JPH08201402A

JPH08201402A - 走査型プローブ顕微鏡の位置制御システム

Info

Publication number: JPH08201402A
Application number: JP1247295A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Dou; 毅童
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-01-30
Filing date: 1995-01-30
Publication date: 1996-08-09

Abstract

(57)【要約】【目的】この発明は、制御系を安定させて応答性を速め
ると共に、位置決め精度を高め、システムの複雑化や装
置の大型化を避けるために、圧電体の固有共振周波数が
平坦な特性となるべく演算して該圧電体の走査電圧を制
御する。【構成】位置制御回路の外部からの走査信号が、比較器
１４を介して積分補償器１５に入力される。この積分補
償器１５の出力は、加算器２０から高圧アンプ１６を介
して圧電アクチュエータ１７に供給されると共に、規範
モデル部２１に供給される。圧電アクチュエータ１７の
出力は、上記規範モデル部２１の出力と共に比較器２２
に供給されると共に、変位センサ１８を介して比較器１
４にフィードバックされる。また、比較器２２からは適
応機構部２３を経て、補正電圧Ｖａが加算器２０に入力
される。加算器２０で加算された走査電圧は、高圧アン
プ１６で増幅されて、制御電圧Ｖｐとして圧電アクチュ
エータ１７に供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は走査型プローブ顕微鏡
の位置制御システムに関し、より詳細には圧電体の固有
共振周波数ωｐに於いて平坦な特性を有する圧電体の規
範モデルを利用した走査型プローブ顕微鏡の位置制御シ
ステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、走査型プローブ顕微鏡は、トン
ネル電流を利用して試料表面を原子寸度でなぞって画像
化する走査トンネル顕微鏡ＳＴＭ（Scanning Tunneling
Microscope ）を初めとして、多様化している探針と近
接させ、その間に働く物理量を検出し、それを媒体にし
て試料表面の凹凸をなぞり、試料表面の性質の違いを知
る原子サイズオーダで三次元的な測定装置である。

【０００３】また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic f
orce Microscope ）は、上述したＳＴＭに類似してお
り、走査型プローブの顕微鏡の１つとして位置付けられ
ている。ＡＦＭでは、自由端に鋭い探針を有するカンチ
レバーが、試料に対抗・近接して設けられている。そし
て、こうしたＡＦＭでは、該深針の先端の原子と試料原
子との間に働く相互作用力により、変位するカンチレバ
ーの動きを電気的或いは光学的に捕らえて測定しつつ、
試料をＸＹ方向に走査し、カンチレバーの探針部との位
置関係を相対的に変化させることによって、試料の凹凸
情報等を原子サイズオーダで三次元的に捕らえることが
できる。

【０００４】更に、上記ＡＦＭは１０^-18 〜１０^-10 Ｎ
程度の微弱な力で動作するため、ＡＦＭを用いて材料の
ナノニュートンオーダでの加工及びメモリ操作が可能で
ある。例えば、１９９０年にＡ．Ｌ．Ｗｅｉｓｅｎｈｏ
ｒｎらは、ＡＦＭを用いてゼオライト表面に“Ｘ”の文
字を書いていた。

【０００５】このように、原子レベルでの試料表面の加
工、材料の摩耗の測定といった表面修飾の場合には、Ｓ
ＴＭ及びＡＦＭは原子・分子のマニピュレータとして使
用が可能となってくる。

【０００６】走査型プローブ顕微鏡に於いては、圧電体
アクチュエータの共振特性による画像品質の劣化を防止
するために、高速で且つ高精度の位置制御技術の開発が
要求されている。したがって、その基本となるミクロン
及びナノメートルオーダの位置制御系の精度を高めるの
は、重要な課題の１つとなっている。

【０００７】図８は、従来の走査型プローブ顕微鏡の構
成の一例を示した図である。同図に於いて、円筒型圧電
体を用いた圧電アクチュエータ１及びＸ，Ｙ位置指令部
２からは、ＸＹ位置制御回路３に対して、下記（１）
式、（２）式で表される走査信号と、実際変位のｘｐ，
ｙｐが出力される。

【０００８】

【数１】

【０００９】

【数２】

【００１０】そして、このＸＹ位置制御回路３とＺ変位
サーボ制御部４から、下記（３）式、（４）式及び
（５）式で表されるＸ制御信号（Ｘ方向の圧電体の駆動
電圧）、Ｙ制御信号（Ｙ方向の圧電体の駆動電圧）及び
Ｚ制御信号（Ｚ方向の圧電体の駆動電圧）が、上記圧電
アクチュエータ１に出力される。

【００１１】

【数３】

【００１２】

【数４】

【００１３】

【数５】

【００１４】圧電アクチュエータ１の内部には、その圧
電体の上端にＸ、Ｙ方向の変位を測定するためのミラー
５が取付けられ、略中央部にレーザ光を集光するレンズ
６が設けられている。また、圧電アクチュエータ１は、
その下端がＸ変位センサ７及びＹ変位センサ８を有する
ユニットに固定されている。上記Ｘ変位センサ７及びＹ
変位センサ８は、試料台９の２次元方向の移動量を検出
するためのセンサであり、その詳細は、例えば特開平６
−２２９７５３号公報のスキャンシステムに記載されて
いるので、ここでは説明を省略する。

【００１５】一方、圧電アクチュエータ１の上端には、
試料１０を保持する試料台９が設置されている。そし
て、その先端部にカンチレバー１１を有するプローブ変
位検出部１２によって、カンチレバー１１の変位は光学
的及び電気的に検出される。上記プローブ変位検出部１
２からは、変位信号Ｓ１がＺ変位サーボ制御部４へ出力
される。

【００１６】Ｚ変位サーボ制御部４は、カンチレバー１
１の変位を一定に保持するようにフィードバック制御
し、圧電アクチュエータ１をＺ方向に伸縮させるＺ制御
信号、すなわち試料凹凸情報をＳＰＭ像表示装置１３に
出力する。このＳＰＭ像表示装置１３は、転送された測
定データを格納し、画像形成するものである。

【００１７】尚、図中のＸはＸ方向の位置、ＹはＹ方向
の位置、ＺはＺ方向の位置を表している。図９は、図８
に示される従来の圧電アクチュエータ１のＸＹ走査フィ
ードバック制御系の構成を示すブロック図である。尚、
ここでは、Ｘ走査フィードバック制御系のみ記すが、Ｙ
走査フィードバック制御系についても同様である。

【００１８】図９に於いて、上記（１）式で示される走
査信号と実際変位ｘ_p が比較器１４に入力され、その出
力が積分（Ｉ）補償器１５に供給される。この積分補償
器１５の出力は、高圧アンプ１６を介して圧電体を用い
た圧電アクチュエータ１７に供給される。圧電アクチュ
エータ１７の出力は実際の変位であり、これが変位セン
サ１８を介して比較器１４に変位ｘ_p として供給され
る。

【００１９】ここで、積分補償器１５に示されているＫ
_ci／Ｓは、積分ゲインをラプラス変換のＳ領域で割った
もので、積分制御の一般式である。また、圧電アクチュ
エータ１７に示されている式は、圧電体から成るチュー
ブスキャナの変位モデルを関数化して示したものであ
る。

【００２０】このように構成されたＸＹ走査フィードバ
ック制御系は、圧電アクチュエータ１のヒステリシスや
スクープ等の非線形特性が位置制御の精度に与える影響
を除去するために、図８に示されるようなＸ、Ｙ変位セ
ンサ７、８とフィードバック制御回路（ＸＹ位置制御回
路３）を設け、実際変位ｘ_p 、ｙ_p が（１）式及び
（２）式で表される走査信号に追従するようにフィード
バック制御する。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１０
に示される円筒型の圧電アクチュエータのＸ方向に実測
した周波数特性からわかるように、圧電アクチュエータ
の振動は１９００Ｈｚに於いてピークが現れている。こ
の場合、ダンピング係数ζ_p （＝０．０１６９）は、振
動しない場合の理想値である０．７に比べてかなり小さ
い値であり、円筒型圧電アクチュエータは減衰性が悪い
機械振動系であることがわかる。

【００２２】また、図９に示される走査型プローブ顕微
鏡の位置制御方式では、圧電体の位置をフィードバック
する閉ループ制御系として構成されることが普通であ
る。このとき、圧電体の共振特性が制御ループに入るこ
とに注意しなければならない。

【００２３】ところで、制御系は、ピーク値が０ｄＢを
越えると不安定になってしまう。したがって、図１０に
示されるような、減衰性が悪い機械振動系に対して、従
来の位置制御系は、圧電アクチュエータの振動を起こし
やすいものであった。このため、従来は積分補償器にて
積分ゲインＫ_ciを操作することによって、圧電アクチュ
エータの振動のピーク値が０ｄＢを越えないように制御
していた。

【００２４】ＸＹ変位センサを有する従来の走査型プロ
ーブ顕微鏡の走査制御系では、図１１（ａ）に示される
１Ｈｚの走査速度で走査信号に対して、同図（ｂ）に示
される応答信号が追従している。しかしながら、走査速
度が１０Ｈｚと速くなると、図１２（ａ）及び（ｂ）に
示されるように、走査の折り返す時点で圧電体が走査指
令信号に追従しなくなる。加えて、追従誤差は折り返し
の速度に比例するため、走査速度が速くなる程、追従誤
差は大きくなってしまうものであった。

【００２５】また、ＸＹ走査制御系の位置決め精度向上
は、圧電体の高い剛性及び制御系の高ゲイン化によって
達成することができると考えられる。しかしながら、全
ての機械材料が有限の質量と剛性を有する限り、固有振
動数の増大には限界がある。更に、制御系ゲインの増大
と共に、振動特性はますます安定性を失ってしまう。

【００２６】図１３（ａ）は、従来の積分ゲインＫ_ci＝
２５０の時のステップ応答特性を示した図である。この
積分ゲインでは、立上がりが安定するまで約２５ｍｓｅ
ｃを要している。積分ゲインＫ_ciが５００以上になる
と、図１３（ｂ）に示されるように、ステップ応答は速
くなる（約１５ｍｓｅｃ）ものの、制御系が不安定にな
り、ついには発振して制御が不可能になってしまう。し
たがって、ＳＰＭの最大走査速度が圧電体のＸＹ方向の
振動特性によって制限される。

【００２７】圧電体の振動特性を抑制するために、例え
ば特開昭６３−１８９９１１号公報には、加速度センサ
を使用して加速度信号１次遅れ回路に入力し、その速度
信号を印加電圧指令に加算する構成の制御手段が記載さ
れている。しかしながら、この方法では、加速度センサ
が必要になると共に処理回路を必要とするので、システ
ムの複雑化、装置の大型化は避けられないものであっ
た。

【００２８】この発明は上記課題に鑑みてなされたもの
で、制御系を安定させて応答性を速めると共に、システ
ムの複雑化や装置の大型化を招くことのない走査型プロ
ーブ顕微鏡の位置制御システムを提供することを目的と
する。

【００２９】

【課題を解決するための手段】すなわちこの発明は、圧
電体を用いた走査型プローブ顕微鏡の位置制御システム
に於いて、上記圧電体に入力される走査電圧に基いて上
記圧電体の固有共振周波数が平坦な特性となるべく変位
を演算する第１の演算手段と、この第１の演算手段で演
算された変位と上記圧電体の変位出力とを比較して誤差
を求める比較手段と、この比較手段で求められた上記誤
差に基いて補正電圧を演算する第２の演算手段と、この
第２の演算手段で演算された補正電圧と上記入力電圧と
を加算して上記圧電体に制御電圧を供給する加算手段と
を具備することを特徴とする。

【００３０】

【作用】この発明にあっては、圧電体アクチュエータを
用いた走査型プローブ顕微鏡のＸＹ走査制御系にて、従
来の走査制御系に圧電体の固有共振周波数ωｐに於いて
平坦な周波数特性を有するような伝達関数Ｇａ（ｓ）の
規範モデル部によって、圧電アクチュエータの伝達関数
Ｇｐ（ｓ）の振動極点を移動させ、圧電アクチュエータ
の共振ピークを平坦な特性に従って抑制して、制御系の
速応性及び安定性を高める。これによって、減衰性の悪
い機械振動系を安定化することができ、更にこれによ
り、位置制御ループのゲインを高く設定することがで
き、位置制御系の応答を速くすると共に精度を高めるこ
とができる。こうして、積分補償器を用いた位置制御系
で走査速度を上げられないという問題を解決し、圧電体
をＸＹ２次元方向に高速移動することができる。

【００３１】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例を説
明する。図１は、この発明の走査型プローブ顕微鏡の位
置制御システムによる位置制御系の構成を示すブロック
図である。走査型プローブ顕微鏡の構成については、図
８に示されるものと同様であるので、ここでは説明を省
略する。尚、ここではＸ走査フィードバック制御系のみ
記すが、Ｙ走査フィードバック制御系についても同様で
ある。

【００３２】図１に於いて、この位置制御系は、適応機
構部と適応モデルによる追従制御部とから構成される。
同図の破線内が追従制御部である。位置制御回路の外部
より供給される上記（１）式に示される走査信号は、比
較器１４を介して積分補償器１５に入力される。この積
分補償器１５の出力は、加算器２０から高圧アンプ１６
を介して圧電アクチュエータ１７に供給されると共に、
規範モデル部２１に供給される。

【００３３】圧電アクチュエータ１７の出力は変位出力
であり、上記規範モデル部２１の出力と共に比較器２２
に供給されると共に、変位センサ１８を介して比較器１
４にフィードバックされる。また、比較器２２からは適
応機構部２３を経て、補正電圧Ｖａが加算器２０に入力
される。

【００３４】追従制御部では、積分補償器１５から下記
（６）式に表される走査電圧が入力されて、規範モデル
としての変位Ｘｍ、すなわち、振動や外乱といった外乱
的な要素の影響を受けない変位が、規範モデル部２１に
て計算される。

【００３５】

【数６】

【００３６】適応機構部２３では、規範モデル部２１の
位置Ｘｍと圧電アクチュエータ１７の実際変位ｘ_p との
位置偏差が適当に増幅されて、補正電圧Ｖａが計算され
る。そして、ここで計算された補正電圧Ｖａが、（６）
式の走査電圧に加算される。

【００３７】したがって、圧電アクチュエータ１７の変
位ｘ_p が規範モデル部２１の出力Ｘｍに追従するよう
に、適応機構部２３によって、制御入力（補正電圧）Ｖ
ａを発生させる。圧電アクチュエータ１７の伝達関数Ｇ
ｐ（ｓ）が規範モデル部２１の伝達関数Ｇｍ（ｓ）と完
全に一致していれば、Ｖａ＝０となり、図９に示される
ような従来の制御系と等価になることがわかる。

【００３８】具体的には、（１）式の走査信号が、変位
センサ１８によって検出された圧電アクチュエータ１７
の変位と比較され、その比較結果の誤差が積分補償器１
５で演算される。これにより、圧電アクチュエータ１７
に印加される（６）式の走査電圧が生成される。

【００３９】この（６）式の走査電圧は、規範モデル部
２１に入力される。そして、規範モデル部２１からの出
力Ｘｍと、圧電アクチュエータ１７の実際変位ｘ_p が、
比較器２２にて比較される。この比較器２２で比較され
た結果の誤差εが、適応機構部２３であるＰＤ補償器で
補正されることにより補正電圧Ｖａが生成される。こう
して、補正電圧Ｖａが加算器２０にて、走査電圧に加算
される。その後、高圧アンプ１６で増幅されて、制御電
圧Ｖｐとして圧電アクチュエータ１７に供給される。

【００４０】ここで、従来の積分補償器を用いた位置制
御と、この発明による位置制御の違いを説明する。図９
に示されるような、従来の一般的な積分補償器を用いた
位置制御の場合、制御系のループの伝達関数は次のよう
になる。

【００４１】

【数７】

【００４２】図２は、従来の制御系の積分ゲインＫ_ciに
対する閉ループの極の変化を示す根軌跡を表した図であ
る。同図に於いて、×印は極を表している。圧電アクチ
ュエータ（圧電体）１７のダンピング係数がζ_p ＜１で
あるため、一組共役複数根は下記（８）式のようにな
る。

【００４３】

【数８】

【００４４】図２に示されるように、振動極ｐ₂ 、ｐ₃
より出発する根軌跡は、ゲインＫ_ciの増大と共に、同図
に示されるように、虚軸の左側半面から虚軸の右側に入
る。故に、図１３（ｂ）に示されるステップ応答特性の
ように、制御系が不安定となる。したがって、実用に
は、Ｋ_ciを限界ゲインＫlim ＝５００より小さな値で使
用しなくてはならない。

【００４５】このように、従来の走査型プローブ顕微鏡
の位置制御系では、減衰性の悪い振動系の場合閉ループ
のゲインを大きくすることができないため、閉ループの
応答が悪くなる。そのため、走査速度が速くなると圧電
体が折り返す点で走査信号に追従できなくなるものであ
った。また、試料台及び試料の重さの増加に伴って圧電
体の共振点が低い方にシフトするため、制御ゲインを更
に下げなければならない。そのため、追従性が更に悪く
なる。

【００４６】一方、この発明による位置制御の抑制効果
は、次の通りである。図１に示される制御系に於いて、
Ｇｃ（ｓ）を積分補償器１５の伝達関数、Ｇｐ（ｓ）を
圧電アクチュエータ１７の伝達関数、Ｇｍ（ｓ）を規範
モデル部２１の伝達関数、Ｇａ（ｓ）を適応機構部２３
の伝達関数とする。すると、積分補償器１５、圧電アク
チュエータ１７、規範モデル部２１及び適応機構部２３
の各々の伝達関数は、下記（９）〜（１２）式のように
なる。

【００４７】

【数９】ここで、Ｋ_ciは積分補償器１５の積分ゲイン、Ｋｈは高
圧アンプ１６のゲイン、Ｋ_ap，Ｋ_adは適応機構部２３の
比例・微分ゲイン、Ａ_p ，ζ_p ，ω_p は圧電アクチュエ
ータ１７のパラメータ、Ａｍ，ζ_m ，ω_m は規範モデル
部２１のパラメータを表している。

【００４８】上記適応機構部２３には、上記（９）式の
比例微分補償器を使用する。圧電体の規範モデル部２１
には、上記（１２）式で表されるように、２次ローパス
フィルタが用いられる。

【００４９】図１からわかるように、この発明による位
置制御系は、従来の位置制御系に規範モデル部２１と比
例微分補償器（適応機構部２３）だけを追加したもので
ある。これら規範モデル部２１と適応機構部２３がなけ
れば、図９に示されるような従来のフィードバック制御
系と同じである。同実施例によるＸＹ走査制御系の開ル
ープの伝達関数は、下記（１３）式のようにして得られ
る。

【００５０】

【数１０】

【００５１】制御系の特性を表す上記（１３）式の中に
は、機械定数としてζ_p ，ω_p 、ゲインＫ_ap，Ｋ_adが用
いられているため、上式を用いて圧電体とする適応追従
モデル制御の動作を検討することができる。

【００５２】上記（１３）式に於いて、Ｋ_ap＝０、Ｋ_ad
＝０とすると、上記（７）式と全く同じ式が得られる。
本来、ダンピングの悪い機械系であっても、同実施例の
ような制御系を付加し、適応機構部の比例微分ゲインＫ
_ap，Ｋ_adを適当に選択することにより、系のダンピング
は改善される。

【００５３】このように、同実施例で示されたような制
御系を追加すると、開ループの伝達関数は（７）式から
（１３）式に変化する。この伝達関数の極を調べること
により、この系のダンピングや応答を推察することがで
きる。

【００５４】ここで、図１０に示されるような、ダンピ
ング係数ζ_p ＝０．０１６、固有共振周波数ω_p ＝１１
９３８［ｒａｄ／ｓ］、パラメータＡ_p ＝０．０４の定
数を有した圧電体を考える。この圧電体は、非常にダン
ピングの悪い系である。この圧電体に、上述した実施例
による制御系を適用した場合には、適応機構部のゲイン
Ｋ_ap，Ｋ_adは、上記（１３）式の根軌跡を調べることに
より決定することができる。

【００５５】図３は、Ｋ_ap＝１００、Ｋ_ad＝１をパラメ
ータとして描いた閉ループの根軌跡を表したものであ
る。同図より、適応機構部２３のゲインＫ_ap，Ｋ_adを適
当に選択することにより、圧電体の振動極が、それぞれ
図示ＡからＢ点、Ａ′からＢ′点へ、図中実線で示され
るように移動されることがわかる。その結果、系のダン
ピング係数ζが０．０１６から０．７０７に改善され
る。しかも、図３に示されるように、積分ゲインＫ_i の
限界Ｋlim が、従来の制御系の５００から４０００にな
る。

【００５６】すなわち、従来制御系の微分ゲインの選択
範囲の根軌跡曲線上のＡ（Ａ′）点からＣ（Ｃ′）点ま
での距離に対して、同実施例の制御法の積分ゲインの選
択範囲は、根軌跡曲線上のＢ（Ｂ′）点からＣ（Ｃ′）
点まで拡大された。

【００５７】また、このように構成することによって、
圧電アクチュエータ１７の伝達関数Ｇｐ（ｓ）の振動極
点を移動させ、図４に破線で示されるような円筒型圧電
アクチュエータの共振ピークを、同図に実線で示される
ような平坦な特性を有する規範モデル部に従って抑制し
て、制御系の速応性及び安定性を高めることができる。

【００５８】図５は、上述した実施例による制御系の１
０Ｈｚ三角波走査信号の応答特性を示した図である。図
１１に示される従来の制御系の応答特性図と比べ、圧電
体が走査信号に完全に追従しているのがわかる。

【００５９】更に、図６は、同実施例による制御系の５
０Ｈｚ三角波走査信号の応答特性図である。同図から明
らかなように、５０Ｈｚ三角波が走査しても、良好な追
従特性を示している。その結果、高速走査が可能である
ことがわかる。

【００６０】また、図７は、同実施例による制御系のス
テップ応答特性図である。図１３に示される従来の制御
系の応答特性図と比べ、立上がり時間が大幅に短くなっ
ているのがわかる。

【００６１】ところで、この発明による制御系を付加し
ていない従来の走査型プローブ顕微鏡の位置制御系は、
ζ_p ＝０．０１６とダンピング係数が非常に悪いため、
制御ゲインを高めると制御系の振動は発生する恐れがあ
る。この振動の振幅は、位置制御系の応答を速くする
（ゲインＫ_ciを大きくする）ほど大きくなり、測定に悪
い影響を及ぼすため、高速走査は望めない。したがっ
て、上述した制御系を適用すれば、ダンピング係数は大
幅に改善され、且つ制御ゲインも大きくすることができ
るため、振動を抑制することが可能となる。

【００６２】このように、圧電体のダンピング係数ζ_p
と固有共振周波数ω_p が既知の場合には、規範モデル部
及び適応機構部のゲインＫ_ap，Ｋ_adを適切に選択するこ
とができ、共振振動の抑制も大きな効果を発揮すること
ができる。

【００６３】尚、この発明による走査型プローブ顕微鏡
の位置制御システムでは、規範モデル部としては単なる
低次ローパスフィルタ、例えば２次ローパスフィルタで
構成し、適応機構部としては比例、微分制御というよう
に非常に簡単に構成することができ、特別な検出器を用
いることがないため、従来マイクロコンピュータを用い
て単なるフィードバックによる積分制御を行っていた位
置制御システムに対しても、僅かなソフトウエアを追加
するだけで容易に適用できるため、実用性の高いもので
ある。

【００６４】このように、走査型プローブ顕微鏡のＸＹ
走査位置制御システムに対し、上述した制御系を適用す
ると、次のような効果がある。（ｉ）圧電体の共振振動を抑制し、制御系の速応性及び
安定性を高める。

【００６５】（ii）走査型プローブ顕微鏡では、従来の
フィードバック制御で走査ラインの折返す点での追従特
性の悪化による２次元方向に走査速度を上げられないと
いう問題を解決する。

【００６６】上記に示したこの発明の制御系は、走査型
プローブ顕微鏡のＸＹ走査制御に用いたが、Ｚ方向のサ
ーボ制御にも用いることが可能であるのは勿論である。
また、上記に示した走査型プローブ顕微鏡として用いた
が、半導体製造に於ける露光装置の位置決め装置にもこ
の発明が適用可能であるのは勿論である。

【００６７】尚、この発明の上記実施態様によれば、以
下の如き構成が得られる。（１）圧電体を用いた走査型プローブ顕微鏡の位置制
御システムに於いて、上記圧電体に入力される走査電圧
に基いて上記圧電体の固有共振周波数が平坦な特性とな
るべく変位を演算する第１の演算手段と、この第１の演
算手段で演算された変位と上記圧電体の変位出力とを比
較して誤差を求める比較手段と、この比較手段で求めら
れた上記誤差に基いて補正電圧を演算する第２の演算手
段と、この第２の演算手段で演算された補正電圧と上記
入力電圧とを加算して上記圧電体に制御電圧を供給する
加算手段とを具備することを特徴とする走査型プローブ
顕微鏡の位置制御システム。

【００６８】（２）上記第１の演算手段は、上記圧電
体の固有共振周波数を予め設定された所定の周波数特性
とするためにローパスフィルタを用いて演算することを
特徴とする上記（１）に記載の走査型プローブ顕微鏡の
位置制御システム。

【００６９】（３）上記第２の演算手段は、上記圧電
体の実際変位が上記第１の演算手段の出力に追従するよ
うに上記誤差に基いて比例微分ゲインを選択して補正電
圧を演算することを特徴とする上記（１）若しくは
（２）に記載の走査型プローブ顕微鏡装置の位置制御シ
ステム。

【００７０】上記（１）の構成によれば、減衰性の悪い
機械振動系を安定化することができ、圧電体を２次元方
向に高速走査することができる。上記（２）の構成によ
れば、単なる低次ローパスフィルタで構成できるため、
システム全体を簡単な構成で実現することができる。上
記（３）の構成によれば、比例、微分制御というように
非常に簡単に構成でき、特別な検出器も不要なため、マ
イクロコンピュータを用いて単なるフィードバックによ
る積分制御を行っていた位置制御システムに対しても、
わずかなソウトウエアを追加するだけで容易に適用でき
る。

【００７１】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、制御系
を安定させて応答性を速めると共に、位置決め精度を高
め、システムの複雑化や装置の大型化を招くことのない
走査型プローブ顕微鏡の位置制御システムを提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の走査型プローブ顕微鏡の位置制御シ
ステムによる位置制御系の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】従来の制御系の積分ゲインＫ_ciに対する閉ルー
プの極の変化を示す根軌跡を表した図である。

【図３】この発明に於いて、Ｋ_ap＝１００、Ｋ_ad＝１を
パラメータとして描いた閉ループの根軌跡を表した図で
ある。

【図４】円筒型圧電アクチュエータのＸ方向の周波数特
性（破線）と規範モデル部の周波数特性（実線）とを比
較した図である。

【図５】図１の走査プローブ顕微鏡の走査制御系の１０
Ｈｚ三角波走査信号の応答特性を示すタイミングチャー
トで、（ａ）は走査信号の波形図、（ｂ）は応答信号の
波形図である。

【図６】図１の走査プローブ顕微鏡の走査制御系の５０
Ｈｚ三角波走査信号の応答特性を示すタイミングチャー
トで、（ａ）は走査信号の波形図、（ｂ）は応答信号の
波形図である。

【図７】同実施例による制御系のステップ応答特性図で
ある。

【図８】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成の一例を示
した図である。

【図９】図８に示される従来の圧電アクチュエータ１の
ＸＹ走査フィードバック制御系の構成を示すブロック線
図である。

【図１０】円筒型圧電アクチュエータのＸ方向の周波数
特性図である。

【図１１】ＸＹ変位センサを有する従来の走査型プロー
ブ顕微鏡の走査制御系の１Ｈｚ三角波走査信号の応答特
性を示すタイミングチャートで、（ａ）は走査信号の波
形図、（ｂ）は応答信号の波形図である。

【図１２】ＸＹ変位センサを有する従来の走査型プロー
ブ顕微鏡の走査制御系の１０Ｈｚ三角波走査信号の応答
特性を示すタイミングチャートで、（ａ）は走査信号の
波形図、（ｂ）は応答信号の波形図である。

【図１３】（ａ）は従来の積分ゲインＫ_ci＝２５０の時
のステップ応答特性図、（ｂ）は積分ゲインＫ_ciが５０
０以上の時のステップ応答特性図である。

【符号の説明】

１、１７…圧電アクチュエータ、２…Ｘ，Ｙ位置指令
部、３…ＸＹ位置制御回路、４…Ｚ変位サーボ制御部、
５…ミラー、６…レンズ、７…Ｘ変位センサ８…Ｙ変位
センサ、９…試料台、１０…試料、１１…カンチレバ
ー、１２…プローブ変位検出部、１３…ＳＰＭ像表示装
置、１４、２２…比較器、１５…積分（Ｉ）補償器、１
６…高圧アンプ、１８…変位センサ、２０…加算器、２
１…規範モデル部、２３…適応機構部。

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【手続補正書】

【提出日】平成７年４月１４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３０】

【作用】この発明にあっては、圧電体アクチュエータを
用いた走査型プローブ顕微鏡のＸＹ走査制御系にて、従
来の走査制御系に圧電体の固有共振周波数ωｐに於いて
平坦な周波数特性を有するような伝達関数Ｇｍ（ｓ）の
規範モデル部によって、圧電アクチュエータの伝達関数
Ｇｐ（ｓ）の振動極点を移動させ、圧電アクチュエータ
の共振ピークを平坦な特性に従って抑制して、制御系の
速応性及び安定性を高める。これによって、減衰性の悪
い機械振動系を安定化することができ、更にこれによ
り、位置制御ループのゲインを高く設定することがで
き、位置制御系の応答を速くすると共に精度を高めるこ
とができる。こうして、積分補償器を用いた位置制御系
で走査速度を上げられないという問題を解決し、圧電体
をＸＹ２次元方向に高速移動することができる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４０】ここで、従来の積分補償器を用いた位置制
御と、この発明による位置制御の違いを説明する。図９
に示されるような、従来の一般的な積分補償器を用いた
位置制御の場合、制御系の開ループの伝達関数は次のよ
うになる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４１】

【数１】ここで、Ｋｈは高圧アンプ１６のゲイン、Ｋｓは変位セ
ンサ１８のゲインを表している。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４７】

【数２】ここで、Ｋ_ciは積分補償器１５の積分ゲイン、Ｋ _ap，Ｋ
_adは適応機構部２３の比例・微分ゲイン、Ａ_p ，ζ_p ，
ω_p は圧電アクチュエータ１７のパラメータ、Ａｍ，ζ
_m ，ω_m は規範モデル部２１のパラメータを表してい
る。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５０】

【数３】

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６３】尚、この発明による走査型プローブ顕微鏡
の位置制御システムでは、規範モデル部としては単なる
ローパスフィルタ、例えば２次ローパスフィルタで構成
し、適応機構部としては比例、微分制御というように非
常に簡単に構成することができ、特別な検出器を用いる
ことがないため、従来マイクロコンピュータを用いて単
なるフィードバックによる積分制御を行っていた位置制
御システムに対しても、僅かなソフトウエアを追加する
だけで容易に適用できるため、実用性の高いものであ
る。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７０】上記（１）の構成によれば、減衰性の悪い
機械振動系を安定化することができ、圧電体を２次元方
向に高速走査することができる。上記（２）の構成によ
れば、単なるローパスフィルタで構成できるため、シス
テム全体を簡単な構成で実現することができる。上記
（３）の構成によれば、比例、微分制御というように非
常に簡単に構成でき、特別な検出器も不要なため、マイ
クロコンピュータを用いて単なるフィードバックによる
積分制御を行っていた位置制御システムに対しても、わ
ずかなソウトウエアを追加するだけで容易に適用でき
る。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１３】（ａ）は従来の積分ゲインＫ_ci＝２５０の時
のステップ応答特性図、（ｂ）は積分ゲインＫ_ciが５０
０の時のステップ応答特性図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体を用いた走査型プローブ顕微鏡の
位置制御システムに於いて、上記圧電体に入力される走査電圧に基いて上記圧電体の
固有共振周波数が平坦な特性となるべく変位を演算する
第１の演算手段と、この第１の演算手段で演算された変位と上記圧電体の変
位出力とを比較して誤差を求める比較手段と、この比較手段で求められた上記誤差に基いて補正電圧を
演算する第２の演算手段と、この第２の演算手段で演算された補正電圧と上記入力電
圧とを加算して上記圧電体に制御電圧を供給する加算手
段とを具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡
の位置制御システム。
【請求項２】上記第１の演算手段は、上記圧電体の固
有共振周波数を予め設定された所定の周波数特性とする
ためにローパスフィルタを用いて演算することを特徴と
する請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡の位置制御
システム。
【請求項３】上記第２の演算手段は、上記圧電体の実
際変位が上記第１の演算手段の出力に追従するように上
記誤差に基いて比例微分ゲインを選択して補正電圧を演
算することを特徴とする請求項１若しくは２に記載の走
査型プローブ顕微鏡装置の位置制御システム。