圧電アクチュエータは原子間力顕微鏡（AFM）に基づくナノ切断に適している！

ナノ切断技術は原子間力顕微鏡（AFM）に依存し、数ミクロンの一定の切断深さを持つ溝を作成するために使用できる。線形変位センサ、フィードバック制御システム、圧電アクチュエータは、加工中に通常の切削力を一定に保つために一緒に動作します。

マイクロテクスチャ、マイクロ構造、またはエンジニアリング表面は、光学レンズ、液晶ディスプレイ（LCD）パネルプリズム、防水のために「ロータス効果」を発生させるために設計されたテクスチャ表面、熱交換器など、電子、エネルギー、光学、力学、摩擦学、生物学などの様々な産業分野に広く使用されている。機械部品上の微細構造は通常、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて製造されるが、これらの技術には複雑で高価な設備、材料制限、幾何学的制限、危険な化学品の使用などが必要である。ガアイ構造などの表面反射を抑制する機能を有する部材は、特に非平面上で製造される場合に、より複雑に製造される。

ガアイ構造

成形とエンボス加工はこのようなマイクロテクスチャ表面を製造する良い方法であるが、成形品の品質を代表するため、金型の精度は最も重要な要素の1つである。ダイヤモンド工具を用いた精密加工は、先進的な工業用途のための高精度加工部品の製造にますます使用されている。

ダイヤモンド工具を用いて微細構造と微小溝を製造する技術は平面加工に用いることができ、これには圧電高速工具を用いてプラットフォームの超精密運動機構と複雑な制御システムを位置決めして必要なナノ/ミクロンレベルの精度を実現する必要がある。切削深さは送り機構によって設定され、部品の精度は圧電高速工具位置決め台の精度に直接依存する。

圧電高速工具位置決めプラットフォームは高精度、高速、高剛性、高信頼性の工具位置決め装置であり、主に高精度切削、精密加工、半導体製造、精密電子、光電子、精密機器などの分野に応用されている。圧電セラミックスによって駆動され、急速な変形によって高精度な工具位置決めを実現します。制御システムは圧電駆動機構の電源と信号を制御し、工具位置の正確な制御を実現する。圧電高速工具位置決め台は現代ハイテク製造と実験室の重要な設備の一つであり、作業効率と製品品質を高め、手動操作の誤差を減らすことができる。

圧電高速工具位置決めテーブルを用いた上述の微小送りに加えて、別の定常力切削方法を使用することができ、この方法は、例えば原子間力顕微鏡（AFM）機構を用いたナノ切削などの切削力を維持するために工具に加えられる法線切削力を制御することができる。しかし、使用する圧電スキャナのストロークが限られているため、カンチレバー剛性が低く、このプロセスは実際の切断には適用できない。

しかし、AFMナノ切削技術に加えて、ダイヤモンド工具を組み合わせて、マイクロスケール加工と大切削面積のための切削システムを形成することができる。AFMと同様に、このシステムはダイヤモンド工具が取り付けられたカンチレバー梁構造も有している。システムはまた、切削力を推定するために光学的方法を用いてカンチレバーのねじれと曲げを測定する。このシステムの特徴は、傾斜面と湾曲面を有する表面に一定の切削深さを有する溝を形成することができることである。

次の図は、原子間力顕微鏡とダイヤモンドを結合したマイクロ切断システムを示しています。このシステムは、一定の垂直切削力を維持するために直列に動作する非接触容量センサとPZT圧電アクチュエータを統合している。

カンチレバー梁と容量センサは、圧電アクチュエータに接続されたリニアガイドレールに取り付けられている。容量センサはカンチレバー梁の変形と変位を検出でき、圧電アクチュエータはz方向の位置をナノ精度で調整できる。このシステムは、軸非整列やツールパスにおける誤差など、移動システムの幾何学的誤差を補償することができる。

CoreMorrow容量式センサの基本的な技術パラメータは次のとおりです。

切断法線力を制御するために、カンチレバーの自由エッジの変形を容量センサにより測定した。フィードバック制御システムは、センサと測定プレートとの間の相対位置を一定に保つことを主な任務とするカンチレバーの変形を補償する。切断中に圧電アクチュエータの膨張または収縮を制御することにより、カンチレバーと相互作用する。閉ループシステムは、関数発生器、電圧増幅器（制御圧電アクチュエータ）、圧電アクチュエータ、容量センサ、およびコントローラ（比例積分PI）から構成される。