雑誌名 福井大学大学院工学研究科研究報告

AVRマイコンによる光強度規格化制御システムの構 築 : フォトリフレクタンス分光における偽作信号 抑制のために

著者 小林 英一, 長谷川 昂輝, 牧野 哲征, 橋本 明弘

雑誌名 福井大学大学院工学研究科研究報告

巻 64

ページ 83‑89

発行年 2016‑03

URL http://hdl.handle.net/10098/9899

AVRマ イ コ ン に よ る 光 強 度 規 格 化 制 御 シ ス テ ム の 構 築 一フォ トリフ レクタンス分光 にお ける偽作信号抑制 のために 一

小 林 英 一* 長 谷 川 昂 輝** 牧 野 哲 征*** 橋 本 明 弘***

Structuring Control Systems for Normalization of Optical Intensity with AVR Microcomputer

— To Reduce the Spurious Signal on Photoreflectance —

Eiichi KOBAYASHI* Kouki HASEGAWA** , Takayuki MAKINO*** and Akihiro HASHIMOTO***

(Received February 5, 2016)

Wedescribemicrocomputer‑basedimplementationofthePI‑controlsystemfbrnormalizationof thedcreflectancepartf士omthephotoreflectancedata.Ourtechniqueusesastepping‑motor‑driven variableneutral‑densityfilterwhichkeepsthedccomponentofthedetectingsignalconstantby varyingthelightfluximpingingintothespecimenundertest.Thisenabledextremelyfacile αヲ03'ε 吻71subtractionofthespuriouscomponentofthephotoreflectance,whichhasbeenoften problematicfbrtheprecisemeasurements.Weoptimizedthis鉛edbacksystemthrough

parameterizationoftheproportionalandintegralterms.

Key Words :

1.緒 言

Modulation Spectroscopy, Optical Spectrometers, Photoreflectance, Filter, Micro-computer, Stepping Motor, PI-control

変 調 分 光 は 各 種 半 導 体 材 料 評 価 の 実 験 ツ ー ル と し て 重 要 に な っ て き て い る[1].最 近 は 半 導 体 バ ル ク だ け で な く 界 面 や 量 子 構 造 に も そ の 測 定 対 象 が 広 が っ て き て い る.ス ペ ク トル の 変 調 度(砺/玲 、)は 弱 い 時 に は10‑6,強 く て も10‑2の 範 囲 に 及 ぶ.そ れ ゆ え 測 定 に は 高 感 度 な 位 相 敏 感 検 波 器 が 用 い られ る.

そ の 代 表 的 な も の が ロ ッ ク イ ン ア ン プ で あ る.変 調 ス ペ ク トル 波 形 は,測 定 原 理 上 の 理 由 に よ り本 質 的 に 微 分 形 で あ る た め,変 調 分 光 法 は バ ッ ク グ ラ ウ ン ドフ リー な デ ー タ の 取 得 を 可 能 とす る.ま た 励 起 子

*工 学 部 技 術 部

**電 気 ・ 電 子 工 学 科

***大 学 院 工 学 研 究 科 電 気 ・ 電 子 工 学 専 攻

*TechnicalDivision

**Dept .ofElectricalandElectronicsEngineering

***ElectricalandElectronicsEngineeringCourse ,Graduate SchoolofEngineering

Neutral-density

励 起 準 位 な どバ ン ド端 近 傍 の 微 小 な ス ペ ク トル 構 造 を 分 離 す る こ とが で き る とい う特 長 を 有 す る.加 え て,フ ラ ン ツ ・ケ ル デ ィ ッ シ ュ(FK)振 動[2]・[3]の波 形 解 析 に よ り半 導 体 に お け る 内 在 電 界 な ど の 大 き さ

を 決 定 で き る こ とが わ か っ て き た.

2.フ ォ ト リ フ レ ク タ ン ス(PR)と は

2.1偽 作 信 号 抑 制 が 求 め られ る 背 景

物 質 の 光 応 答 は 外 場 に よ り変 調 され る こ と が 多 い.

こ こ で は 付 加 的 な レー ザ ー ビー ム に よ る 外 部 摂 動 を 取 り扱 い,フ ォ ト リ フ レ ク タ ン ス(以 下PR)と 呼 ぶ.

反 射 型 変 調 分 光 に お い て は ∠R(λ)/R(λ)とい う物 理 量 が 重 要 と な る.こ こ で ∠Rは 変 調 され た 反 射 率 で あ り,RはDC反 射 率 で あ る.∠R(λ)/R(λ)を 得 る た め に 様 々 な 規 格 化 の 方 法 が 採 用 され て い る が 付 加 的 な レ ー ザ ー 照 射 が も た らす ル ミネ セ ン ス な ど の 偽 作 信 号

(spurioussignal)は 正 し く∠R(λ)/R(λ)を求 め る 上 で の 障 害 と な っ て き た.ま た,PR法 を 顕 微 型 分 光 に 適 用 す る 際 に 上 述 した よ う な 迷 光 は 更 に 問 題 と な る.

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こ の 問 題 を 解 決 し顕 微 型PRが 実 現 で き れ ば,次 の よ う な 高 精 度 な 実 験 が 考 え られ る.FK振 動 構 造 を 感 度 良 く 検 出 す る こ と に よ り電 極 を 有 す る 半 導 体 表 面 に お け る 電 界 分 布 な ど を 高 い 空 間 分 解 能 で 非 接 触 に 求 め る 実 験 な どで あ る.Shenら の 研 究 グ ル ー プ[4]

は 検 出 波 長(λ)に よ らず 反 射 率Rを 一 定 に す る こ と で 偽 作 信 号 を 精 度 よ く 落 と せ る こ と を 理 論 的 に 示 し,そ の 実 現 例 と して サ ー ボ モ ー タ で 駆 動 さ れ た 可 変 減 光 フ ィ ル タ(variableneutral‑density行lter,以 下 VNDF)を 用 い る こ と を 提 唱 し た.

2.2マ イ コ ン 制 御 に よ るVNDFシ ス テ ム の 優 位 性 NDF(neutral‑density丘lter)と は,ア ル ミ蒸 着 膜 の 微 小 な ド ッ トパ タ ー ン を 作 りそ の パ タ ー ン の 面 積 比 を 変 え る こ と に よ り フ ィ ル タ に 透 過 率 の 分 布 を 作 っ た も の で あ り,Fig.1は そ の 写 真 で あ る.照 明 の 光 量 調 整 に 使 用 す る こ と が で き,回 転 量 に 比 例 し透 過 率 (減 衰 率)が 変 化 す る.し か し な が らそ こ で 用 い ら れ て い る サ ー ボ モ ー タ は 仕 様 お よ び 詳 細 が 不 明 で, 位 置 決 め 精 度 が よ く な い 可 能 性 が あ り,フ ィ ー ドバ

ッ ク 回 路 も ア ナ ロ グ 回 路 を 中 心 と した 構 成 で あ る た め,熱 ド リ フ トや 素 子 工 一 ジ ン グ な どの 効 果 が 避 け らな い.回 路 構 成 も 大 掛 か りな も の と な る こ とが 多 い.ま た,サ ー ボ モ ー タ の 故 障 時 に そ の 製 品 が 生 産 中 止 に な っ て い た 場 合,ア ナ ロ グ 素 子 回 路 の 部 品 や 構 成 も 随 伴 的 に 変 更 が 強 い られ る な ど メ ン テ ナ ン ス コ ス トも 多 大 な も の と な る こ とが 危 惧 さ れ る.む し ろ 現 代 で は マ イ ク ロ コ ン ピ ュ ー タ(以 下 マ イ コ ン) に 代 表 さ れ る コ ン パ ク トな デ ィ ジ タ ル 素 子 の 入 手 が 容 易 に な っ て き て お り,電 源 投 入 す れ ば 自動 で 制 御 を 開 始 す る な ど 作 業 性 も 良 く,ま た ス テ ッ ピ ン グ モ ー タ は 位 置 決 め 精 度 に優 れ,こ ち ら も 入 手 性 は 良 く, マ イ コ ン とス テ ッ ピ ン グ モ ー タ の 組 み 合 わ せ に よ る 実 装 に は 優 位 性 が あ る と 考 え られ る.本 論 文 で は 偽 作 信 号 を 差 し引 き す る 上 で のR検 波 強 度 規 格 化 の も た らす 効 用 に つ い て 概 説 す る と と も に 現 代 的 な デ ィ ジ タ ル 制 御 技 術 で の モ ー タ 駆 動VNDFの 実 装 に つ い て 検 討 した 結 果 を 報 告 す る.

Fig.lNDFの 写 真(Webカ タ ロ グ 引 用)

2.3強 度 規 格 化 が 偽 作 信 号 抑 制 に も た ら す 効 用 Fig.2はPR実 験 の 模 式 的 な 実 験 配 置 図 に 対 応 す る.

分 光 器 を 透 過 さ せ る こ と に よ り単 色 化 され た 白 色 光 は プ ロ ー ブ ビー ム と呼 ば れ,試 料 に 照 射 さ れ る.そ の 照 射 強 度 をZo(λ)とす る.試 料 の 電 界 変 調 は 付 加 的 な レー ザ ー 照 射 に 伴 う電 子 正 孔 対 の 光 生 成 に よ り実 現 さ れ る.付 加 的 な レー ザ ー を ポ ン プ ビー ム と呼 び, 変 調 周 波 数9Mで チ ョ ッ ピ ン グ され る.反 射 光 は 光 検 出 器 に よ り検 波 され る が,検 出 器 の 信 号 は2つ の 成 分 を 有 す る.一 つ はDC信 号 で あ り,他 方 は 変 調 交 流 信 号 で あ る.前 者 の 強 度 をZ訳 と表 し,後 者 の 強 度 を1。∠Rと 表 す こ と と し よ う.ロ ッ ク イ ン ア ン プ は 交 流 信 号 を 測 定 す る.DC成 分 を 何 ら か の 手 段 で 検 出 す れ ば る は 相 殺 され る た め,特 に 姻 を 波 長 に 依 らず 一 定 に す る 必 要 性 が な い よ う に 思 わ れ る が, ポ ン プ ビー ム は 以 下 の よ うな 偽 作 信 号 を も た らす た

め,一 定 化 に は 効 用 が あ る.偽 作 信 号 は レー ザ ー ビ ー ム か ら(a)散 乱 光 お よ び(b)ル ミネ ッ セ ン ス に

よ り生 じ る.そ れ を 式 に よ り以 下 に 説 明 す る.

Fig.2PRの 実 験 配 置 図

検 出 器 の 応 答 関 数 を κ(λ),増 幅 率 を オ(λ)とす る と 光 検 出 ・器のDC出 力 陥。は 次 の よ う に 表 され る.

%cニ10(λ)R(λ)κ(λ)凶(λ) (1)

か た や 交 流 信 号 は 偽 作 信 号 の 強 度 を 働,波 長 を λ、p, 9mを 変 調 周 波 数 とす る と次 の よ うに 表 され る.

垢,(几 λ,p,Ωm)

ニ[10(λ)R(λ)κ(λ)+1、p(λ 、p)κ(λ,p)1月(λ)(2)

式(2)の 第2項 が 重 要 と な る.何 らか の 規 格 化 手 段 に よ り 陥 、を λ に よ らず 一 定 とす る こ と が で き れ ば 砿。

の 第2項 も 一 定 と な る.検 出 器 の 増 幅 率 は λ に 依 存

しな い とみ なせ るた め入 射 強 度 は

10(λ)ニ0/R(λ)κ(λ)刃 (3)

の よ う に 書 け る.式(3)を 式(2)に 代 入 す る こ と に よ り

・ ッ ク イ ン ア ン プ の 出 力 弓鍍 は ∫… 一 ・/慌 で あ る

た め,そ れ は 緬 な どを用 い て 次 の よ うに導 かれ る.

∫… 一[謡)1+c'(4) こ こ で

び 一 ち,(λ3P)κ(λ 。,)書 (5)

で あ る.Fig.3に 示 す よ うにZoRの 一 定 化(規 格 化) に よ り偽 作 に よ る バ ッ ク グ ラ ウ ン ドC'は 一 定(図 中 で は 直 線)と な る こ と が わ か る.

Fig.3偽 作 信 号 が 波 長 に よ ら な い ConstantOfεset時 の ス ペ ク トル 波 形 模 式 図

3.実 験 手 順

本 研 究 で 行 っ た 実 験 で は 次 の よ うな セ ッ トア ップ を 用 い た.フ ゜ロ ー ブ ビ ー ム を 発 生 させ る た め,150W キ セ ノ ン ラ ン プ か らの 光 を 焦 点 距 離32cmの 分 光 器 を 透 過 さ せ る こ とで 単 色 光 と した.光 の 検 出 に は 光 電 子 増 倍 管(PMT)を 用 い,交 流 信 号 の 検 出 に ロ ッ ク イ ン ア ン プ を 使 用 した.ポ ン プ ビ ー ム と して は 機 械 的 に チ ョ ッ フ゜さ れ た 波 長325nmのHeCdレ ー ザ ー を 採 用 し た,Z6Rの 規 格 化 に は ス テ ッ ピ ン グ モ ー タ で 駆 動 さ れ たVNDFを 用 い た.こ の モ ー タ は5相 ス テ ッ ピ ン グ モ ー タ ドラ イ バ を 内 蔵 した2軸 の ス テ ー ジ コ ン トロ ー ラMark‑102で 駆 動 した.サ ン ケ ン 電 気 社 な どか ら販 売 さ れ て い る モ ー タ ドラ イ バICを 電 池 駆 動 す る な ら 更 な る ノ イ ズ 抑 制 が 期 待 で き る.コ ン トロ ー ラ の 制 御 に はArduinoマ イ コ ン 基 板[5]を用 い た.

4.制 御 部

4.18‑bitAVRマ イ コ ン 基 板Arduino

今 回 の 回 路 で は8‑bitAVRマ イ コ ン(ATmega328P) が 載 っ たArduinoUnoR3を 採 用 し た.Arduinoは イ

タ リア で2004年 に 開 発 が 始 ま り,ホ ビ ー や 教 育 機 関 で の 教 材 用 と し て 先 行 して い たwiringを ベ ー ス に 徹 底 した 簡 略 化 を 行 い 低 価 格(発 売 開 始 時 は 約4,000

円)で 提 供 さ れ た.シ ン プ ル な 入 出 力(1/0)と Processing言 語 で 実 装 さ れ た 開 発 環 境 が べ 一 ス と な

っ て い る.Arduinoは そ の マ イ コ ン 基 板 だ け で な く, フ゜ロ グ ラ ミ ン グ 言 語(Arduino言 語),開 発 環 境

(ArduinoIDE),Webサ イ ト(http://arduino.cc/)や ワ ー ク シ ョ ップ な ど全 て 含 め た も の を 指 す.用 途 や 目的 に 応 じたArduino互 換 機 が 数 多 く製 作,販 売 さ れ て い る[6].

当 該 マ イ コ ン に は 以 下 の よ う な 優 位 性 が あ る.わ か りや す い 標 準 化 され た 入 出 力 ポ ー ト,豊 富 な ラ イ ブ ラ リ,手 軽 に 使 い 始 め る こ との で き るArduino関 数 が 数 多 く用 意 さ れ て い て 特 に 入 門 者 に 優 しい マ イ

コ ン 基 板 と い え る.Arduinoに は 様 々 な バ リエ ー シ ョ ン が あ り,今 回 は 標 準 的 なArduinoUnoを 用 い た.

統 合 開 発 環 境 のArduinoIDEは マ ル チ プ ラ ッ トフ ォ ー ム で あ り

,Arduinoマ イ コ ン 基 板 の ほ か,PCと USBケ ー ブ ル が あ れ ばPCを 選 ば ず 安 価 に 開 発 が で

き て しま う.実 際 の 開 発 もLinuxMintl7.2上 で 容 易 に 行 う こ とが で き た.コ ー デ ィ ン グ に はC/C++言 語 に 似 たArduino言 語 を 用 い る が,実 行 した い 命 令 を 列 挙 す る だ け で 所 望 の 動 作 が 得 られ る 手 軽 さが あ る.

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Fig.4ArduinoUnoR3の 外 観

!

ソ

Arduinoの 注 意 点 を 挙 げ る な ら ば 以 下 の3点 が あ る.先 行 して い るMicrochip社 のPICマ イ コ ン と比 較 して,(1)デ バ ッ グ 環 境 が な く必 要 に 応 じて デ バ ッ

グ モ ー ドを 組 み 込 ま な け れ ば な ら な い.(2)AVRマ イ コ ン 本 体 のATmega328PはPDIP28パ ッケ ー ジ と大 き く,Arduinoマ イ コ ン 基 板 とセ ッ トで 使 う こ と を 想 定 して い る た め,小 さ くて 薄 い 製 品 へ は 応 用 で き な い.(3)マ イ コ ン 単 品 よ り もArduinoマ イ コ ン 基 板 は 比 較 的 高 価 で あ る た め 量 産 に は 向 か な い,と い っ た 点 で あ ろ う.

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4.2マ イ コ ン 開 発 環 境(PC)

余 談 と な る が,開 発 に 用 い たOS(LinuxMint)に つ い て も 紹 介 す る.こ のLinuxOSはWindowsOSと

似 た メ ニ ュ ー 構 成 を 持 ち,べ 一 ス と し て い るUbuntu よ り も 軽 快 に 動 作 す る の でwindowsXPか らの 乗 り 換 え や,数 世 代 前 の 余 っ たPCハ ー ドウ ェ ア を 有 効 利 用 す る に は 良 い 選 択 肢 と な る.実 際 にwindows

lO+lntelCorei5480M2.66GHzよ り もLinuxMint l7.2+IntelPentiumDualCoreE54002.7GHz(メ モ リ容 量 は い ず れ も2GB)の 方 が,数 値 解 析 や3D描 画 を 伴 わ な い 通 常 使 用 に お け る 体 感 速 度 は 格 段 に 速 い.

Linuxに も 対 応 して い る マ ル チ プ ラ ッ トフ ォ ー ム の ソ フ ト ウ ェ ア に は,Firefbx,Thunderbird,Google Chromeと い っ た 有 名 ど こ ろ の 他,前 述 のArduino IDEも 含 め て,LibreOf且ce(オ フ ィ ス),Dropbox(オ ン

ラ イ ン ス ト レ ー ジ),GIMP(フ ォ ト レ タ ッ チ), Inkscape(ド ロ ー),EAGLE(回 路/基 板 設 計CAD), FreeCAD(3DCAD)な ど も あ る.LTspice(回 路 シ ミ ュ

レー タ)はWindows版 し か な い が,Wine上 で,多 少 の 不 具 合 は あ る も の の 動 作 し て い る.ネ ッ ク は 0伍ceソ フ トウ ェ ア 間 で フ ァ イ ル 移 動 に よ っ て レイ ア ウ トが 崩 れ て しま う互 換 性 の 問 題 や 対 応 デ バ イ ス (プ リ ン タ 等 の 周 辺 機 器)の 数 が ま だ 少 な い 点 で あ る.ゆ え にWordやExcelを 多 用 す る 事 務 処 理 に は 向 か な い が,電 気 ・電 子 系 の 設 計 業 務 に 限 定 す れ ば, LinuxMintだ け で 概 ね カ バ ー で き る よ う に な っ て い

る.今 回 使 用 したPCの ハ ー ドウ ェ ア は 再 生 利 用 品 の た め,Arduinoマ イ コ ン 基 板 を 除 き,開 発 環 境 は 無 償 で 手 に 入 っ た こ と に な る.PCとOSを 選 ば ず 低 コ ス トで 開 発 着 手 で き る こ と も 大 き な 利 点 で あ ろ う.

4.3回 路 構 成

Fig.5は 本 研 究 で 用 い た8‑bitAVRマ イ コ ン を 中 心 に 据 え た 回 路 を模 式 的 に 表 した も の で,Fig.6は 作 製 した 回 路 基 板 で あ る.回 路 は,ICお よ び 抵 抗 器 な ど 基 本 的 な 電 子 部 品 で 構 成 さ れ,PI制 御 に よ り入 射 波 長 に 依 らず 姻 を 一 定 に す る役 割 を果 た す.

NDF

ロツクインアンプへ

光 ,PMT

Fi"6㈲ 塵1墜

計装 アンプ

VNDF

LPF 'oR

モ ー タ

変換

操作 部

〔スイヅチ)

ArdUlnoUno (ATm巳gaa28P〕

ADC

UAR下

制 御 量 をFeedback

一

Flg.6(c) 変換

Lim吐 SW

RS2ヨ2C

コ ン トロ ー ラ Mar区 一102

FI96{b)

Fig.5VNDF回 路 構 成 の ブ ロ ッ ク 図

Fig.6作 製 した 回 路 基 板

5.要 素 技 術

5.1ADコ ン バ ー タ

Arduino内 蔵 のADコ ン バ ー タ を 使 用 した.分 解 能10‑bitと 低 分 解 能 で あ る が,現 在 の 回 路 状 態 を 見 る と光 電 子 増 倍 管 出 力 お よ び 計 装 ア ン プ 出 力 値 の い ず れ も 不 安 定 な た め,高 分 解 能 に した 場 合 も っ と不 安 定 な 動 作 に な る の で は な い か,と 危 惧 して も い る.

Arduinoは12C通 信 が 容 易 に 実 装 で き る た め,外 付 け の 高 分 解 能ADコ ン バ ー タ は 次 期 試 行 す る.

5.2計 装 ア ン プ

イ ン ス ツ ル メ ン テ ー シ ョ ン ・ア ン プ と も 呼 ば れ, 工 業 計 測 用 と して 広 く 用 い られ て い る 差 動 増 幅 回 路 で あ る.差 動 ア ン プ と 同 様,非 反 転 入 力 巧。+と反 転 入 力Eガ の 差 電 圧(臨+一 巧ガ)を 増 幅 す る.

下 のFig.7の よ う に 前 段 の 対 称 なOPア ン プ で 差 動 出 力 の 増 幅 回 路 を,後 段 のOPア ン プ で 差 動 増 幅 回

路 を 構 成 し て い る.CMRR(同 相 信 号 除 去 比)を 高 く す る た め,OPア ン プ お よ び 抵 抗 器 は 高 精 度 の も の が 使 わ れ る.OPア ン プ1素 子 に よ る 差 動 ア ン プ よ り もC㎜Rが 優 れ て お り,入 力 オ フ セ ッ ト電 圧 も 小 さ く,2つ の 入 力 端 子 の 差 を 演 算 す る 精 度 が 高 い[7].

全 て の 入 力 端 子 がOPア ン プ の 入 力 端 子 に 直 結 して い る た め 入 カ イ ン ピ ー ダ ン ス が 高 い.

Fig.7計 装 ア ン プ(3ア ン プ 型)の ブ ロ ッ ク 図

以 下 の 式(6)は 一 例 と し て,3ア ン プ 型 のTI(BB) 製rNAI28Pに お け る 増 幅 度(Gain,以 下G)の 算 定 式 だ が,他 の 計 装 ア ン プ も 同 様 に 増 幅 度 は1つ の 外 付 け 抵 抗 器Rσ の 値 だ け で 決 ま る.

50κ ΩG ニ1十

Ro (6)

汎 用OPア ン プ(TLO81CP)と 計 装 ア ン プ2品 (LTll67,rNAI28P)に つ い て,そ れ ぞ れ の デ ー タ シ ー トか ら一 部 仕 様 を 抜 粋 し

,特 性 を 比 較 した (Table.3).計 装 ア ン プ2品 の 選 定 理 由 は 入 手 性 の 良 さ に あ っ た.CMRRが 高 く,温 度 ド リフ トも含 め て 入 力 オ フ セ ッ ト電 圧 が 非 常 に 小 さ い とい う計 装 ア ン プ の 特 長 が 見 て 取 れ る.

こ れ に よ り,光 電 子 増 倍 管 出 力 か らAD入 力 ま で の 間 に 外 乱(通 常 コ モ ン モ ー ドノ イ ズ が 支 配 的 で あ る)が 入 っ た と し て も,影 響 を 非 常 に 小 さ くで き る.

光 電 子 増 倍 管 は 飽 和 時 に 最 大 で 約+13Vも 出 力 す る た め,そ の ま まArduinoのAD入 力 端 子 に 接 続 す る こ とが で き な い.そ こ で 計 装 ア ン プ を 電 圧 リ ミ ッ タ と して も 働 か せ,約+4V以 上 の 出 力 信 号 は 飽 和 す る よ う に した.一 方 で,光 電 子 増 倍 管 の 出 力 は 飽 和 しな い 範 囲 内 に お い て は 数100mVの オ ー ダ ー で 推 移 す る た め,RGはG‑10と な る 値 に 設 定 し た.実 測 波 形 を 以 下 のFig.8に 示 す.入 力 波 形(o.4Vpp)は FG出 力 で あ り,長 いBNCケ ー ブ ル を使 っ て い る こ

と,入 出 力 で 電 圧 の 測 定 レ ン ジ が10倍 違 う こ と,プ ロ ー ブ を つ な ぐ こ とで ノ イ ズ が 載 っ て し ま う こ と, な ど汚 く見 え て しま う理 由 は 幾 つ も あ る が 出 力 波 形

(4Vpp)に お い て は ノ イ ズ レベ ル を 大 幅 に 低 減 で き て い る 様 子 が わ か る.

通 常 のOPア ン プ は 周 波 数 特 性 が よ く な く,Gain は 入 力 信 号 の 周 波 数 が 高 くな る に つ れ て ポ ー ル と な る 周 波 数 乃 を 境 に 一20dB/decの 勾 配 で 減 衰 す る[8]た め,高 周 波 回 路 に は 向 か な い が,今 回 そ の 欠 点 は さ ほ ど影 響 し な い.な ぜ な ら光 電 子 増 倍 管 出 力 のAC 成 分 は ロ ッ ク イ ン ア ン プ の み に 使 い 計 装 ア ン プ 出 力 のAD変 換 部 に は 平 滑 化 し たDC信 号 を 扱 う た め で

あ る.

尚,今 回 作 製 した 回 路 で は 計 装 ア ン プ の 電 源 電 圧 を ±5Vと し て い る た め,厳 密 に は 入 力 電 圧 の 定 格 範 囲 を 超 過 して お り次 期 修 正 を 要 す る が,入 カ イ ン ピ ー ダ ン ス が 非 常 に 高 い た め 問 題 な く動 作 して い る .

丁セk」 ㌃ i≒lkHz

●St叩 十

MPo∫lo.ooo5

Input (200mV/div)

TLO81CP (TI,汎 用)

LT1167 (LTC)

INA128P (TIIBB)

CMRR 80dBmin 90dBmin (a)

120dB min(・)

Input Offset Vbltage

9mVmax 60}IVmax (b)

50pVmax (a)

Offset Vbltage Drift

18pV1℃

max

0.3pV1℃

max

0.5pV1℃

max

Noise Vbltage, RTI

18nV1価

(d)

7.5nV!vT拒 (d)

8nVIV百 互 (d)

(a)atG=1,(b)atG=10,(c)atG≧100,(d)atlkHz

Table.3汎 用 品 と 計 装 ア ン プ の 特 性 比 較

ソヘ ノへ▽ 乙

Output(2V/div) 1:H2こ1ll〕1:II〜【lM250」 」5

Fig.8計 装 ア ン プ(Gニ10)入 出 力 波 形

5.35相 ス テ ッ ピ ン グ モ ー タ

VNDFユ ニ ッ トの5相 ス テ ッ ピ ン グ モ ー タ に は オ リエ ン タ ル モ ー タ 社 のPX535M‑Bを 採 用 し,原 点 検 出 用 の リ ミ ッ トセ ン サ に はOMRON社 製 マ イ ク ロ セ

88

ン サEE‑SX673を 採 用 し て い る.PX535M‑Bの 主 な 仕 様 は 以 下Table.4の 通 り で あ る.

基 本 ス テ ップ角 ^0,36°

励 磁 最 大 静 止 トル ク [kgcm]

(定 格 電 流 で5相 励 磁) 1.4

電 流[A/相] 0.5

巻 線 抵 抗[Ω/相] ^8.0

モ ー タ 慣 性 モ ー メ ン ト J[gc㎡]

35

質 量[kg] ^0.27

絶縁階級

温度上昇

静 止 状 態 の とき80℃

以 下(抵 抗 法)

使用温度範囲

Table.4PX535M‑Bの 仕 様 抜 粋

5.4モ ー タ ド ラ イ バ

モ ー タ ド ラ イ バ に は ド ラ イ バ 内 蔵 の2軸 ス テ ー ジ コ ン ト ロ ー ラMark‑102(シ グ マ 光 機)を 使 用 し た.

主 な 仕 様 は 以 下 のTable.5に 示 す.

コ ン ト ロ ー ル 部

電源

50/60Hz50VA

周 囲 温度 ^5〜40℃

周 囲湿 度 ^20〜85%RH 外 形 寸 法(最 大)・

質 量

Wl83×H61×

D157mm

突 起 物 除 く.1.3kg ドラ イ バ 部

モ ー タ 5相 ス テ ッ ピ ン グ モ ー

タ(5本 リー ド)

駆動方式

駆 動 電流(RUN) 0.15〜0.8A/相

停 止 電 流(STOP) 0.15〜0.35A/相 Table.5Mark‑102の 仕 様 抜 粋

VNDFユ ニ ッ トの 端 子 はD‑sub25ピ ン で あ り,旧 来 の10本 リー ドと 接 続 す る 方 式 の ピ ン 配 置 で あ っ た め,そ の ま ま で はMark‑102と 接 続 す る こ とが で き ず,変 換 基 板(Fig.6‑b)を 用 意 し,緑 と 青,赤 と 白 な ど 計5箇 所 を 基 板 内 で 短 絡 し,新 ペ ン タ ゴ ン 配 線 (5本 リ ー ド)と 等 価 に し た 上 で,Mark‑102と 接 続 して い る.使 用 す る コ マ ン ドは 以 下 のTable.6の 通 り で あ る.こ れ ら はRS232Cポ ー トを 通 じ てArduino か らUART通 信 で 制 御 す る.Arduino側 はTTL(5V)

レベ ル で あ る た め こ こ に も 変 換 基 板(Fig.6‑c)を 作

製 しRS232Cレ ベ ル(±9V)へ 変 換 し て い る.

Qコ マ ン ド:ス テ ー タ ス1命 令 Jコ マ ン ド:ジ ョ グ 運 転 命 令 Gコ マ ン ド:駆 動 命 令

Rコ マ ン ド:電 気(論 理)原 点 設 定 命 令 Hコ マ ン ド:相 対 移 動 パ ル ス 数 設 定 命 令

Table.6Mark‑102で 使 用 す る コ マ ン ド

5.5制 御 ア ル ゴ リズ ム

本 シ ス テ ム の 核 と な る 操 作 量 の 導 出 に はPID制 御 を 採 用 した 。PID制 御 は 古 典 制 御 理 論 の プ ロ セ ス 制 御 に お い て 最 も 高 級 な 制 御 方 式 で あ る.操 作 量 を 求 め る 式 は 下 記(7)に,ブ ロ ッ ク線 図 をFig.9に 示 した.

PID制 御 は 直 列 補 償 で あ り制 御 偏 差 に 比 例 し た 量P, 制 御 偏 差 を 積 分 した 量 ノ,制 御 偏 差 を 微 分 し た 量D

を加 え 合 わ せ た も の を 操 作 量 とす る[9]川.

㍑(亡)一 飾(・(亡)+考 パ ・(・)d・+窃d窪))(7)

㌻ 嘱 ・ 鳩 一 κ・ で あ る・

こ こ で は16Rを 監 視 し た.公 開 され て い るArduino 用 のPIDラ イ ブ ラ リ[ll]を取 り込 み,操 作 量 の 導 出 部

に 用 い た.こ れ ら の パ ラ メ ー タ 瓦,瑞,κdか ら制 御 用 の パ ル ス 数 を 決 め る が,本 研 究 で はKdを 与 え る と発 散 して し ま うた め,Kb=0.4,瓦=05,κd=0と し結 果 的 にD制 御 は 行 っ て お らずPI制 御 に な っ て い る.

尚,パ ラ メ ー タ 導 出 に お い て,ま ず は 動 作 す る こ と を 優 先 した た め,最 適 化 は ま だ 実 施 で き て い な い.

こ れ は 後 述 す るWait時 間1秒 の 削 減 検 討 と と も に 整 定 時 間 短 縮 に 関 わ っ て 次 期 課 題 とす る.

ス テ ッ ピ ン グ モ ー タ は パ ル ス 数 に 応 じた 回 転 角 度 で 回 る.そ れ に よ り光 減 衰 率 ひ い て は 入 射 光 強 度 を 制 御 す る こ とが 可 能 とな る.光 電 子 増 倍 管 出 力 に お け る 信 号 対 雑 音 比 が 悪 い た め 安 定 化 を 狙 っ て5回 平 均 した も の を 測 定 値 と した.

卜 比 例(P)

目標 値 十

i、 ° レ 積 分(1)

卜 微 分(D)

十 ▼ 操 作 量

ト レ

十 ▲十 制 御 対象

Fig.9PID制 御 の ブ ロ ッ ク 線 図 制 御 量

● レ

6.整 定 時 間

目標 値 ま で の 応 答 速 度(整 定 時 間)を 求 め る た め 光 源 に 白 色LEDラ イ トを 用 い,次 の よ う な 実 験 を 行 っ た.ス テ ッ ピ ン グ モ ー タ 可 動 範 囲 内 に お い て 約 500mV〜4Vの 入 カ ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ を 持 た せ た 環 境 を 用 意 し,そ こ で 目標 値 をlVに 設 定,開 始 値 を 意 図 的 に 目標 値 か ら大 き く外 れ た500mVに 設 定 し,制 御 回 路 が 目標 値 ま で 到 達 し収 束 す る ま で の 時 間 変 化(PI制 御 の 収 束 動 作)を3回 計 測 した 結 果 をFig.10に 示 す.

[﹀ヨ﹂さ

秒 「sl Fig.lo収 束 デ ー タ

開 始 値 の 約500mVか ら 目標 値lVま で 離 れ て い た こ と も あ り,ま た 光 が 放 射 状 に 広 が る 白 色LEDラ ン プ を 試 験 光 源 に使 っ た た めVNDF操 作 量 と光 量 が 線 形 関 係 に な っ て い な い 範 囲(約3〜10秒 の 間)が 生 じて お り,収 束 す る ま で や や 時 間 を 要 して い る が, 複 数 回 実 施 した と こ ろ,今 回 作 製 した 回 路,プ ロ グ ラ ム お よ びPI制 御 パ ラ メ ー タ で は64〜88秒 の 間 で 目標 値 に 収 束 して い た.整 定 時 間 が 長 い 理 由 は,(1) モ ー タ 駆 動 お よ びAD入 力 値 の 安 定 化 の た め Arduinoプ ロ グ ラ ム 内 でWait時 間 を1秒 設 け て い る こ と,(2)PID制 御 パ ラ メ ー タ を 最 適 化 して い な い こ と(3)プ ロ セ ス 制 御(定 値 制 御)で は サ ー ボ 機 構 ほ どの 応 答 速 度 は 得 られ な い,等 が 挙 げ られ る.特 に (1)に お い て は,モ ー タ 動 作 可 能 な 範 囲 内 で 限 界 ま で 詰 め れ ば 整 定 時 間 を も っ と短 くで き る は ず で あ る.

前 述 の とお りShenら の グ ル ー プ は サ ー ボ モ ー タ を 用 い た 同 様 の シ ス テ ム に つ い て 報 告 し て い る が[4], モ ー タ の 仕 様 や 応 答 速 度 に 関 す る 詳 細 な 記 載 が な い た め 比 較 し よ うが な い が,立 ち 上 げ て か ら2分 ほ ど 待 ち,収 束 した 時 点 か ら実 験 を 開 始 す れ ば よ く,我 々 が こ こ で 実 現 した シ ス テ ム に お け る 応 答 速 度 は 当 面

問 題 な い と考 え る.ま た,LabViewTMな ど を 用 い たPC べ 一 ス の 制 御 も 普 及 して い る が,こ こ で 見 られ る よ

うな 微 弱 な ア ナ ロ グ 信 号 を 取 り扱 う場 合 に はPC自 体 が 深 刻 な ノ イ ズ 源 とな る た め,相 当 な 困 難 が 伴 う

と 考 え られ,こ こ に も マ イ コ ン ベ ー ス シ ス テ ム の 優 位 性 が あ る とい え る.

7.結 言

マ イ コ ン ベ ー ス のVNDFに よ る 光 強 度 規 格 化 制 御 シ ス テ ム が 稼 働 す る に 至 っ た.現 在,特 徴 的 なPR ス ペ ク トル 波 形 が 得 られ る こ と が わ か っ て い る ワ イ

ドギ ャ ップ 半 導 体 を 測 定 対 象 と してPR実 験 を 進 め て い る と こ ろ で あ る.シ ス テ ム に つ い て,更 な る 改 良 を 施 し,本 研 究 で 意 図 し た 通 り偽 作 信 号 に 起 因 し た バ ッ ク グ ラ ウ ン ドが 平 坦 に な る こ とや 真 の 信 号 が 精 度 よ く観 測 で き る こ と が 確 認 さ れ れ ば,本 学 で 作 製 され る(測 定 対 象 と な っ て い る)半 導 体 材 料 に お け る 光 学 応 答 や 電 界 分 布 な ど を 求 め て い く 予 定 で あ る[12].

8.謝 辞

本 研 究 は 本 学 次 世 代 プ ロ ジ ェ ク トの 研 究 助 成 を 受 け て 行 わ れ た.PR実 験 の セ ッ トア ップ に お い て 本 学 大 学 院 生 の 山 崎 裕 斗 氏 の 助 力 を 得 た.ま た,ス テ ッ

ピ ン グ モ ー タ とNDFの カ ッ プ リ ン グ は 本 学 先 端 科 学 技 術 育 成 セ ン タ ー の 川 崎 孝 俊 氏 に 製 作 して い た だ い た.こ こ に 感 謝 の 意 を 表 し ま す.

9.参 考 文 献 等

[1]F.H.Pollaketal.,Mater.Sci.Eng.RlO375(1993).

[2]V.W.Franz,Z.Naturefbrsch13a484(1958).

[3]L.V.Keldysh,Soviet‑Phys.JETP7788(1958).

[4]H.Shenetal.,Rev.Sci.Instrum.581429(1987).

[5]M.Benzi,"GettingstartedwithArduino",0'Reilley MediaInc.(CA,USA)(2008).

[6]小 林 茂:PrototypingLab「 作 り な が ら 考 え る 」

た め のArduino実 践 レ シ ピ,オ ラ イ リ ー ジ ャ パ

ン(2010).

[7]鈴 木 雅 臣:回 路 の 素101,CQ出 版 社(2012)

[8]岡 村 廻 夫:OPア ン プ 回 路 の 設 計,CQ出 版 社

(1973).

[9]椹 木 義 一,添 田 喬:わ か る 自 動 制 御(増 補 改 訂 版),

日 新 出 版(1999).

[10]森 泰 親:演 習 で 学 ぶ 基 礎 制 御 工 学,森 北 出 版

(2004).

[ll]http://playground.arduino.cc/Code/PIDLibrary [12]K.Shiojimaetal.,Appl.Phys.Express8046502

(2015).