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技術 位置出し装置とXYステージ

出願人 オリンパス株式会社
発明者 谷口芳久津幡敏晴舟窪朋樹藤村毅直
出願日 1992年12月11日 (27年4ヶ月経過) 出願番号 1992-352956
公開日 1994年11月1日 (25年5ヶ月経過) 公開番号 1994-304832
状態 未査定
技術分野 半導体の露光(電子、イオン線露光を除く) ウエハ等の容器、移送、固着、位置決め等 半導体の露光(電子、イオン線露光を除く) 位置、方向の制御 ホトレジスト感材への露光・位置合せ ウエハ等の容器,移送,固着,位置決め等 超音波モータ、圧電モータ、静電モータ 工作機械の機体
主要キーワード 位置出し装置 殆ど抵抗力 摺動端 Y座標 振動端 超音波振動体 屈曲用 着力点
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1994年11月1日)のものです。
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図面 (19)

目的

XYステージの回転を規制する。

構成

楕円振動軌跡が互いに直交する2種類の楕円振動を発する超音波振動子1の振動端摺動体17を押し付ける。摺動体17は上部を切断した球状とし、その球状側面にローラ装置21のローラ22を押し付けて、摺動体17を回動自在に保持する。摺動体17の上部には、T字状の連結部材18を一体的に設け、連結部材18の自由端18aとステージ11の下面とを揺動自在に連結する。この連結に際し、ステージ11は連結部材18を軸として回転しないようにする。超音波振動子1に楕円振動を生じさせ、その振動方向に摺動体17はローラ22に支持されつつ回動し、その反対方向にステージ11は平面的に移動する。このとき、ローラ22は上下方向にしかし回転しないため、摺動体17が連結部材18回りに回転するのを防ぐ。

概要

背景

従来、楕円振動を発生させる超音波振動子としては、特開平2−7875号公報に記載されたものが知られており、この超音波振動子が発生する楕円振動は2種類で、それぞれの楕円振動の軌跡の属する平面が互いに直交しているという特徴を有している。図14及び図15は、上記超音波振動子1を示す斜視図及び平面図である。図において、2は燐青銅等のバネ性に富んだ材質からなる柱状体、3a,3bは柱状体2の対向する一対の側面にそれぞれ貼付され、屈曲モード振動を行う圧電板、4a,4bは柱状体2の別の一対の側面に貼付され、屈曲モードの振動を行う圧電板、5は超音波振動子1の長手方向に伸縮を行う積層圧電体、6は積層圧電体5の上端に固着した振動体、7は振動体に設けた鋼球である。

上記超音波振動子1において、図9の模式図に示すように、同一の正弦波源8からの正弦波電圧アンプ9bを介して圧電板4a,4bに印加し、その周波数を超音波振動子1全体の屈曲モードの共振周波数に一致させると、超音波振動子1の全体が屈曲振動を行い、振動体6の鋼球7が揺動する。いま、図14に示すように、XYZ座標系を考えると、鋼球7はX方向に振動する。ここで、前記正弦波源8から前記と同一周波数の正弦波電圧を位相器10とアンプ9aを介して積層圧電体5に印加し、積層圧電体5をZ方向に振動させる。この時、正弦波電圧を圧電板4a,4bに印加している正弦波電圧と0°もしくは180°ずらせると、鋼球7は揺動運動上下振動とが合成されて、XY平面内に属する楕円振動を行う。また、圧電板4a,4bに変えて、圧電板3a,3bに正弦波電圧を印加すると、鋼球7はYZ方向に属する楕円振動を行う。

かかる超音波振動子1において、鋼球7にステージ押圧すれば、ステージは鋼球7の楕円振動の方向に添って直進運動するので、前記2種類の楕円振動により2次元平面内を自由に移動可能とするXYステージに用いることができる。図16は、XYステージの原理の説明図で、超音波振動子1の鋼球7にステージ11を押圧すると、前記楕円振動によってステージ11は平行移動推力を受ける。ここで、楕円振動がXY平面内にあれば、X軸方向に、YZ平面内にあればY軸方向に推力を受ける。そこで、ステージ11を平行移動可能かつ鋼球7に押圧可能に支持すると、ステージ11をXYステージとして使用できる。また、前記楕円振動の振幅は極めて小さく、さらに、前記正弦波を意図する波数だけ超音波振動子1に送り込むことは従来の技術で十分可能であるので、極めて微小位置出し装置とXYステージを得ることができる。

前記XYステージの具体的な構成としては、特願平3−358403号において提案されており、図17はその構成を示す断面図、図18は理解を助けるために図17の主要部分のみを示した分解斜視図である。図において、ステージ11は、略「エ」の字形の断面形状に形成されており、その上段11aがXYステージとして使用され、下段11bの下面が超音波振動子1の鋼球7に押圧される摺動面になっている。ステージ11の下端11bには、重錘12が保持器13に保持したベアリングボール14を介して取り付けられており、ステージ11は、重錘12に対してXY平面内で任意の方向へ自由に移動できるようになっている。重錘12の下部内周には、土台15の立上げ部16が配置されており、その内周面12aと立上げ部16の外周面16aとは緩い嵌め合いになっている。すなわち、重錘12は、土台15に対して上下方向にのみ移動自在に設けられており、その自重がベアリングボール14を介してステージ11の下段11bに作用し、ステージ11を、土台15に設けた超音波振動子1の鋼球7に上方から押圧し得るように構成されている。したがって、ステージ11は、ベアリングボール14を介して重錘12と接しているだけであるから、超音波振動子1にXZ平面内もしくはYZ平面内の楕円振動を発生させることにより、鋼球7を介してステージ11をX軸方向もしくはY軸方向へ任意に移動させることができる。

概要

XYステージの回転を規制する。

楕円振動の軌跡が互いに直交する2種類の楕円振動を発する超音波振動子1の振動端摺動体17を押し付ける。摺動体17は上部を切断した球状とし、その球状側面にローラ装置21のローラ22を押し付けて、摺動体17を回動自在に保持する。摺動体17の上部には、T字状の連結部材18を一体的に設け、連結部材18の自由端18aとステージ11の下面とを揺動自在に連結する。この連結に際し、ステージ11は連結部材18を軸として回転しないようにする。超音波振動子1に楕円振動を生じさせ、その振動方向に摺動体17はローラ22に支持されつつ回動し、その反対方向にステージ11は平面的に移動する。このとき、ローラ22は上下方向にしかし回転しないため、摺動体17が連結部材18回りに回転するのを防ぐ。

目的

本発明は、前記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、微小な位置出しができ、かつ意図した直進運動だけが正確に得られる位置出し装置とXYステージを提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
5件

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請求項1

球面の一部をなす摺動面を有して摺動自在に支持した摺動部材と、定在波を発生し前記摺動面にその摺動端を接して摺動部材に駆動力を与える超音波振動子を備えたことを特徴とする位置出し装置

請求項2

単一の2次元平面内平行移動自在に支持したステージと、ステージが平行移動する平面と交差する少なくとも2つ以上の異なる平面内で選択的に楕円振動を発生できる超音波振動子と、超音波振動子の振動端に固設され前記楕円振動を行う接触部材と、接触部材と接触し押圧される面が球面の一部をなし、該球面の曲率中心に関して任意の方向に回動自在に支持された摺動部材と、摺動部材の球面に転動自在に押圧され、回転軸を前記ステージの移動平面に含まれる向きに配置した単一のローラ装置もしくは複数のローラ装置群と、前記摺動部材と一体的に固設した連結部材と、前記摺動部材の回動運動により生じる前記連結部材の自由端の運動を前記ステージの移動平面内の直進運動に変換してステージに伝達し、かつステージと連結部材との相対的な回転を許容しないようにステージと連結部材を連結する自在継ぎ手手段とからなる位置出し装置。

請求項3

前記超音波振動子は、伸縮運動する積層圧電体と、積層圧電体に固設した弾性材料からなる角柱体と、剪断モード振動を行って前記角柱体に揺動運動を生じさせるために角柱体の側面に貼付した圧電板とからなり、前記伸縮運動と揺動運動との重ね合わせにより振動端に楕円運動を発生し得るようにしたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の位置出し装置。

請求項4

前記圧電板は、前記角柱体の異なる側面にそれぞれ貼付し、複数の方向へ前記超音波振動子を揺動運動させ、超音波振動子が2つ以上の異なる平面内で選択的に楕円運動を発生できるようにしたことを特徴とする請求項1又は請求項2又は請求項3に記載の位置出し装置。

請求項5

単一の2次元平面内に属する任意の方向に移動可能に支持され、その下側に摺動面を有するステージと、楕円運動を発生し、該楕円運動の軌跡の属する平面が、前記ステージの移動する2次元平面と交わるように設定され、その振動端を前記ステージの下側の摺動面に押圧する超音波振動子と、自重を前記ステージにかけ、該ステージを前記超音波振動子に押圧する重錘と、前記重錘とステージとの間に介在し、該重錘に対して前記ステージを前記2次元平面内で自由に移動できるようにするとともに前記重錘の自重をステージにかかるようにする支持手段と、前記超音波振動子に楕円運動を発生させる駆動回路手段とからなるXYステージにおいて、前記超音波振動子を複数個設け、前記複数の超音波振動子の発生する楕円運動の群は、その軌跡の属する平面が2種以上あり、前記駆動回路手段は、前記楕円振動の群の内、その軌跡が意図した特定の平面に属する楕円振動のみを選択的に発生させることができるようにしたことを特徴とするXYステージ。

技術分野

0001

本発明は、位置出し装置とその位置出し装置を用いたXYステージに関し、詳しくは、楕円振動を行う超音波振動子駆動源にして微小な位置出しを可能にした位置出し装置とXYステージに関する。

背景技術

0002

従来、楕円振動を発生させる超音波振動子としては、特開平2−7875号公報に記載されたものが知られており、この超音波振動子が発生する楕円振動は2種類で、それぞれの楕円振動の軌跡の属する平面が互いに直交しているという特徴を有している。図14及び図15は、上記超音波振動子1を示す斜視図及び平面図である。図において、2は燐青銅等のバネ性に富んだ材質からなる柱状体、3a,3bは柱状体2の対向する一対の側面にそれぞれ貼付され、屈曲モード振動を行う圧電板、4a,4bは柱状体2の別の一対の側面に貼付され、屈曲モードの振動を行う圧電板、5は超音波振動子1の長手方向に伸縮を行う積層圧電体、6は積層圧電体5の上端に固着した振動体、7は振動体に設けた鋼球である。

0003

上記超音波振動子1において、図9の模式図に示すように、同一の正弦波源8からの正弦波電圧アンプ9bを介して圧電板4a,4bに印加し、その周波数を超音波振動子1全体の屈曲モードの共振周波数に一致させると、超音波振動子1の全体が屈曲振動を行い、振動体6の鋼球7が揺動する。いま、図14に示すように、XYZ座標系を考えると、鋼球7はX方向に振動する。ここで、前記正弦波源8から前記と同一周波数の正弦波電圧を位相器10とアンプ9aを介して積層圧電体5に印加し、積層圧電体5をZ方向に振動させる。この時、正弦波電圧を圧電板4a,4bに印加している正弦波電圧と0°もしくは180°ずらせると、鋼球7は揺動運動上下振動とが合成されて、XY平面内に属する楕円振動を行う。また、圧電板4a,4bに変えて、圧電板3a,3bに正弦波電圧を印加すると、鋼球7はYZ方向に属する楕円振動を行う。

0004

かかる超音波振動子1において、鋼球7にステージを押圧すれば、ステージは鋼球7の楕円振動の方向に添って直進運動するので、前記2種類の楕円振動により2次元平面内を自由に移動可能とするXYステージに用いることができる。図16は、XYステージの原理の説明図で、超音波振動子1の鋼球7にステージ11を押圧すると、前記楕円振動によってステージ11は平行移動推力を受ける。ここで、楕円振動がXY平面内にあれば、X軸方向に、YZ平面内にあればY軸方向に推力を受ける。そこで、ステージ11を平行移動可能かつ鋼球7に押圧可能に支持すると、ステージ11をXYステージとして使用できる。また、前記楕円振動の振幅は極めて小さく、さらに、前記正弦波を意図する波数だけ超音波振動子1に送り込むことは従来の技術で十分可能であるので、極めて微小な位置出し装置とXYステージを得ることができる。

0005

前記XYステージの具体的な構成としては、特願平3−358403号において提案されており、図17はその構成を示す断面図、図18は理解を助けるために図17の主要部分のみを示した分解斜視図である。図において、ステージ11は、略「エ」の字形の断面形状に形成されており、その上段11aがXYステージとして使用され、下段11bの下面が超音波振動子1の鋼球7に押圧される摺動面になっている。ステージ11の下端11bには、重錘12が保持器13に保持したベアリングボール14を介して取り付けられており、ステージ11は、重錘12に対してXY平面内で任意の方向へ自由に移動できるようになっている。重錘12の下部内周には、土台15の立上げ部16が配置されており、その内周面12aと立上げ部16の外周面16aとは緩い嵌め合いになっている。すなわち、重錘12は、土台15に対して上下方向にのみ移動自在に設けられており、その自重がベアリングボール14を介してステージ11の下段11bに作用し、ステージ11を、土台15に設けた超音波振動子1の鋼球7に上方から押圧し得るように構成されている。したがって、ステージ11は、ベアリングボール14を介して重錘12と接しているだけであるから、超音波振動子1にXZ平面内もしくはYZ平面内の楕円振動を発生させることにより、鋼球7を介してステージ11をX軸方向もしくはY軸方向へ任意に移動させることができる。

発明が解決しようとする課題

0006

しかし、図17図18に示すXYステージは、ステージ11がベアリングボール14によって支持される構造であり、ステージ11は、XY平面内での直進運動のみならず、θ方向(Z軸回り)の回転運動にも自由度を有している。しかも、ステージ11下段11bの下摺動面は、ベアリングボール14と1個の鋼球7によって保持されており、ステージ11に運動を与える着力点が1箇所しかなく、またベアリングボール14はステージ11の回転を規制するように働かないので、ステージ11は、着力点を中心にして僅かな力で回転することになる。故に、ステージ11を直進運動させようとするとき、複数あるベアリングボール14の転がり抵抗の僅かなバラツキ等によって、ステージ11が回転しながら動いてしまうことがあった。したがって、超音波振動子1を用いて微小な位置出しが出来る構成になっているにも拘らず、直進運動をさせたいてきに回転が加わってしまって、正確に位置出しが出来ないという重大な問題点を有していた。

0007

本発明は、前記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、微小な位置出しができ、かつ意図した直進運動だけが正確に得られる位置出し装置とXYステージを提供することを目的とする。

0008

上記目的を達成するために、本発明は、球面の一部をなす摺動面を有して摺動自在に支持した摺動部材と、定在波を発生し前記摺動面にその摺動端を接して摺動部材に駆動力を与える超音波振動子を備えて構成した。

0009

また、本発明は、単一の2次元平面内で平行移動自在に支持したステージと、ステージが平行移動する平面と交差する少なくとも2つ以上の異なる平面内で選択的に楕円振動を発生できる超音波振動子と、超音波振動子の振動端に固設され前記楕円振動を行う接触部材と、接触部材と接触し押圧される面が球面の一部をなし、該球面の曲率中心に関して任意の方向に回動自在に支持された摺動部材と、摺動部材の球面に転動自在に押圧され、回転軸を前記ステージの移動平面に含まれる向きに配置した単一のローラ装置もしくは複数のローラ装置群と、前記摺動部材と一体的に固設した連結部材と、前記摺動部材の回動運動により生じる前記連結部材の自由端の運動を前記ステージの移動平面内の直進運動に変換してステージに伝達し、かつステージと連結部材との相対的な回転を許容しないようにステージと連結部材を連結する自在継ぎ手手段とから構成した。

0010

さらに、前記超音波振動子は、伸縮運動する積層圧電体と、積層圧電体に固設した弾性材料からなる角柱体と、剪断モードの振動を行って前記角柱体に揺動運動を生じさせるために角柱体の側面に貼付した圧電板とからなり、前記伸縮運動と揺動運動との重ね合わせにより振動端に楕円運動を発生し得るように構成してもよい。

0011

そして、前記圧電板は、前記角柱体の異なる側面にそれぞれ貼付し、複数の方向へ前記超音波振動子を揺動運動させ、超音波振動子が2つ以上の異なる平面内で選択的に楕円運動を発生できるように構成してもよい。

0012

また、本発明は、単一の2次元平面内に属する任意の方向に移動可能に支持され、その下側に摺動面を有するステージと、楕円運動を発生し、該楕円運動の軌跡の属する平面が、前記ステージの移動する2次元平面と交わるように設定され、その振動端を前記ステージの下側の摺動面に押圧する超音波振動子と、自重を前記ステージにかけ、該ステージを前記超音波振動子に押圧する重錘と、前記重錘とステージとの間に介在し、該重錘に対して前記ステージを前記2次元平面内で自由に移動できるようにするとともに前記重錘の自重をステージにかかるようにする支持手段と、前記超音波振動子に楕円運動を発生させる駆動回路手段と、からなるXYステージにおいて、前記超音波振動子を複数個設け、前記複数の超音波振動子の発生する楕円運動の群は、その軌跡の属する平面が2種以上あり、前記駆動回路手段は、前記楕円振動の群の内、その軌跡が意図した特定の平面に属する楕円振動のみを選択的に発生させることができるように構成した。

0013

上記構成によれば、超音波振動子は、摺動部材を任意の方向に移動させるとともに、定在波の発生を停止すると摺動部材の移動が停止して位置出しをする。

0014

また、ステージは、ローラ装置と摺動部材との間に生じる摩擦力によって、回転方向動き幾何学的に規制される。したがって、ステージが思わぬ方向へ回転することがなく、かつ微小な位置出しが超音波振動子をただ1個使用しただけで行うことができる。

0015

さらに、超音波振動子を複数にしたことで、ステージが移動中も含めて、同時に2箇所以上で振動端に支持されることになり、回転せずに正確に直進運動をする。

0016

図1は本発明の実施例1における主要構成を説明するための説明図、図2は、本発明の実施例1を一部切り欠いて示す分解斜視図である。図において1は、楕円振動を発生する超音波振動子で、土台15上に立設固定されている。超音波振動体1は、燐青銅等のバネ性に富んだ材質からなる柱状体2と、柱状体2の対向する一対の側面にそれぞれ貼付した屈曲モードの振動を行う圧電板3a,3bと、柱状体2の別の一対の側面に貼付した屈曲モードの振動を行う圧電板4a,4bと、柱状体2の上面に固着され、超音波振動子1の長手方向に伸縮を行う積層圧電体5と、積層圧電体5の上端に固着した振動体6と、振動体6に設けた鋼球7とから構成されており、柱状体2の下面と土台15の上面とが固着されている。

0017

超音波振動子1の上方には、ステージ11を直進運動させる摺動体17が鋼球7と接するように配置されている。摺動体17は、上部を切断した球状に形成され、超音波振動子1を囲うように土台15の上面に立設した円筒上のローラ装置支持体20の内周に設けたローラ装置21により回転自在に保持されている。この摺動体17の下部は、超音波振動子1の鋼球7と接する球面状の摺動面17aとして形成されるとともに、摺動面17aの上部はローラ装置21のローラ22と接する球面状のローラ圧接面17bとして形成されている。ローラ圧接面17bには、ゴムコーティングなどの既存の方法によってローラ22との摩擦力を増大させる表面処理が施されている。また、摺動体17の上部中央には、連結部材18が固設されており、摺動体17と一体となって動くようになっている。

0018

摺動体17の上方には、XYステージとしてステージ11が連結部材18の自由端18aに連結されて配置されており、この連結部材18により超音波振動子1の発生する楕円振動によって起こされる摺動体17の回転運動を、ステージ11の直進運動に変換するようになっている。連結部材18はT字形に形成されるとともに、ステージ11の下面には連結部材18の自由端18aの形状と対応した凹部11cが形成され、その連結部分は、図1の矢印A方向から見ると、図3のようになっている。すなわち、ステージ11と連結部材18とは、図1及び図2における矢印A方向とする軸回りに相対回転できない構造になっているため、摺動体17が同軸回りに回転しなければ、ステージ11も回転しない。

0019

前記ローラ装置21は、摺動体17のローラ圧接面17bと接するローラ22と、ローラ22を回転自在に支持する支持部材23と、ローラ22をローラ圧接面17bに圧接するバネ24とから構成されている。このローラ装置21は、ローラ装置支持体20の内周面に設けた穴20a内に支持部材23の一部を摺動体17方向へ摺動自在に嵌挿して放射状に3個設けられており、バネ24は穴20a内でローラ装置支持体20に取り付けられている。さらに、各ローラ22の回転軸は、ステージ11の移動平面と平行になるように設定されている。

0020

前記ステージ11は、図18と同様に、略「エ」の字形の断面形状に形成されており、その上段11aがXYステージとして使用され、下段11bに連結部材18と結合する凹部11cが設けられている。ステージ11の下段11bの上面には、ステージ11を連結部材18の自由端18aに押し付けるとともに、摺動体17の摺動面17aを超音波振動子1の鋼球7に押し付けるための重錘12が、ベアリングボール14を介して取り付けられており、ステージ11は、重錘12に対してXY平面内で自由に移動できるようになっている。重錘12は、上下方向の移動が許されるように、その下部内周面12aと土台15の立上げ部16の外周面16aとが緩い嵌め合い状態で配置されている。

0021

次に、超音波振動子1の楕円振動によって起こされる摺動体17の回転について図4から図7を用いて説明する。なお、図4から図7は、図1の矢印A方向から見た摺動体17とローラ22のみを示してある。図4は、摺動体17を図面に垂直な軸、すなわち図1における矢印A方向の軸回りに回転させるようとした場合を示している。かかる場合、3個のローラ22a,22b,22cは、その回転軸を図面と平行、すなわち摺動体17の回転させようとする方向と平行な状態で摺動体17に押圧されているため、摺動体17のローラ圧接面17b上を転がることができず、摺動体17と各ローラ22a,22b,22cとの接触点における摩擦力により、摺動体17の回転が規制され、摺動体17はZ軸回りであるθ方向に回転しない。

0022

図5は、摺動体17がローラ22の一つの回転軸(図においてはローラ22aの回転軸)と平行な方向Cを軸として回転しようとする場合を示している。かかる場合、ローラ22aの接触点の軌跡は25aであり、摺動体17の球面の半径と同じである。また、ローラ22b,22cの接触点の軌跡はそれぞれ、25b,25cであり、摺動体17の球面上で円弧を描く。したがって、3個のローラ22a,22b,22cはどれも摺動体17の球面上を転がることができ、摺動体17は殆ど抵抗力を受けずCを軸として回転できる。この場合、図2のステージ11は図中のY方向に直進運動する。

0023

図6は、摺動体17がローラ22の一つの回転軸(図においてはローラ22aの回転軸)と直交し、かつ図面と平行な方向Dを軸として回転しようとする場合を示している。かかる場合、ローラ22b,22cの接触点の軌跡はともに25dであり、摺動体17の球面上で円弧を描く。また、ローラ22aは球面との接触点で回転し、転がらないが滑る必要もない。したがって、3のローラ22a,22b,22cは、どれもその接触点で大きな摩擦力を発生しないから、摺動体17は殆ど抵抗力を受けずDを軸として回転できる。この場合、図2のステージ11は図中のX方向に直進運動する。

0024

図7は、その他、図面に平行な任意の方向Eを軸として摺動体17を回転させようとする場合を示している。かかる場合、3個のローラ22a,22b,22cの接触点の軌跡25e,25f,25gはそれぞれ摺動体17の球面上で円弧を描き、ローラ22a,22b,22cはどれも大きな摩擦力なく転がることができる。したがって、摺動体17は殆ど抵抗力を受けずEを軸として回転できる。

0025

以上のように、摺動体17は、図面に平行な任意の方向を軸として自由に回転でき、図面に垂直な方向を軸として、すなわちZ軸回りに回転できない。したがって連結部材18を介して摺動体17に連結されたステージ11は、任意のX,Y軸方向に直進運動できるが、Z軸回りに回転しない。なお、原理的には、ローラ装置21は最低1個設ければ上記の動作が実現するが、実際の設計上は、3ないし4個を点対称の位置に設けることにより、より安定した動作が得られる。

0026

本実施例によれば、摺動体17は、ローラ装置21によりZ軸回りの回転が規制されるため、摺動体17に接続したステージ11を意図するX軸,Y軸方向へ正確に直進運動のみさせることができる。

0027

図8は、本発明の実施例2を一部断面にして示す分解斜視図、図9は、本実施例に用いる超音波振動子を示す斜視図、図10は、超音波振動子の配置を示すためのステージの方向から見た説明図である。図9に示すように、超音波振動子30は、柱状体2の対向する一対の側面にのみ、屈曲振動を行う圧電板3a,3bが貼付されており、その他の構成は、図14と同様である。この超音波振動子30は、圧電板3a,3bを貼付した方向に楕円振動が生じ、図9のように配置した場合はXY平行内に楕円振動を発生させることができる。

0028

本実施例では、図8及び図10に示すように、2個の超音波振動子30a,30bが土台15上に設けられている。2個の超音波振動子30a,30bは、圧電板3a(3b)と3a(3b)が直交するようにして並設されており、それぞれに設けた鋼球7a,7bが同時にステージ11に押圧されるようなっている。図において、一方の超音波振動子30aがXZ(Z軸は紙面に垂直)平面内に楕円振動を発生し、他方の超音波振動子30bがYZ平面内に楕円振動を発生させる。その他の構成は、図18の構成と同様である。

0029

本実施例においては、ステージ11は2この超音波振動子30a,30bの鋼球7a,7bと同時に接しているため、着力点が2点ある。したがって、ステージ11を回転させることなく、直進運動させることができる。また、ステージ11を駆動するときには、2個の超音波振動子30a,30bの各積層体5,5に同時に正弦波源8a,8bから正弦波電圧を印加する。そして、超音波振動子30aの圧電板3a,3bのみに正弦波電圧を印加すると、超音波振動子30aの鋼球7aのみにYZ平面内の楕円振動が発生し、一方、超音波振動子30bは単純な伸縮運動を行うので、ステージ11はX軸方向に直進運動する。逆に、超音波振動子30b屈曲用圧電板3a,3bに正弦波電圧を印加すると、ステージ11はY軸方向に直進運動する。さらに、超音波振動子30aに一切の電圧を印加せず、超音波振動子30bと、その圧電板3a,3bに電圧を印加して超音波振動子30bのみに楕円振動を行わせると、ステージ11は超音波振動子30aの鋼球7aに接したままY軸方向の駆動力を受けるから、鋼球7aを中心として意図的にステージ11に回転運動を行わせることもできる。

0030

本実施例によれば、2個の超音波振動子30a,30bを設け、それぞれの鋼球7a,7bを同時にステージ11と接触するようにしたので、ステージ11の着力点が2箇所となるため、ステージ11が意図せずに回転してしまうことがなく、ステージ11を直進運動させることができる。また、2個の超音波振動子30a,30bの一方のみを駆動させることにより、他方の鋼球7a(7b)を中心とした回転運動を意図的に起こさせることができる。

0031

図12は、本発明の実施例3を一部断面にして示す分解斜視図、図13は、超音波振動子の配置を示すためのステージの方向から見た説明図である。本実施例は、実施例2に用いた超音波振動子30と同一に構成した超音波振動子30を4個配置し、全ての鋼球7とステージ11とを同時に接触させるものでその他の構成は実施例2と同様である。4個の超音波振動子30c,30d,30e,30fは、点対称の位置で、かつ対称点Oを中心とするX−Y座標上に配置されている。対称点Oを中心にして対向する超音波振動子30c,30eと超音波振動子30d,30fは、それぞれ圧電板12a,12bが貼付されていない側面が向き合うように平行に配設されている。そして、各々の超音波振動子30c,30d,30e,30fが発生する楕円振動の方向は、その超音波振動子と対称点Oとを結ぶ線に直交する(かつ紙面に垂直なZ軸を含む)方向に設定されている。

0032

本実施例において、4個の鋼球7c,7d,7e,7fがステージ11と同時に接するため、ステージ11の着力点は4点となり、該ステージ11を回転させることなく、直進運動させることができる。ステージ11を駆動するときには、4個の超音波振動子30c〜30fの積層体5に正弦波源8c〜8fから同時に正弦波電圧を印加する。そして、超音波振動子30c,30eの圧電板3a,3bのみに正弦波電圧を印加すると、当該振動子30c,30eのみが楕円振動を発生し、他は単純な伸縮運動となるので、ステージ11がX軸方向に直進運動する。逆に、超音波振動子30c,30eに代えて超音波振動子30d,30fの屈曲用圧電板3a,3bのみに正弦波電圧を印加すると、ステージ11がY軸方向に直進運動する。また、4個の超音波振動子30c〜30fの全ての屈曲用圧電板3a,3bに正弦波電圧を印加し、その相対的な位相を、向かい合う超音波振動子30c,30eと30d,30f同士で180°ずらせると、向かい合う超音波振動子30c,30eと30d,30f同士で偶力を発生し、ステージ11を意図的に回転運動させることができる。

0033

本実施例によれば、ステージ11の着力点が4点あるため、ステージ11を回転させることなく、直進運動させることができる。また、直進運動の他に意図的に回転運動させることもできる。さらに、ステージ11を駆動する際の着力点が点対称に配置されているため、ステージ11にかかる駆動力がその重心から大きく外れることがなく、直進運動、回転運動とも、ステージ11がより高精度に、意図した方向のみに運動させることができる。

発明の効果

0034

以上のように、本発明によれば、超音波振動子が発生する楕円振動により微小な位置出しができる。また、ステージを直進運動させようとしたときにこれが回転してしまうことがなく、超音波振動子の特徴を活かした超高精度微小位置出しができる。

図面の簡単な説明

0035

図1本発明の実施例1における主要構成を説明するための説明図である。
図2本発明の実施例1を一部切り欠いて示す分解斜視図である。
図3摺動体の連結部材とステージとの連結部分を示す断面図である。
図4実施例1における摺動体の動作の説明図である。
図5実施例1における摺動体の動作の説明図である。
図6実施例1における摺動体の動作の説明図である。
図7実施例1における摺動体の動作の説明図である。
図8本発明の実施例2を一部を切り欠いて示す分解斜視図である。
図9本発明の実施例2,3に用いる超音波振動子を示す斜視図である。
図10実施例2における超音波振動子の配置状態を示す説明図である。
図11超音波振動子及びに圧電板に正弦波電圧を印加するための回路図である。
図12本発明の実施例3を一部を切り欠いて示す斜視図である。
図13実施例2における超音波振動子の配置状態を示す説明図である。
図14従来の超音波振動子の斜視図である。
図15従来の超音波振動子の平面図である。
図16従来の超音波振動子を用いたXYステージの原理を説明するための斜視図である。
図17従来のXYステージの断面図である。
図18従来のXYステージの主要部分を示す分解斜視図である。

--

0036

1超音波振動子
2柱状体
3a,3b圧電板
4a,4b 圧電板
5積層圧電体
7鋼球
17摺動体
18連結部材
21ローラ装置
22ローラ
30 超音波振動子

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