JP2000344474A - ステージ装置およびこれを備えた装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のステージ装置において、低速送り等を
行うためには複数の減速ギヤ列が必要となる。また、ギ
ヤ列のバックラッシュ等のために、ステージの位置決め
再現性が悪い。 【解決手段】 電気−機械エネルギー変換により振動が
励起される振動体１およびこの振動体に接触することに
より回転駆動される回転体５とを有して構成される振動
型駆動手段（特に、円環タイプの振動型駆動手段）と、
回転体の中心軸上に配置されて、この回転体と一体的に
回転するネジ部材５ａと、このネジ部材に噛み合い、ネ
ジ部材の回転により振動型駆動手段の軸方向にスライド
駆動されるスライドステージ１２ととステージ装置を構
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動型駆動手段を
アクチュエータとして用いてステージを移動させるステ
ージ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に用いられている代表的なステージ
装置は、図４および図５に示すように構成されている。
図４において、１０１はステージ１０５をＺ（上下）方
向に駆動するためのステッピングモータで、軸先端には
歯車１０２が取り付けられている。歯車１０２はラック
１０３と噛み合い、ラック１０３は案内レール１０４に
沿ってステージ１０５とともに上下方向に移動する。

【０００３】また、図５において、１１１はステージ１
１５をＺ方向に駆動するためのステッピングモータで、
軸先端には偏心カム１１２が取り付けられている。カム
フォロアー１１３は引っ張りコイルバネ１１４によって
偏心カム１１２に圧接されている。偏心カム１１２がス
テッピングモータ１１１によって回転駆動されると、カ
ムフォロアー１１３が上下運動し、このカムフォロアー
１１３とともに図示しないガイド手段に沿って上下運動
するアタッチメント１１６によってステージ１１５から
上下に動く。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４に
示したステージ装置において、ステージ１０５の低速送
りを行わせるためには、歯車１０２とラック１０３間の
減速比を大きく（例えば、ギヤ列を多く）しなければな
らず、構造が複雑になるという問題がある。さらに、ギ
ヤ列を多くすると、バックラッシュが大きくなり、ステ
ージ１０５の位置決め再現性が困難になるという問題が
ある。

【０００５】また、図５に示すステージ装置において
は、微動精密送りをさせるためには、偏心カム１１２の
加工精度を上げる必要があり、コストアップにつながる
という問題がある。

【０００６】しかも、これら図４および図５に示すよう
に電磁モータないしステッピングモータを使用すると、
モータ駆動音が大きく、ステージ上に振動として伝達さ
れることとなったり、Ｘ、Ｙ方向にステージを移動させ
る場合に比べて、高さ方向にスペースが必要になったり
するという問題がある。

【０００７】ここで、図６に、耐荷重が５ｋｇｆであ
る、図４に示される構造のステージ装置を用い、３ｋｇ
の物体をステージ上に置いてモータに５０パルスずつ２
５０パルスまで間欠回転するような指令を与えた場合の
ステージ移動量を、ステージ上昇時および下降時におい
てレーザ測長機で測定した結果を示す。

【０００８】このグラフでは、初期値を０とし、ステー
ジ上昇時の移動距離を実線で示すとともに、ステージ下
降時の移動距離を点線で示している。その結果、上昇時
の移動量よりも下降時の移動量の方が大きく、元に戻し
たとときに約４μｍだけステージの高さが低くなった。

【０００９】また、ステージ上にモータ駆動振動が伝わ
っているばかりでなく、その上昇音と下降音にも差異が
観測された。

【００１０】なお、別の同じ構造のステージ装置を用い
て同じ実験を行ったところ、やはり数μｍだけステージ
の高さがずれ、昇降を繰り返し行うことによってもステ
ージの高さがずれることが確認された。

【００１１】これら位置決めに再現性がない理由として
は、荷重影響や構造上のガタ（バックラッシュ）が主原
因と考えられる。

【００１２】そこで、本発明では、低速送りや微動送り
を構造を複雑化することなく行え、位置決め再現性も安
定しており、さらにステージ移動時に振動や音がほとん
ど発生しないコンパクトなステージ装置を提供すること
を目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では、電気−機械エネルギー変換により振
動が励起される振動体およびこの振動体に接触すること
により回転駆動される回転体とを有して構成される振動
型駆動手段（特に、円環タイプの振動型駆動手段）と、
回転体の中心軸上に配置されて、この回転体と一体的に
回転するネジ部材と、このネジ部材に噛み合い、ネジ部
材の回転により振動型駆動手段の軸方向にスライド駆動
されるスライドステージとを有するステージ装置として
いる。

【００１４】振動型駆動手段の特徴として、 １．低速で安定駆動でき、しかも高トルクである。

【００１５】２．静粛駆動が可能である。

【００１６】３．保持トルクが大きく、位置決め再現性
が良い。

【００１７】４．特に、円環型のものは薄型で、Ｚ方向
にスペースをとらない。等が挙げられる。

【００１８】このため、本発明のステージ装置によれ
ば、 １．振動型駆動手段が１回転する間に、ステージはネジ
部材のネジ１ピッチ分しか移動しないため、低速送りや
微動送りが可能となる。しかも、ネジ部材とステージ間
の１つのギヤ列しか設ける必要がないので、構造の複雑
化を防止することが可能となる。

【００１９】２．静粛駆動が可能な振動型駆動手段をア
クチュエータとして用いることにより、ステッピングモ
ータなどを用いる場合に生じる駆動音や振動をほとんど
なくすることが可能となる。

【００２０】３．位置決め再現性が高い振動型駆動手段
をアクチュエータとして用いることにより、ステージ上
昇時と下降時の移動量の差の低減を図ることが可能とな
る。

【００２１】４．円環型の振動型駆動手段を採用するこ
とにより、Ｚ方向のスペースをある程度抑えられる薄型
のステージ装置が可能となる。

【００２２】但し、振動型駆動手段には、振動体と回転
体の接触面が摩耗すると、駆動手段としての寿命が短く
なるので、ステージの中心と振動型駆動手段の中心軸と
を同軸上に配置し、ステージからの偏荷重による振動型
駆動手段の摩擦接触面の加圧ムラおよびこれによる過度
の摩耗を防止し、寿命を維持するようにするのが望まし
い。

【００２３】具体的には、回転体とともに回転するネジ
部材を外径ネジとし、スライドステージに上記外径ネジ
に噛み合う内径ネジを設ければよい。

【００２４】なお、ネジ部材と回転体とは一体形成して
もよいし、ネジ部材を回転体に対し、この回転体と一体
的に回転可能に取り付けるようにしてもよい。また、ネ
ジ部材と回転体とをスプラインカップリングを介して連
結することにより、ステージの荷重が直接、振動型駆動
手段にかからないようにして、振動型駆動手段の長寿命
化を図ってもよい。

【００２５】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１には、本発
明の第１実施形態であるステージ装置の構成を示してい
る。なお、このステージ装置は、ステージ上に載置され
た対象物を上下方向に移動させるために用いられるが、
これを組み込む装置としては、計測装置、加工装置およ
び半導体製造装置等、多種多様の装置がある。

【００２６】図１において、Ａ相およびＢ相の圧電体
（電気−機械エネルギー変換素子）３を底面に貼り付け
たステータ（振動体）１は、ビス４により箱形のベース
５１の内側底部に固定されている。このステータ１は円
環状に形成された本体部（後述するロータ５が接触する
部分）と、この本体部の内側に設けられ、ビス４により
ベース５１に固定されるビス止め部とから構成される。

【００２７】ベース５１の底面のうち、ステータ１のビ
ス止め部から外側の部分は、ステータ１の振動を阻害し
ないように薄肉状に形成されている。

【００２８】ロータ（回転体）５は、加圧バネ６の付勢
力によりステータ１（の本体部分）の上面に圧接される
と共に、その外周が回転支持部材８によりベース５１に
回転自在に支持されている。

【００２９】加圧バネ６は、ベース５１の上面内側とロ
ータ５との間に配置され、クッションゴム７により加圧
ムラを吸収した状態でロータ５に押圧される。また、加
圧バネ６とベース５１の上面との間には、加圧バネ６の
回転を許容するための回転支持部材９が配置されてい
る。なお、以上の圧電体３、ステータ１、ロータ５およ
び加圧バネ６により振動型アクチュエータ（振動型駆動
手段）が構成される。

【００３０】ロータ５の中心軸上には、上下方向に延び
る外径ネジ部（ネジ部材）５ａがロータ５に一体形成さ
れている。ネジ部５ａの上端は、回転支持部材１０およ
びＥリング１３によってベース５１に支持されている。

【００３１】ベース５１の上方には、ステージ１２が上
下方向に移動可能に配置されている。このステージ１２
の下部には、内径ネジ部１２ａが形成されており、この
内径ネジ部１２ａは外径ネジ部５ａに噛み合っている。
さらに、ベース５１の上面外周側には、ステージ１２の
下部外周側に形成されたガイド穴１２ｂに嵌合して、こ
のステージ１２の回転を阻止するとともに、ステージ１
２を上下方向にガイドする回り止め１１が形成されてい
る。

【００３２】以上のように構成されたステージ装置にお
いて、Ａ相およびＢ相の圧電体３に互い位相が異なる２
つの周波信号を印加すると、ステータ１に進行性振動波
が形成される。ステータ１に圧接するロータ５は上記振
動波により回転駆動される。

【００３３】そして、ロータ５が回転すると、外径ネジ
部５ａもこれと一体回転し、回り止め１１によって回転
が阻止されているステージ１２は、外径ネジ部５ａと内
径ネジ部１２ａとの作用により上下にスライドする。

【００３４】ここで、ロータ５が１回転（３６０°）す
ると、ステージ１２は両ネジ部５Ａ，１２ａの１ピッチ
分だけ上下方向に移動することになる。もともと振動型
アクチュエータは、安定した低速回転が得られるという
特徴を有するため、ステージ１２を低速スライドさせた
り微小量スライドさせたりするために、両ネジ部５ａ，
１２ａにより構成される噛合部以外に、ロータ５とステ
ージ１２との間に減速部等の噛合部を設ける必要がな
い。このため、簡単な構造で、ステージ１２を安定的に
低速スライドさせたり微小量スライドさせたりすること
が可能となる。

【００３５】図２には、本実施形態のステージ装置を用
い、３ｋｇの物体をステージ１２上に置き、振動型アク
チュエータモータに５０パルスずつ２５０パルスまで間
欠回転するよう指令を与えた場合の、ステージ移動量を
ステージ上昇時および下降時においてレーザー測長機で
測定した結果である。なお、このグラフでは、初期値を
０とし、ステージ上昇時の移動量を実線で、ステージ下
降時の移動量を破線で示している。

【００３６】このグラフから明らかなように、ステージ
上昇時の移動量とステージ下降時の移動量とにほとんど
差がなく、安定した位置決め再現性を示している。

【００３７】つまり、本実施形態によれば、前述したよ
うに構造の簡素化を図れる結果、バックラッシュ等の位
置決め再現性を損なう要因を少なくすることができる。
しかも、振動型アクチュエータには、停止状態における
保持トルクが大きいという特徴があるため、位置決め再
現性のばらつきがなく、安定性の高いステージ装置を実
現することができる。

【００３８】しかも、本実施形態では、薄型の円環タイ
プの振動型アクチュエータを用いているため、特にＺ方
向（上下方向）にスペースを必要としないコンパクトな
ステージ装置を実現することができる。

【００３９】さらに、本実施形態では、ステージ１２の
中心をアクチュエータ中心軸上に位置させたので、アク
チュエータに偏荷重が作用することによるロータ５とス
テータ１との加圧ムラに起因する、アクチュエータ寿命
の低下を防止することができる。

【００４０】（第２実施形態）図３には、本発明の第２
実施形態であるステージ装置を示している。本実施形態
のステージ装置の基本構成は、第１実施形態のステージ
装置であり、第２実施形態において共通する構成要素に
は第１実施形態と同符号を付して説明に代える。

【００４１】本実施形態のステージ装置は、第１実施形
態では一体形成されていたロータ５と外径ネジ部５ａと
を別体とし、ロータ５にスプラインカップリング１４に
よっネジ部材１５を連結した点で、第１実施形態と異な
る。

【００４２】スプラインカップリング１４によっネジ部
材１５とロータ５とを連結した事性を採ることにより、
ステージ１２上の荷重は、直接、振動型アクチュエータ
に作用しない。このため、ステージ１２上の荷重が直
接、振動型アクチュエータに作用することによるロータ
５とステータ１との摩耗の進行を緩和することができ、
振動型アクチュエータのさらなる寿命向上が図れる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
振動型駆動手段の特徴を生かして、構造を複雑化するこ
となく低速送りや微動送りを行え、安定した位置決め再
現性を有し、さらにステージ移動時に振動や音がほとん
ど発生しないコンパクトなステージ装置を実現すること
ができる。

【００４４】なお、ステージの中心と振動型駆動手段の
中心軸とを同軸上に配置すれば、ステージからの偏荷重
による振動型駆動手段の摩擦接触面の加圧ムラおよびこ
れによる過度の摩耗を防止することができ、振動型駆動
手段の寿命が短くなるのを防止することができる。

【００４５】また、ネジ部材と回転体とをスプラインカ
ップリングを介して連結することにより、ステージの荷
重が直接、振動型駆動手段にかからないようにすること
ができ、振動型駆動手段のさらなる長寿命化を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態であるステージ装置の断
面図。

【図２】上記ステージ装置のステージの上昇時および下
降時の位置を示すグラフ。

【図３】本発明の第２実施形態であるステージ装置の断
面図。

【図４】従来のステージ装置の側面図。

【図５】従来のステージ装置の側面図。

【図６】従来のステージ装置のステージの上昇時および
下降時の位置を示すグラフ。

【符号の説明】

１・・・ステータ ２・・・振動体 ３・・・圧電体 ４・・・ビス ５・・・ロータ ５ａ・・・外径ネジ部 ６・・・加圧バネ ７・・・クッションゴム ８・・・回転支持部材 ９・・・回転支持部材 １０・・・回転支持部材 １１・・・回り止め １２・・・ステージ １２ａ・・・内径ネジ部 １３・・・Ｅリング １４・・・スプラインカップリング １５・・・ネジ部材

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気−機械エネルギー変換により振動が
   励起される振動体およびこの振動体に接触することによ
   り回転駆動される回転体とを有して構成される振動型駆
   動手段と、 前記回転体の中心軸上に配置されて、この回転体と一体
   的に回転するネジ部材と、 このネジ部材に噛み合い、前記ネジ部材の回転により前
   記振動型駆動手段の軸方向にスライド駆動されるスライ
   ドステージとを有することを特徴とするステージ装置。
2. 【請求項２】 前記振動型駆動手段が円環型であること
   を特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
3. 【請求項３】 前記スライドステージの中心を、前記振
   動型駆動手段の中心軸上に配置したことを特徴とする請
   求項１又は２に記載のステージ装置。
4. 【請求項４】 前記ネジ部材が外径ネジであり、前記ス
   ライドステージに前記外径ネジに噛み合う内径ネジを設
   けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の
   ステージ装置。
5. 【請求項５】 前記ネジ部材と前記回転体とを一体形成
   したことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載
   のステージ装置。
6. 【請求項６】 前記ネジ部材を、前記回転体に対し、こ
   の回転体と一体的に回転可能に取り付けたことを特徴と
   する請求項１から４のいずれかに記載のステージ装置。
7. 【請求項７】 前記ネジ部材と前記回転体とをスプライ
   ンカップリングを介して連結したことを特徴とする請求
   項６に記載のステージ装置。
8. 【請求項８】 前記スライドステージの前記振動型駆動
   手段の軸回りでの回転を阻止する回り止め手段を有する
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のス
   テージ装置。
9. 【請求項９】 請求項１から８のいずれかに記載のステ
   ージ装置を備えたことを特徴とする装置。