(57)【要約】      （修正有）【課題】外側に信号線が露出せず、製造及びメンテナンスのコストを抑えることができる走査プローブ顕微鏡の走査ヘッドを提供する。【解決手段】走査ヘッド１は、対向配置され、第一受入空間及び第二受入空間をそれぞれ形成する第一端部１１１及び第二端部１１２を有する走査ヘッドフレーム１１と、第一受入空間内に位置するサンプルテーブル１２と、第二受入空間内に位置する走査モジュール１３と、走査ヘッドフレーム１１の第二端部１１２に取り付けられる複数の固定電極１６１とを備える。走査ヘッド１の信号線は、操作中に落ちたり、離れたりしない。更に、走査ヘッド１の走査プローブ１３２にレーザーを入射させることができ、走査プローブ１３２にレーザーを組み合わせることができるので、応用範囲が広い。走査ヘッド１はモジュール設計を採用し、コンパクトな構造となっているので、製造及びメンテナンスのコストを抑えることができる。【選択図】図３
2019035752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査プローブ顕微鏡の走査ヘッドであって、
対向配置され、第一受入空間及び第二受入空間をそれぞれ形成する第一端部及び第二端部を有する走査ヘッドフレームと、
前記第一受入空間内に位置するサンプルテーブルと、
前記第二受入空間内に位置する走査モジュールと、
前記走査ヘッドフレームの前記第二端部に取り付けられる複数の固定電極と、
を備える走査プローブ顕微鏡の走査ヘッド。
【請求項２】
前記走査ヘッドは、前記走査モジュールの出力端子と前記複数の固定電極とを接続する、湾曲したワイヤを備えることを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡の走査ヘッド。
【請求項３】
前記ワイヤは螺旋状であることを特徴とする請求項２に記載の走査プローブ顕微鏡の走査ヘッド。
【請求項４】
前記走査ヘッドは、更に、前記走査ヘッドフレームの前記第二端部の端面に取り付けられる電極制限部材を備え、前記電極制限部材は、複数の固定電極を通す複数の制限孔を有することを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡の走査ヘッド。
【請求項５】
前記走査ヘッドフレームの側壁には、対向配置の光入口及び光出口が設けられていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡の走査ヘッド。
【請求項６】
前記走査ヘッドフレームの側壁には、前記光入口と前記光出口の間に位置するサンプル入口が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の走査プローブ顕微鏡の走査ヘッド。
【請求項７】
前記走査ヘッドフレームは、更に、前記第二受入空間内に位置するパン・ステッパ・モーターを備え、前記パン・ステッパ・モーターは調整つまみを有し、前記走査ヘッドフレームの側壁には、前記パン・ステッパ・モーターの前記調整つまみを延出するための操作用貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の走査プローブ顕微鏡の走査ヘッド。
【請求項８】
前記操作用貫通孔と前記サンプル入口は、前記走査ヘッドフレームの同じ側壁に位置することを特徴とする請求項７に記載の走査プローブ顕微鏡の走査ヘッド。
【請求項９】
前記走査モジュールを前記サンプルテーブルの方へ駆動する前記パン・ステッパ・モーターの変位は、前記ワイヤの最大伸長よりも小さいことを特徴とする請求項７に記載の走査プローブ顕微鏡の走査ヘッド。
【請求項１０】
前記サンプルテーブルは、
サンプル片をクランプする可動サンプルクランプと、
前記可動サンプルクランプが平面内を移動するようにする駆動装置と、
前記駆動装置に接続し、前記走査ヘッドフレームの前記第二端部に取り付けられる固定部材と、
前記固定部材上に取り付けられた３つの引出電極と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡の走査ヘッド。
【請求項１１】
前記走査ヘッドフレームは一体成形されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡の走査ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査プローブ顕微鏡の分野に関し、特に、走査プローブ顕微鏡の走査ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
走査プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope（ＳＰＭ））とは、走査型トンネル顕微鏡に基づいて開発されている様々な新しいプローブ型顕微鏡（原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope（ＡＦＭ））、レーザー力顕微鏡（Laser Force Microscope（ＬＦＭ））、磁気力顕微鏡（Magnetic Force Microscope（ＭＦＭ））等）の総称である。ＳＰＭは、光、機械及び電気を統合したハイテク製品であり、光電子技術、レーザー技術、微弱信号検出技術、精密機械の設計及び処理、自動制御技術、デジタル信号処理技術、応用光学技術、コンピュータによる高速化及び制御、並びに高解像度画像処理技術等の最新の科学技術の成果を包括的に利用している。
【０００３】
新しい顕微鏡ツールとして、ＳＰＭは、従来の顕微鏡や分析機器と比べて大変優れたものである。第一に、ＳＰＭは非常に高い解像度を持っており、原子を容易に「見る」ことができる。これは、一般の顕微鏡や、電子顕微鏡でさえも難しいことである。第二に、ＳＰＭは、サンプルの実表面の高解像度な画像を実時間で取得し、分析機器とは異なり、サンプルの表面構造を、間接的な或いは計算による方法で推定する。第三に、ＳＰＭは、動作環境に対して厳しい要求を課さない。真空内だけではなく、低温、常温、高温の空気内、更には溶液内においても使用することができる。よって、ＳＰＭは、様々な環境での科学実験に適したものである。
【０００４】
しかしながら、市販の走査ヘッドでは、走査ヘッドの外側に信号線が露出する設計を採用している。走査ヘッドは、少量の半田接合により非常に細い信号線を有しているので、走査ヘッドの取り付け時や動作時には非常に注意しなければならず、信号線はちぎれ易く、メンテナンスが難しい。
【発明の概要】
【０００５】
従来技術における上記の技術的問題点に鑑みて、本発明の実施形態は、走査プローブ顕微鏡の走査ヘッドを提供する。
【０００６】
走査プローブ顕微鏡の走査ヘッドは、対向配置され、第一受入空間及び第二受入空間をそれぞれ形成する第一端部及び第二端部を有する走査ヘッドフレームと、前記第一受入空間内に位置するサンプルテーブルと、前記第二受入空間内に位置する走査モジュールと、前記走査ヘッドフレームの前記第二端部に取り付けられる複数の固定電極と、を備える。
【０００７】
前記走査ヘッドは、前記走査モジュールの出力端子と前記複数の固定電極とを接続する、湾曲したワイヤを備えていることが好ましい。
【０００８】
前記ワイヤは螺旋状であることが好ましい。
【０００９】
前記走査ヘッドは、更に、前記走査ヘッドフレームの前記第二端部の端面に取り付けられる電極制限部材を備え、前記電極制限部材は、複数の固定電極を通す複数の制限孔を有することが好ましい。
【００１０】
前記走査ヘッドフレームの側壁には、対向配置の光入口及び光出口が設けられていることが好ましい。
【００１１】
前記走査ヘッドフレームの側壁には、前記光入口と前記光出口の間に位置するサンプル入口が設けられていることが好ましい。
【００１２】
前記走査ヘッドフレームは、更に、前記第二受入空間内に位置するパン・ステッパ・モーターを備え、前記パン・ステッパ・モーターは調整つまみを有し、前記走査ヘッドフレームの側壁には、前記パン・ステッパ・モーターの前記調整つまみを延出するための操作用貫通孔が設けられていることが好ましい。
【００１３】
前記操作用貫通孔と前記サンプル入口は、前記走査ヘッドフレームの同じ側壁に位置することが好ましい。
【００１４】
前記走査モジュールを前記サンプルテーブルの方へ駆動する前記パン・ステッパ・モーターの変位は、前記ワイヤの最大伸長よりも小さいことが好ましい。
【００１５】
前記サンプルテーブルは、サンプル片をクランプする可動サンプルクランプと、前記可動サンプルクランプが平面内を移動するようにする駆動装置と、前記駆動装置に接続し、前記走査ヘッドフレームの前記第二端部に取り付けられる固定部材と、前記固定部材上に取り付けられた３つの引出電極と、を備えることが好ましい。
【００１６】
前記走査ヘッドフレームは一体成形されていることが好ましい。
本発明の走査ヘッドの信号線は、操作中に落ちたりちぎれたりしない。更に、走査ヘッドでは、その走査プローブにレーザーを入射させることができ、走査プローブにレーザーを組み合わせることができるので、応用範囲が広い。本発明の走査ヘッドはモジュール設計を採用し、コンパクトな構造となっているので、製造及びメンテナンスのコストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
【図１】本発明の好適な実施形態に係る走査ヘッドの斜視図である。
【図２】図１に示される走査ヘッドの分解斜視図である。
【図３】図１に示される走査ヘッドの分解平面図である。
【図４】図１の矢印Ａの方向から見た斜視図である。
【図５】図１の走査ヘッド内の走査プローブにレーザーを組み合わせたときの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の目的、技術的解決手段及び効果をより明確にするため、以下に、図面を参照し、本発明を詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の好適な実施形態に係る走査ヘッドの斜視図である。図１に示すように、走査ヘッド１は、略円柱形状の走査ヘッドフレーム１１、走査ヘッドフレーム１１内に位置するサンプルテーブル１２、走査モジュール１３及びパン・ステッパ・モーター（図１に図示せず）、並びに走査ヘッドフレーム１１の端部に取り付けられた電極固定台１４を備える。
【００２０】
図２は図１に示される走査ヘッドの分解斜視図であり、図３は図１に示される走査ヘッドの分解平面図である。図２及び図３に示すように、一体成形の走査ヘッドフレーム１１は略長方形で、軸Ｌに対して円柱形状となっている。走査ヘッドフレーム１１の環状側壁には、対向配置の光入口１１５及び光出口１１６、並びに光入口１１５と光出口１１６の間に位置するサンプル入口１１７が設けられている。走査ヘッドフレーム１１は、対向配置の端部１１１及び１１２を有している。走査ヘッドフレーム１１の端部１１１は、サンプルテーブル１２を受け入れるための受入空間１１３を形成しており、受入空間１１３は、サンプルテーブル１２の形状に合うように作られている。走査ヘッドフレーム１１のもう一方の端部１１２は、市販のパン・ステッパ・モーター（その調整つまみ１７１のみ図２及び図３に示す）及び走査モジュール１３を受け入れるための受入空間１１４を形成している。
【００２１】
サンプルテーブル１２は、固定部材１２１、精密駆動装置１２２及び可動サンプルクランプ１２３を備え、これらは連続して配置されている。固定部材１２１は板状になっており、ポリテトラフルオロエチレン等の絶縁材で作成可能である。固定部材１２１には、高電圧駆動信号を受ける引出電極１５１、１５２及び１５３が取り付けられており、固定部材１２１から伸びている。引出電極１５１、１５２及び１５３は、軸Ｌと平行して伸びている。固定部材１２１には、走査ヘッドフレーム１１の端部１１１の端面にある４つの穴１１８に合わせた４つのネジ穴１２１１がそれぞれ設けられており、ボルトやネジ（図２及び図３には図示せず）で走査ヘッドフレーム１１にサンプルテーブル１２を固定する。
【００２２】
精密駆動装置１２２は市販の精密駆動装置で良く、そのコア部品は、互いに直交した２つの圧電セラミックシート（図２及び図３に図示せず）から成る。一方の圧電セラミックシートの２つの電極は、信号線を介して、引出電極１５１及び１５２と電気的にそれぞれ接続している。もう一方の圧電セラミックシートの２つの電極は、信号線を介して、引出電極１５２及び１５３と電気的にそれぞれ接続している。引出電極１５１、１５２及び１５３では、高電圧駆動信号を受け取った後、逆圧電効果による圧電セラミックシートの変形量を正確に制御するようにしても良い。圧電セラミックシートの変形は、軸Ｌの垂直方向に起こるので、可動サンプルクランプ１２３が軸Ｌと垂直に交わる面を正確に移動できるようにする。
【００２３】
図３に示すように、可動サンプルクランプ１２３は、２つの圧電セラミックシートとリンクする移動プレート１２３１と、移動プレート１２３１の反対側の端に配置されているＬ字型耳折れ１２３２とを備えている。２つのＬ字型耳折れ１２３２は互いに向き合って伸びているので、移動プレート１２３１と共に、板状のサンプル受入空間１２３４を形成しており、サンプル片の受け入れ及び運搬を行う。
【００２４】
走査モジュール１３は、六角柱状のハウジング１３１、走査管１３３、及び走査管１３３の端部に位置する走査プローブ１３２を備える（図３参照）。走査プローブ１３２は、走査管１３３の端部に着脱可能に搭載されている。走査プローブ１３２の交換が必要なときは、機械アーム（図２及び図３に図示せず）をサンプル入口１１７から通すことによって交換可能である。走査管１３３の一部は、ハウジング１３１内に位置し、固定されている。ハウジング１３１は、パン・ステッパ・モーターの駆動部品と接続している。パン・ステッパ・モーターの制御により、走査モジュール１３は軸Ｌに沿って移動できるので、走査プローブ１３２と可動サンプルクランプ１２３に配置されたサンプル片との距離を正確に制御できる。パン・ステッパ・モーターの調整つまみ１７１は走査ヘッドフレーム１１の側壁にある操作用貫通孔１１９から出ている。他の機械アームで調整つまみ１７１を回して、走査モジュール１３を移動するための力を変えることができる。
【００２５】
電極固定台１４も、ネジやボルトによって、走査ヘッドフレーム１１の端部１１２の端面に固定される。電極固定台１４は、対向配置の２つの電極制限部材１４１及び１４２を備えており、電極制限部材１４１及び１４２はポリテトラフルオロエチレン等の絶縁材で作られている。電極制限部材１４１及び１４２には、複数の電極を通すために、複数の貫通孔がそれぞれ設けられている。図２には、５つの固定電極１６１を通すために電極制限部材１４１に設けられた５つの制限孔１４１１を示しており、５つの固定電極１６１は端部１１２の端面と平行になっている。制限孔１４１１の大きさは固定電極１６１の直径よりやや大きいので、５つの固定電極１６１を５つの制限孔１４１１にきっちり埋め込むことができ、固定電極１６１が電極制限部材１４１及び１４２から落ちるのを防ぐことができる。
【００２６】
図４は、図１の矢印Ａの方向から見た斜視図であり、図１に示される走査ヘッドを反対方向から見た斜視図である。図４に示すように、走査ヘッド１は、複数（図４では６つ）の螺旋状のワイヤ１７も備えている。ワイヤ１７の一方の端は固定電極１６１に溶接されており、もう一方の端は走査モジュール１３の出力端子に溶接されている。ワイヤ１７には伸縮性が多少あり、小さな力で伸ばすのに適している。パン・ステッパ・モーターが走査モジュール１３を可動サンプルクランプ１２３に接近させる過程において、走査モジュール１３が同時にワイヤ１７に作用し、ワイヤ１７を伸ばすようにしても良い。螺旋状のワイヤ１７の最大伸長は、パン・ステッパ・モーターによって可動サンプルクランプ１２３に近付く走査モジュール１３の変位より長いので、ワイヤ１７が固定電極１６１から離れたり落ちたりするのを避けられる。更に、固定電極１６１は、電極制限部材１４１に固設されている。外部回路の配線端子はワイヤ１７に直接接触しないので、ワイヤ１７に力がかからないようにすることができる。
【００２７】
図５は、図１の走査ヘッド内の走査プローブにレーザーを組み合わせたときの平面図である。図５に示すように、軸Ｌを対象軸として、走査ヘッドフレーム１１の光入口１１５と光出口１１６の両側にフォーカスレンズ１８１及び１８２を配置する。簡略化のために、図５には、フォーカスレンズ１８１及び１８２を駆動するフォーカスレンズ駆動装置は示していない。
【００２８】
フォーカスレンズ１８１は、光軸がレーザー１９１の入射方向と平行になるように、フォーカスレンズ駆動装置によって調節される。レーザー１９１を、走査プローブ１３２に組み合わせるために、走査プローブ１３２の先端に集束させる。フォーカスレンズ１８２の位置を調節して、レーザー１９２を集中する。フォーカスレンズ１８１及び１８２と走査プローブ１３２との相対位置は変わらないようにする。可動サンプルクランプ１２３内のサンプル片が軸Ｌと垂直に交わる面を移動できるように、高電圧駆動信号を引出電極１５１、１５２及び１５３に供給するので、ナノメートルスケールで材料や分子の分光特性を解析し、材料や分子のエネルギーレベル分布を調査することができる。このように、光学上の互換性を実現し、応用範囲を広げる。
【００２９】
本発明の他の実施形態では、ワイヤ１７を、螺旋状、波状等に曲げる。
【００３０】
サンプル入口１１７と操作用貫通孔１１９は、走査ヘッドフレームの同じ側壁に位置しているので、複数の機械アームを、便宜的に走査ヘッドフレームの同じ側に配置し、操作を容易にしても良い。
【００３１】
本発明の走査ヘッドフレーム１１では、コンパクトな構造で、占める量が少ない一体成形のフレーム構造を採用している。
【００３２】
本発明の走査ヘッドフレーム１１、サンプルテーブル１２及び走査モジュール１３は個別に作製しても良く、これらは組み立てや分解に便利であり、メンテナンスの時間やコストを削減することができる。
【００３３】
本発明のパン・ステッパ・モーターの調整つまみ１７１は、走査ヘッドフレーム１１の外に出ているので、走査モジュール１３を駆動する力の調節が容易である。
【００３４】
好適な実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明はそれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を外れない範囲において様々な変形や応用も本発明に含まれるものである。
【図１】
2019035752.tif 000003
【図２】
2019035752.tif 000004
【図３】
2019035752.tif 000005
【図４】
2019035752.tif 000006
【図５】
2019035752.tif 000007