PZT薄膜を用いたタッチプローブセンサー
機械的に物体表面の微細構造を測定するためのセンサーです。微細な構造に力学的な影響を与えずに測定するためには，極微小な力で接触するセンサーが必要です。高周波振動によるタッピング動作で形状測定するセンサーを開発しました。
門形の固定子の中心部に微小な超音波振動子を配置し，振動子先端をテイパー形状としています。テイパー部はホーン効果により小さな駆動力で大きな振動が得られるので，感度を向上できます。
デバイスは，薄いチタン板を放電加工により形状を切り出し，両面にPZT膜を水熱合成法により製膜しました。PZT膜に金電極を付けて，振動子は固有モードとなる伸縮振動の固有周波数で駆動します。
裏面に配置したセンサー用電極で信号を検出しています。固定子上に設けたダミー電極と振動子電極との差動電圧を検出することで，外乱を配した高感度な信号測定を実現できます。
微細構造の測定のため，振動子先端には微小な突起を形成したグラスファイバーを取り付けています。突起先端が対象物体にタッピングしながら表面形状を測定します。
センサー信号は，振動子の振幅に比例した電圧となります。振動子先端が対象物に接触することで振動振幅は低下し，対象物との接触状態を検知します。可能な限り小さな振幅で動作することで，高感度な測定を実現できます。
原子間力顕微鏡内にプローブセンサーを設置して測定を行った例を示しています。
測定感度を上げるには，振動子を小さくして小さな振動振幅で動作できるようにすることが重要です。小さければそれだけ小さな力で対象物をタッピングすることになります。
電気的な外乱を考えると，圧電膜の圧電定数が大きな値であることも重要です。測定限界は信号と雑音との比で決まるので，検出電圧が高くなるようにできます。