JP3825591B2 - 微小領域走査装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型近視野顕微鏡（ＳＮＯＭ）に代表される走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の試料走査やプローブ走査に利用される微小領域走査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、機械的探針（以下、プローブと呼ぶ）によって試料表面を走査し、プローブと試料表面との間に働く相互作用を検出することによって、試料表面の物理量をｎｍ（１０^-9ｍ）以下のオーダーで観察する装置である。例えば、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一つとして代表的な原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）では、プローブと試料表面の間に働く原子間力をプローブのたわみ量変化という情報で検出し、これを利用することによって試料の表面形状を観察することができる。
【０００３】
こうした装置において、試料やプローブを水平方向（以下ＸＹ方向と呼ぶ）と高さ方向（以下Ｚ方向と呼ぶ）に精度良く走査するために必要な機械装置が、微小領域走査装置である。
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に利用される微小領域走査装置には、０．０１〜０．１ｎｍの高い分解能が要求されるため、一般的に圧電素子（ピエゾ）が使われる。代表的には、例えば米国特許第５、３０６、９１９（Ｅｌｉｎｇｓ ｅｔ ａｌ．）が開示しているような円筒型圧電素子を利用した微小領域走査装置が挙げられる。この微小領域走査装置は、圧電素子の横効果を利用し、１本の円筒型圧電素子によってＸＹ方向およびＺ方向に走査することができる。この円筒型圧電素子を利用した微小領域走査装置の原型は、米国特許第４、０８７、７１５（Ｍｙｅｒ ｅｔ ａｌ．）が開示しているマイクロポジショナーに見ることができる。
【０００４】
この例では、円筒型圧電素子の内側にグランド電極を作り、側面には４分割の電極を製作し、対向する２極を１組としている。この２極に電圧を印加し、１極を伸ばし、１極を縮めれば、円筒型圧電素子は１方向に傾く。これを２組の電極で行えば、２方向に円筒型圧電素子を変形させることができる。これに加えて、側面円周上に別の電極を形成し電圧を加えれば、円筒型圧電素子の軸方向に円筒型圧電素子を伸縮させることができる。こうすることによって、１本の円筒型圧電素子によって、ＸＹ方向、Ｚ方向に走査をすることができる。
【０００５】
図１０は、円筒型ピエゾを利用した従来の微小領域走査装置の構成の一例を示す模式図である。
図１０において、円筒型圧電素子１００１が、支持基盤１００２上に固定される。円筒型圧電素子１００１の上には試料皿１０１０が配置され、その上に試料１００９が搭載される。円筒型圧電素子の内側側面の全域にはグランド用電極１００３が形成される。一方、外側側面の１部には４分割の電極を製作し、それぞれは電気的に絶縁されている。この４分割のＸ１電極１００４、Ｘ２電極１００５、Ｙ１電極１００６、Ｙ２電極１００７は、それぞれ２極が対向する位置関係にある。すなわち、Ｘ１電極１００４とＸ２電極１００５、Ｙ１電極１００６とＹ２電極１００７は対向位置の関係にある。外側側面の残りの部分には１極のＺ電極１００８が形成され、内側のグランド用電極、外側の４分割電極とは電気的に絶縁される。
【０００６】
４分割のＸ１電極１００４、Ｘ２電極１００５、Ｙ１電極１００６、Ｙ２電極１００７、もう一つのＺ電極１００８は、それぞれ、グランド用電極１００３との間で高電圧を掛け、電極の形成される部分の圧電材料の分極を行う。この時、対向する電極の形成される部分の圧電材料は、同じ極性の電圧を印加された場合に、それぞれ反対の効果、すなわち、「伸び」「縮み」を起こすように分極される。
【０００７】
図１１は従来の円筒型圧電素子型微小領域走査装置の動作を示した模式図である。
図１１において、円筒型圧電素子１００１のＸ１電極１００４とＸ２電極１００５に、電圧を印加する。この状態において、Ｘ１電極１００４の形成された部分の圧電材料に伸びを生じる。一方、Ｘ２電極１００５の形成された部分の圧電材料は、収縮する。これによって、円筒型圧電素子１００１は、紙面向かって左側に変形する。よって、円筒型圧電素子１００１の自由端に配置される試料皿１０１０および試料１００９は、紙面向かって左側に走査される。同時に、Ｚ電極１００８とグランド用電極１００３に電圧を印加すれば、Ｚ電極１００８の形成された部分の圧電材料は伸縮する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上に示したような従来の円筒型圧電素子型微小領域走査装置は、他の微小領域走査装置、例えば積層圧電素子をＸＹＺに組み合わせた構造の微小領域走査装置に比べ、構造が簡単で軽く、ＸＹＺ方向の共振周波数が高いという特徴から、ＳＰＭのほとんどで利用されてきた。
【０００９】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の先鞭であるＳＴＭ、ＡＦＭの登場当初は、その観察対象は金属表面の原子像や単分子膜の分子配列などであり、必要とされるＸＹ方向走査範囲は１〜２０μｍ程度であった。この走査範囲においては、円筒型圧電素子型微小領域走査装置は、すでに述べたように、他の微小領域走査装置に比べ、構造が簡単で軽く、ＸＹＺ方向の共振周波数が高いという長所がある。
【００１０】
一方、ここ数年で、ＳＴＭ、ＡＦＭが計測装置として一般化し、普及するにつれ、その観察対象は工業材料や生物試料の表面観察にまで広がってきた。その対象は、例えばコンパクトディスク表面のスタンパや、薄膜磁気ヘッドの凸凹、細胞などである。ＳＰＭの種類も、最近では、ＳＮＯＭ（走査型近視野顕微鏡）のような光学顕微鏡と組み合わせるタイプのものも登場し、観察試料の多様化傾向に拍車がかかっている。こうした状況を背景として、ＳＰＭに求められるＸＹ方向走査範囲は、５０〜２００μｍにまで拡大している。従来の円筒型圧電素子型微小領域走査装置によって、この走査範囲を満足させる場合、円筒型圧電素子の全長を伸ばしてＸＹ方向走査用の電極長さを長くするか、円筒型圧電素子の肉厚を薄くするか、あるいは圧電率のより高い圧電材料を用いるなどで対応する必要がある。
【００１１】
円筒型圧電素子の全長を伸ばす、あるいは、円筒型圧電素子の肉厚を薄くするなどした場合、円筒型圧電素子のＸＹ方向での共振周波数は低下し、これはすなわち、ＸＹ走査速度の低下を招く。これを以下に説明する。
円筒型圧電素子がＺ方向に伸縮変形し、その振動が円筒型圧電素子のＸＹ方向の共振周波数に接近もしくは一致すると、円筒型圧電素子はＸＹ方向に共振振動を起こす。円筒型圧電素子においては、その形状から、ＸＹ方向の共振周波数は
、Ｚ方向の共振周波数より小さく、そのため、ＸＹ方向の走査速度は、ＸＹ方向の共振周波数によって制限されるのである。
【００１２】
また、圧電材料の圧電率を上げていくと、ＸＹ方向走査時におけるヒステリシスの増加を招き、精密な走査にはセンサーが必要になる等の問題があった。
そこで、本発明の目的は、従来の円筒型圧電素子型微小領域走査装置の持つ上記のような課題を解決し、ＸＹ方向の共振周波数を落とさずに、ＸＹ方向走査範囲を拡大し、さらに、ＸＹ方向の走査速度をより速く出来る微小領域走査装置を実現することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の試料走査やプローブ走査用の円筒型圧電素子型微小領域走査装置において、１本でＸＹＺ方向に走査可能な円筒型圧電素子を、少なくとも１本以上の第１の円筒型圧電素子と、少なくとも１本以上の第２の円筒型圧電素子に分離し、さらに
ａ）前記第２の円筒型圧電素子の固定端が、前記第１の円筒型圧電素子の自由端に結合されており、
ｂ）前記第１の円筒型圧電素子の軸と前記第２の円筒型圧電素子の軸が同軸上あるいは平行な位置にあり、
ｃ）前記第１の円筒型圧電素子の固定端と前記第２の円筒型圧電素子の自由端が、前記第１の円筒型圧電素子の自由端を基準面としたときに、同じ面の側にあり、
ｄ）前記第２の円筒型圧電素子の自由端が出力端であり、
ｅ）前記第１の円筒型圧電素子と前記第２の円筒型圧電素子のどちらか一方が円筒軸方向に伸縮するモードで駆動され、もう一方が、円筒半径方向に屈曲するモードで駆動される、
という構造とした。
【００１４】
この結果、前記第１の円筒型圧電素子と前記第２の円筒型圧電素子の駆動モードの組み合わせにより、前記第２の円筒型圧電素子の自由端が、円筒軸方向および円筒半径方向に駆動される。
こうすることにより、従来の円筒型圧電素子と同等のＸＹ方向の走査範囲を実現する場合、円筒型圧電素子の全長を短くすることができる。これにより、円筒型圧電素子の重心位置が下がり共振周波数が向上する。さらにＸＹ走査用円筒型圧電素子とＺ方向走査用円筒型圧電素子の直径、材質を変えることができるため、その組み合わせを工夫することで、より大きい変位とより大きい共振周波数を得ることができる。例えば、第１の円筒型圧電素子を円筒軸方向に伸縮するモードで駆動されるＺ方向走査用円筒型圧電素子とし、第２の円筒型圧電素子を円筒半径方向に屈曲するモードで駆動されるＸＹ方向走査用円筒型圧電素子とした時、Ｚ方向走査用円筒型圧電素子である第１の円筒型圧電素子の直径、断面積、弾性率などをＸＹ方向走査用円筒型圧電素子である第２の円筒型圧電素子よりも大きくすることにより、Ｚ方向走査用円筒型圧電素子そのものを構造材として利用し、ＸＹ方向走査用円筒型圧電素子の取り付け剛性を高め、ＸＹ方向の共振周波数を向上させることが出来る。
【００１５】
また、ＸＹ方向走査用円筒型圧電素子である第２の円筒型圧電素子の直径を極力小さくすることで、ＸＹ方向の共振周波数をより小さく、ＸＹ方向の走査範囲をより大きくすることができる。
また、この例とは逆に、第１の円筒型圧電素子を円筒半径方向に屈曲するモードで駆動されるＸＹ方向走査用円筒型圧電素子とし、第２の円筒型圧電素子を円筒軸方向に伸縮するモードで駆動されるＺ方向走査用円筒型圧電素子とすれば、Ｚ方向走査用円筒型圧電素子に掛かる質量は試料皿のみとなり、負荷の低減が図れる。こうすることによりＺ方向の共振周波数を向上させることができ、よりノイズに強い微小領域走査装置を実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（１）第１の実施の形態
図１は、本発明の微小領域走査装置のうち、第１の実施の形態を示した模式図である。図１において、基盤１０１上に、基盤１０１にその軸線が垂直になるように第１の円筒型圧電素子１０２が固定される。この第１の円筒型圧電素子１０２は、円筒軸方向に伸縮するモードで駆動されるＺ方向走査用円筒型圧電素子である。第１の円筒型圧電素子１０２の伸縮端には、基盤１０１と平行に梁１０３が固定される。梁１０３上には、第２の円筒型圧電素子１０４が、第１の円筒型圧電素子１０２と平行に固定される。第２の円筒型圧電素子１０４は、円筒半径方向に屈曲するモードで駆動されるＸＹ方向走査用円筒型圧電素子である。第２の円筒型圧電素子１０４の自由端には、試料皿１０５が配置される。第１の円筒型圧電素子１０２の直径は、第２の円筒型圧電素子１０４の直径より大きい。肉厚は第１の円筒型圧電素子１０２と第２の円筒型圧電素子１０４は同等である。
【００１７】
第１の円筒型圧電素子１０２の内側側面の全域には第１のグランド用電極１０６が形成される。外側側面の全域には、Ｚ電極１０７が形成される。第１のグランド用電極１０６と、Ｚ電極１０７の間には高電圧を掛け、圧電素子の分極を行う。
第２の円筒型圧電素子１０４の内側側面の全域には第２のグランド用電極１０８が形成される。外側側面には、円周方向に４分割した電極が形成される。電極はそれぞれ、Ｘ１電極１０９、Ｘ２電極１１０、Ｙ１電極１１１、Ｙ２電極１１２であり、Ｘ１電極１０９とＸ２電極１１０、Ｙ１電極１１１とＹ２電極１１２は対向する位置関係にある。 第２のグランド用電極１０８と、４分割された電極のそれぞれ、すなわちＸ１電極１０９、Ｘ２電極１１０、Ｙ１電極１１１、Ｙ２電極１１２との間には高電圧を掛け、電極の形成される部分の圧電材料の分極を行う。この時、対向する電極の形成される部分の圧電材料は、同じ極性の電圧を印加された場合に、それぞれ反対の効果、すなわち、「伸び」「縮み」を起こすように分極される。したがって、Ｘ１電極１０９とＸ２電極１１０の形成される部分の圧電材料は、極性の異なる方向に分極される。同様にＹ１電極１１１とＹ２電極１１２の形成される部分の圧電材料は、極性の異なる方向に分極される。
【００１８】
図２（ａ）は、第１の実施の形態の動作を示した模式図である。
まず、第２の円筒型圧電素子１０４の第２のグランド用電極１０８とＸ１電極１０９の間、および、第２のグランド用電極１０８とＸ２電極１１０の間に正の電圧を印加する。これによってＸ１電極１０９の形成される部分の圧電材料が伸びる。同時に、Ｘ２電極１１０の形成される部分の圧電材料は、極性の反対の分極を施されているため、縮む。これによって、第２の円筒型圧電素子１０４は、紙面向かって左側に曲がって行き、この結果、第２の円筒型圧電素子１０４の自由端に配置される試料皿１０５が紙面向かって左側に変位する。次に、第２のグランド用電極１０８とＸ１電極１０９の間、および、第２のグランド用電極１０８とＸ２電極１１０の間に負の電圧を印加すると、第２の円筒型圧電素子１０４の自由端に配置される試料皿１０５が紙面向かって右側に変位する。これを、例えば正電圧から負電圧までのサイン波状の電圧とすれば、試料皿１０５は、左右に走査されることになる。この走査状態を上方から観察したのが図２（ｂ）である。
【００１９】
この時に、この微小領域走査装置が走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に搭載された場合を考えると、試料皿１０５の上に試料１１３が搭載され、試料１１３の上にはプローブ１１４が設置されている。走査回路１１５によって電極に電圧が印加され、これにより第２の円筒型圧電素子１０４が左右に曲がる。これによって試料皿１０５が左右に走査され、試料１１３も左右に走査される。このとき、プローブ１１４は、試料表面との相互作用により、試料表面の凹凸に沿って、試料表面に接触しないで変形する。このとき、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）であれば、プローブ１１４と試料表面との相互作用は原子間力である。このプローブ１１４の変形は、例えばレーザー光式変位検出器１１６によって検出される。原子間力顕微鏡の試料表面観察の原理は、このレーザー光式変位検出器１１６によって検出された信号がある一定の値になるように、つまり、プローブ１１４の変形が一定になるようにフィードバック回路１１７の制御電圧によって円筒型圧電素子を伸縮させ、この時の円筒型圧電素子に入力される制御電圧をオシロスコープ１１８によって画像化することにある。
【００２０】
より具体的には、このプローブ１１４の変形を一定値に保つように、第１の円筒型圧電素子１０２の第１のグランド用電極１０６とＺ電極１０７の間にフィードバック回路１１７より制御電圧を印加し第１の円筒型圧電素子１０２を伸縮させる。例えば正の電圧を印加すれば、（電圧×圧電率）で規定される分だけ第１の円筒型圧電素子１０２が伸びる。プローブ１１４が規定値より上側に変形すれば、その変形をキャンセルするように、負の電圧を印加する。試料表面の凸凹状態、プローブ１１４の先端状態にもよるが、第２の円筒型圧電素子１０２の走査速度を、例えば１Ｈｚとすると、その時の第１の円筒型圧電素子１０２に要求される伸縮速度は、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度である。このときのフィードバック回路１１７よりＺ電極１０７に入力される制御電圧信号を、走査回路１１５によって第２の円筒型圧電素子１０４に印加される電圧信号に連動してオシロスコープ１１８に画像化することによって、試料表面形状を確認することができる。
【００２１】
以上が、第１の実施の形態の動作であるが、円筒型圧電素子を第１の円筒型圧電素子１０２と第２の円筒型圧電素子１０４の２つに分割したことにより、従来の円筒型圧電素子と同等のＸＹ方向の走査範囲を実現する場合に、円筒型圧電素子の全長を短くすることができる。これにより、円筒型圧電素子の重心位置が下がりＸＹ方向の共振周波数が向上し、ＸＹ方向走査速度を向上させることができる。
（２）第２の実施の形態
図３は、本発明の微小領域走査装置のうち、第２の実施の形態を示した模式図である。図３において、基盤１０１上に、基盤１０１にその軸線が垂直になるように第１の円筒型圧電素子１０２が３本、それぞれ平行に固定される。第１の実施の形態と同様、第１の円筒型圧電素子が円筒軸方向に伸縮するモードで駆動されるＺ方向走査用円筒型圧電素子である。第１の円筒型圧電素子１０２の伸縮端には、基盤１０１と平行に梁１０３が固定される。梁１０３は、第１の梁１０３（ａ）と第２の梁１０３（ｂ）の２つよりなり、第１の梁１０３（ａ）は１本の第１の円筒型圧電素子１０２の伸縮端に固定され、第２の梁１０３（ｂ）は２本の第１の円筒型圧電素子１０２の伸縮端に固定される。第１の梁１０３（ａ）には２本の第２の円筒型圧電素子１０４が第１の円筒型圧電素子１０２と平行に固定される。第２の梁１０３（ｂ）には１本の第２の円筒型圧電素子１０４が第１の円筒型圧電素子１０２と平行に固定される。第１の実施の形態と同様、第２の円筒型圧電素子は、円筒半径方向に屈曲するモードで駆動されるＸＹ方向走査用円筒型圧電素子である。３本の第２の円筒型圧電素子１０４の自由端には、ボール１２５が固定され、ボール１２５上に試料皿１０５が接触配置される。試料皿１０５と、ボール１２５が接触する部分は支持平面１２６が形成されている。支持平面１２６は、試料皿１０５の一部を切削・研磨することで形成するか、あるいは、平板を固定して形成する方法などがある。ボール１２５と支持平面１２６の接触摩擦により、試料皿１０５が保持される。第１の円筒型圧電素子１０２の直径は、第２の円筒型圧電素子１０４の直径より大きい。肉厚は第１の円筒型圧電素子１０２と第２の円筒型圧電素子１０４は同等である。
【００２２】
第１の円筒型圧電素子１０２および第２の円筒型圧電素子１０４の電極配置は、第１の実施の形態と変わるところはない。
図４は、第２の実施の形態の動作を示した模式図である。動作原理は第１の実施の形態と変わるところはない。３本の第２の円筒型圧電素子１０４に同時に同極性の電圧を印加することで、第２の円筒型圧電素子１０２の自由端に配置される試料台１０５および試料１１３がＸＹ方向に駆動される。同時に、プローブ１１４と試料１１３の表面の相互作用によるプローブ１１４の変形に応じて、３本の第１の円筒型圧電素子１０２に電圧を印加することで、第１の円筒型圧電素子１０２の自由端に固定される第１の梁１０３（ａ）および第２の梁１０３（ｂ）がＺ方向に駆動される。これにより、第１の梁１０３（ａ）および第２の梁１０３（ｂ）に固定される３本の第２の円筒型圧電素子１０４の自由端は、Ｚ方向に動作する。この一連の動作により、プローブ１１４で試料表面を走査することが出来る。
【００２３】
第１の実施の形態と大きく異なる点は、ＸＹ方向に走査した時に、試料１１３に傾きが発生しない点である。個々の第２の円筒型圧電素子１０４の自由端を観察すると、ＸＹ方向への走査時に、第２の円筒型圧電素子１０４の自由端は、円弧軌道を描く。したがって、個々の第２の円筒型圧電素子１０４の自由端は、Ｚ方向下方に高さ変化を起こしつつ、傾きながらＸＹ方向に駆動される。この様子を示したのが図５（ａ）である。この時に、試料皿１０５は、３本の第２の円筒型圧電素子１０４の自由端のボール１２５の上に配置してあるため、３個のボール１２５の動作に合わせてＺ方向下方に高さ変化を起こしつつ、平行に移動する。よって、試料１１３の表面には傾きは発生せず、傾きによる形状誤差のない観察像を得ることができる。この様子を示したのが図５（ｂ）である。
（３）第３の実施の形態
図６は、本発明の微小領域走査装置のうち、第３の実施の形態を示した模式図である。図６において、基盤１０１上に、基盤１０１にその軸線が垂直になるように第１の円筒型圧電素子１０２が固定される。この第１の円筒型圧電素子１０２は、第１の実施の形態とは異なり、円筒半径方向に屈曲するモードで駆動されるＸＹ方向走査用円筒型圧電素子である。第１の円筒型圧電素子１０２の自由端には、基盤１０１と平行に梁１０３が固定される。梁１０３上には、第２の円筒型圧電素子１０４が、第１の円筒型圧電素子１０２の同軸上に固定される。第２の円筒型圧電素子１０４は、第１の実施の形態とは異なり、円筒軸方向に伸縮するモードで駆動されるＺ方向走査用円筒型圧電素子である。第２の円筒型圧電素子１０４の自由端には、試料皿１０５が配置される。
【００２４】
第１の円筒型圧電素子１０２の内側側面の全域には第２のグランド用電極１０８が形成される。外側側面には、円周方向に４分割した電極が形成される。電極はそれぞれ、Ｘ１電極１０９、Ｘ２電極１１０、Ｙ１電極１１１、Ｙ２電極１１２であり、Ｘ１電極１０９とＸ２電極１１０、Ｙ１電極１１１とＹ２電極１１２は対向する位置関係にある。 第２のグランド用電極１０８と、４分割された電極のそれぞれ、すなわちＸ１電極１０９、Ｘ２電極１１０、Ｙ１電極１１１、Ｙ２電極１１２との間には高電圧を掛け、電極の形成される部分の圧電材料の分極を行う。この時、対向する電極の形成される部分の圧電材料は、同じ極性の電圧を印加された場合に、それぞれ反対の効果、すなわち、「伸び」「縮み」を起こすように分極される。したがって、Ｘ１電極１０９とＸ２電極１１０の形成される部分の圧電材料は、極性の異なる方向に分極される。同様にＹ１電極１１１とＹ２電極１１２の形成される部分の圧電材料は、極性の異なる方向に分極される。
【００２５】
第２の円筒型圧電素子１０４の内側側面の全域には第１のグランド用電極１０６が形成される。外側側面の全域には、Ｚ電極１０７が形成される。第１のグランド用電極１０６と、Ｚ電極１０７の間には高電圧を掛け、圧電素子の分極を行う。
図７は、第３の実施の形態の動作を示した模式図である。第１の円筒型圧電素子が円筒半径方向に屈曲するモードで駆動されるＸＹ方向走査用円筒型圧電素子であり、第２の円筒型圧電素子が、円筒軸方向に伸縮するモードで駆動されるＺ方向走査用円筒型圧電素子であること以外、動作原理は第１の実施の形態と変わるところはない。第１の円筒型圧電素子１０２に電圧を印加することで、第１の円筒型圧電素子１０２の自由端に固定される梁１０３がＸＹ方向に駆動される。これにより、図に示すように、梁１０３上に固定される第２の円筒型圧電素子１０４の自由端は、梁１０３の駆動方向とは逆方向に動く。同時に、第２の円筒型圧電素子１０４は、プローブ１１４の変形に応じて、伸縮駆動を行い、試料表面を走査する。
【００２６】
本実施の形態の効果は、Ｚ方向走査用円筒型圧電素子の負荷質量が試料皿１０５のみであり、負荷が軽減されることから、第１の実施の形態と比べて、Ｚ方向の共振周波数が向上し、よりノイズに強いという点にある。したがって、ＸＹ方向の走査速度よりＺ方向分解能を重要視する場合により効果を発揮する。
（４）第４の実施の形態
図８は、本発明の微小領域走査装置のうち、第４の実施の形態を示した模式図である。基盤１０１上に、基盤１０１にその軸線が垂直になるように第１の円筒型圧電素子１０２が３本、それぞれ平行に固定される。第３の実施の形態と同様、第１の円筒型圧電素子は円筒半径方向に屈曲するモードで駆動されるＸＹ方向走査用円筒型圧電素子である。３本の第１の円筒型圧電素子１０２の自由端には、それぞれ、第１の円筒型圧電素子１０２の軸と垂直に梁１０３が固定される。３個の梁１０３には、それぞれ、第２の円筒型圧電素子１０４が第１の円筒型圧電素子１０２と同軸に固定される。第３の実施の形態と同様、第２の円筒型圧電素子は、円筒軸方向に伸縮するモードで駆動されるＺ方向走査用円筒型圧電素子である。３本の第２の円筒型圧電素子１０４の自由端には、ボール１２５が固定され、ボール１２５上に試料皿１０５が接触配置される。試料皿１０５と、ボール１２５が接触する部分は支持平面１２６が形成されている。支持平面１２６は、試料皿１０５の一部を切削・研磨することで形成するか、あるいは、平板を固定して形成する方法などがある。ボール１２５と支持平面１２６の接触摩擦により、試料皿１０５が保持される。
【００２７】
第１の円筒型圧電素子１０２および第２の円筒型圧電素子１０４の電極配置は、第３の実施の形態と変わるところはない。
図９は、第４の実施の形態の動作を示した模式図である。動作原理は第３の実施の形態と変わるところはない。
３本の第１の円筒型圧電素子１０２に同時に同極性の電圧を印加することで、第１の円筒型圧電素子１０２の自由端に固定される３個の梁１０３がＸＹ方向に駆動される。これにより、図に示すように、３個の梁１０３上に固定される第２の円筒型圧電素子１０４の自由端は、梁１０３の駆動方向とは逆方向に動く。同時に、３本の第２の円筒型圧電素子１０４は、プローブ１１４と試料１１３の表面の相互作用によるプローブ１１４（図示せず）の変形に応じて、伸縮駆動を行う。この一連の動作により、プローブ１１４で試料表面を走査することが出来る
。
【００２８】
第３の実施の形態と大きく異なる点は、ＸＹ方向に走査した時に、試料１１３に傾きが発生しない点である。個々の第２の円筒型圧電素子１０４の自由端を観察すると、ＸＹ方向への走査時に、第２の円筒型圧電素子１０４の自由端は、円弧軌道を描く。したがって、第２の円筒型圧電素子１０４の自由端は、Ｚ方向下方に高さ変化を起こしつつ、傾きながらＸＹ方向に駆動される。この時に、試料皿１０５は、３本の第２の円筒型圧電素子１０４の自由端のボール１２５の上に配置してあるため、３個のボールの動作に合わせてＺ方向下方に高さ変化を起こしつつ、平行に移動する。よって、試料１１３の表面には傾きは発生せず、傾きによる形状誤差のない観察像を得ることができる。
【００２９】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の試料走査やプローブ走査用の微小領域走査装置において、１本でＸＹＺ方向に走査可能な円筒型圧電素子を、少なくとも１本以上の第１の円筒型圧電素子と、少なくとも１本以上の第２の円筒型圧電素子に分離し、さらに
ａ）前記第２の円筒型圧電素子の固定端が、前記第１の円筒型圧電素子の自由端に結合されており、
ｂ）前記第１の円筒型圧電素子の軸と前記第２の円筒型圧電素子の軸が同軸上あるいは平行な位置にあり、
ｃ）前記第１の円筒型圧電素子の固定端と前記第２の円筒型圧電素子の自由端が、前記第１の円筒型圧電素子の自由端を基準面としたときに、同じ面の側にあり、
ｄ）前記第２の円筒型圧電素子の自由端が出力端であり、
ｅ）前記第１の円筒型圧電素子と前記第２の円筒型圧電素子のどちらか一方が円筒軸方向に伸縮するモードで駆動され、もう一方が、円筒半径方向に屈曲するモードで駆動される、という構造とした。
【００３０】
この結果、前記第１の円筒型圧電素子と前記第２の円筒型圧電素子のモードの組み合わせにより、前記第２の円筒型圧電素子の自由端が、円筒軸方向および円筒半径方向に駆動される。これにより以下の効果がある。
（１）従来の円筒型圧電素子と同等のＸＹ方向の走査範囲を実現する場合、円筒型圧電素子の全長を短くすることができる。これにより、円筒型圧電素子の重心位置が下がり共振周波数が向上する。さらにＸＹ走査用円筒型圧電素子とＺ方向走査用円筒型圧電素子の直径、材質を変えることができるため、その組み合わせを工夫することで、より大きい変位とより大きい共振周波数を得ることができる。
【００３１】
例えば、第１の円筒型圧電素子を円筒軸方向に伸縮するモードで駆動されるＺ方向走査用円筒型圧電素子とし、第２の円筒型圧電素子を円筒半径方向に屈曲するモードで駆動されるＸＹ方向走査用円筒型圧電素子とした時、Ｚ方向走査用円筒型圧電素子である第１の円筒型圧電素子の直径、断面積、弾性率などをＸＹ方向走査用円筒型圧電素子である第２の円筒型圧電素子よりも大きくすることにより、Ｚ方向走査用円筒型圧電素子そのものを構造材として利用し、ＸＹ方向走査用円筒型圧電素子の取り付け剛性を高め、ＸＹ方向の共振周波数を向上させることが出来る。また、ＸＹ方向走査用円筒型圧電素子である第２の円筒型圧電素子の直径を極力小さくすることで、ＸＹ方向の共振周波数をより小さく、ＸＹ方向の走査範囲をより大きくすることができる。
【００３２】
（２）上記の例とは逆に、第１の円筒型圧電素子を円筒半径方向に屈曲するモードで駆動されるＸＹ方向走査用円筒型圧電素子とし、第２の円筒型圧電素子を円筒軸方向に伸縮するモードで駆動されるＺ方向走査用円筒型圧電素子とした時、第１の円筒型圧電素子および第２の円筒型圧電素子の直径を最小とすることにより、Ｚ方向の共振周波数を向上させることができ、よりノイズに強い微小領域走査装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の微小領域走査装置のうち、第１の実施の形態の構成の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の微小領域走査装置のうち、第１の実施の形態の動作の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の微小領域走査装置のうち、第２の実施の形態の構成の一例を示す模式図である。
【図４】本発明の微小領域走査装置のうち、第２の実施の形態の動作の一例を示す模式図である。
【図５】本発明の微小領域走査装置のうち、第２の実施の形態の動作、特に円筒型圧電素子の自由端の傾きが補償される様子を示す模式図である。
【図６】本発明の微小領域走査装置のうち、第３の実施の形態の構成の一例を示す模式図である。
【図７】本発明の微小領域走査装置のうち、第３の実施の形態の動作の一例を示す模式図である。
【図８】本発明の微小領域走査装置のうち、第４の実施の形態の構成の一例を示す模式図である。
【図９】本発明の微小領域走査装置のうち、第４の実施の形態の動作の一例を示す模式図である。
【図１０】従来の微小領域走査装置の構成の一例を示す模式図である。
【図１１】従来の微小領域走査装置の動作の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１０１ ・・・基盤
１０２ ・・・第１の円筒型圧電素子
１０３ ・・・梁
１０３（ａ） ・・・第１の梁
１０３（ｂ） ・・・第２の梁
１０４ ・・・第２の円筒型圧電素子
１０５ ・・・試料皿
１０６ ・・・第１のグランド用電極
１０７ ・・・Ｚ電極
１０８ ・・・第２のグランド用電極
１０９ ・・・Ｘ１電極
１１０ ・・・Ｘ２電極
１１１ ・・・Ｙ１電極
１１２ ・・・Ｙ２電極
１１３ ・・・試料
１１４ ・・・プローブ
１１５ ・・・走査回路
１１６ ・・・レーザー光式変位検出器
１１７ ・・・フィードバック回路
１１８ ・・・オシロスコープ
１２５ ・・・ボール
１２６ ・・・支持平面
１００１ ・・・円筒型圧電素子
１００２ ・・・支持基盤
１００３ ・・・グランド用電極
１００４ ・・・Ｘ１電極
１００５ ・・・Ｘ２電極
１００６ ・・・Ｙ１電極
１００７ ・・・Ｙ２電極
１００８ ・・・Ｚ電極
１００９ ・・・試料
１０１０ ・・・試料皿

Claims (7)

1. それぞれが円筒形状を有するとともに、基盤に接続された第１の固定端と電圧印加によって円筒軸方向に伸縮駆動する第１の自由端とを有する、少なくとも３本の第１の円筒型圧電素子と、
   前記第１の自由端に固定された梁と、
   それぞれが円筒形状を有するとともに、前記第１の自由端が固定された前記梁の面と同一の面側に固定された第２の固定端と電圧印加によって円筒半径方向に屈曲駆動する第２の自由端とを有し、しかも、それぞれがそれぞれの前記第１の円筒型圧電素子の円筒外に配置された、少なくとも３本の第２の円筒型圧電素子と、
   それぞれの前記第２の自由端に１個ずつ固定されたボールと、
   それぞれの前記ボールに接触配置されて、しかも試料を搭載し、なお且つ前記第１の円筒型圧電素子の前記伸縮駆動と前記第２の円筒型圧電素子の前記屈曲駆動により高さ変化を起こしつつ平行に移動する試料台と、
   を有する微小領域走査装置。
2. 前記第１の円筒型圧電素子が３本からなるとともに、前記第２の円筒型圧電素子が３本からなり、且つ前記梁が第１の梁と第２の梁の２つの梁からなり、前記第１の梁に、１本の前記第１の円筒型圧電素子の前記自由端と、２本の前記第２の円筒型圧電素子のそれぞれの前記固定端とが固定されており、なお且つ、前記第２の梁に、２本の前記第１の円筒型圧電素子のそれぞれの前記自由端と、１本の前記第２の円筒型圧電素子の前記固定端とが固定されていることを特徴とする請求項１に記載の微小領域走査装置。
3. 前記第１の円筒型圧電素子の直径が、前記第２の円筒型圧電素子の直径よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の微小領域走査装置。
4. 前記第１の円筒型圧電素子の断面積が、前記第２の円筒型圧電素子の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の微小領域走査装置。
5. 前記第１の円筒型圧電素子の弾性率が、前記第２の円筒型圧電素子の弾性率より大きいことを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の微小領域走査装置。
6. それぞれが円筒形状を有するとともに、基盤に接続された第１の固定端と電圧印加によって円筒半径方向に屈曲駆動する第１の自由端とを有する、少なくとも３本の第１の円筒型圧電素子と、
   それぞれの前記第１の自由端にそれぞれが固定された梁と、
   それぞれが円筒形状を有するとともに、前記第１の自由端が固定された前記梁の面と同一の面側に固定された第２の固定端と電圧印加によって円筒軸方向に伸縮駆動する第２の自由端とを有し、しかも、それぞれがそれぞれの前記第１の円筒型圧電素子の円筒内に配置された第２の円筒型圧電素子と、
   それぞれの前記第２の自由端に１個ずつ固定されたボールと、
   それぞれの前記ボールに接触配置されて、しかも試料を搭載し、なお且つ前記第１の円筒型圧電素子の前記屈曲駆動と前記第２の円筒型圧電素子の前記伸縮駆動により高さ変化を起こしつつ平行に移動する試料台と、
   を有する微小領域走査装置。
7. 前記試料台に前記ボールが接触する支持平面が形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の微小領域走査装置。

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