AFM 信号分配・増幅器の開発－研究現場の課題と研究者との協同－豊田朋範 1・千葉寿 2・古舘守通 2・藤崎聡美 2・木村和典１
1 分子科学研究所 技術推進部
2 岩手大学技術部 理工学系技術部

金属のナノ構造体に光を照射すると、その表面近傍に局在した光である近接場光が発生する。この近接場光はナノ構造体の周りに局在しているため、光の回折限界を超えた分光やイメージングが可能になる。光源として高速・広帯域のレーザーを用いると、電子や原子の動きを直接観察する超高速分光が可能になる。これらのことから、AFM(原子間力顕微鏡)と超高速・超広帯域レーザーを同期させて計測することで、時間分解ナノ顕微分光が可能になるが、AFM の信号を制御ユニットに送ると同時に、増幅してロックインアンプに入力する必要がある 1)。我々は、研究者と密接に連携し、高速・低ノイズのアナログ増幅回路を用いて AFM 信号分配・増幅器を開発した。
Key Words :近接場光 AFM レーザー ロックインアンプ バッファアンプ 差動増幅回路１．近接場光を用いた時間分解ナノ顕微分光と電その場に留まる。そのため、近接場光は遠方からは観察気回路における課題できないが、回折現象が生じないため、光の波長より小1)2)3)さい範囲に光を照射できる。この近接場光の特徴を利用（１）近接場光と時間分解ナノ顕微分光の概要した顕微鏡が、近接場光学顕微鏡である。また、光記録

電磁波の一種である光は、波の性質を持つため、波長媒体に応用することで、より高密度の記録が可能になる、を有する。物質に可視光とその近傍の波長の赤外光や半導体製造技術に応用することで、微小な高性能デバ紫外光を照射し、物質を透過した光をレンズで集光・拡イスを製造できると考えられるなど、ナノフォトニクス技術大することで物質を直接観察するのが、光学顕微鏡であと呼ばれる新しい技術の萌芽がある。

る。一方、光の波長より小さい物質に光を照射すると、物分子科学研究所メゾスコピック計測研究センターの熊質の周囲に光が回り込む回折現象が生じる。このため、

谷崇准教授の研究グループは、近接場光学顕微鏡とし光の波長より小さい物質(たとえばウィルス)は光学顕微て AFM(原子間力顕微鏡)を、近接場光の光源として、鏡では観察できない。

超高速・超広帯域の LD 直接励起方式 Yb フェムト秒レ

光の波長よりさらに小さい物質、たとえば金属のナノ構ーザー(100fs、1030nm)を使用することで、中赤外・近赤造体に光を照射すると、光が透過できなくなる代わりに外～可視光の幅広い波長域で作り出した近接場光を、周辺に光が染み出すような現象が生じる。これが近接場10-15sec という時間領域に閉じ込めて電子や原子の運動光である。

を直接観測する、時間分解ナノ顕微分光の開発を進め

近接場光は一般的な光と異なり、遠方に伝搬せずにている。

(２)時間分解ナノ顕微分光の電気回路における課題

ーに依存するおよそ 80kHz～250kHz の信号が出力され時間分解ナノ顕微分光の実現には、前述のとおりレること以外は、何倍の増幅が必要か、不要な周波数帯ーザーと AFM が必要であるが、通常はそれぞれが独立は存在するかなど、回路の仕様を決定する要素が不明して動作しているため、レーザーと AFM の同期をとる必ということである。

要がある。

我々は、Fig.2 のコネクタから出力される信号を、実験AFM の信号であるカンチレバーの変位(カンチレバー室にオシロスコープを持ち込んで測定することから着手のたわみに由来する正弦波の出力信号)は、分割型フォし、研究グループと密接に連携して AFM 信号分配・増トダイオードの出力として読み出される。それを AFM の幅器の開発を開始した。

制御ユニットに入力してフィードバック制御を行っているが、その信号を分岐して、片方は AFM の制御ユニットに、２．AFM 信号分配・増幅器 ver.1 の開発

もう片方を増幅してロックインアンプの参照信号入力とす開発した AFM 信号・分配器 ver.1 の外観を Fig.3 に、る(Fig.1)。これにより、AFM の信号でレーザーを同期さブロック図を Fig.4 に示す。

せることが可能となる。

Fig.3 Overview of
Fig.1 Block diagram of splitting and amplifying

AFM signal splitter & amplifier ver.1

AFM signal and connecting with lock-in amplifier

2022 年 1 月、筆者の 1 人が研究グループからの相談を受けて実験室に赴き、AFM からの出力信号の仕様を尋ねたところ、Fig.2 のコネクタで制御ユニットに接続している以外は、代理店に照会しても情報が得られないとの回答があった。

Fig.4 Block diagram ofAFM signal splitter & amplifier ver.1

測定の結果、Fig.2 のコネクタのピンの 1 つから、AFMの信号と思われる信号が得られることを確認した。もう 1つのピンは振幅が小さく、未使用ピンに混入したノイズと思われたため、対象から除外した(これは後に誤りであることが判明した)。
Fig.2 Overview of AFM signal connector

ノイズが混入した信号をそのまま増幅しても、ロックイン

すなわち、AFM の信号が正弦波であること、カンチレバアンプで同期をとることが出来ない。そのため、分岐したAFM 信号を、カンチレバーに応じてカットオフ周波数(Fig.7)。

5kHz と 100kHz のハイパスフィルタ×2 を通してから増幅することにした。
ところで、信号を分岐するには Fig.5 の BNC T アダプ
タなどで単純に 2 方向に分岐する手法がよく採用されるが、電気回路の観点から見ると好ましくない場合がある。

Fig.7 The whiteboard of which I used to explaining theneed for a buffer amplifier to the research group

また、ロックインアンプに入力する信号が正確に伝送できるよう、インピーダンス 50Ωを駆動できる回路が必要
で あ っ た 。 こ れ に は 、 以 前 開 発 し た Signal Fanout
Fig.5 BNC T-type adapterDistributor(SFD)で採用した駆動回路を採用した。4)

理由の 1 つは、信号源のインピーダンスが高いと信号開発した AFM 信号分配・増幅器を実験系に接続してが減衰して正常に検出できない場合があることである。

試験したところ、Fig.8 のような正弦波の信号が得られ、ロpH センサなど一部のセンサや検出器は、出力インピーックインアンプで同期が取れることが確認できた。

ダンス Z1 が数百 kΩ以上である。これをそのままハイパスフィルタ(入力インピーダンス Z2)に接続すると、信号の振幅は Z2/(Z1+Z2)となり、数分の 1～数十分の 1 に大きく減衰する(Fig.6)。
Fig.8 The Output signalof AFM signal splitter & amplifier ver.1

３．低周波ノイズの混入に対する調査・討論と AFM 信号分配・増幅器 ver.2 の開発
Fig.6 Signal attenuation by voltage division(１)低周波ノイズ混入についての調査・討論
これを避けるため、入力インピーダンスが数 GΩなど非常に大きい JFET タイプのオペアンプを用いたバッファアンプ(ボルテージフォロワ)を挿入する。
今回は AFM 信号の出力インピーダンスが不明であり、振幅が数 10mV と小さいため、バッファアンプが必須であったが、研究グループの質問に答えるため、バッファアンプの必要性を説明して理解を得る取り組みも行った開発した AFM 信号分配・増幅器 ver.1 によって、AFMとレーザーの同期、すなわち時間分解ナノ顕微分光が可能になった。しかしながら、2022 年 11 月、AFM 画像にノイズが混入すると研究グループから報告を受け、実験室に赴いて調査・討論を行った。
AFM 画像にノイズが混入する原因は、Fig.8 の波形が緩やかに変動するためであった。詳細に調べたところ、

AFM 信号分配・増幅器 ver.1 の出力信号が約 60Hz の行った。結果、Fig.12 のように約 60Hz の低周波ノイズのノイズで変調されている状態であることが判明した。

混入は解消し、振幅のピークが揃った正弦波が観測で約 60Hz のノイズの原因と対策について討論した。考えきた。これにより、時間分解ナノ顕微分光の安定性は大られる原因は AC 電源ノイズであったが、それが当初か幅に向上した。

ら混入しているなら、AFM 制御ユニットのフィードバック制御にも何らかの影響が出る筈である。しかし、そのような事態は発生したことがない。
カットオフ周波数 60Hz のハイパスフィルタを挿入することも検討したが、AC 電源ノイズはフィルタによる除去が困難であり、改善の見込みは低いと判断し、根本的な対策を講じるべく断続的に研究グループと討論した。

(２)差動増幅回路を用いた抜本的改良と AFM 信号分配・増幅器 ver.2 の開発

Fig.9 Differential amplifying circuit

2022 年 12 月初頭、研究グループから、AFM の代理店からのメールの一部に「AFM の信号は差動です」という旨の記載があると連絡があった。
Fig.2 のコネクタのピンは、1 つが信号でもう 1 つは未使用ピンと判断していたが、実は差動信号であるとなれば、抜本的な回路の改良が必要であった。
差動信号とは、ある DC 電圧を基準とする 2 つの信号の差分を用いる信号である。2 つの信号にノイズが混入しても、2 つの信号の差分を使用することでノイズはキャンセルされる 5)。このため信号の GND に混入するノイズ(コモンモードノイズ)の影響を受けず、高速な信号の伝Fig.10 Overview of送が可能であることから、USB や HDMI などに使用されAFM signal splitter & amplifier ver.2ている。
一方、差動信号を増幅するには、一般的なオペアンプの増幅回路である反転増幅回路や非反転増幅回路は使用できない。なぜならこれらは GND を基準とする 1 本の信号－シングルエンド信号を対象とする回路であるためである。差動信号の増幅には、差動増幅回路という専用の増幅回路が必要である（Fig.9）。
差動増幅回路を中心とする抜本的な設計変更を行い、AFM 信号分配・増幅器 ver.2 を開発した。外観を Fig.10、ブロック図を Fig.11 に示す。
2022 年末の実験に間に合うよう、プリント基板を短期間で設計・製作し、実験室に搬入して接続し、動作試験をFig.11 Block diagram ofAFM signal splitter & amplifier ver.2

Fig.12 Comparison of AFM signal splitter & amplifier ver.1 and AFM signal splitter & amplifier ver.2

４．まとめ・回顧・展望－今こそ現場に足を運ぼう－「研究者は夢を描くのが仕事。誰も思い描かなかったユニークな夢を描くことが研究者の仕事。」

手掛かりが奇妙な形状のコネクタと断片的な情報のみ「技術者は夢を形にするのが仕事。研究者が思い描いであった AFM 信号分配・増幅器の開発は、約 1 年に及た夢を形にして、研究者の夢をかなえるのが仕事。」

んだ。
時に実験室に測定器を持ち込み、ホワイトボードにブあれから 4 半世紀以上の時が流れ、あの先輩技術職

ロック図を描き、研究者が何を求めているか、なぜこの回員の年齢を超えたであろう現在、実験現場に足を運び、路を必要とするか、どうすれば課題を解決できるかなど研究者と膝を突き合わせ、研究者と討論して課題の解断続的に討論し、密接に連携することで課題を 1 つ 1 つ決を図ることの重要性を再認識している。

解決し、非常に高い同期安定性を実現できたことで、研一連のコロナパニックにより、ともすればオンライン万究グループの目標である時間分解ナノ顕微分光の実現

能論に陥りやすいが、相手の表情や声と雰囲気から状に貢献できた。

況や悩みを感じ取り、対策を講じ議論する「生のコミュニ

Fig.8 と Fig.12 の観測の瞬間にはいずれも筆者の 1 人ケーション」とそこから生まれる思いがけない解決策やユが立ち会い、研究者と喜びを共にできたことも記憶に新ニークな方法は、機械学習が及ばない、対面でこそ可しい。

能な人間ならではの創造性の萌芽であると考える。

筆者の 1 人が入職して 2，3 年の頃、初めて口頭発表

我々は 10 年来の共同開発を通じて、人と人が出会い、で参加した技術研究会の懇親会に向かう道すがら、ある1 つの目標に向かうことの難しさや楽しさ、そしてそこから先輩技術職員がこう語ったのを今でも憶えている。

新たな共同の輪が生まれ発展していくことを体験してきた。
今後、特にベテラン技術職員は技術と共に人の繋がりも後輩や若手に伝承し、人と人が織りなす新たな可能性を育む環境を構築することも考え、実践していくべきであると考える。

参考・引用文献
1） 「超高速・超広帯域近接場光顕微分光装置におけるパージボックスと原子間力顕微鏡用増幅回路の作成」
熊谷崇、西田純、装置開発室 AnnualReport2022、2022 年 3 月発行予定

2） 「キヤノンサイエンスラボ 第 4 章 光、その未来 近接場光」

CanonInc.

https://global.canon/ja/technology/s_labo/light/004/01.html

3） 「テクの雑学 第 175 回 小さい光の大きなパワー ～近 接 場 光 の 可 能 性 に 迫 る ～ 」

TDK 、

https://www.tdk.com/ja/tech-mag/knowledge/175

4） 「Signal Fanout Distributor の開発－専門技術で研究現場の需要に応える－」豊田朋範、千葉寿、木村和典、古舘守通、藤崎聡美、第 22 回岐阜大学技術報
告会5) 「高速の伝送が、なぜ差動伝送になっているのか？」
村田

製作所

技術記

https://article.murata.com/ja-jp/article/why-isdifferential-transmission-used-for-high-speed

事、