(57)【要約】【課題】高い精度でのカンチレバーの位置決めを必要とせず、液体中においてカンチレバーを安定に励振できる液中用走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】走査型プローブ顕微鏡１００は、液体１０２を保持する液体ステージ１１０と、自由端に探針１２２を有するカンチレバー１２４と、液体１０２中でカンチレバー１２４を保持するホルダー１２６と、液体１０２中で生体試料１０４を保持する試料台１３２と、カンチレバー１２４に対して生体試料１０４をＸＹ走査すると共にＺ走査するＸＹＺスキャナー１３４とを有し、更に、カンチレバー１２４をその機械的共振周波数で励振するために、カンチレバー１２４の機械的共振周波数近傍の周波数を持つ励振信号を生成する励振信号生成部１５８と、励振信号に従って超音波を発生させると共にその超音波をカンチレバーとその周囲にほぼ一様に照射するトランスデューサー１７０とを有している。【選択図】    図１
2004156959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中の生体試料を探針（プローブ）により観察する液中用走査型プローブ顕微鏡であって、水平面に共に平行で互いに直交するＸ軸とＹ軸と、水平面に直交するＺ軸とを有しており、走査型プローブ顕微鏡は、
液体を保持する液体ステージと、
自由端に探針を有するカンチレバーと、
液体ステージに保持された液体中においてカンチレバーを保持するホルダーと、
液体ステージに保持された液体中において試料を保持する試料台と、
カンチレバーに対して試料を少なくともＺ軸に沿って移動させる（Ｚ走査する）スキャナーと、
カンチレバーをその機械的共振周波数近傍の周波数で励振するカンチレバー励振手段と、
カンチレバーの自由端の変位を光学的に検出し、その変位を反映する変位信号を出力する変位検出センサーと、
変位検出センサーからの変位信号に基づいてカンチレバーの振動振幅を算出し、その振動振幅を反映する振幅信号を出力する振幅検出回路と、
振幅検出回路からの振幅信号に基づいてＺ軸に沿ったカンチレバーと試料の間隔の目標値を求め、その目標値に対応するＺ制御信号を出力するＺ制御回路と、
Ｚ制御信号に従ってスキャナーのＺ軸に沿った変位を制御するＺ駆動回路と、
Ｚ制御信号に基づいて試料の表面の情報を演算により求めると共に、求めた試料の表面の情報を表示する演算表示部とを有しており、
カンチレバー励振手段は、励振信号を生成する励振信号生成部と、励振信号に従って超音波を発生させ、その超音波をカンチレバーとその周囲にほぼ一様に照射するトランスデューサーを有している、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
スキャナーは、Ｚ走査に加えて、カンチレバーに対して試料をＸ軸とＹ軸に沿って移動させる（ＸＹ走査する）ことができ、走査型プローブ顕微鏡は、スキャナーをＸ軸に沿って変位させるＸ走査信号を生成するＸ走査信号生成部と、スキャナーをＹ軸に沿って変位させるＹ走査信号を生成するＹ走査信号生成部と、Ｘ走査信号に従ってスキャナーのＸ軸に沿った変位を制御するＸ駆動回路と、Ｙ走査信号に従ってスキャナーのＹ軸に沿った変位を制御するＹ駆動回路とを更に有しており、演算表示部はＺ制御信号に加えてＸ走査信号とＹ走査信号とに基づいて試料の表面の情報を演算により求める、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
トランスデューサーは、入力される励振信号に従って超音波を発生させる振動子と、振動子で発生された超音波を伝搬させる超音波伝搬部とを有しており、振動子と超音波伝搬部は機械的に結合されており、超音波伝搬部は超音波を外に射出する出力端を持ち、超音波伝搬部の少なくとも出力端は液体ステージに保持された液体中に位置している、請求項１または請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
超音波伝搬部は超音波を増幅するホーンを有している、請求項１または請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
超音波伝搬部は高分子材料で作られている、請求項１〜請求項４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６】
超音波伝搬部は除振ゴムを介して液体ステージに固定されている、請求項１〜請求項５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７】
トランスデューサーはスキャナーに保持されており、トランスデューサーの超音波伝搬部は試料台を兼ねている、請求項１〜請求項５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】
スキャナーは、カンチレバーに対して試料をＺ軸に沿って移動させる（Ｚ走査する）Ｚスキャナーを含んでおり、Ｚスキャナーはトランスデューサーの振動子を兼ねており、走査型プローブ顕微鏡はＺ制御信号と励振信号を加算する加算器を更に有し、加算器の出力信号がＺ駆動回路に入力される、請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
励振信号生成部は、変位検出センサーからの変位信号に基づいて励振信号を生成する自励発振回路である、請求項１〜請求項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】
自励発振回路は、変位検出センサーからの変位信号の位相を９０度進める位相シフト回路と、位相シフト回路の出力信号のレベルを一定に保つオートゲインコントロール回路とを有している、請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
カンチレバー励振手段は、励振信号生成部からの励振信号を調整する励振コントロール回路を更に有しており、励振コントロール回路は、変位検出センサーからの変位信号の位相を９０度進める位相シフト回路と、位相シフト回路の出力信号に所定のゲインをかけるゲイン調整回路と、ゲイン調整回路の出力信号に励振信号生成部からの励振信号を加算する加算回路とを有しており、励振コントロール回路は加算回路の出力信号を励振信号として出力する、請求項１〜請求項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１２】
励振信号生成部は、変位検出センサーからの変位信号に基づいて調整された励振信号を出力する、請求項１〜請求項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１３】
励振信号生成部は、変位検出センサーからの変位信号の位相を９０度進める位相シフト回路と、位相シフト回路の出力信号のレベルを一定に保つオートゲインコントロール回路と、位相シフト回路の出力信号に所定のゲインをかけるゲイン調整回路と、ゲイン調整回路の出力信号にオートゲインコントロール回路の出力信号を加算する加算回路とを有している、請求項１２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。特に、生物試料を観察可能な原子間力顕微鏡に関する。原子間力顕微鏡は、生物試料のマニピュレーションや生物試料以外の試料の観察や加工なども行なえる。
【０００２】
【従来の技術】
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装置の総称であり、走査型トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（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）などを含んでいる。
【０００３】
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、所望の試料領域の表面情報を機械的探針を介して得てモニターＴＶ上にマッピング表示することができる。
【０００４】
走査型プローブ顕微鏡の中でも特に原子間力顕微鏡は、液体中の生きた生物試料の動く様子を光学顕微鏡より高い解像度で観察できる可能性があるとして注目されている。
【０００５】
これまで生物試料の動く様子を観察できる装置は光学顕微鏡だけであるが、光学顕微鏡は回折限界のため光の波長以下の解像度で試料を観察することができない。
【０００６】
また電子顕微鏡は、ナノメートルオーダーの高い解像度を実現できるが、測定対象物を液体中に配置できないため、液体中の生きた生物試料を観察することはできない。
【０００７】
これに対してＡＦＭは、ナノメートルオーダーの高い解像度を期待でき、試料が液体中にあっても観察可能である。しかも、光学顕微鏡と組み合わせ易いことも注目されている理由の一つである。
【０００８】
このような生体用ＡＦＭでは、カンチレバーの振動特性から試料探針間に働く相互作用を検出する方式（ＡＣモード）を採用することが多い。それは、試料と探針の間に働く力を通常のモードに比べて弱く保つことができる利点があるからである。
【０００９】
例えば図１８は従来の生体用ＡＦＭの一例の構成を示すブロック図である。
【００１０】
図１８において、ステージ１０は撥水処理されており、液体１４を表面張力により保持できる。液体１４中にはＸＹＺスキャナー６で保持された試料７が配置されており、コントローラー２から出力される信号に基づいてＸ駆動回路３、Ｙ駆動回路４、Ｚ駆動回路５によりＸＹＺ方向に走査可能となっている。
【００１１】
また液体１４中には、自由端に探針を有するカンチレバー８が試料７と正対するように配置されている。このカンチレバー８は、ステージ１０上に設けられたホルダー９で保持されている。ホルダー９上には圧電素子１１が設けられており、コントローラー２からの励振信号を受けて、カンチレバー８を所定の振幅と周波数で機械的に振動させることができる。
【００１２】
ステージ１０の下部にはカンチレバー８の変位を検出するための光てこセンサー１６が配置されている。光てこセンサー１６は、例えば特開２００２−８２０３７号公報に示されたものと同様に構成されており、対物レンズ１５、ステージ１０に設けられた透過ガラス１２を介して収束されたレーザー光１３をカンチレバー８の自由端に照射し、カンチレバー８の変位を検出する。光てこセンサー１６は、検出したカンチレバー８の変位を示す変位信号を振幅検出回路１７に出力する。
【００１３】
振幅検出回路１７は、光てこセンサー１６が出力する変位信号の振幅値を算出し、算出したカンチレバー８の振幅値を示す振幅信号をコントローラー２内のＺ制御回路１８に出力する。Ｚ制御回路１８は、振幅検出回路１７が出力する振幅信号を一定に保つように、Ｚ駆動回路５を通してＸＹＺスキャナー６のＺ方向変位を制御する。
【００１４】
このＡＦＭにおいて、圧電素子１１は、コントローラー２からの励振信号を受けて、カンチレバー８の機械的共振周波数と所定の振幅でカンチレバー８を励振する。さらに、光てこセンサー１６によりカンチレバー８の変位を検出し、カンチレバー８の振動振幅が一定になるように、Ｚ制御回路１８とＺ駆動回路５とによりＸＹＺスキャナー６をＺ方向（試料７の法線方向）に駆動し、ＸＹＺスキャナー６で保持された試料７のＺ方向位置を制御する。
【００１５】
これに平行してＸ駆動回路３とＹ駆動回路４とによりＸＹＺスキャナー６をＸＹ平面方向に駆動し、カンチレバー８に対して試料７を二次元走査する。ホストコンピューター１は、Ｘ駆動回路３とＹ駆動回路４の駆動信号、すなわちＸＹＺスキャナー６をＸ方向とＹ方向への変位させるための印加電圧信号を試料表面の位置信号として取得すると共に、Ｚ制御回路１８の出力信号、すなわちＸＹＺスキャナー６をＺ方向へ変位させるための印加電圧信号を試料表面の凹凸信号として取得し、取得した位置信号と凹凸信号とに基づいて画像を形成して表示する。
【００１６】
上述したＡＣモードのＡＦＭでは、液体によるカンチレバーの振動の減衰が大きいため、カンチレバーの励振効率が非常に悪い。このため、カンチレバーを支持するホルダーの振動特性がノイズとなって表れてしまうという不具合がある。
【００１７】
図１９は、あるカンチレバーの大気中での振動特性を示し、図２０は、同じカンチレバーの液中での振動特性を示している。図１９に示されるように、大気中では機械的共振周波数において高い励振効率（Ｑ値）を示すカンチレバーであっても、液中では、図２０に示されるように、機械的共振周波数が低下すると共に励振効率（Ｑ値）が極端に低下してしまう。
【００１８】
このため、ホルダーに対するカンチレバーの励振効率が下がり、カンチレバーを支持するホルダーの振動特性が光てこセンサーで検出されるカンチレバーの変位信号にノイズとなって現れるようになる。図２１は、図２０に示される振動特性のカンチレバーに対する光てこセンサーの出力特性を示している。このような光てこセンサーの出力特性からは、もはやカンチレバーの機械的共振周波数を判別することはできない。これは機械的振動をホルダーを介してカンチレバーに伝達していることに起因している。
【００１９】
特開平７−１７４７６７号公報は、機械的振動をホルダーを介してカンチレバーに伝達することによりカンチレバーを励振するのではなく、収束した超音波をカンチレバーの自由端に照射することによりカンチレバーを励振する手法を提案している。
【００２０】
【特許文献１】
特開２００２−８２０３７号公報
【００２１】
【特許文献２】
特開平７−１７４７６７号公報
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平７−１７４７６７号公報は次のような課題をかかえている。
【００２３】
カンチレバーの大きさは、大型のもので長さ１００μｍ、幅３０μｍ程度であり、小型のものでは長さ１０μｍ、幅２μｍ程度と非常に小さい。このように小さいカンチレバーの自由端部に超音波を正確に照射するには、超音波を数十μｍ以下に収束するとともに、超音波に対してカンチレバーを高い精度で位置決めする必要がある。このため、カンチレバーの位置を高い精度で制御する位置調整機構を設ける必要がある。しかし、このような位置調整機構を設けることは、装置の大型化と複雑化を招くだけでなく、カンチレバー交換等の測定準備の所要時間を増大させる。
【００２４】
加えて、数十μｍ以下に収束された超音波は、急峻なピークを持つ強度分布を有する。このため、カンチレバーと超音波の焦点距離の相対的ドリフト、すなわち、位置調整機構やトランスデューサーのドリフトでカンチレバーの励振効率が変化してしまう。従って、カンチレバーを安定に励振するためには、位置調整機構およびトランスデューサーの振動ノイズや熱ドリフトを極力抑える必要がある。
【００２５】
本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、高い精度でのカンチレバーの位置決めを必要とせず、液体中においてカンチレバーを安定に励振することのできる液中用走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、液体中の生体試料を探針により観察する液中用走査型プローブ顕微鏡であり、水平面に共に平行で互いに直交するＸ軸とＹ軸と、水平面に直交するＺ軸とを有しており、走査型プローブ顕微鏡は、液体を保持する液体ステージと、自由端に探針を有するカンチレバーと、液体ステージに保持された液体中においてカンチレバーを保持するホルダーと、液体ステージに保持された液体中において試料を保持する試料台と、カンチレバーに対して試料を少なくともＺ軸に沿って移動させる（Ｚ走査する）スキャナーと、カンチレバーをその機械的共振周波数近傍の周波数で励振するカンチレバー励振手段と、カンチレバーの自由端の変位を光学的に検出し、その変位を反映する変位信号を出力する変位検出センサーと、変位検出センサーからの変位信号に基づいてカンチレバーの振動振幅を算出し、その振動振幅を反映する振幅信号を出力する振幅検出回路と、振幅検出回路からの振幅信号に基づいてＺ軸に沿ったカンチレバーと試料の間隔の目標値を求め、その目標値に対応するＺ制御信号を出力するＺ制御回路と、Ｚ制御信号に従ってスキャナーのＺ軸に沿った変位を制御するＺ駆動回路と、Ｚ制御信号に基づいて試料の表面の情報を演算により求めると共に、求めた試料の表面の情報を表示する演算表示部とを有しており、カンチレバー励振手段は、励振信号を生成する励振信号生成部と、励振信号に従って超音波を発生させ、その超音波をカンチレバーとその周囲にほぼ一様に照射するトランスデューサーを有している。
【００２７】
スキャナーは、Ｚ走査に加えて、カンチレバーに対して試料をＸ軸とＹ軸に沿って移動させる（ＸＹ走査する）ことができるとよく、これに対応して、走査型プローブ顕微鏡は、スキャナーをＸ軸に沿って変位させるＸ走査信号を生成するＸ走査信号生成部と、スキャナーをＹ軸に沿って変位させるＹ走査信号を生成するＹ走査信号生成部と、Ｘ走査信号に従ってスキャナーのＸ軸に沿った変位を制御するＸ駆動回路と、Ｙ走査信号に従ってスキャナーのＹ軸に沿った変位を制御するＹ駆動回路とを更に有しているとよく、演算表示部はＺ制御信号に加えてＸ走査信号とＹ走査信号とに基づいて試料の表面の情報を演算により求める。
【００２８】
トランスデューサーは、入力される励振信号に従って超音波を発生させる振動子と、振動子で発生された超音波を伝搬させる超音波伝搬部とを有しており、振動子と超音波伝搬部は機械的に結合されており、超音波伝搬部は超音波を外に射出する出力端を持ち、超音波伝搬部の少なくとも出力端は液体ステージに保持された液体中に位置している。
【００２９】
超音波伝搬部は超音波を増幅するホーンを有しているとよい。また、超音波伝搬部は高分子材料で作られているとよい。
【００３０】
超音波伝搬部は、例えば、除振ゴムを介して液体ステージに固定されている。
【００３１】
トランスデューサーはスキャナーに保持され、トランスデューサーの超音波伝搬部が試料台を兼ねてもよい。
【００３２】
スキャナーがカンチレバーに対して試料をＺ軸に沿って移動させる（Ｚ走査する）Ｚスキャナーを含み、Ｚスキャナーがトランスデューサーの振動子を兼ねてもよい。この場合、走査型プローブ顕微鏡はＺ制御信号と励振信号を加算する加算器を更に有しており、加算器の出力信号がＺ駆動回路に入力される。
【００３３】
励振信号生成部は、変位検出センサーからの変位信号に基づいて励振信号を生成する自励発振回路であってもよい。自励発振回路は、例えば、変位検出センサーからの変位信号の位相を９０度進める位相シフト回路と、位相シフト回路の出力信号のレベルを一定に保つオートゲインコントロール回路とで構成される。
【００３４】
カンチレバー励振手段は、励振信号生成部からの励振信号を調整する励振コントロール回路を更に有していてもよい。励振コントロール回路は、例えば、変位検出センサーからの変位信号の位相を９０度進める位相シフト回路と、位相シフト回路の出力信号に所定のゲインをかけるゲイン調整回路と、ゲイン調整回路の出力信号に励振信号生成部からの励振信号を加算する加算回路とで構成される。
【００３５】
励振信号生成部は、変位検出センサーからの変位信号に基づいて調整された励振信号を出力してもよい。このような励振信号生成部は、例えば、変位検出センサーからの変位信号の位相を９０度進める位相シフト回路と、位相シフト回路の出力信号のレベルを一定に保つオートゲインコントロール回路と、位相シフト回路の出力信号に所定のゲインをかけるゲイン調整回路と、ゲイン調整回路の出力信号にオートゲインコントロール回路の出力信号を加算する加算回路とで構成される。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００３７】
第一実施形態
本発明は、探針（プローブ）により液体中の生体試料を観察する走査型プローブ顕微鏡に向けられており、その第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図１に示す。続く説明においては、水平面に共に平行で互いに直交する二本の軸または二つの方向をそれぞれＸ軸・Ｙ軸またはＸ方向・Ｙ方向と呼び、水平面に直交する軸または方向をＺ軸またはＺ方向と呼ぶものとする。
【００３８】
走査型プローブ顕微鏡１００は、水等の液体１０２を保持する液体ステージ１１０と、自由端に探針１２２を有するカンチレバー１２４と、液体ステージ１１０に保持された液体１０２中においてカンチレバー１２４を保持するホルダー１２６と、液体ステージ１１０に保持された液体１０２中において生体試料１０４を保持する試料台１３２と、カンチレバー１２４に対して生体試料１０４をＸ軸とＹ軸に沿って移動させる（ＸＹ走査する）と共にＺ軸に沿って移動させる（Ｚ走査する）ＸＹＺスキャナー１３４とを有している。
【００３９】
液体ステージ１１０は、光を通す透過ガラス１１２と、透過ガラス１１２を保持している枠部１１４とを有している。液体ステージ１１０は、その表面が撥水処理されており、表面張力により液体１０２を保持し得る。ここで、液体１０２を保持するとは、液体１０２を一箇所に留めておくことを言う。
【００４０】
液体１０２は撥水性のあるスライドガラスに保持されてもよく、その場合、液体１０２を保持したスライドガラスが液体ステージ１１０に載置される。また、液体１０２はシャーレ等の液体セルに保持されてもよい。
【００４１】
走査型プローブ顕微鏡１００は更に、カンチレバー１２４の自由端の変位を光学的に検出し、その変位を反映する変位信号を出力する変位検出センサー１４０と、変位検出センサー１４０からの変位信号に基づいてカンチレバーの振動振幅を算出し、その振動振幅を反映する振幅信号を出力する振幅検出回路１４８とを有している。
【００４２】
変位検出センサー１４０は例えば光てこセンサーで構成される。光てこセンサーの詳細は例えば特開２００２−８２０３７号に開示されている。しかし、変位検出センサー１４０は、光てこセンサーに限定されるものではなく、他のセンサーで構成されてもよい。
【００４３】
光てこセンサー１４０は、光ビームを発射する光源と、光源からの光ビームを収束してカンチレバー１２４の自由端に照射する対物レンズ１４２と、カンチレバー１２４からの反射光ビームを検出する光検出器とを含んでいる。対物レンズ１４２は透過ガラス１１２の下方に配置されている。
【００４４】
光源から発射された光ビーム１４６は対物レンズ１４２によって収束され、透過ガラス１１２を通って、カンチレバー１２４の自由端に照射される。カンチレバー１２４で反射された光ビームは、透過ガラス１１２を通って対物レンズ１４２に入射し、光検出器に案内される。光検出器は受光面を有し、カンチレバー１２４からの反射光ビームは受光面に光スポットを形成する。光スポットは、カンチレバー１２４の自由端の変位に応じて、光検出器の受光面上を移動する。光検出器は、受光面に形成された光スポットの位置を反映する信号、すなわちカンチレバー１２４の自由端の変位を反映する信号を出力する。
【００４５】
走査型プローブ顕微鏡１００はコントローラー１５０を有しており、コントローラー１５０は、ＸＹＺスキャナーをＸ軸に沿って変位させるＸ走査信号を生成するＸ走査信号生成部１５２と、ＸＹＺスキャナーをＹ軸に沿って変位させるＹ走査信号を生成するＹ走査信号生成部１５４と、振幅検出回路からの振幅信号に基づいてＺ軸に沿ったカンチレバーと試料の間隔の目標値を求め、その目標値に対応するＺ制御信号を出力するＺ制御回路１５６とを含んでいる。
【００４６】
Ｚ制御回路１５６は、アナログ制御とデジタル制御（ソフトウエア制御）のどちらの方式であってもよい。
【００４７】
走査型プローブ顕微鏡１００は更に、Ｘ走査信号に従ってＸＹＺスキャナーのＸ軸に沿った変位を制御するＸ駆動回路１６２と、Ｙ走査信号に従ってＸＹＺスキャナーのＹ軸に沿った変位を制御するＹ駆動回路１６４と、Ｚ制御信号に従ってＸＹＺスキャナーのＺ軸に沿った変位を制御するＺ駆動回路１６６とを有している。
【００４８】
また、走査型プローブ顕微鏡１００は、Ｘ走査信号とＹ走査信号とＺ制御信号とに基づいて生体試料１０４の表面の情報を演算により求めると共に、求めた生体試料１０４の表面の情報を表示する演算表示部として機能するホストコンピューター１６０とを有している。
【００４９】
走査型プローブ顕微鏡１００は更に、カンチレバーをその機械的共振周波数近傍の周波数で励振するカンチレバー励振手段を有している。カンチレバー励振手段は、カンチレバー１２４の機械的共振周波数近傍の周波数を持つ励振信号を生成する励振信号生成部１５８と、励振信号に従って超音波を発生させ、その超音波をカンチレバーとその周囲にほぼ一様に照射するトランスデューサー１７０とで構成されている。
【００５０】
励振信号生成部１５８は、これに限定されるわけではないが、例えばコントローラー１５０の内部に設けられている。言い換えれば、コントローラー１５０は部分的に励振信号生成部１５８を構成している。つまり、コントローラー１５０はトランスデューサー１７０と共にカンチレバー励振手段を構成している。
【００５１】
トランスデューサー１７０は、入力される励振信号に従って超音波を発生させる振動子１７２と、振動子１７２で発生された超音波を伝搬させる超音波伝搬部１７４とを有しており、超音波伝搬部１７４は除振ゴム１７８を介して液体ステージ１１０に固定されている。
【００５２】
振動子１７２は、これに限らないが、例えば圧電素子で構成される。振動子１７２と超音波伝搬部１７４は機械的に結合されており、超音波伝搬部１７４は超音波を外に射出する出力端１７６を有している。図１と図２に示されるように、超音波伝搬部１７４の少なくとも出力端１７６は液体ステージ１１０に保持された液体１０２中に位置している。出力端１７６は出来る限りカンチレバー１２４の近くに配置されるとよい。
【００５３】
トランスデューサー１７０は、超音波伝搬部１７４の出力端１７６の照射面がＸ軸に直交するように配置されており、超音波をＸ方向に射出する。カンチレバー１２４はホルダー１２６により液体ステージ１１０に対して約５〜２０度傾けて保持されているため、超音波はカンチレバー１２４の面に対して約５〜２０度の角度で照射される。
【００５４】
勿論、超音波の照射方向はこれに限定されるものではない。超音波は、カンチレバー１２４を効率良く励振するために、カンチレバー１２４の面に対して小さい入射角で、言い換えれば、垂直に近い状態で照射されるとよい。このため、超音波は、カンチレバー１２４の面に小さい入射角で当たるように、紙面の左下方から照射されてもよい。また超音波は、ＹＺ面と平行に、例えば紙面の上方向から照射されてもよい。
【００５５】
超音波伝搬部１７４の出力端１７６は、カンチレバー１２４の大きさに比べて十分に大きい大きさを有している。従って、超音波伝搬部１７４の出力端１７６から射出される超音波はカンチレバーの大きさに比べて十分に大きな波面を持つ。このため、超音波はカンチレバーとその周囲にほぼ一様に照射される。
【００５６】
具体的には、カンチレバー１２４は、大きなものでは、長さ１００μｍ、幅３０μｍ程度の大きさを有し、小型のものでは、長さ１０μｍ、幅２μｍ程度の大きさを有している。これに対して、超音波伝搬部１７４の出力端１７６は、例えば、高さ（Ｚ方向の寸法）１ｍｍ、幅（Ｙ方向の寸法）１ｍｍ程度の大きさを有している。
【００５７】
超音波はカンチレバー１２４の垂直に照射されないが、実質的に均一と見なせる。カンチレバー１２４の共振周波数は、前述の大きさに対応して、一般に１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚである。液体１０２中における超音波の速度を１５００ｍ／ｓとすると、超音波の波長は１５ｍｍ〜１．５ｍｍとなる。従って、カンチレバー１２４に照射される超音波は、小型のものに対しては勿論、大型のものに対しても、実質的に均一と見なせる。
【００５８】
超音波伝搬部１７４の材質は、水との境界面での反射を少なくするために、比較的小さい音響インピーダンスを有しているとよい。このため、超音波伝搬部１７４は、例えば、テフロンやシリコーンやアクリル樹脂などの高分子材料で作られている。高分子材料は、成形が簡単であり、また、効率良く超音波を伝達する。
【００５９】
除振ゴム１７８は、振動子１７２で生成された超音波が液体ステージ１１０やホルダー１２６に伝わるのを防止するためのもので、その材料は剛性の低いものであるとよい。特に、除振ゴム１７８は、その共振周波数がカンチレバー１２４の共振周波数よりも格段に低いもの、例えばシリコーンゴムなどであるとよい。除振ゴム１７８は、超音波伝搬部１７４と一体成形されてもよい。
【００６０】
超音波伝搬部１７４は、その内部を伝搬する超音波を増幅するホーンを有しているとよい。例えば、超音波伝搬部１７４は、図３に示されるように、超音波を増幅するために、Ｘ方向に延びる四角錐台形状のホーンを有している。超音波伝搬部１７４は、共に矩形の入力端（振動子１７２が接合されている端面）と出力端１７６とを有している。例えば、入力端は高さ（Ｚ方向の寸法）が３ｍｍ程度、幅（Ｙ方向の寸法）が３〜２０ｍｍ程度であり、出力端１７６は高さが１ｍｍ程度、幅が１ｍｍ程度である。
【００６１】
ホーンは、Ｘ軸に直交する断面の面積は出力端１７６に近づくにつれて減少している。さらに断面は、Ｚ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が高い割合で減少している。従って、ホーンは、Ｚ方向に関してよりもＹ方向に関して高く増幅する。これは、Ｚ方向よりもＹ方向に関するカンチレバー１２４の配置の自由度が高いため（Ｚ方向よりもＹ方向に寸法的な余裕があるため）である。
【００６２】
前述したように、トランスデューサー１７０では、超音波伝搬部１７４の出力端１７６は１ｍｍ×１ｍｍの大きさに設定されている。これは、カンチレバー１２４の周囲における超音波強度がほぼ一様となり、しかも出来るだけ大きいホーン効果（増幅率）が得られる好適な大きさの具体例の一つである。従って、超音波伝搬部１７４の出力端１７６はこれに限定されない。空間に余裕があれば、より一様性の高い超音波を得るために、これより大きくてもよい。また、十分に一様であれば、より強度の大きい超音波を得るために、これより小さくてもよい。
【００６３】
トランスデューサー１７０の超音波伝搬部１７４は、四角錐台形状のホーンを有しているが、ホーンの形状はこれに限定されない。トランスデューサー１７０に代えて適用可能な、別の形状のホーンを持つ別のトランスデューサーを図４に示す。
【００６４】
図４に示されるように、トランスデューサー１７０Ａは、超音波を発生させる圧電素子等の振動子１７２Ａと、振動子１７２Ａで発生された超音波を伝搬させる超音波伝搬部１７４Ａとを有し、超音波伝搬部１７４Ａは、Ｘ方向に延びる楕円錐台形状のホーンを有している。超音波伝搬部１７４Ａは、Ｙ方向に細長い矩形の入力端と円形の出力端１７６Ａを有している。ホーンは、Ｘ軸に直交する断面の面積は出力端１７６Ａに近づくにつれて減少している。さらに断面は、Ｚ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が高い割合で減少している。従って、ホーンは、Ｚ方向に関してよりもＹ方向に関して高く増幅する。
【００６５】
超音波伝搬部１７４と超音波伝搬部１７４Ａはいずれも、断面の面積が一定の割合で減少するコニカル形のホーンであるが、より高い増幅率を持つエキスポネンシャル形やカテノイダル形のホーンであってもよい。
【００６６】
トランスデューサー１７０に代えて適用可能な更に別のトランスデューサーを図５に示す。図５に示されるように、トランスデューサー１７０Ｂは、超音波を発生させる圧電素子等の振動子１７２Ｂと、振動子１７２Ｂで発生された超音波を伝搬させる超音波伝搬部１７４Ｂとを有し、超音波伝搬部１７４Ｂは、Ｙ方向に関してのみ増幅機能を持つホーンを有している。ホーンは、Ｘ軸に直交する断面の面積は出力端１７６Ｂに近づくにつれて減少している。さらに断面は、Ｚ方向の寸法は一定で、Ｙ方向の寸法だけが一定の割合で減少している。従って、ホーンは、超音波をＺ方向に関しては増幅せず、Ｙ方向に関してのみ増幅する。
【００６７】
トランスデューサー１７０に代えて適用可能なまた更に別のトランスデューサーを図６に示す。図６に示されるように、トランスデューサー１７０Ｃは、超音波を発生させる圧電素子等の振動子１７２Ｃと、振動子１７２Ｃで発生された超音波を伝搬させる超音波伝搬部１７４Ｃとを有し、超音波伝搬部１７４Ｃは、超音波を増幅するホーンを有していない。従って、トランスデューサー１７０Ｃは、他のトランスデューサーと比較して、同じ励振信号に対して出力端１７６Ｃから射出される超音波の強度が低くなる。このため、振動子１７２Ｃには、出力の大きい圧電素子が適用されるとよい。
【００６８】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００では、コントローラー１５０内の励振信号生成部１５８から励振信号が出力される。励振信号は、所定の振幅を有し、カンチレバー１２４の機械的共振周波数と同じ周波数を有している。励振信号はトランスデューサー１７０の振動子１７２に入力される。振動子１７２は励振信号の入力を受けて、カンチレバー１２４の機械的共振周波数と同じ周波数を持つ所定の振幅の超音波を発生させる。超音波は超音波伝搬部１７４と液体１０２を伝搬してカンチレバー１２４とその周囲に一様に照射される。その結果、カンチレバー１２４は、その機械的共振周波数で所定の振幅で振動する（励振される）。
【００６９】
この状態において、変位検出センサー１４０はカンチレバー１２４の自由端の変位を検出し、振幅検出回路１４８はカンチレバー１２４の自由端の振動の振幅を示す振幅信号を出力する。Ｚ制御回路１５６は、振幅検出回路１４８から入力されるカンチレバー１２４の振幅信号に基づいて、カンチレバー１２４の振動振幅を所定値に保つためのＺ制御信号を出力する。Ｚ駆動回路１６６は、Ｚ制御回路１５６から供給されるＺ制御信号に従ってＸＹＺスキャナー１３４を駆動して、ＸＹＺスキャナー１３４に保持された生体試料１０４のＺ方向に移動させる。
【００７０】
つまり、Ｚ制御回路１５６とＺ駆動回路１６６は共働して、ＸＹＺスキャナー１３４により、カンチレバー１２４に対する生体試料１０４のＺ方向位置を制御する。Ｚ制御回路１５６とＺ駆動回路１６６は、最初、生体試料１０４とカンチレバー１２４（正確にはその探針１２２）とが接触するまで、生体試料１０４をカンチレバー１２４に接近させ、両者が接触した後は、カンチレバー１２４の振動振幅を一定に保つように、生体試料１０４のＺ方向位置を制御する。
【００７１】
このようなＺ制御と平行して、Ｘ駆動回路１６２とＹ駆動回路１６４は、それぞれ、Ｘ走査信号生成部１５２とＹ走査信号生成部１５４から供給されるＸ走査信号とＹ走査信号に従ってＸＹＺスキャナー１３４をＸ方向とＹ方向に駆動し、生体試料１０４をカンチレバー１２４に対して二次元走査すなわちＸＹ走査させる。
【００７２】
ＸＹ走査とＺ制御の間、ホストコンピューター１６０は、Ｘ走査信号とＹ走査信号とＺ制御信号とに基づいて生体試料１０４の表面の情報、例えば凹凸情報を求めて表示したり、その情報に基づいて試料の表面の画像を形成して表示したりする。
【００７３】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００では、超音波によってカンチレバー１２４を励振するので、カンチレバー１２４以外の部材の振動、例えばホルダー１２６等の振動が相対的に減少される。その結果、変位検出センサー１４０の出力特性は、図７に示されるようなノイズのないものとなる。
【００７４】
さらに、カンチレバー１２４の大きさよりも十分に大きな波面の超音波でカンチレバー１２４を励振するので、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００において要求されるトランスデューサー１７０の位置決め精度が低くて済む。また、カンチレバー１２４の周囲における超音波の強度はほぼ一様であるので、トランスデューサー１７０の振動ノイズや熱ドリフトの影響も受け難い。その結果、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００は、カンチレバー１２４をより安定に励振することができるため、より正確な測定結果を得られる。
【００７５】
第二実施形態
本発明の第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図８に示す。図８において、図１の部材と同一の参照符号で示された部材は同等の部材を示しており、それらの詳しい説明は記載の重複を避けて省略する。
【００７６】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡２００は、コントローラー１５０内の励振信号生成部１５８と共に、カンチレバー１２４をその機械的共振周波数近傍の周波数で励振するカンチレバー励振手段を構成するトランスデューサー２８０を有している。トランスデューサー２８０は、励振信号生成部１５８からの励振信号に従って超音波を発生させ、その超音波をカンチレバー１２４とその周囲にほぼ一様に照射する。
【００７７】
トランスデューサー２８０は、励振信号に従って超音波を発生させる圧電素子等の振動子２８２と、振動子２８２で発生された超音波を伝搬させる超音波伝搬部２８４とを有している。トランスデューサー２８０は、ＸＹＺスキャナー１３４に保持されており、超音波伝搬部２８４は試料台を兼ねている。言い換えれば、試料台２８４はトランスデューサー２８０の振動子２８２を介してＸＹＺスキャナー１３４に連結されている。
【００７８】
超音波伝搬部２８４は、第一実施形態の超音波伝搬部１７４と同様に、様々に変形されてもよい。
【００７９】
励振信号生成部１５８は、カンチレバー１２４の共振周波数近傍の周波数を持つ所定の振幅の励振信号を出力する。振動子２８２は、入力される励振信号に従って、カンチレバー１２４の機械的共振周波数と同じ周波数を持つ所定の振幅の超音波を発生させる。超音波は、超音波伝搬部２８４と生体試料１０４と液体１０２を伝搬してカンチレバー１２４とその周囲に一様に照射され、カンチレバー１２４をその機械的共振周波数で所定の振幅で励振する。
【００８０】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡２００は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００と同様の利点を有している。これに加えて、カンチレバー１２４の面に対して超音波を小さい入射角すなわち垂直に近い状態で照射しているため、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡２００は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００よりも効率良くカンチレバー１２４を励振できる。また、超音波を発生させる振動子２８２が液体ステージ１１０やホルダー１２６から離して配置されているので、第一実施形態で用いた除振ゴムが必要ない。従って、走査型プローブ顕微鏡２００は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００よりも簡単な構成で済む。
【００８１】
第三実施形態
本発明の第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図９に示す。図９において、図１の部材と同一の参照符号で示された部材は同等の部材を示しており、それらの詳しい説明は記載の重複を避けて省略する。
【００８２】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡３００では、ＸＹＺスキャナー３３４は、カンチレバー１２４に対して生体試料１０４をＸ軸とＹ軸に沿って移動させる（ＸＹ走査する）ＸＹスキャナー３３６と、カンチレバー１２４に対して生体試料１０４をＺ軸に沿って移動させる（Ｚ走査する）Ｚスキャナー３３８とを有している。
【００８３】
Ｚスキャナー３３８の下端には、生体試料１０４を保持する試料台３３２が固定されている。Ｚスキャナー３３８はトランスデューサーの振動子を兼ね、試料台３３２はトランスデューサーの超音波伝搬部を兼ねている。つまり、Ｚスキャナー３３８と試料台３３２はトランスデューサーを構成している。試料台３３２すなわち超音波伝搬部は、第一実施形態の超音波伝搬部１７４と同様に、様々に変形されてもよい。
【００８４】
また、走査型プローブ顕微鏡３００は、Ｚ制御回路１５６から出力されるＺ制御信号と励振信号生成部１５８から出力される励振信号とを加算する加算器３８２を有している。加算器３８２の出力信号は、Ｚ駆動回路１６６に入力される。
【００８５】
結局、励振信号生成部１５８と加算器３８２とＺ駆動回路１６６とＺスキャナー３３８と試料台３３２は共働して、カンチレバー１２４をその機械的共振周波数近傍の周波数で励振するカンチレバー励振手段を構成している。
【００８６】
励振信号生成部１５８は、カンチレバー１２４の共振周波数近傍の周波数を持つ所定の振幅の励振信号を出力する。励振信号は加算器３８２によりＺ制御信号に重畳されてＺ駆動回路１６６に入力される。Ｚ駆動回路１６６は、励振信号成分に従ってＺスキャナー３３８をＺ方向に振動させる。これにより、Ｚスキャナー３３８は、カンチレバー１２４の機械的共振周波数と同じ周波数を持つ所定の振幅の超音波を発生させる。超音波は、試料台３３２と生体試料１０４と液体１０２を伝搬してカンチレバー１２４とその周囲に一様に照射され、カンチレバー１２４をその機械的共振周波数で所定の振幅で励振する。
【００８７】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡３００は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００と同様の利点を有している。これに加えて、カンチレバー１２４の面に対して超音波を小さい入射角すなわち垂直に近い状態で照射しているため、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡３００は、第二実施形態と同様に、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００よりも効率良くカンチレバー１２４を励振できる。また、Ｚスキャナー３３８が超音波を発生させる振動子を兼ねているため、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡３００は、第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡２００よりも簡単な構成で済む。
【００８８】
第四実施形態
本発明の第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図１０に示す。図１０において、図１の部材と同一の参照符号で示された部材は同等の部材を示しており、それらの詳しい説明は記載の重複を避けて省略する。
【００８９】
図１０に示されるように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡４００は、変位検出センサー１４０からの変位信号に基づいて励振信号を生成する自励発振回路４８０を有している。自励発振回路４８０は、カンチレバー１２４をその機械的共振周波数で自発的に振動させる（自励発振させる）回路である。従って、自励発振回路４８０は励振信号生成部を構成している。つまり、自励発振回路４８０はトランスデューサー１７０と共に、カンチレバー励振手段を構成している。
【００９０】
これに伴い、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡４００のコントローラー４５０は、励振信号生成部を有していない。つまり、コントローラー４５０は、第一実施形態のコントローラー１５０から励振信号生成部１５８を省いた構成となっている。
【００９１】
図１１に示されるように、自励発振回路４８０は、変位検出センサー１４０からの変位信号の位相を９０度進める位相シフト回路４８２と、位相シフト回路の出力信号のレベルを一定に保つオートゲインコントロール回路４８４とを有している。
【００９２】
変位検出センサー１４０と位相シフト回路４８２とオートゲインコントロール回路４８４とトランスデューサー１７０とカンチレバー１２４はカンチレバー１２４の機械的共振周波数において正帰還を構成する。さらに、正帰還の帰還ゲインはオートゲインコントロール回路４８４によって１以上に調整される。このため、カンチレバー１２４はその機械的共振周波数で発振される。その振動振幅は、オートゲインコントロール回路４８４により所定のレベルに保たれる。
【００９３】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡４００は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００と同様に、超音波を利用してカンチレバー１２４を励振している。このため、カンチレバー１２４以外の部材の振動、例えばホルダー１２６等の振動が相対的に減少されている。その結果、変位検出センサー１４０の出力特性は、図７に示されるように、ノイズを含んでいない。このために、カンチレバーの自励発振回路を構成することが可能となっている。
【００９４】
なお、ホルダーに固定された振動子を用いてカンチレバーを振動させる従来の走査型プローブ顕微鏡では、光てこセンサーの出力特性は、図２１に示されるように、多くのノイズを含んでいるため、カンチレバーの自励発振回路を構成することは不可能であった。
【００９５】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡４００は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００と同様の利点を有している。これに加えて、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡４００は、カンチレバー１２４を自励発振させる自励発振回路４８０を有しているため、励振信号生成部を別途に設けることなく、カンチレバー１２４をその機械的共振周波数で振動させることができる。これは走査型プローブ顕微鏡の操作性の向上（操作手順の簡略化や操作時間の短縮）にとって有益である。
【００９６】
第五実施形態
走査型プローブ顕微鏡は、測定対象物に機械的探針を実際に接触させて測定するため、測定対象物が柔らかい生体試料である場合には、少なからずダメージ（損傷）を生体試料に与えてしまうが、生体試料に与えるダメージは小さいほど好ましい。
【００９７】
本実施形態は、走査型プローブ顕微鏡が測定時に試料に与えるダメージの低減に向けられている。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡について説明する前に、まず、走査型プローブ顕微鏡が試料にダメージを与える現象について説明する。
【００９８】
カンチレバーと試料が接触すると、カンチレバーの振動振幅が小さくなる、すなわち励振効率が低下する。この現象は次のように考えられる。
【００９９】
カンチレバーを振動させるための注入エネルギーをＥ０（一定）、カンチレバーの振動エネルギーをＥｋ、カンチレバーと試料の接触による試料への漏れエネルギー（損失エネルギー）をＥｓとし、それ以外の損失は無視できるものとすると、Ｅ０＝Ｅｋ＋Ｅｓとなり、励振効率Ｅｋ／Ｅ０は、Ｅｋ／Ｅ０＝１−Ｅｓ／Ｅ０と表される。
【０１００】
カンチレバーと試料が接触していない状態ではＥｓ＝０となるので、励振効率はＥｋ／Ｅ０＝１となる。カンチレバーと試料が接近して接触すると、漏れエネルギー（損失エネルギー）Ｅｓが生じるため、励振効率はＥｋ／Ｅ０＜１となる。カンチレバーと試料が更に接近して完全に接触する（常に接触している状態になる）と、励振効率はＥｋ／Ｅ０＝０となる。このとき、Ｅｓ／Ｅ０＝１であり、カンチレバーを振動させるための注入エネルギーＥ０がすべて漏れエネルギーＥｓとなって試料に注入される。
【０１０１】
以上より、漏れエネルギーＥｓが試料にタメージを与える原因と考えることができる。従って、試料へのダメージを減らすためにはＥ０を小さくすればよいことがわかる（Ｅｓ／Ｅ０≦１であるため）。しかし、単純にＥ０を小さくするのでは、カンチレバーの振動エネルギーＥｋも小さくなってしまい、実用的ではない。
【０１０２】
従って、カンチレバーと試料の接触状態に応じてＥ０の大きさを変えるとよい。すなわち、カンチレバーと試料が接触していない状態ではＥ０を大きくし、カンチレバーと試料の接触が強い状態ではＥ０を小さくすることことにより、測定時に試料に与えるダメージを低減することができる。
【０１０３】
以下、このような考察の基づいて試料に与えるダメージの低減を図った本発明の第五実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図１２に示す。図１２において、図１の部材と同一の参照符号で示された部材は同等の部材を示しており、それらの詳しい説明は記載の重複を避けて省略する。
【０１０４】
図１２に示されるように、走査型プローブ顕微鏡５００は、励振信号生成部１５８からの励振信号を調整する励振コントロール回路５８０を有している。励振コントロール回路５８０は、測定時に試料に与えるダメージを低減する回路である。励振コントロール回路５８０は励振信号生成部１５８とトランスデューサー１７０と共にカンチレバー励振手段を構成している。
【０１０５】
図１３に示されるように、励振コントロール回路５８０は、変位検出センサー１４０からの変位信号の位相を９０度進める位相シフト回路５８２と、位相シフト回路５８２の出力信号に所定のゲインをかけるゲイン調整回路５８６と、ゲイン調整回路５８６の出力信号に励振信号生成部１５８からの励振信号を加算する加算回路５８８とを有している。励振コントロール回路５８０は加算回路５８８の出力信号を励振信号として出力する。
【０１０６】
変位検出センサー１４０と位相シフト回路５８２とゲイン調整回路５８６と加算回路５８８とトランスデューサー１７０とカンチレバー１２４はカンチレバー１２４の機械的共振周波数において正帰還を構成する。さらに、正帰還の帰還ゲインはゲイン調整回路５８６によって１未満に調整される。
【０１０７】
励振コントロール回路５８０は、生体試料１０４とカンチレバー１２４（の探針１２２）の接触状態に応じて、カンチレバー１２４を励振するための励振信号を調整し得る。以下、この原理について述べる。
【０１０８】
図１３において、カンチレバー１２４の機械的共振周波数における角振動数をωｃ、コントローラー１５０内の励振信号生成部１５８から出力される励振信号をＡ０ｓｉｎωｃｔとする。カンチレバー１２４が共振周波数で振動しているとき、カンチレバー１２４の変位は励振信号に対して位相が９０度遅れるため、変位検出センサー１４０から出力される信号はＡｋｓｉｎ（ωｃｔ−π／２）となる。また、位相シフト回路５８２の出力はＡｋｓｉｎωｃｔ、ゲイン調整回路５８６の出力はＫＡｋｓｉｎωｃｔ、加算回路５８８の出力は（Ａ０＋ＫＡｋ）ｓｉｎωｃｔとなる。ここで、Ａｋは変位検出センサー１４０の出力信号の振幅、Ｋはゲイン調整回路５８６のゲインである。
【０１０９】
カンチレバー１２４と生体試料１０４が接触していないときの安定状態では次の関係式が成り立つ。
【０１１０】
【数１】
2004156959.tif 000003
【０１１１】
ここで、Ｈｃは角振動数ωｃにおける振動子１７２への入力から変位検出センサー１４０の出力までの入出力特性（ゲイン）、Ａｋ０はカンチレバー１２４と生体試料１０４が非接触状態時（初期状態）の変位検出センサー１４０の出力信号の振幅Ａｋである。
【０１１２】
Ｈｃは、振動子１７２が電気信号を受けて超音波を発生させるときの変換効率、超音波伝搬部１７４における超音波の伝搬効率、超音波伝搬部１７４と液体１０２の境界における超音波の透過率、液体１０２における超音波の伝搬効率、カンチレバー１２４と生体試料１０４が非接触状態のときの超音波によるカンチレバー１２４の励振効率（χ０）、カンチレバー１２４の振動が変位検出センサー１４０で電気信号に変換されるときの変換効率（検出感度）を含んでいる。
【０１１３】
カンチレバー１２４と生体試料１０４が接触しているときの安定状態では次の関係式が成り立つ。
【０１１４】
【数２】
2004156959.tif 000004
【０１１５】
ここで、χはカンチレバー１２４と生体試料１０４が接触状態のときの超音波によるカンチレバー１２４の励振効率である。（χ／χ０）はカンチレバー１２４と生体試料１０４の接触状態を示しており、これを超音波によるカンチレバー１２４の励振効率比α（０≦α≦１）とする。励振効率比αは式（２）より次式で表されれる。
【０１１６】
【数３】
2004156959.tif 000005
【０１１７】
従って、カンチレバー１２４を振動させるための信号（振動子１７２へ供給する信号）Ｓは、式（１）と式（３）より次式で表すことができる。
【０１１８】
【数４】
2004156959.tif 000006
【０１１９】
ＫＨｃは、変位検出センサー１４０と位相シフト回路５８２とゲイン調整回路５８６と加算回路５８８と振動子１７２と超音波伝搬部１７４とカンチレバー１２４とで構成される正帰還の帰還ゲインであり、０≦ＫＨｃ＜１である。なお、ＫＨｃが１以上になると発振が起きる。
【０１２０】
ＨｃとＡｋ０は定数として扱えるので、規格化のためにＨｃ＝１、Ａｋ０＝１とおくと、式（４）のＳは、Ｋとαの関数として、次のように表せる。
【０１２１】
【数５】
2004156959.tif 000007
【０１２２】
Ｓ（Ｋ，α）をＫのいくつかの代表値に対してプロットしたものを図１４に示す。図１４は、αをパラメーターとするＳ（０，α）とＳ（０．１，α）とＳ（０．５，α）とＳ（０．８，α）とＳ（０．９９，α）とを示している。
【０１２３】
図１４より、生体試料１０４とカンチレバー１２４の接触状態α、言い換えれば、カンチレバー１２４の励振効率比αに応じて、カンチレバー１２４を振動させるための信号（振動子１７２へ供給する信号）Ｓをコントロールできることがわかる。すなわち、カンチレバー１２４と生体試料１０４が接触していない状態ではＳを大きくし、カンチレバー１２４と生体試料１０４が接触している状態ではＳを減らすことができることがわかる。その効果は、Ｋを１に近づけていくほど、より大きくなることがわかる。
【０１２４】
なお、Ｋ＝０とすると、第一実施形態〜第三実施形態で示したように、励振信号生成部１５８から出力される励振信号をそのまま振動子１７２に供給することと同様になる。
【０１２５】
上述によると、Ｋ≒１（正確にはＫＨｃ≒１）とするのが望ましいように思える。しかし、Ｋ（正確にはＫＨｃ）を１に近づけるほど正帰還による発振が生じやすくなり動作が不安定になる。このため、Ｋ（正確にはＫＨｃ）は実際には０．５〜０．８の値に設定されるとよい。
【０１２６】
次に、生体試料１０４とカンチレバー１２４の接触状態αに応じてカンチレバー１２４を振動させるための信号（振動子１７２へ供給する信号）Ｓをコントロールすることによって、生体試料１０４へ与えるダメージの低減にどれだけの効果があるかを評価する。
【０１２７】
生体試料１０４に与えるダメージＤは、超音波によるカンチレバー１２４の励振効率の損失分χ０（１−α）とカンチレバー１２４を振動させるための信号（振動子１７２へ供給する信号）Ｓを掛け合わせたものとして考えることができる。すなわち、ダメージＤは、Ｋとαの関数として、次のように表せる。
【０１２８】
【数６】
2004156959.tif 000008
χ０は定数と見なせるので、規格化のためにχ０＝１とおくと、式（６）のＤは次のように表せる。
【０１２９】
【数７】
2004156959.tif 000009
【０１３０】
Ｄ（Ｋ，α）をＫのいくつかの代表値に対してプロットしたものを図１５に示す。図１５は、αをパラメーターとするＤ（０，α）とＤ（０．１，α）とＤ（０．５，α）とＤ（０．８，α）とＤ（０．９９，α）とを示している。
【０１３１】
図１５より、生体試料１０４とカンチレバー１２４の接触状態αに応じて、カンチレバー１２４を振動させるための信号（振動子１７２へ供給する信号）Ｓをコントロールすることによって、生体試料１０４に与えるダメージを急激に低減できることがわかる。その効果は、Ｋを１に近づけていくほど、より大きくなることかわかる。
【０１３２】
従って、生体試料１０４の種類や測定する情報などを考慮して、ゲイン調整回路５８６のゲインＫを適切に設定することにより、測定時に生体試料１０４に与えるダメージを適切に低減することができる。
【０１３３】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡５００は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００と同様の利点を有している。これに加えて、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡５００は、生体試料１０４とカンチレバー１２４の接触状態に基づいて、言い換えれば、変位検出センサー１４０の出力信号に基づいて、振動子１７２に供給する励振信号を調整する励振コントロール回路５８０を有しているため、測定時に生体試料１０４に与えるダメージを大幅に低減することができる。
【０１３４】
第六実施形態
第六実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図１６に示す。図１６において、図１の部材と同一の参照符号で示された部材は同等の部材を示しており、それらの詳しい説明は記載の重複を避けて省略する。
【０１３５】
走査型プローブ顕微鏡は、変位検出センサー１４０からの変位信号に基づいて調整された励振信号を出力する励振コントロール回路６８０を有している。励振コントロール回路６８０は、カンチレバー１２４をその機械的共振周波数で自発的に振動させる（自励発振させる）とともに、測定時の試料に与えるダメージを低減する回路である。
【０１３６】
つまり、本実施形態の励振コントロール回路６８０は、第四実施形態の自励発振回路４８０と第五実施形態の励振コントロール回路５８０の機能を兼ね備えている。励振コントロール回路６８０は、言い換えれば、部分的に励振信号生成部を構成している。従って、励振コントロール回路６８０はトランスデューサー１７０と共にカンチレバー励振手段を構成している。
【０１３７】
これに伴い、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡６００のコントローラー４５０は、励振信号生成部を有していない。つまり、コントローラー４５０は、第一実施形態のコントローラー１５０から励振信号生成部１５８を省いた構成となっている。
【０１３８】
図１７に示されるように、励振コントロール回路６８０は、変位検出センサーからの変位信号の位相を９０度進める位相シフト回路６８２と、位相シフト回路６８２の出力信号のレベルを一定に保つオートゲインコントロール回路６８４と、位相シフト回路６８２の出力信号に所定のゲインをかけるゲイン調整回路６８６と、ゲイン調整回路６８６の出力信号にオートゲインコントロール回路６８４の出力信号を加算する加算回路６８８とを有している。
【０１３９】
変位検出センサー１４０と位相シフト回路６８２とオートゲインコントロール回路６８４と加算回路６８８とトランスデューサー１７０とカンチレバー１２４はカンチレバー１２４の機械的共振周波数において正帰還を構成する。さらに、正帰還の帰還ゲインはオートゲインコントロール回路６８４によって１以上に調整される。この正帰還は、図１１に示した自励発振回路と等価な回路を構成している。このため、カンチレバー１２４はその機械的共振周波数で発振される。その振動振幅は、オートゲインコントロール回路６８４により所定のレベルに保たれる。
【０１４０】
変位検出センサー１４０と位相シフト回路６８２とゲイン調整回路６８６と加算回路６８８とトランスデューサー１７０とカンチレバー１２４はカンチレバー１２４の機械的共振周波数において正帰還を構成する。さらに、正帰還の帰還ゲインはゲイン調整回路６８６によって１未満に調整される。このため、この正帰還は、図１３に示した励振コントロール回路５８０と等価な回路を構成している。このため、生体試料１０４の種類や測定する情報などを考慮して、ゲイン調整回路６８６のゲインＫを適切に設定することにより、測定時に生体試料１０４に与えるダメージを適切に低減することができる。
【０１４１】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡６００は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００と同様の利点を有している。これに加えて、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡６００は、カンチレバー１２４を自励発振させる機能を有する励振コントロール回路６８０を有しているため、励振信号生成部を別途に設けることなく、カンチレバー１２４をその機械的共振周波数で振動させることができる。これは走査型プローブ顕微鏡の操作性の向上（操作手順の簡略化や操作時間の短縮）にとって有益である。
【０１４２】
また、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡６００は、生体試料１０４とカンチレバー１２４の接触状態に基づいて、言い換えれば、変位検出センサー１４０の出力信号に基づいて、振動子１７２に供給する励振信号を調整する機能を有する励振コントロール回路６８０を有しているため、測定時に生体試料１０４に与えるダメージを大幅に低減することができる。
【０１４３】
【発明の効果】
本発明によれば、高い精度でのカンチレバーの位置決めを必要とせず、液体中においてカンチレバーを安定に励振できる液中用走査型プローブ顕微鏡が提供される。これにより、生体試料をより正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の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１のステージを上方から見た図である。
【図３】図１と図２に示されたトランスデューサーの上面図（Ａ）と側面図（Ｂ）と正面図（出力端側端面図）（Ｃ）とを示している。
【図４】図３に示されたトランスデューサーに代えて適用可能な別のトランスデューサーの上面図（Ａ）と側面図（Ｂ）と正面図（出力端側端面図）（Ｃ）とを示している。
【図５】図３に示されたトランスデューサーに代えて適用可能な別のトランスデューサーの上面図（Ａ）と側面図（Ｂ）と正面図（出力端側端面図）（Ｃ）とを示している。
【図６】図３に示されたトランスデューサーに代えて適用可能な別のトランスデューサーの上面図（Ａ）と側面図（Ｂ）と正面図（出力端側端面図）（Ｃ）とを示している。
【図７】図１に示された変位検出センサーの出力特性を示している。
【図８】本発明の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】本発明の第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図１０】本発明の第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図１１】図１０に示された走査型プローブ顕微鏡の部分的に示す図であり、図１０に示された自励発振回路の構成を示している。
【図１２】本発明の第五実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図１３】図１２に示された走査型プローブ顕微鏡の部分的に示す図であり、図１２に示された励振コントロール回路の構成を示している。
【図１４】式（５）で表されたＳ（Ｋ，α）をＫのいくつかの代表値に対してプロットしたグラフを示している。
【図１５】式（７）で表されたＤ（Ｋ，α）をＫのいくつかの代表値に対してプロットしたグラフを示している。
【図１６】本発明の第六実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図１７】図１６に示された走査型プローブ顕微鏡の部分的に示す図であり、図１６に示された励振コントロール回路の構成を示している。
【図１８】従来の生体用原子間力顕微鏡の一例の構成を示している。
【図１９】あるカンチレバーの大気中での振動特性を示している。
【図２０】大気中において図１９に示された振動特性を持つカンチレバーの液中での振動特性を示している。
【図２１】液体中において図２０に示された振動特性を持つカンチレバーに対する、図１８に示された光てこセンサーの出力特性を示している。
【符号の説明】
１００  走査型プローブ顕微鏡
１０２  液体
１０４  生体試料
１１０  液体ステージ
１２２  探針
１２４  カンチレバー
１２６  ホルダー
１３２  試料台
１３４  ＸＹＺスキャナー
１４０  変位検出センサー
１４８  振幅検出回路
１５２  Ｘ走査信号生成部
１５４  Ｙ走査信号生成部
１５６  Ｚ制御回路
１５８  励振信号生成部
１６０  ホストコンピューター
１６２  Ｘ駆動回路
１６４  Ｙ駆動回路
１６６  Ｚ駆動回路
１７０  トランスデューサー
１７２  振動子
１７４  超音波伝搬部
１７６  出力端
【図１】
2004156959.tif 000010
【図２】
2004156959.tif 000011
【図３】
2004156959.tif 000012
【図４】
2004156959.tif 000013
【図５】
2004156959.tif 000014
【図６】
2004156959.tif 000015
【図７】
2004156959.tif 000016
【図８】
2004156959.tif 000017
【図９】
2004156959.tif 000018
【図１０】
2004156959.tif 000019
【図１１】
2004156959.tif 000020
【図１２】
2004156959.tif 000021
【図１３】
2004156959.tif 000022
【図１４】
2004156959.tif 000023
【図１５】
2004156959.tif 000024
【図１６】
2004156959.tif 000025
【図１７】
2004156959.tif 000026
【図１８】
2004156959.tif 000027
【図１９】
2004156959.tif 000028
【図２０】
2004156959.tif 000029
【図２１】
2004156959.tif 000030