JP2001108603A - 表面力測定装置及びその方法 - Google Patents

表面力測定装置及びその方法

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和枝 栗原
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晴雄 田島
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Abstract

(57)【要約】 【課題】光が透過不能な試料であっても、試料間の表面
力を高い精度で測定することができる表面力測定装置及
びその方法を提供する。試料表面間に作用する表面力の
測定を自動化することができる表面力測定装置及びその
方法を提供する。 【解決手段】チャンバー内にて所定の方向へ微小移動可
能に支持された第１試料保持体の移動方向に対して撓み
可能で、所定のばね定数からなる弾性部材に、第１試料
保持体の表面に相対する表面を有すると共に該表面と反
対側に反射面を有した第２試料保持体を取り付ける。チ
ャンバー外に、回折光を第２試料保持体の反射面にて収
束するように照射し、該反射面からの回折光が結合した
干渉光の光強度に基づいて弾性部材の撓み量を測定する
干渉光検出装置を設ける。干渉光検出装置により検出さ
れた弾性部材の撓み量とそのばね定数により試料表面間
に作用する表面力を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、各種試料の表面間
に作用する相互作用力（斥力、引力、接着力等）を直接
測定する表面力測定装置及びその方法に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】物質における表面間の
相互作用の距離依存性を測定することにより、分子間
力、表面力、表面近傍の物質構造等を解明でき、生体物
質（ＤＮＡ）や生体関連物質に適用すると、細胞膜にお
ける分子認識や細胞間の相互作用のような生態系の特異
な分子相互作用を知るための重要な情報が得られる。
【０００３】従来の表面力測定装置としては、例えば特
開平９−２５７８１０号公報を示すものが提案されてい
る。該公報に記載された表面力測定装置は、被測定表面
を対向配置した試料と、一方の試料を載置する試料部を
先端にもつカンチレバーと、該カンチレバー又は他方の
試料を微小移動させるマイクロステップドライバ駆動の
ステッピングモータを有する微動機構と、試料表面間距
離を計測するための干渉光学系とを備え、微動機構の移
動量と光学計測による距離変化とカンチレバーのバネ定
数から表面間に働く力の距離依存性を求めて試料の表面
力を測定している。
【０００４】この内、試料間の距離変化を等色次数干渉
法により測定する表面力測定装置にあっては、光源から
照射された光を、一対の試料保持体における円筒面に修
飾された試料膜に透過させて分光装置に受光して干渉光
の干渉縞を測定することにより表面力を測定している
が、この装置にあっては測定可能な試料としては光が透
過可能なものに限定され、光が透過不能な試料について
は表面力を測定できなかった。
【０００５】また、上記した等色次数干渉法では、干渉
光による干渉縞の間隔等を目視により確認して試料表面
間の変位を測定するため、測定作業を自動化できない問
題を有していた。
【０００６】更に、一方の試料保持体が取り付けられる
カンチレバーの撓み量をバイモルフや歪みゲージ等の電
気信号により検出して表面力を測定する装置にあって
は、バイモルフや歪みゲージ自体にヒステリシスがある
ため、測定結果の信頼性が低く、表面力を高い精度及び
信頼性で測定できなかった。
【０００７】本発明は上記した欠点を解決するために発
明されたものであり、その課題とする処は、光が透過不
能な試料であっても、試料間の表面力を高い精度で測定
することができる表面力測定装置及びその方法を提供す
ることにある。
【０００８】また、本発明の他の課題は、試料表面間に
作用する表面力の測定を自動化することができる表面力
測定装置及びその方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１は、チ
ャンバー内にて所定の方向へ微小移動可能に支持された
第１試料保持体と、チャンバー内にて第１試料保持体の
移動方向に対して撓み可能で、所定のばね定数からなる
弾性部材と、該弾性部材に設けられ、第１試料保持体の
表面に相対する表面を有すると共に該表面と反対側に反
射面を有した第２試料保持体と、チャンバー外に配置さ
れ、回折光を第２試料保持体の反射面にて収束するよう
に照射し、該反射面からの回折光が結合した干渉光の光
強度に基づいて弾性部材の撓み量を測定する干渉光検出
装置とを備え、検出された弾性部材の撓み量とそのばね
定数により試料表面間に作用する表面力を測定すること
を特徴とする。請求項２は、チャンバー内に配置された
所定のばね定数からなる弾性部材に取り付けられた第２
試料保持体に対し、該第２試料保持体の表面に相対する
表面を有した第１試料保持体を微小移動しながら相互を
接近させて試料表面間に作用する表面力を測定する表面
力測定方法において、回折光を第２試料保持体における
表面と反対側の平面に設けられた反射面にて収束するよ
うに照射し、該反射面からの反射回折光を結合した干渉
光の光強度に基づいて弾性部材の撓み量を検出し、該撓
み量と弾性部材のばね定数により試料表面間に作用する
表面力を測定可能にしたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施形態】以下、本発明の実施形態を図に従っ
て説明する。図１は表面力測定装置例の概略を示す説明
図、図２は試料保持体を拡大して示す説明図、図３は干
渉測定装置の概略構成図である。
【００１１】表面力測定装置１のチャンバー３内には上
下方向に軸線を有したスライド軸５が上下方向へ摺動可
能に支持され、チャンバー３の上面から外部に突出した
スライド軸５の軸端には微小移動装置７が連結されてい
る。該微小移動装置７はスライド軸５の軸下部に交換可
能に取り付けられ、表面が球面、円筒面及び平面のいず
れかからなり、ガラス製又は金属製の第１試料保持体９
を測定範囲内まで移動させる粗動機構７ａと、測定範囲
内にて第１試料保持体９をμｍ、ｎｍ単位で微小移動さ
せる微動機構７ｂとからなる。
【００１２】微動機構７ｂの例としては、例えば５相励
磁構造で５００puls／rのパルスモータと、駆動パルス
を所定数に分割して分割駆動パルスを発生させる分割駆
動回路と、パルスモータに連結され、所定の送り量から
なる送りねじ機構と、差動ばね機構（いずれも図示せ
ず）からなる。
【００１３】この構成において、駆動パルスの分割数を
２５０、送りねじの送り量が１mm／rとした場合、１分
割駆動パルス当りの送りねじによる送り量を０．００８
μｍにすることができる。そして例えば本出願人が先に
出願した特願平１０−１７９１４号（特開平１１−２０
２２１４号）に示す微小移動装置の差動ばね機構を採用
することによりスライド軸５の移動量をnm単位にするこ
とができる。差動ばね機構の詳細構造については、上記
出願の発明の詳細な説明に記載された事項を援用する。
【００１４】スライド軸５の側方に応じたチャンバー３
内には取り付け部材１１の下部に基端部が固定され、先
端部がスライド軸５の下部に向かって延出する弾性部材
としてのカンチレバー１３が取り付けられている。該カ
ンチレバー１３は予め決定されたばね定数の板ばねから
なり、その先端部には中心部に光透過孔１５ａを有した
ホルダ１５が取り付けられている。そしてホルダ１５に
は表面が球面、円筒面及び平面のいずれかからなり、表
面が上方を向いたガラス製又は金属製の第２試料保持体
１７が交換可能に取り付けられる。そして各第１及び第
２試料保持体９・１７の各表面には生体物質又は生体関
連物質等の各種試料９ｃ・１７ｃを吸着法又はＬＢ膜法
等により製膜してなる。
【００１５】なお、上記第１試料保持体９及び第２試料
保持体１７の各表面に、平滑性に優れた雲母（厚さ：２
μｍ）を接着し、修飾される各種試料９ｃ・１７ｃの平
滑性を確保してもよい。又、弾性部材としては板ばね状
のカンチレバーを使用したが、この他に第１試料保持体
９の移動方向に撓み変形可能な圧縮ばね等の弾性体であ
れば実施可能である。さらに、第１及び第２試料保持体
９・１７の表面に表面力を測定しようとする試料９ｃ・
１７ｃを修飾したが、例えば測定しようとする試料が合
成樹脂やセラミックス等にあっては表面に試料を修飾す
ることなく、これらの材質で第１及び第２試料保持体９
・１７を直接形成して測定してもよい。
【００１６】上記第１試料保持体９・第２試料保持体１
７としては、予め試料９ｃ・１７ｃが製膜されたものを
用意しておき、表面力を測定しようとする試料９ｃ・１
７ｃに応じて交換する。又、第１試料保持体９・第２試
料保持体１７は上記したように表面が球面、円筒面或い
は平面のいずれかであればよいが、これらを円筒体で構
成する場合には相互の軸線を直交させることにより両表
面間を、局所的には球と平面又は球相互を近接させた配
置と等価にすることができる。
【００１７】上記第１試料保持体９・第２試料保持体１
７の内、カンチレバー１３に取り付けられる第２試料保
持体１７の下面には銀膜又は金膜の金属反射膜１７ｄが
製膜され、後述する回折光を反射させる。なお、金属反
射膜１７ｄとしては第２試料保持体１７が取り付けられ
るホルダ１５の底面に反射板を直接取り付けた構造又は
ホルダ１５自体を鏡面仕上げして後述する回折光を反射
可能にした構造であってもよい。
【００１８】第２試料保持体１７の下方に位置するチャ
ンバー３外には干渉光測定装置１９がチャンバー３底面
に設けられた透過窓２１を介して配置される。干渉光測
定装置１９は平行ビームのレーザ光を照射するレーザ光
源１９ａと、レーザ光源１９ａからのレーザ光を各次数
の回折光に分離すると共に後述するように金属反射膜１
７ｄから反射した回折光を結合して干渉光にする回折格
子１９ｂと、回折格子１９ｂからの回折光を第２試料保
持体１７の金属反射膜１７ｄ上に所定のスポット径で収
束させる光学レンズ１９ｃと、回折格子１９ｂにより結
合された回折光の干渉光を受光して光強度に応じた電気
信号を出力する受光素子１９ｄと、回折格子１９ｂから
金属反射膜１７ｄに至る回折光の光路長と等しい位置に
配置され、基準回折光を反射して回折格子１９ｂに戻す
参照用ミラー１９ｅとからなる。なお、参照用ミラー１
９ｅとしてはチャンバー３内に設けた取り付け台や、カ
ンチレバー１３における基端部等の撓まない個所に取り
付けてもよい。
【００１９】なお、受光素子１９ｄとしては、例えば４
分割フォトダイオードのように複数のチャンネルで干渉
光を受光させて夫々のチャンネルで光強度に応じた電気
信号を出力させることにより表面力測定を高精度化する
と共にカンチレバー１３の撓み方向を測定可能にしても
よい。
【００２０】次に、表面力測定装置１による表面力の測
定作用を説明する。図４〜図５はカンチレバーの撓み状
態を示す説明図である。
【００２１】先ず、チャンバー３内に液体又は不活性ガ
ス等を充満したり、チャンバー３内を真空化した状態で
微小移動装置７の粗動機構７ａを駆動して第２試料保持
体１７に対して第１試料保持体９を、表面力の影響がな
い位置から表面力の影響が現れる測定範囲内へ移動させ
る。
【００２２】一方、干渉光測定装置１９を作動してレー
ザ光源１９ａから照射されるレーザ光を回折格子１９ｂ
により±ｎ次光（ｎは任意の整数）に分離された回折光
の内、例えばプラスの所定次数の回折光を金属反射膜１
７ｄ上に、又マイナスの所定次数の回折光を参照用ミラ
ー１９ｅ上に夫々収束するように照射し、これら金属反
射膜１７ｄ及び参照用ミラー１９ｅから反射した回折光
を回折格子１９ｂにより結合して干渉光にした後に受光
素子１９ｄにて受光させる。このとき、カンチレバー１
３が非撓み状態で、金属反射膜１７ｄに至る測定用光路
長と参照用ミラー１９ｅに至る参照用光路長とが一致し
ている。
【００２３】上記状態にて微小移動装置７の微動機構７
ｂを駆動して第２試料保持体１７の表面に対して第１試
料保持体９をｎｍ単位で微小駆動して接近させると、カ
ンチレバー１３は、先ず第２試料保持体１７に対する第
１試料保持体９の接近に伴って夫々の円筒面に修飾され
た試料９ｃ・１７ｃの表面間に作用する引力により上方
へ撓んだ（図４に示す）後、両者間に作用する斥力によ
り下方へ撓み（図５に示す）、最後にカンチレバー１３
のばね力が斥力以上の力となった際に両者が接触し合
う。
【００２４】このとき、試料９ｃ及び試料１７ｃの両表
面間に作用する引力や斥力によりカンチレバー１３が上
方或いは下方へ撓んだ際には回折格子１９ｂから金属反
射膜１７ｄに至る測定用光路長が、参照用光路長よりカ
ンチレバー１３の撓み（変位）に応じた分、長くなった
り、短くなったりするため、回折格子１９ｂにより回折
光を結合した際に干渉光が生じ、該干渉光の光強度を受
光素子１９ｄにより検出する。
【００２５】受光素子１９ｄに受光される干渉光の光強
度はカンチレバー１３の撓み量に対してλ／２周期で変
化する。この結果、光強度の変化はカンチレバー１３の
撓みに対して正弦波を描くため、光強度変化をカンチレ
バー１３の撓み量にｎｍ単位で換算することができる。
そして測定されたカンチレバー１３の撓み量と該カンチ
レバー１３のばね定数とから試料９ｃ及び試料１７ｃ間
に作用する引力や斥力等の表面力を測定することができ
る。
【００２６】本実施形態は、金属反射膜１７ｄにより反
射された回折光と参照用ミラー１９ｅにより反射された
回折光とを結合した干渉光の光強度に基づいて試料９ｃ
・１７ｃの両表面間に作用する表面力を測定することが
でき、試料９ｃ・１７ｃが光を透過させないものであっ
ても、両者間に作用する表面力を高精度に測定すること
ができる。また、回折光による干渉光の光強度の変化に
基づいてカンチレバー１３の撓み量を測定することがで
きるため、表面力測定を自動化することができる。
【００２７】
【発明の効果】本発明は、光が透過不能な試料であって
も、試料間の表面力を高い精度で測定することができ
る。また、本発明は試料表面間に作用する表面力の測定
を自動化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】表面力測定装置例の概略を示す説明図である。
【図２】試料保持体を拡大して示す説明図である。
【図３】干渉測定装置の概略構成を示す説明図である。
【図４】カンチレバーが上方へ撓んだ状態を示す説明図
である。
【図５】カンチレバーが下方へ撓んだ状態を示す説明図
である。
【符号の説明】
１−表面力測定装置、３−チャンバー、９−第１試料保
持体、１３−弾性部材としてのカンチレバー、１７−第
２試料保持体、19-干渉測定装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田島 晴雄 名古屋市熱田区三本松町20番９号 日本レ ーザ電子株式会社内 Ｆターム(参考） 2F051 AA17 AB03 AC01 AC09 BA00 2F065 AA01 AA11 BB15 BB24 CC16 DD00 DD03 FF48 FF51 GG04 HH03 HH13 JJ03 JJ09 KK01 LL04 LL11 LL42 MM16 MM26 PP22 QQ21 QQ28 SS12 UU05 UU07 2F069 AA06 AA99 BB40 DD16 DD19 GG04 GG07 GG15 GG20 GG39 GG52 GG56 HH09 JJ02 JJ19 JJ25 MM04 MM11 MM23 MM32 NN13 PP02 QQ05

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】チャンバー内にて所定の方向へ微小移動可
    能に支持された第１試料保持体と、チャンバー内にて第
    １試料保持体の移動方向に対して撓み可能で、所定のば
    ね定数からなる弾性部材と、該弾性部材に設けられ、第
    １試料保持体の表面に相対する表面を有すると共に該表
    面と反対側に反射面を有した第２試料保持体と、チャン
    バー外に配置され、回折光を第２試料保持体の反射面に
    て収束するように照射し、該反射面からの回折光が結合
    した干渉光の光強度に基づいて弾性部材の撓み量を測定
    する干渉光検出装置とを備え、検出された弾性部材の撓
    み量とそのばね定数により試料表面間に作用する表面力
    を測定する表面力測定装置。
  2. 【請求項２】チャンバー内に配置された所定のばね定数
    からなる弾性部材に取り付けられた第２試料保持体に対
    し、該第２試料保持体の表面に相対する表面を有した第
    １試料保持体を微小移動しながら相互を接近させて試料
    表面間に作用する表面力を測定する表面力測定方法にお
    いて、回折光を第２試料保持体における表面と反対側の
    平面に設けられた反射面にて収束するように照射し、該
    反射面からの反射回折光を結合した干渉光の光強度に基
    づいて弾性部材の撓み量を検出し、該撓み量と弾性部材
    のばね定数により試料表面間に作用する表面力を測定可
    能にした表面力測定方法。
  3. 【請求項３】請求項１又は２において、第１及び第２試
    料保持体は表面力が測定される物質からなる表面力測定
    装置及びその方法。
  4. 【請求項４】請求項１又は２において、第１及び第２試
    料保持体の表面には測定される物質を修飾した表面力測
    定装置及びその方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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