JPH0250208A

JPH0250208A - 載置体移動アクチュエータ

Info

Publication number: JPH0250208A
Application number: JP63200550A
Authority: JP
Inventors: Hideo Adachi; 日出夫安達
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1988-08-11
Filing date: 1988-08-11
Publication date: 1990-02-20
Anticipated expiration: 2010-04-19
Also published as: JPH0736126B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体メモリ製造装置の一つである露光装置
、電子ビームやイオンビーム等を用いた加工機、ＬＳＩ
用の検査装置、電子顕微鏡（ＳＥＭ）、走査型トンネル
顕微鏡（ＳＴＭ）。

マイクロメカニズムやマイクロレンズの製造装置等の分
野または細胞操作や細胞微細検査などの医療バイオの分
野等において、被検試料や被加工体が載置される位置決
め用テーブルまたは他の載置体を移動させるための載置
体移動アクチュエータに関する。

〔従来の技術〕

従来より、移動台上に被検試料や被加工体を載置し、移
動台をＸ、Ｙ方向へ移動させることにより、移動台上に
載置された被検試料の検査を行なったり、被加工体に加
工を加えたりする技術は存在していた。

第２９図はこのような従来技術を示す第１の従来例であ
り、移動ステージの構造を示す斜視図である。同図に示
す移動ステージ１は、被検試料や被加工体等を載置可能
なＸステージ２と、このＸステージを支持するＹステー
ジとを、互いに直交する方向に移動させて載置体をＸ、
Ｙ方向に移動させるよう構成されている。Ｘステージ２
およびＹステージ３はそれぞれ二本のガイドレール４゜
５にてスライド可能に保持されている。そして各送りね
じ機構６を、ＤＣモータ等の回転型モータ７．８により
回転させることにより、同モータの回転運動を直線運動
に変換して、Ｘステージ２およびＹステージ３へのＸ、
Ｙ方向への駆動力として与えている。

上記構成の移動ステージ１は、移動ステージ１自体の剛
性が高く外部振動の影響を受けにくく、しかもＸステー
ジ２およびＹステージ３の移動距離が長いものとなる。

第３００図は第２の従来例である移動ステージの構成を
示す斜視図である。同図に示す移動ステージ１０は、Ｘ
ＹＸステージ１の四隅を四つの切欠ばね１２ａ〜１２ｄ
を介して固定台１３に固定させている。またＸＹＸステ
ージ１の下には、金属性の球１６を４箇所に配置して、
ＸＹＸステージ１を支えている。固定台１３の直交する
二つの内側壁には積層圧電アクチュエータ１４．１５の
各一端が固定され、各他端すなわち変位端が上記内側壁
に対向しているＸＹＸステージ１の二側壁にそれぞれ当
接している。

上記構成の移動ステージ１０は、上記積層圧電アクチュ
エータ１４．１５に電圧を印加することにより、ＸＹＸ
ステージ１をＸ、Ｙ方向に精度よく移動させることがで
きる。そして積層圧電アクチュエータ１４および１５に
印加する電圧の大きさを調整することにより、Ｘ方向お
よびＹ方向への変位量を調整することができる。しかも
この移動ステージ１０は、圧電アクチュエータ駆動方式
のものである為、レスポンスが速いという利点を有して
いる。さらに単一のテーブルを同一平面内でＸ、Ｙ方向
に移動させることができるので、移動ステージ１０を薄
型化できる。

（発明が解決しようとする課題）第１の従来例は、剛性、移動距離（変位量）の点ではす
ぐれているが、Ｘステージ２およびＹステージ３に設け
た挿入孔にガイドレール４，５および送りねじ機構６を
挿入する構造になっているので、カイトレール４．５と
挿入孔との間および送りねじと挿入孔との間にガタッキ
が生じ易く、移動位置精度が悪い欠点がある。またモー
タ駆動方式であるため、レスポンスが悪いという欠点が
ある。特にＹステージ３は、その上にＸステージ２やＸ
ステージ固定台等が載置されるため、Ｘステージ２に比
べて一層レスポンスが悪くなる。さらにＸ、Ｙステージ
が二重構造となっている為、各部寸法が大きくなり、装
置が大型化してしまうという欠点を有している。

また第２の従来例は、小型（薄型）で、高い移動位置精
度が得られしかもレスポンスが良いという利点を有して
いるが、ＸＹＸステージ１の移動のガイドを切欠ばね１
２ａ〜１２ｄを用いて行なっているため、剛性が低く外
部からの振動の影響を受は易い。しかも切欠ばね１２ａ
〜１２ｄの弾性変形限界以上の変位量は得ることができ
ないので、ＸＹＸステージ１の移動距離が限られてしま
う。その結果、高い精度を要求される小型な移動ステー
ジには適しているが比較的大きな変位量を必要とする大
型移動ステージとしては用いることができず、限られた
範囲の用途にしか利用することができなかった。

そこで本発明の目的は、大きな変位量を得ることができ
ると共に、高精度でしかもレスポンスが良く、外部から
の振動の影響を受けに＜＜、薄型化およびコンパクト化
が可能で、さらに載置体をＸ、Ｙ方向に移動させるだけ
でなく回転動作をも行なわせ得る載置体移動アクチュエ
ータを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記課題を解決し目的を達成するために次のよ
うな手段を講じた。すなわち、マトリクス状に配列され
た複数の駆動力発生要素を同一平面上に配置し、それぞ
れ隣り合う駆動力発生要素の駆動力発生方向を互いに直
交するようにした駆動手段と、この駆動手段の駆動力発
生要素に接触または近接して配設される載置体とからな
り、前記駆動手段により前記載置体を平面上の任意の方
向に移動させるようにした。

また長さ方向に波状曲面を有する振動体およびこの振動
体に振動を励起させる圧電素子からなる超音波リニアモ
ータを、振動体が互いに接触しない様に格子状に複数個
組合わせ、波状曲面の波頭部を同一平面上にマトリクス
状に配置し、この波頭部に接触するように載置体を配設
するようにした。

また固定台と、この固定台の表面上にマトリクス状に配
列して設けられた複数のストライプ状電極からなる固定
台電極と、前記固定台上に近接し載置体電極との間に誘
電体層を介して、静電引力を及ぼすことにより載置体を
移動させるように構成した。

固定台電極および載置体電極における複数のストライプ
状電極は、形状が長方形をなし、かつ隣り合う電極どう
しでその長さ方向が互いに直交するように交互に配置す
るようにした。

〔作用〕

上記手段を講じたことにより次のような作用を呈する。

すなわち、マトリクス状に配列された複数の駆動力発生
要素を駆動すると、隣り合う駆動力発生要素からは互い
に直交する方向の駆動力が発生するのでこの駆動力の発
生のさせ方を制御することにより、駆動力発生要素に接
触または近接して配設された載置体を任意の方向へ移動
させ得る。

また互いに接触しないように格子状に組合わされた波状
曲面を有する振動体に、圧電素子により励起された振動
を発生させると、波状曲面を有する振動体のマトリクス
状に配置された波頭部に駆動力が発生する。したがって
駆動力の発生のさせ方を制御すれば、この波頭部に接触
して配置されている載置体を任意の方向へ移動させ得る
。

また固定台の表面上に設けたストライプ状電極からなる
固定台電極と、この固定台電極に対向して載置体の表面
に設けた載置体電極とに電圧を印加すると、上記両電極
間には誘電体層を介して静電引力が働くので、この静電
引力の発生のさせ方を制御することにより、載置体を任
意の方向へ移動させ得る。

また固定台電極および載置体電極を構成するストライプ
状電極は長方形をなしており、かっこの長方形に形成さ
れたストライプ状電極が隣り合う電極どうしでその長さ
方向が互いに直交するように配置されているので、固定
台電極および載置体電極に対する印加電圧を制御するこ
とにより、裁置体に方向性をもった静電引力が与えられ
、載置体を任意の方向へ移動させ得る。

なお精度が良いということは、そのアクチュエータが単
位印加電圧当りの変位量が小さいということ、すなわち
入力に対し変位分解能が良いということがベースにある
が、仮にヒステレシス、クリープ、熱膨脹があったとし
ても、高精度の変位センサーを併用し、クローズトルー
プを組むことにより高精度の分解能を実現されるもので
あれば、そのアクチュエータは精度が良いと一般的に表
現している。本発明においても、同様のことが言える。

〔実施例〕

本発明の実施例を具体的に説明する前に、本発明に係る
載置体移動アクチュエータの駆動原理について説明する
。

本発明の特徴は、第２９図、第３０図に示した従来の移
動ステージ１．１０の構造が、−軸につき一つのアクチ
ュエータ（７，８，１４，１５）をステージの側壁に取
付けて駆動しているのに対し、同一平面上にＸ、Ｘ方向
または回転方向に力を発生させる多数の駆動力発生要素
を規則正しくマトリクス状に配列し、このように配列さ
れた駆動力発生要素上に載置された載置体を摩擦力また
は静電力により変位させるようにした点にある。

第１図は、点状の駆動力発生要素Ｐの配列状態を示す図
である。同図に示すように、点状の駆動力発生要素Ｐは
固定台２０上に同一平面を形成するように多数規則正し
くマトリクス状に配列されている。このように配列され
た点状の駆動力発生要素Ｐに印加する電圧を制御するこ
とにより、各駆動力発生要素Ｐに任意の方向への駆動力
を発生させるものである。上記点状の駆動力発生要素Ｐ
による駆動原理は、超音波モータの原理と同じである。

すなわち、点状の駆動力発生要素Ｐに電力を供給して各
駆動力発生要素Ｐに逆圧電変位による楕円変位を発生さ
せ、この楕円変位が発生している部分に載置体を押圧す
る。そうすると、点状の駆動力発生要素Ｐと載置体との
間の摩擦力により、載置体はＸ方向、Ｘ方向または回転
方向に変位する。

第２図は、面状の駆動力発生要素Ｑの配列状態を示す図
である。同図に示すように、面状の駆動力発生要素Ｑは
、固定台３０上に規則正しくマトリクス状に配列されて
いる。上記面状の駆動力発生要素Ｑによる駆動原理は、
静電モータの原理と同じである。すなわち、固定台３０
上に形成した電極に電圧を印加して電界を生じさせ、そ
の上に載置される載置体の表面との間に静電引力を生じ
させ、この静電引力を制御する。そうすると、載置体は
Ｘ方向、Ｘ方向または回転方向に変位する。

次に第３図〜第７図を参照して点状の駆動力発生要素Ｐ
による駆動原理についてさらに詳しく説明する。

第３図は超音波モータの駆動原理を示す図である。同図
に示すように、振動吸収体２１２２に支えられた細長い
板状をなす弾性体２３の下側両端部に圧電素子２４．２
５を取付け、この圧電素子２４と２５との間における弾
性体２３上に載置体２６を載置する。なお弾性体２３は
鉄等の強磁性体で形成されており、載置体２６は一部ま
たは全部が永久磁石で形成されている。

かくして、圧電素子２４を駆動して、弾性体２３に矢印
Ｍで示すように図中右方向へ進行する屈曲振動波を発生
させると同時に、弾性体２３に発生した屈曲振動波の振
動を吸収するように、圧電素子２５を駆動すると、第４
図に示すように、弾性体２３上の各質点Ｐ１〜Ｐ４には
楕円運動が生じる。この楕円運動は図中左回りの回転楕
円運動である。したがって、このような運動を行なって
いる弾性体、２３上に、磁力により載置体２６を適当な
押圧力で押圧すると、質点Ｐ１およびＰ２と載置体２６
との接触面における摩擦力により、載置体２６は矢印Ｍ
で示すように図中左方向へ移動する。

第５図は波状曲面を有する薄板状の振動体（以下、波状
弾性体という）を用いた場合における、超音波リニアモ
ータの駆動原理を示す図である。

同図に示すように、波状弾性体２７の両端は、振動吸収
体２１．２２で支持され、この波状弾性体２７の両端部
近傍には圧電素子２４．２５が取付けられている。この
ような構成において、圧電素子２４を屈曲振動波を発生
するように駆動し、この屈曲振動波を吸収するように圧
電素子２５を駆動すると、波状弾性体２７の各質点は回
転楕円運動を行なう。このとき波状弾性体２７に発生す
る屈曲振動波の周期を大きくし、振幅を小さくすると、
波状弾性体２７の波頭部Ｐ５〜Ｐ７は、第４図に示した
ものと同様の回転楕円運動を行なう。

したがってこのような運動を行なっている波状弾性体２
７に、６板状載置体２８を押圧すると、板状載置体２８
と波頭部Ｐ５．Ｐ６．Ｐ７に発生している回転楕円運動
の頂部との摩擦力により、板状載置体２８は矢印Ｎで示
すように図中左方向に移動する。またこのような波状弾
性体２７を複数個平行に並べ、この波状弾性体２７上に
跨座するように板状裁置体２８を載置するようにしても
、板状載置体２８を波状弾性体２７の長さ方向に移動さ
せることができる。なお圧電素子２５を屈曲振動波を発
生させるように駆動し、発生した屈曲振動波を吸収する
ように圧電素子２４を駆動することにより、板状載置体
２８を上記とは逆に図中右方向へ移動させることができ
る。また波状弾性体２７を二本平行に並べて設け、それ
ぞれの波状弾性体に発生する屈曲振動波の進行方向を互
いに逆方向にすることにより、二本の波状弾性体上に跨
座する如く載置された載置体を回転させることができる
。

第６図は複数の波状弾性体２７を互いに直交するように
配置した状態を示す図である。同図に示すように、波状
弾性体Ｘ１〜Ｘ４の各頂点には、波状弾性体Ｙ１〜Ｙ４
の各底部が位置し、波状弾性体Ｙ１〜Ｙ４の各頂点には
波状弾性体Ｘ１〜Ｘ４の各底部が位置している。すなわ
ち、波状弾性体Ｘ１〜Ｘ４と波状弾性体Ｙ１〜Ｙ４とが
互いに直交して織りなされており、かつ波″軟弾性体Ｘ
１〜Ｘ４およびＹ１〜Ｙ４の波頭部Ｐｉｊはすべて同一
平面上に位置している。

第７図は第６図に示す如く織りなされた波状弾性体Ｘ１
〜Ｘ４およびＹ１〜Ｙ４を上から見た状態を模式的に示
した図である。ここで波状弾性体Ｘ１〜Ｘ４に屈曲振動
波を発生させて、波頭部ｐＨ，Ｐ１３．Ｐ２２．Ｐ２４
．Ｐ３１゜Ｐ３３．Ｐ４２．Ｐ４４にＡ方向への駆動力
が発生するような回転楕円運動を行なわせる。こうする
ことにより、載置体を図中右方向（Ａ方向）へ移動させ
ることができる。また波状弾性体Ｙ１〜Ｙ４に屈曲振動
波を発生させて、波頭部Ｐ１２．Ｐ１４．Ｐ２１．Ｐ２
３．Ｐ３２゜Ｐ３４．Ｐ４１．Ｐ４３にＢ方向への駆動
力が発生するような回転楕円運動を行なわせる。こうす
ることにより、載置体を図中上下方向（Ｂ方向）へ移動
させることができる。さらに波状弾性体Ｘ１〜Ｘ４およ
びＹ１〜Ｙ４に同時に屈曲振動波を発生させ、各波頭部
ｐＨ，Ｐ１２・・・Ｐ４３゜Ｐ４４にＣ方向への駆動力
が発生するような回転楕円運動を発生させる。すなわち
、ＸＩ、Ｘ２の各波頭部ｐＨ，Ｐ２２．Ｐ３１．Ｐ４２
．にはＡ方向への駆動力を発生させ；　Ｘ３．Ｘ４の各
波頭部Ｐ１３．Ｐ２４．Ｐ２３．Ｐ４４には−Ａ左方向
の駆動力を発生させ、Ｙｌ、Ｙ２の各波頭部Ｐ１２．Ｐ
１４．Ｐ２１．Ｐ２３にはＢ方向への駆動力を発生させ
、Ｙ３．Ｙ４の各波頭部Ｐ２２゜Ｐ２４．Ｐ４１．Ｐ４
３には−Ｂ方向への駆動力を発生させる。そうすること
により、載置体を回転させることができる。

次に第８図〜第１４図を参照して、第２図に示した面状
の駆動力発生要素Ｑによる駆動原理について説明する。

第８図は面状の駆動力発生要素Ｑの駆動源である静電力
の発生原理を示す図である。同図に示すように、電極板
３１と３２とを対向位置をズラし８た状態でかつ平行に
して対向させる。そして二枚のｌｌｉ極阪３１．３２に
リード線３３ａ、３３ｂを介して直流電源３４から電圧
を印加する。そうすると電極板３１．３２の面方向に力
Ｆが発生する。

この力Ｆは電極板３１と３２との間に介在している誘電
体の誘電率と印加電圧との二乗に比例する。

このような電極対（３１，３２）を多数配列し、多相駆
動することにより、リニアモータや回転型モータを作る
ことができる。ここで、電極板３１と３２との間の静電
容ｆｆ１Ｃは、Ｃ−εｏｘＮ／ｚ　　である。なおε。は真空の誘電率
（比誘電率εｒの膜のときはε０の代りにε０・ε「を
用いる）、Ｘは電極板３１と３２とが重なっている部分
の長さ、２は電極板３１と３２との距離、ｐは電極板３
１．３２の長さ方向の幅である。また電極対（３１，３
２）間に蓄積し得る静電エネルギーＷｅは、Ｗ　ｅ　−ＣＶ　２／　２　　となる。なおＶは印加電
圧である。また図中Ｘ方向に働く力Ｆｘは、仮想変位の
方法より、ＦＸ　＝　（ａＷｅ／ａ　ｘ）ｖ−ｔ −ｖ２　　εＩ）　　／　２　ｚ　　　　　　　　　　
　　・・・　（１）となる。したがって電極板３１．３
２の面方向に働く静電力Ｆは、電極板３１と３２との重
なり幅Ｘには左右されず、電極板間の距離２が小さいほ
どＸ方向には大きな静電力が働く。またＺ方向に働く静
電引力ＦＺは、Ｆｚ　＝　（ｆ３Ｗｅ／ａ　ｚ）　ｖ−ｔ＝−Ｖ２　ε
Ｑ　　ｘｆｌ　　／２　ｚ２　　　　−　　（２）とな
る。（２）式から明かなように、Ｚ方向に働く静電引力
Ｆｚ　　（電極板間引力）は、Ｘの大きさに比例した大
きさになる。

したがって、（１）式および（２）式より、２を小さく
して電極板３１と３２との間を狭くすれば、単位体積当
りの蓄積エネルギーを大きくすることができる。

第９図は力学的駆動源と°して、その基本要素となる電
極対を多数配列した状態を示す図である。

同図に示すように、固定台４０上に幅ｄの電極板３５ａ
　〜３５ｃ、３６ａ　〜３６ｃ、３７ａ　〜３７ｃを、
所定の間隔で配列する。そして電極板３５ａ〜３５ｃを
同電位となるように結線し、端子Ａ１に接続する。この
電極板３５ａ〜３５ｃをセットＡＳと呼ぶ。同様にして
電極板３６ａ〜３６ｃを同電位となるように結線して端
子Ｂ１に接続し、これをセットＢＳとなし、電極板３７
ａ〜３７ｃを同電位となるように結線して端子Ｃ１に接
続し、これをセットＣ８となす。このときセットＡＳと
セットＢＳとの間にはｄ／３の間隔をあけ、セットＢＳ
とセットＣ８との間には７ｄ／３の間隔をあける。この
ように形成されたセットＡＳ、ＢＳ、Ｃ３に対し、一定
の距離を隔てて載置体５０が配置されている。この載置
体５０には複数の電極板５１ａ、５１ｂ・・・からなる
電極配列体５１が設けられている。なお電極配列体５１
を形成する各電極板５１ａ、５１ｂ・・・は各４幅ｄを
有しており、しかも各電極板５１ａ。

５１ｂ・・・は距離ｄの間隔で基板５２上に配列されて
いる。なおセットＡＳ、ＢＳ、Ｃ３と電極配列体５１と
の間には比誘電率εｒで粘性抵抗の小さい媒体（不図示
）が介在している。

上記の如く構成されたセットＡＳ、ＢＳ、Ｃ３の各端子
Ａｌ、Ｂｌ、Ｃ１に、第１０図に示す三相電圧ＡＶＩ、
ＢＶ２．ＣＶ３をそれぞれ印加する。そうすると、セッ
トＡＳ、ＢＳ、Ｃ３の電極板３５ａ　〜３５ｃ、３６ａ
　〜３６ｃ、３７ａ　〜３７ｃと電極配列体５１の電極
板５１ａ・・・との電極板のうち、ズして対向している
電極板には、力ＦＸが働き、載置体５０は図中右方向へ
移動する。

また同様に、第１１図に示す三相の電圧ＡＶ４゜ＢＶ５
．ＣＶ６をセットＡＳ、ＢＳ、Ｃ３（７）端子ＡＩ、Ｂ
ｌ、Ｃ１にそれぞれ印加すると、載置体５０は図中左方
向へ移動する。

第１２図（ａ）は、駆動力発生要素Ｑの一例を示す図で
あり、第９図に示したセットＡＳ、ＢＳ。

ＣＳを二周期分配列して一つの駆動力発生要素４１を構
成している。上記駆動力発生要素４１を構成するセット
ＡＳは、第１２図（ｂ）に示すように、幅ｄの電極板３
５ａ、３５ｂ、３５ｃｍ・・が間隔ｄでストライプ状を
なすように配列されている。そして各電極板３５ａ〜３
５ｃからなるストライプ部４２が同電位となるように各
一端部がブリッジ部４３にて接続されている。セットＢ
Ｓ。

Ｃ８等も同様の構成になっている。なおストライプ部４
２とブリッジ部４３とから構成される電極を以後ストラ
イプ状電極と呼ぶ。また駆動力発生要素４１上には、ブ
リッジ部４３を除いた領域に誘電体膜４４が形成されて
いる。なおセットの数および電極板の数は必要に応じて
設定する。

第１３図はストライプ状電極群で構成される長方形の駆
動力発生要素４１を固定台４０上に多数配列した状態を
示す図である。同図に示すように、隣り合う駆動力発生
要素４１ａ、４１ｂはその長辺方向が互いに直交する如
く配列されている。なお駆動力発生要素４１ａ、４１ｂ
・・・の形状は、スドライブ状電極を形成する電極板の
幅、長さおよび各電極板の間隔さらにストライプ状電極
の数により決定される。

第１４図は載置体の固定台との対向面を示す平面図であ
る。同図に示すように、基板５２の固定台４０との対向
面には、駆動力発生要素４１が四つ公人る大きさの領域
に四分割され、各領域にストライプ状電極群ａｌ、ａ２
．ｂｌ、ｂ２が配置されている。ストライプ状電極群ａ
ｌ、ａ２は、幅ｄを有する電極板が図中左右方向にｄの
間隔でストライプ状に配列されており、このストライプ
状に配列された電極板の一端にはブリッジ部５３ａが形
成されている。またストライプ状電極群ｂｌ、ｂ２は幅
ｄを有する電極板が図中左右方向に距離ｄの間隔でスト
ライプ状に配列されており、このストライプ状に配列さ
れた電極板の一端には′ブリッジ部５３ｂが形成されて
いる。

このような載置体５０を、第１３図中破線で示す領域に
適合するように載置する。このとき、固定台４０上に配
列した駆動力発生要素４１のストライプ状電極と載置体
５０におけるストライプ状電極群ａｌ、ａ２．ｂｌ、ｂ
２のストライプ状電極とが互いに平行になるように配置
する。そうすると、固定台４０と載置体５０との対向面
にはズレに応じた静電力が働く。ここで横向きに配置し
た駆動力発生要素４１ａに電圧を印加し、ストライプ状
電極群ｂｌ、ｂ２をアースし、ストライプ状電極群ａｌ
、ａ２を電気的に浮かせると、載置体５０は左右方向へ
の力を受け、左右方向へ移動する。また縦向きに配置し
た駆動力発生要素４１ｂに電圧を印加し、ストライプ状
電極群ａｌ。

ａ２をアースし、ストライプ状電極Ｒｂｌ、ｂ２を電気
的に浮かせると、載置体５ｏは図中上下方向に移動する
。さらに横向きに載置た駆動力発生要素４１ａの一部と
縦向きに配置した駆動力発生要素４１ｂの一部とを選択
して、第１０図および第１１図に示した三相の電圧ＡＶ
Ｉ〜ＣＶ３またはＡＶ４〜ＣＶ６を印加する。そうする
と、載置体５０を回転させることができる。なおこの場
合は、対向したストライプ状電極どうしがある角度でズ
レるように対向するので、複雑な制御を必要とする。な
おＸ、Ｙ方向の直進運動に関しては、対向したストライ
プ状電極のストライプ部が互いに平行に対向している限
り、駆動力が発生し大きな変位量を得ることができる。

またストライプをなす電゛極板の幅、電極板の間隔、印
加電圧の周波数、載置体５０の接触面における摩擦力等
により決定される精度は、電圧制御方法やクロニズドシ
ステムの構成により、１／１０〜１／１００ｍ程度の精
度を実現できる。さらにまた、発生する静電引力は、載
置体５０の移動面に対し垂直の方向に吸引力が働くため
、超音波リニアモータのように特別の手段を用いて移動
体に押圧力を加える必要がない。

次に本発明の実施例について具体的に説明する。

第１５図および第１６図は本発明の第１実施例を示す斜
視図および側断面図である。本実施例は点状の駆動力発
生要素Ｐを用いた例である。基台６１上の中央部位にシ
リコンゴムやフェルト等の材質からなる振動吸収シート
６２を第１６図示の如く敷き、この振動吸収シート６２
上に、第６図に示す如く織りなされている波状弾性体Ｘ
１〜Ｘ４およびＹ１〜Ｙ４を設置する。なお波状弾性体
Ｘ３およびＸ４は図示していない。波状弾性体Ｘ、Ｙの
両端は、波状弾性体Ｘ、Ｙに発生する振動を吸収するた
めの支持部材６３ａ、６３ｂおよび図示していない支持
部材６３ｃ、６３ｄにより固定されている。波状弾性体
Ｘ、Ｙの波頭部で形成する同一平面上には、載置体６４
が載置されている。この載置体６４の波頭部との接触面
には、ポリアミド系の摩擦部材またはコーティングされ
た無機膜等からなる摩擦層６５が形成されている。

基台６１の外周縁には、載置体６４を波頭部に押圧する
ためのコ字状をなす押圧部材６６が取付けられている。

押圧部材６６と載置体６４との間には、載置体６４の移
動に対応できる十分なスペースが設けられている。なお
載置体６４は押圧部材６６に回転自在に取付けられた球
状部材６７により押圧される。

第１７図は波状弾性体Ｘ、Ｙの構造を示す図である。同
図に示すように、波状弾性体Ｘ、Ｙの曲面に沿ってＰＺ
Ｔ　（ジルコンチタン酸鉛）圧電セラミクス板７１．７
２・・・が貼り合わされている。

各圧電セラミクス板７１．７２・・・は、印加電圧の波
長λに対し、λ／２の長さを有しており、圧電セラミク
ス板７１．７２のように隣り合う圧電セラミクス板どう
しは、その分極方向が逆方向になるように配置されてい
る。また波状弾性体Ｘ、　Ｙの中央部では、λ／４の長
さのズレを設け、両端では、３λ／８の長さだけ圧電セ
ラミクス板を貼らない部分を形成する。そして波状弾性
体Ｘ、　Ｙの左半分に貼りつけた圧電セラミクス板をそ
れぞれ結線して一つの端子７３に接続し、右半分の圧電
セラミクス板をそれぞれ結線して他の端子７４に接続し
ている。さらに波状弾性体Ｘ、Ｙに共通端子７５を設け
る。

このように構成された波状弾性体Ｘ、Ｙにおいて、共通
端子７５をアースし、端子７３および７４を介して、１
／４周期の位相差を有する二つの交流電圧を印加すると
、波状弾性体Ｘ、Ｙには屈曲振動波が生じる。そこで波
状弾性体Ｘ、Ｙの共振周波数に印加する交流周波数を合
わせると、波状弾性体Ｘ、Ｙ上の各質点が行なう楕円運
動は最大振幅を示す。したがって、このような交流周波
数を印加することにより、最大出力が得られる。

第１８図は、平面状の圧電セラミクス板の貼り付は方を
示す図である。平面状の圧電セラミクス８１〜８４を貼
り付けるときは、貼り付は箇所が平面になるように平面
加工を施し、その後、平面状の圧電セラミクス８１〜８
４を接着する。そして接着した各平面状の圧電セラミク
ス８１〜８４をリード線８５で互いに結線する。また第
１９図に示すように、波状弾性体Ｘ、Ｙの曲面に合わせ
て、圧電セラミクス９１〜９４を波形に研削加工し、波
状に加工した圧電セラミクス９１〜９４に電極９５およ
び９６を焼き付けし、島状電極を形成して、圧電セラミ
クスを分極させる。そのとき、隣り合う圧電セラミクス
９１〜９４の分極方向は、隣りどうし互いに逆方向にな
るように分極する。

そしてこのように分極したのち、電極を除去し、真空蒸
着等の方法により、圧電セラミクス板９１〜９４の全面
に全面電極を形成する。

このように第１実施例によれば、波状弾性体Ｘ１〜Ｘ４
とＹ１〜Ｙ４とを織りなして同一平面上に点状の駆動力
発生要素を多数形成するようにしたので、載置体６４を
Ｘ方向、Ｙ方向１回転方向に自在に移動させることがで
きると共に、ステップ的な変位ではなく回転楕円運動に
よる連続的な変位を得ることができる。しかも載置体６
４には常に押圧力が加えられているので、バックラッシ
ュを極めて小さく抑制し得る上、従来のような磁極を有
するモータを用いたものに比べると、その分解能を著し
く向上することができる。また載置体６４が波状弾性体
Ｘ、Ｙの波頭部に接している限り駆動力を受けることが
できるので、変位量を十分大きくとることができる。さ
らに基本的には圧電素子による駆動方式であるので、レ
スポンスが非常に良い。さらに波状弾性体Ｘ、Ｙの波頭
部から底部までの距離は比較的小さくて済むので、薄型
の移動ステージを製作することが可能である。

なお第１実施例においては、載置体６４に対し押圧部材
６６にて押圧力を加える構成としたが、上記押圧力を磁
気的な吸引力で代替させることにより、抑圧部材６６は
省（ことができ、構造を簡略化することが可能である。

第２０図は本発明の第２実施例の駆動力発生要素Ｑとし
て用いられるリング状超音波モータの斜視図である。同
図に示すリング状超音波モータ１００はリング状の弾性
体１０１と、このリング状の弾性体１０１の内周に嵌合
するング状の圧電素子１０２とから構成されている。リ
ング状の弾性体１０１は、リン青銅、ＳＵＳ、ｌ！等の
材質で形成されており、その内周にはリング状の圧電素
子１０２がエポキシ樹脂等を用いて接着されている。な
おリング状の圧電素子１０２は、電極を付与して分極し
である。この分極処理は、従来の超音波モータと同様に
、λ／４と３λ／４のスペースを空けて、三箇所の島を
形成する如く電極配置を行ない、１／４周期ずらした二
相の電圧をそれぞれ印加することにより行なわれる。な
おλは印加する電圧の波長である。

第２１図はこのようにして作成された二つのリング状超
音波モータ１００ａ、１００ｂを用いたアクチュエータ
の例である。図に示すように、二つのリング状超音波モ
ータ１００　ａ　、　　１００　ｂ　ｉ；Ｌ、固定台１
０３に対し、リングの半径方向が鉛直になるように、し
かも同一方向を向くように設置されている。なお各モー
タ１００ａ、１００ｂのリング状弾性体１０１の一部が
固定台１０３に埋入した状態で固定されている。リング
状超音波モータ１００ａ　　１００ｂ上には載置体１０
４が載置されている。

このような状態において、二つのリング状超音波モータ
１００ａ、１００ｂに駆動電圧を印加する。そうすると
、リング状弾性体１０１とリング状圧電素子１０２とに
より屈曲進行波が発生し、リング状弾性体１０１の外周
面に回転楕円運動が発生する。その結果、移動体１０４
は図中左右方向に移動する。

第２２図はリング状超音波モータ１００を固定台１０３
上に多数配列した状態を示す図である。

同図に示すように、隣り合うリング状超音波モータＡｉ
ｊとＢｉｊとはその径方向が互いに直交するように配列
されている。このように配置されたリング状超音波モー
タ群上に、第２１図と同様に移動体１０４を載置するも
のとする。

上記リング状超音波モータ群のうち、Ａｉｊだけを駆動
させると、移動体１０４は図中左右方向に移動し、リン
グ状超音波モータＢｉｊだけを駆動させると、移動体１
０４は図中上下方向に移動する。また例えば、Ａｌｌと
Ａ１３を左向きに駆動し、Ａ３１とＡ３３とを右向きに
駆動し、Ｂ２１を下向きに駆動し、８２３を上向きに駆
動することにより、Ａ２２を中心として１．移動体１０
４を反時計回りに回転させることができる。

このような第２実施例によれば、第１実施例と同様の効
果を得ることができると共に、さらに移動体１０４に多
様な動きをさせることができる。

第２３図は本発明の第３実施例の構成を示す断面図であ
る。本実施例は面状の駆動力発生要素Ｑを用いる例であ
り、固定台１４０と載置体１５０とで構成される。なお
面状の駆動力発生要素の駆動原理については既に詳しく
説明しであるので省略する。固定台１４０は、アルミナ
、ジルコニア等の緻密でしかも０．２−以下の表面平沿
性が得られる材料からなるスルーホール基板１１１に、
例えば幅ｄ＝１０ｕＩＲ，長さ４　ｍｍの電極板をスト
ライプ状に１０４間隔で７５ペア配列させたストライプ
状電極１４１が形成されている。このストライプ状電極
１４１のストライプ部１４２はブリッジ部１４３でひと
まとめに結合し、このブリッジ部１４３をスルーホール
電極部１１２に導いている。なお各ストライプ状電極ど
うしは、第１２図に示した如く配列されている。すなわ
ち、最右端に位置する電極板の右側のエツジからｄ／３
だけ隔てて次のストライプ状電極（セットＢＳ）が配置
される。各ストライプ状電極は同様の大きさの電極板が
同様の間隔でストライプ状に、７５ベア配列されてい条
。そしてセットＢＳの最右端に位置する電極板のエツジ
から７ｄ／３隔てて次のストライプ状電極（セットＣＳ
）が配置されている。

そして各セットの各電極板はそれぞれブリッジ部１４３
で電気的に結合されており、それぞれ最寄りのスルーホ
ール電極部へと導かれている。このようなストライプ状
電極群が、第１３図に示すように、固定台１４０上に隣
りどうしが互いに接することなり、シかも直交するよう
な電極パターンになるように形成されている。このよう
な電極パターンを作成するためには、スルーホール基板
１１１に穴を空け、この穴の側壁に、導電物質を付与す
るための無電解メツキを付与する。そして片面を鏡面研
磨し、スパッタ法等により、この鏡面研磨した面の全面
に金または白金電極を均一の厚さに形成する。次にフォ
トレジストを塗布、乾燥し、第１３図および第１４図に
示す如きストライプ状電極が形成できるような、フォト
マスクを用いて露光し、エツチングを行なう。そしてブ
リッジ部１４３およびブリッジ部１４３からスルーホー
ル電極１１２側の領域を除（すべての部分に、誘電体膜
１４４を形成する。この誘電体膜１４４の材質は、比誘
電率ε「が大きく、かつ耐電圧が大きくとれ、しかも誘
電損失ｔａｎδが小さいことが望ましい。そのためこの
ような性質の膜は、例えばチタン酸バリウムをマスクを
使い、スパッタリングにより形成する。この時、基板は
５００℃〜７００℃に加熱することが好ましい。このよ
うにして固定台（ステータ）１４０が作成される。

なお誘電体膜１４４の材質はチタン酸バリウムでなくて
もよく、チタン酸鉛やＰＺＴ等の材質のものであっても
よい。また成膜法もスパッタリング法に限らず、ゾルゲ
ル法やＣＶＤ法等でもよい。

また載置体１５０は、第１４図に示した載置体５０と基
本的に同じ構成のものであり、載置体１５０の対向面に
は、第１４図に示すストライプ状電極群ａｌ、ａ２．ｂ
ｌ、ｂ２と同様の電極パターンが形成されている。すな
わち、幅１０ＩｕＲ。

長さ２０ｍｍの電極板をストライプ状に１０．Ｅｌの間
隔で１０００本配列して形成された群ａｌ、ａ２とｂｌ
、ｂ２とが隣接相互間でその長手方向が互いに直角に配
置されたパターンになっている。そしてそれぞれの群を
なすストライプ状電極１５１の外側には、各電極板をブ
リッジするようなブリッジ部１５３が形成されている。

そしてブリッジ部１５３が形成される部分は、他の部分
に比べて異なる高さ（低く）になるように、基板１５２
がその周囲に比べて数ｐだけ薄くなっている。固定台１
４０側のストライプ状電極１４１のエツジ部と載置体１
５０側のストライプ状電極１５１のエツジ部との間の距
離を、ストライプ状電極の各電極板の距離よりも大きく
することにより、またはエツジ部上に誘電体膜１４４が
乗らないようにすることにより、ブリッジ部とストライ
プ部１５５とが交差し、そこに電界が集中することを防
ぐようにしている。なお載置体１５０側のストライプ状
電極１５１上には、摩擦力を低減する為の固体潤滑膜１
５４を薄く付与している。

この第３実施例によれば、第１実施例と同様の効果を得
ることがでる上、載置体１５０と固定台１４０との間に
静電力が働くので、載置体１５０に対し押圧力を格別に
加える必要がなく、構成が簡略化する。また固定台１４
０側のストライプ状電極１５１上に固体潤滑膜１５４を
付与したので、摩擦によるロスが少なく、大きな出力を
取出すことができると共に、耐久性を向上させることが
できる。さらに固定台１４０側のブリッジ部１４３を除
いて誘電体膜１４４を付与したので、電界の集中を防ぐ
ことができ、載置体１５０をスムーズに移動させること
ができる。

第２４図〜第２８図は第３実施例の変形例を示す断面図
である。第２４図に示す変形例は、固定台１４０上に形
成したストライプ状電極（以下、固定台電極という）１
４１のブリッジ部が、載置体１５０上に形成したストラ
イプ状電極（以下、載置体電極という）１５１のストラ
イプ部１５５と交差する部分において、固定台電極１４
１と載置体電極１５１との間隔を保つような構成にして
いる。載置体１５０としては、ブリッジ部１５３と固定
台電極１４１のストライプ部１４２とが交差する部分に
おける、固定台電極１４１と載置体電極１５１とを離間
させるために、第３実施例に用いた載置体１５０と同様
に構成させた載置体を使用している。また固定台１４０
の固定台電極１４１および基板１１１上に亙り、誘電体
膜１４５を形成している。この誘電体膜１４５は、電極
のストライプ部のみがパターンガスレすることのないよ
うに重ねスパッタを行ない、第３実施例に比べ相当厚く
している。そして誘電体膜１４５は固定台電極１４１の
厚さに対応して、段差は有するものの、全体として均一
な厚さになっている。

このような変形例によれば、第３実施例と同様の効果番
得ることができる上、誘電体膜１４５の形成にマスクを
使用する必要がないので、誘電体膜１４５を能率よく形
成でき、しかも作業工程の簡略化をはかれる。

なお第２５図に示すように、誘電体膜１４６をストライ
プ状電極１４１の部分にのみ形成し、載置体１５０側の
電極１５１をストライプ部１５５の部分のみ厚くするよ
うにしてもよい。

また第２６図に示すように、固定台１４０側のストライ
プ部のみ厚くなっている電極１４１上および基板１１１
上に、固体潤滑膜１６２を形成し、載置体１５０側のス
トライプ部１５５に誘電体膜１６３を形成するようにし
てもよい。

さらに第２７図に示すように、固定台１４０側に誘電体
を兼ねた固体潤滑材１７１を、例えばＭＯＳ２４により
１ｐ程度の薄膜に形成し、固体潤滑材１７１の誘電性を
誘電体１６３として積極的に使うようにしてもよい。

さらにまた第２８図に示すように、載置体１８０がブロ
ックの様な体積物である場合、底部外表面に電極１８１
と潤滑材１８２を形成し、これを第３実施例に示した固
定台１４０上に載置するようにしてもよい。

本発明は以上述べた各実施例に限定されるものではなく
、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能で
あるのは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、同一平面上にマトリクス状に配列され
た駆動力発生要素上に載置体を接触または近接して配置
し、上記各要素が所定の方向へ駆動力を発生するように
制御することにより、載置体を移動させるようにしたの
で、大きな変位量を得ることができ、高精度で、しかも
レスポンスが良く、外部からの影響を受けに＜＜、小型
化が可能で、さらにはＸ、Ｙ方向の移動のみならず回転
動作をもさせることのできる載置体移動アクチュエータ
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第１４図は本発明に係る載置体移動アクチュエ
ータの駆動原理を示す図であり、第１図は点状の駆動力
発生要素の配列状態を示す図、第２図は面状の駆動力発
生要素の配列状態を示す図、第３図は超音波モータの基
本的な構成を示す図、第４図は第３図に示す超音波モー
タの弾性体に発生した屈曲振動波を示す図、第５図は波
状弾性体を用いた超音波モータの基本的な構成を示す図
、第６図は複数の波状弾性体を互いに直交するように配
置した状態を示す図、第７図は第６図に示す複数の波状
弾性体を上から見た状態を模式的に示す図、第８図は面
状の駆動力発生要素が発生させる静電引力の発生原理を
示す図、第９図は固定台に設けたストライプ状電極の配
列状態および固定台に対向して配置された載置体に設け
たストライプ状電極の配列状態を示す図、第１０図およ
び第１１図は駆動用の三相電圧の波形を示す図、第１２
図（ａ）は面状の駆動力発生要素の構成を示す図、第１
２図（ｂ）はストライプ状電極の一部を示す平面図、第
１３図は長方形の駆動力発生要素が多数配列された固定
台の表面を示す平面図、第１４図はストライプ状電極群
の形成された載置体の表面を示す平面図である。第１５
図〜第１９図は本発明の第１実施例を具体的に示す図で
あり、第１５図は斜視図、第１６図は断面図、第１７図
は波状弾性体の構成を示す側面図、第１８図は面状の圧
電セラミクスを取付けた波状弾性体の側面図、第１９図
は波状をした圧電セラミクスを取付けた波状弾性体の側
面図である。第２０図〜第２２図は本発明の第２実施例
を具体的に示す図であり、第２０図はリング状超音波モ
ータの斜視図、第２１図は固定台上に直立させて固定し
た超音波モータと載置体とを示す側面図、第２２図は固
定台上に多数のリング状超音波モータを配置した状態を
示す平面図である。第２３図は本発明の第３実施例の構
成を示す側断面図、第２４図〜第２８図はそれぞれ第３
実施例の変形例の構成を示す側断面図である。第２９図
および第３０図は従来の移動ステージの構成を示す斜視
図である。２０．３０，４０，１０３，１４０・・・固定台、２１
．２２・・・撮動吸収体、２３．２８・・・板状をなす
弾性体、２４．２５・・・圧電素子、２６，５０゜６４
．１０４，１５０，１８０・・・載置体、２７・・・波
状弾性体、３１，３２．３５ａ　〜３５ｃ。３６　ａ　〜３６　ｃ　、　　３７　ａ　〜３７　ｃ　
−・・電極板、３４・・・直流電源、４１・・・駆動力
発生要素、４２．１４２．１５５・・・ストライプ部、
４３゜５３ａ、５３ｂ、１４３．　１５３・・・ブリッ
ジ部、６１・・・基台、６２・・・振動吸収シート、６
３ａ。６３ｂ・・・支持部材、６５・・・摩擦層、６６・・・
抑圧部材、７１．７２・・・圧電セラミクス、８１〜８
４・・・平面状の圧電セラミクス、８５・・・リード線
、９１〜９４・・・波状の圧電セラミクス、９５．９６
・・・電極、１００・・・リング状超音波モータ、１０
１・・・リング状の弾性体、１０２・・・リング状の圧
電素子、１１１・・・スルーホール基板、１１２・・・
スルーホール電極、１４１，１５１・・・ストライプ状
電極、１４４，１４５，１４６゜１６３・・・誘電体膜
、１５４，１６２・・・固体潤滑膜。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）マトリクス状に配列された複数の駆動力発生要素
を同一平面上に配置し、それぞれ隣り合う駆動力発生要
素の駆動力発生方向を互いに直交するようにした駆動手
段と、この駆動手段の駆動力発生要素に接触または近接
して配設される載置体とからなり、前記駆動手段により
前記載置体を平面上の任意の方向に移動させるように構
成したことを特徴とする載置体移動アクチュエータ。
（２）長さ方向に波状曲面を有する振動体およびこの振
動体に振動を励起させる圧電素子からなる超音波リニア
モータを、振動体が互いに接触しない様に格子状に複数
個組合わせ、波状曲面の波頭部を同一平面上にマトリク
ス状に配置し、この波頭部に接触するように載置体を配
設したことを特徴とする載置体移動アクチュエータ。
（３）固定台と、この固定台の表面上にマトリクス状に
配列して設けられた複数のストライプ状電極からなる固
定台電極と、前記固定台上に近接して配設された載置体
と、この載置体の表面に前記固定電極に対向する如く前
記固定電極と同様に設けられた載置体電極とからなり、
前記固定電極と載置体電極との間に誘電体層を介して、
静電引力を及ぼすことにより載置体を移動させるように
構成したことを特徴とする載置体移動アクチュエータ。
（４）請求項３に記載の固定台電極および載置体電極に
おける複数のストライプ状電極は、形状が長方形をなし
、かつ隣り合う電極どうしでその長さ方向が互いに直交
するように交互に配置されていることを特徴とする載置
体移動アクチュエータ。