JPH08122342A - 走査型プローブ顕微鏡の調整機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】走査型プローブ顕微鏡の小型化と軽量化を実現
する、探針と試料の相互間の調整機構を提供する。 【構成】光学顕微鏡の対物レンズ１０４が試料１０２の
上方に設置されている。対物レンズ１０４にはスキャナ
ーユニット１１０が取り付けられている。スキャナーユ
ニット１１０は磁性体材料で作られた弾性リング１１２
を有している。弾性リング１１２は一箇所に切れ目を有
し、その内側面には三つのボール１１４が等間隔で設け
られている。切れ目の一方の端１１２ａには、他方の端
１１２ｂを引き付けるための電磁石１１６が取り付けら
れている。弾性リング１１２にはＬ字形のアーム１１８
が取り付けられていて、その下端には円筒型圧電素子１
２０が横向きに取り付けられている。円筒型圧電素子１
２０の先端にはプローブ保持部材１２８を介してプロー
ブ１３０が取り付けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型プローブ顕微鏡
の調整機構に関する。詳しくは、探針と試料の間の相対
位置を調整する機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡のアプローチ機構
に関する技術としては、一例として特開平６２−１３０
３０２に開示されているものが知られている。その構成
を図７に示す。この装置では、調整ネジ１４を手動で回
転させることで、クッション１７を介してベース１に固
定された部材１６が図の左右方向に移動される。これに
より、ｘｙｚ駆動装置３に固定された試料４は、カンチ
レバー７に設けられた探針５に対して、近づけられたり
遠ざけられたりする。

【０００３】また、圧電体を用いた微動機構に関する技
術としては、たとえば特開平３−１６６０８１に開示さ
れているものがある。その構成を図８に示す。移動体３
１と慣性体３３は圧電素子３２によって連結されてい
る。移動体３１に調整対象物３４が取り付けられてい
る。

【０００４】圧電素子３２が縮んでいる状態（ａ）か
ら、圧電素子３２を急激に延ばすと、移動体３１と慣性
体３３が互いに離れる方向に移動する（ｂ）。続いて、
圧電素子３２をゆっくりと縮め（ｃ）、元の長さに戻っ
た時点で急に止めると（ｄ）と、慣性体３３が右に移動
する（ｅ）。（ａ）の状態と（ｅ）の状態を比べると分
かるように、結果的に対象物３４が僅かに右に移動した
ことになる。この一連の動作を繰り返すことで、対象物
３４を希望の距離だけ右に移動させることができる。ま
た、伸び動作と縮み動作を逆にすることで、対象物３４
を左に移動させることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述のアプローチ機構
（図７）には次のような不都合な点がある。探針５に対
する試料４の接近と退避を手動ネジ１４で行なっている
ため、調整に時間がかかる。また、微調整が難しいた
め、探針５を試料４に衝突させてしまい、探針５または
試料４を破損させてしまうことがある。さらに、調整機
構を設けるために要する空間が大きく、装置の小型化を
阻害している。

【０００６】図７の構成において、モーターを用いて調
整ネジを回転させて、探針に対する試料の接近と退避を
行なっている例もあるが、この場合には更に大きな空間
を要する。

【０００７】また、前述の微動機構（図８）では、一個
の圧電素子で一方向の直進運動を行なうので、多方向の
位置制御を行なう場合には、それに見合った数を圧電素
子を必要とするため、装置が大型化してしまう。本発明
の目的は、走査型プローブ顕微鏡の小型化と軽量化を実
現する、探針と試料の相互間の位置関係を調整する機構
を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、走査型プロー
ブ顕微鏡において対象物の位置や向きを変えるための調
整機構であり、調整の際に不変の位置に保たれる固定部
材と、固定部材に対して移動可能に保持された移動体
と、移動体に一端が固定された円筒型圧電素子で、その
自由端側に対象物が取り付けられる円筒型圧電素子と、
円筒型圧電素子に急激な変形を生じさせる駆動手段とを
備えている。

【０００９】

【作用】円筒型圧電素子を急激に変形させると、移動体
はその反作用として力を受け、固定部材に対して位置や
向きを変える。円筒型圧電素子に適当な種類の急激な変
形を繰り返し生じさせることによって、対象物を所望の
位置や向きにすることができる。

【００１０】

【実施例】本発明の第一実施例について図１ないし図３
を参照しつつ説明する。図１に示すように、試料１０２
を光学的に観察する光学顕微鏡の対物レンズ１０４が試
料１０２の上方に設置されている。この対物レンズ１０
４にスキャナーユニット１１０が取り付けられている。
スキャナーユニット１１０は磁性体材料で作られた弾性
リング１１２を有している。弾性リング１１２は、一箇
所に切れ目を有し、内側面に周方向に均等に三つのボー
ル１１４が設けられている。切れ目の一方の端１１２ａ
には、他方の端１１２ｂを引き付けるための電磁石１１
６が取り付けられている。弾性リング１１２には、そこ
から横に延びてから下方に折れ曲がったＬ字形のアーム
１１８が取り付けられていて、その下端には円筒型圧電
素子（スキャナー）１２０が横向きに取り付けられてい
る。円筒型圧電素子１２０の先端にはプローブ保持部材
１２８を介してプローブ１３０が取り付けられている。
プローブ１３０はピエゾ抵抗層等の変位センサーを備え
たもので、この分野では良く知られたものである。

【００１１】スキャナーユニット１１０は、弾性リング
１１２を対物レンズ１０４に嵌めることで取り付けられ
る。対物レンズ１０４に弾性リング１１２を嵌めたと
き、弾性リング１１２はわずかに広がった状態となり、
対物レンズ１０４の周面１０４ａに接する三つのボール
１１４の接点１１４ａは弾性リング１１２の弾性力によ
り対物レンズ１０４を押し付ける。このときの力をＦ１
１２とする。この結果、スキャナーユニット１１０に働
く重力ｍｇと釣り合う摩擦力Ｆ１１２ｚがボール１１４
の接点１１４ａに働く。この状態では、スキャナーユニ
ット１１０は、後述するように円筒型圧電素子１２０を
急激に変位させたとき、その反動で移動し得る程度に保
持されている。言い換えれば、単に弾性リング１１２を
対物レンズ１０４に嵌めた状態で、スキャナーユニット
１１０が円筒型圧電素子１２０の急激な変形の反動で移
動し得る程度に保持されるように、弾性リング１１２の
寸法やボール１１４の摩擦係数等が設計されている。

【００１２】測定時等のようにスキャナーユニット１１
０が動くことが好ましくないときには電磁石１１６が駆
動される。これにより、弾性リング１１２の切れ目の端
１１２ｂが電磁石１１６に引き付けられ、対物レンズ１
０４を押し付ける力が増し、円筒型圧電素子１２０の急
激な変形に対しても動かなくなる。

【００１３】次に本発明の主要部であるプローブ１３０
の調整動作について説明する。以下では、まずプローブ
１３０を試料１０２に近づける動作について説明し、続
いてプローブ１３０を試料１０２から遠ざける動作、最
後にプローブ１３０の向きを変える動作について説明す
る。なお、プローブ１３０の調整動作は電磁石１１６に
電流を流さない状態で行なわれる。

【００１４】まず、プローブ１３０を試料１０２に近づ
ける際には、円筒型圧電素子１２０に急激に電圧を印加
し、プローブ支持部材１２８を急激に矢印Ｄ１２８ｚの
方向に変位させる。このとき、プローブ保持部材１２８
には、その急激な変位を妨げようとする衝撃的な力Ｆ１
２８ｚが働く。この力Ｆ１２８ｚと同じ力が弾性リング
１１２にも働く。（１）式に示すように、プローブ保持
部材１２８に働く力Ｆ１２８ｚとスキャナーユニット１
１０の自重による重力ｍｇとの合力が上向きの摩擦力Ｆ
１１２ｚよりも大きくなったとき、弾性リング１１２は
下方向にわずかに滑り変位する。

【００１５】 Ｆ１１２ｚ＜ｍｇ＋Ｆ１２８ｚ （１） したがって、スキャナーユニット１１０は試料１０２に
わずかに近づく。つぎに、円筒型圧電素子１２０に印加
した電圧をゆっくりと減らし、プローブ保持部材１２８
をゆっくり元の位置に戻す。このときには、プローブ保
持部材１２８にほとんど力は働かないので、スキャナー
ユニット１１０は変位しない。

【００１６】以上のように、円筒型圧電素子１２０の急
激な変形動作と、ゆっくりした戻し動作を繰り返すこと
により、スキャナーユニット１１０を微小ピッチで試料
１０２に近づけることができる。

【００１７】また、上述した動作において、円筒型圧電
素子１２０に上下方向に関して全く逆の動きをさせるこ
とにより、スキャナーユニット１１０を試料１０２から
遠ざけることができる。この場合には、重力ｍｇと摩擦
力に打ち勝つ上向きの力をスキャナーユニット１１０に
与える必要があるため、前述の場合よりも更に急激に円
筒型圧電素子１２０を変形させる必要がある。このよう
に、円筒型圧電素子１２０をｚ方向に急激に変形させる
ことにより、プローブ１３０の試料１０２に対する接近
と退避を自由に制御することができる。

【００１８】また、走査型プローブ顕微鏡においては、
その測定データが図２に示すようにプローブ１３０の試
料１０２に対する平面上の角度θに依存してるため、所
望のデータを得られるように、試料１０２に対してプロ
ーブ１３０の角度を調整する必要がある。

【００１９】角度調整を行なうには、図３において、円
筒型圧電素子１２０に急激に電圧を印加し、プローブ保
持部材１２８を矢印Ｄ１２８ｙの方向に急激に変位させ
る。このとき、プローブ保持部材１２８にはその反対向
きに力Ｆ１２８ｙが働く。この力Ｆ１２８ｙにより、プ
ローブ１３０の先端を中心にしてスキャナーユニット１
１０を回転させようとするモーメントが発生する。この
力によるモーメントが、図１（Ａ）に示される、対物レ
ンズ１０４の周面１０４ａとボール１１４の接点１１４
ａの間に発生する、回転を妨げようとする摩擦力Ｆ１１
２ｙに打ち勝ったとき、スキャナーユニット１１０は矢
印１３２の方向に滑りながら回転移動する。続いて、円
筒型圧電素子１２０に印加した電圧をゆっくりと減少さ
せ、プローブ保持部材１２８を元の位置に戻す。このよ
うな動作を繰り返すことにより、スキャナーユニット１
１０は矢印１３２の方向に滑りながら回転移動してい
く。したがって、角度θの微調整を簡単に行なうことが
できる。また、円筒型圧電素子１２０の変形を上述の動
作と全く逆にすることにより、スキャナーユニット１１
０を矢印１３２とは逆の方向に回転させることもでき
る。

【００２０】このような試料１０２に対するプローブ１
３０の上下方向と回転方向の調整が終了した後、電磁石
１１６に電流を流して磁力を発生させ、弾性リング１１
２の端１１２ｂを端１１２ａに引き付けることにより、
スキャナーユニット１１０を対物レンズ１０４に堅固に
固定する。その後、プローブ１３０を試料１０２に対し
て円筒型圧電素子すなわちスキャナー１２０によりｘｙ
方向に走査させ、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）測定
が行なわれる。

【００２１】本実施例によれば、これまで走査に用いて
いたスキャナーを流用して、二方向の調整を行なうこと
ができるため、従来の調整機構を省略でき、装置を小型
化できる。したがって、本実施例のように本発明をプロ
ーブスキャンタイプの走査型プローブ顕微鏡に応用する
ことにより、プローブと走査機構とアプローチ機構の全
体を軽量で小型なユニットにすることができ、対物レン
ズにスキャナーユニットを取り付けることが可能にな
る。つまり、従来の光学顕微鏡の種々の機能を全く損な
わず、光学顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡の合体を簡単
に行なえる。この結果、様々な光顕観察からＳＰＭ観察
への移行が短時間に簡単に行なえる。

【００２２】本発明の第二実施例について図４を参照し
ながら説明する。図中、前述の実施例において既に説明
した部材と同等の部材は同じ符号で示してある。図４か
ら分かるように、円筒型圧電素子１２０は、アーム１１
８に縦に取り付けられ、対物レンズ１０４に平行に配置
されており、その下端のプローブ保持部材１２８の周面
に対してプローブ１３０が固定されている。他の構成は
前述の第一実施例と全く同じである。

【００２３】第一実施例と同様に、円筒型圧電素子１２
０に急激に電圧を印加し、プローブ保持部材１２８を矢
印Ｄ１２８ｚの方向に急激に変位させ、プローブ保持部
材１２８に下向きの力Ｆ１２８ｚを作用させることによ
り、スキャナーユニット１１０は下方向に移動される。
これとは反対に、プローブ保持部材１２８を矢印Ｄ１２
８ｚとは逆の方向に急激に変位させることにより、スキ
ャナーユニット１１０は上方向に移動される。

【００２４】また、プローブ保持部材１２８を矢印Ｄ１
２８ｙの方向に急激に変位させ、その反対向きの力Ｆ１
２８ｙを作用させることにより、スキャナーユニット１
１０は対物レンズ１０４を中心に回転移動される。これ
とは反対に、プローブ保持部材１２８を矢印とは逆の方
向に変位させることにより、スキャナーユニット１１０
は逆方向に回転移動される。

【００２５】本実施例の構成では、円筒型圧電素子すな
わちスキャナー１２０の軸とプローブ１３０の先端の探
針１３０ａの位置が離れているため、スキャナー１２０
をｘ方向に走査した際に探針１３０ａの位置がｚ方向に
変位してしまうといった不都合が生じる。このため、探
針１３０ａの走査をｙ方向のみに行なう１ラインスキャ
ンの走査型プローブ顕微鏡測定を行なうことが好まし
い。あるいは、通常通りにｘｙ走査を行ない、ｘ走査に
伴なうｚ方向の変位を補償するようにスキャナー１２０
をｚ方向に変位させるなどの制御を行なうことが好まし
い。

【００２６】本実施例には第一実施例と同様な効果があ
る。また、本実施例では、円筒型圧電素子が対物レンズ
に平行に配置されているため、大きな走査範囲を得るた
めに長い円筒型圧電素子を用いた場合でも、スキャナー
ユニット１１０が横方向に広がりアーム１１８が長くな
るために剛性が低下するといった事態は生じないという
利点がある。

【００２７】本発明の第三実施例について図５と図６を
参照しつつ説明する。図中、前述の実施例で説明した部
材と同じ部材は同一の符号で示してある。本実施例は試
料スキャンタイプの走査型プローブ顕微鏡に適用した例
である。

【００２８】図５に示すように、プローブ１３０は、円
筒形状のベース１４０に取り付けられたアーム１４２の
先端に固定されている。ベース１４０の内側には三つの
弾性部材１４４が等間隔で取り付けられており、その先
端にはボール１４６が固定されている。円筒型圧電素子
（スキャナー）１２０は、有底円筒形状のスキャナー台
１４８に立てて取り付けられ、円筒型圧電素子１２０の
自由端側には試料１０２を保持する試料保持部材１５０
が設けられている。スキャナー台１４８は、その周面１
４８ａが、弾性部材１４４の弾性特性により、三つのボ
ール１４６から中心に向かう力Ｆ１４４で押されてい
る。これにより、試料保持部材１５０とスキャナー１２
０とスキャナー台１４８からなるスキャナーユニット１
５２が、スキャナー台１４８の周面１４８ａとボール１
４６の接点１４６ａの間に生じる摩擦力によって支持さ
れている。

【００２９】本実施例も前述の実施例と同様に、円筒型
圧電素子１２０を変形させることで、スキャナーユニッ
ト１５２に対して上下移動と回転移動を行なうことがで
きる。

【００３０】スキャナーユニット１５２を探針１３０ａ
に近づける際は、第一実施例と同様に、円筒型圧電素子
１２０をｚ方向に急激に縮め、試料保持部材１５０を矢
印Ｄ１５０ｚの方向に急激に変位させる。このとき、試
料保持部材１５０には力Ｆ１５０ｚが働く。この力Ｆ１
５０ｚが、スキャナーユニット１５２に働く重力ｍｇと
スキャナー台１４８の周面１４８ａに働く摩擦力Ｆ１４
４ｚとの合力より大きいとき、スキャナーユニット１５
２は上方向に滑り移動する。その後、円筒型圧電素子１
２０をゆっくり伸ばして定常状態に戻す。このように、
円筒型圧電素子１２０を急激に縮めたあと、ゆっくり伸
ばすという動作を繰り返すことにより、スキャナーユニ
ット１５２は微小量ずつ探針１３０ａに近づく。

【００３１】上述の動作とは反対に、円筒型圧電素子１
２０を急激に伸ばしたあと、ゆっくり縮めるという動作
を繰り返すことにより、スキャナーユニット１５２は微
小量ずつ探針１３０ａから遠ざかる。

【００３２】次に回転移動について図６を参照しながら
説明する。円筒型圧電素子１２０は、図６に示すよう
に、円筒形状の圧電体１２２と、その内側に設けられた
共通電極１２４と、外側に設けられた四つの駆動電極１
２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄとを有してい
る。電極１２４と電極１２６ａの間にｃｏｓωｔの電圧
を、電極１２４と電極１２６ｂの間にｓｉｎωｔの電圧
を、電極１２４と電極１２６ｃの間に−ｃｏｓωｔの電
圧を、電極１２４と電極１２６ｄの間に−ｓｉｎωｔの
電圧を印加すると、（Ａ）に示すように、円筒型圧電素
子１２０の自由端は矢印１５４の向きに旋回する。ま
た、電極１２４と電極１２６ａの間にｃｏｓωｔの電圧
を、電極１２４と電極１２６ｂの間に−ｓｉｎωｔの電
圧を、電極１２４と電極１２６ｃの間に−ｃｏｓωｔの
電圧を、電極１２４と電極１２６ｄの間にｓｉｎωｔの
電圧を印加すると、（Ｂ）に示すように、円筒型圧電素
子１２０の自由端は矢印１５６の向きに旋回する。

【００３３】円筒型圧電素子１２０の自由端を図６
（Ａ）に示すように矢印１５４の向きに急激に一回転さ
せたとき、試料保持部材１５０には図５（Ａ）に示すよ
うに矢印１５４とは逆向きに力Ｆ１５０θが働く。この
力Ｆ１５０θが、ボール１４６とスキャナー台１４８の
間に滑りを妨げる向きに働く摩擦力Ｆ１４４θより大き
いとき、スキャナーユニット１５２が力Ｆ１５０θの方
向にわずかに回転滑り移動する。この回転滑り移動の終
了後、しばらく円筒型圧電素子１２０を定常状態に保
ち、また、円筒型圧電素子１２０を急激に一回転の回転
運動をさせる。このように、円筒型圧電素子１２０の急
激な回転運動と定常状態のサイクルを繰り返すことによ
り、スキャナーユニット１５２は微小量ずつ力Ｆ１５０
θの方向に滑り回転移動する。

【００３４】これとは反対に図６（Ｂ）の矢印１５６の
方向に円筒型圧電素子１２０の自由端を回転駆動させる
と、スキャナーユニット１５２は前述の場合とは逆の方
向に微小量ずつ滑り回転移動する。

【００３５】これまでに説明したように、円筒型圧電素
子１２０を急激に変形させることで、探針１３０ａに対
して、試料１０２の接近・退避・回転が行なえる。本実
施例によれば、試料スキャンタイプの走査型プローブ顕
微鏡において、試料と探針の相互間における接近・退避
・回転調整を走査用のスキャナーを利用して行なうこと
ができる。したがって、接近・退避・回転専用のアクチ
ュエーターを別途に設ける必要がなくなるので、軽量で
小型の走査型プローブ顕微鏡を実現できる。また、本実
施例では、探針がスキャナーの軸上に位置しているの
で、走査が効率良く行なえ、前述の実施例に比べて広い
範囲を走査することができる。

【００３６】以上、実施例に基づいて説明したが、本発
明は上述の実施例に限定されるものではなく、発明の要
旨の範囲内において多くの修正や変形が可能である。本
発明には以下の発明が含まれる。 １．走査型プローブ顕微鏡において対象物の位置や向き
を変えるための調整機構であり、調整の際に不変の位置
に保たれる固定部材と、固定部材に対して移動可能に保
持された移動体と、移動体に一端が固定された円筒型圧
電素子で、その自由端側に対象物が取り付けられる円筒
型圧電素子と、円筒型圧電素子に急激な変形を生じさせ
る駆動手段とを備え、移動体は円筒型圧電素子の急激な
変形により力を受け固定部材に対する位置や向きを変え
る、走査型プローブ顕微鏡の調整機構。 ２．第１項において、固定部材が対物レンズ、対象物が
探針であり、移動体は、対物レンズの周りを取り囲む、
一部に切れ目を有するリング形状の弾性部材を有し、そ
の弾性力により対物レンズを押圧することで保持され
る、走査型プローブ顕微鏡の調整機構。 ３．第２項において、弾性部材が、対物レンズの周面に
面する内側面に複数の突起部を有している、走査型プロ
ーブ顕微鏡の調整機構。 ４．第３項において、弾性体の切れ目を狭める手段を更
に備えている、走査型プローブ顕微鏡の調整機構。 ５．第４項において、弾性体は磁性材料でできていて、
弾性体の切れ目を狭める手段は切れ目に取り付けられた
電磁石を有しており、電磁石が起動された際、切れ目の
反対側が電磁石に引き付けられ、弾性体が対物レンズを
押圧する力が増す、走査型プローブ顕微鏡の調整機構。 ６．第１項において、対象物は試料であり、固定部材は
円形の穴を有するベースで、その内周面に複数の弾性部
材を備えており、移動体は弾性部材に押圧される円柱状
の周面を有していて、弾性部材の弾性力により支持され
る、走査型プローブ顕微鏡の調整機構。

【００３７】

【発明の効果】本発明の調整機構によれば、これまで走
査用に設けていた円筒型圧電素子を利用して接近・退避
・回転の調整が行なえるので、従来用いていた調整機構
を省略でき、小型で軽量な走査型プローブ顕微鏡が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例の調整機構を用いた走査型
プローブ顕微鏡の構成を示す図で、（Ａ）は上面図、
（Ｂ）は正面図である。

【図２】試料に対するプローブの向きを示す図である。

【図３】図１の円筒型圧電素子周辺部の上面図である。

【図４】本発明の第二実施例の調整機構を用いた走査型
プローブ顕微鏡の構成を示す図で、（Ａ）は正面図、
（Ｂ）は側面図である。

【図５】本発明の第三実施例の調整機構を用いた走査型
プローブ顕微鏡の構成を示す図で、（Ａ）は上面図、
（Ｂ）は正面図である。

【図６】円筒型圧電素子の自由端の旋回駆動を説明する
ための図である。

【図７】走査型プローブ顕微鏡におけるアプローチ機構
の従来例を示す図である。

【図８】圧電素子を用いた微動機構の従来例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１０４…対物レンズ、１１２…弾性リング、１１８…ア
ーム、１２０…円筒型圧電素子、１２８…プローブ保持
部材、１３０…プローブ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】走査型プローブ顕微鏡において対象物の位
   置や向きを変えるための調整機構であり、 調整の際に不変の位置に保たれる固定部材と、 固定部材に対して移動可能に保持された移動体と、 移動体に一端が固定された円筒型圧電素子で、その自由
   端側に対象物が取り付けられる円筒型圧電素子と、 円筒型圧電素子に急激な変形を生じさせる駆動手段とを
   備え、 移動体は円筒型圧電素子の急激な変形により力を受け固
   定部材に対する位置や向きを変える、走査型プローブ顕
   微鏡の調整機構。