(57)【要約】【課題】配線の接続に起因するＺ方向移動用アクチュエーターの変位特性の劣化が少ない走査機構を提供する。【解決手段】走査機構は、移動対象物をＺ軸に沿って移動させるためのＺステージ１４０を有している。Ｚステージ１４０は、絶縁性基板１４２と、Ｚ方向移動用アクチュエーターを構成するＺ方向移動用圧電素子１４１と、絶縁性基板１４２に設けられた導電パターン１４３と、導電パターン１４３に電気的に接続された配線１４６と、Ｚ方向移動用圧電素子１４１と導電パターン１４３を電気的に接続している電気的接続部１４４とを有している。Ｚ方向移動用圧電素子１４１は、絶縁性基板１４２に機械的に固定されており、Ｚ軸に沿って伸縮可能であり、自由端に移動対象物が取り付けられる。電気的接続部１４４はＺ方向移動用圧電素子１４１の固定端に設けられている。【選択図】      図４
2006126145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動対象物を互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って移動させるための走査型プローブ顕微鏡用走査機構であり、
移動対象物をＺ軸に沿って移動させるためのＺステージを備えており、Ｚステージは、絶縁性基板と、絶縁性基板に固定されたＺ方向移動用アクチュエーターと、Ｚ方向移動用アクチュエーターへの電圧印加のための配線と、Ｚ方向移動用アクチュエーターに配線を電気的に接続するための電気的接続部とを有しており、Ｚ方向移動用アクチュエーターはＺ軸に沿って伸縮可能な圧電素子を有し、移動対象物は圧電素子の自由端に取り付けられ、電気的接続部は圧電素子の固定端に設けられている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項２】
請求項１において、走査型プローブ顕微鏡用走査機構はさらに、
固定ベースと、
固定ベースに収容されたＸＹステージと、
ＸＹステージと固定ベースの間にＸ軸に沿って延びているＸ方向移動用アクチュエーターと、
ＸＹステージと固定ベースの間にＹ軸に沿って延びているＹ方向移動用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第三弾性支持部とを有しており、Ｘ方向移動用アクチュエーターは、第一弾性支持部と固定ベースに接して延びており、Ｘ軸に沿って伸縮可能であり、Ｙ方向移動用アクチュエーターは、第二弾性支持部と固定ベースに接して延びており、Ｙ軸に沿って伸縮可能であり、
Ｚステージの絶縁性基板は、ＸＹステージの可動部に保持されている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項３】
請求項１において、Ｚステージはさらに、絶縁性基板に設けられた導電パターンを有し、配線は導電パターンに接続されており、圧電素子は電気的接続部と導電パターンを介して配線と電気的に接続されている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項４】
請求項１において、配線が電気的接続部にじかに接続されている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項５】
請求項３または請求項４において、電気的接続部が導電性ペーストで構成されている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項６】
請求項３または請求項４において、電気的接続部が導電性接着剤で構成されている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項７】
請求項３において、電気的接続部が低温で溶融するはんだで構成されている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項８】
請求項３において、電気的接続部がボンディングワイヤーで構成されている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項９】
請求項１において、電気的接続部と圧電素子の接触面積は、電気的接続部と接触している圧電素子の面の面積の１／２以下である、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項１０】
請求項１において、絶縁性基板は、ヤング率が７×１０９Ｐａより大きい材料で構成されている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項１１】
請求項１０において、絶縁性基板は、セラミックで構成されている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項１２】
請求項１〜請求項１１のいずれか一つにおいて、圧電素子は質量が１［ｇ］以下である、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項１３】
請求項１〜請求項１１のいずれか一つにおいて、Ｚ方向移動用アクチュエーターはＺ軸に沿って伸縮可能な二つの圧電素子を有し、二つの圧電素子は同軸に位置し、それぞれ絶縁性基板からＺ軸に沿って反対側に延びている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項１４】
請求項１〜請求項１１のいずれか一つにおいて、移動対象物が観察試料である、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項１５】
請求項１〜請求項１１のいずれか一つにおいて、移動対象物がカンチレバーである、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項１６】
請求項１〜請求項１１のいずれか一つに記載の走査機構を有する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、走査型顕微鏡などにおいて移動対象物を移動させるための走査機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、プローブすなわち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。
【０００３】
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。
【０００４】
走査型プローブ顕微鏡は、走査機構によって機械的探針と試料とをＸＹ方向に相対的に走査（例えばラスター走査）しながら、機械的探針によって所望の試料領域の表面情報を得る。ＸＹ走査の間、Ｚ方向についても走査機構によって、例えば機械的探針と試料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、機械的探針と試料とを相対的に動かしている。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に不規則な動きであるが、一般にＺ方向の走査動作と呼ばれる。Ｚ方向の走査はＸＹＺ各方向の中では最も高い周波数での動きとなる。
【０００５】
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相当からその１００倍程度である。
【０００６】
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となる。この速度を実現する走査機構が例えば特開２００１−３３０４２５号公報において提案されている。
【特許文献１】特開２００１−３３０４２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、最近では画像をビデオレートで観察したいとの要望があり、この場合、Ｚ方向の圧電素子に要求される走査周波数は３００ｋＨｚ以上となる。特開２００１−３３０４２５号公報の走査機構では、Ｚ走査を受け持つＺ方向移動用アクチュエーターが積層型圧電素子で構成されている。３００ｋＨｚ以上の走査周波数を得るためには、積層型圧電素子は例えば一辺が２ｍｍ程度の大きさの立方体形状となり、非常に小さなものとなる。また積層型圧電素子の質量は１ｇ以下と非常に小さくなる。
【０００８】
積層型圧電素子は、電圧を印加して駆動されるため、一般に二本の配線が接続される。通常、積層型圧電素子への配線の接続ははんだ付けによって行なわれている。このようなはんだ付けによる配線の接続は、比較的大きい積層型圧電素子に対してはたいして問題はないが、一辺が２ｍｍ程度の非常に小さい積層型圧電素子に対しては変位特性に悪影響を与えることがある。
【０００９】
ここでは積層型圧電素子を例示しているが、積層型圧電素子に限るものではなく、例えば円筒型圧電素子においても同様であり、圧電素子一般について同様のことが言える。
【００１０】
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、配線の接続に起因するＺ方向移動用アクチュエーターの変位特性の劣化が少ない走査機構を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、移動対象物を互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って移動させるための走査型プローブ顕微鏡用走査機構であり、移動対象物をＺ軸に沿って移動させるためのＺステージを備えており、Ｚステージは、絶縁性基板と、絶縁性基板に固定されたＺ方向移動用アクチュエーターと、Ｚ方向移動用アクチュエーターへの電圧印加のための配線と、Ｚ方向移動用アクチュエーターに配線を電気的に接続するための電気的接続部とを有しており、Ｚ方向移動用アクチュエーターはＺ軸に沿って伸縮可能な圧電素子を有し、移動対象物は圧電素子の自由端に取り付けられ、電気的接続部は圧電素子の固定端に設けられている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、配線の接続に起因するＺ方向移動用アクチュエーターの変位特性の劣化が少ない走査機構が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
第一実施形態
本実施形態は、走査型プローブ顕微鏡用の走査機構に向けられている。以下、図１〜図７を参照しながら本実施形態について説明する。
【００１５】
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。
【００１６】
図１と図２に示されるように、本実施形態の走査機構１００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、固定ベース１１０と、固定ベース１１０に収容されたＸＹステージ１２０と、ＸＹステージ１２０と固定ベース１１０の間にＸ軸に沿って延びているＸ方向移動用アクチュエーター１３０Ａと、ＸＹステージ１２０と固定ベース１１０の間にＹ軸に沿って延びているＹ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂとを備えている。
【００１７】
ＸＹステージ１２０は、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部１２１と、可動部１２１の周囲に位置する固定部１２２と、可動部１２１のＸ軸に沿った両側に位置し、可動部１２１と固定部１２２を接続している一対の第一弾性支持部１２３Ａと１２４Ａと、Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０Ａの側に位置する第一弾性支持部１２４Ａに設けられた、Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０Ａによって押される押圧部１２５Ａと、可動部１２１のＹ軸に沿った両側に位置し、可動部１２１と固定部１２２を接続している一対の第二弾性支持部１２３Ｂと１２４Ｂと、Ｙ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂの側に位置する第二弾性支持部１２４Ｂに設けられた、Ｙ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂによって押される押圧部１２５Ｂと、可動部１２１のＺ軸に沿った片側すなわち下側に位置し、可動部１２１と固定部１２２を接続している四つの第三弾性支持部１２６とを有している。
【００１８】
ＸＹステージ１２０の固定部１２２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、固定ベース１１０に固定されている。
【００１９】
第一弾性支持部１２３Ａと１２４Ａと第二弾性支持部１２３Ｂと１２４Ｂは共にＴ字形状を有している。第一弾性支持部１２３Ａと１２４Ａは、それぞれ、ＺＸ面に広がる板ばね部分と、ＹＺ面に広がる板ばね部分とを有している。また、第二弾性支持部１２３Ｂと１２４Ｂは、それぞれ、ＹＺ面に広がる板ばね部分と、ＺＸ面に広がる板ばね部分とを有している。
【００２０】
より詳しくは、第一弾性支持部１２３Ａと１２４Ａは、ＺＸ面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板ばね部分と、ＹＺ面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板ばね部分とを有している。Ｘ軸に沿って細長い矩形の板ばね部分は、Ｘ軸に沿った一方の端部が可動部１２１に連続し、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ばね部分の中央部に連続している。Ｙ軸に沿って細長い矩形の板ばね部分は、Ｙ軸に沿った両端部が固定部１２２に連続している。これらの板ばね部分の厚さすなわちＺ軸に沿った寸法は共に可動部１２１の厚さと同じである。
【００２１】
第二弾性支持部１２３Ｂと１２４Ｂは、向きが９０度異なる点を除けば、第一弾性支持部１２３Ａと１２４Ａと全く同じ形態をしている。
【００２２】
このような形態のため、第一弾性支持部１２３Ａと１２４Ａは、Ｙ軸に沿っては弾性変形しやすいが、Ｘ軸に沿っては弾性変形しにくい。第二弾性支持部１２３Ｂと１２４Ｂは、Ｘ軸に沿っては弾性変形しやすいが、Ｙ軸に沿っては弾性変形しにくい。第三弾性支持部１２６は、Ｘ軸に沿ってもＹ軸に沿っても弾性変形しやすいが、Ｚ軸に沿っては弾性変形しにくい。
【００２３】
従って、可動部１２１は、第一弾性支持部１２３Ａと１２４ＡによってＸ軸に沿った方向に関して高剛性に支持され、第二弾性支持部１２３Ｂと１２４ＢによってＹ軸に沿った方向に関して高剛性に支持され、第三弾性支持部１２６によってＺ軸に沿った方向に関して高剛性に支持されている。
【００２４】
押圧部１２５Ａは、直方体状のブロック部分と、ブロック部分と第一弾性支持部１２４Ａとを連結している連結部分とを有している。ブロック部分は、Ｘ軸に沿った寸法が大きく、実質的に弾性変形しない。連結部分は、一方の端部がブロック部分の中央部に連続し、他方の端部が第一弾性支持部１２４ＡのＹ軸に沿って細長い矩形の板ばね部分の中央部に連続している。連結部分は、Ｘ軸に沿って延びているがＸ軸に沿った寸法が短く、実質的に弾性変形しない。ブロック部分と連結部分の厚さすなわちＺ軸に沿った寸法は共に可動部１２１の厚さと同じである。
【００２５】
押圧部１２５Ｂは、向きが９０度異なる点を除けば、押圧部１２５Ａと全く同じ形態をしている。
【００２６】
第三弾性支持部１２６は、それぞれ、可動部１２１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、第三弾性支持部１２６は、いずれも、棒状の形状を有し、Ｚ軸に平行に延びている。
【００２７】
第三弾性支持部１２６は、可動部１２１の重心から等距離にあり、可動部１２１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、第三弾性支持部１２６の中心は、それぞれ、可動部１２１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。
【００２８】
好ましくは、可動部１２１と固定部１２２と第一弾性支持部１２３Ａと１２４Ａと第二弾性支持部１２３Ｂと１２４Ｂと第三弾性支持部１２６は一体的に形成されている。例えば、ＸＹステージ１２０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。
【００２９】
固定ベース１１０の材質は、ＸＹステージ１２０の材質と同じであってよいが、より好ましくはＸＹステージ１２０の材質よりも高いヤング率を有しているとよい。例えば、ＸＹステージ１２０はアルミニウム製であるのに対して、固定ベース１１０はステンレス鋼製である。
【００３０】
Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０Ａは、押圧部１２５Ａと固定ベース１１０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方向移動用アクチュエーター１３０Ａ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方向移動用アクチュエーター１３０Ｂは、押圧部１２５Ｂと固定ベース１１０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方向移動用アクチュエーター１３０Ｂ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。
【００３１】
Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０Ａの中心軸すなわちＸ方向移動用アクチュエーター１３０Ａの中心を通りＸ軸に平行な直線は可動部１２１の重心を通っている。同様に、Ｙ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂの中心軸すなわちＹ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂの中心を通りＹ軸に平行な直線は可動部１２１の重心を通っている。
【００３２】
走査機構１００はさらに、移動対象物をＺ軸に沿って移動させるためのＺステージ１４０を有している。可動部１２１は段差を持つ楕円形の貫通穴を有し、Ｚステージ１４０は可動部１２１の貫通穴の大径部分内に収容され、段差によって支持されている。
【００３３】
図３は、図１と図２に示されたＺステージの上面図である。図４は、図３に示されたIV−IV線に沿ったＺステージの断面図である。
【００３４】
図３と図４に示されるように、Ｚステージ１４０は、可動部１２１の貫通穴の大径部分内に収まる楕円形の絶縁性基板１４２と、Ｚ方向移動用アクチュエーターを構成するＺ方向移動用圧電素子１４１と、絶縁性基板１４２に設けられた一対の導電パターン１４３と、導電パターン１４３にそれぞれ電気的に接続された配線１４６と、Ｚ方向移動用圧電素子１４１と導電パターン１４３をそれぞれ電気的に接続している電気的接続部１４４とを有している。
【００３５】
Ｚ方向移動用圧電素子１４１は、絶縁性基板１４２の上面に接着剤などにより機械的に固定されており、絶縁性基板１４２からＺ軸に沿って上側に延びている。Ｚ方向移動用圧電素子１４１の自由端に移動対象物が取り付けられる。移動対象物は例えば観察試料であり、別の例ではカンチレバーである。Ｚ方向移動用圧電素子１４１は重さが１［ｇ］以下となることもある。Ｚ方向移動用圧電素子１４１は例えば積層型圧電素子で構成されており、電圧印加に応じてＺ軸に沿って伸縮する。Ｚ方向移動用圧電素子１４１の中心軸は可動部１２１の重心を通っている。
【００３６】
絶縁性基板１４２は楕円の長軸に沿った両側に形成された一対の切り欠き１４５を有している。導電パターン１４３は、それぞれ、絶縁性基板１４２の上面をＺ方向移動用圧電素子１４１の固定端の近くから楕円の長軸に沿って外側に向かって延び、切り欠き１４５を通って絶縁性基板１４２の上面から下面に回り込み、絶縁性基板１４２の下面を楕円の長軸に沿って延びている。電気的接続部１４４は、Ｚ方向移動用圧電素子１４１の下端すなわち固定端に設けられており、Ｚ方向移動用圧電素子１４１と導電パターン１４３に接している。電気的接続部１４４は、例えば、導電性ペーストや導電性接着剤、ボンディングワイヤーなどの極細ワイヤー、低温で溶融するはんだなどであってよい。また、電気的接続部１４４は、黒鉛を塗布して形成されてもよい。
【００３７】
配線１４６は絶縁性基板１４２の下面側において導電パターン１４３に接続されている。従って、Ｚ方向移動用圧電素子１４１は、電気的接続部１４４と導電パターン１４３を介して、配線１４６と電気的に接続されている。
【００３８】
導電パターン１４３や電気的接続部１４４など電圧が印加される部位は、漏電や感電を避けるため、その表面が絶縁被覆されているとよい。
【００３９】
走査機構１００において、移動対象物はＺ方向移動用圧電素子１４１の自由端に取り付けられる。
【００４０】
Ｘ走査の際には、Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０ＡがＸ軸に沿って伸縮される。Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０Ａの一端は固定ベース１１０に固定されているため、Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０Ａの伸縮はＸ方向移動用アクチュエーター１３０Ａの自由端のＸ軸に沿った変位に反映される。
【００４１】
Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０Ａの伸びすなわち自由端の−Ｘ方向への変位は押圧部１２５Ａを−Ｘ方向に変位させる。Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０Ａが伸びると、第一弾性支持部１２３Ａと１２４Ａと第二弾性支持部１２３Ｂと１２４Ｂの弾性変形に伴う反作用力が固定ベース１１０のＸ方向移動用アクチュエーター１３０Ａを固定している部位に作用する。しかし固定ベース１１０はヤング率の高い材質で作られており、固定ベース１１０の変形が少ないため、Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０Ａの自由端の変位はほとんど押圧部１２５Ａへ伝えられる。
【００４２】
押圧部１２５Ａの変位は第一弾性支持部１２４Ａを介して可動部１２１に伝えられる。第一弾性支持部１２４ＡのＸ軸に沿って延びる板ばね部分はＸ方向の剛性が高いため、押圧部１２５Ａの変位は可動部１２１へ伝達される。一方、第一弾性支持部１２３Ａと１２４ＡのＹ軸に沿って延びる板ばね部分はＸ方向の剛性が低いため、可動部１２１のＸ軸に沿った変位を妨げない。また、弾性支持部１２３Ｂと１２４ＢのＹ軸に沿って延びる板ばね部分はＸ方向の剛性が低いため、可動部１２１のＸ軸に沿った変位を妨げない。さらに、可動部１２１のＺ方向を高剛性に支持する第三弾性支持部１２６はＸＹ方向の剛性が低いため、可動部１２１のＸ軸に沿った変位を妨げない。
【００４３】
従って、Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０Ａの伸びすなわち自由端の−Ｘ方向への変位に応じて可動部１２１が−Ｘ方向に移動される。
【００４４】
一方、Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０Ａの縮みすなわち自由端の＋Ｘ方向への変位は、弾性変形している第一弾性支持部１２３Ａと１２４Ａと第二弾性支持部１２３Ｂと１２４Ｂの復元の妨げを軽減する。これに伴って第一弾性支持部１２３Ａと１２４Ａと第二弾性支持部１２３Ｂと１２４Ｂが元の形状に近づくため、可動部１２１が＋Ｘ方向に移動される。
【００４５】
結局、Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０Ａの伸縮すなわち自由端の±Ｘ方向への変位に応じて可動部１２１が±Ｘ方向に移動される。
【００４６】
Ｙ走査の際には、Ｙ方向移動用アクチュエーター１３０ＢがＹ軸に沿って伸縮される。前述と同様の理由により、Ｙ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂの伸縮はＹ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂの自由端のＹ軸に沿った変位に反映される。
【００４７】
Ｙ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂの伸びすなわち自由端の−Ｙ方向への変位は押圧部１２５Ｂを−Ｙ方向に変位させる。前述と同様の理由により、Ｙ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂの自由端の変位はほとんど押圧部１２５Ｂへ伝えられる。
【００４８】
押圧部１２５Ｂの変位は第二弾性支持部１２４Ｂを介して可動部１２１に伝えられる。前述と同様の理由により、第二弾性支持部１２４Ｂが押圧部１２５Ｂの変位を可動部１２１に伝達する一方で、第一弾性支持部１２３Ａと１２４Ａと第二弾性支持部１２３Ｂと１２４Ｂと第三弾性支持部１２６は可動部１２１のＹ軸に沿った変位を妨げない。
【００４９】
従って、Ｙ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂの伸びすなわち自由端の−Ｙ方向への変位に応じて可動部１２１が−Ｙ方向に移動される。
【００５０】
一方、Ｙ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂの縮みすなわち自由端の＋Ｙ方向への変位は、弾性変形している第一弾性支持部１２３Ａと１２４Ａと第二弾性支持部１２３Ｂと１２４Ｂの復元の妨げを軽減する。これに伴って第一弾性支持部１２３Ａと１２４Ａと第二弾性支持部１２３Ｂと１２４Ｂが元の形状に近づくため、可動部１２１が＋Ｙ方向に移動される。
【００５１】
結局、Ｙ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂの伸縮すなわち自由端の±Ｙ方向への変位に応じて可動部１２１が±Ｙ方向に移動される。
【００５２】
このような可動部１２１のＸ軸とＹ軸に沿った変位において、第一弾性支持部１２３Ａと１２４ＡはＹ軸に対して対称的に配置され、第二弾性支持部１２３Ｂと１２４ＢはＸ軸に対して対称的に配置されているため、可動部１２１はＸＹ平面内で回転動作することなく直線変位する。また第三弾性支持部１２６は平行ばねとして作用するため、可動部１２１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。
【００５３】
さらに、Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０ＡとＹ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂの中心軸が可動部１２１の重心を通るため、可動部１２１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にくい。このため、可動部１２１は回転動作なく高精度に変位する。
【００５４】
Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０ＡとＹ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂの伸びは、第一弾性支持部１２３Ａと１２４Ａと第二弾性支持部１２３Ｂと１２４Ｂ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方向移動用アクチュエーター１３０ＡとＹ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂがそれぞれ固定されている固定ベース１１０の部位にそれぞれ働く。固定ベース１１０の材質のヤング率はＸＹステージ１２０の材質のヤング率よりも高いので、固定ベース１１０に引き起こされる変形が小さいため、Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０ＡとＹ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂの伸びすなわち変位はそれぞれ押圧部１２５Ａと１２５Ｂに効率良く伝えられる。
【００５５】
Ｚ走査の際には、Ｚ方向移動用圧電素子１４１がＺ軸に沿って伸縮される。Ｚ方向移動用圧電素子１４１の下端は絶縁性基板１４２に固定されているため、Ｚ方向移動用圧電素子１４１の伸縮はＺ方向移動用圧電素子１４１の自由端のＺ軸に沿った変位に反映される。従って、Ｚ方向移動用圧電素子１４１の自由端に取り付けられた移動対象物は、Ｚ方向移動用圧電素子１４１の伸縮すなわち自由端の±Ｚ方向への変位に応じて±Ｚ方向に移動される。
【００５６】
Ｚ方向移動用圧電素子１４１の中心軸が可動部１２１の重心を通り、さらに、第三弾性支持部１２６は可動部１２１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方向移動用圧電素子１４１が高速で駆動された場合も、可動部１２１の上面はほとんど傾くことがない。これにより、高精度な動作が可能となる。
【００５７】
Ｚ方向移動用圧電素子１４１の走査速度を評価する方法のひとつとして、Ｚ方向移動用圧電素子１４１に印加する信号の周波数と変位の関係を調べる方法がある。Ｚ方向移動用圧電素子１４１に印加する信号の周波数を上げていくと変位が極大となる周波数が存在する。この周波数が共振周波数である。一般的に共振周波数が高いほど高速走査に対応可能である。共振周波数はＺ方向移動用圧電素子１４１の大きさや重さなどに依存するが、Ｚ方向移動用圧電素子１４１が固定されている絶縁性基板１４２のヤング率にも依存する。絶縁性基板１４２のヤング率が低いほど共振周波数は低下する。
【００５８】
図５は、印加信号の周波数と積層型圧電素子の変位の関係を示すグラフである。グラフの横軸は印加信号の周波数を示し、縦軸は積層型圧電素子の変位を示している。図５のグラフにおいて、破線は、絶縁性基板１４２が樹脂などのようにヤング率の低い材料で構成された場合の積層型圧電素子の変位特性を示している。また実線は、絶縁性基板１４２がアルミナをはじめとするセラミックのようにヤング率の高い材料で構成された場合の積層型圧電素子の変位特性を示している。両者を比較して分かるように、絶縁性基板１４２がヤング率の高い材料で構成されている方が、積層型圧電素子の共振周波数が高く、従って高速な走査が可能である。
【００５９】
具体的には、絶縁性基板１４２は、ヤング率が７×１０９Ｐａより大きい材料、例えばセラミックで構成されているとよい。
【００６０】
一般に、積層型圧電素子への電圧印加のための配線は、はんだ付けによって積層型圧電素子の側面の中央部に接続されている。このため配線は積層型圧電素子の近くでは空間中に延びている。従って積層型圧電素子は、はんだの自重による負荷と、はんだから空間中に延びている配線の自重による負荷とを受ける。これらの負荷は、大きい積層型圧電素子にとっては無視できる大きさであるが、一辺が２ｍｍ程度の非常に小さい積層型圧電素子にとっては、無視できないほど大きく、変位特性を劣化させるおそれがある。
【００６１】
本実施形態では、Ｚ方向移動用圧電素子１４１の下端すなわち固定端に設けられている電気的接続部１４４は絶縁性基板１４２に接しているため、自重による負荷をＺ方向移動用圧電素子１４１に与えない。また配線１４６は、導電パターン１４３に接続されており、Ｚ方向移動用圧電素子１４１には接続されていないため、自重による負荷をＺ方向移動用圧電素子１４１に与えない。従って、Ｚ方向移動用圧電素子１４１は、電気的接続部１４４や配線１４６の自重による負荷に起因する変位特性の劣化を受けない。
【００６２】
また、はんだ付けは作業の際に接続対象物を高温に加熱してしまう。非常に小さい積層型圧電素子は熱容量も小さい。このため、非常に小さい積層型圧電素子に対するはんだ付け作業による積層型圧電素子の加熱は、積層型圧電素子の圧電体を分極させ、変位特性を劣化させるおそれがある。
【００６３】
これに対して本実施形態では、電気的接続部１４４を、低温で溶融するはんだで形成するため、またボンディングワイヤーなどの極細ワイヤーで形成するため、Ｚ方向移動用圧電素子１４１の加熱が抑えられ、従ってＺ方向移動用圧電素子１４１は加熱に起因する変位特性の劣化を受けにくい。より好ましくは、電気的接続部１４４を、導電性ペーストや導電性接着剤など、加熱を必要としないで加工できる材料で形成するため、Ｚ方向移動用圧電素子１４１は加熱されず、従ってＺ方向移動用圧電素子１４１は加熱に起因する変位特性の劣化を受けない。
【００６４】
さらに、積層型圧電素子の側面に設けられたはんだは積層型圧電素子を拘束する。はんだによる拘束は積層型圧電素子の変位特性を劣化させるおそれがある。
【００６５】
これに対して本実施形態では、Ｚ方向移動用圧電素子１４１の下端すなわち固定端に設けられている電気的接続部１４４は、絶縁性基板１４２に接しているため、Ｚ方向移動用圧電素子１４１との接触面積が比較的小さい。従って、電気的接続部１４４によるＺ方向移動用圧電素子１４１の拘束が少なく、従ってＺ方向移動用圧電素子１４１は拘束に起因する変位特性の劣化が少なく抑えられる。
【００６６】
一般に圧電素子は両端に変位発生に寄与しない部分を有している。電気的接続部１４４は、望ましくは、Ｚ方向移動用圧電素子１４１の変位発生に寄与しない下端部分だけに接触しているとよい。
【００６７】
しかし、通常は、加工精度の問題ではあるが、電気的接続部１４４は、変位発生に寄与しない下端部分を超えて、圧電素子と接触することが少なくない。この場合には、電気的接続部１４４が圧電素子を拘束してしまい、圧電素子の出力変位を劣化させることがある。電気的接続部１４４のヤング率や接触状態を考慮する必要がある。
【００６８】
一般に変位拘束がない場合の圧電素子の発生力と変位との間には図６中の実線で示される関係がある。電気的接続部１４４が変位拘束体として作用した場合、電気的接続部１４４はＺ方向移動用圧電素子１４１の変位に伴い図中破線のような拘束力を生じる。このため、Ｚ方向移動用圧電素子１４１の最大出力変位は実線と破線の交点まで低下する。一般に高速に動作する圧電素子であるほど出力変位は小さくなる。このため、電気的接続部１４４による出力変位減少分は１０％以下に抑えることが望ましい。このためには、電気的接続部１４４の変位拘束力は、Ｚ方向移動用圧電素子１４１の発生力の１０％以下となるように設計されている必要がある。
【００６９】
例えば図７に示すように、Ｚ方向移動用圧電素子１４１の側面に直方体にモデル化された電気的接続部１４４が形成されている場合の拘束力の概略計算をしてみる。Ｚ方向移動用圧電素子１４１の変位によって電気的接続部１４４がＸだけ変位したとすれば、電気的接続部１４４によって生じる拘束力ｆは以下の式で概略算出される。
【数１】
2006126145.tif 000003
【００７０】
この拘束力ｆがＺ方向移動用圧電素子１４１の発生力の１０％以下に収まるようにヤング率や各部寸法を決めれば、変位の減少を小さく抑えることができる。
【００７１】
例えば、導電性ペーストやボンディングワイヤーは、ヤング率が低く、電気的接続部１４４として好適である。
【００７２】
本実施形態ではＺ方向移動用圧電素子１４１が積層型圧電素子で構成されているが、本発明はＺ方向移動用圧電素子１４１が円筒型圧電素子で構成されている場合にも同様に適用できる。
【００７３】
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８〜図１１を参照しながら本実施形態について説明する。
【００７４】
図８は、本発明の第二実施形態の走査機構の上面図である。図９は、図８に示されたIX−IX線に沿った走査機構の断面図である。図８と図９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。
【００７５】
図８と図９に示されるように、本実施形態の走査機構２００は、第一実施形態のＺステージ１４０に代えて、別のＺステージ２４０を有している。それ以外の構成は第一実施形態と同様である。
【００７６】
図１０は、図８と図９に示されたＺステージの上面図である。図１１は、図１０に示されたXI−XI線に沿ったＺステージの断面図である。
【００７７】
図１０と図１１に示されるように、Ｚステージ２４０は、可動部１２１の貫通穴の大径部分内に収まる楕円形の絶縁性基板２４２と、Ｚ方向移動用アクチュエーターを構成するＺ方向移動用圧電素子２４１と、絶縁性基板２４２に設けられた一対の導電パターン２４３と、導電パターン２４３に電気的に接続された配線２３６と、Ｚ方向移動用圧電素子２４１と導電パターン２４３をそれぞれ電気的に接続している電気的接続部２４４とを有している。
【００７８】
Ｚ方向移動用圧電素子２４１は、絶縁性基板２４２の上面に接着剤などにより機械的に固定されており、絶縁性基板２４２からＺ軸に沿って上側に延びている。Ｚ方向移動用圧電素子２４１の自由端に移動対象物が取り付けられる。移動対象物は例えば観察試料であり、別の例ではカンチレバーである。Ｚ方向移動用圧電素子２４１は重さが１［ｇ］以下となることもある。Ｚ方向移動用圧電素子２４１は例えば積層型圧電素子で構成されており、電圧印加に応じてＺ軸に沿って伸縮する。Ｚ方向移動用圧電素子２４１の中心軸は可動部１２１の重心を通っている。
【００７９】
絶縁性基板２４２はＺ方向移動用圧電素子２４１の両側に形成された貫通穴２４５を有している。導電パターン２４３は、それぞれ、貫通穴２４５の中を延び、絶縁性基板２４２の上面と下面の貫通穴２４５の周辺に広がっている。
【００８０】
電気的接続部１４４は、Ｚ方向移動用圧電素子２４１の下端すなわち固定端に設けられており、Ｚ方向移動用圧電素子２４１と導電パターン２４３に接している。電気的接続部２４４は、例えば、導電性ペーストや導電性接着剤、ボンディングワイヤーなどの極細ワイヤー、低温で溶融するはんだなどであってよい。また、電気的接続部２４４は、黒鉛を塗布して形成されてもよい。
【００８１】
配線２４６は絶縁性基板２４２の下面側において導電パターン２４３に接続されている。配線２４６は、電気的接続部２４４の形成前に、通常のはんだ付けによって導電パターン２４３に接続されてよい。従って、Ｚ方向移動用圧電素子２４１は、電気的接続部２４４と導電パターン２４３を介して、配線２４６と電気的に接続されている。
【００８２】
電気的接続部２４４を導電性ペーストや導電性接着剤で形成する場合、導電性ペーストや導電性接着剤を貫通穴２４５に充てんすることにより配線２４６を導電パターン２４３に接続してもよい。この場合、Ｚ方向移動用圧電素子２４１は、電気的接続部２４４を介して、配線２４６と電気的に接続される。
【００８３】
電気的接続部２４４は、漏電や感電を避けるため、その表面が絶縁被覆されているとよい。
【００８４】
本実施形態は、第一実施形態の利点に加え、導電パターン２４３の絶縁被覆が不要であるという利点を有している。
【００８５】
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１２〜図１５を参照しながら本実施形態について説明する。
【００８６】
図１２は、本発明の第三実施形態の走査機構の上面図である。図１３は、図１２に示されたXIII−XIII線に沿った走査機構の断面図である。図１２と図１３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。
【００８７】
図１２と図１３に示されるように、本実施形態の走査機構３００は、第一実施形態のＺステージ１４０に代えて、別のＺステージ３４０を有している。それ以外の構成は第一実施形態と同様である。
【００８８】
図１４は、図１２と図１３に示されたＺステージの上面図である。図１５は、図１４に示されたXIV−XIV線に沿ったＺステージの断面図である。
【００８９】
図１４と図１５に示されるように、Ｚステージ３４０は、可動部１２１の貫通穴の大径部分内に収まる楕円形の絶縁性基板３４２と、Ｚ方向移動用アクチュエーターを構成する一対のＺ方向移動用圧電素子３４１Ａと３４１Ｂと、絶縁性基板３４２に設けられた一対の導電パターン３４３と、導電パターン３４３にそれぞれ電気的に接続された配線４４６と、Ｚ方向移動用圧電素子３４１Ａと３４１Ｂと導電パターン３４３をそれぞれ電気的に接続している電気的接続部３４４Ａと３４４Ｂとを有している。
【００９０】
二つのＺ方向移動用圧電素子３４１Ａと３４１Ｂは、それぞれ、絶縁性基板３４２の上下面に接着剤などにより機械的に固定され、絶縁性基板３４２からＺ軸に沿って反対側に同軸に延びている。Ｚ方向移動用圧電素子３４１Ａと３４１Ｂ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方向移動用圧電素子３４１Ａと３４１Ｂの中心軸は可動部１２１の重心を通っている。
【００９１】
絶縁性基板３４２は楕円の長軸に沿った両側に形成された一対の切り欠き３４５を有している。導電パターン３４３は、それぞれ、絶縁性基板３４２の上面をＺ方向移動用圧電素子３４１Ａの固定端の近くから楕円の長軸に沿って外側に向かって延び、切り欠き３４５を通って絶縁性基板３４２の上面から下面に回り込み、絶縁性基板３４２の下面を楕円の長軸に沿ってＺ方向移動用圧電素子３４１Ｂの固定端の近くまで延びている。
【００９２】
電気的接続部３４４Ａは、Ｚ方向移動用圧電素子３４１Ａの下端すなわち固定端に設けられており、Ｚ方向移動用圧電素子３４１Ａと導電パターン３４３に接している。また電気的接続部３４４Ｂは、Ｚ方向移動用圧電素子３４１Ｂの上端すなわち固定端に設けられており、Ｚ方向移動用圧電素子３４１Ｂと導電パターン３４３に接している。電気的接続部３４４Ａと３４４Ｂは、例えば、導電性ペーストや導電性接着剤、ボンディングワイヤーなどの極細ワイヤー、低温で溶融するはんだなどであってよい。また、電気的接続部３４４Ａと３４４Ｂは、黒鉛を塗布して形成されてもよい。
【００９３】
配線３４６は電気的接続部３４４Ｂを介して導電パターン３４３に接続されている。従って、Ｚ方向移動用圧電素子３４１Ａは、電気的接続部３４４Ａと導電パターン３４３を介して、配線３４６と電気的に接続されている。またＺ方向移動用圧電素子３４１Ｂは、電気的接続部３４４Ｂを介して、配線３４６と電気的に接続されている。
【００９４】
移動対象物は、上側のＺ方向移動用圧電素子３４１Ａの自由端に取り付けられる。移動対象物は例えば観察試料であり、別の例ではカンチレバーである。移動対象物の質量が大きい場合、好ましくは、下側のＺ方向移動用圧電素子３４１Ｂ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。
【００９５】
Ｚ走査の際、Ｚ方向移動用圧電素子３４１Ａと３４１ＢがＺ軸に沿って同じ量だけ逆向きに伸縮される。このため、Ｚ方向移動用圧電素子３４１Ａの伸縮が可動部１２１に与える力とＺ方向移動用圧電素子３４１Ｂの伸縮が可動部１２１に与える力とは、大きさは等しく、向きは逆である。
【００９６】
Ｚ方向移動用圧電素子３４１Ａの伸縮は可動部１２１にＺ方向の力を与え、可動部１２１を振動させようとする。しかし、可動部１２１がＺ方向移動用圧電素子３４１Ａの伸縮によって受けるＺ方向の力は、Ｚ方向移動用圧電素子３４１Ｂの伸縮によって打ち消される。その結果、可動部１２１はほとんど振動しない。
【００９７】
さらに、Ｚ方向移動用圧電素子３４１Ａと３４１Ｂの中心軸が可動部１２１の重心を通り、第三弾性支持部１２６は可動部１２１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方向移動用圧電素子３４１Ａと３４１Ｂが高速で駆動された場合も、可動部１２１の上面はほとんど傾くことがない。これにより、高精度な動作が可能となる。
【００９８】
本実施形態の走査機構３００は、第一実施形態の利点に加えて、振動の発生が少ないという利点を有している。
【００９９】
第四実施形態
本実施形態は、例えば第一実施形態のＺステージに代えて適用可能な別のＺステージに向けられている。以下、図１６〜図１８を参照しながら本実施形態について説明する。
【０１００】
図１６は、本実施形態のＺステージの上面図である。図１７は、図１６に示されたXVII−XVII線に沿ったＺステージの断面図である。図１８は、図１６に示されたXVIII−XVIII線に沿ったＺステージの断面図である。
【０１０１】
図１６〜図１８に示されるように、Ｚステージ４４０は、可動部１２１の貫通穴の大径部分内に収まる楕円形の絶縁性基板４４２と、Ｚ方向移動用アクチュエーターを構成するＺ方向移動用圧電素子４４１と、絶縁性基板４４２に設けられた一対の電気的接続部４４４と、電気的接続部４４４に電気的に接続された配線４４６とを有している。
【０１０２】
Ｚ方向移動用圧電素子４４１は、絶縁性基板４４２の上面に接着剤などにより機械的に固定され、絶縁性基板４４２からＺ軸に沿って延びている。Ｚ方向移動用圧電素子４４１の自由端に移動対象物が取り付けられる。移動対象物は例えば観察試料であり、別の例ではカンチレバーである。Ｚ方向移動用圧電素子４４１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方向移動用圧電素子４４１の中心軸は可動部１２１の重心を通っている。
【０１０３】
電気的接続部４４４は、絶縁性基板４４２に形成された楕円の長軸に沿って延びる一対の溝４４７に設けられている。溝４４７は、Ｚ方向移動用圧電素子４４１の固定端から切り欠き４４５の近くまで延びている。電気的接続部４４４はＺ方向移動用圧電素子４４１の下端すなわち固定端と接触しており、Ｚ方向移動用圧電素子４４１の電極と導通している。また電気的接続部４４４には配線４４６が電気的に接続されている。従ってＺ方向移動用圧電素子４４１は、電気的接続部４４４を介して、配線４４６と電気的に接続されている。配線４４６は絶縁性基板４４２の両側に形成された切り欠き４４５を通って下方に延びている。
【０１０４】
電気的接続部４４４は、例えば、導電性ペーストや導電性接着剤を絶縁性基板４４２に形成された溝４４７内に滴下して硬化させることによって形成される。溝４４７に滴下された導電性ペーストや導電性接着剤は溝４４７に沿って容易に広がるため、Ｚ方向移動用圧電素子４４１に少ない面積で接触する電気的接続部４４４を容易に形成することができる。
【０１０５】
本実施形態の走査機構４００は、Ｚ方向移動用圧電素子４４１と電気的接続部４４４の接触面積が少ないため、電気的接続部４４４によるＺ方向移動用圧電素子４４１の拘束が少ない。従って、第一実施形態の利点に加えて、Ｚ方向移動用圧電素子４４１が拘束されることによる変位特性の劣化が少ないという利点を有している。
【０１０６】
第五実施形態
本実施形態は、別の走査機構に向けられている。以下、図１９〜図２１を参照しながら本実施形態について説明する。
【０１０７】
図１９は、本発明の第五実施形態の走査機構の上面図である。図２０は、図１９に示されたXX−XX線に沿った走査機構の断面図である。図１９と図２０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。
【０１０８】
図１９と図２０に示されるように、本実施形態の走査機構５００は、第一実施形態の構成に加えて、Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０Ａが固定された固定台５５０ＡとＹ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂが固定された固定台５５０Ｂとを有している。すなわち、Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０Ａは、固定ベース１１０に固定された固定台５５０Ａに固定されており、Ｙ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂも同様に、固定ベース１１０に固定された固定台５５０Ｂに固定されている。それ以外の構成は第一実施形態と同様である。
【０１０９】
固定台５５０Ａと５５０Ｂは同じ構成をしており、以下では代表的に５５０Ａについて説明する。図２１は、図１９と図２０に示されたＸ方向移動用アクチュエーターとその固定台との側面図である。
【０１１０】
図２１に示されるように、固定台５５０Ａは絶縁体で構成されている。固定台５５０Ａには配線５５２が接着剤５５３によって固定されている。配線５５２の線材５５２ａは、電気的接続部５５１によってＸ方向移動用アクチュエーター１３０Ａと電気的に接続されている。配線５５２が固定台５５０Ａ固定されているため、Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０Ａは配線５５２による負荷を受けない。
【０１１１】
Ｙ方向移動用アクチュエーター１３０Ｂに関してもまったく同様である。
【０１１２】
また、図２０に示されるように、固定ベース１１０にはその下面にコネクター５６０が固定されている。Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０ＡとＹ方向移動用アクチュエーター１３０ＢとＺ方向移動用圧電素子１４１にそれぞれ電気的に接続されている配線は共に、固定部１２２と固定ベース１１０に形成された貫通穴を通って、固定ベース１１０に固定されたコネクター５６０に接続されている。コネクター５６０は、例えば、外部電源などの外部装置と電気的に接続される。つまり、Ｘ方向移動用アクチュエーター１３０ＡとＹ方向移動用アクチュエーター１３０ＢとＺ方向移動用圧電素子１４１は、コネクター５６０を介して外部装置と電気的に接続される。
【０１１３】
本実施形態の走査機構５００は、コネクター５６０の部分において、外部装置から容易に切り離すことができる。このため、もしＸ方向移動用アクチュエーター１３０ＡとＹ方向移動用アクチュエーター１３０ＢとＺ方向移動用圧電素子１４１のいずれかが何らかの理由で故障した場合、動作が保証された別の走査機構５００に容易に交換することが可能である。
【０１１４】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【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】図１と図２に示されたＺステージの上面図である。
【図４】図３に示されたIV−IV線に沿ったＺステージの断面図である。
【図５】印加信号の周波数と積層型圧電素子の変位の関係を示すグラフである。
【図６】変位拘束がない場合の圧電素子の発生力と変位の関係を示すグラフである。
【図７】Ｚ方向移動用圧電素子の側面に直方体の電気的接続部が形成されているモデルを示している。
【図８】本発明の第二実施形態の走査機構の上面図である。
【図９】図８に示されたIX−IX線に沿った走査機構の断面図である。
【図１０】図８と図９に示されたＺステージの上面図である。
【図１１】図１０に示されたXI−XI線に沿ったＺステージの断面図である。
【図１２】本発明の第三実施形態の走査機構の上面図である。
【図１３】図１２に示されたXIII−XIII線に沿った走査機構の断面図である。
【図１４】図１２と図１３に示されたＺステージの上面図である。
【図１５】図１４に示されたXIV−XIV線に沿ったＺステージの断面図である。
【図１６】本実施形態のＺステージの上面図である。
【図１７】図１６に示されたXVII−XVII線に沿ったＺステージの断面図である。
【図１８】図１６に示されたXVIII−XVIII線に沿ったＺステージの断面図である。
【図１９】本発明の第五実施形態の走査機構の上面図である。
【図２０】図１９に示されたXX−XX線に沿った走査機構の断面図である。
【図２１】図１９と図２０に示されたＸ方向移動用アクチュエーターとその固定台との側面図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１００…走査機構、１１０…固定ベース、１２０…ＸＹステージ、１２１…可動部、１２２…固定部、１２３Ａ…第一弾性支持部、１２３Ｂ…第二弾性支持部、１２４Ａ…第一弾性支持部、１２４Ｂ…第二弾性支持部、１２５Ａ…押圧部、１２５Ｂ…押圧部、１２６…第三弾性支持部、１３０Ａ…Ｘ方向移動用アクチュエーター、１３０Ｂ…Ｙ方向移動用アクチュエーター、１４０…Ｚステージ、１４１…Ｚ方向移動用圧電素子、１４２…絶縁性基板、１４３…導電パターン、１４４…電気的接続部、１４５…切り欠き、１４６…配線、２００…走査機構、２３６…配線、２４０…Ｚステージ、２４１…Ｚ方向移動用圧電素子、２４２…絶縁性基板、２４３…導電パターン、２４４…電気的接続部、２４５…貫通穴、２４６…配線、３００…走査機構、３４０…Ｚステージ、３４１Ａ…Ｚ方向移動用圧電素子、３４１Ｂ…Ｚ方向移動用圧電素子、３４２…絶縁性基板、３４３…導電パターン、３４４Ａ…電気的接続部、３４４Ｂ…電気的接続部、３４５…切り欠き、３４６…配線、４００…走査機構、４３６…配線、４４０…Ｚステージ、４４１…Ｚ方向移動用圧電素子、４４２…絶縁性基板、４４４…電気的接続部、４４５…切り欠き、４４６…配線、４４７…溝、５００…走査機構、５５０Ａ…固定台、５５０Ｂ…固定台、５５１…電気的接続部、５５２…配線、５５２ａ…線材、５５３…接着剤、５６０…コネクター。
【図１】
2006126145.tif 000004
【図２】
2006126145.tif 000005
【図３】
2006126145.tif 000006
【図４】
2006126145.tif 000007
【図５】
2006126145.tif 000008
【図６】
2006126145.tif 000009
【図７】
2006126145.tif 000010
【図８】
2006126145.tif 000011
【図９】
2006126145.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年1月26日(2006.1.26)
【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】
移動対象物をＺ軸に沿って移動させるための走査型プローブ顕微鏡用走査機構であって、移動対象物をＺ軸に沿って移動させるためのＺステージを備えており、Ｚステージは、
絶縁性基板と、
絶縁性基板に固定されたＺ方向移動用アクチュエーターと、
絶縁性基板に設けられた導電パターンと、
Ｚ方向移動用アクチュエーターと導電パターンとを電気的に接続するための電気的接続部とを有し、
移動対象物はＺ方向移動用アクチュエーターの自由端に取り付けられ、
電気的接続部はＺ方向移動用アクチュエーターの固定端に取り付けられている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項２】
請求項１において、走査型プローブ顕微鏡用走査機構はさらに、
固定ベースと、
固定ベースに収容され、Ｚ軸に直交し、互いに直交するＸ軸とＹ軸に沿って移動対象物を移動させるためのＸＹステージと、
ＸＹステージと固定ベースの間にＸ軸に沿って延びているＸ方向移動用アクチュエーターと、
ＸＹステージと固定ベースの間にＹ軸に沿って延びているＹ方向移動用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第三弾性支持部とを有しており、Ｘ方向移動用アクチュエーターは、第一弾性支持部と固定ベースに接して延びており、Ｘ軸に沿って伸縮可能であり、Ｙ方向移動用アクチュエーターは、第二弾性支持部と固定ベースに接して延びており、Ｙ軸に沿って伸縮可能であり、
Ｚステージの絶縁性基板は、ＸＹステージの可動部に保持されている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項３】
請求項１において、電気的接続部が導電性ペーストで構成されている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項４】
請求項１において、電気的接続部が導電性接着剤で構成されている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項５】
請求項１において、電気的接続部が低温で溶融するはんだで構成されている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項６】
請求項１において、アクチュエーターは圧電素子である、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項７】
請求項６において、圧電素子は質量が１［ｇ］以下である、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項８】
請求項６において、電気的接続部と圧電素子の接触面積は、電気的接続部と接触している圧電素子の面の面積の１／２以下である、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項９】
請求項１において、絶縁性基板は、ヤング率が７×１０９Ｐａより大きい材料で構成されている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項１０】
請求項１において、絶縁性基板は、セラミックで構成されている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項１１】
請求項１において、Ｚ方向移動用アクチュエーターはＺ軸に沿って伸縮可能な二つの圧電素子を有し、二つの圧電素子は同軸に位置し、それぞれ絶縁性基板からＺ軸に沿って反対側に延びている、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項１２】
請求項１において、移動対象物が観察試料である、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項１３】
請求項１において、移動対象物がカンチレバーである、走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項１４】
請求項１〜請求項１３のいずれか一つに記載の走査機構を有する走査型プローブ顕微鏡。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明は、移動対象物をＺ軸に沿って移動させるための走査型プローブ顕微鏡用走査機構であり、移動対象物をＺ軸に沿って移動させるためのＺステージを備えており、Ｚステージは、絶縁性基板と、絶縁性基板に固定されたＺ方向移動用アクチュエーターと、絶縁性基板に設けられた導電パターンと、Ｚ方向移動用アクチュエーターと導電パターンとを電気的に接続するための電気的接続部とを有し、Ｚ方向移動用アクチュエーターは電気的接続部を介して導電パターンと電気的に接続されており、移動対象物はＺ方向移動用アクチュエーターの自由端に取り付けられ、電気的接続部はＺ方向移動用アクチュエーターの固定端に取り付けられている。