(57)【要約】【課題】  簡単な機構により、二次元面内で任意の方向（直線方向および回転方向）に可動部材を駆動することができる可動部材移動装置を提供する。【課題を解決するための手段】  一次元方向に変位する少なくとも３つの一次元駆動機構３ａ〜３ｃと、各一次元駆動機構３ａ〜３ｃの変位方向および変位量を独立に算出して制御する制御部４とからなり、各一次元駆動機構３ａ〜３ｃは、可動部材１の下面１ｓと接し、かつ、可動部材１との接触位置が変位動作に基づいて移動するように支持してあり、少なくとも２つの一次元駆動機構の変位方向２ａ，２ｂが、二次元面内での異なる一次元方向に向くようにし、回転も直進も同じ一次元駆動機構で運動させる。【選択図】図１
2005351735.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動部材を二次元面内で任意方向に移動するための駆動手段を有する可動部材移動装置であって、
駆動手段は、一次元方向に変位する少なくとも３つの一次元駆動機構と、各一次元駆動機構の変位方向および変位量を独立に算出して制御する制御部とからなり、
各一次元駆動機構は、可動部材の下面と接し、かつ、可動部材との接触位置が変位動作に基づいて移動するように支持してあり、少なくとも２つの一次元駆動機構の変位方向が、二次元面内での異なる一次元方向に向けられていることを特徴とする可動部材移動装置。
【請求項２】
各一次元駆動機構は、シェアピエゾ素子と、シェアピエゾ素子の電極に電圧を印加する電圧印加部とからなり、制御部は、各シェアピエゾ素子の変位方向および変位量に応じて各電圧印加部が印加する電圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の可動部材移動装置。
【請求項３】
制御部は、可動部材を二次元面内の任意方向へ移動する際に、１回の動作で任意方向に移動するために必要な変位方向と変位量とを各一次元駆動機構について算出して制御することを特徴とする請求項１に記載の可動部材移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物（可動部材）の位置をサブミクロン以下の精度で制御する可動部材移動装置に関する。本発明は、例えば、走査型プローブ顕微鏡の試料ステージのような微細な動きを必要とする機器に適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
分析装置や加工装置等では、測定対象物や加工対象物の位置を、サブミクロン以下の精度、より好ましくはナノオーダーの精度で制御することが必要な場合がある。そのため、対象物をステージ（可動部材）上に載置あるいは固定し（対象物自体をステージとすることもある）、このステージの位置を精度よく制御するようにして、所望の位置に移動するようにした可動部材移動装置が利用されている。
【０００３】
一般に、ミクロンオーダーの寸法での位置精度が求められる可動部材移動装置は、歯車等の機械部品による駆動力伝達機構の組み合わせによる位置制御機構によっても構成することが可能である。しかしながら、サブミクロン以下の位置精度が要求される場合には、機械部品間の遊び、がた（クリアランス）等の影響が問題となるので、機械部品のみによる位置制御機構を構成することは困難である。
【０００４】
そのため、サブミクロン以下の位置精度が要求されるような可動部材移動装置では、一般に、圧電素子を用いた位置制御機構等が利用されている（例えば特許文献１参照）。
図４は、特許文献１に開示されている従来からの微小運動用調節装置（可動部材移動装置）の概略構成を示す図（正面図）である。この装置は、板状の可動部材１、一次元駆動機構２ａ、２ｂ、２ｃ（２ｃは紙面に対して２ｂの裏側）、耐摩耗性材料の球５ａ、５ｂ、５ｃ（５ｃは紙面に対して５ｂの裏側）、８、ガイドレール６、押圧用のバネ７により構成される。
【０００５】
可動部材１の端部には、２本の円筒棒からなるガイドレール６が固定してあり、可動部材１とガイドレール６とは、球５ａ、５ｂ、５ｃを介して一次元駆動機構２ａ、２ｂ、２ｃにより支持されている。このうち、球５ｂ、５ｃは、ガイドレール６を構成する２本の円筒棒の間に形成される溝に当接しており、球５ｂ、５ｃが溝方向にのみ移動できるようにしてある。また、球５ｂ、５ｃを駆動する一次元駆動機構２ｂ、２ｃは、変位方向を溝方向に合わせるようにしてある。球５ａは、可動部材１の下面１ｓに接している。球５ａを駆動する一次元駆動機構２ａは、変位方向が一次元駆動機構２ｂ、２ｃと同じ方向となるようにしてある。押圧用のバネ７は、球８を介して下方に向く付勢力を与えている。
【０００６】
ここで、一次元駆動機構２ａ、２ｂ、２ｃには、シェアピエゾ素子２０が用いられている。シェアピエゾ素子２０は、図５に示すように、圧電材料２３を挟んで両側に電極２１、２２が形成されており、電極間に電源２４から電圧を印加することにより、圧電材料の厚み方向と垂直な方向（すなわち電極面に平行な方向）に、電極面がスライドするようになっている。このときの電極面の変位方向（スライド方向）、変位量（スライド距離）は、圧電材料層の厚さとともに印加電圧の極性、電圧の大きさに依存する。シェアピエゾ素子２０のこのような性質を利用して、以下に説明するように一次元駆動機構２ａ、２ｂ、２ｃ（図４）に、パルス的に電圧を印加することにより、可動部材１を駆動するようにしている。
【０００７】
この従来例の位置制御動作について説明する。図４において、シェアピエゾ素子２０で構成される一次元駆動機構２ａ、２ｂ、２ｃの電極面２１ａ−２２ａ間、２１ｂ−２２ｂ間、２１ｃ−２２ｃ間に対し、所望の大きさの電圧を印加することで、電極面２１ａ〜２１ｃ（より正確には、電極面２１ａ〜２１ｃ上に載置した球５ａ、５ｂ、５ｃ）を変位させる。なお、電圧を印加するときは、比較的ゆっくり電圧を変化するようにして、接触面の摩擦抵抗により、電極面２１ａ〜２１ｃの変位に可動部材１、ガイドレール６が追従できるようにする。
一方、シェアピエゾ素子２０（一次元駆動機構２ａ、２ｂ、２ｃ）が、電圧印加により変位した状態のときに、電圧印加を急激に停止して、電極面２１ａ〜２１ｃを瞬間的に元位置に復帰させる。
すると、可動部材１には、可動部材１と球５ａ〜５ｃとの静止摩擦力を超える摩擦力が働き、可動部材１は電極面２１ａ、２１ｃの動きに追随できないため、接触面が滑り、そのまま現時点の位置（変位した位置）に留まることとなる。
【０００８】
したがって、シェアピエゾ素子２０（一次元駆動機構２ａ、２ｂ、２ｃ）の電極面２１ａ〜２１ｃのみが元の位置に復帰し、可動部材１は変位した位置に取り残された状態になる。1回の電圧印加動作により変位する距離は、圧電材料の厚さ、印加電圧に依存するが、最大変位距離をサブミクロン以下の寸法となるようにしておけば、常にサブミクロン以下の寸法で、可動部材１を移動させることができる。そして、このような動作を繰り返すことにより、必要な寸法だけ可動部材を連続して移動することができるようになる。
【特許文献１】特開平６−３１７６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した従来の可動部材移動装置によれば、可動部材をサブミクロン以下の位置精度で制御することができる。しかしながら、一次元駆動機構２ｂ、２ｃは、ガイドレール６の溝方向にのみ駆動するように規制してある。したがって、二次元面内で任意の方向に可動部材を移動することはできない。
もし、二次元面内で自由な方向に移動することができるＸ−Ｙステージを構成しようとするならば、Ｘ方向に移動する可動部材移動装置とＹ方向に移動する可動部材移動装置とを積層し、それぞれを独立して制御することが必要である。
さらに、直線的な運動だけではなく、回転駆動も行うことができるＸ−Ｙ−θステージを構成するためには、回転運動のための駆動機構を別途に積層する必要が生じる。
【００１０】
したがって、可動部材を二次元面内で駆動できる可動部材移動装置とするには、装置が大型化し、部品点数が増大することとなり、さらに、装置として剛性の低いものとなっていた。
そこで、本発明は、簡単な機構により、二次元面内で任意の方向（直線方向および回転方向）に可動部材を駆動することができる可動部材移動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するためになされた本発明の可動部材移動装置は、可動部材を二次元面内で任意方向に移動するための駆動手段を有する。この駆動手段は、一次元方向に変位する少なくとも３つの一次元駆動機構と、各一次元駆動機構の変位方向および変位量を独立に算出して制御する制御部とからなる。各一次元駆動機構は、可動部材の下面と接し、かつ、可動部材との接触位置が変位動作に基づいて移動するように支持してあり、少なくとも２つの一次元駆動機構の変位方向が、二次元面内での異なる一次元方向に向けられている。
【００１２】
この発明によれば、可動部材を駆動する駆動手段は、一次元方向に駆動する一次元駆動機構が少なくとも３つ用いられている。各一次元駆動機構は、可動部材の下面に接するようにして可動部材を支持している。各一次元駆動機構は、可動部材との接触位置が固定的ではなく、移動できるようにしてある。そして、一次元駆動機構の少なくとも２つは、その変位方向が可動部材を移動しようとする二次元面内において、異なる一次元方向を向いている。
一方、制御部は、各一次元駆動機構の変位方向および変位量を独立に算出して制御するようにしてある。したがって、所望の方向への直進運動、回転運動を行う場合に、その運動に対応して、３つの一次元駆動機構のそれぞれに与える変位方向および変位の大きさを独立に制御する。一次元駆動機構の少なくとも２つは、異なる一次元方向を向いているので、２つの一次元駆動機構の変位方向、変位量がベクトル的に合成された二次元方向に移動することになる。それぞれの一次元駆動機構が独立して変位方向、変位量が定められるので、二次元面内の任意の方向への直進運動、さらには、回転運動を行うようにすることができるようになる。
【００１３】
ここで、各一次元駆動機構が、シェアピエゾ素子と、シェアピエゾ素子の電極に電圧を印加する電圧印加部とからなり、制御部は、各シェアピエゾ素子の変位方向および変位量に応じて各電圧印加部が印加する電圧を制御するようにしてもよい。
【００１４】
シェアピエゾ素子を用いることにより、サブミクロン以下の位置精度を簡単に実現することができる。また、シェアピエゾ素子の圧電材料層の厚さに比例して最大変位量を調整することができるので、シェアピエゾ素子の厚さを薄くすることにより、サブミクロン以下で所望の精度での位置精度を実現することができる。
【００１５】
制御部は、可動部材を二次元面内の任意方向へ移動する際に、１回の動作で任意方向に移動するために必要な変位方向と変位量とを各一次元駆動機構について算出して制御するようにしてもよい。
【００１６】
１回の動作で、任意方向に向けて直進運動するために必要な各一次元駆動機構の変位方向と変位量とを算出することにより、Ｘ方向とＹ方向との移動を別々に行うよりも迅速かつ滑らかな移動を実現することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の可動部材移動装置によれば、一次元駆動機構を多段に積層することなく、簡単な駆動機構で、二次元面内で任意の方向（直線方向および回転方向）に可動部材を駆動することができる。
【００１８】
また、シェアピエゾ素子と電圧印加部とを用いることにより、サブミクロン以下の移動の制御を実現することができる可動部材移動装置とすることができる。
【００１９】
また、制御部が、１回の動作で任意方向に並進させるために必要な各一次元駆動機構の変位方向と変位量とを各一次元駆動機構について算出して制御することにより、迅速な二次元面内での移動を可能とした可動部材移動装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の可動部材移動装置について図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態である可動部材移動装置の概略構成を示す図であり、図１（ａ）はその正面図、図１（ｂ）は可動部材移動装置におけるステージ部分を、制御系の回路を省略して底面からみた図である。
この可動部材移動装置１０は、ステージ１（可動部材）、シェアピエゾ素子２ａ、２ｂ、２ｃ、電圧印加部３ａ、３ｂ、３ｃ、制御部４とからなる。
【００２１】
ステージ１は、それ自体、あるいは、ステージ１上に載置した物体が位置制御の対象となるものであり、可動部材として扱われる。ステージ１には、シェアピエゾ素子２ａ、２ｂ、２ｃが接する平坦な下面１ｓが形成されている。なお、図１では、ステージ１を円板形状にしているが、使用目的に合わせて適当な形状にしてもよい。
【００２２】
シェアピエゾ素子２ａ〜２ｃは、従来例で説明したものと同じものであり、圧電材料２３ａ〜２３ｃを挟んで、両側に電極２１ａ〜２１ｃ、２２ａ〜２２ｃが形成されており、この電極間に電圧を印加することにより、電極面方向に変位する。これら３つのシェアピエゾ素子２ａ〜２ｃは、ステージ１の重心がシェアピエゾ素子２ａ〜２ｃを結ぶ三角形の内側にくるように配置し、ステージ１を支持できるようにする。なお、変位量の算出および制御を容易にするために、シェアピエゾ素子２ａ〜２ｃは、できるだけ対称な配置にするのが望ましい。そのため、この実施形態では３つのシェアピエゾ素子２ａ〜２ｃが正三角形をなすように配置してある。そして、変位方向は、図２（ａ）の矢印で示すように、正の電圧を印加したときに、それぞれ右回転方向（時計回り方向）に向くとともに、互いの変位方向が１２０度ずつ異なるようにしてある。
【００２３】
電圧印加部３ａ〜３ｃは、印加電圧が調整可能な電源で構成され、それぞれ対応するシェアピエゾ素子２ａ〜２ｃの電極間に、独立に電圧を印加して、変位を生じさせる。
制御部４は、コンピュータで構成され、実行しようとする直線運動または回転運動に応じて、電圧印加部３ａ〜３ｃがシェアピエゾ素子２ａ〜２ｃに印加する電圧を算出する。この印加電圧の向きと大きさにより、各シェアピエゾ素子２ａ〜２ｃの変位が制御される。
３つのシェアピエゾ素子２ａ〜２ｃの変位を変位ベクトルで表した場合に、これらの変位ベクトルを合成したベクトルが、ステージ１の変位ベクトルとなる。また、３つのシェアピエゾ素子２ａ〜２ｃの変位ベクトルの大きさがすべて等しく、かつ、すべて同じ回転方向を向く場合は、偶力となって回転運動を引き起こすことになる。したがって、制御部４は、３つのシェアピエゾ素子２ａ〜２ｃによる変位ベクトルを合成した合成ベクトルに基づいて印加電圧の向き、大きさを決定することになる。
【００２４】
次に、この可動部材移動装置の制御動作について具体的に説明する。図２は、図１で説明した３つのシェアピエゾ素子２ａ〜２ｃによる、回転移動、Ｙ方向移動、Ｘ方向移動について説明する図である。
【００２５】
(回転移動）
回転移動の場合、図２（ａ）に示すように、制御部４は、電圧印加部３ａ〜３ｃに対し、シェアピエゾ素子２ａ〜２ｃに、同じ大きさで同じ正極性（時計回りの方向）の電圧（Ｋ）をゆっくり印加するように制御する。
これにより、シェアピエゾ素子２ａ〜２ｃに接しているステージ１は、図に示した矢印方向（変位ベクトル）に変位する。このときの変位は、シェアピエゾ素子２ａ〜２ｃにより形成される正三角形の重心を中心とした回転Ｌとなる。その後、電圧印加部３ａ〜３ｃの電圧を瞬時に零に戻すと、シェアピエゾ素子２ａ〜２ｃとステージ１との間の摩擦力が、最大静止摩擦力を超えるようになり、慣性によりステージ１はそのままの位置にとどまり、シェアピエゾ素子２ａ〜２ｃは元の位置に戻るようになる。
【００２６】
（Ｙ方向移動）
Ｙ方向移動の場合、図２（ｂ）に示すように、制御部４は、電圧印加部３ａ〜３ｃに対し、シェアピエゾ素子２ａに負極性の電圧（−Ｋ）、シェアピエゾ素子２ｃに正極性の電圧（Ｋ）をゆっくり印加するようにし、シェアピエゾ素子２ｂには電圧を印加しないように制御する。
このときの変位は、シェアピエゾ素子２ａによる変位ベクトルと、２ｃによる変位ベクトルとを合成したＹ方向にのみ成分を有する変位べクトルＭに基づいて変位する直線運動となる。その後は、回転移動の場合と同様である。
【００２７】
（Ｘ方向移動）
Ｘ方向移動の場合、図２（ｃ）に示すように、制御部４は、電圧印加部３ａ〜３ｃに対し、シェアピエゾ素子２ａ、２ｃに正極性の電圧（Ｋ）、シェアピエゾ素子２ｂに負極性で２倍の大きさの電圧（−２Ｋ）をゆっくり印加するように制御する。
このときの変位は、一次元駆動機構２ａ、２ｂ、２ｃによる変位ベクトルを合成したＸ方向にのみ成分を有する変位べクトルＮに基づいて変位する直線運動となる。その後は、回転移動の場合と同様である。
【００２８】
（ＸＹ面内の任意方向への移動）
さらに、ＸＹ面内の任意の角度方向に変位させたい場合は、上述したＹ方向移動とＸ方向移動との場合の各シェアピエゾ素子２ａ〜２ｃの印加電圧を、ベクトルの成分として線形的に合成する演算（ａＸ＋ｂＹ）を行うことにより、１回の動作で任意の角度方向への移動を実現することができる。
【００２９】
（可動部材移動装置の他の実施形態）
次に、他の実施形態として、シェアピエゾ素子を４つ用いた可動部材移動装置について説明する。図３は、４つのシェアピエゾ素子２ａ〜２ｄを用いた可動部材移動装置の制御動作について説明する図である。この可動部材移動装置では、回転中心を基準に９０度ずつ回転した位置にシェアピエゾ素子２ａ〜２ｄを配置している。ステージ１は、基本的に３点で支持することができるが、このように４点で支持することで安定性を増すようにしている。
この場合の各シェアピエゾ素子２ａ〜２ｄの変位方向は、図３（ａ）において矢印で示すように、正の電圧を印加したときに、それぞれ右回転方向（時計回り方向）に向くとともに、互いの変位方向が９０度ずつ異なるようにしてある。
また、各シェアピエゾ素子２ａ〜２ｄには、図２の場合と同様に、図示しない電圧印加部３ａ〜３ｄ、制御部４が接続してある。
【００３０】
(回転移動）
回転移動の場合、図３（ａ）に示すように、制御部４は、電圧印加部３ａ〜３ｄに対し、シェアピエゾ素子２ａ〜２ｄに、同じ大きさで同じ正極性（時計回りの方向）の電圧（Ｋ）をゆっくり印加するように制御する。
これにより、ステージ１は、図に示した矢印方向（変位ベクトル）に変位する。このときの変位は、４つのシェアピエゾ素子２ａ〜２ｄにより形成される正方形の重心を中心とした回転Ｌとなる。その後、電圧印加部３ａ〜３ｄの電圧を瞬時に零に戻すと、シェアピエゾ素子２ａ〜２ｄとステージ１との間の摩擦力が、最大静止摩擦力を超えるようになり、慣性によりステージ１はそのままの位置にとどまり、一次元駆動機構２ａ〜２ｄは元の位置に戻るようになる。
（Ｙ方向移動）
Ｙ方向移動の場合、図３（ｂ）に示すように、制御部４は、電圧印加部３ａ〜３ｄに対し、シェアピエゾ素子２ａに負極性の電圧（−Ｋ）、シェアピエゾ素子２ｃに正極性の電圧（Ｋ）、シェアピエゾ素子２ｂ、２ｄに電圧を印加しないように制御する。
このときの変位は、シェアピエゾ素子２ａ、２ｃによる変位ベクトルを合成したＹ方向にのみ成分を有する変位べクトルＭに基づいて変位する直線運動となる。その後は、回転移動の場合と同様である。
（Ｘ方向移動）
Ｘ方向移動の場合、図３（ｃ）に示すように、制御部４は、電圧印加部３ａ〜３ｄに対し、シェアピエゾ素子２ｂに負極性の電圧（−Ｋ）、シェアピエゾ素子２ｄに正極性の電圧（Ｋ）シェアピエゾ素子２ａ、２ｃには電圧を印加しないように制御する。
このときの変位は、一次元駆動機構２ｂ、２ｄによる変位ベクトルを合成したＸ方向にのみ成分を有する変位べクトルＮに基づいて変位する直線運動となる。その後は、回転移動の場合と同様である。
【００３１】
（ＸＹ面内の任意方向への移動）
さらに、ＸＹ面内の任意の角度方向に変位させたい場合は、上述したＹ方向移動とＸ方向移動との場合の各シェアピエゾ素子２ａ〜２ｄの印加電圧を、ベクトルの成分として線形的に合成する演算（ａＸ＋ｂＹ）を行うことにより、１回の動作で任意の角度方向への移動を実現することができる。
【００３２】
上記実施形態では、シェアピエゾ素子を３個または４個使用してステージを支持するようにしたが、シェアピエゾ素子の素子数がさらに増加してもかまわない。
また、シェアピエゾ素子は、それぞれが互いに対称な配置（正三角形、正方形）になるようにしたが、必ずしも対称にする必要はない。各シェアピエゾ素子への印加電圧を算出する際に、シェアピエゾ素子の配置に応じて印加電圧を調整すればよい。
また、上記実施形態では、シェアピエゾ素子の電極面に直接ステージを接するようにしたが、接触抵抗を減らしたい場合には、例えば、図４で用いた球のような摩擦抵抗調整用の部材を介在させてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、サブミクロン以下の精度で二次元方向の制御することが必要な可動部材の位置制御および位置移動装置に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態である可動部材位置移動装置の構成を示す図。
【図２】本発明の一実施形態である可動部材位置移動装置の制御動作を説明する図。
【図３】本発明の他の一実施形態である可動部材位置移動装置の制御操作を説明する図。
【図４】従来からの位置調整装置の構成を示す図。
【図５】シェアピエゾ素子の構造および動作を説明する図。
【符号の説明】
【００３５】
１：  ステージ（可動部材）
２ａ〜２ｃ：  シェアピエゾ素子
３ａ〜３ｃ：  電圧印加部（電源）
４：  制御部
２１ａ〜２１ｃ、２２ａ〜２２ｃ：  電極
２３ａ〜２３ｃ：圧電材料
【図１】
2005351735.tif 000003
【図２】
2005351735.tif 000004
【図３】
2005351735.tif 000005
【図４】
2005351735.tif 000006
【図５】
2005351735.tif 000007