JP2000028767A

JP2000028767A - 直線案内装置

Info

Publication number: JP2000028767A
Application number: JP10193274A
Authority: JP
Inventors: Koji Akashi; 幸治明石
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-07-08
Filing date: 1998-07-08
Publication date: 2000-01-28

Abstract

(57)【要約】【課題】移動ステージに備える被駆動部材と超音波モー
タの摩擦部材との摩擦駆動によって直線的に案内される
移動ステージにおいて、移動ステージがストロークの両
端側に移動しても姿勢の変化が殆どなく、また、移動ス
テージを滑らかに案内することが可能な、寿命の長い直
線案内装置を提供する。【解決手段】ガイド部材４によって案内される移動ステ
ージ２に被駆動部材３を設け、該被駆動部材３の一方側
面に超音波モータ６の摩擦部材８を、他方側面に回転可
能な車輪９をそれぞれ当接させて上記被駆動部材３を挾
持し、移動ステージ２がストロークのどの位置でも高精
度に位置決めできるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直線的に往復移動
する移動ステージを超音波モータによって案内する直線
案内装置に関するものであり、特に超精密加工装置や超
精密測定装置、あるいは半導体装置の製造工程における
露光装置や描画装置に使用される直線案内装置として好
適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、直線的に往復移動する移動ス
テージを高速かつ高精度に案内する駆動手段として超音
波モータが提案されており、さまざまな研究がなされて
いる。

【０００３】図４は駆動手段に超音波モ−タを用いた従
来の直線案内装置の一例を示す斜視図で、ベース基盤１
の上面には一対の角柱状をしたレール４ａが平行に配置
されており、これら一対のレール４ａの内側に位置する
面には長手方向に沿ってＶ溝５ａがそれぞれ形成されて
いる。また、ステージをなす移動ステージ２の下面にも
一対の角柱状をしたレール４ｂが平行に配置されてお
り、これら一対のレール４ｂの外側に位置する面には長
手方向に沿ってＶ溝５ｂがそれぞれ形成されている。そ
して、上記移動ステージ２の下面における一対のレール
４ｂは前記ベース基盤４１の上面における一対のレール
４ａの内側に位置するように配置され、互いに対向する
Ｖ溝５ａ，５ｂ間に介装された複数のコロ（不図示）に
よってクロスローラガイド４を構成し、該クロスローラ
ガイド４に沿って移動ステージ２を往復移動自在に案内
するようになっている。

【０００４】また、移動ステージ２の下面には一対のレ
ール４ｂと平行に角柱状をした被駆動部材３が固定され
ているとともに、この被駆動部材３の一方側面に２つの
超音波モータ６を当接させてあり、これらの超音波モー
タ６を駆動させると、その先端の摩擦部材８がそれぞれ
楕円運動するため、被駆動部材３との摩擦駆動によって
移動ステージ２をクロスローラガイド４に沿って直線的
に所定の位置まで駆動、案内するようになっている。

【０００５】図５（ａ）（ｂ）に直線案内装置の駆動部
の詳細を示すように、６は超音波モータで、圧電セラミ
ックスからなる振動体７の端面に摩擦部材８が接着剤な
どで取着して構成されている。各超音波モータ６は駆動
特性を損なわないよう弾性支持体１０によって規制され
た状態でケース１１内に収納されており、側断面がＬ字
状をしたモータ固定台１２に角度調整可能に取り付けら
れている。また、モータ固定台１２の突壁部１２ａには
ネジ穴が設けてあり、該ネジ穴に螺合された予圧調整ネ
ジ１３によって各超音波モータ６の被駆動部材３への押
し付け力を調整するようになっていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図４に示す
直線案内装置の移動ステージ２を超音波モータ６によっ
て駆動、案内する場合、駆動条件（負荷条件）に対して
所要のトルクが得られるように、被駆動部材３への超音
波モータ６の押し付け力を適切に設定する必要があり、
通常この押し付け力は３〜１０ｋｇｆの範囲で設定され
ている。

【０００７】ところが、移動ステージ４２を超音波モ−
タ６によって駆動させ、図６に示すように移動ステージ
２がストロ−クの両端側まで案内されると、モーメント
荷重が働いて水平方向の拘束力が小さくなり、超音波モ
ータ６からの押し付け力によって移動ステージ２の姿勢
が２点さ線で示すように変化し、特に水平方向の真直度
や角度精度（ヨ−イング）が悪くなるといった課題があ
った。例えば、露光装置や描画装置に使用される直線案
内装置では、移動ステージ２の姿勢精度について、真直
度で０．５μｍ／１００ｍｍ、角度精度で１．０ｓｅｃ
／１００ｍｍが要求されているが、図４に示す直線案内
装置では真直度が２．０μｍ／１００ｍｍ、角度精度が
５．０ｓｅｃ／１００ｍｍと非常に悪いものであった。

【０００８】しかも、ストロ−クの両端側では、クロス
ロ−ラガイド４や被駆動部材３、さらには超音波モータ
６の摩擦部材８に無理な負荷がかかるために摩耗し易く
なり、その結果、直線案内装置の寿命が短くなるといっ
た課題もあった。

【０００９】そこで、ストロ−クの両端側における移動
ステージ２の姿勢精度の悪化を防ぐため、移動ステージ
２の姿勢が変化する方向と反対側にクロスロ−ラガイド
４を構成するレール４ａ，４ｂの両端を若干湾曲させて
固定することも考えられるが、この場合、移動ステージ
２が中央に位置する時と両端に位置する時とで被駆動部
材３への超音波モ−タ６の押し付け力が変化するために
駆動条件が変化し、移動ステージ２の正確な位置決めが
できなくなるといった課題があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題に鑑み、移動ステージと、該移動ステージを直線的に
往復移動自在に案内するガイド部材と、該ガイド部材と
平行に上記移動ステージに配設された被駆動部材と、該
被駆動部材の一方側面に超音波モータの摩擦部材を当接
させ、その摩擦駆動によって前記移動ステージをガイド
部材に沿って案内する直線案内装置において、上記被駆
動部材の他方側面に回転可能な車輪を設け、該車輪と上
記超音波モータの摩擦部材とで上記被駆動部材を挾持す
るようにして直線案内装置を構成したものである。

【００１１】また、本発明は上記車輪及び／又は超音波
モータに加圧機構を設けたものである。

【００１２】

【作用】本発明によれば、移動ステージに備える被駆動
部材を超音波モータの摩擦部材と回転可能な車輪とで挾
持するようにしたことから、移動ステージがストローク
の両端側に案内されても姿勢が変化することは殆どな
く、ストロークのどの位置でも高精度の位置決めが可能
となる。なお、本発明において被駆動部材を超音波モー
タの摩擦部材と回転可能な車輪とで挾持するとは、超音
波モータの摩擦部材を被駆動部材の一方側面に押し当て
た時に、被駆動部材の他方側面に配置する車輪によって
被駆動部材を拘束した状態、あるいは車輪を被駆動部材
の一方側面に押し当てた時に、被駆動部材の他方側面に
配置する超音波モータの摩擦部材によって被駆動部材を
拘束した状態、さらには被駆動部材の一方側面から超音
波モータの摩擦部材を、他方側面から車輪をそれぞれ押
し当てて被駆動部材を拘束した状態のことを言う。

【００１３】また、車輪は回転可能としてあることか
ら、被駆動部材の移動時には車輪が回転し、被駆動部材
との摩擦係数を小さくすることができるため、被駆動部
材の移動を阻害することがなく、超音波モータの駆動に
よって移動ステージを滑らかに案内することができる。

【００１４】さらに、本発明によれば、車輪及び／又は
超音波モータに加圧機構を設け、被駆動部材への押し付
け力を適宜調整可能としてあることから、駆動条件の変
更や摩耗によって被駆動部材への超音波モータの押し付
け力が変わったとしても、超音波モータ側に備える加圧
機構によって被駆動部材への超音波モータの押し付け力
を調整するか、あるいは車輪側に備える加圧機構によっ
て被駆動部材への車輪の押し付け力を調整して被駆動部
材を挾持することにより、移動ステージを安定した姿勢
で移動させることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１６】図１は本発明の直線案内装置の一例を示す
斜視図である。なお、図４と同一部分については同一符
号で示す。

【００１７】図１において、ベース基盤１の上面には一
対の角柱状をしたレール４ａを平行に配置し、これら一
対のレール４ａの内側に位置する面には長手方向に沿っ
てＶ溝５ａをそれぞれ形成してある。また、ステージを
なす移動ステージ２の下面にも一対の角柱状をしたレー
ル４ｂを平行に配置し、これら一対のレール４ｂの外側
に位置する面には長手方向に沿ってＶ溝５ｂをそれぞれ
形成してある。そして、上記移動ステージ２の下面にお
けるレール４ｂは前記ベース基盤１の上面におけるレー
ル４ａの内側に位置するように配置するとともに、互い
に対向するＶ溝５ａ，５ｂ間に介装する複数のコロ（不
図示）によってクロスローラガイド４を構成し、このク
ロスローラガイド４に沿って移動ステージ２を往復移動
自在に案内するようになっている。

【００１８】また、移動ステージ２の下面にはレール４
ｂと平行に被駆動部材３を固定してあり、この被駆動部
材３の一方側面に２つの超音波モータ６を当接させると
ともに、上記被駆動部材３を挟んで超音波モータ６と反
対側には２つの回転可能な車輪９を加圧機構１５によっ
て当接させ、被駆動部材３を超音波モータ６の摩擦部材
８と車輪９によって挾持するようにしてある。

【００１９】その為、この超音波モータ６を駆動させる
と、その先端の摩擦部材８が楕円運動するため、被駆動
部材３との摩擦駆動によって移動ステージ２をクロスロ
ーラガイド４４に沿って直線的に所定の位置まで駆動、
案内することができ、移動ステージ２がストロークの両
端側に移動したとしても、被駆動部材３は超音波モータ
６の摩擦部材８と車輪９によって挾持してあることか
ら、移動ステージ２の姿勢を変化させることがない。し
かも、加圧機構１５には回転可能な車輪９を設け、この
車輪９を被駆動部材３に当接させてあることから、被駆
動部材３の移動時には車輪９が滑らかに回転し、被駆動
部材３の移動を阻害することがない。その為、本発明の
直線案内装置を用いれば、移動ステージ２をストローク
のどの位置でも高精度に位置決めすることができる。

【００２０】しかも、クロスローラガイド４、被駆動部
材３、超音波モータ６の摩擦部材８には過剰な負荷がか
かることがないため、各部材の異常摩耗を抑えることが
でき、結果として直線案内装置の寿命を延ばすことがで
きる。

【００２１】次に、本発明に係る直線案内装置の駆動部
の詳細を図２（ａ）（ｂ）に示す。

【００２２】図２（ａ）（ｂ）において、６は超音波モ
ータで、圧電セラミックスからなる振動体７の端面に摩
擦部材８を接着剤などで取着して構成してある。ここ
で、摩擦部材８の材質としては、アルミニウム、鉄、真
鍮あるいはステンレスなどの金属材料や、アルミナ、炭
化珪素、ジルコニアなどのセラミック材料、さらには樹
脂材料などを用いることができる。

【００２３】超音波モータ６は駆動特性を損なわないよ
うに弾性支持体１０によって規制した状態でケース１１
内に収納してあり、ベース基盤１上の側断面がＬ字状を
したモータ固定台１２に角度調整可能に取り付けてあ
る。また、モータ固定台１２の突壁部１２ａにはネジ穴
を設けてあり、該ネジ穴に螺合する予圧調整ネジ１３の
締め付け度合いを調整することによって被駆動部材３へ
の超音波モータ６の押し付け力を調整する加圧機構を構
成してある。

【００２４】一方、被駆動部材３を挟んで超音波モータ
６と反対側には、加圧機構１５によって２つの車輪９を
当接させてあり、各車輪９は平面形状がＬ字状の車輪支
持部材１６の一方端に固定した回転軸１９に回転自在に
支承してある。このような車輪９には耐摩耗性が必要で
あり、例えばアルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪
素等のセラミック材料やデルリン、テフロン等の樹脂材
料を用いることができる。

【００２５】加圧機構１５は２つの車輪支持部材１６を
平面形状でコ字状に配置し、各車輪支持部材１６の他方
端にバネ１８を介装して構成してある。バネ１８は各車
輪支持部材１６の他方端に螺合する予圧調整ネジ１７の
締め付け具合いによって伸縮自在としてあり、この予圧
調整ネジ１７を調整することで各車輪支持部材１６はピ
ン２０を中心に回動するため、被駆動部材３への車輪９
の押し付け力を調整するようになっている。

【００２６】例えば、予圧調整ネジ１７を締め込んでバ
ネ１８を縮めると、車輪支持部材１６はピン２０を中心
に矢印の方向に回転しようとする力が働くため、被駆動
部材３への車輪９の押し付け力を高めることができ、逆
に、予圧調整ネジ１７を緩めてバネ１８を伸ばすと、車
輪支持部材１６はピン２０を中心に矢印と逆の方向に回
転しようとする力が働くため、被駆動部材３への車輪９
の押し付け力を小さくすることができる。

【００２７】次に、加圧機構１５の調整方法について説
明する。

【００２８】まず、モータ固定台１２の予圧調整ネジ１
３と、車輪支持部材１６の予圧調整ネジ１７を緩めてお
いて超音波モ−タ６及び車輪９を被駆動部材３から放し
た状態とし、この状態で移動ステージ２をクロスローラ
ガイド４に沿って移動させ、各ストロークでの姿勢精度
を測定する。次に、モータ固定台１２の予圧調整ネジ１
３を締め付けて超音波モ−タ６の摩擦部材８を被駆動部
材３に所定の押し付け力で当接させるとともに、車輪支
持部材１６の予圧調整ネジ１７を少し締め付けて車輪９
を被駆動部材３に軽く当接させた状態とし、この状態で
上記超音波モ−タ６を駆動させて移動ステージ２を移動
させることにより各ストロークでの姿勢精度を測定す
る。そして、この時の姿勢精度と超音波モ−タ６及び車
輪９を被駆動部材３に当接させていない時の姿勢精度と
を比較し、両者の姿勢精度が異なる時は、姿勢精度が同
じ状態となるように車輪支持部材１６の予圧調整ネジ１
７の締め付け具合いを調整して被駆動部材３への車輪９
の押し付け力を調整すれば良い。

【００２９】次に、本発明の他の実施形態について説明
する。

【００３０】図３（ａ）は直線案内装置の他の駆動部を
示す一部を破断した平面図で、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ
線断面図であり、加圧機構１５以外は図２（ａ）（ｂ）
とほぼ同様の構造をしたもので、車輪９を回転自在に支
承する回転軸２３と車輪固定壁２２との間に加圧機構１
５として圧電アクチュエータ２１を介装したものであ
る。圧電アクチュエータ２１は正の電圧を印加すると伸
長するため、被駆動部材３への車輪９の押し付け力を大
きくすることができ、逆に負の電圧を印加すると縮長す
るため、被駆動部材３への車輪９の押し付け力を小さく
することができるというように、圧電アクチュエータ２
１に印加する電圧値を制御することで車輪９の押し付け
力を自由に調整することができ、さらには遠隔操作する
ことも可能となる。

【００３１】なお、本発明の実施形態では、移動ステー
ジ２を案内するガイド部材として、クロスローラガイド
４等の転がり方式のものを示したが、ガイド部材として
静圧流体軸受けを用いた直線案内装置にも適用できるこ
とは言うまでもない。

【００３２】また、車輪９に設ける加圧機構１５として
は、図２（ａ）（ｂ）や図３（ａ）（ｂ）に示したもの
だけに限定されるものではなく、被駆動部材３への車輪
９の押し付け力を調整できるような機構を有するもので
あれば構わない。

【００３３】（実施例）ここで、図２（ａ）（ｂ）に示
す駆動部を有する本発明の直線案内装置と図５（ａ）
（ｂ）に示す駆動部を有する従来の直線案内装置をそれ
ぞれ用意し、移動ステージ２の姿勢精度について測定す
る実験を行った。

【００３４】本試験では、移動ステージ２を純度９９．
５％のアルミナセラミックスで、クロスローラガイド４
を構成するレール４ａ，４ｂを超硬合金で、被駆動部材
３を純度９９．９％のアルミナセラミックスで、車輪９
を純度９９．９％の窒化珪素でそれぞれ形成するととも
に、移動ステージ２を３００ｍｍ×３００ｍｍ×２０ｔ
ｍｍの板状体とし、かつクロスローラガイド４として３
００ｍｍの長さを有するものを使用した。

【００３５】そして、ストローク距離２００ｍｍ、移動
速度５０ｍｍ／ｓｅｃの条件にて移動ステージ２を移動
させた時の真直度、角度精度（ヨ−イング，ピッチン
グ）、及び寿命についてそれぞれ測定を行った。なお、
寿命については真直度あるいは角度精度の値が初期の値
の１０％以上となった時の時間を寿命とした。

【００３６】結果は表１に示す通りである。

【００３７】

【表１】

【００３８】この結果、本発明の直線案内装置は従来と
比較して、水平真直度で１／４に、垂直真直度で３／４
に、角度精度（ヨーイング）で３／１６に、角度精度
（ピッチング）で２／３にそれぞれ低減することがで
き、移動ステージ２の姿勢変化を低減することができる
とともに、さらに寿命にあっては２．４倍近くも延ばす
ことができた。

【００３９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、移動ス
テージと、該移動ステージを直線的に往復移動自在に案
内するガイド部材と、該ガイド部材と平行に上記移動ス
テージに配設された被駆動部材と、該被駆動部材の一方
側面に超音波モータの摩擦部材を当接させ、その摩擦駆
動によって前記移動ステージをガイド部材に沿って案内
する直線案内装置において、上記被駆動部材の他方側面
に回転可能な車輪を設け、該車輪と上記超音波モータの
摩擦部材とで上記被駆動部材を挾持して直線案内装置を
構成したことから、ストロークのどの位置においても移
動ステージの姿勢変化が殆どなく、また、移動ステージ
を滑らかに案内することができるため、移動ステージを
ストロークのどの位置でも高精度に位置決めすることが
できる。

【００４０】その為、本発明の直線案内装置を超精密加
工装置や超精密測定装置に用いれば、所望の精度に加工
や測定を施すことができ、また、半導体装置の製造工程
における露光装置や描画装置に用いれば、所望の精度に
露光処理や描画処理を施すことができるため、品質の高
い半導体装置を提供することが可能となる。

【００４１】また、移動ステージの姿勢変化がないこと
から、ガイド部材、被駆動部材、超音波モータの摩擦部
材等の各部材に過剰な負荷がかからないため、各部材の
異常摩耗を抑えることができ、その結果、直線案内装置
の寿命を延ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の直線案内装置を示す斜視図である。

【図２】（ａ）は本発明の直線案内装置における駆動部
の詳細を示す一部を破断した平面図で、（ｂ）は（ａ）
のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】（ａ）は本発明の直線案内装置における他の駆
動部の詳細を示す一部を破断した平面図で、（ｂ）は
（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

【図４】従来の直線案内装置を示す斜視図である。

【図５】（ａ）は従来の直線案内装置における駆動部の
詳細を示す一部を破断した平面図で、（ｂ）は（ａ）の
Ｃ−Ｃ線断面図である。

【図６】従来の直線案内装置における移動ステージの姿
勢変化を示す模式図である。

【符号の説明】

１・・・ベ−ス基盤２・・・移動ステージ３・・・被駆動部材４・・・クロスロ−ラガイド４ａ，４ｂ・・・レール５ａ，５ｂ・・・Ｖ溝６・・・超音波モ−タ７・・・振動体８・・・摩擦部材９・・・車輪１０・・・弾性支持体１１・・・ケ−ス１２・・・モータ固定台１３・・・予圧調整ネジ１５・・・加圧機構１６・・・車輪支持部材１７・・・予圧調整ネジ１８・・・バネ１９・・・回転軸２０・・・ピン２１・・・圧電アクチュエータ２２・・・車輪固定壁２３・・・回転軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】移動ステージと、該移動ステージを直線的
に往復移動自在に案内するガイド部材と、該ガイド部材
と平行に上記移動ステージに配設された被駆動部材と、
該被駆動部材の一方側面に超音波モータの摩擦部材を当
接させ、その摩擦駆動によって前記移動ステージをガイ
ド部材に沿って案内する直線案内装置において、上記被
駆動部材の他方側面に回転可能な車輪を設け、該車輪と
上記超音波モータの摩擦部材とで上記被駆動部材を挾持
するようにしたことを特徴とする直線案内装置。
【請求項２】上記車輪及び／又は超音波モータに加圧機
構を設けたことを特徴とする請求項１に記載の直線案内
装置。