JPH02111271A - Ｘ−ｙステージ - 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」 この発明は、電子機器や精密機械にインデックステーブ
ルとして用いられるＸ−Ｙステージに係り、特に駆動手
段に特徴のあるものである。

「従来の技術」 従来、Ｘ−Ｙステージとしては、第６図ないし第８図に
示すものが知られている。

これは、固定台１上にＸステージ２がボールベアリング
Ｂを介して水平方向に往復直線移動自在に設けられ、さ
らにこのＸステージ２上にＹステージ３が水平方向でか
つＸステージ２の移動方向と直交する方向にボールベア
リングＢを介して往復直線移動自在に設けられてなるも
のである。

そして、Ｘステージ２は、Ｘステージ２より外方に突出
されて固定台ｌに固定されたステッピングモータ４によ
り回転駆動されるねじ軸５と、このねじ軸５に螺合され
るとともにＸステージ２に設けられたナツト（図示せず
）とにより往復移動するようになっている。

一方、Ｙステージ３は、Ｙステージ３より外方に突出さ
れてＸステージ２に固定されたステッピングモータ６に
より回転駆動されるねじ軸７と、このねじ軸７に螺合さ
れるとともにＹステージ３に設けられたナツト（図示せ
ず）とにより往復移動するようになっている。

「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、このような従来のＸ−Ｙステージにあっ
ては、たとえばＸステージ２を移動させるために、駆動
源としてステッピングモータ４を用い、この回転運動を
ねじ軸５とナツトにより直線運動に変換しているので、
ねじのバックラッシュおよび累積誤差により位置決め精
度に限界があり、また高速移動性に欠けるという欠点が
あった。

さらに、ステッピングモータ４が外部に配置されるので
、大型化するという欠点かあった。

さらには、真直度等の精度の高い長いねじ軸５を加工す
るのは非常に困難であり、したかってＸステージ２の移
動距離には限界があった。

Ｙステージ３についてもＸステージ２と同様の問題があ
った。

ところで、出願人は、構成部材の共振状態を利用した効
率の良い超音波リニアモータを発明した（特願昭６３−
６０７１３号、特願昭６３−６０７１３吋）。これは、
レールに直交する方向に振動する少なくとも１対の脚部
と、これらの脚部を連結するとともにレールの方向に振
動する胴部とから走行体（振動体）を構成し、これらの
脚部と胴部とを適度に位相が異なるように振動させ、レ
ール」二を走行させるようにしたものである。

この発明は、上記超音波リニアモータを用いた新規なＸ
−Ｙステージを提供することにより、上記従来のＸ−Ｙ
ステージの欠点を解決することを目的している。

「課題を解決するための手段Ｊ 上記目的を達成するために、この発明のＸ、Ｙステージ
は、固定台に、移動台の移動方向に配置された少なくと
も２本以−Ｆの脚部とこれらの脚部の端部を連結する胴
部とこれらの脚部と胴部とをそれぞれ振動させる振動源
とを備えてなる超音波ノニアモータを、脚部の先端を移
動台に圧接させて設けたことを特徴とするものである。

ここで言う移動台とは、上記従来例でいえば、固定台ｌ
に対してはＸステージ２を、Ｘステージ２に対してはＹ
ステージ３を指す。

上記において、超音波リニアモータを、固定台に設（プ
る代わりに、その脚部の先端を固定台に圧接させて移動
台に設けてもよい。

「作用」 このように構成されたＸ−Ｙステージにおいては、超音
波リニアモータの脚部および胴部の振動源にそれぞれ適
当に位相の異なる電圧を与え、脚部と胴部を伸縮させる
と、脚部の先端は胴部の中心に対して同一の向きに回転
する楕円の軌跡を描く　。

そして、超音波リニアモータを固定台に設けた場合には
、移動台に、脚部の先端が交互に常に−・方に向けて押
し付けられるので、移動台は固定台に対（、て一定の方
向に直線移動する。

他方、超音波リニアモータを移動台に設けた場合に（、
ｔ、、固定台に、脚部の先端が交互に常に一方に向けて
押し付けられるので、その力の反作用で移動台は超音波
リニアモータとともに一定の方向に直線移動する。

［実施例Ｊ 以下、この発明のＸ−Ｙステージの一実１ｍ　例ヲ第１
図ないし第４図に基づいて説明する。

これらの図において、１１は四角板状の固定台であって
、この固定台１１の上面の両端部には、角柱状のレール
部材１２．１２か平行に配置されて固定されている。レ
ール部材１２の内側に位置する面には、断面路Ｖ字状の
直線状の溝１３か形成されている。固定台１１上には、
四角板状のＸステージ（移動台）１４が次のようにして
設けられている。すなわち、Ｘステージ１４の下面には
、角柱状のレール部材１５．１５か固定台１１のレール
部材１２．１２の内側の位置にこれらレール部材１２．
１２に沿ってそれぞれ固定されており、レール部材１５
のレール部材１２に対向する面（外側の而）には、断面
Ｖ字状の直線状の溝１６が形成されていて、この溝１６
とレール部材１２の溝１３との間に介装された複数のボ
ール−・アリング１７によって、Ｘステージ１４が固定
台ｌＩ上にレール部材１２に沿って往復移動自在に載置
されている。

２０は、超音波リニアモータであって、この超音波リニ
アモータ２０は、互いに平行な脚部２１．２２とこれら
の脚部２１．２２の一端を連結する胴部２３とからなる
振動体２４が弾性材料により断面がほぼ正方形で全体が
コ字状に形成され、その角の部分は、脚部２１．２２お
よび胴部２３に対して４５度の角度をなすように面取り
され、この取付面２５に圧電素子２６．２７が接着剤な
どで取り付けられて構成されている。ここで、振動体２
４の材質としては、アルミニウム、ジュラルミン、鉄、
真鍮あるいはステンレス鋼などの金属材料、アルミナ、
ガラスあるいは炭化珪素などの無機材料、ポリイミド系
樹脂あるいはナイロンなどの有機材料などが使用できる
。また、圧電素子２６．２７は、積層型圧電アクチュエ
ータあるいは単板、の圧電セラミックスが使用され、上
記取付面２５に直交する方向に、伸縮するようになって
いる。

この超音波リニアモータ２０は、その胴部２３の中央部
が固定台１！に固定された取付部材３０に螺合されたス
プリングプランジャ３１によってＸステージ１４の一方
のレール部材Ｉ５に向かつて付勢されることにより、そ
の脚部２１，２２の先゛端がレール部材１５の内側の面
に圧接されて設けられている。なお、スプリングプラン
ジャ３１は、取付部材３０へのねじ込み世を変えること
によりその付勢力を調節できるようになっている。

Ｘステージ１４にはまた、その上面のレール部材１５と
直交する方向の両端部に角柱状のレール部材４０．４０
が平行に配置されて固定されており、レール部材４０の
内側に位置する面には、断面Ｖ字状の直線状の溝４１が
形成されている。Ｘステージ１４上には、四角板状のＹ
ステージ（移動台）４２が、固定台ｌｌ上へのＸステー
ジ１４の載置方法と同様にして設けられている。すなわ
ち、Ｙステージ４２の下面には、断面Ｖ字状の直線状の
溝４３を有するレール部材４４が固定されており、この
溝４３とレール部材４０の断面Ｖ字状の直線状の溝４１
との間に介装された複数のボールベアリング１７によっ
て、Ｙステージ４２がＸステージ１４上にレール部材４
１に沿って往復移動自在に載置されている。この場合、
Ｘステージ１４は、Ｙステージ４２に対しては固定台と
して機能する。

Ｘステージ１４の上面には取付部材３０が固定されてお
り、この取付部材３０にはスプリングプランジャ３１が
螺合されていて、このスプリングプランジャ３１によっ
て、上記超音波リニアモータ２０と同様に構成された超
音波リニアモータ２０Ａか、その胴部２３の中央部をＹ
ステージ４２のレール部材４４に向かつて付勢されるこ
とにより、その脚部２１．２２の先端がレール部材４４
の内側の面に圧接されて設けられている。

Ｙステージ４２の上面には、中央部に円形の貫通孔５Ｉ
が穿設された四角板状の固定テーブル５２が同定されて
いる。貫通孔５１の周面には、断面路■字状の環状溝５
３が形成されている。固定テーブル５２上には、円板状
の回転テーブル５４が次のようにして設けられている。

すなわち、回転テーブル５４の下面には、リング状部材
５５がその外周面を貫通孔５１の周面に対向させて固定
されており、外周面に形成された断面路Ｖ字状の環状溝
５６と固定テーブル５２の環状溝５３との間に介装され
た１隻数のボールベアリング１７によって、固定テーブ
ル５２上に回転テーブル５４がその軸線回りに回転自在
に載置されている。

Ｙステージ４２の上面には取付部材３０が固定されてお
り、この取付部材３０にはスプリングプランジャ３１が
螺合されていて、このスプリングプランジャ３１によっ
て、超音波モータ６０が、その胴部６３の中央部を回転
テーブル５４のリング状部材５５に向かつて付勢される
ことにより、その脚部６１．６２の先端がリング状部材
５５の内周面に圧接されて設けられている。

ここで、超音波モータ６０は、前記超音波リニアモータ
２０と同様に、互いに平行な脚部６１．６２とこれらを
連結する胴部６３とからなる振動体６４が弾性材料によ
り断面がほぼ正方形で全体がコ字状に形成され、その角
の部分に形成された取付部６５に、この取付部６５に直
交する方向に伸縮する積層型圧電アクチュエータ等の圧
電素子６６．６７が取り付けられて構成されてなるもの
で、脚部６Ｉ、６２の先端は、リング状部材５５の内周
面に沿う曲面に形成されている（第４図参照）。

このように構成されたＸ−Ｙステージにおいて、超音波
リニアモータ２０によりＸステージ１４を移動させるに
は、第１の圧電素子２６に付与する電圧を、 Ｖａ＝　Ｅ　°ｓｉｎωｔ とし、第２の圧電素子２７には、 Ｖ　ｂ＝　Ｅ−ｓｉｌｌ（ωｔ−１／２ｙｒ　）の電圧
を付与する。すると、各端部は圧電素子２６．２７によ
って次のような振動を受ける。第１の脚部２１において
は、 Ｘ　、＝　Ａ−ｓｉｎ（ωｔ＋　ｙｒ　／２）Ｙ　、＝
　Ｂ　−５ｉｎ（ωｔ＋π） 一方、第２の脚部２２においては、 ｘ、＝Ａ−８ｉｎ（ｉ）ｔ Ｙ　を二Ｂ　−５ｉｎ（ωｔ＋　ｙｒ　／２）の′よう
に振動する。

すなわち、脚部２１．２２の先端は楕円振動をし、第１
の脚部２１と第２の脚部２２の振動は、位相が９０度異
心るものであるから、Ｘステージ１４のレール部材１５
には、脚部２１．２２の先端が交互に常に一方に向けて
押し付けられるので、Ｘステージ１４は、固定台１１に
対してこの固定台１１のレール１２に沿って一方向に移
動する。

なお、移動の方向を変えるには、第２の脚部２２に付与
する電圧を、 Ｖ　ｂ＝　Ｅ−ｓｉｎ（ωｔ＋　１／２π）とすればよ
い。

同様にして、超音波リニアモータ２０Ａによって、Ｙス
テージ４２をＸステージ１４に対してレール４０に沿っ
て移動させることができる。

さらに、超音波モータ６０の圧電素子６６．６７に上記
超音波リニアモータ２０と同様に電圧を付与すると、リ
ング状部材５５の内周面には、脚部６１．６２の先端が
交互に常に一方に向けて押し付けられるので、Ｙステー
ジ４２に対してリング状部材５５はその軸線回りに回転
する。

このようなＸ−Ｙステージにあっては、超音波ノニアモ
ータ２０の脚部２１．２２の先端とＸステー／１４のレ
ール部材１４との摩擦力によりＸス−１−−ジ１４を駆
動するので、Ｘステージ１４を高速で移動することがで
き、しかも精度良く位置決めできる。Ｙステージ４２に
ついても超音波りニアモータ２ＯＡにＪ−〇同様の効果
か得られる。

さらには、回転テーブル５４を超音波モータ６０て駆動
するようにしたので、該回転テーブル５４を高速回転で
きかつ精度良く位置決めすることかできる。

また、ねじ軸等の伝達機構を用いず直接超音波１ニアモ
ータ２０．２ＯＡ、超音波モータ６０のみによりＸステ
ージ１４、Ｙステージ４２、回転テーブル５４を駆動し
、しかもこれらの各モータが内部に配置されているので
、全体の大きさを小型化できるという利点がある。

さらに、ねじ軸を用いていないので、Ｘステージ１４お
よびＹステージ４２の移動距離を長くすることができる
。

さらには、磁界の発生がないので、そのような考慮の必
要なものを扱うステージにも応用できる利点がある。

加えて、超音波リニアモータ２０．２ＯＡあるいは超音
波モータ６０は、ステッピングモータのようなコイルや
磁石を備えた複雑な構造でなく、簡単な構造であるので
、小型、軽量である利点かある。

なお、上記実施例では、超音波リニアモータ２０を固定
台１１に保持し、Ｘステー／１４を移動させるようにし
たが、超音波リニアモータ２０を、その脚部２１．２２
の先端が固定台１１におけるＸステージ１４の移動方向
に沿う而に圧接するようにＹステージ４２に保持しても
よい。たとえば、Ｘステージ１４のレール部材１５の内
側に該レール１５に沿って、固定台１１に固定されたレ
ール部材を設け、このレール部材に脚部２１．２２の先
ＦＪ：１．１が圧接させてレール部材１５に超音波リニ
アモータ２０を保持する。

この場合には、固定台１１に超音波リニアモータ２０の
脚部２１．２２の先端が交互に常に一方の方向に向けて
押し付けられるので、その反作用でＸステージ１４は超
音波リニアモータ２０とともに移動する。

同様に、超音波リニアモータ２ＯＡあるいは超音波モー
タ６０についても、移動する側（Ｙステージ４２、回転
テーブル５４　）にこれらを保持するように構成しても
よい。

第５図は超音波リニアモータの他の例を示すものである
。

同図において、７１．７２は脚部、７３は胴部である。

これらは、それぞれ断面正方形の柱状に形成された積層
圧電アクチュエータであり、高周波電源からの電圧によ
り、それぞれ長手方向に伸縮する。胴部７３の両端には
、正六面体状の鉄のブロック７４．７５が、該ブロック
７４．７５の面に形成した穴７６に胴部７３の端部を直
入させ、エポキシ樹脂等を用いて接合されている。これ
らのブロック７４．７５の他面には、それぞれ脚部７１
．７２が同様の方法で接合されており、全体でコ字状の
振動体７７を構成している。

このように構成された超音波リニアモータ７０において
は、胴部７３の圧電アクチュエータに付与する電圧を、 Ｖａ＝Ｅｘ１ｓｉｎωｔ とし、脚部７１．７２には、第１の脚部７１に、Ｖ　ｂ
＝　Ｅ　ｙ−ｓｉｎ（ωｔ＋３／２π）第２の脚部７２
に、 Ｖ　ｃ＝　Ｅ　ｙ−ｓｉｎ（ωｔ＋　１／２π）の電圧
を付与すると、脚部７１．７２の先端はそれぞれ楕円振
動をする。そして第１の脚部７１と第２の脚部７２の振
動は、 ｘ、−−Ｘ、、Ｙ、＝−Ｙｔ であるから、位相か１８０度異むらものである。

したがって、このような超音波リニアモータ７０によっ
てもＸステージ１４、Ｙステージ４２を一方向に移動さ
せることができる。

なお、移動方向を逆にするには、胴部７３に加える電圧
の位相を Ｖ　ａ＝　Ｅ　ｘ−ｓｉｎ（ωｔ＋　ｙｒ　）とすれば
よい。

さらに、この超音波リニアモータ７０の脚部７１．７２
の先端を回転テーブル５４のリング状部材５５の内周面
に沿う曲面に形成した超音波モータを用いれば、回転テ
ーブル５４を駆動することができる。

「発明の効果」 以上説明したように、この発明のＸ−Ｙステージにあっ
ては、移動台を超音波リニアモータによって駆動するよ
うにしたから、移動台は、該超音波リニアモータの先端
と移動台との摩擦力により移動するので、移動台を高速
で移動させることができ、しかも精度良く位置決めでき
る。

さらに、従来のようにねじ軸等の伝達機構を用いず直接
超音波リニアモータのみにより移動台を駆動し、しかも
超音波リニアモータを内部に配置することができるので
、Ｘ−Ｙステージの小型化が可能となる。

さらには、ねじ軸を用いていないので、移動台の移動距
離を長くすることができる。

加えて、磁界の発生がないので、そのような考慮の必要
なものを扱うステージにも応用できる等の効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図はこの発明のＸ−Ｙステージの一実
施例を示す図であって、第１図は正面図、第２図は第１
図の■−■線に沿う矢視図、第３図は一部断面視した側
面図、第４図は超音波モータの平面図である。 第５図はこの発明に係る超音波リニアモータの他の例を
示す図である。 第６図ないし第８図は従来のＸ−Ｙステージを示す図で
あって、第６図は平面図、第７図は第６図の■−■線に
沿う矢視図、第８図は第６図の〜１■線に沿う矢視図で
ある。 １１・・・・・・固定台、 １２・・・・・・レール部材、 １３・・・・・・溝、 １４　・・・Ｘステージ（移動台、固定台）、１５・・
・・・レール部材、 １６・・・・・溝、 １７・・・・・・ボールベアリング、 ２０．２０Ａ・・・・・・超音波リニアモータ、２１．
２２・・・・・・脚部、 ２３・・・・・・胴部、 ２４　・・・・振動体、 ２６．２７・・・・・・圧電素子、 ３０・・・・・取付部材、 ３１・・・・・・スプリングプランジャ、４０・・・・
・レール部材、 ４１・・・・・溝、 ４２・・・・・・Ｙステージ（移動台）、４３・・・・
溝、 β１・・・・・貫通孔、 ５２・・・・・・固定テーブル、 ５３・・・・環状溝、 ５４・・・・・・回転テーブル、 ５５・・・・・リング状部材、 第１図 ら４ 第２図 ５６・・・・・・環状溝、 ６０・・・・・・超音波モータ、 ６１．６２・・・・・・脚部、 ６３・・・・・・胴部、 ６４・・・・・・振動体、 ６６．６７・・・・・・圧電素子。 ７０・・・・・・超音波リニアモータ、７１．７２・・
・・・・脚部、 ７３・・・・・・胴部、 ７４．７５・・・・・・ブロック、 ７７・・・・・・振動体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 固定台とこの固定台上を往復直線移動する移動台とを有
   するＸ−Ｙステージにおいて、 上記固定台または上記移動台の一方に、上記移動台の移
   動方向に配置された少なくとも２本以上の脚部とこれら
   の脚部の端部を連結する胴部とこれらの脚部と胴部とを
   それぞれ振動させる振動源とを備えてなる超音波リニア
   モータが、上記脚部の先端を上記固定台または上記移動
   台の他方に圧接して設けられていることを特徴とするＸ
   −Ｙステージ。