JP5028659B2 - 位置決め機構 - Google Patents

Description

本発明は、移動体となるステージを直交するＸ軸及びＹ軸で構成される平面内の任意の位置にｎｍ以下の高精度な分解能で、且つ、高速な応答で位置決めの制御を行なうことができる位置決め機構に関するものである。

従来から走査型プローブ顕微鏡、電子顕微鏡，半導体や液晶関連の製造及び検査工程等に用いられる微動ステージにおいては、直交するＸ軸及びＹ軸で構成される平面内をｎｍ以下の位置決め精度を有しながら、数百μｍ角の領域で正確に走査動作できる性能が要求されている。例えば、現在、走査型プローブ顕微鏡では、シリコン等で製作された探針で対向する試料表面を走査するため、１００μｍ角のＸ−Ｙ軸平面内で動作するステージに５μｍ程度の高さ調整を行なうＺ軸ステージを組み合わせたＸ−Ｙ−Ｚステージが、積層型圧電素子を応用して実用化されており、ｎｍレベルの観察に用いられている。しかし現状では、さらに数百μｍ角へ走査領域を拡張しながら、走査動作の高速化とｎｍ以下の位置決め精度の両立が図られるステージの実現は、技術的に非常に難しく、様々な取り組みがなされてはいるが、実現には至っていない。

ステッパーやスキャナー（半導体露光装置）による露光や現像，エッチング後の半導体ウェハーの回路検査では、配線ピッチの微細化に伴って、安定した歩留まり率の向上が一層重要な課題となっている。歩留まり率の向上には、プロセス後の半導体ウェハーの回路不良の解析が重要な鍵を握っており、回路パターン等の不良解析には走査型プローブ顕微鏡の応用が有効な手段となっている。このような回路検査においては、リニアモータとリニアガイドなどで構成されるＸ−Ｙステージに１００μｍ角程度の動作領域を有する圧電素子型のＸ−Ｙステージを組み合わせることで、現状では８インチ（直径２００ｍｍ）程度には対応している。しかし、現在要求されている１２インチ（直径３００ｍｍ）のウェハーサイズに対応するためには、計測範囲を広げながら、計測時間を短縮することが求められており、５００μｍ角以上の走査範囲を有しながら、Ｘ−Ｙ平面内でｎｍレベルの位置決め精度を高速な動作と共に実現する圧電素子型のＸ−Ｙステージへの要求が非常に高まっている。

圧電素子、特に積層型圧電素子により直接駆動されるＸ−Ｙステージにおいて、現時点においてもｎｍレベルの位置決め精度を得ることは可能ではあるが、５００μｍ角以上の走査能力を有しながらｎｍレベルの位置決め精度を安定して得ることは極めて困難である。この理由は、積層型圧電素子の伸長は無負荷の状態においては積層自長の１／１０００程度と極めて微小であるため、５００μｍの動作範囲に素子そのもので対応するには、可搬する質量負荷がなかったとしても５００ｍｍの積層厚さの素子を２つ直交配置する必要がある。しかしながら、自長が５００ｍｍもある積層型圧電素子の伸び量を直接Ｘ−Ｙステージに伝達することは現実的に不可能であり、この対策として、積層型圧電素子の変位（伸長）量を拡大する機構手段を備えた各種のアクチュエータが提案されているが、一般的に変位を拡大する機構は、変位量の増加と共にアクチュエータの剛性を阻害するので、制御性能に影響するアクチュエータ自身の共振周波数の低下を招く要因となる。また、従来の変位拡大機構は、Ｘ軸やＹ軸に平行で正確な動作以外にＸ−Ｙ平面内の回転動作等を伴う動作を生じさせるので、ｎｍレベルの正確な位置決めを阻害する要因となっている。この点を考慮し、積層型圧電素子の変位量を拡大する手段としては、下記の特許文献１（特開２００５−３１２２０８号公報）、本出願人が先に出願した特許文献２（特開２００５−２６１１６７号公報）、等が提案されている。

特許文献１には、積層型圧電素子が発生する変位を拡大するため、第１〜第４のアームを対称な菱形状になるようにヒンジ部を介して連結部に結合するとともに、菱形の一方の対角の長辺上に中央固定部を挟んで二つの積層型圧電素子を配置し、もう一方の対角側の一方のヒンジ連結部端面に、例えば磁気ディスクへの情報の読み書きを行なう磁気ヘッドを取り付けた位置決め装置が記載されている。この特許文献１に記載の変位拡大型の位置決め装置においては、積層型圧電素子に電圧を印加して素子そのものを伸縮させると、第１〜第４のアームは軸対称な菱形リンク形状になっていることで菱形の対角線の比率で変位拡大され、固定部を挟み込んで２つの積層型圧電素子が動作するため、固定部への反力が相殺されて無反動であることを特徴としている。そして、菱形機構によって積層型圧電素子の発生する微小変位が拡大されることで、磁気ヘッドを取り付けた連結部はディスクの半径方向に動作し、磁気ヘッドが磁気媒体（回転ディスク）上の記録トラックに追従動作することが開示されている。

特許文献２には、積層型圧電素子と変位拡大機構を備えたアクチュエータが提案されている。特許文献２に開示されているアクチュエータは、積層型圧電素子と、この積層型圧電素子の発生する変位をてこによって拡大する機構と、積層型圧電素子が発生する直線変位を正確且つ平行に伝達する平行バネ機構で構成される変位拡大機構を備えている。この変位拡大機構は、積層型圧電素子の一端を固定した支持部と、この支持部と対向して配置した可動子と、これら支持部と可動子とを連結すると共に積層型圧電素子の変位に応じて移動するリンク部とから構成されている。また、積層型圧電素子の他端はてこを介して一方のリンク部に接続し、さらに、リング部の両端部はそれぞれ弾性ヒンジを介して支持部及び可動子に連結した構成となっている。

そして、積層型圧電素子が変位すると、この変位はてこ比に応じて増大され、平行バネを構成する一方のリンク部に伝達されることにより変位拡大機構は長方形から平行四辺形に変化する。したがって、アクチュエータは高い剛性を維持しながら積層型圧電素子の発生する変位を増幅し、正確な直動動作を可動子の変位として出力されることが開示されている。また、リンク部や可動子間に粘弾性体を介して拘束部材を配置することで、アクチュエータが共振周波数で発生する非常に大きなピーク振幅を効率的に減衰し、小さくすることで、アクチュエータの制御性能を飛躍的に向上できることが開示されている。

走査型プローブ顕微鏡等に用いられる四方が弾性バネで支持されるステージにおいて、積層型圧電素子の伸長を直接伝達する場合、一方向（例えばＸ軸方向）の積層型圧電素子の伸長に応じてステージを微動させる時、四方のバネ支持機構が一方向の伸長（この場合、Ｘ軸方向）以外の動作が拘束される形状を用いれば、この伸長による並進動作に伴って正確なＸ軸方向への位置決めは可能になる。しかし、四方が弾性バネで支持されるステージに対し、このＸ軸方向に直交する方向（Ｙ軸方向）に伸長する積層型圧電素子を同一平面内に設けてステージをＸ−Ｙ平面内で位置決めすれば、変位量が微小な範囲ではＸ軸とＹ軸上に正確な並進動作が期待できるが、大きな動作範囲では変位量の増加に伴って、このＸ軸やＹ軸方向の動作は、四方のバネ支持機構の形状や拘束の状態に関わらず、互いに他方の軸に対してせん断力として働き、それぞれの並進動作は互いに干渉し合って拮抗し、モーメントとして作用する。したがって、θ軸周り（Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ軸周りの回転軸）の曲げ動作（回転モーメント）として各並進動作に重畳してしまう。しかし、ステージにはθ軸周りの動作を抑制又は補正する機能や補償する自由度がないので、Ｘ−Ｙ平面内の正確な位置決めが阻害され、走査動作の制御が不可能になることが予想できる。

Ｘ−Ｙ平面内の任意の位置にステージを位置決めする場合、Ｘ軸方向に移動するステージとＹ軸方向に移動するステージを直交させて重ねて配置する手段が一般に採用されている。この手段では、互いに一方向しか動作しない２つのステージを上下に直交させるので、同一Ｘ−Ｙ平面内における動作ではないが、２つの積層型圧電素子等の推力発生機構は互いに干渉せず独立して動作することにより、互いの軸に作用するθ軸周りの回転モーメントを防止することができる。しかしその反面、一方の軸（下側の軸）に他方の軸（上側の軸）が直交して重さねられて配置されるので、下側の軸には搭載される上側の軸の重量が全て慣性質量として常に負荷された状態になる。さらに搭載される上側のステージの移動によって、Ｘ−Ｙステージ全体の重心位置は常に変化し、付随して制御対象としても変化するので、制御系からみると制御性が良いとは言えない。このような大きな負荷質量や制御対象の変化は、大幅な共振周波数やサーボ帯域の低下を招くので、ステージの高速性や制御性能を大幅に抑制させる要因となる。このために、高速で高精度な位置決め精度が要求される場合には、上記した手段は応答性や制御性が阻害されるので適用できない。

走査型プローブ顕微鏡においても、上記のような積層型圧電素子の伸長を直接伝達させるステージ（一方向の積層型圧電素子の伸長に応じて直接ステージが微動）を２つ直交して重ねることで、並進動作に曲げモーメントが重畳することを排除することが可能であり、一部の走査型プローブ顕微鏡では応用されている。しかし、一方の軸に他方の軸が重さねられて配置されるので、上記の問題と同様に一方の軸側に他方の軸側の質量が常に負荷された状態となり、慣性が増大してしまうので、応答性に影響が現われる。また工作機械や直交座標系のロボットのような数十センチーメートルから数メートルまで動作範囲を行なうために適用されるリニアガイドにリニアモータを組み合わせるか、又はボールネジと回転型モータを組み合わせで構成される一軸ステージの場合のような可動部の移動に伴う重心位置の大きな変動はこの場合にはないが、大幅な共振周波数の低下や制御対象の変化は原理的に逃れることはできないので、ステージの高速化や制御性能が大幅に抑制される要因となる。

ステージ（テーブル）をＸ軸やＹ軸方向、及びＺ軸方向に精密に移動・位置合せするための技術としては、下記特許文献３に記載のステージ装置が提案されている。

特許文献３には、ステージを高剛性で重心支持して精密に移動及び位置決めを行なうために、微動ステージへのテーブルの取り付けを、このテーブルに配置した３点の支持点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３をそれぞれテーブルの表裏面側から一対の伸縮ロッドで接続した構成にすることが記載されている。また、伸縮ロッドのロッド部には、圧電素子で駆動するピエゾアクチュエータを用いていることが開示されている。

特開２００５−３１２２０８号公報 特開２００５−２６１１６７号公報（特許第３６１２６７０号公報） 特開２００４−１４６７１８号公報

上記特許文献１に記載の発明は、４つのリンク機構で構成される菱形機構を変化させることにより、アームの連結部に取り付けた磁気ヘッド等の位置を２次元的に制御する機構が開示されており、積層型圧電素子の変位を菱形リンク機構を利用して拡大する際、中央固定部を挟んで長辺上に配置される２つの積層型圧電素子を個別に動作させた場合において、Ｘ−Ｙ平面内の任意の位置に位置決めできることを示している。しかし、本質的にＸ−Ｙ平面内で位置決めするには、２つの積層型圧電素子を個別に動作させる必要があり、本提案のアクチュエータの特徴となっている積層型圧電素子の反力を抑制するため、２つの素子を同時に且つ同じ力で作用させることはできない。したがって、Ｘ−Ｙ平面内の位置決めの目的に対して、高速、且つ高精度に位置決めする機構の開示になっているとは言えない。

上記特許文献２に記載の発明は、積層型圧電素子の変位をてこを介してリンク部に伝達してこの変位を拡大するようにしたアクチュエータの共振周波数における振幅のピーク値を低減させる減衰機構の手段を示すもので、Ｘ−Ｙ平面内の位置決めを行なう手段については開示されていない。

特許文献３に記載の発明は、テーブルに配置した３点の支持点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３をそれぞれテーブルの表裏面側から一対の伸縮ロッドで接続すると共に、伸縮ロッドのロッド部には、圧電素子で駆動するピエゾアクチュエータを用いることで、テーブルを高剛性で重心支持するためのステージ装置であって、テーブルをＸ−Ｙ平面上に正確に位置決めするための機構については開示されていない。

そこで、本発明の目的は、直交するＸ軸及びＹ軸方向に変位を発生させるアクチュエータを用いてステージをＸ軸方向とＹ軸方向への精密な位置決めを行なうときに、アクチュエータのＸ軸又はＹ軸方向の変位に対して、ステージに回転力を作用させないような機構を介して、ステージを同一のＸ−Ｙ平面内においてｎｍ以下のオーダの精度を有しながら、高速に位置決めすることができる機構を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の位置決め機構は、ステージを直交するＸ軸とＹ軸で構成される平面内を任意に移動させて、高速、且つ高精度に所定の位置に位置決めする位置決め機構において、
ベースに固定されたアクチュエータであって、推力発生手段により発生した推力を推力伝達部を介して前記Ｘ軸方向に伝達するための第１のアクチュエータと、
同じく、推力発生手段により発生した推力を推力伝達部を介して前記Ｙ軸方向に伝達するための第２のアクチュエータと、を備え、
前記ステージは、前記Ｘ軸と前記Ｙ軸にそれぞれ直交する隣り合った２辺の一方で前記第１のアクチュエータの推力伝達部にリンク機構を介して連結されて、もう一方の辺で前記第２のアクチュエータの推力伝達部にリンク機構を介して連結され、対向する四つの角部が、それぞれ弾性バネ機構を介して前記ベースに支持されており、
前記リンク機構は、互いに平行に配設されたリンク部材を備え、前記推力伝達部及び前記ステージと回動可能に連結された平行リンク機構から構成されていることを特徴としている。

さらに、本発明の位置決め機構において、前記弾性バネ機構は、前記Ｘ軸又は前記Ｙ軸の方向に対して所定の向きに配設されていることを特徴としている。

さらに、本発明の位置決め機構において、前記所定の向きは、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸に対して４５°の方向に設定されていることを特徴としている。

さらに、本発明の位置決め機構において、前記所定の向きは、前記Ｘ軸又は前記Ｙ軸に対して平行に設定されていることを特徴としている。

さらに、本発明の位置決め機構において、前記所定の向きは、前記Ｘ軸又は前記Ｙ軸に対して任意の角度に設定されていることを特徴としている。

さらに、本発明の位置決め機構において、前記第１及び第２のアクチュエータは、発生変位を直動できる機構から構成される前記推力発生手段を備えていることを特徴としている。

さらに、本発明の位置決め機構において、前記第１及び第２のアクチュエータの前記推力発生手段による前記発生変位を直動できる機構は、積層型圧電素子から構成されていることを特徴としている。

さらに、本発明の位置決め機構において、前記積層型圧電素子から構成される前記第１及び第２のアクチュエータの前記推力発生手段は、その発生変位を増幅する機構を備えていることを特徴としている。

さらに、本発明の位置決め機構において、前記第１及び第２のアクチュエータの前記推力発生手段による前記発生変位を直動できる機構は、ボイスコイルモータ又はリニアモータなどの電磁型アクチュエータから構成されることを特徴としている。この電磁型アクチュエータとしては、上記ボイルコイルモータ、リニアモータ以外に、例えばボールネジと回転型モータを組み合わせた構成などを採用することができる。

本発明の位置決め機構は、ベース上に固定された第１のアクチュエータと第２のアクチュエータとにより発生する推力の向きが直交するようにこれら第１及び第２のアクチュエータを配設すると共に、第１のアクチュエータの推力伝達部と、前記第２のアクチュエータの推力伝達部とにリンク機構を介してＸ−Ｙ平面内の任意の位置に位置決めするステージを連結するもので、第１及び第２のアクチュエータに直接連結されているリンク機構は、それぞれX軸、Y軸方向に推力を直接伝達する。また同時に、互いに直交関係のリンク機構に対してはせん断力として作用するので、その場合にリンク機構は伝達された推力により平面視で長方形から平行四辺形の形状に変化することで、X軸、Y軸に対して並進動作だけを伝達する作用を行なう。これにより、従来のステージ構造では、せん断力により必然的に発生していたθ軸周りの回転モーメントを防止することができるので、第１及び第２のアクチュエータの動作により位置決めの対象となるステージを、高速、且つｎｍオーダ以下の精度で正確に位置決めを行なうことが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態を示す位置決め機構の平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面矢視図である。

本発明の実施形態の一例を示す位置決め機構１は、ベース２と、ベース２の縁部の内側は掘り込まれており、L型で立設する側面部（L型の立設側面部）２ａに固定された第１のアクチュエータ３と、同じく側面部２ｂに固定された第２のアクチュエータ４と、ステージ５と、第１のアクチュエータ３とステージ５とを連結する第１のリンク機構６と、第２のアクチュエータ４とステージ５とを連結する第２のリンク機構７と、ステージ５の四方をベース２に固定する弾性体からなる支持機構（以下、弾性支持機構という）となる４個の弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄとを備えている。なお、ステージ５は、本発明において高精度な位置決めを行なうための制御対象物（移動体）であって、例えば、本発明を走査型プローブ顕微鏡に適用したときには被測定試料や、逆に測定プローブを搭載することで、被測定試料と測定プローブ間において相対的な走査動作が実現され、Ｘ−Ｙ平面内領域を測定するステージとなる。図１に示す実施形態においては、ステージ５は、４つの辺５ｓ１、５ｓ２、５ｓ３、５ｓ４とこれら各々の辺が構成する外側面（ステージ５の高さを形成する）を有する平面視で四角形状をなした構造であり、さらにその下側面は、図２に示すようにベース２に対して浮動状態で弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄにより支持されている。

さらに、位置決め機構１は、第１及び第２のアクチュエータ３、４の駆動を制御するための制御装置（図７に示す制御装置３０）、同じく図７に示すＸ軸の駆動用回路３１ｘとＹ軸の駆動用回路３１ｙ、ステージ５の位置を検出するためのＸ軸用の位置検出センサ９ｘ、Ｙ軸用の位置検出センサ９ｙを備えている。Ｘ軸用位置検出センサ９ｘ及びＹ軸用位置検出センサ９ｙとしては、光学スケール、レーザ測長器、光ファイバー式や静電又は渦電流などを応用した高速な応答が可能で、高分解能な変位計を使用することができる。なお、図２には、Ｘ軸用の位置検出センサ９ｘとＹ軸用の位置検出センサ９ｙは図示していない。

第１のアクチュエータ３は、推力発生手段となる積層型圧電素子１０ｘと、同素子１０ｘの一端を固定する支持部１１ｘと、支持部１１ｘと対向する位置にビーム全体のしなりを応用した薄肉のリンクビーム部１２ｘとリンクビーム部１４ｘで構成される平行バネ機構により支持された可動子１３ｘを備えている。リンクビーム部１４ｘの長手方向の一端は弾性ヒンジ部１５ｘを介して可動子１３ｘに接続され、さらに、リンクビーム部１４ｘの長手方向の他端は弾性ヒンジ部１６ｘを介して支持部１１ｘに接続されている。また、リンクビーム部１４ｘにおいてその長手方向の弾性ヒンジ部１６ｘ近傍の外側面には、積層型圧電素子１０ｘの他端を接続したてこ部１７ｘを設けている。可動子１３ｘは、リンクビーム部１４ｘに配置されたてこ部１７ｘを介して積層型圧電素子１０ｘにより発生された推力をステージ５に伝達するための推力伝達部になる。

上記構成の第１のアクチュエータ３においては、リンクビーム部１４ｘに設けたてこ部１７ｘと支持部１１ｘとの間に積層型圧電素子１０ｘを固定した構成にしているので、積層型圧電素子１０ｘを変位させて伸縮させると、てこ部１７ｘのてこの作用により、幾何学的には弾性ヒンジ部１５ｘと１６ｘの支点間距離と、弾性ヒンジ部１６ｘの支点とてこ部１７ｘの作用点（てこ部１７ｘとリンクビーム部１４ｘとの連結部）間のＹ軸上の距離との比で、積層型圧電素子１０ｘの発生変位を増幅する（発生変位量を拡大させる）機構となる。この変位拡大（変位増幅）機構により拡大された変位量が可動子１３ｘに伝達されることで、可動子１３ｘはＸ軸上をＸ１方向か又はＸ２方向に向かって変位する。したがって、例えば、可動子１３ｘがＸ１方向か又はＸ２方向に変位すると、アクチュエータ３の発生推力は第１のリンク機構６を介してステージ５に伝達される。これにより、ステージ５はＸ軸方向に所定の距離移動することになる。

なお、本位置決め機構の構成の説明に用いた第１のアクチュエータ３は、積層型圧電素子の発生する微小な変位量を拡大する機構の一例として記載するもので、積層型圧電素子の配置や変位拡大機構の形状を規定するものではない。積層型圧電素子の発生する変位や推力を効率的にリンクビーム部１４ｘを介してステージ５に伝達できる構造であれば、このアクチュエータの機構や形状は問わない。

第２のアクチュエータ４の構成は、第１のアクチュエータ３と同一の構成としている。すなわち、第２のアクチュエータ４は、推力発生手段となる積層型圧電素子１０ｙと、同素子１０ｙの一端を固定する支持部１１ｙと、支持部１１ｙと対向する位置にビーム全体のしなりを応用した薄肉のリンクビーム部１２ｙとリンクビーム部１４ｙで構成される平行バネ機構が可動子１３ｙを支持している。リンクビーム部１４ｙの長手方向の一端は弾性ヒンジ部１５ｙを介して可動子１３ｙに接続され、さらに、リンクビーム部１４ｙの長手方向の他端は弾性ヒンジ部１６ｙを介して支持部１１ｙに接続されている。また、リンクビーム部１４ｙにおいてその長手方向の弾性ヒンジ部１６ｙ近傍の外側面には、積層型圧電素子１０ｙの他端を接続したてこ部１７ｙを設けている。可動子１３ｙは、リンクビーム部１４ｙに配置されたてこ部１７ｙを介して積層型圧電素子１０ｙにより発生された推力をステージ５に伝達するための推力伝達部になる。

上記構成の第２のアクチュエータ４においては、リンクビーム部１４ｙに設けたてこ部１７ｙと支持部１１ｙとの間に積層型圧電素子１０ｙを固定した構成にしているので、積層型圧電素子１０ｙを変位させて伸縮させると、てこ部１７ｙのてこの作用により、幾何学的には弾性ヒンジ部１５ｙと１６ｙの支点間距離と、弾性ヒンジ部１６ｙの支点とてこ部１７ｙの作用点（てこ部１７ｙとリンクビーム部１４ｙとの連結部）間のＸ軸上の距離との比で、積層型圧電素子１０ｙの発生変位を増幅する（変位量を拡大させる）機構となる。この変位拡大（変位増幅）機構により拡大された変位量が可動子１３ｙに伝達されることで、可動子１３ｙはＹ軸上をＹ１方向か又はＹ２方向に向かって変位する。したがって、例えば、可動子１３ｙがＹ１方向か又はＹ２方向に変位すると、アクチュエータ４の発生推力は第２のリンク機構７を介してステージ５に伝達される。これにより、ステージ５はＹ軸方向に所定の距離移動することになる。

なお、本位置決め機構の構成の説明に用いた第2のアクチュエータ４は、上記第１のアクチュエータ３と同様に、積層型圧電素子の発生する微小な変位量を拡大する機構の一例として記載するもので、積層型圧電素子の配置や変位拡大機構の形状を規定するものではない。積層型圧電素子の発生する変位や推力を効率的にリンクビーム部１４ｙを介してステージ５に伝達できる構造であれば、アクチュエータの機構や形状は問わない。

上記した第１及び第２のアクチュエータ３、４を構成する支持部１１ｘ（１１ｙ）、リンクビーム部１２ｘ（１２ｙ）、可動子１３ｘ（１３ｙ）、リンクビーム部１４ｘ（１４ｙ）、弾性ヒンジ部１５ｘ（１５ｙ）、弾性ヒンジ部１６ｘ（１６ｙ）、てこ部１７ｘ（１７ｙ）は、一体の構造体となるようにする。この一体の構造体には、ヤング率が高く、比重が軽く、疲労破壊における耐力を有し、且つ熱膨張係数が低い材料特性を備え、ワイヤカット放電加工に適した材料（例えばチタン（Ｔｉ）合金、超々ジュラルミン、ステンレス鋼、サイアロン等）の適用が望ましい。

なお、第１及び第２のアクチュエータ３、４をベース２へ固定する方法は、次の手段を採用することができる。すなわち、第１及び第２のアクチュエータ３、４の支持部１１ｘ、１１ｙの側面に複数のネジ溝（孔）１８（図２参照）を複数配置（穿孔）する。そして、図１に示すように、ベース２の側面にL型の立設側面部２ａ、２ｂにボルト孔１９ｂを設け、立設側面部２ａ、２ｂの外側の側面部からボルト１９ａをこのボルト孔１９ｂを介してネジ孔１８にネジ込むことにより、第１及び第２のアクチュエータ３、４をベース２の縁部に設けたＬ型内壁面に固定することができる。しかし、上記の固定方法は一例を示すもので、第１及び第２のアクチュエータを高剛性に固定できる方法であれば、ネジ以外の機械的な固定方法やロウ付け、溶接、接着などによる固定を採用することができ、この固定方法は特に限定されない。

第１のリンク機構６は、図１に示すように、所定の間隔を設けて互いに平行になるように配設した２個のリンク部材６ａ、６ｂから構成され、さらに、各両端部近傍を可動子１３ｘとステージ５に対して回転（回動）可能になるように接続（連結）している。図１に示す実施形態において、リンク部材６ａ、６ｂの各端部をそれぞれ可動子１３ｘとステージ５に回転可能に連結する方法は、例えば、ネジやピン結合等による機械的な接合手段を採用することができる。また、リンク部材６ａ、６ｂの一方の端部を、平面視（上面図）で四角形状をなすステージ５の一辺（辺部）であって、Ｘ軸方向と直交する辺部（Ｙ軸方向と平行な辺部）５ｓ４に回転可能に連結している。

このように、２個のリンク部材６ａ、６ｂの各端部は、それぞれ可動子１３ｘとステージ５に回転（回動）可能に連結しているので、２個のリンク部材６ａ、６ｂは平行リンク機構を構成する。これにより、この平行リンク機構は、可動子１３ｘの直動動作を効率的にステージ５に伝達し、さらに、可動子１３ｙの直動動作（せん断力）に対しては、この平行リンク機構は平面視で長方形から平行四辺形に形状が変化するのでＸ軸方向の並進誤差としてステージ５を動作させるが、θ軸周りの回転モーメントは生じさせない。したがって、ステージ５の移動制御を、Ｘ軸、Ｙ軸について同時に連動し協調させ、位置誤差を補正しながら位置制御することで、ステージ５をＸ−Ｙ平面内の任意の位置へ高精度に位置決めすることが可能となる。
なお、リンク部材６ａ、６ｂは、座屈応力に対する耐力があり、且つ比重が小さい材料の使用、例えば、前記したアクチュエータ３、４を構成する可動子１３ｘ（１３ｙ）等の材料であるチタン（Ｔｉ）合金、超々ジュラルミン、ステンレス鋼、サイアロン等が適している。

同様に、第２のリンク機構７は、図１に示すように、所定の間隔を設けて互いに平行になるように配設した２個のリンク部材７ａ、７ｂから構成され、さらに、各両端部近傍を可動子１３ｙとステージ５に対して回転可能に接続（連結）している。図１に示す実施形態において、リンク部材７ａ、７ｂの各端部をそれぞれ可動子１３ｙとステージ５に回転可能に接続する方法は、例えば、ネジやピン結合等による機械的な接合手段を採用することができる。また、リンク部材７ａ、７ｂの一方の端部を、平面視（上面図）で四角形状をなすステージ５の一辺（辺部）であって、Ｙ軸方向と直交する辺部（Ｘ軸方向と平行な辺部）５ｓ１に回転可能に連結している。

このように、２個のリンク部材７ａ、７ｂの各端部は、それぞれ可動子１３ｙとステージ５に回転（回動）可能に連結しているので、２個のリンク部材７ａ、７ｂは平行リンク機構を構成する。これにより、この平行リンク機構は、可動子１３ｙの直動動作を効率的にステージ５に伝達し、さらに、可動子１３ｘの直動動作（せん断力）に対しては、この平行リンク機構は平面視で長方形から平行四辺形に形状が変化するのでＹ軸方向の並進誤差としてステージ５を動作させるが、θ軸周りの回転モーメントは生じさせない。したがって、ステージ５の移動制御をX軸、Y軸について同時に連動し協調させ、位置誤差を補正しながら位置制御することで、ステージ５をＸ−Ｙ平面内の任意の位置へ高精度に位置決めすることが可能となる。
なお、リンク部材７ａ、７ｂの材質は、リンク部材６ａ、６ｂと同様に、座屈耐力に対する耐力があり、且つ比重が小さい材料の使用、例えば、前記したアクチュエータ３、４を構成する可動子１３ｘ（１３ｙ）等の材料であるチタン（Ｔｉ）合金、超々ジュラルミン、ステンレス鋼、サイアロン等が適している。

なお、リンク部材６ａ、６ｂとリンク部材７ａ、７ｂの配置関係は、図１に示すように平面視（上面図）で四角形状をなすステージ５のX軸方向と前記Ｙ軸方向にそれぞれ直交する隣り合った２辺の一方（５ｓ４又は５ｓ１）とその外側面の中央部にそれぞれ連結している。

図１に示す第１及び第２のリンク機構６、７は、２個のリンク部材６ａ、６ｂ、あるいは７ａ、７ｂを平行に配置した状態で、可動子１３ｘとステージ５、及び可動子１３ｙとステージ５に対してネジやピン結合等により回転可能にリンク接続した例を示しているが、本発明においては、リンク機構６、７を図３に示すような構成としても良い。

図３に示す平行リンク機構となる第１及び第２のリンク機構６と７は、可動子１３ｘ、可動子１３ｙ及びステージ５と共に一体成形により製造した構成を示す。
すなわち、第１のリンク機構６となる可動子１３ｘとステージ５を連結する２つのリンク部材６ａ、６ｂは、互いに平行になるように配設すると共に、その連結する根元部には切欠け部が形成された弾性ヒンジ部６ａ１と６ａ２、及び弾性ヒンジ部６ｂ１と６ｂ２を有する構成にしている。同様に、第２のリンク機構７となる可動子１３ｙとステージ５を連結する２つのリンク部材７ａ、７ｂは、互いに平行になるように配設すると共に、その連結する根元部には切欠け部が形成された弾性ヒンジ部７ａ１と７ａ２、及び弾性ヒンジ部７ｂ１と７ｂ２を有する構成にしている。なお、図３に示すように、リンク部材６ａ、６ｂとリンク部材７ａ、７ｂは、平面視（上面図）で四角形状をなすステージ５のX軸方向と前記Ｙ軸方向にそれぞれ直交する隣り合った２辺の一方（５ｓ４又は５ｓ１）とその外側面の中央部にそれぞれ連結されている。

このように、第１及び第２のリンク機構６、７を構成するリンク部材６ａ、６ｂと、リンク部材７ａ、７ｂとに、弾性体の一部分に応力を集中することで回転ジョイントのように動作する弾性ヒンジ部６ａ１、６ａ２、６ｂ１、６ｂ２、及び７ａ１、７ａ２、７ｂ１、７ｂ２を設けることにより、可動子１３ｘ及び可動子１３ｙの直動動作に対して、直交に配置される第１及び第２のリンク機構６、７を構成するリンク部材６ａ、６ｂとリンク部材７ａ、７ｂにはせん断力が加わるので、弾性変形によるヒンジ動作によって、平行リンク機構を構成するリンク部材６ａと６ｂ、又はリンク部材７ａと７ｂの形状は平面視で長方形から平行四辺形に形状が変化し、図１に示すネジやピン結合等による機械的な接合手段と同様な平行リンク機構としての動作が可能になる。

図３に示す第１及び第２のリンク機構６、７は、可動子１３ｘ（可動子１３ｙ）とステージ５の外側部材とを、ネジやピン結合等を用いないで一体成形によりリンク接続した構成を示す。このようなリンク機構６、７の構成例としては、さらに、図４に示すような構成も採用することができる。

図４に示すリンク機構は、第１のリンク機構６となる可動子１３ｘとステージ５を連結する２つのリンク部材（ビーム）６ｃ、６ｄとを平行に配設すると共に、その根元部には切欠け部を備えた弾性ヒンジ部（図３に示す６ａ１と６ａ２、及び６ｂ１と６ｂ２）を設けずに、第１のリンク機構６を構成するビーム６ｃ、６ｄの曲げ剛性を下げ、ビームそのもののしなりを用いて、平行リンク機構を実現する構成にしたものである。

同様に、第２のリンク機構７となる可動子１３ｙとステージ５を連結する２つのリンク部材（ビーム）７ｃと７ｄとを平行に配設すると共に、その根元部に切欠け部を備えた弾性ヒンジ部（図３に示す７ａ１と７ａ２、及び７ｂ１と７ｂ２）を設けずに、第２のリンク機構７を構成するビーム７ｃ、７ｄの曲げ剛性を下げ、ビームそのもののしなりを用いて、平行リンク機構を実現する構成にしたものである。

なお、図４に示すように、ビーム６ｃ、６ｄ及びビーム７ｃ、７ｄは、平面視（上面図）で四角形状をなすステージ５のX軸方向と前記Ｙ軸方向にそれぞれ直交する隣り合った２辺の一方（５ｓ４又は５ｓ１）とその外側面の中央部にそれぞれ連結されている。

図４に示すリンク機構においては、可動子１３ｘ及び可動子１３ｙの直動動作に対して、直交する第１及び第２のリンク機構６、７を構成するビーム６ｃ、６ｄ、及びビーム７ｃ、７ｄは、それぞれ平行リンク機構として平面視で長方形から平行四辺形状に形状が変化することが可能になる。このように平行リンク機構の機構を満足すれば、リンク機構そのものの形状や形態は問わない。

なお、図１、図３、図４に示す実施形態において、各リンク部材６ａ、６ｂ等、各ビーム６ｃ、６ｄ等は、平面視（上面図）で四角形状をなすステージ５のX軸方向と前記Ｙ軸方向にそれぞれ直交する隣り合った２辺の一方（５ｓ４又は５ｓ１）とその外側面の中央部に配置しているが、中央部から上下又は左右にオフセットさせてずらし、中心から偏った位置にそれぞれ連結される構成も可能である。

図３及び図４に示す実施形態においては、第１及び第２のリンク機構６、７と、可動子１３ｘ（可動子１３ｙ）と、ステージ５とを、例えば、ワイヤカット放電加工などによりこれら部材を一体成形加工した例を示しているが、次の結合（接合）手段を用いて、第１のリンク機構６をステージ５と可動子１３ｘに、第２のリンク機構７をステージ５と可動子１３ｙに一体に結合しても良い。
すなわち、第１のリンク機構６をステージ５と可動子１３ｘに、第２のリンク機構７をステージ５と可動子１３ｙに、接着剤による結合手段、ロウ付けによる結合手段、溶接による結合手段、摩擦圧接よる結合手段、拡散接合による結合手段、ガラスハーメチックなどによる結合手段のいずれかの結合手段を用いて一体に結合する。しかし、第１及び第２のリンク機構とステージ５を高剛性に接合できる方法であれば、ネジなどの機械的な固定方法の採用も考えられ、この固定方法は特にロウ付け、溶接、接着などに限定されない。

弾性支持機構となる弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、適度な弾性係数を有する弾性体から構成され、例えば、コイル状のバネ、あるいは四角柱の両側面に互い違いに市松状の切れ目を入れた方向性を有するバネ機構など、主に高張力なバネ用合金鋼が有する弾性を応用した支持機構の適用が考えられる。本発明において、この弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、ステージ５がＸ−Ｙ平面内を自在に移動する際、この面に垂直なZ軸方向の変動を抑制する（指向性を持たせる）ため、Ｘ−Ｙ平面内方向に比べてＺ軸方向の剛性が著しく高い弾性バネ機構、例えば、図５に示す構成、すなわち、四角柱の弾性体の両側面に互い違いに市松の切れ目を入れた弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄとして採用することが望ましい。なお、図５に示す弾性バネ機構は弾性バネ機構８ｃのみを示しているが、他の弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｄも弾性バネ機構８ｃと同じ構成になる。

図５に示す弾性バネ機構８ｃ（８ａ、８ｂ、８ｄ）は、四角柱の両側面に互い違いに複数の市松状の溝部（切欠け部）８ｃ１をZ軸方向（弾性バネ機構８ｃの上面部から下面部）に貫通させた構成としている。このように市松状の溝部８ｃ１を設けることで、U軸方向には柔軟なバネ性を付加し、断面２次モーメントの関係からZ軸方向の剛性の低下を抑えて、Z軸方向の変動を抑制するようにした指向性のある弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを用いると、ステージ５がＸ−Ｙ平面内を自在に移動するときにこの平面に対して垂直なZ軸方向の変動を抑制することができるので、ステージ５のＸ−Ｙ平面内に規定された動作における位置決め精度を向上させる効果がある。

弾性支持機構となる各弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの一端は、ステージ５と一体加工又は接着、ロウ付け、溶接、溶着やネジ等で一体に接続するが、高剛性に固定できれば接合方法そのものは限定されない。また、各弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの他端は、ベース２にネジ込まれたボルト２０に支持された状態で固定している。これら４個の弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、図１に示すＸ軸方向又はＹ軸方向に対する角度α又はβは所定の角度になるようにする。例えばこの角度α、βは、４５°の角度をなすように設定することが望ましい。これにより、ステージ５はその４隅はそれぞれ弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄにより弾性的に支持されると共に、且つ、ベース２に対して摩擦がなく浮動した状態となり、第１及び第２のアクチュエータ３、４から出力される推力に応じてステージ５は、Ｘ−Ｙ平面内を自在に移動することが可能になる。図１に示す実施形態においては、平面視（上面図）で四角形状のステージ５の４つの角部（４隅）を弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄで弾性的に支持した例を示している。

ベース２の上面には、図６に示すように、ステージ５を弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄにより弾性的に支持するための４個のボルト２０が挿入されるそれぞれのボルト孔２１が４箇所配置され、ボルト２０の下端はベース２の底面側からナット２２（図２参照）によって固定される構造となっているが、ベース２の底面側に直接ネジ溝を設置してボルト２０をネジ込んで固定しても構わない。また、この固定方法は、ネジ等の機械的結合以外に接着、ロウ付け、溶接、溶着等が考えられるが、高剛性に固定できればその固定方法そのものは限定されない。図６に示す例では、ベース２の上面には、位置決め機構１を搭載する設備、例えば、走査型プローブ顕微鏡や半導体検査装置等に固定するためのボルト孔２３が設けられている。

続いて、本発明の位置決め機構の構成についてその主要な特徴を説明する。第１の特徴となる構成は、第１及び第２のアクチュエータ３、４の推力発生手段である、例えば積層型圧電素子１０ｘ、１０ｙに電圧を印加して変位を発生させたときに、それぞれの可動子１３ｘ、１３ｙの変位方向が直交するように、且つ、第１及び第２のアクチュエータ３、４とを同一平面上に位置するようにベース２に配置して取り付けたことにある。これにより、ステージ５を直交するＸ軸とＹ軸で構成される同一な２次元（Ｘ−Ｙ）平面内において、高速で精度の高い位置決めを行なうことが可能になる。

第２の特徴となる構成は、ステージ５を第１及び第２のアクチュエータ３、４のそれぞれの可動子１３ｘ、１３ｙと、平面視で長方形から平行四辺形に形状の変化が可能なリンク機構（平行リンク機構）６、７を介して接続（連結）したことにある。この平行なリンク機構６、７を介してステージ５を連結すると、積層型圧電素子１０ｘ、１０ｙの変位が前記したてこの作用により拡大されて可動子１３ｘ又は１３ｙに伝達され、この拡大された変位は同一面内で互いに直交することによって、ステージ５をθ軸周りに回転させようとする力（回転モーメント）が含まれる。しかし、第１及び第２のアクチュエータ３、４が発生する各々の推力をステージ５に伝達する平行リンク機構６、７は、各々の推力伝達方向に対して互いに直交する力成分（せん断力）によって、平行リンク機構の形状が上記したように長方形から平行四辺形に形状が変化し、Ｘ軸又はＹ軸上の並進動作に変換されることで、回転モーメントの発生を抑制する。

したがって、第１及び第２のアクチュエータ３、４が発生する各々の変位（推力）を可動子１３ｘ又は１３ｙからステージ５に直接伝達した場合、互いに動作方向が直交する可動子１３ｘ又は１３ｙにはせん断力として働くが、平行リンク機構６、７を介して伝達する構成にすることで、可動子１３ｘに伝達された変位（推力）は、ステージ５をＸ軸方向に移動させながら、同時にＹ軸方向へも平行に移動（並進）することになる。また可動子１３ｙに伝達された変位（推力）は、ステージ５をY軸方向に移動させながら、同時にＸ軸方向へも平行に移動（並進）することになるので、互いの軸の動作は、制御可能なＸ軸及びＹ軸上の直線動作に規定され、実質、第１及び第２のアクチュエータ３、４だけでは制御が不可能なθ軸周りの回転運動の成分を抑制することができる。

第３の特徴となる構成は、ステージ５をベース２に対して浮動した状態で取り付けたことにある。上記したように、ステージ５は第１及び第２のアクチュエータ３、４のそれぞれの可動子１３ｘ、１３ｙと平面視で長方形から平行四辺形に形状の変化が可能な平行リンク機構６、７を介して接続しているが、ステージ５自体は、図２に示すようにベース２に対して弾性支持機構となる弾性バネ機構８ａ等を介して浮動した状態で支持されている。このように、ステージ５を弾性バネ機構８ａ等を介してベース２に対して摺動による摩擦などのない浮動状態で支持することで、上記したステージ５をθ軸周りに回転させる分力を弾性バネ機構８ａ等が吸収し抑制する作用をも行なうと共に、ステージ５がＸ−Ｙ平面内を高速且つ正確に移動する際に発生を妨げなければならない非線形なＸ−Ｙ平面内の摺動摩擦や軸方向の微小な変動や振れを防止することも可能になる。

続いて、図１に示す位置決め機構１について、その駆動を制御する方法について説明する。図７は、位置決め機構１の駆動を制御するための一例を示す制御ブロック図である。図７において、制御装置３０は、例えば、ＣＰＵ 又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＲＯＭ、ＲＡＭやアナログ信号の入出力のためのＡ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器やデジタル入出力のためのＰＩＯ等を備えた回路から構成された制御装置であって、ＲＯＭには位置決め機構１の駆動を制御するための、アルゴリズムを含む各種のプログラムが記憶されている。このプログラムとしては、第１及び第２のアクチュエータ３、４の動作を位置フィードバック制御してステージ５をＸ−Ｙ平面内における目標位置に高速、且つ高安定、高精度に位置決めするための制御プログラムが含まれている。なお、制御装置３０には、位置決め機構１を搭載している装置、例えば、走査型プローブ顕微鏡では、ステージ５を目標位置に移動させるための走査指令が上位の制御装置（図示せず）から目標指令Ｍとして入力される。

図７において、Ｘ軸及びＹ軸駆動用回路３１ｘ、３１ｙは、それぞれ第１及び第２のアクチュエータ３、４の推力発生用の回路、例えば積層型圧電素子１０ｘ、１０ｙを駆動させるために使用する回路である。これらの回路３１ｘ、３１ｙは、ステージ５を現在位置から目標位置へ移動させる場合、制御装置３０が生成する移動指令に応じてＤ／Ａ変換から出力させる信号を増幅し、積層型圧電素子１０ｘ、１０ｙに駆動電圧を供給して、Ｘ軸用の第１のアクチュエータ３やＹ軸用の第２のアクチュエータ４を動作させるための回路である。この電圧値としては、例えば０〜１５０Ｖの範囲の電圧が、積層型圧電素子１０ｘ、１０ｙに供給される。

続いて、上記した第１のリンク機構６と第２のリンク機構７によりステージ５の回転を抑制させる作用を、図８及び図９に基づいて説明する。なお、以下の説明において、第１のリンク機構６と第２のリンク機構７によりステージ５の回転を抑制する作用は、図１に示しているように、ステージ５と第１のリンク機構６及び第２のリンク機構７とをピン（ネジ）結合等の機械的な接合手段により連結した図面に基づいて説明するが、図３及び図４に示すように、ピン結合等を採用しないでステージ５と第１のリンク機構６及び第２のリンク機構７とを一体成形した構成においても、同様な作用を得ることができる。

図８に示す状態は、第１のアクチュエータ３又は第２のアクチュエータ４の推力発生手段に推力が発生していない状態を示している。この状態においては、第１のリンク機構６を構成する２個のリンク部材６ａ、６ｂは、平面視（上面図）でＸ軸方向に平行な四辺形（長方形）の状態になっている。同様に、第２のリンク機構７を構成する２個のリンク部材７ａ、７ｂは、Ｙ軸方向に平行な四辺形（長方形）の状態になっている。

続いて、例えば、走査型プローブ顕微鏡等の制御装置から、目標指令Ｍが制御装置３０に入力されると、制御装置３０はこの目標指令Ｍに基づいてステージ５を目標位置に移動させるための制御演算を行う。次に制御装置３０は、この演算結果から各軸の制御量をＸ軸駆動用回路３１ｘ、Ｙ軸駆動用回路３１ｙに出力する。Ｘ軸駆動用回路３１ｘ、Ｙ軸駆動用回路３１ｙは、入力された制御量に基づいて第１のアクチュエータ３又は第２のアクチュエータ４に、それぞれ駆動電圧を出力する。これにより、例えば、図１に示される第１のアクチュエータ３の推力発生手段である積層型圧電素子１０ｘが伸びると、てこ部１７ｘを介して可動子１３ｘにＸ１方向の推力が伝達される。この推力は、第１のリンク機構６を構成する２個のリンク部材６ａ、６ｂに伝達される。

図９は、図８に示す状態において、第１のアクチュエータ３の可動子１３ｘにＸ１方向の推力が伝達されたときの状態を示す。図９に示すように、可動子１３ｘにＸ１方向の推力が伝達されるとこの推力は第１のリンク機構６を構成する２個のリンク部材６ａ、６ｂに伝達されるので、ステージ５はＸ軸方向に制御装置３０からの制御指令に基づいて移動することになる。このとき、可動子１３ｘに伝達された推力によって可動子１３ｙとステージ５の連結部には、前記したようにθ軸周りの回転モーメントが発生する。この時、第２のリンク機構７を構成する２個のリンク部材７ａ、７ｂは、前記したように、可動子１３ｙ及びステージ５と回動自在なピン（ネジ）結合等の機械的な接合手段により連結されているので、平面視（上面図）で図８に示す長方形から図９に示すように平行四辺形の形状に変化し、この動作によってＹ軸方向の並進運動に変換されることで、ステージ５は回転することなくＹ２方向に微小な移動誤差を生じさせる。

このＹ軸方向の移動誤差は、Ｙ軸用位置検出センサ９ｙによって制御装置３０へ位置フィードバックされることで、目標位置に対する移動誤差を修正するための新たな制御装置３０からの移動指令（制御量）となってＹ軸駆動用回路３１ｙに入力され、この制御量に基づく駆動電圧が第２のアクチュエータ４に印加されることにより、ステージ５のＹ軸方向の移動誤差が修正される。このとき、ステージ５をベース２上に支持している４箇所の弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、Ｘ軸方向とＹ軸方向に対して４５°（α又はβ）の角度をなして配設することにより、ステージ５の回転を防止する作用も行なうことになる。

続いて、第２のアクチュエータ４の可動子１３ｙに推力が伝達されたときの作用について説明する。第１及び第２のアクチュエータ３、４の推力発生手段に推力が発生していない状態を示す図８において、可動子１３ｙにＹ１方向（図１０に示す）の推力が伝達されるとこの推力は第２のリンク機構７を構成する２個のリンク部材７ａ、７ｂに伝達されるので、これにより、ステージ５は制御装置３０からの制御指令に基づいてＹ軸方向に移動することになる。このとき、可動子１３ｙに伝達された推力によって可動子１３ｘとステージ５の連結部には、前記したようにθ軸周りの回転モーメントが発生する。この時、第１のリンク機構６を構成する２個のリンク部材６ａ、６ｂは、平面視（上面図）で図８に示す長方形から図１０に示すように平行四辺形の形状に変化し、この動作によってX軸方向の並進運動に変換されることで、ステージ５は回転することなくＸ２方向に微小な移動誤差を生じさせる。

このＸ軸方向の移動誤差は、X軸用位置検出センサ９ｘによって制御装置３０へ位置フィードバックされることで、目標位置に対する移動誤差を修正するための新たな制御装置３０からの移動指令（制御量）となってＸ軸駆動用回路３１ｘに入力され、この制御量に基づく駆動電圧が第１のアクチュエータ３に印加されることにより、ステージ５のＸ軸方向の移動誤差が修正される。このとき、ステージ５をベース２上に支持している４箇所の弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、Ｘ軸方向とＹ軸方向に対して４５°の角度（α又はβ）をなして配設することにより、ステージ５の回転を防止する作用も行なうことになる。

上記のように例えば、Ｘ１方向にステージ５を移動するため、第１のアクチュエータ３を動作させた場合、Ｙ軸方向の第２のアクチュエータ４の可動子１３ｙとステージ５の間に介在する第２のリンク機構７は、平面視（上面図）で長方形から平行四辺形に形状が変化し、ステージ５がＹ２方向に変位することで生じる位置誤差は、Ｙ軸用位置検出センサ９ｙからの位置フィードバックによって制御装置３０とＹ軸駆動用回路３１ｙを介して、第２のアクチュエータ４の動作によって修正される。この動作は、さらに動作の起点となったＸ軸方向の第１のアクチュエータ３の可動子１３ｘとステージ５の間に介在する第１のリンク機構６を平面視（上面図）で長方形から平行四辺形に形状を変化させて、Ｘ２方向の新たな位置誤差の要因となる。この位置誤差は、Ｘ軸用位置検出センサ９ｘからの位置フィードバックによって制御装置３０とＸ軸駆動用回路３１ｘを介して、第１のアクチュエータ３を再動作させて位置補正され、このX軸及びＹ軸の動作を許容位置誤差の範囲まで繰り返し行なうことで、X−Ｙ平面内の目標位置に収束させることができる。

したがって、Ｘ１方向か又はＹ１方向、どちらか一方向だけにステージ５を移動させた場合において、θ軸周りの回転モーメントを抑制する第１のリンク機構６及び第２のリンク機構７の動作は、移動軸方向と直角の軸方向に位置誤差を互いに生じさせる相関関係を有する。そのため、第１のアクチュエータ３及び第２のアクチュエータ４に対して、Ｘ軸用位置検出センサ９ｘやＹ軸用位置検出センサ９ｙが検出した位置信号を常に制御装置３０にフィードバックし、制御装置３０の高速な繰り返し演算処理によって同時に、且つ協調した制御を可能とし、高速で低ノイズのＸ軸駆動用回路３１ｘ、Ｙ軸駆動用回路３１ｙを介すことで、ステージ５をＸ−Ｙ平面内の目標位置に対し高速で高精度な位置決めを実現することが可能となる。

上記したように、制御装置３０の制御により、ステージ５を目標指令Ｍに対してＸ−Ｙ平面上の目標位置に正確に位置決めすることができる。本発明においては、第１及び第２のアクチュエータ３、４からの推力に対して、直交する第１及び第２のリンク機構６、７を平面視（上面図）で長方形から平行四辺形に形状を変化させることによりせん断力を並進動作に変換し、ステージ５にθ軸周りの回転モーメントが作用することを抑制している。このため、リンク機構６、７が平面視（上面図）で長方形から平行四辺形への形状変化に応じた移動量と、この移動量に対するステージ５のＸ−Ｙ平面上の位置（Ｘ軸及びＹ軸座標）との関係に係るデータ（例えば、補正式）を予め求めておき、ステージ５の位置決め制御プログラムにこの関係を、補正式として組み込んでおくとよい。これにより、ステージ５を目標位置へ位置決めするための収束演算の回数を減らすことが可能になって、高速、且つＸ−Ｙ平面内におけるｎｍオーダ以下の正確な位置決め制御を行なうことができるようになる。

なお、図１１Ａは、図３に示す第１のリンク機構６としてビーム（リンク部材）６ａ、６ｂを、第２のリンク機構７としてビーム（リンク部材）７ａ、７ｂを設けた位置決め機構において、第１のアクチュエータ３の可動子１３ｘに矢印Ｘ１方向の推力が伝達されたときの状態を示している。この図１１Ａに示す状態においては、第２のリンク機構７を構成するビーム７ａ、７ｂの両端に弾性ヒンジ部７ａ１、７ａ２、７ｂ１、７ｂ２を設けることで、平行リンク機構をなすビーム７ａ、７ｂは平面視（上面図）で長方形から平行四辺形の形状に変化し、前記した図９で説明した動作と同等な動作を行なう。これにより、ステージ５にθ軸周りの回転モーメントが作用することを抑制することが可能になる。

さらに、図１１Ｂは、図４に示す第１のリンク機構６としてビーム６ｃ、６ｄを、第２のリンク機構７としてビーム７ｃ、７ｄを設けた位置決め機構において、第１のアクチュエータ３の可動子１３ｘに矢印Ｘ１方向の推力が伝達されたときの状態を示している。この図１１Ｂに示す状態においては、第２のリンク機構７を構成するビーム７ｃ、７ｄは曲げ応力が加わってしなり、平行リンク機構をなすビーム７ｃ、７ｄは平面視（上面図）で長方形から平行四辺形状の形状に変化し、前記した図９で説明した動作と同等な動作を行なう。これにより、ステージ５にθ軸周りの回転モーメントが作用することを抑制することが可能になる。

本発明においては、上記の構成及び制御により、積層型圧電素子の微小な変位をてこ部１７ｘ、１７ｙのてこ作用により拡大する第１及び第２のアクチュエータ３、４の変位量を、リンク機構６、７を介してステージ５に伝達することで、例えば、ステージ５を５００μｍ角以上の動作範囲でＸ−Ｙ平面内の任意の位置に高速、且つ正確に位置決め制御を行なうことができる。これにより、走査型プローブ顕微鏡や半導体や液晶関連の製造及び検査工程等、多様な産業分野への適応を図ることが可能になる。

上記した本発明の実施形態においては、４箇所の弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄをＸ軸とＹ軸の方向に対して４５°の角度α（β）をなすように配設した例について説明したが、本発明の位置決め機構において特徴となる第１及び第２のアクチュエータ３、４とステージ５とを接続するリンク機構の配置構成は、以下に説明する構成も採用することができる。以下、他のリンク機構の構成例について説明する。

本発明に採用できる他のリンク機構の構成のうちその一つは、例えば図１２に示す構成としたリンク機構である。図１２に示す実施形態では、４角形状のステージ５について、その隣接（隣り合った）する２つの角部（隅部）に前記第１及び第２のアクチュエータからの推力を伝達するリンク機構を配置した構成にしている。さらに、ステージ５の四隅を結ぶ２つの対角線を第１及び第２のアクチュエータ３、４の推力の方向、すなわち図1に示すＸ軸、Ｙ軸に対してそれぞれ４５°傾けられたXａ軸、Yａ軸に合わせ、ステージ５の四辺と各々の辺が構成する外側面の中央部にはそれぞれ弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄをＸａ軸とＹ軸ａの方向に対して４５°の角度δ（γ）をなすように配置した構成にしている。
なお、弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄがＸａ軸とＹａ軸方向に対する角度δ（γ）は、上記４５°の他に任意の角度に設定しても構わない。また第１及び第２のアクチュエータ３、４の推力の方向は、図1に示すＸ軸、Ｙ軸に対してそれぞれ上記４５°の他に任意の角度γ（δ）に設定しても構わない。なお、上記直交するＸａ軸とＹ軸ａは、図１に示すＸ軸とＹ軸に相当する座標軸であって、図１のＸ軸とＹ軸と区別して記載するために付与した軸名称である。

さらに、他のリンク機構の構成例としては、ステージ５で対角（対向）する一対の角部（隅部）のみに複数の弾性バネ機構８ａと８ｃを、あるいは８ｂと８ｄを配設した構成（図１８参照）としても良い。さらに、弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを設けないで、ステージ５をリンク機構６、７のみで支持した構成（図１５参照）にすることも可能である。またステージ５の支持を補強する上で、又はθ軸周りの回転モーメントが作用することを抑制するため、必要に応じて、一つあるいは複数の弾性バネ機構による支持をステージ５の辺や角部の任意の位置に配置しても構わない。

続いて、図１２に示す実施形態の構成とその動作についてさらに詳細に説明する。図１２は、平面視（上面図）で４角形状のステージ５について、その隣接する２つの角部（隅部）に第１及び第２のアクチュエータ３、４からの推力を伝達する構成として示している。

図１２に示す実施形態では、４角形状のステージ５の一つの隅部５ｃ１を第１のリンク機構６を介して第１のアクチュエータ３の可動子１３ｘに連結し、このステージ５の隅部５ｃ１と隣り合う隅部５ｃ２を、第２のリンク機構７を介して第２のアクチュエータ４の可動子１３ｙに連結した構成にしている。また、第１のリンク機構６は、ステージ５の隅部５ｃ１を挟んで所定の間隔を設けてＹａ軸に平行に配置された２つのリンク部材６ａ、６ｂから構成されている。同様に、第２のリンク機構７は、ステージ５の隅部５ｃ２を挟んで所定の間隔を設けてＸａ軸に平行に配置されたリンク部材７ａ、７ｂから構成されている。なお、図１２では、第１及び第２のリンク機構６、７を構成する各リンク部材は、それぞれ可動子１３ｘ、１３ｙ、及びステージ５に対して回動可能なピン（ネジ）結合等の機械的な接合手段により連結された例を示しているが、図３あるいは図４に示すように、可動子１３ｘ、１３ｙ、及びステージ５と一体に成形（連結）した構成としてもよい。

また、図１２に示す実施形態において、４個の弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの各一端部は、ステージ５の四辺（図１３Aに示す５ｓ１、５ｓ２．５ｓ３、５ｓ４）と各々の辺が構成する外側面の中央部に固定され、弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの各他端部はボルト２０によりベース２へ固定されている。これにより、図１に示す実施形態と同様に、ステージ５はベース２に対して浮動した状態で弾性的に支持されている。
さらに、第１のアクチュエータ３からの推力の伝達方向を、第１のリンク機構６を連結したステージ５の隅部５ｃ１とこの隅部５ｃ１に対向する隅部５ｃ３を結ぶ対角線（Ｙａ軸）の方向と一致させている。同様に、第２のアクチュエータ４からの推力の伝達方向を、第２のリンク機構７を連結したステージ５の隅部５ｃ２とこの隅部５ｃ２に対向する隅部５ｃ４を結ぶ対角線（Ｘａ軸）の方向と一致させるように、ステージ５をベース2上に配置している。

図１３は、図１２に示す実施形態において、制御装置３０からの制御指令に基づいて、ステージ５の基準点Ｐ0（ベース２を基準に決められる移動原点となるステージ５の中心で、第１及び第２のリンク機構６、７は長方形をなす状態の時）を、目標とする座標点Ｐ１ｘ（図１３Ｂ参照）に移動させるために第１のアクチュエータ３の可動子１３ｘに矢印Ｙａ１方向の推力が伝達されたときの状態を示す。
続いて、第１のアクチュエータ３の可動子１３ｘに矢印Ｙａ１方向の推力を伝達して、ステージ５の基準点Ｐ0を目標とする座標点Ｐ１ｘに移動させるときの第１及び第２のリンク機構６、７の動作状況を、図１３Ａ〜図１３Ｄに基づいて詳細に説明する。

図１３Ａは、可動子１３ｘに推力が伝達されていないときの状況を示している。制御装置３０から移動指令がＸ軸駆動用回路３１ｘに入力され、出力される電圧値にしたがって、Ｙ軸に対して４５°の角度をなすＹａ軸のＹａ１方向への推力が可動子１３ｘに伝達されると、この推力は第１のリンク機構６を構成する２個のリンク部材６ａ、６ｂに伝達されるので、ステージ５上の中心は基準点Ｐ0から図１３Ｂに示されるＹａ軸の目標値となる座標点Ｐ１ｘに移動する。

可動子１３ｘにＹａ１方向への推力が伝達されると、可動子１３ｙとステージ５の連結部には、前記したようにθ軸周りの回転モーメントが発生するが、前記した図９において可動子１３ｘにＸ１方向の推力が伝達されたときと同様に、第２のリンク機構７を構成する２個のリンク部材７ａ及び７ｂは、図１３Ａから図１３Ｂに示すように平面視（上面図）で長方形から平行四辺形の形状に変化して、このＹａ１方向への推力はＹ軸に対して４５°の角度をなすＹａ軸に平行な並進運動に変換されることで、ステージ５の回転は抑制されるが、第２のリンク機構７の動作によって目標とする座標点Ｐ１ｘに対してＸ軸とY軸方向に図１３Ｄに示すように微小な移動誤差（ｘｅ１，ｙｅ１）が生じ、図１３Ｃに示すようにＹａ軸上の目標値とする座標点Ｐ１ｘから座標位置Ｐ２ｘへ位置誤差分、目標とする位置からずれてしまう。

一方、図１４は、図１２に示す実施形態において、制御装置３０からの制御指令に基づいて、ステージ５の基準点Ｐ0を、目標とする座標点Ｐ１ｙ（図１４Ｂ参照）に移動させるために第２のアクチュエータ４の可動子１３ｙに矢印Ｘａ１方向の推力が伝達されたときの状態を示す。以下、ステージ５の基準点Ｐ0を目標とする座標点Ｐ１ｙに移動させるときの第１及び第２のリンク機構６、７の動作状況を、図１４Ａ〜図１４Ｄに基づいて詳細に説明する。

可動子１３ｙに推力が伝達されていないときの状況を図１４Ａに示す。制御装置３０から移動指令がＹ軸駆動用回路３１ｙに入力され、出力される電圧値にしたがって、Ｘ軸に対して４５°の角度をなすＸａ軸のＸａ１方向への推力が可動子１３ｙに伝達されると、この推力は第２のリンク機構７を構成する２個のリンク部材７ａ、７ｂに伝達されるので、ステージ５のステージ上の中心は基準点Ｐ0から図１４Ｂに示されるＸａ軸の目標値となる座標点Ｐ１ｙに移動する。

可動子１３ｙにＸａ１方向への推力が伝達されると、可動子１３ｘとステージ５との連結部には、前記したようにθ軸周りの回転モーメントが発生するが、前記した図１０において可動子１３ｙにＹ１方向の推力が伝達されたときと同様に、第１のリンク機構６を構成する２個のリンク部材６ａ、６ｂは、図１４Ａから図１４Ｂに示すように平面視（上面図）で長方形から平行四辺形の形状に変化して、このＸａ１方向への推力はＸ軸に対して４５°の角度をなすＸａ軸に平行な並進運動に変換されることで、ステージ５の回転は抑制されるが、第１のリンク機構６の動作によって目標とする座標点Ｐ１ｙに対してＸ軸とY軸方向に微小な図１４Ｄに示すように移動誤差（ｘｅ２，ｙｅ２）が生じ、図１４Ｃに示すようにＸａ軸上の目標値とする座標点Ｐ１ｙから座標位置Ｐ２ｙへ位置誤差分、目標とする位置からずれてしまう。

図１３Ａ〜１３Ｃ、図１４Ａ〜１４Cに示すように、第１及び第２のアクチュエータ３、４の発生推力によって、ステージ５は第１及び第２のリンク機構６、７を介してX軸及びＹ軸に対して４５°をなす方向角度（Ｘａ軸、Ｙａ軸方向）からの推力及び変位となって入力され、X軸とＹ軸方向の分力（４５°の場合は、均等な力）に応じて変位するので、Ｘ−Ｙ平面上の任意の位置に移動する場合、例え、X軸上、又はＹ軸上であっても常に第１及び第２のアクチュエータ３、４を連動させる必要がある。したがって、第１及び第２のアクチュエータ３、４の動作によって互いにもう一方のアクチュエータに連結されたリンク機構６、７が平面視（上面図）で長方形から平行四辺形の形状に変化し、その結果、Ｘ軸とＹ軸方向それぞれに生じさせる微小な移動誤差（ｘｅ１，ｙｅ１）、（ｘｅ２，ｙｅ２）もＸ軸及びＹ軸の動作の中に常に位置誤差として含まれることになる。図１２に示す構成の実施形態では、Ｘ−Ｙ平面内の任意の位置にステージ５を移動させる場合、本実施形態の第１及び第２のアクチュエータ３、４は常に連動し協調して動作する必要があるので、前記した図９や１０図に示される動作で説明したように、リンク機構６、７が平面視（上面図）で長方形から平行四辺形の形状に変化することで生じる並進動作は、明確な位置誤差であるが、Ｘ軸及びＹ軸方向の動作の中に必然的に取り込まれており、図１２に示す実施形態では、明確な誤差とはならないことが一つの特徴となる。その結果、図８に示す実施形態に比べて制御装置３０による目標位置への収束演算の回数を減らすことも可能と考えられ、定常誤差成分を圧縮し、位置決め精度と高速化を向上する効果が期待できる。

したがって、制御装置３０からの移動指令によって第１及び第２のアクチュエータ３、４は常に協調動作し、位置検出センサ９ｘと９ｙが検出したステージ５の位置情報によって、制御装置３０は位置のフィードバック制御を行なうので、Ｘ−Ｙ平面上の目標位置は、ステージ５の現在位置は基準点Ｐ０に基づいて補正され、高速な演算処理によって瞬時に正確な目標位置に収束させることが可能となる。このとき、ステージ５をベース２上に支持している箇所の弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、図１２に示すように、Ｘ軸とＹ軸方向に対して０°の角度（Ｘ軸、Ｙ軸上）をなして配設することにより、ステージ５の回転を防止する作用も行なうことになる。

また、図８に示す実施形態では、ステージ５を単にX軸、Ｙ軸方向へ移動させる場合、第１のアクチュエータ３と第２のアクチュエータ４の動作方向をX軸、Ｙ軸上に配置しているので、各軸の独立性は図１２に示す実施形態に比べて構造的に高いものではある。しかし、第１のリンク機構６や第２のリンク機構７が平面視（上面図）で長方形から平行四辺形の形状に変化することで生じる並進誤差は図１２に示す実施形態と同様に補正する必要があり、図１２の実施形態とは相互干渉の度合いが違うので、制御特性や操作量も異なるが、２つのアクチュエータ３、４は常に連携し、積極的に協調動作しながら補正することは不可欠である。しかし、図８に示す実施形態は、図１２の実施形態とは異なり、X軸やY軸の動作に応じた並進誤差が重畳し、また操作量も幾何学的に推定し易いので、並進誤差の度合いによっては、図１２に示す実施形態以上に位置決め精度の向上や高速化が期待できる。

図１５は、ステージ５と第1及び第２のアクチュエータ３、４とを、第１のリンク機構６及び第２のリンク機構７を用いて接続しているが、ステージ５を４個の弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄで支持していない実施形態を示している。
この図１５に示す実施形態において、第１のアクチュエータ３の可動子１３ｘにＸ１方向の推力が伝達されると、図１６に示すように、第２のリンク機構７は平面視（上面図）で長方形から平行四辺形に形状が変化し、第２のリンク機構７に加わるせん断力をＹ軸方向の並進運動に変換するので、ステージ５をθ軸周りに回転させることはない。しかし、この平行リンク機構が長方形から平行四辺形に形状が変化することで生じるＹ軸上の並進誤差は、図９の実施形態と同様にステージ５をＹ２方向に動作させる。

また図１５に示す実施形態において、第２のアクチュエータ４の可動子１３ｙにＹ１方向の推力が伝達されると、図１７に示すように、第１のリンク機構６は平面視（上面図）で長方形から平行四辺形に形状が変化し、第１のリンク機構６に加わるせん断力をX軸方向の並進運動に変換するので、ステージ５をθ軸周りに回転させることはない。しかし、この平行リンク機構が長方形から平行四辺形に形状が変化することで生じるX軸上の並進誤差は、図１０の実施形態と同様にステージ５をX２方向に動作させる。

なお、図１５に示す実施形態においては、第１のリンク機構６及び第２のリンク機構７を構成するリンク部材６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂを剛性の高い部材を使用することにより、ステージ５の弾性支持部である弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを用いなくてもZ軸方向の微小な変動や振れを防止しながら、ステージ５は高精度な位置決め制御を行なうことが可能になる。

図１８は、本発明の位置決め機構について、さらに他の実施形態を示す平面図である。この実施形態においては、平面視で四角形状をなすステージ５において、対角（対向）する一対の角部（隅部）のみに、弾性バネ機構８ｂと８ｄを配設した構成としている。このように、ステージ５の対角する一対の角部（隅部）のみを弾性バネ機構で支持する構成にすることで、図１５に示す実施形態に比べて、ステージ５の支持剛性を高めること、及びθ軸周りの回転モーメントの作用を抑制する効果を高めることができる。また平面視で四角形状をなすステージ５において、もう一方の対角（対向）する一対の角部（隅部）のみに、弾性バネ機構８ａと８ｃを配設した構成とすることもできる。

図１９図は、本発明の位置決め機構について、さらに他の実施形態を示す平面図である。この実施形態は、ステージ５が平面視で四角形の形状をなしている場合、対角（対向）する一対の角部（隅部）のみに弾性バネ機構８ｂと８ｄを配設すると共に、他の角部の一つに弾性バネ機構８ｃを配設した構成、すなわち、３個の弾性バネ機構でステージ５を支持する構成、例えば、図１に示す構成からいずれか一つの弾性バネ機構を削除した構成としたものである。このような構成にすることで、図１８に示す実施形態に比べて、ステージ５の支持剛性を高めること、及びθ軸周りの回転モーメントの作用を抑制する効果をさらに高めることができる。

同様に、図１２に示す実施形態においては、特に図示しないが、ステージ５の対向するＸ軸上の一対の辺とその外側面の中央部のみに弾性バネ機構８ｂと８ｄか、又は、Ｙ軸上の一対の辺とその外側面の中央部のみに弾性バネ機構８ａと８ｃを接続した構成にして、ステージ５に必要な支持剛性やθ軸周りの回転モーメントの抑制に必要な剛性に合わせて、弾性支持機構の構成を簡素化することができる。また逆にステージ５の隅部５ｃ３や５ｃ４に弾性バネ機構を追加して、ステージ５の支持剛性をさらに高め、また軸周りの回転モーメントの作用を抑制する効果をさらに高めることも可能である。

したがって、特に図示しないが、弾性支持機構となる弾性バネ機構には、ステージ５の支持剛性を高め、さらに補強し、またθ軸周りの回転モーメントの作用を抑制する効果があるので、必要な強度や剛性に応じて、一つから複数の弾性バネ機構を平面視でステージ５の辺や角部が構成する外側面の任意の位置に配置することができる。例えば、図８に示す構成の実施形態においては、ステージ５を４つの弾性バネ機構８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄで支持しているが、８ａ、８ｂ、８ｄをなくして、弾性バネ機構８ｃだけで支持することも可能である。また、ステージ５の辺５ｓ２や５ｓ３とその外側面に弾性バネ機構を追加して、ステージ５の支持剛性をさらに高め、またθ軸周りの回転モーメントの作用を抑制する効果をさらに高めることも可能である。

続いて、図２０に基づいて、ステージ５を第１のアクチュエータ３の推力伝達部及び第２のアクチュエータ４の推力伝達部と、それぞれリンク機構６、７を介して連結するための他の実施形態について説明する。

図２０は、図3に示す本発明の実施形態について、ステージ５を、第２のアクチュエータ４の推力伝達部（可動子１３ｙ）とリンク機構７を介して一体に連結（結合）する機構を、ネジ結合により連結したＹ軸に係る例を示す平面視（上面図）を示す。なお、図２０には示していないが、ステージ５を第１のアクチュエータ３の推力伝達部（可動子１３ｘ）とリンク機構６を介して連結するＸ軸に係る機構も図２０に示すＹ軸と同様の構成になる。

図２０に示すように、平行に配設したリンク部材７ａ、７ｂを設けたリンク機構７の両端部には、所定の幅と高さを有するフランジ部２４ａと２４ｂとを一体に設ける。また、フランジ部２４ａと２４ｂにはそれぞれ複数のボルト孔２６を設ける。一方、可動子１３ｙの側面部にはフランジ部２４ａに設けたボルト孔２６と対応する位置にネジ孔２７を設ける。そして、ボルト２５を、ボルト孔２６を介してネジ孔２７にネジ込むことにより、フランジ部２４aと可動子１３ｙとを連結する。
同様にして、ステージ５の辺５ｓ１が構成する外側面にネジ孔２７を設け、ボルト２５をフランジ部２４ｂのボルト孔２６を介してネジ孔２７にネジ込むことにより、フランジ部２４ｂとステージ５とを連結する。このようにして、Ｙ軸方向における可動子１３ｙとステージ５とを、フランジ部２４ａと２４ｂとを設けたリンク機構７により、強固に連結することができる。

上記と同様な手段により、Ｘ軸方向における可動子１３Ｘとステージ５の辺５ｓ４が構成する外側面とを、フランジ部２４ａと２４ｂに設けたリンク機構６により、強固に連結することができる。なお、上記した図２０に示すフランジ部を設けたリンク機構は、図１、図１２に示す実施形態においても第１及び第２のリンク機構６、７として、そのフランジ部やリンク部材の形状を適宜変更して採用することができる。

本発明において、ステージ５と第1及び第２のアクチュエータ３、４の可動子１３ｘ、１３ｙを、リンク機構６、７を介して結合（連結）する方法は、前記したように、一体成形やネジ、ピンによる連結、あるいは接着、ロウ付け、溶接、溶着等が考えられるが、高剛性に固定できればその結合方法は限定されない。

以上に説明した本発明の実施形態において、ステージ５の形状は平面視（上面図）で四角形（正方形）をなすステージを例にして説明したが、本発明の位置決め機構において採用するステージ５の形状は、平面視（上面図）で正方形あるいは略正方形の他に、長方形、６角形、８角形などの多角形、円形、楕円形をなすステージを用いることもできる。このような形状のステージ５を採用した場合、ステージ５に連結する第１及び第２のリンク機構６と７、及び弾性バネ機構８ａ、８ｂ、・・・を接続する位置は、上記した本発明の目的を逸脱しない範囲で適宜設定するようにする。例えば、平面視（上面図）で６角形あるいは８角形の形状から構成されるステージ５を採用した場合には、その角部あるいは辺部とその外側の側面部を複数の弾性バネ機構や複数のリンク機構で支持した構成にしてもよい。

また、上記した本発明の実施形態において、アクチュエータ３、４の推力発生手段は積層型圧電素子１０ｘ、１０ｙを用いた例について説明したが、変位拡大機構を用いるのではなく、積層型圧電素子の推力を直接にリンク機構を介してステージ５に伝達する構成も採用できる。さらに、推力や直線変位（直動）を発生できるリニアモータ、ボイスコイルモータ、あるいはＡＣサーボモータ、パルスモータなどの回転型モータとボールネジ等とを組み合わせた推力発生機構を応用した推力発生手段を、第１のリンク機構６及び第２のリンク機構７を介してステージ５に推力を伝達する手段とすることも可能である。このように直動するための推力発生手段は様々考えられるが、推力発生手段そのものは、ステージ５を位置決めするための制御距離、位置決め精度等を考慮して最適な手段を適宜選択することができる。

また、Ｘ軸及びＹ軸方向に粗動するテーブルの上に、本発明の高速、且つ高精度な位置決め機構を搭載したステージ装置の構成としても良い。このようなピッギーバック方式のステージ装置では、始めにＸ軸及びＹ軸方向へ、粗動ステージによるμｍ単位の粗い第１の目標位置への位置決めを、例えばリニアモータを制御することで行い、次に、Ｘ−Ｙ平面内においてｎｍ単位の精密な目標位置に対する位置制御を行なうために、本発明の高速、且つ高精度な位置決め機構を組み合わせることで、その動作及び走査範囲を飛躍的に向上させながら、高速化を図ることが可能になる。

本発明の位置決め機構について、その一実施形態を説明するための平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面の矢視図である。 本発明の位置決め機構において、ステージと第１及び第２のアクチュエータとを接続するリンク機構の一例を説明するための平面図である。 本発明の位置決め機構において、ステージと第１及び第２のアクチュエータとを接続するリンク機構について他の一例を説明するための平面図である。 図１に示す指向性ある弾性バネ機構についての一例を説明するための斜視図である。 図１に示すベースの平面図である。 本発明の位置決め機構について、その制御方法を説明するための制御ブロック図である。 図１に示す位置決め機構について、その動作を説明するための平面図である。 同じく、図１に示す位置決め機構について、Ｘ軸方向への動作を説明するための平面図である。 同じく、図１に示す位置決め機構について、Ｙ軸方向への動作を説明するための平面図である。 同じく、図３に示す位置決め機構について、Ｘ軸方向への動作を説明するための平面図である。 同じく、図４に示す位置決め機構について、Ｘ軸方向への動作を説明するための平面図である。 本発明の位置決め機構において、ステージと第１及び第２のアクチュエータとを接続するリンク機構の他の実施形態を説明するための平面図である。 図１２に示す位置決め機構について、Ｙａ１軸方向への動作を説明するための平面図である。 図１２に示す実施形態について、Ｙａ１軸方向への動作をさらに詳細に説明するための平面図である。 同じく、図１２に示す実施形態について、Ｙａ１軸方向への動作をさらに詳細に説明するための平面図である。 同じく、図１２に示す実施形態について、Ｙａ１軸方向への動作をさらに詳細に説明するための平面図である。 同じく、図１２に示す実施形態について、Ｙａ１軸方向へ動作した場合における制御動作前の目標位置誤差を説明するための図である。 図１２に示す位置決め機構について、Xａ１軸方向への動作を説明するための平面図である。 図１２に示す実施形態について、Ｘａ１軸方向への動作をさらに詳細に説明するための平面図である。 同じく、図１２に示す実施形態について、Ｘａ１軸方向への動作をさらに詳細に説明するための平面図である。 同じく、図１２に示す実施形態について、Ｘａ１軸方向への動作をさらに詳細に説明するための平面図である。 同じく、図１２に示す実施形態について、Xａ１軸方向へ動作した場合における制御動作前の目標位置誤差を説明するための図である。 本発明の位置決め機構を、ステージと第１及び第２のアクチュエータとを接続するリンク機構だけで構成し、弾性支持機構を用いない他の実施形態を説明するための平面図である。 図１５に示す位置決め機構について、Ｘ軸方向への動作を説明するための平面図である。 図１５に示す位置決め機構について、Y軸方向への動作を説明するための平面図である。 本発明の位置決め機構について、他の実施形態を説明するための平面図である。 本発明の位置決め機構について、さらに他の実施形態を説明するための平面図である。 各要素ごとに分割して製作されたステージと第１のアクチュエータの推力伝達部及び第２のアクチュエータの推力伝達部を、リンク機構を介して機械的に連結するための他の実施形態を説明する平面図（Y軸側部分図）である。

符号の説明

１ ：位置決め機構
２ ：ベース
２ａ、２ｂ：ベース２のL型の立設側面部
３ ：第１のアクチュエータ
４ ：第２のアクチュエータ
５ ：ステージ
５ｃ１、５ｃ２、５ｃ３、５ｃ４ ：ステージ５の４つの角部（隅部）
５ｓ１、５ｓ２、５ｓ３、５ｓ４ ：ステージ５の４つの辺と各々の辺が構成する外側面
６ ：第１のリンク機構
６ａ、６ｂ：リンク部材
６ａ１、６ａ２、６ｂ１、６ｂ２：弾性ヒンジ部
６ｃ、６ｄ：リンク部材（ビーム）
７ ：第２のリンク機構
７ａ、７ｂ：リンク部材
７ａ１、７ａ２、７ｂ１、７ｂ２：弾性ヒンジ部
７ｃ、７ｄ：リンク部材（ビーム）
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ：弾性バネ機構
８ｃ１：溝部（切欠け部）
９ｘ、９ｙ：位置検出センサ
１０ｘ、１０ｙ：積層型圧電素子
１１ｘ、１１ｙ：支持部材
１２ｘ、１２ｙ：リンクビーム部
１３ｘ、１３ｙ：可動子
１４ｘ、１４ｙ：リンクビーム部
１５ｘ、１６ｘ、１５ｙ、１６ｙ：弾性ヒンジ部
１７ｘ、１７ｙ：てこ部
１８ ：ネジ孔
１９ａ：ボルト
１９ｂ：ボルト孔
２０ ：ボルト
２１ ：ボルト孔
２２ ：ナット
２３ ：ボルト孔
２４ａ、２４ｂ：リンク機構のフランジ部
２５ ：ボルト
２６ ：ボルト孔
２７ ：ネジ孔
３０ ：制御装置
３１ｘ：Ｘ軸駆動用回路
３１ｙ：Ｙ軸駆動用回路

Claims (9)

1. ステージを直交するＸ軸とＹ軸で構成される平面内を任意に移動させて、高速、且つ高精度に所定の位置に位置決めする位置決め機構において、
   ベースに固定されたアクチュエータであって、推力発生手段により発生した推力を推力伝達部を介して前記Ｘ軸方向に伝達するための第１のアクチュエータと、
   同じく、推力発生手段により発生した推力を推力伝達部を介して前記Ｙ軸方向に伝達するための第２のアクチュエータと、を備え、
   前記ステージは、前記Ｘ軸と前記Ｙ軸にそれぞれ直交する隣り合った２辺の一方で前記第１のアクチュエータの推力伝達部にリンク機構を介して連結されて、もう一方の辺で前記第２のアクチュエータの推力伝達部にリンク機構を介して連結され、対向する四つの角部が、それぞれ弾性バネ機構を介して前記ベースに支持されており、
   前記リンク機構は、互いに平行に配設されたリンク部材を備え、前記推力伝達部及び前記ステージと回動可能に連結された平行リンク機構から構成されていることを特徴とする位置決め機構。
2. 前記弾性バネ機構は、前記Ｘ軸又は前記Ｙ軸の方向に対して所定の向きに配設されていることを特徴とする請求項１に記載の位置決め機構。
3. 前記所定の向きは、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸に対して４５°の方向に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の位置決め機構。
4. 前記所定の向きは、前記Ｘ軸又は前記Ｙ軸に対して平行に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の位置決め機構。
5. 前記所定の向きは、前記Ｘ軸又は前記Ｙ軸に対して任意の角度に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の位置決め機構。
6. 前記第１及び第２のアクチュエータは、発生変位を直動できる機構から構成される前記推力発生手段を備えていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の位置決め機構。
7. 前記第１及び第２のアクチュエータの前記推力発生手段による前記発生変位を直動できる機構は、積層型圧電素子から構成されていることを特徴とする請求項６に記載の位置決め機構。
8. 前記積層型圧電素子から構成される前記第１及び第２のアクチュエータの前記推力発生手段は、その発生変位を増幅する機構を備えていることを特徴とする請求項７に記載の位置決め機構。
9. 前記第１及び第２のアクチュエータの前記推力発生手段による前記発生変位を直動できる機構は、ボイスコイルモータ又はリニアモータなどの電磁型アクチュエータから構成されることを特徴とする請求項６に記載の位置決め機構。

Images