JP4884506B2 - 音叉−走査探針結合振動計 - Google Patents

Description

本発明は、走査探針顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｐｒｏｂｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）用の音叉−走査探針結合振動計に係り、より詳細には、音叉−走査探針結合振動計のＱ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）値を極大化するか幅広く調整して、走査探針の検針端と試料表面との間隔を高分解能で測定するか、測定時間を短縮させるための音叉−走査探針結合振動計に関する。

近接場走査光学顕微鏡（Ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＮＳＯＭ）は、走査探針顕微鏡の一種であって、端が尖った長い探針を観測しようとする試料表面上で前後左右に移動しながら、探針に形成された１００ｎｍ以下の非常に小さな孔を通った近接場光により、表面の高低と光学的特性とを測定する装置である。一般的な光学顕微鏡は、遠距離場（Ｆａｒ−ｆｉｅｌｄ）の測定を基盤とするために、光の回折現象が表われて２００ｎｍ程度の分解能限界を有するが、近接場走査光学顕微鏡は、１００ｎｍ以下の開口数を有する走査探針を通じて近接場（ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ）を測定するので、光学顕微鏡の分解能限界を克服することができ、試料表面の３次元形状情報と光学的情報とを同時に測定することができる。

図１Ａ及び図１Ｂは、従来の音叉−走査探針結合振動計を示す概略的な図であって、図面を参照すれば、従来の音叉−走査探針結合振動計は、振動計の振幅と位相との変化を検出することができる検出回路（図示せず）が装着された音叉（Ｔｕｎｉｎｇ ｆｏｒｋ）１０と、接着剤３０によって音叉１０に接着される、一端部の断面サイズが数ミクロンあるいはそれ以下である検針端２２を有する走査探針２０からなる。走査探針２０と試料表面との間に作用するせん断力（Ｓｈｅａｒ ｆｏｒｃｅ）変化を感知して、走査探針２０と試料表面との間隔をナノメートルスケールまでに制御できる。ここで、前記せん断力は、走査探針２０が試料表面に２０ｎｍ以下に接近した時、検針端２２と試料表面との間に発生するファンデルワールス力（Ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ ｆｏｒｃｅ）などを意味する。

一方、前記音叉−走査探針結合振動計の間隔制御方法を説明すれば、まず、走査探針２０が接着されている音叉１０に所定の周波数を有した交流電圧を印加して、音叉１０及び走査探針２０を振動させる。その後、走査探針２０を試料表面に近接させて走査探針２０と試料表面との間のせん断力によって走査探針２０の振動が減少すれば、これにより、減少する音叉１０の振動を検出回路で振幅と位相との変化を検出して、走査探針２０と試料表面との間隔をナノメートルスケールで制御する。

ここで、前記音叉１０に印加する交流電圧の周波数を変化させ、音叉１０に装着された検出回路の出力電圧を調査すれば、音叉１０−走査探針２０結合振動計の共振周波数で最も高い出力電圧を記録し、印加する交流電圧周波数が共振周波数から遠くなるほど出力電圧は減少する。印加交流電圧周波数による前記出力電圧を音叉１０−走査探針２０結合振動計の周波数応答曲線と言い、この際、前記共振周波数を周波数応答曲線の半値幅で割った値をＱ値と言うが、前記走査探針２０の検針端２２と試料表面との距離制御精密度は、音叉１０−走査探針２０結合振動計のＱ値によって決定される。これは、前記走査探針顕微鏡の走査探針２０の検針端２２が試料表面に２０ｎｍ以下に接近すれば、せん断力の影響によって音叉１０−走査探針結合振動計の物理的特性が変化して、結合振動計の共振周波数が変化されて周波数応答曲線が左側あるいは右側に移動する。この際、音叉１０に加える交流電圧は、せん断力が感知されない状態、すなわち、せん断力によって物理的特性が変わる以前の音叉１０−走査探針結合振動計の共振周波数を印加しているので、周波数応答曲線が左側あるいは右側に移動するにつれて、音叉１０の出力電圧は減少する。これを走査探針２０の検針端２２と試料表面との距離制御の精密度観点で見れば、Ｑ値が大きな条件でせん断力作用による出力電圧の変化がさらに大きく発生するので、距離変化をさらに精密に感知する。

すなわち、音叉１０−走査探針結合振動計のＱ値が大きいほどせん断力をさらに敏感に感知することができる。走査探針顕微鏡でせん断力をさらに敏感に感知することができるということは、走査探針２０の検針端２２と試料表面との距離をさらに精密に制御できるということを意味する。

しかし、前記従来の音叉−走査探針結合振動計でのように音叉１０に走査探針２０を接着すれば、結合振動計のＱ値が音叉自体の固有のＱ値に比べて約１／２０以下に減少する。その理由は、音叉１０の二つの足の質量に不均衡が生じ、音叉１０に加えられる抵抗力が大きくなり、音叉１０−走査探針２０結合振動計の固有振動数が音叉自体の固有振動数と異なって、結合振動計の振動に必要なエネルギー損失が発生するためである。特に、近接場走査光学顕微鏡では、長い走査探針２０を使うためにＱ値の減少が激しく、これにより、走査探針２０の検針端２２と試料表面との精密な距離制御に深刻な問題が発生する。

特に、振動する走査探針で液体内にある生物試料を測定する場合には、液体の粘性のために液体内の走査探針が大きな抵抗力を受けて、音叉１０−走査探針結合振動計のＱ値が非常に低くなるか、音叉の発振が起きなくなって、従来の音叉−走査探針結合振動計としては、液体内の試料形状を高分解能で測定しにくかった。

本発明は、音叉に走査探針を接着しても、音叉の固有のＱ値に比べて音叉−走査探針結合振動計のＱ値が大きく減少しないようにするために、走査探針側面にピン固定端と刃印加部とを接触させ、その接触位置を調整して音叉−走査探針結合振動計の振動特性を力学的に制御することによって、走査探針顕微鏡で走査探針の検針端と試料表面との精密な距離制御をするか、測定時間を短縮することにその目的がある。

また、本発明は、ピン固定端と刃印加部とで構成される接触部材の接触位置調整による力学的振動制御を通じて粘性が高い媒質内に走査探針が挿入されても、高いＱ値を保持することができるために、粘性が高い媒質内にある試料の形状も測定可能で走査探針顕微鏡を適用範囲の空気中の試料だけではなく、液体内にある生物学試料の超精密測定にまで拡大することにその目的がある。

本発明は、交流電圧を印加されて振動する音叉と、前記音叉の一側に接着されて、前記音叉によって振動する走査探針及び前記走査探針の側面に接触するが、前記走査探針との接触点の位置を調整して、前記音叉と走査探針とが結合された結合体の固有振動数を変化させる接触部材と、を含む音叉−走査探針結合振動計を提供する。ここで、前記接触部材は、前記走査探針の一側の表面に接触するが、前記走査探針の長手方向に位置移動するピン固定端と、前記走査探針の他側の表面に接触するが、前記音叉と前記走査探針の接着点と前記ピン固定先端との間で、前記走査探針の長手方向に位置移動する刃印加部と、を含み、前記ピン固定端と前記刃印加部は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に精密移動が可能なトランスレーションステージ（Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ）によってそれぞれ支持される方が良い。

前記走査探針と前記音叉は、前記音叉の長手方向と前記走査探針の長手方向とが互いに平行に接触するか、前記音叉の長手方向と前記走査探針の長手方向とが互いに垂直に接触することができる。また、前記走査探針の先端に該当する検針端は粘性を有する媒質に挿入されて、前記粘性を有する媒質の内部にある試料の表面形状及び光学的特性を測定することができる。

ここで、前記音叉は、普通水晶発振子で形成され、振幅と位相とを検出する回路が設けられ、前記走査探針は、ガラスまたは光ファイバーで形成された所定サイズの断面と長さとを有するビーム（ｂｅａｍ）状であって、試料と対面する側が、断面のサイズが数ミクロンあるいはそれ以下の検針端とすることが好ましい。

本発明による音叉−走査探針結合振動計は、次のような効果を提供する。

第一に、音叉−走査探針結合振動計のＱ値を音叉自体の固有のＱ値に比べて大きく減少しないように制御することができ、従来の方式よりさらに高いＱ値を有しうるので、走査探針の検針端と試料表面との間にさらに微弱なせん断力も敏感に感知して、試料形状の高分解能測定が可能となる。

第二に、生物学試料のような柔らかな試料の精密な測定も可能であり、医学、生命科学分野の研究対象である細胞、細菌、ウイルスなどの精密な形状測定と光特性分析とが可能である。

第三に、ピン固定端と刃印加部とによる力学的な振動制御方式は、試料周辺環境に関係なく、Ｑ値の能動的な制御が非常に精密に可能であり、Ｑ値の制御範囲が非常に広いので、従来の回路的方式によるＱ値制御より良い性能を提供する。

第四に、Ｑ値の能動的な制御が可能であるために、測定時間の能動的な調整が可能であり、さらに、試料の状況と測定の目的に適した方式の選択が可能なので、音叉−走査探針結合振動計の活用範囲を広げることができる。

第五に、空気中にある試料だけではなく、液体媒質内にある試料までも高分解能で測定することができるので、医学及び生物学研究のような多様な分野で幅広く活用することができる。

走査探針顕微鏡で使われる従来の音叉−走査探針結合振動計を示す概略的な図である。 走査探針顕微鏡で使われる従来の音叉−走査探針結合振動計を示す概略的な図である。 本発明の第１実施形態による音叉−走査探針結合振動計を示す斜視図である。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計で音叉、走査探針及び接触部材を概略的に示した正面図である。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計で音叉、走査探針及び接触部材を概略的に示した側面図である。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計で走査探針が音叉の前面に接着された第２実施形態を示した正面図である。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計で走査探針が音叉の前面に接着された第２実施形態を示した側面図とである。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計で走査探針と音叉とが互いに垂直に接着された第３実施形態を示した正面図である。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計で走査探針と音叉とが互いに垂直に接着された第３実施形態を示した側面図である。 図７に示した音叉−走査探針結合振動計で走査探針が音叉の側面に接着された第４実施形態を示した正面図である。 図７に示した音叉−走査探針結合振動計で走査探針が音叉の側面に接着された第４実施形態を示した側面図である。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計が液体媒質内にある試料を対象に測定することを示した正面図である。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計が液体媒質内にある試料を対象に測定することを示した側面図である。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計による音叉と走査探針とをモデリングして共振周波数の変化を理論的に計算したグラフである。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計による音叉と走査探針とをモデリングして共振周波数の変化を理論的に計算したグラフである。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計に対する音叉と走査探針とをモデリングして計算した値と実験値との振動特性を比べたグラフである。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計に対する音叉と走査探針とをモデリングして計算した値と実験値との振動特性を比べたグラフである。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計を利用した走査探針顕微鏡によって取得した表面弾性波フィルターのイメージを示す写真である。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計を利用した走査探針顕微鏡によって取得した表面弾性波フィルターのイメージを示す写真である。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計で走査探針を空気に露出した場合と液体内にある場合とをそれぞれ示した周波数応答曲線グラフである。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計で走査探針を空気に露出した場合と液体内にある場合とをそれぞれ示した振動特性を示すグラフである。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計の音叉と走査探針の接触点Ａと走査探針の先端との距離変化に対する振動特性を示すグラフである。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計を利用した走査探針顕微鏡によって取得した空気中の表面弾性波フィルターのイメージを示す写真である。 図２に示した音叉−走査探針結合振動計を利用した走査探針顕微鏡によって取得した液体内の表面弾性波フィルターのイメージを示す写真とである。 比較例による音叉−走査探針結合振動計を示す図である。 比較例による音叉−走査探針結合振動計を示す図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明による望ましい実施形態を詳しく説明する。

図２は、本発明の第１実施形態による音叉−走査探針結合振動計を示す斜視図であり、図３及び図４は、図２に示した音叉−走査探針結合振動計で音叉、走査探針及び接触部材を概略的に示した正面図と側面図とである。

まず、図２を参照すれば、本発明の第１実施形態による音叉−走査探針結合振動計１００は、交流電圧を印加されて振動する音叉１１０と、前記音叉１１０の一側に接着される走査探針（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｐｒｏｂｅ）１２０と、前記走査探針１２０と接触して、前記音叉１１０と走査探針１２０とが結合された結合体の固有振動数を変化させる接触部材１３０と、前記接触部材１３０を支持するトランスレーションステージ３０ｃとを含む。

前記音叉１１０は、図３及び図４を参照すれば、二股に分枝した足（Ｐｒｏｎｇ）を有した形状であって、材質は、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）でする方が良く、例えば、水晶発振子（Ｑｕａｒｔｚ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）で形成する方が良いが、前記音叉１１０の役割をするＰＺＴまたは棒状の音叉の以外の異なる形態の水晶発振子にも適用可能であるなど前述した目的を果たすことができれば、多様に適用可能である。また、前記音叉１１０は、音叉１１０の振幅と位相とを検出することができる検出回路１１２が設けられており、所定の周波数を有する交流電圧を印加すれば、音叉１１０の二つの足が縮めて伸ばすことを反復する振動をし、このような振動を前記検出回路１１２で測定して外部観測装備（図示せず）に信号を送る。ここで、前記検出回路１１２は、前記音叉１１０の振幅と位相とを検出することができる装置であれば、いずれも可能であり、同様に、前記外部観測装備も前記検出回路１１２の電気的信号を観測することができる装置であれば、いずれも可能であり、前記検出回路１１２と外部観測装備は、当業界では一般的な装置であるので、詳細な説明を省略する。

前記走査探針１２０は、所定サイズの断面を有し、断面より長い梁の形状を有し、試料１と対面する一端部は、断面サイズが数ミクロンあるいはそれ以下である検針端１２２で形成し、他端部は、前記検針端１２２より相対的に大きな断面サイズを有する自由端１２４で形成する。

前記音叉１１０と走査探針１２０は、接着剤１４０を通じて互いに接着される。詳細には、前記走査探針１２０は、前記音叉１１０の一側足の一側に接着されるが、前記走査探針１２０の検針端１２２が、音叉１１０と走査探針１２０とが接着される接着点からほぼ１ｍｍ程度の長さが露出されるように接着される。

前記接触部材１３０は、前記接触点Ａに対して前記走査探針１２０の自由端１２４の表面に対して非常に小さな接触面を有しながら接触して、前記走査探針１２０と、さらに、前記音叉１１０と走査探針１２０とが結合された結合体の固有振動数を変化させる役割をし、この際、前記接触部材１３０は、走査探針１２０の自由端１２４で接触点Ａの位置を走査探針１２０の長手方向に対して自由に調整可能であり、これを通じて、前記走査探針１２０と振動結合計の固有振動数を変化させることができる。また、前記接触部材１３０は、前記走査探針１２０に対して接触圧力を調整して接触させることもできる。

ここで、前記接触部材１３０は、音叉１１０と走査探針１２０との振動をさらに精巧に調整するために、走査探針１２０の両側で接触支持する方が良い。したがって、前記接触部材１３０は、走査探針１２０の一側表面に接触してピンポイント（Ｐｉｎ ｐｏｉｎｔ）機能を行うピン固定端１３２と、これと対面する走査探針１２０の他側表面に接触する刃印加部１３４とを含み、この際、前記刃印加部１３４は、前記ピン固定端１３２と前記接触点Ａとの間に位置する方が良い。さらに、前記刃印加部１３４を走査探針を基準に接触点に対して反対側に位置させて、刃印加部１３４によって接触圧力を受けた走査探針１２０が音叉１１０側に力を受けるようにし、ピン固定端１３２は、刃印加部１３４とは走査探針を基準に反対側に位置させた方が良い。このような理由は、刃印加部１３４の位置を反対にした場合、走査探針１２０が音叉から落ちようとする（遠くなるとする）圧力が微細に作用して振動制御は可能であるが、音叉１１０のＱ値が全体的に低くなって、走査探針１２０による音叉１１０のエネルギー損失が大きくなる現象が発生するためである。

そして、前記ピン固定端１３２を刃印加部１３４と反対側に位置させた理由は、風、振動などのような周りの条件に対して位置変化なしによく固定させるためである。

一方、前記ピン固定端１３２と刃印加部１３４は、前記走査探針１２０に対する接触位置を精密に移動するために、ｘ−ｙ−ｚ軸移動が可能なトランスレーションステージによってそれぞれ支持されるが、これは一実施形態として、前記ピン固定端１３２と刃印加部１３４とを支持して走査探針１２０に対して精密な位置移動ができる装置であれば、いずれも可能である。前記トランスレーションステージは、一般的な移送装置であって、詳細な説明は省略する。

前述した本発明の第１実施形態による音叉−走査探針結合振動計１００の作動について説明すれば、次の通りである。

本発明の第１実施形態による音叉−走査探針結合振動計１００は、観測しようとする試料１の表面に音叉１１０に接着されて振動する走査探針１２０の検針端１２２を近接させ、走査探針１２０と試料１の表面との間に作用されるせん断力変化を音叉１１０の検出回路１１２を通じて感知して、走査探針１２０と試料１の表面との間隔をナノメートルスケールで観測制御し、音叉１１０に接着されている走査探針１２０の振動特性を力学的に制御して、音叉１１０と走査探針１２０とからなる結合振動計のＱ値を高めて、周辺環境を構成している媒質の粘性に影響を受けずに、自由に振動させる。

ここで、前記走査探針１２０の振動特性を力学的に制御することについて説明すれば、本発明の第１実施形態は、前記音叉１１０に接着された走査探針１２０にピン固定端１３２と刃印加部１３４とをそれぞれ接触させ、音叉１１０と走査探針１２０との振動を新たな境界条件を形成させて力学的に制御することによって、結合振動計の固有振動数を調整してＱ値を高めることができ、この際、前記ピン固定端１３２と刃印加部１３４との接触位置をそれぞれ調整して、Ｑ値を能動的に制御することができる。

このようなピン固定端１３２と刃印加部１３４との力学的な振動特性制御について説明すれば、まず、前記ピン固定端１３２と刃印加部１３４は、走査探針１２０が接着されている音叉１１０の振動特性を力学的に制御することによって、周辺環境を構成している媒質の粘性に影響を受けずに、音叉１１０を自由に振動させ、測定時に発生する固有振動数を音叉１１０自体の固有振動数と一致させるためのものであって、試料１が粘性が高い媒質の内部にある場合にも、測定が可能になるように音叉１１０のＱ値を高く保持して、走査探針１２０と試料１の表面との間隔を精密に制御することができ、これにより、粘性が高い媒質の内部にある試料１の高分解能測定を可能にする。このような粘性が高い媒質である液体の内部にある試料１を対象にすることについての内容は後述する。

本発明の第１実施形態は、前記接触部材１３０を通じて音叉１１０のＱ値を高めることもできるが、測定の目的によってＱ値を低くして、走査探針顕微鏡の走査探針の走査時間を迅速にすることもできるなど本発明の実施形態は、前記接触部材１３０を通じて音叉１１０のＱ値を能動的に制御することができる。

すなわち、前記接触部材１３０は、前記走査探針１２０の接触点Ａの上側の自由端１２４の一側にピン固定端１３２を接触させ、走査探針１２０の自由端１２４の他側で接触点Ａとピン固定端１３２の接触位置との間に刃印加部１３４を接触させ、この際、前記ピン固定端１３２と刃印加部１３４は、走査探針１２０の長手方向に対して位置移動をさせるが、特定の境界条件が形成されて走査探針１２０の共振周波数を変化させるように、その位置を調整することができ、さらに、前記ピン固定端１３２と刃印加部１３４との走査探針１２０に対する接触圧力も調整することができる。

一方、本発明の実施形態による音叉−走査探針結合振動計１００は、音叉１１０が横方向に振動する特性を利用するので、振動はビームの横振動理論を適用して解析し、前記振動結合計は、音叉１１０の二つのビームと走査探針１２０のビームとが結合された五つのビームの結合システムとして解析し、ここで、五つのビームは、音叉１１０の二つの足と、走査探針１２０の接触点Ａと検針端１２２との間のビーム、接触点Ａと刃印加部１３４との間のビーム、刃印加部１３４とピン固定端１３２との間のビームにした。

ここで、前記横に振動するビームで長さ成分ｌに対する横振動振幅の一般式は、

Ｕ(l)=acos(βl)+bsin(βl)+ccosh(βl)+dsinh(βl)
にした。ここで、

であり、ω_Rは共振周波数、ρは密度、Sは断面積、Eはヤング率、Iは慣性モーメントである。前記一般式を用いて結合振動計の五つのビームの横振動振幅に対する５個の式を導出して音叉１１０と走査探針１２０との変数を代入した後、境界条件を設定し、該設定した２０個の境界条件のうち走査探針１２０がピン固定端１３２と刃印加部１３４との位置で形成させた境界条件は、次の通りである。

ピン固定端１３２の位置での二つの境界条件は、Ｕ₁(０)＝０、Ｕ'''₁(０)＝０であり、刃印加部１３４の位置での四つの境界条件は、Ｕ₁(ｌ₁)＝0、Ｕ₂(ｌ₁)＝0、Ｕ₁''(ｌ₁)＝Ｕ₂''(ｌ₁)、Ｕ₁'''(ｌ₁)＝Ｕ₂'''(ｌ₁)である。ここで、Ｕ₁は、刃印加部１３４とピン固定端１３２との間のビームの横振動振幅に対する式であり、Ｕ₂は、接触点Ａと刃印加部１３４との間のビームの横振動振幅に対する式であり、ｌ₁は、ピン固定端１３２と刃印加部１３４との間の長さである。

前述した本発明の実施形態による新たな境界条件が適用されたピン固定端１３２の位置は、刃印加部１３４の位置によって変化する共振周波数の変化形態を決定する。すなわち、刃印加部１３４の位置によって、変化する共振周波数が一つのモードを有するか、二つのモードを有するかは、ピン固定端１３２の位置によって決定され、これは、図７Ａと図７Ｂは、図２Ａに示したピン固定端１３２と刃印加部１３４とを設置した音叉１１０と走査探針１２０の結合構造の振動特性を理論的に計算したものであって、これについての詳細な説明は後述する。

したがって、本発明の実施形態による音叉−走査探針結合振動計１００は、走査探針１２０と音叉１１０とが接着した状態で、走査探針１２０の検針端１２２の反対方向である自由端１２４の一側に、前記ピン固定端１３２と刃印加部１３４とを指定された位置に接触させるだけで制御可能なので、一般的な走査探針顕微鏡に容易に適用可能である。

また、本発明の実施形態による音叉−走査探針結合振動計１００は、Ｑ値を能動的に制御することができるために、精密な距離制御が可能に音叉−走査探針結合振動計１００のＱ値を高くすることもでき、早い測定が要求される場合には、音叉−走査探針結合振動計１００のＱ値を低くすることもできる。ここで、前記Ｑ値と精密距離制御及び測定時間との相関関係を説明すれば、音叉−走査探針結合振動計１００の高いＱ値は、精密な距離制御を可能にする一方に走査時間が長くなる短所がある。これは、音叉１１０が外部要素によって振動が減少して安定化される時に安定化される時間τは、τ＝Ｑ/ω₀によるためである。

ここで、ω₀は、音叉１１０の共振周波数である。したがって、面積が大きな試料１を測定するか、試料１の状態変化があって早い測定が要求される場合には、低いＱ値を使うことが有利である。したがって、Ｑ値を能動的に制御することができる本発明の実施形態による音叉−走査探針結合振動計１００の試料１の媒質特性を問わず幅広く使うことができる。

前述したように、本発明の実施形態による音叉−走査探針結合振動計１００は、音叉１１０に接着剤１４０により接着した走査探針１２０の表面にピン固定端１３２と刃印加部１３４とが特定の境界条件を有するように設定して、ピン固定端１３２と刃印加部１３４との位置を走査探針１２０の自由端１２４に対して長手方向にその接触位置を変化させることによって、走査探針１２０の固有振動数を変化させることができ、それにより、音叉１１０と走査探針１２０の固有周波数との間の結合効果が変わるので、結合効果を最大にする結合体の共振周波数を探すために、Ｑ値を一般的な音叉−走査探針結合振動計と比べて２０倍以上向上させることができる。

一方、図３に示した本発明の第１実施形態による音叉−走査探針結合振動計１００は、前記走査探針１２０を走査探針１２０の長手方向と前記音叉１１０の一側足の長手方向と平行に接着して走査探針１２０が試料１表面に対して水平方向に振動するせん断力モード（ｓｈｅａｒ ｆｏｒｃｅ ｍｏｄｅ）にしたが、これ以外に前記音叉１１０に対して走査探針１２０の接着位置を異ならせるか、前記走査探針１２０を走査探針１２０の長手方向と前記音叉１１０の一側足の長手方向と垂直に接着して走査探針１２０が試料１表面に対して垂直方向に振動するタッピングモード（ｔａｐｐｉｎｇ ｍｏｄｅ）にすることができる。

図５及び図６は、図２に示した音叉−走査探針結合振動計で走査探針が音叉の前面に接着された第２実施形態を示した正面図と側面図とであり、図７及び図８は、図２に示した音叉−走査探針結合振動計で走査探針と音叉とが互いに垂直に接着された第３実施形態を示した正面図と側面図とであり、図９及び図１０は、図７に示した音叉−走査探針結合振動計で走査探針が音叉の側面に接着された第４実施形態を示した正面図と側面図とである。

まず、図５及び図６を参照すれば、本発明の第２実施形態による音叉−走査探針結合振動計は、走査探針２２０を音叉２１０の一側足に接着するが、前記走査探針２２０の長手方向と前記音叉２１０の一側足の長手方向と平行に接着して、走査探針２２０が試料表面に対して水平方向に振動するせん断力モードであるものであって、図２に示したように走査探針２２０を音叉２１０の一側面の下端部に接触させるものではなく、音叉２１０の前面の下端部に接触させた。

図７ないし図１０は、本発明の第３及び第４実施形態による音叉−走査探針結合振動計を示した図であって、走査探針２２０を音叉２１０の一側足に接着するが、前記走査探針２２０の長手方向と前記音叉２１０の一側足の長手方向と垂直に接着して、走査探針２２０が試料表面に対して垂直方向に振動するタッピングモードであるものであって、細部的には、前記図７及び図８は、前記走査探針３２０を前記音叉３１０の前面の下端部に接着させ、図９及び図１０は、前記走査探針４２０を前記音叉４１０の一側の下端部に接着させた場合である。このような場合には、タッピングモードにして音叉４１０と走査探針４２０とを垂直に固定しても、音叉４１０の足の振動する振幅は０．４ｎｍ以下に非常に小さいために、ピン固定端３３２、４３２と刃印加部３３４、４３４とによる力学的振動制御は安定的に可能である。

一方、前記図５ないし図１０の音叉−走査探針結合振動計２００、３００、４００の各音叉２１０、３１０、４１０、走査探針２２０、３２０、４２０、刃印加部２３４、３３４、４３４、及びピン固定端２３２、３３２、４３２についての詳細な内容は、図２の本発明の第１実施形態による音叉−走査探針結合振動計１００の音叉１１０、走査探針１２０、刃印加部１３４、及びピン固定端１３２と実質的に同一であるので、構成及び作動についての説明は省略する。

図１１及び図１２は、図２に示した音叉−走査探針結合振動計が液体媒質内にある試料を対象に測定することを示した正面図と側面図とである。図面を参照すれば、本発明の第１実施形態による音叉−走査探針結合振動計１００は、力学的制御方法を液体２内にある試料の光学的測定に適用するために、走査探針１２０の検針端１２２を音叉１１０の端部に対して３ｍｍ程度に長く露出させて、前記検針端１２２を液体２に浸透させて測定することができる。ここで、前記検針端１２２の長さは、液体２の厚さ（深さ）及び物性などによって変更可能であり、この際、図１０に示したように、走査探針１２０の露出される検針端１２２の長さを異ならせても、本発明の実施形態に力学的制御方法による共振周波数の変化形態は変わらず、図９に示したように、検針端１２２が液体２内にあっても、力学的振動制御による共振周波数の変化形状は、空気中にある時と同じであり、Ｑ値は粘性によって多少減少するが、本発明の実施形態によれば、走査探針１２０の検針端１２２が液体２内に入った状態でも、２８００の高いＱ値を有しうる。

すなわち、本発明の実施形態による音叉−走査探針結合振動計１００は、従来の走査探針１２０顕微鏡では走査探針１２０を液体２内に浸した場合、液体の高い粘性で音叉１１０のＱ値が減少して高分解能測定ができなかった問題を克服して、本発明の実施形態は、力学的振動制御方式を適用することで走査探針１２０を粘性が高い液体２内に浸した状態でも非常に高いＱ値を有するようになって、液体内部にある試料の高分解能の測定が可能となる。本構造では、音叉１１０と走査探針１２０の接触点Ａから検針端１２２までの長さを３ｍｍ程度に空気中の試料を測定する場合より長くして、液体２内に走査探針１２０の挿入を容易にさせた。

図１３Ａ及び図１３Ｂは、図２に示した音叉−走査探針結合振動計１００による音叉１１０と走査探針１２０とをモデリングして、共振周波数の変化を理論的に計算したグラフである。

まず、図１３Ａを参照すれば、図１３Ａは、図２の本発明の第１実施形態による音叉−走査探針結合振動計１００の力学的振動制御法が適用された音叉１１０と走査探針１２０結合体をモデリングして共振周波数の変化を理論的に計算した結果であって、実験構造と同一な条件を理論的にモデリングした後、値を導出したものである。グラフを参照すれば、グラフの横軸は、音叉１１０と走査探針１２０の接触点Ａと刃印加部１３４との距離を表わし、縦軸は、刃印加部１３４とピン固定部との位置によって決定された振動結合計の共振周波数を表わす。この際、前記音叉１１０と走査探針１２０との接触点Ａ（図３参照）からピンまでの距離は、それぞれ１１．０ｍｍ、１１．４ｍｍ、１１．８ｍｍ、１２．２ｍｍの場合に対して計算を実施し、音叉１１０と走査探針１２０の接触点Ａから刃までの距離は、２．０ｍｍから１０．２ｍｍまで０．２ｍｍ間隔で変化して計算を実施した。

図１３Ｂは、図２の本発明の第１実施形態による音叉−走査探針結合振動計１００の力学的振動制御法が適用された音叉１１０と走査探針１２０結合振動計をモデリングして、共振周波数の変化を理論的に計算した結果であって、横軸は、音叉１１０と走査探針１２０の接触点Ａと刃印加部１３４との距離を表わし、縦軸は、刃印加部１３４とピン固定部との位置によって決定された結合振動計の共振周波数を表わす。この際、前記音叉１１０と走査探針１２０の接触点Ａからピンまでの距離は、それぞれ１２．６ｍｍ、１３．０ｍｍ、１３．４ｍｍ、１３．８ｍｍである場合に対して計算を実施し、音叉１１０と走査探針１２０の接触点Ａから刃までの距離は、２．０ｍｍから１０．２ｍｍまで０．２ｍｍ間隔で変化して計算を実施した。

前記図１３Ａ及び図１３Ｂを説明すれば、前記グラフは、刃印加部１３４の位置によって変化する共振周波数が一つのモードを有するか、二つのモードを有するかは、ピン固定端１３２の位置によって決定され、図１３Ａの四つのグラフは、接触点Ａとピン固定端１３２との距離が、１１．０ｍｍ、１１．４ｍｍ、１１．８ｍｍ、１２．２ｍｍに固定された場合をそれぞれ表わし、図１３Ｂの四つのグラフは、接触点Ａとピン固定端１３２との距離が、１２．６ｍｍ、１３．０ｍｍ、１３．４ｍｍ、１３．８ｍｍに固定された場合をそれぞれ表わす。ここで、接触点Ａとピン固定端１３２との距離が、１２．２ｍｍ、１２．６ｍｍ、１３．０ｍｍである場合には、共振周波数の変化が二つのモードを形成するということが分かる。すなわち、本発明は、ピン固定端の位置調整で共振周波数の変化が一つのモードで表われるようにする場合、音叉−走査探針結合振動計の共振周波数を音叉のみの固有振動数とさらに近づけることができるので、Ｑ値を高めるのに有利であり、共振周波数の変化が二つのモードで表われるようにする場合、低いＱ値の中心にＱ値の能動制御をする時に有利である。この結果は、ピン固定端と刃印加部との機能で音叉−走査探針結合振動計の振動を非常に多様に制御できるということを示す。図１３Ａと図１３Ｂで、約３２６００Ｈｚ部分に表示した点線は、音叉−走査探針結合振動計で音叉１１０の固有振動数であり、音叉−走査探針結合振動計の共振周波数が点線に近いほど走査探針１２０による音叉１１０のエネルギー損失が最小化されて、高いＱ値を記録する。したがって、本発明の実施形態は、ピン固定端１３２の位置調整を通じて共振周波数のモード数を決定した後に、新たな境界条件が適用された刃印加部１３４の位置調整を通じて共振周波数とＱ値を精密に制御することができる。

図１４Ａ及び図１４Ｂは、図２に示した音叉−走査探針結合振動計１００に対する音叉１１０と走査探針１２０とをモデリングして計算した値と実験値との振動特性を比べたグラフである。

まず、図１４Ａは、図３に示したピン固定端１３２と刃印加部１３４とを設置した音叉１１０と走査探針１２０の結合構造に対して、実験的な振動特性と理論的な振動特性とを比べたグラフであって、共振周波数が一つのモードを有するように設定した場合のグラフである。グラフの横軸は、接触点Ａと刃印加部１３４との距離を表わし、上側のグラフは共振周波数、下側のグラフは音叉１１０の出力電圧の振幅を表わす。黒色で満たされた四角状の点は計算値であり、中空の円状の点は実験値である。図１４Ａに示したグラフは、ピン固定端１３２の位置によって共振周波数が一つのモードを有する場合を表わしたものである。

図１４Ｂは、図３に示したピン固定端１３２と刃印加部１３４とを設置した音叉１１０と走査探針１２０の結合構造に対して、実験的な振動特性と理論的な振動特性とを比べたグラフであって、グラフの横軸は接触点Ａと刃印加部１３４との距離を表わし、上側のグラフは共振周波数、下側のグラフは音叉１１０の出力電圧の振幅を表わす。黒色で満たされた四角状の点は計算値であり、中空の円状の点は実験値である。図８Ｂに示したグラフは、ピン固定端１３２の位置によって共振周波数が二つのモードを有する場合を表わしたものである。

図１４Ｂは、本発明の力学的振動制御法が適用された音叉１１０と走査探針１２０結合体をモデリングして計算した値と実験値との振動特性を比べたものであり、共振周波数が二つのモードを有するように設定した場合のグラフであり、共振周波数が二つのモードを有するように設定した場合のグラフである。

図１５Ａ及び図１５Ｂは、図２に示した音叉−走査探針結合振動計１００を利用した走査探針顕微鏡によって取得した表面弾性波フィルターのイメージを示す写真である。

まず、図１５Ａは、図３に示したピン固定端１３２と刃印加部１３４とを設置した音叉１１０と走査探針１２０の結合構造を走査探針１２０顕微鏡に適用して、高さ７０ｎｍの格子パターンを有する表面弾性波フィルターの表面形状を測定したものである。走査領域は５×５μｍ²であり、５０ｎｍの間隔で横移動させた。本発明の実施形態によって、能動的Ｑ制御方式を使って９０の低いＱ値を有するようにしたために、測定結果からイメージの分解能が良くないことを確認できる。

一方、図１５Ｂは、図３に示したピン固定端１３２と刃印加部１３４とを接触させた音叉１１０と走査探針１２０の結合構造を走査探針１２０顕微鏡に適用して、高さ７０ｎｍの格子パターンを有する表面弾性波フィルターの表面形状を測定したものである。走査領域は５×５μｍ²であり、５０ｎｍの間隔で横移動させた。本発明の能動的Ｑ制御方式を使って５６００の高いＱ値を有するようにしたために、測定した結果からイメージの分解能が良いことが確認できる。

図１６Ａ及び図１６Ｂは、図２に示した音叉−走査探針結合振動計１００で走査探針１２０を空気に露出した場合と液体２内にある場合とをそれぞれ示した周波数応答曲線グラフと振動特性を示すグラフとである。

まず、図１６Ａは、図３の本発明の実施形態による力学的振動制御方式を適用して走査探針１２０が空気中にある場合と、図１１の液体２に走査探針１２０を浸けた場合に対して、音叉１１０に加える電圧の振幅は一定にし、周波数を変化しながら出力電圧の振幅を調査した周波数応答曲線である。ここで、Ｑ値は、共振周波数を周波数応答曲線の半値幅で割った値として定義する。グラフを説明すれば、走査探針１２０が空気中にある場合には４２００を記録し、液体２の内部にある場合には２８００の値を記録した。

図１６Ｂは、ピン固定端１３２と刃印加部１３４とを設置した音叉１１０と走査探針１２０の結合構造に対して、図３に示したように、探針が空気中にある場合と図１１に示したように、走査探針１２０が液体２内にある場合との実験的な振動特性値を比べたグラフであって、グラフの横軸は接触点Ａと刃印加部１３４との距離を表わし、上側のグラフは共振周波数、下側のグラフは音叉１１０の出力電圧の振幅を表わす。黒色で満たされた四角状の点は、探針が空気中にある時の値であり、中空の円状の点は、走査探針１２０が液体２内にある時の値であり、走査探針１２０が液体２内にある場合に、共振周波数はほぼ同じに保持されるが、音叉１１０の出力電圧は減少するということが分かる。

図１７は、図２に示した音叉−走査探針結合振動計１００の音叉１１０と走査探針１２０の接触点Ａと走査探針１２０の先端との距離変化に対する振動特性を示すグラフであって、図３に示した本発明の実施形態に対する構造の理論的モデリングで、音叉１１０と走査探針１２０の接触点Ａからピン固定端１３２までの距離を一定にし、接触点Ａから刃印加部１３４までの長さを２ｍｍから１０．２ｍｍまで変化させ、振動計の共振周波数を計算したものであり、三つのグラフは、接触点Ａから検針端１２２までの距離が、それぞれ１．５ｍｍ、２．５ｍｍ、３．５ｍｍである場合を表わす。

図１７を説明すれば、グラフでは、接触点Ａから検針端１２２の間の長さが異なっても、共振周波数の変化形状が保持されることで、音叉１１０と走査探針１２０の結合振動計の振動特性は、接触点Ａに対して検針端１２２の反対部分であるピン固定端１３２と刃印加部１３４とがある部分の影響を大きく受けるということが分かる。これは、刃印加部１３４とピン固定端１３２とによる能動的Ｑ制御が円滑になされるということを意味する。

図１８Ａ及び図１８Ｂは、図２に示した音叉−走査探針結合振動計を利用した走査探針顕微鏡によって取得した、空気中の表面弾性波フィルターのイメージを示す写真および液体内の表面弾性波フィルターのイメージを示す写真である。

まず、図１８Ａは、図３のピン固定端１３２と刃印加部１３４とを追加した音叉１１０と走査探針１２０の結合構造を走査探針顕微鏡に適用して、空気中にある７０ｎｍ高さの格子パターンを有する表面弾性波フィルターの表面形状を測定したものであり、走査領域は５×５μｍ²であり、５０ｎｍの間隔で横移動させた。

図１８Ｂは、図１１の走査探針１２０を液体２内に浸して走査探針顕微鏡に適用して、液体２内にある７０ｎｍ高さの格子パターンを有する表面弾性波フィルターの表面形状を測定したものである。走査領域は５×５μｍ²であり、５０ｎｍの間隔で横移動させた。

前記図１８Ａ及び図１８Ｂを互いに比べて説明すれば、図１８Ｂは、図１８Ａと同等な分解能で測定されたことで、本発明の実施形態による音叉−走査探針結合振動計１００は、液体２内にある試料も高分解能で測定するのに適するということが分かる。

図１９及び図２０は、比較例に他の音叉−走査探針結合振動計を示す図である。

（比較例１）
図１９は、比較例１に対する音叉−走査探針結合振動計を示した図であって、比較例１によれば、走査探針２０ｃの自由端を固定部材３０ｃに固定させた後、走査探針２０ｃの固定された部分から検針端の間に音叉１０ｃを垂直に当接させた後に、音叉１０ｃの位置を調整しながら最も高いＱ値を捜す。このような場合には、音叉１０ｃの位置が変わることによって走査探針２０ｃの固有振動数が変わり、特異点で音叉１０ｃの固有振動数に近接して、音叉１０ｃの振動が活発になってＱ値が向上するが、これは、音叉１０ｃと走査探針２０ｃの位置などを最適化させた後に接着剤で固定すれば、最適条件の変化が生ずる恐れがあり、最適条件を捜して接着した後にはＱ値の調整が不可能である。また、音叉１０ｃの位置調整による最適化方式であるので、一般的な走査探針顕微鏡に適用しにくいという問題点がある。

（比較例２）
図２０は、比較例２に従う音叉−走査探針結合振動計を示した図である。比較例２によれば、走査探針２０ａの直径を２５μｍ以下に細く溶かして音叉１０ａに接着する方法を使ってＱ値を大きく向上させた。しかし、このような場合には、走査探針２０ａを扱うのが非常に難しく、走査探針が粘性が大きな媒質内にある場合に振動が円滑にならないという問題点がある。

したがって、本発明の実施形態は、走査探針の表面に接触部材を接触させ、前記接触部材を走査探針の長手方向にその位置を目的に応じて変化させることによって、Ｑ値を能動的に制御し、また、音叉の固有振動数によってその位置を異ならせてＱ値を向上させうるので、空気中にある一般固体試料だけではなく、粘性が高い液体２内にある試料の高分解能も可能である。

本発明は、図面に示した実施形態を参考にして説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これより多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されるべきである。

本発明は、音叉−走査探針結合振動計関連の技術分野に適用可能である。

１００、２００、３００、４００ 音叉−走査探針結合振動計
１１０、２１０、３１０、４１０ 音叉
１２０、２２０、３２０、４２０ 走査探針
１３０、２３０、３３０、４３０ 接触部材
１３２、２３２、３３２、４３２ ピン固定端
１３４、２３４、３３４、４３４ 刃印加部
１４０、２４０、３４０、４４０ 接着剤

Claims (4)

1. 交流電圧を印加されて振動する音叉と、
   前記音叉の一側に接着されて、前記音叉によって振動する走査探針と、
   前記走査探針の側面に接触するが、前記走査探針との接触点の位置を調整して、前記音叉と走査探針とが結合された結合体の固有振動数を変化させる接触部材と、
   を含み、
   前記接触部材は、
   前記走査探針の一側の表面に接触するが、前記走査探針の長手方向に位置移動するピン固定端と、
   前記走査探針の他側の表面に接触するが、前記音叉と前記走査探針の接触点と、前記ピン固定端との間で、前記走査探針の長手方向に位置移動する刃印加部と、を含むことを特徴とする
   音叉−走査探針結合振動計。
2. 前記走査探針と前記音叉は、
   前記音叉の長手方向と前記走査探針の長手方向とが互いに平行に接触するか、前記音叉の長手方向と前記走査探針の長手方向とが互いに垂直に接触することを特徴とする請求項１に記載の音叉−走査探針結合振動計。
3. 前記走査探針は、
   粘性を有する媒質に挿入されて、前記粘性を有する媒質の内部にある試料の光学的特性を測定することを特徴とする請求項１に記載の音叉−走査探針結合振動計。
4. 前記音叉は、振幅と位相とを検出するための検出回路が内部に設けられて酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）で形成され、
   前記走査探針は、ほぼビーム状を有してガラスまたは光ファイバーで形成されたことを特徴とする請求項１に記載の音叉−走査探針結合振動計。