(57)【要約】【課題】 システムを作動させる方法、システムを作動させる制御信号を変更する装置、およびそのような装置を調整する方法を提供する。【解決手段】  可動構成要素と、可動構成要素を移動させるように構成されたアクチュエータとを備えるシステムを作動させる方法は、可動構成要素の所望の移動を表す制御信号を提供することを含む。制御信号は、１つまたは複数の共振器に供給される。１つまたは複数の共振器のそれぞれは、システムの少なくとも１つの弾性振動モードを表す振動モードを有する。制御信号は、制御信号から、制御信号に対する１つまたは複数の共振器の応答を表す信号を減算することにより、変更される。アクチュエータは、変更後の制御信号に従って動作する。したがって、システムが仮に元の制御信号を使用して動作した場合に発生し得るシステムの望ましくない弾性振動を低減することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動構成要素と、前記可動構成要素を移動させるように構成されたアクチュエータとを備えるシステムを作動させる方法であって、
前記可動構成要素の所望の移動を表す制御信号を提供すること、
前記制御信号を１つまたは複数の共振器に供給することであって、前記１つまたは複数の共振器のそれぞれは、前記システムの少なくとも１つの弾性振動モードを表す振動モードを有する、供給すること、
前記制御信号から、前記制御信号に対する前記１つまたは複数の共振器の応答を表す１つまたは複数の信号を減算することにより、前記制御信号を変更すること、および
前記変更後の制御信号に従って前記アクチュエータを動作させること
を含む、方法。
【請求項２】
前記共振器のそれぞれの出力信号の振幅および位相のうちの少なくとも一方を調整して、前記共振器のそれぞれの調整済み出力信号を生成し、前記調整済み出力信号を前記制御信号から減算して、前記変更後の制御信号を生成すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記１つまたは複数の共振器のうちの少なくとも１つは、前記弾性振動モードのそれぞれ１つの共振周波数に等しい共振周波数を有するように調整される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記１つまたは複数の共振器のうちの前記少なくとも１つは、前記弾性振動モードのそれぞれ１つのＱ因子に等しいＱ因子を有するように調整される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記１つまたは複数の共振器のうちの前記少なくとも１つは、前記弾性振動モードのうちの２つ以上を含む周波数帯域内の共振周波数を有すると共に、前記周波数帯域の幅以上の帯域幅を有するように調整される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記システムの１つまたは複数の弾性振動モードの周波数およびＱ因子のうちの少なくとも一方を測定することをさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
可動構成要素と、前記可動構成要素を移動させるように構成されたアクチュエータとを備えるシステムを作動させる制御信号を変更する装置であって、
前記システムの少なくとも１つの弾性振動モードを表す振動モードを有するようにそれぞれ調整可能な１つまたは複数の共振器と、
前記制御信号を受信し、前記制御信号を前記１つまたは複数の共振器に供給するように構成された入力部と、
前記制御信号から、前記制御信号に対する前記１つまたは複数の共振器の応答を表す１つまたは複数の信号を減算することにより、変更後の制御信号を生成するように構成された減算器と、
前記変更後の制御信号を出力するように構成された出力部と
を備える、装置。
【請求項８】
前記１つまたは複数の共振器のそれぞれは、アナログ共振器回路を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記１つまたは複数の共振器のそれぞれは、デジタルフィルタ回路によって提供される仮想共振器を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記１つまたは複数の共振器のそれぞれから出力信号を受信し、前記出力信号の振幅および位相のうちの少なくとも一方を調整し、前記調整済み出力信号を前記減算器に供給するように構成された調整部をさらに備える、請求項７〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記１つまたは複数の共振器のそれぞれは、前記共振器の振動周波数およびＱ因子のうちの少なくとも一方を調整する手段を備える、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
請求項７〜１１のいずれか一項に記載の装置の１つまたは複数の共振器を調整する方法であって、
可動構成要素と、前記可動構成要素を移動させるように構成されたアクチュエータとを備えるシステムを提供すること、
所定の制御信号に従って前記アクチュエータを動作させること、
前記アクチュエータの前記動作に応答して、前記可動構成要素の少なくとも一部分の移動を測定すること、
前記測定された移動に基づいて、前記システムの弾性振動モードを決定すること、
各共振器が、前記システムの前記弾性振動モードのうちの少なくとも１つの周波数で励起可能なように、前記１つまたは複数の共振器を調整すること
を含む、方法。
【請求項１３】
前記１つまたは複数の共振器のうちの少なくとも１つは、前記弾性振動モードのそれぞれ１つの共振周波数に等しい共振周波数を有するように調整される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記１つまたは複数の共振器のうちの少なくとも１つは、前記弾性振動モードのそれぞれ１つのＱ因子に等しいＱ因子を有するように調整される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記１つまたは複数の共振器のうちの少なくとも１つは、前記弾性振動モードのうちの２つ以上を含む周波数帯域内の周波数を有すると共に、前記周波数帯域の幅以上の帯域幅を有するように調整される、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、可動構成要素と、可動構成要素を移動させるように構成されたアクチュエータとを備えるシステムを作動させる方法、可動構成要素と、可動構成要素を移動させるように構成されたアクチュエータとを備えるシステムを作動させる制御信号を変更する装置、ならびにこのような装置を調整する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近代技術では、マイクロメートル以下のオーダの大きさの寸法を有する構成要素が利用されている。このような構成要素の例としては、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）およびハードディスクの磁気読み書きヘッドが挙げられる。このような構成要素の品質は、ナノメートルのオーダの大きさの長さスケールでの構成要素の表面の粗さレベルによる影響を受け得る。構成要素の品質を評価するために、マイクロメートルの長さスケールおよびナノメートルの長さスケールの両方での測定を実行することが望ましい。
【０００３】
原子間力顕微鏡法、走査トンネル顕微鏡法、および近接場光学顕微鏡法等の走査プローブ顕微鏡技法は、ナノメートルのオーダの大きさの寸法を有する細部を解像することが可能である。ますますロバストなシステムが利用可能となるにつれて、それらシステムの産業への適用は普及しつつある。しかし、走査顕微鏡の技法によってアクセス可能な視野は、現行技術による走査顕微鏡の走査速度が比較的遅いことにより、制限される。
【０００４】
他方、遠距離場光学顕微鏡法（optical far-field microscopy）では、最高でミリメートルのオーダの大きさまでの比較的広い視野での高速測定が可能である。しかし、遠距離場光学顕微鏡の分解能は、回折によって制限される。したがって、光の波長よりも小さな特徴は、遠距離場光学顕微鏡では解像することができない。そのため、光学顕微鏡と走査顕微鏡とを組み合わせて単一の機器にすることが提案されてきた。
【０００５】
欧州特許第１６５３４７８Ａ２号には、図１を参照して以下に説明する現行技術による機器が開示されている。機器１００は、光学観測ユニット１１０の対物レンズ１１１と機器１００による調査対象のワークピース１０１との間に設けられる表面性状（表面テクスチャ）測定プローブ１６０を備える。
【０００６】
対物レンズ１１１の他に、光学観測ユニット１１０は、対物レンズ１１１の光軸Ｌ１上に配置されたハーフミラー１１２と、対物レンズ１１１の光軸Ｌ１上に配置されて、ワークピース１０１から反射され、ハーフミラー１１２を透過した光をイメージングするカメラ１１３と、対物レンズ１１１の光軸Ｌ１に直交する光軸Ｌ２上に配置されて、ハーフミラー１１２および対物レンズ１１１を介してワークピース１０１を照明する光源１１４とを含む。光学観測ユニット１１０は、遠距離場光学顕微鏡によるワークピース１０１の調査を可能にする。
【０００７】
機器１００は、測定プローブ１６０を保持するホルダ１３１を、光軸Ｌ１に沿って変位させるアクチュエータ１３２を含む近接場測定ユニット１３０であって、表面性状測定プローブは、ホルダ１３１と一体的に配置され、対物レンズ１１１の近傍に固定される、近接場測定ユニット１３０と、対物レンズ１１１の光軸Ｌ１上に配置されたハーフミラー１３４と、対物レンズ１１１の光軸Ｌ１に直交する光軸Ｌ４上に配置されたレーザ源１３５と、対物レンズ１１１の光軸Ｌ１上に配置されたハーフミラー１３６と、光軸Ｌ４に直交する光軸Ｌ４１上に配置されて、ハーフミラー１３６から反射された光を反射するミラー１３７と、ミラー１３７から反射された光を受ける光子検出器１３８と、光子検出器１３８からの出力信号を復調する復調器とをさらに備える。さらに、機器１００は、表面性状測定プローブ１６０がワークピース１０１の表面に沿って移動するように、相対移動ユニット１０３の動作を制御して、テーブル１０２上に提供されたワークピース１０１を移動させる駆動コントローラ１４０を備える。
【０００８】
近接場測定ユニット１３０の動作では、レーザ源１３５からの光は、ハーフミラー１３４、１３６によって測定プローブ１６０に供給され、測定プローブ１６０内に設けられた測定先端部の近傍に光学近接場を形成する。測定プローブ１６０の測定先端部からの光は、ハーフミラー１３４、１３６、およびミラー１３７によって光子検出器１３８に向けられる。測定プローブ１６０は、測定先端部とワークピース１０１との間隔が周期的に変化するように振動する。光学近接場はワークピース１０１と相互作用し、光学近距離場とワークピース１０１との相互作用は、測定先端部とワークピースの表面との間隔に依存し得るため、光子検出器１３８が測定先端部から受け取る光の強度は、測定プローブ１６００が振動する際に周期的に変化し得る。
【０００９】
光子検出器１３８からの出力信号は、復調器１３９によって復調され、駆動コントローラ１４０に入力される。駆動コントローラ１４０は、表面測定プローブ１６０がワークピース１０１の表面に沿って移動するように相対移動ユニット１０３の動作を制御してワークピース１０１を移動させ、復調器１３９の出力が一定になるように、アクチュエータ１３２を駆動する。こうして、ワークピース１０１の表面に沿った移動位置およびアクチュエータ１３２によって生じる測定プローブ１６０の移動量が得られると、ワークピース１０１の表面性状を測定することができる。
【００１０】
測定機器１００の問題は、アクチュエータ１３２が、測定プローブ１６０をワークピース１０１に向けて移動させるか、またはワークピース１０１から離れるように移動させるように動作した場合、光軸Ｌ１に平行する方向での測定プローブ１６０の弾性振動が励起され得ることである。このような弾性振動は、近接場光学測定ユニットによって実行される測定の精度に悪影響を及ぼす恐れがあると共に、ワークピース１０１の近傍への測定プローブ１６０の位置決めを遅らせる恐れがある。
【００１１】
同様の問題が、可動構成要素が、可動構成要素を移動させるように構成されたアクチュエータを動作させることにより、所望のように移動させる他のシステムでも発生し得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】欧州特許第１６５３４７８Ａ２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、可動構成要素と、可動構成要素を移動させるように構成されたアクチュエータとを備えるシステムを作動させる方法であって、アクチュエータの動作に応答してのシステムの弾性振動を低減することができる、方法を提供することである。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、アクチュエータの動作に応答してのシステムの弾性振動を低減することができる、可動構成要素と、可動構成要素を移動させるように構成されたアクチュエータとを備えるシステムを作動させる制御信号を変更する装置、およびこのような装置を調整する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
可動構成要素と、可動構成要素を移動させるように構成されたアクチュエータとを備えるシステムを作動させる本発明による方法は、可動構成要素の所望の移動を表す制御信号を提供することを含む。制御信号は、１つまたは複数の共振器に供給される。１つまたは複数の共振器のそれぞれは、システムの少なくとも１つの振動モードを表す振動モードを有する。制御信号は、制御信号から、制御信号に対する１つまたは複数の共振器の応答を表す１つまたは複数の信号を減算することによって変更される。アクチュエータは、変更後の制御信号に従って動作する。
【００１６】
１つまたは複数の共振器は、アクチュエータの動作によるシステムの弾性振動の励起に対するシステムの応答モデルを提供する。制御信号を１つまたは複数の共振器に供給することにより、仮に制御信号が変更なしでアクチュエータに供給される場合に得られるシステムの応答をモデリングすることができる。システムのモデリングされた応答を制御信号から減算することにより、システムの弾性振動モードを励起させる制御信号の部分を低減するか、または実質的になくすことができるため、変更されない制御信号よりも程度の低いシステム弾性振動の励起を生じさせるように構成された変更後の制御信号を得ることができる。変更後の制御信号に従ってアクチュエータを動作させることにより、アクチュエータの動作に応答してのシステムの弾性振動モードの励起、ひいてはシステムの弾性振動を低減することができる。
【００１７】
いくつかの実施形態では、この方法は、各共振器の出力信号の振幅および位相のうちの少なくとも一方を調整して、各共振器の調整済み出力信号を生成することをさらに含む。調整済み出力信号は、制御信号から減算されて、変更後の制御信号が生成される。
【００１８】
共振器の出力信号の振幅および／または位相を調整することにより、共振器の出力信号の振幅および／または位相は、変更されない制御信号がアクチュエータに供給された場合に得られるシステムの振動の振幅および位相に少なくともおおよそ対応するように構成することができる。したがって、アクチュエータに供給される変更後の制御信号は、変更されない制御信号がアクチュエータに供給された場合に得られるシステムの弾性振動をおおよそ逆にしたものであり得る。したがって、システムの弾性振動モードの励起のより効率的な低減、ひいてはシステムの弾性振動のより効率的な低減を得ることが可能である。
【００１９】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の共振器のうちの少なくとも１つが、弾性振動モードのそれぞれ１つの共振周波数に等しい共振周波数を有するように調整される。これら実施形態のうちのいくつかでは、１つまたは複数の共振器のうちの少なくとも１つが、弾性振動モードのそれぞれ１つのＱ因子に等しいＱ因子を有するように調整される。
【００２０】
システムの弾性振動モードの周波数および／またはＱ因子に対応する周波数および／またはＱ因子を有するようにそれぞれ調整される１つまたは複数の共振器を提供することにより、システムの弾性振動に比較的大きく寄与するシステムの振動モードをモデリングすることができ、または、個々の共振器がシステムの各振動モードに提供される場合、システムのすべての振動モードをモデリングすることができる。したがって、システムの弾性振動モードの比較的精密なモデリングを得ることができる。
【００２１】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の共振器のうちの少なくとも１つは、弾性振動モードのうちの２つ以上を含む周波数帯域内の共振周波数を有すると共に、周波数帯域の幅以上の帯域幅を有するように調整される。
【００２２】
したがって、仮にアクチュエータが変更されない制御信号に従って動作した場合に得られる弾性振動に対するシステムの２つ以上の弾性振動モードの寄与を、少なくともおおよそ、単一の共振器によって考慮することができる。したがって、システムの弾性応答のモデリングに必要な共振器の数を低減することができる。これは、特に、共振器がアナログ共振器回路によって提供される場合、共振器を提供する電気回路の複雑性を低減するのに役立つことができる。さらに、共振器の数を低減することは、システムをモデリングするために調整する必要があるシステムのパラメータ数の低減に役立つことができる。したがって、共振器の調整ならびに共振器の出力信号の振幅および位相の調整を単純化することができる。
【００２３】
いくつかの実施形態では、この方法は、システムの１つまたは複数の弾性振動モードの周波数およびＱ因子のうちの少なくとも一方を測定することをさらに含む。システムの１つまたは複数の弾性振動モードの実測周波数および／または実測Ｑ因子が、システムの弾性振動モードを表すように１つまたは複数の共振器を調整するのに役立つことができる。１つまたは複数の共振器の調整についてより詳細に以下に説明する。
【００２４】
いくつかの実施形態では、変更後の制御信号に従ってアクチュエータを動作させることは、変更後の制御信号を低域フィルタリングすることを含むことができる。したがって、変更後の制御信号の高周波成分を低減することができる。これは、特に、システムが、比較的高い共振周波数を有する複数の弾性振動モードを含む実施形態において、システムの弾性振動をさらに低減するのに役立ち得る。
【００２５】
可動構成要素と、可動構成要素を移動させるように構成されたアクチュエータとを備えるシステムを作動させる制御信号を変更する、本発明による装置は、１つまたは複数の共振器と、入力部と、減算器と、出力部とを備える。１つまたは複数の共振器のそれぞれは、システムの少なくとも１つの弾性振動モードを表す振動モードを有するように調整可能である。入力部は、制御信号を受信して、１つまたは複数の共振器に供給するように構成される。減算器は、制御信号から、制御信号に対する１つまたは複数の共振器の応答を表す信号を減算することにより、変更後制御信号を生成するように構成される。出力部は、変更後の制御信号を出力するように構成される。
【００２６】
装置の１つまたは複数の共振器は、仮にシステムが、変更されない制御信号に従って動作した場合に得られるシステムの弾性振動モードのモデリングを可能にする。入力部および減算器によって行うことができる、制御信号を共振器に供給し、制御信号から、制御信号に対する１つまたは複数の共振器の応答を表す信号を減算することにより、システムの弾性振動を、元の制御信号よりも少ない程度で励起させるように構成された変更後の制御信号を生成することができる。この装置の出力部は、例えば、増幅器等の電子装置に接続して、変更後の制御信号に従ってシステムのアクチュエータを動作させることができる。
【００２７】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の共振器のそれぞれは、アナログ共振器回路を含む。
【００２８】
アナログ共振器回路は、比較的低コストで提供が可能であり、かつ可変抵抗、可変キャパシタ、および／または可変インダクタ等の比較的安価な調整可能要素によって調整が可能なキャパシタ、抵抗、オペアンプ、および／またはコイル等の回路要素によって実施することができる。したがって、システムの弾性振動を低減する低コストの解決策を提供することができる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の共振器のそれぞれは、デジタルフィルタ回路によって提供される仮想共振器を含む。
【００３０】
デジタルフィルタ回路は、デジタルフィルタ回路の適宜プログラミングにより、比較的多数の仮想共振器の提供を可能にすることができる。したがって、デジタルフィルタ回路は、システムが、制御信号がかなりの周波数成分を有する、様々な周波数での比較的多数の弾性振動モードを含む場合、かつ個々の共振器によりシステムの各弾性振動モードをモデリングすることが望ましい場合、特に有利であり得る。さらに、デジタルフィルタ回路の動作が、アナログ回路の精度に影響する可能性があるか、またはこのような影響により実質的に影響を受ける可能性がない、回路要素の属性の熱ドリフト等によって受ける影響の程度は、より少ないことが可能である。
【００３１】
いくつかの実施形態では、この装置は、調整部をさらに備える。調整部は、出力信号を１つまたは複数の共振器のそれぞれから受信して、出力信号の振幅および位相のうちの少なくとも一方を調整し、調整された出力信号を減算器に供給するように構成される。
【００３２】
調整部により、１つまたは複数の共振器のそれぞれからの出力信号の振幅および／または位相は、各共振器によって表される弾性振動モードでのシステムの振動の振幅および／または位相に少なくともおおまかに対応するように調整することができる。したがって、アクチュエータに供給された変更後の制御信号は、仮に変更されていない制御信号がアクチュエータに供給された場合に得られるシステムの弾性振動に少なくともおおよそ逆であり得、これは、アクチュエータが変更後の制御信号により動作する際にシステムの弾性振動の励起の特に効率的な低減を得ることに役立つことができる。
【００３３】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の共振器のそれぞれは、共振器の振動周波数およびＱ因子のうちの少なくとも一方を調整する手段を備える。したがって、１つまたは複数の共振器は、各共振器が、システムの少なくとも１つの調整モードを表す振動モードを有するように調整することができる。
【００３４】
いくつかの実施形態では、この装置は、減算器と出力部との間に接続された低域フィルタをさらに備えることができ、低域フィルタは、変更後の制御信号の低域フィルタリングを実行するように構成される。
【００３５】
上述した装置の１つまたは複数の共振器を調整する方法は、可動構成要素と、可動構成要素を移動させるように構成されたアクチュエータとを備えるシステムを提供することを含む。アクチュエータは、所定の制御信号に従って動作する。アクチュエータの動作に応答する可動構成要素の少なくとも一部分の動きが測定される。システムの弾性振動モードが、測定された動きに基づいて決定される。１つまたは複数の共振器は、各共振器が弾性振動モードのうちの少なくとも１つの周波数において励起するように調整される。
【００３６】
アクチュエータが所定の制御信号に従って動作する場合、システムの弾性振動が励起され得る。制御信号は、周波数がシステムの弾性振動モードの周波数に対応するフーリエ成分を有し得るため、システムの弾性振動は、システムの１つまたは複数の弾性振動モードへの寄与分を含む。システムの弾性振動は、可動構成要素の移動に繋がり得る。したがって、可動構成要素の少なくとも一部分の移動を測定することにより、システムの弾性振動を検出し、システムの弾性振動モードを確立することができる。弾性振動モードのうちの少なくとも１つの周波数で励起可能なように共振器を調整することにより、上述したようにシステムの振動の低減に使用できるように、装置をセットアップすることができる。
【００３７】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の共振器のうちの少なくとも１つは、弾性振動モードのそれぞれ１つの共振周波数に等しい共振周波数を有するように調整される。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の共振器のうちの少なくとも１つは、前記弾性振動モードのそれぞれ１つのＱ因子に等しいＱ因子を有するように調整される。したがって、仮にアクチュエータが変更されていない制御信号に従って動作した場合に得られるシステムの弾性振動の特に精密なモデリングを得ることができる。
【００３８】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の共振器のうちの少なくとも１つは、弾性振動モードのうちの２つ以上を含む周波数帯域内の周波数を有し、かつその周波数帯域の幅以上の帯域幅を有するように調整される。したがって、システムの弾性振動モードのうちの２つ以上を、装置の単一の共振器によって考慮することができ、これにより、装置の共振器数の低減および調整する必要がある装置のパラメータ数の低減が可能である。
【００３９】
本発明の実施形態について、添付図を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】従来技術による測定機器の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による装置の概略ブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態による装置の概略回路図である。
【図４】本発明の別の実施形態による装置の概略回路図である。
【図５】本発明による装置の調整に使用することができる構成の概略図を示す。
【図６】制御信号に従って動作するアクチュエータを備えるシステム内の可動構成要素の移動の概略図を示す。
【図７】制御信号および本発明により変更された制御信号に従って動作するアクチュエータを備えるシステム内の可動構成要素の周波数スペクトルならびに制御信号の変更の周波数スペクトルの概略図を示す。
【図８】本発明により変更された制御信号に従って動作するアクチュエータを備えるシステム内の可動構成要素の移動の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図２は、本発明の一実施形態による装置２００の概略ブロック図を示す。いくつかの実施形態では、装置２００は、可動構成要素２１０と、可動構成要素２１０を移動させるように構成されたアクチュエータ２０８とを備えるシステム２０９の制御信号を変更するために使用することができる。
【００４２】
いくつかの実施形態では、システム２０９は、図１を参照して上述した機器１００を備えることができる。このような実施形態では、アクチュエータ２０８は、アクチュエータ１３２であることができ、可動構成要素２１０は、ホルダ１３１と、ホルダ１３１に接続された表面性状測定プローブ１６０とを備えることができる。
【００４３】
いくつかの実施形態では、可動構成要素２１０は、近距離場光学顕微鏡法向けに構成された測定先端部に代えて、当業者に周知の種類の原子間力顕微鏡カンチレバーを備えた測定プローブを備えることができる。原子間力測定プローブは、原子間力測定プローブをアクチュエータ１３２に接続する、上述したホルダ１３１と同様のホルダに接続することができる。さらなる実施形態では、測定プローブは、従来の原子間力顕微鏡カンチレバーを備えることに代えて、欧州特許出願第０８００９１３３．３号に開示されている構成に対応する構成または欧州特許出願第０８００９１３１．７号に開示されている構成に対応する構成を有することができる。さらなる実施形態では、測定プローブは、原子間力顕微鏡法または近距離場光学顕微鏡法に代えて、走査トンネル顕微鏡法を実行する既知の走査トンネル顕微鏡先端部を備えることができる。
【００４４】
しかし、本発明は、システム２０９が測定機器を備える実施形態に限定されない。それに代えて、装置２００は、可動構成要素２１０と、可動構成要素を移動させるように構成されたアクチュエータ２０８とを備える他のシステムと組み合わせ使用することも可能である。
【００４５】
装置２００は、第１の共振器２０１および第２の共振器２０２を備える。共振器２０１、２０２のそれぞれは、より詳細に後述するように、装置２００によって変更された制御信号に従って作動させるシステムの少なくとも１つの弾性振動モードを表す振動モードを有する。
【００４６】
装置２００は、制御信号を受信して、共振器２０１、２０２に供給するように構成された入力部２０３をさらに備える。入力部２０３は、システム２０９の可動構成要素２１０の所望の移動を表す制御信号を提供するように構成されたシステムコントローラ２０６に接続することができる。
【００４７】
いくつかの実施形態では、制御信号は、アナログ電気信号であり得る。このような実施形態では、制御信号の電圧は、可動構成要素２１０の所望の位置を表すことができる。例えば、システム２０９が上述したような機器１００を備える実施形態では、制御信号の電圧は、表面性状測定プローブ１６０をワークピース１０１に対して所望の距離に位置決めする、表面性状測定プローブ１６０の所望の位置を表すことができる。制御信号がアナログ電気信号である実施形態では、共振器２０１、２０２は、より詳細に後述するように、アナログ共振器回路の形態で提供することができる。
【００４８】
他の実施形態では、制御信号は、デジタル信号の形態で入力部２０３に供給することができる。こういった実施形態のうちのいくつかでは、入力部２０３は、制御信号をアナログ形態に変換して、アナログ制御信号を、アナログ共振器回路の形態で提供することができる共振器２０１、２０２に供給するように構成されたデジタル／アナログ変換器を備えることができる。他の実施形態では、装置２００は、制御信号をアナログ信号に変換せずに、デジタル制御信号を処理するように構成することができる。このような実施形態では、装置２００は、デジタルフィルタ回路を備えることができ、共振器２０１、２０２は、仮想共振器として提供され、制御信号に対する共振器２０１、２０２の応答は、デジタル信号処理によって決定することができる。デジタルフィルタ回路は、マイクロコントローラまたはコマンド信号に対する共振器２０１、２０２の応答をシミュレートするアルゴリズムがプログラムされたＦＰＧＡを含むことができる。
【００４９】
さらなる実施形態では、入力部２０３は、アナログ信号の形態の制御信号を受信するように構成することができ、制御信号をデジタル化するように構成されたアナログ／デジタル変換器を備えることができる。次に、デジタル化制御信号は、デジタルフィルタ回路によって処理することができ、共振器２０１、２０２は仮想共振器として提供される。
【００５０】
装置２００は、減算器２０４をさらに備える。減算器２０４は、入力部２０３で受信した制御信号から、制御信号に対する共振器２０１、２０２の応答を表す信号を減算することにより、変更後の制御信号を生成するように構成される。
【００５１】
制御信号がアナログ電気信号を含む実施形態、または制御信号が、デジタル／アナログ変換器によってアナログ信号に変換される実施形態では、減算器２０４は、制御信号に対する共振器２０１、２０２の応答を表すアナログ信号を制御信号から減算するように構成されたアナログ電気回路を含むことができる。制御信号および／または制御信号に対する共振器２０１、２０２の応答を表す信号が、デジタル信号であるか、またはアナログ／デジタル変換器によってデジタル形態に変換される実施形態では、減算器２０４は、既知のデジタル信号処理技法によって減算を実行するように構成することができる。
【００５２】
装置２００は、減算器２０４によって生成された変更後の制御信号を出力するように構成された出力部２０５をさらに備える。いくつかの実施形態では、変更後の制御信号はアナログ信号として出力することができ、他の実施形態では、変更後の制御信号はデジタル信号の形態で出力することができる。
【００５３】
出力部２０５は、変更後の制御信号に従ってシステム２０９のアクチュエータを動作させる手段２０７に変更後の制御信号を出力するように構成することができる。変更後の制御信号がアナログ信号として出力される実施形態では、手段２０７は増幅器を備えることができる。変更後の制御信号がデジタル信号として出力される実施形態では、手段２０７はデジタル／アナログ変換器と、デジタルアナログ変換器の出力を増幅する増幅器とを備えることができる。
【００５４】
本発明は、図２に示されるように、装置２００が２つの共振器２０１、２０２を備える実施形態に限定されない。他の実施形態では、装置２００は、システム２０９の少なくとも１つの弾性振動モードを表す振動モードを有するようにそれぞれ調整可能な３つ以上の共振器を備えることができる。さらなる実施形態では、装置２００は単一の共振器を備えることができる。
【００５５】
図３は、本発明の実施形態による装置３００の概略回路図を示す。
【００５６】
装置３００は、可動構成要素２１０と、可動構成要素２１０を移動させるように構成されたアクチュエータ２０８とを備えるシステム２０９を作動させるために使用することができる。装置３００は、第１の入力端子３０１および第２の入力端子３０２を備える入力部２０３を備える。入力端子３０１、３０２は、入力端子３０１と３０２との間にアナログ制御信号を付与するように構成されたシステムコントローラ２０６に接続することができる。第２の入力端子３０２は、電気的に接地接続することができる。
【００５７】
装置３００は、共振器２０１をさらに備える。共振器２０１は、第１の端子３１１が第１の入力端子３０１に接続された、コイル３１４の第１の巻線３０５の形態で提供されるインダクタと、第１の巻線３０５の第２の端子３０９と第２の入力端子３０２との間に電気的に接続されたキャパシタ３０４と、第１の入力端子３０１と第１の巻線３０５の第２の端子３０９との間に電気的に接続された抵抗３０３とを備える。第１の巻線３０５、キャパシタ３０４、および抵抗３０３は、減衰共振回路（dumped resonant circuit）を形成する。したがって、入力端子３０１、３０２の間に付与された制御信号がＡＣ成分を含む場合、制御信号は、より詳細に後述するように、共振器２０１の電気振動を励起することができる。
【００５８】
装置３００は、制御信号によって励起した共振器２０１の電気振動を表す信号を制御信号から減算することにより、変更後の制御信号を生成するように構成された減算器２０４をさらに備える。減算器２０４は、第１の巻線３０５に誘導結合されたコイル３１４の第２の巻線３１０を備える。
【００５９】
いくつかの実施形態では、コイル３１４の第１の巻線３０５と第２の巻線３１０との誘導結合は、第１の巻線３０５および第２の巻線３１０の共通コア３１２によって提供することができる。コア３１２は、強磁性材料を含むことができ、第１の巻線３０５および第２の巻線３１０を通って延びることができる。他の実施形態では、第１の巻線３０５と第２の巻線３１０との誘導結合は、コア３１２を含む必要がない共通コイル体に第１の巻線３０５および第２の巻線３１０を巻き付けることによって行うことができる。
【００６０】
コイル３１４の第２の巻線３１０は、第１の巻線３０５の第１の出力端子３０７と第１の端子３１１との間に電気的に接続される。いくつかの実施形態では、コイル３１４は、第１の端子、第２の端子、および中心タップを備えることができる。このような実施形態では、コイルの第１の端子は、出力端子３０７を形成することができ、または出力端子３０７を形成する導電線に接続することができる。中心タップは、第１の巻線３０５の第１の端子３１１を形成することができ、コイル３１４の第２の端子は、第１の巻線３０５の第２の端子３０９を形成することができる。
【００６１】
装置３００は、接地および／または第２の入力端子３０２に電気的に接続された第２の出力端子３０８をさらに備える。第１の出力端子３０７および第２の出力端子３０８は、変更後の制御信号を出力するように構成された出力部２０５を形成する。
【００６２】
ＡＣ成分を有する制御信号が、入力端子３０１と３０２との間に付与される場合、制御信号は、共振器２０１の電気振動を励起させることができ、キャパシタ３０４は交互に充電、放電され、第１の巻線３０５を通る電流のアンペアが、交互に増減する。第１の巻線３０５と第２の巻線３１０との誘導結合により、第１の巻線３０５を通る電流を変化させ、それにより、第１の巻線３０５の第１の出力端子３０７と第１の端子３１１との間に電圧を誘導させることができる。
【００６３】
誘導法則に従って、第１の巻線３０５の第１の出力端子３０７と第１の端子３１１との間の電圧は、第１の巻線３０５を通る電流の微分に概して比例する。第１の巻線３０５を通る電流は、キャパシタ３０４の両端子間の電圧の微分を表す。したがって、およそ１８０度の位相シフトが、第２の巻線３１０で誘導される電圧とキャパシタ３０４の両端子間の電圧との間で得られる。
【００６４】
コイル３１４の第２の巻線３１０および入力端子３０１、３０２に接続されたシステムコントローラ２０６は、出力端子３０７と３０８との間に電気的に直列接続されるため、出力端子３０７と３０８との間の電圧は、入力端子３０１と３０２との間に付与された制御信号の電圧と第２の巻線３１０で誘導された電圧との和におおよそ等しい。第２の巻線３１０で誘導される電圧とキャパシタ３０４の両端子間の電圧との間にはおよそ１８０度の位相シフトがあるため、出力端子３０７と３０８との間の電圧は、入力端子３０１と３０２との間に印加された電圧と、キャパシタ３０４の両端子間の電圧との差を表す。キャパシタ３０４の両端子間の電圧は、制御信号に対する共振器２０１の応答を表す。したがって、制御信号に対する共振器２０１の応答を表す信号を制御信号から減算したものが得られる。
【００６５】
いくつかの実施形態では、第１の巻線３０５の巻き数および第２の巻線３１０の巻き数は、実質的に等しくてよい。他の実施形態では、第１の巻線３０５の巻き数および第２の巻線３１０の巻き数は、互いに異なってもよい。第２の巻線３１４の巻き数と第１の巻線３０５の巻き数との比は、制御信号から減算される制御信号に対する共振器２０１の応答を表す信号の振幅に影響を及ぼし得る。第２の巻線３１０の巻き数と第１の巻線３０５の巻き数との比が大きいほど（小さいほど）、制御信号から減算される信号の振幅が大きく（小さく）なり得る。
【００６６】
第１の巻線３０５、キャパシタ３０４、および抵抗３０３によって形成された共振器２０１は、第１の巻線３０５のインダクタンス、キャパシタ３０４の静電容量、および抵抗の抵抗率のうちの少なくとも１つを変更することによって調整することができる。第１の巻線３０５のインダクタンスを変更するには、コア３１２を貫通する、第１の巻線３０５を通る電流によって発生する磁束の割合を、例えば、コア３１２またはコア３１２の部分をコイル３１４に対してシフトさせることによって変更することができる。キャパシタ３０４の静電容量の変更を可能にするには、キャパシタ３０４は、可変キャパシタ、例えば、回転キャパシタ（rotary capacitor）または容量ダイオードを含むことができる。抵抗３０３の抵抗率の変更を可能にするには、抵抗３０３は、可変抵抗、例えば、電位差計を含むことができる。
【００６７】
本発明は、第１の巻線３０５のインダクタンスおよびキャパシタ３０４の静電容量の両方が可変である実施形態に限定されない。いくつかの実施形態では、第１の巻線３０５のインダクタンスおよびキャパシタ３０４の静電容量のうちの一方のみが可変である。例えば、第１の巻線３０５のインダクタンスは可変であってよく、キャパシタ３０４の静電容量は固定であってよい。
【００６８】
共振器２０１の応答周波数は、第１の巻線３０５のインダクタンスおよびキャパシタ３０４の静電容量のうちの少なくとも一方を変更することによって調整することができる。抵抗３０３の抵抗率を変更することにより、共振器２０１のＱ因子を制御できるように、共振器２０１の振動の減衰を制御することが可能であり得る。したがって、共振器２０１の周波数および／またはＱ因子は、より詳細に後述するように、システム２０９の少なくとも１つの弾性振動モードを表すように、調整することができる。
【００６９】
装置３００のさらなる特徴は、図２を参照して上述した装置２００の特徴に対応し得る。
【００７０】
本発明のさらなる実施形態について図４を参照して説明する。
【００７１】
図４は、可動構成要素と、可動構成要素を移動させるように構成されたアクチュエータとを備えるシステムを作動させる制御信号を変更する装置４００を示す。
【００７２】
装置４００は、第１の共振器２０１と、第２の共振器２０２と、入力部２０３と、減算器２０４と、出力部２０５とを備える。
【００７３】
入力部２０３は、第１の入力端子４５５と、図２を参照して上述したシステムコントローラ２０６と同様に、アナログ制御信号を提供するように構成されたシステムコントローラに装置４００を接続する第２の入力端子４５６とを備えたコネクタを備えることができる。出力部２０５は、図２を参照して上述した増幅器２０７と同様に、制御されるシステムのアクチュエータに接続された増幅器に装置４００を接続する、第１の出力端子４５７と第２の出力端子４５８を含むコネクタを備えることができる。したがって、アクチュエータは、出力部２０５によって出力された信号に従って動作することができる。
【００７４】
第１の共振器２０１は、差動増幅器４７０、第１の積分器４７１、および第２の積分器４７２を備える。
【００７５】
差動増幅器４７０は、オペアンプ４０１を備える。オペアンプ４０１の逆相入力は、抵抗４２０を介して第１の入力端子４５５に接続されると共に、抵抗４０６を介して第２の積分器４７２の出力に接続される。オペアンプ４０１の非逆相入力は、可変抵抗４２１を介して接地接続されると共に、抵抗４０４を介して第１の積分器４７１の出力に接続される。抵抗４０５は、オペアンプ４０１の出力とオペアンプ４０１の逆相入力との間に接続されて、帰還を提供する。
【００７６】
抵抗４０４、４０５、４０６は、おおよそ等しい抵抗率を有することができる。いくつかの実施形態では、抵抗４０４、４０５、４０６のそれぞれは、約５０キロオームの抵抗率を有することができる。可変抵抗４２１は電位差計を含むことができる。いくつかの実施形態では、可変抵抗４２１は、約０キロオーム〜約１００キロオームの範囲内で可変の抵抗率を有することができる。
【００７７】
可変抵抗４２１および抵抗４０４は、分圧器を形成し、オペアンプ４０１の非逆相入力に印加される電圧は、Ｕ４７１（Ｒ４０４＋Ｒ４２１）におおよそ等しく、Ｒ４０４およびＲ４２１は、抵抗４０４および４２１のそれぞれの抵抗率であり、Ｕ４７１は、第１の積分器４７１の出力電圧である。
【００７８】
抵抗４０５、４０６、４２０の抵抗率がおおよそ等しい実施形態では、おおよそ
【数１】
2010164560.tif 000003
という差動増幅器４７０の出力電圧Ｕ４７０が得られ、式中、ＵＣＳは、入力部２０３の端子４５５と４５６との間に付与されたコマンド信号の電圧であり、Ｕ４７２は、第２の積分器４７１の出力電圧である。
【００７９】
第１の積分器４７１は、オペアンプ４０２、差動増幅器４７０の出力とオペアンプ４０２の逆相入力との間に接続された可変抵抗４０９、およびオペアンプ４０２の出力とオペアンプ４０２の逆相入力との間に接続されたキャパシタ４０７を備える。オペアンプ４０２の非逆相入力は、電気的に接地接続される。いくつかの実施形態では、キャパシタ４０７は、約１ナノファラデーの静電容量を有することができ、抵抗４０９の抵抗率は、約０キロオーム〜約２００キロオームの範囲内で可変であることができる。
【００８０】
第１の積分器４７１の出力電圧Ｕ４７１は、
【数２】
2010164560.tif 000004
におおよそ等しく、式中、Ｒ４０９は抵抗４０９の抵抗率であり、Ｃ４０７はキャパシタ４０７の静電容量である。
【００８１】
第２の積分器４７２は、オペアンプ４０３、オペアンプ４０３の逆相入力と第１の積分器４７１の出力との間に接続された抵抗４１５、およびオペアンプ４０３の出力とオペアンプ４０３の逆相入力との間に接続されたキャパシタ４０８を備える。いくつかの実施形態では、キャパシタ４０８は、約１ナノファラデーの静電容量を有することができ、抵抗４１５は、約２２．１キロオームの抵抗率を有することができる。
【００８２】
第２の積分器４７２の出力電圧Ｕ４７２は、
【数３】
2010164560.tif 000005
におおよそ等しく、式中、Ｒ４１５は抵抗４１５の抵抗率であり、Ｃ４０８はキャパシタ４０８の静電容量を示す。
【００８３】
式（２）および式（３）を式（１）に代入することにより、
【数４】
2010164560.tif 000006
が得られる。
式中、
【数５】
2010164560.tif 000007
および
【数６】
2010164560.tif 000008
である。
【００８４】
したがって、差動増幅器４７０の出力電圧Ｕ４０７は、少なくとも近似的に、制御信号ＵＣＳによって励起した高調波減衰共振器の移動の式によって与えられる。
【００８５】
したがって、差動増幅器４７０の出力電圧Ｕ４０７は、制御信号ＵＣＳに対する第１の共振器２０１の応答を表し、第１の共振器２０１の応答周波数ならびに減衰定数およびＱ因子のそれぞれは、可変抵抗４０９、４２１を調整することによって調整することができる。
【００８６】
第１の共振器２０１と同様に、第２の共振器２０２も、差動増幅器４８０、第１の積分器４８１、および第２の積分器４８２を備える。差増増幅器４８０は、オペアンプ４２８、抵抗４５２、４３３、４３２、４３１、および４５１を備え、抵抗４５１は可変であることができる。第１の積分器４８１は、オペアンプ４２９、可変抵抗４３６、およびキャパシタ４３４を備える。第２の積分器４８２は、オペアンプ４３０、抵抗４４２、およびキャパシタ４３５を備える。
【００８７】
第２の共振器２０２の差増増幅器４８０、第１の積分器４８１、および第２の積分器４８２の特徴は、第１の共振器２０１内の差動増幅器４７０、第１の積分器４７１、および第２の積分器４７２の特徴に対応することができる。したがって、差増増幅器４０８の出力電圧は、制御信号ＵＣＳに対する第２の共振器２０２の応答を表すことができ、差動増幅器４８０の出力電圧は、可変抵抗４５１、４３６の抵抗率を変更することによって応答周波数およびＱ因子を調整することができる高調波減衰共振器の移動の式によって与えることができる。
【００８８】
いくつかの実施形態では、抵抗４４２の抵抗率は、抵抗４１５の抵抗率と異なることができる。例えば、抵抗４４２の抵抗率は、約４７．５キロオームであることができ、抵抗４１５の抵抗率は約２２．１キロオームであることができる。第２の共振器２０２の他の抵抗の抵抗率およびキャパシタの静電容量は、第１の共振器２０１の対応する構成要素の抵抗率およびキャパシタにおおよそ等しくてよい。
【００８９】
可変抵抗４０９の抵抗率を変更することにより、第１の共振器２０１の応答周波数は、第１の周波数範囲内で変化することができる。可変抵抗４３６の抵抗率を変更することにより、第２の共振器２０２の応答周波数は、抵抗４１５、４４２の抵抗率が異なることにより、第１の周波数範囲と異なることができる第２の周波数範囲内で変化することができる。したがって、第１の共振器２０１および第２の共振器２０２のすべての回路要素が等しい実施形態と比較して、より広い範囲の周波数が第１の共振器２０１および第２の共振器２０２によってカバーすることができる。
【００９０】
減算器２０４は、オペアンプ４４７を備える。抵抗４４８は、オペアンプ４４７の出力とオペアンプ４４７の逆相入力との間に帰還を提供する。抵抗４１１、４１２、４３８、４３９、および４５０は、オペアンプ４４７の非逆相入力に接続され、抵抗４５０は、オペアンプ４４７の非逆相入力と入力部２０３の第１の入力端子４５５との間に接続される。減算器２０４は、オペアンプ４４７の逆相入力に接続された抵抗４１８、４１９、４４５、４４６をさらに備える。さらなる抵抗４４９が、オペアンプ４４７の非逆相入力と接地との間に接続される。
【００９１】
いくつかの実施形態では、抵抗４４９、４５０の抵抗率は実質的に等しくてよい。さらに、抵抗４１１、４１２、４３８、４３９、４４８、４１８、４１９、４４５、４４６の抵抗率は実質的に等しくてよい。いくつかの実施形態では、抵抗４４９、４５０は約２０キロオームの抵抗率を有することができ、抵抗４１１、４１２、４３８、４３９、４４８、４１８、４１９、４４５、４４６は、約１０キロオームの抵抗率を有することができる。
【００９２】
減算器２０４の出力電圧は、一方では、入力部２０３の入力端子４５５と４５６との間に付与された制御信号の電圧と、抵抗４１１、４１２、４３８、４３９に印加された電圧との和と、他方では、抵抗４１８、４１９、４４５、４４６に印加された電圧との和との差分に対応し、電圧は、減算器２０４の抵抗の抵抗率によって決まる係数を使用して重み付けすることができる。
【００９３】
いくつかの実施形態では、装置４００は、共振器２０１、２０２の出力信号の振幅および位相を調整する、共振器２０１、２０２のそれぞれに接続された調整部４７３をさらに備えることができる。
【００９４】
調整部は、第１の平衡回路４９０および第２の平衡回路４９１を備える。第１の平衡回路は電位差計４１３を備える。電位差計４１３のタップは接地接続される。電位差計４１３の端子は、抵抗４１０、４１４を介して差動増幅器４７０の出力に接続される。抵抗４１０に接続された電位差計４１３の端子は、減算器２０４の抵抗４１１にさらに接続される。抵抗４１４に接続された電位差計４１３の端子は、減算器２０４の抵抗４１９にさらに接続される。
【００９５】
抵抗４１０および抵抗４１０に接続された端子とタップとの間の電位差計４１３の部分は、第１の分圧器を形成し、その出力電圧は、減算器２０４の抵抗４１１に印加される。抵抗４１４および抵抗４１４に接続された端子とタップとの間の電位差計４１３の部分は、第２の分圧器を形成し、その出力電圧は、減算器２０４の抵抗４１９に印加される。
【００９６】
抵抗４１１は、減算器２０４のオペアンプ４４７の非逆相入力に接続されるため、第１の分圧器によって出力される差動増幅器４７０の出力電圧の部分が、コマンド信号に加算され、抵抗４１９はオペアンプ４４７の逆相入力に接続されるため、第２の分圧器によって出力された差動増幅器４７０の出力電圧の部分は、コマンド信号から減算される。差動増幅器４７０の出力電圧のいずれの部分がより大きいかに応じて、差増増幅器４７０の出力電圧に比例する電圧をコマンド信号から減算し、またはコマンド信号に加算することができる。
【００９７】
いくつかの実施形態では、抵抗４１０、４１４は、約１．５キロオームの抵抗率を有することができ、電位差計４１３は、約５キロオームの総抵抗率を有することができ、これは、タップを移動させることによって２つの部分に分けることができる。
【００９８】
第２の平衡回路４９１は、抵抗４１６、４５３、およびタップが接地接続された電位差計４１７を備える。電位差計のタップと抵抗４１６に接続された電位差計４１７の端子との間の電位差計４１７の部分が、第１の積分器４７１の出力電圧の部分を減算器２０４の抵抗４１２に印加するように構成された第３の分圧器を形成する。タップと抵抗４５３に接続された電位差計４１７の端子との間の電位差計４１７の部分が、第４の分圧器を形成し、第４の分圧器の出力電圧は、減算器２０４の抵抗４１８に印加される。第２の平衡回路４９１のさらなる特徴は、第１の平衡回路４９０の特徴に対応することができる。したがって、電位差計４１７を調整することにより、第１の積分器４０２の出力電圧に比例する電圧をコマンド信号に加算またはコマンド信号から減算することができる。
【００９９】
第１の積分器４７１の出力電圧は、差動増幅器４７０の出力電圧に対して約９０度の位相シフトを有することができる。フーリエ空間において、第１の積分器４７１によって実行される積分は、１／（ωｊ）との乗算に対応し、ここで、ωは角振動数を示し、ｊは虚数単位を示す。したがって、複素数と差動増幅器４７０の出力電圧との積を、入力部２０３に付与されたコマンド信号から減算することができ、複素数の振幅および位相は、電位差計４１３、４１７の調整によって制御することができる。
【０１００】
調整部４７３は、第３の平衡回路４９２および第４の平衡回路４９３をさらに備えることができる。第３の平衡回路４９２は、抵抗４３７、４４１および電位差計４４０を備える。第４の平衡回路４９３は、抵抗４４３、４５４、および電位差計４４４を備える。第３の平衡回路４９２は、第２の共振器２０２の差動増幅器４８０の出力に接続され、第４の平衡回路４９３は、第２の共振器２０２の第１の積分器４８１に接続される。第３の平衡回路４９２および第４の平衡回路４９３のさらなる特徴は、第１の平衡回路４９０および第２の平衡回路４９１の特徴に対応することができる。
【０１０１】
したがって、複素数と第２の共振器２０２の差動増幅器４８０の出力電圧との積を、入力部２０３に付与されたコマンド信号から減算することができ、複素数の振幅および位相は、電位差計４４０、４４４の調整によって制御することができる。
【０１０２】
したがって、調整部４７３は、信号を減算器２０４によってコマンド信号から減算する前に、コマンド信号に対する共振器２０１、２０２の応答を表す信号の振幅および位相の調整を可能にする。
【０１０３】
いくつかの実施形態では、装置４００は、減算器２０４の出力に接続された低域フィルタ４９４をさらに備えることができる。低域フィルタは、直列接続された可変抵抗４２７および抵抗４２６と、減算器２０４から離れた抵抗４２６の端子と接地との間に接続されたキャパシタ４２４とを備えることができる。いくつかの実施形態では、抵抗４２６は、約１キロオームの抵抗率を有することができ、可変抵抗は、約０キロオーム〜約１００キロオームの範囲内で調整可能な抵抗率を提供するように構成可能である。キャパシタ４２４は、約１０ｎＦの静電容量を有することができる。
【０１０４】
低域フィルタ４９４は、コマンド信号の高周波成分を低減することが可能である。いくつかの用途では、システム２０９は、ユニット４００内の仮想共振器の数よりも多くの振動モードを有し得る。そのため、この低域フィルタは、システム２０９の弾性振動をさらに低減するのに役立つことができる。
【０１０５】
いくつかの実施形態では、バッファ増幅器４９５を低域フィルタ４９４の出力と出力部２０５の第１の出力端子４５７との間に接続することができる。第２の出力端子４５８を接地接続することができる。バッファ増幅器４９５は、オペアンプ４０４および抵抗４２２、４２３を備えることができる。抵抗４２３は、オペアンプ４０４の出力とオペアンプ４０４の逆相入力との間に接続することができ、それにより、帰還を提供し、抵抗４２２は、オペアンプ４０４の逆相入力と接地との間に接続することができる。オペアンプ４０４の非逆相入力は、低域フィルタ４９４に接続することができる。いくつかの実施形態では、抵抗４２２の抵抗率は、実質的に無限であることができ、抵抗４２３の抵抗率は約０であることができる。こういった実施形態のうちのいくつかでは、抵抗４２２を省き、抵抗４２３を導電線の形態で提供することができる。したがって、バッファ増幅器４９５は、約１の利得を有する非反転増幅器であることができる。バッファ増幅器４９５は、装置４００の出力インピーダンスの低減に役立つことができる。他の実施形態では、抵抗４２２、４２３は、有限の抵抗率値を有する。このような場合、バッファ増幅器４９５は、アクチュエータ２０８の異なる信号レベルに構成することができる非反転増幅器であることができる。このような実施形態では、抵抗４２２、４２３のそれぞれは、約１０キロオームの抵抗率を有することができる。
【０１０６】
本発明は、装置４００が低域フィルタ４９４およびバッファ増幅器４９５を備える実施形態に限定されない。他の実施形態では、低域フィルタ４９４およびバッファ増幅器４９５のうちの一方または両方を省くことができる。
【０１０７】
本発明は、装置４００が上述した調整部４７３を備える実施形態に限定されない。いくつかの実施形態では、調整部４７３を省くことができ、差動増幅器４７０の出力を減算器２０４の抵抗４１８、４１９のうちの一方に接続することができる。このような実施形態では、抵抗４１８、４１９のうちのもう一方および抵抗４１２、４１９を省くことができる。同様に、差動増幅器４８０の出力は、減算器２０４の抵抗４４５、４４６のうちの一方に接続することができる。抵抗４４５、４４６のうちのもう一方および抵抗４３８、４３９は省くことができる。したがって、装置４００のより単純な構成を得ることができる。
【０１０８】
さらなる実施形態では、装置４００は、上述した調整部４７３よりも単純な構成を有する調整部を備えることができる。例えば、いくつかの実施形態では、第２の平衡回路４９１および第４の平衡回路４９３、ならびに抵抗４１２、４１８、４３９、４４５は省くことができる。このような実施形態では、装置４００の調整部は、第１の平衡回路４９０および第３の平衡回路４９２を備えることができる。したがって、コマンド信号から減算される、コマンド信号に対する第１の共振器２０１および第２の共振器２０２の応答を表す信号の振幅は、平衡回路４９０、４９１によって制御することができ、その一方で、共振器２０１、２０２の応答を表す信号の位相の調整は省くことができる。
【０１０９】
さらに、本発明は、装置４００が２つの共振器２０１、２０２を備える実施形態に限定されない。いくつかの実施形態では、共振器２０１、２０２のうちの一方は省くことができる。さらなる実施形態では、共振器２０１、２０２の構成と同様の構成をそれぞれ有する３つ以上の共振器、ならびにコマンド信号に対する共振器の応答を表す信号の振幅および位相を調整する、平衡回路４９０、４９１、４９２、４９３と同様の平衡回路を提供することができる。
【０１１０】
装置４００のさらなる特徴は、図２を参照して上述した装置２００の特徴に対応することができる。
【０１１１】
図５は、本発明による装置の調整に使用することができる構成５００の概略図を示す。構成５００は、例えば、図２、図３、および図４を参照して上述した装置２００、３００、および４００の調整に使用することができる。
【０１１２】
構成５００は、可動構成要素２１０と、可動構成要素２１０を移動させるように構成されたアクチュエータ２０８とを備えるシステム２０９を備える。いくつかの実施形態では、システム２０９は、図１を参照して上述した機器１００の近接場測定ユニット１３０を備えることができる。アクチュエータ２０８は、近接場測定ユニット１３０のアクチュエータ１３２の形態で提供することができ、可動構成要素２１０は、ホルダ１３１および測定プローブ１６０を備えることができる。他の実施形態では、測定プローブ１６０は、近接場ユニットを備える必要がない。例えば、測定プローブ１６０は、上述したように、原子間力顕微鏡法または走査トンネル顕微鏡法を実行するように構成することができる。
【０１１３】
構成５００は、コマンド信号を提供するように構成されたシステムコントローラ２０６と、システムコントローラ２０６によって提供されたコマンド信号に従ってアクチュエータ１３２を動作させるための、システムコントローラ２０６によって提供されたコマンド信号を増幅するように構成された増幅器２０７とをさらに備える。コマンド信号の電圧が可動構成要素２１０の所望の移動を表す、システムコントローラ２０６がアナログ信号の形態のコマンド信号を提供する実施形態では、増幅器２０７は、増幅されたコマンド信号の電圧範囲が、例えば、適度に大きな動作電圧を必要とする圧電アクチュエータであることができるアクチュエータ１３２の動作範囲に合うように、コマンド信号の電圧を増幅するように構成することができる。さらに、増幅器２０７の出力は、システムコントローラ２０６の出力よりも小さなインピーダンスを有することができる。
【０１１４】
構成５００は、アクチュエータ１３２の動作に応答して、可動構成要素２１０の少なくとも一部分の移動を測定するように構成された振動計５０１をさらに備える。例えば、振動計５０１は、測定プローブの測定先端部５０５の移動を測定するように構成することができる。いくつかの実施形態では、振動計５０１は、光線５０２を、移動を測定すべき可動構成要素２１０の部分に向け、そこから反射された光から、可動構成要素２１０のその部分の移動を測定するように構成することができる。
【０１１５】
いくつかの実施形態では、振動計５０１は、既知のレーザ振動計、例えば、センサヘッドＯＦＶ−５０３および独国ヴァルトボロン（Waldbronn）のPolytec GmbHから入手可能な速度デコーダＶＤ−０１が備えられたコントローラＯＦＶ−５０００を備えることができる。
【０１１６】
いくつかの実施形態では、振動計５０１は、移動が測定される可動構成要素の部分の速度を表す信号を出力するように構成することができる。このような実施形態では、振動計５０１の出力信号は積分器５０３に供給して、可動構成要素２１０の部分の位置を表す信号を生成することができる。
【０１１７】
構成５００は、積分器５０３の出力信号、振動計５０１の出力信号、システムコントローラ２０６によって提供されるコマンド信号、および増幅器２０７の出力電圧のうちの少なくとも１つを解析するように構成された解析器５０４をさらに備える。いくつかの実施形態では、解析器５０４は、デジタルオシロスコープを備えることができる。デジタルオシロスコープは、積分器２０６の出力信号のフーリエ変換を実行するように構成することができ、かつコマンド信号および増幅器２０７の出力電圧のフーリエ変換を実行するように構成することもできる。したがって、コマンド信号の周波数スペクトル、増幅器２０７の出力電圧、および可動構成要素２１０の部分の移動を表す積分器２０６の出力信号を得ることができる。さらに、デジタルオシロスコープは、制御信号、増幅器２０７の出力電圧、ならびに可動構成要素２１０の位置および／または速度の時間的な発展を表す曲線を表示するように構成することができる。
【０１１８】
図２、図３、および図４を参照して上述した装置２００、３００、４００の共振器２０１、２０２を調整するために、所定の制御信号を提供することができる。いくつかの実施形態では、制御信号は、所望の距離ステップでの可動構成要素の所望の移動を表す矩形信号を含むことができる。例えば、矩形信号は、図２の下に向かっての所望の距離分の測定プローブ１６０の移動を表すことができ、これは、測定機器１００を使用する際に、試料１０１の表面に測定プローブ１６０を接近させることによって行われ得る。しかし、本発明は、制御信号が矩形信号である実施形態に限定されない。他の実施形態では、制御信号は異なる形状を有してもよい。
【０１１９】
アクチュエータ１３２は、制御信号に従って動作する。これは、制御信号を増幅器２０７に供給することによって行うことができ、アクチュエータ１３２の動作に応答する可動構成要素２１０または可動構成要素２１０の構成要素の移動が測定される。
【０１２０】
図６は、コマンド信号（曲線６０３）、増幅器２０７の出力信号（曲線６０４）、測定先端部５０５の位置(曲線６０５）、および測定先端部の速度（曲線６０６）の時間的な発展を表す曲線を示す概略図を示す。横座標軸６０１は、ミリ秒単位で測定された時間を表し、縦座標軸６０２は、上述した数量を表す。検討の便宜を図り、曲線６０３〜６０６のうちのいくつかは、座標軸６０２の方向において互いにシフトされ、リスケーリングされている。
【０１２１】
コマンド信号を示す曲線６０３は、測定先端部５０５の位置の所望の変更に対応する段差を含む。コマンド信号は、変更されずに増幅器２０７に供給されるため、アクチュエータ１３２に供給された増幅器２０７の出力を表す曲線６０４は、コマンド信号を表す曲線６０３と同様である。
【０１２２】
コマンドの信号の段差時である、増幅器２０７の出力がアクチュエータ１３２に供給されたとき、コマンド信号の段差が可動構成要素の位置の急激な変更に対応するため、可動構成要素２１０、特に測定先端部５０５は比較的大きな加速を受け得る。可動構成要素２１０の加速は、測定先端部５０５の位置および速度のそれぞれを示す曲線６０５、６０６から分かるように、可動構成要素２１０の弾性振動を励起させることができる。弾性振動は、異なる周波数、振幅、位相、および減衰特性を有し得るシステム２０９の１つまたは複数の弾性振動固有モードが重ね合わせられたものを含み得る。仮にシステムの１つのみの弾性振動モードが励起した場合に得られる測定先端部５０５の移動は、減衰正弦波振動におおよそ対応することができるが、２つ以上の弾性振動モードが重ね合わせられると、図６に概略的に示すように、非正弦波弾性振動が生じ得る。
【０１２３】
図７では、曲線７０３は、図６に示される曲線６０５のフーリエ変換によって得ることができる、測定先端部５０５の弾性振動のスペクトルを概略的に示す。横座標軸７０１は、ヘルツ単位の周波数を示し、対数尺度が使用される。縦座標軸７０２は振幅を示す。曲線７０４は、適宜調整された本発明による装置がシステムコントローラ２０６と増幅器２０７との間に接続された場合に得られるシステム２０９の弾性振動のスペクトルを示す。曲線７０５は、適宜調整された本発明による装置によって出力された信号の振幅と、周波数の関数として装置に入力された信号の振幅との比を示す。曲線７０４、７０５についてより詳細に以下に説明する。
【０１２４】
システム２０９の弾性振動のスペクトル７０３は、段差を含む矩形コマンド信号に応答して得られる弾性振動のフーリエ変換によって得る必要がない。他の実施形態では、アクチュエータ１３２は、正弦波制御信号に従って動作することができ、測定先端部５０５の弾性振動の振幅は、正弦波制御信号の周波数の関数として測定することができる。これは、スペクトル７０５をより精密に得るのに役立つことができる。
【０１２５】
スペクトル７０３は、複数のピークを含む。各ピークは、システム２０９の１つの弾性振動固有モードに対応する。座標軸７０２に沿ったピークの位置は、システムの各弾性振動モードの周波数に対応し、ピークの半値全幅は、各弾性振動モードのＱ因子を表す。例えば、ピーク７０６は、約２キロヘルツの共振周波数および約１０のＱ因子を有する弾性振動モードを表す。したがって、システム２０９の弾性振動モードの共振周波数およびＱ因子は、周波数帯域７０９から決定することができる。
【０１２６】
システム２０９の弾性振動モードは、システム２０９の構造的な特徴である。これらは、例えば、システム２０９の寸法、形状、質量分布、および材料に依存し得る。したがって、システム２０９が実質的に変更ないままである限り、またはわずかな程度のみ変更される限り、周波数およびＱ因子等のシステム２０９の弾性振動モードの属性は、実質的に一定のままであり得る。
【０１２７】
システム２０９の決定された弾性振動モードに基づいて、本発明による装置２００、３００、４００の共振器２０１、２０２は、各共振器２０１、２０２がシステム２０９の少なくとも１つの弾性振動モードを表す振動モードを有するように調整することができる。
【０１２８】
装置が、図３を参照して上述した装置３００の特徴を備える実施形態では、装置３００の共振器２０１は、抵抗３０３の抵抗率、コイル３１４の第１の巻線３０５のインダクタンス、および／またはキャパシタ３０４の静電容量を変更することによって調整することができる。装置が、図４を参照して上述した装置４００の特徴を備える実施形態では、共振器２０１、２０２は、可変抵抗４０９、４２１、４３６、４５１の抵抗率を変更することによって調整することができる。装置が、図２を参照して上述したように、デジタルフィルタ回路を備える実施形態では、デジタルフィルタ回路の仮想共振器の形態で提供される共振器２０１、２０２は、デジタルフィルタ回路を適宜プログラミングすることによって調整することができる。
【０１２９】
いくつかの実施形態では、共振器２０１、２０２のそれぞれは、共振器２０１、２０２のそれぞれの共振周波数が、システム２０９の弾性振動モードの周波数におおよそ等しく、かつ共振器２０１、２０２のそれぞれのＱ因子が、システム２０９の各弾性振動モードのＱ因子におおよそ等しくなるように調整することができる。
【０１３０】
いくつかの実施形態では、共振器２０１、２０２のうちの１つまたは複数は、１つまたは複数の共振器のそれぞれが、２つ以上の弾性振動モードを含む周波数帯域内に共振周波数を有すると共に、周波数帯域の幅以上の帯域幅を有するように調整することができる。
【０１３１】
例えば、図７において、曲線７０３は、境界が破線７０７、７０８によって示された周波数帯域７０９内にピーク７０６に隣接する複数のピークを含む。共振器２０１、２０２のうちの一方、例えば、共振器２０１は、周波数帯域７０９内に周波数を有するように調整することができる。例えば、共振器２０１の共振周波数は、ピーク７０６の周波数におおよそ等しくなるように調整することができる。共振器２０１のＱ因子は、共振器２０１の帯域幅が周波数帯域７０９の幅以上であるように調整することができる。当業者には既知のように、共振器の帯域幅は、共振器のＱ因子の反比例することができる。したがって、共振器２０１の帯域幅は、共振器のＱ因子を低減することによって増大させ、共振器のＱ因子を増大させることによって低減することができる。
【０１３２】
曲線７０３は、境界が破線７１０、７１２によって示される周波数帯域７１２内に、システム２０９の弾性振動モードに対応する複数のピークをさらに含む。共振器２０１、２０２のうちの一方、例えば、共振器２０２は、周波数帯域７１２内に共振周波数を有すると共に、周波数帯域７１２の幅以上の帯域幅を有するように調整することができる。
【０１３３】
いくつかの実施形態では、システム２０９の弾性振動モードのうちの１つまたは複数、例えば、比較的大きな振幅を有する弾性振動モードを、各共振器の周波数およびＱ因子が１つまたは複数の弾性振動モードのうちの１つの共振周波数およびＱ因子におおよそ等しくなるように、装置２００、３００、４００の共振器を調整することによって考慮に入れることができる。さらに、弾性振動モード、例えば、比較的小さな振幅を有する弾性振動モードを、各共振器が、２つ以上の弾性振動モードを含む周波数帯域内の周波数を有すると共に、周波数帯域の帯域幅以上の帯域幅を有するように、装置２００、３００、４００の他の共振器を調整することによって考慮に入れることができる。したがって、装置２００、３００、４００の共振器の数は、システム２０９の各弾性振動モードが個々の共振器によって表される実施形態と比較して低減することができ、システム２０９のとくに顕著な弾性振動モードは、個々の共振器を使用してモデリングすることによって精密に考慮に入れることができる。
【０１３４】
共振器２０１、２０２の周波数およびＱ因子に加えて、共振器２０１、２０２の出力信号の振幅および／または位相を調整することができる。図４を参照して上述した装置４００では、これは、調整部４７３の電位差計４１３、４１７、４４０、４４４を調整することによって行うことができる。共振器２０１、２０２が、デジタルフィルタ回路によって提供される仮想共振器の形態で提供される実施形態では、これは、デジタルフィルタのパラメータを調整することによって行うことができる。
【０１３５】
共振器２０１、２０２の出力信号の振幅および／または位相を調整するために、本発明による装置２００、４００は、システムコントローラ２０６と増幅器２０７との間に接続することができ、コマンド信号が装置２００、４００に供給されたとき、および装置２００、４００の出力信号が増幅器２０７に供給されたときに得られる可動構成要素２１０の移動のスペクトルを、例えば、解析器５０４によって表示することができる。その後、共振器２０１、２０２の出力信号の振幅および位相は、スペクトルのピークの高さが低減されるように調整することができる。
【０１３６】
図７では、曲線７０５は、図４を参照して上述した構成を有する装置４００によって出力される信号の周波数成分の振幅と、装置４００に入力されたコマンド信号の周波数成分の振幅と比を示す。共振器２０１、２０２の周波数およびＱ因子ならびに共振器２０１、２０２の出力信号の振幅および位相は、共振器２０１、２０２のうちの一方が、周波数帯域７０９内の周波数によって励起し、共振器２０１、２０２のうちのもう一方が、周波数帯域７１２内の周波数によって励起するように調整された。曲線７０５は、周波数帯域７０９、７１２のロケーションにおいて最小を有し、これは、周波数帯域７０９、７１２内のコマンド信号の周波数の抑制を表す。
【０１３７】
図７のピーク７０６は、装置４００によって変更されたコマンド信号に従ってのアクチュエータ１３２の動作後に得られた測定先端部５０５の移動の周波数スペクトルを示す。ピーク７０６と比較して、システム２０９の弾性振動モードを表すピークの振幅が低減され、これは、システム２０９の弾性振動の励起の低減を示す。
【０１３８】
図８は、コマンド信号がアクチュエータ１３２に供給される前に、コマンド信号が装置４００に従って変更される実施形態において得られたコマンド信号（曲線８０３）、増幅器２０７の出力信号(曲線８０４）、測定先端部５０５の位置（曲線８０５）、および測定先端部の速度（曲線８０６）の時間的な発展を表す曲線を示す概略図８００を示す。横座標軸８０１は、ミリ秒単位で測定された時間を表し、縦座標軸８０２は、上で識別された座標を表す。検討の便宜を図り、曲線８０３〜８０６のうちのいくつかは、座標軸８０２の方向において互いにシフトされ、リスケーリングされている。
【０１３９】
図６に示される曲線６０３と同様に、曲線８０３は、コマンド信号が、所定の距離分の可動構成要素の所望の移動に対応する段差を含むことを示す。装置４００によるコマンド信号の変更により、アクチュエータ１３２に供給された信号を示す曲線８０４の形状は、コマンド信号の形状と異なる。曲線８０５、８０６を曲線６０５、６０６と比較することで、装置４００の使用により、システム２０９の振動を抑制することができること、および可動構成要素２１０が、装置４００がない場合よりも所望の位置に素早く接近することができることが分かる。より具体的には、装置４００により、２７０μｓ後に可動構成要素２１０の所望の位置に±２０％以内で到達することができ、１．７ｍｓ後に±５％以内に到達することができる。
【０１４０】
したがって、装置４００は、フィードバックループを必要とせずに、フィードフォワード構成において、システム２０９の可動構成要素２１０の位置決めの精度を向上させることができる。
【０１４１】
本発明の他の実施形態による装置、例えば、図４を参照して上述した装置３００または図２を参照して上述したデジタルフィルタ回路が、図４を参照して上述した装置４００に代えて使用される場合でも、同様の結果を得ることができる。
【符号の説明】
【０１４２】
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ４、Ｌ４１・・・光軸、１００・・・機器、１０１・・・ワークピース、１０２・・・テーブル、１０３・・・相対移動ユニット、１１０・・・光学観測ユニット、１１１・・・対物レンズ、１１２、１３４、１３６・・・ハーフミラー、１１３・・・カメラ、１１４・・・光源、１３０・・・近接場測定ユニット、１３１・・・ホルダ、１３２・・・アクチュエータ、１３５・・・レーザ源、１３７・・・ミラー、１３８・・・光子検出器、１３９・・・復調器、１４０・・・駆動コントローラ、１６０・・・表面性状測定プローブ、２００、３００、４００、５００・・・装置、２０１・・・第１の共振器、２０２・・・第２の共振器、２０３・・・入力部、２０４・・・減算器、２０５・・・出力部、２０６・・・システムコントローラ、２０７・・・増幅器、２０８・・・アクチュエータ、２０９・・・システム、２１０・・・可動構成要素、３０１、４５５・・・第１の入力端子、３０２、４５６・・・第２の入力端子、３０３、４０４、４０５、４０６、４１０、４１１、４１２、４１４、４１５、４１６、４１８、４１９、４２０、４２２、４２３、４２６、４３１、４３２、４３３、４３７、４３８、４３９、４４１、４４２、４４３、４４５、４４６、４４８、４４９、４５０、４５２、４５３、４５４・・・抵抗、３０４、４０７、４０８、４３６・・・キャパシタ、３０５・・・第１の巻線、３０６・・・第２の端子、３０７、４５７・・・第１の出力端子、３０８・・・第２の出力端子、３０９・・・第２の端子、３１０・・・第２の巻線、３１１・・・第１の端子、３１２・・・コア、３１４・・・コイル、４０１、４０２、４０３、４０４、４２８、４２９、４３０、４４７・・・オペアンプ、４０９、４２１、４２７、４３５、４３６、４５１・・・可変抵抗、４１３、４１７、４４０、４４４・・・電位差計、４７０、４８０・・・差動増幅器、４７１、４８１・・・第１の積分器、４７２、４８２・・・第２の積分器、４７３・・・調整部、４９０・・・第１の平衡回路、４９１・・・第２の平衡回路、４９２・・・第３の平衡回路、４９３・・・第４の平衡回路、４９４・・・低域フィルタ、４９５・・・バッファ増幅器、５０１・・・振動計、５０２・・・光線、５０３・・・積分器、５０４・・・解析器、５０５・・・測定先端部、６０１、７０１、８０１・・・横座標軸、６０２、７０２、８０２・・・縦座標軸、６０３〜６０６、７０３〜７０５、８０３〜８０６・・・曲線、７０６・・・ピーク、７０９、７１２・・・周波数帯域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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