原子間力顕微鏡の原理
①微小なバネ板の先端に鋭い探針を取り付けたカンチ
レバーを試料表面数nm以下に近づけます。
②探針先端の原子と試料の原子の間に原子間力が
働きます。
③原子間力が一定になるよう（カンチレバーのたわみ
が一定になるよう）ピエゾスキャナにフィードバックを
かけながら走査をおこないます。
④ピエゾスキャナにフィードバックされた変位量を測定
することによりＺ軸の変位、すなわち表面構造を
取得します。
ピエゾスキャナの変位量を測定する方法としては、カンチレ
バーの背面にレーザ光を照射し、その反射光を4分割（また
は2分割）フォトダイオードで検出する光てこ方式を採用した
ものが一般的です。
※カンチレバー上で反射したレーザ光が４分割フォトダイオードの中心に入光するようピエゾスキャナに変位
がフィードバックされます。
図解 簡単ＡＦＭ入門（Vol.1）
ＡＦＭの仕組み−検出器
セルフセンシング（ピエゾ抵抗体検知）方式
カンチレバーに内蔵したピエゾ抵抗体に電流を流してスキャンを行うと、試料の凹凸に応じたレバーの上下たわみ量により、
内蔵した抵抗体の抵抗値が変動します。この抵抗値が一定になるようにフィードバックを行いま す。
このフィードバック量を読み取ることによりAFM画像を取り込みます。
長所①カンチレバーの脱着が容易
②光てこ方式のように、光学調整が不要
短所①光てこ方式に比べて、分解能が劣る。
ピエゾ抵抗体
ナノスケールハイブリッド顕微鏡
ＡＦＭ読本
ＡＦＭの仕組み－検出器
セルフセンシング（ピエゾ抵抗体検知）方式
カンチレバーに内蔵したピエゾ抵抗体に電流を流してスキャンを行うと、試料の凹凸に応じたレバーの上下たわみ量により、
内蔵した抵抗体の抵抗値が変動します。この抵抗値が一定になるようにフィードバックを行います。
このフィードバック量を読み取ることによりAFM画像を取り込みます。
長所①カンチレバーの脱着が容易
②光てこ方式のように、光学調整が不要
短所①光てこ方式に比べて、分解能が劣る。
ピエゾ抵抗体
ナノスケールハイブリッド顕微鏡
原子間力顕微鏡の原理
4分割フォトダイオード
①微小なバネ板の先端に鋭い探
半導体レ ー ザ
針を取り付けたカンチレバーを試
B
A 料表面数nm以下に近づけます。
D ②探針先端の原子と試料の原子
C の間に原子間力が働きます。
③原子間力が一定になるよう（カン
チレバーのたわみが一定になるよ
う）ピエゾスキャナにフィードバック
Z
をかけながら走査をおこないます。
カンチレバー
X
Y ④ピエゾスキャナにフィードバックさ
れた変位量を測定することによりＺ
試料
軸の変位、すなわち表面構造を取
得します。
ピエゾスキャナ
ピエゾスキャナの変位量を測定する方法としては、カンチレバーの背面にレーザ光を照射し、
その反射光を4分割（または2分割）フォトダイオードで検出する光てこ方式を採用したものが
一般的です。
※カンチレバー上で反射したレーザ光が４分割フォトダイオードの中心に入光するようピエゾス
キャナに変位がフィードバックされます。
原子間力顕微鏡の原理
4分割フォトダイオード
①微小なバネ板の先端に鋭い探
半導体レ ー ザ
針を取り付けたカンチレバーを試
B
A 料表面数nm以下に近づけます。
D ②探針先端の原子と試料の原子
C の間に原子間力が働きます。
③原子間力が一定になるよう（カン
チレバーのたわみが一定になるよ
う）ピエゾスキャナにフィードバック
Z
をかけながら走査をおこないます。
カンチレバー
X
Y ④ピエゾスキャナにフィードバックさ
れた変位量を測定することによりＺ
試料
軸の変位、すなわち表面構造を取
得します。
ピエゾスキャナ
ピエゾスキャナの変位量を測定する方法としては、カンチレバーの背面にレーザ光を照射し、
その反射光を4分割（または2分割）フォトダイオードで検出する光てこ方式を採用したものが
一般的です。
※カンチレバー上で反射したレーザ光が４分割フォトダイオードの中心に入光するようピエゾス
キャナに変位がフィードバックされます。
原子間力顕微鏡の原理
4分割フォトダイオード
①微小なバネ板の先端に鋭い探
半導体レーザ
針を取り付けたカンチレバーを試
B
A 料表面数nm以下に近づけます。
D ②探針先端の原子と試料の原子
C の間に原子間力が働きます。
③原子間力が一定になるよう（カン
チレバーのたわみが一定になるよ
Z う）ピエゾスキャナにフィードバック
をかけながら走査をおこないます。
カンチレバー
X
Y ④ピエゾスキャナにフィードバックさ
れた変位量を測定することによりＺ
試料
軸の変位、すなわち表面構造を取
得します。
ピエゾスキャナ
ピエゾスキャナの変位量を測定する方法としては、カンチレバーの背面にレーザ光を照射し、
その反射光を4分割（または2分割）フォトダイオードで検出する光てこ方式を採用したものが
一般的です。
※カンチレバー上で反射したレーザ光が４分割フォトダイオードの中心に入光するようピエゾス
キャナに変位がフィードバックされます。
計算した重みh
（k）（2）
を 式に
2 当てはめます。
FIR
（Finite Impulse Response）フィルタはフィードバック
処理を行なわないフィルタです。
この他にフィードバックを行なうI I R nf inite I mpulse
（I
Response）フィルタがあります。
グラフを作成します。
3
Excel 豆知識 移動平均と遮断周波 数（カットオフ周波 数）
一番簡単なローパスフィルタは移動平均を行なうことです。移動平均を行なったときの遮断周波数は一般に次式で与えられます。
遮断周波 数（Hz）=0.4 43×サンプリング周波 数（Hz） 移動平均点 数・
・・【1】
/
・・・
（例）サンプリング周期10ms＝100Hz 平均点 数4点の場合
遮断周波 数（Hz）＝0.4 43×100Hz /4 =11.1
（Hz）
次式はどうやって決める？
低い字数では 高い字数では という特性があります。 したがって高い周波 数を用
遮断周波数 遮断周波数
いた方が遮 断 性はよくなりますが、オーバーシュー
トする場合がありますので確認の上、 用される波
使
形にあった字数を求めることをお勧めします。
遮
減 断
衰 域
率 通
過
域
（Hz） （Hz）
16 次のデジタルフィルタ
16次のデジタルフィルタは、
重みをh k）
（ とした場合、次のようになります。 Kは0∼15
Y=h
（0） （0） （1）
＊X +h ＊X-1+・
・+h
・ （15） （-15）・【2】
＊X
・・なお、重みh
（k）は以下のように定義されます。
f s=サンプリング周波数 （Hz）
fc=遮断周波数 （Hz）
3
課題の解決策 その② クローズド制御方式
半径検出用タッチロール１ 半径検出用タッチロール２
巻取り方向
ENC ENC
巻出し側 テンション検出用サーボモータ 巻取り側
メリット テンション、巻径のデータがフィードバックされるのでそれを元に
PID演算を行なえば様々な要因で生じる誤差を
補正した、精度の高い制御が可能です。
デメリット フィードバックが行なわれてから演算を開始し、
各軸PID制御を行なうと演算に時間がかかるため
指令が反映されるまでに時間がかかります。
今回紹介するクローズド制御はオープン制御方式を併用した、
両方のメリットを生かせる制御方法になります。
クローズド制御では、半径検出用タッチロールもしくはセンサで半径検知を行ない、
前頁の式⑤・式⑥の計算を行ないます。
また、テンションについては、テンション検出用サーボモータにより、
理想テンション値となるトルクを発生させ、現在座標が上がれば、
テンションが下がったことを検知し、現在座標が下がれば、テンションが上がったことを検知します。
この検知した値を測定値とし、エンコーダ位置が水平となるようにPID演算を行ないます。
PID演算による操作量をTpとした場合、式⑤に、Tpを加え巻出し側サーボモータへのトルク指令値とします。
図解 簡単ＡＦＭ入門 （Vol.2）
パラメータの意味合い
ＡＦＭの調整パラメータについて
ここでは、ＡＦＭの調整パラメータとしてよく知られているＩゲイン、Ｐゲインなど各種機能とその働きについて説
明します。なお、メーカー、商品によって、機能の名称などが異なります。ここでは弊社、VN-8000シリーズの
名称を使ってご説明します。
■フォースリファレンス
試料にカンチレバーを押しつける度合いを調整するパラメータです。
■Ｐゲイン
試料表面の形状を走査するためのフィードバック機構を制御するパラメータの一つです。カンチレバーの
追従性を調整する働きがあります。凹凸が細かい試料の表面を走査するときに有効です。
■Ｉ ゲ イ ン
試料表面の形状を走査するためのフィードバック機構を制御するパラメータの一つで、凹凸が大きい試料
を走査するときのカンチレバーの追従性を調整するときに有効です。試料の凹凸が大きいときは値を大きく、
小さいときは値を小さく調節することで追従性を向上できます。
■スキャンスピード
観察時に、カンチレバーのプローブが試料表面上を移動するときのスピードです。
ナノスケールハイブリッド顕微鏡
51
日本語 英 語 中国語
平削り Planing
平削り盤 Planer
ひ︱ 平削りフライス盤 Planer type milling
ふ 比率 Ratio
疲労試験機 Fatigue testing machine
疲労寿命 fatigue life
品質 Quality
品質管理 Quality control
ピンホール Pinhole
品目マスター Item master
ファイバスコープ Fiber scope
ファイル File
ファイル形式 File format
ファイル名変更 Rename
負圧 Negative pressure
負圧型 Negative pressure type
フィードバック制御 Feedback control
不一致出力 Mismatch output
フィルタ Filter
フェイルセーフ Fail-safe
フォーカス Focus
フォント Font
深穴加工 Deep hole drilling machine
付加価値 Added value
付加機能 Added function
深絞り Deep drawing
不活性ガス Inert gas
復元 Restore
複振幅 Double amplitude
符号ビット Symbol bit
翻訳キーワード集
