(57)【要約】【課題】  積層型圧電アクチュエータ素子を使用し、サブナノメートルオーダーの分解能での精密位置決めが可能な位置決め装置を提供する。【解決手段】  圧電アクチュエータ素子４は、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａと、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂとを、直列に積層配置して構成されている。粗動用圧電アクチュエータ素子４ａの変位量が予め設定されたナノメートルオーダーのインポジション範囲内に入ったら、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａがその位置を維持するように閉ループ制御するとともに、位置センサの情報を元に微動用圧電アクチュエータ素子４ｂを駆動しサブナノメートルオーダーのインポジション範囲に収束するように変位させて位置決めを行なう。【選択図】図３
2005347484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミックスと内部電極とが交互に積層され、前記内部電極によって前記圧電セラミックスに電界を印加することにより前記圧電セラミックスに変位が発生する積層型圧電アクチュエータ素子であって、
前記積層型圧電アクチュエータ素子は、変位量が相対的に大きい粗動用圧電アクチュエータ素子と、該粗動用圧電アクチュエータ素子に比べ変位量が相対的に小さい微動用圧電アクチュエータ素子と、を具備していることを特徴とする、積層型圧電アクチュエータ素子。
【請求項２】
前記微動用圧電アクチュエータ素子の変位量は、前記粗動用圧電アクチュエータ素子の変位分解能よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータ素子。
【請求項３】
前記微動用圧電アクチュエータ素子を構成する圧電セラミックスの一層の厚みが、前記粗動用圧電アクチュエータ素子を構成する圧電セラミックスの一層の厚みよりも大きいことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の積層型圧電アクチュエータ素子。
【請求項４】
圧電セラミックスと内部電極とが交互に積層され、前記内部電極によって前記圧電セラミックスに電界を印加することにより前記圧電セラミックスに変位が発生する積層型の圧電アクチュエータ素子と、
前記圧電アクチュエータ素子を駆動するドライバアンプと、
前記圧電アクチュエータ素子の位置を検出する位置センサと、
前記位置センサの検出結果に基づいて圧電アクチュエータ素子の駆動を制御する制御手段と、
を具備する位置決め装置であって、
前記圧電アクチュエータ素子は、変位量が相対的に大きい粗動用圧電アクチュエータ素子と、該粗動用圧電アクチュエータ素子に比べ変位量が相対的に小さい微動用圧電アクチュエータ素子と、を具備していることを特徴とする、位置決め装置。
【請求項５】
前記微動用圧電アクチュエータ素子の変位量は、前記粗動用圧電アクチュエータ素子の変位分解能よりも大きいことを特徴とする、請求項４に記載の位置決め装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記粗動用圧電アクチュエータ素子が変位した状態を維持しながら、前記微動用圧電アクチュエータ素子を変位させる二重閉ループ制御を行うものであることを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の位置決め装置。
【請求項７】
圧電セラミックスと内部電極とが交互に積層され、前記内部電極によって前記圧電セラミックスに電界を印加することにより前記圧電セラミックスに変位が発生する積層型の圧電アクチュエータ素子と、
前記圧電アクチュエータ素子の位置を検出する位置センサと、
前記位置センサの検出結果に基づいて圧電アクチュエータ素子の駆動を制御する制御手段と、
を使用する位置決め方法であって、
前記圧電アクチュエータ素子において、変位量が相対的に大きい粗動用圧電アクチュエータ素子と、該粗動用圧電アクチュエータ素子に比べ変位量が相対的に小さい微動用圧電アクチュエータ素子と、を連動させて位置決めを行なうことを特徴とする、位置決め方法。
【請求項８】
前記粗動用圧電アクチュエータ素子を変位させて大まかな位置決めを行なうとともに、前記微動用圧電アクチュエータ素子を変位させて精密位置決めを行なうことを特徴とする、請求項７に記載の位置決め方法。
【請求項９】
前記粗動用圧電アクチュエータ素子による大まかな位置決めと、前記微動用圧電アクチュエータ素子による精密位置決めを二重閉ループ制御により行なうことを特徴とする、請求項８に記載の位置決め方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置決め装置等に用いられる積層型圧電アクチュエータ素子およびこの積層型圧電アクチュエータ素子を配備した位置決め装置、並びに積層型圧電アクチュエータ素子を使用する位置決め方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
積層型の圧電アクチュエータ素子は、ナノメートルオーダーで変位量を調節することが可能であり、また電気信号に対する応答性が速く、発生力が大きいことから、例えば、Ｘ−Ｙステージ、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ、多軸ステージ等の精密位置決め装置に用いられている。
【０００３】
図６は一般的な積層型圧電アクチュエータ素子９０の構造を示す概略断面図である。積層型圧電アクチュエータ素子９０は、圧電セラミックス９１と内部電極９２とが交互に積層され、隣り合う圧電セラミックス９１には互いに逆向きとなる電界が内部電極９２によって印加されるように、内部電極９２が一層おきに外部電極９３ａ，９３ｂに接続された構造を有する。また、外部電極９３ａ，９３ｂにはそれぞれハンダ付け等によってリード線９４ａ，９４ｂが取り付けられている。
そして、図６のような積層型圧電アクチュエータ素子９０を組み込んだ位置決め装置として、粗微動連動型の位置決め装置が実用化されている。この粗微動連動型位置決め装置は、例えばマイクロメートル単位の大まかな位置決めはステッピングモータを用いて行い、サブマイクロメートル〜ナノメートル単位の微小な位置決めは積層型圧電アクチュエータ素子９０を用いて行なう構成が採られていた。
【０００４】
また、粗動位置決めモードと微動位置決めモードの二つの動作モードを設け、粗動位置決めモードでは圧電素子とコンデンサを直列接続して開ループ制御を行い、微動位置決めモードでは、圧電素子とコンデンサの直列接続を解き、圧電素子のみをアクチュエータとして閉ループ制御を行なう位置決め方法も提案されている（例えば、特許文献２）。しかし、特許文献２は、応答変位のヒステリシスと、クリープ現象の抑制を目的とするもので、サブナノメートルオーダー（１ｎｍ以下）の微小位置決めについては考慮されていない。
【特許文献１】特開２００３−２４３７４０号公報（図７など）
【特許文献２】特開平５−１５４７４３号公報（特許請求の範囲など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年では、位置決めの精度の向上が求められており、例えば原子間力顕微鏡や半導体露光装置の位置決めには、移動距離が数十ミクロンから数百ミクロンで位置決め分解能がサブナノメートルオーダー（１ｎｍ以下）であることが必要とされている。
【０００６】
サブナノメートルオーダーの微小位置決めに対応するには、駆動源であるアクチュエータに印加する電圧を極限まで小さくする必要がある。しかし、最小変位分解能に相当する電圧が１００ｍＶ以下になると圧電アクチュエータ素子のドライバアンプに入る外乱ノイズのＳ／Ｎ（シグナル・ノイズ比）が接近して位置決め精度が低下する。特に、必要な位置決め精度がナノメートルオーダー、サブナノメートルオーダーになると、最小変位分解能に相当する電圧が１０ｍＶ以下となってＳ／Ｎが１：１程度となり、位置決めに限界が生じる。例えば、アナログ増幅器のノイズレベルは１ｍＶが限界と言われているが、積層型圧電アクチュエータ素子では、最大電圧を１５０Ｖに設定した場合、最小印加電圧は１ｍＶ以下になってしまう。このように、通常使用される積層型圧電アクチュエータ素子では、サブナノメートルオーダーの分解能での微小位置決めは困難であるという課題があった。
【０００７】
従って、本発明の課題は、積層型圧電アクチュエータ素子を使用し、サブナノメートルオーダーの分解能での精密位置決めが可能な位置決め装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点によれば、圧電セラミックスと内部電極とが交互に積層され、前記内部電極によって前記圧電セラミックスに電界を印加することにより前記圧電セラミックスに変位が発生する積層型圧電アクチュエータ素子であって、前記積層型圧電アクチュエータ素子は、変位量が相対的に大きい粗動用圧電アクチュエータ素子と、該粗動用圧電アクチュエータ素子に比べ変位量が相対的に小さい微動用圧電アクチュエータ素子と、を具備していることを特徴とする、積層型圧電アクチュエータ素子が提供される。
なお、本発明において、「粗動」および「微動」の語は、あくまでも相対的な意味で使用されるものであるが、一例を挙げれば、粗動はマイクロメートル〜ナノメートルの範囲の位置決めに使用され、微動はナノメートル〜サブナノメートルの範囲の位置決めに使用される。
【０００９】
この積層型圧電アクチュエータ素子において、微動用圧電アクチュエータ素子の変位量は、粗動用圧電アクチュエータ素子の変位分解能よりも大きいことが好ましい。
また、微動用圧電アクチュエータ素子を構成する圧電セラミックスの一層の厚みが、前記粗動用圧電アクチュエータ素子を構成する圧電セラミックスの一層の厚みよりも大きいことが好ましい。
【００１０】
本発明の第２の観点によれば、圧電セラミックスと内部電極とが交互に積層され、前記内部電極によって前記圧電セラミックスに電界を印加することにより前記圧電セラミックスに変位が発生する積層型の圧電アクチュエータ素子と、前記圧電アクチュエータ素子を駆動するドライバアンプと、前記圧電アクチュエータ素子の位置を検出する位置センサと、前記位置センサの検出結果に基づいて圧電アクチュエータ素子の駆動を制御する制御手段と、を具備する位置決め装置であって、前記圧電アクチュエータ素子は、変位量が相対的に大きい粗動用圧電アクチュエータ素子と、該粗動用圧電アクチュエータ素子に比べ変位量が相対的に小さい微動用圧電アクチュエータ素子と、を具備していることを特徴とする、位置決め装置が提供される。
【００１１】
この位置決め装置において、前記微動用圧電アクチュエータ素子の変位量は、前記粗動用圧電アクチュエータ素子の変位分解能よりも大きいことが好ましい。
また、制御手段は、粗動用圧電アクチュエータ素子が変位した状態を維持しながら、前記微動用圧電アクチュエータ素子を変位させる二重閉ループ制御を行うことが好ましい。
【００１２】
本発明の第３の観点によれば、圧電セラミックスと内部電極とが交互に積層され、前記内部電極によって前記圧電セラミックスに電界を印加することにより前記圧電セラミックスに変位が発生する積層型の圧電アクチュエータ素子と、前記圧電アクチュエータ素子の位置を検出する位置センサと、前記位置センサの検出結果に基づいて圧電アクチュエータ素子の駆動を制御する制御手段と、を使用する位置決め方法であって、前記圧電アクチュエータ素子において、変位量が相対的に大きい粗動用圧電アクチュエータ素子と、該粗動用圧電アクチュエータ素子に比べ変位量が相対的に小さい微動用圧電アクチュエータ素子と、を連動させて位置決めを行なうことを特徴とする、位置決め方法が提供される。
【００１３】
前記位置決め方法では、前記粗動用圧電アクチュエータ素子を変位させて大まかな位置決めを行なうとともに、前記微動用圧電アクチュエータ素子を変位させて精密位置決めを行なうことが好ましい。
また、前記粗動用圧電アクチュエータ素子による大まかな位置決めと、前記微動用圧電アクチュエータ素子による精密位置決めを二重閉ループ制御により行なうことが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、移動距離が数十マイクロメートルから数百マイクロメートルで、サブナノメートルオーダー（１ｎｍ以下）での高精度の微小位置決めが可能になる。
また、微動用圧電アクチュエータ素子の最小変位分解能に相当する電圧を高くすることができるので、Ｓ／Ｎ比が大きくとれ、高分解能で駆動することが可能となり、高い位置決め精度を得ることができる。
さらに、微動用圧電アクチュエータ素子の容量を小さくできるので、高速で圧電アクチュエータ素子を駆動できるようになる。しかも、位置決め完了後の整定維持のための閉ループ制御を高い周波数で行なうことができるので、高精度、高速、高剛性（高サーボ剛性）の位置決めが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る位置決め装置のブロック図である。この位置決め装置１は、位置決めを行う位置決め部１０と、位置決め部１０の制御および駆動を行う制御・駆動部２０とを有している。
【００１６】
位置決め部１０は、位置決めステージ（微動ステージ）２と、この位置決めステージ２に設けられた位置センサ３、圧電アクチュエータ素子４とを有している。圧電アクチュエータ素子４は、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａと微動用圧電アクチュエータ素子４ｂとを直列に積層した構成になっている。なお、圧電アクチュエータ素子４の詳細な構造については後述する。
【００１７】
また、制御・駆動部２０は、位置センサ３の検出結果に基づいて粗動用圧電アクチュエータ素子４ａおよび微動用圧電アクチュエータ素子４ｂの駆動を制御するＣＰＵ５と、ＣＰＵ５からの制御信号に基づいて粗動用圧電アクチュエータ素子４ａおよび微動用圧電アクチュエータ素子４ｂをそれぞれ駆動するドライバアンプ７ａ，７ｂと、位置センサ３からの信号をＣＰＵ５に出力する位置センサインターフェース８と、ＣＰＵ５から粗動用と微動用のそれぞれについて出力される各デジタル信号をアナログ信号に変換して出力するＤ／Ａ変換器９ａ，９ｂと、変換されたアナログ信号のノイズ除去と増幅のためのノイズフィルタおよびプリアンプ６ａ，６ｂとを有している。
【００１８】
次に、位置決め部１０の構造について説明する。図２は位置決め部１０の概略構造を示す平面図である。位置決めステージ２は、中央の可動部（ステージ部）２１と、その周囲の固定部２２とを有し、これらは可動部２１の四隅に設けられた平行バネ部２３によって連結されている。可動部２１には凹部２５が設けられており、この凹部２５から固定部２２にかけて、積層型の圧電アクチュエータ素子４が可動部２１と固定部２２に跨るように固定されている。圧電アクチュエータ素子４において、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａはドライバアンプ７ａによって駆動し、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂは、ドライバアンプ７ｂによって駆動し、所定の電圧が印加されることでＹ方向に伸縮する。
【００１９】
圧電アクチュエータ素子４の積層方向（伸縮方向）には、平行して位置センサ３としてのリニアエンコーダ式のガラススケール３１が配備されている。このガラススケール３１は、圧電アクチュエータ素子４（または可動部２１）に設けられた図示しない検知部によって、その変位（位置）を１／１００ナノメートルオーダーの精度で検出することができる。
【００２０】
制御手段としてのＣＰＵ５は、設定されている変位情報と位置センサ３から送信されたセンサ出力情報に基づいて所定の演算を行い、ドライバアンプ７ａ，７ｂに制御信号を出力するものである。粗動用圧電アクチュエータ素子４ａの制御信号は、ドライバアンプ７ａへ、また、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂの制御信号は、ドライバアンプ７ｂへ、それぞれ出力される。ドライバアンプ７ａ，７ｂとしては、マイナス電源とプラス電源を持ち差動増幅ができる圧電ドライバアンプを使用することが好ましく、これにより外乱ノイズの影響を低減できる。
【００２１】
ここで、圧電アクチュエータ素子４の詳細について図３により説明する。図３は圧電アクチュエータ素子４の構造を示す概略断面図である。圧電アクチュエータ素子４は、圧電セラミックスと内部電極とが交互に積層され、内部電極によって圧電セラミックスに電界を印加することにより圧電セラミックスに変位が発生する積層型圧電アクチュエータ素子である。
【００２２】
圧電アクチュエータ素子４は、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａと、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂとを、例えば接着剤により接合し、直列に積層配置して構成されている。なお、圧電アクチュエータ素子は、図３のような構成に限るものではなく、例えば、粗動用圧電アクチュエータ素子の一部に微動用圧電アクチュエータ素子が一体に組み込まれた構造の素子を使用することもできる。粗動用圧電アクチュエータ素子４ａと微動用圧電アクチュエータ素子４ｂは、使用する圧電セラミックスの一層の厚みが相違する点と、積層数が相違する点を除いて基本的に同様に構成されている。このように粗動用圧電アクチュエータ素子４ａと微動用圧電アクチュエータ素子４ｂを別構成とすることによって、サブナノメートルオーダーの位置決めにおいても、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂの最小変位分解能に相当する電圧を、例えば１０ｍＶ〜１００ｍＶ程度まで高くすることができ、結果としてＳ／Ｎが大きくなり、位置決め精度を向上させることができる。また、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂの容量を小さくできるので、応答性が向上し、高速駆動が可能になる。さらに、最小変位分解能に対応する電圧を上げられることにより、ドライバアンプ７ｂに入力する信号のコンバータとして、１６ビットのＤ／Ａ変換器９ｂを使用することが可能になる。
【００２３】
まず、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａについて説明する。
粗動用圧電アクチュエータ素子４ａは、圧電セラミックス４１と内部電極５３ａ，５３ｂとが交互に積層され、さらに保護層４３ａ，４３ｂが上下から挟み込むサンドイッチ構造をしている。隣り合う圧電セラミックス４１には互いに逆向きとなる電界が内部電極５３ａ，５３ｂによって印加されるように、内部電極５３ａ，５３ｂが一層おきに外部電極５１ａ，５１ｂに接続されている。
【００２４】
保護層４３ａ，４３ｂは、圧電セラミックス４１と同じ材料で構成され、絶縁体層として設けられている。
【００２５】
外部電極５１ａ，５１ｂは、例えば銀ペーストを印刷して焼き付けることによって形成される。また、外部電極５１ａ，５１ｂにはそれぞれハンダ付け等によってリード線５６ａ，５６ｂが取り付けられている。
【００２６】
圧電セラミックス４１と内部電極５３ａ，５３ｂとからなる積層体の側面（圧電セラミックス４１の積層方向に平行な面をいう）には耐湿性に優れる樹脂被膜５５が設けられている。この樹脂被膜５５は圧電アクチュエータ素子４ａの使用環境下における水蒸気から、外部電極５１ａ，５１ｂを保護するように機能する。
【００２７】
次に、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂについて説明する。
微動用圧電アクチュエータ素子４ｂは、圧電セラミックス４２と内部電極５４ａ，５４ｂとが交互に積層され、さらに保護層４４ａ，４４ｂが上下から挟み込むサンドイッチ構造をしている。隣り合う圧電セラミックス４２には互いに逆向きとなる電界が内部電極５４ａ，５４ｂによって印加されるように、内部電極５４ａ，５４ｂが一層おきに外部電極５２ａ，５２ｂに接続されている。微動用圧電アクチュエータ素子４ｂにおける保護層４４ａ，４４ｂ、外部電極５２ａ，５２ｂ、リード線５７ａ，５７ｂ、樹脂被膜５５は、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａの対応する構成と同様であるので、説明を省略する。
【００２８】
粗動用圧電アクチュエータ素子４ａの圧電セラミックス４１の一層の厚みに対し、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂの圧電セラミックス４２の一層の厚みは、例えば２倍以上とすることができ、好ましくは５倍以上、望ましくは１０倍以上とすることが可能である。このように、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂの圧電セラミックス４２の一層の厚みを相対的に厚くすることによって、微小な位置制御が可能になるとともに印加電圧を大きくすることができる。また、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂの応答速度を速めることができる。
圧電セラミックス４１と圧電セラミックス４２の積層数は、適宜選択することが可能であり、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａと微動用圧電アクチュエータ素子４ｂの長さ（全体の厚み）が同じでも異なっていてもよい。
【００２９】
本実施形態においては、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂの圧電セラミックス４２の一層の厚みは、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａの圧電セラミックス４１の一層の厚みに対して３倍としている。また、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂの積層数は５枚であるのに対し、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａの積層数は１５枚である。従って、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａと微動用圧電アクチュエータ素子４ｂの厚みが等しくなるように構成されている。粗動用圧電アクチュエータ素子４ａと微動用圧電アクチュエータ素子４ｂに電圧を印加した場合、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａの変位量に比較して、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂの変位量は相対的に少なく、より微動調整の位置決めが可能になる。
【００３０】
粗動用圧電アクチュエータ素子４ａと微動用圧電アクチュエータ素子４ｂには、それぞれ別々の制御によって電圧が印加されるように構成されている（図１参照）。つまり、位置決め装置１による位置決めは、まず粗動用圧電アクチュエータ素子４ａで大まかな位置決めを行い、次いで微動用圧電アクチュエータ素子４ｂで微調整を行なう２重閉ループ制御により実施できる。ここで、２重閉ループ制御とは、例えば、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａが予め設定された数十ナノメートルオーダーのインポジション範囲内に入ったら、ＣＰＵ５が制御信号を出力してドライバアンプ７ａにより粗動用圧電アクチュエータ素子４ａがその位置を維持するように閉ループ制御するとともに、同時に計測している位置センサ３（ガラススケール３１）の情報を元に、ＣＰＵ５が制御信号を出力して、ドライバアンプ７ｂにより微動用圧電アクチュエータ素子４ｂを高速応答させてサブナノメートルオーダーのインポジション範囲に収束するように位置決めする制御である。具体的には、例えば、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａが予め設定したインポジション範囲の±５０ｎｍに入ったら微動用圧電アクチュエータ素子４ｂを駆動させ、±０．１ｎｍのインポジション範囲に入るように位置決めを行なうことができる。なお、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａと微動用圧電アクチュエータ素子４ｂにそれぞれＣＰＵを設けて制御することも可能である。
【００３１】
図４は、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａと微動用圧電アクチュエータ素子４ｂとの変位量と変位分解能、整定幅の関係を図式化したものである。粗動用圧電アクチュエータ素子４ａの変位量をｍ１、変位分解能をｎ１、整定幅をＬ１とし、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂの変位量をｍ２、変位分解能をｎ２、整定幅をＬ２とすると、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂの変位量ｍ２は、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａの変位分解能ｎ１よりも大きく（ｍ２＞ｎ１）なるように設定することが好ましく、２倍以上（ｍ２≧２×ｎ１）に設定することがより好ましい。変位量ｍ２は、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａによる大まかな位置決め後に微動用圧電アクチュエータ素子４ｂでカバーできる微調整の最大範囲である。従って、ｍ２＞ｎ１であれば粗動用圧電アクチュエータ素子４ａによる位置決め精度が悪い場合（予め設定したインポジション範囲より外れている場合など）においても、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂの変位だけで位置決めを行なうことが可能になる。これに対し、ｍ２≦ｎ１であると、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａによる位置決め精度が悪い同様のケースでは、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂだけで位置決めすることはできず、一旦微動用圧電アクチュエータ素子４ｂの制御を解除して粗動用圧電アクチュエータ素子４ａによる再位置決めを実行することが必要になり、位置決め操作が複雑化する場合がある。
また、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂの変位量ｍ２は、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａの整定幅Ｌ１よりも大きく（ｍ２＞Ｌ１）設定するほうがよく、例えば２倍以上が好ましく、５倍以上がより好ましい。
【００３２】
以上のように構成される位置決め装置１においては、図１に示すように、ＣＰＵ５からドライバアンプ７ａへ粗動用圧電アクチュエータ素子４ａの駆動信号が送られると、ドライバアンプ７ａから粗動用圧電アクチュエータ素子４ａへ所定の電圧が印加される。これにより粗動用圧電アクチュエータ素子４ａが伸縮変位すると、位置決めステージ２において可動部２１がＹ方向に沿って移動する。可動部２１の移動量は、圧電アクチュエータ素子４に平行して配備されたガラススケール３１（位置センサ３）によって検知される。ガラススケール３１によって検知された位置情報は、位置センサインターフェース８を介して、そのデジタル信号がＣＰＵ５に送信される。ＣＰＵ５ではこのデジタル出力信号とその中に設定されている所定の制御情報に基づいて所定の数値演算処理を行い、制御信号を出力する。
【００３３】
制御信号は、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａと微動用圧電アクチュエータ素子４ｂのそれぞれについて別々に出力される。ＣＰＵ５から出力された２種類の制御信号は、Ｄ／Ａ変換器９ａ，９ｂでそれぞれアナログ信号に変換され、ノイズフィルタおよびプリアンプ６ａ，６ｂを介してドライバアンプ７ａ，７ｂに送信される。そして、ドライバアンプ７ａ，７ｂはこの制御信号に基づいて粗動用圧電アクチュエータ素子４ａと微動用圧電アクチュエータ素子４ｂのそれぞれに対して駆動信号を送信する。これらの駆動信号に基づいて、例えば、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａは一定の変位状態を維持するように制御され、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂは、伸縮変位するように駆動される。そして、可動部２１の移動量は、ガラススケール３１によって検知され、フィードバックされる。このようにして、位置センサ３の検出位置に基づいて、位置決めステージ２の可動部２１が所定の位置になるようにフィードバック制御される。
【００３４】
このように、本実施形態においては粗動用圧電アクチュエータ素子４ａが伸縮変位して大まかな（例えば、マイクロメートル〜ナノメートルの範囲）位置決めを行い、次いで微動用圧電アクチュエータ素子４ｂが伸縮変位して微調整（ナノメートル〜サブナノメートルの範囲）をすることにより、サブナノメートルオーダーで高精度な位置決めが行われる。
【００３５】
以下、実施例を挙げ、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれによって制約されるものではない。
（実施例１）
１００μｍの変位量を持つ粗動用圧電アクチュエータ素子と、１μｍの変位量を持つ微動用圧電アクチュエータ素子とを直列に接続して積層型圧電アクチュエータ素子とした。図５（ａ）は本実施例で使用した圧電アクチュエータ素子の積層構造を示す概略図であり、同図（ｂ）は単素子１０５ａ（後述）の拡大図である。この圧電アクチュエータ素子は、粗動用圧電アクチュエータ素子１０４ａと、微動用圧電アクチュエータ素子１０４ｂとを、例えば接着剤により接合することによって製造した。なお、粗動用圧電アクチュエータ素子１０４ａおよび微動用圧電アクチュエータ素子１０４ｂの基本的な構成は図３と同様であるため、同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３６】
粗動用圧電アクチュエータ素子１０４ａは、単素子１０５ａを積層した構造である。ここでは、図５（ｂ）に示すように、ｄ３３が５００×１０―１２ｍ／Ｖ、一層の厚みが５０μｍの圧電セラミックス４１を１５０層積層し、上下に保護層４３ａ、４３ｂを設けて単素子１０５ａを形成した。この単素子１０５ａは、外部電極５１ａ，５１ｂを介して内部電極５３ａと５３ｂに直流バイアス電圧を＋７５Ｖ印加し、アースから浮かせた状態で−７５Ｖと＋７５Ｖの電圧をそれぞれ印加すると、最大１０μｍ変位する。この単素子１０５ａを１０個直列に接続して１００μｍの変位量を持つように粗動用圧電アクチュエータ素子１０４ａを構成した［図５（ａ）］。
【００３７】
微動用圧電アクチュエータ素子１０４ｂは、ｄ３３が５００×１０―１２ｍ／Ｖ、一層の厚みが５００μｍの圧電セラミックス４２を１５層積層し、上下に保護層４４ａ，４４ｂを設けて単素子１０５ｂを形成した。この単素子１０５ｂは、外部電極５２ａ，５２ｂを介して内部電極５４ａ，５４ｂに直流バイアス電圧を＋７５Ｖ印加し、アースから浮かせた状態で−７５Ｖと＋７５Ｖの電圧を印加すると最大１μｍ変位する。微動用圧電アクチュエータ素子１０４ｂとしては、この単素子１０５ｂを１個だけ使用した（変位量１μｍ）。
【００３８】
粗動用圧電アクチュエータ素子１０４ａおよび微動用圧電アクチュエータ素子１０４ｂには、１６ビットのＤ／Ａコンバータの信号を２０倍に増幅するアナログ回路（圧電ドライバアンプ）を経由して、直流バイアス電圧を＋７５Ｖ印加し、アースから浮かせた状態で―７５〜＋７５Ｖの電圧が印加されるように設定した。このようにマイナス電源とプラス電源を持ち、差動増幅ができる圧電ドライバアンプを使用することにより、リード線が長く配線されているような場合でも、外乱ノイズの影響を低減できる。
【００３９】
このようにして得られた粗・微動用圧電アクチュエータ素子を組み込んだ位置決め装置により位置決めを行った。ここでは、原子間力顕微鏡や半導体露光装置用微動ステージなど、必要なストロークが１００μｍ、位置決め分解能が０．１ｎｍである場合を例に挙げて説明する。
粗動用圧電アクチュエータ素子１０４ａは０．１〜１００μｍの範囲をカバーしており、まず粗動用圧電アクチュエータ素子１０４ａのみを変位させて、予め設定したインポジション範囲の±５０ｎｍに入った段階で、微動用圧電アクチュエータ素子１０４ｂを駆動させ、０．１ｎｍのインポジション範囲に入るように位置決めをした。微動用圧電アクチュエータ素子１０４ｂは０．１〜１０００ｎｍの範囲をカバーしている。
粗動用圧電アクチュエータ素子１０４ａと微動用圧電アクチュエータ素子１０４ｂの制御は、それぞれ０．０７ｎｍの分解能を持つリニアエンコーダ式ガラススケールを用い、２重閉ループ制御によって行なった。
【００４０】
また、この場合の最小変位分解能に相当する印加電圧は、粗動用圧電アクチュエータ素子１０４ａで１５０ｍＶ、微動用圧電アクチュエータ素子１０４ｂで１５ｍＶとなり、アナログ回路の限界とされているシグナル／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）を１０倍以上確保することができた。
【００４１】
さらに、マイナス電源とプラス電源をもち差動増幅ができる圧電ドライバアンプを使用することによって、外乱ノイズの影響を低減することができた。
【００４２】
以上、本発明を種々の実施形態について述べたが、他の実施形態にも適用できる。例えば、図１および図２に挙げた実施形態では、Ｙ方向の位置決めのみを行なう位置決め装置１を例に挙げたが、これに限定されるものではなく、本発明の積層型圧電アクチュエータ素子は、Ｘ−Ｙ−Ｚ、Ｘ−Ｙ−Ｚ−角軸θなどの多軸位置決め装置にも適用可能である。
【００４３】
また、図３の積層型圧電アクチュエータ素子では、粗動用圧電アクチュエータ素子４ａと微動用圧電アクチュエータ素子４ｂとが分離配置され、微動用圧電アクチュエータ素子４ｂの圧電セラミックスをより厚く形成したが、同一厚みの圧電セラミックスを積層したアクチュエータ構造において、電極の取り出し位置（積層枚数）を変えることによって、粗動用と微動用の二つの機能を持たせるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、移動距離が数十ミクロンから数百ミクロンで、サブナノメートルオーダー（１ｎｍ以下）の位置決め分解能が求められる原子間力顕微鏡や半導体露光装置などでの位置決めに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の位置決め装置のブロック図。
【図２】図１の装置における位置決め部の概略構造を示す平面図。
【図３】図１の装置における積層型圧電アクチュエータ素子の概略を示す断面図。
【図４】本発明の積層型圧電アクチュエータ素子における変位量と変位分解能と整定幅の関係を説明する図面。
【図５】実施例１で使用した積層型圧電アクチュエータ素子の概要を示す模式図。
【図６】従来技術の積層型圧電アクチュエータ素子の概略を示す断面図。
【符号の説明】
【００４６】
１；位置決め装置
２；位置決めステージ
３；位置センサ
４；圧電アクチュエータ素子
４ａ；粗動用圧電アクチュエータ素子
４ｂ；微動用圧電アクチュエータ素子
５；制御手段
７ａ，７ｂ；ドライバアンプ
８；位置センサインターフェース
４１，４２；圧電セラミックス
４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂ；保護層
５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ；外部電極
５３ａ，５３ｂ，５４ａ，５４ｂ；内部電極
５５；樹脂被膜
５６ａ，５６ｂ，５７ａ，５７ｂ；リード線
【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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