(57)【要約】広範囲の測定と高速・高精度の測定を両立することのできるスキャナを提供する。外枠と、外枠の内側に配置される第１内枠と、第１内枠を外枠に対しＹ方向に相対的に移動させる広域Ｙアクチュエータと、第１内枠の内側に配置される第２内枠と、第２内枠を第１内枠に対しＹ方向と直交するＸ方向に相対的に移動させる広域Ｘアクチュエータと、第２内枠の内側に配置される第３内枠と、第３内枠を第２内枠に対しＹ方向に相対的に移動させる狭域Ｙアクチュエータと、第３内枠の内側に配置される可動土台と、可動土台を第３内枠に対しＸ方向に相対的に移動させる狭域Ｘアクチュエータとを備えるスキャナを提供する。
2018131343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外枠と、
前記外枠の内側に配置される第１内枠と、
前記第１内枠を前記外枠に対しＹ方向に相対的に移動させる広域Ｙアクチュエータと、
前記第１内枠の内側に配置される第２内枠と、
前記第２内枠を前記第１内枠に対しＹ方向と直交するＸ方向に相対的に移動させる広域Ｘアクチュエータと、
前記第２内枠の内側に配置される第３内枠と、
前記第３内枠を前記第２内枠に対しＹ方向に相対的に移動させる狭域Ｙアクチュエータと、
前記第３内枠の内側に配置される可動土台と、
前記可動土台を前記第３内枠に対しＸ方向に相対的に移動させる狭域Ｘアクチュエータと
を備えることを特徴とするスキャナ。
【請求項２】
前記可動土台により支持されるステージをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のスキャナ。
【請求項３】
前記広域Ｘアクチュエータによって前記ステージが移動可能な範囲は前記狭域Ｘアクチュエータによって前記ステージが移動可能な範囲よりも広く、
前記広域Ｙアクチュエータによって前記ステージが移動可能な範囲は前記狭域Ｙアクチュエータによって前記ステージが移動可能な範囲よりも広い
ことを特徴とする請求項２に記載のスキャナ。
【請求項４】
前記ステージは、前記ステージをＸ方向及びＹ方向と直交するＺ方向に相対的に移動させるＺアクチュエータを介して前記可動土台に支持されることを特徴とする請求項２又は３に記載のスキャナ。
【請求項５】
前記可動土台における前記Ｚアクチュエータを介して前記ステージが支持される面とは反対の面に、前記Ｚアクチュエータ及び前記ステージの総重量と略等しい重量のカウンターバランスが取り付けられることを特徴とする、請求項４に記載のスキャナ。
【請求項６】
前記第１内枠は、板面がＹ方向と略直交する複数の板バネを介して前記外枠と接続され、
前記第２内枠は、板面がＸ方向と略直交する複数の板バネを介して前記第１内枠と接続され、
前記第３内枠は、板面がＹ方向と略直交する複数の板バネを介して前記第２内枠と接続され、
前記可動土台は、板面がＸ方向と略直交する複数の板バネを介して前記第３内枠と接続される
ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のスキャナ。
【請求項７】
前記第３内枠の内側に、前記可動土台と略等しい重量の可動土台カウンターパートをさらに備え、
前記狭域Ｘアクチュエータは、制御信号に応じてＸ方向に伸縮可能な圧電素子であり、前記可動土台と前記可動土台カウンターパートの間に配置されることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のスキャナ。
【請求項８】
前記広域Ｙアクチュエータは、制御信号に応じてＹ方向に伸縮可能な圧電素子であり、前記外枠の内側面と前記第１内枠の外側面との間に配置され、
前記広域Ｘアクチュエータは、制御信号に応じてＸ方向に伸縮可能な圧電素子であり、前記外枠の内側面又は前記第１内枠の内側面と前記第２内枠の外側面との間に配置され、
前記狭域Ｙアクチュエータは、制御信号に応じてＹ方向に伸縮可能な圧電素子であり、前記第２内枠の内側面と前記第３内枠の外側面との間に配置される
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のスキャナ。
【請求項９】
前記可動土台によりプローブを支持することを特徴とする請求項１に記載のスキャナ。
【請求項１０】
前記外枠を支持ベースに対してＺ方向に相対的に移動させる広域Ｚアクチュエータをさらに備え、
前記広域Ｚアクチュエータによる移動可能な範囲は、前記Ｚアクチュエータによる移動可能な範囲よりも広いことを特徴とする請求項４または５に記載のスキャナ。
【請求項１１】
被支持体と、
前記被支持体を支持する可動土台と、
前記可動土台と前記被支持体との間に配され、前記被支持体を前記可動土台に対してＺ方向に相対的に移動させる狭域Ｚアクチュエータと、
前記可動土台を支持するとともにＸ方向及びＹ方向相対的に移動させるＸＹスキャナと、
前記ＸＹスキャナと支持ベースとの間に配され、前記ＸＹスキャナを前記支持ベースに対してＺ方向に相対的に移動させる広域Ｚアクチュエータと
を備えることを特徴とするスキャナ。
【請求項１２】
前記広域Ｚアクチュエータによる移動可能な範囲は、前記狭域Ｚアクチュエータによる移動可能な範囲よりも広いことを特徴とする請求項１１に記載のスキャナ。
【請求項１３】
扁平な板状の支持プレートをさらに備え、
前記広域Ｚアクチュエータは前記支持プレートの第１面に取り付けられており、
前記第１面の裏面である第２面おいて前記広域Ｚアクチュエータと対向する位置に設けられ、前記広域Ｚアクチュエータと同じ特性を有するカウンター広域アクチュエータと、
前記カウンター広域Ｚアクチュエータに支持され、前記被支持体、前記可動土台、前記狭域Ｚアクチュエータ、及び前記ＸＹスキャナの総重量と略等しい重量であるカウンターバランスと
をさらに備えることを特徴とする請求項１１または１２に記載のスキャナ。
【請求項１４】
請求項１から１３の何れか１項に記載のスキャナを備えることを特徴とする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、試料ステージをプローブに対し走査のために相対的に変位させる走査型プローブ顕微鏡に関するものであり、特に、当該走査を行うためのスキャナの構造に関するものである。
【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)、走査型熱顕微鏡(ＳＴｈＭ)などの総称である。走査型プローブ顕微鏡は、試料ステージと、プローブと、該試料ステージまたは該プローブを走査のために変位させるスキャナと、プローブで起こる物理量の変化を検出する検出器とを、原理上の共通の要素として有している。走査型プローブ顕微鏡は、プローブと試料とを相対的にＸＹ方向にラスター走査し所望の試料領域の表面情報をプローブを介して得て、モニタ上にマッピング表示することができる。なお、本明細書では、試料の高さ方向をＺ方向とし、Ｚ方向と直交する面内において直交する２方向をＸ方向及びＹ方向とする。【０００３】
走査型プローブ顕微鏡の典型的なものとして、原子間力顕微鏡が挙げられる。原子間力顕微鏡では、プローブとしてカンチレバーチップ（カンチレバーの先端に極めて微小な探針が付与された部材）が用いられる。【０００４】
図１は、走査のために試料ステージ側を変位させるタイプの原子間力顕微鏡の主要部分の構成例を示す図である。図１に示すように、試料ステージ変位型の装置では、顕微鏡筐体１００上に、試料が配置されるステージ１２２を走査するためのスキャナ２００が設けられる。スキャナ２００は、コントローラ１０２からの制御信号に応じてＺ方向（図の上下方向）に変位可能なＺスキャナと、Ｘ−Ｙ方向（図の紙面に垂直な平面に沿った直交する２方向）に変位可能なＸ−Ｙスキャナとを有して構成される。カンチレバーチップ１１０は、カンチレバー１１２と探針１１４とを有し、その基部が励振用圧電体１１５等を介して顕微鏡筐体１００に固定される。【０００５】
コントローラ１０２によりスキャナが制御され、試料が変位すると、カンチレバー１１２に変化が生じ、その変化が光センサユニット１１６によって検出され、各測定点のデータから、試料表面の起伏の様子がコンピュータ１０４により画像化されて、モニタ１０６に表示される。原子間力顕微鏡の各部の構造やフィードバック制御については、例えば、特許文献１、２などに詳細に説明されている。【０００６】
図１６は、従来から用いられているスキャナ３００の構造の一例を示している。スキャナ３００は、外枠３１０の内側に、Ｙ方向に撓むことができる板バネ３０２を介して内枠３０４が支持され、内枠３０４の内側に、Ｘ方向に撓むことができる板バネ３０５を介して土台部３０７が支持された構造を有する。外枠３１０の内側面と内枠３０４の外側面の間には、印加する電圧に応じてＹ方向に伸縮するＹアクチュエータ３０３が設けられ、Ｙアクチュエータ３０３の伸縮に応じて内枠３０４及び内枠３０４に支持されている部材は外枠３１０に対してＹ方向に相対的に移動する。内枠３０４の内側面と土台部３０７の外側面の間には、印加する電圧に応じてＸ方向に伸縮するＸアクチュエータ３０６が設けられ、Ｘアクチュエータ３０６の伸縮に応じて土台部３０７及び土台部３０７に支持されている部材は内枠３０４及び外枠３１０に対してＸ方向に相対的に移動する。土台部３０７の上には印加する電圧に応じてＺ方向に伸縮するＺアクチュエータ３０８を介してステージ３０９が設けられる。Ｚアクチュエータ３０８の伸縮に応じてステージ３０９およびステージ３０９に配置された試料は土台部３０７及び外枠３１０に対してＺ方向に相対的に移動する。このような構造のスキャナ３００は、Ｙアクチュエータ３０３とＸアクチュエータ３０６を制御信号により駆動してステージ３０９をＸ−Ｙ方向に変位させ、Ｚアクチュエータ３０８を制御信号により駆動してステージ３０９をＺ方向に変位させる。【０００７】
走査型プローブ顕微鏡の時間分解能を高める（別の表現では、１フレームをスキャンするのに要する時間を短縮する）には、スキャナの応答の律速となるスキャナ自身の共振周波数（固有振動数）を高めることが重要となる。この点、上述の構造のＸＹＺスキャナ３００は、比較的単純な構造により共振ピークの数を減らすことが可能であり、スキャナの強度（剛性）を高めることによって共振周波数が比較的高くすることが可能であることから、高速の走査型プローブ顕微鏡に用いられている（例えば、非特許文献１を参照）。【０００８】
走査型プローブ顕微鏡による測定対象は様々であり、旧来から測定されてきた金属、半導体、セラミックスなどの材料の表面の他、近年では、医学・生物学研究の分野において細胞、タンパク質分子なども測定対象とされている。従来のタンパク質分子の測定は、細胞から取り出したタンパク質分子を支持基板上に固定してイメージングしたものであり、細胞中において実際に機能している分子をイメージングしたものではなかった。細胞中において実際に機能している分子をイメージングすることを想定した場合、マイクロメートルスケールの細胞全体をイメージングすることと、その細胞の中のタンパク質分子が存在する領域においてナノメートルスケールのタンパク質分子をイメージングすることを両立する必要がある。【０００９】
上記の従来型のスキャナ３００では、ナノメートルスケールの走査範囲で高速のスキャンを実現しているが、走査範囲を拡げようとした場合、Ｙアクチュエータ３０３やＸアクチュエータ３０６を伸び係数（単位電圧当たりの伸縮量、圧電定数ともいう）がより大きいものとする必要がある。しかしながら、Ｙアクチュエータ３０３やＸアクチュエータ３０６の伸び係数を大きくすると、応答速度や位置精度が低下するという問題がり、広範囲の測定と高速・高精度の測定を両立することは困難であった。【００１０】
以上のような広範囲の測定と高速・高精度の測定の両立に関する問題は、原子間力顕微鏡のみならず、ステージをスキャナで変位させるタイプの走査型プローブ顕微鏡において共通に存在する問題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０８７１１４号
【特許文献２】国際公開第２００６／１２９５６１号
【００１２】
【非特許文献１】T.Ando et al., e-J. Surf. Sci. Nanotech. 3, 384 (2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題は、上記の問題を解決し、広範囲の測定と高速・高精度の測定を両立することのできるスキャナ、及びこのようなスキャナを備えた走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決すべく、本発明の一実施形態に係るスキャナは、外枠と、外枠の内側に配置される第１内枠と、第１内枠を外枠に対しＹ方向に相対的に移動させる広域Ｙアクチュエータと、第１内枠の内側に配置される第２内枠と、第２内枠を第１内枠に対しＹ方向と直交するＸ方向に相対的に移動させる広域Ｘアクチュエータと、第２内枠の内側に配置される第３内枠と、第３内枠を第２内枠に対しＹ方向に相対的に移動させる狭域Ｙアクチュエータと、第３内枠の内側に配置される可動土台と、可動土台を第３内枠に対しＸ方向に相対的に移動させる狭域Ｘアクチュエータとを備える。このようにすれば、広範囲の測定と高速・高精度の測定を両立することができる。【００１５】
本発明では、スキャナは、可動土台により支持されるステージをさらに備えるとよい。【００１６】
本発明では、広域Ｘアクチュエータによってステージが移動可能な範囲は狭域Ｘアクチュエータによってステージが移動可能な範囲よりも広いとよく、広域Ｙアクチュエータによってステージが移動可能な範囲は狭域Ｙアクチュエータによってステージが移動可能な範囲よりも広いとよい。【００１７】
本発明では、ステージは、ステージをＸ方向及びＹ方向と直交するＺ方向に相対的に移動させるＺアクチュエータを介して可動土台に支持されるとよい。また、可動土台におけるＺアクチュエータを介してステージが支持される面とは反対の面に、Ｚアクチュエータ及びステージの総重量と略等しい重量のカウンターバランスが取り付けられるとよい。【００１８】
本発明では、第１内枠は、板面がＹ方向と略直交する複数の板バネを介して外枠と接続されるとよく、第２内枠は、板面がＸ方向と略直交する複数の板バネを介して第１内枠と接続されるとよく、第３内枠は、板面がＹ方向と略直交する複数の板バネを介して第２内枠と接続されるとよく、可動土台は、板面がＸ方向と略直交する複数の板バネを介して第３内枠と接続されるとよい。【００１９】
本発明では、第３内枠の内側に、可動土台と略等しい重量の可動土台カウンターパートをさらに備え、狭域Ｘアクチュエータは、制御信号に応じてＸ方向に伸縮可能な圧電素子であり、可動土台と可動土台カウンターパートの間に配置されるとよい。【００２０】
本発明では、広域Ｙアクチュエータは、制御信号に応じてＹ方向に伸縮可能な圧電素子であり、外枠の内側面と第１内枠の外側面との間に配置され、広域Ｘアクチュエータは、制御信号に応じてＸ方向に伸縮可能な圧電素子であり、外枠の内側面又は第１内枠の内側面と第２内枠の外側面との間に配置され、狭域Ｙアクチュエータは、制御信号に応じてＹ方向に伸縮可能な圧電素子であり、第２内枠の内側面と第３内枠の外側面との間に配置されるとよい。【００２１】
本発明では、可動土台によりプローブを支持してもよい。このようにすれば、走査のためにプローブ側を変位させるタイプの走査型プローブ顕微鏡にスキャナを適用することができる。【００２２】
本発明では、スキャナは、外枠を支持ベースに対してＺ方向に相対的に移動させる広域Ｚアクチュエータをさらに備えるとよい。ここで、広域Ｚアクチュエータによる移動可能な範囲は、前述のＺアクチュエータによる移動可能な範囲よりも広くするとよい。【００２３】
本発明の他の実施形態に係るスキャナは、被支持体と、被支持体を支持する可動土台と、可動土台と被支持体との間に配され、被支持体を可動土台に対してＺ方向に相対的に移動させる狭域Ｚアクチュエータと、可動土台を支持するとともにＸ方向及びＹ方向相対的に移動させるＸＹスキャナと、ＸＹスキャナと支持ベースとの間に配され、ＸＹスキャナを支持ベースに対してＺ方向に相対的に移動させる広域Ｚアクチュエータとを備える。【００２４】
本発明では、広域Ｚアクチュエータによる移動可能な範囲は、狭域Ｚアクチュエータによる移動可能な範囲よりも広くするとよい。【００２５】
扁平な板状の支持プレートをさらに備え、広域Ｚアクチュエータは支持プレートの第１面に取り付けられているとよい。そして、スキャナは、第１面の裏面である第２面おいて広域Ｚアクチュエータと対向する位置に設けられ、広域Ｚアクチュエータと同じ特性を有するカウンター広域アクチュエータと、カウンター広域Ｚアクチュエータに支持され、被支持体、可動土台、狭域Ｚアクチュエータ、及びＸＹスキャナの総重量と略等しい重量であるカウンターバランスとをさらに備えるとよい。【００２６】
上記の課題を解決すべく、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、上記何れかのスキャナを備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態に係る原子間力顕微鏡の構成を模式的に示す図である。
【図２】第１実施形態に係るスキャナの構成を示す斜視図である。
【図３】第１実施形態に係るスキャナの構成を示す平面図である。
【図４】第１実施形態に係るスキャナの構成を示す一部拡大図である。
【図５】第１実施形態に係るスキャナの図４におけるＡ−Ａ’での断面図である。
【図６】第２実施形態に係る原子間力顕微鏡の構成を模式的に示す図である。
【図７】広域ＸＹスキャナによるＸ走査の周波数特性を示す図である。
【図８】狭域ＸＹスキャナによるＸ走査の周波数特性を示す図である。
【図９】比較例として用いたスキャナの構造を示す図である。
【図１０】従来型のスキャナによるＸ走査の周波数特性を示す図である。
【図１１】図１１（ａ）は広域ＺアクチュエータによるＺ走査の周波数特性を示す図である。図１１（ｂ）は狭域ＺアクチュエータによるＺ走査の周波数特性を示す図である。
【図１２】従来型のＺアクチュエータを備えるスキャナを用いたプローブ顕微鏡の構成を示す模式図である。
【図１３】従来型のＺアクチュエータによるＺ走査の周波数特性を示す図である。
【図１４】第２実施形態の変形例に係るスキャナを用いたプローブ顕微鏡の構成を示す模式図である。
【図１５】機械的直列構成のスキャナの一例を示す平面図である。
【図１６】従来から用いられているスキャナの構造の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
〔第１実施形態〕
以下に、図を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成を説明する。なお、本明細書において、走査プローブ顕微鏡の構成を示した各図面では、その主要な特徴を説明するために構成要素の形状、寸法等を誇張したり変形したりして描いている場合があり、図面に描かれた形状は実物の形状を忠実に描いたものとは限らない。図１は、本発明の第１実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成を概略的に示した図であって、走査型プローブ顕微鏡の具体例として原子間力顕微鏡１の構成例を示している。
【００２９】
原子間力顕微鏡１は、プローブとしてカンチレバーチップ１１０（カンチレバー１１２の先端に極めて微小な突起針である探針１１４が付与された部材）を用い、探針１１４と試料表面との間の相互作用によるカンチレバー１１２の変化（ＤＣモード（接触モードや非接触モード）での原子間力によるカンチレバー先端部分の変位や、ＡＣモード（タッピングモードと称される場合もある）でのカンチレバーの振動の変化など）を通じて、試料表面の起伏の様子を画像化する顕微鏡である。
【００３０】
図１に示したように、原子間力顕微鏡１は、顕微鏡筐体１００、カンチレバーチップ１１０、光センサユニット１１６、ステージ１２２、スキャナ２００、コントローラ１０２、コンピュータ１０４、及びモニタ１０６を備える。
【００３１】
カンチレバーチップ１１０は、上述のとおり、カンチレバー１１２の先端に極めて微小な探針１１４が付与された部材である。カンチレバーチップ１１０は、ＡＣモードでの測定を実施するために、カンチレバー１１２を振動させるための励振用圧電体１１５を介して顕微鏡筐体１００に固定されている。
【００３２】
スキャナ２００は、ステージ１２２を支持し、ステージ１２２を支持ベースとなる顕微鏡筐体１００に取り付けられたプローブに対し相対的に、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に移動させる。スキャナ２００は、顕微鏡筐体１００に着脱自在に取り付けられる。スキャナ２００が顕微鏡筐体１００に取り付けられた状態において、ステージ１２２はカンチレバー１１２の先端にある探針１１４と対向する位置に配置される。ステージ１２２には、原子間力顕微鏡１による測定対象である試料（または試料を保持した試料台）が固定される。
【００３３】
図２〜図５は、スキャナ２００の構造を、ステージ１２２とともに示している。図２は、スキャナステージユニット１２０の構成を示す斜視図である。図３は、スキャナステージユニット１２０の構成を示す平面図である。図４は、スキャナ２００の構成を示す一部拡大図である。図５は、スキャナ２００の図４におけるＡ−Ａ’での断面図である。
【００３４】
スキャナ２００は、広域ＸＹスキャナ２２０の中に、広域ＸＹスキャナ２２０よりも走査範囲が狭い狭域ＸＹスキャナ２３０が入れ子となった状態で支持され、これらの広域ＸＹスキャナ２２０と狭い狭域ＸＹスキャナ２３０とが外枠２１０内に収められた構造を有する。そして、ステージ１２２は、Ｚアクチュエータ２４０を介して狭域ＸＹスキャナ２３０により支持される。
【００３５】
外枠２１０は、剛性の高い枠体であり、例えばインバーなどの金属で形成されている。外枠２１０の外形寸法は、縦横（Ｘ方向及びＹ方向）各５０ｍｍ、例えば厚さ（Ｚ方向）５ｍｍ程度に形成される。外枠２１０には顕微鏡筐体１００との位置合わせのためのガイド孔２１２が設けられる。このガイド孔２１２にネジを通して顕微鏡筐体１００に固定することにより、スキャナ２００を顕微鏡筐体１００の正しい位置に取り付けることができる。外枠２１０は、強度を維持するのに十分な厚みを有しつつ、内側にスキャナ２００を収容するための開口を有する。図３に示すように、外枠２１０は、Ｙ−Ｚ平面に平行な内側面２１４及び２１５と、Ｘ−Ｚ平面に平行な内側面２１６とを有している。
【００３６】
図３に示すように、広域ＸＹスキャナ２２０は、第１内枠２２２、広域Ｙアクチュエータ２２４、第２内枠２２６、及び広域Ｘアクチュエータ２２８を備える。
第１内枠２２２は、コの字型の枠体であり、側壁部２２２ａ、接続部２２２ｂ、及び側壁部２２２ｃを備える。側壁部２２２ａ及び側壁部２２２ｃは、Ｘ−Ｚ平面に平行な平板部である。また、接続部２２２ｂは、Ｙ−Ｚ平面に平行な平板部であり、側壁部２２２ａと側壁部２２２ｃとを連結する。第１内枠２２２は、側壁部２２２ａ及び側壁部２２２ｃのＹ方向の両端において、外枠２１０におけるＹ−Ｚ平面に平行な内側面２１４及び２１５と、４枚の板バネ２２３を介して接続されている。板バネ２２３は板面がＸ−Ｚ平面と略平行になる（換言すると、板面がＹ方向と略直交する）ように設けられており、この板バネ２２３が撓むことにより第１内枠２２２は外枠２１０に対しＹ方向に移動できるが、Ｘ方向及びＺ方向の移動は規制される。
【００３７】
第１内枠２２２の側壁部２２２ｃの外側面は、Ｘ−Ｚ平面に平行となっている。側壁部２２２ｃの外側面と、外枠２１０におけるＸ−Ｚ平面に平行な内側面２１６とは対向するように配置され、その間に広域Ｙアクチュエータ２２４が配置される。広域Ｙアクチュエータ２２４は、例えばピエゾ素子などの圧電素子で形成される。広域Ｙアクチュエータ２２４は、側壁部２２２ｃの外側面と外枠２１０の内側面２１６との間隙と略同一な長さのフリー長（制御信号を印加しない自然な状態での長さ）とされる。広域Ｙアクチュエータ２２４は、コントローラ１０２からの制御信号に応じて伸縮し、板バネ２２３をＹ方向に撓ませつつ、第１内枠２２２を外枠２１０に対しＹ方向に相対的に移動させる。広域Ｙアクチュエータ２２４は、最大の電圧（例えば１００ボルト）を印加したときに、Ｙ方向にマイクロメートルスケール（例えば１０マイクロメートル）の変位が生じる伸び係数とするとよい。
【００３８】
第２内枠２２６は、矩形の枠体であり、側壁部２２６ａ、側壁部２２６ｂ、側壁部２２６ｃ、及び側壁部２２６ｄを備える。側壁部２２６ａ及び側壁部２２６ｃは、Ｘ−Ｚ平面に平行な平板部である。また、側壁部２２６ｂ及び側壁部２２６ｄは、Ｙ−Ｚ平面に平行な平板部であり、それぞれ側壁部２２６ａと側壁部２２６ｃとを連結する。
【００３９】
側壁部２２６ａは、Ｘ方向における中央付近において、側壁部２２２ａにおけるＸ−Ｚ平面に平行な内側面と、板バネ２２７を介して接続されている。同様に側壁部２２６ｃも、Ｘ方向における中央付近において、側壁部２２２ｃにおけるＸ−Ｚ平面に平行な内側面と、板バネ２２７を介して接続されている。板バネ２２７は板面がＹ−Ｚ平面と平行になる（換言すると、板面がＸ方向と略直交する）ように設けられており、この板バネ２２７が撓むことにより第２内枠２２６は外枠２１０及び第１内枠２２２に対しＸ方向に移動できるが、Ｙ方向及びＺ方向の移動は規制される。
【００４０】
側壁部２２６ｄの外側面は、Ｙ−Ｚ平面に平行となっており、外枠２１０におけるＹ−Ｚ平面に平行な内側面２１５と対向するように配置される。側壁部２２６ｂの外側面と外枠２１０の内側面２１４との間に広域Ｘアクチュエータ２２８が配置される。広域Ｘアクチュエータ２２８は、例えばピエゾ素子などの圧電素子で形成される。広域Ｘアクチュエータ２２８は、側壁部２２６ｂの外側面と外枠２１０の内側面２１４との間隙と略同一な長さのフリー長とされる。広域Ｘアクチュエータ２２８は、コントローラ１０２からの制御信号に応じて伸縮し、板バネ２２７をＸ方向に撓ませつつ、第２内枠２２６を外枠２１０及び第１内枠２２２に対しＸ方向に相対的に移動させる。広域Ｘアクチュエータ２２８は、最大の電圧（例えば１００ボルト）を印加したときに、Ｘ方向にマイクロメートルスケール（例えば１０マイクロメートル）の変位が生じる伸び係数とするとよい。
【００４１】
このような構成により、広域ＸＹスキャナ２２０は、外枠２１０の内側において、制御信号に応じた広域のＸＹスキャンを実現する。
【００４２】
図４に示すように、狭域ＸＹスキャナ２３０は、第３内枠２３２、狭域Ｙアクチュエータ２３４、可動土台２３６、可動土台カウンターパート２３７及び狭域Ｘアクチュエータ２３８を備える。
【００４３】
第３内枠２３２は、略矩形の枠体であり、側壁部２３２ａ、接続部２３２ｂ、側壁部２３２ｃ及び接続部２３２ｄを備える。側壁部２３２ａ及び側壁部２３２ｃは、Ｘ−Ｚ平面に平行な平板部である。また、接続部２３２ｂ及び接続部２３２ｄは、Ｙ−Ｚ平面に平行な平板部であり、それぞれ側壁部２３２ａと側壁部２３２ｃとを連結する。接続部２３２ｂ及び接続部２３２ｄは、側壁部２３２ａ及び側壁部２３２ｃは、それぞれＹ方向の両端において、第２内枠２２６の側壁部２２６ｂ及び側壁部２２６ｄにおけるＹ−Ｚ平面に平行な内側面と、板バネ２３３を介して接続されている。板バネ２３３は板面がＸ−Ｚ平面と略平行になる（換言すると、板面がＹ方向と略直交する）ように設けられており、この板バネ２３３が撓むことにより第３内枠２３２は広域ＸＹスキャナ２２０に対しＹ方向に移動できるが、Ｘ方向及びＺ方向の移動は規制される。
【００４４】
側壁部２３２ｃの外側面は、Ｘ−Ｚ平面に平行となっている。側壁部２３２ｃの外側面と、側壁部２２６ｃにおけるＸ−Ｚ平面に平行な内側面とは対向するように配置され、その間に狭域Ｙアクチュエータ２３４が配置される。狭域Ｙアクチュエータ２３４は、例えばピエゾ素子などの圧電素子で形成される。狭域Ｙアクチュエータ２３４は、側壁部２３２ｃの外側面と側壁部２２６ｃの内側面との間隙と略同一な長さのフリー長（制御信号を印加しない自然な状態での長さ）とされる。狭域Ｙアクチュエータ２３４は、コントローラ１０２からの制御信号に応じて伸縮し、板バネ２３３をＹ方向に撓ませつつ、第３内枠２３２を広域ＸＹスキャナ２２０に対しＹ方向に相対的に移動させる。狭域Ｙアクチュエータ２３４は、最大の電圧（例えば１００ボルト）を印加したときに、Ｙ方向にナノメートルスケール（例えば７００ナノメートル）の変位が生じる伸び係数とするとよい。
【００４５】
可動土台２３６は、略直方体のブロックである。可動土台２３６のＸ方向の両端部は、側壁部２３２ａ及び側壁部２３２ｃの内側面と板バネ２３９を介して接続されている。ここで、可動土台２３６は、側壁部２３２ａ及び側壁部２３２ｃにおけるＸ方向の一端付近に接続される。板バネ２３９は板面がＹ−Ｚ平面と平行になる（換言すると、板面がＸ方向と略直交する）ように設けられており、この板バネ２３９が撓むことにより可動土台２３６は広域ＸＹスキャナ２２０に対しＸ方向に移動できるが、Ｙ方向及びＺ方向の移動は規制される。
【００４６】
可動土台２３６におけるＸ−Ｙ平面と平行な第一面にＺアクチュエータ２４０を介してステージ１２２が配置される。Ｚアクチュエータ２４０は例えばピエゾ素子などの圧電素子で形成され、印加される制御信号に応じてＺ方向に伸縮する。Ｚアクチュエータ２４０には、コントローラ１０２により、測定モードに応じた制御信号が印加される。例えば、タッピングモードでは、カンチレバーの振動の変化が一定となるように制御する信号が加えられ、ＸＹスキャンに伴う試料表面とカンチレバーとの距離の変換に追随して、Ｚ方向の位置を変化させる。
【００４７】
図５に示したように、可動土台２３６における第１面とは反対の第２面には、Ｚアクチュエータ２４０とステージ１２２を合わせた重量と略等しい重量のカウンターバランス２４２が配置される。カウンターバランス２４２は、狭域Ｘアクチュエータ２３８にて駆動される負荷重量のＺ方向におけるバランスを取る。カウンターバランス２４２は、Ｚアクチュエータ２４０と同様のカウンターアクチュエータ２４２ａと、ステージ１２２と同様のカウンターステージ２４２ｂとにより構成される。カウンターアクチュエータ２４２ａには、コントローラ１０２により、Ｚアクチュエータ２４０に印加されるのと同じ制御信号が印加され、制御信号に応じてカウンターアクチュエータ２４２ａはＺアクチュエータ２４０と同様に伸縮する。このような構造及び制御により、Ｚアクチュエータ２４０の伸縮に伴って狭域Ｘアクチュエータ２３８の負荷重量の重心がＺ方向に変動することを防ぐことができる。このようにして、狭域Ｘアクチュエータ２３８はＺ方向におけるバランスを保ってＸ方向の変位を実現することができる。その結果、第３内枠２３２の内側に配置された可動土台２３６、可動土台カウンターパート２３７等からなる構造体の共振周波数が高まり、高速走査の実現に寄与することができる。なお、構成及び制御を簡略化すべく、カウンターバランス２４２をＺアクチュエータ２４０とステージ１２２を合わせた重量と略等しい重りとしてもよいが、Ｚアクチュエータ２４０の伸縮による重心移動を抑制する観点では、上述のカウンターアクチュエータ２４２ａを備える構成がより好ましい。
【００４８】
図４に戻り、可動土台カウンターパート２３７は、略直方体のブロックである。可動土台カウンターパート２３７のＸ方向の両端部は、側壁部２３２ａ及び側壁部２３２ｃの内側面と板バネ２３９を介して接続されている。ここで、可動土台カウンターパート２３７は、側壁部２３２ａ及び側壁部２３２ｃにおけるＸ方向の他端（つまり可動土台２３６が接続されていない側の端部）付近に接続される。板バネ２３９は板面がＹ−Ｚ平面と平行になるように設けられており、この板バネ２３９が撓むことにより可動土台２３６は広域ＸＹスキャナ２２０に対しＸ方向に移動できるが、Ｙ方向及びＺ方向の移動は規制される。
【００４９】
可動土台カウンターパート２３７は可動土台２３６と略等しい重さとされる。そして、可動土台カウンターパート２３７の上には、Ｚアクチュエータ２４０、カウンターバランス２４２、及びステージ１２２の合計重量に略等しい重量の重り（図示せず）が取り付けられる。
【００５０】
可動土台２３６と可動土台カウンターパート２３７の間に狭域Ｘアクチュエータ２３８が配置される。狭域Ｘアクチュエータ２３８は、例えばピエゾ素子などの圧電素子で形成される。狭域Ｘアクチュエータ２３８は、可動土台２３６と可動土台カウンターパート２３７の間隙と略同一な長さのフリー長とされる。狭域Ｘアクチュエータ２３８は、コントローラ１０２からの制御信号に応じて伸縮し、板バネ２３９をＸ方向に撓ませつつ、可動土台２３６と可動土台カウンターパート２３７をＸ方向に互いに反対向きに押すことになる。上述のように、可動土台２３６と可動土台カウンターパート２３７は略等しい重量であり、可動土台２３６により支持ざれるＺアクチュエータ２４０、カウンターバランス２４２、及びステージ１２２の合計重量と略等しい重量の重りが可動土台カウンターパート２３７に取り付けられることから、狭域Ｘアクチュエータ２３８は、バランスを保って（両側に等しい負荷を伴って）Ｘ方向へ駆動することができる。その結果、第３内枠２３２の内側に配置された可動土台２３６、可動土台カウンターパート２３７等からなる構造体の共振周波数が高まり、高速走査の実現に寄与することができる。狭域Ｘアクチュエータ２３８は、最大の電圧（例えば１００ボルト）を印加したときに、可動土台２３６についてＸ方向にナノメートルスケール（例えば７００ナノメートル）の変位が生じる伸び係数とするとよい。
【００５１】
このような構成により、狭域ＸＹスキャナ２３０は、広域ＸＹスキャナ２２０の内側において、制御信号に応じた狭域のＸＹスキャンを実現する。狭域ＸＹスキャナ２３０の走査範囲は広域ＸＹスキャナ２２０の２２８による走査範囲よりも狭くなるが、狭域ＸＹスキャナ２３０は走査時に駆動する重量物が軽量であること、構造が単純であることなどから広域ＸＹスキャナ２２０よりも共振周波数が高く、高速の走査が可能である。また、狭域ＸＹスキャナ２３０の狭域Ｙアクチュエータ２３４や狭域Ｘアクチュエータ２３８は、広域ＸＹスキャナ２２０の広域Ｙアクチュエータ２２４や広域Ｘアクチュエータ２２８よりも伸び係数が小さいため、走査範囲は狭くなるものの、高い位置精度での走査が可能となる。
【００５２】
外枠２１０、第１内枠２２２、板バネ２２３、第２内枠２２６、板バネ２２７、第３内枠２３２、板バネ２３３、可動土台２３６、可動土台カウンターパート２３７、及び板バネ２３９は、例えばインバーなどの金属で形成一体として成形される。外枠２１０の内側における広域ＸＹスキャナ２２０や狭域ＸＹスキャナ２３０が配置されない隙間の部分には衝撃を吸収する目的でウレタン樹脂等の緩衝材を充填するとよい。
【００５３】
図１に戻り、光センサユニット１１６は、カンチレバー１１２の先端にある探針１１４と試料表面との相互作用に基づくカンチレバー１１２の変位を検出し、その変位に基づく信号を出力する。光センサユニット１１６は、例えば、光てこ式光学センサとして知られるセンサを備えてもよい。この光てこ式光学センサは、カンチレバー１１２の背面に、必要に応じてレンズ、ミラー等の光学系を介して、レーザ光を照射し、その反射光をフォトダイオードにて受光する。そして、光てこ式光学センサは、フォトダイオード上のレーザ光スポットの移動としてカンチレバー１１２の変位を検出する。
【００５４】
スキャナ２００は、コントローラ１０２と接続されており、カンチレバー１１２の変位を検出する光センサユニット１１６はコンピュータ１０４に接続されている。また、コンピュータ１０４にはモニタ１０６が接続されている。コントローラ１０２は、例えば、半導体レーザ駆動回路、プリアンプ回路、発振回路、ＡＣ／ＤＣ変換回路、フィードバック回路、走査制御回路、アクチュエータ駆動回路等を含んでいる。コントローラ１０２、コンピュータ１０４、及びモニタ１０６は、原子間力顕微鏡機構の制御駆動や信号処理を行ない、最終的に試料の凹凸情報をモニタ１０６上に表示し、これにより、使用者は試料の表面情報に関する知見を得ることができる。
【００５５】
実際の測定においては、はじめに、狭域ＸＹスキャナ２３０を狭域走査の基準位置（例えば狭域走査の中心位置）に固定した状態で、広域ＸＹスキャナ２２０を用いて広域走査を行い、マイクロメートルスケールでの試料表面の観察を行う。この広域走査は比較的低速（例えば０．５秒／フレーム程度）であるが、試料の広い範囲を１つの画像内にとらえることができる。続いて、広域走査により得た画像内において、狭域走査の対象とすべき着目箇所を特定する。そして、当該着目箇所が狭域走査の基準位置となるよう広域ＸＹスキャナ２２０の広域Ｙアクチュエータ２２４と広域Ｘアクチュエータ２２８に電圧を印加する。つまり、広域ＸＹスキャナ２２０は、狭域走査を行う位置へのオフセットを実現する。そしてこの状態で狭域ＸＹスキャナ２３０により狭域走査を行う。狭域走査は、比較的高速（例えば３０ミリ秒／フレーム）であり、着目箇所の動態を可視化することができる。
【００５６】
図１には、液体中での観察の様子が描かれており、スキャナステージユニット１２０の試料付近からカンチレバーチップ１１０の近傍に、水滴Ｗが垂らされており、試料とカンチレバーチップ１１０は共に水中に位置している。このように、原子間力顕微鏡１は、生きた生物試料を観察する時の必須の要件である液体中観察が可能である。なお、大気中での測定を行う場合には、この水は不要である。
【００５７】
〔第２実施形態〕
広範囲の測定と高速・高精度の測定の両立に関する問題は、走査を行うＸ方向およびＹ方向だけでなく、試料の高さの方向であるＺ方向においても生じ得る。本発明の第２実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡は、Ｚ方向に関して広範囲の測定と高速・高精度の測定の両立を可能とする。
【００５８】
第２実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の概略構成は、第１実施形態と同様であるが、Ｚ方向について広域Ｚアクチュエータを備える点で異なっている。図６は、本発明の第２実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡１）の構成を模式的・概略的に示した図である。
【００５９】
図６に示したように、第１実施形態と同様、カンチレバー１１２が顕微鏡筐体１００により支持される。顕微鏡筐体１００は支柱１００ａを有し、その支柱１００ａにスキャナが取り付けられる。本実施形態のスキャナ５００は、広域Ｚアクチュエータ５０１、支持プレート５０２、ＸＹスキャナ５０３、可動土台５０３ａ、及び狭域Ｚアクチュエータ５０４を備える。スキャナ５００は、第１実施形態におけるスキャナ２００と同様に、コントローラと接続されて駆動される。
【００６０】
広域Ｚアクチュエータ５０１の一端は、支柱１００ａに固着される。広域Ｚアクチュエータ５０１の他端は、支持プレート５０２に固着される。支持プレート５０２は、扁平且つ高剛性の板材であり、図６に示したように、ＸＹスキャナ５０３を支持する。ＸＹスキャナ５０３は、可動土台５０３ａをＸ方向及びＹ方向に移動させる。なお、ＸＹスキャナ５０３は、第１実施形態におけるスキャナ２００と同様に広域ＸＹスキャナと狭域ＸＹスキャナとが入れ子となった構成としてもよいし、単独のＸＹスキャナとしてもよい。
【００６１】
可動土台５０３ａは、狭域Ｚアクチュエータ５０４を介してステージ１２２支持する。狭域Ｚアクチュエータ５０４は、可動土台５０３ａとステージ１２２の間に配され、ステージ１２２をＺ方向に、広域Ｚアクチュエータ５０１よりも狭い走査範囲で移動させる。
【００６２】
広域Ｚアクチュエータ５０１は、例えばピエゾ素子などの圧電素子で形成される。広域Ｚアクチュエータ５０１は、ＸＹスキャナと支持ベースである顕微鏡筐体１００との間に配され、ＸＹスキャナ５０３を支持ベースに対してＺ方向に相対的に移動させる。広域Ｚアクチュエータ５０１は直接又は間接的に、ＸＹスキャナ５０３、可動土台５０３ａ、狭域Ｚアクチュエータ５０４、及びステージ１２２を支持する。このような構成により、広域Ｚアクチュエータ５０１は、ステージ１２２を狭域Ｚアクチュエータ５０４よりも広い範囲でＺ方向に移動させることになる。
【００６３】
一方、狭域Ｚアクチュエータ５０４は、広域Ｚアクチュエータ５０１に支持された状態で、ステージをＺ方向に移動させる。狭域Ｚアクチュエータ５０４の走査範囲は広域Ｚアクチュエータ５０１による走査範囲よりも狭いが、駆動する重量物がステージのみで軽量であることから広域Ｚアクチュエータ５０１よりも共振周波数が高く、高速の走査が可能である。また、狭域Ｚアクチュエータ５０４は、広域Ｚアクチュエータ５０１よりも伸び係数が小さいため、Ｚ方向の分解能を高めることができる。
【００６４】
実際の測定においては、はじめに、狭域Ｚアクチュエータ５０４を基準位置（例えば狭域走査の中心位置）に固定した状態で、広域Ｚアクチュエータ５０１を用いて、大きなＺ方向の走査範囲で、試料の大まかな形状を概ねマイクロメートルスケールで観察する。この広域Ｚアクチュエータ５０１を用いた走査は、広域Ｚアクチュエータ５０１の周波数特性などがフィードバック制御の帯域を制限し、低速（例えば１０秒／フレーム程度）となるが、広いＺ方向範囲にわたり大きな構造を有する試料を（例えば細胞など）を１つの画像内にとらえることができる。
【００６５】
続いて、広域走査により得た画像内において、狭域走査の対象とすべき着目箇所を特定する。この着目箇所は、Ｚ方向の変化（つまり試料の凹凸）が比較的小さい領域（例えば細胞膜の表面分子）とされる。そして、当該着目箇所が狭域走査の基準位置となるよう広域Ｚアクチュエータ５０１に電圧を印加する。つまり、広域Ｚアクチュエータ５０１は、狭域走査を行うＺ方向位置へのオフセットを実現する。また、ＸＹ方向に関しても、狭域走査の対象とすべき着目箇所にオフセットするとともに広域走査時よりも走査範囲を狭める。そしてこの状態でＸＹスキャナ５０３と狭域Ｚアクチュエータ５０４とを用いて狭域走査を行う。狭域走査は、比較的高速（例えば３０ミリ秒／フレーム）であり、着目箇所をナノメートルスケールで観察することができる。また、高速走査が可能であることから、着目箇所の動態を可視化することができる。
【実施例】
【００６６】
Ｘ方向に一次元的に走査を行いつつ、Ｙ方向に走査線を順次移動させるラスター走査においては、Ｘ方向の走査が最も高速となり、全体の走査速度の律速となる。つまり、Ｘ方向の走査が画像のフレームレート、時間分解能を制限する主要な要因となる。スキャナが制御信号に従って正確に変位することができるのは、周波数特性において共振ピークが現れる周波数未満の周波数である。そこで、以下で説明する実施例１では、図２〜図５に示す構造のスキャナ２００を製作して原子間力顕微鏡に適用し、広域ＸＹスキャナ２２０と狭域ＸＹスキャナ２３０のＸ方向走査の周波数特性（ゲイン対周波数）を従来のスキャナにおけるＸ方向のＸ方向走査の周波数特性（比較例１）と比較した。【００６７】
〔実施例１〕
図２に示した構造のスキャナ２００を用いた。広域Ｘアクチュエータ２２８の伸び係数は、４０ｎｍ／Ｖ（つまり０〜１００ボルトを印加した最大走査範囲としては４μｍ）であり、狭域Ｘアクチュエータ２３８の伸び係数は、７ｎｍ／Ｖ（つまり０〜１００ボルトを印加した最大走査範囲としては７００ｎｍ）であった。なお、Ｙ方向の走査範囲に関しては、広域Ｙアクチュエータ２２４の最大走査範囲は８μｍであり、狭域Ｙアクチュエータ２３４の最大走査範囲は１．５μｍであった。【００６８】
広域ＸＹスキャナ２２０によるＸ走査の周波数特性を図７に示す。図示された周波数特性において、横軸は、Ｘスキャナを駆動する三角波の周波数（駆動周波数）を示し、縦軸は、各駆動周波数での変位（ゲイン）を示している。広域ＸＹスキャナ２２０によるＸ走査の周波数特性は、約３．５ｋＨｚに最初の共振ピークを持つ。この周波数に最初の共振ピークを持つ場合、広域ＸＹスキャナ２２０による最大の走査範囲（Ｘ方向４μｍ、Ｙ方向８μｍ）について縦横各１００ピクセルの画像を、０．６秒／フレームで取得することができる。後に比較例を示す従来型のスキャナ４００と比較して同程度の走査範囲を同程度の速度で走査することが可能である。【００６９】
また、狭域ＸＹスキャナ２３０によるＸ走査の周波数特性を図８に示す。狭域ＸＹスキャナ２３０によるＸ走査の周波数特性は、約６０ｋＨｚに最初の共振ピークを持つ。この周波数に最初の共振ピークを持つ場合、狭域ＸＹスキャナ２３０による最大の走査範囲（Ｘ方向７００ｎｍ、Ｙ方向１．５μｍ）について縦横各１００ピクセルの画像を、３３ミリ秒／フレームで取得することができる。これはフレームレートに換算すると、約３０ｆｐｓであり比較的滑らかな動画像として原子間力顕微鏡１等の測定結果を取得することができることを意味している。【００７０】
〔比較例１〕
比較例１として使用したスキャナ４００の構造を図９に示す。スキャナ４００は、外枠４１０の内側に、Ｙ方向に撓むことができる板バネ４０２を介して内枠４０４が支持され、内枠４０４の内側に、Ｘ方向に撓むことができる板バネ４０５を介して土台部４０７が支持された構造を有する。外枠４１０の内側面と内枠４０４の外側面の間には、印加する電圧に応じてＹ方向に伸縮するＹアクチュエータ４０３が設けられる。また、外枠４１０の内側面と土台部４０７の外側面の間には、印加する電圧に応じてＸ方向に伸縮するＸアクチュエータ４０６が設けられる。土台部４０７の上には印加する電圧に応じてＺ方向に伸縮するＺアクチュエータ４０８を介してステージ４０９が設けられる。Ｘアクチュエータ４０６の伸び係数は、７０ｎｍ／Ｖ（つまり０〜１００ボルトを印加した最大走査範囲としては７μｍ）であった。なお、Ｙ方向の最大走査範囲は６μｍであった。Ｘアクチュエータ４０６によるＸ走査の周波数特性を図１０に示す。従来型のスキャナ４００によるＸ走査の周波数特性は、約７ｋＨｚに最初の共振ピークを持つ。この周波数に最初の共振ピークを持つ場合、スキャナ４００による最大の走査範囲（Ｘ方向７μｍ、Ｙ方向６μｍ）について縦横各１００ピクセルの画像を、０．３秒／フレームで取得することができる。【００７１】
以上で実施例１と比較例１の周波数特性を示した通り、広域ＸＹスキャナ２２０では従来型のスキャナと同程度の広域走査を同程度の速度で実現できる。一方、狭域ＸＹスキャナ２３０では、ナノメートルスケールの走査範囲について、滑らかな動画像を取得できる程度の高速走査が実現できる。このように、スキャナ２００によれば、広範囲の測定と高速・高精度の測定を両立することができる。応用例としては、例えば、スキャナ２００を図１に示したような液体中の測定系に適用すれば、細胞の外観イメージングと、生きた細胞中でのタンパク質分子の動態イメージングとを、シームレスに行うことが可能となる。【００７２】
〔実施例２〕
ＸＹ方向だけでなくＺ方向についても、アクチュエータの周波数特性において共振ピークが現れる周波数は走査速度に影響を及ぼす。そこで、以下で説明する実施例２では、図６に示す構造のスキャナ５００を製作して原子間力顕微鏡に適用し、広域Ｚアクチュエータ５０１と狭域Ｚアクチュエータ５０４のＺ方向走査の周波数特性（ゲイン対周波数）を従来のスキャナにおけるＺ方向走査の周波数特性（比較例２）と比較した。【００７３】
実施例２では、図６に示した構造のスキャナ５００を用いた。広域Ｚアクチュエータの伸び係数は、２５ｎｍ／Ｖ（つまり０〜１００ボルトを印加した最大走査範囲としては２．５μｍ）であり、狭域Ｚアクチュエータ５０４の伸び係数は、１０ｎｍ／Ｖ（つまり０〜５０ボルトを印加した最大走査範囲としては５００ｎｍ）であった。【００７４】
広域Ｚアクチュエータ５０１によるＺ走査の周波数特性を図１１（ａ）に示す。図示された周波数特性において、横軸は、広域Ｚアクチュエータ５０１を駆動する三角波の周波数（駆動周波数）を示し、縦軸は、各駆動周波数での変位（ゲイン）を示している。広域Ｚアクチュエータ５０１によるＺ走査の周波数特性は、約１ｋＨｚに最初の共振ピークを持つ。この共振ピークはフィードバック制御の帯域を制限する可能性があるが、縦横各１００ピクセルの画像を、従来の広域走査において大きな構造を有する試料を観察する場合と同程度の１０秒／フレーム程度で取得することができる。【００７５】
また、狭域Ｚアクチュエータ５０４によるＺ走査の周波数特性を図１１（ｂ）に示す。狭域Ｚアクチュエータ５０４によるＺ走査の周波数特性は、約１５０ｋＨｚに最初の共振ピークを持つ。この周波数に最初の共振ピークを持つ場合、この共振ピークはフィードバック制御の帯域の律速とはならず、例えば３３ミリ秒／フレーム程度で取得することができる。これはフレームレートに換算すると、約３０ｆｐｓであり比較的滑らかな動画像として原子間力顕微鏡１等の測定結果を取得することができることを意味している。また、狭域Ｚアクチュエータ５０４は、広域Ｚアクチュエータ５０１よりも伸び係数が小さいため、Ｚ方向の分解能を高めることができる。【００７６】
〔比較例２〕
比較例２として図１２に示したような従来型のスキャナ６００を用いた。スキャナ６００は、広域Ｚアクチュエータを有さず、伸び係数が比較的大きな単一のＺアクチュエータ６０４を備える。Ｚアクチュエータ６０４は、ＸＹスキャナ６０３により支持される。スキャナ６００におけるＺアクチュエータ６０４の伸び係数は、２１ｎｍ／Ｖ（つまり０〜５０ボルトを印加した最大走査範囲としては１．０５μｍ）であった。比較例２のＺアクチュエータ６０４によるＺ走査の周波数特性を図１３に示す。従来型のスキャナ６０４によるＺ走査の周波数特性は、約８０ｋＨｚに最初の共振ピークを持つ。この周波数に最初の共振ピークを持つ場合、この共振ピークはフィードバック制御の帯域の律速とはならず、比較的高速で画像を取得することができる。しかし、Ｚアクチュエータの伸び係数が比較的大きいことから、Ｚ方向の分解能は実施例２における狭域Ｚアクチュエータ５０４より劣る。【００７７】
以上で実施例２と比較例２の周波数特性を示した通り、広域Ｚアクチュエータを用いた走査では大きな構造を有する試料を従来と同程度の速度で測定できる。また、狭域Ｚアクチュエータを用いた走査では、ナノメートルスケールの走査範囲について、滑らかな動画像を取得できる程度の高速・高分解能の走査が実現できる。このように、広域Ｚアクチュエータと狭域Ｚアクチュエータを備えるスキャナによれば、広範囲の測定と高速・高精度の測定を両立することができる。【００７８】
〔実施形態の変形〕
なお、上記に本発明の各実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、スキャナを原子間力顕微鏡に適用しているが、原子間力顕微鏡以外のプローブ顕微鏡に適用することも可能であり、プローブ顕微鏡以外の顕微鏡にも、その測定原理に影響を及ぼさない限りにおいて適用可能である。【００７９】
また、上記の第１実施形態では、スキャナ２００によってステージ１２２がＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に移動可能な例を示したが、Ｚ方向に関してはステージではなくプローブ側が移動するように構成してもよい。【００８０】
また、上記の第１実施形態では、スキャナ２００によってステージ１２２がＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に移動可能な例を示したが、スキャナ２００によりプローブを移動させるように構成してもよい。【００８１】
また、上記の第１実施形態では、第１内枠２２２をコの字型の枠体として、広域Ｙアクチュエータ２２４が第１内枠２２２の欠けた部分を通って外枠２１０の内側面に接する構成としたが、第１内枠２２２を矩形の枠体とし、広域Ｙアクチュエータ２２４が外枠２１０に代えて第１内枠２２２の内側面と接するように構成してもよい。【００８２】
また、上記の第１実施形態では、可動土台２３６と重量が等しい可動土台カウンターパート２３７を第３内枠２３２の内側に配置し、狭域Ｘアクチュエータ２３８を可動土台２３６と可動土台カウンターパート２３７の間に配置したが、可動土台カウンターパート２３７を設けずに、狭域Ｘアクチュエータ２３８を第２内枠２２６と第３内枠２３２との間に配置する構成としてもよい。【００８３】
また、上記の第２実施形態においても、Ｚ方向におけるバランスを保つためのカウンターバランスを備える構成としてもよい。例えば、図１４に示すように、広域Ｚアクチュエータ５０１を支持プレート５０２の一方の面に固着するとともに、ＸＹスキャナ５０３を直接指示する構成とするとよい。そして、支持プレート５０２の他方の面には、広域Ｚアクチュエータ５０１と同じ特性を有するカウンター広域Ｚアクチュエータ５０５を設けるとよい。カウンター広域Ｚアクチュエータ５０１は、支持プレート５０２とは反対側の面で、ＸＹスキャナ５０３、可動土台５０３ａ、狭域Ｚアクチュエータ５０４、及びステージ１２２（並びに試料）の総重量と重量が等しいカウンターバランス５０６を支持するとよい。なお、支持プレート５０２は顕微鏡筐体１００の支柱１００ａに取り付けられる。このようにすれば、広域Ｚアクチュエータ５０１を用いた場合におけるＺ方向におけるバランスが維持され、アンバランスに伴うＸＹスキャナ５０３の帯域低下を抑制することができる。【００８４】
以上で説明したように、本発明の各実施形態に係るスキャナによれば、高速高分解能の狭域走査と、広範囲の粗動走査とを両立することができる。【００８５】
なお、例えば図１５に例示したような、ＸとＹのそれぞれについて広域のアクチュエータ（７０１、７０３）と狭域のアクチュエータ（７０２、７０４）を重ねた機械的直列構成のスキャナ７００によっても広域走査と狭域走査を両立することは可能である。しかしながら、このような機械的直列構成では、Ｘ方向又はＹ方向の一方の走査（図１５の構成ではＹ方向の走査）について、他方の走査のための広域及び狭域のアクチュエータをステージ７０５とともに駆動することが必要となる。このため、一方の走査方向について狭域走査及び広域走査の駆動帯域が必ず低下することになり、高速走査を実現することができない。このため、機械的直列構成のスキャナでは、原子・分子レベルの高速撮影を実現することが困難である。【００８６】
また、特開２００１−３０５０３６号公報に開示されているような円筒型のスキャナを重ねて用いる構成によっても広域走査と狭域走査を両立することは可能である。しかし、円筒型のスキャナはＸ方向とＹ方向の走査が干渉しやすいというデメリットがある。このため、円筒型のスキャナを重ねて用いる構成では、原子・分子レベルの高速撮影を実現することが困難である。【００８７】
これらのような、狭域の微動走査と、広域の粗動走査とを両立することのできる他のスキャナ構成に対し、内枠と外枠を用いた入れ子構造を採用した本発明に係るスキャナは、微動走査をＸ方向、Ｙ方向ともに高速化することができ、高速高分解能の狭域走査が実現できる。さらに、狭域走査の構成を小型化すれば広域走査についても高速化することができる。また、内枠と外枠を用いた入れ子構造によりＸ方向とＹ方向の走査が干渉し難い。このため、本発明に係るスキャナによれば、原子・分子レベルの高速撮影が可能となり、原子・分子の動態を捉えることが可能となる。【００８８】
また、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。
【符号の説明】
【００８９】
１  原子間力顕微鏡
１００  顕微鏡筐体
１０２  コントローラ
１０４  コンピュータ
１０６  モニタ
１１０  カンチレバーチップ
１１２  カンチレバー
１１４  探針
１１５  励振用圧電体
１１６  光センサユニット
１２０  スキャナステージユニット
１２２  ステージ
２００  スキャナ
２２０  広域ＸＹスキャナ
２２２  第１内枠
２２３  板バネ
２２４  広域Ｙアクチュエータ
２２６  第２内枠
２２７  板バネ
２２８  広域Ｘアクチュエータ
２３０  狭域ＸＹスキャナ
２３２  第３内枠
２３３  板バネ
２３４  狭域Ｙアクチュエータ
２３６  可動土台
２３７  可動土台カウンターパート
２３８  狭域Ｘアクチュエータ
２３９  板バネ
２４０  Ｚアクチュエータ
２４２  カウンターバランス
【図１】
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【図２】
2018131343.tif 000004
【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】
2018131343.tif 000009
【図８】
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【図９】
2018131343.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2018131343.tif 000013
【図１２】
2018131343.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年5月17日(2018.5.17)
【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】
外枠と、
前記外枠の内側に配置される第１内枠と、
前記第１内枠を前記外枠に対しＹ方向に相対的に移動させる広域Ｙアクチュエータと、
前記第１内枠の内側に配置される第２内枠と、
前記第２内枠を前記第１内枠に対しＹ方向と直交するＸ方向に相対的に移動させる広域Ｘアクチュエータと、
前記第２内枠の内側に配置される第３内枠と、
前記第３内枠を前記第２内枠に対しＹ方向に相対的に移動させる狭域Ｙアクチュエータと、
前記第３内枠の内側に配置される可動土台と、
前記可動土台を前記第３内枠に対しＸ方向に相対的に移動させる狭域Ｘアクチュエータと
を備え、
前記広域Ｙアクチュエータは、制御信号に応じてＹ方向に伸縮可能な圧電素子であり、前記広域Ｙアクチュエータの一端が前記外枠の内側面に当接し、他端が前記第１内枠の外側面に当接するよう配置され、
前記広域Ｘアクチュエータは、制御信号に応じてＸ方向に伸縮可能な圧電素子であり、前記広域Ｘアクチュエータの一端が前記外枠の内側面におけるＹ方向の略中心又は前記第１内枠の内側面におけるＹ方向の略中心に当接し、他端が前記第２内枠の外側面におけるＹ方向の略中心に当接するよう配置され、
前記狭域Ｙアクチュエータは、制御信号に応じてＹ方向に伸縮可能な圧電素子であり、前記狭域Ｙアクチュエータの一端が前記第２内枠の内側面におけるＸ方向の略中心に当接し、他端が前記第３内枠の外側面におけるＸ方向の略中心に当接するように配置される
ことを特徴とするスキャナ。
【請求項２】
前記可動土台により支持されるステージをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のスキャナ。
【請求項３】
前記広域Ｘアクチュエータによって前記ステージが移動可能な範囲は前記狭域Ｘアクチュエータによって前記ステージが移動可能な範囲よりも広く、
前記広域Ｙアクチュエータによって前記ステージが移動可能な範囲は前記狭域Ｙアクチュエータによって前記ステージが移動可能な範囲よりも広い
ことを特徴とする請求項２に記載のスキャナ。
【請求項４】
前記ステージは、前記ステージをＸ方向及びＹ方向と直交するＺ方向に相対的に移動させるＺアクチュエータを介して前記可動土台に支持されることを特徴とする請求項２又は３に記載のスキャナ。
【請求項５】
前記可動土台における前記Ｚアクチュエータを介して前記ステージが支持される面とは反対の面に、前記Ｚアクチュエータ及び前記ステージの総重量と略等しい重量のカウンターバランスが取り付けられることを特徴とする、請求項４に記載のスキャナ。
【請求項６】
前記第１内枠は、板面がＹ方向と略直交する複数の板バネを介して前記外枠と接続され、
前記第２内枠は、板面がＸ方向と略直交する複数の板バネを介して前記第１内枠と接続され、
前記第３内枠は、板面がＹ方向と略直交する複数の板バネを介して前記第２内枠と接続され、
前記可動土台は、板面がＸ方向と略直交する複数の板バネを介して前記第３内枠と接続される
ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のスキャナ。
【請求項７】
前記第３内枠の内側に、前記可動土台と略等しい重量の可動土台カウンターパートをさらに備え、
前記可動土台及び前記可動土台カウンターパートは、それぞれ板面がＸ方向と略直交する複数の板バネを介して前記第３内枠と接続され、
前記狭域Ｘアクチュエータは、制御信号に応じてＸ方向に伸縮可能な圧電素子であり、前記可動土台に接続される前記板バネと前記可動土台カウンターパートに接続される前記板バネとの間に配置され、前記第３内枠とは接しないことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のスキャナ。
【請求項８】
前記第３内枠は、Ｘ−Ｚ平面に平行な２枚の平板からなる側壁部と、Ｙ−Ｚ平面に平行な２枚の平板からなり２枚の前記側壁部を連結する接続部と、を備える略矩形の枠体であり、
前記板バネが、Ｙ−Ｚ平面と平行に２枚の前記側壁部の内側面を接続するように設けられることを特徴とする請求項７に記載のスキャナ。
【請求項９】
前記可動土台によりプローブを支持することを特徴とする請求項１に記載のスキャナ。
【請求項１０】
前記外枠を支持ベースに対してＺ方向に相対的に移動させる広域Ｚアクチュエータをさらに備え、
前記広域Ｚアクチュエータによる移動可能な範囲は、前記Ｚアクチュエータによる移動可能な範囲よりも広いことを特徴とする請求項４または５に記載のスキャナ。
【請求項１１】
（削除）
【請求項１２】
（削除）
【請求項１３】
（削除）
【請求項１４】
請求項１から１０の何れか１項に記載のスキャナを備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【国際調査報告】
2018131343.tif 000019
2018131343.tif 000020
2018131343.tif 000021
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