(57)【要約】【課題】圧電素子と水溶液の接触が防止された、高速なＺ走査に対して良好な追従性を有する走査機構を提供する。【解決手段】Ｚ走査機構１２０は圧電素子１２２と保護板１２８と被覆１２６とを有している。圧電素子１２２の上端は、ＸＹステージ１１０に固定されている。圧電素子１２２の自由端の端面には、圧電素子１２２の自由端の端面全体を覆うように保護板１２８が固定されている。保護板１２８は、少なくとも圧電素子１２２のヤング率と同程度以上のヤング率を有している。圧電素子１２２は側面全体が被覆１２６によって水密に覆われている。保護板１２８には、観察試料が固定される試料台１４０が着脱可能に固定されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が固定された伸縮変位する圧電素子と、
前記圧電素子の自由端の端面全体を覆って前記圧電素子の前記自由端の端面に水密に固定された、少なくとも前記圧電素子のヤング率と同程度以上のヤング率を有している保護板と、
前記圧電素子の側面全体を水密に覆っている被覆とを有している、走査機構。
【請求項２】
請求項１に記載の走査機構に取り付けられる試料台であり、
前記保護板に直接的に固定される、少なくとも前記圧電素子のヤング率と同程度以上のヤング率を有している試料台本体と、
前記試料台本体に水密に固定された、前記保護板の周囲に張り出す保護シートとを有している、試料台。
【請求項３】
カンチレバーと、
観察試料が固定された試料台を前記カンチレバーに対向させて保持し、前記観察試料と前記カンチレバーを互いに相対的にＺ方向に走査するＺ走査機構と、
前記観察試料と前記カンチレバーを互いに相対的に前記Ｚ方向に垂直なＸＹ方向に走査するＸＹ走査機構と、
前記カンチレバーのＺ方向の変位を検出する変位センサーとを有しており、
前記Ｚ走査機構が、
一端が固定された伸縮変位する圧電素子と、
前記圧電素子の自由端の端面全体を覆って前記圧電素子の前記自由端の端面に水密に固定された、少なくとも前記圧電素子のヤング率と同程度以上のヤング率を有している保護板と、
前記圧電素子の側面全体を水密に覆っている被覆とを有している、原子間力顕微鏡。
【請求項４】
前記試料台が、
前記保護板に直接的に固定される、少なくとも前記圧電素子のヤング率と同程度以上のヤング率を有している試料台本体と、
前記試料台本体に水密に固定された、前記保護板の周囲に張り出す保護シートとを有している、請求項３に記載の原子間力顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子間力顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
水溶液中での分子レベルの観察を行なう液中観察用の原子間力顕微鏡が知られている。なかでも、高速走査の原子間力顕微鏡は、試料が固定された試料台を移動させることにより、試料とカンチレバーの間のＸＹＺ走査を行なう。この種の原子間力顕微鏡では、試料台とＺ走査用のＺスキャナを軽量に保つため、試料台は、Ｚスキャナを構成するＺ圧電素子に直接固定される。試料台のＺ圧電素子への固定には、軽量化のためネジやばねなどの機構は使用されず、積層型Ｚ圧電素子の下面と試料台の間に数μｍ以下の厚さのワックスまたは樹脂系の接着剤または吸着剤が使用される。
【０００３】
測定の際、試料台は水溶液に浸される。このためＺ圧電素子の周囲には防水用の被覆が液密に設けられている。また、測定環境である水溶液に接触する試料台は測定毎に清浄になっている必要がある。このため、試料台の交換に際しては、試料台そのものを清浄とするとともに、積層型Ｚ圧電素子の試料台固定面に付着したワックスまたは接着剤または吸着剤は、水溶液の清浄を維持するため、測定ごとにきれいに取り除かれなければならない。ワックスまたは接着剤または吸着剤の除去は、溶剤を使用して溶かしたり、溶剤を含んだ紙などでふき取ったり、金属ヘラなどで物理的に剥がしたりして行なう。
【０００４】
その際、Ｚ圧電素子の周囲の防水用の被覆に溶剤がかかったり、Ｚ圧電素子に物理的なゆがみが生じたりすることがある。これにより、被覆がはがれ、Ｚ圧電素子と水溶液が接触することがある。Ｚ圧電素子と水溶液の接触は、Ｚ圧電素子の電極部分を損傷させ、最悪の場合にはＺ圧電素子を破壊する可能性もある。
【０００５】
特開平７−１２５５３号公報は、液中観察用の試料走査の原子間力顕微鏡を開示している。この原子間力顕微鏡では、Ｚ圧電素子と試料の間に防水性の封止シートが設けられている。さらに、カンチレバーを支持する支持部材と封止シートと間には封止部材が設けられている。封止シートと封止部材と支持部材とで囲まれた空間に水溶液を注入するようにしている。
【特許文献１】特開平７−１２５５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特開平７−１２５５３号公報の原子間力顕微鏡では、Ｚ圧電素子と水溶液の分離を図っているが、Ｚ圧電素子と試料の間に塩化ビニルまたはテフロン（登録商標）の膜で構成された封止シートが存在するため、Ｚ圧電素子の変位に対して封止シートが弾性変形することにより試料の微動動作に遅れが生じる。このような遅れは、高速に走査を行なうためにＺ圧電素子の制御を限界まで早く行なおうとする際には邪魔な要因になる。つまり、高速なＺ走査に対する走査機構の追従性を低下させる。
【０００７】
本発明は、この様な実状を考慮して成されたものであり、その目的は、圧電素子と水溶液の接触が防止された、高速なＺ走査に対して良好な追従性を有する走査機構及び原子間力顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による走査機構は、一端が固定された伸縮変位する圧電素子と、前記圧電素子の自由端の端面全体を覆って前記圧電素子の前記自由端の端面に水密に固定された、少なくとも前記圧電素子のヤング率と同程度以上のヤング率を有している保護板と、前記圧電素子の側面全体を水密に覆っている被覆とを有している。
【０００９】
本発明による試料台は、前記保護板に直接的に固定される、少なくとも前記圧電素子のヤング率と同程度以上のヤング率を有している試料台本体と、前記試料台本体に水密に固定された、前記保護板の周囲に張り出す保護シートとを有している。
【００１０】
本発明による原子間力顕微鏡は、カンチレバーと、観察試料が固定された試料台を前記カンチレバーに対向させて保持し、前記観察試料と前記カンチレバーを互いに相対的にＺ方向に走査するＺ走査機構と、前記観察試料と前記カンチレバーを互いに相対的に前記Ｚ方向に垂直なＸＹ方向に走査するＸＹ走査機構と、前記カンチレバーのＺ方向の変位を検出する変位センサーとを有している。前記Ｚ走査機構は、一端が固定された伸縮変位する圧電素子と、前記圧電素子の自由端の端面全体を覆って前記圧電素子の前記自由端の端面に水密に固定された、少なくとも前記圧電素子のヤング率と同程度以上のヤング率を有している保護板と、前記圧電素子の側面全体を水密に覆っている被覆とを有している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、圧電素子と水溶液の接触が防止された、高速なＺ走査に対して良好な追従性を有する走査機構及び原子間力顕微鏡が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１３】
＜第一実施形態＞
本実施形態によるＺ走査機構を図１に示す。本実施形態のＺ走査機構は、液中観察用の原子間力顕微鏡での使用を想定している。
【００１４】
図１に示すように、Ｚ走査機構１２０は、一端が固定された伸縮変位する圧電素子１２２と、圧電素子１２２の自由端の端面全体を覆って圧電素子１２２の自由端の端面に水密に固定された、少なくとも圧電素子１２２のヤング率と同程度以上のヤング率を有している保護板１２８と、圧電素子１２２の側面全体を水密に覆っている被覆１２６とを有している。
【００１５】
圧電素子１２２は、たとえば積層型圧電素子で構成される。積層型圧電素子は、側面に一対の電極１２４を有しており、電極１２４への電圧印加に応じてＺ方向（紙面内上下方向）に伸縮変位する。圧電素子１２２の一端すなわち上端は、Ｚ走査機構１２０をＸＹ方向に走査するためのＸＹ走査機構であるＸＹステージ１１０に固定されている。圧電素子１２２のＸＹステージ１１０への固定は、たとえば、ＸＹステージ１１０の下面および圧電素子１２２の上端面の面粗さ程度の厚さの接着剤でなされる。
【００１６】
圧電素子１２２の自由端の端面には、圧電素子１２２の自由端の端面全体を覆うように保護板１２８が固定されている。つまり、保護板１２８は、圧電素子１２２の下端面の各辺から若干はみ出すように圧電素子１２２の下端に貼り付けられている。保護板１２８は、少なくとも圧電素子１２２のヤング率と同程度以上のヤング率を有している。たとえば、保護板１２８は、圧電素子１２２のヤング率以上のヤング率を有している。保護板１２８は好ましくは絶縁材料で構成される。保護板１２８は、たとえばアルミナやジルコニアなどのセラミックスで構成されてよい。しかし保護板１２８は、すくなくとも圧電素子１２２と同程度以上のヤング率を有していればよく、上記のセラミックスに限らず、溶融石英やフリント系のガラスなどで構成されてもよい。
【００１７】
圧電素子１２２は側面全体が被覆１２６によって水密に覆われている。被覆１２６は、たとえば、絶縁性の樹脂などで構成される。被覆１２６は、ＸＹステージ１１０から保護板１２８に至るまでの圧電素子１２２の周面上に存在しているが、保護板１２８の側面には回り込んでいない。
【００１８】
保護板１２８には、観察試料が固定される試料台１４０が着脱可能に固定されている。試料台１４０の保護板１２８への固定は、たとえば、保護板１２８と試料台１４０の接触面の面粗さと同程度の厚さのたとえばワックス１３０によってなされる。ワックス１３０の代わりに、樹脂系の接着剤または粘着剤を使用してもよい。
【００１９】
液中観察用の原子間力顕微鏡に使用した場合、Ｚ走査機構１２０は、試料台１４０と共に、部分的に水溶液１６０に浸される。つまり、保護板１２８と被覆１２６の一部とが水溶液と接触する。観察試料の交換は、試料台１４０ごと行なう。つまり、保護板１２８から試料台１４０を取り外し、別の観察試料が固定された別の試料台１４０を保護板１２８に固定する。その際、試料台１４０の固定に使用されるワックス１３０（または接着剤または粘着剤）はきれいに除去する必要がある。ワックス１３０の除去は、通常、溶剤を使用してワックス１３０を溶かしたり、ピンセットや金属ヘラなどで剥がし取ったりして行なう。
【００２０】
本実施形態では、圧電素子１２２の自由端に保護板１２８が固定されており、この保護板１２８に試料台１４０が固定されているので、ワックス１３０を溶かす溶剤が圧電素子１２２の側面を覆っている被覆１２６に接触したり、ピンセットや金属ヘラなどで加える力がじかに圧電素子１２２に作用したりすることが避けられる。これにより、被覆１２６の破損や劣化が防止され、圧電素子１２２と水溶液１６０の接触が防止される。また、圧電素子１２２への直接の損傷も避けられる。
【００２１】
また、保護板１２８が、少なくとも圧電素子１２２のヤング率と同程度以上のヤング率を有しているので、圧電素子１２２のＺ変位が試料台１４０に正しく伝達される。これにより、原子間力顕微鏡の測定精度が向上する。
【００２２】
＜第二実施形態＞
本実施形態は、第一実施形態の試料台１４０に代えて使用可能な別の試料台１４０Ａに関している。本実施形態による試料台１４０Ａが取り付けられたＺ走査機構を図２に示す。図２において、図１に示した部材と同一の参照符号で示した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００２３】
図２に示すように、試料台１４０Ａは、保護板１２８に直接的に着脱可能に固定される試料台本体１４２と、試料台本体１４２に水密に固定された防水性の保護シート１４４とを有している。観察試料は試料台本体１４２に固定される。試料台本体１４２は、少なくとも圧電素子１２２のヤング率と同程度以上のヤング率を有している。たとえば、試料台本体１４２は、圧電素子１２２のヤング率以上のヤング率を有している。保護シート１４４は、試料台本体１４２が保護板１２８に固定されたとき、保護板１２８の周囲に張り出す。
【００２４】
具体的には、保護シート１４４は貫通穴１４４ａを有し、試料台本体１４２は凸部１４２ａを有している。保護シート１４４は、貫通穴１４４ａに凸部１４２ａが通された状態で試料台本体１４２に接着されている。試料台本体１４２の凸部１４２ａは保護板１２８に着脱可能に固定されている。試料台１４０Ａの保護板１２８への固定は、たとえば、保護板１２８と試料台１４０Ａの凸部１４２ａの接触面の面粗さと同程度の厚さのワックスまたは接着剤または粘着剤によってなされる。
【００２５】
本実施形態では、Ｚ走査機構１２０に接着される試料台１４０Ａが保護板１２８の周囲に張り出す保護シート１４４を有しているので、被覆１２６と保護板１２８が水溶液１６０にぬれることが防止され、圧電素子１２２と水溶液１６０の接触が第一実施形態に比べてさらに良好に防止される。
【００２６】
＜第三実施形態＞
本実施形態は、第二実施形態の保護板１２８に代えて使用可能な別の保護板１２８Ａに関している。本実施形態による保護板１２８Ａを備えたＺ走査機構を図３に示す。図３において、図２に示した部材と同一の参照符号で示した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００２７】
図３に示すように、保護板１２８Ａは、試料台本体１４２の凸部１４２ａよりも大きい径の凹部１２８Ａａを有している。試料台本体１４２の凸部１４２ａの段差は、保護板１２８Ａの凹部１２８Ａａの段差と保護シート１４４の厚さとを足した寸法よりも大きい。試料台本体１４２の凸部１４２ａは保護板１２８Ａの凹部１２８Ａａに着脱可能に固定されている。試料台１４０Ａの保護板１２８Ａへの固定は、たとえば、保護板１２８Ａの凹部１２８Ａａと試料台１４０Ａの凸部１４２ａの接触面の面粗さと同程度の厚さのワックスなどの接着剤または粘着剤によってなされる。
【００２８】
試料台本体１４２の凸部１４２ａの段差は、保護板１２８Ａの凹部１２８Ａａの段差と保護シート１４４の厚さとを足した寸法よりも大きいので、試料台本体１４２の凸部１４２ａは保護板１２８Ａの凹部１２８Ａａとじかに接触する。したがって、圧電素子１２２の変位は、保護シート１４４に吸収されることなく、試料台本体１４２に伝達される。
【００２９】
本実施形態では、保護板１２８Ａが、試料台本体１４２の凸部１４２ａを受ける凹部１２８Ａａを有しているので、試料台１４０Ａの交換の際、試料台１４０Ａの位置が安定する。
【００３０】
＜第四実施形態＞
本実施形態は、第一実施形態〜第三実施形態で説明したＺ走査機構１２０を使用した液中観察用の原子間力顕微鏡２００に関している。本実施形態による原子間力顕微鏡２００を図４に示す。
【００３１】
図４に示すように、原子間力顕微鏡２００は、カンチレバー２３０と、観察試料が固定された試料台１４０をカンチレバー２３０に対向させて保持し、観察試料とカンチレバー２３０を互いに相対的にＺ方向に走査するＺ走査機構１２０と、観察試料とカンチレバー２３０を互いに相対的にＺ方向に垂直なＸＹ方向に走査するＸＹ走査機構であるＸＹステージ１１０と、カンチレバー２３０のＺ方向の変位を検出する変位センサー２６０とを有している。
【００３２】
カンチレバー２３０はカンチレバーホルダー２２０に取り付けられており、カンチレバーホルダー２２０はベースプレート２１０の上に設けられている。
【００３３】
Ｚ走査機構１２０は、第一実施形態〜第三実施形態の説明に関連して図１〜図３に示したもののいずれかで構成されている。Ｚ走査機構１２０はＸＹステージ１１０に固定され、ＸＹステージ１１０はスキャナ枠２５０に支持され、スキャナ枠２５０はベースプレート２１０に設けられた粗動ステージ２４０に支持されている。
【００３４】
カンチレバー２３０と観察試料のＺ方向の間隔は、粗動ステージ２４０によってＸＹステージ１１０とＺ走査機構１２０がＺ方向に移動されることによって粗動され、またＺ走査機構１２０によって試料台１４０がＺ方向に移動されることによって微動されることにより制御される。
【００３５】
また、カンチレバー２３０と観察試料のＸＹ方向の相対位置は、ＸＹステージ１１０によってＺ走査機構１２０と共に試料台１４０がＸＹ方向に移動されることによって制御される。
【００３６】
測定は、たとえば、次のように行なわれる。
【００３７】
カンチレバー２３０と試料台１４０の周辺空間に水溶液１６０が供給され、カンチレバー２３０と試料台１４０が水溶液１６０に浸される。カンチレバー２３０と観察試料がＸＹステージ１１０によってＸＹ走査される。ＸＹ走査のあいだ、変位センサー２６０がカンチレバー２３０のＺ変位を検出し、検出されるカンチレバー２３０のＺ変位を一定に維持するようにＺ走査機構１２０が制御される。ＸＹ走査による位置情報とＺ走査機構１２０の制御情報とに基づいて観察試料の表面の三次元画像が構築される。
【００３８】
本実施形態の原子間力顕微鏡２００では、Ｚ走査機構１２０が第一実施形態〜第三実施形態で説明したもののいずれかで構成されているので、Ｚ走査機構１２０の圧電素子１２２と水溶液１６０の接触が防止されるとともに、カンチレバー２３０のＺ変位が正しく検出される。
【００３９】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第一実施形態によるＺ走査機構を示している。
【図２】本発明の第二実施形態による試料台が取り付けられたＺ走査機構を示している。
【図３】本発明の第三実施形態による保護板を備えたＺ走査機構を示している。
【図４】本発明の第四実施形態による原子間力顕微鏡を示している。
【符号の説明】
【００４１】
１１０…ＸＹステージ、１２０…Ｚ走査機構、１２２…圧電素子、１２４…電極、１２６…被覆、１２８…保護板、１２８Ａ…保護板、１２８Ａａ…凹部、１３０…ワックス、１４０…試料台、１４０Ａ…試料台、１４２…試料台本体、１４２ａ…凸部、１４４…保護シート、１４４ａ…貫通穴、１６０…水溶液、２００…原子間力顕微鏡、２１０…ベースプレート、２２０…カンチレバーホルダー、２３０…カンチレバー、２４０…粗動ステージ、２５０…スキャナ枠、２６０…変位センサー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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