JP3400578B2 - Piezoelectric actuator - Google Patents

Piezoelectric actuator

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JP3400578B2
JP3400578B2 JP30350994A JP30350994A JP3400578B2 JP 3400578 B2 JP3400578 B2 JP 3400578B2 JP 30350994 A JP30350994 A JP 30350994A JP 30350994 A JP30350994 A JP 30350994A JP 3400578 B2 JP3400578 B2 JP 3400578B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、例えば顕微鏡や測定器
等にお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素子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を有
する圧電素子アクチュエータに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric element actuator used for providing fine movement required for highly accurate positioning in, for example, a microscope or measuring instrument, and more particularly to measuring the fine movement amount. The present invention relates to a piezoelectric element actuator having a strain gauge for working.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art Conventionally, for example, PZT (lead zircon titanate) has an electrostrictive effect of about 10 −4 per 200 V, but a displacement actuator that can be electrically controlled up to about 100 μm by laminating these thin plates has been proposed. It is known to be obtained.

【0003】このような圧電素子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。
As a displacement detecting sensor for detecting the displacement amount of such a piezoelectric element actuator, an inexpensive and easy-to-handle strain gauge which can detect displacements of the order of microns and submicrons is generally used. is there.

【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は、例えば、特開平3−2350
01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(A)に示すように、測定すべき変位方向の
伸縮を検知する位置の圧電素子アクチュエータ100表
面に変位測定用のアクティブゲージ102を貼付すると
共に、この測定すべき変位位置の伸縮を検知する位置以
外の位置に温度補償用のダミーゲージ104を貼付し、
同図の(B)に示すように、アクティブゲージ102、
ダミーゲージ104、固定抵抗106,108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102で検出される歪みをεA 、ダミゲ
ージ104で検出される歪みをεD 、圧電素子び圧電逆
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) となる。
However, in the strain gauge, a measurement error occurs due to a temperature change. As a device for reducing the measurement error due to this temperature change, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 3-2350
There is one disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 01. This is a piezoelectric element with a strain gauge for temperature compensation using a dummy gauge, and as shown in FIG. 4A, displacement measurement is performed on the surface of the piezoelectric element actuator 100 at a position where expansion / contraction in the displacement direction to be measured is detected. Along with the active gauge 102 for temperature, a dummy gauge 104 for temperature compensation is attached to a position other than the position for detecting expansion and contraction of the displacement position to be measured,
As shown in (B) of the figure, the active gauge 102,
The dummy gauge 104 and the fixed resistors 106 and 108 form a bridge circuit. Here, for example, the strain measured by the bridge circuit when a temperature change occurs is ε 0, the strain detected by the active gauge 102 is ε A, the strain detected by the dummy gauge 104 is ε D, the piezoelectric element and the piezoelectric inverse effect. If the strain is εP and the strain due to temperature change is εt, then ε0 = εA-εD = (εP + εt)-(εt) = εP (1).

【0005】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 だけとなるので測定誤差が生じない。
また、特開昭63−283180号公報には、図5の
(A)に示すように、圧電素子110を容器112に収
納し、その容器112の一側面に4枚の歪みゲージ11
4,116,118,120を形成し、接着剤の影響に
関係なく変位量を測定する圧電アクチュエータが開示さ
れている。
Therefore, the distortion due to the temperature change is canceled and the output of the bridge circuit is simply the distortion ε P due to the piezoelectric inverse effect of the piezoelectric element, so that no measurement error occurs.
Further, in Japanese Patent Laid-Open No. 63-283180, as shown in FIG. 5A, a piezoelectric element 110 is housed in a container 112, and four strain gauges 11 are provided on one side surface of the container 112.
A piezoelectric actuator is disclosed which forms 4, 116, 118 and 120 and measures the displacement amount regardless of the influence of the adhesive.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、歪みゲ
ージはその枚数と接着する場所に依存して外乱の影響を
受けやすいという問題点がある。例えば、特開平3−2
35001号公報に開示された圧電素子アクチュエータ
では、図4の(A)に示すように、圧電素子アクチュエ
ータ100にベンディングフォースFY が加わった時
に、圧電素子アクチュエータ100が曲り、歪みゲージ
102,104が曲げ方向の歪みをも検出してしまい、
それが伸縮方向の歪みの一部として検出されてしまう。
However, there is a problem that the strain gauge is susceptible to disturbance depending on the number of sheets and the place where the strain gauge is bonded. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 3-2
In the piezoelectric element actuator disclosed in Japanese Patent No. 35001, as shown in FIG. 4A, when a bending force FY is applied to the piezoelectric element actuator 100, the piezoelectric element actuator 100 bends and the strain gauges 102 and 104 bend. It also detects distortion in the direction,
That is detected as a part of the distortion in the expansion / contraction direction.

【0007】即ち、上記(1)式において、曲げ歪みを
εBYとすると、 ε0 =εA −εD =(εP +εt +εBY)−(−νεBY+εt ) =εP +εBY(1+ν) となり、ブリッジ回路の出力VSTに曲げ歪みεBYが含ま
れ、これを区別できないため、測定誤差となってしま
う。
That is, in the equation (1), when the bending strain is εBY, ε0 = εA -εD = (εP + εt + εBY)-(-νεBY + εt) = εP + εBY (1 + ν), and the output VST of the bridge circuit is bent. The distortion εBY is included and cannot be distinguished, resulting in a measurement error.

【0008】そこで、本発明の発明者は、このような1
方向からのベンディングフォースFY が圧電素子アクチ
ュエータに加わったときのモーメントによる測定誤差を
減少させるために、歪みゲージを4枚使用する4ゲージ
アクティブ・ダミー法を提案し、特願平6−11286
4号として出願している。
Therefore, the inventor of the present invention has
In order to reduce the measurement error due to the moment when a bending force FY from the direction is applied to the piezoelectric element actuator, we proposed a 4-gauge active dummy method that uses four strain gauges.
I am applying for No. 4.

【0009】即ち、図5の(B)に示すように、歪みゲ
ージ102及び104の貼付された圧電素子アクチュエ
ータ100の表面と対局する面に、同様の歪みゲージ1
02’及び104’を貼付し、同図の(C)に示すよう
に、これら歪みゲージ102,104,102’,10
4’でブリッジ回路を構成するようにしている。
That is, as shown in FIG. 5B, a similar strain gauge 1 is formed on the surface which faces the surface of the piezoelectric element actuator 100 to which the strain gauges 102 and 104 are attached.
02 'and 104' are attached, and these strain gauges 102, 104, 102 ', 10 are attached as shown in FIG.
4'constitutes a bridge circuit.

【0010】ここで、歪みゲージ102,104,10
2’,104’で検出される歪みをε102 、ε104 、ε
102'、ε104'とし、ベンディングフォースFY による曲
げ歪みをεBYとすると、 ε0 =ε102 −ε104 +ε102'−ε104' =(εP +εBY)−(−νεP −νεBY)+(εP −ε
BY)−(−νεP +νεBY) =2εP (1+ν) となり曲げ歪みがキャンセルされる。
Here, the strain gauges 102, 104, 10
The strains detected at 2'and 104 'are represented by ε 102, ε 104, ε
102 ′, ε104 ′, and the bending strain due to bending force FY is εBY, ε0 = ε102 −ε104 + ε102′−ε104 ′ = (εP + εBY) − (− νεP −νεBY) + (εP −ε
BY)-(-νεP + νεBY) = 2εP (1 + ν), and the bending strain is canceled.

【0011】このように、特願平6−112864号の
圧電素子アクチュエータでは、1方向からのベンディン
グフォースFY が加わったときのモーメントによる測定
誤差を減少させることが可能であるが、同図の(B)に
示すように、上記ベンディングフォースFY と直交する
方向のベンディングフォースFX が加わった場合につい
ての対処はまだ不十分であった。
As described above, in the piezoelectric element actuator of Japanese Patent Application No. 6-112864, it is possible to reduce the measurement error due to the moment when the bending force FY from one direction is applied. As shown in B), the countermeasure against the case where the bending force FX in the direction orthogonal to the bending force FY is added is still insufficient.

【0012】即ち、ベンディングフォースFX が圧電素
子アクチュエータ100に加わったときの曲げ歪みをε
BXとすると、 ε0 =ε102 −ε104 +ε102'−ε104' =(εP )−(νεP −εBX)+(εP )−(−νεP
−εBX) =2εP (1+ν)+2εBX となり、曲げ歪みεBXがキャンセルされず、伸縮方向の
歪みの一部として検出されてしまい、測定誤差となる。
That is, the bending strain when the bending force FX is applied to the piezoelectric element actuator 100 is ε.
If BX, then ε0 = ε102 -ε104 + ε102'-ε104 '= (εP)-(νεP -εBX) + (εP)-(-νεP
−εBX) = 2εP (1 + ν) + 2εBX, and the bending strain εBX is not canceled and is detected as a part of the strain in the expansion / contraction direction, resulting in a measurement error.

【0013】同様に、特開昭63−283180号公報
の圧電素子アクチュエータでは、歪みゲージ114,1
16,118,120で測定される歪みをそれぞれε11
4 、ε116 、ε118 、ε120 とし、ベンディングフォー
スFX ,FY による曲げ歪みをεBX,εBYとすると、 ε0 =ε114 −ε116 +ε118 −ε120 =(εP +εBX)−(−εBY)+(εP +εBX)−(−
εBY) =2(εP +εBX+εBY) となり、ブリッジ回路の出力に、εBXとεBYが含まれ区
別できないため、測定誤差となる。
Similarly, in the piezoelectric element actuator disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 63-283180, strain gauges 114, 1
The strains measured at 16, 118 and 120 are ε 11
4, ε116, ε118 and ε120, and bending strains due to bending forces FX and FY are εBX and εBY, then ε0 = ε114 -ε116 + ε118 -ε120 = (εP + εBX)-(-εBY) + (εP + εBX)-(-
εBY) = 2 (εP + εBX + εBY), and since the output of the bridge circuit includes εBX and εBY and cannot be distinguished, a measurement error occurs.

【0014】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、X及びYの2軸方向からのベンディングフォースに
よる曲げ歪みをキャンセルして測定誤差を排除すること
により、圧電素子アクチュエータの伸縮方向の変位量の
みを検出し、高精度な1軸の変位測定を可能にする圧電
素子アクチュエータを提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above points, and cancels bending strain due to bending force in the two X-axis and Y-axis directions to eliminate a measurement error, thereby extending and contracting directions of the piezoelectric element actuator. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric element actuator that can detect only the displacement amount of 1 and measure uniaxial displacement with high accuracy.

【0015】[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、本発明による圧電素子アクチュエータは、それぞ
れ伸縮方向に平行な複数の面を有する圧電素子と、前記
圧電素子の複数の面の内の互いに直角の関係を持つ4面
のそれぞれに少なくとも1枚ずつ接着された、前記伸縮
方向の変位を測定するための複数の歪みゲージと、前記
複数の歪みゲージのそれぞれの曲げ歪みを含む前記圧電
素子の伸縮方向の伸縮量に相当する値を検出するための
複数のブリッジ回路と、前記圧電素子の伸縮方向以外の
方向の曲げ歪みをキャンセルするように、前記複数のブ
リッジ回路の出力を演算処理する演算手段とを備えるこ
とを特徴とする。
In order to achieve the above object, a piezoelectric element actuator according to the present invention comprises a piezoelectric element having a plurality of surfaces each parallel to a stretching direction, and a plurality of surfaces of the piezoelectric element. A plurality of strain gauges, which are bonded to each of the four surfaces having a right angle relationship with each other, for measuring the displacement in the expansion and contraction direction, and the piezoelectric including bending strains of the plurality of strain gauges. A plurality of bridge circuits for detecting a value corresponding to the amount of expansion and contraction of the element in the direction of expansion and contraction, and arithmetic processing of the outputs of the plurality of bridge circuits so as to cancel bending strain in directions other than the direction of expansion and contraction of the piezoelectric element. And a calculation means for performing the calculation.

【0016】[0016]

【作用】即ち、本発明の圧電素子アクチュエータによれ
ば、圧電素子の複数の面の内の互いに直角の関係を持つ
4面のそれぞれに少なくとも1枚ずつ、前記伸縮方向の
変位を測定するための複数の歪みゲージを接着し、ブリ
ッジ回路で、これら複数の歪みゲージのそれぞれの曲げ
歪みを含む前記圧電素子の伸縮方向の伸縮量に相当する
値を検出する。そして、演算手段で、前記圧電素子の伸
縮方向以外の方向の曲げ歪みをキャンセルするように、
前記複数のブリッジ回路の出力を演算処理して、圧電素
子の伸縮量を算出する。
That is, according to the piezoelectric element actuator of the present invention, at least one sheet is arranged on each of the four surfaces of the piezoelectric element, which have a perpendicular relationship to each other, to measure the displacement in the expansion / contraction direction. A plurality of strain gauges are adhered to each other, and a bridge circuit detects a value corresponding to the expansion / contraction amount in the expansion / contraction direction of the piezoelectric element including the bending strain of each of the plurality of strain gauges. Then, in the calculating means, so as to cancel the bending strain in a direction other than the expansion and contraction direction of the piezoelectric element,
The outputs of the plurality of bridge circuits are arithmetically processed to calculate the expansion / contraction amount of the piezoelectric element.

【0017】[0017]

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を説
明する。本実施例の圧電素子アクチュエータにおいて
は、図1の(A)及び(B)に示すように、四角柱形状
の圧電素子アクチュエータ10の4つの側面それぞれに
歪みゲージ12,14,16,18が1枚づつ、即ち9
0°離れて接着されている。そして、それら歪みゲージ
12,14,16,18は、同図の(C)に示すよう
に、対応するブリッジ回路20,22,24,26に接
続されている。これらブリッジ回路20,22,24,
26の内部は、図2の(A)に示すように、1枚の歪み
ゲージ12,14,16,又は18と、3個の固定抵抗
R1,R2,R3から構成されている。そして、それぞ
れのブリッジ回路20,22,24,26の出力Vst
は、演算部28に接続され、この演算部28で曲げ歪み
がキャンセルするように演算されて、その結果が出力モ
ニタ30に表示される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the piezoelectric element actuator of the present embodiment, as shown in FIGS. 1A and 1B, the strain gauges 12, 14, 16, 18 are respectively provided on the four side surfaces of the quadrangular prism-shaped piezoelectric element actuator 10. Sheet by sheet, ie 9
It is glued 0 ° apart. The strain gauges 12, 14, 16 and 18 are connected to the corresponding bridge circuits 20, 22, 24 and 26 as shown in FIG. These bridge circuits 20, 22, 24,
As shown in FIG. 2A, the inside of 26 is composed of one strain gauge 12, 14, 16, or 18 and three fixed resistors R1, R2, R3. Then, the output Vst of each bridge circuit 20, 22, 24, 26
Is connected to the calculation unit 28, and is calculated by the calculation unit 28 so as to cancel the bending strain, and the result is displayed on the output monitor 30.

【0018】このような構成の型圧電素子アクチュエー
タ10は、例えば、図2の(B)に示すように、倒立型
顕微鏡32に組み込まれて使用される。即ち、圧電素子
アクチュエータ10が、てこ34の一端に連結されてお
り、てこ34のもう一端が可動部36に連結していて、
可動部36が準焦部38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38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。ここで、圧電素子は一般的に変位量が小さいという
ことに対処するため、図3の(A)に示すように、拡大
機構としててこ34が使用されている。
The type piezoelectric element actuator 10 having such a configuration is used by being incorporated in an inverted microscope 32 as shown in FIG. 2B, for example. That is, the piezoelectric element actuator 10 is connected to one end of the lever 34, and the other end of the lever 34 is connected to the movable portion 36.
The movable unit 36 is connected to the focusing unit 38. Here, by measuring the displacement amount of the piezoelectric element, the displacement amount of the focusing portion 38 can be known. For example, when this is used in a laser scanning microscope, the displacement amount of the quasi-focal part can be accurately known, so that the three-dimensional construction image of the slice image becomes clearer. Here, in order to cope with the fact that the piezoelectric element generally has a small amount of displacement, a lever 34 is used as an enlarging mechanism, as shown in FIG.

【0019】次に、本実施例の動作を説明する。即ち、
上記構成の積層型圧電素子アクチュエータ10を使用す
る場合、図3の(A)に示すような、てこ34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34によりモーメントMが発生し、圧電素子ア
クチュエータ10にベンディングフォースが加わる。
Next, the operation of this embodiment will be described. That is,
When the laminated piezoelectric element actuator 10 having the above structure is used, the amount of fine movement can be increased by the magnifying mechanism using the lever 34 as shown in FIG. Occurs, and a bending force is applied to the piezoelectric element actuator 10.

【0020】図3の(B)は、ベンディングフォースF
X 及びFY が圧電素子アクチュエータ10に加わったと
きの圧電素子アクチュエータ10の変形の様子を示して
いる。即ち、ベンディングフォースFX により、歪みゲ
ージ14にはテンションが加わり、歪みゲージ18には
コンプレッションが加わる。さらに、ベンディングフォ
ースFY により、歪みゲージ16にはテンションが加わ
り、歪みゲージ12にはコンプレッションが加わる。
FIG. 3B shows the bending force F.
4 shows how the piezoelectric element actuator 10 is deformed when X and FY are applied to the piezoelectric element actuator 10. That is, due to the bending force FX, tension is applied to the strain gauge 14 and compression is applied to the strain gauge 18. Further, due to the bending force FY, tension is applied to the strain gauge 16 and compression is applied to the strain gauge 12.

【0021】このような場合、図2の(A)に示したよ
うなブリッジ回路でそれぞれの歪みを検出し、演算部2
8にて、歪みゲージ14のテンションは歪みゲージ18
のコンプレッションによりキャンセルされると同時に、
歪みゲージ16のテンションは歪みゲージ12のコンプ
レッションによりキャンセルされるように演算させる。
即ち、ベンディングフォースによる曲げ歪みが発生した
とき、歪みゲージ12,14,16,18で検出される
歪みをε12,ε14,ε16,ε18、圧電素子び圧電逆効果
による歪みをεP 、ベンディングフォースFY による曲
げ歪みをεBY、ベンディングフォースFX による曲げ歪
みをεBXとすると、 ε12=εp +εBX ε14=εp +εBY ε16=εp −εBX ε18=εp −εBY であり、ここで曲げ歪みをキャンセルするには、下記の
演算処理を行う。
In such a case, the respective distortions are detected by the bridge circuit as shown in FIG.
8, the strain gauge 14 tension is strain gauge 18
At the same time it is canceled by the compression of
The tension of the strain gauge 16 is calculated so as to be canceled by the compression of the strain gauge 12.
That is, when bending strain due to bending force occurs, strain detected by strain gauges 12, 14, 16, 18 is ε 12, ε 14, ε 16, ε 18, strain due to piezoelectric element and piezoelectric inverse effect is ε P, and bending force FY is caused. If the bending strain is εBY and the bending strain due to the bending force FX is εBX, then ε12 = εp + εBX ε14 = εp + εBY ε16 = εp −εBX ε18 = εp −εBY. Perform processing.

【0022】ε0 =ε12+ε14+ε16+ε18 =(εp +εBX)+(εp +εBY)+(εp −εBX)+
(εp −εBY) =4εP となり、曲げ歪みがキャンセルされ、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、測定誤差が無く
なる。さらに、その出力は歪みゲージ1枚使用時の出力
の4倍になるという効果もある。
Ε0 = ε12 + ε14 + ε16 + ε18 = (εp + εBX) + (εp + εBY) + (εp−εBX) +
(Εp−εBY) = 4εP, the bending strain is canceled, the output of the bridge circuit is only strain due to the piezoelectric inverse effect, and the measurement error is eliminated. Further, there is also an effect that the output becomes four times as large as the output when one strain gauge is used.

【0023】上記構成によれば、X及びYの2軸方向か
らのベンディングフォースによる曲げ歪みが発生して
も、伸縮方向の変位量測定には影響がなくなり、圧電素
子アクチュエータの変位測定が高精度にできるので、圧
電素子アクチュエータによる1軸の位置決めを高精度に
行うことが可能になる。
According to the above construction, even if bending strain occurs due to bending force in the X and Y biaxial directions, the displacement amount measurement in the expansion / contraction direction is not affected, and the displacement measurement of the piezoelectric element actuator is highly accurate. Therefore, it is possible to perform uniaxial positioning by the piezoelectric element actuator with high accuracy.

【0024】なお、本発明は、上記実施例に限定される
ものではないことは勿論である。例えば、図3の(C)
に示すような八角形のように、圧電素子アクチュエータ
の断面が四角形以外でも構わない。
Of course, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in FIG.
The piezoelectric element actuator may have a cross section other than a quadrangle, such as an octagon as shown in FIG.

【0025】以上実施例に基づいて本発明を説明した
が、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能で
ある。ここで、本発明の要旨をまとめると以下のように
なる。
Although the present invention has been described based on the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and applications are possible within the scope of the present invention. Here, the summary of the present invention is summarized as follows.

【0026】(1) それぞれ伸縮方向に平行な複数の
面を有する圧電素子と、前記圧電素子の複数の面の内の
互いに直角の関係を持つ4面のそれぞれに少なくとも1
枚ずつ接着された、前記伸縮方向の変位を測定するため
の複数の歪みゲージと、前記複数の歪みゲージのそれぞ
れの曲げ歪みを含む前記圧電素子の伸縮方向の伸縮量に
相当する値を検出するための複数のブリッジ回路と、前
記圧電素子の伸縮方向以外の方向の曲げ歪みをキャンセ
ルするように、前記複数のブリッジ回路の出力を演算処
理する演算手段と、を具備することを特徴とする圧電素
子アクチュエータ。
(1) At least 1 is provided for each of the piezoelectric element having a plurality of surfaces parallel to the expansion and contraction direction and each of the four surfaces having a right angle relationship among the plurality of surfaces of the piezoelectric element.
Detecting a plurality of strain gauges, which are bonded one by one, for measuring the displacement in the expansion / contraction direction, and a value corresponding to the expansion / contraction amount in the expansion / contraction direction of the piezoelectric element including the bending strain of each of the plurality of strain gauges. A plurality of bridge circuits, and a computing means for computing the outputs of the plurality of bridge circuits so as to cancel the bending strain in a direction other than the expansion / contraction direction of the piezoelectric element. Element actuator.

【0027】即ち、X及びYの2軸方向からのベンディ
ングフォースによる曲げ歪みが発生しても、圧電素子の
伸縮方向以外の方向の曲げ歪みをキャンセルするように
演算することで、伸縮方向の変位量測定には影響がなく
なり、圧電素子アクチュエータの変位測定が高精度にで
きるので、圧電素子アクチュエータによる1軸の位置決
めを高精度に行うことが可能になる。
That is, even if bending strain due to bending force from the two X- and Y-axis directions occurs, the displacement in the expansion / contraction direction is calculated by canceling the bending strain in directions other than the expansion / contraction direction of the piezoelectric element. Since the quantity measurement is not affected and the displacement of the piezoelectric element actuator can be measured with high accuracy, it is possible to perform positioning of one axis by the piezoelectric element actuator with high accuracy.

【0028】(2) 90°離れた4面の各面に少なく
とも1枚ずつ、伸縮方向の変位を測定するための歪みゲ
ージを配置した圧電素子と、前記歪みゲージそれぞれに
ついて設けられ、当該歪みゲージと3つの固定抵抗とで
構成されるブリッジ回路と、前記ブリッジ回路のそれぞ
れの出力を演算処理する演算手段と、を具備することを
特徴とする圧電素子アクチュエータ。
(2) A piezoelectric element in which at least one strain gauge is arranged on each of the four sides separated by 90 ° and a strain gauge for measuring the displacement in the expansion / contraction direction is provided for each strain gauge. A piezoelectric element actuator comprising: a bridge circuit composed of a fixed resistor and three fixed resistors, and an arithmetic means for arithmetically processing each output of the bridge circuit.

【0029】即ち、X及びYの2軸方向からのベンディ
ングフォースによる曲げ歪みが発生しても、圧電素子の
伸縮方向以外の方向の曲げ歪みをキャンセルするように
演算することで、伸縮方向の変位量測定には影響がなく
なり、圧電素子アクチュエータの変位測定が高精度にで
きるので、圧電素子アクチュエータによる1軸の位置決
めを高精度に行うことが可能になる。
That is, even if bending strain due to bending force from the two X- and Y-axis directions occurs, the displacement in the expansion / contraction direction is calculated by canceling the bending strain in directions other than the expansion / contraction direction of the piezoelectric element. Since the quantity measurement is not affected and the displacement of the piezoelectric element actuator can be measured with high accuracy, it is possible to perform positioning of one axis by the piezoelectric element actuator with high accuracy.

【0030】(3) 前記演算手段は、前記複数のブリ
ッジ回路の出力を加算することを特徴とする(1)又は
(2)に記載の圧電素子アクチュエータ。即ち、互いに
逆方向の曲げ歪みを加算することによりキャンセルでき
る。
(3) The piezoelectric element actuator according to (1) or (2), wherein the arithmetic means adds the outputs of the plurality of bridge circuits. That is, it can be canceled by adding bending strains in opposite directions.

【0031】(4) 印加電圧に応じて伸縮する圧電素
子と、前記圧電素子の伸縮方向に直角な第1の方向に加
わる外圧により前記圧電素子が変位したときに、テンシ
ョンが加わるよう配置された第1の歪みゲージと、前記
第1の方向に加わる外圧により前記圧電素子が変位した
ときに、コンプレッションが加わるよう配置された第2
の歪みゲージと、前記圧電素子の伸縮方向に直角であり
且つ前記第1の方向に直角な第2の方向に加わる外圧に
より前記圧電素子が変位したときに、テンションが加わ
るよう配置された第3の歪みゲージと、前記第2の方向
に加わる外圧により前記圧電素子が変位したときに、コ
ンプレッションが加わるよう配置された第4の歪みゲー
ジと、前記第1乃至第4の歪みゲージのそれぞれのテン
ション及びコンプレッションによる曲げ歪みを含む前記
圧電素子の伸縮方向の伸縮量に相当する値を検出するた
めの第1乃至第4のブリッジ回路と、前記圧電素子の伸
縮方向以外の方向の曲げ歪みをキャンセルするように、
前記第1乃至第4のブリッジ回路の出力を加算演算処理
する演算手段と、を具備することを特徴とする圧電素子
アクチュエータ。
(4) A piezoelectric element which expands and contracts in response to an applied voltage and a tension is applied when the piezoelectric element is displaced by an external pressure applied in a first direction perpendicular to the expansion and contraction direction of the piezoelectric element. A first strain gauge and a second strain gauge arranged to apply compression when the piezoelectric element is displaced by an external pressure applied in the first direction.
And a third strain gauge arranged to apply tension when the piezoelectric element is displaced by an external pressure applied in a second direction perpendicular to the expansion and contraction direction of the piezoelectric element and perpendicular to the first direction. Strain gauge, a fourth strain gauge arranged to apply compression when the piezoelectric element is displaced by an external pressure applied in the second direction, and tensions of the first to fourth strain gauges. And first to fourth bridge circuits for detecting a value corresponding to the amount of expansion / contraction in the expansion / contraction direction of the piezoelectric element, including bending distortion due to compression, and the bending distortion of the piezoelectric element in directions other than the expansion / contraction direction. like,
A piezoelectric element actuator comprising: an arithmetic unit that performs addition arithmetic processing on the outputs of the first to fourth bridge circuits.

【0032】即ち、X及びYの2軸方向からのベンディ
ングフォースによる曲げ歪みが発生しても、圧電素子の
伸縮方向以外の方向の曲げ歪みをキャンセルするように
演算することで、伸縮方向の変位量測定には影響がなく
なり、圧電素子アクチュエータの変位測定が高精度にで
きるので、圧電素子アクチュエータによる1軸の位置決
めを高精度に行うことが可能になる。
That is, even if bending strain due to bending force from the X and Y biaxial directions occurs, the displacement in the expansion / contraction direction is calculated by canceling the bending strain in directions other than the expansion / contraction direction of the piezoelectric element. Since the quantity measurement is not affected and the displacement of the piezoelectric element actuator can be measured with high accuracy, it is possible to perform positioning of one axis by the piezoelectric element actuator with high accuracy.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
X及びYの2軸方向からのベンディングフォースによる
曲げ歪みをキャンセルして測定誤差を排除することによ
り、圧電素子アクチュエータの伸縮方向の変位量のみを
検出し、高精度な1軸の変位測定を可能にする圧電素子
アクチュエータを提供することができる。
As described in detail above, according to the present invention,
By canceling bending strain due to bending force from the X and Y biaxial directions and eliminating measurement errors, it is possible to detect only the displacement amount of the piezoelectric element actuator in the expansion and contraction direction and perform highly accurate uniaxial displacement measurement. The piezoelectric element actuator can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】(A)乃至(C)は実施例の圧電素子アクチュ
エータの構成を説明するための斜視図、平面図、及びブ
ロック構成図である。
1A to 1C are a perspective view, a plan view, and a block configuration diagram for explaining a configuration of a piezoelectric element actuator of an embodiment.

【図2】(A)は図1の(C)中の各ブリッジ回路の回
路構成を示す図であり、(B)は実施例の圧電素子アク
チュエータを使用した倒立型顕微鏡の正面図である。
2A is a diagram showing a circuit configuration of each bridge circuit in FIG. 1C, and FIG. 2B is a front view of an inverted microscope using the piezoelectric element actuator of the embodiment.

【図3】(A)は拡大機構を示す図、(B)は圧電素子
の曲がりを示す図であり、(C)は他の実施例の圧電素
子アクチュエータの平面図である。
3A is a diagram showing an enlarging mechanism, FIG. 3B is a diagram showing bending of a piezoelectric element, and FIG. 3C is a plan view of a piezoelectric element actuator of another embodiment.

【図4】(A)及び(B)は従来の圧電素子アクチュエ
ータの構成を示す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。
4A and 4B are a perspective view showing a configuration of a conventional piezoelectric element actuator and a circuit configuration diagram of a displacement amount measuring bridge circuit.

【図5】(A)は従来の圧電素子アクチュエータの別の
例を示す斜視図であり、(B)及び(C)は従来の圧電
素子アクチュエータのさらに別の例を示すための斜視図
及び変位量測定用ブリッジ回路の回路構成図である。
5A is a perspective view showing another example of a conventional piezoelectric element actuator, and FIGS. 5B and 5C are perspective views and displacements showing yet another example of a conventional piezoelectric element actuator. It is a circuit block diagram of a bridge circuit for quantity measurement.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…圧電素子アクチュエータ 12,14,16,18…歪みゲージ 20,22,24,26…ブリッジ回路 28…演算部 30…出力モニタ 32…倒立型顕微鏡 34…てこ 36…可動部 38…準焦部 10 ... Piezoelectric actuator 12, 14, 16, 18 ... Strain gauge 20, 22, 24, 26 ... Bridge circuit 28 ... Operation unit 30 ... Output monitor 32 ... Inverted microscope 34 ... 36 ... Movable part 38 ... Semi-focus section

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 それぞれ伸縮方向に平行な複数の面を有
する圧電素子と、 前記圧電素子の複数の面の内の互いに直角の関係を持つ
4面のそれぞれに少なくとも1枚ずつ接着された、前記
伸縮方向の変位を測定するための複数の歪みゲージと、 前記複数の歪みゲージのそれぞれの曲げ歪みを含む前記
圧電素子の伸縮方向の伸縮量に相当する値を検出するた
めの複数のブリッジ回路と、 前記圧電素子の伸縮方向以外の方向の曲げ歪みをキャン
セルするように、前記複数のブリッジ回路の出力を演算
処理する演算手段と、 を具備することを特徴とする圧電素子アクチュエータ。
1. A piezoelectric element having a plurality of surfaces each parallel to a direction of expansion and contraction, and at least one sheet bonded to each of four surfaces of the plurality of surfaces of the piezoelectric element having a mutually orthogonal relationship, A plurality of strain gauges for measuring the displacement in the expansion / contraction direction, and a plurality of bridge circuits for detecting a value corresponding to the expansion / contraction amount in the expansion / contraction direction of the piezoelectric element including the bending strain of each of the plurality of strain gauges. A piezoelectric element actuator comprising: arithmetic means for arithmetically processing the outputs of the plurality of bridge circuits so as to cancel bending strain in a direction other than the expansion / contraction direction of the piezoelectric element.
【請求項2】 90°離れた4面の各面に少なくとも1
枚ずつ、伸縮方向の変位を測定するための歪みゲージを
配置した圧電素子と、 前記歪みゲージそれぞれについて設けられ、当該歪みゲ
ージと3つの固定抵抗とで構成されるブリッジ回路と、 前記ブリッジ回路のそれぞれの出力を演算処理する演算
手段と、 を具備することを特徴とする圧電素子アクチュエータ。
2. At least one on each of four sides separated by 90 °
Piezoelectric elements in which strain gauges for measuring displacement in the expansion and contraction direction are arranged one by one, a bridge circuit that is provided for each of the strain gauges and that is composed of the strain gauge and three fixed resistors, and the bridge circuit. A piezoelectric element actuator comprising: an arithmetic unit that arithmetically processes each output.
【請求項3】 前記演算手段は、前記複数のブリッジ回
路の出力を加算することを特徴とする請求項1又は2に
記載の圧電素子アクチュエータ。
3. The piezoelectric element actuator according to claim 1, wherein the arithmetic means adds outputs of the plurality of bridge circuits.
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