JP2506170B2

JP2506170B2 - Ｘ−ｙステ―ジ

Info

Publication number: JP2506170B2
Application number: JP63262009A
Authority: JP
Inventors: 一正大西; 浩一内藤; 徹中澤
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1988-10-18
Filing date: 1988-10-18
Publication date: 1996-06-12
Anticipated expiration: 2011-06-12
Also published as: US5013958A; JPH02111271A

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１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に設けられたナット（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に設けられたナット（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とナッ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があった。

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、したがって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63-6
0713号，特願平1-55572号）。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、レール上を走行さ
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としている。

「課題点を解決するための手段」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１
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、固定台に設け
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一方に向けて押
し付けられるので、移動台は固定台に対して一定の方向
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
は、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」以下、この発明のＸ−Ｙステージの一実施例を第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が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、断面略Ｖ字状の直線状
の溝13が形成されている。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が固定台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
側の面）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
た複数のボールベアリング17によって、Ｘステージ14が
固定台11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24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11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15に向かっ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
へのねじ込み量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11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41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が、その胴部23の中央部をＹステージ42の
レール部材44に向かっ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51が
穿設された四角板状の固定テーブル52が固定されてい
る。貫通孔51の周面には、断面略Ｖ字状の環状溝53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略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複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に向かっ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
成された取付面65に、この取付面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61、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１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、 Vb＝Ｅ・sin（ωｔ−1/2π）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、 X₁＝Ａ・sin（ωｔ＋π/2） Y₁＝Ｂ・sin（ωｔ＋π）一方、第２の脚部22においては、 X₂＝Ａ・sinωｔ Y₂＝Ｂ・sin（ωｔ＋π/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度異なるもの
であるから、Ｘステージ14のレール部材15には、脚部2
1、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、 Vb＝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、超音波リニア
モータ20の脚部21、22の先端とＸステージ14のレール部
材14との摩擦力によりＸステージ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についても超音波リニ
アモータ20Aにより同様の効果が得られる。

さらには、回転テーブル54を超音波モータ60で駆動す
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ができる。

また、ねじ軸等の伝達機構を用いず直接超音波リニア
モータ20、20A、超音波モータ60のみによりＸステージ1
4、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、20A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、軽量である利点がある。

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ステージ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の移動方向に沿う面に圧
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の内側に該レール部材
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の先端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20A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の端部を嵌入させ、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＝Ex・sinωｔとし、脚部71、72には、第１の脚部71に、 Vb＝Ey・sin（ωｔ＋3/2π）第２の脚部72に、 Vc＝Ey・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、 X₁＝−X₂，X₁＝−Y₂ であるから、位相が180度異なるものである。

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 Va＝Ex・sin（ωｔ＋π）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II-II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VII-VII線
に沿う矢視図、第８図は第６図のVIII-VIII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、51……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、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

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】固定台とこの固定台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。