(57)【要約】【課題】走査範囲が狭まることを抑制しつつ走査速度を高める。【解決手段】ピエゾスキャナ(１２０)は、ケース(１４０)内に同軸状に配置され、底部(１４１)に第１端(１２８)が固定されている。試料ホルダ(１３０)は、ピエゾスキャナ(１２０)の第２端(１２９)に設けられている。少なくとも１つの弾性体(１５０)は、ピエゾスキャナ(１２０)および試料ホルダ(１３０)の少なくとも一方とケース(１４０)との間に挟まれるように配置されている。【選択図】図２
2020180858.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部および周壁部を有する有底筒状のケースと、
前記ケースの内側に配置されたアクチュエータと、
前記ケースと前記アクチュエータとの間に配置された少なくとも１つの弾性体と、
前記アクチュエータに対して相対的に走査するプローブとを備え、
前記アクチュエータは、円筒状のピエゾスキャナおよび試料ホルダを含み、
前記ピエゾスキャナは、軸方向の第１端および該第１端とは反対側の第２端、並びに、前記ピエゾスキャナが前記軸方向に変位するように電圧が印加される第１電極部、および、前記ピエゾスキャナが前記軸方向と直交する方向に変位するように電圧が印加される第２電極部を有し、
前記ピエゾスキャナは、前記ケース内に同軸状に配置され、前記底部に前記第１端が固定されており、
前記試料ホルダは、前記ピエゾスキャナの前記第２端に設けられており、
前記少なくとも１つの弾性体は、前記ピエゾスキャナおよび前記試料ホルダの少なくとも一方と前記ケースとの間に挟まれるように配置されている、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記少なくとも１つの弾性体は、Ｏリングである、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記第１電極部は、前記軸方向において、前記第２電極部より第２端側に位置しており、
前記少なくとも１つの弾性体は、前記周壁部の前記軸方向における底部側とは反対側の端部と接している、請求項１または請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記第１電極部は、前記軸方向において、前記第２電極部より第１端側に位置しており、
前記少なくとも１つの弾性体は、前記軸方向において前記第１電極部と前記第２電極部との間の位置にて、前記周壁部と接している、請求項１または請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記試料ホルダは、
試料を保持する平板部と、
前記平板部の縁から突出して、前記ケースの前記周壁部の前記軸方向における底部側とは反対側の端部を外側から囲む突出部とを含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡の構成を開示した先行文献として、国際公開第２０１５／１４０９９６号(特許文献１)がある。特許文献１に記載された走査型プローブ顕微鏡は、円筒形のピエゾスキャナと、ピエゾスキャナの上に設けられ、試料を保持する試料台と、試料の上方に配置されるプローブとを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１５／１４０９９６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
走査型プローブ顕微鏡には、走査範囲が狭まることを抑制しつつ走査速度を高めることが求められている。
【０００５】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであって、走査範囲が狭まることを抑制しつつ走査速度を高めることができる走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様に係る走査型プローブ顕微鏡は、有底筒状のケースと、アクチュエータと、少なくとも１つの弾性体と、プローブとを備える。ケースは、底部および周壁部を有する。アクチュエータは、ケースの内側に配置されている。少なくとも１つの弾性体は、ケースとアクチュエータとの間に配置されている。プローブは、アクチュエータに対して相対的に走査する。アクチュエータは、円筒状のピエゾスキャナおよび試料ホルダを含む。ピエゾスキャナは、軸方向の第１端および第１端とは反対側の第２端、並びに、ピエゾスキャナが上記軸方向に変位するように電圧が印加される第１電極部、および、ピエゾスキャナが上記軸方向と直交する方向に変位するように電圧が印加される第２電極部を有する。ピエゾスキャナは、ケース内に同軸状に配置され、上記底部に上記第１端が固定されている。試料ホルダは、ピエゾスキャナの第２端に設けられている。少なくとも１つの弾性体は、ピエゾスキャナおよび試料ホルダの少なくとも一方とケースとの間に挟まれるように配置されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、走査型プローブ顕微鏡において、走査範囲が狭まることを抑制しつつ走査速度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡の検出部の原理的構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニットの構成を示す部分断面図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニットの構成を示す部分断面図である。
【図４】本発明の実施形態２に係る走査型プローブ顕微鏡が備える試料ホルダの外観を示す側面図である。
【図５】本発明の実施形態３に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニットの構成を示す部分断面図である。
【図６】本発明の実施形態４に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニットの構成を示す部分断面図である。
【図７】図６のアクチュエータユニットをＶＩＩ−ＶＩＩ線矢印方向から見た図である。
【図８】本発明の実施形態５に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニットの構成を示す部分断面図である。
【図９】本発明の実施形態６に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニットの構成を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の各実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡について図を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
【００１０】
走査型プローブ顕微鏡は、プローブにより試料の表面を走査しながら試料との間の何らかの相互作用を検出することで、その試料表面について高い倍率の観察画像を取得することができる顕微鏡である。走査型プローブ顕微鏡には、プローブと試料との間に流れる電流を相互作用として検出する走査型トンネル顕微鏡(ＳＴＭ＝Scanning Tunneling Microscope)、および、プローブと試料との間に作用する原子間力を相互作用として検出する原子間力顕微鏡(ＡＦＭ＝Atomic Force Microscope)などがある。以下の実施形態の説明においては、走査型プローブ顕微鏡として原子間力顕微鏡について説明するが、走査型プローブ顕微鏡は、原子間力顕微鏡に限られず、走査型トンネル顕微鏡などのその他の走査型プローブ顕微鏡であってもよい。
【００１１】
(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡の検出部の原理的構成を示す図である。図１に示すように、本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡においては、観察対象である試料１０は、略円筒状であるピエゾスキャナ１２０の上に設けられた試料ホルダ１３０の上に保持される。ピエゾスキャナ１２０および試料ホルダ１３０は、アクチュエータ１１０に含まれている。ピエゾスキャナ１２０の後述の図２に示す中心軸Ｃ上に、試料ホルダ１３０の重心が位置している。
【００１２】
ピエゾスキャナ１２０は、ピエゾスキャナ１２０の軸方向に変位するように電圧が印加される第１電極部１２２、および、ピエゾスキャナ１２０が上記軸方向と直交する方向に変位するように電圧が印加される第２電極部１２３を有する。
【００１３】
具体的には、ピエゾスキャナ１２０は、ピエゾ素子１２１を含み、ピエゾ素子１２１の外周に第１電極部１２２および第２電極部１２３が配置されている。第２電極部１２３は、ピエゾスキャナ１２０がＸ軸方向に変位するように電圧が印加される一の電極部と、ピエゾスキャナ１２０がＹ軸方向に変位するように電圧が印加される他の電極部とを含む。
【００１４】
第１電極部１２２に電圧が印加されることにより、ピエゾ素子１２１が変形し、ピエゾスキャナ１２０がＺ軸方向に変位する。その結果、試料ホルダ１３０に保持されている試料１０が、Ｚ軸方向に変位する。
【００１５】
第２電極部１２３に電圧が印加されることにより、ピエゾ素子１２１が変形し、ピエゾスキャナ１２０がＸ軸方向およびＹ軸方向の２軸方向に変位する。その結果、試料ホルダ１３０に保持されている試料１０が、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の２軸方向に変位する。
【００１６】
試料１０の上方には、先端にプローブ２１を有するカンチレバー２０が配置される。カンチレバー２０に取り付けられた尖鋭なプローブ２１の先端を試料１０に対して数ｎｍ以下の間隙を有するように配置すると、プローブ２１の先端と試料１０の原子との間に原子間力が作用する。
【００１７】
この状態で、プローブ２１は、アクチュエータ１１０に対して相対的に走査する。具体的には、試料１０の表面に沿ってプローブ２１が試料１０に対してＸ−Ｙ平面内で相対的に走査するように、ピエゾスキャナ１２０をＸ軸方向およびＹ軸方向の２軸方向に変位させるとともに、上記原子間力を一定に保つようにプローブ２１の試料１０からのＺ軸方向の距離をフィードバック制御してピエゾスキャナ１２０をＺ軸方向に変位させる。このときのピエゾスキャナ１２０のＺ軸方向の変位量は、試料１０の表面の凹凸に応じたものとなる。よって、ピエゾスキャナ１２０のＸ軸方向およびＹ軸方向の２軸方向の変位量、並びに、ピエゾスキャナ１２０のＺ軸方向の変位量に基づいて、試料１０の表面の３次元画像を得ることができる。
【００１８】
図１に示すように、カンチレバー２０のＺ軸方向の変位を検出するために、カンチレバー２０の上部に測光部３０が設けられている。測光部３０は、レーザダイオード３１、レンズ３２、ビームスプリッタ３３、ミラー３４および光検出器３５を含む。
【００１９】
測光部３０においては、レーザダイオード３１から出射されてレンズ３２で集光されたレーザ光をビームスプリッタ３３で反射させて、カンチレバー２０の先端付近に照射する。そのレーザ光の反射光をミラー３４を介して光検出器３５で検出する。光検出器３５は、カンチレバー２０の変位方向であるＺ軸方向において複数に分割された受光面を有する。したがって、カンチレバー２０が上下に変位すると、複数の受光面に入射する光量の割合が変化するため、複数の受光面の各々における光量に応じた検出信号を演算処理することによって、カンチレバー２０の変位量を算出することができる。
【００２０】
以下、本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニットの構成について説明する。
【００２１】
図２は、本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニットの構成を示す部分断面図である。図２においては、試料ホルダ１３０、ケース１４０および弾性体１５０の各々は断面視にて示しており、ピエゾスキャナ１２０は側面視にて示している。
【００２２】
図２に示すように、本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニット１００は、有底筒状のケース１４０と、アクチュエータ１１０と、少なくとも１つの弾性体１５０とを備える。
【００２３】
ケース１４０は、円板状の底部１４１および円筒状の周壁部１４２を有する。アクチュエータ１１０は、ケース１４０の内側に配置されている。アクチュエータ１１０は、円筒状のピエゾスキャナ１２０および試料ホルダ１３０を含む。
【００２４】
ピエゾスキャナ１２０は、軸方向であるＺ軸方向の第１端１２８、および、第１端１２８とは反対側の第２端１２９を有する。ピエゾスキャナ１２０は、ケース１４０内にケース１４０と同軸状に配置され、ケース１４０の底部１４１に第１端１２８が固定されている。
【００２５】
上記のように、ピエゾスキャナ１２０は、円筒状のピエゾ素子１２１、ピエゾ素子１２１の外周に配置された、第１電極部１２２および第２電極部１２３を有する。本実施形態においては、第１電極部１２２は、Ｚ軸方向において、第２電極部１２３より第２端１２９側に位置している。ピエゾスキャナ１２０の第２端１２９は、閉塞している。
【００２６】
試料ホルダ１３０は、ピエゾスキャナ１２０の第２端１２９に設けられている。本実施形態においては、試料ホルダ１３０は、接続部１３１と平板部１３２とで構成されている。試料ホルダ１３０は、金属で構成されている。
【００２７】
接続部１３１は、ピエゾスキャナ１２０の軸方向に円柱状に延在しており、ピエゾスキャナ１２０の第２端１２９に接続されている。平板部１３２は、接続部１３１の第２端１２９側とは反対側に位置し、接続部１３１と同軸状の円板形状を有している。平板部１３２は、試料を保持する。
【００２８】
少なくとも１つの弾性体１５０は、ケース１４０とアクチュエータ１１０との間に配置されている。本実施形態においては、少なくとも１つの弾性体１５０として、１つのＯリングが、ピエゾスキャナ１２０とケース１４０との間に挟まれるように配置されている。具体的には、弾性体１５０は、ケース１４０の周壁部１４２のＺ軸方向における底部１４１側とは反対側の端部１４２ａの内周面と接している。なお、Ｏリングの数は、１つに限られず、複数でもよい。
【００２９】
本実施形態においては、弾性体１５０であるＯリングは、エラストマで構成されている。なお、弾性体１５０は、エラストマに限られず、ばねまたはゲルなどであってもよい。
【００３０】
以下、本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータ１１０の動作について説明する。
【００３１】
ピエゾスキャナ１２０をＺ軸方向に変位させる際には、第１電極部１２２に、カンチレバー２０のたわみによるプローブ２１のＺ軸方向の変位量からフィードバックされた電圧を印加する。ピエゾスキャナ１２０をＸ軸方向およびＹ軸方向の２軸方向に変位させる際には、第２電極部１２３に、走査型プローブ顕微鏡の使用者が設定したシークエンスに従って走査するように電圧を印加する。
【００３２】
本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡のアクチュエータユニット１００においては、ピエゾスキャナ１２０とケース１４０の周壁部１４２の端部１４２ａとの間に、高い反発弾性を有するエラストマで構成された弾性体１５０が挟まれるように配置されている。
【００３３】
ピエゾスキャナ１２０の第１端１２８は、ケース１４０の底部１４１に固定されており、ピエゾスキャナ１２０の第２端１２９は、弾性体１５０を介してケース１４０の周壁部１４２と接続されている。
【００３４】
弾性体１５０が高い反発弾性を有するエラストマで構成されていることにより、ピエゾスキャナ１２０の振動周波数が大きくなるにしたがって、エラストマが実質的に硬くなったような挙動を示す。
【００３５】
本実施形態に係るアクチュエータユニット１００においては、ピエゾスキャナ１２０の第２端１２９が弾性体１５０を介してケース１４０の周壁部１４２と接続されていることにより、アクチュエータ１１０の軸剛性が高くなっている。具体的には、ピエゾスキャナ１２０が軸方向の一方に変位する際、弾性体１５０には、ピエゾスキャナ１２０の変位方向の先方向きの引張荷重が作用する。逆に、ピエゾスキャナ１２０には、ピエゾスキャナ１２０の変位方向の後方向きの圧縮荷重が作用する。その結果、アクチュエータ１１０の軸剛性が高くなる。
【００３６】
アクチュエータ１１０の軸剛性が高くなることにより、アクチュエータ１１０の伸縮共振周波数は、弾性体１５０がアクチュエータユニット１００に設けられていない場合に比較して、高くなる。アクチュエータ１１０の伸縮共振周波数が高くなることにより、Ｚ軸方向の走査速度(応答速度)を高めることができる。なお、弾性体１５０は、ピエゾスキャナ１２０の変位に合わせて弾性変形するため、ピエゾスキャナ１２０のＺ軸方向の走査範囲が狭まることは抑制されている。
【００３７】
また、本実施形態に係るアクチュエータユニット１００においては、ピエゾスキャナ１２０の第２端１２９が弾性体１５０を介してケース１４０の周壁部１４２と接続されていることにより、アクチュエータ１１０の曲げ剛性が高くなっている。具体的には、ピエゾスキャナ１２０が径方向の一方に変位した際、ピエゾスキャナ１２０の変位方向の先方側に位置する弾性体１５０は圧縮荷重を受け、ピエゾスキャナ１２０の変位方向の後方側に位置する弾性体１５０は引張荷重を受ける。逆に、ピエゾスキャナ１２０は、ピエゾスキャナ１２０の変位方向の先方側に位置する弾性体１５０からピエゾスキャナ１２０の変位方向の後方向きの圧縮荷重を受けるとともに、ピエゾスキャナ１２０の変位方向の後方側に位置する弾性体１５０からピエゾスキャナ１２０の変位方向の後方向きの引張荷重を受ける。その結果、アクチュエータ１１０の曲げ剛性が高くなる。
【００３８】
アクチュエータ１１０の曲げ剛性が高くなることにより、アクチュエータ１１０の曲げ共振周波数は、弾性体１５０がアクチュエータユニット１００に設けられていない場合に比較して、高くなる。アクチュエータ１１０の曲げ共振周波数が高くなることにより、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の２軸方向の走査速度を高めることができる。なお、弾性体１５０は、ピエゾスキャナ１２０の変位に合わせて弾性変形するため、ピエゾスキャナ１２０のＸ軸方向およびＹ軸方向の２軸方向の走査範囲が狭まることは抑制されている。
【００３９】
本実施形態に係るアクチュエータユニット１００においては、ピエゾスキャナ１２０の第２端１２９が弾性体１５０を介してケース１４０の周壁部１４２と接続されていることにより、ピエゾスキャナ１２０とケース１４０との間を密封することができる。その結果、ピエゾスキャナ１２０とケース１４０との間に、水などが浸入することを抑制することができる。
【００４０】
本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡においては、少なくとも１つの弾性体１５０が、ピエゾスキャナ１２０とケース１４０との間に挟まれるように配置されていることにより、アクチュエータ１１０の共振周波数を高めて、ピエゾスキャナ１２０の走査範囲が狭まることを抑制しつつ走査速度を高めることができる。
【００４１】
本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡においては、弾性体１５０がＯリングであることにより、ピエゾスキャナ１２０とケース１４０との間に、水などが浸入することを抑制することができる。
【００４２】
本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡においては、第１電極部１２２が、Ｚ軸方向において、第２電極部１２３より第２端１２９側に位置しており、少なくとも１つの弾性体１５０が、周壁部１４２のＺ軸方向における底部１４１側とは反対側の端部１４２ａと接していることにより、ピエゾスキャナ１２０の曲げ剛性を効果的に高くすることができる。その結果、ピエゾスキャナ１２０のＺ軸方向の走査速度(応答速度)を高めつつ、ピエゾスキャナ１２０のＸ軸方向およびＹ軸方向の２軸方向の走査速度についても効果的に高めることができる。
【００４３】
(実施形態２)
本発明の実施形態２に係る走査型プローブ顕微鏡は、本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡とは、試料ホルダ２３０の形状および弾性体２５０を備える点のみ異なるため、本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡と同様の構成については説明を繰り返さない。
【００４４】
図３は、本発明の実施形態２に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニットの構成を示す部分断面図である。図４は、本発明の実施形態２に係る走査型プローブ顕微鏡が備える試料ホルダの外観を示す側面図である。図３においては、試料ホルダ２３０、ケース１４０、弾性体１５０および弾性体２５０の各々は断面視にて示しており、ピエゾスキャナ１２０は側面視にて示している。
【００４５】
図３および図４に示すように、本発明の実施形態２に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニット２００は、有底筒状のケース１４０と、アクチュエータ２１０と、弾性体１５０および弾性体２５０とを備える。
【００４６】
アクチュエータ２１０は、ケース１４０の内側に配置されている。アクチュエータ２１０は、円筒状のピエゾスキャナ１２０および試料ホルダ２３０を含む。
【００４７】
試料ホルダ２３０は、接続部１３１と、試料を保持する平板部１３２と、平板部１３２の縁から突出して、ケース１４０の周壁部１４２のＺ軸方向における底部１４１側とは反対側の端部１４２ａを外側から囲む突出部２３３とを含む。突出部２３３は、円筒状の形状を有している。
【００４８】
弾性体２５０は、Ｏリングである。弾性体２５０は、弾性体１５０と同様に、エラストマで構成されている。したがって、本発明の実施形態２においては、弾性体として、２つのＯリングを有している。
【００４９】
弾性体２５０は、ケース１４０とアクチュエータ１１０との間に配置されている。弾性体２５０は、ケース１４０の周壁部１４２のＺ軸方向における底部１４１側とは反対側の端部１４２ａの外周面と接している。
【００５０】
本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡のアクチュエータユニット２００においては、試料ホルダ２３０の突出部２３３と、ケース１４０の周壁部１４２の端部１４２ａとの間に、高い反発弾性を有するエラストマで構成された弾性体２５０が挟まれるように配置されている。
【００５１】
弾性体２５０も弾性体１５０と同様に、アクチュエータ２１０の軸剛性およびアクチュエータ２１０の曲げ剛性が高くすることができる。その結果、アクチュエータ２１０の伸縮共振周波数および曲げ共振周波数が高くすることができる。よって、アクチュエータ１１０のＺ軸方向の走査速度(応答速度)、並びに、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の２軸方向の走査速度を高めることができる。弾性体２５０は、ピエゾスキャナ１２０の変位に合わせて弾性変形するため、ピエゾスキャナ１２０のＺ軸方向の走査範囲、並びに、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の２軸方向の走査範囲が狭まることは抑制されている。
【００５２】
本実施形態に係るアクチュエータユニット２００においては、ピエゾスキャナ１２０の第２端１２９が弾性体２５０を介して試料ホルダ２３０の突出部２３３と接続されていることにより、試料ホルダ２３０とケース１４０との間を密封することができる。その結果、試料ホルダ２３０とケース１４０との間に、水などが浸入することを抑制することができる。
【００５３】
(実施形態３)
本発明の実施形態３に係る走査型プローブ顕微鏡は、本発明の実施形態２に係る走査型プローブ顕微鏡とは、弾性体１５０を備えない点のみ異なるため、本発明の実施形態２に係る走査型プローブ顕微鏡と同様の構成については説明を繰り返さない。
【００５４】
図５は、本発明の実施形態３に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニットの構成を示す部分断面図である。図５においては、試料ホルダ２３０、ケース１４０および弾性体２５０の各々は断面視にて示しており、ピエゾスキャナ１２０は側面視にて示している。
【００５５】
図５に示すように、本発明の実施形態３に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニット３００は、有底筒状のケース１４０と、アクチュエータ２１０と、弾性体２５０とを備える。
【００５６】
本発明の実施形態３に係る走査型プローブ顕微鏡においても、ピエゾスキャナ１２０の走査範囲が狭まることを抑制しつつ走査速度を高めることができる。
【００５７】
(実施形態４)
本発明の実施形態４に係る走査型プローブ顕微鏡は、本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡とは、弾性体の構成のみ異なるため、本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡と同様の構成については説明を繰り返さない。
【００５８】
図６は、本発明の実施形態４に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニットの構成を示す部分断面図である。図７は、図６のアクチュエータユニットをＶＩＩ−ＶＩＩ線矢印方向から見た図である。図６においては、試料ホルダ１３０およびケース１４０の各々は断面視にて示しており、ピエゾスキャナ１２０および弾性体４５０の各々は側面視にて示している。
【００５９】
図６および図７に示すように、本発明の実施形態３に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニット４００は、有底筒状のケース１４０と、アクチュエータ１１０と、弾性体４５０とを備える。
【００６０】
弾性体４５０は、ばねである。図７に示すように、本発明の実施形態４においては、弾性体として、８つのばねを有している。８つのばねは、ピエゾスキャナ１２０の外周に等間隔に配置されている。なお、ばねの数は、８つに限られず、少なくとも１つでよい。
【００６１】
本発明の実施形態４に係る走査型プローブ顕微鏡においても、ピエゾスキャナ１２０の走査範囲が狭まることを抑制しつつ走査速度を高めることができる。
【００６２】
(実施形態５)
本発明の実施形態５に係る走査型プローブ顕微鏡は、本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡とは、電極部および弾性体の配置のみ異なるため、本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡と同様の構成については説明を繰り返さない。
【００６３】
図８は、本発明の実施形態５に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニットの構成を示す部分断面図である。図８においては、試料ホルダ１３０、ケース１４０および弾性体１５０の各々は断面視にて示しており、ピエゾスキャナ１２０は側面視にて示している。
【００６４】
図８に示すように、本発明の実施形態５に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニット５００は、有底筒状のケース１４０と、アクチュエータ５１０と、弾性体１５０とを備える。
【００６５】
アクチュエータ５１０は、ケース１４０の内側に配置されている。アクチュエータ５１０は、円筒状のピエゾスキャナ５２０および試料ホルダ１３０を含む。
【００６６】
ピエゾスキャナ５２０は、円筒状のピエゾ素子１２１、ピエゾ素子１２１の外周に配置された、第１電極部１２２および第２電極部１２３を有する。本実施形態においては、第１電極部１２２は、Ｚ軸方向において、第２電極部１２３より第１端１２８側に位置している。ピエゾスキャナ５２０の第２端１２９は、閉塞している。
【００６７】
弾性体１５０は、Ｚ軸方向において第１電極部１２２と第２電極部１２３との間の位置にて、周壁部１４２の内周面と接している。
【００６８】
本発明の実施形態５に係る走査型プローブ顕微鏡においては、第１電極部１２２が、Ｚ軸方向において、第２電極部１２３より第１端１２８側に位置しており、弾性体１５０が、Ｚ軸方向において第１電極部１２２と第２電極部１２３との間の位置にて、周壁部１４２と接していることにより、ピエゾスキャナ１２０の第２端１２９は自由端となっている。その結果、本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡と比べて、ピエゾスキャナ１２０のＺ軸方向の走査速度(応答速度)は同等に高めつつ、ピエゾスキャナ１２０のＸ軸方向およびＹ軸方向の２軸方向の走査範囲を広く確保することができる。
【００６９】
(実施形態６)
本発明の実施形態６に係る走査型プローブ顕微鏡は、本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡とは、弾性体の構成のみ異なるため、本発明の実施形態１に係る走査型プローブ顕微鏡と同様の構成については説明を繰り返さない。
【００７０】
図９は、本発明の実施形態６に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニットの構成を示す部分断面図である。図９においては、試料ホルダ１３０およびケース１４０の各々は断面視にて示しており、ピエゾスキャナ１２０および弾性体６５０の各々は側面視にて示している。
【００７１】
図９に示すように、本発明の実施形態６に係る走査型プローブ顕微鏡が備えるアクチュエータユニット６００は、有底筒状のケース１４０と、アクチュエータ１１０と、弾性体６５０とを備える。
【００７２】
弾性体６５０は、らせん状に設けられたエラストマである。図９に示すように、本発明の実施形態６においては、弾性体として、１つのらせん状エラストマを有している。弾性体６５０は、ピエゾスキャナ１２０の外周にらせん状に配置されている。
【００７３】
本発明の実施形態４に係る走査型プローブ顕微鏡においては、弾性体６５０を介してピエゾスキャナ１２０とケース１４０とが、Ｚ軸方向において連続して接続されている。その結果、アクチュエータ１１０の軸剛性を効果的に高くすることができ、アクチュエータ１１０の伸縮共振周波数をより高くすることができる。よって、本発明の実施形態４に係る走査型プローブ顕微鏡においては、Ｚ軸方向の走査速度(応答速度)をより高めることができる。
【００７４】
(態様)
上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
【００７５】
(第１項)
一態様に係る走査型プローブ顕微鏡は、
底部(１４１)および周壁部(１４２)を有する有底筒状のケース(１４０)と、
前記ケース(１４０)の内側に配置されたアクチュエータ(１１０，２１０，５１０)と、
前記ケース(１４０)と前記アクチュエータ(１１０，２１０，５１０)との間に配置された少なくとも１つの弾性体(１５０，２５０，４５０，６５０)と、
前記アクチュエータ(１１０，２１０，５１０)に対して相対的に走査するプローブ(２１)とを備え、
前記アクチュエータ(１１０，２１０，５１０)は、円筒状のピエゾスキャナ(１２０，５２０)および試料ホルダ(１３０，２３０)を含み、
前記ピエゾスキャナ(１２０，５２０)は、軸方向の第１端(１２８)および該第１端(１２８)とは反対側の第２端(１２９)、並びに、前記ピエゾスキャナ(１２０，５２０)が前記軸方向に変位するように電圧が印加される第１電極部(１２２)、および、前記ピエゾスキャナ(１２０，５２０)が前記軸方向と直交する方向に変位するように電圧が印加される第２電極部(１２３)を有し、
前記ピエゾスキャナ(１２０，５２０)は、前記ケース(１４０)内に同軸状に配置され、前記底部(１４１)に前記第１端(１２８)が固定されており、
前記試料ホルダ(１３０，２３０)は、前記ピエゾスキャナ(１２０，５２０)の前記第２端(１２９)に設けられており、
前記少なくとも１つの弾性体(１５０，２５０，４５０，６５０)は、前記ピエゾスキャナ(１２０，５２０)および前記試料ホルダ(１３０，２３０)の少なくとも一方と前記ケース(１４０)との間に挟まれるように配置されている、走査型プローブ顕微鏡。
【００７６】
第１項に記載の走査型プローブ顕微鏡によれば、走査型プローブ顕微鏡において、走査範囲が狭まることを抑制しつつ走査速度を高めることができる。
【００７７】
(第２項)
第１項に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記少なくとも１つの弾性体は、Ｏリング(１５０，２５０)である。
【００７８】
第２項に記載の走査型プローブ顕微鏡によれば、ピエゾスキャナとケースとの間に、水などが浸入することを抑制することができる。
【００７９】
(第３項)
第１項または第２項に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記第１電極部(１２２)は、前記軸方向において、前記第２電極部(１２３)より第２端(１２９)側に位置しており、
前記少なくとも１つの弾性体(１５０，２５０，４５０)は、前記周壁部(１４２)の前記軸方向における底部(１４１)側とは反対側の端部(１４２ａ)と接している。
【００８０】
第３項に記載の走査型プローブ顕微鏡によれば、ピエゾスキャナの曲げ剛性を効果的に高くすることができ、ピエゾスキャナのＺ軸方向の走査速度(応答速度)を高めつつ、ピエゾスキャナのＸ軸方向およびＹ軸方向の２軸方向の走査速度についても効果的に高めることができる。
【００８１】
(第４項)
第１項または第２項に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記第１電極部(１２２)は、前記軸方向において、前記第２電極部(１２３)より第１端(１２８)側に位置しており、
前記少なくとも１つの弾性体(１５０)は、前記軸方向において前記第１電極部(１２２)と前記第２電極部(１２３)との間の位置にて、前記周壁部(１４２)と接している。
【００８２】
第４項に記載の走査型プローブ顕微鏡によれば、ピエゾスキャナのＺ軸方向の走査速度(応答速度)を高めつつ、ピエゾスキャナのＸ軸方向およびＹ軸方向の２軸方向の走査範囲を広く確保することができる。
【００８３】
(第５項)
第１項から第４項のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記試料ホルダ(２３０)は、
試料を保持する平板部(１３２)と、
前記平板部(１３２)の縁から突出して、前記ケース(１４０)の前記周壁部(１４２)の前記軸方向における底部(１４１)側とは反対側の端部(１４２ａ)を外側から囲む突出部(２３３)とを含む。
【００８４】
第５項に記載の走査型プローブ顕微鏡によれば、試料ホルダとケースとの間を密封することが可能になる。
【００８５】
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８６】
１０  試料、２０  カンチレバー、２１  プローブ、３０  測光部、３１  レーザダイオード、３２  レンズ、３３  ビームスプリッタ、３４  ミラー、３５  光検出器、１００，２００，３００，４００，５００，６００  アクチュエータユニット、１１０，２１０，５１０  アクチュエータ、１２０，５２０  ピエゾスキャナ、１２１  ピエゾ素子、１２２  第１電極部、１２３  第２電極部、１２８  第１端、１２９  第２端、１３０，２３０  試料ホルダ、１３１  接続部、１３２  平板部、１４０  ケース、１４１  底部、１４２  周壁部、１４２ａ  端部、１５０，２５０，４５０，６５０  弾性体、２３３  突出部、Ｃ  中心軸。 
【図１】
2020180858.tif 000003
【図２】
2020180858.tif 000004
【図３】
2020180858.tif 000005
【図４】
2020180858.tif 000006
【図５】
2020180858.tif 000007
【図６】
2020180858.tif 000008
【図７】
2020180858.tif 000009
【図８】
2020180858.tif 000010
【図９】
2020180858.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】令和1年10月16日(2019.10.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部および周壁部を有する有底筒状のケースと、
前記ケースの内側に配置されたアクチュエータと、
前記ケースと前記アクチュエータとの間に配置された少なくとも１つの弾性体と、
前記アクチュエータに対して相対的に走査するプローブとを備え、
前記アクチュエータは、円筒状のピエゾスキャナおよび試料ホルダを含み、
前記ピエゾスキャナは、軸方向の第１端および該第１端とは反対側の第２端、並びに、前記ピエゾスキャナが前記軸方向に変位するように電圧が印加される第１電極部、および、前記ピエゾスキャナが前記軸方向と直交する方向に変位するように電圧が印加される第２電極部を有し、
前記ピエゾスキャナは、前記ケース内に同軸状に配置され、前記底部に前記第１端が固定されており、
前記試料ホルダは、前記ピエゾスキャナの前記第２端に設けられており、
前記少なくとも１つの弾性体は、前記ピエゾスキャナおよび前記試料ホルダの少なくとも一方と前記ケースとの間に挟まれるように配置されており、
前記少なくとも１つの弾性体は、前記軸方向において、前記第１電極部と前記第２電極部との間に位置している、または、前記第１電極部および前記第２電極部のうちの第２端側に位置する前記第１電極部と前記試料ホルダとの間に位置している、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記少なくとも１つの弾性体は、Ｏリングである、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記第１電極部は、前記軸方向において、前記第２電極部より第２端側に位置しており、
前記少なくとも１つの弾性体は、前記周壁部の前記軸方向における底部側とは反対側の端部と接している、請求項１または請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記第１電極部は、前記軸方向において、前記第２電極部より第１端側に位置しており、
前記少なくとも１つの弾性体は、前記軸方向において前記第１電極部と前記第２電極部との間の位置にて、前記周壁部と接している、請求項１または請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記試料ホルダは、
試料を保持する平板部と、
前記平板部の縁から突出して、前記ケースの前記周壁部の前記軸方向における底部側とは反対側の端部を外側から囲む突出部とを含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
底部および周壁部を有する有底筒状のケースと、
前記ケースの内側に配置されたアクチュエータと、
前記ケースと前記アクチュエータとの間に配置された少なくとも１つの弾性体と、
前記アクチュエータに対して相対的に走査するプローブとを備え、
前記アクチュエータは、円筒状のピエゾスキャナおよび試料ホルダを含み、
前記ピエゾスキャナは、軸方向の第１端および該第１端とは反対側の第２端、並びに、前記ピエゾスキャナが前記軸方向に変位するように電圧が印加される第１電極部、および、前記ピエゾスキャナが前記軸方向と直交する方向に変位するように電圧が印加される第２電極部を有し、
前記ピエゾスキャナは、前記ケース内に同軸状に配置され、前記底部に前記第１端が固定されており、
前記試料ホルダは、前記ピエゾスキャナの前記第２端に設けられており、
前記少なくとも１つの弾性体は、前記試料ホルダと前記ケースとの間に挟まれるように配置されており、
前記試料ホルダは、
試料を保持する平板部と、
前記平板部の縁から突出して、前記ケースの前記周壁部の前記軸方向における底部側とは反対側の端部を外側から囲む突出部とを含み、
前記少なくとも１つの弾性体のうち前記試料ホルダと前記ケースとの間に挟まれるように配置されている弾性体は、前記突出部の内側と前記ケースの外側との間に位置している、走査型プローブ顕微鏡。
【手続補正書】
【提出日】令和2年2月12日(2020.2.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部および周壁部を有する有底筒状のケースと、
前記ケースの内側に配置されたアクチュエータと、
前記ケースと前記アクチュエータとの間に配置された少なくとも１つの弾性体と、
前記アクチュエータに対して相対的に走査するプローブとを備え、
前記アクチュエータは、円筒状のピエゾスキャナおよび試料ホルダを含み、
前記ピエゾスキャナは、軸方向の第１端および該第１端とは反対側の第２端、並びに、前記ピエゾスキャナが前記軸方向に変位するように電圧が印加される第１電極部、および、前記ピエゾスキャナが前記軸方向と直交する方向に変位するように電圧が印加される第２電極部を有し、
前記ピエゾスキャナは、前記ケース内に同軸状に配置され、前記底部に前記第１端が固定されており、
前記試料ホルダは、前記ピエゾスキャナの前記第２端に設けられており、
前記少なくとも１つの弾性体は、前記試料ホルダと前記ケースとの間に挟まれるように配置されており、
前記試料ホルダは、
試料を保持する平板部と、
前記平板部の縁から突出して、前記ケースの前記周壁部の前記軸方向における底部側とは反対側の端部を外側から囲む突出部とを含み、
前記少なくとも１つの弾性体のうち前記試料ホルダと前記ケースとの間に挟まれるように配置されている弾性体は、前記突出部の内側と前記ケースの外側との間に位置している、走査型プローブ顕微鏡。