JPH10271851A - 圧電素子を用いたスキャナ装置 - Google Patents

圧電素子を用いたスキャナ装置

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JPH10271851A
JPH10271851A JP9067903A JP6790397A JPH10271851A JP H10271851 A JPH10271851 A JP H10271851A JP 9067903 A JP9067903 A JP 9067903A JP 6790397 A JP6790397 A JP 6790397A JP H10271851 A JPH10271851 A JP H10271851A
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JP
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scanner
scanning
voltage
curve
piezoelectric element
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JP9067903A
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Masaya Okazaki
賢哉 岡咲
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Olympus Corp
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】圧電素子の個体差を補正する校正を容易に行な
うことのできる圧電素子を用いたスキャナ装置を提供す
る。 【解決手段】スキャナ装置は、試料2をx方向(図の左
右方向)とy方向(図面に垂直な方向)に走査するチュ
ーブ型圧電スキャナ3と、チューブ型圧電スキャナ3を
駆動するスキャナコントローラー4と、スキャナコント
ローラ4を制御するホストCPU5と、チューブ型圧電
スキャナ3の変位を計測する変位計6とを有している。
ホストCPU5は内部にメモリー5aを備えており、こ
れには基準校正曲線が格納されている。基準校正曲線
は、圧電素子の走査電圧に対する変位特性より導出した
走査範囲に対する走査電圧曲線であり、個々のチューブ
型圧電スキャナを校正する際に基準として参照される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子を用いた
スキャナ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】スキャナ装置は、位置制御性の高い圧電
素子(圧電アクチュエータや圧電スキャナ)を用いたも
のがよく知られている。圧電素子は、PZT(チタン酸
ジルコン酸鉛)等の圧電体に電極を設けた構成をしてお
り、電極に印加する電圧を制御することにより、所望の
変位を得ることができる。しかし、圧電素子の印加電圧
と変位量の関係は非線形性を有しており、その動作特性
はヒステリシスを有している。このため、圧電素子の非
線形性やヒステリシスの影響を無視できない使用状況に
対しては、その対策を講じる必要がある。特開平8−1
01007は、非線形性やヒステリシスによる誤差の無
い動作を実現するため、走査時間に対する圧電素子の変
位量が線形となるように、圧電素子への印加電圧を補正
する方法を開示している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】個々の圧電素子は、無
視できない個体差を有しており、同じ電圧の印加に対し
ても異なる変位を示す。圧電素子を用いたスキャナ装置
では、圧電素子の個体差の影響を除去するための校正を
行なう必要がある。この校正は、通常は、圧電素子毎に
全ての走査範囲に対する適切な走査電圧を測定して行な
われている。これは多くの時間と手間を要する。
【0004】本発明は、この様な実状に鑑みて成された
ものであり、その主な目的は、圧電素子の個体差を補正
する校正が簡単に行なえるスキャナ装置を提供すること
である。
【0005】また、圧電素子の変位は、同じ走査電圧に
対しても、走査電圧と別に印加されるオフセット電圧に
応じて変化する。このため、走査範囲がオフセット電圧
に依存して変化してしまう。
【0006】本発明の更なる目的は、オフセット電圧の
印加による走査範囲の変化が補正されたスキャナ装置を
提供することである。さらに、圧電素子の変位は、同じ
走査電圧に対しても、走査速度に応じて変化する。この
ため、走査範囲が走査速度に依存して変化してしまう。
本発明の更なる目的は、走査速度の違いによる走査範囲
の変化が補正されたスキャナ装置を提供することであ
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明による圧電素子を
用いたスキャナ装置は、予め与えられた基準となる走査
範囲に対する走査電圧の変化曲線(基準校正曲線)に対
して、特定の走査範囲において基準校正曲線の走査電圧
値が校正すべき圧電素子の走査電圧値に一致する補正係
数を乗じて、圧電素子の走査範囲に対する走査電圧曲線
(校正曲線)を求めることにより、圧電素子の個体差を
補正する校正を行なう。
【0008】スキャナ装置は、好ましくは、圧電素子に
印加したオフセット電圧に基づいて校正曲線を更に補正
することにより、オフセット電圧の印加による走査範囲
の変化を補正する。スキャナ装置は、好ましくは、走査
速度に基づいて校正曲線を更に補正することにより、走
査速度による走査範囲の変化を補正する。
【0009】
【発明の実施の形態】まず、第一の実施の形態のスキャ
ナ装置について図面を参照して説明する。図1に示され
るように、スキャナ装置は、試料2をx方向(図の左右
方向)とy方向(図面に垂直な方向)に走査するチュー
ブ型圧電スキャナ3と、チューブ型圧電スキャナ3を駆
動するスキャナコントローラー4と、スキャナコントロ
ーラ4を制御するホストCPU5と、チューブ型圧電ス
キャナ3の変位を計測する変位計6とを有している。ホ
ストCPU5は内部にメモリー5aを備えており、これ
には基準校正曲線が格納されている。
【0010】チューブ型圧電スキャナ3は、円筒形状に
成形された圧電体を有し、その内周面には単一の共通電
極が設けられ、外周面には例えば四つの駆動電極が周方
向に間隔を置いて設けられている。チューブ型圧電スキ
ャナ3は、駆動電極に印加される電圧に応じて、x方向
とy方向に変位する。
【0011】チューブ型圧電スキャナ3は、図2に示さ
れるように、印加電圧と変位量の相関関係に、非線形性
とヒステリシスを有している。さらに、印加電圧と変位
量の相関関係は、圧電体の個体差のために、個々の圧電
素子毎に異なっている。従って、使用するチューブ型圧
電スキャナ毎に校正する必要がある。
【0012】ホストCPU5の内部のメモリー5aには
基準校正曲線が格納されている。基準校正曲線は、図3
に実線で示される、圧電素子の走査電圧に対する変位特
性より導出した走査範囲に対する走査電圧曲線であり、
個々のチューブ型圧電スキャナを校正する際に基準とし
て参照される。基準校正曲線は、同じ規格の複数のチュ
ーブ型圧電スキャナの走査電圧曲線を平均化したもので
あっても、代表的な一つのチューブ型圧電スキャナの走
査電圧曲線であってもよい。
【0013】基準校正曲線を決定するために必要な特定
のチューブ型圧電スキャナの走査電圧に対する変位特性
は、走査範囲が数μm以上の場合には、電気マイクロや
ファイバーセンサー等の測定器を用いて直接測定され、
より高精度の基準校正曲線が必要な場合や走査範囲が1
μm以下の場合には、構造の明らかな標準サンプル、例
えば、x方向とy方向のメッシュのサイズが精度良く決
まっている標準サンプルを測定し、その測定結果から導
出される。
【0014】以下、本実施形態における校正方法につい
て述べる。まず、変位計あるいは標準サンプルを用い
て、校正の対象であるチューブ型圧電スキャナ3の最大
走査範囲における走査電圧を測定する。この走査電圧は
図3に実測点として示されている。次に、基準校正曲線
の最大走査範囲における走査電圧が、前述の実測点に一
致するような補正係数を算出する。この補正係数は、図
3に示されるように、最大走査範囲における基準校正曲
線の走査電圧Bとチューブ型圧電スキャナ3の走査電圧
Aに対して、A÷Bで求められる。この補正係数を基準
校正曲線に乗じることによって校正曲線が求められ、こ
の校正曲線はホストCPU5の内部のメモリー5aに格
納する。
【0015】例えば、基準校正曲線が次式(ただし、Y
は走査電圧[V]、Xは走査範囲[μm])で表され、 Y=−2X3 −10X2 +40X 図3において、A=120[V]、B=130[V]の
場合には、補正係数は120÷130=0.923であ
るから、補正後の校正曲線は、 Y=0.923×(−2X3 −10X2 +40X) =−1.846X3 −9.23X2 +36.92X となる。
【0016】その後、ホストCPU5は、走査範囲の指
定に対して、メモリー5aから補正後の校正曲線を呼び
出し、走査電圧を演算し、校正された走査電圧の指示信
号をスキャナコントローラー4へ送る。チューブ型圧電
スキャナ3はスキャナコントローラー4から供給される
電圧に従って変位する。
【0017】より精度の高い校正曲線を得るには、複数
の走査範囲に対して、チューブ型圧電スキャナ3の最大
走査範囲における走査電圧を測定し、補正係数の次数を
2〜4次に上げる。
【0018】このように第一の実施の形態によれば、チ
ューブ型圧電スキャナの校正は、走査範囲の全体にわた
って行なっていないので、容易に短時間で行なえる。ま
た、これら一連の校正をソフトウェアで行なうことによ
り、校正の自動化が行なえる。
【0019】次に、第二の実施の形態における校正方法
について述べる。スキャナ装置の構成は第一の実施の形
態と全く同じである。まず、z軸方向のオフセット電圧
による走査範囲の変化の補正について説明する。変位計
を用いて各走査範囲毎にz軸方向のオフセット電圧に対
する走査電圧値を測定して、図4(a)に示されるオフ
セット電圧に対する走査電圧の曲線を求め、これをオフ
セット電圧=0[V]の走査電圧で正規化し、図4
(b)に示される補正曲線f(z) を導出し、これをホス
トCPU5の内部のメモリー5aに格納する。補正曲線
f(z) は各走査範囲に対して1本得られる。補正曲線の
次数はn次であるが、精度良く補正するためにはn=3
〜4以上の近似が必要である。
【0020】x軸とy軸についていも同様に補正曲線f
(x) とf(y) を導出し、これをホストCPU5のメモリ
ー5aに格納する。走査の際に各軸方向のオフセット電
圧をホストCPU5に読み込み、それぞれの補正曲線に
基づいて、各軸方向のオフセット電圧に対する適正な校
正電圧補正値x、校正電圧補正値y、校正電圧補正値z
を演算し、これを第一の実施の形態で得られた校正曲線
に基づく校正電圧に乗じ、圧電スキャナ3に供給される
走査電圧を補正する。
【0021】走査電圧[V]=校正電圧[V]×f(x)
×f(y) ×f(z) このように第二の実施の形態によれば、圧電スキャナに
印加したオフセット電圧による走査範囲の補正を、スキ
ャナ毎に、走査範囲毎に行なうため、走査電圧の校正が
精度良く行なえる。なお、変位計をスキャナ本体に取り
付け、ホストCPU5に補正曲線導出のアルゴリズムを
組み込むことにより、校正を自動化することもできる。
これにより、測定前に容易に校正を行なえるようにな
り、スキャナの経時変化の補正も容易に行なえる。
【0022】続いて、第三の実施の形態における校正方
法について述べる。スキャナ装置の構成は第一の実施の
形態と全く同じである。変位計を用いて走査速度による
走査範囲の変化を実測し、図5(a)に示される走査速
度に対する走査電圧の曲線を求め、基準の走査速度(例
えば走査速度1Hz)の走査範囲で正規化した、図5
(b)に示される補正曲線f(v) を導出し、ホストCP
U5のメモリー5aに格納する。この補正曲線f(v) は
各走査範囲に対して1本得られる。補正曲線の次数はn
次であるが、精度良く補正するためにはn=3〜4以上
の近似が必要である。
【0023】走査の際に走査速度をホストCPU5に読
み込み、補正曲線に基づいて、その走査速度に対する適
正な校正電圧補正値Vを演算し、これを第一の実施の形
態で得られた校正曲線に基づく校正電圧に乗じ、圧電ス
キャナ3に供給される走査電圧を補正する。
【0024】走査電圧[V]=校正電圧[V]×V このように第三の実施の形態によれば、圧電スキャナの
走査速度による走査範囲の補正を、スキャナ毎に、走査
範囲毎に行なうため、走査電圧の校正が精度良く行なえ
る。なお、変位計をスキャナ本体に取り付け、ホストC
PU5に補正曲線導出のアルゴリズムを組み込むことに
より、校正を自動化することもできる。これにより、測
定前に容易に校正を行なえるようになり、スキャナの経
時変化の補正も容易に行なえる。
【0025】
【発明の効果】本発明によれば、圧電素子を用いたスキ
ャナ装置に潜在的に存在するスキャナの個体差に対する
校正が簡略に行なえる。また、圧電素子に印加したオフ
セット電圧による走査範囲の変化を精度良く補正でき
る。さらに、走査速度による走査範囲の変化を精度良く
補正できる。その結果、正確な試料の情報の提供に貢献
する。この校正や補正は測定前に簡単に行なえるので、
スキャナの経時変化に対する補正も行なえる。また、校
正や補正は、ソフトウェア的に処理することができるた
め、自動化を図ることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるスキャナ装置の構成を示してい
る。
【図2】チューブ型圧電スキャナの印加電圧に対する変
位量の相関関係を示している。
【図3】第一の実施の形態による校正方法を説明するた
めの図であり、走査範囲に対する走査電圧の変化曲線を
示している。
【図4】第二の実施の形態による校正方法を説明するた
めの図であり、オフセット電圧に対する走査電圧の変化
曲線と、これを正規化して得られる補正曲線とを示して
いる。
【図5】第三の実施の形態による校正方法を説明するた
めの図であり、走査速度に対する走査電圧の変化曲線
と、これを正規化して得られる補正曲線とを示してい
る。
【符号の説明】
3 チューブ型圧電スキャナ 4 スキャナコントローラー 5 ホストCPU 5a メモリー 6 変位計

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】予め与えられた基準となる走査範囲に対す
    る走査電圧の変化曲線(基準校正曲線)に対して、特定
    の走査範囲において基準校正曲線の走査電圧値が校正す
    べき圧電素子の走査電圧値に一致する補正係数を乗じ
    て、圧電素子の走査範囲に対する走査電圧曲線(校正曲
    線)を求めることにより、圧電素子の個体差を補正する
    校正を行なうことを特徴とする圧電素子を用いたスキャ
    ナ装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、圧電素子に印加したオ
    フセット電圧に基づいて校正曲線を更に補正することに
    より、オフセット電圧の印加による走査範囲の変化を補
    正することを特徴とする圧電素子を用いたスキャナ装
    置。
  3. 【請求項3】請求項1において、走査速度に基づいて校
    正曲線を更に補正することにより、走査速度による走査
    範囲の変化を補正することを特徴とする圧電素子を用い
    たスキャナ装置。
JP9067903A 1997-03-21 1997-03-21 圧電素子を用いたスキャナ装置 Withdrawn JPH10271851A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013152769A (ja) * 2012-01-24 2013-08-08 Toshiba Corp 圧電素子駆動方法、圧電素子駆動装置及び磁気ディスク装置
JP2014517525A (ja) * 2011-05-30 2014-07-17 カール・ツァイス・エスエムティー・ゲーエムベーハー マイクロリソグラフィ用の投影露光装置の光学素子を動かす方法
CN107049347A (zh) * 2017-06-14 2017-08-18 珠海和佳医疗设备股份有限公司 X射线机管电流的校准方法
DE102023205424A1 (de) 2023-06-12 2024-04-18 Carl Zeiss Smt Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Festkörperaktuators in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage

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Effective date: 20040601