(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置決め対象物を載せるステージ部材を有するステージと、前記ステージ部材を駆動する駆動機構とを具備するステージ装置であって、
前記ステージは、
前記ステージ部材を支持するベース部材をさらに有し、
前記ステージ部材は、前記ベース部材の上を、レールを介して一方向に移動するように設けられ、
前記駆動機構は、
電圧が印加されることにより所定方向に変位する圧電素子と、前記圧電素子に対して相対的に外側に向かう方向に変位し、前記圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構とを有する圧電アクチュエータと、
前記ベース部材と前記ステージ部材との間に設けられ、前記ステージ部材に対して、前記変位拡大機構を介して前記圧電素子に圧縮力を与えるばね部材と、
を備えたことを特徴とするステージ装置。
【請求項２】
位置決め対象物を載せるステージ部材を有するステージと、前記ステージ部材を駆動する駆動機構とを具備するステージ装置であって、
前記ステージは、
前記ステージ部材を支持するベース部材をさらに有し、
前記ステージ部材は、前記ベース部材の上を、レールを介して一方向に移動するように設けられ、
前記駆動機構は、
電圧が印加されることにより所定方向に変位する圧電素子と、前記圧電素子の変位を拡大して前記ステージ部材に伝達する変位拡大機構とを有する圧電アクチュエータと、
前記ベース部材と前記ステージ部材との間に設けられ、前記ステージ部材に対して、前記変位拡大機構を介して前記圧電素子に圧縮力を与えるばね部材と、
を備えたことを特徴とするステージ装置。
【請求項３】
位置決め対象物を載せるステージ部材を有するステージと、前記ステージ部材を駆動する駆動機構とを具備するステージ装置であって、
前記ステージは、
前記ステージ部材を支持するベース部材をさらに有し、
前記ステージ部材は、前記ベース部材の上を、レールを介して一方向に移動するように設けられ、
前記駆動機構は、
電圧が印加されることにより所定方向に変位する圧電素子と、前記圧電素子の変位を拡大して前記ステージ部材に伝達する変位拡大機構とを有する圧電アクチュエータを備え、
前記圧電素子は、電圧が印加されることによりその長さ方向に変位し、前記変位拡大機構は、前記圧電素子の変位を、変位出力部から前記圧電素子の変位方向と直交する方向に拡大して出力し、
前記圧電アクチュエータは、前記ステージ部材および前記ベース部材の一方に固定され、前記ステージ部材および前記ベース部材の他方には、前記圧電アクチュエータの前記変位出力部に当接する当接部材が固定され、
前記圧電素子の変位により前記変位拡大機構の前記変位出力部から出力された拡大された変位によって、前記ステージ部材が前記一方向に移動することを特徴とするステージ装置。
【請求項４】
前記駆動機構は、前記ベース部材と前記ステージ部材との間に設けられ、前記ステージ部材に対して、前記変位拡大機構を介して前記圧電素子に圧縮力を与えるばね部材をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のステージ装置。
【請求項５】
前記変位拡大機構は、前記圧電素子を覆うように構成され、前記圧電素子が伸長変位した際に、前記圧電素子の変位方向と直交する方向で、かつ前記圧電素子に対し相対的に外側に向かう方向に変位す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項に記載のステージ装置。
【請求項６】
前記変位拡大機構は、前記圧電素子の長さ方向の一端面および他端面にそれぞれ固定された第１ヘッドピースおよび第２ヘッドピースと、前記第１ヘッドピースおよび前記第２ヘッドピースの間の前記圧電素子の一方側および他方側にそれぞれ設けられた第１変位伝達部および第２変位伝達部とを有し、
前記第１変位伝達部および前記第２変位伝達部は、前記圧電素子が伸長変位した際に、第１出力部および第２出力部が、前記圧電素子に対して相対的に外側に変位するように設けられていることを特徴とする請求項５に記載のステージ装置。
【請求項７】
前記第１変位伝達部は、第１出力部と、前記第１のヘッドピースと前記第１出力部とにそれぞれヒンジを介して接続された第１中間部材と、前記第２ヘッドピースと前記第１出力部とにそれぞれヒンジを介して接続された第２中間部材と、を有し、
前記第２変位伝達部は、第２出力部と、前記第１のヘッドピースと前記第２出力部とにそれぞれヒンジを介して接続された第３中間部材と、前記第２ヘッドピースと前記第２出力部とにそれぞれヒンジを介して接続された第４中間部材と、を有することを特徴とする請求項６記載のステージ装置。
【請求項８】
前記駆動機構は、前記ステージ部材の大まかな位置決めを行う粗動部と、前記ステージ部材の微細な位置決めを行う微動部とを有し、
前記圧電アクチュエータは前記微動部を構成し、
前記粗動部は、前記圧電アクチュエータを介して前記ステージ部材を移動させる粗動機構を有し、
前記圧電アクチュエータは、前記ステージ部材が所定位置に存在する状態で、前記ステージ部材を微動させることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のステージ装置。
【請求項９】
前記粗動機構は、進出退入可能なスピンドルを有し、前記スピンドルの進退により前記圧電アクチュエータを介して前記ステージ部材を移動させることを特徴とする請求項８に記載のステージ装置。
【請求項１０】
前記当接部材の先端面および前記圧電アクチュエータの前記出力部における前記当接部材の当接面の一方が球面であり、他方が平面または円錐状の凹部であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のステージ装置。
【請求項１１】
前記駆動機構は、前記圧電アクチュエータ近傍に、前記圧電素子に印加する電圧を調整するドライバーをさらに有することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のステージ装置。
【請求項１２】
位置決め対象物を載せるステージ部材と、前記ステージ部材を支持するベース部材とを有し、前記ステージ部材は、前記ベース部材の上を、レールを介して一方向に移動するように設けられたステージにおいて、前記ステージ部材を駆動する駆動機構であって、
電圧が印加されることにより所定方向に変位する圧電素子と、前記圧電素子に対して相対的に外側に向かう方向に変位し、前記圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構とを有する圧電アクチュエータと、
前記ベース部材と前記ステージ部材との間に設けられ、前記ステージ部材に対して、前記変位拡大機構を介して前記圧電素子に圧縮力を与えるばね部材と、
を備えたことを特徴とする駆動機構。
【請求項１３】
位置決め対象物を載せるステージ部材と、前記ステージ部材を支持するベース部材とを有し、前記ステージ部材は、前記ベース部材の上を、レールを介して一方向に移動するように設けられたステージにおいて、前記ステージ部材を駆動する駆動機構であって、
電圧が印加されることにより所定方向に変位する圧電素子と、前記圧電素子の変位を拡大して前記ステージ部材に伝達する変位拡大機構とを有する圧電アクチュエータと、
前記ベース部材と前記ステージ部材との間に設けられ、前記ステージ部材に対して、前記変位拡大機構を介して前記圧電素子に圧縮力を与えるばね部材と、
を備えたことを特徴とする駆動機構。
【請求項１４】
位置決め対象物を載せるステージ部材と、前記ステージ部材を支持するベース部材とを有し、前記ステージ部材は、前記ベース部材の上を、レールを介して一方向に移動するように設けられたステージにおいて、前記ステージ部材を駆動する駆動機構であって、
電圧が印加されることにより所定方向に変位する圧電素子と、前記圧電素子の変位を拡大して前記ステージ部材に伝達する変位拡大機構とを有する圧電アクチュエータを備え、
前記圧電素子は、電圧が印加されることによりその長さ方向に変位し、前記変位拡大機構は、前記圧電素子の変位を、変位出力部から前記圧電素子の変位方向と直交する方向に拡大して出力し、
前記圧電アクチュエータは、前記ステージ部材および前記ベース部材の一方に固定され、前記ステージ部材および前記ベース部材の他方には、前記圧電アクチュエータの前記変位出力部に当接する当接部材が固定され、
前記圧電素子の変位により前記変位拡大機構の前記変位出力部から出力された拡大された変位によって、前記ステージ部材が前記一方向に移動することを特徴とする駆動機構。
【請求項１５】
前記ベース部材と前記ステージ部材との間に設けられ、前記ステージ部材に対して、前記変位拡大機構を介して前記圧電素子に圧縮力を与えるばね部材をさらに備えたことを特徴とする請求項１４に記載の駆動機構。
【請求項１６】
前記変位拡大機構は、前記圧電素子を覆うように構成され、前記圧電素子が伸長変位した際に、前記圧電素子の変位方向と直交する方向で、かつ前記圧電素子に対し相対的に外側に向かう方向に変位することを特徴とする請求項１２から請求項１５のいずれか１項に記載の駆動機構。
【請求項１７】
前記変位拡大機構は、前記圧電素子の長さ方向の一端面および他端面にそれぞれ固定された第１ヘッドピースおよび第２ヘッドピースと、前記第１ヘッドピースおよび前記第２ヘッドピースの間の前記圧電素子の一方側および他方側にそれぞれ設けられた第１変位伝達部および第２変位伝達部とを有し、
前記第１変位伝達部および前記第２変位伝達部は、前記圧電素子が伸長変位した際に、第１出力部および第２出力部が、前記圧電素子に対して相対的に外側に変位するように設けられていることを特徴とする請求項１６に記載の駆動機構。
【請求項１８】
前記第１変位伝達部は、第１出力部と、前記第１のヘッドピースと前記第１出力部とにそれぞれヒンジを介して接続された第１中間部材と、前記第２ヘッドピースと前記第１出力部とにそれぞれヒンジを介して接続された第２中間部材と、を有し、
前記第２変位伝達部は、第２出力部と、前記第１のヘッドピースと前記第２出力部とにそれぞれヒンジを介して接続された第３中間部材と、前記第２ヘッドピースと前記第２出力部とにそれぞれヒンジを介して接続された第４中間部材と、を有することを特徴とする請求項１７に記載の駆動機構。
【請求項１９】
前記ステージ部材の大まかな位置決めを行う粗動部と、前記ステージ部材の微細な位置決めを行う微動部とを有し、
前記圧電アクチュエータは前記微動部を構成し、
前記粗動部は、前記圧電アクチュエータを介して前記ステージ部材を移動させる粗動機構を有し、
前記圧電アクチュエータは、前記ステージ部材が所定位置に存在する状態で、前記ステージ部材を微動させることを特徴とする請求項１１から請求項１６のいずれか１項に記載の駆動機構。
【請求項２０】
前記粗動機構は、進出退入可能なスピンドルを有し、前記スピンドルの進退により前記圧電アクチュエータを介して前記ステージ部材を移動させることを特徴とする請求項１９に記載の駆動機構。
【請求項２１】
前記当接部材の先端面および前記圧電アクチュエータの前記出力部における前記当接部材の当接面の一方が球面であり、他方が平面または円錐状の凹部であることを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の駆動機構。
【請求項２２】
前記圧電アクチュエータ近傍に、前記圧電素子に印加する電圧を調整するドライバーをさらに有することを特徴とする請求項１２から請求項２１のいずれか１項に記載の駆動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステージを駆動して位置決めを行うステージ装置およびそれに用いる駆動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、露光装置における位置決めや、顕微鏡における試料の位置決め等の精密な位置決めには、位置決め対象物を載せたステージを駆動して位置決めを行うステージ装置が用いられている。
【０００３】
このようなステージ装置においては、極めて高い位置決め精度が要求される。このため、ステージの駆動機構として、精密な位置決めが可能な圧電素子（圧電アクチュエータ）を用いたものが提案されている（例えば特許文献１）。すなわち、圧電素子は、印加する電圧に応じて直線的に微小変位させることができ、所定の電圧を印加することにより、精密な位置決めが可能である。
【０００４】
特許文献１に記載されているように、十分な位置決めを行うために、マイクメータを用いた粗動部で０．０１ｍｍ単位の大まかな位置決めをし、その後、圧電素子に電圧を印加して微細位置決めを行う手法があるが、圧電素子は発生する変位が小さいため、そのような手法をとったとしても、十分なストロークをとるには、圧電素子（圧電アクチュエータ）が長くする必要があり、コストおよび装置のコンパクト化の面から十分な対応が困難である。
【０００５】
このため、特許文献１では、粗動部により０．０１ｍｍ単位で大まかな調整を行った後、圧電素子（圧電アクチュエータ）に尺取り虫的な運動を生じさせてストロークの長い微細駆動をさせることが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１８２０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の手法では、圧電素子に対して複雑な伸縮駆動をさせる必要があり、圧電素子を用いてコンパクトかつシンプルな構成で必要なストロークをとることが望まれる。
【０００８】
したがって、本発明は、圧電素子を用いてコンパクトかつシンプルな構成でありながら必要なストロークで微細駆動を行ってステージの位置決めを行うことができるステージ装置およびそれに用いる駆動機構を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は、以下の（１）〜（２０）を提供する。
【００１０】
（１）位置決め対象物を載せるステージ部材を有するステージと、前記ステージ部材を駆動する駆動機構とを具備するステージ装置であって、
前記駆動機構は、
電圧が印加されることにより所定方向に変位する圧電素子と、前記圧電素子の変位を拡大して前記ステージ部材に伝達する変位拡大機構とを有する圧電アクチュエータを備えたことを特徴とするステージ装置。
【００１１】
（２）前記ステージは、前記ステージ部材が一方向に移動するように支持するベース部材を有し、
前記駆動機構は、前記ベース部材と前記ステージ部材との間に設けられ、前記ステージ部材に対して、前記変位拡大機構を介して前記圧電素子に圧縮力を与える方向に付勢力を及ぼすばね部材をさらに有することを特徴とする（１）に記載のステージ装置。
【００１２】
（３）前記圧電素子は、長尺体として構成され、電圧が印加されることによりその長さ方向に変位し、前記変位拡大機構は、前記圧電素子の変位を、前記圧電素子の変位方向と直交する方向に拡大して出力し、その方向に前記ステージ部材を移動させることを特徴とする（１）に記載のステージ装置。
【００１３】
（４）前記変位拡大機構は、前記圧電素子を覆うように構成され、前記圧電素子が伸長変位した際に、前記圧電素子の変位方向と直交する方向で、かつ前記圧電素子に対し相対的に外側に向かう方向に変位することを特徴とする（３）に記載のステージ装置。
【００１４】
（５）前記変位拡大機構は、前記圧電素子の長さ方向の一端面および他端面にそれぞれ固定された第１ヘッドピースおよび第２ヘッドピースと、前記第１ヘッドピースおよび前記第２ヘッドピースの間の前記圧電素子の一方側および他方側にそれぞれ設けられた第１変位伝達部および第２変位伝達部とを有し、
前記第１変位伝達部および前記第２変位伝達部は、それぞれ第１出力部および第２出力部を有し、
前記第１変位伝達部および前記第２変位伝達部は、前記圧電素子が伸長変位した際に、第１出力部および第２出力部が、前記圧電素子に対して相対的に外側に変位するように設けられていることを特徴とする（４）に記載のステージ装置。
【００１５】
（６）前記ステージは、前記ステージ部材が一方向に移動するように支持するベース部材を有し、
前記駆動機構は、前記ベース部材と前記ステージ部材との間に設けられ、前記ステージ部材に対して、付勢力を及ぼすばね部材を有し、
前記ばね部材は、前記第１出力部および前記第２出力部の間に圧縮力を与え、その圧縮力が前記圧電素子に圧縮力を与えるように作用することを特徴とする（５）に記載のステージ装置。
【００１６】
（７）前記駆動機構は、前記ステージの大まかな位置決めを行う粗動部と、前記ステージの微細な位置決めを行う微動部とを有し、
前記圧電アクチュエータは前記微動部を構成し、
前記粗動部は、前記圧電アクチュエータを介して前記ステージ部材を移動させる粗動機構を有し、
前記圧電アクチュエータは、前記ステージ部材が所定位置に存在する状態で、前記ステージ部材を微動させることを特徴とする（１）から（６）のいずれかに記載のステージ装置。
【００１７】
（８）前記粗動機構は、進出退入可能なスピンドルを有し、前記スピンドルの進退により前記圧電アクチュエータを介して前記ステージ部材を移動させることを特徴とする（７）に記載のステージ装置。
【００１８】
（９）前記圧電アクチュエータの出力部に当接される当接部材の先端面および前記圧電アクチュエータの前記出力部における前記当接部材の当接面の一方が球面であり、他方が平面または円錐状の凹部であることを特徴とする（１）から（８）のいずれかに記載のステージ装置。
【００１９】
（１０）前記駆動機構は、前記圧電アクチュエータ近傍に、前記圧電素子に印加する電圧を調整するドライバーをさらに有することを特徴とする（１）から（９）のいずれかに記載のステージ装置。
【００２０】
（１１）位置決め対象物を載せるステージ部材を有するステージにおいて、前記ステージ部材を駆動する駆動機構であって、
電圧が印加されることにより所定方向に変位する圧電素子と、前記圧電素子の変位を拡大して前記ステージ部材に伝達する変位拡大機構とを有する圧電アクチュエータを備えたことを特徴とする駆動機構。
【００２１】
（１２）前記ステージは、前記ステージ部材が一方向に移動するように支持するベース部材を有し、
前記駆動機構は、前記ベース部材と前記ステージ部材との間に設けられ、前記ステージ部材に対して、前記変位拡大機構を介して前記圧電素子に圧縮力を与える方向に付勢力を及ぼすばね部材をさらに備えたことを特徴とする（１１）に記載の駆動機構。
【００２２】
（１３）前記圧電素子は、長尺体として構成され、電圧を印加されることによりその長さ方向に変位し、前記変位拡大機構は、前記圧電素子の変位を、前記圧電素子の変位方向と直交する方向に拡大して出力し、その方向に前記ステージ部材を移動させることを特徴とする（１１）に記載の駆動機構。
【００２３】
（１４）前記変位拡大機構は、前記圧電素子を覆うように構成され、前記圧電素子が伸長変位した際に、前記圧電素子の変位方向と直交する方向で、かつ前記圧電素子に対し相対的に外側に向かう方向に変位することを特徴とする（１２）または（１３）に記載の駆動機構。
【００２４】
（１５）前記変位拡大機構は、前記圧電素子の長さ方向の一端面および他端面にそれぞれ固定された第１ヘッドピースおよび第２ヘッドピースと、前記第１ヘッドピースおよび前記第２ヘッドピースの間の前記圧電素子の一方側および他方側にそれぞれ設けられた第１変位伝達部および第２変位伝達部とを有し、
前記第１変位伝達部および前記第２変位伝達部は、それぞれ第１出力部および第２出力部を有し、
前記第１変位伝達部および前記第２変位伝達部は、前記圧電素子が伸長変位した際に、第１出力部および第２出力部が、前記圧電素子に対して相対的に外側に変位するように設けられていることを特徴とする（１４）に記載の駆動機構。
【００２５】
（１６）前記ステージは、前記ステージ部材が一方向に移動するように支持するベース部材を有し、
前記駆動機構は、前記ベース部材と前記ステージ部材との間に設けられ、前記ステージ部材に対して、付勢力を及ぼすばね部材を有し、
前記ばね部材は、前記第１出力部および前記第２出力部の間に圧縮力を与え、その圧縮力が前記圧電素子に圧縮力を与えるように作用することを特徴とする（１５）に記載の駆動機構。
【００２６】
（１７）前記ステージの大まかな位置決めを行う粗動部と、前記ステージの微細な位置決めを行う微動部とを有し、
前記圧電アクチュエータは前記微動部を構成し、
前記粗動部は、前記圧電アクチュエータを介して前記ステージ部材を移動させる粗動機構を有し、
前記圧電アクチュエータは、前記ステージ部材が所定位置に存在する状態で、前記ステージ部材を微動させることを特徴とする（１１）から（１６）のいずれかに記載の駆動機構。
【００２７】
（１８）前記粗動機構は、進出退入可能なスピンドルを有し、前記スピンドルの進退により前記圧電アクチュエータを介して前記ステージ部材を移動させることを特徴とする（１７）に記載の駆動機構。
【００２８】
（１９）前記圧電アクチュエータの出力部に当接される当接部材の先端面および前記圧電アクチュエータの前記出力部における前記当接部材の当接面の一方が球面であり、他方が平面または円錐状の凹部であることを特徴とする（１１）から（１８）のいずれかに記載の駆動機構。
【００２９】
（２０）前記圧電アクチュエータ近傍に、前記圧電素子に印加する電圧を調整するドライバーをさらに有することを特徴とする（１１）から（１９）のいずれかに記載の駆動機構。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、ステージのステージ部材を圧電素子の変位を変位拡大機構で拡大することにより実現するので、装置構成をコンパクトかつシンプルにしつつ、必要なストロークでステージを微細駆動して位置決めを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るステージ装置を示す平面図および側面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るステージ装置の駆動機構に用いる圧電アクチュエータを示す平面図である。
【図３】圧電アクチュエータをステージに取り付けた場合の印加電圧と変位との関係を示す図であり、（ａ）は圧電素子に０Ｖから最大電圧まで電圧を印加した場合のみを示し、（ｂ）はさらにマイナーループを加味したものである。
【図４】圧電アクチュエータ単体の場合の印加電圧と変位との関係を示す図であり、（ａ）は圧電素子に０Ｖから最大電圧まで電圧を印加した場合のみを示し、（ｂ）はさらにマイナーループを加味したものである。
【図５】本発明の第１の実施形態の他の例に係るステージ装置を示す平面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るステージ装置を示す平面図および側面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の他の例に係るステージ装置を示す平面図である。
【図８】ロッドまたはスピンドルと第１出力部材との接触状態の他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３３】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係るステージ装置を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【００３４】
ステージ装置１００は、ステージ２００と、ステージ２００を駆動する駆動機構３００とを有している。
【００３５】
ステージ２００は、ベース部材１１と、ベース部材１１の上に設けられたレール１３上を移動し、位置決め対象が載せられるステージ部材１２とを有する。
【００３６】
駆動機構３００は、ステージ２００のステージ部材１２をＸ方向に移動させるものであり、ステージ２００におけるステージ部材１２の移動方向に沿った側面に設けられている。
【００３７】
駆動機構３００は、変位拡大型の圧電アクチュエータ６０を有し、この圧電アクチュエータ６０は固定治具８０によりステージ部材１２の側面端部に固定されている。また、固定治具８０には、圧電アクチュエータ６０のドライバー９０が取り付けられている。また、駆動機構３００は、ベース部材１１およびステージ部材１２の間に設けられ、ステージ部材１２に対して、矢印Ａ方向に付勢力（ばね力）を及ぼすばね部材８５を有する。
【００３８】
駆動機構３００は、さらに、圧電アクチュエータ６０の固定治具８０とは反対側の部分に当接されるように設けられたロッド８３を有し、ロッド８３は固定治具８２によりベース部材１１の側面に固定されている。ロッド８３の先端は球面となっている。
【００３９】
圧電アクチュエータ６０は、図２に示すように、圧電素子６１と、圧電素子６１の変位を拡大する変位拡大機構６２とを有する。
【００４０】
圧電素子６１は、板状の圧電体（例えば１０ｍｍ×１０ｍｍ）が電極を挟んで複数積層されて例えば４０ｍｍの長さにされた長尺体として構成され、長さ方向がステージ２００の駆動方向であるＸ方向に直交するＹ方向になるように配置されている。なお、図示の例では、圧電素子は直方体（四角柱）として構成されている。圧電素子６１は、側面に電圧を印加するための電気端子（図示せず）を備えており、電気端子間に電圧が印加されることにより、積層方向（長さ方向）に伸縮するように構成されている。圧電体を構成する圧電材料としては、圧電効果を有するセラミック材料が用いられ、そのような材料として、典型的にはチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３；ＰＺＴ）を挙げることができる。圧電素子６１の形状は直方体に限らず、例えば三角柱や六角柱等の多角柱であっても、円柱であってもよい。
【００４１】
変位拡大機構６２は、圧電素子６１のＹ方向の変位を拡大されたＸ方向の変位として出力するものであり、圧電素子６１の外側を覆うように設けられている。変位拡大機構６２は、圧電素子６１の長さ方向の一端面および他端面にそれぞれ固定された第１ヘッドピース７１および第２ヘッドピース７２を有し、これら第１ヘッドピース７１および第２ヘッドピース７２の間の圧電素子６１の一方側および他方側には、それぞれ第１変位伝達部７０ａおよび第２変位伝達部７０ｂを有している。
【００４２】
第１変位伝達部７０ａは、第１ヒンジ７３ａと、第１中間部材７４ａと、第２ヒンジ７５ａと、第１出力部材７６ａと、第３ヒンジ７７ａと、第２中間部材７８ａと、第４ヒンジ７９ａとを有し、第１中間部材７４ａが第１ヒンジ７３ａを介して第１ヘッドピース７１に連結され、第２中間部材７８ａが第４ヒンジ７９ａを介して第２ヘッドピース７２に連結されており、第１出力部材７６ａは、それぞれ第２ヒンジ７５ａおよび第３ヒンジ７７ａを介して第１中間部材７４ａおよび第２中間部材７８ａに連結されている。
【００４３】
一方、第２変位伝達部７０ｂは、第５ヒンジ７３ｂと、第３中間部材７４ｂと、第６ヒンジ７５ｂと、第２出力部材７６ｂと、第７ヒンジ７７ｂと、第４中間部材７８ｂと、第８ヒンジ７９ｂとを有し、第３中間部材７４ｂが第５ヒンジ７３ｂを介して第１ヘッドピース７１に連結され、第４中間部材７８ｂが第８ヒンジ７９ｂを介して第２ヘッドピース７２に連結されており、第２出力部材７６ｂは、それぞれ第６ヒンジ７５ｂおよび第７ヒンジ７７ｂを介して第３中間部材７４ｂおよび第４中間部材７８ｂに連結されている。
【００４４】
第１出力部材７６ａおよび第２出力部材７６ｂは、圧電素子６１の長さ方向中央部に圧電素子６１を挟んで対向するように設けられている。第１出力部材７６ａには、ロッド８３の球面をなす先端面が当接されている。一方、第２出力部材７６ｂは、固定治具８０の固定突起部８１に固定されている。
【００４５】
第１中間部材７４ａと第２中間部７８ａは、第１出力部材７６ａを挟んで対称に配置され、第１中間部材７４ａおよび第２中間部材７８ａと、第３中間部材７４ｂおよび第４中間部材７８ｂとは、圧電素子６１を挟んで対称に配置される。また、第１〜第８ヒンジ７３ａ，７５ａ，７７ａ，７９ａ，７３ｂ，７５ｂ，７７ｂ，７９ｂは可撓性を有し、圧電素子６１の伸縮により撓んで圧電素子６１の変位を第１出力部材７６ａおよび第２出力部材７６ｂに伝達可能となっており、圧電素子６１がＹ方向に伸縮変位することにより、第１出力部材７６ａおよび第２出力部材７６ｂから拡大されたＸ方向の変位が出力されるようになっている。
【００４６】
そして、第１ヒンジ７３ａ、第４ヒンジ７９ａ、第５ヒンジ７３ｂ、および第８ヒンジ７９ｂは、第２ヒンジ７５ａ、第３ヒンジ７７ａ、第６ヒンジ７５ｂ、第７ヒンジ７７ｂよりも外側に設けられているため、図２の矢印に示すように、圧電素子６１が伸長した際に、第１出力部材７６ａおよび第２出力部材７６ｂが圧電素子６１に対し相対的に外側へ変位するようになっている。
【００４７】
このとき、第１出力部材７６ａには、固定治具８２を介して移動しないベース部材１１に固定されたロッド８３が当接されているため、第１出力部材７６ａは実際には不動部である。このため、圧電素子６１が伸長した際には、第１出力部材７６ａ以外の部分が圧電素子６１とともに図１（ａ）の矢印Ｂ方向へ変位し、その変位が第２出力部材７６ｂから固定治具８０を介してステージ部材１２に伝達される。
【００４８】
変位拡大機構６２は、圧電素子６１のＹ方向の伸縮変位を、１０〜３０倍程度に拡大してＸ方向の変位として出力することができる。
【００４９】
ベース部材１１とステージ部材１２との間にはばね部材８５が設けられているので、変位拡大機構６２の第１出力部材７６ａと第２出力部材７６ｂとの間には、ばね部材８５の付勢力により、常に圧縮力が付与される。この圧縮力は、第１変位伝達部７０ａおよび第２変位伝達部７０ｂの他の部分を介して圧電素子６１に対する圧縮力として作用する。
【００５０】
圧電素子は一般的に脆性材料であるセラミック材料からなるため、圧縮に対しては強いが引張に対しては弱く引張力が与えられると容易に破壊されてしまうが、ばね部材８５により圧電素子６１に圧縮力が与えられているので、圧電素子６１の引張力による破壊を抑制することができる。また、変位拡大機構６２は、第１出力部材７６ａおよび第２出力部材７６ｂが圧電素子６１の伸長にともない外側へ変位する構造であるため、常に圧縮力が付与されていても座屈し難い。
【００５１】
また、圧電アクチュエータ６０にばね部材８５の付勢力が付与されているため、その付勢力とステージ２００の転がり摩擦（静止摩擦）とが協働して、圧電アクチュエータ６０の変位を低下させるように作用し、圧電素子６１に印加する電圧に対して変位を小さくすることができ、高精度の位置決めが可能となる。
【００５２】
さらに、ばね部材８５により圧電素子６１に圧縮力が作用することにより、圧電素子６１の分極状態が安定し、クリーピングによる圧電素子６１の長さ変動が抑制される。
【００５３】
なお、ロッド８３を固定治具８２によりステージ部材１２に固定し、圧電アクチュエータ６０を固定治具８０によりベース部材１１に固定するようにしてもよく、その場合は、第２出力部材７６ｂが不動部となり、圧電アクチュエータ６０の変位は第１出力部材７６ａからロッド８３および固定治具８２を介してステージ部材１２に伝達される。
【００５４】
ドライバー９０は、制御回路部９１と可変抵抗からなる抵抗調整部９２とを有している。そして、電源部（図示せず）から制御回路部９１を介して圧電素子６１に電圧が印加されるが、その際に抵抗調整部９２で抵抗を調整することにより印加される電圧を調整し、圧電素子６１に所望の変位を与えるようになっている。抵抗調整部９２として多数回回転させることができる多回転タイプのものを用いることにより、分解能が高い高精度の変位調整を実現することができる。また、このように圧電アクチュエータ６０のドライバー９０をステージ装置１００に設けたことにより、変位の微調整を容易に行うことができる。さらに、電源部としては、家庭用のＡＣ電源、ＵＳＢ、電池等種々のものを用いることができる。
【００５５】
このように構成されたステージ装置１００においては、圧電アクチュエータ６０により圧電素子６１のＹ方向の変位を変位拡大機構６２により拡大されたＸ方向の変位とする。具体的には、圧電素子６１がＹ方向に伸縮変位することにより、第１出力部材７６ａおよび第２出力部材７６ｂから拡大されたＸ方向の変位が出力される。すなわち、圧電素子６１が伸長した際に、第１出力部材７６ａおよび第２出力部材７６ｂが圧電素子６１に対し相対的に外側へ変位する。
【００５６】
このとき、第１出力部材７６ａは不動部であるため、圧電素子６１が伸長した際には、第１出力部材７６ａ以外の部分が圧電素子６１とともに矢印Ｂ方向（図１（ａ）参照）へ変位し、その変位が第２出力部材７６ｂから固定治具８０（固定突起部８１）を介してステージ部材１２に伝達され、ステージ部材１２が高精度で位置決めされる。また、ロッド８３の先端が球面となっていることにより、ロッド８３の片当たり等が生じない。
【００５７】
圧電素子を単体で用いた場合は、発生する変位が小さいため十分なストロークをとることが困難である。このため、特許文献１では、粗動部により０．０１ｍｍ単位で大まかな調整を行った後、圧電素子（圧電アクチュエータ）に尺取り虫的な運動を生じさせてストロークの長い微細駆動をさせているが、特許文献１の手法では、圧電素子に対して複雑な伸縮駆動をさせる必要があり、圧電素子を用いてコンパクトかつシンプルな構成で必要なストロークをとることが困難である。
【００５８】
これに対して、本実施形態では、圧電素子６１の変位を変位拡大機構６２で拡大することにより実現するので、装置構成をコンパクトかつシンプルにしつつ、必要なストロークでステージを微細駆動して位置決めを行うことができる。すなわち、変位拡大機構６２を設けることにより、複雑な機構を付加することなく圧電素子６１単独の場合に比べて変位を１０〜３０倍に高めて必要なストロークを確保することができる。実際に積層型の圧電素子６１に変位拡大機構６２を装着して圧電アクチュエータ６０を構成して変位を出力した結果、圧電素子６１の最大変位が１９μｍであったのに対し、変位拡大機構６２により３５０μｍの変位を出力させることができ、変位を略１８倍に拡大することができた。
【００５９】
また、変位拡大機構６２は、圧電素子６１が変位する方向に直交する方向に拡大された変位を出力するので、圧電素子６１をその長さ方向がステージ部材１２の変位方向と直交する方向になるように配置すればよい。このため、圧電素子６１は、短い幅方向がステージ部材１２の変位方向になるようにすればよく、ステージ装置１００全体をよりコンパクトなものとすることができる。
【００６０】
さらに、ステージ部材１２はベース部材１１に対し、ばね部材８５により矢印Ａ方向に付勢されているので、変位拡大機構６２の第１出力部材７６ａと第２出力部材７６ｂとの間には、ばね部材８５の付勢力により、常に圧縮力が付与される。このため、圧電素子６１に引張力が及ぼされて破壊することを抑制することができる。
【００６１】
また、このように圧電アクチュエータ６０にばね部材８５の付勢力が付与されているため、その付勢力とステージ２００の転がり摩擦（静止摩擦）とが協働して、圧電アクチュエータ６０の変位を低下させるように作用する。すなわち、ばね部材８５の付勢力およびステージ２００の静止摩擦は、圧電素子６１が伸長する場合および縮退する場合のいずれも、圧電素子６１の変位の抵抗として作用し、圧電アクチュエータ６０の出力（変位拡大機構６２の出力部材からの出力）を小さくする機能を有する。図３および図４にそれぞれ圧電アクチュエータをステージに取り付けた場合および圧電アクチュエータ単体の場合の印加電圧と変位との関係を示す図である。図３（ａ）および図４（ａ）は、圧電素子に０Ｖから最大の１５０Ｖまでの電圧（正弦波）を印加した場合のみを示したものであるが、いずれもヒステリシスカーブを描いている。しかし、圧電アクチュエータをステージに取り付けた場合の図３（ａ）では、圧電アクチュエータ単体の場合の図４（ａ）に比べて、印加電圧に対する変位量が小さくなっている。そして、圧電アクチュエータをステージに取り付けた場合は、圧電素子６１が伸長する場合および縮退する場合のいずれも、圧電アクチュエータ単体の場合に比べて、特に電圧をかけた初期段階において、電圧の変化に対して変位量が小さい状態となり、大きなヒステリシスカーブを描いている。また、図３（ｂ）および図４（ｂ）は、０Ｖ〜１５０Ｖの途中の電圧から電圧を上げたり下げたりした場合にみられるマイナーループも加味したものであるが、この場合にも図３（ｂ）に示すように、圧電アクチュエータをステージに取り付けることにより、特に初期段階において電圧の変化に対して変位量が小さい状態となる。したがって、この電圧の変化に対して変位量が小さい電圧範囲を用いることにより、位置決め精度を極めて高くすることができる。
【００６２】
また、圧電アクチュエータを用いる場合は、ねじを用いる場合のようなバックラッシュが生じないため、モータを用いる場合よりも一層高精度の位置決めを実現することができる。具体的には０〜１００ｎｍ、例えば１０ｎｍ付近という極めて微細な範囲の位置調整を実現することができる。
【００６３】
また、ばね部材８５により圧電素子６１に圧縮力が作用しているため、圧電素子６１の分極状態が安定し、クリーピングによる長さの変動を抑制することができる。
【００６４】
さらに、一般的に圧電素子は剛性率が高く、圧電素子単体では、ステージ２００に載せた作用子、例えばピペットや針等を細胞等の力を極力かけたくない物体に作用させる場合には、加わる力ＦはＦ＝Ｋ・Δｘ（ただし、Ｋは剛性率）となり、Ｆは大きな値となって好ましくない。これに対して、本実施形態のように変位拡大機構で変位を拡大すると、エネルギー保存則により、Ｅ＝（１／２）・Ｋ・ｘ２で表されるエネルギーＥは一定となり、変位が拡大した分Ｋは小さくなるから、Ｋは小さくなり、ステージ２００に載せた作用子が物体に及ぼす力を小さくすることができる。また、上述したように、ばね部材８５を用いることにより、ばね部材８５の付勢力と静止摩擦の協働作用によって、印加電圧に対する圧電アクチュエータ６０の変位量を小さくすることができるので、作用子の力を一層小さくすることができる。このため、例えばピペットや針等を細胞等に作用させる場合のように、作用させる力を小さくすることが要求される用途に好適である。
【００６５】
なお、このように変位拡大機構６２にはばね部材８５から常に圧縮力が付与されていることになるが、変位拡大機構６２は、第１出力部材７６ａおよび第２出力部材７６ｂが圧電素子６１の伸長にともない外側へ変位する構造であるため、変位拡大機構６２は常に圧縮力が付与されていても座屈し難い。
【００６６】
さらにまた、圧電アクチュエータ６０のドライバー９０を圧電アクチュエータ６０の近傍の固定治具８０に取り付け、また、抵抗調整部９２で抵抗を調整することにより圧電素子６１に印加される電圧を調整して圧電素子の変位を制御するようにしたので、操作しやすく、かつ操作が容易である。さらに、抵抗調整部９２として多回転タイプのものを用いることにより、分解能が高い高精度の変位調整を実現することができる。
【００６７】
なお、上記例では、駆動機構３００をステージ２００におけるステージ部材１２の移動方向に沿った側面に設けた例を示したが、図５に示すように、ステージ２００におけるステージ部材の移動方向に直交する側面に設けてもよい。
【００６８】
＜第２の実施形態＞
図６は、本発明の第２の実施形態に係るステージ装置を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【００６９】
本実施形態のステージ装置１００′は、ステージ２００は第１の実施形態と同様に構成されているが、第１の実施形態における駆動機構３００とは異なる構造の駆動機構３００′を有している。
【００７０】
駆動機構３００′は、駆動機構３００と同様、ステージ２００のステージ部材１２をＸ方向に移動させるものであり、大まかな位置決めを行う粗動部２０と、微細な位置決めを行う微動部５０とを有している。駆動機構３００′は、ステージ２００におけるステージ部材１２の移動方向に沿った側面に設けられている。
【００７１】
粗動部２０は、粗動機構３０を有し、この粗動機構３０は、固定治具４０によりベース部材１１に固定されている。また、微動部５０は、第１の実施形態と同様の圧電アクチュエータ６０を有している。すなわち、この圧電アクチュエータ６０は固定治具８０によりステージ部材１２に固定され、固定治具８０には、圧電アクチュエータ６０のドライバー９０が取り付けられ、圧電素子６１および変位拡大機構６２は第１の実施形態と同様に構成されている。
【００７２】
粗動部２０の粗動機構３０は、マイクロメータと同様の原理を有するものであり、手動で回転される回転部３１と、回転部３１の内側に設けられ、固定治具４０に取り付けられたスリーブ３２と、回転部３１を回転させることにより回転しながらスリーブに対して相対的にＸ方向に直進するスピンドル３３とを有する。スピンドル３３の先端は球面となっている。
【００７３】
本実施形態では、圧電アクチュエータ６０における変位拡大機構６２の第１出力部材７６ａには粗動機構３０のスピンドル３３が当接され、粗動機構３０は固定治具４０を介して移動しないベース部材１１に固定され、第１の実施形態と同様、圧電素子６１が伸長した際には、第１出力部材７６ａ以外の部分が圧電素子６１とともに図６（ａ）の矢印Ｂ方向へ変位し、その変位が第２出力部材７６ｂから固定治具８０を介してステージ部材１２に伝達される。
【００７４】
変位拡大機構６２は、圧電素子６１のＹ方向の伸縮変位を、１０〜３０倍程度に拡大してＸ方向の変位として出力することができる。
【００７５】
なお、粗動機構３０を固定治具４０によりステージ部材１２に固定し、圧電アクチュエータ６０を固定治具８０によりベース部材１１に固定するようにしてもよく、その場合は、第２出力部材７６ｂが不動部となり、圧電アクチュエータ６０の変位は第１出力部材７６ａからスピンドル３３および固定治具４０を介してステージ部材１２に伝達される。
【００７６】
ドライバー９０も第１の実施形態と同様、制御回路部９１と可変抵抗からなる抵抗調整部９２とを有しており、電源部（図示せず）から制御回路部９１を介して圧電素子６１に電圧が印加され、その際に抵抗調整部９２で抵抗を調整することにより印加される電圧を調整し、圧電素子６１に所望の変位を与える。
【００７７】
このように構成されたステージ装置１００′においては、ステージ２００の大まかな位置決めを行う粗動モードと微細な位置決めを行う微動モードのいずれかにより位置決めを行う。
【００７８】
粗動モードにより位置決めを行う際には、粗動機構３０の回転部３１を回転させ、スピンドル３３を回転させながら直動させる。これにより、ステージ部材１２が圧電アクチュエータ６０とともにＸ方向に沿って移動される。このとき、スピンドル３３の先端が球面となっているので、スピンドル３３が当接される変位拡大機構６２がスピンドル３３の回転を許容する。また、スピンドル３３の先端が球面となっていることにより、スピンドル３３の片当たり等が生じない。なお、本実施形態においては、ばね部材８５は、粗動の際のスピンドル３３の退入に追従するようにステージ部材１２を移動させる機能も有する。
【００７９】
微動モードにより位置決めを行う際には、粗動モードによりステージ部材１２を所定の位置に位置決めした後、微動部５０の圧電アクチュエータ６０により、第１の実施形態と同様、圧電素子６１のＹ方向の変位を変位拡大機構６２により拡大されたＸ方向の変位とし、その変位がステージ部材１２に伝達され、ステージ部材１２が微細に位置決めされる。
【００８０】
本実施形態では、微動モードを、第１の実施形態と同様の圧電アクチュエータ６０により、圧電素子６１の変位を変位拡大機構６２で拡大することにより実現するので、装置構成をコンパクトかつシンプルにしつつ、必要なストロークでステージを微細駆動して位置決めを行うことができる。すなわち、変位拡大機構６２を設けることにより、複雑な機構を付加することなく圧電素子６１単独の場合に比べて変位を１０〜３０倍に高めて必要なストロークを確保することができる。また、粗動部により大まかな位置調整を行うことができるので、微動部との組み合わせで非常に長い距離の位置決めを高精度で行うことができる。
【００８１】
さらに、本実施形態においても圧電アクチュエータ６０を用いてステージの位置決めを行うので、第１の実施形態で得られる他の効果についても得ることができる。
【００８２】
なお、上記例では、駆動機構３００′をステージ２００におけるステージ部材１２の移動方向に沿った側面に設けた例を示したが、図７に示すように、第１の実施形態の図５と同様、ステージ２００におけるステージ部材の移動方向に直交する側面に設けてもよい。
【００８３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、Ｘ方向のみに移動する一軸のステージ装置を示したが、Ｘ方向、Ｙ方向にそれぞれ移動するステージ部材を設けた二軸のステージ装置や三軸以上のステージ装置等、多軸のステージ装置であってもよい。多軸のステージ装置の場合には、駆動機構を軸の数だけ設ければよい。
【００８４】
さらに、上記第２の実施形態では、粗動部２０に用いた粗動機構３０を、マイクロメータと同様の原理を有する手動の機構としたが、ボールねじ機構等の電動の機構であってもよい。
【００８５】
さらにまた、上記実施形態では、ロッド８３およびスピンドル３３の先端面を球面とし、ロッド８３またはスピンドル３３を受ける第１出力部材７６ａの面を平面にしたが、図８に示すように、第１出力部材７６ａのスピンドル３３を受ける部分にロッド８３またはスピンドル３３の球面に対応する円錐状の凹部１０１を設けてもよい。このように球面を円錐状の凹部で受けるようにすることにより、滑りを抑制することができ、ずれのない位置決めを行うことができる。さらにまた、上記実施形態ではロッド８３またはスピンドル３３の先端面を球面としたが、ロッド８３またはスピンドル３３の先端面を受ける第１出力部材７６ａの面を球面にしてもよい。
【符号の説明】
【００８６】
１１；ベース部材
１２；ステージ部材
１３；レール
２０；粗動部
３０；粗動機構
３１；回転部
３２；スリーブ
３３；スピンドル
４０，８０，８２；固定治具
５０；微動部
６０；圧電アクチュエータ
６１；圧電素子
６２；変位拡大機構
７１，７２；ヘッドピース
７０ａ，７０ｂ；変位伝達部
７４ａ，７４ｂ，７８ａ，７８ｂ；中間部材
７３ａ，７５ａ，７７ａ，７９ａ，７３ｂ，７５ｂ，７７ｂ，７９ｂ；ヒンジ
７６ａ，７６ｂ；出力部材
８１；固定突起部
８３；ロッド
８５；ばね部材
９０；ドライバー
９１；制御回路部
９２；抵抗調整部
１００，１００′；ステージ装置
１０１；凹部
２００；ステージ
３００，３００′；駆動機構
【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】
0006638124.tif 000008
【図８】
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