(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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１４】
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１５】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密機器の位置決め装置などに使用される圧電アクチュエータに関するものであり、例えば、走査型プローブ顕微鏡用のスキャナなどに適用される。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧電アクチュエータはサブナノメータから数百マイクロメータオーダの精密位置決め装置として計測装置を初めとするさまざまな精密機器に使用されている。
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）。
【０００３】
図２２は従来の走査型プローブ顕微鏡の構成図である。従来の走査型プローブ顕微鏡では、先端に探針２１３を有するカンチレバー２１４と、探針２１３と対向する位置に設置されサンプル２１２が載置されるサンプルホルダ２１１と、前記探針２１３をサンプル面内に移動させる水平方向微動機構とサンプル表面と垂直な方向に移動させる垂直方向微動機構からなる三軸微動機構２１５と、カンチレバー２１４のたわみを検出するための変位検出機構２１９から構成される。
【０００４】
図２２の従来技術では、三軸微動機構２１５は円筒型圧電素子を用いた圧電アクチュエータが使用される。円筒型圧電素子は内部の結晶が内周面から外周面方向にかけて円筒の中心軸と直交する方向に一様な方向になるように分極処理が施されている。円筒型圧電素子の内周面には単一の共通電極２３２が形成され、外周面には、円周に沿って設けられた帯状電極部２３５と、円周に対して４分割され中心軸と平行な方向に４分割電極部２３３、２３４が設けられる。帯状電極部２３５が設けられる側を先端とし、４分割電極部２３３、２３４が設けられる側を末端とすると、先端にはカンチレバー２１４が取り付けられて、末端はベース（図示せず）に固定される。
【０００５】
円筒型圧電アクチュエータは４分割電極部２３３、２３４が水平方向微動機構として作用し、帯状電極部２３５が垂直方向微動機構として作用する。円筒型圧電アクチュエータを駆動する場合には、内周面の共通電極２３２をグランド電位に接続し、４分割電極部２３３、２３４の中心軸に対して対向する２つの電極間にそれぞれ逆相の電圧を印加する。このとき、一方の電極側が中心軸と平行な方向に伸び、もう一方の電極側が縮み、その結果、円筒型圧電素子にたわみが生じて先端が円弧運動を行う。ここで、円弧運動の移動量は微小であるため、サンプル２１２の面内に対して概ね平行に探針２１３を動かすことが可能となる。もう一方の対向する２つの電極間も同様な動作をさせることで、探針２１３をサンプル２１２面内で２次元に移動させることができる。
【０００６】
また、外周面の帯状電極部２３５に電圧を印加すると、直径方向に歪みが発生し、その結果、中心軸と平行な方向にも歪みが生じて、探針２１３をサンプル２１２と直交する方向に移動させることが可能となる。
【０００７】
カンチレバー２１４の変位検出機構は一般に光てこ法が用いられる。変位検出機構２１９は、半導体レーザ２１６と集光レンズ２１７、フォトディテクタ２１８から構成される。半導体レーザ２１６の光を集光レンズ２１７でカンチレバー２１４の背面に集光し、カンチレバー２１４の背面で反射してきた光をフォトディテクタ２１８で検出する。カンチレバー２１４にたわみが生じた場合には、フォトディテクタ２１８上のスポットの位置が変化するので、この変化量を検出することでカンチレバー２１４のたわみを検出することが可能である。
【０００８】
このように構成された走査型プローブ顕微鏡で、探針２１３とサンプル２１２を近接させていくと、原子間力または接触力が作用し、カンチレバー２１４にたわみが生じる。このときたわみ量は探針２１３とサンプル２１２間の距離に依存するため、カンチレバー２１４の変位検出機構２１９によりたわみ量を検出し、たわみ量が一定となるように、制御回路２２１により垂直方向微動機構を動作させて、探針２１３とサンプル２１２間の距離が一定となるようにフィードバック制御を行いながら、走査回路２２２により水平方向微動機構をラスタスキャンさせることで、サンプル表面の凹凸像を測定することができる。なお、カンチレバー２１４の静的なたわみを検出するコンタクト方式の他にも、カンチレバー２１４を共振周波数近傍で振動させながら、原子間力や間欠的な接触力による振幅や位相あるいは周波数の変化量により探針２１３とサンプル２１２の距離制御が行われる振動方式で測定を行う場合もある。
【０００９】
ここで、走査型プローブ顕微鏡の位置決め装置として用いられている３微動機構２１５は圧電素子で構成されているため、ヒステリシスやクリープが生じる。ヒステリシスは、圧電素子に電圧を印加した場合に電圧に対して変位が完全に線形にはならず、２次曲線に近似されるような動作を行う現象である。また、クリープは、ある電圧を圧電素子に印加した場合に、すぐに目標の移動量には達せず、時間的に少しずつ微小移動を行ってしまう現象である。
【００１０】
これらのヒステリシスやクリープが発生した場合には、正確な位置決めを行うことが困難となるため、より精密な位置決め手段として、圧電素子の変位を検出するための変位検出装置を用いて位置決め装置の変位の検出を行いヒステリシスやクリープを補償する方式が行われている。
【００１１】
圧電素子の変位検出装置には光学式センサや静電容量センサ、磁気式センサなどさまざまな方式が用いられているが、最もスペースをとらず、安価で、簡便な方法として、歪みゲージによる検出が有効である。
【００１２】
図２３に従来技術の走査型プローブ顕微鏡の三軸微動機構の変位を歪みゲージにより検出する変位計付圧電アクチュエータを示す。この従来技術では、円筒型圧電素子２１５の外周面の４分割電極部２３３、２３４には各電極に１枚ずつ歪みゲージ２０１ａ、２０１ｂ、２０２ａ、２０２ｂが接着されている。また、帯状電極部２３５には２枚の歪みゲージ２０３ａ、２０３ｂが中心軸に対して平行に接着されている。歪みゲージは一般に市販されている歪みゲージであり、円筒型圧電素子の中心軸に平行な方向に歪みが発生したときに大きな出力が得られる方向に接着される。一般的な歪みゲージでは、ベース材にポリイミド樹脂や紙、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フェノール／エポキシ混合樹脂など絶縁材料が使用され、ベース材上には銅ニッケル合金やニクロム系合金などの金属材料や、シリコン単結晶などの半導体から構成される抵抗体が設けられており、同じくベース材上に形成されるニッケルなどの電極パターンを介して外部の検出装置に電気的に接続される。
【００１３】
水平方向微動機構では対向する２つの電極２３３、２３４に貼られた各２枚の歪みゲージ２０１ａ、２０１ｂ、２０２ａ、２０２ｂと、２つの固定抵抗２４１、２４２により図２４に示すようなブリッジ回路が組まれ、ブリッジ回路にブリッジ電圧ｅ０を印加し、出力電圧ｅ１を測定する。圧電素子に歪みが生じた場合には、歪みゲージ２０１ａ、２０１ｂ、２０２ａ、２０２ｂの抵抗値が変化し出力電圧ｅ１の値が変化する。この出力電圧ｅ１を検出することで圧電素子の歪み量を測定することが可能となる。なお、この従来技術では各軸２枚のゲージ２０１ａ、２０１ｂ、２０２ａ、２０２ｂが中心軸に対して対向する電極２３３、２３４に接着されているため、水平方向微動機構が中心軸に対してたわむことで各々の歪みの方向が逆となるため、各歪みゲージの検出信号の符号も逆となり、１枚の電極のみに歪みゲージを貼り付けた場合に比べて２倍の出力電圧を得ることができノイズに対する信号強度が増加する。さらに温度変化に伴う抵抗値変化分は相殺されて温度補償も行われる。
【００１４】
また垂直方向微動機構の場合には、２枚の歪みゲージ２０３ａ、２０３ｂと２つの固定抵抗２４１、２４２により、図２５のようにブリッジ回路を組み、ブリッジ回路にブリッジ電圧ｅ０を印加し、出力電圧ｅ1を測定する。圧電素子に歪みが生じた場合には、歪みゲージの抵抗値が変化し出力電圧ｅ１の値が変化する。この出力電圧ｅ１を検出することで圧電素子の歪み量を測定することが可能となる。この場合も、１枚のケージの場合に比べて２倍の出力電圧を得ることができる。ただし、この回路では、温度変化に伴う抵抗値変化分の補償は行われない。
【００１５】
歪みゲージの出力は、あらかじめ変位が校正されている別の変位計や、この三軸微動機構を用いた走査型プローブ顕微鏡により校正用サンプルを測定したときのデータから変位と出力電圧ｅ１の校正が行われており、得られる出力電圧ｅ１から変位量を測定することができる。
【００１６】
このように歪みゲージの出力電圧から随時測定される変位情報から印加電圧に対して三軸微動機構が線形動作するようにフィードバック制御が行われる。なお、走査型プローブ顕微鏡では必ずしも垂直方向は電圧に対して線形動作する必要はなく歪みゲージの出力信号から得られる高さ情報をそのまま表示する場合もある。
【特許文献１】特開平９−８９９１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、このように構成された従来の圧電アクチュエータでは、圧電素子の駆動電圧が印加される電極面に絶縁体を介して直接歪みゲージが接着されているため、圧電素子の電極面と歪みゲージの抵抗体や抵抗体に接続される抵抗体接続用電極で絶縁体が挟まれた構造となる。ベース材は誘電体として作用するため、歪みゲージ貼り付け部分があたかもコンデンサのように作用して静電容量成分が発生し、この静電容量成分の影響で歪みゲージの検出信号が正確に測定できなくなってしまう。
【００１８】
また、圧電素子の電極面には圧電素子駆動用の高圧の電圧が印加されているため、歪みゲージにつながるリード線の圧電素子に付随する電極への接触や、経時変化により歪みゲージのベース材内部を介して歪みゲージの電極や抵抗体と、圧電素子の電極がつながってしまい、歪みゲージや歪みゲージにつながる変位検出装置に高電圧がかかりこれらの装置を破損してしまうことがあった。またベース材の絶縁抵抗が低い場合にはリーク電流により歪みゲージの検出信号が正確に測定できない場合もあった。
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。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
【００２０】
本発明では、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により構成される変位計付き圧電アクチュエータにおいて、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した。
【００２１】
また、本発明では、前記変位計付圧電アクチュエータの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。
【００２２】
また、本発明の変位計付圧電アクチュエータで使用される圧電素子は、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構成とした。この円筒型圧電素子は、内周面の電極が複数に分割され、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、前記外周面の帯状電極に絶縁体を介して抵抗体を設けた構造とした。
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。
【００２３】
さらに、本発明の変位計付圧電アクチュエータで使用される圧電素子は、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の構造とした。
【００２４】
さらに、本発明の変位計付圧電アクチュエータで使用される圧電素子は、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の構造とした。
【００２５】
また、本発明では、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により構成される変位計付き圧電アクチュエータにおいて、前記抵抗体が設けられる部分は圧電素子上に電極を設けないようにした。
【００２６】
また、本発明の変位計付圧電アクチュエータに使用される抵抗体は半導体を使用した。
【００２７】
本発明では、以上のように構成される変位計付圧電アクチュエータを使用して位置決め装置を構成した。
【発明の効果】
【００２８】
抵抗体が設けられる圧電素子上の電極部分がグランド電極に接続されているか、抵抗体に印加される電圧と同電位となっているため、絶縁体のベースシート上に構成された抵抗体でも、圧電素子の電極面と抵抗体や抵抗体に接続される抵抗体接続用電極間での電位差がほとんど発生しないので、圧電素子に高電圧を印加して駆動した場合でも静電容量成分がほとんど発生せず、抵抗値変化の検出信号が静電容量の影響を受けない。また、ベース材の絶縁抵抗が低い場合でもリーク電流はほとんど流れない。そのため、圧電体の歪み量を正確に測定することが可能となり、圧電アクチュエータの変位の検出精度が大幅に向上する。その結果、その圧電アクチュエータを使用した位置決め装置の移動精度も大幅に向上する。
【００２９】
さらに、抵抗体や抵抗体に接続されるリード線の圧電素子に付随する電極への接触や、経時変化により抵抗体が設けられる絶縁体内部を介して抵抗体に接続される絶縁体上の抵抗体接続用電極や抵抗体と、圧電素子の電極がつながってしまう現象（マイグレーション）が発生しなくなり、ショートにより抵抗体や検出装置が破損することを防止することができ信頼性や耐久性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００３１】
図１〜図３に本発明の第一実施例に係る変位計付圧電アクチュエータを示す。図１は変位計付圧電アクチュエータの概観図であり、図２（ａ）は図１で使用される円筒型圧電素子の内周面の展開図、図２（ｂ）は外周面の展開図である。
【００３２】
本実施例では、図１に示すような円筒型圧電素子が用いられる。円筒型圧電素子１は、図２（ａ）に示されるように内周面の上部には円周に沿って一様に帯状電極２ａが設けられ、下半分は、円周に沿って４分割され円筒の中心軸と平行な方向に形成された４分割電極部（３ａ、４ａ、５ａ、６ａ）が設けられている。また、図２（ｂ）に示されるように外周面の上端部には内周面の帯状電極部２ａにつながる折返し電極部２ｂが、下端部には内周面の４分割電極部（３ａ、４ａ、５ａ、６ａ）につながる折返し電極部（３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ）が設けられ、折返し電極以外の部分には円周に沿って単一の帯状電極７が形成される。
【００３３】
この円筒型圧電素子1の全長は１００ｍｍ、外周の直径は１５ｍｍ、内周と外周間の厚さは１ｍｍ、４分割電極部（３ａ、４ａ、５ａ、６ａ）の長さは５０ｍｍ、帯状電極部２ａの長さは４５ｍｍである。この円筒型圧電素１は内部の結晶が内周面から外周面方向にかけて円筒の中心軸と直交する方向に極性を持つように分極処理が施されている。分極の極性は内周面の分割電極面によって異なる極性を持っており図２（ａ）の符号で示した極性を持つ。ここで、プラスの記号は分極を行う際に、外周面の帯状電極部７をグランド電位とし、内周面にプラスの電圧を印加して分極処理を行った部分であり、素子内部の結晶はマイナスの極性が内周面を向いている。このように分極処理された電極をプラス電極と呼ぶ。また、マイナスの記号は分極を行う際に、外周面の帯状電極部７をグランド電位とし、内周面にマイナスの電圧を印加して分極処理を行った部分であり、素子内部の結晶はプラスの極性が内周面を向いている。このように分極処理された電極をマイナス電極と呼ぶ。本明細書中での電極の極性の呼び方は、すべてこの定義に従うものとする。本実施例の円筒型圧電素子１では、内周面の帯状電極部２ａはプラス電極であり、４分割電極部（３ａ、４ａ、５ａ、６ａ）は中心軸に対して互いに対向する電極（３ａ、４ａ）、（５ａ、６ａ）が逆極性となるように分極処理を施した。
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。
【００３４】
ここで、外周面の帯状電極部７はグランドに接続される。また内周面の帯状電極部２ａに接続される折返し電極部２ｂにはＺ軸駆動電源９が接続される。さらに、内周面の４分割電極部（３ａ、４ａ、５ａ、６ａ）に接続される外周面の折返し電極部（３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ）のうち、Ｘ軸方向で対向する２つの電極部（３ｂ、４ｂ）にはＸ軸駆動電源１０が、Ｙ軸方向で対向する２つの電極部（５ｂ、６ｂ）にはＹ軸駆動電源１１が接続される。なお、折返し電極（２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ）は必ずしも設ける必要はなく内部の電極（２ａ、３ａ、４ａ、５ａ、６ａ）に直接接続してもよいが、折返し電極を設けることで駆動電源接続用の電極を円筒の外部に設けることができるため接続が容易となる。外周面の帯状電極７をグランドに接続する場合には、接地するか駆動電源（９、１０、１１）のグランド側に接続する。
【００３５】
このように接続された円筒型圧電アクチュエータのＺ軸駆動電源９に電圧を印加すると、印加する極性に応じて圧電素子内部の結晶に引力または斥力が作用し、厚み方向に歪みが生じる。この歪みによりＺ軸方向にも歪みが生じ、圧電素子はＺ軸方向に変位が生じる。Ｚ軸駆動電源９によりプラス極性の電圧を印加した場合には、厚みが増加する方向の歪みが生じ、その結果、Ｚ軸沿って縮む方向に変位が生じる。逆にマイナス極性の電圧を印加した場合には、Ｚ軸に沿って伸びる方向に変位が生じる。
【００３６】
また、Ｘ軸駆動電源１０に電圧を印加すると結晶の極性が対向する電極（３ａ、４ａ）で異なっているため、一方は厚みが増加し、他方は厚みが減少する。その結果、中心軸に平行な方向で一方の電極は縮み、他方の電極は伸びる方向に変位し、円筒型圧電アクチュエータには末端の固定端を中心にＸ軸方向のたわみが生じ、先端は円弧運動を行う。ここで、円弧運動の変位が微小であるため、近似的にＸ軸に平行な方向に変位したとみなすことができる。Ｘ軸駆動電源１０の電圧の極性を変化させることで中心軸に対して正負両方向に移動させることができる。Ｙ軸についてもＹ軸駆動電源１１を用いて対向する電極（５ａ、６ａ）に電圧を印加することで、Ｘ軸と同じ原理によりＹ軸方向に変位させることができる。その結果、Ｘ軸とＹ軸の印加電圧を制御することでＸＹ平面内の任意の方向に圧電素子先端を動かすことが可能となる。本実施例では各軸の電極に印加する電圧は−２００Ｖ以上＋２００Ｖ以下の範囲で駆動を行うことで、ＸＹ平面内で１００μｍ、Ｚ軸方向に１０μｍ移動させることができる。ここで、４分割電極部（３ａ、４ａ、５ａ、６ａ）の対向する電極の極性を同じ極性とする円筒型圧電素子を使用してもよいが、この場合には円筒型圧電素子をたわみ変形させるために各軸に２つの電源を用いて互いに逆極性となる電圧を印加する必要があり、ＸＹの２軸では合計４個の駆動電源が必要となる。本実施例のように、対向する電極（３ａ、４ａ）（５ａ、６ａ）の極性を異なるように分極することで各軸に１個、ＸＹの２軸で合計２個の駆動電源で同一極性の電圧を印加することでＸＹ面内の移動が実現できる。
【００３７】
次に、本実施例の円筒型圧電アクチュエータの変位検出方法を説明する。圧電アクチュエータでは通常、サブナノメータ〜数百マイクロメータオーダの微小な変位を発生させる目的で使用され、圧電素子の歪みにより変位を測定する場合に要求される歪み測定精度は、通常１０−８〜１０−３程度である。このような微小歪みを高感度で測定するために、本実施例では半導体を抵抗体に使用した歪みゲージにより、歪みの計測を行った。
【００３８】
図３（ａ）（ｂ）に本実施例で使用される歪みゲージの構造と圧電素子への固定方法を示す。図３（ａ）は図２（ｂ）で圧電素子に取り付けられた歪みゲージＲｚ１のＡ−Ａ線断面図であり、図３（ｂ）は歪みゲージＲｚ１の正面図である。なお、本実施例の他の歪みゲージもすべて同じ構造である。この歪みゲージＲｚ１は、圧電素子1の素子本体１５の外周面に形成されたニッケル製の電極７上に、絶縁体である厚さ１５μｍのポリイミド樹脂製のベース材１６を介してｎ型半導体で構成される線状の抵抗体１７が取り付けられている。また、線状抵抗体１７の一方の端と他方の端は、図３（ｂ）に示されるように、ベース１６上にニッケルでパターニングされた抵抗体接続用電極１８に接続されている。抵抗体１７と抵抗体接続用電極１８はあらかじめベース材１６にパターニングされて歪みゲージＲｚ１を構成しており、ベース材１６を圧電素子の電極部７にエポキシ系の接着剤で接着する。
【００３９】
Ｚ軸の歪みを測定する歪みゲージ（Ｒｚ１、Ｒｚ３）は、内周面に設けられた帯状電極部２ａに対して表面側に位置する外周面の帯状電極部7に２箇所、線状の抵抗体１７の長手方向が中心軸と平行になるように接着される。これらの２つの抵抗体（Ｒｚ１、Ｒｚ３）は抵抗体接続用電極１８を介して外部に設置されるＺ軸変位検出装置９に接続される。
【００４０】
ここで、図４により、変位検出装置の検出原理を説明する。図４は圧電素子に貼り付けられる抵抗体と、外部の変位検出装置で構成される電気回路図である。変位検出装置は変位検出用の抵抗体と、変位検出装置内部で接続される固定抵抗を合計４つ使用してブリッジ回路が組まれる。ここで図４の各抵抗の番号は、各電極に貼られている変位検出用の抵抗体の番号に対応し、圧電素子に取り付けられる抵抗体以外は変位検出装置内部に設けられる固定抵抗となる。本発明の他の実施例についても図４の回路図を用いて圧電素子に取り付けられる各抵抗体の番号に対応させて説明する。
【００４１】
Ｚ電極の抵抗体（Ｒｚ１、Ｒｚ３）は図４の回路図のＲ１、Ｒ３の部分に組み込まれる。抵抗体（Ｒｚ１、Ｒｚ３）の抵抗値は１２０Ωである。またＲ２、Ｒ４には抵抗値１２０Ωの固定抵抗が組み込まれる。ここでブリッジ回路にブリッジ電圧Ｅを印加する。本実施例ではＥは２Ｖとした。Ｅは直流でも交流でもよいが本実施例では３０ｋＨｚの交流を用いて対ノイズ性を向上させた。
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。
【００４２】
また、４分割電極部のＸ電極（３ａ、４ａ）、Ｙ電極（５ａ、６ａ）の表面側に位置する外周面の帯状電極部７にはそれぞれ２枚のゲージ（Ｒｘ１、Ｒｘ２）（Ｒｙ１、Ｒｙ２）が接着され、図４のＲ３、Ｒ４には固定抵抗が組み込まれる。各抵抗体の特性はＺ電極と同じである。このときにＸ軸変位検出装置13およびＹ軸変位検出装置１４の出力電圧ｅは以下の式で表される。
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。
【００４３】
ここで、図５（ａ）（ｂ）に従来の変位計付圧電アクチュエータの内周面と外周面の電極パターンと抵抗体の取り付け方法を示す。この従来技術は圧電素子の形状や電極の形状は図２（ａ）（ｂ）の内側電極と外側電極を逆にしただけであり、原理的には同一の圧電素子であるために移動量は同一の特性を示す。この従来技術では円筒型圧電素子２０の内周面は円周に沿って単一の帯状電極部２１ａが設けられ、外周面の先端部には内周面の帯状電極部２１ａにつながる折返し電極部２１ｂが設けられ、折返し電極部２１ｂの下側には円周に沿って帯状電極部２２が設けられ、下側には円周に沿って４分割され中心軸に平行な方向に形成された４分割電極部（２３、２４、２５、２６）が設けられる。外周面の帯状電極部２２はマイナス極性に、４分割電極部（２３、２４、２５、２６）は中心軸に対して対向する電極（２３、２４）（２５、２６）が逆の極性となるように分極処理が施されている。外周面にある内側電極の折り返し電極部２１ｂをグランドに接続し、外周面の帯状電極部分２２にＺ軸駆動電源２７が、４分割電極部の対応する２つの電極（２３、２４）（２５、２６）にＸ軸駆動電源２８およびＹ軸駆動電源２９が接続される。
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。
【００４４】
図２と図５の変位計付圧電アクチュエータでは、Ｚ軸については製作の都合上、図２（ｂ）と図５（ｂ）に示したように、分極の極性が異なるように製作したため、Ｚ軸駆動電源（９、２７）により同一の大きさで同じ極性の電圧を印加すると、同一の大きさで移動方向の異なる変位が得られ、Ｘ軸、Ｙ軸については、図２（ｂ）と図５（ｂ）に示したように同じ極性となるように製作したため、駆動電源により同一の大きさで同じ極性の電圧を印加すると、同一の大きさで移動方向も等しい変位が得られる。
【００４５】
ここで、図２（ｂ）と図５（ｂ）に示した圧電アクチュエータのＺ軸の電極の２つの抵抗体のうちＲｚ１のみを、図４に示したブリッジ回路のＲ１の部分に接続し、残りを固定抵抗とし、Ｚ軸駆動電源２７により電圧を印加した場合の出力を測定した。
【００４６】
図２の圧電アクチュエータ１には０〜−１００Ｖ、０．１２Ｈｚの矩形波３４を入力し、図５の圧電アクチュエータ２０には０〜＋１００Ｖ、０．１２Ｈｚの矩形波３３を入力し、図２と図５を同一方向に変位させた場合の歪みゲージＲｚ１による変位検出結果と、圧電アクチュエータ（１、２０）の先端の変位を別に設けた変位が正確に構成された光学式の変位計（インターフェロメータ）で測定した結果を図６（ａ）、図６（ｂ）に示す。図６（ａ）は図２の抵抗体Ｒｚ１が設けられる電極７がグランド電位の場合であり、図６（ｂ）は抵抗体Ｒｚ１が設けられる電極２２に駆動電圧が印加される従来技術の場合である。ここで、歪みゲージの検出信号と変位計の検出信号はともに、電圧が増加する方向に動くと先端が縮む方向に変位する。図６（ｂ）で測定した変位計による圧電素子の変位３０を見ると、電圧印加によりある距離まで立ち上がった後、時間的に少しずつ変位が生じた方向にクリープしている様子が観察される。一方、図６（ｂ）の抵抗体Ｒｚ１での変位検出装置の出力３１を見ると、クリープの方向が圧電素子の変位方向３０とは、まったく逆方向に動いている様子が観察される。一方、図６（ａ）の結果を見ると、抵抗体Ｒｚ１での変位検出装置の出力３２は図６（ｂ）の変位計で測定される圧電素子の変位３０のクリープの方向と一致しており、圧電アクチュエータの変位が正確に測定されている。なお、今回の実験では装置作製時の都合で電極の分極の極性が逆となったため、図６（ａ）、図６（ｂ）で駆動電圧は逆となっているが測定結果には影響しない。
【００４７】
この結果は、図２の圧電アクチュエータ1に０〜＋１００Ｖ、０．１２Ｈｚの矩形波を、図５の圧電アクチュエータ２０にＺ軸駆動電源に０〜−１００Ｖ、０．１２Ｈｚの矩形波を印加して逆の方向に変位させた場合も測定したが、同じ特性を示し、抵抗体Ｒｚ１の検出特性は歪みの方向や印加電圧の極性には無関係であった。
【００４８】
これは、図５の従来の圧電アクチュエータ２０では、Ｚ軸駆動電源２７が接続される圧電素子の帯状電極部２２に絶縁体を介して抵抗体Ｒｚ１が接着されるため、圧電素子の電極２２と抵抗体１７または抵抗体につながる接続用電極部（図示せず）で絶縁体１６がはさまれる構造となり、両者に電位差が発生し、あたかもコンデンサとして作用して、そのとき発生する静電容量成分がＺ軸変位検出装置（図示せず）の信号に影響を与えるためである。図２の本発明のように抵抗体Ｒｚ１を設ける電極７をグランド電位とすることで、両者の電位差がほとんどなくなり、静電容量成分が発生せず正確な測定が可能となる。
【００４９】
また、図２（ｂ）と図５（ｂ）の４分割電極部（３ａ、４ａ、５ａ、６ａ）（２３、２４、２５、２６）についても、Ｘ軸の対向する２つの電極（３ａ、４ａ）（２３、２４）とＹ軸の対向する２つの電極間（５ａ、６ａ）（２５、２６）に矩形波を印加し、各抵抗体単体（Ｒｘ１、Ｒｙ１、Ｒｘ２、Ｒｙ２）をブリッジ回路に組込み変位検出装置の出力を測定した。
【００５０】
プラス極性の電極（３ａ、５ａ、２４、２６）の歪みを測定する抵抗体（Ｒｘ２、Ｒｙ２）の出力を測定する場合には、０〜＋１００Ｖ、０．１２Ｈｚの矩形波４３を印加し、マイナス極性の電極（４ａ、６ａ、２３、２５）の歪みを測定する抵抗体（Ｒｘ１、Ｒｙ１）の出力を測定する場合には、０〜−１００Ｖ、０．１２Ｈｚの矩形波４４を印加し、同一方向に変位を与えて測定を行った。
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。
【００５１】
図７の結果を見ると、歪みゲージ（Ｒｘ１、Ｒｙ１、Ｒｘ２、Ｒｙ２）の出力信号（３５、３６、３７、３８）は、各電極の極性ごとにクリープの大きさが異なり、マイナス電極上の歪みゲージ（Ｒｘ１、Ｒｙ１）の出力信号（３７、３８）の方がプラス電極上の歪みゲージ（Ｒｘ２、Ｒｙ２）の出力信号（３５、３６）よりもクリープ量が大きくなり、極性が同じ電極上の出力特性（３５、３６）（３７、３８）は同じ特性となった。一方、図８の結果を見ると、抵抗体（Ｒｘ１、Ｒｙ１、Ｒｘ２、Ｒｙ２）が設けられる電極7がグランドに接続される場合には各抵抗体（Ｒｘ１、Ｒｙ１、Ｒｘ２、Ｒｙ２）が設けられる部分の内周面側の電極（３ａ、４ａ、５ａ、６ａ）の極性によらず出力信号（３９、４０、４１、４２）は同一のクリープ特性を示し、圧電素子1の先端の動きと歪みゲージ（Ｒｘ１、Ｒｙ１、Ｒｘ２、Ｒｙ２）の出力が一致した。
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。
【００５２】
なお、ＸＹ電極についても、プラス極性の電極（３ａ、５ａ、２４、２６）の歪みを測定する抵抗体（Ｒｘ２、Ｒｙ２）の出力を測定する場合に、０〜−１００Ｖ、０．１２Ｈｚの矩形波を印加し、マイナス極性の電極（４ａ、６ａ、２３、２５）の歪みを測定する抵抗体（Ｒｘ１、Ｒｙ１）の出力を測定する場合には、０〜＋１００Ｖ、０．１２Ｈｚの矩形波を印加し、図７、図８とは逆方向に変位させたときの歪みゲージの出力を測定したがクリープ特性は同じ結果となり、抵抗体の検出特性は歪みの方向や印加電圧の極性には無関係であった。
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。
【００５３】
また、従来の圧電アクチュエータでは高電圧がかかる電極面に歪みゲージが取り付けられていたので、抵抗体や抵抗体に接続されるリード線の圧電素子に付随する電極への接触や、経時変化により抵抗体が設けられる絶縁体内部を介して抵抗体に接続される絶縁体上の抵抗体接続用の電極や抵抗体と、圧電素子の電極がつながってしまう現象が発生し、ショートにより抵抗体や検出装置が破損することがあったが、抵抗体が貼り付けられる電極がグランド電位となっているため、これらの事故を防止することができ信頼性や耐久性が向上する。
【００５４】
また、抵抗体が設けられる電極がグランド電位であるため、変位検出装置自体のノイズレベルも低下する。さらに、この変位計付圧電アクチュエータを装置に組み込んだ場合には、圧電アクチュエータの外周面の電極のほとんどの部分がグランドに接続されているため圧電アクチュエータの周囲に配置される電気配線などにノイズが載ることが防止され、装置の対ノイズ性能が向上する。
【実施例２】
【００５５】
本発明に係る第二実施例の円筒型の変位計付圧電アクチュエータ５０を図９（ａ）（ｂ）に示す。図９（ａ）は内周面の展開図であり、図９（ｂ）は外周面の展開図である。
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。
【００５６】
外周面の帯状電極部５１ａはグランドに接続され、外周面の４分割電極部（５３ａ、５４ａ、５５ａ、５６ａ）の折返し電極（５３ｂ、５４ｂ、５５ｂ、５６ｂ）は、それぞれ中心軸に対して対向する電極（５３ｂ、５４ｂ）（５５ｂ、５６ｂ）ごとにＸ軸駆動電源５８とＹ軸駆動電源５９が接続される。また、Ｚ軸駆動電源５７は、内周面の帯状電極部５２に接続される。
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。
【００５７】
これらの歪みゲージ（Ｒz１、Ｒz２、Ｒz３、Ｒz４）は図４のブリッジ回路に接続される。本実施例でも、図９（ｂ）の各歪みゲージに付けている番号が、図４の抵抗の番号に対応する。
【００５８】
Ｚ軸駆動電源５７により、内周面の帯状電極部５２に電圧を印加すると帯状電極部５２はアクティブ電極として作用し、中心軸と平行な方向に変位が生じ、そのときの歪み量に応じて内周面の帯状電極部５２の表側に貼り付けられた抵抗体Ｒｚ１、Ｒｚ３の抵抗値が変化する。これら２枚の抵抗体(Ｒｚ１、Ｒｚ３)は歪み測定用のアクティブゲージとして作用する。
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。
【００５９】
ｅ＝ＫＥε／２
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。
【００６０】
また、圧電素子の水平方向の変位を検出するための抵抗体は、４分割の各電極部（５３ａ、５４ａ、５５ａ、５６ａ）の表側の帯状電極部５１ａに各２枚ずつ線状の抵抗体１７が中心軸と平行になるように接着される。このとき対向する２つの電極（５３ａ、５４ａ）（５５ａ、５６ａ）の表側に接着された合計４枚の抵抗体（Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４）（Ｒｙ１、Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ４）を図４のブリッジ回路に接続する。この場合も図９（ｂ）の抵抗体の番号が図４の抵抗の番号に対応する。このように構成された各軸の変位検出装置の出力は以下の式で表される。
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。
【００６１】
なお、本実施例では４分割電極部（５３ａ、５４ａ、５５ａ、５６ａ）の表側に接着される歪みゲージ（Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４）（Ｒｙ１、Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ４）は２枚を平行に並べて接着したが、円筒型圧電素子の場合には、同じ電極上であれば場所に寄らず長手方向で同じ歪み量が得られるため、各電極の幅が小さく平行に並べて配置することが困難な場合には、各電極に接着される歪みゲージを２枚一直線に並べて接着してもよい。
【実施例３】
【００６２】
図１０（ａ）（ｂ）に本発明の第三実施例の変位計付円筒型圧電アクチュエータ60を示す。図１０（ａ）は内周面の電極の展開図、図１０（ｂ）は外周面の電極の展開図である。なお、圧電素子の駆動方向や変位検出方法は第一実施例や第二実施例と同じであるため構成のみ説明し動作については説明を省略する。
【００６３】
本実施例の変位計付圧電アクチュエータ６０は中心軸に対して平行な方向に変位するアクチュエータである。内周面には上下に２分割された帯状電極部（６１ｂ、６２ａ）が設けられる。
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。
【００６４】
外周面には帯状電極部６１ａと、下端に内周面の帯状電極部６２ａに接続される折返し電極部６２ｂが設けられる。
【００６５】
外周面の帯状電極部６１ａはグランド電位に接続され、内周面の帯状電極部６２ａは外周面の折返し電極部６２ｂを介してＺ軸駆動電源６３に接続される。
【００６６】
内周面の折返し電極６１ｂはダミー電極として作用し、表面の外周面の帯状電極部６１ａには歪みゲージ（Ｒｚ２、Ｒｚ４）が２箇所接着される。これら２枚の歪みゲージ（Ｒｚ２、Ｒｚ４）は温度補償用のダミーゲージとして作用する。  また、内周面の帯状電極部６２ａはアクティブ電極として作用し、表面の外周面の帯状電極部６１ａにも２箇所の歪みゲージ（Ｒｚ１、Ｒｚ３）が接着され、これら２枚の歪みゲージ（Ｒｚ１、Ｒｚ３）がアクティブゲージとして作用する。
【００６７】
これら４枚の歪みゲージ（Ｒz１、Ｒz２、Ｒz３、Ｒz４）が図４のブリッジ回路に接続され変位検出装置を構成する。この変位検出装置により、ｅ＝ＫＥε／２ の大きさの出力が得られ、温度補償も行われる。
【実施例４】
【００６８】
図１１（ａ）（ｂ）に本発明の第四実施例の変位計付円筒型圧電アクチュエータ７０を示す。図１１（ａ）は内周面の電極の展開図、図１１（ｂ）は外周面の電極の展開図である。
【００６９】
本実施例の変位計付圧電アクチュエータ７０は中心軸に対して垂直な２次元平面内で駆動するアクチュエータである。内周面は円周に沿って４分割され中心軸と平行な方向に４分割電極（７２ａ、７３ａ、７４ａ、７５ａ）が設けられ、各電極は中心軸に対して対向する電極（７２ａ、７３ａ）（７４ａ、７５ａ）が異なる極性となるように分極が行われている。また、外周面には内周面の４分割電極部（７２ａ、７３ａ、７４ａ、７５ａ）に接続される折返し電極部（７２ｂ、７３ｂ、７４ｂ、７５ｂ）と、帯状電極部７１が設けられる。
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。
【実施例５】
【００７０】
図１２（ａ）（ｂ）に本発明の第五実施例の変位計付円筒型圧電アクチュエータ８０を示す。図１２（ａ）は内周面の電極の展開図、図１２（ｂ）は外周面の電極の展開図である。
【００７１】
本実施例の変位計付圧電アクチュエータ８０は中心軸に対して垂直な２次元平面内で駆動するアクチュエータである。内周面は円周に沿って４分割され中心軸と平行な方向に４分割電極（８２ａ、８３ａ、８４ａ、８５ａ）が設けられる。各電極（８２ａ、８３ａ、８４ａ、８５ａ）はすべてプラス電極で同一の極性となるように分極が行われている。また、外周面には内周面の４分割電極部（８２ａ、８３ａ、８４ａ、８５ａ）に接続される折返し電極部（８２ｂ、８３ｂ、８４ｂ、８５ｂ）と、帯状電極部８１が設けられる。
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。
【実施例６】
【００７２】
図１３（ａ）（ｂ）に本発明の第六実施例の変位計付円筒型圧電アクチュエータ９０を示す。図１３（ａ）は内周面の電極の展開図、図１３（ｂ）は外周面の電極の展開図である。
【００７３】
本実施例の変位計付圧電アクチュエータ９０は中心軸に平行な方向に変位を発生させるためのアクチュエータである。内周面は上端部に外周面の帯状電極部９１ａに接続される帯状の折返し電極部９１ｂが設けられ、その下側に円周に沿って４分割され中心軸と平行な方向に形成される４分割電極部（９２ａ、９３ａ、９４ａ、９５ａ）が設けられる。４分割電極部（９２ａ、９３ａ、９４ａ、９５ａ）の各電極はすべてプラス電極で同一の極性となるように分極が行われている。また、外周面には内周面の４分割電極部（９２ａ、９３ａ、９４ａ、９５ａ）に接続される折返し電極部（９２ｂ、９３ｂ、９４ｂ、９５ｂ）と、帯状電極部９１ａが設けられる。
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。
【００７４】
本実施例では、４分割電極部（９２ａ、９３ａ、９４ａ、９５ａ）に接続される各Ｚ電源駆動電源（９２ａ、９３ａ、９４ａ、９５ａ）から同一極性で同一の大きさの電圧を印加する。各電極部分（９２ａ、９３ａ、９４ａ、９５ａ）の圧電素子には同一方向の歪みが発生し、中心軸に平行な方向に圧電アクチュエータ９０を駆動させることができる。ここで、圧電素子の加工精度などにより、同じ電圧を印加した場合でも中心軸に対して完全に平行には動作しない場合がある。このような場合には４分割電極部（９２ａ、９３ａ、９４ａ、９５ａ）に印加する電圧を調整して偏差分を補正することが可能であり直進性が確保される。
【００７５】
本実施例ではアクティブ電極として作用する４分割電極部（９２ａ、９３ａ、９４ａ、９５ａ）の各電極の表側に位置する外周面の帯状電極部分９１ａには２枚の歪みゲージ（Ｒｚ１、Ｒｚ３）を接着しアクティブゲージとして作用させ、ダミー電極として作用する内周面の折り返し電極部９１ｂの表側の外周面の帯状電極部９１ａ上に２枚の歪みゲージ（Ｒｚ２、Ｒz４）を接着し温度補償用のダミーゲージとして使用する。これら４個の歪みゲージ（Ｒz１、Ｒz２、Ｒz３、Ｒz４）を図４のブリッジ回路に接続し変位検出装置を構成し、中心軸と平行な方向の変位検出が行われる。
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。
【実施例７】
【００７６】
図１４（ａ）（ｂ）と図１５に本発明の第七実施例の変位計付円筒型圧電アクチュエータ１００を示す。図１４（ａ）は内周面の電極の展開図、図１４（ｂ）は外周面の電極の展開図である。図１５は図１４（ｂ）の歪みゲージ取付部分のＢ−Ｂ断面図である。
【００７７】
図１４（ａ）に示すように内周面は単一の帯状電極部１０１ａが設けられる。また図１４（ｂ）に示すように外周面には、内周面の帯状電極部１０１ａにつながる折返し電極部１０１ｂと、帯状電極部１０３と、４分割電極部（１０４、１０５、１０６、１０７）から構成される。外周面の帯状電極部１０３はプラスの極性に分極され、４分割電極部（１０４、１０５、１０６、１０７）は中心軸に対して対向する電極（１０４、１０５）（１０６、１０７）がそれぞれ異なる極性となるように分極が行われる。
【００７８】
内周面の帯状電極部１０１ａは外周面の折返し電極部１０１ｂを介してグランド電位に接続され、外周面の帯状電極部１０３はＺ軸駆動電源１１０に接続され、４分割電極部（１０４、１０５、１０６、１０７）の中心軸に対してそれぞれ対向する２つの電極（１０４、１０５）（１０６、１０７）はそれぞれＸ軸駆動電源１１１とＹ軸駆動電源１１２に接続されている。
【００７９】
本実施例では、図１５に示されるように、外周面の帯状電極部１０３内の２箇所と、４分割電極部（１０４、１０５、１０６、１０７）の各電極部に１箇所、電極を設けない領域１０８を作り、圧電素子１１２に直接歪みゲージ（Ｒｚ１、Ｒｚ３、Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｙ１、Ｒｙ２）を接着した。歪みゲージのスペックや接着方法は第一実施例と同じである。これらは軸ごとに２枚の歪みゲージ（Ｒｚ１、Ｒｚ３）（Ｒｘ１、Ｒｘ２）（Ｒｙ１、Ｒｙ２）と２個の固定抵抗が図４のブリッジ回路に組み込まれ、変位検出装置を構成する。
【００８０】
このように圧電素子に直接歪みゲージを接着することで歪みゲージのベース１６の接着面側に圧電素子の電極(１０３、１０４、１０５、１０６、１０７)が存在しないので、静電容量が発生せず、歪みゲージの検出信号に静電容量が悪影響を及ぼすことがない。
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。
【実施例８】
【００８１】
図１６（ａ）（ｂ）と図１７に本発明の第八実施例の変位計付円筒型圧電アクチュエータ１２０を示す。図１６（ａ）は内周面の電極の展開図、図１６（ｂ）は外周面の電極の展開図である。図１７は図１６（ｂ）の歪みゲージ取付部分のＣ−Ｃ断面図である。
【００８２】
図１６（ａ）に示されるように、内周面は単一の帯状電極１２１ａが設けられる。また図１６（ｂ）に示されるように外周面には、内周面の帯状電極部１２１ａにつながる折返し電極部１２１ｂと、帯状電極部１２２と、４分割電極部（１２３、１２４、１２５、１２６）から構成される。外周面の帯状電極部１２２はプラスの極性に分極され、４分割電極部（１２３、１２４、１２５、１２６）は中心軸に対して対向する電極（１２３、１２４）（１２５、１２６）がそれぞれ異なる極性となるように分極が行われる。
【００８３】
内周面の帯状電極部１２１ａは外周面の折返し電極部１２１ｂを介してグランド電位に接続され、外周面の帯状電極部１２２はＺ軸駆動電源１２９に接続され、４分割電極部（１２３、１２４、１２５、１２６）の中心軸に対してそれぞれ対向する２つの電極（１２３、１２４）（１２５、１２６）はそれぞれＸ軸駆動電源１３０とＹ軸駆動電源１３１に接続されている。
【００８４】
本実施例では、図１７に示したように、外周面の帯状電極部１２２内の２箇所と、４分割電極部（１２３、１２４、１２５、１２６）の各電極部に１箇所に、各電極とは独立した歪みゲージ取付用の電極１２８を作り、歪みゲージ取付用の電極１２８上に歪みゲージ（Ｒｚ１、Ｒｚ３、Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｙ１、Ｒｙ２）を接着した。歪みゲージのスペックや接着方法は第一実施例と同じである。これらは軸ごとに２枚の歪みゲージ（Ｒｚ１、Ｒｚ３）（Ｒｘ１、Ｒｘ２）（Ｒｙ１、Ｒｙ２）と２個の固定抵抗が図４のブリッジ回路に組み込まれ、変位検出装置を構成する。
【００８５】
ここで、歪みゲージ取付用電極部１２８はグランドに接続してもよいが、本実施例では抵抗体１７に印加される電圧と同電位にした。このように歪みゲージ取付用電極１２８を圧電素子の駆動用電源（１２９、１３０、１３１）に接続される電極（１２２、１２３、１２４、１２５、１２６）とは独立に設けてその上に歪みゲージ（Ｒｚ１、Ｒｚ３、Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｙ１、Ｒｙ２）を接着することで、歪みゲージ貼り付け部分に静電容量が発生せず、歪みゲージの検出信号に静電容量が悪影響を及ぼすことがない。
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。
【実施例９】
【００８６】
図１８に本発明の第九実施例のバイモルフ型の変位計付圧電アクチュエータ１４０を示す。
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。
【００８７】
本実施例では弾性体141の上下の面に接着される圧電素子（１４２、１４３）の表面側電極（１４４、１４５）にそれぞれ２枚ずつの歪みゲージ(Ｒ１、Ｒ２)( Ｒ３、Ｒ４)を長軸方向の歪みが計測可能なように接着し合計４個の歪みゲージ（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４)によりブリッジ回路を組み、曲げ方向の変位を検出するように構成した。
【００８８】
本実施例で使用する歪みゲージ（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）は、フェノール樹脂とエポキシ樹脂を混合した厚さ１５μｍの絶縁体のベース材上に銅ニッケル合金で抵抗体をパターニングした金属抵抗体の歪みゲージを使用した。抵抗値は１２０Ω、ゲージ率は２である。
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。
【００８９】
このように接続することで、歪みゲージ（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）部分に静電容量が発生せず、変位検出信号を静電容量成分の影響なく検出することができ、検出精度が向上する。
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。
【実施例１０】
【００９０】
図１９に本発明の第十実施例の積層型の変位計付圧電アクチュエータ１５０を示す。積層型圧電アクチュエータ１５０は厚み方向に分極処理が施された膜状圧電素子１５１と電極（１５１、１５２）を交互に積層して形成される。隣り合う膜状圧電素子１５１の分極の極性は互いに逆になるように配置される。膜状の圧電素子１５１の上下の電極はそれぞれ積層型圧電素子の側面に設けられた電極（１５２、１５３）に交互に接続される。この側面の一方の電極１５３がグランドに、他方の電極１５２は駆動電源１５６に接続される。
【００９１】
グランド電極に接続される電極１５３には、ベース材１５５と抵抗体１５４で構成される実施例９で使用したものと同じ歪みゲージＲ１が長手方向の歪みを検出可能なように接着される。この歪みゲージＲ１を変位検出装置に接続することで積層型圧電アクチュエータ１５０の変位を検出することができる。
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。
【実施例１１】
【００９２】
図２０に変位計付圧電アクチュエータを用いた位置決め装置の一例として、実施例２の圧電アクチュエータ５０を使用して走査型プローブ顕微鏡１６０を構成したものを示す。
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。
【００９３】
サンプルホルダ１７２上に載置したサンプル１７１と対向する側には先端に探針１７０を有するカンチレバー１６９がカンチレバーホルダ１６８に固定されて配置されている。
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。
【００９４】
本実施例では、探針１７０とサンプル１７１を原子間力の作用する領域まで接近させて、変位計付圧電アクチュエータ５０の４分割電極部（５３ａ、５４ａ、５５ａ、５６ａ）を使用してサンプル面内と平行な方向にラスタスキャンを行いながら、探針１７０とサンプル１７１の距離が一定となるように変位検出機構１６４の信号により帯状電極部５２を使用してサンプル面内と垂直な方向のフィードバック制御を行う。
【００９５】
このとき、ＸＹ方向の動作は各軸に設けられた歪みゲージ（Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４）（Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４）により、Ｘ軸変位検出装置１６２とＹ軸変位検出装置１６３で測定される変位から、圧電アクチュエータ５０へ Ｘ軸駆動電源５８とＹ軸駆動電源５９により印加する駆動電圧に対して線形に動作するようにフィードバック制御される。
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。
【００９６】
なお、Ｚ軸については、Ｚ軸変位検出装置１６１の信号を画像化すれば、印加電圧に対してＺ軸の移動量を線形動作させなくても正確な高さ情報の測定が可能であるが、Ｚ軸の駆動電圧に対して変位量を線形動作させるようにフィードバック制御させた場合にはＺ軸駆動電源５７によりＺ軸に印加される電圧を高さ情報として表示させることも可能である。
【実施例１２】
【００９７】
図２１に変位計付圧電アクチュエータを用いた位置決め装置の一例として、実施例３と実施例４の圧電アクチュエータ(６０、７０)を組み合わせて走査型プローブ顕微鏡１８０を構成した例を示す。
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。
【００９８】
探針１９１に対向する側にはサンプルホルダ１９３を設け、サンプル１９２を載置する。
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。
【００９９】
円筒型圧電素子の内周面に分割電極を作製する場合には、外周面に作製する場合に比べて電極の分割に技術を要するが、本実施例のように水平方向微動機構70と垂直方向微動機構６０を分割して構成することで、単体の円筒型圧電アクチュエータ（６０、７０）の内部電極の分割領域が少なくなり作製を容易に行うことができる。
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。
【０１００】
なお、本発明は以上述べてきたような実施例に限定されるものではない。
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。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の第一実施例に係る円筒型の変位計付圧電アクチュエータの概観図である。
【図２】（ａ）本発明の第一実施例で使用される円筒型圧電素子の内周面の展開図である。（ｂ）本発明の第一実施例で使用される円筒型圧電素子の外周面の展開図である。
【図３】（ａ）図２（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。（ｂ）図３（ａ）の正面図である。
【図４】変位検出装置の回路図である。
【図５】（ａ）従来の円筒型圧電素子の内周面の展開図である。（ｂ）従来の円筒型圧電素子の外周面の展開図である。
【図６】（ａ）図２の本発明の円筒型の変位計付圧電アクチュエータのＺ軸に矩形波を印加したときの歪みゲージの検出データである。（ｂ）図５の従来の円筒型の変位計付圧電アクチュエータのＺ軸に矩形波を印加したときのインターフェロメータで測定された変位のデータと、歪みゲージの検出データである。
【図７】（ａ）〜（ｄ）図５の従来の円筒型の変位計付圧電アクチュエータのＸ軸およびＹ軸の電極に矩形波を印加したときの各電極に設けた歪みゲージの検出データである。
【図８】（ａ）〜（ｄ）図２の本発明の円筒型の変位計付圧電アクチュエータのＸ軸およびＹ軸の電極に矩形波を印加したときの各電極に設けた歪みゲージ検出データである。
【図９】（ａ）本発明の第二実施例の円筒型圧電素子の内周面の展開図である。（ｂ）本発明の第二実施例の円筒型圧電素子の外周面の展開図である。
【図１０】（ａ）本発明の第三実施例の円筒型圧電素子の内周面の展開図である。（ｂ）本発明の第三実施例の円筒型圧電素子の外周面の展開図である。
【図１１】（ａ）本発明の第四実施例の円筒型圧電素子の内周面の展開図である。（ｂ）本発明の第四実施例の円筒型圧電素子の外周面の展開図である。
【図１２】（ａ）本発明の第五実施例の円筒型圧電素子の内周面の展開図である。（ｂ）本発明の第五実施例の円筒型圧電素子の外周面の展開図である。
【図１３】（ａ）本発明の第六実施例の円筒型圧電素子の内周面の展開図である。（ｂ）本発明の第六実施例の円筒型圧電素子の外周面の展開図である。
【図１４】（ａ）本発明の第七実施例の円筒型圧電素子の内周面の展開図である。（ｂ）本発明の第七実施例の円筒型圧電素子の外周面の展開図である。
【図１５】図１４（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１６】（ａ）本発明の第八実施例の円筒型圧電素子の内周面の展開図である。（ｂ）本発明の第八実施例の円筒型圧電素子の外周面の展開図である。
【図１７】図１６（ｂ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図１８】本発明の第九実施例に係るバイモルフ型の変位計付圧電アクチュエータの概観図である。
【図１９】本発明の第十実施例に係る積層型の変位計付圧電アクチュエータの概観図である。
【図２０】本発明の第十一実施例に係る、円筒型の変位計付圧電アクチュエータを用いた走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
【図２１】本発明の第十二実施例に係る、円筒型の変位計付圧電アクチュエータを用いた走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
【図２２】従来の円筒型の変位計付圧電アクチュエータを用いた走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
【図２３】図２２の走査型プローブ顕微鏡で用いられる円筒型の変位計付圧電アクチュエータの概観図である。
【図２４】図２３の円筒型の変位計付圧電アクチュエータで水平方向の変位検出に用いられる回路図である。
【図２５】図２３の円筒型の変位計付圧電アクチュエータで垂直方向の変位検出に用いられる回路図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１、２０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１２０ 円筒型の変位計付圧電アクチュエータ
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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