JP5014174B2 - 走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュール、それを備えた走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ及び走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、先端に探針を有するカンチレバーを試料に近接又は接触させて試料の観察や測定を行う走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュール、それを備えた走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ及び走査型プローブ顕微鏡に関する。

走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーの先端に取付けた探針を試料表面に近接又は接触させ、試料の表面形状を測定するものである。走査型プローブ顕微鏡の測定モードとしては、（１）探針と試料の間の原子間力を一定に保って試料の表面形状を測定するコンタクト・モード、（２）カンチレバーをピエゾ素子等によって共振周波数近傍で強制振動させ、探針を試料に近接させた時に、両者の間の間欠的な接触によって探針の振幅が減衰するのを利用して試料の形状を測定する方法（以下、適宜「ダイナミック・フォース・モード（ＤＦＭ測定モード）」という）が知られている。ＤＦＭ測定モードは、探針が試料に及ぼす力がコンタクト・モードより低く、生体サンプルや高分子サンプルなどを損傷を与えずに測定できるという利点がある。

又、カンチレバーの変位の測定方法として、カンチレバーの撓みをレーザ光で検出する光てこ光学系の他、変位（撓み）を検出するピエゾ抵抗体等の変位検出手段を搭載したカンチレバー（以下、適宜「自己検知型カンチレバー」という）を用いる方法が開発されている（特許文献１、２参照）。
自己検知型カンチレバーを用いる場合、光てこ光学系に比べ、光学系の機器が不要となり、装置がコンパクトで安価となるという利点がある。

特開平１１−８３８７４号公報 特開平１１−１０１８１０号公報

ところで、近年、溶液中に浸漬された細胞やＤＮＡ等の生体サンプルや高分子サンプルを走査型プローブ顕微鏡で観察する機会が増えている。
しかしながら、自己検知型カンチレバーの場合、変位検出手段を動作させる電極端子が露出しているため、溶液中にカンチレバーが浸るとリーク電流が発生し、検出が不可能になったり、試料が電気化学反応で変質するおそれがある。
電極端子の周囲をポリマーなどでモールドすればリーク電流の発生は防止できるが、酸やアルカリ中、腐食性ガス雰囲気で測定を行うと、モールドが腐食等して走査型プローブ顕微鏡の各種部品が劣化する可能性がある。この場合、消耗品であるカンチレバーは劣化しても交換すればよいが、上記電極端子に接続される走査型プローブ顕微鏡本体側のコネクタ等が劣化すると、本体の修理が必要になったり、装置そのものの不具合に至るおそれがある。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、自己検知型カンチレバーを用いて測定する場合に、走査型プローブ顕微鏡本体側の電気部品の劣化を防止し耐久性が向上すると共にカンチレバーの交換が容易な走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュール、それを備えた走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ及び走査型プローブ顕微鏡の提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュールは、先端に探針を有し自己の変位を検出する変位検出手段を備えると共に該変位検出手段の検出用電極端子を備えたカンチレバーと、前記カンチレバーを先端部に保持し延長部を介して後端部に外部接続用端子を有するカンチレバー保持部と、前記検出用電極端子と前記外部接続用端子とを電気的に接続する接続構造とを備えている。
このような構成とすると、カンチレバーの変位検出手段の検出用電極端子は接続構造を介してカンチレバー保持部の後端部の外部接続用端子に接続される。このため、溶液中や腐食性ガス中で測定を行っても、走査型プローブ顕微鏡本体側の外部端子はカンチレバーから離れた位置で外部接続用端子と接続され、カンチレバー付近の液体や腐食性ガス雰囲気に侵されることが少なくなる。その結果、走査型プローブ顕微鏡本体の耐久性が向上し、本体の修理が必要になったり、装置そのものの不具合が生じることが回避される。又、カンチレバーが消耗した際は、カンチレバーモジュール毎に交換すればよい。

前記接続構造は、前記カンチレバー保持部の前記先端部から前記後端部に連通する貫通孔と、前記貫通孔内に形成され前記検出用電極端子と前記外部接続用端子とに接続されるスルーホール導体又は前記貫通孔内に挿通され前記検出用電極端子と前記外部接続用端子とに接続される導線とを有してもよい。
前記接続構造は、前記カンチレバー保持部の前記先端部から前記後端部に至る周壁に形成され、前記検出用電極端子と前記外部接続用端子とに接続されるリード部を有してもよい。

前記外部接続用端子は、前記カンチレバー保持部の前記先端部から前記後端部に連通する貫通孔に挿入された金属ピンであり、前記金属ピンは前記検出用電極端子に接続されると共に前記カンチレバー保持部の後端部から突出するオス型端子をなすようにしてもよい。
前記外部接続用端子は、前記カンチレバー保持部の前記先端部から前記後端部に連通する貫通孔の前記先端部側に配置された金属端子であり、前記金属端子は前記検出用電極端子に接続されると共に、前記貫通孔に挿入される外部コネクタと接続するメス型端子をなすようにしてもよい。

前記カンチレバー保持部の後端部は、走査型プローブ顕微鏡本体に固定される際の位置を決める位置決めピン、又は前記走査型プローブ顕微鏡側の位置決めピンに嵌合されるピン孔を有していてもよい。
このような構成とすると、カンチレバーモジュールを走査型プローブ顕微鏡本体に固定する際の位置決めが容易かつ高精度となる。

前記カンチレバー保持部の先端部に表出し、前記検出用電極端子と電気的に導通する部分が絶縁被覆されていることが好ましい。
このような構成とすると、溶液中で測定してもリーク電流の発生を防止できる。

本発明の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダは、前記走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュールを保持するモジュール保持部と、前記モジュール保持部を支持し走査型プローブ顕微鏡本体に固定されるベース部とを備え、前記モジュール保持部は、前記走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュールの後端部に接する保持面を有する。

前記保持面は、前記ベース部における試料側の面より上方に位置することが好ましい。
このような構成とすると、カンチレバーモジュールを液中に浸漬して測定しても保持面が液に浸漬せず、保持面の外部端子に腐食等の不具合が生じない。

前記保持面は、前記走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュールのオス型端子又はメス型端子に対応して嵌合するオス型端子又はメス型端子を有し、前記オス型端子又はメス型端子を嵌合することにより、前記走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュールが前記モジュール保持部に固定されることが好ましい。
このような構成とすると、カンチレバーモジュール側のオス型端子又はメス型端子が外部接続用端子を兼用するので、カンチレバーモジュールをモジュール保持部に固定するのと同時に外部接続用端子と外部端子との電気的接続を行うことができ、部品点数を低減できる。

前記保持面は、前記走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュールの位置決めピン又はピン孔に対応して嵌合する位置決めピン又はピン孔を有し、前記位置決めピン又はピン孔を嵌合することにより、前記走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュールが前記モジュール保持部に固定されることが好ましい。
このような構成とすると、カンチレバーモジュールのモジュール保持部への位置決めと固定を同時に行うことができ、部品点数を低減できる。

前記保持面は、前記走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュールの外部接続用端子と電気的に接続される外部端子を有してもよい。
前記モジュール保持部と前記ベース部との間に、前記カンチレバーを振動させるカンチレバー加振手段が介装されていてもよい。

前記ベース部は透過性部材からなり前記試料側に突出する突出部を有すると共に、前記突出部の先端は試料が浸漬された液体に接する平面部を有してもよい。
このような構成とすると、突出部と液面との間に空気層が介在して液面に波等が生じ、乱反射等が生じることを防止し、平面部下の試料を明瞭に観察することができる。

本発明の走査型プローブ顕微鏡は、前記走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダを備えたものである。

本発明によれば、自己検知型カンチレバーを用いて測定する場合に、走査型プローブ顕微鏡本体側の電気部品の劣化を防止し耐久性が向上すると共にカンチレバーの交換を容易にすることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
＜第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示す断面図である。
図１において、走査型プローブ顕微鏡１００は、アクチュエータである３軸微動機構（ＸＹＺ並進機構）３０、３軸微動機構３０上に固定された試料ステージ（液中セル）３１、試料ステージ３１上に配置された枠体３２、枠体３２上に位置する筐体３４、制御部６０、枠体３２の開口上に取付けられ試料ステージ３１の上に位置する走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ１０とを備えている。
走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ１０は、第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュール（以下、適宜「カンチレバーモジュール」という）４０を保持するモジュール保持部７０と、モジュール保持部を支持し走査型プローブ顕微鏡１００本体に固定されるベース部８と、モジュール保持部７０とベース部８の間に介装されるカンチレバー加振手段６及び振動吸収体７とを備えている。又、モジュール保持部７０の下面となる保持面７０ｘにカンチレバーモジュール４０の後端部が接している

カンチレバーモジュール４０は先端部にカンチレバー２０を保持している。そして、液中セル３１内には溶液２１０中に浸漬された試料２００が保持され、カンチレバー２０先端の探針２０ａが試料２００の表面に近接して溶液２１０内に浸漬されている。

３軸微動機構３０は、それぞれＸ，Ｙ，Ｚ軸（ＸＹ平面が図１の紙面に垂直な面であり試料表面、Ｚ軸が図１の上下方向）に変位する円筒型圧電素子からなり、円筒型圧電素子の撓み変形と伸び変形により試料表面内（ＸＹ方向）でのスキャンと、試料２００と探針２０ａとの距離（Ｚ方向）の制御を行う。圧電素子は、電界を印加すると結晶がひずみ、外力で結晶を強制的にひずませると電界が発生すると素子であり、圧電素子としては、セラミックスの一種であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を一般に使用することができるがこれに限られない。
制御部６０は例えばパーソナルコンピュータ等からなり、走査型プローブ顕微鏡１００の動作を制御するための制御基板６２、プロセッサ（ＣＰＵ：中央制御処理装置）６４、及び図示しないＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶手段、インターフェース、操作部等を有する。

次に図２を参照して、カンチレバー２０の構成について説明する。図２はカンチレバー２０の上面図である。カンチレバー２０は自己検知型カンチレバーであり、このタイプのカンチレバーは、例えば特開平１１−８３８７４号公報、特開平１１−１０１８１０号公報等に記載されている。
カンチレバー２０は、厚板状のシリコン基板２２の上に薄板状のシリコン基板２１を積層し、これらの積層体２３の後端をセラミック基板２４で保持して構成されている。積層体２３の先端は積層体２３から突き出す片持ち梁２９になっていて、片持ち梁２９の自由端（先端）に探針２０ａが（図２の紙面裏側へ）形成されている。

片持ち梁２９には、ピエゾ抵抗体等の抵抗体が設けられ、シリコン基板２１の探針２０ａが形成された主面の領域Ｒには、この抵抗体に電気的に接続される電極が設けられる。領域Ｒより後端には後述する検知回路の電源ライン用および信号ライン用のボンディングパッド２６が形成されおり、領域Ｒに設けられた電極とボンディングワイヤで接続されている。さらに、セラミック基板２４の表面には、複数のリード２５が形成され、各リード２５はセラミック基板２４の後端（積層体２３と反対側の端）に延びて電極端子２５ａ（図では４個）に接続されている。又、各リード２５の他端にはボンディングパッド２５ｂが形成され、ボンディングパッド２６とボンディングワイヤ２８で接続されている。
又、ボンディングワイヤ２８および各ボンディングパッド２６，２５ｂには樹脂モールド２７が施され、耐食性を付与している。

片持ち梁２９に設けられる抵抗体は、例えばｎ型のシリコン基板２１の表面に、Ｕ字状にｐ型又はｎ型の不純物イオンを選択的に注入し、ｐ＋（ｎ＋）のピエゾ抵抗体として形成して製造することができる。各リード２５や検出用電極端子２５ａ等は公知のペースト印刷や蒸着等によって形成することができるがこれに限られない。
そして、液体中の試料の測定に用いる場合には、表面を保護するシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）又は窒化シリコン膜２１２を、電極上に形成すると好ましい。

次に図３を参照して、カンチレバーモジュール４０を含む走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ１０の構成について詳細に説明する。図３は、図１の部分拡大図である。
図３において、ベース部８は、枠体３２の開口よりやや大きい矩形状をなし、ベース部８の中央には、矩形状の開口８ｙが形成され、開口８ｙ内にはベース部８に触れないようにカンチレバーモジュール４０が収容されている。

カンチレバーモジュール４０は開口８ｙよりやや小径の断面を有する略四角柱状をなし、筐体となるカンチレバー保持部４０ｘと、カンチレバー保持部４０ｘの軸方向に連通する貫通孔に形成されたスルーホール導体４０ｆを主体とする接続構造４０ｙとを備えている。
カンチレバー保持部４０ｘは、カンチレバー２０を斜めに取付けるため（図３の右から左に下がるように）斜めに傾斜した先端部４０ａと、モジュール保持部７０の保持面７０ｘに接してモジュール保持部７０に固定される略平面状の後端部４０ｂと、先端部４０ａと後端部４０ｂとの間の延長部（胴部）４０ｃとを備える。延長部４０ｃの長さが長いほど、試料を浸漬した液体や腐食性ガス雰囲気からカンチレバーモジュールの後端部４０ｂを遠ざけることができる。

カンチレバー２０は先端部４０ａに片持ち式に保持されて探針２０ａが最も下側（試料２００Ｂ側）に位置し、後端部４０ｂは保持面７０ｘの下面に形成された位置決めピン７０ｅを嵌挿することにより、保持面７０ｘに固定される。この際、後端部４０ｂ表面に形成された外部接続用端子４０ｄと、保持面７０ｘに形成された外部端子７０ｄとが電気的に接続され、両者が導通するようになっている。
なお、後端部４０ｂは中央部分で段部を形成し、保持面７０ｘには後端部４０ｂの段部と相補的な段部が形成され、後端部４０ｂと保持面７０ｘの各段部が噛み合うように係合し、後端部４０ｂと保持面７０ｘの位置決めを補助している。又、外部接続用端子４０ｄは、この段部を横断するように延びている。

カンチレバー２０の検出用電極端子２５ａは、カンチレバーモジュール４０の先端部４０ａから表出し、先端部４０ａ表面に形成されたリード４０ｇに接続されている。又、リード４０ｇは先端部４０ａ側に表出したスルーホール導体４０ｆに延設されている。一方、スルーホール導体４０ｆの他端は、後端部４０ｂの外部接続用端子４０ｄに接続されている。スルーホール導体４０ｆとリード４０ｇが接続構造４０ｙを構成し、このようにして、検出用電極端子２５ａと外部接続用端子４０ｄが接続構造４０ｙによって電気的に接続され、外部端子７０ｄから外部に入出力されるようになっている。
電極端子４０ｙは外部に配置された検知回路（図示せず）に接続されている。この検出回路からカンチレバー２０に設けられ、変位検出手段として作用する抵抗体までの回路により変位検出機構が構成される。この検知回路ではカンチレバー２０に設けられた抵抗体に電圧を印加して片持ち梁の撓み量に応答した抵抗値の変化を出力電圧から検出することにより撓み量が測定される。

カンチレバー２０はカンチレバーモジュールの先端部４０ａに接着固定され、先端部４０ａに表出し検出用電極端子２５ａと電気的に導通する部分（検出用電極端子２５ａ、各リード２５、スルーホール導体４０ｆの端面、リード４０ｇ等）はエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等のモールド剤によって絶縁被覆（モールド）２９が形成され、溶液や腐食ガス等に対する耐食性や絶縁性を付与されている。
又、カンチレバーモジュール４０は、溶液中に浸漬しても変質したり成分を溶出しないよう、耐薬品性のあるセラミックやテフロン（登録商標）樹脂等からなることが好ましい。
そして、カンチレバー２０が消耗した場合は、カンチレバーモジュール４０ごと交換することができるので、保守管理が容易となる。
なお、カンチレバー２０はセラミック基板２４を介してカンチレバーモジュール４０に固定されているが、セラミック基板２４を用いずに、シリコン基板２３と探針２０ａとボンディングパット２６からなるカンチレバー素子単体を直接、カンチレバーモジュールの先端部４０ａに接着固定して、ボンディングパット２６とリード４０ｇを直接接続してもよい。

一方、モジュール保持部７０は、開口８ｙより大径の略矩形状をなし、ベース部８の試料２００側と反対面（上面）８２上に位置している。そして、モジュール保持部７０下面の周縁部とベース部上面８２との間に、ロの字状のカンチレバー加振手段（圧電素子）６が介装されている。カンチレバー加振手段６は、例えば交流信号によって上下に振動する圧電素子等からなり、エポキシ系接着剤等によってモジュール保持部７０下面とベース部上面８２とに接着固定されている。従って、モジュール保持部７０は、カンチレバー加振手段６のみによって支持され、ベース部８に接触していない。
そして、ベース部８の開口８ｙにモジュール保持部の保持面７０ｘが面し、下方からカンチレバーモジュール４０を開口８ｙ内に挿入することにより、カンチレバーモジュール４０が保持面７０ｘに固定される。従って、カンチレバー加振手段６をカンチレバー２０の共振周波数近傍の周波数で振動させると、モジュール保持部７０及びカンチレバーモジュール４０を介して、カンチレバー２０が振動し、ＤＦＭ測定モードで測定を行うことができる。

なお、この実施形態において、カンチレバー加振手段６とベース部上面８２との間に振動吸収体７が介装され、ベース部８や走査型プローブ顕微鏡１００本体に振動が伝わるのを抑制している。振動吸収体７としては、例えば防振ゴムシートや樹脂材料等が用いられる。
又、接続構造４０ｙとして、上記したスルーホール導体の代わりに、上記貫通孔に導電性ペーストを充填してもよい。又。任意の形状の電極パターンをカンチレバーモジュール内に挟挿してもよい。
カンチレバーモジュール４０の軸方向の長さや断面形状も特に限定されないが、カンチレバーモジュール４０の軸方向の長さを長くすると、溶液中の試料を測定する際に外部接続用端子４０ｄが溶液から離間するので、リークが生じ難くなる。

図４は、カンチレバーモジュール４０の上面図であり、後端部４０ｂの平面構成を示す。後端部４０ｂの一辺側には、４個の検出用電極端子２５ａにそれぞれ対応する外部接続用端子４０ｄが並設され、外部接続用端子４０ｄは段部４０ｔを横断して延びている。
又、後端部４０ｂのうち、外部接続用端子４０ｄが形成されていない領域に２個のピン孔４０ｅが並んで開口し、保持面７０ｘの位置決めピン７０ｅを嵌挿可能になっている。

図５は、走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ１０の上面図である。矩形状のベース部８中央の開口８ｙ内にカンチレバーモジュール４０が収容されている。そして、開口８ｙの４方を囲むように、ロの字形のカンチレバー加振手段６が配置され、カンチレバー加振手段６上には、カンチレバー加振手段６を覆うように矩形状のモジュール保持部７０が配置されている。
このように、開口８ｙを囲む４方にカンチレバー加振手段６を配置することで、例えばカンチレバーモジュール４０を一方のみから加振する場合に比べて振動を効率よく伝えることができる。

図６は、第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１００による測定動作の一例を説明するブロック図である。
まず、カンチレバー加振手段６に交流信号を印加し、カンチレバー２０に共振周波数近傍の周波数で一定振幅の振動を与える。次に、粗動機構（図示せず）によりカンチレバー２０と試料２００を近接させた後、さらに３軸微動機構３０により、試料２００と探針２０ａ間を充分に接近させる。このようにすると、試料２００と探針２ａ間に働く原子間力などの力や、さらに探針２０ａを近付けた場合の間欠的な接触力により、カンチレバー２０の振幅や位相が変化（減衰）する。

カンチレバー２０の振幅や位相の変化による歪みに応じて、カンチレバー２０自体から出力された信号は、測定部６２１で検出され、撓み量信号Ｓ１として差動アンプ（比較器）６２２の非反転入力端子（＋）に入力される。差動アンプ６２２の反転入力端子（−）には、例えば撓み量が０の時に差動アンプ６２２の出力が０になるように、カンチレバーの撓み量に関する基準値が基準値発生部６２３から入力される。このようにして、差動アンプ６２２から出力される誤差信号Ｓ２はプロセッサ６４に入力される。プロセッサ６４は、誤差信号Ｓ２が０に近付くようなＺ軸方向のフィードバック量（Ｚ電圧）を生成し、３軸微動機構３０を制御する。
一方、ＸＹ走査信号発生部６２４はプロセッサ６４の指示により、試料２００をＸＹ方向へ微動させるための微動信号を３軸微動機構３０へ供給し、試料を探針に対してＸＹ方向に所定量走査させることで試料２００表面の３次元画像を生成する。
なお、測定部６２１、差動アンプ６２２、基準値発生部６２３、ＸＹ走査信号発生部６２４は制御基板６２上に実装されるハードウェアである。

以上のように、本発明の第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュールによれば、カンチレバーの変位検出機構の検出用電極端子は接続構造を介してカンチレバー保持部の後端部の外部接続用端子に接続されている。このため、溶液中や腐食性ガス中で測定を行っても、走査型プローブ顕微鏡本体側の外部端子はカンチレバーから離れた位置で外部接続用端子と接続され、カンチレバー付近の液体や腐食性ガス雰囲気に侵されることが少なくなる。その結果、走査型プローブ顕微鏡本体の耐久性が向上し、本体の修理が必要になったり、装置そのものの不具合が生じることが回避される。又、カンチレバーが消耗した際は、カンチレバーモジュール毎に交換すればよい。
又、カンチレバーの変位検出機構の検出用電極端子と電気的に導通する部分を絶縁被覆すれば、溶液中や腐食性ガス雰囲気中で測定してもリーク電流の発生を防止できる。

又、本発明の第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダによれば、カンチレバー加振手段６がベース部上面８２に位置しているため、カンチレバーモジュール４０を液中に浸漬して測定してもカンチレバー加振手段６が液に浸漬せず、カンチレバー加振手段６に腐食等の不具合が生じたり、カンチレバー加振手段６の成分が溶液に混入して試料が変質するおそれがなくなる。
又、カンチレバーモジュール４０（及びモジュール保持部７０）がカンチレバー加振手段６のみによってベース部８に支持され、カンチレバーモジュール４０（及びモジュール保持部７０）がベース部８に接触していない。従って、カンチレバー加振手段６によってカンチレバー２０を共振周波数近傍で強制振動させ、ＤＦＭ測定モードで測定を行う際、ベース部８と別体のカンチレバーモジュール４０のみを振動させればよい。そのため、ホルダ全体を振動させる必要がなく、各種測定部品や溶液が振動し、カンチレバーの共振以外の振動ピークが発生したり、カンチレバーの共振ピークの検出を難しくして、測定感度を低下させる不具合が生じない。

なお、本発明の実施形態においては、生体試料測定用のリン酸バッファ液、生理食塩水や、電気化学反応測定用の酸、アルカリ等の溶液中の試料であっても測定することができる。
又、カンチレバーホルダ（ベース部）の振動を少なくし、加振を容易にする観点から、カンチレバーモジュールとモジュール保持部の合計質量をベース部の質量より小さく（軽く）することが好ましい。又、ベース部上面とカンチレバー加振手段との間に振動吸収体を介装すると、カンチレバー加振手段からの振動がカンチレバーホルダ（ベース部）に伝わり難くなるので好ましい。

次に、図７〜図１１を参照し、本発明の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュールの他の実施形態について説明する。

図７は、筐体となるカンチレバー保持部４１ｘと、接続構造４１ｙとを備えた本発明の第２の実施形態に係るカンチレバーモジュール４１を示す。カンチレバーモジュール４１は、接続構造４１ｙの構成が異なること以外は、第１の実施形態に係るカンチレバーモジュール４０と同一であるので、同一部分の説明を省略する。
カンチレバー２０の検出用電極端子２５ａは、カンチレバーモジュールの先端部４１ａから表出し、先端部４１ａ表面に形成されたリード４１ｇに接続されている。又、カンチレバー保持部４１ｘの軸方向に連通する貫通孔４１ｆ内に導線４１ｈが配線され、リード４１ｇは先端部４１ａ側に連通した貫通孔４１ｆから導線４１ｈに接続されている。一方、貫通孔４１ｆの他端は、カンチレバーモジュールの後端部４１ｂに連通し、導線４１ｈの他端が外部接続用端子４１ｄに接続されている。貫通孔４１ｆ、リード４１ｇ及び導線４１ｈによって接続構造４１ｙが構成され、このようにして、検出用電極端子２５ａと外部接続用端子４１ｄが接続構造４１ｙによって電気的に接続され、外部に入出力されるようになっている。
カンチレバーモジュールの長さが長い場合、スルーホール導体をメッキ形成するのは難しく、導線４１ｈを用いることで接続構造の製造が容易となる。

図８は、筐体となるカンチレバー保持部４２ｘと、接続構造４２ｙとを備えた本発明の第２の実施形態に係るカンチレバーモジュール４２を示す。カンチレバーモジュール４２は、接続構造４２ｙの構成が異なること以外は、第１の実施形態に係るカンチレバーモジュール４０と同一であるので、同一部分の説明を省略する。
カンチレバー２０の検出用電極端子２５ａは、カンチレバーモジュールの先端部４２ａから表出し、先端部４２ａ表面に形成されたリード４２ｙに接続されている。リード４２ｙはカンチレバーモジュールの周壁に沿って軸方向に延設され、カンチレバーモジュールの後端部４２ｂで外部接続用端子４２ｄに接続されている。リード４２ｙによって接続構造が構成され、このようにして、検出用電極端子２５ａと外部接続用端子４２ｄが接続構造４２ｙによって電気的に接続され、外部に入出力されるようになっている。

そして、絶縁被覆２９Ｂは、カンチレバー保持部の先端部４２ａに表出し検出用電極端子２５ａと電気的に導通する部分（検出用電極端子２５ａ、各リード２５）の他、先端部４２ａから後端部４２ｂへ延設されたリード４２ｙを絶縁するよう、これらの上に形成されている。
カンチレバーモジュールの長さが長い場合、スルーホール導体をメッキ形成するのは難しく、リード４２ｙを用いることで接続構造の製造が容易となる。

図９は、筐体となるカンチレバー保持部４３ｘと、接続構造４３ｙとを備えた本発明の第４の実施形態に係るカンチレバーモジュール４３を示す。カンチレバーモジュール４３は、接続構造４３ｙの構成が異なること以外は、第１の実施形態に係るカンチレバーモジュール４０と同一であるので、同一部分の説明を省略する。
カンチレバー２０の検出用電極端子２５ａは、カンチレバーモジュールの先端部４３ａから表出し、先端部４３ａ表面に形成されたリード４３ｇに接続されている。又、カンチレバー保持部４３ｘの軸方向に連通する貫通孔４３ｆが形成され、貫通孔４３ｆ内に金属ピン４３ｄが嵌挿されている。リード４３ｇは金属ピン４３ｄの先端に接続されている。一方、金属ピン４３ｄの他端は、カンチレバーモジュールの後端部４３ｂから突出し、モジュール保持部７３の保持面７３ｘに埋設されたメス型端子７３ｄに嵌合するようになっている。つまり、金属ピン４３ｄは、外部端子（メス型端子）７３ｄと電気的に接続する外部接続用端子をなしている。

このように、貫通孔４３ｆ、リード４３ｇによって接続構造４３ｙが構成され、検出用電極端子２５ａと外部接続用端子４３ｄが接続構造４３ｙによって電気的に接続され、外部に入出力されるようになっている。なお、外部端子７３ｄは外部配線７３ｆに接続されている。
カンチレバーモジュールの長さが長い場合、スルーホール導体をメッキ形成するのは難しく、金属ピン４３ｄを用いることで接続構造の製造が容易となる。又、金属ピン４３ｄを位置決めピンとして用いれば、カンチレバーモジュールのモジュール保持部への取付け精度が向上すると共に、他の位置決めピン７３ｅを省略することもできる。

図１０は、筐体となるカンチレバー保持部４４ｘと、接続構造４４ｙとを備えた本発明の第５の実施形態に係るカンチレバーモジュール４４を示す。カンチレバーモジュール４４は、接続構造４４ｙの構成が異なること以外は、第１の実施形態に係るカンチレバーモジュール４０と同一であるので、同一部分の説明を省略する。
カンチレバー２０の検出用電極端子２５ａは、カンチレバーモジュールの先端部４４ａから表出し、先端部４４ａ表面に形成されたリード４４ｇに接続されている。又、カンチレバー保持部４４ｘの軸方向に連通する貫通孔４４ｆが形成され、貫通孔４４ｆ内に導線４４ｈが配線され、リード４４ｇは先端部４４ａ側に連通した貫通孔４４ｆから導線４４ｈに接続されている。一方、貫通孔４４ｆの他端は、カンチレバーモジュールの後端部４４ｂに連通し、この部分に外部接続用端子となるメス型端子４４ｄが埋設されている。そして、導線４４ｈの他端が外部接続用端子（メス型端子）４４ｄに接続されている。

一方、モジュール保持部７４の保持面７４ｘに外部端子（金属ピン）７４ｄが突出し、メス型端子４４ｄに嵌合するようになっている。
このように、貫通孔４４ｆ、リード４４ｇ、導線４４ｈによって接続構造４４ｙが構成され、検出用電極端子２５ａと外部接続用端子４４ｄが接続構造４４ｙによって電気的に接続され、外部に入出力されるようになっている。なお、外部端子７４ｄは外部配線７４ｆに接続されている。
カンチレバーモジュールの長さが長い場合、スルーホール導体をメッキ形成するのは難しく、金属ピンが嵌合されるメス型端子４４ｄを用いることで接続構造の製造が容易となる。又、金属ピンを位置決めピンとして用いれば、カンチレバーモジュールのモジュール保持部への取付け精度が向上すると共に、他の位置決めピンを省略することもできる。

図１１は、カンチレバーモジュールをカンチレバー保持部に固定する方法の一例を示す。上記したように、位置決めピン等によってカンチレバーモジュールをカンチレバー保持部に固定することができるが、その代わりに、またはそれに加えて補助的に、押え板８４を用いることもできる。
押え板８４は、両端をそれぞれベース部８の下面に取付けフック８３に固定できるようになっている。そして、カンチレバーモジュール４０のカンチレバー２０側から押え板８４を掛け渡し、押え板８４の両端を取付けフック８３に固定することにより、カンチレバーモジュール４０をカンチレバー保持部７０に緊縛する。
押え板８４は、ステンレス等の耐食性の金属バンドや、樹脂バンド等を用いることができる。
また押え板８４としてはバンド状のものに代えて、ワイヤー状のものを用いてもよい。

＜第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡＞
図１２は本発明の第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示す断面図である。なお、第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１００Ｂは、走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダの構成が第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１００と異なるが、その他の大部分の構成は相違しない。従って、第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡のうち、第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡と同一部分を同一符号を付して説明を省略する。

図１２において、走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ１０Ｂは、カンチレバーモジュール４０を保持するモジュール保持部７０Ｂと、モジュール保持部を支持し走査型プローブ顕微鏡１００Ｂ本体に固定されるベース部８０と、モジュール保持部７０Ｂとベース部８０の間に介装されるカンチレバー加振手段６Ｂ及び振動吸収体７Ｂとを備えている。
ベース部８０は、枠体３２の開口よりやや大きく矩形状の金属製外枠ベース部８０ｂと、外枠ベース部８０ｂに囲まれるガラス製の内側ベース部８０ａとを備える。内側ベース部８０ａの中央よりやや左側には、ベース部下面８１０から試料２００側に突出する略角柱状の突出部８０ｘが形成され、突出部８０ｘの先端は平面部８０ｓを有する。平面部８０ｓは、試料２００とカンチレバー２を接近させた際に、溶液２１０の液面と表面張力により接して液体層を形成させ、溶液２１０中にカンチレバー２０を浸漬させる機能を有する。
又、突出部８０ｘの上方における筐体３４の上方には光学顕微鏡９０が配置され、光学顕微鏡９０の光軸は、筐体３４内の光路を通りベース部上面８２０から突出部８０ｘを経て平面部８０ｓに入るようになっている。これにより、突出部８０ｘと液面との間に空気層が介在して液面に波等が生じ、乱反射等が生じることを防止し、平面部８０ｓ下の試料２００を光学顕微鏡９０で明瞭に観察することができる。

一方、突出部８０ｘに隣接して内側ベース部８０ａの右側には、矩形状の開口８０ｙが形成され、開口８０ｙ内には内側ベース部８０ａに触れないようにカンチレバーモジュール４０が収容されている。カンチレバーモジュール４０は、第１の実施形態におけるものと同一であり、その断面は開口８０ｙよりやや小径となっている。

モジュール保持部７０Ｂは、ベース部における試料２００側と反対面（上面）８２０に配置され、開口８０ｙの右側周縁部分でベース部上面８２０と重なり、開口８０ｙの左側周縁部分ではベース部上面８２０と重ならない。そして、モジュール保持部７０Ｂ下面とベース部上面８２０との重なり部分の間にカンチレバー加振手段６Ｂが介装され、カンチレバー加振手段６Ｂのみによってモジュール保持部７０Ｂが支持されている。カンチレバー加振手段６Ｂは、第１の実施形態と同様、エポキシ系接着剤等によってモジュール保持部７０Ｂ下面とベース部上面８２０とに接着固定されている。又、ベース部上面８２０とカンチレバー加振手段６Ｂとの間に振動吸収体７Ｂが介装されている。

図１３は、第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ１０Ｂの上面図である。矩形状の外枠ベース部８０ｂの内側に内側ベース部８０ａが配置され、ベース部８０ａの中心線Ｃより左側の中央に略角柱状の突出部８０ｘが形成されている。但し、突出部８０ｘのうち中心線Ｃに接する側面は垂直になっているが、他の３つの側面は先端に向かって細くなって平面部８０ｓに繋がっている。
一方、中心線Ｃより右側の中央には、中心線Ｃに接して矩形状の開口８０ｙが形成され、開口８０ｙ内にカンチレバーモジュール４０が収容されている。そして、開口８０ｙのうち中心線Ｃを除く３方を囲むように、コの字形のカンチレバー加振手段６Ｂが配置され、カンチレバー加振手段６Ｂ上にカンチレバー加振手段６を覆うようにモジュール保持部７０Ｂが配置されている。

このように、中心線Ｃ側にカンチレバー加振手段６Ｂを形成せず、中心線Ｃに接するように開口８０ｙと突出部８０ｘを形成することにより、カンチレバーモジュール４０が突出部８０ｘに近接し、突出部８０ｘ先端の平面部８０ｓの前面にカンチレバーモジュール４０先端のカンチレバー２０を位置させることができる。このため、カンチレバー加振手段６Ｂが光学顕微鏡９０の光路をさえぎることがなく、試料を明瞭に観察できる。
又、開口８０ｙのうち中心線Ｃを除く３方にカンチレバー加振手段６Ｂを配置することで、カンチレバー加振手段６Ｂがカンチレバーモジュール４０を３方から加振するので、例えばカンチレバーモジュール４０を一方のみから加振する場合に比べて振動を効率よく伝えることができる。

以上のように、本発明の第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダによれば、第１の実施形態による作用効果に加え、ベース部に透過性部材からなる突出部を設け、突出部先端を平面にしているため、溶液中の試料を観察する際に、液面に乱反射等が生じることを防止し、明瞭に観察することができる。

本発明は上記実施形態に限定されず、ベース部、カンチレバーモジュール、モジュール保持部、カンチレバー加振手段等の形状は自由に設定することができる。又、ベース部に透過性部材からなる突出部を形成した場合も、突出部の形状は限定されない。
上記実施形態では、カンチレバー加振手段によってカンチレバーを共振周波数近傍で強制振動させ、ＤＦＭ測定モードで測定を行うが、カンチレバー加振手段を設けずにコンタクトモードで測定することもできる。
また、変位検出手段は抵抗体の抵抗値変化を検出する方式に限定されず、例えば、カンチレバー部に変位検出手段として圧電体を設け、カンチレバーが撓んだ際の圧電効果により発生する電流を、検出用電極を介して外部の検出回路で検出する変位検出機構なども本発明に含まれる。
本発明は、液中や腐食性ガス雰囲気での試料の測定に適するが、液中での測定に限定されるものではなく、あらゆる環境での測定に適用可能である。
又、本発明は上記した実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。

本発明の第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示す断面図である。 カンチレバー２０の上面図である。 カンチレバーモジュールを含む走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダの構成を示す部分拡大図である。 カンチレバーモジュールの上面図である。 走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダの上面図である。 第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡による測定動作の一例を説明するブロック図である。 第２の実施形態に係るカンチレバーモジュールを示す側面図である。 第３の実施形態に係るカンチレバーモジュールを示す側面図である。 第４の実施形態に係るカンチレバーモジュールを示す側面図である。 第５の実施形態に係るカンチレバーモジュールを示す側面図である。 カンチレバーモジュールをカンチレバー保持部に固定する方法の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示す断面図である。 第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダの上面図である。

符号の説明

１０、１０Ｂ 走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ
２０ カンチレバー
２０ａ カンチレバーの探針
２５ａ 検出用電極端子
４０〜４４ 走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュール
４０ａ〜４４ａ 先端部
４０ｂ〜４４ｂ 後端部
４０ｃ〜４４ｃ 延長部
４０ｄ〜４４ｄ 外部接続用端子
４０ｘ〜４４ｘ カンチレバー保持部
４０ｙ〜４４ｙ 接続構造
１００、１００Ｂ 走査型プローブ顕微鏡
２００ 試料
２１０ （試料を浸漬する）溶液

Claims (14)

1. カンチレバーホルダのモジュール保持部の保持面に保持される走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーモジュールであって、
   先端に探針を有し自己の変位を検出するための変位検出手段を備えると共に該変位検出手段の検出用電極端子を備えたカンチレバーと、
   当該カンチレバーを保持する先端部と、前記検出用電極端子と電気的な接続構造にて接続された外部接続用端子を備えた後端部と、前記先端部及び前記後端部を繋ぐ延長部と、からなるカンチレバー保持部と、を備え、
   前記カンチレバーを除く先端部及び周壁部の表出している前記接続構造は、絶縁処理が施されており、
   前記延長部は、前記モジュール保持部を支持し走査型プローブ顕微鏡本体に固定され厚さ方向に貫通する開口を有するベース部において、前記試料側の前記開口を入口として前記後端部を挿入し、当該開口の出口付近において前記カンチレバー保持部を前記保持面に保持させ、前記先端部は前記開口入口から表出し得る長さであることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュール。
2. 前記接続構造は、前記カンチレバー保持部の前記先端部から前記後端部に連通する貫通孔と、前記貫通孔内に形成され前記検出用電極端子と前記外部接続用端子とに接続されるスルーホール導体又は前記貫通孔内に挿通され前記検出用電極端子と前記外部接続用端子とに接続される導線とを有する請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュール。
3. 前記接続構造は、前記カンチレバー保持部の前記先端部から前記後端部に至る周壁に形成され、前記検出用電極端子と前記外部接続用端子とに接続されるリード部を有する請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュール。
4. 前記外部接続用端子は、前記カンチレバー保持部の前記先端部から前記後端部に連通する貫通孔に挿入された金属ピンであり、前記金属ピンは前記検出用電極端子に接続されると共に前記カンチレバー保持部の後端部から突出するオス型端子をなす請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュール。
5. 前記外部接続用端子は、前記カンチレバー保持部の前記先端部から前記後端部に連通する貫通孔の前記先端部側に配置された金属端子であり、前記金属端子は前記検出用電極端子に接続されると共に、前記貫通孔に挿入される外部コネクタと接続するメス型端子をなす請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュール。
6. 前記カンチレバー保持部の後端部は、走査型プローブ顕微鏡本体に固定される際の位置を決める位置決めピン、又は前記走査型プローブ顕微鏡側の位置決めピンに嵌合されるピン孔を有する請求項１〜５のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュール。
7. 溶液中に載置した前記試料に対して、前記カンチレバーを溶液中に浸漬して使用するものである請求項１〜６のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュール。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュールを保持する走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ。
9. 前記保持面は、前記走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュールのオス型端子又はメス型端子に対応して嵌合するオス型端子又はメス型端子を有し、前記オス型端子又はメス型端子を嵌合することにより、前記走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュールが前記モジュール保持部に固定される請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ。
10. 前記保持面は、前記走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュールの位置決めピン又はピン孔に対応して嵌合する位置決めピン又はピン孔を有し、前記位置決めピン又はピン孔を嵌合することにより、前記走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュールが前記モジュール保持部に固定される請求項８又は９のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ。
11. 前記保持面は、前記走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーモジュールの外部接続用端子と電気的に接続される外部端子を有する請求項８〜１０のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ。
12. 前記モジュール保持部と前記ベース部との間に、前記カンチレバーを振動させるカンチレバー加振手段が介装されている請求項８〜１１のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ。
13. 前記ベース部は透過性部材からなり試料側に突出する突出部を有すると共に、前記突出部の先端は前記試料が浸漬された液体に接する平面部を有する請求項８〜１２のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ。
14. 請求項８〜１３のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダを備えた走査型プローブ顕微鏡。

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