(57)【要約】  原子間力顕微鏡（１００）は、カンチレバー（１０２）の自由端に設けられた探針（１０１）と試料（１０３）の間に相互作用を生じさせながら、ＸＹ平面に沿ったカンチレバーと試料の間の相対的なラスター走査をおこなって試料情報を取得する。原子間力顕微鏡は、ラスター走査情報を生成するラスター走査情報生成部（１１４）と、ラスター走査情報に基づいて、ラスター走査を制御するラスター走査制御部（１０８）と、ラスター走査情報に基づいて、相互作用の大きさを制御する相互作用制御部（１１１）とを備えている。相互作用制御部は、ラスター走査のＸＹ平面に沿ったカンチレバーと試料の相対速度が相対的に減少するとき、相互作用の大きさを相対的に減少させる。
2017006436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーの自由端に設けられた探針と試料の間に相互作用を生じさせながら、ＸＹ平面に沿った前記カンチレバーと前記試料の間の相対的なラスター走査をおこなって試料情報を取得する原子間力顕微鏡であって、
ラスター走査情報を生成するラスター走査情報生成部と、
前記ラスター走査情報に基づいて、前記ラスター走査を制御するラスター走査制御部と、
前記ラスター走査情報に基づいて、前記相互作用の大きさを制御する相互作用制御部とを備え、
前記相互作用制御部は、前記ラスター走査のＸＹ平面に沿った前記カンチレバーと前記試料の相対速度が相対的に減少するとき、前記相互作用の大きさを相対的に減少させる、原子間力顕微鏡。
【請求項２】
前記相互作用制御部は、前記ラスター走査情報に基づいて前記カンチレバーと前記試料の相対速度に応じた相対速度情報を生成する相対速度情報生成部を備え、
前記相互作用制御部は、前記相対速度情報に基づいて、前記相互作用の大きさを制御する、請求項１に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項３】
前記ラスター走査情報は、前記ラスター走査の走査領域の情報と、前記ラスター走査の走査周波数の情報のいずれかを少なくとも含んでいる、請求項２に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項４】
前記ラスター走査情報は、前記ラスター走査の走査領域の情報と、前記ラスター走査の走査周波数の情報の両方を含んでおり、
前記相対速度情報生成部は、前記ラスター走査の走査領域の情報と前記ラスター走査の走査周波数の情報を積算した情報に基づいて前記相対速度情報を生成する、請求項３に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項５】
前記ラスター走査情報は、前記ラスター走査の走査波形の情報を少なくとも含んでおり、
前記相対速度情報生成部は、前記ＸＹスキャナを制御するための走査波形の情報を微分処理した情報に基づいて前記相対速度情報を生成する、請求項４に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項６】
前記相互作用制御部は、前記ラスター走査のＸＹ平面に沿った前記カンチレバーと前記試料の相対速度が相対的に増加するとき、前記相互作用の大きさを相対的に増加させる、請求項１ないし５のいずれかひとつに記載の原子間力顕微鏡。
【請求項７】
前記カンチレバーと前記試料をＸＹ平面に垂直なＺ方向に沿って相対的に走査させるＺスキャナを備え、前記Ｚスキャナは、前記相互作用制御部によって制御され、
前記相互作用制御部は、前記カンチレバーと前記試料のＺ方向の相対距離を大きくさせることによって前記相互作用の大きさを相対的に減少させる、請求項６に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項８】
前記カンチレバーを振動させる加振器を備え、前記加振器は、前記相互作用制御部によって制御され、
前記相互作用制御部は、前記カンチレバーの振動振幅を小さくさせることによって前記相互作用の大きさを相対的に減少させる、請求項６に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項９】
カンチレバーの自由端に設けられた探針と試料の間に相互作用を生じさせながら、ＸＹ平面に沿った前記カンチレバーと前記試料の間の相対的なラスター走査をおこなって試料情報を取得する原子間力顕微鏡を制御する方法であって、
前記ラスター走査のＸＹ平面に沿った前記カンチレバーと前記試料の相対速度が相対的に減少するとき、前記相互作用の大きさを相対的に減少させることを有している、原子間力顕微鏡を制御する方法。
【請求項１０】
前記相互作用の大きさを相対的に減少させることは、前記カンチレバーと前記試料の前記相対速度に応じた相対速度情報を取得することと、前記相対速度情報をモニターすることを含んでおり、前記相対速度情報が前記相対速度の相対的な減少を示すとき、前記相互作用の大きさを相対的に減少させる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記相対速度情報を取得することは、前記ラスター走査の走査領域の情報と、前記ラスター走査の走査周波数の情報の少なくともいずれかに基づいておこなわれる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記相対速度情報を取得することは、前記ラスター走査の走査領域の情報と、前記ラスター走査の走査周波数の情報との積算情報に基づいておこなわれる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記相対速度情報を取得することは、前記ラスター走査の走査波形の情報を微分処理した情報に基づいておこなわれる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ラスター走査のＸＹ平面に沿った前記カンチレバーと前記試料の相対速度が相対的に増加するとき、前記相互作用の大きさを相対的に増加させることをさらに有している、請求項９ないし１３のいずれかひとつに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡、特に生物試料の観察に用いられる原子間力顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡(ＳＰＭ)は、機械的探針を機械的に走査して試料表面の情報を得る走査型顕微鏡であって、走査型トンネリング顕微鏡(ＳＴＭ)、原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)、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)などの総称である。 
走査型プローブ顕微鏡は、機械的探針と試料とを相対的にＸＹ方向にラスター走査しながら、試料の所望とする表面情報を機械的探針を介して得て、ディスプレイ上にマッピング表示する。なかでも原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭと呼ぶ）は、最も広く使用されている装置であり、機械的探針をその自由端に持つカンチレバー、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサ、カンチレバーと試料とを相対的に走査するスキャナを備えている。機械的探針と試料の間に力学的な相互作用を生じさせ、その力学的な相互作用によって生じるカンチレバーの変形に基づいて試料の情報を得る。【０００３】
近年、液体中において生体試料やゲルなどの柔らかい試料を観察するソフトマター観察用ＡＦＭが注目を集めている。このソフトマター観察用ＡＦＭにおいては、試料への影響を如何に小さくできるか、詳しくは、機械的探針と試料の間に働く力学的な相互作用に起因する試料の変形を如何に小さくできるか、が重要である。従来のソフトマター観察用ＡＦＭにおいては、例えば日本国特許第４０８３５１７号に示されるように、カンチレバーと試料の距離を一定に保つ閉ループ制御を工夫することによって相互作用の低減を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本国特許第４０８３５１７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
試料の変形は相互作用の大きさにほぼ線形であり、相互作用を小さくすることは確かに有効であるが、相互作用が働く時間も重要なパラメータである。ゲルなどの柔らかい試料の場合は、相互作用を小さくしたとしても、相互作用が働く時間が長くなるほど試料の変形が大きくなる傾向があるからである。これは、ゲルなどの柔らかい試料を観察するソフトマター観察用ＡＦＭにおいては大きな問題となりうる。【０００６】
しかしながら、従来のソフトマター観察用ＡＦＭにおいては、相互作用が働く時間を考慮した装置や方法の例の報告はまだない。【０００７】
本発明の目的は、ゲルなどの柔らかい試料において、相互作用が働く時間の影響を低減させることにより、試料の変形の低減が図られた原子間力顕微鏡およびその制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、カンチレバーの自由端に設けられた探針と試料の間に相互作用を生じさせながら、ＸＹ平面に沿ったカンチレバーと試料の間の相対的なラスター走査をおこなって試料情報を取得する原子間力顕微鏡に向けられている。この原子間力顕微鏡は、ラスター走査情報を生成するラスター走査情報生成部と、ラスター走査情報に基づいて、ラスター走査を制御するラスター走査制御部と、ラスター走査情報に基づいて、相互作用の大きさを制御する相互作用制御部とを備えている。相互作用制御部は、ラスター走査のＸＹ平面に沿ったカンチレバーと試料の相対速度が相対的に減少するとき、相互作用の大きさを相対的に減少させる。
【発明の効果】
【０００９】
この原子間力顕微鏡によれば、相互作用制御部によって、相互作用が働く時間が増加するときに相互作用の大きさが相対的に減少されることによって、試料の変形が低減される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第一の実施形態の原子間力顕微鏡を示している。
【図２】図２は、試料に対する探針の相対的なラスター走査の軌跡を示している。
【図３】図３は、図２に示されたラスター走査をＸスキャナとＹスキャナにおこなわせるためのＸ走査信号とＹ走査信号の波形を示している。
【図４】図４は、図３に示されたＸ走査信号の一部分を拡大して示している。
【図５】図５は、ラスター走査の走査領域に関する走査領域情報とラスター走査の走査周波数に関する走査周波数情報の一例を示している。
【図６】図６は、ラスター走査の軌跡に加えて、探針と試料の相対速度が小さくなる走査領域を示している。
【図７】図７は、ラスター走査のための走査信号の波形に加えて、探針と試料の相対速度が小さくなる走査領域にそれぞれ対応する信号領域を示している。
【図８】図８は、図７に示された走査信号の波形に加えて、ラスター走査による探針と試料の相対速度の変化を示している。
【図９】図９は、第二の実施形態の原子間力顕微鏡を示している。
【図１０】図１０は、図８に示されたＸ走査信号の波形と相対速度の変化に加えて、Ｘ走査信号の走査波形の情報を微分処理して得られた相対速度信号を示している。
【図１１】図１１は、カンチレバーと試料の相対速度が小さくなる走査領域と、これらの走査領域が走査領域全体から除かれた領域とを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜第一の実施形態＞
ゲルなどの柔らかい試料においては、探針と試料の間の相互作用が働く時間が長くなるほど、試料の変形は大きくなる傾向がある。
【００１２】
相互作用が働く時間を、試料表面のＸＹ平面に沿った単位長さを探針が通過する時間として考える。試料表面のＸＹ平面に沿った単位長さを探針が通過する時間は、ＸＹ平面に沿った探針と試料の相対速度の逆数に等しい。すなわち、相互作用が働く時間は、ＸＹ平面に沿った探針と試料の相対速度に反比例する。従って、相互作用が働く時間が長くなるほど試料の変形が大きくなる傾向は、探針と試料の相対速度が小さくなるほど試料の変形が大きくなる傾向と言い換えられてよい。なお、探針と試料の相対速度は、カンチレバーと試料の相対速度と等価である。
【００１３】
この傾向は、ラスター走査の走査領域が小さくされると、あるいは走査周波数が小さくされると、探針と試料の相対速度が小さくなり、その結果、試料の変形が大きくなるという問題を生じさせる。これはゲルなどの柔らかい試料を観察するソフトマター観察用ＡＦＭにおいては、非常に大きな問題である。
【００１４】
第一の実施形態は、この問題を解決するものであり、この第一の実施形態について、図１〜図５を用いて以下に説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態の原子間力顕微鏡１００を示している。原子間力顕微鏡１００は、自由端に探針１０１を有するカンチレバー１０２を有している。このカンチレバー１０２は、ホルダ１０４に保持されており、探針１０１が試料１０３と正対するように配置されている。試料１０３は、図示しない試料台を介してＺスキャナ１０７上に保持されている。
【００１６】
カンチレバー１０２の上部には、カンチレバー１０２の変位を光学的に検出するための光てこセンサ１０６が配置されている。この光てこセンサ１０６は、カンチレバー１０２の背面に集束されたレーザ光１０６ｂを照射するレーザ光源１０６ａと、カンチレバー１０２の背面から反射されたレーザ光１０６ｃを受けるマルチセグメントディテクタ１０６ｄと、マルチセグメントディテクタ１０６ｄの出力信号に基づいてカンチレバー１０２の変位信号を算出して出力する演算アンプ１０６ｅから構成されている。演算アンプ１０６ｅから出力されるカンチレバー１０２の変位信号には、後述するカンチレバー１０２の振動を反映した交流信号が含まれる。カンチレバー１０２の変位信号は、Ｚ制御部１１３に供給される。
【００１７】
ホルダ１０４上には圧電素子１０５が設けられている。圧電素子１０５は、ホルダ１０４を介してカンチレバー１０２を振動させる加振器として動作する。この圧電素子１０５は、加振信号発生器１１２により制御され、加振信号発生器１１２から出力される加振信号に基づいてカンチレバー１０２を振動させる。すなわち加振信号発生器１１２によってカンチレバー１０２の振動が制御される。
【００１８】
Ｚスキャナ１０７は、試料１０３を、カンチレバー１０２に対してＺ方向に沿って走査させるものである。Ｚスキャナ１０７は、Ｙスキャナ１０８ｂに搭載されたＸスキャナ１０８ａに搭載されている。Ｚスキャナ１０７は、Ｚ制御部１１３により制御される。詳しくは、Ｚ制御部１１３は、カンチレバー１０２の振動を反映した交流信号を含む変位信号を受け、その変位信号の例えば振幅値を一定に保つためのＺ走査信号を生成し、それに基づいてＺスキャナ１０７をＺ方向に沿って伸縮させ、試料１０３を、カンチレバー１０２に対してＺ方向に沿って走査させる。すなわちＺ制御部１１３によってカンチレバー１０２と試料１０３のＺ方向に沿った相対距離が制御される。Ｚ制御部１１３によって生成されたＺ走査信号は、試料情報取得部１１５にも供給される。
【００１９】
ラスター走査制御部１０８は、Ｘスキャナ１０８ａとＹスキャナ１０８ｂとＸＹ走査制御部１０８ｃを備えている。
【００２０】
Ｘスキャナ１０８ａとＹスキャナ１０８ｂは、試料１０３を、カンチレバー１０２に対してＸＹ平面に沿ってラスター走査させるものである。Ｘスキャナ１０８ａとＹスキャナ１０８ｂは、ＸＹ走査制御部１０８ｃにより制御される。Ｘスキャナ１０８ａとＹスキャナ１０８ｂは、ＸＹ走査制御部１０８ｃから出力されるＸ走査信号とＹ走査信号に基づいて、それぞれＸ方向とＹ方向に沿って変位し、それによって試料１０３を、カンチレバー１０２に対してＸＹ平面に沿ってラスター走査させる。
【００２１】
コントローラ１１０は、相互作用制御部１１１とＸＹ走査制御部１０８ｃとラスター走査情報生成部１１４と試料情報取得部１１５を有している。
【００２２】
ラスター走査情報生成部１１４は、所望のラスター走査に必要なラスター走査情報を生成する。ラスター走査情報は、ＸＹ走査制御部１０８ｃと相対速度情報生成部１１８と試料情報取得部１１５に供給される。ラスター走査情報は、ラスター走査の走査領域に関する走査領域情報と、ラスター走査の走査周波数に関する走査周波数情報の少なくともいずれかを含んでいる。本実施形態においては、周波数は周期の逆数であることから、ラスター走査の走査周波数に関する走査周波数情報は、ラスター走査の走査周期に関する走査周期情報に置き換えられてもよい。
【００２３】
ここで、ラスター走査の走査領域に関する走査領域情報とラスター走査の走査周波数に関する走査周波数情報について説明する。
【００２４】
図２は、試料１０３に対する探針１０１の相対的なラスター走査の軌跡を示している。このラスター走査の軌跡は従来の一般的なものである。図２において、ラスター走査の主走査線方向（走査速度の速い方向）をＸ方向としている。
【００２５】
図３は、図２に示されたラスター走査をＸスキャナ１０８ａとＹスキャナ１０８ｂにおこなわせるためのＸ走査信号とＹ走査信号の波形を示している。図３におけるＸ走査信号は、図４に示されるように、信号が増加から減少に変化する部分に丸みがつけられている。これは、Ｘ走査信号の高調波成分を減らすためであり、Ｘ走査信号とＹ走査信号によって動作されるＸスキャナ１０８ａとＹスキャナ１０８ｂの走査に起因する振動ノイズを減らす効果をもたらす。
【００２６】
図５は、ラスター走査情報に含まれる、ラスター走査の走査領域に関する走査領域情報とラスター走査の走査周波数に関する走査周波数情報の一例を示している。
【００２７】
図５において、ラスター走査の走査領域に関する走査領域情報は例えばＸ走査信号の全振幅であるＡｘである。このＡｘは、ラスター走査のＸ方向の走査領域の大きさにほぼ比例する。このＡｘがゼロのときは、ラスター走査のＸ方向の走査領域もゼロになる。すなわち、Ａｘがゼロであることは、ラスター走査の停止を意味する。本実施形態においては、ラスター走査の走査領域に関する走査領域情報の一例としてラスター走査のＸ方向の走査領域を用いるが、ラスター走査のＹ方向の走査領域を用いてもかまわない。なぜなら、一般的にはラスター走査のＸ方向の走査領域とＹ方向の走査領域は正の相関関係にあるからである。
【００２８】
また図５において、ラスター走査の走査周波数に関する走査周波数情報は、例えばＸ走査信号の走査周波数ｆｘである。この逆数は、Ｘ走査信号の走査周期Ｔｘに等しい。すなわち、ｆｘとＴｘの間には、Ｔｘ＝１／ｆｘの関係がある。このｆｘがゼロのときは、ラスター走査のＸ方向の走査停止を意味する。すなわち、ｆｘがゼロであることは、ラスター走査自体の停止を意味する。本実施形態においては、ラスター走査の走査周波数に関する走査周波数情報の一例としてラスター走査のＸ方向の走査周波数（または走査周期）を用いるが、ラスター走査のＹ方向の走査周波数（または走査周期）を用いてもかまわない。なぜなら、一般的にはラスター走査のＸ方向の走査周波数（または走査周期）とＹ方向の走査周波数（または走査周期）は正の相関関係にあるからである。
【００２９】
ＸＹ走査制御部１０８ｃでは、ラスター走査情報に基づいてＸ走査信号とＹ走査信号を生成する。従ってラスター走査は、ラスター走査情報に基づいて、Ｘスキャナ１０８ａとＹスキャナ１０８ｂとＸＹ走査制御部１０８ｃを備えたラスター走査制御部１０８によって制御される。
【００３０】
相互作用制御部１１１は、加振信号発生器１１２とＺ制御部１１３を備えている。従って圧電素子１０５は、加振信号発生器１１２を備えた相互作用制御部１１１によって制御可能になる。すなわち相互作用制御部１１１は、カンチレバー１０２の振動を制御し得る。またＺスキャナ１０７は、Ｚ制御部１１３を備えた相互作用制御部１１１によって制御可能になる。すなわち相互作用制御部１１１は、カンチレバー１０２と試料１０３のＺ方向に沿った相対距離を制御し得る。
【００３１】
また相互作用制御部１１１は、相対速度情報生成部１１８を備えている。相対速度情報生成部１１８は、供給されるラスター走査情報に基づいて、ＸＹ平面に沿ったカンチレバー１０２と試料１０３の相対速度に応じた相対速度情報を生成する。このＸＹ平面に沿ったカンチレバー１０２と試料１０３の相対速度に応じた相対速度情報は、ＸＹ平面に沿った探針１０１と試料１０３の相対速度に応じた相対速度情報と等しい。
【００３２】
ここで、ラスター走査情報に含まれるＸ走査信号の全振幅ＡｘやＸ走査信号の走査周波数ｆｘは、それぞれ単独では相対速度の絶対値は得られないが、相対速度の相対的な情報としては扱える。つまり相対速度の増減の判断は可能である。従って、相対速度情報として、Ｘ走査信号の全振幅であるＡｘやＸ走査信号の走査周波数ｆｘを単独で用いてもよい。また相対速度は、走査領域と走査周波数の積算値とほぼ等しいため、すなわち走査領域を走査周期で除算した値とほぼ等しいため、ラスター走査の走査領域に関する走査領域情報とラスター走査の走査周波数に関する走査周波数情報を積算した情報を相対速度情報として用いてもよい。この積算した情報は、相対速度の相対的な情報としてだけではなく、相対速度の変化の絶対値を示す情報としても扱える。
【００３３】
さらに相互作用制御部１１１は、相対速度情報に基づいて、例えば、カンチレバー１０２の振動の振幅を変化させる、あるいは、カンチレバー１０２と試料１０３のＺ方向に沿った相対距離を変化させる。
【００３４】
例えば、カンチレバー１０２の振動の振幅が変化すると、あるいは、カンチレバー１０２と試料１０３のＺ方向に沿った相対距離が変化すると、探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさが相対的に変化する。詳しくは、カンチレバー１０２の振動の振幅が大きくなると探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさは相対的に増加し、カンチレバー１０２の振動の振幅が小さくなると探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさは相対的に減少する。またカンチレバー１０２と試料１０３のＺ方向に沿った相対距離が大きくなると探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさは相対的に減少し、カンチレバー１０２と試料１０３のＺ方向に沿った相対距離が小さくなると探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさは相対的に増加する。
【００３５】
相対速度情報が、ＸＹ平面に沿ったカンチレバー１０２と試料１０３の相対速度の相対的な減少を示せば、相互作用制御部１１１は、例えば、カンチレバー１０２の振動の振幅を小さくさせることによって、あるいは、カンチレバー１０２と試料１０３のＺ方向に沿った相対距離を大きくさせることによって、探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさを相対的に減少させる。また相対速度情報が、ＸＹ平面に沿ったカンチレバー１０２と試料１０３の相対速度の相対的な増加（すなわち復帰）を示せば、相互作用制御部１１１は、例えば、カンチレバー１０２の振動の振幅を大きくさせることによって、あるいは、カンチレバー１０２と試料１０３のＺ方向に沿った相対距離を小さくさせることによって、探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさを相対的に増加させる。
【００３６】
このように、相互作用制御部１１１は、相対速度情報に基づいて、探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさを制御し得る。具体的には、相互作用制御部１１１は、相対速度情報が相対速度の相対的な減少を示せば、探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさを相対的に減少させ、相対速度情報が相対速度の相対的な増加を示せば、探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさを相対的に増加させる。
【００３７】
試料情報取得部１１５は、供給されるＺ走査信号とラスター走査情報に基づいて、試料情報、例えば表面形状情報をマッピングするための画像データを生成する。
【００３８】
試料情報表示器１１６は、試料情報取得部１１５で生成された画像データを表示する。
【００３９】
コントローラ１１０には、入力機器１１７が接続されている。入力機器１１７は、例えば、ここにおいて開示された制御方法のプログラムをコントローラ１１０にインストールしたり、観察領域を指定したり、観察開始や観察終了などの指令をコントローラ１１０に出したりするためのものである。
【００４０】
次に、このように構成された第一の実施形態の原子間力顕微鏡の動作の流れを説明する。
【００４１】
加振信号発生器１１２が加振信号を出力し、加振信号を加振器として動作する圧電素子１０５に供給する。
【００４２】
圧電素子１０５は、加振信号に基づいてカンチレバー１０２をその機械的共振周波数近傍で振動させる。
【００４３】
カンチレバー１０２の上部に配置された光てこセンサ１０６は、カンチレバー１０２の変位を検出し、カンチレバー１０２の振動を反映した交流信号が含まれる変位信号をＺ制御部１１３に供給する。
【００４４】
ラスター走査情報生成部１１４は、所望のラスター走査に必要なラスター走査情報を生成する。ラスター走査情報は、ＸＹ走査制御部１０８ｃと相互作用制御部１１１と試料情報取得部１１５に供給される。このラスター走査情報は、ラスター走査の走査領域に関する走査領域情報（例えばＸ走査信号の全振幅Ａｘ）とラスター走査の走査周波数に関する走査周波数情報（例えばＸ走査信号の走査周波数ｆｘ）を含んでいる。
【００４５】
ＸＹ走査制御部１０８ｃは、ラスター走査情報に基づいてＸ走査信号とＹ走査信号を出力する。
【００４６】
Ｘスキャナ１０８ａとＹスキャナ１０８ｂは、それぞれＸ走査信号とＹ走査信号を受けて、試料１０３を、カンチレバー１０２に対してＸＹ平面に沿ってラスター走査させる。
【００４７】
ラスター走査と同時に、相互作用制御部１１１内のＺ制御部１１３は、カンチレバー１０２の振動を反映した交流信号を含む変位信号を受け、その変位信号の例えば振幅値を一定に保つためのＺ走査信号を生成し、それに基づいてＺスキャナ１０７をＺ方向に沿って伸縮させ、試料１０３を、カンチレバー１０２に対してＺ方向に沿って走査させる。Ｚ走査信号は、試料情報取得部１１５にも供給される。
【００４８】
さらにラスター走査と同時に、相対速度情報生成部１１８は、供給されるラスター走査情報に基づいて、ＸＹ平面に沿ったカンチレバー１０２と試料１０３の相対速度に応じた相対速度情報を生成する。
【００４９】
相互作用制御部１１１は、相対速度情報に基づいて、探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさを制御する。
【００５０】
試料情報取得部１１５は、供給されるＺ走査信号とラスター走査情報に基づいて、試料情報、例えば表面形状情報をマッピングするための画像データを生成する。
【００５１】
試料情報表示器１１６は、試料情報取得部１１５で生成された画像データを表示する。
【００５２】
ここで、ラスター走査の条件、すなわちラスター走査情報の内容が変更された場合を考える。例えば、Ｘ走査信号の全振幅Ａｘが増減した場合、あるいはＸ走査信号の走査周波数ｆｘが増減した場合、相対速度情報は、カンチレバー１０２と試料１０３の相対速度が相対的に増減したことを示す。相対速度はＸ走査信号の全振幅Ａｘと走査周波数ｆｘの積に比例するため、相対速度の変化率は、Ｘ走査信号の全振幅Ａｘの変化率と走査周波数ｆｘの変化率の積で決まる。例えば、Ｘ走査信号の全振幅Ａｘが半分になった場合は、相対速度情報は、相対速度が半分になったことを示し、またＸ走査信号の走査周波数ｆｘが１／４になった場合は、相対速度情報は、相対速度が１／４になったことを示し、さらにＸ走査信号の全振幅Ａｘが半分になりＸ走査信号の走査周波数ｆｘが１／４になった場合は、相対速度情報は、相対速度が１／８になったことを示す。
【００５３】
相互作用制御部１１１は、相対速度情報に基づいて、相対速度が相対的に減少すれば、探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさを相対的に減少させ、相対速度が相対的に増加すれば、探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさを相対的に増加させる。ここで相互作用の増減の割合は、相対速度の相対的な増減の割合と同じにすることが望ましい。例えば、相対速度が半分になれば、相互作用も半分にし、相対速度が２倍になれば、相互作用も２倍にするとよい。
【００５４】
以上より、本実施形態においては、相互作用制御部１１１が、カンチレバー１０２の振動を制御することによって、あるいはカンチレバー１０２と試料１０３のＺ方向に沿った相対距離を制御することによって相互作用の大きさを制御し得る。相対速度が減少するときは、例えば、カンチレバー１０２の振動の振幅が小さくされることによって、あるいは、カンチレバー１０２と試料１０３のＺ方向に沿った相対距離が大きくされることによって、カンチレバー１０２と試料１０３の相互作用の大きさが相対的に減少される。
【００５５】
従って、第一の実施形態の原子間力顕微鏡によれば、相対速度情報に基づいて相互作用が制御されるので、相対速度が減少したときに相互作用の大きさが相対的に減少され、その結果、ゲルなどの柔らかい試料の変形が低減される。
【００５６】
＜第二の実施形態＞
ゲルなどの柔らかい試料において、相互作用が働く時間が長くなるほど試料の変形が大きくなる特性は、第一の実施形態で述べた問題以外に、別の問題も生じさせる。
【００５７】
その問題とはラスター走査に起因するものであり、まずはラスター走査について説明する。
【００５８】
図２は、試料１０３に対する探針１０１の相対的なラスター走査の軌跡を示している。このラスター走査の軌跡は従来の一般的なものである。図２において、ラスター走査の主走査線方向（走査速度の速い方向）をＸ方向としている。
【００５９】
図３は、図２に示されたラスター走査をＸスキャナ１０８ａとＹスキャナ１０８ｂにおこなわせるためのＸ走査信号とＹ走査信号の波形を示している。図３におけるＸ走査信号は、図４に示されるように、信号が増加から減少に変化する部分に丸みがつけられている。これは、Ｘ走査信号の高調波成分を減らすためであり、Ｘ走査信号とＹ走査信号によって動作させるＸスキャナ１０８ａとＹスキャナ１０８ｂの走査に起因する振動ノイズを減らす効果をもたらす。
【００６０】
このラスター走査においては、図２と図３から分かるように、主走査線方向であるＸ方向の走査の向きが反転する場所が必ず存在する。そしてこの反転する場所の近傍、すなわちラスター走査のＸ方向の折り返し点（走査の向きが反転する点）を含む折り返し点近傍の領域においては、必ず探針と試料の相対速度が小さくなる。特に図４のように高調波成分を減らしている場合は、相対速度が低下する領域は大きくなる。
【００６１】
図６は、ラスター走査の軌跡に加えて、図２に示したラスター走査のＸ方向の折り返し点（走査の向きが反転する点）を含む折り返し点近傍の領域、すなわちＸＹ平面に沿った探針１０１と試料１０３の相対速度が小さくなる走査領域Ａ１，Ａ２を示している。また図７は、ラスター走査のための走査信号の波形に加えて、探針１０１と試料１０３の相対速度が小さくなる走査領域Ａ１，Ａ２にそれぞれ対応する信号領域Ｓ１，Ｓ２を示している。
【００６２】
図８は、図７に示された走査信号の波形に加えて、ラスター走査による探針１０１と試料１０３の相対速度の変化を示している。信号領域Ｓ１，Ｓ２は、相対速度のグラフにおける領域Ｖに対応している。
【００６３】
以上から分かるように、ラスター走査に起因する問題とは、ラスター走査のＸ方向の折り返し点（走査の向きが反転する点）を含む折り返し点近傍の領域では、必ず相対速度が低下し、その結果として、試料の変形が大きくなるということである。Ｘ方向の折り返し点（走査の向きが反転する点）近傍の領域（図６中の走査領域Ａ１，Ａ２）の試料の変形が大きくなると、試料の観察像の縦断面形状は、フライパンをひっくり返したようなものになる。つまり、試料の観察像の縦断面形状は、両端部を除いては、試料の高さを忠実に反映しているが、両端部では歪みが大きく、端に近づくほど高さが実際よりも小さくなっている。
【００６４】
これはゲルなどの柔らかい試料を観察するソフトマター観察用ＡＦＭにおいては、非常に大きな問題である。
【００６５】
第二の実施形態はこの問題を解決するものであり、この第二の実施形態について図９〜図１１を用いて以下に説明する。
【００６６】
図９は本実施形態の原子間力顕微鏡２００を示している。図８において、図１に示された部材と同一の参照符号が付された部材は同様の部材を示しており、ここでは説明は省略する。本実施形態の原子間力顕微鏡２００は、第一の実施形態の図１に示された原子間力顕微鏡１００と比較して、コントローラ２１０と、それに含まれる相互作用制御部２１１（相対速度情報生成部２１８）とラスター走査情報生成部２１４が相違している。
【００６７】
ラスター走査情報生成部２１４は、所望のラスター走査に必要なラスター走査情報を生成する。ラスター走査情報は、ＸＹ走査制御部１０８ｃと相互作用制御部２１１と試料情報取得部１１５に供給される。このラスター走査情報は、ラスター走査の走査波形の情報、例えば図１０（または図３）に示されるＸ走査信号の走査波形の情報を少なくとも含んでいる。ラスター走査情報は、このＸ走査信号の走査波形の情報に加えて、Ｘ走査信号の全振幅ＡｘとＸ走査信号の走査周波数ｆｘの情報も含んでいると望ましいが、ここではそれらを含んでいないものとして説明する。
【００６８】
このラスター走査情報は、ＸＹ走査制御部１０８ｃと相互作用制御部２１１（相対速度情報生成部２１８）と試料情報取得部１１５に供給される。
【００６９】
相互作用制御部２１１内にある相対速度情報生成部２１８は、ラスター走査情報に含まれるＸ走査信号の走査波形の情報を微分処理し、図１０に示される相対速度信号を生成し、これを相対速度情報として用いる。
【００７０】
相対速度情報生成部２１８はまた、相対速度情報をモニターする。これにより、相対速度情報生成部２１８は、相対速度情報に基づいてカンチレバー１０２と試料１０３の相対速度の増減を感知し得る。
【００７１】
図１０に示される相対速度情報である相対速度信号は、図１０（または図８）に示される相対速度を反映したものになっている。図１０に示される相対速度信号の領域Ｓｖは、相対速度の領域Ｖに該当する領域である。この相対速度信号の領域Ｓｖの決定には、実際の相対速度の絶対値を知る必要はなく、相対速度の相対的な変化（変化率）に基づいて決められてよい。すなわち、相対速度信号の領域Ｓｖの決定は、Ｘ走査信号の全振幅Ａｘの情報とＸ走査信号の走査周波数ｆｘの情報がなくても可能である。
【００７２】
相互作用制御部２１１は、例えば、相対速度情報に基づいて、カンチレバー１０２の振動の振幅を変化させる、あるいは、カンチレバー１０２と試料１０３のＺ方向に沿った相対距離を変化させる。
【００７３】
例えば、カンチレバー１０２の振動の振幅が変化すると、あるいは、カンチレバー１０２と試料１０３のＺ方向に沿った相対距離が変化すると、探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさが相対的に変化する。詳しくは、カンチレバー１０２の振動の振幅が大きくなると探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさは相対的に増加し、カンチレバー１０２の振動の振幅が小さくなると探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさは相対的に減少する。またカンチレバー１０２と試料１０３のＺ方向に沿った相対距離が大きくなると探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさは相対的に減少し、カンチレバー１０２と試料１０３のＺ方向に沿った相対距離が小さくなると探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさは相対的に増加する。
【００７４】
相対速度情報が、ＸＹ平面に沿ったカンチレバー１０２と試料１０３の相対速度の相対的な減少を示したとき、例えば、相対速度信号が領域Ｓｖに入ったとき、言い換えれば、相対速度が所定のしきい値を下回ったとき、相互作用制御部２１１は、例えば、カンチレバー１０２の振動の振幅を小さくさせることによって、あるいは、カンチレバー１０２と試料１０３のＺ方向に沿った相対距離を大きくさせることによって、探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさを相対的に減少させる。また相対速度情報が、ＸＹ平面に沿ったカンチレバー１０２と試料１０３の相対速度の復帰を示したとき、例えば、相対速度信号が領域Ｓｖから出たとき、言い換えれば、相対速度が所定のしきい値を上回ったときることによって、相互作用制御部２１１は、例えば、カンチレバー１０２の振動の振幅を大きくさせることによって、あるいは、カンチレバー１０２と試料１０３のＺ方向に沿った相対距離を小さくさせることによって、探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさを相対的に増加させる。
【００７５】
このように、相互作用制御部２１１は、相対速度情報に基づいて、探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさを制御し得る。具体的には、相互作用制御部２１１は、相対速度信号が領域Ｓｖ内にある間は、言い換えれば、相対速度が所定のしきい値を下回っている間は、探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさを相対的に減少させる。言い換えれば、相互作用制御部２１１は、カンチレバー１０２と試料１０３の主走査方向すなわちＸ方向の走査における相対速度が相対的に低下する相対速度低下領域内に探針１０１が位置する間、Ｘ方向の走査に同期して相互作用の大きさを相対的に減少させる。
【００７６】
以上より、本実施形態の原子間力顕微鏡においては、ＸＹ平面に沿ったカンチレバー１０２と試料１０３の相対速度が相対的に低下するとき、相互作用制御部２１１によって、カンチレバー１０２と試料１０３の相対速度に応じた相対速度情報に基づいて、探針１０１と試料１０３の間の力学的な相互作用の大きさが相対的に減少される。
【００７７】
従って、第二の実施形態の原子間力顕微鏡によれば、ラスター走査のＸ方向の折り返し点（走査の向きが反転する点）を含む折り返し点近傍の領域において相対速度が低下したときに試料の変形量が大きくなる、という問題が回避される。その結果、ゲルなどの柔らかい試料の変形が低減される。
【００７８】
第二の実施形態の原子間力顕微鏡において、試料情報表示器１１６には、図６に示された「ＸＹ平面に沿ったカンチレバーと試料の相対速度が小さくなる走査領域Ａ１，Ａ２」が除かれた領域、すなわち図１１に示された領域Ａ３の試料情報（例えば画像データ）だけが表示されてもよい。すなわち、試料情報取得部１１５は、カンチレバーと試料の相対速度が小さくなる走査領域Ａ１，Ａ２を走査領域全体から除いた領域Ａ３の試料情報（例えば画像データ）を生成し、これを試料情報表示器１１６に表示させてよい。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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