(57)【要約】【課題】  圧電素子に大きな変位を短時間で生じさせ、しかもその分解能を高めた変位量制御を行うための圧電素子駆動装置および駆動方法を提供する。【解決手段】  圧電素子５０を変位させるための駆動装置１０は、コンピュータ２０と、駆動電源３０を有する。駆動電源３０は、圧電素子５０に電流を供給するためのカレントソースＩｐ１と、圧電素子５０に充電された電荷を放電させるためのカレントシンクＩｍ１と、カレントソースＩｐ１に設けられた給電用の切り換えスイッチＳｐ１と、カレントシンクＩｍ１に設けられた放電用の切り換えスイッチＳｍ１とを備えている。一定のスイッチング時間ｔ１でスイッチＳｐ１のオン／オフを繰り返して行うことで圧電素子５０を伸ばす。圧電素子５０に対して充放電が行われていないときには、圧電素子５０は駆動電源３０と切り離された状態となるので、変位量が一定に維持される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子を電流駆動するための駆動装置であって、
圧電素子に電流を供給するためのカレントソースと、
前記カレントソースから圧電素子に所定のスイッチング時間で給電を行うための給電用切り換えスイッチと、
前記圧電素子に充電された電荷を放電させるためのカレントシンクと、
圧電素子から前記カレントシンクへ所定のスイッチング時間で放電を行うための放電用切り換えスイッチと、
を具備し、
前記カレントソースと前記カレントシンクとは、前記給電用切り換えスイッチと放電用切り換えスイッチを介してトーテムポール接続されており、
前記給電用切り換えスイッチのオン／オフを繰り返すことによって作り出される電流パルスによって圧電素子を充電して変位させ、前記放電用切り換えスイッチのオン／オフを繰り返すことによって作り出される電流パルスによって圧電素子に充電された電荷を放電させて変位させ、前記圧電素子に対して充放電が行われないときには前記給電用切り換えスイッチと前記放電用切り換えスイッチがオフ状態に保持されて圧電素子の変位量が一定に制御されることを特徴とする圧電素子駆動装置。
【請求項２】
前記給電用切り換えスイッチは、前記カレントソース１個に対して複数接続され、これら複数の給電用切り換えスイッチは互いに並列に接続され、個々に異なるスイッチング時間を有することを特徴とする請求項１に記載の圧電素子駆動装置。
【請求項３】
前記放電用切り換えスイッチは、前記カレントシンク１個に対して複数接続され、これら複数の放電用切り換えスイッチは互いに並列に接続され、個々に異なるスイッチング時間を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電素子駆動装置。
【請求項４】
前記カレントソースを複数備え、かつ、前記給電用切り換えスイッチはそれぞれのカレントソースに対して１個ずつ接続され、
これら複数のカレントソースから取り出される電流のピーク値がそれぞれに異なることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子駆動装置。
【請求項５】
前記複数のカレントソースにそれぞれ接続された給電用切り換えスイッチのスイッチング時間は、前記カレントソースから取り出される電流のピーク値が小さくなるにつれて短くなっていることを特徴とする請求項４に記載の圧電素子駆動装置。
【請求項６】
前記カレントシンクを複数備え、かつ、前記放電用切り換えスイッチはそれぞれのカレントシンクに対して１個ずつ接続され、
これら複数のカレントシンクへ吸い込まれる電流値のピーク値がそれぞれに異なることを特徴とする請求項１，４，５のいずれか１項に記載の圧電素子駆動装置。
【請求項７】
前記複数のカレントシンクにそれぞれ接続された放電用切り換えスイッチのスイッチング時間は、前記カレントシンクへ吸い込まれる電流のピーク値が小さくなるにつれて短くなっていることを特徴とする請求項６に記載の圧電素子駆動装置。
【請求項８】
複数の圧電素子を変位させることができるように、圧電素子ごとに、前記給電用切り換えスイッチおよび前記放電用切り換えスイッチと同期してオン／オフ自在な充放電用切り換えスイッチを複数備え、
１つの充放電用切り換えスイッチがオン状態のときに残りの充放電用切り換えスイッチはオフ状態となることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の圧電素子駆動装置。
【請求項９】
前記給電用切り換えスイッチとスイッチング時間を決定し、所定のオン信号によってそのスイッチング時間の間だけ前記給電用切り換えスイッチをオン状態に保持する第１の時間調整回路と、
前記放電用切り換えスイッチとスイッチング時間を決定し、所定のオン信号によってそのスイッチング時間の間だけ前記放電用切り換えスイッチをオン状態に保持する第２の時間調整回路と、
前記オン信号を作り出して前記第１の時間調整回路と前記第２の時間調整回路とに出力する信号発生器と、
を具備することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の圧電素子駆動装置。
【請求項１０】
所定の時間幅のパルス信号を発生させる信号発生器をさらに具備し、
前記信号発生器から出力されるパルス信号の時間幅にしたがって前記給電用切り換えスイッチと前記放電用切り換えスイッチのスイッチング時間が設定されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の圧電素子駆動装置。
【請求項１１】
前記圧電素子の変位量を測定するための変位センサと、
前記変位センサの測定データに基づいて、前記給電用切り換えスイッチと前記放電用切り換えスイッチのオンオフ動作を制御するための制御装置と、
をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の圧電素子駆動装置。
【請求項１２】
前記圧電素子の変位量を測定するための変位センサをさらに具備し、
前記信号発生器は、前記変位センサの測定データに基づいて、前記給電用切り換えスイッチと前記放電用切り換えスイッチのオンオフ動作を制御するための制御信号を発生させることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の圧電素子駆動装置。
【請求項１３】
圧電素子を電流駆動するための駆動方法であって、
所定の電荷を有する電流パルスにより圧電素子に充電を行い、
所定の電荷を有する電流パルスにより充電された圧電素子からの放電を行い、
前記圧電素子に充放電を行わないときには、前記圧電素子に充放電を行うために前記圧電素子に設けられた電極を開放して電荷の移動を抑制することで、前記圧電素子の変位量を一定とすることを特徴とする圧電素子の駆動方法。
【請求項１４】
前記圧電素子を充電するための電流パルスとして、電荷量の異なる複数の電流パルスを用いることを特徴とする請求項１３に記載の圧電素子の駆動方法。
【請求項１５】
前記圧電素子からの放電を行うための電流パルスとして、電荷量の異なる複数の電流パルスを用いることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の圧電素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を用いた位置決め装置に用いられる圧電素子駆動装置および駆動方法に関し、より詳しくは、半導体製造装置等の超精密位置決め装置に設けられる位置決め用圧電素子駆動装置および駆動方法に関する。
に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、近時の半導体装置における回路の微細化、高集積化に伴い、例えば、露光装置（ステッパ）等の半導体製造装置では、シリコンウエハを高い精度で位置決めする必要がある。そこで、このようなシリコンウエハを保持したステージの位置決めに圧電素子（主に積層型圧電素子）が用いられるようになってきている。
【０００３】
圧電素子の駆動方法は、電圧駆動と電流駆動に大別される。電圧駆動では、通常は、所望の変位量を得るために、コンピュータで発生させた指令値（デジタル信号）をＤ／Ａコンバータでアナログ信号に変換し、それをアンプで電力増幅させて圧電素子に印加し、圧電素子を変位させる。そして、圧電素子の変位量を変位計によって測定し、そのデータをコンピュータにフィードバックし、コンピュータに新たな指令値を発生させる（例えば、非特許文献１、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、電流駆動では、定電流電源から出力される電流値の大きさをコンピュータで制御することによって、圧電素子に充電される電荷量を制御して、圧電素子を変位させる。この場合も、圧電素子の変位量を変位計によって測定し、そのデータをコンピュータにフィードバックし、定電流電源から出力される電流値を制御する（例えば、非特許文献２、特許文献２参照）。このような電流駆動では、圧電素子の変位にヒステリシスが生じないという特徴がある。なお、この場合にも、コンピュータと低電流電源との間にはＤ／Ａコンバータが設けられる。
【０００５】
しかしながら、このような従来の圧電素子の駆動方法では、圧電素子に大きな変位を短時間で生じさせ、しかも例えばサブナノメートルオーダーの高い分解能を得るような分解能を高めた変位量制御を行うことは、駆動電源（アンプ）の特性面から困難である。
【０００６】
その理由として、圧電素子を電圧駆動する場合には、Ｄ／Ａコンバータに高い分解能が要求されるが、高速で１６ビット以上の分解能を持つＤ／Ａコンバータの実現は困難であり、ノイズによっても圧電素子は変位するために、高い分解能を得ることが困難であることや、圧電素子の端子電圧によって流れる電流値が変化するために、パルス状の一定電圧を加えても１パルスあたりの変位量が一定せず、具体的には、端子電圧が低い場合には多くの電流が流れて大きく伸び、逆に端子電圧が高いと電流が小さくなって殆ど伸びないという事態が起こる。
【０００７】
また、圧電素子を電流駆動する場合においては、一般に定電流電源の出力インピーダンスが高く、圧電素子に供給できる電流値に制限があるために、圧電素子を高速で変位させることは困難である。また、電圧駆動と同様に、Ｄ／Ａコンバータの高分解能化が困難であるという問題がある。
【０００８】
さらに、従来の圧電素子を電流駆動する方法では、圧電素子の変位を一定に保持したい場合にも、圧電素子と駆動電源とが常に導通した状態にある。そのために圧電素子と駆動電源との間に電流が流れて、圧電素子が微小な伸縮（振動）を繰り返し、精密位置決めの精度を低下させている問題もある。
【特許文献１】特開平１−１８１５８０号公報
【非特許文献１】岡崎祐一，「圧電素子を用いた微小変位工具台」，精密工学会誌，54，7，pp1375−1380（1988）
【特許文献２】特開平２−１２９９７５号公報
【非特許文献２】C. V. Newcomb and I. flinn : Improving The Linearity of Piezoelectric Ceramic Actuators, Electronics Letter, 18, pp442-444（1982）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、圧電素子に大きな変位を短時間で生じさせ、しかもその分解能を高めた変位量制御を行うことができる、圧電素子駆動装置および駆動方法を提供することを目的とする。また、本発明は、圧電素子を変位させた状態で静止させることができる圧電素子駆動装置および駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、圧電素子を電流駆動するための駆動装置であって、
圧電素子に電流を供給するためのカレントソースと、
前記カレントソースから圧電素子に所定のスイッチング時間で給電を行うための給電用切り換えスイッチと、
前記圧電素子に充電された電荷を放電させるためのカレントシンクと、
圧電素子から前記カレントシンクへ所定のスイッチング時間で放電を行うための放電用切り換えスイッチと、
を具備し、
前記カレントソースと前記カレントシンクとは、前記給電用切り換えスイッチと放電用切り換えスイッチを介してトーテムポール接続されており、
前記給電用切り換えスイッチのオン／オフを繰り返すことによって作り出される電流パルスによって圧電素子を充電して変位させ、前記放電用切り換えスイッチのオン／オフを繰り返すことによって作り出される電流パルスによって圧電素子に充電された電荷を放電させて変位させ、前記圧電素子に対して充放電が行われないときには前記給電用切り換えスイッチと前記放電用切り換えスイッチがオフ状態に保持されて圧電素子の変位量が一定に制御されることを特徴とする圧電素子駆動装置、が提供される。
【００１１】
この圧電素子駆動装置において、給電用切り換えスイッチは、カレントソース１個に対して複数接続され、これら複数の給電用切り換えスイッチは互いに並列に接続され、個々に異なるスイッチング時間を有する構成とすることも好ましい。これと同様に、放電用切り換えスイッチも、カレントシンク１個に対して複数接続され、これら複数の放電用切り換えスイッチは互いに並列に接続され、個々に異なるスイッチング時間を有する構成とすることが好ましい。これにより圧電素子に大きな変位を短時間で生じさせ、しかもその分解能を高めた変位量制御を行うことができる。
【００１２】
本発明に係る圧電素子駆動装置は、カレントソースを複数備え、かつ、給電用切り換えスイッチはそれぞれのカレントソースに対して１個ずつ接続され、これら複数のカレントソースから取り出される電流のピーク値がそれぞれに異なる構成とすることも好ましい。さらに、複数のカレントソースにそれぞれ接続された給電用切り換えスイッチのスイッチング時間は、カレントソースから取り出される電流のピーク値が小さくなるにつれて短くなっていることが好ましい。これにより圧電素子に大きな変位を短時間で生じさせ、しかもその分解能を高めた変位量制御を行うことができる。
【００１３】
これと同様に、カレントシンクを複数備え、かつ、放電用切り換えスイッチはそれぞれのカレントシンクに対して１個ずつ接続され、これら複数のカレントシンクへ吸い込まれる電流値のピーク値がそれぞれに異なる構成とし、さらに、複数のカレントシンクにそれぞれ接続された放電用切り換えスイッチのスイッチング時間は、カレントシンクへ吸い込まれる電流のピーク値が小さくなるにつれて短くなっていることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る圧電素子駆動装置は、複数の圧電素子を変位させることができるように、圧電素子ごとに、給電用切り換えスイッチおよび放電用切り換えスイッチと同期してオン／オフ自在な充放電用切り換えスイッチを複数備え、１つの充放電用切り換えスイッチがオン状態のときに残りの充放電用切り換えスイッチはオフ状態となる構成とすることも好ましい。
【００１５】
本発明に係る圧電素子駆動装置は、給電用切り換えスイッチとスイッチング時間を決定し、所定のオン信号によってそのスイッチング時間の間だけ給電用切り換えスイッチをオン状態に保持する第１の時間調整回路と、放電用切り換えスイッチとスイッチング時間を決定し、所定のオン信号によってそのスイッチング時間の間だけ放電用切り換えスイッチをオン状態に保持する第２の時間調整回路と、このようなオン信号を作り出して第１の時間調整回路と第２の時間調整回路とに出力する信号発生器と、を具備する構成とすることができる。
【００１６】
または、所定の時間幅のパルス信号を発生させる信号発生器をさらに具備し、この信号発生器から出力されるパルス信号の時間幅にしたがって給電用切り換えスイッチと放電用切り換えスイッチのスイッチング時間が設定されるようにしてもよい。
【００１７】
圧電素子の変位をフィードバック制御（クローズドループ制御）する場合には、圧電素子の変位量を測定するための変位センサと、変位センサの測定データに基づいて、給電用切り換えスイッチと放電用切り換えスイッチのオンオフ動作を制御するための制御装置をさらに具備する構成とすればよい。前述したように、給電用切り換えスイッチと放電用切り換えスイッチを動作させるための信号発生器を具備する場合には、例えば、この信号発生器がコンピュータであれば、制御装置としては、このコンピュータを用いることができる。
【００１８】
本発明によれば、上述した圧電素子駆動装置を用いて実施可能な圧電素子の駆動方法を提供する。すなわち、本発明によれば、圧電素子を電流駆動するための駆動方法であって、
所定の電荷を有する電流パルスにより圧電素子に充電を行い、
所定の電荷を有する電流パルスにより充電された圧電素子からの放電を行い、
前記圧電素子に充放電を行わないときには、前記圧電素子に充放電を行うために前記圧電素子に設けられた電極を開放して電荷の移動を抑制することで、前記圧電素子の変位量を一定とすることを特徴とする圧電素子の駆動方法、が提供される。
【００１９】
圧電素子を充電するための電流パルスとしては、電荷量の異なる複数の電流パルスを用いることが好ましく、圧電素子からの放電を行うための電流パルスとしても、電荷量の異なる複数の電流パルスを用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、固定値の電流電源を用いるために、圧電素子に大きな変位を短時間で生じさせ、しかもその分解能を高めた変位量制御を行うことができる。また、電流値にノイズが含まれている場合にも、電流が積分された電荷により圧電素子の変位量が制御されるために、ノイズによる圧電素子の変位量の誤差を極めて小さくすることができる。さらに、圧電素子を駆動するための１つの電流パルスに対する圧電素子の変位量がわかるために、変位計を用いなくとも、電流パルス数から圧電素子の変位量を推定することができる。
【００２１】
なお、電流パルスの高さ、パルス幅、発生間隔を調整することにより、圧電素子を変位させる際の加速度を変えることができるので、圧電素子の伸縮を利用した位置決め機構では適切な加減速特性を設定することができ、精密な位置決めを実現することができるとともに残留振動を抑えることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１に圧電素子駆動装置１０（以下「駆動装置１０」と記す）の概略構成を示す。駆動装置１０は、コンピュータ２０と、駆動電源（駆動アンプ）３０と、変位計４０と、を備えている。
【００２３】
コンピュータ２０は、作業者が圧電素子５０を駆動するための指令を入力し、また、作業者が圧電素子５０の変位量等を視認できるように表示する入出力部２１と、圧電素子５０を駆動するための信号を発生させるためのプログラム等が記録された記録部２３と、変位計４０が測定する圧電素子５０の変位量に関するデータを取り込む入力インタフェース（入力ＩＦ）２４ｂと、この変位量を用いてプログラムにしたがって圧電素子５０を駆動するための指令信号を発生させるプロセスコントローラ（ＣＰＵ）２２と、プロセスコントローラ（ＣＰＵ）２２で発生させたデジタル信号を駆動電源３０に出力するためのデジタル出力ポート（出力ＩＦ）２４ａと、を備えている。なお、入力インタフェース（入力ＩＦ）２４ｂは変位センサの種類により、アナログ・デジタル変換機能を用いてデータを取り込むもの、または、デジタル信号を取り込むものが用いられる。
【００２４】
図２に駆動電源３０の概略構成および駆動電源３０と圧電素子５０の概略の接続形態を示す。この駆動電源３０は、圧電素子５０に電流を供給するため１個のカレントソース（電流供給源）Ｉｐ１と、圧電素子５０に充電された電荷を放電させるための１個のカレントシンク（電流吸い込み源）Ｉｍ１と、カレントソースＩｐ１に設けられた給電用の切り換えスイッチＳｐ１と、カレントシンクＩｍ１に設けられた放電用の切り換えスイッチＳｍ１とを備えている。
【００２５】
このカレントソースＩｐ１から出力される電流のピーク値（「Ｉ１」とする）は常に一定とする。このカレントソースＩｐ１としては、一般に市販等されている定電流電源を用いることができるが、このとき、定電流電源の受電部に並列に大容量のコンデンサを設けると、定電流電源へ電気エネルギーを供給する大元の電源の容量を小さくすることができ、カレントソースＩｐ１を小型で安価に構成することができる。
【００２６】
カレントシンク（電流吸い込み源）Ｉｍ１としては、定電流ダイオード、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、演算増幅器（オペアンプOperational Amplifier）ＩＣ等で構成された定電流回路等が好適に用いられる。ここでは、カレントシンクＩｍ１は、ピーク値がＩ１′の電流で圧電素子５０に充電された電荷を吸い込むことができるようになっている、つまり圧電素子５０の放電電流のピーク値はＩ１′となっているものとする。
【００２７】
各切り換えスイッチＳｐ１・Ｓｍ１としては、高速スイッチング素子であるパワーＭＯＳ−ＦＥＴ（Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、静電誘導トランジスタ（Static Induction Transistor）等を用いることができる。これらの切り換えスイッチＳｐ１・Ｓｍ１は通常はオフの状態となっている。各切り換えスイッチＳｐ１・Ｓｍ１がオン状態（閉じた状態）となるスイッチング時間はそれぞれｔ１となるように回路構成がなされており、各切り換えスイッチＳｐ１・Ｓｍ１のオン／オフ動作はコンピュータ２０から出力される一定時間幅の矩形パルス等の信号により行われる構成となっている。
【００２８】
変位計４０としては、圧電素子５０の最大変位量と分解能に応じて適切なものを選択することができ、例えば、リニアエンコーダやレーザー干渉変位計、うず電流変位計等が用いられる。
【００２９】
次に、駆動装置１０による圧電素子５０の駆動方法について説明する。図３に圧電素子５０に供給される電流（電荷）と圧電素子５０の変位量との関係を模式的に示すグラフを示す。最初にカレントソースＩｐ１をスタンバイさせる。次いで、コンピュータ２０で切り換えスイッチＳｐ１を閉じるための制御信号（以下「オン信号」という）を発生させ、そのオン信号を駆動電源３０に出力させる。これにより切り換えスイッチＳｐ１が閉じて（オン状態）、カレントソースＩｐ１から電流値Ｉ１の電流が時間ｔ１だけ圧電素子５０に流れ込む。こうして“Ｉ１×ｔ１”の電荷が圧電素子５０に充電され、圧電素子５０はその電荷量に応じて伸びる（この伸びを図３において「δ」と示す）。切り換えスイッチＳｐ１を閉じてから時間ｔ１が経過すると切り換えスイッチＳｐ１が開く（オフ状態）。
【００３０】
このように駆動装置１０では圧電素子５０を電流パルスで駆動する。従来も電流パルスで圧電素子を駆動する方法は知られているが、従来は駆動電源は常に圧電素子と接続された状態にあるために、圧電素子と駆動電源との間で電荷の移動が起こり、これにより圧電素子が微小な伸縮を繰り返していた。しかし、駆動装置１０によれば、圧電素子５０に対する充電／放電が行われていないときには、駆動電源３０と圧電素子５０とが切り離されるために、駆動電源３０と圧電素子５０との間での電荷の移動が生じず、そのために圧電素子５０を実質的に完全に静止させた状態とすることができる。
【００３１】
このような切り換えスイッチＳｐ１のオン／オフを繰り返すことにより、圧電素子５０を段階的に伸ばすことができる。変位計４０は圧電素子５０の変位量を測定して、そのデータをコンピュータ２０にフィードバックする。コンピュータ２０は、そのデータに基づいて、圧電素子５０の変位量が所望値に達するまで、切り換えスイッチＳｐ１のオン／オフを行う。
【００３２】
こうして伸びた圧電素子５０を縮めるには、コンピュータ２０で切り換えスイッチＳｍ１のオン信号を発生させて、駆動電源３０に出力する。これにより切り換えスイッチＳｍ１が閉じると、圧電素子５０から放電が始まり、“Ｉ１′×ｔ１”の電荷がカレントシンクＩｍ１に流れ込み、その電荷量の大きさに応じて圧電素子５０が縮む。切り換えスイッチＳｍ１を閉じてから時間ｔ１が経過すると切り換えスイッチＳｍ１が開く。これにより、圧電素子５０からの放電は停止されるので、圧電素子５０の変位が維持される。このようなオン／オフを繰り返すことにより、圧電素子５０を段階的に縮めることができる。なお、図３ではＩ１＝Ｉ１′としているが、Ｉ１≠Ｉ１′であってもよい。
【００３３】
なお、駆動装置１０から変位センサ４０を除いた構成（所謂、オープンループ制御）とした場合にも、圧電素子５０の変位量を制御することが可能である。例えば、変位センサ４０を用いずに圧電素子５０を駆動する場合、圧電素子５０に“Ｉ１×ｔ１”の電荷量を充電した際の圧電素子５０の変位量と、圧電素子５０に充電することができる電荷量の上限値を前もって計測しておいて、その情報をコンピュータ２０にインプットしておく。そして、コンピュータ２０は、所望の変位量を得るために必要な電荷量を計算し、さらに切り換えスイッチＳｐ１のオン／オフ回数を計算して、圧電素子５０を充電すればよい。このように変位センサ４０を用いない構成においても、圧電素子５０を電流パルスで駆動する電荷制御では、ヒステリシスの発生を抑えることができる。
【００３４】
このような図３に示す駆動方法では、カレントソースＩｐ１から出力される電流値Ｉ１を大きくし、かつ、切り換えスイッチＳｐ１のスイッチング時間ｔ１を長くすると、１回の圧電素子５０の変位量を大きくすることができるが、高い分解能を得ることは困難となる。一方、カレントソースＩｐ１から出力される電流値Ｉ１を小さくし、かつ、切り換えスイッチＳｐ１のスイッチング時間ｔ１を短くすると、１回の圧電素子５０の変位量は小さいが、高い分解能を得ることができる。これと同様のことが、カレントシンクＩｍ１に流すことができる電流Ｉ１′と切り換えスイッチＳｍ１のスイッチング時間との関係についても言える。
【００３５】
駆動電源３０を用いた圧電素子５０の駆動において、電流パルスの高さ、パルス幅、発生間隔を変えることにより、圧電素子５０を変形させる際の加速度を変えることができる。そのため、圧電素子５０の伸縮を利用した位置決め機構では、適切な加減速特性を設定することができるので、精密な位置決めを実現できるとともに残留振動を抑えることもできるようになる。
【００３６】
この駆動装置１０では、各切り換えスイッチＳｐ１・Ｓｍ１のスイッチング時間をｔ１に固定し、コンピュータ２０が各切り換えスイッチＳｐ１・Ｓｍ１のオン／オフ動作のためのオン信号を出力する構成を、各切り換えスイッチＳｐ１・Ｓｍ１のそれぞれのスイッチング時間をコンピュータ２０から出力される矩形波の時間幅で調整する構成に変更することができる。この構成変更は、コンピュータ２０の記録部２３に記録された信号発生のためのプログラムを変更すること等によって行うことができる。
【００３７】
そのような駆動装置を用いた場合の圧電素子５０に供給される電流（電荷）と圧電素子５０の変位量との関係を模式的に示すグラフを図４に示す。図４に示す圧電素子５０の駆動方法は次の通りである。すなわち、最初にカレントソースＩｐ１をスタンバイさせる。次いで、コンピュータ２０で切り換えスイッチＳｐ１のスイッチング時間がＴ１となるオン信号を発生させ、駆動電源３０に出力する。これによりカレントソースＩｐ１から電流値Ｉ１の電流が時間Ｔ１だけ圧電素子５０に流れ込み、“Ｉ１×Ｔ１”の電荷が圧電素子５０に充電されて、圧電素子５０はその電荷量に応じて伸びる。そして、切り換えスイッチＳｐ１を閉じてから時間Ｔ１が経過すると切り換えスイッチＳｐ１が開く。
【００３８】
続いて、コンピュータ２０でスイッチング時間がＴ２（Ｔ２＜Ｔ１）となる切り換えスイッチＳｐ１のオン信号を発生させ、駆動電源３０に出力する。これにより“Ｉ１×Ｔ２”の電荷が圧電素子５０に充電されて、圧電素子５０はその電荷量に応じて伸びる。このような切り換えスイッチＳｐ１のオン／オフを、時間幅Ｔ３，Ｔ４（Ｔ４＜Ｔ３＜Ｔ２＜Ｔ１）のオン信号により逐次行う。これにより、少ないオン／オフ回数で大きな変位と高い分解能を得ることができる。
【００３９】
このようにして伸びた圧電素子５０を縮める場合には、高い分解能を必要としない場合には、例えば、スイッチング時間Ｔ１のオン信号で切り換えスイッチＳｍ１をオン／オフすればよい。一方、縮み量を制御するために高い分解能を必要とする場合には、時間幅Ｔ１〜Ｔ４のオン信号を適宜組み合わせて切り換えスイッチＳｍ１をオン／オフし、または時間幅Ｔ４のオン信号で切り換えスイッチＳｍ１をオン／オフすればよい。
【００４０】
なお、圧電素子５０の変位量が予め決められており、圧電素子５０の変位量を変位計４０で測定してフィードバック制御を行う場合には、コンピュータ２０は、変位計４０によるデータに基づいて、圧電素子５０の変位量が所望値に達するまで、時間幅Ｔ１〜Ｔ４のオン信号から適切な時間幅のものを選択して、切り換えスイッチＳｐ１を繰り返してオン／オフさせる。
【００４１】
上述した図４に示す圧電素子５０の駆動方法は、図５に示す駆動電源３０ａを用いても行うことができる。図５は、駆動電源３０ａの概略構成および駆動電源３０ａと圧電素子５０の概略の接続形態を示す図である。駆動電源３０ａは、カレントソースＩｐ１と、カレントシンクＩｍ１と、並列接続された給電用の切り換えスイッチＳｐ１・Ｓｐ２・Ｓｐ３・Ｓｐ４と、並列接続された放電用の切り換えスイッチＳｍ１・Ｓｍ２・Ｓｍ３・Ｓｍ４とを備えている。切り換えスイッチＳｐ１・Ｓｐ２・Ｓｐ３・Ｓｐ４のスイッチング時間は、それぞれＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４（Ｔ４＜Ｔ３＜Ｔ２＜Ｔ１）に固定されており、切り換えスイッチＳｍ１・Ｓｍ２・Ｓｍ３・Ｓｍ４のスイッチング時間もそれぞれＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４に固定されている。
【００４２】
コンピュータ２０は各切り換えスイッチＳｐ１〜Ｓｐ４・Ｓｍ１〜Ｓｍ４のオン／オフ動作のための一定時間幅の矩形パルス等の信号を各切り換えスイッチＳｐ１〜Ｓｐ４・Ｓｍ１〜Ｓｍ４に出力する。
【００４３】
このようなコンピュータ２０と駆動電源３０ａを用いて先に図４に示した圧電素子５０の駆動を行うには、まず切り換えスイッチＳｐ１をオンさせて（このとき、他の切り換えスイッチＳｐ２・Ｓｐ３・Ｓｐ４・Ｓｍ１をオフ状態とする）、“Ｉ１×Ｔ１”の電荷を圧電素子５０に充電する。続いて切り換えスイッチＳｐ１がオフ状態となった後に、切り換えスイッチＳｐ２をオンさせて“Ｉ１×Ｔ２”の電荷を圧電素子５０に充電し、切り換えスイッチＳｐ２がオフ状態となった後に切り換えスイッチＳｐ３をオンさせて“Ｉ１×Ｔ３”の電荷を圧電素子５０に充電し、さらに切り換えスイッチＳｐ３がオフ状態となった後に切り換えスイッチＳｐ４をオンさせて“Ｉ１×Ｔ４”の電荷を圧電素子５０に充電する。
【００４４】
放電はこの充電方法と同様にして、切り換えスイッチＳｍ１〜Ｓｍ４を逐次オン／オフさせればよい。圧電素子５０の変位量を変位計４０で測定してフィードバック制御を行う場合等には、圧電素子５０の目標変位量に応じて、切り換えスイッチＳｐ１〜Ｓｐ４の中から好適な切り換えスイッチを適宜選択して、１回または複数回、オン／オフさせればよい。
【００４５】
上述した駆動電源３０・３０ａでは、１個のカレントソースＩｐ１のみを具備した構成であるために、１回の切り換えスイッチＩｐ１のオン／オフで圧電素子５０に充電することができる電荷量の最小値で圧電素子５０の分解能が決定される。つまり圧電素子５０の分解能は、切り換えスイッチＩｐ１の最小スイッチング時間ｔｍｉｎで決定され、“Ｉ１×ｔｍｉｎ”未満の電荷を圧電素子５０に充電して、圧電素子５０の変位量を制御することはできない。カレントシンクＩｍ１についても同様に、“Ｉ１×ｔｍｉｎ”未満の電荷を圧電素子５０から放電させることができない。
【００４６】
そこで、ピーク電流値の異なる複数のカレントソース，カレントシンクを設けることで、圧電素子５０を短時間で大きく変位させ、しかも、圧電素子５０の分解能をさらに高めることを可能とする駆動電源について、図６を参照しながら説明する。図６に駆動電源６０の概略構成を示す。
【００４７】
この駆動電源６０は、圧電素子５０に電流を供給するためのｎ個（ｎは２以上の整数）のカレントソースＩｐｎ（Ｉｐ１，Ｉｐ２，・・・，Ｉｐｎ）と、ｋ個（ｋは２以上の整数）のカレントシンクＩｍｋ（Ｉｍ１，Ｉｍ２，・・・，Ｉｍｋ）と、カレントソースＩｐｎごとに設けられた切り換えスイッチＳｐｎ（Ｓｐ１，Ｓｐ２，・・・，Ｓｐｎ）と、カレントシンクＩｍｋごとに設けられた切り換えスイッチＳｍｋ（Ｓｍ１，Ｓｍ２，・・・，Ｓｍｋ）と、を備えている。
【００４８】
各カレントソースＩｐｎと各カレントシンクＩｍｋは、各切り換えスイッチＳｐｎと各切り換えスイッチＳｍｋとを介してトーテムポール接続されている。図６ではｋ＝ｎの場合を示しているが、ｋ≠ｎであってもよい。
【００４９】
駆動電源６０では、ｎ個のカレントソースＩｐｎがそれぞれ供給することができるピーク電流の大きさは異なっている。例えば、カレントソース（Ｉｐ１，Ｉｐ２，・・・，Ｉｐｎ）はそれぞれにピーク電流値（Ｉ１，Ｉ２，・・・，Ｉｎ）の電流を供給することができる構成となっている。例えば、一般的なＤ／Ａ変換器と同様に、ピーク電流値（Ｉ１，Ｉ２，・・・，Ｉｎ）は、公比を２とする等比数列（つまり、Ｉ１，Ｉ２＝Ｉ１／２，Ｉｎ＝Ｉ１／２ｎ）とすることができるし、不均一な比率とすることもできる。
【００５０】
同様に、ｋ個のカレントシンクＩｍｋがそれぞれ吸い込むことができるピーク電流の大きさは異なっている。例えば、カレントシンク（Ｉｍ１，Ｉｍ２，・・・，Ｉｍｋ）はそれぞれに公比を２とする等比数列の関係にあるピーク電流値（Ｉ１，Ｉ２，・・・，Ｉｋ）の電流を吸い込むことができる構成とすることができる。ここでは、ｋ＝ｎであるので、カレントソースＩｐｎのピーク電流値ＩｎとカレントシンクＩｍｋのピーク電流値Ｉｋはそれぞれ同じ大きさとなる。
【００５１】
ｎ個のカレントソースＩｐｎごとに設けられたｎ個の切り換えスイッチＳｐｎのスイッチング時間は、それぞれに異なる値としてもよいが、ここでは説明および理解を容易とするために、全て“ｔ１”で同じであるとする。また、ｋ個のカレントシンクＩｍｋごとに設けられたｋ個の切り換えスイッチＳｍｋのスイッチング時間もそれぞれに異なる値としてもよいが、ここでは全て“ｔ１”で同じであるとする。コンピュータ２０はｋ＋ｎ個の各切り換えスイッチＳｐｎ・Ｓｍｋのオン／オフ動作のための一定時間幅の矩形パルス等の信号をｋ＋ｎ個の各切り換えスイッチＳｐｎ・Ｓｍｋに出力する。
【００５２】
このスイッチング時間ｔ１を最小スイッチング時間ｔｍｉｎとすれば、例えば、切り換えスイッチＳｐ２・Ｓｍ２をオン／オフさせれば、そのときの電荷の移動量は“Ｉ２×ｔｍｉｎ＝（Ｉ１／２）×ｔｍｉｎ”となる。よって、切り換えスイッチＳｐ２・Ｓｍ２の１回のオン／オフで、先に説明した駆動電源３０・３０ａにおける最小電荷移動量である“Ｉ１×ｔｍｉｎ”よりも少ない電荷を圧電素子５０に供給し、また、圧電素子５０から放電させることができるので、圧電素子５０の分解能を高めることができる。
【００５３】
なお、勿論、ｋ＋ｎ個の切り換えスイッチＳｐｎ・Ｓｍｋごとに異なるスイッチング時間を設定してもよいが、その場合には、各カレントソースＩｐｎから圧電素子５０に供給される電荷量が同じとならないように、また、圧電素子５０から各カレントシンクＩｍｋに吸い込まれる電荷量が同じとならないように、スイッチング時間を設定することが、圧電素子５０を高い分解能で短時間で大きく変位させる観点から、好ましい。
【００５４】
この駆動電源６０による圧電素子５０の駆動方法は、図５に示した駆動電源３０ａにより圧電素子５０を駆動する方法と同様である。例えば、切り換えスイッチＳｐ１をオンさせて、“Ｉ１×ｔ１”の電荷を圧電素子５０に充電し、圧電素子５０を伸ばす。続いて切り換えスイッチＳｐ１がオフ状態となった後に、切り換えスイッチＳｐ２をオンさせて“Ｉ２×ｔ１”の電荷を圧電素子５０に充電し、さらに圧電素子５０を伸ばす。このような充電操作を、適宜選択された切り換えスイッチＳｐｎについて実行する。放電はこの充電方法と同様にして、切り換えスイッチＳｍ１〜Ｓｍｋから適宜選択したものを逐次オン／オフさせればよい。
【００５５】
なお、圧電素子５０の変位量を変位計４０で測定してフィードバック制御を行う場合には、コンピュータ２０は、変位計４０によるデータに基づいて、圧電素子５０の変位量が所望値に達するまで、カレントソースＩｐｎから好適なものを選択して、それに対応する切り換えスイッチＳｐｎをオン／オフさせる。
【００５６】
この駆動電源６０を用いた圧電素子５０の駆動方法をより具体的に数値を挙げて説明する。圧電素子５０は積層型圧電素子であるとする。そして、圧電素子５０に対して充電／放電するための電流Ｉ１を１０Ａ、スイッチング時間ｔ１を５０μｓ（マイクロ秒）とすると、切り換えスイッチＳｐ１を１回オン／オフさせた際に圧電素子５０に供給される電荷は５００μＣとなる。また、電流Ｉ２を１ｍＡとすると、スイッチング時間ｔ１は５０μｓであるから、切り換えスイッチＳｐ２を１回オン／オフさせた際に圧電素子５０に供給される電荷は５０ｎＣとなる。ここで、圧電素子５０の変位量は電荷量にほぼ比例するため、切り換えスイッチＳｐ１・Ｓｐ２をそれぞれ１回オンオフさせた場合の圧電素子５０の変位量の差として、容易に１００００倍程度を得ることができる。
【００５７】
圧電素子５０の静電容量が６μＦで、１００Ｖ印加時に１０μｍ伸びるとすると、最大伸長時の充電電荷は６００μＣであるから、切り換えスイッチＳｐ１を用いれば、フルストロークに近い８．３μｍ（＝１０μｍ×５００μＣ／６００μＣ）の変位量を得ることができる。また、切り換えスイッチＳｐ２を用いた場合の分解能は０．８３ｎｍ（＝１０μｍ×５０ｎＣ／６００μＣ）となるから、サブナノオーダーでの変位制御が可能となる。ここで、さらに切り換えスイッチＳｐ１・Ｓｍ２のスイッチング時間ｔ１を１０μｓに変更した構成とすると、その分解能は約０．１７ｎｍとなる。
【００５８】
そこで、切り換えスイッチＳｐ１・Ｓｐ２を組み合わせると、高速かつ高分解能で圧電素子５０を駆動することができる。このような圧電素子５０の駆動方法は、圧電素子５０に供給される電流パルスの変化とパルス密度変調とを組み合わせた駆動方法であると言える。そのため、通常のＤ／Ａ変換器を用いるよりも段階数が少ないにもかかわらず、高い分解能を容易に得ることができる。
【００５９】
次に、駆動電源６０を用いて複数の圧電素子５０ｊ（ｊは２以上の自然数）を駆動するための方法および回路構成について説明する。図７に駆動電源６０と複数の圧電素子５０ｊとの接続形態を示す。駆動電源６０の構成は先に図５を参照しながら説明しているので、ここでの説明は割愛する。複数の圧電素子５０ｊは並列接続されており、圧電素子５０ｊごとに圧電素子５０ｊに対する給電／放電を行い、また圧電素子５０ｊを開放状態に保持するための切り換えスイッチＳｃ１〜Ｓｃｊが設けられている。
【００６０】
圧電素子５０１から順に１個ずつ駆動していく場合には、切り換えスイッチＳｃ１をオン状態に維持し、その他のスイッチＳｃ２〜Ｓｃｊをオフ状態に維持して、先に説明したように、切り換えスイッチＳｐ１〜Ｓｐｎの中の１個のスイッチがオンの状態であるときに他のスイッチがオフ状態となるように、切り換えスイッチＳｐ１〜Ｓｐｎの中から選ばれたスイッチをオン／オフさせて、圧電素子５０１を充電すればよい。そして、圧電素子５０１について所望の変位量が得られたら、圧電素子５０２を駆動するために、切り換えスイッチＳｃ２をオン状態に保持し、その他の切り換えスイッチＳｃ１・Ｓｃ３〜Ｓｃｊをオフ状態に維持して、圧電素子５０１を充電する方法と同様にして、圧電素子５０２を充電すればよい。さらに、このような処理を残る圧電素子５０３〜５０ｊについて行う。
【００６１】
また、圧電素子５０３〜５０ｊを逐次駆動する場合には、選ばれた切り換えスイッチＳｐｎと切り換えスイッチＳｃｊとを同期させてオン／オフすればよい。圧電素子５０３〜５０ｊを縮める場合の操作は、充電時の切り換えスイッチＳｐｎの操作を切り換えスイッチＳｍｎの操作に変更して、その他は同様に行えばよいことは、先の説明からも明らかであるので、ここでの詳細な説明は割愛する。
【００６２】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、切り換えスイッチＳｐｎ等の各種切り換えスイッチのスイッチング時間の調整方法としては、電流値Ｉｎ（またはＩｋ）ごとに一定のパルス幅しかでないように回路を構成しておき、コンピュータ２０から送ったオン信号の立ち上がりを検出し、電流パルスの発生のタイミングを取るようにしてもよい。
【００６３】
また本発明は、スチュワート・プラットホーム型パラレル機構の駆動に用いることができる。図８にそのパラレル機構６０の概略構成を示す。パラレル機構６０は、圧電素子６２ａ〜６２ｆにより伸縮するリンク６１ａ〜６１ｆを６本用いて、ベースプレート６３とステージ６４とが接続された構造を有している。これらのリンク６１ａ〜６１ｆの伸縮を、コントローラ（ＣＰＵ）や信号入出力用のインターフェース等を備えたコンピュータ６５で制御することにより、ステージ６４のｘｙｚ方向の並進およびそれらの軸周りの傾きの６自由度を制御することができる。
【００６４】
リンク６１ａ〜６１ｆにはそれぞれ、各圧電素子６２ａ〜６２ｆの伸縮量を測定するための変位センサ（図示せず）が設けられている。各変位センサの出力はコンピュータ６５に取り込まれ、コンピュータ６５内に格納されたプログラムに基づいて各圧電素子６２ａ〜６２ｆの伸縮が判別される。それにしたがってコンピュータ６５は駆動信号を駆動電源６６に与える。駆動電源６６としては、図７に示した構成のものが用いられ、駆動電源６６は、駆動信号に基づいて所定の電流パルスを圧電素子６２ａ〜６２ｆに与える。
【００６５】
上述の通り、圧電素子６２ａ〜６２ｆにはパルス状の電流が供給され、また、同様に圧電素子６２ａ〜６２ｆからの放電が行われるため、パラレル機構６０では、例えば、制御の１周期中に６個の圧電素子６２ａ〜６２ｆを切り替えながら駆動する、所謂、時分割方式での駆動が可能である。具体的には、切り換えスイッチＳｐ１，Ｓｐ２，・・・，Ｓｐ６またはＳｍ１，Ｓｍ２，・・・，Ｓｍ６およびＳｃ１，Ｓｃ２，・・・，Ｓｃ６を切り替える。この動作により駆動電源６６の稼動率を上げることができる。なお、図８では、リンク６１ａ〜６１ｆの選択（つまり、圧電素子６２ａ〜６２ｆの選択）を「チャンネル選択」と記し、圧電素子６２ａ〜６２ｆの充放電の選択を「ソース／シンク選択」と記している。
【００６６】
さらに本発明は、圧電素子を駆動してインクの粒を吐出するインクジェットプリンタにも適用することができる。その場合には、圧電素子の変位加速度を変えることによって、１滴のインク容量を変えることも可能となる。
【実施例】
【００６７】
（実施例１）
図２に示す構成を有する駆動電源３０において、圧電素子の代わりに負荷として９．４μＦのコンデンサを接続し、カレントソースＩｐ１およびカレントシンクＩｍ１としてトランジスタおよび抵抗で構成した回路を用い、このコンデンサに対する充電・放電電流を６０ｍＡ、切り換えスイッチＳｐ１のスイッチング時間（電流パルス幅）を５００μｓ、切り換えスイッチＳｍ１のスイッチング時間を１００μｓとして、切り換えスイッチＳｐ１を繰り返しオン／オフさせることでコンデンサの電圧を上昇させ、切り換えスイッチＳｍ１を繰り返しオン／オフさせることでコンデンサの電圧を低下させた。コンデンサの電圧の増減は電荷の増減に対応している。一方、圧電素子の変位は充電される電荷に比例する。したがって、本実験は圧電素子の変位制御と等価と考えることができる。駆動電源３０のより詳細な回路構成を図９に、コンデンサの電極電圧の変化を示すグラフを図１０に、それぞれ示す。
【００６８】
この図１０に示されるように、切り換えスイッチＳｐ１，Ｓｍ１の１回のオン／オフに起因して、コンデンサの電極端子電圧は階段状に変化している。コンデンサへの給電（充電）を停止した状態においてコンデンサの端子電圧がわずかに減少しているのは、オシロスコープで波形観察を行っているために、コンデンサからオシロスコープに電流が流れたことに起因するものであり、コンデンサと駆動電源３０との間で電流が流れたことに起因するものではない。この図１０から、コンデンサの電圧変化の１つの段差を小さくすること、つまり１回の切り換えスイッチＳｐ１のスイッチングで流すことができる電荷量を少なくすることにより、コンデンサの端子電圧を高い分解能で制御することができることがわかる。このことは、コンデンサを圧電素子に置き換えた場合には、圧電素子を高い分解能で駆動できることを示している。
【００６９】
なお、実際には圧電素子の内部抵抗および空中への放電によって電荷が減少する。しかし、これに起因する変位の減少をあらかじめ測定しておいて、それを補償する電流パルスを一定時間おきに与えることで、圧電素子の変位の誤差を最小限に抑えることができる。
【００７０】
（実施例２）
図６に示す駆動電源６０において、ｎ＝ｋ＝２とした回路を構成し、圧電素子を変位させた。
（実験装置）
ＤＳＰ（ＭＴＴ社製ｓＢｏｘ）でパルス信号を発生し，それにより定電流回路を駆動した。圧電アクチュエータとしてＤｙｎａｍｉｃ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ＆  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ製ＦＰＡ−１００−ＤＥＭＯを用いた。これはＮＥＣ／ＴＯＫＩＮ製の積層型圧電素子ＡＥ０５０５Ｄ１６の変位を拡大する機構を備えている。その変位量は１００Ｖ印加時に７０μｍであり、電圧駆動の場合には昇圧／降圧に伴うヒステリシスが観察された。固有振動数は単体で１．３ｋＨｚ、後述するセンサターゲットを取り付けた状態で１ｋＨｚである。
【００７１】
圧電アクチュエータの変位量は、ターゲットとして２０ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍの鋼板を用い、うず電流センサ（キーエンス製ＥＸ−２０１）で測定した。センサ出力をＮＦ回路設計ブロック製差動アンプ５３０７で２０倍に増幅した。そのため、１ｍｍ／５．６５Ｖの感度は１ｍｍ／１１３Ｖとなった。ただし、ノイズも増幅されるため、分解能は０．４μｍで変わらない。センサの遮断周波数は１ｋＨｚに設定した。
【００７２】
電流パルス幅の時間調整にはｓｂｏｘ＿ＤａＧｅｔ（）関数を用いた。１０００回ループさせたところ３２４μｓであったため、１回あたりを３２４ｎｓ（ナノ秒）として計算した。Ｄ／Ａ変換器のスルーレートにより、立ち上がり／立ち下り波形が図１１に示すように鈍り、５Ｖ変化するために約１０μｓを要することが確認された。
【００７３】
（電流パルス幅の設定）
オープンループ制御により圧電素子を駆動することで，カレントソースとカレントシンクで１電流パルスあたりの変位量が等しくなるように、パルス幅を設定した。カレントソースとカレントシンクで電流値の大きい方のパルス幅を最短時間（５μｓ）とし，小さい方のパルス幅を長くすることで１電流パルスあたりの電荷量を合わせた。また、休止時間を調整することで，カレントソース・カレントシンクの１周期の時間を粗動（カレントソースＩｐ１、カレントシンクＩｍ１）では６４０μｓ（２０００回待ち）、微動（カレントソースＩｐ２、カレントシンクＩｍ２）では１６０μｓ（５００回待ち）に合わせた。先に実施例１で示したように、圧電アクチュエータを構成する圧電素子の端子電圧を測定するためにオシロスコープを接続すると、漏れ電流が大きくなって線形性が悪くなるため、オシロスコープは接続しなかった。
【００７４】
このような調整後の電流値およびパルス幅を表１に示す。なお、回路の性能上、もう少し短いパルス幅でも設定可能である。
【００７５】
【表１】
2006165011.tif 000003
【００７６】
図１２は、駆動電源の粗動用の回路部分、つまり、カレントソースＩｐ１、カレントシンクＩｍ１、切り換えスイッチＳｐ１・Ｓｍ１を用いて圧電アクチュエータを変位させた場合の変位量を示すグラフであり、伸縮両方ともそれぞれ７０パルスで駆動している。収縮時に線形性が悪いのは，カレントシンク側の回路の線形性が悪いことが原因である。圧電アクチュエータの１電流パルスあたりの変位量は０．５１μｍ（４．０７Ｖ／７０パルス）であった。
【００７７】
図１３は、駆動電源の微動用の回路部分、つまり、カレントソースＩｐ２、カレントシンクＩｍ２、切り換えスイッチＳｐ２・Ｓｍ２を用いて圧電アクチュエータを変位させた場合の変位量を示すグラフであり、伸縮両方ともそれぞれ５０００パルスで駆動している。図１３に示されるように、微動のみでオープンループで駆動しても、もれ電流の影響は見られなかった。計算上、圧電アクチュエータの変位量は、７．１ｎｍ／１電流パルス（４．００Ｖ／５０００パルス）となった。圧電素子に充電される電荷量は端子電圧と静電容量の積となる。したがって、圧電素子に並列にコンデンサを接続することで、同一電荷量のパルスを与えても電圧変化が小さくなり、さらに圧電素子の変位分解能を向上させることができる。
【００７８】
（実施例３）
実施例２の装置を用いて圧電素子の変位を目標値に追従させるフィードバック制御を行った。目標値は、図１４（ａ）に示す、０．５Ｖ→５．２Ｖに変化するステップ状の電圧として与えた。圧電素子の変位は（株）キーエンス製の渦電流式変位計により測定した。このフィードバック制御における圧電アクチュエータ変位を図１４（ｂ）に示す。１電流パルスあたりの電流値とパルス幅の積で決まる電荷量と圧電素子の静電容量の関係により、変位の立ち上がり時間は５０ｍｓ（ミリ秒）であった。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、半導体製造装置等における精密位置決めに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】圧電素子駆動装置の概略構成を示す図。
【図２】駆動電源の概略構成および駆動電源と圧電素子の概略の接続形態を示す図。
【図３】圧電素子に供給される電流（電荷）と圧電素子の変位量との関係を模式的に示すグラフ。
【図４】圧電素子に供給される電流（電荷）と圧電素子の変位量との関係を模式的に示す別のグラフ。
【図５】別の駆動電源の概略構成およびその駆動電源と圧電素子の概略の接続形態を示す図。
【図６】さらに別の駆動電源の概略構成を示す図。
【図７】図６に示す駆動電源に複数の圧電素子を接続させた形態を示す図。
【図８】駆動電源をスチュワート・プラットホーム型パラレル機構に適用した概略構成を示す図。
【図９】図２に示す駆動電源のより詳細な回路構成を示す図。
【図１０】圧電素子の電極電圧の変化を示すグラフ。
【図１１】電流パルスの立ち上がり／立ち下り波形を示すグラフ。
【図１２】粗動回路による圧電アクチュエータの変位を示すグラフ。
【図１３】微動回路による圧電アクチュエータの変位を示すグラフ。
【図１４】（ａ）は変位フィードバック制御における位置指令電圧を示すグラフ、（ｂ）は圧電アクチュエータの変位を示すグラフ。
【符号の説明】
【００８１】
１０；圧電素子駆動装置
２０；コンピュータ
２１；入出力部
２２；プロセスコントローラ（ＣＰＵ）
２３；記録部
２４ａ；デジタル出力ポート（出力ＩＦ）
２４ｂ；入力インタフェース（入力ＩＦ）
３０・３０ａ・６０；駆動電源
４０；変位センサ
５０・５０ｊ；圧電素子
６０；パラレル機構
６１ａ〜６１ｆ；リンク
６２ａ〜６２ｆ；圧電素子
６３；ベースプレート
６４；ステージ
６５；コンピュータ
６６；駆動電源
Ｉｐｎ；カレントソース
Ｉｍｋ；カレントシンク
Ｓｐｎ；（給電用）切り換えスイッチ
Ｓｍｋ；（放電用）切り換えスイッチ
Ｓｃｊ；（充放電用）切り換えスイッチ
【図１】
2006165011.tif 000004
【図２】
2006165011.tif 000005
【図３】
2006165011.tif 000006
【図４】
2006165011.tif 000007
【図５】
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【図６】
2006165011.tif 000009
【図７】
2006165011.tif 000010
【図８】
2006165011.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2006165011.tif 000016
【図１４】
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