(57)【要約】【課題】プローブ側を走査のために変位させるタイプの走査型プローブ顕微鏡に対して、プローブ側の質量の増大を抑制しながらも、プローブをスキャナーに着脱可能に固定できるようにすること。【解決手段】ＸＹＺスキャナーのうち、少なくともＺスキャナー２１がプローブ側に配置された走査型プローブ顕微鏡において、上側ベース部１１に、弾性的に変形可能なプローブ固定用部材７０を直接的にまたは間接的に固定する。該プローブ固定用部材７０は、弾性的に変形し、Ｚスキャナー２１の変位に追従しながら自体の復帰力によってプローブ４０の基部をＺスキャナー２１に押し付けるように配置する。これにより、Ｚスキャナーが負担する質量の増大を抑制しながら、プローブの着脱を可能にする。【選択図】図１
2016065800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘスキャナー、Ｙスキャナー、Ｚスキャナーのうち、少なくともＺスキャナーがプローブ側に配置された走査型プローブ顕微鏡であって、
プローブ側の支持基盤である上側ベース部には、弾性的に変形可能なプローブ固定用部材が直接的にまたは間接的に固定されており、
該プローブ固定用部材は、弾性的に変形し、Ｚスキャナーの変位に追従しながら自体の復帰力によってプローブの基部をＺスキャナーに押し付けるように配置されている、
前記走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記プローブ固定用部材が、支持ブロックを介して前記上側ベース部に固定されており、該支持ブロックは、該上側ベース部とＺスキャナーとの間の高さの差を意図する値へと調節するために、前記上側ベース部に固定されたものである、請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記上側ベース部には、前記支持ブロックが、Ｚスキャナーを間に置いた少なくとも２箇所に設けられており、該支持ブロックには、それぞれに前記プローブ固定用部材の端部が固定され、該プローブ固定用部材の中央部が、自体の復帰力によってプローブの基部をＺスキャナーに押し付けている、
請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記上側ベース部には、前記支持ブロックが、必要箇所に設けられており、
該支持ブロックには、前記プローブ固定用部材の一方の端部が固定されており、該プローブ固定用部材の他方の自由端部が、自体の復帰力によってプローブの基部をＺスキャナーに押し付けている、
請求項２または３記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記プローブ固定用部材が、板バネである、請求項１〜４のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記プローブ固定用部材と前記プローブとの間には、弾性および柔軟性を有する材料からなるクッション部材がさらに介在している、請求項１〜５のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
Ｚスキャナーには、前記プローブの位置決めのための位置決め部材が固定されており、
前記プローブ固定用部材は、該位置決め部材によって位置決めされた該プローブの基部をＺスキャナーに押し付ける状態となるように配置されている、請求項１〜６のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
当該走査型プローブ顕微鏡が、原子間力顕微鏡であって、前記プローブが、カンチレバーと突起針とを有してなるカンチレバーチップである、請求項１〜７のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プローブ側を走査のために変位させるタイプの走査型プローブ顕微鏡に関するものであり、とりわけ、プローブをスキャナーに着脱可能に固定するための新規な固定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ーと、該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の典型的なものとして、原子間力顕微鏡が挙げられる。該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突起針が付与された部材）が用いられる。
【０００３】
図９は、走査のために試料ステージ側を変位させるタイプ（以下、試料ステージ変位型と呼ぶ）の原子間力顕微鏡の主要部分の構成例を示す図である。制御部は図示を省略している。図９に示すように、試料ステージ変位型の装置では、下側ベース部（ステージ側の支持基盤）１００上に、ＸＹＺスキャナー２００を介して試料ステージ３００が配置され、その上に試料Ｍ１０が配置される。図の例では、ＸＹＺスキャナー２００は、制御信号に応じてＺ方向（図の上下方向）に変位可能なＺスキャナー２１０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スキャナー２２０とを有して構成される。カンチレバーチップ４００は、カンチレバー４１０と突起針４２０とを有し、その基部が支持部材５００に取り付けられる。支持部材５００は、上側ベース部（下側ベース部に対向する、プローブ側の支持基盤）１１０に固定されている。支持部材５００には、ＡＣモードの振動をカンチレバーに付与するためのデバイスが含まれる場合がある。
ＸＹＺスキャナー２００が制御され、試料Ｍ１０が変位すると、カンチレバーに変化が生じ、その変化が検出器６００（図の例では、発光素子６１０と受光素子６２０とを有する光学的な変位検出器）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画像化される。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。
【０００４】
図９のような試料ステージ変位型の装置では、カンチレバーチップや検出器の位置が不動であるため、装置の構造が複雑にならないという利点がある。また、カンチレバーチップ側の質量が増大しても、ステージ側の質量とは関係が無いので、スキャナーの応答性が低下することがない。よって、カンチレバーチップ側には、カンチレバーチップを簡単に着脱するための種々の機構を比較的自由に設計し付与できるという利点もある。
しかしながら、試料ステージ変位型の装置は、試料ステージ全体をスキャナーによって変位させねばならないために、質量の制約上、大型の試料を対象にできないという問題がある、また、試料ステージの小型化にも限度があるので、スキャナーの応答性の高速化も制限される。
【０００５】
一方、カンチレバーチップ側を変位させるタイプ（チップ変位型）の原子間力顕微鏡は、装置全体の構造が複雑になるが、試料ステージ側の質量が増大しても、スキャナーの応答性が低下することがない。よって、半導体ウェハや細胞培養用のシャーレといった、より大型の試料を観察対象とすることが可能である。
図１０は、チップ変位型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１０に示すように、チップ変位型の装置では、下側ベース部１００上に試料ステージ３００が配置され、その上に試料Ｍ１０が配置される。カンチレバーチップ４００はその基部が支持部材５００に取り付けられ、該支持部材５００は、ＸＹＺスキャナー２００を介して上側ベース部１１０に固定される。Ｘ−Ｙスキャナー２２０は試料ステージ側にあってもよい。ＡＣモードのための振動を発生させるためのデバイスは、別途、適宜設けられてよいし、Ｚスキャナーが該振動を発生させてもよい。
ＸＹＺスキャナー２００によってカンチレバーチップ４００が試料Ｍ１０に対して変位すると、試料ステージ変位型の場合と同様に、カンチレバーに変化が生じ、その変化が検出器（図示せず）によって検出され、集められた変化に関するデータによって、試料表面の起伏の様子が画像化される。
【０００６】
しかしながら、本発明者らが、図１０のようなチップ変位型の原子間力顕微鏡を実際に製作し、走査のさらなる高速化のための検討を行なったところ、カンチレバーチップをスキャナー（とりわけＺスキャナー）に固定するための固定構造に、次の問題が存在することがわかった。
カンチレバーチップは、観察対象物の固着や、自体の振動特性の不具合などによって頻繁に交換する必要がある。そのため、カンチレバーチップは、Ｚスキャナーに対して着脱可能でなければならず、しかも、走査の高速化を図るためには、該着脱可能とするための固定構造がＺスキャナーの作動に悪影響を与えてはならない。即ち、該固定構造は、より具体的には、次の条件を満たさなければならない。
（ｉ）カンチレバーチップの着脱が、Ｚスキャナーに無理な力を加えることなしに、容易に行えること。
（ii）Ｚスキャナーの共振周波数（固有振動数）を許容範囲外まで下げるような質量を追加しないこと。
（iii）Ｚスキャナーを高速に変位させた場合に、カンチレバーチップに望ましくない振動を生じさせないこと。
【０００７】
従来のチップ変位型の装置では、高速の走査が求められていなかったので、Ｚスキャナー自体が比較的大きく（共振周波数が低く）、カンチレバーチップを着脱し得る機構を、比較的自由に設計することが可能であった。
しかし、シャーレ内の試料液中における細胞やタンパク質分子の動的な振る舞いなどを観察するためには、チップ変位型の装置の走査を高速化する必要がある。そのためには、Ｚスキャナーの応答速度をより高くすべく、Ｚスキャナーの質量をより小さくして、その共振周波数をより高くする必要がある。スキャナーを構成するピエゾ素子などのアクチュエーターでは、〔信号に対する該アクチュエーターの応答速度がより高いこと〕と、〔該アクチュエーターの共振周波数がより高いこと〕と、〔該アクチュエーターの可動部分の質量がより小さいこと〕は、同義であり不可分の関係にある。
よって、上記（ｉ）〜（iii）の条件のなかでも、（ｉ）と（ii）は、相反する条件である。なぜならば、（ｉ）を満たすような便利な着脱機構は、多数の部品を必要とし、よってＺスキャナーに大きな質量を追加して共振周波数を低下させるので、（ii）を満たすことができないからである。
ネジによるカンチレバーチップの固定では、オネジのみならずメネジを持ったベースも必要となり、質量の削減には限度がある。また、微小なネジによる着脱は簡単な操作とは言えない。ネジ固定に代わるものとして、バネを利用した固定治具をＺスキャナーに取り付ける構造が考えられるが、簡単な治具であってもいくつかの部品を要し、Ｚスキャナーの質量を増大させる。また、接着剤によってカンチレバーチップをＺスキャナーに直接的に固定すれば、質量は実質的にはカンチレバーチップのみとなるが、その場合には、カンチレバーを容易には取り外せなくなり、着脱可能とは言えない。
以上の様なカンチレバーチップの固定に関する問題は、原子間力顕微鏡のみならず、プローブをスキャナーで変位させるタイプの走査型プローブ顕微鏡においても、同様に存在する問題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、上記の相反する問題を解決し、プローブ側を走査のために変位させるタイプの走査型プローブ顕微鏡に対して、プローブ側の質量の増大を抑制しながらも、プローブをスキャナーに着脱可能に固定できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者等は、上記の課題を解決すべく鋭意検討し、上側ベース部に固定した弾性体によって、プローブをプローブ側のスキャナーに押し付けることで、該プローブの固定を着脱可能にしながらも、該スキャナーにとって有害な質量の増加を抑制し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明の主たる構成は、以下のとおりである。
〔１〕Ｘスキャナー、Ｙスキャナー、Ｚスキャナーのうち、少なくともＺスキャナーがプローブ側に配置された走査型プローブ顕微鏡であって、
プローブ側の支持基盤である上側ベース部には、弾性的に変形可能なプローブ固定用部材が直接的にまたは間接的に固定されており、
該プローブ固定用部材は、弾性的に変形し、Ｚスキャナーの変位に追従しながら自体の復帰力によってプローブの基部をＺスキャナーに押し付けるように配置されている、
前記走査型プローブ顕微鏡。
〔２〕前記プローブ固定用部材が、支持ブロックを介して前記上側ベース部に固定されており、該支持ブロックは、該上側ベース部とＺスキャナーとの間の高さの差を意図する値へと調節するために、前記上側ベース部に固定されたものである、上記〔１〕記載の走査型プローブ顕微鏡。
〔３〕前記上側ベース部には、前記支持ブロックが、Ｚスキャナーを間に置いた少なくとも２箇所に設けられており、該支持ブロックには、それぞれに前記プローブ固定用部材の端部が固定され、該プローブ固定用部材の中央部が、自体の復帰力によってプローブの基部をＺスキャナーに押し付けている、
上記〔２〕記載の走査型プローブ顕微鏡。
〔４〕前記上側ベース部には、前記支持ブロックが、必要箇所に設けられており、
該支持ブロックには、前記プローブ固定用部材の一方の端部が固定されており、該プローブ固定用部材の他方の自由端部が、自体の復帰力によってプローブの基部をＺスキャナーに押し付けている、
上記〔２〕または〔３〕記載の走査型プローブ顕微鏡。
〔５〕前記プローブ固定用部材が、板バネである、上記〔１〕〜〔４〕のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
〔６〕前記プローブ固定用部材と前記プローブとの間には、弾性および柔軟性を有する材料からなるクッション部材がさらに介在している、上記〔１〕〜〔５〕のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
〔７〕Ｚスキャナーには、前記プローブの位置決めのための位置決め部材が固定されており、
前記プローブ固定用部材は、該位置決め部材によって位置決めされた該プローブの基部をＺスキャナーに押し付ける状態となるように配置されている、上記〔１〕〜〔６〕のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
〔８〕当該走査型プローブ顕微鏡が、原子間力顕微鏡であって、前記プローブが、カンチレバーと突起針とを有してなるカンチレバーチップである、上記〔１〕〜〔７〕のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、走査型プローブ顕微鏡は、プローブ固定用部材によってプローブがＺスキャナーに押し付けられた状態のままで作動する。該プローブ固定用部材は、Ｚスキャナーに直接載せるのではなく、プローブ側の支持基盤である上側ベース部に一端部が固定されており（この固定は、後述するとおり、上側ベース部の形状に応じ、直接的または部材を介した固定であってよい）、可動部分がＺスキャナーへと延びて、プローブをＺスキャナーの下面へと押し付けている。
この構成によって、先ず、プローブがＺスキャナーに押し付けられただけの状態であるから、Ｚスキャナーとプローブ固定用部材との間にプローブを挿入するだけで、該プローブをＺスキャナーに装着することが可能となり、また、プローブをＺスキャナーとプローブ固定用部材との間から抜き取るだけで、該プローブをＺスキャナーから離脱させることが可能となる。
次に、該プローブ固定用部材は、プローブをＺスキャナーに押し付けながらも、該Ｚスキャナーの高速の振動に追従するので、Ｚスキャナーの作動が阻害されることがない。
さらに、該プローブ固定用部材の形状によっても異なるが、プローブ固定用部材の質量の少なくとも半分が上側ベース部によって支持され、残りの弾性的な可動部分の質量とカンチレバーチップの質量だけがＺスキャナーの振動の負荷となる。
以上のように、本発明によれば、プローブをスキャナーに着脱可能に固定することを達成しながらも、従来の着脱機構のような大きな質量がＺスキャナーに加わることがない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の走査型プローブ顕微鏡の構成を説明するための図である。
【図２】図２は、図１に示されたスキャナーおよびプローブ部分を、図１の矢印Ａの方向に沿って見たときの図である。図１におけるカンチレバー４１、プローブ固定用部材７０、支持ブロック位置決め部材の下端部など、傾斜している部分については、図１中のＢ−Ｂ断面矢視図に従って、図２に示している。
【図３】図３は、本発明におけるプローブ固定用部材の他の態様例を示す図である。
【図４】図４は、本発明におけるプローブ固定用部材の他の態様例を示す図である。
【図５】図５は、本発明において、プローブとプローブ固定用部材との間に、弾性および柔軟性を有する材料からなるクッション部材を介在させた態様例を示す図である。
【図６】図６は、本発明においてＺスキャナーに設けられる、プローブの位置決めのための位置決め部材の態様例を示す図である。図６（ａ）は、位置決め部材に形成された位置決めのための溝の例を示しており、図６（ｂ）は、図６（ａ）の斜視図であって、Ｚスキャナーに位置決め部材を固定した状態を示している。
【図７】図７は、本発明の実施例（図７（ａ））と比較例（図７（ｂ））におけるＺスキャナーの振動特性を示すグラフである。
【図８】図８は、図７（ａ）のグラフと、図７（ｂ）のグラフとを重ね合わせたグラフである。
【図９】図９は、従来の原子間力顕微鏡の構成例を概略的に示す図であって、ステージ側にＸＹＺスキャナーが配置された構成例を示す図である。
【図１０】図１０は、従来の原子間力顕微鏡の他の構成例を概略的に示す図であって、プローブ側にＸＹＺスキャナーが配置された構成例を示す図である。図１０では、図９中の各部に対応する部分には、図９と同じ符号を用い、対応関係を分かり易くしている。また、図１０では、検出器の図示を省略している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、図を参照しながら、本発明の走査型プローブ顕微鏡の構成を説明する。
図１は、本発明の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の構成例を示している。原子間力顕微鏡は、プローブとしてカンチレバーチップ４０（カンチレバー４１の先端に極めて微小な突起針（探針）４２が付与された部材）を用い、該突起針と試料表面との間の相互作用によるカンチレバーの変化（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し得る顕微鏡である。
図１では、装置の主要部分だけを示しており、制御部や検出器は、図示を省略している。また、各部の大きさは説明のために誇張し、また、ある構成要素が他の構成要素を覆い隠さないように、適宜にサイズの比率を変更している。
【００１４】
図１に示すように、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、従来品と同様、ステージ側の支持基盤である下側ベース部１０と、プローブ側の支持基盤である上側ベース部１１とを有して構成される。下側ベース部１０上には、試料ステージ３０が設けられ、その上に試料Ｍ１が配置される。図１の例では、ＸＹＺスキャナー２０（Ｘ−Ｙスキャナー２２とＺスキャナー２１）が全てプローブ側に配置されているが、少なくともＺスキャナー２１がプローブ側に配置されていればよい。本願発明の特徴はプローブ固定用部材にある。上側ベース部１１には、弾性的に変形可能なプローブ固定用部材７０が、支持ブロック８０を介して固定されている。上側ベース部１１の下面の起伏や、プローブ固定用部材７０の形状によっては、該プローブ固定用部材７０は、上側ベース部１１に直接的に固定されていてもよい。
該プローブ固定用部材７０は、図２〜図４に例示するように、Ｚスキャナー２１へと延びておりかつ弾性的に変形した状態（撓んだ状態）で配置されており、その変形の復帰力によってプローブの基部（カンチレバー４１の基部）をＺスキャナー２１に押し付けた状態となっている。そして、該プローブ固定用部材７０は、プローブの基部をＺスキャナー２１に押し付けながら、自体の弾性によって、Ｚスキャナー２１の振動を妨げることなく、該振動に追従するようになっている。
【００１５】
本発明は、図１の走査型プローブ顕微鏡において、プローブをＺスキャナーに着脱可能に固定するための方法であるということもできる。上記説明したとおり、上側ベース部１１にプローブ固定用部材７０を直接的にまたは間接的に固定する。そして、該プローブ固定用部材７０を弾性的に変形させながら、該プローブ固定用部材７０が自体の復帰力によってプローブの基部をＺスキャナーに押し付けるように、該プローブ固定用部材７０を配置する。
【００１６】
上記の構成によって、プローブ固定用部材７０は、Ｚスキャナーの変位に追従しながら、該プローブを該Ｚスキャナーに着脱可能に固定するように機能する。これにより、従来技術の説明で挙げた上記（ｉ）〜（iii）の条件が満たされ、とりわけ相反する条件である上記（ｉ）と（ii）の条件が満たされ、〔プローブ側の質量の増大を抑制しながらも、プローブをスキャナーに着脱可能に固定することを可能にする〕という、本発明の目的が達成される。
【００１７】
Ｘスキャナー、Ｙスキャナー、Ｚスキャナーは、それぞれ、走査のために試料ステージまたはプローブを、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に変位させるための装置であって、従来公知の走査型プローブ顕微鏡に使用されているものを用いることができる。制御信号に対して正確に応答する素子として、ピエゾ素子や、磁歪素子、ボイスコイルモーターなどが挙げられる。
本明細書では、ＸスキャナーとＹスキャナーとを、１つのユニットとみなして、Ｘ−Ｙスキャナーと呼ぶ場合がある。Ｘスキャナー、Ｙスキャナーの配置は、装置の目的や規模に応じて適宜決定すればよいが、大型の試料を観察対象にする点からは、図１の例のように、Ｘ−Ｙスキャナー、Ｚスキャナーが、全てプローブ側に配置された構造が好ましい。
【００１８】
Ｚスキャナーの共振周波数は、特に限定はされないが、１ｋＨｚ程度以上の高速振動、特に１０〜１００ｋＨｚ程度、またはそれ以上の高速振動の場合には、従来では接着剤によってプローブをＺスキャナーに固定しなければならなかったので、本発明の着脱可能とした構成の有用性が特に顕著となる。
【００１９】
プローブ固定用部材は、その一部が上側ベース部に固定され、他の部分がそこからＺスキャナーへと延びて、プローブをＺスキャナーに押し付けることができるものであればよい。通常、上側ベース部の下面は、図１に示すように平坦であり、そこから少なくともＺスキャナーが下方へ突き出している。よって、上側ベース部の下面と、Ｚスキャナー下面（プローブの取付け面）との間には、大きな高さの差が存在する。
そこで、本発明の好ましい態様では、図１、図２に示すように、該上側ベース部とＺスキャナーとの間の高さの差ΔＴを、意図する値ΔＴ１へと調節するために、支持ブロック８０が上側ベース部に固定され、該支持ブロック８０を介してプローブ固定用部材７０が上側ベース部１１に固定される。
前記意図する値ΔＴ１は、プローブ固定用部材７０の形状やバネ定数に応じて、適宜決定すればよい。
例えば、図１、図２に示すように、プローブ固定用部材が単純な平板状の板バネの場合、支持ブロック８０の高さｔ１を、Ｚスキャナーに装着されたカンチレバーの高さｔ０よりも、低くすることによって、その差（即ち、意図する値ΔＴ１＝ｔ０−ｔ１）が、プローブ固定用部材の撓み量となる。よって、意図する値ΔＴ１を適宜設定することによって、プローブ固定用部材の撓み量を変更し、プローブをＺスキャナーに押し付ける量を調節することができる。
また、図３、図４に示すように、プローブ固定用部材が板バネであって、かつ、その作用部分がＺスキャナー側に湾曲している場合、支持ブロック８０の高さｔ１を、Ｚスキャナーに装着されたカンチレバーの高さｔ０と同じ高さとすることによって、または、より高くすることによって、適当なプローブ固定用部材の撓み量が得られる場合がある。
【００２０】
プローブ固定用部材は、上記作用効果の達成に必要な弾性を有するものであればよく、例えば、板バネ、線状のバネ、コイルバネ（圧縮バネ、引張りバネ）、弾性材料からなる塊状部材、弾性材料からなる紐状部材などが挙げられる。
プローブ固定用部材の材料は、ステンレス鋼、焼入れ銅、ベイナイト鋼などといったバネ用の金属、天然ゴム、合成ゴム、前記必要な弾性を有する有機高分子材料などが挙げられる。
プローブを下方からＺスキャナーへと押え付けるための機構は、特に限定はされず、Ｚスキャナーに無用の過大な質量が加わらないものであればよい。例えば、微小な質量を持った押付け用部材の両端に、プローブ固定用部材として引張りバネや弾性材料からなる紐状部材を接続し、該押付け用部材を上側ベース部の方向へと弾性的に引っ張り上げることによって、該押付け用部材によってプローブをＺスキャナーへと押え付ける機構や、図２、図３に示す支持ブロックから剛性を有する部材をＺスキャナーの下面まで延ばし、そこから圧縮バネや弾性材料によってプローブをＺスキャナーへと押え付ける機構などであってもよい。しかし、プローブの下面と試料との間のスペースは、実際には非常に狭く、重厚な機構を挿入することができない場合が多い。このような点からは、図１〜図３に示したような板バネを用いた押え機構が好ましいものとして挙げられる。板バネであれば、図２〜図４のように、Ｚスキャナーの側方で基部を支持され、Ｚスキャナーの直下まで延びて、カンチレバーの基部をＺスキャナーへと押し付けることが容易である。
板バネは、板の幅を狭くして全体として線状を呈するようなバネであってもよい。そのような線状を呈するようなバネであっても、必要な本数だけ用いて、必要な押し付け力を獲得すればよい。
【００２１】
プローブ固定用部材を板バネとする場合、該板バネの態様は、図２、図３に示すように、両端部を支持され、中央部でカンチレバーの基部をＺスキャナーへと押し付けるものであってもよいし、図４に示すように、一方の端部を支持され、他方の自由端部でカンチレバーの基部をＺスキャナーへと押し付けるものであってもよい。図１〜図４の例では、プローブ固定用部材７０は、ネジ７０ａによって支持ブロックに固定されている。符号７０ａで示された部分は、ナベ小ネジの頭部を表している。該プローブ固定用部材７０は、適当なワンタッチの着脱機構によって支持ブロックに固定されてもよい。
図２、図３の例では、上側ベース部１１に支持ブロック８０、８１が、Ｚスキャナーを間に置いた２箇所に設けられており、これら支持ブロック８０、８１には、プローブ固定用部材（板バネ）７０の端部が固定され、その中央部７１が復帰力によってカンチレバー４１の基部をＺスキャナーに押し付けている。図の例では、支持ブロックは一対であるが、プローブ固定用部材の増加に応じて、支持ブロックを複数対設けてもよい。
また、図４の例では、Ｚスキャナーの背後に支持ブロック８０が１つ設けられ、該支持ブロック８０には、プローブ固定用部材７０の一方の端部が固定されており、該プローブ固定用部材７０の他方の自由端部が、自体の復帰力によってカンチレバー４１の基部をＺスキャナーに押し付けている。この場合、支持ブロックの位置や数は、任意であってよく、Ｚスキャナーの周囲を取り囲むように設けてもよい。また、図２、図３の例において、支持ブロック８０、８１のどちらか一方だけを設け、その支持ブロックにプローブ固定用部材を片持ち状に固定してもよい。また、図２、図３の例において、プローブ固定用部材７０が中央で切断され、２つの片持ち状のプローブ固定用部材へと分割された態様であってもよい。
またさらに、図２、図３のような両端部を支持されたプローブ固定用部材と、図４のような片側の端部を支持されたプローブ固定用部材とを組み合わせて用いてもよい。
【００２２】
プローブ固定用部材がプローブをＺスキャナーへと押し付ける力は、屈曲された状態から原形へと復帰しようとする力、圧縮された状態から原形へと復帰しようとする力、引っ張られた状態から原形へと復帰しようとする力、または、これらの力の組合せなどであってよい。例えば、図２の例では、プローブ固定用部材は、片持ち梁の場合とは異なり、湾曲によって内部に張力も発生しており、該張力がプローブの押え付け力に寄与している。
【００２３】
プローブ固定用部材を板バネとする場合、該板バネの板厚は、特に限定はされないが、例えば、２００〜４００μｍ程度が例示され、該板バネの作用部分（プローブを押し付ける部分）のバネ定数は、１×１０5〜１×１０6〔Ｎ／ｍ〕程度が例示される。
プローブの基部をＺスキャナーに押し付けるために、実際に該プローブに作用させるべき力は、該プローブをＺスキャナーに押し付けることができ、かつ、該プローブがＸＹ方向に動くのを防ぐ程度に押し付けることができる力であればよい。尚、該プローブがＸＹ方向に動くのを防ぐことは、後述の位置決め部材によって達成し得る。
原子間力顕微鏡の場合には、カンチレバーチップの全重量は、一般に数ｍｇ程度である。一例を挙げると、カンチレバーチップ全重量は５〜１０ｍｇであり、カンチレバーの基部の幅は１．６ｍｍ（互換性を保つための標準寸法の一例である）、厚さは０．３〜０．５ｍｍである。
このようなカンチレバーチップを、Ｚスキャナーが高速で振動してもＺスキャナーに押し付けた状態で維持し、かつ、該Ｚスキャナーの振動に悪影響を与えないためには、プローブ固定用部材をセットした時に５〜５０Ｎ程度の力でカンチレバーチップをＺスキャナーに押し付けるようにすることが好ましい例として挙げられる。
プローブ固定用部材のバネ定数は、該プローブ固定用部材の材料、断面形状、長さなどを変更して、必要とする押し付け力を得るために適宜調節することができる。
Ｚスキャナーの伸縮のストローク量は、一般に０．５μｍ〜数μｍ程度である。よって、板厚２００〜４００μｍといった板バネの規模を鑑みると、該板バネのストロークは該板厚の１％にも満たないので、Ｚスキャナーの伸縮に伴ってバネの復帰力が大きく変動することはない。
上記したＺスキャナーの共振周波数に対して、プローブ固定用部材が追従するためには、該プローブ固定用部材自体の共振周波数を高くするように構成すればよい。
【００２４】
プローブ固定用部材を板バネとする場合、図４に例示するように、端部７２を湾曲させて導入部とし、プローブの基部を挿入し易いようにしてもよい。
【００２５】
支持ブロックには、高さを調節し得る機構を加えて、プローブ固定用部材の押え力を調節し得るようにしてもよい。また、支持ブロックには、プローブ固定用部材の端部をワンタッチで保持、解放できるような構造を付与してもよい。
【００２６】
プローブ固定用部材とプローブ（カンチレバーの基部）とを、より広い面で接触させるために、両者の間には、図５（ａ）、（ｂ）に例示するように、弾性および柔軟性を有する材料からなるクッション部材を介在させることが好ましい。
クッション部材の材料としては、天然ゴム、合成ゴムの他、アクリル変成シリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの、弾性および柔軟性を有する有機高分子材料が挙げられる。
クッション部材は、独立した部材であってもよいが、プローブ固定用部材またはプローブに一体に設けておくことが、プローブの着脱操作には便利である。プローブが交換部品である点からは、クッション部材はプローブ固定用部材に一体に設けておくことが好ましい。
クッション部材は、図５（ａ）に例示するように層状であってもよいし、図５（ｂ）に例示するように離散的なドット状であってもよく、その他、格子状など種々のパターンとして設けてもよい。また、クッション部材は、弾性や柔軟性の特性を考慮し、複数の材料層からなる複合的な部材であってもよい。
【００２７】
図１〜図４、図６に示すように、Ｚスキャナーには、プローブの位置決めのための位置決め部材５０を固定しておくのが好ましい態様である。プローブを位置決めするための構造は、特に限定はされず、突起とそれを受ける穴や切り欠きによる位置決めなどであってよい。プローブに、穴や切り欠きを設けてもよいし、突起を設けてもよい。図６（ａ）、（ｂ）の例では、位置決め部材５０には、カンチレバーの基部をはめ込んで位置決めするための溝５１が設けられている。該溝の深さは、カンチレバーを位置決めし易いように適宜決定すればよい。該溝の深さが、カンチレバーの板厚よりも大きい場合には、プローブ固定用部材の作用部分を突起させることで、溝内のカンチレバーを押え付けることが可能である。
【００２８】
位置決め部材の材料は、Ｚスキャナーの振動に悪影響を与えないように、より軽い材料が好ましく、かつ、位置決めのためには変形し難い材料であることが好ましい。そのような材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金などの軽金属や、Ｓｉ、ＳｉＣなどといった軽くて堅い無機化合物が挙げられる。
位置決め部材は、質量を増大させないように、接着剤によってＺスキャナーに固定するのが好ましい。また、Ｚスキャナーの下面自体に、位置決め用の溝を直接的に設けてもよい。
【００２９】
本発明による走査型プローブ顕微鏡は、原子間力顕微鏡のみならず、プローブ側に少なくともＺスキャナーが設けられたものであればよい。代表的なものとして、走査型トンネル顕微鏡（プローブと試料との間に流れるトンネル電流に基づき画像を得るもの）、走査型近接場光学顕微鏡（光と試料と間の相互作用に基づき画像を得るもの）、走査型電気化学顕微鏡（走査型トンネル顕微鏡の構成に類するものであり、プローブと試料との間で起こる電気化学反応に基づき画像を得るもの）、走査型イオン伝導顕微鏡（プローブにマイクロガラス電極を用い，プローブと試料との間の距離の変化により生じるイオン伝導の変化を利用するもの）などが挙げられる。
【実施例】
【００３０】
本実施例では、図１に示す構造を持った原子間力顕微鏡を製作し、一方で、カンチレバーの基部を接着剤によって固定した比較例品を製作し、Ｚスキャナーの振動特性を比較した。
〔実施例品〕
図１、図２に示すように、カンチレバー４１を傾斜させるために、角度のついた位置決め部材５０を作成し、Ｚスキャナー（Ｚピエゾ）の下面に接着剤で固定した。
位置決め部材５０の材料は、ＳｉＣである。位置決め部材には、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、カンチレバーの基部をはめ込んで位置決めするための溝５１を形成した。
カンチレバーチップ全体の重量は１０ｍｇであり、カンチレバーの基部の幅は１．６ｍｍ、厚さは０．５ｍｍである。
上側ベース部１１には、Ｚスキャナーを間に置いた２箇所に支持ブロック８０、８１を設けた。該支持ブロックの下端面には、板バネであるプローブ固定用部材をネジ止めできるようにメネジを加工した。この支持ブロックの下端面は、位置決め部材の傾斜角度に合わせて角度のついた傾斜面となっている。
プローブ固定用部材は、両端部にネジを通すための穴が設けられた長方形の平板状の板バネである。該板バネの材料は、ステンレス鋼であり、厚さ０．４ｍｍ、ネジを通すための穴の中心間距離は６．６ｍｍ、短辺は３．５ｍｍである。
カンチレバーチップ４０を位置決め部材５０の溝に装着し、その上をプローブ固定用部材で覆って押え付け、両端部をネジによって支持ブロックに固定した。
板バネがカンチレバーを通じてＺスキャナーの振動を低下させるような強い力を作用させないように、支持ブロックの下面と、位置決め部材に装着されたカンチレバーの下面との相対位置を調節した。
板バネの作用面（カンチレバーに接する領域の面）には、アクリル変成シリコーン樹脂からなるクッション部材を厚さ２００〜３００μｍの層として付与した。これは、板バネとカンチレバーとの接触を面で接触させるためである。また、板バネによって強く押え過ぎるのを軽減するためのものでもある。これは、板バネによって強く押え過ぎると、Ｚスキャナーの変位量が減少するだけでなく、板バネの過大な変形により低周波領域に有害な振動が発生しやすくなるからである。
【００３１】
〔評価〕
図７（ａ）は、上記実施例品において、プローブ固定用部材（板バネ）によってカンチレバーチップをＺスキャナーに押え付けた状態で、該Ｚスキャナーを振動させたときの振動特性を示すグラフである。
横軸は、Ｚスキャナーを正弦波駆動する信号の周波数（駆動周波数）、左側の縦軸は、各駆動周波数でのカンチレバーチップ先端部の変位（ゲイン）、右側の縦軸は、その変位の駆動信号に対する位相である。グラフ中の曲線（Ｉａ）はゲインを示し、曲線（Ｉｂ）は位相を示している。
Ｚスキャナー自体の無負荷の状態での共振周波数は１１０ｋＨｚであり、プローブ固定用部材によってカンチレバーチップをＺスキャナーに押え付けた状態での共振周波数は１０４ｋＨｚであったが、もとの共振周波数と同様であり、高速での制御を阻害するような低下ではなかった。
【００３２】
〔比較例品〕
上記実施例品において、プローブ固定用部材を用いず、カンチレバーを位置決め部材に接着剤によって固定したこと以外は、上記実施例品と同様に原子間力顕微鏡を製作した。
【００３３】
〔評価〕
図７（ｂ）は、上記比較例品において、Ｚスキャナーを振動させたときの振動特性を示すグラフである。グラフの縦軸、横軸は、図７（ａ）のグラフと同様である。グラフ中の曲線（IIａ）はゲインを示し、曲線（IIｂ）は位相を示している。
Ｚスキャナー自体の無負荷の状態での共振周波数は上記のとおり１１０ｋＨｚであり、接着剤によってカンチレバーチップを固定した場合の共振周波数は１００ｋＨｚであり、もとの共振周波数と同様であった。
【００３４】
〔実施例品と比較例品との比較〕
実施例品と比較例品とを比較するために、図７（ａ）のグラフと図７（ｂ）のグラフとを重ねたグラフを、図８に示す。
図８のグラフから、プローブ固定用部材によるカンチレバーチップの固定と、接着剤によるカンチレバーの固定とは、振動特性にほとんど差がないことが明らかになった。
また、実施例品では、Ｚスキャナーに無理な力を加えずに、カンチレバーチップを簡単にＺスキャナーに装着し、取り外せることがわかった。また、Ｚスキャナーを高速に走査しても、カンチレバー側に意図せぬ別の振動が生じないことがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によって、プローブ側の質量の増大を抑制しながらも、プローブをスキャナーに着脱可能に固定することが可能になった。これによって、例えば、プローブ側をより高速に作動させるような高速原子間力顕微鏡であっても、Ｚスキャナーの動作を阻害することなく、即ち、共振周波数の低下や変位量の減少を起こすことなく、カンチレバーチップを簡単に着脱できるようになった。
【符号の説明】
【００３６】
１０  下側ベース部
１１  上側ベース部
２０  ＸＹＺスキャナー
２１  Ｚスキャナー
２２  Ｘ−Ｙスキャナー
３０  ステージ
４０  カンチレバーチップ
４１  カンチレバー
４２  微小な突起針
５０  位置決め部材
７０  プローブ固定用部材
８０  支持ブロック
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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