JP2005190228A - アクチュエータ制御方法及びその装置並びに走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】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としての圧電素子の減衰性を大きくすること。
【解決手段】指令信号Ｖに基づいて積層型の圧電素子２０を変位させるとき、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。これにより、例えばフィルタ回路２４において角周波数ω_０より十分高い周波数のゲインを抑え、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。
【選択図】 図１

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。

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。

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。

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。

ただし、ｓはラプラス演算子、ω_０は圧電素子の共振角周波数、γは減衰比である。又、Ｋ_ＰＺＴ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≪ω_０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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

本発明は、固体アクチュエータを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において、固体アクチュエータの減衰比を大きくする工程を有するアクチュエータ制御方法である。

本発明は、固体アクチュエータを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において、固体アクチュエータの減衰比を大きくする減衰比増大回路を具備したアクチュエータ制御装置である。

本発明は、ステージの一方の面に対して設けられた第１の固体アクチュエータと、ステージの他方の面に対して設けられ、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、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第２の固体アクチュエータと、第１の固体アクチュエータ及び第２の固体アクチュエータの減衰比を大きくする減衰比増大回路を具備し、入力制御情報に応じた減衰比増大回路の出力信号に基づいて第１の固体アクチュエータ及び第２の固体アクチュエータを駆動するアクチュエータ制御装置である。

本発明は、ステージの一方の面に対して設けられた第１の固体アクチュエータと、ステージの他方の面に対して設けられ、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、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第２の固体アクチュエータと、入力制御情報に応じて第１の固体アクチュエータの減衰比を大きくする第１の減衰比増大回路と、第１の減衰比増大回路の結果に基づいて第１の固体アクチュエータを駆動する第１の駆動回路と、入力制御情報に応じて第２の固体アクチュエータの減衰比を大きくする第２の減衰比増大回路と、第２の減衰比増大回路の結果に基づいて第２の固体アクチュエータを駆動する第２の駆動回路と、第１の減衰比増大回路と第１の駆動回路との間、又は第２の減衰比増大回路と第２の駆動回路との間のうちいずれか一方又は両方に接続され、第１と第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たアクチュエータ制御装置である。

本発明は、試料を保持する試料台と、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、カンチレバーを保持するホルダと、カンチレバーの探針の変位を測定する変位測定部と、試料台とホルダとを相対的に試料表面の高さ方向に移動させる高さ移動部と、変位測定部により測定された探針の変位に基づいて高さ移動部を駆動制御する高さ制御部と、ホルダと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、走査制御部の平面走査情報と高さ制御部の高さ情報とに基づいて試料の表面情報を求める演算部とを備え、高さ移動部は、上記本発明のアクチュエータ制御装置を有する走査型プローブ顕微鏡である。

本発明は、試料を保持する試料台と、探針を有するカンチレバーと、カンチレバーを保持するホルダと、カンチレバーを当該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、カンチレバーの探針の変位を測定する変位測定部と、変位測定部により測定された探針の変位に基づいてカンチレバーの振動振幅を算出する振幅算出部と、試料台とホルダとを相対的に試料表面の高さ方向に移動させる高さ移動部と、振幅算出部により算出されたカンチレバーの振動振幅に基づいて高さ移動部を駆動制御する高さ制御部と、ホルダと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、走査制御部の平面走査情報と高さ制御部の高さ情報とに基づいて試料の表面情報を求める演算部とを備え、高さ移動部は、上記本発明のアクチュエータ制御装置を有する走査型プローブ顕微鏡である。

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。

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。

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。

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Ｋ_ＳＥＮＳ（単位はＶ／ｍ）、微分要素の時定数Ｔ_Ｄ、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。

又、圧電素子２０のＤＣ領域における駆動効率をＫ_ＰＺＴとして、

とおくと、上記式（４）は、

と表すことができる。

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Ｔ_Ｄ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。

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Ｋ_ＰＺＴを１００［ｎｍ／Ｖ］、機械的共振角周波数ω_０を２π×１００×１０^３［rad／ｓ］、減衰比γを０．０２５とする。

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Ｋ_ＤＲＶにより増幅した駆動信号Ｖ_ＤＲＶを圧電素子２０に印加する。例えば増幅率Ｋ_ＤＲＶは１０倍とする。

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。

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Ｋ_ＳＥＮＳ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。

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Ｔ_Ｄ、伝達関数Ｔ_Ｄｓ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Ｃ_１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Ｒ_１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。

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Ｔ_Ｄは、次式（７）により表わされるように抵抗値Ｒ_１と静電容量Ｃ_１との積で表わされる。

本実施形態では便宜上、時定数Ｔ_Ｄを次式（８）に示すように１／ω_０と等しくなるように設定する。

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ω_０と同じときにゲイン×１となるような微分特性を有する。

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Ｃ_２のコンデンサ３１と抵抗値Ｒ_２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。

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ω_ｃは、次式（９）に示すように抵抗値Ｒ_２と静電容量Ｃ_２の積で表される。

本実施の形態では便宜上、カットオフ角周波数ω_ｃを次式（１０）に示すようにα・ω_０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。

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ω_０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ω_０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ω_０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。

これにより、図６に示すフィルタ回路２４は、角周波数ω_０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ω_０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。

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。

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。

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、

と表すことができる。ここで、

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。

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。

上記式（１２）に、上述した数値、すなわちＫ_ＰＺＴ＝１００［ｎｍ／Ｖ］、γ＝０．０２５、Ｋ_ＤＲＶ＝１０、Ｋ_ＳＥＮＳ＝０．０１［Ｖ／ｎｍ］、Ｔ_Ｄ＝１／ω_０を代入すると、

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。

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ω_０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ω_０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。

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ω_０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ω_０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。

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。

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。

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。

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Ｃ_Ｓ（＞Ｃ_Ｐ）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。

ここで、圧電素子２０の静電容量をＣ_Ｐとする。なお、静電容量Ｃ_Ｐ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。

圧電素子２０に駆動信号Ｖ_ＤＲＶ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Ｑ_Ｐとの間には、
Ｘ＝Ｑ_Ｐ・Ｃ_Ｐ・Ｖ_ＤＶＲ …（１３）
なる関係が成り立つ。

このとき、反転回路４４の出力信号Ｖ_Ｑは、
Ｖ_Ｑ＝（Ｃ_Ｐ／Ｃｓ）・Ｖ_ＤＶＲ …（１４）
となるので、上記式（１３）及び式（１４）により
Ｖ_Ｑ＝Ｘ／Ｃｓ …（１５）
となる。これにより、反転回路４４の出力信号Ｖ_Ｑ（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。

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。

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。

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Ｒ_３の抵抗素子５２及び抵抗値Ｒ_４の抵抗素子５３からなる直列回路と静電容量Ｃ_４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Ｃ_３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。

この等価回路５１は、その伝達関数Ｇ_Ｅ（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Ｒ_３、Ｒ_４、各コンデンサ５４、５６の静電容量Ｃ_３、Ｃ_４を次式（１６）及び（１７）を満たす各値に設定している。

このとき、等価回路５１の伝達関数Ｇ_Ｅ（ｓ）は、

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。

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。

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。

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。

次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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／（Ｔ_ｎｓ＋１）とすると、微分要素Ｔ_ｎｓ＋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。

次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。

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。

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。

次に、本発明の第８の実施の形態について説明する。

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。

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。

次に、本発明の第９の実施の形態について説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 同制御装置の制御ブロックの具体的な構成図。 同制御装置におけるフィルタ回路の具体的な構成図。 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。 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。 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。 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。 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。 同制御装置における電荷検出回路の具体的な構成図。 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。 同制御装置における等価回路の具体的な構成図 同制御装置の制御ブロックの伝達関数を示す図。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 圧電素子の振動特性を示す図。

符号の説明

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。

Claims (31)

1. 固体アクチュエータを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において、
   前記固体アクチュエータの減衰比を大きくする工程を有することを特徴とするアクチュエータ制御方法。
2. 前記固体アクチュエータの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、
   を有することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ制御方法。
3. 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、
   を有することを特徴とする請求項２記載のアクチュエータ制御方法。
4. 前記固体アクチュエータは、電界を加えられることにより機械的歪を生ずる圧電素子を有すること特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１記載のアクチュエータ制御方法。
5. 前記変位情報取得工程は、前記固体アクチュエータの変位を検出する変位センサを用いることを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ制御方法。
6. 前記固体アクチュエータは、電界を加えられることにより機械的歪を生ずる圧電素子からなり、
   前記変位情報取得工程は、前記圧電素子からなる前記固体アクチュエータに蓄積される電荷量を検出することを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ制御方法。
7. 前記固体アクチュエータの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、
   前記入力制御情報と前記増減幅処理工程により算出された出力情報との偏差を算出する偏差算出工程と、
   を有することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ制御方法。
8. 前記微分処理工程における微分要素の時定数又は前記増減幅処理工程における比例ゲインのうちいずれか一方又は両方を調整して前記固体アクチュエータの減衰比を任意に設定することを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ制御方法。
9. 固体アクチュエータを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において、
   前記固体アクチュエータの減衰比を大きくする減衰比増大回路を具備したことを特徴とするアクチュエータ制御装置。
10. 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。
11. 前記速度情報取得回路は、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、
    を有することを特徴とする請求項１０記載のアクチュエータ制御装置。
12. 前記変位検出部は、前記固体アクチュエータの変位を検出する変位センサであることを特徴とする請求項１１記載のアクチュエータ制御装置。
13. 前記固体アクチュエータは、電界を加えられることにより機械的歪を生ずる圧電素子であること特徴とする請求項９乃至１１のうちいずれか１記載のアクチュエータ制御装置。
14. 前記固体アクチュエータは、電界を加えられることにより機械的歪を生ずる圧電素子であり、
    前記変位検出部は、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であることを特徴とする請求項１１記載のアクチュエータ制御装置。
15. 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。
16. 前記微分回路は、前記固体アクチュエータの機械的固周波数に対して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１１又は１５記載のアクチュエータ制御装置。
17. ステージの一方の面に対して設けられた第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減衰比を大きくする減衰比増大回路を具備し、
    入力制御情報に応じた前記減衰比増大回路の出力信号に基づいて前記第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。
18. 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、
    を有することを特徴とする請求項１７記載のアクチュエータ制御装置。
19. 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、
    を有することを特徴とする請求項１８記載のアクチュエータ制御装置。
20. 前記変位検出部は、前記第１の固体アクチュエータの変位を検出する変位センサであることを特徴とする請求項１９記載のアクチュエータ制御装置。
21. 前記第１及び前記第２の固体アクチュエータは、電界を加えられることにより機械的歪を生ずる圧電素子であること特徴とする請求項１７乃至２０のうちいずれか１記載のアクチュエータ制御装置。
22. 前記第１と前記第２の固体アクチュエータは、それぞれ電界を加えられることにより機械的歪を生ずる第１と第２の圧電素子であり、
    前記変位検出部は、前記第１或いは前記第２の圧電素子のうちいずれか一方の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であることを特徴とする請求項１９記載のアクチュエータ制御装置。
23. 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、
    を有することを特徴とする請求項１７記載のアクチュエータ制御装置。
24. 前記微分回路は、前記固体アクチュエータの機械的固周波数に対して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１９又は２３記載のアクチュエータ制御装置。
25. ステージの一方の面に対して設けられた第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第２の固体アクチュエータと、
    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、又は前記第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いずれか一方又は両方に接続され、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、
    を具備したことを特徴とするアクチュエータ制御装置。
26. 前記第１と前記第２の固体アクチュエータは、それぞれ電界を加えられることにより機械的歪を生ずる第１と第２の圧電素子であること特徴とする請求項２４記載のアクチュエータ制御装置。
27. 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、
    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する駆動回路とを有し、
    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、
    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駆動回路とを有する、
    ことを特徴とする請求項２５記載のアクチュエータ制御装置。
28. 前記第１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固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２７項記載のアクチュエータ制御装置。
29. 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備え、
    前記高さ移動部は、請求項９乃至２８記載のうちいずれか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。
30. 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当該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備え、
    前記高さ移動部は、請求項９乃至２８記載のうちいずれか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。
31. 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、前記液体ステージを前記試料台上に載置されたことを特徴とする請求項３０記載の走査型プローブ顕微鏡。

Images