JP2017524983A - ピエゾ抵抗式ポジションセンサを備えたシステム - Google Patents

Abstract

基板（４）と、該基板（４）に少なくとも１つの固体ジョイント（６，６’，６’’）を介して結合されていると共に前記基板（４）に対して相対運動可能なプラットホーム（５）と、１つの電気的なブリッジを形成するように互いに接続された複数のピエゾ抵抗素子（１０，１０’，１４，１５，１６）を有する少なくとも１つのポジションセンサとを備えたシステムであって、前記少なくとも１つの固体ジョイント（６）に１つのピエゾ抵抗素子（１０，１０’）が配置されているシステムにおいて、前記基板（４）又は前記プラットホーム（５）に少なくとも１つのピエゾ抵抗素子（１４，１５，１６）が配置されていることを特徴とする。

Description

本発明は、基板と、該基板に少なくとも１つの固体ジョイントを介して結合されていると共に前記基板に対して相対運動可能なプラットホームと、１つの電気的なブリッジを形成するように互いに接続された複数のピエゾ抵抗素子を有する少なくとも１つのポジションセンサとを備えたシステムであって、前記少なくとも１つの固体ジョイントに１つのピエゾ抵抗素子が配置されているものに関する。

レーザ材料加工では、より小型でよりコンパクトなシステムが常に求められる。スペースを節約するための１つの可能性は、ＭＥＭＳ技術（Microelectro mechanical systems）に基づいたミラーを１つしか有さない、複数のスキャナの使用にある。典型的には、このミラーは、大型の変向ミラー用に複数が配列されて使用されるか、又は簡単な変向システムに複数が取り付けられる。この場合、これらのミラーは大抵１つの軸線を中心として傾く必要しかなく、小さな変位角を有している。レーザ加工用に十分な作業フィールドをカバーするためには、使用ミラーが１０°以上の変向角を達成する必要があり、２つの空間方向に変位可能でなければならない。更にこれらのミラーは、所定の時点に所定の変位角に達する必要があり、延いては極めて精密に制御されねばならない。ミラーの変位は固体ジョイントを介して行われるので、位置決め時に考慮せねばならない、第３の空間方向での振動問題が頻繁に生じる。ミラーを精密制御するためには、正確且つ迅速な位置決めが３つ全ての空間方向において必要である。

前記のようなポジションセンサを備えたシステムは、例えば米国特許第８５５９０８６号明細書（US 8559086 B2）から公知である。このシステムでは、ピエゾ抵抗式センサ全体、即ち４つのピエゾ抵抗素子が、１つの固体ジョイントに配置されているため、固体ジョイント自体を比較的大きく形成せねばならない。このシステムは極めて剛性であるため、大きな変位（＋／−１０°）は限定的にしか可能でない。

固体ジョイントとは、２つの剛体領域間の相対運動（回動）を曲げにより可能にする構成部材の所定領域を意味するものである。固体ジョイントは、ばね部材として形成されていることが多い。

本発明の課題は、冒頭で述べたシステムを、より正確な位置検出が可能であるように改良することにある。

この課題は本発明に基づき、基板と、該基板に少なくとも１つの固体ジョイントを介して結合されていると共に前記基板に対して相対運動可能なプラットホームと、１つの電気的なブリッジを形成するように互いに接続された複数のピエゾ抵抗素子を有する少なくとも１つのポジションセンサとを備えたシステムであって、前記少なくとも１つの固体ジョイントに１つのピエゾ抵抗素子が配置されており、且つ前記基板又は前記プラットホームに少なくとも１つのピエゾ抵抗素子が配置されているシステムによって解決される。つまり本発明では、ポジションセンサ全体が固体ジョイントに配置されているのではなく、ポジションセンサの一部である少なくとも１つのピエゾ抵抗素子は、プラットホーム又は基板、つまり剛体領域に配置されていることが想定されている。これにより、固体ジョイントにおけるポジションセンサの所要スペースを減らすことができ、その結果、固体ジョイントをより小さく形成することができる。更に、単一のピエゾ抵抗素子が、固体ジョイントのほぼ全幅を占めている、ということが可能である。これによりピエゾ抵抗素子を、ノイズが小さく保たれる大きさに形成することができる。１つのポジションセンサ、好適には全てのポジションセンサのピエゾ抵抗素子は、有利にはそれぞれ同一（の形）に形成されている。

特に好適なのは、固体ジョイントにはピエゾ抵抗素子が１つだけ配置されており、且つ剛体領域には３つのピエゾ抵抗素子が配置されていると共に、各ピエゾ抵抗素子が互いに接続されて１つのホイートストンブリッジを形成している場合である。つまり、３つのピエゾ抵抗式の抵抗器が、構造体の変形不能部分に取り付けられている。プラットホームが動くと固体ジョイントが変形し、これにより機械的な応力の変化延いてはピエゾ抵抗素子の変化がもたらされた結果として、抵抗が変化する。これにより、ホイートストンブリッジの出力信号も変化することになる。この出力信号に基づいて、位置変化を求めることができる。出力信号（所定電圧）は、ホイートストンブリッジの２つのコンタクトにおいて形成され得、ブリッジの別の２つのコンタクトには一定の電流が供給される、又は別の２つのコンタクトには一定の電圧が印加される。

少なくとも１つのピエゾ抵抗素子は、ドープされた結晶質又は多結晶質の半導体材料から形成されていてよい。これによりピエゾ抵抗素子を、局所的なドーピング、例えば結晶質のシリコンのｐ型ドーピングにより形成することが可能である。択一的にピエゾ抵抗素子は、多結晶質の半導体材料、特に多結晶質のシリコンのドーピングにより製造され得る。この場合は、絶縁層上に多結晶質の層が薄膜技術により被着され且つドーピングされてよい。多結晶質の材料から成るピエゾ抵抗素子の利点は、これらが比較的小さな光依存性を有しているという点にある。

評価電子機器に対するピエゾ抵抗素子の接続は、金属層を介して行われてよい。オーミックな接触抵抗を得るために、ピエゾ抵抗素子と金属との間のコンタクトのところで半導体材料はより強力にドーピングされてよい。ピエゾ抵抗素子のドーピングは、半導体材料のエッチングステップの前に行われてよい。

半導体結晶において、ピエゾ抵抗係数は方向に依存している。よってピエゾ抵抗素子は、好適には互いに９０°の角度を有するように置かれており、これにより、個々の素子のピエゾ抵抗係数が近似する若しくは可能な限り等しくなるようになっている。

少なくとも１つのピエゾ抵抗素子は、Ｕ字形に形成されていてよい。Ｕ字の２つのアーム間の切込みはエッチングにより形成されてよく、これにより、非ドープ領域を介した短絡、又はドープされた領域の極度に広範な拡散による短絡を回避することができる。Ｕ字形のピエゾ抵抗素子の位置において、固体ジョイントは二分されていてよい。

少なくとも１つのピエゾ抵抗素子は、非透光性の層により被覆されていてよい。この非透光性の層は、例えば光線、特にレーザ光を反射する金属層であってよいか、又は例えばレーザの光線を吸収する別の層であってよい。これにより、ポジションセンサの光に対する感度が低下されるか若しくは光の影響がほぼ排除されることになる。また、ポジションセンサの加熱延いては温度依存性も、十分に回避され得る。

１つの実施形態では、少なくとも１つの温度センサが、基板又はプラットホームに配置されていてよい。この場合、温度センサは、ポジションセンサのピエゾ抵抗素子のできるだけ近くに配置されている。ピエゾ抵抗素子は感温性なので、温度変化の影響を相殺可能にするために温度を検出することができると有利である。温度センサは、例えば金属から成る抵抗として、基板又はプラットホーム上でピエゾ抵抗素子の近くに形成されていてよい。

当該システムは、ＳＯＩ基板（Silicon-on-Insulator-Substrat）上に配置又は形成されていてよい。特に、プラットホームは複数のジョイントと共に、１つのＳＯＩウェハにエッチングにより形成されてよい。この場合、固体ジョイントとプラットホームの下側の層はエッチングにより除去される。基板及びプラットホーム上のピエゾ抵抗素子の周りを包囲するように、ＳＯＩウェハの最上層（デバイス層とも云う）に溝がエッチングされてよく、これにより、ＳＯＩウェハの最上層を、電気的により良好に絶縁することができる。

複数の固体ジョイントが設けられていてよく、これらの固体ジョイントは、プラットホームの全周に沿って配置されていてよい。特に、整数２で、好適には整数４で割り切れる数の固体ジョイントと、プラットホームの周りに均等に配置された２つ、好適には４つのポジションセンサとが設けられていてよい。特に、整数４で割り切れる数の固体ジョイントの場合には、２つのポジションセンサしか設けられていなくてよい。これにより、３自由度（ｘ方向の傾動、ｙ方向の傾動、ｚ方向の行程）を有するプラットホームのポジションを、複数のピエゾ抵抗型のセンサにより測定することが可能である。プラットホームは、静止位置ではｘｙ平面に対して平行であり、やはりｘｙ平面に対して平行に配置された固体ジョイントによって保持される。プラットホームが動くと固体ジョイントが変形し、これにより、固体ジョイントに配置されたピエゾ抵抗素子の機械的な応力が変化させられることで、同様に抵抗も変化させられる。ポジションセンサのピエゾ抵抗素子は、ホイートストンブリッジの形式で互いに接続されていてよい。

１つの好適な実施形態では、４つの固体ジョイントが各１つのピエゾ抵抗素子を有していてよい。これにより、各ピエゾ抵抗素子が互いに接続されてそれぞれ１つのホイートストンブリッジを形成している、好適には４つのポジションセンサが設けられていることになり、この場合、各固体ジョイントに設けられた４つのピエゾ抵抗素子はそれぞれ、剛体領域に設けられた他の３つのピエゾ抵抗素子に接続されて、ホイートストンブリッジを形成している。ホイートストンブリッジの各出力信号は互いに差し引きして計算可能であり、これにより、プラットホームのポジションを３自由度で求めることができる。

４つの固体ジョイントは、好適にはそれぞれ互いに９０°でプラットホームの周りに配置されている。これにより、１つの軸線を中心とした純粋な傾動において、向かい合ったホイートストンブリッジの出力信号が有する絶対値はそれぞれ同一だが、符号は異なることになる。２対のセンサの信号の比によって、傾動方向を求めることができる。絶対値からは、傾動の度合いを求めることができる。純粋にｚ方向の行程運動が行われた場合には、４つ全てのホイートストンブリッジの信号が同一絶対値と同一符号とを有することになる。このために各ホイートストンブリッジは、それぞれ同じ接続回路を有していることが望ましい。行程と傾動が同時に行われる場合、ポジションは各ホイートストンブリッジの４つの出力信号から３自由度で求めることができる。

固体ジョイントに設けられた各ピエゾ抵抗素子の位置は、それぞれ同じであることが望ましい。１つのブリッジに設けられる複数のピエゾ抵抗素子は、好適にはそれぞれ同一に形成されている。有利には、各ブリッジもそれぞれ同一に形成されている。

正確な位置決めを得るためには、各ピエゾ抵抗素子が、同形式の各固体ジョイントにおいてそれぞれ同じ位置に配置されていると有利である。

ピエゾ抵抗素子は、各固体ジョイントのプラットホーム側又は基板側に配置されていてよい。好適にはピエゾ抵抗素子は、固体ジョイントがその変形時に最大の機械的応力を有する箇所に取り付けられる。通常この箇所は、プラットホーム又は基板と結合されている、固体ジョイントの端部である。最大の機械的応力を有する箇所は、例えば固体ジョイントの中央等の、任意の別の箇所であってもよい。このことは、固体ジョイントの構成に左右される。

１つのピエゾ抵抗素子が固体ジョイントの基板側に配置されている場合には、ホイートストンブリッジの別の３つのピエゾ抵抗素子は基板上で、固体ジョイントに設けられた第１のピエゾ抵抗素子のできるだけ近くに位置決めされ、これにより各ピエゾ抵抗素子ができるだけ同一の温度を有するようにしてある。

１つのピエゾ抵抗素子が固体ジョイントのプラットホーム側の端部に位置決めされている場合には、ホイートストンブリッジの別の３つのピエゾ抵抗素子は、好適にはプラットホーム上で固体ジョイントのできるだけ近くに位置決めされ、これにより全てのピエゾ抵抗素子ができるだけ同一の温度を有するようにしてある。

プラットホームに配置された１つのピエゾ抵抗素子に通じる少なくとも１つの接続導線は、固体ジョイント上に延びていてよい。よってピエゾ抵抗素子がプラットホーム上に配置されている場合、電気的な接続部材はそこまで固体ジョイントを介して案内されていてよい。

この場合、１つの固体ジョイントに少なくとも２つの接続導線が配置されていることも考えられる。１つの固体ジョイント上に複数の導線が延びていると、当該システムは電磁界の影響を比較的受けにくくなる。固体ジョイントに配置された１つのピエゾ抵抗素子に通じる１つの接続導線は、隣の固体ジョイント及びプラットホーム又は基板を介して案内されていてよい。ピエゾ抵抗素子は、できるだけ大きく形成されていることが望ましい。この場合特に、ピエゾ抵抗素子は、固体ジョイントの全幅又はほぼ全幅を占めていてよい。つまり、１つの固体ジョイント上では１つの導線のみが案内され得る。しかしながら、ピエゾ抵抗素子を接続するためには２つの接続導線が必要である。第２の接続導線は、隣の固体エレメント上で、プラットホーム又は基板を介して案内され得る。

プラットホーム上にはミラーが配置されていてよい。この場合、当該システムは、レーザ光線の位置調整に使用可能である。

プラットホームの下には、磁石又は磁化可能な材料が配置されていてよく、磁石又は磁化可能な材料の近接領域には、少なくとも１つのコイルが設けられていてよい。このコイルにより磁界を形成することができ、この磁界が磁石又は磁化可能な材料と協働して、プラットホームを変位させることができるようになっている。特に、プラットホームは傾動させられ且つ／又はｚ方向に移動させられてよい。

有利には、ポジションセンサの信号を測定及び評価するための測定装置と評価装置とが設けられていてよい。これにより測定装置と評価装置とを用いて、プラットホームのポジション若しくは位置を確認することができるようになっている。

本発明の別の特徴及び利点は、以下の、本発明の重要な細部を示す図面に基づいた本発明の実施例の説明及び請求項から明らかである。個々の特徴は、本発明の１つの変化態様において、それ自体が個別に、又は複数が任意に組み合わされて、実現されていてよい。

以下に本発明の好適な実施例を概略的に図示し、図面につき詳しく説明する。

本発明によるシステムの概略的な断面図である。 固体ジョイントを介して基板に結合されたプラットホームを上から見た図である。 システムの一部を上から見た図である。 Ｕ字形のピエゾ抵抗素子の詳細図である。 固体ジョイントに配置されたピエゾ抵抗素子の詳細図である。 溝によって包囲されたＵ字形のピエゾ抵抗素子を示す図である。

図１には、本発明によるシステム１の極めて概略的な断面図が示されている。セラミック又はプリント基板材料から成る層２上には、電気絶縁層として形成されていてよいスペーサ３が設けられている。その上にもやはり、半導体材料から成る基板４が配置されている。基板４には固体ジョイント６を介してプラットホーム５が結合されている。プラットホーム５上にはミラー７が配置されており、ミラー７ではレーザ光線８が反射されてよい。プラットホーム５の下端部には磁石９が設けられている。その下には１つ又は複数のコイル１００が配置されている。コイル１００により形成可能な磁界により、磁石９とプラットホーム５、延いてはミラー７が動くようになっている。これにより特に、プラットホーム５を変位させることができる。

図２にはシステム１を上から見た図が示されており、この場合、ミラー７は図示されていない。ここでは、プラットホーム５が、軽く曲げられた多数の固体ジョイント６により基板４と結合されていることが認められる。更に、固体ジョイント６は、それぞれプラットホーム５の周囲に沿って均等に配分されていることが認められる。やはり半導体材料から成る固体ジョイント６の幅は、１０μｍ〜１００μｍの範囲である。好適には、固体ジョイント６のウェブの幅は３０μｍ〜６０μｍの範囲である。

図３では、固体ジョイント６のプラットホーム側に、つまりプラットホーム５が取り付けられている端部に、１つのピエゾ抵抗素子１０が設けられていることが認められ、この場合、ピエゾ抵抗素子１０はＵ字形に形成されている。ピエゾ抵抗素子１０は、２つのｐドープ部分１１と、２つの高濃度ｐドープ部分１２，１３とを有している。固体ジョイント６に設けられたピエゾ抵抗素子１０は、別の３つのピエゾ抵抗素子１４，１５，１６と接続されて、１つのホイートストンブリッジを形成している。４つのピエゾ抵抗素子を有するこのようなホイートストンブリッジは、符号１７で示されている。

ピエゾ抵抗素子１０，１４〜１６はそれぞれ、各結晶方向において近似したピエゾ抵抗係数を得るために、本実施例ではそれぞれ同じ大きさと形状とを有していて、互いに９０°回動させられている。

接続導線１８，１９，２０，２１は、独自のピエゾ抵抗素子は一切支持していない固体ジョイント６’，６’’上に延びている。つまり、接続導線１８，１９，２０，２１は、固体ジョイント６の隣に位置する固体ジョイント６’，６’’上に延びている。

ピエゾ抵抗素子１０，１４，１５，１６は、互いに近くに隣合って位置していて、それぞれ近似した温度を有している。これにより、測定結果の粗悪化が回避され得る。プラットホーム５のピエゾ抵抗素子１０，１４，１５，１６の領域には、温度センサ（ここには図示せず）が設けられていてよい。択一的又は付加的に、温度センサは基板４に配置されていてもよい。

各ピエゾ抵抗素子１０，１４，１５，１６間の間隔は、好適には１０００μｍ未満、特に好適には５００μｍ未満である。

２つの接続導線１８，２０において電流が供給可能であるのに対して、２つの接続導線１９，２１では測定装置（ここには図示せず）により出力電圧が測定され得る。

図示の実施例では４つのホイートストンブリッジ１７が示されている。つまり、４つの固体ジョイント６に各１つのピエゾ抵抗素子１０が設けられている。固体ジョイント６に設けられた４つのピエゾ抵抗素子１０は、互いに約９０°の角度を成している。所定の軸線においてプラットホーム５が純粋に傾けられると、これにより、対向して位置するホイートストンブリッジの出力信号、特に出力電圧は、それぞれ符号は異なるが同じ絶対値だけ変化させられる。つまり、２つのホイートストンブリッジを用いて、プラットホーム５が変向された向きを特定することができる。プラットホーム５がＺ方向にのみ動かされる、即ち持ち上げられる又は降下させられる場合、４つのホイートストンブリッジの出力信号は、それぞれ同一絶対値と同一符号とを有している。これらのホイートストンブリッジは全て、同一接続回路を有している。行程と傾動とが同時に行われる場合、プラットホーム５のポジションは３自由度で、それぞれホイートストンブリッジの４つの出力信号から算出され得る。

図４には、ピエゾ抵抗素子１０の１つの実施形態が示されている。ピエゾ抵抗素子１０はＵ字形に形成されている。矢印２５，２６は、電流方向を示している。

図５に示す択一的な実施形態では、ピエゾ抵抗素子１０’は直線的に形成されていて、実質的に固体ジョイント６の全幅を占めている。接続導線２７が、固体ジョイント６上を案内されている。但しピエゾ抵抗素子１０’は、他方の側でも接触接続されねばならないので、別の接続導線２８が、隣の固体ジョイント６’を介して案内されている。ピエゾ抵抗素子１０’がプラットホーム側に配置されている場合には、接続導線２８はプラットホームをも介してピエゾ抵抗素子１０’まで案内されることになる。ピエゾ抵抗素子１０’が基板側に配置されている場合には、接続導線２８は基板をも介して案内されることになる。

図６には、Ｕ字形のピエゾ抵抗素子１０の詳細図が示されている。ここでは、絶縁のためにピエゾ抵抗素子１０を取り囲んで溝３０が設けられていることが認められる。また、Ｕ字形のピエゾ抵抗素子１０の両脚部間にも溝３１が設けられている。

Claims (15)

1. 基板（４）と、該基板（４）に少なくとも１つの固体ジョイント（６，６’，６’’）を介して結合されていると共に前記基板（４）に対して相対運動可能なプラットホーム（５）と、１つの電気的なブリッジを形成するように互いに接続された複数のピエゾ抵抗素子（１０，１０’，１４，１５，１６）を有する少なくとも１つのポジションセンサとを備えたシステムであって、前記少なくとも１つの固体ジョイント（６）に１つのピエゾ抵抗素子（１０，１０’）が配置されているシステムにおいて、
   前記基板（４）又は前記プラットホーム（５）に少なくとも１つのピエゾ抵抗素子（１４，１５，１６）が配置されていることを特徴とする、システム。
2. 前記固体ジョイント（６）にはピエゾ抵抗素子（１０，１０’）が１つだけ配置されており、且つ前記基板(４）又は前記プラットホーム（５）には３つのピエゾ抵抗素子（１４，１５，１６）が配置されていると共に、各ピエゾ抵抗素子が互いに接続されて１つのホイートストンブリッジ（１７）を形成している、請求項１記載のシステム。
3. 少なくとも１つのピエゾ抵抗素子（１０，１０’，１４，１５，１６）は、ドープされた結晶質又は多結晶質の半導体材料から形成されている、請求項１又は２記載のシステム。
4. 少なくとも１つのピエゾ抵抗素子（１０）は、Ｕ字形に形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のシステム。
5. 少なくとも１つのピエゾ抵抗素子（１０，１０’，１４，１５，１６）は、非透光性の層により被覆されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のシステム。
6. 少なくとも１つの温度センサが、前記基板（４）又は前記プラットホーム（５）に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のシステム。
7. 整数２で、好適には整数４で割り切れる数の固体ジョイント（６，６’，６’’）と、前記プラットホームの周りに均等に配置された２つ、好適には４つのポジションセンサとが設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載のシステム。
8. 各前記ピエゾ抵抗素子（１０，１０’）は、同形式の各前記固体ジョイント（６）においてそれぞれ同じ位置に配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のシステム。
9. 前記ピエゾ抵抗素子（１０，１０’）は、前記各固体ジョイント（６）のプラットホーム側又は基板側に配置されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のシステム。
10. 前記プラットホーム（５）に配置された１つのピエゾ抵抗素子（１４，１５，１６）に通じる少なくとも１つの接続導線（１８，１９，２０，２１）が、１つの固体ジョイント（６’，６’’）上に延びている、請求項１から９までのいずれか１項記載のシステム。
11. １つの固体ジョイント（６’，６’’）に少なくとも２つの接続導線（１８〜２１）が配置されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のシステム。
12. １つの固体ジョイント（６）に配置された１つのピエゾ抵抗素子（１０’）に通じる１つの接続導線（２８）は、隣の固体ジョイント（６’，６’’）及び前記プラットホーム（５）又は前記基板（４）を介して案内されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のシステム。
13. 前記プラットホーム（５）上にはミラー（７）が配置されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載のシステム。
14. 前記プラットホーム（５）の下には、磁石（９）又は磁化可能な材料が配置されており、該磁石（９）又は該磁化可能な材料の領域には、少なくとも１つのコイル（１００）が設けられている、請求項１から１３までのいずれか１項記載のシステム。
15. 前記ポジションセンサの信号を測定及び評価するための測定装置と評価装置とが設けられている、請求項１から１４までのいずれか１項記載のシステム。

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