JP2010060695A - ステージ機構 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を大型化することなく、安価に磨耗粉の飛散を防止する。
【解決手段】ステージ機構は、固定台１と、固定台１に対して移動軸方向に移動可能に支持された移動体３と、高周波電圧信号により複数のモードを励起する振動体１２と、振動体１２に設けられた複数の突起部１５（１５ａ，１５ｂ）と、振動体１２を固定台１に対して保持すると共に、複数の突起部１５と移動体３とを所定の押圧力で接触させる保持部材１１とを備え、複数の突起部１５と移動体３との接触部下方の固定面には、粘着材としてグリス８が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波モータを用いたステージ機構に関する。

半導体や生体試料など微細構造の観察に顕微鏡がよく利用される。このとき、観察対象の任意位置を顕微鏡観察下に位置づけるためにＸＹステージが利用される。そのため、ＸＹステージは観察対象となる微細構造と同等以上の送り分解能や静止時の安定性が求められている。また、高いスループットで複数の位置を観察する必要がある場合も多く、高速動作も求められている。

このようなニーズに対応するアクチュエータの一つとして超音波モータが注目されている。例えば特許文献１には、顕微鏡用ＸＹステージのアクチュエータとして超音波モータを採用する装置が提案されている。

このようなステージに使用される超音波モータの一例として、直方体形状を利用したリニア駆動型超音波アクチュエータがある。このような超音波モータの多くは積層型圧電体で構成されており、内部に屈曲振動用電極と縦振動用電極を有し、夫々の電極に位相が９０°ずれた正弦波信号が印加されることで駆動する。

図６は、このようなリニア駆動型超音波アクチュエータを備えたステージ移動機構の一例を模式的に示す図である。
同図に示した例では、屈曲振動用電極１０１（１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ）と縦振動用電極１０２とを有する積層型圧電体からなる超音波振動子（以下単に「振動子」という）１０３と２つの駆動子１０４（１０４ａ,１０４ｂ）とを有する超音波モータ１０５において、縦振動用電極１０２に正弦波信号である縦振動信号が印加され、屈曲振動用電極１０１に縦振動信号とは位相が９０°異なる正弦波信号である屈曲振動信号が印加されると、ガイド１０６に沿って可動体（ステージ）１０７が移動する。

同図において、屈曲振動用電極１０１と縦振動用電極１０２の「＋」又は「−」の符号は、圧電体の分極方向を示している。例えば、電極にプラス電圧を印加した場合、「＋」符号の電極部分の圧電体は長手方向に伸長するように変形し、「−」符号の電極部分の圧電体は長手方向に縮小するように変形する。このため、屈曲振動用電極１０１に正弦波的な信号を印加すると図７(a) に模式的に示すような屈曲変形振動が励起され、縦振動用電極１０２に正弦波的な信号を印加すると同図(b) に模式的に示すような長手方向に伸縮する縦振動が励起される。なお、同図(a),(b) において、点線矢印は圧電体の変形方向を示し、実線矢印は駆動子１０４の移動方向を示している。このように、２種類の振動の位相を９０°ずらして同時に励起させると、駆動子１０４が図６の矢印に示すような楕円（同図点線参照）の軌跡を描くような振動となる。このとき、駆動子１０４が可動体１０７と接触する際に生じる力の垂直方向成分で摩擦力を減らし、水平方向成分の力で可動体１０７を移動させる。

ところで、このような超音波モータは、上記のように摩擦を利用して駆動するため、摩擦摺動部において磨耗粉が生じる問題がある。そこで、このような問題を解決すべく、種々の提案がなされている。例えば特許文献２には、摩擦摺動部に生じた磨耗粉を除去するために、磨耗粉の帯電状態と異なる極性に帯電させた掻き取り部を接触させて、機械的に掻き取るとともに、静電気力によって磨耗粉の除去効率を向上させる装置が提案されている。また、例えば特許文献３には、磨耗粉除去パッドと可動体の当接面との隙間から磨耗粉が逃げ出して外部に磨耗粉が飛散するのを防ぐために、可動体の当接面に摺接する摺接面を備えるとともに、超音波モータに対応する開口部を備えた封止体を有する装置が提案されている。
特開２００５−２６５９９６号公報 特開２００２−１４２４７１号公報 特開２００７−１２１０８４号公報

しかしながら、上記特許文献２に記載の装置では、落下した磨耗粉が、外部に流出する虞があり、装置がクリーンルーム内など、粉塵を嫌う環境で使用された場合、その磨耗粉が問題となってしまう。また、上記特許文献３に記載の装置では、装置が大型化すると共にコストも上昇してしまう問題を抱えている。

本発明は、上記実情に鑑み、装置を大型化することなく、安価に磨耗粉の飛散を防止することが可能な、超音波モータを用いたステージ機構を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係るステージ機構は、固定台と、前記固定台に対して移動軸方向に移動可能に支持された移動体と、高周波電圧信号により複数のモードを励起する振動体と、前記振動体に設けられた複数の突起部と、前記振動体を前記固定台に対して保持すると共に、前記複数の突起部と前記移動体とを所定の押圧力で接触させる保持機構と、を備え、前記複数の突起部と前記移動体との接触部下方の固定面には、粘着材が設けられている、ことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様に係るステージ機構は、上記第１の態様において、前記粘着材は、真空グリスである、ことを特徴とする。
また、本発明の第３の態様に係るステージ機構は、上記第１の態様において、前記保持機構には、導電性を有する除電ブラシが固定されていて、前記除電ブラシは前記移動体に接触している、ことを特徴とする。

また、本発明の第４の態様に係るステージ機構は、上記第１の態様において、前記粘着材の下面には、前記接触部にて発生する磨耗粉を引き寄せる極性に帯電された部材が構成されている、ことを特徴とする。

また、本発明の第５の態様に係るステージ機構は、上記第１の態様において、前記粘着材は、前記複数の突起部と前記移動体との接触部下方の前記固定台に形成された溝部の底に設けられている、ことを特徴とする。

本発明によれば、装置を大型化することなく、安価に磨耗粉の飛散を防止することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係るステージ機構の全体構成を模式的に示す斜視図である。図２は、そのステージ機構の側面図であって、固定台の部分のみを断面図として示した図である。

図１及び図２に示した本実施形態に係るステージ機構において、固定台１上には、例えばボール循環式のガイドレール２が取り付けられている。
移動体３は、固定台１に対して、ガイドレール２に沿って１軸方向に移動可能に支持されている。また、移動体３には側面部材４（４ａ，４ｂ）が固定されており、移動体３と側面部材４とが一体となって移動する。側面部材４ａには、例えばセラミックなどの硬い材料で作られた摺動部材５が設けられており、これも移動体３と一体となって移動する。このように、移動体３と側面部材４と摺動部材５が一体となって移動することから、側面部材４と摺動部材５は、移動体３の一部ということもできる。

なお、図示は省略するが、側面部材４ｂにはスケールが設けられていて、スケールのパターンを検出できる位置にエンコーダが配置され、そのエンコーダが固定台１に固定されている。ここで、エンコーダは、移動体３と固定台１との相対位置関係を検出する変位センサである。また、図示は省略するが、エンコーダから位置情報を取得し、この位置情報を基に超音波アクチュエータ６を駆動する制御装置が、エンコーダ及び超音波アクチュエータ６と接続されている。

超音波アクチュエータ６は、摺動部材５に接触、押圧するようにして固定台１に固定されている。なお、超音波アクチュエータ６は、移動体３と固定台１とを相対移動させるアクチュエータであって、後述の超音波モータと保持機構とを備えている。超音波モータは、高周波電圧信号により複数のモードを励起する振動体と、その振動体に設けられた複数の突起部とを有するものであって、例えば図６に示した超音波モータ１０５と同じものを適用することができる。この場合、超音波モータに与えられる信号及びその時の動作は、図６を用いて説明した超音波モータ１０５のものと同様となる。また、保持機構は、振動体を固定台１に対して保持すると共に、複数の突起部と移動体３（詳しくは移動体３と一体となって移動する摺動部材５）とを所定の押圧力で接触させるものである。

摺動部材５における超音波アクチュエータ６（詳しくはその複数の突起部）と接触し得る範囲の部分（以下単に「摺動部材接触部分」）の下方には、その摺動部材接触部分を固定台１に投影した部分を含む十分な面積を持った溝部７が設けられ、その溝部７の底には粘着材としてグリス８が塗布されている。グリス８としては、長期安定性に優れ且つ揮発性が無い（又は揮発性が低い）ことから、例えば真空グリスを適用することができる。

超音波アクチュエータ６と溝部７が形成された固定台１とは一体的に固定されているため、移動体３の移動があっても両者の位置関係は一定である。また、移動体３の移動により生じる磨耗粉は、超音波モータの駆動振動により、即時重力方向に落下するため、摺動部材接触部分の下方に形成された溝部７内の狭い範囲に落下させることができ、落下後は、グリス８に捕捉され外部への飛散を最低限に抑えることができる。

続いて、図３(a),(b) を用いて、超音波アクチュエータ６について詳細に説明する。
図３(a) は、超音波アクチュエータ６の上面図、同図(b) は、同図(a) のＡＡ´断面図である。

同図(a),(b) に示した超音波アクチュエータ６において、保持部材１１は、振動体１２を固定台１に対して保持する保持機構であって、例えばアルミニウム等の金属材料で構成されている。また、保持部材１１は、ワイヤ放電加工等により切り欠き穴部１３を設けることによって形成された薄板ばね部１４（同図(a) では斜線で示した部分）を有する。薄板ばね部１４の中央にはばねとして作用しない厚肉部１４ａが形成されていて、厚肉部１４ａと振動体１２とが例えば（エポキシや）セラミック接着材等の強度の高い接着剤で接着されている。このとき、薄板ばね部１４と振動体１２は平行に近接して設けられるように構成されている。また、振動体１２の接着位置は、振動体１２の接着面中央付近である。

振動体１２において、保持部材１１の厚肉部１４ａが接着された面と反対の面には駆動子である突起部１５（１５ａ、１５ｂ）が２個設けられている。突起部１５は、例えば強化繊維を含む摩擦係数の比較的小さな樹脂を母材とした材料で形成されている。保持部材１１は、突起部１５が２個とも摺動部材５に接する状態で、固定用ビス穴１６（１６ａ，１６ｂ）を通してビスにより固定台１に固定される。このとき、薄板ばね部１４のたわみは殆ど無い状態で、移動体３側への押圧力はゼロ近傍であることが望ましい。なお、図１においては、保持部材１１を固定台１に固定するための固定用ビス穴１６及びビスを省略して示している。

また、保持部材１１の中央にはメネジを含む穴が形成されている。詳しくは図３(b) に示したように、その穴の中にコイルばね１７が挿入されていて、ネジ１８をねじ込むことによってコイルばね１７を介して厚肉部１４ａを押圧できるようになっている。また、コイルばね１７の内側にはダンピング材１９が挿入されていて、コイルばね１７の共振を抑える働きを担っている。このような構成により、ネジ１８のねじ込み量に応じた押圧力が厚肉部１４ａに負荷される。このとき、突起部１５は、振動体１２を介して摺動部材５に押圧される。

なお、この保持部材１１としては、例えば特願２００７−１６９７２に記載されている保持部材を適用することもできる。
以上、本実施形態に係るステージ機構によれば、超音波アクチュエータ６が駆動して摺動部材５に駆動力が伝わり移動体３がガイドレール２に沿って移動したときに、摺動部材５と突起部１５との間の摩擦により突起部１５が磨耗し、磨耗粉が発生したとしても、この磨耗粉が自重により下方に落下して、摺動部材接触部分の下方に設けられた溝部７の底に塗布されたグリス８に付着するようになる。これにより、磨耗粉が固定され、外部への飛散を抑制することができる。このように、本実施形態に係るステージ機構では、装置を大型化することなく、また高価な装置を使用することなく安価に磨耗粉の飛散を防止することができる。

なお、本実施形態に係るステージ機構は、種々の変形が可能である。
例えば、図４に示すように、超音波アクチュエータ６における保持部材１１の両側面に、導電性を有する除電ブラシ２１（２１ａ，２１ｂ）を固定するように構成することも可能である。但し、この場合、除電ブラシ２１は、移動体３と一体となって移動する摺動部材５と接触するように固定される。これにより、摺動部材５の表面を除電することができると共に、物理的に摺動部材５表面の磨耗粉を引き剥がし、下方へ落下させることができる。このため、除電ブラシ２１よりも外側に磨耗粉が飛散する可能性を低くし、より多くの磨耗粉を溝部７内の底に塗布されたグリス８上に落下、固定することができる。

また、例えば、図５に示すように、溝部７の底とグリス８との間、すなわちグリス８の下面に、磨耗粉の帯電と極性が反対、すなわち磨耗粉を引き寄せる極性に帯電された帯電部材３１を設けるように構成することも可能である。これにより、摺動部材５と突起部１５との間の摩擦により発生した磨耗粉を帯電部材３１により電気的に引き寄せ、より確実にグリス８に付着させることができる。

また、例えば、溝部７を設けずに、摺動部材接触部分を固定台１に投影した部分を含む十分な面積の固定台１上面の領域にグリス８を塗布するだけの構成とすることも可能である。

また、例えば、超音波アクチュエータ６においては、複数の突起部として、２つの突起部に限らず、３つ以上の突起部を設けるように構成することも可能である。
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良及び変更を行っても良いのはもちろんである。

一実施の形態に係るステージ機構の全体構成を模式的に示す斜視図である。 図１に示したステージ機構の側面図であって、固定台の部分のみを断面図として示した図である。 (a) は超音波アクチュエータの上面図、(b) は(a) のＡＡ´断面図である。 一実施の形態の変形例に係るステージ機構を示す図である。 一実施の形態の他の変形例に係るステージ機構を示す図である リニア駆動型超音波アクチュエータを備えたステージ移動機構の一例を模式的に示す図である。 (a) は屈曲変形振動が励起されたときの様子を模式的に示す図、(b) は縦振動が励起されたときの様子を模式的に示す図である。

符号の説明

１ 固定台
２ ガイドレール
３ 移動体
４ 側面部材
５ 摺動部材
６ 超音波アクチュエータ
７ 溝部
８ グリス
１１ 保持部材
１２ 振動体
１３ 切り欠き穴部
１４ 薄板ばね部
１５ 突起部
１６ 固定用ビス穴
１７ コイルばね
１８ ネジ
１９ ダンピング材
２１ 除電ブラシ
３１ 帯電部材
１０１ 屈曲振動用電極
１０２ 縦振動用電極
１０３ 超音波振動子
１０４ 駆動子
１０５ 超音波モータ
１０６ ガイド
１０７ 可動体

Claims (5)

1. 固定台と、
   前記固定台に対して移動軸方向に移動可能に支持された移動体と、
   高周波電圧信号により複数のモードを励起する振動体と、
   前記振動体に設けられた複数の突起部と、
   前記振動体を前記固定台に対して保持すると共に、前記複数の突起部と前記移動体とを所定の押圧力で接触させる保持機構と、
   を備え、
   前記複数の突起部と前記移動体との接触部下方の固定面には、粘着材が設けられている、
   ことを特徴とするステージ機構。
2. 前記粘着材は、真空グリスである、
   ことを特徴とする請求項１記載のステージ機構。
3. 前記保持機構には、導電性を有する除電ブラシが固定されていて、前記除電ブラシは前記移動体に接触している、
   ことを特徴とする請求項１記載のステージ機構。
4. 前記粘着材の下面には、前記接触部にて発生する磨耗粉を引き寄せる極性に帯電された部材が構成されている、
   ことを特徴とする請求項1記載のステージ機構。
5. 前記粘着材は、前記複数の突起部と前記移動体との接触部下方の前記固定台に形成された溝部の底に設けられている、
   ことを特徴とする請求項１記載のステージ機構。