JP2564293B2 - Piezoelectric element control device - Google Patents
Piezoelectric element control deviceInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超微小位置決め装置に使用される圧電素子
を用いた測定装置に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a measuring device using a piezoelectric element used in an ultra-fine positioning device.
〔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
するとヒステリシスが観測される（第６図）。しかし、
圧電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、ヒステリシスは著しく減少する（第７
図）。この実験結果は、エレクトロニクス・レターズ1
8.11（1982）第442頁から第443頁（ELECTRONICS LETTER
S Vol.18No.11（1982））に記載されている。[Prior Art] Generally, when a voltage is applied to a piezoelectric element and the amount of extension thereof is measured, hysteresis is observed (Fig. 6). But,
When the amount of extension with respect to the amount of charge accumulated between the electrodes of the piezoelectric element is measured, the hysteresis is significantly reduced (7th
Figure). The result of this experiment is Electronics Letters 1
8.11 (1982) 442 to 443 (ELECTRONICS LETTER
S Vol.18 No.11 (1982)).
この実験に用いられた回路を第５図に示す。抵抗33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。The circuit used in this experiment is shown in FIG. This is a typical constant current circuit that controls the current flowing through the resistor 33 to be constant.
この制御回路は、抵抗33にかかる電圧をVinと等しく
させるように働く。このことは抵抗33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。This control circuit serves to equalize the voltage across resistor 33 with V in . This means that a constant current flows through the resistor 33, and charges are accumulated in the piezoelectric element 4 at a constant rate with respect to time.
このように、圧電素子４に一定の割合で電極Ｑを蓄積
しながら変位を測定すると第７図に示したような電荷量
に対する変位特性が得られる。As described above, when the displacement is measured while accumulating the electrodes Q in the piezoelectric element 4 at a constant rate, the displacement characteristic with respect to the charge amount as shown in FIG. 7 is obtained.
上記従来技術は、定電流回路で圧電素子を制御するた
め、圧電素子に対して、任意の電荷量を与え、それを保
持し、変位量を一定に保つという機能はない。Since the above-mentioned conventional technique controls the piezoelectric element by the constant current circuit, it does not have a function of giving an arbitrary charge amount to the piezoelectric element, holding it, and keeping the displacement amount constant.
本発明の目的は、圧電素子に与える電荷量を真に制御
し、非直線性及びヒステリシス及びクリープに起因する
ドリフトを大幅に改善することにある。It is an object of the present invention to truly control the amount of charge applied to a piezoelectric element and to greatly improve the non-linearity and the drift caused by hysteresis and creep.
本発明は、加えられた電界により機械的歪を生ずる二
つの圧電素子により測定点の二方向の位置が制御される
とともに、測定点のデータが前記二方向と直交する第３
の圧電素子の歪量として得られる測定装置において、測
定点の位置を前記二つの圧電素子に蓄えられた電荷量と
して検出して表示装置における測定点のデータの表示位
置を制御し、測定点のデータを第３の圧電素子に蓄えら
れた電荷量として検出して表示装置の前記位置に表示す
ることとしたものである。According to the present invention, the position of the measurement point in two directions is controlled by the two piezoelectric elements that generate mechanical strain due to the applied electric field, and the data of the measurement point is orthogonal to the two directions.
In the measuring device obtained as the amount of strain of the piezoelectric element, the position of the measuring point is detected as the amount of electric charge stored in the two piezoelectric elements to control the display position of the data of the measuring point in the display device, The data is detected as the amount of electric charge stored in the third piezoelectric element and displayed at the position of the display device.
一般的に、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８図）。印加電圧に対して電荷
量Ｑが大きいヒステリシスをもつているため、印加電圧
から直接的にＱを求めることは困難である。Generally, the capacitance of the piezoelectric element is not changed with the applied voltage (Fig. 8). Since the charge amount Q has a large hysteresis with respect to the applied voltage, it is difficult to directly obtain Q from the applied voltage.
そこで、積分回路を設け、第１の電極に流れ込む電流
ｉを積分する。Ｑ＝it（ｔは時間）より電荷量Ｑが検出
される。第２の電極に印加する電圧を、検出された電荷
量Ｑで制御する。この制御を制御部により行う。Therefore, an integrating circuit is provided to integrate the current i flowing into the first electrode. The charge amount Q is detected from Q = it (t is time). The voltage applied to the second electrode is controlled by the detected charge amount Q. This control is performed by the control unit.
圧電素子の第１の電極に流れ込む電流を積分回路で積
分する。積分回路からは、圧電素子の電極間に蓄えられ
た電荷量Ｑに応じた信号が出力される。この信号は制御
部に入力され、ある設定された電荷量が蓄えられるよう
に第２の電極の電位を決定する。The integrating circuit integrates the current flowing into the first electrode of the piezoelectric element. The integrating circuit outputs a signal according to the amount of charge Q accumulated between the electrodes of the piezoelectric element. This signal is input to the control unit and determines the potential of the second electrode so that a certain set charge amount can be stored.
これにより、電荷量による圧電素子の制御が実現され
る。すなわち、圧電素子に任意の電荷を与えかつこれを
保持することができる。Thereby, control of the piezoelectric element based on the amount of electric charge is realized. That is, it is possible to apply an arbitrary charge to the piezoelectric element and hold it.
第１図は圧電素子制御装置の例である。 FIG. 1 is an example of a piezoelectric element control device.
比較的低い印加電圧で大きい変位が得られる積層型圧
電素子４の電極６を演算増幅器１の負極性入力端に接続
する。正極性入力端はアース電位である。負極性入力端
と出力端との間にコンデンサー２を接続する。この積分
回路からの信号は制御部３に入力され、圧電素子４の電
極５の電位を決定する。なお演算増幅器としては、非常
にバイアス電流の小さいものを選択する。The electrode 6 of the laminated piezoelectric element 4 which can obtain a large displacement with a relatively low applied voltage is connected to the negative input terminal of the operational amplifier 1. The positive input terminal is at ground potential. The capacitor 2 is connected between the negative input terminal and the output terminal. A signal from this integration circuit is input to the control unit 3 and determines the potential of the electrode 5 of the piezoelectric element 4. An operational amplifier with a very small bias current is selected.
制御部３で特定の電荷量を指定すると制御部３から電
極５に電圧が印加される。電極５、６間に電荷が蓄積さ
れ、演算増幅器１のバイアス電流の影響を無視するとコ
ンデンサー２にも同量の電荷が蓄積される。コンデンサ
ー２の静電容量をＣとすると、電荷Ｑが蓄積されたとき
Q/Cなる電圧が出力される。この出力信号から判明する
Ｑが、指定された電荷量Q0と等しくなるように、制御部
３は電極５の電位と制御する。When the controller 3 designates a specific amount of charge, a voltage is applied from the controller 3 to the electrode 5. Electric charges are accumulated between the electrodes 5 and 6, and if the influence of the bias current of the operational amplifier 1 is ignored, the same amount of electric charges is accumulated in the capacitor 2. When the electrostatic capacity of the capacitor 2 is C, when the charge Q is accumulated
The voltage Q / C is output. The control unit 3 controls the potential of the electrode 5 so that the value of Q, which is known from this output signal, becomes equal to the designated charge amount Q 0 .
第２図は、積分回路部を改善した例を示す。前述の積
分回路とは別個に、同一の積分回路を設けた。但し、負
極性入力端は開放してある。演算増幅器７及びコンデン
サー８がこれである。演算増幅器1,7からの信号を演算
増幅器９に入力し、各々の信号の差を制御部に出力す
る。抵抗10,11,12,13は同じ抵抗値である。FIG. 2 shows an example in which the integration circuit section is improved. The same integrating circuit is provided separately from the above integrating circuit. However, the negative input terminal is open. This is the operational amplifier 7 and the capacitor 8. The signals from the operational amplifiers 1 and 7 are input to the operational amplifier 9, and the difference between the signals is output to the control unit. The resistors 10, 11, 12, and 13 have the same resistance value.
演算増幅器は、非常に小さい電流ではあるがバイアス
電流が流れる。このため演算増幅器とコンデンサーより
成る積分回路の出力信号は、わずかではあるがドリフト
する。本実施例においては、積分回路部を差動アンプと
したため、ドリフトの影響を大部分除去できる。The bias current flows through the operational amplifier though it is a very small current. Therefore, the output signal of the integrating circuit composed of the operational amplifier and the capacitor drifts, though slightly. In this embodiment, since the integrating circuit section is a differential amplifier, most of the influence of drift can be eliminated.
第３図は、本発明を走査型トンネル電子顕微鏡（ST
M）に応用した一実施例である。FIG. 3 shows a scanning tunneling electron microscope (ST
This is an example applied to M).
探針25と試料26とを非常に近い距離まで接近させ、電
源14により両者の間に電流を流す。この電流が一定にな
るようにサーボ回路15は圧電素子20に電圧を印加し、探
針25と試料26との間隔を制御する。The probe 25 and the sample 26 are brought close to each other to a very close distance, and a current is passed between them by the power supply 14. The servo circuit 15 applies a voltage to the piezoelectric element 20 so that this current becomes constant, and controls the distance between the probe 25 and the sample 26.
一方、走査部16は、同期された波状の走査信号を制御
部23と表示部24双方に出力する。制御部23は、積分回路
18,19からの信号を参照して、走査信号に比例的に対応
する電荷量を圧電素子21,22に与える。これにより、探
針25は試料面に沿い２次元的に走査される。積分回路17
からの信号は、試料面上の探針25の位置に対応した形で
表示部24に表示される。On the other hand, the scanning unit 16 outputs the synchronized wavy scanning signal to both the control unit 23 and the display unit 24. The control unit 23 is an integrating circuit.
With reference to the signals from 18, 19, the piezoelectric elements 21, 22 are provided with a charge amount proportionally corresponding to the scanning signal. As a result, the probe 25 is two-dimensionally scanned along the sample surface. Integrator circuit 17
The signal from is displayed on the display unit 24 in a form corresponding to the position of the probe 25 on the sample surface.
従来のSTMは、制御部23及び積分回路17,18,19より成
る電荷量制御及び検出システムがなかつた。走査部16か
らの走査信号の電圧が直接圧電素子21,22に印加され、
サーボ回路15から圧電素子20への出力電圧が直接表示部
24に表示されていた。このため、第６図に示す変位量の
非直線性及びヒステリシスにより、STM像に歪が発生し
ていた。The conventional STM has no charge amount control and detection system including the control unit 23 and the integration circuits 17, 18, and 19. The voltage of the scanning signal from the scanning unit 16 is directly applied to the piezoelectric elements 21 and 22,
The output voltage from the servo circuit 15 to the piezoelectric element 20 is directly displayed on the display.
It was displayed on 24. Therefore, the STM image was distorted due to the nonlinearity of the displacement amount and the hysteresis shown in FIG.
本実施例においては、圧電素子の電荷量制御及び電荷
量表示により、歪が大幅に減少した。In this example, the distortion was significantly reduced by controlling the charge amount of the piezoelectric element and displaying the charge amount.
第４図は、電荷量表示のみを行うSTMの実施例であ
る。本実施例においては、第３図中の制御部23を設け
ず、走査信号を直接圧電素子21,22に出力する。デイス
プレイ27は表示部24に対応するものである。以下の構成
は第３図と同様である。FIG. 4 shows an embodiment of the STM that only displays the charge amount. In this embodiment, the control unit 23 shown in FIG. 3 is not provided and the scanning signal is directly output to the piezoelectric elements 21 and 22. The display 27 corresponds to the display unit 24. The following structure is the same as that shown in FIG.
圧電素子21,22の電荷量は、積分回路18,19により検出
され、デイスプレイ27のx,y走査系28,29に入力される。
一方、圧電素子20の電荷量は積分回路17により検出さ
れ、カソード30に入力され、デイスプレイ27の輝度信号
となる。The charge amounts of the piezoelectric elements 21 and 22 are detected by the integrating circuits 18 and 19 and input to the x, y scanning systems 28 and 29 of the display 27.
On the other hand, the charge amount of the piezoelectric element 20 is detected by the integrating circuit 17, is input to the cathode 30, and becomes the luminance signal of the display 27.
本実施例においては、電荷量制御を行わなくとも、電
荷量を表示することにより画像の歪みを大幅に減少させ
た。In this embodiment, the image distortion is greatly reduced by displaying the charge amount without controlling the charge amount.
なお、演算増幅器のバイアス電流の影響を最小限に抑
えるため、一つのSTM像を撮る毎に各圧電素子の印加電
圧を０にし、同時に積分回路を構成するコンデンサーを
デイスチヤージする。In addition, in order to minimize the influence of the bias current of the operational amplifier, the applied voltage to each piezoelectric element is set to 0 every time one STM image is taken, and at the same time, the capacitor forming the integrating circuit is discharged.
これにより、積分回路の出力信号の時間的変化の影響
を最小限に抑える。This minimizes the effect of temporal changes in the output signal of the integrating circuit.
本発明における圧電素子の電荷量制御方法は、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
にも有効であることは明白である。It is obvious that the method of controlling the charge amount of the piezoelectric element according to the present invention is also effective for the positioning of the stage of the electron beam drawing apparatus in the range of micron or less and the fine positioning of each part of the electron optical system such as the diaphragm and the cathode.
また、圧電素子の超微動性能を利用して、熱電対のよ
うな各種プローブ及び電界放射電流や光他の各種信号に
より、試料等からの情報を得るSTM類似装置にも有効で
ある。It is also effective for various probes such as thermocouples and STM-like devices that obtain information from a sample or the like by various signals such as electric field emission current and light by utilizing the ultrafine movement of the piezoelectric element.
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位特性を得
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であるので大幅に減少する。According to the present invention, since the piezoelectric element can be controlled by the amount of electric charge, it is possible to obtain displacement characteristics with excellent linearity and small hysteresis. Further, the drift (creep) of the displacement amount when a constant voltage is applied to the piezoelectric element is also significantly reduced because it is possible to maintain a constant charge amount.
【図面の簡単な説明】 第１図は圧電素子制御装置の例、第２図は第１図の積分
回路部を改善した例、第３図は本発明の一実施例を示す
概略図、第４図は本発明の一実施例を示す概略図、第５
図は公知例の構成を示す概略図、第６図は印加電圧に対
する圧電素子の変位量を示す変位特性図、第７図は電荷
量に対する変位量を示す変位特性図、第８図は印加電圧
に対する電荷量を示す図、第９図は電荷量に対する変位
量を示す変位特性図である。 １……演算増幅器、２……コンデンサー、３……制御
部、４……圧電素子、５……電極、６……電極、７……
演算増幅器、８……コンデンサー、９……演算増幅器、
10……抵抗、11……抵抗、12……抵抗、13……抵抗、14
……電源、15……サーボ回路、16……走査部、17……積
分回路、18……積分回路、19……積分回路、20……圧電
素子、21……圧電素子、22……圧電素子、23……制御
部、24……表示部、25……探針、26……試料、27……デ
イスプレイ、28……ｘ走査系、29……ｙ走査系、30……
カソード、31……演算増幅器、32……電源回路、33……
抵抗。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an example of a piezoelectric element control device, FIG. 2 is an example in which the integrating circuit section of FIG. 1 is improved, and FIG. 3 is a schematic view showing an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a schematic view showing an embodiment of the present invention, FIG.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a known example, FIG. 6 is a displacement characteristic diagram showing a displacement amount of a piezoelectric element with respect to an applied voltage, FIG. 7 is a displacement characteristic diagram showing a displacement amount with respect to an electric charge amount, and FIG. 8 is an applied voltage. FIG. 9 is a displacement characteristic diagram showing the amount of displacement with respect to the amount of charge. 1 ... Operational amplifier, 2 ... Capacitor, 3 ... Control part, 4 ... Piezoelectric element, 5 ... Electrode, 6 ... Electrode, 7 ...
Operational amplifier, 8 ... condenser, 9 ... operational amplifier,
10 …… resistor, 11 …… resistor, 12 …… resistor, 13 …… resistor, 14
...... Power supply, 15 ...... Servo circuit, 16 ...... Scanning section, 17 ...... Integration circuit, 18 ...... Integration circuit, 19 ...... Integration circuit, 20 ...... Piezoelectric element, 21 ...... Piezoelectric element, 22 ...... Piezoelectric Element, 23 ... Control unit, 24 ... Display unit, 25 ... Probe, 26 ... Sample, 27 ... Display, 28 ... X scanning system, 29 ... Y scanning system, 30 ...
Cathode, 31 ... Operational amplifier, 32 ... Power supply circuit, 33 ...
resistance.
フロントページの続き (72)発明者 森村 利幸 国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式 会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 保坂 純男 国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式 会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 細木 茂行 国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式 会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−274205（ＪＰ，Ａ)Front Page Continuation (72) Inventor Toshiyuki Morimura 1-280 Higashi Koigakubo, Kokubunji City, Central Research Laboratory, Hitachi Ltd. (72) Inventor Sumio Hosaka 1-280 Higashi Koigakubo, Kokubunji City, Ltd. Central Research Laboratory, Hitachi Ltd. (72) Invention Person Shigeyuki Hosoki 1-280, Higashi Koigakubo, Kokubunji City, Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (56) References JP-A-61-274205 (JP, A)
Claims (1)
つの圧電素子により測定点の二方向の位置が制御される
とともに、測定点のデータが前記二方向と直交する第３
の圧電素子の歪量として得られる測定装置において、測
定点の位置を前記二つの圧電素子に蓄えられた電荷量と
して検出して表示装置における測定点のデータの表示位
置を制御し、測定点のデータを第３の圧電素子に蓄えら
れた電荷量として検出して表示装置の前記位置に表示す
ることを特徴とする測定装置。1. A second piezoelectric element that causes mechanical strain by an applied electric field to control the positions of the measurement points in two directions, and data of the measurement points is orthogonal to the two directions.
In the measuring device obtained as the amount of strain of the piezoelectric element, the position of the measuring point is detected as the amount of electric charge stored in the two piezoelectric elements to control the display position of the data of the measuring point in the display device, A measuring device, wherein data is detected as an amount of electric charge stored in a third piezoelectric element and displayed at the position of a display device.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP62035510A JP2564293B2 (en) | 1987-02-20 | 1987-02-20 | Piezoelectric element control device |
| US07/153,006 US4841191A (en) | 1987-02-20 | 1988-02-08 | Piezoelectric actuator control apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP62035510A JP2564293B2 (en) | 1987-02-20 | 1987-02-20 | Piezoelectric element control device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| JPS61274205A (en) * | 1985-05-30 | 1986-12-04 | Rion Co Ltd | Optical displacement measuring device |
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1987
- 1987-02-20 JP JP62035510A patent/JP2564293B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JPS63204673A (en) | 1988-08-24 |
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