JP6076142B2

JP6076142B2 - 超音波電動ステージおよび顕微鏡

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Publication number: JP6076142B2
Application number: JP2013045915A
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Inventors: 直岩崎
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Publication date: 2017-02-08
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Also published as: JP2014174284A

Description

本発明は、超音波電動ステージおよび顕微鏡に関する。

従来、半導体や生体試料など微細構造の観察には、顕微鏡がよく利用されている。顕微鏡でこれらの標本を観察する場合には、標本をステージ上に載置する。このとき、観察対象の標本を顕微鏡観察下に位置合わせするために、平面内で直交する２つの方向に移動可能なステージ（ＸＹステージ）が利用される。

ＸＹステージには、主に手動型と電動型があり、電動型ステージのアクチュエータとしては、一般的に電磁型モータが利用されている。また、近年は、電動型ステージのアクチュエータとして、高精度な位置決めが行える超音波モータを用いることも提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１は、電動型ステージに採用される超音波モータの一例として、直方体形状のリニア駆動型超音波アクチュエータを開示している。特許文献１に記載のリニア駆動型超音波アクチュエータは、アクチュエータの長辺方向（ステージの移動方向）に平行に配列した一対の振動子を有する。当該一対の振動子は、バネ等によりステージの側面に設けられたセラミックス等からなる摺動部材に押し付けられている。また、リニア駆動型超音波アクチュエータは、例えば、内部に４つの屈曲振動用電極と１つの縦振動用電極を有する積層型圧電体で構成されており、屈曲振動用電極と縦振動用電極とで位相が９０°ずれた正弦波信号を印加することで駆動される。

屈曲振動用電極付近の圧電体は、縦振動用電極を中心に、アクチュエータの長辺方向の両端で分極方向が逆に設定されており、屈曲振動用電極に駆動信号が印加されると、左右の圧電体は長辺と直交する方向であって互いに逆方向に伸縮する。これにより、一対の振動子の一方がステージから遠ざかる方向に動くと、他方はステージに押し付けられる方向に動く。縦振動用電極に駆動信号が印加されると、縦振動用電極付近の圧電体はアクチュエータの長辺方向に伸縮する。

屈曲振動と縦振動が合成され、一対の振動子の各々は、上面から見た場合に楕円軌道を描いて、交互に摺動部材と接近・離反を繰り返すように動き、ステージを所定方向に移動させる。

ステージを所定方向に移動させた時、一対の振動子や摺動部材が摩耗し、その摩耗粉が摺動部材に付着し、一対の振動子と摺動部材との間の接触状態が変化することによりアクチュエータの駆動特性が不安定になることがあった。これに対して、摺動部材に付着した摩耗粉を除去するため、ブラシ等のクリーナを摺動部材に当接させて摩耗粉を除去する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２に記載の技術では、超音波アクチュエータの左右にクリーナを設け、個々のクリーナを、制御装置により制御される直動手段により選択的に摺動部材に当接・離間させている。これにより、ステージの進行方向と反対側のクリーナのみを摺動部材に当接させ、進行方向のクリーナは摺動部材と離間させることで、左右のクリーナ間に磨耗粉が閉じ込められないようにしている。

特開２０１０−６０６９５号公報特開２００２−１４２４７１号公報

上述の特許文献２記載の技術では、クリーナの摺動部材に対する当接・離間動作を、クリーナの直動装置により行っており、これは制御装置により電気的に制御する必要があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、駆動時に生じる磨耗粉を電気的な制御を必要とせずに除去可能な超音波電動ステージおよび顕微鏡を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる超音波電動ステージは、基部と、前記基部に対して移動可能に取り付けられた移動部と、前記移動部に取り付けられた摺動部と、前記基部に取り付けられ、超音波振動を発生することによって前記移動部を前記基部に対して相対的に移動させる超音波モータと、前記摺動部に当接可能であり、前記摺動部に付着した付着物を除去するクリーナ部と、前記基部に対して回動可能に取り付けられ、前記移動部が前記基部に対して相対的に移動する際に前記移動部から受ける力をもとに前記クリーナ部を前記摺動部に対して当接または離間させるクリーナ付勢手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る超音波電動ステージは、上記発明において、前記クリーナ付勢手段が、両端に前記クリーナ部を保持するとともに、前記基部に対して回動可能に取り付けられるクリーナ保持部と、一端が前記クリーナ保持部に接続され、他端が前記摺動部に接触することにより、前記他端と前記摺動部の摩擦力を、前記移動部の移動方向に応じた方向の回転トルクに変換する変換手段とを備え、前記クリーナ保持部を前記移動部の移動方向に応じて回転させることにより、前記クリーナ保持部の両端に取り付けられた前記クリーナ部を交互に前記摺動部に当接または離間させることを特徴とする。

本発明に係る超音波電動ステージは、上記発明において、さらに、前記クリーナ保持部の回動範囲を規制する規制手段を備えることを特徴とする。

本発明に係る超音波電動ステージは、上記発明において、前記クリーナ保持部が、前記クリーナ部の前記摺動部に当接する側の端部を内側に傾けて両端に保持することを特徴とする。

本発明に係る顕微鏡は、本体と、該本体に設置される超音波電動ステージを備えた顕微鏡であって、前記超音波電動ステージが、基部と、前記基部に対して移動可能に取り付けられた移動部と、前記移動部に取り付けられた摺動部と、前記基部に取り付けられ、超音波振動を発生することによって前記移動部を前記基部に対して相対的に移動させる超音波モータと、前記摺動部に当接可能であり、前記摺動部に付着した付着物を除去するクリーナ部と、前記基部に対して回動可能に取り付けられ、前記移動部が前記基部に対して相対的に移動する際に前記移動部から受ける力をもとに前記クリーナ部を前記摺動部に対して当接または離間させるクリーナ付勢手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、駆動時に生じる磨耗粉を電気的な制御を必要とせずに除去可能な超音波電動ステージおよび顕微鏡を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る倒立顕微鏡の全体構成および内部構成を模式的に示す図である。図２は、実施の形態１による電動ステージの全体構成を示す図である。図３Ａは、実施の形態１によるクリーニング機構の全体構成を示す概略平面図である。図３Ｂは、実施の形態１によるクリーニング機構の全体構成を示す概略側面図である。図３Ｃは、実施の形態１によるクリーニング機構におけるクリーナ部の構成の一例を示す概略平面図である。図３Ｄは、実施の形態１によるクリーニング機構におけるクリーナ部の構成の他の例を示す概略平面図である。図４Ａは、実施の形態１による超音波アクチュエータの概略平面図である。図４Ｂは、図４Ａの直線ＡＢ間の概略断面図である。図５は、実施の形態１による超音波モータの構成を表す概念図である。図６は、実施の形態１による電動移動モードにおいて、駆動部から超音波モータに印加される駆動信号の一例を表す図である。図７は、実施の形態１による超音波モータの屈曲振動を説明するための概略平面図である。図８は、実施の形態１による超音波モータの縦振動を説明するための概略平面図である。図９は、実施の形態１によるクリーニング機構の動作の一例を表す図である。図１０は、実施の形態１によるクリーニング用ストロークの例を示す図である。図１１は、実施の形態２によるクリーニング機構の動作の一例を表す図である。図１２は、実施の形態３によるクリーニング機構の動作の一例を表す図である。図１３は、実施の形態３の変形例によるクリーニング機構の構成を表す概略平面図である。図１４は、実施の形態４によるクリーニング機構の構成を表す概略平面図である。

以下の説明では、本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）として、リニア駆動型超音波アクチュエータ（超音波モータ）を用いた倒立顕微鏡について説明する。また、この実施の形態により、この発明が限定されるものではない。さらに、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。さらにまた、図面は、模式的なものであり、各部材の厚みと幅との関係、各部材の比率等は、現実と異なることに留意する必要がある。また、図面の相互間においても、互いの寸法や比率が異なる部分が含まれている。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る倒立顕微鏡の全体構成および内部構成を模式的に示す図である。同図に示す倒立顕微鏡２０１は、標本Ｓｐを載置する電動ステージ１００と、電動ステージ１００を支持する本体部３３と、本体部３３の上方に位置し、電動ステージ１００に載置された標本Ｓｐに対して透過照明を当てる透過照明部３４と、電動ステージ１００を制御する制御装置１５０と、を備える。

本体部３３には、電動ステージ１００の下方に近接して対物レンズ３６が取り付けられる。また、本体部３３の内部には、対物レンズ３６を通過した光を反射する反射ミラー３７と、反射ミラー３７が反射した光を結像する結像光学系３８とが設けられている。結像光学系３８の光路上には、結像光学系３８が結像した光を集光する接眼レンズ３９が本体部３３の鏡筒３１に取り付けられる。

透過照明部３４は、透過照明支柱４１の上端から透過照明支柱４１が延びる方向と直交する方向に延びるアーム４２と、透過照明支柱４１の上端付近でアーム４２が延びる側と反対側に設けられる光源４３と、透過照明支柱４１の上端付近に取り付けられて光源４３を収容するランプハウス４４と、電動ステージ１００の上方に位置し、光源４３から出射された照明光を集光して標本Ｓｐに結像させるコンデンサレンズ４５と、透過照明支柱４１の略中央部に取り付けられてコンデンサレンズ４５を保持するコンデンサユニット４６と、を有する。また、アーム４２の内部には、光源４３から出射された光を集光するコレクタレンズ４７と、コレクタレンズ４７を通過した光の光量を調節可能な視野絞り４８と、視野絞り４８を通過した光を反射してコンデンサレンズ４５の光軸Ｎ１の方向（入射方向と直交する方向）へ折り曲げる反射ミラー４９とが設けられている。

図２は、本発明の実施の形態１による電動ステージ１００の全体構成を示す図である。図中、Ｘ方向（第１の方向）は電動ステージ１００の上面に平行な面内の任意の方向であり、Ｙ方向（第２の方向）は電動ステージ１００の上面に平行な面内でＸ方向（第１の方向）と直交する方向である。本発明の実施の形態１は、電動により電動ステージ１００をＸＹ方向の任意の位置に移動もしくは任意の位置で静止させるための電動移動モードと、手動により電動ステージ１００をＸＹ方向の任意の位置に移動するための手動移動モードとを備える。

電動ステージ１００は、例えば、第１部材（基部）１、第２部材（Ｘ方向移動部）３ｘ及び第３部材（Ｙ方向移動部）３ｙからなる移動部（ステージ）３、Ｘ方向移動部３ｘ及びＹ方向移動部３ｙの移動をそれぞれガイドするガイドレール２ｘ及び２ｙ、超音波アクチュエータ１０（１０ｘ及び１０ｙ）、エンコーダ（変位センサ）１８（１８ｘ及び１８ｙ）、及び制御装置１５０を含んで構成される。なお、基部１、Ｘ方向移動部３ｘおよびＹ方向移動部３ｙには、光軸Ｎ１（図１）に応じた開口３０が形成される。なお、本明細書において、移動部３と表記するときは第２部材（Ｘ方向移動部）３ｘ及び第３部材（Ｙ方向移動部）３ｙのいずれか一方もしくは双方を指し示す。

基部１は、図１に示す倒立顕微鏡２０１に固定されており、その上面に、例えば、ボール循環式のガイドレール２ｘがＸ方向に沿って取り付けられている。また、基部１上には、Ｘ方向移動部３ｘを移動するための超音波アクチュエータ１０ｘ、及びＸ方向移動部３ｘの変位量（基部１とＸ方向移動部３ｘとの相対的位置関係）を検出するためのエンコーダ１８ｘが固定される。

Ｘ方向移動部３ｘは、ガイドレール２ｘに沿ってＸ方向（第１の方向）に往復移動可能に基部１上に取り付けられる。Ｘ方向移動部３ｘのＸ方向に平行な側面には、例えば、セラミックスなどの硬い材料からなる摺動部材５ｘが設けられる。摺動部材５ｘの材料は、例えば、アルミナ、ジルコニア、安定化ジルコニア等が好適である。

また、Ｘ方向移動部３ｘのＸ方向に平行な側面には、スケール１７ｘが設けられる。なお、図２では、摺動部材５ｘとスケール１７ｘは一方を反対側の側面に設けているが、同一側面上に設けてもよい。

基部１上のエンコーダ１８ｘは、スケール１７ｘに設けられた目盛り等のパターンを検出することにより、Ｘ方向移動部３ｘの変位量を検出して、Ｘ方向移動部３ｘの基部１に対する相対的位置を表す座標位置情報を制御装置１５０内の検出部２１に供給する。また、超音波アクチュエータ１０ｘは、摺動部材５ｘに接触、押圧するようにして基部１に固定されており、制御装置１５０内の駆動部１４から供給される駆動信号（屈曲振動信号、縦振動信号）により駆動され、Ｘ方向移動部３ｘを基部１に対して相対的に移動させる。

また、Ｘ方向移動部３ｘの上面には、例えば、ボール循環式のガイドレール２ｙがＹ方向に沿って取り付けられている。さらに、Ｘ方向移動部３ｘ上には、Ｙ方向移動部３ｙを移動させるための超音波アクチュエータ１０ｙ、及びＹ方向移動部３ｙの変位量（Ｘ方向移動部３ｘとＹ方向移動部３ｙとの相対的位置関係）を検出するためのエンコーダ１８ｙが固定される。

Ｙ方向移動部３ｙは、ガイドレール２ｙに沿ってＹ方向（第２の方向）に往復移動可能にＸ方向移動部３ｘ上に取り付けられる。Ｙ方向移動部３ｙのＹ方向に平行な側面には、例えば、セラミックスなどの硬い材料からなる摺動部材５ｙが設けられる。摺動部材５ｙの材料は、例えば、アルミナ、ジルコニア、安定化ジルコニア等が好適である。

また、Ｙ方向移動部３ｙのＹ方向に平行な側面には、スケール１７ｙが設けられる。なお、図２では、摺動部材５ｙとスケール１７ｙは一方を反対側の側面に設けているが、同一側面上に設けてもよい。

Ｘ方向移動部３ｘ上に設けられたエンコーダ１８ｙは、スケール１７ｙのパターンを検出することにより、Ｙ方向移動部３ｙの変位量を検出して、Ｙ方向移動部３ｙのＸ方向移動部３ｘに対する相対的位置を表す位置情報を制御装置１５０内の検出部２１に供給する。また、超音波アクチュエータ１０ｙは、摺動部材５ｙに接触、押圧するようにしてＸ方向移動部３ｘに固定されており、制御装置１５０内の駆動部１４から供給される駆動信号（屈曲振動信号、縦振動信号）により駆動され、Ｙ方向移動部３ｙをＸ方向移動部３ｘに対して相対的に移動させる。

以上のように、Ｘ方向移動部３ｘは基部１に対して第１の方向（Ｘ方向）に、Ｙ方向移動部３ｙはＸ方向移動部３ｘに対して第２の方向（Ｙ方向）に往復移動可能に取り付けられている。したがって、Ｙ方向移動部３ｙは、基部１に対して、ＸＹ平面で任意の位置に移動することができる。

制御装置１５０は、例えば、制御部１３、駆動部１４、指示部１６、検出部２１で構成され、電動ステージ１００の駆動制御を行う。指示部１６は、電動ステージ１００の移動開始及び停止、移動方向を入力する入力手段であり、ユーザは指示部１６を操作して、電動ステージ１００を任意の位置に電動移動させる。なお、移動方向に加えて移動速度等を指示できるようにしてもよい。指示部１６は、例えば、方向指示スイッチ、ジョイスティック等で構成される。指示部１６は、少なくとも、移動部３の移動方向を指示できるものであれば、その形態はどのようなものであってもよい。例えば、タッチパネルや表示画面上に表示されるソフトウェアスイッチ等であってもよい。また、複数の移動指示をシーケンスデータとして予め記録しておき、当該記録したシーケンスデータを再生することにより、自動で移動指示を行うようにしてもよい。また、本実施の形態では、移動の終了は、移動指示の入力中断により判断されるが、移動の終了を指示するスイッチ等を別に設けてもよい。

制御部１３は、指示部１６から移動指示が入力されると、駆動部１４に対して、当該移動指示に対応する駆動信号を出力するように制御する。例えば、電動ステージ１００を所定方向に移動させる場合には、超音波アクチュエータ１０（１０ｘ及び１０ｙ）に対して、駆動信号（屈曲振動信号、縦振動信号）を供給するように駆動部１４を制御する。電動ステージ１００を静止させる場合には、駆動信号（屈曲振動信号、縦振動信号）の供給を停止するように駆動部１４を制御する。

検出部２１は、エンコーダ１８（１８ｘ及び１８ｙ）からの位置情報を読み取り、基部１とＸ方向移動部３ｘとの相対位置関係、Ｘ方向移動部３ｘとＹ方向移動部３ｙとの相対位置関係をそれぞれ検出し、Ｘ方向移動部３ｘとＹ方向移動部３ｙのそれぞれの位置座標を検出する。検出した位置座標の情報は、制御部１３に送られる。なお、検出部２１は、Ｘ方向移動部３ｘ及びＹ方向移動部３ｙの移動速度、加速度等を検出することもできる。また、Ｘ方向移動部３ｘ及びＹ方向移動部３ｙに加えられる圧力を検出する圧力センサを備えていてもよい。

図３Ａは、実施の形態１によるクリーニング機構１１０の全体構成を示す概略平面図である。図３Ｂは、実施の形態１によるクリーニング機構１１０の全体構成を示す概略側面図である。図３Ｃは、実施の形態１によるクリーニング機構１１０におけるクリーナ部１１１の構成の一例を示す概略平面図である。なお、図３Ｂは、クリーニング機構１１０を摺動部材５側から見た側面図である。また、クリーニング機構１１０の構成は、超音波アクチュエータ１０ｘ及び１０ｙで共通である。

クリーニング機構１１０は、基部１に取り付けられた台座１１６と、回転軸１１３と、回転軸１１３周りに台座１１６に対して回転可能に取り付けられたクリーナ保持部１１２と、クリーナ保持部１１２の両端に取り付けられた２つのクリーナ部１１１Ｌ及び１１１Ｒと、クリーナ保持部１１２から伸びるコロ保持部１１５と、コロ保持部１１５の先端に取り付けられる摩擦力伝達部材であるコロ１１４と、を備える。

台座１１６は、超音波モータ１０１及び保持機構１０２上方に、それらを跨ぐように設置され、基部１に固定されている。台座１１６の中心には回転軸１１３が取り付けられており、クリーナ保持部１１２は回転軸１１３により、当該回転軸１１３を中心として回転可能に台座１１６に取り付けられている。なお、本実施の形態では、クリーナ保持部１１２は回転軸１１３を中心として左右にそれぞれ５度程度回転することにより、左右端に取り付けられたクリーナ部１１１Ｌ及び１１１Ｒが摺動部材５に当接する。

クリーナ部１１１Ｌ及び１１１Ｒは、例えばブラシであって、それぞれ毛材（摩擦部材）１２１と毛材１２１を保持し、クリーナ保持部１１２の端部に固定される毛材固定部（摩擦部材固定部）１２０と、を備える。毛材１２１は、例えば、耐磨耗性が高く摺動部材５を傷つけない金属アモルファス、樹脂等である。クリーナ部１１１Ｌ及び１１１Ｒは、それぞれ摺動部材５に当接した上で摺動することで摺動部材５に付着した磨耗粉を除去することにより清掃する。毛材１２１は摺動部材５に対する摺動方向に先端が２θの角度で広がっている。

なお、クリーナ部１１１Ｌ及び１１１Ｒは、ブラシ以外にも、例えばゴム製のブレード、スポンジ、不織布のようなものでもよい。例えば、図３Ｄに示すように、平板状のブレードやスポンジで形成される厚さＢ、長さＡの板材１２１ａ（摩擦部材）を板材固定部（摩擦部材固定部）１２０が保持する構成でもよい。クリーナ保持部１１２には、コロ保持部１１５が取り付けられており、コロ保持部１１５の先端には移動部３との摩擦力をクリーナ保持部１１２に伝達する摩擦力伝達部材であるコロ１１４が取り付けられている。なお、摩擦力伝達部材はコロ１１４でなくてもよく、例えば、コロ保持部１１５の先端をそのまま摩擦力伝達部材としてもよい。

コロ保持部１１５は、基端部がクリーナ保持部１１２に連結され、先端部が移動部３（又は摺動部材５）に接触するように配置される。また、先端部には、図３Ａに示すようにコロ１１４を回転可能に取り付けることが可能である。コロ１１４は、コロ保持部１１５と移動部３（又は摺動部材５）の摩擦を減少させ、磨耗を防ぐ。コロ１１４及びコロ保持部１１５は、移動部３の移動による動力を、移動部３の移動方向に応じた回転方向の回転トルクに変換して、基端部に連結されたクリーナ保持部１１２に伝達し、該クリーナ保持部１１２を回転軸１１３周りに回転させる。

図４Ａは、超音波アクチュエータ１０の概略平面図であり、図４Ｂは、図４ＡのＡ−Ｂ線の概略部分断面図である。なお、移動部３ｘと移動部３ｙ、摺動部材５ｘと摺動部材５ｙ、超音波アクチュエータ１０ｘと超音波アクチュエータ１０ｙはそれぞれ同様の構成なので、ここでは移動部３、摺動部材５、超音波アクチュエータ１０として説明する。

超音波アクチュエータ１０は、図２の基部１（又は移動部３ｘ）に取り付けられ、超音波モータ１０１と保持機構１０２を含んで構成される。超音波モータ１０１には、移動部３に対向する側面上に振動子１０１ａ及び１０１ｂが設けられる。振動子１０１ａ及び１０１ｂは、移動部３の側面に設けられる摺動部材５に接触、押圧されている。振動子１０１ａ及び１０１ｂ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る。

保持機構１０２は、固定用ビス穴１９ａ、１９ｂを通してビスにより、基部１（又はＸ方向移動部３ｘ）に固定され、超音波モータ１０１を基部１（又はＸ方向移動部３ｘ）に対して保持する部材である。保持機構１０２は、例えば、アルミニウム等の金属で形成され、切り欠き穴部２２、薄板ばね部１０４、コイルばね１０３を有する。薄板ばね部１０４の中央には、厚肉部１０４ａが形成され、厚肉部１０４ａは、超音波モータ１０１に接着される。

また、保持機構１０２の中央にはネジ穴が形成され、図４Ｂに示すように、ネジ穴の中にコイルばね１０３が挿入される。コイルばね１０３を挿入した状態で、ネジ２０をネジ穴にねじ込むことによって、コイルばね１０３が、ねじ込み量に応じた押圧力で、厚肉部１０４ａを超音波モータ１０１に押圧する。また、コイルばね１０３の内側にはダンピング材２４が挿入される。ダンピング材２４は、例えば、ゴムで形成され、振動子１０１ａ及び１０１ｂを振動させる際に、バネ１０３の共振により発生する音を抑える役割をする。

図５は、本発明の実施の形態１による超音波モータ１０１の構成を表す概念図である。本発明の実施の形態１による超音波モータ１０１は、直方体形状の積層型圧電体で構成され、内部に４つの屈曲振動用電極１０５ａ〜１０５ｄと１つの縦振動用電極１０５ｅを有する。超音波モータ１０１の摺動部材５に対向する側面には、振動子１０１ａ及び１０１ｂが設けられており、振動子１０１ａ及び１０１ｂは、摺動部材５に接触している。

図５に示すように、４つの屈曲振動用電極１０５ａ〜１０５ｄは、縦振動用電極１０５ｅを挟んで、超音波モータ１０１の長辺方向（移動部３の移動方向）に沿って２つずつ２列に配置される。屈曲振動用電極１０５ａ〜１０５ｄには、駆動部１４から屈曲振動信号が印加される。縦振動用電極１０５ｅには、駆動部１４から縦振動信号が印加される。

図５で縦振動用電極１０５ｅの左側に配置される屈曲振動用電極１０５ａ（摺動部材５から遠い電極）及び１０５ｃ（摺動部材５に近い電極）の電極付近の圧電体と、縦振動用電極１０５ｅの右側に配置される屈曲振動用電極１０５ｂ（摺動部材５から遠い電極）及び１０５ｄ（摺動部材５に近い電極）の電極付近の圧電体とでは分極方向が逆に設定される。縦振動用電極１０５ｅの左側に配置される屈曲振動用電極１０５ａ及び１０５ｃにそれぞれプラス電圧及びマイナス電圧が印加されるとき、縦振動用電極１０５ｅの右側に配置される屈曲振動用電極１０５ｂ及び１０５ｄには、それぞれマイナス電圧及びプラス電圧が印加されるように構成される。

図６は、本発明の実施の形態１による電動移動モードにおいて、駆動部１４から超音波モータ１０１に印加される駆動信号の一例を表す図である。縦振動信号（第１の信号）及び屈曲振動信号（第２の信号）は、例えば、図６に示すように、高周波の正弦波信号であり、縦振動信号と屈曲振動信号は、位相が９０°異なる。電動移動モードでは、これら縦振動信号と屈曲振動信号の双方が超音波モータ１０１に印加される。

図７は、本発明の実施の形態１による超音波モータ１０１の屈曲振動を説明するための概略平面図である。図８は、本発明の実施の形態１による超音波モータ１０１の縦振動を説明するための概略平面図である。

屈曲振動用電極１０５ａ〜１０５ｄ及び縦振動用電極１０５ｅにプラス電圧が印加される間、「＋」符号の電極部分（電極１０５ａ、１０５ｄ、１０５ｅ）の圧電体は膨張するように変形し、「−」符号の電極部分（電極１０５ｂ、１０５ｃ）の圧電体は縮む様に変形する。一方、屈曲振動用電極１０５ａ〜１０５ｄ及び縦振動用電極１０５ｅにマイナス電圧が印加される間、「＋」符号の電極部分（電極１０５ａ、１０５ｄ、１０５ｅ）の圧電体は縮む様に変形し、「−」符号の電極部分（電極１０５ｂ、１０５ｃ）の圧電体は膨張する様に変形する。本実施の形態による振動信号はいずれも高周波の正弦波信号であるので、これらの動作が繰り返される。

このため、屈曲電極１０５ａ〜１０５ｄに、図６に示す屈曲振動信号を印加すると、図７に模式的に示すように、屈曲変形振動が励起される。具体的には、振動子１０１ａが移動部３（摺動部材５）から遠ざかる方向に動くと、振動子１０１ｂは移動部３（摺動部材５）に押し付けられる方向に動き、その後、振動子１０１ｂが移動部３（摺動部材５）から遠ざかる方向に動くと、振動子１０１ａが移動部３（摺動部材５）に押し付けられる方向に動くという動きを繰り返す。縦振動用電極１０５ｅに、図６に示す縦振動信号を印加すると、図８に示すように、超音波モータ１０１が長辺方向に伸縮する縦振動が励起される。

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、図７に示す屈曲振動と図８に示す縦振動が合成され、超音波モータ１０１の振動子１０１ａ及び１０１ｂは図５に破線の楕円で示す軌跡を描くように振動する。すなわち、振動子１０１ａ及び１０１ｂが、同じ楕円軌道を描くとともに、同時刻での変位が半周ずれて、摺動部材５に対して交互に接近・離反を繰り返すように変位する。なお、図５において、楕円の矢印の位置は、振動子１０１ａ及び１０１ｂの同時刻における変位が同じ楕円軌道上で半周ずれていることを模式的に表している。

また、振動子１０１ａ及び１０１ｂが、図７に示す屈曲振動をすることで、摺動部材５と接触する際に生じる摩擦力を減らすことができる。また、縦振動用電極１０５ｅに図６に示す縦振動信号を印加することで、図８に示すように、超音波モータ１０１が長手方向に沿って伸縮運動を引き起こす。この伸縮運動と屈曲運動が合成されて移動部（ステージ）３を動かす。このようにして、超音波モータ１０１は、摺動部材５に摩擦力を伝達して移動部３を相対的に移動させる。

なお、目標位置への位置決めが完了した後に、移動部３を停止（静止）状態にするには、超音波モータ１０１への電圧（駆動信号）印加を停止する。電圧印加を停止することにより、超音波モータ１０１の振動子１０１ａ及び１０１ｂが一定の圧力で摺動部材５を押し付け、移動部３を停止（静止）させる。

図９は、実施の形態１によるクリーニング機構１１０の動作の一例を表す図である。図中、上段は移動部３が静止しているときのクリーニング機構１１０の姿勢を示し、中段と下段はそれぞれ移動部３が右・左に移動しているときのクリーニング機構１１０の姿勢を示す。

図９の上段に示すように、クリーニング機構１１０は、コロ１１４が移動部３に対して押し付けられた状態で基部１に固定される。この時、コロ保持部１１５が所定量だけ撓み、そのバネ性によりコロ１１４は移動部３に対して所定力量で押圧されている。

超音波モータ１０１が動作して移動部３が右方向へ移動しているときは、クリーニング機構１１０は、図９の中段に示すような姿勢をとる。移動部３の右方向への移動により、移動部３に対して押圧されているコロ１１４には、右周りのトルクが作用する。これにより、コロ１１４が回転するとともに、クリーナ保持部１１２が回転軸１１３周りに右周りに回転し、クリーナ部１１１Ｌの摩擦部材１２１が所定力量で摺動部材５に対して付勢され、摺動部材５上の当該摩擦部材１２１より左側に位置する磨耗粉を除去する。この時、クリーナ部１１１Ｒの摩擦部材１２１は、摺動部材５と接触しておらず、クリーナ部１１１Ｒの摩擦部材１２１より右側の磨耗粉は、クリーナ部１１１Ｒよりも外側に送られる。

超音波モータ１０１が動作して移動部３が左方向へ移動しているときは、クリーニング機構１１０は、図９の下段に示すような姿勢をとる。移動部３の左方向への移動により、移動部３に対して押圧されているコロ１１４には、左周りのトルクが作用する。これにより、コロ１１４が回転するとともに、クリーナ保持部１１２が回転軸１１３周りに左周りに回転し、クリーナ部１１１Ｒの摩擦部材１２１が所定力量で摺動部材５に対して付勢され、摺動部材５上の当該摩擦部材１２１より右側に位置する磨耗粉を除去する。この時、クリーナ部１１１Ｌの摩擦部材１２１は、摺動部材５と接触しておらず、クリーナ部１１１Ｌの摩擦部材１２１より左側の磨耗粉は、クリーナ部１１１Ｌよりも外側に送られる。なお、図９中段と下段との間のクリーナ保持部１１２の回転軸１１３周りの回転角度は、例えば、１０度程度である。

移動部３が距離Ｘの範囲を往復動作し続ける場合を考える。この時、図９中段に示す右移動の状態と下段に示す左移動の状態を交互に遷移することとなる。右移動から左移動への遷移、および左移動から右移動への遷移のいずれにおいても、クリーナ部１１１Ｌもしくはクリーナ部１１１Ｒの摩擦部材１２１が、適正に付勢されるまでにクリーナ保持部１１２が所定の角度αだけ回転する必要があり、その間移動部３は所定の距離Ｄだけ移動する必要がある。クリーナ部１１１Ｌとクリーナ部１１１Ｒの摩擦部材１２１の間隔をＴとすると、Ｘ＜Ｔ＋２Ｄの時、クリーナ部１１１Ｌ及びクリーナ部１１１Ｒの摩擦部材１２１のいずれもが当接しない領域が摺動部材５上に発生することとなる。この領域は磨耗粉が除去されないのみでなく、摩擦部材１２１により掃き出された磨耗粉も堆積していくため、駆動特性が不安定になりやすい。なお、本実施の形態による倒立顕微鏡２０１における超音波電動ステージ１００では、角度αは例えば１０度程度であり、距離Ｄは例えば５ｍｍ程度であり、間隔Ｔは４０ｍｍ程度である。この場合におけるコロ１１４が移動部３に対して押圧される所定力量とは、距離Ｄ以内でクリーナ保持部１１２が角度α分回転することのできる回転トルクを得られる力量である。

そこで、定期的にＸ≧Ｔ＋２Ｄを満たす距離、好ましくはフルストロークを１往復もしくは複数回往復する制御とするのが好適である。さらには、ユーザが設定できるストロークより外側まで移動できるクリーニング用ストロークを設けておき、定期的にクリーニング用ストロークを１往復もしくは複数回往復する制御とするのが好適である。さらには、ユーザが設定できるストロークの端部には磨耗粉が堆積しやすく除去しづらいため定期的にクリーニング用ストロークを往復する際に端部付近のみを１往復もしくは複数回往復する制御とするのが好適である。

また、クリーニング用ストロークで往復する際、クリーニング用ストローク端部まで移動すると図１０に示すように、摺動部材５よりも外側の移動部の表面３Ｌ（または３Ｒ）まで摩擦部材１２１が移動するようにし、磨耗粉を摺動部材５外へ落とす構成とするのが好適である。

以上説明したように、本実施の形態１によれば、超音波モータ１０１により移動する移動部３との摺動によりクリーナ部１１１Ｌ又はクリーナ部１１１Ｒを付勢する動力が得られる構成としたので、クリーニング機構１１０を駆動するためのアクチュエータおよび制御装置を追加することなく摺動部材５上に堆積する磨耗粉を除去し、摺動部材５を清浄に保つことができる。

（実施の形態２）
図１１は、実施の形態２によるクリーニング機構１１０の動作の一例を表す図である。この実施の形態２によるクリーニング機構１１０の説明においては、実施の形態１によるクリーニング機構１１０と同一の構成要素については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

実施の形態２においては、台座１１６に固定されたストッパ１１７Ｌ及び１１７Ｒが、それぞれクリーナ保持部１１２の上面よりもよりも高いところまで伸びて、側面から見た場合、ストッパ１１７Ｌ及び１１７Ｒはクリーナ保持部１１２の上面から突出している。

図１１中段に示すように、移動部３が右方向に移動する際に、クリーナ保持部１１２が回転軸１１３周りに右回転すると、クリーナ部１１１Ｌの摩擦部材１２１が所定の長さだけ摺動部材５に接触するところで、クリーナ保持部１１２がストッパ１１７Ｌに接触し、それ以上回転せず停止する。

図１１下段に示すように、移動部３が左方向に移動する際に、クリーナ保持部１１２が回転軸１１３周りに左回転すると、クリーナ部１１１Ｒの摩擦部材１２１が所定の長さだけ摺動部材５に接触するところで、クリーナ保持部１１２がストッパ１１７Ｒに接触し、それ以上回転せず停止する。

以上のようにして、本実施の形態２によれば、コロ１１４と移動部３の摩擦特性の変化、回転軸の摩擦特性の変化等によりクリーナ保持部１１２の回転トルクが変化しても、安定した力量で摩擦部材１２１を摺動部材５に対して付勢することができ、安定した清掃成績を得ることができる。

（実施の形態３）
図１２は、実施の形態３によるクリーニング機構１１０の動作の一例を表す図である。この実施の形態３によるクリーニング機構１１０の説明においては、実施の形態１又は２によるクリーニング機構１１０と同一の構成要素については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

実施の形態３のクリーナ部１１１Ｌ及び１１１Ｒは、図１２上段に示すように摺動部材５の平面に直交する方向に対して角度φだけ内側に傾くようにクリーナ保持部１１２ａに取り付けられている。角度φは角度θよりも大きい角度（φ＞θ）であり、角度θは、図３Ｃに示す毛材１２１の場合には、広がり角２θの２分の１、図３Ｄに示す板材１２１ａの場合には、Ｂ／Ａの逆正接である。なお、クリーナ部１１１Ｌ及び１１１Ｒは、摺動部材５に接触するときの角度が垂直よりも角度φだけ内側に傾くようにクリーナ保持部１１２ａに取り付けられていればよいので、図１２上段に示す状態では、角度φからクリーナ保持部１１２ａの回転角度αの２分の１を引いた角度よりも大きければよい（φ＞α／２）。

超音波モータ１０１が動作して移動部３が右方向へ移動しているときは、クリーニング機構１１０は、図１２の中段に示すような姿勢をとる。これは、実施の形態１及び２と同様に、移動部３の右方向への移動により、移動部３に対して押圧されているコロ１１４には、右周りのトルクが作用し、コロ１１４が回転するとともに、クリーナ保持部１１２ａが回転軸１１３周りに右周りに回転し、クリーナ部１１１Ｌの摩擦部材１２１が所定力量で摺動部材５に対して付勢されるためである。

また、超音波モータ１０１が動作して移動部３が左方向へ移動しているときは、クリーニング機構１１０は、図１２の下段に示すような姿勢をとる。これは、実施の形態１及び２と同様に、移動部３の左方向への移動により、移動部３に対して押圧されているコロ１１４には、左周りのトルクが作用し、コロ１１４が回転するとともに、クリーナ保持部１１２ａが回転軸１１３周りに左周りに回転し、クリーナ部１１１Ｒの摩擦部材１２１が所定力量で摺動部材５に対して付勢されるためである。

実施の形態３では、クリーナ部１１１Ｌ及び１１１Ｒが角度φだけ内側に傾くようにクリーナ保持部１１２ａに取り付けられているため、クリーナ部１１１Ｌとクリーナ部１１１Ｒの摩擦部材１２１の間隔Ｔが実施の形態１及び２に比べて狭くなる。また、右移動から左移動への遷移、および左移動から右移動への遷移において、クリーナ部１１１Ｌもしくはクリーナ部１１１Ｒの摩擦部材１２１が、適正に付勢されるまでにクリーナ保持部１１２が所定の角度αだけ回転するための移動部３の移動距離ｄは、実施の形態１及び２よりも短いものとなる。したがって、実施の形態１及び２に比して、クリーナ部１１１Ｌ及びクリーナ部１１１Ｒの摩擦部材１２１のいずれもが当接しない領域を短くすることが可能となる。

また、クリーナ部１１１Ｌ及び１１１Ｒが角度φだけ内側に傾くようにクリーナ保持部１１２ａに取り付けられているため、摩擦部材１２１が摺動部材５に当接する際に、高次のエラスティカが生じないため、摩擦部材１２１を摺動部材５に対して付勢する際にコロ１１４が移動部３から受けるトルクを抑えることができる。

（実施の形態３の変形例）
図１３は、実施の形態３の変形例によるクリーニング機構１１０の構成を表す概略平面図である。この実施の形態３の変形例によるクリーニング機構１１０の説明においては、実施の形態１〜３によるクリーニング機構１１０と同一の構成要素については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

この実施の形態３の変形例は、上述の実施の形態３によるクリーニング機構１１０の台座１１６に実施の形態２によるストッパ１１７Ｌ及び１１７Ｒを取り付けたものである。実施の形態２で説明したように、移動部３が右方向に移動する際に、クリーナ保持部１１２が回転軸１１３周りに右回転すると、クリーナ部１１１Ｌの摩擦部材１２１が所定の長さだけ摺動部材５に接触するところで、クリーナ保持部１１２がストッパ１１７Ｌに接触し、それ以上回転せず停止する。また、移動部３が左方向に移動する際に、クリーナ保持部１１２が回転軸１１３周りに左回転すると、クリーナ部１１１Ｒの摩擦部材１２１が所定の長さだけ摺動部材５に接触するところで、クリーナ保持部１１２がストッパ１１７Ｒに接触し、それ以上回転せず停止する。このようにすることで、実施の形態３の変形例では、上述した実施の形態２の効果と実施の形態３の効果の双方を得ることが可能となる。

（実施の形態４）
図１４は、実施の形態４によるクリーニング機構１１０の構成を表す概略平面図である。この実施の形態４によるクリーニング機構１１０の説明においては、実施の形態１〜３によるクリーニング機構１１０と同一の構成要素については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

実施の形態４においては台座１１６上に別体のクリーナ保持部１１２Ｌ及び１１２Ｒが取り付けられている。クリーナ保持部１１２Ｌ及び１１２Ｒは各々回転軸１１３Ｌ及び１１３Ｒ周りに台座１１６に対して回転可能に取り付けられている。また、クリーナ保持部１１２Ｌの外側の一端にはクリーナ部１１１Ｌが取り付けられ、クリーナ保持部１１２Ｒの外側の一端にはクリーナ部１１１Ｒが取り付けられている。また、クリーナ保持部１１２Ｌ及び１１２Ｒのそれぞれには、コロ保持部１１５Ｌ及び１１５Ｒが取り付けられており、コロ保持部１１５Ｌ及び１１５Ｒのそれぞれの先端には移動部３との摩擦力をクリーナ保持部１１２に伝達する摩擦力伝達部材であるコロ１１４Ｌ及び１１４Ｒが取り付けられている。なお、摩擦力伝達部材はコロ１１４Ｌ及び１１４Ｒでなくてもよく、例えば、コロ保持部１１５Ｌ及び１１５Ｒの先端をそのまま摩擦力伝達部材としてもよい。

台座１１６にはクリーナ保持部１１２Ｌの回転範囲を規定するストッパ１１７Ｌ１及び１１７Ｌ２と、クリーナ保持部１１２Ｒの回転範囲を規定するストッパ１１７Ｒ１及び１１７Ｒ２とが設置されている。

移動部３が右方向へ移動するときは、クリーナ保持部１１２Ｌがストッパ１１７Ｌ１に衝突するまで回転し、クリーナ部１１１Ｌの摩擦部材１２１が摺動部材５に対して付勢されるとともに、クリーナ保持部１１２Ｒがストッパ１１７Ｒ２に衝突するまで回転してクリーナ部１１１Ｒの摩擦部材１２１が摺動部材５より離間する。

移動部３が左方向へ移動するときは、クリーナ保持部１１２Ｒがストッパ１１７Ｒ１に衝突するまで回転し、クリーナ部１１１Ｒの摩擦部材１２１が摺動部材５に対して付勢されるとともに、クリーナ保持部１１２Ｌがストッパ１１７Ｌ２に衝突するまで回転してクリーナ部１１１Ｌの摩擦部材１２１が摺動部材５より離間する。

実施の形態４では左右のクリーナ保持部１１２Ｌ及び１１２Ｒが独立しているため、例えばコロ１１４Ｌ及び１１４Ｒのいずれかの破損等が発生しても、残りのコロによりクリーナ保持部１１２Ｌ及び１１２Ｒのいずれかが動作できるので、故障時にも清掃性能をある程度維持することができる。

なお、上述の実施の形態１〜４及びその変形例の電動ステージ１００は、互いに直交する二方向に移動可能であったが、第３部材（Ｙ方向移動部）３ｙとその駆動部材を省略することにより、一方向にのみ移動可能な電動ステージとしてもよい。この場合、例えば、電動ステージは、第１部材（基部）１、ガイドレール２、移動部（ステージ）３、超音波アクチュエータ１０、スケール１７、エンコーダ（変位センサ）１８、及び制御装置１５０を含む。各構成は、上述の実施の形態１〜４のものと同様である。

なお、上述の実施の形態１〜４及びその変形例は、いずれも図１に示す倒立顕微鏡２０１に適用可能である。また、倒立型の顕微鏡２０１を例としてあげたが、正立型の顕微鏡等、他の型式の顕微鏡を図１に示す顕微鏡２０１に代えて用いることができる。すなわち、移動可能なステージを取り付け可能な顕微鏡であれば、本発明の各実施の形態による電動ステージを取り付けて用いることが可能である。

また、上述の実施の形態１〜４及びその変形例の電動ステージ１００は、顕微鏡に限らず、精密加工機械、精密測定装置、半導体製造装置に用いられる案内装置として用いることが可能である。その場合にも上述の実施の形態１〜４及びその変形例の電動ステージ１００は、一方向にのみ移動可能な電動ステージとしてもよい。また、開口３０は顕微鏡の種類や、案内装置として用いる装置の種類や必要に応じて省略可能である。

また、上述の実施の形態１〜４及びその変形例では、クリーニング機構１１０の両端にクリーナ部１１１Ｌ及び１１１Ｒを設けたが、クリーニング機構１１０の一方の端部にのみクリーナ部１１１を設けるようにしてもよい。この場合には、クリーナ部１１１を取り付けない側のクリーニング機構１１０の端部が摺動部材５に接触しないようにする必要がある。

１基部
２ガイドレール
３移動部（ステージ）
５摺動部材（摺動部）
１０超音波アクチュエータ
１３制御部
１４駆動部
１６指示部
１７スケール
１８エンコーダ
１９固定用ビス穴
２０ネジ
２１検出部
２２切り欠き穴部
２４ダンピング材
３０開口
３１鏡筒
３３本体部
３４透過照明部
３６対物レンズ
３７反射ミラー
３８結像光学系
３９接眼レンズ
４１透過照明支柱
４２アーム
４３光源
４４ランプハウス
４５コンデンサレンズ
４６コンデンサユニット
４７コレクタレンズ
４８視野絞り
４９反射ミラー
１００電動ステージ
１０１超音波モータ
１０１ａ、１０１ｂ振動子
１０２保持機構
１０３コイルばね
１０４薄板ばね
１０４ａ厚肉部
１０５振動用電極
１１１クリーナ部
１１２クリーナ保持部
１１３回転軸
１１４コロ
１１５コロ保持部
１１６台座
１１７ストッパ
１２０摩擦部材固定部
１２１摩擦部材
１５０制御装置
２０１倒立顕微鏡

Claims

基部と、
前記基部に対して移動可能に取り付けられた移動部と、
前記移動部に取り付けられた摺動部と、
前記基部に取り付けられ、超音波振動を発生することによって前記移動部を前記基部に対して相対的に移動させる超音波モータと、
前記摺動部に当接可能であり、前記摺動部に付着した付着物を除去するクリーナ部と、
前記基部に対して回動可能に取り付けられ、前記移動部が前記基部に対して相対的に移動する際に前記移動部から受ける力をもとに前記クリーナ部を前記摺動部に対して当接または離間させるクリーナ付勢手段と、
を備えることを特徴とする超音波電動ステージ。
前記クリーナ付勢手段は、
両端に前記クリーナ部を保持するとともに、前記基部に対して回動可能に取り付けられるクリーナ保持部と、
一端が前記クリーナ保持部に接続され、他端が前記摺動部に接触することにより、前記他端と前記摺動部の摩擦力を、前記移動部の移動方向に応じた方向の回転トルクに変換する変換手段とを備え、
前記クリーナ保持部を前記移動部の移動方向に応じて回転させることにより、前記クリーナ保持部の両端に取り付けられた前記クリーナ部を交互に前記摺動部に当接または離間させることを特徴とする請求項１記載の超音波電動ステージ。
さらに、前記クリーナ保持部の回動範囲を規制する規制手段を備えることを特徴とする請求項２記載の超音波電動ステージ。
前記クリーナ保持部は、前記クリーナ部の前記摺動部に当接する側の端部を内側に傾けて両端に保持することを特徴とする請求項３記載の超音波電動ステージ。
本体と、該本体に設置される超音波電動ステージを備えた顕微鏡であって、
前記超音波電動ステージは、
基部と、
前記基部に対して移動可能に取り付けられた移動部と、
前記移動部に取り付けられた摺動部と、
前記基部に取り付けられ、超音波振動を発生することによって前記移動部を前記基部に対して相対的に移動させる超音波モータと、
前記摺動部に当接可能であり、前記摺動部に付着した付着物を除去するクリーナ部と、
前記基部に対して回動可能に取り付けられ、前記移動部が前記基部に対して相対的に移動する際に前記移動部から受ける力をもとに前記クリーナ部を前記摺動部に対して当接または離間させるクリーナ付勢手段と、
を備えることを特徴とする顕微鏡。