(57)【要約】【課題】本発明はステージスキャナ及び走査型プローブ顕微鏡に関し、広範囲な走査範囲を確保しかつ精密な位置制御を実現することを目的としている。【解決手段】その上にステージが載置されたピエゾよりなるピエゾステージ１と、該ステージ位置を電気信号に変換するステージ位置センサー２と、該ステージ位置センサー２から電気信号を受信してステージ位置を出力するステージ位置検出器３と、ステージの目標とすべき位置信号を入力し、該位置信号と前記ステージ位置検出器から得られたステージ位置とを比較して、比較結果に応じて前記ステージを希望の位置へ移動するための電気信号を出力するクローズドループ制御器４と、該クローズドループ制御器４から受信した電気信号をピエゾが駆動できるような駆動信号に変換して前記ピエゾステージに印加するピエゾドライバー５とを有して構成される。【選択図】図１
2009276318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その上にステージが載置されたピエゾよりなるピエゾステージと、
該ステージ位置を電気信号に変換するステージ位置センサーと、
該ステージ位置センサーから電気信号を受信してステージ位置を出力するステージ位置検出器と、
ステージの目標とすべき位置信号を入力し、該位置信号と前記ステージ位置検出器から得られたステージ位置とを比較して、比較結果に応じて前記ステージを希望の位置へ移動するための電気信号を出力するクローズドループ制御器と、
該クローズドループ制御器から受信した電気信号をピエゾが駆動できるような駆動信号に変換して前記ピエゾステージに印加するピエゾドライバーと、
を有して構成されることを特徴とするステージスキャナ。
【請求項２】
その上にステージが載置されたピエゾよりなるピエゾステージと、
該ステージ位置を電気信号に変換するステージ位置センサーと、
該ステージ位置センサーから電気信号を受信してステージ位置を出力するステージ位置検出器と、
ステージの目標とすべき位置信号を入力し、該位置信号と前記該ステージ位置検出器から得られたステージ位置とを比較して、比較結果に応じて前記ステージを希望の位置へ移動するための電気信号を出力すると共に、慣性駆動時の前後の時間間隔でダンピング時間が低下できるように小さいＱ値を、それ以外の時間において所望のＱ値を送信するクローズドループ制御器と、
該クローズドループ制御器から受信した電気信号をピエゾが駆動できるような駆動信号に変換して前記ピエゾステージに印加するピエゾドライバーと、
カンチレバーの振動制御を実施することによって、カンチレバーのＱ値を所望の値に移すアクティブＱフィードバック部と、
該アクティブＱフィードバック部で発生した電気信号をカンチレバーへ振動制御用に制御力として伝えるトランスデュサーと、
を有して構成されることを特徴とするステージスキャナ。
【請求項３】
前記クローズドループ制御器にステージの目標位置ｘｄを入力し、前記ステージ位置検出器から与えられる出力ｘｉとの差信号が所定の閾値以下になるようにクローズド制御することを特徴とする請求項１又は２記載のステージスキャナ。
【請求項４】
前記ピエゾに印加する電圧の上下限値を設定し、設定された上下限値の間で前記クローズドループ制御を行なうことを特徴とする請求項１又は２記載のステージスキャナ。
【請求項５】
前記ピエゾへの印加電圧が前記上下限値をはみ出す場合には、慣性駆動機構の移動を実施する回数Ｎを所定の式に基づいて求め、所定の回数Ｎだけ慣性移動機構の移動を行なうことにより、ピエゾへの印加電圧が前記上下限値以内に収まるようにすることを特徴とする請求項４記載のステージスキャナ。
【請求項６】
前記ステージスキャナで試料を移動させ、当該試料のプローブ画像を得るようにしたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はステージスキャナ及び走査型プローブ顕微鏡に関し、更に詳しくは広範囲な走査範囲を確保しかつ精密な位置制御を実現することができるステージスキャナと、このステージスキャナを用いた走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型原子間力顕微鏡など走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、探針を数ｎｍ程度の間隔で試料表面に近づけ、試料上で探針（プローブ）を走査して試料像を得る装置である。得られる顕微鏡像について、その分解能を決める重要な要素の一つとしては、ステージの位置制御精度が挙げられる。また、画像の視野は、ステージの走査範囲によって決定される。この場合においては、高い位置制御精度が可能であるという理由で、ピエゾを用いるのが一般的である。
【０００３】
ピエゾを用いた粗動・微動駆動素子の構成は、以下に示す非特許文献１に網羅されている。非特許文献１には、走査時に用いられる微動として以下のような方法が記載されている。
１）非特許文献１の３−Ｂ−１−ｂ３には、ピエゾ駆動素子の構成−直交配置型には、積層型ピエゾを３軸方向につなぎ合わせたステージが提案されている。
２）非特許文献１の３−Ｂ−１−ｂ２には、ピエゾ駆動素子の構成−チューブ型には、バイモルフ型ピエゾを筒状に並べたステージが提案されている。
【０００４】
ここで、直交配置型やチューブ型あるいはそれらを組み合わせた型によって、市販のＳＰＭ装置では、ｘｙｚ軸方向にそれぞれ最大２５０μｍ、２５０μｍ、２０μｍ程度の変位を発生することができるとされている。
【０００５】
また、調整時に用いられる粗動として、以下のような方法が記載されている。
ａ）メカニカルな「てこ」の原理を利用して、接近させる方法。
ｂ）３点支持系を構成するネジの内、１つの精密ピッチを有するネジを回転させて、接近させる方法。
ｃ）ピエゾのインパクト力を利用した慣性駆動法によるもの。
ｄ）静電吸着機構を設けたピエゾから構成されたインチワーム機構を用いるもの。
【０００６】
また、慣性駆動機構と微動機構とを使い分けた例として、測定前準備に粗動でステージの位置調整を実施し、画像測定中は微動でステージを走査する使い方が一般的に知られている（例えば非特許文献２〜４参照）。
【非特許文献１】特許庁ホームページ＞標準技術集＞表面構造の原子領域分析
【非特許文献２】Mark A.Roseman,“Low temperature magnetic force microscopy studies of superconducting niobium films.”,Thesis,McGill University,2001.
【非特許文献３】N.G.Patil P.S.Fodor,H.Zhu and J.Jevy.“Variable-temperature scanning optical and force microscope.”,Rev.Sci.Instrum.,Vol.75,2971-2975,2004.
【非特許文献４】Shih-Hui Chao,Joseph L.Garbini,William M.Dougherty,John A.Sidles,“The design and control of a three-dimensional piezoceramic tube scanner with an inertial slider.”,Rev.Sci.Instrum.,Vol.77,063710,2006.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、ピエゾの粗動と微動を適宜連動させて、１）微動だけでは得られない広範囲に及ぶ走査範囲を確保し、２）かつ粗動だけでは得られない精密な位置制御を実現することである。非特許文献１の３−Ｂ−１−ｂで粗動・微動駆動素子の構成で述べられているピエゾの基本操作だけでは、その走査範囲に限界があり、微動のみの対応しかできない。
【０００８】
非特許文献１の３−Ｂ−２−ａ２粗動・微動機構−２に掲載されているインチワーム機構は、１ストロークの移動量（ステップ量）を微小にすることが可能であり、目標位置までの走査量に合わせてステップ量を適宜選べば前記１）と２）を満足できる。しかしながら、１軸において、インチワームを伸縮させるための積層ピエゾと、インチワームを固定するための積層ピエゾとを要し、更にＸＹＺのような３軸機構においては、軸の数だけ積層ピエゾの数が倍増する。このため、インチワーム機構を実現するための設置容積は大きくならざるを得ない。
【０００９】
慣性駆動機構はコンパクトでありながら走査範囲が広いという特徴を持つ。ここで、慣性駆動機構とは、ピエゾのインパクト力によってステージが移動する機構のことである（詳細後述）。しかしながら、ステップ量には下限が存在し、その機構のみでは微動はできない。慣性駆動機構と微動機構と使い分けた例として、前記非特許文献２〜４に見られるように、測定前準備に粗動でステージのの位置調整を実施し、画像測定中は微動でステージを走査する使い方が一般的である。これでは前記１）を満足することができない。
【００１０】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、慣性駆動機構に対応したコンパクトなピエゾステージにおいて、位置センサーを備え、粗動と微動とを自動的に使い変えてステージをクローズドループ制御にすることによって、広範囲な走査範囲を確保しかつ精密な位置制御を実現することができるステージスキャナ及び走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）請求項１記載の発明は、その上にステージが載置されたピエゾよりなるピエゾステージと、該ステージ位置を電気信号に変換するステージ位置センサーと、該ステージ位置センサーから電気信号を受信してステージ位置を出力するステージ位置検出器と、ステージの目標とすべき位置信号を入力し、該位置信号と前記ステージ位置検出器から得られたステージ位置とを比較して、比較結果に応じて前記ステージを希望の位置へ移動するための電気信号を出力するクローズドループ制御器と、該クローズドループ制御器から受信した電気信号をピエゾが駆動できるような駆動信号に変換して前記ピエゾステージに印加するピエゾドライバーと、を有して構成されることを特徴とする。
【００１２】
（２）請求項２記載の発明は、その上にステージが載置されたピエゾよりなるピエゾステージと、該ステージ位置を電気信号に変換するステージ位置センサーと、該ステージ位置センサーから電気信号を受信してステージ位置を出力するステージ位置検出器と、ステージの目標とすべき位置信号を入力し、該位置信号と前記該ステージ位置検出器から得られたステージ位置とを比較して、比較結果に応じて前記ステージを希望の位置へ移動するための電気信号を出力すると共に、慣性駆動時の前後の時間間隔でダンピング時間が低下できるように小さいＱ値を、それ以外の時間において所望のＱ値を送信するクローズドループ制御器と、該クローズドループ制御器から受信した電気信号をピエゾが駆動できるような駆動信号に変換して前記ピエゾステージに印加するピエゾドライバーと、カンチレバーの振動制御を実施することによって、カンチレバーのＱ値を所望の値に移すアクティブＱフィードバック部と、該アクティブＱフィードバック部で発生した電気信号をカンチレバーへ振動制御用に制御力として伝えるトランスデュサーと、を有して構成されることを特徴とする。
【００１３】
（３）請求項３記載の発明は、前記クローズドループ制御器にステージの目標位置ｘｄを入力し、前記ステージ位置検出器から与えられる出力ｘｉとの差信号が所定の閾値以下になるようにクローズド制御することを特徴とする。
【００１４】
（４）請求項４記載の発明は、前記ピエゾに印加する電圧の上下限値を設定し、設定された上下限値の間で前記クローズドループ制御を行なうことを特徴とする。
（５）請求項５記載の発明は、前記ピエゾへの印加電圧が前記上下限値をはみ出す場合には、慣性駆動機構の移動を実施する回数Ｎを所定の式に基づいて求め、所定の回数Ｎだけ慣性移動機構の移動を行なうことにより、ピエゾへの印加電圧が前記上下限値以内に収まるようにすることを特徴とする。
【００１５】
（６）請求項６記載の発明は、前記ステージスキャナで試料を移動させ、当該試料のプローブ画像を得るようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
（１）請求項１記載の発明によれば、慣性駆動機構に対応したコンパクトなピエゾステージにおいて、ステージ位置センサーを備え、粗動と微動とを自動的に使い変えてステージをクローズドループ制御することによって、広範囲な走査範囲を確保しかつ精密な位置制御を実現することができる。
【００１７】
（２）請求項２記載の発明によれば、慣性駆動機構に対応したコンパクトなピエゾステージにおいて、ステージ位置センサーを備え、粗動と微動とを自動的に使い変えてステージをクローズドループ制御することによって、広範囲な走査範囲を確保しかつ精密な位置制御を実現することができ、またアクティブＱフィードバックを行なうことにより、Ｑ値を高くすることができ、検出信号のＳ／Ｎが改善され、出力される画像の画質を向上させることができる。
【００１８】
（３）請求項３記載の発明によれば、ステージの目標位置ｘｄと、ステージ位置検出器から与えられる出力ｘｉとの差信号が所定の閾値以下になるようにクローズド制御することにより、ステージを目標位置に合わせ込むことが可能になる。
【００１９】
（４）請求項４記載の発明によれば、ピエゾに印加する電圧の上下限値を設定し、その範囲の中でステージを目標位置に合わせ込むことが可能となる。
（５）請求項５記載の発明によれば、ピエゾへの印加電圧が上下限値をはみ出す場合に、上下限値をはみ出さないように制御することが可能となる。
【００２０】
（６）請求項６記載の発明によれば、前記したステージスキャナを用いることで、広範囲な走査範囲を確保しかつ精密な位置制御を実施することができ、高精度の画質を得ることができる走査型プローブ顕微鏡を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（実施の形態１）
この実施の形態１では、慣性駆動機能を持ったコンパクトなピエゾステージについて、ステージ位置をクローズドループすることによって、広範囲走査かつ位置精密制御を実施する方法について説明する。
【００２２】
図１は本発明の第１の実施の形態を示す構成図で、ステージスキャナの構成を示している。図において、１はその上にステージ（図示せず）が載置されたピエゾよりなるピエゾステージ、２は該ステージ位置を電気信号に変換するステージ位置センサー、３は該ステージ位置センサー２から電気信号を受信してステージ位置を出力するステージ位置検出器、４はステージの目標とすべき位置信号ｘｄを入力し、該位置信号ｘｄと前記ステージ位置検出器３から得られたステージ位置ｘｉとを比較して、比較結果に応じて前記ステージを希望の位置へ移動するための電気信号を出力するクローズドループ制御器、５は該クローズドループ制御器４から受信した電気信号をピエゾが駆動できるような駆動信号に変換して前記ピエゾステージ１に印加するピエゾドライバーである。以下、各構成要素について説明する。
１）ピエゾステージ１
ピエゾステージ１の条件として、ピエゾのインパクト力によってステージが移動する慣性駆動機構が備わっているものとする。その上にステージが載せられたピエゾは、電圧信号を印加すると伸縮する。伸縮の速度が遅いと静摩擦効果によってピエゾはステージを移動させることができる。
【００２３】
しかしながら、伸縮の速度が速いとピエゾの動きに対してステージの慣性からステージがスリップし、ピエゾはステージを移動させることとができない。前者の工程によってステージが移動することをピエゾ駆動機構と呼ぶ。また、例えば、電圧信号を印加して前者の工程でステージを移動した後に電圧信号を瞬時に消して後者の工程でステージをスリップして止めるといった、前者と後者との組み合わせでステージを移動することを慣性駆動機構と呼ぶ。
【００２４】
ここで、ピエゾに印加可能な電圧の上限と下限とをそれぞれＶｍａｘとＶｍｉｎとする。前述した慣性駆動機構によって一回のストロークに移動する距離は、以下の手順で得ることができる。電圧信号をＶｍａｘからＶｍｉｎへ速い速度で低下させ後に遅い速度でＶｍｉｎからＶｍａｘへ上昇する工程の流れでステージが移動した距離を、ステージ位置センサー２で測長し、ｘｓ０とする。
【００２５】
また、電圧信号をＶｍｉｎからＶｍａｘへ速い速度で上昇させた後に遅い速度でＶｍａｘからＶｍｉｎへ低下する工程の流れでステージが移動した距離を、ステージ位置センサー２で測長し、ｘｓ１とする。但し、ｘｓ０やｘｓ１の符号は、ステージの移動方向を表すものとする。
２）ステージ位置センサー２
ステージ位置を、電気信号に変換する。該ステージ位置センサー２としては、例えば静電容量式位置センサー等が考えられる。
３）ステージ位置検出器３
ステージ位置センサー２からの電気信号を受信し、ステージ位置を出力する機能を持つ。
４）クローズドループ制御器４
ステージ位置検出器３から得られたステージ位置を参考にして、ステージ位置を希望の位置へ移動させるために適切な電気信号をピエゾドライバー５に出力する機能を持つ。ここで、ｘｄはクローズドループ制御器４に与えられる希望の位置である。ｘｉはステージ位置検出器３から与えられる現在の位置信号である。
５）ピエゾドライバー５
クローズドループ制御器４から受信した電気信号を、ピエゾが駆動できるような電力・電圧に変換してピエゾステージ１へ送信する機能を持つ。
【００２６】
このように構成された装置の動作を以下に説明する。図２は本発明の第１の実施の形態の動作を示すフローチャートである。先ず、希望のステージ位置ｘｄをクローズドループ制御器４に座標位置信号として与える（Ｓ１）。次に、ステージ位置センサー２でステージ位置を測定し、ステージ位置検出器３から現在のステージ位置信号ｘｉとしてクローズドループ制御器４に与える（Ｓ２）。該クローズドループ制御器４はｘｄとｘｉとの差信号δｉを求め、記録する。ここで、δｉ＝ｘｉ−ｘｄである。但し、δ０＝０とする。
【００２７】
次に、クローズドループ制御器４は、│δｉ│＞誤差であるかどうかチェックする（Ｓ３）。誤差は図に示すステージスキャナが満足すべきステージ位置までステージを移動するに必要な値に設定される。例えば、誤差を大きくすると、ステージスキャナは目標のステージ位置まで到達することはできず、誤差を小さくすると、ステージスキャナは目標のステージ位置まで到達するのに要する時間がかかってしまう。
【００２８】
ここで、│δｉ│≧誤差である場合には、以下の工程に移行し、│δｉ│＜誤差となった時には、δｉが十分に小さくなったことになるので、図に示すステージスキャナは動作を停止する。│δｉ│≧誤差である場合には、クローズドループ制御器４はＰＩＤ法で出力変数Ｖｉを演算し、ピエゾドライバー５に与える（Ｓ４）。ここで、クローズドループ制御器４の出力である出力変数ＶｉをＰＩＤ法で算出すると次式で与えられる。
【００２９】
【数１】
2009276318.tif 000003
【００３０】
ここで、Ｐ，Ｉ，ＤはＰＩＤ制御パラメータを表し、またｋは積分時定数をサンプリング時間で除算した整数値を表す。
次に、クローズドループ制御器４は出力変数Ｖｉとピエゾ印加電圧Ｖｍｉｎとを比較する（Ｓ５）。具体的にはＶｉ＞Ｖｍｉｎであるかどうかをチェックする。Ｖｉ＞Ｖｍｉｎの場合には、ピエゾの制御が可能であるのでステップＳ６に進む。Ｖｉ≦Ｖｍｉｎとなった場合には、そのままではピエゾの制御が不可能であるので、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、Ｎ＝│δｉ／ｘｓ１│により回数Ｎを算出する。ただし、Ｎは右辺を超えない整数である。
【００３１】
回数Ｎが求まったら、クローズドループ制御器４からピエゾドライバー５へ、ステップＳ８に示すような三角波の時系列データを送信する。該ピエゾドライバー５は、ステップＳ８に示すような三角波でピエゾステージ１を駆動する。この結果、Ｖｉ＞Ｖｍｉｎの条件が満たされるようになる。
【００３２】
次に、クローズドループ制御器４はＶｉ＜Ｖｍａｘであるかどうかチェックする（Ｓ６）。Ｖｉ＜Ｖｍａｘでない場合、即ちＶｉ≧Ｖｍａｘとなった場合には、ピエゾの制御ができなくなるので、ステップＳ９に進む。ステップＳ９では、Ｎ＝│δｉ／ｘｓ０│により回数Ｎを算出する。但し、Ｎは右辺を超えない整数であるものとする。
【００３３】
回数Ｎが求まったら、クローズドループ制御器４からピエゾドライバー５へステップＳ１０に示すような三角波の時系列データを送信する。該ピエゾドライバー５は、ステップＳ１０に示すような三角波でピエゾステージ１を駆動する。この結果、Ｖｉ＜Ｖｍａｘの条件が満たされるようになる。
【００３４】
ステップＳ６でＶｉ＜Ｖｍａｘの条件が満たされている場合には、クローズドループ制御器４からピエゾドライバー５へ値Ｖｉを持つ電気信号を送信する。この場合、Ｖｉの状態はＶｉ−１からＶｉに急激に変動するのではなく、ステップＳ１１に示すような時間に対して直線的な変化が好ましい。以上の動作において、ステップＳ５からステップＳ７に進んで行なわれる動作、ステップＳ６からステップＳ９に進んで行なわれる動作を粗動と呼び、ステップＳ６からステップＳ１１に進んで行なわれる動作を微動と呼んでいる。
【００３５】
その後、ｉを１だけ更新し、ステップＳ２に戻る（Ｓ１２）。その際、Ｓ２からＳ１２までの流れを一回の作業として、作業の回数ｉだけ増す。
この実施の形態によれば、慣性駆動機構に対応したコンパクトなピエゾステージにおいて、ステージ位置センサーを備え、粗動と微動とを自動的に使い変えてステージをクローズドループ制御することによって、広範囲な走査範囲を確保しかつ精密な位置制御を実現することができる。
【００３６】
図３は本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。この実施の形態では、ステージをカンチレバーを力検出プローブとした走査型プローブ顕微鏡（ＡＦＭ）に設置することを前提としている。更に、走査型プローブ顕微鏡では、公知技術（非特許文献１の３−Ｃ−１−ｃ参照）であるアクティブＱフィードバックを搭載している場合が多く、この機能が搭載されている場合について説明する。アクティブＱフィードバックは、Ｑ値を高くすることができ、検出信号のＳ／Ｎが改善され、出力される画像の画質が向上するとされている。
【００３７】
ところで、走査型プローブ顕微鏡では、しばしば慣性駆動を実施した際に、ノイズ振動がカンチレバーに誘起されることが問題となる。以下では、慣性駆動を実施している前後の時間において、アクティブＱフィードバックを用いてＱ値を一時的に低下させ、ノイズ振動を急速にダンピングし、測定時など慣性駆動を実施していない時間に所望のＱ値に設定する場合について説明する。
【００３８】
図において、１１はその上にステージが載置されたピエゾよりなるピエゾステージ、１２は該ステージ位置を電気信号に変換するステージ位置センサー、１３は該ステージ位置センサー１２から電気信号を受信してステージ位置を出力するステージ位置検出器、１４は  ステージの目標とすべき位置信号を入力し、該位置信号と前記該ステージ位置検出器１３から得られたステージ位置とを比較して、比較結果に応じて前記ステージを希望の位置へ移動するための電気信号を出力すると共に、慣性駆動時の前後の時間間隔でダンピング時間が低下できるように小さいＱ値を、それ以外の時間において所望のＱ値を送信するクローズドループ制御器、１５は該クローズドループ制御器１４から受信した電気信号をピエゾが駆動できるような駆動信号に変換して前記ピエゾステージ１１に印加するピエゾドライバー、１６はカンチレバー１８の振動制御を実施することによって、カンチレバー１８のＱ値を所望の値に移すアクティブＱフィードバック部、１７は該アクティブＱフィードバック部１６で発生した電気信号をカンチレバー１８へ振動制御用に制御力として伝えるトランスデュサーである。１８はその先端に探針が取り付けられたカンチレバーである。
【００３９】
このように構成された各構成要素について以下に説明する。
１）ピエゾステージ１１
ピエゾステージ１の条件として、ピエゾのインパクト力によってステージが移動する慣性駆動機構が備わっているものとする。その上にステージが載せられたピエゾは、電圧信号を印加すると伸縮する。伸縮の速度が遅いと静摩擦効果によってピエゾはステージを移動させることができる。
【００４０】
しかしながら、伸縮の速度が速いとピエゾの動きに対してステージの慣性からステージがスリップし、ピエゾはステージを移動させることとができない。前者の工程によってステージが移動することをピエゾ駆動機構と呼ぶ。また、例えば、電圧信号を印加して前者の工程でステージを移動した後に電圧信号を瞬時に消して後者の工程でステージをスリップして止めるといった、前者と後者との組み合わせでステージを移動することを慣性駆動機構と呼ぶ。
【００４１】
ここで、ピエゾに印加可能な電圧の上限と下限とをそれぞれＶｍａｘとＶｍｉｎとする。前述した慣性駆動機構によって一回のストロークに移動する距離は、以下の手順で得ることができる。電圧信号をＶｍａｘからＶｍｉｎへ速い速度で低下させた後に遅い速度でＶｍｉｎからＶｍａｘへ上昇する工程の流れでステージが移動した距離を、ステージ位置センサー２で測長し、ｘｓ０とする。
【００４２】
また、電圧信号をＶｍｉｎからＶｍａｘへ速い速度で上昇させた後に遅い速度でＶｍａｘからＶｍｉｎへ低下する工程の流れでステージが移動した距離を、ステージ位置センサー２で測長し、ｘｓ１とする。但し、ｘｓ０やｘｓ１の符号は、ステージの移動方向を表すものとする。更に、ピエゾステージ１１の条件として、電圧をＶｍａｘからＶｍｉｎへ、或いはＶｍｉｎからＶｍａｘへ遅い速度で変化させた時のステージの移動量は│ｘｓ０│や│ｘｓ１│より大きいものとする。
２）ステージ位置センサー１２
ステージ位置を電気信号に変換する役割を担う。該ステージ位置センサー１２としては、例えば静電容量式位置センサーが用いられる。
３）ステージ位置検出器１３
ステージ位置センサー１２から電気信号を受信し、ステージ位置を出力する機能を有する。
４）クローズドループ制御器１４
ステージ位置検出器１３から得られたステージ位置を参考にして、ステージを希望の位置へ移動させるために適切な電気信号をピエゾドライバー１５へ出力する機能を有する。また、アクティブＱフィードバック部１６へ、慣性駆動時の前後の時間間隔でダンピング時間が低下できるように小さいなＱ値Ｑ１を、それ以外の時間において所望のＱ値Ｑ０を送信する。ここで、ｘｄはクローズドループ制御器４に与えられる希望の位置である。ｘｉはステージ位置検出器３から与えられる現在の位置信号である。
５）ピエゾドライバー１５
クローズドループ制御器１４から受信した電気信号を、ピエゾが駆動できるような駆動力に変換してピエゾステージ１１へ送信する機能を持つ。
６）アクティブＱフィードバック部１６
カンチレバー１８の振動制御を実施することによって、カンチレバー１８のＱ値を所望の値へ移す機能を有する。装置や方法については、前記非特許文献１の３−Ｃ−１−ｃ４に記載されている。その説明には、本発明ユニットをカンチレバー信号駆動回路と検出回路の間に挿入し、正帰還回路を構成することによってＱ値向上が可能であるとされている。また、負帰還回路を構成することによってＱ値の減少が可能であることは自明である。
７）トランスデュサー１７
アクティブＱフィードバック部１６で発生した電気信号を、カンチレバー１８へ振動制御用に制御力として伝える役割を有する。実施の形態例としては、例えばピエゾや、静電気力発生器、磁気力発生器、超音波発生器など多種に及ぶ。
８）カンチレバー１８
その先端と検体表面に働く微小な力や力勾配を検出するプローブである。
【００４３】
このように構成された装置の動作を以下に説明する。図４は本発明の第２の実施の形態の動作を示すフローチャートである。先ず、希望のステージ位置ｘｄをクローズドループ制御器４に座標位置信号として与える（Ｓ１）。次に、ステージ位置センサー２でステージ位置を測定し、ステージ位置検出器３から現在のステージ位置信号ｘｉとしてクローズドループ制御器４に与える（Ｓ２）。該クローズドループ制御器４はｘｄとｘｉとの差信号δｉを求め、記録する。ここで、δｉ＝ｘｉ−ｘｄである。但し、δ０＝０とする。
【００４４】
次に、クローズドループ制御器４は、│δｉ│＞誤差であるかどうかチェックする（Ｓ３）。誤差は図に示すステージスキャナが満足すべきステージ位置までステージを移動するに必要な値に設定される。例えば、誤差を大きくすると、ステージスキャナは目標のステージ位置まで到達することはできず、誤差を小さくすると、ステージスキャナは目標のステージ位置まで到達するのに要する時間がかかってしまう。
【００４５】
ここで、│δｉ│≧誤差である場合には、以下の工程に移行し、│δｉ│＜誤差となった時には、δｉが十分に小さくなったことになるので、図に示すステージスキャナは動作を停止する。│δｉ│≧誤差である場合には、クローズドループ制御器４はＰＩＤ法で出力変数Ｖｉを演算し、ピエゾドライバー５に与える（Ｓ４）。ここで、クローズドループ制御器４の出力である出力変数ＶｉをＰＩＤ法で算出すると（１）式で与えられる。
【００４６】
ここで、Ｐ，Ｉ，ＤはＰＩＤ制御パラメータを表し、またｋは積分時定数をサンプリング時間で除算した整数値を表す。次に、クローズドループ制御器４はＶｉ＞Ｖｍｉｎであるかどうかチェックする（Ｓ５）。Ｖｉ＞Ｖｍｉｎの場合には、ステップＳ１１に進み、Ｖｉ≦Ｖｍｉｎの場合にはステップＳ７に進む。ステップＳ７の場合には、
Ｎ＝│δｉ／ｘｓ１│で回数Ｎを算出する。但し、Ｎは右辺を超えない整数とする。次に、カンチレバー１８の振動ダンピング時間を短かくできるような低いＱ値Ｑ１をアクティブＱフィードバック部１６へ送信する（Ｓ８）。
【００４７】
次に、クローズドループ制御器１４からピエゾドライバー１５へ、ステップＳ９に示すような三角波の時系列データを送信する。ピエゾドライバー１５は、ステップＳ９に示すような三角波でピエゾステージ１を駆動する。この結果、Ｖｉ＞Ｖｍｉｎの条件が満たされるようになる。クローズドループ制御器１４は、アクティブＱフィードバック部１６へ所望のＱ値Ｑ０を送信する（Ｓ１０）。
【００４８】
クローズドループ制御器１４は、ステップＳ１１においてＶｉ＜Ｖｍａｘであるかどうかチェックする（Ｓ１１）。Ｖｉ＜Ｖｍａｘである場合には、ステップＳ１６へ進む。Ｖｉ≧Ｖｍａｘである場合には、ピエゾの駆動電圧を超えているので、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、Ｎ＝│δｉ／ｘｓ０│で回数Ｎを算出する。但し、Ｎは右辺を超えない整数とする。次に、カンチレバー１８の振動ダンピング時間を短かくできるような低いＱ値Ｑ１をアクティブＱフィードバック部１６へ送信する（Ｓ１３）。
【００４９】
次に、クローズドループ制御器１４からピエゾドライバー１５へステップＳ１４に示すような三角波の時系列データを送信する。ピエゾドライバー１５は、ステップＳ１４に示すような三角波でピエゾステージ１を駆動する。この結果、Ｖｉ＜Ｖｍａｘの条件が満たされるようになる。クローズドループ制御器１４は、アクティブＱフィードバック部１６へ所望のＱ値Ｑ０を送信する（Ｓ１５）。
【００５０】
ステップＳ１１でＶｉ＜Ｖｍａｘの条件が満たされている場合には、クローズドループ制御器４からピエゾドライバー５へ値Ｖｉを持つ電気信号を送信する（Ｓ１６）。この場合、Ｖｉの状態はＶｉ−１からＶｉに急激に変動するのではなく、ステップＳ１６に示すような時間に対して直線的な変化が好ましい。
【００５１】
その後、ｉを１だけ更新し、ステップＳ２に戻る（Ｓ１７）。その際、Ｓ２からＳ１２までの流れを一回の作業として、作業の回数ｉだけ増す。
第２の実施の形態によれば、慣性駆動機構に対応したコンパクトなピエゾステージにおいて、ステージ位置センサーを備え、粗動と微動とを自動的に使い変えてステージをクローズドループ制御することによって、広範囲な走査範囲を確保しかつ精密な位置制御を実現することができ、またアクティブＱフィードバックを行なうことにより、Ｑ値を高くすることができ、検出信号のＳ／Ｎが改善され、出力される画像の画質を向上させることができる。
【００５２】
また、第１及び第２の実施の形態によれば、ステージの目標位置ｘｄと、ステージ位置検出器から与えられる出力ｘｉとの差信号が所定の閾値以下になるようにクローズド制御することにより、ステージを目標位置に合わせ込むことが可能になる。
【００５３】
また、ピエゾに印加する電圧の上下限値を設定し、その範囲の中でステージを目標位置に合わせ込むことが可能となる。
また、ピエゾへの印加電圧が上下限値をはみ出す場合に、上下限値をはみ出さないように制御することが可能となる。
【００５４】
更に、前記したステージスキャナを用いることで、広範囲な走査範囲を確保しかつ精密な位置制御を実施することができ、高精度の画質を得ることができる走査型プローブ顕微鏡を実現することができる。
【００５５】
このように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
１）慣性駆動機能を持ったコンパクトなピエゾステージにおいて、位置センサーを取り入れ、更に自動で微動と粗動とを切り替え、適切な信号をステージに送信することによって、走査範囲を広範囲にできかつ精密位置制御ができる。
２）慣性駆動機能を持ったコンパクトなピエゾステージを走査型顕微鏡に搭載するに当たって、慣性駆動時にカンチレバーに誘起される振動ノイズが問題となっていたが、アクティブＱフィードバック装置を組み込み、更に慣性駆動時に一時的にダンピングを強化し、それ以外の時に測定に応じた所望のＱ値に、設定Ｑ値を適宜時間変化できるように改良することによって、慣性駆動時に伴う振動ノイズが抹消された画像測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５７】
１  ピエゾステージ
２  ステージ位置センサー
３  ステージ位置検出器
４  クローズドループ制御器
５  ピエゾドライバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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