JP2006308363A - 走査機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ビデオレート以上の高速での画像取得を可能にする走査型プローブ顕微鏡用走査機構を提供する。
【解決手段】走査型プローブ顕微鏡用走査機構は、可動部４とＸＹ弾性部材とＺ弾性部材７Ａと７Ｂと固定部５とからなるＸＹステージと、ＸＹステージが固定される固定台１と、可動部４をＸ方向に移動させるためのＸ圧電体２Ａと、可動部４をＹ方向に移動させるためのＹ圧電体と、可動部４の上面に固定された基板１１と、基板１１の上面に固定された、移動対象物をＺ方向に移動させるＺ圧電体３と、可動部４とＸ圧電体２ＡとＹ圧電体のほとんどを覆うカバー９と、Ｚ圧電体３の周囲の可動部４とカバー９の間に設けられたダンピング部材１０とを備え、Ｚ圧電体３の上端がカバー９の上面よりも高い位置に位置している。
【選択図】図２

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡用走査機構に関わる。

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付けて圧痕をつけ、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ーなどもこのＳＰＭのひとつに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。

走査型プローブ顕微鏡は、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にフィードバック制御している。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各方向のなかでは最も高い周波数での動きとなる。

従来の走査型プローブ顕微鏡では、走査機構走査速度の制限から１枚の観察像を取得するのに数分の時間を必要としていた。しかし、近年、観察像取得の高速化が望まれるなか、特開２００４−３３３３３５号公報は、１秒間に数枚の観察像を取得することを可能にする走査機構を開示している。この走査機構では、ＸＹ走査のために移動される可動部に、Ｚ走査に使用されるＺアクチュエーターが固定されている。Ｚアクチュエーターは積層圧電体であり、長さは３〜５［ｍｍ］程度で、共振周波数は１４０［ｋＨｚ］程度である。

さらに特開２００４−３３３３３５号公報は、この走査機構に、不所望な振動を抑えるためにダンパーを付加した構成も開示している。具体的には、Ｚアクチュエーターが通る開口を有するカバーを可動部の上方に配置し、Ｚアクチュエーターの周囲のカバーと可動部の間にダンピング部材を設けている。
特開２００４−３３３３３５号公報

しかし、１秒間に数枚の画像取得は観察対象の動きや反応を調べるためには十分な速度とは言えず、ビデオレート以上の１秒間に数十枚の画像取得が望まれている。このとき、Ｚアクチュエーターに要求される共振周波数は３００［ｋＨｚ］以上であり、これを達成する積層圧電体の長さは３［ｍｍ］以下となる。この長さの積層圧電体を前述の特開２００４−３３３３３５号公報のダンパー付き走査機構に適用すると、短いために積層圧電体がカバーの中に埋もれてしまい、カンチレバーを観察試料に近づけるのが困難になる。

本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、ビデオレート以上の高速での画像取得を可能にする走査型プローブ顕微鏡用走査機構を提供することである。

本発明による走査型プローブ顕微鏡用走査機構は、可動部と、前記可動部をＸ方向に移動させるＸアクチュエーターと、前記可動部をＹ方向に移動させるＹアクチュエーターと、前記可動部の上面に固定された基板と、前記基板の上面に固定された、移動対象物をＺ方向に移動させるＺアクチュエーターと、前記可動部と前記Ｘアクチュエーターと前記Ｙアクチュエーターのほとんどを覆うカバーと、前記Ｚアクチュエーターの周囲の前記可動部と前記カバーの間に設けられたダンピング部材とを備え、前記Ｚアクチュエーターの上端が前記カバーの上面よりも高い位置に位置している。

本発明によれば、ビデオレート以上の高速での画像取得を可能にする走査型プローブ顕微鏡用走査機構が提供される。

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。

＜第一実施形態＞
第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構について図１と図２と図３を参照して説明する。図１は本実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構の平面図、図２は図１の走査型プローブ顕微鏡用走査機構のII-II線に沿った断面図、図３はカバーと樹脂材を取り除いた平面図である。

走査機構は、可動部４を有するＸＹステージと、ＸＹステージを収容した固定台１と、可動部４をＸ方向に移動させるＸアクチュエーターであるＸ圧電体２Ａと、可動部４をＹ方向に移動させるＹアクチュエーターであるＹ圧電体２Ｂとを備えている。

ＸＹステージは固定台１の中に接着またはねじ締結によって固定されている。ＸＹステージは可動部４とＸＹ弾性部材６Ａと６Ｂと６Ｃと６ＤとＺ弾性部材７Ａと７Ｂと７Ｃと７Ｄと固定部５とからなる。可動部４は、Ｚ弾性部材７Ａ〜７Ｄにより固定部５と接続されている。Ｚ弾性部材７Ａ〜７Ｄは可動部４をＺ方向に関して高い剛性をもって支持している。Ｚ弾性部材７Ａ〜７Ｄの配置位置は可動部４の中心からほぼ等距離であり、可動部４の重心は可動部４のほぼ中心に位置している。可動部４は、ＸＹ弾性部材６Ａ〜６Ｄにより固定部５と接続されている。ＸＹ弾性部材６Ａ〜６Ｄは可動部４をＸＹ方向に関して剛性をもって支持している。ＸＹ弾性部材６Ａ〜６ＤはＸＹ各駆動軸に対して対称に配置されている。ＸＹ弾性部材６Ａと６ＣはＸ軸上に配置され、ＸＹ弾性部材６Ｂと６ＤはＹ軸上に配置されている。また、ＸＹ弾性部材６ＡにはＸ圧電体２Ａを当接させる押圧部８Ａが設けられており、ＸＹ弾性部材６ＢにはＹ圧電体２Ｂを当接させる押圧部８Ｂが設けられている。

ＸＹステージは一体の部品から切り出されたものであり、例えばアルミニウムなどの材料でできている。ＸＹステージを固定している固定台１はＸＹステージと同じ質材であってもよいが、好ましくは、ステンレス鋼などのようにアルミニウムよりもヤング率の高い材料で作られているとよい。

Ｘ圧電体２Ａの一端は押圧部８Ａに当接しており、他端は固定台１に固定されている。Ｘ圧電体２ＡはＸ軸に沿って所定の予圧がかかるように配置されており、Ｘ圧電体２Ａの中心線は可動部４のほぼ重心を通っている。また、Ｙ圧電体２Ｂの一端は押圧部８Ｂに当接しており、他端は固定台１に固定されている。Ｙ圧電体２ＢはＹ軸に沿って所定の予圧がかかるように配置されており、Ｙ圧電体２Ｂの中心線は可動部４のほぼ重心を通っている。

走査機構はさらに、可動部４の上面に固定された所定の厚さの基板１１と、移動対象物をＺ方向に移動させるＺアクチュエーターであるＺ圧電体３と、可動部４とＸ圧電体２ＡとＹ圧電体２Ｂのほとんどを覆うカバー９と、Ｚ圧電体３の周囲の可動部４とカバー９の間に設けられたダンピング部材１０とを備えている。

カバー９は中央に開口を有し、ＸＹステージを覆うようにして固定台１に固定されている。基板１１は円錐台形状をしており、可動部４の上面に固定されている。基板１１は可動部４と一体構造であっても構わない。Ｚ圧電体３は基板１１の上面に固定されている。Ｚ圧電体３はカバー９の開口を通って延びており、Ｚ圧電体３の上端はカバー９の上面よりも高い位置に位置している。また、Ｚ圧電体３の中心線は可動部４のほぼ重心を通っている。Ｚ圧電体３の上端に移動対象物すなわち試料を保持した試料台が保持される。ダンピング部材１０は減衰力の大きい例えばゲルのような樹脂材からなる。

次に作用について説明する。例えば移動対象物をＸ方向へ変位させる場合について説明する。可動部４をＸ方向に駆動する場合にはＸ圧電体２Ａに電圧を印加して伸縮させる。Ｘ圧電体２Ａの一端は固定台１に固定されているため、Ｘ圧電体２Ａが変位することにより他端に当接された押圧部８Ａが変位する。この変位はＸＹ弾性部材６Ａに伝わるが、ＸＹ弾性部材６ＡのＸ軸に平行に延びた薄板ばね部分はＸ方向剛性が高いため、変位は可動部４へ伝達される。このとき、Ｙ軸に対して対称な位置に配置されたＸ軸上のＸＹ弾性部材６Ｃは、Ｙ軸に平行に延びた薄板ばね部のＸ方向剛性が低いため、可動部４の変位を妨げない。また、Ｙ軸上に配置されたＸＹ弾性部材６Ｂと６ＤのＹ軸に平行に延びた薄板ばね部はＸ方向の剛性が低いため、これらも可動部４の変位を妨げない。さらに、可動部４のＺ方向を高剛性に支持するＺ弾性部材７Ａ〜７ＤはＸＹ方向の剛性が低いため可動部４の変位を妨げない。このため、Ｘ圧電体２Ａの伸縮に応じて可動部４はＸ方向に変位する。

可動部４がＸ方向に移動する場合、駆動軸に対してＸＹ弾性部材６Ａ〜６Ｄが対称に配置されているため、ＸＹ平面内において回転動作することなく直線的に変位する。また、可動部４がＸ方向に移動する場合、その下面に設けられたＺ弾性部材７Ａ〜７Ｄが平行板ばねとして作用するため、可動部４の上面は傾くことなく水平に移動する。さらに、圧電体の中心を通り駆動方向へ延びる駆動力線が可動部重心を通っているため、可動部４が高速で移動した場合においても慣性力による回転モーメントが発生しにくく、回転動作なく高精度に変位する。

また、Ｘ圧電体２Ａが変位すると、ＸＹ弾性部材６Ａの変形に伴う反作用力が固定台１のＸ圧電体２Ａを固定している部位に作用する。しかし、固定台１はヤング率の高い材質で作られており、Ｘ圧電体２Ａの固定部分の変形が少ないため、Ｘ圧電体２Ａの変位のほとんどは押圧部８Ａへ伝えられる。

Ｙ方向への移動に関してもＸ方向と同様のことが言える。

移動対象物をＺ方向に移動させる場合はＺ圧電体３に電圧を印加して伸縮させる。

実際にＡＦＭ観察像を取得するためには、Ｚ圧電体３の上端に試料台を介して固定された観察試料にカンチレバーを近づける。この場合、Ｚ圧電体３の上端がカバー９上面よりも高い位置に位置するため、カンチレバーを容易に近づけることができる。

また、可動部４に不要な振動が発生したとしても、減衰力の大きなダンピング部材１０により振動は速やかに減衰される。

基板１１は、円錐台形状をしているためＸＹ平面内で生じるどの方向の外力や慣性力に対しても等しく高い剛性を有している。このため、可動部４をＸ方向Ｙ方向のいずれかの方向に高速に走査して大きな慣性力が生じてもＺ圧電体３は傾くことなく可動部４の移動に追従性良く移動する。

＜第二実施形態＞
第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構について図４と図５を参照して説明する。図４は本実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構の平面図、図５は図４の走査型プローブ顕微鏡用走査機構のV-V線に沿った断面図である。図４と図５において、図１〜図３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。以下、第一実施形態との相違部分に重点を置いて説明する。

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構の構成に加えて、振動の発生を抑える制振用アクチュエーターである圧電体１２をさらに備えている。圧電体１２はＺ圧電体３と同じ構造体であり、可動部４の下面に固定されている。圧電体１２の中心線は可動部４のほぼ重心を通っている。

移動対象物をＺ方向に移動させるためにＺ圧電体３に電圧を印加すると同時に圧電体１２に同じ電圧を印加する。Ｚ圧電体３と圧電体１２が変位する際に生じる慣性力は可動部４を振動させようとする。しかし、圧電体１２による慣性力はＺ圧電体３による慣性力と向きが逆でほぼ同じ大きさであるため、慣性力が互いに打ち消し合い、可動部４は振動しない。このため、振動の影響を受けず、きれいな観察像を得ることができる。

＜第三実施形態＞
第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構について図６と図７と図８を参照して説明する。図６は本実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構の平面図、図７は図６の走査型プローブ顕微鏡用走査機構のVII-VII線に沿った断面図、図８は図７に示された基板の断面斜視図である。図６〜図８において、図１〜図３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。以下、第一実施形態との相違部分に重点を置いて説明する。

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構の構成に加えて、振動の発生を抑える制振用アクチュエーターである圧電体１２をさらに備え、また基板１１に代えて基板１３を備えている。基板１３は円錐台形状で、中空部を有している。中空部は円錐台の底面に形成された円柱形状の凹部で構成されている。圧電体１２は基板１３の中空部の天井面に固定されている。このため、圧電体１２は基板１３の中空部の中に収まっていて外部に露出していない。圧電体１２はＺ圧電体３と同じ構造体であり、圧電体１２の中心線は可動部４のほぼ重心を通っている。

基板１３は、円錐台形状をしているためＸＹ平面内で生じるどの方向の外力や慣性力に対しても等しく高い剛性を有している。このため、可動部４をＸ方向Ｙ方向のいずれかの方向に高速に走査して大きな慣性力が生じてもＺ圧電体３は傾くことなく可動部４の移動に追従性良く移動する。

移動対象物をＺ方向に移動させるためにＺ圧電体３に電圧を印加すると同時に圧電体１２に同じ電圧を印加する。Ｚ圧電体３と圧電体１２が変位する際に生じる慣性力は可動部４を振動させようとする。しかし、圧電体１２による慣性力はＺ圧電体３による慣性力と向きが逆でほぼ同じ大きさであるため、慣性力が互いに打ち消し合い、可動部４は振動しない。このため、振動の影響を受けず、きれいな観察像を得ることができる。

＜第四実施形態＞
第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構について図９と図１０を参照して説明する。図９は本実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構の平面図、図１０は図９の走査型プローブ顕微鏡用走査機構のX-X線に沿った断面図である。図９と図１０において、図１〜図３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。以下、第一実施形態との相違部分に重点を置いて説明する。

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構の構成に加えて、振動の発生を抑える制振用アクチュエーターである圧電体１２をさらに備え、また基板１１に代えて基板１３を備えている。基板１３は円錐台形状で、中空部を有している。中空部は円錐台の底面に形成された円柱形状の凹部で構成されている。圧電体１２は可動部４の上面に固定されている。このため、圧電体１２は基板１３の中空部の中に収まっていて外部に露出していない。圧電体１２はＺ圧電体３と同じ構造体であり、圧電体１２の中心線は可動部４のほぼ重心を通っている。

基板１３は、円錐台形状をしているためＸＹ平面内で生じるどの方向の外力や慣性力に対しても等しく高い剛性を有している。このため、可動部４をＸ方向Ｙ方向のいずれかの方向に高速に走査して大きな慣性力が生じてもＺ圧電体３は傾くことなく可動部４の移動に追従性良く移動する。

移動対象物をＺ方向に移動させるためにＺ圧電体３に電圧を印加すると同時に圧電体１２に同じ大きさで逆位相の電圧を印加する。Ｚ圧電体３と圧電体１２が変位する際に生じる慣性力は可動部４を振動させようとする。しかし、圧電体１２による慣性力はＺ圧電体３による慣性力と向きが逆でほぼ同じ大きさであるため、慣性力が互いに打ち消し合い、可動部４は振動しない。このため、振動の影響を受けず、きれいな観察像を得ることができる。

＜第五実施形態＞
第五実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構について図１１と図１２を参照して説明する。図１１は本実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構の平面図、図１２は図１１の走査型プローブ顕微鏡用走査機構のXII-XII線に沿った断面図である。図１１と図１２において、第三実施形態の図６〜図８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。以下、第三実施形態との相違部分に重点を置いて説明する。

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構は、第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構の構成に加えて、Ｚ圧電体３の周囲を囲む円筒部材１４と、Ｚ圧電体３と円筒部材１４のすき間に充てんされた充てん材１５と、圧電体１２と基板１３のすき間に充てんされた充てん材１６とをさらに備えている。充てん材１５と充てん材１６は、これに限らないが、例えばシリコーンなどの樹脂である。

このため、観察試料が生体試料で液体を使用する場合でもＺ圧電体３と圧電体１２に液滴が付着することはなく、Ｚ圧電体３と圧電体１２の特性が劣化することはない。また、シリコーンなどの樹脂は振動の減衰効果が大きく、例えばＺ圧電体３と圧電体１２が共振しても振動を速やかに減衰させる。

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。

本発明の第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構の平面図である。 図１の走査型プローブ顕微鏡用走査機構のII-II線に沿った断面図である。 カバーと樹脂材を取り除いた平面図である。 本発明の第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構の平面図である。 図４の走査型プローブ顕微鏡用走査機構のV-V線に沿った断面図である。 本発明の第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構の平面図である。 図６の走査型プローブ顕微鏡用走査機構のVII-VII線に沿った断面図である。 図７に示された基板の断面斜視図である。 本発明の第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構の平面図である。 図９の走査型プローブ顕微鏡用走査機構のX-X線に沿った断面図である。 本発明の第五実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査機構の平面図である。 図１１の走査型プローブ顕微鏡用走査機構のXII-XII線に沿った断面図である。

符号の説明

１…固定台、２Ａ…Ｘ圧電体、２Ｂ…Ｙ圧電体、３…Ｚ圧電体、４…可動部、５…固定部、６Ａ…ＸＹ弾性部材、６Ｂ…ＸＹ弾性部材、６Ｃ…ＸＹ弾性部材、６Ｄ…ＸＹ弾性部材、７Ａ…Ｚ弾性部材、７Ｂ…Ｚ弾性部材、７Ｃ…Ｚ弾性部材、７Ｄ…Ｚ弾性部材、８Ａ…押圧部、８Ｂ…押圧部、９…カバー、１０…ダンピング部材、１１…基板、１２…圧電体、１３…基板、１４…円筒部材、１５…充てん材、１６…充てん材。

Claims (7)

1. 可動部と、
   前記可動部をＸ方向に移動させるＸアクチュエーターと、
   前記可動部をＹ方向に移動させるＹアクチュエーターと、
   前記可動部の上面に固定された基板と、
   前記基板の上面に固定された、移動対象物をＺ方向に移動させるＺアクチュエーターと、
   前記可動部と前記Ｘアクチュエーターと前記Ｙアクチュエーターのほとんどを覆うカバーと、
   前記Ｚアクチュエーターの周囲の前記可動部と前記カバーの間に設けられたダンピング部材とを備え、前記Ｚアクチュエーターの上端が前記カバーの上面よりも高い位置に位置している走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
2. 振動の発生を抑える制振用アクチュエーターをさらに備えている請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
3. 前記制振用アクチュエーターは可動部の下面に固定されている請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
4. 前記基板は中空部を有し、前記制振用アクチュエーターは前記基板の前記中空部の中に収められている請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
5. 前記制振用アクチュエーターが前記可動部に固定されている請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
6. 前記制振用アクチュエーターが前記基板に固定されている請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
7. 前記Ｚアクチュエーターの周囲を囲む円筒部材と、前記Ｚアクチュエーターと前記円筒部材のすき間に充てんされた充てん材と、前記制振用アクチュエーターと前記基板のすき間に充てんされた充てん材とをさらに備えている請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡用走査機構。

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