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特開2024-36983信号処理装置、駆動制御装置、及び、走査型プローブ顕微鏡
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024036983
(43)【公開日】2024-03-18
(54)【発明の名称】信号処理装置、駆動制御装置、及び、走査型プローブ顕微鏡
(51)【国際特許分類】
G01Q 10/06 20100101AFI20240311BHJP
G01Q 60/32 20100101ALI20240311BHJP
【ＦＩ】
G01Q10/06
G01Q60/32
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022141581
(22)【出願日】2022-09-06
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業、「高速原子間力顕微鏡１分子計測の高度化と情報化支援」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願 令和２年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業、「高速ＡＦＭを用いたＳＭＣ複合体の力学機構の解明」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】504160781
【氏名又は名称】国立大学法人金沢大学
(74)【代理人】
【識別番号】100109210
【弁理士】
【氏名又は名称】新居 広守
(72)【発明者】
【氏名】古寺 哲幸
(72)【発明者】
【氏名】巽 和真
(72)【発明者】
【氏名】梅田 健一
(72)【発明者】
【氏名】安藤 敏夫
(57)【要約】
【課題】従来よりも走査速度を高速化することができる信号処理装置等を提供する。
【解決手段】信号処理装置は、アクチュエータの駆動に用いられる入力信号Ｕｉｎを駆動信号Ｕｏｕｔに変換する信号処理装置であって、アクチュエータ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Ｍ１（ｓ）を用いて、入力信号Ｕｉｎに基づく信号（例えば、駆動信号Ｕｏｕｔ）に模擬伝達関数Ｍ１（ｓ）の処理を施す模擬伝達関数処理部９１を有する信号処理部７０と、模擬伝達関数処理部９１から出力された出力信号Ｕｍに基づく第３信号（例えば、出力信号Ｕｍ）を微分する微分器７４とを備える。駆動信号Ｕｏｕｔは、微分され出力信号Ｕｍと、駆動信号Ｕｏｕｔ及び出力信号Ｕｍに基づく第４信号とを用いて、入力信号Ｕｉｎを変換した信号である。
【選択図】図２
【解決手段】信号処理装置は、アクチュエータの駆動に用いられる入力信号Ｕｉｎを駆動信号Ｕｏｕｔに変換する信号処理装置であって、アクチュエータ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Ｍ１（ｓ）を用いて、入力信号Ｕｉｎに基づく信号（例えば、駆動信号Ｕｏｕｔ）に模擬伝達関数Ｍ１（ｓ）の処理を施す模擬伝達関数処理部９１を有する信号処理部７０と、模擬伝達関数処理部９１から出力された出力信号Ｕｍに基づく第３信号（例えば、出力信号Ｕｍ）を微分する微分器７４とを備える。駆動信号Ｕｏｕｔは、微分され出力信号Ｕｍと、駆動信号Ｕｏｕｔ及び出力信号Ｕｍに基づく第４信号とを用いて、入力信号Ｕｉｎを変換した信号である。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アクチュエータの駆動に用いられる第１信号を第２信号に変換する信号処理装置であって、
前記アクチュエータの周波数特性を表す実伝達関数を模擬する第１模擬伝達関数を用いて、前記第１信号に基づく信号に、前記第１模擬伝達関数の処理を施す第１模擬伝達関数処理部を有する信号処理部と、
前記第１模擬伝達関数処理部から出力された信号に基づく第３信号を微分する第１微分処理部とを備え、
前記第２信号は、微分された前記第３信号と、前記第１信号に基づく信号及び前記第３信号に基づく第４信号とを用いて、前記第１信号を変換した信号である
信号処理装置。
前記アクチュエータの周波数特性を表す実伝達関数を模擬する第１模擬伝達関数を用いて、前記第１信号に基づく信号に、前記第１模擬伝達関数の処理を施す第１模擬伝達関数処理部を有する信号処理部と、
前記第１模擬伝達関数処理部から出力された信号に基づく第３信号を微分する第１微分処理部とを備え、
前記第２信号は、微分された前記第３信号と、前記第１信号に基づく信号及び前記第３信号に基づく第４信号とを用いて、前記第１信号を変換した信号である
信号処理装置。
【請求項2】
前記第１信号に基づく信号は、前記第２信号であり、
前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部から出力された信号である
請求項１に記載の信号処理装置。
前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部から出力された信号である
請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項3】
前記アクチュエータの一面は、本体部に固定されており、
前記信号処理部は、さらに、前記第２信号に第２模擬伝達関数の処理を施す第２模擬伝達関数処理部であって、前記第１模擬伝達関数処理部と並列に設けられる第２模擬伝達関数処理部を有し、
前記第１模擬伝達関数及び前記第２模擬伝達関数は、前記一面が固定された前記アクチュエータの実伝達関数を模擬する関数であり、
前記第１信号に基づく信号は、前記第２信号であり、
前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部及び前記第２模擬伝達関数処理部のそれぞれから出力された信号を加算した信号である
請求項１に記載の信号処理装置。
前記信号処理部は、さらに、前記第２信号に第２模擬伝達関数の処理を施す第２模擬伝達関数処理部であって、前記第１模擬伝達関数処理部と並列に設けられる第２模擬伝達関数処理部を有し、
前記第１模擬伝達関数及び前記第２模擬伝達関数は、前記一面が固定された前記アクチュエータの実伝達関数を模擬する関数であり、
前記第１信号に基づく信号は、前記第２信号であり、
前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部及び前記第２模擬伝達関数処理部のそれぞれから出力された信号を加算した信号である
請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項4】
前記アクチュエータの一面の４隅は、本体部に固定されており、
前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部から出力された信号であり、
前記第１信号に基づく信号は、微分された前記第３信号及び前記第４信号を前記第１信号に加算した信号であり、
前記信号処理装置は、さらに、
前記第１信号に基づく信号に基づく前記第２信号に第２模擬伝達関数の処理を施す第２模擬伝達関数処理部と、
前記第２模擬伝達関数処理部から出力された第５信号を微分する第２微分処理部とを備え、
前記第１模擬伝達関数及び前記第２模擬伝達関数は、前記一面の４隅が固定された前記アクチュエータの実伝達関数を模擬する関数であり、
前記第２信号は、さらに、微分された前記第５信号と、前記第２信号及び前記第５信号に基づく第６信号とを用いて、前記第１信号を変換した信号である
請求項１に記載の信号処理装置。
前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部から出力された信号であり、
前記第１信号に基づく信号は、微分された前記第３信号及び前記第４信号を前記第１信号に加算した信号であり、
前記信号処理装置は、さらに、
前記第１信号に基づく信号に基づく前記第２信号に第２模擬伝達関数の処理を施す第２模擬伝達関数処理部と、
前記第２模擬伝達関数処理部から出力された第５信号を微分する第２微分処理部とを備え、
前記第１模擬伝達関数及び前記第２模擬伝達関数は、前記一面の４隅が固定された前記アクチュエータの実伝達関数を模擬する関数であり、
前記第２信号は、さらに、微分された前記第５信号と、前記第２信号及び前記第５信号に基づく第６信号とを用いて、前記第１信号を変換した信号である
請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項5】
前記信号処理部は、前記第２信号に第２模擬伝達関数の処理を施す第２模擬伝達関数処理部であって、前記第１模擬伝達関数処理部と並列に設けられる第２模擬伝達関数処理部を有し、
前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部及び前記第２模擬伝達関数処理部のそれぞれから出力された信号を加算した信号であり、
前記第１信号に基づく信号は、微分された前記第３信号及び前記第４信号を前記第１信号に加算した信号であり、
前記信号処理装置は、さらに、
前記第１信号に基づく信号に基づく前記第２信号に第３模擬伝達関数の処理を施す第３模擬伝達関数処理部と、
前記第３模擬伝達関数処理部から出力された第５信号を微分する第２微分処理部とを備え、
前記第２信号は、さらに、微分された前記第５信号と、前記第３信号及び前記第５信号に基づく第６信号とを用いて、前記第１信号を変換した信号である
請求項１に記載の信号処理装置。
前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部及び前記第２模擬伝達関数処理部のそれぞれから出力された信号を加算した信号であり、
前記第１信号に基づく信号は、微分された前記第３信号及び前記第４信号を前記第１信号に加算した信号であり、
前記信号処理装置は、さらに、
前記第１信号に基づく信号に基づく前記第２信号に第３模擬伝達関数の処理を施す第３模擬伝達関数処理部と、
前記第３模擬伝達関数処理部から出力された第５信号を微分する第２微分処理部とを備え、
前記第２信号は、さらに、微分された前記第５信号と、前記第３信号及び前記第５信号に基づく第６信号とを用いて、前記第１信号を変換した信号である
請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項6】
前記信号処理部は、さらに
前記第１信号に基づく信号と前記第３信号との差分を示す差分信号を出力する差分処理部と、
前記差分処理部から出力された前記差分信号を増幅した増幅信号を出力するゲイン付与部と、
微分された前記第３信号及び前記増幅信号を前記第１信号に加算することで前記第１信号に基づく信号を生成する付加処理部とを有する
請求項１～５のいずれか１項に記載の信号処理装置。
前記第１信号に基づく信号と前記第３信号との差分を示す差分信号を出力する差分処理部と、
前記差分処理部から出力された前記差分信号を増幅した増幅信号を出力するゲイン付与部と、
微分された前記第３信号及び前記増幅信号を前記第１信号に加算することで前記第１信号に基づく信号を生成する付加処理部とを有する
請求項１～５のいずれか１項に記載の信号処理装置。
【請求項7】
請求項１～５のいずれか１項に記載の信号処理装置と、
前記信号処理装置からの前記第２信号を駆動信号として制御されるアクチュエータとを備える
駆動制御装置。
前記信号処理装置からの前記第２信号を駆動信号として制御されるアクチュエータとを備える
駆動制御装置。
【請求項8】
請求項７に記載の駆動制御装置と、
前記アクチュエータ及び前記アクチュエータが固定される本体部を有するスキャナと、
前記本体部に固定され、被検査物を保持するステージと、
前記ステージに保持される前記被検査物に近接して配置されるカンチレバーとを備え、
前記スキャナは、前記ステージを走査するときに、前記第２信号に基づいて、前記カンチレバーと前記被検査物との距離を一定に保つように制御される
走査型プローブ顕微鏡。
前記アクチュエータ及び前記アクチュエータが固定される本体部を有するスキャナと、
前記本体部に固定され、被検査物を保持するステージと、
前記ステージに保持される前記被検査物に近接して配置されるカンチレバーとを備え、
前記スキャナは、前記ステージを走査するときに、前記第２信号に基づいて、前記カンチレバーと前記被検査物との距離を一定に保つように制御される
走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、信号処理装置、駆動制御装置、及び、走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）として、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が知られている。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（探針）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との間隔（Ｚ方向の距離）を一定に保つようにＺスキャナ（スキャナのＺ方向）を制御する。このような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Ｚスキャナの移動を高速化することが望まれる。そのようなＡＦＭとして、例えば、特許文献１に開示されているＡＦＭが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】国際公開第２００８／０２９５６１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献１に開示されているＡＦＭは、走査速度の高速化において改善の余地がある。
【0006】
そこで、本開示は、従来よりも走査速度の高速化することができる信号処理装置、駆動制御装置、及び、走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の一形態に係る信号処理装置は、アクチュエータの駆動に用いられる第１信号を第２信号に変換する信号処理装置であって、前記アクチュエータの周波数特性を表す実伝達関数を模擬する第１模擬伝達関数を用いて、前記第１信号に基づく信号に、前記第１模擬伝達関数の処理を施す第１模擬伝達関数処理部を有する信号処理部と、前記第１模擬伝達関数処理部から出力された信号に基づく第３信号を微分する第１微分処理部とを備え、前記第２信号は、微分された前記第３信号と、前記第１信号に基づく信号及び前記第３信号に基づく第４信号とを用いて、前記第１信号を変換した信号である。
【0008】
本開示の一形態に係る駆動制御装置は、上記の信号処理装置と、前記信号処理装置からの前記第２信号を駆動信号として制御されるアクチュエータとを備える。
【0009】
本開示の一形態に係る走査型プローブ顕微鏡は、駆動制御装置と、前記アクチュエータ及び前記アクチュエータが固定される本体部を有するスキャナと、前記本体部に固定され、被検査物を保持するステージと、前記ステージに保持される前記被検査物に近接して配置されるカンチレバーとを備え、前記スキャナは、前記ステージを走査するときに、前記第２信号に基づいて、前記カンチレバーと前記被検査物との距離を一定に保つように制御される。
【発明の効果】
【0010】
本開示によれば、従来よりも走査速度の高速化することができる信号処理装置等を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
（本開示に至った経緯）
原子間力顕微鏡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Ｚ方向に走査するＺスキャナである。従来の一般的なＺスキャナは、ピエゾ素子などの圧電変換素子（圧電素子）で構成されている。カンチレバーはミクロな大きさを有するのに対して、Ｚスキャナはマクロな大きさを有するため、Ｚ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、Ｚ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、原子間力顕微鏡の高速化にとってはＺスキャナがボトルネックになっている。なお、Ｚスキャナは以下で説明する信号処理装置の制御対象であり、以降においてＺスキャナのことを制御対象とも記載する。
原子間力顕微鏡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Ｚ方向に走査するＺスキャナである。従来の一般的なＺスキャナは、ピエゾ素子などの圧電変換素子（圧電素子）で構成されている。カンチレバーはミクロな大きさを有するのに対して、Ｚスキャナはマクロな大きさを有するため、Ｚ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、Ｚ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、原子間力顕微鏡の高速化にとってはＺスキャナがボトルネックになっている。なお、Ｚスキャナは以下で説明する信号処理装置の制御対象であり、以降においてＺスキャナのことを制御対象とも記載する。
【0013】
従来、Ｚスキャナの共振周波数の向上は、機械部品の開発により行われているが、機械部品による共振周波数の向上はすでに限界に達している。
【0014】
また、Ｚスキャナの状況（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。アクティブダンピングの一種として、Ｑ値（Ｑｕａｌｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒ）制御法が知られている。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、みかけ上の粘性抵抗を増大させてダンピングを行う。Ｑ値とは、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値は大きくなり、逆に粘性抵抗が大きいほどＱ値は小さくなる。従来使用されてきたＱ値制御法では、Ｑの低下しか実現できない。
【0015】
上記のように、Ｚスキャナの共振周波数の向上、及び、Ｑ値の低下のいずれか一方のみを制御することは従来から行われているが、原子間力顕微鏡の走査速度をさらに向上させるためには、Ｚスキャナの共振周波数の向上、及び、Ｑ値の低下の両方を実現することが望まれる。しかしながら、特許文献１には、スキャナの共振周波数の向上、及び、Ｑ値の低下の両方を実現する技術については開示されていない。
【0016】
そこで、本願発明者らは、Ｚスキャナの共振周波数の向上、及び、Ｑ値の低下によりＺスキャナの移動を高速化させることで、原子間力顕微鏡の走査速度を高速化することができる信号処理装置等について鋭意検討を行い、以下に示す信号処理装置等を創案した。
【0017】
本開示の一態様に係る信号処理装置は、アクチュエータの駆動に用いられる第１信号を第２信号に変換する信号処理装置であって、前記アクチュエータの周波数特性を表す実伝達関数を模擬する第１模擬伝達関数を用いて、前記第１信号に基づく信号に、前記第１模擬伝達関数の処理を施す第１模擬伝達関数処理部を有する信号処理部と、前記第１模擬伝達関数処理部から出力された信号に基づく第３信号を微分する第１微分処理部とを備え、前記第２信号は、微分された前記第３信号と、前記第１信号に基づく信号及び前記第３信号に基づく第４信号とを用いて、前記第１信号を変換した信号である。
【0018】
これにより、信号処理装置は、第１模擬伝達関数処理部を有することで、アクチュエータ（例えば、Ｚスキャナ）の共振周波数を高い方向へシフトさせることができ、かつ、第１微分処理部を有することでＱ値を低下させることができるので、共振周波数の向上、及び、Ｑ値の低下の両方を実現することができる。つまり、信号処理装置は、Ｚスキャナの移動を高速化させることができる。よって、例えば、信号処理装置が走査型プローブ顕微鏡に用いられることで、従来よりも走査型プローブ顕微鏡の走査速度を高速化することができる。
【0019】
また、例えば、前記第１信号に基づく信号は、前記第２信号であり、前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部から出力された信号であってもよい。
【0020】
これにより、第１模擬伝達関数処理部により周波数特性が一次共振のみを有するアクチュエータの等価回路が構成されるので、信号処理装置は、当該周波数特性を有するＺスキャナの移動を効果的に高速化させることができる。よって、例えば、信号処理装置が走査型プローブ顕微鏡に用いられることで、従来よりも走査型プローブ顕微鏡の走査速度を効果的に高速化することができる。
【0021】
また、例えば、前記アクチュエータの一面は、本体部に固定されており、前記信号処理部は、さらに、前記第２信号に第２模擬伝達関数の処理を施す第２模擬伝達関数処理部であって、前記第１模擬伝達関数処理部と並列に設けられる第２模擬伝達関数処理部を有し、前記第１模擬伝達関数及び前記第２模擬伝達関数は、前記一面が固定された前記アクチュエータの実伝達関数を模擬する関数であり、前記第１信号に基づく信号は、前記第２信号であり、前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部及び前記第２模擬伝達関数処理部のそれぞれから出力された信号を加算した信号であってもよい。
【0022】
これにより、アクチュエータが本体部の一面と固定されている場合、つまりアクチュエータの周波数特性が二次共振を含む場合であっても、第１模擬伝達関数処理部及び第２模擬伝達関数処理部により当該アクチュエータの等価回路が構成されるので、信号処理装置は、当該周波数特性を有するＺスキャナの移動を効果的に高速化させることができる。よって、例えば、信号処理装置が走査型プローブ顕微鏡に用いられることで、従来よりも走査型プローブ顕微鏡の走査速度を効果的に高速化することができる。
【0023】
また、例えば、前記アクチュエータの一面の４隅は、本体部に固定されており、前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部から出力された信号であり、前記第１信号に基づく信号は、微分された前記第３信号及び前記第４信号を前記第１信号に加算した信号であり、前記信号処理装置は、さらに、前記第１信号に基づく信号に基づく前記第２信号に第２模擬伝達関数の処理を施す第２模擬伝達関数処理部と、前記第２模擬伝達関数処理部から出力された第５信号を微分する第２微分処理部とを備え、前記第１模擬伝達関数及び前記第２模擬伝達関数は、前記一面の４隅が固定された前記アクチュエータの実伝達関数を模擬する関数であり、前記第２信号は、さらに、微分された前記第５信号と、前記第２信号及び前記第５信号に基づく第６信号とを用いて、前記第１信号を変換した信号であってもよい。
【0024】
これにより、アクチュエータが本体部の一面の４隅と固定されている場合であっても、第１模擬伝達関数処理部及び第２模擬伝達関数処理部により当該アクチュエータの等価回路が構成されるので、信号処理装置は、当該周波数特性を有するＺスキャナの移動を効果的に高速化させることができる。よって、例えば、信号処理装置が走査型プローブ顕微鏡に用いられることで、従来よりも走査型プローブ顕微鏡の走査速度を効果的に高速化することができる。
【0025】
また、例えば、前記信号処理部は、前記第２信号に第２模擬伝達関数の処理を施す第２模擬伝達関数処理部であって、前記第１模擬伝達関数処理部と並列に設けられる第２模擬伝達関数処理部を有し、前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部及び前記第２模擬伝達関数処理部のそれぞれから出力された信号を加算した信号であり、前記第１信号に基づく信号は、微分された前記第３信号及び前記第４信号を前記第１信号に加算した信号であり、前記信号処理装置は、さらに、前記第１信号に基づく信号に基づく前記第２信号に第３模擬伝達関数の処理を施す第３模擬伝達関数処理部と、前記第３模擬伝達関数処理部から出力された第５信号を微分する第２微分処理部とを備え、前記第２信号は、さらに、微分された前記第５信号と、前記第３信号及び前記第５信号に基づく第６信号とを用いて、前記第１信号を変換した信号であってもよい。
【0026】
これにより、アクチュエータの周波数特性が三次共振を含む場合であっても、第１模擬伝達関数処理部、第２模擬伝達関数処理部及び第３模擬伝達関数処理部により当該アクチュエータの等価回路が構成されるので、信号処理装置は、当該周波数特性を有するＺスキャナの移動を効果的に高速化させることができる。よって、例えば、信号処理装置が走査型プローブ顕微鏡に用いられることで、従来よりも走査型プローブ顕微鏡の走査速度を効果的に高速化することができる。
【0027】
また、例えば、前記信号処理部は、さらに前記第１信号に基づく信号と前記第３信号との差分を示す差分信号を出力する差分処理部と、前記差分処理部から出力された前記差分信号を増幅した増幅信号を出力するゲイン付与部と、微分された前記第３信号及び前記増幅信号を前記第１信号に加算することで前記第１信号に基づく信号を生成する付加処理部とを有してもよい。
【0028】
これにより、付加処理部と、差分処理部と、ゲイン付与部とを有する信号処理部により、アクチュエータの共振周波数を高い方向へシフトさせることができる。
【0029】
また、本開示の一態様に係る駆動制御装置は、上記の信号処理装置と、前記信号処理装置からの前記第２信号を駆動信号として制御されるアクチュエータとを備える。
【0030】
これにより、駆動制御装置は、アクチュエータのＺ方向の移動を高速化することができる。よって、例えば、本開示の一態様に係る駆動制御装置が走査型プローブ顕微鏡に用いられることで、Ｚスキャナの移動を高速化することができるので、従来よりも走査型プローブ顕微鏡の走査速度を高速化することができる。
【0031】
また、本開示の一態様に係る走査型プローブ顕微鏡は、駆動制御装置と、前記アクチュエータ及び前記アクチュエータが固定される本体部を有するスキャナと、前記本体部に固定され、被検査物を保持するステージと、前記ステージに保持される前記被検査物に近接して配置されるカンチレバーとを備え、前記スキャナは、前記ステージを走査するときに、前記第２信号に基づいて、前記カンチレバーと前記被検査物との距離を一定に保つように制御される。
【0032】
これにより、従来よりもＺスキャナの移動を高速化す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。これは、走査型プローブ顕微鏡の走査速度を高速化することに寄与する。
【0033】
なお、以下で説明する実施の形態等は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態等で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態等は、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態等における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【0034】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
【0035】
また、本明細書において、等しい等の要素間の関係性を示す用語、及び、矩形等の要素の形状を示す用語、並びに、数値、及び、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度（例えば、１０％程度）の差異をも含むことを意味する表現である。
【0036】
また、本明細書において、Ｘ方向（Ｘ軸）、Ｙ方向（Ｙ軸）及びＺ方向（Ｚ軸）は、互いに直交する三方向（三次元直交座標系の三軸）を示している。ＸＹ方向は後述するステージの試料が配置される面上で互いに直交する方向であり、例えば、水平面上で互いに直交する方向である。Ｚ方向は、ステージの試料が配置される面と直交する方向であり、例えば、鉛直方向である。Ｚ方向は、例えば、試料の凹凸（高さ方向）である。
【0037】
また、本明細書において、「第１」、「第２」などの序数詞は、特に断りの無い限り、構成要素の数又は順序を意味するものではなく、同種の構成要素の混同を避け、区別する目的で用いられている。
【0038】
【0039】
［１．原子間力顕微鏡の構成］
図１は、本実施の形態に係る原子間力顕微鏡１の構成を模式的に示す図である。なお、以下において、原子間力顕微鏡１をＡＦＭ１とも記載する。ＡＦＭ１は、走査型プローブ顕微鏡の一例である。
図１は、本実施の形態に係る原子間力顕微鏡１の構成を模式的に示す図である。なお、以下において、原子間力顕微鏡１をＡＦＭ１とも記載する。ＡＦＭ１は、走査型プローブ顕微鏡の一例である。
【0040】
図１に示すように、ＡＦＭ１は、レーザユニット１０と、カンチレバー２０と、ミラー３０と、光センサ４０と、振幅計測部５０と、フィードバック制御部６０と、信号処理部７０と、スキャナ９０と、ステージ１００とを備える。信号処理部７０と、スキャナ９０が有するアクチュエータ又はスキャナ９０とで、駆動制御装置が実現される。
【0041】
レーザユニット１０、ミラー３０及び光センサ４０は、カンチレバー２０の変位を検知するために設けられ、本実施の形態では光てこ式の変位センサを構成している。
【0042】
スキャナ９０は、ステージ１００をＸＹＺ方向に走査するために設けられる。
【0043】
振幅計測部５０及びフィードバック制御部６０は、カンチレバー２０の変位信号に基づいて当該カンチレバー２０と試料Ｏ（被検査物の一例）との距離を一定に保つために設けられる。
【0044】
信号処理部７０は、スキャナ９０のＺ方向の移動を高速化させるために設けられる。
【0045】
また、ＡＦＭ１は、図示を省略しているが、カンチレバー２０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、励振用ピエゾ素子及び発振器を備えていてもよい。また、ＡＦＭ１は、図示を省略しているが、装置全体を制御するコンピュータと、コンピュータから出力される観察画像を表示するモニタとを備えていてもよい。
【0046】
レーザユニット１０は、レーザ光Ｌをカンチレバー２０に向けて照射する。
【0047】
カンチレバー２０は、ステージ１００に保持される試料Ｏに近接して配置される。カンチレバー２０は、例えば窒化シリコン製であり、自由端にプローブ（探針）を有する。カンチレバー２０は、ホルダによって保持されている。
【0048】
ミラー３０は、レーザユニット１０から出射されカンチレバー２０で反射されたレーザ光Ｌを光センサ４０に受光させるための光学系であり、カンチレバー２０で反射されたレーザ光Ｌを光センサ４０側に反射することで、当該レーザ光Ｌを光センサ４０に受光させる。光学系は、ミラー３０とともに、又は、ミラー３０に替えてレンズ等を有していてもよい。
【0049】
光センサ４０は、フォトダイオード等の受光素子で構成されており、ミラー３０からのレーザ光Ｌを受光し、カンチレバー２０の変位を表す変位信号を出力する。
【0050】
振幅計測部５０は、光センサ４０から入力される変位信号を処理してカンチレバー２０の振幅を求める。検出された振幅値は、フィードバック制御部６０へ出力される。
【0051】
フィードバック制御部６０は、入力信号のための目標値と現実値との差をゼロに近づけるために、アクチュエータの駆動に用いられるフィードバック信号を生成する。フィードバック制御部６０は、検出された現実値（例えば、振幅値）から目標値（例えば、振幅の目標値）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（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）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を生成する。
【0052】
フィードバック信号は、アクチュエータの駆動に用いられる信号であり、カンチレバー２０と試料Ｏとの距離を一定に保つためのスキャナのＺ方向の移動に用いられる。また、フィードバック信号はコンピュータに出力され、試料Ｏの画像の生成処理に用いられる。
【0053】
信号処理部７０は、アクチュエータを用いてフィードバック制御を行う装置（本実施の形態では、ＡＦＭ１）に挿入され、入力されるフィードバック信号を変換し変換された駆動信号Ｕｏｕｔをスキャナ９０に出力する。本実施の形態では、信号処理部７０は、フィードバック制御部６０とスキャナ９０との間に配置される。信号処理部７０は、フィードバック制御部６０から出力されたフィードバック信号の後処理を行う。
【0054】
信号処理部７０は、アクチュエータの実伝達関数の逆伝達関数を生成するための構成（回路）を有する。信号処理部７０は、ＡＦＭ１に着脱可能に構成されてもよい。信号処理部７０は、信号処理装置（信号処理回路）の一例である。
【0055】
スキャナ９０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、ステージ１００をＸＹΖ方向に動かして、試料Ｏをカンチレバー２０に対して相対的に走査する。スキャナ９０は、ＸＹ方向に駆動するＸＹスキャナと、Ｚ方向に駆動するＺスキャナとを有する。
【0056】
スキャナ９０の駆動は、走査制御回路（図示しない）によって制御される。走査制御回路は、スキャナ９０の駆動制御部に相当し、駆動信号をスキャナ９０に出力する。スキャナ９０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９０が駆動される。スキャナ９０は、信号処理部７０からの信号（後述する図２に示す駆動信号Ｕｏｕｔ）に基づいて制御されるとも言える。
【0057】
なお、走査制御回路は、ＸＹ走査制御部とΖ移動制御部とを有する。ＸＹ走査制御部はスキャナ９０のＸＹ方向の駆動（移動）を制御し、Ζ移動制御部はスキャナ９０のΖ方向の駆動（移動）を制御する。Ζ移動制御部は、信号処理部７０を含んで構成される。
【0058】
ステージ１００は、試料Ｏを保持する。ステージ１００は、上面に試料Ｏを保持するように構成されるが、例えば、下面に試料Ｏを保持するように構成されてもよい。ステージ１００は、スキャナ９０（例えば、後述する図８の（ａ）等に示す圧電素子９０ａ）に固定される。
【0059】
次に、ＡＦＭ１の全体的な動作を説明する。走査制御回路にコンピュータからＸＹ方向の走査の制御信号が供給される。走査制御回路は制御信号に従ってスキャナ９０の駆動を制御し、スキャナ９０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９０の駆動回路に供給される。
【0060】
また、コンピュータは発振器へ励振強度（振幅）の指令値を供給する。発振器は、コンピュータ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を駆動し、カンチレバー２０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２０が振動した状態で、カンチレバー２０と試料Ｏとが相対的にＸＹ方向に走査される。
【0061】
ＸＹ走査中に、カンチレバー２０のＺ方向の移動が光センサ４０により検出され、振幅計測部５０によりカンチレバー２０の振幅が計測される。そして、フィードバック制御部６０は、検出された現実値と目標値と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は信号処理部７０により変換され、変換された信号によりスキャナ９０の駆動（移動）が制御される。このＡＦＭ１におけるフィードバック制御により、ＸＹ走査中におけるカンチレバー２０と試料Ｏとの距離が一定に保たれる。
【0062】
このようにして、ＡＦＭ１では、カンチレバー２０と試料Ｏとの距離を一定に保つ制御を行いながら、ＸＹ走査が行われる。具体的には、スキャナ９０は、ステージ１００を走査（ＸＹ走査）するときに、駆動信号Ｕｏｕｔに基づいて、カンチレバー２０と試料Ｏとの距離を一定に保つように制御される。
【0063】
Ｚ方向の移動のためのフィードバック信号は、フィードバック制御部６０からコンピュータにも供給される。フィードバック信号は、試料ＯのＺ方向の高さに対応している。また、試料Ｏ上のＸＹ方向の位置は、コンピュータが生成して走査制御回路に出力するＸＹ走査の制御信号により特定される。コンピュータは、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Ｏの表面の画像を生成してモニタに表示する。３次元画像が好適に生成され、表示される。
【0064】
ここで、信号処理部７０の構成について、さらに図２を参照しながら説明する。図２は、本実施の形態に係る信号処理部７０の構成を示す図である。なお、以降において「スキャナ９０」との記載は、特に記載がない限りＺスキャナのことを意味する。
【0065】
図２に示すように、信号処理部７０は、制御ブロック８０と微分器７４とを備え、共振周波数の向上、及び、Ｑ値の低下の両方を実現可能に構成される。
【0066】
制御ブロック８０は、信号処理部７０において主にスキャナ９０の共振周波数を向上させる（高い方向にシフトさせる）ための構成であり、スキャナ９０が有する実伝達関数の逆の伝達関数を生成することを目的とした信号処理回路である。制御ブロック８０は、加算器７１と、減算器７２と、増幅器７３とを有する。また、制御ブロック８０は、共振周波数の制御のために、さらに模擬伝達関数処理部９１を有する。
【0067】
加算器７１は、増幅器７３からの信号及び微分器７４からの信号を、入力信号Ｕｉｎに加算して減算器７２及び模擬伝達関数処理部９１に出力する。入力信号Ｕｉｎは、フィードバック制御部６０のフィードバック信号に基づく信号であり、第１信号の一例である。第１信号は、フィードバック信号であってもよい。増幅器７３からの信号（増幅信号の一例）は、模擬伝達関数処理部９１の入力信号と出力信号Ｕｍとの差分に基づく信号である。微分器７４からの信号は、模擬伝達関数処理部９１の出力信号Ｕｍに基づく信号である。加算器７１は、第１付加処理部の一例である。
【0068】
なお、加算器７１から出力される信号は、制御対象であるスキャナ９０にも出力される。制御対象は実際の系であり、スキャナ９０（例えば、スキャナ９０及びステージ１００）の系である。加算器７１から出力される信号は、スキャナ９０を駆動するための駆動信号Ｕｏｕｔである。駆動信号Ｕｏｕｔは、本実施の形態において、第２信号の一例である。また、模擬伝達関数処理部９１の入力信号は、駆動信号Ｕｏｕｔである。
【0069】
減算器７２は、加算器７１から出力された駆動信号Ｕｏｕｔと、模擬伝達関数処理部９１から出力された出力信号Ｕｍとの差分を算出し、当該差分を示す差分信号を増幅器７３に出力する。減算器７２には、駆動信号Ｕｏｕｔが直接供給される。つまり、減算器７２と模擬伝達関数処理部９１との間の信号経路上に、他の演算器（例えば、微分器、増幅器、加算器等）は設けられていない。また、減算器７２は、微分器７４と並列に接続され、増幅器７３と直列に接続される。減算器７２は、差分処理部の一例である。
【0070】
増幅器７３は、減算器７２から出力された差分信号を増幅した増幅信号を加算器７１に出力する。増幅器７３は、差分信号にゲインｇを付与するとも言える。増幅信号は加算器７１に供給され、入力信号Ｕｉｎに加算される。増幅器７３は、ゲイン付与部の一例である。
【0071】
減算器７２及び増幅器７３は、模擬伝達関数処理部９１から加算器７１までの一方のフィードバック信号経路上に配置される。
【0072】
模擬伝達関数処理部９１は、アクチュエータ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Ｍ（ｓ）を用いて、駆動信号Ｕｏｕｔに模擬伝達関数Ｍ（ｓ）の処理を施す回路である。模擬伝達関数Ｍ（ｓ）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。模擬伝達関数Ｍ（ｓ）は、例えば、スキャナ９０の実伝達関数（例えば、ピエゾ素子等のアクチュエータの実伝達関数）を模擬する関数であり、スキャナ９０の実伝達関数が測定され、測定結果に合うように模擬伝達関数Ｍ（ｓ）が作成される。また、スキャナ９０の実伝達関数が予め理論的にわかっている場合、そのような既知の伝達関数が回路で実現されてもよい。
【0073】
模擬伝達関数Ｍ（ｓ）がスキャナ９０の伝達関数と同等であれば、模擬伝達関数処理部９１の出力信号Ｕｍは、スキャナ９０を有する実際の系の動作に等しくなる。本実施の形態において、模擬伝達関数Ｍ（ｓ）は、スキャナ９０の伝達関数と同等なように構成されている。なお、模擬伝達関数処理部９１の出力信号Ｕｍは、アクチュエータの変位（スキャナ９０の移動）を示す信号である。出力信号Ｕｍは、模擬伝達関数処理部９１から出力された信号に基づく信号であり、第３信号の一例である。つまり、本実施の形態では、第３信号は、模擬伝達関数処理部９１から出力された信号である。
【0074】
上記のような制御ブロック８０は、模擬伝達関数Ｍ（ｓ）の逆伝達関数を生成することを目的として構成されているが、現実的には回路の遅れにより、共振周波数を向上させることはできるが、Ｑ値も上昇してしまう。そこで、本実施の形態では、Ｑ値を減少させるために新たに微分器７４を追加している。
【0075】
微分器７４は、信号処理部７０において主に共振のＱ値を減少させるための構成（微分回路）であり、模擬伝達関数処理部９１から加算器７１までの他方のフィードバック信号経路上に配置され、模擬伝達関数処理部９１からの出力信号Ｕｍを微分して加算器７１に戻す。微分器７４は出力信号Ｕｍの微分値を示す微分信号を出力するとも言える。Ｄ（ｓ）は、微分器７４の伝達関数である。微分器７４は、第１微分処理部（第１微分要素）の一例である。
【0076】
微分器７４及び減算器７２には、共通の出力信号Ｕｍが供給される。また、微分器７４の出力信号は、加算器７１に直接供給される。つまり、微分器７４と加算器７１との間の信号経路上に、他の演算器（例えば、減算器、増幅器、加算器等）は設けられていない。
【0077】
このように、信号処理部７０は、微分された出力信号Ｕｍと、駆動信号Ｕｏｕｔ及び出力信号Ｕｍに基づく第４信号（例えば、増幅信号）とを用いて、入力信号Ｕｉｎを変換した駆動信号Ｕｏｕｔを生成し、生成した駆動信号Ｕｏｕｔを出力するように構成される。
【0078】
上記のように構成される信号処理部７０の入力信号Ｕｉｎ及び駆動信号Ｕｏｕｔの比（Ｕｉｎ／Ｕｏｕｔ＝Ｋ（ｓ））は、以下の式１で表される。
【0079】
Ｋ（ｓ）＝１／（（ｇ－Ｄ（ｓ））×Ｍ（ｓ）＋１－ｇ） ・・・（式１）
Ｋ（ｓ）は、信号処理部７０の伝達関数を示す。
Ｋ（ｓ）は、信号処理部７０の伝達関数を示す。
【0080】
［２．効果等］
上記のように構成される信号処理部７０を用いた場合のスキャナ９０の周波数特性について、図３～図５を参照しながら説明する。図３は、本実施の形態に係るＺスキャナ（スキャナ９０）の周波数特性（位相特性）を示す図である。図３の縦軸は位相を示し、横軸は周波数を示す。図４は、本実施の形態に係るＺスキャナ（スキャナ９０）の周波数特性（ゲイン特性）を示す図である。図４の縦軸はゲインを示し、横軸は周波数を示す。なお、図３及び図４に示す比較例は、信号処理部７０を備えていないＡＦＭを用いた場合のスキャナの周波数特性を示す。
上記のように構成される信号処理部７０を用いた場合のスキャナ９０の周波数特性について、図３～図５を参照しながら説明する。図３は、本実施の形態に係るＺスキャナ（スキャナ９０）の周波数特性（位相特性）を示す図である。図３の縦軸は位相を示し、横軸は周波数を示す。図４は、本実施の形態に係るＺスキャナ（スキャナ９０）の周波数特性（ゲイン特性）を示す図である。図４の縦軸はゲインを示し、横軸は周波数を示す。なお、図３及び図４に示す比較例は、信号処理部７０を備えていないＡＦＭを用いた場合のスキャナの周波数特性を示す。
【0081】
図３～図５では、本実施の形態における結果を実線で示し、比較例における結果を破線で示している。また、本明細書において、共振周波数は、入力に対して位相が９０°遅れるときの周波数を意味する。また、本明細書において、Ｑ値は、入力に対して位相が９０°遅れるときの周波数に対応するゲインを意味する。ゲインの０ｄＢがＱ値の「１」に対応する。
【0082】
図３に示すように、比較例では、共振周波数が１９０ｋＨｚであるのに対し、本実施の形態では、共振周波数が３３０ｋＨｚであり、共振周波数が大幅に上昇していることがわかる。
【0083】
図４に示すように、比較例では、ゲインがおよそ１０ｄＢであるのに対し、本実施の形態では、ゲインがおよそ１ｄＢであり、ゲインが大幅に低下していることがわかる。
【0084】
これにより、機械部品を変更することなく、応答時間（走査速度）を大幅に短縮することが可能となる。応答時間をＴとすると、応答時間は以下の式２により表される。
【0085】
Ｔ＝Ｑｓ／（π×ｆｓ） ・・・（式２）
なお、ＱｓはＱ値であり、ｆｓは共振周波数である。
なお、ＱｓはＱ値であり、ｆｓは共振周波数である。
【0086】
式２に、図３及び図４で求められた共振周波数及びＱ値を代入すると、比較例における応答時間Ｔは、およそ１６．８μｓｅｃ．であるのに対し、本実施の形態における応答時間Ｔは、およそ０．９７μｓｅｃ．であり、本実施の形態の信号処理部７０によりスキャナ９０のＺ方向の移動の大幅な高速化が実現できている。つまり、信号処理部７０をＡＦＭ１に設けることで、ＡＦＭ１の走査速度をおよそ１７倍も高速化することができる見込みである。
【0087】
また、１．２ＭＨｚの共振周波数を有するスキャナ９０に対する応答時間Ｔについて、図５を参照しながら説明する。図５は、共振周波数が１．２ＭＨｚであるＺスキャナ（スキャナ９０）に本実施の形態に係る信号処理部７０を適用した場合の周波数特性を示す図である。図５では、位相特性及びゲイン特性を１つのグラフで示している。
【0088】
図５に示すように、共振周波数（入力に対して位相が９０°遅れるときの周波数）は、比較例に対して本実施の形態の方が１．８７ＭＨｚも高く、またＱ値は、本実施の形態ではおよそ１ｄＢである。この場合、式２によると、応答時間Ｔは、０．１７μｓｅｃ．であり、共振周波数が１．２ＭＨｚのスキャナ９０に対してもＺ方向の移動の高速化が実現できている。
【0089】
（実施の形態の変形例１）
上記実施の形態では、スキャナ９０の周波数特性が一次共振のみを有する場合について説明したが、以下の各変形例では、他の周波数特性を有する場合の信号処理部の構成について説明する。本変形例の第１例では、スキャナ９０の周波数特性が二次共振を有する場合について、図６～図９Ｂを参照しながら説明する。図６は、本変形例に係るＺスキャナ（スキャナ９０）の構成及び周波数特性等の第１例を示す図である。図６の（ａ）は、スキャナ９０の構成を示す側面図である。圧電素子９０ａの上面にステージが配置される。なお、側面図は、Ｚ方向と直交する方向から見た図である。
上記実施の形態では、スキャナ９０の周波数特性が一次共振のみを有する場合について説明したが、以下の各変形例では、他の周波数特性を有する場合の信号処理部の構成について説明する。本変形例の第１例では、スキャナ９０の周波数特性が二次共振を有する場合について、図６～図９Ｂを参照しながら説明する。図６は、本変形例に係るＺスキャナ（スキャナ９０）の構成及び周波数特性等の第１例を示す図である。図６の（ａ）は、スキャナ９０の構成を示す側面図である。圧電素子９０ａの上面にステージが配置される。なお、側面図は、Ｚ方向と直交する方向から見た図である。
【0090】
図６の（ａ）に示すように、スキャナ９０は、アクチュエータの一例である圧電素子９０ａと、圧電素子９０ａが固定される本体部９０ｂとを有する。圧電素子９０ａは本体部９０ｂに固定される（例えば、貼り付けられる）が、固定のされ方により、スキャナ９０の周波数特性が変化し得る。本変形例の第１例では、図６の（ａ）に示すような圧電素子９０ａの下面の全面が本体部９０ｂに貼り付けられる場合について図６～図７Ｂを用いて説明し、本変形例の第２例では、圧電素子９０ａの下面の４隅のみが本体部９０ｂに貼り付けられる場合（後述する図８の（ａ）を参照）について図８～図９Ｂを用いて説明する。
【0091】
【0092】
図６の（ｂ）に示すように、位相特性（実線）は、周波数が高くなるにつれ位相の遅れが大きくなるが、その後、位相の遅れが減少し、さらに周波数が高くなると再度位相の遅れが大きくなる。位相特性は、位相が一次共振の後で回復しているとも言える。このように、図６の（ａ）に示す構成のスキャナ９０は、周波数特性として二次共振（二次共振点又は二次共振周波数）を有する。
【0093】
【0094】
図６の（ｃ）に示すように、スキャナ９０の等価回路は、並列に接続された第１模擬伝達関数処理部９２及び第２模擬伝達関数処理部９３と、加算器９４とを有する。第１模擬伝達関数処理部９２及び第２模擬伝達関数処理部９３は、模擬伝達関数処理部を構成する。
【0095】
第１模擬伝達関数処理部９２及び第２模擬伝達関数処理部９３は、一次共振に加え二次共振を有する周波数特性を表す実伝達関数を模擬する模擬伝達関数の処理を実行する。
【0096】
第１模擬伝達関数処理部９２は、第１模擬伝達関数Ｍ１（ｓ）の処理を駆動信号Ｕｏｕｔに対して施す回路である。
【0097】
第２模擬伝達関数処理部９３は、第１模擬伝達関数処理部９２と並列に設けられ、第２模擬伝達関数Ｍ２（ｓ）の処理を駆動信号Ｕｏｕｔに対して施す回路である。
【0098】
加算器９４は、第１模擬伝達関数処理部９２及び第２模擬伝達関数処理部９３それぞれの出力信号を加算し、加算した信号を出力信号Ｕｍとして減算器７２及び微分器７４のそれぞれに出力する。
【0099】
第１模擬伝達関数Ｍ１（ｓ）及び第２模擬伝達関数Ｍ２（ｓ）は、図６の（ａ）に示すスキャナ９０の実伝達関数を模擬する関数である。例えば、第１模擬伝達関数Ｍ１（ｓ）及び第２模擬伝達関数Ｍ２（ｓ）は、下面が本体部９０ｂに固定された圧電素子９０ａの実伝達関数を模擬する関数である。第１模擬伝達関数Ｍ１（ｓ）及び第２模擬伝達関数Ｍ２（ｓ）を加算した模擬伝達関数がスキャナ９０の実伝達関数と同等であれば、加算器９４から出力される出力信号Ｕｍは、スキャナ９０を有する実際の系の動作に等しくなる。第１模擬伝達関数Ｍ１（ｓ）及び第２模擬伝達関数Ｍ２（ｓ）は、それぞれを加算した模擬伝達関数がスキャナ９０の伝達関数と同等なように構成されている。例えば、第１模擬伝達関数Ｍ１（ｓ）及び第２模擬伝達関数Ｍ２（ｓ）の一方が一次共振を表す伝達関数であり、他方が二次共振を表す伝達関数であってもよい。
【0100】
図７Ａは、本変形例に係る信号処理部７０ａの構成の第１例を示す図である。なお、図７Ａでは、制御ブロックを示す破線の図示を省略している。信号処理部７０ａの制御ブロックは、加算器７１、減算器７２、増幅器７３、第１模擬伝達関数処理部９２、第２模擬伝達関数処理部９３及び加算器９４を有する。当該制御ブロックは、信号処理部７０ａにおいて主にスキャナ９０の共振周波数を向上させる（高い方向にシフトさせる）ための構成である。
【0101】
図７Ａに示すように、本変形例の第１例に係る信号処理部７０ａは、実施の形態の信号処理部７０（図２を参照）の模擬伝達関数処理部９１に替えて図６の（ｃ）に示す等価回路を有する。第１模擬伝達関数処理部９２及び第２模擬伝達関数処理部９３には、共通の駆動信号Ｕｏｕｔが入力される。第１模擬伝達関数処理部９２からの出力信号、及び、第２模擬伝達関数処理部９３からの出力信号が加算器９４で加算され、出力信号Ｕｍ（第３信号の一例）として減算器７２及び微分器７４のそれぞれに供給される。
【0102】
【0103】
図７Ｂの（ａ）に示すように、比較例における共振周波数は、およそ２００ｋＨｚであるのに対し、本変形例の第１例における共振周波数は、およそ７２４ｋＨｚである。つまり、本変形例の第１例に係る信号処理部７０ａにより共振周波数を大幅に向上させることができる。
【0104】
図７Ｂの（ｂ）に示すように、比較例におけるＱ値は、およそ２０ｄＢであるのに対し、本変形例の第１例におけるＱ値は、およそ－４．１ｄＢである。つまり、本変形例の第１例に係る信号処理部７０ａによりＱ値を大幅に低下させることができる。
【0105】
本変形例の第１例の信号処理部７０ａによれば、共振周波数の大幅な向上と、Ｑ値の大幅な低下とを両立することができる。これにより、比較例における応答時間Ｔは１６μｓｅｃ．であるのに対し、本変形例の第１例における応答時間Ｔは、０．２７μｓｅｃ．であり、本変形例の第１例の信号処理部７０ａによりスキャナ９０のＺ方向の移動の大幅な高速化が実現できている。つまり、信号処理部７０ａをＡＦＭ１に設けることで、走査速度をおよそ６０倍も高速化することができる見込みである。
【0106】
次に、圧電素子９０ａの下面の４隅のみが本体部９０ｂに貼り付けられている場合について説明する。図８は、本変形例に係るＺスキャナ（スキャナ９０）の構成及び周波数特性等の第２を示す図である。図８の（ａ）は、スキャナ９０の構成を示す側面図である。
【0107】
図８の（ａ）に示すように、スキャナ９０は、アクチュエータの一例である圧電素子９０ａと、圧電素子９０ａが固定される本体部９０ｂとを有する。図８の（ａ）に示すように、側方から見た場合に、圧電素子９０ａの下面の両端（実際には、圧電素子９０ａの下面の４隅）が本体部９０ｂに固定されている（例えば、貼り付けられている）。圧電素子９０ａの下面の形状が矩形状（例えば、圧電素子９０ａが直方体状）であり、圧電素子９０ａの矩形状の下面の４隅が本体部９０ｂに固定されている。つまり、圧電素子９０ａは、底面の４頂点のみが固定されている。下面は、圧電素子９０ａの一面の一例である。なお、本体部９０ｂも直方体状である。
【0108】
図８の（ｂ）は、図８の（ａ）のように構成されるスキャナ９０の周波数特性を示す図である。図８の（ｂ）に示す周波数ｆ１は、本変形例の第１例のスキャナ９０の共振周波数を示す。周波数２ｆ１（２×ｆ１）は、本変形例の第２例のスキャナ９０の共振周波数を示す。
【0109】
【0110】
【0111】
図８の（ｃ）に示すように、スキャナ９０の等価回路は、直列に接続された第１模擬伝達関数処理部９５及び第２模擬伝達関数処理部９６を有する。
【0112】
第１模擬伝達関数処理部９５及び第２模擬伝達関数処理部９６は、図８の（ｂ）に示す周波数特性を表す実伝達関数を模擬する模擬伝達関数の処理を実行する。
【0113】
第１模擬伝達関数処理部９５は、第１模擬伝達関数Ｍ１（ｓ）の処理を駆動信号Ｕｏｕｔに対して施す回路である。
【0114】
第２模擬伝達関数処理部９６は、第１模擬伝達関数処理部９５と直列の関係に設けられ、第２模擬伝達関数Ｍ２（ｓ）の処理を第１模擬伝達関数処理部９５から出力された信号に基づく信号に対して施す回路である。
【0115】
第１模擬伝達関数Ｍ１（ｓ）及び第２模擬伝達関数Ｍ２（ｓ）は、図８の（ａ）に示すスキャナ９０の実伝達関数を模擬する関数である。例えば、第１模擬伝達関数Ｍ１（ｓ）及び第２模擬伝達関数Ｍ２（ｓ）は、下面の４隅が本体部９０ｂに固定された圧電素子９０ａの実伝達関数を模擬する関数である。第１模擬伝達関数Ｍ１（ｓ）及び第２模擬伝達関数Ｍ２（ｓ）を乗算した模擬伝達関数がスキャナ９０の実伝達関数と同等であれば、第２模擬伝達関数処理部９６から出力される信号は、スキャナ９０を有する実際の系の動作に等しくなる。第１模擬伝達関数Ｍ１（ｓ）及び第２模擬伝達関数Ｍ２（ｓ）は、それぞれを乗算した模擬伝達関数がスキャナ９０の伝達関数と同等なように構成されている。
【0116】
図９Ａは、本変形例に係る信号処理部７０ｂの構成の第２例を示す図である。なお、図９Ａでは、制御ブロックを示す破線の図示を省略している。信号処理部７０ｂは、加算器７１ａ、減算器７２ａ、増幅器７３ａ及び第１模擬伝達関数処理部９５を有する第１制御ブロックと、加算器７１ｂ、減算器７２ｂ、増幅器７３ｂ及び第２模擬伝達関数処理部９６を有する第２制御ブロックとを有する。第１制御ブロック及び第２制御ブロックは、信号処理部７０ｂにおいて主にスキャナ９０の共振周波数を向上させる（高い方向にシフトさせる）ための構成である。
【0117】
図９Ａに示すように、本変形例の第２例における信号処理部７０ｂは、実施の形態の信号処理部７０（図２を参照）を２つ直列に接続した構成を有する。信号処理部７０ｂは、第１信号処理部７０ｂ１と第２信号処理部７０ｂ２とが直列に接続された構成を有する。ここでの直列に接続とは、第１信号処理部７０ｂ１の出力が第２信号処理部７０ｂ２の入力となるように、第１信号処理部７０ｂ１と第２信号処理部７０ｂ２とが接続されていることを意味する。
【0118】
第１信号処理部７０ｂ１は、加算器７１ａと、減算器７２ａと、増幅器７３ａと、微分器７４ａとを有する。それぞれの構成及び機能は、実施の形態における、加算器７１と、減算器７２と、増幅器７３と、微分器７４とに対応する。また、第１信号処理部７０ｂ１は、さらに第１模擬伝達関数処理部９５を有する。加算器７１ａは、第１模擬伝達関数処理部９５の入力側と接続されており、減算器７２ａ及び微分器７４ａは、第１模擬伝達関数処理部９５の出力側と接続されている。
【0119】
加算器７１ａには、入力信号としてフィードバック制御部６０からの入力信号Ｕｉｎ（フィードバック信号）が入力される。加算器７１ａは、第１付加処理部の一例である。
【0120】
中間信号Ｕｉｐは、増幅器７３ａからの信号及び微分器７４ａからの信号を入力信号Ｕｉｎに加算した信号である。本変形例の第２例において、中間信号Ｕｉｐは、入力信号Ｕｉｎに基づく信号である。
【0121】
出力信号Ｕｍ１は、中間信号Ｕｉｐが第１模擬伝達関数処理部９５に入力されたときに当該第１模擬伝達関数処理部９５から出力される信号である。出力信号Ｕｍ１は、第３信号の一例である。つまり、第３信号は、第１模擬伝達関数処理部９５から出力された信号である。
【0122】
このように、第１信号処理部７０ｂ１は、微分された出力信号Ｕｍ１と、中間信号Ｕｉｐ及び出力信号Ｕｍ１に基づく第４信号（例えば、増幅器７３ａから出力される増幅信号）とを用いて、入力信号Ｕｉｎを変換した中間信号Ｕｉｐ（本変形例の第２例において、第１信号に基づく信号の一例）を生成し、生成した中間信号Ｕｉｐを出力するように構成される。当該中間信号Ｕｉｐは、第２信号処理部７０ｂ２に出力される。
【0123】
第２信号処理部７０ｂ２は、中間信号Ｕｉｐを変換した駆動信号Ｕｏｕｔを出力する処理部である。第２信号処理部７０ｂ２は、加算器７１ｂと、減算器７２ｂと、増幅器７３ｂと、微分器７４ｂとを有する。それぞれの構成及び機能は、実施の形態における、加算器７１と、減算器７２と、増幅器７３と、微分器７４とに対応する。また、第２信号処理部７０ｂ２は、さらに第２模擬伝達関数処理部９６を有する。加算器７１ｂは、第２模擬伝達関数処理部９６の入力側と接続されており、減算器７２ｂ及び微分器７４ｂは、第２模擬伝達関数処理部９６の出力側と接続されている。
【0124】
加算器７１ｂには、入力信号として第１信号処理部７０ｂ１から出力された中間信号Ｕｉｐが入力される。加算器７１ｂは、付加処理部の一例である。
【0125】
駆動信号Ｕｏｕｔは、増幅器７３ｂからの信号（減算器７２ｂから出力された差分信号を増幅した増幅信号であり、第６信号の一例）及び微分器７４ｂからの信号を中間信号Ｕｉｐに加算した信号である。本変形例の第２例において、駆動信号Ｕｏｕｔは、中間信号Ｕｉｐに基づく信号であり、第２信号の一例である。
【0126】
出力信号Ｕｍ２は、駆動信号Ｕｏｕｔが第２模擬伝達関数処理部９６に入力されたときに当該第２模擬伝達関数処理部９６から出力される信号である。出力信号Ｕｍ２は、中間信号Ｕｉｐに基づく信号であり、第５信号の一例である。
【0127】
微分器７４ｂは、信号処理部７０ｂにおいて主に共振のＱ値を減少させるための構成（微分回路）であり、第２模擬伝達関数処理部９６から加算器７１ｂまでの他方のフィードバック信号経路上に配置され、第２模擬伝達関数処理部９６からの出力信号Ｕｍ２を微分して加算器７１に戻す。微分器７４ｂは、第２微分処理部（第２微分要素）の一例である。また、Ｄ１（ｓ）は、微分器７４ａ（第１微分処理部の一例）の伝達関数であり、Ｄ２（ｓ）は、微分器７４ｂの伝達関数である。
【0128】
微分器７４ｂ及び減算器７２ｂには、共通の出力信号Ｕｍ２が供給される。また、微分器７４ｂの出力信号は、加算器７１ｂに直接供給される。つまり、微分器７４ｂと加算器７１ｂとの間の信号経路上に、他の演算器（例えば、減算器、増幅器、加算器等）は設けられていない。
【0129】
このように、第２信号処理部７０ｂ２は、微分された出力信号Ｕｍ２と、駆動信号Ｕｏｕｔ及び出力信号Ｕｍ２に基づく第６信号（例えば、増幅器７３ｂから出力された増幅信号）とを用いて、中間信号Ｕｉｐ（入力信号の一例）を変換した駆動信号Ｕｏｕｔを生成し、生成した駆動信号Ｕｏｕｔを出力するように構成される。当該駆動信号Ｕｏｕｔは、スキャナ９０に出力される。
【0130】
また、このように、信号処理部７０ｂは、第１信号処理部７０ｂ１及び第２信号処理部７０ｂ２を用いて、入力信号Ｕｉｎを駆動信号Ｕｏｕｔに変換する。信号処理部７０ｂは、微分された出力信号Ｕｍ１と、中間信号Ｕｉｐ及び出力信号Ｕｍ１に基づく第４信号（例えば、増幅器７３ａから出力された増幅信号）とに加えて、微分された出力信号Ｕｍ２と、駆動信号Ｕｏｕｔ及び出力信号Ｕｍ２に基づく第６信号（例えば、増幅器７３ｂから出力された増幅信号）とを用いて、入力信号Ｕｉｎを駆動信号Ｕｏｕｔに変換する。
【0131】
【0132】
図９Ｂの（ａ）に示すように、比較例における共振周波数は、およそ４００ｋＨｚであるのに対し、本変形例の第２例における共振周波数は、およそ５００ｋＨｚである。つまり、本変形例の第２例の信号処理部７０ｂにより共振周波数を向上させることができる。
【0133】
図９Ｂの（ｂ）に示すように、比較例におけるＱ値は、およそ２０ｄＢであるのに対し、本変形例の第２例におけるＱ値は、およそ－１．０ｄＢである。つまり、本変形例の第２例の信号処理部７０ｂによりＱ値を大幅に低下させることができる。
【0134】
本変形例の第２例の信号処理部７０ｂによれば、共振周波数の向上と、Ｑ値の大幅な低下とを両立することができる。これにより、比較例における応答時間Ｔは８μｓｅｃ．であるのに対し、本変形例の第２例における応答時間Ｔは、０．５０μｓｅｃ．であり、本変形例の第２例の信号処理部７０ｂによりスキャナ９０のＺ方向の移動の大幅な高速化が実現できている。つまり、信号処理部７０ｂをＡＦＭ１に設けることで、走査速度をおよそ１６倍も高速化することができる見込みである。
【0135】
【0136】
【0137】
図１０に示すように実際のスキャナ９０の周波数特性には、３つめの共振（三次共振）が存在する。そこで、本変形例では、実際のスキャナ９０の周波数特性を表す実伝達関数を模擬する信号処理部の構成について説明する。
【0138】
【0139】
図１１に示すように、スキャナ９０の等価回路は、並列に接続された第１模擬伝達関数処理部９２ｃ及び第２模擬伝達関数処理部９３ｃと、加算器９４と、第３模擬伝達関数処理部９８とを有する。第１模擬伝達関数処理部９２ｃ、第２模擬伝達関数処理部９３ｃ及び加算器９４により、前段処理部９７が構成される。
【0140】
第１模擬伝達関数処理部９２ｃ、第２模擬伝達関数処理部９３ｃ及び第３模擬伝達関数処理部９８は、三次共振を有する周波数特性を表す実伝達関数を模擬する模擬伝達関数の処理を実行する。第１模擬伝達関数処理部９２ｃ及び第２模擬伝達関数処理部９３ｃは並列に接続され、第１模擬伝達関数処理部９２ｃ及び第２模擬伝達関数処理部９３ｃと、第３模擬伝達関数処理部９８とは直列の関係に接続される。
【0141】
第１模擬伝達関数Ｍ１（ｓ）、第２模擬伝達関数Ｍ２（ｓ）及び第３模擬伝達関数Ｍ３（ｓ）は、スキャナ９０の実伝達関数を模擬する関数である。第１模擬伝達関数Ｍ１（ｓ）及び第２模擬伝達関数Ｍ２（ｓ）を加算したものに第３模擬伝達関数Ｍ３（ｓ）を乗算した模擬伝達関数がスキャナ９０の実伝達関数と同等であれば、第３模擬伝達関数処理部９８から出力される信号は、スキャナ９０を有する実際の系の動作に等しくなる。第１模擬伝達関数Ｍ１（ｓ）、第２模擬伝達関数Ｍ２（ｓ）及び第３模擬伝達関数Ｍ３（ｓ）は、第１模擬伝達関数Ｍ１（ｓ）及び第２模擬伝達関数Ｍ２（ｓ）を加算したものに第３模擬伝達関数Ｍ３（ｓ）を乗算した模擬伝達関数がスキャナ９０の伝達関数と同等なように構成されている。
【0142】
図１２Ａは、本変形例に係る信号処理部７０ｃの構成を示す図である。なお、図１２Ａでは、制御ブロックを示す破線の図示を省略している。信号処理部７０ｃは、加算器７１ａ、減算器７２ａ、増幅器７３ａ及び前段処理部９７を有する第１制御ブロックと、加算器７１ｂ、減算器７２ｂ、増幅器７３ｂ及び第３模擬伝達関数処理部９８を有する第２制御ブロックとを有する。第１制御ブロック及び第２制御ブロックは、信号処理部７０ｃにおいて主にスキャナ９０の共振周波数を向上させる（高い方向にシフトさせる）ための構成である。
【0143】
図１２Ａに示すように、本変形例におけるスキャナ９０の等価回路は、実施の形態の変形例１の第２例の等価回路（図９Ａを参照）の第１模擬伝達関数処理部９５を前段処理部９７に置き換え、第２模擬伝達関数処理部９６を第３模擬伝達関数処理部９８に置き換えた構成を有する。信号処理部７０ｃは、第１信号処理部７０ｃ１と第２信号処理部７０ｃ２とが直列に接続された構成を有する。
【0144】
第１信号処理部７０ｃ１は、加算器７１ａと、減算器７２ａと、増幅器７３ａと、微分器７４ａとを有する。また、第１信号処理部７０ｃ１は、さらに前段処理部９７を有する。加算器７１ａは、前段処理部９７の入力側と接続されており、減算器７２ａ及び微分器７４ａは、前段処理部９７の出力側と接続されている。
【0145】
出力信号Ｕｍ１は、中間信号Ｕｉｐ（つまり、入力信号Ｕｉｎに基づく信号）が前段処理部９７に入力されたときに当該前段処理部９７から出力される信号である。出力信号Ｕｍ１は、第３信号の一例である。
【0146】
このように、第１信号処理部７０ｃ１は、微分された出力信号Ｕｍ１と、中間信号Ｕｉｐ及び出力信号Ｕｍ１に基づく第４信号（例えば、増幅器７３ａから出力される増幅信号）とを用いて、入力信号Ｕｉｎを変換した中間信号Ｕｉｐ（本変形例において、第１信号に基づく信号の一例）を生成し、生成した中間信号Ｕｉｐを出力するように構成される。当該中間信号Ｕｉｐは、第２信号処理部７０ｃ２に出力される。
【0147】
第２信号処理部７０ｃ２は、加算器７１ｂと、減算器７２ｂと、増幅器７３ｂと、微分器７４ｂとを有する。また、第２信号処理部７０ｃ２は、さらに第３模擬伝達関数処理部９８を有する。加算器７１ｂは、第３模擬伝達関数処理部９８の入力側と接続されており、減算器７２ｂ及び微分器７４ｂは、第３模擬伝達関数処理部９８の出力側と接続されている。
【0148】
加算器７１ｂには、入力信号として第１信号処理部７０ｃ１から出力された中間信号Ｕｉｐが入力される。
【0149】
前段処理部９７の第１模擬伝達関数処理部９２ｃ（図１１を参照）は、第１模擬伝達関数Ｍ１（ｓ）の処理を中間信号Ｕｉｐに対して施す回路である。
【0150】
前段処理部９７の第２模擬伝達関数処理部９３ｃ（図１１を参照）は、第２模擬伝達関数Ｍ２（ｓ）の処理を中間信号Ｕｉｐに対して施す回路である。
【0151】
前段処理部９７の加算器９４（図１１を参照）は、第１模擬伝達関数処理部９２ｃ及び第２模擬伝達関数処理部９３ｃそれぞれの出力信号を加算し、加算した信号を出力信号Ｕｍ１として減算器７２ａ及び微分器７４ａのそれぞれに出力する。出力信号Ｕｍ１は、第３信号の一例である。
【0152】
第３模擬伝達関数処理部９８は、第３模擬伝達関数Ｍ３（ｓ）の処理を駆動信号Ｕｏｕｔに対して施す回路である。第３模擬伝達関数処理部９８は、第３模擬伝達関数Ｍ３（ｓ）の処理を施した出力信号Ｕｍ２を、減算器７２ｂ及び微分器７４ｂのそれぞれに出力する。駆動信号Ｕｏｕｔは、入力信号Ｕｉｎに基づく中間信号Ｕｉｐに基づく信号の一例である。
【0153】
微分器７４ｂは、第３模擬伝達関数処理部９８から加算器７１ｂまでの他方のフィードバック信号経路上に配置され、第３模擬伝達関数処理部９８からの出力信号Ｕｍ２を微分して加算器７１に戻す。微分器７４ｂは、第２微分処理部（第２微分要素）の一例である。
【0154】
駆動信号Ｕｏｕｔは、中間信号Ｕｉｐと、増幅器７３ｂからの信号と、微分器７４ｂからの信号とを加算した信号である。
【0155】
出力信号Ｕｍ２は、駆動信号Ｕｏｕｔ（つまり、第１信号処理部７０ｃ１からの中間信号Ｕｉｐに基づく信号）が第３模擬伝達関数処理部９８に入力されたときに当該第３模擬伝達関数処理部９８から出力される信号である。出力信号Ｕｍ２は、中間信号Ｕｉｐに基づく信号であり、第５信号の一例である。
【0156】
このように、第２信号処理部７０ｃ２は、微分された出力信号Ｕｍ２と、駆動信号Ｕｏｕｔ及び出力信号Ｕｍ２に基づく第６信号（例えば、増幅器７３ｂから出力された増幅信号）を用いて、中間信号Ｕｉｐ（入力信号の一例）を変換した駆動信号Ｕｏｕｔを生成し、生成した駆動信号Ｕｏｕｔを出力するように構成される。当該駆動信号Ｕｏｕｔは、スキャナ９０に出力される。
【0157】
また、このように、信号処理部７０ｃは、第１信号処理部７０ｃ１及び第２信号処理部７０ｃ２を用いて、入力信号Ｕｉｎを駆動信号Ｕｏｕｔに変換する。信号処理部７０ｃは、微分された出力信号Ｕｍ１と、中間信号Ｕｉｐ及び出力信号Ｕｍ１に基づく第４信号（例えば、増幅器７３ａから出力された増幅信号）とに加えて、微分された出力信号Ｕｍ２と、駆動信号Ｕｏｕｔ及び出力信号Ｕｍ２に基づく第６信号とを用いて、入力信号Ｕｉｎを駆動信号Ｕｏｕｔに変換する。
【0158】
【0159】
図１２Ｂの（ａ）に示すように、比較例における共振周波数は、およそ１８０ｋＨｚであるのに対し、本変形例における共振周波数は、およそ５２４ｋＨｚである。つまり、本変形例の信号処理部７０ｃにより共振周波数を大幅に向上させることができる。
【0160】
図１２Ｂの（ｂ）に示すように、比較例におけるＱ値は、およそ１６ｄＢであるのに対し、本変形例におけるＱ値は、およそ０．２６ｂＢである。つまり、本変形例の信号処理部７０ｃによりＱ値を大幅に低下させることができる。
【0161】
本変形例の信号処理部７０ｃによれば、共振周波数の大幅な向上と、Ｑ値の大幅な低下とを両立することができる。これにより、比較例における応答時間Ｔは１１μｓｅｃ．であるのに対し、本変形例における応答時間Ｔは、０．６３μｓｅｃ．であり、本変形例の信号処理部７０ｃによりスキャナ９０のＺ方向の移動の大幅な高速化が実現できる。つまり、信号処理部７０ｃをＡＦＭ１に設けることで、走査速度をおよそ１７倍も高速化することができる見込みである。
【0162】
（その他の実施の形態）
以上、一つまたは複数の態様に係る信号処理装置等について、実施の形態等に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態等に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態等に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示に含まれてもよい。
以上、一つまたは複数の態様に係る信号処理装置等について、実施の形態等に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態等に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態等に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示に含まれてもよい。
【0163】
例えば、上記実施の形態等では、走査型プローブ顕微鏡としてＡＦＭを例示したが、例えば、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）においても本開示の技術は適用可能である。
【0164】
また、例えば、上記実施の形態等における各模擬伝達関数は、アクチュエータ（例えば、圧電素子）、アクチュエータ及びスキャナ、並びに、アクチュエータ、スキャナ及び試料のいずれかを１つの制御対象とみなした場合の当該１つの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。
【0165】
また、例えば、上記実施の形態等では、アクチュエータを用いたフィードバック制御系に用いられる信号処理装置として、ＡＦＭに用いられる信号処理装置を例に説明したが、信号処理装置は、アクチュエータを用いたフィードバック制御を行う他の装置に用いられてもよい。例えば、信号処理装置は、カメラのレンズのフォーカスを調整するための装置として用いられてもよい。例えば、信号処理部と、レンズのフォーカスを調整するためのアクチュエータとを備える駆動制御装置がカメラに設けられる。
【0166】
また、上記実施の形態等では、圧電素子が本体部の下面の全面又は４隅と固定される例について説明したが、圧電素子と本体部との固定方法はこれに限定されない。例えば、圧電素子が本体部の下面の２辺と固定されていてもよいし、圧電素子が本体部の底面を囲むように固定されていてもよいし、他の固定方法であってもよい。この場合、模擬伝達関数処理部が用いる模擬伝達関数は、圧電素子と本体部との固定方法に対応する関数となる。
【0167】
【0168】
また、ブロック図における機能ブロックの分割は一例であり、複数の機能ブロックを一つの機能ブロックとして実現したり、一つの機能ブロックを複数に分割したり、一部の機能を他の機能ブロックに移してもよい。また、類似する機能を有する複数の機能ブロックの機能を単一のハードウェア又はソフトウェアが並列又は時分割に処理してもよい。
【0169】
また、上記の各装置を構成する構成要素の一部又は全部は、１個のシステムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：大規模集積回路）から構成されているとしてもよい。システムＬＳＩは、複数の構成部を１個のチップ上に集積して製造された超多機能ＬＳＩであり、具体的には、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含んで構成されるコンピュータシステムである。ＲＯＭには、コンピュータプログラムが記憶されている。マイクロプロセッサが、ＲＯＭからＲＡＭにコンピュータプログラムをロードし、ロードしたコンピュータプログラムにしたがって演算等の動作することにより、システムＬＳＩは、その機能を達成する。
【0170】
また、上記の各装置を構成する構成要素の一部または全部は、各装置に脱着可能なＩＣカード又は単体のモジュールから構成されてもよい。ＩＣカード又はモジュールは、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどから構成されるコンピュータシステムである。ＩＣカード又はモジュールには、上記の超多機能ＬＳＩが含まれてもよい。マイクロプロセッサが、コンピュータプログラムにしたがって動作することにより、ＩＣカード又はモジュールは、その機能を達成する。このＩＣカードまたはこのモジュールは、耐タンパ性を有してもよい。
【0171】
また、上記実施の形態等において、各構成要素は専用のハードウェアにより構成されてもよく、あるいは、ソフトウェアにより実現可能な構成要素については、プログラムを実行することによって実現されてもよい。例えば、ハードディスクや半導体メモリ等の記録媒体に記録されたソフトウェア・プログラムをＣＰＵ等のプログラム実行部が読み出して実行することによって、各構成要素が実現され得る。
【0172】
（付記）
（技術１）
アクチュエータの駆動に用いられる第１信号を第２信号に変換する信号処理装置であって、
前記アクチュエータの周波数特性を表す実伝達関数を模擬する第１模擬伝達関数を用いて、前記第１信号に基づく信号に、前記第１模擬伝達関数の処理を施す第１模擬伝達関数処理部を有する信号処理部と、
前記第１模擬伝達関数処理部から出力された信号に基づく第３信号を微分する第１微分処理部とを備え、
前記第２信号は、微分された前記第３信号と、前記第１信号に基づく信号及び前記第３信号に基づく第４信号とを用いて、前記第１信号を変換した信号である
信号処理装置。
（技術１）
アクチュエータの駆動に用いられる第１信号を第２信号に変換する信号処理装置であって、
前記アクチュエータの周波数特性を表す実伝達関数を模擬する第１模擬伝達関数を用いて、前記第１信号に基づく信号に、前記第１模擬伝達関数の処理を施す第１模擬伝達関数処理部を有する信号処理部と、
前記第１模擬伝達関数処理部から出力された信号に基づく第３信号を微分する第１微分処理部とを備え、
前記第２信号は、微分された前記第３信号と、前記第１信号に基づく信号及び前記第３信号に基づく第４信号とを用いて、前記第１信号を変換した信号である
信号処理装置。
【0173】
（技術２）
前記第１信号に基づく信号は、前記第２信号であり、
前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部から出力された信号である
技術１に記載の信号処理装置。
前記第１信号に基づく信号は、前記第２信号であり、
前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部から出力された信号である
技術１に記載の信号処理装置。
【0174】
（技術３）
前記アクチュエータの一面は、本体部に固定されており、
前記信号処理部は、さらに、前記第２信号に第２模擬伝達関数の処理を施す第２模擬伝達関数処理部であって、前記第１模擬伝達関数処理部と並列に設けられる第２模擬伝達関数処理部を有し、
前記第１模擬伝達関数及び前記第２模擬伝達関数は、前記一面が固定された前記アクチュエータの実伝達関数を模擬する関数であり、
前記第１信号に基づく信号は、前記第２信号であり、
前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部及び前記第２模擬伝達関数処理部のそれぞれから出力された信号を加算した信号である
技術１に記載の信号処理装置。
前記アクチュエータの一面は、本体部に固定されており、
前記信号処理部は、さらに、前記第２信号に第２模擬伝達関数の処理を施す第２模擬伝達関数処理部であって、前記第１模擬伝達関数処理部と並列に設けられる第２模擬伝達関数処理部を有し、
前記第１模擬伝達関数及び前記第２模擬伝達関数は、前記一面が固定された前記アクチュエータの実伝達関数を模擬する関数であり、
前記第１信号に基づく信号は、前記第２信号であり、
前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部及び前記第２模擬伝達関数処理部のそれぞれから出力された信号を加算した信号である
技術１に記載の信号処理装置。
【0175】
（技術４）
前記アクチュエータの一面の４隅は、本体部に固定されており、
前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部から出力された信号であり、
前記第１信号に基づく信号は、微分された前記第３信号及び前記第４信号を前記第１信号に加算した信号であり、
前記信号処理装置は、さらに、
前記第１信号に基づく信号に基づく前記第２信号に第２模擬伝達関数の処理を施す第２模擬伝達関数処理部と、
前記第２模擬伝達関数処理部から出力された第５信号を微分する第２微分処理部とを備え、
前記第１模擬伝達関数及び前記第２模擬伝達関数は、前記一面の４隅が固定された前記アクチュエータの実伝達関数を模擬する関数であり、
前記第２信号は、さらに、微分された前記第５信号と、前記第２信号及び前記第５信号に基づく第６信号とを用いて、前記第１信号を変換した信号である
技術１に記載の信号処理装置。
前記アクチュエータの一面の４隅は、本体部に固定されており、
前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部から出力された信号であり、
前記第１信号に基づく信号は、微分された前記第３信号及び前記第４信号を前記第１信号に加算した信号であり、
前記信号処理装置は、さらに、
前記第１信号に基づく信号に基づく前記第２信号に第２模擬伝達関数の処理を施す第２模擬伝達関数処理部と、
前記第２模擬伝達関数処理部から出力された第５信号を微分する第２微分処理部とを備え、
前記第１模擬伝達関数及び前記第２模擬伝達関数は、前記一面の４隅が固定された前記アクチュエータの実伝達関数を模擬する関数であり、
前記第２信号は、さらに、微分された前記第５信号と、前記第２信号及び前記第５信号に基づく第６信号とを用いて、前記第１信号を変換した信号である
技術１に記載の信号処理装置。
【0176】
（技術５）
前記信号処理部は、前記第２信号に第２模擬伝達関数の処理を施す第２模擬伝達関数処理部であって、前記第１模擬伝達関数処理部と並列に設けられる第２模擬伝達関数処理部を有し、
前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部及び前記第２模擬伝達関数処理部のそれぞれから出力された信号を加算した信号であり、
前記第１信号に基づく信号は、微分された前記第３信号及び前記第４信号を前記第１信号に加算した信号であり、
前記信号処理装置は、さらに、
前記第１信号に基づく信号に基づく前記第２信号に第３模擬伝達関数の処理を施す第３模擬伝達関数処理部と、
前記第３模擬伝達関数処理部から出力された第５信号を微分する第２微分処理部とを備え、
前記第２信号は、さらに、微分された前記第５信号と、前記第３信号及び前記第５信号に基づく第６信号とを用いて、前記第１信号を変換した信号である
技術１に記載の信号処理装置。
前記信号処理部は、前記第２信号に第２模擬伝達関数の処理を施す第２模擬伝達関数処理部であって、前記第１模擬伝達関数処理部と並列に設けられる第２模擬伝達関数処理部を有し、
前記第３信号は、前記第１模擬伝達関数処理部及び前記第２模擬伝達関数処理部のそれぞれから出力された信号を加算した信号であり、
前記第１信号に基づく信号は、微分された前記第３信号及び前記第４信号を前記第１信号に加算した信号であり、
前記信号処理装置は、さらに、
前記第１信号に基づく信号に基づく前記第２信号に第３模擬伝達関数の処理を施す第３模擬伝達関数処理部と、
前記第３模擬伝達関数処理部から出力された第５信号を微分する第２微分処理部とを備え、
前記第２信号は、さらに、微分された前記第５信号と、前記第３信号及び前記第５信号に基づく第６信号とを用いて、前記第１信号を変換した信号である
技術１に記載の信号処理装置。
【0177】
（技術６）
前記信号処理部は、さらに
前記第１信号に基づく信号と前記第３信号との差分を示す差分信号を出力する差分処理部と、
前記差分処理部から出力された前記差分信号を増幅した増幅信号を出力するゲイン付与部と、
微分された前記第３信号及び前記増幅信号を前記第１信号に加算することで前記第１信号に基づく信号を生成する付加処理部とを有する
技術１～５のいずれかに記載の信号処理装置。
前記信号処理部は、さらに
前記第１信号に基づく信号と前記第３信号との差分を示す差分信号を出力する差分処理部と、
前記差分処理部から出力された前記差分信号を増幅した増幅信号を出力するゲイン付与部と、
微分された前記第３信号及び前記増幅信号を前記第１信号に加算することで前記第１信号に基づく信号を生成する付加処理部とを有する
技術１～５のいずれかに記載の信号処理装置。
【0178】
（技術７）
技術１～６のいずれかに記載の信号処理装置と、
前記信号処理装置からの前記第２信号を駆動信号として制御されるアクチュエータとを備える
駆動制御装置。
技術１～６のいずれかに記載の信号処理装置と、
前記信号処理装置からの前記第２信号を駆動信号として制御されるアクチュエータとを備える
駆動制御装置。
【0179】
（技術８）
技術７に記載の駆動制御装置と、
前記アクチュエータ及び前記アクチュエータが固定される本体部を有するスキャナと、
前記本体部に固定され、被検査物を保持するステージと、
前記ステージに保持される前記被検査物に近接して配置されるカンチレバーとを備え、
前記スキャナは、前記ステージを走査するときに、前記第２信号に基づいて、前記カンチレバーと前記被検査物との距離を一定に保つように制御される
走査型プローブ顕微鏡。
技術７に記載の駆動制御装置と、
前記アクチュエータ及び前記アクチュエータが固定される本体部を有するスキャナと、
前記本体部に固定され、被検査物を保持するステージと、
前記ステージに保持される前記被検査物に近接して配置されるカンチレバーとを備え、
前記スキャナは、前記ステージを走査するときに、前記第２信号に基づいて、前記カンチレバーと前記被検査物との距離を一定に保つように制御される
走査型プローブ顕微鏡。
【産業上の利用可能性】
【0180】
本開示は、走査型プローブ顕微鏡等に有用である。
【符号の説明】
【0181】
１ 原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）
１０ レーザユニット
２０ カンチレバー
３０ ミラー
４０ 光センサ
５０ 振幅計測部
６０ フィードバック制御部
７０、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ 信号処理部（信号処理装置）
７０ｂ１、７０ｃ１ 第１信号処理部
７０ｂ２、７０ｃ２ 第２信号処理部
７１、７１ａ、７１ｂ 加算器（付加処理部）
７２、７２ａ、７２ｂ 減算器（差分処理部）
７３、７３ａ、７３ｂ 増幅器（ゲイン付与部）
７４、７４ａ 微分器（第１微分処理部）
７４ｂ 微分器（第２微分処理部）
８０ 制御ブロック
９０ スキャナ
９０ａ 圧電素子（アクチュエータ）
９０ｂ 本体部
９１ 模擬伝達関数処理部
９２、９２ｃ、９５ 第１模擬伝達関数処理部
９３、９３ｃ、９６ 第２模擬伝達関数処理部
９４ 加算器
９７ 前段処理部
９８ 第３模擬伝達関数処理部
１００ ステージ
Ｏ 試料（被検査物）
Ｕｉｎ 入力信号（第１信号）
Ｕｉｐ 中間信号（第２信号）
Ｕｍ、Ｕｍ１ 出力信号（第３信号）
Ｕｍ２ 出力信号（第５信号）
Ｕｏｕｔ 駆動信号（第２信号）
１０ レーザユニット
２０ カンチレバー
３０ ミラー
４０ 光センサ
５０ 振幅計測部
６０ フィードバック制御部
７０、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ 信号処理部（信号処理装置）
７０ｂ１、７０ｃ１ 第１信号処理部
７０ｂ２、７０ｃ２ 第２信号処理部
７１、７１ａ、７１ｂ 加算器（付加処理部）
７２、７２ａ、７２ｂ 減算器（差分処理部）
７３、７３ａ、７３ｂ 増幅器（ゲイン付与部）
７４、７４ａ 微分器（第１微分処理部）
７４ｂ 微分器（第２微分処理部）
８０ 制御ブロック
９０ スキャナ
９０ａ 圧電素子（アクチュエータ）
９０ｂ 本体部
９１ 模擬伝達関数処理部
９２、９２ｃ、９５ 第１模擬伝達関数処理部
９３、９３ｃ、９６ 第２模擬伝達関数処理部
９４ 加算器
９７ 前段処理部
９８ 第３模擬伝達関数処理部
１００ ステージ
Ｏ 試料（被検査物）
Ｕｉｎ 入力信号（第１信号）
Ｕｉｐ 中間信号（第２信号）
Ｕｍ、Ｕｍ１ 出力信号（第３信号）
Ｕｍ２ 出力信号（第５信号）
Ｕｏｕｔ 駆動信号（第２信号）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】