JPS63190572A - ステ−ジ用位置決め駆動装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、移動ステージの精密位置決めに好適な位置決
め移動装置、特にピエゾ素子の伸縮を利用した位置決め
用移動装置に関する。

（従来の技術） □ピエゾ素子の伸縮を利用して移動するいわゆる尺取り
虫（インチウオーム）型移動機構については、従来から
種々の考案がなされている。その中で、径方向と軸方向
とにそれぞれ伸縮する円筒型のピエゾ素子を組み合せた
ピエゾ駆動素子を固定の丸棒上で連続変位させるよう−
に構成されて直動型ピエゾ駆動素子が精密位置決め機構
として注目されている。この公知の直動型ピエゾ駆動素
子は、第５図に示す如く、固定の丸棒４に嵌合して、こ
れをチャフキングする２個一対のピエゾ素子１および３
と、その両者に挟持されて伸び縮み可能な中間ピエゾ素
子とから構成されている。以下、その尺取り虫型移動機
構の動作原理を説明する。

先ず、第５図（ａ）に示すように左側のチャッキング用
ピエゾ素子１の印加電圧を変えてその内径を収縮させ、
丸棒４を把握させる。次に、第５図（ｂ）に示すように
中間ピエゾ素子に印加される電圧を変えて、これを右方
へ伸長させ、右側のチャッキング用ピエゾ素子３を右方
へ変位させる。

ピエゾ素子２が伸張したならば、右側のチャッキング用
ピエゾ素子３に印加される電圧を変えて内径を収縮させ
、丸棒４を把握させる。次に、左側のチャッキング用ピ
エゾ素子ｌへの印加電圧を変えて、その内径を開かせ、
同時に第５図（ｃ）に示すように、中間ピエゾ素子２へ
の印加電圧を変えてこれを収縮させ、左側のチャッキン
グ用ピエゾ素子ｌを右方へ移動させる。左側のチャッキ
ング用ピエゾ素子ｌが移動したならば、次に、左側のチ
ャッキング用ピエゾ素子への電圧を変えて、丸棒４を把
握させ、引き続き右側のチャフキング用ピエゾ素子３へ
の電圧を変えて、その内径を開き、第５図（ｄ）に示す
ように、第５図（ａ）と同じ状態にする。

上記の動作によって、ピエゾ駆動素子（１，２，３）は
中間ピエゾ素子２の伸縮量ｌたけ右方へ移動する。また
、上記のステップを繰り返すことにより、変位量の限ら
れたピエゾ駆動素子（１，２，３）をもって丸棒４上を
連続移動させることが可能となる。さらに、１回の変位
量は印加電圧の高さに応じて変化し、従って、ピエゾ駆
動素子（１，２，３）の移動速度は、印加する電圧と単
位時間中のステップ数とを変えることによって、ある程
度変化させることができる。また、このピエゾ駆動素子
（１，２，３）の変位をステージの位置決め移動に利用
すれば、ステージを一体に移動させる直動型駆動装置を
構成することが可能である。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、ピエゾ素子に印加する電圧と、応答可能
な駆動周波数とには限界が有るため、１ステップ当りの
変位量が制約され、また、単位時間当りのステップ数が
制限されるため、ピエゾ駆動素子の最高速度が制限され
るという問題点があった。また、中間ピエゾ素子の応答
できる最小電圧と、最小の変位量が存在するためピエゾ
駆動素子の移動分解能が制限され、例えばサブミクロン
程度の位置決め移動が困難となるという問題があった。

本発明は、上記従来装置の問題点を解決し、従来のもの
よりさらに小さい移動分解能を得ることができ、しかも
ピエゾ素子単独の移動速度より速い位置決めできる位置
決め移動装置を提供することを目的とするものである。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するために本発明は、ステージの移動
方向に長く伸びた駆動軸と、その駆動軸を把握可能な２
個一対の第１チャッキング用ピエゾ素子と、その第１チ
ャッキング用ピエゾ素子に挟持されて駆動軸の軸方向に
伸縮可能な第１中間ピエゾ素子とを有し且つ第１中間ピ
エゾ素子の伸縮に応じて駆動軸を軸方向に駆動する第１
ピエゾ駆動手段と、駆動軸を把握可能な２個一対の第２
チャッキング用ピエゾ素子とその第２チャッキング用ピ
エゾ素子に挟持されて駆動軸の軸方向に伸縮可能な第２
巾間ピエゾ素子とを有し且つ第２中間ピエゾ素子の伸縮
に応じてステージを駆動軸に対して相対移動させる第２
ピエゾ駆動手段とを含むことを問題解決の手段とするも
のである。

（作用） 第１ピエゾ駆動手段（２０Ａ、２０Ｂ）によって支持さ
れた駆動軸（１４）は第１巾間ピエゾ素子（２２）の伸
張または収縮に応じて軸方向に変位する。その駆動軸（
１４）とに配置された第２ピエゾ駆動手段（３０）は、
第２中間ピエゾ素子（３２）の伸張または収縮に応じて
駆動軸（１４）の軸方向に変位する。従って駆動軸（１
４）と第２ピエゾ駆動手段（３０）の単独での変位方向
を互いに異なるように第１ピエゾ駆動手段（２ＯＡ、２
０Ｂ）と第２ビニ°ゾ駆動手段（３０）とを同時に制御
することにより、第２ピエゾ駆動手段と連結するステー
ジを、駆動軸（１４）の１ステップ当りの変位量と第２
ピエゾ駆動手段（３０）単独の１ステップ当りの変位量
の差に等い量でステージ１０を変位させることができる
。また、駆動軸（１４）と第２ピエゾ駆動手段とを同方
向に変位させるように制御することにより、第１ピエゾ
駆動手段（２０Ａ、２０Ｂ）による駆動量と第２ピエゾ
駆動手段による駆動量の和に等しい量だけ、変位速度を
高めることができる。

（実施例） 次に、本発明の実施例を添付の図面に基づいて詳しく説
明する。

第１図は本発明の実施例を示す概略構成図で、移動ステ
ージ１０は、ベアリング１）を介して支持台１２上を布
石に一次元移動できるように構成されている。一方、装
置本体の一部１３には、駆動軸１４を軸方向に移動可能
に支持する２個の固定ピエゾ駆動素子２０Ａ、２０Ｂが
固設され、また、２個の固定ピエゾ駆動素子２０Ａと２
０Ｂの間には移動ステージ１０と連結する可動ピエゾ駆
動素子３０が設けられ、駆動軸１４に対して相対移動可
能に結合している。

固定ピエゾ移動素子２０Ａ、２０Ｂと可動ピエゾ素子３
０とは、それぞれ、駆動軸１４の軸方向に伸び縮み可能
な中間ピエゾ素子２２．３２を挟んで径方向に伸縮可能
な２個一対のチャッキング用ピエゾ素子２１．２３．３
１．３３が設けられている。チャッキング用ピエゾ素子
２１．２３．３１．３３の内径の縮小、拡大による駆動
軸１４のチャッキング、および中間ピエゾ素子２２．３
２の伸縮はそれぞれ印加される電圧によって制御される
。なお、チャッキング用ピエゾ素子２１．２３、および
中間ピエゾ素子２２はシェル２４内に納められ、また、
チャッキング用ピエゾ素子３１．３３および中間ピエゾ
素子３２はシェル３４内に納められており、シェル２４
は装置本体の固定部１３に固設され、シェル３４はステ
ージ１０に連結される。

さて、第１図に示す位置決め駆動装置において、中間ピ
エゾ素子２２の左右いずれの端部をシェル２４に固定す
るかによって駆動軸１４の移動方向が異り、また中間ピ
エゾ素子３２の左右いずれの端部をシェル３４に固定す
るかによって可動ピエゾ駆動素子３０単独の移動方向が
異なる。また、当然のことながら中間ピエゾ素子２２．
３２を縮小させたときと伸張させたときとでは、駆動軸
１４および可動ピエゾ駆動素子３０の移動方向が異なる
。

第２図は、上記中間ピエゾ素子２２．３２の状態の相異
による駆動軸１４と可動ピエゾ駆動素子３０単体の移動
方向を示したものである。第２図（ａ）のように、中間
ピエゾ素子２２、および３３がそれぞれ左端をシェル２
４．３４に固定されている場合には、中間ピエゾ素子２
２．３２が短縮すると、駆動軸１４は左方へ変位し、可
動ピエゾ駆動素子３０は右方へ変位する。また中間ピエ
ゾ素子２２．３２が共に伸張すると、駆動軸１４は右方
へ変位し、可動ピエゾ駆動素子３０は左方へ変位する。

また第２図（ｂ）に示すように、中間ピエゾ素子２２．
３２の右端をシェル２４．３４にそれぞれ固定した場合
には、駆動軸１４と可動ピエゾ駆動素子３０の変位方向
は、第２図（ａ）とは逆になる。上記第２図（ａ）およ
び第２図（ｂ）の場合には、中間ピエゾ素子２２と３２
とが同時に短縮または伸張するとき、駆動軸１４と可動
ピエゾ駆動素子３０との移動方向が互いに反対となる。

従って、上記のように中間ピエゾ素子２２．３２の同じ
側の端部をそれぞれシェル２４．３４に固定した場合に
は、中間ピエゾ素子２２と３２の双方を同時に短縮また
は伸張させることにより差動機構を構成することができ
る。従って固定ピエゾ駆動素子２０Ａの中間ピエゾ素子
２２と可動ピエゾ駆動素子３０の中間ピエゾ素子３２の
１ステップ当りの伸縮量にわずかな差をつけると、その
差に等しいわずかな量で１ステツプ毎にステージ１０を
移動制御することができる。

また、第２図（ａ）および第２図（ｂ）かられかる通り
、固定ピエゾ駆動素子２０Ａの中間ピエゾ素子２２が収
縮（または伸張）したときの駆動軸１４の変位方向と、
可動ピエゾ駆動素子３０の中間ピエゾ素子３２が伸張（
または収縮）したときの可動ピエゾ駆動素子３０の変位
方向とは一敗している。このように一方の中間ピエゾ素
子（例えば２２）が収縮（または伸張）するとき、同時
に他方の中間ピエゾ素子（例えば３２）を伸張（または
収縮）させる′と、ステージ１０を、雨中間ピエゾ素子
２２．３２の１ステップ当りの伸縮量の和に等しい量だ
けステージ１０を移動させることができる。この場合、
ステージの早送りが可能となる。

第２図（Ｃ）および第２図（ｄ）は共に、固定ピエゾ駆
動素子２０Ａの中間ピエゾ素子２２と可動ピエゾ駆動素
子３０の中間ピエゾ素子３２の互いに反対側の端部をシ
ェル２４．３゛４に固定した場合の駆動軸１４と可動ピ
エゾ駆動素子３０の変位方向に示した説明図である。第
２図（Ｃ）および第２図（ｄ）においては、固定ピエゾ
駆動素子２０Ａの中間ピエゾ素子２２の収縮（または伸
張）による駆動軸１４の変位方向と、可動ピエゾ駆動素
子３０の中間ピエゾ素子３２の収縮（または伸張）によ
る可動ピエゾ駆動素子３０の変位方向とは一敗している
。従って、雨中間ピエゾ素子２２および２３を同時に収
ｉ（または伸張）したときに駆動軸１４と可動ピエゾ駆
動素子３０とが変位するように構成すると、両者の変位
量の和に等しい量でステージ１０を移動させることがで
きる。

また、第２図（ｃ）及び第２図（ｄ）に示すようにピエ
ゾ駆動素子２０Ａ、３０を左右反対にして配置した構成
の位置決め駆動装置において、差動機構として動作させ
るためには、一方の中間ピエゾ素子（例えば２２）が収
縮（または伸張）したときに、他方の中間ピエゾ素子（
例えば３２）が伸張（または収縮）し、その際、駆動軸
１４と可動ピエゾ駆動素子３０とが同時に変位するよう
にすればよい。勿論、雨中間ピエゾ素子２２．３２の１
ステツプあたりの伸縮量は異なるように、電圧制御され
る。

上記の固定ピエゾ駆動素子２０Ａ及び可動ピエゾ駆動素
子３０のチャッキング用ピエゾ素子２１・２３．３１．
３３の内径の縮小、拡大および中間ピエゾ素子２２．３
２の収縮、伸張及びそのタイミングは、それぞれに印加
する電圧によって制御される。特に中間ピエゾ素子２２
、および３２を同時に収縮（または伸張）させる場合に
は、それを互いに異ならせる場合に比し、制御回路の構
成が簡単になる。従って、第２図（ａ）及び（ｂ）に示
すように、シェル２４．３４を左右を同友に配置した構
成のものは、ステージ１０を微動変位させるのに有利で
あり、また第２図（ｃ）及び（ｄ）に示すようにシェル
２４．３４の左右を反対にして配置した構成のものでは
、ステージ１０を早送りするのに有利である。

超精密位置決めのための最小変位量（以下「最小移動分
解能」と称する。）をピエゾ駆動素子単独の最小移動分
解能よりさらに小さいものにするには、最小移動分解能
が互いに異なる固定ピエゾ駆動素子と可動ピエゾ駆動素
子とを、例えば第２図（ａ）に示すように組み合わせる
とよい。

第３図は、第１図の装置を差動機構として動作させ、最
小移動分解能を個々のピエゾ駆動素子の最小移動分解能
より更に小さくした位置決め装置の動作説明図である。

第３図において、装置本体の一部１３に固設された固定
ピエゾ駆動素子２０Ａ（他方の固定ピエゾ駆動素子２０
Ｂは２０Ａと全く同じ動作をするので省略されている。

）の最小移動分解能λ１は、可動ピエゾ駆動素子３０の
最小移動分解能λ２より小さいものに構成されている。

以下、第３図の（ａ）〜（ｇ）の順にその動作を詳しく
説明する。

先ず第３図（ａ）において、固定ピエゾ駆動素子２ＯＡ
のチャッキング用ピエゾ素子２１．２３及び可動ピエゾ
駆動素子３０のチャッキング用ピエゾ素子３１．３３は
、共に駆動軸１４を把握しており、ステージ１０は停止
されている。

次に、それぞれ右側のチャッキング用ピエゾ素子２３．
３３に所定の電圧を印加して、第３図（ｂ）に示すよう
にそのチャッキング用ピエゾ素子２３．３３の内径を拡
張させて開かせる。この場合、それぞれの中間ピエゾ素
子２２．２３は第３図（ａ）と同様に収縮したままに保
持される。

次に、固定ピエゾ駆動素子２０Ａと可動ピエゾ駆動素子
３０の中間ピエゾ素子２２および３２に所定電圧を印加
して第３図（Ｃ）に示す如く一方の中間ピエゾ素子２２
を最小移動分解能λ、たけ右方へ伸張させ、同時に他方
の中間ピエゾ素子３２を最小分解能λ２だけ右方へ伸張
させる。第３図の実施例では、固定ピエゾ駆動素子２０
Ａの最小分解能λ１は、可動ピエゾ駆動素子３０の最小
分解能λ２より小さい。これにより、固定ピエゾ駆動素
子２０Ａの右側のチャッキング用ピエゾ素子２３はλ１
だけ右方へ変位し、可動ピエゾ駆動素子３０の右側のチ
ャッキング用ピエゾ素子３３はλ２だけ右方へ変位する
。

双方の中間ピエゾ素子２２．３２がそれぞれ伸張したな
らば、右側のチャッキング用ピエゾ素子２３．３３に印
加される電圧を変え、それぞれの内径を縮小させて第３
図（ｄ）に示すように、駆動シャツｌ−１４を把握させ
る。双方の右側のチャフキング用ピエゾ素子２３．３３
が駆動シャフト１４を把握したならば、次に双方の左側
のチャッキング用ピエゾ素子２１．３１の印加電圧を変
え、第３図（ｅ）゛に示すように双方の左側チャッキン
グ用ピエゾ素子２１．３１を開かせる。次に中間ピエゾ
素子２２．３２への電圧の印加を断つと、中間ピエゾ素
子２２及び３２はそれぞれλ１、λ２だけ縮小する。そ
の際、駆動軸１４は第３図（ｅ）に示すようにλ、だけ
左方へ移動し、可動ピエゾ駆動素子３０は駆動軸１４に
対してλ２だけ右方へ移動する。従って可動ピエゾ駆動
素子３０の総合最小移動分解能Δλは次式によって与え
られる。

Δλ＝λ２−λ１ 可動ピエゾ駆動素子３０がΔλだけ変位したならば、左
側のチャッキング用ピエゾ素子２１．３１の印加電圧を
変え、それぞれの内径を縮小させて、第３図（ｇ）に示
す如く駆動軸１４を固定ピエゾ駆動素子２０Ａにより固
定し、可動ピエゾ駆動素子３０はその駆動軸１４に対し
て固定される。

上記のステップを繰り返すことにより、比較的長い移動
距離内で極めて小さい最小移動分解能Δλを維持するこ
とができる。

第３図の実施例の動作から明らかな如く、２個の中間ピ
エゾ素子２１．３１を互いに同じ方向に伸縮させること
によりステージｌＯの最小移動分解能をより小さくする
ための差動機構が構成される。その中間ピエゾ素子２１
．３１を互いに異なる方向に伸縮させると、ステージ１
０の１ステップ当りの変位量は、駆動軸１４の変位量と
可動ピエゾ駆動素子３０の変位量との和とすることがで
き、ステージ１０の移動速度を速くすることが可能とな
る。第４図は、ステージ１０の移動速度を可動ピエゾ駆
動素子の２倍にまで高めた実施例の動作図である。

第４図において、固定ピエゾ駆動素子２０Ａと可動ピエ
ゾ駆動素子３０のチャッキング用ピエゾ素子２１．２３
．３１．３３は、第４図（ａ）に示すように、それぞれ
駆動軸１４をチャッキングしており、ステージＩＯは装
置本体の固定部１３に対して移動不能に固定されている
。また、双方の中間ピエゾ素子２２．３２はそれぞれ短
縮状態に置かれている。先ず、固定ピエゾ駆動素子２０
Ａの左側のチャッキング用ピエゾ素子２１と可動ピエゾ
駆動素子３０の右側のチャッキング用ピエゾ素子３３へ
の印加電圧を変えて、それぞれの内径を拡張させて、第
４図（ｂ）に示す如く、それぞれのチャッキング作用を
解除させる。次に双方の中間ピエゾ素子２２．３２に所
定の電圧を印加して、双方共に変位量ａだけ伸張させる
。これにより、固定ピエゾ駆動素子２０Ａの左側のチャ
ッキング用ピエゾ素子２１は第４図（ｃ）に示すよ−う
にａだけ左方へ変位し、また、可動ピエゾ駆動素子３０
の右側のチャフキング用ピエゾ素子３３はａだけ右方へ
変位する。

次に、第４図（ｄ）に示すように、チャ７キング用ピエ
ゾ素子２１．３３の印加電圧を変えて、駆動１４をチャ
ックさせ、引き続き第４図（ｅ）に示すように、固定ピ
エゾ駆動素子２０Ａの右側のチャッキング用ピエゾ素子
２３と可動ピエゾ駆動素子３０の左側のチャッキング用
ピエゾ素子３１との内径を開かせる。この状態において
中間ピエゾ素子２２．３２を第４図（ｆ）に示すように
それぞれａだけ縮小させると、駆動軸１４は固定ピエゾ
駆動素子２ＯＡに対してａだけ変位し、さらに可動ピエ
ゾ駆動素子３０は、その駆動軸１４に対してａだけ変位
し、都合２ａだけ最初の位置〔第４図（ａ）の位置〕か
ら右方へ変位する。

従って印加電圧の周期が一定であってもその移動速度を
可動ピエゾ駆動素子３０の変位量の２倍にすることがで
きる。最後に第４図（ｇ）に示すように、チャッキング
用ピエゾ素子２１．２３．３１．３３にて駆動軸１４を
チャックさせ、ステージ１０を装置本体の固定部１３に
対して固定し一連の動作を終了する。

なお、第３図に示す実施例において、一方の中間ピエゾ
素子（例えば２２）が収縮（または伸張）するとき、他
方の中間ピエゾ素子（例えば３２）が伸張（または収縮
）するように回路構成がなされていないときは、いずれ
か一方のピエゾ駆動素子（２０Ａまたは３０）のみを動
作させ、且つ印加電圧の周波数を上げることによって、
ある程度までステージ１０の移動速度を上げることがで
きる。また同様に、第４図に示す実施例において、雨中
間ピエゾ素子２２と３２との伸縮動作を互い反対にさせ
るように回路構成がなされていない場合には、いずれか
一方のピエゾ駆動素子（２０Ａまたは３０）のみを動作
させることにより、そのピエゾ駆動素子の最小移動分解
能でステージを変位させて精密位置決めを行わせること
ができる。また、第３図および第４図の動作図では、共
に中間ピエゾ素子２２．３２が収縮したときに駆動軸１
４と可動ピエゾ駆動素子３０とが同時に変位するように
構成されているが、双方共に伸張したときに駆動軸１４
と可動ピエゾ駆動素子３０とが変位するように構成して
もよい。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明によれば、固定ピエゾ駆動素子（第１
ピエゾ駆動素子）によって軸方向に駆動される駆動軸上
を、ステージと連結する可動ピエゾ駆動素子（第２ピエ
ゾ駆動素子）が移動するように構成したから、双方のピ
エゾ駆動素子の合成変位量でも、また、それぞれのピエ
ゾ駆動素子単独の変位量でも自由に選択してステージを
移動させることができる。従って、比較的簡単な構成で
ピエゾ駆動素子単独の最小移動分解能より小さい移動分
解能をもって、ステージの全移動域に亘って位置決めす
ることが可能となり、また単独のピエゾ駆動素子による
送り速度より速い速度でステージを移動させることも可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す概略構成図で、第２図は
、第１図実施例における固定ピエゾ駆動素子と可能ピエ
ゾ駆動素子との異なる組合せ配置によって駆動軸と可能
ピエゾ駆動素子単独の変位方向が変化することを示す説
明図、第３図は、可動ピエゾ駆動素子単独の変位方向と
固定ピエゾ駆動素子による駆動軸の変位方向とが異なる
場合の、双方のピエゾ駆動素子の動作の一例を示す動作
説明図、第４図は、可動ピエゾ駆動素子単独の変位方向
と固定ピエゾ駆動素子による駆動軸の変位方向が同じ場
合の、双方のピエゾ駆動素子の動作の一例を示す動作説
明図、第５図は従来公知の位置決め用ピエゾ移動機構の
動作説明図である。 〔主要部分の符合の説明〕 １０・・・ステージ、　　　１４・・・駆動軸２０Ａ、
２０Ｂ・・・固定ピエゾ駆動素子（第１ピエゾ駆動手段
） ２１．２３・・・チャッキング用ピエゾ素子（第１チャ
ッキング用ピエゾ素子） ２２・・・中間ピエゾ素子（第１中間ピエゾ素子）３０
・・・可動ピエゾ駆動素子（第２ピエゾ駆動手段）３１
．３３・・・チャッキング用ピエゾ素子（第２チャッキ
ング用ピエゾ素子） ３２・・・中間ピエヅ素子（第２中間ピエゾ素子）２４
．３４・・・シェル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ステージの移動方向に長く伸びた駆動軸と； 前記駆動軸を把握可能な２個一対の第１チャッキング用
   ピエゾ素子と該第１チャッキング用ピエゾ素子に挟持さ
   れて前記駆動軸の軸方向に伸縮可能な第１中間ピエゾ素
   子とを有し且つ前記第１中間ピエゾ素子の伸縮に応じて
   前記駆動軸を軸方向に駆動する第１ピエゾ駆動手段と； 前記駆動軸を把握可能な２個一対の第２チャッキング用
   ピエゾ素子と該第２チャッキング用ピエゾ素子に挟持さ
   れて前記駆動軸の軸方向に伸縮可能な第２中間ピエゾ素
   子とを有し且つ前記第２中間ピエゾ素子の伸縮に応じて
   前記ステージを前記駆動軸に対して相対移動させる第２
   ピエゾ駆動手段とを含むことを特徴とするステージ用位
   置決め駆動装置。
2. （２）前記第１ピエゾ駆動手段（２０Ａ、２０Ｂ）と前
   記第２ピエゾ駆動手段（３０）とは、それぞれ異なる最
   小移動分解能を有することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のステージ用ピエゾ駆動装置。