JP5339851B2 - 変位計付圧電アクチュエータおよび圧電素子ならびにそれを用いた位置決め装置 - Google Patents
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ここで、圧電アクチュエータを使用した位置決め装置を、走査型プローブ顕微鏡を例にとり説明する(特許文献1参照)。
したがって、本発明の目的は、圧電素子の歪みを圧電素子に取り付けた抵抗体により静電容量成分やリーク電流の影響を受けず高精度に測定可能で、さらにショートによる故障が発生せず信頼性の高い変位計付圧電アクチュエータおよび圧電素子とそれを用いた位置決め装置を提供することである。
また、円筒型の圧電素子の内周面に少なくとも2箇所以上の電極を設け、圧電体を介して前記内周面の電極に対向する外周面側にも電極を設け、前記内周面電極の少なくとも1つの電極はひずみを生じさせないダミー電極とし、他の電極は電圧を印加することにより圧電素子にひずみを生ずるアクティブ電極とし、前記アクティブ電極の外側電極に1箇所または2箇所の抵抗体を設け、前記ダミー電極の外側電極に1箇所または2箇所の抵抗体を設け、少なくとも前記抵抗体が設けられる電極が同電位になるように構成されてグランド電位に接続され、前記アクティブ電極の外周面側に設けられた抵抗体によりひずみ検出を行う際に、ダミー電極の外周面側に設けられた抵抗体により温度補償を行うようにアクティブ電極とダミー電極間の各抵抗体を接続してブリッジ回路を構成した。
さらに、前記ダミー電極を有する圧電素子と、前記アクティブ電極を有する圧電素子が同一の圧電体の材料を用いて別体により構成した。
また、円筒型の圧電素子は圧電体の表面に電極を設けた後、機械加工により電極の一部を除去すること工程を含む方法により外周面または/および内周面の電極を作製した。
さらに、圧電体の表面にマスキングを行う工程とマスキング以外の部分に電極を設ける工程と前記マスクを除去する工程とを含む方法により外周面または/および内周面の電極を作製した。
この円筒型圧電素子の内周面の帯状電極部2aが設けられる側を先端部、4分割電極部(3a、4a、5a、6a)が設けられる側を末端部とし、中心軸方向をZ軸、Z軸に直交し紙面の左右方向をX軸、紙面に対して垂直方向をY軸とする。円筒型圧電アクチュエータを使用する場合には、通常、末端部がベーズブロック8に固定される。
以上のように構成したZ軸変位検出装置12で、圧電素子に歪みεが生じた場合、出力電圧eは以下の式で表される。
e=KEε/2
ここで、Kは抵抗体の材質により決まるゲージ率であり、本実施例でも用いたn型半導体の場合には約−100である。なお、最も一般的に用いられる銅ニッケル合金などの金属材料の抵抗体を用いた歪みゲージではゲージ率は通常2程度であるため、半導体ゲージにすることで約50倍検出感度が向上する。
この式から、出力電圧Eを測定することにより歪み量εの測定が可能となり、測定される歪み量から圧電素子の変位が求まる。
e=KEε/2
したがって、X軸、Y軸の変位も変位検出装置(13,14)の出力電圧により測定することができる。
また、圧電素子20の変位検出用の抵抗体は図2(b)で使用したものと同一の歪みゲージが用いられ、外周面の帯状電極部上22に2枚(Rz1、Rz3)と4分割電極部上(23、24、25、26)に各1枚ずつ(Rx1、Rx2、Ry1、Ry2)取り付けられる。各抵抗体はそれぞれZ軸変位検出装置、X軸変位検出装置、Y軸検出装置(図示せず)に接続されて、図4に示したブリッジ回路が組まれる。
図5の従来の圧電アクチュエータ20での測定結果を図7(a)〜(d)に、図2の本発明の圧電アクチュエータ1での測定結果を図8(a)〜(d)に示す。歪みゲージの出力は電圧が増加する方向が圧電素子の縮む方向である。
この理由もZ軸のときと同じく静電容量成分が歪みゲージの出力信号に影響を与えるためである。
また、ベース材の特性や湿度の影響などで絶縁抵抗が低い場合、リーク電流が流れてしまい測定精度が悪化することがあったが、抵抗体を設ける面がグランド電位であれば、リーク電流もほとんど発生しない。
したがって、本発明のように抵抗体を設ける面をグランド電位とすることで静電容量やリーク電流の影響を受けず、抵抗体により高精度で変位検出が可能な変位計付圧電アクチュエータが提供される。
本実施例では各軸に抵抗体を4個配置し、4個の抵抗体によりブリッジ回路を構成することで、測定感度を上げるとともに温度による抵抗体の見かけ歪みを補償するようにした。本実施例では、図9(a)に示すように、内周面の上端には後で述べる外周面の帯状電極部51aに接続される折返し電極部51bを設け、その下に帯状電極部52を設け、さらにその下に円周面を4分割して中心軸に平行な方向に形成される4分割電極部(53a、54a、55a、56a)を設けた。帯状電極部52はプラス電極に分極し、4分割電極部(53a、54a、55a、56a)は中心軸に対して対向する電極(53a、54a)(55a、56a)が逆の極性を持つように分極を行った。
外周面は図9(b)に示すように、下端部に内周面の4分割電極部(53a、54a、55a、56a)に接続される折返し電極部(53b、54b、55b、56b)が設けられ、その他の部分には単一の帯状電極51aが設けられる。
圧電素子50の垂直方向の変位を検出するための抵抗体(Rz1、Rz2、Rz3、Rz4)は第一実施例と同じ仕様の歪みゲージが使用され、外周面のグランドに接続される帯状電極部51a上で内周面の帯状電極部52の表側の任意の位置に2箇所、線状の抵抗体17の長手方向と円筒の中心軸が平行となるように歪みゲージ(Rz1、Rz3)接着される。また、外周面の帯状電極部51a上で、内周面の折り返し電極部51bの表側にも、歪みゲージ(Rz2、Rz4)を2箇所接着する。
一方、内周面の折返し電極部51bは外周面の帯状電極部51aに接続されているためダミー電極として作用し、歪みは発生しない。この部分に接着した2枚の抵抗体(Rz2、Rz4)は、温度補償用ダミーゲージとして使用する。歪みゲージによる測定では周囲の温度変化や抵抗体の発熱により抵抗値が変化し見かけ上の歪みが発生して測定精度が悪化してしまう。特に本実施例で使用する半導体ゲージでは感度が高い反面、温度による見かけ歪みが大きく、温度補償を行うことが好ましい。アクティブゲージ(Rz1、Rz3)で発生する見かけ歪みをダミーゲージ(Rz2、Rz4)で発生する見かけ歪みで相殺することで見かけ歪みに影響されず歪み量の測定が行われる。以上のように構成されたZ軸の変位検出装置の出力は以下の式で表される。
実施例1の歪みゲージ2枚のときと出力電圧自体は同じであるが、温度による見かけ歪みの影響がなく実施例1よりも測定精度が向上する。
なお、Z軸方向の歪みの検出は歪みゲージ4枚をすべてアクティブゲージに使用して、そのうち2枚の抵抗体を中心軸と平行に、残りの2枚の抵抗体を円周面に沿って接着することでe=1.6KEε/2程度の出力電圧が得られ、温度補償も可能であるが、本実施例で抵抗体に用いている半導体を曲面への取り付けた場合には正確な出力得られないため、このような接着方法が可能となるのは金属製の抵抗体のみであり、抵抗体を半導体とした場合には本実施例のようにダミーゲージ用の電極を用いることが有効である。
e=KEε
この式からわかるように、実施例1の歪みゲージ2枚でブリッジ回路を構成したときに比べて出力が2倍となり高感度の測定が行われる。しかも、各抵抗体で発生する見かけ歪みも相殺されて、温度補償も行うことが可能である。
上端の帯状電極部61bは折返し電極となっており外周面の帯状電極部61aに接続される。内周面の帯状電極部62aはプラスの極性に分極される。
4分割電極部(72a、73a、74a、75a)の中心軸に対してそれぞれ対向する2つの電極(72a、73a)(74a、75a)が外周面の折返し電極部(72b、73b、74b、75b)を介してそれぞれX軸駆動電源76とY軸駆動電源77に接続されている。また、外周面の帯状電極部71はグランド電位に接続される。
4分割電極部の各電極(72a、73a、74a、75a)の裏側に位置する外周面の帯状電極部分71には、それぞれ2枚の歪みゲージ(Rx2、Rx4)(Rx1、Rx3)(Ry2、Ry4)(Ry1、Ry3)が接着される。中心軸に対して対向する2つの電極に接着された各軸合計4個の歪みゲージ(Rx1、Rx2、Rx3、Rx4)(Ry1、Ry2、Ry3、Ry4)が図4のブリッジ回路に接続されて変位検出装置を構成し、2軸方向の変位検出が行われる。
4分割電極部(82a、83a、84a、85a)は外周面の折返し電極部(82b、83b、84b、85b)を介してX軸駆動電源(86、87)とY軸駆動電源(88、89)が交互に接続される。また、外周面の帯状電極部81はグランド電位に接続される。
本実施例では、各軸に2台の電源(86、87)(88、89)を使用して互いに逆相の電圧を印加し中心軸に対してたわみを発生させて先端を2次元平面内で駆動させる。
4分割電極部(82a、83a、84a、85a)の各電極の表側に位置する外周面の帯状電極部分81には、それぞれ2枚の歪みゲージ(Rx2、Rx4)(Rx1、Rx3)(Ry2、Ry4)(Ry1、Ry3)が接着される。中心軸に対して対向する2つの電極に接着された各軸合計4個の歪みゲージ(Rx1、Rx2、Rx3、Rx4)(Ry1、Ry2、Ry3、Ry4)が図4のブリッジ回路に接続されて変位検出装置を構成し、2軸方向の変位検出が行われる。
4分割電極部(92a、93a、94a、95a)は外周面の折返し電極部(92b、93b、94b、95b)を介してそれぞれ電極に1台ずつZ軸駆動電源(96、97、98、99)が接続される。また、外周面の帯状電極部91aはグランド電位に接続される。
ここで、図13、図14を例にとり、分割電極の製造方法を説明する。本実施例では2つの方法を用いて電極分割を行った。
1つめの方法は、内周面、外周面、および両端面すべてに電極を作製した後、加工により電極を除去して分割を行った。
電極の作製は、圧電体を円筒に成型後、脱脂洗浄を行い、触媒として作用するパラジウムを素子全面に吸着し乾燥させる。次にメッキ液に浸漬して無電解ニッケルメッキを行い、厚さ約3μmのニッケルを全面に設ける。
ダイヤモンドコートを施した工具により内周面および外周面のニッケル層と圧電体の表面の一部を削ることで分割電極を作製した。なお、外側電極の分割は比較的容易に行うことができるため、メッキ工程の際にマスキングテープなどで外周面のみ分割電極を作製しておくと作業時間が短縮される。
2つ目の方法は、電極を設けない部分にマスキングを施す方法で分割を行った。
この方法では、圧電体を円筒に成型後、脱脂洗浄を行った後、分割ラインに沿ってレジスト液を塗布し乾燥させる。次にパラジウムを吸着し乾燥させ、レジストを除去し、メッキ液に浸漬することでパラジウムが吸着している部分のみに選択的に無電解ニッケルメッキを行うことで分割電極を作製した。
なお、工程の順序を入れ替え、パラジウム吸着→レジスト塗布→無電解ニッケルメッキ→レジスト除去または、レジスト塗布→パラジウム吸着→無電解ニッケルメッキ→レジスト除去などの方法で分割を行うことも可能である。
なお、マスキングの種類はレジストに限定されず、マスキングテープや他のマスキング手法も使用できる。
また、電極の種類はニッケルに限定されず、銀や金、カーボンなど任意の導電体が使用できる。
これらの製造方法は本発明の他の実施例にも適用できる。
なお、実施例3と実施例6で使用される圧電素子はアクティブ電極を有する圧電素子とダミー電極を有する圧電素子を別体で構成し、セラミックスなどの接続部材を使って接着してもよい。この場合、内周面の分割工程を省略できて、一体成形する場合よりも製作が容易となる。
また、実施例1から6に示した圧電素子は、外周面のグランド電位に接続される電極を一様な帯状電極で構成したが、外周面の抵抗体が設けられる電極も分割して、銅線などで同電位になるように接続してグランド電位に接続してもよい。
また、内周面に分割電極を設ける場合に比べると、本実施例では外周面に分割電極を作製するため圧電素子の電極の作製が容易である。
なお、本実施例のように圧電素子に直接抵抗体を設ける場合には必ずしも絶縁性のベースを介して抵抗体を設ける必要はなく、圧電素子上に抵抗体を直接固着してもよい。
本実施例では歪みゲージのベース材16上の抵抗体17や抵抗体接続用電極(図示せず)と歪みゲージ取付用電極部128が同電位になっているので、歪みゲージ取付用電極部128をグランドに接続する場合よりもさらに静電容量の影響を排除することが可能である。
このように歪みゲージ取付用電極部の電位を抵抗体に印加する電圧と同電位にする方法は本発明の他の実施例でグランドに電極を接続する代わりに適用することも可能である。
バイモルフ型圧電アクチュエータ140はりん青銅などの弾性体からなる板状弾性部材141の両面に長手方向で互いに逆方向の歪みが発生するように分極処理が施された2枚の板状の圧電素子(142、143)を固着し、双方の圧電素子(142、143)に歪みを発生させることで支持点149に対して曲げ変形を発生させるアクチュエータである。上下面の圧電素子(142、143)は表面側と弾性体に接着される側に電極(144、145、146、147)が設けられる。
ここで、本実施例では、歪みゲージ(R1、R2、R3、R4)が貼り付けられる電極(144、145)をグランド電位とし、弾性体との接合面側の電極(146、147)に駆動電源148を接続するようにした。
なお、弾性体の片面のみに圧電素子を固着してユニモルフ型の圧電アクチュエータとすることもできる。
この実施例の場合にも、歪みゲージR1はグランド電極側に接続されているので歪みゲージR1の取付部分に静電容量が発生せず、変位検出信号が静電容量成分の影響を受けずに検出することができ、検出精度が向上する。
本実施例では、図9に示した圧電アクチュエータ50の末端をベース173に固定し、先端にサンプルホルダ172を固定し、三軸微動機構として使用する。
カンチレバー169の変位は半導体レーザ165と集光レンズ166およびフォトディテクタ167から構成される光てこ方式の変位検出機構164により測定される。
このように構成された走査型プローブ顕微鏡160でXYに印加される信号を2次元平面の情報として、Z軸に取り付けられる歪みゲージ(Rz1、Rz2、Rz3、Rz4)によりZ軸変位検出装置161で検出される変位信号を高さ情報として画像化することで、3次元の凹凸形状を測定することが可能である。
本実施例では、図11に示した水平方向駆動用の圧電アクチュエータ70の末端をベース(図示せず)に固定し、先端側に固定用部材184を介してさらに図10に示した垂直方向駆動用の圧電アクチュエータ60を接続し、垂直方向駆動用の圧電アクチュエータ60の先端にカンチレバーホルダ185を設け、先端に探針191を有するカンチレバー190を固定し、三軸微動機構として使用する。
カンチレバー190の変位は半導体レーザ187と集光レンズ188およびフォトディテクタ189から構成される光てこ方式の変位検出機構186により測定される。
本実施例での動作は第11実施例がサンプル171をスキャンさせるのに対して、本実施例ではカンチレバー190をスキャンさせる以外の動作は実施例11と同じであるので説明は省略する。
また、実施例11、実施例12のように円筒型圧電アクチュエータの外周面の電極(71、61a)をグランドに接続することで歪みゲージの検出信号はもちろんのこと、円筒型圧電アクチュエータの周囲に配置される配線材や電気部品などへのノイズの混入が低減され、その結果、測定データのノイズレベルが少なくなる。特に走査型プローブ顕微鏡でサンプル表面の電気的特性の測定を行う場合には効果的である。
また、歪みゲージの配線材以外にも、周囲に配置される他の配線材や電気部品と圧電アクチュエータの電極がショートすることも防止される。
圧電素子の形状は任意のものが使用できる。圧電素子上の電極も導電性があればニッケルの他、銅や銀や金など他の材質でも使用可能である。また圧電素子の製造段階で電極上に絶縁コートが施されており、その上に絶縁体のベースに固着された抵抗体を貼り付ける場合にも実質的な構造は本発明と同じであるため本発明に含まれる。
また、抵抗体の材料も任意であり、実施例で紹介したn型半導体や銅ニッケル合金の他、ニクロム系合金や、p型半導体、n型とp型を組み合わせた半導体なども使用できる。また抵抗体の形状も直線形状に限定されず任意の形状のものが使用できる。
またや抵抗体が設けられる絶縁体のベース材も、ポリイミド樹脂やフェノールエポキシ混合樹脂の他、紙や、フェノール樹脂、エポキシ樹脂など任意絶縁材料が使用できる。またベース材の固定方法も必ずしも接着に限定されず、SiO2などの蒸着、あるいは絶縁性の接着剤自体をベース材にしてその上に抵抗体を直接設けてもよい。また、本発明の変位計付圧電アクチュエータが使用される位置決め装置は、走査型プローブ顕微鏡用以外にも、例えば光学顕微鏡やレーザ顕微鏡、半導体製造装置、半導体検査装置、工作機械、OA機器、AV機器、光学機器などにさまざまな装置に適用可能である。
Rz1、Rz2、Rz3、Rz4、Rx1、Rx2、Rx3、Rx4,Ry1,Ry2,Ry3,Ry4,R1,R2,R3,R4 歪みゲージ(抵抗体)
12、161、183 Z軸変位検出装置
13、162、181 X軸変位検出装置
14、163、182 Y軸変位検出装置
16 ベース材(絶縁体)
17 抵抗体
18 抵抗体接続用電極
9、27、57、63、96、97、98、99、109、129 Z軸駆動電源
10、28、58、76、86、87、110、130 X軸駆動電源
11、29、59、77、88、89、111、131 Y軸駆動電源
148、156 駆動電源
140 バイモルフ型の変位計付圧電アクチュエータ
150 積層型の変位計付圧電アクチュエータ
Claims (15)
- 任意の形状に形成され、内部の結晶が任意の方向に分極処理を施され、少なくとも厚み方向の対向する2面にそれぞれ電極が設けられた圧電素子と、前記電極間に電圧を印加し前記圧電素子に歪みを発生させるための駆動電源と、前記電極上に絶縁体を介して設けられた抵抗体と、前記抵抗体に接続され、前記抵抗体に任意の電圧を印加し、抵抗値変化を検出することで前記圧電素子の歪み量を検出する変位検出装置からなり、抵抗体が設けられる圧電素子上の電極をグランド電位に接続することを特徴とする変位計付圧電アクチュエータ。
- 任意の形状に形成され、内部の結晶が任意の方向に分極処理を施され、少なくとも厚み方向の対向する2面にそれぞれ電極が設けられた圧電素子と、前記電極間に電圧を印加し前記圧電素子に歪みを発生させるための駆動電源と、前記電極上に絶縁体を介して設けられた抵抗体と、前記抵抗体に接続され、前記抵抗体に任意の電圧を印加し、抵抗値変化を検出することで前記圧電素子の歪み量を検出する変位検出装置からなり、抵抗体が設けられる圧電素子上の電極の電位を前記抵抗体に印加される電位と等しくした変位計付圧電アクチュエータ。
- 前記圧電素子を円筒型に形成し、円筒型の圧電素子の内周面と外周面の双方に電極を設け、外周面の電極に絶縁体を介して抵抗体を設けた請求項1または2のいずれかに記載の円筒型の変位計付圧電アクチュエータ。
- 内周面の電極が複数に分割される請求項3に記載の円筒型の変位計付圧電アクチュエータ。
- 外周面の電極が外周に添って設けられる単一の帯状電極、または外周面の電極が内周面に接続される折返し電極と単一の帯状電極で構成され、前記帯状電極に絶縁体を介して抵抗体を設けた請求項3または4のいずれかに記載の変位計付圧電アクチュエータ。
- 前記円筒型の圧電素子の内周面に少なくとも2箇所以上の電極を設け、圧電体を介して前記内周面の電極に対向する外周面側にも電極を設け、前記内周面電極の少なくとも1つの電極はひずみを生じさせないダミー電極とし、他の電極は電圧を印加することにより圧電素子にひずみを生ずるアクティブ電極とし、前記アクティブ電極の外側電極に1箇所または2箇所の抵抗体を設け、前記ダミー電極の外側電極に1箇所または2箇所の抵抗体を設け、少なくとも前記抵抗体が設けられる電極が同電位になるように構成されてグランド電位に接続され、前記アクティブ電極の外周面側に設けられた抵抗体によりひずみ検出を行う際に、ダミー電極の外周面側に設けられた抵抗体により温度補償を行うようにアクティブ電極とダミー電極間の各抵抗体を接続してブリッジ回路を構成したことを特徴とする請求項3乃至5のいずれかに記載の変位計付圧電アクチュエータ。
- 前記ダミー電極を有する圧電素子と、前記アクティブ電極を有する圧電素子が同一の圧電体の材料を用いて別体により構成されることを特徴とする請求項6に記載の変位計付圧電アクチュエータ。
- 前記外周面または/および内周面の電極が、前記圧電体の表面に電極を設けた後、機械加工による電極の一部の除去により形成することを特徴とする請求項3乃至7のいずれかに記載の変位計付圧電アクチュエータ。
- 前記外周面または/および内周面の電極が、前記圧電体の表面にマスキングを行い、該マスキング以外の部分に電極を設けた後、前記マスクの除去により形成することを特徴とする請求項3乃至7のいずれかに記載の変位計付圧電アクチュエータの製造方法。
- 任意の板状弾性体の上面および/または下面に、板状の圧電素子を固着し、前記圧電素子の表面および弾性体との界面側にそれぞれ電極を設け、前記圧電素子の表面側電極に絶縁体を介して抵抗体を設けたバイモルフ型またはユニモルフ型であることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の変位計付圧電アクチュエータ。
- 複数枚の膜状圧電素子と電極を交互に積層して積層型の圧電素子を形成し、前記膜状圧電素子に挟まれた電極に交互に接続される2つの電極を前記積層型圧電素子の側面に形成し、前記側面電極の一方の電極に絶縁体を介して抵抗体を設けた積層型であることを特徴とする請求項1または2のいずれかにに記載の変位計付圧電アクチュエータ。
- 任意の形状に形成され、内部の結晶が任意の方向に分極処理を施され、少なくとも厚み方向の対向する2面にそれぞれ電極が設けられた圧電素子と、前記電極間に電圧を印加し前記圧電素子に歪みを発生させるための駆動電源と、前記圧電素子上に設けられた抵抗体と、前記抵抗体に接続され、抵抗値変化を検出することで前記圧電体の歪み量を検出する変位検出装置からなり、前記抵抗体が設けられる部分は圧電素子上に電極が設けられていないことを特徴とする変位計付圧電アクチュエータ。
- 前記抵抗体が半導体であることを特徴とする、請求項1乃至12のいずれかに記載の変位計付圧電アクチュエータ。
- 請求項1乃至13のいずれかに記載の変位計付圧電アクチュエータに使用される圧電素子。
- 請求項1乃至13のいずれかに記載の変位計付圧電アクチュエータを用いた位置決め装置。
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