(57)【要約】【課題】  送り機構の駆動方法に関し、接触式アクチュエータの摺動部分における摺動材料の摩耗を抑える。【解決手段】  被押圧部材１と、先端３の変位量を空間座標の各軸に対して電気信号により個別に制御する機能を有したアクチュエータ２と、アクチュエータ２を保持し、その先端３を被押圧部材１に押し当てる機能を具備した保持部材４と、アクチュエータ２に電気信号を供給する制御回路５を含んで構成され、被押圧部材１と保持部材４の内の一方を固定し他方を移動させる送り機構におけるアクチュエータ２の先端３の変位量を送り方向に対して正方向あるいは負方向に変化せしめる時間を、所定の規則に従い可変として駆動する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被押圧部材と、先端の変位量を空間座標の各軸に対して電気信号により個別に制御する機能を有したアクチュエータと、前記アクチュエータを保持し、その先端を前記被押圧部材に押し当てる機能を具備した保持部材と、前記アクチュエータに前記電気信号を供給する制御回路を含んで構成され、前記被押圧部材と保持部材の内の一方を固定し他方を移動させる送り機構の駆動方式において、前記アクチュエータの先端の変位量を送り方向に対して正方向あるいは負方向に変化せしめる時間を、所定の規則に従い可変としたことを特徴とする送り機構の駆動方式。
【請求項２】
上記所定の規則として、上記移動する側の部材に作用する推力が、上記被押圧部材を上記アクチュエータの先端との間の最大静止摩擦力を超えない条件を含んだことを特徴とする請求項１記載の送り機構の駆動方式。
【請求項３】
上記正方向あるいは負方向に変化せしめる時間の少なくとも一部の期間で、上記アクチュエータの先端の変位量を時間に対して一定加速度で変化させることを特徴とする請求項１または２に記載の送り機構の駆動方式。
【請求項４】
上記正方向あるいは負方向に変化せしめる時間の少なくとも一部の期間で、上記アクチュエータの先端の変位量を時間に対して正弦波関数で変化させることを特徴とする請求項１または２に記載の送り機構の駆動方式。
【請求項５】
上記アクチュエータの先端の送り方向と直交する方向の変位量の上記正方向あるいは負方向に変化せしめる時間のそれぞれの期間における最大値が、押し当て部における上記被押圧部材と前記アクチュエータの先端のそれぞれの表面起伏の最大高さ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の送り機構の駆動方式。
【請求項６】
上記保持部材に垂直抗力計測センサーを付加し、前記垂直抗力計測センサーの測定値を用いて前記最大静止摩擦力の設定値を変更することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の送り機構の駆動方式。
【請求項７】
上記電気信号により個別に制御された上記アクチュエータの先端の変位量の時間変化関数の周波数スペクトルが、前記アクチュエータの共振周波数未満の成分を主体として構成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の送り機構の駆動方式。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送り機構の駆動方式に関するものであり、特に、精密位置決めステージ等のステージとこのステージを直接駆動する接触式のアクチュエータとの摺動部分のすべりを抑えるためのアクチュエータに印加する電気信号に特徴のある送り機構の駆動方式に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体集積回路装置のさらなる集積度の向上に伴って、フォトリソグラフィー工程においても微細な線幅の描画が可能になる露光技術が求められており、サブ０．１ミクロン微細加工寸法の半導体集積回路製造には、紫外線やＸ線、電子線を光源とする露光技術が必要とされてる。
特に、微細加工寸法が７０ｎｍ（＝０．０７μｍ）以下に到達する場合には、電子線露光技術が量産技術として有望視されている。
【０００３】
この様な露光装置には、被露光基板であるウェハの位置合わせのために高精度な位置決めステージが必要不可欠であり、その送り機構としては回転型電磁モータとボールネジの組み合わせ、リニア型電磁モータが一般的に用いられている。
【０００４】
このような状況の下で、近年、電子線露光装置や電子線応用計測装置に搭載するステージの送り機構としては、精度、非磁性、真空環境、大きさなどの観点からリニア型超音波モータに代表される接触式アクチュエータが注目されている。
【０００５】
特に、本発明者等は、伸縮モードと剪断モードに分極された積層圧電アクチュエータを用いた非共振型超音波モータを用い、積層圧電アクチュエータの剪断モード部の先端をステージに接触させ、接触界面での摩擦を利用してステージを駆動することを提案している（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この場合、接触式のアクチュエータとして広く用いられているリニア型超音波モータにおいては、駆動周波数はその形状に依存して一意的に決まるため、駆動方式としては周波数固定の電圧振幅制御駆動法を採用している。
例えば、２５ｋＨｚの固定周波数で、電圧振幅４０Ｖで駆動を行っている。
【特許文献１】特開２００１−２９３６３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、接触式アクチュエータにおいては、摺動部分における摺動材料の摩耗が耐久性や信頼性、さらには、位置精度に大きく影響するため、メンテナンスフリーでの連続駆動が非常に困難になるという問題がある。
【０００８】
したがって、本発明は、接触式アクチュエータの摺動部分における摺動材料の摩耗を抑える駆動方式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】
【０００９】
図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
（１）上記課題を解決するために、本発明は、被押圧部材１と、先端３の変位量を空間座標の各軸に対して電気信号により個別に制御する機能を有したアクチュエータ２と、アクチュエータ２を保持し、その先端３を被押圧部材１に押し当てる機能を具備した保持部材４と、アクチュエータ２に電気信号を供給する制御回路５を含んで構成され、被押圧部材１と保持部材４の内の一方を固定し他方を移動させる送り機構の駆動方式において、アクチュエータ２の先端３の変位量を送り方向に対して正方向あるいは負方向に変化せしめる時間を、所定の規則に従い可変としたことを特徴とする。
【００１０】
即ち、接触式のアクチュエータ２の速度を制御する電気信号の増加時間または減少時間を所定の規則に従い可変とすることにより、摺動部分におけるすべりの発生を抑制することができ、それによって、送り機構を備えたステージ等の長寿命化を実現することができる。
【００１１】
なお、この場合の被押圧部材１は、典型的には露光装置や電子線描画装置、測長電子顕微鏡、レーザ共焦点顕微鏡などに用いられるウエハや試料などを搬送するためのステージ機構であるが、プローバなどの電子計測に用いられるマニピュレータ用のプローブ端子保持機構、原子間力顕微鏡におけるカンチレバーの保持機構など、主に超精密位置決めが要求される各種搬送部材も対象となる。
【００１２】
また、アクチュエータ２としては、ＸＹ二つの方向で独立に先端３の変位を電圧制御出来る積層型圧電アクチュエータ２が典型的なものであるが、ＸＹＺ三つの方向で独立に先端３の変位を電圧制御できる円筒型圧電アクチュエータ２など、先端３の変位量を空間座標の各軸に対して電気信号により個別に制御する機能を有した別の構造のアクチュエータ２でも適用可能である。
【００１３】
また、アクチュエータ２を保持する保持部材４としては、板バネやコイルバネを用いた予圧機構が典型的なものである。
【００１４】
（２）また、本発明は、上記（１）において、所定の規則として、移動する側の部材に作用する推力が、被押圧部材１をアクチュエータ２の先端３との間の最大静止摩擦力を超えない条件を含んだことを特徴とする。
【００１５】
このように、被押圧部材１をアクチュエータ２の先端３との間の最大静止摩擦力を超えないように設定することによって、被押圧部材１とアクチュエータ２の先端３との間の相対速度は０となるので、すべりの発生を完全に防止することができる。
【００１６】
（３）また、本発明は、上記（１）または（２）において、正方向あるいは負方向に変化せしめる時間の少なくとも一部の期間で、アクチュエータ２の先端３の変位量を時間に対して一定加速度で変化させることを特徴とする。
【００１７】
このように、アクチュエータ２の先端３の変位量を時間に対して一定加速度で変化させることよって、より効率的に送り機構を駆動することができる。
【００１８】
（４）また、本発明は、上記（１）または（２）において、正方向あるいは負方向に変化せしめる時間の少なくとも一部の期間で、アクチュエータ２の先端３の変位量を時間に対して正弦波関数で変化させることを特徴とする。
【００１９】
また、アクチュエータ２の先端３の変位量を時間に対して正弦波関数で変化させることにより、駆動電圧は極めて一般的な正弦波を基にすればよいので、電気信号を供給する制御回路５の構成を簡素にすることができる。
【００２０】
（５）また、本発明は、上記（１）乃至（４）のいずれかにおいて、アクチュエータ２の先端３の送り方向と直交する方向の変位量の正方向あるいは負方向に変化せしめる時間のそれぞれの期間における最大値が、押し当て部における被押圧部材１とアクチュエータ２の先端３のそれぞれの表面起伏の最大高さ以上であることを特徴とする。
【００２１】
このように、アクチュエータ２の先端３の送り方向と直交する方向の変位量の最大値を押し当て部における被押圧部材１とアクチュエータ２の先端３のそれぞれの表面起伏の最大高さ以上とすることによって、すべりの発生しない充分な押圧状態を実現することができる。
【００２２】
（６）また、本発明は、上記（１）乃至（５）のいずれかにおいて、保持部材４に垂直抗力計測センサーを付加し、垂直抗力計測センサーの測定値を用いて最大静止摩擦力の設定値を変更することを特徴とする。
【００２３】
本発明における最大静止摩擦力は、被押圧部材１とアクチュエータ２の先端３との間の相対的静止状態におけるものであるので、被押圧部材１と保持部材４の内の一方が移動しはじめると見かけ上の最大静止摩擦力は低減するので、この見かけ上の最大静止摩擦力をリアルタイムに垂直抗力計測センサーで測定して、測定結果に応じてアクチュエータ２の先端３の変位量を送り方向に対して正方向あるいは負方向に変化せしめる時間を変化させることによって、より効率的な駆動が可能になる。
【００２４】
（７）また、本発明は、上記（１）乃至（６）のいずれかにおいて、電気信号により個別に制御されたアクチュエータ２の先端３の変位量の時間変化関数の周波数スペクトルが、アクチュエータ２の共振周波数未満の成分を主体として構成されることを特徴とする。
【００２５】
すべりが発生しない周波数は、アクチュエータ２の共振周波数より低いので、すべりを抑制した駆動を行うためには、電気信号により個別に制御されたアクチュエータ２の先端３の変位量の時間変化関数の周波数スペクトルを、アクチュエータ２の共振周波数未満の成分を主体として構成する必要がある。
【発明の効果】
【００２６】
本発明においては、接触式のアクチュエータの摺動部分に発生するすべりを抑えることにより、摺動材料の摩耗が低減され、これにより、接触式のアクチュエータを送り機構とするステージを長期間メンテナンスフリーで連続駆動できることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明は、露光装置や電子線描画装置、測長電子顕微鏡、レーザ共焦点顕微鏡などに用いられるウエハや試料などを搬送するためのステージ機構の移動に際して、制御回路で発生させる電気信号により、アクチュエータの先端の変位量を送り方向に対して正方向あるいは負方向に変化させる時間をアクチュエータ先端の接触部におけるすべりを抑制する条件が実現するように可変制御するものである。
【実施例１】
【００２８】
ここで、図２乃至図７を参照して、本発明の実施例１の送り機構の駆動方式を説明する。
図２参照  
図２は、本発明の実施例１の駆動方式を適用する非共振型超音波モータ駆動ステージの概略的要部構成図であり、ここでは、ｘ方向の送り機構のみを示す。
ステージ機構は、クロスローラガイド１２によってｘ軸方向へ案内させる構成となっているステージ１１と、２個の積層型圧電アクチュエータ２１，２２と保持機構としての予圧機構１３から成る非共振型超音波モータとによって構成され、ステージ１１はステージの側面に予圧機構１３によって押しつけられた積層型圧電アクチュエータ２１，２２の先端部の剪断変形に伴う摩擦力によって駆動される。
【００２９】
この場合、各積層型圧電アクチュエータ２１，２２は、伸縮変形素子２３と剪断変形素子２４とが積層された構造となっており、剪断変形素子２４の頂部にはアルミナセラミックス等の高硬度の部材からなるフリクションチップ２５が設けられている。
【００３０】
また、伸縮変形素子２３と剪断変形素子２４を構成する各圧電体層の間には電極層（図示を省略）が挿入されており、この電極層を選択的に組み合わせて電極（図示を省略）と接続し、この電極間に電圧を印加することによって所定の伸縮変形及び剪断変形を得るものである。
【００３１】
また、ここで積層型圧電アクチュエータ２１，２２を２個用いるのは、一方をＡ相、他方をＢ相として、等価的に１８０度位相を逆転した場合により近い駆動をさせることで、ステージ１１を圧電材料の最大変位以上の距離移動させる時に、常にどちらかの積層型圧電アクチュエータ２１，２２がステージ１１を駆動できるようにするためである。
このような構成とすることで、よりステージ１１の位置決め性能を超高精度化することができる。
【００３２】
以上の構成を前提にして、次に全くすべりが生じない状態でステージ１１を加速駆動する場合のＡ相およびＢ相の駆動電圧波形を導出する。
図２に示したように、慣性系の座標軸０−ｘｙをとり、原点０からステージ１１上の任意の点Ｐの位置ベクトルを vｒ0 ＝( ｘ0 ，ａ) 、原点から積層型圧電アクチュエータ２１，２２の先端に取り付けられたフリクションチップ２５への位置ベクトルを vｒ＝( ｘ，ｂ) とする。
なお、本明細書においては明細書作成の都合上、ベクトル表記する場合には、ベクトルの前に「 v」を付けて表すことにする。
【００３３】
図３参照  
以上のような座標系を整理して座標系のみを取り出したのが図３であり、原点０からｒの距離にある点( ｘ，ｂ) 上に別の座標系の座標軸０′−ｘ′ｙ′をとる。
この時、ステージ１１の側面に固定されたフリクションチップ２５から点Ｐ( ｘ0 ，ａ) への位置ベクトルを vｒ′＝( ｘ′，ｃ) とすると、
vｒ0 ＝ vｒ＋ vｒ′
である。
【００３４】
ここで、ステージ１１はｘ軸方向にのみ案内されるため、ａ、ｂ、ｃ、は定数となり、ｘ0 、ｘ、ｘ′は変数となる。
よって、ステージ１１の運動はｘ軸方向のみ考えると良いから、ステージ１１に働く推力をＦT とすると、その運動方程式は、ステージ１１の質量をｍ、時間をｔとして、
ＦT ＝ｍ（ｄ2 ｘ0 ／ｄｔ2 ）＝ｍ〔ｄ2 （ｘ0 ＋ｘ′）／ｄｔ2 〕  ・・・（１）
となる。
【００３５】
この場合、クロスローラガイド１２で発生する摩擦力は容易に推力ＦT に比べて十分小さな値とすることができるので、ステージ１１に働く推力ＦT は作用反作用の法則によって摺動部材１４とフリションチップ２５との間に作用する摩擦力Ｆによって決定され、
ＦT ＝−Ｆ  ・・・（２）
で近似される。したがって、（１）式から、
Ｆ＝−ｍ（ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ）−ｍ（ｄ2 ｘ′／ｄｔ2 ）      ・・・（３）
となる。
【００３６】
今、摩擦力Ｆが最大静止摩擦力を超えない場合、即ち、送り動作時に摺動部材１４とフリションチップ２５との間にすべりが発生しない場合、フリクションチップ２５はステージ１１に対して相対的に静止している状態となるので、
ｄｘ′／ｄｔ＝０
となり、式（３）は、
Ｆ＝−ｍ（ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ）      ・・・（４）
となる。
【００３７】
積層型圧電アクチュエータ２１，２２の先端のフリクションチップ２５は予圧機構１３により予圧力Ｎで摺動部材１４に押し付けられており、その摩擦係数をｕとすると、静止摩擦力が最大静止摩擦力以下となるためには、
｜Ｆ｜≦ｕＮ
であるから、
ｕＮ≧ｍ｜ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ｜  ・・・（５）
となる。
【００３８】
したがって、アクチュエータ先端の加速度をａ（＝ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ）、その最大値をａm とすると、最大加速度ａm は、（５）式から、
ａm ＝ｕＮ／ｍ    ・・・（６）
となる。
よって、ａm （＝ｕＮ／ｍ）でステージ１１を加速させれば、摺動部分ですべりは発生せず、エネルギーロスがないので、ステージ１１を最も速く加速することができる。
【００３９】
通常、非共振型超音波モータにおいては、上述のように積層型圧電アクチュエータ２１，２２はＡ相とＢ相の２相駆動によって交互にステージ１１を送ることになる。
そこで、まず、Ａ相からステージ１１を送ることとし、０＜ｔ≦Ｔ1 におけるＡ相のアクチュエータの速度をｖA1、その位置をｘA1とすると、
ｖA1＝ａm ｔ              ・・・（７）
ｘA1＝（１／２）ａm ｔ2   ・・・（８）
となる。
【００４０】
時刻Ｔ1 で速度ｖ1 ＝ｖA1m に達し、最大変位量Ａm まで変位したとすれば、
ｖA1m ＝ａm Ｔ1           ・・・（９）
Ａm ＝（１／２）ａm Ｔ1 2 ・・・（１０）
となり、（１０）式を変形することによって、Ｔ1 は、
Ｔ1 ＝（２Ａm ／ａm ）1/2   ・・・（１１）
で表される。
【００４１】
次に、ステージ１１はＢ相のアクチュエータによって送られることになり、Ｔ1 ＜ｔ≦Ｔ2 におけるＢ相のアクチュエータの速度をｖB1、その位置をｘB1とすると、
ｖB1＝ａm ｔ                        ・・・（１２）
ｘB1＝（１／２）ａm ｔ2 −２Ａm     ・・・（１３）
となる。
【００４２】
時刻Ｔ2 で速度ｖ2 ＝ｖB1m に達し、最大変位量Ａm まで変位したとすれば、
ｖB1m ＝ａm Ｔ2                   ・・・（１４）
Ａm ＝（１／２）ａm Ｔ2 2 −２Ａm ・・・（１５）
となり、（１５）式を変形することによって、Ｔ2 は、
Ｔ2 ＝（６Ａm ／ａm ）1/2   ・・・（１６）
で表される。
【００４３】
次に、ステージ１１は再びＡ相のアクチュエータによって送られることになり、Ｔ2 ＜ｔ≦Ｔ3 におけるＡ相のアクチュエータの速度をｖA2、その位置をｘA2とすると、
ｖA2＝ａm ｔ                        ・・・（１７）
ｘA2＝（１／２）ａm ｔ2 −４Ａm     ・・・（１８）
となる。
【００４４】
時刻Ｔ3 で速度ｖ3 ＝ｖA2m に達し、最大変位量Ａm まで変位したとすれば、
ｖA2m ＝ａm Ｔ3                   ・・・（１９）
Ａm ＝（１／２）ａm Ｔ3 2 −４Ａm ・・・（２０）
となり、（２０）式を変形することによって、Ｔ3 は、
Ｔ3 ＝（１０Ａm ／ａm ）1/2   ・・・（２１）
で表される。
【００４５】
したがって、一般式としては、ｎ回目の送り動作終了時の時間Ｔn 及び速度ｖn は、
ｖn ＝ａm Ｔn                         ・・・（２２）
Ｔn ＝〔２（ｎ−１）Ａm ／ａm 〕1/2   ・・・（２３）
で表される。
なお、ｖn においては、ｎが奇数のときはＡ相の速度、ｎが偶数のときはＢ相の速度となる。
【００４６】
アクチュエータとして上述のように、積層型圧電アクチュエータ２１，２２を用いるとともに、摺動部材１４及びフリクションチップ２５としてアルミナセラミックスを用いた場合、典型的な使用条件において、例えば、ｕ＝０．３、Ｎ＝４０［Ｎ］、ｍ＝１．４［ｋｇ］、Ａm ＝０．４２［μｍ］という条件が想定される。
【００４７】
図４及び図５参照  
図４及び図５は、この条件でステージ１１を加速する場合における送り方向における各相のアクチュエータ先端の加速度ａ（＝ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ）、速度ｖ（＝ｄｘ／ｄｔ）、位置ｘのタイムチャートであり、図４はＡ相について、図５はＢ相について示している。
即ち、上記の条件を（６）式に代入すると、
ａm ＝０．３×４０／１．４≒８．６〔ｍ／ｓ2 〕
となり、Ｔn 及び速度ｖn は、それぞれ（２３）式及び（２２）式から求まる。
【００４８】
図６参照  
図６は、送り方向と直交する方向、即ち、ｙ方向におけるそのときのアクチュエータ先端位置のタイムチャートであり、図において、位置ｙが０．２３μｍのときは各相のアクチュエータ先端が摺動部材１４と接触している状態であり、−０．２３μｍのときは非接触の状態を表す。
【００４９】
アクチュエータに印加する駆動電圧をＶ（ｔ）とすると、ｘ∝Ｖ（ｔ）であるから、駆動電圧は各図における変位のタイムチャートに比例定数を乗じた値となる。
ここで、圧電材料の飽和特性などにより、変位と駆動電圧が線形に比例していない領域で駆動をしなければならない場合には、予めその関数を求めておき該当する変位に一対一対応させることで駆動電圧波形を決定すれば良いことは言うまでも無い。
【００５０】
図７参照  
図７は、以上の駆動条件におけるステージの加速度、速度、位置のタイムチャートであり、ａm ＝ｕＮ／ｍのすべりが発生しない加速度において等加速度運動させることによって、すべりによる摩耗が抑制され耐久性能を向上させることが可能となった。
【００５１】
また、ステージ１１を減速運動させる場合にも同様に、上述の例に従って、最大静止摩擦力を超えないようアクチュエータ各相の駆動電圧波形を決定すればよいことは言うまでもない。
【００５２】
また、等速運動に移行する場合には、最大静止摩擦力を超えない範囲内で、例えばアクチュエータ先端の最大変位量を速度で割った時間で繰り返しＡ相、Ｂ相ともにアクチュエータ先端を等速運動させても良いし、最大変位量より小さな変位量を速度で割った時間でＡ相、Ｂ相ともにアクチュエータ先端を等速運動させても良い。
【実施例２】
【００５３】
次に、図８乃至図１９を参照して、圧電アクチュエータに印加される電圧Ｖ（ｔ）を正弦波交流電圧とした本発明の実施例２を説明する。
図８参照  
図８は、本発明の実施例２における駆動電圧波形とそのときのアクチュエータ先端の位置、速度、加速度の説明図であり、正弦波交流電圧Ｖ（ｔ）の半周期分の波形およびそれに対する圧電アクチュエータ先端の位置ｘ、速度ｄｘ／ｄｔ、加速度ｄ2 ｘ／ｄｔ2 を示している。
但し、Ｖは電圧最大振幅、ωは角周波数、Ａは変位についての任意の最大振幅（定数）であり、
Ｖ（ｔ）＝Ｖｓｉｎ（ωｔ−π／２）
とすると、ｘ∝Ｖ（ｔ）であるので、
ｘ＝Ａｓｉｎ（ωｔ−π／２）
ｄｘ／ｄｔ＝Ａωｃｏｓ（ωｔ−π／２）
ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ＝−Ａω2 ｓｉｎ（ωｔ−π／２）
となる。
【００５４】
したがって、
ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ＝−Ａω2 ｓｉｎ（ωｔ−π／２）
であるので、（５）式からすべりを全く生じさせないためには、
ｕＮ≧ｍＡω2             ・・・（２４）
の条件を満たす必要がある。
【００５５】
よって印加される電圧Ｖ（ｔ）の駆動周波数をｆ（＝ω／２π）とすると、すべりが起こらないための条件は、
ｆ≦（１／２π）（ｕＮ／ｍＡ）1/2         ・・・（２５）
となる。
【００５６】
したがって、駆動電圧Ｖ（ｔ）が正弦波交流電圧の場合、（２５）式の条件を満たす範囲内では、フリクションチップ２５と摺動部材１４とがすべらない状態でステージ１１を駆動することができる。
【００５７】
この場合、アクチュエータとして積層枚数が８枚で剪断変形素子２４の圧電定数がｄ15の積層型圧電アクチュエータ２１、摺動部材１４としてアルミナセラミックスを用いた場合、電圧の最大振幅をＶとすると、典型的な使用条件において、例えば、ｕ＝０．３、Ｎ＝４０Ｎ、ｍ＝１．２ｋｇ、Ａ＝８×ｄ15×Ｖ、ｄ15＝５８０×１０-12 ｍ／Ｖ、Ｖ＝９０Ｖという条件が想定される。
【００５８】
この場合、各数値を（２５）式に代入することによって、
ｆ≦０．７７ｋＨｚ
とすれば、すべりは発生しないことになる。
また、同様に電圧最大振幅Ｖを、Ｖ＝４５Ｖ，１３５Ｖで計算すると、それぞれ
ｆ≦１．１０（ａｔ  ４５Ｖ）
ｆ≦０．６３（ａｔ  １３５Ｖ）
となり、（２５）式からわかるように、すべりの発生しない周波数と変位を大きくするための電圧最大振幅Ｖとはトレードオフの関係にある。
【００５９】
図９参照  
図９は、以上の条件でセットアップした実験の概念的システム構成図であり、波形発生器３１で発生させた正弦波電圧信号をアンプ３２で増幅させて積層型圧電アクチュエータ２１，２２に印加するとともに、その周波数ｆをオシロスコープ３３で測定する。
一方、ステージ１１の送り量は、ステージ１１上に搭載したミラー１５を利用してレーザ干渉計３４により測定する。
【００６０】
図１０参照  
図１０は、実験的に確認した送り量の周波数依存性を示したものであり、実験では停止状態のステージ１１に対し、各駆動周波数の１周期分の時間、正弦波を印加し、レーザ干渉計３４によってその後のステージ送り量を測定した。
なお、図における「Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ」は、各印加電圧における（２５）式を満たす最大周波数の位置を表すものである。
【００６１】
実験結果より、Ｖ＝９０Ｖ（図ではピークツーピークＶppで２倍の電圧値を表示している）という条件においては、駆動周波数が０．７７ｋＨｚ付近まではステージ送り量は一定値を保っているが、０．７７ｋＨｚを超えるとステージ送り量が大幅に減少することが確認できる。
これは上述の計算結果と一致しており、即ち、上述の条件の場合、駆動周波数ｆが０．７７ｋＨｚを超えると、最大静止摩擦力が維持できず、すべりが発生しているということになる。
【００６２】
しかし、駆動周波数ｆが０．７７ｋＨｚ以下における送り量は、理論値が１．６７μｍ（＝４Ａ）であるのに対して、実験値は０．９７μｍであり、実際に移動している送り量は理論値の５８％となっている。
これは、アクチュエータの伸縮方向に対する印加電圧が正弦波関数であり、実施例１の方形波の場合の様に全ての期間内で押し当て圧力が一定でないため、送り期間内の最初と最後でアクチュエータ先端が完全にステージに接触してはいない状態が若干生じるためと考えられる。
【００６３】
以上の実験結果より、ステージ１１のすべりを抑制して駆動する場合は、式（２５）で決定される周波数以下の正弦波関数で駆動すれば良いということになる。
しかし、これはステージ１１の初期速度がゼロの場合に限定した結論であり、駆動されて速度を得たステージ１１をさらに加速する場合には、式（２５）の値を超える周波数で駆動してもすべり量を抑制することが可能である。
これにより、さらに高速なステージ移動を実現することができる。
【００６４】
ここで、実施例２として、所望の目標速度まで加速するために、１周期ごとに正弦波関数の周波数を変化させ駆動速度を制御する駆動方式を説明する。
なお、駆動周波数の変化パターンを導出するために、実際の駆動状態に近い以下の定義を用いた。
ｎを正の整数、ｎ周期目の周期をＴn として、時刻ｔn 、速度を平均速度AVｖn 、及び、加速度ａn とした場合、ｔ0 ＝０として、
ｔn ＝ΣＴi （ｉ＝１→ｎ）
AVｖn ＝（１／Ｔn ）Ｉｎｔ〔（ｄｘ／ｄｔ）ｄｔ：ｔ＝ｔn-1 →ｔn 〕
＝（２／Ｔn ）Ｉｎｔ〔Ａm ωn ｃｏｓ（ωn ｔ−π／２）ｄｔ：ｔ＝０→Ｔn             ／２〕
＝２Ａm ωn ／π＝４Ａm ｆn           ・・・（２６）
ａn ＝（AVｖn −AVｖn-1 ）／（Ｔn ／２）    ・・・（２７）
とする。
但し、ここでは、明細書作成の都合上、関数Ｆ（ｘ）をｘについてａからｂまで積分する式をＩｎｔ〔Ｆ（ｘ）ｄｘ：ｘ＝ａ→ｂ〕で表記し、また、ｖの平均値はAVｖn で表記する。
【００６５】
図１１参照  
図１１は、上述の定義を導入する前後のステージの速度及び加速度を比較して示したものであり、図１１の左側のグラフは正弦波関数で理論的に導出されるステージの速度（ｄｘ／ｄｔ）および加速度（ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ）を示している。
また、右側のグラフは本発明の実施例２における実際の駆動状態に近い定義を用いた場合のステージの速度（ｄｘ／ｄｔ）および加速度（ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ）を示している。
【００６６】
よって、（５）式をもとに：
ｕＮ≧ｍ（AVｖn −AVｖn-1 ）／（Ｔn ／２）      ・・・（２８）
をたてることができる。
【００６７】
ここで、（２６）式より、
ｕＮ≧ｍ〔４Ａm （ｆn −ｆn-1 ）／（Ｔn ／２）〕
＝ｍ〔４Ａm （ｆn −ｆn-1 ）／（１／２ｆn ）〕                                  ＝８Ａm ｍｆn （ｆn −ｆn-1 ）
となり、式を整理すると、
ｆn 2 −ｆn ｆn-1 −ｕＮ／８Ａm ｍ≦０      ・・・（２９）
の二次不等式が得られる。                                                        
【００６８】
したがって、二次不等式（２９）をｆn について解くことによって、
ｆn ≦〔ｆn-1 ＋（ｆn-1 2 ＋４ｕＮ／８Ａm ｍ）1/2 〕／２  ・・・（３０）
となる。                                                                          但し、ｎ＝１の場合、初速度ｖ0 はｖ0 ＝０であるので、ｆ0 ＝０となり、
ｆ1 ≦〔ｆ0 ＋（ｆ0 2 ＋４ｕＮ／８Ａm ｍ）1/2 〕／２                                ＝（４ｕＮ／８Ａm ｍ）1/2 ／２＝（ｕＮ／８Ａm ｍ）1/2 
となる。
【００６９】
したがって、一般式（３０）は、ｎ≧２において、
ｆn ≦〔ｆn-1 ＋（ｆn-1 2 ＋４ｆ1 2 ）1/2 〕／２  ・・・（３１）
に置き換えることができる。
【００７０】
図１２参照  
図１２は、ｕ＝０．３、Ｎ＝４０Ｎ、ｍ＝１．２ｋｇ、Ａ＝８×ｄ15×Ｖ、ｄ15＝５８０×１０-12 ｍ／Ｖ、Ｖ＝９０Ｖという条件の場合の駆動周波数の変化パターンとそのときのアクチュエータの先端速度を示したものである。
【００７１】
図１３及び図１４参照  
図１３は、図１２における送り方向（ｘ方向）の変位の駆動電圧波形、図１４は送り方向と直行する方向（ｙ方向）変位の駆動電圧波形を表しており、いずれもＡ相のアクチュエータのものである。
なお、図示は省略するが、Ｂ相のアクチュエータを駆動するには図１３及び図１４それぞれの正負反転パターンを使用すれば良い。
【００７２】
ここで、本発明の実施例２の可変周波数駆動との比較を行うために駆動周波数をｆに固定にし、駆動電圧振幅によってステージ速度を制御する駆動方式について、電圧振幅変化パターンを求める。
上記の（２６）式、（２８）式、及び、Ａn ＝８×ｄ15×Ｖn より、固定周波数ｆに対してすべりが発生しない電圧振幅Ｖn は、
ｕＮ≧ｍ〔４ｆ（Ａn −Ａn-1 ）／（Ｔ／２）〕
＝ｍ〔４ｆ×８×ｄ15（Ｖn −Ｖn-1 ）／（１／２ｆ）〕
＝６４ｍｄ15ｆ2 （Ｖn −Ｖn-1 ）
となり、
Ｖn −Ｖn-1 ≦ｕＮ／６４ｍｄ15ｆ2     ・・・（３２）
が得られる。
【００７３】
ここで、（３２）式におけるＶn-1 を移項して、順次下位の電圧振幅に置き換えると、  Ｖn ≦ｕＮ／６４ｍｄ15ｆ2 ＋Ｖn-1 
≦ｕＮ／６４ｍｄ15ｆ2 ＋ｕＮ／６４ｍｄ15ｆ2 ＋Ｖn-2 
≦ｎ（ｕＮ／６４ｍｄ15ｆ2 ）＋Ｖ0 
となり、初速度ｖ0 はｖ0 ＝０であるので、
Ｖn ≦ｎ（ｕＮ／６４ｍｄ15ｆ2 ）        ・・・（３３）
となる。
【００７４】
図１５参照  
図１５は、ｕ＝０．３、Ｎ＝４０Ｎ、ｍ＝１．２ｋｇ、Ａ＝８×ｄ15×Ｖ、ｄ15＝５８０×１０-12 ｍ／Ｖ、ｆ＝２０ｋＨｚの場合のすべりが発生しない条件下の駆動電圧の変化パターンとそのときのアクチュエータの先端速度を示したものである。
【００７５】
図１６及び図１７参照  
図１６は、図１５におけるＡ相のアクチュエータの送り方向（ｘ方向）の変位の駆動電圧波形、図１７はＡ相のアクチュエータの送り方向と直交する方向（ｙ方向）の変位の駆動電圧波形である。
なお、この場合も図示は省略するが、Ｂ相のアクチュエータを駆動するには図１６及び図１７それぞれの正負反転パターンを使用すれば良い。
【００７６】
図１８参照  
図１８は、目標速度を２０ｍｍ／ｓに設定して各変化パターンを導出し、それぞれの駆動方式でステージを駆動した場合の時間とステージ位置の関係を示したものである。
実施例２の電圧固定−周波数変動駆動方式及び比較のための周波数固定−電圧変動駆動方式における電圧印加時間をともに４．７ｍとすると、Ａ相及びＢ相の２相駆動の場合、実施例２の駆動方式においては６０回、比較のための駆動方式においては１８８回ステージを送ったことになる。
【００７７】
図１８から明らかなように、実施例２の駆動方式の最終値は２７．４μｍとなり、一方、比較のための駆動方式の最終値は１５．６μｍとなり、実施例２の駆動方式の方が約１．８倍ステージを移動させていることがわかり、本発明の実施例２の駆動方式の駆動力の伝達効率の高さを実証することができた。
【００７８】
図１９参照  
図１９は、図１８における時間とステージ速度の関係を示したものであり、起動時から２ｍｓ間の平均加速度をグラフをもとに算出した結果、本発明の実施例２の駆動方式の場合は２．６ｍ／ｓ2 となり、一方、比較のための駆動方式の場合は０．８９ｍ／ｓ2 となり、本発明の実施例２の駆動方式は比較のための駆動方式の約３倍の加速度を得ることができた。
【００７９】
以上、本発明の各実施例を説明したが、本発明は各実施例に記載された構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、ステージ機構としては露光装置や電子線描画装置、測長電子顕微鏡、レーザ共焦点顕微鏡などに用いられるウエハや試料などを搬送するためのステージ機構を前提としているが、プローバなどの電子計測に用いられるマニピュレータ用のプローブ端子保持機構、原子間力顕微鏡におけるカンチレバーの保持機構等の他の超精密位置決めが要求される各種搬送機構にも適用されるものである。
【００８０】
また、上記の実施例においては、ＸＹ二つの方向で独立に先端の変位を電圧制御出来る積層型圧電アクチュエータを用いて説明しているが、本発明の技術思想はアクチュエータの具体的構造に依存するものでないことは自明であるので、ＸＹＺ三つの方向で独立に先端の変位を電圧制御できる円筒型圧電アクチュエータなど、先端の変位量を空間座標の各軸に対して電気信号により個別に制御する機能を有した各種の構造のアクチュエータにも適用されることは言うまでもない。
【００８１】
また、上記の実施例においては特に説明はしていないものの、アクチュエータを保持する保持部材としては板バネやコイルバネを用いた予圧機構を含みかつ共振周波数がより高周波数側になるよう設計された機構であることが望ましい。
【００８２】
さらに、予圧機構にはアクチュエータ先端を被押圧部材に押し当てた際の押し当て力を計測するフォースゲージなどの垂直抗力計測センサーを予め搭載し、予圧力を常にリアルタイムで計測しておくことがより望ましい。
これにより、アクチュエータ先端周辺の摩耗や予圧機構の消耗などにより予圧力の時間的な変動が生じた場合でも、本発明の駆動方法をさらに安定に実施することが可能となる。
【００８３】
また、アクチュエータは上述のように制御回路から所定の電気信号により駆動されるが、積層型圧電アクチュエータの場合、伸縮方向変位と剪断方向変位の二つの方向に対して、それぞれ電圧値によりほぼ線形にその値を独立に制御するようにしても良いものである。
【００８４】
また、上記の実施例においては、積層型圧電アクチュエータを使用しているため、制御回路ではステージの移動を制御するための電気信号として電圧信号を生成しているが、別の同様な機能を有するアクチュエータにおいて電流値により先端変位量の独立な制御を行った場合には、上述の説明における電圧値を対応する電流値に読みかえれば、本発明の駆動方式は同様に適用可能である。
【００８５】
また、上記の実施例の説明においては、予圧機構を固定し、被押圧部材であるステージを移動する構成として説明したが、このような構成に限られるものではなく、被押圧部材を固定し予圧機構をステージとして移動させる自走式機構においても、本発明の駆動方式は相対的な動作として全く同様に適用可能である。
【００８６】
また、上記の実施例の説明においては、Ａ相及びＢ相の２相駆動方式で説明しているが２相駆動方式に限られるものではく、超高精度化する必要がない場合には、1 個の積層型圧電アクチュエータを用いて本発明による電圧固定−周波数変動（電圧固定−電圧印加時間変動）駆動方式を実施することは可能である。
【００８７】
また逆に、１２０度位相が異なる３相、９０度位相が異なる４相などの多相駆動を行っても良いものであり、その場合、アクチュエータの数はそれぞれ３個、４個などと相の数だけ用いれば良い。
但し、駆動回路の容易化を考えた場合には相数は可能な限り少なくすることが望ましい。
【００８８】
さらに、重量が重いステージを駆動する場合には、Ａ相およびＢ相それぞれのアクチュエータを複数用いて駆動しても良く、この場合、各相に１個のアクチュエータを用いた場合に比較して、アクチュエータ先端とステージとの間に、合計してより大きな垂直抗力を加えることが可能となるため、ステージに与えられる最大推力すなわち最大静止摩擦力をより大きく設定できることになる。
【００８９】
また、上記の実施例の説明においては、アクチュエータの先端部のｙ方向の変位量を摺動部の一般的な使用条件における典型的な表面起伏の最大高さを十分超える数値である±０．２３μｍとしているが、表面起伏の形状がより滑らかであったならばこれより小さい数値にしても良く、逆に表面起伏の形状が粗い場合にはより大きな値に設定することが必要となる。
【００９０】
また、ステージ機構の停止時には、例えば、Ａ相及びＢ相ともにアクチュエータ先端を最大静止摩擦力で押し当てた状態で停止させても良いし、別途位置検出装置をステージに付加し、その検出値に基づき指令値に対する差分を計算し、その差分が小さくなるよう閉ループのサーボ制御を行って、最大静止摩擦力を超えない範囲でＡ相及びＢ相ともにアクチュエータ先端を微動させ、加減速および停止運動を繰り返しても良い。
【００９１】
また、以上の説明では予圧機構やアクチュエータ自身など機械構造物の共振の問題は考慮していないが、ある共振周波数が存在する場合にはアクチュエータを励振する電気信号の周波数スペクトルの内の共振周波数以上のものを除去するために、低域通過型フィルタにより信号補正を行った後に電気信号を供給すれば良い。
【００９２】
また、上記の実施例２においては、上述のような定義に基づいて計算を行っているが、図１１における左側のグラフから最大加速度を求め、それにしたがって（５）式の条件を満たすよう周波数を決定しても良いことは言うまでもない。
【００９３】
また、上記の実施例１及び実施例２においては、図４、図５、及び、図１３のごとく送り方向変位の駆動電圧波形を時間に対して一定の電圧振幅で発生させているが、（５）式の条件を満たすのであれば、必要に応じて電圧振幅も時間に対して適宜変更しても良いものである。
【００９４】
例えば、ステージを加減速停止後、設置環境の微小振動などの影響をアクティブなフィードバック制御により補正しなければならない場合があるが、その際には、電圧振幅をより小さな値に変化させることが、微小な精密位置決めを実現するためには好適である。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明の活用例としては、露光装置や電子線描画装置、測長電子顕微鏡、レーザ共焦点顕微鏡などに用いられるウエハや試料などを搬送するためのステージ機構が典型的なものであるが、プローバなどの電子計測に用いられるマニピュレータ用のプローブ端子保持機構、原子間力顕微鏡におけるカンチレバーの保持機構等の他の超精密位置決めが要求される各種搬送機構にも適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の原理的構成図である。
【図２】本発明の実施例１の駆動方式を適用する非共振型超音波モータ駆動ステージの概略的要部構成図である。
【図３】各座標系と構成要素の位置ベクトルとの関係の説明図である。
【図４】送り方向におけるＡ相のアクチュエータ先端の位置、速度、加速度のタイムチャートである。
【図５】送り方向におけるＢ相のアクチュエータ先端の位置、速度、加速度のタイムチャートである。
【図６】送り方向と直交する方向におけるアクチュエータ先端位置のタイムチャートである。
【図７】ステージの位置、速度、加速度のタイムチャートである。
【図８】本発明の実施例２における駆動電圧波形とそのときのアクチュエータ先端の位置、速度、加速度の説明図である。
【図９】セットアップした実験の概念的システム構成図である。
【図１０】実験的に確認した送り量の周波数依存性の説明図である。
【図１１】定義を導入する前後のステージの速度及び加速度の比較説明図である。
【図１２】所定条件における駆動周波数の変化パターンとそのときのアクチュエータの先端速度の説明図である。
【図１３】本発明の実施例２の駆動方式における送り方向変位の駆動電圧波形の説明図である。
【図１４】本発明の実施例２の駆動方式における送り方向と直交変位の駆動電圧波形の説明図である。
【図１５】すべりが発生しない条件下の駆動電圧の変化パターンとそのときのアクチュエータの先端速度の説明図である。
【図１６】比較例の駆動方式における送り方向変位の駆動電圧波形の説明図である。
【図１７】比較例の駆動方式における送り方向と直交する変位の駆動電圧波形の説明図である。
【図１８】各駆動方式でステージを駆動したときの時間とステージ位置の関係の説明図である。
【図１９】図１８における時間と速度の関係の説明図である。
【符号の説明】
【００９７】
１  被押圧部材
２  アクチュエータ
３  先端
４  保持部材
５  制御回路
１１  ステージ
１２  クロスローラガイド
１３  予圧機構
１４  摺動部材
１５  ミラー
２１  積層型圧電アクチュエータ
２２  積層型圧電アクチュエータ
２３  伸縮変形素子
２４  剪断変形素子
２５  フリクションチップ
３１  波形発生器
３２  アンプ
３３  オシロスコープ
３４  レーザ干渉計
【図１】
2005286164.tif 000003
【図２】
2005286164.tif 000004
【図３】
2005286164.tif 000005
【図４】
2005286164.tif 000006
【図５】
2005286164.tif 000007
【図６】
2005286164.tif 000008
【図７】
2005286164.tif 000009
【図８】
2005286164.tif 000010
【図９】
2005286164.tif 000011
【図１０】
2005286164.tif 000012
【図１１】
2005286164.tif 000013
【図１２】
2005286164.tif 000014
【図１３】
2005286164.tif 000015
【図１４】
2005286164.tif 000016
【図１５】
2005286164.tif 000017
【図１６】
2005286164.tif 000018
【図１７】
2005286164.tif 000019
【図１８】
2005286164.tif 000020
【図１９】
2005286164.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成16年3月31日(2004.3.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2005286164.tif 000022
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2005286164.tif 000023