JP4276890B2 - 走査機構およびこれを用いた走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型顕微鏡等において走査対象物を一定のパターンで移動させるための走査機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査機構を用いた装置のひとつに走査型プローブ顕微鏡がある。走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、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り、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）、走査型電気容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）、走査型熱顕微鏡（ＳＴｈＭ）などを含む。最近では試料表面にダイヤモンド製の探針を押しつけて圧痕をつけ、その圧痕のつき具合を解析して試料の固さなどを調べるナノインデンテータ等もこのＳＰＭのひとつと位置づけられており、前述の各種の顕微鏡と共に広く普及している。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡で用いられる走査機構は、例えば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所望の試料領域の表面情報を機械的探針を介して得るものである。ＸＹ走査の間、Ｚ方向についても試料と探針との相互作用が一定になるようフィードバック制御してＺ方向の移動を担う走査機構を動かしている。このＺ方向の動きは規則的な動きをするＸＹ方向の動きとは異なり、試料の表面形状や表面状態を反映するため不規則な動きとなるが、一般にＺ方向の走査動作とされている。このＺ方向の走査はＸＹＺ方向の各走査の中で最も高い周波数での動きとなる。
【０００４】
走査型プローブ顕微鏡のＸ方向の走査周波数は０．０５から２００Ｈｚ程度であり、Ｙ方向の走査周波数は、Ｘ方向走査周波数のＹ方向走査ライン数分の１程度であって、Ｙ方向走査ライン数は１０から１０００ラインである。またＺ方向の走査周波数はＸ走査方向周波数に対し、Ｘ方向走査１ラインあたりの画素数倍からその１００倍程度である。
【０００５】
例えば、Ｘ方向１００画素、Ｙ方向１００画素の画像を１秒で取り込むとき、Ｘ方向の走査周波数は１００Ｈｚ、Ｙ方向の走査周波数は１Ｈｚ、Ｚ方向の走査周波数は１０ｋＨｚ以上となる。なお、この例の走査周波数は走査型プローブ顕微鏡としては今のところ最も高い走査周波数にあたり、通常はＸ方向走査周波数は数Ｈｚ程度に留まっている。この例のような高い走査周波数を実現するには、その走査機構は、外部からの振動に対し安定であるのはもちろん、内部の走査動作にともない自分自身で発生する振動が小さく抑えられていることが求められる。
【０００６】
特開２００１−３３０４０２５号公報は、振動の発生が小さく抑えられた走査機構を開示している。
【０００７】
図７は、特開２００１−３３０４０２５号公報に開示されている走査機構のひとつを示している。
【０００８】
図７に示されるように、この走査機構２００は、走査機構保持台２０１と、これに固定されたアクチュエータ台座２０２、２０３と、伸縮可能なアクチュエータ２０４、２０５、２０６とを有している。アクチュエータ２０４はアクチュエータ保持部２０７を介してアクチュエータ台座２０２に支持されている。アクチュエータ２０５はアクチュエータ保持部２０８を介してアクチュエータ台座２０３に支持されている。アクチュエータ２０６はアクチュエータ保持部２０９と２１０を介してアクチュエータ台座２０２と２０３に支持されている。アクチュエータ２０６の端部には、走査対象物すなわち試料を保持するための試料保持部２１１が取り付けられている。
【０００９】
アクチュエータ２０６に面するアクチュエータ２０４の端面に微小球２１２が取り付けられており、この微小球２１２はアクチュエータ２０６の一側面に当て付けられている。アクチュエータ２０６に面するアクチュエータ２０５の端面に微小球２１３が取り付けられており、この微小球２１３はアクチュエータ２０６の一側面に当て付けられている。
【００１０】
図８は、特開２００１−３３０４０２５号公報に開示されている別の走査機構を示している。
【００１１】
図８に示されるように、この走査機構は、ＸＹ走査のための平行ばねステージ構造のＸＹステージと、Ｚ走査のためのアクチュエータ６０６を有している。ＸＹステージは、固定テーブル６０１と、可動テーブル６０７と、可動テーブル６０７のＹ軸に沿った両側に設けられた一対の弾性部材６０８、６０９と、可動テーブル６０７のＸ軸に沿った両側に設けられた一対の弾性部材６１０、６１１と、可動テーブル６０７をＸ軸に沿って移動させるための一対のＸ方向用アクチュエータ６０２、６０３と、可動テーブル６０７をＹ軸に沿って移動させるための一対のＹ方向用アクチュエータ６０４、６０５とを有している。
【００１２】
弾性部材６０８、６０９は、Ｘ軸に沿って延びるスリットを持つＸ軸に沿って長い矩形ばねであり、それぞれ、Ｘ軸に沿っては比較的高い剛性を有し、反対に、Ｙ軸に沿っては比較的低い剛性を有している。弾性部材６１０、６１１は、Ｙ軸に沿って延びるスリットを持つＹ軸に沿って長い矩形ばねであり、それぞれ、Ｙ軸に沿っては比較的高い剛性を有し、反対に、Ｘ軸に沿っては比較的低い剛性を有している。
【００１３】
図９は、特開２００１−３３０４０２５号公報に開示されている別の走査機構を示している。
【００１４】
図９に示されるように、この走査機構１２００は、走査機構保持台１２０１と、これに固定されたアクチュエータ保持部１２０６と、このアクチュエータ保持部１２０６に取り付けられたＹ軸に沿って伸縮可能なＹ走査用アクチュエータ１２０２と、Ｙ走査用アクチュエータ１２０２の他端に取り付けられたブロック１２０８と、ブロック１２０８に固定されたアクチュエータ保持部１２０９と、このアクチュエータ保持部１２０９に取り付けられたＸ軸に沿って伸縮可能なＸ走査用アクチュエータ１２０３と、Ｘ走査用アクチュエータ１２０３の他端に取り付けられたアクチュエータ連結部１２１１と、アクチュエータ連結部１２１１に固定されたＺ軸に沿って伸縮可能な二本のアクチュエータ１２０４、１２０５とを有している。
【００１５】
アクチュエータ保持部１２０６はねじ１２０７によって走査機構保持台１２０１に固定され、アクチュエータ保持部１２０９はねじ１２１０によってブロック１２０８に固定されている。ブロック１２０８は、走査機構保持台１２０１と抑え板１２１２との間に位置し、微小球１２１６、１２２２、１２２４、１２２５、１２１５によって挟み込まれている。走査機構保持台１２０１と抑え板１２１２は、互いに平行に固定されるように、ねじ１２１３、１２１４によって間隔が調整されている。アクチュエータ連結部１２１１は、ブロック１２０８と抑え板１２１７との間に位置し、微小球１２１９、１２２０により上から、また微小球１２２１により下から支えられている。ブロック１２０８と抑え板１２１７は、互いに平行に固定されるように、ねじ１２１８、１２２７によって間隔が調整されている。
【００１６】
【特許文献１】
特開２００１−３３０４０２５号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
走査機構には、結局のところ、高い走査速度が望まれる。勿論、それは、高い線形性を有していること、すなわち、走査対象物を直線的に移動させることを前提としてである。
【００１８】
上述した走査機構は、それぞれ、以下の様な不具合を有している。
【００１９】
図７に示される走査機構は、ＸＹ走査の際、アクチュエータ２０６はアクチュエータ保持部２０９と２１０を中心に回転して移動するため、走査対象物は直線から外れて移動される。つまり、この走査機構は、線形性が高くはない。
【００２０】
図８に示される走査機構は、ＸＹ走査の際、可動テーブル６０７は、二つのアクチュエータ６０２と６０３によってＸ方向に、二つのアクチュエータ６０４と６０５によってＹ方向に移動される。これらのアクチュエータを構成する圧電素子は個体差が大きい。このため、走査対象物は直線から外れて移動され易い。つまり、この走査機構は、線形性が高くはない。
【００２１】
また、可動テーブル６０７は、Ｘ軸に沿って長い矩形ばね６０８と６０９とアクチュエータ６０２と６０３とを介して、また、Ｙ軸に沿って長い矩形ばね６１０と６１１とアクチュエータ６０４と６０５とを介して、固定テーブル６０１と接続されている。このように機械的結合長さが長いため、可動テーブル６０７は振動し易い。従って、対応し得る走査速度の上限が高くはない。
【００２２】
図９に示される走査機構では、Ｙ走査用アクチュエータ１２０２の中心軸が、Ｙ走査用アクチュエータ１２０２によって移動される部分の重心位置を外れている。このため、Ｙ走査用アクチュエータ１２０２が特に高速で動作された場合に、慣性力により大きな回転モーメントが発生し易い。また、Ｙ走査用アクチュエータ１２０２によって移動される部分が移動し得る方向がＹ方向に拘束されていない。このため、Ｙ走査用アクチュエータ１２０２が特に高速で動作された場合に、走査対象物は直線から外れて移動され易い。
【００２３】
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、対応し得る走査速度の上限が高い走査機構を提供することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、走査対象物を一定のパターンで移動させる走査機構に向けられており、以下の各項に列記する走査機構を含んでいる。
【００２５】
１．本発明の走査機構は、互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸とを有しており、固定台と、固定台に収容されたＸＹステージと、ＸＹステージと固定台の間にＸ軸に沿って延びているＸアクチュエーターと、ＸＹステージと固定台の間にＹ軸に沿って延びているＹアクチュエーターとを備えている。ＸＹステージは、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部と、可動部の周囲に位置する固定部と、可動部のＸ軸に沿った両側に位置し、可動部と固定部を接続している一対の第一の弾性支持部と、可動部のＹ軸に沿った両側に位置し、可動部と固定部を接続している一対の第二の弾性支持部と、可動部のＺ軸に沿った片側に位置し、可動部と固定部を接続している少なくとも一つの第三の弾性支持部とを有している。Ｘアクチュエーターは、第一の弾性支持部と固定台に接して延びており、Ｘ軸に沿って伸縮し得、Ｙアクチュエーターは、第二の弾性支持部と固定台に接して延びており、Ｙ軸に沿って伸縮し得る。
【００２６】
この走査機構においては、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部が、Ｘ軸に沿った両側に位置する第一の弾性支持部と、Ｙ軸に沿った両側に位置する第二の弾性支持部に加えて、Ｚ軸に沿った片側に位置する第三の弾性支持部によって支持されている。このため、この走査機構は、高い共振周波数を有する。
【００２７】
２．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、可動部と固定部と第一の弾性支持部と第二の弾性支持部と第三の弾性支持部は一体的に形成されている。
【００２８】
この走査機構においては、ＸＹステージが高い共振周波数を有する。
【００２９】
３．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、第一の弾性支持部は、ＺＸ面に広がる板状部分と、ＹＺ面に広がる板状部分とを有し、第二の弾性支持部は、ＹＺ面に広がる板状部分と、ＺＸ面に広がる板状部分とを有している。
【００３０】
この走査機構においては、第一の弾性支持部と第二の弾性支持部の好適な一態様を示している。
【００３１】
４．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、ＸＹステージは、複数の第三の弾性支持部を有しており、第三の弾性支持部は、それぞれ、棒状の形状を有しており、可動部の重心を通りＺ軸に平行な直線に対して対称性良く位置している。
【００３２】
この走査機構においては、第三の弾性支持部の好適な一態様を示している。
【００３３】
５．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、Ｘアクチュエーターの中心軸は可動部の重心を通り、Ｙアクチュエーターの中心軸は可動部の重心を通っている。
【００３４】
この走査機構においては、可動部に不所望な回転が発生しない。
【００３５】
６．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、ＸアクチュエーターとＹアクチュエーターは、それぞれ、積層型圧電素子で構成され、それらは、それぞれ、電圧印加に応じてＸ軸とＹ軸に沿って伸縮する。
【００３６】
この走査機構においては、ＸアクチュエーターとＹアクチュエーターの好適な一態様を示している。
【００３７】
７．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、固定台の材質は、ＸＹステージの材質よりも、高いヤング率を有している。
【００３８】
この走査機構においては、ＸアクチュエーターとＹアクチュエーターの伸びすなわち変位が可動部に効率良く伝えられる。
【００３９】
８．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、ＸＹステージの可動部に固定されたＺステージを更に備えており、Ｚステージは、Ｚ軸に沿って伸縮し得る少なくとも一つのＺアクチュエーターを有し、Ｚアクチュエーターの中心軸直線は可動部の重心を通っている。
【００４０】
この走査機構においては、走査対象物はＺ軸に沿っても移動され得る。
【００４１】
９．本発明の別の走査機構は、第８項の走査機構において、Ｚステージは、Ｚ軸に沿って伸縮し得る二つのＺアクチュエーターを有し、二つのＺアクチュエーターはそれぞれＸＹステージの可動部からＺ軸に沿って反対側に延びている。
【００４２】
この走査機構においては、二つのＺアクチュエーターを同じ量だけ逆向きに伸縮されることにより、不所望な振動の発生が抑えられる。
【００４３】
本発明は、また、第１項〜第９項のいずれかひとつの走査機構を用いた走査型プローブ顕微鏡も含んでいる。
【００４４】
この走査型プローブ顕微鏡においては、走査機構が高い共振周波数を有するので、高速走査に好適に対応し得る。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００４６】
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１と図２を参照しながら本実施形態について説明する。
【００４７】
図１は、本発明の第一実施形態の走査機構の上面図である。図２は、図１に示されたII−II線に沿った走査機構の断面図である。
【００４８】
図１と図２に示されるように、本実施形態の走査機構１００Ａは、互いに直交する三本の軸、すなわちＸ軸とＹ軸とＺ軸とを有しており、固定台１０１と、固定台１０１に収容されたＸＹステージ１０９と、ＸＹステージ１０９と固定台１０１の間にＸ軸に沿って延びているＸアクチュエーター１０２Ａと、ＸＹステージ１０９と固定台１０１の間にＹ軸に沿って延びているＹアクチュエーター１０２Ｂとを備えている。
【００４９】
ＸＹステージ１０９は、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部１０４と、可動部１０４の周囲に位置する固定部１０５と、可動部１０４のＸ軸に沿った両側に位置し、可動部１０４と固定部１０５を接続している一対の第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと、可動部１０４のＹ軸に沿った両側に位置し、可動部１０４と固定部１０５を接続している一対の第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄと、可動部１０４のＺ軸に沿った片側すなわち下側に位置し、可動部１０４と固定部１０５を接続している四つの第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄとを有している。
【００５０】
ＸＹステージ１０９の固定部１０５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固定台１０１に固定されている。
【００５１】
第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃは、Ｙ軸に沿っては比較的容易に弾性変形し得るが、Ｘ軸に沿っては変形し難い。第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄは、Ｘ軸に沿っては比較的容易に弾性変形し得るが、Ｙ軸に沿っては変形し難い。第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは、Ｘ軸に沿ってもＹ軸に沿っても比較的容易に弾性変形し得るが、Ｚ軸に沿っては変形し難い。
【００５２】
従って、可動部１０４は、第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃにより、Ｘ軸に沿った方向に関して高剛性に支持され、第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄにより、Ｙ軸に沿った方向に関して高剛性に支持され、第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄにより、Ｚ軸に沿った方向に関して高剛性に支持されている。
【００５３】
第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄは共にＴ字形状を有している。第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃは、それぞれ、ＺＸ面に広がる板状部分と、ＹＺ面に広がる板状部分とを有している。また、第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄは、それぞれ、ＹＺ面に広がる板状部分と、ＺＸ面に広がる板状部分とを有している。
【００５４】
より詳しくは、第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃは、ＺＸ面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分と、ＹＺ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可動部１０４と連続し、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連続している。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固定部１０５と連続している。これらの板状部分の厚さすなわちＺ軸に沿った寸法は共に、可動部１０４の厚さと同じである。
【００５５】
第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄは、向きが９０度異なる点を除けば、第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと全く同じ形態を有している。
【００５６】
さらに、Ｘアクチュエーター１０２Ａの側に位置する第一の弾性支持部１０６Ｃは、Ｘアクチュエーター１０２Ａによって押される押圧部１０８Ａを有し、また、Ｙアクチュエーター１０２Ｂの側に位置する第二の弾性支持部１０６Ｄは、Ｙアクチュエーター１０２Ｂによって押される押圧部１０８Ｂを有している。
【００５７】
第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは、それぞれ、可動部１０４の重心を通りＺ軸に平行な直線に対して対称性良く位置している。例えば、第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは、いずれも、棒状の形状を有し、Ｚ軸に平行に延びている。
【００５８】
第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは、可動部１０４の重心から等距離にあり、可動部１０４の重心を通りＺ軸に平行な直線に対して均等に配置されている。つまり、第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄの中心は、それぞれ、可動部１０４の重心を通りＺ軸に平行な直線上に中心がある円周上に９０度の角度間隔で位置している。
【００５９】
好ましくは、可動部１０４と固定部１０５と第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄと第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは一体的に形成されている。例えば、ＸＹステージ１０９は、一体の部品、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。
【００６０】
固定台１０１の材質は、好ましくは、ＸＹステージ１０９の材質よりも、高いヤング率を有している。例えば、固定台１０１はステンレス鋼製で、ＸＹステージ１０９はアルミニウム製である。
【００６１】
Ｘアクチュエーター１０２Ａは、第一の弾性支持部１０６Ｃの押圧部１０８Ａと固定台１０１の間に所定の予圧がかかるように配置されている。例えば、Ｘアクチュエーター１０２Ａは積層型圧電素子であり、電圧印加に応じてＸ軸に沿って伸縮する。また、Ｙアクチュエーター１０２Ｂは、第二の弾性支持部１０６Ｄの押圧部１０８Ｂと固定台１０１の間に所定の予圧がかかるように配置されている。例えば、Ｙアクチュエーター１０２Ｂは積層型圧電素子であり、電圧印加に応じてＹ軸に沿って伸縮する。
【００６２】
Ｘアクチュエーター１０２Ａの中心軸すなわちＸアクチュエーター１０２Ａの中心を通りＸ軸に平行な直線は可動部１０４の重心Ｇを通っている。同様に、Ｙアクチュエーター１０２Ｂの中心軸すなわちＹアクチュエーター１０２Ｂの中心を通りＹ軸に平行な直線は可動部１０４の重心Ｇを通っている。
【００６３】
走査機構１００Ａは更に、ＸＹステージ１０９の可動部１０４に固定された二つのＺアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂを有している。二つのＺアクチュエーター１０３Ａと１０３ＢはそれぞれＸＹステージ１０９の可動部１０４からＺ軸に沿って反対側に延びている。
【００６４】
Ｚアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂは、例えば、積層型圧電素子で構成され、電圧印加に応じてＺ軸に沿って伸縮する。Ｚアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂの中心軸すなわちＺアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂの中心を通りＺ軸に平行な直線は可動部１０４の重心を通っている。
【００６５】
これら二つのＺアクチュエーター１０３Ａと１０３ＢはＺステージを構成しており、上側のＺアクチュエーター１０３Ａの自由端に走査対象物が取り付けられる。走査対象物の質量が大きい場合、好ましくは、下側のＺアクチュエーター１０３Ｂの自由端に移動対象物と同等の質量を持つ部材が取り付けられるとよい。
【００６６】
走査機構１００Ａにおいて、Ｘ走査の際、Ｘアクチュエーター１０２ＡがＸ軸に沿って伸縮される。Ｘアクチュエーター１０２Ａの伸びは第一の弾性支持部１０６Ｃを介して可動部１０４を押し、これにより可動部１０４がＸ軸に沿って一方向に移動され、これに伴って第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６ＤはＸ軸に沿って弾性変形される。一方、Ｘアクチュエーター１０２Ａの縮みは弾性変形している第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄの復元の妨げを軽減し、これに伴って第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄが元の形状に近づくため、可動部１０４がＸ軸に沿って逆方向に移動される。
【００６７】
同様に、Ｙ走査の際、Ｙアクチュエーター１０２ＢがＹ軸に沿って伸縮される。Ｙアクチュエーター１０２Ｂの伸びは第二の弾性支持部１０６Ｄを介して可動部１０４を押し、これにより可動部１０４がＹ軸に沿って一方向に移動され、これに伴って第一の弾性支持部１０６Ａと１０６ＣはＹ軸に沿って弾性変形される。Ｙアクチュエーター１０２Ｂの縮みは弾性変形している第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃの復元の妨げを軽減し、これに伴って第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃが元の形状に近づくため、可動部１０４がＹ軸に沿って逆方向に移動される。
【００６８】
このような可動部１０４のＸ軸とＹ軸に沿った移動において、第一の弾性支持部１０６Ａと１０６ＣはＹ軸に対して対称的に配置され、第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６ＤはＸ軸に対して対称的に配置されているため、可動部１０４はＸＹ平面内で回転動作することなく移動する。また、第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは平行ばねとして作用するため、可動部１０４は、上面がＸＹ平面に対して傾斜することなく、すなわち上面とＸＹ平面の平行を保ったまま、水平に移動する。
【００６９】
さらに、Ｘアクチュエーター１０２ＡとＹアクチュエーター１０２Ｂの中心軸が可動部１０４の重心Ｇを通るため、可動部１０４が高速で移動された場合も、慣性力による回転モーメントが発生し難い。このため、可動部１０４は回転動作なく高精度に変位する。
【００７０】
Ｘアクチュエーター１０２ＡとＹアクチュエーター１０２Ｂの伸びは、第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄをそれぞれ変形させ、その結果、それらの変形の反作用は、Ｘアクチュエーター１０２ＡとＹアクチュエーター１０２Ｂがそれぞれ固定されている固定台１０１の部位にそれぞれ働く。固定台１０１の材質のヤング率がＸＹステージ１０９のそれよりも高い場合、固定台１０１に引き起こされる変形が小さいため、Ｘアクチュエーター１０２ＡとＹアクチュエーター１０２Ｂの伸びすなわち変位はそれぞれ押圧部１０８Ａと１０８Ｂに効率良く伝えられる。
【００７１】
また、Ｚ走査の際、Ｚアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂが、同じ量だけ逆向きに伸縮される。これにより、Ｚアクチュエーター１０３Ａの伸縮が可動部１０４に与えるＺ軸に沿った力が、Ｚアクチュエーター１０３Ｂの伸縮によって打ち消される。このため、可動部１０４は殆ど振動しない。
【００７２】
Ｚアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂの中心軸が可動部１０４の重心を通り、さらに、第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは可動部１０４の重心を通りＺ軸に平行な直線に対して対称的に配置されているため、Ｚアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂが高速で駆動された場合も、可動部１０４の上面は殆ど傾くことがない。これにより、高精度な動作が可能となる。
【００７３】
本実施形態の走査機構１００Ａでは、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部１０４が、Ｘ軸に沿った両側に位置する第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと、Ｙ軸に沿った両側に位置する第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄに加えて、Ｚ軸に沿った片側に位置する第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄによって支持されている。このため、走査機構１００Ａは高い共振周波数を有する。従って、走査機構１００Ａは、対応し得る走査速度の上限が高い。
【００７４】
例えば、本実施形態の走査機構１００Ａは、Ｘ軸とＹ軸に沿った方向に関して２５ｋＨｚ、Ｚ軸に沿った方向に関して４０ｋＨｚの共振周波数を有する。比較例として、走査機構１００Ａから第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄを省いた構造体を考える。このような構造体は、たかだか、Ｘ軸とＹ軸に沿った方向に関して１８ｋＨｚ、Ｚ軸に沿った方向に関して２０ｋＨｚの共振周波数を有するに留まる。
【００７５】
第二実施形態
本実施形態は、別の走査機構に向けられている。以下、図３と図４を参照しながら本実施形態について説明する。
【００７６】
図３は、本発明の第二実施形態の走査機構の上面図である。図４は、図３に示されたIV−IV線に沿った走査機構の断面図である。図３と図４において、図１や図２に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００７７】
図３と図４に示されるように、本実施形態の走査機構１００Ｂは、第一実施形態の走査機構１００Ａから、可動部１０４の下側のＺアクチュエーター１０３Ｂが省かれた構成を有している。つまり、本実施形態の走査機構１００Ｂは、ＸＹステージ１０９の可動部１０４に固定されたただ一つのＺアクチュエーター１０３Ａを有している。Ｚアクチュエーター１０３ＡはＸＹステージ１０９の可動部１０４からＺ軸に沿って上側に延びている。
【００７８】
本実施形態の走査機構１００Ｂは、第一実施形態の走査機構１００Ａと同様に、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部１０４が、Ｘ軸に沿った両側に位置する第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと、Ｙ軸に沿った両側に位置する第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄに加えて、Ｚ軸に沿った片側に位置する第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄによって支持されている。このため、走査機構１００Ｂは、高い共振周波数を有しており、対応し得る走査速度の上限が高い。
【００７９】
本実施形態の走査機構１００Ｂは、第一実施形態の走査機構１００Ａと比べてＺアクチュエーター１０３Ａの伸縮により可動部１０４に振動が引き起こされ易い。その反面、本実施形態の走査機構１００Ｂは、第一実施形態の走査機構１００Ａと比べて、可動部１０４の下側のＺアクチュエーター１０３Ｂを持たない分、組立が容易になると共に製造コストが安価になる。また、走査時に移動される部分の質量が小さい分、可動部の固有振動数が高く、高速での走査にも対応し得る。
【００８０】
第三実施形態
本実施形態は、別の走査機構に向けられている。以下、図５と図６を参照しながら本実施形態について説明する。
【００８１】
図５は、本発明の第三実施形態の走査機構の上面図である。図６は、図５に示されたVI−VI線に沿った走査機構の断面図である。図５と図６において、図１や図２に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００８２】
図５と図６に示されるように、本実施形態の走査機構１００Ｃは、第一実施形態の走査機構１００Ａに、ダンパーを付加した構成を有している。つまり、本実施形態の走査機構１００Ｃは、可動部１０４の上に置かれたダンピング部材１１０と、ダンピング部材１１０に接し、固定台１０１に固定されたカバー１１１とを更に備えている。カバー１１１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固定台１０１に固定されている。ダンピング部材１１０は、これに限定されないが、例えば、ゴムやゲル状物質から成る。
【００８３】
本実施形態の走査機構１００Ｃは、第一実施形態の走査機構１００Ａと同様に、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部１０４が、Ｘ軸に沿った両側に位置する第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと、Ｙ軸に沿った両側に位置する第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄに加えて、Ｚ軸に沿った片側に位置する第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄによって支持されている。このため、走査機構１００Ｂは、高い共振周波数を有しており、対応し得る走査速度の上限が高い。
【００８４】
可動部１０４は、このように高剛性に支持されているが、可動部１０４の固有振動数とほぼ等しい周波数の力を受けると、それが非常に小さな力であっても容易に振動してしまう。
【００８５】
本実施形態の走査機構１００Ｃでは、可動部１０４の振動はダンピング部材１１０によって速やかに減衰される。従って、本実施形態の走査機構１００Ｃにおいては、可動部１０４の固有振動数とほぼ等しい周波数の力が働いたときでも、可動部１０４は不所望な振動を殆ど起こさない。
【００８６】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、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。
【００８７】
上述したいずれの実施形態においては、ＸＹステージ１０９は、可動部と固定部を接続している四つの第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄを有しているが、その個数はこれに限定されない。
【００８８】
例えば、第二実施形態においては、ＸＹステージ１０９は、ただ一つの第三の弾性支持部を有していもよい。その場合、ただ一つの第三の弾性支持部の中心軸は、可動部の重心を通りＺ軸に平行な直線に一致しているとよい。
【００８９】
また、第一実施形態〜第三実施形態のいずれにおいては、ＸＹステージ１０９は、四つ以外の複数の第三の弾性支持部を有していもよい。その場合、複数の第三の弾性支持部は、可動部の重心を通りＺ軸に平行な直線の周りに等間隔で位置しているとよい。
【００９０】
つまり、ＸＹステージ１０９は、少なくとも一つの第三の弾性支持部を有していればよく、より好ましくは、それらは、可動部の重心を通りＺ軸に平行な直線に対して対称性良く位置しているとよい。
【００９１】
【発明の効果】
本発明によれば、対応し得る走査速度の上限が高い走査機構が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第一実施形態の走査機構の上面図である。
【図２】 図１に示されたII−II線に沿った走査機構の断面図である。
【図３】 本発明の第二実施形態の走査機構の上面図である。
【図４】 図３に示されたIV−IV線に沿った走査機構の断面図である。
【図５】 本発明の第三実施形態の走査機構の上面図である。
【図６】 図５に示されたVI−VI線に沿った走査機構の断面図である。
【図７】 特開２００１−３３０４０２５号公報に開示されている走査機構のひとつを示している。
【図８】 特開２００１−３３０４０２５号公報に開示されている別の走査機構を示している。
【図９】 特開２００１−３３０４０２５号公報に開示されている別の走査機構を示している。
【符号の説明】
１００Ａ…走査機構、１００Ｂ…走査機構、１００Ｃ…走査機構、１０１…固定台、１０２Ａ…Ｘアクチュエーター、１０２Ｂ…Ｙアクチュエーター、１０３Ａ…Ｚアクチュエーター、１０３Ｂ…Ｚアクチュエーター、１０４…可動部、１０５…固定部、１０６Ａ，１０６Ｃ…第一の弾性支持部、１０６Ｂ，１０６Ｄ…第二の弾性支持部、１０７Ａ，１０７Ｂ，１０７Ｃ，１０７Ｄ…第三の弾性支持部、１０９…ＸＹステージ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型顕微鏡等において走査対象物を一定のパターンで移動させるための走査機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査機構を用いた装置のひとつに走査型プローブ顕微鏡がある。走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、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り、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）、走査型電気容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）、走査型熱顕微鏡（ＳＴｈＭ）などを含む。最近では試料表面にダイヤモンド製の探針を押しつけて圧痕をつけ、その圧痕のつき具合を解析して試料の固さなどを調べるナノインデンテータ等もこのＳＰＭのひとつと位置づけられており、前述の各種の顕微鏡と共に広く普及している。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡で用いられる走査機構は、例えば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所望の試料領域の表面情報を機械的探針を介して得るものである。ＸＹ走査の間、Ｚ方向についても試料と探針との相互作用が一定になるようフィードバック制御してＺ方向の移動を担う走査機構を動かしている。このＺ方向の動きは規則的な動きをするＸＹ方向の動きとは異なり、試料の表面形状や表面状態を反映するため不規則な動きとなるが、一般にＺ方向の走査動作とされている。このＺ方向の走査はＸＹＺ方向の各走査の中で最も高い周波数での動きとなる。
【０００４】
走査型プローブ顕微鏡のＸ方向の走査周波数は０．０５から２００Ｈｚ程度であり、Ｙ方向の走査周波数は、Ｘ方向走査周波数のＹ方向走査ライン数分の１程度であって、Ｙ方向走査ライン数は１０から１０００ラインである。またＺ方向の走査周波数はＸ走査方向周波数に対し、Ｘ方向走査１ラインあたりの画素数倍からその１００倍程度である。
【０００５】
例えば、Ｘ方向１００画素、Ｙ方向１００画素の画像を１秒で取り込むとき、Ｘ方向の走査周波数は１００Ｈｚ、Ｙ方向の走査周波数は１Ｈｚ、Ｚ方向の走査周波数は１０ｋＨｚ以上となる。なお、この例の走査周波数は走査型プローブ顕微鏡としては今のところ最も高い走査周波数にあたり、通常はＸ方向走査周波数は数Ｈｚ程度に留まっている。この例のような高い走査周波数を実現するには、その走査機構は、外部からの振動に対し安定であるのはもちろん、内部の走査動作にともない自分自身で発生する振動が小さく抑えられていることが求められる。
【０００６】
特開２００１−３３０４０２５号公報は、振動の発生が小さく抑えられた走査機構を開示している。
【０００７】
図７は、特開２００１−３３０４０２５号公報に開示されている走査機構のひとつを示している。
【０００８】
図７に示されるように、この走査機構２００は、走査機構保持台２０１と、これに固定されたアクチュエータ台座２０２、２０３と、伸縮可能なアクチュエータ２０４、２０５、２０６とを有している。アクチュエータ２０４はアクチュエータ保持部２０７を介してアクチュエータ台座２０２に支持されている。アクチュエータ２０５はアクチュエータ保持部２０８を介してアクチュエータ台座２０３に支持されている。アクチュエータ２０６はアクチュエータ保持部２０９と２１０を介してアクチュエータ台座２０２と２０３に支持されている。アクチュエータ２０６の端部には、走査対象物すなわち試料を保持するための試料保持部２１１が取り付けられている。
【０００９】
アクチュエータ２０６に面するアクチュエータ２０４の端面に微小球２１２が取り付けられており、この微小球２１２はアクチュエータ２０６の一側面に当て付けられている。アクチュエータ２０６に面するアクチュエータ２０５の端面に微小球２１３が取り付けられており、この微小球２１３はアクチュエータ２０６の一側面に当て付けられている。
【００１０】
図８は、特開２００１−３３０４０２５号公報に開示されている別の走査機構を示している。
【００１１】
図８に示されるように、この走査機構は、ＸＹ走査のための平行ばねステージ構造のＸＹステージと、Ｚ走査のためのアクチュエータ６０６を有している。ＸＹステージは、固定テーブル６０１と、可動テーブル６０７と、可動テーブル６０７のＹ軸に沿った両側に設けられた一対の弾性部材６０８、６０９と、可動テーブル６０７のＸ軸に沿った両側に設けられた一対の弾性部材６１０、６１１と、可動テーブル６０７をＸ軸に沿って移動させるための一対のＸ方向用アクチュエータ６０２、６０３と、可動テーブル６０７をＹ軸に沿って移動させるための一対のＹ方向用アクチュエータ６０４、６０５とを有している。
【００１２】
弾性部材６０８、６０９は、Ｘ軸に沿って延びるスリットを持つＸ軸に沿って長い矩形ばねであり、それぞれ、Ｘ軸に沿っては比較的高い剛性を有し、反対に、Ｙ軸に沿っては比較的低い剛性を有している。弾性部材６１０、６１１は、Ｙ軸に沿って延びるスリットを持つＹ軸に沿って長い矩形ばねであり、それぞれ、Ｙ軸に沿っては比較的高い剛性を有し、反対に、Ｘ軸に沿っては比較的低い剛性を有している。
【００１３】
図９は、特開２００１−３３０４０２５号公報に開示されている別の走査機構を示している。
【００１４】
図９に示されるように、この走査機構１２００は、走査機構保持台１２０１と、これに固定されたアクチュエータ保持部１２０６と、このアクチュエータ保持部１２０６に取り付けられたＹ軸に沿って伸縮可能なＹ走査用アクチュエータ１２０２と、Ｙ走査用アクチュエータ１２０２の他端に取り付けられたブロック１２０８と、ブロック１２０８に固定されたアクチュエータ保持部１２０９と、このアクチュエータ保持部１２０９に取り付けられたＸ軸に沿って伸縮可能なＸ走査用アクチュエータ１２０３と、Ｘ走査用アクチュエータ１２０３の他端に取り付けられたアクチュエータ連結部１２１１と、アクチュエータ連結部１２１１に固定されたＺ軸に沿って伸縮可能な二本のアクチュエータ１２０４、１２０５とを有している。
【００１５】
アクチュエータ保持部１２０６はねじ１２０７によって走査機構保持台１２０１に固定され、アクチュエータ保持部１２０９はねじ１２１０によってブロック１２０８に固定されている。ブロック１２０８は、走査機構保持台１２０１と抑え板１２１２との間に位置し、微小球１２１６、１２２２、１２２４、１２２５、１２１５によって挟み込まれている。走査機構保持台１２０１と抑え板１２１２は、互いに平行に固定されるように、ねじ１２１３、１２１４によって間隔が調整されている。アクチュエータ連結部１２１１は、ブロック１２０８と抑え板１２１７との間に位置し、微小球１２１９、１２２０により上から、また微小球１２２１により下から支えられている。ブロック１２０８と抑え板１２１７は、互いに平行に固定されるように、ねじ１２１８、１２２７によって間隔が調整されている。
【００１６】
【特許文献１】
特開２００１−３３０４０２５号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
走査機構には、結局のところ、高い走査速度が望まれる。勿論、それは、高い線形性を有していること、すなわち、走査対象物を直線的に移動させることを前提としてである。
【００１８】
上述した走査機構は、それぞれ、以下の様な不具合を有している。
【００１９】
図７に示される走査機構は、ＸＹ走査の際、アクチュエータ２０６はアクチュエータ保持部２０９と２１０を中心に回転して移動するため、走査対象物は直線から外れて移動される。つまり、この走査機構は、線形性が高くはない。
【００２０】
図８に示される走査機構は、ＸＹ走査の際、可動テーブル６０７は、二つのアクチュエータ６０２と６０３によってＸ方向に、二つのアクチュエータ６０４と６０５によってＹ方向に移動される。これらのアクチュエータを構成する圧電素子は個体差が大きい。このため、走査対象物は直線から外れて移動され易い。つまり、この走査機構は、線形性が高くはない。
【００２１】
また、可動テーブル６０７は、Ｘ軸に沿って長い矩形ばね６０８と６０９とアクチュエータ６０２と６０３とを介して、また、Ｙ軸に沿って長い矩形ばね６１０と６１１とアクチュエータ６０４と６０５とを介して、固定テーブル６０１と接続されている。このように機械的結合長さが長いため、可動テーブル６０７は振動し易い。従って、対応し得る走査速度の上限が高くはない。
【００２２】
図９に示される走査機構では、Ｙ走査用アクチュエータ１２０２の中心軸が、Ｙ走査用アクチュエータ１２０２によって移動される部分の重心位置を外れている。このため、Ｙ走査用アクチュエータ１２０２が特に高速で動作された場合に、慣性力により大きな回転モーメントが発生し易い。また、Ｙ走査用アクチュエータ１２０２によって移動される部分が移動し得る方向がＹ方向に拘束されていない。このため、Ｙ走査用アクチュエータ１２０２が特に高速で動作された場合に、走査対象物は直線から外れて移動され易い。
【００２３】
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、対応し得る走査速度の上限が高い走査機構を提供することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、走査対象物を一定のパターンで移動させる走査機構に向けられており、以下の各項に列記する走査機構を含んでいる。
【００２５】
１．本発明の走査機構は、互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸とを有しており、固定台と、固定台に収容されたＸＹステージと、ＸＹステージと固定台の間にＸ軸に沿って延びているＸアクチュエーターと、ＸＹステージと固定台の間にＹ軸に沿って延びているＹアクチュエーターとを備えている。ＸＹステージは、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部と、可動部の周囲に位置する固定部と、可動部のＸ軸に沿った両側に位置し、可動部と固定部を接続している一対の第一の弾性支持部と、可動部のＹ軸に沿った両側に位置し、可動部と固定部を接続している一対の第二の弾性支持部と、可動部のＺ軸に沿った片側に位置し、可動部と固定部を接続している少なくとも一つの第三の弾性支持部とを有している。Ｘアクチュエーターは、第一の弾性支持部と固定台に接して延びており、Ｘ軸に沿って伸縮し得、Ｙアクチュエーターは、第二の弾性支持部と固定台に接して延びており、Ｙ軸に沿って伸縮し得る。
【００２６】
この走査機構においては、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部が、Ｘ軸に沿った両側に位置する第一の弾性支持部と、Ｙ軸に沿った両側に位置する第二の弾性支持部に加えて、Ｚ軸に沿った片側に位置する第三の弾性支持部によって支持されている。このため、この走査機構は、高い共振周波数を有する。
【００２７】
２．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、可動部と固定部と第一の弾性支持部と第二の弾性支持部と第三の弾性支持部は一体的に形成されている。
【００２８】
この走査機構においては、ＸＹステージが高い共振周波数を有する。
【００２９】
３．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、第一の弾性支持部は、ＺＸ面に広がる板状部分と、ＹＺ面に広がる板状部分とを有し、第二の弾性支持部は、ＹＺ面に広がる板状部分と、ＺＸ面に広がる板状部分とを有している。
【００３０】
この走査機構においては、第一の弾性支持部と第二の弾性支持部の好適な一態様を示している。
【００３１】
４．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、ＸＹステージは、複数の第三の弾性支持部を有しており、第三の弾性支持部は、それぞれ、棒状の形状を有しており、可動部の重心を通りＺ軸に平行な直線に対して対称性良く位置している。
【００３２】
この走査機構においては、第三の弾性支持部の好適な一態様を示している。
【００３３】
５．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、Ｘアクチュエーターの中心軸は可動部の重心を通り、Ｙアクチュエーターの中心軸は可動部の重心を通っている。
【００３４】
この走査機構においては、可動部に不所望な回転が発生しない。
【００３５】
６．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、ＸアクチュエーターとＹアクチュエーターは、それぞれ、積層型圧電素子で構成され、それらは、それぞれ、電圧印加に応じてＸ軸とＹ軸に沿って伸縮する。
【００３６】
この走査機構においては、ＸアクチュエーターとＹアクチュエーターの好適な一態様を示している。
【００３７】
７．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、固定台の材質は、ＸＹステージの材質よりも、高いヤング率を有している。
【００３８】
この走査機構においては、ＸアクチュエーターとＹアクチュエーターの伸びすなわち変位が可動部に効率良く伝えられる。
【００３９】
８．本発明の別の走査機構は、第１項の走査機構において、ＸＹステージの可動部に固定されたＺステージを更に備えており、Ｚステージは、Ｚ軸に沿って伸縮し得る少なくとも一つのＺアクチュエーターを有し、Ｚアクチュエーターの中心軸直線は可動部の重心を通っている。
【００４０】
この走査機構においては、走査対象物はＺ軸に沿っても移動され得る。
【００４１】
９．本発明の別の走査機構は、第８項の走査機構において、Ｚステージは、Ｚ軸に沿って伸縮し得る二つのＺアクチュエーターを有し、二つのＺアクチュエーターはそれぞれＸＹステージの可動部からＺ軸に沿って反対側に延びている。
【００４２】
この走査機構においては、二つのＺアクチュエーターを同じ量だけ逆向きに伸縮されることにより、不所望な振動の発生が抑えられる。
【００４３】
本発明は、また、第１項〜第９項のいずれかひとつの走査機構を用いた走査型プローブ顕微鏡も含んでいる。
【００４４】
この走査型プローブ顕微鏡においては、走査機構が高い共振周波数を有するので、高速走査に好適に対応し得る。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００４６】
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１と図２を参照しながら本実施形態について説明する。
【００４７】
図１は、本発明の第一実施形態の走査機構の上面図である。図２は、図１に示されたII−II線に沿った走査機構の断面図である。
【００４８】
図１と図２に示されるように、本実施形態の走査機構１００Ａは、互いに直交する三本の軸、すなわちＸ軸とＹ軸とＺ軸とを有しており、固定台１０１と、固定台１０１に収容されたＸＹステージ１０９と、ＸＹステージ１０９と固定台１０１の間にＸ軸に沿って延びているＸアクチュエーター１０２Ａと、ＸＹステージ１０９と固定台１０１の間にＹ軸に沿って延びているＹアクチュエーター１０２Ｂとを備えている。
【００４９】
ＸＹステージ１０９は、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部１０４と、可動部１０４の周囲に位置する固定部１０５と、可動部１０４のＸ軸に沿った両側に位置し、可動部１０４と固定部１０５を接続している一対の第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと、可動部１０４のＹ軸に沿った両側に位置し、可動部１０４と固定部１０５を接続している一対の第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄと、可動部１０４のＺ軸に沿った片側すなわち下側に位置し、可動部１０４と固定部１０５を接続している四つの第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄとを有している。
【００５０】
ＸＹステージ１０９の固定部１０５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固定台１０１に固定されている。
【００５１】
第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃは、Ｙ軸に沿っては比較的容易に弾性変形し得るが、Ｘ軸に沿っては変形し難い。第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄは、Ｘ軸に沿っては比較的容易に弾性変形し得るが、Ｙ軸に沿っては変形し難い。第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは、Ｘ軸に沿ってもＹ軸に沿っても比較的容易に弾性変形し得るが、Ｚ軸に沿っては変形し難い。
【００５２】
従って、可動部１０４は、第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃにより、Ｘ軸に沿った方向に関して高剛性に支持され、第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄにより、Ｙ軸に沿った方向に関して高剛性に支持され、第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄにより、Ｚ軸に沿った方向に関して高剛性に支持されている。
【００５３】
第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄは共にＴ字形状を有している。第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃは、それぞれ、ＺＸ面に広がる板状部分と、ＹＺ面に広がる板状部分とを有している。また、第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄは、それぞれ、ＹＺ面に広がる板状部分と、ＺＸ面に広がる板状部分とを有している。
【００５４】
より詳しくは、第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃは、ＺＸ面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分と、ＹＺ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可動部１０４と連続し、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連続している。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固定部１０５と連続している。これらの板状部分の厚さすなわちＺ軸に沿った寸法は共に、可動部１０４の厚さと同じである。
【００５５】
第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄは、向きが９０度異なる点を除けば、第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと全く同じ形態を有している。
【００５６】
さらに、Ｘアクチュエーター１０２Ａの側に位置する第一の弾性支持部１０６Ｃは、Ｘアクチュエーター１０２Ａによって押される押圧部１０８Ａを有し、また、Ｙアクチュエーター１０２Ｂの側に位置する第二の弾性支持部１０６Ｄは、Ｙアクチュエーター１０２Ｂによって押される押圧部１０８Ｂを有している。
【００５７】
第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは、それぞれ、可動部１０４の重心を通りＺ軸に平行な直線に対して対称性良く位置している。例えば、第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは、いずれも、棒状の形状を有し、Ｚ軸に平行に延びている。
【００５８】
第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは、可動部１０４の重心から等距離にあり、可動部１０４の重心を通りＺ軸に平行な直線に対して均等に配置されている。つまり、第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄの中心は、それぞれ、可動部１０４の重心を通りＺ軸に平行な直線上に中心がある円周上に９０度の角度間隔で位置している。
【００５９】
好ましくは、可動部１０４と固定部１０５と第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄと第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは一体的に形成されている。例えば、ＸＹステージ１０９は、一体の部品、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。
【００６０】
固定台１０１の材質は、好ましくは、ＸＹステージ１０９の材質よりも、高いヤング率を有している。例えば、固定台１０１はステンレス鋼製で、ＸＹステージ１０９はアルミニウム製である。
【００６１】
Ｘアクチュエーター１０２Ａは、第一の弾性支持部１０６Ｃの押圧部１０８Ａと固定台１０１の間に所定の予圧がかかるように配置されている。例えば、Ｘアクチュエーター１０２Ａは積層型圧電素子であり、電圧印加に応じてＸ軸に沿って伸縮する。また、Ｙアクチュエーター１０２Ｂは、第二の弾性支持部１０６Ｄの押圧部１０８Ｂと固定台１０１の間に所定の予圧がかかるように配置されている。例えば、Ｙアクチュエーター１０２Ｂは積層型圧電素子であり、電圧印加に応じてＹ軸に沿って伸縮する。
【００６２】
Ｘアクチュエーター１０２Ａの中心軸すなわちＸアクチュエーター１０２Ａの中心を通りＸ軸に平行な直線は可動部１０４の重心Ｇを通っている。同様に、Ｙアクチュエーター１０２Ｂの中心軸すなわちＹアクチュエーター１０２Ｂの中心を通りＹ軸に平行な直線は可動部１０４の重心Ｇを通っている。
【００６３】
走査機構１００Ａは更に、ＸＹステージ１０９の可動部１０４に固定された二つのＺアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂを有している。二つのＺアクチュエーター１０３Ａと１０３ＢはそれぞれＸＹステージ１０９の可動部１０４からＺ軸に沿って反対側に延びている。
【００６４】
Ｚアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂは、例えば、積層型圧電素子で構成され、電圧印加に応じてＺ軸に沿って伸縮する。Ｚアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂの中心軸すなわちＺアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂの中心を通りＺ軸に平行な直線は可動部１０４の重心を通っている。
【００６５】
これら二つのＺアクチュエーター１０３Ａと１０３ＢはＺステージを構成しており、上側のＺアクチュエーター１０３Ａの自由端に走査対象物が取り付けられる。走査対象物の質量が大きい場合、好ましくは、下側のＺアクチュエーター１０３Ｂの自由端に移動対象物と同等の質量を持つ部材が取り付けられるとよい。
【００６６】
走査機構１００Ａにおいて、Ｘ走査の際、Ｘアクチュエーター１０２ＡがＸ軸に沿って伸縮される。Ｘアクチュエーター１０２Ａの伸びは第一の弾性支持部１０６Ｃを介して可動部１０４を押し、これにより可動部１０４がＸ軸に沿って一方向に移動され、これに伴って第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６ＤはＸ軸に沿って弾性変形される。一方、Ｘアクチュエーター１０２Ａの縮みは弾性変形している第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄの復元の妨げを軽減し、これに伴って第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄが元の形状に近づくため、可動部１０４がＸ軸に沿って逆方向に移動される。
【００６７】
同様に、Ｙ走査の際、Ｙアクチュエーター１０２ＢがＹ軸に沿って伸縮される。Ｙアクチュエーター１０２Ｂの伸びは第二の弾性支持部１０６Ｄを介して可動部１０４を押し、これにより可動部１０４がＹ軸に沿って一方向に移動され、これに伴って第一の弾性支持部１０６Ａと１０６ＣはＹ軸に沿って弾性変形される。Ｙアクチュエーター１０２Ｂの縮みは弾性変形している第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃの復元の妨げを軽減し、これに伴って第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃが元の形状に近づくため、可動部１０４がＹ軸に沿って逆方向に移動される。
【００６８】
このような可動部１０４のＸ軸とＹ軸に沿った移動において、第一の弾性支持部１０６Ａと１０６ＣはＹ軸に対して対称的に配置され、第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６ＤはＸ軸に対して対称的に配置されているため、可動部１０４はＸＹ平面内で回転動作することなく移動する。また、第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは平行ばねとして作用するため、可動部１０４は、上面がＸＹ平面に対して傾斜することなく、すなわち上面とＸＹ平面の平行を保ったまま、水平に移動する。
【００６９】
さらに、Ｘアクチュエーター１０２ＡとＹアクチュエーター１０２Ｂの中心軸が可動部１０４の重心Ｇを通るため、可動部１０４が高速で移動された場合も、慣性力による回転モーメントが発生し難い。このため、可動部１０４は回転動作なく高精度に変位する。
【００７０】
Ｘアクチュエーター１０２ＡとＹアクチュエーター１０２Ｂの伸びは、第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄをそれぞれ変形させ、その結果、それらの変形の反作用は、Ｘアクチュエーター１０２ＡとＹアクチュエーター１０２Ｂがそれぞれ固定されている固定台１０１の部位にそれぞれ働く。固定台１０１の材質のヤング率がＸＹステージ１０９のそれよりも高い場合、固定台１０１に引き起こされる変形が小さいため、Ｘアクチュエーター１０２ＡとＹアクチュエーター１０２Ｂの伸びすなわち変位はそれぞれ押圧部１０８Ａと１０８Ｂに効率良く伝えられる。
【００７１】
また、Ｚ走査の際、Ｚアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂが、同じ量だけ逆向きに伸縮される。これにより、Ｚアクチュエーター１０３Ａの伸縮が可動部１０４に与えるＺ軸に沿った力が、Ｚアクチュエーター１０３Ｂの伸縮によって打ち消される。このため、可動部１０４は殆ど振動しない。
【００７２】
Ｚアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂの中心軸が可動部１０４の重心を通り、さらに、第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄは可動部１０４の重心を通りＺ軸に平行な直線に対して対称的に配置されているため、Ｚアクチュエーター１０３Ａと１０３Ｂが高速で駆動された場合も、可動部１０４の上面は殆ど傾くことがない。これにより、高精度な動作が可能となる。
【００７３】
本実施形態の走査機構１００Ａでは、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部１０４が、Ｘ軸に沿った両側に位置する第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと、Ｙ軸に沿った両側に位置する第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄに加えて、Ｚ軸に沿った片側に位置する第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄによって支持されている。このため、走査機構１００Ａは高い共振周波数を有する。従って、走査機構１００Ａは、対応し得る走査速度の上限が高い。
【００７４】
例えば、本実施形態の走査機構１００Ａは、Ｘ軸とＹ軸に沿った方向に関して２５ｋＨｚ、Ｚ軸に沿った方向に関して４０ｋＨｚの共振周波数を有する。比較例として、走査機構１００Ａから第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄを省いた構造体を考える。このような構造体は、たかだか、Ｘ軸とＹ軸に沿った方向に関して１８ｋＨｚ、Ｚ軸に沿った方向に関して２０ｋＨｚの共振周波数を有するに留まる。
【００７５】
第二実施形態
本実施形態は、別の走査機構に向けられている。以下、図３と図４を参照しながら本実施形態について説明する。
【００７６】
図３は、本発明の第二実施形態の走査機構の上面図である。図４は、図３に示されたIV−IV線に沿った走査機構の断面図である。図３と図４において、図１や図２に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００７７】
図３と図４に示されるように、本実施形態の走査機構１００Ｂは、第一実施形態の走査機構１００Ａから、可動部１０４の下側のＺアクチュエーター１０３Ｂが省かれた構成を有している。つまり、本実施形態の走査機構１００Ｂは、ＸＹステージ１０９の可動部１０４に固定されたただ一つのＺアクチュエーター１０３Ａを有している。Ｚアクチュエーター１０３ＡはＸＹステージ１０９の可動部１０４からＺ軸に沿って上側に延びている。
【００７８】
本実施形態の走査機構１００Ｂは、第一実施形態の走査機構１００Ａと同様に、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部１０４が、Ｘ軸に沿った両側に位置する第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと、Ｙ軸に沿った両側に位置する第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄに加えて、Ｚ軸に沿った片側に位置する第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄによって支持されている。このため、走査機構１００Ｂは、高い共振周波数を有しており、対応し得る走査速度の上限が高い。
【００７９】
本実施形態の走査機構１００Ｂは、第一実施形態の走査機構１００Ａと比べてＺアクチュエーター１０３Ａの伸縮により可動部１０４に振動が引き起こされ易い。その反面、本実施形態の走査機構１００Ｂは、第一実施形態の走査機構１００Ａと比べて、可動部１０４の下側のＺアクチュエーター１０３Ｂを持たない分、組立が容易になると共に製造コストが安価になる。また、走査時に移動される部分の質量が小さい分、可動部の固有振動数が高く、高速での走査にも対応し得る。
【００８０】
第三実施形態
本実施形態は、別の走査機構に向けられている。以下、図５と図６を参照しながら本実施形態について説明する。
【００８１】
図５は、本発明の第三実施形態の走査機構の上面図である。図６は、図５に示されたVI−VI線に沿った走査機構の断面図である。図５と図６において、図１や図２に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００８２】
図５と図６に示されるように、本実施形態の走査機構１００Ｃは、第一実施形態の走査機構１００Ａに、ダンパーを付加した構成を有している。つまり、本実施形態の走査機構１００Ｃは、可動部１０４の上に置かれたダンピング部材１１０と、ダンピング部材１１０に接し、固定台１０１に固定されたカバー１１１とを更に備えている。カバー１１１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固定台１０１に固定されている。ダンピング部材１１０は、これに限定されないが、例えば、ゴムやゲル状物質から成る。
【００８３】
本実施形態の走査機構１００Ｃは、第一実施形態の走査機構１００Ａと同様に、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部１０４が、Ｘ軸に沿った両側に位置する第一の弾性支持部１０６Ａと１０６Ｃと、Ｙ軸に沿った両側に位置する第二の弾性支持部１０６Ｂと１０６Ｄに加えて、Ｚ軸に沿った片側に位置する第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄによって支持されている。このため、走査機構１００Ｂは、高い共振周波数を有しており、対応し得る走査速度の上限が高い。
【００８４】
可動部１０４は、このように高剛性に支持されているが、可動部１０４の固有振動数とほぼ等しい周波数の力を受けると、それが非常に小さな力であっても容易に振動してしまう。
【００８５】
本実施形態の走査機構１００Ｃでは、可動部１０４の振動はダンピング部材１１０によって速やかに減衰される。従って、本実施形態の走査機構１００Ｃにおいては、可動部１０４の固有振動数とほぼ等しい周波数の力が働いたときでも、可動部１０４は不所望な振動を殆ど起こさない。
【００８６】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、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。
【００８７】
上述したいずれの実施形態においては、ＸＹステージ１０９は、可動部と固定部を接続している四つの第三の弾性支持部１０７Ａと１０７Ｂと１０７Ｃと１０７Ｄを有しているが、その個数はこれに限定されない。
【００８８】
例えば、第二実施形態においては、ＸＹステージ１０９は、ただ一つの第三の弾性支持部を有していもよい。その場合、ただ一つの第三の弾性支持部の中心軸は、可動部の重心を通りＺ軸に平行な直線に一致しているとよい。
【００８９】
また、第一実施形態〜第三実施形態のいずれにおいては、ＸＹステージ１０９は、四つ以外の複数の第三の弾性支持部を有していもよい。その場合、複数の第三の弾性支持部は、可動部の重心を通りＺ軸に平行な直線の周りに等間隔で位置しているとよい。
【００９０】
つまり、ＸＹステージ１０９は、少なくとも一つの第三の弾性支持部を有していればよく、より好ましくは、それらは、可動部の重心を通りＺ軸に平行な直線に対して対称性良く位置しているとよい。
【００９１】
【発明の効果】
本発明によれば、対応し得る走査速度の上限が高い走査機構が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第一実施形態の走査機構の上面図である。
【図２】 図１に示されたII−II線に沿った走査機構の断面図である。
【図３】 本発明の第二実施形態の走査機構の上面図である。
【図４】 図３に示されたIV−IV線に沿った走査機構の断面図である。
【図５】 本発明の第三実施形態の走査機構の上面図である。
【図６】 図５に示されたVI−VI線に沿った走査機構の断面図である。
【図７】 特開２００１−３３０４０２５号公報に開示されている走査機構のひとつを示している。
【図８】 特開２００１−３３０４０２５号公報に開示されている別の走査機構を示している。
【図９】 特開２００１−３３０４０２５号公報に開示されている別の走査機構を示している。
【符号の説明】
１００Ａ…走査機構、１００Ｂ…走査機構、１００Ｃ…走査機構、１０１…固定台、１０２Ａ…Ｘアクチュエーター、１０２Ｂ…Ｙアクチュエーター、１０３Ａ…Ｚアクチュエーター、１０３Ｂ…Ｚアクチュエーター、１０４…可動部、１０５…固定部、１０６Ａ，１０６Ｃ…第一の弾性支持部、１０６Ｂ，１０６Ｄ…第二の弾性支持部、１０７Ａ，１０７Ｂ，１０７Ｃ，１０７Ｄ…第三の弾性支持部、１０９…ＸＹステージ。
Claims (10)
- 走査対象物を一定のパターンで移動させる走査機構であり、
互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸とを有しており、
固定台と、
固定台に収容されたＸＹステージと、
ＸＹステージと固定台の間にＸ軸に沿って延びているＸアクチュエーターと、ＸＹステージと固定台の間にＹ軸に沿って延びているＹアクチュエーターとを備えており、
ＸＹステージは、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部と、可動部の周囲に位置する固定部と、可動部のＸ軸に沿った両側に位置し、可動部と固定部を接続している一対の第一の弾性支持部と、可動部のＹ軸に沿った両側に位置し、可動部と固定部を接続している一対の第二の弾性支持部と、可動部のＺ軸に沿った片側に位置し、可動部と固定部を接続している少なくとも一つの第三の弾性支持部とを有しており、
Ｘアクチュエーターは、第一の弾性支持部と固定台に接して延びており、Ｘ軸に沿って伸縮し得、Ｙアクチュエーターは、第二の弾性支持部と固定台に接して延びており、Ｙ軸に沿って伸縮し得る、走査機構。 - 請求項１において、可動部と固定部と第一の弾性支持部と第二の弾性支持部と第三の弾性支持部は一体的に形成されている、走査機構。
- 請求項１において、第一の弾性支持部は、ＺＸ面に広がる板状部分と、ＹＺ面に広がる板状部分とを有し、第二の弾性支持部は、ＹＺ面に広がる板状部分と、ＺＸ面に広がる板状部分とを有している、走査機構。
- 請求項１において、ＸＹステージは、複数の第三の弾性支持部を有しており、第三の弾性支持部は、それぞれ、棒状の形状を有しており、可動部の重心を通りＺ軸に平行な直線に対して対称的に位置している、走査機構。
- 請求項１において、Ｘアクチュエーターの中心軸は可動部の重心を通り、Ｙアクチュエーターの中心軸は可動部の重心を通っている、走査機構。
- 請求項１において、ＸアクチュエーターとＹアクチュエーターは、それぞれ、積層型圧電素子で構成され、それらは、それぞれ、電圧印加に応じてＸ軸とＹ軸に沿って伸縮する、走査機構。
- 請求項１において、固定台の材質は、ＸＹステージの材質よりも、高いヤング率を有している、走査機構。
- 請求項１において、ＸＹステージの可動部に固定されたＺステージを更に備えており、Ｚステージは、Ｚ軸に沿って伸縮し得る少なくとも一つのＺアクチュエーターを有し、Ｚアクチュエーターの中心軸は可動部の重心を通っている、走査機構。
- 請求項８において、Ｚステージは、Ｚ軸に沿って伸縮し得る二つのＺアクチュエーターを有し、二つのＺアクチュエーターはそれぞれＸＹステージの可動部からＺ軸に沿って反対側に延びている、走査機構。
- 請求項１〜請求項９のいずれかひとつに記載の走査機構を用いた走査型プローブ顕微鏡。
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