JP5311405B2 - 振動体の周波数検出装置、原子間力顕微鏡、振動体の周波数検出方法およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、カンチレバーなどの振動体の共振周波数を検出する周波数検出装置、原子間力顕微鏡、振動体の周波数検出方法およびプログラムに関する。

周波数変調方式原子間力顕微鏡（Frequency-Modulation Atomic Force Microscope：略称ＦＭ−ＡＦＭ）は、カンチレバーなどの振動体の先端部に設けられるプローブと試料表面との距離に応じて変化するプローブと試料との間に働く力によって、振動体の共振周波数が変化するという原理を利用して、カンチレバーの共振周波数の変化から、プローブと試料表面との距離を測定するものである。

図１０は、第１の従来の技術である周波数検出装置９０を用いる周波数変調方式原子間力顕微鏡（以下「ＦＭ−ＡＦＭ」という）９の構成を模式的に示す図である。カンチレバー１１が共振する共振周波数は、カンチレバー１１に設けられたプローブ１２と試料表面３との距離に応じて変化する。共振周波数が変動するカンチレバー１１の変位は、変位検出計１４によって検出され、検出された変位を表す信号として周波数検出装置９０に送られる。周波数検出装置９０は、変位検出計１４から受け取る変位を表す信号から、共振周波数が変動する変動周波数Δｆを電圧で表す電気信号を生成し、制御コントローラ１５の距離制御部１５１に送る。

Ｚ軸方向移動部（図１０では「Ｚ ｐｉｅｚｏ」と記す）１６は、圧電素子によって構成され、距離制御部１５１の指示によって、試料２を載置するテーブル１８を鉛直方向、つまりＺ軸方向に移動し、プローブ１２の先端部と試料表面３との距離を変える。ＸＹ軸方向移動部（図１０では「ＸＹ ｐｉｅｚｏ」と記す）１７は、圧電素子によって構成され、ＸＹスキャン部１５２の指示によって、テーブル１８をＺ軸に直交する方向に移動し、試料表面３の全面の測定を可能とする。

距離制御部１５１は、周波数検出装置９０からの変動周波数Δｆを電圧で表す電気信号が一定の電圧になるように、すなわち、プローブ１２の先端部と試料表面３との距離が一定になるように、Ｚ軸方向移動部１６を制御する。制御コントローラ１５は、試料２がＸＹ軸方向に移動するとき、Ｚ軸方向のテーブル１８の位置、すなわちプローブ１２の先端部と試料表面３との距離を記憶しておき、記憶したＺ軸方向の位置をＸＹＺ座標系でプロットすることによって、試料表面３の凹凸を画像として出力することができる。

図１１は、周波数検出装置９０の構成を示す図である。変位検出計１４で検出された変動周波数Δｆを表す電気信号は、ヘテロダイン回路９１の入力端子２１１に入力される。混合器２１３は、入力端子２１１から入力され、ハイパスフィルタ（以下「ＨＰＦ」という）２１２を通して高周波成分のみとなった信号と、ローカル発振器２１４が生成する基準信号、たとえば４．２ＭＨｚの基準信号とを合成する。基準信号に合成された変動周波数Δｆの信号は、ＢＰＦ２２で必要な周波数成分のみにされ、比較器２３で矩形波の信号に変換されて、位相同期（Phase Locked Loop：略称ＰＬＬ）回路２４に送られる。

ＰＬＬ回路２４は、排他的論理和回路２４１によって、比較器２３からの矩形波の信号と電圧制御発振器（以下「ＶＣＸＯ」という）２４４からの信号との位相差を検出し、ＬＰＦ２４２によって、変動周波数Δｆを電圧で表す電気信号として、第１の出力端子から出力する。変動周波数Δｆを電圧で表す電気信号は、ラインフィルタ（以下「ＬＦ」という）２４３によって高周波成分のノイズが除去され、ＶＣＸＯ２４４に入力される。ＶＣＸＯ２４４は、水晶発振子を用いた発振器であり、入力される電圧に応じた周波数の矩形波の信号を出力する。

ＶＣＸＯ２４４からの矩形波の信号は、ＨＰＦ２６によって高周波成分のみとされ、混合器２７によって、ローカル発振器２１４からの基準信号と合成されて、基準信号の周波数成分が除かれる。基準信号の周波数成分が除かれた信号は、変動周波数Δｆの信号であり、ローパスフィルタ（以下「ＬＰＦ」という）２８によって低周波成分のみとされ、比較器２９で矩形波の信号に変換される。比較器２９で変換された矩形波の信号は、位相シフタ３０で所定の角度だけ位相が遅延され、可変利得増幅器（以下「ＶＧＡ」という）３１で利得が調整される。ＶＧＡ３１で利得が調整された信号は、増幅器３２で増幅されて、第２の出力端子から出力され、カンチレバー１１を振動させる図示しない圧電素子に正帰還され、カンチレバー１１の振動を継続させる。

図１２は、周波数検出装置９０の電圧特性を示す図である。図１３は、周波数検出装置９０の周波数特性を示す図である。電圧ＦＭ−ＯＵＴは、第１の出力端子２５から出力される電気信号の電圧であり、入力端子２１１から入力される入力信号の周波数が２９９，０００Ｈｚ付近から３００，５００Ｈｚ付近まで、入力信号の周波数にほぼ比例して上昇し、線形性が成立する。しかし、入力信号の周波数が２９９，０００Ｈｚ未満および３００，５００Ｈｚ以上では、線形性は成立しないため、プローブ１２の先端部と試料表面３との距離を測定することはできない。図１３に示した例は、図１２に示した電圧ＦＭ−ＯＵＴを周波数ＦＭ−ＯＵＴに変換した例である。周波数ＦＭ−ＯＵＴは、図１２に示した電圧ＦＭ−ＯＵＴと同様の傾向を示しており、入力信号の周波数が２９９，０００Ｈｚ未満および３００，５００Ｈｚ以上では、線形性は成立しない。

特許文献１に記載される第２の従来の技術である表面形状観測装置は、カンチレバーの振動変位を検出し、ＰＬＬ回路を介してフィードバックして、カンチレバーの振動振幅が一定になるように制御する。さらに、原子像などの観察対象物が見える前の段階で、ＰＬＬ回路のフィードバックループを開放状態にし、フィードバック信号を周波数信号から位相信号に切り換えて、高感度化を可能としている非接触原子間力顕微鏡である。

特許文献２に記載される第３の従来の技術である非接触原子間力顕微鏡は、カンチレバーの共振周波数をＰＬＬ方式の周波数変調（Frequency Modulation：略称ＦＭ）復調回路を介してフィードバックして、カンチレバーと試料との距離が一定になるように制御する。そして、コンピュータによって、フィードバックする信号を試料表面の凹凸像として映像化する。アプローチ時と走査時とでＦＭ復調回路のパラメータ、つまりＦＭ復調検出幅を変えることで、凹凸の大きな試料または凹凸の小さな試料を、それぞれに適した分解能で走査することができる。

特開２００４−２２６２３８号公報 特開２００８−３２４０５号公報

第１の従来の技術は、入力信号の周波数が２９９，０００Ｈｚ付近から３００，５００Ｈｚ付近までは、ＰＬＬ回路２４の線形性が成立するので、プローブ１２の先端部と試料表面３との距離を高感度で測定することができる。入力信号の周波数が２９９，０００Ｈｚ未満および３００，５００Ｈｚ以上では、線形性が成立しないため、プローブ１２の先端部と試料表面３との距離を正確に測定することはできない。また、共振周波数を検出する周波数範囲を広げるためには、電圧特性の傾きを小さくする必要がある。そうすると、周波数検出感度が小さくなり、ＳＮ比が悪くなる。ローカル発振器２１４の基準周波数の設定を変更することは、可能であるが、設定中にカンチレバー１１と試料２との衝突の発生を防止するために、カンチレバー１１と試料２とを離して設定の変更を行う必要があり、操作性が悪く、かつ時間もかかる。

第２の従来の技術は、ＰＬＬ回路を用いているが、高感度化のためにフィードバックループをオープン状態にするものであり、周波数検出範囲を広げることはできない。また、第３の従来の技術は、ＦＭ復調回路のＦＭ復調検出幅をアプローチ時と走査時とで変えるものであるが、走査時の周波数検出の範囲を広げることはできない。

本発明の目的は、振動体の共振周波数の検出感度を高く保ったまま、周波数検出範囲を広げることが可能な振動体の周波数検出装置、原子間力顕微鏡、振動体の周波数検出方法およびプログラムを提供することである。

本発明は、振動体が振動する周波数を検出する振動体の周波数検出装置であって、
制御信号に応じた周波数で発振する基準信号を生成し、生成した基準信号と振動体の振動による変位量を表す入力信号とを合成した合成信号を生成する生成部と、
生成部が生成した合成信号の周波数に応じた周波数で発振する発信信号を生成し、生成した発信信号と合成信号との位相差を検出し、検出した位相差に基づいて前記振動体の周波数を示す出力信号を出力する発信部と、
発信部が出力する出力信号が示す周波数が、入力信号の周波数との関係で線形性が成立する出力信号が示す周波数範囲の上限以上または下限以下となったとき、発信部が出力する出力信号が示す周波数が前記周波数範囲の上限未満かつ下限よりも高い周波数となるように基準信号の周波数を変化させる制御信号を生成部に出力する制御部とを含むことを特徴とする振動体の周波数検出装置である。

また本発明は、振動体が振動する周波数を検出する振動体の周波数検出装置であって、
制御信号に応じた周波数で発振する基準信号を生成し、生成した基準信号と振動体の振動による変位量を表す入力信号とを合成した合成信号を生成する生成部と、
生成部が生成した合成信号の周波数に応じた周波数で発振する発信信号を生成し、生成した発信信号と合成信号との位相差を検出し、検出した位相差に基づいて前記振動体の周波数を示す出力信号を出力する発信部と、
前記発信部が出力する出力信号が示す周波数が、入力信号の周波数との関係で線形性が成立する出力信号が示す周波数範囲で一定の周波数となるように基準信号の周波数を変化させる制御信号を生成部に出力する制御部とを含むことを特徴とする周波数検出装置である。

また本発明は、前記発信部は、前記振動体の周波数を電圧で示す出力信号を出力し、
前記制御部は、
前記出力信号の電圧が前記周波数範囲の上限の周波数を表す電圧以上になったとき、前記出力信号が示す周波数が前記周波数範囲の上限以上の周波数になったと判定し、
前記出力信号の電圧が前記周波数範囲の下限の周波数を表す電圧以下になったとき、前記出力信号が示す周波数が前記周波数範囲の下限以下の周波数になったと判定することを特徴とする。

また本発明は、前記振動体の周波数検出装置を備え、前記周波数検出装置によって検出される前記振動体の周波数に基づいて、試料表面と前記振動体との距離を測定することを特徴とする原子間力顕微鏡である。
また本発明は、前記振動体がカンチレバーであることを特徴とする。

また本発明は、制御信号に応じた周波数で発振する基準信号を生成し、生成した基準信号と振動体の振動による変位量を表す入力信号とを合成した合成信号を生成する生成部と、
生成部が生成した合成信号の周波数に応じた周波数で発振する発信信号を生成し、生成した発信信号と合成信号との位相差を検出し、検出した位相差に基づいて前記振動体の周波数を示す出力信号を出力する発信部とを含む振動体の周波数検出装置によって、振動体が振動する周波数を検出する振動体の周波数検出方法であって、
発信部が出力する出力信号が示す周波数が、入力信号の周波数との関係で線形性が成立する出力信号が示す周波数範囲の上限以上または下限以下となったとき、発信部が出力する出力信号が示す周波数が前記周波数範囲の上限未満かつ下限よりも高い周波数となるように基準信号の周波数を変化させる制御信号を生成部に出力する制御ステップを含むことを特徴とする振動体の周波数検出方法である。

また本発明は、振動体が振動する周波数を検出する振動体の周波数検出装置であって、制御信号に応じた周波数で発振する基準信号を生成し、生成した基準信号と振動体の振動による変位量を表す入力信号とを合成した合成信号を生成する生成部と、生成部が生成した合成信号の周波数に応じた周波数で発振する発信信号を生成し、生成した発信信号と合成信号との位相差を検出し、検出した位相差に基づいて前記振動体の周波数を示す出力信号を出力する発信部と、コンピュータとを含む振動体の周波数検出装置に含まれるコンピュータに、
発信部が出力する出力信号が示す周波数が、入力信号の周波数との関係で線形性が成立する出力信号が示す周波数範囲の上限以上または下限以下となったとき、発信部が出力する出力信号が示す周波数が前記周波数範囲の上限未満かつ下限よりも高い周波数となるように基準信号の周波数を変化させる制御信号を生成部に出力する制御ステップを実行させるためのプログラムである。

本発明によれば、振動体が振動する周波数を検出するにあたって、生成部によって、制御信号に応じた周波数で発振する基準信号が生成され、生成された基準信号と振動体の振動による変位量を表す入力信号とを合成した合成信号が生成される。発信部によって、生成部が生成した合成信号の周波数に応じた周波数で発振する発信信号が生成され、生成された発信信号と合成信号との位相差が検出され、検出された位相差に基づいて前記振動体の周波数を示す出力信号が出力される。そして、制御部によって、発信部が出力する出力信号が示す周波数が、入力信号の周波数との関係で線形性が成立する出力信号が示す周波数範囲の上限以上または下限以下となったとき、発信部が出力する出力信号が示す周波数が前記周波数範囲の上限未満かつ下限よりも高い周波数となるように基準信号の周波数を変化させる制御信号が生成部に出力される。

したがって、入力信号の周波数の範囲が、前記周波数範囲の上限または下限、たとえば高感度で検出することができる上限または下限に達したときに、基準信号の周波数を変化させることによって、高感度で検出することができる範囲を移動することができるので、振動体の共振周波数の検出感度を高く保ったまま、周波数検出範囲を広げることができる。また、前記周波数範囲は、入力信号の周波数との関係で線形性が成立する出力信号が示す周波数の周波数範囲に設定されるので、周波数範囲を線形性が成立する状態を維持したまま周波数検出範囲を広げることができる。

また本発明によれば、振動体が振動する周波数を検出するにあたって、生成部によって
、制御信号に応じた周波数で発振する基準信号が生成され、生成された基準信号と振動体の振動による変位量を表す入力信号とを合成した合成信号が生成される。発信部によって、生成部が生成した合成信号の周波数に応じた周波数で発振する発信信号が生成され、生成された発信信号と合成信号との位相差が検出され、検出された位相差に基づいて前記振動体の周波数を示す出力信号が出力される。そして、制御部によって、前記発信部が出力する出力信号が示す周波数が、入力信号の周波数との関係で線形性が成立する出力信号が示す周波数範囲で一定の周波数となるように基準信号の周波数を変化させる制御信号が生成部に出力される。

また本発明によれば、前記発信部によって、前記振動体の周波数を電圧で示す出力信号が出力される。そして、前記制御部によって、前記出力信号の電圧が前記周波数範囲の上限の周波数を表す電圧以上になったとき、前記出力信号が示す周波数が前記周波数範囲の上限以上の周波数になったと判定され、前記出力信号の電圧が前記周波数範囲の下限の周波数を表す電圧以下になったとき、前記出力信号が示す周波数が前記周波数範囲の下限以下の周波数になったと判定される。したがって、上限下限の判断を発信部が出力する出力信号の電圧に基づいて行うことができる。

また本発明によれば、振動体の周波数検出装置を備え、前記周波数検出装置によって検出される前記振動体の周波数に基づいて、試料表面と前記振動体との距離を測定するので、高感度で、かつ、広い周波数検出範囲で観測することができる原子間力顕微鏡を実現することができる。

また発明によれば、前記振動体は、カンチレバーであるので、カンチレバーによる試料の観測に適用することができる。

また本発明によれば、制御信号に応じた周波数で発振する基準信号を生成し、生成した基準信号と振動体の振動による変位量を表す入力信号とを合成した合成信号を生成する生成部と、生成部が生成した合成信号の周波数に応じた周波数で発振する発信信号を生成し、生成した発信信号と合成信号との位相差を検出し、検出した位相差に基づいて前記振動体の周波数を示す出力信号を出力する発信部とを含む振動体の周波数検出装置によって、振動体が振動する周波数を検出するにあたって、制御ステップでは、発信部が出力する出力信号が示す周波数が、入力信号の周波数との関係で線形性が成立する出力信号が示す周波数範囲の上限以上または下限以下となったとき、発信部が出力する出力信号が示す周波数が前記周波数範囲の上限未満かつ下限よりも高い周波数となるように基準信号の周波数を変化させる制御信号を生成部に出力する。

したがって、入力信号の周波数の範囲が、前記周波数範囲の上限または下限、たとえば高感度で検出することができる上限または下限に達したときに、基準信号の周波数を変化させることによって、高感度で検出することができる範囲を移動することができるので、振動体の共振周波数の検出感度を高く保ったまま、広い周波数検出範囲で検出することができる。また、前記周波数範囲は、入力信号の周波数との関係で線形性が成立する出力信号が示す周波数の周波数範囲に設定されるので、周波数範囲を線形性が成立する状態を維持したまま周波数検出範囲を広げることができる。

また本発明によれば、振動体の周波数検出装置に含まれるコンピュータに、発信部が出力する出力信号が示す周波数が、入力信号の周波数との関係で線形性が成立する出力信号が示す周波数範囲の上限以上または下限以下となったとき、発信部が出力する出力信号が示す周波数が前記周波数範囲の上限未満かつ下限よりも高い周波数となるように基準信号の周波数を変化させる制御信号を生成部に出力する制御ステップを実行させるためのプログラムとして提供することができる。

本発明の一実施形態である周波数検出装置１０を用いる周波数変調方式原子間力顕微鏡１の構成を模式的に示す図である。 周波数検出装置１０の構成を示すブロック図である。 条件判断装置４０の回路構成を示す図である。 周波数検出装置１０の電圧特性を示す図である。 周波数検出装置１０の周波数特性を示す図である。 ローカル発振器２１４が出力する基準信号の周波数の切り換えを示す図である。 周波数検出装置１０の改善された周波数特性を示す図である。 クリープ現象によるＺ軸方向移動部１６を構成する圧電素子の厚みの経時変化を示す図である。 条件判断装置４０による条件判断処理を示すフローチャートである。 第１の従来の技術である周波数検出装置９０を用いる周波数変調方式原子間力顕微鏡９の構成を模式的に示す図である。 周波数検出装置９０の構成を示す図である。 周波数検出装置９０の電圧特性を示す図である。 周波数検出装置９０の周波数特性を示す図である。

図１は、本発明の一実施形態である周波数検出装置１０を用いる周波数変調方式原子間力顕微鏡（Frequency-Modulation Atomic Force Microscope：略称ＦＭ−ＡＦＭ）１の構成を模式的に示す図である。ＦＭ−ＡＦＭ１は、カンチレバー１１、変位検出計１４、周波数検出装置１０、制御コントローラ１５、Ｚ軸方向移動部（図１では「Ｚ ｐｉｅｚｏ」と記す）１６、ＸＹ軸方向移動部（図１では「ＸＹ ｐｉｅｚｏ」と記す）１７およびテーブル１８を含んで構成される。本発明に係る振動体の周波数検出方法は、周波数検出装置１０で処理される。

振動体であるカンチレバー１１は、一端がＦＭ−ＡＦＭ１の図示しない筐体に支持され、他端にプローブ１２が設けられる。カンチレバー１１は、図示しない圧電素子によって、プローブ１２が試料２に近接および離反する方向に振動される。カンチレバー１１の共振周波数は、プローブ１２の先端部と試料表面３との距離によって変化する。これは、プローブ１２の先端部と試料表面３との間に働く原子間力が、距離によって変化するためである。カンチレバー１１の共振周波数ｆは、図示しない圧電素子によるカンチレバー１１の共振周波数をｆ０とし、プローブ１２の先端部と試料表面３との距離によって変動する変動分の変動周波数をΔｆとすると、ｆ＝ｆ０＋Δｆである。

変位検出計１４は、共振周波数ｆで振動するカンチレバー１１の変位量を、たとえばレーザ光を利用して検出し、検出した変位量を表す電気信号を生成し、生成した電気信号を入力信号として周波数検出装置１０に送る。

試料２は、Ｚ軸方向移動部１６の鉛直方向上部に固定されるテーブル１８に載置される。Ｚ軸方向移動部１６は、たとえば圧電素子によって構成され、距離制御部１５１から指示される電圧に応じて、テーブル１８をＺ軸方向に移動する。Ｚ軸方向は、鉛直方向であり、テーブル１８の面のうち試料２が載置される平面に垂直な方向であり、ＸＹ軸は、Ｚ軸方向に直交する平面上の座標軸である。ＸＹ軸方向移動部１７は、たとえば圧電素子によって構成され、ＸＹスキャン部１５２から指示される電圧に応じて、Ｚ軸方向移動部１６をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動する。

周波数検出装置１０は、変位検出計１４から受け取る入力信号に基づいて、変動周波数Δｆを電圧で表す電気信号を生成し、生成した電気信号を出力信号として制御コントローラ１５に送る。周波数検出装置１０については、図２で詳述する。

制御コントローラ１５は、距離制御部１５１およびＸＹスキャン部１５２を含んで構成される。距離制御部１５１は、周波数検出装置１０から受け取る出力信号、つまり変動周波数Δｆを電圧で表す電気信号が一定の電圧になるように、すなわち、プローブ１２の先端部と試料表面３との距離が一定になるように、Ｚ軸方向移動部１６を制御する。Ｚ軸方向移動部１６は、距離制御部１５１からの指示に応じて、テーブル１８を上下し、プローブ１２の先端部と試料表面３との距離を一定に保つ。

ＸＹスキャン部１５２は、テーブル１８をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動し、試料表面３の全面を走査するように、ＸＹ軸方向移動部１７を制御する。制御コントローラ１５は、テーブル１８がＸＹ軸方向に移動するとき、プローブ１２の先端部と試料表面３との距離が一定になるように、すなわち、プローブ１２の先端部が試料表面３に対して、仮想線１９の位置になるようにＺ軸方向移動部１６を制御する。制御コントローラ１５は、プローブ１２の先端部と試料表面３との距離が一定になるＺ軸方向のテーブル１８の位置を記憶する。そして、記憶したＺ軸方向の位置をＸＹＺ軸の座標系でプロットすることによって、試料表面３の凹凸を画像として出力することができる。

図２は、周波数検出装置１０の構成を示すブロック図である。周波数検出装置１０は、ヘテロダイン回路２１、バンドパスフィルタ（以下「ＢＰＦ」という）２２、比較器２３、位相同期（Phase Locked Loop：略称ＰＬＬ）回路２４、第１の出力端子２５、ハイパスフィルタ（以下「ＨＰＦ」という）２６、混合器２７、ローパスフィルタ（以下「ＬＰＦ」という）２８、比較器２９、位相シフタ３０、可変利得増幅器（以下「ＶＧＡ」という）３１、増幅器３２および第２の出力端子３３を含んで構成される。

生成部であるヘテロダイン回路２１は、入力端子２１１、ＨＰＦ２１２、混合器２１３およびローカル発振器２１４を含んで構成される。入力端子２１１は、変位検出計１４からの電気信号が入力信号として入力される端子である。ＨＰＦ２１２は、入力端子２１１からの入力信号に含まれる周波数成分のうち高周波成分のみを通過させるフィルタである。ＨＰＦ２１２を通過した信号は、混合器２１３に送られる。ＨＰＦ２１２を通過する高周波成分には、カンチレバー１１の共振周波数が含まれる。

ローカル発振器２１４は、制御信号５０に応じた周波数で発振する正弦波の基準信号を生成し、生成した基準信号を混合器２１３および混合器２７に送る。ローカル発振器２１４は、制御信号５０が指示されていないとき、予め定める周波数、たとえば４．２ＭＨｚの周波数の基準信号を出力する。ローカル発振器２１４は、上限であることを示す制御信号５０を受け取ると、基準信号の周波数を予め定める周波数、たとえば６６６Ｈｚ下げ、下限であることを示す制御信号５０を受け取ると、基準信号の周波数を予め定める周波数、たとえば６６６Ｈｚ上げる。上限であることおよび下限であることについては、後述する。

混合器２１３は、ＨＰＦ２１２を通過した信号と、ローカル発振器２１４からの基準信号とを合成する。具体的には、ＨＰＦ２１２を通過した信号を基準信号で周波数変調する。混合器２１３は、合成した合成信号をＢＰＦ２２に送る。ＢＰＦ２２は、所定の帯域幅の周波数成分のみを通過させるフィルタであり、所定の帯域幅の周波数成分以外の残余の周波数成分が除去された信号が比較器２３に送られる。所定の帯域幅は、合成信号の周波数を通過させる帯域である。

比較器２３は、ヒステリシスを有する比較器であり、入力される信号の電圧が上昇するとき、入力される信号の電圧が予め定める第１の基準電圧に一致すると、ハイレベルの信号を出力し、入力される信号の電圧が低下するとき、入力される信号の電圧が予め定める第１の基準電圧よりも低い予め定める第２の電圧に一致すると、ローレベルの信号を出力する。すなわち、比較器２３は、入力される信号を矩形波の信号に変換する。比較器２３は、変換した矩形波の信号をＰＬＬ回路２４に送る。

発信部であるＰＬＬ回路２４は、排他的論理和回路２４１、ＬＰＦ２４２、ラインフィルタ（以下「ＬＦ」という）２４３および電圧制御発振器（以下「ＶＣＸＯ」という）２４４を含んで構成される。排他的論理和回路２４１は、比較器２３から受け取る矩形波の信号と、ＶＣＸＯ２４４から受け取る矩形波の信号との排他的論理和を出力する。具体的には、比較器２３から受け取る矩形波の信号とＶＣＸＯ２４４から受け取る矩形波の信号とがともに、ハイレベルのとき、またはローレベルのとき、ローレベルの信号を出力し、比較器２３から受け取る矩形波の信号がハイレベルでＶＣＸＯ２４４から受け取る矩形波の信号がローレベルのとき、または比較器２３から受け取る矩形波の信号がローレベルでＶＣＸＯ２４４から受け取る矩形波の信号がハイレベルのとき、ハイレベルの信号を出力する。すなわち、比較器２３から受け取る矩形波の信号と、ＶＣＸＯ２４４から受け取る矩形波の信号とに位相差があると、変動周波数Δｆに比例する位相幅のハイレベルの信号を出力する。

ＬＰＦ２４２は、排他的論理和回路２４１から受け取る信号の低周波成分のみを通過させるフィルタ、たとえば抵抗素子とコンデンサとからなる積分回路によって構成されるフィルタである。排他的論理和回路２４１から受け取る信号は、比較器２３から受け取る矩形波の信号と、ＶＣＸＯ２４４から受け取る矩形波の信号との位相差を表す信号であり、ＬＰＦ２４２は、その位相差を積分することになる。すなわち、ＬＰＦ２４２は、変動周波数Δｆによる位相差を積分して、変動周波数Δｆを電圧で表わす電気信号として、第１の出力端子２５から出力するとともに、その電気信号をＬＦ２４３および条件判断装置４０に送る。ＬＦ２４３は、ＬＰＦ２４２から受け取る信号の高周波成分のノイズを除去し、高周波成分のノイズを除去した信号をＶＣＸＯ２４４に送る。変動周波数Δｆは、振動体の周波数、つまりカンチレバー１１の周波数である。

ＶＣＸＯ２４４は、水晶発振子を用いる電圧制御発振器であり、入力される電気信号の電圧に比例する周波数の矩形波の信号を生成する。ＶＣＸＯ２４４は、水晶発振子を用いない電圧制御発振器（以下「ＶＣＯ」という）に比較して、位相ノイズが少ないという利点と、温度特性がよい、つまり周波数の温度ドリフトが小さいという利点とがある。ＶＣＸＯ２４４は、生成した矩形波の信号を排他的論理和回路２４１およびＨＰＦ２６に送る。入力される電気信号の電圧に比例する周波数の矩形波の信号は、発信信号に相当する。

ＨＰＦ２６は、ＶＣＸＯ２４４から受け取る矩形波の信号の高周波成分を通過し、高周波成分を除く残余の周波数成分を除去した信号を混合器２７に送る。混合器２７は、ＨＰＦ２６から受け取る信号と、ローカル発振器２１４からの基準信号とを合成する。具体的には、ＨＰＦ２６を通過した信号の周波数成分から基準信号の周波数成分を除去し、復調する。すなわち、混合器２７は、入力端子に入力された入力信号、つまり変動周波数ΔｆからＰＬＬ回路２４によって高周波成分が除去された変動周波数Δｆで発振する信号をＬＰＦ２８に送る。ＬＰＦ２８は、混合器２７から受け取る信号の低周波成分を通過し、比較器２９に送る。比較器２９は、ヒステリシスを有する比較器であり、入力される信号を矩形波の信号に変換し、変換した矩形波の信号を位相シフタ３０に送る。

位相シフタ３０は、比較器２９から受け取る矩形波の信号の位相を所定の角度だけ遅延し、位相を遅延した矩形波の信号をＶＧＡ３１に送る。ＶＧＡ３１は、位相シフタ３０から受け取る信号の利得を調整し、利得を調整した信号を増幅器３２に送る。増幅器３２は、ＶＧＡ３１から受け取る信号の出力を増幅し、増幅した信号を第２の出力端子から出力する。第２の出力端子から出力される信号は、カンチレバー１１を振動させる前述の図示しない圧電素子に正帰還され、カンチレバー１１の振動を継続させる。

図３は、条件判断装置４０の回路構成を示す図である。制御部である条件判断装置４０は、比較器４１，４２、および接続端子４３〜４７を含んで構成される。接続端子４３は、第１の出力端子２５に接続され、ＬＰＦ２４２からの電気信号、つまり変動周波数Δｆを電圧で表わす電気信号が入力される。比較器４１は、非反転入力端子が接続端子４３に接続され、反転入力端子が接続端子４４に接続され、出力端子が接続端子４６に接続されている。比較器４２は、非反転入力端子が接続端子４５に接続され、反転入力端子が接続端子４３に接続され、出力端子が接続端子４７に接続されている。

接続端子４４は、上限設定値を表す電圧が入力され、接続端子４５は、下限設定値を表す電圧が入力される。上限設定値を表す電圧および下限設定値を表す電圧は、たとえば比較器４１，４２に供給される直流電圧を抵抗素子で分圧して生成される。

比較器４１は、接続端子４３に入力される電気信号の電圧が上限設定値を表す電圧以上であると、接続端子４６からハイレベルの信号を出力し、接続端子４３に入力される電気信号の電圧が上限設定値を表す電圧未満であると、接続端子４６からローレベルの信号を出力する。すなわち、接続端子４６から出力される信号は、ハイレベルのときに、変動周波数Δｆが上限値に一致したことを示す。

比較器４２は、接続端子４３に入力される電気信号の電圧が下限設定値を表す電圧よりも高いと、接続端子４７からローレベルの信号を出力し、接続端子４３に入力される電気信号の電圧が下限設定値を表す電圧以下であると、接続端子４７からハイレベルの信号を出力する。すなわち、接続端子４７から出力される信号は、ハイレベルのときに、変動周波数Δｆが下限値に一致したことを示す。

上限信号および下限信号は、制御信号５０を構成し、ローカル発振器２１４に送られる。ローカル発振器２１４は、上限信号がハイレベルになると、上限であることを示す制御信号５０を受け取ったと判断し、基準信号の周波数を予め定める周波数、たとえば６６６Ｈｚ下げる。また、下限信号がローレベルになると、下限であることを示す制御信号５０を受け取ったと判断し、基準信号の周波数を予め定める周波数、たとえば６６６Ｈｚ上げる。６６６Ｈｚは、予め定める周波数範囲である。上限設定値を表す電圧は、予め定める周波数範囲の上限を表す電圧であり、下限設定値を表す電圧は、予め定める周波数範囲の下限を表す電圧である。

図４は、周波数検出装置１０の電圧特性を示す図である。横軸が入力端子２１１に入力される入力信号の周波数（Ｈｚ）であり、縦軸が第１の出力端子２５の電圧である電圧ＦＭ−ＯＵＴ（Ｖ）である。図４に示した例は、上限設定値を２Ｖ、下限設定値を−２Ｖに設定したときの例である。

図４では、電圧ＦＭ−ＯＵＴは、たとえば入力信号の周波数が２９９，０００Ｈｚのとき、約−２Ｖである。電圧ＦＭ−ＯＵＴは、入力信号の周波数が２９９，０００Ｈｚから上昇し、２９９，６６６Ｈｚになるまで、比例して上昇する。電圧ＦＭ−ＯＵＴは、入力信号の周波数が２９９，６６６Ｈｚになると、約２Ｖになる。すなわち、電圧ＦＭ−ＯＵＴは、入力信号の周波数が約６６６Ｈｚ上昇する間に、約−２Ｖから約２Ｖまで比例して上昇する。

条件判断装置４０は、電圧ＦＭ−ＯＵＴが２Ｖになると、ローカル発振器２１４の基準周波数を６６６Ｈｚ下げるので、電圧ＦＭ−ＯＵＴの電圧は、約２Ｖから約−２Ｖまで急激に下降する。以降、入力信号の周波数が６６６Ｈｚ上昇するごとに、ローカル発振器２１４の基準周波数を６６６Ｈｚ下げるので、電圧ＦＭ−ＯＵＴは、約２Ｖから約−２Ｖまで急激に下降する。

図５は、周波数検出装置１０の周波数特性を示す図である。横軸が入力端子２１１に入力される入力信号の周波数（Ｈｚ）であり、縦軸が第１の出力端子２５の電圧を周波数に換算した周波数ＦＭ−ＯＵＴ（Ｈｚ）である。図５に示した例は、図４に示した電圧ＦＭ−ＯＵＴを周波数ＦＭ−ＯＵＴに変換した例である。

図５では、周波数ＦＭ−ＯＵＴは、たとえば入力信号の周波数が２９９，０００Ｈｚのとき、約−３００Ｈｚであり、入力信号の周波数が上昇すると、入力信号の周波数が２９９，６６６Ｈｚになるまで、比例して上昇し、入力信号の周波数が２９９，６６６Ｈｚになると、約３５０Ｈｚになる。

条件判断装置４０は、電圧ＦＭ−ＯＵＴが２Ｖになると、ローカル発振器２１４の基準周波数を６６６Ｈｚ下げるので、周波数ＦＭ−ＯＵＴは、約−３００Ｈｚまで急激に下降する。以降、入力信号の周波数が６６６Ｈｚ上昇するごとに、ローカル発振器２１４の基準信号の周波数を６６６Ｈｚ下げるので、周波数ＦＭ−ＯＵＴは、約−３００Ｈｚまで急激に下降する。

図６は、ローカル発振器２１４が出力する基準信号の周波数の切り換えを示す図である。横軸が入力端子２１１に入力される入力信号の周波数（Ｈｚ）であり、縦軸がローカル発振器２１４（図６では、「Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ」と記す）の周波数（Ｈｚ）である。

たとえば、ローカル発振器２１４の周波数は、入力信号の周波数が２９９，０００Ｈｚから２９９，６６６Ｈｚまでの間、４，２００，０００Ｈｚ、つまり４．２ＭＨｚである。入力信号の周波数が２９９，６６６Ｈｚ近辺で、電圧ＦＭ−ＯＵＴが２Ｖになると、条件判断装置４０は、ローカル発振器２１４の基準周波数を６６６Ｈｚ下げるので、ローカル発振器２１４の周波数は、４，１９９，３３４Ｈｚになり、電圧ＦＭ−ＯＵＴが−２Ｖまで下がる。以後、電圧ＦＭ−ＯＵＴが上昇し、電圧ＦＭ−ＯＵＴが２Ｖになるごとに、条件判断装置４０は、ローカル発振器２１４の基準周波数を６６６Ｈｚ下げる。逆に、電圧ＦＭ−ＯＵＴが低下するときは、電圧ＦＭ−ＯＵＴが−２Ｖになるごとに、条件判断装置４０は、ローカル発振器２１４の基準周波数を６６６Ｈｚ上げる。

図７は、周波数検出装置１０の改善された周波数特性を示す図である。図５に示した周波数特性では、入力信号の周波数が６６６Ｈｚ上昇するごとに、周波数ＦＭ−ＯＵＴの周波数が６６６Ｈｚ下がるのこぎり状の特性であるが、入力信号の周波数が６６６Ｈｚ上昇するごとに条件判断装置４０がローカル発振器２１４の基準周波数を６６６Ｈｚ下げるので、周波数ＦＭ−ＯＵＴの周波数は、見かけ上直線的に上昇し、２９８，０００Ｈｚ〜３０２，０００Ｈｚの範囲で線形性が成立している。

すなわち、入力信号の周波数が６６６Ｈｚ上昇するごとにローカル発振器２１４の基準周波数を６６６Ｈｚ下げるので、感度を保ったまま、ＦＭ−ＯＵＴの周波数検出範囲を広くすることができる。ここでローカル発振器２１４の基準信号の補正量は、電圧ＦＭ−ＯＵＴが設定範囲内になる値であればよい。

図８は、クリープ現象によるＺ軸方向移動部１６を構成する圧電素子の厚みの経時変化を示す図である。横軸は時刻（図８では「Ｔｉｍｅ」と記す：単位は秒（ｓ））であり、縦軸はＺ軸方向を制御する圧電素子への印加電圧（図８では「Ｚ ｏｕｔｐｕｔ」と記す：単位はボルト（Ｖ））である。ローカル発振器２１４の周波数の調整を手動で行う場合、カンチレバー１１を試料２から離して調整を行わなければならない。近接させたまま調整を行うと、カンチレバー１１と試料２とが接触し、プローブ１２あるいは試料２を損傷する可能性がある。

ローカル発振器２１４の周波数の調整が手動でカンチレバー１１を試料２から離した状態で調整され、カンチレバー１１を試料２に近接させた後、Ｚ軸方向移動部１６の圧電素子は、圧電素子の厚さが経時変化するクリープ現象が発生する。時刻１５０秒から時刻１８０秒までの期間Ｔｒに圧電素子を縮ませてプローブを試料から離して手動で調整し、時刻１８０秒にカンチレバー１１を試料２に近接させたとき、圧電素子への印加電圧は約−７５Ｖである。カンチレバー１１を試料２に近接させた後、時刻１８０秒から時刻５３５秒までの期間Ｔｚに、圧電素子への印加電圧は、約−７５Ｖから約−６４Ｖまで幾何級数的に絶対値が減少している。期間Ｔｚでは、圧電素子の伸びはほぼ一定となるが、クリープ現象のため圧電素子を伸ばすのに必要な印加電圧の絶対値は徐々に減少する。

ＦＭ−ＡＦＭ１は、共振周波数が変化して、従来の技術であるＦＭ−ＡＦＭ９では測定できない限界を超えても、周波数検出装置１０がローカル発振器２１４の基準信号の周波数を切り換えるので、ローカル発振器２１４の周波数の調整を手動で行う必要がない。したがって、クリープ現象による変化が安定するまで待つ必要がなく、測定時間を短縮することができる。また、手動による調整が不要になるので、操作性が格段に向上する。

図９は、条件判断装置４０による条件判断処理を示すフローチャートである。カンチレバー１１を試料２に近づける動作が開始されると、ステップＡ１に移る。

ステップＡ１では、条件判断装置４０は、ＰＬＬ回路２４からの変動周波数Δｆを示す電気信号の電圧（以下「ＰＬＬの出力」という）を取り込む。ステップＡ２では、条件判断装置４０は、ＰＬＬの出力が設定範囲内か否かを判定する。ＰＬＬの出力が上限設定値の電圧未満であり、かつ下限設定値の電圧よりも高いと、ＰＬＬの出力が設定範囲内であると判定し、ステップＡ５に進む。ＰＬＬの出力が上限設定値の電圧以上、または下限設定値の電圧以下であると、ＰＬＬの出力が設定範囲内でないと判定し、ステップＡ３に進む。

ステップＡ３では、条件判断装置４０は、ＰＬＬの出力が上限に一致するか否かを判定する。ＰＬＬの出力が上限設定値以上になると、変動周波数Δｆが上限に一致した、つまりＰＬＬの出力が上限に一致したと判定し、ステップＡ６に進み、ＰＬＬの出力が上限設定値の電圧以上でないと、変動周波数Δｆが上限に一致しなかった、つまりＰＬＬの出力が上限に一致しなかったと判定し、ステップＡ４に進む。ステップＡ４では、条件判断装置４０は、ＰＬＬの出力が下限に一致するか否かを判定する。ＰＬＬの出力が下限設定値の電圧以下になると、変動周波数Δｆが下限に一致した、つまりＰＬＬの出力が下限に一致したと判定し、ステップＡ７に進み、ＰＬＬの出力が下限設定値の電圧以下でないと、変動周波数Δｆが下限に一致しなかった、つまりＰＬＬの出力が下限に一致しなかったと判定し、ステップＡ５に進む。

ステップＡ５では、条件判断装置４０は、終了であるか否かを判定する。条件判断装置４０は、ＸＹスキャン部１５２から試料表面３の全面の走査が完了したことを知らされると、終了であると判定し、条件判断処理を終了する。ＸＹスキャン部１５２から試料表面３の全面の走査が完了したことを知らされていないと、終了でないと判定し、ステップＡ１に戻る。

ステップＡ６では、条件判断装置４０は、ローカル発振器２１４の基準信号の周波数を所定値分、たとえば６６６Ｈｚ下げて、ステップＡ５に進む。ステップＡ７では、条件判断装置４０は、ローカル発振器２１４の基準信号の周波数を所定値分、たとえば６６６Ｈｚ上げて、ステップＡ５に進む。ステップＡ３，Ａ６は、第１の制御ステップに相当し、ステップＡ４，Ａ７は、第２の制御ステップに相当する。

上述した実施形態では、Ｚ軸方向移動部１６によって、プローブ１２の先端部と試料表面３との距離を変化させたが、これに限定されるものではない。たとえば、Ｚ軸方向移動部に代えて、カンチレバー１１全体をＺ軸方向に移動させる圧電素子からなるカンチレバー移動部を設け、距離制御部１５１は、カンチレバー移動部を制御して、プローブ１２の先端部と試料表面３との距離を変化させてもよい。あるいは、Ｚ軸方向移動部１６とカンチレバー移動部とを両方用いて制御することも可能である。

また、上述した実施形態では、条件判断装置４０を、比較器４１，４２を用いて構成したが、図９に示した条件判断処理を行うプログラムを記憶する記憶装置と、記憶装置に記憶される条件判断処理を行うプログラムを実行する中央処理装置（以下「ＣＰＵ」という）とによって構成してもよい。記憶装置は、条件判断処理を行うプログラムを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）などの半導体メモリであってもよいし、ＲＡＭ（Random
Access Memory）などの半導体メモリであってもよい。ＲＡＭの場合は、他の装置に記憶される条件判断処理を行うプログラムを、通信回線を介してダウンロードしてＲＡＭに記憶するか、あるいは着脱可能な記録媒体に記憶される条件判断処理を行うプログラムを読み込んでＲＡＭに記憶する構成としてもよい。

また、上述した実施形態では、周波数検出装置１０をＦＭ−ＡＦＭ１に用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、たとえば周波数検出装置１０は、水晶発振子などの振動体に析出する膜厚を測定する場合など、周波数が変動する振動体の周波数変化を検出する装置にも広く適用することができる。水晶発振子などの振動体に析出する膜厚を測定する装置に適用する場合は、連続長時間の自動測定が可能となる。

また、上述した実施形態では、周波数検出回路１０のヘテロダイン回路２１では、混合器２１３によって、ＨＰＦ２１２を通過した入力信号とローカル発振器２１４からの基準信号とを合成するとき、基準信号の周波数に入力信号の周波数を加算したものを用いているが、基準信号の周波数から入力信号の周波数を減算したものを用いてもよい。この場合、接続端子４３に入力される電気信号の電圧が上限設定値を表す電圧以上であると、条件判断装置４０からの指示によって、ローカル発振器２１４は、基準信号の周波数を予め定める周波数、たとえば６６６Ｈｚ上げる。また、接続端子４３に入力される電気信号の電圧が下限設定値を表す電圧以下であると、条件判断装置４０からの指示によって、ローカル発振器２１４は、基準信号の周波数を予め定める周波数、たとえば６６６Ｈｚ下げる。

また、上述した実施形態では、条件判断装置４０は、接続端子４３に入力される電気信号の電圧が、上限設定値を表す電圧以上または下限設定値を表す電圧以下になると、基準信号の周波数を予め定める周波数分上下するように制御しているが、接続端子４３に入力される電気信号の電圧が、上限設定値未満かつ下限設定値より高い範囲で一定の電圧になるように、すなわち接続端子４３に入力される電気信号の電圧が示す周波数が一定の周波数になるように、基準信号の周波数を変化させてもよい。

このように、振動体、たとえばカンチレバー１１が振動する周波数を検出するにあたって、ヘテロダイン回路２１によって、制御信号５０に応じた周波数で発振する基準信号が生成され、生成された基準信号とカンチレバー１１の振動による変位量を表す入力信号とを合成した合成信号が生成される。ＰＬＬ回路２４によって、ヘテロダイン回路２１が生成した合成信号の周波数に応じた周波数で発振する発信信号、すなわち入力される電気信号の電圧に比例する周波数の矩形波の信号が生成され、生成された発信信号と合成信号との位相差が検出され、検出された位相差に基づいてカンチレバー１１の周波数を示す出力信号が出力される。そして、条件判断装置４０によって、ＰＬＬ回路２４が出力する出力信号が示す周波数が、予め定める周波数範囲の上限以上または下限以下となったとき、ＰＬＬ回路２４が出力する出力信号が示す周波数が前記予め定める周波数範囲の上限未満かつ下限よりも高い周波数となるように基準信号の周波数を変化させる制御信号５０がヘテロダイン回路２１に出力される。したがって、入力信号の周波数の範囲が、予め定める周波数範囲の上限または下限、たとえば高感度で検出することができる上限または下限に達したときに、基準信号の周波数を変化させることによって、高感度で検出することができる範囲を移動することができるので、カンチレバー１１の共振周波数の検出感度を高く保ったまま、周波数検出範囲を広くすることができる。

さらに、振動体、たとえばカンチレバー１１が振動する周波数を検出するにあたって、ヘテロダイン回路２１によって、制御信号５０に応じた周波数で発振する基準信号が生成され、生成された基準信号とカンチレバー１１の振動による変位量を表す入力信号とを合成した合成信号が生成される。ＰＬＬ回路２４によって、ヘテロダイン回路２１が生成した合成信号の周波数に応じた周波数で発振する発信信号が生成され、生成された発信信号と合成信号との位相差が検出され、検出された位相差に基づいてカンチレバー１１の周波数を示す出力信号が出力される。そして、条件判断装置４０によって、ＰＬＬ回路２４が出力する出力信号が示す周波数が予め定める周波数となるように基準信号の周波数を変化させる制御信号５０がヘテロダイン回路２１に出力される。

さらに、前記予め定める周波数範囲は、入力信号の周波数との関係で線形性が成立する出力信号が示す周波数の周波数範囲に設定されるので、線形性が成立する状態を維持したまま、周波数検出範囲を広くすることができる。

さらに、ＰＬＬ回路２４は、カンチレバー１１の周波数を電圧で示す出力信号が出力される。そして、条件判断装置４０によって、前記出力信号の電圧が予め定める周波数範囲の上限の周波数を表す電圧以上になったとき、前記出力信号が示す周波数が予め定める周波数範囲の上限以上の周波数になったと判定され、前記出力信号の電圧が予め定める周波数範囲の下限の周波数を表す電圧以下になったとき、前記出力信号が示す周波数が予め定める周波数範囲の下限以下の周波数になったと判定される。したがって、上限下限の判断をＰＬＬ回路部２４が出力する出力信号の電圧に基づいて行うことができる。

さらに、周波数検出装置１０を備え、周波数検出装置１０によって検出される前記振動体、たとえばカンチレバー１１の周波数に基づいて、試料表面３と前記振動体との距離を測定するので、高感度で、かつ、広い周波数検出範囲で観測することができるＦＭ−ＡＦＭ１を実現することができる。

さらに、振動体は、カンチレバー１１であるので、カンチレバー１１による試料２の観測に適用することができる。

さらに、制御信号５０に応じた周波数で発振する基準信号を生成し、生成した基準信号とカンチレバー１１の振動による変位量を表す入力信号とを合成した合成信号を生成するヘテロダイン回路２１と、ヘテロダイン回路２１が生成した合成信号の周波数に応じた周波数で発振する発信信号を生成し、生成した発信信号と合成信号との位相差を検出し、検出した位相差に基づいてカンチレバー１１の周波数を示す出力信号を出力するＰＬＬ回路２４とを含む周波数検出装置１０によって、カンチレバー１１が振動する周波数を検出するにあたって、図９に示したステップＡ３，Ａ４，Ａ６，Ａ７では、ＰＬＬ回路２４が出力する出力信号が示す周波数が、予め定める周波数範囲の上限以上または下限以下となったとき、ＰＬＬ回路２４が出力する出力信号が示す周波数が前記予め定める周波数範囲の上限未満かつ下限よりも高い周波数となるように基準信号の周波数を変化させる制御信号５０をヘテロダイン回路２１に出力する。

したがって、入力信号の周波数の範囲が、予め定める周波数範囲の上限または下限、たとえば高感度で検出することができる上限または下限に達したときに、基準信号の周波数を変化させることによって、高感度で検出することができる範囲を移動することができるので、カンチレバー１１の共振周波数の検出感度を高く保ったまま、広い周波数検出範囲で検出することができる。

さらに、条件判断装置４０のＣＰＵに、ＰＬＬ回路２４が出力する出力信号が示す周波数が、予め定める周波数範囲の上限以上または下限以下となったとき、ＰＬＬ回路２４が出力する出力信号が示す周波数が前記予め定める周波数範囲の上限未満かつ下限よりも高い周波数となるように基準信号の周波数を変化させる制御信号５０をヘテロダイン回路２１に出力する図９に示したステップＡ３，Ａ４，Ａ６，Ａ７とを実行させるためのプログラムとして提供することができる。

１，９ ＦＭ−ＡＦＭ
２ 試料
３ 試料表面
１０，９０ 周波数検出装置
１１ カンチレバー
１２ プローブ
１４ 変位検出計
１５ 制御コントローラ
１６ Ｚ軸方向移動部
１７ ＸＹ軸方向移動部
１８ テーブル
２１，９１ ヘテロダイン回路
２２ ＢＰＦ
２３，２９，４１，４２ 比較器
２４ ＰＬＬ回路
２５ 第１の出力端子
２６,２１２ ＨＰＦ
２７，２１３ 混合器
２８，２４２ ＬＰＦ
３０ 位相シフタ
３１ ＶＧＡ
３２ 増幅器
３３ 第２の出力端子
４０ 条件判断装置
４３〜４７ 接続端子
１５１ 距離制御部
１５２ ＸＹスキャン部
２１１ 入力端子
２１４ ローカル発振器
２４１ 排他的論理和回路
２４３ ＬＦ
２４４ ＶＣＸＯ

Claims (7)

1. 振動体が振動する周波数を検出する振動体の周波数検出装置であって、
   制御信号に応じた周波数で発振する基準信号を生成し、生成した基準信号と振動体の振動による変位量を表す入力信号とを合成した合成信号を生成する生成部と、
   生成部が生成した合成信号の周波数に応じた周波数で発振する発信信号を生成し、生成した発信信号と合成信号との位相差を検出し、検出した位相差に基づいて前記振動体の周波数を示す出力信号を出力する発信部と、
   発信部が出力する出力信号が示す周波数が、入力信号の周波数との関係で線形性が成立する出力信号が示す周波数範囲の上限以上または下限以下となったとき、発信部が出力する出力信号が示す周波数が前記周波数範囲の上限未満かつ下限よりも高い周波数となるように基準信号の周波数を変化させる制御信号を生成部に出力する制御部とを含むことを特徴とする振動体の周波数検出装置。
2. 振動体が振動する周波数を検出する振動体の周波数検出装置であって、
   制御信号に応じた周波数で発振する基準信号を生成し、生成した基準信号と振動体の振動による変位量を表す入力信号とを合成した合成信号を生成する生成部と、
   生成部が生成した合成信号の周波数に応じた周波数で発振する発信信号を生成し、生成した発信信号と合成信号との位相差を検出し、検出した位相差に基づいて前記振動体の周波数を示す出力信号を出力する発信部と、
   前記発信部が出力する出力信号が示す周波数が、入力信号の周波数との関係で線形性が成立する出力信号が示す周波数範囲で一定の周波数となるように基準信号の周波数を変化させる制御信号を生成部に出力する制御部とを含むことを特徴とする振動体の周波数検出装置。
3. 前記発信部は、前記振動体の周波数を電圧で示す出力信号を出力し、
   前記制御部は、
   前記出力信号の電圧が前記周波数範囲の上限の周波数を表す電圧以上になったとき、前記出力信号が示す周波数が前記周波数範囲の上限以上の周波数になったと判定し、
   前記出力信号の電圧が前記周波数範囲の下限の周波数を表す電圧以下になったとき、前記出力信号が示す周波数が前記周波数範囲の下限以下の周波数になったと判定することを特徴とする請求項１に記載の振動体の周波数検出装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の振動体の周波数検出装置を備え、
   前記周波数検出装置によって検出される前記振動体の周波数に基づいて、試料表面と前記振動体との距離を測定することを特徴とする原子間力顕微鏡。
5. 前記振動体は、カンチレバーであることを特徴とする請求項４に記載の原子間力顕微鏡。
6. 制御信号に応じた周波数で発振する基準信号を生成し、生成した基準信号と振動体の振動による変位量を表す入力信号とを合成した合成信号を生成する生成部と、
   生成部が生成した合成信号の周波数に応じた周波数で発振する発信信号を生成し、生成した発信信号と合成信号との位相差を検出し、検出した位相差に基づいて前記振動体の周波数を示す出力信号を出力する発信部とを含む振動体の周波数検出装置によって、振動体が振動する周波数を検出する振動体の周波数検出方法であって、
   発信部が出力する出力信号が示す周波数が、入力信号の周波数との関係で線形性が成立する出力信号が示す周波数範囲の上限以上または下限以下となったとき、発信部が出力する出力信号が示す周波数が前記周波数範囲の上限未満かつ下限よりも高い周波数となるように基準信号の周波数を変化させる制御信号を生成部に出力する制御ステップを含むことを特徴とする振動体の周波数検出方法。
7. 振動体が振動する周波数を検出する振動体の周波数検出装置であって、制御信号に応じた周波数で発振する基準信号を生成し、生成した基準信号と振動体の振動による変位量を表す入力信号とを合成した合成信号を生成する生成部と、生成部が生成した合成信号の周波数に応じた周波数で発振する発信信号を生成し、生成した発信信号と合成信号との位相差を検出し、検出した位相差に基づいて前記振動体の周波数を示す出力信号を出力する発信部と、コンピュータとを含む振動体の周波数検出装置に含まれるコンピュータに、
   発信部が出力する出力信号が示す周波数が、入力信号の周波数との関係で線形性が成立する出力信号が示す周波数範囲の上限以上または下限以下となったとき、発信部が出力する出力信号が示す周波数が前記周波数範囲の上限未満かつ下限よりも高い周波数となるように基準信号の周波数を変化させる制御信号を生成部に出力する制御ステップを実行させるためのプログラム。

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