JP3198132B2 - 圧電素子の駆動方法及び装置 - Google Patents
圧電素子の駆動方法及び装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子の駆動方法及
び装置に関し、特に、走査型トンネル顕微鏡の探針の位
置を微小に変化させる微動機構に適用され、変位発生用
の圧電アクチェエータとして利用される圧電素子の駆動
方法及び装置に関するものである。
び装置に関し、特に、走査型トンネル顕微鏡の探針の位
置を微小に変化させる微動機構に適用され、変位発生用
の圧電アクチェエータとして利用される圧電素子の駆動
方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、例えば走査型トンネル顕微鏡で
は、試料面の原子レベルの凹凸形状を探針を用いて測定
するため、圧電素子を利用して構成された微動機構を備
える。この微動機構は、探針を圧電素子の伸縮作用を利
用して微小に位置制御するように構成される。探針の微
動機構として、トライポッド形式を有するものでは、探
針と試料面との間の距離を調整するための圧電素子（Ｚ
軸用）と、試料面における測定対象領域にて探針を走査
させるための圧電素子（Ｘ軸用）及び圧電素子（Ｙ軸
用）の３つの圧電素子を備えている。これらの圧電素子
では、電圧を印加することによりその長手方向に伸長動
作を生じ、印加電圧を調整することにより、その長さを
変化させ、必要とされる変位を発生することができる。
は、試料面の原子レベルの凹凸形状を探針を用いて測定
するため、圧電素子を利用して構成された微動機構を備
える。この微動機構は、探針を圧電素子の伸縮作用を利
用して微小に位置制御するように構成される。探針の微
動機構として、トライポッド形式を有するものでは、探
針と試料面との間の距離を調整するための圧電素子（Ｚ
軸用）と、試料面における測定対象領域にて探針を走査
させるための圧電素子（Ｘ軸用）及び圧電素子（Ｙ軸
用）の３つの圧電素子を備えている。これらの圧電素子
では、電圧を印加することによりその長手方向に伸長動
作を生じ、印加電圧を調整することにより、その長さを
変化させ、必要とされる変位を発生することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】圧電素子における印加
電圧と発生変位との関係について説明する。図５と図６
は、それぞれ圧電素子における印加電圧と発生変位の関
係の一例を示す。図５と図６は同一の圧電素子について
の変位特性を示している。図５では印加電圧の範囲を０
〜１００Ｖとし、図６では印加電圧の範囲を８０〜１０
０Ｖとしている。図５の変位特性では１００Ｖの電位差
で変位量は１４．３μｍであるのに対し、図６の変位特
性では２０Ｖの電位差で変位量は１．９μｍである。こ
れらの変位特性を２０Ｖ当りの変位量に換算して比較す
ると、図５の変位特性では２．８６μｍ／２０Ｖ、図６
の変位特性では１．９μｍ／２０Ｖであり、同一圧電素
子であるにも拘らず、印加電圧の範囲に応じて圧電素子
の単位変位量が大いに相違するという特性を有してい
る。
電圧と発生変位との関係について説明する。図５と図６
は、それぞれ圧電素子における印加電圧と発生変位の関
係の一例を示す。図５と図６は同一の圧電素子について
の変位特性を示している。図５では印加電圧の範囲を０
〜１００Ｖとし、図６では印加電圧の範囲を８０〜１０
０Ｖとしている。図５の変位特性では１００Ｖの電位差
で変位量は１４．３μｍであるのに対し、図６の変位特
性では２０Ｖの電位差で変位量は１．９μｍである。こ
れらの変位特性を２０Ｖ当りの変位量に換算して比較す
ると、図５の変位特性では２．８６μｍ／２０Ｖ、図６
の変位特性では１．９μｍ／２０Ｖであり、同一圧電素
子であるにも拘らず、印加電圧の範囲に応じて圧電素子
の単位変位量が大いに相違するという特性を有してい
る。
【０００４】上述した試料面における測定対象領域にて
探針を走査させるためのＸ軸用圧電素子或いはＹ軸用圧
電素子に関しては、通常、電圧を印加して圧電素子を伸
長させる場合には、０〜１００Ｖの印加電圧範囲の変位
量を、それぞれの部分電圧範囲に応じて比例、配分する
ことにより駆動する。より具体的には、圧電素子に印加
すべき電圧範囲の基準電圧（例えば電圧範囲の中心電
圧）とその電圧範囲で発生すべき目標変位量とを入力
し、その基準電圧と目標変位量に応じた電圧範囲の電圧
を圧電素子に印加し目標変位量を生じさせる。例えば図
５と図６の例で説明すれば、基準電圧（中心電圧）を９
０Ｖ、電圧範囲を８０〜１００Ｖとした場合、０〜１０
０Ｖの変位特性においては１４．３μｍ変位したので、
８０〜１００Ｖでは単純に２０Ｖ分の変化であると想定
し、１４．３／５＝２．８６μｍ変位すると考えて、そ
れを目標変位としてその電圧範囲（８０〜１００Ｖ）で
駆動すると、８０〜１００Ｖの電圧範囲では図６で明ら
かなように、実際上１．９μｍしか変位しないのである
から、このことは、 （１−１．９／２．８６）×１００＝３３％ の誤差が生じることを意味する。
探針を走査させるためのＸ軸用圧電素子或いはＹ軸用圧
電素子に関しては、通常、電圧を印加して圧電素子を伸
長させる場合には、０〜１００Ｖの印加電圧範囲の変位
量を、それぞれの部分電圧範囲に応じて比例、配分する
ことにより駆動する。より具体的には、圧電素子に印加
すべき電圧範囲の基準電圧（例えば電圧範囲の中心電
圧）とその電圧範囲で発生すべき目標変位量とを入力
し、その基準電圧と目標変位量に応じた電圧範囲の電圧
を圧電素子に印加し目標変位量を生じさせる。例えば図
５と図６の例で説明すれば、基準電圧（中心電圧）を９
０Ｖ、電圧範囲を８０〜１００Ｖとした場合、０〜１０
０Ｖの変位特性においては１４．３μｍ変位したので、
８０〜１００Ｖでは単純に２０Ｖ分の変化であると想定
し、１４．３／５＝２．８６μｍ変位すると考えて、そ
れを目標変位としてその電圧範囲（８０〜１００Ｖ）で
駆動すると、８０〜１００Ｖの電圧範囲では図６で明ら
かなように、実際上１．９μｍしか変位しないのである
から、このことは、 （１−１．９／２．８６）×１００＝３３％ の誤差が生じることを意味する。
【０００５】上記の如く圧電素子は、印加される電圧の
範囲に応じて単位電圧当りの変位量が大きく異なる。そ
のため、最大の変位範囲を発生する電圧範囲に対応させ
て得た変位特性に基づき、印加電圧範囲と変位範囲との
関係に対して単純に比例関係を当てはめ、その一部の印
加電圧範囲に対応する変位範囲を想定して伸長のための
駆動を行うと、大きな誤差が発生する。
範囲に応じて単位電圧当りの変位量が大きく異なる。そ
のため、最大の変位範囲を発生する電圧範囲に対応させ
て得た変位特性に基づき、印加電圧範囲と変位範囲との
関係に対して単純に比例関係を当てはめ、その一部の印
加電圧範囲に対応する変位範囲を想定して伸長のための
駆動を行うと、大きな誤差が発生する。
【０００６】上記の如き変位特性を有する圧電素子を利
用して構成される微動機構では、圧電素子に印加される
電圧のみを制御データとして駆動制御を行うと、誤差が
大きく発生するので、精度の高い変位を発生させる制御
が要求される場合、別個に実際の変位量を測定するため
の変位測定装置を設けることが必要となる。この変位測
定装置としては、通常、レーザ変位計、静電容量式変位
計、ひずみゲージ等を用いる。これらの変位測定装置を
備えると、いずれの場合も装置が高価になり、更に、変
位測定装置を備えるための余分なスペースを必要とし、
装置が全体的に大きくなる。
用して構成される微動機構では、圧電素子に印加される
電圧のみを制御データとして駆動制御を行うと、誤差が
大きく発生するので、精度の高い変位を発生させる制御
が要求される場合、別個に実際の変位量を測定するため
の変位測定装置を設けることが必要となる。この変位測
定装置としては、通常、レーザ変位計、静電容量式変位
計、ひずみゲージ等を用いる。これらの変位測定装置を
備えると、いずれの場合も装置が高価になり、更に、変
位測定装置を備えるための余分なスペースを必要とし、
装置が全体的に大きくなる。
【０００７】本発明の目的は、上記の問題に鑑み、圧電
素子に印加すべき電圧範囲の基準電圧とその電圧範囲で
発生すべき目標変位量とを入力し、その基準電圧と目標
変位量に応じた電圧範囲の電圧を圧電素子に印加し目標
変位量を生じさせるとき、変位を発生させる印加電圧を
適切に設定し、誤差の発生を抑制し、特別に変位測定装
置を用いることなく、精度の高い変位を発生させるよう
に圧電素子を駆動する圧電素子の駆動方法及び装置を提
供することにある。
素子に印加すべき電圧範囲の基準電圧とその電圧範囲で
発生すべき目標変位量とを入力し、その基準電圧と目標
変位量に応じた電圧範囲の電圧を圧電素子に印加し目標
変位量を生じさせるとき、変位を発生させる印加電圧を
適切に設定し、誤差の発生を抑制し、特別に変位測定装
置を用いることなく、精度の高い変位を発生させるよう
に圧電素子を駆動する圧電素子の駆動方法及び装置を提
供することにある。
【０００８】上記目的を達成するために、本発明は、圧
電素子に印加すべき電圧範囲の基準電圧とその電圧範囲
で発生すべき目標変位量とを入力し、その基準電圧と目
標変位量に応じた電圧範囲の電圧を圧電素子に印加し前
記目標変位量を生じさせる圧電素子の駆動方法におい
て、（ａ）各種の印加電圧範囲について測定した圧電素
子の変位データを用いて印加電圧範囲の振幅と、その印
加電圧範囲の基準電圧と、圧電素子の単位電圧あたりの
変位量との関係を表わす近似式を設定し記憶させておく
こと、（ｂ）前記基準電圧と目標変位量を入力し、前記
近似式を用いることにより、その基準電圧で前記目標変
位量を発生させる印加電圧範囲の振幅を求め、圧電素子
の印加電圧範囲を決定すること、（ｃ）前記印加電圧範
囲に応じた電圧を圧電素子に印加するものである。ここ
で、好ましくは、前記手順（ａ）で設定される近似式
は、前記印加電圧範囲の振幅と前記基準電圧と前記単位
電圧あたりの変位量との一次関数である。この場合、前
記印加電圧範囲の振幅をΔＶ、前記基準電圧をＶ0、前
記単位電圧あたりの変位量をＧ、前記圧電素子の変位特
性に依存して決定される係数をａ，ｂ，ｃ，ｄとすると
き、前記手順（ａ）で設定される近似式は、 Ｇ＝ａＶ0ΔＶ＋ｂＶ0＋ｃΔＶ＋ｄ で表わされる。また、より好ましくは、前記手順（ａ）
で設定される近似式は、前記印加電圧範囲の振幅と前記
基準電圧と前記単位電圧あたりの変位量との二次関数で
ある。この場合、前記印加電圧範囲の振幅をΔＶ、前記
基準電圧をＶ0、前記単位電圧あたりの変位量をＧ、前
記圧電素子の変位特性に依存して決定される係数を、ｋ
22，ｋ21，ｋ20，ｋ12，ｋ11，ｋ10，ｋ02，ｋ01，ｋ00
とするとき、前記手順（ａ）で設定される近似式は、 Ｇ＝ｋ22Ｖ0 2ΔＶ2＋ｋ21Ｖ0 2ΔＶ＋ｋ20Ｖ0 2 ＋ｋ12Ｖ0ΔＶ2＋ｋ11Ｖ0ΔＶ＋ｋ10Ｖ0 ＋ｋ02ΔＶ2＋ｋ01ΔＶ＋ｋ00 で表わされる。また、好ましくは、前記基準電圧は、前
記印加電圧範囲の振幅の中心に位置する電圧値である。
前記基準電圧は、前記印加電圧範囲の振幅の最大電圧値
あるいは最小電圧値であってもよい。また、上記目的を
達成するために、本発明は、圧電素子に印加すべき電圧
範囲の基準電圧とその電圧範囲で発生すべき目標変位量
とを入力し、その基準電圧と目標変位量に応じた電圧範
囲の電圧を圧電素子に印加し前記目標変位量を生じさせ
る圧電素子の駆動装置において、（ａ）前記印加電圧範
囲の基準電圧と前記目標変位量とを入力する入力手段
と、（ｂ）各種の印加電圧範囲について測定した圧電素
子の変位データを用いて設定された、印加電圧範囲の振
幅と、その印加電圧範囲の基準電圧と、圧電素子の単位
電圧あたりの変位量との関係を表わす近似式が記憶され
ており、前記入力手段により印加電圧範囲の基準電圧と
目標変位量が入力されると、前記近似式を用い、その基
準電圧で前記目標変位量を発生させる印加電圧範囲の振
幅を求め前記印加電圧範囲を決定する演算手段と、
（ｃ）前記印加電圧範囲に応じた電圧を圧電素子に印加
する電圧発生手段とを備えるものとする。ここで、好ま
しくは、前記印加電圧範囲の振幅をΔＶ、前記基準電圧
をＶ0、前記単位電圧あたりの変位量をＧ、前記圧電素
子の変位特性に依存して決定される係数をａ，ｂ，ｃ，
ｄとするとき、前記演算手段に記憶される近似式は、 Ｇ＝ａＶ0ΔＶ＋ｂＶ0＋ｃΔＶ＋ｄ で表わされる。また、より好ましくは、前記印加電圧範
囲の振幅をΔＶ、前記基準電圧をＶ0、前記単位電圧あ
たりの変位量をＧ、前記圧電素子の変位特性に依存して
決定される係数を、ｋ22，ｋ21，ｋ20，ｋ12，ｋ11，ｋ
10，ｋ02，ｋ01，ｋ00とするとき、前記演算手段に記憶
される近似式は、 Ｇ＝ｋ22Ｖ0 2ΔＶ2＋ｋ21Ｖ0 2ΔＶ＋ｋ20Ｖ0 2 ＋ｋ12Ｖ0ΔＶ2＋ｋ11Ｖ0ΔＶ＋ｋ10Ｖ0 ＋ｋ02ΔＶ2＋ｋ01ΔＶ＋ｋ00 で表わされる。
電素子に印加すべき電圧範囲の基準電圧とその電圧範囲
で発生すべき目標変位量とを入力し、その基準電圧と目
標変位量に応じた電圧範囲の電圧を圧電素子に印加し前
記目標変位量を生じさせる圧電素子の駆動方法におい
て、（ａ）各種の印加電圧範囲について測定した圧電素
子の変位データを用いて印加電圧範囲の振幅と、その印
加電圧範囲の基準電圧と、圧電素子の単位電圧あたりの
変位量との関係を表わす近似式を設定し記憶させておく
こと、（ｂ）前記基準電圧と目標変位量を入力し、前記
近似式を用いることにより、その基準電圧で前記目標変
位量を発生させる印加電圧範囲の振幅を求め、圧電素子
の印加電圧範囲を決定すること、（ｃ）前記印加電圧範
囲に応じた電圧を圧電素子に印加するものである。ここ
で、好ましくは、前記手順（ａ）で設定される近似式
は、前記印加電圧範囲の振幅と前記基準電圧と前記単位
電圧あたりの変位量との一次関数である。この場合、前
記印加電圧範囲の振幅をΔＶ、前記基準電圧をＶ0、前
記単位電圧あたりの変位量をＧ、前記圧電素子の変位特
性に依存して決定される係数をａ，ｂ，ｃ，ｄとすると
き、前記手順（ａ）で設定される近似式は、 Ｇ＝ａＶ0ΔＶ＋ｂＶ0＋ｃΔＶ＋ｄ で表わされる。また、より好ましくは、前記手順（ａ）
で設定される近似式は、前記印加電圧範囲の振幅と前記
基準電圧と前記単位電圧あたりの変位量との二次関数で
ある。この場合、前記印加電圧範囲の振幅をΔＶ、前記
基準電圧をＶ0、前記単位電圧あたりの変位量をＧ、前
記圧電素子の変位特性に依存して決定される係数を、ｋ
22，ｋ21，ｋ20，ｋ12，ｋ11，ｋ10，ｋ02，ｋ01，ｋ00
とするとき、前記手順（ａ）で設定される近似式は、 Ｇ＝ｋ22Ｖ0 2ΔＶ2＋ｋ21Ｖ0 2ΔＶ＋ｋ20Ｖ0 2 ＋ｋ12Ｖ0ΔＶ2＋ｋ11Ｖ0ΔＶ＋ｋ10Ｖ0 ＋ｋ02ΔＶ2＋ｋ01ΔＶ＋ｋ00 で表わされる。また、好ましくは、前記基準電圧は、前
記印加電圧範囲の振幅の中心に位置する電圧値である。
前記基準電圧は、前記印加電圧範囲の振幅の最大電圧値
あるいは最小電圧値であってもよい。また、上記目的を
達成するために、本発明は、圧電素子に印加すべき電圧
範囲の基準電圧とその電圧範囲で発生すべき目標変位量
とを入力し、その基準電圧と目標変位量に応じた電圧範
囲の電圧を圧電素子に印加し前記目標変位量を生じさせ
る圧電素子の駆動装置において、（ａ）前記印加電圧範
囲の基準電圧と前記目標変位量とを入力する入力手段
と、（ｂ）各種の印加電圧範囲について測定した圧電素
子の変位データを用いて設定された、印加電圧範囲の振
幅と、その印加電圧範囲の基準電圧と、圧電素子の単位
電圧あたりの変位量との関係を表わす近似式が記憶され
ており、前記入力手段により印加電圧範囲の基準電圧と
目標変位量が入力されると、前記近似式を用い、その基
準電圧で前記目標変位量を発生させる印加電圧範囲の振
幅を求め前記印加電圧範囲を決定する演算手段と、
（ｃ）前記印加電圧範囲に応じた電圧を圧電素子に印加
する電圧発生手段とを備えるものとする。ここで、好ま
しくは、前記印加電圧範囲の振幅をΔＶ、前記基準電圧
をＶ0、前記単位電圧あたりの変位量をＧ、前記圧電素
子の変位特性に依存して決定される係数をａ，ｂ，ｃ，
ｄとするとき、前記演算手段に記憶される近似式は、 Ｇ＝ａＶ0ΔＶ＋ｂＶ0＋ｃΔＶ＋ｄ で表わされる。また、より好ましくは、前記印加電圧範
囲の振幅をΔＶ、前記基準電圧をＶ0、前記単位電圧あ
たりの変位量をＧ、前記圧電素子の変位特性に依存して
決定される係数を、ｋ22，ｋ21，ｋ20，ｋ12，ｋ11，ｋ
10，ｋ02，ｋ01，ｋ00とするとき、前記演算手段に記憶
される近似式は、 Ｇ＝ｋ22Ｖ0 2ΔＶ2＋ｋ21Ｖ0 2ΔＶ＋ｋ20Ｖ0 2 ＋ｋ12Ｖ0ΔＶ2＋ｋ11Ｖ0ΔＶ＋ｋ10Ｖ0 ＋ｋ02ΔＶ2＋ｋ01ΔＶ＋ｋ00 で表わされる。
【０００９】
【作用】本発明による圧電素子の駆動方法では、或る圧
電素子に電圧を印加して変位を発生させる場合におい
て、当該圧電素子に関していろいろな印加電圧範囲で変
位を発生させてデータをとり、これらのデータに基づい
て、単位電圧当りの変位量Ｇと、印加電圧範囲の振幅
と、当該範囲中に含まれる例えば中心電圧、最小電圧、
最大電圧等の所定の基準電圧とを関連づける適切な近似
式を算出する。前記圧電素子を駆動するときには前記の
近似式を利用し、目標とする変位量と中心電圧等の基準
電圧とを入力情報として与えることにより、目標変位量
を実現する印加電圧を得るものである。近似式として最
も好ましいものは１次式による近似式としては、 Ｇ＝ａＶ0 ΔＶ＋ｂＶ0 ＋ｃΔＶ＋ｄ また２変数の２次式で表現される近似式としては、 Ｇ＝ｋ22Ｖ0 2 ΔＶ2 ＋ｋ21Ｖ0 2 ΔＶ＋ｋ20Ｖ0 2 ＋ｋ12Ｖ0 ΔＶ2 ＋ｋ11Ｖ0 ΔＶ＋ｋ10Ｖ0 ＋ｋ02ΔＶ2 ＋ｋ01ΔＶ＋ｋ00 である。上記の各近似式に関し、目標変位量ΔＸに見合
う印加電圧の振幅ΔＶはその目標変位量ΔＸと単位電圧
当りの変位量Ｇから求まることから、目標変位量ΔＸと
所定の基準電圧Ｖ0 を与えると印加電圧の振幅ΔＶが得
られ、この振幅ΔＶと基準電圧Ｖ 0 から目標変位量ΔＸ
を正確に実現する印加電圧が得られる。これによって印
加電圧範囲に応じて異なる変位量に起因して生じる誤差
を低減することができる。
電素子に電圧を印加して変位を発生させる場合におい
て、当該圧電素子に関していろいろな印加電圧範囲で変
位を発生させてデータをとり、これらのデータに基づい
て、単位電圧当りの変位量Ｇと、印加電圧範囲の振幅
と、当該範囲中に含まれる例えば中心電圧、最小電圧、
最大電圧等の所定の基準電圧とを関連づける適切な近似
式を算出する。前記圧電素子を駆動するときには前記の
近似式を利用し、目標とする変位量と中心電圧等の基準
電圧とを入力情報として与えることにより、目標変位量
を実現する印加電圧を得るものである。近似式として最
も好ましいものは１次式による近似式としては、 Ｇ＝ａＶ0 ΔＶ＋ｂＶ0 ＋ｃΔＶ＋ｄ また２変数の２次式で表現される近似式としては、 Ｇ＝ｋ22Ｖ0 2 ΔＶ2 ＋ｋ21Ｖ0 2 ΔＶ＋ｋ20Ｖ0 2 ＋ｋ12Ｖ0 ΔＶ2 ＋ｋ11Ｖ0 ΔＶ＋ｋ10Ｖ0 ＋ｋ02ΔＶ2 ＋ｋ01ΔＶ＋ｋ00 である。上記の各近似式に関し、目標変位量ΔＸに見合
う印加電圧の振幅ΔＶはその目標変位量ΔＸと単位電圧
当りの変位量Ｇから求まることから、目標変位量ΔＸと
所定の基準電圧Ｖ0 を与えると印加電圧の振幅ΔＶが得
られ、この振幅ΔＶと基準電圧Ｖ 0 から目標変位量ΔＸ
を正確に実現する印加電圧が得られる。これによって印
加電圧範囲に応じて異なる変位量に起因して生じる誤差
を低減することができる。
【００１０】
【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。図１は本発明に係る圧電素子の駆動方法を
実行する装置構成を示す。この例は、試料面における測
定対象領域にて探針を走査させるためのＸ軸用圧電素子
及びＹ軸用圧電素子の一方、例えばＸ軸用の圧電素子に
係わるものである。実際の装置ではＹ軸用の圧電素子に
対しても同様の駆動方法を採用し、探針を測定対象領域
で走査する。図１で、１は駆動対象である圧電素子で、
圧電素子１は積層構造で長形に形成される。２は圧電素
子１の長手方向Ｘの長さを変え、変位を発生させるため
の印加電圧を出力する電圧発生器である。電圧発生器２
から圧電素子１に印加される電圧の大きさは、圧電素子
１で発生させる目標変位に応じて決定される。電圧発生
器２に対して、必要とされる印加電圧の発生を指示する
ための入力信号は、目標変位入力装置３と演算装置４に
よって生成される。
て説明する。図１は本発明に係る圧電素子の駆動方法を
実行する装置構成を示す。この例は、試料面における測
定対象領域にて探針を走査させるためのＸ軸用圧電素子
及びＹ軸用圧電素子の一方、例えばＸ軸用の圧電素子に
係わるものである。実際の装置ではＹ軸用の圧電素子に
対しても同様の駆動方法を採用し、探針を測定対象領域
で走査する。図１で、１は駆動対象である圧電素子で、
圧電素子１は積層構造で長形に形成される。２は圧電素
子１の長手方向Ｘの長さを変え、変位を発生させるため
の印加電圧を出力する電圧発生器である。電圧発生器２
から圧電素子１に印加される電圧の大きさは、圧電素子
１で発生させる目標変位に応じて決定される。電圧発生
器２に対して、必要とされる印加電圧の発生を指示する
ための入力信号は、目標変位入力装置３と演算装置４に
よって生成される。
【００１１】圧電素子１を伸縮駆動するための上記装置
の作動を説明する。目標変位入力装置３は、圧電素子１
で発生させる変位量を指定するための装置である。目標
変位入力装置３では、圧電素子１で発生させる目標変位
量（ΔＸ）と印加電圧範囲の中心電圧（Ｖ0 ）がデータ
として入力される。この入力は、操作者がキーボードを
用いてキー操作で入力しても良いし、インタフェースを
介して外部指令装置から供給される信号という形式で与
えることもできる。圧電素子１において、必要とされる
変位量を発生するためには、当該変位量に対応する駆動
電圧を圧電素子１に印加する必要がある。しかし、圧電
素子の変位量は、従来技術の箇所で述べた通り、印加電
圧の範囲に応じて異なるので、大きな印加電圧範囲によ
って得られた変位特性を基礎に、単純に比例配分を行っ
て、印加電圧を決めることはできない。そこで本実施例
では、上記の目標変位量の指定と併せて、印加しようと
する電圧範囲を、例えばその中心電圧という形で指定す
る。従ってこの場合、中心電圧は、印加しようとする電
圧範囲を特定するための基準電圧としての役割を有す
る。なお、この基準電圧としては、印加電圧範囲を特定
することが可能であれば、後述する如く、印加電圧範囲
の中心に位置する電圧値の代わりに他の位置に存する電
圧値を用いることができる。このようにして目標変位入
力装置に入力された目標変位量（ΔＸ）と中心電圧（Ｖ
0 ）に関するデータは、演算装置４に与えられる。演算
装置４には、予め圧電素子１に関して、その印加電圧範
囲の振幅（ΔＶ）と当該電圧範囲の中心電圧（Ｖ0 ）と
単位電圧当りの変位量（Ｇ）との関係に関する近似式が
記憶され、用意されている。この近似式の作り方につい
ては、後で説明する。演算装置４は、目標変位入力装置
３から供給される目標変位量（ΔＸ）と中心電圧（Ｖ
0 ）の各データを入力し、用意された近似式を用いて圧
電素子１に印加すべき電圧を算出し、この算出された電
圧に対応する信号を出力して電圧発生器２に与える。そ
うすると、電圧発生器２は入力信号に基づいて前記電圧
を出力し、圧電素子１に対して算出された前記電圧を印
加する。こうして、圧電素子１では、目標変位量が生じ
る。
の作動を説明する。目標変位入力装置３は、圧電素子１
で発生させる変位量を指定するための装置である。目標
変位入力装置３では、圧電素子１で発生させる目標変位
量（ΔＸ）と印加電圧範囲の中心電圧（Ｖ0 ）がデータ
として入力される。この入力は、操作者がキーボードを
用いてキー操作で入力しても良いし、インタフェースを
介して外部指令装置から供給される信号という形式で与
えることもできる。圧電素子１において、必要とされる
変位量を発生するためには、当該変位量に対応する駆動
電圧を圧電素子１に印加する必要がある。しかし、圧電
素子の変位量は、従来技術の箇所で述べた通り、印加電
圧の範囲に応じて異なるので、大きな印加電圧範囲によ
って得られた変位特性を基礎に、単純に比例配分を行っ
て、印加電圧を決めることはできない。そこで本実施例
では、上記の目標変位量の指定と併せて、印加しようと
する電圧範囲を、例えばその中心電圧という形で指定す
る。従ってこの場合、中心電圧は、印加しようとする電
圧範囲を特定するための基準電圧としての役割を有す
る。なお、この基準電圧としては、印加電圧範囲を特定
することが可能であれば、後述する如く、印加電圧範囲
の中心に位置する電圧値の代わりに他の位置に存する電
圧値を用いることができる。このようにして目標変位入
力装置に入力された目標変位量（ΔＸ）と中心電圧（Ｖ
0 ）に関するデータは、演算装置４に与えられる。演算
装置４には、予め圧電素子１に関して、その印加電圧範
囲の振幅（ΔＶ）と当該電圧範囲の中心電圧（Ｖ0 ）と
単位電圧当りの変位量（Ｇ）との関係に関する近似式が
記憶され、用意されている。この近似式の作り方につい
ては、後で説明する。演算装置４は、目標変位入力装置
３から供給される目標変位量（ΔＸ）と中心電圧（Ｖ
0 ）の各データを入力し、用意された近似式を用いて圧
電素子１に印加すべき電圧を算出し、この算出された電
圧に対応する信号を出力して電圧発生器２に与える。そ
うすると、電圧発生器２は入力信号に基づいて前記電圧
を出力し、圧電素子１に対して算出された前記電圧を印
加する。こうして、圧電素子１では、目標変位量が生じ
る。
【００１２】演算装置４に予め用意される前述の近似式
について説明する。最初に１次式に基づいて作られる近
似式の実施例を説明する。圧電素子１の印加電圧の範囲
をいろいろに変えて当該圧電素子の変位を発生させたと
きに、各電圧範囲の単位電圧（２０Ｖ）当りの変位量を
測定すると、図２に示す如くなる。図２において、左端
の縦方向には例えば１〜１４のデータ番号が記載され、
上端の横方向には電圧範囲（Ｖ；ボルト）、この電圧範
囲の中心電圧Ｖ0 （Ｖ）、電圧範囲の電圧振幅ΔＶ
（Ｖ）、単位電圧当りの変位量の実測値Ｇｍ（μｍ／２
０Ｖ）の各項目が記載されている。なお、電圧範囲の中
心電圧は印加電圧範囲の中心に位置する電圧値であり、
電圧範囲の振幅は当該範囲の最大値と最小値の差の大き
さであり、単位電圧当りの変位量は、単位電圧を２０Ｖ
として変位量を２０Ｖ当りに比例させて換算したもので
ある。このようにして図２の表ではデータ番号１〜１４
の各電圧範囲に関して、前述の各項目の内容が記載され
ている。本実施例では、この図２に示された表に従って
１次式の近似式を求める。
について説明する。最初に１次式に基づいて作られる近
似式の実施例を説明する。圧電素子１の印加電圧の範囲
をいろいろに変えて当該圧電素子の変位を発生させたと
きに、各電圧範囲の単位電圧（２０Ｖ）当りの変位量を
測定すると、図２に示す如くなる。図２において、左端
の縦方向には例えば１〜１４のデータ番号が記載され、
上端の横方向には電圧範囲（Ｖ；ボルト）、この電圧範
囲の中心電圧Ｖ0 （Ｖ）、電圧範囲の電圧振幅ΔＶ
（Ｖ）、単位電圧当りの変位量の実測値Ｇｍ（μｍ／２
０Ｖ）の各項目が記載されている。なお、電圧範囲の中
心電圧は印加電圧範囲の中心に位置する電圧値であり、
電圧範囲の振幅は当該範囲の最大値と最小値の差の大き
さであり、単位電圧当りの変位量は、単位電圧を２０Ｖ
として変位量を２０Ｖ当りに比例させて換算したもので
ある。このようにして図２の表ではデータ番号１〜１４
の各電圧範囲に関して、前述の各項目の内容が記載され
ている。本実施例では、この図２に示された表に従って
１次式の近似式を求める。
【００１３】印加電圧範囲の中心電圧Ｖ0 と振幅ΔＶを
変数として、単位電圧当りの変位量Ｇを決定する近似式
を、１次式に基づく式で求める。先ず、ΔＶとＧを関係
づけ、単純な１次式で近似し、
変数として、単位電圧当りの変位量Ｇを決定する近似式
を、１次式に基づく式で求める。先ず、ΔＶとＧを関係
づけ、単純な１次式で近似し、
【００１４】
【数１】 Ｇ＝ｋ1 ・ΔＶ＋ｋ2 ・・・・・・（１） とする。ここでｋ1 ，ｋ2 はＶ0 によって変化する値で
あるので、ｋ1 ，ｋ2 をそれぞれ、更に１次式で近似す
ると、
あるので、ｋ1 ，ｋ2 をそれぞれ、更に１次式で近似す
ると、
【００１５】
【数２】 ｋ1 ＝ｋ3 Ｖ0 ＋ｋ4 ・・・・・・（２）
【００１６】
【数３】 ｋ2 ＝ｋ5 Ｖ0 ＋ｋ6 ・・・・・・（３） とおくことができる。上記の（１）〜（３）によって単
位電圧当りの変位量Ｇは、
位電圧当りの変位量Ｇは、
【００１７】
【数４】 Ｇ＝ｋ3 Ｖ0 ΔＶ＋ｋ5 Ｖ0 ＋ｋ4 ΔＶ＋ｋ6 ・・・・（４） となる。
【００１８】（４）式における係数ｋ3 ，ｋ5 ，ｋ4，
ｋ6 をそれぞれａ，ｂ，ｃ，ｄと書き換えると、
ｋ6 をそれぞれａ，ｂ，ｃ，ｄと書き換えると、
【００１９】
【数５】 Ｇ＝ａＶ0 ΔＶ＋ｂＶ0 ＋ｃΔＶ＋ｄ ・・・（５） となる。
【００２０】上記の如く単位電圧当りの変位量Ｇは、中
心電圧Ｖ0 と電圧振幅ΔＶを関係づけた近似式で求める
ことができる。この近似式において、係数ａ，ｂ，ｃ，
ｄは駆動対象である圧電素子ごとに決定される。この実
施例の場合、圧電素子１について得た図２の１４組のデ
ータを、最小二乗法を用いて上記（５）式に適合させ、
係数ａ，ｂ，ｃ，ｄを決定する。このようにして、近似
式（５）が確定する。
心電圧Ｖ0 と電圧振幅ΔＶを関係づけた近似式で求める
ことができる。この近似式において、係数ａ，ｂ，ｃ，
ｄは駆動対象である圧電素子ごとに決定される。この実
施例の場合、圧電素子１について得た図２の１４組のデ
ータを、最小二乗法を用いて上記（５）式に適合させ、
係数ａ，ｂ，ｃ，ｄを決定する。このようにして、近似
式（５）が確定する。
【００２１】上記最小二乗法は周知の演算方法である
が、以下に当該演算方法を概説する。今、（ｘi，ｙi，
ｚi ） ただしｉ＝１…ｎ、というｎ組のデータでｚ＝
ａｘｙ＋ｂｘ＋ｃｙ＋ｄの式を近似すると仮定し、次の
行列を得る。
が、以下に当該演算方法を概説する。今、（ｘi，ｙi，
ｚi ） ただしｉ＝１…ｎ、というｎ組のデータでｚ＝
ａｘｙ＋ｂｘ＋ｃｙ＋ｄの式を近似すると仮定し、次の
行列を得る。
【００２２】
【数６】
【００２３】上記の行列式において、加算記号を表すΣ
は、ｉに関し１〜ｎまでの加算を行うものとする。上記
行列の逆行列を求めると、ａ〜ｄは、
は、ｉに関し１〜ｎまでの加算を行うものとする。上記
行列の逆行列を求めると、ａ〜ｄは、
【００２４】
【数７】
【００２５】として求めることができる。前式に具体的
にデータを入れて計算すると、前記近似式（５）の係数
ａ，ｂ，ｃ，ｄを求めることができる。
にデータを入れて計算すると、前記近似式（５）の係数
ａ，ｂ，ｃ，ｄを求めることができる。
【００２６】従って、図２の表に示された１４組のデー
タを用いて前記の計算手順に基づいて係数ａ，ｂ，ｃ，
ｄを計算すると、前記近似式（５）は、
タを用いて前記の計算手順に基づいて係数ａ，ｂ，ｃ，
ｄを計算すると、前記近似式（５）は、
【００２７】
【数８】 Ｇ＝−0.000165Ｖ0 ΔＶ−0.00442 Ｖ0 ＋0.0175ΔＶ＋2.24・・・（８） として求めることができる。この式は圧電素子１の変位
を制御するために使用される近似式で、演算装置４の内
部メモリに格納される。
を制御するために使用される近似式で、演算装置４の内
部メモリに格納される。
【００２８】図３には、前記近似式（８）による近似の
結果を、それぞれ中心電圧を与えてグラフ形式で示す。
図３の各図において横軸は電圧振幅ΔＶであり、縦軸は
単位電圧当りの変位量Ｇである。図３において、（Ａ）
は中心電圧Ｖ0 が５０Ｖである場合のグラフであり、こ
の時、近似式は、Ｖ0 ＝５０Ｖとして、Ｇ＝0.00925Δ
Ｖ＋2.019 で与えられる。図３中直線が上記近似式を表
す直線グラフであり、×印でプロットした点は図２の表
のデータ値をそのままプロットしたものである。図３
（Ａ）で明らかなように、直線は実際のデータに非常に
良く近似されている。同様にして、図３（Ｂ）は中心電
圧Ｖ0 が２０Ｖの場合を示し、図３（Ｃ）は中心電圧Ｖ
0 が８０Ｖの場合を示す。これらの場合でも、それぞれ
の中心電圧Ｖ 0 の値を代入して決定された近似式は、
プロットされた測定データを高い精度で近似している。
近似式（８）と図２の表で示された各電圧範囲における
実際のデータとの誤差は、最大でも４％である。従って
従来の誤差と比較すると、極めて小さい誤差となり、そ
の効果は顕著である。
結果を、それぞれ中心電圧を与えてグラフ形式で示す。
図３の各図において横軸は電圧振幅ΔＶであり、縦軸は
単位電圧当りの変位量Ｇである。図３において、（Ａ）
は中心電圧Ｖ0 が５０Ｖである場合のグラフであり、こ
の時、近似式は、Ｖ0 ＝５０Ｖとして、Ｇ＝0.00925Δ
Ｖ＋2.019 で与えられる。図３中直線が上記近似式を表
す直線グラフであり、×印でプロットした点は図２の表
のデータ値をそのままプロットしたものである。図３
（Ａ）で明らかなように、直線は実際のデータに非常に
良く近似されている。同様にして、図３（Ｂ）は中心電
圧Ｖ0 が２０Ｖの場合を示し、図３（Ｃ）は中心電圧Ｖ
0 が８０Ｖの場合を示す。これらの場合でも、それぞれ
の中心電圧Ｖ 0 の値を代入して決定された近似式は、
プロットされた測定データを高い精度で近似している。
近似式（８）と図２の表で示された各電圧範囲における
実際のデータとの誤差は、最大でも４％である。従って
従来の誤差と比較すると、極めて小さい誤差となり、そ
の効果は顕著である。
【００２９】以上の如く、演算装置４の内部には、圧電
素子１の変位を制御するための近似式（８）が用意され
ている。演算装置４は、目標変位入力装置３から目標変
位量ΔＸと中心電圧Ｖ0 を与えられると、その目標変位
量ΔＸに見合う印加電圧の振幅ΔＶは目標変位量ΔＸと
単位電圧当りの変位量Ｇから求まることから、その印加
電圧の振幅ΔＶを、前記（８）式を変形して得られる、
素子１の変位を制御するための近似式（８）が用意され
ている。演算装置４は、目標変位入力装置３から目標変
位量ΔＸと中心電圧Ｖ0 を与えられると、その目標変位
量ΔＸに見合う印加電圧の振幅ΔＶは目標変位量ΔＸと
単位電圧当りの変位量Ｇから求まることから、その印加
電圧の振幅ΔＶを、前記（８）式を変形して得られる、
【００３０】
【数９】 ΔＶ＝（Ｇ＋0.00442 Ｖ0 −2.24）／（−0.000165Ｖ0 ＋0.0175）・・（９） の式により求める。このように演算装置４は、上記の式
（９）により、目標変位量ΔＸと中心電圧Ｖ0 が与えら
れると、印加電圧の振幅ΔＶを算出し、中心電圧Ｖ 0 で
その振幅ΔＶを得る電圧を求め、この電圧を圧電素子１
に印加して圧電素子１を駆動し、目標とする変位量ΔＸ
を達成する。
（９）により、目標変位量ΔＸと中心電圧Ｖ0 が与えら
れると、印加電圧の振幅ΔＶを算出し、中心電圧Ｖ 0 で
その振幅ΔＶを得る電圧を求め、この電圧を圧電素子１
に印加して圧電素子１を駆動し、目標とする変位量ΔＸ
を達成する。
【００３１】次に、２次式に基づいて作成されで２次式
で表現される近似式の実施例について説明する。前記の
場合と同様に、印加電圧範囲の中心電圧Ｖ0と振幅ΔＶ
を変数とする。前述した図３において、例えば（Ａ）で
厳密にデータ点の配列状態を見ると、上に凸の曲線を描
いている。従って単純に１次式で近似させるよりも、２
次式で近似した方が精度が向上する。そこで、次のよう
な２変数２次式を用いた近似式を設定する。
で表現される近似式の実施例について説明する。前記の
場合と同様に、印加電圧範囲の中心電圧Ｖ0と振幅ΔＶ
を変数とする。前述した図３において、例えば（Ａ）で
厳密にデータ点の配列状態を見ると、上に凸の曲線を描
いている。従って単純に１次式で近似させるよりも、２
次式で近似した方が精度が向上する。そこで、次のよう
な２変数２次式を用いた近似式を設定する。
【００３２】
【数１０】 Ｇ＝（ｋ1 Ｖ0 2 ＋ｋ2 Ｖ0 ＋ｋ3 ）（ｋ4 ΔＶ2 ＋ｋ5 ΔＶ＋ｋ6 ） ＝ｋ1 ｋ4 Ｖ0 2 ΔＶ2 ＋ｋ1 ｋ5 Ｖ0 2 ΔＶ＋ｋ1 ｋ6 Ｖ0 2 ＋ｋ2 ｋ4 Ｖ0 ΔＶ2 ＋ｋ2 ｋ5 Ｖ0 ΔＶ＋ｋ2 ｋ6 Ｖ0 +k3 ｋ4 ΔＶ2 ＋ｋ3 ｋ5 ΔＶ＋ｋ3 ｋ6 ・・・・（１０） となる。ここで、ｋ1 〜ｋ6 は係数である。（１０）式
における係数を次のように書換える。
における係数を次のように書換える。
【００３３】
【数１１】 Ｇ＝ｋ22Ｖ0 2 ΔＶ2 ＋ｋ21Ｖ0 2 ΔＶ＋ｋ20Ｖ0 2 ＋ｋ12Ｖ0 ΔＶ2 ＋ｋ11Ｖ0 ΔＶ＋ｋ10Ｖ0 ＋ｋ02ΔＶ2 ＋ｋ01ΔＶ＋ｋ00 ・・・・・・（１１） 上記の近似式（１１）において、係数ｋ22〜ｋ00は、駆
動対象である圧電素子ごとに決定される。例えば所定の
組のデータを、前記の実施例の場合と同様に最小二乗法
を用いて上記（１１）式に適合させ、係数ｋ22〜ｋ00を
決定する。こうして、近似式（１１）が確定する。
動対象である圧電素子ごとに決定される。例えば所定の
組のデータを、前記の実施例の場合と同様に最小二乗法
を用いて上記（１１）式に適合させ、係数ｋ22〜ｋ00を
決定する。こうして、近似式（１１）が確定する。
【００３４】ここで２変数２次式の近似式についての最
小二乗法の適用例を説明する。前記の実施例と同様に、
（ｘi，ｙi，ｚi ） ただしｉ＝１…ｎ、というｎ組の
データで、 ｚ＝ｋ22ｘ2 ｙ2 ＋ｋ21ｘ2 ｙ＋ｋ20ｘ2 ＋ｋ12ｘｙ2 ＋ｋ11ｘｙ＋ｋ10ｘ ＋ｋ02ｙ2 ＋ｋ01ｙ＋ｋ00 の式を近似すると仮定し、次の行列を考える。
小二乗法の適用例を説明する。前記の実施例と同様に、
（ｘi，ｙi，ｚi ） ただしｉ＝１…ｎ、というｎ組の
データで、 ｚ＝ｋ22ｘ2 ｙ2 ＋ｋ21ｘ2 ｙ＋ｋ20ｘ2 ＋ｋ12ｘｙ2 ＋ｋ11ｘｙ＋ｋ10ｘ ＋ｋ02ｙ2 ＋ｋ01ｙ＋ｋ00 の式を近似すると仮定し、次の行列を考える。
【００３５】
【数１２】
【００３６】上記行列の逆行列を求めると、係数はｋ22
〜ｋ00は、次式で求められる。
〜ｋ00は、次式で求められる。
【００３７】
【数１３】
【００３８】上記に具体的にデータを入れて計算する
と、前記近似式（１１）の係数ｋ22〜ｋ00を求めること
ができる。
と、前記近似式（１１）の係数ｋ22〜ｋ00を求めること
ができる。
【００３９】ここで、図４の表に示されたデータを用い
て前記の計算手順に基づいて、係数ｋ22〜ｋ00を計算す
ると、前記近似式ｋ22〜ｋ00は次のようになる ｋ22＝1.932 ×１０-9 ｋ21＝-2.467×１０-7 ｋ20＝-1.159×１０-4 ｋ12＝7.775 ×１０-7 ｋ11＝-3.814×１０-4 ｋ10＝-5.340×１０-5 ｋ02＝-2.411×１０-4 ｋ01＝6.553 ×１０-2 ｋ00＝5.512 上記の係数を用いて、近似式（１１）で計算して求めた
単位電圧当りの変位量Ｇが図４の表内の「Ｇ 近似式で
計算したGain」である。図４の表内の「ＧｍGainの実測
値」は単位電圧当たりの変位量の実測値である。図４の
表におけるＧｍとＧの差が近似式（１１）を用いた場合
の誤差となる。その誤差を％で表した値を、図の表の右
端に示した。最大誤差でも、１．３％となっており、極
めて良い近似となっていることが分る。
て前記の計算手順に基づいて、係数ｋ22〜ｋ00を計算す
ると、前記近似式ｋ22〜ｋ00は次のようになる ｋ22＝1.932 ×１０-9 ｋ21＝-2.467×１０-7 ｋ20＝-1.159×１０-4 ｋ12＝7.775 ×１０-7 ｋ11＝-3.814×１０-4 ｋ10＝-5.340×１０-5 ｋ02＝-2.411×１０-4 ｋ01＝6.553 ×１０-2 ｋ00＝5.512 上記の係数を用いて、近似式（１１）で計算して求めた
単位電圧当りの変位量Ｇが図４の表内の「Ｇ 近似式で
計算したGain」である。図４の表内の「ＧｍGainの実測
値」は単位電圧当たりの変位量の実測値である。図４の
表におけるＧｍとＧの差が近似式（１１）を用いた場合
の誤差となる。その誤差を％で表した値を、図の表の右
端に示した。最大誤差でも、１．３％となっており、極
めて良い近似となっていることが分る。
【００４０】図４の測定データで、近似式（１１）を使
用しなかった場合の誤差を考えてみる。この場合ゲイン
の基準値としては、通常０−１００Ｖの特性の7.84μｍ
／100 Ｖを基準にすることになる。これに対して、図４
の最下段の９５−１００Ｖの特性では4.57μｍ／100 Ｖ
となっており、近似式（１１）を使用しなければ、両者
の差がそのまま誤差となる。この場合の誤差は、(7.84-
4.57 )/7.84=0.417 であり、実に４１．７％の大きな誤
差となる。
用しなかった場合の誤差を考えてみる。この場合ゲイン
の基準値としては、通常０−１００Ｖの特性の7.84μｍ
／100 Ｖを基準にすることになる。これに対して、図４
の最下段の９５−１００Ｖの特性では4.57μｍ／100 Ｖ
となっており、近似式（１１）を使用しなければ、両者
の差がそのまま誤差となる。この場合の誤差は、(7.84-
4.57 )/7.84=0.417 であり、実に４１．７％の大きな誤
差となる。
【００４１】上記の如く、最大４１．７％の誤差が、上
記の近似式で補正することにより、１．３％以下の誤差
となる。従って、本発明による近似式を利用した圧電素
子の駆動方法の効果は極めて顕著に現われる。
記の近似式で補正することにより、１．３％以下の誤差
となる。従って、本発明による近似式を利用した圧電素
子の駆動方法の効果は極めて顕著に現われる。
【００４２】以上の各実施例の説明では、印加しようと
する電圧範囲を特定する基準電圧として、電圧範囲の振
幅の中心値である中心電圧を用いる構成としたが、前述
の通り、中心電圧の代わりに、電圧範囲に含まれる他の
電圧を用いることができる。他の電圧の例としては、印
加電圧範囲の最小電圧、最大電圧、あるいは印加電圧範
囲に含まれる中間的な電圧である。従って、電圧範囲に
含まれている任意な電圧を基準電圧として利用すること
ができる。このように中心電圧以外の電圧を基準電圧と
して利用する場合には、前記の実施例において、例え
ば、関係式（５）の式構造は同一であるが、その係数ａ
〜ｄの値は、基準電圧として選択された電圧に応じて適
宜に決定される。２次式の実施例の場合も同様である。
する電圧範囲を特定する基準電圧として、電圧範囲の振
幅の中心値である中心電圧を用いる構成としたが、前述
の通り、中心電圧の代わりに、電圧範囲に含まれる他の
電圧を用いることができる。他の電圧の例としては、印
加電圧範囲の最小電圧、最大電圧、あるいは印加電圧範
囲に含まれる中間的な電圧である。従って、電圧範囲に
含まれている任意な電圧を基準電圧として利用すること
ができる。このように中心電圧以外の電圧を基準電圧と
して利用する場合には、前記の実施例において、例え
ば、関係式（５）の式構造は同一であるが、その係数ａ
〜ｄの値は、基準電圧として選択された電圧に応じて適
宜に決定される。２次式の実施例の場合も同様である。
【００４３】上記の如く、印加電圧範囲を特定するため
の基準電圧は、基本的に任意に定めることができるので
あるが、ここで基準電圧の選択の仕方の一例を挙げてお
く。先ず、印加電圧範囲を設定したら、最小電圧値を選
択する。これが最も容易である。他の電圧を利用する場
合に、例えば最大電圧値を用いるときには、最小電圧値
に印加電圧範囲の全範囲電圧を加算することにより最大
電圧値を決定する。中心電圧を選択するときには、最小
電圧値に、前記全範囲電圧を０．５倍したものを加算す
る。更に、中間電圧を選択する場合には、最小電圧値
に、前記全範囲電圧を任意の割合の数値を掛けたものを
換算する。こうして、基準電圧を適宜に選択することが
できる。また。以上の基準電圧の決定の仕方は、最大電
圧値から始めることも可能である。基準電圧の決定の仕
方は、極めて任意性の高いものである。
の基準電圧は、基本的に任意に定めることができるので
あるが、ここで基準電圧の選択の仕方の一例を挙げてお
く。先ず、印加電圧範囲を設定したら、最小電圧値を選
択する。これが最も容易である。他の電圧を利用する場
合に、例えば最大電圧値を用いるときには、最小電圧値
に印加電圧範囲の全範囲電圧を加算することにより最大
電圧値を決定する。中心電圧を選択するときには、最小
電圧値に、前記全範囲電圧を０．５倍したものを加算す
る。更に、中間電圧を選択する場合には、最小電圧値
に、前記全範囲電圧を任意の割合の数値を掛けたものを
換算する。こうして、基準電圧を適宜に選択することが
できる。また。以上の基準電圧の決定の仕方は、最大電
圧値から始めることも可能である。基準電圧の決定の仕
方は、極めて任意性の高いものである。
【００４４】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、圧電素子の駆動制御装置にあらかじめ当該圧電
素子の変位特性を考慮にいれた近似式を用意してこの近
似式を用いて印加電圧の振幅を決定し、印加電圧を決定
するため、印加電圧範囲に応じて変位が異なる圧電素子
変位特性に起因して発生する誤差を低減することができ
る。また圧電素子の駆動において誤差を小さくすること
ができたため、レーザ変位計等の高価な変位測定装置を
別個に設ける必要がなくなり、かかる駆動方法を備えた
圧電素子を、試料面における測定対象領域にて探針を走
査させるためのＸ軸用圧電素子及びＹ軸用圧電素子とし
て用いて微動機構を作製すると、安価で且つ精度の高い
微動機構を実現することができる。
よれば、圧電素子の駆動制御装置にあらかじめ当該圧電
素子の変位特性を考慮にいれた近似式を用意してこの近
似式を用いて印加電圧の振幅を決定し、印加電圧を決定
するため、印加電圧範囲に応じて変位が異なる圧電素子
変位特性に起因して発生する誤差を低減することができ
る。また圧電素子の駆動において誤差を小さくすること
ができたため、レーザ変位計等の高価な変位測定装置を
別個に設ける必要がなくなり、かかる駆動方法を備えた
圧電素子を、試料面における測定対象領域にて探針を走
査させるためのＸ軸用圧電素子及びＹ軸用圧電素子とし
て用いて微動機構を作製すると、安価で且つ精度の高い
微動機構を実現することができる。
【００４５】近似式としては、各変数につき、シンプル
な近似を行う場合には１次式を適用し、より厳密な近似
を行う場合には２次式を適用し、それぞれ、要求される
精度に応じて近似式を選択し、利用することができる。
な近似を行う場合には１次式を適用し、より厳密な近似
を行う場合には２次式を適用し、それぞれ、要求される
精度に応じて近似式を選択し、利用することができる。
【図１】本発明に係る圧電素子の駆動方法を実行する装
置の構成図である。
置の構成図である。
【図２】各種の印加電圧範囲について測定した変位デー
タを表形式で示す図である。
タを表形式で示す図である。
【図３】近似式のグラフを印加電圧範囲を異ならせて描
いた図である。
いた図である。
【図４】他の変位データを表形式で示す図である
【図５】０−１００Ｖにおける圧電素子の変位特性を説
明するための図である。
明するための図である。
【図６】８０−１００Ｖにおける圧電素子の変位特性を
説明するための図である。
説明するための図である。
１ 圧電素子 ２ 電圧発生器 ３ 目標変位入力装置 ４ 演算装置
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−296778（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G05D 3/00 - 3/20 B25J 1/00 - 21/02
Claims (10)
- 【請求項１】圧電素子に印加すべき電圧範囲の基準電圧
とその電圧範囲で発生すべき目標変位量とを入力し、そ
の基準電圧と目標変位量に応じた電圧範囲の電圧を圧電
素子に印加し前記目標変位量を生じさせる圧電素子の駆
動方法において、 （ａ）各種の印加電圧範囲について測定した圧電素子の
変位データを用いて印加電圧範囲の振幅と、その印加電
圧範囲の基準電圧と、圧電素子の単位電圧あたりの変位
量との関係を表わす近似式を設定し記憶させておくこ
と、 （ｂ）前記基準電圧と目標変位量を入力し、前記近似式
を用いることにより、その基準電圧で前記目標変位量を
発生させる印加電圧範囲の振幅を求め、圧電素子の印加
電圧範囲を決定すること、 （ｃ）前記印加電圧範囲に応じた電圧を圧電素子に印加
することを特徴とする圧電素子の駆動方法。 - 【請求項２】請求項１記載の圧電素子の駆動方法におい
て、前記手順（ａ）で設定される近似式は、前記印加電
圧範囲の振幅と前記基準電圧と前記単位電圧あたりの変
位量との一次関数であることを特徴とする圧電素子の駆
動方法。 - 【請求項３】請求項１記載の圧電素子の駆動方法におい
て、前記印加電圧範囲の振幅をΔＶ、前記基準電圧をＶ
0、前記単位電圧あたりの変位量をＧ、前記圧電素子の
変位特性に依存して決定される係数をａ，ｂ，ｃ，ｄと
するとき、前記手順（ａ）で設定される近似式は、 Ｇ＝ａＶ0ΔＶ＋ｂＶ0＋ｃΔＶ＋ｄ で表わされることを特徴とする圧電素子の駆動方法。 - 【請求項４】請求項１記載の圧電素子の駆動方法におい
て、前記手順（ａ）で設定される近似式は、前記印加電
圧範囲の振幅と前記基準電圧と前記単位電圧あたりの変
位量との二次関数であることを特徴とする圧電素子の駆
動方法。 - 【請求項５】請求項１記載の圧電素子の駆動方法におい
て、前記印加電圧範囲の振幅をΔＶ、前記基準電圧をＶ
0、前記単位電圧あたりの変位量をＧ、前記圧電素子の
変位特性に依存して決定される係数を、ｋ22，ｋ21，ｋ
20，ｋ12，ｋ11，ｋ10，ｋ02，ｋ01，ｋ00とするとき、
前記手順（ａ）で設定される近似式は、 Ｇ＝ｋ22Ｖ0 2ΔＶ2＋ｋ21Ｖ0 2ΔＶ＋ｋ20Ｖ0 2 ＋ｋ12Ｖ0ΔＶ2＋ｋ11Ｖ0ΔＶ＋ｋ10Ｖ0 ＋ｋ02ΔＶ2＋ｋ01ΔＶ＋ｋ00 で表わされることを特徴とする圧電素子の駆動方法。 - 【請求項６】請求項１〜５のいずれか１項記載の圧電素
子の駆動方法において、前記基準電圧は、前記印加電圧
範囲の振幅の中心に位置する電圧値であることを特徴と
する圧電素子の駆動方法。 - 【請求項７】請求項１〜５のいずれか１項記載の圧電素
子の駆動方法において、前記基準電圧は、前記印加電圧
範囲の振幅の最大電圧値あるいは最小電圧値であること
を特徴とする圧電素子の駆動方法。 - 【請求項８】圧電素子に印加すべき電圧範囲の基準電圧
とその電圧範囲で発生すべき目標変位量とを入力し、そ
の基準電圧と目標変位量に応じた電圧範囲の電圧を圧電
素子に印加し前記目標変位量を生じさせる圧電素子の駆
動装置において、 （ａ）前記印加電圧範囲の基準電圧と前記目標変位量と
を入力する入力手段と、 （ｂ）各種の印加電圧範囲について測定した圧電素子の
変位データを用いて設定された、印加電圧範囲の振幅
と、その印加電圧範囲の基準電圧と、圧電素子の単位電
圧あたりの変位量との関係を表わす近似式が記憶されて
おり、前記入力手段により印加電圧範囲の基準電圧と目
標変位量が入力されると、前記近似式を用い、その基準
電圧で前記目標変位量を発生させる印加電圧範囲の振幅
を求め前記印加電圧範囲を決定する演算手段と、 （ｃ）前記印加電圧範囲に応じた 電圧を圧電素子に印加
する電圧発生手段とを備えることを特徴とする圧電素子
の駆動装置。 - 【請求項９】請求項８記載の圧電素子の駆動装置におい
て、前記印加電圧範囲の振幅をΔＶ、前記基準電圧をＶ
0、前記単位電圧あたりの変位量をＧ、前記圧電素子の
変位特性に依存して決定される係数をａ，ｂ，ｃ，ｄと
するとき、前記演算手段に記憶される近似式は、 Ｇ＝ａＶ0ΔＶ＋ｂＶ0＋ｃΔＶ＋ｄ で表わされることを特徴とする圧電素子の駆動装置。 - 【請求項１０】請求項８記載の圧電素子の駆動装置にお
いて、前記印加電圧範囲の振幅をΔＶ、前記基準電圧を
Ｖ0、前記単位電圧あたりの変位量をＧ、前記圧電素子
の変位特性に依存して決定される係数を、ｋ22，ｋ21，
ｋ20，ｋ12，ｋ11，ｋ10，ｋ02，ｋ01，ｋ00とすると
き、前記演算手段に記憶される近似式は、 Ｇ＝ｋ22Ｖ0 2ΔＶ2＋ｋ21Ｖ0 2ΔＶ＋ｋ20Ｖ0 2 ＋ｋ12Ｖ0ΔＶ2＋ｋ11Ｖ0ΔＶ＋ｋ10Ｖ0 ＋ｋ02ΔＶ2＋ｋ01ΔＶ＋ｋ00 で表わされることを特徴とする圧電素子の駆動装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31682391A JP3198132B2 (ja) | 1991-05-10 | 1991-11-29 | 圧電素子の駆動方法及び装置 |
| PCT/JP1992/001569 WO2004081684A1 (ja) | 1991-11-29 | 1992-11-30 | 圧電素子の駆動方法及び装置並びに微動機構の制御装置 |
| US08/090,218 US5384507A (en) | 1991-11-29 | 1992-11-30 | Method of and device for driving piezo-electric elements and system for controlling micromotion mechanism |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10585591 | 1991-05-10 | ||
| JP3-105855 | 1991-05-10 | ||
| JP31682391A JP3198132B2 (ja) | 1991-05-10 | 1991-11-29 | 圧電素子の駆動方法及び装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0535334A JPH0535334A (ja) | 1993-02-12 |
| JP3198132B2 true JP3198132B2 (ja) | 2001-08-13 |
Family
ID=26446084
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31682391A Expired - Fee Related JP3198132B2 (ja) | 1991-05-10 | 1991-11-29 | 圧電素子の駆動方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3198132B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3319854B2 (ja) * | 1994-02-04 | 2002-09-03 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | 走査型電子顕微鏡 |
| JP4415631B2 (ja) * | 2003-10-02 | 2010-02-17 | 株式会社安川電機 | 制御装置 |
-
1991
- 1991-11-29 JP JP31682391A patent/JP3198132B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0535334A (ja) | 1993-02-12 |
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