(57)【要約】【課題】従来の平面内の位置決めステージは、移動方向が直交する２軸積層したものが用いられているが、機構全体の大型化や、質量増による動特性の低下、また、２軸の負荷質量が異なるため、軸間の動特性の非対称性による経路の制御性の低下が問題となる。【解決手段】３軸方向に変形可能な素子の先端が平面２軸方向に自由度を持つ移動体に接しており、前記素子と前記移動体との摩擦力により前記移動体を平面２軸方向に移動させることを特徴とするアクチュエータ。【選択図】　　　　図１
2004140946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３軸方向に変形可能な素子の先端が平面２軸方向に自由度を持つ移動体に接しており、前記素子と前記移動体との摩擦力により前記移動体を平面２軸方向に移動させることを特徴とするアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動子を振動させ、振動子の接触する物体を動作させる振動波アクチュエータを用いたアクチュエータの構成、制御方法並びにこれを用いた位置決め装置の構成、制御方法の技術分野に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
近年、位置決めステージ等のアクチュエータとして、圧電素子に固定された振動子を移動部材に押し当て、圧電素子を可聴域以上の周波数で高速で駆動することにより、移動部材を運動させる、いわゆる振動波アクチュエータの応用が盛んであり、特許文献１等にその構造が提案されている。
【０００３】
特開平７−１８４３８２号公報に記載された振動波アクチュエータの構成を説明する。平板の圧電体の両面に電極が形成され、一方の面の電極が複数に分割されている。この両面の電極間に電圧を印加することによって圧電体は微小変形を行う。適当な電極を選択して電圧を印加することで、圧電体を任意の方向に変形させることが可能である。圧電体の端部にはスペーサが設けられており、例えば、圧電体の電極間に交流信号あるいはパルス信号を印加することでスペーサには楕円運動が生じ、スペーサと接触する移動部材を一方向に動かすことができる。
【０００４】
振動波アクチュエータを使用した位置決めステージの一例を図２に示す。ｘ駆動回路１０２により駆動されるアクチュエータ２０１の振動子１０８は、図中ｘｙ平面内において振動子軌跡１１７に示すように楕円状に高速に振動し、図中ｘ方向に可動する移動テーブル１１１に固定された駆動板１０９を介し、同テーブルを移動させる。変位センサ１１３はテーブルの現在位置を検出し、位置制御回路１０１は目標と現在位置との比較結果に制御定数をかけ、ｘ駆動回路１０２に制御量を送り、いわゆるフィードバック位置決め系を構成する。
【０００５】
このような機構は、従来より用いられてきたサーボモータ等の回転型モータと送りねじを組み合わせた機構に比べコンパクトであり、リニア磁気モータを使用した機構に比べ、モータ静止時に摩擦による保持力がある、非磁性部材のみによる構成が可能等の利点がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−１８４３８２
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
さて、前述のような機構を用いて、ｘｙ平面内の位置決めステージを構成する際には、前述の構成を移動方向が直交するように２軸積層したものが一般的に用いられている。このような構成では積層により、機構全体の大型化や、質量増による動特性の低下を招く。
【０００８】
また、２軸の負荷質量が異なるため、特に、レーザ直描装置等、動作時の経路が重要なアプリケーションにおいては、軸間の動特性の非対称性による、経路の制御性の低下が問題となる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、３軸方向に変形可能な素子の先端が平面２軸方向に自由度を持つ駆動板に接しており、前記素子が変形することにより前記平面２軸方向に駆動力を発生する事を特徴とするアクチュエータを提供するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態においては、上記構成を適用して、３軸方向に変形可能な素子の先端を平面２軸方向に自由度を持つ移動体に接触させ、前記先端を前記平面に垂直な任意の平面内で楕円運動させることにより、前記平面内の任意の方向に前記移動体を移動させるコンパクトかつ前記２軸方向動特性の非対称性を抑えた機構を構成することができる。また、前記先端と前記移動体との静止摩擦状態を保ったまま、前記素子を前記平面２軸方向に変形させる事により、前記平面内微小領域での高精度な移動が可能になる。さらに、前記素子を複数配置し、前記平面２軸方向に加え前記平面内における回転方向にも自由度を持つ移動体に対して、個々の前記素子に同様の動作をさせることにより、前記平面内の移動に加え前記平面内における回転動作も可能になる。
【００１１】
（実施例１）
以下、本発明の第１の実施例について説明を行う。
【００１２】
まず、本発明を適用した位置決めステージの装置構成について図１を用いて説明する。
【００１３】
図１は，ｘｙ平面を構成する固定されたベース１１２に対して，移動体である移動テーブル１１１が同平面内で移動可能に設定され駆動される機構を示す。移動テーブル１１１は、その上に載せた物体を移動させるものであり、移動距離を制御できる場合にはステージと呼ばれる。
【００１４】
ｘ方向とｙ方向の２つのスライド機構を内在するガイド１１０は，一端がベース１１２に固定され，もう一方の端が移動テーブル１１１に固定されている。これによって，移動テーブル１１１は，ｚ方向には固定され，ｘｙ方向に自由に移動することができる。
【００１５】
ベース１１２上に、円筒型圧電素子１１８が設置され、その先端に固定された振動子１０８は、移動テーブル１１１に固定された駆動板１０９に圧力をもって押しつけられており、同板を介し、同テーブルを移動させる。円筒型圧電素子１１８とベース１１２の間は、不図示のばねによって結合されて，このばねの弾性力により上記の圧力が生じている．この所定の圧力（予圧）は、ばねによるものである必要はなく、他の弾性体によって生じさせてもよく、空気圧、油圧であってもよい。
【００１６】
ｘ変位センサ１１３及びｙ変位センサ１１４はそれぞれｘ変位ミラー１１５及びｙ変位ミラー１１６との距離から移動テーブル１１１の図中ｘ軸方向及びｙ軸方向の現在位置を測定する。位置制御回路１０１は各時刻での現在位置と目標位置とを比較演算し、制御量をｘ駆動回路１０２、ｙ駆動回路１０３、ｚ駆動回路１０４に送る。
【００１７】
次に，円筒型圧電素子１１８の動作について図４を用いて説明する。
【００１８】
図４は図１の円筒型圧電素子１１８を図中ｙ軸の正の方向から負の方向に見たものである。円筒型圧電素子１１８は圧電素子を円筒形に加工したものであり、内壁に対し、外壁が正の電位を持つときに図中ｚ方向に伸び、負の電位を持つ場合には縮む様に分極されている。図示はしないが、内壁は全面が電極で覆われており、接地されている。外壁を覆う電極はまずｚ方向に上下に分かれており、下部を一周する電極をｚ駆動電極１０７とする。また、上部の電極は円周方向にｘｙ軸と４５度の角度をもって４分割されており、ｘ軸方向の対をｘ駆動電極１０５、ｙ軸方向の対をｙ駆動電極１０６とする。例えば、ｘ駆動電極１０５のｘ軸方向の正の側に正の電圧をかけ、負の側に負の電圧をかけた場合、正の側は伸び、負の側は縮むため、振動子１１７は、図４中の矢印の向きに変位する。
【００１９】
この円筒型圧電素子１１８の先端に固定された振動子１０８は、移動テーブル１１１に固定された駆動板１０９にばねの圧力をもって押しつけられているので、円筒型圧電素子１１８にｚ方向の伸びを与えたとき、振動子１０８は駆動板１０９に強い力で押し付けられ、逆に円筒型圧電素子１１８にｚ方向の縮みを与えたとき、振動子１０８が駆動板１０９を押し付ける力は弱まる。
【００２０】
このときの振動子１０８と駆動板１０９との摩擦力の差を利用することにより、移動テーブル１１１を所望の方向に駆動することができる。すなわち、円筒型圧電素子１１８にｚ方向の伸びを与えると同時にこれに同期してｘおよびｙ軸方向にも変位させると、振動子１０８と駆動板１０９との摩擦力によって移動テーブル１１１はその方向に変位する。一方、円筒型圧電素子１１８をｚ方向に縮ませると同時にこれに同期してｘおよびｙ軸方向の変位をもとに戻すと、摩擦力が弱いために、振動子１０８と駆動板１０９との間にすべりが生じて移動テーブル１１１はもとの位置には戻らない。その結果、円筒型圧電素子１１８の伸縮の１周期で移動テーブル１１１を一定距離だけｘｙ方向に移動させることができる。１周期の移動距離は、円筒型圧電素子１１８のｘｙ方向の変形量によって変えることができ，またｚ方向の伸縮の大きさによっても変わる。
【００２１】
円筒型圧電素子１１８とベース１１２の間のばねの力を調節して，円筒型圧電素子１１８にｚ方向の縮みを与えたとき、振動子１０８が駆動板１０９から離れるようにしてもよい。
【００２２】
ｘ駆動回路１０２、ｙ駆動回路１０３、ｚ駆動回路１０４は指示された制御量に応じて、それぞれ、ｘ駆動電極１０５、ｙ駆動電極１０６、ｚ駆動電極１０７に駆動信号を出力し、図１中ｘｙ平面に対して垂直な平面内において振動子１０８を楕円状に高速に振動させる。例えば、図５の電圧波形をｘ駆動電極１０５、ｙ駆動電極１０６の各軸正の側、図６の電圧波形をｘ駆動電極１０５、ｙ駆動電極１０６の各軸負の側、図７の電圧波形をｚ駆動電極１０７にかけることにより、移動テーブル１１１は図中ｘ軸正の方向からｙ軸正の方向へπ／４ｒａｄ回転した方向に移動する。
【００２３】
ｘ駆動電極１０５、ｙ駆動電極１０６、ｚ駆動電極１０７の電圧振幅を変えることにより，１回の振動によって生じる移動距離を調節することができる．また，ｘ剪断圧電素子３０１とｙ剪断圧電素子３０２に印加する電圧の振幅を変えることにより，π／４ｒａｄ以外の方向への移動も可能である。移動方向は、ｘ剪断圧電素子３０１による変形とｙ剪断圧電素子３０２による変形のベクトル和の方向になる。
【００２４】
以上説明した動作に加え、本発明はさらに微小な領域での動作も可能である。まず、ｚ駆動電極１０７に＋２０Ｖ程度のＤＣ電圧をかけ、振動子１０８を駆動板１０９により強く押しつける。こうして振動子１０８と駆動板１０９との接触状態を保ったまま、ｘ駆動電極１０５、ｙ駆動電極１０６に任意の電圧をかけることで移動テーブル１１１を移動させる。この動作では、移動領域が円筒型圧電素子１１８の変形範囲内に限られるが、位置分解能は非常に高い。
【００２５】
上記のｚ方向の変形に同期してｘ方向とｙ方向に変形させ、移動体を移動させる動作をステージの粗移動とし、ｚ方向の変形を固定してｘ方向とｙ方向に変形させ、移動体を移動させる動作をステージの微移動として、両者を組み合わせたステージ移動制御を行なうこともできる。
【００２６】
（実施例２）
以下、図３を用いて、本発明の第２の実施例について以下に詳細な説明を行う。
【００２７】
まず、本発明を適用した位置決めステージの装置構成について説明する。図３中ｘｙ平面を構成するベース１１２上に移動テーブル１１１が配置される。両者の間は空気圧により非接触の状態を保つ、いわゆるエアスライド構成になっており、移動テーブル１１１はｘｙ２軸方向に加え、ｘｙ平面内の回転自由度を持っている。
【００２８】
ｘ剪断圧電素子３０１、ｙ剪断圧電素子３０２、ｚ伸縮圧電素子３０３は上下両面に電極を持っており、上面電極を接地し、下面電極に駆動電圧をかけて駆動する。各素子は上面に対し、下面が正の電位を持つときにそれぞれ各軸負の方向に変位するように分極されており、これらを３層積層して構成された駆動素子ａ３０４〜駆動素子ｄ３０７はそれぞれその上面の位置がベース１１２に対して固定されている。各駆動素子の下面に固定された振動子１０８は、移動テーブル１１１に固定された４枚の駆動板１０９に予圧をもって押しつけられており、同板を介し、同テーブルを移動させる。位置制御回路１０１は各時刻での制御量をｘ駆動回路１０２、ｙ駆動回路１０３、ｚ駆動回路１０４に送る。
【００２９】
ｘ駆動回路１０２、ｙ駆動回路１０３、ｚ駆動回路１０４は指示された制御量に応じて、それぞれ、ｘ剪断圧電素子３０１、ｙ剪断圧電素子３０２、ｚ伸縮圧電素子３０３の下面電極に駆動信号を出力し、図中ｘｙ平面に対して垂直な平面内において振動子１０８を楕円状に高速に振動させる。例えば、図５の電圧波形を全駆動素子のｘ剪断圧電素子３０１、ｙ剪断圧電素子３０２の下面電極、図７の電圧波形をｚ伸縮圧電素子３０３の下面電極にかけることにより、移動テーブル１１１は図中ｘ軸正の方向からｙ軸正の方向へπ／４ｒａｄ回転した方向に移動する。
【００３０】
電圧振幅を変えることにより，１回の振動によって生じる移動距離を調節することができる。ｘ剪断圧電素子３０１とｙ剪断圧電素子３０２に印加する電圧の振幅を変えることにより，π／４ｒａｄ以外の方向への移動も可能である。移動方向は、ｘ剪断圧電素子３０１による移動とｙ剪断圧電素子３０２による移動のベクトル和の方向になる。
【００３１】
また、図５の電圧波形を駆動素子ａ３０４のｙ剪断圧電素子３０２、駆動素子ｄ３０７のｘ剪断圧電素子３０１それぞれの下面電極、図６の電圧波形を駆動素子ｂ３０５のｘ剪断圧電素子３０１、駆動素子ｃ３０６のｙ剪断圧電素子３０２それぞれの下面電極、図７の電圧波形を全ｚ伸縮圧電素子３０３の下面電極にかけることにより、移動テーブル１１１は図中ｘ軸正の方向からｙ軸正の方向へ回転する。
【００３２】
電圧振幅または周波数を変えることにより，回転速度を調節することができる。また、回転中心を４つの駆動素子ａ３０４−ａ３０７の重心からずらせて回転させるには、それぞれの駆動素子による移動量を、回転中心からその駆動素子までの距離に比例させ、それぞれの駆動素子による移動の方向を、回転中心とその駆動素子を結ぶ方向に直角の方向に設定すればよい。
【００３３】
以上説明した動作に加え、本発明はさらに微小な領域での動作も可能である。まず、全ｚ伸縮圧電素子３０３の下面電極にに＋２０Ｖ程度のＤＣ電圧をかけ、各振動子１０８を駆動板１０９により強く押しつける。こうして振動子１０８と駆動板１０９との接触状態を保ったまま、任意のｘ剪断圧電素子３０１、ｙ剪断圧電素子３０２に任意の電圧をかけることで移動テーブル１１１を微小移動及び回転させる。この動作では、移動及び回転領域が各駆動素子の変形範囲内に限られるが、位置及び角度分解能は非常に高い。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、３軸方向に変形可能な素子の先端を平面２軸方向に自由度を持つ移動体に接触させ、前記先端を前記平面に垂直な任意の平面内で楕円運動させることにより、前記平面内の任意の方向に前記移動体を移動させるコンパクトかつ前記２軸方向動特性の非対称性を抑えた機構を構成することができる。また、前記先端と前記移動体との静止摩擦状態を保ったまま、前記素子を前記平面２軸方向に変形させる事により、前記平面内微小領域での高精度な移動が可能になる。さらに、前記素子を複数配置し、前記平面２軸方向に加え前記平面内における回転方向にも自由度を持つ移動体に対して、個々の前記素子に同様の動作をさせることにより、前記平面内の移動に加え前記平面内における回転動作も可能になる。
【００３５】
以下に本発明の特徴と実施形態を例示する．
１．３軸方向に変形可能な素子の先端が平面２軸方向に自由度を持つ移動体に接しており、前記素子と前記移動体との摩擦力により前記移動体を平面２軸方向に移動させることを特徴とするアクチュエータ。
２．前記素子の平面２軸方向の変形により、該変形の方向に前記移動体を移動させる上記１に記載のアクチュエータ。
３．前記素子の平面２軸と垂直な軸方向の変形により、前記摩擦力の大きさを変化させる上記１に記載のアクチュエータ。
４．前記素子の平面２軸と垂直な軸方向の変形と同期した平面２軸方向の変形により、前記移動体を移動させる上記２に記載のアクチュエータ。
５．前記素子の平面２軸と垂直な軸方向の変形と同期した平面２軸方向の変形を繰り返すことにより、前記素子の変形範囲を超えて前記移動体を移動させる上記２に記載のアクチュエータ。
６．前記素子の平面２軸と垂直な軸方向の変形を一定に保ったまま前記素子を平面２軸方向に変形させ前記移動体を移動する上記１に記載のアクチュエータ。
７．上記５に記載の移動と上記６に記載の移動を組み合わせて前記移動体を移動させるアクチュエータ。
８．同一の構造をもって上記５及び上記６に記載のアクチュエータの機能を兼ねる事を特徴とするアクチュエータ。
９．平面２軸方向に自由度を有する移動体と上記１から８のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータを有し、前記移動体上の物体を前記平面２軸方向に移動させる事を特徴とするステージ。
１０．平面２軸方向及び前記平面内の回転方向に自由度を有する移動体と、上記１から６のいずれか１項に記載の複数のアクチュエータとを有し、前記移動体上の物体を前記平面２軸方向及び前記平面内の回転方向に移動させる事を特徴とするステージ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における装置構成を説明する図
【図２】従来の技術による装置構成の例を説明する図
【図３】本発明の第２の実施例における装置構成を説明する図
【図４】本発明の第１の実施例における動作を説明する図
【図５】本発明の第１及び第２の実施例における動作を説明する図
【図６】本発明の第１及び第２の実施例における動作を説明する図
【図７】本発明の第１及び第２の実施例における動作を説明する図
【符号の説明】
１０１　位置制御回路
１０２　ｘ駆動回路
１０３　ｙ駆動回路
１０４　ｚ駆動回路
１０５　ｘ駆動電極
１０６　ｙ駆動電極
１０７　ｚ駆動電極
１０８　振動子
１０９　駆動板
１１０　ガイド
１１１　移動テーブル
１１２　ベース
１１３　ｘ変位センサ
１１４　ｙ変位センサ
１１５　ｘ変位ミラー
１１６　ｙ変位ミラー
１１７　振動子軌跡
１１８　円筒型圧電素子
２０１　アクチュエータ
３０１　ｘ剪断圧電素子
３０２　ｙ剪断圧電素子
３０３　ｚ伸縮圧電素子
３０４　駆動素子１
３０５　駆動素子２
３０６　駆動素子３
３０７　駆動素子４
【図１】
2004140946.tif 000003
【図２】
2004140946.tif 000004
【図３】
2004140946.tif 000005
【図４】
2004140946.tif 000006
【図５】
2004140946.tif 000007
【図６】
2004140946.tif 000008
【図７】
2004140946.tif 000009