JP4601240B2 - stage - Google Patents
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Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明はステージに係り、特に、小型化、構成の簡略化を図ることができるように工夫したものに関する。
【0002】
【従来の技術】
高い精度で位置決めを行うステージとして、いわゆる「超音波モータ」を使用したものがある。そのようなものとして、例えば、特開2000−58269号公報に示すようなものがある。ここに開示されているステージは、超音波モータを使用した第1ステージ(X軸方向ステージ)の上に別の超音波モータを使用した第2ステージ(Y軸方向ステージ)を積層させて構成されたものである。
【0003】
ところが、このような構成では、超音波モータを使用した別々のステージを積層させているために、ステージ全体としての高さが高くなってしまうと共に、全体として装置が大型化してしまって構成が複雑化してしまうという問題があった。
【0004】
そこで、この種の問題を解決するものとして、例えば、特開平8−23686号公報、特開平11−235063号公報に示されているようなステージが提案されている。
まず、特開平8−23686号公報に記載されているステージは、弾性体に4個の圧電素子を取り付けると共に、弾性体の4箇所に駆動力取出部を設け、上記4個の圧電素子に適宜所定の電圧を印加することにより、X軸方向又はY軸方向への駆動力を出力させ、それによって、移動子をX軸方向又はY軸方向に移動させようとするものである。
【0005】
又、特開平11−235063号公報に記載されているステージは、固定側に4個の超音波モータを配置すると共に、これら4個の超音波モータの上に移動板を載置し、上記4個の超音波モータを適宜制御することにより、移動板をX軸方向又はY軸方向に移動させようとするものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の構成によると次のような問題があった。
まず、特開平8−23686号公報、特開平11−235063号公報の何れに記載されたステージの場合も、基本的には固定側に超音波モータを設置し、そこに設置されている移動子を移動させる構成であり、そのため、移動子の移動範囲は固定側の超音波モータから外れない範囲内に限定されてしまい、それによって移動範囲が狭められてしまうという問題があった。
又、特開平8−23686号公報、特開平11−235063号公報の何れに開示されている超音波モータの場合も、それ単体で二次元平面内の任意の方向に移動させることはできるようなものではなく、X軸方向又はY軸方向に移動できるにすぎなかった。
これは移動子に回転運動を行わせようとする場合も同様であり、そもそも回転運動が不可能であったり、或いは、専用の超音波モータを必要としてしまうという問題があった。
【0007】
本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、移動範囲を拡大することができ、又、簡単な構成でX・Y二次元平面内にて任意の方向に動作を行わせると共に簡単な構成で回転運動を可能にするステージを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するべく本願発明の請求項1によるステージは、固定子と、上記固定子に対して移動可能に配置された移動子と、上記移動子に取り付けられ移動子が移動するための駆動力を発揮する超音波モータと、上記超音波モータの反移動子側端に取り付けられた振動子と、を具備し、上記移動子は剛性体であり、上記超音波モータはZ軸方向の変形を発生させる厚み縦効果圧電素子対と上記Z軸方向に直交するX軸方向の滑りを発生させる厚み滑り効果圧電素子対と上記Z軸方向とX軸方向に直交するY軸方向の滑りを発生させる厚み滑り効果圧電素子対とから積層構成され、又は、上記超音波モータはZ軸方向の変形を発生させる厚み縦効果圧電素子対と上記Z軸方向に直交するX軸方向への駆動力を発生させる厚み縦効果圧電素子対と上記Z軸方向とX軸方向に直交するY軸方向への駆動力を発生させる厚み縦効果圧電素子対とから積層構成され、単独で任意の方向に駆動可能なものであり、上記厚み縦効果圧電素子対と上記厚み滑り効果圧電素子対を同時に変形させることにより、又は、上記複数の厚み縦効果圧電素子対を同時に変形させることによって上記振動子を介して任意の方向に沿った楕円運動を出力させ、その楕円運動により発生する推力によって上記移動子をX・Y二次元平面内にて上記任意の方向に移動させるようにしたものであることを特徴とするものである。
又、請求項2によるステージは、請求項1記載のステージにおいて、上記超音波モータは少なくとも3個取り付けられていることを特徴とするものである。
又、請求項3によるステージは、請求項1又は請求項2記載のステージにおいて、上記超音波モータは厚み縦効果圧電素子及び少なくとも2枚の厚み滑り効果圧電素子を積層させたものであり、上記少なくとも2枚の厚み滑り効果圧電素子の分極方向を直交又は任意の角度で交差する方向とし、それによって、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものであることを特徴とするものである。
又、請求項4によるステージは、請求項1又は請求項2記載のステージにおいて、上記超音波モータは厚み縦効果圧電素子及び少なくとも2枚の厚み滑り効果圧電素子を積層させたものであり、上記少なくとも2枚の厚み滑り効果圧電素子の電極方向を直交又は任意の角度で交差する方向とし、それによって、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものであることを特徴とするものである。
又、請求項5によるステージは、請求項1又は請求項2記載のステージにおいて、上記超音波モータは少なくとも2枚の厚み縦効果圧電素子を積層させて備えており、上記少なくとも2枚の厚み縦効果圧電素子内において分極が分割され相反していて該分極の分割を直交又は任意の角度で交差する方向とし、それによって、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものであることを特徴とするものである。
又、請求項6によるステージは、請求項1又は請求項2記載のステージにおいて、上記超音波モータは少なくとも2枚の厚み縦効果圧電素子を積層させて備えており、上記少なくとも2枚の厚み縦効果圧電素子内において電極が分割され相反していて該電極の分割を直交又は任意の角度で交差する方向とし、それによって、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものであることを特徴とするものである。
又、請求項7によるステージは、請求項1又は請求項2記載のステージにおいて、上記超音波モータは厚み縦効果圧電素子を積層させたものであり、厚み縦効果圧電素子内において電極が分割され異なる電圧が印加され、異なる電圧が印加される電極対が2組以上あり、それによって、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものであることを特徴とするものである。
又、請求項8によるステージは、請求項1又は請求項2記載のステージにおいて、上記超音波モータは厚み縦効果圧電素子と厚み滑り効果圧電素子を積層させたものであり、厚み縦効果圧電素子内において電極が分割され異なる電圧が印加され、異なる電圧が印加される電極対が2組以上あり、それによって、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものであることを特徴とするものである。
又、請求項9によるステージは、請求項1〜請求項8の何れかに記載のステージにおいて、上記超音波モータは単独で制御可能なものであることを特徴とするものである。
又、請求項10によるステージは、請求項1〜請求項9の何れかに記載のステージにおいて、上記超音波モータは振動子を突起状に備えていて、該振動子は円柱形状又は球面形状をなしていることを特徴とするものである。
【0009】
すなわち、本願発明によるステージは、固定子と、上記固定子に対して移動可能に配置された移動子と、上記移動子に取り付けられ移動子が移動するための駆動力を発揮する超音波モータと、上記超音波モータの反移動子側端に取り付けられた振動子と、を具備し、上記移動子は剛性体であり、上記超音波モータは厚み縦効果圧電素子及び又は厚み滑り効果圧電素子から構成され単独で任意の方向に駆動可能なものであり、上記厚み縦効果圧電素子と上記厚み滑り効果圧電素子を同時に変形させることにより又は少なくとも二種類の厚み縦効果圧電素子を同時に変形させることによって上記振動子を介して任意の方向に沿った楕円運動を出力させ、その楕円運動により発生する推力によって上記移動子を上記任意の方向に移動させるようにしたものであるので、従来のように、固定子側に設けられた超音波モータから外れてしまうことを理由に移動範囲が制限されるようなことはなくなる。
その際、上記移動子としては剛性体としているので、それによって、形状に対する制限がなくなるものである。
又、上記超音波モータを少なくとも3個取り付けることが考えられ、それによって、安定した動作を提供することができる。
又、上記超音波モータを厚み縦効果圧電素子及び又は厚み滑り効果圧電素子から構成して、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものとすることが考えられる。
又、上記超音波モータを厚み縦効果圧電素子及び少なくとも2枚の厚み滑り効果圧電素子を積層させたものとし、上記少なくとも2枚の厚み滑り効果圧電素子の分極方向を直行又は任意の角度で交差する方向とし、それによって、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものとすることが考えられる。
又、上記超音波モータを厚み縦効果圧電素子及び少なくとも2枚の厚み滑り効果圧電素子を積層させたものとし、上記少なくとも2枚の厚み滑り効果圧電素子の電極方向を直行又は任意の角度で交差する方向とし、それによって、
X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものとすることが考えられる。 又、上記超音波モータを少なくとも2枚の厚み縦効果圧電素子を積層させて備えたものとし、上記少なくとも2枚の厚み縦効果圧電素子内において分極が分割され相反していて該分極の分割を直行又は任意の角度で交差する方向とし、それによって、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものとすることが考えられる。
又、上記超音波モータを少なくとも2枚の厚み縦効果圧電素子を積層させて備えたものとし、上記少なくとも2枚の厚み縦効果圧電素子内において電極が分割され相反していて該電極の分割を直行又は任意の角度で交差する方向とし、それによって、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものとすることが考えられる。
又、上記超音波モータを厚み縦効果圧電素子を積層させたものとし、厚み縦効果圧電素子内において電極が分割され異なる電圧が印加され、異なる電圧が印加される電極対が2組以上あり、それによって、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものとすることが考えられる。
又、上記超音波モータは厚み縦効果圧電素子と厚み滑り効果圧電素子を積層させたものとし、厚み縦効果圧電素子内において電極が分割され異なる電圧が印加され、異なる電圧が印加される電極対が2組以上あり、それによって、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものとすることが考えられる。
又、上記超音波モータを単独で制御可能なものとすることが考えられる。
又、上記超音波モータを振動子を突起状に備えたものとし、該振動子は円柱形状又は球面形状をなしている構成にすることが考えられる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図1乃至図3を参照して本発明の第1の実施の形態を説明する。図1(a)は本実施の形態によるステージを構成する移動子1の構成を示す正面図であり、図1(b)は図1(a)のb−b矢視図である。まず、平板状をなす移動子本体3があり、この移動子本体3の下面側であって四隅には超音波モータ5が取り付けられている。移動子1はこれら4個の超音波モータ5による駆動力によって固定子7上をX・Y二次元平面内にて任意の方向に移動するものである。
尚、上記移動子本体3は剛性体である。
【0011】
上記超音波モータ5は次のような構成をなしている。すなわち、図2(a)に示すように、厚み縦効果圧電素子対9と厚み滑り効果圧電素子対11、13を積層させた構成になっている。まず、厚み縦効果圧電素子対9は、一対の圧電素子9a、9bを厚み方向(図中上下方向)に積層させた構成をなしていて、電圧を印加することによりZ軸方向(図中上下方向)に向かう変形が発生するように構成されている。
又、厚み滑り効果圧電素子対11は一対の圧電素子11a、11bを厚み方向に積層させた構成をなしていて、電圧を印加することによりX軸方向(図左右方向)に向かう滑りが発生するように構成されている。又、厚み滑り効果圧電素子対13は一対の圧電素子13a、13bを厚み方向に積層させた構成をなしていて、電圧を印加することによりY軸方向(図中紙面に直行する方向)に向かう滑りが発生するように構成されている。
【0012】
又、上記各圧電素子9a、9b、11a、11b、13a、13bであるが、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛等より製作され、予め所定の分極処理が施されていると共に、その表面には、例えば、蒸着等の手段によって金や銅等からなる電極が形成されている。又、図では省略しているが、各超音波モータ5には給電用ケーブル等が接続されていて、上記各圧電素子9a、9b、11a、11b、13a、13bに所定の電圧を印加できるように構成されている。
尚、図中示す矢印は各圧電素子9a、9b、11a、11b、13a、13bの分極方向を示すものである。
【0013】
上記超音波モータ5の下面には振動子15が取り付けられている。この振動子15は半球状をなしていて、既に説明した固定子7上に直接接触して振動するものである。
【0014】
上記振動であるが、例えば、図2(a)に示すように、厚み縦効果圧電素子対9に図示するようなZ軸方向の変形が発生し、同時に厚み滑り効果圧電素子対11に図示するようなX軸方向の滑りが発生すると、それらが合成されて、図3に示すように、各超音波モータ5の振動子15において楕円運動が出力されることになる。このような楕円運動によって移動子1は、図3に示すように、X軸方向であって右側に移動することになる。
【0015】
以下、同様の理屈により、厚み縦効果圧電素子対9と厚み滑り効果圧電素子対13の運動の合成により、移動子1はY軸方向に移動することができる。又、厚み縦効果圧電素子対9、厚み滑り効果圧電素子対11、厚み滑り効果圧電素子対13の組み合わせによりX・Y二次元平面内の任意の方向に移動することが可能になる。つまり、厚み滑り効果圧電素子対11と厚み滑り効果圧電素子対13における滑りの大きさ等を印加する電圧によって制御することにより、X軸方向とY軸方向の間の任意の方向に移動することができるものである。
又、この実施の形態の場合には、4個の超音波モータ5のそれぞれが上記のような機能を備えているものである。
【0016】
以上この第1の実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、ステージ全体をみた場合、移動子1側に超音波モータ5を取り付けて移動させるようにしているので、固定子7上を広範囲で制限なく移動することが可能になる。すなわち、固定子側に超音波モータを配置した場合には移動子がそこから外れる範囲では移動不能となるが、本実施の形態の場合にはそのような制限がないからである。
又、本実施の形態の移動子1はX・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能であり、又、そのための構成も簡単である。
又、本実施の形態の場合には4個の超音波モータ5の移動方向を制御することにより、移動子1を回転させることが可能になる。すなわち、図1(a)に示すように、移動子1に円a(図中仮想線で示す)で示すような回転運動を行わせる場合には、各超音波モータ5に円aに対する接線方向(矢印bで示す方向)への移動動作を行わせればよく、それによって、移動子1に所望の回転運動を容易に実行させることが可能になる。
又、本実施の形態における超音波モータ5は、それ単体でX・Y二次元平面内にて任意の方向に移動する機能を備えているので、例えば、超音波モータ5の個数を1個にしても回転運動を除けば所望の動作を実行させることができる。又、回転運動をも実行させたい場合には2個以上の超音波モータを使用すればよい。
又、この実施の形態における振動子15は半球状をなしていて、固定子7側に対して点接触するように構成されているので、移動時における抵抗も軽減され、より円滑で安定した動作が実現される。
【0017】
次に、図4及び図5を参照して本発明の第2の実施の形態について説明する。この第2の実施の形態の場合には、超音波モータにおける圧電素子対の構成を前記第1の実施の形態の場合とは変えているものである。以下、この第2の実施の形態による超音波モータの構成を説明する。
この第2の実施の形態による超音波モータ51は、厚み縦効果圧電素子対53を備えていて、この厚み縦効果圧電素子対53は一対の圧電素子53a、53bを厚み方向に積層させた構成となっている。これら一対の圧電素子53a、53bに電圧を印加することによりZ軸方向への変形が発生する。
【0018】
上記厚み縦効果圧電素子対53を挟むようにして別の厚み縦効果圧電素子対55、57が積層されている。上記厚み縦効果圧電素子対55は円板状の一枚の圧電素子に所定の分極処理を施して一対の圧電素子部55a、55bを隣接・配置した構成になっている。同様に、上記厚み縦効果圧電素子対57も円板状の一枚の圧電素子に所定の分極処理を施して一対の圧電素子部57a、57bを隣接・配置した構成になっている。上記厚み縦効果圧電素子対55の各圧電素子部55a、55bに電圧を印加することにより、垂直方向への変形が発生する。同様に、上記厚み縦効果圧電素子対57の各圧電素子部57a、57bに電圧を印加することにより、垂直方向への伸長・圧縮が発生する。これらの垂直方向への伸長・圧縮と上記厚み縦効果圧電素子対53によるZ軸方向への変形により、図4(c)に示すように、X軸方向(図中左右方向)に沿った振動子63の楕円運動が発生する。このような楕円運動によってX軸方向への駆動力が発生するものである。
【0019】
又、図5(a)に示すように、上記厚み縦効果圧電素子対55、57を挟むようにして別の厚み縦効果圧電素子対59、61が積層されている。又、上記厚み縦効果圧電素子対61の下面側には振動子63が取り付けられている。この振動子63は前記第1の実施の形態における振動子15と同じである。
尚、第5図(a)は第4図(a)に示す超音波モータ51を図中右方向からみた側面図である。
上記厚み縦効果圧電素子対59は円板状の一枚の圧電素子に所定の分極処理を施して一対の圧電素子部59a、59bを隣接・配置した構成になっている。同様に、上記厚み縦効果圧電素子対61も円板状の一枚の圧電素子に所定の分極処理を施して一対の圧電素子部61a、61bを隣接・配置した構成になっている。
上記厚み縦効果圧電素子対59の各圧電素子部59a、59bに電圧を印加することにより、垂直方向への変形が発生する。同様に、上記厚み縦効果圧電素子対61の各圧電素子部61a、61bに電圧を印加することにより、垂直方向への伸長・圧縮が発生する。これらの垂直方向への伸長・圧縮と上記厚み縦効果圧電素子対53によるZ軸方向への変形により、X軸方向に直交するY軸方向(図中左右方向)に沿った振動子63の楕円運動が発生する。このような楕円運動によってY軸方向への駆動力が発生するものである。
【0020】
そして、上記X軸方向への動作とY軸方向への動作を適宜組み合わせることにより、X・Y二軸平面内の任意の方向に移動することができるものである。
【0021】
以上この第2の実施の形態の場合も前記第1の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができるものである。
尚、この第2の実施の形態では超音波モータ51としての構成のみを図示して説明しているが、そのような超音波モータ51を使用して図1に示すようなステージを構成できることは勿論である。
又、この第2の実施の形態においては、例えば、厚み縦効果圧電素子対55、57の各圧電素子部55aの分極方向と57aの分極方向、各圧電素子部55bの分極方向と57bの分極方向を逆向きとしているが、これを同じ向きとしてその代わり印加する電圧の向きを逆向きにすることにより同様の変形を得るようにしてもよい。
【0022】
次に、図6を参照して本発明の第3の実施の形態を説明する。前記第1の実施の形態の場合には長方形をなす移動子本体3に4個の超音波モータ5を取り付けた移動子1を例に挙げて説明したが、この第3の実施の形態の場合は、移動子本体の形状と超音波モータの個数を変えたものを例に挙げて示すものである。
すなわち、この第3の実施の形態における移動子101は、円板状をなす移動子本体103を備えていて、この移動子本体103の下面側であって均等・配置された3箇所には超音波モータ105が取り付けられている。この超音波モータ105の構成は前記第1の実施の形態の場合或いは第2の実施の形態の場合と同様の構成をなしていて、複数の圧電素子対と振動子107とから構成されている。
【0023】
この第3の実施の形態の場合も前記第1の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができると共に、3個の超音波モータ105としたことにより、より安定した動作が実現できるものである。つまり、超音波モータ105が3個であるので、それぞれの振動子107は確実に図示しない固定子側に接地することになるからであり、例えば、4個の場合のように、何れか1個の振動子が固定子側に対して浮いてしまうといったことが発生しないからである。
【0024】
尚、本発明は前記第1〜第3の実施の形態に限定されるものではない。
例えば、ステージ全体としてみた場合、そこに使用される超音波モータの個数を特に限定するものではない。実施の形態で示した4個、3個以外にも、1個、2個、5個以上であってもよい。
又、超音波モータ自体の構成に関しても、圧電素子対をどのように構成・配置するかについては任意に設定すればよい。
又、必ずしも圧電素子対として構成する必要はなく一枚の圧電素子として構成して積層するようにしてもよい。
又、前記各実施の形態では厚み滑り効果圧電素対の分極方向を直交させるようにしたが、必ずしも直交させる必要はなく、任意の角度で交差させるようにしてもよい。
又、分極方向を直行させる或いは任意の角度で交差させる代わりに、電極方向を直行させる或いは任意の角度で交差させるようにしてもよい。
又、一枚の厚み縦効果圧電素子において、X・Y二軸の方向に変形させ得るような分極構造、電極構造とすることも考えられる。具体的には、異なる電圧が印加される電極対を2組以上設けるようにするものである。
又、前記各実施の形態においては、振動子を半球状としたが、それ以外にも円柱状等の形状であってもよい。その例を図2(a)に仮想線で示すと共に符合201で示す。このような振動子201の場合には固定子側に対して線接触することになり、それによっても、移動時の抵抗は軽減されるものである。
【0025】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によるステージと超音波モータによると、固定子と、上記固定子に対して移動可能に配置された移動子と、上記移動子側に取り付けられ移動子が移動するための駆動力を発揮する超音波モータと、を具備したものであり、基本的に移動子側に超音波モータを取り付けて移動させるように構成したので、従来のように、固定子側に設けられた超音波モータから外れてしまうことを理由に移動範囲が制限されるようなことはなく、移動子の移動範囲を拡大することができ、それによって、ステージの用途の拡大を図ることができる。
その際、上記移動子を剛性体としているので、それによって、形状に対する制限がなくなるものである。
又、上記超音波モータを少なくとも3個取り付けることが考えられ、それによって、安定した動作を提供することができる。
又、上記超音波モータを厚み縦効果圧電素子及び又は厚み滑り効果圧電素子から構成して、単独で任意の方向に駆動可能なものとした場合には、比較的簡単な構成で所望の超音波モータを得ることができる。
又、上記超音波モータを厚み縦効果圧電素子及び又は厚み滑り効果圧電素子から構成して、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものとした場合も同様であり、又、例えば、超音波モータの個数を1個にしても所望の動作を実現させることができるものである。
又、各超音波モータは独立して制御可能なため各超音波モータ間の駆動力バランスを容易に制御することができ、より安定した動作が簡単に実現できる。
又、超音波モータに突起状に設けられた振動子を円柱形状又は球面形状とした場合にはより円滑な安定した動作を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を示す図で、第1図(a)はステージを構成する移動子の構成を示す正面図、第1図(b)は第1図(a)のb−b矢視図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態を示す図で、第2図(a)はステージを構成する移動子に設けられた複数個の超音波モータの内の一つの超音波モータの構成を示す正面図、第2図(b)は第2図(a)のb−b矢視図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態を示す図で、ステージの構成を示す移動子と固定子との関係を示すと共に駆動力となる楕円運動を模式的に示す正面図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態を示す図で、第4図(a)は超音波モータの正面図、第4図(b)は第4図(a)のb−b矢視図、第4図(c)は作用を示す正面図である。
【図5】本発明の第2の実施の形態を示す図で、第5図(a)は超音波モータの側面図、第5図(b)は第5図(a)のb−b矢視図である。
【図6】本発明の第3の実施の形態を示す図で、第6図(a)はステージを構成する移動子の構成を示す正面図、第6図(b)は第6図(a)のb−b矢視図である。
【符号の説明】
1 移動子
3 移動子本体
5 超音波モータ
7 固定子
9 厚み縦効果圧電素子対
9a 圧電素子
9b 圧電素子
11 厚み滑り効果圧電素子対
11a 圧電素子
11b 圧電素子
13 厚み滑り効果圧電素子対
13a 圧電素子
13b 圧電素子
15 振動子[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to a stage, and more particularly to a device devised so as to reduce the size and the structure.
[0002]
[Prior art]
As a stage for positioning with high accuracy, there is a stage using a so-called “ultrasonic motor”. As such a thing, there exists a thing as shown in Unexamined-Japanese-Patent No. 2000-58269, for example. The stage disclosed here is configured by laminating a second stage (Y-axis direction stage) using another ultrasonic motor on a first stage (X-axis direction stage) using an ultrasonic motor. It is a thing.
[0003]
However, in such a configuration, since separate stages using ultrasonic motors are stacked, the height of the entire stage increases, and the overall size of the apparatus increases, resulting in a complicated configuration. There was a problem of becoming.
[0004]
In order to solve this type of problem, for example, stages as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 8-23686 and 11-233503 have been proposed.
First, the stage described in JP-A-8-23686 is provided with four piezoelectric elements attached to an elastic body, and provided with driving force extraction portions at four locations of the elastic body. By applying a predetermined voltage, a driving force in the X-axis direction or the Y-axis direction is output, thereby moving the moving element in the X-axis direction or the Y-axis direction.
[0005]
In the stage described in Japanese Patent Laid-Open No. 11-235063, four ultrasonic motors are arranged on the fixed side, and a moving plate is placed on these four ultrasonic motors. By appropriately controlling the individual ultrasonic motors, the moving plate is moved in the X-axis direction or the Y-axis direction.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional configuration has the following problems.
First, in the case of the stage described in either Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-23686 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-233503, basically, an ultrasonic motor is installed on the fixed side, and the movable element installed there For this reason, there is a problem that the moving range of the moving element is limited to a range that does not deviate from the ultrasonic motor on the fixed side, thereby narrowing the moving range.
In addition, in the case of the ultrasonic motor disclosed in any of JP-A-8-23686 and JP-A-11-233503, it can be moved in any direction within a two-dimensional plane by itself. It was not a thing and could only move in the X-axis direction or the Y-axis direction.
The same applies to the case where the movable element is caused to perform a rotational motion. In the first place, there is a problem that the rotational motion is impossible or a dedicated ultrasonic motor is required.
[0007]
The present invention has been made on the basis of the above points. The object of the present invention is to expand the movement range and to operate in an arbitrary direction in an XY two-dimensional plane with a simple configuration. It is another object of the present invention to provide a stage that can perform a rotary motion with a simple configuration.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a stage according to claim 1 of the present invention includes a stator, a movable element arranged to be movable with respect to the stator, and a drive for moving the movable element attached to the movable element. An ultrasonic motor that exerts a force, and a vibrator attached to an end of the ultrasonic motor opposite to the moving element, the moving element is a rigid body, and the ultrasonic motor is A thickness longitudinal effect piezoelectric element pair that generates deformation in the Z-axis direction, a thickness-slip effect piezoelectric element pair that generates slip in the X-axis direction orthogonal to the Z-axis direction, and a Y-axis that is orthogonal to the Z-axis direction and the X-axis direction A thickness-slip effect piezoelectric element pair that generates a slip in the direction is laminated, or the ultrasonic motor has a thickness-longitudinal effect piezoelectric element pair that generates a deformation in the Z-axis direction and an X-axis direction orthogonal to the Z-axis direction. A thickness-longitudinal effect piezoelectric element pair that generates a driving force to the layer and a thickness-longitudinal effect piezoelectric element pair that generates a driving force in the Y-axis direction orthogonal to the Z-axis direction and the X-axis direction. It can be driven in any direction alone, By simultaneously deforming the thickness-longitudinal effect piezoelectric element pair and the thickness-slip effect piezoelectric element pair, or By simultaneously deforming, an elliptical motion along an arbitrary direction is output via the vibrator, and the moving element is moved by the thrust generated by the elliptical motion. In the XY two-dimensional plane It is made to move in the said arbitrary directions, It is characterized by the above-mentioned.
According to a second aspect of the present invention, in the stage according to the first aspect, at least three ultrasonic motors are attached.
The stage according to
Further, the stage according to claim 4 is the claim 1. Or claim 2 In the stage described, The ultrasonic motor is formed by laminating a thickness longitudinal effect piezoelectric element and at least two thickness slip effect piezoelectric elements, and intersects the electrode directions of the at least two thickness slip effect piezoelectric elements at right angles or at an arbitrary angle. It is possible to move in any direction in the X and Y two-dimensional plane. It is characterized by this.
Further, the stage according to
Further, the stage according to claim 6 is the claim 1. Or claim 2 In the stage described, The ultrasonic motor includes a stack of at least two thickness-longitudinal effect piezoelectric elements, and the electrodes are divided and contradictory in the at least two thickness-longitudinal effect piezoelectric elements, and the division of the electrodes is orthogonal or arbitrary. It is possible to move in any direction in the X and Y two-dimensional plane. It is characterized by this.
Further, the stage according to
Further, the stage according to claim 8 is the claim 1. Or claim 2 In the stage described, The ultrasonic motor is formed by laminating a thickness longitudinal effect piezoelectric element and a thickness slip effect piezoelectric element. In the thickness longitudinal effect piezoelectric element, electrodes are divided, different voltages are applied, and electrode pairs to which different voltages are applied are formed. There are two or more sets, so that they can move in any direction in the X and Y two-dimensional plane. It is characterized by this.
Further, the stage according to claim 9 is characterized in that claims 1 to Claim 8 In the stage described in any of The above ultrasonic motor can be controlled independently. It is characterized by.
A stage according to claim 10 is the stage according to any one of claims 1 to 9, The ultrasonic motor includes a vibrator in a protruding shape, and the vibrator has a cylindrical shape or a spherical shape. It is characterized by this.
[0009]
That is, a stage according to the present invention includes a stator, a mover arranged to be movable with respect to the stator, and an ultrasonic motor that is attached to the mover and exhibits a driving force for moving the mover. A vibrator attached to an end of the ultrasonic motor on the side opposite to the movable element, the movable element is a rigid body, and the ultrasonic motor includes a thickness longitudinal effect piezoelectric element and / or a thickness slip effect piezoelectric element. It is configured and can be driven independently in any direction, and simultaneously deforms the thickness longitudinal effect piezoelectric element and the thickness slip effect piezoelectric element. By Or through the vibrator by simultaneously deforming at least two kinds of thickness longitudinal effect piezoelectric elements Along any direction Output an elliptical motion, By the thrust generated by the elliptic motion The above mover the above Since the movement is made in an arbitrary direction, the movement range is not limited because the movement is away from the ultrasonic motor provided on the stator side as in the prior art.
At this time, since the moving element is a rigid body, the restriction on the shape is eliminated.
In addition, it is conceivable to attach at least three ultrasonic motors, thereby providing stable operation.
Further, it is conceivable that the ultrasonic motor is composed of a thickness longitudinal effect piezoelectric element and / or a thickness slip effect piezoelectric element, and is movable in an arbitrary direction within an XY two-dimensional plane.
Further, the ultrasonic motor is formed by laminating a thickness longitudinal effect piezoelectric element and at least two thickness slip effect piezoelectric elements, and the polarization direction of the at least two thickness slip effect piezoelectric elements is orthogonal or intersects at an arbitrary angle. It is conceivable that the direction can be moved in an arbitrary direction in the XY two-dimensional plane.
Further, the ultrasonic motor is formed by laminating a thickness-longitudinal effect piezoelectric element and at least two thickness-slip effect piezoelectric elements, and the electrode directions of the at least two thickness-slip effect piezoelectric elements are orthogonal or intersecting at an arbitrary angle. Direction, and thereby
It can be considered that it can move in an arbitrary direction in the X-Y two-dimensional plane. Further, the ultrasonic motor is provided with at least two thickness-longitudinal effect piezoelectric elements stacked, and the polarization is divided and contradictory in the at least two thickness-longitudinal effect piezoelectric elements. It is conceivable that the direction intersects perpendicularly or at an arbitrary angle so that it can move in an arbitrary direction within the XY two-dimensional plane.
Further, the ultrasonic motor is provided with at least two thickness-longitudinal effect piezoelectric elements stacked, and the electrodes are divided and contradictory in the at least two thickness-longitudinal effect piezoelectric elements. It is conceivable that the direction intersects perpendicularly or at an arbitrary angle so that it can move in an arbitrary direction in the XY two-dimensional plane.
Further, the ultrasonic motor is a laminate of thickness longitudinal effect piezoelectric elements, the electrodes are divided and different voltages are applied in the thickness longitudinal effect piezoelectric elements, and there are two or more electrode pairs to which different voltages are applied, Accordingly, it can be considered that it can be moved in an arbitrary direction in the XY two-dimensional plane.
The ultrasonic motor is a laminate of a thickness longitudinal effect piezoelectric element and a thickness slip effect piezoelectric element. In the thickness longitudinal effect piezoelectric element, electrodes are divided and applied with different voltages, and electrode pairs to which different voltages are applied. Can be moved in any direction within the XY two-dimensional plane.
It is also conceivable that the ultrasonic motor can be controlled independently.
It is also conceivable that the ultrasonic motor is provided with a vibrator in a protruding shape, and the vibrator has a cylindrical shape or a spherical shape.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1A is a front view showing the configuration of the mover 1 constituting the stage according to this embodiment, and FIG. 1B is a view taken along the line bb in FIG. First, there is a
The
[0011]
The
The thickness-slip effect piezoelectric element pair 11 has a configuration in which a pair of piezoelectric elements 11a and 11b are stacked in the thickness direction, and slipping in the X-axis direction (the left-right direction in the figure) occurs when a voltage is applied. It is configured as follows. Further, the thickness-slip effect
[0012]
The
The arrows shown in the figure indicate the polarization directions of the
[0013]
A
[0014]
For example, as shown in FIG. 2A, the vibration in the Z-axis direction as shown in the thickness longitudinal effect piezoelectric element pair 9 occurs, and at the same time, the vibration is shown in the thickness slip effect piezoelectric element pair 11. When such slips in the X-axis direction occur, they are combined and an elliptical motion is output from the
[0015]
Hereinafter, the slider 1 can move in the Y-axis direction by synthesizing the motions of the thickness longitudinal effect piezoelectric element pair 9 and the thickness slip effect
In the case of this embodiment, each of the four
[0016]
As described above, according to the first embodiment, the following effects can be obtained.
First, when the entire stage is viewed, the
In addition, the movable element 1 according to the present embodiment can move in any direction within an XY two-dimensional plane, and the configuration for that is also simple.
Further, in the case of the present embodiment, the moving element 1 can be rotated by controlling the moving directions of the four
In addition, since the
In addition, since the
[0017]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the case of the second embodiment, the configuration of the piezoelectric element pair in the ultrasonic motor is different from that in the case of the first embodiment. The configuration of the ultrasonic motor according to the second embodiment will be described below.
The
[0018]
Another thickness longitudinal effect
[0019]
Further, as shown in FIG. 5A, another thickness-longitudinal effect
FIG. 5 (a) is a side view of the
The thickness-longitudinal effect
When a voltage is applied to the
[0020]
Then, by appropriately combining the operation in the X-axis direction and the operation in the Y-axis direction, it can move in any direction within the X / Y biaxial plane.
[0021]
As described above, also in the case of the second embodiment, the same effects as in the case of the first embodiment can be obtained.
In the second embodiment, only the configuration of the
In the second embodiment, for example, the polarization direction of each
[0022]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the case of the first embodiment, the description has been given by taking the mover 1 in which four
That is, the
[0023]
In the case of the third embodiment, the same effect as in the case of the first embodiment can be obtained, and more stable operation can be realized by using three
[0024]
The present invention is not limited to the first to third embodiments.
For example, when viewed as an entire stage, the number of ultrasonic motors used therein is not particularly limited. In addition to the four and three shown in the embodiment, there may be one, two, five or more.
In addition, regarding the configuration of the ultrasonic motor itself, the configuration and arrangement of the piezoelectric element pair may be arbitrarily set.
Further, it is not always necessary to configure the piezoelectric element pair, and the piezoelectric element pair may be configured and laminated as a single piezoelectric element.
In each of the above embodiments, the polarization directions of the thickness-slip effect piezoelectric element pairs are orthogonal to each other. However, the polarization directions are not necessarily orthogonal, and may be intersected at an arbitrary angle.
Further, instead of making the polarization direction orthogonal or intersecting at an arbitrary angle, the electrode direction may be orthogonal or intersecting at an arbitrary angle.
It is also conceivable that a single thickness longitudinal effect piezoelectric element has a polarization structure or an electrode structure that can be deformed in the X and Y biaxial directions. Specifically, two or more electrode pairs to which different voltages are applied are provided.
In each of the above embodiments, the vibrator is hemispherical, but it may have a cylindrical shape or the like. An example of this is shown in FIG. In the case of such a
[0025]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the stage and the ultrasonic motor according to the present invention, the stator, the mover arranged to be movable with respect to the stator, and the mover attached to the mover side move. And an ultrasonic motor that exerts the driving force of the motor, and is basically configured to be moved by attaching the ultrasonic motor to the movable element side. In addition, the movement range is not limited because it is out of the ultrasonic motor, and the movement range of the moving element can be expanded, thereby expanding the application of the stage.
At that time, the moving element is a rigid body. Because Thereby, there is no restriction on the shape.
In addition, it is conceivable to attach at least three ultrasonic motors, thereby providing stable operation.
When the ultrasonic motor is composed of a thickness longitudinal effect piezoelectric element and / or a thickness slip effect piezoelectric element and can be driven independently in any direction, a desired ultrasonic wave can be obtained with a relatively simple structure. A motor can be obtained.
The same applies to the case where the ultrasonic motor is composed of a thickness-longitudinal effect piezoelectric element and / or a thickness-slip effect piezoelectric element and is movable in an arbitrary direction within an XY two-dimensional plane. For example, a desired operation can be realized even if the number of ultrasonic motors is one.
Further, since each ultrasonic motor can be controlled independently, the driving force balance between the ultrasonic motors can be easily controlled, and a more stable operation can be easily realized.
In addition, when the vibrator provided on the ultrasonic motor in the form of a protrusion has a cylindrical shape or a spherical shape, a smoother and more stable operation can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1 (a) is a front view showing the configuration of a mover constituting a stage, and FIG. 1 (b) is FIG. It is a bb arrow line view of).
FIG. 2 is a diagram showing a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 (a) is a diagram of one ultrasonic motor among a plurality of ultrasonic motors provided on a moving element constituting a stage. FIG. 2 (b) is a front view showing the configuration, and is a view taken along the line bb of FIG. 2 (a).
FIG. 3 is a diagram showing a first embodiment of the present invention, showing a relationship between a mover and a stator showing a configuration of a stage, and a schematic front view showing an elliptical motion as a driving force.
FIG. 4 is a diagram showing a second embodiment of the present invention, in which FIG. 4 (a) is a front view of an ultrasonic motor, and FIG. 4 (b) is a bb arrow in FIG. 4 (a). FIG. 4 (c) is a front view showing the operation.
FIG. 5 is a diagram showing a second embodiment of the present invention, in which FIG. 5 (a) is a side view of the ultrasonic motor, and FIG. 5 (b) is a bb arrow in FIG. 5 (a). FIG.
6A and 6B are diagrams showing a third embodiment of the present invention, in which FIG. 6A is a front view showing a configuration of a moving element constituting the stage, and FIG. 6B is a diagram showing FIG. It is a bb arrow line view of).
[Explanation of symbols]
1 mover
3 Mover body
5 Ultrasonic motor
7 Stator
9 Thickness longitudinal effect piezoelectric element pair
9a Piezoelectric element
9b Piezoelectric element
11 Thickness-slip effect piezoelectric element pair
11a Piezoelectric element
11b Piezoelectric element
13 Thickness-slip effect piezoelectric element pair
13a Piezoelectric element
13b Piezoelectric element
15 vibrator
Claims (10)
上記固定子に対して移動可能に配置された移動子と、
上記移動子に取り付けられ移動子が移動するための駆動力を発揮する超音波モータと、
上記超音波モータの反移動子側端に取り付けられた振動子と、
を具備し、
上記移動子は剛性体であり、
上記超音波モータはZ軸方向の変形を発生させる厚み縦効果圧電素子対と上記Z軸方向に直交するX軸方向の滑りを発生させる厚み滑り効果圧電素子対と上記Z軸方向とX軸方向に直交するY軸方向の滑りを発生させる厚み滑り効果圧電素子対とから積層構成され、又は、上記超音波モータはZ軸方向の変形を発生させる厚み縦効果圧電素子対と上記Z軸方向に直交するX軸方向への駆動力を発生させる厚み縦効果圧電素子対と上記Z軸方向とX軸方向に直交するY軸方向への駆動力を発生させる厚み縦効果圧電素子対とから積層構成され、単独で任意の方向に駆動可能なものであり、
上記厚み縦効果圧電素子対と上記厚み滑り効果圧電素子対を同時に変形させることにより、又は、上記複数の厚み縦効果圧電素子対を同時に変形させることによって上記振動子を介して任意の方向に沿った楕円運動を出力させ、その楕円運動により発生する推力によって上記移動子をX・Y二次元平面内にて上記任意の方向に移動させるようにしたものであることを特徴とするステージ。A stator,
A mover arranged to be movable with respect to the stator;
An ultrasonic motor that is attached to the moving element and exhibits a driving force for moving the moving element;
A vibrator attached to an end of the ultrasonic motor on the side opposite to the movable element;
Comprising
The mover is a rigid body,
The ultrasonic motor includes a thickness-longitudinal effect piezoelectric element pair that generates deformation in the Z-axis direction, a thickness-slip effect piezoelectric element pair that generates slip in the X-axis direction orthogonal to the Z-axis direction, the Z-axis direction, and the X-axis direction. Or a thickness-slip effect piezoelectric element pair that generates a slip in the Y-axis direction perpendicular to the Z-axis direction. A laminated structure of a thickness longitudinal effect piezoelectric element pair that generates a driving force in the orthogonal X-axis direction and a thickness longitudinal effect piezoelectric element pair that generates a driving force in the Z-axis direction and the Y-axis direction orthogonal to the X-axis direction. And can be driven in any direction by itself,
By deforming the thickness-longitudinal-effect piezoelectric element pair and the thickness-slip-effect piezoelectric element pair at the same time, or simultaneously deforming the plurality of thickness-longitudinal effect piezoelectric element pairs , along any direction via the vibrator A stage characterized in that an elliptical motion is output, and the moving element is moved in the arbitrary direction in an XY two-dimensional plane by a thrust generated by the elliptical motion.
上記超音波モータは少なくとも3個取り付けられていることを特徴とするステージ。The stage according to claim 1, wherein
At least three ultrasonic motors are attached to the stage.
上記超音波モータは厚み縦効果圧電素子及び少なくとも2枚の厚み滑り効果圧電素子を積層させたものであり、上記少なくとも2枚の厚み滑り効果圧電素子の分極方向を直交又は任意の角度で交差する方向とし、それによって、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものであることを特徴とするステージ。In the stage according to claim 1 or claim 2,
The ultrasonic motor is formed by laminating a thickness longitudinal effect piezoelectric element and at least two thickness slip effect piezoelectric elements, and the polarization directions of the at least two thickness slip effect piezoelectric elements intersect at right angles or at an arbitrary angle. A stage characterized in that it can be moved in any direction in an X / Y two-dimensional plane .
上記超音波モータは厚み縦効果圧電素子及び少なくとも2枚の厚み滑り効果圧電素子を積層させたものであり、上記少なくとも2枚の厚み滑り効果圧電素子の電極方向を直交又は任意の角度で交差する方向とし、それによって、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものであることを特徴とするステージ。In the stage according to claim 1 or claim 2 ,
The ultrasonic motor is formed by laminating a thickness longitudinal effect piezoelectric element and at least two thickness slip effect piezoelectric elements, and intersects the electrode directions of the at least two thickness slip effect piezoelectric elements at right angles or at an arbitrary angle. A stage characterized in that it can be moved in any direction in an X / Y two-dimensional plane .
上記超音波モータは少なくとも2枚の厚み縦効果圧電素子を積層させて備えており、上記少なくとも2枚の厚み縦効果圧電素子内において分極が分割され相反していて該分極の分割を直交又は任意の角度で交差する方向とし、それによって、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものであることを特徴とするステージ。In the stage according to claim 1 or claim 2 ,
The ultrasonic motor includes a stack of at least two thickness-longitudinal effect piezoelectric elements, and the polarization is divided and contradictory within the at least two thickness-longitudinal effect piezoelectric elements, and the division of the polarization is orthogonal or arbitrary. A stage characterized in that it can be moved in an arbitrary direction in an X-Y two-dimensional plane .
上記超音波モータは少なくとも2枚の厚み縦効果圧電素子を積層させて備えており、上記少なくとも2枚の厚み縦効果圧電素子内において電極が分割され相反していて該電極の分割を直交又は任意の角度で交差する方向とし、それによって、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものであることを特徴とするステージ。In the stage according to claim 1 or claim 2 ,
The ultrasonic motor includes a stack of at least two thickness-longitudinal effect piezoelectric elements, and the electrodes are divided and contradictory in the at least two thickness-longitudinal effect piezoelectric elements, and the division of the electrodes is orthogonal or arbitrary. A stage characterized in that it can be moved in an arbitrary direction in an X-Y two-dimensional plane .
上記超音波モータは厚み縦効果圧電素子を積層させたものであり、厚み縦効果圧電素子内において電極が分割され異なる電圧が印加され、異なる電圧が印加される電極対が2組以上あり、それによって、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものであることを特徴とするステージ。In the stage according to claim 1 or claim 2 ,
The ultrasonic motor is formed by laminating thickness longitudinal effect piezoelectric elements. In the thickness longitudinal effect piezoelectric element, electrodes are divided and different voltages are applied, and there are two or more pairs of electrodes to which different voltages are applied. The stage can be moved in an arbitrary direction within an XY two-dimensional plane .
上記超音波モータは厚み縦効果圧電素子と厚み滑り効果圧電素子を積層させたものであり、厚み縦効果圧電素子内において電極が分割され異なる電圧が印加され、異なる電圧が印加される電極対が2組以上あり、それによって、X・Y二次元平面内にて任意の方向に移動可能なものであることを特徴とするステージ。In the stage according to claim 1 or claim 2 ,
The ultrasonic motor is formed by laminating a thickness longitudinal effect piezoelectric element and a thickness slip effect piezoelectric element. In the thickness longitudinal effect piezoelectric element, electrodes are divided, different voltages are applied, and electrode pairs to which different voltages are applied are formed. A stage characterized in that there are two or more sets, and the stage is movable in an arbitrary direction in an XY two-dimensional plane .
上記超音波モータは振動子を突起状に備えていて、該振動子は円柱形状又は球面形状をなしていることを特徴とするステージ。In the stage according to any one of claims 1 to 9,
The ultrasonic motor includes a vibrator in a protruding shape, and the vibrator has a cylindrical shape or a spherical shape .
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