ピエゾステージは、ピエゾ素子（圧電素子）と呼ばれる特殊な材料を利用して、物体を精密に移動させ、位置決めする装置です。圧電素子は、振動や電圧が加わると伸縮する素子で、この特性のお陰で精密な動きが可能です。
本記事では、ピエゾステージの特徴や活用例、ピエゾステージを取り扱うメーカーを解説します。
ピエゾステージとは、圧電素子と呼ばれる特殊な材料に電圧を加えることで、精密な伸縮や変位を利用し、高精度な位置決めを実現するステージです。一般的なステージではモータやボールねじを使って大きな距離を移動させますが、ピエゾステージはナノメートル単位の微細な動きに特化している点が特徴。超精密加工や光学実験、半導体製造装置の位置合わせなど、極限まで高い精度が要求される分野で幅広く利用されています。
また、圧電素子は応答速度が速く、制御信号の変化に対して短時間で動作可能なため、振動制御や高速スキャンなどの用途にも適しています。
移動できる範囲（ストローク）は数ミクロンから数百ミクロン程度と比較的小さいため、広範囲をカバーする必要がある場合は他の機構と組み合わせることも。このような特性を生かし、極めて微小な段差や位置ずれを高精度に調整する必要がある研究や検査工程などで、重要な役割を担っています。
ピエゾステージはピエゾ素子を使用して動作し、ナノメートル単位での位置決めが可能です。これにより、極めて高精度な制御が求められる応用に適しています。
ピエゾ素子は電気的な応答が非常に速いため、ピエゾステージは高速な位置決めや振動制御が可能です。この特性により、迅速な調整や操作が求められる場面で有利です。
ピエゾステージは機械的な可動部分が少ないため、非常に高い安定性と剛性を持ちます。これにより、外部からの振動や衝撃に対しても高い耐性を持ち、精度の高い位置決めを維持します。
AFMでは、試料表面のナノメートルスケールの凹凸を測定するためにピエゾステージが使用されます。高精度な位置決めと高速応答により、詳細な表面構造の観察が可能です。
光学顕微鏡では、試料の焦点をナノメートル単位で調整するためにピエゾステージが使用されます。これにより、微細な構造や細胞の観察が精密に行えます。
レーザー干渉計では、光路長の微調整にピエゾステージが使用されます。高精度な位置決めにより、干渉パターンの安定性と精度が向上します。
半導体製造プロセスにおけるリソグラフィー装置や検査装置で、ウェハーの位置決めにピエゾステージが使用されます。これにより、高精度なパターン形成や欠陥検出が実現します。
光通信分野で、光ファイバーの位置合わせにピエゾステージが使用されます。ナノメートル単位での精密なアライメントが必要なため、高精度な位置決めが可能なピエゾステージは不可欠です。
位置決めステージは"大は小を兼ねない"機器。ピッタリの精度で動く「ちょうどいいステージ」が必要です。だからこそ、豊富なラインナップを持つメーカーに相談するのが一番の近道。ただ、それでも見つからなかった場合に備えて、カスタム開発に取り組む会社を選んでおくとベターです。
このサイトではその両方を兼ね備えたおすすめのメーカーを、ピエゾステージ・ステッピングモータステージ・リニアモータステージという動作範囲の違う3種類ごとに紹介しています。ぜひ導入の参考にしてみてください。
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ピエゾステージとピエゾモータステージは、どちらも圧電素子を利用して動作する位置決めステージですが、それぞれの動作原理と特徴には大きな違いがあります。
ピエゾステージは、圧電素子が電圧に応じて伸び縮みする性質を直接利用してテーブルを動かすタイプのステージです。圧電素子そのものの物理的な変位により駆動するため、高い分解能と応答速度を持っています。ただし、圧電素子の変位量には限界があるため、移動できる距離（ストローク）はかなり限定的です。主に、ナノメートル単位の微細な動きを高速かつ正確に制御する必要がある用途に向いています。
一方ピエゾモータステージは圧電素子で構成された複数の足（LEGS）を巧みに使い、これらの足が交互に伸びたり曲がったりを繰り返すことでテーブルを少しずつ前に進めるという仕組みで動作します。
通常のピエゾステージとは異なり、長距離の移動（長ストローク）が可能。分解能も高く、さらに電源を切っても保持力によって停止位置を保つことができるという特徴があります。これは、エネルギー消費の抑制や安全性の確保といった点で有利といえるでしょう。
直動系のピエゾステージは、XY軸、Z軸、XYZ軸といった構成があります。これらは名前の通り、X軸やY軸、Z軸方向に高精度で直線的な移動を行うためのステージです。XY軸タイプは平面上での位置決めに適しており、Z軸タイプは上下方向の調整、XYZ軸タイプは三次元空間内での精密な位置制御に使われます。半導体検査装置や顕微鏡ステージなど、高精度な平面・空間位置決めが求められる場面でよく利用されます。
種類として、回転タイプ、ゴニオタイプ、チルトタイプ、そして光学ミラーアライメント用のステージなどがあり、これらは角度の制御を目的としています。たとえば回転タイプは軸方向の回転、ゴニオタイプは円弧状の傾き調整、チルトタイプは特定の軸を中心とした傾き操作に用いられます。特に光学ミラーアライメント用ステージは、光学系の反射角や入射角を極めて正確に調整するために使われ、レーザーシステムや干渉計などの光学アライメント用途で非常に重要です。
顕微鏡においてレンズの高さ（Z方向）を微細に調整するために設計されています。生物観察や微細構造の検出といった用途で、ナノメートル単位のフォーカス調整が可能。観察精度の向上のため使用されます。
ナノレベルの制御が必要な加工機器に組み込まれ、極めて高い位置決め精度を持つピエゾステージです。ナノインプリントや超精密切削、電子部品の製造など、高度な精度を要求される分野で使われます。加工対象の寸法や形状が微細であるため、わずかなズレも許されないため、ピエゾステージの性能が製品の品質を左右することも少なくありません。
過酷な使用環境に対応するために設計されたピエゾステージです。このモデルでは、圧電素子を金属ケース内に封入することで、外気との接触を防いでいます。その結果、温度や湿度の変化による影響を軽減できるため、恒温室以外の環境下にある装置や、液体を扱う機器でも安定して使用することが可能です。
移動テーブルの中央に開口部を備えた設計が特徴です。この開口部は、光学素子やレーザービームの通過、観察光路の確保といった目的で利用されます。たとえば、顕微鏡下で試料の上下両面から観察や照明を行うような場合や、ビームの精密な調整が必要な光学実験系において用いられます。
また、スリムで省スペースな構造のものがあるため、装置へ組み込む際の自由度が高い点も特徴です。
内蔵の変位センサとして「歪みゲージ方式」を採用しており、コストパフォーマンスに優れた構成となっています。歪みゲージは圧電素子の変形を電気信号として検出するシンプルなセンサであり、比較的安価に実装できる点が特徴。試作機や研究開発用途など、予算が限られた環境でも高い精度の位置決め制御を可能にします。
ピエゾステージにかかる負荷は「質量負荷タイプ」と「弾性負荷タイプ」に大別されます。質量負荷タイプでは、ピエゾ素子の変位量に関係なく、発生力が一定に保たれます。一方で弾性負荷タイプは、変位が進むにつれて負荷からの反力が変化するため、ピエゾの発生力にも変動が生じます。弾性負荷を伴う場合、アクチュエータの剛性とのバランスが重要になり、取り付け構造や荷重条件に応じて適切なモデルを選ばなければ、性能を活かしきれなくなるおそれがあります。
ピエゾアクチュエータのストロークは、理論上の最大変位量（フルストローク）と、実際に得られる変位量が一致しない点に注意が必要です。これは、外部からの荷重によってピエゾ素子が一部収縮するためで、見かけ上のストロークが短くなってしまうからです。この影響を考慮するには、ピエゾの剛性と負荷側の弾性を解析し、最大応力下でのピエゾの収縮量をあらかじめ計算することが求められます。一般的には、フルストロークの約80%が実効ストロークとして理想的とされています。
ピエゾ素子は位置決め用としてだけでなく、一定の力を発生させるアクチュエータとしても利用されます。最大発生力はブロッキングフォースと呼ばれ、ピエゾが全く変位しない（伸びがゼロの）状態で最大電圧を印加したときに得られる力です。これはピエゾ素子の断面積に比例して大きくなります。使用環境で求められる発生力がブロッキングフォース以下であることを前提に選定を行う必要があります。
駆動速度は、「特定の振幅での周波数駆動」または「点Aから点Bへの移動にかかる時間」という2つの形式で表現されます。速度の大小はピエゾ素子の静電容量、ドライバの出力電流、移動対象の質量、外部プリロードの大きさなどで変化します。静電容量が小さいピエゾ素子ほど、同じドライバ条件下では高速度駆動が可能です。速度を重視する用途では、これら電気的・機械的条件を複合的に検討する必要があるでしょう。
ピエゾステージの精度は単一の数値で表されるものではなく、以下の4要素から構成されます。
これらを総合的に確認することで、アプリケーションに必要な精度が担保できるかを判断します。
ピエゾ素子はその性質上、一定の電圧をかけても同じ位置に常に安定して留まることが苦手なため、クローズドループ制御が一般的に採用されます。この方式では、位置センサを用いて実際の変位量を常に監視しながらフィードバック制御を行うことで、高精度な位置決めができるのです。一方で、構造がシンプルで低コストなオープンループ制御も用途によっては有効です。特に近年では、センサを外部に設置するセンサ分離型の大型ステージも増えてきており、柔軟なシステム設計が可能になっています。
最終的な選定では、性能だけでなくコストも重要な判断基準となります。要求性能を満たしつつ、過剰なスペックを避けることでコストパフォーマンスを最大化できます。研究用途や試作では精度を重視し、量産設備ではコストと性能の適切なトレードオフを見極めることが求められるのです。
メンテナンスの基本は、定期的なキャリブレーションを行うことです。キャリブレーションは測定精度を維持するための調整作業で、使用頻度や要求される精度に応じて半年から1年ごとを目安に実施することが推奨されます。
また、ピエゾステージは構造的に潤滑剤を必要としないタイプが多いのも特徴。これは摩擦が極小の構成や、接触しない駆動方式を採用しているためです。潤滑剤を使ったメンテナンスの行わなくてよいのは、ピエゾステージの持つ長所の一つといえるでしょう。
清掃方法は、使用環境に応じて装置表面のホコリや異物を柔らかい布やブロアーなどで定期的に取り除くとよいでしょう。
万が一、動作不良や異常が発生した場合は、まず接続ケーブルや電源供給の確認を行います。つぎに、制御ソフトウェアのログやエラーメッセージを確認することで、トラブルの原因を特定しやすくなるでしょう。
たとえば、ステージが動作しない場合はドライバの異常やケーブル断線が疑われますし、位置決め精度の低下が見られる場合は、キャリブレーション不良や制御系のノイズ混入が原因であると推察できます。
また、これらの確認作業から問題箇所を絞り込み、必要に応じてメーカーサポートへの連絡を行うことも重要です。
ピエゾステージは一般的に通電サイクル数と累積移動距離を基準に耐久性が評価されており、製品によって寿命は異なります。数千万回～1億回の通電サイクルに耐えるとされていますが、使用環境や稼働頻度に応じて寿命は変動するため、誤った使い方をするとすぐに壊れてしまうことも。長く使用したい場合は使用方法などを事前に確認するとよいでしょう。
ある建設業界の企業から相談があり、内容は、「押力が30kg以上・ストロークが3mm以上・そして装置全体の厚みが100mm以内という制限下で動作するピエゾステージを製作できないか」というものでした。この条件は、従来の一般的なピエゾステージの仕様を超えるものであり、力・変位・寸法のいずれも高いハードルを示していました。
通常、このようなケースでは、いずれかの要素を妥協しなければ実現は困難とされます。そこで、まずは「どの要素が絶対に譲れない条件で、どの部分ならある程度の調整が可能か」を依頼した企業と慎重にすり合わせを行いました。最優先事項と妥協可能な条件を明確化することで、具体的な開発方針の方向性が見えたのです。
結果として、他社ではすべて断られていたこの案件が、ダメもとでの相談から本当に作成することができました。両者の専門技術と発想が融合したことで、思いもよらない新たなアプローチが生まれ、技術的な突破口を開くことができたということでしょう。
ピーアイ・ジャパンのピエゾステージは、ナノメートル精度での高精度な位置決めを可能にする装置です。特にPI社のピエゾフレクシャステージは、サブナノメートルの分解能と6軸の自由度を持ち、クロストークを抑えた設計で、半導体検査など、精密さが要求される分野に適しています。耐久性に優れたPICMA®ピエゾアクチュエータや専用センサーを搭載し、摩擦のないフレクシャガイドにより長寿命が実現。高速での位置決めやスキャンが可能で、さまざまなインターフェースに対応しています。
THKインテックスのピエゾステージは、Beldexブランドの技術を基にした超精密な位置決め装置です。ピエゾトロニクス技術をコアに、サブナノメートルからメートル単位までの幅広いスケールでの精密な検査・測定を実現します。これにより、100億分の1という非常に細かな動きから、メートル単位の大きな動きまで対応し、不良品の発生を抑え、利益率の向上に貢献します。Beldexブランドの信頼性と技術力により、様々な産業分野で活用されています。
エドモンド・オプティクス・ジャパンのピエゾステージは、ピエゾモーターを使用してサブミクロン分解能の精密な位置決めを実現する装置です。スティックスリップデザインにより、移動精度や全体移動量を犠牲にせず、高精度な動作が可能です。エンコーダーが内蔵され、再現性の高い操作ができます。リニアポジショニングステージでは最大51mmの移動量を2mm/秒で実現し、回転ステージでは6°/秒を超える回転移動をサポートし、無制限の移動範囲を提供します。
フィジックステクノロジーが提供するピエゾステージは、Stick-Slipドライブやハイブリッドステージ、ダイレクトドライブなど幅広い技術を用いた精密な位置決め装置です。特に、サイズ11x11mmのコンパクトなモデルから最大619mmのストロークを持つロングレンジピエゾステージまで多様なラインアップが揃っています。さらに、SmarAct社の振動を抑えたSMARFLEXシリーズや、最大1m/sの移動速度を実現するリニアモーターステージなども提供されています。これらのステージは真空や極低温など特殊環境での使用にも対応し、精密な位置決めを必要とする様々な用途に適しています。
ソーラジャポンのピエゾステージは、ピエゾ慣性アクチュエーターを搭載した高精度な直線移動ステージです。モデルはORIC®シリーズで、コンパクトなデザインながら最大3kgの水平耐荷重を持ち、ナノメートルレベルの高分解能を実現します。PD1Dシリーズはモノリシックな2軸構造を採用し、光学式エンコーダを搭載したPDX1シリーズは開ループと閉ループの動作が可能です。また、真空対応のPD1Vシリーズも用意されています。ステージの取付けは簡単で、各種アダプタを用いることでXYやXYZ構成にも対応可能です。ピエゾ慣性アクチュエーターによる自動ロック機能により、位置の安定性が高く、様々な用途に適しています。
THKプレシジョンのピエゾステージは、精密な位置決めが求められるアプリケーションに対応する高性能な製品が揃っています。製品はX軸、Y軸、Z軸、XYZ軸のモデルがあり、スタンダードモデル、高耐久モデル、歪みゲージ式汎用モデル、開口モデルなど多様な選択肢を提供しています。
神津精機のピエゾステージは、精密な位置決めを可能にする各種モデルを提供しています。主な製品には、精密X/XYステージ、自動および手動のZステージ、回転ステージ、スイベルステージ、そして高荷重ゴニオメータが含まれます。これらのステージは、高い位置決め精度と信頼性を特徴としており、自動ステージは全数精度測定を行い、出荷時にはスペック内の精度が保証されています。
さらに、特殊検査データを基にした実力値の紹介も行っており、さまざまな業態のニーズに応じた製品設計がされています。これにより、半導体や光学機器などの分野での高度な要求に応えることができるようになっています。各ステージは手動と自動の両方のオプションがあり、多様な用途に対応可能です。
メステックのピエゾステージは、汎用性とカスタマイズ性を兼ね備えた多様な製品ラインを提供しています。主な製品には、1軸から3軸までのピエゾアクチュエータがあり、精密な位置決めが求められる装置への組み込みや試料の載せ替えに適しています。また、透過窓付きのステージは光学検査装置や顕微鏡観察に対応しており、高速応答・高剛性ステージは大質量ワークの位置決めに適しています。
さらに、微小変位とロングストロークを両立させたステッピングピエゾステージや、高分解能のチルト機構を備えたモデルもあり、特に光学機器のフォーカス調整に利用されます。加工機用耐油ピエゾステージは、超微細加工や高速位置決めに対応し、干渉計用のステージはレーザーの精密位置決めに使用されます。各製品は特定の用途に合わせた設計がなされており、顧客のニーズに応じた柔軟なカスタマイズも可能です。
ブルーフォースのピエゾステージは、極低温（mK領域）、超高真空、高磁場という特殊な環境での使用に特化しています。これにより、さまざまな科学技術の最前線での利用が可能となります。特に、非磁性材料を使用しているため、高磁場中でも安定した性能を発揮します。
また、超伝導転移を避けるため、ベリリウム銅などの素材が選ばれており、これにより極端な条件下でも高い精度での位置決めが実現されています。このような設計は、物理実験や先端技術開発など、精密な制御が求められる場面での需要に応えています。ブルーフォースのピエゾステージは、独自の技術と素材選定により、極めて厳しい条件下でも信頼性の高い性能を提供します。
シグマ光機のピエゾステージ、特に「シグマファインステージ」は、高速かつ高精度な位置決めを実現するために設計されています。このステージは、金属の弾性変形を利用したガタの生じないガイド機構と、ピエゾ素子の変形を拡大する仕組みを組み合わせています。これにより、クローズドループ制御時に10nmの表示分解能を達成し、高い精度が求められるアプリケーションにおすすめです。
システムにはデジタルセンサが搭載されており、高精度のアナログアンプやAD変換回路を必要とせず、効率的な制御が可能です。使用環境は温度10℃〜30℃、湿度20％〜60％（非結露）で推奨されており、高湿度の環境では耐久性が劣化する可能性があります。これらの特性により、シグマファインステージは様々な精密機器や実験装置での利用に適しています。
位置決めステージを動作範囲の小さい順に並べると、ピエゾステージ・ステッピングモータステージ・リニアモータステージの3種類に大きく分類できます。充実したラインナップから選べて、いざというときはカスタム開発もできるおすすめメーカーをご紹介しているので、依頼先選びの参考にしてみてください。
引用：フィジックス テクノロジー公式サイト
（https://physix-tech.com/index.html）
引用：コムス公式サイト
（https://www.coms-corp.co.jp/）
引用：日本トムソン公式サイト
（https://www.ikont.co.jp/）
