JP3362963B2 - 歪みゲージセンサ付圧電素子アクチュエータ - Google Patents

歪みゲージセンサ付圧電素子アクチュエータ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば顕微鏡や測定器
等に於いて高精度に位置決めを行う際に必要な微動を提
供するために利用される圧電アクチュエータに係り、特
に、その微動量を測定するための歪みゲージセンサを有
する圧電アクチュエータに関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、例えばPZT(ジルコンチタ
ン酸鉛)は、200V当たり10-4程度の電歪効果があ
るが、この薄板を積層して100μm程度までの電気的
に制御できる変位アクチュエータが得られることが知ら
れている。
【0003】このような圧電アクチュエータの変位量を
検出するための変位検出センサとしては、ミクロン,サ
ブミクロンオーダの変位が検出できる安価で取扱いの簡
単な歪みゲージが使用されるのが一般的である。
【0004】しかし、歪みゲージは、温度変化により測
定誤差が発生する。この温度変化による測定誤差を減少
するための装置として、例えば、特開平3−23500
1号公報に開示されているものがある。これは、ダミー
ゲージを用いた温度補償用歪みゲージ付圧電素子であ
り、図4の(B)に示すように、圧電素子の伸びを検出
する歪みゲージであるアクティブゲージ100、圧電素
子の伸びを検出しない歪みゲージであるダミーゲージ1
02、固定抵抗104,106でブリッジ回路を構成し
てなる。ここで、例えば、温度変化が起こったときのブ
リッジ回路で測定される歪みをε0 、アクティブゲージ
100で検出される歪みをεA 、ダミーゲージ102で
検出される歪みをεD 、圧電素子の圧電逆効果による歪
みをεP 、温度変化による歪みをεt とすると、 ε0 =εA −εD =(εP +εt )−(εt ) =εP …(1) 従って、温度変化による歪みがキャンセルされ、ブリッ
ジ回路の出力が単純に圧電素子の圧電逆効果による歪み
εP だけとなるなので測定誤差が生じない。
【0005】また、特開昭63−283180号公報
は、圧電素子を容器に収納し、その容器に歪みゲージを
形成し、接着剤の影響無しに変位量を計測する手法を開
示している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平3−235001号公報に開示の手法では、圧電素
子にベンディングフォースが加わった時に、アクチュエ
ータが曲がり、歪みゲージがその曲げ方向の歪みをも検
出して、それが伸縮方向の歪みの一部として検出されて
しまう。即ち、上記(1)式に於いて、曲げ歪みをεB
とすると、 ε0 =εA −ε =(ε +εt +εB )−(εt ) =εP +εB となり、ブリッジ回路の出力に曲げ歪みεB が含まれ、
区別できないため、測定誤差となる。
【0007】また、上記特開昭63−283180号公
報に開示された手法では、圧電素子を連続的に動作させ
た場合に、圧電素子が発熱して、容器と圧電素子の間に
温度差が生じ、線膨張係数の違いによって測定誤差が生
じてしまう。
【0008】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、曲げ歪みをキャンセルして測定誤差を排除し、また
圧電素子と容器との間の線膨張係数の違いによる測定誤
差を減少し、以って高精度な1軸の変位測定を可能にす
る歪みゲージセンサ付圧電素子アクチュエータを提供す
ることを目的とする。
【0009】
【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、本発明による歪みゲージセンサ付圧電素子アクチ
ュエータは、一側面の同一直線上に伸縮方向及びその伸
縮方向と90°傾いた方向に第1及び第2の歪みゲージ
を接着し、上記一側面と対局する面に、上記第1及び第
2の歪みゲージと同様の構成の第3及び第4の歪みゲー
ジを接着してなる圧電素子と、上記第1乃至第4の歪み
ゲージで構成されたブリッジ回路とを備えることを特徴
とする。
【0010】
【作用】即ち、本発明の歪みゲージセンサ付圧電素子ア
クチュエータによれば、圧電素子の伸びを検出する歪み
ゲージであるアクティブゲージとしての第1及び第3の
歪みゲージを対向配置することにより、第1の歪みゲー
ジで計測されるテンション歪みは、第3の歪みゲージで
計測されるコンプレッション歪みによりキャンセルされ
るので、ベンディングフォースによる曲げ歪みをキャン
セルすることができ、また、上記第1及び第3の歪みゲ
ージと圧電素子の伸びを検出しない歪みゲージであるダ
ミーゲージとしての第2及び第4の歪みゲージでブリッ
ジ回路を構成することにより、温度変化による見かけの
歪みをキャンセルすることができる。
【0011】さらに、第1乃至第4の歪みゲージを直
接、圧電素子に接着することにより、圧電素子と容器と
の間の線膨張係数の違いによる測定誤差を減少すること
が可能となる。
【0012】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。まず、図1の(A)及び(B)により本発明の第
1実施例の構成を説明する。本実施例の積層型圧電素子
アクチュエータ10には、同図の(A)に示すように、
合計4枚の歪みゲージ12〜18が接着されている。こ
の場合、一方の面に、Z方向の変位を検出するための歪
みゲージ12と、それと90°ずれたX方向の変位を検
出する歪みゲージ14とが同一直線上に接着されてい
る。また、それと同様な構成の歪みゲージ16,18
が、上記歪みゲージ12,14の接着された面と対局す
る面に接着されている。即ち、歪みゲージ12,16は
圧電素子の伸縮を検出する歪みゲージであるアクティブ
ゲージとして機能し、歪みゲージ14,18は圧電素子
の伸びを検出しない歪みゲージであるダミーゲージとし
て機能する。
【0013】そして、これら歪みゲージ12〜18を用
いて、同図の(B)に示すようにブリッジ回路を構成す
る。同図に於いて、歪みゲージ12と歪みゲージ16が
対局に配置され、歪みゲージ14と歪みゲージ18が対
局に配置される。なお、同図中の参照符号Vsoは電源電
圧を、Vstは出力電圧をそれぞれ示している。
【0014】このような構成の歪みゲージセンサ付積層
型圧電素子アクチュエータ10は、例えば、図2の
(A)及び(B)に示すように、倒立型顕微鏡20に組
み込まれて使用される。即ち、圧電アクチュエータ10
が、てこ22の一端に連結されており、てこ22のもう
一端が可動部24に連結していて、可動部24が準焦部
26に接続されている。ここで、圧電素子の変位量を測
定することにより、準焦部26の変位量が判る。例え
ば、これがレーザスキャニング顕微鏡に使われた場合に
は、準焦部の変位量が正確に判ることにより、スライス
像の3次元構築画像がより鮮明になる。
【0015】次に、歪みゲージの動作について説明す
る。即ち、上記構成の積層型圧電素子アクチュエータ1
0を使用する場合、図3の(A)に示すような、てこ2
8を用いた拡大機構により、その微動量を増大すること
ができるが、てこ28によりモーメントMが発生し、圧
電アクチュエータ10にベンディングフォースが加わ
る。このベンディングフォースが圧電素子に加わった時
に、圧電素子は同図の(B)に波線で示すように曲が
る。即ち、歪みゲージ12,14が接着された面ではテ
ンションが加わり圧電素子が延び、他面ではコンプレッ
ションが加わり圧電素子が縮む。
【0016】このような場合、図1の(B)に示したよ
うなブリッジ回路では、歪みゲージ12で計測されるテ
ンション歪みは、歪みゲージ16で計測されるコンプレ
ッション歪みによりキャンセルされ、同様に、歪みゲー
ジ14の歪みは、歪みゲージ18の歪みによりキャンセ
ルされる。また、温度変化による見かけの歪みは、
(2)式から歪みゲージ12の温度変化による歪みが歪
みゲージ14の温度変化による歪みでキャンセルされ、
歪みゲージ16の温度変化による歪みは歪みゲージ18
の温度変化による歪みでキャンセルされる。
【0017】即ち、曲げ歪みεB 及び温度変化による見
かけの歪みεt が発生したとき、歪みゲージ12,1
4,16,18で検出される歪みをε12,ε14,ε16
ε18とし、ポアソン比をνとすると、ブリッジ回路で測
定される歪みε0 は、 ε0 =ε12−ε14+ε16−ε18 =(εP +εt +εB )−(−νεP +εt −νεB ) +(εP +εt −εB )−(−νεP +εt +νεB ) …(2) =2εP (1+ν) となり、曲げ歪みεB 及び温度変化による歪みεt がキ
ャンセルされ、ブリッジ回路の出力が圧電逆効果による
歪みだけになり、測定誤差がなくなる。しかもその出力
は、特開平3−235001号公報に開示された1ゲー
ジ法の出力よりも2(1+ν)倍になる作用もある。
【0018】加えて、歪みゲージと圧電素子の間の接着
層によるクリープ現象が、温度変化による歪みがキャン
セルされる原理と同じようにキャンセルされる。即ち、
クリープによる歪みをεC とすると、ブリッジ回路で測
定される歪みε0 は、 ε0 =ε12−ε14+ε16−ε18 =εC −εC +εC −εC =0 となり、接着層のクリープによる歪みがキャンセルさ
れ、測定誤差がなくなる。
【0019】さらに、歪みゲージ12〜18を直接圧電
素子に接着することにより、圧電素子と容器との間の線
膨張係数の違いによる測定誤差を減少する作用がある。
従って、上記構成によれば、曲げ方向の歪み及び温度変
化による見かけの歪みが発生しても、伸縮方向の変位量
測定には影響がなくなり、高精度の1軸の位置決めが可
能になる。
【0020】次に、本発明の第2実施例を説明する。図
4の(A)はその構成を示す図で、第1実施例の図1の
(A)に於ける1軸タイプの歪みゲージ12,14の代
わりに、2軸90°歪みゲージ30を使用し、且つ歪み
ゲージ16,18の代わりに、2軸90°歪みゲージ3
2を使用したものである。
【0021】このような構成としても、前述の第1実施
例と同様の作用効果を奏することができる。以上のよう
に、曲げ歪みの影響及び温度変化の影響に左右されるこ
となく、高精度の1軸の位置決めが行うことができるよ
うになる。なお、圧電素子が長い場合には、歪みゲージ
の数を増やし、圧電素子全体の歪みを平均化して検出す
るのが好ましい。
【0022】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
曲げ歪みをキャンセルして測定誤差を排除し、また圧電
素子と容器との間の線膨張係数の違いによる測定誤差を
減少し、以って高精度な1軸の変位測定を可能にする歪
みゲージセンサ付圧電素子アクチュエータを提供するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)及び(B)は本発明の第1実施例の歪み
ゲージセンサ付積層型圧電素子アクチュエータの構成を
説明するための斜視図及び変位量測定用ブリッジ回路の
回路構成図である。
【図2】(A)及び(B)は第1実施例の歪みゲージセ
ンサ付積層型圧電素子アクチュエータを使用した倒立型
顕微鏡の正面断面図及び側面図である。
【図3】(A)は拡大機構を示す図であり、(B)は圧
電素子の曲がりを示す図である。
【図4】(A)は本発明の第2実施例の歪みゲージセン
サ付積層型圧電素子アクチュエータの構成を説明するた
めの斜視図であり、(B)は従来のダミーゲージを用い
た温度補償用歪みゲージ付圧電素子の変位量測定用ブリ
ッジ回路の回路構成図である。
【符号の説明】
10…積層型圧電素子アクチュエータ 12〜18…歪みゲージ 20…倒立型顕微鏡 22,28…てこ 24…可動部 26…準焦部 30,32…2軸90°歪みゲージ

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一側面の同一直線上に伸縮方向及びその
    伸縮方向と90°傾いた方向に第1及び第2の歪みゲー
    ジを接着し、前記一側面と対局する面に、前記第1及び
    第2の歪みゲージと同様の構成の第3及び第4の歪みゲ
    ージを接着してなる圧電素子と、 前記第1乃至第4の歪みゲージで構成されたブリッジ回
    路と、 を具備することを特徴とする歪みゲージセンサ付圧電素
    子アクチュエータ。
  2. 【請求項2】 前記第1及び第2の歪みゲージとして第
    1の2軸90°歪みゲージを用い、且つ、前記第3及び
    第4の歪みゲージとして第2の2軸90°歪みゲージを
    用いることを特徴とする請求項1に記載の歪みゲージセ
    ンサ付圧電素子アクチュエータ。
  3. 【請求項3】 前記ブリッジ回路が、同じ方向に貼られ
    た歪みゲージどうしが対局するように構成されたことを
    特徴とする請求項1又は2に記載の歪みゲージセンサ付
    圧電素子アクチュエータ。
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