JPS63204672A - 圧電素子制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧ｔ！ｌ子制御装置に係り、特に超微小位置
決め装置に使用される圧電素子駆動に好適な圧電素子制
御装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、圧電素子に電圧を印加し、その伸び量を測定す
るヒステリシスが観測される（第５図）。

しかし、圧１！素子の電極間に蓄積される電荷量に対す
る伸び量を測定するとし、ヒステリシスは著しく減少す
る（第６図）、この実験結果は、エレクトロニクス・レ
ターズエ８．１１　（１９８２）第４４２頁から第４４
３頁（＋！ＬＩＩＣＴＲＯＮＩＣ８ＬＥＴＴＥＲ５Ｖｏ
ｌｔ、１８Ｎａｌｌ　（１９８２））　に記載されてい
る。

この実験に用いられた回路を第４図に示す、抵抗２０に
流れる電流が一定になるように制御する典形的な定電流
回路である。

この制御回路は、抵抗２０にかかる電圧をｖｌと等しく
させるように働く、このことは抵抗２０に定電流が流れ
ることを意味し、圧電素子４に、時間に対して一定の割
合で電荷が蓄積される。

このように、圧電素子４に一定の割合で電荷Ｑを蓄積し
ながら変位を測定すると、第６図に示したような電荷量
に対する変位特性が得られる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来例は、定電流回路である。圧電素子に対して、
任意の電荷量を与え、またそれを保持し、圧電素子の変
化量を一定に保つ機能はない、　本発明の目的は、圧電
素子に与える電荷量を真に制御することにより圧電素子
の変位量を一定に保つことを可能とすることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題を解決するために本発明によれば、電界を加え
ることにより歪を生ずる材料と該材料に電界を加えるた
めの第１の電極と第２の電極とにより成る圧電素子の第
１の電極と基準電位との間にコンデンサーを接続し、演
算増幅器の負極性入力端に該コンデンサーと該圧電素子
との接点の電位を入力し、該演算増幅器の正極性入力端
に任意の信号を入力し、該演算項＄ＩＨＩの出力端から
の信号を用いて、該第２の電極の電位を制御するように
構成したこことを特徴とする圧電素子制御装置としたも
のである。

〔作用〕

一般に圧電素子の静電容量は、印加される電圧に対して
不変ではない（第７図）、印加電圧に対して電荷量Ｑが
大きなヒステリシスをもっているため、印加電圧から直
接的にＱを求めることは困難である。

そこで、コンデンサーを圧電素子と直列につなぎ、圧電
素子に誘起される電荷量Ｑと同量のＱコンデンサーに蓄
積する。コンデンサーの静電容量は不変であるのでコン
デンサーのＱと、これによる電圧との関係は比例関係に
あり、ヒステリシスもない（第８図）、故にコンデンサ
ーの電圧を検出することにより、圧電素子のＱを容易に
知ることができる。

圧電素子の電極と基準電位との間にコンデンサーを接続
する。

〔問題点を解決するための手段〕

圧電素子とコンデンサーの接点の電位を演算増幅器の負
極性入力端に入力する。圧電素子の電極に印加する電圧
は、演算増幅器の出力端からの電圧により制御する。圧
電素子の電荷量を指定する入力信号は、演算増幅、器の
正極性入力端に入力する。

演算増幅器の正極性入力端に電圧ｖｔｌＩを入力する。

初期状態においては、コンデンサーの接点の電位は基準
電位である。演算増幅器からの出力電圧により圧電素子
及びコンデンサーに同量の電荷がたまる。コンデンサー
の静電容量をＣとすると、Ｑ　＝ＣＶ　ｔ−なる電荷が
蓄積されるように、演算増幅器は働く。

これによって、ｖｌ、で指定される任意のＱを圧電素子
に与え、かつそれを保持することができる。

変位特性を第９図に示すｅＶｔｍとＱとは、Ｑ＝Ｃｖｉ
ｌｌなる関係で比例的に対応し、ヒステリシスもない。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。演算
増幅器１の出力端は、圧電素子４の電極５へ接続されて
いる。圧電素子４の他方の電極６は、静電容量Ｃのコン
デンサー２に接続され１両者の接点３は演算増幅器１の
負極性入力端に接続されている。コンデンサー２の他端
はアース電位である。圧電素子４は、積層型であり、低
い電圧で大きな変位を得ることができる。

次に動作を説明する。演算増幅器１は、０極性入力端の
電圧が正極性入力端の電圧と等しくなるように出力端の
電圧をｆｉ！ｗ４５へ出力する。圧電素子４に電荷Ｑが
発生し、同量のＱがコンデンサー２に発生する。Ｑ　＝
ＣＶ　ｔ−なる電荷が蓄えられた時点で収束する。

Ｖ　ａ　ｎに対する圧電素子の変位特性は、Ｑに対する
変位特性と同等である。積！ＩＩ型圧１１！素子である
ため演算増幅器１からの出力で十分な変位が得られる。

演算増幅器１の出力電圧が小さく、十分な変位が得られ
ない場合は、第２図に示すように高電圧出力増幅器７で
、適当な電圧に増幅し、圧電素子の駆動電圧とする。

本発明における圧ｆ２１素子の電荷量押部方法は、例え
ば電子線描画装置のステージのミクロン以下での位置決
め及び絞りやカソード等の電子光学系各部の微小位置決
めに有効である。

第３図は本発明を走査型トンネル電子顕微鏡（ＳＴＭ）
に応用した例を示す。

探針１７と試料１８とは１０人程度まで接近している。

電流検出部１５は１両者の間にトンネル電流を流し、電
流値を制御部１４へ伝える。制御部１４は、トンネル電
流が一定になるように探針１７と試料１８との間隔を調
整しなから探針を試料面に沿い２次元的に走査させる。

制御部１４からの信号により圧電素子１１が間隔を調整
し、圧電素子１２．１３が走査を行う、圧電素子１１゜
１２．１３の変位の情報を表示部１６に表示すると、試
料表面状態が原子オーダーでｅｔａ！できるＳＴＭ像が
得られる。

従来のＳＴＷ像は、圧１１１Ｍ子の変位量が印加電圧に
比例的に対応するものと仮定し、印加電圧を表示する。

このため、第５図に示す印加電圧に対する変位量の非直
線性及びヒステリシスにより像に歪が生じた。

本実施例においては、圧電素子１１，１２゜１３の駆動
を電荷量制御回路８，９．１０により行う、電荷量制御
回路は、制御部１４からの信号で指定された電荷量を圧
電素子に与える。このため、制御部１４から出力される
信号を表示すると。

圧電素子の電荷量を表示することになる。電荷量に対す
る変位置は、ヒステリシスが小さく、より直線的である
（第９図）、故に、歪が非常に少ない像が得られる。

なお、本発明はＳＴＭに類似の装置１例えば熱電対をプ
ローブとして試料面上を走査し、試料の温度分布を測定
する装置あるいは表面粗さ計他の。

圧電素子を用いて特定のプローブまたは試料を走査・制
御する装置全てにわたり有効である。圧電素子により試
料を走査する走査型Ｘ線顕微鏡、走査型Ｘ線顕微鏡他も
、この範ちゅうにはいる。

第１０図に１本発明のさらに他の実施例を示す。

演算増幅器１の出力端に、コンデンサー２を接続し、さ
らに圧電素子４を接続している。コンデンサー２の両端
の電位差を、電圧検出器２１により検出し、演算増幅器
１の負極性入力端に入力する。

本実施例に挙げたように、圧電素子とコンデンサーとを
直列に接続し、コンデンサーにかかる電圧を検出しフィ
ードバックをかけることにより。

全く同様の結果が得られる。コンデンサー２と圧電素子
４との接続順序は、本質的な問題ではない。

本実施例においては、圧電素子４の一方の電極を直接ア
ース電位におとすことができる。これにより、真空中等
で圧電素子を使用する場合、電流導入端子が一個ですみ
１便利である。

〔発明の効果］ 本発明によれば、圧電素子を電荷量で制御できるので、
直線性に優れヒステリシスの小さい変化特性を得ること
ができる。また、一定の電圧を圧電素子に印加した際の
変位量のドリフト（クリープ）も、一定の電荷量を維持
することが可能な本発明の装置を用いることにより大幅
に減少する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概略図、第２図は本発明の
一実施例を示す回路図、第３図は本発明の他の実施例を
示す概略図、第４図は従来の一例を示す概略図、第５図
は印加電圧に対する圧電素子の変位特性を示す図、第６
図は電荷量に対する変位量を示す図、第７図は印加電圧
ら対する電荷量を示す図、第８図はコンデンサーの印加
電圧に対する電荷量を示す図、第９図は圧電素子の電荷
量に対する変位特性を示す図、第１０図は本発明のさら
に他の実施例を示す概略図である。 １・・・演算増幅器、２・・・コンデンサー、３・・・
接点。 ４・・・圧電素子、５・・・電極、６・・・電極、７・
・・高電圧出力増幅器、８・・・電荷量制御回路、９・
・・電荷量制御回路、１０・・・電荷量制御回路、１１
・・・圧電素子、１２・・・圧電素子、１３・・・圧電
素子、１４・・・制御部、１５・・・電流検出部、１６
・・・表示部、１７・・・探針、１８・・・試料、１９
・・・電源回路、２０・・・抵抗、２１＼５．ノ′ 第　　ｊ　　図 １演算増福翼 ２　コ；ヂ、＞ブー 鳶　３　図 Ｈｈｖ系＋　　　　　　　ｔ６　ｆ＜７ｒＸ１１１２　
Ｆ−電を子 不　乙　口 ）５ｔ″に一増幅器 箒　６　図 電荷号α 第７　図　　　　　第３図 第９　図　　　％　　１０　　図 Ｚ／電圧潰、ｔ、翼

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　電界を加えることにより歪を生ずる材料と該材料に
   電界を加えるための第１の電極と第２の電極とにより成
   る圧電素子の第１の電極と基準電位との間にコンデンサ
   ーを接続し、演算増幅器の負極性入力端に該コンデンサ
   ーと該圧電素子との接点の電位を入力し、該演算増幅器
   の正極性入力端に任意の信号を入力し、該演算増幅器の
   出力端からの信号を用いて、該第２の電極の電位を制御
   するように構成したことを特徴とする圧電素子制御装置
   。