ナノスケールサーボのための新しい制御技術の創出に関する研究

开创纳米级伺服控制新技术的研究

• 批准号: 18686036
• 负责人: 藤本 博志
• 金额: $ 15.89万
• 依托单位: Yokohama National University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• 财政年份: 2006
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2006 至 2007
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18686036/
• 关键词: ナノスケールサーボ; 走査プローブ顕微鏡; 原子間力顕微鏡; ナノステージ; 制御工学; 超精密位置決め; 超高速位置決め; モーションコントロール

本研究では,ナノメートルの領域で超高速かつ超高精度に位置決め制御を行なう技術をナノスケールサーボと定義しこれを実現するための基礎技術を研究することを研究全体の目的とする。その応用は,ハードディスクや光ディスクなどストレージや半導体・液晶露光装置の超高速・超精密ステージ,新材料の開発や原子・分子レベルの測定や分子や原子の操作,ナノスケールロボティクスと非常に多岐に渡る。本研究課題では,その基礎制御技術を創出するために,原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope: AFM)の深針として使用されているナノプローブと,超高速ナノステージの新しい位置決め制御技術の研究を行なった。現在の市販のAFMでは,1枚の画像を取得するのに分単位の時間が必要であったが,本研究では昨年度,探針と試料表面を接触させながら表面形状を測定する「コンタクトモード」において数十秒で精密画像の取得を可能とする「表面形状オブザーバ」法を開発し,実験検証を行なった。しかしながら,コンタクトモードでは走査に伴う磨耗の問題があった。そこで本年度は,テコを大振幅で励振し表面の凹凸により変化する振幅の変化を測定する「タッピングモード」に対して提案手法を拡張し,その有効性を実証した。さらにAFMのスキャン方式に注目し,前方スキャン時の制御誤差信号を学習し,後方スキャン時の制御に利用することにより,追従誤差を大幅に改善する新しい学習制御系を提案し,従来法よりも極めて高速・高精度なナノスケール画像取得を達成した。さらに,制御理論的観点から新しいナノステージの設計理論を確立し,それに基づいて試作・制御実験を行なうことにより,超高速・超精密位置決めステージの革新的な技術開発に成功した。

在这项研究中，这项研究的总体目的是定义纳米级伺服技术，以在纳米区域进行超高速度和超高准确的定位控制，并研究基本技术以实现这一目标。它的应用范围从硬盘和光盘，半导体和液晶暴露设备，新材料的开发，原子和分子水平的测量，分子和原子的操纵以及纳米级机器人的操作，从超高的速度和超精确阶段（例如硬盘和光盘，半导体和液晶暴露设备）以及纳米级机器人的操纵。在本研究主题中，我们研究了用作原子力显微镜（AFM）深针的纳米探针和超高速度纳米量的新定位控制技术，以创建基本的控制技术。在当前的市售AFM中，有必要在几分钟内获取单个图像，但是在这项研究中，去年我们开发了一种“表面形状观察者”方法，该方法允许在“接触模式”中以几十秒钟的几秒钟以几十秒钟的速度获取精确图像，该方法可以在接触探头和样品表面并进行实验验证时测量表面形状。但是，在接触模式下，存在与扫描有关的磨损问题。因此，今年，我们将提出的方法扩展到“敲击模式”，该方法以很大的幅度激发了杠杆，并由于表面上的不平衡而衡量振幅的变化，表明其有效性。此外，我们专注于AFM扫描方法，并提出了一个新的学习控制系统，该系统通过在前扫描期间学习控制误差信号并在后扫描过程中使用它来大大改善跟踪误差，从而实现了纳米级图像的习得，该纳米级图像习得非常快，非常准确。此外，通过从控制理论的角度建立一种新的纳米仪设计理论，并基于此建立原型和控制实验，我们成功地开发了用于超高速度和超前定位阶段的创新技术。

项目成果

制振PTCによる磁気ディスク装置のショートスパンシーク制御

使用阻尼 PTC 的磁盘驱动器短跨度寻道控制

• 发表时间: 2006
• 期刊: 電気学会論文誌 126-D・6
• 作者: 福島啓介;藤本博志;中川真介
• 通讯作者: 中川真介

Vibration Suppression Short-Span Seeking of HDD with Multirate Feedforward Control

具有多速率前馈控制的 HDD 振动抑制短跨度寻道

• 发表时间: 2006
• 期刊: Proc. 2006 American Control Conference, Minneapolis
• 作者: H.Fuj imoto;K.Fukushima;S.Nakagawa
• 通讯作者: S.Nakagawa

マルチレート制御によるシーク・フォロイング制御

使用多速率控制进行搜索/跟随控制

• 发表时间: 2007
• 作者: H.Fujimoto;K.Fukushima;S.Nakagawa;白石貴行(藤本研大学院生);Hiroshi Fujimoto;大島隆史(藤本研大学院生);坂田晃一(藤本研大学院生);浅海博圭(藤本研大学院生);寺田祐貴(藤本研学部生);白石貴行(藤本研大学院生);中井孝洋(藤本研大学院生);藤本 博志
• 通讯作者: 藤本 博志

Improvement of Fast and Precise Positioning of Large-Scale High-Precision Step-Stage Based on Vibration Suppression PTC

基于抑振PTC的大型高精度台阶快速精密定位改进

• 发表时间: 2007
• 作者: H.Fujimoto;K.Fukushima;S.Nakagawa;白石貴行(藤本研大学院生);Hiroshi Fujimoto;大島隆史(藤本研大学院生);坂田晃一(藤本研大学院生);浅海博圭(藤本研大学院生);寺田祐貴(藤本研学部生);白石貴行(藤本研大学院生);中井孝洋(藤本研大学院生);藤本 博志;Koichi Sakata(藤本研大学院生)
• 通讯作者: Koichi Sakata(藤本研大学院生)

可変自然長ばねモデルに基づく非線形摩擦補償の提案

基于变自然长度弹簧模型的非线性摩擦补偿的提出

• 发表时间: 2008
• 作者: H.Fujimoto;K.Fukushima;S.Nakagawa;白石貴行(藤本研大学院生);Hiroshi Fujimoto;大島隆史(藤本研大学院生);坂田晃一(藤本研大学院生);浅海博圭(藤本研大学院生)
• 通讯作者: 浅海博圭(藤本研大学院生)