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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6042655
(24)【登録日】2016年11月18日
(45)【発行日】2016年12月14日
(54)【発明の名称】走査機構および走査型プローブ顕微鏡
(51)【国際特許分類】
G01Q 10/04 20100101AFI20161206BHJP
G01Q 20/02 20100101ALI20161206BHJP
【ＦＩ】
G01Q10/04 101
G01Q20/02
【請求項の数】18
【全頁数】21
(21)【出願番号】特願2012-176243(P2012-176243)
(22)【出願日】2012年8月8日
(65)【公開番号】特開2014-35252(P2014-35252A)
(43)【公開日】2014年2月24日
【審査請求日】2015年5月28日
(73)【特許権者】
【識別番号】000000376
【氏名又は名称】オリンパス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100108855
【弁理士】
【氏名又は名称】蔵田 昌俊
(74)【代理人】
【識別番号】100109830
【弁理士】
【氏名又は名称】福原 淑弘
(74)【代理人】
【識別番号】100088683
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100103034
【弁理士】
【氏名又は名称】野河 信久
(74)【代理人】
【識別番号】100095441
【弁理士】
【氏名又は名称】白根 俊郎
(74)【代理人】
【識別番号】100075672
【弁理士】
【氏名又は名称】峰 隆司
(74)【代理人】
【識別番号】100119976
【弁理士】
【氏名又は名称】幸長 保次郎
(74)【代理人】
【識別番号】100153051
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100140176
【弁理士】
【氏名又は名称】砂川 克
(74)【代理人】
【識別番号】100158805
【弁理士】
【氏名又は名称】井関 守三
(74)【代理人】
【識別番号】100172580
【弁理士】
【氏名又は名称】赤穂 隆雄
(74)【代理人】
【識別番号】100179062
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 正
(74)【代理人】
【識別番号】100124394
【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 立志
(74)【代理人】
【識別番号】100112807
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 貴志
(74)【代理人】
【識別番号】100111073
【弁理士】
【氏名又は名称】堀内 美保子
(74)【代理人】
【識別番号】100134290
【弁理士】
【氏名又は名称】竹内 将訓
(72)【発明者】
【氏名】酒井 信明
(72)【発明者】
【氏名】植草 良嗣
【審査官】
山口 剛
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００２−０８２０３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０４−０６０４０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１０−１９０６５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０００−０５６０３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００７−２１８７０７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０１Ｑ １０／００ − ９０／００
ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
走査対象物をＸ軸方向に高速で走査し、Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向に低速で走査する走査機構であって、
前記走査対象物が取り付けられる可動部と、
前記可動部をＸ軸方向とＹ軸方向に走査するＸＹアクチュエータとを備え、
前記ＸＹアクチュエータは、Ｙ軸方向に平行な直線に対して対称形であり、Ｘ軸方向に平行な直線に対して非対称形であり、
前記ＸＹアクチュエータは、前記可動部をＸ軸方向に走査する第一および第二のＸアクチュエータと、前記可動部をＹ軸方向に走査する一つのＹアクチュエータとを備え、
前記第一および第二のＸアクチュエータは、前記可動部のＸ軸に沿った両側に配置され、
前記Ｙアクチュエータは、Ｙ軸に平行な前記可動部の重心を通る直線上に配置され、かつ前記可動部の片側に配置されている、走査機構。
前記走査対象物が取り付けられる可動部と、
前記可動部をＸ軸方向とＹ軸方向に走査するＸＹアクチュエータとを備え、
前記ＸＹアクチュエータは、Ｙ軸方向に平行な直線に対して対称形であり、Ｘ軸方向に平行な直線に対して非対称形であり、
前記ＸＹアクチュエータは、前記可動部をＸ軸方向に走査する第一および第二のＸアクチュエータと、前記可動部をＹ軸方向に走査する一つのＹアクチュエータとを備え、
前記第一および第二のＸアクチュエータは、前記可動部のＸ軸に沿った両側に配置され、
前記Ｙアクチュエータは、Ｙ軸に平行な前記可動部の重心を通る直線上に配置され、かつ前記可動部の片側に配置されている、走査機構。
【請求項2】
前記可動部を取り囲む固定枠をさらに備え、
前記第一および第二のＸアクチュエータは、前記固定枠と前記可動部のＸ軸に沿った間に配置され、
前記Ｙアクチュエータは、前記固定枠と前記可動部のＹ軸に沿った間に配置されている、請求項１に記載の走査機構。
前記第一および第二のＸアクチュエータは、前記固定枠と前記可動部のＸ軸に沿った間に配置され、
前記Ｙアクチュエータは、前記固定枠と前記可動部のＹ軸に沿った間に配置されている、請求項１に記載の走査機構。
【請求項3】
前記Ｙアクチュエータは、前記第一および第二のＸアクチュエータよりも単位駆動信号あたりの変位量が大きい、請求項２に記載の走査機構。
【請求項4】
前記第一のＸアクチュエータと前記第二のＸアクチュエータと前記Ｙアクチュエータは、それぞれ、第一の積層型圧電素子と第二の積層型圧電素子と第三の積層型圧電素子を備え、
前記第一の積層型圧電素子と前記第二の積層型圧電素子は実質的に同一であり、
前記第三の積層型圧電素子の変位方向の長さが、前記第一および第二の積層型圧電素子の変位方向の長さよりも長い、請求項３に記載の走査機構。
前記第一の積層型圧電素子と前記第二の積層型圧電素子は実質的に同一であり、
前記第三の積層型圧電素子の変位方向の長さが、前記第一および第二の積層型圧電素子の変位方向の長さよりも長い、請求項３に記載の走査機構。
【請求項5】
前記第一のＸアクチュエータと前記第二のＸアクチュエータは、それぞれ、第一の積層型圧電素子と第二の積層型圧電素子を備え、
前記第一の積層型圧電素子と前記第二の積層型圧電素子は実質的に同一であり、
前記Ｙアクチュエータは、複数の積層型圧電素子を備えており、
前記複数の積層型圧電素子は、前記固定枠に保持された弾性部材を介して変位方向に直列に連結されており、
前記複数の積層型圧電素子のそれぞれの変位方向の長さの合計値が、前記第一および第二の積層型圧電素子の変位方向の長さよりも長い、請求項３に記載の走査機構。
前記第一の積層型圧電素子と前記第二の積層型圧電素子は実質的に同一であり、
前記Ｙアクチュエータは、複数の積層型圧電素子を備えており、
前記複数の積層型圧電素子は、前記固定枠に保持された弾性部材を介して変位方向に直列に連結されており、
前記複数の積層型圧電素子のそれぞれの変位方向の長さの合計値が、前記第一および第二の積層型圧電素子の変位方向の長さよりも長い、請求項３に記載の走査機構。
【請求項6】
前記複数の積層型圧電素子は、二つの第三の積層型圧電素子を備え、前記二つの第三の積層型圧電素子は、前記第一および第二の積層型圧電素子と実質的に同一である、請求項５に記載の走査機構。
【請求項7】
前記可動部のＸ軸に沿った両側に設けられた第一および第二の弾性部と、
前記可動部のＹ軸に沿った両側に設けられた第三および第四の弾性部とをさらに備え、
前記第一ないし第四の弾性部はいずれも、前記可動部と一体的に形成されており、
前記第一の弾性部は、前記可動部と前記第一のＸアクチュエータの間に配置され、
前記第二の弾性部は、前記可動部と前記第二のＸアクチュエータの間に配置され、
前記第三の弾性部は、前記可動部と前記Ｙアクチュエータの間に配置され、
前記第四の弾性部は、前記可動部と前記固定枠の間に配置されている、請求項２ないし請求項６のいずれかひとつに記載の走査機構。
前記可動部のＹ軸に沿った両側に設けられた第三および第四の弾性部とをさらに備え、
前記第一ないし第四の弾性部はいずれも、前記可動部と一体的に形成されており、
前記第一の弾性部は、前記可動部と前記第一のＸアクチュエータの間に配置され、
前記第二の弾性部は、前記可動部と前記第二のＸアクチュエータの間に配置され、
前記第三の弾性部は、前記可動部と前記Ｙアクチュエータの間に配置され、
前記第四の弾性部は、前記可動部と前記固定枠の間に配置されている、請求項２ないし請求項６のいずれかひとつに記載の走査機構。
【請求項8】
前記第一ないし第四の弾性部を支持する支持部をさらに備え、前記支持部は、前記第一ないし第四の弾性部と一体的に形成され、前記固定枠に固定されている、請求項７に記載の走査機構。
【請求項9】
前記可動部は、前記走査対象物がＹ軸に平行な直線に対して対称となるように前記走査対象物を前記可動部に保持する、請求項１ないし請求項８のいずれかひとつに記載の走査機構。
【請求項10】
前記可動部に保持されたＺアクチュエータをさらに備え、前記Ｚアクチュエータは、カンチレバーをその長手方向がＹ軸に沿うように保持し、前記カンチレバーをＸＹ平面に垂直なＺ軸方向に走査する、請求項９に記載の走査機構。
【請求項11】
前記カンチレバーの変位を検出するための光を前記カンチレバーに集光する集光部をさらに備え、前記集光部は、前記可動部に保持されており、前記Ｚアクチュエータと前記集光部がＸＹ平面への投影においてＹ軸に沿って並ぶように配置されている、請求項１０に記載の走査機構。
【請求項12】
前記Ｚアクチュエータは、Ｚ軸に沿って伸縮し得る実質的に同一の二つの第四の積層型圧電素子を有し、前記二つの第四の積層型圧電素子は、前記可動部からＺ軸に沿って互いに反対側に延びている、請求項１０または請求項１１に記載の走査機構。
【請求項13】
前記集光部が単レンズである、請求項１１に記載の走査機構。
【請求項14】
前記単レンズの直径が１０ｍｍ以下である、請求項１３に記載の走査機構。
【請求項15】
前記単レンズのＮＡが０．４以上である、請求項１３に記載の走査機構。
【請求項16】
前記Ｚアクチュエータは、前記カンチレバーをＸＹ平面に対して５度ないし２０度の角度に保持し、
前記単レンズは、その光軸がＺ軸に対して５度ないし２０度の角度で前記可動部に保持されている、請求項１３に記載の走査機構。
前記単レンズは、その光軸がＺ軸に対して５度ないし２０度の角度で前記可動部に保持されている、請求項１３に記載の走査機構。
【請求項17】
前記第一および第二のＸアクチュエータに互いに逆相の駆動信号を供給して前記第一および第二のＸアクチュエータにプッシュプル動作させるドライバをさらに備えている請求項１ないし請求項１６のいずれかひとつに記載の走査機構。
【請求項18】
請求項１ないし請求項１７のいずれかひとつに記載の走査機構を備えてい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（ＳＰＭ）は、走査機構によって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って、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）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）などの総称である。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、機械的探針を介して所望の試料領域の表面情報を得て、モニターＴＶ上にマッピング表示する。
【0003】
なかでもＡＦＭは最も広く使用されている装置であって、機械的探針をその自由端にもつカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサーと、機械的探針と試料を相対的に走査する走査機構を主要な機械機構として備えている。その光学式変位センサーとしては、構成が簡単でありかつ高い変位検出感度を有することから、光てこ式の光学式変位センサーが最も広く使われている。カンチレバー上に直径数μｍから数十μｍの光束を照射し、その反射光の反射方向がレバーの反りに応じて変化するのを二分割光ディテクタなどによりとらえて、カンチレバーの自由端にある機械的探針の動作をとらえ電気信号として出力する。この出力が一定になるように走査機構をＺ軸方向に制御しながら、同じく走査機構をＸ軸方向とＹ軸方向に走査することにより、コンピュータのモニター上に試料表面の凹凸の状態をマッピング・表示する。
【0004】
このようなＡＦＭでは、液体中の生物試料を観察する場合、倒立型光学顕微鏡と組み合わせて観察することが一般的である。倒立型光学顕微鏡観察は試料の知見を得るだけでなく、試料の特定部位にカンチレバーを位置決めするときにも有効だからである。このようなＡＦＭでは、様々な生体試料および試料基板に対応できるように、カンチレバーをＸＹＺ軸方向に走査するレバースキャンタイプの走査機構を用いることが多い。
【0005】
生物試料の動く様子を観察しようとしたときＡＦＭに求められるのは観察速度である。この用途では１秒以内、望ましくは０．１秒以内に一画面を得ることが目標となる。このようなＡＦＭの高速化を行おうとしたとき、ＡＦＭ装置の電気回路周りについては現在市販されている装置でも可能なレベルに達しており、課題となるところは機械機構にある。特に、走査速度の速い走査機構や、柔らかくかつ共振周波数の高いカンチレバーや、そのカンチレバーの変位を検出できる光てこ式の光学式変位センサーが挙げられる。
【0006】
例えば、Ｘ軸方向を高速走査の方向、Ｙ軸方向を低速走査の方向とし、Ｘ軸方向に１００画素、Ｙ軸方向に１００画素の画像を０．１秒で取り込むとき、走査機構に求められるＸ軸方向の走査周波数は１ｋＨｚ、Ｙ軸方向の走査周波数は１０Ｈｚ、Ｚ軸方向の走査周波数は１００ｋＨｚ以上に達する。
【0007】
生物試料の観察に適した高い周波数のカンチレバーとしては、バネ定数が１Ｎ／ｍ以下であり、共振周波数が３００ｋＨｚ以上であることが求められる。このようなカンチレバーの寸法は現在市販されているカンチレバーに比べて１０分の１程度と極めて小さいものとなり、例えば窒化シリコン製のカンチレバーでは、長さ１０μｍ、幅２μｍ、厚さ０．１μｍとなる。そのバネ定数は０．１Ｎ／ｍ、大気中での共振周波数は１．２ＭＨｚ、液体中での共振周波数は４００ｋＨｚ前後となる。
【0008】
さらに光学式変位センサーとしては、極めて小さいカンチレバーの変位を検出するために収束光のスポット径が数μｍ以下となる集光光学系が要求される。
【0009】
以上に説明したように、生物試料のＡＦＭによる高速観察には、倒立型光学顕微鏡観察と組み合わせるためにレバースキャンタイプのＡＦＭであることが望ましく、しかも、柔らかくて共振周波数の高い小さなカンチレバーが使用可能であるとともに、高速走査をする走査機構を備えている必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特表２０１０−５２１６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
レバースキャンタイプのＡＦＭの欠点は、カンチレバーだけでなく光てこ式光学式変位センサーをも一緒にＸＹ走査しなければならないことにある。光てこ式光学式変位センサーには光源、ディテクタ、集光光学系が備わっているため小型化・軽量化が難しく、これが高速走査の妨げになるからである。この欠点を克服するために、特表２０１０−５２１６９３号公報においては、集光光学系だけをカンチレバーやＺスキャナとともにＸＹ走査する、検出光追従型の走査機構が提案されている。
【0012】
先行技術の走査機構は、Ｘ軸方向とＹ軸方向のアクチュエータが、各軸に対称で、かつ同一の構造になっている。別の言い方をすれば、Ｘ軸方向とＹ軸方向のアクチュエータが４回対称になっている。ここで、４回対称は、回転対称の一種である。一般に、３６０°／ｎ（ｎ＝２以上）で回転させて図形が一致する場合、これをｎ回対称という。
【0013】
しかしながら、集光光学系とともにカンチレバーやＺスキャナを保持しているＸＹ可動部は、その全体構造がＸ軸とＹ軸の両方に対して対称ではない。すなわち回転対称ではない。さらに言えば、カンチレバー自体がＸ軸とＹ軸の両方に対して対称な構造をしていない。すなわち回転対称ではない。
【0014】
このような回転対称の構造をしていないＸＹ可動部やカンチレバーをＸＹ走査する際は、Ｘ軸方向とＹ軸方向の両アクチュエータを、各軸に対称な構造にし、かつ同一にする必要性はほとんどない。特に観察速度の速いＡＦＭにおいては、ＸＹ走査の高速走査の方向と低速走査の方向がＸＹ可動部の全体構造やカンチレバーの向きにより決まるため、Ｘ軸方向とＹ軸方向のアクチュエータを同一構造にする意味が全くない。アクチュエータは、ＸＹ走査の高速走査の軸と低速走査の軸にそれぞれ適した構造を選択するべきである。先行技術の走査機構は、構成要素が増え、構造を複雑にし、コストも上がるという問題を生じさせている。
【0015】
本発明は、この様な実状を考慮して成されたものであり、その目的は、ＸＹ走査の高速走査と低速走査にそれぞれ適したアクチュエータを備えた走査機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0016】
本発明は、走査対象物をＸ軸方向に高速で走査し、Ｘ軸と直交するＹ軸方向に低速で走査する走査機構である。この走査機構は、前記走査対象物が取り付けられる可動部と、前記可動部をＸ軸方向とＹ軸方向に走査するＸＹアクチュエータとを備ええいる。前記ＸＹアクチュエータは、Ｙ軸方向に平行な直線に対して対称形であり、Ｘ軸方向に平行な直線に対して非対称形である。前記ＸＹアクチュエータは、前記可動部をＸ軸方向に走査する第一および第二のＸアクチュエータと、前記可動部をＹ軸方向に走査する一つのＹアクチュエータとを備えている。前記第一および第二のＸアクチュエータは、前記可動部のＸ軸に沿った両側に配置されている。前記Ｙアクチュエータは、Ｙ軸に平行な前記可動部の重心を通る直線上に配置され、かつ前記可動部の片側に配置されている。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、ＸＹ走査の高速走査と低速走査にそれぞれ適したアクチュエータを備えた走査機構が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1A】第一実施形態の走査機構の上面図である。
【図4A】第二実施形態の走査機構の上面図である。
【図5A】第二実施形態の変形例の走査機構の上面図である。
【図6A】第三実施形態の走査機構の上面図である。
【図9A】第三実施形態の第一変形例の走査機構の上面図である。
【図10A】第三実施形態の第二変形例の走査機構の上面図である。
【図11】第三実施形態の走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡を示している。
【発明を実施するための形態】
【0019】
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。すべての実施形態において、ＸＹＺ直交座標系を、ラスター走査の高速走査の方向にＸ軸が平行になり、ラスター走査の低速走査の方向にＹ軸が平行になるように設定している。つまり、ラスター走査の高速走査の方向をＸ軸方向、低速走査の方向をＹ軸方向としている。
【0020】
＜第一実施形態＞本実施形態は、走査機構に向けられている。以下、図１Ａと図１Ｂと図１Ｃ〜図３を参照しながら本実施形態について説明する。図１Ａは、本実施形態の走査機構の上面図であり、図１Ｂは、図１Ａ中のIｘ−Iｘ線に沿った走査機構の断面図である。また図１Ｃは、図１Ａ中のIｙ−Iｙ線に沿った走査機構の断面図である。
【0021】
図１Ａと図１Ｂと図１Ｃに示されるように、本実施形態の走査機構１０は、固定枠１１と、固定枠１１内に配置されたＸＹステージ１９と、ＸＹステージ１９と固定枠１１の間に配置されたＸ軸に沿って延びている圧電素子１２Ａと、圧電素子１２Ａと対向するようにＸＹステージ１９と固定枠１１の間に配置されたＸ軸に沿って延びている圧電素子１２Ｂと、ＸＹステージ１９と固定枠１１の間に配置されたＹ軸に沿って延びている圧電素子１２Ｃを有している。
【0022】
ＸＹステージ１９は、互いに直交するＸ軸方向とＹ軸方向に移動可能なＸＹ可動部１４と、ＸＹ可動部１４のＸ軸に沿った両側に設けられた弾性部１６Ａ，１６Ｂと、ＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った両側に設けられた弾性部１６Ｃ，１７と、弾性部１６Ａ〜１６Ｃ，１７を支持している支持部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄとを有している。ＸＹ可動部１４には、図示しない走査対象物が取り付けられる。
【0023】
圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂは、固定枠１１とＸＹ可動部１４のＸ軸に沿った間に配置されている。また圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂは、ＸＹ可動部１４のＸ軸に沿った両側に配置されている。さらに圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂは、ＸＹ可動部１４の重心を通りＸ軸に平行な直線が圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂのそれぞれの中心を通るよう配置されている。すなわち、圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂの配置は、ＸＹ可動部１４の重心を通りＹ軸に平行な直線に対して対称である。つまり、圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂの配置は、ＸＹ可動部１４の重心を通りＹ軸に平行な直線を対称軸として、X軸方向に対称（線対称）となっている。なお、本実施形態では、ＸＹ可動部１４の重心１４を通りＹ軸に平行な直線を対称軸としたが、ＸＹ可動部１４の中心を通るような対称軸であってもよい。すなわち、圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂの配置がＸ軸方向に線対称となるためのＹ軸方向に平行な直線が対称軸として存在すれば、どのような形態であってもよい。
【0024】
圧電素子１２Ｃは、固定枠１１とＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った間に配置されている。また圧電素子１２Ｃは、ＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った片側に位置している。さらに圧電素子１２Ｃは、ＸＹ可動部１４の重心を通りＹ軸に平行な直線が圧電素子１２Ｃの中心を通るよう配置されている。すなわち、圧電素子１２Ｃの配置は、ＸＹ可動部１４の重心を通りＸ軸に平行な直線に対して非対称である。なお、本実施形態では、圧電素子１２Ｃの配置が、ＸＹ可動部１４の重心を通りＸ軸に平行な直線に対して非対称であるとしたが、ＸＹ可動部１４の中心を通りＸ軸に平行な直線に対して非対称であってもよい。
【0025】
弾性部１６Ａは、ＸＹ可動部１４と圧電素子１２Ａの間に配置されている。弾性部１６ｄＢは、ＸＹ可動部１４と圧電素子１２Ｂの間に配置されている。弾性部１６Ｃは、ＸＹ可動部１４と圧電素子１２Ｃの間に配置されている。弾性部１７は、ＸＹ可動部１４と固定枠１１の間に配置されている。
【0026】
支持部１５Ａ，１５Ｄは、圧電素子１２ＡのＹ軸に沿った両側に位置し、支持部１５Ｂ，１５Ｃは、圧電素子１２ＢのＹ軸に沿った両側に位置している。支持部１５Ａは弾性部１６Ａと弾性部１６Ｃを支持し、支持部１５Ｂは弾性部１６Ｂと弾性部１６Ｃを支持し、支持部１５Ｃは弾性部１６Ｂと弾性部１７を支持し、支持部１５Ｄは弾性部１６Ａと弾性部１７を支持している。支持部１５Ａ〜１５Ｄはすべて固定枠１１に固定されている。支持部１５Ａ〜１５Ｄの固定は、これに限定されないが、例えば、ねじ締結や接着によってなされている。
【0027】
弾性部１６Ａと１６Ｂと１６Ｃは、向きが異なる点を除けば、まったく同一形状をしている。これらは共に十字形状を有している。また弾性部１７はＴ字形状を有している。ＸＹ可動部１４の圧電素子１２Ａの側に位置する弾性部１６Ａは、圧電素子１２Ａによって押される押圧部１８Ａを有している。またＸＹ可動部１４の圧電素子１２Ｂの側に位置する弾性部１６Ｂは、圧電素子１２Ｂによって押される押圧部１８Ｂを有している。またＸＹ可動部１４の圧電素子１２Ｃの側に位置する弾性部１６Ｃは、圧電素子１２Ｃによって押される押圧部１８Ｃを有している。
【0028】
弾性部１６Ａ，１６Ｂは、ＺＸ平面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分と、ＹＺ平面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分とを有している。Ｘ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｘ軸に沿った一方の端部がＸＹ可動部１４と接続し、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状部分の中央部と接続している。Ｙ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｙ軸に沿った両端部が支持部１５Ａ〜１５Ｄと接続している。
【0029】
また、弾性部１６Ｃ，１７は、ＹＺ平面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分と、ＺＸ平面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分とを有している。Ｙ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｙ軸に沿った一方の端部がＸＹ可動部１４と接続し、Ｙ軸に沿った一方の端部がＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分の中央部と接続している。Ｘ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｘ軸に沿った両端部が支持部１５Ａ〜１５Ｄと接続している。
【0030】
これらの板状部分の厚さ、すなわちＺ軸に沿った寸法は、これに限定されないが、例えば、ＸＹ可動部１４の厚さと同じである。
【0031】
このような形状を有することにより、弾性部１６Ａ，１６Ｂは、ＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った動きに対しては、ＺＸ平面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分と、ＹＺ平面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分の両方が弾性変形しやすい。つまり、弾性部１６Ａ，１６Ｂは、ＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った動きに対しては柔らかい。また、ＸＹ可動部１４のＸ軸に沿った動きに対しては、ＹＺ平面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分は弾性変形しやすいが、ＺＸ平面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分は弾性変形しにくい。つまり、弾性部１６Ａ，１６Ｂは、ＸＹ可動部１４のＸ軸に沿った動きに対しては硬くなる。
【0032】
弾性部１６Ｃ，１７は、ＸＹ可動部１４のＸ軸に沿った動きに対しては、ＹＺ平面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分と、ＺＸ平面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分の両方が弾性変形しやすい。つまり、弾性部１６Ｃ，１７は、ＸＹ可動部１４のＸ軸に沿った動きに対しては柔らかい。また、ＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った動きに対しては、ＺＸ平面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分は弾性変形しやすいが、ＹＺ平面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分は弾性変形しにくい。つまり、弾性部１６Ｃ，１７は、ＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った動きに対しては硬くなる。
【0033】
従って、ＸＹ可動部１４は、弾性部１６Ａ，１６Ｂにより、Ｘ軸に沿った方向に関して高剛性に支持され、弾性部１６Ｃ，１７により、Ｙ軸に沿った方向に関して高剛性に支持されている。
【0034】
ＸＹステージ１９は一体的に形成されている。つまり、ＸＹ可動部１４と支持部１５Ａ〜１５Ｄと弾性部１６Ａ〜１６Ｃおよび弾性部１７と押圧部１８Ａ〜１８Ｃは一体的に形成されている。ＸＹステージ１９は、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。
【0035】
固定枠１１の材質は、好ましくは、ＸＹステージ１９の材質よりも高い弾性率を有している。例えば、固定枠１１はステンレス鋼で構成され、ＸＹステージ１９はアルミニウムで構成される。
【0036】
圧電素子１２Ａは、弾性部１６Ａの押圧部１８Ａと固定枠１１の間に所定の予圧がかかるように配置されている。また、圧電素子１２Ｂは、弾性部１６Ｂの押圧部１８Ｂと固定枠１１の間に所定の予圧がかかるように配置されている。さらに、圧電素子１２Ｃは、弾性部１６Ｃの押圧部１８Ｃと固定枠１１の間に所定の予圧がかかるように配置されている。
【0037】
圧電素子１２Ａは、弾性部１６Ａを介してＸＹ可動部１４をＸ軸方向に走査するための第一のＸアクチュエータであり、電圧印加に応じてＸ軸に沿って伸縮し得る。圧電素子１２Ｂは、弾性部１６Ｂを介してＸＹ可動部１４をＸ軸方向に走査するための第二のＸアクチュエータであり、電圧印加に応じてＸ軸に沿って伸縮し得る。圧電素子１２Ｃは、弾性部１６Ｃを介してＸＹ可動部１４をＹ軸方向に走査するためのＹアクチュエータであり、電圧印加に応じてＹ軸に沿って伸縮し得る。
【0038】
圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂと圧電素子１２Ｃは、例えば、実質的に同一の積層型圧電素子で構成されている。実質的に同一とは、形状や特性の違いが３０％以下のものを言う。これは、圧電素子自体が３０％程度の非線形性をすでに持っているからであり、従ってバラツキが３０％以下であれば実質的に同一と見なせる。
【0039】
圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂは、プッシュプル動作をおこなうようになっている。圧電素子１２Ａが伸びるときは圧電素子１２Ｂは縮み、圧電素子１２Ａが縮むときは圧電素子１２Ｂは伸びる。すなわち圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂは、伸縮動作に対して逆に動作する。
【0040】
図２は、圧電素子１２Ａ〜１２Ｃを伸縮動作させるためのＸＹピエゾドライバ２０を示している。このＸＹピエゾドライバ２０は３チャンネルの出力端子を有しており、圧電素子１２Ａ〜１２Ｃへの電圧印加が可能になっている。出力端子Ｘａ，Ｘｂ，Ｙからは、それぞれ圧電素子１２Ａ〜１２Ｃへ電圧印加を行うための駆動信号Ｓｉｇ（Ｘａ），Ｓｉｇ（Ｘｂ），Ｓｉｇ（Ｙ）が出力される。図３は、ＸＹピエゾドライバ２０から出力される信号を示している。図３に示すように、圧電素子１２Ａへの駆動信号Ｓｉｇ（Ｘａ）と圧電素子１２Ｂへの駆動信号Ｓｉｇ（Ｘｂ）は逆位相の関係を有している。これにより、圧電素子１２Ａが伸びるときは圧電素子１２Ｂは縮み、圧電素子１２Ａが縮むときは圧電素子１２Ｂは伸びるように動作する。
【0041】
以上のように、圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂと圧電素子１２Ｃは、ＸＹ可動部１４をＸ軸方向とＹ軸方向に走査するＸＹアクチュエータを構成している。前述したように、圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂの配置は、ＸＹ可動部１４の重心を通りＹ軸に平行な直線に対して対称であり、圧電素子１２Ｃの配置は、ＸＹ可動部１４の重心を通りＸ軸に平行な直線に対して非対称である。すなわち、このＸＹアクチュエータは、ＸＹ可動部１４の重心を通りＹ軸方向に平行な直線に対して対称形であり、ＸＹ可動部１４の重心を通りＸ軸方向に平行な直線に対して非対称形である。
【0042】
このように構成された走査機構１０においては、Ｘ走査の際、圧電素子１２Ａと圧電素子１２ＢがＸ軸に沿って伸縮する。圧電素子１２Ａが伸びる時は、圧電素子１２Ａが弾性部１６Ａを弾性変形させながらＸＹ可動部１４をＸ軸方向の＋の向きに押す。同時に、圧電素子１２Ｂが縮み、弾性部１６Ｂを弾性変形させながらＸＹ可動部１４をＸ軸方向の＋の向きに引く。これによりＸＹ可動部１４はＸ軸に沿ってＸ軸方向の＋の向きに移動される。これに伴って、弾性部１６Ｃと弾性部１７もＸＹ可動部１４の移動方向に引っ張られるために弾性変形される。このとき、弾性部１６Ａと弾性部１６Ｂの弾性変形量はほぼ同じになる。また、弾性部１６Ｃと弾性部１７の弾性変形量もほぼ同じになる。
【0043】
反対に、圧電素子１２Ａが縮む時は、圧電素子１２Ａが弾性部１６Ａを弾性変形させながらＸＹ可動部１４をＸ軸方向の−の向きに引く。同時に、圧電素子１２Ｂが伸び、弾性部１６Ｂを弾性変形させながらＸＹ可動部１４をＸ軸方向の−の向きに押す。これによりＸＹ可動部１４はＸ軸に沿ってＸ軸方向の−の向きに移動される。これに伴って、弾性部１６Ｃと弾性部１７もＸＹ可動部１４の移動方向に引っ張られるために弾性変形される。このとき、弾性部１６Ａと弾性部１６Ｂの弾性変形量はほぼ同じになる。また、弾性部１６Ｃと弾性部１７の弾性変形量もほぼ同じになる。
【0044】
このようなＸＹ可動部１４のＸ軸に沿った走査においては、弾性部１６Ｃと弾性部１７の弾性変形量がほぼ同じになるので、ＸＹ可動部１４のＹ軸方向にかかる力が釣り合うことになる。従って、ＸＹ可動部１４がＹ軸方向のどちらかの向きに引っ張られることがなく、Ｘ軸方向に非常に高い直進性をもって走査される。
【0045】
さらに、圧電素子１２Ａが伸びるときは圧電素子１２Ｂは縮み、圧電素子１２Ａが縮むときは圧電素子１２Ｂは伸びるので、すなわちプッシュプル動作をするので、Ｘ走査の際にＸＹ可動部１４の重心付近に加わるＸ軸方向の荷重は理論上ほぼゼロになる。一般的に、高速ラスター走査が可能な走査機構においては、走査機構全体の共振周波数を高くするためその剛性が高くなるように設計される。高速走査の周波数は１ｋＨｚまたはそれ以上におよぶ。このような走査機構においては、Ｘ走査の際の可動部に加わる衝撃荷重は非常に大きくなる。その結果、可動部や走査機構が有する固有振動を励起させ、振動ノイズが増えるという問題が生じる。Ｘ軸方向のプッシュプル動作は、ＸＹ可動部１４の重心付近に加わるＸ軸方向の荷重をほぼゼロにするので、このような問題が回避される。すなわち振動ノイズ低減に効果がある。
【0046】
またＹ走査の際は、圧電素子１２ＣがＹ軸に沿って伸縮する。圧電素子１２Ｃが伸びる時は、圧電素子１２Ｃが弾性部１６Ｃを弾性変形させながらＸＹ可動部１４を押す。これによりＸＹ可動部１４はＹ軸に沿ってＹ軸方向の＋の向きに移動される。これに伴って弾性部１７はＸＹ可動部１４に押されることで弾性変形される。さらに弾性部１６Ａと１６ＢもＸＹ可動部１４の移動方向に引っ張られるために弾性変形される。このとき、弾性部１６Ａと弾性部１６Ｂの弾性変形量はほぼ同じになる。また、弾性部１６Ｃと弾性部１７の弾性変形量もほぼ同じになる。
【0047】
圧電素子１２Ｃが縮む時は、圧電素子１２Ｃが弾性部１６Ｃを弾性変形させながらＸＹ可動部１４をＹ軸方向の−の向きに引く。これによりＸＹ可動部１４はＹ軸に沿ってＹ軸方向の−の向きに移動される。これに伴って弾性部１７はＸＹ可動部１４に引かれることで弾性変形される。さらに弾性部１６Ａと１６ＢもＸＹ可動部１４の移動方向に引かれるために弾性変形される。このとき、弾性部１６Ａと弾性部１６Ｂの弾性変形量はほぼ同じになる。また、弾性部１６Ｃと弾性部１７の弾性変形量もほぼ同じになる。
【0048】
このようなＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った走査においては、弾性部１６Ａと弾性部１６Ｂの弾性変形量がほぼ同じになるので、ＸＹ可動部１４のＸ軸方向にかかる力が釣り合うことになる。従って、ＸＹ可動部１４がＸ軸方向のどちらかの向きに引っ張られることがなく、Ｙ方向に非常に高い直進性をもって走査される。
【0049】
またＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った走査においては、Ｘ軸に沿った走査と比較して走査速度が１／１００またはそれ以下と非常に遅く、衝撃荷重は非常に小さい。すなわちプッシュプル動作をさせなくとも、振動ノイズの影響は小さい。プッシュプル動作をさせるためには、圧電素子を増やすだけでなく、ピエゾアンプも１チャンネル増やす必要がある。これは、構成要素を増やし、構造を複雑にし、コストも上げるという問題を生じさせる。ＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った走査においては、この問題が回避される。
【0050】
以上の説明から分かるように、本実施形態の走査機構では、圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂは、高速走査に有用なプッシュプル動作をおこなうに適したＸアクチュエータを構成し、圧電素子１２Ｃは、プッシュプル動作の必要性がない低速走査に適したＹアクチュエータを構成している。すなわち、本実施形態の走査機構は、高速走査に適したＸアクチュエータと低速走査に適したＹアクチュエータを備えている。これにより、走査速度の速いＸ走査に対してのみプッシュプル動作を適用することにより振動ノイズが十分に抑えられる。また、走査速度の遅いＹ走査のためのＹアクチュエータの構成が単純化される。これにより、必要以上に構成要素を増やすことなく、従って無駄に構造を複雑にすることなく、さらにコストを上げることなく、高精度な走査が実現できる。
【0051】
＜第二実施形態＞本実施形態は、走査機構に向けられている。以下、図４Ａと図４Ｂと図４Ｃを参照しながら本実施形態について説明する。図４Ａは、本実施形態の走査機構の上面図であり、図４Ｂは、図４Ａ中のIIｘ−IIｘ線に沿った走査機構の断面図である。また図４Ｃは、図４Ａ中のIIｙ−IIｙ線に沿った走査機構の断面図である。図４Ａと図４Ｂと図４Ｃにおいて、図１Ａと図１Ｂと図１Ｃに示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【0053】
圧電素子３４は、例えば積層圧電素子で構成されており、図１Ａに示した走査機構１０の圧電素子１２Ｃ（＝圧電素子１２Ａ，１２Ｂ）と比較して、例えば、２倍の駆動効率（単位駆動信号あたりの変位量）を有している。つまり圧電素子３４は、圧電素子１２Ｃの長さ（＝圧電素子１２Ａ，１２Ｂの長さ）の２倍の長さを有している。これに伴って、固定枠３１と、支持部３３Ａ，３３Ｂを含むＸＹステージ３２は、Ｙ軸方向に、圧電素子１２Ｃの長さ分だけ広がった形状をしている。
【0054】
Ｘ走査のプッシュプル動作は、ＸＹ可動部１４の重心付近に加わるＸ軸方向の荷重をほぼゼロにできる効果をもつ。その結果、Ｘ走査の際の衝撃荷重に起因するＸＹ可動部１４の変形を生じさせることはない。しかしながら、Ｙ軸に沿った走査においては、プッシュプル動作をさせていないので、ＸＹ可動部１４に静荷重とみなせる力が加わり、ＸＹ可動部１４を変形させることがある。ＸＹ可動部１４の変形は、圧電素子１２Ｃの変位を吸収することを意味する。つまりＹ軸に沿った方向は、Ｘ軸に沿った方向に比べて変位量が少なくなる。Ｙ軸に沿った方向の変位量を増やすには、走査機構のＹ軸に沿った方向のみ、剛性を低くする方法もあるが、走査機構全体の剛性も下がってしまう可能性がある。
【0055】
本実施形態の走査機構は、この問題を解決するものであって、Ｙ軸に沿った方向の圧電素子として、Ｘ軸に沿った方向の圧電素子より長さが長いもの（駆動効率が高いもの）、例えば２倍の長さのものを用いる。その結果、走査機構全体の剛性をほぼ維持したまま、Ｙ軸に沿った方向の変位量を増やすことができる。
【0056】
本実施形態の走査機構においては、Ｙ軸に沿った方向の圧電素子として、例えば２倍の長さのものを用いている。しかしながら可動部や走査機構の構造（弾性部の構造）によってＹ軸に沿った方向の変位の減少量は変わるため、実際には、Ｙ軸に沿った方向の変位がＸ軸に沿った方向の変位と等しくなるように、長さを選定する必要がある。
【0057】
［変形例］さらにこの走査機構では次の変形が可能である。第二実施形態の変形例である走査機構４０を図５Ａと図５Ｂと図５Ｃに示す。図５Ａは、本実施形態の走査機構の上面図であり、図５Ｂは、図５Ａ中のIIIｘ−IIIｘ線に沿った走査機構の断面図である。また図５Ｃは、図５Ａ中のIIIｙ−IIIｙ線に沿った走査機構の断面図である。図５Ａと図５Ｂと図５Ｃにおいて、図４Ａと図４Ｂと図４Ｃに示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【0058】
図５Ａと図５Ｂと図５Ｃに示されるように、本実施形態の走査機構４０は、走査機構３０と比較して、固定枠４１と、支持部４３Ａ，４３Ｂを含むＸＹステージ４２と、圧電素子４４，４５と、弾性部材４６に違いがある。
【0059】
圧電素子４４，４５は、圧電素子１２Ａ，１２Ｂと実質的に同一の積層型圧電素子で構成されている。圧電素子４４，４５は、弾性部材４６を介して直列に連結されている。すなわち、圧電素子４４，４５のそれぞれの変位方向の長さの合計値は、圧電素子１２Ａ，１２Ｂの変位方向の長さよりも長い。
【0060】
弾性部材４６は、例えばＺＸ平面に広がる板状のアルミニウムで構成されており、その両端は、支持部４３Ａと支持部４３Ｂに固定されている。固定は、例えば、圧入やねじ締結や接着によってなされている。図示はしないが、弾性部材４６の両端は、支持部４３Ａと支持部４３Ｂを含むＸＹステージ４２と一体的に形成されてもよく、また、固定枠４１に直接固定されてもよい。弾性部材４６は、Ｙ軸に沿っては弾性変形しやすく、Ｘ軸やＺ軸に沿っては変形しにくい構造であれば様々な変形や変更が施されてもよい。
【0061】
本実施形態の走査機構の変形例においては、圧電素子４４，４５を連結することで、図４Ａに示した圧電素子３４と同等の駆動効率、すなわち圧電素子１２Ａ，１２Ｂの２倍の駆動効率が得られる。その結果、図４Ａと図４Ｂと図４Ｃに示す走査機構３０と同等の効果が得られる。
【0062】
また圧電素子４４，４５は、圧電素子１２Ａ，１２Ｂと実質的に同一であるので、構成要素の種類を増やすことなく、共通部品で実現が可能になる。
【0064】
本変形例では、二つの圧電素子４４，４５が弾性部材４６を介して直列に連結されているが、三つ以上の圧電素子が弾性部材を介して連結された構成としてもよい。
【0065】
＜第三実施形態＞本実施形態は、走査機構に向けられている。以下、図６Ａと図６Ｂを参照しながら本実施形態について説明する。図６Ａは、本実施形態の走査機構の上面図であり、図６Ｂは、図６Ａ中のIVｙ−IVｙ線に沿った走査機構の断面図である。図６Ａと図６Ｂにおいて、図４Ａと図４Ｂと図４Ｃに示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【0066】
図６Ａと図６Ｂに示されるように、本実施形態の走査機構５０は、図４Ａと図４Ｂと図４Ｃに示した走査機構３０と比較して、ＸＹ可動部５２を含むＸＹステージ５１に違いがある。より詳しくは、ＸＹ可動部５２が、図４Ａに示したＸＹ可動部１４に走査対象物を追加した構成になっている。
【0067】
走査機構５０は、ＸＹ可動部５２に保持された圧電素子５４と、圧電素子５４に保持されたホルダ５６と、ホルダ５６に保持されたカンチレバー５５を有している。圧電素子５４は、一端がＸＹ可動部５２に固定され、−Ｚ方向に延出している。圧電素子５４の自由端には、カンチレバー５５を保持するホルダ５６が保持されている。圧電素子５４は、例えば、積層型圧電素子で構成されている。圧電素子５４は、電圧印加に応じてＺ軸に沿って伸縮し得る。圧電素子５４は、単独で、またはホルダ５６と共に、ＸＹ平面に垂直なＺ軸方向にカンチレバー５５を走査するＺアクチュエータを構成している。カンチレバー５５は、ホルダ５６に交換可能に取り付けられる。
【0068】
ホルダ５６は、カンチレバー５５をＸＹ平面に対して５度ないし２０度に傾きをもって保持する。これは、カンチレバー５５のレバー面と、図示しないＸＹ平面に平行に配置された試料との干渉を避けるためであり、ほとんどすべてのＡＦＭにおいて実施されている。
【0069】
カンチレバー５５の拡大図を図７Ａと図７Ｂと図７Ｃに示す。図７Ａは斜視図であり、図７Ｂは上面図、図７Ｃは側面図である。これらが示すように、カンチレバー５５は、その自由端に機械的探針５７を有している。カンチレバー５５は、Ｙ軸の−方向に沿って延びている。すなわち、ホルダ５６は、カンチレバー５５をその長手方向がＹ軸に沿うように保持する。
【0070】
走査機構５０はさらに、ＸＹ可動部５２に保持された集光部５３を有している。集光部５３は、ＸＹ可動部５２に形成された貫通穴に配置され、ＸＹ可動部５２の厚み内に収まっている。集光部５３は、図示しないカンチレバーの光学式変位センサー、例えば光てこセンサーから出射されるカンチレバー５５の変位を検出するための光をカンチレバー５５に入射させる働きをする。集光部５３は、これに限定されないが、例えば、単レンズで構成され、小さなカンチレバーにも集光し得るように、そのＮＡが０．４以上の光学特性を有している。また集光部５３は、その直径が１０ｍｍ以下であることが望ましい。ＸＹ走査の高速化を図るためには、ＸＹ可動部５２自体を小型・軽量にすることが重要だからである。
【0071】
ＸＹ可動部１４は、ＸＹ可動部１４の重心を通りＹ軸に平行な直線に対して圧電素子５４と集光部５３が対称となるように圧電素子５４と集光部５３を保持している。また、圧電素子５４と集光部５３は、ＸＹ平面への投影においてＹ軸に沿って並ぶように配置されている。言い換えれば、圧電素子５４と集光部５３は、投影されたＸＹ平面上において、互いに重なることなく、一方が他方の外側に位置している。
【0072】
このように構成された走査機構５０においては、ＸＹ可動部５２が、図４Ａと図４Ｂと図４Ｃに示す走査機構３０の効果と同様に、振動ノイズを増やすことなく高い直進性をもって高速にＸＹ方向に走査される。
【0073】
またＸＹ可動部５２がＸＹ方向に走査される際、圧電素子５４とともにカンチレバー５５もＸＹ方向に走査される。従って、カンチレバー５５は、振動ノイズを与えることなく高い直進性をもって高速に走査される。
【0074】
カンチレバー５５は、Ｙ軸の−方向に沿って延びるよう保持されている。図８Ａと図８Ｂに示すように、カンチレバー５５の長手方向に沿った走査の際は、大気や水（液中観察時）の抵抗（Ｆ）を受けるため反りが生じるという問題がある。この反りは、走査速度が速くなればなるほど大きくなる。抵抗は速度に比例するからである。従って、カンチレバー５５は、低速走査の軸であるＹ軸に沿って延びるよう保持する必要がある。走査機構５０においては、カンチレバー５５をＹ軸に沿って延びるよう保持しているので、カンチレバー５５に反りをほとんど生じさせないで高速にＸＹ方向に走査することができる。
【0075】
加えてＸＹ可動部５２がＸＹ方向に走査される際、集光部５３もＸＹ方向に走査される。従って、集光部５３も、振動ノイズを与えることなく高い直進性をもって高速にＸＹ方向に走査される。
【0076】
さらに、ＸＹ可動部５２がＸＹ方向に走査される際、集光部５３とともに集光部５３の焦点位置も同じ距離だけＸＹ方向に走査されるので、集光部５３によって集光されたレーザ光の集光スポットも集光部５３と同じ距離だけＸＹ方向に走査される。従って、集光部５３が作るレーザ光の集光スポットが、振動ノイズを与えることなく高い直進性をもって高速にＸＹ方向に走査される。
【0077】
以上より、走査機構５０においては、カンチレバー５５と集光部５３が作るレーザ光の集光スポットが、それらに相対振動をほとんど生じさせることなく高精度に高い直進性をもって高速にＸＹ方向に同じ距離だけ走査される。
【0078】
従って、走査機構５０においては、カンチレバー５５と集光部５３が作るレーザ光の集光スポットが高精度に高い直進性をもってＸＹ方向に同じ距離だけ走査されるので、高精度で高い直進性をもち、かつ高速ラスター走査が可能な検出光追従型の走査機構が提供される。
【0079】
走査機構５０は、図４Ａと図４Ｂと図４Ｃに示した走査機構３０に、走査対象物である集光部５３と圧電素子５４とホルダ５６とカンチレバー５５を加えた構成になっているが、図４Ａと図４Ｂと図４Ｃに示した走査機構３０を、図１Ａと図１Ｂと図１Ｃに示した走査機構１０や、図５Ａと図５Ｂと図５Ｃに示した走査機構４０に置き換えてもよい。
【0080】
［第一変形例］さらにこの走査機構では次の変形が可能である。第三実施形態の第一変形例である走査機構６０を図９Ａと図９Ｂに示す。図９Ａは、本実施形態の走査機構の上面図であり、図９Ｂは、図９Ａ中のVｙ−Vｙ線に沿った走査機構の断面図である。図９Ａと図９Ｂにおいて、図６Ａと図６Ｂに示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【0082】
圧電素子６１は、一端がＸＹ可動部５２に固定され、＋Ｚ方向に延出している。つまり、圧電素子５４と圧電素子６１は、ＸＹ可動部５２からＺ軸に沿って互いに反対側に延びている。
【0083】
圧電素子５４と圧電素子６１は、例えば実質的に同一の積層型圧電素子で構成されており、電圧印加に応じてＺ軸に沿って伸縮し得る。圧電素子５４と圧電素子６１は、ＸＹ平面に垂直なＺ軸方向にカンチレバー５５を走査するＺアクチュエータを構成している。
【0084】
ＸＹ可動部５２の上面に設けられた圧電素子６１の自由端には、ホルダ５６と同一の部材である疑似ホルダ６２が取り付けられている。疑似ホルダ６２は、ホルダ５６と同等の質量をもつ部材であれば置き換え可能である。
【0085】
カンチレバー５５をＺ方向に走査する際、図示しないＺ圧電駆動部によりＺ駆動信号を二つの圧電素子５４，６１に供給し、二つの圧電素子５４，６１が同じ量だけ逆向きに伸縮される。これにより、圧電素子５４の伸縮がＸＹ可動部５２に与えるＺ軸に沿った力が、圧電素子６１の伸縮によって打ち消される。これにより、圧電素子５４の伸縮により生じるＸＹ可動部５２のＺ方向の振動がほぼ０に抑えられる。
【0086】
このように構成された走査機構６０においては、図６Ａと図６Ｂに示した走査機構５０の効果に加え、二つの圧電素子５４，６１で構成されるＺアクチュエータにより、カンチレバー５５をＺ方向に走査する際に生じる振動ノイズもほぼ０に抑えられる。
【0087】
［第二変形例］さらにこの走査機構では次の変形が可能である。第三実施形態の第二変形例である走査機構７０を図１０Ａと図１０Ｂに示す。図１０Ａは、本実施形態の走査機構の上面図であり、図１０Ｂは、図１０Ａ中のVIｙ−VIｙ線に沿った走査機構の断面図である。図１０Ａと図１０Ｂにおいて、図９Ａと図９Ｂに示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【0088】
図１０Ａと図１０Ｂに示されるように、本実施形態の第二変形例である走査機構７０は、図９Ａと図９Ｂに示した走査機構６０と比較して、図９Ａと図９Ｂに示した集光部５３が単レンズ７１に置き換わった構成になっている。
【0089】
単レンズ７１は、収束光をカンチレバー５５のレバー面に対して垂直に入射させるように、その光軸がＸＹ平面に垂直な軸に対して５度ないし２０度になるよう傾けて保持されている。また単レンズ７１は、ＸＹ可動部５２に形成された貫通穴に配置され、ＸＹ可動部５２の厚み内に収まっている。さらに単レンズ７１は、長さ１０μｍ、幅２μｍの小さなカンチレバーにも集光できるように、そのＮＡが０．４以上の光学特性を有している。
【0091】
単レンズ７１の光軸がＸＹ平面に垂直な軸に対して５度ないし２０度になるよう傾けて保持されているので、カンチレバー５５に対して垂直に収束光を入射させることができる。また単レンズ７１は、そのＮＡが０．４以上の光学特性を備えている。その結果、カンチレバー５５に形成する集光スポット径を直径２μｍ程度にまで小さくすることができる。これは、カンチレバー５５の変位検出の精度向上に効果がある。
【0093】
図１１に示すように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバー５５を保持した走査機構７０と、ホストコンピュータ９１と、Ｚ制御部９０を備えたコントローラ８９と、Ｚピエゾドライバ８７と、ＸＹピエゾドライバ８８と、レーザ光源８２と、ビームスプリッタ８４と、波長板８５と、分割ディテクタ８６とを備えている。カンチレバー５５に対向する位置には、試料台８１に載置された試料８０が配置されている。
【0094】
走査機構７０は、カンチレバー５５をＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って走査するためのものであり、その詳細な構成は第三実施形態（図１０Ａと図１０Ｂ）で説明した通りである。この走査機構７０は図示しない鏡枠によって保持されている。
【0095】
カンチレバー５５は、試料８０に対向して配置される機械的探針５７を柔軟なレバー部の自由端に備えており、カンチレバー５５は試料８０との相互作用に応じてＺ軸に沿って変位する。
【0096】
レーザ光源８２とビームスプリッタ８４と波長板８５と分割ディテクタ８６は、カンチレバー５５の自由端のＺ軸に沿った変位を光学的に検出するための光学式変位センサーを構成しており、それぞれ図示しない鏡枠に保持されている。これらで構成される光学式変位センサーは、例えば走査型プローブ顕微鏡によく用いられる光てこセンサーであり、レーザ光源８２から照射されたコリメートレーザ光８３は、ビームスプリッタ８４と波長板８５を介して走査機構７０に設けられた単レンズ７１に照射され、カンチレバー５５上に直径２μｍ程度の集光スポットを形成する。その反射光は、波長板８５を通ることでビームスプリッタ８４によって偏向されて分割ディテクタ８６に入射する。分割ディテクタ８６は、カンチレバー５５のＺ変位を反映した変位信号をコントローラ８９に出力する。
【0097】
Ｚピエゾドライバ８７は、走査機構７０に搭載された二つの圧電素子５４，６１を駆動するためのものである。
【0098】
ＸＹピエゾドライバ８８は、走査機構７０に搭載された圧電素子１２Ａ，１２Ｂと圧電素子１２Ｃを駆動するためのものである。ＸＹピエゾドライバ８８は、図２で示したＸＹピエゾドライバ２０と同等の機能を備えている。
【0099】
コントローラ８９は、Ｚピエゾドライバ８７とＸＹピエゾドライバ８８を制御するためのものある。
【0100】
ホストコンピュータ９１は、カンチレバー５５の変位情報と走査機構７０の走査情報とに基づいて試料８０の物理情報を取得する処理部を構成している。
【0101】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は以下のように動作する。
【0102】
レーザ光源８２とビームスプリッタ８４と波長板８５と分割ディテクタ８６で構成される光学式変位センサーは、例えば走査型プローブ顕微鏡によく用いられる光てこセンサーであり、レーザ光源８２から照射されたコリメートレーザ光８３は、走査機構７０に設けられた単レンズ７１を介してカンチレバー５５上に直径数μｍ程度の集光スポットを形成し、その反射光を分割ディテクタ８６で受けることで、カンチレバー５５の自由端にある機械的探針５７のＺ変位をとらえる。分割ディテクタ８６は、カンチレバー５５のＺ変位を反映した変位信号をコントローラ８９に出力する。
【0103】
コントローラ８９は、ＸＹ方向にラスター走査するためのＸＹ走査信号を生成し、ＸＹ走査信号をＸＹピエゾドライバ８８とホストコンピュータ９１に供給する。コントローラ８９はＺ制御部９０を含んでおり、Ｚ制御部９０は、分割ディテクタ８６で得られるカンチレバー５５の変位情報を一定に維持するようにＺピエゾドライバ８７を制御するためのＺ走査信号を生成し、そのＺ走査信号をＺピエゾドライバ８７とホストコンピュータ９１に供給する。
【0104】
Ｚピエゾドライバ８７は、コントローラ８９から供給されるＺ走査信号を所定のゲインで増幅してＺ駆動信号を生成し、Ｚ駆動信号を走査機構７０に搭載された二つの圧電素子５４，６１に供給する。
【0105】
ＸＹピエゾドライバ８８は、コントローラ８９から供給されるＸＹ走査信号を所定のゲインで増幅してＸＹ駆動信号を生成し、ＸＹ駆動信号を走査機構７０に搭載された圧電素子１２Ａ，１２Ｂと圧電素子１２Ｃに供給する。具体的には、コントローラ８９から供給されるＸ走査信号を増幅して生成したＸ駆動信号を圧電素子１２Ａに供給し、同時にコントローラ８９から供給されるＸ走査信号の逆位相信号（逆位相Ｘ走査信号と呼ぶ）を生成し、それを増幅して生成した逆位相Ｘ駆動信号を圧電素子１２Ｂに供給し、さらにコントローラ８９から供給されるＹ走査信号を増幅して生成したＹ駆動信号を圧電素子１２Ｃに供給する。
【0106】
ホストコンピュータ９１は、コントローラ８９から供給されるＸＹ走査信号とＺ走査信号とに基づいて試料８０の表面形状の三次元画像を構築し、これをモニター上に表示する。
【0107】
この走査型プローブ顕微鏡においては、走査機構７０を用いることで、高精度で高い直進性をもち、かつ高速ラスター走査が可能になる。従ってこの走査型プローブ顕微鏡によれば、観察分解能が向上し、観察時間が短縮される。
【0109】
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。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含む。
【符号の説明】
【0110】
１０…走査機構、１１…固定枠、１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ…圧電素子、１４…ＸＹ可動部、１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ…支持部、１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１７…弾性部、１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ…押圧部、１９…ＸＹステージ、２０…ＸＹピエゾドライバ、３０…走査機構、３１…固定枠、３２…ＸＹステージ、３２Ａ，３２Ｂ…支持部、３４…圧電素子、４０…走査機構、４１…固定枠、４２…ＸＹステージ、４３Ａ，４３Ｂ…支持部、４４…圧電素子、４５…圧電素子、４６…弾性部材、５０…走査機構、５１…ＸＹステージ、５２…ＸＹ可動部、５３…集光部、５４…圧電素子、５５…カンチレバー、５６…ホルダ、５７…機械的探針、６０…走査機構、６１…圧電素子、６２…疑似ホルダ、７０…走査機構、７１…単レンズ、８０…試料、８１…試料台、８２…レーザ光源、８３…コリメートレーザ光、８４…ビームスプリッタ、８５…波長板、８６…分割ディテクタ、８７…Ｚピエゾドライバ、８８…ＸＹピエゾドライバ、８９…コントローラ、９０…Ｚ制御部、９１…ホストコンピュータ。