(57)【要約】  走査型プローブ顕微鏡のプローブ顕微鏡ヘッド１０は、カンチレバーチップ１を互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って走査する走査機構１１と、液体に接触して配置される光学透過板２０を備えている。光学透過板２０は、カンチレバーチップ１のカンチレバーの変位を検出するための検出光を透過し、走査機構１１によって走査されない。
2014017326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料台に載置された試料を液体の中で測定する走査型プローブ顕微鏡であって、
自由端に探針が設けられたカンチレバーを互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って走査する走査機構と、
前記カンチレバーの変位を検出するための検出光を透過する光学透過部を有し、少なくとも一部が前記液体に接触して配置される液体接触部材と、を備え、
前記液体接触部材は、前記走査機構によって走査されない、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記走査機構と前記液体接触部材を支持する支持体を備えている、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記液体接触部材は、前記試料台と共に液体セルを形成するセル形成部を含んでいる、請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記走査機構は、前記カンチレバーを含むカンチレバーチップを保持するホルダを備え、
前記液体接触部材は貫通穴を有し、前記カンチレバーチップと前記ホルダの少なくとも一部が前記貫通穴を通って前記液体の中に突出している、請求項１〜３のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記貫通穴と前記ホルダの隙間が弾性部材で防水シールされている、請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記光学透過部は、前記液体接触部材に設けられた第二の貫通穴と、前記第二の貫通穴を塞ぐ光学透過板から構成されている、請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記カンチレバーの変位を検出する変位センサーをさらに備えており、
前記変位センサーは、前記走査機構によって前記カンチレバーと一緒に走査される集光素子を含んでいる、請求項１〜６のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記走査機構は、前記カンチレバーを前記Ｘ軸と前記Ｙ軸に沿ってラスター走査するＸＹスキャナを備えており、
前記ラスター走査の高速軸を前記Ｘ軸とし、前記ラスター走査の低速軸を前記Ｙ軸としたとき、前記カンチレバーは、その長手方向が前記Ｙ軸に沿うように配置される、請求項１〜７のいずれかひとつに記載の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、走査型プローブ顕微鏡の走査機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、走査機構によって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、機械的探針を介して所望の試料領域の表面情報を得て、モニターＴＶ上にマッピング表示する。【０００３】
なかでもＡＦＭは最も広く使用されている装置であって、機械的探針をその自由端にもつカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサーと、機械的探針と試料を相対的に走査する走査機構を主要な機械機構として備えている。その光学式変位センサーとしては、構成が簡単でありかつ高い変位検出感度を有することから、光てこ式の光学式変位センサーが最も広く使われている。カンチレバー上に直径数μｍから数十μｍの光束を照射し、その反射光の反射方向がレバーの反りに応じて変化するのを二分割光ディテクタなどによりとらえて、カンチレバーの自由端にある機械的探針の動作をとらえ電気信号として出力する。この出力が一定になるように走査機構をＺ軸方向に制御しながら、同じく走査機構をＸＹ軸方向に走査することにより、コンピュータのモニター上に試料表面の凹凸の状態をマッピング・表示する。【０００４】
このようなＡＦＭでは、液体中の生物試料を観察する場合、倒立型光学顕微鏡と組み合わせて観察することが一般的である。倒立型光学顕微鏡観察は試料の知見を得るだけでなく、試料の特定部位にカンチレバーを位置決めするときにも有効だからである。このような用途では、様々な生体試料および試料基板に対応できるように、カンチレバーをＸＹＺ軸方向に走査するレバースキャンタイプのＡＦＭを用いることが多い。【０００５】
液体中で用いられるレバースキャンタイプのＡＦＭの先行技術としては、米国特許第８０８７２８８号明細書に開示されているものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第８０８７２８８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
先行技術のＡＦＭは、液体セルを形成する光学部材をＸＹＺに走査するので、走査の際に、液体セルの形状が、言い換えれば液体と大気との境界面がＸＹＺに動かされてしまう。さらに液体セルの内部に生じる液体の部分的な振動や対流も大きくなる。これらの液体の動きは、液体が粘性体であるため、試料を搭載する試料台などの様々な場所に伝達し、ＡＦＭの測定精度を劣化させる振動ノイズとして影響する。これは、高精度な観察が要求されるＡＦＭにとっては大きな問題である。【０００８】
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、走査の際に生じる液体の動きが低減された走査型プローブ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】
【０００９】
本発明は、試料台に載置された試料を液体の中で測定する走査型プローブ顕微鏡であって、自由端に探針が設けられたカンチレバーを互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って走査する走査機構と、少なくとも一部が前記液体に接触して配置される液体接触部材を備えている。前記液体接触部材は、カンチレバーの変位を検出するための検出光を透過する光学透過部を有し、前記走査機構によって走査されない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、走査の際に生じる液体の動きが低減された走査型プローブ顕微鏡が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図２】図２は、図１に示されたプローブ顕微鏡ヘッドを拡大して示している。
【図３Ａ】図３Ａは、図１と図２に示されたカンチレバーチップの上面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図１と図２に示されたカンチレバーチップの側面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図１と図２に示されたカンチレバーチップの下面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、カンチレバーチップがホルダから外された状態の図２のプローブ顕微鏡ヘッドを液体セルの側から見た図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、カンチレバーチップがホルダに固定された状態の図２のプローブ顕微鏡ヘッドを液体セルの側から見た図である。
【図５】図５は、ＸＹ可動部がＹ軸に沿って−方向に走査された様子を示している。
【図６】図６は、カンチレバーの長手方向と走査軸の配置関係を示している。
【図７Ａ】図７Ａは、カンチレバーがその長手方向に走査された際に生じるカンチレバーの変形を示している。
【図７Ｂ】図７Ｂは、カンチレバーがその長手方向に走査された際に生じるカンチレバーの変形を示している。
【図８】図８は、第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図９】図９は、図８に示されたプローブ顕微鏡ヘッドを拡大して示している。
【図１０Ａ】図１０Ａは、カンチレバーチップがホルダから外された状態の図８のプローブ顕微鏡ヘッドを液体セルの側から見た図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、カンチレバーチップがホルダに固定された状態の図８のプローブ顕微鏡ヘッドを液体セルの側から見た図である。
【図１１】図１１は、第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図１２】図１２は、図１１に示されたプローブ顕微鏡ヘッドを拡大して示している。
【図１３Ａ】図１３Ａは、カンチレバーチップがホルダから外された状態の図１１のプローブ顕微鏡ヘッドを液体セルの側から見た図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、カンチレバーチップがホルダに固定された状態の図１１のプローブ顕微鏡ヘッドを液体セルの側から見た図である。
【図１４】図１４は、第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図１５】図１５は、図１４に示されたプローブ顕微鏡ヘッドを拡大して示している。
【図１６Ａ】図１６Ａは、カンチレバーチップがホルダから外された状態の図１４のプローブ顕微鏡ヘッドを液体セルの側から見た図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、カンチレバーチップがホルダに固定された状態の図１４のプローブ顕微鏡ヘッドを液体セルの側から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。
【００１３】
＜第一実施形態＞
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、図１に示すように、光学顕微鏡である倒立型光学顕微鏡に搭載される。
【００１４】
倒立型光学顕微鏡は、顕微鏡筐体５４と、顕微鏡ステージ５３と、対物レンズ５５と、レボルバー５６と、落射照明光源５７を備えている。顕微鏡ステージ５３上には、スライドガラス等の試料台５１が載置され、試料台５１上に試料５０が保持される。倒立型光学顕微鏡は、主に、試料５０の液中光学観察に用いられる。
【００１５】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、試料台５１に載置された試料５０を液体の中で測定するものであり、プローブ顕微鏡ヘッド１０と、プローブ顕微鏡ヘッド１０を制御するコントローラ４０と、プローブ顕微鏡ヘッド１０によって得られる情報を処理するコンピュータ４１を備えている。プローブ顕微鏡ヘッド１０は、図示しない支柱により、顕微鏡ステージ５３の上方に支持されている。
【００１６】
図２に示すように、プローブ顕微鏡ヘッド１０は、カンチレバーチップ１を互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って走査する走査機構１１と、走査機構１１を支持している支持体２１と、支持体２１に支持された光学透過板２０を備えている。
【００１７】
走査機構１１は、カンチレバーチップ１を保持するホルダ１６と、ホルダ１６をＺ軸に沿って移動させるＺアクチュエータ１５と、Ｚアクチュエータ１５を保持するＸＹ可動部１２と、ＸＹ可動部１２をＸ軸に沿って移動させるＸアクチュエータ１３と、ＸＹ可動部１２をＹ軸に沿って移動させるＹアクチュエータ１４を備えている。Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４は、カンチレバーチップ１をＸ軸とＹ軸に沿ってラスター走査するＸＹスキャナを構成している。Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４とＺアクチュエータ１５は、例えば積層型圧電素子で構成されている。
【００１８】
支持体２１は、例えば枠形状をしており、走査機構１１は、支持体２１の内側に配置され、Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４は共に支持体２１に固定されている。
【００１９】
光学透過板２０は、支持体２１の下端に固定されており、枠形状の支持体２１の下端の開口を塞いでいる。光学透過板２０は、光学的に透明な板であり、例えばガラスまたは樹脂により形成されている。支持体２１と光学透過板２０は、走査機構１１を収容する筐体を構成している。支持体２１と光学透過板２０は、接着またはねじ締結によって固定されている。
【００２０】
光学透過板２０は、光学透過部を備えた液体接触部材であって、試料台５１上の液体に接触して配置され、試料台５１と共に液体を挟んで試料５０を液中環境下で測定するための液体セル５２を形成する。つまり、光学透過板２０は、試料台５１と共に液体セル５２を形成するセル形成部を含んでいる。
【００２１】
光学透過板２０は貫通穴２２を有しており、ホルダ１６は貫通穴２２を通って延びている。ホルダ１６と貫通穴２２の隙間は弾性部材２３で防水シールされている。ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１は、貫通穴２２を通って液体セル５２の中に突出している。弾性部材２３は、例えばシリコーンゴム等の柔らかく防水に適した接着剤で構成される。図２では、ホルダ１６の一部が液体セル５２の中に突出しているが、ホルダ１６の全体が液体セル５２の中に突出してもよい。
【００２２】
なお、本明細書において液体セル５２とは、試料を液中で測定するための、液体で満たされた空間領域（環境領域）のことである。さらに液体セル５２の形成とは、液体セル５２の領域の形状を決めることであり、本実施形態においては、液体と光学透過板２０（ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１を含む）の境界面（接触面）と、液体と試料台５１の境界面（接触面）と、液体と大気の境界面とで、液体セル５２の領域の形状を定めている。
【００２３】
カンチレバーチップ１は、図３Ａと図３Ｂと図３Ｃに示すように、サブストレート２と、サブストレート２に支持されたカンチレバー３と、カンチレバー３の自由端に設けられた探針４を備えている。カンチレバーチップ１は、走査機構１１のホルダ１６に保持される。詳しくは、ＸＹ平面に対してサブストレート２の傾斜角が、５度ないし１５度、望ましくは１０度ないし１５度となるようにサブストレート２が保持される。サブストレート２は、例えばワックス等の接着剤でホルダ１６に固定される。
【００２４】
カンチレバーチップ１は、例えば図４Ｂに示すように、カンチレバー３の長手方向がＹ軸に沿うようにホルダ１６に保持される。
【００２５】
ホルダ１６は、例えばセラミックやアルミ等の軽量で固い材料にて形成されている。またホルダ１６は、その体積が、サブストレート２の体積の３倍以下、望ましくは２倍以下となるよう小型に形成されている。例えば、サブストレート２の大きさが３ｍｍ×１．６ｍｍ×０．３ｍｍ（現在販売されている標準的なサイズ）とすると、サブストレート２の体積は、１．４４ｍｍ３となる。この場合、ホルダ１６のサイズは、４．３２ｍｍ３以下、望ましくは２．８８ｍｍ３以下となる。
【００２６】
再び図２を参照すると、プローブ顕微鏡ヘッド１０はまた、カンチレバー３の変位を検出するためのほぼ平行光の検出光３４ａを出射する光源３１と、光源３１からの検出光３４ａをカンチレバー３上に集光するとともにカンチレバー３で反射された検出光をほぼ平行光の検出光３４ｂを戻す集光素子３２と、検出光３４ｂの入射位置の変化を検出する分割ディテクタ３３を有している。光源３１と集光素子３２と分割ディテクタ３３は、カンチレバーチップ１のカンチレバー３の変位を検出する変位センサーを構成している。この変位センサーは、例えば、走査型プローブ顕微鏡によく用いられる光てこ式の光学式変位センサーである。
【００２７】
光学透過板２０は、それ自体が光学的に透明であり、カンチレバー３の変位を検出するための検出光３４ａ，３４ｂを透過する。集光素子３２を通過した検出光３４ａは光学透過板２０を透過してカンチレバー３に入射され、カンチレバー３で反射された検出光３４ｂは光学透過板２０を透過して集光素子３２に入射する。
【００２８】
光源３１と分割ディテクタ３３は、図示しない筐枠に保持されている。また集光素子３２は、走査機構１１のＸＹ可動部１２に固定されており、走査機構１１によってカンチレバーチップ１と一緒に走査される。集光素子３２は、例えば単レンズで構成される。集光素子３２は、カンチレバー３上の集光スポット径が数μｍ以下となるように、ＮＡ＝０．４以上の光学特性を備えている。さらに集光素子３２は、高速走査に適したサイズ、例えば径が１０ｍｍ以下、望ましくは５ｍｍ以下の小型軽量のものが使用される。
【００２９】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は以下のように動作する。
【００３０】
光源３１から出射されたほぼ平行光の検出光３４ａは、集光素子３２によって集光され、光学透過板２０を介してカンチレバー３に照射され、カンチレバー３上に直径２μｍ程度の集光スポットを形成する。
【００３１】
カンチレバー３で反射された検出光３４ｂは、光学透過板２０を介して集光素子３２を通ることによりほぼ平行光に戻って分割ディテクタ３３に入射する。分割ディテクタ３３上における検出光３４ｂの入射位置はカンチレバー３のＺ変位に応じて変化する。分割ディテクタ３３は、このカンチレバー３のＺ変位を反映した変位信号をコントローラ４０に出力する。
【００３２】
コントローラ４０は、Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４にラスター走査のための走査信号を供給する。Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４は、コントローラ４０からの走査信号を受けて、カンチレバーチップ１をＸＹ平面内でラスター走査する。詳しくは、Ｘアクチュエータ１３に、ラスター走査の高速軸に対応した周波数の高い走査信号を供給すると同時に、Ｙアクチュエータ１４に、ラスター走査の低速軸に対応した周波数の低い走査信号を供給する。Ｘアクチュエータ１３は、コントローラ４０からの周波数の高い走査信号を受けて、カンチレバーチップ１をＸ軸に沿って高速でラスター走査する。Ｙアクチュエータ１４は、コントローラ４０からの周波数の低い走査信号を受けて、カンチレバーチップ１をＹ軸に沿って低速でラスター走査する。コントローラ４０から出力される走査信号の周波数は、高速軸（Ｘ軸）が１ｋＨｚ以上になる。
【００３３】
またコントローラ４０は、分割ディテクタ３３からカンチレバー３の変位信号を受けて、それに応じた走査信号をＺアクチュエータ１５へ供給する。Ｚアクチュエータ１５は、コントローラ４０からの走査信号を受けて、カンチレバーチップ１をＺ軸に沿って走査する。
【００３４】
コンピュータ４１は、カンチレバー３の変位情報と走査機構１１の走査情報とに基づいて試料５０の物理情報を取得し、モニター上に表示する。
【００３５】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、ホルダ１６は走査機構１１によって走査されるが、液体接触部材である光学透過板２０は走査機構１１によって走査されない。つまり、光学透過板２０は走査機構１１によって走査される走査対象物ではない。より詳しくは、光学透過板２０は、Ｘアクチュエータ１３の固定端とＹアクチュエータ１４の固定端と支持体２１を介してつながっているが、各々の動作端とはつながっていない。また、光学透過板２０は、Ｘアクチュエータ１３、Ｙアクチュエータ１４、Ｚアクチュエータ１５によって走査されるホルダ１６とも弾性部材２３を介してつながっているが、弾性部材２３が弾性変形してホルダ１６の動きを吸収するため、光学透過板２０は走査機構１１によって走査されない。その結果、走査の際に生じる液体の動きが低減される。
【００３６】
このため、ラスター走査の際、光学透過板２０の貫通穴２２とホルダ１６の距離が変化する。一例として、ＸＹ可動部１２がＹ軸に沿って−方向に走査された様子を図５に示す。この場合、図５に示すように、ホルダ１６を基準にして、Ｙ軸に沿った−側では貫通穴２２とホルダ１６が近づき、Ｙ軸に沿った＋側では貫通穴２２とホルダ１６が離れる。貫通穴２２とホルダ１６の隙間は弾性部材２３により防水シールされており、貫通穴２２とホルダ１６の距離の変化に応じて弾性部材２３が変形することにより、貫通穴２２とホルダ１６の隙間の防水性は保たれる。その結果、支持体２１と光学透過板２０で構成された筐体の内部に液体が侵入することはない。
【００３７】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸に沿ったいずれの走査においても、光学透過板２０は走査されない。従って、試料台５１と光学透過板２０に液体が挟まれて形成される液体セル５２の形状は変化しない。すなわち、液体セル５２と大気の境界面は動かない。また、貫通穴２２から液体の中に突出しているのは、ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１だけである。つまり、液体セル５２の液体中で走査される対象物は、必要最低限の部材すなわち小型のホルダ１６とカンチレバーチップ１だけになる。従って、液体セルと走査対象物とが接触する接触面積や体積を減らすことができ、走査の際に生じる液体の振動を低減することができる。
【００３８】
従来技術の説明の際に紹介した米国特許第８０８７２８８号明細書に開示された走査型プローブ顕微鏡では、本実施形態の光学透過板２０に相当する試料台と共に液体セルを形成する光学部材も走査される。このため、液体セルの形状が変化する。すなわち、液体セルと大気の境界面が動かされる。
【００３９】
走査の際に生じる液体の振動を低減するためには、液体中に存在する走査対象物の体積および走査対象物と液体の接触面積を減らすことが有効である。従って、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、米国特許第８０８７２８８号明細書の走査機構と比較して、走査の際に生じる液体の部分的な振動や対流が低減される。その結果、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は高精度な観察が可能である。
【００４０】
近年、生物試料の動く様子を観察できる高速走査が可能なＡＦＭが望まれている。このＡＦＭでは１秒以内、望ましくは０．１秒以内に一画面を得ることが目標となる。
【００４１】
例えば、Ｘ軸方向をラスター走査の高速方向、Ｙ軸方向をラスター走査の低速方向とし、Ｘ軸方向１００画素、Ｙ軸方向１００画素の画像を０．１秒で取り込むとき、Ｘ軸方向の走査周波数は１ｋＨｚ、Ｙ軸方向の走査周波数は１０Ｈｚ、Ｚ軸方向の走査周波数は１００ｋＨｚ以上に達する。これは従来のＡＦＭの１０倍〜１００倍に相当する速度である。
【００４２】
しかしながら液体は粘性体であり、粘性抵抗の大きさは、走査周波数に比例して大きくなるので、走査速度が上がれば、それに比例して液体の振動の影響が増加するという問題がある。
【００４３】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバー３は、Ｘ軸に沿って高速に、Ｙ軸に沿って低速にラスター走査される。前述したように、カンチレバー３は、図６に示すように、その長手方向がＹ軸に沿うように配置される。
【００４４】
図７Ａと図７Ｂに示すように、カンチレバー３の長手方向（Ｙ軸方向）に沿った走査の際は、液体の粘性抵抗が生じやすく、それによりカンチレバー３が変形しやすくなる。また液体の対流も大きくなる。粘性抵抗の大きさは、走査周波数に比例する。
【００４５】
より詳しくは、カンチレバー３の長手方向であるＹ軸に沿った走査の際に生じる粘性抵抗の大きさは、カンチレバー３のレバー面のＸＺ平面に投影された面積Ｓｙと走査周波数ｆｙの積に比例する。またＸ軸に沿った走査の際に生じる粘性抵抗の大きさは、カンチレバー３の側面のＹＺ平面に投影された面積Ｓｘと走査周波数ｆｘの積に比例する。
【００４６】
例えば、カンチレバー３は、試料面に対して１２°の角度で保持されており、カンチレバー３の長さを１０μｍ、根元の幅が４μｍ、厚みが０．１μｍ（液中で高速観察に用いられるカンチレバーの大きさの一般的な値）とすると、面積Ｓｙは、１０μｍ×４μｍ×１／２×ｓｉｎ（１２°）＝４．１６μｍ２となり、また面積Ｓｘは、１０μｍ×０．１μｍ＝１μｍ２となる。面積Ｓｙは、面積Ｓｘと比較して４倍大きいことがわかる。従って、カンチレバー３の長手方向（Ｙ軸方向）に沿った走査の際に生じる粘性抵抗の大きさは、Ｘ軸に沿った走査と比較して、４倍も大きくなる。さらにカンチレバー３は、Ｙ軸に沿った力に対しては変形しやすく、Ｘ軸に沿った力に対しては変形しにくい形状をしているので、カンチレバー３の長手方向（Ｙ軸方向）に沿った走査の際に生じるカンチレバー３の変形量は、Ｘ軸に沿った走査と比較して、４倍よりもはるかに大きくなる。
【００４７】
この走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバー３の長手方向が低速のＹ軸方向に沿うようにカンチレバーチップ１がホルダ１６に保持されるので、液体の粘性抵抗により生じる影響が低く抑えられる。これにより、より高精度な走査が可能になる。
【００４８】
生物試料の動く様子を観察する高速走査が可能なＡＦＭにおいては、Ｘ軸方向の走査周波数が１ｋＨｚに達するので、液体の粘性抵抗の影響が特に大きくなるという問題がある。
【００４９】
この走査型プローブ顕微鏡においては、走査の際に生じる液体の振動を低減できるので、高速走査を必要とする場合に、特に効果がある。
【００５０】
本実施形態では、光学透過板２０は、走査機構１１を支持する支持体２１に直接固定されているが、他の部材を介して支持体２１に間接的に固定されてもよい。
【００５１】
＜第二実施形態＞
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図８に示す。またそのプローブ顕微鏡ヘッドを図９と図１０Ａと図１０Ｂに示す。これらの図８と図９と図１０Ａと図１０Ｂにおいて、図１と図２と図４Ａと図４Ｂに示した部材と同一の参照符号を付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。
【００５２】
図８に示すように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡と比較して、プローブ顕微鏡ヘッドが相違している。図９に示すように、本実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１０Ａは、第一実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１０と比較して、走査機構１１を収容する筐体に違いがある。プローブ顕微鏡ヘッド１０Ａでは、走査機構１１を収容する筐体は、基本筐体２５と光学透過板２９で構成されている。言い換えれば、本実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１０Ａは、第一実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１０の支持体２１と光学透過板２０を、基本筐体２５と光学透過板２９に置き換えた構成となっている。
【００５３】
基本筐体２５は、走査機構１１を取り囲む周壁部２５ａと、周壁部２５ａの下端を塞いでいる底部２５ｂから構成されている。底部２５ｂには貫通穴２６が設けられており、ホルダ１６は貫通穴２６を通って延びている。ホルダ１６と貫通穴２６の隙間は弾性部材２８で防水シールされている。ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１は、貫通穴２６を通って液体セル５２の中に突出している。弾性部材２８は、例えばシリコーンゴム等の柔らかく防水に適した接着剤で構成される。図９では、ホルダ１６の一部が液体セル５２の中に突出しているが、ホルダ１６の全体が液体セル５２の中に突出してもよい。
【００５４】
さらに基本筐体２５の底部２５ｂには、別の貫通穴２７が設けられている。光学透過板２９は、ガラスまたは樹脂により形成された光学的に透明な板であり、貫通穴２７を塞いでいる。光学透過板２９は、防水性が保たれるように底部２５ｂに接着固定されている。貫通穴２７と光学透過板２９は、カンチレバー３の変位を検出するための検出光３４ａ，３４ｂを透過する光学透過部を構成している。
【００５５】
底部２５ｂと光学透過板２９とで、光学透過部を備えた液体接触部材を構成している。底部２５ｂと光学透過板２９は、試料台５１上の液体に接触して配置され、試料台５１と共に液体を挟んで試料５０を液中環境下で測定するための液体セル５２を形成する。つまり、底部２５ｂと光学透過板２９は、試料台５１と共に液体セル５２を形成するセル形成部を含んでいる。本実施形態においては、底部２５ｂと光学透過板２９から成る液体接触部材（ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１を含む）と液体の境界面（接触面）と、試料台５１と液体の境界面（接触面）と、大気と液体の境界面とで、液体セル５２の領域の形状を定めている。
【００５６】
カンチレバーチップ１は、例えば図１０Ｂに示すように、カンチレバー３の長手方向がＹ軸に沿うようにホルダ１６に保持される。
【００５７】
このように構成された本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡と同等の利点を有するほか、次の利点も有する。
【００５８】
第一実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１０における光学透過板２０は、例えばガラスまたは樹脂により形成されている。ガラスは割れやすい（欠けやすい）。また樹脂は経年劣化が起きやすい。これらは、光学透過板２０の大きさ（面積）が大きくなるほど影響が大きくなる。一方、本実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１０Ａでは、光学透過板２９の面積が小さいので、上述した影響を小さくできる。
【００５９】
本実施形態では、試料台５１と共に液体セルを形成する部材が、基本筐体２５の一部すなわち底部２５ｂで構成されているが、これに限らず、走査機構１１によって走査されない部材、例えば基本筐体２５に固定された板状の部材で構成されてもよい。
【００６０】
＜第三実施形態＞
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、図１１に示すように、光学顕微鏡である倒立型光学顕微鏡に搭載される。
【００６１】
倒立型光学顕微鏡は、顕微鏡筐体５４と、顕微鏡ステージ５３と、対物レンズ５５と、レボルバー５６と、落射照明光源５７を備えている。顕微鏡ステージ５３上には、ディッシュ等の試料台１５１が載置され、試料台１５１上に試料１５０が保持される。倒立型光学顕微鏡は、主に、試料１５０の液中光学観察に用いられる。
【００６２】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、試料台１５１に載置された試料１５０を液体の中で測定するものであり、プローブ顕微鏡ヘッド１００と、プローブ顕微鏡ヘッド１００を制御するコントローラ４０と、プローブ顕微鏡ヘッド１００によって得られる情報を処理するコンピュータ４１を備えている。プローブ顕微鏡ヘッド１００は、図示しない支柱により、顕微鏡ステージ５３の上方に支持されている。
【００６３】
図１２に示すように、プローブ顕微鏡ヘッド１００は、カンチレバーチップ１を互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って走査する走査機構１１と、走査機構１１を支持している支持体１２１と、支持体１２１に支持された光学透過板１２０を備えている。
【００６４】
走査機構１１は、カンチレバーチップ１を保持するホルダ１６と、ホルダ１６をＺ軸に沿って移動させるＺアクチュエータ１５と、Ｚアクチュエータ１５を保持するＸＹ可動部１２と、ＸＹ可動部１２をＸ軸に沿って移動させるＸアクチュエータ１３と、ＸＹ可動部１２をＹ軸に沿って移動させるＹアクチュエータ１４を備えている。Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４は、カンチレバーチップ１をＸ軸とＹ軸に沿ってラスター走査するＸＹスキャナを構成している。Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４とＺアクチュエータ１５は、例えば積層型圧電素子で構成されている。
【００６５】
支持体１２１は、例えば凸を逆さにした形状（以下、逆凸形状）をしており、走査機構１１は、支持体１２１の内側に配置され、Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４は共に支持体１２１に固定されている。
【００６６】
光学透過板１２０は、支持体１２１の下端に固定されており、逆凸形状の支持体１２１の下端の開口を塞いでいる。光学透過板１２０は、光学的に透明な板であり、例えばガラスまたは樹脂により形成されている。支持体１２１と光学透過板１２０は、走査機構１１を収容する筐体を構成している。支持体１２１と光学透過板１２０は、接着またはねじ締結によって固定されている。
【００６７】
光学透過板１２０は、光学透過部を備えた液体接触部材であって、試料台１５１中の液体に接触して配置され、試料台１５１と共に液体を挟んで、試料１５０を液中環境下で測定するための液体セル１５２を形成する。つまり、光学透過板１２０は、試料台１５１と共に液体セル１５２を形成するセル形成部を含んでいる。
【００６８】
光学透過板１２０は貫通穴１２２を有しており、ホルダ１６は貫通穴１２２を通って延びている。ホルダ１６と貫通穴１２２の隙間は弾性部材１２３で防水シールされている。ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１は、貫通穴１２２を通って液体セル１５２の中に突出している。弾性部材１２３は、例えばシリコーンゴム等の柔らかく防水に適した接着剤で構成される。図１２では、ホルダ１６の一部が液体セル１５２の中に突出しているが、ホルダ１６の全体が液体セル１５２の中に突出してもよい。
【００６９】
なお、本明細書において液体セル１５２とは、試料を液中で測定するための、液体で満たされた空間領域（環境領域）のことである。さらに液体セル１５２の形成とは、液体セル１５２の領域の形状を決めることであり、本実施形態においては、液体と光学透過板１２０（ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１を含む）の境界面（接触面）と、液体と試料台１５１の境界面（接触面）と、液体と大気の境界面とで、液体セル１５２の領域の形状を定めている。
【００７０】
カンチレバーチップ１は、図３Ａと図３Ｂと図３Ｃに示すように、サブストレート２と、サブストレート２に支持されたカンチレバー３と、カンチレバー３の自由端に設けられた探針４を備えている。カンチレバーチップ１は、走査機構１１のホルダ１６に保持される。詳しくは、ＸＹ平面に対してサブストレート２の傾斜角が、５度ないし１５度、望ましくは１０度ないし１５度となるようにサブストレート２が保持される。サブストレート２は、例えばワックス等の接着剤でホルダ１６に固定される。
【００７１】
カンチレバーチップ１は、例えば図１３Ｂに示すように、カンチレバー３の長手方向がＹ軸に沿うようにホルダ１６に保持される。
【００７２】
ホルダ１６は、例えばセラミックやアルミ等の軽量で固い材料にて形成されている。またホルダ１６は、その体積が、サブストレート２の体積の３倍以下、望ましくは２倍以下となるよう小型に形成されている。例えば、サブストレート２の大きさが３ｍｍ×１．６ｍｍ×０．３ｍｍ（現在販売されている標準的なサイズ）とすると、サブストレート２の体積は、１．４４ｍｍ３となる。この場合、ホルダ１６のサイズは、４．３２ｍｍ３以下、望ましくは２．８８ｍｍ３以下となる。
【００７３】
再び図１２を参照すると、プローブ顕微鏡ヘッド１００はまた、カンチレバー３の変位を検出するためのほぼ平行光の検出光３４ａを出射する光源３１と、光源３１からの検出光３４ａをカンチレバー３上に集光するとともにカンチレバー３で反射された検出光をほぼ平行光の検出光３４ｂを戻す集光素子３２と、検出光３４ｂの入射位置の変化を検出する分割ディテクタ３３を有している。光源３１と集光素子３２と分割ディテクタ３３は、カンチレバーチップ１のカンチレバー３の変位を検出する変位センサーを構成している。この変位センサーは、例えば、走査型プローブ顕微鏡によく用いられる光てこ式の光学式変位センサーである。
【００７４】
光学透過板１２０は、それ自体が光学的に透明であり、カンチレバー３の変位を検出するための検出光３４ａ，３４ｂを透過する。集光素子３２を通過した検出光３４ａは光学透過板１２０を透過してカンチレバー３に入射され、カンチレバー３で反射された検出光３４ｂは光学透過板１２０を透過して集光素子３２に入射する。
【００７５】
光源３１と分割ディテクタ３３は、図示しない筐枠に保持されている。また集光素子３２は、走査機構１１のＸＹ可動部１２に固定されており、走査機構１１によってカンチレバーチップ１と一緒に走査される。集光素子３２は、例えば単レンズで構成される。集光素子３２は、カンチレバー３上の集光スポット径が数μｍ以下となるように、ＮＡ＝０．４以上の光学特性を備えている。さらに集光素子３２は、高速走査に適したサイズ、例えば径が１０ｍｍ以下、望ましくは５ｍｍ以下の小型軽量のものが使用される。
【００７６】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は以下のように動作する。
【００７７】
光源３１から出射されたほぼ平行光の検出光３４ａは、集光素子３２によって集光され、光学透過板１２０を介してカンチレバー３に照射され、カンチレバー３上に直径２μｍ程度の集光スポットを形成する。
【００７８】
カンチレバー３で反射された検出光３４ｂは、光学透過板１２０を介して集光素子３２を通ることによりほぼ平行光に戻って分割ディテクタ３３に入射する。分割ディテクタ３３上における検出光３４ｂの入射位置はカンチレバー３のＺ変位に応じて変化する。分割ディテクタ３３は、このカンチレバー３のＺ変位を反映した変位信号をコントローラ４０に出力する。
【００７９】
コントローラ４０は、Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４にラスター走査のための走査信号を供給する。Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４は、コントローラ４０からの走査信号を受けて、カンチレバーチップ１をＸＹ平面内でラスター走査する。詳しくは、Ｘアクチュエータ１３に、ラスター走査の高速軸に対応した周波数の高い走査信号を供給すると同時に、Ｙアクチュエータ１４に、ラスター走査の低速軸に対応した周波数の低い走査信号を供給する。Ｘアクチュエータ１３は、コントローラ４０からの周波数の高い走査信号を受けて、カンチレバーチップ１をＸ軸に沿って高速でラスター走査する。Ｙアクチュエータ１４は、コントローラ４０からの周波数の低い走査信号を受けて、カンチレバーチップ１をＹ軸に沿って低速でラスター走査する。コントローラ４０から出力される走査信号の周波数は、高速軸（Ｘ軸）が１ｋＨｚ以上になる。
【００８０】
またコントローラ４０は、分割ディテクタ３３からカンチレバー３の変位信号を受けて、それに応じた走査信号をＺアクチュエータ１５へ供給する。Ｚアクチュエータ１５は、コントローラ４０からの走査信号を受けて、カンチレバーチップ１をＺ軸に沿って走査する。
【００８１】
コンピュータ４１は、カンチレバー３の変位情報と走査機構１１の走査情報とに基づいて試料５０の物理情報を取得し、モニター上に表示する。
【００８２】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、ホルダ１６は走査機構１１によって走査されるが、液体接触部材である光学透過板１２０は走査機構１１によって走査されない。つまり、光学透過板１２０は走査機構１１によって走査される走査対象物ではない。より詳しくは、光学透過板１２０は、Ｘアクチュエータ１３の固定端とＹアクチュエータ１４の固定端と支持体１２１を介してつながっているが、各々の動作端とはつながっていない。また、光学透過板１２０は、Ｘアクチュエータ１３、Ｙアクチュエータ１４、Ｚアクチュエータ１５によって走査されるホルダ１６とも弾性部材１２３を介してつながっているが、弾性部材１２３が弾性変形してホルダ１６の動きを吸収するため、光学透過板１２０は走査機構１１によって走査されない。その結果、走査の際に生じる液体の動きが低減される。
【００８３】
貫通穴１２２とホルダ１６の隙間は弾性部材１２３により防水シールされており、貫通穴１２２とホルダ１６の距離の変化に応じて弾性部材１２３が変形することにより、貫通穴１２２とホルダ１６の隙間の防水性は保たれる。その結果、支持体１２１と光学透過板１２０で構成された筐体の内部に液体が侵入することはない。
【００８４】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸に沿ったいずれの走査においても、光学透過板１２０は走査されない。従って、試料台１５１と光学透過板１２０に液体が挟まれて形成される液体セル１５２の形状は変化しない。すなわち、液体セル１５２と大気の境界面は動かない。また、貫通穴１２２から液体の中に突出しているのは、ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１だけである。つまり、液体セル１５２の液体中で走査される対象物は、必要最低限の部材すなわち小型のホルダ１６とカンチレバーチップ１だけになる。従って、液体セルと走査対象物とが接触する接触面積や体積を減らすことができ、走査の際に生じる液体の振動を低減することができる。
【００８５】
従来技術の説明の際に紹介した米国特許第８０８７２８８号明細書に開示された走査型プローブ顕微鏡では、本実施形態の光学透過板１２０に相当する試料台と共に液体セルを形成する光学部材も走査される。このため、液体セルの形状が変化する。すなわち、液体セルと大気の境界面が動かされる。
【００８６】
走査の際に生じる液体の振動を低減するためには、液体中に存在する走査対象物の体積および走査対象物と液体の接触面積を減らすことが有効である。従って、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、米国特許第８０８７２８８号明細書の走査機構と比較して、走査の際に生じる液体の部分的な振動や対流が低減される。その結果、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は高精度な観察が可能である。
【００８７】
近年、生物試料の動く様子を観察できる高速走査が可能なＡＦＭが望まれている。このＡＦＭでは１秒以内、望ましくは０．１秒以内に一画面を得ることが目標となる。
【００８８】
例えば、Ｘ軸方向をラスター走査の高速方向、Ｙ軸方向をラスター走査の低速方向とし、Ｘ軸方向１００画素、Ｙ軸方向１００画素の画像を０．１秒で取り込むとき、Ｘ軸方向の走査周波数は１ｋＨｚ、Ｙ軸方向の走査周波数は１０Ｈｚ、Ｚ軸方向の走査周波数は１００ｋＨｚ以上に達する。これは従来のＡＦＭの１０倍〜１００倍に相当する速度である。
【００８９】
しかしながら液体は粘性体であり、粘性抵抗の大きさは、走査周波数に比例して大きくなるので、走査速度が上がれば、それに比例して液体の振動の影響が増加するという問題がある。
【００９０】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバー３は、Ｘ軸に沿って高速に、Ｙ軸に沿って低速にラスター走査される。前述したように、カンチレバー３は、図６に示すように、その長手方向がＹ軸に沿うように配置される。
【００９１】
図７Ａと図７Ｂに示すように、カンチレバー３の長手方向（Ｙ軸方向）に沿った走査の際は、液体の粘性抵抗が生じやすく、それによりカンチレバー３が変形しやすくなる。また液体の対流も大きくなる。粘性抵抗の大きさは、走査周波数に比例する。
【００９２】
より詳しくは、カンチレバー３の長手方向であるＹ軸に沿った走査の際に生じる粘性抵抗の大きさは、カンチレバー３のレバー面のＸＺ平面に投影された面積Ｓｙと走査周波数ｆｙの積に比例する。またＸ軸に沿った走査の際に生じる粘性抵抗の大きさは、カンチレバー３の側面のＹＺ平面に投影された面積Ｓｘと走査周波数ｆｘの積に比例する。
【００９３】
例えば、カンチレバー３は、試料面に対して１２°の角度で保持されており、カンチレバー３の長さを１０μｍ、根元の幅が４μｍ、厚みが０．１μｍ（液中で高速観察に用いられるカンチレバーの大きさの一般的な値）とすると、面積Ｓｙは、１０μｍ×４μｍ×１／２×ｓｉｎ（１２°）＝４．１６μｍ２となり、また面積Ｓｘは、１０μｍ×０．１μｍ＝１μｍ２となる。面積Ｓｙは、面積Ｓｘと比較して４倍大きいことがわかる。従って、カンチレバー３の長手方向（Ｙ軸方向）に沿った走査の際に生じる粘性抵抗の大きさは、Ｘ軸に沿った走査と比較して、４倍も大きくなる。さらにカンチレバー３は、Ｙ軸に沿った力に対しては変形しやすく、Ｘ軸に沿った力に対しては変形しにくい形状をしているので、カンチレバー３の長手方向（Ｙ軸方向）に沿った走査の際に生じるカンチレバー３の変形量は、Ｘ軸に沿った走査と比較して、４倍よりもはるかに大きくなる。
【００９４】
この走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバー３の長手方向が低速のＹ軸方向に沿うようにカンチレバーチップ１がホルダ１６に保持されるので、液体の粘性抵抗により生じる影響が低く抑えられる。これにより、より高精度な走査が可能になる。
【００９５】
生物試料の動く様子を観察する高速走査が可能なＡＦＭにおいては、Ｘ軸方向の走査周波数が１ｋＨｚに達するので、液体の粘性抵抗の影響が特に大きくなるという問題がある。
【００９６】
この走査型プローブ顕微鏡においては、走査の際に生じる液体の振動を低減できるので、高速走査を必要とする場合に、特に効果がある。
【００９７】
本実施形態では、光学透過板１２０は、走査機構１１を支持する支持体１２１に直接固定されているが、他の部材を介して支持体１２１に間接的に固定されてもよい。
【００９８】
＜第四実施形態＞
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図１４に示す。またそのプローブ顕微鏡ヘッドを図１５と図１６Ａと図１６Ｂに示す。これらの図１４と図１５と図１６Ａと図１６Ｂにおいて、図１１と図１２と図１３Ａと図１３Ｂに示した部材と同一の参照符号を付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。
【００９９】
図１４に示すように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡と比較して、プローブ顕微鏡ヘッドが相違している。図１５に示すように、本実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１００Ａは、第三実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１００と比較して、走査機構１１を収容する筐体に違いがある。プローブ顕微鏡ヘッド１００Ａでは、走査機構１１を収容する筐体は、基本筐体１２５と光学透過板１２９で構成されている。言い換えれば、本実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１００Ａは、第三実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１００の支持体１２１と光学透過板１２０を、基本筐体１２５と光学透過板１２９に置き換えた構成となっている。
【０１００】
基本筐体１２５は、走査機構１１を取り囲む周壁部１２５ａと、周壁部１２５ａの下端を塞いでいる底部１２５ｂから構成されている。底部１２５ｂには貫通穴１２６が設けられており、ホルダ１６は貫通穴１２６を通って延びている。ホルダ１６と貫通穴１２６の隙間は弾性部材１２８で防水シールされている。ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１は、貫通穴１２６を通って液体セル１５２の中に突出している。弾性部材１２８は、例えばシリコーンゴム等の柔らかく防水に適した接着剤で構成される。図１５では、ホルダ１６の一部が液体セル１５２の中に突出しているが、ホルダ１６の全体が液体セル１５２の中に突出してもよい。
【０１０１】
さらに基本筐体１２５の底部１２５ｂには、別の貫通穴１２７が設けられている。光学透過板１２９は、ガラスまたは樹脂により形成された光学的に透明な板であり、貫通穴１２７を塞いでいる。光学透過板１２９は、防水性が保たれるように底部１２５ｂに接着固定されている。貫通穴１２７と光学透過板１２９は、カンチレバー３の変位を検出するための検出光３４ａ，３４ｂを透過する光学透過部を構成している。
【０１０２】
底部１２５ｂと光学透過板１２９とで、光学透過部を備えた液体接触部材を構成している。底部１２５ｂと光学透過板１２９は、試料台１５１中の液体に接触して配置され、試料台１５１と共に液体を挟んで、試料１５０を液中環境下で測定するための液体セル１５２を形成する。つまり、底部１２５ｂと光学透過板１２９は、試料台１５１と共に液体セル１５２を形成するセル形成部を含んでいる。本実施形態においては、底部１２５ｂと光学透過板１２９から成る液体接触部材（ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１を含む）と液体の境界面（接触面）と、試料台１５１と液体の境界面（接触面）と、大気と液体の境界面とで、液体セル１５２の領域の形状を定めている。
【０１０３】
カンチレバーチップ１は、例えば図１６Ｂに示すように、カンチレバー３の長手方向がＹ軸に沿うようにホルダ１６に保持される。
【０１０４】
このように構成された本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡と同等の利点を有するほか、次の利点も有する。
【０１０５】
第三実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１００における光学透過板１２０は、例えばガラスまたは樹脂により形成されている。ガラスは割れやすい（欠けやすい）。また樹脂は経年劣化が起きやすい。これらは、光学透過板１２０の大きさ（面積）が大きくなるほど影響が大きくなる。一方、本実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１００Ａでは、光学透過板１２９の面積が小さいので、上述した影響を小さくできる。
【０１０６】
本実施形態では、試料台１５１と共に液体セルを形成する部材が、基本筐体１２５の一部すなわち底部１２５ｂで構成されているが、これに限らず、走査機構１１によって走査されない部材、例えば基本筐体１２５に固定された板状の部材で構成されてもよい。
【０１０７】
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。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含む。
【０１０８】
実施形態では、カンチレバー３の変位センサーが、光てこ式の光学式変位センサーで構成された例を示したが、このような光学式変位センサーを使用する代わりに、カンチレバー３にピエゾ抵抗素子を実装してカンチレバー３の変位を自ら検出する自己検出型カンチレバーを使用してもよい。
【符号の説明】
【０１０９】
１…カンチレバーチップ、２…サブストレート、３…カンチレバー、４…探針、１０，１０Ａ…プローブ顕微鏡ヘッド、１１…走査機構、１２…ＸＹ可動部、１３…Ｘアクチュエータ、１４…Ｙアクチュエータ、１５…Ｚアクチュエータ、１６…ホルダ、２０…光学透過板、２１…支持体、２２…貫通穴、２３…弾性部材、２５…基本筐体、２５ａ…周壁部、２５ｂ…底部、２６，２７…貫通穴、２８…弾性部材、２９…光学透過板、３１…光源、３２…集光素子、３３…分割ディテクタ、３４ａ…検出光、３４ｂ…検出光、４０…コントローラ、４１…コンピュータ、５０…試料、５１…試料台、５２…液体セル、５３…顕微鏡ステージ、５４…顕微鏡筐体、５５…対物レンズ、５６…レボルバー、５７…落射照明光源、１００，１００Ａ…プローブ顕微鏡ヘッド、１２０…光学透過板、１２１…支持体、１２２…貫通穴、１２３…弾性部材、１２５…基本筐体、１２５ａ…周壁部、１２５ｂ…底部、１２６，１２７…貫通穴、１２８…弾性部材、１２９…光学透過板、１５０…試料、１５１…試料台、１５２…液体セル。
【図１】
2014017326.tif 000003
【図２】
2014017326.tif 000004
【図３Ａ】
2014017326.tif 000005
【図３Ｂ】
2014017326.tif 000006
【図３Ｃ】
2014017326.tif 000007
【図４Ａ】
2014017326.tif 000008
【図４Ｂ】
2014017326.tif 000009
【図５】
2014017326.tif 000010
【図６】
2014017326.tif 000011
【図７Ａ】
2014017326.tif 000012
【図７Ｂ】
2014017326.tif 000013
【図８】
2014017326.tif 000014
【図９】
2014017326.tif 000015
【図１０Ａ】
2014017326.tif 000016
【図１０Ｂ】
2014017326.tif 000017
【図１１】
2014017326.tif 000018
【図１２】
2014017326.tif 000019
【図１３Ａ】
2014017326.tif 000020
【図１３Ｂ】
2014017326.tif 000021
【図１４】
2014017326.tif 000022
【図１５】
2014017326.tif 000023
【図１６Ａ】
2014017326.tif 000024
【図１６Ｂ】
2014017326.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成27年1月21日(2015.1.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料台に載置された試料を液体の中で測定する走査型プローブ顕微鏡であって、
自由端に探針が設けられたカンチレバーを互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って走査する走査機構と、
前記カンチレバーの変位を検出するための検出光を透過する光学透過部を有し、少なくとも一部が前記液体に接触して配置される液体接触部材と、を備え、
前記液体接触部材は、前記走査機構によって走査されない、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記走査機構と前記液体接触部材を支持する支持体を備えている、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記液体接触部材は、前記試料台と共に液体セルを形成するセル形成部を含んでいる、請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記走査機構は、前記カンチレバーを含むカンチレバーチップを保持するホルダを備え、
前記液体接触部材は貫通穴を有し、前記カンチレバーチップと前記ホルダの少なくとも一部が前記貫通穴を通って前記液体の中に突出している、請求項１〜３のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記貫通穴と前記ホルダの隙間が弾性部材で防水シールされている、請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記光学透過部は、前記液体接触部材に設けられた第二の貫通穴と、前記第二の貫通穴を塞ぐ光学透過板から構成されている、請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記カンチレバーの変位を検出する変位センサーをさらに備えており、
前記変位センサーは、前記走査機構によって前記カンチレバーと一緒に走査される集光素子を含んでいる、請求項１〜６のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記走査機構は、前記カンチレバーを前記Ｘ軸と前記Ｙ軸に沿ってラスター走査するＸＹスキャナを備えており、
前記ラスター走査の高速軸を前記Ｘ軸とし、前記ラスター走査の低速軸を前記Ｙ軸としたとき、前記カンチレバーは、その長手方向が前記Ｙ軸に沿うように配置される、請求項１〜７のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記セル形成部は、前記試料を挟んで前記試料台と対向する位置に配置され、前記試料を含む前記液体を前記試料台と共に挟むことによって、前記液体セルを形成する、請求項３および請求項３を引用する請求項４〜８のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記光学透過部は、前記セル形成部の少なくとも一部を構成している、請求項３および請求項３を引用する請求項４〜８のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
試料台に載置された試料を液体の中で測定する方法であって、
自由端に探針が設けられたカンチレバーを前記液体の中に配置し、
光学透過部を有している液体接触部材を、前記液体接触部材の少なくとも一部を前記液体に接触させて、不動に配置し、
前記カンチレバーを走査し、
走査中の前記カンチレバーの動きを前記光学透過部を介して光学的に検出することを含んでいる、方法。
【請求項１２】
前記液体接触部材は貫通穴を有しており、
前記カンチレバーを前記液体の中に配置することは、
前記カンチレバーを含むカンチレバーチップをホルダで保持し、
前記貫通穴を通して前記ホルダを保持し、
前記カンチレバーチップと前記ホルダの少なくとも一部を前記液体の中に突出させる、
請求項１１に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2014017326.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成28年1月18日(2016.1.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料台に載置された試料を液体の中で測定する走査型プローブ顕微鏡であって、
自由端に探針が設けられたカンチレバーを互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って走査する走査機構と、
前記カンチレバーの変位を検出するための検出光を透過する光学透過部を有し、少なくとも一部が前記液体に接触して配置される液体接触部材と、を備え、
前記液体接触部材は、前記試料台と共に、液体と大気の境界面を有している液体セルを形成するセル形成部を備え、
前記液体接触部材は、前記走査機構によって走査されない、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記走査機構と前記液体接触部材を支持する支持体を備えている、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記液体セルは、液体と前記液体接触部材の境界面と、液体と前記試料台の境界面と、液体と大気の境界面を有している、請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記走査機構は、前記カンチレバーを含むカンチレバーチップを保持するホルダを備え、
前記液体接触部材は貫通穴を有し、前記カンチレバーチップと前記ホルダの少なくとも一部が前記貫通穴を通って前記液体の中に突出している、請求項１〜３のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記貫通穴と前記ホルダの隙間が弾性部材で防水シールされている、請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記光学透過部は、前記液体接触部材に設けられた第二の貫通穴と、前記第二の貫通穴を塞ぐ光学透過板から構成されている、請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記カンチレバーの変位を検出する変位センサーをさらに備えており、
前記変位センサーは、前記走査機構によって前記カンチレバーと一緒に走査される集光素子を含んでいる、請求項１〜６のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記走査機構は、前記カンチレバーを前記Ｘ軸と前記Ｙ軸に沿ってラスター走査するＸＹスキャナを備えており、
前記ラスター走査の高速軸を前記Ｘ軸とし、前記ラスター走査の低速軸を前記Ｙ軸としたとき、前記カンチレバーは、その長手方向が前記Ｙ軸に沿うように配置される、請求項１〜７のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記セル形成部は、前記試料を挟んで前記試料台と対向する位置に配置され、前記試料を含む前記液体を前記試料台と共に挟むことによって、前記液体セルを形成する、請求項１〜８のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記光学透過部は、前記セル形成部の少なくとも一部を構成している、請求項１〜８のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記走査機構は、前記液体の一部が大気と接触した状態で、前記カンチレバーを走査する、請求項１〜１０のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
試料台に載置された試料を液体の中で測定する方法であって、
自由端に探針が設けられたカンチレバーを前記液体の中に配置し、
光学透過部を有している液体接触部材を、前記液体接触部材の少なくとも一部を前記液体に接触させて、不動に配置して、液体と大気の境界面を有する液体セルを形成し、
前記液体セル中において前記カンチレバーを走査し、
走査中の前記カンチレバーの動きを前記光学透過部を介して光学的に検出することを含んでいる、方法。
【請求項１３】
前記液体接触部材は貫通穴を有しており、
前記カンチレバーを前記液体の中に配置することは、
前記カンチレバーを含むカンチレバーチップをホルダで保持し、
前記貫通穴を通して前記ホルダを保持し、
前記カンチレバーチップと前記ホルダの少なくとも一部を前記液体の中に突出させる、
請求項１２に記載の方法。
【国際調査報告】
2014017326.tif 000027
2014017326.tif 000028