特許 6712812 プローブ走査機構、プローブ装置および走査型プローブ顕微鏡

(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】6712812

(24)【登録日】2020年6月4日

(45)【発行日】2020年6月24日

(54)【発明の名称】プローブ走査機構、プローブ装置および走査型プローブ顕微鏡

(51)【国際特許分類】

   G01Q 10/04 20100101AFI20200615BHJP

【ＦＩ】

   G01Q10/04 101

【請求項の数】12

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2017-552418(P2017-552418)

(86)(22)【出願日】2016年11月22日

(86)【国際出願番号】JP2016084534

(87)【国際公開番号】WO2017090582

(87)【国際公開日】20170601

【審査請求日】2019年10月17日

(31)【優先権主張番号】特願2015-229108(P2015-229108)

(32)【優先日】2015年11月24日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504160781

【氏名又は名称】国立大学法人金沢大学

(74)【代理人】

【識別番号】100109210

【弁理士】

【氏名又は名称】新居 広守

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 信嗣

(72)【発明者】

【氏名】安藤 敏夫

【審査官】 山口 剛

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０２−２９７００３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２４８３２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−２７０６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１４７４２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 渡辺信嗣、古寺哲幸、内橋貴之、安藤敏夫、渡辺大輝，“高速イオン伝導顕微鏡による生物試料の高解像観察”，応用物理学会秋季学術講演会講演予稿集(CD-ROM)，日本，応用物理学会，２０１６年 ９月 １日，Vol.77th，ROMBUNNO.13a-B10-6

【文献】 渡辺信嗣、安藤敏夫，“生物試料観察のための高速走査型イオン伝導顕微鏡の開発”，応用物理学会春季学術講演会講演予稿集(CD-ROM)，日本，応用物理学会，２０１６年 ３月 ３日，Vol.63rd，ROMBUNNO.20A-W323-12

(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】

長尺のプローブを走査するプローブ走査機構であって、
前記プローブの長尺方向と同一の方向の両端を貫通する第１の貫通孔を有し、前記第１の貫通孔に挿入された前記プローブを前記プローブの長尺方向に走査する圧電素子と、
前記圧電素子を収容する筒状の筐体と、
前記筐体の一端および他端にそれぞれ固定され、前記圧電素子を挟んで前記筐体に支持する一対の支持部材と、
前記一対の支持部材の一方を前記圧電素子の伸縮軸方向の一端に固定し前記一対の支持部材の他方を前記圧電素子の伸縮軸方向の他端に固定する固定部材と、
少なくとも前記プローブの先端側において、前記プローブを前記第１の貫通孔の内部に保持する保持部材とを備える
プローブ走査機構。

【請求項2】

前記固定部材は、前記圧電素子の伸縮軸方向と同一の方向の両端を貫通する第２の貫通孔を有し、
前記保持部材は、前記プローブの先端側と前記プローブの後端側とにおいて、前記プローブを前記第２の貫通孔の内部に保持する
請求項１に記載のプローブ走査機構。

【請求項3】

前記保持部材は、前記プローブの先端側を前記プローブの後端側よりも強固に保持する
請求項２に記載のプローブ走査機構。

【請求項4】

前記保持部材は、弾性部材で形成されている
請求項１〜３のいずれか１項に記載のプローブ走査機構。

【請求項5】

前記弾性部材は、接着剤である
請求項４に記載のプローブ走査機構。

【請求項6】

前記プローブと前記固定部材との間に前記第２の貫通孔に挿入される挿入部材を有し、
前記挿入部材は、側面にネジ山を有し、
前記固定部材は、前記第２の貫通孔の内部の側面にネジ溝を有し、
前記挿入部材は、前記ネジ山が前記ネジ溝とかみ合って前記第２の貫通孔の内部にネジ締めされている
請求項２に記載のプローブ走査機構。

【請求項7】

前記プローブと前記挿入部材との間に中間部材を有し、
前記プローブは、前記中間部材を介して前記第２の貫通孔の内部に保持される
請求項６に記載のプローブ走査機構。

【請求項8】

前記一対の支持部材は、弾性を有する
請求項１〜７のいずれか１項に記載のプローブ走査機構。

【請求項9】

前記支持部材は、ダイアフラム構造を有する
請求項８に記載のプローブ走査機構。

【請求項10】

前記一対の支持部材は、同一の構成である
請求項１〜９のいずれか１項に記載のプローブ走査機構。

【請求項11】

請求項１〜１０のいずれか１項に記載のプローブ走査機構と、
前記プローブ走査機構に保持されたプローブとを備える
プローブ装置。

【請求項12】

請求項１１に記載のプローブ装置と、
試料を搭載するステージとを備える
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、プローブ走査機構、プローブ装置および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は、プローブを試料に対して走査することにより、凹凸などの試料表面の物理情報または試料の化学的性質を信号として取得する顕微鏡である。

【0003】

走査型プローブ顕微鏡には、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型電気容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）、走査型熱顕微鏡（ＳＴｈＭ）、走査型イオン伝導顕微鏡（ＳＩＣＭ）などがある。これらの走査型プローブ顕微鏡では、プローブまたは試料を水平方向（ＸＹ方向）と垂直方向（Ｚ方向）に走査し、得られた試料の物理情報または化学的性質を順次表示することにより、試料の物理情報または化学的性質を動的に画像として表している。

【0004】

走査型プローブ顕微鏡は、プローブまたは試料を水平方向と垂直方向に走査するために、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向に移動可能な走査機構（Ｘスキャナ、Ｙスキャナ、Ｚスキャナ）を備えている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、プローブ顕微鏡用走査機構が開示され、Ｚ方向に伸縮する圧電素子のＺ方向の一端を固定し（固定端）、他端（自由端）にプローブまたは試料を取り付ける構成が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００６−１２６１４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

走査型プローブ顕微鏡において高速に画像を取得するには、各軸方向の走査機構（スキャナ）が高速にプローブまたは試料を走査する必要がある。スキャナの各方向の走査周波数は、対応する方向のスキャナ（Ｘスキャナ、Ｙスキャナ、Ｚスキャナ）の共振周波数により制限される。特に、Ｚスキャナは最も高速に走査することが必要であり、Ｚスキャナの共振周波数により画像取得速度が制限される場合が多い。

【0007】

しかし、従来の走査型プローブ顕微鏡では、Ｚスキャナの共振周波数が極めて低く、高速にＺスキャナを走査して画像を取得することができないという問題がある。例えば、ＳＩＣＭでは、プローブとしてガラスピペットを使用するが、プローブをＺスキャナに着脱するためのホルダー構造が大きく重いため、プローブをＺスキャナの圧電素子に取り付けた場合に、Ｚスキャナの共振周波数が大幅に低下する。その結果、プローブをＺ方向に高速に走査できないという課題が生じている。

【0008】

上記課題に鑑み、本発明は、プローブを高速に走査することができるプローブ走査機構、プローブ装置および走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の課題を解決するため、本発明にかかるプローブ走査機構は、長尺のプローブを走査するプローブ走査機構であって、前記プローブの長尺方向と同一の方向の両端を貫通する第１の貫通孔を有し、前記第１の貫通孔に挿入された前記プローブを前記プローブの長尺方向に走査する圧電素子と、前記圧電素子を収容する筒状の筐体と、前記筐体の一端および他端にそれぞれ固定され、前記圧電素子を挟んで前記筐体に支持する一対の支持部材と、前記一対の支持部材の一方を前記圧電素子の長尺伸縮軸方向の一端に固定し前記一対の支持部材の他方を前記圧電素子の伸縮軸方向の他端に固定する固定部材と、少なくとも前記プローブの先端側において、前記プローブを前記第１の貫通孔の内部に保持する保持部材とを備える。

【0010】

これにより、プローブの着脱を容易に行うことができ、プローブを取り付けても共振周波数がほとんど低下することがないので、プローブを高速に走査することができる。したがって、プローブをＺ方向に高速に走査することができるプローブ走査機構を提供することができる。よって、このプローブ走査機構を用いて、計測画像を高速に取得することができるプローブ装置を実現することができ、このプローブ装置を用いた走査型プローブ顕微鏡において、短時間に高解像度の画像を取得することができる。

【0011】

また、前記固定部材は、前記圧電素子の伸縮軸方向と同一の方向の両端を貫通する第２の貫通孔を有し、前記保持部材は、前記プローブの先端側と前記プローブの後端側とにおいて、前記プローブを前記第２の貫通孔の内部に保持してもよい。

【0012】

これにより、プローブを安定して固定部材の第２の貫通孔の内部に保持することができるので、プローブをＺ方向に高速に走査することができる。

【0013】

また、前記保持部材は、前記プローブの先端側を前記プローブの後端側よりも強固に保持してもよい。

【0014】

これにより、プローブの先端側が後端側よりも強固に保持されるので、圧電素子の変位とともにプローブも変位し、圧電素子の変位に起因するプローブへの好ましくない振動の混入を抑えることができる。したがって、プローブの先端側を安定して保持することができる。

【0015】

また、前記保持部材は、弾性部材で形成されていてもよい。

【0016】

これにより、圧電素子の変位が大きい場合であっても、弾性の大きさを適切に変更することにより、プローブの先端側と後端側の保持力を変更することができる。したがって、プローブをより安定して保持することができる。

【0017】

また、前記弾性部材は、接着剤であってもよい。

【0018】

これにより、接着剤によりプローブを第１の貫通孔の内部に容易に保持することができる。また、プローブをプローブ走査機構から取り外すときには、プローブの後端側を突起物で押圧することにより接着剤を剥がし、プローブを第２の貫通孔から容易に押し出すことができる。

【0019】

また、前記プローブと前記固定部材との間に前記第２の貫通孔に挿入される挿入部材を有し、前記挿入部材は、側面にネジ山を有し、前記固定部材は、前記第２の貫通孔の内部の側面にネジ溝を有し、前記挿入部材は、前記ネジ山が前記ネジ溝とかみ合って前記第２の貫通孔の内部にネジ締めされていてもよい。

【0020】

これにより、挿入部材を介してプローブを第２の貫通孔の内部に保持することができる。

【0021】

また、前記プローブと前記挿入部材との間に中間部材を有し、前記プローブは、前記中間部材を介して前記第２の貫通孔の内部に保持されてもよい。

【0022】

これにより、プローブと挿入部材との間に中間部材を配置することにより、プローブと挿入部材とが接着剤により接合しにくい材料であっても、中間部材を介して接着材によりプローブを挿入部材に接合することができる。

【0023】

また、前記一対の支持部材は、弾性を有してもよい。

【0024】

これにより、圧電素子の変位に応じて支持部材が振動するので、圧電素子を安定して支持することができる。

【0025】

また、前記支持部材は、ダイアフラム構造を有してもよい。

【0026】

これにより、支持部材は板状であってかつバネ機能を有するいわゆる板バネであるので、圧電素子の両端を挟んで支持部材を弾性的に筐体に固定することができる。したがって、圧電素子を安定して支持することができる。

【0027】

また、前記一対の支持部材は、同一の構成であってもよい。

【0028】

これにより、一対の支持部材の間に支持された圧電素子の変位に応じて支持部材が振動しても、支持部材の振動の撃力が相互に打ち消しあうので、圧電素子の重心がずれることなく、圧電素子の共振周波数が下がらない。

【0029】

また、上記の課題を解決するため、本発明にかかるプローブ装置は、上述した特徴を有するプローブ走査機構と、前記プローブ走査機構に保持されたプローブとを備える。

【0030】

これにより、上述した特徴を有するプローブ走査機構を用いて、計測画像を高速に取得することができるプローブ装置を提供することができる。

【0031】

また、上記の課題を解決するため、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡は、上述した特徴を有するプローブ装置と、試料を搭載するステージとを備える。

【0032】

これにより、上述した特徴を有するプローブ装置を用いた走査型プローブ顕微鏡によって、ステージに搭載された計測試料を高速に走査して、短時間に高解像度の計測画像を取得することができる。なお、走査型プローブ顕微鏡は、ステージではなくプローブ装置にＸＹ走査機構を搭載した構成であってもよい。

【発明の効果】

【0033】

本発明により、プローブを高速に走査することができるプローブ走査機構、プローブ装置および走査型プローブ顕微鏡を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】図１は、実施の形態１にかかるプローブ装置の外観を示す概略図である。

【図2】図２は、実施の形態１にかかるプローブ装置の分解図である。

【図3】図３は、図１に示したIII−III線における断面図である。

【図4】図４は、実施の形態１にかかるプローブ走査機構の筐体の概略図である。

【図5A】図５Ａは、実施の形態１にかかるプローブ走査機構の支持部材の概略図である。

【図5B】図５Ｂは、実施の形態１にかかるプローブ走査機構の支持部材の底面図である。

【図6】図６は、プローブの取付手順について説明するための図である。

【図7】図７は、実施の形態１にかかるプローブ走査機構の動作を示す概略図である。

【図8】図８は、実施の形態１にかかるプローブ走査機構の特性を示すグラフである。

【図9】図９は、実施の形態１にかかる走査型プローブ顕微鏡の構成を示す概略図である。

【図10】図１０は、実施の形態１の変形例にかかるプローブ走査機構の支持部材の他の構成を示す底面図である。

【図11】図１１は、実施の形態２にかかるプローブ装置の断面図である。

【図12】図１２は、実施の形態３にかかるプローブ装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0035】

以下、図面を用いて、本発明にかかる実施の形態について説明する。なお、図面において、同一の符号が付された構成要素は、同一または同種の構成要素を示す。

【0036】

また、以下で説明する実施の形態は、本発明の好ましい一具体例を示す。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置、接続形態、ステップおよびステップの順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より望ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。

【0037】

（実施の形態１）
本実施の形態における走査型プローブ顕微鏡１００は、例えば、ＳＩＣＭ（走査型イオン伝導顕微鏡、または、イオンコンダクタンス顕微鏡ともいう。）である。

【0038】

ＳＩＣＭは、内部を電解質で満たしたガラスピペットをプローブとして、ガラスピペット外部の電解液中に留置した対照電極とピペット内電極の間に生じたイオン電流を信号として用いる。このイオン電流は、ガラスピペットの先端が試料に近接して遮蔽されることで変化する。ＳＩＣＭは、この現象を利用しながらガラスピペットを走査して、試料表面の立体形状を画像化するものである。計測試料は、柔らかい生きた真核細胞などであり、ＳＩＣＭは、電解質液中の真核細胞などを生きたまま立体観察することができる顕微鏡である。

【0039】

従来のＳＩＣＭは、プローブもしくは試料を載置したステージをＸＹＺ方向に走査することにより、試料表面の形状を得ている。走査型プローブ顕微鏡において、プローブと試料表面と非接触の状態で高感度に計測する場合には、プローブと試料表面との距離を一定に保ちながら計測を行う。したがって、ＳＩＣＭでは、試料表面の凹凸形状に応じてプローブをＺ方向に走査する必要があり、Ｚ方向の走査はＸＹ方向の走査よりも素早い走査が求められている。

【0040】

［プローブ走査機構およびプローブ装置の構成］
はじめに、本実施の形態にかかるプローブ走査機構およびプローブ装置の構成について、図１〜５Ｂを用いて説明する。図１は、本実施の形態にかかるプローブ装置の外観を示す概略図である。図２は、本実施の形態にかかるプローブ装置の分解図である。図３は、図１に示したIII−III線における断面図である。図４は、本実施の形態にかかるプローブ走査機構の筐体の概略図である。図５Ａは、本実施の形態にかかるプローブ走査機構の支持部材の概略図である。図５Ｂは、本実施の形態にかかるプローブ走査機構の支持部材の底面図である。

【0041】

図１〜図３に示すように、本実施の形態にかかるプローブ装置１は、プローブ走査機構１０と、プローブ走査機構１０に保持されたプローブ２０とを備えている。

【0042】

プローブ走査機構１０は、図２に示すように、筐体１１と、支持部材１２ａおよび１２ｂと、ネジ部材１３と、固定部材１４と、圧電素子１５と、保持部材１６と、挿入部材１７とを備えている。

【0043】

筐体１１の外観は、図４に示すように、一辺が１０ｍｍ程度の略四角柱の形状をしている。そして、四角柱の形状において一方向の両端を貫通するように空洞１１ａが形成されている。空洞１１ａの、筐体１１の両端における形状は、直径８ｍｍ程度の円形である。空洞１１ａには、後に説明する圧電素子１５が挿入される。筐体１１は、例えばステンレス、ジュラルミン、チタン合金で形成されている。

【0044】

支持部材１２ａは、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、平面視において略正方形の形状を有している。支持部材１２ａを平面視したとき、支持部材１２ａの四隅には、それぞれ固定穴３１が形成されている。また、支持部材１２ａを平面視したとき、支持部材１２ａの中心には、開口部３２が形成されている。さらに、図５Ａに示すように、支持部材１２ａの上面には、開口部３２を囲むように凹部３３が形成されている。また、図５Ｂに示すように、支持部材１２ａの底面には、凹部３３が形成されていない。なお、支持部材１２ａの底面にも凹部３３が形成されていてもよい。支持部材１２ａは、凹部３３が形成されていない底面が筐体１１と当接して固定される。

【0045】

支持部材１２ａの大きさは、例えば、支持部材１２ａの正方形の一辺が１０ｍｍ、厚さが１ｍｍ、固定穴３１の直径が１．５ｍｍ、開口部３２の直径が３ｍｍ、凹部３３の直径が５．１ｍｍ、凹部３３の深さが０．５ｍｍである。

【0046】

また、凹部３３と固定穴３１のそれぞれとの間には、溝３４が形成されている。溝３４は、開口部３２の中心から例えば４ｍｍの位置に、開口部３２の中心を中心とする円の周方向に沿って形成されている。溝３４の周方向の長さは４ｍｍ、溝３４の幅は０．５ｍｍである。このような構成により、支持部材１２ａは、開口部３２の中心を通る軸方向に弾性を有している。なお、開口部３２の中心を通る軸方向は、後に説明する圧電素子１５の伸縮軸方向と同一の方向である。支持部材１２ａは、いわゆるダイアフラム構造を有する。このときの、支持部材１２ａのばね定数は、後述する圧電素子１５のばね定数の１／５以下程度であることが望ましい。

【0047】

この構成により、支持部材１２ａは、開口部３２の中心を通る軸方向に振動することができる。支持部材１２ａは、例えばジュラルミンで形成されている。

【0048】

なお、支持部材１２ｂは、支持部材１２ａと同一の構成である。したがって、支持部材１２ｂについては詳細な説明を省略する。支持部材１２ｂと支持部材１２ａと同一の構成とすることにより、支持部材１２ａと支持部材１２ｂとの間に支持された圧電素子１５の変位に応じて支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂが振動しても、支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂの振動の撃力が相互に打ち消しあうので、圧電素子１５の重心がずれることなく、圧電素子１５を安定して支持することができる。

【0049】

支持部材１２ａおよび１２ｂは、図１および図３に示すように、筐体１１において、空洞１１ａが貫通した両端にネジ部材１３により固定されている。支持部材１２ａはプローブ２０の先端側に配置され、支持部材１２ｂはプローブ２０の後端側に配置される。

【0050】

なお、支持部材１２ａと支持部材１２ｂとは、材料および形状が同一であってもよいし、異なっていてもよい。支持部材１２ａと支持部材１２ｂとを異なる材料で構成する場合には、支持部材１２ａと支持部材１２ｂのばね定数とが同一になるように、支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂの厚さなどの形状を調整することが望ましい。

【0051】

ネジ部材１３は、支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂを筐体１１に固定するネジである。ネジ部材１３は、支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂの固定穴を通して、筐体１１のネジ穴１１ｂに固定される。

【0052】

圧電素子１５は、例えば、円筒状の圧電素子が複数積層された積層型圧電素子で構成されている。圧電素子１５は、例えば、底面の直径が５ｍｍ、長さが１０ｍｍであり、自由振動の共振周波数が１２０ｋＨｚ程度で変位が１０μｍ程度のものである。また、圧電素子１５が伸縮する方向を伸縮軸方向といい、伸縮軸方向はプローブの長尺方向に相当する。圧電素子１５は、伸縮軸方向の両端を貫通する第１の貫通孔を有している。すなわち、圧電素子１５には、積層方向の両端を貫通する第１の貫通孔１５ａが形成されている。第１の貫通孔１５ａの直径は、一例として３ｍｍである。圧電素子１５は、電圧印加に応じて積層方向すなわちプローブの長尺方向に伸縮する。圧電素子１５の中心軸は、プローブ走査機構１０の重心を通るように配置されている。

【0053】

圧電素子１５は、伸縮軸方向の両端に、支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂが後に説明する固定部材１４により固定されている。すなわち、圧電素子１５は、支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂにより伸縮軸方向の両端が挟まれ、さらに、筐体１１に接続されている。これにより、圧電素子１５の伸縮に応じて支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂが振動することになる。

【0054】

固定部材１４は、図２および図３に示すように、円筒状の形状を有しており、一端側の直径が、他端側よりも大きく形成されている。固定部材１４の一端側の直径は、支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂに形成された凹部３３とほぼ同一の大きさである。また、固定部材１４の他端側の直径は、圧電素子１５に形成された第１の貫通孔１５ａの直径とほぼ同一である。また、固定部材１４は、圧電素子１５の伸縮軸方向と同一の方向の両端を貫通する第２の貫通孔を有している。すなわち、固定部材１４には、上記した一端側から他端側に貫通する第２の貫通孔１４ａが形成されている。第２の貫通孔１４ａの内部は、上記した一端側の一部にネジ溝が形成されている。また、第２の貫通孔１４ａの内部の他端側は、第２の貫通孔１４ａの直径が小さくなるように形成されている。なお、第２の貫通孔１４ａの直径は、プローブ２０の直径より大きく形成されている。

【0055】

固定部材１４は、図３に示すように、他端側が支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂの開口部３２を貫通して圧電素子１５の第１の貫通孔１５ａに挿入される。このとき、固定部材１４の一端側は、支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂの凹部３３に嵌る構成となっている。これにより、固定部材１４は、支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂを圧電素子１５に当接して固定される。このとき、支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂの上面と固定部材１４の他端側の端面とは面一となっている。固定部材１４は、例えば、ステンレス、ジュラルミン、チタン合金等で形成されている。

【0056】

保持部材１６は、図３に示すように、固定部材１４に形成された第２の貫通孔１４ａの内部において、第２の貫通孔１４ａの内壁とプローブ２０との間に配置される。保持部材１６は、弾性部材で形成されている。例えば、保持部材１６は、シリコーンチューブで形成されていてもよい。これにより、保持部材１６は、プローブ２０を固定部材１４に形成された第２の貫通孔１４ａの内部に保持する。

【0057】

なお、保持部材１６は、弾性部材でなくても、プローブ２０を固定部材１４に固定することができるものであればどのようなものであってもよい。

【0058】

挿入部材１７は、プローブ２０と固定部材１４との間に配置され、保持部材１６を固定部材１４に形成された第２の貫通孔１４ａの内部に挿入する部材である。挿入部材１７は、例えば、ステンレス、ジュラルミン、チタン合金等で形成されている。挿入部材１７は、固定部材１４の第２の貫通孔１４ａの内径とほぼ同一の直径を有する円柱状の形状を有し、円柱状の側面にネジ山を有している。挿入部材１７は、ネジ山が固定部材１４の第２の貫通孔１４ａの内部の側面に形成されたネジ溝とかみ合って第２の貫通孔１４ａの内部にネジ締めされている。

【0059】

よって、保持部材１６をプローブ２０の周囲に配置して挿入部材１７をネジ回しすることで、保持部材１６を押し潰しながら、保持部材１６を固定部材１４の第２の貫通孔１４ａの奥に挿入することができる。これにより、挿入部材１７を介してプローブ２０を固定部材１４の第２の貫通孔１４ａに保持することができる。

【0060】

なお、プローブ２０は、支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂのそれぞれに固定された固定部材１４において、保持部材１６および挿入部材１７によって固定部材１４の第２の貫通孔１４ａに保持される。すなわち、保持部材１６は、プローブ２０の先端側と後端側とにおいて、プローブ２０を固定部材１４の第２の貫通孔１４ａの内部に保持する。このとき、保持部材１６の大きさまたは材質を、プローブ２０の先端側と後端側とで変えることにより、保持部材１６は、プローブ２０の先端側を後端側よりも強固に保持してもよい。例えば、プローブ２０の先端側に配置される保持部材１６を後端側に配置される保持部材１６よりも硬い材質で形成してもよいし、プローブ２０の先端側に配置される保持部材１６を後端側に配置される保持部材１６よりも大きくしてもよい。これにより、プローブ２０の先端を安定して固定部材１４の第２の貫通孔１４ａの内部に保持することができる。したがって、プローブ２０の先端を安定して圧電素子１５の第１の貫通孔１５ａの内部に保持することができる。

【0061】

プローブ２０は、例えばガラスピペットで構成されている。プローブ２０は、例えば、直径が１ｍｍ、長さが１０ｍｍ程度である。プローブ２０の重量は２０ｍｇ以下であり、圧電素子１５の質量の１％以下である。プローブ２０の内部には、プローブ２０の長尺方向に導線２０ａが配置されている。

【0062】

プローブ２０は、図３に示すように、固定部材１４に形成された第２の貫通孔１４ａの内部に保持部材１６により保持される。プローブ２０は、プローブ２０の先端側と後端側の２箇所で圧電素子１５に保持される。このとき、プローブ２０の先端は、支持部材１２ａから１ｍｍ程度突出している。

【0063】

これにより、圧電素子１５がプローブの長尺方向に伸縮すると共に、プローブ２０も長尺方向に変位する。このときのプローブ２０の変位量は、圧電素子１５の振幅が１０〜１２μｍに対し、プローブ２０の振幅が５〜６μｍとなる。

【0064】

なお、プローブ２０はガラスピペットに限らず、走査型プローブ顕微鏡の種類に応じて適宜変更してもよい。

【0065】

［プローブの取付手順］
次に、プローブ２０のプローブ走査機構１０への取付手順について説明する。図６は、プローブの取付手順について説明するための図である。

【0066】

はじめに、プローブ走査機構１０の組み立てを行う。筐体１１に形成された空洞１１ａの内部に圧電素子１５を挿入し、圧電素子１５の伸縮軸方向の両端を支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂにより挟んで支持する。そして、支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂをネジ部材１３により筐体１１に固定する（ステップＳ１０）。

【0067】

次に、固定部材１４を、支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂに形成された開口部３２を通して圧電素子１５の第１の貫通孔１５ａに取り付ける。これにより、圧電素子１５の長尺方向の両端がそれぞれ支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂに固定される（ステップＳ１２）。

【0068】

図７は、本実施の形態にかかるプローブ走査機構の動作を示す概略図である。図７は、圧電素子１５の長尺方向の両端を支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂにより挟んで支持し、支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂをネジ部材１３により筐体１１に固定し、さらに、支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂを固定部材１４により圧電素子１５の伸縮軸方向の両端に固定したときのプローブ走査機構１０を、正面から透視した図である。図７において、透視した正面側の筐体１１は図示を省略している。

【0069】

図７に示すように、圧電素子１５と支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂとは固定されているので、支持部材１２ａおよび支持部材１２ｂは、圧電素子１５の伸縮に応じて圧電素子１５および筐体１１の長尺方向に振動する。すなわち、プローブ装置１において、圧電素子１５に電圧を印加することにより、プローブ２０はＺ方向に変位することとなる。

【0070】

次に、プローブ２０の取り付けを行う。

【0071】

はじめに、プローブ２０を固定部材１４の第２の貫通孔１４ａに挿入する（ステップＳ１４）。予め、プローブ２０の後端側から挿入部材１７および保持部材１６を通し、先端側の所定の位置に配置しておく。挿入部材１７および保持部材１６のプローブ２０における配置位置は、プローブ２０をプローブ走査機構１０に取り付けたときに、可能な限り先端を突出しない配置が望ましい。例えば突出の程度が３０ｍｍ以下であることが望ましい。そして、挿入部材１７および保持部材１６が配置されたプローブ２０を、支持部材１２ａに配置された固定部材１４の第２の貫通孔１４ａに挿入する。このとき、プローブ２０を後端側から第２の貫通孔１４ａに挿入する。プローブ２０の先端の破損を防ぐためである。

【0072】

次に、保持部材１６を挿入部材１７により固定部材１４とプローブ２０の間に挿入する（ステップＳ１６）。このとき、挿入部材１７を固定部材１４の第２の貫通孔１４ａの内部に形成されたネジ溝にネジ締めしながら、保持部材１６を固定部材１４の第２の貫通孔１４ａの内部に押し込む。これにより、保持部材１６が第２の貫通孔１４ａ内に潰されながら押し込まれるので、プローブ２０の先端側を、支持部材１２ａに配置された固定部材１４に弾性的に固定することができる。プローブ２０を固定部材１４に固定する強度は、挿入部材１７の挿入位置を変更することにより保持部材１６の潰れ具合を変更して調整することができる。

【0073】

次に、他の保持部材１６および挿入部材１７を、プローブ２０の後端側に通し、先端側と同様に、保持部材１６を挿入部材１７により、支持部材１２ｂに配置された固定部材１４とプローブ２０の間に挿入する。プローブ２０の先端側の取り付けと同様に、挿入部材１７を固定部材１４の第２の貫通孔１４ａの内部に形成されたネジ溝にネジ締めしながら、保持部材１６を固定部材１４の第２の貫通孔１４ａの内部に押し込む。これにより、保持部材１６が第２の貫通孔１４ａ内に潰されながら押し込まれるので、プローブ２０の後端側を、支持部材１２ｂに配置された固定部材１４に弾性的に固定することができる。

【0074】

その後、プローブ２０の後端側を所望の長さに切断することにより、プローブ２０の取付が終了する。

【0075】

上述したプローブ走査機構１０およびプローブ２０の取付方法により、例えばＳＩＣＭにおいて、プローブ装置１の大きさと重量は、従来の１／１０以下に低減することができる。

【0076】

図８は、本実施の形態にかかるプローブ走査機構１０の特性を示すグラフである。図８は、プローブ走査機構１０の圧電素子１５として、底面の直径が５ｍｍ、第１の貫通孔１５ａの直径が３ｍｍ、長さが１０ｍｍ、自由振動の共振周波数を１２０ｋＨｚ程度としたときの変位が１０μｍ程度となるものを用いて、プローブ２０をプローブ走査機構１０に取り付けた場合のプローブ２０の振動特性を示している。図８において、横軸は圧電素子１５を駆動するための電圧信号（駆動信号）の周波数、左側の縦軸は各駆動周波数の振幅に対するプローブ２０の先端の変位の割合（Ｇａｉｎ）である。

【0077】

上述したプローブ走査機構１０およびプローブ２０の取付方法により、プローブ装置１の大きさと重量を従来の１／１０以下に低減することができたため、図８に示すように、プローブ２０の先端の変位は、共振周波数が１００Ｈｚから共振周波数が１２０ｋＨｚ程度までは急峻な変化や不連続な変化はなく安定している。なお、図示を省略しているが、プローブ２０の先端の位相の変化についても、プローブ２０の先端の変位の変化と同様である。この結果より、プローブ２０をプローブ走査機構１０に取り付けたプローブ装置１の共振周波数は、プローブ２０を取り付ける前のプローブ走査機構１０の共振周波数とほぼ同じ１２０ｋＨｚ程度であることがわかる。したがって、プローブ走査機構１０の共振周波数が１２０ｋＨｚ程度であるプローブ走査機構１０では、プローブ２０をプローブ走査機構１０に取り付けても、プローブ装置１の共振周波数はほとんど低下しないことが確認できた。

【0078】

比較例として、市販のＳＩＣＭのＺスキャナの共振周波数について説明する。圧電素子の変位が２５μｍ程度の市販のＳＩＣＭのＺスキャナでは、Ｚスキャナの共振周波数は、プローブを取り付けていない場合は３ｋＨｚ程度であるが、プローブを取り付けた場合は１ｋＨｚ程度となり、プローブを取り付けていない場合の１／３に低下する。

【0079】

これに対し、本実施の形態にかかるプローブ装置１では、プローブ２０をプローブ走査機構１０に取り付けたプローブ装置１の共振周波数は、プローブ２０を取り付ける前のプローブ走査機構１０の共振周波数とほぼ同じであった。したがって、上述した本実施の形態にかかる、共振周波数が１００ｋＨｚを超えるプローブ走査機構１０は、市販のＳＩＣＭで用いられているＺスキャナの１００倍以上の高速動作を行うことができるといえる。

【0080】

なお、プローブ２０を交換する際には、挿入部材１７をネジ溝に沿って緩めて保持部材１６のプローブ２０に対する固定を緩めることにより、プローブ２０を固定部材１４から抜き出すことができる。そして、新たなプローブ２０を後端側から固定部材１４の第２の貫通孔１４ａに挿入し、挿入部材１７をネジ溝に沿って締めることで保持部材１６を潰しながら固定部材１４の第２の貫通孔１４ａに挿入する。これにより、新たなプローブ２０を固定部材１４に再度固定することができる。したがって、本実施の形態にかかるプローブ走査機構１０の構成によると、プローブ２０の着脱を容易に行うことができる。

【0081】

［走査型プローブ顕微鏡］
次に、上述したプローブ装置１を備える走査型プローブ顕微鏡１００について説明する。図９は、本実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡１００の構成を示す概略図である。

【0082】

図９に示すように、本実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡１００は、プローブ装置１と、試料２００を搭載するステージ１１０とを備えている。ステージ１１０は、プローブ走査機構１０の走査方向と直交する方向に移動する。つまり、試料２００を載置したステージ１１０はＸＹ方向、プローブ２０を組み込んだプローブ装置１はＺ方向に移動する。なお、走査型プローブ顕微鏡１００は、ステージ１１０ではなくプローブ装置１にＸＹ走査機構を搭載した構成であってもよい。

【0083】

また、図９に示すように、走査型プローブ顕微鏡１００は、信号検出部１２０と、制御部１３０と、ＸＹ駆動部１４０と、Ｚ駆動部１５０と、表示部１６０とを備えている。

【0084】

ステージ１１０は、その一部に透明部材で形成された透光部１１０ａを有している。そして、透光部１１０ａに試料２００が搭載される。これにより、ステージ１１０に搭載された試料２００を、透光部１１０ａを通して光学顕微鏡等により視認することができる。

【0085】

なお、試料２００は、水滴２１０で覆われていてもよい。この場合、プローブ２０は、水中すなわち水滴２１０中の試料２００の計測を行う。

【0086】

信号検出部１２０は、試料２００においてプローブ装置１が計測した信号を検出する。

【0087】

制御部１３０は、試料２００において計測した信号に基づいて、プローブ装置１およびステージ１１０を移動するための制御を行う。

【0088】

ＸＹ駆動部１４０は、制御部１３０からの制御信号に基づいてステージ１１０をＸＹ方向に移動させるための信号をステージ１１０に供給する。

【0089】

Ｚ駆動部１５０は、制御部１３０からの制御信号に基づいてプローブ装置１をＺ方向に移動させるための信号をプローブ装置１に供給する。

【0090】

なお、上述した走査型プローブ顕微鏡１００では、ステージ１１０をＸＹ方向に移動させる構成としているが、プローブ装置１をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させてもよい。この場合、ＸＹ駆動部１４０はプローブ装置１に接続され、プローブ装置１はＸＹ方向およびＺ方向に移動することができる。

【0091】

表示部１６０は、信号検出部１２０で検出された信号を画像表示するモニターである。

【0092】

以上の構成により、走査型プローブ顕微鏡１００において、試料２００を載置したステージ１１０をＸＹ方向、プローブ装置１をＺ方向に走査することにより、試料２００の表面の情報を得ることができる。このとき、プローブ装置１をＺ方向に安定して高速に走査することができるので、計測画像を安定して高速に取得することができる。

【0093】

［効果等］
以上、本実施の形態にかかるプローブ走査機構１０によると、プローブ２０の着脱を容易に行うことができ、プローブ２０の先端を安定して固定部材１４の第２の貫通孔１４ａの内部に保持することができる。したがって、プローブ２０の先端を安定して圧電素子１５の第１の貫通孔１５ａの内部に保持することができる。よって、プローブ２０を取り付けても共振周波数がほとんど低下することがない。これにより、プローブ２０を高速に走査することができる。よって、プローブをＺ方向に高速に走査することができるプローブ走査機構を提供することができる。さらに、このプローブ走査機構を用いて、計測画像を高速に取得することができるプローブ装置を実現することができ、このプローブ装置を用いた走査型プローブ顕微鏡において、短時間に高解像度の計測画像を取得することができる。

【0094】

（実施の形態１の変形例）
次に、本実施の形態の変形例について説明する。図１０は、本変形例にかかるプローブ走査機構の支持部材の他の構成を示す底面図である。

【0095】

本変形例にかかるプローブ走査機構が実施の形態にかかるプローブ走査機構と異なる点は、支持部材の構成が異なる点である。

【0096】

図１０に示すように、本変形例にかかる支持部材３１２ａは、実施の形態に示した支持部材１２ａと同様、平面視において略正方形の形状を有している。また、支持部材３１２ａは、支持部材１２ａの固定穴３１、開口部３２、凹部３３、溝３４に対応する固定穴３３１、開口部３３２、凹部（図示せず）、溝３３４を備えている。

【0097】

ここで、図１０に示すように、溝３３４は、配線を通すための切欠部３３５および切欠部３３６を有している。切欠部３３５および切欠部３３６は、開口部３３２の中心を中心とする円の周方向に沿って形成された溝３３４の円周方向の中央付近において、溝３３４の幅を広くするように、半径０．５ｍｍ程度の半円状に凹状に形成されている。

【0098】

これにより、圧電素子１５に電圧を供給するための配線を溝３３４の切欠部３３５または切欠部３３６を通るように配置することができる。したがって、シンプルな構成で圧電素子１５に電圧を供給することができる。

【0099】

なお、切欠部３３５および切欠部３３６の大きさおよび形状は、支持部材１２ａおよび１２ｂの機械剛性が著しく変化しない範囲かつ、圧電素子１５に電圧を供給するための配線を通すことができる大きさおよび形状であればどのようなものであってもよい。また、溝３３４において切欠部３３５および切欠部３３６を設ける位置は、上述した位置に限らず他の位置であってもよい。

【0100】

（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかるプローブ装置について説明する。図１１は、本実施の形態にかかるプローブ装置の断面図である。図１１に示す断面図は、図１に示したIII−III線と同一の位置における断面図である。なお、以下では、実施の形態１にかかるプローブ装置１と異なる構成について説明し、プローブ装置１と同一の構成については、説明を省略する。

【0101】

本実施の形態にかかるプローブ装置が実施の形態１にかかるプローブ装置１と異なる点は、プローブ走査機構３００において、プローブ２０が、接着剤３１６ａにより圧電素子１５の第１の貫通孔１５ａの内部に保持される点である。より詳細には、プローブ２０は、第１の貫通孔１５ａ内に配置された挿入部材１７に形成された第２の貫通孔１４ａの内部に接着剤３１６ａにより接着されることで、第１の貫通孔１５ａの内部に保持される。つまり、プローブ走査機構３００において、弾性部材とは接着剤３１６ａである。弾性部材として接着剤３１６ａを用いることにより、プローブ２０を第１の貫通孔１５ａの内部に容易に保持することができる。また、プローブ２０をプローブ走査機構３００から取り外すときには、プローブ２０の後端側を突起物で押圧することにより接着剤３１６ａを剥がし、プローブ２０を第２の貫通孔１４ａから容易に押し出すことができる。

【0102】

図１１に示すように、プローブ走査機構３００では、プローブ２０と挿入部材１７との間に接着剤３１６ａが設けられ、接着剤３１６ａによりプローブ２０と挿入部材１７とが接合されている。また、実施の形態１に係るプローブ走査機構１０では、第１の貫通孔１４ａにプローブ２０を保持するための保持部材１６を用いたが、プローブ走査機構３００では、第１の貫通孔１５ａの長さに対して挿入部材１７の長さが短い場合、保持部材１６に代えてスペーサ３１６を有している。

【0103】

スペーサ３１６は、第１の貫通孔１５ａの内部においてプローブ２０が移動しないように、第１の貫通孔１５ａ内の孔の大きさとプローブ２０の外周との間を埋めるために設けられている。スペーサ３１６は、例えば金属またはプラスチックで構成されていてもよい。これにより、プローブ２０は、プローブ走査機構３００に安定して保持される。

【0104】

なお、スペーサ３１６は、接着剤３１６ａにより第１の貫通孔１５ａおよびプローブ２０の少なくともいずれかと接合されていてもよいし、接合されていなくてもよい。

【0105】

（実施の形態３）
次に、実施の形態３にかかるプローブ装置について説明する。図１２は、本実施の形態に係るプローブ装置の断面図である。図１２に示す断面図は、図１に示したIII−III線と同一の位置における断面図である。なお、以下では、実施の形態１にかかるプローブ装置１と異なる構成について説明し、プローブ装置１と同一の構成については、説明を省略する。

【0106】

本実施の形態にかかるプローブ装置が実施の形態１にかかるプローブ装置１と異なる点は、プローブ走査機構４００が、保持部材１６として接着剤を用いており、さらに、挿入部材１７とプローブ２０との間に中間部材４１６を有している点である。

【0107】

図１２に示すように、プローブ走査機構４００では、プローブ２０と挿入部材１７との間に中間部材４１６が設けられている。また、プローブ２０と中間部材４１６、および、中間部材４１６と挿入部材１７は、それぞれ接着剤（図示せず）で接合されている。

【0108】

中間部材４１６は、例えばポリイミド樹脂チューブである。ガラスで形成されているプローブ２０と金属で形成されている挿入部材１７とは一般的に接合しにくいが、プローブ２０と挿入部材１７との間に中間部材４１６を配置することにより、中間部材４１６を介して接着材によりプローブ２０を挿入部材１７に接合することができる。したがって、プローブ２０を第２の貫通孔１４ａに容易に固定することができる。

【0109】

なお、プローブ２０をプローブ走査機構４００から取り外すときには、プローブ２０の後端側を突起物で押圧することにより、プローブ２０と中間部材４１６、または、中間部材４１６と挿入部材１７とを剥がし、プローブ２０を第２の貫通孔１４ａから容易に押し出すことができる。したがって、ユーザは、プローブ２０の交換を行うことにより、プローブ走査機構４００を再利用することができる。

【0110】

以上、本発明にかかるプローブ走査機構、プローブ装置および走査型プローブ顕微鏡について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は実施の形態に限定されるものではない。実施の形態に対して当業者が思いつく変形を施して得られる形態、および、複数の実施の形態における構成要素を任意に組み合わせて実現される別の形態も本発明に含まれる。

【0111】

例えば、上述した実施の形態では、走査型プローブ顕微鏡として、ＳＩＣＭを例として掲げ、プローブをガラスピペットとしたが、プローブはガラスピペットに限らず、例えば、ガラスピペット先端に金属や高分子、酵素、カーボンナノチューブを修飾した探針、または導電性の金属探針などであってもよい。

【0112】

また、上述した実施の形態では、走査型プローブ顕微鏡においてステージをＸＹ方向、プローブをＺ方向に移動する構成を示したが、この構成に限らず、例えば、プローブがＺ方向だけでなくＸＹ方向にも移動する構成であってもよい。また、ステージがＺ方向に移動する構成であってもよい。

【0113】

また、上述した実施の形態では、圧電素子として積層型の圧電素子を例として示したが、圧電素子は積層型でなくてもよい。また、圧電素子の材料は、圧電機能を有する材料であればどのようなものであってもよい。また、圧電素子の大きさおよび形状も適宜変更してもよい。

【0114】

また、上述した実施の形態では、一対の支持部材の構成を同一の構成としたが、一対の支持部材の構成は異なっていてもよい。

【0115】

また、上述した実施の形態では、保持部材を弾性部材としたが、保持部材は弾性部材でなくても、プローブを固定部材に固定することができるものであればどのようなものであってもよい。例えば、保持部材は、接着剤であってもよいし、弾性部材と接着材とを組み合わせた構成であってもよい。また、弾性部材に代えて、金属または樹脂製のスペーサを用い、プローブとスペーサ、スペーサと挿入部材との間を接着剤で接合する構成であってもよい。また、固定部材および挿入部材は、上記した構成に限らず、大きさや形状を変更したものであってもよい。

【0116】

また、上述した実施の形態では、固定部材により支持部材を圧電素子に固定したが、他の方法で支持部材を圧電素子に固定してもよい。例えば、支持部材を接着剤により圧電素子に固定してもよい。

【0117】

また、プローブ顕微鏡の構成は、上記したものに限らず、プローブ顕微鏡の種類に応じて適宜変更してもよい。例えば、走査型プローブ顕微鏡のプローブとして光ファイバーを用いた場合には、光ファイバーの信号を検出するセンサとしてレーザ機構を備えてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0118】

本発明にかかるプローブ走査機構は、プローブを試料に対して走査することにより、試料表面の物理情報または試料の化学的性質を信号として取得する走査型のプローブ顕微鏡に有用である。

【符号の説明】

【0119】

１ プローブ装置
１０、３００、４００ プローブ走査機構
１１ 筐体
１１ａ 空洞
１１ｂ ネジ穴
１２ａ、１２ｂ、３１２ａ 支持部材
１３ ネジ部材
１４ 固定部材
１４ａ 第２の貫通孔
１５ 圧電素子
１５ａ 第１の貫通孔
１６ 保持部材
１７ 挿入部材
２０ プローブ
２０ａ 導線
３１、３３１ 固定穴
３２、３３２ 開口部
３３ 凹部
３４、３３４ 溝
１００ 走査型プローブ顕微鏡
１１０ ステージ
１１０ａ 透光部
１２０ 信号検出部
１３０ 制御部
１４０ ＸＹ駆動部
１５０ Ｚ駆動部
１６０ 表示部
２００ 試料
２１０ 水滴
３１６ スペーサ
３１６ａ 接着剤
３３５、３３６ 切欠部
４１６ 中間部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】