JP2001179567A - 超音波モータを可動体の駆動源とする案内装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】可動体としてのステージの位置決め精度を高め
ることができるとともに、所定位置に位置決めするまで
の所要時間を大幅に短縮することができ、さらには超音
波モータの異常摩耗や異常発熱のない案内装置を提供す
る。 【解決手段】、超音波振動子１１２の振動に伴って、楕
円運動する押圧チップ１１１を備えた超音波モータ１１
０を枠体１２０内に保持し、前記超音波モータ１１０と
の摩擦駆動によって直線運動する可動体としてのステー
ジ１０３を有する案内装置において、前記超音波モータ
１１０の超音波振動子１１２と枠体１２０との間に、超
音波モータ１１０の楕円運動における長軸方向に伸縮可
能な積層型圧電アクチュエータ１２１，１２２を配置す
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、例えば精密加工装
置、精密測定装置、半導体の製造工程で用いられる露光
装置や描画装置など、可動体に物品を載せて移動し、所
定の位置に位置決めするのに用いる超音波モータを可動
体の駆動源とする案内装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、直線的に往復移動するステージを
高速で、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、様々な研究がなされている。

【０００３】図７は超音波モータを可動体の駆動源とす
る案内装置をステージ装置に適用した例を示す平面図で
あり、このステージ装置は、ベース盤４０１上に可動体
としてのステージ４０３を配置し、一対のガイド部材４
０２に沿って直線的に案内するようになっている。ステ
ージ４０３の一方の側面には被駆動用摩擦材４０４が、
他方の側面にはリニアスケール４０５がそれぞれ取着し
てあり、リニアスケール４０５と対向する位置には位置
検出器４０６を設けてステージ４０３の位置検出手段を
構成するとともに、被駆動用摩擦材４０４と対向する位
置には超音波モータ４１０を設置し、超音波モータ４１
０の押圧チップ４１１を当接させてある。

【０００４】そして、ステージ４０３の移動に伴う位置
検出器４０６からの位置信号は、制御部４０９に送ら
れ、この制御部４０９にて予め設定してあるステージ４
０３の移動プロファイルに基づく基準位置信号と比較し
て位置偏差を求め、この位置偏差に応じて変化するパラ
メータを基にＰＩＤ演算処理した出力値を指令信号とし
て、超音波モータ用ドライバ４０７へ出力し、このドラ
イバ４０７からの駆動電圧に基づいて超音波モータ４１
０を駆動させることによりステージ４０３を移動させ、
所定の位置に位置決めするようになっていた。

【０００５】また、図８に超音波モータ４１０の取り付
け構造を示すように、超音波モータ４１０は超音波振動
体４１２とその先端に固着された押圧チップ４１１とか
らなり、ベース盤４０１上に設置された枠体４２０内に
設置してあり、超音波振動体４１２の一方の側面を、枠
体４２０の一方の側壁より突設させた一対の固定ピン４
２１，４２２に当接させ、枠体４２０の他方の側面に設
けた一対の弾性体４２３，４２４にて超音波振動体４１
２の他方の側面を押圧することで挟持するように保持し
てある。また超音波振動体４１２の後端と枠体４２０と
の間にはコイル４２５を設けてあり、このコイル４２５
の弾性作用によって超音波モータ４１０をステージ４０
３の被駆動用摩擦材４０４に押圧するとともに、その押
圧力を調整するようになっている。

【０００６】なお、超音波モータ４１０を構成する超音
波振動体４１２は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）や
チタン酸バリウムなどを主成分とする矩形板状の圧電セ
ラミック体からなり、一方の主面に、同一矩形状の４つ
の電極４１３，４１４，４１５，４１６を点対称に備
え、対角に配置された電極４１３と電極４１５をリード
線４１７により電気的に接続し、電極４１４と電極４１
６をリード線４１８により電気的に接続するとともに、
他方の主面全面にも不図示の電極を備え、アースされて
いる。そして、電極４１３，４１５又は電極４１４，４
１６に交流電圧を印加すれば、超音波振動体４１２が振
動し、押圧チップ４１１が矢印ＡＢを長軸とする楕円運
動するため、この楕円運動の力が摩擦によって被駆動用
摩擦材４０４に伝達され、ステージ４０３をガイド部材
４０２に沿って直線的に移動させ、また、超音波モータ
４１０を停止させれば、押圧チップ４１１と被駆動用摩
擦材４０４との間の摩擦力により、ステージ４０３を位
置決めするようになっていた（特開平７−１８４３８２
参照）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図７及び図
８に示す従来の案内装置では、超音波モータ４１０を枠
体４２０内に一対の弾性体４２３，４２４を介して保持
する構造であるため、超音波モータ４１０を駆動させた
り、停止させる時、弾性体４２３，４２４の変形によっ
て超音波モータ４１０が揺動し、この超音波モータ４１
０の揺動によってステージ４０３も揺動することから、
ステージ４０３を所定位置まで移動、位置決めするのに
要する時間が長くなるといった課題があった。

【０００８】しかも、ステージ４０３が所定の位置に達
した際に弾性体４２３，４２４が変形していると、弾性
変形が元の状態に復元されると、ステージ４０３が所定
の位置より進んで位置決めされるため、所定位置に高精
度に位置決めできないといった課題もあった。

【０００９】また、超音波モータ４１０の駆動中、超音
波モータ４１０は、弾性体４２３，４２４の弾性変形に
よってステージ４０３の移動方向だけでなく、鉛直方向
にも移動したり、傾斜したりするため、押圧チップ４１
１の接触状態が変化し易く、その結果、押圧チップ４１
１や被駆動摩擦材４０４との摩耗が激しく、超音波モー
タ４１０や被駆動摩擦材４０４等の部品を短期間で交換
しなければならないといった課題もあった。

【００１０】さらに、超音波モータ４１０の駆動によっ
て、超音波振動体４１２の超音波振動が、弾性体４２
３，４２４との間で増幅され、弾性体４２３，４２４が
摩耗したり、発熱するといった課題もあった。

【００１１】その為、熱膨張による位置決めや真直精度
が変化することを問題視する露光装置や座標測定機等に
使用するためには、超音波モータ４１０の駆動速度を遅
くしなければならず、実用的ではなかった。

【００１２】

【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、超音波振動子の振動に伴って、楕円運動する
押圧チップを備えた超音波モータを枠体内に保持して成
り、前記超音波モータの押圧チップによる摩擦駆動によ
って直線運動又は回転運動する可動体を有する案内装置
において、前記超音波モータの超音波振動子と枠体との
間に、前記超音波モータの楕円運動における長軸方向に
伸縮可能なアクチュエータを設けたことを特徴とする。

【００１３】また、本発明は、上記案内装置を用い、前
記超音波モータにて移動させて位置決めした可動体の実
際の位置が、予め設置してある目標位置の基準範囲外で
ある場合、前記積層型圧電アクチュエータを伸縮させて
上記可動体を微小移動させ、所定の目標位置に位置決め
するようにしたことを特徴とする。

【００１４】

【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。

【００１５】図１は本発明に係る超音波モータを可動体
の駆動源とする案内装置をステージ装置に適用した例を
示す平面図である。

【００１６】このステージ装置は、ベース盤１０１上に
可動体としてのステージ１０３を配置し、クロスローラ
ーガイド、エアスライドガイド、油圧ガイド等の一対の
ガイド部材１０２を介して、直線的に案内するようにな
っている。ステージ１０３の一方の側面には被駆動用摩
擦材１０４を、他方の側面にはリニアスケール１０５を
それぞれ取着してあり、リニアスケール１０５と対向す
る位置には位置検出器１０６を設けてステージ１０３の
位置検出手段を構成するとともに、被駆動用摩擦材１０
４と対向する位置には超音波モータ１１０を設置し、超
音波モータ１１０の押圧チップ１１１を押圧させてあ
る。

【００１７】また、図２に超音波モータ１１０とその固
定構造を示すように、超音波モータ１１０は、超音波振
動体１１２とその先端に固着したアルミナやジルコニア
等のセラミックスからなる押圧チップ１１１とからな
り、超音波振動体１１２は、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐ
ＺＴ）やチタン酸バリウムなどを主成分とする矩形板状
の圧電セラミック体からなり、一方の主面に、同一矩形
状の４つの電極１１３，１１４，１１５，１１６を点対
称に備え、対角に配置された電極１１３と電極１１５を
リード線１１７により電気的に接続し、電極１１４と電
極１１６をリード線１１８により電気的に接続するとと
もに、他方の主面全体にも不図示の電極を備え、アース
してある。

【００１８】そして、電極１１３，１１５又は電極１１
４，１１６のいずれか一方にパルス電圧を印加すると、
超音波振動体１１２が楕円モードの変形を起こし、矢印
ＣＤを長軸とする楕円運動するため、押圧チップ１１１
がステージ１０３の被駆動摩擦材１０４と当接させてお
くことにより、摩擦駆動によってステージ１０３をガイ
ド部材１０２に沿って移動させることができる。

【００１９】また、この超音波モータ１１０は、ベース
盤１０１上に設置された枠体１２０内に保持してあり、
枠体１２０の両側面にそれぞれ設けた積層型圧電アクチ
ュエータ１２１，１２２によって超音波振動体１１２の
前方両側面を挟持するようにして保持し、また、枠体１
２０の両側面にそれぞれ設けた固定ピン１２３，１２４
によって超音波振動体１１２の後方両側面を挟持するよ
うにして保持してある。また超音波振動体１１２の後端
と枠体１２０との間にはコイル等の弾性体１２５を設け
てあり、この弾性体１２５の弾性作用によって超音波モ
ータ１１０をステージ１０３の被駆動用摩擦材１０４に
押圧するとともに、その押圧力を調整するようになって
いる。なお、積層型圧電アクチュエータ１２１，１２２
は超音波振動体１１２の前方側面における節の部分（振
動しない部分）に接着等にて固着してあり、また、固定
ピン１２３，１２４は超音波振動体１１２の後方側面に
おける節の部分（振動しない部分）に接着等にて固着し
てある。

【００２０】また、ステージ１０３の移動に伴い位置検
出器１０６からの位置信号は、制御部１０９に送られ、
この制御部１０９にて予め設定してあるステージ１０３
の移動プロファイルに基づく位置信号と比較して位置偏
差を求め、この位置偏差に応じて変化するパラメータを
基にＰＩＤ演算処理した出力値を指令信号として超音波
モータ用ドライバ１０７へ出力し、このドライバ１０７
からの駆動電圧に基づいて超音波モータ１１０を駆動す
るようになっている。

【００２１】また、制御部１０９では、位置検出器１０
６からの位置信号によってステージ１０２が所定の目標
位置に来たと判断し、超音波モータ１１０を停止させた
時、ステージ１０３に残留している揺動や目標位置から
のずれを、位置検出器１０６からの位置信号と、制御部
１０９にて予め設定してある最終目標位置に基づく位置
信号を比較して得られた位置偏差から判断し、この位置
偏差に応じて変化するパラメータを基にＰＩＤ演算処理
した出力値を指令信号として、アクチュエータ用ドライ
バ１０８へ出力し、このドライバ１０８からの駆動電圧
に基づいて積層型圧電アクチュエータ１２１，１２２を
伸縮させ、ステージ１０３の揺動を収束させたり、微小
移動させ、所定の位置にステージ１０３を位置決めする
ようになっている。

【００２２】図３に図１のステージ装置におけるブロッ
ク線図を示すように、制御部１０９は、フィードバック
制御部３０１、目標値発生部３０２、指令信号出力切り
替え部３０３からなり、ステージ１０３への要求位置
は、予め設定してあるステージ１０３の移動プロファイ
ルを格納してある目標値発生部３０２より時間の関数と
して与え、フィードバック制御部３０１へ送るようにな
っている。そして、このフィードバック制御部３０１で
は、目標値発生部３０２からの要求位置信号３０４と、
位置検出器１０６から得られる実際の位置信号３０５の
２つの信号から位置偏差を計算し、この位置偏差及び、
予め決めておいたパラメータ値を基にしてＰＩＤ演算処
理を実行することで、ステージ１０３の移動位置を決定
する指令信号３０６を出力するようになっている。

【００２３】そして、予め設定してあるステージ１０３
の移動プロファイルにより算出される理想計算到達時間
までの指令信号３０６は、指令出力信号切り替え部３０
３により超音波モータ用ドライバ１０７へ出力し、超音
波モータ１１０を駆動させることでステージ１０３を移
動させるようになっている。

【００２４】即ち、理想計算到達時間時には、指令信号
３０６は一旦ゼロになり、上記時間以降は最終目標位置
信号を出力する要求位置信号３０４と位置検出器１０６
からの実際の位置信号３０５の２つの信号から位置偏差
を計算し、この位置偏差及び、予め決めておいたパラメ
ータ値を基にしてＰＩＤ演算処理を実行し、ステージ１
０３の移動位置を決定する指令信号３０６を、指令出力
信号切り替え部３０３によりアクチュエータ用ドライバ
１０８へ出力し、積層型圧電アクチュエータ１２１，１
２２を伸縮させることでステージ１０３の揺動を短時間
で収束させるとともに、ステージ１０３を所定の位置に
位置決めをすることができる。

【００２５】また、超音波モータ１１０の揺動を抑える
ことができることで、超音波モータ１１０の押圧チップ
１１１やステージ１０３の被駆動摩擦材１０４の異常摩
耗を低減でき、寿命を延ばすことができるとともに、超
音波モータ１１０の異常発熱も抑えることもできる。な
お、ここで理想計算到達時間とは、予め設定してあるス
テージ１０３の移動プロファイルが目標位置に到達する
までの時間のことである。

【００２６】また、本発明では、積層型圧電アクチュエ
ータ１２１，１２２を、位置決め時におけるステージ１
０３の揺動を抑え、所定の位置に位置決めするのに用い
たが、所定の位置から微小距離移動させるのにも用いる
ことができる。

【００２７】さらに、本実施形態では、超音波モータ１
１０を２つの積層型圧電アクチュエ―タ１２１，１２２
で挟持するように保持した例を示したが、少なくとも一
方に積層型圧電アクチュエータを備えたものでも構わな
い。

【００２８】また、可動体として直線運動するステージ
１０３を用いた案内装置について説明したが、本発明
は、回転運動する可動体の案内装置にも好適に用いるこ
とができる。

【００２９】このように、本発明は本実施形態で示した
ものだけに限定されるものではなく、本発明の範囲を逸
脱しない範囲で変更や改良できることは言うまでもな
い。

【００３０】

【実施例】ここで、図１のステージ装置及び図７のステ
ージ装置を用意し、各ステージ１０３、４０３を一定距
離ステップ移動させたときの最終目標位置に対する位置
決め誤差及び位置決め後の揺動が収束するまでの時間、
超音波モータ１１０、４１０の温度変化、超音波モータ
１１０、４１０に備える押圧チップ１１１、４１１の摩
耗量について調べる実験を行った。

【００３１】本実験において、各ステージ１０３、４０
３は、３００ｍｍ×３００ｍｍ×２０ｍｍの板状体と
し、アルミナ純度９９．５％のアルミナセラミックスに
より形成するとともに、被駆動摩擦材１０４，４０４
は、３００ｍｍ×３０ｍｍ×３０ｍｍの板状体とし、ス
テージ１０３、４０３と同材質のアルミナセラミックス
により形成した。なお、ステージ１０３、４０３及び被
駆動摩擦材１０４，４０４の総重量を測定したところ、
１０Ｋｇであった。

【００３２】また、ステージ１０３、４０３を案内する
一対のガイド部材１０２、４０２には、長さが３００ｍ
ｍのクロスローラーガイドを用いるとともに、位置検出
手段を構成するリニアスケール１０５，４０５には、最
小分解能が０．００４μｍのものを用いた。

【００３３】また、超音波モータ１１０，４１０を構成
する超音波振動体１１２、４１２の外形寸法は、３０ｍ
ｍ×１０ｍｍ×３ｍｍの板状体とし、その先端に直径３
ｍｍ、高さ４ｍｍの円柱状をしたアルミナ純度が９９．
５％のアルミナセラミックスからなる押圧チップ１１
１、４１１を接着剤にて固着したものを用いた。

【００３４】そして、本発明のステージ装置において用
いる積層型圧電アクチュエータ１２１，１２２には、最
大伸縮量が１０μｍであるものを用い、また、超音波モ
ータ１１０を挟持する固定チップ１２３，１２４は、ア
ルミナ純度が９９．５％のアルミナセラミックスにより
形成し、直径３ｍｍ×長さ３ｍｍの円柱体とするととも
に、超音波モータ１１０を押圧する弾性体１２５には、
長さ１０ｍｍ×直径３ｍｍのコイルスプリングを用い、
超音波モータ１１０を４０Ｎの力で押圧するようにし
た。

【００３５】一方、従来のステージ装置において用いる
弾性体４２３，４２４には、長さ５ｍｍ×直径３ｍｍの
コイルスプリングを用い、また、超音波モータ４２０と
当接する固定チップ４２１，４２２は、アルミナ純度が
９９．５％のアルミナセラミックスにより形成し、直径
３ｍｍ×長さ３ｍｍの円柱体とするとともに、超音波モ
ータ４２０を押圧する弾性体４２５には、長さ１０ｍｍ
×直径３ｍｍのコイルバネを用い、超音波モータ４２０
を４０Ｎの力で押圧するようにした。

【００３６】そして、各ステージ装置を、ステージ１０
２，４０２の移動プロファイルとして図４に示す移動プ
ロファイルを関数として目標値発生部３０２に記録し、
各ステージ装置にてステージ１０３、４０３を所定の位
置まで移動させ、最終目標位置に対する位置決め誤差及
び位置決め後の揺動が収束するまでの時間、超音波モー
タ１１０、４１０の温度変化、超音波モータ１１０、４
１０に備える押圧チップ１１１、４１１の摩耗量を確認
した。

【００３７】最終目標位置に対する位置決め誤差は、各
ステージ装置を図４に示す移動プロファイルで、ステー
ジ位置全領域において繰り返し１００００往復間に渡っ
て測定し、それぞれ最大値を位置決め誤差として測定値
とした。

【００３８】また、位置決め後の揺動が収束するまでの
時間は、理想位置決め時間後、１ｍｓｅｃ間隔でステー
ジ１０３、４０３の位置を測定して１ｍｓｅｃ間隔にお
ける速度を算出し、その速度が２０μｍ／ｓｅｃ以下と
なった時間とした。

【００３９】また、超音波モータ１１０、４１０の温度
変化は、上記測定期間中において、超音波モータ１１
０、４１０の温度をサーミスタ温度計で測定し、室温か
らの温度変化を確認した。

【００４０】さらに、押圧チップ１１１、４１１の摩耗
状態は、実験前後における長さを表面粗さ計で測定し、
その減少量を摩耗量として評価した。

【００４１】それぞれの結果は表１に示す通りである。
また、図５は本発明のステージ装置におけるステージ１
０３の位置と位置決め時間との関係を示すグラフであ
り、図６は従来のステージ装置におけるステージ４０３
の位置と位置決め時間との関係を示すグラフである。

【００４２】

【表１】

【００４３】これらの結果より明らかに、本発明のステ
ージ装置では、ステージ１０３の位置決め時において揺
動の収束が速やかに行われていることが判る。、更に位
置決め精度も０．１μｍ以下と従来の１．０μｍに対し
て大幅に向上することができた。

【００４４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、超音波
振動子の振動に伴って、楕円運動する押圧チップを備え
た超音波モータを枠体内に保持して成り、前記超音波モ
ータの押圧チップによる摩擦駆動によって直線運動又は
回転運動する可動体を有する案内装置において、前記超
音波モータの超音波振動子と枠体との間に、前記超音波
モータの楕円運動における長軸方向に伸縮可能な積層型
圧電アクチュエータを設けたことによって、可動体を高
精度に位置決めできるとともに、可動体の停止時におけ
る揺動時間を短くすることができ、結果として可動体を
所定の位置に位置決めするまでの時間を大幅に短縮する
ことができる。

【００４５】また、超音波モータが揺動し難いため、超
音波モータの押圧チップ等の異常摩耗を低減でき、寿命
を延ばすことができるとともに、超音波モータの異常発
熱を抑えることもできる。

【００４６】その為、本発明の案内装置を用いれば、熱
膨張による位置決めや真直精度が変化することを問題視
する露光装置や座標測定機等におけるステージ装置にも
好適に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波モータを可動体の駆動源と
する案内装置をステージ装置に適用した例を示す平面図
である。

【図２】図１のステージ装置に備える超音波モータの固
定構造を示す拡大図である。

【図３】図１のステージ装置におけるブロック線図であ
る。

【図４】実験において予め設定したステージの移動プロ
ファイルを示すグラフである。

【図５】本発明のステージ装置におけるステージの位置
と位置決め時間との関係を示すグラフである。

【図６】従来のステージ装置におけるステージの位置と
位置決め時間との関係を示すグラフである。

【図７】超音波モータを可動体の駆動源とする従来の案
内装置をステージ装置に適用した例を示す平面図であ
る。

【図８】図７のステージ装置に備える超音波モータの固
定構造を示す拡大図である。

【符号の説明】

１０１：ベース盤 １０２：ガイド部材 １０３：ステ
ージ １０４：被駆動摩擦材 １０５：リニアスケール １０
６：位置検出器 １０７：ドライバ １０８：微動駆動用ドライバ １０
９：制御部 １１０：超音波モータ １１１：押圧チップ １１２：
超音波振動体 １１３，１１４，１１５，１１６：電極 １１７，１１
８：リード線 １２０：枠体 １２１、１２２：積層型圧電アクチュエ
ータ １２３，１２４：固定ピン １２５：弾性体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波振動子の振動に伴って、楕円運動す
   る押圧チップを備えた超音波モータを枠体内に保持して
   成り、前記超音波モータの押圧チップによる摩擦駆動に
   よって直線運動又は回転運動する可動体を有する案内装
   置において、前記超音波モータの超音波振動子と枠体と
   の間に、前記超音波モータの楕円運動における長軸方向
   に伸縮可能な積層型圧電アクチュエータを設けたことを
   特徴とする超音波モータを可動体の駆動源とする案内装
   置。
2. 【請求項２】前記超音波モータにて移動させて位置決め
   した可動体の実際の位置が、予め設置してある目標位置
   の基準範囲外である場合、前記積層型圧電アクチュエー
   タを伸縮させて上記可動体を微小移動させ、所定の目標
   位置に位置決めするようにしたことを特徴とする請求項
   1に記載の超音波モータを可動体の駆動源とする案内装
   置。