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技術 走査プローブ顕微鏡の走査ヘッド

出願人 インスティテュートオブフィジックス,チャイニーズアカデミーオブサイエンシーズ
発明者 ホワン,チンウー,ゾービンガオ,ホンジュン
出願日 2018年8月15日 (11ヶ月経過) 出願番号 2018-152877
公開日 2019年3月7日 (4ヶ月経過) 公開番号 2019-035752
状態 未査定
技術分野 走査型プローブ顕微鏡 器械の細部
主要キーワード 精密駆動装置 機械アーム 制限孔 光電子技術 コア部品 受入空間 プローブ型顕微鏡 環状側壁
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年3月7日)のものです。
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図面 (6)

課題

外側に信号線露出せず、製造及びメンテナンスコストを抑えることができる走査プローブ顕微鏡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。

概要

背景

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包括的に利用している。

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。

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。

概要

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。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。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

走査プローブ顕微鏡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。

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。

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。
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に示される走査ヘッドの分解斜視図である。
図1に示される走査ヘッドの分解平面図である。
図1の矢印Aの方向から見た斜視図である。
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。

実施例

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図1に示される走査ヘッドの分解斜視図であり、図3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分光特性解析し、材料や分子のエネルギーレベル分布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。

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