JPH09182466A - 圧電素子用増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電素子の絶縁抵抗の低下による入力の直流
成分に対する制御劣化を改善し、入力の交流成分に対し
ては印加電圧と圧電素子の変位特性のヒステリシスを低
減する効果を有する電荷制御型増幅器を提供すること。 【解決手段】 制御入力信号と帰還信号との差電圧を増
幅する差動増幅器１と、該差動増幅器の出力信号を増幅
し、圧電素子４と電荷検出コンデンサ５との直列回路の
両端間に出力する電力増幅器３とを有し、かつ電荷検出
コンデンサ５の両端電圧を差動増幅器１の帰還信号とす
る圧電素子用増幅器であって、圧電素子４と並列接続さ
れる第１の付加抵抗６と、電荷検出コンデンサ５に並列
接続される第２の付加抵抗７とを有し、圧電素子４の絶
縁抵抗と第１の付加抵抗６との合成抵抗値と、電荷検出
コンデンサ５の絶縁抵抗と第２の付加抵抗７との合成抵
抗値との比が電荷検出コンデンサ５の静電容量と圧電素
子４の静電容量との比にほぼ等しくなるように第１の付
加抵抗６及び第２の付加抵抗７の定数を選択するように
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子用の増幅
器に係り、特に、圧電素子をアクチュエータとして用い
る場合に好敵な圧電素子用の電荷制御型増幅器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】アクティブ除振装置における従来技術の
原理によれば、床振動に対して機器を搭載する定盤の振
動を大幅に低減する効果が得られる。

【０００３】アクティブ除振装置は、定盤の水平方向、
上下方向及び回転方向等の自由度の振動を能動的に抑制
するための複数本のアクチュエータと、振動を検出する
検出器と、この検出器による検出データに基づいてアク
チュエータを制御するためのコントローラと、このコン
トローラからの信号を増幅する増幅器とを有し、この増
幅器の出力によりアクチュエータを動作させて、定盤の
振動を抑制する。

【０００４】さて、アクチュエータとしては、高精度で
高速応答が要求される場合には、積層型圧電素子が有効
である。積層型圧電素子は印加電圧に比例して変位する
性質があるので、圧電素子を制御するために電圧を制御
して増幅するのが一般的である。

【０００５】しかしながら、電圧制御型の増幅器では圧
電素子の印加電圧-変位特性は図７に示すように比較的
大きなヒステリシス特性となり、そのため、アクチュエ
ータの制御性能が劣化する。

【０００６】一方、特開昭６３−２０４６７２号公報に
記載されているように、圧電素子を電荷で制御すると圧
電素子の印加電圧-変位特性は図８に示すようになり、
ヒステリシス特性が小さくなることが知られている。具
体的には、図６に示す電荷制御型増幅器１のように圧電
素子４と直列に電荷検出コンデンサ５を設けることによ
って、積層型圧電素子４の電荷は、電荷検出コンデンサ
５の電荷に等しく、電荷検出コンデンサ５の電荷は制御
入力Ｖｉ（入力端Ａにおける電圧）に等しくなる点Ｂの
電位に比例する。そして圧電素子４に蓄えられる電荷と
その変位との線形性は非常に良い。従って、この電荷制
御型増幅器は電荷を介して入力信号である制御電圧Ｖｉ
で圧電素子の変位を高精度に制御することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、積層型圧電
素子の印加電圧と変位との関係は、図９に示すような特
性となる。この図によれば、印加電圧が正電圧（すなわ
ち、分極方向と同方向）の場合、図中の矢印のように安
定なヒステリシス特性を持つが、印加電圧が負電圧の場
合には、ある一定電圧以下では分極が反転し、逆の変位
特性を示すようになる。従って、通常は積層型圧電素子
の印加電圧としては常に正電圧を用いる。

【０００８】それ故、アクティブ除振装置に圧電素子を
アクチュエータとして用いた場合のように、交流電圧を
印加して圧電素子を往復運動させる場合には、正の直流
バイアス電圧を加える必要がある。

【０００９】しかしながら、積層型圧電素子は経年的に
それ自身の絶縁抵抗が低下する傾向がある。積層型圧電
素子の絶縁抵抗は見かけ上、圧電素子と並列に入ってお
り、また、電荷検出コンデンサの絶縁抵抗も電荷検出コ
ンデンサと並列に入っている。 すなわち、圧電素子の
絶縁抵抗と、電荷検出コンデンサの絶縁抵抗は直列接続
となり、圧電素子と電荷検出コンデンサを介したアース
間との電圧、すなわち電荷制御型増幅器の出力電圧はこ
れらの絶縁抵抗により分圧され、圧電素子に加わる分圧
された電圧は圧電素子の絶縁抵抗が減少すると共に小さ
くなる。

【００１０】一方、電荷検出コンデンサの絶縁抵抗は、
ほとんど低下しないため、電荷検出コンデンサの絶縁抵
抗により分圧された電荷検出コンデンサに加わる電圧は
相対的に増加し、この電圧が制御入力電圧より高くなる
ため、制御電圧と等しくなるまで出力電圧が低下し、圧
電素子に加わる電圧はさらに低下してしまう。そのた
め、予め加えておいた正の直流バイアス電圧は低下し、
圧電素子にはマイナスの電圧が印加される可能性があ
り、そのような場合には、圧電素子の印加電圧-変位特
性が急激に変化してしまい、大きな非線形特性となるた
め、圧電素子を高精度に制御できなくなるという問題が
あった。

【００１１】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、圧電素子の絶縁抵抗が低下しても直流バイ
アス電圧の低下を抑制することのできる電荷制御型増幅
器を提供することを目的とし、またこの電荷制御型増幅
器を用いることによって、安定した高精度な制御の可能
なアクティブ除振装置を提供することをも目的とするも
のである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、圧電素子
と電荷検出コンデンサのそれぞれと並列に付加抵抗を設
けることによって達成される。そして圧電素子に並列に
設けられる第１の付加抵抗の大きさはこの圧電素子の電
荷容量によって設定され、電荷検出コンデンサに並列に
設けられる第２の付加抵抗の大きさは電荷検出コンデン
サの両端間に発生する電圧、すなわちフィードバック電
圧と圧電素子に加わる電圧とを考慮して設定される。

【００１３】このように選択された抵抗値を有する第１
の付加抵抗と第２の付加抵抗を用いることにより、入力
の低い振動数成分、特に、直流成分に対しては圧電素子
を電圧で制御することが可能となるので、正の直流バイ
アス電圧の低下を抑制することができ、しかも振動的な
交流成分に対しては電荷で制御することになり、電荷制
御型の増幅器の特徴を生かすことができ、従来の電荷制
御型増幅器で問題となる圧電素子の絶縁抵抗の低下に起
因する問題点を解決することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して説明する。

【００１５】本発明の実施の形態の一例を図１、図３及
び図４により説明する。

【００１６】図１には本発明に係る電荷制御型増幅器の
構成が示されている。図１において、電荷制御型増幅器
１は、制御入力信号Ｖi及び帰還信号を入力信号とする
差動増幅器２と、差動増幅器２の出力信号を所定のレベ
ルまで増幅するパワーアンプ３と、高入力インピーダン
スを有するバッファアンプ８とを有している。

【００１７】またパワーアンプ３の出力端とアースとの
間には積層型圧電素子４と該積層型圧電素子４の電荷を
検出する電荷検出コンデンサ５との直列回路が接続され
ている。さらに積層型圧電素子４と電荷検出コンデンサ
５にそれぞれ、並列に付加抵抗６、７が接続されてい
る。

【００１８】積層型圧電素子４と電荷検出コンデンサ５
の接続点Ｂはバッファアンプ８を介して差動増幅器２の
一方の入力側に接続されている。

【００１９】差動増幅器２は、オペアンプ２０と、抵抗
２１、２２、２３、２４とから構成されている。制御入
力信号Ｖiが入力される入力端子Ａは抵抗２２を介して
オペアンプ２０の非反転入力端子に接続され、バッファ
アンプ８の出力端は抵抗２１を介してオペアンプ２０の
反転入力端子に接続されている。

【００２０】上記構成において、差動増幅器２には制御
入力信号Ｖi及びバッファアンプ８を介して電荷検出コ
ンデンサ５の両端間電圧、すなわち、帰還信号が入力さ
れ、制御入力信号Ｖiと帰還信号との差分に比例した信
号が差動増幅器２より出力され、この出力信号はパワー
アンプ３により所定のレベルまで増幅され、積層型圧電
素子４と電荷検出コンデンサ５の直列回路の両端間に出
力される。

【００２１】上記構成の電荷制御型増幅器１は、例え
ば、図３に示す電子顕微鏡本体３０を支持するアクティ
ブ除振装置３３のアクチュエータ部材４０（図４参照）
である積層型の圧電素子４の増幅器として用いられる。

【００２２】図３に示す電子顕微鏡本体３０は定盤３２
上に搭載され、この定盤３２は床３８に設置される架台
３４に配置された複数個のアクティブ除振装置３３で支
持される。

【００２３】また、アクティブ除振装置３３を制御する
ために、例えば、図３に示すように、アクティブ除振装
置３３に設置されている定盤３２の点の上下方向の加速
度もしくは変位等及び制御対象の電子顕微鏡本体３０の
振動モード等のパラメータを把握するための加速度等を
検出する検出器３７を必要に応じて複数個、設ける。こ
れらの検出器３７からの検出信号はコントローラ３６に
入力され、コントローラ３６はこれらの検出器３７の検
出信号に基づいて、積層型圧電素子４を制御するための
制御入力信号を発生し、この制御入力信号は電荷制御型
増幅器１に入力される。

【００２４】なお、図４に示すアクティブ除振装置３３
は、弾性体とダンパからなるパッシブ除振部材４１と積
層型圧電素子４を含んで構成されるアクチュエータ部材
４０から構成されている。勿論、アクティブ除振装置３
３をアクチュエータ部材４０だけで構成しても良い。

【００２５】次に図１と図６を用いて、本発明に係る電
荷制御型増幅器の具体的動作についてを説明する。

【００２６】従来の電荷制御型増幅器は、図６に示され
ているように、圧電素子４と電荷検出コンデンサ５を直
列接続し、電荷検出コンデンサ５の両端電圧、すなわち
点Ｂにおける電位を差動増幅器２の反転入力側にフィー
ドバックしていた。

【００２７】圧電素子４は電気的には一種のコンデンサ
である。今、圧電素子４の静電容量が５０μＦのものを
用いた場合、電荷検出コンデンサ５の静電容量は圧電素
子４の静電容量の９倍の４５０μＦにする。

【００２８】差動増幅器２の制御入力信号Ｖiとして５
Ｖ加え、パワーアンプ３で１０倍すると、直列接続した
圧電素子４と電荷検出コンデンサ５の両端に５０Ｖの電
圧が加わる。この時、圧電素子４と電荷検出コンデンサ
５に蓄えられる電荷は等しくなり、圧電素子４と電荷検
出コンデンサ５に発生する電圧は、それぞれの静電容量
の比になる。すなわち、圧電素子４には４５Ｖ、電荷検
出コンデンサ５には５Ｖの電圧がかかる。従って、制御
入力信号Ｖiの内、直流（ＤＣ）成分の５Ｖと電荷検出
コンデンサ５の両端に発生する電圧であるフィードバッ
ク信号の５Ｖは等しくなるため、圧電素子４に印加され
た４５Ｖの電圧は一定に保持されることになる。従っ
て、圧電素子４には４５Ｖの電圧に比例した変位が発生
する。しかも圧電素子４の変位は、制御入力信号（制御
電圧）Ｖiによって制御された電荷量に比例した変位で
あり、線形的な特性が得られる。

【００２９】しかしながら、圧電素子４の絶縁抵抗は環
境条件及び使用条件によって経年劣化し、その抵抗値は
徐々に低下していく。例えば、圧電素子４の絶縁抵抗が
経年劣化のために、その抵抗値が使用初期には１０００
ＭΩであったものが、１００ＭΩになったとする。

【００３０】また、電荷検出コンデンサ５の絶縁抵抗は
ほとんど劣化しないため、その抵抗値が１０００ＭΩあ
ったとする。圧電素子４と電荷検出コンデンサ５の絶縁
抵抗はそれぞれの要素に並列に接続されているものと考
えられ、圧電素子４と電荷検出コンデンサ５の直列回路
の両端間にかかる電圧が、仮に５０Ｖ印加されたと考え
ると、これらの絶縁抵抗に分圧されて、圧電素子４に
４．５Ｖ、電荷検出コンデンサ５には４５．５Ｖの電圧
が加わることになる。そのため、電荷検出コンデンサに
加わった４５．５Ｖは、フィードバック信号として、制
御信号電圧の５Ｖに対して、大きな偏差となり、電荷検
出コンデンサ５に加わる電圧が５Ｖになるように制御さ
れる。

【００３１】したがって、圧電素子４に加わる電圧は、
絶縁抵抗の抵抗値の比から結局０．５Ｖとなってしま
う。勿論、圧電素子４の絶縁抵抗の抵抗値が急激に低下
するわけでなく、徐々に絶縁抵抗の抵抗値が低下し、そ
の絶縁抵抗の抵抗値が１００ＭΩになれば、上記の説明
のように、圧電素子４に加わる電圧は０．５Ｖになって
しまう。このような状態で、制御信号の交流成分が入力
されると、圧電素子４にマイナスの電圧が加わり、圧電
素子４の変位特性は大きな非線形特性を生じるため、除
振装置としての性能を著しく低下させてしまう。

【００３２】そこで、図１に示す本発明に係る電荷制御
型増幅器１では、圧電素子４と並列に、第１の付加抵抗
６及び電荷検出コンデンサ５と並列に、第２の付加抵抗
７を接続する。例えば、第１の付加抵抗６を０．９ＭΩ
とし、第２の付加抵抗７を１００ＫΩとすると、第１の
付加抵抗６と圧電素子４の絶縁抵抗との合成抵抗はその
抵抗値をＲ1として、１／Ｒ1＝１／０．９（ＭΩ）＋１
／１００（ＭΩ）より、Ｒ1≒０．９（ＭΩ）となる。

【００３３】一方、第２の付加抵抗７と電荷検出コンデ
ンサ５の絶縁抵抗との合成抵抗は、その抵抗値をＲ２と
して、１／Ｒ２＝１／０．１（ＭΩ）＋１／１０００
（ＭΩ）より、Ｒ２≒０．１（ＭΩ）となる。従って、
圧電素子４と電荷検出コンデンサ５の直列回路の両端間
の電圧５０Ｖは、それぞれの合成抵抗Ｒ１とＲ２により
分圧されて、圧電素子４には４５Ｖ、電荷検出コンデン
サ５には５Ｖが加わることになるため、制御信号の５Ｖ
とフィードバック信号の５Ｖが一致し、結局、圧電素子
５の両端には、４５Ｖが一定に保持されることになる。

【００３４】また、もし、圧電素子４の絶縁抵抗の抵抗
値が５０ＭΩになった場合には、第１の付加抵抗６と圧
電素子４の絶縁抵抗との合成抵抗の抵抗値Ｒ１’は、
０．８８ＭΩとなり、圧電素子４に加わる電圧は２％程
度の低下、すなわち、４４Ｖに保持される。従って、圧
電素子４と電荷検出コンデンサ５のそれぞれに設けられ
た付加抵抗により、圧電素子４の絶縁抵抗の劣化に対し
て、圧電素子４に加わる直流電圧成分を保持する効果が
あることがわかる。

【００３５】また、制御信号の交流成分に対しては、圧
電素子４の静電容量Ｃによるインピーダンスは、ｆを周
波数、Ｃを圧電素子４の静電容量とすると、１／（２π
ｆ・Ｃ）で与えられる。この式から次のことがわかる。
すなわち、圧電素子４の静電容量Ｃによるインピーダン
スは周波数が高くなると減少し、そのため、圧電素子４
に流れる電流は増加する。逆に周波数が低くなると、圧
電素子４の静電容量Ｃによるインピーダンスは増加する
ため、圧電素子４に流れる電流は小さくなる。特に直流
成分に対してインピーダンスは無限大になるため圧電素
子４には電流が流れないことになる。

【００３６】一方、圧電素子４の絶縁抵抗と第１の付加
抵抗６との合成抵抗によるインピーダンスは周波数に無
関係に一定であるため、一定振幅の電圧に対して、周波
数が変化してもこの合成抵抗に流れる電流は一定であ
る。そこで入力周波数に対する圧電素子４の静電容量成
分のインピーダンスＡと圧電素子４の絶縁抵抗と付加抵
抗成分のインピーダンスＢとの比Ａ／Ｂを示すと、図２
のようになる。

【００３７】図２に示されるように、周波数が０．３Ｈ
ｚ以上では、Ａ／Ｂは１％以下となり、圧電素子４に流
れる電流が支配的となり、また、０．００３Ｈｚ以下で
は、合成抵抗に流れる電流が支配的となる。

【００３８】このことはアクティブ除振装置で対象とす
る床振動数成分はおよそ１Ｈｚ以上であるため、この周
波数に対して本発明に係る電荷制御型増幅器１は、電荷
制御型として働き、直流成分に対しては電圧制御型とし
て働くことを意味しており、したがって従来の電荷制御
型増幅器の問題点を解決することができる。

【００３９】また、図５に本発明に係る電荷制御型増幅
器の別の実施の形態を示す。この実施の形態は、図１に
おいて、第２の付加抵抗７と直列に可変抵抗９を設けた
ものである。このように構成することによって、圧電素
子４側の合成抵抗値と電荷検出コンデンサ側の合成抵抗
値の比を正確に圧電素子４と電荷検出用コンデンサ５の
静電容量の比の逆数の比にすることができる。可変抵抗
は第１と第２の付加抵抗の少なくても１つと直列に設け
られていればよいが、第２の付加抵抗の方が抵抗値が小
さいので、第２の付加抵抗と直列に設けた方が有利であ
る。

【００４０】

【発明の効果】上述したように本発明によれば、圧電素
子用の電荷制御型増幅器における問題点である圧電素子
の絶縁抵抗の低下による入力信号の直流成分に対する制
御劣化を改善することができ、微振動用アクチュエータ
として用いる圧電素子を負荷とする増幅器に電荷制御型
増幅器を用いることを可能にし、特に、床振動入力を振
動絶縁する機器用のアクティブ除振装置のアクチュエー
タとして用いる圧電素子を負荷とする増幅器に用いるこ
とによって、高精度なアクティブ除振性能を実現するこ
とができる。

【００４１】また、このアクティブ除振装置は、床振動
により、画像精度が劣化する電子顕微鏡、描画精度が劣
化する電子描画装置、並びに露光精度が劣化する縮小投
影露光装置に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧電素子用電荷制御型増幅器の実
施の形態の一例の構成を示す回路図である。

【図２】本発明に係る圧電素子用電荷制御型増幅器の入
力信号の周波数に対する圧電素子の電荷容量によるイン
ピーダンスと圧電素子に並列に設けられた付加抵抗等に
よるインピーダンスとの比との関係を示す特性図であ
る。

【図３】本発明に係る圧電素子用電荷制御型増幅器を電
子顕微鏡用アクティブ除振装置のアクチュエータとして
用いた場合の応用例を示す構成図である。

【図４】本発明に係る圧電素子用電荷制御型増幅器が適
用される、アクティブ除振装置のアクチュエータ部材の
構造を示す縦断面図である。

【図５】本発明に係る圧電素子用電荷制御型増幅器の他
の実施の形態の構成を示す回路図である。

【図６】従来のアクチュエータ用電荷制御型増幅器の構
成を示す回路図である。

【図７】従来の電圧制御型増幅器を圧電素子を負荷とし
て用いた場合の印加電圧に対する圧電素子の変位特性を
示す特性図である。

【図８】従来の電荷制御型増幅器を圧電素子を負荷とし
て用いた場合の印加電圧に対する圧電素子の変位特性を
示す特性図である。

【図９】電圧制御型増幅器を圧電素子を負荷としてに用
いた場合においてマイナスの印加電圧が入力される時の
圧電素子の印加電圧に対する変位特性を示す特性図であ
る。

【符号の説明】

１ 電荷制御型増幅器 ２ 差動増幅器 ３ パワーアンプ ４ 圧電素子 ５ 電荷検出コンデンサ ６ 第１の付加抵抗 ７ 第２の付加抵抗 ８ バッファアンプ ９ 可変抵抗 ２０ オペアンプ ２１ 抵抗 ２２ 抵抗 ２３ 抵抗 ２４ 抵抗 ３０ 電子顕微鏡本体 ３２ 定盤 ３３ アクティブ除振装置 ３４ 架台 ３６ コントローラ ３７ 検出器 ３８ 床 ４０ アクチュエータ部材 ４１ パッシブ除振部材 １８ 可変抵抗

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 礒谷 仁 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 山内 常義 茨城県ひたちなか市堀口字長久保832番地 ２ 日立計測エンジニアリング株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 制御信号を入力信号とし、該入力信号を
   増幅して負荷である圧電素子に出力する圧電素子用増幅
   器において、 前記入力信号の直流成分については電圧を制御して増幅
   し、交流成分については電荷を制御して増幅することを
   特徴とする圧電素子用増幅器。
2. 【請求項２】 制御入力信号と帰還信号との差電圧を増
   幅する差動増幅器と、該差動増幅器の出力信号を所定の
   レベルまで増幅し、圧電素子と該圧電素子の電荷を検出
   する電荷検出コンデンサとの直列回路の両端間に出力す
   る電力増幅器とを有し、かつ前記電荷検出コンデンサの
   両端電圧を前記差動増幅器の帰還信号とする圧電素子用
   増幅器において、 前記圧電素子と並列接続される第１の付加抵抗と、前記
   電荷検出コンデンサに接続される第２の付加抵抗とを有
   し、前記圧電素子の絶縁抵抗と第１の付加抵抗との合成
   抵抗値と、前記電荷検出コンデンサの絶縁抵抗と第２の
   付加抵抗との合成抵抗値との比が電荷検出コンデンサの
   静電容量と圧電素子の静電容量との比にほぼ等しくなる
   ように前記第１の付加抵抗及び第２の付加抵抗の定数を
   選択したことを特徴とする圧電素子用増幅器。
3. 【請求項３】 前記第１の付加抵抗と第２の付加抵抗の
   うち少なくても一つと直列に可変抵抗を設けことを特徴
   とする請求項２に記載の圧電素子用増幅器。
4. 【請求項４】 圧電素子と電荷検出コンデンサとの接続
   点と前記差動増幅器の帰還信号入力側との間に、高入力
   インピーダンスを有するバッファアンプを設けたことを
   特徴とする請求項２あるいは請求項３のいずれかに記載
   の圧電素子用増幅器。
5. 【請求項５】 請求項２、請求項３もしくは請求項４の
   いずれかに記載の圧電素子用増幅器において、圧電素子
   をアクチュエータとして用いる場合に適用することを特
   徴とする圧電素子用増幅器。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の圧電素子用増幅器を有
   することを特徴とするアクティブ除振装置。
7. 【請求項７】 請求項６に記載のアクティブ除振装置を
   有することを特徴とする電子顕微鏡。
8. 【請求項８】 請求項６に記載のアクティブ除振装置を
   有することを特徴とする電子描画装置。
9. 【請求項９】 請求項６に記載のアクティブ除振装置を
   有することを特徴とする縮小投影露光装置。