(57)【要約】【課題】  カンチレバーの固有振動数を所定幅で可変にして高精度の計測を行うことができる固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法および装置を提供する。【解決手段】  固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、外部からの光エネルギーの付加によるカンチレバー２０１の固有振動数を所定幅で可変になるように制御し、このカンチレバー２０１の固有振動数の制御によって試料としての物質の特性を計測する。【選択図】  図１０
2005331509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーに外部エネルギーを加え、該カンチレバーの固有振動数を所定幅で可変とすることにより、測定対象物の特性を前記カンチレバーの固有振動数に対応させて測定することを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法。
【請求項２】
請求項１記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記カンチレバーがナノカンチレバーであり、前記測定対象物が微小物質であり、その計測を行うことを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記外部エネルギーが光量であり、光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー計を用いて振動計測を行う光学系とは別に、一定光（ＤＣ成分）を重畳させる光励振用のレーザダイオードを有し、該レーザダイオードからの照射光を前記振動計測を行うレーザーに重畳することにより固有振動数を可変にすることを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法。
【請求項４】
請求項１又は２記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記外部エネルギーが光量であり、光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー計を用いて振動計測を行う光学系とは別に、一定光（ＤＣ成分）および変調光（ＡＣ成分）を重畳させる光励振用のレーザダイオードを有し、該レーザダイオードからの照射光を前記振動計測を行うレーザーに重畳することにより固有振動数を可変にすることを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法。
【請求項５】
請求項１又は２記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記カンチレバーの長手方向の中心軸を避けた位置に光スポットを位置決めし、前記カンチレバーの撓み、および捩れに相当する周波数成分で光を変調することを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法。
【請求項６】
請求項１又は２記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記カンチレバーの幅方向の中心線より片側に、カンチレバー材料とは異なる、照射光による熱量の吸収率の高い被膜を設けることにより、照射光により前記カンチレバーの捩れを生成させることを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、カンチレバー先端に配置した探針先端に、該カンチレバーの撓みと捩れを用いてリサージュ図形に沿った運動を行わせ、それにより前記探針先端に接触する物質の移送および位置決めを行うことを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法。
【請求項８】
請求項７記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記カンチレバーの撓みと捩れの発生を、撓みと捩れの固有振動数の２周波数成分を有する変調光を用いた光励振により行うことを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法。
【請求項９】
請求項８記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、捩れと撓みの周波数を整数比となるようにロックし、前記カンチレバーの撓みと捩れの位相関係を変化させて、前記探針先端のリサージュ図形に沿った運動の回転方向を変化させ、前記探針先端に接触する物質を１自由度両方向への移送および位置決めを行うことを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法。
【請求項１０】
請求項８記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、捩れと撓みの周波数を整数比となるようにロックし、前記カンチレバーの撓みと捩れの位相関係を、高次のモードも含めて変化させて、前記探針先端のリサージュ図形に沿った運動の回転方向を変化させ、前記探針先端に接触する物質を２自由度両方向への移送および位置決めを行うことを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法。
【請求項１１】
請求項８記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、捩れと撓みの周波数を整数比となるようにロックし、前記カンチレバーの撓みと捩れの位相関係を、前記変調光の２周波数成分を電気的に変化させて得ることを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法。
【請求項１２】
請求項８記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、捩れと撓みの周波数を整数比となるようにロックし、前記カンチレバーの撓みと捩れの位相関係を、前記変調光の２周波数成分を電気的に変化させ、前記探針先端に接触する物質を複数の方向への移送および位置決めを行うことを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法。
【請求項１３】
請求項１又は２記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記外部エネルギーが熱量であることを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法。
【請求項１４】
請求項１記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、外部発振器によってその共振点近傍で振動しているカンチレバーが物質捕捉によって周波数変化をなくすようにすることを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法。
【請求項１５】
請求項１記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、周波数変化をゼロに制御するための熱量印加のための制御量を用いてカンチレバーの物質捕捉を計測することを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法。
【請求項１６】
請求項１記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、外部発振器によってその共振点近傍で振動しているカンチレバーが、そのおかれた場の力の勾配によって周波数変化をなくすようにすることを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法。
【請求項１７】
請求項１記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、周波数変化をゼロに制御するための熱量印加のための制御量を用いて固体測定対象物とカンチレバーに固定した探針との平均距離を制御し、固体試料表面の力の場を原子レベルでマッピングすることを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法。
【請求項１８】
請求項１記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、櫛形カンチレバーアレーを配置し、各カンチレバーの共振周波数を設定し、それにより各カンチレバーの振動計測を異なる周波数で行うことを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法。
【請求項１９】
（ａ）外部からのエネルギーの付加によりカンチレバーの固有振動数を所定幅に制御する制御手段と、
（ｂ）該カンチレバーの固有振動数の制御によって、測定対象物の特性を計測する手段とを備えることを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置。
【請求項２０】
請求項１９記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記カンチレバーの固有振動数の制御手段が該カンチレバーへの光照射装置であることを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置。
【請求項２１】
請求項１９記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記カンチレバーがナノカンチレバーであり、前記測定対象物が微小物質であり、その計測を行うことを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置。
【請求項２２】
請求項２０記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記光照射装置は、光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー計を用いて振動計測を行う光学系とは別に、一定光（ＤＣ成分）を重畳させる光励振用のレーザダイオードを備えることを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置。
【請求項２３】
請求項２０記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記光照射装置は、光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー計を用いて振動計測を行う光学系とは別に、一定光（ＤＣ成分）および変調光（ＡＣ成分）を重畳させる光励振用のレーザダイオードを備えることを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置。
【請求項２４】
請求項２１記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記カンチレバーの固有振動数の制御手段が該カンチレバーへの加熱装置であることを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置。
【請求項２５】
請求項２４記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記加熱装置は、前記カンチレバーのベースに配置された加熱用抵抗線であることを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置。
【請求項２６】
請求項２５記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記加熱用抵抗線は、前記カンチレバーのベース中の前記カンチレバーの基部の近傍に配置することを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置。
【請求項２７】
請求項１９記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、外部発振器によってその共振点近傍で振動しているカンチレバーが物質捕捉によって周波数変化をなくすように構成することを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置。
【請求項２８】
請求項１９記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、周波数変化をゼロに制御するための熱量印加のための制御量を用いてカンチレバーの物質捕捉を計測するように構成することを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置。
【請求項２９】
請求項１９記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、外部発振器によってその共振点近傍で振動しているカンチレバーが、そのおかれた場の力の勾配によって周波数変化をなくすように構成することを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置。
【請求項３０】
請求項１９記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、周波数変化をゼロに制御するための熱量印加のための制御量を用いて固体測定対象物とカンチレバーに固定した探針との平均距離を制御し、固体試料表面の力の場を原子レベルでマッピングするように構成することを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置。
【請求項３１】
請求項１９記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、櫛形カンチレバーアレーを配置し、各カンチレバーの共振周波数を設定し、それにより各カンチレバーの振動計測を異なる周波数で行うように構成することを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、カンチレバーアレーを用いた物質の検出には、以下の二つの方法がある。
【０００３】
（１）物質と反応ないし吸着する物質をカンチレバーにあらかじめ塗布し、物質導入に伴うカンチレバーの反りを光学的、ないし電気的に検出する（下記非特許文献１参照）。
【０００４】
（２）カンチレバーを振動させ、物質捕捉に伴う質量変化や、カンチレバーのダンピングの変化を振動周波数や振動振幅の変化として検出する（下記非特許文献２参照）。
【０００５】
また、本願発明者らは、以下のようなナノメートルオーダーの機械振動子およびそれを用いた測定装置を提案している。
【０００６】
（１）ナノメートルオーダーの飛躍的な力や質量変化の検出分解能を有する安定で感度の高いナノメートルオーダー機械振動子およびそれを用いた測定装置（下記特許文献１参照）。
【０００７】
（２）試料表面の検出を行うカンチレバー、それを用いた走査型プローブ顕微鏡、ホモダインレーザ干渉計、試料の励振機能を有するレーザドップラー干渉計など（下記特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−００９１４４１号公報
【特許文献２】特開２００３−０１１４１８２号公報
【非特許文献１】Ｍ．Ｋ．Ｂａｌｌｅｒ，Ｈ．Ｐ．Ｌａｎｇ，Ｊ．Ｆｒｉｔｚ，Ｃｈ．Ｇｅｒｂｅｒ，Ｊ．Ｋ．Ｇｉｍｚｅｗｓｋｉ，Ｕ．Ｄｒｅｃｈｓｌｅｒ，Ｈ．Ｒｏｔｈｕｉｚｅｎ，Ｍ．Ｄｅｓｐｏｎｔ，Ｐ．Ｖｅｔｔｉｇｅｒ，Ｆ．Ｍ．Ｂａｔｔｉｓｔｏｎ，Ｊ．Ｐ．Ｒａｍｓｅｙｅｒ，Ｐ．Ｆｏｒｎａｒｏ，Ｅ．Ｍｅｙｅｒ，ａｎｄ  Ｈ．−Ｊ．Ｇｕｅｎｔｈｅｒｏｄｔ：Ａ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ  ａｒｒａｙ−ｂａｓｅｄ  ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  ｎｏｓｅ，Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，（２０００）１．
【非特許文献２】Ｂ．Ｉｌｉｃ，Ｄ．Ｃｚａｐｌｅｗｓｋｉ，Ｍ．Ｚａｌａｌｕｔｄｉｎｏｖ，ａｎｄ  Ｈ．Ｇ．Ｃｒａｉｇｈｅａｄ，Ｐ．Ｎｅｕｚｉｌ，Ｃ．Ｃａｍｐａｇｎｏｌｏ  ａｎｄ  Ｃ．Ｂａｔｔ：Ｓｉｎｇｌｅ  ｃｅｌｌ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ１９，（２００１），２８２５．
【非特許文献３】Ｎ．Ｕｍｅｄａ，Ｓ．Ｉｓｈｉｚａｋｉ，ａｎｄ  Ｈ．Ｕｗａｉ，Ｓｃａｎｎｉｎｇ  ａｔｔｒａｃｔｉｖｅ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  ｕｓｉｎｇ  ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌ  ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｂ９，（２）１３１８．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のカンチレバー型振動子をその固有振動数で振動させてセンサ、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）カンチレバーならびにアクチュエータとして用いる場合、その固有振動数はその機械的寸法によって一意的に固定されるものであった。
【０００９】
すなわち、従来はカンチレバー型振動子の周波数を変化させることは困難であり、マイクロアクチュエータ等でカンチレバーの長さを変化させる手法はあるが、構造が複雑になり、簡便な方法とはいえない。
【００１０】
本発明は、上記状況に鑑みて、カンチレバーの固有振動数を所定幅で可変にして高精度の計測を行うことができる固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、カンチレバーに外部エネルギーを加え、このカンチレバーの固有振動数を所定幅で可変とすることにより、測定対象物の特性を前記カンチレバーの固有振動数に対応させて測定することを特徴とする。
【００１２】
〔２〕上記〔１〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記カンチレバーがナノカンチレバーであり、前記測定対象物が微小物質であり、その計測を行うことを特徴とする。
【００１３】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記外部エネルギーが光量であり、光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー計を用いて振動計測を行う光学系とは別に、一定光（ＤＣ成分）を重畳させる光励振用のレーザダイオードを有し、該レーザダイオードからの照射光を前記振動計測を行うレーザーに重畳することにより固有振動数を可変にすることを特徴とする。
【００１４】
〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記外部エネルギーが光量であり、光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー計を用いて振動計測を行う光学系とは別に、一定光（ＤＣ成分）および変調光（ＡＣ成分）を重畳させる光励振用のレーザダイオードを有し、このレーザダイオードからの照射光を前記振動計測を行うレーザーに重畳することにより固有振動数を可変にすることを特徴とする。
【００１５】
〔５〕上記〔１〕又は〔２〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記カンチレバーの長手方向の中心軸を避けた位置に位置決めし、前記カンチレバーの撓み、および捩れに相当する周波数成分で光を変調することを特徴とする。
【００１６】
〔６〕上記〔１〕又は〔２〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記カンチレバーの幅方向の中心線より片側に、カンチレバー材料とは異なる、照射光による熱量の吸収率の高い被膜を設けることにより、照射光により前記カンチレバーの捩れを生成させることを特徴とする。
【００１７】
〔７〕上記〔１〕〜〔６〕の何れか一項記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、カンチレバー先端に配置した探針先端に、このカンチレバーの撓みと捩れを用いてリサージュ図形に沿った運動を行わせ、それにより前記探針先端に接触する物質の移送および位置決めを行うことを特徴とする。
【００１８】
〔８〕上記〔７〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記カンチレバーの撓みと捩れの発生を、撓みと捩れの固有振動数の２周波数成分を有する変調光を用いた光励振により行うことを特徴とする。
【００１９】
〔９〕上記〔８〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、周波数可変型のカンチレバーを用いて捩れと撓みの周波数を整数比となるようにロックし、前記カンチレバーの撓みと捩れの位相関係を変化させて、前記探針先端のリサージュ図形に沿った運動の回転方向を変化させ、前記探針先端に接触する物質を１自由度両方向への移送および位置決めを行うことを特徴とする。
【００２０】
〔１０〕上記〔８〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、周波数可変型のカンチレバーを用いて捩れと撓みの周波数を整数比となるようにロックし、前記カンチレバーの撓みと捩れの位相関係を、高次のモードも含めて変化させて、前記探針先端のリサージュ図形に沿った運動の回転方向を変化させ、前記探針先端に接触する物質を２自由度両方向への移送および位置決めを行うことを特徴とする。
【００２１】
〔１１〕上記〔８〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、周波数可変型のカンチレバーを用いて捩れと撓みの周波数を整数比となるようにロックし、前記カンチレバーの撓みと捩れの位相関係を、前記変調光の２周波数成分を電気的に変化させて得ることを特徴とする。
【００２２】
〔１２〕上記〔８〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、周波数可変型のカンチレバーを用いて捩れと撓みの周波数を整数比となるようにロックし、前記カンチレバーの撓みと捩れの位相関係を、前記変調光の２周波数成分を電気的に変化させ、前記探針先端に接触する物質を複数の方向への移送および位置決めを行うことを特徴とする。
【００２３】
〔１３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記外部エネルギーが熱量であることを特徴とする。
【００２４】
〔１４〕上記〔１〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、外部発振器によってその共振点近傍で振動しているカンチレバーが物質捕捉によって周波数変化をなくすようにすることを特徴とする。
【００２５】
〔１５〕上記〔１〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、周波数変化をゼロに制御するための熱量印加のための制御量を用いてカンチレバーの物質捕捉を計測することを特徴とする。
【００２６】
〔１６〕上記〔１〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、外部発振器によってその共振点近傍で振動しているカンチレバーが、そのおかれた場の力の勾配によって周波数変化をなくすようにすることを特徴とする。
【００２７】
〔１７〕上記〔１〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、周波数変化をゼロに制御するための熱量印加のための制御量を用いて固体測定対象物とカンチレバーに固定した探針との平均距離を制御し、固体試料表面の力の場を原子レベルでマッピングすることを特徴とする。
【００２８】
〔１８〕上記〔１〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、櫛形カンチレバーアレーを配置し、各カンチレバーの共振周波数を設定し、それにより各カンチレバーの振動計測を異なる周波数で行うことを特徴とする。
【００２９】
〔１９〕固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、外部からのエネルギーの付加によりカンチレバーの固有振動数を所定幅に制御する制御手段と、このカンチレバーの固有振動数の制御によって、測定対象物の特性を計測する手段とを備えることを特徴とする。
【００３０】
〔２０〕上記〔１９〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記カンチレバーの固有振動数の制御手段がこのカンチレバーへの光照射装置であることを特徴とする。
【００３１】
〔２１〕上記〔１９〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記カンチレバーがナノカンチレバーであり、前記測定対象物が微小物質であり、その計測を行うことを特徴とする。
【００３２】
〔２２〕上記〔２０〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記光照射装置は、光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー計を用いて振動計測を行う光学系とは別に、一定光（ＤＣ成分）を重畳させる光励振用のレーザダイオードを備えることを特徴とする。
【００３３】
〔２３〕上記〔２０〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記光照射装置は、光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー計を用いて振動計測を行う光学系とは別に、一定光（ＤＣ成分）および変調光（ＡＣ成分）を重畳させる光励振用のレーザダイオードを備えることを特徴とする。
【００３４】
〔２４〕上記〔２１〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記カンチレバーの固有振動数の制御手段がこのカンチレバーへの加熱装置であることを特徴とする。
【００３５】
〔２５〕上記〔２４〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記加熱装置は、前記カンチレバーのベースに配置された加熱用抵抗線であることを特徴とする。
【００３６】
〔２６〕上記〔２５〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記加熱用抵抗線は、前記カンチレバーのベース中の前記カンチレバーの基部の近傍に配置することを特徴とする。
【００３７】
〔２７〕上記〔１９〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、外部発振器によってその共振点近傍で振動しているカンチレバーが物質捕捉によって周波数変化をなくすように構成することを特徴とする。
【００３８】
〔２８〕上記〔１９〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、周波数変化をゼロに制御するための熱量印加のための制御量を用いてカンチレバーの物質捕捉を計測するように構成することを特徴とする。
【００３９】
〔２９〕上記〔１９〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、外部発振器によってその共振点近傍で振動しているカンチレバーが、そのおかれた場の力の勾配によって周波数変化をなくすように構成することを特徴とする。
【００４０】
〔３０〕上記〔１９〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、周波数変化をゼロに制御するための熱量印加のための制御量を用いて固体測定対象物とカンチレバーに固定した探針との平均距離を制御し、固体試料表面の力の場を原子レベルでマッピングするように構成することを特徴とする。
【００４１】
〔３１〕上記〔１９〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、櫛形カンチレバーアレーを配置し、各カンチレバーの共振周波数を設定し、それにより各カンチレバーの振動計測を異なる周波数で行うように構成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（１）カンチレバーの固有振動数を所定幅で可変にして高精度の計測を行うことができる。
（２）振動型微小アクチュエータとして用いることにより、周波数可変型のカンチレバーを用いて捩れと撓みの周波数を整数比となるようにロックし、捩れと撓みの位相を変化させることにより、探針の軌跡を変化させ、探針先端に接触する物質の移送および位置決めを行うことができる。
（３）カンチレバーの固有振動数を所定幅で可変することができることを利用して、カンチレバーへの質量の付加や、カンチレバーのおかれた場の変化による周波数変化を打ち消す制御量を用いて質量変化や場を精密に計測することができる。
【００４３】
すなわち、固定長カンチレバーにおいて、一定の光をその根本近傍に照射すると、材料の軟化や若干の熱膨張による寸法増大によって固有振動数が低くなる現象を見いだし、変調光と一定光を同時に照射し、一定光の光量を変化させることにより、カンチレバーの固有振動数を制御対象とし、共振の生じる周波数をある範囲で制御することが可能となる。この方法は、光に限らず、通電によるジュール熱、渦流電損など、様々な加熱方法で同様に実現可能である。
【００４４】
光や電流によりカンチレバーの固有振動数が選択可能になると、様々な機能を実現することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
従来、カンチレバーの固有振動数がその機械的寸法によって一意に決まっていたのを、本発明の計測装置により、ある幅をもってほぼリアルタイムで可変にすることができる。また、探針先端に接触する物質の移送および位置決めを行うことができる。
【００４６】
カンチレバーに光量や熱量が一定、もしくは変調された光を照射することによって自由にその固有振動数を所定幅で可変とする。それにより、アクチュエータの特性を変化させたり、探針先端に接触する物質の移送および位置決めを行うことができる。
【００４７】
つまり、カンチレバーに光学的に光を照射し、固有振動数を変化させる。
【００４８】
また、カンチレバーに加熱用の配線を施し、通電加熱により固有振動数を変化させる。
【実施例】
【００４９】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００５０】
図１は本発明の実施例を示す固有振動可変型のナノカンチレバーによる測定対象物の計測装置の構成図であり、ここでは、ヘテロダインレーザドップラー計で、光励振機能を有する測定装置について説明する。
【００５１】
この図に示されるように、この測定装置は、光学的励起部１、信号処理部１０、レーザドップラー干渉部２０、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）試料ステージ５０、ネットワークアナライザー６０からなる。
【００５２】
光学的励起部１は、レーザダイオード（ＬＤ）ドライバー２、そのＬＤドライバー２によって駆動されるレーザダイオード（ＬＤ）３、ミラー４からなる。
【００５３】
また、信号処理部１０は、第１スイッチ（ｓｗ１）１１、第２スイッチ（ｓｗ２）１２、ディジタイザー１３、位相シフター１４、フィルター１５、増幅器１６からなる。
【００５４】
レーザドップラー干渉部２０は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２１、第１のＰＢＳ（ポラライジングビームスプリッタ）２２、第２のＰＢＳ２３、合波器２４、レンズ２５、偏波面保存ファイバ２６、センサヘッド（レーザ出射部）２７（レンズ２７Ａ−λ／４波長板２７Ｂ−レンズ組み立て体２７Ｃ）、ナノカンチレバー２８、〔探針（プローブ）２８Ａ、ナノカンチレバー２８のベース２８Ｂ〕、ミラー２９、ＡＯＭ（音響光変調器）３０、λ／２波長板３１、第３のＰＢＳ３２、偏光子３３、フォトダイオード３４、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）３５、アンプ３６，３８，４３、ディジタイザー３７，３９、遅延ライン４０、ＤＢＭ（Ｄｏｕｂｌｅ  Ｂａｌａｎｃｅｄ  Ｍｉｘｅｒ；ダブルバランスドミキサ）４１、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）４２からなる。
【００５５】
さらに、ＡＦＭ試料ステージ５０は、ＬＯ（ローカルオシレータ）に接続されるＤＢＭ５１、コントローラ５２、試料としての微小物質５３、その試料５３のピエゾ素子５４からなる。
【００５６】
ネットワークアナライザー６０は、信号入力端子６１、評価出力端子６２を有している。
【００５７】
そこで、例えば、７８０ｎｍの波長を有するレーザダイオード（ＬＤ）３の出力光を、６３２ｎｍの波長を有するＨｅ−Ｎｅ（ヘリウム−ネオン）レーザ２１のレーザドップラー干渉部２０での計測光に重畳させ、それを４μｍコアの偏波面保存ファイバ２６に導入し、レーザ出射部２７、ナノカンチレバー２８を経て試料としての微小物質５３に照射する。ただし、波長は、上記に限定されない。
【００５８】
この実施例では、特に、図１に示すように、ＬＤドライバー２が一定値の信号（ＤＣ信号）を発生し、ＬＤ３がその値で定まる光量で発光すると、その光が対象物であるナノカンチレバー２８に照射されて、ナノカンチレバー２８の所定の固有振動数が変化を生じる。
【００５９】
また、ＬＤドライバ２が正弦波状に変化する信号（ＡＣ信号）を発生し、ＬＤ３がその値で定まる光量の変化する光を発光すると、それに応じて対象物であるカンチレバー２８に照射されて、カンチレバー２８の周波数変化を生じる。
【００６０】
さらに、増幅器１６の増幅率を変化させると、ナノカンチレバー２８の自励振幅が変化するとともに、対象物であるナノカンチレバー２８に作用するエネルギーも変化するために、ナノカンチレバー２８の周波数が変化する。
【００６１】
このように、ＡＣ信号成分およびＤＣ信号成分によるナノカンチレバー２８の周波数の制御が行われ、探針先端に接触する物質の移送および位置決めを行うことができる。
【００６２】
また、かかる計測装置を用いて以下のような計測方法が可能である。
【００６３】
（１）レーザドップラー干渉部２０の出力信号を移相、増幅、場合によってはフィルタリングや２値化し、その信号を用いて７８０ｎｍの波長を有するレーザダイオード３の変調を行う。これにより、ナノカンチレバー２８の試料としての微小物質５３の固有振動数において自励を生じさせることが可能となる。つまり、フィルター特性を選択することにより、特定の振動モードを励振することが可能となり、ナノメートルオーダーからミクロンオーダーの試料としての物質の自励を実現することが可能となる。
【００６４】
また、走査型プローブ顕微鏡の力検出素子であるナノカンチレバー２８に光を照射することにより、ナノカンチレバー２８の自励を生じさせ、自励周波数の変化からナノカンチレバー２８先端に配置した探針２８Ａと試料としての微小物質５３の相互作用や質量変化を検出することが可能となる。
【００６５】
これに加えて、７８０ｎｍの波長を有するレーザダイオード（ＬＤ）３の出力光を変調することにより、ナノカンチレバー２８の固有振動数を所定幅で可変とし、試料の特性をナノカンチレバー２８の固有振動数に対応させて測定できる。レーザダイオード（ＬＤ）３の出力光の変調方法としては、レーザダイオード（ＬＤ）３への通電電流の調整による直接変調、光学系における機械的（ミラー、プリズムなど）変調、熱的（屈折率変化など）変調がある。
【００６６】
（２）ネットワークアナライザー６０で周波数を掃引した信号を発生させ、その信号を用いて７８０ｎｍの波長を有するレーザダイオード３の出力光の変調を行う。
【００６７】
レーザドップラー干渉部２０の出力信号をネットワークアナライザー６０の信号入力端子６１に接続する。これにより、試料としての微小物質５３の周波数特性を、ネットワークアナライザー６０と、光励振機能を有するレーザドップラー干渉部２０を用いて計測することが可能となる。
【００６８】
また、レーザドップラー干渉部２０のＨｅ−Ｎｅレーザ（光計測プローブ光）２１にナノカンチレバー２８の振動を励振するためのレーザダイオード３で発生した光を重畳させる。その際、励振のための光は、レーザドップラー干渉部２０の速度信号出力に移相、２値化、増幅等の処理を行い、その信号を用いてレーザダイオード３等の光源の変調を行ったものか、発信器によって指定された周波数、もしくは掃引された周波数で変調したものを用いる。
【００６９】
特に、この実施例では、振動計測のための光学系とは別に、光励振用のレーザダイオード３を有する。
【００７０】
ここでは、例としてヘテロダインレーザドップラー計で、光励振機能を有するものに、周波数を可変とするものを示す。光励振用レーザにＤＣオフセットを持たせることにより周波数を変化させることが可能である。
【００７１】
すなわち、この実施例では、光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー計で、振動計測のための光学系とは別に、光励振用のレーザダイオードを有する。このレーザダイオードは通常輝度変調して光励振に用いられるが、一定光（ＤＣ成分）を重畳させると、その輝度により固有振動数を変化させることが可能である。
【００７２】
その結果の一例を図２に示す。
【００７３】
図２はカンチレバーへの光線の照射による光学的パワー（ｍＷ）に対する共振周波数（Ｈｚ）特性図であり、図２（ａ）はカンチレバーの撓みの共振周波数（Ｈｚ）を、図２（ｂ）はカンチレバーの捩れの共振周波数（Ｈｚ）を示している。
【００７４】
この図２では、ピエゾ素子でカンチレバーを振動させて、ヘテロダインレーザドップラー計で振動計測を行っているところにレーザダイオード（ＬＤ）３の光を照射するようにしている。
【００７５】
図２に示すように、レーザダイオード（ＬＤ）３の光学的パワー（ｍＷ）を変化させると、共鳴周波数を変化させることができる。
【００７６】
したがって、試料としての物質を計測するナノカンチレバー２８の共鳴周波数を変化させることにより、その物質の物理的特性を高精度に測定することができる。
【００７７】
上記したようにここまでナノカンチレバーへの光線の照射によりナノカンチレバーの固有振動数を変化させる場合について述べたが、構成を簡便にするために、カンチレバーへの加熱により、カンチレバーの固有振動数を変化させるようにしてもよい。
【００７８】
シリコン透過量が大きく、効率の悪い７８０ｎｍの光を用いても１．６ｍＷで２００Ｈｚ程度の周波数可変範囲を確保している。４０５ｎｍの光では、その３倍強の効率が確認できており、２ｍＷ程度のレーザ光で１ｋＨｚ、現在容易に入手可能な４０５ｎｍ、３０ｍＷのレーザで１０ｋＨｚオーダの周波数ロック可能範囲が確保できる。
【００７９】
図３は本発明の複数のナノカンチレバーへ捩れと撓みを与える励起光の説明図である。
【００８０】
この図において、７１はナノカンチレバーの共通基部、７２はナノカンチレバー、７３は探針、７４は試料台、７５はナノカンチレバー７２への捩れと撓みを生成させる励起光（ＡＣ信号成分を有する励起光）、７６は捩れと撓みの周波数を整数比となるようにロックし、かつ位相差を変化させる励起光（ＤＣ信号成分を有する励起光）であり、励起光７５に重畳される。
【００８１】
図４は本発明のナノカンチレバーへ捩れと撓みを与えるためにナノカンチレバーの中心線から偏奇した位置に光を照射して励振させる例を示す平面図、図５はその励振結果を示す図である。
【００８２】
図４において、８１はナノカンチレバー、８２はそのナノカンチレバー８１の中心線、８３は照射光位置、８４は検出位置である。
【００８３】
そこで、照射光位置８３に周波数３０３．１ｋＨｚの成分を有する照射光を照射して、ナノカンチレバー８１を励振させたところ、検出位置８４では、ピーク８６に見られるように、周波数３０３．１ｋＨｚの撓み１次振動モードが生成された。また、照射光位置８３に周波数１．９１４ＭＨｚの成分を有する照射光を照射して、ナノカンチレバー８１を励振させたところ、検出位置８４では、ピーク８８に見られるように、周波数１．９１４ＭＨｚの捩れ１次振動モードが生成された。その他の固有な振動数の光を照射光位置８３に照射すると、ピーク８７，８９に見られるように、捩れや撓みの高次モード（撓み２次振動モード及び捩れ２次振動モード）がカンチレバー８１に生成された。
【００８４】
なお、ナノカンチレバーの捩れと撓みの状態を、図６および図７に示す。
【００８５】
図６において、９１はナノカンチレバー、９２はそのナノカンチレバー９１の先端に配置される探針であり、撓みＡの方向をｚ軸、捩れＢの方向をｘ軸とすると、探針９２の先端は、ｘｚ面内におけるリサージュ図形に沿った運動９３，９４として示され、双方向性を有する。なお、図６においては、捩れと撓みの周波数が一致する場合を示している。
【００８６】
また、図７において、９５はナノカンチレバー、９６はそのナノカンチレバー９５の先端に配置される探針であり、撓み１次Ｃの方向をｚ軸、撓み高次Ｄの方向をｙ軸とすると、探針９６の先端は、ｙｚ面内におけるリサージュ図形に沿った運動９７として示される。なお、図７においては、捩れと撓みの周波数が一致する場合を示している。
【００８７】
このように、１個（ないし多数）のナノカンチレバーの光励振を行わせる際、ナノカンチレバーに照射する励振光を、ナノカンチレバーの長手方向の中心軸を避けた位置、たとえば、ナノカンチレバーの長手方向の１辺に位置決めし、ナノカンチレバーの撓み、および捩れに相当する周波数成分で光を変調させると、図６に示すように、ナノカンチレバー９１先端に配置した探針９２の先端はｘｚ面内でリサージュ図形に沿った運動９３，９４を行う。その際、変調光による光励振の２周波数成分の位相関係を電気的に変化させ、それにより変調光の２周波数成分の位相関係を変化させると、ナノカンチレバー９１の撓みと捩れの位相関係が変化し、結果的に、リサージュ図形に沿った運動９３，９４がｙ軸から見て時計方向や反時計方向になる状態をつくることが可能である。それにより、探針９２の先端に接触する物体をｘ軸方向の正および負の方向に移送および位置決めすることが可能である。
【００８８】
また、図７に示すように、１個（ないし多数）のカンチレバー９５の光励振において、カンチレバーの捩れや撓みの高次モードを励起することが可能である。
【００８９】
特に、撓みの高次モードを発生させると、探針９６の先端はｙｚ面内のリサージュ図形に沿った運動９７となり、探針９６の先端に接触する物体のｙ方向への移送および位置決めが可能である。この場合も、撓みと捩れの位相関係を電気的ないし、光による固有振動数の変化により変化させ、探針９６の先端に接触する物体をｙ軸方向の正および負の方向に移送および位置決めすることが可能である。
【００９０】
撓みおよび捩れの１次モードおよび高次モードを同時、ないしそれぞれ独立に用いることにより、探針先端に接触する物体をｘおよびｙ軸方向の正および負の方向に移送および位置決めすることが可能である。この場合も、電気的にリサージュ図形に沿った運動の回転方向を変化させる方法と、光ないし熱（後述）により固有振動数を変化させ、結果的にリサージュ図形に沿った運動の回転方向を変化させることが可能である。
【００９１】
以上のように、光による固有振動数を変化させる方法を用いると、試料との共鳴現象を用いた計測のためにカンチレバーの固有振動数を可変とし、計測の感度を向上させることが可能である。また、カンチレバーの周波数が可変であるという点を生かし、捩れや撓みのモードの周波数比を制御によりロックし、相互の位相関係を変化させ、それにより探針先端の運動が制御可能であるという特徴を生かし、探針先端のリサージュ図形に沿った運動の方向を変化させ、探針先端の接触している物体をｘ軸ならびにｙ軸方向の正および負の方向に移送および位置決めすることが可能である。
【００９２】
図８は本発明のナノカンチレバーへ捩れを与えるためにナノカンチレバーの幅方向の中心線より片側に、カンチレバー材料とは異なる、照射光による熱量の吸収率の高い被膜を設けたナノカンチレバーの模式図である。
【００９３】
この図において、９８はナノカンチレバー、９９はそのナノカンチレバー９８の片側に設けられた、ナノカンチレバー材料とは異なる、照射光による熱量の吸収率の高い被膜である。例えば、ナノカンチレバー材料がシリコンである場合に、Ａｕ、Ａｌなどの被膜９９を設けるようにしている。
【００９４】
このようにすることにより、ナノカンチレバー９８の全体に照射光が照射されると、被膜９９での熱吸収率が被膜９９がない部分に比べて高くなり、ナノカンチレバー９８に撓みと捩れを意図した位相で生成させることが可能である。
【００９５】
図９は本発明の実施例を示す通電によって発生する熱を用いた固有振動可変型のナノカンチレバーによる測定対象物の計測装置の構成図であり、図９（ａ）はその上面図、図９（ｂ）はその側面図である。
【００９６】
これらの図において、１０１はナノカンチレバー、１０２はナノカンチレバー１０１のベース、１０４はそのナノカンチレバーのベース１０２内に配置される加熱線（抵抗線）１０３を有する配線、１０５，１０６はその配線１０４の電極である。
【００９７】
このように、カンチレバーのベース１０２の、カンチレバーの基部１０１Ａの近傍に通電加熱のための抵抗線１０３を配置するようにしたので、通電加熱によりカンチレバー１０１の固有振動数を変化させることができる。
【００９８】
次に、カンチレバーを電圧制御振動子（ＶＣＸＯ）として用いる例について説明する。
【００９９】
カンチレバーを用いて質量検出を行う場合、通常は質量付加にともなう周波数変化を計測していた。しかし、狭帯域かつ高分解能の計測を行う場合、電気的に鋭く狭いフィルター特性の回路を用いるため、周波数変化が生じると、回路の信号通過帯域を外れることによる信号レベルの激減が見られ、計測が困難になるという問題点があった。この問題点に対し、カンチレバーに熱量を印加することによりその周波数を制御する方法で、カンチレバーの固有振動数の制御を行うと、周波数が変化しないようにカンチレバーの振動周波数を制御しつつ、質量付加を高分解能で検出することが可能となる。以下、詳述する。
【０１００】
図１０は本発明の実施例を示す固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置の構成図であり、ここでは、ヘテロダインレーザドップラー計で、光励振機能を有する測定装置について説明する。
【０１０１】
この図に示されるように、この計測装置は、２０１はカンチレバー、２０２はそのカンチレバー２０１のベース、２０３はＨｅ−Ｎｅレーザ、２０４，２０６はミラー、２０５，２０８，２１０はＰＢＳ、２０７はＡＯＭ（音響光変調器）、２０９，２１１はλ／４波長板、２１２，２２９，２３０はレンズ、２１３はフォトダイオード、２１４はバンドパスフィルタ、２１５は遅延ライン、２１６，２１９はＤＢＭ、２１７，２２０はローパスフィルタ、２１８は移相回路、２２１はＶＣＯ（電圧制御発振器）、２２２は積分項ゲインをえるための積分回路、２２３はゲインＰ１（比例項ゲイン）を得るための比例回路、２２４は自励用ＡＣ信号１、自励用ＡＣ信号２の何れかを選択するための選択スイッチ、２２５はゲインＰ２（比例項ゲイン）を得るための比例回路、２２７は比例回路２２５からの出力信号と、積分回路２２２と比例回路２２３の並列回路からの出力信号である周波数一定保持用制御信号と、基準電圧発生器２２６からの基準信号とを加算する加算器、２２８はカンチレバー２０１の励振用ＡＣ光と、カンチレバー２０１を軟化させてそのカンチレバー２０１の周波数を低下させるためのＤＣ光を照射するためのレーザダイオードである。
【０１０２】
このように、カンチレバー２０１と、カンチレバー２０１の励振用ＡＣ光と、カンチレバー２０１を軟化させてそのカンチレバー２０１の周波数を低下させるためのＤＣ光を照射するためのレーザダイオード２２８と、カンチレバー２０１の振動を計測するためのヘテロダインレーザドップラー計を備えている。ヘテロダインレーザドップラー計の出力であるカンチレバー２０１の速度信号は、フォトダイオード２１３で検出され、ローパスフィルタ２１７を介して得られ、移相回路２１８により自励用ＡＣ信号１が得られ、その自励用ＡＣ信号１をレーザダイオード２２８のドライブ信号に用いることにより、ある値より大きなゲインＰ２を用いることによってカンチレバー２０１の自励が発生する。
【０１０３】
ヘテロダインレーザドップラー計の速度信号とＶＣＯ（電圧制御発振器）２２１をＤＢＭ２１９に入力し、その出力をローパスフィルタ２２０を介してＶＣＯ２２１に入力することにより、ＶＣＯ２２１出力を自励用ＡＣ信号２として、ある値よりも大きなゲインＰ２を用いることによってカンチレバー２０１の自励を発生させることができる。なお、選択スイッチ２２４により、自励用ＡＣ信号１、自励用ＡＣ信号２の何れかが選択されて用いられる。ＶＣＯ２２１の入力は、それまでの振動周波数との比較的短時間での差分の情報を含んでおり、カンチレバー２０１に付加する質量変化に対応する。この差分量を横軸に、その発生頻度を縦軸にプロットすると、カンチレバー２０１に付加する様々な質量の素質量の分布が計測可能になる。これはカンチレバーを用いた質量分析器である。
【０１０４】
この構成は、ゲインＰ２をある閾値よりも小さく保つことにより、いわゆる”Ｑコントロール法”に周波数変化ヌル法を適用したものとなる。
【０１０５】
基準信号発生器２２６からの基準信号ＶO は、予め一定光量をカンチレバー２０１に照射するためのものであり、カンチレバー２０１の周波数が高く、もしくは低く変化したときに、その効果を打ち消すことが可能なように設定したオフセット光量である。
【０１０６】
このように、一定の光量の光と強度変調された光をカンチレバーに照射し、質量付加による周波数低下が生じると、その変化を基準周波数との比較から電気的に検出し、その信号に基づいて、周波数が高まるように一定光量を弱め、カンチレバーの硬化を生じさせて一定の周波数を維持する。これは周波数変化をゼロに保つヌル制御であり、極めて鋭いフィルター特性とカンチレバーの共振特性を生かして高感度の変化を検出する方法となる。ここで、図１０中の積分回路２２２と比例回路２２３の並列回路の前の信号は瞬時の質量変化量に対応し、積分回路２２２と比例回路２２３の並列回路の出力は質量変化の総和に相当する。そのため、質量変化の差分を横軸、その累積発生頻度を縦軸にヒストグラムとして取ると、カンチレバーに付加する質量の頻度がわかる。例えば、Ａダルトンの粒子を１００回付加し、Ｂダルトンの粒子を２０００回付加した、というグラフが得られる。これにより、図１０に示すカンチレバーを用いた質量分析器（マススペクトロメータ）が実現できる。
【０１０７】
図１１は本発明の実施例を示すカンチレバーがアレー状に並んでいる場合のＤＣ光に勾配を持たせて精度の高いカンチレバーごとの独立した計測態様を示す図であり、図１１の上段にカンチレバーに対応した周波数と振幅とを示している。
【０１０８】
図１１において、３０１はカンチレバーのベース、３０２はそのベース３０１に配置されたアレー状に並んでいるカンチレバー、３０３はＤＣ光を示しており、左側から右側へとＤＣ光強度が弱くなるようにしている。
【０１０９】
このようにカンチレバー３０２がアレー状に並んでいる場合、通常は、その周波数が近接していると振動の連成が生じ、カンチレバーごとの独立した計測が困難となるという問題がある。この問題に対し、強度に位置の勾配を持ったＤＣ光３０３を照射することにより、強度の高いＤＣ光３０３の照射されているカンチレバー３０２の周波数は低く、その逆の場合は高い、というように、周波数の勾配をカンチレバーアレーに持たせることが可能になる。これにより、連成の問題が無くなると共に、周波数ですみ分けた計測が可能となる。
【０１１０】
図１２は本発明の実施例を示す周波数一定保持用信号を用いて試料台を上下に変位させ、ＡＦＭ撮像を行う計測装置の構成図であり、ここでも、ヘテロダインレーザドップラー計で、光励振機能を有する測定装置について説明する。
【０１１１】
この図に示されるように、この計測装置は、４０１はカンチレバー、４０２はそのカンチレバーのベース、４０３はＨｅ−Ｎｅレーザ、４０４，４０６はミラー、４０５，４０８，４１０はＰＢＳ、４０７はＡＯＭ（音響光変調器）、４０９，４１１はλ／４波長板、４１２，４２９，４３０はレンズ、４１３はフォトダイオード、４１４はバンドパスフィルタ、４１５は遅延ライン、４１６，４１９はＤＢＭ、４１７，４２０はローパスフィルタ、４１８は移相回路、４２１はＶＣＯ（電圧制御発振器）、４２２は積分項ゲインＩ1 を得るための積分回路、４２３はゲインＰ１（比例項ゲイン）を得るための比例回路、４２４は自励用ＡＣ信号１、自励用ＡＣ信号２の何れかを選択するための選択スイッチ、４２５はゲインＰ２（比例項ゲイン）を得るための比例回路、４２７は比例回路４２５からの出力信号と、積分回路４２２と比例回路４２３との並列回路からの出力信号である周波数一定保持用制御信号と、基準電圧発生器４２６からの基準信号とを加算する加算器、４２８はカンチレバー４０１の励振用ＡＣ光と、カンチレバー４０１を軟化させてそのカンチレバー４０１の周波数を低下させるためのＤＣ光を照射するためのレーザダイオードであり、かかるカンチレバー４０１〜レンズ４３０の部分は、前記した図１０におけるカンチレバー２０１〜レンズ２３０の部分と同じ構成と機能を有しているが、この実施例では、さらに、カンチレバー４０１は探針５０５を有しており、そのカンチレバー４０１のベース４０２は固定部５０２を備え、その固定部５０２は基台５０１に固定されている。この基台５０１上にピエゾ素子（試料台）５０３が配置され、そのピエゾ素子５０３に試料５０４がセットされるように構成されている。このピエゾ素子５０３には、比例積分制御回路２２２，２２３の出力信号である周波数一定保持用制御信号が、積分項ゲインＩ2 を得るための積分回路５０６と、ゲインＰ３（比例項ゲイン）を得るための比例回路５０７との並列回路を介した信号が印加されるように構成されている。つまり、ＡＦＭの撮像機能が付加され、周波数一定保持用制御信号を用いて、すなわち、ピエゾ素子５０３からなる試料台を上下させることができるように構成している。その結果、狭帯域、低ノイズで、周波数シフトなしに原子レベルの撮像が可能になり、超高真空雰囲気だけでなく、大気や液中の雰囲気での応用が可能になる。
【０１１２】
また、カンチレバーの捻れと撓み振動を同時に発生させると、カンチレバー先端に固定した探針の先端はある軌跡で振動する。ここで、捻れ振動と撓み振動の相対位相を変化させることができれば、探針が接触する物体を、カンチレバーの長手方向と直交する方向に、双方向で移動させることが可能となる。本発明のカンチレバーに熱を印加することによりその周波数を制御する方法は、この位相差を生じさせるために用いることが可能である。また、カンチレバーの撓みの複数のモードと、その位相関係を用いることにより、探針先端の接触する物体をカンチレバーの長手方向に、双方向に移動させることが可能となる。
【０１１３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法および装置は、高精度の物質の特性を計測する固有振動可変型のナノカンチレバーによる測定対象物の計測に好適である。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の実施例を示す光を用いた固有振動可変型のナノカンチレバーによる測定対象物の計測装置の構成図である。
【図２】本発明の実施例によるナノカンチレバーへの光線の照射による光学的パワーに対する共鳴周波数特性図である。
【図３】本発明の複数のナノカンチレバーへ捩れと撓みを与える励起光の説明図である。
【図４】本発明のナノカンチレバーへ捩れと撓みを与えるためにナノカンチレバーの中心線から偏奇した位置に光を照射して励振させる例を示す平面図である。
【図５】図４に示される励振結果を示す図である。
【図６】本発明によるナノカンチレバーの捩れと撓みの説明図（その１）である。
【図７】本発明によるナノカンチレバーの捩れと撓みの説明図（その２）である。
【図８】本発明のナノカンチレバーへ捩れを与えるためにナノカンチレバーの幅方向の片側にカンチレバー材料とは異なり照射光による熱量の吸収率の高い被膜を設けたナノカンチレバーの模式図である。
【図９】本発明の実施例を示す通電によって発生する熱を用いた固有振動可変型のナノカンチレバーによる測定対象物の計測装置の構成図である。
【図１０】本発明の実施例を示す固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置の構成図である。
【図１１】本発明の実施例を示すカンチレバーがアレー状に並んでいる場合のＤＣ光に勾配を持たせて精度の高いカンチレバーごとの独立した計測態様を示す図である。
【図１２】本発明の実施例を示す周波数一定保持用信号を用いて試料台を上下に変位させ、ＡＦＭ撮像を行う計測装置の構成図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１    光学的励起部
２    レーザダイオード（ＬＤ）ドライバー
３，２２８，４２８    レーザダイオード（ＬＤ）
４，２９，２０４，２０６，４０４，４０６    ミラー
１０    信号処理部
１１    第１スイッチ（ｓｗ１）
１２    第２スイッチ（ｓｗ２）
１３，３７，３９    ディジタイザー
１４    位相シフター
１５    フィルター
１６    増幅器
２０    レーザドップラー干渉部
２１，２０３，４０３    Ｈｅ−Ｎｅレーザ
２２    第１のＰＢＳ（ポラライジングビームスプリッタ）
２３    第２のＰＢＳ
２４    合波器
２５，２７Ａ，２１２，２２９，２３０，４１２，４２９，４３０    レンズ
２６    偏波面保存ファイバ
２７    センサヘッド（レーザ出射部）
２７Ｂ，２０９，２１１，４０９，４１１    λ／４波長板
２７Ｃ    レンズ組み立て体
２８，７２，８１，９１，９５，９８，１０１，２０１，４０１    ナノカンチレバー
２８Ａ，７３，９２，９６    探針（プローブ）
２８Ｂ，１０２，２０２，３０１，４０２    ナノカンチレバーのベース
３０，２０７，４０７    ＡＯＭ（音響光変調器）
３１    λ／２波長板
３２    第３のＰＢＳ
３３    偏光子
３４，２１３，４１３    フォトダイオード
３５，２１４，４１４    ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）
３６，３８，４３    アンプ
４０，２１５，４１５    遅延ライン
４１，５１，２１６，２１９，４１６，４１９    ＤＢＭ
４２，２１７，２２０，４１７，４２０    ＬＰＦ（ローパスフィルタ）
５０    ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）試料ステージ
５２    コントローラ
５３    試料としての微小物質
５４    ピエゾ素子
６０    ネットワークアナライザー
６１    信号入力端子
６２    評価出力端子
７１    ナノカンチレバーの共通基部
７４    試料台
７５    捩れと撓みを生成させる励起光
７６    捩れと撓みの位相差を変化させる励起光
８２    ナノカンチレバーの中心線
８３    照射光位置
８４    検出位置
８６    撓み１次振動モード
８７    撓み２次振動モード
８８    捩れ１次振動モード
８９    捩れ２次振動モード
９３，９４，９７    リサージュ図形に沿った運動
９９    被膜
１０１Ａ    ナノカンチレバーの基部
１０３    加熱線（抵抗線）
１０４    配線
１０５，１０６    電極
２０５，２０８，２１０，４０５，４０８，４１０    ＰＢＳ
２１８，４１８    移相回路
２２１，４２１    ＶＣＯ（電圧制御発振器）
２２２，４２２    積分項ゲインを得るための積分回路
２２３，４２３    ゲインＰ１（比例項ゲイン）を得るための比例回路
２２４，４２４    選択スイッチ
２２５，４２５    ゲインＰ２（比例項ゲイン）を得るための比例回路
２２６，４２６    基準電圧発生器
２２７，４２７    加算器
３０２    ベースに配置されたアレー状に並んでいるカンチレバー
３０３    ＤＣ光
５０５    カンチレバーの探針
５０１    基台
５０２    カンチレバーのベースの固定部
５０３    ピエゾ素子（試料台）
５０４    試料
５０６    積分項ゲインＩ2 を得るための積分回路
５０７    ゲインＰ３（比例項ゲイン）を得るための比例回路
【図１】
2005331509.tif 000003
【図２】
2005331509.tif 000004
【図３】
2005331509.tif 000005
【図４】
2005331509.tif 000006
【図５】
2005331509.tif 000007
【図６】
2005331509.tif 000008
【図７】
2005331509.tif 000009
【図８】
2005331509.tif 000010
【図９】
2005331509.tif 000011
【図１０】
2005331509.tif 000012
【図１１】
2005331509.tif 000013
【図１２】
2005331509.tif 000014