(57)【要約】【課題】高い移動速度が必要な場合には共振現象を利用した粗動モードとし、高精度な位置決め精度を要する場合には、アナログ電圧でアクチュエータを駆動させることで微動モードとし、高速移動（粗動）と高精度位置決め（微動）を切替えて実行することができる圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】少なくとも２個以上の圧電素子を任意の交差角度で配設し、前記圧電素子の各一端は振動体によって接合されており、各他端はＶ字型のベースに接合されており、前記振動体の先端部が可動部材に当接されている圧電アクチュエータであり、前記圧電素子及び振動体の固有振動数にほぼ等しい高周波電圧を任意の位相差を有して前記圧電素子に印加することによって、前記圧電素子及び振動体を振動させ、前記振動によって前記振動体に楕円運動を生じさせて前記可動部材を高速移動させる粗動モードと、前記圧電素子に任意の電圧を印加することで前記圧電素子を個別に伸縮させて前記可動部材を微動させる微動モードとを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２個以上の圧電素子を任意の交差角度で配設し、前記圧電素子の各一端は振動体によって接合されており、各他端はＶ字型のベースに接合されており、前記振動体の先端部が可動部材に当接されている圧電アクチュエータであり、前記圧電素子及び振動体の固有振動数にほぼ等しい高周波電圧を任意の位相差を有して前記圧電素子に印加することによって、前記圧電素子及び振動体を振動させ、前記振動によって前記振動体に楕円運動を生じさせて前記可動部材を高速移動させる粗動モードと、前記圧電素子に任意の電圧を印加することで前記圧電素子を個別に伸縮させて前記可動部材を微動させる微動モードとを有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記ベースに弾性ヒンジを用いたばね機構を設け、前記ばね機構で前記圧電素子に予圧を負荷するようになっている請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記弾性ヒンジの予圧負荷方向に垂直な方向のばね定数の値が、予圧負荷方向のばね定数の値より大きくなっている請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記予圧負荷方向に垂直なばね定数の値が、前記予圧負荷方向のばね定数の値に対して１０倍以上である請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子の変位を用い、アクチュエータの共振現象を利用して振動体に進行波を発生し、振動体の先端に生じる楕円運動によって駆動力（粗動）を得る場合と、圧電素子の変位を振動体に伝達して駆動力（微動）を得る場合の２つのモードで駆動が可能な圧電アクチュエータに関する。特に本発明の圧電アクチュエータは非磁性環境で使用され、微小位置決めが必要である半導体製造装置等の位置決め装置に最適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、図６に示すように１枚の圧電素子１０に電圧を印加し、それによって生じる変位を利用し、圧電素子１０を共振させることにより動力伝達部材に楕円運動を形成させ、物体を移動させていた（特開平７−１８４３８２：特許文献１）。即ち、電極１４，１８は正の直流電圧によって励起される一方、電極１６，２０は圧電素子１０の第二の側の電極に関して負の直流電圧によって励起される。この励起状態のとき、圧電素子１０の左側は右側よりも長くなり、セラミック２６は右方向に動く。電圧を取り去れば、セラミック２６は元の位置に復帰する。このような通電の結果、極めて僅かな動きが生じる。本例の場合、複数の電極の一部に対して、非共振的で非対称の三角パルス電圧を印加し、ごく僅かな動作が得られる。
【０００３】
また、図７に示す圧電アクチュエータ１０の場合、図６の場合と形状は異なるが、圧電素子９０，９２の変位を利用し、振動体８０に共振現象を生じさせ、それによって生じる弾性体の変位により可動物体を移動させている。またこの場合、圧電アクチュエータ１０の取り付け予圧は、コイルバネを用いている（ＵＳ６，３７３，１７０：特許文献２）。なお、図７において、１１０及び１１２は電極である。
【０００４】
更に、図８に示す圧電アクチュエータは、図７に示す例と同様な機構のアクチュエータを用い、それを駆動させることで回転体４０を駆動させている（特開２００２−１０１６７６：特許文献３）。即ち、所定角度をなすように配置された２つの圧電素子１０Ａ，１０Ｂの交差部分にチップ部材２０を設け、圧電素子１０Ａ，１０Ｂを保持するベース部材３０と共に、加圧部材４５によりチップ部材２０を回転体４０に加圧接触させている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１８４３８２
【０００６】
【特許文献２】
ＵＳ６，３７３，１７０
【０００７】
【特許文献３】
特開２００２−１０１６７６
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような従来使用されているアクチュエータでは、高速移動を達成するため、その多くが共振現象を利用して駆動されている。そのため、ナノメートル（ｎｍ）という極微小な領域においても、アクチュエータが共振周波数で駆動されるため、高精度な位置決めをすることが原理的に困難であった。
【０００９】
本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、高い移動速度が必要な場合には共振現象を利用した粗動モードとし、高精度な位置決め精度を要する場合には、アナログ電圧でアクチュエータを駆動させることで微動モードとし、高速移動（粗動）と高精度位置決め（微動）を切替えて実行できる圧電アクチュエータを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも２個以上の圧電素子を任意の交差角度で配設し、前記圧電素子の各一端は振動体によって接合されており、各他端はＶ字型のベースに接合されており、前記振動体の先端部が可動部材に当接されている圧電アクチュエータに関し、本発明の上記目的は、前記圧電素子及び振動体の固有振動数にほぼ等しい高周波電圧を任意の位相差を有して前記圧電素子に印加することによって、前記圧電素子及び振動体を振動させ、前記振動によって前記振動体に楕円運動を生じさせて前記可動部材を高速移動させる粗動モードと、前記圧電素子に任意の電圧を印加することで前記圧電素子を個別に伸縮させて前記可動部材を微動させる微動モードとを有することによって達成される。
【００１１】
また、本発明の上記目的は、前記ベースに弾性ヒンジを用いたばね機構を設け、前記ばね機構で前記圧電素子に予圧を負荷することによって、或いは前記弾性ヒンジの予圧負荷方向に垂直な方向のばね定数の値を、予圧負荷方向のばね定数の値より大きくすることによって、或いは前記予圧負荷方向に垂直なばね定数の値を、前記予圧負荷方向のばね定数の値に対して１０倍以上とすることによって、より効果的に達成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電アクチュエータによれば２つの駆動モードを有し、位置決め機構の目的によってモードを切替えて使用するようにしている。即ち、高速移動時は、圧電素子及び振動体の共振現象を利用した粗動モードとしており、微動時においては、複数の圧電素子に異なるアナログ電圧を印加することで圧電素子を変位させて微動モードとし、従来のアクチュエータより高精度な位置決めができるようにしている。このように粗動モードと微動モードを適宜切替えて使用することで、高速移動と高精度位置決めを行うことができる。
【００１３】
そのため、本発明の圧電アクチュエータは非磁性環境で使用され、微小位置決めが必要である半導体製造装置等の位置決め装置に最適である。
【００１４】
以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１に本発明の第１実施例を示して説明する。
【００１６】
本発明では、図１のように２つの圧電素子１Ａ，１Ｂを任意の交差角度で配置し、圧電素子１Ａ，１Ｂの各一端をＶ字型のベース３に固定すると共に、各他端を振動体２に接合している。ベース３の表面には取り付け予圧のための弾性ヒンジ４Ａ，４Ｂ，４Ｃが配設され、ベース３の４つのコーナーには固定のための固定ネジ５Ａ〜５Ｄが配設されている。また、振動体２の先端部には可動部材６が当接されている。
【００１７】
このような構成において、２つの圧電素子１Ａ，１Ｂに任意の位相差（例えば９０度の位相差）を有する正弦波の電圧Ｖを、例えば図２（Ａ），（Ｂ）に示すように入力する。その結果、振動体２は、入力される正弦波の位相差によって図示Ａのような円運動を行い、この円運動Ａによって可動部材６を図示Ｂ方向に移動させる。これにより、粗動モードを実現することができる。
【００１８】
なお、正弦波の周波数は圧電素子１Ａ，１Ｂと振動体２とで決まる共振周波数近傍の値にすると、圧電素子１Ａ，１Ｂと振動体２との振動振幅が大きくなるので、可動部材６の駆動速度を大きくすることができる。
【００１９】
このような構成において、微動の場合は図１で説明した共振現象を利用するのではなく、図３に示すような駆動方法を用いる。図３（Ａ）において、任意の交差角度で配設された２つの圧電素子１０Ａ，１０Ｂの各一端は振動体１１に取り付けられ、各他端は固定されたベース１２に取り付けられている。また、可動部材１３が振動体１１に当接されて配設されている。２つの圧電素子１０Ａ，１０Ｂに異なる電圧を印加することで圧電素子１０Ａ，１０Ｂを個別に伸縮させ、これに基づく振動体１１の変位によって可動部材１３を微小に移動させる。圧電素子１０Ａ，１０Ｂには図３（Ｂ），（Ｃ）に示すように、一方の圧電素子が伸びると、他方の圧電素子が縮むように異なった電圧を印加する。その結果、圧電素子１０Ａ，１０Ｂが変位することにより生じる振動体１１の運動を伝えることにより、振動体１１に当接した可動部材１３が移動する。これにより微動モードを実現することができる。
【００２０】
また、アクチュエータの取付け予圧は、図１に示すような弾性ヒンジ４Ａ〜４Ｃを用いたばね機構でアクチュエータに負荷される。
【００２１】
更に、可動部材１３の移動量を測長機器で測定し、その移動量に応じて圧電素子１０Ａ，１０Ｂに印加する電圧を制御することで、高精度な位置決めが可能となる。なお、目標位置で静止させるためには、圧電素子１０Ａ，１０Ｂに常時電圧を印加しておく必要がある。
【００２２】
本発明では上述した粗動モードと微動モードとを切替え可能とし、高い移動速度が必要な場合には粗動モードとし、高精度な位置決め精度を要する場合には微動モードとする。
【００２３】
本発明のアクチュエータを微動駆動する微動モードの場合、物体を移動させるには圧電素子の変位の水平方向成分をより有効的に出力しなければならない。そこで、本発明で使用する弾性ヒンジは、予圧方向に対して横方向のばね係数が、予圧方向のばね係数に比べてできる限り大きいものを使用するようにしている。
【００２４】
この理由は、図４に示すアクチュエータにおいて電圧駆動をする場合、圧電素子１Ａ，１Ｂを変位させたとき、横方向のばね定数が小さいと可動部の質量又は摩擦が大きいとき、圧電素子１Ａ，１Ｂの変位の水平成分がばね要素に吸収されてしまい、圧電素子１Ａ，１Ｂが変位しても可動部材６を高速には移動させることができないためである。
【００２５】
その理由を下記の例で説明する。
【００２６】
アクチュエータの押し付け予圧をＰ＝６（Ｎ）、可動部材６の静止摩擦係数をμ＝０．１とした場合、可動部材６の起動力Ｆ（Ｎ）は
Ｆ  ＝  Ｐ×μ  ＝  ６×０．１  ＝  ０．６（Ｎ）          …（１）
となる。なお、押し付け予圧Ｐと起動力Ｆの関係は図４に示すようになっている。
【００２７】
例えば、弾性ヒンジ４Ａ〜４Ｃの予圧負荷方向のばね定数をＫ（予圧）＝１．５（Ｎ／μｍ）、予圧負荷方向に対し垂直な方向のばね定数をＫ（垂直）＝１．５（Ｎ／μｍ）とすると、可動部材６を動かすために必要な起動力Ｆによって、弾性ヒンジ４Ａ〜４Ｃは下記（２）式及び（３）式の値分だけ変形することになる。
【００２８】
予圧負荷方向の変位＝６／１．５＝４μｍ            …（２）
予圧負荷方向に対し垂直な方向の変位
＝０．６／１．５＝０．４μｍ                          …（３）
即ち、圧電素子１Ａ，１Ｂの変位量のＸ方向成分が０．４μｍ以下の場合、圧電素子１Ａ，１Ｂの変位はヒンジ４Ａ〜４Ｃのばねに吸収されてしまう。従って、微動の際、可動部材１３を所定の変位分動かそうとするとき、圧電素子をより大きく変位させなければならず、微小な位置決めが可能ではあるものの、位置決め速度の低下の原因となる。
【００２９】
次に、予圧負荷方向に対し垂直な方向のばね定数を上記（３）式の１０倍（Ｋ（垂直）＝１５（Ｎ／μｍ））にした場合は、予圧負荷方向に対し垂直な方向の変位＝０．６／１５＝０．０４μｍ＝４０ｎｍとなり、４０ｎｍ以上変位すれば可動部材６は動くことになり、予圧負荷方向に対し垂直な方向のばね定数がＫ（垂直）＝  １．５Ｎ／μｍの場合より圧電素子の変位をより効率良く出力することができる。その結果、微小位置決め時の応答性が向上し、微小位置決め速度が速くなる。
【００３０】
予圧負荷方向に対し垂直な方向のばね定数をさらに強くし、Ｋ（垂直）＝１５０（Ｎ／μｍ）にした場合は、予圧負荷方向に対し垂直な方向の変位＝０．６／１５０＝０．００４μｍ＝４ｎｍとなり、４ｎｍ程度の位置決めができることになる。また、予圧負荷方向に対し垂直な方向のばね定数をさらに強くし、Ｋ（垂直）＝１５００（Ｎ／μｍ）にした場合は、予圧負荷方向に対し垂直な方向の変位＝０．６／１５００＝０．００４μｍ＝０．４ｎｍとなり、前述した例に比べ、更に位置決め時の応答性が向上する。
【００３１】
即ち、予圧負荷方向についてはばね定数を小さく、予圧負荷方向に垂直な方向についてはばね定数を大きくする。その結果、圧電素子１Ａ，１Ｂは予圧負荷方向に垂直な方向での変位損失が少なくなり、ｎｍレベルの位置決めが可能となる。
【００３２】
このように、アクチュエータの予圧付与機構は、横方向に高い剛性を持ち、極めて小さな変位を出力するために、実施例に示すようなヒンジ４Ａ〜４Ｃを利用した予圧付与機構が最適である。
【００３３】
なお、このばね定数の設定は、必要とする位置決め精度、圧電素子の種類、振動体、ベースの形状、材質等によって適宜選定するのが良い。また、予圧負荷方向に対し垂直なばね定数の値は、予圧負荷方向のばね定数に対して１０倍以上の場合が良い。
【００３４】
図５は本発明のアクチュエータを、モード切替で駆動する装置の構成例を示しており、設定値の速度及び目標値は制御装置２０内のコントローラ２１に入力される。コントローラ２１には可動部材４１に対向して配設された測長機器４０からの計測値が入力され、コントローラ２１は計測された計測値と入力された設定値に基づいて粗動モード又は微動モードの判定を行い、その判定に従って粗微動切替機構２２を制御する。粗微動切替機構２２は、粗動モードの場合には駆動装置３０内の粗動モード駆動回路３１を駆動し、微動モードの場合には微動モード駆動回路３２を駆動する。粗動モード駆動回路３１及び微動モード駆動回路３２は前述のようにしてアクチュエータの圧電素子（１Ａ，１Ｂ又は１０Ａ，１０Ｂ）を駆動し、これにより可動部材４１が粗動又は微動で移動する。
【００３５】
即ち、現在位置（計測値）と目標位置（設定入力値）との間での距離が遠く離れている場合、アクチュエータは高速移動の粗動モードで駆動する。この際、２個の圧電素子（１Ａ，１Ｂ又は１０Ａ，１０Ｂ）には任意の位相差を持った共振周波数近傍の周波数の正弦波が入力されている。そして、計測値が目標位置にある程度近づくと、コントローラ２１は粗微動切替機構２２を介して駆動形態を粗動モードから微動モードに切り替える。微動モードにおいては、２個の圧電素子（１Ａ，１Ｂ又は１０Ａ，１０Ｂ）には位置偏差分に比例した電圧が印加されて圧電素子（１Ａ，１Ｂ又は１０Ａ，１０Ｂ）は変位し、可動部材４１は微動する。
【００３６】
なお、上述の実施例では２個の圧電素子を任意の交差角度で配設しているが、３個以上の複数個であっても良い。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、粗動から微動までを１つのアクチュエータで行うことができ、さらに従来の圧電アクチュエータよりも高精度な位置決めが可能である。また、アクチュエータの予圧機構に弾性ヒンジを用いたことにより、横方向に高いばね定数を持つことができ、圧電素子の極めて小さな変位を効率良く出力できるアクチュエータとして利用できる。
【００３８】
そのため、本発明の圧電アクチュエータは非磁性環境で使用され、微小位置決めが必要である半導体製造装置等の位置決め装置に最適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す機構図である。
【図２】圧電素子の駆動例を示す図である。
【図３】本発明の第２実施例の機構及び動作を示す図である。
【図４】本発明の動作を説明するための図である。
【図５】本発明の圧電アクチュエータの駆動装置の構成例を示すブロック図である。
【図６】従来例を説明するための図である。
【図７】従来例を説明するための図である。
【図８】従来例を説明するための図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ        圧電素子
２                振動体
３                ベース
４Ａ〜４Ｃ        弾性ヒンジ
５Ａ〜５Ｄ        固定ネジ
６                可動部材
１０Ａ，１０Ｂ    圧電素子
１１              振動体
１２              ベース
１３              可動部材
２０              制御装置
２１              コントローラ
２２              粗微動切替機構
３０              駆動装置
３１              粗動モード駆動回路
３２              微動モード駆動回路
４０              測長機器
４１              可動部材
【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】
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【図８】
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