JPS62180407A - 圧電式アクチユエ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は例えば半導体製造装置等における超精密位置決
め機構等に適用される圧電式アクチュエータに関する。

〔従来の技術〕

近年、例えば半導体製造装置の位置決めや光学装置の光
路制御等を行なう場合において、極めて高精度な超精密
位置決め機構が必要とされるに至っている。このような
超精密位置決め機構における位置決め用アクチュエータ
としては種々のものがあるが、たとえば半導体１１１造
装置に用いられるＸＹステージ・ステッパー等には直流
モータなどの電磁型アクチュエータが主として用いられ
てきた。

第５図は半導体製造装置に用いられるＸＹステージを示
す図である。図示の如く固定ステージ１上に設置された
Ｘ方向直流モータ２によりＸ方向スタテージ３を矢印Ｘ
のように移動゛さゼ、上記Ｘ方向ステージ３上に設置さ
れたＹ方向直流モータ４によりＹ方向ステージ５を矢印
Ｙのように移動させるものとなっている。

上記直流モータ等の電磁型アクチュエータにおいては、
精度がよくない、軸熱量が大きい、ノイズを発生し易い
、磁界を発生し易い、効率が悪い、温度特性がよくない
、バックラッシュや残留振動が起り易い、といった欠点
がある。

これに対し最近は、高精度な印加電圧−変位特性が期待
できる新しいアクチュエータとして、圧電素子を利用し
た圧電式アクチュエータが盛んに研究されている。圧電
式アクチュエータは、大別すると積層型と、バイモルフ
型と、圧電モータ型とに分けられるが、ＸＹステージ駆
動用アクチュエータのように、大きな荷重の移動を要す
る場合には、発生力の大きな積層型が適している。

第６図は積層型圧電式アクチュエータの概要を示す図で
ある。同図に示すように、円板または角板からなる厚み
が１００〜５００−程度の圧電セラミックス６を多数枚
積層し、結線７．８を施し、端子９．１０から所定の大
きさおよび極性の電圧を印加するものとなっている。こ
の積層型圧電式アクチュエータは、圧電セラミックス６
の圧電定数をｄ３３、積層枚数をｎ１印加電圧をＶとす
ると、 ΔＸ−ｎ・ｄ３３−ｖ なる変位量を生じる。そして構造にもよるが、一般に０
．０ＩＩＪ！Ｒ以下の位置決め精度を実現可能とされて
いる。しかしながら、この１！１１型圧電式アクチュエ
ータには、変位量−印加電圧特性にヒステリシス現像と
クリープ現象が生じるという難点がある。したがって前
記した超精密位置決めは構に適用する場合には、上記現
象を無視することはできない。ヒステリシスおよびクリ
ープ現象を補償する手段として、変位センサーを用いて
圧電式アクチュエータによる変位量を検出し、その変位
ｍに応じて印加電圧の補正を行なう手段が種々試みられ
ている。上記変位センサーとしては、抵抗式、電磁誘導
式、容量式、光学式等の各種方式のものがある。以下こ
れらの各方式のセンサーの長短について説明する。

「抵抗式」 抵抗式センサーの一つに、金Ｂ線歪みゲージを被変位対
象物に張付け、この対象物の歪みに応じて金属線歪みゲ
ージに生じる抵抗変化を電気的に取出すものがある。最
近は半導体を用いたピエゾ効果を用いることによって、
応答周波数が高く（〜１９ＭＨｚ）、抵抗変化率が大き
な変位センサーが得られている。感度は歪み（Δａ／β
）で１０４〜１０−８の高感度を有しているが、半面、
温度特性が悪い上、電気的ノイズに弱いという欠点を有
している。

抵抗式センサーの他の一つに、ヘリカル可変抵抗器をポ
テンショメータとして利用したものがある。これは、摺
動部に得られる抵抗値変化を電気的に取出すものである
。この変位センサーの分解能は約１０′１譚、応答周波
数は１００ＫＨｚであり、半導体歪みセンサーに比べる
と、性能的に劣っている。なおこれらのほか、最近は磁
気抵抗効果を用いた無接触型の磁気ポテンショメータか
らなるセンサーも実現されている。このセンサーは、分
解能が１０°３−とすぐれており、摺動ノイズがなく、
寿命も半永久的であるといった特徴を有しているが、半
導体であるために、ＶＡｒ！！、特性の点で問題がある
。

「１１磁誘導式］ 電！ｌ誘導式センサーとしては、差動トランスを用いた
ものが、最も良く知られている。第７図はその一例を示
す図で、１１は一次コイル、１２ａおよび１２ｂは二次
コイルである。上記コイル内には、変位体１３を一端に
備えた可動子としての磁性体コア１４が軸方向に摺動自
在に挿入されている。今、端子１５に入力が与えられて
いる状態において、コア１４の位置が変化すると、コイ
ルインダクタンスが変化し、その変化に応じた出力が端
子１６．１７に取出される。端子１６．１７に取出され
る出力を逆穫性に加えると、変位位置に対応した差動出
力が得られる。分解能は１−程度であるがロックインア
ンプを利用するなどの工夫をすると、１０４−程度は可
能となる。ただし応答速度は１００１ｈ以下であり、非
常に遅い。

「容量式」 容量式センサーは、対向配置された一対の平面電橋で空
気コンデンサを形成し、電極間の距離変化に応じて、空
気コンデンサの容量が線形的に変化することを利用した
センサーである。このセンサーは感度はよいが、応答周
波数が低いという欠点がある。

「光学式」 光学式センサーは光学的原理を利用したセンサーであり
、変位母検出部に電気的配線を全く用いる必要がない上
、磁気的手段による磁界の影響も受けない。したがって
積層型圧電式アクチュエータのように、高電圧駆動を行
なうデバイスに適用する場合において、電気的手段等を
用いるものに比べて好ましいと言える。特に光の干渉効
果を利用したものは、精度がよく、従来ステッパー用ス
テージの変位量センサーとして多用されている。

第８図はその一例すなわちマイケルソン型干渉計を用い
たセンサーを示す図である。第８図において、１８はレ
ーザ光、１９はハーフミラ−１２０は変位体、３１は反
０’ｌ！ｌ！、２２は光検出器である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上述べた各センサーのうち、積層型圧電アクチュエー
タへの適用を考えると、第８図に示したような光干渉計
を利用したセンサーが最も望ましいと考えられる。しか
るに上記センサーには次のような解決すべき問題があっ
た。すなわち、光干渉計を利用したセンサーにおいては
、その光路の屈折率擾乱を受けると、それに対応したノ
イズが発生するので、光路の振動２ｍ度変化等に対する
安定性に格別の配慮をする必要がある。また外乱光もな
いようにする必要があるのは当然である。

このような事情を考えると、変位によって光路が変化す
る部分を密閉型にする必要がある。このため構造が複雑
化し、大形化する難点があった。

そこで本発明は、圧電積層体内に、電気的、磁気的な影
響を受け、ない光学式変位センサーを内装することによ
り、ヒステリシスやクリープ現象がなく、高精度、長寿
命な動作が期待できる、構成簡単で小型な圧電式アクチ
ュエータを提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を解決し、目的を達成するために次
のような手段を講じた。すなわち、環状をなす複数の圧
電素子をＨＡｍｂた筒状圧電積層体を設け、この筒状圧
電積層体の変位端に変位体を取付け、この変位体の変位
量を計測するように前記筒状圧電積層体の中空部内に光
学式変位センサーを設け、上記光学式変位センサーによ
り検出された変位ｍに基いて前記圧電積層体のヒステリ
シス特性を補正するようにする。

〔作用〕

変位センサーとして光学式変位センサーを用いているの
で、電気的、磁気的な影響を受けずにすむ上、その光学
式変位センサーが筒状圧電積層体の中空部内に設けられ
ているので、光学的ノイズも受けずにすみ、構成も簡単
化することになる。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例の外観を示す斜視図であり
、第２図は同実施例の所面図である。第１図および第２
図において、３１はエリンバ−やチタンのような金属材
料で形成された台座であり、この台座３１の上にはハウ
ジング３２が設けられている。このハウジング３２の中
には、環状をなすワッシャ型ＰＺＴ圧電セラミックス板
にＴＩ極板を接合してなる圧電素子３３を、多数枚（ｎ
枚）積層した筒状圧電積層体が設置されている。そして
この積層体の各′Ｒ極間は、結線３４を施されることに
より１層おきに並列接続され、高耐圧コネクタ３５に接
続されている。かくしてこの高耐圧コネクタ３５を介し
て駆動電圧Ｖを前記積層体の圧電素子３３に印加すると
、変位端（口中上端部）には Δｘ−ｎ−ｄ３３　−ｖ なる変位量が生じるものとなっている。なお変位量ΔＸ
は、圧電素子３３の１１！１当りの厚みには直接影響さ
れないので、上記厚みｔをできる限り薄くし、積層体の
全長を短くすることが望ましい。

ただし厚みｔを薄くし過ぎると、耐圧限界を越え、絶縁
破壊を起こすので、その防止手段すなわら、圧電セラミ
ックス自体の耐圧を上げること、えん面放電による破壊
が起り難い構造にすること、等が必要である。前者の具
体的手段としては、ＰＺＴセラミックスの焼成をホット
プレスや酸素雰囲気焼成により行なうことにより高焼結
密度のＰＺＴセラミックスを得るようにすればよい。ま
た優者の具体的手段としては、板間電極が外側面まで現
われないような構造とする等の手段を講じればよい。

上記筒状圧電積層体の変位端（図中上端部）には、内面
を鏡面３６とし、外面に変位体（対象物に変位を与える
部分）３７を取付けた円板状の金属ないし樹脂製のディ
スク状支持部材３８が固定されている。ディスク状支持
部材３８の材質は、本圧電式アクチュエータによる被変
位対象物の最大負荷愚に合わせて決めるべきである。す
なわち負荷の小さい場合にはプラスチックのような柔ら
かい材料でもよいが、負荷が大きい場合にはエリンバ−
やチタンのような高硬度の金属材料が望ましい。

前記台座３１の中心部には半導体レーザ３９およびコリ
メートレンズ４０からなる光源が装着されている。この
光源の出射方向すなわち前記積層体の中空部内方側には
、ハーフミラ−を備えたプリズム４１が配設されている
。このプリズム４１のハーフミラ−の上には、他端にハ
ーフミラ−４３を備えたガラス製の円柱または角柱ロッ
ド４２が、光軸と同軸的でかつ前記鏡面３６と平行な状
態となるように、一体向に配設されている。前記プリズ
ム４１のハーフミラ−と水平に対向するように、前記台
座３１には、上記ハーフミラ−の反射光を外部に導出す
るための光コネクタ４４が設けられている。なお本実施
例の構造において、ロックイン法によって変位聞測定精
度を向上させるには、半導体レーザ３９をω、なる周波
数で点滅させ、この周波数を参照周波数として出力干渉
光との積をとればよい。

このように構成された本実施例によれば、光干渉計を利
用した光学式変位センサーを筒状圧電積層体の内部に収
容したものとなっているので、電気的、ｌａ磁気的影響
および光学的ノイズを受けずに、圧電素子のヒステリシ
スやクリープ現象を補正可能である。しかも、光学式変
位センサーを外部光から遮蔽するために、格別な密閉室
を別設する必要がないので、構造が簡単で小型に製作可
能である。

第３図は本発明の第２実施例の外観を示す斜視図であり
、第４図は同実施例の断面図である。本実施例が前記第
１実施例と異なる点は、レーザ光源を本圧電式アクチュ
エータとは別個に設置し、そのレーザ光源からの光をア
クチュエータ内へ導入するための手段を講じた点である
。すなわち４０は外部レーザ光源からの光導入端に設け
た光コネクタであり、４６は上記光コネクタ４５からの
光を直角に反射して前記コリメータレンズ方向へ導くた
めのミラーである。上記以外は前記第１実施例と同一構
成であるので、同一部分には同一符号を付して説明は省
略する。なお本実施例においては、外部レーザ光源から
の光を導入するために、光コネクタ４５およびミラー４
６からなる光導波路を用いたが、この部分に光ファイバ
ーを用いてもよい。このようにすれば、ミラー４６が不
要となる上、このミラー４６を精度よく角度設定しなけ
ればならない、といった製作上の困難性を除去できる利
点がある。またこの実施例において、ロックインアンプ
を用いた計測を行なう場合には、本圧電アクチュエータ
の外部にチョッパなどの手段で参照信号周波数ω、を発
生させ、出力干渉光との積をとることにより、精度の高
い変位置測定が可能となる。

なお本発明は前記各実施例に限定されるものではな（、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であ
るのは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、筒状圧電積層体の中空部内に、光学式
変位センサーを内装するようにしたので、電気的、磁気
的、さらには光学的ノイズの影響を受けずに、ヒステリ
シスやクリープ現象がなく、高精度、長寿命な動作が期
待できる、構成簡単で小型な圧電式アクチュエータをを
提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の外観を示す斜視図、第２
図は同実施例の構成を示す断面図、第３図は本発明の第
２実施例の外観を示す斜視図、第４図は同実施例の構成
を示す断面図である。第５図〜第８図は従来技術を示す
図で、第５図はＸＹステージの平面図、第６図は積層型
圧電式アクチュエータを示す正面図、第７図は差動トラ
ンス式センサーを示す図、第８図は光干渉計センサーを
示す図である。 ３１・・・台座、３２・・・ハウジング、３３・・・圧
電素子、３４・・・結線部、３５・・・高耐圧コネクタ
、３６・・・鏡面、３７・・・変位体、３８・・・ディ
スク状支持部材、３９・・・半導体レーザ、４０・・・
コリメートレンズ、４１・・・プリズム、４２・・・ガ
ラス製Ｏツド、４３・・・ハーフミラ−１４４，４５・
・・光コネクタ、４６・・・ミラー。 出願人代理人　弁理士　坪井　淳 第１　図 第２図 Ａ１（コＱ ｆｉ５図　　　　　　　第７図 第６図　　　　　　第８図 一毛続？１［１丁Ｅ−需 昭和　　年６１ｉｐ・２６日 １ｈム１庁長官　　学費　退部　殿 １　、　”Ｊｉ作の表示 特願昭６１−０２２５００舅 ２、発明の名称 圧電式アクチコエータ ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 （０３７）　７Ｊリンバス光学−Ｌ業株式会社４、代理
人 東京都港区虎ノ門１丁目２６番５号第１７森ビル〒１０
５　　　電話　０３（５０２）３１８１　　（大代表）
６、補正の対象 明＠実全文 ７、補正の内容

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　環状をなす複数の圧電素子を積層した筒状圧電積層体
   と、この筒状圧電積層体の変位端に取付けた変位体と、
   この変位体の変位量を計測するように前記筒状圧電積層
   体の中空部内に設けられた光学式変位センサーとを具備
   し、上記光学式変位センサーにより検出された変位量に
   基いて前記圧電積層体のヒステリシス特性を補正するよ
   うにしたことを特徴とする圧電式アクチュエータ。