(57)【要約】【課題】生体試料に損傷を与えることなく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走査と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をその液体中での機械的共振周波数で励振するために、超音波を発生させるトランスデューサー１７０と、トランスデューサー１７０を駆動するトランスデューサー駆動回路１８０とを有し、トランスデューサー１７０は生体試料上の観察箇所から外れているカンチレバー１２４の部分に収束した超音波束を照射する。【選択図】    図１
2004156958.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生体試料を保持する試料台と、
カンチレバーに対して生体試料を少なくとも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液体中で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生体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生体試料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、収束性の超音波束を発生させるトランスデューサーと、トランスデューサーを駆動するトランスデューサー駆動回路とで構成され、トランスデューサーは生体試料上の観察箇所から外れているカンチレバーの部分に収束した超音波束を照射する、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生体試料を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生体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収束して収束性の超音波束を作り出す音響レンズとを有している、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】
音響レンズは超音波束をカンチレバーの大きさと同程度以下の径に絞る、請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
音響レンズはフレネルレンズで構成されている、請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
トランスデューサー駆動回路は、カンチレバーの大きさに対応した周波数、すなわちカンチレバーの大きさ（長さ）をＬμｍとすると、およそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数と、カンチレバーの液体中での機械的共振周波数近くの周波数で変調された振幅とを有する駆動信号をトランスデューサーに供給する、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７】
トランスデューサー駆動回路は、カンチレバーの大きさに対応した周波数、すなわちカンチレバーの大きさ（長さ）をＬμｍとすると、およそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数を有する励振信号を生成する励振信号生成部と、カンチレバーの液体中での機械的共振周波数近くの周波数を有するスイッチコントロール信号を生成するスイッチコントロール信号生成部と、スイッチコントロール信号に従って励振信号の通過を制御するスイッチ回路とで構成されている、請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
トランスデューサー駆動回路は、カンチレバーの大きさに対応した周波数、すなわちカンチレバーの大きさ（長さ）をＬμｍとすると、およそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数を有する搬送波信号を生成する搬送波信号生成部と、カンチレバーの液体中での機械的共振周波数近くの周波数を有する励振信号を生成する励振信号生成部と、励振信号に従って搬送波信号の振幅を変調する振幅変調回路とで構成されている、請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
振幅変調回路は、励振信号から所定の交流成分を取り出すハイパスフィルターと、ハイパスフィルターの出力信号を半波整流する半波整流回路と、半波整流回路の出力信号と搬送波信号とを乗算する乗算回路とで構成されている、請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
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８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
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１０に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
トランスデューサー駆動回路は、励振信号生成部からの励振信号を変位検出センサーからの変位信号に基づいて調整して振幅変調回路に出力する励振コントロール回路を更に有している、請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
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いる、請求項１２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
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励振コントロール回路である、請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１５】
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１４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、生体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、生体試料のマニピュレーションや生体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、液体中の生きた生体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】
これまで生体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、液体中の生きた生体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】
図１９は従来の生体用原子間力顕微鏡の一例の構成を示すブロック図である。
【００１０】
図１９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の液体中で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】
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（Ｑ値）は非常に低いものとなる。このため、ホルダーに対するカンチレバーの励振効率が低下することにより、カンチレバーを支持するホルダーの振動特性がカンチレバーの変位信号にノイズとなって現れ易いという傾向がある。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。
【００１７】
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、カンチレバーの液体中での機械的共振周波数にほぼ等しい周波数を有する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。
【００１８】
また、「Ｆ．  Ｌ．  Ｄｅｇｅｒｔｅｋｉｎ，  Ｂ．  Ｈａｄｉｍｉｏｇｌｕ，  Ｔ．  Ｓｕｌｃｈｅｋ  ａｎｄ  Ｃ．  Ｆ．  Ｑｕａｔｅ，  “Ａｃｔｕａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ  ｉｎ  ｆｌｕｉｄｓ  ｂｙ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ”，  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  ＶＯＬＵＭＥ  ７８，  ＮＵＭＢＥＲ  １１，  １２  ＭＡＲＣＨ  ２００１」は、カンチレバーの液体中での機械的共振周波数に比べて非常に高い周波数を有する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開示している。同文献では、例えば、１７９．２２ＭＨｚの周波数を有し、２００Ｈｚでパルス変調された交流信号をトランスデューサーに供給することにより、カンチレバーを振動させている。
【００１９】
【特許文献１】
特開２００２−８２０３７号公報
【００２０】
【特許文献２】
特開平７−１７４７６７号公報
【００２１】
【非特許文献１】
Ｆ．  Ｌ．  Ｄｅｇｅｒｔｅｋｉｎ，  Ｂ．  Ｈａｄｉｍｉｏｇｌｕ，  Ｔ．  Ｓｕｌｃｈｅｋ  ａｎｄ  Ｃ．  Ｆ．  Ｑｕａｔｅ，  “Ａｃｔｕａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ  ｉｎ  ｆｌｕｉｄｓ  ｂｙ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ”，  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  ＶＯＬＵＭＥ  ７８，  ＮＵＭＢＥＲ  １１，  １２  ＭＡＲＣＨ  ２００１
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
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、超音波束をカンチレバーの大きさと同程度以下、すなわち大型のカンチレバーの場合は数百μｍ以下、小型の場合は数十μｍ以下に収束するとともに、超音波束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。
【００２３】
このため、特開平７−１７４７６７号公報に記載の装置では、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】
「Ｆ．  Ｌ．  Ｄｅｇｅｒｔｅｋｉｎ，  Ｂ．  Ｈａｄｉｍｉｏｇｌｕ，  Ｔ．  Ｓｕｌｃｈｅｋ  ａｎｄ  Ｃ．  Ｆ．  Ｑｕａｔｅ，  “Ａｃｔｕａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ  ｉｎ  ｆｌｕｉｄｓ  ｂｙ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ”，  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  ＶＯＬＵＭＥ  ７８，  ＮＵＭＢＥＲ  １１，１２  ＭＡＲＣＨ  ２００１」の手法においては、超音波の波長が短いため、超音波束の径を非常に小さく絞ることができる。そのぶん、超音波束に対するカンチレバーの位置決めが容易に行なえる。
【００２５】
しかし、前述のいずれの文献の装置においても、たとえ超音波束とカンチレバーとが高い精度で位置決めされていても、超音波束は振動等の外的な要因によって容易にカンチレバーから外れ得る。このため、超音波束がカンチレバーから外れた場合には、収束した超音波が生体試料の観察領域に照射されてしまう。生体試料に照射された超音波は、生体試料に損傷を与えるおそれがある。
【００２６】
カンチレバーの液体中での機械的共振周波数と同程度の周波数を有する超音波束は、その径を十分に小さく絞ることが難しい。このためにカンチレバーから外れ易い。また、カンチレバーの液体中での機械的共振周波数に比べて非常に高い周波数を有する超音波束は、その径を十分に小さく絞れるためにカンチレバーから外れ難いが、その反面、カンチレバーから外れた際に生体試料に損傷を与える可能性が高い。
【００２７】
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、生体試料に損傷を与えることなく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。
【００２８】
【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（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生体試料を保持する試料台と、カンチレバーに対して生体試料を少なくとも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液体中で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生体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生体試料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、収束性の超音波束を発生させるトランスデューサーと、トランスデューサーを駆動するトランスデューサー駆動回路とで構成され、トランスデューサーは生体試料上の観察箇所から外れているカンチレバーの部分に収束した超音波束を照射する。
【００２９】
より好ましくは、スキャナーは、Ｚ走査に加えて、カンチレバーに対して生体試料を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生体試料の表面の情報を演算により求める。
【００３０】
トランスデューサーは、例えば、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収束して収束性の超音波束を作り出す音響レンズとを有している。音響レンズは超音波束をカンチレバーの大きさと同程度以下の径に絞るとよい。音響レンズは例えばフレネルレンズで構成されている。
【００３１】
トランスデューサー駆動回路は、カンチレバーの大きさに対応した周波数、すなわちカンチレバーの大きさ（長さ）をＬμｍとすると、およそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数と、カンチレバーの液体中での機械的共振周波数近くの周波数で変調された振幅とを有する駆動信号をトランスデューサーに供給する。
【００３２】
トランスデューサー駆動回路は、一例においては、カンチレバーの大きさに対応した周波数、すなわちカンチレバーの大きさ（長さ）をＬμｍとすると、およそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数を有する励振信号を生成する励振信号生成部と、カンチレバーの液体中での機械的共振周波数近くの周波数を有するスイッチコントロール信号を生成するスイッチコントロール信号生成部と、スイッチコントロール信号に従って励振信号の通過を制御するスイッチ回路とで構成されている。
【００３３】
トランスデューサー駆動回路は、別の例においては、カンチレバーの大きさに対応した周波数、すなわちカンチレバーの大きさ（長さ）をＬμｍとすると、およそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数を有する搬送波信号を生成する搬送波信号生成部と、カンチレバーの液体中での機械的共振周波数近くの周波数を有する励振信号を生成する励振信号生成部と、励振信号に従って搬送波信号の振幅を変調する振幅変調回路とで構成されている。
【００３４】
振幅変調回路は、例えば、励振信号から所定の交流成分を取り出すハイパスフィルターと、ハイパスフィルターの出力信号を半波整流する半波整流回路と、半波整流回路の出力信号と搬送波信号とを乗算する乗算回路とで構成されている。
【００３５】
励振信号生成部は、一例においては、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構成されている。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を有している。
【００３６】
トランスデューサー駆動回路は、一例においては、励振信号生成部からの励振信号を変位検出センサーからの変位信号に基づいて調整して振幅変調回路に出力する励振コントロール回路を更に有している。この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を有している。
【００３７】
励振信号生成部は、別の例においては、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励振コントロール回路で構成されている。
この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。
【００３８】
【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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。本明細書において、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。
【００４２】
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。
【００４３】
カンチレバー１２４は探針１２２が受ける力に応じてたわみ、その結果、カンチレバー１２４の自由端は（従って探針１２２も）Ｚ軸に沿って変位する。このようなカンチレバー１２４の自由端のＺ軸に沿った変位を、以下では、単にカンチレバー１２４の変位と呼ぶ。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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生体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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
走査型プローブ顕微鏡１００は更に、カンチレバーをその液体中で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、超音波を発生させるトランスデューサー１７０と、トランスデューサー１７０を駆動するトランスデューサー駆動回路１８０とで構成されている。
【００５３】
トランスデューサー１７０は、図２に詳しく示されるように、超音波束を発生させる振動子１７２と、振動子１７２で発生された超音波束を収束させる音響レンズ１７６とを有しており、収束性の超音波束を射出する。
【００５４】
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と音響レンズ１７４は機械的に結合されている。音響レンズ１７４は透過ガラス１１２と一体化されている。
【００５５】
図２に示されるように、トランスデューサー１７０は、カンチレバー１２４の固定端近くの部分に超音波束を照射する。つまり、トランスデューサー１７０は、生体試料上の観察箇所から外れているカンチレバー１２４の部分に超音波束を照射する。
【００５６】
より詳しくは、トランスデューサー１７０は、ＸＹ走査により生体試料１０４とカンチレバー１２４とがＸＹ方向に相対的に移動される間じゅう常に生体試料上の観察領域（すなわちＸＹ走査範囲）の外側に位置しているカンチレバー１２４の部分に超音波束を照射する。言い換えれば、トランスデューサー１７０は、カンチレバー１２４と生体試料１０４がＸＹ走査の間に取り得るどのような位置関係にあろうとも決して生体試料上の観察領域（すなわちＸＹ走査範囲）と重なることのないカンチレバー１２４の部分に超音波束を照射する。
【００５７】
図３は、生体試料１０４とカンチレバー１２４のＸＹ平面への投影を示している。超音波が照射される部分は、図３において、斜線で示されるように、カンチレバー１２４のうち、生体試料１０４上のＸＹ走査範囲１０６の外側に位置している固定端近くの部分である。以下では、この部分を単にカンチレバー１２４の固定端近くの部分と呼ぶ。
【００５８】
トランスデューサー駆動回路１８０は、図１に示されるように、搬送波信号を生成する搬送波信号生成部１８２と、搬送波信号の通過を制御するスイッチ回路１８４と、スイッチ回路１８４を制御するスイッチコントロール信号を生成するスイッチコントロール信号生成部１８６とを有している。搬送波信号は、カンチレバーの大きさに対応した周波数、すなわちカンチレバーの長さをＬμｍとすると、およそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数を有している。スイッチコントロール信号は、カンチレバー１２４の液体中での機械的共振周波数近くの周波数を有している。
【００５９】
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。カンチレバー１２４の液体中での共振周波数は、このような大きさに対応して、一般に１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚである。これに対応して、搬送波信号は例えばカンチレバー１２４の長さをＬμｍとするとおよそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数、例えば大型のカンチレバーの場合は１０ＭＨｚ以上、小型のカンチレバーの場合は１００ＭＨｚ以上の周波数を有し、スイッチコントロール信号は例えば１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの周波数を有している。
【００６０】
スイッチ回路１８４は、スイッチコントロール信号に従って搬送波信号の通過を許可または禁止する。その結果、スイッチ回路１８４は、スイッチコントロール信号の周波数で搬送波信号の振幅を変調する。
【００６１】
スイッチコントロール信号は、例えば「０」または「１」の二値を取り得る矩形パルス信号であり、スイッチ回路１８２は、スイッチコントロール信号の値すなわち「０」か「１」かに応じて搬送波信号を透過あるいは遮断する。
【００６２】
その結果、スイッチ回路１８４は、図４に示されるように、カンチレバー１２４の長さをＬμｍとするとおよそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数、例えば大型のカンチレバーの場合は１０ＭＨｚ以上、小型のカンチレバーの場合は１００ＭＨｚ以上の周波数と、カンチレバー１２４の液体中での機械的共振周波数とほぼ同じ周波数で変調された振幅とを有する信号を出力する。
【００６３】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００では、搬送波信号生成部１８２で生成された搬送波信号はスイッチ回路１８４に入力される。搬送波信号は、一定の振幅と、カンチレバー１２４の長さをＬμｍとするとおよそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数、例えば大型のカンチレバーの場合は１０ＭＨｚ以上、小型のカンチレバーの場合は１００ＭＨｚ以上の周波数とを有している。スイッチ回路１８４は、スイッチコントロール信号生成部１８６から供給されるスイッチコントロール信号に従って搬送波信号の通過を制御する。スイッチコントロール信号は、例えば、カンチレバー１２４の液体中での機械的共振周波数とほぼ同じ周波数を有する二値信号であり、スイッチ回路１８４は、スイッチコントロール信号の二値に応じて搬送波信号を通過させるか遮断する。
【００６４】
従って、スイッチ回路１８２の出力信号は、図３に示されるように、カンチレバー１２４の長さをＬμｍとするとおよそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数、例えば大型のカンチレバーの場合は１０ＭＨｚ以上、小型のカンチレバーの場合は１００ＭＨｚ以上の周波数と、カンチレバー１２４の液体中での機械的共振周波数のほぼ同じ周波数で変調された振幅とを有している。
【００６５】
スイッチ回路１８２の出力信号は振動子１７２に入力される。振動子１７２はスイッチ回路１８２からの出力信号の入力を受けて、超音波を発生させる。超音波は、カンチレバー１２４の長さをＬμｍとするとおよそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数、例えば大型のカンチレバーの場合は１０ＭＨｚ以上、小型のカンチレバーの場合は１００ＭＨｚ以上の周波数を有している。超音波は更に、その振幅がカンチレバー１２４の液体中での機械的共振周波数とほぼ同じ周波数で変調されている。
【００６６】
振動子１７２で発生された超音波束は、音響レンズ１７４により収束性の超音波束に変えられた後、液体１０２を伝搬して、カンチレバー１２４の固定端近くの部分に照射される。その結果、カンチレバー１２４は、その液体中で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）。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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生体試料の表面の画像を形成して表示したりする。
【００７１】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００では、トランスデューサー１７０から射出される超音波は、カンチレバー１２４の長さをＬμｍとするとおよそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数、例えば大型のカンチレバーの場合は１０ＭＨｚ以上、小型のカンチレバーの場合は１００ＭＨｚ以上の周波数を有している。
従って、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１５０μｍ以下、あるいは１５μｍ以下となり、超音波束の径をカンチレバーと同程度の大きさに容易に絞ることができる。
【００７２】
また、超音波は、カンチレバー１２４の固定端近くの部分、すなわち、生体試料上のＸＹ走査範囲の外側に位置しているカンチレバー１２４の部分に照射される。このため、超音波束がカンチレバー１２４を外れて生体試料１０４に照射された場合であっても、超音波束は決して生体試料１０４上のＸＹ走査範囲に照射されることはない。従って、生体試料１０４の観察領域（つまりＸＹ走査範囲）内の部分が損傷を受けることがない。
【００７３】
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５に示す。図５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。
【００７４】
図５に示されるように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡２００では、カンチレバー励振手段は、超音波を発生させるトランスデューサー１７０と、トランスデューサー１７０を駆動するトランスデューサー駆動回路２８０とで構成されている。
【００７５】
トランスデューサー駆動回路２８０は、カンチレバー１２４の長さをＬμｍとするとおよそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数、例えば大型のカンチレバーの場合は１０ＭＨｚ以上、小型のカンチレバーの場合は１００ＭＨｚ以上の周波数を有する搬送波信号を生成する搬送波信号生成部２８２と、カンチレバー１２４の液体中での機械的共振周波数近くの周波数を有する励振信号を生成する励振信号生成部２８４と、励振信号に従って搬送波信号の振幅を変調する振幅変調回路２８６とで構成されている。
【００７６】
搬送波信号生成部２８２と励振信号生成部２８４は例えばコントローラー２５０に含まれている。つまり、コントローラー２５０は、Ｘ走査信号生成部１５２とＹ走査信号生成部１５４とＺ制御回路１５６とに加えて、搬送波信号生成部２８２と励振信号生成部２８４を含んでいる。
【００７７】
振幅変調回路２８６の回路構成を図６に示す。図６に示されるように、振幅変調回路２８６は、励振信号から交流成分を取り出すフィルター例えばハイパスフィルター２９２と、ハイパスフィルター２９２の出力信号を半波整流する半波整流回路２９４と、半波整流回路２９４の出力信号と搬送波信号とを乗算する乗算回路２９６とで構成されている。ハイパスフィルター２９２はバンドパスフィルターであってもよい。
【００７８】
図５において、搬送波信号生成部４８２から出力される搬送波信号をＡｓｓｉｎωｓｔ、励振信号生成部４８４から出力される励振信号をＡ０ｓｉｎωｃｔとする。ここで、搬送波信号の角振動数ωｓは励振信号の角振動数ωｃの十倍以上の値を有し、励振信号の角振動数ωｃはカンチレバー１２４の液体中での機械的共振周波数における角振動数に等しい値を有している。図６に示されるように、搬送波信号Ａｓｓｉｎωｓｔは乗算回路２９６に入力され、励振信号Ａ０ｓｉｎωｃｔはハイパスフィルター２９２に入力される。
【００７９】
ハイパスフィルター２９２に入力される励振信号Ｓ１の波形を図７に示す。ハイパスフィルター２９２は、励振信号Ｓ１から所定の交流成分を抽出して半波整流回路２９４に出力する。ハイパスフィルター２９２の出力信号Ｓ２の波形を図８に示す。半波整流回路２９４は、ハイパスフィルター２９２の出力信号Ｓ２を半波整流して乗算回路２９６に出力する。半波整流回路２９４の出力信号Ｓ３の波形を図９に示す。乗算回路２９６は、半波整流回路２９４の出力信号Ｓ３に搬送波信号を乗算して出力する。乗算回路２９６の出力信号Ｓ４の波形を図１０に示す。
【００８０】
図１０に示されるように、乗算回路２９６の出力信号Ｓ４すなわち振幅変調回路２８６の出力信号Ｓ４は、カンチレバー１２４の長さをＬμｍとするとおよそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数、例えば大型のカンチレバーの場合は１０ＭＨｚ以上、小型のカンチレバーの場合は１００ＭＨｚ以上の周波数と、カンチレバー１２４の液体中での機械的共振周波数近くの周波数で変調された振幅とを有している。
【００８１】
図５に示されるように、振幅変調回路２８６の出力信号はトランスデューサー１７０に入力される。トランスデューサー１７０は振幅変調回路２８６の出力信号の入力を受けて超音波を発生させる。超音波は、カンチレバー１２４の長さをＬμｍとするとおよそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数、例えば大型のカンチレバーの場合は１０ＭＨｚ以上、小型のカンチレバーの場合は１００ＭＨｚ以上の周波数と、カンチレバー１２４の液体中での機械的共振周波数近くの周波数で変調された振幅とを有する。トランスデューサー１７０で発生された超音波は液体１０２を介してカンチレバー１２４の固定端近くの部分に照射される。その結果、カンチレバー１２４はその液体中で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）。
【００８２】
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。つまり、カンチレバー１２４を振動させるための超音波束は、カンチレバー１２４の固定端近くの部分に照射されるため、カンチレバー１２４から外れた際にも生体試料１０４の観察領域（つまりＸＹ走査範囲）内の部分に損傷を与えることがない。
【００８３】
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１１に示す。図１１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。
【００８４】
図１１に示されるように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡３００では、カンチレバー励振手段は、超音波を発生させるトランスデューサー１７０と、トランスデューサー１７０を駆動するトランスデューサー駆動回路３８０とで構成されている。
【００８５】
トランスデューサー駆動回路３８０は、カンチレバー１２４の長さをＬμｍとするとおよそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数、例えば大型のカンチレバーの場合は１０ＭＨｚ以上、小型のカンチレバーの場合は１００ＭＨｚ以上の周波数を有する搬送波信号を生成する搬送波信号生成部３８２と、カンチレバー１２４の液体中での機械的共振周波数近くの周波数を有する励振信号を生成する励振信号生成部である自励発振回路３８４と、励振信号に従って搬送波信号の振幅を変調する振幅変調回路３８６とで構成されている。
【００８６】
搬送波信号生成部３８２と振幅変調回路３８６は、それぞれ、第二実施形態の搬送波信号生成部２８２と振幅変調回路２８６と同様の回路である。
【００８７】
搬送波信号生成部３８２は例えばコントローラー３５０に含まれている。つまり、コントローラー３５０は、Ｘ走査信号生成部１５２とＹ走査信号生成部１５４とＺ制御回路１５６とに加えて、搬送波信号生成部２８２を含んでいる。言い換えれば、コントローラー３５０は、第二実施形態のコントローラー２５０から励振信号生成部１８２を省いた回路構成となっている。
【００８８】
自励発振回路３８４は、変位検出センサーからの変位信号に基づいて、常にカンチレバー１２４の液体中での機械的共振周波数と同じ周波数の励振信号を生成する回路である。
【００８９】
自励発振回路３８４の回路構成を図１２に示す。図１２に示されるように、自励発振回路３８４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３９２と、位相シフト回路３９２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３９４とで構成されている。
【００９０】
変位検出センサー１４０と位相シフト回路３９２とオートゲインコントロール回路３９４と振幅変調回路３８６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の液体中で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３９４によって１以上に調整される。このため、カンチレバー１２４はその液体中での機械的共振周波数で発振される。つまり、カンチレバー１２４は常にその液体中での機械的共振周波数で振動する。その振動振幅は、オートゲインコントロール回路３９４により所定のレベルに保たれる。
【００９１】
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。つまり、カンチレバー１２４を振動させるための超音波束は、カンチレバー１２４の固定端近くの部分に照射されるため、カンチレバー１２４から外れた際にも生体試料１０４の観察領域（つまりＸＹ走査範囲）内の部分に損傷を与えることがない。これに加えて、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡３００では、自励発振回路３８４によって常にカンチレバー１２４の液体中での機械的共振周波数と同じ周波数の励振信号が生成される。
これにより、カンチレバー１２４は常に最良の励振効率で振動される。
【００９２】
第四実施形態
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。
【００９３】
本実施形態は、走査型プローブ顕微鏡が測定時に生体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生体試料にダメージを与える現象について説明する。
【００９４】
カンチレバーと生体試料が接触すると、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。
【００９５】
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、カンチレバーと生体試料の接触による生体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。
【００９６】
カンチレバーと生体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。カンチレバーと生体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。カンチレバーと生体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となって生体試料に注入される。
【００９７】
以上より、漏れエネルギーＥｓが生体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、生体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。
【００９８】
従って、カンチレバーと生体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、カンチレバーと生体試料が接触していない状態ではＥ０を大きくし、カンチレバーと生体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、測定時に生体試料に与えるダメージを低減することができる。
【００９９】
以下、このような考察の基づいて生体試料に与えるダメージの低減を図った本発明の第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図１３に示す。図１３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。
【０１００】
図１３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では、カンチレバー励振手段は、超音波を発生させるトランスデューサー１７０と、トランスデューサー１７０を駆動するトランスデューサー駆動回路４８０とで構成されている。
【０１０１】
トランスデューサー駆動回路４８０は、カンチレバー１２４の長さをＬμｍとするとおよそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数、例えば大型のカンチレバーの場合は１０ＭＨｚ以上、小型のカンチレバーの場合は１００ＭＨｚ以上の周波数を有する搬送波信号を生成する搬送波信号生成部４８２と、カンチレバー１２４の液体中での機械的共振周波数近くの周波数を有する励振信号を生成する励振信号生成部４８４と、励振信号生成部４８４からの励振信号を変位検出センサー１４０からの変位信号に基づいて調整する励振コントロール回路４８８と、励振コントロール回路４８８からの調整された励振信号に従って搬送波信号の振幅を変調する振幅変調回路４８６とで構成されている。
【０１０２】
言い換えれば、トランスデューサー駆動回路４８０は、カンチレバー１２４の長さをＬμｍとするとおよそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数、例えば大型のカンチレバーの場合は１０ＭＨｚ以上、小型のカンチレバーの場合は１００ＭＨｚ以上の周波数を有する搬送波信号を生成する搬送波信号生成部４８２と、カンチレバー１２４の液体中での機械的共振周波数近くの周波数を有する励振信号を生成する励振信号生成部４８４と、励振信号に従って搬送波信号の振幅を変調する振幅変調回路４８６とに加えて更に、励振信号生成部４８４からの励振信号を変位検出センサー１４０からの変位信号に基づいて調整して振幅変調回路４８６に出力する励振コントロール回路４８８を有している。
【０１０３】
搬送波信号生成部４８２と励振信号生成部４８４と振幅変調回路４８６は、それぞれ、第二実施形態の搬送波信号生成部２８２と励振信号生成部２８４と振幅変調回路２８６と同様の回路である。
【０１０４】
搬送波信号生成部４８２と励振信号生成部４８４は例えばコントローラー４５０に含まれている。つまり、コントローラー４５０は、Ｘ走査信号生成部１５２とＹ走査信号生成部１５４とＺ制御回路１５６とに加えて、搬送波信号生成部４８２と励振信号生成部４８４を含んでいる。すなわち、コントローラー４５０は、第二実施形態のコントローラー２５０と同じ回路構成を有している。
【０１０５】
励振コントロール回路４８８は、測定時の生体試料に与えるダメージを低減するために、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調整する回路である。
【０１０６】
励振コントロール回路４８８の回路構成を図１４に示す。図１４に示されるように、励振コントロール回路４８８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４９２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４９６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４９８とを有している。
【０１０７】
変位検出センサー１４０と位相シフト回路４９２とゲイン調整回路４９６と加算回路４９８と振幅変調回路４８６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の液体中で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４９６によって１未満に調整される。
【０１０８】
励振コントロール回路４８８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、振幅変調回路４８６に供給される励振信号を調整し得る。以下、この原理について述べる。
【０１０９】
図１４において、搬送波信号生成部４８２から出力される搬送波信号をＡｓｓｉｎωｓｔ、励振信号生成部４８４から出力される励振信号をＡ０ｓｉｎωｃｔとする。ここで、搬送波信号の角振動数ωｓは励振信号の角振動数ωｃの十倍以上の値を有し、励振信号の角振動数ωｃはカンチレバー１２４の液体中での機械的共振周波数における角振動数に等しい値を有している。
【０１１０】
カンチレバー１２４がその液体中での機械的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４９２の出力はＡｋｓｉｎωｃｔ、ゲイン調整回路４９６の出力はＫＡｋｓｉｎωｃｔ、加算回路４９８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４９６のゲインである。
【０１１１】
トランスデューサー１７０は、図１０で示される振幅変調回路の出力信号を受けて、超音波を発生させ、カンチレバー１２４は、トランスデューサー１７０からの超音波を受けて、その液体中での機械的共振周波数で振動する。
【０１１２】
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。
【０１１３】
【数１】
2004156958.tif 000003
【０１１４】
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。
【０１１５】
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、音響レンズ１７４における超音波の伝搬効率、音響レンズ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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
【数２】
2004156958.tif 000004
【０１１８】
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）より次式で表される。
【０１１９】
【数３】
2004156958.tif 000005
【０１２０】
従って、振幅変調回路４８６に供給される励振信号Ｓは、式（１）と式（３）より次式で表すことができる。
【０１２１】
【数４】
2004156958.tif 000006
【０１２２】
ＫＨｃは、変位検出センサー１４０と位相シフト回路４９２とゲイン調整回路４９６と加算回路４９８と振幅変調回路４８６と振動子１７２と音響レンズ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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
【数５】
2004156958.tif 000007
【０１２５】
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１５に示す。図１５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。
【０１２６】
図１５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、振幅変調回路４８６に供給される励振信号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。
【０１２７】
なお、Ｋ＝０とすると、励振信号生成部４８４から出力される励振信号をそのまま振幅変調回路４８６に供給することと同様になり、第二実施形態の回路と等価な回路となる。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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、振幅変調回路４８６に供給される励振信号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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
【数６】
2004156958.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。
【０１３２】
【数７】
2004156958.tif 000009
【０１３３】
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１６に示す。図１６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。
【０１３４】
図１６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、振幅変調回路４８６に供給される励振信号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。
【０１３５】
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４９６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。
【０１３６】
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。つまり、カンチレバー１２４を振動させるための超音波束は、カンチレバー１２４の固定端近くの部分に照射されるため、カンチレバー１２４から外れた際にも生体試料１０４の観察領域（つまりＸＹ走査範囲）内の部分に損傷を与えることがない。これに加えて、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡４００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、励振信号を調整して振幅変調回路４８６に出力する励振コントロール回路４８８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。
【０１３７】
第五実施形態
第五実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図１７に示す。図１７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。
【０１３８】
図１７に示されるように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡５００では、カンチレバー励振手段は、超音波を発生させるトランスデューサー１７０と、トランスデューサー１７０を駆動するトランスデューサー駆動回路５８０とで構成されている。
【０１３９】
トランスデューサー駆動回路５８０は、カンチレバー１２４の長さをＬμｍとするとおよそ（１０００／Ｌ）ＭＨｚ以上の周波数、例えば大型のカンチレバーの場合は１０ＭＨｚ以上、小型のカンチレバーの場合は１００ＭＨｚ以上の周波数を有する搬送波信号を生成する搬送波信号生成部５８２と、カンチレバー１２４の液体中での機械的共振周波数近くの周波数を有する励振信号を生成する励振信号生成部である励振コントロール回路５８４と、励振信号に従って搬送波信号の振幅を変調する振幅変調回路５８６とで構成されている。
【０１４０】
搬送波信号生成部５８２と振幅変調回路５８６は、それぞれ、第二実施形態の搬送波信号生成部２８２と振幅変調回路２８６と同様の回路である。
【０１４１】
搬送波信号生成部５８２は例えばコントローラー５５０に含まれている。つまり、コントローラー５５０は、Ｘ走査信号生成部１５２とＹ走査信号生成部１５４とＺ制御回路１５６とに加えて、搬送波信号生成部５８２を含んでいる。すなわち、コントローラー５５０は、第三実施形態のコントローラー３５０と同じ回路構成を有している。
【０１４２】
励振コントロール回路５８４は、測定時の生体試料に与えるダメージを低減するために、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生成する回路である。
【０１４３】
励振コントロール回路５８４の回路構成を図１８に示す。図１８に示されるように、励振コントロール回路５８４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５９２と、位相シフト回路９５２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５９４と、位相シフト回路５９２の出力信号に所定のゲインをかけるゲイン調整回路５９６と、ゲイン調整回路５９６の出力信号にオートゲインコントロール回路５９４の出力信号を加算する加算回路５９８とを有している。
【０１４４】
変位検出センサー１４０と位相シフト回路５９２とオートゲインコントロール回路５９４と加算回路５９８と振幅変調回路５８６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の液体中で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５９４によって１以上に調整される。この正帰還は、図１２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は常にその液体中での機械的共振周波数で発振される。つまり、カンチレバー１２４は常にその液体中での機械的共振周波数で振動する。その振動振幅は、オートゲインコントロール回路５９４により所定のレベルに保たれる。
【０１４５】
変位検出センサー１４０と位相シフト回路５９２とゲイン調整回路５９６と加算回路５９８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の液体中で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５９６によって１未満に調整される。このため、この正帰還は、図１４に示した励振コントロール回路４８８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５９６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。
【０１４６】
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。つまり、カンチレバー１２４を振動させるための超音波束は、カンチレバー１２４の固定端近くの部分に照射されるため、カンチレバー１２４から外れた際にも生体試料１０４の観察領域（つまりＸＹ走査範囲）内の部分に損傷を与えることがない。これに加えて、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡５００では、コントロール回路５８４によって常にカンチレバー１２４の液体中での機械的共振周波数と同じ周波数の励振信号が生成される。これにより、カンチレバー１２４は常に最良の励振効率で振動される。
【０１４７】
また、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、励振信号を調整して振幅変調回路５８６に出力する機能を有するコントロール回路５８４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。
【０１４８】
【発明の効果】
本発明によれば、生体試料に損傷を与えることなく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に示されたトランスデューサーとカンチレバーとその周辺部分とを拡大して示している。
【図３】図１に示された生体試料とカンチレバーのＸＹ平面への投影を示している。
【図４】図１に示された走査型プローブ顕微鏡においてトランスデューサーに供給される駆動信号の波形を示している。
【図５】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６】図５に示された振幅変調回路の回路構成を示している。
【図７】図６に示されたハイパスフィルターに入力される励振信号の波形を示している。
【図８】図６に示されたハイパスフィルターの出力信号の波形を示している。
【図９】図６に示された半波整流回路の出力信号の波形を示している。
【図１０】図６に示された乗算回路の出力信号の波形、すなわち、図５に示された走査型プローブ顕微鏡においてトランスデューサーに供給される駆動信号の波形を示している。
【図１１】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１２】図１１に示されたトランスデューサー駆動回路を、それに含まれる自励発振回路の回路構成と共に示している。
【図１３】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１４】図１３に示されたトランスデューサー駆動回路を、それに含まれる励振コントロール回路の回路構成と共に示している。
【図１５】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１６】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１７】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１８】図１７に示されたトランスデューサー駆動回路を、それに含まれる励振コントロール回路の回路構成を共に示している。
【図１９】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。
【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
１２８  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
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  音響レンズ
１８０  トランスデューサー駆動回路
１８２  励振信号生成部
１８４  スイッチ回路
１８６  スイッチコントロール信号生成部
【図１】
2004156958.tif 000010
【図２】
2004156958.tif 000011
【図３】
2004156958.tif 000012
【図４】
2004156958.tif 000013
【図５】
2004156958.tif 000014
【図６】
2004156958.tif 000015
【図７】
2004156958.tif 000016
【図８】
2004156958.tif 000017
【図９】
2004156958.tif 000018
【図１０】
2004156958.tif 000019
【図１１】
2004156958.tif 000020
【図１２】
2004156958.tif 000021
【図１３】
2004156958.tif 000022
【図１４】
2004156958.tif 000023
【図１５】
2004156958.tif 000024
【図１６】
2004156958.tif 000025
【図１７】
2004156958.tif 000026
【図１８】
2004156958.tif 000027
【図１９】
2004156958.tif 000028