(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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薄膜からなることを特徴とする請求項１に記載の変位センサ。
【請求項３】
前記歪みゲージのゲージ率が４以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の変位センサ。
【請求項４】
前記電極は、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有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の変位センサ。
【請求項５】
前記絶縁基板はセラミックス基板であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の変位センサ。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【発明の詳細な説明】
【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Ｒ１〜Ｒ４とし、歪みゲージ９４ａ〜９４ｄに生ずる歪みをε１〜ε４とし、そのときの歪みゲージ９４ａ〜９４ｄにおける抵抗変化量をΔＲ１〜ΔＲ４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】
0003913526.tif 000002
【０００６】
歪みε２とε３の項の符号は負であるので、ε２とε３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ε１〜ε４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ε１〜ε４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
【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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