(57)【要約】【課題】微小変位におけるセンサ感度が圧電素子の変位量Ｚによらず一定で、微小変位においても高精度な制御が可能な圧電素子制御装置を提供する。【解決手段】圧電素子制御装置であって、第１の電極と第２の電極を有し、第１の電極及び第２の電極間に加えられた電界により変位を生ずる圧電素子２０と、圧電素子２０の第１の電極に接続され、第１の電極及び第２の電極間に電界を加えるための電圧信号を出力する駆動回路１４，１５，１６と、圧電素子２０の第２の電極に接続され、圧電素子２０に蓄積される電荷量を検出する電荷検出回路３０と、駆動回路１４，１５，１６の出力と、電荷検出回路３０の出力とに基づいて、電荷検出回路３０の出力を補正するための演算を行い、補正値を出力する補正回路４０とを具備する。【選択図】    図７
2004347355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子制御装置であって、
第１の電極と第２の電極を有し、該第１の電極及び第２の電極間に加えられた電界により変位を生ずる圧電素子と、
前記圧電素子の第１の電極に接続され、前記第１の電極及び第２の電極間に電界を加えるための電圧信号を出力する電圧印加手段と、
前記圧電素子の第２の電極に接続され、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と、
前記電圧印加手段の出力と、前記電荷検出回路の出力とに基づいて、前記電荷検出回路の出力を補正するための演算を行い、補正値を出力する補正回路と、
を具備することを特徴とする圧電素子制御装置。
【請求項２】
前記補正回路は、前記電圧印加手段の出力からほぼＤＣ成分を抽出するＤＣ成分抽出手段と、
前記ＤＣ成分抽出手段で得られたＤＣ成分に所定の演算を施す演算手段と、
前記電荷検出回路の出力からほぼＡＣ成分を抽出するＡＣ成分抽出手段と、
前記演算手段での演算結果と、前記ＡＣ成分抽出手段で得られたＡＣ成分とを乗算する乗算手段と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の圧電素子制御装置。
【請求項３】
前記乗算手段での演算結果に前記ＤＣ成分抽出手段で得られたＤＣ成分を加算する加算手段を備えることを特徴とする請求項１記載の圧電素子制御装置。
【請求項４】
前記演算手段での演算内容は、
前記ＤＣ成分抽出手段で得られたＤＣ成分をＶＺ  としたとき、
【数１】
2004347355.tif 000025
で表されることを特徴とする請求項２または３記載の圧電素子制御装置。
【請求項５】
前記演算手段での演算内容は、
前記ＤＣ成分抽出手段で得られたＤＣ成分をＶＺ  としたとき、
【数２】
2004347355.tif 000026
で表されることを特徴とする請求項２または３記載の圧電素子制御装置。
【請求項６】
走査型プローブ顕微鏡であって、
プローブと試料が接近あるいは接触することにより生じる相互作用を検出し、検出結果に応じた信号を出力する検出手段と、
第１の電極と第２の電極を有し、該第１の電極及び第２の電極間に加えられた電界により、前記プローブと前記試料のいずれか一方を少なくともＺ方向に微動させるための圧電素子と、
前記検出手段の出力に基づいて前記圧電素子のＺ方向の変位量を制御する圧電素子制御手段と、
前記圧電素子の第１の電極に接続され、前記圧電素子制御手段の出力に基づいて前記第１の電極及び第２の電極間に電界を加えるための電圧信号を出力し、前記圧電素子をＺ方向に駆動する圧電素子駆動手段と、
前記圧電素子の第２の電極に接続され、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と、
前記圧電素子駆動手段の出力と、前記電荷検出回路の出力とに基づいて、前記電荷検出回路の出力を補正するための演算を行い、補正値を出力する補正回路と、
前記補正回路からの補正値に基づいて前記試料の表面に関する情報を取得して表示する画像データ取得表示手段と、
を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記補正回路は、前記電圧印加手段の出力からほぼＤＣ成分を抽出するＤＣ成分抽出手段と、
前記ＤＣ成分抽出手段で得られたＤＣ成分に所定の演算を施す演算手段と、
前記電荷検出回路の出力からほぼＡＣ成分を抽出するＡＣ成分抽出手段と、
前記演算手段での演算結果と、前記ＡＣ成分抽出手段で得られたＡＣ成分とを乗算する乗算手段と、
を具備することを特徴とする請求項６記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記乗算手段での演算結果に前記ＤＣ成分抽出手段で得られたＤＣ成分を加算する加算手段を備えることを特徴とする請求項７記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記演算手段での演算内容は、
前記ＤＣ成分抽出手段で得られたＤＣ成分をＶＺ  としたとき、
【数３】
2004347355.tif 000027
で表されることを特徴とする請求項７または８記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記演算手段での演算内容は、
前記ＤＣ成分抽出手段で抽出されたＤＣ成分をＶＺ  としたとき、
【数４】
2004347355.tif 000028
で表されることを特徴とする請求項７または８記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
第１の電極と第２の電極を有する圧電素子の前記第１の電極に接続された電圧印加手段によって、前記第１の電極及び前記第２の電極間に電界を加えて前記圧電素子を変位させるための電圧信号を発生させ、
前記圧電素子の第２の電極に接続された電荷検出回路によって、前記圧電素子に蓄積される電荷量を検出し、この検出した電荷量を用いて前記圧電素子の電荷量を制御するための圧電素子制御プログラムであって、
コンピュータに、前記電圧印加手段の出力からほぼＤＣ成分を抽出するＤＣ成分抽出機能と、
前記ＤＣ成分抽出機能により抽出されたＤＣ成分に所定の演算を施す演算機能と、
前記電荷検出回路の出力からほぼＡＣ成分を抽出するＡＣ成分抽出機能と、
前記演算機能による演算結果と、前記ＡＣ成分抽出機能により抽出されたＡＣ成分とを乗算する乗算機能と、
を実現させるための圧電素子制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子制御装置、走査型プローブ顕微鏡及び圧電素子制御プログラムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、走査型トンネル顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、以下ＳＴＭと呼ぶ）や原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、以下ＡＦＭと呼ぶ）等、簡単な構成で原子サイズレベルの高い縦横方向の分解能を有する走査型プローブ顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、以下ＳＰＭと呼ぶ）に関する技術が多数開示されている。
【０００３】
例えば図９は従来のＳＰＭの構成の一例を示すブロック図である。同図に示すように、コントローラ１１は内部にデータ取得回路１２とＺ制御回路１３とを有しており、Ｚ制御回路１３の出力はデータ取得回路１２へ供給されるようになっている。また、コントローラ１１の外部にはホストコンピュータ１０、Ｘ駆動回路１５、Ｙ駆動回路１６、Ｚ駆動回路１４、センサ１７が接続されており、ホストコンピュータ１０にてコントローラ１１を操作可能になっている。Ｘ駆動回路１５及びＹ駆動回路１６は、ＸＹ駆動用のＸＹ圧電素子２１に接続されている。また、Ｚ駆動回路１４はＺ駆動用のＺ圧電素子２０に接続されている。センサ１７は、カンチレバー１８が試料１９と接触した際のカンチレバー１８の変位検出を行うものであり、その出力はコントローラ１１のＺ制御回路１３へ供給される。
【０００４】
このような構成において、センサ１７によりカンチレバー１８の変位検出を行い、カンチレバー１８の先端が試料１９の表面と一定距離を保つようにＺ制御回路１３とＺ駆動回路１４にてＺ圧電素子２０上の試料１９をＺ方向（試料１９の法線方向）に伸縮させる。同時にＸ駆動回路１５およびＹ駆動回路１６にてＸＹ圧電素子２１をＸＹ平面方向に駆動し、試料１９を２次元走査する。そしてこのときのＺ制御回路１３の出力、すなわちＺ圧電素子２０へのＺ方向印加電圧信号をデータ取得回路１２に取り込み、そのデータを試料表面の凹凸信号として画像形成する。
【０００５】
ところで、圧電素子を電圧駆動すると図１０（ａ）に示すようにヒステリシスが生じ、精度良く制御駆動することは困難とされている。そのため、静電容量センサなどの変位センサを設け、この変位センサの変位情報に基づいて圧電素子を制御する方法が一般的である。しかしながら最近の傾向として、機構の小型化、低価格化が市場から求められており、静電容量センサなどの外部変位センサに頼らない圧電素子の駆動／制御方法が望まれている。
【０００６】
従来の外部変位センサに頼らない圧電素子の駆動／制御方法としては、圧電素子に蓄積する電荷量を制御する方法（圧電素子に蓄積される電荷量は圧電素子の変位量とほぼ線形の関係をもち、図１０（ｂ）に示すようにヒステリシスは著しく減少する。）が良く知られている。その一例としては特開昭６３−２０４６７３号公報に開示されたものがある。これは、圧電素子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、上述したＳＰＭにおいても有効な方法である。
【０００７】
以下に図１１を参照して従来の「圧電素子に蓄積する電荷量を用いて制御する方法」の動作原理について簡単に説明する。圧電素子２０は電界を加えられることで変位を生じ、ここでの静電容量をＣＰ  （静電容量は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）とする。電荷検出回路３０は、オペアンプ３１と、静電容量ＣＳ  （＞ＣＰ  ）のコンデンサ３２と、反転回路３３とから構成される。
【０００８】
反転回路３３は、駆動信号Ｖ（ｔ）  とオペアンプ３１の出力信号が反転するので、それを一致させるために設けられている。
【０００９】
さて、圧電素子２０に駆動信号Ｖ（ｔ）  を印加すると、圧電素子２０には変位Ｚが生じる。この変位Ｚと圧電素子２０に蓄積された電荷量ＱＰ  には、
【数５】
2004347355.tif 000003
なる関係が成り立つ。
【００１０】
このとき、反転回路３３の出力Ｑ（ｔ）  は、
【数６】
2004347355.tif 000004
となり、反転回路３３の出力Ｑ（ｔ）  （あるいはオペアンプ３１の出力でもよい）は圧電素子２０の変位を示す変位信号として用いることが可能となる。そして反転回路３３の出力Ｑ（ｔ）  （あるいはオペアンプ３１の出力でもよい）を用いて圧電素子２０の制御を行えば、圧電素子２０を精度良くコントロールすることが可能となる。
【００１１】
図１２は、図９に示したＳＰＭに図１１に示した電荷検出回路を搭載した一構成例である。この図のように、電荷検出回路３０の出力を図９のデータ取得回路１２に取り込み、取り込んだデータを試料表面の凹凸信号として画像形成することで、高精度な試料表面情報を得ることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の「圧電素子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」には次の問題がある。
【００１３】
圧電素子の変位Ｚと蓄積される電荷量Ｑの関係は、概して図１３に示すような３次多項式の緩やかな曲線となる。この曲線は規格化されている。このとき、蓄積される電荷量Ｑを変位センサとした場合のセンサ感度は、微小変位においては図１３に示すグラフの傾き（ｄＱ／ｄＺ）で表され、このｄＱ／ｄＺとＺとの関係は、図１４のようになる。図１４に示すＺとの関係は規格化されている。つまり、微小変位におけるセンサ感度（ｄＱ／ｄＺ）は、圧電素子の変位量Ｚによって最大４０％以上の違いが生じることになる。これは試料表面の微細な凹凸情報を得るＳＰＭでは、非常に大きな問題となる。
【００１４】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、微小変位におけるセンサ感度（ｄＱ／ｄＺ）が圧電素子の変位量Ｚによらず一定とすることができ、微小変位においても高精度な制御が可能な圧電素子制御装置、走査型プローブ顕微鏡及び圧電素子制御プログラムを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１の発明は、圧電素子制御装置であって、第１の電極と第２の電極を有し、該第１の電極及び第２の電極間に加えられた電界により変位を生ずる圧電素子と、前記圧電素子の第１の電極に接続され、前記第１の電極及び第２の電極間に電界を加えるための電圧信号を出力する電圧印加手段と、前記圧電素子の第２の電極に接続され、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と、前記電圧印加手段の出力と、前記電荷検出回路の出力とに基づいて、前記電荷検出回路の出力を補正するための演算を行い、補正値を出力する補正回路とを具備する。
【００１６】
また、第２の発明は、第１の発明に係る圧電素子制御装置において、前記補正回路は、前記電圧印加手段の出力からほぼＤＣ成分を抽出するＤＣ成分抽出手段と、前記ＤＣ成分抽出手段で得られたＤＣ成分に所定の演算を施す演算手段と、前記電荷検出回路の出力からほぼＡＣ成分を抽出するＡＣ成分抽出手段と、前記演算手段での演算結果と、前記ＡＣ成分抽出手段で得られたＡＣ成分とを乗算する乗算手段とを含む。
【００１７】
また、第３の発明は、第１の発明に係る圧電素子制御装置において、前記乗算手段での演算結果に前記ＤＣ成分抽出手段で得られたＤＣ成分を加算する加算手段を備える。
【００１８】
また、第４の発明は、第２または第３の発明に係る圧電素子制御装置において、前記演算手段での演算内容は、前記ＤＣ成分抽出手段で得られたＤＣ成分をＶＺ  としたとき、
【数７】
2004347355.tif 000005
で表される。
【００１９】
また、第５の発明は、第２または第３の発明に係る圧電素子制御装置において、前記演算手段での演算内容は、前記ＤＣ成分抽出手段で得られたＤＣ成分をＶＺ  としたとき、
【数８】
2004347355.tif 000006
で表される。
【００２０】
また、第６の発明は、走査型プローブ顕微鏡であって、プローブと試料が接近あるいは接触することにより生じる相互作用を検出し、検出結果に応じた信号を出力する検出手段と、第１の電極と第２の電極を有し、該第１の電極及び第２の電極間に加えられた電界により、前記プローブと前記試料のいずれか一方を少なくともＺ方向に微動させるための圧電素子と、前記検出手段の出力に基づいて前記圧電素子のＺ方向の変位量を制御する圧電素子制御手段と、前記圧電素子の第１の電極に接続され、前記圧電素子制御手段の出力に基づいて前記第１の電極及び第２の電極間に電界を加えるための電圧信号を出力し、前記圧電素子をＺ方向に駆動する圧電素子駆動手段と、前記圧電素子の第２の電極に接続され、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と、前記圧電素子駆動手段の出力と、前記電荷検出回路の出力とに基づいて、前記電荷検出回路の出力を補正するための演算を行い、補正値を出力する補正回路と、前記補正回路からの補正値に基づいて前記試料の表面に関する情報を取得して表示する画像データ取得表示手段とを具備する。
【００２１】
また、第７の発明は、第６の発明に係る走査型プローブ顕微鏡において、前記補正回路は、前記電圧印加手段の出力からほぼＤＣ成分を抽出するＤＣ成分抽出手段と、前記ＤＣ成分抽出手段で得られたＤＣ成分に所定の演算を施す演算手段と、前記電荷検出回路の出力からほぼＡＣ成分を抽出するＡＣ成分抽出手段と、前記演算手段での演算結果と、前記ＡＣ成分抽出手段で得られたＡＣ成分とを乗算する乗算手段とを具備する。
【００２２】
また、第８の発明は、第７の発明に係る走査型顕微鏡において、前記乗算手段での演算結果に前記ＤＣ成分抽出手段で得られたＤＣ成分を加算する加算手段を備える。
【００２３】
また、第９の発明は、第７または第８の発明に係る走査型顕微鏡において、前記演算手段での演算内容は、
前記ＤＣ成分抽出手段で得られたＤＣ成分をＶＺ  としたとき、
【数９】
2004347355.tif 000007
で表される。
【００２４】
また、第１０の発明は、第７または第８の発明に係る走査型プローブ顕微鏡において、前記演算手段での演算内容は、
前記ＤＣ成分抽出手段で得られたＤＣ成分をＶＺ  としたとき、
【数１０】
2004347355.tif 000008
で表される。
【００２５】
また、第１１の発明は、第１の電極と第２の電極を有する圧電素子の前記第１の電極に接続された電圧印加手段によって、前記第１の電極及び前記第２の電極間に電界を加えて前記圧電素子を変位させるための電圧信号を発生させ、前記圧電素子の第２の電極に接続された電荷検出回路によって、前記圧電素子に蓄積される電荷量を検出し、この検出した電荷量を用いて前記圧電素子の電荷量を制御するための圧電素子制御プログラムであって、コンピュータに、前記電圧印加手段の出力からほぼＤＣ成分を抽出するＤＣ成分抽出機能と、前記ＤＣ成分抽出機能により抽出されたＤＣ成分に所定の演算を施す演算機能と、前記電荷検出回路の出力からほぼＡＣ成分を抽出するＡＣ成分抽出機能と、前記演算機能による演算結果と、前記ＡＣ成分抽出機能により抽出されたＡＣ成分とを乗算する乗算機能とを実現させる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。本実施形態の圧電素子制御装置の構成について説明する前に、まず、本実施形態において用いられる補正方法について説明する。
【００２７】
まず、図１３に示した変位Ｚと蓄積電荷Ｑの関係を仮に
2004347355.tif 000009
とおく、なお、この関係式（４）は、Ｚ＝１のときＱ＝１となるように規格化したものである。また、この関係式（４）の係数は、圧電素子固有のものであり固体ごとに違う係数となる。
【００２８】
さて、上述した従来の問題を解決するには、関係式（４）の逆演算（得られたＱからＺを導く）を施せばよいと考えられる。しかしながら、概して電荷検出回路（例えば電荷検出回路３０）では、圧電素子２０やコンデンサ３２の絶縁抵抗の影響によりほぼＤＣとみなせる低周波領域で精度良く蓄積電荷Ｑを検出できず、従って得られる変位量Ｚも不正確なものとなる。すなわち、単純に逆演算する方式では「微小変位におけるセンサ感度（ｄＱ／ｄＺ）が圧電素子の変位量Ｚによって異なる」という従来の問題を解決できないことがわかる。
【００２９】
そこで本実施形態では、「微小変位におけるセンサ感度（ｄＱ／ｄＺ）の、圧電素子の変位量Ｚによる違い」を次のように補正している。
【００３０】
まず、圧電素子２０を駆動するための駆動信号を、
2004347355.tif 000010
とおく、ここでＡｖ  は微小な振幅電圧、ＶＤＣはＤＣ電圧、ωは圧電素子２０をＡＣ駆動させるときの角振動数である。なおこの式（５）では、簡単のために駆動信号をＤＣ成分と１つのＡＣ成分で構成しているが、ＡＣ成分が複数あっても本実施形態では効果に影響はない。
【００３１】
そしてそのときの圧電素子２０の変位を、
2004347355.tif 000011
とおく、ここでＡＺ  は微小変位の振幅（ＳＰＭでの試料表面の凹凸形状の高さに相当する）、ＺＤＣは振幅中心位置、ωは圧電素子２０の微小変位の角振動数（ＳＰＭでの試料表面の凹凸形状の空間周波数に関連する）である。
【００３２】
さらにこのときの電荷検出回路３０の出力を、
2004347355.tif 000012
とおく。
【００３３】
このとき、図１４に示すｄＱ／ｄＺとＺの関係は、
【数１１】
2004347355.tif 000013
とみなして図２に示すＡＱ  ／ＡＺ  とＺＤＣの関係に置き換えることができる。置き換えられた関係、すなわち図２の関係は、式（４）より、
【数１２】
2004347355.tif 000014
となる。なお、この式（８）はＺＤＣ＝１のときＡＱ  ／ＡＺ  ＝１となるように規格化されたものである。
【００３４】
さらに式（８）の関係（図２の関係）は、ＺＤＣとＶＤＣとがほぼ線形と見做し、その線形係数を１とおいて、
【数１３】
2004347355.tif 000015
とすることで図３に示すＡＱ  ／ＡＺ  とＶＤＣの関係に置き換えられる。置き換えられた関係、すなわち図３の関係は、式（８）より、
【数１４】
2004347355.tif 000016
となる。ここでは、簡単のために
【数１５】
2004347355.tif 000017
としたが、実際にはＺＤＣとＶＤＣの関係式（近似式）を求め、図３に示す関係を補正したほうが望ましい。
【００３５】
式（９）より、ＡＱ  に
【数１６】
2004347355.tif 000018
を乗算すれば、どのようなＺ
【数１７】
2004347355.tif 000019
に対してもＡＱ  ／ＡＺ  ＝１となり、ＶＤＣは圧電素子２０を駆動するための駆動信号から容易に求められるので、「微小変位におけるセンサ感度（ｄＱ／ｄＺ）の、圧電素子の変位量Ｚによる違い」を補正することが可能となる。
【００３６】
次に、本実施形態の圧電素子制御装置の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る圧電素子制御装置の構成を示すブロック図である。この構成では、図１１に示した従来の電荷検出回路に加えて、補正回路４０を備えている。この補正回路４０は、駆動信号Ｖ（ｔ）  と電荷検出回路３０の出力Ｑ（ｔ）  に所定の演算を施し、その結果をＱ′（ｔ）  として出力するものである。
【００３７】
図４は、上記した補正回路４０の構成を示す図であり、ＤＣ成分抽出回路４１と、演算回路４３と、ＡＣ成分抽出回路４２と、乗算回路４４とから構成される。ＤＣ成分抽出回路４１は、駆動信号Ｖ（ｔ）（＝ＶＡＣ（ｔ）＋ＶＤＣ）からＤＣ成分ＶＤＣを抽出する回路である。ＡＣ成分抽出回路４２は、電荷検出回路３０の出力Ｑ（ｔ）（＝ＱＡＣ（ｔ）＋ＱＤＣ）からＡＣ成分ＱＡＣ（ｔ）を抽出する回路である。
【００３８】
演算回路４３は、ＤＣ成分抽出回路４１で抽出されたＤＣ成分ＶＤＣに基づいて、
【数１８】
2004347355.tif 000020
を算出する回路である。ここでＶＤＣ｜ｍａｘ｜は圧電素子２０を駆動するための駆動信号の最大値を表し、駆動信号の最大値のときに算出結果が１となるように（規格化のために）設けられたものである。
【００３９】
乗算回路４４は、演算回路４３での演算結果と、ＡＣ成分抽出回路４２からのＱＡＣ（ｔ）  とを乗算する回路である。
【００４０】
以上のように構成すれば、乗算回路４４での乗算結果Ｑ′ＡＣ（ｔ）  は、
【数１９】
2004347355.tif 000021
となり、補正回路４０の出力Ｑ′ＡＣ（ｔ）  は、いかなるＺ
【数２０】
2004347355.tif 000022
に対しても微小変位ＺＡＣ（ｔ）  を示すことになる。このようにして、「微小変位におけるセンサ感度（ｄＱ／ｄＺ）の、圧電素子の変位量Ｚによる違い」を補正できる。
【００４１】
図６は、図３に示した関係、すなわち式（９）を線形近似（図６の直線部分）したものである。この線形近似による補正方法では、精度は低くなるが、補正演算処理が簡単になるため処理時間が短縮されるので、高速処理が必要とされるシステム（圧電素子の高速駆動が必要なシステム）では有効である。
【００４２】
このときの線形近似式は下式のようになり、
【数２１】
2004347355.tif 000023
従って、演算回路４３で行う演算は、下式のようになる。
【００４３】
【数２２】
2004347355.tif 000024
なお、図４に示す補正回路４０では、ほぼＤＣとみなせる低周波領域の信号を除去したものになっている。言い換えると、ほぼＤＣとみなせる低周波領域の圧電素子２０の変位の検出をあえて行わないようにしているのである。なぜなら、上述したように、電荷検出回路３０では、圧電素子２０やコンデンサ３２の絶縁抵抗の影響によりほぼＤＣとみなせる低周波領域で精度良く蓄積電荷Ｑを検出できず、従って得られる変位量Ｚも不正確なものとなるからである。その一方で、ＳＰＭを含むほとんどのシステムでは、ほぼＤＣ領域の圧電素子の変位検出が必要とされることが多い。
【００４４】
図５は、ほぼＤＣ領域の圧電素子２０の変位を、従来のように駆動信号によって検出するための構成を示す図であり、図４で説明した構成に、ＤＣ成分抽出回路４１のほぼＤＣ領域の駆動信号ＶＤＣと、乗算回路４４の出力Ｑ′ＡＣ（ｔ）とを加算するための加算回路４５を追加したことを特徴とする。従って、加算回路４５の出力Ｑ′（ｔ）＝Ｑ′ＡＣ（ｔ）＋ＶＤＣとなる。これにより、ほぼＤＣとみなせる低周波領域の圧電素子２０の変位は従来のように駆動信号によって検出し、それ以上の領域（ＡＣ領域）では圧電素子２０に蓄積される電荷によって検出することが可能となる。
【００４５】
図７は、上述した本実施形態の電荷検出回路３０および補正回路４０を、ＳＰＭに搭載した一構成例である。図７に示すＳＰＭでは、補正回路４０の出力を画像化するので、従来のものに対して高精度な試料表面情報を得ることができる。
【００４６】
図８は、補正回路４０の処理をソフトウェアで行えるようにしたＳＰＭの構成を示しており、コントローラ１１内のデータ取得回路１２にて電荷検出回路３０の出力Ｑ（ｔ）を、データ取得回路５０にてＺ制御回路１３からの駆動信号Ｖ（ｔ）  をそれぞれ取り込めるようになっている。そしてホストコンピュータ１０で、図４や図５に示す補正処理を行う。このような方法によっても図７に示したＳＰＭと同様の効果を得ることができ、演算式、ＤＣ抽出時のカットオフ周波数、ＡＣ抽出時のカットオフ周波数などの設定、変更が容易になる。
【００４７】
上記した実施形態によれば、微小変位におけるセンサ感度（ｄＱ／ｄＺ）の、圧電素子の変位量Ｚによる違いを補正することができ、その結果、微小変位であっても高精度な制御が可能となる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、微小変位におけるセンサ感度（ｄＱ／ｄＺ）の、圧電素子の変位量Ｚによる違いを補正することができ、その結果、微小変位であっても高精度な制御が可能な圧電素子制御装置、走査型プローブ顕微鏡、及び圧電素子制御プログラムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧電素子制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】ＡＱ  ／ＡＺ  とＺＤＣとの関係を示す特性図である。
【図３】ＡＱ  ／ＡＺ  とＶＤＣとの関係を示す特性図である。
【図４】図１の補正回路４０の構成を示すブロック図である。
【図５】補正回路４０の変形例を示すブロック図である。
【図６】図３に示した関係、すなわち式（９）を線形近似した特性図である。
【図７】本実施形態の電荷検出回路および補正回路を、ＳＰＭに搭載した一構成例を示す図である。
【図８】補正回路４０の処理をソフトウェアで行えるようにしたＳＰＭの構成を示す図である。
【図９】従来のＳＰＭの構成の一例を示すブロック図である。
【図１０】従来技術の問題点を説明するための図である。
【図１１】圧電素子に蓄積される電荷量を検出するための構成を示す図である。
【図１２】図９に示したＳＰＭに図１１に示した電荷検出回路を搭載した一構成例である。
【図１３】圧電素子の変位Ｚと蓄積される電荷量Ｑの関係を示す特性図である。
【図１４】センサ感度（ｄＱ／ｄＺ）と、変位Ｚとの関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１０…ホストコンピュータ、１１…コントローラ、１２…データ取得回路、１３…Ｚ制御回路、１４…Ｚ駆動回路、１５…Ｘ駆動回路、１６…Ｙ駆動回路、１７…センサ、１８…カンチレバー、１９…試料、２０…Ｚ圧電素子、２１…ＸＹ圧電素子、３０…電荷検出回路、３１…オペアンプ、３２…コンデンサ、３３…反転回路、４０…補正回路、４１…ＤＣ成分抽出回路、４２…ＡＣ成分抽出回路、４３…演算回路、４４…乗算回路、４５…加算回路。
【図１】
2004347355.tif 000029
【図２】
2004347355.tif 000030
【図３】
2004347355.tif 000031
【図４】
2004347355.tif 000032
【図５】
2004347355.tif 000033
【図６】
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【図７】
2004347355.tif 000035
【図８】
2004347355.tif 000036
【図９】
2004347355.tif 000037
【図１０】
2004347355.tif 000038
【図１１】
2004347355.tif 000039
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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