自走式原子間力顕微鏡によるリニアエンコーダの開発

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自走式原子間力顕微鏡(AFM)によるリニアエンコーダの開発を目指している.このエンコーダは自走部分であるマイクロロボットと,基準スケールを読み取る複数の探針を持つAFM(マルチプローブAFM)により構成される.マイクロロボットにAFMを搭載したと考えても良い.AFMとして機能するためにはマイクロロボットが原子レベルの微小変位を実現する必要がある.これまでに,電磁石と圧電素子を用いたマイクロロボットを製作し,インチワームと類似の動作原理によって,ナノメートルレベルの変位を実現した.基準スケールには規則正しく配列した結晶格子や微細加工によって製作された回折格子の周期構造を用いる.基準スケールの周期方向とAFM探針の操作方向を一致させるためには,マイクロロボットは微小な角度変位を行う必要がある.そこで,圧電素子をオンオフ制御することにより微小回転を行う方法を提案し,実験によりマイクロラジアン程度の角度変位を実現した.マルチプローブAFMの探針の変形量は,一般に光てこ法,もしくは光干渉法によって検出される.前者は探針の変形をレーザ光線の反射位置の変化から求める.感度を高めるためには十数センチメートル程度の距離を必要とするため,小型エンコーダの実現には適さない.そこで,本研究では光干渉法を用いて複数の探針の変形を検出した.複数の探針を同時に検出するために,ライン状に集光する光学系とフォトダイオードアレイを用いた.通常の干渉計では1個の探針の検出に1ミリワット程度の光源を用いるが,本システムはレーザ光をライン状に集光させるため約20分の1の光量により探針の変形量を検出する.したがってノイズ対策を充分に施した.その結果,2個の探針を用いて同時に1.1マイクロメートル周期の回折格子の表面形状を検出し,位置決め信号とすることが可能になった.