JP4455046B2 - Actuator control method and apparatus, and scanning probe microscope - Google Patents

Actuator control method and apparatus, and scanning probe microscope Download PDF

Info

Publication number
JP4455046B2
JP4455046B2 JP2003431554A JP2003431554A JP4455046B2 JP 4455046 B2 JP4455046 B2 JP 4455046B2 JP 2003431554 A JP2003431554 A JP 2003431554A JP 2003431554 A JP2003431554 A JP 2003431554A JP 4455046 B2 JP4455046 B2 JP 4455046B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
circuit
actuator
displacement
solid actuator
piezoelectric element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP2003431554A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2005190228A (en
Inventor
敏夫 安藤
哲幸 古寺
信明 酒井
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.)
Kanazawa University NUC
Olympus Corp
Original Assignee
Kanazawa University NUC
Olympus Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kanazawa University NUC, Olympus Corp filed Critical Kanazawa University NUC
Priority to JP2003431554A priority Critical patent/JP4455046B2/en
Publication of JP2005190228A publication Critical patent/JP2005190228A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4455046B2 publication Critical patent/JP4455046B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Description

本発明は、例えば圧電素子により構成された圧電アクチュエータなどの固体アクチュエータ制御方法及びその装置並びに試料を走査するときのスキャナに固体アクチュエータを用いた走査型プローブ顕微鏡に関する。   The present invention relates to a method for controlling a solid actuator such as a piezoelectric actuator constituted by a piezoelectric element, an apparatus therefor, and a scanning probe microscope using a solid actuator as a scanner for scanning a sample.

走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、圧電素子からなる微小変位アクチュエータを広く使用している。この微小変位アクチュエータは、各部材の微小な位置制御やプローブ又は試料の走査などを行なうために用いられる。例えば、微小変位アクチュエータは、円筒型圧電アクチュエータ所謂チューブスキャナや、積層型圧電アクチュエータを３軸直交するように組み合わせた３軸一体型スキャナに使用されている。このうち積層型圧電アクチュエータは、変位方向が一方向でかつ長いストロークを有し、応用範囲も広い。これにより、積層型圧電アクチュエータは、ＳＰＭに使用するのに特に有効である。   Scanning probe microscopes (SPM) widely use micro displacement actuators made of piezoelectric elements. This minute displacement actuator is used for minute position control of each member, scanning of a probe or sample, and the like. For example, the micro displacement actuator is used in a so-called tube scanner of a cylindrical piezoelectric actuator or a three-axis integrated scanner in which stacked piezoelectric actuators are combined so as to be orthogonal to each other. Among these, the laminated piezoelectric actuator has a single displacement direction, a long stroke, and a wide application range. As a result, the multilayer piezoelectric actuator is particularly effective for use in SPM.

ところで、積層型圧電アクチュエータ（以下、圧電素子と称する）は、圧電材料の減衰性が小さいため、共振点付近での制御性が非常に悪い。つまり、圧電素子を周波数帯域を拡げるために高ゲインで制御を行うと、共振点付近で発振する可能性が非常に高くなる。又、圧電素子を急激に変位させると、圧電素子自身の振動が容易に収まらないという問題がある。   By the way, a multilayer piezoelectric actuator (hereinafter referred to as a piezoelectric element) has a very poor controllability near the resonance point because the attenuation of the piezoelectric material is small. In other words, if the piezoelectric element is controlled with a high gain to expand the frequency band, the possibility of oscillation near the resonance point becomes very high. Further, when the piezoelectric element is displaced suddenly, there is a problem that the vibration of the piezoelectric element itself cannot be easily settled.

図２１は圧電素子の伝達関数を示すブロック図である。Ｖは入力（入力制御情報：指令信号）、Ｘは出力（圧電素子の変位）、Ｇ（ｓ）は圧電素子の伝達関数を表す。圧電素子は、２次遅れ要素として扱うことができるので、その伝達関数は次式のように記述される。

Figure 0004455046
FIG. 21 is a block diagram showing a transfer function of the piezoelectric element. V is an input (input control information: command signal), X is an output (displacement of the piezoelectric element), and G (s) is a transfer function of the piezoelectric element. Since the piezoelectric element can be treated as a second-order lag element, its transfer function is described as follows:
Figure 0004455046

ただし、ｓはラプラス演算子、ω０は圧電素子の共振角周波数、γは減衰比である。又、ＫＰＺＴは、上記式（１）より求められる次式（２）の圧電素子のゲイン特性式においてω≪ω０としたときの次式（３）により記述されるゲイン、すなわちＤＣ領域における圧電素子の駆動効率（単位入力あたりの変位）を示す。

Figure 0004455046
Here, s is a Laplace operator, ω 0 is a resonance angular frequency of the piezoelectric element, and γ is an attenuation ratio. K PZT is the gain described by the following equation (3) when ω << ω 0 in the gain characteristic equation of the piezoelectric element of the following equation (2) obtained from the above equation (1), that is, in the DC region. The drive efficiency (displacement per unit input) of a piezoelectric element is shown.
Figure 0004455046

圧電素子の振動特性（ゲイン特性と位相特性）は、上記式（１）により求められる。一般に圧電素子の減衰比γは０．０２〜０．０３程度と小さいので、その振動特性は図２２（ａ）（ｂ）に示すように大きな共振ピークが生じてしまうことがわかる。このピークの大きさが制御性を悪化させている。   The vibration characteristics (gain characteristics and phase characteristics) of the piezoelectric element are obtained by the above formula (1). In general, since the damping ratio γ of the piezoelectric element is as small as about 0.02 to 0.03, it can be seen that a large resonance peak occurs in the vibration characteristics as shown in FIGS. The size of this peak deteriorates controllability.

上記問題の改善するために圧電素子に対して高粘弾性材料で構成された機械的ダンパーを付加することで、圧電素子の減衰性を高める方法が例えば特許文献１に開示されている。
特開平８−２９０１１４号公報 For example, Patent Document 1 discloses a method for increasing the damping property of a piezoelectric element by adding a mechanical damper made of a highly viscoelastic material to the piezoelectric element in order to improve the above problem.
JP-A-8-290114

しかしながら、上記の如く圧電素子に高粘弾性材料により構成された機械的ダンパーを付加することで圧電素子の減衰性を高める方法では、以下の３つの問題が生じる。   However, the following three problems arise in the method of increasing the attenuation of the piezoelectric element by adding the mechanical damper made of a high viscoelastic material to the piezoelectric element as described above.

圧電素子に機械的ダンパーを付加すると、ダンパー自身の重みで圧電素子の共振周波数が下がる。   When a mechanical damper is added to the piezoelectric element, the resonance frequency of the piezoelectric element is lowered by the weight of the damper itself.

圧電素子の減衰比を所望とする値に設定（調整）することが非常に困難である。   It is very difficult to set (adjust) the attenuation ratio of the piezoelectric element to a desired value.

高粘弾性材料で構成された機械的ダンパーはその特性の経年変化が激しい。このために、所望とする減衰比を維持できる期間が非常に短い。   Mechanical dampers composed of high viscoelastic materials are subject to severe changes over time. For this reason, the period during which the desired attenuation ratio can be maintained is very short.

本発明の第１の態様に係るアクチュエータ制御方法は、圧電素子を有する固体アクチュエータを当該固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に基づいて駆動制御するアクチュエータ制御方法であって、前記固体アクチュエータの駆動時の振動を抑制するために前記圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくする工程を有し、前記減衰比を大きくする工程は、前記固体アクチュエータの伝達関数と等価の伝達関数を有し、前記変位に関する入力制御情報に基づいて前記固体アクチュエータの疑似変位情報を求める等価処理工程と、前記等価処理工程の出力情報である擬似変位情報に対して微分処理を施す微分処理工程と、前記微分処理工程により得られた微分処理結果に対して増減幅処理を施す増減幅処理工程と、前記変位に関する入力制御情報と、前記増減幅処理工程において前記擬似変位情報の微分処理結果が増減幅処理されて算出された増減幅処理結果と、の偏差を算出する偏差算出工程と、を有し、前記微分処理工程における微分要素の時定数と、前記増減幅処理工程にて施す増減幅処理における比例ゲインと、のうち少なくとも何れか一方を調整することで、前記圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくした前記偏差に基づいて前記固体アクチュエータを駆動制御することを特徴とする。 An actuator control method according to a first aspect of the present invention is an actuator control method for driving and controlling a solid actuator having a piezoelectric element based on input control information relating to displacement of the solid actuator . A step of increasing a resonance peak attenuation ratio of the piezoelectric element to suppress vibration, and the step of increasing the attenuation ratio has a transfer function equivalent to a transfer function of the solid actuator, and relates to the displacement An equivalent processing step for obtaining pseudo displacement information of the solid actuator based on input control information, a differential processing step for performing differential processing on pseudo displacement information that is output information of the equivalent processing step, and a differential processing step. and increase and decrease range processing step of performing varying width processing to differential processing result which is input relating to the displacement It possesses the control information, and the differential processing result varying width treated in the calculated varying width processing result of the varying width processing step Oite the pseudo displacement information, the deviation calculating step of calculating a deviation of the said By adjusting at least one of the time constant of the differential element in the differentiation process and the proportional gain in the increase / decrease process performed in the increase / decrease process, the resonance peak attenuation ratio of the piezoelectric element is increased. The solid actuator is driven and controlled based on the deviation .

本発明の第２の態様に係るアクチュエータ制御方法は、圧電素子を有する固体アクチュエータを当該固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に基づいて駆動制御するアクチュエータ制御方法であって、前記固体アクチュエータの駆動時の振動を抑制するために圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくする工程を有し、前記減衰比を大きくする工程は、前記固体アクチュエータの速度情報を取得する速度情報取得工程と、前記変位に関する入力制御情報と前記速度情報取得工程により取得された前記速度情報との偏差を算出する偏差算出工程と、前記偏差算出工程により算出された前記偏差に基づいて前記固体アクチュエータを駆動する駆動工程と、を有し、前記速度情報取得工程は、前記固体アクチュエータの変位情報を前記圧電素子に蓄積される電荷量を検出することで取得する変位情報取得工程と、前記変位情報取得工程により取得された前記変位情報に対して微分処理を施す微分処理工程と、前記微分処理工程により取得された微分処理結果に対して増減幅処理を施す増減幅処理工程と、を有し、前記駆動工程は、前記微分処理工程における微分要素の時定数と、前記増減幅処理工程にて施す増幅処理における比例ゲインと、のうち少なくとも何れか一方を調整することで、前記圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくした前記偏差に基づいて前記固体アクチュエータを駆動制御することを特徴とする。 An actuator control method according to a second aspect of the present invention is an actuator control method for driving and controlling a solid actuator having a piezoelectric element based on input control information relating to the displacement of the solid actuator . In order to suppress vibration, the method includes a step of increasing a damping ratio of a resonance peak of the piezoelectric element, and the step of increasing the damping ratio includes a speed information acquiring step of acquiring speed information of the solid actuator, and an input relating to the displacement A deviation calculating step for calculating a deviation between the control information and the speed information acquired by the speed information acquiring step; and a driving step for driving the solid actuator based on the deviation calculated by the deviation calculating step. And the velocity information acquisition step includes displacement information of the solid actuator as the piezoelectric element. A displacement information acquisition step acquired by detecting the amount of charge accumulated in the sensor, a differential processing step of performing a differential process on the displacement information acquired by the displacement information acquisition step, and a differential processing step. and the increase and decrease range processing step of performing varying width processing to the differential processing result, have a, the driving step includes a time constant of the differentiating element in the differentiation process, the amplification process applied by the varying width processing step a proportional gain, by adjusting at least one of, characterized that you drive controlling the solid actuator based on the deviation by increasing the damping ratio of the resonance peak of the piezoelectric element.

本発明の第３の態様によるアクチュエータ制御装置は、圧電素子を有する固体アクチュエータを当該固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に基づいて駆動制御するアクチュエータ制御装置であって、前記固体アクチュエータの駆動時の振動を抑制するために圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくする減衰比増大回路を具備し、前記減衰比増大回路は、前記固体アクチュエータの伝達関数と等価の伝達関数を有し、前記変位に関する入力制御情報に基づいて前記固体アクチュエータの疑似変位情報を求める等価回路と、前記等価回路の出力信号に対して微分処理を施す微分回路と、前記微分回路により得られた微分処理結果に対して増減幅処理を施す増減幅回路と、前記変位に関する入力制御情報と、前記増減幅回路により算出された出力情報と、の偏差を算出する偏差器と、前記偏差器により求められた前記偏差に基づいて、前記固体アクチュエータを駆動する駆動回路と、を有し、前記駆動回路は、前記微分回路の時定数と、前記増減幅回路の比例ゲインと、のうち少なくとも何れか一方を調整することで、前記圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくした前記偏差に基づいて前記固体アクチュエータを駆動制御することを特徴とする。 An actuator control apparatus according to a third aspect of the present invention is an actuator control apparatus that drives and controls a solid actuator having a piezoelectric element based on input control information related to the displacement of the solid actuator, and the vibration during driving of the solid actuator A damping ratio increasing circuit for increasing a damping ratio of a resonance peak of the piezoelectric element, the damping ratio increasing circuit having a transfer function equivalent to a transfer function of the solid actuator, and an input related to the displacement An equivalent circuit that obtains pseudo displacement information of the solid actuator based on control information, a differentiation circuit that performs a differentiation process on the output signal of the equivalent circuit, and an increase / decrease width with respect to the differentiation process result obtained by the differentiation circuit a varying width circuit processing performed, an input control information relating to the displacement calculator by the varying width circuit An output information, and deviation that calculates the deviation, on the basis of the deviation obtained by the deviation device, have a, a driving circuit for driving the solid-state actuator, said drive circuit, said differential circuit The solid actuator is driven and controlled based on the deviation obtained by increasing the resonance peak attenuation ratio of the piezoelectric element by adjusting at least one of a time constant and a proportional gain of the increase / decrease width circuit. It is characterized by.

本発明の第４の態様によるアクチュエータ制御装置は、圧電素子を有する固体アクチュエータを、当該固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に基づいて駆動制御するアクチュエータ制御装置であって、前記固体アクチュエータの駆動時の振動を抑制するために圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくする減衰比増大回路を具備し、前記減衰比増大回路は、前記固体アクチュエータの速度情報を取得する速度情報取得回路と、前記変位に関する入力制御情報と、前記速度情報取得回路により取得された前記速度情報と、の偏差を算出する偏差器と、前記偏差器により算出された前記偏差に基づいて前記固体アクチュエータを駆動する駆動回路と、を有し、前記速度情報取得回路は、前記圧電素子に蓄積される電荷量を検出する電荷検出回路を備え、前記検出した電荷量に基づいて前記固体アクチュエータの変位情報を取得する変位検出部と、前記変位検出部により取得された前記変位情報に対して微分処理を施す微分回路と、前記微分回路により取得された微分処理結果に対して増減幅処理を施す増減幅回路と、を有し、前記駆動回路は、前記微分回路の時定数と、前記増減幅回路の比例ゲインの少なくとも一方を調整することで、前記圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくした前記偏差に基づいて前記固体アクチュエータを駆動制御することを特徴とする。 An actuator control apparatus according to a fourth aspect of the present invention is an actuator control apparatus that drives and controls a solid actuator having a piezoelectric element based on input control information relating to displacement of the solid actuator , A damping ratio increasing circuit that increases a damping ratio of a resonance peak of the piezoelectric element in order to suppress vibration ; the damping ratio increasing circuit relates to a speed information acquiring circuit that acquires speed information of the solid actuator; and the displacement A deviation unit that calculates a deviation between the input control information and the speed information acquired by the speed information acquisition circuit, a drive circuit that drives the solid actuator based on the deviation calculated by the deviation unit, and And the speed information acquisition circuit detects a charge amount accumulated in the piezoelectric element. A displacement detector that includes a circuit and acquires displacement information of the solid actuator based on the detected charge amount; a differentiation circuit that performs a differentiation process on the displacement information acquired by the displacement detector; and the differentiation have a, a varying width circuit which performs varying width processing to have been differentiation processing results obtained by the circuit, wherein the drive circuit, adjustment and the time constant of the differentiating circuit, at least one of the proportional gain of said varying width circuit Thus, the solid actuator is driven and controlled based on the deviation obtained by increasing the resonance peak attenuation ratio of the piezoelectric element .

本発明の第５の態様によるアクチュエータ制御装置は、ステージの一方の面に対して設けられた圧電素子を有する第１の固体アクチュエータと、前記ステージの他方の面に対して設けられ、前記第１の固体アクチュエータに有する伝達関数と略同等の伝達関数を有し、前記第１の固体アクチュエータの変位方向に対して反対方向に変位する、圧電素子を有する第２の固体アクチュエータと、前記第１の固体アクチュエータ及び前記第２の固体アクチュエータの駆動時の振動を抑制するために前記圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくする減衰比増大回路と、を具備し、前記減衰比増大回路は、前記第１の固体アクチュエータの伝達関数と等価の伝達関数を有し、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に基づいて前記第１の固体アクチュエータの疑似変位情報を求める等価回路と、前記等価回路の出力信号に対して微分処理を施す微分回路と、前記微分回路により得られた微分処理結果に対して増減幅処理を施す増減幅回路と、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報と、前記増減幅回路により算出された出力情報と、の偏差を算出する偏差器と、前記偏差器により求められた前記偏差に基づいて前記第１及び前記第２の固体アクチュエータを駆動する駆動回路と、を有し、前記駆動回路は、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に応じて、前記微分回路の時定数及び前記増減幅回路の比例ゲインのうち少なくとも何れか一方を調整することで、前記圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくした前記減衰比増大回路の出力信号である前記偏差に基づいて、前記第１の固体アクチュエータ及び前記第２の固体アクチュエータを駆動することを特徴とする。 An actuator control apparatus according to a fifth aspect of the present invention is provided with a first solid actuator having a piezoelectric element provided with respect to one surface of a stage, and with respect to the other surface of the stage. A second solid actuator having a piezoelectric element that has a transfer function substantially equivalent to a transfer function of the first solid actuator and is displaced in a direction opposite to a displacement direction of the first solid actuator; A damping ratio increasing circuit that increases a damping ratio of a resonance peak of the piezoelectric element in order to suppress vibration during driving of the solid actuator and the second solid actuator, and the damping ratio increasing circuit includes It has a transfer function equivalent to a transfer function of 1 solid actuator, on the basis of the input control information about displacement of the first solid actuator first An equivalent circuit for obtaining pseudo displacement information of the solid actuator, a differentiation circuit for performing a differentiation process on the output signal of the equivalent circuit, and an increase / decrease width for performing an increase / decrease width process on the differentiation processing result obtained by the differentiation circuit A deviation unit for calculating a deviation between a circuit, input control information relating to the displacement of the first solid actuator, and output information calculated by the increase / decrease circuit, and the deviation obtained by the deviation unit A drive circuit for driving the first and second solid actuators, the drive circuit according to input control information relating to displacement of the first solid actuator and the time constant of the differentiation circuit and the By adjusting at least one of the proportional gains of the increase / decrease width circuit, the attenuation ratio increasing circuit in which the attenuation ratio of the resonance peak of the piezoelectric element is increased. Based on the deviation which is a force signal, and drives the first solid actuator and the second solid actuator.

本発明の第６の態様によるアクチュエータ制御装置は、ステージの一方の面に対して設けられた圧電素子を有する第１の固体アクチュエータと、前記ステージの他方の面に対して設けられ、前記第１の固体アクチュエータに有する伝達関数と略同等の伝達関数を有し、前記第１の固体アクチュエータの変位方向に対して反対方向に変位する、圧電素子を有する第２の固体アクチュエータと、前記第１の固体アクチュエータ及び前記第２の固体アクチュエータの駆動時の振動を抑制するために圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくする減衰比増大回路と、を具備し、前記減衰比増大回路は、前記第１の固体アクチュエータの速度情報を取得する速度情報取得回路と、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報と、前記速度情報取得回路により取得された前記速度情報と、の偏差を算出する偏差器と、前記偏差器により算出された前記偏差に基づいて、前記第１の固体アクチュエータ及び前記第２の固体アクチュエータを駆動する駆動回路と、を有し、前記速度情報取得回路は、前記第１の固体アクチュエータの圧電素子及び前記第２の固体アクチュエータの圧電素子のうち少なくとも何れか一方に蓄積される電荷量を検出する電荷検出回路を備え、前記電荷量に基づいて、前記第１の固体アクチュエータ及び前記第２の固体アクチュエータのうち少なくとも何れか一方の変位情報を取得する変位検出部と、前記変位検出部により取得された前記変位情報に対して微分処理を施す微分回路と、前記微分回路により取得された微分処理結果に対して増減幅処理を施す増減幅回路と、を有し、前記駆動回路は、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に応じて、前記微分回路の時定数と、前記増減幅回路の比例ゲインの少なくとも一方を調整することで、前記圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくした前記減衰比増大回路の出力信号である前記偏差に基づいて、前記第１の固体アクチュエータ及び前記第２の固体アクチュエータを駆動することを特徴とする。
本発明の第７の態様によるアクチュエータ制御装置は、ステージの一方の面に対して設けられた圧電素子を有する第１の固体アクチュエータと、前記ステージの他方の面に対して設けられ、前記第１の固体アクチュエータに有する伝達関数と略同等の伝達関数を有し、前記第１の固体アクチュエータの変位方向に対して反対方向に変位する圧電素子を有する第２の固体アクチュエータと、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に応じて前記第１の固体アクチュエータの駆動時の振動を抑制するために圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくする第１の減衰比増大回路と、前記第１の減衰比増大回路の結果に基づいて、前記第１の固体アクチュエータを駆動する第１の駆動回路と、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に応じて、前記第２の固体アクチュエータの駆動時の振動を抑制するため圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくする第２の減衰比増大回路と、前記第２の減衰比増大回路の結果に基づいて、前記第２の固体アクチュエータを駆動する第２の駆動回路と、前記第１の減衰比増大回路と前記第１の駆動回路との間、及び、前記第２の減衰比増大回路と前記第２の駆動回路との間、のうち少なくとも何れか一方に接続され、前記第１と前記第２の固体アクチュエータとの各駆動効率を略一致させるゲイン補正回路と、を具備し、前記第１の減衰比増大回路は、前記第１の固体アクチュエータの伝達関数と等価の伝達関数を有し、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に基づいて前記第１の固体アクチュエータの疑似変位情報を求める第１の等価回路と、前記第１の等価回路の出力信号に対して微分処理を施す第１の微分回路と、前記第１の微分回路により得られた微分処理結果に対して増減幅処理を施す第１の増減幅回路と、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報と前記第１の増減幅回路により算出された出力情報との偏差を算出する第１の偏差器と、を有し、前記第１の減衰比増大回路の結果は、前記第１の偏差器により求められた前記偏差であり、前記第２の減衰比増大回路は、前記第２の固体アクチュエータの伝達関数と等価の伝達関数を有し、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に基づいて前記第２の固体アクチュエータの疑似変位情報を求める第２の等価回路と、前記第２の等価回路の出力信号に対して微分処理を施す第２の微分回路と、前記第２の微分回路により得られた微分処理結果に対して増減幅処理を施す第２の増減幅回路と、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報と、前記第２の増減幅回路により算出された出力情報と、の偏差を算出する第２の偏差器と、を有し、前記第２の減衰比増大回路の結果は、前記第２の偏差器により求められた前記偏差であり、前記第１の駆動回路は、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に応じて、前記第１の微分回路の時定数と、前記第１の増減幅回路の比例ゲインと、のうち少なくとも何れか一方を調整することで、前記第１の固体アクチュエータの圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくした前記第１の減衰比増大回路の出力信号である前記第１の偏差器により求められた前記偏差に基づいて、前記第１の固体アクチュエータを駆動し、前記第２の駆動回路は、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に応じて、前記第２の微分回路の時定数と、前記第２の増減幅回路の比例ゲインと、のうち少なくとも何れか一方を調整することで、前記第２の固体アクチュエータの圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくした前記第２の減衰比増大回路の出力信号である前記第２の偏差器により求められた前記偏差に基づいて、前記第２の固体アクチュエータを駆動する、ことを特徴とする。 An actuator control apparatus according to a sixth aspect of the present invention is provided with a first solid actuator having a piezoelectric element provided with respect to one surface of a stage, and with respect to the other surface of the stage. A second solid actuator having a piezoelectric element that has a transfer function substantially equivalent to a transfer function of the first solid actuator and is displaced in a direction opposite to a displacement direction of the first solid actuator; A damping ratio increasing circuit that increases a damping ratio of a resonance peak of the piezoelectric element in order to suppress vibrations during driving of the solid actuator and the second solid actuator, and the damping ratio increasing circuit includes: and velocity information acquisition circuit for acquiring the velocity information of the solid actuator, an input control information about displacement of the first solid actuator, the rate information A deviation unit that calculates a deviation from the speed information acquired by the acquisition circuit, and a drive that drives the first solid actuator and the second solid actuator based on the deviation calculated by the deviation unit And the speed information acquisition circuit detects a charge amount accumulated in at least one of the piezoelectric element of the first solid actuator and the piezoelectric element of the second solid actuator. A displacement detector that includes a circuit and acquires displacement information of at least one of the first solid actuator and the second solid actuator based on the charge amount; and the displacement detector acquired by the displacement detector A differentiation circuit that performs a differentiation process on displacement information, and an increase that performs an increase / decrease width process on the differentiation process result obtained by the differentiation circuit. Has a width circuit, wherein the drive circuit, in response to said first input control information about displacement of a solid actuator to adjust the time constant of the differentiating circuit, at least one of the proportional gain of said varying width circuit Thus , the first solid actuator and the second solid actuator are driven based on the deviation which is an output signal of the attenuation ratio increasing circuit in which the resonance peak attenuation ratio of the piezoelectric element is increased. And
An actuator control apparatus according to a seventh aspect of the present invention is provided with a first solid actuator having a piezoelectric element provided with respect to one surface of a stage, and with respect to the other surface of the stage. A second solid actuator having a transfer function substantially equal to the transfer function of the first solid actuator and having a piezoelectric element displaced in a direction opposite to the displacement direction of the first solid actuator, and the first solid A first damping ratio increasing circuit for increasing a damping ratio of a resonance peak of the piezoelectric element in order to suppress vibration at the time of driving the first solid actuator according to input control information relating to the displacement of the actuator ; based on the results of the damping ratio increasing circuit, a first driving circuit for driving said first solid actuator, the displacement of the first solid actuator Depending on the input control information, the second and the second damping ratio increasing circuit to increase the damping ratio of the resonance peak of the piezoelectric elements for suppressing vibration during driving of the solid-state actuator, said second damping ratio increasing Based on the result of the circuit, the second drive circuit for driving the second solid actuator, between the first attenuation ratio increasing circuit and the first drive circuit, and the second attenuation ratio. A gain correction circuit that is connected to at least one of the increase circuit and the second drive circuit and substantially matches the drive efficiencies of the first and second solid actuators. said first damping ratio increasing circuit, the first has a transfer function equivalent to a transfer function of a solid actuator, said first solid based on the input control information about displacement of the actuator the first solid actuator A first equivalent circuit for obtaining pseudo displacement information of the data, a first differentiating circuit for differentiating the output signal of the first equivalent circuit, and a differential processing result obtained by the first differentiating circuit A first increase / decrease circuit for performing an increase / decrease width process, a first for calculating a deviation between input control information relating to displacement of the first solid actuator and output information calculated by the first increase / decrease circuit. And the result of the first attenuation ratio increasing circuit is the deviation obtained by the first deviator, and the second attenuation ratio increasing circuit is the second attenuation ratio increasing circuit. A second equivalent circuit having a transfer function equivalent to a transfer function of a solid actuator, and determining pseudo-displacement information of the second solid actuator based on input control information relating to a displacement of the first solid actuator; 2 equivalent circuit output A second differentiating circuit for differentiating the force signal; a second increasing / decreasing circuit for applying an increasing / decreasing process to the differentiation result obtained by the second differentiating circuit; and the first solid state. A second deviator for calculating a deviation between the input control information relating to the displacement of the actuator and the output information calculated by the second increase / decrease circuit, and the result of the second attenuation ratio increasing circuit , the Ri said deviation der obtained by the second difference unit, said first drive circuit, in response to input control information about displacement of the first solid actuator, when said first differential circuit The first attenuation in which the resonance peak attenuation ratio of the piezoelectric element of the first solid actuator is increased by adjusting at least one of a constant and a proportional gain of the first increase / decrease circuit. The output signal of the ratio increase circuit Based on the deviation obtained by the first deviator, the first solid actuator is driven, and the second drive circuit is responsive to input control information relating to displacement of the first solid actuator, The damping ratio of the resonance peak of the piezoelectric element of the second solid actuator is adjusted by adjusting at least one of the time constant of the second differentiation circuit and the proportional gain of the second increase / decrease width circuit. The second solid-state actuator is driven based on the deviation obtained by the second deviator, which is an output signal of the second attenuation ratio increasing circuit having a larger value .

本発明は、機械的ダンパーを付加することなしに、固体アクチュエータの減衰性を大きくできるアクチュエータ制御方法及びその装置並びに試料を走査するときのスキャナに固体アクチュエータを用いた走査型プローブ顕微鏡を提供できる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can provide an actuator control method and apparatus that can increase the attenuation of a solid actuator without adding a mechanical damper, and a scanning probe microscope using the solid actuator as a scanner for scanning a sample.

以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。   Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は積層型圧電素子から成る圧電アクチュエータ（圧電素子）に対する制御ブロックの伝達関数Ｇ’（ｓ）を示す制御ブロック図である。この制御ブロックの伝達関数Ｇ’（ｓ）は、当該圧電素子の制御性を向上させるために減衰比γを大きくしている。   FIG. 1 is a control block diagram showing a transfer function G ′ (s) of a control block for a piezoelectric actuator (piezoelectric element) composed of a laminated piezoelectric element. The transfer function G ′ (s) of this control block increases the damping ratio γ in order to improve the controllability of the piezoelectric element.

この制御ブロックの伝達関数Ｇ’（ｓ）は、圧電素子の伝達関数Ｇ（ｓ）の出力Ｘを圧電素子の変位を電気信号に変換するための変換定数ＫＳＥＮＳ（単位はＶ／ｍ）、微分要素の時定数ＴＤ、比例ゲインＫを通して減算器１にフィードバックし、この減算器１において入力（指令信号：入力制御情報）Ｖと比例ゲインＫの出力との偏差（指令信号から比例ゲインＫの出力信号を減算する）を求めてその減算信号を圧電素子の伝達関数Ｇ（ｓ）に供給する。この制御ブロックの伝達関数Ｇ’（ｓ）は、次式のように記述される。

Figure 0004455046
The transfer function G ′ (s) of this control block is a conversion constant K SENS (unit: V / m) for converting the output X of the transfer function G (s) of the piezoelectric element into an electric signal. The differential element is fed back to the subtractor 1 through the time constant T D of the differential element and the proportional gain K. In this subtractor 1, the difference between the input (command signal: input control information) V and the output of the proportional gain K (the proportional gain K from the command signal). And the subtracted signal is supplied to the transfer function G (s) of the piezoelectric element. The transfer function G ′ (s) of this control block is described as follows:
Figure 0004455046

又、圧電素子２０のＤＣ領域における駆動効率をＫＰＺＴとして、

Figure 0004455046
Further, the driving efficiency in the DC region of the piezoelectric element 20 is defined as K PZT .
Figure 0004455046

とおくと、上記式（４）は、

Figure 0004455046
Then, the above equation (4) is
Figure 0004455046

と表すことができる。 It can be expressed as.

従って、図１に示すように圧電素子に対する制御ブロックの伝達関数Ｇ’（ｓ）を構成すれば、減衰比γを大きくできる。さらに、比例ゲインＫや微分要素の時定数ＴＤを調整することで任意の減衰比γに設定することが可能であることがわかる。例えば、減衰比γ＝１のときの振動特性を図２（ａ）（ｂ）に示す。同図（ａ）はゲインを示し、同図（ｂ）は位相を示す。同図（ａ）（ｂ）に示すように共振ピークが全くないことがわかる。 Therefore, if the transfer function G ′ (s) of the control block for the piezoelectric element is configured as shown in FIG. 1, the damping ratio γ can be increased. Furthermore, it can be seen that it is possible to arbitrarily set the damping ratio γ by adjusting the constant T D when the proportional gain K and the differential elements. For example, the vibration characteristics when the damping ratio γ = 1 are shown in FIGS. The figure (a) shows a gain and the figure (b) shows a phase. It can be seen that there are no resonance peaks as shown in FIGS.

図３はアクチュエータ制御装置の制御ブロックの具体的な構成図である。積層型の圧電素子２０は、電界を加えることにより変位を生じるもので、その伝達関数Ｇ(s)は上記式（１）により記述される。この圧電素子２０は、例えば圧電素子２０のＤＣ領域における駆動効率ＫＰＺＴを１００［ｎｍ／Ｖ］、機械的共振角周波数ω０を２π×１００×１０３［rad／ｓ］、減衰比γを０．０２５とする。 FIG. 3 is a specific configuration diagram of a control block of the actuator control device. The laminated piezoelectric element 20 is displaced by applying an electric field, and its transfer function G (s) is described by the above equation (1). The piezoelectric element 20 has, for example, a driving efficiency K PZT in the DC region of the piezoelectric element 20 of 100 [nm / V], a mechanical resonance angular frequency ω 0 of 2π × 100 × 10 3 [rad / s], and an attenuation ratio γ. 0.025.

ピエゾドライバ２１は、圧電素子２０へ電圧を印加するための駆動回路で、入力信号を増幅率ＫＤＲＶにより増幅した駆動信号ＶＤＲＶを圧電素子２０に印加する。例えば増幅率ＫＤＲＶは１０倍とする。 Piezo driver 21, a driving circuit for applying a voltage to the piezoelectric element 20, the drive signal is applied to V DRV amplified by the amplification factor K DRV input signal to the piezoelectric element 20. For example, the amplification factor K DRV is 10 times.

減衰比増大回路２２は、指令信号Ｖに基づいて圧電素子２０を変位動作させたときの変位を取得し、かつ圧電素子２０の減衰比γを大きくする。この減衰比増大回路２２は、変位センサ２３と、フィルタ回路２４と、ゲイン回路２５と、減算器１とを有する。   The attenuation ratio increasing circuit 22 acquires the displacement when the piezoelectric element 20 is displaced based on the command signal V, and increases the attenuation ratio γ of the piezoelectric element 20. The attenuation ratio increasing circuit 22 includes a displacement sensor 23, a filter circuit 24, a gain circuit 25, and the subtracter 1.

変位センサ２３は、圧電素子２０の変位（Ｘ）を検出するもので、例えば変位の検出感度ＫＳＥＮＳを０．０１［Ｖ／ｎｍ］とする。この変位センサ２３は、例えばフォトセンサ、歪みゲージセンサ或いは差動トランスを用いるのがよい。 The displacement sensor 23 detects the displacement (X) of the piezoelectric element 20, and for example, the displacement detection sensitivity K SENS is set to 0.01 [V / nm]. As this displacement sensor 23, for example, a photo sensor, a strain gauge sensor, or a differential transformer is preferably used.

フィルタ回路２４は、変位センサ２３の検出信号を微分演算して変位速度情報を得るもので、微分時定数ＴＤ、伝達関数ＴＤｓを有する微分回路で構成される。図４は当該フィルタ回路２４の具体的な一例を示す構成図である。オペアンプ２７の反転端子（−）に静電容量Ｃ１のコンデンサ２８が接続されると共にオペアンプ２７の非反転端子（＋）は接地されている。オペアンプ２７の出力端子と反転端子（−）との間には抵抗値Ｒ１の抵抗素子２９が接続されている。そして、オペアンプ２７の出力端子に反転回路３０が接続されている。 The filter circuit 24 obtains displacement speed information by differentiating the detection signal of the displacement sensor 23, and is configured by a differentiation circuit having a differentiation time constant T D and a transfer function T D s. FIG. 4 is a configuration diagram showing a specific example of the filter circuit 24. Inverting terminal of the operational amplifier 27 (-) to the non-inverting terminal of the operational amplifier 27 together with the capacitance C 1 of the capacitor 28 is connected (+) is grounded. A resistance element 29 having a resistance value R 1 is connected between the output terminal of the operational amplifier 27 and the inverting terminal (−). The inverting circuit 30 is connected to the output terminal of the operational amplifier 27.

このフィルタ回路２４は、オペアンプ２７、抵抗素子２９、コンデンサ２８により微分回路を形成し、その時定数ＴＤは、次式（７）により表わされるように抵抗値Ｒ１と静電容量Ｃ１との積で表わされる。

Figure 0004455046
The filter circuit 24 includes an operational amplifier 27, the resistance element 29, a capacitor 28 forms a differentiating circuit, a time constant T D is between the resistance value R 1 and the capacitance C 1 as represented by the formula (7) Expressed as a product.
Figure 0004455046

本実施形態では便宜上、時定数ＴＤを次式（８）に示すように１／ω０と等しくなるように設定する。

Figure 0004455046
In the present embodiment for convenience, it is set equal to 1 / omega 0 as shown in the following equation (8) constant T D time.
Figure 0004455046

フィルタ回路２４の周波数特性は、図５に示すように指令信号Ｖの角周波数が圧電素子２０の機械的共振角周波数ω０と同じときにゲイン×１となるような微分特性を有する。 As shown in FIG. 5, the frequency characteristic of the filter circuit 24 has a differential characteristic such that when the angular frequency of the command signal V is the same as the mechanical resonance angular frequency ω 0 of the piezoelectric element 20, the gain is 1.

又、図６はフィルタ回路２４の別の構成例を示す。オペアンプ２７の非反転端子（＋）に静電容量Ｃ２のコンデンサ３１と抵抗値Ｒ２の抵抗素子３２とが並列接続されると共に、オペアンプ２７の出力端子と反転端子（−）との間に直接接続されている。そして、オペアンプ２７の出力端子に増幅率α倍の増幅回路３３が接続されている。 FIG. 6 shows another configuration example of the filter circuit 24. A capacitor 31 having a capacitance C 2 and a resistance element 32 having a resistance value R 2 are connected in parallel to the non-inverting terminal (+) of the operational amplifier 27, and between the output terminal and the inverting terminal (−) of the operational amplifier 27. Connected directly. An amplifier circuit 33 with an amplification factor α is connected to the output terminal of the operational amplifier 27.

このフィルタ回路２４は、オペアンプ２７、抵抗素子３２、コンデンサ３１によりハイパスフィルタ回路を形成し、そのカットオフ角周波数ωｃは、次式（９）に示すように抵抗値Ｒ２と静電容量Ｃ２の積で表される。

Figure 0004455046
The filter circuit 24 forms a high-pass filter circuit by an operational amplifier 27, a resistance element 32, and a capacitor 31, and the cut-off angular frequency ω c has a resistance value R 2 and a capacitance C as shown in the following equation (9). Expressed by the product of two .
Figure 0004455046

本実施の形態では便宜上、カットオフ角周波数ωｃを次式（１０）に示すようにα・ω０と等しくなるように設定する。ただし増幅率αは１０以上をとるものとする。

Figure 0004455046
In the present embodiment, for the sake of convenience, the cutoff angular frequency ω c is set to be equal to α · ω 0 as shown in the following equation (10). However, the amplification factor α is 10 or more.
Figure 0004455046

フィルタ回路２４の周波数特性は、図７に示すように指令信号Ｖの角周波数が圧電素子２０の機械的共振角周波数ω０と同じときにゲイン×１のハイパスフィルタ特性となる。同図に示すように実線グラフはα＝１０、破線グラフはα＝１００のときの特性である。このようにフィルタ回路２４は、指令信号Ｖの角周波数が圧電素子２０の機械的共振角周波数ω０近傍以下において微分特性（図４に示すフィルタ回路２４と同じ特性）と見なすことができ、さらに角周波数ω０より十分高い周波数（１０倍以上）においては一定ゲインの特性とすることができる。 The frequency characteristic of the filter circuit 24 is a high-pass filter characteristic of gain × 1 when the angular frequency of the command signal V is the same as the mechanical resonance angular frequency ω 0 of the piezoelectric element 20 as shown in FIG. As shown in the figure, the solid line graph shows the characteristics when α = 10, and the broken line graph shows the characteristics when α = 100. In this way, the filter circuit 24 can be regarded as a differential characteristic (the same characteristic as the filter circuit 24 shown in FIG. 4) when the angular frequency of the command signal V is equal to or less than the mechanical resonance angular frequency ω 0 of the piezoelectric element 20. A constant gain characteristic can be obtained at a frequency sufficiently higher than the angular frequency ω 0 (10 times or more).

これにより、図６に示すフィルタ回路２４は、角周波数ω０より十分高い周波数（制御に使用しない周波数領域：角周波数ω０の１０倍以上）のゲインを抑えることができ、図４に示すフィルタ回路２４よりも高周波ノイズを少なくできる。このフィルタ回路２４の特性をバンドパスフィルタ特性にしても有効である。 Thereby, the filter circuit 24 shown in FIG. 6 can suppress the gain of a frequency sufficiently higher than the angular frequency ω 0 (frequency region not used for control: 10 times or more of the angular frequency ω 0 ), and the filter shown in FIG. High frequency noise can be reduced as compared with the circuit 24. It is also effective to set the characteristics of the filter circuit 24 to band-pass filter characteristics.

ゲイン回路２５は、フィルタ回路２４の出力信号を増幅率Ｋにより増減幅する。   The gain circuit 25 increases or decreases the output signal of the filter circuit 24 by the amplification factor K.

減算器１は、圧電素子２０を駆動するための指令信号Ｖからゲイン回路２５の出力信号を引き算し、その減算結果をピエゾドライバ２１に供給する。   The subtracter 1 subtracts the output signal of the gain circuit 25 from the command signal V for driving the piezoelectric element 20 and supplies the subtraction result to the piezo driver 21.

このように構成されたアクチュエータ制御装置の制御ブロックであれば、指令信号Ｖ、出力信号（圧電素子２０の変位）Ｘとしたときの伝達関数Ｇ’（ｓ）は、

Figure 0004455046
In the case of the control block of the actuator control apparatus configured as described above, the transfer function G ′ (s) when the command signal V and the output signal (displacement of the piezoelectric element 20) X are given by
Figure 0004455046

と表すことができる。ここで、

Figure 0004455046
It can be expressed as. here,
Figure 0004455046

とおけば、比例ゲインＫを調整することで任意の減衰比γに設定可能である。 Then, it is possible to set an arbitrary attenuation ratio γ by adjusting the proportional gain K.

例えば、減衰比γをγ＝１とするための比例ゲインＫを求める。   For example, a proportional gain K for obtaining an attenuation ratio γ = 1 is obtained.

上記式（１２）に、上述した数値、すなわちＫＰＺＴ＝１００［ｎｍ／Ｖ］、γ＝０．０２５、ＫＤＲＶ＝１０、ＫＳＥＮＳ＝０．０１［Ｖ／ｎｍ］、ＴＤ＝１／ω０を代入すると、

Figure 0004455046
In the above formula (12), the above-mentioned numerical values, that is, K PZT = 100 [nm / V], γ = 0.025, K DRV = 10, K SENS = 0.01 [V / nm], T D = 1 / Substituting ω 0 ,
Figure 0004455046

となるので、減衰比γ＝１となる比例ゲインＫは、Ｋ＝０．１９５となることがわかる。このときの振動特性は図８（ａ）（ｂ）に示すように共振ピークが全くないことがある。なお、同図（ａ）はゲインを示し、同図（ｂ）は位相を示す。 Therefore, it can be seen that the proportional gain K at which the attenuation ratio γ = 1 is K = 0.195. The vibration characteristics at this time may have no resonance peak as shown in FIGS. In addition, the figure (a) shows a gain and the figure (b) shows a phase.

このように上記第１の実施の形態によれば、減衰比増大回路２２における変位センサ２３により圧電素子２０の変位を検出し、この検出信号をフィルタ回路２４、ゲイン回路２５を通して減算器１に供給し、この減算器１の減算信号をピエゾドライバ２１を与えて圧電素子２０を駆動することにより、フィルタ回路２４において角周波数ω０より十分高い周波数（制御に使用しない周波数領域：角周波数ω０の１０倍以上）のゲインを抑えることができる。これにより、圧電素子２０の共振周波数にほとんど影響を与えずに、簡単な調整で、長期間安定して圧電素子２０の減衰比γを大きくすることが可能である。 As described above, according to the first embodiment, the displacement sensor 23 in the attenuation ratio increasing circuit 22 detects the displacement of the piezoelectric element 20 and supplies the detection signal to the subtractor 1 through the filter circuit 24 and the gain circuit 25. and, by driving the piezoelectric element 20 a subtraction signal of the subtracter 1 gives a piezo driver 21, the frequency domain is not used sufficiently high frequency (controlled by the angular frequency omega 0 in the filter circuit 24: the angular frequency omega 0 of 10 times or more) can be suppressed. Thereby, it is possible to increase the damping ratio γ of the piezoelectric element 20 stably for a long period of time with a simple adjustment without substantially affecting the resonance frequency of the piezoelectric element 20.

さらに、ゲイン回路２５における比例ゲインＫを調整することで任意の減衰比γに設定可能である。なお、図６に示すフィルタ回路２４は、角周波数ω０より十分高い周波数（制御に使用しない周波数領域：角周波数ω０の１０倍以上）のゲインを抑えることができると共に、図４に示すフィルタ回路２４よりも高周波ノイズを少なくできる。 Furthermore, it is possible to set an arbitrary attenuation ratio γ by adjusting the proportional gain K in the gain circuit 25. The filter circuit 24 shown in FIG. 6 can suppress the gain of a frequency sufficiently higher than the angular frequency ω 0 (frequency region not used for control: 10 times or more of the angular frequency ω 0 ), and the filter circuit shown in FIG. High frequency noise can be reduced as compared with the circuit 24.

次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図３と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same parts as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図９はアクチュエータ制御装置の制御ブロックの具体的な構成図である。   FIG. 9 is a specific configuration diagram of a control block of the actuator control device.

減衰比増大回路４０は、電荷検出回路４１を有する。この電荷検出回路４１の動作原理について簡単に説明する。電荷検出とは、圧電素子２０に蓄積される電荷量を検出し、それを変位センサとして用いる方法であり、圧電素子２０に蓄積される電荷量が当該圧電素子２０の変位量とほぼ線形の関係を持つことを利用したものである。   The attenuation ratio increasing circuit 40 has a charge detection circuit 41. The operation principle of the charge detection circuit 41 will be briefly described. Charge detection is a method in which the amount of charge accumulated in the piezoelectric element 20 is detected and used as a displacement sensor. The amount of charge accumulated in the piezoelectric element 20 has a substantially linear relationship with the amount of displacement of the piezoelectric element 20. It is a thing using having.

図１０は電荷検出回路４１の具体的な構成図である。オペアンプ４２の反転端子「−」に圧電素子２０が接続されている。又、オペアンプ４２の出力端子と反転端子「−」との間に静電容量ＣＳ（＞ＣＰ）のコンデンサ４３が接続されている。オペアンプ４２の非反転端子「＋」は接地されている。そして、オペアンプ４２の出力端子に反転回路４４が接続されている。この反転回路４４は、オペアンプ４２の出力信号が反転するので、さらに反転させて信号を一致させるために設けられている。 FIG. 10 is a specific configuration diagram of the charge detection circuit 41. The piezoelectric element 20 is connected to the inverting terminal “−” of the operational amplifier 42. A capacitor 43 having a capacitance C S (> C P ) is connected between the output terminal of the operational amplifier 42 and the inverting terminal “−”. The non-inverting terminal “+” of the operational amplifier 42 is grounded. An inverting circuit 44 is connected to the output terminal of the operational amplifier 42. Since the output signal of the operational amplifier 42 is inverted, the inverting circuit 44 is provided to further invert and match the signals.

ここで、圧電素子２０の静電容量をＣＰとする。なお、静電容量ＣＰは、圧電素子２０の変位状態に応じて若干変動するが、ここでの説明では変動しないものとして差し支えない。 Here, the capacitance of the piezoelectric element 20 is C P. Incidentally, the capacitance C P is slightly varies according to the displacement state of the piezoelectric element 20, no problem as not fluctuate in the description here.

圧電素子２０に駆動信号ＶＤＲＶを印加すると、圧電素子２０には変位Ｘが生じる。この変位Ｘと圧電素子２０に蓄積された電荷量ＱＰとの間には、
Ｘ＝ＱＰ・ＣＰ・ＶＤＶＲ …（１３）
なる関係が成り立つ。 When the drive signal V DRV is applied to the piezoelectric element 20, a displacement X occurs in the piezoelectric element 20. Between the displacement X and the amount of charge accumulated in the piezoelectric element 20 Q P,
X = Q P · C P · V DVR (13)
The relationship becomes true.

このとき、反転回路４４の出力信号ＶＱは、
ＶＱ＝（ＣＰ／Ｃｓ）・ＶＤＶＲ …（１４）
となるので、上記式（１３）及び式（１４）により
ＶＱ＝Ｘ／Ｃｓ …（１５）
となる。これにより、反転回路４４の出力信号ＶＱ（或いはオペアンプ４２の出力信号でもよい）は、圧電素子２０の変位を示す。 At this time, the output signal V Q of the inverting circuit 44,
V Q = (C P / Cs) · V DVR (14)
Therefore, according to the above equations (13) and (14), V Q = X / Cs (15)
It becomes. Thus, the output signal V Q of the inverting circuit 44 (or the output signal of the operational amplifier 42) indicates the displacement of the piezoelectric element 20.

従って、電荷検出回路４１を用いても上記第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。さらに、第２の実施の形態であれば、外部センサを設けることなく、シンプルな構成で実現できる。   Therefore, even if the charge detection circuit 41 is used, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Furthermore, the second embodiment can be realized with a simple configuration without providing an external sensor.

次に、本発明の第３の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図３と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。   Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same parts as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図１１はアクチュエータ制御装置の制御ブロックの具体的な構成図である。減衰比増大回路５０は、圧電素子２０の伝達関数Ｇ(s)と等価の伝達関数を有する等価回路５１が減算器１の出力端子とピエゾドライバ２１の入力端子との間に接続されている。図１２は当該等価回路５１の構成図である。抵抗値Ｒ３の抵抗素子５２及び抵抗値Ｒ４の抵抗素子５３からなる直列回路と静電容量Ｃ４のコンデンサ５４との並列回路がオペアンプ５５の反転端子「＋」に接続されている。このオペアンプ５５の非反転端子「−」と各抵抗素子５２、５３の接続点との間に静電容量Ｃ３のコンデンサ５６が接続されている。この等価回路５１は、各抵抗素子５２、５３、コンデンサ５４、オペアンプ５５、コンデンサ５６により２次ローパスフィルタを形成している。 FIG. 11 is a specific configuration diagram of a control block of the actuator control device. In the attenuation ratio increasing circuit 50, an equivalent circuit 51 having a transfer function equivalent to the transfer function G (s) of the piezoelectric element 20 is connected between the output terminal of the subtractor 1 and the input terminal of the piezo driver 21. FIG. 12 is a configuration diagram of the equivalent circuit 51. Parallel circuit of a series circuit and the capacitance C 4 of the capacitor 54 of the resistance element 52 and the resistor 53 of resistance R 4 of the resistance value R 3 is connected to the inverting terminal "+" of the operational amplifier 55. A capacitor 56 having a capacitance C 3 is connected between the non-inverting terminal “−” of the operational amplifier 55 and the connection point of each of the resistance elements 52 and 53. In the equivalent circuit 51, a secondary low-pass filter is formed by the resistance elements 52 and 53, the capacitor 54, the operational amplifier 55, and the capacitor 56.

この等価回路５１は、その伝達関数ＧＥ（ｓ）を圧電素子２０の伝達関数Ｇ(s)と等価となるよう、各抵抗素子５２、５３の抵抗値Ｒ３、Ｒ４、各コンデンサ５４、５６の静電容量Ｃ３、Ｃ４を次式（１６）及び（１７）を満たす各値に設定している。

Figure 0004455046
The equivalent circuit 51 has resistance values R 3 and R 4 of the resistance elements 52 and 53, capacitors 54, and the like so that the transfer function G E (s) is equivalent to the transfer function G (s) of the piezoelectric element 20. The electrostatic capacitances C 3 and C 4 of 56 are set to values satisfying the following expressions (16) and (17).
Figure 0004455046

このとき、等価回路５１の伝達関数ＧＥ（ｓ）は、

Figure 0004455046
At this time, the transfer function G E (s) of the equivalent circuit 51 is
Figure 0004455046

となり、圧電素子２０の伝達関数Ｇ(s)と等価となることがわかる。等価回路５１は、上記説明の図１２に示す等価回路５１の代わりにＬＣＲフィルタ回路を用いても同様の効果を得られる。 Thus, it is understood that this is equivalent to the transfer function G (s) of the piezoelectric element 20. The equivalent circuit 51 can obtain the same effect by using an LCR filter circuit instead of the equivalent circuit 51 shown in FIG. 12 described above.

図１３は本実施形態におけるアクチュエータ制御装置の制御ブロックの伝達関数Ｇ’（ｓ）を示す。この伝達関数Ｇ’（ｓ）は、次式により記述される。

Figure 0004455046
FIG. 13 shows the transfer function G ′ (s) of the control block of the actuator control apparatus in this embodiment. This transfer function G ′ (s) is described by the following equation.
Figure 0004455046

とおけば、比例ゲインＫを調整することで任意に減衰比γを設定することが可能である。 Then, it is possible to arbitrarily set the attenuation ratio γ by adjusting the proportional gain K.

このように上記第３の実施の形態においても、外部センサを設けることなく、シンプルな構成で、上記第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。   As described above, also in the third embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained with a simple configuration without providing an external sensor.

次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。   Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.

本実施の形態は、上記第１乃至第３の実施の形態のアクチュエータ制御装置を走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に適用したものである。走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、機械的探針を機械的に走査して試料表面の情報を取得する走査型顕微鏡である。この走査型プローブ顕微鏡は、走査型トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型電気容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）、走査型熱顕微鏡（ＳＴｈＭ）などの総称である。本実施の形態では、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を例に挙げて説明する。   In the present embodiment, the actuator control device of the first to third embodiments is applied to a scanning probe microscope (SPM). The scanning probe microscope (SPM) is a scanning microscope that acquires information on the surface of a sample by mechanically scanning a mechanical probe. The scanning probe microscope includes a scanning tunneling microscope (STM), an atomic force microscope (AFM), a scanning magnetic force microscope (MFM), a scanning capacitance microscope (SCaM), and a scanning near-field light microscope (SNOM). , And a general term for scanning thermal microscopes (SThM). In this embodiment, an atomic force microscope (AFM) will be described as an example.

図１４は走査型プローブ顕微鏡の構成図である。ホストコンピュータ６０には、コントローラ６１が接続されている。このコントローラ６１は、内部にデータ取得回路６２とＺ制御回路６３とを有する。Ｚ制御回路６３から出力されるＺ方向制御信号は、データ取得回路６２に送出される。   FIG. 14 is a configuration diagram of a scanning probe microscope. A controller 61 is connected to the host computer 60. The controller 61 includes a data acquisition circuit 62 and a Z control circuit 63 inside. The Z direction control signal output from the Z control circuit 63 is sent to the data acquisition circuit 62.

コントローラ６１の外部には、Ｘ駆動回路６４、Ｙ駆動回路６５、Ｚ駆動回路６６及びセンサ６７が設けられている。コントローラ６１は、図示しないＸ制御回路、Ｙ制御回路からＸ方向制御信号、Ｙ方向制御信号をそれぞれＸ駆動回路６４、Ｙ駆動回路６５に送出する。これらＸ駆動回路６４及びＹ駆動回路６５は、ＸＹスキャナ６８に接続されている。又、Ｚ制御回路６３は、Ｚ方向制御信号を後述する減衰比増大回路７３を通してＺ駆動回路６６に送出する。このＺ駆動回路６６は、Ｚスキャナ６９に接続されている。   An X drive circuit 64, a Y drive circuit 65, a Z drive circuit 66, and a sensor 67 are provided outside the controller 61. The controller 61 sends an X direction control signal and a Y direction control signal from an X control circuit and a Y control circuit (not shown) to the X drive circuit 64 and the Y drive circuit 65, respectively. These X drive circuit 64 and Y drive circuit 65 are connected to an XY scanner 68. The Z control circuit 63 sends a Z direction control signal to the Z drive circuit 66 through an attenuation ratio increasing circuit 73 described later. This Z drive circuit 66 is connected to a Z scanner 69.

ＸＹスキャナ６８は、Ｘ駆動回路６４及びＹ駆動回路６５の各駆動によりＸＹ方向に移動する。Ｚスキャナ６９は、Ｚ駆動回路６６の駆動によりＺ方向に移動する。Ｚスキャナ６９上には、試料Ｓを載置する試料台７０が設けられている。   The XY scanner 68 moves in the XY direction by each drive of the X drive circuit 64 and the Y drive circuit 65. The Z scanner 69 moves in the Z direction by driving of the Z drive circuit 66. On the Z scanner 69, a sample table 70 on which the sample S is placed is provided.

センサ６７は、先端に探針７１を設けたカンチレバー７２を試料Ｓの表面に倣ってＺ方向に変位したときのカンチレバー７２の変位を検出する。このセンサ６７の出力信号は、Ｚ制御回路６３に送られる。   The sensor 67 detects the displacement of the cantilever 72 when the cantilever 72 provided with the probe 71 at the tip is displaced in the Z direction following the surface of the sample S. The output signal of the sensor 67 is sent to the Z control circuit 63.

Ｚ制御回路６３とＺ駆動回路６６との間には、減衰比増大回路７３が接続されている。この減衰比増大回路７３は、上記第１乃至第３の実施の形態における減衰比増大回路２２（図３）、減衰比増大回路４０（図９）又は減衰比増大回路５０（図１１）のうちいずれか１つを用いる。   An attenuation ratio increasing circuit 73 is connected between the Z control circuit 63 and the Z drive circuit 66. The attenuation ratio increasing circuit 73 is one of the attenuation ratio increasing circuit 22 (FIG. 3), the attenuation ratio increasing circuit 40 (FIG. 9), or the attenuation ratio increasing circuit 50 (FIG. 11) in the first to third embodiments. Either one is used.

なお、コントローラ６１内の図示しないＸ制御回路、Ｙ制御回路とＺ制御回路６３とは、アナログ制御方式又はデジタル制御（ソフトウェア制御）方式のいずれの制御方式を用いてもよい。   Note that an X control circuit, a Y control circuit, and a Z control circuit 63 (not shown) in the controller 61 may use any control method of an analog control method or a digital control (software control) method.

このような走査型プローブ顕微鏡であれば、センサ６７は、カンチレバー７１の変位を検出する。このとき、Ｚ制御回路６３は、減衰比増大回路７３を通してＺ駆動回路６６にＺ方向制御信号を送出する。これにより、カンチレバー７２の先端に設けられた探針７１は、試料Ｓの表面に対して一定の距離を保つようにＺスキャナ６９がＺ方向（試料Ｓの法線方向）に伸縮する。   In such a scanning probe microscope, the sensor 67 detects the displacement of the cantilever 71. At this time, the Z control circuit 63 sends a Z direction control signal to the Z drive circuit 66 through the attenuation ratio increasing circuit 73. As a result, the Z scanner 69 expands and contracts in the Z direction (normal direction of the sample S) so that the probe 71 provided at the tip of the cantilever 72 is kept at a certain distance from the surface of the sample S.

これと同時に、Ｘ駆動回路６４及びＹ駆動回路６５は、ＸＹスキャナ６８をＸＹ平面方向に駆動し、試料Ｓを２次元走査する。このときＺ制御回路６３から出力されるＺ方向制御信号、すなわちＺスキャナ６９への印加電圧信号は、データ取得回路６２に取り込まれる。このデータ取得回路６２は、取り込んだＺスキャナ６９への印加電圧信号に基づいて試料Ｓの表面の凹凸情報を画像形成する。   At the same time, the X drive circuit 64 and the Y drive circuit 65 drive the XY scanner 68 in the XY plane direction to scan the sample S two-dimensionally. At this time, the Z direction control signal output from the Z control circuit 63, that is, the voltage signal applied to the Z scanner 69 is taken into the data acquisition circuit 62. The data acquisition circuit 62 forms an image of the unevenness information on the surface of the sample S based on the applied voltage signal applied to the Z scanner 69.

このように上記第４の実施の形態によれば、走査型プローブ顕微鏡におけるＺ制御回路６３とＺ駆動回路６６との間に減衰比増大回路７３を接続したので、Ｚスキャナ６９の減衰比γを電気的に大きくできる。これにより、簡単な構成で走査型プローブ顕微鏡の制御性を向上させることが可能となり、その結果として試料Ｓの表面形状の測定を高速かつ高精度にできる。   As described above, according to the fourth embodiment, since the attenuation ratio increasing circuit 73 is connected between the Z control circuit 63 and the Z drive circuit 66 in the scanning probe microscope, the attenuation ratio γ of the Z scanner 69 can be set. Can be increased electrically. Thereby, it becomes possible to improve the controllability of the scanning probe microscope with a simple configuration, and as a result, the surface shape of the sample S can be measured at high speed and with high accuracy.

次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。   Next, a fifth embodiment of the present invention will be described.

本実施の形態は、上記第１乃至第３の実施の形態のアクチュエータ制御装置を生体用走査型プローブ顕微鏡に適用したものである。生体用走査型プローブ顕微鏡は、液体中に存在する生きた生物試料等の動く様子を光学顕微鏡より高い解像度で観察できる可能性があるとして注目されている。これまで生物試料の動く様子を観察できる装置は、光学顕微鏡だけである。しかしながら、光学顕微鏡は、回折限界のため光の波長以下の解像度で生物試料を観察することができない。又、ナノメータオーダーの高い解像度を実現できる電子顕微鏡では、生物試料等を液体中に載置することができないため、液体中の生きた生物試料を観察することはできない。   In the present embodiment, the actuator control device of the first to third embodiments is applied to a biological scanning probe microscope. Biological scanning probe microscopes are attracting attention as they may be able to observe the movement of living biological samples and the like present in a liquid with higher resolution than optical microscopes. Until now, the optical microscope is the only device that can observe the movement of biological samples. However, an optical microscope cannot observe a biological sample with a resolution below the wavelength of light due to the diffraction limit. In addition, in an electron microscope capable of realizing a high resolution on the order of nanometers, a biological sample or the like cannot be placed in a liquid, and thus a living biological sample in a liquid cannot be observed.

これに対して生体用走査型プローブ顕微鏡は、ナノメータオーダーの高い解像度を期待でき、かつ生物試料等が液体中に存在していても観察を可能とする。しかも生体用走査型プローブ顕微鏡は、光学顕微鏡との組み合わせも可能であり、親和性がよいことも注目されている理由の一つである。   On the other hand, the biological scanning probe microscope can be expected to have a high resolution on the order of nanometers, and enables observation even when a biological sample or the like is present in a liquid. In addition, the biological scanning probe microscope can be combined with an optical microscope and has one of the reasons that attention has been paid to its good affinity.

このような生体用走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーの振動特性から試料と探針との間に働く相互作用を検出する方式（ＡＣモード）を採用することが多い。それは、試料と探針との間に働く力を通常のモードに比べて弱く保つことができる利点があるからである。   Such a biological scanning probe microscope often employs a method (AC mode) for detecting an interaction between a sample and a probe from the vibration characteristics of the cantilever. This is because the force acting between the sample and the probe can be kept weak compared to the normal mode.

図１５は生体用走査型プローブ顕微鏡のブロック構成図である。なお、図１４と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。液体セル８０内には、液体８１が収容されている。この液体セル８０は、例えば撥水性のあるスライドガラスを用いてもよい。液体８１を収容する液体セル８０内には、生物等の試料８２が存在する。この液体セル８０は、ＸＹスキャナ６８上に設けられたＺスキャナ６９上に保持されている。これにより、液体セル８０は、コントローラ６１から出力されるＸ方向制御信号、Ｙ方向制御信号、Ｚ方向制御信号に基づくＸ駆動回路６４、Ｙ駆動回路６５及びＺ駆動回路６６の各駆動によりＸＹＺ方向に走査される。   FIG. 15 is a block diagram of a biological scanning probe microscope. The same parts as those in FIG. 14 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. A liquid 81 is accommodated in the liquid cell 80. For example, a water-repellent slide glass may be used for the liquid cell 80. A sample 82 such as a living thing is present in the liquid cell 80 containing the liquid 81. The liquid cell 80 is held on a Z scanner 69 provided on the XY scanner 68. Thus, the liquid cell 80 is driven in the XYZ directions by the X drive circuit 64, the Y drive circuit 65, and the Z drive circuit 66 based on the X direction control signal, the Y direction control signal, and the Z direction control signal output from the controller 61. Scanned.

液体８１中には、試料８２と正対するように自由端に探針８３を設けたカンチレバー８４が配置されている。このカンチレバー８４は、ホルダ８５によって保持されている。このホルダ８５上には振動子８６が設けられている。この振動子８６は、コントローラ６１から出力される励振信号を受けて、カンチレバー８４を所定の振幅、周波数により機械的に振動させる。   In the liquid 81, a cantilever 84 provided with a probe 83 at the free end is disposed so as to face the sample 82. This cantilever 84 is held by a holder 85. A vibrator 86 is provided on the holder 85. This vibrator 86 receives the excitation signal output from the controller 61 and mechanically vibrates the cantilever 84 with a predetermined amplitude and frequency.

このカンチレバー８４の上方には、当該カンチレバー８４の変位を検出する光てこセンサ８７が配置されている。振幅検出回路８８は、光てこセンサ８７から出力されるカンチレバー８４の変位信号の振幅値を算出し、この算出したカンチレバー８４の振幅値を振幅信号としてＺ制御回路６３に送出する。   An optical lever sensor 87 that detects the displacement of the cantilever 84 is disposed above the cantilever 84. The amplitude detection circuit 88 calculates the amplitude value of the displacement signal of the cantilever 84 output from the optical lever sensor 87, and sends the calculated amplitude value of the cantilever 84 to the Z control circuit 63 as an amplitude signal.

このＺ制御回路６３は、振幅検出回路８８から出力された振幅信号を一定に保つようにＺスキャナ６９をＺ方向に制御する。このＺ制御回路６３から出力されるＺ方向制御信号は、減衰比増大回路７３を通してＺ駆動回路６６に送られる。なお、このＺ制御回路６３は、アナログ制御方式又はデジタル制御（ソフトウェア制御）方式のいずれかの方式を用いてもよい。   The Z control circuit 63 controls the Z scanner 69 in the Z direction so that the amplitude signal output from the amplitude detection circuit 88 is kept constant. The Z direction control signal output from the Z control circuit 63 is sent to the Z drive circuit 66 through the attenuation ratio increasing circuit 73. The Z control circuit 63 may use either an analog control method or a digital control (software control) method.

このような生体用走査型プローブ顕微鏡であれば、コントローラ６１は、所定の振幅でかつカンチレバー８４の機械的共振周波数と同じ周波数の励振信号を振動子８６に送出する。この振動子８６は、励振信号を受けて所定の振幅でカンチレバー８４を機械的に共振させる。この状態でカンチレバー８４を試料８２に対して接触させる。   In such a living body scanning probe microscope, the controller 61 sends an excitation signal having a predetermined amplitude and the same frequency as the mechanical resonance frequency of the cantilever 84 to the vibrator 86. The vibrator 86 receives the excitation signal and mechanically resonates the cantilever 84 with a predetermined amplitude. In this state, the cantilever 84 is brought into contact with the sample 82.

光てこセンサ８７は、カンチレバー８４の変位を検出してその変位信号を出力する。振幅検出回路８８は、光てこセンサ８７から出力される変位信号の振幅値を算出し、この算出したカンチレバー８４の振幅値を振幅信号としてＺ制御回路６３に送出する。このＺ制御回路６３は、カンチレバー８４の振動振幅を一定にするように、減衰比増大回路７３を通してＺ駆動回路６６にＺ方向制御信号を送出する。これにより、カンチレバー８４の振動振幅を一定に保つように、Ｚスキャナ２１は、試料８２をＺ方向に制御駆動する。   The optical lever sensor 87 detects the displacement of the cantilever 84 and outputs the displacement signal. The amplitude detection circuit 88 calculates the amplitude value of the displacement signal output from the optical lever sensor 87 and sends the calculated amplitude value of the cantilever 84 to the Z control circuit 63 as an amplitude signal. The Z control circuit 63 sends a Z direction control signal to the Z drive circuit 66 through the attenuation ratio increasing circuit 73 so as to make the vibration amplitude of the cantilever 84 constant. Thus, the Z scanner 21 controls and drives the sample 82 in the Z direction so as to keep the vibration amplitude of the cantilever 84 constant.

これと同時に、Ｘ駆動回路６４及びＹ駆動回路６５は、ＸＹスキャナ６８をＸＹ平面方向に駆動し、試料８２を２次元走査する。このときＺ制御回路６３から出力されるＺ方向制御信号、すなわちＺスキャナ６９への印加電圧信号は、データ取得回路６２に取り込まれる。このデータ取得回路６２は、取り込んだＺスキャナ６９への印加電圧信号に基づいて試料８２の表面の凹凸情報を画像形成する。   At the same time, the X drive circuit 64 and the Y drive circuit 65 drive the XY scanner 68 in the XY plane direction to scan the sample 82 two-dimensionally. At this time, the Z direction control signal output from the Z control circuit 63, that is, the voltage signal applied to the Z scanner 69 is taken into the data acquisition circuit 62. The data acquisition circuit 62 forms an image of unevenness information on the surface of the sample 82 based on the applied voltage signal applied to the Z scanner 69.

このように上記第５の実施の形態によれば、上記第１乃至第３の実施の形態と同様に減衰比増大回路７３によりＺスキャナ６９の減衰比γを電気的に大きくすることができる。これにより、簡単な構成で生体用走査型プローブ顕微鏡の制御性を向上させることが可能となり、その結果として生体等の試料８２を高速かつ高精度に観察することができる。   Thus, according to the fifth embodiment, the attenuation ratio γ of the Z scanner 69 can be electrically increased by the attenuation ratio increasing circuit 73 as in the first to third embodiments. This makes it possible to improve the controllability of the biological scanning probe microscope with a simple configuration, and as a result, the specimen 82 such as a living body can be observed at high speed and with high accuracy.

以上、上記第４及び第５の実施の形態では、簡単な構成で走査型プローブ顕微鏡の制御制を向上させる、すなわち制御帯域を高くすることが可能になる。なお、走査型プローブ顕微鏡を構成する電気回路の周波数帯域が足りなくなるねすなわち電気回路の遅れ要素が目立ち始める場合は、電気回路の遅れ要素を補正する要素を加えるとよい。例えば、電気回路の遅れ要素を１／（Ｔｎｓ＋１）とすると、微分要素Ｔｎｓ＋１を加えることで、電気回路の遅れを補償することが可能になる。 As described above, in the fourth and fifth embodiments, it is possible to improve the control of the scanning probe microscope with a simple configuration, that is, to increase the control band. When the frequency band of the electric circuit constituting the scanning probe microscope is insufficient, that is, when the delay element of the electric circuit starts to stand out, an element for correcting the delay element of the electric circuit may be added. For example, when the delay element of the electric circuit is 1 / (T n s + 1), the delay of the electric circuit can be compensated by adding the differential element T n s + 1.

次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。   Next, a sixth embodiment of the present invention will be described.

本実施の形態は、上記第４の実施形態おける走査型プローブ顕微鏡と第５の実施の形態における生体用走査型プローブ顕微鏡とで用いられるＸＹスキャナ６８とＺスキャナ６９との変形例について説明する。   In the present embodiment, a modification of the XY scanner 68 and the Z scanner 69 used in the scanning probe microscope in the fourth embodiment and the living body scanning probe microscope in the fifth embodiment will be described.

図１６はかかるＸＹスキャナ６８及びＺスキャナ６９の構成図である。ステージ９０には、Ｘ圧電素子９１とＹ圧電素子９２との各一端が設けられている。これらＸ圧電素子９１とＹ圧電素子９２との各他端は、図示しない保持部に設けられている。   FIG. 16 is a configuration diagram of the XY scanner 68 and the Z scanner 69. The stage 90 is provided with one ends of an X piezoelectric element 91 and a Y piezoelectric element 92. The other ends of the X piezoelectric element 91 and the Y piezoelectric element 92 are provided in a holding unit (not shown).

又、ステージ９０には、第１のＺ圧電素子９３と第２のＺ圧電素子９４とが設けられている。これら第１のＺ圧電素子９３と第２のＺ圧電素子９４とは、互いに同等の入出力特性（伝達関数）を有し、かつ互いに反対方向に変位動作する。   The stage 90 is provided with a first Z piezoelectric element 93 and a second Z piezoelectric element 94. The first Z piezoelectric element 93 and the second Z piezoelectric element 94 have input / output characteristics (transfer functions) equivalent to each other and are displaced in directions opposite to each other.

このうち第１のＺ圧電素子９３の他端には、上記第４の実施の形態における試料台７０又は上記第４の実施の形態における液体セル８０を載置する。これにより、試料台７０又は液体セル８０は、第１のＺ圧電素子９３の変位によりＺ方向に移動する。第２のＺ圧電素子９４の他端には、ダミー試料台９５が設けられている。このダミー試料台９５は、試料台７０又は液体セル８０の質量と同等の質量を有する。これにより、ステージ９０とＸ圧電素子９１とＹ圧電素子９２とによりＸＹスキャナが形成される。又、ステージ９０と第１のＺ圧電素子９３と第２のＺ圧電素子９４とによりＺスキャナが形成される。   Among these, the sample stage 70 in the fourth embodiment or the liquid cell 80 in the fourth embodiment is placed on the other end of the first Z piezoelectric element 93. As a result, the sample stage 70 or the liquid cell 80 moves in the Z direction due to the displacement of the first Z piezoelectric element 93. A dummy sample stage 95 is provided at the other end of the second Z piezoelectric element 94. The dummy sample stage 95 has a mass equivalent to the mass of the sample stage 70 or the liquid cell 80. Thus, an XY scanner is formed by the stage 90, the X piezoelectric element 91, and the Y piezoelectric element 92. The stage 90, the first Z piezoelectric element 93, and the second Z piezoelectric element 94 form a Z scanner.

図１７はかかるＸＹスキャナ及びＺスキャナのうちＺスキャナに対する制御ブロックを示す構成図である。なお、ＸＹスキャナに対する制御ブロックは省略する。コントローラ６１のＺ制御回路６３には、図３に示す第１のＺ圧電素子９３と第２のＺ圧電素子９４との減衰比γを大きくするための減衰比増大回路２２を介してＺ駆動回路６６が接続されている。このＺ駆動回路６６は、第１のＺ圧電素子９３と第２のＺ圧電素子９４とを変位駆動する。   FIG. 17 is a block diagram showing a control block for the Z scanner of the XY scanner and Z scanner. A control block for the XY scanner is omitted. The Z control circuit 63 of the controller 61 includes a Z drive circuit via an attenuation ratio increasing circuit 22 for increasing the attenuation ratio γ between the first Z piezoelectric element 93 and the second Z piezoelectric element 94 shown in FIG. 66 is connected. The Z drive circuit 66 drives the first Z piezoelectric element 93 and the second Z piezoelectric element 94 in a displacement manner.

このような走査型プローブ顕微鏡又は生体用走査型プローブ顕微鏡であれば、減衰比増大回路２２は、変位センサ２３により第２のＺ圧電素子９４の変位を検出してその速度情報を取得し、かつ第１のＺ圧電素子９３の減衰比γを大きくする。なお、減衰比増大回路２２における動作処理は、上記第１の実施の形態で説明したので省略する。   In the case of such a scanning probe microscope or a living body scanning probe microscope, the attenuation ratio increasing circuit 22 detects the displacement of the second Z piezoelectric element 94 by the displacement sensor 23 and acquires its velocity information, and The damping ratio γ of the first Z piezoelectric element 93 is increased. The operation processing in the attenuation ratio increasing circuit 22 has been described in the first embodiment, and will not be described.

このように上記第６の実施の形態によれば、走査型プローブ顕微鏡又は生体用走査型プローブ顕微鏡に減衰比増大回路２２を用いることにより以下の効果を奏することができる。   As described above, according to the sixth embodiment, the following effects can be obtained by using the attenuation ratio increasing circuit 22 in the scanning probe microscope or the living body scanning probe microscope.

第１のＺ圧電素子９３と第２のＺ圧電素子９４とは、略同等の伝達関数を有しているので、減衰比増大回路２２により第１のＺ圧電素子９３の減衰性γを大きくすることができる。   Since the first Z piezoelectric element 93 and the second Z piezoelectric element 94 have substantially equivalent transfer functions, the attenuation ratio γ of the first Z piezoelectric element 93 is increased by the attenuation ratio increasing circuit 22. be able to.

又、減衰比増大回路２２の変位センサ２３は、試料台７０又は液体セル８０を設けたＺ第１の圧電素子９３の変位ではなく、第２のＺ圧電素子９４の変位を検出するので、構成するときの自由度を非常に高くできる。   The displacement sensor 23 of the attenuation ratio increasing circuit 22 detects not the displacement of the Z first piezoelectric element 93 provided with the sample stage 70 or the liquid cell 80, but the displacement of the second Z piezoelectric element 94. The degree of freedom when doing so can be very high.

さらに、第１の圧電素子９３と第２のＺ圧電素子９４とは、互いに反対方向に同位相で変位動作するので、第１の圧電素子９３が変位動作することにより生じるステージ９０の振動をキャンセルすることができる。すなわち、第１の圧電素子９３が変位動作することにより生じる振動が第２のＺ圧電素子９４の変位動作により打ち消れる。   Further, since the first piezoelectric element 93 and the second Z piezoelectric element 94 are displaced in the same phase in the opposite directions, the vibration of the stage 90 caused by the displacement operation of the first piezoelectric element 93 is canceled. can do. That is, the vibration generated by the displacement operation of the first piezoelectric element 93 is canceled by the displacement operation of the second Z piezoelectric element 94.

次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。   Next, a seventh embodiment of the present invention will be described.

図１８は図９に示す減衰比増大回路４０を用いたＺスキャナに対する制御ブロックを示す構成図である。なお、図１７と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。電荷検出回路４１は、第２のＺ圧電素子９４のの電荷を検出する。なお、第１の圧電素子９３の電荷を検出しても効果は同じである。   FIG. 18 is a block diagram showing a control block for the Z scanner using the attenuation ratio increasing circuit 40 shown in FIG. 17 identical to those in FIG. 17 are assigned the same reference codes as in FIG. The charge detection circuit 41 detects the charge of the second Z piezoelectric element 94. The effect is the same even if the electric charge of the first piezoelectric element 93 is detected.

このような構成であっても、第１の圧電素子９３と第２のＺ圧電素子９４とは、同等の伝達関数を有しているので、減衰比増大回路４０により第２のＺ圧電素子９４の減衰比γを大きくすることができる。又、外部センサを用いることなく、かつシンプルな構成で減衰比γを大きくすることができる。さらに、第１の圧電素子９３と第２のＺ圧電素子９４とは、互いに反対方向に同位相で変位動作するので、第１の圧電素子９３が変位動作することにより生じるステージ９０の振動をキャンセルすることができる。すなわち、第１の圧電素子９３が動作することにより生じる振動が第２のＺ圧電素子９４の変位動作により打ち消される。   Even in such a configuration, the first piezoelectric element 93 and the second Z piezoelectric element 94 have the same transfer function, so that the attenuation ratio increasing circuit 40 causes the second Z piezoelectric element 94 to operate. Can be increased. Further, the attenuation ratio γ can be increased without using an external sensor and with a simple configuration. Further, since the first piezoelectric element 93 and the second Z piezoelectric element 94 are displaced in the same phase in the opposite directions, the vibration of the stage 90 caused by the displacement operation of the first piezoelectric element 93 is canceled. can do. That is, the vibration generated by the operation of the first piezoelectric element 93 is canceled by the displacement operation of the second Z piezoelectric element 94.

次に、本発明の第８の実施の形態について説明する。   Next, an eighth embodiment of the present invention will be described.

図１９は図１１に示す減衰比増大回路５０を用いたＺスキャナに対する制御ブロックを示す構成図である。なお、図１７と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。   FIG. 19 is a block diagram showing a control block for the Z scanner using the attenuation ratio increasing circuit 50 shown in FIG. 17 identical to those in FIG. 17 are assigned the same reference codes as in FIG.

このような制御ブロックであれば、第１の圧電素子９３と第２のＺ圧電素子９４とが同等の伝達関数を有し、かつ等価回路５１がこれら第１の圧電素子９３と第２のＺ圧電素子９４と同等の伝達関数を有しているので、減衰比増大回路５０により第１の圧電素子９３の減衰比γを大きくすることができる。又、外部センサを用いないので、シンプルな構成で減衰比γを大きくできる。さらに、第１の圧電素子９３と第２のＺ圧電素子９４とは、互いに反対方向に同位相で変位動作するので、第１の圧電素子９３が変位動作することにより生じるステージ９０の振動をキャンセルすることができる。すなわち、第１の圧電素子９３が動作することにより生じる振動が第２のＺ圧電素子９４の変位動作により打ち消される。   In such a control block, the first piezoelectric element 93 and the second Z piezoelectric element 94 have an equivalent transfer function, and the equivalent circuit 51 has the first piezoelectric element 93 and the second Z piezoelectric element. Since it has a transfer function equivalent to that of the piezoelectric element 94, the damping ratio increasing circuit 50 can increase the damping ratio γ of the first piezoelectric element 93. Further, since no external sensor is used, the damping ratio γ can be increased with a simple configuration. Further, since the first piezoelectric element 93 and the second Z piezoelectric element 94 are displaced in the same phase in the opposite directions, the vibration of the stage 90 caused by the displacement operation of the first piezoelectric element 93 is canceled. can do. That is, the vibration generated by the operation of the first piezoelectric element 93 is canceled by the displacement operation of the second Z piezoelectric element 94.

次に、本発明の第９の実施の形態について説明する。   Next, a ninth embodiment of the present invention will be described.

図２０はＺスキャナに対する制御ブロックの変形列を示す構成図である。なお、図１７と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。   FIG. 20 is a block diagram showing a modified row of control blocks for the Z scanner. 17 identical to those in FIG. 17 are assigned the same reference codes as in FIG.

第１の減衰比増大回路１００は、Ｚ制御回路６３から出力されたＺ方向制御信号（指令信号）と例えば第２のＺ圧電素子９４の変位信号との偏差に基づいた出力信号を得るもので、第１の圧電素子９３の減衰比γを大きくする。この第１の減衰比増大回路１００は、図１１に示す減衰比増大回路５０を用いている。   The first attenuation ratio increasing circuit 100 obtains an output signal based on a deviation between a Z direction control signal (command signal) output from the Z control circuit 63 and a displacement signal of the second Z piezoelectric element 94, for example. The damping ratio γ of the first piezoelectric element 93 is increased. The first attenuation ratio increasing circuit 100 uses an attenuation ratio increasing circuit 50 shown in FIG.

ゲイン補正回路１０１は、第１の圧電素子９３と第２のＺ圧電素子９４との各駆動効率（変位／駆動電圧）の僅かな違いを吸収して略一致させるために第１の減衰比増大回路１００の出力信号を補正する。   The gain correction circuit 101 absorbs a slight difference in driving efficiency (displacement / driving voltage) between the first piezoelectric element 93 and the second Z piezoelectric element 94, and increases the first damping ratio in order to substantially match them. The output signal of the circuit 100 is corrected.

第１のＺ駆動回路１０２は、ゲイン補正回路１０１からの補正出力に基づいて第１の圧電素子９３を変位駆動する。   The first Z drive circuit 102 drives the first piezoelectric element 93 by displacement based on the correction output from the gain correction circuit 101.

第２の減衰比増大回路１０３は、Ｚ制御回路６３から出力されたＺ方向制御信号（指令信号）と例えば第２のＺ圧電素子９４の変位信号との偏差に基づいた出力信号を得るもので、第２の圧電素子９３の減衰比γを大きくする。この第２の減衰比増大回路１０３は、図１１に示す減衰比増大回路５０を用いている。   The second attenuation ratio increasing circuit 103 obtains an output signal based on a deviation between a Z direction control signal (command signal) output from the Z control circuit 63 and a displacement signal of the second Z piezoelectric element 94, for example. The damping ratio γ of the second piezoelectric element 93 is increased. The second attenuation ratio increasing circuit 103 uses the attenuation ratio increasing circuit 50 shown in FIG.

第２のＺ駆動回路１０４は、第２の減衰比増大回路１０３からの出力出力に基づいて第２の圧電素子９４を変位駆動する。   The second Z drive circuit 104 drives the second piezoelectric element 94 to be displaced based on the output output from the second attenuation ratio increasing circuit 103.

なお、ゲイン補正回路１０１は、第２の減衰比増大回路１０３と第２のＺ駆動回路１０４との間に接続してもよい。   The gain correction circuit 101 may be connected between the second attenuation ratio increasing circuit 103 and the second Z drive circuit 104.

このようなＺスキャナに対する制御ブロックであれば、第１の圧電素子９３と第２のＺ圧電素子９４とは、同等の各伝達関数となうよう選定しているが、各伝達関数の僅かな違いは残る。これに対して本実施の形態の制御ブロックでは、第２のＺ圧電素子９４を駆動制御するための第２の減衰比増大回路１０３と、第１の圧電素子９３を駆動制御するための第１の減衰比増大回路１００とを有しているので、第１の圧電素子９３と第２のＺ圧電素子９４との各駆動効率の僅かな違いを補正することができ、より確実に減衰比γを大きくできる。   In such a control block for the Z scanner, the first piezoelectric element 93 and the second Z piezoelectric element 94 are selected so as to have the same transfer function. The difference remains. On the other hand, in the control block of the present embodiment, the second attenuation ratio increasing circuit 103 for driving and controlling the second Z piezoelectric element 94 and the first for driving and controlling the first piezoelectric element 93 are provided. Therefore, a slight difference in driving efficiency between the first piezoelectric element 93 and the second Z piezoelectric element 94 can be corrected, and the attenuation ratio γ can be more reliably corrected. Can be increased.

加えて、ゲイン補正回路１０１により第１の圧電素子９３と第２のＺ圧電素子９４との各駆動効率（変位／駆動電圧）を精度高く一致させることができるので、第１の圧電素子９３が作動することにより生じるステージ１２０の振動をより確実にキャンセルできる。   In addition, since the driving efficiency (displacement / driving voltage) of the first piezoelectric element 93 and the second Z piezoelectric element 94 can be matched with high accuracy by the gain correction circuit 101, the first piezoelectric element 93 is The vibration of the stage 120 caused by the operation can be canceled more reliably.

以上のように第７乃至第９の実施の形態におけるＸＹスキャナとＺスキャナの構成によれば、試料を高速かつ高精度に測定、観察することが可能な走査型プローブ顕微鏡を実現できる。   As described above, according to the configurations of the XY scanner and the Z scanner in the seventh to ninth embodiments, a scanning probe microscope capable of measuring and observing a sample at high speed and with high accuracy can be realized.

なお、この発明は、上記各実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Further, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, you may combine suitably the component covering different embodiment.

例えば、上記第１乃至第９の実施の形態は、各減衰比増大回路２２、４０、５０、７３、１００及び１０３としてアナログ回路で構成されたハードウェアを例に挙げ説明したが、デジタル回路主体のハードウェアに代えても同様の効果を得ることができる。   For example, although the first to ninth embodiments have been described by taking, as an example, hardware configured by analog circuits as the attenuation ratio increasing circuits 22, 40, 50, 73, 100, and 103, Similar effects can be obtained even if the hardware is replaced.

又、微分処理部と増減幅処理部と減算処理部の少なくとも１つは、ソフトウェアにより処理しても同様の効果を得ることができる。   Further, at least one of the differential processing unit, the increase / decrease width processing unit, and the subtraction processing unit can obtain the same effect even if it is processed by software.

又、上記第１乃至第９の実施の形態では、固体アクチュエータとして圧電アクチュエータを例に挙げて説明したが、磁界を加えることにより機械的歪を生ずる磁歪素子であっても同様の効果が得られる。   In the first to ninth embodiments, the piezoelectric actuator has been described as an example of the solid actuator. However, the same effect can be obtained even with a magnetostrictive element that generates mechanical strain by applying a magnetic field. .

又、上記第１乃至第９の実施の形態では、圧電素子２０の変位や当該変位に対応する圧電素子２０の電荷を検出しているが、圧電素子２０の変位速度を検出してもよく、この場合には、圧電素子２０の変位速度を比例ゲインＫで増幅して減算器１に送出すればよい。   In the first to ninth embodiments, the displacement of the piezoelectric element 20 and the electric charge of the piezoelectric element 20 corresponding to the displacement are detected. However, the displacement speed of the piezoelectric element 20 may be detected. In this case, the displacement speed of the piezoelectric element 20 may be amplified by the proportional gain K and sent to the subtractor 1.

本発明に係るアクチュエータ制御装置の第１の実施の形態における伝達関数を示す制御ブロック図。The control block diagram which shows the transfer function in 1st Embodiment of the actuator control apparatus which concerns on this invention. 同制御装置の制御ブロックにおいて減衰比γ＝１のときの振動特性を示す図。The figure which shows the vibration characteristic when damping ratio (gamma) = 1 in the control block of the same control apparatus. 同制御装置の制御ブロックの具体的な構成図。The specific block diagram of the control block of the control apparatus. 同制御装置におけるフィルタ回路の具体的な構成図。The specific block diagram of the filter circuit in the same control apparatus. 同制御装置におけるフィルタ回路の周波数特性を示す図。The figure which shows the frequency characteristic of the filter circuit in the same control apparatus. 同制御装置におけるフィルタ回路の別の構成例を示す図。The figure which shows another structural example of the filter circuit in the same control apparatus. 同制御装置におけるフィルタ回路の周波数特性を示す図。The figure which shows the frequency characteristic of the filter circuit in the same control apparatus. 同制御装置の制御ブロックにおいて減衰比γ＝１となる比例ゲインＫのときの振動特性を示す図。The figure which shows the vibration characteristic at the time of the proportional gain K used as the damping ratio (gamma) = 1 in the control block of the same control apparatus. 本発明に係るアクチュエータ制御装置の第２の実施の形態における制御ブロックの具体的な構成図。The specific block diagram of the control block in 2nd Embodiment of the actuator control apparatus which concerns on this invention. 同制御装置における電荷検出回路の具体的な構成図。The specific block diagram of the electric charge detection circuit in the same control apparatus. 本発明に係るアクチュエータ制御装置の第３の実施の形態における制御ブロックの具体的な構成図。The specific block diagram of the control block in 3rd Embodiment of the actuator control apparatus which concerns on this invention. 同制御装置における等価回路の具体的な構成図Specific configuration diagram of equivalent circuit in the control device 同制御装置の制御ブロックの伝達関数を示す図。The figure which shows the transfer function of the control block of the same control apparatus. 本発明に係るアクチュエータ制御装置の第４の実施の形態における走査型プローブ顕微鏡の構成図。The block diagram of the scanning probe microscope in 4th Embodiment of the actuator control apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るアクチュエータ制御装置の第５の実施の形態における生体用走査型プローブ顕微鏡の構成図。The block diagram of the scanning probe microscope for biological bodies in 5th Embodiment of the actuator control apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るアクチュエータ制御装置の第６の実施の形態におけるＸＹスキャナ及びＺスキャナの変形例を示す構成図。The block diagram which shows the modification of XY scanner and Z scanner in 6th Embodiment of the actuator control apparatus which concerns on this invention. 同制御装置におけるＺスキャナに対する制御ブロックを示す構成図。The block diagram which shows the control block with respect to Z scanner in the same control apparatus. 本発明に係るアクチュエータ制御装置の第７の実施の形態におけるＺスキャナに対する制御ブロックを示す構成図。The block diagram which shows the control block with respect to Z scanner in 7th Embodiment of the actuator control apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るアクチュエータ制御装置の第８の実施の形態におけるＺスキャナに対する制御ブロックを示す構成図。The block diagram which shows the control block with respect to Z scanner in 8th Embodiment of the actuator control apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るアクチュエータ制御装置の第９の実施の形態におけるＺスキャナに対する制御ブロックの構成図。The block diagram of the control block with respect to Z scanner in 9th Embodiment of the actuator control apparatus which concerns on this invention. 積層型圧電素子から成る圧電アクチュエータの伝達関数を示すブロック図。The block diagram which shows the transfer function of the piezoelectric actuator which consists of a lamination type piezoelectric element. 圧電素子の振動特性を示す図。The figure which shows the vibration characteristic of a piezoelectric element.

符号の説明Explanation of symbols

１：減算器、２０：圧電素子、２１：ピエゾドライバ、２２：減衰比増大回路、２３：変位センサ、２４：フィルタ回路、２５：ゲイン回路、２７：オペアンプ、２８：コンデンサ、２９：抵抗素子、３０：反転回路、３１：コンデンサ、３２：抵抗素子、３３：増幅回路、４０：減衰比増大回路、４１：電荷検出回路、４２：オペアンプ、４３：コンデンサ、４４：反転回路、５０：減衰比増大回路、５１：等価回路、５２，５３：抵抗素子、５４：コンデンサ、５５：オペアンプ、５６：コンデンサ、６０：ホストコンピュータ、６１：コントローラ、６２：データ取得回路、６３：Ｚ制御回路、６４：Ｘ駆動回路、６５：Ｙ駆動回路、６６：Ｚ駆動回路、６７：センサ、６８：ＸＹスキャナ、６９：Ｚスキャナ、７０：試料台、７１：探針、７２：カンチレバー、７３：減衰比増大回路、８０：液体セル、８１：液体、８２：試料、８３：探針、８４：カンチレバー、８５：ホルダ、８６：振動子、８７：光てこセンサ、８８：振幅検出回路、９０：ステージ、９１：Ｘ圧電素子、９２：Ｙ圧電素子、９３：第１のＺ圧電素子、９４：第２のＺ圧電素子、９５：ダミー試料台、１００：第１の減衰比増大回路、１０１：ゲイン補正回路、１０２：第１のＺ駆動回路、１０３：第２の減衰比増大回路、１０４：第２のＺ駆動回路、Ｓ：試料。   1: subtractor, 20: piezoelectric element, 21: piezo driver, 22: attenuation ratio increasing circuit, 23: displacement sensor, 24: filter circuit, 25: gain circuit, 27: operational amplifier, 28: capacitor, 29: resistance element, 30: Inversion circuit, 31: Capacitor, 32: Resistance element, 33: Amplification circuit, 40: Attenuation ratio increase circuit, 41: Charge detection circuit, 42: Operational amplifier, 43: Capacitor, 44: Inversion circuit, 50: Increase of attenuation ratio Circuit 51: Equivalent circuit 52, 53: Resistive element 54: Capacitor 55: Operational amplifier 56: Capacitor 60: Host computer 61: Controller 62: Data acquisition circuit 63: Z control circuit 64: X Drive circuit, 65: Y drive circuit, 66: Z drive circuit, 67: Sensor, 68: XY scanner, 69: Z scanner, 70: Sample stage, 71: Needle, 72: cantilever, 73: attenuation ratio increasing circuit, 80: liquid cell, 81: liquid, 82: sample, 83: probe, 84: cantilever, 85: holder, 86: vibrator, 87: optical lever sensor, 88: amplitude detection circuit, 90: stage, 91: X piezoelectric element, 92: Y piezoelectric element, 93: first Z piezoelectric element, 94: second Z piezoelectric element, 95: dummy sample stage, 100: first 101: gain correction circuit, 102: first Z drive circuit, 103: second attenuation ratio increase circuit, 104: second Z drive circuit, S: sample.

Claims (13)

圧電素子を有する固体アクチュエータを当該固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に基づいて駆動制御するアクチュエータ制御方法であって、
前記固体アクチュエータの駆動時の振動を抑制するために前記圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくする工程を有し、
前記減衰比を大きくする工程は、
前記固体アクチュエータの伝達関数と等価の伝達関数を有し、前記変位に関する入力制御情報に基づいて前記固体アクチュエータの疑似変位情報を求める等価処理工程と、
前記等価処理工程の出力情報である擬似変位情報に対して微分処理を施す微分処理工程と、
前記微分処理工程により得られた微分処理結果に対して増減幅処理を施す増減幅処理工程と、
前記変位に関する入力制御情報と、前記増減幅処理工程において前記擬似変位情報の微分処理結果が増減幅処理されて算出された増減幅処理結果と、の偏差を算出する偏差算出工程と、
を有し、前記微分処理工程における微分要素の時定数と、前記増減幅処理工程にて施す増減幅処理における比例ゲインと、のうち少なくとも何れか一方を調整することで、前記圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくした前記偏差に基づいて前記固体アクチュエータを駆動制御することを特徴とするアクチュエータ制御方法。 An actuator control method for driving and controlling a solid actuator having a piezoelectric element based on input control information relating to displacement of the solid actuator ,
A step of increasing a resonance peak attenuation ratio of the piezoelectric element in order to suppress vibration during driving of the solid actuator;
The step of increasing the damping ratio includes:
An equivalent processing step of obtaining a pseudo displacement information of the solid actuator based on input control information relating to the displacement , having a transfer function equivalent to the transfer function of the solid actuator;
A differential processing step of performing differential processing on pseudo displacement information which is output information of the equivalent processing step;
Increase / decrease width processing step for performing the increase / decrease width processing on the differential processing result obtained by the differential processing step,
An input control information about the displacement, the deviation calculating step of calculating a Oite the differential processing result varying width treated calculated a varying width processing result of the pseudo displacement information, the deviation of the varying width processing step,
Have a, wherein a time constant of the differentiating element in differential processing step, the proportional gain in the increase and decrease range process applied by the varying width processing step, by adjusting at least any one of the resonance peaks of said piezoelectric element An actuator control method characterized in that the solid actuator is driven and controlled based on the deviation obtained by increasing the damping ratio . 圧電素子を有する固体アクチュエータを当該固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に基づいて駆動制御するアクチュエータ制御方法であって、
前記固体アクチュエータの駆動時の振動を抑制するために圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくする工程を有し、
前記減衰比を大きくする工程は、
前記固体アクチュエータの速度情報を取得する速度情報取得工程と、
前記変位に関する入力制御情報と前記速度情報取得工程により取得された前記速度情報との偏差を算出する偏差算出工程と、
前記偏差算出工程により算出された前記偏差に基づいて前記固体アクチュエータを駆動する駆動工程と、
を有し、
前記速度情報取得工程は、
前記固体アクチュエータの変位情報を前記圧電素子に蓄積される電荷量を検出することで取得する変位情報取得工程と、
前記変位情報取得工程により取得された前記変位情報に対して微分処理を施す微分処理工程と、
前記微分処理工程により取得された微分処理結果に対して増減幅処理を施す増減幅処理工程と、
を有し、
前記駆動工程は、前記微分処理工程における微分要素の時定数と、前記増減幅処理工程にて施す増幅処理における比例ゲインと、のうち少なくとも何れか一方を調整することで、前記圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくした前記偏差に基づいて前記固体アクチュエータを駆動制御することを特徴とするアクチュエータ制御方法。 An actuator control method for driving and controlling a solid actuator having a piezoelectric element based on input control information relating to displacement of the solid actuator ,
A step of increasing a resonance peak attenuation ratio of the piezoelectric element in order to suppress vibration during driving of the solid actuator;
The step of increasing the damping ratio includes:
A speed information acquisition step of acquiring speed information of the solid actuator;
A deviation calculating step of calculating a deviation between the input control information related to the displacement and the speed information acquired by the speed information acquiring step;
A driving step of driving the solid actuator based on the deviation calculated by the deviation calculating step;
Have
The speed information acquisition step includes
A displacement information acquisition step of acquiring displacement information of the solid actuator by detecting an amount of charge accumulated in the piezoelectric element;
A differential processing step of performing differential processing on the displacement information acquired by the displacement information acquisition step;
Increase / decrease width processing step for applying an increase / decrease width processing to the differential processing result acquired by the differential processing step;
I have a,
The driving step adjusts at least one of the time constant of the differential element in the differential processing step and the proportional gain in the amplification processing performed in the increase / decrease width processing step, so that the resonance peak of the piezoelectric element is adjusted. actuator control method characterized that you drive controlling the solid actuator based on the deviation by increasing the damping ratio of. 圧電素子を有する固体アクチュエータを当該固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に基づいて駆動制御するアクチュエータ制御装置であって、
前記固体アクチュエータの駆動時の振動を抑制するために圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくする減衰比増大回路を具備し、
前記減衰比増大回路は、
前記固体アクチュエータの伝達関数と等価の伝達関数を有し、前記変位に関する入力制御情報に基づいて前記固体アクチュエータの疑似変位情報を求める等価回路と、
前記等価回路の出力信号に対して微分処理を施す微分回路と、
前記微分回路により得られた微分処理結果に対して増減幅処理を施す増減幅回路と、
前記変位に関する入力制御情報と、前記増減幅回路により算出された出力情報と、の偏差を算出する偏差器と、
前記偏差器により求められた前記偏差に基づいて、前記固体アクチュエータを駆動する駆動回路と、
を有し、
前記駆動回路は、前記微分回路の時定数と、前記増減幅回路の比例ゲインと、のうち少なくとも何れか一方を調整することで、前記圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくした前記偏差に基づいて前記固体アクチュエータを駆動制御することを特徴とするアクチュエータ制御装置。 An actuator control device that drives and controls a solid actuator having a piezoelectric element based on input control information regarding displacement of the solid actuator,
A damping ratio increasing circuit for increasing the damping ratio of the resonance peak of the piezoelectric element in order to suppress vibration during driving of the solid actuator;
The attenuation ratio increasing circuit includes:
An equivalent circuit having a transfer function equivalent to the transfer function of the solid actuator, and obtaining pseudo displacement information of the solid actuator based on input control information related to the displacement;
A differentiating circuit for differentiating the output signal of the equivalent circuit;
An increase / decrease width circuit that performs an increase / decrease width process on the differential processing result obtained by the differentiation circuit;
A deviator for calculating a deviation between the input control information regarding the displacement and the output information calculated by the increase / decrease width circuit ;
A drive circuit for driving the solid-state actuator based on the deviation obtained by the deviation unit;
Have
The drive circuit is based on the deviation obtained by increasing the resonance peak attenuation ratio of the piezoelectric element by adjusting at least one of the time constant of the differentiation circuit and the proportional gain of the increase / decrease circuit. And an actuator control device for controlling the driving of the solid actuator . 圧電素子を有する固体アクチュエータを、当該固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に基づいて駆動制御するアクチュエータ制御装置であって、
前記固体アクチュエータの駆動時の振動を抑制するために圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくする減衰比増大回路を具備し、
前記減衰比増大回路は、
前記固体アクチュエータの速度情報を取得する速度情報取得回路と、
前記変位に関する入力制御情報と、前記速度情報取得回路により取得された前記速度情報と、の偏差を算出する偏差器と、
前記偏差器により算出された前記偏差に基づいて前記固体アクチュエータを駆動する駆動回路と、
を有し、
前記速度情報取得回路は、
前記圧電素子に蓄積される電荷量を検出する電荷検出回路を備え、前記検出した電荷量に基づいて前記固体アクチュエータの変位情報を取得する変位検出部と、
前記変位検出部により取得された前記変位情報に対して微分処理を施す微分回路と、
前記微分回路により取得された微分処理結果に対して増減幅処理を施す増減幅回路と、
を有し、
前記駆動回路は、前記微分回路の時定数と、前記増減幅回路の比例ゲインの少なくとも一方を調整することで、前記圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくした前記偏差に基づいて前記固体アクチュエータを駆動制御することを特徴とするアクチュエータ制御装置。 An actuator control device that drives and controls a solid actuator having a piezoelectric element based on input control information regarding displacement of the solid actuator ,
A damping ratio increasing circuit for increasing the damping ratio of the resonance peak of the piezoelectric element in order to suppress vibration during driving of the solid actuator;
The attenuation ratio increasing circuit includes:
A speed information acquisition circuit for acquiring speed information of the solid actuator ;
A deviation unit for calculating a deviation between the input control information regarding the displacement and the speed information acquired by the speed information acquisition circuit ;
A drive circuit for driving the solid actuator based on the deviation calculated by the deviation unit;
Have
The speed information acquisition circuit includes:
A displacement detection unit that includes a charge detection circuit that detects a charge amount accumulated in the piezoelectric element, and that obtains displacement information of the solid actuator based on the detected charge amount;
A differentiation circuit for performing differentiation on the displacement information acquired by the displacement detector;
An increase / decrease width circuit that performs an increase / decrease width process on the differentiation processing result acquired by the differentiation circuit;
Have
The driving circuit adjusts at least one of a time constant of the differentiation circuit and a proportional gain of the increase / decrease width circuit to adjust the solid actuator based on the deviation obtained by increasing a resonance peak attenuation ratio of the piezoelectric element. An actuator control device that controls driving . 前記微分回路は、前記固体アクチュエータの機械的共振周波数に対して１０倍以上のカットオフ周波数を持つハイパスフィルターの特性、又は、バンドパスフィルターの特性、を有することを特徴とする請求項３又は４記載のアクチュエータ制御装置。 5. The differential circuit has a high-pass filter characteristic or a band-pass filter characteristic having a cutoff frequency of 10 times or more with respect to a mechanical resonance frequency of the solid actuator. The actuator control device described . ステージの一方の面に対して設けられた圧電素子を有する第１の固体アクチュエータと、
前記ステージの他方の面に対して設けられ、前記第１の固体アクチュエータに有する伝達関数と略同等の伝達関数を有し、前記第１の固体アクチュエータの変位方向に対して反対方向に変位する、圧電素子を有する第２の固体アクチュエータと、
前記第１の固体アクチュエータ及び前記第２の固体アクチュエータの駆動時の振動を抑制するために前記圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくする減衰比増大回路と、
を具備し、
前記減衰比増大回路は、
前記第１の固体アクチュエータの伝達関数と等価の伝達関数を有し、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に基づいて前記第１の固体アクチュエータの疑似変位情報を求める等価回路と、
前記等価回路の出力信号に対して微分処理を施す微分回路と、
前記微分回路により得られた微分処理結果に対して増減幅処理を施す増減幅回路と、
前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報と、前記増減幅回路により算出された出力情報と、の偏差を算出する偏差器と、
前記偏差器により求められた前記偏差に基づいて前記第１及び前記第２の固体アクチュエータを駆動する駆動回路と、
を有し、
前記駆動回路は、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に応じて、前記微分回路の時定数及び前記増減幅回路の比例ゲインのうち少なくとも何れか一方を調整することで、前記圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくした前記減衰比増大回路の出力信号である前記偏差に基づいて前記第１の固体アクチュエータ及び前記第２の固体アクチュエータを駆動する
ことを特徴とするアクチュエータ制御装置。 A first solid actuator having a piezoelectric element provided for one surface of the stage;
Provided on the other surface of the stage, having a transfer function substantially equivalent to the transfer function of the first solid actuator, and displacing in a direction opposite to the displacement direction of the first solid actuator; A second solid actuator having a piezoelectric element;
An attenuation ratio increasing circuit for increasing an attenuation ratio of a resonance peak of the piezoelectric element in order to suppress vibration during driving of the first solid actuator and the second solid actuator;
Comprising
The attenuation ratio increasing circuit includes:
An equivalent circuit having a transfer function equivalent to the transfer function of the first solid actuator, and determining pseudo displacement information of the first solid actuator based on input control information relating to the displacement of the first solid actuator;
A differentiating circuit for differentiating the output signal of the equivalent circuit;
An increase / decrease width circuit that performs an increase / decrease width process on the differential processing result obtained by the differentiation circuit;
A deviator for calculating a deviation between the input control information related to the displacement of the first solid actuator and the output information calculated by the increase / decrease width circuit;
A drive circuit for driving the first and second solid actuators based on the deviation obtained by the deviation unit;
Have
The drive circuit adjusts at least one of a time constant of the differentiation circuit and a proportional gain of the increase / decrease width circuit in accordance with input control information related to the displacement of the first solid actuator , whereby the piezoelectric element An actuator control apparatus for driving the first solid actuator and the second solid actuator based on the deviation which is an output signal of the attenuation ratio increasing circuit in which the resonance ratio of the resonance peak is increased. ステージの一方の面に対して設けられた圧電素子を有する第１の固体アクチュエータと、
前記ステージの他方の面に対して設けられ、前記第１の固体アクチュエータに有する伝達関数と略同等の伝達関数を有し、前記第１の固体アクチュエータの変位方向に対して反対方向に変位する、圧電素子を有する第２の固体アクチュエータと、
前記第１の固体アクチュエータ及び前記第２の固体アクチュエータの駆動時の振動を抑制するために圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくする減衰比増大回路と、
を具備し、
前記減衰比増大回路は、
前記第１の固体アクチュエータの速度情報を取得する速度情報取得回路と、
前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報と、前記速度情報取得回路により取得された前記速度情報と、の偏差を算出する偏差器と、
前記偏差器により算出された前記偏差に基づいて、前記第１の固体アクチュエータ及び前記第２の固体アクチュエータを駆動する駆動回路と、
を有し、
前記速度情報取得回路は、
前記第１の固体アクチュエータの圧電素子及び前記第２の固体アクチュエータの圧電素子のうち少なくとも何れか一方に蓄積される電荷量を検出する電荷検出回路を備え、前記電荷量に基づいて、前記第１の固体アクチュエータ及び前記第２の固体アクチュエータのうち少なくとも何れか一方の変位情報を取得する変位検出部と、
前記変位検出部により取得された前記変位情報に対して微分処理を施す微分回路と、
前記微分回路により取得された微分処理結果に対して増減幅処理を施す増減幅回路と、
を有し、
前記駆動回路は、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に応じて、前記微分回路の時定数と、前記増減幅回路の比例ゲインの少なくとも一方を調整することで、前記圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくした前記減衰比増大回路の出力信号である前記偏差に基づいて、前記第１の固体アクチュエータ及び前記第２の固体アクチュエータを駆動することを特徴とするアクチュエータ制御装置。 A first solid actuator having a piezoelectric element provided for one surface of the stage;
Provided on the other surface of the stage, having a transfer function substantially equivalent to the transfer function of the first solid actuator, and displacing in a direction opposite to the displacement direction of the first solid actuator; A second solid actuator having a piezoelectric element;
An attenuation ratio increasing circuit for increasing an attenuation ratio of a resonance peak of the piezoelectric element in order to suppress vibration during driving of the first solid actuator and the second solid actuator;
Comprising
The attenuation ratio increasing circuit includes:
A speed information acquisition circuit for acquiring speed information of the first solid actuator ;
A deviator for calculating a deviation between the input control information regarding the displacement of the first solid actuator and the speed information acquired by the speed information acquisition circuit;
A drive circuit for driving the first solid actuator and the second solid actuator based on the deviation calculated by the deviation unit;
Have
The speed information acquisition circuit includes:
A charge detection circuit configured to detect a charge amount accumulated in at least one of the piezoelectric element of the first solid actuator and the piezoelectric element of the second solid actuator, and based on the charge amount, the first solid actuator A displacement detector that acquires displacement information of at least one of the solid actuator and the second solid actuator;
A differentiation circuit for performing differentiation on the displacement information acquired by the displacement detector;
An increase / decrease width circuit that performs an increase / decrease width process on the differentiation processing result acquired by the differentiation circuit;
Have
The drive circuit adjusts at least one of a time constant of the differentiation circuit and a proportional gain of the increase / decrease width circuit in accordance with input control information related to the displacement of the first solid actuator, thereby resonating the piezoelectric element. An actuator control apparatus , wherein the first solid actuator and the second solid actuator are driven based on the deviation which is an output signal of the attenuation ratio increasing circuit having a peak attenuation ratio increased . 前記微分回路は、前記第１及び第２の固体アクチュエータの機械的共振周波数に対して１０倍以上のカットオフ周波数を持つハイパスフィルターの特性又はバンドパスフィルターの特性を有することを特徴とする請求項６又は７記載のアクチュエータ制御装置。 The differential circuit has characteristics of a high-pass filter or a band-pass filter having a cutoff frequency of 10 times or more with respect to a mechanical resonance frequency of the first and second solid actuators. The actuator control device according to 6 or 7 . ステージの一方の面に対して設けられた圧電素子を有する第１の固体アクチュエータと、
前記ステージの他方の面に対して設けられ、前記第１の固体アクチュエータに有する伝達関数と略同等の伝達関数を有し、前記第１の固体アクチュエータの変位方向に対して反対方向に変位する圧電素子を有する第２の固体アクチュエータと、
前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に応じて前記第１の固体アクチュエータの駆動時の振動を抑制するために圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくする第１の減衰比増大回路と、
前記第１の減衰比増大回路の結果に基づいて、前記第１の固体アクチュエータを駆動する第１の駆動回路と、
前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に応じて、前記第２の固体アクチュエータの駆動時の振動を抑制するため圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくする第２の減衰比増大回路と、
前記第２の減衰比増大回路の結果に基づいて、前記第２の固体アクチュエータを駆動する第２の駆動回路と、
前記第１の減衰比増大回路と前記第１の駆動回路との間、及び、前記第２の減衰比増大回路と前記第２の駆動回路との間、のうち少なくとも何れか一方に接続され、前記第１と前記第２の固体アクチュエータとの各駆動効率を略一致させるゲイン補正回路と、
を具備し、
前記第１の減衰比増大回路は、
前記第１の固体アクチュエータの伝達関数と等価の伝達関数を有し、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に基づいて前記第１の固体アクチュエータの疑似変位情報を求める第１の等価回路と、
前記第１の等価回路の出力信号に対して微分処理を施す第１の微分回路と、
前記第１の微分回路により得られた微分処理結果に対して増減幅処理を施す第１の増減幅回路と、
前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報と前記第１の増減幅回路により算出された出力情報との偏差を算出する第１の偏差器と、
を有し、
前記第１の減衰比増大回路の結果は、前記第１の偏差器により求められた前記偏差であり、
前記第２の減衰比増大回路は、
前記第２の固体アクチュエータの伝達関数と等価の伝達関数を有し、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に基づいて前記第２の固体アクチュエータの疑似変位情報を求める第２の等価回路と、
前記第２の等価回路の出力信号に対して微分処理を施す第２の微分回路と、
前記第２の微分回路により得られた微分処理結果に対して増減幅処理を施す第２の増減幅回路と、
前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報と、前記第２の増減幅回路により算出された出力情報と、の偏差を算出する第２の偏差器と、
を有し、
前記第２の減衰比増大回路の結果は、前記第２の偏差器により求められた前記偏差であり、
前記第１の駆動回路は、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に応じて、前記第１の微分回路の時定数と、前記第１の増減幅回路の比例ゲインと、のうち少なくとも何れか一方を調整することで、前記第１の固体アクチュエータの圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくした前記第１の減衰比増大回路の出力信号である前記第１の偏差器により求められた前記偏差に基づいて、前記第１の固体アクチュエータを駆動し、
前記第２の駆動回路は、前記第１の固体アクチュエータの変位に関する入力制御情報に応じて、前記第２の微分回路の時定数と、前記第２の増減幅回路の比例ゲインと、のうち少なくとも何れか一方を調整することで、前記第２の固体アクチュエータの圧電素子の共振ピークの減衰比を大きくした前記第２の減衰比増大回路の出力信号である前記第２の偏差器により求められた前記偏差に基づいて、前記第２の固体アクチュエータを駆動する、
ことを特徴とするアクチュエータ制御装置。 A first solid actuator having a piezoelectric element provided for one surface of the stage;
A piezoelectric element provided on the other surface of the stage, having a transfer function substantially equivalent to the transfer function of the first solid actuator, and displacing in a direction opposite to the displacement direction of the first solid actuator. A second solid actuator having an element ;
A first damping ratio increasing circuit for increasing a damping ratio of a resonance peak of the piezoelectric element in order to suppress vibration during driving of the first solid actuator according to input control information relating to displacement of the first solid actuator; ,
A first drive circuit for driving the first solid actuator based on a result of the first attenuation ratio increasing circuit;
A second damping ratio increasing circuit for increasing a resonance peak damping ratio of the piezoelectric element in order to suppress vibration during driving of the second solid actuator in accordance with input control information relating to the displacement of the first solid actuator; ,
A second drive circuit for driving the second solid actuator based on a result of the second attenuation ratio increasing circuit;
Connected between at least one of the first attenuation ratio increasing circuit and the first drive circuit and between the second attenuation ratio increasing circuit and the second drive circuit; A gain correction circuit that substantially matches the drive efficiencies of the first and second solid actuators;
Comprising
The first attenuation ratio increasing circuit includes:
A first equivalent circuit that has a transfer function equivalent to the transfer function of the first solid actuator, and obtains pseudo displacement information of the first solid actuator based on input control information related to the displacement of the first solid actuator When,
A first differentiating circuit for differentiating the output signal of the first equivalent circuit;
A first increase / decrease circuit for performing an increase / decrease process on the differential processing result obtained by the first differentiating circuit;
A first deviator for calculating a deviation between input control information relating to displacement of the first solid actuator and output information calculated by the first increase / decrease circuit;
Have
The result of the first attenuation ratio increasing circuit is the deviation obtained by the first deviator,
The second attenuation ratio increasing circuit includes:
A second equivalent circuit that has a transfer function equivalent to the transfer function of the second solid actuator, and obtains pseudo displacement information of the second solid actuator based on input control information related to the displacement of the first solid actuator When,
A second differentiating circuit for differentiating the output signal of the second equivalent circuit;
A second increase / decrease circuit that performs increase / decrease processing on the differential processing result obtained by the second differentiating circuit;
A second deviator for calculating a deviation between the input control information relating to the displacement of the first solid actuator and the output information calculated by the second increase / decrease width circuit;
Have
The result of the second attenuation ratio increasing circuit is the deviation obtained by the second deviator,
The first driving circuit includes at least one of a time constant of the first differentiating circuit and a proportional gain of the first increase / decrease width circuit in accordance with input control information relating to the displacement of the first solid actuator. By adjusting either one, the first deviator, which is an output signal of the first attenuation ratio increasing circuit in which the resonance peak attenuation ratio of the piezoelectric element of the first solid actuator is increased, is obtained. Driving the first solid actuator based on the deviation;
The second drive circuit includes at least one of a time constant of the second differentiating circuit and a proportional gain of the second increase / decrease width circuit in accordance with input control information related to the displacement of the first solid actuator. By adjusting either one, the second deviator is an output signal of the second attenuation ratio increasing circuit in which the resonance peak attenuation ratio of the piezoelectric element of the second solid actuator is increased. Driving the second solid actuator based on the deviation;
An actuator control device. 前記第１の微分回路及び前記第２の微分回路は、前記第１及び前記第２の固体アクチュエータの機械的共振周波数に対してそれぞれ１０倍以上のカットオフ周波数を持つハイパスフィルターの特性又はバンドパスフィルターの特性を有することを特徴とする請求項９記載のアクチュエータ制御装置。 The first differentiating circuit and the second differentiating circuit are characteristics of a high-pass filter or a bandpass each having a cut-off frequency of 10 times or more with respect to the mechanical resonance frequency of the first and second solid actuators. The actuator control device according to claim 9, wherein the actuator control device has a filter characteristic . 試料を保持する試料台と、
前記試料表面に沿って変位する探針を有するカンチレバーと、
前記カンチレバーを保持するホルダと、
前記カンチレバーの前記探針の変位を測定する変位測定部と、
前記試料台と前記ホルダとを相対的に前記試料表面の高さ方向に移動させる高さ移動部と、
前記変位測定部により測定された前記探針の変位に基づいて、前記高さ移動部を駆動制御する高さ制御部と、
前記ホルダと前記試料台とを相対的に平面方向に走査させる走査制御部と、
前記走査制御部の平面走査情報と、前記高さ制御部の高さ情報と、に基づいて前記試料の表面情報を求める演算部と、
を具備し、
前記高さ移動部は、請求項３乃至請求項１０のうち何れか１項に記載されたアクチュエータ制御装置を有する
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 A sample stage for holding the sample;
A cantilever having a probe that is displaced along the sample surface;
A holder for holding the cantilever;
A displacement measuring unit for measuring the displacement of the probe of the cantilever;
A height moving unit that relatively moves the sample stage and the holder in the height direction of the sample surface;
A height control unit that drives and controls the height moving unit based on the displacement of the probe measured by the displacement measuring unit;
A scanning control unit that relatively scans the holder and the sample stage in a plane direction;
A calculation unit for obtaining surface information of the sample based on the plane scanning information of the scanning control unit and the height information of the height control unit;
Comprising
The height moving unit includes the actuator control device according to any one of claims 3 to 10.
A scanning probe microscope characterized by the above . 試料を保持する試料台と、
探針を有するカンチレバーと、
前記カンチレバーを保持するホルダと、
前記カンチレバーを、前記カンチレバーの機械的共振周波数近傍で励振させるカンチレバー励振部と、
前記カンチレバーの前記探針の変位を測定する変位測定部と、
前記変位測定部により測定された前記探針の変位に基づいて、前記カンチレバーの振動振幅を算出する振幅算出部と、
前記試料台と前記ホルダとを相対的に、前記試料表面の高さ方向に移動させる高さ移動部と、
前記振幅算出部により算出された前記カンチレバーの振動振幅に基づいて、前記高さ移動部を駆動制御する高さ制御部と、
前記ホルダと前記試料台とを相対的に、平面方向に走査させる走査制御部と、
前記走査制御部の平面走査情報と、前記高さ制御部の高さ情報と、に基づいて前記試料の表面情報を求める演算部と、
を具備し、
前記高さ移動部は、請求項３乃至請求項１０のうち何れか１項に記載されたアクチュエータ制御装置を有する
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 A sample stage for holding the sample;
A cantilever with a probe,
A holder for holding the cantilever;
A cantilever excitation unit that excites the cantilever in the vicinity of a mechanical resonance frequency of the cantilever;
A displacement measuring unit for measuring the displacement of the probe of the cantilever;
An amplitude calculating unit that calculates a vibration amplitude of the cantilever based on the displacement of the probe measured by the displacement measuring unit ;
A height moving unit that moves the sample stage and the holder relatively in the height direction of the sample surface;
A height control unit that drives and controls the height moving unit based on the vibration amplitude of the cantilever calculated by the amplitude calculation unit;
A scanning control unit that relatively scans the holder and the sample stage in a plane direction;
A calculation unit for obtaining surface information of the sample based on the plane scanning information of the scanning control unit and the height information of the height control unit;
Comprising
Said height mobile unit, a scanning probe microscope characterized by having an actuator control device according to any one of claims 3 to 10. 前記試料は、液体ステージ内に収容された液体中に在中し、
前記液体ステージは、前記試料台上に載置されている
ことを特徴とする請求項１２記載の走査型プローブ顕微鏡。 The sample is in a liquid contained in a liquid stage;
The liquid stage is placed on the sample stage
The scanning probe microscope according to claim 12 .
JP2003431554A 2003-12-25 2003-12-25 Actuator control method and apparatus, and scanning probe microscope Expired - Lifetime JP4455046B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003431554A JP4455046B2 (en) 2003-12-25 2003-12-25 Actuator control method and apparatus, and scanning probe microscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003431554A JP4455046B2 (en) 2003-12-25 2003-12-25 Actuator control method and apparatus, and scanning probe microscope

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005190228A JP2005190228A (en) 2005-07-14
JP4455046B2 true JP4455046B2 (en) 2010-04-21

Family

ID=34789520

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003431554A Expired - Lifetime JP4455046B2 (en) 2003-12-25 2003-12-25 Actuator control method and apparatus, and scanning probe microscope

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4455046B2 (en)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008029561A1 (en) 2006-09-06 2008-03-13 National University Corporation Kanazawa University Scan type probe microscope and active damping drive control device
JP5467299B2 (en) * 2007-11-30 2014-04-09 エフイーアイ カンパニー Iterative feedback adjustment in a scanning probe microscope
US8610332B2 (en) 2008-10-09 2013-12-17 Newcastle Innovation Limited Positioning system and method
JP5281992B2 (en) * 2009-08-28 2013-09-04 株式会社日立製作所 Scanning probe microscope and measuring method using the same
US10884022B2 (en) 2017-01-10 2021-01-05 Osaka University Scanner and scanning probe microscope
US11841497B2 (en) * 2020-12-02 2023-12-12 Politecnico Di Milano Closed-loop position control of MEMS micromirrors
CN114367319B (en) * 2021-12-30 2023-10-10 江苏大学 Particle control device and method based on low-frequency vibration probe
CN114674875B (en) * 2022-03-14 2023-04-18 电子科技大学 Method for measuring longitudinal effective piezoelectric coefficient of piezoelectric film

Also Published As

Publication number Publication date
JP2005190228A (en) 2005-07-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kanda et al. A flat type touch probe sensor using PZT thin film vibrator
Yong et al. A novel piezoelectric strain sensor for simultaneous damping and tracking control of a high-speed nanopositioner
Fleming et al. Integrated strain and force feedback for high-performance control of piezoelectric actuators
KR101462701B1 (en) Closed loop controller and method for fast scanning probe microscopy
Schitter et al. Design and modeling of a high-speed AFM-scanner
Schitter et al. Design and input-shaping control of a novel scanner for high-speed atomic force microscopy
US8763475B2 (en) Active damping of high speed scanning probe microscope components
JP5563581B2 (en) Positioning system and method
KR20070086874A (en) Scanner for probe microscopy
Ruppert et al. On-chip dynamic mode atomic force microscopy: A silicon-on-insulator MEMS approach
JP5187839B2 (en) Cantilever system and scanning probe microscope
Coskun et al. $ Q $ Control of an Active AFM Cantilever With Differential Sensing Configuration
Rost et al. Video‐rate scanning probe control challenges: Setting the stage for a microscopy revolution
JP4455046B2 (en) Actuator control method and apparatus, and scanning probe microscope
KR20190057442A (en) Multiple integrated tips scanning probe microscope
Mahmoodi Nasrabadi et al. High resolution atomic force microscopy with an active piezoelectric microcantilever
JP2008033567A (en) Piezoelectric element control method, piezoelectric element control device, actuator, and microscope
JP2012008132A (en) Rapid scan stage for scanning probe type microscope
Fleming A method for reducing piezoelectric non-linearity in scanning probe microscope images
US20080091374A1 (en) Analog High Sensitivity Continuous Phase and Amplitude Detection Device for a Harmonic Microcantilever Sensor
Sarkar et al. Single-chip atomic force microscope with integrated Q-enhancement and isothermal scanning
WO2021044934A1 (en) Scanning probe microscope and driving control device for scanning probe microscope
JP4378385B2 (en) Driving stage in scanning probe apparatus, scanning probe apparatus
Abdul Rahim et al. A review of piezoelectric design in MEMS Scanner
Poik et al. Similarity-based Feedback Control with Reduced Capacitive Load for Linear Operation of Piezoelectric Actuators

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20061110

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090714

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090914

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20091013

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20091214

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20100126

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20100203

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130212

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4455046

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130212

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140212

Year of fee payment: 4

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

EXPY Cancellation because of completion of term