JPH0926428A - 走査型プローブ顕微鏡用の移動テーブル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】標本の移動を安定に行なえる走査型プローブ顕
微鏡用の移動テーブルを提供する。 【解決手段】移動テーブルは、臨界角プリズム２２を支
持するコの字状のベース１２、ベース１２に固定された
チューブ型の圧電アクチュエーター１４、圧電アクチュ
エーター１４の自由端に固定された載物台１６とを有し
ている。載物台１６は臨界角プリズム２２を収容する空
間と、その上面を露出させる開口とを有している。載物
台１６には鉛直方向に延びる二つのねじ穴１８が設けら
れ、ねじ穴１８にはこれ合うねじ山を備えた永久磁石２
０がねじ込まれる。試料３２を載せたスライドグラス３
０は、臨界角プリズム２２にマッチングオイル３４を垂
らした後、載物台１６の上に載置される。さらに、スラ
イドグラス３０の上には、磁石に引き付けられる材料
（磁性体）で作られた磁性板３８が載せられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液状の試料を載せ
たスライドグラスや固体状の試料等の標本を載せるテー
ブルであって、載せられた標本を移動させる機能を備え
ている、走査型プローブ顕微鏡用の移動テーブルに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、プ
ローブ（探針）を試料表面に近づけ、両者間に働く相互
作用を検出しながら、試料表面に対してプローブを走査
し、その相互作用の二次元マッピングを行なう装置の総
称であり、具体的には、走査型トンネリング顕微鏡（Ｓ
ＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（Ｍ
ＦＭ）、走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）等があげ
られる。

【０００３】走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）は、
しみ出し方向の寸法が光の波長よりも短い領域に局在
し、自由空間を伝搬しないという特性を持つエバネッセ
ント場を検出することにより、回折限界を超える分解能
を達成した光学顕微鏡で、特に１９８０年代後半以降、
盛んに開発が進められている。特開平４−２９１３１０
号（R.E.Betzig, AT&T）は、その一例として、先端を細
く加工した棒状のプローブを用い、その先端の微小開口
の近傍にエバネッセント場を発生させ、プローブと試料
の間隔を狭めてエバネッセント場と試料を接触させ、そ
の際に発生する伝搬光を試料の下に設置した光検出器で
検出し、その光強度の二次元マッピングを行なう装置を
開示している。

【０００４】走査型近接場光学顕微鏡のプローブには、
一般に、先端を細く加工した光ファイバーやガラス棒あ
るいは水晶探針などが用いられる。これらの棒状のプロ
ーブは、回転させながら斜め後方から金属を蒸着する
と、その先端には殆ど金属が付着せず、これにより、先
端の開口以外が金属で被われたプローブが得られる。こ
のプローブを用いた走査型近接場光学顕微鏡は、既に市
販されている。

【０００５】また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、カン
チレバーの先端に設けた探針を試料表面に近づけ、試料
表面と探針の間に発生する原子間力の大きさに依存して
弾性変形するカンチレバーの変位を光学式の変位センサ
等を用いて検出して、試料表面の凹凸情報を得る装置で
あり、例えば特開昭６２−１３０３０２号に開示されて
いる。

【０００６】試料表面と探針先端の間の相互作用力を検
出することにより試料表面の凹凸を測定するという原子
間力顕微鏡の技術は、試料表面と探針先端の間隔を一定
に保つといったレギュレーションの為の手段として、他
の走査型プローブ顕微鏡にもよく用いられる。ファンフ
ルスト（N. F. van Hulst ）等は「Appl. Phys. Lett.
62(5) P.461 (1993)」において、窒化シリコン製の原子
間力顕微鏡用カンチレバーをプローブとして用いて、Ａ
ＦＭ測定により試料の凹凸を測定しながら試料の光学情
報を検出することが可能な新しい走査型近接場光学顕微
鏡を提案している。

【０００７】ファンフルスト等が提案する原理に基づい
て作製した走査型近接場光学顕微鏡について図５を参照
して説明する。図５に示すように、試料１１２を載せた
スライドグラス１１４は、マッチングオイル１１６を介
して、圧電体スキャナー１２０に固定された臨界角プリ
ズム１１８の上に設置される。圧電体スキャナー１２０
は、コンピューター１２２で生成されるＸＹＺ走査信号
に従ってスキャナー駆動回路１２４が出力する駆動信号
を受けて、ＸＹ方向（試料表面に平行な方向すなわち水
平方向）とＺ方向（試料表面に立てた法線の方向すなわ
ち鉛直方向）に臨界角プリズム１１８を移動させる。こ
れにより、試料１１２を載せたスライドグラス１１４は
任意の方向に移動される。

【０００８】試料１１２の上方には、カンチレバー１２
６が配置される。カンチレバー１２６は、支持部１２８
から延びたレバー部１３０を有し、その先端には探針１
３２が形成されている。

【０００９】カンチレバー１２６の探針１３２の変位を
検出するための光てこ式の変位センサは、レバー部１３
０に光ビームを照射する半導体レーザー１４０とその反
射光を受ける二分割フォトディテクター１４２とで構成
されている。装置は更に二分割フォトディテクター１４
２の出力に従って圧電体スキャナー１２０を制御するフ
ィードバック回路１４４を有している。

【００１０】試料１１２の表面にエバネッセント場を発
生させるための光学系は、レーザー光源１４６、フィル
タ１４８、ミラー１５０、ミラー１５２とで構成され
る。さらに、スライドグラス１１４で全反射した光をモ
ニターするフォトディテクター１５４が設けられてい
る。

【００１１】カンチレバー１２６の上方には対物レンズ
１５６が配置され、対物レンズ１５６は探針１３２がエ
バネッセント場に侵入したことにより発生する伝搬光を
受ける。対物レンズ１５６の上方には、対物レンズ１５
６に入射した光の強度を検出する検出光学系１５８が設
けられている。この検出光学系１５８は、集光レンズ１
６０、ピンホール１６２、光電子増倍管１６４を有して
いる。光電子増倍管１６４の出力を増幅してコンピュー
ター１２２へ送るアンプ１６６が設けられている。

【００１２】レーザ光源１４６から射出した光は、フィ
ルタ１４８を通過し、ミラー１５０とミラー１５２で反
射され、臨界角プリズム１１８を通り、スライドグラス
１１４の試料側の面に臨界角以上の角度で入射し、その
面で全反射する。この結果、試料１１２の表面近傍にエ
バネッセント場が発生する。スライドグラス１１４の試
料側の面で全反射した光はフォトディテクター１５４に
入射し、モニターされる。圧電体スキャナー１２０がＸ
Ｙ走査を行なう間、半導体レーザー１４０と二分割フォ
トディテクター１４２からなる変位センサで探針１３２
の変位を検知し、フィードバック回路１４４により探針
１３２の変位すなわち探針１３２と試料表面の間隔を一
定に保つ。探針１３２がエバネッセント場に侵入したた
めに発生した伝搬光は一部が対物レンズ１５６に入射
し、光電子増倍管１６４で検出される。コンピューター
１２２は、内部で生成するＸＹ走査信号に、フィードバ
ック回路１４４からの信号を同期させて処理することに
よりＡＦＭ測定に基づく試料表面の凹凸情報を得る。ま
た同様にＸＹ走査信号に光電子増倍管１６４からの信号
を同期させて処理することによりＳＮＯＭ測定に基づく
試料表面の情報を得る。

【００１３】走査型プローブ顕微鏡において、走査は、
一般に圧電アクチュエーターを用いて試料または探針を
ＸＹ方向に移動させることにより行なわれる。走査領域
は、圧電アクチュエーターの水平方向の可動範囲に依存
し、１０μ程度である。

【００１４】米国特許４３４３９９３号は、走査領域を
拡大し、より広範囲の観察を可能とする、標本を載せる
移動テーブルを開示している。この移動テーブルは、複
数個の圧電素子と、載物台の吸着・解放機構とからな
る、いわゆるインチワーム機構を採用している。

【００１５】特公平３−２０８２６号は別の移動テーブ
ルを開示している。この移動テーブルは、図５に示すよ
うに、ベース２１２に一端が固定されたチューブ型の圧
電アクチュエーター２１４とその自由端に固定された載
物台２１６とで構成されている。圧電アクチュエーター
２１４に一定の余弦波または間欠的な電圧を印加して圧
電アクチュエーター２１４を急激に変形させ、載物台２
１６を水平方向に衝撃的に駆動すると、試料２２０を載
せたスライドグラス２１８に衝撃的な慣性力（載物台に
与えられた衝撃的加速度×試料を載せたスライドグラス
の質量）が加わる。試料を載せたスライドグラスに加わ
る慣性力が、試料２２０を載せたスライドグラス２１８
と載物台２１６の間の静止摩擦力よりも大きい場合に
は、試料２２０を載せたスライドグラス２１８は載物台
２１６の上を微小距離移動した後、再び摩擦力に捕らえ
られて静止する。この移動テーブルは、圧電アクチュエ
ーター２１４の急激な駆動を繰り返し行なうことによ
り、たった一つの圧電アクチュエーター２１４で、その
可動範囲を越えて、試料２２０を載せたスライドグラス
２１８を水平方向に移動させることを実現している。

【００１６】また、本出願人は既に走査型近接場光学顕
微鏡（ＳＮＯＭ）用の移動テーブルを提案している。こ
の移動テーブルは、図６に示すように、臨界角プリズム
３２２を支持するコの字状のベース３１２、ベース３１
２に固定されたチューブ型の圧電アクチュエーター３１
４、圧電アクチュエーター３１４の自由端に固定された
載物台３１６とで構成されている。載物台３１６は臨界
角プリズム３２２を収容する空間を有し、その上面には
臨界角プリズム３２２を露出させる開口が形成されてい
る。また、ベース３１２には、エバネッセント場を発生
させるために、臨界角プリズム３２２に向けて光を射出
する光ファイバー３２８が取り付けられている。試料３
３２を載せたスライドグラス３３０は、載物台３１６の
上に載置され、その際、臨界角プリズム３２２とスライ
ドグラス３３０の間はマッチングオイル３３４で満たさ
れる。カンチレバー３３６は試料３３２の上に配置され
る。

【００１７】この移動テーブルは、前述した特公平３−
２０８２６号と同じ手法を用いて、すなわち圧電アクチ
ュエーター３１４を衝撃的に駆動して試料３３２を載せ
たスライドグラス３３０を水平方向に移動させることが
可能である。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、スライドグラ
ス３３０と臨界角プリズム３２２の間に介在するマッチ
ングオイル等の液体はスライドグラス３３０を浮き上が
らせるため、スライドグラス３３０と載物台３１６の間
の静止摩擦力が小さくなる。この場合、液体は更に潤滑
剤としても作用するため、スライドグラス３３０の滑り
が良くなる。このため、圧電アクチュエーターを衝撃的
に駆動して試料を載せたスライドグラスを移動させる際
に、試料を載せたスライドグラスの移動量が不安定にな
るという不都合がある。

【００１９】本発明は、上述した現状を考慮して成され
たものであり、試料を載せたスライドグラスの移動量が
安定している走査型近接場光学顕微鏡用の移動テーブル
を提供することを目的とする。

【００２０】これまでの議論は、走査型近接場光学顕微
鏡用の移動テーブルに関してであったが、他の走査型プ
ローブ顕微鏡用の移動テーブルにおいても、標本の移動
量を安定化させることは好ましい。ここで、標本とは、
液状の試料を載せたスライドグラスに限らず、固体状の
試料等を含めたものを指す。従って、本発明の目的は、
広義には、標本の移動を安定に行なえる走査型プローブ
顕微鏡用の移動テーブルを提供することである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の走査型
プローブ顕微鏡用の移動テーブルは、一端が固定された
アクチュエーターで、その自由端が少なくとも水平方向
に急激に変位し得るアクチュエーターと、アクチュエー
ターの自由端に固定された、試料を載せたスライドグラ
スを置く載物台と、試料を載せたスライドグラスと載物
台の間の静止摩擦力を調整する手段とを備えており、ア
クチュエーターの自由端が水平方向に急激に移動するこ
とにより、試料を載せたスライドグラスが載物台の上を
滑って移動される。

【００２２】試料を載せたスライドグラスと載物台の間
の静止摩擦力を調整することにより、試料を載せたスラ
イドグラスが載物台上を滑る量を調節できる。これによ
り、試料を載せたスライドグラスの移動を安定に行なえ
る。

【００２３】請求項２の発明は、請求項１に記載の走査
型プローブ顕微鏡用の移動テーブルにおいて、静止摩擦
力調整手段が、載物台の内部に設けられた永久磁石と、
スライドグラスの上に載せる磁性板とを有している。

【００２４】永久磁石がスライドグラス上の磁性板を引
き付けるため、スライドグラスが載物台に押し付けら
れ、垂直抗力が増す。これにより、試料を載せたスライ
ドグラスと載物台の間の静止摩擦力は大きくなる。

【００２５】請求項３の発明は、請求項２に記載の走査
型プローブ顕微鏡用の移動テーブルにおいて、永久磁石
がネジ構造により支持され、その位置が上下方向に調整
可能となっている。永久磁石の上下方向の位置を変える
ことにより、試料を載せたスライドグラスと載物台の間
の静止摩擦力の大きさが変えられる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。まず、第一の実施の形
態について図１を用いて説明する。図に示すように、移
動テーブルは、臨界角プリズム２２を支持するコの字状
のベース１２、ベース１２に固定されたチューブ型の圧
電アクチュエーター１４、圧電アクチュエーター１４の
自由端に固定された載物台１６とを有している。載物台
１６は臨界角プリズム２２を収容する空洞を有し、その
上面には臨界角プリズム２２を露出させる開口が形成さ
れている。臨界角プリズム２２は載物台１６の空洞内に
配置され、その上面は載物台１６の上面よりもわずかに
低くなっている。載物台１６には上面から鉛直下方に延
びる二つのねじ穴１８が設けられており、ねじ穴１８に
はこれ合うねじ山を備えた永久磁石２０がねじ込まれ
る。永久磁石２０は、これを回転させて上下方向に進退
させることにより、載物台１６の上面からの深さ位置が
調整される。また、ベース１２には、エバネッセント場
を発生させるための光を臨界角プリズム２２に向けて射
出する光ファイバー２８が取り付けられている。

【００２７】試料３２を載せたスライドグラス３０は、
臨界角プリズム２２の上面にマッチングオイル３４を垂
らした後、スライドグラス３０が永久磁石２０の上にく
るように、載物台１６の上に載置される。マッチングオ
イル３４は表面張力により臨界角プリズム２２とスライ
ドグラス３０の間に留まり、臨界角プリズム２２の上面
とスライドグラス３０の下面の間の隙間を満たす。スラ
イドグラス３０の上には更に、磁石に引き付けられる材
料（磁性体）で作られた磁性板３８が載せられる。そし
て、試料３２の上にカンチレバー３６が配置される。

【００２８】スライドグラス３０に載せた磁性板３８が
永久磁石２０に引き付けられると共に磁性板３８の重さ
のため、スライドグラス３０は載物台１６の上面に押し
付けられる。このため、試料３２を載せたスライドグラ
ス３０が載物台１６の上面から受ける垂直抗力は、磁性
板３８を載せない場合に比べて、大きくなる。従って、
試料３２を載せたスライドグラス３０と載物台１６の間
の静止摩擦力は、磁性板３８を載せない場合に比べて、
大きくなる。さらに、この静止摩擦力の大きさは、永久
磁石２０を回転させて、その上下方向の位置を変えるこ
とにより、調整される。

【００２９】前述の特公平３−２０８２６号と同じ手法
を用いて、載物台１６に対して、試料３２を載せたスラ
イドグラス３０を水平方向に移動させることができる。
すなわち、圧電アクチュエーター１４に一定の余弦波ま
たは間欠的な電圧を印加して圧電アクチュエーター１４
を急激に変形させ、載物台１６を水平方向に衝撃的に移
動させる。これにより、試料３２を載せたスライドグラ
ス３０は衝撃的な慣性力（載物台１６に与えられた衝撃
的加速度×試料３２を載せたスライドグラス３０の質
量）を受ける。試料３２を載せたスライドグラス３０が
受ける慣性力が、試料３２を載せたスライドグラス３０
と載物台１６との間の静止摩擦力よりも大きければ、試
料３２を載せたスライドグラス３０は載物台１６の上を
微小距離移動した後、再び摩擦力に捕らえられて静止す
る。この動作を駆動を繰り返し行なうことにより、たっ
た一つの圧電アクチュエーターで、その可動範囲を越え
て、載物台１６に対して、試料３２を載せたスライドグ
ラス３０を水平方向に移動させることができる。

【００３０】試料３２を載せたスライドグラス３０と載
物台１６の間の静止摩擦力は、永久磁石２０の磁性板３
８の間に働く磁力（さらに磁性板３８の重さ）によっ
て、適当に高められているので、スライドグラス３０と
臨界角プリズム２２の間にマッチングオイル３４が介在
することによる、試料３２を載せたスライドグラス３０
の滑り移動量の増大が補償される。これにより、試料３
２を載せたスライドグラス３０の滑り移動が安定に行な
える。

【００３１】次に、第二の実施の形態について図２を用
いて説明する。図中、第一の実施の形態で既に説明した
部材と同じ部材は同一の符号で示してあり、続く記述に
おいてはその詳細な説明は省略する。

【００３２】移動テーブルは、臨界角プリズム２２を支
持するコの字状のベース１２、ベース１２に固定された
チューブ型の圧電アクチュエーター１４、圧電アクチュ
エーター１４の自由端に固定された載物台４０とを有し
ている。載物台４０は磁性材料で作られており、前述の
載物台１６でねじ穴１８の無くなった形状となってい
る。

【００３３】スライドグラス３０の上にはブロック４２
が載せられる。ブロック４２にはこれを貫通する二つの
ねじ穴４４が設けられており、ねじ穴４４にはこれ合う
ねじ山を備えた永久磁石４６がねじ込まれる。永久磁石
４６は、これを回転させて上下方向に進退させることに
より、載物台４０の上面からの高さ位置が調整される。
永久磁石４６の高さを変えることで、試料３２を載せた
スライドグラス３０と載物台４０の間の静止摩擦力の大
きさが調整される。

【００３４】これにより、前述の第一の実施の形態と同
じ作用効果が得られる。続いて、第三の実施の形態につ
いて図３を用いて説明する。図中、第一の実施の形態お
よび第二の実施の形態の説明において既に触れた部材と
同じ部材は同一の符号で示してあり、続く記述において
はその詳細な説明は省略する。

【００３５】移動テーブルは、臨界角プリズム２２を支
持するコの字状のベース１２、ベース１２に固定された
チューブ型の圧電アクチュエーター１４、圧電アクチュ
エーター１４の自由端に固定された載物台４０とを有し
ている。

【００３６】スライドグラス３０の上にはブロック５０
が載せられる。ブロック５０には二つの電磁石５２が取
り付けられている。電磁石５２には可変電圧電源が接続
され、電磁石５２に印加する電圧を変えることにより、
試料３２を載せたスライドグラス３０と載物台４０の間
の静止摩擦力の大きさが調整される。

【００３７】これにより、前述の第一の実施の形態と同
じ作用効果が得られる。本発明は、上述した実施例に限
定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲に
おいて、種々多くの変形が可能である。

【００３８】なお、本明細書には以下の発明が含まれ
る。 １． 走査型プローブ顕微鏡用の移動テーブルは、一端
が固定されたアクチュエーターで、その自由端が少なく
とも水平方向に急激に変位し得るアクチュエーターと、
アクチュエーターの自由端に固定された、試料を載せた
スライドグラスを置く載物台と、試料を載せたスライド
グラスと載物台の間の静止摩擦力を調整する手段とを備
えており、アクチュエーターの自由端が水平方向に急激
に移動することにより、試料を載せたスライドグラスが
載物台の上を滑って移動される。

【００３９】２． 前項１に記載の走査型プローブ顕微
鏡用の移動テーブルにおいて、静止摩擦力調整手段は、
載物台の内部に設けられた永久磁石と、スライドグラス
の上に載せる磁性板とを有している。

【００４０】３． 前項２に記載の走査型プローブ顕微
鏡用の移動テーブルにおいて、永久磁石はネジ構造によ
り支持され、その位置が上下方向に調整可能である。 ４． 前項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用の移動テ
ーブルにおいて、載物台は磁性材料からなり、静止摩擦
力調整手段はスライドグラスの上に載せる永久磁石を含
んでいる。

【００４１】５． 前項４に記載の走査型プローブ顕微
鏡用の移動テーブルにおいて、静止摩擦力調整手段は、
ネジ構造により永久磁石を上下方向の位置を調整可能に
支持するブロックを有している。

【００４２】６． 前項１に記載の走査型プローブ顕微
鏡用の移動テーブルにおいて、載物台は磁性材料からな
り、静止摩擦力調整手段はスライドグラスの上に載せる
電磁石を含んでいる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、試料を載せたスライド
グラスと載物台の間の静止摩擦力を調整する機能を備え
た移動テーブルが得られる。これにより、試料を載せた
スライドグラスが載物台上を滑る量を調節でき、試料を
載せたスライドグラスの移動を安定に行なえる。

【００４４】特に、走査型近接場光学顕微鏡に適用した
場合には、スライドグラスと臨界角プリズムの間にマッ
チングオイルが介在することによる、試料を載せたスラ
イドグラスの滑り移動量の増大が補償でき、非常に有益
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態による走査型プロー
ブ顕微鏡用の移動テーブルの構成を示す部分断面斜視図
である。

【図２】本発明の第二の実施の形態による走査型プロー
ブ顕微鏡用の移動テーブルの構成を示す部分断面斜視図
である。

【図３】本発明の第三の実施の形態による走査型プロー
ブ顕微鏡用の移動テーブルの構成を示す部分断面斜視図
である。

【図４】原子間力顕微鏡の機能を兼ね備えた走査型近接
場光学顕微鏡の構成を示す図である。

【図５】走査型プローブ顕微鏡用の移動テーブルの従来
例を示す図である。

【図６】走査型近接場光学顕微鏡用の移動テーブルの従
来例を示す図である。

【符号の説明】

１４…圧電アクチュエーター、１６…載物台、１８…ね
じ穴、２０…永久磁石、３８…磁性板。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端が固定されたアクチュエーターで、そ
   の自由端が少なくとも水平方向に急激に変位し得るアク
   チュエーターと、 アクチュエーターの自由端に固定された、試料を載せた
   スライドグラスを置く載物台と、 試料を載せたスライドグラスと載物台の間の静止摩擦力
   を調整する手段とを備えており、アクチュエーターの自
   由端が水平方向に急激に移動することにより、試料を載
   せたスライドグラスが載物台の上を滑って移動される、
   走査型プローブ顕微鏡用の移動テーブル。
2. 【請求項２】請求項１において、静止摩擦力調整手段
   は、載物台の内部に設けられた永久磁石と、スライドグ
   ラスの上に載せる磁性板とを有している、走査型プロー
   ブ顕微鏡用の移動テーブル。
3. 【請求項３】請求項２において、永久磁石はネジ構造に
   より支持され、その位置が上下方向に調整可能である、
   走査型プローブ顕微鏡用の移動テーブル。