable portion 14 in the X-axis direction via the elastic portion 16B, and can expand and contract along the X-axis in response to voltage application.
  • the piezoelectric element 12C is a Y actuator for scanning the XY movable portion 14 in the Y-axis direction via the elastic portion 16C, and can expand and contract along the Y-axis according to voltage application.
  • the piezoelectric element 12A, the piezoelectric element 12B, and the piezoelectric element 12C are composed of, for example, substantially the same stacked piezoelectric element. “Substantially the same” means that the difference in shape and characteristics is 30% or less. This is because the piezoelectric element itself already has a nonlinearity of about 30%. Therefore, if the variation is 30% or less, it can be regarded as substantially the same.
  • the piezoelectric element 12A and the piezoelectric element 12B perform a push-pull operation.
  • the piezoelectric element 12A expands, the piezoelectric element 12B contracts, and when the piezoelectric element 12A contracts, the piezoelectric element 12B expands. That is, the piezoelectric element 12A and the piezoelectric element 12B operate in reverse to the expansion / contraction operation.
  • FIG. 2 shows an XY piezo driver 20 for expanding and contracting the piezoelectric elements 12A to 12C.
  • the XY piezo driver 20 has a three-channel output terminal and can apply a voltage to the piezoelectric elements 12A to 12C.
  • Drive signals Sig (Xa), Sig (Xb), and Sig (Y) for applying a voltage to the piezoelectric elements 12A to 12C are output from the output terminals Xa, Xb, and Y, respectively.
  • FIG. 3 shows signals output from the XY piezo driver 20.
  • the drive signal Sig (Xa) to the piezoelectric element 12A and the drive signal Sig (Xb) to the piezoelectric element 12B have an inverse phase relationship. Accordingly, the piezoelectric element 12B operates to contract when the piezoelectric element 12A expands, and the piezoelectric element 12B operates to expand when the piezoelectric element 12A contracts.
  • the piezoelectric element 12A, the piezoelectric element 12B, and the piezoelectric element 12C constitute an XY actuator that scans the XY movable portion 14 in the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the arrangement of the piezoelectric elements 12A and 12B is symmetric with respect to a straight line passing through the center of gravity of the XY movable part 14 and parallel to the Y axis
  • the arrangement of the piezoelectric element 12C is the center of gravity of the XY movable part 14. Is asymmetric with respect to a straight line passing through and parallel to the X axis.
  • this XY actuator is symmetrical with respect to a straight line passing through the center of gravity of the XY movable part 14 and parallel to the Y-axis direction, and asymmetrical with respect to a straight line passing through the center of gravity of the XY movable part 14 and parallel to the X-axis direction. It is.
  • the piezoelectric element 12A and the piezoelectric element 12B expand and contract along the X axis during X scanning.
  • the piezoelectric element 12A pushes the XY movable part 14 in the + direction in the X-axis direction while elastically deforming the elastic part 16A.
  • the piezoelectric element 12B contracts and pulls the XY movable part 14 in the + direction of the X axis direction while elastically deforming the elastic part 16B.
  • the XY movable unit 14 is moved along the X axis in the + direction of the X axis direction.
  • the elastic portion 16C and the elastic portion 17 are also elastically deformed because they are pulled in the moving direction of the XY movable portion 14. At this time, the elastic deformation amounts of the elastic portion 16A and the elastic portion 16B are substantially the same. Further, the elastic deformation amounts of the elastic portion 16C and the elastic portion 17 are substantially the same.
  • the piezoelectric element 12A contracts, the piezoelectric element 12A pulls the XY movable part 14 in the negative direction in the X-axis direction while elastically deforming the elastic part 16A.
  • the piezoelectric element 12B extends and pushes the XY movable part 14 in the negative direction of the X-axis direction while elastically deforming the elastic part 16B.
  • the XY movable unit 14 is moved along the X axis in the negative direction in the X axis direction.
  • the elastic portion 16C and the elastic portion 17 are also elastically deformed because they are pulled in the moving direction of the XY movable portion 14.
  • the elastic deformation amounts of the elastic portion 16A and the elastic portion 16B are substantially the same.
  • the elastic deformation amounts of the elastic portion 16C and the elastic portion 17 are substantially the same.
  • the elastic deformation amounts of the elastic portion 16C and the elastic portion 17 are substantially the same, so that the forces applied in the Y axis direction of the XY movable portion 14 are balanced. Become. Therefore, the XY movable portion 14 is not pulled in either direction in the Y-axis direction, and is scanned with very high straightness in the X-axis direction.
  • the piezoelectric element 12A when the piezoelectric element 12A is expanded, the piezoelectric element 12B is contracted, and when the piezoelectric element 12A is contracted, the piezoelectric element 12B is expanded, that is, a push-pull operation is performed.
  • the applied load in the X-axis direction is theoretically almost zero.
  • a scanning mechanism capable of high-speed raster scanning is designed to have high rigidity in order to increase the resonance frequency of the entire scanning mechanism.
  • the frequency of the fast scan can be 1 kHz or more.
  • the impact load applied to the movable part during X scanning is very large. As a result, the natural vibration of the movable part and the scanning mechanism is excited, causing a problem that vibration noise increases.
  • the piezoelectric element 12C expands and contracts along the Y axis.
  • the piezoelectric element 12C pushes the XY movable part 14 while elastically deforming the elastic part 16C.
  • the XY movable unit 14 is moved along the Y axis in the + direction of the Y axis direction.
  • the elastic portion 17 is elastically deformed by being pushed by the XY movable portion 14.
  • the elastic portions 16A and 16B are also elastically deformed because they are pulled in the moving direction of the XY movable portion 14.
  • the elastic deformation amounts of the elastic portion 16A and the elastic portion 16B are substantially the same.
  • the elastic deformation amounts of the elastic portion 16C and the elastic portion 17 are substantially the same.
  • the piezoelectric element 12C contracts, the piezoelectric element 12C pulls the XY movable part 14 in the negative direction in the Y-axis direction while elastically deforming the elastic part 16C.
  • the XY movable unit 14 is moved along the Y axis in the negative direction in the Y axis direction.
  • the elastic portion 17 is elastically deformed by being pulled by the XY movable portion 14.
  • the elastic portions 16A and 16B are also elastically deformed because they are pulled in the moving direction of the XY movable portion 14.
  • the elastic deformation amounts of the elastic portion 16A and the elastic portion 16B are substantially the same.
  • the elastic deformation amounts of the elastic portion 16C and the elastic portion 17 are substantially the same.
  • the elastic deformation amounts of the elastic portion 16A and the elastic portion 16B are substantially the same, so that the forces applied in the X axis direction of the XY movable portion 14 are balanced. Become. Therefore, the XY movable portion 14 is not pulled in any direction in the X-axis direction, and is scanned with very high straightness in the Y direction.
  • the scanning speed is very slow, 1/100 or less, compared with the scanning along the X axis, and the impact load is very small. That is, even if the push-pull operation is not performed, the influence of vibration noise is small.
  • it is necessary not only to increase the number of piezoelectric elements but also to increase the number of piezoelectric amplifiers by one channel. This increases the number of components, complicates the structure, and raises the cost. This problem is avoided in the scanning along the Y axis of the XY movable unit 14.
  • the piezoelectric element 12A and the piezoelectric element 12B constitute an X actuator suitable for performing a push-pull operation useful for high-speed scanning
  • the piezoelectric element 12C A Y actuator suitable for low-speed scanning that does not require a pull operation is configured. That is, the scanning mechanism of this embodiment includes an X actuator suitable for high-speed scanning and a Y actuator suitable for low-speed scanning.
  • vibration noise can be sufficiently suppressed by applying the push-pull operation only to X scanning with a high scanning speed.
  • the configuration of the Y actuator for Y scanning with a slow scanning speed is simplified. Thereby, it is possible to realize high-precision scanning without increasing the number of components more than necessary, thus without wastefully complicating the structure, and without increasing the cost.
  • FIGS. 4A, 4B, and 4C This embodiment is directed to a scanning mechanism.
  • this embodiment will be described with reference to FIGS. 4A, 4B, and 4C.
  • 4A is a top view of the scanning mechanism of the present embodiment
  • FIG. 4B is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line IIx-IIx in FIG. 4A
  • 4C is a cross-sectional view of the scanning mechanism taken along line IIy-IIy in FIG. 4A.
  • members denoted by the same reference numerals as those shown in FIGS. 1A, 1B, and 1C are similar members, and detailed descriptions thereof are omitted.
  • the scanning mechanism 30 of this embodiment includes a fixed frame 31, an XY stage 32 including support portions 33A and 33B, and a piezoelectric element, as compared with the scanning mechanism 10. 34 is different.
  • the push-pull operation of X scanning has an effect that the load in the X-axis direction applied near the center of gravity of the XY movable portion 14 can be made almost zero. As a result, the XY movable portion 14 is not deformed due to the impact load during X scanning. However, since the push-pull operation is not performed in the scanning along the Y axis, a force that can be regarded as a static load is applied to the XY movable unit 14 and the XY movable unit 14 may be deformed. The deformation of the XY movable unit 14 means that the displacement of the piezoelectric element 12C is absorbed.
  • the amount of displacement in the direction along the Y axis is smaller than the direction along the X axis.
  • there is a method of reducing the rigidity only in the direction along the Y axis of the scanning mechanism but there is a possibility that the rigidity of the entire scanning mechanism may be reduced.
  • the scanning mechanism of the present embodiment solves this problem, and the piezoelectric element in the direction along the Y axis is longer than the piezoelectric element in the direction along the X axis (having high driving efficiency) For example, a double length is used. As a result, the amount of displacement in the direction along the Y axis can be increased while maintaining the rigidity of the entire scanning mechanism substantially.
  • a piezoelectric element having a double length is used as the piezoelectric element in the direction along the Y axis.
  • the displacement along the Y axis actually varies in the direction along the X axis. It is necessary to select the length so as to be equal to the displacement.
  • FIGS. 5A, 5B, and 5C A scanning mechanism 40, which is a modification of the second embodiment, is shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C.
  • FIG. 5A is a top view of the scanning mechanism of the present embodiment
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line IIIx-IIIx in FIG. 5A.
  • FIG. 5C is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line IIIy-IIIy in FIG. 5A.
  • members denoted by the same reference numerals as those shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C are similar members, and detailed descriptions thereof are omitted.
  • the scanning mechanism 40 of this embodiment includes a fixed frame 41, an XY stage 42 including support portions 43A and 43B, and a piezoelectric element, as compared with the scanning mechanism 30. 44, 45 and the elastic member 46 are different.
  • the piezoelectric elements 44 and 45 are configured by a stacked piezoelectric element substantially the same as the piezoelectric elements 12A and 12B.
  • the piezoelectric elements 44 and 45 are connected in series via an elastic member 46. That is, the total value of the displacement directions of the piezoelectric elements 44 and 45 is longer than the length of the piezoelectric elements 12A and 12B in the displacement direction.
  • the elastic member 46 is made of, for example, plate-like aluminum that extends in the ZX plane, and both ends thereof are fixed to the support portion 43A and the support portion 43B.
  • the fixing is performed, for example, by press fitting, screw fastening, or adhesion.
  • both ends of the elastic member 46 may be formed integrally with the XY stage 42 including the support portion 43A and the support portion 43B, or may be directly fixed to the fixed frame 41.
  • the elastic member 46 may be subjected to various deformations and changes as long as it is elastically deformable along the Y axis and is difficult to deform along the X axis and the Z axis.
  • piezoelectric elements 44 and 45 are substantially the same as the piezoelectric elements 12A and 12B, they can be realized by common parts without increasing the types of components.
  • the entire scanning mechanism is more than the scanning mechanism 30 shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C.
  • the rigidity can be increased.
  • the two piezoelectric elements 44 and 45 are connected in series via the elastic member 46, but three or more piezoelectric elements may be connected via the elastic member.
  • FIGS. 6A and 6B This embodiment is directed to a scanning mechanism.
  • this embodiment will be described with reference to FIGS. 6A and 6B.
  • 6A is a top view of the scanning mechanism of the present embodiment
  • FIG. 6B is a cross-sectional view of the scanning mechanism taken along line IVy-IVy in FIG. 6A.
  • members denoted by the same reference numerals as those shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C are similar members, and detailed description thereof is omitted.
  • the scanning mechanism 50 of this embodiment is different from the scanning mechanism 30 shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C in an XY stage 51 including an XY movable unit 52.
  • the XY movable unit 52 has a configuration in which a scanning object is added to the XY movable unit 14 shown in FIG. 4A.
  • the scanning mechanism 50 includes a piezoelectric element 54 held by the XY movable portion 52, a holder 56 held by the piezoelectric element 54, and a cantilever 55 held by the holder 56.
  • One end of the piezoelectric element 54 is fixed to the XY movable portion 52 and extends in the ⁇ Z direction.
  • a holder 56 that holds the cantilever 55 is held at the free end of the piezoelectric element 54.
  • the piezoelectric element 54 is composed of, for example, a stacked piezoelectric element. The piezoelectric element 54 can expand and contract along the Z axis in response to voltage application.
  • the piezoelectric element 54 alone or together with the holder 56 constitutes a Z actuator that scans the cantilever 55 in the Z-axis direction perpendicular to the XY plane.
  • the cantilever 55 is attached to the holder 56 in a replaceable manner.
  • the holder 56 holds the cantilever 55 with an inclination of 5 degrees to 20 degrees with respect to the XY plane. This is to avoid interference between the lever surface of the cantilever 55 and a sample arranged in parallel to an XY plane (not shown), and is implemented in almost all AFMs.
  • FIGS. 7A, 7B, and 7C Enlarged views of the cantilever 55 are shown in FIGS. 7A, 7B, and 7C.
  • 7A is a perspective view
  • FIG. 7B is a top view
  • FIG. 7C is a side view.
  • the cantilever 55 has a mechanical probe 57 at its free end.
  • the cantilever 55 extends along the ⁇ direction of the Y axis. That is, the holder 56 holds the cantilever 55 such that its longitudinal direction is along the Y axis.
  • the scanning mechanism 50 further includes a light collecting portion 53 held by the XY movable portion 52.
  • the light condensing part 53 is disposed in a through hole formed in the XY movable part 52 and fits within the thickness of the XY movable part 52.
  • the condensing unit 53 functions to make the cantilever 55 enter light for detecting the displacement of the cantilever 55 that is emitted from an optical displacement sensor (not shown), for example, an optical lever sensor.
  • the condensing part 53 is not limited to this, For example, it is comprised with the single lens,
  • the NA has the optical characteristic of 0.4 or more so that it can condense also to a small cantilever.
  • the condensing part 53 desirably has a diameter of 10 mm or less. This is because in order to increase the speed of XY scanning, it is important to make the XY movable unit 52 small and light.
  • the XY movable unit 14 holds the piezoelectric element 54 and the condensing unit 53 so that the piezoelectric element 54 and the condensing unit 53 are symmetrical with respect to a straight line that passes through the center of gravity of the XY movable unit 14 and is parallel to the Y axis. . Further, the piezoelectric element 54 and the light condensing unit 53 are arranged so as to be aligned along the Y axis in the projection onto the XY plane. In other words, one of the piezoelectric element 54 and the light condensing unit 53 is located outside the other without overlapping each other on the projected XY plane.
  • the XY movable unit 52 is XY with high straightness and high speed without increasing vibration noise, similarly to the effect of the scanning mechanism 30 shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C. Scanned in the direction.
  • the cantilever 55 is also scanned in the XY direction together with the piezoelectric element 54. Therefore, the cantilever 55 is scanned at high speed with high straightness without giving vibration noise.
  • the cantilever 55 is held so as to extend along the negative direction of the Y axis.
  • FIGS. 8A and 8B when scanning along the longitudinal direction of the cantilever 55, there is a problem that warping occurs due to the resistance (F) of the atmosphere and water (when observing in liquid). This warpage increases as the scanning speed increases. This is because resistance is proportional to speed. Therefore, the cantilever 55 needs to be held so as to extend along the Y-axis, which is the axis for low-speed scanning. In the scanning mechanism 50, since the cantilever 55 is held so as to extend along the Y axis, the cantilever 55 can be scanned in the XY directions at a high speed with almost no warpage.
  • the condensing unit 53 is also scanned in the XY directions at high speed with high straightness without giving vibration noise.
  • the focal position of the condensing unit 53 is also scanned in the XY direction by the same distance as the condensing unit 53, so that the laser beam condensed by the condensing unit 53 Are also scanned in the X and Y directions by the same distance as the condensing unit 53. Accordingly, the laser beam condensing spot formed by the condensing unit 53 is scanned in the XY directions at high speed with high straightness without giving vibration noise.
  • the laser beam condensing spots formed by the cantilever 55 and the condensing unit 53 are the same distance in the XY directions at high speed with high accuracy and high straightness without causing relative vibrations to them. Only scanned.
  • the laser beam condensing spot formed by the cantilever 55 and the condensing unit 53 is scanned with the same distance in the XY direction with high accuracy and high linearity, and therefore has high accuracy and high linearity.
  • a detection light tracking type scanning mechanism capable of high-speed raster scanning is provided.
  • the scanning mechanism 50 is configured by adding a condensing unit 53, a piezoelectric element 54, a holder 56, and a cantilever 55, which are scanning objects, to the scanning mechanism 30 shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C.
  • the scanning mechanism 30 shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C may be replaced with the scanning mechanism 10 shown in FIGS. 1A, 1B, and 1C, or the scanning mechanism 40 shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C. Good.
  • FIGS. 9A and 9B A scanning mechanism 60, which is a first modification of the third embodiment, is shown in FIGS. 9A and 9B.
  • FIG. 9A is a top view of the scanning mechanism of the present embodiment
  • FIG. 9B is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the line Vy-Vy in FIG. 9A.
  • members denoted by the same reference numerals as those illustrated in FIGS. 6A and 6B are similar members, and detailed descriptions thereof are omitted.
  • the scanning mechanism 60 which is a first modification of the present embodiment, includes a piezoelectric element 61 and a pseudo holder 62 in addition to the configuration of the scanning mechanism 50 shown in FIGS. 6A and 6B. I have.
  • the piezoelectric element 61 has one end fixed to the XY movable portion 52 and extends in the + Z direction. That is, the piezoelectric element 54 and the piezoelectric element 61 extend from the XY movable portion 52 to the opposite sides along the Z axis.
  • the piezoelectric element 54 and the piezoelectric element 61 are composed of, for example, substantially the same stacked piezoelectric element, and can expand and contract along the Z-axis in response to voltage application.
  • the piezoelectric element 54 and the piezoelectric element 61 constitute a Z actuator that scans the cantilever 55 in the Z-axis direction perpendicular to the XY plane.
  • a pseudo holder 62 which is the same member as the holder 56, is attached to the free end of the piezoelectric element 61 provided on the upper surface of the XY movable portion 52.
  • the pseudo holder 62 can be replaced if it is a member having a mass equivalent to that of the holder 56.
  • a Z drive signal is supplied to the two piezoelectric elements 54 and 61 by a Z piezoelectric drive unit (not shown), and the two piezoelectric elements 54 and 61 are expanded and contracted in the opposite direction by the same amount.
  • the force along the Z axis that the expansion and contraction of the piezoelectric element 54 gives to the XY movable portion 52 is canceled by the expansion and contraction of the piezoelectric element 61.
  • the vibration in the Z direction of the XY movable part 52 caused by the expansion and contraction of the piezoelectric element 54 is suppressed to substantially zero.
  • the cantilever 55 is scanned in the Z direction by a Z actuator composed of two piezoelectric elements 54 and 61.
  • the vibration noise generated during the operation is also suppressed to almost zero.
  • FIGS. 10A and 10B A scanning mechanism 70 which is a second modification of the third embodiment is shown in FIGS. 10A and 10B.
  • FIG. 10A is a top view of the scanning mechanism of the present embodiment
  • FIG. 10B is a cross-sectional view of the scanning mechanism along the VIy-VIy line in FIG. 10A.
  • members denoted by the same reference numerals as those illustrated in FIGS. 9A and 9B are similar members, and detailed descriptions thereof are omitted.
  • the scanning mechanism 70 which is a second modification of the present embodiment, is shown in FIGS. 9A and 9B in comparison with the scanning mechanism 60 shown in FIGS. 9A and 9B.
  • the condensing part 53 is replaced with a single lens 71.
  • the single lens 71 is tilted and held so that its optical axis is 5 to 20 degrees with respect to an axis perpendicular to the XY plane so that convergent light is incident perpendicularly to the lever surface of the cantilever 55. .
  • the single lens 71 is disposed in a through hole formed in the XY movable portion 52 and is within the thickness of the XY movable portion 52.
  • the single lens 71 has an optical characteristic with an NA of 0.4 or more so that light can be condensed even on a small cantilever having a length of 10 ⁇ m and a width of 2 ⁇ m.
  • the following effects can be obtained in addition to the effects of the scanning mechanism 60 shown in FIGS. 9A and 9B.
  • the optical axis of the single lens 71 Since the optical axis of the single lens 71 is held at an angle of 5 degrees to 20 degrees with respect to an axis perpendicular to the XY plane, convergent light can be incident on the cantilever 55 perpendicularly.
  • the single lens 71 has an optical characteristic with an NA of 0.4 or more. As a result, the diameter of the condensed spot formed on the cantilever 55 can be reduced to about 2 ⁇ m. This is effective in improving the accuracy of detecting the displacement of the cantilever 55.
  • the present embodiment is directed to a scanning probe microscope including the scanning mechanism of the third embodiment.
  • the present embodiment will be described with reference to FIG.
  • the scanning probe microscope includes a scanning mechanism 70 holding a cantilever 55, a host computer 91, a controller 89 having a Z control unit 90, a Z piezo driver 87, and an XY.
  • a piezo driver 88, a laser light source 82, a beam splitter 84, a wave plate 85, and a split detector 86 are provided.
  • a sample 80 placed on a sample table 81 is disposed at a position facing the cantilever 55.
  • the scanning mechanism 70 is for scanning the cantilever 55 along the X axis, the Y axis, and the Z axis, and the detailed configuration thereof is as described in the third embodiment (FIGS. 10A and 10B).
  • the scanning mechanism 70 is held by a lens frame (not shown).
  • the cantilever 55 includes a mechanical probe 57 disposed opposite to the sample 80 at the free end of the flexible lever portion, and the cantilever 55 is displaced along the Z axis in accordance with the interaction with the sample 80. .
  • the laser light source 82, the beam splitter 84, the wave plate 85, and the split detector 86 constitute an optical displacement sensor for optically detecting the displacement along the Z-axis of the free end of the cantilever 55, each not shown. It is held in a mirror frame.
  • the optical displacement sensor constituted by these is, for example, an optical lever sensor often used in a scanning probe microscope.
  • the collimated laser beam 83 emitted from the laser light source 82 is scanned through the beam splitter 84 and the wave plate 85.
  • a single lens 71 provided in the mechanism 70 is irradiated to form a focused spot having a diameter of about 2 ⁇ m on the cantilever 55.
  • the reflected light passes through the wave plate 85, is deflected by the beam splitter 84, and enters the split detector 86.
  • the split detector 86 outputs a displacement signal reflecting the Z displacement of the cantilever 55 to the controller 89.
  • the Z piezo driver 87 is for driving the two piezoelectric elements 54 and 61 mounted on the scanning mechanism 70.
  • the XY piezo driver 88 is for driving the piezoelectric elements 12A and 12B and the piezoelectric element 12C mounted on the scanning mechanism 70.
  • the XY piezo driver 88 has a function equivalent to that of the XY piezo driver 20 shown in FIG.
  • the controller 89 is for controlling the Z piezo driver 87 and the XY piezo driver 88.
  • the host computer 91 constitutes a processing unit that acquires physical information of the sample 80 based on the displacement information of the cantilever 55 and the scanning information of the scanning mechanism 70.
  • the scanning probe microscope of this embodiment operates as follows.
  • An optical displacement sensor composed of a laser light source 82, a beam splitter 84, a wave plate 85, and a split detector 86 is an optical lever sensor often used for a scanning probe microscope, for example, and collimated laser light emitted from the laser light source 82.
  • 83 forms a condensing spot having a diameter of several ⁇ m on the cantilever 55 via a single lens 71 provided in the scanning mechanism 70 and receives the reflected light by the split detector 86, so that the free end of the cantilever 55 is provided.
  • the Z displacement of a certain mechanical probe 57 is captured.
  • the split detector 86 outputs a displacement signal reflecting the Z displacement of the cantilever 55 to the controller 89.
  • the controller 89 generates an XY scanning signal for raster scanning in the XY directions, and supplies the XY scanning signal to the XY piezo driver 88 and the host computer 91.
  • the controller 89 includes a Z control unit 90.
  • the Z control unit 90 generates a Z scanning signal for controlling the Z piezo driver 87 so that the displacement information of the cantilever 55 obtained by the division detector 86 is kept constant. Then, the Z scanning signal is supplied to the Z piezo driver 87 and the host computer 91.
  • the Z piezo driver 87 amplifies the Z scanning signal supplied from the controller 89 with a predetermined gain to generate a Z driving signal, and supplies the Z driving signal to the two piezoelectric elements 54 and 61 mounted on the scanning mechanism 70. To do.
  • the XY piezo driver 88 amplifies the XY scanning signal supplied from the controller 89 with a predetermined gain to generate an XY driving signal, and the XY driving signal is mounted on the scanning mechanism 70 with the piezoelectric elements 12A and 12B and the piezoelectric element 12C.
  • the X drive signal generated by amplifying the X scan signal supplied from the controller 89 is supplied to the piezoelectric element 12A, and at the same time, the opposite phase signal of the X scan signal supplied from the controller 89 (reverse phase X scan).
  • the anti-phase X drive signal generated by amplifying the signal is supplied to the piezoelectric element 12B, and the Y scanning signal supplied from the controller 89 is amplified to generate the Y drive signal. To 12C.
  • the host computer 91 constructs a three-dimensional image of the surface shape of the sample 80 based on the XY scanning signal and the Z scanning signal supplied from the controller 89, and displays this on the monitor.
  • this scanning probe microscope by using the scanning mechanism 70, it is possible to perform high-speed raster scanning with high accuracy and high straightness. Therefore, according to this scanning probe microscope, the observation resolution is improved and the observation time is shortened.
  • the same effect can be obtained by replacing the scanning mechanism 70 with the scanning mechanism 50 shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C, or the scanning mechanism 60 shown in FIGS. 9A and 9B.

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Abstract

　走査機構（１０）は、固定枠（１１）と、固定枠（１１）内に配置されたＸＹステージ（１９）と、ＸＹステージ（１９）と固定枠（１１）の間に配置された圧電素子（１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ）を有している。ＸＹステージ（１９）は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に移動可能なＸＹ可動部（１４）を有している。圧電素子（１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ）は、ＸＹ可動部（１４）を走査するＸ軸方向とＹ軸方向にＸＹアクチュエータを構成し、ＸＹアクチュエータは、ＸＹ可動部（１４）の重心を通りＹ軸方向に平行な直線に対して対称形であり、ＸＹ可動部（１４）の重心を通りＸ軸方向に平行な直線に対して非対称形である。

Description

走査機構および走査型プローブ顕微鏡
　本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。
　走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、走査機構によって機械的探針を機械的に走査して試料表面の情報を得る走査型顕微鏡であって、走査型トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）などの総称である。走査型プローブ顕微鏡は、機械的探針と試料とを相対的にＸＹ方向にラスター走査し、機械的探針を介して所望の試料領域の表面情報を得て、モニターＴＶ上にマッピング表示する。
　なかでもＡＦＭは最も広く使用されている装置であって、機械的探針をその自由端にもつカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサーと、機械的探針と試料を相対的に走査する走査機構を主要な機械機構として備えている。その光学式変位センサーとしては、構成が簡単でありかつ高い変位検出感度を有することから、光てこ式の光学式変位センサーが最も広く使われている。カンチレバー上に直径数μｍから数十μｍの光束を照射し、その反射光の反射方向がレバーの反りに応じて変化するのを二分割光ディテクタなどによりとらえて、カンチレバーの自由端にある機械的探針の動作をとらえ電気信号として出力する。この出力が一定になるように走査機構をＺ軸方向に制御しながら、同じく走査機構をＸ軸方向とＹ軸方向に走査することにより、コンピュータのモニター上に試料表面の凹凸の状態をマッピング・表示する。
　このようなＡＦＭでは、液体中の生物試料を観察する場合、倒立型光学顕微鏡と組み合わせて観察することが一般的である。倒立型光学顕微鏡観察は試料の知見を得るだけでなく、試料の特定部位にカンチレバーを位置決めするときにも有効だからである。このようなＡＦＭでは、様々な生体試料および試料基板に対応できるように、カンチレバーをＸＹＺ軸方向に走査するレバースキャンタイプの走査機構を用いることが多い。
　生物試料の動く様子を観察しようとしたときＡＦＭに求められるのは観察速度である。この用途では１秒以内、望ましくは０．１秒以内に一画面を得ることが目標となる。このようなＡＦＭの高速化を行おうとしたとき、ＡＦＭ装置の電気回路周りについては現在市販されている装置でも可能なレベルに達しており、課題となるところは機械機構にある。特に、走査速度の速い走査機構や、柔らかくかつ共振周波数の高いカンチレバーや、そのカンチレバーの変位を検出できる光てこ式の光学式変位センサーが挙げられる。
　例えば、Ｘ軸方向を高速走査の方向、Ｙ軸方向を低速走査の方向とし、Ｘ軸方向に１００画素、Ｙ軸方向に１００画素の画像を０．１秒で取り込むとき、走査機構に求められるＸ軸方向の走査周波数は１ｋＨｚ、Ｙ軸方向の走査周波数は１０Ｈｚ、Ｚ軸方向の走査周波数は１００ｋＨｚ以上に達する。
　生物試料の観察に適した高い周波数のカンチレバーとしては、バネ定数が１Ｎ／ｍ以下であり、共振周波数が３００ｋＨｚ以上であることが求められる。このようなカンチレバーの寸法は現在市販されているカンチレバーに比べて１０分の１程度と極めて小さいものとなり、例えば窒化シリコン製のカンチレバーでは、長さ１０μｍ、幅２μｍ、厚さ０．１μｍとなる。そのバネ定数は０．１Ｎ／ｍ、大気中での共振周波数は１．２ＭＨｚ、液体中での共振周波数は４００ｋＨｚ前後となる。
　さらに光学式変位センサーとしては、極めて小さいカンチレバーの変位を検出するために収束光のスポット径が数μｍ以下となる集光光学系が要求される。
　以上に説明したように、生物試料のＡＦＭによる高速観察には、倒立型光学顕微鏡観察と組み合わせるためにレバースキャンタイプのＡＦＭであることが望ましく、しかも、柔らかくて共振周波数の高い小さなカンチレバーが使用可能であるとともに、高速走査をする走査機構を備えている必要がある。
特表２０１０－５２１６９３号公報
　レバースキャンタイプのＡＦＭの欠点は、カンチレバーだけでなく光てこ式光学式変位センサーをも一緒にＸＹ走査しなければならないことにある。光てこ式光学式変位センサーには光源、ディテクタ、集光光学系が備わっているため小型化・軽量化が難しく、これが高速走査の妨げになるからである。この欠点を克服するために、特表２０１０－５２１６９３号公報においては、集光光学系だけをカンチレバーやＺスキャナとともにＸＹ走査する、検出光追従型の走査機構が提案されている。
　先行技術の走査機構は、Ｘ軸方向とＹ軸方向のアクチュエータが、各軸に対称で、かつ同一の構造になっている。別の言い方をすれば、Ｘ軸方向とＹ軸方向のアクチュエータが４回対称になっている。ここで、４回対称は、回転対称の一種である。一般に、３６０°／ｎ（ｎ＝２以上）で回転させて図形が一致する場合、これをｎ回対称という。
　しかしながら、集光光学系とともにカンチレバーやＺスキャナを保持しているＸＹ可動部は、その全体構造がＸ軸とＹ軸の両方に対して対称ではない。すなわち回転対称ではない。さらに言えば、カンチレバー自体がＸ軸とＹ軸の両方に対して対称な構造をしていない。すなわち回転対称ではない。
　このような回転対称の構造をしていないＸＹ可動部やカンチレバーをＸＹ走査する際は、Ｘ軸方向とＹ軸方向の両アクチュエータを、各軸に対称な構造にし、かつ同一にする必要性はほとんどない。特に観察速度の速いＡＦＭにおいては、ＸＹ走査の高速走査の方向と低速走査の方向がＸＹ可動部の全体構造やカンチレバーの向きにより決まるため、Ｘ軸方向とＹ軸方向のアクチュエータを同一構造にする意味が全くない。アクチュエータは、ＸＹ走査の高速走査の軸と低速走査の軸にそれぞれ適した構造を選択するべきである。先行技術の走査機構は、構成要素が増え、構造を複雑にし、コストも上がるという問題を生じさせている。
　本発明は、この様な実状を考慮して成されたものであり、その目的は、ＸＹ走査の高速走査と低速走査にそれぞれ適したアクチュエータを備えた走査機構を提供することにある。
　本発明は、走査対象物をＸ軸方向に高速で走査し、Ｘ軸と直交するＹ軸方向に低速で走査する走査機構である。この走査機構は、前記走査対象物が取り付けられる可動部と、前記可動部をＸ軸方向とＹ軸方向に走査するＸＹアクチュエータとを備ええいる。前記ＸＹアクチュエータは、Ｙ軸方向に平行な直線に対して対称形であり、Ｘ軸方向に平行な直線に対して非対称形である。
　本発明によれば、ＸＹ走査の高速走査と低速走査にそれぞれ適したアクチュエータを備えた走査機構が提供される。
図１Ａは、第一実施形態の走査機構の上面図である。 図１Ｂは、図１Ａ中のIｘ－Iｘ線に沿った走査機構の断面図である。 図１Ｃは、図１Ａ中のIｙ－Iｙ線に沿った走査機構の断面図である。 図２は、図１Ａ～図１Ｃの走査機構に搭載された圧電素子を駆動するためのＸＹピエゾドライバを示している。 図３は、図２のＸＹピエゾドライバから出力される信号を示している。 図４Ａは、第二実施形態の走査機構の上面図である。 図４Ｂは、図４Ａ中のIIｘ－IIｘ線に沿った走査機構の断面図である。 図４Ｃは、図４Ａ中のIIｙ－IIｙ線に沿った走査機構の断面図である。 図５Ａは、第二実施形態の変形例の走査機構の上面図である。 図５Ｂは、図５Ａ中のIIIｘ－IIIｘ線に沿った走査機構の断面図である。 図５Ｃは、図５Ａ中のIIIｙ－IIIｙ線に沿った走査機構の断面図である。 図６Ａは、第三実施形態の走査機構の上面図である。 図６Ｂは、図６Ａ中のIVｙ－IVｙ線に沿った走査機構の断面図である。 図７Ａは、図６Ｂに示されたカンチレバーの斜視図である。 図７Ｂは、図６Ｂに示されたカンチレバーの上面図である。 図７Ｃは、図６Ｂに示されたカンチレバーの側面図である。 図８Ａは、図７Ａ～図７Ｃのカンチレバーがその長手方向に走査された際に生じるカンチレバーの変形を示している。 図８Ｂは、図７Ａ～図７Ｃのカンチレバーがその長手方向に走査された際に生じるカンチレバーの変形を示している。 図９Ａは、第三実施形態の第一変形例の走査機構の上面図である。 図９Ｂは、図９Ａ中のVｙ－Vｙ線に沿った走査機構の断面図である。 図１０Ａは、第三実施形態の第二変形例の走査機構の上面図である。 図１０Ｂは、図１０Ａ中のVIｙ－VIｙ線に沿った走査機構の断面図である。 図１１は、第三実施形態の走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡を示している。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。すべての実施形態において、ＸＹＺ直交座標系を、ラスター走査の高速走査の方向にＸ軸が平行になり、ラスター走査の低速走査の方向にＹ軸が平行になるように設定している。つまり、ラスター走査の高速走査の方向をＸ軸方向、低速走査の方向をＹ軸方向としている。
　＜第一実施形態＞
　本実施形態は、走査機構に向けられている。以下、図１Ａと図１Ｂと図１Ｃ～図３を参照しながら本実施形態について説明する。図１Ａは、本実施形態の走査機構の上面図であり、図１Ｂは、図１Ａ中のIｘ－Iｘ線に沿った走査機構の断面図である。また図１Ｃは、図１Ａ中のIｙ－Iｙ線に沿った走査機構の断面図である。
　図１Ａと図１Ｂと図１Ｃに示されるように、本実施形態の走査機構１０は、固定枠１１と、固定枠１１内に配置されたＸＹステージ１９と、ＸＹステージ１９と固定枠１１の間に配置されたＸ軸に沿って延びている圧電素子１２Ａと、圧電素子１２Ａと対向するようにＸＹステージ１９と固定枠１１の間に配置されたＸ軸に沿って延びている圧電素子１２Ｂと、ＸＹステージ１９と固定枠１１の間に配置されたＹ軸に沿って延びている圧電素子１２Ｃを有している。
　ＸＹステージ１９は、互いに直交するＸ軸方向とＹ軸方向に移動可能なＸＹ可動部１４と、ＸＹ可動部１４のＸ軸に沿った両側に設けられた弾性部１６Ａ，１６Ｂと、ＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った両側に設けられた弾性部１６Ｃ，１７と、弾性部１６Ａ～１６Ｃ，１７を支持している支持部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄとを有している。ＸＹ可動部１４には、図示しない走査対象物が取り付けられる。
　圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂは、固定枠１１とＸＹ可動部１４のＸ軸に沿った間に配置されている。また圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂは、ＸＹ可動部１４のＸ軸に沿った両側に配置されている。さらに圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂは、ＸＹ可動部１４の重心を通りＸ軸に平行な直線が圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂのそれぞれの中心を通るよう配置されている。すなわち、圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂの配置は、ＸＹ可動部１４の重心を通りＹ軸に平行な直線に対して対称である。つまり、圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂの配置は、ＸＹ可動部１４の重心を通りＹ軸に平行な直線を対称軸として、X軸方向に対称（線対称）となっている。なお、本実施形態では、ＸＹ可動部１４の重心１４を通りＹ軸に平行な直線を対称軸としたが、ＸＹ可動部１４の中心を通るような対称軸であってもよい。すなわち、圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂの配置がＸ軸方向に線対称となるためのＹ軸方向に平行な直線が対称軸として存在すれば、どのような形態であってもよい。
　圧電素子１２Ｃは、固定枠１１とＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った間に配置されている。また圧電素子１２Ｃは、ＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った片側に位置している。さらに圧電素子１２Ｃは、ＸＹ可動部１４の重心を通りＹ軸に平行な直線が圧電素子１２Ｃの中心を通るよう配置されている。すなわち、圧電素子１２Ｃの配置は、ＸＹ可動部１４の重心を通りＸ軸に平行な直線に対して非対称である。なお、本実施形態では、圧電素子１２Ｃの配置が、ＸＹ可動部１４の重心を通りＸ軸に平行な直線に対して非対称であるとしたが、ＸＹ可動部１４の中心を通りＸ軸に平行な直線に対して非対称であってもよい。
　弾性部１６Ａは、ＸＹ可動部１４と圧電素子１２Ａの間に配置されている。弾性部１６ｄＢは、ＸＹ可動部１４と圧電素子１２Ｂの間に配置されている。弾性部１６Ｃは、ＸＹ可動部１４と圧電素子１２Ｃの間に配置されている。弾性部１７は、ＸＹ可動部１４と固定枠１１の間に配置されている。
　支持部１５Ａ，１５Ｄは、圧電素子１２ＡのＹ軸に沿った両側に位置し、支持部１５Ｂ，１５Ｃは、圧電素子１２ＢのＹ軸に沿った両側に位置している。支持部１５Ａは弾性部１６Ａと弾性部１６Ｃを支持し、支持部１５Ｂは弾性部１６Ｂと弾性部１６Ｃを支持し、支持部１５Ｃは弾性部１６Ｂと弾性部１７を支持し、支持部１５Ｄは弾性部１６Ａと弾性部１７を支持している。支持部１５Ａ～１５Ｄはすべて固定枠１１に固定されている。支持部１５Ａ～１５Ｄの固定は、これに限定されないが、例えば、ねじ締結や接着によってなされている。
　弾性部１６Ａと１６Ｂと１６Ｃは、向きが異なる点を除けば、まったく同一形状をしている。これらは共に十字形状を有している。また弾性部１７はＴ字形状を有している。ＸＹ可動部１４の圧電素子１２Ａの側に位置する弾性部１６Ａは、圧電素子１２Ａによって押される押圧部１８Ａを有している。またＸＹ可動部１４の圧電素子１２Ｂの側に位置する弾性部１６Ｂは、圧電素子１２Ｂによって押される押圧部１８Ｂを有している。またＸＹ可動部１４の圧電素子１２Ｃの側に位置する弾性部１６Ｃは、圧電素子１２Ｃによって押される押圧部１８Ｃを有している。
　弾性部１６Ａ，１６Ｂは、ＺＸ平面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分と、ＹＺ平面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分とを有している。Ｘ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｘ軸に沿った一方の端部がＸＹ可動部１４と接続し、Ｘ軸に沿った一方の端部がＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分の中央部と接続している。Ｙ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｙ軸に沿った両端部が支持部１５Ａ～１５Ｄと接続している。
　また、弾性部１６Ｃ，１７は、ＹＺ平面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分と、ＺＸ平面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分とを有している。Ｙ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｙ軸に沿った一方の端部がＸＹ可動部１４と接続し、Ｙ軸に沿った一方の端部がＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分の中央部と接続している。Ｘ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｘ軸に沿った両端部が支持部１５Ａ～１５Ｄと接続している。
　これらの板状部分の厚さ、すなわちＺ軸に沿った寸法は、これに限定されないが、例えば、ＸＹ可動部１４の厚さと同じである。
　このような形状を有することにより、弾性部１６Ａ，１６Ｂは、ＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った動きに対しては、ＺＸ平面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分と、ＹＺ平面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分の両方が弾性変形しやすい。つまり、弾性部１６Ａ，１６Ｂは、ＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った動きに対しては柔らかい。また、ＸＹ可動部１４のＸ軸に沿った動きに対しては、ＹＺ平面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分は弾性変形しやすいが、ＺＸ平面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分は弾性変形しにくい。つまり、弾性部１６Ａ，１６Ｂは、ＸＹ可動部１４のＸ軸に沿った動きに対しては硬くなる。
　弾性部１６Ｃ，１７は、ＸＹ可動部１４のＸ軸に沿った動きに対しては、ＹＺ平面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分と、ＺＸ平面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分の両方が弾性変形しやすい。つまり、弾性部１６Ｃ，１７は、ＸＹ可動部１４のＸ軸に沿った動きに対しては柔らかい。また、ＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った動きに対しては、ＺＸ平面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分は弾性変形しやすいが、ＹＺ平面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分は弾性変形しにくい。つまり、弾性部１６Ｃ，１７は、ＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った動きに対しては硬くなる。
　従って、ＸＹ可動部１４は、弾性部１６Ａ，１６Ｂにより、Ｘ軸に沿った方向に関して高剛性に支持され、弾性部１６Ｃ，１７により、Ｙ軸に沿った方向に関して高剛性に支持されている。
　ＸＹステージ１９は一体的に形成されている。つまり、ＸＹ可動部１４と支持部１５Ａ～１５Ｄと弾性部１６Ａ～１６Ｃおよび弾性部１７と押圧部１８Ａ～１８Ｃは一体的に形成されている。ＸＹステージ１９は、例えばアルミニウム製の金属のブロックを選択的に切り欠いて作製される。
　固定枠１１の材質は、好ましくは、ＸＹステージ１９の材質よりも高い弾性率を有している。例えば、固定枠１１はステンレス鋼で構成され、ＸＹステージ１９はアルミニウムで構成される。
　圧電素子１２Ａは、弾性部１６Ａの押圧部１８Ａと固定枠１１の間に所定の予圧がかかるように配置されている。また、圧電素子１２Ｂは、弾性部１６Ｂの押圧部１８Ｂと固定枠１１の間に所定の予圧がかかるように配置されている。さらに、圧電素子１２Ｃは、弾性部１６Ｃの押圧部１８Ｃと固定枠１１の間に所定の予圧がかかるように配置されている。
　圧電素子１２Ａは、弾性部１６Ａを介してＸＹ可動部１４をＸ軸方向に走査するための第一のＸアクチュエータであり、電圧印加に応じてＸ軸に沿って伸縮し得る。圧電素子１２Ｂは、弾性部１６Ｂを介してＸＹ可動部１４をＸ軸方向に走査するための第二のＸアクチュエータであり、電圧印加に応じてＸ軸に沿って伸縮し得る。圧電素子１２Ｃは、弾性部１６Ｃを介してＸＹ可動部１４をＹ軸方向に走査するためのＹアクチュエータであり、電圧印加に応じてＹ軸に沿って伸縮し得る。
　圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂと圧電素子１２Ｃは、例えば、実質的に同一の積層型圧電素子で構成されている。実質的に同一とは、形状や特性の違いが３０％以下のものを言う。これは、圧電素子自体が３０％程度の非線形性をすでに持っているからであり、従ってバラツキが３０％以下であれば実質的に同一と見なせる。
　圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂは、プッシュプル動作をおこなうようになっている。圧電素子１２Ａが伸びるときは圧電素子１２Ｂは縮み、圧電素子１２Ａが縮むときは圧電素子１２Ｂは伸びる。すなわち圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂは、伸縮動作に対して逆に動作する。
　図２は、圧電素子１２Ａ～１２Ｃを伸縮動作させるためのＸＹピエゾドライバ２０を示している。このＸＹピエゾドライバ２０は３チャンネルの出力端子を有しており、圧電素子１２Ａ～１２Ｃへの電圧印加が可能になっている。出力端子Ｘａ，Ｘｂ，Ｙからは、それぞれ圧電素子１２Ａ～１２Ｃへ電圧印加を行うための駆動信号Ｓｉｇ（Ｘａ），Ｓｉｇ（Ｘｂ），Ｓｉｇ（Ｙ）が出力される。図３は、ＸＹピエゾドライバ２０から出力される信号を示している。図３に示すように、圧電素子１２Ａへの駆動信号Ｓｉｇ（Ｘａ）と圧電素子１２Ｂへの駆動信号Ｓｉｇ（Ｘｂ）は逆位相の関係を有している。これにより、圧電素子１２Ａが伸びるときは圧電素子１２Ｂは縮み、圧電素子１２Ａが縮むときは圧電素子１２Ｂは伸びるように動作する。
　以上のように、圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂと圧電素子１２Ｃは、ＸＹ可動部１４をＸ軸方向とＹ軸方向に走査するＸＹアクチュエータを構成している。前述したように、圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂの配置は、ＸＹ可動部１４の重心を通りＹ軸に平行な直線に対して対称であり、圧電素子１２Ｃの配置は、ＸＹ可動部１４の重心を通りＸ軸に平行な直線に対して非対称である。すなわち、このＸＹアクチュエータは、ＸＹ可動部１４の重心を通りＹ軸方向に平行な直線に対して対称形であり、ＸＹ可動部１４の重心を通りＸ軸方向に平行な直線に対して非対称形である。
　このように構成された走査機構１０においては、Ｘ走査の際、圧電素子１２Ａと圧電素子１２ＢがＸ軸に沿って伸縮する。圧電素子１２Ａが伸びる時は、圧電素子１２Ａが弾性部１６Ａを弾性変形させながらＸＹ可動部１４をＸ軸方向の＋の向きに押す。同時に、圧電素子１２Ｂが縮み、弾性部１６Ｂを弾性変形させながらＸＹ可動部１４をＸ軸方向の＋の向きに引く。これによりＸＹ可動部１４はＸ軸に沿ってＸ軸方向の＋の向きに移動される。これに伴って、弾性部１６Ｃと弾性部１７もＸＹ可動部１４の移動方向に引っ張られるために弾性変形される。このとき、弾性部１６Ａと弾性部１６Ｂの弾性変形量はほぼ同じになる。また、弾性部１６Ｃと弾性部１７の弾性変形量もほぼ同じになる。
　反対に、圧電素子１２Ａが縮む時は、圧電素子１２Ａが弾性部１６Ａを弾性変形させながらＸＹ可動部１４をＸ軸方向の－の向きに引く。同時に、圧電素子１２Ｂが伸び、弾性部１６Ｂを弾性変形させながらＸＹ可動部１４をＸ軸方向の－の向きに押す。これによりＸＹ可動部１４はＸ軸に沿ってＸ軸方向の－の向きに移動される。これに伴って、弾性部１６Ｃと弾性部１７もＸＹ可動部１４の移動方向に引っ張られるために弾性変形される。このとき、弾性部１６Ａと弾性部１６Ｂの弾性変形量はほぼ同じになる。また、弾性部１６Ｃと弾性部１７の弾性変形量もほぼ同じになる。
　このようなＸＹ可動部１４のＸ軸に沿った走査においては、弾性部１６Ｃと弾性部１７の弾性変形量がほぼ同じになるので、ＸＹ可動部１４のＹ軸方向にかかる力が釣り合うことになる。従って、ＸＹ可動部１４がＹ軸方向のどちらかの向きに引っ張られることがなく、Ｘ軸方向に非常に高い直進性をもって走査される。
　さらに、圧電素子１２Ａが伸びるときは圧電素子１２Ｂは縮み、圧電素子１２Ａが縮むときは圧電素子１２Ｂは伸びるので、すなわちプッシュプル動作をするので、Ｘ走査の際にＸＹ可動部１４の重心付近に加わるＸ軸方向の荷重は理論上ほぼゼロになる。一般的に、高速ラスター走査が可能な走査機構においては、走査機構全体の共振周波数を高くするためその剛性が高くなるように設計される。高速走査の周波数は１ｋＨｚまたはそれ以上におよぶ。このような走査機構においては、Ｘ走査の際の可動部に加わる衝撃荷重は非常に大きくなる。その結果、可動部や走査機構が有する固有振動を励起させ、振動ノイズが増えるという問題が生じる。Ｘ軸方向のプッシュプル動作は、ＸＹ可動部１４の重心付近に加わるＸ軸方向の荷重をほぼゼロにするので、このような問題が回避される。すなわち振動ノイズ低減に効果がある。
　またＹ走査の際は、圧電素子１２ＣがＹ軸に沿って伸縮する。圧電素子１２Ｃが伸びる時は、圧電素子１２Ｃが弾性部１６Ｃを弾性変形させながらＸＹ可動部１４を押す。これによりＸＹ可動部１４はＹ軸に沿ってＹ軸方向の＋の向きに移動される。これに伴って弾性部１７はＸＹ可動部１４に押されることで弾性変形される。さらに弾性部１６Ａと１６ＢもＸＹ可動部１４の移動方向に引っ張られるために弾性変形される。このとき、弾性部１６Ａと弾性部１６Ｂの弾性変形量はほぼ同じになる。また、弾性部１６Ｃと弾性部１７の弾性変形量もほぼ同じになる。
　圧電素子１２Ｃが縮む時は、圧電素子１２Ｃが弾性部１６Ｃを弾性変形させながらＸＹ可動部１４をＹ軸方向の－の向きに引く。これによりＸＹ可動部１４はＹ軸に沿ってＹ軸方向の－の向きに移動される。これに伴って弾性部１７はＸＹ可動部１４に引かれることで弾性変形される。さらに弾性部１６Ａと１６ＢもＸＹ可動部１４の移動方向に引かれるために弾性変形される。このとき、弾性部１６Ａと弾性部１６Ｂの弾性変形量はほぼ同じになる。また、弾性部１６Ｃと弾性部１７の弾性変形量もほぼ同じになる。
　このようなＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った走査においては、弾性部１６Ａと弾性部１６Ｂの弾性変形量がほぼ同じになるので、ＸＹ可動部１４のＸ軸方向にかかる力が釣り合うことになる。従って、ＸＹ可動部１４がＸ軸方向のどちらかの向きに引っ張られることがなく、Ｙ方向に非常に高い直進性をもって走査される。
　またＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った走査においては、Ｘ軸に沿った走査と比較して走査速度が１／１００またはそれ以下と非常に遅く、衝撃荷重は非常に小さい。すなわちプッシュプル動作をさせなくとも、振動ノイズの影響は小さい。プッシュプル動作をさせるためには、圧電素子を増やすだけでなく、ピエゾアンプも１チャンネル増やす必要がある。これは、構成要素を増やし、構造を複雑にし、コストも上げるという問題を生じさせる。ＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った走査においては、この問題が回避される。
　以上の説明から分かるように、本実施形態の走査機構では、圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂは、高速走査に有用なプッシュプル動作をおこなうに適したＸアクチュエータを構成し、圧電素子１２Ｃは、プッシュプル動作の必要性がない低速走査に適したＹアクチュエータを構成している。すなわち、本実施形態の走査機構は、高速走査に適したＸアクチュエータと低速走査に適したＹアクチュエータを備えている。これにより、走査速度の速いＸ走査に対してのみプッシュプル動作を適用することにより振動ノイズが十分に抑えられる。また、走査速度の遅いＹ走査のためのＹアクチュエータの構成が単純化される。これにより、必要以上に構成要素を増やすことなく、従って無駄に構造を複雑にすることなく、さらにコストを上げることなく、高精度な走査が実現できる。
　＜第二実施形態＞
　本実施形態は、走査機構に向けられている。以下、図４Ａと図４Ｂと図４Ｃを参照しながら本実施形態について説明する。図４Ａは、本実施形態の走査機構の上面図であり、図４Ｂは、図４Ａ中のIIｘ－IIｘ線に沿った走査機構の断面図である。また図４Ｃは、図４Ａ中のIIｙ－IIｙ線に沿った走査機構の断面図である。図４Ａと図４Ｂと図４Ｃにおいて、図１Ａと図１Ｂと図１Ｃに示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
　図４Ａと図４Ｂと図４Ｃに示されるように、本実施形態の走査機構３０は、走査機構１０と比較して、固定枠３１と、支持部３３Ａ，３３Ｂを含むＸＹステージ３２と、圧電素子３４に違いがある。
　圧電素子３４は、例えば積層圧電素子で構成されており、図１Ａに示した走査機構１０の圧電素子１２Ｃ（＝圧電素子１２Ａ，１２Ｂ）と比較して、例えば、２倍の駆動効率（単位駆動信号あたりの変位量）を有している。つまり圧電素子３４は、圧電素子１２Ｃの長さ（＝圧電素子１２Ａ，１２Ｂの長さ）の２倍の長さを有している。これに伴って、固定枠３１と、支持部３３Ａ，３３Ｂを含むＸＹステージ３２は、Ｙ軸方向に、圧電素子１２Ｃの長さ分だけ広がった形状をしている。
　Ｘ走査のプッシュプル動作は、ＸＹ可動部１４の重心付近に加わるＸ軸方向の荷重をほぼゼロにできる効果をもつ。その結果、Ｘ走査の際の衝撃荷重に起因するＸＹ可動部１４の変形を生じさせることはない。しかしながら、Ｙ軸に沿った走査においては、プッシュプル動作をさせていないので、ＸＹ可動部１４に静荷重とみなせる力が加わり、ＸＹ可動部１４を変形させることがある。ＸＹ可動部１４の変形は、圧電素子１２Ｃの変位を吸収することを意味する。つまりＹ軸に沿った方向は、Ｘ軸に沿った方向に比べて変位量が少なくなる。Ｙ軸に沿った方向の変位量を増やすには、走査機構のＹ軸に沿った方向のみ、剛性を低くする方法もあるが、走査機構全体の剛性も下がってしまう可能性がある。
　本実施形態の走査機構は、この問題を解決するものであって、Ｙ軸に沿った方向の圧電素子として、Ｘ軸に沿った方向の圧電素子より長さが長いもの（駆動効率が高いもの）、例えば２倍の長さのものを用いる。その結果、走査機構全体の剛性をほぼ維持したまま、Ｙ軸に沿った方向の変位量を増やすことができる。
　本実施形態の走査機構においては、Ｙ軸に沿った方向の圧電素子として、例えば２倍の長さのものを用いている。しかしながら可動部や走査機構の構造（弾性部の構造）によってＹ軸に沿った方向の変位の減少量は変わるため、実際には、Ｙ軸に沿った方向の変位がＸ軸に沿った方向の変位と等しくなるように、長さを選定する必要がある。
　［変形例］
　さらにこの走査機構では次の変形が可能である。第二実施形態の変形例である走査機構４０を図５Ａと図５Ｂと図５Ｃに示す。図５Ａは、本実施形態の走査機構の上面図であり、図５Ｂは、図５Ａ中のIIIｘ－IIIｘ線に沿った走査機構の断面図である。また図５Ｃは、図５Ａ中のIIIｙ－IIIｙ線に沿った走査機構の断面図である。図５Ａと図５Ｂと図５Ｃにおいて、図４Ａと図４Ｂと図４Ｃに示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
　図５Ａと図５Ｂと図５Ｃに示されるように、本実施形態の走査機構４０は、走査機構３０と比較して、固定枠４１と、支持部４３Ａ，４３Ｂを含むＸＹステージ４２と、圧電素子４４，４５と、弾性部材４６に違いがある。
　圧電素子４４，４５は、圧電素子１２Ａ，１２Ｂと実質的に同一の積層型圧電素子で構成されている。圧電素子４４，４５は、弾性部材４６を介して直列に連結されている。すなわち、圧電素子４４，４５のそれぞれの変位方向の長さの合計値は、圧電素子１２Ａ，１２Ｂの変位方向の長さよりも長い。
　弾性部材４６は、例えばＺＸ平面に広がる板状のアルミニウムで構成されており、その両端は、支持部４３Ａと支持部４３Ｂに固定されている。固定は、例えば、圧入やねじ締結や接着によってなされている。図示はしないが、弾性部材４６の両端は、支持部４３Ａと支持部４３Ｂを含むＸＹステージ４２と一体的に形成されてもよく、また、固定枠４１に直接固定されてもよい。弾性部材４６は、Ｙ軸に沿っては弾性変形しやすく、Ｘ軸やＺ軸に沿っては変形しにくい構造であれば様々な変形や変更が施されてもよい。
　本実施形態の走査機構の変形例においては、圧電素子４４，４５を連結することで、図４Ａに示した圧電素子３４と同等の駆動効率、すなわち圧電素子１２Ａ，１２Ｂの２倍の駆動効率が得られる。その結果、図４Ａと図４Ｂと図４Ｃに示す走査機構３０と同等の効果が得られる。
　また圧電素子４４，４５は、圧電素子１２Ａ，１２Ｂと実質的に同一であるので、構成要素の種類を増やすことなく、共通部品で実現が可能になる。
　さらに圧電素子４４，４５の連結部は、Ｘ軸とＺ軸に沿った２方向を弾性部材４６により拘束されるので、図４Ａと図４Ｂと図４Ｃに示す走査機構３０よりも走査機構全体の剛性を高くすることができる。
　本変形例では、二つの圧電素子４４，４５が弾性部材４６を介して直列に連結されているが、三つ以上の圧電素子が弾性部材を介して連結された構成としてもよい。
　＜第三実施形態＞
　本実施形態は、走査機構に向けられている。以下、図６Ａと図６Ｂを参照しながら本実施形態について説明する。図６Ａは、本実施形態の走査機構の上面図であり、図６Ｂは、図６Ａ中のIVｙ－IVｙ線に沿った走査機構の断面図である。図６Ａと図６Ｂにおいて、図４Ａと図４Ｂと図４Ｃに示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
　図６Ａと図６Ｂに示されるように、本実施形態の走査機構５０は、図４Ａと図４Ｂと図４Ｃに示した走査機構３０と比較して、ＸＹ可動部５２を含むＸＹステージ５１に違いがある。より詳しくは、ＸＹ可動部５２が、図４Ａに示したＸＹ可動部１４に走査対象物を追加した構成になっている。
　走査機構５０は、ＸＹ可動部５２に保持された圧電素子５４と、圧電素子５４に保持されたホルダ５６と、ホルダ５６に保持されたカンチレバー５５を有している。圧電素子５４は、一端がＸＹ可動部５２に固定され、－Ｚ方向に延出している。圧電素子５４の自由端には、カンチレバー５５を保持するホルダ５６が保持されている。圧電素子５４は、例えば、積層型圧電素子で構成されている。圧電素子５４は、電圧印加に応じてＺ軸に沿って伸縮し得る。圧電素子５４は、単独で、またはホルダ５６と共に、ＸＹ平面に垂直なＺ軸方向にカンチレバー５５を走査するＺアクチュエータを構成している。カンチレバー５５は、ホルダ５６に交換可能に取り付けられる。
　ホルダ５６は、カンチレバー５５をＸＹ平面に対して５度ないし２０度に傾きをもって保持する。これは、カンチレバー５５のレバー面と、図示しないＸＹ平面に平行に配置された試料との干渉を避けるためであり、ほとんどすべてのＡＦＭにおいて実施されている。
　カンチレバー５５の拡大図を図７Ａと図７Ｂと図７Ｃに示す。図７Ａは斜視図であり、図７Ｂは上面図、図７Ｃは側面図である。これらが示すように、カンチレバー５５は、その自由端に機械的探針５７を有している。カンチレバー５５は、Ｙ軸の－方向に沿って延びている。すなわち、ホルダ５６は、カンチレバー５５をその長手方向がＹ軸に沿うように保持する。
　走査機構５０はさらに、ＸＹ可動部５２に保持された集光部５３を有している。集光部５３は、ＸＹ可動部５２に形成された貫通穴に配置され、ＸＹ可動部５２の厚み内に収まっている。集光部５３は、図示しないカンチレバーの光学式変位センサー、例えば光てこセンサーから出射されるカンチレバー５５の変位を検出するための光をカンチレバー５５に入射させる働きをする。集光部５３は、これに限定されないが、例えば、単レンズで構成され、小さなカンチレバーにも集光し得るように、そのＮＡが０．４以上の光学特性を有している。また集光部５３は、その直径が１０ｍｍ以下であることが望ましい。ＸＹ走査の高速化を図るためには、ＸＹ可動部５２自体を小型・軽量にすることが重要だからである。
　ＸＹ可動部１４は、ＸＹ可動部１４の重心を通りＹ軸に平行な直線に対して圧電素子５４と集光部５３が対称となるように圧電素子５４と集光部５３を保持している。また、圧電素子５４と集光部５３は、ＸＹ平面への投影においてＹ軸に沿って並ぶように配置されている。言い換えれば、圧電素子５４と集光部５３は、投影されたＸＹ平面上において、互いに重なることなく、一方が他方の外側に位置している。
　このように構成された走査機構５０においては、ＸＹ可動部５２が、図４Ａと図４Ｂと図４Ｃに示す走査機構３０の効果と同様に、振動ノイズを増やすことなく高い直進性をもって高速にＸＹ方向に走査される。
　またＸＹ可動部５２がＸＹ方向に走査される際、圧電素子５４とともにカンチレバー５５もＸＹ方向に走査される。従って、カンチレバー５５は、振動ノイズを与えることなく高い直進性をもって高速に走査される。
　カンチレバー５５は、Ｙ軸の－方向に沿って延びるよう保持されている。図８Ａと図８Ｂに示すように、カンチレバー５５の長手方向に沿った走査の際は、大気や水（液中観察時）の抵抗（Ｆ）を受けるため反りが生じるという問題がある。この反りは、走査速度が速くなればなるほど大きくなる。抵抗は速度に比例するからである。従って、カンチレバー５５は、低速走査の軸であるＹ軸に沿って延びるよう保持する必要がある。走査機構５０においては、カンチレバー５５をＹ軸に沿って延びるよう保持しているので、カンチレバー５５に反りをほとんど生じさせないで高速にＸＹ方向に走査することができる。
　加えてＸＹ可動部５２がＸＹ方向に走査される際、集光部５３もＸＹ方向に走査される。従って、集光部５３も、振動ノイズを与えることなく高い直進性をもって高速にＸＹ方向に走査される。
　さらに、ＸＹ可動部５２がＸＹ方向に走査される際、集光部５３とともに集光部５３の焦点位置も同じ距離だけＸＹ方向に走査されるので、集光部５３によって集光されたレーザ光の集光スポットも集光部５３と同じ距離だけＸＹ方向に走査される。従って、集光部５３が作るレーザ光の集光スポットが、振動ノイズを与えることなく高い直進性をもって高速にＸＹ方向に走査される。
　以上より、走査機構５０においては、カンチレバー５５と集光部５３が作るレーザ光の集光スポットが、それらに相対振動をほとんど生じさせることなく高精度に高い直進性をもって高速にＸＹ方向に同じ距離だけ走査される。
　従って、走査機構５０においては、カンチレバー５５と集光部５３が作るレーザ光の集光スポットが高精度に高い直進性をもってＸＹ方向に同じ距離だけ走査されるので、高精度で高い直進性をもち、かつ高速ラスター走査が可能な検出光追従型の走査機構が提供される。
　走査機構５０は、図４Ａと図４Ｂと図４Ｃに示した走査機構３０に、走査対象物である集光部５３と圧電素子５４とホルダ５６とカンチレバー５５を加えた構成になっているが、図４Ａと図４Ｂと図４Ｃに示した走査機構３０を、図１Ａと図１Ｂと図１Ｃに示した走査機構１０や、図５Ａと図５Ｂと図５Ｃに示した走査機構４０に置き換えてもよい。
　［第一変形例］
　さらにこの走査機構では次の変形が可能である。第三実施形態の第一変形例である走査機構６０を図９Ａと図９Ｂに示す。図９Ａは、本実施形態の走査機構の上面図であり、図９Ｂは、図９Ａ中のVｙ－Vｙ線に沿った走査機構の断面図である。図９Ａと図９Ｂにおいて、図６Ａと図６Ｂに示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
　図９Ａと図９Ｂに示されるように、本実施形態の第一変形例である走査機構６０は、図６Ａと図６Ｂに示した走査機構５０の構成に加え、圧電素子６１と疑似ホルダ６２を備えている。
　圧電素子６１は、一端がＸＹ可動部５２に固定され、＋Ｚ方向に延出している。つまり、圧電素子５４と圧電素子６１は、ＸＹ可動部５２からＺ軸に沿って互いに反対側に延びている。
　圧電素子５４と圧電素子６１は、例えば実質的に同一の積層型圧電素子で構成されており、電圧印加に応じてＺ軸に沿って伸縮し得る。圧電素子５４と圧電素子６１は、ＸＹ平面に垂直なＺ軸方向にカンチレバー５５を走査するＺアクチュエータを構成している。
　ＸＹ可動部５２の上面に設けられた圧電素子６１の自由端には、ホルダ５６と同一の部材である疑似ホルダ６２が取り付けられている。疑似ホルダ６２は、ホルダ５６と同等の質量をもつ部材であれば置き換え可能である。
　カンチレバー５５をＺ方向に走査する際、図示しないＺ圧電駆動部によりＺ駆動信号を二つの圧電素子５４，６１に供給し、二つの圧電素子５４，６１が同じ量だけ逆向きに伸縮される。これにより、圧電素子５４の伸縮がＸＹ可動部５２に与えるＺ軸に沿った力が、圧電素子６１の伸縮によって打ち消される。これにより、圧電素子５４の伸縮により生じるＸＹ可動部５２のＺ方向の振動がほぼ０に抑えられる。
　このように構成された走査機構６０においては、図６Ａと図６Ｂに示した走査機構５０の効果に加え、二つの圧電素子５４，６１で構成されるＺアクチュエータにより、カンチレバー５５をＺ方向に走査する際に生じる振動ノイズもほぼ０に抑えられる。
　［第二変形例］
　さらにこの走査機構では次の変形が可能である。第三実施形態の第二変形例である走査機構７０を図１０Ａと図１０Ｂに示す。図１０Ａは、本実施形態の走査機構の上面図であり、図１０Ｂは、図１０Ａ中のVIｙ－VIｙ線に沿った走査機構の断面図である。図１０Ａと図１０Ｂにおいて、図９Ａと図９Ｂに示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
　図１０Ａと図１０Ｂに示されるように、本実施形態の第二変形例である走査機構７０は、図９Ａと図９Ｂに示した走査機構６０と比較して、図９Ａと図９Ｂに示した集光部５３が単レンズ７１に置き換わった構成になっている。
　単レンズ７１は、収束光をカンチレバー５５のレバー面に対して垂直に入射させるように、その光軸がＸＹ平面に垂直な軸に対して５度ないし２０度になるよう傾けて保持されている。また単レンズ７１は、ＸＹ可動部５２に形成された貫通穴に配置され、ＸＹ可動部５２の厚み内に収まっている。さらに単レンズ７１は、長さ１０μｍ、幅２μｍの小さなカンチレバーにも集光できるように、そのＮＡが０．４以上の光学特性を有している。
　このように構成された走査機構７０においては、図９Ａと図９Ｂに示した走査機構６０の効果に加え、次の効果が得られる。
　単レンズ７１の光軸がＸＹ平面に垂直な軸に対して５度ないし２０度になるよう傾けて保持されているので、カンチレバー５５に対して垂直に収束光を入射させることができる。また単レンズ７１は、そのＮＡが０．４以上の光学特性を備えている。その結果、カンチレバー５５に形成する集光スポット径を直径２μｍ程度にまで小さくすることができる。これは、カンチレバー５５の変位検出の精度向上に効果がある。
　＜第四実施形態＞
　本実施形態は、第三実施形態の走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡に向けられている。以下、図１１を参照しながら本実施形態について説明する。
　図１１に示すように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバー５５を保持した走査機構７０と、ホストコンピュータ９１と、Ｚ制御部９０を備えたコントローラ８９と、Ｚピエゾドライバ８７と、ＸＹピエゾドライバ８８と、レーザ光源８２と、ビームスプリッタ８４と、波長板８５と、分割ディテクタ８６とを備えている。カンチレバー５５に対向する位置には、試料台８１に載置された試料８０が配置されている。
　走査機構７０は、カンチレバー５５をＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って走査するためのものであり、その詳細な構成は第三実施形態（図１０Ａと図１０Ｂ）で説明した通りである。この走査機構７０は図示しない鏡枠によって保持されている。
　カンチレバー５５は、試料８０に対向して配置される機械的探針５７を柔軟なレバー部の自由端に備えており、カンチレバー５５は試料８０との相互作用に応じてＺ軸に沿って変位する。
　レーザ光源８２とビームスプリッタ８４と波長板８５と分割ディテクタ８６は、カンチレバー５５の自由端のＺ軸に沿った変位を光学的に検出するための光学式変位センサーを構成しており、それぞれ図示しない鏡枠に保持されている。これらで構成される光学式変位センサーは、例えば走査型プローブ顕微鏡によく用いられる光てこセンサーであり、レーザ光源８２から照射されたコリメートレーザ光８３は、ビームスプリッタ８４と波長板８５を介して走査機構７０に設けられた単レンズ７１に照射され、カンチレバー５５上に直径２μｍ程度の集光スポットを形成する。その反射光は、波長板８５を通ることでビームスプリッタ８４によって偏向されて分割ディテクタ８６に入射する。分割ディテクタ８６は、カンチレバー５５のＺ変位を反映した変位信号をコントローラ８９に出力する。
　Ｚピエゾドライバ８７は、走査機構７０に搭載された二つの圧電素子５４，６１を駆動するためのものである。
　ＸＹピエゾドライバ８８は、走査機構７０に搭載された圧電素子１２Ａ，１２Ｂと圧電素子１２Ｃを駆動するためのものである。ＸＹピエゾドライバ８８は、図２で示したＸＹピエゾドライバ２０と同等の機能を備えている。
　コントローラ８９は、Ｚピエゾドライバ８７とＸＹピエゾドライバ８８を制御するためのものある。
　ホストコンピュータ９１は、カンチレバー５５の変位情報と走査機構７０の走査情報とに基づいて試料８０の物理情報を取得する処理部を構成している。
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は以下のように動作する。
　レーザ光源８２とビームスプリッタ８４と波長板８５と分割ディテクタ８６で構成される光学式変位センサーは、例えば走査型プローブ顕微鏡によく用いられる光てこセンサーであり、レーザ光源８２から照射されたコリメートレーザ光８３は、走査機構７０に設けられた単レンズ７１を介してカンチレバー５５上に直径数μｍ程度の集光スポットを形成し、その反射光を分割ディテクタ８６で受けることで、カンチレバー５５の自由端にある機械的探針５７のＺ変位をとらえる。分割ディテクタ８６は、カンチレバー５５のＺ変位を反映した変位信号をコントローラ８９に出力する。
　コントローラ８９は、ＸＹ方向にラスター走査するためのＸＹ走査信号を生成し、ＸＹ走査信号をＸＹピエゾドライバ８８とホストコンピュータ９１に供給する。コントローラ８９はＺ制御部９０を含んでおり、Ｚ制御部９０は、分割ディテクタ８６で得られるカンチレバー５５の変位情報を一定に維持するようにＺピエゾドライバ８７を制御するためのＺ走査信号を生成し、そのＺ走査信号をＺピエゾドライバ８７とホストコンピュータ９１に供給する。
　Ｚピエゾドライバ８７は、コントローラ８９から供給されるＺ走査信号を所定のゲインで増幅してＺ駆動信号を生成し、Ｚ駆動信号を走査機構７０に搭載された二つの圧電素子５４，６１に供給する。
　ＸＹピエゾドライバ８８は、コントローラ８９から供給されるＸＹ走査信号を所定のゲインで増幅してＸＹ駆動信号を生成し、ＸＹ駆動信号を走査機構７０に搭載された圧電素子１２Ａ，１２Ｂと圧電素子１２Ｃに供給する。具体的には、コントローラ８９から供給されるＸ走査信号を増幅して生成したＸ駆動信号を圧電素子１２Ａに供給し、同時にコントローラ８９から供給されるＸ走査信号の逆位相信号（逆位相Ｘ走査信号と呼ぶ）を生成し、それを増幅して生成した逆位相Ｘ駆動信号を圧電素子１２Ｂに供給し、さらにコントローラ８９から供給されるＹ走査信号を増幅して生成したＹ駆動信号を圧電素子１２Ｃに供給する。
　ホストコンピュータ９１は、コントローラ８９から供給されるＸＹ走査信号とＺ走査信号とに基づいて試料８０の表面形状の三次元画像を構築し、これをモニター上に表示する。
　この走査型プローブ顕微鏡においては、走査機構７０を用いることで、高精度で高い直進性をもち、かつ高速ラスター走査が可能になる。従ってこの走査型プローブ顕微鏡によれば、観察分解能が向上し、観察時間が短縮される。
　本実施形態においては、走査機構７０を、図５Ａと図５Ｂと図５Ｃに示した走査機構５０、または図９Ａと図９Ｂに示した走査機構６０に置き換えても同様の効果が得られる。
　これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含む。

Claims (17)

  1. 　走査対象物をＸ軸方向に高速で走査し、Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向に低速で走査する走査機構であって、
    　前記走査対象物が取り付けられる可動部と、
    　前記可動部をＸ軸方向とＹ軸方向に走査するＸＹアクチュエータとを備え、
    　前記ＸＹアクチュエータは、Ｙ軸方向に平行な直線に対して対称形であり、Ｘ軸方向に平行な直線に対して非対称形である、走査機構。
  2. 　前記可動部を取り囲む固定枠をさらに備え、
    　前記ＸＹアクチュエータは、前記可動部をＸ軸方向に走査する第一および第二のＸアクチュエータと、前記可動部をＹ軸方向に走査するＹアクチュエータとを備え、
    　前記第一および第二のＸアクチュエータは、前記固定枠と前記可動部のＸ軸に沿った間に、前記可動部のＸ軸に沿った両側に配置され、
    　前記Ｙアクチュエータは、前記固定枠と前記可動部のＹ軸に沿った間に配置されている、請求項１に記載の走査機構。
  3. 　前記Ｙアクチュエータは、前記第一および第二のＸアクチュエータよりも単位駆動信号あたりの変位量が大きい、請求項２に記載の走査機構。
  4. 　前記第一のＸアクチュエータと前記第二のＸアクチュエータと前記Ｙアクチュエータは、それぞれ、第一の積層型圧電素子と第二の積層型圧電素子と第三の積層型圧電素子を備え、
    　前記第一の積層型圧電素子と前記第二の積層型圧電素子は実質的に同一であり、
    　前記第三の積層型圧電素子の変位方向の長さが、前記第一および第二の積層型圧電素子の変位方向の長さよりも長い、請求項３に記載の走査機構。
  5. 　前記第一のＸアクチュエータと前記第二のＸアクチュエータは、それぞれ、第一の積層型圧電素子と第二の積層型圧電素子を備え、
    　前記第一の積層型圧電素子と前記第二の積層型圧電素子は実質的に同一であり、
    　前記Ｙアクチュエータは、複数の積層型圧電素子を備えており、
    　前記複数の積層型圧電素子は、前記固定枠に保持された弾性部材を介して変位方向に直列に連結されており、
    　前記複数の積層型圧電素子のそれぞれの変位方向の長さの合計値が、前記第一および第二の積層型圧電素子の変位方向の長さよりも長い、請求項３に記載の走査機構。
  6. 　前記複数の積層型圧電素子は、二つの第三の積層型圧電素子を備え、前記二つの第三の積層型圧電素子は、前記第一および第二の積層型圧電素子と実質的に同一である、請求項５に記載の走査機構。
  7. 　前記可動部のＸ軸に沿った両側に設けられた第一および第二の弾性部と、
    　前記可動部のＹ軸に沿った両側に設けられた第三および第四の弾性部とをさらに備え、　前記第一ないし第四の弾性部はいずれも、前記可動部と一体的に形成されており、
    　前記第一の弾性部は、前記可動部と前記第一のＸアクチュエータの間に配置され、
    　前記第二の弾性部は、前記可動部と前記第二のＸアクチュエータの間に配置され、
    　前記第三の弾性部は、前記可動部と前記Ｙアクチュエータの間に配置され、
    　前記第四の弾性部は、前記可動部と前記固定枠の間に配置されている、請求項１ないし請求項６のいずれかひとつに記載の走査機構。
  8. 　前記第一ないし第四の弾性部を支持する支持部をさらに備え、前記支持部は、前記第一ないし第四の弾性部と一体的に形成され、前記固定枠に固定されている、請求項７に記載の走査機構。
  9. 　前記可動部は、前記走査対象物がＹ軸に平行な直線に対して対称となるように前記走査対象物を前記可動部に保持する、請求項１ないし請求項８のいずれかひとつに記載の走査機構。
  10. 　前記可動部に保持されたＺアクチュエータをさらに備え、前記Ｚアクチュエータは、カンチレバーをその長手方向がＹ軸に沿うように保持し、前記カンチレバーをＸＹ平面に垂直なＺ軸方向に走査する、請求項９に記載の走査機構。
  11. 　前記カンチレバーの変位を検出するための光を前記カンチレバーに集光する集光部をさらに備え、前記集光部は、前記可動部に保持されており、前記Ｚアクチュエータと前記集光部がＸＹ平面への投影においてＹ軸に沿って並ぶように配置されている、請求項１０に記載の走査機構。
  12. 　前記Ｚアクチュエータは、Ｚ軸に沿って伸縮し得る実質的に同一の二つの第四の積層型圧電素子を有し、前記二つの第四の積層型圧電素子は、前記可動部からＺ軸に沿って互いに反対側に延びている、請求項１０または請求項１１に記載の走査機構。
  13. 　前記集光部が単レンズである、請求項１１に記載の走査機構。
  14. 　前記単レンズの直径が１０ｍｍ以下である、請求項１３に記載の走査機構。
  15. 　前記単レンズのＮＡが０．４以上である、請求項１３に記載の走査機構。
  16. 　前記Ｚアクチュエータは、前記カンチレバーをＸＹ平面に対して５度ないし２０度の角度に保持し、
    　前記単レンズは、その光軸がＺ軸に対して５度ないし２０度の角度で前記可動部に保持されている、請求項１３に記載の走査機構。
  17. 　請求項１ないし請求項１６のいずれかひとつに記載の走査機構を備えている走査型プローブ顕微鏡。
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