JP2005347484A - Laminated piezoelectric actuator element, positioning device and positioning method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positioning device which uses a laminated-type piezoelectric actuator element, and can precisely position at a resolution of sub-nanometer order. <P>SOLUTION: This piezoelectric actuator element 4 is constituted, by laminating and arranging in series a roughly operating piezoelectric actuator element 4a and a minutely operating piezoelectric actuator element 4b. If a displacement amount of the roughly operating piezoelectric actuator element 4a is entered into the imposition range of the preset sub-nanometer order, a closed loop control is carried out so that the roughly operating piezoelectric actuator element 4a maintains its position; and also the slightly operating piezoelectric actuator element 4b is driven, on the basis of information of a position sensor, and displaced so as to converge on the imposition range of the sub-nanometer order for positioning. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

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。   The present invention relates to a laminated piezoelectric actuator element used in a positioning device or the like, a positioning device provided with the laminated piezoelectric actuator element, and a positioning method using the laminated piezoelectric actuator element.

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。   The laminated piezoelectric actuator element can adjust the amount of displacement on the order of nanometers, has fast response to electrical signals, and has a large generated force. For example, an XY stage, an XY- Used in precision positioning devices such as Z-stages and multi-axis stages.

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。 FIG. 6 is a schematic sectional view showing the structure of a general laminated piezoelectric actuator element 90. In the multilayer piezoelectric actuator element 90, the piezoelectric ceramics 91 and the internal electrodes 92 are alternately stacked, and the internal electrodes 92 are arranged so that electric fields opposite to each other are applied to the adjacent piezoelectric ceramics 91 by the internal electrodes 92. It has a structure in which every other layer is connected to the external electrodes 93a and 93b. Further, lead wires 94a and 94b are attached to the external electrodes 93a and 93b by soldering or the like, respectively.
As a positioning device incorporating the laminated piezoelectric actuator element 90 as shown in FIG. 6, a coarse / fine motion interlocking type positioning device has been put into practical use. This coarse / fine movement interlocking positioning device adopts a configuration in which, for example, rough positioning in units of micrometers is performed using a stepping motor, and minute positioning in units of sub-micrometers to nanometers is performed using a laminated piezoelectric actuator element 90. It was done.

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。
特開２００３−２４３７４０号公報（図７など） 特開平５−１５４７４３号公報（特許請求の範囲など） In addition, there are two operation modes, coarse positioning mode and fine positioning mode. In coarse positioning mode, piezoelectric elements and capacitors are connected in series for open loop control. In fine positioning mode, piezoelectric elements and capacitors are connected in series. A positioning method that performs closed-loop control using only a piezoelectric element as an actuator has been proposed (for example, Patent Document 2). However, Patent Document 2 is intended to suppress response displacement hysteresis and creep phenomenon, and does not consider sub-nanometer order (1 nm or less) micropositioning.
JP 2003-243740 A (FIG. 7 etc.) JP-A-5-154743 (claims, etc.)

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。   In recent years, there has been a demand for improvement in positioning accuracy. For example, for the positioning of an atomic force microscope and a semiconductor exposure apparatus, the moving distance is several tens to several hundreds of microns, and the positioning resolution is on the sub-nanometer order (1 nm or less). There is a need to be.

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。   In order to cope with micro-positioning on the sub-nanometer order, it is necessary to reduce the voltage applied to the actuator that is a driving source to the minimum. However, when the voltage corresponding to the minimum displacement resolution is 100 mV or less, the S / N (signal-to-noise ratio) of disturbance noise entering the driver amplifier of the piezoelectric actuator element approaches and the positioning accuracy is lowered. In particular, when the required positioning accuracy is on the order of nanometers or sub-nanometers, the voltage corresponding to the minimum displacement resolution is 10 mV or less and the S / N is about 1: 1, and positioning is limited. For example, the noise level of an analog amplifier is said to be 1 mV, but in a laminated piezoelectric actuator element, when the maximum voltage is set to 150 V, the minimum applied voltage is 1 mV or less. As described above, the normally used stacked piezoelectric actuator element has a problem that it is difficult to perform micropositioning with a resolution of the order of sub-nanometers.

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。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a positioning device that uses a laminated piezoelectric actuator element and can perform precise positioning with a resolution of sub-nanometer order.

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。 In order to solve the above-described problem, according to a first aspect of the present invention, piezoelectric ceramics and internal electrodes are alternately laminated, and an electric field is applied to the piezoelectric ceramics by the internal electrodes, thereby causing displacement of the piezoelectric ceramics. The generated multilayer piezoelectric actuator element includes a coarse piezoelectric actuator element having a relatively large displacement and a fine actuator having a relatively small displacement compared to the coarse actuator. There is provided a laminated piezoelectric actuator element characterized by comprising a piezoelectric actuator element.
In the present invention, the terms “coarse movement” and “fine movement” are used only in relative meanings. For example, coarse movement is used for positioning in the range of micrometer to nanometer. Used, tremor is used for positioning in the nanometer to sub-nanometer range.

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。 In this stacked piezoelectric actuator element, the displacement amount of the fine movement piezoelectric actuator element is preferably larger than the displacement resolution of the coarse movement piezoelectric actuator element.
Further, it is preferable that the thickness of one layer of the piezoelectric ceramic constituting the fine movement piezoelectric actuator element is larger than the thickness of one layer of the piezoelectric ceramic constituting the coarse movement piezoelectric actuator element.

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。   According to a second aspect of the present invention, a multilayer piezoelectric actuator in which piezoelectric ceramics and internal electrodes are alternately stacked, and displacement is generated in the piezoelectric ceramics by applying an electric field to the piezoelectric ceramics by the internal electrodes. An element, a driver amplifier that drives the piezoelectric actuator element, a position sensor that detects a position of the piezoelectric actuator element, and a control unit that controls driving of the piezoelectric actuator element based on a detection result of the position sensor. The piezoelectric actuator element comprises: a coarse movement piezoelectric actuator element having a relatively large displacement; and a fine movement piezoelectric actuator element having a relatively small displacement compared to the coarse movement piezoelectric actuator element. A positioning device is provided, comprising:

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。 In this positioning apparatus, it is preferable that a displacement amount of the fine movement piezoelectric actuator element is larger than a displacement resolution of the coarse movement piezoelectric actuator element.
The control means preferably performs double closed loop control for displacing the fine movement piezoelectric actuator element while maintaining the state in which the coarse movement piezoelectric actuator element is displaced.

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。   According to a third aspect of the present invention, a piezoelectric piezoelectric actuator in which piezoelectric ceramics and internal electrodes are alternately stacked, and displacement is generated in the piezoelectric ceramics by applying an electric field to the piezoelectric ceramics by the internal electrodes. A positioning method using an element, a position sensor that detects a position of the piezoelectric actuator element, and a control unit that controls driving of the piezoelectric actuator element based on a detection result of the position sensor, the piezoelectric actuator element The positioning is performed by interlocking a coarse movement piezoelectric actuator element having a relatively large displacement amount with a fine movement piezoelectric actuator element having a relatively small displacement amount compared to the coarse movement piezoelectric actuator element. A positioning method is provided.

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。 In the positioning method, it is preferable that the coarse movement piezoelectric actuator element is displaced to perform rough positioning, and the fine movement piezoelectric actuator element is displaced to perform precise positioning.
Further, it is preferable that rough positioning by the coarse movement piezoelectric actuator element and precise positioning by the fine movement piezoelectric actuator element are performed by double closed loop control.

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。 According to the present invention, it is possible to perform micropositioning with high accuracy in the sub-nanometer order (1 nm or less) when the moving distance is several tens of micrometers to several hundreds of micrometers.
In addition, since the voltage corresponding to the minimum displacement resolution of the fine-movement piezoelectric actuator element can be increased, the S / N ratio can be increased, and it can be driven with high resolution, and high positioning accuracy can be obtained.
Furthermore, since the capacity of the fine actuator for piezoelectric actuator can be reduced, the piezoelectric actuator can be driven at high speed. In addition, the closed loop control for maintaining the settling after the positioning is completed can be performed at a high frequency, so that positioning with high accuracy, high speed, and high rigidity (high servo rigidity) becomes possible.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of a positioning device according to a first embodiment of the present invention. The positioning device 1 includes a positioning unit 10 that performs positioning, and a control / drive unit 20 that controls and drives the positioning unit 10.

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。   The positioning unit 10 includes a positioning stage (fine movement stage) 2, a position sensor 3 provided on the positioning stage 2, and a piezoelectric actuator element 4. The piezoelectric actuator element 4 is configured by laminating a coarse movement piezoelectric actuator element 4a and a fine movement piezoelectric actuator element 4b in series. The detailed structure of the piezoelectric actuator element 4 will be described later.

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。   The control / drive unit 20 controls the driving of the coarse movement piezoelectric actuator element 4 a and the fine movement piezoelectric actuator element 4 b based on the detection result of the position sensor 3, and the coarse movement piezoelectric element based on the control signal from the CPU 5. The driver amplifiers 7a and 7b that respectively drive the actuator element 4a and the fine movement piezoelectric actuator element 4b, the position sensor interface 8 that outputs a signal from the position sensor 3 to the CPU 5, and the CPU 5 outputs the coarse movement and the fine movement respectively. D / A converters 9a and 9b for converting each digital signal into an analog signal and outputting it, and noise filters and preamplifiers 6a and 6b for noise removal and amplification of the converted analog signal.

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。   Next, the structure of the positioning unit 10 will be described. FIG. 2 is a plan view showing a schematic structure of the positioning unit 10. The positioning stage 2 has a central movable part (stage part) 21 and a fixed part 22 around the central movable part 21, and these are connected by parallel spring parts 23 provided at four corners of the movable part 21. The movable portion 21 is provided with a concave portion 25, and the laminated piezoelectric actuator element 4 is fixed so as to straddle the movable portion 21 and the fixed portion 22 from the concave portion 25 to the fixed portion 22. In the piezoelectric actuator element 4, the coarse movement piezoelectric actuator element 4a is driven by the driver amplifier 7a, and the fine movement piezoelectric actuator element 4b is driven by the driver amplifier 7b, and expands and contracts in the Y direction when a predetermined voltage is applied.

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。   A linear encoder type glass scale 31 as the position sensor 3 is provided in parallel in the stacking direction (stretching direction) of the piezoelectric actuator elements 4. The glass scale 31 can detect the displacement (position) with an accuracy of the order of 1/100 nanometers by a detection unit (not shown) provided in the piezoelectric actuator element 4 (or the movable unit 21).

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。   The CPU 5 as the control means performs a predetermined calculation based on the set displacement information and the sensor output information transmitted from the position sensor 3, and outputs a control signal to the driver amplifiers 7a and 7b. The control signal for the coarse movement piezoelectric actuator element 4a is output to the driver amplifier 7a, and the control signal for the fine movement piezoelectric actuator element 4b is output to the driver amplifier 7b. As the driver amplifiers 7a and 7b, it is preferable to use piezoelectric driver amplifiers having a negative power source and a positive power source and capable of differential amplification, thereby reducing the influence of disturbance noise.

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。   Here, details of the piezoelectric actuator element 4 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic sectional view showing the structure of the piezoelectric actuator element 4. The piezoelectric actuator element 4 is a stacked piezoelectric actuator element in which piezoelectric ceramics and internal electrodes are alternately stacked, and displacement is generated in the piezoelectric ceramics by applying an electric field to the piezoelectric ceramics by the internal electrodes.

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。   The piezoelectric actuator element 4 is configured by laminating a coarse movement piezoelectric actuator element 4a and a fine movement piezoelectric actuator element 4b with, for example, an adhesive and laminating them in series. Note that the piezoelectric actuator element is not limited to the configuration shown in FIG. 3. For example, an element having a structure in which the fine movement piezoelectric actuator element is integrally incorporated in a part of the coarse movement piezoelectric actuator element may be used. . The coarse movement piezoelectric actuator element 4a and the fine movement piezoelectric actuator element 4b are basically configured in the same manner except that the thickness of the piezoelectric ceramic layer used is different and the number of stacked layers is different. Thus, by making the coarse movement piezoelectric actuator element 4a and the fine movement piezoelectric actuator element 4b separate from each other, a voltage corresponding to the minimum displacement resolution of the fine movement piezoelectric actuator element 4b is, for example, 10 mV even in positioning on the sub-nanometer order. As a result, the S / N can be increased and the positioning accuracy can be improved. Further, since the capacitance of the fine movement piezoelectric actuator element 4b can be reduced, responsiveness is improved and high-speed driving is possible. Further, by increasing the voltage corresponding to the minimum displacement resolution, it is possible to use the 16-bit D / A converter 9b as a converter for a signal input to the driver amplifier 7b.

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。 First, the coarse motion piezoelectric actuator element 4a will be described.
The coarse movement piezoelectric actuator element 4a has a sandwich structure in which piezoelectric ceramics 41 and internal electrodes 53a and 53b are alternately stacked, and protective layers 43a and 43b are sandwiched from above and below. The internal electrodes 53a and 53b are connected to the external electrodes 51a and 51b every other layer so that electric fields opposite to each other are applied to the adjacent piezoelectric ceramics 41 by the internal electrodes 53a and 53b.

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。   The protective layers 43a and 43b are made of the same material as the piezoelectric ceramic 41 and are provided as insulator layers.

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。   The external electrodes 51a and 51b are formed, for example, by printing and baking a silver paste. Further, lead wires 56a and 56b are attached to the external electrodes 51a and 51b by soldering or the like, respectively.

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。   A resin film 55 having excellent moisture resistance is provided on the side surface of the laminate composed of the piezoelectric ceramic 41 and the internal electrodes 53a and 53b (referred to as a surface parallel to the lamination direction of the piezoelectric ceramic 41). The resin coating 55 functions to protect the external electrodes 51a and 51b from water vapor under the usage environment of the piezoelectric actuator element 4a.

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。 Next, the fine movement piezoelectric actuator element 4b will be described.
The piezoelectric actuator element 4b for fine movement has a sandwich structure in which piezoelectric ceramics 42 and internal electrodes 54a and 54b are alternately stacked, and protective layers 44a and 44b are sandwiched from above and below. The internal electrodes 54a and 54b are connected to the external electrodes 52a and 52b every other layer so that electric fields in opposite directions are applied to the adjacent piezoelectric ceramics 42 by the internal electrodes 54a and 54b. Since the protective layers 44a and 44b, the external electrodes 52a and 52b, the lead wires 57a and 57b, and the resin coating 55 in the fine movement piezoelectric actuator element 4b are the same as the corresponding structures of the coarse movement piezoelectric actuator element 4a, description thereof is omitted. .

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。 The thickness of the piezoelectric ceramic 42 of the fine movement piezoelectric actuator element 4b can be, for example, 2 times or more, preferably 5 times or more, desirably with respect to the thickness of the piezoelectric ceramic 41 of the coarse movement piezoelectric actuator element 4a. Can be 10 times or more. As described above, by relatively increasing the thickness of the piezoelectric ceramic 42 of the fine movement piezoelectric actuator element 4b, it is possible to perform minute position control and increase the applied voltage. Further, the response speed of the fine movement piezoelectric actuator element 4b can be increased.
The number of layers of the piezoelectric ceramics 41 and the piezoelectric ceramics 42 can be selected as appropriate, and the length (total thickness) of the coarse motion piezoelectric actuator elements 4a and the fine motion piezoelectric actuator elements 4b may be the same or different. .

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。   In this embodiment, the thickness of one layer of the piezoelectric ceramic 42 of the fine movement piezoelectric actuator element 4b is three times as large as the thickness of one layer of the piezoelectric ceramic 41 of the coarse movement piezoelectric actuator element 4a. The number of lamination of the fine movement piezoelectric actuator elements 4b is five, whereas the number of lamination of the coarse movement piezoelectric actuator elements 4a is fifteen. Therefore, the coarse piezoelectric actuator element 4a and the fine piezoelectric actuator element 4b are configured to have the same thickness. When a voltage is applied to the coarse movement piezoelectric actuator element 4a and the fine movement piezoelectric actuator element 4b, the displacement amount of the fine movement piezoelectric actuator element 4b is relatively smaller than the displacement amount of the coarse movement piezoelectric actuator element 4a. Positioning for fine adjustment is possible.

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。   A voltage is applied to the coarse movement piezoelectric actuator element 4a and the fine movement piezoelectric actuator element 4b by separate control (see FIG. 1). That is, positioning by the positioning device 1 can be performed by double closed loop control in which rough positioning is first performed by the coarse movement piezoelectric actuator element 4a and then fine adjustment is performed by the fine movement piezoelectric actuator element 4b. Here, the double closed loop control refers to, for example, when the coarse motion piezoelectric actuator element 4a is within a preset in-position range of several tens of nanometers, the CPU 5 outputs a control signal and the driver amplifier 7a performs coarse control. The moving piezoelectric actuator element 4a performs closed loop control so as to maintain the position, and the CPU 5 outputs a control signal based on the information of the position sensor 3 (glass scale 31) that is simultaneously measured, and is output by the driver amplifier 7b. In this control, the piezoelectric actuator element 4b for fine movement is positioned so as to converge at an in-position range on the order of sub-nanometers with a high-speed response. Specifically, for example, when the coarse movement piezoelectric actuator element 4a enters ± 50 nm of the preset in-position range, the fine movement piezoelectric actuator element 4b is driven and positioned so as to fall within the in-position range of ± 0.1 nm. Can be done. It is also possible to control each coarse movement piezoelectric actuator element 4a and fine movement piezoelectric actuator element 4b by providing a CPU.

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。 FIG. 4 shows the relationship between the displacement amount, displacement resolution, and settling width of the coarse actuator 4a and the fine actuator 4b. The displacement amount of the coarse movement piezoelectric actuator element 4a is m 1 , the displacement resolution is n 1 , the settling width is L 1 , the displacement amount of the fine movement piezoelectric actuator element 4b is m 2 , the displacement resolution is n 2 , and the settling width is L 2. Then, it is preferable to set the displacement amount m 2 of the fine movement piezoelectric actuator element 4b to be larger than the displacement resolution n 1 of the coarse movement piezoelectric actuator element 4a (m 2 > n 1 ). It is more preferable to set m 2 ≧ 2 × n 1 ). Displacement m 2 is the maximum range of the fine adjustment that can be covered by fine control piezoelectric actuator element 4b after rough positioning by coarse piezoelectric actuator element 4a. Therefore, if m 2 > n 1 , even if the positioning accuracy by the coarse movement piezoelectric actuator element 4a is poor (eg, out of the preset in-position range), the positioning is performed only by the displacement of the fine movement piezoelectric actuator element 4b. Can be performed. On the other hand, if m 2 ≦ n 1 , in the same case where the positioning accuracy by the coarse movement piezoelectric actuator element 4a is poor, it is impossible to position only by the fine movement piezoelectric actuator element 4b. It is necessary to release the control of 4b and perform repositioning by the coarse movement piezoelectric actuator element 4a, which may complicate the positioning operation.
Further, the displacement m 2 of the fine movement piezoelectric actuator element 4b is preferably set larger than the settling width L 1 of the coarse movement piezoelectric actuator element 4a (m 2 > L 1 ), for example, preferably 2 times or more, and 5 times. The above is more preferable.

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。   In the positioning device 1 configured as described above, as shown in FIG. 1, when a drive signal of the coarse movement piezoelectric actuator element 4a is sent from the CPU 5 to the driver amplifier 7a, the coarse movement piezoelectric actuator element 4a is sent from the driver amplifier 7a. A predetermined voltage is applied. As a result, when the coarse movement piezoelectric actuator element 4a expands and contracts, the movable portion 21 moves along the Y direction in the positioning stage 2. The amount of movement of the movable portion 21 is detected by a glass scale 31 (position sensor 3) arranged in parallel with the piezoelectric actuator element 4. The position information detected by the glass scale 31 is transmitted to the CPU 5 via the position sensor interface 8. The CPU 5 performs predetermined numerical calculation processing based on the digital output signal and predetermined control information set therein, and outputs a control signal.

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。   The control signal is output separately for each of the coarse movement piezoelectric actuator element 4a and the fine movement piezoelectric actuator element 4b. The two types of control signals output from the CPU 5 are converted into analog signals by the D / A converters 9a and 9b, respectively, and transmitted to the driver amplifiers 7a and 7b via the noise filters and the preamplifiers 6a and 6b. The driver amplifiers 7a and 7b transmit drive signals to the coarse movement piezoelectric actuator elements 4a and the fine movement piezoelectric actuator elements 4b based on the control signals. Based on these drive signals, for example, the coarse movement piezoelectric actuator element 4a is controlled to maintain a constant displacement state, and the fine movement piezoelectric actuator element 4b is driven to expand and contract. The amount of movement of the movable portion 21 is detected by the glass scale 31 and fed back. In this way, feedback control is performed based on the detection position of the position sensor 3 so that the movable portion 21 of the positioning stage 2 is at a predetermined position.

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。   Thus, in this embodiment, the coarse movement piezoelectric actuator element 4a is expanded and contracted to perform rough positioning (for example, in the range of micrometer to nanometer), and then the fine movement piezoelectric actuator element 4b is expanded and contracted to slightly adjust. By adjusting (in the range of nanometer to subnanometer), highly accurate positioning is performed on the subnanometer order.

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。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated further in detail, this invention is not restrict | limited by this.
(Example 1)
A coarse piezoelectric actuator element having a displacement of 100 μm and a fine actuator for fine movement having a displacement of 1 μm were connected in series to form a laminated piezoelectric actuator element. FIG. 5A is a schematic view showing a laminated structure of piezoelectric actuator elements used in this embodiment, and FIG. 5B is an enlarged view of a single element 105a (described later). This piezoelectric actuator element was manufactured by bonding the coarse movement piezoelectric actuator element 104a and the fine movement piezoelectric actuator element 104b with, for example, an adhesive. The basic configuration of the coarse movement piezoelectric actuator element 104a and the fine movement piezoelectric actuator element 104b is the same as that shown in FIG. 3, and thus the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

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）］。 The coarse-motion piezoelectric actuator element 104a has a structure in which single elements 105a are stacked. Here, as shown in FIG. 5B, 150 layers of piezoelectric ceramics 41 having a d 33 of 500 × 10 −12 m / V and a thickness of 50 μm are stacked, and protective layers 43a and 43b are provided above and below. A single element 105a was formed. The single element 105a is displaced by a maximum of 10 μm when a DC bias voltage of +75 V is applied to the internal electrodes 53a and 53b via the external electrodes 51a and 51b, and a voltage of −75V and + 75V is applied while floating from the ground. Coarse-motion piezoelectric actuator elements 104a are configured to have a displacement of 100 μm by connecting 10 single elements 105a in series [FIG. 5 (a)].

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）。 Fine motion piezoelectric actuator element 104b is, d 33 is 500 × 10 -12 m / V, further thickness piezoelectric ceramic 42 of 500μm stacked 15 layers, upper and lower protective layers 44a, a single element 105b provided 44b formed did. The single element 105b is displaced by a maximum of 1 μm when a DC bias voltage of + 75V is applied to the internal electrodes 54a and 54b via the external electrodes 52a and 52b, and −75V and + 75V are applied while floating from the ground. Only one single element 105b was used as the fine movement piezoelectric actuator element 104b (displacement 1 μm).

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。   A DC bias voltage of +75 V is applied to the coarse movement piezoelectric actuator element 104a and the fine movement piezoelectric actuator element 104b via an analog circuit (piezoelectric driver amplifier) that amplifies the 16-bit D / A converter signal 20 times. The voltage of −75 to +75 V was applied while floating from the ground. By using a piezoelectric driver amplifier having a negative power source and a positive power source and capable of differential amplification, the influence of disturbance noise can be reduced even when the lead wires are long.

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。 Positioning was performed by the positioning device incorporating the coarse / fine piezoelectric actuator element thus obtained. Here, a case where the required stroke is 100 μm and the positioning resolution is 0.1 nm, such as an atomic force microscope or a fine movement stage for a semiconductor exposure apparatus, will be described as an example.
The coarse-motion piezoelectric actuator element 104a covers a range of 0.1 to 100 μm. First, the coarse-motion piezoelectric actuator element 104a is displaced, and the fine-motion piezoelectric actuator element 104a enters the ± 50 nm range of the preset in-position range. The piezoelectric actuator element 104b was driven and positioned so as to be in the in-position range of 0.1 nm. The fine movement piezoelectric actuator element 104b covers a range of 0.1 to 1000 nm.
The coarse-motion piezoelectric actuator element 104a and the fine-movement piezoelectric actuator element 104b were controlled by double closed-loop control using a linear encoder glass scale having a resolution of 0.07 nm.

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。   The applied voltage corresponding to the minimum displacement resolution in this case is 150 mV for the coarse movement piezoelectric actuator element 104a and 15 mV for the fine movement piezoelectric actuator element 104b, which is the signal / noise ratio (S / N), which is the limit of the analog circuit. Ratio) was 10 times or more.

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。   Furthermore, the influence of disturbance noise could be reduced by using a piezoelectric driver amplifier that has a negative power source and a positive power source and can perform differential amplification.

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。   While the present invention has been described with respect to various embodiments, it can be applied to other embodiments. For example, in the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the positioning device 1 that performs only positioning in the Y direction has been described as an example, but the present invention is not limited thereto, The present invention can also be applied to multi-axis positioning devices such as XYZ and XYZ-angular axis θ.

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。   Further, in the laminated piezoelectric actuator element of FIG. 3, the coarse movement piezoelectric actuator element 4a and the fine movement piezoelectric actuator element 4b are separately arranged, and the piezoelectric ceramic of the fine movement piezoelectric actuator element 4b is formed thicker. In an actuator structure in which piezoelectric ceramics are stacked, two functions for coarse movement and fine movement may be provided by changing the electrode take-out position (number of stacked layers).

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。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for positioning with an atomic force microscope, a semiconductor exposure apparatus or the like that requires a positioning resolution of sub-nanometer order (1 nm or less) with a moving distance of several tens to several hundreds of microns.

本発明の位置決め装置のブロック図。The block diagram of the positioning device of this invention. 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。The top view which shows schematic structure of the positioning part in the apparatus of FIG. 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。Sectional drawing which shows the outline of the laminated piezoelectric actuator element in the apparatus of FIG. 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。The drawing explaining the relationship among the displacement amount, displacement resolution, and settling width in the multilayer piezoelectric actuator element of the present invention. 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。FIG. 3 is a schematic diagram showing an outline of a multilayer piezoelectric actuator element used in Example 1. 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。Sectional drawing which shows the outline of the multilayer piezoelectric actuator element of a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1; Positioning device 2; Positioning stage 3; Position sensor 4; Piezoelectric actuator element 4a; Coarse movement piezoelectric actuator element 4b; Fine movement piezoelectric actuator element 5; Control means 7a, 7b; Driver amplifier 8; Piezoelectric ceramics 43a, 43b, 44a, 44b; protective layers 51a, 51b, 52a, 52b; external electrodes 53a, 53b, 54a, 54b; internal electrodes 55; resin coatings 56a, 56b, 57a, 57b;

Claims (9)

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。 Piezoelectric ceramics and internal electrodes are alternately laminated, and the piezoelectric ceramic element is displaced by applying an electric field to the piezoelectric ceramics by the internal electrodes,
The laminated piezoelectric actuator element includes a coarse movement piezoelectric actuator element having a relatively large displacement and a fine movement piezoelectric actuator element having a relatively small displacement compared to the coarse movement piezoelectric actuator element. A multilayer piezoelectric actuator element characterized by the above. 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。   The multilayer piezoelectric actuator element according to claim 1, wherein a displacement amount of the fine movement piezoelectric actuator element is larger than a displacement resolution of the coarse movement piezoelectric actuator element. 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。   The thickness of one layer of the piezoelectric ceramic constituting the fine-motion piezoelectric actuator element is larger than the thickness of one layer of the piezoelectric ceramic constituting the coarse-motion piezoelectric actuator element. Multilayer piezoelectric actuator element. 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。 Piezoelectric ceramics and internal electrodes are alternately stacked, and a laminated piezoelectric actuator element that generates displacement in the piezoelectric ceramics by applying an electric field to the piezoelectric ceramics by the internal electrodes;
A driver amplifier for driving the piezoelectric actuator element;
A position sensor for detecting the position of the piezoelectric actuator element;
Control means for controlling the driving of the piezoelectric actuator element based on the detection result of the position sensor;
A positioning device comprising:
The piezoelectric actuator element includes a coarse movement piezoelectric actuator element having a relatively large displacement and a fine movement piezoelectric actuator element having a relatively small displacement compared to the coarse movement piezoelectric actuator element. A positioning device. 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。   5. The positioning device according to claim 4, wherein a displacement amount of the fine movement piezoelectric actuator element is larger than a displacement resolution of the coarse movement piezoelectric actuator element. 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。   The said control means performs double closed loop control which displaces the said piezoelectric actuator element for fine movements, maintaining the state which the said piezoelectric actuator element for coarse movements displaced, The Claim 4 or Claim characterized by the above-mentioned. 5. The positioning device according to 5. 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。 Piezoelectric ceramics and internal electrodes are alternately stacked, and a laminated piezoelectric actuator element that generates displacement in the piezoelectric ceramics by applying an electric field to the piezoelectric ceramics by the internal electrodes;
A position sensor for detecting the position of the piezoelectric actuator element;
Control means for controlling the driving of the piezoelectric actuator element based on the detection result of the position sensor;
A positioning method using
In the piezoelectric actuator element, positioning is performed by interlocking a coarse movement piezoelectric actuator element having a relatively large displacement amount with a fine movement piezoelectric actuator element having a relatively small displacement amount compared to the coarse movement piezoelectric actuator element. A positioning method. 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。   8. The positioning method according to claim 7, wherein the coarse movement piezoelectric actuator element is displaced to perform rough positioning, and the fine movement piezoelectric actuator element is displaced to perform precise positioning. 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。   9. The positioning method according to claim 8, wherein rough positioning by the coarse movement piezoelectric actuator element and precise positioning by the fine movement piezoelectric actuator element are performed by double closed loop control.
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