(57)【要約】【課題】チューブスキャナにおいて、走査スピードをより早くし、かつ、小形化することである。また、小形化されたチューブスキャナを走査形プローブ顕微鏡に用いることにより、走査形プローブ顕微鏡を小形化することである。【解決手段】円筒形状の圧電素子と、前記圧電素子の長手方向を隔てる節と、前記節を挟んで両側の前記圧電素子にそれぞれ電圧を印加する電圧印加手段と、を備えるチューブスキャナ。また、試料と、前記試料に対向する探針と、前記試料と前記探針を相対的に２次元走査すると共に、試料と探針との間の距離を変化させるチューブスキャナと、を備え、前記探針と前記試料との間に作用する物理量により検出される信号に基づいて像を表示する走査形プローブ顕微鏡において、チューブスキャナが前記チューブスキャナであることを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。【選択図】        図２
2005140568.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状の圧電素子と、
前記圧電素子の長手方向を隔てる節と、
前記節を挟んで両側の前記圧電素子にそれぞれ電圧を印加する電圧印加手段と、
を備えるチューブスキャナ。
【請求項２】
少なくとも２つの円筒形状の圧電素子と、
前記圧電素子間の長手方向を連結するための前記圧電素子と異なる固有振動数を有する連結手段と、
前記連結手段を挟んで両側の前記圧電素子にそれぞれ電圧を印加する電圧印加手段と、
を備えるチューブスキャナ。
【請求項３】
前記連結手段が円筒形状であることを特徴とした請求項２に記載したチューブスキャナ。
【請求項４】
前記連結手段が円柱形状であることを特徴とした請求項２に記載したチューブスキャナ。
【請求項５】
前記圧電素子が２つであり、
一方の前記圧電素子が前記チューブスキャナの長手方向に変位自在であり、
他方の前記圧電素子が前記チューブスキャナの半径方向に変位自在であることを特徴とした請求項２乃至４のいずれかに記載したチューブスキャナ。
【請求項６】
試料と、
前記試料に対向する探針と、
前記試料と前記探針を相対的に２次元走査すると共に、試料と探針との間の距離を変化させるチューブスキャナと、を備え、
前記探針と前記試料との間に作用する物理量により検出される信号に基づいて像を表示する走査形プローブ顕微鏡において、
前記チューブスキャナが請求項１乃至５に記載したいずれかのチューブスキャナであることを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小領域を走査するスキャナ及び走査形トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、探針付きカンチレバーと試料を対向配置し、且つ探針と試料の距離を数ナノメートル以下の距離にして、探針により試料表面を走査し、探針と試料間に働く原子間力，或いは磁気力，或いは静電気力等を測定し、その測定に基づいて試料表面の凹凸像を得るように成した走査プローブ顕微鏡が注目されている。通常、この走査形プローブ顕微鏡の探針と試料を駆動するための圧電素子は、円筒型のチューブスキャナが使用されている。
【０００３】
図１３はチューブスキャナの外形であり、表面にはチューブスキャナをＸＹ方向に変位させるために電圧を印加する４個の電極６、及びＺ方向（チューブの軸方向）に変位させるための電極７が設置されている。チューブスキャナの内側全体は接地電極８となっている。各電極に電圧を印加することにより、その電極６、７の下の圧電素子が、電圧の正負により膨張又は収縮し、この変位を組み合わせることによりチューブスキャナがＸＹＺ方向に変位する。
【０００４】
なお、従来技術としては、色々な形式のチューブ型ピエゾ駆動素子がある（例えば、非特許文献１）。
【０００５】
【非特許文献１】特許庁ホームページ＞標準技術集＞表面構造の原子領域分析                      ３−Ｂ−ｂ２  ピエゾ駆動素子の構成−チューブ型
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
チューブスキャナには、走査範囲を広くし、高速に走査し、かつ、小形にすることが要求されている。特に、超高真空走査形プローブ顕微鏡に用いるスキャナは、真空チャンバの大きさが限られているため、チューブスキャナの小型化が必要である。
【０００７】
チューブスキャナの走査範囲を広くするためには、スキャナを長くするか、チューブ径を小さくするか、チューブスキャナの肉厚を薄くしなければならない。
【０００８】
しかし、一般的に走査形プローブ顕微鏡においてノイズの少ない像を得るには、固有振動数は、２KHｚ以上が望ましく、そのために従来のスキャナは、後述する１式乃至３式より、かなり太く、また長いものになっていた。また、ノイズのない像を得るためには、走査スピードは固有振動数よりも速くできないので、画像を得るのに長い時間が必要であった。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、チューブスキャナにおいて、走査スピードをより早くし、かつ、小形化することである。また、小形化されたチューブスキャナを走査形プローブ顕微鏡に用いることにより、走査形プローブ顕微鏡を小形化することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、円筒形状の圧電素子と、前記圧電素子の長手方向を隔てる節と、前記節を挟んで両側の前記圧電素子にそれぞれ電圧を印加する電圧印加手段と、を備えるチューブスキャナである。
【００１１】
請求項２の発明は、少なくとも２つの円筒形状の圧電素子と、前記圧電素子間の長手方向を連結するための前記圧電素子と異なる固有振動数を有する連結手段と、前記連結手段を挟んで両側の圧電素子にそれぞれ電圧を印加する電圧印加手段と、を備えるチューブスキャナである。
【００１２】
請求項３の発明は、前記連結手段が円筒形状であることを特徴とした請求項２に記載したチューブスキャナである。
【００１３】
請求項４の発明は、前記連結手段が円柱形状であることを特徴とした請求項２に記載したチューブスキャナである。
【００１４】
請求項５の発明は、前記圧電素子が２つであり、一方の前記圧電素子が前記チューブスキャナの長手方向に変位自在であり、他方の前記圧電素子が前記チューブスキャナの半径方向に変位自在であることを特徴とした請求項２乃至４のいずれかに記載したチューブスキャナである。
【００１５】
請求項６の発明は、試料と、前記試料に対向する探針と、前記試料と前記探針を相対的に２次元走査すると共に、試料と探針との間の距離を変化させるチューブスキャナと、を備え、前記探針と前記試料との間に作用する物理量により検出される信号に基づいて像を表示する走査形プローブ顕微鏡において、前記チューブスキャナが請求項１乃至５に記載したいずれかのチューブスキャナであることを特徴とする走査形プローブ顕微鏡である。
【発明の効果】
【００１６】
チューブスキャナに節を入れることにより同じ大きさの従来のスキャナと比較すると固有振動数が高くなり，より速い走査スピードでの像観察が可能となる。
【００１７】
また、チューブスキャナに節を入れることにより従来のスキャナと同じ走査範囲及び走査速度にする場合、スキャナのサイズを小さくできる。
【００１８】
さらに、チューブスキャナに節を入れることにより従来のスキャナと比べ、同程度の走査速度にした場合には、走査範囲をより広くすることができる。
【００１９】
このチューブスキャナを走査形プローブ顕微鏡に用いることにより、走査形プローブ顕微鏡を小形化、又は走査時間の短縮を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
チューブスキャナに節を入れることにより、チューブスキャナの固有振動数を高くし、上記効果を実現した。
【実施例１】
【００２１】
図１及び２を用いて、本発明の実施例１の説明を行う。まず、本発明の構成を説明する。図１は本発明を用いたチューブスキャナの外観図である。図２は図１の断面図である。チューブスキャナ１は、図２で示すように、Ｚ駆動圧電素子３、ＸＹ駆動圧電素子２及びこれらに挟まれた節４から構成されている。円筒型の圧電素子は、ＰｂＺｒＴｉＯ３等の圧電セラミックから構成され、半径方向に分極されており、長手方向は非分極となっている。円筒型の節４は圧電素子と接着剤により接着されており、節４の材質は、圧電素子とは固有振動数が異なり、圧電素子でない方が好ましい。Ｚ駆動圧電素子３の外側表面にはＺ駆動電極７がメタライズされている。ＸＹ駆動圧電素子２の外側表面には、２個のＸ駆動電極５と２個のＹ駆動電極６が交互にメタライズされている。各電極に図示しない電線が接続されており、電圧が印加される構成になっている。また、チューブスキャナ１の内側にも電極がメタライズされており、接地電極８となっている。
【００２２】
以上、図１及び２における構成の各部について説明したが、次に動作について説明する。圧電素子の電極に正又は負の電圧を印加することにより、長手方向（Ｚ方向）に膨張  又は縮小の変位が起こり、チューブスキャナ１が伸縮、湾曲に変位する。
【００２３】
例えば、図１において、左のＹ駆動電極６ａに正電位を印加すると電極に被われた部分の圧電素子が長手方向に縮小し、右のＹ駆動電極６ｂに負電位を印加すると電極に被われた部分の圧電素子が長手方向に伸長する。この作用により、チューブスキャナ１が−Ｙ方向に湾曲する。同様な変位をＸＹＺ方向に組み合わせ、ＸＹ方向への走査及びＺ方向への変位測定を行う。
【００２４】
チューブスキャナ１を走査する際、走査スピードを圧電素子の固有振動数より速くすると圧電素子からの信号にノイズがのる。このため、ノイズのない信号を得るためには、走査スピードは圧電素子の固有振動数より速くすることはできない。
【００２５】
ここで、図１２を用いてチューブスキャナの寸法と固有周波数との関係を説明する。図１２は、外径Ｄ、内径ｄ、長さＬのチューブスキャナの一端をベース２１に固定し、他端に重さＷの重り２０を取り付けた図である。固有振動数ｆの関係は、次式により表すことができる。
2005140568.tif 000003
（３式）
ｄｍ：平均径(mm)，Ｌ：円筒の長さ(mm)，Ｄ：円筒の外径(mm)，ｄ：円筒の内径(mm)
ｔ：円筒の厚さ(mm)，Ｅ：弾性定数(gf/mm2)，Ｗ：円筒先端部の重さ(g)，
ｆ：固有振動数(Hz)
本発明の図２のように、Ｚ駆動圧電素子３とＸＹ圧電素子との間に節４を入れることにより、Ｚ駆動圧電素子３とＸＹ圧電素子がそれぞれ別の圧電素子として作用し、はスキャナの長さが短くなったのと同様な効果があり、固有振動周波数を上げることができる。つまり、（３式）において長さＬが小さくなるためδも小さくなり、（１式）において固有振動周波数ｆが大きくなるのである。このため、本発明によるチューブスキャナは、同様な形状の従来のチューブスキャナと比較して、高速に走査ができる。
【００２６】
あるいは、同程度の走査速度でよい場合には、肉厚を薄くあるいは、径を小さくしても固有振動を同程度にすることができ、チューブスキャナを小さくすることができる。つまり、（１式）において、ｆを従来と同値とするとδも同値となる。（３式）においてδを同値とすると、Ｌは小さくなるためＩが小さくなる。よって（式２）より、ｄｍ又はｔが小さくなる。
【００２７】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば断面形状において、図３のように、節４がＺ駆動圧電素子３及びＸＹ駆動圧電素子２と一体形成されてもよい。図４のように、円形板状の節４が接着剤で接着されていてもよい。図５のように、節４が嵌め合い構造になっていてもよい。さらに、図６のように、嵌め合い構造の節４の中心部に円柱状の孔部９があってもよい。
【実施例２】
【００２８】
図７及び８を用いて、本発明の実施例２の説明を行う。まず、本発明の構成を説明する。図７及び８において、実施例１と同一の構成要素には同一番号を付し、説明を省略する。図７は本発明を用いたチューブスキャナの外観図である。図８は図７の断面図である。チューブスキャナ１は、図８で示すように、Ｚ駆動圧電素子３、２個のＸＹ駆動圧電素子２ａ、２ｂ及びこれらに挟まれた２個の節４から構成されている。円筒型の節４は圧電素子と接着剤により接着されており、節４の材質は、圧電素子とは固有振動数が異なり、圧電素子でない方が好ましい。Ｚ駆動圧電素子３の外側表面にはＺ駆動電極７がメタライズされている。２つのＸＹ駆動圧電素子２の外側表面には、それぞれ２個のＸ駆動電極５と２個のＹ駆動電極６が交互にメタライズされている。各電極に図示しない電線が接続されており、電圧が印加される構成になっている。また、チューブスキャナ１の内面にも電極がメタライズされており、接地電極８となっている。
【００２９】
以上、図７及び８における構成の各部について説明したが、動作は実施例１と同様である。つまり、ＸＹＺ電極に電圧を印加することによりチューブスキャナ１の変位が生じ、変位をＸＹＺ方向に組み合わせ、ＸＹ方向への走査及びＺ方向への変位測定を行う。
【００３０】
本発明により実施例１と同様に、Ｚ駆動圧電素子３と２個のＸＹ圧電素子との間に節４を入れることにより、Ｚ駆動圧電素子３とＸＹ圧電素子がそれぞれ別の圧電素子として作用し、固有振動周波数としてはチューブスキャナ１の長さが短くなったのと同様な効果があり、固有振動周波数を上げることができる。これにより、同じ大きさのチューブスキャナ１と比較して、固有振動数が高くなり、走査スピードを従来のものより速くすることが可能である。あるいは、同程度の走査速度でよい場合には、肉厚を薄く、あるいは径を小さくしても固有振動を同程度にすることができ、チューブスキャナ１を小さくすることができる。
【００３１】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、図９のように、２個の節４のうち、一方の円形板状の節４ａが接着剤で接着されており、他方の節４ｂが圧電素子と一体形成されてもよい。また、図１０のように、節４がＺ駆動圧電素子３及びＸＹ駆動圧電素子２と一体形成されてもよい。さらに、節は嵌め合い構造になっていてもよく、節の中心部に円柱状の孔部があってもよい。
【実施例３】
【００３２】
図１１を用いて、本発明の実施例３の説明を行う。まず、本発明の構成を説明する。実施例３は本発明によるチューブスキャナ１を用いた原子間力顕微鏡である。
【００３３】
原子間力顕微鏡のコンタクトモードは、試料表面と探針間の原子間斥力を用いて観察・測定を行う。片持ちばりの端に取り付けた探針を試料表面に近づけていくと、試料と探針の間に原子間力が働くことから、この原子間力や探針と試料との距離制御に基づき試料表面の観察を行うものである。ここで、原子間力は、試料と探針が離れている間は引力が働き、近づいてくると斥力が働くので、この原子間力によって片持ちばりがたわむ。そこで、レーザを用いた光てこ方式などでこの片持ちばりのたわみを検出して、原子間力が一定となるように圧電素子を用いた駆動手段により探針又は試料をＺ方向に制御して試料表面上を二次元的に走査を行い、試料の凹凸像の観察を行う。
【００３４】
図１１は原子間力顕微鏡のコンタクトモードの概要図である。先端に探針１１を有するカンチレバー１２が試料１４に対向して設置されている。探針１１と試料１４表面間に作用する原子間力（斥力）をカンチレバー１２の撓みから検知する構成で、カンチレバー１２先端に照射したレーザ光線１９の反射スポットを検出器１３で検出している。この光学検出系は光てこ法を利用したもので、カンチレバー１２の微小な変位を検出器１３上に拡大投影して検出している。検出器１３には４分割フォトダイオードを使用し、それぞれの検出信号量の差を光てこ方式位置検出演算回路１５によって演算することで位置情報を得ている。つまり、カンチレバー１２の先端が上下に変位し反射スポットの位置がずれると検出信号量の差の演算結果に変化が生じる。光てこ方式位置検出演算回路１５はこの結果を受けて基準位置からの誤差が最小となる出力をＺ駆動圧電素子に送る。このフィードバック回路１６によって、例えばカンチレバー１２が上方に変位した場合にはＺ圧電素子が縮み、カンチレバー１２の姿勢が基の位置に戻る。このように走査形プローブ顕微鏡は探針１１と試料１４間に作用する原子間力を一定に保持するフィードバック制御下で試料１４表面上を走査し、この時のＺ駆動電圧を距離換算したデータに基づいて凹凸情報として画像化している。
【００３５】
本発明により、節を入れたチューブスキャナを原子間力顕微鏡に用いることにより、同じ大きさの従来のチューブスキャナと比較すると固有振動数が高くなり，より速い走査スピードでの像観察が可能となる。
【００３６】
また、本発明により、節を入れたチューブスキャナを原子間力顕微鏡に用いることにより、従来のチューブスキャナと同程度の走査速度でよい場合には、固有振動数を同じにして、チューブスキャナのサイズを小さくでき、原子間力顕微鏡もコンパクトにすることができる。
【００３７】
さらに、本発明により、節を入れたチューブスキャナを原子間力顕微鏡に用いることにより、従来のチューブスキャナと比べ、同程度の固有振動数にした場合には、走査範囲をより広くすることができる。
【００３８】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、走査形トンネル顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡等に本発明によるチューブキャナを適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による、節で２個の圧電素子を結合したチューブキャナの外観図である。
【図２】図１における断面図である。
【図３】本発明による、節で２個の圧電素子を結合したチューブキャナの断面図である。
【図４】本発明による、節で２個の圧電素子を結合したチューブキャナの断面図である。
【図５】本発明による、節で２個の圧電素子を結合したチューブキャナの断面図である。
【図６】本発明による、節で２個の圧電素子を結合したチューブキャナの断面図である。
【図７】本発明による、２個の節で３個の圧電素子を結合したチューブキャナの外観図である。
【図８】図７における断面図である。
【図９】本発明による、２個の節で３個の圧電素子を結合したチューブキャナの断面図である。
【図１０】本発明による、２個の節で３個の圧電素子を結合したチューブキャナの断面図である。
【図１１】本発明のチューブスキャナを備えた原子間力顕微鏡の概要図である。
【図１２】チューブスキャナの寸法と固有振動数との関係を説明するための図である。
【図１３】従来技術によるチューブスキャナである。
【図１４】図１３における断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  チューブスキャナ
２  ＸＹ駆動圧電素子
２ａ  ＸＹ駆動圧電素子
２ｂ  ＸＹ駆動圧電素子
３  Ｚ駆動電圧素子
４  節
４ａ  節
４ｂ  節
５  Ｘ駆動電極
６  Ｙ駆動電極
６ａ  Ｙ駆動電極
６ｂ  Ｙ駆動電極
７  Ｚ駆動電極
８  接地電極
９  孔部
１０  半導体レーザ光源
１１  探針
１２  カンチレバー
１３  検出器
１４  試料
１５  光でこ方式位置検出回路
１６  フォードバック回路
１７  走査回路
１８  画像表示装置
１９  レーザ光線
２０  重り
２１  ベース
【図１】
2005140568.tif 000004
【図２】
2005140568.tif 000005
【図３】
2005140568.tif 000006
【図４】
2005140568.tif 000007
【図５】
2005140568.tif 000008
【図６】
2005140568.tif 000009
【図７】
2005140568.tif 000010
【図８】
2005140568.tif 000011
【図９】
2005140568.tif 000012
【図１０】
2005140568.tif 000013
【図１１】
2005140568.tif 000014
【図１２】
2005140568.tif 000015
【図１３】
2005140568.tif 000016
【図１４】
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