JP3913526B2

JP3913526B2 - Displacement sensor, manufacturing method thereof and positioning stage

Info

Publication number: JP3913526B2
Application number: JP2001331941A
Authority: JP
Inventors: 睦夫宗片; 俊郎樋口; 淳古田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2021-10-30
Also published as: JP2003139504A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微動位置決めに用いられる変位センサとその製造方法および変位センサを備えた位置決めステージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
微小な変位を測定する変位センサとして歪みゲージを用いたものが知られている。例えば、図９は歪みゲージ９４ａ〜９４ｄを用いた変位センサ９０の概略構造を示す斜視図であり、図１０は歪みゲージ９４ａ〜９４ｄの接続回路を示す説明図である。変位センサ９０は基台部９１と、基台部９１に固定された板状の起歪材９２と、起歪材９２に取り付けられたセンサヘッド９３と、起歪材９２の表裏面に設けられた歪みゲージ９４ａ〜９４ｄとを有し、歪みゲージ９４ａ〜９４ｄの入出力ターミナル９８が基台部９１に設けられている。
【０００３】
起歪材９２には金属板等が用いられ、歪みゲージ９４ａ〜９４ｄは、ポリイミド等の樹脂ベース（板）９５に所定のパターンに加工されたＣｕ‐Ｎｉ合金等の金属箔９６が接着剤で貼付された構造を有している。この金属箔９６が感歪材料として機能する。歪みゲージ９４ａ〜９４ｄは接着剤を用いて起歪材９２に貼付されている。
【０００４】
歪みゲージ９４ａ〜９４ｄの抵抗をＲ_１〜Ｒ_４とし、歪みゲージ９４ａ〜９４ｄに生ずる歪みをε_１〜ε_４とし、そのときの歪みゲージ９４ａ〜９４ｄにおける抵抗変化量をΔＲ_１〜ΔＲ_４とすると、ブリッジ入力電圧Ｖinとブリッジ出力電圧Ｖoutとの関係は次式（１）で示される。ここで、Ｋはゲージ率である。
【０００５】
【数１】

【０００６】
歪みε_２とε_３の項の符号は負であるので、ε_２とε_３自体が負の歪みであると、項全体では符号が正になり４つの歪みε_１〜ε_４の全項が積算される。これによりブリッジ出力電圧Ｖoutが大きくなる。またブリッジ出力電圧Ｖoutを大きくするためには、歪みε_１〜ε_４が一定であれば、ゲージ率Ｋ、ブリッジ入力電圧Ｖinを大きくすればよいことがわかる。
【０００７】
基台部９１が固定された状態でセンサヘッド９３を図９中の矢印Ａで示す下向きに移動させると、起歪材９２に反りが生じて、歪みゲージ９４ａ・９４ｄでは抵抗が大きくなり、歪みゲージ９４ｂ・９４ｃでは抵抗が小さくなる。したがって、歪みゲージ９４ａ〜９４ｄを図１０に示すようにブリッジ接続することで、歪みゲージ９４ａを１個だけ用いた場合の４倍の出力電圧を得ることができる。なお、図９に示す符号９７はブリッジバランスをとるための補正抵抗である。また、図８にセンサヘッド９３の変位量とブリッジ出力電圧との関係を示す。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような変位センサ９０では、歪みゲージ９４ａ〜９４ｄを接着剤を用いて起歪材９２に貼付している。このために、この接着剤の弾性係数が小さい場合には歪みが十分に歪みゲージ９４ａ〜９４ｄに伝わらないという問題が生じ、逆に弾性係数が大きい接着剤には脆くて熱に弱いという欠点がある。そのため歪みゲージ９４ａ〜９４ｄを接着剤を用いて起歪材９２に貼付した場合には、接着層の厚みによって温度ドリフトが生じ、また接着層がダンパーの働きをするために感度低下が生じ、さらに接着層の経時劣化が生ずることによって、正確な変位量の測定を行うことが困難であった。また歪みゲージ９４ａ〜９４ｄを位置精度よく起歪材９２の表裏面に取り付けることが困難であり、さらに歪みゲージ９４ａ〜９４ｄと起歪材９２との間の接着層の厚みをそれぞれの歪みゲージ９４ａ〜９４ｄについて一定とすることが困難なために、検出感度が変位センサ９０毎にばらつくという問題もある。
【０００９】
さらにまたブリッジ出力電圧を大きくするにはブリッジ回路に印加する入力電圧を大きくすればよいが、ゲージ抵抗が小さいと歪みゲージ９４ａ〜９４ｄが発熱して温度ドリフトが発生するために、検出感度が変化する問題を生ずる。これを防止するためにはゲージ抵抗（歪みゲージ９４ａ〜９４ｄそれぞれの金属箔９６の抵抗）を大きくする必要があるが、所定のパターンを有する金属箔９６を薄くすると、樹脂ベース９５への貼付が困難となる。また金属箔９６そのものを薄くするにも限界がある。
【００１０】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、温度ドリフトや経時劣化の少ない変位センサとその製造方法を提供することを目的とする。また本発明は検出感度のばらつきを抑えた変位センサとその製造方法を提供することを目的とする。さらに本発明はブリッジ出力電圧の大きい変位センサとその製造方法を提供することを目的とする。さらにまた本発明はこのような変位センサを備えた位置決めステージを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の第１の観点によれば、略矩形の絶縁基板の一方の表面の所定位置に電極が設けられてなる歪みゲージと、前記絶縁基板をその長手方向の両端で支持する支持部材と、前記絶縁基板の略中央部に固着され、前記支持部材との間で相対的な位置の変化が生じた際に前記絶縁基板を歪ませるヘッド部材と、を具備し、前記電極は、薄膜形成されてなり、前記支持部材と前記ヘッド部材との間での相対的な位置の変化によって前記絶縁基板に歪みが生じた際に、前記絶縁基板において正の歪みが生じる２箇所の部位と負の歪みが生じる２箇所の部位にそれぞれ設けられ、前記絶縁基板には前記電極をブリッジ接続するための接続用導体が形成され、かつ、前記接続用導体と導通して外部の入出力回路との導通を行うブリッジ入力用ターミナルおよびブリッジ出力用ターミナルが前記絶縁基板の長手方向を略４等分する位置に設けられていることを特徴とする変位センサ、が提供される。
【００１３】
このような変位センサにおいては、前記電極は、ＰＶＤ法によって前記絶縁基板に直接に形成されたＣｒ‐Ｎ薄膜で形成されることが好ましい。歪みゲージのゲージ率は４以上であることが好ましい。また、歪みゲージに形成する電極のパターンとしては、梯子状のパターンとブロック状のパターンが接続されたパターンを用いることが好ましく、このような電極パターンを用いることで、各電極の抵抗値の調整（ゲージ抵抗の調整）を容易に行うことができる。また絶縁基板としてセラミックス基板を用いることで、抵抗の高いＣｒ‐Ｎ薄膜からなる電極をスパッタ法等のＰＶＤ法によって直接に絶縁基板に形成することができる。
【００１４】
このように、電極が薄膜形成され歪みゲージに接着剤を使用しないために、接着剤の経時劣化や温度ドリフトの問題、接着時の位置合わせの問題が発生せず、これによってゲージ感度のばらつきやゲージ感度の経時変化の少ない信頼性に優れた変位センサが実現される。また、歪みゲージにおいて４箇所に設けられた電極をブリッジ接続するための接続用導体を絶縁基板の表面に形成し、この接続用導体と導通して外部の入出力回路との導通を行うブリッジ入力用ターミナルおよびブリッジ出力用ターミナルを絶縁基板の長手方向を略４等分する位置、つまり絶縁基板に歪みが生じた際に応力の最も掛からない部分に設けることにより、ブリッジ入力用ターミナルとブリッジ出力用ターミナルに固定するプリント基板やリード線等の剥離を抑制することができる。さらに、抵抗の高いＣｒ‐Ｎ薄膜からなる電極をスパッタ法等のＰＶＤ法によって直接に絶縁基板に形成することにより、ゲージ抵抗を高くすることができ、入力電圧の大きさを大きくすることができるので、出力電圧を上げることができ、ゲージ感度を高めることができる。この場合には出力電圧の増幅率を従来よりも下げることができるためにＳ／Ｎ比を上げることが可能となる。
【００１６】
本発明の第２の観点によれば、略矩形の絶縁基板の所定位置に電極が設けられてなる歪みゲージと、前記絶縁基板をその長手方向の両端で支持する支持部材と、前記絶縁基板の略中央部に固定されたヘッド部材とを具備し、前記電極が前記支持部材と前記ヘッド部材との間での相対的な位置の変化によって前記絶縁基板に歪みが生じた際に前記絶縁基板において正の歪みが生じる２箇所の部位と負の歪みが生じる２箇所の部位にそれぞれ設けられた変位センサの製造方法であって、絶縁基板の片面の所定位置に所定のパターンを有する薄膜状の電極および前記電極をブリッジ接続するための接続用導体ならびに前記接続用導体と導通して外部の入出力回路との導通を行うブリッジ出力用ターミナルとブリッジ入力用ターミナルを前記絶縁基板の長手方向を略４等分する位置に形成する第１工程と、前記歪みゲージに前記支持部材および前記ヘッド部材を固着する第２工程と、前記ブリッジ出力用ターミナルからの出力電圧が略ゼロとなるように前記電極のパターンをトリミングする第３工程と、を有することを特徴とする変位センサの製造方法、が提供される。
【００１８】
本発明の第３の観点によれば、所定形状のステージと、前記ステージを所定方向へ移動させるステージ移動手段と、前記ステージの位置を測定する変位センサと、を具備し、前記変位センサは、略矩形の絶縁基板の所定位置に電極が設けられてなる歪みゲージと、前記絶縁基板をその長手方向の両端で支持する支持部材と、前記絶縁基板の略中央部に固着されたヘッド部材と、を有し、前記支持部材または前記ヘッド部材のうち一方は前記ステージに固定され、前記電極は前記ステージの移動に伴って前記絶縁基板に歪みが生じた際に前記絶縁基板において正の歪みが生じる２箇所の部位と負の歪みが生じる２箇所の部位にそれぞれ設けられ、前記絶縁基板には前記電極をブリッジ接続するための接続用導体が形成され、かつ、前記接続用導体と導通して外部の入出力回路との導通を行うブリッジ入力用ターミナルおよびブリッジ出力用ターミナルが前記絶縁基板の長手方向を略４等分する位置に設けられていることを特徴とする位置決めステージ、が提供される。
【００１９】
上記変位センサの製造方法によって、歪みゲージにおけるゲージ抵抗の調整を容易に行うことができ、変位センサ毎の感度のばらつきを低減することができる。また、上記位置決めステージにおいては、測定精度に優れ、測定感度の経時変化が少ない前記変位センサを備えていることから、正確な位置決めを行うことが可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１（ａ）は変位センサ１の概略斜視図であり、図１（ｂ）は変位センサ１に配線を施した状態を示す概略斜視図である。変位センサ１は、大略的に、矩形の絶縁基板１１の片面４箇所に電極１４ａ〜１４ｄが設けられた歪みゲージ１０と、絶縁基板１１をその長手方向（Ｘ方向）の両端で支持する支持部材１２と、絶縁基板１１の略中央部に固着されたヘッド部材１３とを有する。
【００２１】
絶縁基板１１としては、ジルコニア薄板等の耐熱性および絶縁性に優れたセラミックス基板が好適に用いられる。後述するように電極１４ａ〜１４ｄの抵抗（ゲージ抵抗）の調整はレーザによるトリミングによって好適に行われる。このために、絶縁基板１１として従来の歪みゲージに用いられているポリイミド等の樹脂基板を用いた場合には、電極１４ａ〜１４ｄをレーザによりトリミングした際に樹脂基板がレーザの熱によって焼けてしまうおそれがある。また、絶縁基板１１として表面に絶縁膜が形成された金属板を用いた場合には、電極１４ａ〜１４ｄをレーザによりトリミングした際に絶縁膜がレーザの熱によってダメージを受けてその絶縁抵抗が低下し、漏れ電流によってブリッジ出力電圧が不安定となるおそれがある。そこで、レーザトリミングを行う場合には、絶縁基板１１としてはセラミック基板が好適に用いられる。なお、絶縁基板１１は適度な可撓性を有する程度に厚みの薄いものが用いられる。
【００２２】
支持部材１２には、例えば、ステンレスや超硬等の金属またはジルコニアや窒化珪素等のエンジニアリングセラミックスといった剛性の高い材料が用いられ、支持部材１２のＸ方向端に設けられた２箇所の支持部１２ａに、絶縁基板１１の両端が強固に固着されている。支持部材１２の形状は図１に示した形状に限定されるものではなく、絶縁基板１１を両端で架橋するように保持できる形状であればよい。
【００２３】
ヘッド部材１３は、外力を受けるヘッド１３ａと、ヘッド１３ａと絶縁基板１１とを連結する連結部材１３ｂから構成されている。このヘッド１３ａと連結部材１３ｂとは一体的に形成されていてもよい。またヘッド１３ａと連結部材１３ｂとで異なる材料を用いてもよい。ヘッド部材１３は、それ自体が変形しないように、剛性の高い材料、例えば、金属やエンジニアリングセラミックスを用いることが好ましい。
【００２４】
支持部材１２が固定された状態でヘッド１３ａを図１（ｂ）中の矢印Ｂで示されるＺ方向に所定距離だけ移動させると、絶縁基板１１に歪みが生ずる。図２はこのときに絶縁基板１１に生ずる歪みの一形態を示した説明図であり、絶縁基板１１の中央部では負の歪みが生じ、端部では正の歪みが生ずる。電極１４ａ〜１４ｄを最も歪みが大きくなる部分に設けることによって大きな出力を得ることができるため、電極１４ａ〜１４ｄは、支持部材１２とヘッド１３ａとの間での相対的な位置の変化によって絶縁基板１１に歪みが生じた際に、絶縁基板１１において正の歪みが生じるＸ方向端に近い２箇所と、負の歪みが生じる中央部の２箇所に設けられている。
【００２５】
電極１４ａ〜１４ｄは、例えば、所定のパターンを有するＣｒ‐Ｎ薄膜からなる。このような合金薄膜は、ＰＶＤ法の１つであるスパッタ法を用いて絶縁基板１１の表面に同時に直接に形成することができる。電極１４ａ〜１４ｄはこのような薄膜化によって高いゲージ抵抗を有するために、ブリッジ入力電圧を大きくしても、ゲージ抵抗を流れる電流の大きさを小さくすることができる。これによりジュール熱の発生が抑制されて温度ドリフトが抑えられる。また大きな出力電圧を得ることができる。つまり、ゲージ感度を上げることが可能となる。この場合には出力電圧の増幅率を従来よりも下げることができるためにＳ／Ｎ比を上げることが可能となる。なお、Ｃｒ‐Ｎ薄膜が形成された後の絶縁基板１１は、Ｃｒ‐Ｎ薄膜の温度係数を略零（ゼロ）にするために、３００℃〜４００℃程度でアニール処理される。
【００２６】
変位センサ１においては、電極１４ａ〜１４ｄが絶縁基板１１の片面に同時に直接形成された歪みゲージ１０を用いるために、ポリイミドベースに金属箔を接着してなる歪みゲージ（以下「従来の歪みゲージ」という）をさらに接着剤を用いて起歪材に貼付した変位センサ（以下「従来の変位センサ」という）と比較すると、接着層に起因する温度ドリフトや経時劣化が発生しないために、位置決め精度や信頼性を向上させることができる。
【００２７】
また従来の変位センサでは、従来の歪みゲージにおける金属箔とポリイミドベースの間の接着層の厚みのばらつきおよび起歪材と従来の歪みゲージとの間の接着層の厚みのばらつきによってゲージ感度にばらつきが生ずるといった問題が生じていたが、歪みゲージ１０は接着剤を用いることなく作製できるために、このような問題を生じない。さらに従来の変位センサでは起歪材の両面に従来の歪みゲージを位置精度よく貼付する必要があるにもかかわらず、その精度を高めるにも限界があったために、従来の歪みゲージ毎にケージ感度がばらつくといった問題があったが、歪みゲージ１０は片面に同時に電極１４ａ〜１４ｄを形成することができるために、このような問題を生じず、電極１４ａ〜１４ｄの相互の導通をとることも容易である。
【００２８】
絶縁基板１１にＣｒ‐Ｎ簿膜の電極１４ａ〜１４ｄを形成した場合には、レーザ等によるトリミングによってパターンに微小な修正を加えて、電極１４ａ〜１４ｄのゲージ抵抗の大きさを容易に調整することができる。
【００２９】
図１に示した電極１４ａ〜１４ｄのパターンは簡単な折り返しパターンであり、勿論、このようなパターンでもトリミングによるゲージ抵抗の調整を行うことができるが、より好ましくは電極１４ａ〜１４ｄのパターンを梯子状パターン電極とブロック状パターン電極から構成することで、ゲージ抵抗の調整をより容易かつ精密に行うことが可能となる。
【００３０】
図３は電極１４ａ〜１４ｄのパターンの別の実施形態であって、折り返しパターン電極２０内に、梯子状パターン電極２１とブロック状パターン電極２２を直列に接続した部分を設けた電極パターンを示す平面図である。梯子状パターン電極２１においては、電極膜を必要に応じてレーザ等で切断することによって電流の流れる経路長を段階的に変化させることができる。また梯子状パターン電極２１の電極１本を切断したときの抵抗変化量を定量的に把握することができるので、ゲージ抵抗の調整を比較的容易に行うことができる。これにより電極１４ａ〜１４ｄの個々について、ゲージ抵抗値を粗調整することができる。
【００３１】
Ｃｒ‐Ｎ合薄膜等の場合にはトリミングの際の発熱によって温度係数がずれてしまうことがあるが、梯子状パターン電極２１においては、レーザによる切断で温度係数が変化した部分には電流が流れることがないため、トリミングによる温度係数への影響がないという利点がある。
【００３２】
ブロック状パターン電極２２においては、レーザ等で切り込みを入れることによってその幅を連続的に変化させることができる。こうして電極１４ａ〜１４ｄの個々について、ゲージ抵抗値を微調整することができる。このような梯子状パターン電極２１とブロック状パターン電極２２とを併用することによって、電極１４ａ〜１４ｄのゲージ抵抗のばらつきを０．３％以下に抑えることができ、ブリッジバランスを容易にとることができる。
【００３３】
例えば、折り返しパターン電極２０における線幅を２０μｍ、厚みを１μｍとして所定回数折り返し、折り返しパターン電極２０内に梯子状パターン電極２１とブロック状パターン電極２２を設けてこれらをトリミングすることによって、ゲージ抵抗５ｋΩ、ゲージ率６の電極１４ａ〜１４ｄを形成することができる。このような電極１４ａ〜１４ｄのトリミングは、絶縁基板１１を支持部材１２に固着し、かつ、ヘッド部材１３を絶縁基板１１に固着した後に行うことが好ましく、これにより変位センサ１を駆動させていない状態における歪みゲージ１０のブリッジバランスをとることができる。
【００３４】
図４は電極１４ａ〜１４ｄの接続形態の一例を示す説明図である。電極１４ａ〜１４ｄは、それぞれの電極１４ａ〜１４ｄで得られる歪みが累積されて、高いゲージ感度が得られるようにブリッジ接続される。
【００３５】
電極１４ａ〜１４ｄを図４に示されるようにブリッジ接続するために、絶縁基板１１には接続用導体１４ｅが複数箇所に設けられている（図１（ａ）および図３参照）。また各接続用導体１４ｅには、外部の入出力回路との導通を行うブリッジ入力用ターミナル１５ｂ・１５ｄおよびブリッジ出力用ターミナル１５ａ・１５ｃが形成されている。ブリッジ入力用ターミナル１５ｂ・１５ｄおよびブリッジ出力用ターミナル１５ａ・１５ｃは、図２にも示されるように、絶縁基板１１の長手方向を略４等分する位置、つまり、絶縁基板１１に歪みが生じた際に歪みが発生し難い位置に設けられている。
【００３６】
図１（ｂ）に示すように、ターミナル１７ａ〜１７ｄとターミナル１９ａ〜１９ｄとをそれぞれ１対１に接続するリード線１８ａ〜１８ｄが設けられたプリント配線基板１６を、ブリッジ出力用ターミナル１５ａがターミナル１７ａと導通し、ブリッジ入力用ターミナル１５ｂがターミナル１７ｂと導通し、ブリッジ出力用ターミナル１５ｃがターミナル１７ｃと導通し、ブリッジ入力用ターミナル１５ｄがターミナル１７ｄと導通するように、半田付け等により絶縁基板１１に取り付けられている。
【００３７】
なお、プリント配線基盤１６としては、高い柔軟性を有する絶縁性フィルム、例えば、厚さが２５μｍ程度のポリイミドフィルムが好適に用いられる。また図１（ｂ）に示すように、プリント配線基板１６にＵ字型のバッファ２６を設けることによって、プリント配線基板１６による絶縁基板１１の変位阻害を抑制することができる。
【００３８】
ブリッジ入力用ターミナル１５ｂ・１５ｄおよびブリッジ出力用ターミナル１５ａ・１５ｃを絶縁基板１１において歪みの発生し難い位置に設けることで、プリント配線基板１６の剥離を防止することができ、また半田付けによって絶縁基板１１に生ずる歪みが阻害され難くなる。
【００３９】
ターミナル１８ａ〜１８ｄには、入出力装置と接続するためのケーブル２５ａ〜２５ｄが取り付けられている。勿論、プリント配線基板１６を用いることなく、ケーブル２５ａ〜２５ｄを直接にブリッジ出力用ターミナル１５ａ・１５ｃとブリッジ入力用ターミナル１５ｂ・１５ｄにそれぞれ接続してもよい。またケーブル２５ａ〜２５ｄを所定の位置に固定しておいて、ケーブル２５ａ〜２５ｄのそれぞれの先端とブリッジ出力用ターミナル１５ａ・１５ｃおよびブリッジ入力用ターミナル１５ｂ・１５ｄとの間をワイヤーボンディングにより導通させてもよい。
【００４０】
従来の歪みゲージでは、ゲージ抵抗が１００Ω程度しかなかったために、ブリッジ入力用ターミナル１５ｂ・１５ｄ間に印加する電圧（ブリッジ入力電圧）は約２Ｖにまでしか上げることができなかった。しかし、前述したように歪みゲージ１０では電極１４ａ〜１４ｄのゲージ抵抗を５ｋΩにまで高めることが可能であるから、ブリッジ入力電圧を従来の約５倍の１０Ｖにまで上げることができる。さらに従来の歪みゲージのゲージ率は２であるが、歪みゲージ１０ではその３倍の６というゲージ率を有する。このために、歪みゲージ１０を用いた場合には、従来の歪みゲージを用いた場合と比較すると、約１５倍のブリッジ出力電圧（ブリッジ入力用ターミナル１５ａ・１５ｃから取り出される出力電圧）を得ることができる。
【００４１】
このような大きな出力が得られることによって、ブリッジ出力電圧を増幅するアンプの増幅率を下げて、Ｓ／Ｎ比を改善することができる。図５はアンプの増幅率を従来の１／１０としたときの変位センサ１におけるブリッジ出力電圧とヘッド１３ａの変位量との関係を示す説明図であり、ブリッジ出力電圧とヘッド１３ａの変位量との間に正のリニアな相関関係が得られていることがわかる。従来例として示した図８と比較してブリッジ出力電圧が大きくなっている理由としては、ブリッジ入力電圧が２Ｖから１０Ｖになったことと、ゲージ率が２から６になったことが挙げられる。なお、ゲージ率は４以上が好ましい。
【００４２】
次に、変位センサ１を装着した位置決めステージについて説明する。図６は位置決めステージ３０の概略構造を示す平面図であり、図７は位置決めステージ３０の駆動システムの一実施形態を示す説明図である。位置決めステージ３０は、可動部（ステージ部）３１と固定部３２とを有し、これらは４箇所に設けられた平行バネ３３によって連結されている。可動部３１に設けられた凹部４５には積層型の圧電アクチュエータ３４が可動部３１と固定部３２に跨るように固定されている。圧電アクチュエータ３４はドライバ３５によって駆動され、所定の電圧が印加されることでＹ方向に伸縮する。
【００４３】
変位センサ１は、可動部３１に設けられた凹部４６ａ（図６において紙面に垂直な方向に窪むように形成されている）に支持部材１２がネジ４１ａによって固定され、固定部３２に設けられた凹部４６ｂ（凹部４６ａと同様に図６において紙面に垂直な方向に窪むように形成されている）にヘッド１３ａがネジ４１ｂによって固定されて、位置決めステージ３０に装着されている。
【００４４】
位置決めステージ３０の駆動形態の一例について以下に説明する。最初に、位置決めステージ３０の作製時に、圧電アクチュエータ３４を駆動していない状態で変位センサ１からのブリッジ出力電圧が０Ｖとなるように、歪みゲージ１０の電極１４ａ〜１４ｄ（図６には図示せず。図１参照）におけるブリッジ抵抗を調整する。具体的には、変位センサ１を位置決めステージ３０に組み込み、その後に所定のブリッジ入力電圧を印加してブリッジ出力電圧を測定しつつそのブリッジ出力電圧が０Ｖとなるように、電極１４ａ〜１４ｄを逐次トリミングしていくことによって行う。
【００４５】
このようなブリッジバランスの調整を行わない場合には、可動部３１や平行バネ３３の加工精度、変位センサ１の組み込み精度等によっては、位置決めステージ毎に変位センサ１のブリッジ出力電圧と変位量との関係を補正しなければならなくなる。しかし、位置決めステージ３０では、このような問題を回避することができる。
【００４６】
制御部３６からドライバ３５へ圧電アクチュエータ３４の駆動信号が送られると、ドライバ３５から圧電アクチュエータ３４へ所定の電圧が印加される。これにより圧電アクチュエータ３４が伸縮変位すると、固定部３２に対して可動部３１がＹ方向に移動する。可動部３１が移動すると可動部３１に固定されている支持部材１２がＹ方向に移動するので、このときに歪みゲージ１０に歪みが生じる。所定のブリッジ入力電圧を歪みゲージ１０に印加しておくことで、この歪みの大きさに対応するブリッジ出力電圧が得られる。
【００４７】
得られたブリッジ出力電圧は歪みゲージアンプ３７によって所定の増幅率で増幅され、この増幅された電圧の値から制御部３６において変位センサ１が検知した変位量が求められる。制御部３６は、変位センサ１が所望する変位量を示すように、さらにドライバ３５へ圧電アクチュエータ３４の駆動信号を送り、変位センサ１が目的とした変位量を示した状態で、圧電アクチュエータ３４の伸縮状態を保持する。図５に示した特性を有する変位センサ１を用いた位置決めステージでは、分解能：５ｎｍ、位置決め精度：±３０ｎｍ、再現性：±５ｎｍが得られた。
【００４８】
以上、本発明の変位センサとその製造方法および変位センサを用いた位置決めステージについて説明してきたが、本発明の変位センサ１においては、支持部材１２とヘッド部材１３と相対的な位置が支持部材１２またはヘッド部材１３に所定の力が掛かることによって変化した際の絶縁基板１１の変形量を歪みゲージ１０によって測定するという測定原理を用いていることから、変位センサとしての利用に止まらず、圧力センサや力センサとして用いることが可能なことはいうまでもない。また本発明の変位センサは位置決めステージの位置決め機構としての利用に限定されるものでもなく、その他の位置決め装置（ポジショナ）として用いることが可能である。
【００４９】
【発明の効果】
上述の通り、本発明によれば、絶縁基板の片面４箇所に電極を形成するので、電極を形成する位置の精度を高めることができ、各電極のブリッジ接続も容易である。これによって、変位センサ毎のゲージ感度のばらつきを抑えることができ、また温度ドリフトや経時劣化の発生を抑制することができるので、信頼性が高められる。さらに絶縁基板に形成する電極を薄膜化するので、歪みゲージを貼り付ける場合のような不都合が生じず、かつゲージ抵抗を高くすることが容易であるために、ブリッジ入力電圧を高くすることができる。これによって大きなブリッジ出力電圧を得てＳ／Ｎ比を上げることができるため、ゲージ感度を大きくすることができる。さらにまたトリミング等によるゲージ抵抗の調整も容易であるために、ゲージ抵抗のばらつきを抑制することができる。変位センサを位置決めステージ等の装置に組み込んで用いる場合には、変位センサを装置に組み込んだ後に歪みゲージのブリッジバランスを調整することで、位置決めステージ毎の特性ばらつきを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】歪みゲージを用いた本発明の変位センサの一実施形態を示す概略斜視図。
【図２】変位センサにおいて歪みゲージに生ずる歪みの一形態を示す説明図。
【図３】歪みゲージに形成される電極パターンの別の実施形態を示す平面図。
【図４】歪みゲージに形成される電極の接続形態の一例を示す説明図。
【図５】変位センサにおけるブリッジ出力電圧とヘッドの変位量との関係を示す説明図。
【図６】位置決めステージの概略平面図。
【図７】位置決めステージの駆動システムの一実施形態を示す説明図。
【図８】従来の歪みゲージを用いた変位センサにおけるブリッジ出力電圧とヘッドの変位量との関係を示す説明図。
【図９】従来の歪みゲージを用いた変位センサの概略斜視図。
【図１０】歪みゲージの接続形態の一例を示す説明図。
【符号の説明】
１；変位センサ、１０；歪みゲージ、１１；絶縁基板、１２；支持部材、１３；ヘッド部材、１４ａ〜１４ｄ；電極、１４ｅ；接続用導体、１５ａ・１５ｃ；ブリッジ出力用ターミナル、１５ｂ・１５ｄ；ブリッジ入力用ターミナル、１６；プリント配線基板、１７ａ〜１７ｄ；ターミナル、１８ａ〜１８ｄ；ターミナル、１９ａ〜１９ｄ；リード線、２０；折り返しパターン電極、２１；梯子状パターン電極、２２；ブロック状パターン電極、２５ａ〜２５ｄ；ケーブル、２６；バッファ、３０；位置決めステージ、３１；可動部、３２；固定部、３３；平行バネ、３４；圧電アクチュエータ、３５；ドライバ、３６；制御部、３７；歪みゲージアンプ、４１ａ・４１ｂ；ネジ、４５・４６ａ・４６ｂ；凹部、９０；変位センサ、９１；基台部、９２；起歪材、９３；センサヘッド、９４ａ〜９４ｄ；歪みゲージ、９５；樹脂ベース、９６；金属箔、９７；補正抵抗、９８；入出力ターミナル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a displacement sensor used for fine positioning, a manufacturing method thereof, and a positioning stage including the displacement sensor.
[0002]
[Prior art]
As a displacement sensor for measuring a minute displacement, a sensor using a strain gauge is known. For example, FIG. 9 is a perspective view showing a schematic structure of a displacement sensor 90 using strain gauges 94a to 94d, and FIG. 10 is an explanatory diagram showing a connection circuit of the strain gauges 94a to 94d. The displacement sensor 90 is provided on a base portion 91, a plate-like strain generating material 92 fixed to the base portion 91, a sensor head 93 attached to the strain generating material 92, and the front and back surfaces of the strain generating material 92. The strain gauges 94 a to 94 d are provided, and input / output terminals 98 of the strain gauges 94 a to 94 d are provided on the base 91.
[0003]
A metal plate or the like is used for the strain generating material 92, and the strain gauges 94a to 94d are made of a metal foil 96 such as a Cu-Ni alloy processed into a predetermined pattern on a resin base (plate) 95 such as polyimide. It has an affixed structure. This metal foil 96 functions as a strain sensitive material. The strain gauges 94a to 94d are attached to the strain generating material 92 using an adhesive.
[0004]
The resistance of the strain gauges 94a to 94d is R₁~ R₄And the strain generated in the strain gauges 94a to 94d is ε.₁~ Ε₄And the resistance change amount in the strain gauges 94a to 94d at that time is ΔR.₁~ ΔR₄Then, the relationship between the bridge input voltage Vin and the bridge output voltage Vout is expressed by the following equation (1). Here, K is a gauge factor.
[0005]
[Expression 1]

[0006]
Strain ε₂And ε₃Since the sign of the term is negative, ε₂And ε₃If it is a negative distortion itself, the sign of the whole term is positive and the four distortions ε₁~ Ε₄All terms of are integrated. As a result, the bridge output voltage Vout increases. In order to increase the bridge output voltage Vout, the distortion ε₁~ Ε₄Is constant, it can be seen that the gauge factor K and the bridge input voltage Vin may be increased.
[0007]
When the sensor head 93 is moved downward as indicated by the arrow A in FIG. 9 with the base portion 91 fixed, warping occurs in the strain-generating material 92, and the

strain gauges

94a and 94d increase in resistance and strain. In the

gauges

94b and 94c, the resistance becomes small. Therefore, by connecting the strain gauges 94a to 94d as shown in FIG. 10, it is possible to obtain an output voltage that is four times that when only one strain gauge 94a is used. In addition, the code | symbol 97 shown in FIG. 9 is a correction | amendment resistance for taking a bridge balance. FIG. 8 shows the relationship between the displacement of the sensor head 93 and the bridge output voltage.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a displacement sensor 90, the strain gauges 94a to 94d are attached to the strain-generating material 92 using an adhesive. For this reason, when the elastic modulus of the adhesive is small, there is a problem that the strain is not sufficiently transmitted to the strain gauges 94a to 94d, and conversely, the adhesive having a large elastic modulus is brittle and weak against heat. is there. Therefore, when the strain gauges 94a to 94d are affixed to the strain-generating material 92 using an adhesive, a temperature drift occurs due to the thickness of the adhesive layer, and the sensitivity decreases because the adhesive layer functions as a damper. Due to the deterioration of the adhesive layer over time, it has been difficult to accurately measure the amount of displacement. Further, it is difficult to attach the strain gauges 94a to 94d to the front and back surfaces of the strain generating material 92 with high positional accuracy, and the thickness of the adhesive layer between the strain gauges 94a to 94d and the strain generating material 92 is set to the respective strain gauges 94a. Since it is difficult to make constant about -94d, there is also a problem that the detection sensitivity varies from one displacement sensor 90 to another.
[0009]
Furthermore, to increase the bridge output voltage, the input voltage applied to the bridge circuit may be increased. However, if the gauge resistance is small, the strain gauges 94a to 94d generate heat and temperature drift occurs, so the detection sensitivity changes. Cause problems. In order to prevent this, it is necessary to increase the gauge resistance (resistance of the metal foil 96 of each of the strain gauges 94a to 94d). However, if the metal foil 96 having a predetermined pattern is thinned, the resin base 95 is stuck. It becomes difficult. Further, there is a limit to making the metal foil 96 itself thin.
[0010]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a displacement sensor with little temperature drift and deterioration over time, and a method for manufacturing the same. It is another object of the present invention to provide a displacement sensor that suppresses variations in detection sensitivity and a method for manufacturing the same. A further object of the present invention is to provide a displacement sensor having a large bridge output voltage and a method for manufacturing the same. Still another object of the present invention is to provide a positioning stage provided with such a displacement sensor.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  That is,First of the present invention1According to this aspect, a strain gauge in which an electrode is provided at a predetermined position on one surface of a substantially rectangular insulating substrate, a support member that supports the insulating substrate at both ends in its longitudinal direction, A head member that is fixed to a central portion and that distorts the insulating substrate when a relative position change occurs between the supporting member and the support member. When the insulating substrate is distorted due to a change in the relative position between the member and the head member, two portions where positive distortion occurs in the insulating substrate and two portions where negative distortion occurs are generated. A bridge input terminal provided at each site, wherein the insulating substrate is formed with a connection conductor for bridge-connecting the electrodes, and is electrically connected to an external input / output circuit through conduction with the connection conductor And blitz Displacement sensor, characterized in that the output terminal is provided approximately 4 equal parts positioned in the longitudinal direction of the insulating substrate, is provided.
[0013]
  In such a displacement sensor,The electrode is preferably formed of a Cr—N thin film directly formed on the insulating substrate by a PVD method.The strain rate of the strain gauge is preferably 4 or more. Further, as the electrode pattern formed on the strain gauge, it is preferable to use a pattern in which a ladder pattern and a block pattern are connected. By using such an electrode pattern, the resistance value of each electrode is adjusted. (Adjustment of gauge resistance) can be easily performed. Further, by using a ceramic substrate as the insulating substrate, an electrode made of a Cr—N thin film having a high resistance can be directly formed on the insulating substrate by a PVD method such as a sputtering method.
[0014]
  In this way, since the electrode is formed into a thin film and no adhesive is used for the strain gauge, there are no problems with deterioration of the adhesive over time, temperature drift, and alignment problems during bonding. A highly reliable displacement sensor with little change in gauge sensitivity with time is realized. In addition, a bridge conductor is formed on the surface of the insulating substrate for connecting the electrodes provided at four locations in the strain gauge on the surface of the insulating substrate, and is connected to the external input / output circuit through conduction with the connection conductor. The bridge input terminal and the bridge output terminal are provided at a position where the longitudinal direction of the insulating substrate is divided into approximately four equal parts, that is, at a portion where the stress is not applied most when the insulating substrate is distorted. It is possible to suppress peeling of a printed circuit board, a lead wire and the like fixed to the terminal.Furthermore, by forming an electrode made of a Cr-N thin film with high resistance directly on an insulating substrate by a PVD method such as sputtering, the gauge resistance can be increased and the magnitude of the input voltage can be increased. Therefore, the output voltage can be increased and the gauge sensitivity can be increased. In this case, since the amplification factor of the output voltage can be lowered as compared with the conventional case, the S / N ratio can be increased.
[0016]
  First of the present invention2According to the above aspect, a strain gauge in which an electrode is provided at a predetermined position of a substantially rectangular insulating substrate, a support member that supports the insulating substrate at both ends in its longitudinal direction, and a substantially central portion of the insulating substrate are fixed. A positive distortion occurs in the insulating substrate when the electrode is distorted due to a change in relative position between the support member and the head member. A method of manufacturing a displacement sensor provided at two sites and at two sites where negative strain is generated, respectively, comprising a thin film electrode having a predetermined pattern at a predetermined position on one side of an insulating substrate and the electrode bridge A connecting conductor for connection and a bridge output terminal and a bridge input terminal that are connected to the connecting conductor and connected to an external input / output circuit in the longitudinal direction of the insulating substrate. A first step of forming at a position equally divided into four; a second step of fixing the support member and the head member to the strain gauge; and the electrode so that the output voltage from the bridge output terminal is substantially zero. And a third step of trimming the pattern. A method of manufacturing a displacement sensor is provided.
[0018]
  First of the present invention3According to the above aspect, a stage having a predetermined shape, stage moving means for moving the stage in a predetermined direction, and a displacement sensor for measuring the position of the stage are provided, and the displacement sensor is a substantially rectangular insulating substrate. A strain gauge in which electrodes are provided at predetermined positions, a support member that supports the insulating substrate at both ends in its longitudinal direction, and a head member that is fixed to a substantially central portion of the insulating substrate, One of the support member or the head member is fixed to the stage, and the electrode has two portions where positive distortion occurs in the insulating substrate when the insulating substrate is distorted as the stage moves. Provided respectively at two sites where negative distortion occurs, a connection conductor for bridge-connecting the electrodes is formed on the insulating substrate, and is electrically connected to the connection conductor. There is provided a positioning stage characterized in that a bridge input terminal and a bridge output terminal that conduct with the input / output circuit of the unit are provided at positions that divide the longitudinal direction of the insulating substrate into approximately four equal parts. .
[0019]
  According to the manufacturing method of the displacement sensor, the gauge resistance in the strain gauge can be easily adjusted, and variation in sensitivity among the displacement sensors can be reduced. In addition, since the positioning stage includes the displacement sensor that is excellent in measurement accuracy and has little change in measurement sensitivity over time, accurate positioning can be performed.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A is a schematic perspective view of the displacement sensor 1, and FIG. 1B is a schematic perspective view showing a state in which the displacement sensor 1 is wired. The displacement sensor 1 generally includes a strain gauge 10 in which electrodes 14a to 14d are provided at four locations on one side of a rectangular insulating substrate 11, and a support member that supports the insulating substrate 11 at both ends in the longitudinal direction (X direction). 12 and a head member 13 fixed to a substantially central portion of the insulating substrate 11.
[0021]
As the insulating substrate 11, a ceramic substrate excellent in heat resistance and insulation, such as a zirconia thin plate, is preferably used. As will be described later, the adjustment of the resistance (gauge resistance) of the electrodes 14a to 14d is preferably performed by trimming with a laser. For this reason, when a resin substrate such as polyimide used in a conventional strain gauge is used as the insulating substrate 11, the resin substrate is burnt by the heat of the laser when the electrodes 14a to 14d are trimmed by the laser. There is a fear. Further, when a metal plate having an insulating film formed on the surface is used as the insulating substrate 11, when the electrodes 14a to 14d are trimmed with a laser, the insulating film is damaged by the heat of the laser, and the insulation resistance decreases. However, the bridge output voltage may become unstable due to leakage current. Therefore, when performing laser trimming, a ceramic substrate is preferably used as the insulating substrate 11. The insulating substrate 11 is thin enough to have an appropriate flexibility.
[0022]
The support member 12 is made of, for example, a metal having high rigidity, such as a metal such as stainless steel or cemented carbide, or an engineering ceramic such as zirconia or silicon nitride, and two support portions 12a provided at the X-direction end of the support member 12. Further, both ends of the insulating substrate 11 are firmly fixed. The shape of the support member 12 is not limited to the shape shown in FIG. 1, and may be any shape that can hold the insulating substrate 11 so as to be bridged at both ends.
[0023]
The head member 13 includes a head 13 a that receives an external force, and a connecting member 13 b that connects the head 13 a and the insulating substrate 11. The head 13a and the connecting member 13b may be integrally formed. Different materials may be used for the head 13a and the connecting member 13b. The head member 13 is preferably made of a highly rigid material such as metal or engineering ceramics so that the head member 13 does not deform itself.
[0024]
If the head 13a is moved by a predetermined distance in the Z direction indicated by the arrow B in FIG. 1B while the support member 12 is fixed, the insulating substrate 11 is distorted. FIG. 2 is an explanatory diagram showing one form of distortion generated in the insulating substrate 11 at this time. Negative distortion occurs in the central portion of the insulating substrate 11, and positive distortion occurs in the end portion. Since a large output can be obtained by providing the electrodes 14a to 14d in a portion where the distortion becomes the largest, the electrodes 14a to 14d are insulated substrates due to a change in relative position between the support member 12 and the head 13a. 11 is provided at two locations near the end in the X direction where positive distortion occurs in the insulating substrate 11 and at a central portion where negative distortion occurs.
[0025]
  The electrodes 14a to 14d are, for example, Cr—N having a predetermined pattern.Thin filmConsists of. Such an alloy thin film can be directly formed on the surface of the insulating substrate 11 simultaneously by using a sputtering method which is one of PVD methods. Since the electrodes 14a to 14d have a high gauge resistance due to such thinning, even if the bridge input voltage is increased, the magnitude of the current flowing through the gauge resistance can be reduced. Thereby, generation | occurrence | production of Joule heat is suppressed and temperature drift is suppressed. In addition, a large output voltage can be obtained. That is, the gauge sensitivity can be increased. In this case, since the amplification factor of the output voltage can be lowered as compared with the conventional case, the S / N ratio can be increased. Cr-NThin filmThe insulating substrate 11 after the formation of Cr—NThin filmIs annealed at about 300 ° C. to 400 ° C. in order to make the temperature coefficient thereof substantially zero.
[0026]
In the displacement sensor 1, in order to use the strain gauge 10 in which the electrodes 14 a to 14 d are formed directly on one side of the insulating substrate 11 at the same time, a strain gauge (hereinafter referred to as “conventional strain gauge”) formed by bonding a metal foil to a polyimide base. Compared with a displacement sensor (hereinafter referred to as “conventional displacement sensor”) that is further affixed to a strain-generating material using an adhesive, temperature drift and deterioration over time due to the adhesive layer do not occur. Reliability can be improved.
[0027]
Also, in the conventional displacement sensor, the gauge sensitivity varies due to the variation in the thickness of the adhesive layer between the metal foil and the polyimide base in the conventional strain gauge and the variation in the thickness of the adhesive layer between the strain-generating material and the conventional strain gauge. However, since the strain gauge 10 can be manufactured without using an adhesive, such a problem does not occur. In addition, the conventional displacement sensor requires the conventional strain gauges to be affixed to both sides of the strain-generating material with high positional accuracy. However, since the strain gauge 10 can simultaneously form the electrodes 14a to 14d on one surface, such a problem does not occur and the electrodes 14a to 14d can be easily connected to each other. It is.
[0028]
When the electrodes 14a to 14d of the Cr—N book film are formed on the insulating substrate 11, the magnitude of the gauge resistance of the electrodes 14a to 14d is easily adjusted by applying a slight correction to the pattern by trimming with a laser or the like. be able to.
[0029]
The pattern of the electrodes 14a to 14d shown in FIG. 1 is a simple folding pattern. Of course, such a pattern can also be used to adjust the gauge resistance by trimming, but the pattern of the electrodes 14a to 14d is more preferably a ladder. By forming the pattern pattern electrode and the block pattern electrode, the gauge resistance can be adjusted more easily and accurately.
[0030]
FIG. 3 is another embodiment of the pattern of the electrodes 14a to 14d, and is a plane showing an electrode pattern in which a folded pattern electrode 20 is provided with a portion in which a ladder pattern electrode 21 and a block pattern electrode 22 are connected in series. FIG. In the ladder-shaped pattern electrode 21, the path length through which the current flows can be changed stepwise by cutting the electrode film with a laser or the like as necessary. Further, since the amount of change in resistance when one electrode of the ladder pattern electrode 21 is cut can be grasped quantitatively, the gauge resistance can be adjusted relatively easily. As a result, the gauge resistance value can be roughly adjusted for each of the electrodes 14a to 14d.
[0031]
In the case of a Cr—N composite thin film or the like, the temperature coefficient may shift due to heat generated during trimming. However, in the ladder pattern electrode 21, a current flows in a portion where the temperature coefficient has changed due to laser cutting. Therefore, there is an advantage that there is no influence on the temperature coefficient by trimming.
[0032]
The width of the block pattern electrode 22 can be continuously changed by cutting with a laser or the like. In this way, the gauge resistance value can be finely adjusted for each of the electrodes 14a to 14d. By using the ladder-shaped pattern electrode 21 and the block-shaped pattern electrode 22 in combination, the variation in gauge resistance of the electrodes 14a to 14d can be suppressed to 0.3% or less, and the bridge balance can be easily achieved. it can.
[0033]
For example, the folded pattern electrode 20 has a line width of 20 μm and a thickness of 1 μm. The folded pattern electrode 20 is folded a predetermined number of times, a ladder pattern electrode 21 and a block pattern electrode 22 are provided in the folded pattern electrode 20 and trimmed, thereby providing a gauge resistance of 5 kΩ Electrodes 14a to 14d having a gauge factor of 6 can be formed. Such trimming of the electrodes 14 a to 14 d is preferably performed after the insulating substrate 11 is fixed to the support member 12 and the head member 13 is fixed to the insulating substrate 11, and thus the displacement sensor 1 is not driven. The bridge balance of the strain gauge 10 in the state can be taken.
[0034]
FIG. 4 is an explanatory view showing an example of the connection form of the electrodes 14a to 14d. The electrodes 14a to 14d are bridge-connected so that the strain obtained by the respective electrodes 14a to 14d is accumulated and high gauge sensitivity is obtained.
[0035]
In order to bridge-connect the electrodes 14a to 14d as shown in FIG. 4, the insulating substrate 11 is provided with connecting conductors 14e at a plurality of locations (see FIGS. 1A and 3). Each connection conductor 14e is formed with a bridge input terminal 15b / 15d and a bridge output terminal 15a / 15c which are connected to an external input / output circuit. As shown in FIG. 2, the

bridge input terminals

15 b and 15 d and the

bridge output terminals

15 a and 15 c are distorted in the position where the longitudinal direction of the insulating substrate 11 is divided into approximately four equal parts, that is, the insulating substrate 11. It is provided at a position where distortion is unlikely to occur.
[0036]
As shown in FIG., Ta-Terminals 17a-17d and terminal19a-19dAnd lead wires that connect one to one18a-18dIs connected to the terminal 17a, the bridge input terminal 15b is connected to the terminal 17b, the bridge output terminal 15c is connected to the terminal 17c, and the bridge input terminal is connected. 15d is attached to the insulating substrate 11 by soldering or the like so as to be electrically connected to the terminal 17d.
[0037]
As the printed wiring board 16, an insulating film having high flexibility, for example, a polyimide film having a thickness of about 25 μm is preferably used. Further, as shown in FIG. 1B, by providing a U-shaped buffer 26 on the printed wiring board 16, it is possible to suppress displacement inhibition of the insulating substrate 11 by the printed wiring board 16.
[0038]
By providing the

bridge input terminals

15b and 15d and the

bridge output terminals

15a and 15c at positions where distortion is unlikely to occur in the insulating substrate 11, peeling of the printed wiring board 16 can be prevented, and the insulating substrate can be prevented by soldering. 11 is hardly disturbed.
[0039]
Cables 25a to 25d for connecting to input / output devices are attached to the terminals 18a to 18d. Of course, the cables 25a to 25d may be directly connected to the

bridge output terminals

15a and 15c and the

bridge input terminals

15b and 15d without using the printed wiring board 16, respectively. Further, the cables 25a to 25d are fixed at predetermined positions, and the respective ends of the cables 25a to 25d are electrically connected to the

bridge output terminals

15a and 15c and the

bridge input terminals

15b and 15d by wire bonding. Also good.
[0040]
In the conventional strain gauge, since the gauge resistance was only about 100Ω, the voltage (bridge input voltage) applied between the

bridge input terminals

15b and 15d could only be increased to about 2V. However, as described above, in the strain gauge 10, the gauge resistance of the electrodes 14 a to 14 d can be increased to 5 kΩ, so that the bridge input voltage can be increased to 10 V, which is about five times the conventional value. Furthermore, the gauge factor of the conventional strain gauge is 2, but the strain gauge 10 has a gauge factor of 6, which is three times that. For this reason, when the strain gauge 10 is used, a bridge output voltage (output voltage taken out from the

bridge input terminals

15a and 15c) of about 15 times that obtained when a conventional strain gauge is used is obtained. Can do.
[0041]
  By obtaining such a large output, it is possible to reduce the amplification factor of the amplifier that amplifies the bridge output voltage and improve the S / N ratio. FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the bridge output voltage in the displacement sensor 1 and the displacement of the head 13a when the amplification factor of the amplifier is 1/10 of the conventional one. It can be seen that a positive linear correlation is obtained. The reason why the bridge output voltage is larger than that of FIG. 8 shown as the conventional example is that the bridge input voltage is changed from 2V to 10V and the gauge factor is changed from 2 to 6.The gauge factor is preferably 4 or more.
[0042]
Next, the positioning stage equipped with the displacement sensor 1 will be described. FIG. 6 is a plan view showing a schematic structure of the positioning stage 30, and FIG. 7 is an explanatory diagram showing an embodiment of a drive system for the positioning stage 30. The positioning stage 30 has a movable part (stage part) 31 and a fixed part 32, which are connected by parallel springs 33 provided at four locations. A laminated piezoelectric actuator 34 is fixed to the recess 45 provided in the movable portion 31 so as to straddle the movable portion 31 and the fixed portion 32. The piezoelectric actuator 34 is driven by a driver 35 and expands and contracts in the Y direction when a predetermined voltage is applied.
[0043]
In the displacement sensor 1, the support member 12 is fixed by a screw 41 a in a recess 46 a (formed so as to be recessed in a direction perpendicular to the paper surface in FIG. 6) provided in the movable portion 31, and the recess provided in the fixing portion 32. The head 13a is fixed to the positioning stage 30 by being fixed by a screw 41b to 46b (formed to be recessed in the direction perpendicular to the paper surface in FIG.
[0044]
An example of the driving form of the positioning stage 30 will be described below. First, when the positioning stage 30 is manufactured, the electrodes 14a to 14d (not shown in FIG. 6) of the strain gauge 10 are set so that the bridge output voltage from the displacement sensor 1 becomes 0 V in a state where the piezoelectric actuator 34 is not driven. 1) Adjust the bridge resistance in FIG. Specifically, the displacement sensor 1 is incorporated in the positioning stage 30, and after that, a predetermined bridge input voltage is applied to measure the bridge output voltage, and the electrodes 14a to 14d are sequentially applied so that the bridge output voltage becomes 0V. This is done by trimming.
[0045]
  When such bridge balance adjustment is not performed, the positioning stay depends on the processing accuracy of the movable portion 31 and the parallel spring 33, the accuracy of mounting the displacement sensor 1, and the like.EveryIn addition, the relationship between the bridge output voltage of the displacement sensor 1 and the displacement amount must be corrected. However, in the positioning stage 30, such a problem can be avoided.
[0046]
When a drive signal for the piezoelectric actuator 34 is sent from the control unit 36 to the driver 35, a predetermined voltage is applied from the driver 35 to the piezoelectric actuator 34. As a result, when the piezoelectric actuator 34 expands and contracts, the movable portion 31 moves in the Y direction with respect to the fixed portion 32. When the movable portion 31 moves, the support member 12 fixed to the movable portion 31 moves in the Y direction, so that the strain gauge 10 is distorted at this time. By applying a predetermined bridge input voltage to the strain gauge 10, a bridge output voltage corresponding to the magnitude of the strain can be obtained.
[0047]
The obtained bridge output voltage is amplified by the strain gauge amplifier 37 at a predetermined amplification factor, and the displacement detected by the displacement sensor 1 in the control unit 36 is obtained from the value of the amplified voltage. The control unit 36 further sends a drive signal for the piezoelectric actuator 34 to the driver 35 so that the displacement sensor 1 indicates the desired amount of displacement, and the displacement sensor 1 indicates the target amount of displacement. Keep stretched. In the positioning stage using the displacement sensor 1 having the characteristics shown in FIG. 5, resolution: 5 nm, positioning accuracy: ± 30 nm, and reproducibility: ± 5 nm were obtained.
[0048]
The displacement sensor of the present invention, the manufacturing method thereof, and the positioning stage using the displacement sensor have been described above. In the displacement sensor 1 of the present invention, the relative positions of the support member 12 and the head member 13 are the support member 12. Alternatively, since the measurement principle of measuring the deformation amount of the insulating substrate 11 when the head member 13 is changed by applying a predetermined force with the strain gauge 10 is used, the pressure sensor is not limited to use as a displacement sensor. Needless to say, it can be used as a force sensor. The displacement sensor of the present invention is not limited to use as a positioning mechanism for a positioning stage, but can be used as other positioning devices (positioners).
[0049]
【The invention's effect】
  As described above, according to the present invention, since the electrodes are formed at four locations on one side of the insulating substrate, the accuracy of the position where the electrodes are formed can be increased, and the bridge connection of each electrode is also easy. As a result, variations in gauge sensitivity for each displacement sensor can be suppressed, and occurrence of temperature drift and deterioration with time can be suppressed, so that reliability is improved. Furthermore, the electrodes formed on the insulating substrate are made thinner.Therefore, there is no inconvenience as in the case of attaching a strain gauge, andSince it is easy to increase the gauge resistance, the bridge input voltage can be increased. As a result, a large bridge output voltage can be obtained and the S / N ratio can be increased, so that the gauge sensitivity can be increased. Furthermore, since the gauge resistance can be easily adjusted by trimming or the like, variations in gauge resistance can be suppressed. When the displacement sensor is incorporated in an apparatus such as a positioning stage, the characteristic variation of each positioning stage can be suppressed by adjusting the bridge balance of the strain gauge after the displacement sensor is incorporated in the apparatus.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing an embodiment of a displacement sensor of the present invention using a strain gauge.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing one form of strain generated in a strain gauge in a displacement sensor.
FIG. 3 is a plan view showing another embodiment of an electrode pattern formed on a strain gauge.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of a connection form of electrodes formed on a strain gauge.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a relationship between a bridge output voltage and a displacement amount of a head in a displacement sensor.
FIG. 6 is a schematic plan view of a positioning stage.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an embodiment of a positioning stage drive system.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a relationship between a bridge output voltage and a displacement amount of a head in a displacement sensor using a conventional strain gauge.
FIG. 9 is a schematic perspective view of a displacement sensor using a conventional strain gauge.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing an example of a connection form of strain gauges.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1; Displacement sensor, 10; Strain gauge, 11: Insulating substrate, 12; Support member, 13; Head member, 14a-14d; Electrode, 14e; Connection conductor, 15a * 15c; Bridge output terminal, 15b * 15d; Terminal for bridge input, 16; Printed wiring board, 17a to 17d; Terminal, 18a to 18d; Terminal, 19a to 19d; Lead wire, 20; Folded pattern electrode, 21; 25a to 25d; cable, 26; buffer, 30; positioning stage, 31; movable part, 32; fixed part, 33; parallel spring, 34; piezoelectric actuator, 35; driver, 36; 41a, 41b; screw, 45, 46a, 46b; recess, 90; displacement sensor, 91; base Parts, 92; Okoshiibitsuzai, 93; sensor head, 94a to 94d; strain gauge 95; resin-based, 96; metal foil 97; correction resistors, 98; output terminal

Claims

A strain gauge in which an electrode is provided at a predetermined position on one surface of a substantially rectangular insulating substrate;
A support member for supporting the insulating substrate at both longitudinal ends thereof;
A head member that is fixed to a substantially central portion of the insulating substrate and distorts the insulating substrate when a relative position change occurs with the support member;
Comprising
The electrode is formed as a thin film, and when the insulating substrate is distorted due to a change in the relative position between the support member and the head member, a positive distortion occurs in the insulating substrate 2. It is provided at each of the two sites and the two sites where negative distortion occurs,
A connecting conductor for bridge-connecting the electrodes is formed on the insulating substrate, and a bridge input terminal and a bridge output terminal are connected to the connecting conductor and connected to an external input / output circuit. A displacement sensor characterized by being provided at a position that divides the longitudinal direction of the insulating substrate into approximately four equal parts.

Before Symbol electrodes, the displacement sensor according to claim 1, characterized in that it consists of Cr-N thin film is directly formed on the insulating substrate by P VD method.

The displacement sensor according to claim 1 or 2 , wherein a gauge factor of the strain gauge is 4 or more.

The displacement sensor according to any one of claims 1 to 3 , wherein the electrode has a pattern in which a ladder-like pattern and a block-like pattern are connected.

The displacement sensor according to claim 1, wherein the insulating substrate is a ceramic substrate.

A strain gauge in which an electrode is provided at a predetermined position of a substantially rectangular insulating substrate; a support member that supports the insulating substrate at both longitudinal ends thereof; and a head member fixed to a substantially central portion of the insulating substrate. And when the electrode is distorted due to a change in the relative position between the support member and the head member, there are two locations where a positive distortion occurs in the insulating substrate and a negative portion. A displacement sensor manufacturing method provided at each of two locations where distortion of
A thin-film electrode having a predetermined pattern at a predetermined position on one side of an insulating substrate, a connecting conductor for bridge-connecting the electrode, and a bridge output that conducts with the connecting conductor and conducts with an external input / output circuit A first step of forming a terminal for a bridge and a terminal for a bridge input at a position that divides the longitudinal direction of the insulating substrate into approximately four equal parts;
A second step of fixing the support member and the head member to the strain gauge;
A third step of trimming the pattern of the electrodes so that the output voltage from the bridge output terminal is substantially zero;
A method for manufacturing a displacement sensor, comprising:

A stage with a predetermined shape;
Stage moving means for moving the stage in a predetermined direction;
A displacement sensor for measuring the position of the stage;
Comprising
The displacement sensor is
A strain gauge in which an electrode is provided at a predetermined position of a substantially rectangular insulating substrate;
A support member for supporting the insulating substrate at both longitudinal ends thereof;
A head member fixed to a substantially central portion of the insulating substrate;
Have
One of the support member or the head member is fixed to the stage,
The electrodes are respectively provided at two parts where positive distortion occurs in the insulating substrate and two parts where negative distortion occurs when distortion occurs in the insulating substrate as the stage moves.
A connecting conductor for bridge-connecting the electrode is formed on the insulating substrate, and a bridge input terminal and a bridge output terminal that conduct with the connecting conductor and conduct with an external input / output circuit are provided. A positioning stage, wherein the insulating substrate is provided at a position that divides the longitudinal direction of the insulating substrate into approximately four equal parts.