特許 7273408 走査型プローブ顕微鏡およびＺ駆動装置

(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】

(24)【登録日】2023-05-02

(45)【発行日】2023-05-15

(54)【発明の名称】走査型プローブ顕微鏡およびＺ駆動装置

(51)【国際特許分類】

   G01Q 10/04 20100101AFI20230508BHJP

   G01Q 60/24 20100101ALI20230508BHJP

   G01Q 30/14 20100101ALI20230508BHJP

【ＦＩ】

G01Q10/04 101

G01Q60/24

G01Q30/14

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019120245

(22)【出願日】2019-06-27

(65)【公開番号】P2021004859

(43)【公開日】2021-01-14

【審査請求日】2022-05-09

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業、「高速原子間力顕微鏡１分子計測のデータ同化による生体分子４次元構造解析法の開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(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】古寺 哲幸

(72)【発明者】

【氏名】清水 将裕

(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２００８－１２２１６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００９／１４７８０７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０６－１４７８１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１４０７８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２０７０９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１４８５２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｑ １０／００ － ９０／００

Ｈ０２Ｎ ２／０２ － ２／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プローブと、
前記プローブおよび試料のうち一方を他方に対して、Ｘ軸方向および前記Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向に移動させるＸＹ駆動装置と、
前記プローブおよび前記試料のうち一方を他方に対して、前記Ｘ軸方向に直交しかつ前記Ｙ軸方向に直交するＺ軸方向に移動させる第１Ｚ駆動装置とを備え、
前記第１Ｚ駆動装置は、電圧が印加されることによって前記Ｚ軸方向に伸縮する第１ピエゾ素子と、前記第１ピエゾ素子を少なくとも３点で保持する土台とを有する、
走査型プローブ顕微鏡。

【請求項2】

前記プローブは、前記第１ピエゾ素子よりも前記Ｚ軸方向の一方側に配置され、
前記土台は、前記Ｚ軸方向の前記一方側に前記第１ピエゾ素子が露出するように前記第１ピエゾ素子を収容する収容部を有し、前記収容部において前記第１ピエゾ素子を少なくとも３点で保持する、
請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【請求項3】

前記第１ピエゾ素子は、前記Ｚ軸方向の前記一方側に、前記収容部よりも突出するように設けられる、
請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【請求項4】

前記収容部は、前記第１ピエゾ素子を収容するための空間が前記Ｚ軸方向の他方側に向かって漸次狭くなるように形成されている、
請求項２または３に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【請求項5】

前記収容部は、前記空間が前記Ｚ軸方向の前記他方側に向かって漸次狭くなるように、円錐状に凹む、
請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【請求項6】

前記収容部は、前記空間が前記Ｚ軸方向の前記他方側に向かって漸次狭くなるように、角錐状に凹む、
請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【請求項7】

前記収容部は、前記空間が前記Ｚ軸方向の前記他方側に向かって漸次狭くなるように、曲面状に凹む、
請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【請求項8】

前記第１Ｚ駆動装置を前記Ｚ軸方向に移動させる第２Ｚ駆動装置をさらに備える、
請求項１から７のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【請求項9】

前記第２Ｚ駆動装置は、前記第１ピエゾ素子よりも前記Ｚ軸方向における伸縮量が大きい第２ピエゾ素子を有する、
請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【請求項10】

走査型プローブ顕微鏡に用いられる第１Ｚ駆動装置であって、
電圧が印加されることによって伸縮する第１ピエゾ素子と、前記第１ピエゾ素子を少なくとも３点で保持する土台とを有する、
第１Ｚ駆動装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プローブを走査して試料の観測を行う走査型プローブ顕微鏡およびＺ駆動装置に関する。

【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、試料表面の立体形状等を観察できる顕微鏡である。走査型プローブ顕微鏡として、たとえば、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）、および走査型イオン電動顕微鏡（ＳＩＣＭ）等がある。

【0003】

走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと、試料をＸ方向に移動させるＸスキャナーと、試料をＹ方向に移動させるＹスキャナーと、試料をＺ方向に移動させるＺスキャナーとを有する（たとえば、特許文献１）。たとえば、カンチレバーを振動させて試料に間欠的に接触させ、試料の観察を行う場合、走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと試料とをＸ方向およびＹ方向に相対的に移動させつつ、カンチレバーが所定の振幅を維持した状態で試料と間欠的に接触するように、試料をＺ方向に移動させる。Ｚスキャナーは、ピエゾ素子を有しており、ピエゾ素子に電圧を印加しピエゾ素子をＺ軸方向に伸縮させることによって、試料をＺ軸方向に移動させる。ここで、ＺスキャナーによるＺ軸方向の移動速度は、ピエゾ素子の共振周波数に起因し、当該共振周波数が高い程、当該移動速度を速くできる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１１－８５６００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、上記特許文献１のような従来の走査型プローブ顕微鏡では、Ｚスキャナーのピエゾ素子は、その一端面において面接触により保持されている。このように、面接触により保持されたピエゾ素子の共振周波数は、ピエゾ素子の本来の共振周波数よりも低下してしまう。したがって、Ｘ方向およびＹ方向への移動速度を速くして観察を行うと、試料を適切にＺ方向に移動させることができず、カンチレバーが試料に強く接触し、試料を変形等させてしまうことがある。

【0006】

上記課題に鑑み、本発明は、試料の変形等を抑制できる走査型プローブ顕微鏡等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】

【0007】

上記の課題を解決するため、本発明の一態様にかかる走査型プローブ顕微鏡は、プローブと、前記プローブおよび試料のうち一方を他方に対して、Ｘ軸方向および前記Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向に移動させるＸＹ駆動装置と、前記プローブおよび前記試料のうち一方を他方に対して、前記Ｘ軸方向に直交しかつ前記Ｙ軸方向に直交するＺ軸方向に移動させる第１Ｚ駆動装置とを備え、前記第１Ｚ駆動装置は、電圧が印加されることによって前記Ｚ軸方向に伸縮する第１ピエゾ素子と、前記第１ピエゾ素子を少なくとも３点で保持する土台とを有する。

【0008】

これにより、第１ピエゾ素子は、少なくとも３点すなわち点接触で土台に保持される。このように、点接触で第１ピエゾ素子を保持することによって、保持された第１ピエゾ素子の共振周波数が、第１ピエゾ素子の本来の共振周波数に対して低下することを抑制でき、第１Ｚ駆動装置によるＺ方向への移動速度が低下することを抑制できる。したがって、Ｘ軸方向およびＹ軸方向への移動速度を速くして観察を行う場合であっても、プローブおよび試料の一方を他方に対して高速にＺ方向に移動させることができ、プローブが試料に強く接触することによる試料の変形等を抑制できる。

【発明の効果】

【0009】

本発明により、試料の変形等を抑制できる走査型プローブ顕微鏡等を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成を示すブロック図

【図2】図１の走査型プローブ顕微鏡の第１Ｚ駆動装置を示す図

【図3】図１の走査型プローブ顕微鏡の動作の一例を示す模式図

【図4】第１Ｚ駆動装置およびカンチレバーの周波数特性についての実験結果の一例を示すグラフ

【図5】図１の走査型プローブ顕微鏡によって得られた画像の一例を示す図

【図6】第１Ｚ駆動装置と第２Ｚ駆動装置とを組み合わせた回路の一例を示す図

【図7】土台の他の例を示す図

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を用いて、本発明に係る実施の形態について説明する。なお、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および接続形態等は、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、任意の構成要素として説明される。なお、図は必ずしも厳密に図示されたものでない。

【0012】

図１は、本実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡１０の構成を示すブロック図である。図２は、図１の走査型プローブ顕微鏡１０の第１Ｚ駆動装置３２を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は分解斜視図、（ｃ－１）はＺ軸方向から見た図、（ｃ－２）は（ｃ－１）のＩ－Ｉ線断面図である。図３は、図１の走査型プローブ顕微鏡１０の動作の一例を示す模式図である。なお、図２の（ｃ－１）および（ｃ－２）においては、図面が煩雑になることを避けるため、フィルム４４および基質基板４６の図示を省略する。図１から図３を参照して、本実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡１０について説明する。

【0013】

図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡１０は、生体分子を含む様々な分子等の試料１（図３参照）を観察するための顕微鏡である。本実施の形態では、走査型プローブ顕微鏡１０は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）であり、カンチレバー１４（後述）の探針３８（後述）を試料１に間欠的に接触させて試料１を観察する顕微鏡である。なお、走査型プローブ顕微鏡１０は、探針３８を試料１に常時接触させて試料１を観察する顕微鏡であってもよいし、カンチレバーの探針３８を試料１に接触させずに試料１を観察する顕微鏡であってもよい。

【0014】

走査型プローブ顕微鏡１０は、ホルダ１２と、カンチレバー１４と、発振部１６と、レーザユニット１８と、センサ２０と、振幅検出部２２と、フィードバック制御部２４と、コンピュータ２６と、モニタ２８と、ＸＹ駆動装置３０と、第１Ｚ駆動装置３２と、第２Ｚ駆動装置３４とを備えている。

【0015】

ホルダ１２は、試料１観察用の水溶液３６を保持する。

【0016】

カンチレバー１４は、水溶液３６内に設けられている。カンチレバー１４は、その一端部に形成されている探針３８を有する。探針３８は、第１ピエゾ素子４２（後述）よりもＺ軸方向の一方側に設けられており、第１ピエゾ素子４２側に突出し、その先端部が尖っている。カンチレバー１４の他端部は、ホルダ１２に保持されている。また、カンチレバー１４の他端部は、発振部１６に接続されており、カンチレバー１４は、発振部１６によって振動させられる（図３の矢印Ａ参照）。カンチレバー１４が振動することによって、探針３８は、第１Ｚ駆動装置３２の基質基板４６（後述）に配置された試料１に間欠的に接触する。カンチレバー１４を構成する材料として、たとえば、窒化シリコン等を用いることができる。この実施の形態では、探針３８が、プローブに相当する。

【0017】

発振部１６は、ピエゾ素子（図示せず）に電圧を印加することによって当該ピエゾ素子を伸縮させ、カンチレバー１４を振動させる。たとえば、発振部１６は、カンチレバー１４を、その共振周波数近傍の周波数で振動させる。

【0018】

レーザユニット１８は、カンチレバー１４にレーザ光を照射する。レーザユニット１８から出射されたレーザ光は、ホルダ１２を透過してカンチレバー１４の一端部近傍で反射する。

【0019】

センサ２０は、カンチレバー１４の一端部近傍で反射したレーザ光を受光する。試料１を観察するとき、カンチレバー１４を振動させて探針３８を試料１に間欠的に接触させるが、試料１の表面形状によって探針３８と試料１との接触の度合いが変化し、カンチレバー１４の振幅等が変化する。カンチレバー１４の振幅等が変化すると、カンチレバー１４の一端部近傍で反射したレーザ光の反射強度等が変化する。センサ２０は、反射したレーザ光の反射強度等の変化を検出する。センサ２０は、たとえば、フォトダイオードで構成された受光センサである。

【0020】

振幅検出部２２は、センサ２０の検出結果に基づいて、カンチレバー１４の振幅を検出する。

【0021】

フィードバック制御部２４は、振幅検出部２２の検出結果に基づいて、カンチレバー１４の振幅が予め設定されたセットポイント（目標値）となるように、第１Ｚ駆動装置３２および／または第２Ｚ駆動装置３４を制御する。たとえば、図３に示すように、探針３８に対して試料１をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させているとき（図３の矢印Ｂ参照）、フィードバック制御部２４は、カンチレバー１４の振幅がセットポイントよりも小さくなった場合、試料１を探針３８から遠ざけるように、第１Ｚ駆動装置３２および／または第２Ｚ駆動装置３４を制御する（図３の矢印Ｃ参照）。一方、フィードバック制御部２４は、カンチレバー１４の振幅がセットポイントよりも大きくなった場合、試料１を探針３８に近づけるように、第１Ｚ駆動装置３２および／または第２Ｚ駆動装置３４を制御する。

【0022】

コンピュータ２６は、ユーザインターフェース機能を提供する。たとえば、ユーザからカンチレバー１４の振幅のセットポイントに関する情報が入力されると、当該情報をフィードバック制御部２４に送信する。また、コンピュータ２６は、ＸＹ駆動装置３０を制御する。さらに、コンピュータ２６は、フィードバック制御部２４から供給された信号に基づいて試料１の表面の画像を生成し、モニタ２８に出力する。コンピュータ２６として、たとえば、パーソナルコンピュータ等を用いることができる。

【0023】

モニタ２８は、コンピュータ２６から供給された信号に基づいて、試料１の表面の画像を表示する。

【0024】

ＸＹ駆動装置３０は、探針３８および基質基板４６に配置された試料１のうち一方を他方に対して、Ｘ軸方向およびＸ軸方向に直交するＹ軸方向に移動させる。本実施の形態では、ＸＹ駆動装置３０は、探針３８に対して、基質基板４６に配置された試料１をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させる。ＸＹ駆動装置３０は、ピエゾ素子（図示せず）を有しており、コンピュータ２６によって制御される。

【0025】

第１Ｚ駆動装置３２は、探針３８および基質基板４６に配置された試料１のうち一方を他方に対して、Ｘ軸方向に直交しかつＹ軸方向に直交するＺ軸方向に移動させる。本実施の形態では、第１Ｚ駆動装置３２は、探針３８に対して、基質基板４６に配置された試料１をＺ軸方向に移動させる。第１Ｚ駆動装置３２は、第２Ｚ駆動装置３４のＺ軸方向の一方側に取り付けられる。たとえば、第２Ｚ駆動装置３４は、探針３８に対して試料１をＺ軸方向に移動させる公知の種々のＺ駆動装置である。このように、第１Ｚ駆動装置３２は、公知の種々のＺ駆動装置に取り付け可能に構成されている。第１Ｚ駆動装置３２は、土台４０と、第１ピエゾ素子４２と、フィルム４４と、基質基板４６とを有する。

【0026】

図１および図２に示すように、土台４０は、第１ピエゾ素子４２を少なくとも３点で保持する部材である。本実施の形態では、土台４０は、第１ピエゾ素子４２を４点で保持する。このように、土台４０は、第１ピエゾ素子４２を、線接触ではなく点接触で保持する。土台４０は、略円筒状に形成されている。土台４０は、その軸心がＺ軸方向と略同方向に延びるように第２Ｚ駆動装置３４のＺ軸方向の一方側に取り付けられている。たとえば、土台４０は、樹脂を用いた接着剤等を介して第２Ｚ駆動装置３４に取り付けられている。土台４０は、収容部４８を有し、収容部４８において第１ピエゾ素子４２を４点で保持する（図２の（ｂ）の点線丸印Ｄ参照）。たとえば、土台４０は、樹脂を用いた接着剤等を介して第１ピエゾ素子４２と４点において接着される。収容部４８は、Ｚ軸方向の一方側に開口しており、Ｚ軸方向の一方側に第１ピエゾ素子４２が露出するように、第１ピエゾ素子４２を収容する。収容部４８は、Ｚ軸方向の他方側に向かって漸次狭くなるように形成されている。具体的には、収容部４８は、第１ピエゾ素子４２を収容するための空間４９がＺ軸方向の他方側に向かって漸次狭くなるように形成されている。さらに具体的には、収容部４８は、第１ピエゾ素子４２を収容するための空間４９がＺ軸方向の他方側に向かって漸次狭くなるように、円錐状に凹んでいる。このように、収容部４８において第１ピエゾ素子４２を保持する保持面は、Ｚ軸方向と交差するように、Ｚ軸方向に対して斜めに形成されている。土台４０を構成する材料として、たとえば、プラスチックまたは樹脂等を用いることができる。

【0027】

第１ピエゾ素子４２は、電圧が印加されることによってＺ軸方向に伸縮する部材であり、角柱状に形成されている。第１Ｚ駆動装置３２は、第１ピエゾ素子４２がＺ軸方向に伸縮することによって、探針３８に対して、基質基板４６に配置された試料１をＺ軸方向に移動させる。第１ピエゾ素子４２は、Ｚ軸方向の一方側に収容部４８よりも突出するように設けられている。また、第１ピエゾ素子４２は、Ｚ軸方向の他方側の主面の４つの角部において、土台４０に保持されている（図２の（ｂ）の点線丸印Ｄ参照）。たとえば、第１ピエゾ素子４２は、樹脂を用いた接着剤等を介して土台４０と４点において接着される。第１ピエゾ素子４２には、はんだ付け等によって電線５０が取り付けられる。電線５０は、フィードバック制御部２４に接続され、第１ピエゾ素子４２とフィードバック制御部２４とを電気的に接続する。第１ピエゾ素子４２は、電線５０を介して与えられるフィードバック制御部２４からの電圧に基づいて伸縮する。第１ピエゾ素子４２を構成する材料として、たとえば、セラミックス等を用いることができる。

【0028】

フィルム４４は、防水用の部材である。フィルム４４は、Ｚ軸方向の一方側から第１ピエゾ素子４２および土台４０を覆うように、土台４０に取り付けられる。たとえば、フィルム４４は、樹脂を用いた接着剤等によって土台４０に取り付けられる。これによって、水溶液３６中において試料１を観察するとき、第１ピエゾ素子４２が水溶液３６に浸されることを防止できる。フィルム４４を構成する材料として、たとえば、樹脂等を用いることができる。

【0029】

基質基板４６は、試料１が配置される部材であり、円板状に形成されている。基質基板４６は、フィルム４４を介して第１ピエゾ素子４２に接触するように、フィルム４４に取り付けられている。水溶液３６中において試料１を観察する場合、基質基板４６は、水溶液３６中に配置される。基質基板４６を構成する材料として、たとえば、マイカやガラス等を用いることができる。これによって、試料１に含まれる分子が吸着しやすくなり、試料１を安定して保持できる。

【0030】

図１に示すように、第２Ｚ駆動装置３４は、ＸＹ駆動装置３０のＺ軸方向の一方側に取り付けられる。上述したように、第２Ｚ駆動装置３４のＺ軸方向の一方側には第１Ｚ駆動装置３２が取り付けられ、第２Ｚ駆動装置３４は、第１Ｚ駆動装置３２をＺ軸方向に移動させる。これによって、基質基板４６に配置された試料１は、探針３８に対してＺ軸方向に移動する。第２Ｚ駆動装置３４は、Ｚ軸方向の伸縮量が第１ピエゾ素子４２よりも大きい第２ピエゾ素子（図示せず）を有する。第２Ｚ駆動装置３４は、第２ピエゾ素子がＺ軸方向に伸縮することによって、第１Ｚ駆動装置３２をＺ軸方向に移動させる。上述したように、たとえば、第２Ｚ駆動装置３４は、公知の種々のＺ駆動装置である。第２Ｚ駆動装置３４を使用しないとき、たとえば、第２Ｚ駆動装置３４とフィードバック制御部２４とを電気的に接続せず、第２Ｚ駆動装置３４を動作しないようにすればよい。この場合、第１Ｚ駆動装置３２によって、探針３８に対して、基質基板４６に配置された試料１をＺ軸方向に移動させればよい。

【0031】

図４は、第１Ｚ駆動装置３２およびカンチレバー１４の周波数特性についての実験結果の一例を示すグラフであり、（ａ）は、周波数とゲインとの関係を示すグラフであり、（ｂ）は、周波数と位相との関係を示すグラフである。この実験では、第１ピエゾ素子４２が水溶液３６中に位置するように第１Ｚ駆動装置３２を配置し、かつ基質基板４６に探針３８を接触させた状態において、第１ピエゾ素子４２に印加する電圧の周波数を時間の経過とともに変化させた。また、第１ピエゾ素子４２として、Ｘ軸方向の寸法が０．９ｍｍ、Ｙ軸方向の寸法が０．９ｍｍ、Ｚ軸方向の寸法が０．８ｍｍで、本来の共振周波数が１３５０ＫＨｚのピエゾ素子を用いた。また、カンチレバー１４として、本来の共振周波数が９７０ＫＨｚのカンチレバーを用いた。図４の（ａ）に示すように、９７０ＫＨｚ近傍においてゲインのピークが表れており、図４の（ｂ）に示すように、９７０ＫＨｚ近傍において位相が約９０度遅れていることがわかる。用いたカンチレバーの本来の共振周波数が９７０ＫＨｚであることを考えると、これは、カンチレバー１４の共振周波数に起因するものであると考えられる。また、図４の（ａ）に示すように、１３００ＫＨｚ近傍においてゲインのピークが表れており、図４の（ｂ）に示すように、１３００ＫＨｚ近傍において位相がさらに約９０度遅れていることがわかる。用いた第１ピエゾ素子４２の本来の共振周波数が１３５０ＫＨｚであることを考えると、これは、土台４０に点接触で保持された第１ピエゾ素子４２の共振周波数に起因するものであると考えられる。そして、土台４０に点接触で保持された第１ピエゾ素子４２の共振周波数は、本来の第１ピエゾ素子４２の共振周波数である１３５０ＫＨｚに近い約１３００ＫＨｚであると考えられる。以上の結果から、土台４０に点接触で保持された第１ピエゾ素子４２の共振周波数が、第１ピエゾ素子４２の本来の共振周波数に近い値であり、第１ピエゾ素子４２を点接触で保持することによって、土台４０に点接触で保持された第１ピエゾ素子４２の共振周波数が、第１ピエゾ素子４２の本来の共振周波数よりも低下することを抑制できたと考えられる。

【0032】

図５は、図１の走査型プローブ顕微鏡１０によって得られた画像の一例を示す図である。走査型プローブ顕微鏡１０を用いて、走査速度０．０７５ｓｅｃ／ｆｒａｍｅで走査範囲４００×２２５ｎｍ^２におけるアクチン分子を観察したところ、図５に示すような画像が得られた。このように、点接触で保持された第１ピエゾ素子４２を有する走査型プローブ顕微鏡１０を用いることによって、０．０７５ｓｅｃ／ｆｒａｍｅでアクチン分子を観察したとしても、損傷の少ないアクチン分子の画像が得られる。

【0033】

図６は、第１Ｚ駆動装置３２および第２Ｚ駆動装置３４を用いた回路の一例を示す図である。たとえば、第１Ｚ駆動装置３２および第２Ｚ駆動装置３４を用いて、図６に示すような回路を構成できる。当該回路において、ＰＩＤ（ＰＩＤ制御器）５２からの信号のうち、高周波成分は、増幅器５４およびＨＰＦ（Ｈｉｇｈ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）５６を介して第１Ｚ駆動装置３２に入力され、低周波成分は、第２Ｚ駆動装置３４に入力される。このように回路を構成することによって、第１Ｚ駆動装置３２によってＺ軸方向の移動速度を速くできるとともに、第２Ｚ駆動装置３４によってＺ軸方向の移動量を大きくできる。

【0034】

以上のように、本実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡１０は、探針３８と、探針３８および試料１のうち一方を他方に対して、Ｘ軸方向およびＸ軸方向に直交するＹ軸方向に移動させるＸＹ駆動装置３０と、探針３８および試料１のうち一方を他方に対して、Ｘ軸方向に直交しかつＹ軸方向に直交するＺ軸方向に移動させる第１Ｚ駆動装置３２とを備え、第１Ｚ駆動装置３２は、電圧が印加されることによってＺ軸方向に伸縮する第１ピエゾ素子４２と、第１ピエゾ素子４２を少なくとも３点で保持する土台４０とを有する。

【0035】

これにより、第１ピエゾ素子４２は、少なくとも３点すなわち点接触で土台４０に保持される。このように、点接触で第１ピエゾ素子４２を保持することによって、保持された第１ピエゾ素子４２の共振周波数が、第１ピエゾ素子４２の本来の共振周波数に対して低下することを抑制でき、第１Ｚ駆動装置３２によるＺ方向への移動速度が低下することを抑制できる。したがって、Ｘ軸方向およびＹ軸方向への移動速度を速くして観察を行う場合であっても、探針３８および試料１の一方を他方に対して高速にＺ方向に移動させることができ、探針３８が試料１に強く接触することによる試料１の変形等を抑制できる。

【0036】

また、本実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡１０において、探針３８は、第１ピエゾ素子４２よりもＺ軸方向の一方側に配置され、土台４０は、Ｚ軸方向の一方側に第１ピエゾ素子４２が露出するように第１ピエゾ素子４２を収容する収容部４８を有し、収容部４８において第１ピエゾ素子４２を少なくとも３点で保持する。

【0037】

これにより、第１ピエゾ素子４２を収容部４８に収容することによって、第１ピエゾ素子４２を探針３８側に露出するように設けることができるとともに、第１ピエゾ素子４２を点接触で保持させることができる。このように、土台４０が収容部４８を有することによって、第１Ｚ駆動装置３２を容易に製造できる。

【0038】

また、本実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡１０において、第１ピエゾ素子４２は、Ｚ軸方向の一方側に、収容部４８よりも突出するように設けられる。

【0039】

これにより、第１ピエゾ素子４２は、収容部４８よりも突出するように設けられる。したがって、第１ピエゾ素子４２を収容部４８に収容するときに、第１ピエゾ素子４２のうち収容部４８よりも突出する部分を掴んだ状態で、第１ピエゾ素子４２を収容部４８に容易に収容できる。これによって、第１Ｚ駆動装置３２を容易に製造できる。

【0040】

また、本実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡１０において、収容部４８は、第１ピエゾ素子４２を収容するための空間４９がＺ軸方向の他方側に向かって漸次狭くなるように形成されている。

【0041】

これにより、角柱状の第１ピエゾ素子４２を収容部４８に容易に点接触させることができる。したがって、第１Ｚ駆動装置３２を容易に製造できるとともに、第１Ｚ駆動装置３２によるＺ方向への移動速度が低下することを抑制でき、探針３８が試料１に強く接触することによる試料１の変形等を抑制できる。

【0042】

また、本実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡１０において、収容部４８は、空間４９がＺ軸方向の他方側に向かって漸次狭くなるように、円錐状に凹む。

【0043】

これにより、角柱状の第１ピエゾ素子４２を収容部４８に容易に点接触させることができる。また、四角柱状に限らず、三角柱状および五角柱状等の種々の多角柱状の第１ピエゾ素子についても収容部４８に容易に点接触させることができる。

【0044】

また、本実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡１０において、第１Ｚ駆動装置３２をＺ軸方向に移動させる第２Ｚ駆動装置３４をさらに備える。

【0045】

これにより、第１Ｚ駆動装置３２および第２Ｚ駆動装置３４を用いて、探針３８および試料１の一方を他方に対してＺ軸方向に移動させることができる。したがって、試料１の種類等に応じて、探針３８に対する試料１のＺ軸方向の移動量および移動速度等を柔軟に設定でき、試料１が損傷することをさらに抑制できる。

【0046】

また、本実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡１０において、第２Ｚ駆動装置３４は、第１ピエゾ素子４２よりもＺ軸方向における伸縮量が大きい第２ピエゾ素子を有する。

【0047】

これにより、第１Ｚ駆動装置３２を用いて、探針３８に対して試料１をＺ軸方向に小さくかつ速く移動させ、第２Ｚ駆動装置３４を用いて、探針３８に対して試料１をＺ軸方向に大きく移動させることによって、小さくかつ速い移動と大きい移動とに分離した制御が可能となり、移動精度を向上できる。

【0048】

次に、土台の他の例について説明する。図７は、土台の他の例を示す図であり、（ａ－１）は、角錐状に凹む収容部４８ａを有する土台４０ａを示す図であり、（ａ－２）は、（ａ－１）のＩＩ－ＩＩ線断面図であり、（ｂ－１）は、曲面状に凹む収容部４８ｂを有する土台４０ｂを示す図であり、（ｂ－２）は、（ｂ－１）のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図である。また、図７の（ｃ－１）は、土台４０ｃを貫通する収容部４８ｃを有する土台４０ｃを示す図であり、（ｃ－２）は、（ｃ－１）のＩＶ－ＩＶ線断面図であり、（ｄ－１）は、土台４０ｄを貫通する収容部４８ｄを有する土台４０ｄを示す図であり、（ｄ－２）は、（ｄ－１）のＶ－Ｖ線断面図である。

【0049】

図７の（ａ－１）および（ａ－２）を参照して、土台４０ａについて説明する。土台４０ａは、Ｚ軸方向に直交する方向の直径が土台４０よりも大きく、収容部４８に代えて収容部４８ａを有する点において、土台４０と異なる。土台４０ａは、収容部４８ａにおいて第１ピエゾ素子４２を少なくとも３点で保持する。収容部４８ａは、Ｚ軸方向の一方側に開口しており、Ｚ軸方向の一方側に第１ピエゾ素子４２が露出するように、第１ピエゾ素子４２を収容する。収容部４８ａは、Ｚ軸方向の他方側に向かって漸次狭くなるように角錐状に凹んでいる。具体的には、収容部４８ａは、第１ピエゾ素子４２を収容するための空間４９ａがＺ軸方向の他方側に向かって漸次狭くなるように、角錐状に凹んでいる。

【0050】

これにより、角柱状の第１ピエゾ素子４２を収容部４８ａに容易に点接触させることができる。また、円柱状の第１ピエゾ素子、および円筒状の第１ピエゾ素子についても収容部４８ａに容易に点接触させることができる。

【0051】

図７の（ｂ－１）および（ｂ－２）を参照して、土台４０ｂについて説明する。土台４０ｂは、収容部４８に代えて収容部４８ｂを有する点において、土台４０と異なる。土台４０ｂは、収容部４８ｂにおいて第１ピエゾ素子４２を４点で保持する。収容部４８ｂは、Ｚ軸方向の一方側に開口しており、Ｚ軸方向の一方側に第１ピエゾ素子４２が露出するように、第１ピエゾ素子４２を収容する。収容部４８ｂは、Ｚ軸方向の他方側に向かって漸次狭くなるように曲面状に凹んでいる。具体的には、収容部４８ｂは、第１ピエゾ素子４２を収容するための空間４９ｂがＺ軸方向の他方側に向かって漸次狭くなるように、曲面状に凹んでいる。

【0052】

これにより、角柱状の第１ピエゾ素子４２を収容部４８ｂに容易に点接触させることができる。また、四角柱状に限らず、三角柱状および五角柱状等の種々の多角柱状の第１ピエゾ素子についても収容部４８ｂに容易に点接触させることができる。

【0053】

図７の（ｃ－１）および（ｃ－２）を参照して、土台４０ｃについて説明する。土台４０ｃは、Ｚ軸方向の寸法が土台４０ａよりも小さい点において、土台４０ａと異なる。収容部４８ｃは、Ｚ軸方向において土台４０ｃを貫通する点において、収容部４８ａと異なる。収容部４８ｃは、第１ピエゾ素子４２を収容するための空間４９ｃがＺ軸方向の他方側に向かって漸次狭くなるように、形成されている。

【0054】

これにより、角柱状の第１ピエゾ素子４２を収容部４８ｃに容易に点接触させることができる。また、円柱状の第１ピエゾ素子、および円筒状の第１ピエゾ素子についても収容部４８ｃに容易に点接触させることができる。

【0055】

図７の（ｄ－１）および（ｄ－２）を参照して、土台４０ｄについて説明する。土台４０ｄは、Ｚ軸方向の寸法が土台４０ｂよりも小さい点において、土台４０ｂと異なる。収容部４８ｄは、Ｚ軸方向において土台４０ｄを貫通する点において、収容部４８ｂと異なる。収容部４８ｄは、第１ピエゾ素子４２を収容するための空間４９ｄがＺ軸方向の他方側に向かって漸次狭くなるように、形成されている。

【0056】

これにより、角柱状の第１ピエゾ素子４２を収容部４８ｄに容易に点接触させることができる。また、四角柱状に限らず、三角柱状および五角柱状等の種々の多角柱状の第１ピエゾ素子についても収容部４８ｄに容易に点接触させることができる。

【0057】

以上、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡および第１Ｚ駆動装置について、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。

【0058】

上述した実施の形態では、走査型プローブ顕微鏡１０が、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）である場合について説明したが、これに限定されない。たとえば、走査型プローブ顕微鏡は、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）等であってもよい。

【0059】

上述した実施の形態では、カンチレバー１４が、水溶液３６内に設けられる場合について説明したが、これに限定されない。たとえば、カンチレバーは、空気中に設けられてもよい。この場合、走査型プローブ顕微鏡によって、空気中において試料を観察できる。また、空気中において試料を観察する場合、フィルム４４は必ずしも必要ではない。

【0060】

上述した実施の形態では、ＸＹ駆動装置３０が、探針３８（プローブ）に対して試料１をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させる場合について説明したが、これに限定されない。たとえば、ＸＹ駆動装置は、試料に対してプローブをＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させてもよい。

【0061】

上述した実施の形態では、第１Ｚ駆動装置３２が、探針３８（プローブ）に対して試料１をＺ軸方向に移動させる場合について説明したが、これに限定されない。たとえば、第１Ｚ駆動装置は、試料に対してプローブをＺ軸方向に移動させてもよい。

【0062】

上述した実施の形態では、ＸＹ駆動装置３０が、探針３８（プローブ）に対して試料１をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させ、第１Ｚ駆動装置３２が、探針３８（プローブ）に対して試料１をＺ軸方向に移動させる場合について説明したが、これに限定されない。たとえば、ＸＹ駆動装置が、試料に対してプローブをＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させ、第１Ｚ駆動装置が、プローブに対して試料をＺ軸方向に移動させてもよい。また、ＸＹ駆動装置が、プローブに対して試料をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させ、第１Ｚ駆動装置が、試料に対してプローブをＺ軸方向に移動させてもよい。

【0063】

上述した実施の形態では、土台４０が、第１ピエゾ素子４２を４点で保持する場合について説明したが、これに限定されない。たとえば、土台は、第１ピエゾ素子を、３点で保持してもよいし、５点以上で保持してもよいし、少なくとも３点以上で保持していればよい。

【0064】

上述した実施の形態では、第１ピエゾ素子４２が、接着剤によって土台４０に接着される場合について説明したが、これに限定されない。たとえば、第１ピエゾ素子４２は、土台４０に接着されなくてもよい。この場合、第１ピエゾ素子４２を土台４０とフィルム４４とで挟むことによって、第１ピエゾ素子４２を容易に保持することができる。

【0065】

上述した実施の形態では、第１ピエゾ素子４２を覆うフィルム４４を設け、第１ピエゾ素子４２を防水する場合について説明したが、これに限定されない。たとえば、第１ピエゾ素子４２を覆うように樹脂を塗布して固めてコーティングすることによって、第１ピエゾ素子４２を防水してもよい。

【0066】

上述した実施の形態では、第１Ｚ駆動装置３２が、角柱状の第１ピエゾ素子４２を有する場合について説明したが、これに限定されない。たとえば、第１Ｚ駆動装置は、円柱状または円筒状等の第１ピエゾ素子を有していてもよい。

【0067】

上述した実施の形態では、走査型プローブ顕微鏡１０が、第２Ｚ駆動装置３４を備えている場合について説明したが、これに限定されない。たとえば、走査型プローブ顕微鏡は、第２Ｚ駆動装置を備えていなくてもよい。この場合、走査型プローブ顕微鏡は、ＸＹ駆動装置によって、プローブおよび試料のうち一方を他方に対してＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させ、第１Ｚ駆動装置によって、プローブおよび試料のうち一方を他方に対してＺ軸方向に移動させればよい。

【0068】

上述した実施の形態では、カンチレバー１４の探針３８がプローブに相当する場合について説明をしたが、これに限定されない。

【0069】

上述した実施の形態では、第１Ｚ駆動装置３２を備える走査型プローブ顕微鏡１０について説明したが、本発明は、第１Ｚ駆動装置３２のみによっても実現される。たとえば、対象物を微小に動かす装置のアクチュエータ等として実現される。

【産業上の利用可能性】

【0070】

本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡および第１Ｚ駆動装置は、試料表面の物理情報または試料の化学的性質を高速で観測する走査型プローブ顕微鏡またはプローブ走査装置に有用である。

【符号の説明】

【0071】

１０ 走査型プローブ顕微鏡
１２ ホルダ
１４ カンチレバー
１６ 発振部
１８ レーザユニット
２０ センサ
２２ 振幅検出部
２４ フィードバック制御部
２６ コンピュータ
２８ モニタ
３０ ＸＹ駆動装置
３２ 第１Ｚ駆動装置
３４ 第２Ｚ駆動装置
３６ 水溶液
３８ 探針
４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ 土台
４２ 第１ピエゾ素子
４４ フィルム
４６ 基質基板
４８，４８ａ，４８ｂ，４８ｃ，４８ｄ 収容部
５０ 電線
５２ ＰＩＤ
５４ 増幅器
５６ ＨＰＦ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】