(57)【要約】  アクティブダンピングを効果的に行える走査型プローブ顕微鏡を提供する。Ｚ走査制御部が駆動制御部として機能し、制御対象であるＺスキャナを制御する。駆動制御は、調整関数の処理を経た駆動信号を制御対象に供給することにより行われ、調整関数は、制御対象に対応する模擬伝達関数を利用し、調整後の駆動信号に模擬伝達関数の処理を施すと模擬伝達関数の出力信号の振動が低減するように駆動信号を調整する。調整関数処理の構成は、模擬伝達関数Ｇ（ｓ）の処理を駆動信号に施し、目標伝達関数の逆数に相当する逆目標伝達関数Ｋ（ｓ）の処理をＧ（ｓ）の出力に施し、駆動信号とＫ（ｓ）の出力の差分を求め、その差分にゲインｇを付与し、ゲイン付与後の信号を駆動信号に加算する。これにより、Ｇ（ｓ）の出力が、Ｋ（ｓ）の逆数である目標伝達関数に近似する。
2008029561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブと試料との相対的な走査を行って前記試料を観察する走査型プローブ顕微鏡であって、
前記試料および前記プローブの少なくとも一方を駆動するための物理的構成である制御対象と、
前記制御対象に駆動信号を供給して前記制御対象を制御する駆動制御部と、
を備え、
前記駆動制御部は、前記駆動信号を変換する調整関数の処理を経た前記駆動信号を前記制御対象に供給するように構成されており、前記調整関数は、前記制御対象の実際の周波数特性を表す実伝達関数を模擬する模擬伝達関数を利用し、調整後の前記駆動信号に前記模擬伝達関数の処理を施すと前記模擬伝達関数の出力信号の振動が低減するように前記駆動信号を調整する関数であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記駆動制御部は、前記駆動信号に前記調整関数の処理を施すことにより、調整後の前記駆動信号に前記模擬伝達関数の処理を施したときの出力を、調整前の前記駆動信号に前記模擬伝達関数と異なる目標伝達関数を施したときの出力に近似させることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記駆動制御部は、前記駆動信号に対して前記調整関数の処理を施す駆動信号調整部を有し、前記駆動信号調整部は、
前記模擬伝達関数の処理を前記駆動信号に対して施す模擬伝達関数処理部と、
前記目標伝達関数の逆数に相当する逆目標伝達関数の処理を前記模擬伝達関数処理部の出力に対して施す逆目標伝達関数処理部と、
前記駆動信号と前記逆目標伝達関数処理部の出力との差分を算出する差分処理部と、
前記差分処理部の出力に対してゲインを付与するゲイン付与部と、
前記ゲイン付与部の出力を前記駆動信号に付加する付加処理部と、
を有することを特徴とする請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記制御対象に対して要求する駆動動作に応じた駆動波形を持った駆動信号を生成する駆動信号生成部を有し、前記駆動信号調整部は、前記駆動信号生成部により生成された前記駆動信号に対して前記調整関数の処理を施すことを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記駆動制御部は、順次配列された複数の前記駆動信号調整部を備え、各々の前記駆動信号調整部が、前記模擬伝達関数処理部、前記逆目標伝達関数処理部、前記差分処理部、前記ゲイン付与部および前記付加処理部を有することを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記複数の駆動信号調整部が共通する一の前記模擬伝達関数処理部を有し、前記共通する一の模擬伝達関数処理部の出力が、前記複数の駆動信号調整部にそれぞれ設けられた複数の逆目標伝達関数処理部に供給されることを特徴とする請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記駆動制御部は、前記逆目標伝達関数処理部を持たず、前記模擬伝達関数処理部の出力を前記差分処理部に供給するように構成された駆動信号追加調整部をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記駆動制御部は、前記制御対象または前記模擬伝達関数処理部の出力の微分にＱ値制御ゲインを付与して前記駆動信号に加算するＱ値制御部をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記目標伝達関数として１次ローパスフィルタが想定されており、前記逆目標伝達関数が１＋微分に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記制御対象は、前記プローブと前記試料とを相対的に走査するスキャナを含み、前記駆動制御部は、前記スキャナの走査を制御することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記制御対象は、前記プローブが設けられるカンチレバーの励振機構を含み、前記駆動制御部は前記カンチレバーの励振を制御することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
制御対象に駆動信号を供給すると共に、前記制御対象に対してアクティブダンピング制御を行うアクティブダンピング駆動制御装置であって、
前記駆動信号を変換する調整関数の処理を経た前記駆動信号を前記制御対象に供給するように構成されており、前記調整関数は、前記制御対象の実際の周波数特性を表す実伝達関数を模擬する模擬伝達関数を利用し、調整後の前記駆動信号に前記模擬伝達関数の処理を施すと前記模擬伝達関数の出力信号の振動が低減するように前記駆動信号を調整する関数であることを特徴とするアクティブダンピング駆動制御装置。
【請求項１３】
制御対象に駆動信号を供給して前記制御対象の駆動を制御する駆動制御装置に設けられ、前記駆動信号を前記制御対象に供給したときの前記制御対象の実際の周波数特性を表す実伝達関数に従った駆動動作を、前記実伝達関数と異なる目標伝達関数に従った動作へと変換するための伝達関数変換装置であって、
前記実伝達関数を模擬する前記模擬伝達関数の処理を前記駆動信号に対して施す模擬伝達関数処理部と、
前記目標伝達関数の逆数に相当する逆目標伝達関数の処理を前記模擬伝達関数処理部の出力に対して施す逆目標伝達関数処理部と、
前記駆動信号と前記逆目標伝達関数処理部の出力との差分を算出する差分処理部と、
前記差分処理部の出力に対してゲインを付与するゲイン付与部と、
前記ゲイン付与部の出力を前記駆動信号に付加する付加処理部と、
を有することを特徴とする伝達関数変換装置。
【請求項１４】
プローブと試料との相対的な走査を行って前記試料を観察する走査型プローブ顕微鏡にて、前記試料および前記プローブの少なくとも一方を駆動するための物理的構成である制御対象に駆動信号を供給して前記制御対象を制御する、走査型プローブ顕微鏡の駆動制御方法であって、
前記駆動信号を変換する調整関数の処理を経た前記駆動信号を前記制御対象に供給し、前記調整関数は、前記制御対象の実際の周波数特性を表す実伝達関数を模擬する模擬伝達関数を利用し、調整後の前記駆動信号に前記模擬伝達関数の処理を施すと前記模擬伝達関数の出力信号の振動が低減するように前記駆動信号を調整する関数であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の駆動制御方法。
【請求項１５】
制御対象に駆動信号を供給して、前記制御対象に対してアクティブダンピング制御を行うアクティブダンピング駆動制御方法であって、
前記駆動信号を変換する調整関数の処理を経た前記駆動信号を前記制御対象に供給し、前記調整関数は、前記制御対象の実際の周波数特性を表す実伝達関数を模擬する模擬伝達関数を利用し、調整後の前記駆動信号に前記模擬伝達関数の処理を施すと前記模擬伝達関数の出力信号の振動が低減するように前記駆動信号を調整する関数であることを特徴とするアクティブダンピング駆動制御方法。
【請求項１６】
制御対象に駆動信号を供給して前記制御対象の駆動を制御する駆動制御装置にて、前記駆動信号を前記制御対象に供給したときの前記制御対象の実際の周波数特性を表す実伝達関数に従った駆動動作を、前記実伝達関数と異なる目標伝達関数に従った動作へと変換するための伝達関数変換方法であって、
前記実伝達関数を模擬する前記模擬伝達関数の処理を前記駆動信号に対して施し、
前記目標伝達関数の逆数に相当する逆目標伝達関数の処理を前記模擬伝達関数の出力に対して施し、
前記駆動信号と前記逆目標伝達関数の出力との差分を算出し、
前記差分処理部の出力に対してゲインを付与し、
前記ゲインが付与された信号を前記駆動信号に付加することを特徴とする伝達関数変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プローブと試料との相対的な走査を行って試料を観察する走査型プローブ顕微鏡に関し、特に、スキャナ等の制御対象に対してアクティブダンピングを行う制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、典型的な走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）としては、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）および原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が知られている。これらのうち、ＡＦＭは、例えば生体分子のナノ機能動態を観察するための技術として期待されている。【０００３】
従来提案されている典型的なＡＦＭは、プローブを自由端に持つカンチレバーと、試料ステージを走査するスキャナとを備え、カンチレバーの変位を検知して、プローブとスキャナの間隔を保つようにスキャナを制御する。【０００４】
ＡＦＭでは、走査速度の向上による高速化が重要な課題の一つである。特に、上述したように生体分子の機能動態を観察する場合には短時間での観察が必要であり、そのために走査速度を上げることが望まれる。【０００５】
ＡＦＭの走査速度を向上する上で、最も性能向上が難しいデバイスは、試料ステージを走査するスキャナーである。従来の一般的なスキャナーは、ピエゾ素子という圧電変換素子で構成されている。カンチレバーがミクロな大きさを持つのに対して、スキャナーはマクロな大きさをもつため、スキャナの共振周波数を上げることは難しい。そのため、望ましくない振動を起こさないためには、スキャナの共振周波数よりも低い周波数で走査を行わなければならない。このように、ＡＦＭの高速化にとってはスキャナがボトルネックになっている。【０００６】
ところで、制御対象の状況（変位、速度、加速度等）に応じてダンピングを働かせるアクティブダンピングという制御技術が広く使われている。アクティブダンピングを使うと、制御対象の共振を除去あるいは軽減することができる。【０００７】
アクティブダンピングの一種として、アクティブＱ値制御法が知られている。アクティブＱ値制御法は、制御対象から検出される振動信号を微分し、正負の符号を反転させたものを駆動信号に加えることにより、みかけ上粘性抵抗を増大させてダンピングを行う。しかし、スキャナのように、複数の共振成分が並列に入った共振系では、この通常のアクティブダンピング法の効果は十分でなく、共振成分がかなり残る。【０００８】
従来のアクティブダンピング法についてより詳細に説明する。ここでは、まず、アクティブＱ値制御法の原理について説明する。共振する最も単純な系の伝達関数Ｇ（ｓ）は、２次ローパスフィルターで表現され、すなわち、下式（１）で表される。
【数１】
2008029561.tif 000003
【０００９】
この系に対して、図１のブロックダイアグラムに示す操作を行うと、Ｑ値を減少させることができる。Ｑ値（Quality  Factor）とは、共振スペクトルの鋭さを表す量である。共振系にかかる粘性抵抗が小さいほどＱ値は大きくなる。逆に、粘性抵抗が大きいとＱ値は小さくなる。図１の構成は、伝達関数Ｇ（ｓ）の出力信号Ｕｏｕｔを微分し、かつ、正負の符号を反転し（−Ｄ（ｓ））、さらにゲインを付与し、入力信号（駆動信号）Ｕｉｎに加算する。【００１０】
図１において、微分操作Ｄ（ｓ）は、ｓ／ω０である。図１の入出力関係を示す伝達関数は、以下の通りである。
【数２】
2008029561.tif 000004
【００１１】
上式に示されるように、Ｑ値制御により、Ｑ値がＱ／（１＋ｇＱ）へと減少し、共振が抑えられる。例えばゲインｇを（２−１／Ｑ）にすると、共振は完全になくなる。【００１２】
上述したのは、伝達関数Ｇ（ｓ）が単純な場合の例である。しかし、実際のＡＦＭにおいて、スキャナは複数の共振成分が並列に入った共振系であり、上記のように簡単に共振を抑えることはできない。例えば、２つの共振成分が並列に入った共振系では、伝達関数は下記のように表される。
【数３】
2008029561.tif 000005
【００１３】
ここで、Ａ１とＡ２はそれぞれの成分の大きさの割合である。仮に、図２に示すように、それぞれの成分に対して別々にＱ値制御ができれば、それぞれの成分の共振を完全に抑えることは可能である（図２は、２つの共振成分を個別にＱ値制御できる場合のブロック図である）。しかし、実際の共振系の入力はひとつであり、また出力もひとつであるので、個別のＱ値制御を施すことは不可能である。すなわち、図２の構成のように入力を２つに分けたり、出力を足したりすることはできない。【００１４】
そのため、実際には、図３に示すようなＱ値制御を行わざるを得ない。図３では、２つの共振成分の和に対してＱ値制御が行われる。そのため、下記例のように、Ｑ値制御は不完全になる。【００１５】
図４は、２つの共振成分をもつ共振系の伝達関数（左）と、図３の構成によるＱ値制御を施して得られる伝達関数（右）を示している。上側のグラフは、角周波数とゲインの関係を示し、下側のグラフは、角周波数と位相の関係を示している。この例では、元の共振系が、ω１＝２π×１００ｋＨｚとω２＝２π×２００ｋＨｚの共振成分をもっている（図４（左））。【００１６】
図４に示すように、Ｑ値制御の結果、ゲインに関してはピークが小さくなり共振は少なくなっているが、まだ共振は完全には消えていない。また、位相の谷はまったく消えずに残ることが分かる。したがって、２つの共振周波数のほぼ中央の周波数をもった入力信号に対して、特に、位相が大きく遅れてしまう。【００１７】
ＡＦＭにおけるＱ値制御は、例えば、特開２００５−１９０２２８号公報に開示されている。同文献のＡＦＭは、スキャナの変位を検出し、検出信号に基づいたフィードバック処理によりＱ値制御を行っている（図１７）。【００１８】
また、特開２００５−１９０２２８号公報は、スキャナの等価回路を用いたＱ値制御技術も提案している（図１９）。等価回路は、スキャナの伝達関数と等価の伝達関数を有している。等価回路の出力がスキャナの変位として処理されて、Ｑ値制御が行われる。等価回路としては２次ローパスフィルタが例示されている。【００１９】
以上に従来のアクティブダンピング技術について説明した。上述にて例を用いて説明したように、従来のアクティブＱ値制御のようなアクティブダンピングでは、ＡＦＭのスキャナの振動を十分に抑制することは容易でない。ＡＦＭの高速化のためには、より効果的な振動低減技術の提供が望まれる。【００２０】
また、アクティブダンピングは基本的には共振ピークを下げる技術である。ＡＦＭの高速化のためには、仮に共振点を高くするなどして使用可能な周波数帯域を伸ばせれば、さらに有利である。しかし、このような制御は従来一般には不可能であった。【００２１】
以上に、ＡＦＭのスキャナを取り上げて本発明の背景について説明した。しかし、同様の課題は、ＡＦＭのスキャナ以外の駆動制御対象にも存在し得る。例えば、ＡＦＭのスキャナ以外の構成要素でも、振動制御技術は重要である。また、ＡＦＭ以外のＳＰＭにおいても振動制御技術は重要である。さらには、ＳＰＭに限られず、駆動制御される多様な制御対象においても、同様の要求が存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、上記背景の下でなされたものである。本発明の一の目的は、駆動制御の制御対象の振動を効果的に低減できる走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を提供することにある。【００２３】
また、本発明の一の目的は、制御対象に対してアクティブダンピングを効果的に行えるアクティブダンピング駆動制御技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、プローブと試料との相対的な走査を行って試料を観察する走査型プローブ顕微鏡であって、試料およびプローブの少なくとも一方を駆動するための物理的構成である制御対象と、制御対象に駆動信号を供給して制御対象を制御する駆動制御部と、を備え、駆動制御部は、駆動信号を変換する調整関数の処理を経た駆動信号を制御対象に供給するように構成されており、調整関数は、制御対象の実際の周波数特性を表す実伝達関数を模擬する模擬伝達関数を利用し、調整後の駆動信号に模擬伝達関数の処理を施すと模擬伝達関数の出力信号の振動が低減するように駆動信号を調整する関数である。【００２５】
この構成により、上述のような調整関数の処理を経た駆動信号が制御対象に供給される。駆動信号は、模擬伝達関数の出力の振動が低減するように調整される。これにより、実際の制御対象の振動も効果的に低減できる。【００２６】
また、駆動制御部は、駆動信号に調整関数の処理を施すことにより、調整後の駆動信号に模擬伝達関数の処理を施したときの出力を、調整前の駆動信号に模擬伝達関数と異なる目標伝達関数を施したときの出力に近似させてよい。【００２７】
また、駆動制御部は、駆動信号に対して調整関数の処理を施す駆動信号調整部を有し、駆動信号調整部は、模擬伝達関数の処理を駆動信号に対して施す模擬伝達関数処理部と、目標伝達関数の逆数に相当する逆目標伝達関数の処理を模擬伝達関数処理部の出力に対して施す逆目標伝達関数処理部と、駆動信号と逆目標伝達関数処理部の出力との差分を算出する差分処理部と、差分処理部の出力に対してゲインを付与するゲイン付与部と、ゲイン付与部の出力を駆動信号に付加する付加処理部と、を有してよい。【００２８】
本発明の別の態様は、制御対象に駆動信号を供給すると共に、制御対象に対してアクティブダンピング制御を行うアクティブダンピング駆動制御装置であって、駆動信号を変換する調整関数の処理を経た駆動信号を制御対象に供給するように構成されており、調整関数は、制御対象の実際の周波数特性を表す実伝達関数を模擬する模擬伝達関数を利用し、調整後の駆動信号に模擬伝達関数の処理を施すと模擬伝達関数の出力信号の振動が低減するように駆動信号を調整する関数である。【００２９】
本発明の別の態様は、制御対象に駆動信号を供給して制御対象の駆動を制御する駆動制御装置に設けられ、駆動信号を制御対象に供給したときの制御対象の実際の周波数特性を表す実伝達関数に従った駆動動作を、実伝達関数と異なる目標伝達関数に従った動作へと変換するための伝達関数変換装置であって、実伝達関数を模擬する模擬伝達関数の処理を駆動信号に対して施す模擬伝達関数処理部と、目標伝達関数の逆数に相当する逆目標伝達関数の処理を模擬伝達関数処理部の出力に対して施す逆目標伝達関数処理部と、駆動信号と逆目標伝達関数処理部の出力との差分を算出する差分処理部と、差分処理部の出力に対してゲインを付与するゲイン付与部と、ゲイン付与部の出力を駆動信号に付加する付加処理部と、を有する。【００３０】
本発明の別の態様は、プローブと試料との相対的な走査を行って試料を観察する走査型プローブ顕微鏡にて、試料およびプローブの少なくとも一方を駆動するための物理的構成である制御対象に駆動信号を供給して制御対象を制御する、走査型プローブ顕微鏡の駆動制御方法であって、駆動信号を変換する調整関数の処理を経た駆動信号を制御対象に供給し、調整関数は、制御対象の実際の周波数特性を表す実伝達関数を模擬する模擬伝達関数を利用し、調整後の駆動信号に模擬伝達関数の処理を施すと模擬伝達関数の出力信号の振動が低減するように駆動信号を調整する関数である。【００３１】
本発明の別の態様は、制御対象に駆動信号を供給して、制御対象に対してアクティブダンピング制御を行うアクティブダンピング駆動制御方法であって、駆動信号を変換する調整関数の処理を経た駆動信号を制御対象に供給し、調整関数は、制御対象の実際の周波数特性を表す実伝達関数を模擬する模擬伝達関数を利用し、調整後の駆動信号に模擬伝達関数の処理を施すと模擬伝達関数の出力信号の振動が低減するように駆動信号を調整する関数である。【００３２】
本発明の別の態様は、制御対象に駆動信号を供給して制御対象の駆動を制御する駆動制御装置にて、駆動信号を制御対象に供給したときの制御対象の実際の周波数特性を表す実伝達関数に従った駆動動作を、実伝達関数と異なる目標伝達関数に従った動作へと変換するための伝達関数変換方法であって、実伝達関数を模擬する模擬伝達関数の処理を駆動信号に対して施し、目標伝達関数の逆数に相当する逆目標伝達関数の処理を模擬伝達関数の出力に対して施し、駆動信号と逆目標伝達関数の出力との差分を算出し、差分処理部の出力に対してゲインを付与し、ゲインが付与された信号を駆動信号に付加する。
【発明の効果】
【００３３】
本発明は、上述のような調整関数の処理を経た駆動信号が制御対象に供給することにより、駆動制御の制御対象の振動を効果的に低減できる走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を提供できる。また、本発明は、上述のような調整関数を用いることで、制御対象に対してアクティブダンピングを効果的に行えるアクティブダンピング駆動制御技術を提供できる。【００３４】
以下に説明するように、本発明には他の態様が存在する。したがって、この発明の開示は、本発明の一部の態様の提供を意図しており、ここで記述され請求される発明の範囲を制限することは意図していない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、従来のアクティブＱ値制御の構成を示す図である。
【図２】図２は、並列な２つの共振成分の制御を個別に行えたと仮定したときのアクティブＱ値制御の構成を示す図である。
【図３】図３は、並列な２つの共振成分を持つ共振系に適用可能な実際のアクティブＱ値制御の構成を示す図である。
【図４】図４は、２つの共振成分をもつ共振系の伝達関数（左）と、図３の構成によるＱ値制御を施して得られる伝達関数（右）を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係るＡＦＭの構成を示す図である。
【図６】図６は、Ｚ走査制御部の構成を示す図である。
【図７】図７は、駆動信号調整部の構成を示す図である。
【図８】図８は、逆目標伝達関数Ｋ（ｓ）を適用することにより得られる伝達関数を示す図である。
【図９】図９は、アクティブダンピングを１回作用させた結果（左側）と、２回作用させた結果（右側）を示す図である。
【図１０】図１０は、アクティブダンピング制御を複数回行う場合の回路構成を示す図である。
【図１１】図１１は、アクティブダンピング制御を複数回行う場合の回路構成であって、共通のＧ（ｓ）を設けた構成を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、Ｋ（ｓ）＝（１＋微分）、Ｋ（ｓ）＝１、Ｑ値制御を組み合わせる場合の処理結果を示す第１の図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、Ｋ（ｓ）＝（１＋微分）、Ｋ（ｓ）＝１、Ｑ値制御を組み合わせる場合の処理結果を示す、図１２Ａに続く第２の図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、Ｋ（ｓ）＝（１＋微分）、Ｋ（ｓ）＝１、Ｑ値制御を組み合わせる場合の処理結果を示す、図１２Ｂに続く第３の図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、Ｋ（ｓ）＝（１＋微分）、Ｋ（ｓ）＝１、Ｑ値制御を組み合わせる場合の処理結果を示す、図１３Ａに続く第４の図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、Ｋ（ｓ）＝（１＋微分）、Ｋ（ｓ）＝１、Ｑ値制御を組み合わせる場合の処理結果を示す、図１３Ｂに続く第５の図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、Ｋ（ｓ）＝（１＋微分）、Ｋ（ｓ）＝１、Ｑ値制御を組み合わせる場合の処理結果を示す、図１４Ａに続く第６の図である。
【図１５】図１５は、Ｋ（ｓ）＝（１＋微分）、Ｋ（ｓ）＝１、Ｑ値制御を組み合わせる構成を示す図である。
【図１６】図１６は、制御対象がカンチレバーである場合に本発明の処理を施した結果を示す図である。
【図１７】図１７は、制御対象がカンチレバーである場合に本発明の処理を施した結果を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下に本発明の詳細な説明を述べる。ただし、以下の詳細な説明と添付の図面は発明を限定するものではない。代わりに、発明の範囲は添付の請求の範囲により規定される。
本実施の形態では、本発明が走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一種である原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に適用される。【００３７】
図５は、本実施の形態に係るＡＦＭの構成を示している。まず、ＡＦＭ１の全体的な構成と動作を説明する。【００３８】
図５に示すように、ＡＦＭ１は、全体構成としては、試料を保持する試料ステージ３と、試料に近接して配置されるカンチレバー５とを備える。また、ＡＦＭ１は、試料ステージ３をＸＹＺ方向に走査する構成として、スキャナ７および走査制御回路９を有する。また、ＡＦＭ１は、カンチレバー５を保持して共振周波数付近の周波数で振動させる構成として、ホルダ１１、励振用ピエゾ素子１３および発振器１５を有する。また、ＡＦＭ１は、カンチレバー５の変位を検知するために、レーザユニット１７およびセンサ１９を有する。また、ＡＦＭ１は、カンチレバー５の変位信号に基づいてレバー振幅を一定に保つフィードバック走査のために振幅検出回路２１およびフィードバック回路２３を有する。さらに、ＡＦＭ１は、装置全体を制御するコンピュータ２５と、コンピュータ２５から供給される観察画像を表示するモニタ２７とを有する。【００３９】
試料ステージ３は、下面に試料を保持するように構成されている。試料ステージ３はスキャナ７に取り付けられており、スキャナ７は、アクチュエータとしてピエゾ素子（圧電素子）を有しており、試料ステージ３をＸ、Ｙ、Ｚ方向に動かして、試料をカンチレバー５に対して相対的に走査する。ＸＹ方向は、水平面上で直交する方向である。Ｚ方向は鉛直方向であり、試料の凹凸方向（高さ方向）である。【００４０】
スキャナ７の駆動は、走査制御回路９によって制御される。走査制御回路９は、スキャナ７の駆動制御部に相当し、駆動信号をスキャナ７に供給する。スキャナ７では、駆動信号に従ってピエゾ素子の駆動回路が動作し、スキャナ７が駆動される。【００４１】
走査制御回路９は、ＸＹ走査制御部３１とＺ走査制御部３３を有する。ＸＹ走査制御部３１はＸＹ方向の駆動を制御し、Ｚ走査制御部３３はスキャナ７をＺ方向に駆動する。Ｚ走査制御部３３は、後述するようにセンサ変位に基づくフィードバック走査を行う。【００４２】
カンチレバー５は、窒化シリコン製であり、自由端にプローブ（探針）を有している。カンチレバー５はホルダ１１によって保持されており、ホルダ１１は励振用ピエゾ素子１３（励振用圧電素子）と共に設けられている。励振用ピエゾ素子１３には、発振器１５から、駆動信号としての励振信号が供給される。励振信号の波形は典型的には正弦波である。励振用ピエゾ素子１３では、励振信号に従って駆動回路が動作し、これにより励振用ピエゾ素子１３と共に、ホルダ１１およびカンチレバー５が振動する。【００４３】
センサ１９は、レーザユニット１７と共に、光てこ式の変位センサを構成している。レーザユニット１７は、レーザ光をカンチレバー５に照射する。レーザ光はカンチレバー５で反射してセンサ１９に届く。センサ１９は、フォトダイオードで構成されており、カンチレバー５の変位を表す信号を出力する。図では、センサに関連したレンズ等の光学系の構成は省略されている。【００４４】
振幅検出回路２１は、センサ１９から入力される変位信号を処理してカンチレバー５の振幅を求める。検出された振幅値は、フィードバック回路２３へ出力される。また、フィードバック回路２３には、コンピュータ２５から振幅目標値が入力される。フィードバック回路２３は、検出された振幅値から振幅目標値を減算して偏差信号を生成する減算器と、偏差信号を増幅するＰＩＤ回路とを備えており、これら構成によってフィードバック信号が生成される。【００４５】
フィードバック信号は走査制御回路９に供給されて、フィードバック走査に利用される。フィードバック走査では、カンチレバー５の振幅を一定に保つように、Ｚ走査制御部３３がＺ走査を行う。また、フィードバック信号はコンピュータ２５に供給されて、試料画像の生成処理に使用される。【００４６】
コンピュータ２５は、ＡＦＭ１の全体を制御している。コンピュータ２５はユーザインターフェース機能も提供し、ユーザの各種の指示がコンピュータ２５に入力され、コンピュータ２５はユーザの入力に従ってＡＦＭ１を制御する。また、コンピュータ２５は試料表面の画像を生成してモニタ２７に出力する。【００４７】
次に、ＡＦＭ１の全体的な動作を説明する。走査制御回路９にコンピュータ２５からＸＹ方向の走査の制御信号が供給される。走査制御回路９は制御信号に従ってスキャナ７の駆動を制御し、スキャナ７にＸＹ方向の走査を行わせる。駆動制御では、駆動信号がスキャナ７の駆動回路に供給される。また、コンピュータ２５は発振器１５へ励振強度（振幅）の指令値を供給する。発振器１５は、コンピュータ２５の制御下で励振信号を生成して、励振信号を励振用ピエゾ素子１３へ供給する。励振信号に従って駆動回路が励振用ピエゾ素子１３を駆動し、カンチレバー５が共振周波数近傍の周波数で振動する。このようにして、カンチレバー５が振動した状態で、カンチレバー５と試料が相対的にＸＹ方向に走査される。【００４８】
ＸＹ走査中、カンチレバー５の変位がセンサ１９により検出され、振幅検出回路２１によりカンチレバー５の振幅が求められる。そして、フィードバック回路２３が、コンピュータ２５から供給される振幅目標値に基づき、検出された振幅値と振幅目標値の差分に応じたフィードバック信号を生成する。フィードバック信号が走査制御回路９に供給され、走査制御回路９のＺ走査制御部３３は、フィードバック信号に従って、検出振幅値と振幅目標値が一致するようにスキャナ７の駆動を制御する。このフィードバック制御により、カンチレバー５と試料の距離が一定に保たれる。【００４９】
このようにして、カンチレバー５と試料の距離を一定に保つＺ走査を行いながら、ＸＹ走査が行われる。Ｚ走査のフィードバック信号は、フィードバック回路２３からコンピュータ２５にも供給される。フィードバック信号は、試料のＺ方向の高さに対応している。また、試料上のＸＹ方向の位置は、コンピュータ２５が発生して走査制御回路９に供給するＸＹ走査の制御信号により特定される。コンピュータ２５は、ＸＹ走査の制御データと、入力されるフィードバック信号とに基づいて、試料表面の画像を生成してモニタ２７に表示する。３次元画像が好適に生成され、表示される。【００５０】
以上に、本実施の形態におけるＡＦＭ１の全体的な構成と動作について説明した。次に、本発明の特徴的な構成について説明する。本発明は、従来のアクティブＱ値制御のようなフィードバック制御と異なり、下記に説明するように制御対象への駆動信号に調整関数の処理を施してアクティブダンピングを実現する技術である。以下の例では、制御対象がスキャナ７であり、より詳細には、スキャナ７とそれに取り付けられた試料ステージ３である。そして、本発明の駆動制御の構成は、走査制御回路９のＺ走査制御部３３に設けられて、Ｚ走査制御に適用される。【００５１】
図６は、本実施の形態におけるＺ走査制御部３３の構成を示している。上述したように、この例では、Ｚ走査制御部３３が本発明の駆動制御部に相当する構成である。Ｚ走査制御部３３は、駆動信号生成部３５と駆動信号調整部３７とを有している。【００５２】
駆動信号生成部３５は、制御対象に対して要求する駆動動作に応じた駆動波形を持った駆動信号を生成する構成である。本実施の形態の場合、駆動信号はＺ走査の信号である。駆動信号生成部３５は、フィードバック回路２３からフィードバック信号を入力され、フィードバック信号に基づいてＺ走査の駆動信号を生成する。【００５３】
駆動信号調整部３７は、駆動信号生成部３５と接続されており、駆動信号生成部３５から駆動信号を入力される。駆動信号調整部３７は、駆動信号に対して調整関数の処理を施す構成であり、調整関数は駆動信号を変換する関数である。このようにして、本実施の形態では、駆動信号が、調整関数の処理を経てから、制御対象に供給される。【００５４】
駆動信号調整部３７において、調整関数は、後述にて詳細に説明するように、模擬伝達関数を利用する。模擬伝達関数は、制御対象の実際の周波数特性を表す実伝達関数を模擬する関数である。調整関数は、駆動信号が入力されたときの模擬伝達関数の出力の振動が低減するように、駆動信号を調整する関数である。【００５５】
より詳細には、本実施の形態では、模擬伝達関数と別の目標伝達関数が設定される。調整関数は、下記に例を用いて説明するように、模擬伝達関数の出力を、目標伝達関数の出力に近似させるような駆動信号調整を可能にする関数である。【００５６】
図６では、駆動信号調整部３７での調整前の駆動信号（駆動信号生成部３５で生成された駆動信号）が、「原駆動信号」として表されている。これに対して、駆動信号調整部３７から出力される調整後の駆動信号が、「調整駆動信号」として表されている。これらの表現は、調整前後の駆動信号を区別するために使われている。【００５７】
図７は、駆動信号調整部３７の構成を制御対象Ｒ（ｓ）と共に示す図である。図７の回路構成（Ｒ（ｓ）以外）は、全体として、駆動信号に調整関数の処理を施す構成として機能する。すなわち、図７の全体が、一つの調整関数の機能を果たす。【００５８】
図７において、入力Ｕｉｎは、駆動信号調整部３７に入力される駆動信号であり、すなわち、前段の駆動信号生成部３５で生成された駆動信号であり、図６の原駆動信号に相当する。【００５９】
また、調整信号Ｕ１は、駆動信号調整部３７で調整された駆動信号であり、図６の調整駆動信号に相当する。調整信号Ｕ１は制御対象Ｒ（ｓ）に供給される。制御対象Ｒ（ｓ）は、制御対象の実際の系であり、本実施の形態ではスキャナ（より正確にはスキャナと試料ステージ）の系である。【００６０】
図７において、模擬伝達関数処理部Ｇ（ｓ）は、模擬伝達関数の処理を駆動信号に対して施す回路構成である。この回路構成を、以下、単にＧ（ｓ）または模擬伝達関数Ｇ（ｓ）という。Ｇ（ｓ）は、Ｒ（ｓ）を模擬する関数である。Ｇ（ｓ）がＲ（ｓ）と同等であれば、Ｇ（ｓ）の出力Ｕｏｕｔは、実際の系の動作に等しくなる。【００６１】
模擬伝達関数処理部Ｇ（ｓ）の後段には、逆目標伝達関数処理部Ｋ（ｓ）が接続されている。逆目標伝達関数処理部Ｋ（ｓ）は、逆目標伝達関数の処理をＧ（ｓ）の出力に対して施す構成である。以下、この回路構成を、単にＫ（ｓ）または逆目標伝達関数Ｋ（ｓ）という。逆目標伝達関数は目標伝達関数の逆数に相当する関数であり、目標伝達関数は、模擬伝達関数とは別の制御目標になる関数である。【００６２】
Ｋ（ｓ）は減算器４１に接続されている。減算器４１は、調整信号Ｕ１とＫ（ｓ）の出力との差分を算出する構成であり、本発明の差分処理部に相当する。本実施の形態では、調整信号Ｕ１から、Ｋ（ｓ）の出力が減算される。【００６３】
減算器４１にはさらに増幅器４３が接続されており、増幅器４３は減算器４１の出力にゲインｇを付与する構成であり、本発明のゲイン付与部に相当する。増幅器４３の出力は加算器４５に供給され、入力Ｕｉｎに加算される。ただし、増幅器４３と加算器４５の間には、遅れ伝達関数処理部（遅れ処理部）Ｌ（ｓ）が配置されている。以下、この構成を単にＬ（ｓ）または遅れ伝達関数Ｌ（ｓ）と呼ぶ。Ｌ（ｓ）は、図７のダイアグラムを組むのに必要なアンプの帯域に相当する。図７の回路を組むにはアンプが必要であり、実際の回路系ではアンプの遅れが存在し（アンプはローパスフィルタに相当する）、このアンプの遅れがＬ（ｓ）で表されている。【００６４】
増幅器４３の出力は、Ｌ（ｓ）を経て加算器４５に供給される。加算器４５は、増幅器４３からＬ（ｓ）を経由して入力された信号を、入力Ｕｉｎに加算する構成であり、本発明の付加処理部に相当する。【００６５】
上記の回路構成によれば、調整信号Ｕ１がＧ（ｓ）およびＫ（ｓ）で処理される。そして、減算器４１で調整信号Ｕ１とＫ（ｓ）の出力の差分が求められる。この差分にゲインｇが増幅器４３で付与される。そして、増幅器４３の出力が、Ｌ（ｓ）を経て、加算器４５で入力Ｕｉｎに加算され、こうして入力Ｕｉｎが調整されて調整信号Ｕ１になる。【００６６】
図７において、入出力の伝達関数Ｍ（ｓ）は、下記のように表される。Ｍ（ｓ）は、Ｕｏｕｔ／Ｕｉｎである。
【数４】
2008029561.tif 000006
【００６７】
ここで、ｇ＝１、Ｌ（ｓ）＝１とすると、この伝達関数Ｍ（ｓ）は、１／Ｋ（ｓ）と等しくなる。もちろん、Ｌ（ｓ）＝１にすることはできないが、入力Ｕｉｎに対するＧ（ｓ）の応答Ｕｏｕｔが、Ｋ（ｓ）の逆伝達関数の応答に似てくる。【００６８】
Ｋ（ｓ）は目標伝達関数の逆数である。したがって、ＵｏｕｔがＫ（ｓ）の逆伝達関数の応答に近似するということは、Ｕｏｕｔが目標伝達関数の応答に近似するということである。そして、Ｇ（ｓ）は、制御対象Ｒ（ｓ）を模擬した伝達関数なので、制御対象の実際の応答も目標伝達関数の応答に近似する。【００６９】
このように、図７の駆動信号調整部３７の構成は、Ｋ（ｓ）を所望の目標伝達関数の逆数に設定することにより、Ｇ（ｓ）およびＲ（ｓ）の出力を、本来の応答と異ならせて、目標伝達関数の応答に近似させることができる。したがって、適当な目標関数を設定し、その逆数をＫ（ｓ）に組み込めば、それだけで、制御対象の応答を所望の目標伝達関数の応答に近似させることができる。【００７０】
ここで、アクティブダンピングには、アクティブＱ値制御の他に、逆伝達関数位相補償法がある。アクティブＱ値制御は、背景技術として説明した通りである。一方、逆伝達関数位相補償法は、制御対象の伝達関数の逆数を駆動信号に掛けて、ダンピングを行う技術である。本発明の方法は、大きく分類すると逆伝達関数位相補償法の一種ということができるが、従来見られない上述の構成によってダンピングを効果的に行える。【００７１】
次に、模擬伝達関数Ｇ（ｓ）および逆目標伝達関数Ｋ（ｓ）の例を挙げると共に、本発明の振動低減効果についてさらに説明する。【００７２】
本実施の形態では、制御対象が、ＡＦＭ１のスキャナ７であり、より詳細にはＺスキャナと試料ステージの組み合わせである。この場合に、模擬伝達関数Ｇ（ｓ）が、２つの共振成分が並列に入った共振系であったとする。このＧ（ｓ）は、前出の式（３）に示される通りであり、また、前出の図４の左側に示される通りである。なお、Ｇ（ｓ）を作成する場合、制御対象の伝達関数が測定され、測定結果に合うようにＧ（ｓ）が作られる。伝達関数が予め理論的に分かっていれば、そのような既知の伝達関数が回路で実現されてよい。【００７３】
上記のように模擬伝達関数が２つの共振成分をもつ場合に、目標伝達関数は、１次ローパスフィルタに設定することが好適である。そして、目標伝達関数が１次ローパスフィルタである場合、逆目標伝達関数Ｋ（ｓ）（目標伝達関数の逆数）は、（１＋微分）の形の伝達関数になる。【００７４】
図８は、本発明の制御を行った結果を示す図である。図４に示すＧ（ｓ）に対して、上記のＫ（ｓ）が適用されている。Ｇ（ｓ）は、ω１＝２π×１００ｋＨｚとω２＝２π×２００ｋＨｚという２つの共振成分をもっている。この例では、Ｋ（ｓ）に含まれる微分操作のゲイン１となる周波数を２００ｋＨｚとし、ｇ＝０．９２、Ｌ（ｓ）の帯域を８ＭＨｚとした。この条件で、図示のように、閉ループは発振していない。【００７５】
図８は、本実施の形態の制御によって下記の３つの特徴的な変化が起こっていることを示している。
（ａ）もともとゲインのピークがあった周波数領域からは、ほとんどピークが消えていること。
（ｂ）位相の谷がほぼ完全に消えていること。
（ｃ）位相が９０度遅れる角周波数が約３５００ｒａｄ／ｓまで伸びていること（周波数にして、５５７ｋＨｚ程度まで伸びている）。ここで、位相が９０度遅れるのは共振点である。したがって、本実施の形態により、共振点が大きくなっており、使用可能な帯域が伸びている。【００７６】
上記のうち、（ａ）の特性は、アクティブダンピングの本来の効果である。これに対して、（ｂ）（ｃ）の特性は、通常のアクティブダンピング法では起こらない効果である。特に、（ｃ）の特性に見られるように、帯域が高周波まで伸びることは、極めて有効な効果である。これにより、共振を消去できるばかりでなく、制御対象である共振系を本来よりも高い周波数で駆動できる。このように、本発明の構成は、通常のアクティブダンピングの効果に加えて、使用可能な帯域の拡大といった新しい別の効果も提供できる。【００７７】
上記のように、周波数帯域が伸びることは大変重要な意味をもつ。この重要性について、例を挙げて説明する。本実施の形態では、ＡＦＭ１のスキャナ７に本発明が適用されており、スキャナ７は圧電素子（ピエゾ素子）で構成されている。電圧を印加すると変位する圧電素子は、ナノメータ精度の変位制御が可能なため、色々な分野で利用されている。圧電素子の共振周波数はその長さでほぼ一意的に決まってしまう。共振を利用する場合を除くと、共振は邪魔であり、共振周波数以下でしか圧電素子を駆動することができない。圧電素子を高速に駆動しようとすると、共振が発生して制御が不可能になる。ところが、本発明のアクティブ制御法を用いると、圧電素子という力学系を変更することなく、本来の共振周波数以上の周波数にて、共振を起こさずに圧電素子を駆動できる。つまり、力学系・機械系の限界を突破することが可能になる。【００７８】
なお、ここでは、２次の共振成分がある制御対象を考えて本発明の利点を説明した。しかし、このような共振成分がない１次の制御対象でも、本発明を提供すれば、同様にして使用可能な周波数域を伸ばすことができ、良好な制御を行える。【００７９】
以上に、本実施の形態におけるアクティブダンピング制御の効果について説明した。次に、本実施の形態の各種の応用例について説明する。【００８０】
「アクティブダンピングを複数回行う構成」
上述の実施の形態は、本発明の新しいアクティブダンピング法を、共振系に１回だけ作用させているが、この応用例は、本発明のアクティブダンピング法を共振系に複数回作用させる。【００８１】
図９は、アクティブダンピングを１回作用させた結果（左側）と、２回作用させた結果（右側）を示している。１回目では、微分のゲイン１となる周波数は６００ｋＨｚ、ｇ＝０．６、Ｌ（ｓ）＝８ＭＨｚとした。２回目では、微分のゲイン１となる周波数は９００ｋＨｚ、ｇ＝０．４、Ｌ（ｓ）＝８ＭＨｚとした。【００８２】
図９の例では、位相が９０度遅れる角周波数が、１回目の作用で約５０００ｒａｄ／ｓにまで伸びており（周波数にして、７９６ｋＨｚ程度まで伸びており）、２回目の作用で更に伸びている。このように、複数回の作用によって、共振を起こさずに制御対象を使用可能な周波数領域をさらに広げられる。【００８３】
図１０は、アクティブダンピング制御を複数回行う場合の構成を示している。図１０に示されるように、アクティブダンピング制御を複数回行うためには、複数の駆動信号調整部３７が順次配列される。図１０の例では、３つの駆動信号調整部３７が設けられ、本発明のアクティブダンピング制御が３回行われる。各々の駆動信号調整部３７は、図７の構成を有している。ただし、Ｋ（ｓ）やｇは異なって設定される。また、Ｌ（ｓ）は図から省略されている。【００８４】
図１１は、図１０の構成のさらなる応用例である。この構成では、複数の駆動信号調整部３７が、共通する一つのＧ（ｓ）を有している。この共通のＧ（ｓ）には、最後の駆動信号調整部３７を経た駆動信号が入力される。そして、共通Ｇ（ｓ）の出力は、複数の駆動信号調整部３７にそれぞれ設けられたＫ（ｓ）に供給される。図１１の構成によっても、図１０と同様の効果が得られる。そして、Ｇ（ｓ）を共通化することで、回路構成を単純化できる。実際問題としてＧ（ｓ）を組む作業は多大な労力を要するので、図１１の構成は有利である。【００８５】
「Ｋ（ｓ）の除去（Ｋ（ｓ）＝１の場合）」
図７の構成において、Ｋ（ｓ）を取り去ってしまったとする。これは、Ｋ（ｓ）＝１の場合に相当する。Ｇ（ｓ）の出力がそのまま減算器に供給される。この場合、Ｕｏｕｔは、伝達関数Ｈ（ｓ）＝１に近くなる。したがって、調整信号Ｕ１は、Ｇ（ｓ）の逆伝達関数に近くなる。すなわち、この場合には、図７の構成により、任意の伝達関数Ｇ（ｓ）に対する近似逆伝達関数を得ることができる。これは、伝達関数Ｇ（ｓ）の近似逆伝達関数を使ってアクティブダンピングを行うことを可能としており、いわゆる逆伝達位相補償法に相当する。逆伝達位相補償法は色々な分野で利用されているが、従来の逆伝達位相補償法では、複雑な伝達関数に対する逆伝達関数を回路で実現することが難しかった。これに対して、本発明は、逆伝達関数に近似した関数の回路を比較的容易に実現できる。【００８６】
なお、Ｋ（ｓ）＝１の場合の構成も、駆動信号を調整するものであり、この点で本発明の範囲に含まれる。【００８７】
また、この応用例のＫ（ｓ）＝１の制御も、複数回行われてよい。１つの回路（図７でＫ（ｓ）＝１の回路）の出力にＧ（ｓ）を繋げたものを新たに模擬系として、それに対する逆伝達関数を作ることを１回以上繰り返す。この繰り返しにより、徐々に理想系に近づけていくことができる。この場合の回路構成は、図１０および図１１に示した回路に従って構成されてよい（ただし、Ｋ（ｓ）は外される）。【００８８】
「Ｋ（ｓ）＝１との組合せ」および「Ｑ値制御との組合せ」
（Ｋ（ｓ）＝（１＋微分）、Ｋ（ｓ）＝１、Ｑ値制御の組合せ）【００８９】
この応用例は、Ｋ（ｓ）＝（１＋微分）のアクティブダンピングと、Ｋ（ｓ）＝１のアクティブダンピングと、従来のアクティブＱ値制御を組み合わせて、より大きな効果を実現する。【００９０】
ここでは、制御対象の系は、以下のような３つの共振系が並列に入った構成であるとする。この系は、実際のＺスキャナに対応している。【００９１】
【数５】
2008029561.tif 000007
ω１＝２π×１７４ｋＨｚ、ω２＝２π×２８８ｋＨｚ、ω３＝２π×３８０ｋＨｚ、Ｑ１＝１８．２２、Ｑ２＝２０、Ｑ３＝２０、ａ＝０．５８、ｂ＝０．０２、ｃ＝０．４【００９２】
図１２Ａ〜図１４Ｂは、上記の系に対して、Ｋ（ｓ）＝（１＋微分）の操作を３回行い、次にＫ（ｓ）＝１の操作を１回行い、最後に通常のアクティブＱ値制御を行った結果を示している。【００９３】
図１２Ａは、Ｚスキャナの元々の伝達関数であり、上述のように３つの共振成分をもっている。図１２Ｂは、Ｋ（ｓ）＝（１＋微分）の操作を１回行った結果である。図１３Ａは、Ｋ（ｓ）＝（１＋微分）の操作を２回行った結果であり、図１３Ｂは、Ｋ（ｓ）＝（１＋微分）の操作を３回行った結果である。３回の操作で、共振ピークがかなり小さくなっている。【００９４】
続いて、図１４Ａは、さらにＫ（ｓ）＝１の操作を行った結果である。図１４Ａでは、共振ピークが１つになっている。共振ピークの位置は、元の位置と比べてずっと高周波側に変わっている。【００９５】
図１４Ａのように共振ピークが１つであれば、アクティブＱ値制御を好適に適用できる。そこで、図１４ＢではアクティブＱ値制御が行われている。アクティブＱ値制御により、共振ピークが好適に除去されている。【００９６】
図１４Ｂでは、横軸および縦軸の範囲が拡大されている。他の図と同じ周波数範囲では、ゲインが１に近くなっており、つまり、制御対象の伝達関数の逆伝達関数が概ね実現されており、共振系の影響が好適に除去されている。【００９７】
このようにして、本発明のアクティブダンピング制御法を用いて、複数のピークをもつような複雑な伝達関数で表される系の出力を滑らかにするとともに、その物理系で制約されている周波数帯域を大幅に伸ばすことができる。当然のことながら、操作される対象には物理的な加工を施しているわけではない。代わりに、本発明は、その物理系を駆動する信号を加工している。ただし、この加工により周波数帯域は伸びるが、駆動電源の周波数帯域が十分でなければそれにより帯域の延長は頭打ちになる。【００９８】
図１５は、図１２Ａ〜図１４Ｂの処理に対応する回路構成を示している。図１５において、駆動信号調整部５１、５３、５５は、図１１の３つの駆動信号調整部３７に相当する構成である。図１１と同様に、共通のＧ（ｓ）が利用されている。【００９９】
図１５は、最初の駆動信号調整部５５のさらに前に、駆動信号追加調整部５７を有する。駆動信号追加調整部５７は、Ｋ（ｓ）を持たず、Ｇ（ｓ）の出力を直接減算器に入力する。駆動信号追加調整部５７は、Ｋ（ｓ）＝１の操作を行う回路構成であり、Ｋ（ｓ）＝１の駆動信号調整部ともいえる。また、駆動信号追加調整部５７も、共通Ｇ（ｓ）を利用しており、共通Ｇ（ｓ）の出力が減算器へと入力される。【０１００】
さらに、図１５は、アクティブＱ値制御部５９を有する。アクティブＱ値制御部５９は、微分回路６１、増幅器６３および加算器６５を有する。微分回路６１には、Ｇ（ｓ）の出力が供給される。微分回路６１には、実際の制御対象Ｒ（ｓ）の変位信号が入力されてもよい。微分回路６１の出力信号が、増幅器６３で増幅されて、ゲインｇ５を付与され、それから加算器６５に入力される。加算器６５では、増幅器６３からの信号が駆動信号に加算され、これによりＱ値制御が行われる。【０１０１】
「適用範囲の拡大」
本発明のアクティブダンピング技術は、上記のＡＦＭのＺ走査に限られず、他の用途にも利用可能であり、例えば、Ｘ走査およびＹ走査にも適用できる。本発明のアクティブダンピング技術は、さらに広く、圧電素子（ピエゾ素子）に限らず、さまざまな力学系・機械系のアクティブダンピングに利用することが可能で、広範な応用が期待される。そして、ＡＦＭまたはＳＰＭに限られず、他の駆動制御対象に適用可能である。【０１０２】
また、本発明は、使用周波数域を高域化できる特性を利用して、アクティブダンピングの目的以外にも色々な使い方ができる。上記の例ではＡＦＭのスキャナに本発明が適用されたが、ＡＦＭのカンチレバーにも本発明を適用可能である。カンチレバーへの適用例では以下の利点が得られる。【０１０３】
カンチレバーの共振周波数が高ければ高いほど走査速度を上げることが可能になる。しかし、通常はばね定数も大きくなる。ばね定数を小さいまま保って共振周波数を上げるためには、カンチレバーを小さく薄くする必要があり、加工が難しくなる。これに対して、本発明の方法を用いると、カンチレバーはそのままでも、もとの共振周波数よりも数倍高い周波数でカンチレバーを駆動（或いは励振）することが可能になる。【０１０４】
図１６の例は、カンチレバーの伝達関数と（左側）、本発明の処理を施した結果（右側）を示している。この例では、カンチレバーの元々の伝達関数においては、共振角周波数が６００ｋｒａｄ／ｓである。本発明の操作では、微分のゲイン１となる周波数は２３０ｋＨｚ、ｇ＝０．９２、Ｌ（ｓ）＝８ＭＨｚとした。その結果、図示のように、共振ピークが無くなり、共振周波数よりも高い周波数でカンチレバーを駆動できる。【０１０５】
あるいは、共振のピークを残すこともできる。この場合、微分のゲインが１となる周波数を高くすればよく、これにより、図１７の結果が得られる。図１７では、共振角周波数が６００ｋｒａｄ／ｓである。本発明の操作では、微分のゲイン１となる周波数は４５０ｋＨｚ、ｇ＝０．９２、Ｌ（ｓ）＝８ＭＨｚとした。【０１０６】
カンチレバーに関しては、元々共振ピークが１つであり、単にダンピングを行うのであれば、従来のアクティブＱ値制御が好適に適用される。しかし、アクティブＱ値制御では、使用可能な周波数域はあまり変わらない。これに対して、本発明を適用すると、使用可能な周波数域を広げることができる。【０１０７】
以上に本発明の走査型プローブ顕微鏡について説明した。上述したように、本発明によれば、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、試料およびプローブの少なくとも一方を駆動するための物理的構成である制御対象と、制御対象に駆動信号を供給して制御対象を制御する駆動制御部とを備える。駆動制御部は上記の例では、Ｚ操作制御回路である。駆動制御部は、駆動信号を変換する調整関数の処理を経た駆動信号を制御対象に供給するように構成されており、調整関数は、制御対象の実際の周波数特性を表す実伝達関数を模擬する模擬伝達関数を利用し、調整後の駆動信号に模擬伝達関数の処理を施すと模擬伝達関数の出力信号の振動が低減するように駆動信号を調整する関数である。【０１０８】
この構成により、上述のような調整関数の処理を経た駆動信号が制御対象に供給される。駆動信号は、模擬伝達関数の出力の振動が低減するように調整される。これにより、実際の制御対象の振動も効果的に低減できる。また、ＳＰＭには複数の種類があり、ＡＦＭにも複数の種類があり、上述にて例示したＡＦＭと異なる構成のＡＦＭも提案されているが、本発明はいずれの種類のＳＰＭまたはＡＦＭにも適用されてよいことはもちろんである。【０１０９】
また、本発明において、駆動制御部は、駆動信号に調整関数の処理を施すことにより、調整後の駆動信号に模擬伝達関数の処理を施したときの出力を、調整前の駆動信号に模擬伝達関数と異なる目標伝達関数を施したときの出力に近似させてよい。【０１１０】
この構成により、駆動信号に対する制御対象の応答を、目標伝達関数の応答に近づけることができる。目標伝達関数を適切に設定することで、良好な振動低減効果が得られる。【０１１１】
また、駆動制御部は、駆動信号に対して調整関数の処理を施す駆動信号調整部を有してよい。駆動信号調整部は、上述したように、模擬伝達関数の処理を駆動信号に対して施す模擬伝達関数処理部と、目標伝達関数の逆数に相当する逆目標伝達関数の処理を模擬伝達関数処理部の出力に対して施す逆目標伝達関数処理部と、駆動信号と逆目標伝達関数処理部の出力との差分を算出する差分処理部と、差分処理部の出力に対してゲインを付与するゲイン付与部と、ゲイン付与部の出力を駆動信号に付加する付加処理部とを有してよい。【０１１２】
この構成により、駆動信号に対する制御対象の応答を、目標伝達関数の応答に近づけることができ、高い振動低減効果が得られる。【０１１３】
また、本発明によれば、上述したように、共振ピークを下げるアクティブダンピングの効果だけでなく、使用可能周波数域を伸ばす効果も得ることができる。なお、本発明を実施する場合、アクティブダンピングの効果だけを得るように本発明が実施されてもよく、周波数域を伸ばす効果だけを得るように本発明が実施されてもよく、両方の効果を得るように本発明が実施されてもよい。いずれの態様も本発明の範囲に含まれる。例えば、共振ピークがない１次系の制御対象でも、使用可能な周波数帯域を伸ばすために本発明を好適に適用できる。【０１１４】
また、駆動制御部は、制御対象に対して要求する駆動動作に応じた駆動波形を持った駆動信号を生成する駆動信号生成部を有し、駆動信号調整部は、駆動信号生成部により生成された駆動信号に対して調整関数の処理を施してよい。この構成により、駆動信号を調整関数で好適に調整して制御対象に供給できる。【０１１５】
また、駆動制御部は、図１０に示したように、順次配列された複数の駆動信号調整部を備え、各々の駆動信号調整部が、模擬伝達関数処理部、逆目標伝達関数処理部、差分処理部、ゲイン付与部および付加処理部を有するように構成されてよい。この構成により、本発明の制御を複数回行って、さらに高い振動低減効果を得られる。【０１１６】
また、駆動制御部は、図１１に例示したように、複数の駆動信号調整部が共通する一の模擬伝達関数処理部を有し、共通する一の模擬伝達関数処理部の出力が、複数の駆動信号調整部にそれぞれ設けられた複数の逆目標伝達関数処理部に供給されてよい。これにより、模擬伝達関数を共通化して、構成を簡素化できる。【０１１７】
また、駆動制御部は、図１５に例示したように、逆目標伝達関数処理部を持たず、模擬伝達関数処理部の出力を差分処理部に供給するように構成された駆動信号追加調整部をさらに含んでよい。駆動信号追加調整部は、図１５に符号５７で示されており、Ｋ（ｓ）＝１の制御を行う構成に相当する。Ｋ（ｓ）＝１の制御を組み合わせることで、伝達関数を適当に操作できる。【０１１８】
また、駆動制御部は、図１５に示したように、さらにＱ値制御部を有してよく、Ｑ値制御部は、制御対象または模擬伝達関数処理部の出力の微分にＱ値制御ゲインを付与して駆動信号に加算してよい。これにより、Ｑ値制御部も組み合わせて、さらに適当な伝達関数を得ることができる。【０１１９】
また、目標伝達関数として１次ローパスフィルタが想定されてよく、逆目標伝達関数が１＋微分に設定されてよい。逆目標伝達関数を１＋微分に設定することで、目標伝達関数が望ましい１次ローパスフィルタに近似し、これにより、アクティブダンピング等の効果が上手く得られる。【０１２０】
また、制御対象は、プローブと試料とを相対的に走査するスキャナを含み、駆動制御部は、スキャナの走査を制御してよい。これにより、スキャナの共振振動を低減することができる。【０１２１】
また、制御対象は、プローブが設けられるカンチレバーの励振機構を含み、駆動制御部はカンチレバーの励振を制御してよい。これにより、カンチレバーの共振振動を低減することができる。【０１２２】
本発明の別の観点は、アクティブダンピング駆動制御装置である。この装置は、制御対象に駆動信号を供給すると共に、制御対象に対してアクティブダンピング制御を行う。この制御装置は、駆動信号を変換する調整関数の処理を経た駆動信号を制御対象に供給するように構成されており、調整関数は、制御対象の実際の周波数特性を表す実伝達関数を模擬する模擬伝達関数を利用し、調整後の駆動信号に模擬伝達関数の処理を施すと模擬伝達関数の出力信号の振動が低減するように駆動信号を調整する関数である。この観点では、本発明はＳＰＭやそのスキャナ等に限定されず、その他の制御対象に適用でき、アクティブダンピングや、上述した周波数域を伸ばす制御を好適に行える。また、この観点でも、上述の各種の付加的特徴が設けられてよい。【０１２３】
また、本発明の別の観点は、伝達関数変換装置である。この装置は、制御対象に駆動信号を供給して制御対象の駆動を制御する駆動制御装置に設けられ、駆動信号を制御対象に供給したときの制御対象の実際の周波数特性を表す実伝達関数に従った駆動動作を、実伝達関数と異なる目標伝達関数に従った動作へと変換する。この装置は、上述の模擬伝達関数処理部、逆目標伝達関数処理部、差分処理部、ゲイン付与部および付加処理部を有している。ここでも、本発明はＳＰＭやそのスキャナ等に限定されず、その他の制御対象に適用でき、アクティブダンピングや、上述した周波数域を伸ばす制御を好適に行える。また、この観点でも、上述の各種の付加的特徴が設けられてよい。【０１２４】
また、本発明は上記の装置の態様に限定されない。本発明は、方法等の他の態様で表現されてもよい。【０１２５】
また、上述の実施の形態では、図７等の特徴的な構成が主としてアナログ回路で構成されている。同様の回路は、デジタル回路で実現されてもよい。また、本発明の特徴的な構成は、プログラムを演算装置が実行することによって、ソフトウエアにて実現されてもよい。この観点では、本発明の方法をコンピュータのような演算装置に実行させるプログラムも本発明の一態様に含まれる。【０１２６】
以上に現時点で考えられる本発明の好適な実施の形態を説明したが、本実施の形態に対して多様な変形が可能なことが理解され、そして、本発明の真実の精神と範囲内にあるそのようなすべての変形を添付の請求の範囲が含むことが意図されている。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡は、生体分子などの観察を可能にするための技術として有用である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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