(57)【要約】  本発明は、２つの型の圧電アクチュエータ制御、すなわち電圧制御および電荷制御を組み合わせることが可能な圧電アクチュエータを制御するためのデバイスに関する。電荷制御と電圧制御との間の切り替えは、切り替え素子を追加せずに、セットアップの入力部に印加された電圧の性質に従って、自動的に行われる。
2018520514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電アクチュエータを制御するためのデバイスであって、
−反転入力部および非反転入力部、ならびに出力電圧の送達を可能にする出力部を有する演算増幅器と、
−直列接続された圧電アクチュエータおよびキャパシタを備える容量性回路であって、前記圧電アクチュエータの自由端によって前記演算増幅器の前記出力部へと、かつ、前記キャパシタの自由端によって低電圧端子へと接続されている容量性回路と、
−直列接続された第１の抵抗器および第２の抵抗器を備える抵抗性回路であって、前記第１の抵抗器の自由端によって前記演算増幅器の前記出力部へと、かつ、前記第２の抵抗器によって低電圧端子へと接続されている抵抗性回路と、
を備えるデバイスにおいて、
前記演算増幅器の前記反転入力部が、前記圧電アクチュエータおよび前記キャパシタの共通の端部に接続され、かつ、前記第１の抵抗器および前記第２の抵抗器の共通の端部に接続されており、前記容量性回路および前記抵抗性回路が、インピーダンスブリッジを形成していることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記容量性回路のインピーダンスの比率が、前記抵抗回路のインピーダンスの比率に等しい、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
所与の周波数において前記演算増幅器の前記非反転入力部に印加される制御信号により、前記圧電アクチュエータを電荷制御することが可能になる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記演算増幅器の前記非反転入力部に印加される連続的な制御信号により、前記圧電アクチュエータを電圧制御することが可能になる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記演算増幅器が、−６０Ｖから＋１６０Ｖで電力供給される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記圧電アクチュエータの前記端子における電圧を制限するために、前記端子に接続された単方向のトランシルダイオードをさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記圧電アクチュエータの前記端子における前記電圧が、＋１５０Ｖおよび−２０Ｖにそれぞれ制限されている、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記圧電アクチュエータによって引き出される電流を制限するために、前記演算増幅器の前記出力部に接続された抵抗器をさらに備える、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載のデバイスによって制御される干渉計であって、場合によってはファブリ−ペロー干渉計である干渉計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータを制御する分野に関し、特に、このようなアクチュエータのヒステリシスの低減を可能にする制御回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの主要な型の圧電アクチュエータが存在する。すなわち、１マイクロメートルのオーダーである、得られる変位が圧電材料の変形に等しい直動アクチュエータ、および機械的回路が動きを増幅し、これにより１ミリメートルのオーダーである変位の程度を増大させる増幅アクチュエータである。これらのデバイスでは、電界を用いて圧電材料の変形を得て、変位を制御する。アクチュエータは電圧制御されてもよいし、電荷制御されてもよい。
【０００３】
Ｃｏｍｓｔｏｃｋによる米国特許第４，２６３，５２７号明細書は、圧電アクチュエータを電荷制御するためのデバイスについて記載している。
【０００４】
Ｍｉｚｕｕｃｈｉによる米国特許第７，０１５，６２１Ｂ２号明細書は、圧電アクチュエータを電圧制御するためのデバイスについて記載している。
【０００５】
それは最も一般的な解決策であり、最も実施が簡単であるが、電圧制御には、アクチュエータの変位は印加電圧によって左右されるが、それが線形ではない、という大きな短所がある。これは、特に、圧電材料の物理的パラメータ、すなわちクリープおよびヒステリシスの変動による。
【０００６】
クリープは、経時的な材料の緩慢な変形ドリフトであり、定電圧の下でアクチュエータの緩やかな伸長として表れ、その結果、初期設定値変位から１０年間当たりで数パーセントの位置のずれが生じる。
【０００７】
ヒステリシスは、状態の変化を誘引する外部からの作用が停止しても、システムがある一定の状態にとどまる傾向があるという特性である。圧電アクチュエータは、印加電圧と生じた変位との間でヒステリシスを示す。この非線形性は、材料の性質に応じて１０〜２０％の間で変わり得る。また、圧電アクチュエータの変位は、圧電アクチュエータに印加されているのが上昇電圧であるか、または下降電圧であるかによって異なる。
【０００８】
圧電アクチュエータの動作を向上させるための、特に、ヒステリシスを低減させるための解決策が存在する。
【０００９】
Ｊ．Ａｇｎｕｓらによる仏国特許出願公開第２８５０２１９号明細書は、圧電アクチュエータの電圧制御および電荷制御を組み合わせたデバイスについて記載しており、このデバイスが開ループの線形の静的動作の獲得を可能にすることで、ヒステリシスを低減している。しかしながら、この回路は、一方の制御モードから他方の制御モードにトグルするために、切り替え手段を追加することが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４，２６３，５２７号明細書
【特許文献２】米国特許第７，０１５，６２１号明細書
【特許文献３】仏国特許出願公開第２８５０２１９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、既知の手法の短所を克服する解決策が必要である。本発明は、この必要性に対処するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の目的の１つは、２つの型の圧電アクチュエータ制御、すなわち電圧制御および電荷制御を組み合わせることが可能なシステムを提供することであり、このシステムでは、セットアップの入力部に印加された電圧の性質に従って、電荷制御と電圧制御との間の切り替えが自動的に行われる。
【００１３】
有利な点として、本発明のデバイスは圧電アクチュエータを駆動するための他の外部の回路を必要とせず、実施が簡単で安価である。
【００１４】
有利な点として、容量性ブリッジまたは抵抗性ブリッジが一致していることにより、デバイスの利得が高周波数および低周波数で同じである。増幅器の利得は、抵抗器によって、低周波数では連続的にさえ決められるのに対し、高周波数では、利得は、圧電アクチュエータ、および基準キャパシタＣｒｅｆと呼ばれるキャパシタにより形成されたキャパシタのキャパシタンスによって決められる。したがって、製造業者によって与えられた圧電アクチュエータの固有キャパシタンスＣｐｚｔ、および所望の利得に基づいて、抵抗性（Ｒｐｚｔ、ＲＣｒｅｆ）ブリッジ、および容量性（Ｃｐｚｔ、Ｃｒｅｆ）ブリッジの個別部品のサイズを決めることは簡単なことである。なぜなら、利得Ａｖが、関係Ｃｒｅｆ／Ｃｐｚｔ＝Ｒｐｚｔ／ＲＣｒｅｆから得られるからである。
【００１５】
本発明の別の利点は、ハイブリッド増幅器が、等価ヒステリシスモデルの知識がなくてもよい任意の型の圧電アクチュエータで動作可能であることである。したがって、ハイブリッド増幅器により、電圧変位特性が事実上線形になるので、どんな圧電アクチュエータでも開ループ内で制御することが可能になる。
【００１６】
有利な点として、ハイブリッド増幅器の出力電圧は、ヒステリシスが低減されないセット（Ｃｐｚｔ、Ｒｐｚｔ、Ｃｒｅｆ、ＲＣｒｅｆ）の端子においてではなく、圧電アクチュエータの端子において得られる。
【００１７】
１つの好適な実施形態では、本発明の圧電アクチュエータを制御するためのデバイスは、
−反転入力部および非反転入力部、ならびに出力電圧の送達を可能にする出力部を有する演算増幅器と、
−直列接続された圧電アクチュエータおよびキャパシタを備える容量性回路であって、圧電アクチュエータの自由端によって演算増幅器の出力部へと、かつ、キャパシタの自由端によって低電圧端子へと接続されている前記容量性回路と、
−直列接続された第１の抵抗器および第２の抵抗器を備える抵抗性回路であって、第１の抵抗器の自由端によって演算増幅器の出力部へと、かつ、第２の抵抗器によって低電圧端子へと接続されている前記抵抗性回路と、
を備えるとともに、
演算増幅器の反転入力部が、圧電アクチュエータおよびキャパシタの共通の端部に接続され、かつ、第１の抵抗器および第２の抵抗器の共通の端部に接続されており、容量性回路および抵抗性回路が、インピーダンスブリッジを形成していることを特徴とする。
【００１８】
有利な点として、容量性回路のインピーダンスの比率が、抵抗回路のインピーダンスの比率に等しい。
【００１９】
一方の動作モードでは、所与の周波数において演算増幅器の非反転入力部に印加される制御信号により、圧電アクチュエータを電荷制御することが可能になる。
【００２０】
もう一方の動作モードでは、演算増幅器の非反転入力部に印加される連続的な制御信号により、圧電アクチュエータを電圧制御することが可能になる。
【００２１】
１つの実施形態では、演算増幅器は、−６０Ｖから＋１６０Ｖで電力供給される。
【００２２】
１つの実施態様の変形例では、本発明のデバイスは、圧電アクチュエータの端子における電圧を制限するために、前記端子に接続された単方向のトランシルダイオード（ｔｒａｎｓｉｌ  ｄｉｏｄｅ）を備える。圧電アクチュエータの端子における電圧は、＋１５０Ｖおよび−２０Ｖにそれぞれ制限することができる。
【００２３】
別の変形例では、本発明のデバイスは、圧電アクチュエータによって引き出される電流を制限するために、演算増幅器の出力部に接続された抵抗器をさらに備える。
【００２４】
本発明は、上述したような制御デバイスによって制御される干渉計もまた包含する。有利な点として、干渉計は、ファブリ−ペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）干渉計とすることができる。
【００２５】
圧電アクチュエータは、産業用部品の機械加工を補助するための能動的な振動制御、探査対象の表面を走査するための微小変位の顕微鏡の制御、自動車両インジェクタの制御、プリンタの微小液滴の生成、光音響におけるレーザキャビティの長さの調節、その他には、天文学におけるミラーのマイクロポジショニングといったような、様々な分野において様々な目的で使用されている。
【００２６】
本発明の様々な態様および利点は、以下の図面に関連して行う、本発明の実施態様の好適だが、非限定的な一形態の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】先行技術の電圧制御デバイスを図示する。
【図２】先行技術の電荷制御デバイスを図示する。
【図３】本発明の１つの実施形態によるハイブリッド制御デバイスを図示する。
【図４】本発明のデバイスの例示的な実施態様を図示する。
【図５】本発明のデバイスの実施態様の１つの変形例を図示する。
【図６】本発明のデバイスの実施態様の別の変形例を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、先行技術から既知の電圧制御デバイスを図示する。電圧制御の原理は、増幅器（１２）によって圧電アクチュエータ（１０）の端子に電圧Ｖｓを印加することである。回路は、演算増幅器（１２）の出力部に接続された圧電アクチュエータ（１０）を備える。増幅器（１２）は、非反転のセットアップで接続され、第１の入力部で、制御電圧Ｖｃを受ける。第１の抵抗器Ｒ１（１４）が、増幅器（１２）の出力部と、増幅器の第２の入力部との間に接続されている。第２の抵抗器Ｒ２（１６）が、増幅器の第２の入力部と、低電圧Ｖ０との間に接続されている。
【００２９】
増幅器（１２）の出力電圧Ｖｓは、以下の関係に従って、その制御電圧Ｖｃに比例する。
【数１】
2018520514.tif 000003
【００３０】
増幅器（１２）の電圧利得Ａｖは、一定であり、以下の等式に従って、抵抗Ｒ１（１４）および抵抗Ｒ２（１６）によって規定される。
【数２】
2018520514.tif 000004
【００３１】
回路の周波数応答は、以下の等式から得られる。
【数３】
2018520514.tif 000005
式中、Ｉｓは、アクチュエータ（１０）を通って流れる増幅器（１２）の出力電流であり、Ｃｐｚｔは、アクチュエータのキャパシタンス値である。
【００３２】
したがって、周波数「ｆ」は、電流Ｉｓおよび出力電圧Ｖｓによって決まる。概して、出力電流は、最高周波数の値を決める値（Ｉｌｉｍによって表示されている）に制限されている。
【００３３】
この型の制御には、ヒステリシスがかなりの高水準であるという短所があり、例えば、光学分野でのミラーの非常に精密な変位といったような、マイクロポジショニングが必要なシステムを制御するのに適していない。
【００３４】
図２は、先行技術から既知の電荷制御デバイスを図示する。電荷制御の原理は、制御と、もたらされた変位との間に線形の動作を得るために、圧電アクチュエータの電極に一定量の電荷を印加することにある。
【００３５】
図２の回路は、演算増幅器（２２）の出力部「出力」と、反転入力部（−）との間に接続された圧電アクチュエータ（２０）を備え、このアセンブリは、非反転セットアップで構成されている。入力電圧Ｖｃが、増幅器の第２の、非反転入力部（＋）に印加される。基準キャパシタ（２４）と呼ばれるキャパシタが、圧電アクチュエータ（２０）と直列に、反転入力部に接続されている。その端子の両端の電圧は、Ｖｃｒｅｆである。キャパシタンスＣｒｅｆのキャパシタは、その端子の両端の電圧に比例する量の電荷Ｑｒｅｆを受ける。
【００３６】
電荷制御回路では、圧電アクチュエータの変形は、電荷に従って線形である。当業者は、Ｊ．Ａｇｎｕｓによる著作物、“Ｅｔｕｄｅ，Ｒｅａｌｉｓａｔｉｏｎ，Ｃａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎ  ｅｔ  Ｃｏｍｍａｎｄｅ  ｄ’ｕｎｅ  Ｍｉｃｒｏｐｉｎｃｅ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｑｕｅ”，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｆｒａｎｃｈｅ−Ｃｏｍｔｅ，２００３を参照することができる。この著作物は、この関係についてさらに詳細に記載し、かつ、圧電アクチュエータの電極に一定量の電荷を印加することにより、制御と、もたらされた変位との間で線形の動作を得ることが可能になることを示している。
【００３７】
この型の回路により、ヒステリシスをかなり、典型的には、１０分の１に低減することが可能になるが、Ｊ．Ａｇｎｕｓは、前述の論文において、このセットアップでは、最初に印加された電荷を長期間にわたって維持することができず、したがって、圧電アクチュエータの一定した線形の変形が維持できないことを実証している。このセットアップでは、クリープを防ぐことができない。
【００３８】
安定した状態、または連続的な状態で、演算増幅器が飽和してしまう。具体的には、制御信号の周波数がゼロであり、キャパシタのインピーダンスが無限であるので、このとき、キャパシタは開放回路として動作する。これらの条件の下では、キャパシタＣｒｅｆ（２４）およびアクチュエータ（２０）は開放回路内にあり、セットアップは電圧比較器のように動作し、演算増幅器の飽和につながる。
【００３９】
動的な状態では、アクチュエータ（２０）の端子における出力信号の周波数は、増幅器の出力電流の値、および入力電圧Ｖｃの値のみによって決まる。
【００４０】
図２を参照すると、圧電アクチュエータ（２０）は、等価回路と置き換えることができ、それは、インピーダンスがＺＰ（ｐ）＝１／ｐ．Ｃｐｚｔであるキャパシタ「Ｃｐｚｔ」である。
【００４１】
さらに、「ＺＲ（ｐ）」が基準キャパシタ（２４）Ｃｒｅｆのインピーダンスであることを考慮すると、かつ、演算増幅器（２２）が直線的に動作し、かつ、インピーダンスＺＲ（ｐ）およびＺＰ（ｐ）が直列であるので、それらはこのとき、分圧器を形成している。入力電圧Ｖｃ（ｐ）の表現式は、以下の関係から得られる。
【数４】
2018520514.tif 000006
【００４２】
得られた伝達関数Ｆ（ｐ）は、次の通りである。
【数５】
2018520514.tif 000007
【００４３】
ＺＲ（ｐ）およびＺＰ（ｐ）をそれぞれの表現式で置き換えることにより、次式が得られる。
【数６】
2018520514.tif 000008
【００４４】
これを単純化した後に、次式が得られる。
【数７】
2018520514.tif 000009
【００４５】
このとき、アクチュエータ（２０）の端子における電圧は、次の通りである。
【数８】
2018520514.tif 000010
【００４６】
したがって、動的な状態では、増幅器の電荷利得は、圧電アクチュエータの固有キャパシタンス値、および圧電アクチュエータと直列接続されたキャパシタの固有キャパシタンス値のみによって決まる。基準キャパシタのキャパシタンスが固定されていることを考慮すると、アクチュエータのキャパシタンスは、アクチュエータの端子における電圧を含めたある一定のパラメータに従って変わる。次に、増幅器の動作周波数の表現式は、以下の等式から得られる。
【数９】
2018520514.tif 000011
【００４７】
当業者であれば、出力信号の周波数、したがって、圧電アクチュエータの端子における周波数が、出力電流ｉｓの値、および増幅器の入力電圧Ｖｅの値だけによって決まることに気付く。
【００４８】
したがって、この型の電荷制御回路には、クリープ効果を表すという短所、および連続的な制御ができないという短所がある。
【００４９】
図３は、電荷制御モードおよび電圧制御モードの両方を組み合わせた、本発明の１つの実施形態によるハイブリッド制御デバイスを図示する。
【００５０】
デバイス（３００）は、電荷制御モードを制御するための第１の回路（３０２）を、電圧制御モードを制御するための第２の回路（３０４）と組み合わせており、これら２つの回路は、演算増幅器（３０）に結合されている。
【００５１】
有利な点として、本発明のハイブリッドセットアップにより、電荷モードおよび電圧モードの双方の間を自動的に切り替えることが可能になる。
【００５２】
増幅器（３０）は、第１の、非反転（＋）入力部で入力電圧Ｖｅを受け、出力部「出力」で出力電圧Ｖｓを送達する。
【００５３】
第１の回路（３０２）は、直列接続された圧電アクチュエータ（３２）およびキャパシタ（３４）を備える。圧電アクチュエータ（３２）は、演算増幅器（３０）の出力部「出力」および反転入力部に接続されている。直列接続されたキャパシタ（３４）は、演算増幅器の反転入力部および低電圧Ｖ０に接続されている。
【００５４】
第１の回路は、直列接続された圧電アクチュエータおよびキャパシタを備える容量性回路であり、前記容量性回路は、圧電アクチュエータの自由端によって演算増幅器の出力部へと、かつ、キャパシタの自由端によって低電圧端子へと接続されている。
【００５５】
第２の回路（３０４）は、直列接続された個別部品を備え、直列接続された第１の抵抗器（３６）および第２の抵抗器（３８）からなる。第１の抵抗器（３６）は、演算増幅器（３０）の出力部「出力」および反転入力部に接続されている。第２の抵抗器（３８）は、演算増幅器の反転入力部および低電圧Ｖ０に接続されている。
【００５６】
第２の回路は、直列接続された第１の抵抗器および第２の抵抗器を備える抵抗性回路であり、前記抵抗性回路は、第１の抵抗器の自由端によって演算増幅器の出力部へと、かつ、第２の抵抗器によって低電圧端子へと接続されている。
【００５７】
低電圧は、できれば接地に引き入れることが好ましい。
【００５８】
増幅器（３０）の反転出力部（−）は、２つの回路、すなわち容量性回路（３０２）および抵抗性回路（３０４）間の共通接続点「Ｐｃ」に相当する。共通接続点Ｐｃは、第１の回路（３０２）に関しては、アクチュエータ（３２）とキャパシタ（３４）との間でそれぞれ、かつ、第２の回路（３０４）に関しては、第１の抵抗器（３６）および第２の抵抗器（３８）との間でそれぞれ共有されている。共通接続点「Ｐｃ」は、「ＶＣｒｅｆ」で表示されている電圧を有する。
【００５９】
このため、デバイスは、演算増幅器の反転入力部が、いずれも圧電アクチュエータおよびキャパシタの共通の端部に接続され、かつ、第１の抵抗器と第２の抵抗器との間の共通の端部に接続されており、容量性回路および抵抗性回路がインピーダンスブリッジを形成していることを特徴とする。
【００６０】
したがって、本発明のデバイスは、第１の回路（３０２）のキャパシタ（３２、３４）、ならびに第２の回路（３０４）の第１の抵抗器（３６）および第２の抵抗器（３８）によって形成されたインピーダンスブリッジを提供する。
【００６１】
以下の場合に、このブリッジの平衡状態が達成される。
【数１０】
2018520514.tif 000012
式中、
−Ｃｐｚｔは、圧電アクチュエータ（３２）の固有キャパシタンスを表す。
−Ｃｒｅｆは、キャパシタ（３４）のキャパシタンスを表す。
−ＲｐｚｔおよびＲｒｅｆは、第２の回路（３０４）の、第１の抵抗および第２の抵抗をそれぞれ表す。
【００６２】
有利な点として、抵抗性ブリッジ（３０４）の抵抗値が、いくつかの影響を補償するように規定される。すなわち、
−高い抵抗値を選択することは、セットアップの帯域幅の減少につながり、その逆の場合には逆の結果になる。
−低い抵抗値を選択すると、電荷制御を可能にするために、制御信号の周波数は高くなければならない。
−抵抗ＲｐｚｔおよびＲｒｅｆの値を高く、ＭΩからＧΩオーダーに選択することは、離散的な抵抗が、キャパシタの漏れ抵抗の値と同程度の大きさを有することにより、等式
【数１１】
2018520514.tif 000013
により得られる最適化のレベルに達することができず、かつ、アクチュエータのヒステリシスを低減させるハイブリッド制御を得ることができない、という短所がある。
【００６３】
ラプラスドメイン（Ｌａｐｌａｃｅ  ｄｏｍａｉｎ）では、増幅器の出力電圧Ｖｓ（ｐ）、および圧電アクチュエータの端子における電圧Ｖｐｚｔ（ｐ）は、以下の等式（１１）および（１２）によってそれぞれ表現される。
【数１２】
2018520514.tif 000014
【数１３】
2018520514.tif 000015
式中、パラメータは以下を表す。
−「ｐ」は、ラプラス変数である。
−「Ｃｐｚｔ」は、圧電アクチュエータの固有キャパシタンスである。
−「Ｒｐｚｔ」は、アクチュエータと並列接続された抵抗である。
−「Ｃｃｒｅｆ」は、基準キャパシタのキャパシタンスである。
−「Ｒｃｒｅｆ」は、基準キャパシタと並列接続された抵抗である。
【００６４】
図３のデバイスのチョッピング周波数の値は、以下の等式に従って、演算増幅器によって送達された最大出力電流ｉｓｍａｘ、正弦波であると考えられる入力電圧Ｖｅ（ｔ）の大きさＡｅ、および基準キャパシタＣｒｅｆのキャパシタンスの値に従って決定することができる。
【数１４】
2018520514.tif 000016
【００６５】
等式（１２）を考慮する際に、当業者であれば、所与の入力電圧に関して、「ｐ」が０に向かう傾向があると、伝達関数の利得は、「Ｒｐｚｔ／Ｒｃｒｅｆ」に向かう傾向があり、かつ、「ｐ」が無限大に向かう傾向があると、伝達関数の利得は、「Ｃｃｒｅｆ／Ｃｐｚｔ」に向かう傾向があることに気付く。
【００６６】
物理的な見地からすると、周波数が０に向かう傾向があると、キャパシタＣｐｚｔ（３２）およびＣｒｅｆ（３４）は、開放回路と同等である。出力電流は、抵抗器Ｒｐｚｔ（３６）および「Ｒｃｒｅｆ」（３８）だけを通って流れる。このモードでは、デバイスは、電圧制御回路のように動作する。
【００６７】
周波数が無限大に向かう傾向があると、キャパシタＣｐｚｔ（３２）およびＣｒｅｆ（３４）は、短絡と同等である。出力電流はすべて、これらの２つのキャパシタを通って流れる。このモードでは、デバイスは、電荷制御回路のように動作する。
【００６８】
有利な点として、極めて低い周波数および極めて高い周波数では、入力信号と出力信号との間で位相シフトがない。低周波数での利得が抵抗器（３６、３８）によって決められるのに対し、高周波数では、利得はキャパシタ（３２、３４）によって決められる。
【００６９】
出力電流「ｉｓ」は、以下の等式により得られる。
【数１５】
2018520514.tif 000017
【００７０】
セットアップの時定数「τ」は、次の通りである。
τ＝Ｒｐｚｔ＊Ｃｐｚｔ  （１５）
【００７１】
電荷制御モードと電圧制御モードとの間の切り替えが自動的に行われるには、高周波数および低周波数での電圧利得が等しくなければならない。
【００７２】
この電圧利得が等しいという条件が満たされる場合、本発明のデバイスの動作は以下の通りである。
【００７３】
所与の周波数で制御信号が印加された後に、圧電アクチュエータは、ヒステリシスが低減されて、ある一定の位置へと変位される。動作が開始されるのは、ＣｒｅｆおよびＣｐｚｔからなる第１の回路（３０２）の容量性部分を用いた電荷制御モードである。
【００７４】
次に、安定した状態で、連続的な信号を印加することにより、ＲｐｚｔおよびＲｒｅｆからなる第２の回路（３０４）の抵抗性の部分が動作を開始する。これが、電圧制御モードである。
【００７５】
電圧制御利得と電荷制御利得が同一であるので、圧電アクチュエータ（３２）の端子における電圧は一定である。
【００７６】
このため、有利な点として、アクチュエータはそれ以上変位せず、変位が安定した状態に保たれる。したがって、既知の電荷制御デバイスとは異なり、クリープはもはや存在しない。
【００７７】
ファブリ−ペロー干渉計用の圧電アクチュエータの制御は、厳密な位置決め要件を守らなければならない。具体的には、これらの圧電アクチュエータは、干渉計の平面の変位および位置合わせが、０〜２００μｍの移動距離につき１ナノメートルオーダーの位置決め精度で、非常に高度な位置決めの再現性（非常に低ヒステリシス）および直線性誤差で、しかも非常に低ドリフト（非常に低クリープ）で、確実に行われなければならない。本発明のデバイスにより、これらの要件を満たすことが可能になる。
【００７８】
図４は、ファブリ−ペロー干渉計の可動ミラーの制御に適用された場合の、本発明のデバイスの例示的な実施態様を図示する。
【００７９】
図３で詳述されたようなハイブリッド制御デバイスが、演算増幅器については参照番号（４０）で、圧電アクチュエータＣｐｚｔについては参照番号（４２）で、基準キャパシタＣｒｅｆについては参照番号（４４）で、第１の抵抗器については参照番号（４６）で、および第２の抵抗器については参照番号（４８）で、それぞれ図４に示されている。
【００８０】
所望の操作上の動作を可能にするために、当業者向けに従来適用されている様々な電子部品が、本発明のデバイスの周辺に追加されている。このため、非限定的に、供給電圧（＋Ｖｃｃ、−Ｖｃｃ）を分断できるようにするためにキャパシタ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）を、および圧電アクチュエータ（４２）の端子における電圧を制限するための、単方向のトランシルダイオード（Ｄ１、Ｄ２）を追加することができる。アクチュエータによって引き出される電流を制限するために、位相補償キャパシタＣｃｍｐとともに、抵抗器Ｒｌｉｍを追加することができる。増幅器（４０）の差動入力を保護するためのダイオード（Ｄ３、Ｄ４）を、供給電圧の過電圧および極性反転からセットアップを保護するためのトランシルダイオード（Ｄ５、Ｄ６）とともに追加することができる。
【００８１】
１つの好適な実施態様では、増幅器は、−６０Ｖから＋１６０Ｖで電力供給される高圧増幅器とすることができ、アクチュエータの端子における電圧は、＋１５０Ｖおよび−２０Ｖにそれぞれ制限することができ、アクチュエータによって引き出される電流は、１３０ｍＡに制限することができる。
【００８２】
下記の表は、複数の圧電アクチュエータを、従来の電圧制御によって制御する利得２０の演算増幅器で得られたヒステリシス曲線と、本発明のデバイスによるハイブリッド制御によって制御する利得２０の演算増幅器で得られたヒステリシス曲線と、を比較した結果を示す。
【００８３】
使用された圧電アクチュエータは、以下の特性を有する。
【００８４】
【表１】
2018520514.tif 000018
【００８５】
下記の表における比較は、３つの圧電アクチュエータで得られた測定値について記載されている。
【００８６】
【表２】
2018520514.tif 000019
【００８７】
最後の列では、アクチュエータにかかわらずヒステリシスのかなりの低減を認めることができる。具体的には、電圧制御（２番目の列）が、圧電アクチュエータの変位の全振幅の２０％程度のヒステリシスであったのに対して、ハイブリッド増幅器（３番目の列）に関しては、この同じヒステリシスが約１％まで低減されている。
【００８８】
図５は、単極の制御という状況における本発明のデバイスの実施態様の１つの変形例を図示する。
【００８９】
図３で詳述されたようなハイブリッド制御デバイスが、演算増幅器については参照番号（５０）で、圧電アクチュエータＣｐｚｔについては参照番号（５２）で、基準キャパシタＣｒｅｆについては参照番号（５４）で、第１の抵抗器については参照番号（５６）で、および第２の抵抗器については参照番号（５８）で、それぞれ図５に示されている。このセットアップでは、アクチュエータ（５２）の一方の端子が接地に連結され、もう一方の端子がインピーダンスブリッジの中間点に関与している。
【００９０】
所望の操作上の動作を可能にするために、当業者向けに従来適用されている様々な電子部品が、本発明のデバイスの周辺に追加されている。このため、非限定的に、圧電アクチュエータ（５２）の端子における電圧を制限するために単方向のトランシルダイオード（Ｄ３、Ｄ４）を追加することができる。
【００９１】
図５のセットアップでは、基準電圧、およびセット（Ｒｒｅｆ、Ｃｒｅｆ）の端子の両端の電圧を等しくする目的で、計装用増幅器（５１０）が追加されている。計装用増幅器の一方の入力部が演算増幅器の出力を受け、計装用増幅器のもう一方の入力部は、インピーダンスブリッジの中間点に接続されている。計装用増幅器の出力は、ループ状に演算増幅器の反転入力部に戻る。
【００９２】
Ｒｐｚｔ＊Ｃｐｚｔ＝Ｒｒｅｆ＊Ｃｒｅｆ、すなわち、
【数１６】
2018520514.tif 000020
で表すことによって、このセットアップにより、理想的な低周波数電荷増幅器を生み出すことが可能になる。
【００９３】
ハイブリッド増幅器の動作が、２つの（電圧および電荷）制御モードの組み合わせであるので、それぞれの動作モードが優勢となる周波数範囲を識別することが重要である。この周波数範囲は、次の等式によって規定される中心周波数により特徴付けられる。
【数１７】
2018520514.tif 000021
【００９４】
ｆｃよりも高い周波数については、このとき動作が開始されるのは電荷制御モードである。また、ｆｃよりも低い周波数については、優勢であるのは電圧制御モードである。
【００９５】
このようなセットアップは、特に、制御に１０Ｖオーダーの高電圧を必要としない圧電アクチュエータの単極の制御に適している。
【００９６】
図６は、変位が大きい場合のような、制御電圧が高圧である場合の単極の制御という状況における本発明のデバイスの実施態様の１つの変形例を図示する。わかり易くするために、図４の変形例の部品のセットは、単に参考番号（４００）だけが付されており、それらは再度記載されていない。この変形例では、非反転増幅器（６０）が、ハイブリッド増幅器の上流に追加されている。
【００９７】
このセットアップでは、第１の増幅器（６０）は、制御信号Ｖｉｎを増幅するために用いられる。このとき、この増幅器の利得は、以下の関係から得られる。
【数１８】
2018520514.tif 000022
【００９８】
セットアップの第２の部分は、接地に接続されたアクチュエータの端子のうちの１つを有するハイブリッド増幅器（４００）からなる。
【００９９】
このようなセットアップでは、次の等式
【数１９】
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が保たれ、図４のセットアップにおけるのと同様なヒステリシスの低減を得ることが可能になる。このセットアップの有利な応用は、変形可能なミラーの開ループ制御のための適応光学用途である。
【０１００】
したがって本明細書は、本発明の様々な非限定的な実施態様を例示するものである。それらの例は、本発明の原理を良く理解できるように選択されているが、これらは決して網羅的ではなく、当業者が同じ原理を維持しながら、修正および実施態様の変形例を行うことを可能にすべきものである。
【０１０１】
本発明のハイブリッド増幅器により、圧電アクチュエータのヒステリシスの大きさを著しく低減させることが可能になることが示されている。したがって提案されたデバイスにより、その端子に印加された電圧、または設定値電圧に従ってアクチュエータの変位を線形化することが可能になる。
【０１０２】
本発明のデバイスの別の利点は、ヒステリシスモデル（Ｐｒｅｉｓａｃｈ、Ｍａｘｗｅｌｌ等）を必要とせず、したがって電子セットアップの限界内で、任意の圧電アクチュエータで動作可能であることである。この実施態様のために知っていなければならない唯一のパラメータは、静止時の圧電アクチュエータの固有キャパシタンスとその帯域幅であり、このようなデータは、圧電アクチュエータの製造業者のカタログで一般に入手可能である。
【０１０３】
本発明のハイブリッド増幅器の適用分野は、例えば、ナノポジショニングおよびマイクロポジショニング、メカトロニクス用途、またさらにはバーチャルリアリティの分野とすることも可能であろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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