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

圧電素子制御装置

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Publication number
JPS63204672A
JPS63204672A JP62035509A JP3550987A JPS63204672A JP S63204672 A JPS63204672 A JP S63204672A JP 62035509 A JP62035509 A JP 62035509A JP 3550987 A JP3550987 A JP 3550987A JP S63204672 A JPS63204672 A JP S63204672A
Authority
JP
Japan
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piezoelectric element
capacitor
electrode
charge
operational amplifier
Prior art date
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Pending
Application number
JP62035509A
Other languages
English (en)
Inventor
Keiji Takada
啓二 高田
Masahide Okumura
正秀 奥村
Satoru Fukuhara
悟 福原
Toshiyuki Morimura
利幸 森村
Sumio Hosaka
純男 保坂
Shigeyuki Hosoki
茂行 細木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
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Priority to US07/153,006 priority patent/US4841191A/en
Publication of JPS63204672A publication Critical patent/JPS63204672A/ja
Pending legal-status Critical Current

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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

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
JP62035509A 1987-02-20 1987-02-20 圧電素子制御装置 Pending JPS63204672A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP62035509A JPS63204672A (ja) 1987-02-20 1987-02-20 圧電素子制御装置
US07/153,006 US4841191A (en) 1987-02-20 1988-02-08 Piezoelectric actuator control apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP62035509A JPS63204672A (ja) 1987-02-20 1987-02-20 圧電素子制御装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPS63204672A true JPS63204672A (ja) 1988-08-24

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ID=12443729

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP62035509A Pending JPS63204672A (ja) 1987-02-20 1987-02-20 圧電素子制御装置

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JP (1) JPS63204672A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01202178A (ja) * 1988-02-08 1989-08-15 Res Dev Corp Of Japan 圧電アクチュエータの特性線形化方法
US7015621B2 (en) 2001-11-20 2006-03-21 Tdk Corporation Piezoelectric actuator device

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01202178A (ja) * 1988-02-08 1989-08-15 Res Dev Corp Of Japan 圧電アクチュエータの特性線形化方法
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