(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーの振動を励起するカンチレバー励振装置であって、
カンチレバーと、
前記カンチレバーを保持するカンチレバーホルダーと、
前記カンチレバーホルダーに取り付けられる圧電振動子とを備え、
前記カンチレバーホルダーが、
前記圧電振動子と異なる音響インピーダンスを有し、前記圧電振動子の振動を弾性変形によって伝達する第１部分と、
前記第１部分と異なる音響インピーダンスを有し、音響波の伝播を遮断する材料境界を前記第１部分との間に形成する第２部分とを有し、
前記圧電振動子と前記カンチレバーの間に前記第１部分及び前記第２部分が介在していることを特徴とするカンチレバー励振装置。
【請求項２】
前記第１部分の音響インピーダンスが、前記圧電振動子の音響インピーダンスの２分の１以下であり、
前記第２部分の音響インピーダンスが、前記第１部分の音響インピーダンスの２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載のカンチレバー励振装置。
【請求項３】
前記第１部分の弾性率が前記第２部分の弾性率の１０分の１以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のカンチレバー励振装置。
【請求項４】
前記圧電振動子と前記第２部分との間に前記第１部分が介在し、前記第１部分と前記カンチレバーとの間に前記第２部分が介在することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のカンチレバー励振装置。
【請求項５】
前記第１部分が、弾性ヒンジを有するホルダー主部であり、
前記第２部分が、前記ホルダー主部に前記カンチレバーを取り付ける取付部材であり、
前記圧電振動子及び前記取付部材が前記弾性ヒンジの一方及び他方にそれぞれ取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載のカンチレバー励振装置。
【請求項６】
前記カンチレバーホルダーが、前記カンチレバーの変位の測定光を透過させる光学窓部材を有し、前記光学窓部材が前記ホルダー主部と異なる音響インピーダンスを有し、前記ホルダー主部との間に音響波の伝播を遮断する材料境界を形成していることを特徴とする請求項５に記載のカンチレバー励振装置。
【請求項７】
前記圧電振動子の全周を前記圧電振動子と異なる音響インピーダンスを有する少なくとも一の部材で取り囲むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のカンチレバー励振装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載のカンチレバー励振装置を備えた走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記カンチレバー励振装置は、前記カンチレバー及び前記カンチレバーを保持する前記カンチレバーホルダーの部分が液体に浸され、かつ、前記圧電振動子が取り付けられる前記カンチレバーホルダーの部分が液体から分離した状態で用いられることを特徴とする請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
圧電振動子の振動をカンチレバーに伝達して前記カンチレバーの振動を励起するカンチレバー励振方法であって、
前記圧電振動子と異なる音響インピーダンスを有し、前記圧電振動子の振動を弾性変形によって伝達する第１部分と、前記第１部分と異なる音響インピーダンスを有し、音響波の伝播を遮断する材料境界を前記第１部分との間に形成する第２部分とを備えるカンチレバーホルダーを設け、
前記第１部分及び前記第２部分が前記圧電素子及び前記カンチレバーの間に介在するように、前記圧電振動子と前記カンチレバーを配置し、
前記圧電振動子に励振電圧信号を印加し、
前記材料境界によって前記圧電振動子の音響波の伝播を制限しつつ、前記第１部分の弾性変形により前記圧電振動子の振動を前記カンチレバーに伝えて前記カンチレバーを励振することを特徴とするカンチレバー励振方法。
【請求項１１】
圧電振動子の振動をカンチレバーに伝達して前記カンチレバーの振動を励起するカンチレバー励振装置の製造方法であって、
カンチレバーホルダーの構成部品として第１部分及び第２部分を用意し、前記第１部分は、前記圧電振動子と異なる音響インピーダンスを有し、前記圧電振動子の振動を弾性変形によって伝達するための部品であり、前記第２部分は、前記第１部分と異なる音響インピーダンスを有し、音響波の伝播を遮断する材料境界を前記第１部分との間に形成するための部品であり、
前記第１部分及び前記第２部分が前記圧電素子及び前記カンチレバーの間に介在するように、前記圧電振動子、前記カンチレバー、前記第１部分及び前記第２部分を配置することを特徴とするカンチレバー励振装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【関連する出願】
【０００１】
本出願では、２００９年８月６日に日本国に出願された特許出願番号２００９−１８３７２３の利益を主張し、当該出願の内容は引用することによりここに組み込まれているものとする。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、圧電振動子を用いてカンチレバーの振動を励起するカンチレバー励振装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）が微小な試料の観察に用いられている。ＳＰＭとしては、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が知られている。【０００４】
ＡＦＭは、鋭くとがった探針を試料に対して近づけて、探針と試料の間に働く相互作用力を検出する。相互作用力を検出する力センサーとしては、探針を先端にもつ片持ち梁であるカンチレバーが用いられる。ＡＦＭは、相互作用力を一定に保つように探針−試料間の距離をフィードバック制御し、さらに、フィードバック制御を維持した状態で探針（または試料）を水平方向に走査する。これにより、探針（または試料）は、試料の凹凸をなぞるように上下する。そして、走査の軌跡を記録することにより、試料表面の凹凸像が得られる。【０００５】
一般的なＡＦＭの一つとしてダイナミックモードＡＦＭが知られている。ダイナミックモードＡＦＭは、カンチレバーを微小振幅で振動させ、探針−試料間相互作用力をカンチレバー振動の周波数・位相・振幅の変化として検出する。ダイナミックモードＡＦＭは、真空中、大気中だけでなく、液中環境で利用される。【０００６】
ダイナミックモードＡＦＭにおけるカンチレバーの励振手法としては、音響励振法が用いられる。音響励振法は、例えば、非特許文献１、非特許文献２及び非特許文献３に開示されている。【０００７】
音響励振法は、圧電振動子で発生させた音響波をカンチレバーに伝えてカンチレバーを励振する。音響励振法は、構成が比較的簡単であるために広範に用いられる。しかし、音響励振法には、液中環境での安定性や定量性などに問題が残されている。以下、音響励振法とその問題点について説明する。【０００８】
音響励振法は、圧電振動子に交流電位を印加することで音響波を発生させ、その音響波を媒質を介してカンチレバーへ効率的に伝搬して、カンチレバー振動を励起する。音響励振法では、カンチレバーホルダーなどを媒質として音響波が伝搬するため、ホルダー構造中の機械共振が励起される。液中ダイナミックモードＡＦＭでは、この構造共振がホルダー構造中に加えて溶液中を伝搬してカンチレバーに伝わる。そのため、カンチレバー励振信号に対するカンチレバー振動の位相や振幅の応答特性、すなわち、周波数応答特性が複雑化するという問題がある。【０００９】
さらに、真空中や大気中に比べ、液中では、カンチレバーの共振のＱ値が著しく低い。そのため、構造共振の影響が大きくなり、このことが、ダイナミックモードＡＦＭ計測の安定性や信頼性を低下させる原因となる。【００１０】
上記の問題を解決するために、カンチレバーを直接駆動することが考えられる。直接駆動法としては、磁気励振法（非特許文献４、非特許文献５）や光熱励振法（非特許文献６）が提案されている。磁気励振法では、カンチレバーに磁気コーティングが施され、又は磁気ビーズが付着される。光熱励振法では、カンチレバーに金薄膜が設けられ、赤外光又は紫外光が照射される。【００１１】
しかし、直接駆動法では磁性体や金属の薄膜をカンチレバーの背面へコーティングするプロセスが必要となる。液中ＡＦＭの場合には、それらの背面コート材料が溶出することによるコンタミネーションの増加が問題となる。また、背面へのコーティングのプロセスにおいて、探針の形成されている表側へのコート材料の回り込みを避けることは困難であり、探針の先鋭性低下が問題となる。さらにカンチレバー振動の駆動力を得るために、磁気コイル又はレーザー変調装置などが必要である。そのため、装置構成が複雑となり、汎用性が低い。このような背景のため、結局のところ、直接駆動法の用途は限られている。【００１２】
一方、音響励振法は、カンチレバー修飾を必要とせず、また、小さな圧電振動子と電位印加のための配線のみで実現できる。そのため、音響励振法はＡＦＭの分野において広範に利用されている。そこで、液中環境でダイナミックモードＡＦＭを使用する際にも、音響励振法を使うことが望まれる。しかしながら、既に説明したように、液中環境では、音響波の伝播により生じるカンチレバーホルダーの構造共振の影響でカンチレバーの周波数応答特性が複雑化するという問題がある。【００１３】
そこで、音響励振法と同レベルに簡単な構成でもって、周波数応答特性の複雑化を抑制できるカンチレバー励振手法の開発が強く望まれる。このようなカンチレバー励振手法が提供されれば、簡単な構成でもって、液中ダイナミックモードＡＦＭの安定性・信頼性を大幅に向上させることができると考えられる。【００１４】
上記の説明では、ダイナミックモードＡＦＭに関し、特に、液中環境で使用されるダイナミックモードＡＦＭを取り上げて、背景技術を説明した。しかし、カンチレバーを液中などで励振する任意の場合に、同様の事項が問題になり得る。すなわち、任意の用途のカンチレバー励振装置において同様の問題が生じ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平７−１５９４２２号公報
【特許文献２】特開２００６−１５３５７４号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】C.  Carrasco  et  al.,  "Cutting  down  the  forest  of  peaks  in  acoustic  dynamic  atomic  force  microscopy  in  liquid"  ,  Review  of  Scientific  Instruments  79,  American  Institute  of  Physics,  2008,  p.  126106-1-2
【非特許文献２】J.  Kokavecz  et  al.,  "Investigation  of  fluid  cell  resonances  in  intermittent  contact  mode  atomic  force  microscopy",  Applied  Physics  Letters  91,  American  Institute  of  Physics,  2007,  p.  023113-1-3
【非特許文献３】T.  E.  Schaffer  et  al.,  "Studies  of  vibrating  atomic  force  microscope  cantilevers  in  liquid",  J.  Appl.  Phys.,  American  Institute  of  Physics,  1  October  1996,  Vol.  80,  No.  7,  pp.  3622-3627
【非特許文献４】Wenhai  Han  et  al.,  "A  magnetically  driven  oscillating  probe  microscope  for  operation  in  liquids",  Appl.  Phys.  Lett.,  American  Institute  of  Physics,  23  December  1996,  Vol.  69,  No.  26,  pp.  4111-4113
【非特許文献５】S.  P.  Jarvis  et  al.,  "A  novel  force  microscope  and  point  contact  probe",  Rev.  Sci.  Instrum.,  American  Institute  of  Physics,  December  1993,  Vol.  64,  No.  12,  pp.  3515-3520
【非特許文献６】N.  Umeda  et  al.,  "Scanning  attractive  force  microscope  using  photothermal  vibration",  J.  Vac.  Sci.  Technol.  B,  American  Vacuum  Society,  March/April  1991,  Vol.  9,  No.  2,  pp.  1318-1322
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、上記背景の下でなされたものであり、その目的は、簡単な構成でもって、カンチレバーの周波数応答特性の複雑化を防ぐことができるカンチレバー励振装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の一態様は、カンチレバーの振動を励起するカンチレバー励振装置であって、カンチレバーと、前記カンチレバーを保持するカンチレバーホルダーと、前記カンチレバーホルダーに取り付けられる圧電振動子とを備え、前記カンチレバーホルダーが、前記圧電振動子と異なる音響インピーダンスを有し、前記圧電振動子の振動を弾性変形によって伝達する第１部分と、前記第１部分と異なる音響インピーダンスを有し、音響波の伝播を遮断する材料境界を前記第１部分との間に形成する第２部分とを有し、前記圧電振動子と前記カンチレバーの間に前記第１部分及び前記第２部分が介在している。【００１９】
なお、本願発明に関連する先行技術として、圧電振動子およびカンチレバーを支持する支持部に圧電振動素子の音響振動を伝えないように構成された装置（特許文献１）や、カンチレバーを保持するホルダーに圧電振動子の音響振動を伝えないように構成された装置（特許文献２）があるが、これらの先行技術はいずれも音響振動によってカンチレバーを励振させるのに対して、本願発明は、音響振動はカンチレバーに伝えないようにするとともに、弾性変形でカンチレバーを励振させるという点で、これらの先行技術とはまったく異なる技術思想に基づく発明である。【００２０】
前記第１部分の音響インピーダンスが、前記圧電振動子の音響インピーダンスの２分の１以下でよく、前記第２部分の音響インピーダンスが、前記第１部分の音響インピーダンスの２倍以上でよい。前記第１部分の弾性率が前記第２部分の弾性率の１０分の１以下でよい。【００２１】
前記圧電振動子と前記第２部分との間に前記第１部分が介在し、前記第１部分と前記カンチレバーとの間に前記第２部分が介在してよい。【００２２】
前記第１部分が、弾性ヒンジを有するホルダー主部であってよく、前記第２部分が、前記ホルダー主部に前記カンチレバーを取り付ける取付部材であってよく、前記圧電振動子及び前記取付部材が前記弾性ヒンジの一方及び他方にそれぞれ取り付けられていてよい。【００２３】
前記カンチレバーホルダーが、前記カンチレバーの変位の測定光を透過させる光学窓部材を有してよく、前記光学窓部材が前記ホルダー主部と異なる音響インピーダンスを有してよく、前記ホルダー主部との間に音響波の伝播を遮断する材料境界を形成してよい。【００２４】
前記圧電振動子の全周が、前記圧電振動子と異なる音響インピーダンスを有する少なくとも一の部材で取り囲まれてよい。【００２５】
本発明の別の態様は、上述したカンチレバー励振装置を備えた走査型プローブ顕微鏡である。この走査型プローブ顕微鏡において、前記カンチレバー励振装置が、前記カンチレバー及び前記カンチレバーを保持する前記カンチレバーホルダーの部分が液体に浸されていてよく、かつ、前記圧電振動子が取り付けられる前記カンチレバーホルダーの部分が液体から分離した状態で用いられてよい。【００２６】
本発明の別の態様は、圧電振動子の振動をカンチレバーに伝達して前記カンチレバーの振動を励起するカンチレバー励振方法であって、前記圧電振動子と異なる音響インピーダンスを有し、前記圧電振動子の振動を弾性変形によって伝達する第１部分と、前記第１部分と異なる音響インピーダンスを有し、音響波の伝播を遮断する材料境界を前記第１部分との間に形成する第２部分とを備えるカンチレバーホルダーを設け、前記第１部分及び前記第２部分が前記圧電素子及び前記カンチレバーの間に介在するように、前記圧電振動子と前記カンチレバーを配置し、前記圧電振動子に励振電圧信号を印加し、前記材料境界によって前記圧電振動子の音響波の伝播を制限しつつ、前記第１部分の弾性変形により前記圧電振動子の振動を前記カンチレバーに伝えて前記カンチレバーを励振する。【００２７】
本発明の別の態様は、圧電振動子の振動をカンチレバーに伝達して前記カンチレバーの振動を励起するカンチレバー励振装置の製造方法であって、カンチレバーホルダーの構成部品として第１部分及び第２部分を用意し、前記第１部分は、前記圧電振動子と異なる音響インピーダンスを有し、前記圧電振動子の振動を弾性変形によって伝達するための部品であり、前記第２部分は、前記第１部分と異なる音響インピーダンスを有し、音響波の伝播を遮断する材料境界を前記第１部分との間に形成するための部品であり、前記第１部分及び前記第２部分が前記圧電素子及び前記カンチレバーの間に介在するように、前記圧電振動子、前記カンチレバー、前記第１部分及び前記第２部分を配置する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明は、簡単な構成でもって、カンチレバーの周波数応答特性の複雑化を防ぐことができるカンチレバー励振装置を提供することができる。【００２９】
以下に説明するように、本発明には他の態様が存在する。したがって、この発明の開示は、本発明の一部の態様の提供を意図しており、ここで記述され請求される発明の範囲を制限することは意図していない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】（ａ）実施の形態におけるカンチレバー励振装置の底面図、（ｂ）実施の形態におけるカンチレバー励振装置の断面図、（ｃ）実施の形態におけるカンチレバー励振装置の断面図である。
【図２】（ａ）ホルダー主部の底面図、（ｂ）ホルダー主部の断面図、（ｃ）ホルダー主部の側面図である。
【図３】部品材料のヤング率、密度及び音響インピーダンスを示す図である。
【図４】カンチレバー励振装置が備えられる走査型プローブ顕微鏡の例を示す図である。
【図５】（ａ）本発明のカンチレバー励振装置における音響波の発生及び伝播の抑制を説明する図である。（ｂ）比較用の参考図であって、ホルダー主部の材料がステンレスである場合の音響波の発生及び伝播の様子を示す図である。
【図６】カンチレバー励振装置におけるカンチレバーホルダー断面の振動振幅分布の計算結果を示す図である。
【図７】カンチレバーの周波数応答特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下に本発明の詳細な説明を述べる。ただし、以下の詳細な説明と添付の図面は発明を限定するものではない。代わりに、発明の範囲は添付の特許請求の範囲により規定される。
【００３２】
以下、本発明の実施の形態のカンチレバー励振装置について、図面を用いて説明する。本実施の形態では、カンチレバー励振装置が、ダイナミックモードＡＦＭに適用される。特に、本実施の形態では、ダイナミックモードＡＦＭが液中で使用される。ただし、本発明はダイナミックモードＡＦＭに限定されず、その他の装置に適用されてよい。
【００３３】
本発明では、圧電振動子を固定するホルダー部材が、圧電振動子と音響インピーダンスが大きく異なる材料で作られる。このような材料を選択することで、音響波の発生を抑制する。更に、本発明は、圧電振動子の周囲に音響インピーダンスが大きく変わる材料境界を形成し、音響波の伝搬経路を遮断することで、カンチレバーホルダーの不要な構造共振の励起ならびに伝搬を制限する。したがって、構造共振の影響を抑え、カンチレバー周波数応答特性が複雑化するのを防ぐことができる。
【００３４】
本発明は、音響波の代わりに弾性変形を利用してカンチレバーを励振する。弾性変形を効率的に利用するために、本発明は、ホルダー部材に弾性率の比較的低い材料を選択し、また、圧電振動子を設置する部分に弾性ヒンジ構造を設ける。その結果、弾性ヒンジの変位を利用してカンチレバーを振動させることができ、ホルダー内の構造共振の影響を抑えながらカンチレバーを励振可能である。
【００３５】
本発明の装置は、ホルダー部材に保持された圧電振動子に電圧信号を印加する構成により実現される。したがって、装置構造は音響励振法と同様に簡単でよい。本発明は、圧電振動子を用いた簡便な装置構成によるカンチレバー励振法であっても、液中ダイナミックモードＡＦＭおよびフォースカーブ測定の定量性、安定性を著しく向上できる。
【００３６】
従来の音響励振法と本実施の形態を比較すると、それらは圧電振動子を用いた簡便な構成という点で共通している。しかし、従来の音響励振法が音響波を積極的に伝播するのと異なり、本発明は、音響波の発生及び伝播を抑制し、代わりに弾性変位によってカンチレバーを励振する。このような観点で、本発明の手法は、「弾性駆動機構（flexure  drive  mechanism）」と呼ぶことができる。
【００３７】
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、本実施の形態のカンチレバー励振装置を示している。図１（ａ）は底面図であり、図１（ｂ）、図１（ｃ）は、図１（ａ）の線Ａ−Ａ、線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【００３８】
装置概要としては、カンチレバー励振装置１が、円形のカンチレバーホルダー３と、カンチレバーホルダー３の上部及び下部にそれぞれ取り付けられた圧電振動子５及びカンチレバー７で構成されている。カンチレバーホルダー３は、ホルダー主部１１と、ホルダー主部１１にカンチレバー７を取り付けるための取付ピース１３と、光学窓部材１５とで構成される。ホルダー主部１１は本発明の第１部分に相当し、取付ピース１３は本発明の第２部分に相当し、また、取付部材に相当する。
【００３９】
ホルダー主部１１には、弾性変形を増大するために弾性ヒンジ２５が形成されている。弾性ヒンジ２５の片側に圧電振動子５が取り付けられ、反対側に取付ピース１３が取り付けられている。そして、取付ピース１３に、カンチレバー７のレバーベース部３３が取り付けられている。
【００４０】
カンチレバー励振装置１は、カンチレバー７が溶液に浸るように配置される。圧電振動子５はホルダー主部１１の反対側に位置しているので、溶液との接触を避けられる。したがって、圧電振動子５と溶液の電気的絶縁を保つことができる。これにより、圧電振動子の絶縁被覆の溶出による溶液の汚染を防ぐことができる。
【００４１】
ホルダー主部１１は、圧電振動子５と音響インピーダンスが大きく異なり、かつ弾性率が小さい材料でできている。また、取付ピース１３は、ホルダー主部１１と音響インピーダンスが大きく異なる材料でできている。これにより、後述にて詳細に説明するように、圧電振動子５からの音響波の発生及び伝播が効果的に抑制される。そして、本実施の形態では、音響波の代わりに弾性変位を利用してカンチレバー７が励振される。すなわち、圧電振動子５の振動が、弾性ヒンジ２５の弾性変位によって、カンチレバー７へと伝達され、カンチレバー７が振動する。弾性変位による励振についても後述にて詳細に説明する。
【００４２】
光学窓部材１５は、カンチレバー７の変位を光てこ法で検出するためのレーザー光路を確保している。光学窓部材１５もホルダー主部１１と音響インピーダンスが大きく異なる材料でできており、音響波の伝播を効果的に抑制する。
【００４３】
以上にカンチレバー励振装置１の概要を説明した。次に、カンチレバー励振装置１の構成の詳細を説明する。
【００４４】
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、ホルダー主部１１を示している。図２（ａ）は底面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の線Ｃ−Ｃに沿った断面図であり、図２（ｃ）は図２（ｂ）の矢印Ｄの方向から見た側面図である。
【００４５】
ホルダー主部１１は、円柱形状を有しており、取付領域２１と窓領域２３に分けられる。取付領域２１は、圧電振動子５及びカンチレバー７が取り付けられる領域であり、窓領域２３は光学窓部材１５が取り付けられる領域である。取付領域２１と窓領域２３は、図示のように中心からずれた直線で分けられる。取付領域２１と窓領域２３の間に段差が設けられており、窓領域２３の方が取付領域２１よりも厚く形成されている。
【００４６】
取付領域２１には弾性ヒンジ２５が設けられている。弾性ヒンジ２５とは、局部的に弾変形量が大きくなる部分である。本実施の形態では、図示のように、弾性ヒンジ２５は、取付領域２１の中央に設けられた局部的な薄肉部分であり、すなわち、ホルダー主部１１の両面に凹部２７、２９が設けられた部分である。
【００４７】
弾性ヒンジ２５の両側には圧電振動子５及び取付ピース１３が取り付けられている。圧電振動子５は、弾性ヒンジ２５の片面に取り付けられる。図の例では、圧電振動子５が弾性ヒンジ２５の上面、すなわち、ホルダー主部１１の取付領域２１における上側の凹部２７の底に取り付けられている。圧電振動子５はピエゾ素子であり、印加される電圧に応じて変形する。カンチレバー励振装置１では、交流電位信号が印加されて、圧電振動子５が振動する。圧電振動子５は薄板形状を有している。
【００４８】
取付ピース１３は、カンチレバー７をホルダー主部１１に取り付けるための部材である。取付ピース１３は弾性ヒンジ２５の一方側に取り付けられ、圧電振動子５は弾性ヒンジ２５の他方側に取り付けられ、これにより取付ピース１３と圧電振動子５が弾性ヒンジ２５を挟んでいる。図の例では、取付ピース１３が、弾性ヒンジ２５の下面、すなわち、ホルダー主部１１における下側の凹部２９の底に取り付けられている。
【００４９】
取付ピース１３は、ホルダー主部１１への被取付面と反対側に、レバー取付面３１を有している。レバー取付面３１は、ホルダー下面に対して傾斜しており、傾斜角は１３度である。このレバー取付面３１にカンチレバー７が取り付けられる。
【００５０】
カンチレバー７は、シリコン製であり、板状のレバーベース部３３と、レバーベース部３３の先端から突き出すレバー部３５とで構成され、レバー部３５は先端にプローブ（探針）を有する。レバーベース部３３、レバー部３５及びプローブは一体の部材である。取付ピース１３のレバー取付面３１が傾斜しているので、図示のようにカンチレバー７は、先端が下がるように斜めに取り付けられる。また、カンチレバー７は、レバー部３５の先端が光学窓部材１５に面する位置まで突き出し、光学窓部材１５に臨むように配置されている。
【００５１】
上述のようにカンチレバー７は溶液に浸るように配置される。一方、図２（ｂ）に示されるように、ホルダー主部１１において取付ピース１３が取り付けられる取り付け領域２１は、窓領域２３よりも薄く形成されている。この構成により、図１（ｂ）に示されるように、光学窓部材１５の底面が溶液に接するとともに、ホルダー主部１１の取付領域２１の底面は溶液に浸らないようにな溶液の量を設定できる。
【００５２】
また、取付領域２１には更に、弾性ヒンジ２５の両側に取付孔３７が設けられている。取付孔３７は、カンチレバー励振装置１をＡＦＭ等に固定するために用いられる。
【００５３】
窓領域２３には光学窓部材１５が設けられている。光学窓部材１５は円形であり、窓領域２３の円形の貫通孔に嵌め込まれている。光学窓部材１５は透明であり、本実施の形態ではガラスである。カンチレバー７の変位を測定するために、レーザ光が光学窓部材１５を通ってカンチレバー７に照射され、反射光が光学窓部材１５を通ってセンサ（図示せず）に受光される。
【００５４】
次に、カンチレバー励振装置１の各部品の適当な材料について説明する。既に述べたように、ホルダー主部１１は、圧電振動子５と比べて音響インピーダンスが大きく異なり、かつ、弾性率が小さい材料から作られる。取付ピース１３及び光学窓部材１５は、ホルダー主部１１と比べて音響インピーダンスが大きく異なる材料で作られる。
【００５５】
図３は、圧電振動子５、ホルダー主部１１、取付ピース１３、光学窓部材１５の適当な材料を例示している。図３には、各材料のヤング率ＥＹ、密度、音響インピーダンスＺａが示されている。
【００５６】
圧電振動子５の材料は、図３の最も上に示される通り、一般的な圧電材料としてのチタン酸ジルコン酸鉛（Lead  zirconate  titanate、ＰＺＴ）である。
【００５７】
材料群Ａは、取付ピース１３及び光学窓部材１５に適した材料である。このうち、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６は、取付ピース１３に適している。ＢＫ７はガラスであり、光学窓部材１５に適している。
【００５８】
材料群Ｂは、ホルダー主部１１に適した材料であり、特に、音響インピーダンスと弾性率が適当であり、化学的耐性も有する材料である。図３では、３種のエンジニアリングプラスチック、すなわち、ＰＥＥＫ（登録商標）（ポリエーテルエーテルケトン、polyetheretherketone）、ＰＯＭ（ポリオキシメチレン、polyoxymethylene、ジェラコン（登録商標））、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン、polytetrafluoroethylene、テフロン（登録商標））が示されている。
【００５９】
図３より、材料群Ａ（取付ピース１３、光学窓部材１５）の音響インピーダンスは、１０ｋｇ／ｍ２ｓ以上であり、材料群Ｂ（ホルダー主部１１）の音響インピーダンスは、５ｋｇ／ｍ２ｓ以下である。ホルダー主部１１の音響インピーダンスが、圧電振動子５の音響インピーダンスの２分の１以下であり、取付ピース１３、光学窓部材１５の音響インピーダンスが、ホルダー主部１１の音響インピーダンスの２倍以上であるということもできる。
【００６０】
また、図３より、材料群Ａのヤング率が１００ＧＰａ以上であり、材料群Ｂのヤング率が１０ＧＰａ以下である。ホルダー主部１１の弾性率が取付ピース１３の弾性率の１０分の１以下であるということもできる。
【００６１】
具体的に材料を選択する際に、溶液接触部分には化学耐性が必要であり、イオンが溶出するような材料は使用できない。また機械加工性も要求される。本実施の形態の例では、ホルダー主部１１の材料が、ＰＥＥＫ（登録商標）であり、取付ピース１３の材料がＳＵＳ３１６であり、光学窓部材１５の材料がＢＫ７である。これらは化学耐性、加工性の要求を好適に満たしている。
【００６２】
次に、カンチレバー励振装置１のサイズについて説明する。本実施の形態の例では、図３に示すように、ホルダー主部１１の直径は１０ｍｍである。取付領域２１の厚さは２．２ｍｍであり、窓領域２３の厚さは３ｍｍである。
【００６３】
取付領域２１と窓領域２３の境界線は、ホルダー中心から１ｍｍずれており、したがって、半径方向の弾性ヒンジ２５の長さは、４ｍｍである。弾性ヒンジ２５の幅は、２ｍｍである。凹部２７の深さは０．７ｍｍであり、凹部２９の深さは０．５ｍｍであり、弾性ヒンジ２５の厚さは、１ｍｍである。光学窓部材１５の直径は５ｍｍであり、窓中心はホルダー中心から１．５ｍｍずれている。
【００６４】
取付ピース１３の長さは３．５ｍｍであり、幅は２ｍｍであり、厚さは１．５ｍｍである。そして、レバー取付面３１の傾斜は既に述べたように１３度である。
【００６５】
その他、取付孔３７の直径は１．５ｍｍであり、２つの取付孔３７のピッチは５ｍｍである。
【００６６】
なお、ホルダー主部１１のヤング率、サイズ、構造は、弾性ヒンジ２５の共振周波数がカンチレバー７の共振周波数付近ないしはそれ以上の周波数になるように設計される。カンチレバー７の液中での共振周波数は、一般的には、１ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度であり、カンチレバー７の母材のサイズは、一般的には、幅１．６ｍｍ、長さ３．４ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ程度である。例えば、このサイズの母材を支持するのに適当な大きさで、かつこの範囲の周波数において変形可能な弾性ヒンジ２５を実現するためには、ホルダー主部１１としては１Ｇｐａ以上のヤング率をもつ材料が好適である。
【００６７】
次に、カンチレバー励振装置１の製造方法の一例を説明する。まず、構成部品であるホルダー主部１１、取付ピース１３、光学窓部材１５、圧電振動子５及びカンチレバー７を用意する。
【００６８】
そして、ホルダー主部１１及び取付ピース１３が、圧電振動子５及びカンチレバー７の間に介在するように、圧電振動子５、カンチレバー７、ホルダー主部１１及び取付ピース１３を配置する。例えば、取付ピース１３にカンチレバー７が取り付けられ、取付ピース１３がホルダー主部１１に取り付けられ、圧電振動子５もホルダー主部１１に取り付けられる。また、光学窓部材１５がホルダー主部１１の貫通孔に嵌め込まれる。
【００６９】
こうして、カンチレバー励振装置１が作られる。カンチレバー励振装置１は例えば下記のＡＦＭに取り付けられる。
【００７０】
次に、図４を参照し、本実施の形態のカンチレバー励振装置１が備えられる走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の例を説明する。この例では、ＳＰＭがＡＦＭであり、特に、ＦＭ（Frequency  Modulation）−ＡＦＭである。ＦＭ−ＡＦＭは、カンチレバーを共振周波数で自励発振させ、カンチレバーと試料の相互作用による共振周波数のシフト量を一定値に維持するようにＺ方向のフィードバック制御（Ｚ位置制御）を行う。ＦＭ−ＡＦＭは、空間分解能が高く、また、非接触モードでも使用できる。
【００７１】
図４において、ＡＦＭ５１は、カンチレバー５３と試料ホルダ５５を備える。試料ホルダ５５がスキャナ装置５６に取り付けられている。カンチレバー５３はレバーホルダ５７に保持されている。カンチレバー５３は探針５９を有しており、試料ホルダ５５上の試料に近接するように配置される。
【００７２】
ＡＦＭ５１は、カンチレバー５３のＺ方向の変位を検出する変位センサ６１を備える。レバー駆動制御部６３はレバー変位に基づいてレバーアクチュエータ６５（圧電素子）を制御し、カンチレバー５３を自励発振させる。カンチレバー５３が自励発振した状態で探針５９が試料に接近すると、探針５９と試料の相互作用に応じてカンチレバー５３の共振周波数がシフトする。共振周波数シフト検出回路６７は、レバー変位に基づいてカンチレバー５３の共振周波数シフトを検出する。フィードバック回路６９は、共振周波数シフトの検出値と目標値の差分に応じたフィードバック信号を生成する。走査制御部７１は、フィードバック信号に従ってスキャナ装置５６のＺ軸方向の駆動を制御する。また、走査制御部７１は、コンピュータ７３から供給されるＸＹ走査の制御データに従ってスキャナ装置５６にＸＹ方向の走査を行わせる。
【００７３】
このようにして、スキャナ装置５６は、ＸＹ走査を行いながら、探針５９と試料の距離を一定に保つＺ位置制御を行う。Ｚ位置制御のフィードバック回路の出力信号は、試料のＺ方向の高さに対応する。コンピュータ７３は、ＸＹ走査の制御データとＺ位置制御のフィードバック回路の出力信号とに基づいて、試料表面の画像を生成してモニタ７５に表示する。３次元画像が好適に生成され、表示される。
【００７４】
図４においては、カンチレバー５３、レバーホルダ５７、レバーアクチュエータ６５が、上述の本実施の形態のカンチレバー７、カンチレバーホルダー３及び圧電振動子５とそれぞれ対応し、本発明のカンチレバー励振装置１を構成する。図４に示されないが、レバーホルダ５７は、上述のようにホルダ主部、取付ピース及び光学窓部材で構成される。変位センサ６１は、光てこ式であり、光学窓部材を通してレバー変位を検出する。また、ＡＦＭ５１は液中にて好適に使用される。
【００７５】
以上に本実施の形態のカンチレバー励振装置１が設けられるＳＰＭの例を説明した。次に、カンチレバー励振装置１による励振動作を説明する。
【００７６】
カンチレバー７を励振するために、圧電振動子５に励振信号が印加される。励振信号は、ＡＦＭの回路から供給される電圧信号であり、周期的に変化する。励振信号は典型的には正弦波（余弦波）である。
【００７７】
励振信号が印加されると、圧電振動子５が振動し、この振動が、カンチレバーホルダー３を介してカンチレバー７へ伝達される。ここで、本実施の形態の特徴として、音響波の発生及び伝播が抑制され、その代わりに弾性変形によって振動が伝達されて、カンチレバー７が振動する。
【００７８】
以下、音響波の発生及び伝播の抑制と、ホルダー弾性変形による励振について、それぞれ説明する。
【００７９】
「音響波の発生及び伝搬の抑制」
圧電振動子５による音響波の発生および伝搬は、圧電振動子５とそれを固定する部材の音響インピーダンス（Ｚａ）の値が大きく異なるときに抑制される。本装置は、この特性を利用して音響波の発生および伝搬を抑え、音響波に起因した構造共振の影響を著しく低下させて、カンチレバー７の周波数応答特性の複雑化を防ぐ。
【００８０】
図５（ａ）は、本実施の形態による音響波の抑制を説明するための図である。一方、図５（ｂ）は、比較を目的とした参考図であり、ホルダー主部の材料が取付ピースと同じステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）である場合の音響波の発生と伝播を示している。
【００８１】
図５（ａ）に示すように、本実施の形態では、圧電振動子５の材料がＰＺＴ（Ｚａ＝３３×１０６ｋｇ／ｍ２ｓ）であり、ホルダー主部１１の材料がエンジニアリングプラスチック（ＰＥＥＫ（登録商標）、Ｚａ＝３．２×１０６ｋｇ／ｍ２ｓ）である。したがって、圧電振動子５の音響インピーダンスよりもホルダー主部１１の音響インピーダンスが１桁以上低い。このように音響インピーダンスが異なる部材で圧電振動子５を保持することにより、音響波の発生を抑えられ、発生する音響波の強さが大幅に小さくなる。
【００８２】
更に、本実施の形態は、発生する音響波の強さを小さくするだけでなく、音響波の伝播を抑制する。これは下記の材料境界により実現される。
【００８３】
図５（ａ）において、ピース側境界８１は、ホルダー主部１１と取付ピース１３の間の境界であり、窓側境界８３は、ホルダー主部１１と光学窓部材１５の間の境界である。前述したように、本実施の形態では、取付ピース１３の材料がステンレス鋼（ＳＵＳ３１６、Ｚａ＝３６×１０６ｋｇ／ｍ２ｓ）であり、光学窓部材１５の材料がガラス（ＢＫ７、Ｚａ＝１１×１０６ｋｇ／ｍ２ｓ）である。したがって、ホルダー主部１１の音響インピーダンスは、これらの取付ピース１３、光学窓部材１５の音響インピーダンスより大幅に小さい。
【００８４】
音響インピーダンスのマッチングは、材料境界における音響波の透過率に影響する。音響インピーダンスがそれぞれＺａ１とＺａ２の値をもつ２種の材料が形成する境界を考える。このような材料境界に対して音響波が垂直に入射される場合、音響波のエネルギーの透過率は以下の式で表わされる。この式は、音響インピーダンスのミスマッチが大きくなれば、透過率が低下することを示している。
Ｔｅ＝（４・Ｚａ１・Ｚａ２）／（Ｚａ１＋Ｚａ２）２
【００８５】
本実施の形態において、ピース側境界８１（ホルダー主部１１と取付ピース１３の間）では、透過率Ｔｅが約０．３１であり、窓側境界８３（ホルダー主部１１と光学窓部材１５の間）では透過率Ｔｅが約０．７１である。
【００８６】
このように、ピース側境界８１、窓側境界８３では透過率が低く、音響波はこれら境界で反射、減衰する。これらピース側境界８１、窓側境界８３は、圧電振動子５とカンチレバー７の間に位置しており、圧電振動子５の周囲の材料境界として機能し、圧電振動子５からカンチレバー７への音響波の伝達経路を遮断する。
【００８７】
図５（ａ）と図５（ｂ）を比較する。図５（ｂ）ではホルダー主部１１の材料が取付ピース１３と同じステンレス鋼である。この場合、ホルダー主部１１の音響インピーダンスが、取付ピース１３と同じであり、更に、圧電振動子５とほぼ同じであり、光学窓部材１５とも近い。そのため、音響波の発生が抑制されない。また、圧電振動子の周囲に存在する境界においても音響波が反射されず、透過率が高くなる。これに対して、本実施の形態では、音響波の発生及び伝播が抑制され、カンチレバー振動特性への音響波の影響を大幅に低減できる。
【００８８】
図５（ａ）から明らかなように、本実施の形態では、材料境界は、圧電振動子５の周囲の全部を覆ってはいない。このように、本発明の範囲内で、材料境界は、音響波の影響を十分に低減でき、本発明の効果を十分に得られる範囲に設けられてよい。ただし、本発明の範囲で、材料境界が、圧電振動子５の周囲の全部に設けられてもよい。例えば、圧電振動子の全周がプラスチック等の材料で覆われ、さらにその全周がステンレス等の材料で覆われてよい。
【００８９】
「弾性変形を利用したカンチレバー励振」
既に述べたように、本実施の形態では、音響波の発生及び伝搬を抑える代わりに、弾性ヒンジの弾性変形を利用してカンチレバー振動を励起する。
【００９０】
図１（ｃ）に示したように、本実施の形態では、ホルダー主部１１に、ヒンジ構造を有する弾性ヒンジ２５が設けられている。弾性ヒンジ２５の片側（上面）に圧電振動子５が固定され、反対側（下面）に取付ピース１３が固定されている。この構成は、圧電振動子５は弾性ヒンジ２５の変形を効率的に誘起し、反対側に固定された取付ピース１３を直接振動させることができる。
【００９１】
図６は、本発明者が弾性変形による振動振幅を調べるために行った、二次元モデルを用いた有限要素法（ＦＥＭ）による計算の結果を示している。上側は、本発明のカンチレバー励振装置の計算結果であり、ホルダー主部１１の材料がエンジニアリングプラスチック（ＰＥＥＫ（登録商標））であり、取付ピース１３の材料がステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）である。下側は、比較のための計算の結果であり、ホルダー主部１１及び取付ピース１３の材料が共にステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）である。計算の条件としては、圧電振動子５へ印加される励振信号が、交流電位Ｖｐ−ｐ＝１（Ｖ）、加振周波数ｆ＝１４８ｋＨｚに設定された。
【００９２】
上側の計算結果に示されるように、本実施の形態では、ホルダー主部１１の弾性率が低いため（ヤング率ＥＹ＝３．５ＧＰａ）、変位振幅が大きくなった。弾性ヒンジ２５の反対側（取付ピース側）の部分と、そこに取り付けられた取付ピース１３の振幅が大きくなり、取付ピース１３及びカンチレバー７を効率的に励振できることが明らかとなった。
【００９３】
一方、下側の計算結果に示されるように、ホルダー主部１１の材料をステンレス鋼に置き換えた場合、ステンレス鋼の弾性率が高いため（ＥＹ＝１９７ＧＰａ）、弾性変形が大幅に小さく、振幅もほぼ０であった。
【００９４】
「防水機能について」
本実施の形態は、以下に説明するように、圧電振動子５の防水の観点でも有利である。本実施の形態では、カンチレバーホルダー３を挟んで片側に圧電振動子５が配置され、反対側にカンチレバー７が配置され、カンチレバー７が液中に浸される。更に、光学窓部材１５も好適に設けられる。このような構成により、圧電振動子５と溶液との接触を避けることができ、圧電振動子５と溶液の電気的絶縁を保つことができる。
【００９５】
圧電振動子５と液体の接触を避けるためには、防水ポリマーで圧電振動子５を覆うことも考えられる。しかし、防水ポリマーは溶液を吸収して膨潤し、探針の試料に対する相対位置を変動させるため、測定精度低下の要因になる。このような防水ポリマーを使わなくても圧電振動子５と溶液の接触を避けることができるので、本実施の形態は有利であり、測定精度を向上できる。
【００９６】
上記の防水機能は、本発明の主要な利点である音響波の影響の抑制と周波数応答特性の向上にも関係している。この点について従来の音響励振法に言及しながら説明する。
【００９７】
既に本発明の背景技術として説明したように、音響励振法では、音響波が、圧電振動子とカンチレバーの間のホルダー部材の構造共振を励起し、カンチレバーの周波数応答特性を複雑化する。圧電振動子とカンチレバーが遠いと、音響波の経路が多く、複雑であり、その結果、カンチレバーの周波数応答特性が複雑になる。そこで、周波数応答特性を改善するためには、圧電振動子とカンチレバーを近づけることが考えられる。カンチレバーの近くに圧電振動子を配置する場合には圧電振動子の防水が必要である。しかし、一般的な防水手段としての防水ポリマーを使うと、防水ポリマーが膨潤し、測定精度を低下させる要因になる。
【００９８】
これに対して、本実施の形態では、圧電振動子５とカンチレバー７が、カンチレバーホルダー３（ホルダー主部１１及び取付ピース１３）を介して離れて位置しているが、音響波の影響が少ない。そして、このような構成により、圧電振動子５と液体の直接接触を避けることができている。このように、本発明は、簡単な構成で音響波の悪影響を防ぎつつ良好な共振特性を得られるだけでなく、更には圧電振動子５の防水機能を容易に実現できるという利点をも得られる。
【００９９】
上述のように、ホルダー主部１１の取付領域２１が窓領域２３よりも薄く形成されており、かつ、圧電振動子５には、ホルダー主部１１の取付領域２１及び取付ピース１３を介してカンチレバー７が取付けられる。この構成により、カンチレバー７を溶液に浸すために、カンチレバー７が取り付けられる取付ピース１３の一部も同時に溶液に浸したとしても、ホルダー主部１１の取付領域２１までも溶液に浸す必要はなく、従って、取付領域２１に対して取付ピース１３とは反対側に取り付けられた圧電振動子５が溶液に接触することを確実に防止できる。
【０１００】
なお、本実施の形態ではホルダー主部１１の取付領域２１が液面に接触しない構成を作用しているが、このことは圧電振動子１５が溶液に接触しないようにするための必須の構成ではない。重要なことは、圧電振動子１５と、溶液に浸されるカンチレバー７との間に、取付ピース１３およびホルダー主部１１が介在することによって、圧電振動子５と液体の直接接触を回避しているということである。
【０１０１】
「周波数応答特性」
図７は、本実施の形態のカンチレバー励振装置１を用いて計測したカンチレバー７の振幅・位相対周波数曲線を示している。使用したカンチレバー７はシリコン製であり、共振周波数は１４８ｋＨｚであり、Ｑ値（Ｑ−ｆａｃｔｏｒ）は７．６であった。
【０１０２】
図７において、左側の２つのグラフ（ａ）（ｂ）は、比較のためのデータであり、ホルダー主部１１の材料としてステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）が用いられたときの計測結果である。上側のグラフ（ａ）が、振幅−周波数曲線であり、すなわち、横軸が周波数、縦軸が振幅である。また、下側のグラフ（ｂ）は、位相−周波数曲線であり、すなわち、横軸が周波数、縦軸が位相である。グラフ（ａ）（ｂ）の測定において、ホルダー材料以外の構成（部品形状、部品材料等）は、本実施の形態のカンチレバー励振装置１と同様であった。
【０１０３】
左上のグラフ（ａ）は、励振信号電圧が５０ｍＶ、１００ｍＶ、１５０ｍＶのときの測定結果を示している。図示のように、ステンレス鋼を用いた場合、音響波が発生及び伝搬することで、カンチレバーホルダー３中の構造共振を励起し、その結果、多数の不要な振動ピークがカンチレバー共振周波数（１４８ｋＨｚ）付近に生じている。
【０１０４】
左下のグラフ（ｂ）においては、測定結果の位相−周波数曲線が、カンチレバー７のＱ値から計算された曲線と共に示されている。励振信号電圧が５０ｍＶ、１００ｍＶ、１５０ｍＶで測定結果が概ね同じであったため、１つの測定結果が示されている。
【０１０５】
グラフ（ｂ）に示されるように、計算された位相−周波数曲線においては、位相が共振周波数付近で一定のスロープに沿って変化する。しかし、実測結果の位相−周波数曲線では、共振周波数付近に大きな乱れが生じており、また位相遅れが大きくなっている。
【０１０６】
本実施の形態のカンチレバー励振装置１は、例えば前出の周波数変調原子間力顕微鏡（ＦＭ−ＡＦＭ）に好適に適用される。ＦＭ−ＡＦＭは、共振周波数付近の位相スロープを用いて探針−試料間距離を制御する。そのため、位相−周波数曲線の乱れは、定量性や安定性を著しく低下させる要因となる。
【０１０７】
一方、図７において、右側の２つのグラフ（ｃ）（ｄ）は、本発明に係るカンチレバー励振装置１におけるレバー励振特性の測定結果であり、ホルダー主部１１の材料がエンジニアリングプラスチック（具体的にはＰＥＥＫ（登録商標））である。ここでも、上側のグラフ（ｃ）が、振幅−周波数曲線であり、下側のグラフ（ｄ）が位相−周波数曲線である。
【０１０８】
本発明によれば、カンチレバー７の共振周波数と一致した単一ピークが観察されている。位相−周波数曲線も単調に変化する。また位相遅れも、ステンレス鋼を用いた場合と比較して極めて小さくなっている。位相−周波数曲線が共振周波数付近で単調に変化していることから、計測後に定量的な補正が可能である。
【０１０９】
また、振幅特性のグラフ（ａ）（ｃ）を比較すると、ステンレス鋼を用いた場合と比較して、本発明の方が振幅が大きい。すなわち、本発明では、励振電圧に対する振幅の値が大きくなる。このことは、弾性ヒンジ構造の弾性変形によって、カンチレバー振動が効率的に励起されていることを示している。
【０１１０】
実際、現状の音響励振法では、図７の左側のグラフ（ａ）（ｂ）に示されるようにカンチレバーの周波数応答特性がかなり複雑である。音響励振法は、ホルダーを介してカンチレバーを駆動しており、間接駆動といえる。間接駆動は構造が簡単であるが、ホルダーの構造共振が、カンチレバーの周波数応答特性を複雑化する。これに対して、本発明は、図７の右側のグラフ（ｃ）（ｄ）に示されるように、構造が簡単な間接駆動法でありながらも、周波数応答特性の複雑化を避けることができ、そして、磁気励振法や光熱励振法といった直接駆動法よりも簡便に実装および利用できるという極めて優れた効果が得られる。
【０１１１】
以上に本発明の好適な実施の形態について説明した。上記の実施の形態では、ホルダー主部１１及び取付ピース１３が、本発明の第１部分及び第２部分に相当する。本発明では、第１部分が、圧電振動子と異なる音響インピーダンスを有し、圧電振動子の振動を弾性変形によって伝達する。第２部分は、第１部分と異なる音響インピーダンスを有し、音響波の伝播を遮断する材料境界を第１部分との間に形成する。そして、これら第１部分及び第２部分が、圧電振動子とカンチレバーの間に介在している。
【０１１２】
このような構成により、圧電振動子と第１部分の音響インピーダンスが異なるので、音響波の発生が抑制される。また、第１部分と第２部分との間に、音響インピーダンスが変化する材料境界が形成され、音響波の伝播経路が遮断される。その一方、第１部分が、弾性変形することによって圧電振動子の振動を伝達する。
【０１１３】
上記発明では、カンチレバー励振装置が、従来の音響励振法と同様に圧電振動子を用いた簡単な構成を有する。しかし、従来の音響励振法が積極的に音響波を伝達するのと大きく異なり、本発明は音響波の発生及び伝播を抑える。これにより、本発明は、音響波に起因する構造共振の励起及び伝播を制限し、構造共振の影響を抑え、カンチレバー周波数応答特性の複雑化を防いでいる。音響波の代わりとして、本発明は、弾性変形を利用して圧電振動子の振動を伝達し、カンチレバーを励振する。このようにして、簡単な構成でもって、周波数応答特性の複雑化を抑えることができるカンチレバー励振装置を提供できる。
【０１１４】
また、図３を参照して説明したように、本発明では、第１部分（ホルダー主部１１）の音響インピーダンスが、圧電振動子の音響インピーダンスの２分の１以下であり、第２部分（取付ピース１３）の音響インピーダンスが、第１部分の音響インピーダンスの２倍以上でよい。このような音響インピーダンスの設定により、音響波の発生を効果的に抑制できる。また、音響波の伝播経路を効果的に遮断するように材料境界を形成できる。
【０１１５】
また、第１部分の弾性率が第２部分の弾性率の１０分の１以下でよい。このような弾性率の設定により、圧電振動子の振動を効果的にカンチレバーに伝達できる。
【０１１６】
また、上述の実施の形態では、第１部分が、ホルダー主部１１であり、第２部分が、ホルダー主部１１にカンチレバー７を取り付ける取付ピース１３（取付部材）であり、ホルダー主部１１に弾性ヒンジ２５が設けられ、圧電振動子５及び取付ピース１３が弾性ヒンジ２５の一方及び他方にそれぞれ取り付けられている。このような構成により、弾性ヒンジ２５を利用して圧電振動子５の振動を効果的にカンチレバー７に伝達できる。
【０１１７】
本発明の範囲内で、弾性ヒンジは図１の構成に限定されない。弾性ヒンジは、ヒンジ領域（部材の少なくとも一部の領域）の弾性変形をヒンジ領域周囲よりも増大する構造を有する。典型的には、局所的な薄肉部によって弾性ヒンジが形成される。各種の弾性ヒンジが本発明に適用されてよい。
【０１１８】
ヒンジ構造の変形例としては、２つの薄肉部が、圧電振動子５及び取付ピース１３の取付位置の両側に設けられてよい。この場合、２つの薄肉部とそれらにより挟まれた部分が、弾性ヒンジとして機能する。
【０１１９】
また、別の変形例では、ヒンジ領域の部材が、周囲部分の部材と異なってよい。例えば板状の部材がホルダー主部の開口などに取り付けられる。板状部材の弾性率が周囲のホルダー主部より小さくてよい。この板状部材の両側に圧電振動子と取付部材が固定されてよい。
【０１２０】
また、上述の実施の形態では、カンチレバーホルダーがホルダー主部と取付ピースで構成されており、つまり、１つの第１部分と１つの第２部分で構成されている。しかし、本発明の範囲内で、カンチレバーホルダーは、複数の第１部分を備えてよい。また、カンチレバーホルダーは、複数の第２部分を備えてよい。例えば、複数の第１部分及び複数の第２部分が交互に積層されてよい。
【０１２１】
また、上述の実施の形態で説明されたように、カンチレバーホルダー３が、カンチレバー７の変位の測定光を透過させる光学窓部材１５を有してよく、光学窓部材１５がホルダー主部１１と異なる音響インピーダンスを有し、ホルダー主部１１との間に音響波の伝播を遮断する材料境界を形成してよい。
【０１２２】
このような構成により、光学窓部材１５も音響波の伝播経路の遮断に寄与し、構造共振の影響の低減に寄与する。したがって、光学窓部材を設けた構成においても、カンチレバーの周波数応答特性の複雑化を効果的に防ぐことができる。
【０１２３】
また、上述の実施の形態では、圧電振動子５の一部が露出しており、ホルダー主部１１と接していない。また、材料境界も圧電振動子５の周囲の全体には形成されていない。しかし、本発明の範囲で、圧電振動子５の全周が、圧電振動子５と異なる音響インピーダンスを有する少なくとも一の部材で取り囲まれてよい。さらにその周囲が、異なる音響インピーダンスを有する部材で囲まれてよい。このような構成により、更に確実に音響波の影響を抑え、カンチレバーの周波数応答特性の複雑化を効果的に防ぐことができる。
【０１２４】
また、本発明の一態様は、上記のカンチレバー励振装置１を備えた走査型プローブ顕微鏡である。この構成により、カンチレバーの周波数応答特性の複雑化を防ぎ、良好な特性を用いて測定を行える。
【０１２５】
本発明は、特に、液中ダイナミックモードＡＦＭに適しており、周波数応答特性が複雑でないので、フォースカーブ測定の定量性、安定性を著しく向上でき、測定の安定性及び信頼性を向上できる。
【０１２６】
また、本発明は、可能な範囲で液中ダイナミックモードＡＦＭ以外にも適用されてよい。例えば、本発明はＳＮＯＭ（走査型近接場光学顕微鏡；scanning  near-field  optical  microscope）に適用されてよい。ＳＮＯＭはＡＦＭの原理を応用しており、ＡＦＭの一種ということもできる。
【０１２７】
本発明の別の態様は、上述したように圧電振動子の振動をカンチレバーに伝達してカンチレバーの振動を励起するカンチレバー励振方法である。また、本発明の別の態様は、上述したようなカンチレバー励振装置の製造方法である。
【０１２８】
これら別の態様によっても本発明の利点が同様に得られる。また、本発明の各種の付加的構成は、上述のカンチレバー励振装置以外の各種態様にも適用されてよい。
【０１２９】
以上に本発明の好適な実施の形態を説明した。しかし、本発明は上述の実施の形態に限定されず、当業者が本発明の範囲内で上述の実施の形態を変形可能なことはもちろんである。
【０１３０】
以上に現時点で考えられる本発明の好適な実施の形態を説明したが、本実施の形態に対して多様な変形が可能なことが理解され、そして、本発明の真実の精神と範囲内にあるそのようなすべての変形を添付の請求の範囲が含むことが意図されている。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
以上のように、本発明にかかるカンチレバー励振装置は、カンチレバーの周波数応答特性を改善できるという効果を有し、液中ダイナミックモードＡＦＭなどに好適に用いられる。
【符号の説明】
【０１３２】
１  カンチレバー励振装置
３  カンチレバーホルダー
５  圧電振動子
７  カンチレバー
１１  ホルダー主部
１３  取付ピース
１５  光学窓部材
２１  取付領域
２３  窓領域
２５  弾性ヒンジ
３１  レバー取付面
３３  レバーベース部
３５  レバー部
３７  取付孔
８１  ピース側境界
８３  窓側境界
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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