JP3167287B2 - 微小振動付与装置、微小振動付与方法及び表面状態検出装置 - Google Patents
微小振動付与装置、微小振動付与方法及び表面状態検出装置Info
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- JP3167287B2 JP3167287B2 JP20803397A JP20803397A JP3167287B2 JP 3167287 B2 JP3167287 B2 JP 3167287B2 JP 20803397 A JP20803397 A JP 20803397A JP 20803397 A JP20803397 A JP 20803397A JP 3167287 B2 JP3167287 B2 JP 3167287B2
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、先鋭化された振動
部又はプローブを微小な振幅で振動させる微小振動付与
装置、微小振動付与方法及び表面状態検出装置に関す
る。
部又はプローブを微小な振幅で振動させる微小振動付与
装置、微小振動付与方法及び表面状態検出装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、試料の表面状態を検出する顕微鏡
としては、先端が先鋭化された振動部材を試料表面上に
配設して試料の表面状態を測定するものが知られてい
る。このような顕微鏡では、例えば上記の振動部材をプ
ローブとして使用し、このプローブを所定の方向に振動
させながら試料上を走査させることにより試料の表面状
態を測定する手法が用いられる。
としては、先端が先鋭化された振動部材を試料表面上に
配設して試料の表面状態を測定するものが知られてい
る。このような顕微鏡では、例えば上記の振動部材をプ
ローブとして使用し、このプローブを所定の方向に振動
させながら試料上を走査させることにより試料の表面状
態を測定する手法が用いられる。
【０００３】このように、プローブを試料上に配設して
試料の表面状態を測定する顕微鏡としては、近視野顕微
鏡（ＮＯＭ：Near field Optical Microscope）、原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）等が
公知となっている。
試料の表面状態を測定する顕微鏡としては、近視野顕微
鏡（ＮＯＭ：Near field Optical Microscope）、原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）等が
公知となっている。
【０００４】一方、光学顕微鏡の回折限界を超えた分解
能をもつ高分解能の光学顕微鏡として近接場光学顕微鏡
が知られている。この近接場光学顕微鏡は、物体表面の
光の波長より小さい領域に局在するエバネッセント光を
検出して物体の形状を測定するものである。具体的に
は、例えば全反射条件下で試料の裏面から試料表面を照
射すると、試料表面には表面形状に応じてエバネッセン
ト場が発生する。そして、この近接場光学顕微鏡では、
このエバネッセント場の強度を測定するエバネッセント
光の波長以下の開口を有する光プローブで検出すること
により、回折限界を超えた分解能を得ることができる。
能をもつ高分解能の光学顕微鏡として近接場光学顕微鏡
が知られている。この近接場光学顕微鏡は、物体表面の
光の波長より小さい領域に局在するエバネッセント光を
検出して物体の形状を測定するものである。具体的に
は、例えば全反射条件下で試料の裏面から試料表面を照
射すると、試料表面には表面形状に応じてエバネッセン
ト場が発生する。そして、この近接場光学顕微鏡では、
このエバネッセント場の強度を測定するエバネッセント
光の波長以下の開口を有する光プローブで検出すること
により、回折限界を超えた分解能を得ることができる。
【０００５】また、原子間力顕微鏡では、先端に針状の
先鋭部を有する振動部材を試料表面に接触させて試料表
面を走査させ、原子間力による振動部材のたわみ量を検
出し、このたわみ量から原子間力を測定して試料表面の
形状を測定している。
先鋭部を有する振動部材を試料表面に接触させて試料表
面を走査させ、原子間力による振動部材のたわみ量を検
出し、このたわみ量から原子間力を測定して試料表面の
形状を測定している。
【０００６】また、原子間力を測定する他の手法として
は、例えばピエゾ素子等の電歪素子により振動部材をそ
の共振周波数で振動させて試料表面を走査し、原子間力
による共振周波数の変化を測定して原子間力を測定する
方法が知られている。
は、例えばピエゾ素子等の電歪素子により振動部材をそ
の共振周波数で振動させて試料表面を走査し、原子間力
による共振周波数の変化を測定して原子間力を測定する
方法が知られている。
【０００７】具体的には、この振動部材は、一対の対向
したピエゾ素子により駆動される。そして、これら一対
のピエゾ素子に対しては、振動部材を所定方向に共振周
波数で振動させるように駆動電圧が印加されることとな
る。そして、原子間力により試料の表面状態を測定する
ときには、振動部材の共振周波数が原子間力の影響によ
り変化することを測定して原子間力を測定する。このよ
うに、原子間力を測定することにより、試料の表面状態
を高分解能で測定することができる。
したピエゾ素子により駆動される。そして、これら一対
のピエゾ素子に対しては、振動部材を所定方向に共振周
波数で振動させるように駆動電圧が印加されることとな
る。そして、原子間力により試料の表面状態を測定する
ときには、振動部材の共振周波数が原子間力の影響によ
り変化することを測定して原子間力を測定する。このよ
うに、原子間力を測定することにより、試料の表面状態
を高分解能で測定することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述したような種々の
顕微鏡では、試料の表面上に振動部材を配置して試料の
表面状態を測定している。このとき、振動部材は、例え
ばレーザ光が照射されることにより、配されている位置
及び振動周波数が検出されている。このとき、上述の顕
微鏡においては、一方向のみに振動することが望まし
い。
顕微鏡では、試料の表面上に振動部材を配置して試料の
表面状態を測定している。このとき、振動部材は、例え
ばレーザ光が照射されることにより、配されている位置
及び振動周波数が検出されている。このとき、上述の顕
微鏡においては、一方向のみに振動することが望まし
い。
【０００９】しかしながら、上述した振動部材は、どの
方向に振動させたときであっても同じ周波数で振動する
ように真円状となるように設計されるが、実際に製造す
ると楕円状に形成されてしまい異なる方向に振動させる
と振動周波数が異なってしまうことが多い。この原因と
しては、例えばピエゾ素子が振動部材に対して斜めに配
設されることや、振動部材自体が真円状でなく非対称で
あること等が挙げられる。このような振動部材では、所
定の方向に振動させても、異なる方向における振動成分
が生じてしまい、図５（ａ）に示すように、振動周波数
特性に２つのピークが生じてしまう。
方向に振動させたときであっても同じ周波数で振動する
ように真円状となるように設計されるが、実際に製造す
ると楕円状に形成されてしまい異なる方向に振動させる
と振動周波数が異なってしまうことが多い。この原因と
しては、例えばピエゾ素子が振動部材に対して斜めに配
設されることや、振動部材自体が真円状でなく非対称で
あること等が挙げられる。このような振動部材では、所
定の方向に振動させても、異なる方向における振動成分
が生じてしまい、図５（ａ）に示すように、振動周波数
特性に２つのピークが生じてしまう。
【００１０】このように、振動周波数特性に２つのピー
クが生じてしまうと、正確に試料の表面状態を測定する
ことができなくなってしまう。
クが生じてしまうと、正確に試料の表面状態を測定する
ことができなくなってしまう。
【００１１】例えば、振動部材を光ファイバとした場合
においては、これら２つのピークの位置が約６０Ｈｚ程
度シフトしてしまい、正確に試料を測定できない恐れが
ある。
においては、これら２つのピークの位置が約６０Ｈｚ程
度シフトしてしまい、正確に試料を測定できない恐れが
ある。
【００１２】そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて
提案されたものであり、振動部材の振動方向を自在に制
御することができる微小振動付与装置、微小振動付与方
法及び表面状態検出装置を提供することを目的とする。
提案されたものであり、振動部材の振動方向を自在に制
御することができる微小振動付与装置、微小振動付与方
法及び表面状態検出装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決する本
発明にかかる微小振動付与装置は、被振動部材の基端部
の外周面に配設され、印加される駆動電圧に応じて被振
動部材の軸長方向に伸縮する２対の電歪素子と、対をな
す電歪素子と他方の対をなす電歪素子に印加する駆動電
圧の比を制御する駆動制御部とを備え、２対の電歪素子
に印加する駆動電圧の比に応じた方向に被振動部材の先
端部を微小振動させることを特徴とするものである。
発明にかかる微小振動付与装置は、被振動部材の基端部
の外周面に配設され、印加される駆動電圧に応じて被振
動部材の軸長方向に伸縮する２対の電歪素子と、対をな
す電歪素子と他方の対をなす電歪素子に印加する駆動電
圧の比を制御する駆動制御部とを備え、２対の電歪素子
に印加する駆動電圧の比に応じた方向に被振動部材の先
端部を微小振動させることを特徴とするものである。
【００１４】このように構成された微小振動付与装置
は、印加される駆動電圧に応じて被振動部材の軸長方向
に伸縮する２対の電歪素子と、対をなす電歪素子と他方
の対をなす電歪素子に印加する駆動電圧の比を制御する
駆動制御部とを備えているので、２対の電歪素子に印加
する駆動電圧の比に応じた方向に被振動部材の先端部を
微小振動させることができる。
は、印加される駆動電圧に応じて被振動部材の軸長方向
に伸縮する２対の電歪素子と、対をなす電歪素子と他方
の対をなす電歪素子に印加する駆動電圧の比を制御する
駆動制御部とを備えているので、２対の電歪素子に印加
する駆動電圧の比に応じた方向に被振動部材の先端部を
微小振動させることができる。
【００１５】また、本発明に係る微小振動付与方法は、
被振動部材の円柱状に形成された基端部の円周面に２対
の電歪素子を配設し、対をなす電歪素子に互いに逆極性
の駆動電圧を交互に印加すると共に、一方の対をなす電
歪素子と他方の対をなす電歪素子に印加する駆動電圧の
比を制御することにより、被振動部材の先鋭化された先
端部をその中心軸と直交する任意の方向に微小振動させ
ることを特徴とする。
被振動部材の円柱状に形成された基端部の円周面に２対
の電歪素子を配設し、対をなす電歪素子に互いに逆極性
の駆動電圧を交互に印加すると共に、一方の対をなす電
歪素子と他方の対をなす電歪素子に印加する駆動電圧の
比を制御することにより、被振動部材の先鋭化された先
端部をその中心軸と直交する任意の方向に微小振動させ
ることを特徴とする。
【００１６】このような微小振動付与方法は、被振動部
材の円柱状に形成された基端部の円周面に２対の電歪素
子を配設し、対をなす電歪素子に互いに逆極性の駆動電
圧を交互に印加すると共に、一方の対をなす電歪素子と
他方の対をなす電歪素子に印加する駆動電圧の比を制御
するので、被振動部材の先鋭化された先端部をその中心
軸と直交する任意の方向に微小振動させることができ
る。
材の円柱状に形成された基端部の円周面に２対の電歪素
子を配設し、対をなす電歪素子に互いに逆極性の駆動電
圧を交互に印加すると共に、一方の対をなす電歪素子と
他方の対をなす電歪素子に印加する駆動電圧の比を制御
するので、被振動部材の先鋭化された先端部をその中心
軸と直交する任意の方向に微小振動させることができ
る。
【００１７】円柱状に形成された基端部と、試料に対向
して配設され先端が先鋭化された先端部を有するプロー
ブと、上記プローブの基端部の外周面に配設され、印加
される駆動電圧に応じて上記被振動部材の軸長方向に伸
縮することで、上記プローブの長さ方向と直交する方向
に上記プローブの先鋭部を振動させる２対の電歪素子
と、上記２対の電歪素子に印加する駆動電圧の比を制御
することにより、上記駆動電圧の比に応じた方向に上記
プローブの先端部を微小振動させる振動制御部と、上記
プローブを介して上記試料の表面状態を検出する検出部
とを備えることを特徴とする
して配設され先端が先鋭化された先端部を有するプロー
ブと、上記プローブの基端部の外周面に配設され、印加
される駆動電圧に応じて上記被振動部材の軸長方向に伸
縮することで、上記プローブの長さ方向と直交する方向
に上記プローブの先鋭部を振動させる２対の電歪素子
と、上記２対の電歪素子に印加する駆動電圧の比を制御
することにより、上記駆動電圧の比に応じた方向に上記
プローブの先端部を微小振動させる振動制御部と、上記
プローブを介して上記試料の表面状態を検出する検出部
とを備えることを特徴とする
【００１８】このような構成の表面状態検出装置は、プ
ローブの基端部の外周面に配設された２対の電歪素子に
印加する駆動電圧の比を制御することにより、上記駆動
電圧の比に応じた方向に上記プローブの先端部を微小振
動させて、試料の表面状態を検出することができる。
ローブの基端部の外周面に配設された２対の電歪素子に
印加する駆動電圧の比を制御することにより、上記駆動
電圧の比に応じた方向に上記プローブの先端部を微小振
動させて、試料の表面状態を検出することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る微小振動付与
装置、微小振動付与方法及び表面状態検出装置について
図面を参照しながら説明する。
装置、微小振動付与方法及び表面状態検出装置について
図面を参照しながら説明する。
【００２０】この微小振動付与装置、微小振動付与方法
及び表面状態検出装置は、例えば図１に示すように、試
料２上を一定の間隔を保持して配設されたプローブ３を
振動させながら走査させることにより試料２の局所的な
表面状態を観測する走査型プローブ顕微鏡１に適用する
ことができる。
及び表面状態検出装置は、例えば図１に示すように、試
料２上を一定の間隔を保持して配設されたプローブ３を
振動させながら走査させることにより試料２の局所的な
表面状態を観測する走査型プローブ顕微鏡１に適用する
ことができる。
【００２１】この走査型プローブ顕微鏡１は、図１に示
すように、試料２に対向して配設されたプローブ３と、
このプローブ３の周囲に配設された電歪素子部４と、こ
の電歪素子部４の振動状態を制御する振動制御部５と、
プローブ３に対してレーザ光を照射してプローブ３の振
動状態を検出する検出部６と、プローブ３と試料２との
位置関係を制御する制御部７と、試料２が載置された試
料保持部８とを備える。
すように、試料２に対向して配設されたプローブ３と、
このプローブ３の周囲に配設された電歪素子部４と、こ
の電歪素子部４の振動状態を制御する振動制御部５と、
プローブ３に対してレーザ光を照射してプローブ３の振
動状態を検出する検出部６と、プローブ３と試料２との
位置関係を制御する制御部７と、試料２が載置された試
料保持部８とを備える。
【００２２】プローブ３は、基端部が円柱状に形成され
先端が先鋭化され試料２に対して対向して配設されてい
る。このプローブ３は、図２に示すように、原点Ｏを支
点として一方向のみに振動される。このプローブ３は、
原点Ｏを支点として振動されることにより、先端が円弧
状の軌跡を描くように振動する。このとき、プローブ３
は、試料２の表面に対して最も近づいたときの高さをＨ
としたとき、振動することによりＺ軸との角度φを有し
て位置されたときにＨ＋△Ｈの高さ位置となるように振
動される。このように、試料２からの高さがＨ＋△Ｈの
位置に配されたとき、プローブ３は、Ｚ軸方向に重力Ｆ
Wと、慣性力Ｆrが働く。そして、このプローブ３は、重
力ＦWと慣性力Ｆrとの関係で振動される。
先端が先鋭化され試料２に対して対向して配設されてい
る。このプローブ３は、図２に示すように、原点Ｏを支
点として一方向のみに振動される。このプローブ３は、
原点Ｏを支点として振動されることにより、先端が円弧
状の軌跡を描くように振動する。このとき、プローブ３
は、試料２の表面に対して最も近づいたときの高さをＨ
としたとき、振動することによりＺ軸との角度φを有し
て位置されたときにＨ＋△Ｈの高さ位置となるように振
動される。このように、試料２からの高さがＨ＋△Ｈの
位置に配されたとき、プローブ３は、Ｚ軸方向に重力Ｆ
Wと、慣性力Ｆrが働く。そして、このプローブ３は、重
力ＦWと慣性力Ｆrとの関係で振動される。
【００２３】電歪素子部４は、例えばピエゾ素子からな
り上述したプローブ３の周囲に配設され、印加される駆
動電圧に応じてプローブ３の軸長方向に伸縮し、プロー
ブ３を振動させる。この電歪素子部４は、プローブ３の
周囲に４分割して配設された電歪素子４ａ〜４ｄからな
り、各電歪素子４ａ〜４ｄに印加する電圧を制御するこ
とで各電歪素子４ａ〜４ｄの伸縮を制御しプローブ３の
振動方向を制御する。
り上述したプローブ３の周囲に配設され、印加される駆
動電圧に応じてプローブ３の軸長方向に伸縮し、プロー
ブ３を振動させる。この電歪素子部４は、プローブ３の
周囲に４分割して配設された電歪素子４ａ〜４ｄからな
り、各電歪素子４ａ〜４ｄに印加する電圧を制御するこ
とで各電歪素子４ａ〜４ｄの伸縮を制御しプローブ３の
振動方向を制御する。
【００２４】また、電歪素子部４の他の一例としては、
図３に示すように、筒状に形成されたものを使用しても
良い。この電歪素子部４は、外周壁にＸ軸上に配された
第１の電極９ａとＹ軸上に配された第２の電極９ｂとが
形成され、内壁に接地された内面電極９ｃが形成されて
いる。そして、この電歪素子部４は、略中心位置にプロ
ーブ３が埋め込まれた構成となされている。
図３に示すように、筒状に形成されたものを使用しても
良い。この電歪素子部４は、外周壁にＸ軸上に配された
第１の電極９ａとＹ軸上に配された第２の電極９ｂとが
形成され、内壁に接地された内面電極９ｃが形成されて
いる。そして、この電歪素子部４は、略中心位置にプロ
ーブ３が埋め込まれた構成となされている。
【００２５】すなわち、この図３に示した電歪素子部４
は、対をなす電歪素子が互いに逆方向に駆動するように
駆動電圧が各電極９ａ，９ｂに印加されるとともに、第
１の電極９ａと第２の電極９ｂとに印加する駆動電圧の
比を制御することで振動される。すなわち、この電歪素
子部４は、互いに対向する第１の電極９ａと第２の電極
９ｂとに所定の駆動電圧を印加することにより、第１の
電極９ａのうち、一方の電極に接続された部分が軸方向
に伸長されるとともに他方の電極に接続された部分が収
縮されてプローブ３を振動させる。このことは、第２の
電極９ｂについても同様である。
は、対をなす電歪素子が互いに逆方向に駆動するように
駆動電圧が各電極９ａ，９ｂに印加されるとともに、第
１の電極９ａと第２の電極９ｂとに印加する駆動電圧の
比を制御することで振動される。すなわち、この電歪素
子部４は、互いに対向する第１の電極９ａと第２の電極
９ｂとに所定の駆動電圧を印加することにより、第１の
電極９ａのうち、一方の電極に接続された部分が軸方向
に伸長されるとともに他方の電極に接続された部分が収
縮されてプローブ３を振動させる。このことは、第２の
電極９ｂについても同様である。
【００２６】なお、この電歪素子部４に接続された各電
極９ａ，９ｂは、対向する電極に対して互いに逆極性の
駆動電圧を印加することで電歪素子を上述のように駆動
させても良い。
極９ａ，９ｂは、対向する電極に対して互いに逆極性の
駆動電圧を印加することで電歪素子を上述のように駆動
させても良い。
【００２７】また、この電歪素子部４は、上面の外周端
部が固定端９ｄとなされ、治具により固定されている。
そして、この電歪素子部４は、上述したプローブ３とと
もに試料２上を走査する。
部が固定端９ｄとなされ、治具により固定されている。
そして、この電歪素子部４は、上述したプローブ３とと
もに試料２上を走査する。
【００２８】振動制御部５は、上述した電歪素子部４に
接続され、電歪素子部４の振動状態を制御する。すなわ
ち、この振動制御部５は、図３に示すように、第１の抵
抗Ｒ1、第２の抵抗Ｒ2、第３の抵抗Ｒ3、第４の抵抗Ｒ4
とを組み合わせた構成となされている。ここで、第２の
抵抗Ｒ2は可変抵抗とされており、第４の抵抗Ｒ4を通過
した制御信号Ｓが入力され、第１の抵抗Ｒ1及び第２の
抵抗Ｒ2に印加する電圧を調整している。また、第１の
抵抗Ｒ1及び第３の抵抗Ｒ3の他方端は、接地されてい
る。
接続され、電歪素子部４の振動状態を制御する。すなわ
ち、この振動制御部５は、図３に示すように、第１の抵
抗Ｒ1、第２の抵抗Ｒ2、第３の抵抗Ｒ3、第４の抵抗Ｒ4
とを組み合わせた構成となされている。ここで、第２の
抵抗Ｒ2は可変抵抗とされており、第４の抵抗Ｒ4を通過
した制御信号Ｓが入力され、第１の抵抗Ｒ1及び第２の
抵抗Ｒ2に印加する電圧を調整している。また、第１の
抵抗Ｒ1及び第３の抵抗Ｒ3の他方端は、接地されてい
る。
【００２９】ここで、第４の抵抗Ｒ4には、制御信号Ｓ
が印加され、この第４の抵抗Ｒ4を通過した制御信号Ｓ
を第２の抵抗Ｒ2及び第１の抵抗Ｒ1を通過させて第２の
電極９ｂに印加する電圧としている。また、制御信号Ｓ
は、第４の抵抗Ｒ4及び第２の抵抗Ｒ2を通過した制御信
号を第１の電極９ａに対して印加される。ここで第２の
抵抗Ｒ2は可変抵抗となされているので、第１の電極９
ａと第２の電極９ｂとに印加する電圧の関係を調整する
ことができる。
が印加され、この第４の抵抗Ｒ4を通過した制御信号Ｓ
を第２の抵抗Ｒ2及び第１の抵抗Ｒ1を通過させて第２の
電極９ｂに印加する電圧としている。また、制御信号Ｓ
は、第４の抵抗Ｒ4及び第２の抵抗Ｒ2を通過した制御信
号を第１の電極９ａに対して印加される。ここで第２の
抵抗Ｒ2は可変抵抗となされているので、第１の電極９
ａと第２の電極９ｂとに印加する電圧の関係を調整する
ことができる。
【００３０】また、これらの抵抗Ｒ1〜Ｒ4は、第１の抵
抗Ｒ1と第３の抵抗Ｒ3とを同等の抵抗値のものを使用
し、第１の抵抗Ｒ1及び第３の抵抗Ｒ3と第２の抵抗Ｒ2
と第４の抵抗Ｒ4との関係をＲ1，Ｒ3<<Ｒ2<<Ｒ4とする
と、第１の電極９ａ及び第２の電極９ｂに対して制御信
号ＳをＲ1／Ｒ4で表現される割合で印加することができ
る。また、上述のように、第１の電極９ａと第２の電極
９ｂとに印加する制御信号Ｓの比をｘ：ｙとすると、プ
ローブ３の振動方向とＸ軸とのなす角はｔａｎ-1（ｙ／
ｘ）と表現される。したがって、この振動制御部５は、
第１の電極９ａと第２の電極９ｂとに印加する電圧を任
意に制御することができるので、ｔａｎ-1（ｙ／ｘ）を
変化することができ、プローブ３の振動方向を零度〜９
０度までの範囲で制御することができる。また、第１の
電極９ａと第２の電極９ｂに対して印加する制御信号Ｓ
の電圧比を制御すれば、振動方向の制御を零度〜１８０
度まで制御することができる。
抗Ｒ1と第３の抵抗Ｒ3とを同等の抵抗値のものを使用
し、第１の抵抗Ｒ1及び第３の抵抗Ｒ3と第２の抵抗Ｒ2
と第４の抵抗Ｒ4との関係をＲ1，Ｒ3<<Ｒ2<<Ｒ4とする
と、第１の電極９ａ及び第２の電極９ｂに対して制御信
号ＳをＲ1／Ｒ4で表現される割合で印加することができ
る。また、上述のように、第１の電極９ａと第２の電極
９ｂとに印加する制御信号Ｓの比をｘ：ｙとすると、プ
ローブ３の振動方向とＸ軸とのなす角はｔａｎ-1（ｙ／
ｘ）と表現される。したがって、この振動制御部５は、
第１の電極９ａと第２の電極９ｂとに印加する電圧を任
意に制御することができるので、ｔａｎ-1（ｙ／ｘ）を
変化することができ、プローブ３の振動方向を零度〜９
０度までの範囲で制御することができる。また、第１の
電極９ａと第２の電極９ｂに対して印加する制御信号Ｓ
の電圧比を制御すれば、振動方向の制御を零度〜１８０
度まで制御することができる。
【００３１】また、これら第１の電極９ａ及び第２の電
極９ｂには、図４に示すように構成された振動制御部５
を接続しても良い。この振動制御部５は、制御信号Ｓが
入力される第６の抵抗Ｒ6と、可変抵抗とされている第
５の抵抗Ｒ5と、第５の抵抗Ｒ5及び第６の抵抗Ｒ6を通
過した制御信号Ｓが入力される第１の増幅部１０ａ及び
第２の増幅部１０ｂと、第１の増幅部１０ａ及び第２の
増幅部１０ｂに付属して配される第７の抵抗Ｒ7及び第
８の抵抗Ｒ8と、第１の増幅部１０ａ及び第２の増幅部
１０ｂを通過した制御信号Ｓが入力される第１の反転部
１１ａ及び第２の反転部１１ｂとを備える。また、この
振動制御部５は、第１の反転部１１ａ及び第２の反転部
１１ｂのオン／オフ制御を行う第１のスイッチ１２ａ及
び第２のスイッチ１２ｂが備えられる。
極９ｂには、図４に示すように構成された振動制御部５
を接続しても良い。この振動制御部５は、制御信号Ｓが
入力される第６の抵抗Ｒ6と、可変抵抗とされている第
５の抵抗Ｒ5と、第５の抵抗Ｒ5及び第６の抵抗Ｒ6を通
過した制御信号Ｓが入力される第１の増幅部１０ａ及び
第２の増幅部１０ｂと、第１の増幅部１０ａ及び第２の
増幅部１０ｂに付属して配される第７の抵抗Ｒ7及び第
８の抵抗Ｒ8と、第１の増幅部１０ａ及び第２の増幅部
１０ｂを通過した制御信号Ｓが入力される第１の反転部
１１ａ及び第２の反転部１１ｂとを備える。また、この
振動制御部５は、第１の反転部１１ａ及び第２の反転部
１１ｂのオン／オフ制御を行う第１のスイッチ１２ａ及
び第２のスイッチ１２ｂが備えられる。
【００３２】すなわち、この振動制御部５は、第５の抵
抗Ｒ5を制御することにより、第１の増幅部１０ａと第
２の増幅部１０ｂとの増幅率を制御して第１の電極９ａ
及び第２の電極９ｂに印加する電圧を制御する。
抗Ｒ5を制御することにより、第１の増幅部１０ａと第
２の増幅部１０ｂとの増幅率を制御して第１の電極９ａ
及び第２の電極９ｂに印加する電圧を制御する。
【００３３】そして、この振動制御部５は、第１の増幅
部１０ａ及び第２の増幅部１０ｂにより増幅された制御
信号Ｓを第１の反転部１１ａ及び第２の反転部１１ｂに
入力する。これら反転部１１ａ，１１ｂは、第１の増幅
部１０ａ及び第２の増幅部１０ｂから入力された制御信
号Ｓの符号を反転させる。これら第１の反転部１１ａ及
び第２の反転部１１ｂは、第１の増幅部１０ａ及び第２
の増幅部１０ｂから入力された電圧を反転させるときに
は第１及び第２のスイッチ１２ａ，１２ｂを端子ａに接
続し、第１の増幅部及び第２の増幅部から入力された電
圧を反転させないときには第１のスイッチ１２ａ及び第
２のスイッチ１２ｂを端子ｂに接続するようになされて
いる。
部１０ａ及び第２の増幅部１０ｂにより増幅された制御
信号Ｓを第１の反転部１１ａ及び第２の反転部１１ｂに
入力する。これら反転部１１ａ，１１ｂは、第１の増幅
部１０ａ及び第２の増幅部１０ｂから入力された制御信
号Ｓの符号を反転させる。これら第１の反転部１１ａ及
び第２の反転部１１ｂは、第１の増幅部１０ａ及び第２
の増幅部１０ｂから入力された電圧を反転させるときに
は第１及び第２のスイッチ１２ａ，１２ｂを端子ａに接
続し、第１の増幅部及び第２の増幅部から入力された電
圧を反転させないときには第１のスイッチ１２ａ及び第
２のスイッチ１２ｂを端子ｂに接続するようになされて
いる。
【００３４】したがって、このような振動制御部５は、
第１の反転部１１ａ及び第２の反転部１１ｂを備えてい
るので、より広い範囲で振動方向を制御することができ
る。したがって、この制御振動部５によれば、プローブ
３の低周波数側もしくは高周波数側の共振周波数を選択
することやプローブ３の振動方向により試料２の表面状
態を観測することが容易にできる。
第１の反転部１１ａ及び第２の反転部１１ｂを備えてい
るので、より広い範囲で振動方向を制御することができ
る。したがって、この制御振動部５によれば、プローブ
３の低周波数側もしくは高周波数側の共振周波数を選択
することやプローブ３の振動方向により試料２の表面状
態を観測することが容易にできる。
【００３５】検出部６は、図１に示すように、プローブ
３に照射するレーザ光を出射する光源１３と、プローブ
３に対してレーザ光を照射させる集光手段１４と、レー
ザ光を検出する光検出部１５とからなる。
３に照射するレーザ光を出射する光源１３と、プローブ
３に対してレーザ光を照射させる集光手段１４と、レー
ザ光を検出する光検出部１５とからなる。
【００３６】光源１３は例えばレーザダイオードからな
り、プローブ３の先端に対して照射されるレーザ光を出
射する。また、集光手段１４は、例えば対物レンズ等の
光学素子からなり、プローブ６に対してレーザ光を照射
させる。光検出部１５は、例えばフォトダイオードから
なり、集光手段１４によりプローブ３の先端に照射され
たレーザ光を検出する。ここで、光検出部１５は、プロ
ーブ３により拡散光とされたレーザ光を検出してこのレ
ーザ光の光量等に基づいて電気信号を生成する。
り、プローブ３の先端に対して照射されるレーザ光を出
射する。また、集光手段１４は、例えば対物レンズ等の
光学素子からなり、プローブ６に対してレーザ光を照射
させる。光検出部１５は、例えばフォトダイオードから
なり、集光手段１４によりプローブ３の先端に照射され
たレーザ光を検出する。ここで、光検出部１５は、プロ
ーブ３により拡散光とされたレーザ光を検出してこのレ
ーザ光の光量等に基づいて電気信号を生成する。
【００３７】したがって、このような検出部６によれ
ば、プローブ３に対してレーザ光を照射してプローブ３
の振動状態を検出することができる。すなわち、この検
出部６によれば、プローブ３から反射したレーザ光を検
出することにより、プローブ３の振動周波数、振動の振
幅等を含む電気信号を生成することができる。
ば、プローブ３に対してレーザ光を照射してプローブ３
の振動状態を検出することができる。すなわち、この検
出部６によれば、プローブ３から反射したレーザ光を検
出することにより、プローブ３の振動周波数、振動の振
幅等を含む電気信号を生成することができる。
【００３８】試料保持部８は、試料２が載置され、試料
２をプローブ３に対向して配置させている。この試料保
持部８は、例えばピエゾ素子からなり、駆動信号が入力
されることにより伸縮してＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸
方向に試料２を微小距離移動させる。
２をプローブ３に対向して配置させている。この試料保
持部８は、例えばピエゾ素子からなり、駆動信号が入力
されることにより伸縮してＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸
方向に試料２を微小距離移動させる。
【００３９】制御部７は、プローブ３と試料２との位置
関係を制御する。すなわち、この制御部７は、上述の光
検出部１５により検出されたレーザ光に基づいて生成さ
れた電気信号が入力されるロックインアンプ１６と、試
料保持部８をＺ軸方向に移動させる信号を生成するＰＩ
コントローラ１７と、試料２をプローブ３に対してＸ軸
方向及びＹ軸方向に移動させる信号を生成する制御部１
８とを有する。
関係を制御する。すなわち、この制御部７は、上述の光
検出部１５により検出されたレーザ光に基づいて生成さ
れた電気信号が入力されるロックインアンプ１６と、試
料保持部８をＺ軸方向に移動させる信号を生成するＰＩ
コントローラ１７と、試料２をプローブ３に対してＸ軸
方向及びＹ軸方向に移動させる信号を生成する制御部１
８とを有する。
【００４０】ロックインアンプ１６は、上述の光検出部
１５により検出されたレーザ光に基づいて生成された電
気信号が入力される。このロックインアンプ１６は、プ
ローブ３の振動周波数に対応する所定の角周波数ωを有
する参照信号が入力されており、当該所定の角周波数の
みの信号成分を増幅する。
１５により検出されたレーザ光に基づいて生成された電
気信号が入力される。このロックインアンプ１６は、プ
ローブ３の振動周波数に対応する所定の角周波数ωを有
する参照信号が入力されており、当該所定の角周波数の
みの信号成分を増幅する。
【００４１】ＰＩコントローラ１７は、ロックインアン
プ１６からの出力信号が入力される。このＰＩコントロ
ーラ１７は、予め予測値が入力されており、この予測値
とロックインアンプ１６からの出力信号とを比較してプ
ローブ３をＺ軸方向に移動させる信号を生成する。具体
的には、このＰＩコントローラ１７は、予測値とロック
インアンプ１６からの出力信号との差分をとることによ
り、プローブ３をＺ軸方向、すなわちプローブ３と試料
２との接離方向に移動させる信号を生成する。そして、
このＰＩコントローラ１７は、プローブ３と試料２との
間隔を所定の距離となるように保持する。
プ１６からの出力信号が入力される。このＰＩコントロ
ーラ１７は、予め予測値が入力されており、この予測値
とロックインアンプ１６からの出力信号とを比較してプ
ローブ３をＺ軸方向に移動させる信号を生成する。具体
的には、このＰＩコントローラ１７は、予測値とロック
インアンプ１６からの出力信号との差分をとることによ
り、プローブ３をＺ軸方向、すなわちプローブ３と試料
２との接離方向に移動させる信号を生成する。そして、
このＰＩコントローラ１７は、プローブ３と試料２との
間隔を所定の距離となるように保持する。
【００４２】制御部１８は、例えば利用者が制御するこ
とにより、試料２をプローブ３に対してＸ軸方向及びＹ
軸方向に移動させる信号を生成して、試料２をプローブ
３に対してＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させる。
とにより、試料２をプローブ３に対してＸ軸方向及びＹ
軸方向に移動させる信号を生成して、試料２をプローブ
３に対してＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させる。
【００４３】このように構成された走査型プローブ顕微
鏡１は、電歪素子部４をＹ軸方向において対向して電歪
素子４ａ，４ｃもしくは第１の電極９ａを配設させ、Ｘ
軸方向において対向して電歪素子４ｂ，４ｄもしくは第
２の電極９ｂを配設させているので、プローブ３の振動
方向をＸ軸方向における駆動力とＹ軸方向における駆動
力との和で決定することができる。すなわち、この走査
型プローブ顕微鏡１は、第１の電極９ａと第２の電極９
ｂとに印加する駆動電圧の比を制御することでプローブ
３の振動方向を制御することができる。
鏡１は、電歪素子部４をＹ軸方向において対向して電歪
素子４ａ，４ｃもしくは第１の電極９ａを配設させ、Ｘ
軸方向において対向して電歪素子４ｂ，４ｄもしくは第
２の電極９ｂを配設させているので、プローブ３の振動
方向をＸ軸方向における駆動力とＹ軸方向における駆動
力との和で決定することができる。すなわち、この走査
型プローブ顕微鏡１は、第１の電極９ａと第２の電極９
ｂとに印加する駆動電圧の比を制御することでプローブ
３の振動方向を制御することができる。
【００４４】また、このように構成された走査型プロー
ブ顕微鏡１は、図５に示すように、振動方向を制御する
ことにより振動方向における振動周波数を制御すること
ができる。ここで、上述した従来の走査型プローブ顕微
鏡における振動周波数特性を図５（ａ）に示す。この図
５（ａ）によれば、従来の走査型プローブ顕微鏡では電
歪素子がプローブに対して斜めに配設されることや、プ
ローブ自体が非対称であって楕円状であること等の理由
により一方向のみに振動せずに、所定の方向に振動させ
ても、異なる方向における振動成分が生じてしまい、図
５（ａ）に示すように、振動周波数特性に２つのピーク
が生じてしまう。一方、上述した走査型プローブ顕微鏡
１によれば、一方向のみに振動しない場合においては、
振動制御部５により電歪素子４ａ〜４ｄ又は第１及び第
２の電極９ａ，９ｂに印加する電圧比を調整すること
で、プローブ３の振動方向を制御してプローブ３の異な
る方向成分に起因する周波数特性のピークを図５（ｂ）
に示すように約１０ｄＢ程度小さくすることができる。
したがって、この走査型プローブ顕微鏡１によれば、プ
ローブ３の振動方向を一方向に規制することができ、上
記のロックインアンプ１６により異なる方向における周
波数成分の影響により表面状態を検出ができなくなるよ
うなことがなく、正確に試料２の表面状態を測定するこ
とができる。
ブ顕微鏡１は、図５に示すように、振動方向を制御する
ことにより振動方向における振動周波数を制御すること
ができる。ここで、上述した従来の走査型プローブ顕微
鏡における振動周波数特性を図５（ａ）に示す。この図
５（ａ）によれば、従来の走査型プローブ顕微鏡では電
歪素子がプローブに対して斜めに配設されることや、プ
ローブ自体が非対称であって楕円状であること等の理由
により一方向のみに振動せずに、所定の方向に振動させ
ても、異なる方向における振動成分が生じてしまい、図
５（ａ）に示すように、振動周波数特性に２つのピーク
が生じてしまう。一方、上述した走査型プローブ顕微鏡
１によれば、一方向のみに振動しない場合においては、
振動制御部５により電歪素子４ａ〜４ｄ又は第１及び第
２の電極９ａ，９ｂに印加する電圧比を調整すること
で、プローブ３の振動方向を制御してプローブ３の異な
る方向成分に起因する周波数特性のピークを図５（ｂ）
に示すように約１０ｄＢ程度小さくすることができる。
したがって、この走査型プローブ顕微鏡１によれば、プ
ローブ３の振動方向を一方向に規制することができ、上
記のロックインアンプ１６により異なる方向における周
波数成分の影響により表面状態を検出ができなくなるよ
うなことがなく、正確に試料２の表面状態を測定するこ
とができる。
【００４５】なお、上述した走査型プローブ顕微鏡１の
説明においてはプローブ３の先端を試料２の表面に対向
させて試料の原子間力で変化するプローブ３の振幅の変
化を測定して原子間力を測定するときの一例について説
明したが、このプローブ３は、例えば先端が先鋭化され
た光ファイバとしても良い。このプローブ３を光ファイ
バとした場合にあっては、試料２上に走査されている光
ファイバから試料に対してレーザ光を照射し、物体表面
の光の波長より小さい領域に局在するエバネッセント光
を検出して物体の形状を測定することができる。
説明においてはプローブ３の先端を試料２の表面に対向
させて試料の原子間力で変化するプローブ３の振幅の変
化を測定して原子間力を測定するときの一例について説
明したが、このプローブ３は、例えば先端が先鋭化され
た光ファイバとしても良い。このプローブ３を光ファイ
バとした場合にあっては、試料２上に走査されている光
ファイバから試料に対してレーザ光を照射し、物体表面
の光の波長より小さい領域に局在するエバネッセント光
を検出して物体の形状を測定することができる。
【００４６】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明にか
かる微小振動付与装置は、被振動部材の基端部の外周面
に配設され、印加される駆動電圧に応じて被振動部材の
軸長方向に伸縮する２対の電歪素子と、対をなす電歪素
子と他方の対をなす電歪素子に印加する駆動電圧の比を
制御する駆動制御部とを備えているので、２対の電歪素
子に印加する駆動電圧の比に応じた方向に被振動部材の
先端部を微小振動させることができ、さらに、２対の電
歪素子に印加する駆動電圧の比を制御することで被振動
部材の軸回り方向で自在に振動方向を制御することがで
きる。
かる微小振動付与装置は、被振動部材の基端部の外周面
に配設され、印加される駆動電圧に応じて被振動部材の
軸長方向に伸縮する２対の電歪素子と、対をなす電歪素
子と他方の対をなす電歪素子に印加する駆動電圧の比を
制御する駆動制御部とを備えているので、２対の電歪素
子に印加する駆動電圧の比に応じた方向に被振動部材の
先端部を微小振動させることができ、さらに、２対の電
歪素子に印加する駆動電圧の比を制御することで被振動
部材の軸回り方向で自在に振動方向を制御することがで
きる。
【００４７】また、本発明に係る微小振動付与方法によ
れば、被振動部材の円柱状に形成された基端部の円周面
に２対の電歪素子を配設し、対をなす電歪素子に互いに
逆極性の駆動電圧を交互に印加すると共に、一方の対を
なす電歪素子と他方の対をなす電歪素子に印加する駆動
電圧の比を制御することにより、被振動部材の先鋭化さ
れた先端部をその中心軸と直交する任意の方向に微小振
動させることができる。したがって、この微小振動付与
方法では、被振動部材の軸回り方向で自在に振動方向を
制御することができる。
れば、被振動部材の円柱状に形成された基端部の円周面
に２対の電歪素子を配設し、対をなす電歪素子に互いに
逆極性の駆動電圧を交互に印加すると共に、一方の対を
なす電歪素子と他方の対をなす電歪素子に印加する駆動
電圧の比を制御することにより、被振動部材の先鋭化さ
れた先端部をその中心軸と直交する任意の方向に微小振
動させることができる。したがって、この微小振動付与
方法では、被振動部材の軸回り方向で自在に振動方向を
制御することができる。
【００４８】また、本発明に係る表面状態検出装置で
は、２対の電歪素子に印加する駆動電圧の比を振動制御
部で制御することにより、プローブの振動方向を制御し
て試料の表面状態を検出することができる。
は、２対の電歪素子に印加する駆動電圧の比を振動制御
部で制御することにより、プローブの振動方向を制御し
て試料の表面状態を検出することができる。
【図１】本発明を適用した走査型プローブ顕微鏡の一例
を示す構成図である。
を示す構成図である。
【図２】プローブが振動する様子を説明するための側面
図である。
図である。
【図３】電歪素子部及び振動制御部の一例を示す図であ
る。
る。
【図４】電歪素子部及び振動制御部の他の一例を示す図
である。
である。
【図５】（ａ）は従来の走査型プローブ顕微鏡における
プローブの振動周波数特性を示す図であり、（ｂ）は本
発明を適用した走査型プローブ顕微鏡におけるプローブ
の振動周波数特性を示す図である。
プローブの振動周波数特性を示す図であり、（ｂ）は本
発明を適用した走査型プローブ顕微鏡におけるプローブ
の振動周波数特性を示す図である。
１ 走査型プローブ顕微鏡、２ 試料、３ プローブ、
４ 電歪素子部、５ 振動制御部、６ 検出部、７ 制
御部、８ 試料保持部、９ａ 第１の電極、９ｂ第２の
電極
４ 電歪素子部、５ 振動制御部、６ 検出部、７ 制
御部、８ 試料保持部、９ａ 第１の電極、９ｂ第２の
電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−82522（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−334520（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G01B 11/30 G01B 7/34 G01B 21/30 H01J 37/28 H02N 2/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (7)
- 【請求項１】 円柱状に形成された基端部を有する被振
動部材の先鋭化された先端部をその中心軸と直交する方
向に微小振動させる微小振動付与装置であって、上記被
振動部材の基端部の外周面に配設され、印加される駆動
電圧に応じて上記被振動部材の軸長方向に伸縮する２対
の電歪素子と、一方の対をなす電歪素子と他方の対をな
す電歪素子に印加する駆動電圧の比を制御する駆動制御
部とを備え、上記２対の電歪素子に印加する駆動電圧の
比に応じた方向に被振動部材の先端部を微小振動させる
ことを特徴とする微小振動付与装置。 - 【請求項２】 上記電歪素子は、筒状に形成され外周壁
に２対の電極が形成されていることを特徴とする請求項
１記載の微小振動付与装置。 - 【請求項３】 被振動部材の円柱状に形成された基端部
の円周面に２対の電歪素子を配設し、対をなす電歪素子
が互いに逆方向に駆動するように駆動電圧を印加すると
ともに、一方の対をなす電歪素子と他方の対をなす電歪
素子に印加する駆動電圧の比を制御することにより、被
振動部材の先鋭化された先端部をその中心軸と直交する
任意の方向に微小振動させることを特徴とする微小振動
付与方法。 - 【請求項４】 上記電歪素子を筒状に形成し外周壁に形
成された２対の電極対に駆動電圧を印加することを特徴
とする請求項３記載の微小振動付与方法。 - 【請求項５】 円柱状に形成された基端部と、試料に対
向して配設され先端が先鋭化された先端部を有するプロ
ーブと、 上記プローブの基端部の外周面に配設され、印加される
駆動電圧に応じて上記被振動部材の軸長方向に伸縮する
ことで、上記プローブの長さ方向と直交する方向に上記
プローブの先鋭部を振動させる２対の電歪素子と、 上記２対の電歪素子に印加する駆動電圧の比を制御する
ことにより、上記駆動電圧の比に応じた方向に上記プロ
ーブの先端部を微小振動させる振動制御部と、 上記プローブを介して上記試料の表面状態を検出する検
出部とを備えることを特徴とする表面状態検出装置。 - 【請求項６】 上記プローブを光ファイバとし、検出部
は、前記光ファイバを介して上記試料からの光を検出す
ることで上記試料の表面状態を検出することを特徴とす
る請求項５記載の表面状態検出装置。 - 【請求項７】 上記検出部は、上記試料との原子間力に
より変化する上記プローブの振動振幅を検出して上記試
料の表面状態を検出することを特徴とする請求項５記載
の表面状態検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20803397A JP3167287B2 (ja) | 1997-08-01 | 1997-08-01 | 微小振動付与装置、微小振動付与方法及び表面状態検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20803397A JP3167287B2 (ja) | 1997-08-01 | 1997-08-01 | 微小振動付与装置、微小振動付与方法及び表面状態検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1151943A JPH1151943A (ja) | 1999-02-26 |
| JP3167287B2 true JP3167287B2 (ja) | 2001-05-21 |
Family
ID=16549561
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20803397A Expired - Fee Related JP3167287B2 (ja) | 1997-08-01 | 1997-08-01 | 微小振動付与装置、微小振動付与方法及び表面状態検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3167287B2 (ja) |
-
1997
- 1997-08-01 JP JP20803397A patent/JP3167287B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1151943A (ja) | 1999-02-26 |
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