(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動対象物を複数の軸に沿って移動させるための走査機構であって、
移動対象物を第一の軸に沿って移動させるための第一のアクチュエータと、
第一のアクチュエータを保持している可動部材と、
可動部材を第一の軸と異なる第二の軸に沿って移動させるための第二のアクチュエータと、
可動部材の第一の軸に沿った動きを規制する第一の案内機構とを備えており、
第一のアクチュエータは、第二のアクチュエータよりも高速に移動対象物を移動させることが可能であり、
第一のアクチュエータは一対の端部を有し、その一方に移動対象物が取り付けられ、一対の端部が対称的に伸縮される基準となる第一のアクチュエータの中央付近あるいは重心付近が可動部材によって保持されている走査機構。
【請求項２】
第一のアクチュエータは、一対の積層型圧電アクチュエータと、これらを直列的に連結している連結部材とを備えており、連結部材が可動部材によって保持されている請求項１記載の走査機構。
【請求項３】
第二のアクチュエータは、第二の軸に沿って伸縮し得る積層型圧電アクチュエータを備えており、積層型圧電アクチュエータは一対の端部を有し、一方の端部は可動部材に連結され、他方の端部は固定されている請求項１に記載の走査機構。
【請求項４】
第一の案内機構は、可動部材に設けられた弾性部材を有している請求項１に記載の走査機構。
【請求項５】
可動部材を、第一の軸と第二の軸の何れとも異なる第三の軸に沿って移動させるための第三のアクチュエータと、可動部材の第一の軸に沿った動きを規制する第二の案内機構とを更に備えている請求項１または請求項４に記載の走査機構。
【請求項６】
第二の案内機構は、可動部材に設けられた弾性部材を有している請求項５に記載の走査機構。
【請求項７】
第二のアクチュエータの端部は、第三の弾性部材を介して可動部材に連結され、第三のアクチュエータの端部は、第二の弾性部材を介して可動部材に連結されている請求項６に記載の走査機構。
【請求項８】
第一の案内機構の弾性部材は、第二の軸に沿った剛性が、第三の軸に沿った剛性よりも高く、これとは反対に、第二の案内機構の弾性部材は、第三の軸に沿った剛性が、第三の軸第二の軸に沿った剛性よりも高い、請求項６に記載の走査機構。
【請求項９】
第一の案内機構の弾性部材は、第二の軸に沿って延びる細長いスリットを有する矩形バネを備えており、第二の案内機構の弾性部材は、第三の軸に沿って延びる細長いスリットを有する矩形バネを備えている請求項８に記載の走査機構。
【請求項１０】
第三のアクチュエータは、第三の軸に沿って伸縮し得る積層型圧電アクチュエータを備えており、積層型圧電アクチュエータは一対の端部を有し、一方の端部は可動部材に連結され、他方の端部は固定されている請求項１または請求項３に記載の走査機構。
【請求項１１】
探針を用いて試料の表面を観察する機械走査型顕微鏡であり、試料の表面近くに配置される探針と、探針を支持するためのカンチレバーと、探針と試料を相対的に走査するための走査機構と、探針と試料の相互作用に基づくカンチレバーの変位を検出するための変位検出系とを備えており、走査機構は、探針と試料のいずれか一方である移動対象物を、第一の軸に沿って移動させるための第一のアクチュエータと、第一のアクチュエータを保持している可動部材と、可動部材を第一の軸と異なる第二の軸に沿って移動させるための第二のアクチュエータと、可動部材を第一の軸と第二の軸のいずれとも異なる第三の軸に沿って移動させるための第三のアクチュエータと、可動部材の第一の軸に沿った動きを規制する案内機構とを備えており、
第一のアクチュエータは、第二のアクチュエータよりも高速に移動対象物を移動させることが可能であり、
第一のアクチュエータは一対の端部を有し、その一方に移動対象物が取り付けられ、一対の端部が対称的に伸縮される基準となる第一のアクチュエータの中央付近あるいは重心付近が可動部材によって保持されている機械走査型顕微鏡。
【請求項１２】
第一のアクチュエータは、一対の積層型圧電アクチュエータと、これらを直列的に連結している連結部材とを備えており、連結部材が可動部材によって保持されている請求項１１に記載の機械走査型顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査機構およびそれを組み込んだ装置に関する。本発明の走査機構は、例えば、走査型顕微鏡の走査機構や、走査型顕微鏡の技術を応用した試料の観察、加工、情報の記録などを行う装置に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
被移動物をＸＹＺ方向に直線的に動かし並進移動させたり、それぞれの軸に対して回転移動させたりするステージ機構は、機械機構の最も基本的な要素の一つである。またモータなどの駆動機構を使いステージ移動を電気信号などの制御信号に応じて移動制御できる自動ステージはあらゆる場面で使われている。このようなステージ機構におけるステージ(可動ステージ)はステージを固定するステージ機構の支持部に保持されるので、ステージは被移動物の支持部に対する位置関係を変化させる機構であると言うことができる。
【０００３】
被移動物をくり返し往復させるもしくは回転半回転動作をさせる機械的動作を伴い、比較的短い時間内にその動作をさせることが可能な機械機構の場合、その機械機構は走査機構とも呼ばれる。(以下、断りの無い限りこのような機械的な走査機構を単に走査機構と呼ぶ。)
例えば走査型顕微鏡などには、そのよな走査機構が搭載されている。そのような走査機構が搭載された走査型顕微鏡装置として、走査型プローブ顕微鏡やレーザ走査型顕微鏡、さらには電子ビームを固定したまま試料を走査して画像を得るタイプの電子走査型顕微鏡が例としてあげられる。
【０００４】
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の一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。
【０００５】
走査型プローブ顕微鏡は、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て、モニターＴＶ上にマッピング表示することができる。また、ＳＮＯＭなどは機械的探針先端から発せられる光を被加工物に作用して微細加工を行ったり、光による情報記録を行ったりすることができる。さらには、ナノインデンテータによれば試料表面に凹凸を形成し、やはり微細加工を行ったり、情報記録を行ったりすることができる。
【０００６】
このような走査型プローブ顕微鏡においては、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フィードバック制御してＺ方向の移動を担う走査機構を動かしている。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。そしてこの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。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倍からその１００倍程度である。
【０００７】
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以上となる。なお、この例の走査周波数は走査型プローブ顕微鏡としては今のところ最も高い走査周波数にあたり、通常はＸ方向走査周波数は数Ｈｚ程度に留まっている。例のような高い走査周波数を実現するには、その走査機構は、外部からの振動に対し安定であるのはもちろん、内部の走査動作にともない自分自身で発生する振動が小さく抑えられていることが求められる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
走査機構のステージを動かすとステージを支持する走査機構の支持部にはその反作用力が作用し振動として支持部に伝わる。支持部に伝わった振動は、支持部を揺らしたり、その揺れが再度ステージに作用してステージを揺らしたりするので、高精度で位置制御することを求められるステージでは、この振動を抑えることが必要である。振動の発生を抑えるため、ステージを移動させる際のステージの加速度が小さくなるように、ステージをゆっくり移動させることは一つの有効な方法である。しかし、短い時間内に所望の位置に移動させる必要がある場合、求められる移動速度性能を発揮するには、ゆっくり移動させる方法は採用できない。このような場合は振動を抑えるための別の工夫が必要となる。短い時間内に所望の位置に移動させる必要がある場合とは、走査型プローブ顕微鏡の場合を例に取れば、一つには高速走査し短時間に画像を取り込む場合である。また、試料の凹凸が大きく、Ｚ方向の移動を短時間に行わなければならない場合である。
【０００９】
本発明の目的は、振動の発生が抑えられた、これにより安定した高精度な位置制御を可能とする走査機構を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一つの観点においては、移動対象物を複数の軸に沿って移動させるための走査機構である。本発明による走査機構は、移動対象物を第一の軸に沿って移動させるための第一のアクチュエータと、第一のアクチュエータを保持している可動部材と、可動部材を第一の軸と異なる第二の軸に沿って移動させるための第二のアクチュエータと、可動部材の第一の軸に沿った動きを規制する第一の案内機構とを備えている。第一のアクチュエータは、第二のアクチュエータよりも高速に移動対象物を移動させることが可能である。第一のアクチュエータは一対の端部を有し、その一方に移動対象物が取り付けられ、一対の端部が対称的に伸縮される基準となる第一のアクチュエータの中央付近あるいは重心付近が可動部材によって保持されている。
【００１２】
本発明は、別の観点においては、探針を用いて試料の表面を観察する機械走査型顕微鏡である。本発明による機械走査型顕微鏡は、試料の表面近くに配置される探針と、探針を支持するためのカンチレバーと、探針と試料を相対的に走査するための走査機構と、探針と試料の相互作用に基づくカンチレバーの変位を検出するための変位検出系とを備えている。走査機構は、探針と試料のいずれか一方である移動対象物を、第一の軸に沿って移動させるための第一のアクチュエータと、第一のアクチュエータを保持している可動部材と、可動部材を第一の軸と異なる第二の軸に沿って移動させるための第二のアクチュエータと、可動部材を第一の軸と第二の軸のいずれとも異なる第三の軸に沿って移動させるための第三のアクチュエータと、可動部材の第一の軸に沿った動きを規制する案内機構とを備えている。第一のアクチュエータは、第二のアクチュエータよりも高速に移動対象物を移動させることが可能である。第一のアクチュエータは一対の端部を有し、その一方に移動対象物が取り付けられ、一対の端部が対称的に伸縮される基準となる第一のアクチュエータの中央付近あるいは重心付近が可動部材によって保持されている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
(第１の実施の形態)
本発明の第１の実施の形態の走査機構を備える機械走査型顕微鏡すなわち走査型プローブ顕微鏡を図１に示す。
【００１４】
図１において、走査型プローブ顕微鏡１００は、大まかに走査型プローブ顕微鏡機能の部分と光学顕微鏡機能の部分とからなる。
【００１５】
走査型プローブ顕微鏡機能の部分は、筐体１０１、光センサーユニット１０２、センサーユニット用Ｚステージ１０３、スライドガラス１０４、スライドガラス保持部１０５、カンチレバーチップ１０６、走査機構保持台１０７、走査機構２００、アクチュエータ駆動回路１１２、走査制御回路１１３、フィードバック回路１１４、ＡＣ/ＤＣ変換回路１１５、発振回路１１６、プリアンプ回路１１７、半導体レーザ駆動回路１１８、コンピュータ１１９、モニターＴＶ１２０を有している。
【００１６】
また光学顕微鏡機能の部分は、光源ランプ１３９レンズ１３８を含む顕微鏡観察照明光学系１１０、接眼レンズ１４０を含む顕微鏡観察観察光学系１１１、ハーフプリズム１３７、顕微鏡照明ランプ電源１２１、更に走査型プローブ顕微鏡機能の部分と共用する光センサーユニット１０２の対物レンズ１２２を有している。
【００１７】
走査型プローブ顕微鏡機能の部分について説明を加える。走査機構保持台１０７は、手動で微小送りができる三本のマイクロメータヘッド１３５(図１には二本のみが描かれている)により、筐体１０１上に三点支持されている。また、走査機構２００は、走査機構保持台１０７に支持されており、試料１０９は、図中下向きに、すなわちカンチレバーチップ１０６側と対向するように、走査機構２００に取り付けられる。走査機構２００は、試料１０９をＸ、Ｙ、Ｚ方向に微動走査させる。この走査機構２００の詳細については後で詳しく説明する。走査機構２００は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の各々に関してカンチレバーチップ１０６の探針１３２と試料１０９との位置の粗調整を行う調整機構を備えていてもよい。
【００１８】
光センサーユニット１０２は、カンチレバーチップ１０６のカンチレバー１３１の動きを測定する、光てこ方式の光センサーである。光センサーユニット１０２は、対物レンズ１２２、対物レンズ支持台１２３、プリズム１２４、偏光ビームスプリッター１２５、コリメートレンズ１２６、半導体レーザ１２７、レーザ位置調整ステージ１２８、二分割フォトダイオード１２９、フォトダイオード位置調整ステージ１３０を有している。
【００１９】
半導体レーザ１２７から発せられた光は、コリメートレンズ１２６で平行光とされた後、偏光ビームスプリッター１２５で反射された後、プリズム１２４で更に反射され、対物レンズ１２２に入る。平行光は、対物レンズ１２２で集光され、カンチレバーチップ１０６のカンチレバー１３１の背面に集光される。カンチレバー１３１の背面で反射された光は、逆の道をたどり、偏光ビームスプリッター１２５を通過し、更に直進して二分割フォトダイオード１２９に至る。カンチレバー１３１の角度変位は、二分割フォトダイオード１２９上の光スポットの動きに反映され、電気信号として出力される。
【００２０】
光センサーユニット１０２の対物レンズ１２２は、顕微鏡観察照明光学系１１０、顕微鏡観察観察光学系１１１とともに、光学顕微鏡観察光学系を構成し、試料１０９の光学顕微鏡観察を可能にする。対物レンズ１２２は、光学顕微鏡用の対物レンズであり、例えば２０倍の倍率を有する。
【００２１】
センサーユニット用Ｚステージ１０３は、対物レンズ１２２を含む光センサーユニット１０２の位置を粗動調整するためのステージであって、光センサーユニット１０２に含まれる対物レンズ１２２を上下させ、光センサーの焦点合わせや顕微鏡観察の焦点合わせを行う。
【００２２】
スライドガラス保持部１０５は、スライドガラス１０４を保持する。スライドガラス保持部１０５には、カンチレバーチップ１０６の取り付け部から離れたところに、カンチレバー１３１を励振させるための励振用圧電体１３３が固定されている。この励振用圧電体１３３にはカンチレバー１３１の共振周波数近傍の交流電圧が印加され、この電圧印加に応じて励振用圧電体１３３は振動し、その振動はカンチレバーチップ１０６に伝わりカンチレバー１３１を振動させる。
【００２３】
このようにカンチレバー１３１を振動させる測定では、光センサーユニット１０２から出力されるカンチレバーの変位信号は交流的になる。ＡＣ/ＤＣ変換回路１１５は、これを直流信号に変換する。カンチレバー１３１を振動させない測定では、この回路はバイパスされ動作されなくてもよい。
【００２４】
また、図１には、液体中での観察の様子が描かれており、走査機構２００の試料１０９の付近からカンチレバーチップ１０６が固定されたスライドガラス１０４の近傍に、水１３４が垂らされており、試料１０９とカンチレバーチップ１０６は共に水中に位置している。大気中での測定を行う場合には、この水１３４は不要である。
【００２５】
図１に示されるように、走査型プローブ顕微鏡１００は、装置を制御/駆動する電気回路などを含んでいる。これらの回路動作は、従来より提案されている走査型プローブ顕微鏡の回路動作と同様である。
【００２６】
走査制御回路１１３には、コンピュータ１１９から、ＸＹＺ走査の制御信号が与えられる。図１に、Ｚで記される信号は、走査機構２００のＺ方向走査用のアクチュエータとカンチレバーチップ１０６の探針１３２との距離を調整するための信号である。このＺの信号は主に測定前のフォースカーブ測定のときなど測定条件設定時にコンピュータから出力される。またコンピュータ１１９は発振回路１１６を制御して、励振用圧電体１３３を動作させ、カンチレバー１３１をその共振周波数付近で振動させる。
【００２７】
測定に入ると、コンピュータ１１９から出力されるラスター走査制御信号(図にＸ、Ｙで記される)に基づいて、走査機構２００のアクチュエータがＸＹ方向に走査される。カンチレバー１３１の先端にある探針１３２と試料１０９の表面との相互作用に基づくカンチレバー１３１の変位は光センサーユニット１０２で検出され、光センサーユニット１０２はその変位信号を出力する。光センサーユニット１０２からの変位信号出力は、プリアンプ回路１１７で増幅され、ＡＣ/ＤＣ変換回路１１５に入力される。ＡＣ/ＤＣ変換回路１１５は、発振回路１１６からの参照信号の周波数成分の信号を抽出し、交流信号を直流信号に変換する。
【００２８】
フィードバック回路１１４は、コンピュータ１１９から指示されたセッティング信号とＡＣ/ＤＣ変換回路１１５からの入力信号とを比較し、走査制御回路１１３にＺ方向フィードバック信号Ｚｆｂを送る。このＺ方向フィードバック信号ＺｆｂがＺ方向アクチュエータの走査制御信号となる。走査制御回路１１３は、Ｚ方向フィードバック信号Ｚｆｂに基づいてアクチュエータ駆動回路１１２を制御し、走査機構２００のＺ方向走査用のアクチュエータを駆動する。コンピュータ１１９は、自分自身が発生するＸＹの走査制御信号とフィードバック回路１１４からの信号を元に、試料の表面情報を三次元情報として処理し、モニターＴＶ１２０に表示させる。
【００２９】
本実施の形態の走査機構２００について、図２を参照しながら、詳しく説明する。図２に示されるように、走査機構２００は、走査機構保持台２０１と、これに固定されたアクチュエータ台座２０２、２０３と、アクチュエータ台座２０２、２０３に取り付けられたアクチュエータ２０４、２０５、２０６とを有している。
【００３０】
アクチュエータ２０４は、例えばＸ方向に伸縮可能であり、これはアクチュエータ保持部２０７を介してアクチュエータ台座２０２に実質的に保持されている。同様に、アクチュエータ２０５は、例えばＹ方向に伸縮可能であり、これはアクチュエータ保持部２０８を介してアクチュエータ台座２０３に実質的に保持されている。アクチュエータ２０６は、Ｚ方向に伸縮可能であり、これはアクチュエータ保持部２０９と２１０を介してアクチュエータ台座２０２と２０３に実質的に保持されている。
【００３１】
アクチュエータ２０４、２０５、２０６は、例えば、積層型圧電体であり、圧電体は、例えば、長さが１０ｍｍで断面が５ｍｍ×３ｍｍであり、１００Ｖの電圧印加に対して３μｍ伸び縮みする。アクチュエータ２０４、２０５、２０６は、それぞれ、そこから延びる二本の線を介しての駆動電圧の印加に応じて、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に伸縮する。
【００３２】
アクチュエータ保持部２０７は、アクチュエータ２０４の中央付近あるいは重心付近を保持している。アクチュエータ保持部２０８は、アクチュエータ２０５の中央付近あるいは重心付近を保持している。アクチュエータ保持部２０９と２１０は、アクチュエータ２０６の中央付近あるいは重心付近を保持している。
【００３３】
アクチュエータ２０６は、その端部に、移動対象物たとえば試料を保持するための試料保持部２１１を備えている。試料保持部２１１は、この端面に試料台ガラスが取り付けられる。
【００３４】
Ｘ方向に伸縮可能なアクチュエータ２０４は、Ｚ方向に伸縮可能なアクチュエータ２０６に面する端面に微小球２１２を備えており、この微小球２１２が、アクチュエータ２０６のＸ方向を横切る一方の端部側面に当て付けられている。同様に、Ｙ方向に伸縮可能なアクチュエータ２０５は、アクチュエータ２０６に面する端面に微小球２１３を備えており、この微小球２１３が、アクチュエータ２０６のＹ方向を横切る一方の端部側面に当て付けられている。
【００３５】
このように、アクチュエータの端面が微小球を介して移動対象物に当て付けられている走査機構は、伸縮しないアクチュエータに設けられた微小球は移動対象物に対して案内として働き、伸縮する別のアクチュエータによる移動対象物の移動を妨げないため、動作特性の線形性が高いという利点を有している。このような走査機構は、例えば、特開平９−８９９１０号に開示されており、その内容は参照によって本明細書に組み込まれるものとする。
【００３６】
次に、図２に示される走査機構２００のＺ方向の動作について、これを模式的に示している図３(ａ)を参照して説明する。図３(ａ)には、続く説明に必要な部材のみが示されている。
【００３７】
図３(ａ)において、アクチュエータ２０６は積層型圧電体であり、その中央付近が、接着効果を持つシリコンゴム製のアクチュエータ保持部２１０によって、走査機構保持台２０１に設けられたアクチュエータ台座２０３に固定されている。積層型圧電体２０６は、電圧の印加に応じて、アクチュエータ保持部２１０に固定された中央付近を基準にして、その両側の部分が、矢印で示されるように、両方向に伸縮する。
【００３８】
一般に、アクチュエータの動作は、これを保持するアクチュエータ保持部に振動やアクチュエータの動作の反作用による衝撃を与える。このような振動や衝撃は、走査機構を揺らす原因となる。高速での走査や高い周波数での走査では、走査機構の振動は極力抑えられることが望まれる。
【００３９】
本実施の形態では、アクチュエータ２０６の中央付近が保持されているので、図中に×印で示されるアクチュエータ２０６とアクチュエータ保持部２１０の界面においては、衝撃がバランスし、アクチュエータ台座２０３や走査機構保持台２０１に伝わる振動が抑えられる。これは、後述する図７と図８と図９の比較例と比べることでより良く理解されよう。
【００４０】
以上は、Ｚ方向走査用のアクチュエータ２０６に関する振動発生の抑制の説明であるが、Ｘ方向走査用のアクチュエータ２０４とＹ方向走査用のアクチュエータ２０５についても同様に振動の発生が抑制される。
【００４１】
従来、このような積層型圧電体等のアクチュエータは、走査範囲を広く取るため、つまり長いストロークを得るため、通常は一方の端部が保持される。このため、アクチュエータの動作の反作用が保持部にかかり、これが走査機構を揺らせてしまっている。
【００４２】
これに対して、本実施の形態のようにアクチュエータの中央付近が保持された走査機構では、運動系の重心付近が保持されるため、保持位置でのぶれが抑えられる。その結果、この走査機構は、振動が少なく、高速走査に対しても安定に動作する。
【００４３】
図１で示した走査型プローブ顕微鏡では、Ｘ方向に１００画素/ライン、Ｙ方向に１００ライン(１００００画素/画面)でのデータの取り込みにおいて、０.５μｍ×０.５μｍの試料表面の観察範囲を、０.５秒/画面という画像取り込み速度で、液体中の試料(１５０ｎｍ径のラテックス球)の測定が行えた。０.５秒/画面という画像取り込み速度の値は、走査型プローブ顕微鏡においては、極めて短時間である。なお、この測定には、液体中での共振周波数が３９５ｋＨｚの、長さ９μｍ×幅２μｍ×厚さ０.０９μｍの窒化シリコン製のカンチレバーを用いた。
【００４４】
また、本実施の形態の走査機構は、アクチュエータ２０６に、市販のアクチュエータを、加工することなく、そのまま使えるので、コストを安く抑えることができるという利点も有している。
【００４５】
(第２の実施の形態)
本発明の第２の実施の形態について図３(ｂ)を参照して説明する。図３(ｂ)は、図３(ａ)に相当する図面であり、続く説明に必要な部材のみが示されている。また、これらの図面中、同じ参照符号で示される部材は同等の部材を示している。
【００４６】
本実施の形態の走査機構では、Ｚ方向走査用のアクチュエータ３０５は、例えばアルミニウムのブロックからなるアクチュエータ連結部３０８と、これに連結された二本の積層型圧電体３０６、３０７とを有している。二本の積層型圧電体３０６、３０７は、一般に広く市販されているものであり、これらは、アクチュエータ連結部３０８を間に挟んで直線的に延びるように、接着剤によってアクチュエータ連結部３０８に固定されている。また、積層型圧電体３０６の自由端には、試料保持部２１１が取り付けられている。
【００４７】
図３(ａ)との類似性から理解されるように、本実施の形態の走査機構も、アクチュエータ３０５の中央付近が保持されているため、振動が少なく、高速走査に対しても安定に動作する。
【００４８】
さらに、本実施の形態の走査機構では、二本の積層型圧電体３０６、３０７の間に挟まれたアクチュエータ連結部３０８が、例えばシリコンゴムからなるアクチュエータ保持部２１０によって保持される。このため、本実施の形態の走査機構は、第１の実施の形態の走査機構に比べて、アクチュエータ３０５の取り付けの際のシリコンゴムの盛りつけ量などにばらつきに対しても、走査機構の個体差(性能差)が出にくいという利点を有している。
【００４９】
(第３の実施の形態)
本発明の第３の実施の形態について図４を参照して説明する。本実施の形態の走査機構は、図４に示されるように、走査機構保持台４０１と、これに固定されたＬ字形状のアクチュエータ台座４０２と、このアクチュエータ台座４０２に取り付けられた二本のアクチュエータ４０３、４０４と、これらの二本のアクチュエータ４０３、４０４によって保持されたアクチュエータ４０５とを有している。
【００５０】
アクチュエータ４０３、４０４、４０５は、例えば積層型圧電体であり、それぞれ、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に伸縮し得る。Ｘ方向走査用のアクチュエータ４０３とＹ方向走査用のアクチュエータ４０４は、それぞれ、一方の端部がアクチュエータ台座４０２に固定されている。Ｚ方向走査用のアクチュエータ４０５は、一番速い走査速度が要求され、その中央付近が、Ｘ方向走査用のアクチュエータ４０３とＹ方向走査用のアクチュエータ４０４の他方の端部に接着により固定されている。
【００５１】
速い走査速度が要求されるＺ方向走査用のアクチュエーターすなわち積層型圧電体４０５は、電圧の印加に応じて、Ｘ方向走査用のアクチュエータ４０３とＹ方向走査用のアクチュエータ４０４に固定された中央付近を基準にして、その両側の部分が、矢印で示されるように、両方向に対称的に伸縮する。このため、積層型圧電体４０５の伸縮動作により発生する衝撃が抑えられる。従って、本実施の形態の走査機構は、振動が少なく、高速走査に対しても安定に動作する。
【００５２】
また、本実施形態の走査機構は、第１の実施の形態の走査機構に比べて、以下に述べる利点を有している。第１の実施の形態の走査機構では、Ｘ、Ｙ方向走査用のアクチュエータが微小ボールを介してＺ方向走査用のアクチュエータに当て付けられているため、長時間の使用の間に、与圧不足となって、Ｘ、Ｙ方向の走査が不安定になることもある。これに対して、本実施の形態の走査機構では、Ｚ方向走査用のアクチュエータ４０５は接着によってＸ、Ｙ方向走査用のアクチュエータ４０３、４０４に固定されているので、Ｘ、Ｙ方向の走査が不安定になり難い。
【００５３】
(第４の実施の形態)
本発明の第４の実施の形態について図５を参照して説明する。本実施の形態の走査機構は、図５に示されるように、走査機構保持台５０１と、これに固定された円筒型のアクチュエータ５０２と、このアクチュエータ５０２の自由端に固定された別の円筒型のアクチュエータ５０３とを有している。
【００５４】
円筒型のアクチュエータ５０２は、例えば円筒型圧電体であり、このような円筒型圧電体は市販されている走査型プローブ顕微鏡においてよく用いられている。円筒型圧電体５０２は、その外周面に設けられた四つの分割電極５０４と、内周面に設けられた対向電極とを有しており、これらの電極間に適宜電圧を印加することにより、その自由端をＸ方向とＹ方向に走査し得る。
【００５５】
円筒型のアクチュエータ５０３もまた、例えば円筒型圧電体であり、これは円筒型圧電体５０２より小型であり、円筒型圧電体５０２よりも高い共振周波数を有している。円筒型圧電体５０３は、その外周面に設けられた一つの電極と、内周面に設けられた一つの電極とを有しており、両電極間に適宜電圧を印加することにより、その自由端をＺ方向に走査し得る。
【００５６】
円筒型圧電体５０３は、その中央付近が円筒型圧電体５０２の自由端に固定されている。このため、円筒型圧電体５０３は、その電極間の電圧印加に応じて、円筒型圧電体５０２に固定された中央付近を基準にして、その両側の部分が、矢印で示されるように、両方向に対称的に伸縮する。このため、高速のＺ方向の走査を担う円筒型圧電体５０３の伸縮動作により発生する衝撃が抑えられる。従って、本実施の形態の走査機構は、振動が少なく、高速走査に対しても安定に動作する。
【００５７】
(第５の実施の形態)
本発明の第５の実施の形態について図６を参照して説明する。本実施の形態の走査機構は、図６に示されるように、ＸＹ方向走査のための平行ばねステージ構造のＸＹステージと、これに取り付けられたＺ方向走査のためのアクチュエータ６０６を有している。平行ばねステージ構造のＸＹステージは、特開平１１−１２６１１０号に開示されており、その内容は参照によって本明細書に組み込まれるものとする。
【００５８】
ＸＹステージは、固定テーブル６０１と可動テーブル６０７を有しており、可動テーブル６０７のＹ方向の両側に設けられた一対の弾性部材６０８、６０９と、可動テーブル６０７のＸ方向の両側に設けられた一対の弾性部材６１０、６１１と、可動テーブル６０７をＸ方向に移動させるための変位を発生する一対のＸ方向用アクチュエータ６０２、６０３と、可動テーブル６０７をＹ方向に移動させるための変位を発生する一対のＹ方向用アクチュエータ６０４、６０５とを有している。
【００５９】
弾性部材６０８、６０９は、例えば、Ｘ方向に延びるスリットを持つＸ方向に長い矩形ばねであり、それぞれ、Ｘ方向に関して比較的高い剛性を有し、反対に、Ｙ方向に関して比較的低い剛性を有している。弾性部材６１０、６１１は、例えば、Ｙ方向に延びるスリットを持つＹ方向に長い矩形ばねであり、それぞれ、Ｙ方向に関して比較的高い剛性を有し、反対に、Ｘ方向に関して比較的低い剛性を有している。
【００６０】
高速走査が要求されるＺ方向走査を担うアクチュエータ６０６は、例えば積層型圧電体であり、これはその中央付近が可動テーブル６０７に例えば接着により固定されている。Ｚ方向走査用の積層型圧電体６０６は、電圧の印加に応じて、可動テーブル６０７に固定された中央付近を基準にして、その両側の部分が、矢印で示されるように、両方向に対称的に伸縮する。このため、積層型圧電体６０６の伸縮動作により発生する衝撃が抑えられる。従って、本実施の形態の走査機構は、振動が少なく、高速走査に対しても安定に動作する。
【００６１】
以下、本発明の走査機構の利点の理解を助けるための比較例について説明する。以下に述べる比較例はいずれも従来例に従う走査機構である。
【００６２】
(第１の比較例)
第１の比較例について図７を参照して説明する。本比較例の走査機構は、図７に示されるように、走査機構保持台７０１と、これに固定されたＬ字形状のアクチュエータ台座７０２と、このアクチュエータ台座７０２に取り付けられた二本のアクチュエータ７０３、７０４と、これらの二本のアクチュエータ７０３、７０４によって保持されたアクチュエータ７０５とを有している。
【００６３】
アクチュエータ７０３、７０４、７０５は、例えば積層型圧電体であり、それぞれ、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に伸縮し得る。Ｘ方向走査用の積層型圧電体７０３とＹ方向走査用の積層型圧電体７０４は、それぞれ、一方の端部がアクチュエータ台座７０２に固定されている。Ｚ方向走査用の積層型圧電体７０５は、長いストロークすなわち走査範囲を得るために、一方の端部が、Ｘ方向走査用の積層型圧電体７０３とＹ方向走査用の積層型圧電体７０４の他方の端部に接着により固定されている。
【００６４】
この走査機構では、Ｚ方向走査用の積層型圧電体７０５の伸縮動作は、Ｘ、Ｙ方向走査用の積層型圧電体７０３、７０４にモーメントを発生させる。これは振動を発生させ、発生した振動はアクチュエータ台座７０２や走査機構保持台７０１に伝わり、走査機構を揺らす。
【００６５】
上述した実施形態の走査機構はいずれも、この比較例の走査機構に比べて、振動ノイズが低減されている。
【００６６】
(第２の比較例)
第２の比較例について図８を参照して説明する。本比較例の走査機構は、図８に示されるように、走査機構保持台８０１と、これに固定されたＬ字形状のアクチュエータ台座８０２と、このアクチュエータ台座８０２に固定されたＸ走査用のアクチュエータ８０３と、Ｘ走査用のアクチュエータ８０３の自由端部に固定されたＹ走査用のアクチュエータ８０４と、Ｙ走査用のアクチュエータ８０４の自由端部に固定されたＺ走査用のアクチュエータ８０５とを有している。
【００６７】
アクチュエータ８０３、８０４、８０５は、例えば積層型圧電体であり、これらは、長いストロークすなわち走査範囲を得るために、互いに直列に９０度方向を変えて連結されている。
【００６８】
この走査機構では、Ｚ方向走査用の積層型圧電体８０５の伸縮動作は、第１の比較例と同様に、Ｙ方向走査用の積層型圧電体８０４やＸ方向走査用の積層型圧電体８０３にモーメントを発生させる。これは振動を発生させ、発生した振動はアクチュエータ台座８０２や走査機構保持台８０１に伝わり、走査機構を揺らす。
【００６９】
上述した実施形態の走査機構はいずれも、この比較例の走査機構に比べて、振動ノイズが低減されている。
【００７０】
(第３の比較例)
第３の比較例について図９を参照して説明する。本比較例の走査機構は、図９に示されるように、走査機構保持台９０１と、これに固定されたＬ字形状のアクチュエータ台座９０２と、Ｘ方向走査用のアクチュエータ９０３と、Ｙ方向走査用のアクチュエータ９０４と、Ｚ方向走査用のアクチュエータ９０５とを有している。アクチュエータ９０３、９０４、９０５は、例えば積層型圧電体であり、それぞれ、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に伸縮し得る。
【００７１】
Ｘ方向走査用のアクチュエータ９０３とＹ方向走査用のアクチュエータ９０４の一方の端部はアクチュエータ台座９０２に固定され、Ｚ方向走査用のアクチュエータ９０５の一方の端部は走査機構保持台９０１に固定されている。三本の積層型圧電体９０３、９０４、９０５の他方の端部は互いに連結されている。つまり、本比較例の走査機構は、走査型トンネリング顕微鏡の走査機構として最も一般的な構造の一つである、いわゆるトライポッド型の走査機構である。
【００７２】
この走査機構では、Ｚ方向走査用の積層型圧電体９０５の伸縮動作は、その反作用が走査機構保持台９０１に直接伝わって走査機構を揺らしたり、ＸＹ方向走査用の積層型圧電体９０３、９０４を歪ませ、その振動がアクチュエータ台座９０２に伝わって走査機構を揺らしたりする。
【００７３】
上述した実施形態の走査機構はいずれも、この比較例の走査機構に比べて、振動ノイズが低減されている。
【００７４】
(第６の実施の形態)
本発明の第６の実施の形態について図１０を参照して説明する。図１０(ａ)は本実施の形態の走査機構の斜視図であり、図１０(ｂ)は、図１０(ａ)を矢印Ａの方向から見た図であり、図１０(ｃ)は図１０(ａ)を矢印Ｂの方向から見た図である。
【００７５】
本実施の形態の走査機構は、走査機構保持台１００１と、これに固定された第１のアクチュエータ保持部１００６と、このアクチュエータ保持部１００６に取り付けられたＹ方向に伸縮可能なＹ方向走査用アクチュエータ１００２と、Ｙ方向走査用アクチュエータ１００２の他端に取り付けられたブロック１００８と、ブロック１００８に固定された第２のアクチュエータ保持部１００９と、このアクチュエータ保持部に取り付けられたＸ方向に伸縮可能なＸ方向走査用アクチュエータ１００３と、Ｘ方向走査用アクチュエータ１００３の他端に取り付けられたアクチュエータ連結部１０１１と、アクチュエータ連結部１０１１に固定されたＺ方向に伸縮可能な二本のアクチュエータ１００４、１００５とを有している。
【００７６】
二本のアクチュエータ１００４、１００５とアクチュエータ連結部１０１１は、Ｚ方向走査用アクチュエータを構成している。Ｚ方向走査用アクチュエータを構成するアクチュエータ１００４の自由端側１０１３には、必要に応じて、(図２の試料保持部２１１と同様の)試料保持部が取り付けられる。第１のアクチュエータ保持部１００６はねじ１００７によって走査機構保持台１００１に固定されており、第２のアクチュエータ保持部１００９はねじ１０１０によってブロック１００８に固定されている。
【００７７】
アクチュエータ１００２、１００３、１００４、１００５は、例えば積層型圧電体であり、長さが５ｍｍで断面が２ｍｍ×３ｍｍであり、１００Ｖの電圧印加に対して２．７μｍ伸び縮みする。これらのアクチュエータは、積層型圧電体の代わりに、円筒型圧電体が用いられてもよい。
【００７８】
図１０(ｂ)や図１０(ｃ)から理解されるように、ブロック１００８は走査機構保持台１００１とは接触しておらず、Ｙ方向走査用アクチュエータ１００２の駆動に従ってＹ方向に動く。また図１０(ｂ)から理解されるように、アクチュエータ連結部１０１１は、ブロック１００８とは接触しておらず、Ｘ方向走査用アクチュエータ１００３の駆動に従ってＸ方向に動く。
【００７９】
走査周波数の速いＺ方向の走査に伴い発生する振動のＸ走査用アクチュエータ１００３などへの伝達を抑えるため、Ｚ走査用アクチュエータを構成する二本のアクチュエータ１００４、１００５は、アクチュエータ連結部１０１１を中心に互いに逆方向に同期しながら駆動される。
【００８０】
走査機構の小型化のため、Ｚ走査用アクチュエータの下側のアクチュエータ１００５は、ブロック１００８に形成された貫通穴(にげ穴)１０１２の中に、ブロック１００８に接触することなく延びている。
【００８１】
本実施の形態の走査機構は、図３(ｂ)を用いて説明した第２の実施の形態と同様、Ｚ方向走査用アクチュエータを構成する二本のアクチュエータ１００４、１００５がＺ方向に対称的に伸縮するので、高速のＺ方向の走査により発生する衝撃がバランスするため、二本のアクチュエータ１００４、１００５を連結しているアクチュエータ連結部１０１１に生じる振動が少ない。従って、アクチュエータ連結部１０１１を保持しているＸ方向走査用アクチュエータ１００３や、さらにこれを保持しているＹ方向走査用アクチュエータ１００２が受ける振動が少ない。その結果、この走査機構は、高速走査に対しても安定して動作する。
【００８２】
また、本実施の形態の走査機構１０００は、ブロック１００８の左端からＸ方向走査用アクチュエータを右側に折り返した構造になっており、ブロック１００８の上に載る部分(例えばＸ方向走査用アクチュエータ１００３などを含む)の機構の重心が、Ｙ方向走査用アクチュエータの中心軸(伸縮方向に平行で、アクチュエータの断面の中心を通る線)付近に位置するので、Ｙ方向走査に対してヨーイングが起き難いＸ方向に関してバランスの取れた構造となっている。この点も高速走査時の安定性の向上に貢献している。
【００８３】
(第７の実施の形態)
本発明の第７の実施の形態について図１１を参照して説明する。本実施の形態の走査機構は、その基本的な構成は図１０を用いて説明した第６の実施の形態の走査機構１０００と類似している。
【００８４】
本実施の形態の走査機構１１００は、走査機構保持台１１０１と、これに固定された第１のアクチュエータ保持部１１０６と、このアクチュエータ保持部１１０６に取り付けられたＹ方向に伸縮可能なＹ方向走査用アクチュエータ１１０２と、Ｙ方向走査用アクチュエータ１１０２の他端に取り付けられたブロック１１０８と、ブロック１１０８に固定された第２のアクチュエータ保持部１１０９と、このアクチュエータ保持部１１０９に取り付けられたＸ方向に伸縮可能なＸ方向走査用アクチュエータ１１０３と、Ｘ方向走査用アクチュエータ１１０３の他端に取り付けられたアクチュエータ連結部１１１１と、アクチュエータ連結部１１１１に固定されＺ方向に伸縮可能な二本のアクチュエータ１１０４、１１０５とを有している。
【００８５】
二本のアクチュエータ１１０４、１１０５とアクチュエータ連結部１１１１は、Ｚ方向走査用アクチュエータを構成している。Ｚ方向走査用アクチュエータを構成するアクチュエータ１１０４の自由端側１１２１には、必要に応じて、(図２の試料保持部２１１と同様の)試料保持部が取り付けられる。アクチュエータ保持部１００６はねじ１００７によって走査機構保持台１００１に固定されている。
【００８６】
ブロック１１０８は、弾性ヒンジ機構１１１７、１１１８およびブロック保持部１１１３、１１１４を有している。ブロック保持部１１１３、１１１４は、ねじ１１１５、１１１６によって走査機構保持台１１０１に固定されている。弾性ヒンジ機構１１１７、１１１８は、貫通穴１１２０とそれにつながる切り込み溝１１１９を交互に配置して形成されるバネ性を持つ機構であり、Ｙ方向走査用アクチュエータ１１０２のＹ方向の移動を制約することなく、Ｙ方向走査用アクチュエータ１１０２のＺ方向のたわみを制限する。
【００８７】
図１０に示される第６の実施の形態の走査機構１０００では、試料保持部がＺ方向走査用アクチュエータ１００４の端部１０１３に必要に応じて取り付けられ、試料が試料保持部に取り外し可能に固定される。試料の取り替えの際、試料固定のために−Ｚ方向に押しつける力が試料保持部に加わる。Ｘ方向走査用アクチュエータ１００３、Ｙ方向走査用アクチュエータ１００２はそれぞれ実質的に片持ち支持される梁構造なので、その固定端に、試料交換の際に試料保持部に加わる力のモーメントによる応力が働いて折れる可能性がある。特に、Ｙ方向走査用アクチュエータ１００２とアクチュエータ保持部１００６との接合部が折れ易い。このため、試料の取り替え作業は慎重に行う必要がある。
【００８８】
これに対して図１１に示される本実施の形態の走査機構１１００では、Ｙ方向走査用アクチュエータ１１０２は、ブロック１１０８とアクチュエータ保持部１１０７とによって両持ち支持されている。これにより、第６の実施の形態の走査機構１０００では最も折れ易かったＹ方向走査用アクチュエータ１１０２とアクチュエータ保持部１１０６の接合部での折れは発生し難い。両持ち支持は、また、Ｙ方向走査用アクチュエータ１１０２がその上に設けられた機構の重さにより重力方向(−Ｚ方向)にたわむのを防止し、たわみによるＸＹＺ走査方向の直交性が崩れるのを防いでいる。
【００８９】
これらの観点からすると本実施の形態のＹ方向走査機構は、弾性ヒンジ機構を使った案内機構を有していると見ることもできる。あるいは折り畳まれたヒンジ機構を延ばして考えれば、板バネ機構を使った案内機構を有していると見ることもできる。また、案内機構は、アクチュエータのたわみおよび振動の低減機構を構成していると言える。
【００９０】
本実施の形態の走査機構は、前述の実施の形態同様、Ｚ方向走査用アクチュエータを構成する二本のアクチュエータ１１０４、１１０５がＺ方向に対称的に伸縮するので、高速のＺ方向の走査により発生する衝撃がバランスするため、走査動作に伴い発生する振動が少なく、高速走査に対しても安定して動作する。
【００９１】
本実施の形態では、Ｙ方向走査用アクチュエータ１１０２の可動端側に対して案内機構すなわち弾性ヒンジが設けられているが、Ｘ方向走査用アクチュエータ１１０３の可動端側に対して案内機構を設けて、Ｘ方向走査用アクチュエータ１１０３の重力方向へのたわみや折れを防いで振動を低減するようにしてもよい。
【００９２】
(第８の実施の形態)
本発明の第８の実施の形態について図１２を参照して説明する。図１２(ａ)は、本実施の形態の走査機構の斜視図であり、図１２(ｂ)は、図１２(ａ)を矢印Ｃの方向から見た側面図である。
【００９３】
本実施の形態の走査機構１２００は、走査機構保持台１２０１と、これに固定された第１のアクチュエータ保持部１２０６と、このアクチュエータ保持部１２０６に取り付けられたＹ方向に伸縮可能なＹ方向走査用アクチュエータ１２０２と、Ｙ方向走査用アクチュエータ１２０２の他端に取り付けられたブロック１２０８と、ブロック１２０８に固定された第２のアクチュエータ保持部１２０９と、このアクチュエータ保持部１２０９に取り付けられたＸ方向に伸縮可能なＸ方向走査用アクチュエータ１２０３と、Ｘ方向走査用アクチュエータ１２０３の他端に取り付けられたアクチュエータ連結部１２１１と、アクチュエータ連結部１２１１に固定されたＺ方向に伸縮可能な二本のアクチュエータ１２０４、１２０５とを有している。
【００９４】
二本のアクチュエータ１２０４、１２０５とアクチュエータ連結部１２１１は、Ｚ方向走査用アクチュエータを構成している。Ｚ方向走査用アクチュエータを構成するアクチュエータ１２０４の自由端側１２２６には、必要に応じて、(図２の試料保持部２１１と同様の)試料保持部が取り付けられる。第１のアクチュエータ保持部１２０６はねじ１２０７によって走査機構保持台１２０１に固定されており、第２のアクチュエータ保持部１２０９はねじ１２１０によってブロック１２０８に固定されている。
【００９５】
図１２(ｂ)に示されるように、Ｙ方向走査用アクチュエータ１２０２の駆動に従ってＹ方向に移動されるブロック１２０８は、走査機構保持台１２０１と第１の抑え部材１２１２との間に位置しており、微小球１２１６、１２２２、１２２４、１２２５、１２１５(図１２(ａ)参照)によって挟み込まれ、ブロック１２０８はＺ方向への動きが制限されている。走査機構保持台１２０１と抑え部材１２１２は、互いに平行に固定されるように、ねじ１２１３、１２１４によって間隔が調整されている。これにより、Ｙ方向走査用アクチュエータ１２０２は、Ｙ方向への動きに関しては大きな制約を受けないが、Ｚ方向への動きが制限される。
【００９６】
Ｘ方向走査用アクチュエータ１２０３の駆動に従ってＸ方向に移動されるアクチュエータ連結部１２１１は、ブロック１２０８と第２の抑え部材１２１７との間に位置しており、微小球１２１９、１２２０により上から、また微小球１２２１により下から支えられて、Ｚ方向への動きが制限されている。ブロック１２０８と抑え部材１２１７は、互いに平行に固定されるように、ねじ１２１８、１２２７によって間隔が調整されている。これにより、Ｘ方向走査用アクチュエータ１２０３は、Ｘ方向への動きに関しては大きな制約を受けないが、Ｚ方向への動きが制限される。
【００９７】
このように本実施の形態の走査機構１２００では、抑え部材１２１２とねじ１２１３、１２１４と微小球１２１６、１２１５、１２２２、１２２４、１２２５を含むねじ機構によってＹ方向走査用アクチュエータ１２０２のたわみと振動が抑えられており、また、抑え部材１２１７とねじ１２１８、１２２７と微小球１２１９、１２２０を含むねじ機構によってＸ方向走査用アクチュエータ１２０３のたわみと振動が抑えられている。言い換えれば、抑え部材とねじと微小球を含むねじ機構は、微小球と案内板(面)を用いた微小球の滑り案内機構もしくは転がり案内機構を構成しており、この案内機構は、アクチュエータのたわみおよび振動の低減機構を構成している。
【００９８】
特開平９−８９９１０には、微小球の滑り案内機構もしくは転がり案内機構を有している走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査機構が開示されている。この走査機構では、走査される部材である移動体と各アクチュエータの可動端の端面との間に微小球が配置されており、アクチュエータの変位は微小球を介して間接的に移動体に伝えられる。また、移動体と各アクチュエータは、磁石やバネによって、微小球を間に挟んで互いに引き付けられている。
【００９９】
これに対して、本実施の形態の走査機構１２００は、微小球の滑り案内機構もしくは転がり案内機構を利用してはいるが、移動される部材(例えばブロック１２０８)は、これを駆動するアクチュエータ(例えばＹ方向走査用アクチュエータ１２０２)に直接連結されており、微小球の滑り案内機構もしくは転がり案内機構は、このアクチュエータの走査方向の動きを制約しないように、移動される部材を案内する。
【０１００】
本実施の形態の走査機構と特開平９−８９９１０号の走査機構は共に微小球の滑り案内機構もしくは転がり案内機構を有しているが、この点において両者は構造的に異なっている。本実施の形態の走査機構の方が、高い機械的剛性を持ち、直接的な駆動を行なっているため、振動がより少なく、より高速の走査を行なうことができる。
【０１０１】
また、特開平９−８９９１０のプローブ走査機構では、走査される部材である移動体を保持するための機構(すなわち磁石やバネ)を走査を担う部分に内蔵させているために形状が大きくなる傾向にあり、本発明の走査機構の目指す高速走査の用途には適していない。また、磁石を用いた構成においては、移動体が不用意に外れて落下してしまう可能性が否定できず、使用に際し慎重に扱う必要があり、使い勝手の面でやや問題がある。
【０１０２】
これに対して、本実施の形態の走査機構では、走査される部材であるブロック１２０８とアクチュエータ連結部１２１１は共に、Ｚ方向の両側の側面に微小球が接して配置され、外側から抑えられている。すなわち、走査される部材を保持するための機構が、走査を担う部分の外部に設けられている。従って、走査周波数の低下を招く被走査部の重量の増加や形状の大型化などを最小限に抑えることができ、高速走査の用途に適している。また、走査される部材の落下の心配もなく、安定して使用することができる。
【０１０３】
これまで、いくつかの実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上述した実施の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で行なわれるすべての実施を含む。
【０１０４】
従って、本明細書には以下の各項に記す発明が含まれている。
【０１０５】
１．走査のために移動対象物を移動させるためのアクチュエータと、これを保持する保持部とを含んでおり、アクチュエータはその中央付近が保持部によって保持されていることを特徴とする走査機構。
【０１０６】
２．走査のために移動対象物を移動させるためのアクチュエータと、これを保持する保持部とを含んでおり、アクチュエータはその重心付近が保持部によって保持されていることを特徴とする走査機構。
【０１０７】
３．走査のために移動対象物を移動させるための駆動体を更に含んでおり、この駆動体は、アクチュエータによる移動方向とは異なる方向に移動対象物を移動させ、アクチュエータによる移動方向に関する走査は、他の移動方向に関する走査よりも高い走査周波数を有している、第１項または第２項に記載の走査機構。
【０１０８】
４．アクチュエータが圧電体である、第１項ないし第３項のいずれかひとつに記載の走査機構。
【０１０９】
５．圧電体が積層型の圧電体である、第４項に記載の走査機構。
【０１１０】
６．圧電体が円筒型の圧電体である、第４項に記載の走査機構。
【０１１１】
７．駆動体は、別の二本のアクチュエータを含んでいる、第３項に記載の走査機構。
【０１１２】
８．駆動体は、平行ばねステージ構造のＸＹステージを含んでいる、第３項に記載の走査機構。
【０１１３】
９．たわみおよび振動の低減機構を有している、第３項に記載の走査機構。
【０１１４】
１０．たわみおよび振動の低減機構は案内機構を有している、第９項に記載の走査機構。
【０１１５】
１１．案内機構は、弾性ヒンジ機構を有している、第１０項に記載の走査機構。
【０１１６】
１２．案内機構は、微小球の滑り案内を有している、第１０項に記載の走査機構。
【０１１７】
１３．案内機構は、微小球の転がり案内を有している、第１０項に記載の走査機構。
【０１１８】
１４．上記各項のいずれかひとつに記載の走査機構を含んでいる機械走査型顕微鏡。
【０１１９】
１５．上記各項のいずれかひとつに記載の走査機構を含んでいる走査型プローブ顕微鏡。
【０１２０】
また、上述した実施の形態では、圧電体のアクチュエータを例にあげて説明したが、駆動部の運動系の重心付近を保持することにより振動の発想を抑えるという技術思想は他のアクチュエータにも適用できる。例えば、ボイスコイル方式のアクチュエータに対しても適用可能であり、その運動系の重心付近を保持することにより同様の利点を得ることができる。
【０１２１】
さらに本発明の走査機構は、振動を抑えて高速動作を可能にする利点のほかに、走査ノイズ音を低減する利点も有しており、これにより不快な駆動音を低減することができる。
【０１２２】
【発明の効果】
本発明によれば、機械的な走査機構において、走査動作に伴う振動の発生を抑え、振動ノイズの少ない安定した走査機構を提供することができる。本発明によれば、走査方向が複数ある機械的な走査機構において、最も走査の周波数が高い可動方向の動作を担う駆動部からの振動を抑え、振動ノイズの少ない安定した走査機構を提供することができる。
【０１２３】
本発明によれば、走査機構の振動を抑えて、振動ノイズが少なく高速走査ができる機械走査型顕微鏡提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の走査機構を備える走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図２】図１に示される走査機構を説明するための図面であり、(ａ)はこの走査機構の斜視図であり、理解を容易にするために上下逆に描かれている。(ｂ)はこの走査機構のＺ方向から見た側面図、(ｃ)はこの走査機構のＹ方向から見た側面図、(ｄ)はこの走査機構のＸ方向から見た側面図である。
【図３】  (ａ)は、図２に示される走査機構の動作を説明するための模式図である。(ｂ)は、本発明の第２の実施の形態の走査機構の動作を説明するための模式図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の走査機構の動作を説明するための図面であり、(ａ)はこの走査機構の斜視図であり、理解を容易にするために上下逆に描かれている。(ｂ)はこの走査機構のＸ方向から見た側面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態の走査機構の動作を説明するための図面であり、(ａ)はこの走査機構の斜視図であり、理解を容易にするために上下逆に描かれている。(ｂ)はこの走査機構の部分断面側面図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態の走査機構の動作を説明するための図面であり、(ａ)はこの走査機構の平面図であり、(ｂ)はこの走査機構のＬx線に沿った断面図である。
【図７】本発明の走査機構の理解を助けるために、従来例に従う比較例１の走査機構を説明するための図面であり、(ａ)はこの走査機構の斜視図であり、(ｂ)はこの走査機構の部分断面側面図である。
【図８】本発明の走査機構の理解を助けるために、従来例に従う比較例２の走査機構を説明するための図面であり、(ａ)はこの走査機構の斜視図であり、(ｂ)はこの走査機構の部分断面側面図である。
【図９】本発明の走査機構の理解を助けるために、従来例に従う比較例３の走査機構を説明するための図面であり、(ａ)はこの走査機構の斜視図であり、(ｂ)はこの走査機構の部分断面側面図である。
【図１０】本発明の第６の実施の形態の走査機構の動作を説明するための図面であり、(ａ)はこの走査機構の斜視図であり、(ｂ)はこの走査機構を矢印Ａ方向からみた図、(ｃ)はこの走査機構を矢印Ｂからみた図である。
【図１１】本発明の第７の実施の形態の走査機構の動作を説明するための図面である。
【図１２】本発明の第８の実施の形態の走査機構の動作を説明するための図面であり、(ａ)はこの走査機構の斜視図であり、(ｂ)はこの走査機構を矢印Ｃ方向からみた図である。
【符号の説明】
２００  走査機構
２０１  走査機構保持台
２０２、２０３  アクチュエータ台座
２０４、２０５、２０６  アクチュエータ
２０７、２０８、２０９、２１０  アクチュエータ保持部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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