JPH11264832A - プローブ又は試料の駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 駆動装置が薄い構成であり、かつ、高速に走
査を行うことができ、しかも、得られた像面の湾曲が小
さいプローブ又は試料の駆動装置を提供する。 【解決手段】 積層型圧電素子４が伸長すると、２軸平
行ばね１がＸ軸方向に押され、それにより２軸平行ばね
１が変形してカンチレバー１０の位置がＸ軸方向に変位
する。積層型圧電素子５が伸長すると、２軸平行ばね１
がＹ軸方向に押され、それにより２軸平行ばね１が変形
してカンチレバー１０の位置がＹ軸方向に変位する。積
層型圧電素子６が伸長すると、縦方向平行ばね２がＸ−
Ｙ平面内方向に押され、それにより縦方向平行ばね２が
変形してカンチレバー１０の位置がＺ軸方向に変位す
る。いずれの積層型圧電素子も、２軸平行ばね１及び縦
方向平行ばね２とは結合されておらず、当接しているの
みである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡等において、プローブ又は試料を３次元的に移動さ
せるプローブ又は試料の駆動装置及に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡では、プローブを
試料に対して相対的に３次元的に移動させる。例えば、
走査型プローブ顕微鏡の１つである原子間力顕微鏡等で
は、試料表面の原子的尺度の凹凸形状を測定するため、
試料表面とプローブとの間の距離を一定に保ちながらプ
ローブを試料表面と平行な面内で走査している。したが
って、試料表面に対して垂直な方向であるＺ方向のプロ
ーブの移動と、試料表面と平行なＸ、Ｙ方向の面内走査
とが必要である。

【０００３】従来、走査型プローブ顕微鏡におけるプロ
ーブや試料の駆動には、チューブ型駆動装置（G. Binni
g and D. P. E. Smith, Single-tube three dimensiona
l scanner for scanning tunneling microscopy, Rev.
Sci. Instrum. 57 (8) p 1688-1689, August 1986）等
が用いられていた。

【０００４】また従来の走査型プローブ顕微鏡では、プ
ローブが固定で試料をスキャンするタイプが一般的であ
ったが、大型の試料をスキャンできない等の試料のサイ
ズに制限があったため、現在ではプローブスキャンタイ
プも広く使われるようになってきた。

【０００５】図１０に、従来のプローブスキャン型原子
間力顕微鏡のプローブを駆動する装置であるチューブ型
駆動装置の一例を示す。図１０において、（ａ）はチュ
ーブ型駆動装置の斜視図であり、（ｂ）は当該チューブ
型駆動装置を用いて得た像の様子を模式的に示す図であ
る。このチューブ型駆動装置１０１は、円筒状等の筒状
の形状を有した圧電体に、内側の面又は外側の面のいず
れか一方に全面的にグランド電極が設けられ、かつ他方
の面には例えば４分割された電極が設けられた構成を有
している。図１０（ａ）に示す例では、該チューブ型駆
動装置１０１の自由端上にはプローブとしての原子間力
顕微鏡用カンチレバー１０２とそのたわみを検出するた
めの光源１０３と検出器１０４が配置されている。前記
チューブ型駆動装置１０１では、対向する分割電極にそ
れぞれ正負反対の電圧を印加することによって筒状の圧
電体が横方向に撓み、これによりＸ方向あるいはＹ方向
の走査駆動が行われる。また、Ｚ方向の駆動は、分割電
極にそれぞれ同電圧のオフセット電圧を印加し、筒状の
圧電体が伸縮変位させることによって実現される。

【０００６】図１１に、従来のプローブスキャン型原子
間力顕微鏡のプローブを駆動する装置であるトライポッ
ト型駆動装置の一例を示す。このトライポット型駆動装
置は、３本の圧電駆動部材１１２ａ、１１２ｂ、１１２
ｃを有しており、これらにより、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向にそれ
ぞれ独立してプローブ１１１を移動させる。すなわち、
このトライポット型駆動装置は、互いに直交する３つの
平板１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃからなる箱体１１４
と、この箱体１１４の１つの平板１１３ｃ上に載置さ
れ、それぞれの一端がヒンジ１１５ａ、１１５ｂを介し
て平板１１３ａ、１１３ｂの内壁に固定され、かつ、平
板１１３ａ、１１３ｂに対して直角方向に伸縮可能な２
つの圧電駆動部材１１２ａ、１１２ｂと、平板１１３ｃ
上の２つの圧電駆動部材１１２ａ、１１２ｂの交点部分
に固定配置されたブロック１６と、このブロック１６の
上に平板１１３ｃに垂直に固定した圧電駆動部材１１２
ｃと、圧電駆動部材１１２ｃの先端にホルダ１１７を介
して取付けられた探針１１１とから構成されている。
Ｘ、Ｙ方向用の圧電駆動部材１１２ａ、１１２ｂとして
は、その伸縮方向に圧電層を蓄積した積層型圧電体が用
いられている。

【０００７】更に、３軸方向の干渉がないプローブ駆動
装置として、特許公報第２５７７４２３号に開示されて
いるようなものが公知である。これは、１軸駆動装置の
変位端にそれと直交する向きのもう１つの駆動装置を設
け、更にその変位端に、他の２軸と直交する向きのもう
１つの駆動装置を設けるものである。

【０００８】これらプローブスキャン型原子間力顕微鏡
の測定範囲は狭い範囲に限られる。よって、検査を行う
場合には、予め光学顕微鏡により試料とプローブを観察
し、プローブ位置を試料の存在位置に位置決めすること
が測定効率を上げる上で大切である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１０
（ａ）に示す従来のチューブスキャナを使ったプローブ
スキャン型原子間力顕微鏡では、チューブスキャナが縦
に長い構造のため、光学顕微鏡の先端部に取付けること
ができず、プローブと試料を光学顕微鏡を用いて位置合
わせすることが困難であるという問題点がある。

【００１０】またチューブスキャナの先にプローブ１０
２に作用する力検出用のレーザー１０３とディテクター
１０４が取り付けられているため、チューブスキャナの
縦方向の共振周波数が低くなってしまう。

【００１１】プローブスキャン型原子間力顕微鏡を使用
して試料表面の凹凸を測定しようとする場合、プローブ
と試料の間隔を一定に保つようにチューブスキャナによ
ってプローブを駆動しながら、試料表面に沿ってプロー
ブを移動させる。このとき、チューブスキャナの共振周
波数がプローブの駆動周波数に対して十分高ければ、プ
ローブ駆動の指令に比例した振幅で位相遅れの無い変位
をプローブに生じさせることができ、正確な測定ができ
る。

【００１２】しかし、チューブスキャナの縦方向の共振
周波数が低い場合には、プローブ駆動の周波数も低くし
ないと、プローブ駆動指令に対してプローブの振幅が比
例せず、かつ位相遅れが生じることになる。よって、従
来のチューブスキャナを使用したプローブ走査型原子間
力顕微鏡では、プローブ駆動周波数を低くせざるを得
ず、そのために測定速度を大きくできないという問題点
を有している。

【００１３】更にもう一つの問題点として、前述した従
来のチューブ型駆動装置では、Ｘ、Ｙ方向の走査は円筒
状の圧電体のＸ、Ｙ方向への撓みを利用しているため、
プローブ又は試料をＸ、Ｙ面内で平に走査することがで
きず、走査の軌跡は矢印１０５に示すように円弧を描
く。そのため得られた画像は図１０（ｂ）のように歪ん
でしまうという問題も有している。

【００１４】また、図１１図に示す従来のトライポット
型駆動装置においては、Ｘ、Ｙ軸方向にプローブを駆動
する２つの圧電駆動部材１１２ａ、１１２ｂがヒンジ１
１５ａ、１１５ｂを介して平板１１３ａ、１１３ｂの内
壁に固定されている。これらヒンジ１１５ａ、１１５ｂ
は、圧電駆動部材１１２ａ、１１２ｂの伸縮に応じて変
形する必要があるため、剛性の低い材料で構成される。
よって、Ｘ、Ｙ軸方向での機械的な共振周波数が低くな
り、前に述べた理由と同じ理由により、Ｘ、Ｙ方向の走
査速度を速くできないという問題点を有している。

【００１５】また、全体が縦に長い構造のため、光学顕
微鏡の先端部に取付けることができず、プローブと試料
を光学顕微鏡を用いて位置合わせすることが困難である
という問題点がある。

【００１６】また、特許公報第２５７７４２３号に記載
されるもののようなプローブ駆動装置では、１軸駆動装
置により他の２つの駆動装置まで一緒に駆動するという
非効率な構成となりやすく、駆動装置の共振周波数が著
しく低くなってしまい、高速な走査が不可能であるとい
う問題点を有している。

【００１７】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、駆動装置が、光学顕微鏡の先端部に取付けら
れる程度に薄い構成であり、かつ、駆動装置の機械的共
振周波数を高くして高速に走査を行うことができ、しか
も、得られた像面の湾曲が小さい状態で広域を走査でき
るプローブ又は試料の駆動装置を提供することを課題と
する。更に、本発明は、プローブ又は試料が受ける機械
的振動を軽減して十分な分解能を確保することができる
プローブ又は試料の駆動装置を提供することを課題とす
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の手段は、第１の駆動力発生装置と、第２の駆動
力発生装置の伸縮によって、プローブ又は試料を２次元
平面内で移動させるブローブ又は試料の駆動装置であっ
て、前記第１の駆動力発生装置及び前記第２の駆動力発
生装置に直接又は間接的に当接し、それらの伸縮によっ
て変形する変形部自在を有し、前記変形部材は、前記変
形によっては移動しない固定端と、前記変形によって移
動する自由端とを有し、プローブ又は試料を前記変位部
材の自由端に結合して前記変位部材を変形させることに
より、プローブ又は試料を２次元平面内で移動させるこ
とを特徴とするもの（請求項１）である。

【００１９】ここで、「直接又は間接的に当接してい
る」とは、第１の駆動力発生装置又は第２の駆動力発生
装置が、変形部材に直接当接していてもよいし、変形部
材に設けられた突起等の他の部材を介して当接していて
いもよいことを示す。

【００２０】たとえば、第１の駆動力発生装置がＸ軸方
向への駆動力を与えるものであり、第２の駆動力発生装
置がＹ軸方向への駆動力を与えるものであるとすると、
Ｘ軸方向、Ｙ軸方向へのプローブ又は試料の移動は、１
つの共通の変位部材の変形を介して行われる。すなわ
ち、第１の駆動力発生装置が伸縮すると、それに応じて
変位部材が変形し、その自由端に結合されたプローブ又
は試料がＸ軸方向に移動する。第２の駆動力発生装置が
伸縮すると、それに応じて変位部材が変形し、その自由
端に結合されたプローブ又は試料がＹ軸方向に移動す
る。たとえば、１つの駆動力発生装置が伸長すると、変
形部材はそれに押されて変形し、当該駆動力発生装置が
縮小すると、変形部材は自らの弾性力で元に戻る。２つ
の駆動装置を同時に駆動すれば、Ｘ軸方向の移動とＹ軸
方向の移動を同時に行わせることができる。

【００２１】これら、第１の駆動力発生装置、第２の駆
動力発生装置、変形部材は、高さを低くし、同一の平面
の近傍に位置するように配置することができる。よっ
て、これらを組み合せた構成要素の高さは高くならな
い。よって、光学顕微鏡の先端に設置することができ
る。

【００２２】これら第１の駆動力発生装置、第２の駆動
力発生装置、変形部材は、全体として剛性の高い材料で
構成することができるため、機械的な共振周波数が高く
なる。よって、第１の方向、第２の方向について、高速
で走査を行うことができる。

【００２３】前記課題を解決するための第２の手段は、
前記第１の手段であって、前記変位部材は、少なくとも
４つの曲げ剛性の高い部材を互いに折れ曲がって結合す
ることにより枠が形成される形状を有し、当該曲げ剛性
の高い部材同士が結合されている部分は、曲げ剛性の低
い部分であって、前記第１の駆動力発生装置及び前記第
２の駆動力発生装置は、前記固定端に近い２つの部材に
それぞれ直接又は間接的に当接していることを特徴とす
るもの（請求項２）である。

【００２４】ここで、「直接又は間接的に当接してい
る」とは、第１の駆動力発生装置又は第２の駆動力発生
装置が、変形部材に直接当接していてもよいし、変形部
材に設けられた突起等の他の部材を介して当接していて
いもよいことを示す。

【００２５】この手段においては、枠を構成する少なく
とも４つの曲げ剛性の高い部材は、曲げ剛性が強いので
駆動力発生装置の力を受けても変形しない。よって、駆
動力発生装置の力を受けた場合、曲げ剛性の高い部材同
士が結合されている部分である曲げ剛性の低い部分が変
形し、枠を構成する部材が変形しないまま枠の形が変形
することになる。よって、これら剛性の高い部材のうち
固定端に近い部材に前記第１の駆動力発生装置又は前記
第２の駆動力発生装置から力を加えることにより、枠の
形が変形して自由端が移動する。第１の駆動力発生装置
が力を加える剛性の高い部材と、第２の駆動力発生装置
が力を加える剛性の高い部材とは別の部材であるので、
各々の駆動力発生装置が伸縮した場合に、枠の変形方向
が異なり、自由端に結合されたプローブ又は試料を別の
方向に移動することができる。

【００２６】さらに、第１の駆動力発生装置又は前記第
２の駆動力発生装置から力を加える点を、固定端に近い
点にしておくことにより、てこの作用により自由端の動
きが拡大され、小さな駆動量で大きくプローブ又は試料
を移動させることができる。

【００２７】前記課題を解決するための第３の手段は、
前記第１の手段又は第２の手段であって、変位部材が、
前記固定端の中心と前記自由端の中心とを結ぶ直線に対
して対称に形成され、前記第１の駆動力発生装置と前記
第２の駆動力発生装置が前記変位部材に対して当接して
いる位置が、前記直線に対して対称位置であることを特
徴とするもの（請求項３）である。

【００２８】この手段によれば、第１の駆動力発生手段
の単位量の伸縮によって生じるプローブ又は試料の移動
量と、第２の駆動力発生手段の単位量の伸縮によって生
じるプローブ又は試料の移動量とを同じにすることがで
きる。

【００２９】前記課題を解決するための第４の手段は、
前記第２手段又は第３の手段であって、４つの高剛性の
部材の各々の端部に設けられた曲げ剛性の低い部分のう
ち、固定端に近いものの曲げ剛性は、その他のものより
曲げ剛性が高いことを特徴とするもの（請求項４）であ
る。

【００３０】この手段によれば、第１の駆動手段又は第
２の駆動手段により変位部材に与えられる変形は、より
曲げ剛性の低い固定端に近い部分を中心にして行われ
る。よって、第１の駆動手段の伸縮によって起こる変形
部材の自由端の移動方向と、第２の駆動部材の伸縮によ
って起こる変形部材の自由端の移動方向との干渉が小さ
くなる。従って、たとえば、第１の駆動手段の伸縮方向
をＸ方向とし、第２の駆動手段の伸縮方向をＹ方向とす
れば、Ｘ方向の駆動とＹ方向の駆動を干渉なく行わせる
ことができる。

【００３１】前記課題を解決するための第５の手段は、
前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、伸
縮によってプローブ又は試料を前記２次元平面内の方向
とは異なる方向に移動させる第３の駆動力発生装置を設
け、プローブ又は資料を３次元的に移動させることを特
徴とするもの（請求項５）である。

【００３２】この手段によれば、プローブ又は試料は、
第３の駆動力発生装置の伸縮によって、たとえばＺ方向
に移動される。これによって、プローブ又は試料を３次
元的に動作させることができる。

【００３３】また、変形部材と各駆動力発生装置は当接
しているだけであり、機械的な結合をしていないので、
各駆動力発生装置の質量が、プローブ又は材料の第３の
方向への移動に対して慣性力を発生することが無い。よ
って、第３の方向の移動に対しても、機械的な共振点を
高くすることができる。従って、第３の方向に対して
も、プローブ又は材料を高速で走査させることができ
る。

【００３４】前記課題を解決するための第６の手段は、
前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、前
記変位部材（第１の変位部材）は、前記２次元平面内の
方向と異なる方向に変位する第２の変位部材によって支
持され、前記第２の変形部材は、前記第３の駆動力発生
装置の伸縮によって変位することを特徴とするもの（請
求項６）である。

【００３５】この手段においては、第１の変位部材によ
り、前述したように、たとえばＸ−Ｙ平面内でＸ軸、Ｙ
軸方向へのプローブ又は材料の移動が行われる。そし
て、この第１の変位部材が、第２の変位部材によって支
持されて、第２の変位部材が、第３の駆動力発生装置の
伸縮によってＸ−Ｙ平面内とは異なるたとえばＺ軸方向
に変位するので、プローブ又は材料を３次元的に移動さ
せることができる。

【００３６】このとき、第３の駆動力発生装置によって
たとえばＺ軸方向に移動されるのは、プローブ又は材料
とその付属装置（プローブ変形検出器等）及び変形部材
のみであるので、これらの質量は小さく、従って機械振
動の共振周波数を高くすることができる。また、第２の
変位部材も、第１の変位部材と同様に剛性の高い材料で
形成することができるので、機械振動の共振周波数を高
くすることができる。よって、たとえばＺ軸方向の走査
を高速で行うことが可能となる。

【００３７】前記課題を解決するための第７の手段は、
前記第６の手段であって、前記第２の変位部材は、４つ
の曲げ剛性の高い部材を互いに折れ曲がって結合するこ
とにより略矩形の枠が形成される形状を有し、当該曲げ
剛性の高い部材のが結合されている部分は、曲げ剛性の
低い部分であって、前記第３の駆動力発生装置は、前記
４つの曲げ剛性の高い部材のうち、前記固定端に近い一
つの部材に直接又は間接的に当接していることを特徴と
するもの（請求項７）である。

【００３８】直接又は間接的に当接しているとは、直接
当接してもよいし、前記部材に設けられた突起等に当接
していてもよいことを意味する。又、略矩形とは、望ま
しい動きの精度が確保される範囲内で、厳密な矩形でな
くても良いことを意味する（以下同じ。）

【００３９】この手段によれば、第２の変形部材におい
ては、枠を構成する少なくとも４つの曲げ剛性の高い部
材は、曲げ剛性が強いので駆動力発生装置の力を受けて
も変形しない。よって、駆動力発生装置の力を受けた場
合、曲げ剛性の高い部材が結合されている部分である曲
げ剛性の低い部分が変形し、枠を構成する部材が変形し
ないまま枠の形が変形することになる。よって、これら
剛性の高い部材のうち固定端に近い部材に前記第３の駆
動力発生装置から力を加えることにより、枠の形が変形
して自由端が移動する。

【００４０】また、本手段においては、４つの曲げ剛性
の高い部材によって略矩形が形成されているので、Ｘ軸
方向とＹ軸方向の動きの干渉を防止することができる。

【００４１】本手段においては第３の駆動力発生手段か
ら力を加える位置を、固定端に近い位置にすることによ
り、てこの原理によって自由端の動きが拡大され、プロ
ーブ又は試料を大きく動かすことができる。また、枠体
の剛性が全体として高いので、機械的共振周波数が高く
なり、第３の方向への走査を高速で行うことができる。

【００４２】前記課題を解決するための第８の手段は、
前記第６の手段であって、第２の変位部材は、前記第３
の駆動力発生装置から力が印加される方向に広い幅を持
ち、厚さが薄い２枚の部材を２方向からそれぞれ前記第
１の変位部材に結合して構成され、前記第３の駆動力発
生装置の伸縮に応じて前記２枚の部材が捩じれることに
より、プローブ又は試料を前記第３の方向に移動させる
ものであることを特徴とするもの（請求項８）である。

【００４３】この手段においては、第１の変位部材は、
第３の駆動力発生装置から力が印加される方向に長く、
厚さが薄い２枚の部材により、２方向から支えられてい
る。第３の駆動力発生装置が、たとえば伸長した場合に
は、この２枚の部材が押されて捩じれ、プローブ又は試
料を第３の方向に移動させる。第３の駆動力発生装置が
縮小すると、この２枚の部材はその弾性力により元に戻
る。これにより、プローブ又は試料を前記第３の方向に
移動させることができる。

【００４４】前記課題を解決するための第９の手段は、
前記第８の手段であって、第２の変位部材は、前記第１
の変位部材の、固定端の中心と自由端の中心とを結ぶ直
線に対して対称に形成されており、前記第３の駆動力発
生装置の力の作用点が、対称軸上にあることを特徴とす
るもの（請求項９）である。

【００４５】この手段によれば、第２の変形部材を構成
する２枚の部材の捩じれ量が同じになるので、プローブ
又は試料は、２枚の部材の幅方向に移動する。よって、
幅方向をＺ軸方向としておけば、第３の駆動力発生装置
の伸縮により、プローブ又は試料を正確にＺ方向に移動
させることができる。

【００４６】前記課題を解決するための第１０の手段
は、第１の駆動力発生装置と、第２の駆動力発生装置の
伸縮によって、プローブ又は試料を２次元平面内で移動
させ、第３の駆動力発生装置の伸縮によって、プローブ
又は試料を前記２次元平面内の方向とは異なる第３の方
向に移動させるブローブ又は試料の駆動装置であって、
前記第１の駆動力発生装置と前記第２の駆動力発生装置
の伸縮によっては移動しない固定端と、前記第１の駆動
力発生装置と前記第２の駆動力発生装置の伸縮によって
移動する自由端とを有する第１の変位部材と、前記第１
の変位部材の自由端に設置され、前記第３の駆動力発生
装置の伸縮によっては移動しない固定端と、前記第３の
駆動力発生装置の伸縮により移動する自由端とを有する
第２の変位部材とを有し、前記第１の変位部材を変形さ
せることにより、前記第２の変位部材を２次元平面内に
移動させ、前記第３の駆動力発生装置によって前記第２
の変位部材を前記２次元平面内の方向とは異なる方向に
変位させ、前記第２の変位部材の自由端に結合されたプ
ローブ又は試料を３次元空間で移動させることを特徴と
するプローブ又は試料の駆動装置（請求項１０）であ
る。

【００４７】本手段は、前記第１の手段と類似の構成で
あるが、第１の手段と異なり、変形部材（第１の変形部
材）の自由端にプローブ又は試料を結合せず、代わりに
第２の変形部材を設置している。第１の変形部材の作用
効果は、第１の手段で述べたものと同じである。本手段
においては、第２の変位部材が第１の変位部材の自由端
に設置されているので、第２の変位部材を駆動する場合
の慣性力となるのは、プローブ又は試料及びその付属品
（プローブ変位検出機構等）のみである。よって、第２
の変位部材を第３の駆動力発生装置で駆動して、Ｚ方向
の走査を行わせるようにすれば、Ｚ方向走査の際の機械
的な共振点が高くなり、Ｚ方向走査速度を速めることが
できる。また、Ｘ−Ｙ方向の移動とＺ方向の移動の干渉
を完全に無くすることができる。

【００４８】また、本手段においては、全体の高さを低
くすることができるので、光学顕微鏡の先端に取りつ
け、プローブと試料の位置合わせを行うことが可能とな
る。

【００４９】前記課題を解決するための第１１の手段
は、前記第１０の手段であって、前記第２の変位部材
は、４つの曲げ剛性の高い部材を互いに折れ曲がって結
合することにより略矩形の枠が形成される形状を有し、
当該曲げ剛性の高い部材のが結合されている部分は、曲
げ剛性の低い部分であって、前記第３の駆動力発生装置
は、前記４つの曲げ剛性の高い部材のうち、前記固定端
に近い一つの部材に直接又は間接的に当接していること
を特徴とするもの（請求項１１）である。

【００５０】直接的又は間接的に当接しているとは、第
３の駆動力発生装置が直接当該部材に当接していてもよ
いし、当該部材に設けられた突起等を介して当該部材に
接触していてもよいことを示す。

【００５１】この手段によれば、前記第２の手段で説明
したと同じように、枠を構成する少なくとも４つの曲げ
剛性の高い部材は、曲げ剛性が強いので駆動力発生装置
の力を受けても変形しない。よって、駆動力発生装置の
力を受けた場合、曲げ剛性の高い部材が結合されている
部分である曲げ剛性の低い部分が変形し、枠を構成する
部材が変形しないまま枠の形が変形することになる。よ
って、これら剛性の高い部材のうち固定端に近い部材の
一つに前記第３の駆動力発生装置から力を加えることに
より、枠の形が変形して自由端が移動する。

【００５２】また、本手段においては、４つの曲げ剛性
の高い部材によって略矩形が形成されているので、Ｘ軸
方向とＹ軸方向の動きの干渉を防止することができる。

【００５３】本手段においては第３の駆動力発生手段か
ら力を加える位置を、固定端に近い位置にすることによ
り、てこの原理によって自由端の動きが拡大され、プロ
ーブ又は試料を大きく動かすことができる。また、枠体
の剛性が全体として高いので、機械的共振周波数が高く
なり、第３の方向への走査を高速で行うことができる。

【００５４】前記課題を解決するための第１２の手段
は、前記第１１の手段であって、第２の変位部材は、前
記固定端に接続されている２つの剛性の高い部材のうち
一つが内側に突起部を有し、当該突起部と、前記固定端
に接続されている２つの剛性の高い部材のうち突起部を
有さない部材の間に、前記第３の駆動力発生装置が設け
られていることを特徴とするもの（請求項１２）であ
る。

【００５５】この手段においては、第３の駆動力発生装
置が伸長した場合に、前記突起部を押すので、前記突起
部には曲げモーメントが作用する。そしてその分力によ
り、突起部が、突起部を有する剛性の高い部材を外側に
押す。よって、第３の駆動力発生装置により、当該突起
部を有する剛性の高い部材が外側に押されたのと同じこ
とになり、４つの剛性の高い部材で形成された４変形の
枠が、第３の駆動力発生装置の伸長方向と直角な方向に
力が加わって変形する。よって、自由端に設けられたプ
ローブ又は試料は、第３の駆動力発生装置の伸長方向と
直角な方向に移動する。

【００５６】よって、この手段においては、プローブ又
は試料をＺ軸方向に移動させたい場合に、第３の駆動力
発生装置の伸縮方向をＸ−Ｙ平面上に置くことができ
る。従って、第３の駆動力発生装置もＸ−Ｙ平面上に置
くことができ、Ｚ軸方向の高さを低く抑えることができ
る。

【００５７】前記課題を解決するための第１３の手段
は、前記第２の手段から第９の手段、又は第１１の手
段、第１２の手段のいずれかであって、変位部材（第１
の変位部材）の固定端に近い剛性の高い部材に反射部材
を設け、前記反射部材に光を照射して反射角度の変化を
検知することにより、前記変位部材（第１の変位部材）
の変位を測定する機構を設けたことを特徴とするもの
（請求項１３）である。

【００５８】この手段においては、いわゆる光てこ法を
用いて、変位部材（第１の変位部材）の変位を測定する
ことができる。変位の測定機構として変位部材（第１の
変位部材）に取付けられるものは、反射部材のみである
ので、当該変位部材の質量が増えることがなく、従って
機械系の共振周波数が低くなることはない。また、全体
の高さを高くしないで済ますことができ、光学顕微鏡の
先端に取付けるのに都合がよい。光源及び光センサは、
当該変位部材を支持する支持台等、当該変位部材の変位
によって位置の変化しない部分に設けることができる。

【００５９】前記課題を解決するための第１４の手段
は、前記第７の手段、第１１の手段、第１２の手段のう
ちいずれかであって、第２の変位部材の固定端に近い剛
性の高い部材に反射部材を設け、前記反射部材に光を照
射して反射角度の変化を検知することにより、第２の変
位部材の変位を測定する機構を設けたことを特徴とする
もの（請求項１４）である。

【００６０】本手段においても、前記第１３の手段と同
じように、光てこ法を用いて、第２の変位部材の変位を
測定することができる。変位の測定機構として第２の変
位部材）に取付けられるものは、反射部材のみであるの
で、当該変位部材の質量が増えることがなく、従って機
械系の共振周波数が低くなることはない。光源及び光セ
ンサは、当該変位部材を支持する支持台等、当該変位部
材の変位によって位置の変化しない部分に設けることが
できる。

【００６１】前記課題を解決するための他の手段とし
て、前記第１の手段から第１３の手段の内プローブ駆動
装置のいずれかであって、プローブは、一端が固定され
たカンチレバーと、このカンチレバーの他端に設けられ
た探針を有し、更に、前記レバーの変位を光てこ法で検
出するために備えられた、前記カンチレバーに光を投射
する投光器及び前記カンチレバーからの反射光を検出す
る受光器が備えられているものにおいて、前記投光器と
前記カンチレバーとの間の光路上にハーフミラーを設
け、当該ハーフミラーで反射された光を第２の受光器で
受光することにより、前記プローブの位置を検出する機
構を有することを特徴とするものがある。

【００６２】本手段においては、プローブのカンチレバ
ーの変位を光てこ法で検知するための投射光を、ハーフ
ミラーで分割し、それを、カンチレバーの変位を検出す
るための受光器とは異なる第２の受光器で受けて、プロ
ーブの位置（たとえばＺ軸方向位置）を検出している。
よって、プローブ位置を検出するための投光器を省略す
ることができる。

【００６３】また、更に前記課題を解決するための手段
として、前記第１から第１４の手段又は前記他の手段の
いずれかを備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微
鏡がある。

【００６４】この手段によれば、高さが高くないので光
学顕微鏡の先端に取付けることができ、かつ走査速度を
速くすることができる。

【００６５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の例を
図を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形
態であるプローブ駆動装置を示す斜視図である。図１に
おいて、１は第１の変位部材である２軸平行ばね、２は
第２の変位部材である縦方向平行ばね、３は支持基材、
４、５、６はそれぞれ駆動力発生装置である積層型圧電
素子、７は光てこ用の光源、８はミラー、９は光てこ用
のディテクタ、１０はカンチレバー、１１は光てこの撓
みを検出する光てこ用の投光器、１２はそのディテクタ
であり、カンチレバー１０、投光器１１、ディテクタ１
２はプローブの一部をなしている。１３は支持基材３を
支持するマイクロメータである。

【００６６】本実施の形態は、プローブ駆動装置を特徴
付ける２軸平行ばね１を有している。２軸平行ばねは、
金属板、例えば、剛性の高い金属であるステンレスから
なる板や、軽量なアルミや、軽量かつ剛性に富むチタン
を、例えばワイヤーカット法により形成した構造を有し
ている。その２軸平行ばね１の固定端は、上記と同様の
材料と方法により形成した、縦方法平行ばね２の自由端
により支持されており、縦方向平行ばね２の他端（固定
端）は支持基材３に固定されている。

【００６７】前記２軸平行ばね１と縦方向平行ばね２を
駆動するための積層型圧電素子４、５、６がそれぞれの
平行ばねと支持基板３との間に挟み込まれている。その
圧電素子４、５、６の変位によりそれぞれの平行ばねの
駆動量を測定するための光源７、ミラー８とディテクタ
ー９がそれぞれ３組、支持基板３に固定されている。光
源７としては半導体レーザーレーザーやＬＥＤ等が使用
可能であるが、本実施の形態ではより指向性の良い半導
体レーザーを使用している。２軸平行ばね１の先端（自
由端）にはプローブであるカンチレバー１０とそのカン
チレバーのたわみを検出するための投光器１１とディテ
クター１２が位置調整されて固定されている。支持基板
３は３つのマイクロメータ１３により支持されている。

【００６８】積層型圧電素子４が伸長すると、２軸平行
ばね１がＸ軸方向に押され、それにより２軸平行ばね１
が変形してカンチレバー１０の位置がＸ軸方向に変位す
る。積層型圧電素子５が伸長すると、２軸平行ばね１が
Ｙ軸方向に押され、それにより２軸平行ばね１が変形し
てカンチレバー１０の位置がＹ軸方向に変位する。積層
型圧電素子６が伸長すると、縦方向平行ばね２がＸ−Ｙ
平面内方向に押され、それにより縦方向平行ばね２が変
形してカンチレバー１０の位置がＺ軸方向に変位する。
いずれの積層型圧電素子も、２軸平行ばね１及び縦方向
平行ばね２とは結合されておらず、当接しているのみで
ある。よって、積層型圧電素子が縮小した場合には、２
軸平行ばね１及び縦方向平行ばね２は、自己の弾性力に
より元の位置に戻る。

【００６９】次に図２を用いて本発明のプローブ駆動装
置の水平方向（Ｘ−Ｙ平面方向）の駆動とその駆動量の
検出原理を説明する。なお、以下の図において、本発明
の実施の形態を説明する前出の図に示された構成要素に
は、同一の符号を付してその説明を省略する。

【００７０】図２（ａ）は本発明のプローブ駆動装置を
特徴付ける２軸平行ばね１の概念斜視図であり、圧電素
子や光てこの検出系は図示していない。図２（ｂ）は２
軸平行ばね１を上から見た図である。図２において、２
１〜２４は４つの曲げ剛性の強い部材であり、２５〜２
９は、部材２１〜２４の端部に設けられた曲げ剛性の弱
いヒンジ部である。また、３０は２軸平行ばね１の固定
端、３１は積層型圧電素子によって発生する力の方向、
３２は、プローブ１０の移動方向を示している。

【００７１】この２軸平行ばね１においては、４つの曲
げ剛性の高い部材２１〜２４によって枠が形成され、当
該枠は正方形の１角が削られて５角形となった形状をし
ている。そして削られた１角が固定端となり、それと相
対する角が自由端となって、その自由端にカンチレバー
１０が取付けられている。図示されていないが、Ｘ方向
駆動用、Ｙ方向駆動用の積層型圧電素子４、５の一端
は、前記部材のうち、固定端に近い部材２４、２３にそ
れぞれ当接している。

【００７２】図２（ａ）において、積層型圧電素子によ
り発生する力３１を、部材２４に垂直な方向（Ｘ軸方
向）より加えると、２軸平行ばね１は実線で示した形状
から各５つのヒンジ部２５〜２９を中心に機械てこ部分
（部材２１〜２４）が回転運動をし、図の２点鎖線の形
状に変形する。この時２軸平行ばね１先端に設けられた
カンチレバー１０は図中の矢印３２の方向に駆動され
る。このとき、部材２３は、後に述べる理由のためほと
んど変位せず、部材２４はヒンジ部２９を中心に回転
し、部材２２はヒンジ２７を中心に回転し、部材２１は
力３１の方向に略平行に移動するような変形をする。よ
って、カンチレバー１０は、力３１の方向と同じ方向に
（Ｘ軸方向）移動する。厳密にいうと、カンチレバー１
０の移動軌跡は緩やかな円弧を描くが、変位が微少なた
め直線とみなすことができる。

【００７３】ここで、積層型圧電素子により発生する力
を２軸平行ばねの固定端付近に加えると、てこの原理に
より、てこの変位端は大きく変位するため、結果として
カンチレバー１０の駆動量を大きくすることができる。

【００７４】また、積層型圧電素子による力を、部材２
３に垂直な方向（Ｙ軸方向）から加えた場合、同様の理
由により、カンチレバー１０はＹ軸方向に移動する。

【００７５】このように、変位部材である２軸平行ばね
１は、変位部材２１、２２、２３、２４が互いに直交し
ているため、部材２３と部材２４に力が加えられた場合
に、それぞれの場合のカンチレバー１０の変位に干渉が
無い。それ故、このような平行ばねを２軸平行ばねと呼
んでいる。

【００７６】特に、図２に示すように、４つの部材２１
〜２４で形成される枠を略正方形とし、正方形の各辺を
Ｘ軸又はＹ軸に平行とし、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に力を加
える位置を正方形の対角線に対して対称となるような位
置とすれば、Ｘ軸方向駆動用の積層型圧電素子ではＸ軸
方向のみに、Ｙ軸方向駆動用の積層型圧電素子ではＹ軸
方向のみに、プローブを駆動することができ、しかも、
Ｘ軸方向駆動用の積層型圧電素子の動きとＹ軸方向駆動
用の積層型圧電素子の動きの量が同じであれば、プロー
ブの動きの量が同じであるようにすることができる。

【００７７】端にＸ軸方向とＹ軸方向の干渉を防止する
ためであれば、４つの部材は略正方形とする必要はな
く、略矩形であれば十分である。しかし、てこ比を同一
にするためには、略正方形とすることが好ましい。

【００７８】次に図２（ｂ）を使い、圧電素子による２
軸平行ばねの駆動量を測定する方法を説明する。２軸平
行ばね１の支持端（固定端）３０に近い方の２つの部材
２３、２４にはミラー８が設けられていて（部材２３に
設けられているものは図示を省略する）、積層型圧電素
子による駆動力によりこの部材２３、２４が回転運動を
起こすと、ミラー８も同時に傾く。そのミラー８にレー
ザーからの光３３を入射させ、反射光３４をポジション
センサーダイオードに入射させる。ポジションセンサー
ダイオードは例えば２分割型のフォトダイオードであ
り、それぞれの受光面に入射する光量を引き算すること
により入射光の重心の動きを検出できる。機械てこ２
３、２４が駆動され、ミラー８が傾くと、そこから反射
するレーザー２８の光軸が傾く。それによりポジション
センサーに入射するレーザースポットの位置が動くた
め、２軸平行ばねの駆動量を測定することができる。

【００７９】さて、図２を使い２軸平行ばねの駆動の原
理を説明したが、２軸方向の駆動が本当に干渉し合わな
いためには２軸平行ばねの設計に若干の制約がある。図
３を用いてその制約と、その解消方法について説明す
る。図３（ａ）は２軸平行ばね１に駆動力３１が作用し
たときの様子を示している。矢印３１の駆動力が部材２
４に作用すると、その駆動力は２軸平行ばねを伝わりも
う１方の部材２３に伝わる。部材２３に伝わった力がも
う一方のＹ（Ｙ軸駆動の）積層型圧電素子に伝わり、積
層型圧電素子が縮んでしまうと、２軸平行ばねの先端の
駆動の軌跡は矢印３２の様に円弧となる。つまり１軸方
向の駆動が他軸に干渉し、矢印３５で示したような変位
が生じてしまう。この干渉を低減するためには、一方の
部材２４に作用した駆動力を他方の部材２３に伝達させ
ないようにすることが必要である。

【００８０】以上の理由により、（ｂ）に示すように、
２軸平行ばね１の部材２３、２４の固定端３０に近い方
のヒンジ部２８、２９は、その他のヒンジ部２６、２
７、３０に比べ強い弾性を持つように設計されている。
このため部材２４に加えられた駆動力は大部分が２軸平
行ばね１の固定端３０に近い方のヒンジ部２９により大
部分が受け止められる。

【００８１】このように設計することにより、力３１が
部材２４に加わった場合においては、図３（ｂ）に示す
ように、部材２３はほとんど変位せず、カンチレバー１
０の変位はＸ軸方向に限られる。

【００８２】次に、カンチレバーを縦方向に駆動する原
理とその駆動量の検出方法の例を図４を用いて説明す
る。図４に示される実施の形態では、縦方向平行ばね２
によりカンチレバー１０を縦方向（Ｚ軸方向）に駆動す
る。縦方向平行ばね２は、略正方形を形成するように結
合された４つの部材から構成され、その４隅には曲げ剛
性の弱いヒンジ部が形成されていて、２軸平行ばね１と
同様の働きをする。

【００８３】縦方向平行ばね２は、その上部の部材の上
面に突起３６を有している。そして、その突起３６に縦
方向駆動用圧電素子からの駆動力を矢印３７の方向に加
えると４つの部材がヒンジ部を中心に回転運動をする。
そのため前記突起部３６も円弧矢印３８の方向に傾く。
その結果縦方向用平行ばね２の自由端は縦方向に変位す
る。この時実際には縦方向平行ばね２の自由端の軌跡は
円弧となるが、その変位が機械てこの長さに比べて微少
なため、直線とみなすことができる。そのため縦方向平
行ばね２の自由端に固定されている２軸平行ばね１とそ
の先端のカンチレバー１０は直線的に上下方向（矢印３
９方向）に駆動され、他軸との干渉がない。

【００８４】また、この実施の形態においては、略正方
形を構成する部材の一つに設けられた突起に横方向から
力を加えることにより、プローブ１０を縦方向に駆動し
ている。よって、Ｚ軸方向駆動用の積層型圧電素子を、
図１に示すように横方向に長い位置で設置することがで
きる。従って、装置全体の高さが高くならず、光学顕微
鏡の先端に設置することも可能となる。

【００８５】なお、本実施の形態においては、縦方向平
行ばね２は、略正方形を構成する４つの部材を結合して
構成されているが、特に正方形に限られず、矩形であっ
てもよい。

【００８６】縦方向平行ばね２の縦方向の変位量の測定
方法は、水平方向の変位の測定方法と原理的に等しい。
前記突起部３６にはミラー８が設けられていて、そのミ
ラー８に光源であるレーザーからの光４０を入射させ、
反射光４１をポジションセンサーダイオードに入射させ
ることによりレーザー光の重心の動きを測定する。それ
が縦方向平行ばねの駆動量に比例した値となる。

【００８７】次に、図５を用いて本発明の第２の実施の
形態を説明する。図５は、本発明の第２の実施の形態に
よるプローブ駆動装置を示す斜視図である。図５におい
て、５１、５２は請求項７でいう「第３の駆動力発生装
置から力が印加される方向に広い幅を持ち、厚さが薄い
２枚の部材」に相当するねじれ板部、５３は、第３の駆
動力発生装置である積層型圧電素子６の力をねじれ板部
に伝える回転力伝達部、５４は圧電素子支持体、５５は
ハーフミラー、５６はディテクタである。

【００８８】第２の実施の形態が第１の実施の形態と異
なる部分は、まず初めに、カンチレバーの縦方向の駆動
方法である。第１の実施例では縦方向平行ばねを使用し
たが、本実施例では、平行ばねではなく縦方向回転駆動
機構を用いてカンチレバーを縦方向に駆動する。縦方向
回転駆動機構は２つのねじれ方向の自由度を持つねじれ
板部５１、５２と、外力をねじれ板部５１、５２の回転
中心に伝える１つの回転力伝達部５３からなる。

【００８９】回転力伝達部５３は、２軸平行ばね１に接
合されている。また、ねじれ板部５１、５２は、積層型
圧電素子６の伸縮方向に広い幅を持った厚さの薄い部材
であり、お互いに直交して２方向から２軸平行ばね１に
接合されている。

【００９０】積層型圧電素子６が伸長すると、その力は
回転力伝達部５３の作用点に作用する。この力は、ねじ
れ板部５１、５２をねじる力となってねじれ板部５１、
５２に伝わり、ねじれ板部５１、５２がねじれることに
より、２軸平行ばね１がＺ軸方向に回転する。よって、
カンチレバー１０もＺ軸方向に移動する。

【００９１】第２の実施の形態が第１の実施の形態と異
なるもう一つの点は、カンチレバーの１０縦方向（Ｚ軸
方向）の変位の検出法である。第２の実施の形態におい
ては、縦方向駆動量の検出用の光源として新たな光源は
使わず、原子間力顕微鏡用にカンチレバー１０上部に設
けられたレーザー１１を光源として用いる。光てこ用レ
ーザーにより発生した光の一部をハーフミラー５５によ
り反射させ、支持基板３上に位置調整されて固定された
ポジションセンサーダイオードからなるディテクタ５６
に入射させる。このことにより、カンチレバー１０の縦
方向の駆動量を測定する。

【００９２】図６を用い、第２の実施の形態におけるカ
ンチレバーの駆動方法とその駆動量の検出方法を説明す
る。図６（ａ）は第１の実施の形態と同じ原理により、
２軸平行ばね１によりカンチレバー１０が水平方向に駆
動させる様子を示したものである。図６（ｂ）は第２の
実施の形態の、カンチレバー１０を縦方向に駆動する方
法とその検出方法を示す斜視図である。図６において、
５７は縦方向駆動用積層型圧電素子により加えられる
力、５８、５９はハーフミラー５５による光の反射方向
を示す。

【００９３】矢印５７の方向に圧電素子からの駆動力が
回転力伝達部５３に作用すると、２つのねじれ板部５
１、５２がそれぞれ内側にねじれを起こす。そのねじれ
により縦方向回転駆動機構の自由端部分が傾きを起こ
す。そのことによりその先端に固定された２軸平行ばね
１とカンチレバー１０は２点鎖線に示す状態に傾き、縦
方向に駆動される。なお、その駆動の軌跡は円弧となる
が、その駆動量が小さいため、直線と近似できる。

【００９４】また、その駆動量の検出は、以下のように
行われる。ハーフミラー５５に入射するカンチレバーの
撓み検出のための光てこ用レーザー（図示せず）からの
レーザー光の一部はハーフミラー５５により反射され実
線矢印５８の方向に反射される。ここでカンチレバー１
０が縦方向回転駆動機構により駆動されるとハーフミラ
ー５５も傾きが変化する。そのハーフミラー５５により
反射されたレーザーは点線矢印５９の向きに光軸が動
く。その動きをポジションセンサーダイオードを用いた
ディテクタで検出することにより、カンチレバー１０の
縦方向の駆動量を測定することができる。

【００９５】次に、図７を用いて、本発明の第３の実施
の形態におけるカンチレバーの駆動方法とその駆動量の
検出方法を説明する。図７は、本発明の第３の実施の形
態によるプローブ駆動装置を示す斜視図である。図７に
おいて、６０はポジションセンサーダイオードを使用し
たディテクタである。

【００９６】本実施の形態が、前記第１及び第２の実施
の形態と異なる点は、まず初めに、カンチレバー１０の
縦方向の駆動方法である。本実施の形態では、第１の実
施例と同じく縦方向平行ばね２を使用するが、第１の実
施例と異なる点は、その縦方向平行ばね２が、２軸平行
ばね１の先端（自由端）に設けられている点である。

【００９７】すなわち、本実施の形態においては、積層
型圧電素子４、５によって、２軸平行ばね１が変形さ
れ、その自由端に取付けられている縦方向平行ばね２
（とカンチレバー１０）のＸ−Ｙ軸位置がまず決定され
る。そして、縦方向平行ばね２の変位によって、カンチ
レバー１０のＺ軸方向位置が決定される。

【００９８】本実施の形態が、前記第１及び第２の実施
の形態と異なるもう一つの点は、カンチレバー１０の縦
方向の変位の検出法である。本実施の形態においては、
第２の実施の形態と同じく、縦方向駆動量の検出用の光
源として新たな光源は使わず、原子間力顕微鏡用にカン
チレバー１０上部に設けられたレーザー１１を光源とし
て用いる。ただ第２の実施例と異なる点は、縦方向駆動
量の検出用のディテクタ６０が支持基板３ではなく、２
軸平行ばね１側面に設けられている点である。

【００９９】次に、第３の実施の形態で使用される縦方
向平行ばね２の駆動の原理を図８、９を用いて説明す
る。図８は縦方向平行ばねの実施の形態の一例を示して
いる。図８において、６１〜６４は曲げ剛性の高い部
材、６５〜６８はヒンジ部、６９、７０は突起部であ
る。

【０１００】縦方向平行ばね２は、部材６１〜６４が長
方形の枠を形成するように繋がって構成され、その４角
の接続部には、曲げ剛性の小さいヒンジ部６５〜６８が
形成されている。部材６１と部材６３はそれぞれ突起部
６９、７０を有し、これら突起部６９、７０間に積層型
圧電素子６が挟持されている。

【０１０１】積層型圧電素子６が、（ｂ）に示す矢印の
方向に伸長すると、（ｂ）に示すように縦方向平行ばね
２が変形し、その変位端に設けられたカンチレバー１０
は縦方向に駆動される。

【０１０２】図９は、縦方向平行ばねの他の実施の形態
を示すもので、請求項１１に対応する実施の形態であ
る。図９において、７１〜７４は曲げ剛性の高い部材、
７５〜７８はヒンジ部、７９突起部である。

【０１０３】縦方向平行ばね２は、部材７１〜７４が長
方形の枠を形成するように繋がって構成され、その４角
の接続部には、曲げ剛性の小さいヒンジ部７５〜７８が
形成されている。部材７１はそれぞれ突起部７９を有
し、突起部７９と部材７２間に積層型圧電素子６が挟持
されている。

【０１０４】積層型圧電素子６が（ｂ）に示す矢印の方
向に伸長すると、縦方向平行ばね２が（ｂ）に示すよう
に変形し、その変位端に設けられたカンチレバー１０は
縦方向に駆動される。

【０１０５】この実施の形態は、積層型圧電素子が横向
きに設置されているところに特徴を有する。すなわち、
縦方向に大きな変位を必要とする場合、当然変位量の大
きな圧電素子を使うこととなる。このような場合に、図
８に示すような実施の形態では、縦方向平行ばねの高さ
が高くなってしまい、光学顕微鏡の先端に取付けて、試
料とカンチレバーの位置合わせを行うことが難しくな
る。

【０１０６】図９に示す縦方向平行ばね２では、積層型
圧電素子６は横向きで挿入されており、周囲の縦方向平
行ばね２を構成する部材が、積層型圧電素子６の横方向
の駆動力を縦方向の変位に変換している。よって、図９
に示した実施の形態によれば、縦方向の高さを高くしな
くて済むので、光学顕微鏡の先端への取付が容易にな
る。

【０１０７】第３の実施の形態における縦横方向のカン
チレバーの駆動量の検出方法は第１、第２の実施例と同
様であるため、説明を省略する。

【０１０８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１にかかる
発明においては、プローブ又は試料を前記変位部材の自
由端に結合して前記変位部材を変形させることにより、
プローブ又は試料を２次元平面内で移動させるようにし
ているので、全体としての高さを低いものとし、光学顕
微鏡の先端に取りつけ可能なものとすることができる。
また、変形部材は剛性の高い物で構成することができる
ので、機械的な共振周波数を高くして高速な走査を実施
することができる。さらに、変形部材と各駆動力発生装
置は当接しているだけであり、機械的な結合をしていな
いので、各駆動力発生装置の質量が、プローブ又は材料
の第３の方向への移動に対して慣性力を発生することが
無く、この点においても、機械的な共振周波数を高くし
て高速な走査を実施することができる。

【０１０９】請求項２に係る発明においては、一つの変
形部材を媒介として、第１の駆動力発生装置と第２の駆
動力発生装置により、プローブ又は試料を別々の方向に
移動させることができる。

【０１１０】請求項３に係る発明においては、第１の駆
動力発生手段の単位量の伸縮によって生じるプローブ又
は試料の移動量と、第２の駆動力発生手段の単位量の伸
縮によって生じるプローブ又は試料の移動量とを同じに
することができる。

【０１１１】請求項４に係る発明においては、Ｘ方向の
駆動とＹ方向の駆動を干渉なく行わせることができる。

【０１１２】請求項５に係る発明については、プローブ
又は試料を３次元的に動作させることができる。また、
第３の方向の移動に対しても、機械的な共振点を高くす
ることができ、第３の方向に対しても、プローブ又は材
料を高速で走査させることができる。

【０１１３】請求項６に係る発明においては、第２の変
位部材を剛性の高い材料で構成することにより、機械振
動の共振周波数を高くすることができ、Ｚ軸方向の走査
を高速で行うことが可能となる。

【０１１４】請求項７に係る発明においても、第２の変
位部材を剛性の高い材料で構成することにより、機械振
動の共振周波数を高くすることができ、Ｚ軸方向の走査
を高速で行うことが可能となる。

【０１１５】請求項８に係る発明においては、簡単な構
成で、Ｚ軸方向へのプローブ又は試料の移動を行わせる
ことができる。

【０１１６】請求項９に係る発明においては、第３の駆
動力発生装置の伸縮により、プローブ又は試料を正確に
Ｚ方向に移動させることができる。

【０１１７】請求項１０に係る発明においては、Ｚ方向
走査の際の機械的な共振点が高くなり、Ｚ方向走査速度
を速めることができる。また、Ｘ−Ｙ方向の移動とＺ方
向の移動の干渉を完全に無くすることができる。

【０１１８】請求項１１に係る発明においては、剛性の
高い材料で枠を構成することにより、機械的共振周波数
を高くし、走査速度を上げることができる。

【０１１９】請求項１２に係る発明においては、第３の
駆動力発生装置もＸ−Ｙ平面上に置くことができ、Ｚ軸
方向の高さを低く抑えることができる。

【０１２０】請求項１３に係る発明、請求項第１４に係
る発明においては、変位の測定機構として変位部材（第
１の変位部材）に取付けられるものは、反射部材のみで
あるので、当該変位部材の質量が増えることがなく、従
って機械系の共振周波数が低くなることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態であるプローブ駆動
装置を示す図である。

【図２】プローブ駆動装置の駆動原理を示す図である。

【図３】２軸平行ばねの制約と、制約の解消方法を示す
図である。

【図４】カンチレバーを縦方向に駆動し、駆動量を検出
する方法を示す図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態であるプローブ駆動
装置を示す図である。

【図６】カンチレバーの駆動方法とその駆動量の検出方
法を説明する図である。

【図７】本発明の第３の実施の形態であるプローブ駆動
装置を示す図である。

【図８】縦方向平行ばねの実施の形態の一例を示す図で
ある。

【図９】縦方向平行ばねの実施の形態の他の例をを示す
図である。

【図１０】従来のチューブ型駆動装置の一例を示す図で
ある。

【図１１】従来のトライポット型駆動装置の一例を示す
図である。

【符号の説明】

１…２軸平行ばね、２…縦方向平行ばね、３…支持基
材、４〜６…積層型圧電素子、７…光源、８…ミラー、
９…ディテクタ、１０…カンチレバー、１１…投光器、
１２…ディテクタ、１３…マイクロメータ、２１〜２４
…曲げ剛性の強い部材、２５〜２９…ヒンジ部、３０…
２軸平行ばねの固定端、３１…積層型圧電素子によって
発生する力の方向、３２…カンチレバーの移動方向、３
３…入射光、３４…反射光、３５…部材の移動方向、３
６…突起、３７…縦方向駆動用圧電素子からの駆動力の
方向、３８…突起部の移動方向、３９…カンチレバーの
移動方向、４０…入射光、４１…反射光、５１、５２…
ねじれ板部、５３…回転力伝達部、５４…圧電素子支持
体、５５…ハーフミラー、５６…ディテクタ、５７…縦
方向駆動用積層型圧電素子により加えられる力の方向、
５８、５９…ハーフミラーよる光の反射方向、６０…デ
ィテクタ、６１〜６４…曲げ剛性の高い部材、６５〜６
８…ヒンジ部、６９、７０…突起部、７１〜７４…曲げ
剛性の高い部材、７５〜７８…ヒンジ部、７９…突起部

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の駆動力発生装置と第２の駆動力発
   生装置の伸縮によって、プローブ又は試料を２次元平面
   内で移動させるブローブ又は試料の駆動装置において、 前記第１の駆動力発生装置及び前記第２の駆動力発生装
   置に直接又は間接的に当接し、それらの伸縮によって変
   形する変形部材を有し、 前記変形部材は、前記変形によっては移動しない固定端
   と、前記変形によって移動する自由端とを有し、 プローブ又は試料を前記変位部材の自由端に結合して前
   記変位部材を変形させることにより、プローブ又は試料
   を２次元平面内で移動させることを特徴とするプローブ
   又は試料の駆動装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のプローブ又は試料の駆
   動装置であって、前記変位部材は、少なくとも４つの曲
   げ剛性の高い部材を互いに折れ曲がって結合することに
   より枠が形成される形状を有し、当該曲げ剛性の高い部
   材同士が結合されている部分は、曲げ剛性の低い部分で
   あって、前記第１の駆動力発生装置及び前記第２の駆動
   力発生装置は、前記固定端に近い２つの部材にそれぞれ
   直接又は間接的に当接していることを特徴とするプロー
   ブ又は試料の駆動装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載のプローブ
   又は試料の駆動装置であって、前記変位部材は、前記固
   定端の中心と前記自由端の中心とを結ぶ直線に対して対
   称に形成され、前記第１の駆動力発生装置と前記第２の
   駆動力発生装置が前記変位部材に対して当接している位
   置が、前記直線に対して対称位置であることを特徴とす
   るプローブ又は試料の駆動装置。
4. 【請求項４】 請求項２又は請求項３に記載のプローブ
   又は試料の駆動装置であって、前記曲げ剛性の低い部分
   のうち、固定端に近いものの曲げ剛性は、その他のもの
   より曲げ剛性が高いことを特徴とするプローブ又は試料
   の駆動装置。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４のうちいずれか１
   項に記載のプローブ又は試料の駆動装置であって、伸縮
   によってプローブ又は試料を前記２次元平面内の方向と
   は異なる方向に移動させる第３の駆動力発生装置を設
   け、プローブ又は試料を３次元的に移動させることを特
   徴とするプローブ又は試料の駆動装置。
6. 【請求項６】 請求項１から請求項５のうちいずれか１
   項に記載のプローブ又は試料の駆動装置であって、前記
   変位部材（第１の変位部材）は、前記２次元平面内の方
   向と異なる方向に変位する第２の変位部材によって支持
   され、前記第２の変形部材は、前記第３の駆動力発生装
   置の伸縮によって変位することを特徴とするプローブ又
   は試料の駆動装置。
7. 【請求項７】 請求項６に記載のプローブ又は試料の駆
   動装置であって、前記第２の変位部材は、４つの曲げ剛
   性の高い部材を互いに折れ曲がって結合することにより
   略矩形の枠が形成される形状を有し、当該曲げ剛性の高
   い部材同士が結合されている部分は、曲げ剛性の低い部
   分であって、前記第３の駆動力発生装置は、前記４つの
   曲げ剛性の高い部材のうち、前記固定端に近い一つの部
   材に直接又は間接的に当接していることを特徴とするプ
   ローブ又は試料の駆動装置。
8. 【請求項８】 請求項６に記載のプローブ又は試料の駆
   動装置であって、前記第２の変位部材は、前記第３の駆
   動力発生装置から力が印加される方向に広い幅を持ち、
   厚さが薄い２枚の部材を２方向からそれぞれ前記第１の
   変位部材に結合して構成され、前記第３の駆動力発生装
   置の伸縮に応じて前記２枚の部材が捩じれることによ
   り、プローブ又は試料を前記第３の方向に移動させるも
   のであることを特徴とするプローブ又は試料の駆動装
   置。
9. 【請求項９】 請求項８に記載のプローブ又は試料の駆
   動装置であって、前記第２の変位部材は、前記第１の変
   位部材の、固定端の中心と自由端の中心とを結ぶ直線に
   対して対称に形成されており、前記第３の駆動力発生装
   置の力の作用点が、対称軸上にあることを特徴とするプ
   ローブ又は試料の駆動装置。
10. 【請求項１０】 第１の駆動力発生装置と、第２の駆動
    力発生装置の伸縮によって、プローブ又は試料を２次元
    平面内で移動させ、第３の駆動力発生装置の伸縮によっ
    て、プローブ又は試料を前記２次元平面内の方向とは異
    なる第３の方向に移動させるブローブ又は試料の駆動装
    置において、 前記第１の駆動力発生装置と前記第２の駆動力発生装置
    の伸縮によっては移動しない固定端と、前記第１の駆動
    力発生装置と前記第２の駆動力発生装置の伸縮によって
    移動する自由端とを有する第１の変位部材と、 前記第１の変位部材の自由端に設置され、前記第３の駆
    動力発生装置の伸縮によっては移動しない固定端と、前
    記第３の駆動力発生装置の伸縮により移動する自由端と
    を有する第２の変位部材とを有し、 前記第１の変位部材を変形させることにより、前記第２
    の変位部材を２次元平面内に移動させ、 前記第３の駆動力発生装置によって前記第２の変位部材
    を前記２次元平面内の方向とは異なる方向に変位させ、 前記第２の変位部材の自由端に結合されたプローブ又は
    試料を３次元空間で移動させることを特徴とするプロー
    ブ又は試料の駆動装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０に記載のプローブ又は試料
    の駆動装置であって、前記第２の変位部材は、４つの曲
    げ剛性の高い部材を互いに折れ曲がって結合することに
    より略矩形の枠が形成される形状を有し、当該曲げ剛性
    の高い部材のが結合されている部分は、曲げ剛性の低い
    部分であって、前記第３の駆動力発生装置は、前記４つ
    の曲げ剛性の高い部材のうち、前記固定端に近い一つの
    部材に直接又は間接的に当接していることを特徴とする
    プローブ又は試料の駆動装置。
12. 【請求項１２】 請求項１１に記載のプローブ又は試料
    の駆動装置であって、前記第２の変位部材は、前記固定
    端に接続されている２つの剛性の高い部材のうち一つが
    内側に突起部を有し、 当該突起部と、前記固定端に接続されている２つの剛性
    の高い部材のうち突起部を有さない部材の間に、 前記第３の駆動力発生装置が設けられていることを特徴
    とするプローブ又は試料の駆動装置。
13. 【請求項１３】 請求項２から請求項９又は請求項１
    １、請求項１２のうちいずれか１項に記載のプローブ又
    は試料の駆動装置であって、前記変位部材（第１の変位
    部材）の固定端に近い剛性の高い部材に反射部材を設
    け、前記反射部材に光を照射して反射角度の変化を検知
    することにより、前記変位部材（第１の変位部材）の変
    位を測定する機構を設けたことを特徴とするプローブ又
    は試料の駆動装置。
14. 【請求項１４】 請求項７、請求項１１、請求項１２の
    うちいずれか１項にい記載のプローブ又は試料の駆動装
    置であって、前記第２の変位部材の固定端に近い剛性の
    高い部材に反射部材を設け、前記反射部材に光を照射し
    て反射角度の変化を検知することにより、第２の変位部
    材の変位を測定する機構を設けたことを特徴とするプロ
    ーブ又は試料の駆動装置。