(57)【要約】【課題】圧電素子を用いた数十μｍの微小な変位の出力に際し、高精度での動作を可能にしつつ、即応性を向上した駆動方法を提供する。【解決手段】最大電圧と最小電圧とを交互に２回入力後、最大電圧入力時と最小電圧入力時の各歪ゲージ電圧をそれぞれ取得し、予め設定した入力値に対し両比率から算出した傾きを乗算することで歪ゲージから取得する値を制御対象の変位として扱うと共に、当該値を制御対象として電圧を出力することで、上記微小な変位の出力に際して良好な即応性と高い精度で動作させることが可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
最大電圧と最小電圧とを交互に２回入力し、
当該２回目に於ける最大電圧入力時と最小電圧入力時の各歪ゲージ電圧を用い、
前記２回目の最大、最小電圧入力時の変位量に該当する歪みゲージ電圧及び最大、最小電圧との比率から算出した傾きによって目標変位量に該当する歪みゲージ電圧を発生させる為に必要な電圧を出力する圧電素子の駆動方法。
【請求項２】
前記請求項１記載の圧電素子の駆動方法を用いた駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は数十μｍ単位での動作時に使用する圧電素子の駆動方法及び駆動装置に関する。
【０００２】
現在、半導体用ウェハのテーブル装置及び電子カメラのレンズ駆動装置等に於いて、圧電素子を用いたものがあり、ウェハの傾き制御及びレンズの焦点調節等、高い精度での位置調整を圧電素子の伸縮によって行っている。これら圧電素子の制御方法の内、代表的なものとしては特開昭６３−００７１７５（以下特許文献１として記載）及び特開２０１５−１７７７２０（以下特許文献２として記載）がそれぞれ出願、公開されており、前記圧電素子について高精度で駆動させることを可能としている。
【０００３】
これら２件のうち、特許文献１記載の保持装置では、複数個のブロックを連結したリンク機構を圧電素子によって駆動する構造をその技術的特徴としており、駆動部に於けるゴミの発生を減少し、小型かつ高精度な微小変位テーブルを得ることができる。また、特許文献２記載の駆動方法では、電圧印可時に検出した静電容量の差分を基準として圧電素子を駆動し、印可電圧の変位量を制御している。この為、特許文献２の駆動方法を用いることで、駆動対象物の位置決め制御について、制御上に於けるヒステリシス量を減少し、当該制御の簡略化及び容易化といった効果を付与することが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−００７１７５号公報
【特許文献２】特開２０１５−１７７７２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した効果を有している一方で近年、ダイボンダ及び精密プレス等の先端に搭載される圧電精密ステージが開発されており、特許文献１及び２に記載された従来の構造よりも小さい、数十μｍ単位での傾きを高精度で制御することが必要とされている。この様な要求について、特許文献２等に記載された従来の方法はその構成上、目標値に対して繰り返し変位を調整していくことが前提となっており、即応性と精度とを両立させることが難しいという課題を有している。加えて、静電センサ及び変位センサといった測定装置の使用により、装置単体の製造コストを抑えることが難しい。
【０００６】
上記課題に対して本願記載の発明では、圧電素子を用いた上記微小な変位の出力に際し、高精度での動作を可能にしつつ、即応性を向上した駆動方法及び駆動装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的のために本願記載の発明は、上記圧電素子の駆動に際して、最大電圧と最小電圧とを交互に２回入力後、最大電圧入力時と最小電圧入力時の各歪ゲージ電圧をそれぞれ取得し、予め設定した目標変位量に該当する歪みゲージ電圧に対し両電圧入力時の変位量と歪ゲージ電圧との比率から算出した傾きを乗算して電圧を出力することを特徴としている。即ち、本発明では、始めに一回目の最大電圧と最小電圧とを入力した後、二回目の最大電圧入力時に於ける入力電圧と当該入力電圧により生じる歪ゲージの歪値により、圧電素子が有している最大変位量分変位した際に於ける歪みの値を取得する。次に、二回目の最小電圧入力時に於ける入力電圧と当該入力電圧により生じる歪ゲージの歪値により、圧電素子が有している駆動用の０点位置に於いて、初期位置にて変位した分の歪みの値を取得する。そして、予め測定していた０点と最大変位領分変位した点との歪値から変位量あたりの歪値及び電圧を、駆動用の０点位置に於ける歪値から前記０点と当該駆動用の０点位置との距離を、それぞれ設定する事をその技術的特徴としている。
【０００８】
また、本発明第２の態様に記載の発明は、駆動装置について、前記圧電素子の駆動方法を用いたことを特徴としている。より具体的には、プログラム及び電子回路等の組み合わせによって前記圧電素子の駆動方法を用いた機構を駆動装置に搭載したことをその技術的特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
上述した技術的特徴によって本願記載の発明は、圧電素子を用いた２０μｍ以下となる数十μｍの動作に於いて、高精度で変位量を制御することを可能にしている。即ち、本願記載の駆動方法では、圧電素子の駆動に際して、環境によって変化する歪値を駆動開始時に於ける電圧入力によって取得し、傾きを算出する。ここで当該傾きは、前記歪値を元に算出した、変位量に対する電圧の比として算出される。この為、当該傾きを目標とする変位量に乗算した電圧を基準として圧電素子への入力電圧を制御することにより、任意の変位量を高精度で圧電素子に出力させることが可能となる。尚、この効果は本発明で用いる積層型圧電素子の構造に起因した効果となっている。
【００１０】
より具体的には、前記一回目の最大電圧入力により未分極状態となっている圧電素子内の結晶は分極方向に回転、整列する。これに伴い、当該圧電素子は分極方向に伸長し、分極処理された状態へと変化する。続く一回目の最小電圧入力時、前記伸長した圧電素子は残留分極が残った初期位置へと収縮する為、当該初期位置を以降の伸縮動作に於ける原点として二回目の最大、最小電圧入力による歪値を取得することが可能となる。ここで、前記未分極状態の寸法及び圧電素子伸長時の最大変位量は変化しないので、当該二回目の最大電圧入力時に取得した歪値によって当該最大変位量に於ける歪値を、同最小電圧入力時に取得した歪値によって前記初期位置に於ける歪値を、それぞれ取得し、実測値に基づく高精度での変位量制御を直線制御にて即応性を向上しつつ行うことができる。また、当該実測値となる歪値を参照した傾きを用いることにより、複数の圧電素子を制御する際、圧電素子間の個体差に起因するズレを解消し、複数軸を用いたステージの位置制御等に際しても高い信頼性と共に当該ステージを動作させることが可能となる。
【００１１】
更に、本願記載の発明は圧電素子を起動する電源入力時に前記傾きを算出する。この為、駆動する圧電素子がヒステリシスを有していても最大変位量に於ける歪値を元にして入力電圧を決定し、圧電素子の変位量を高い直線性と共に制御していくことができる。
【００１２】
上述した効果に加えて、本発明第２の態様記載の発明を用いることにより、各種圧電アクチュエータに対する電源入力時、上記歪値の取得及び傾きの算出を行う駆動方法を適用し、圧電素子を駆動源とする機器について、即応性及び精度の向上といった効果を付与することができる。加えて、歪値を用いたフィードバックの為、歪ゲージを用いた安価な構成で上記効果を付与することもまた、可能となっている。
【００１３】
以上述べたように、本願請求項記載の発明を用いることによって圧電素子を用いた微小な変位の出力時、高精度での動作を可能にしつつ、即応性を向上した駆動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に於ける最良の実施形態を示すブロック線図
【図２】図１に於いて示すブロック線図に沿って動作させた際のヒステリシスカーブ
【図３】図１に於いて示すブロック線図に沿って動作させた際の圧電素子の内部状態
【図４】図１記載のブロック線図を用いて動かす精密ステージ
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、図１、図２、図３及び図４を用いて、本発明に於ける最良の実施形態を示す。尚、図中の記号及び部品番号について、同じ部品として機能するものには共通の記号又は番号を付与している。
【００１６】
図１に本実施形態の制御に於いて用いるブロック線図を、図２に当該ブロック線図に沿って動作させた際の積層型圧電素子５のヒステリシスカーブを、図３に同圧電素子の内部状態を、そして図４に当該圧電素子を用いて動作させる精密ステージを、それぞれ示す。図１に示すように、本実施形態記載の圧電素子は起動時の動作として、最大電圧と最小電圧を交互に２回入力後、２回目の最大電圧及び最小電圧入力時に於ける歪ゲージ６の電圧を取得している。当該２回目の最大電圧入力により、分極状態での最大変位時に於ける歪ゲージ６の電圧と入力電圧とを得る事ができる。ここで、圧電素子５の最大変位量は変化しない為、予め測定していた分極前状態の圧電素子５の長さに対する最大変位量と当該最大変位時に於ける歪ゲージ５の電圧とから、変位量あたりの歪ゲージ６の電圧を傾きとして算出することができる。次に、２回目の最小電圧入力により、分極状態での初期位置に於ける歪ゲージ６の電圧を検出することができ、前述の傾きから当該初期位置に於ける圧電素子の変位量を電圧として算出することが可能となる。
【００１７】
上記効果は、本実施形態で用いる圧電素子５の構造に起因した効果となっている。即ち、図３に示すように、本実施形態では、前記一回目の最大電圧入力によって未分極状態となっている圧電素子内の結晶を分極方向に回転、整列させる。これに伴い、圧電素子４は分極方向に伸長し、分極処理された状態へと変化する。続く一回目の最小電圧入力時、前記伸長した圧電素子は残留分極が残った初期位置へと収縮する。この為、当該初期位置を以降の伸縮動作に於ける原点として二回目の最大、最小電圧入力による歪値を取得することが可能となる。ここで、前記未分極状態の寸法及び圧電素子伸長時の最大変位量は変化しないので、当該二回目の最大電圧入力時に取得した歪値によって当該最大変位量に於ける歪値を、同最小電圧入力時に取得した歪値によって前記初期位置に於ける歪値を、それぞれ取得し、実測値に基づく高精度での変位量制御を直線制御にて即応性を向上しつつ行うことができた。
【００１８】
次に、図４を用いて前記効果を備えた本実施形態の具体的な駆動構造を示す。図４に示す精密ステージ１は、変位拡大機構４を有する圧電アクチュエータによって圧電素子５の変位を拡大し、ステージ部２を駆動させており、前記未分極状態に於いてステージ部２は傾斜した状態となっている。本実施形態では、圧電素子５が前記未分極状態から最大変位量分変位した際のステージ部２の傾斜量と上記歪みの最大値とで単位変位量あたりの歪値を、最小変位量分変位した際の歪値から最小変位時（最大変位時と反対方向の傾き傾斜）の歪値をそれぞれ取得している。ここで、本実施形態に於いて当該歪値は電圧として柱部に貼り付けた歪ゲージ６から取得しており、歪みが０となっている未分極状態の歪ゲージ電圧と最大変位時の歪ゲージ電圧との差分に対し、前記未分極状態のステージ部２傾斜量と最大変位時のステージ部傾斜量との差分で割ることで前記傾きを算出すると共に、当該傾きに対して入力値となるステージ傾斜量を乗算することで目標とする傾斜量を得るための歪値を電圧として目標値に設定し、当該歪値を参照しつつ、ステージ部２の傾斜を高精度で制御することが可能となる。尚、本実施形態では直交するＸＹ２軸の傾斜量制御に際し、当該実測値となる歪値を参照値として用いている。この為、ＸＹ２軸の駆動源となる各圧電素子を制御する際、圧電素子間の個体差に起因するズレを解消し、複数軸を用いたステージ部２の傾斜量制御に際して高い信頼性と共に精密ステージ１を動作させることが可能となった。
【００１９】
以上述べたように、本願実施形態記載の構造を用いることによって、圧電素子を用いた上記微小な変位の出力に際し、高精度での動作を可能にしつつ、即応性を向上した駆動方法を提供することができた。
【符号の説明】
【００２０】
１  精密ステージ
２  ステージ部
３  柱部
４  変位拡大機構
５  圧電素子
６  歪ゲージ
７  台座
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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