JPH06304832A

JPH06304832A - 位置出し装置とｘｙステージ

Info

Publication number: JPH06304832A
Application number: JP35295692A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Taniguchi; 芳久谷口; Toshiharu Tsubata; 敏晴津幡; Tomoki Funakubo; 朋樹舟窪; Takenao Fujimura; 毅直藤村
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-12-11
Filing date: 1992-12-11
Publication date: 1994-11-01

Abstract

(57)【要約】【目的】ＸＹステージの回転を規制する。【構成】楕円振動の軌跡が互いに直交する２種類の楕
円振動を発する超音波振動子１の振動端に摺動体１７を
押し付ける。摺動体１７は上部を切断した球状とし、そ
の球状側面にローラ装置２１のローラ２２を押し付け
て、摺動体１７を回動自在に保持する。摺動体１７の上
部には、Ｔ字状の連結部材１８を一体的に設け、連結部
材１８の自由端１８ａとステージ１１の下面とを揺動自
在に連結する。この連結に際し、ステージ１１は連結部
材１８を軸として回転しないようにする。超音波振動子
１に楕円振動を生じさせ、その振動方向に摺動体１７は
ローラ２２に支持されつつ回動し、その反対方向にステ
ージ１１は平面的に移動する。このとき、ローラ２２は
上下方向にしかし回転しないため、摺動体１７が連結部
材１８回りに回転するのを防ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、位置出し装置とその位
置出し装置を用いたＸＹステージに関し、詳しくは、楕
円振動を行う超音波振動子を駆動源にして微小な位置出
しを可能にした位置出し装置とＸＹステージに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、楕円振動を発生させる超音波振動
子としては、特開平２−７８７５号公報に記載されたも
のが知られており、この超音波振動子が発生する楕円振
動は２種類で、それぞれの楕円振動の軌跡の属する平面
が互いに直交しているという特徴を有している。図１４
及び図１５は、上記超音波振動子１を示す斜視図及び平
面図である。図において、２は燐青銅等のバネ性に富ん
だ材質からなる柱状体、３ａ，３ｂは柱状体２の対向す
る一対の側面にそれぞれ貼付され、屈曲モードの振動を
行う圧電板、４ａ，４ｂは柱状体２の別の一対の側面に
貼付され、屈曲モードの振動を行う圧電板、５は超音波
振動子１の長手方向に伸縮を行う積層圧電体、６は積層
圧電体５の上端に固着した振動体、７は振動体に設けた
鋼球である。

【０００３】上記超音波振動子１において、図９の模式
図に示すように、同一の正弦波源８からの正弦波電圧を
アンプ９ｂを介して圧電板４ａ，４ｂに印加し、その周
波数を超音波振動子１全体の屈曲モードの共振周波数に
一致させると、超音波振動子１の全体が屈曲振動を行
い、振動体６の鋼球７が揺動する。いま、図１４に示す
ように、ＸＹＺ座標系を考えると、鋼球７はＸ方向に振
動する。ここで、前記正弦波源８から前記と同一周波数
の正弦波電圧を位相器１０とアンプ９ａを介して積層圧
電体５に印加し、積層圧電体５をＺ方向に振動させる。
この時、正弦波電圧を圧電板４ａ，４ｂに印加している
正弦波電圧と０°もしくは１８０°ずらせると、鋼球７
は揺動運動と上下振動とが合成されて、ＸＹ平面内に属
する楕円振動を行う。また、圧電板４ａ，４ｂに変え
て、圧電板３ａ，３ｂに正弦波電圧を印加すると、鋼球
７はＹＺ方向に属する楕円振動を行う。

【０００４】かかる超音波振動子１において、鋼球７に
ステージを押圧すれば、ステージは鋼球７の楕円振動の
方向に添って直進運動するので、前記２種類の楕円振動
により２次元平面内を自由に移動可能とするＸＹステー
ジに用いることができる。図１６は、ＸＹステージの原
理の説明図で、超音波振動子１の鋼球７にステージ１１
を押圧すると、前記楕円振動によってステージ１１は平
行移動の推力を受ける。ここで、楕円振動がＸＹ平面内
にあれば、Ｘ軸方向に、ＹＺ平面内にあればＹ軸方向に
推力を受ける。そこで、ステージ１１を平行移動可能か
つ鋼球７に押圧可能に支持すると、ステージ１１をＸＹ
ステージとして使用できる。また、前記楕円振動の振幅
は極めて小さく、さらに、前記正弦波を意図する波数だ
け超音波振動子１に送り込むことは従来の技術で十分可
能であるので、極めて微小な位置出し装置とＸＹステー
ジを得ることができる。

【０００５】前記ＸＹステージの具体的な構成として
は、特願平３−３５８４０３号において提案されてお
り、図１７はその構成を示す断面図、図１８は理解を助
けるために図１７の主要部分のみを示した分解斜視図で
ある。図において、ステージ１１は、略「エ」の字形の
断面形状に形成されており、その上段１１ａがＸＹステ
ージとして使用され、下段１１ｂの下面が超音波振動子
１の鋼球７に押圧される摺動面になっている。ステージ
１１の下端１１ｂには、重錘１２が保持器１３に保持し
たベアリングボール１４を介して取り付けられており、
ステージ１１は、重錘１２に対してＸＹ平面内で任意の
方向へ自由に移動できるようになっている。重錘１２の
下部内周には、土台１５の立上げ部１６が配置されてお
り、その内周面１２ａと立上げ部１６の外周面１６ａと
は緩い嵌め合いになっている。すなわち、重錘１２は、
土台１５に対して上下方向にのみ移動自在に設けられて
おり、その自重がベアリングボール１４を介してステー
ジ１１の下段１１ｂに作用し、ステージ１１を、土台１
５に設けた超音波振動子１の鋼球７に上方から押圧し得
るように構成されている。したがって、ステージ１１
は、ベアリングボール１４を介して重錘１２と接してい
るだけであるから、超音波振動子１にＸＺ平面内もしく
はＹＺ平面内の楕円振動を発生させることにより、鋼球
７を介してステージ１１をＸ軸方向もしくはＹ軸方向へ
任意に移動させることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１７，図１
８に示すＸＹステージは、ステージ１１がベアリングボ
ール１４によって支持される構造であり、ステージ１１
は、ＸＹ平面内での直進運動のみならず、θ方向（Ｚ軸
回り）の回転運動にも自由度を有している。しかも、ス
テージ１１下段１１ｂの下摺動面は、ベアリングボール
１４と１個の鋼球７によって保持されており、ステージ
１１に運動を与える着力点が１箇所しかなく、またベア
リングボール１４はステージ１１の回転を規制するよう
に働かないので、ステージ１１は、着力点を中心にして
僅かな力で回転することになる。故に、ステージ１１を
直進運動させようとするとき、複数あるベアリングボー
ル１４の転がり抵抗の僅かなバラツキ等によって、ステ
ージ１１が回転しながら動いてしまうことがあった。し
たがって、超音波振動子１を用いて微小な位置出しが出
来る構成になっているにも拘らず、直進運動をさせたい
てきに回転が加わってしまって、正確に位置出しが出来
ないという重大な問題点を有していた。

【０００７】本発明は、前記従来技術の問題点に鑑みて
なされたもので、簡単な構成で、微小な位置出しがで
き、かつ意図した直進運動だけが正確に得られる位置出
し装置とＸＹステージを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段および】上記目的を達成す
るために、本発明は、球面の一部をなす摺動面を有して
摺動自在に支持した摺動部材と、定在波を発生し前記摺
動面にその摺動端を接して摺動部材に駆動力を与える超
音波振動子を備えて構成した。

【０００９】また、本発明は、単一の２次元平面内で平
行移動自在に支持したステージと、ステージが平行移動
する平面と交差する少なくとも２つ以上の異なる平面内
で選択的に楕円振動を発生できる超音波振動子と、超音
波振動子の振動端に固設され前記楕円振動を行う接触部
材と、接触部材と接触し押圧される面が球面の一部をな
し、該球面の曲率中心に関して任意の方向に回動自在に
支持された摺動部材と、摺動部材の球面に転動自在に押
圧され、回転軸を前記ステージの移動平面に含まれる向
きに配置した単一のローラ装置もしくは複数のローラ装
置群と、前記摺動部材と一体的に固設した連結部材と、
前記摺動部材の回動運動により生じる前記連結部材の自
由端の運動を前記ステージの移動平面内の直進運動に変
換してステージに伝達し、かつステージと連結部材との
相対的な回転を許容しないようにステージと連結部材を
連結する自在継ぎ手手段とから構成した。

【００１０】さらに、前記超音波振動子は、伸縮運動す
る積層圧電体と、積層圧電体に固設した弾性材料からな
る角柱体と、剪断モードの振動を行って前記角柱体に揺
動運動を生じさせるために角柱体の側面に貼付した圧電
板とからなり、前記伸縮運動と揺動運動との重ね合わせ
により振動端に楕円運動を発生し得るように構成しても
よい。

【００１１】そして、前記圧電板は、前記角柱体の異な
る側面にそれぞれ貼付し、複数の方向へ前記超音波振動
子を揺動運動させ、超音波振動子が２つ以上の異なる平
面内で選択的に楕円運動を発生できるように構成しても
よい。

【００１２】また、本発明は、単一の２次元平面内に属
する任意の方向に移動可能に支持され、その下側に摺動
面を有するステージと、楕円運動を発生し、該楕円運動
の軌跡の属する平面が、前記ステージの移動する２次元
平面と交わるように設定され、その振動端を前記ステー
ジの下側の摺動面に押圧する超音波振動子と、自重を前
記ステージにかけ、該ステージを前記超音波振動子に押
圧する重錘と、前記重錘とステージとの間に介在し、該
重錘に対して前記ステージを前記２次元平面内で自由に
移動できるようにするとともに前記重錘の自重をステー
ジにかかるようにする支持手段と、前記超音波振動子に
楕円運動を発生させる駆動回路手段と、からなるＸＹス
テージにおいて、前記超音波振動子を複数個設け、前記
複数の超音波振動子の発生する楕円運動の群は、その軌
跡の属する平面が２種以上あり、前記駆動回路手段は、
前記楕円振動の群の内、その軌跡が意図した特定の平面
に属する楕円振動のみを選択的に発生させることができ
るように構成した。

【００１３】

【作用】上記構成によれば、超音波振動子は、摺動部材
を任意の方向に移動させるとともに、定在波の発生を停
止すると摺動部材の移動が停止して位置出しをする。

【００１４】また、ステージは、ローラ装置と摺動部材
との間に生じる摩擦力によって、回転方向の動きが幾何
学的に規制される。したがって、ステージが思わぬ方向
へ回転することがなく、かつ微小な位置出しが超音波振
動子をただ１個使用しただけで行うことができる。

【００１５】さらに、超音波振動子を複数にしたこと
で、ステージが移動中も含めて、同時に２箇所以上で振
動端に支持されることになり、回転せずに正確に直進運
動をする。

【００１６】

【実施例１】図１は本発明の実施例１における主要構成
を説明するための説明図、図２は、本発明の実施例１を
一部切り欠いて示す分解斜視図である。図において１
は、楕円振動を発生する超音波振動子で、土台１５上に
立設固定されている。超音波振動体１は、燐青銅等のバ
ネ性に富んだ材質からなる柱状体２と、柱状体２の対向
する一対の側面にそれぞれ貼付した屈曲モードの振動を
行う圧電板３ａ，３ｂと、柱状体２の別の一対の側面に
貼付した屈曲モードの振動を行う圧電板４ａ，４ｂと、
柱状体２の上面に固着され、超音波振動子１の長手方向
に伸縮を行う積層圧電体５と、積層圧電体５の上端に固
着した振動体６と、振動体６に設けた鋼球７とから構成
されており、柱状体２の下面と土台１５の上面とが固着
されている。

【００１７】超音波振動子１の上方には、ステージ１１
を直進運動させる摺動体１７が鋼球７と接するように配
置されている。摺動体１７は、上部を切断した球状に形
成され、超音波振動子１を囲うように土台１５の上面に
立設した円筒上のローラ装置支持体２０の内周に設けた
ローラ装置２１により回転自在に保持されている。この
摺動体１７の下部は、超音波振動子１の鋼球７と接する
球面状の摺動面１７ａとして形成されるとともに、摺動
面１７ａの上部はローラ装置２１のローラ２２と接する
球面状のローラ圧接面１７ｂとして形成されている。ロ
ーラ圧接面１７ｂには、ゴムのコーティングなどの既存
の方法によってローラ２２との摩擦力を増大させる表面
処理が施されている。また、摺動体１７の上部中央に
は、連結部材１８が固設されており、摺動体１７と一体
となって動くようになっている。

【００１８】摺動体１７の上方には、ＸＹステージとし
てステージ１１が連結部材１８の自由端１８ａに連結さ
れて配置されており、この連結部材１８により超音波振
動子１の発生する楕円振動によって起こされる摺動体１
７の回転運動を、ステージ１１の直進運動に変換するよ
うになっている。連結部材１８はＴ字形に形成されると
ともに、ステージ１１の下面には連結部材１８の自由端
１８ａの形状と対応した凹部１１ｃが形成され、その連
結部分は、図１の矢印Ａ方向から見ると、図３のように
なっている。すなわち、ステージ１１と連結部材１８と
は、図１及び図２における矢印Ａ方向とする軸回りに相
対回転できない構造になっているため、摺動体１７が同
軸回りに回転しなければ、ステージ１１も回転しない。

【００１９】前記ローラ装置２１は、摺動体１７のロー
ラ圧接面１７ｂと接するローラ２２と、ローラ２２を回
転自在に支持する支持部材２３と、ローラ２２をローラ
圧接面１７ｂに圧接するバネ２４とから構成されてい
る。このローラ装置２１は、ローラ装置支持体２０の内
周面に設けた穴２０ａ内に支持部材２３の一部を摺動体
１７方向へ摺動自在に嵌挿して放射状に３個設けられて
おり、バネ２４は穴２０ａ内でローラ装置支持体２０に
取り付けられている。さらに、各ローラ２２の回転軸
は、ステージ１１の移動平面と平行になるように設定さ
れている。

【００２０】前記ステージ１１は、図１８と同様に、略
「エ」の字形の断面形状に形成されており、その上段１
１ａがＸＹステージとして使用され、下段１１ｂに連結
部材１８と結合する凹部１１ｃが設けられている。ステ
ージ１１の下段１１ｂの上面には、ステージ１１を連結
部材１８の自由端１８ａに押し付けるとともに、摺動体
１７の摺動面１７ａを超音波振動子１の鋼球７に押し付
けるための重錘１２が、ベアリングボール１４を介して
取り付けられており、ステージ１１は、重錘１２に対し
てＸＹ平面内で自由に移動できるようになっている。重
錘１２は、上下方向の移動が許されるように、その下部
内周面１２ａと土台１５の立上げ部１６の外周面１６ａ
とが緩い嵌め合い状態で配置されている。

【００２１】次に、超音波振動子１の楕円振動によって
起こされる摺動体１７の回転について図４から図７を用
いて説明する。なお、図４から図７は、図１の矢印Ａ方
向から見た摺動体１７とローラ２２のみを示してある。
図４は、摺動体１７を図面に垂直な軸、すなわち図１に
おける矢印Ａ方向の軸回りに回転させるようとした場合
を示している。かかる場合、３個のローラ２２ａ，２２
ｂ，２２ｃは、その回転軸を図面と平行、すなわち摺動
体１７の回転させようとする方向と平行な状態で摺動体
１７に押圧されているため、摺動体１７のローラ圧接面
１７ｂ上を転がることができず、摺動体１７と各ローラ
２２ａ，２２ｂ，２２ｃとの接触点における摩擦力によ
り、摺動体１７の回転が規制され、摺動体１７はＺ軸回
りであるθ方向に回転しない。

【００２２】図５は、摺動体１７がローラ２２の一つの
回転軸（図においてはローラ２２ａの回転軸）と平行な
方向Ｃを軸として回転しようとする場合を示している。
かかる場合、ローラ２２ａの接触点の軌跡は２５ａであ
り、摺動体１７の球面の半径と同じである。また、ロー
ラ２２ｂ，２２ｃの接触点の軌跡はそれぞれ、２５ｂ，
２５ｃであり、摺動体１７の球面上で円弧を描く。した
がって、３個のローラ２２ａ，２２ｂ，２２ｃはどれも
摺動体１７の球面上を転がることができ、摺動体１７は
殆ど抵抗力を受けずＣを軸として回転できる。この場
合、図２のステージ１１は図中のＹ方向に直進運動す
る。

【００２３】図６は、摺動体１７がローラ２２の一つの
回転軸（図においてはローラ２２ａの回転軸）と直交
し、かつ図面と平行な方向Ｄを軸として回転しようとす
る場合を示している。かかる場合、ローラ２２ｂ，２２
ｃの接触点の軌跡はともに２５ｄであり、摺動体１７の
球面上で円弧を描く。また、ローラ２２ａは球面との接
触点で回転し、転がらないが滑る必要もない。したがっ
て、３のローラ２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、どれもその
接触点で大きな摩擦力を発生しないから、摺動体１７は
殆ど抵抗力を受けずＤを軸として回転できる。この場
合、図２のステージ１１は図中のＸ方向に直進運動す
る。

【００２４】図７は、その他、図面に平行な任意の方向
Ｅを軸として摺動体１７を回転させようとする場合を示
している。かかる場合、３個のローラ２２ａ，２２ｂ，
２２ｃの接触点の軌跡２５ｅ，２５ｆ，２５ｇはそれぞ
れ摺動体１７の球面上で円弧を描き、ローラ２２ａ，２
２ｂ，２２ｃはどれも大きな摩擦力なく転がることがで
きる。したがって、摺動体１７は殆ど抵抗力を受けずＥ
を軸として回転できる。

【００２５】以上のように、摺動体１７は、図面に平行
な任意の方向を軸として自由に回転でき、図面に垂直な
方向を軸として、すなわちＺ軸回りに回転できない。し
たがって連結部材１８を介して摺動体１７に連結された
ステージ１１は、任意のＸ，Ｙ軸方向に直進運動できる
が、Ｚ軸回りに回転しない。なお、原理的には、ローラ
装置２１は最低１個設ければ上記の動作が実現するが、
実際の設計上は、３ないし４個を点対称の位置に設ける
ことにより、より安定した動作が得られる。

【００２６】本実施例によれば、摺動体１７は、ローラ
装置２１によりＺ軸回りの回転が規制されるため、摺動
体１７に接続したステージ１１を意図するＸ軸，Ｙ軸方
向へ正確に直進運動のみさせることができる。

【００２７】

【実施例２】図８は、本発明の実施例２を一部断面にし
て示す分解斜視図、図９は、本実施例に用いる超音波振
動子を示す斜視図、図１０は、超音波振動子の配置を示
すためのステージの方向から見た説明図である。図９に
示すように、超音波振動子３０は、柱状体２の対向する
一対の側面にのみ、屈曲振動を行う圧電板３ａ，３ｂが
貼付されており、その他の構成は、図１４と同様であ
る。この超音波振動子３０は、圧電板３ａ，３ｂを貼付
した方向に楕円振動が生じ、図９のように配置した場合
はＸＹ平行内に楕円振動を発生させることができる。

【００２８】本実施例では、図８及び図１０に示すよう
に、２個の超音波振動子３０ａ，３０ｂが土台１５上に
設けられている。２個の超音波振動子３０ａ，３０ｂ
は、圧電板３ａ（３ｂ）と３ａ（３ｂ）が直交するよう
にして並設されており、それぞれに設けた鋼球７ａ，７
ｂが同時にステージ１１に押圧されるようなっている。
図において、一方の超音波振動子３０ａがＸＺ（Ｚ軸は
紙面に垂直）平面内に楕円振動を発生し、他方の超音波
振動子３０ｂがＹＺ平面内に楕円振動を発生させる。そ
の他の構成は、図１８の構成と同様である。

【００２９】本実施例においては、ステージ１１は２こ
の超音波振動子３０ａ，３０ｂの鋼球７ａ，７ｂと同時
に接しているため、着力点が２点ある。したがって、ス
テージ１１を回転させることなく、直進運動させること
ができる。また、ステージ１１を駆動するときには、２
個の超音波振動子３０ａ，３０ｂの各積層体５，５に同
時に正弦波源８ａ，８ｂから正弦波電圧を印加する。そ
して、超音波振動子３０ａの圧電板３ａ，３ｂのみに正
弦波電圧を印加すると、超音波振動子３０ａの鋼球７ａ
のみにＹＺ平面内の楕円振動が発生し、一方、超音波振
動子３０ｂは単純な伸縮運動を行うので、ステージ１１
はＸ軸方向に直進運動する。逆に、超音波振動子３０ｂ
屈曲用圧電板３ａ，３ｂに正弦波電圧を印加すると、ス
テージ１１はＹ軸方向に直進運動する。さらに、超音波
振動子３０ａに一切の電圧を印加せず、超音波振動子３
０ｂと、その圧電板３ａ，３ｂに電圧を印加して超音波
振動子３０ｂのみに楕円振動を行わせると、ステージ１
１は超音波振動子３０ａの鋼球７ａに接したままＹ軸方
向の駆動力を受けるから、鋼球７ａを中心として意図的
にステージ１１に回転運動を行わせることもできる。

【００３０】本実施例によれば、２個の超音波振動子３
０ａ，３０ｂを設け、それぞれの鋼球７ａ，７ｂを同時
にステージ１１と接触するようにしたので、ステージ１
１の着力点が２箇所となるため、ステージ１１が意図せ
ずに回転してしまうことがなく、ステージ１１を直進運
動させることができる。また、２個の超音波振動子３０
ａ，３０ｂの一方のみを駆動させることにより、他方の
鋼球７ａ（７ｂ）を中心とした回転運動を意図的に起こ
させることができる。

【００３１】

【実施例３】図１２は、本発明の実施例３を一部断面に
して示す分解斜視図、図１３は、超音波振動子の配置を
示すためのステージの方向から見た説明図である。本実
施例は、実施例２に用いた超音波振動子３０と同一に構
成した超音波振動子３０を４個配置し、全ての鋼球７と
ステージ１１とを同時に接触させるものでその他の構成
は実施例２と同様である。４個の超音波振動子３０ｃ，
３０ｄ，３０ｅ，３０ｆは、点対称の位置で、かつ対称
点Ｏを中心とするＸ−Ｙ座標上に配置されている。対称
点Ｏを中心にして対向する超音波振動子３０ｃ，３０ｅ
と超音波振動子３０ｄ，３０ｆは、それぞれ圧電板１２
ａ，１２ｂが貼付されていない側面が向き合うように平
行に配設されている。そして、各々の超音波振動子３０
ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆが発生する楕円振動の方向
は、その超音波振動子と対称点Ｏとを結ぶ線に直交する
（かつ紙面に垂直なＺ軸を含む）方向に設定されてい
る。

【００３２】本実施例において、４個の鋼球７ｃ，７
ｄ，７ｅ，７ｆがステージ１１と同時に接するため、ス
テージ１１の着力点は４点となり、該ステージ１１を回
転させることなく、直進運動させることができる。ステ
ージ１１を駆動するときには、４個の超音波振動子３０
ｃ〜３０ｆの積層体５に正弦波源８ｃ〜８ｆから同時に
正弦波電圧を印加する。そして、超音波振動子３０ｃ，
３０ｅの圧電板３ａ，３ｂのみに正弦波電圧を印加する
と、当該振動子３０ｃ，３０ｅのみが楕円振動を発生
し、他は単純な伸縮運動となるので、ステージ１１がＸ
軸方向に直進運動する。逆に、超音波振動子３０ｃ，３
０ｅに代えて超音波振動子３０ｄ，３０ｆの屈曲用圧電
板３ａ，３ｂのみに正弦波電圧を印加すると、ステージ
１１がＹ軸方向に直進運動する。また、４個の超音波振
動子３０ｃ〜３０ｆの全ての屈曲用圧電板３ａ，３ｂに
正弦波電圧を印加し、その相対的な位相を、向かい合う
超音波振動子３０ｃ，３０ｅと３０ｄ，３０ｆ同士で１
８０°ずらせると、向かい合う超音波振動子３０ｃ，３
０ｅと３０ｄ，３０ｆ同士で偶力を発生し、ステージ１
１を意図的に回転運動させることができる。

【００３３】本実施例によれば、ステージ１１の着力点
が４点あるため、ステージ１１を回転させることなく、
直進運動させることができる。また、直進運動の他に意
図的に回転運動させることもできる。さらに、ステージ
１１を駆動する際の着力点が点対称に配置されているた
め、ステージ１１にかかる駆動力がその重心から大きく
外れることがなく、直進運動、回転運動とも、ステージ
１１がより高精度に、意図した方向のみに運動させるこ
とができる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、超音波
振動子が発生する楕円振動により微小な位置出しができ
る。また、ステージを直進運動させようとしたときにこ
れが回転してしまうことがなく、超音波振動子の特徴を
活かした超高精度の微小位置出しができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における主要構成を説明する
ための説明図である。

【図２】本発明の実施例１を一部切り欠いて示す分解斜
視図である。

【図３】摺動体の連結部材とステージとの連結部分を示
す断面図である。

【図４】実施例１における摺動体の動作の説明図であ
る。

【図５】実施例１における摺動体の動作の説明図であ
る。

【図６】実施例１における摺動体の動作の説明図であ
る。

【図７】実施例１における摺動体の動作の説明図であ
る。

【図８】本発明の実施例２を一部を切り欠いて示す分解
斜視図である。

【図９】本発明の実施例２，３に用いる超音波振動子を
示す斜視図である。

【図１０】実施例２における超音波振動子の配置状態を
示す説明図である。

【図１１】超音波振動子及びに圧電板に正弦波電圧を印
加するための回路図である。

【図１２】本発明の実施例３を一部を切り欠いて示す斜
視図である。

【図１３】実施例２における超音波振動子の配置状態を
示す説明図である。

【図１４】従来の超音波振動子の斜視図である。

【図１５】従来の超音波振動子の平面図である。

【図１６】従来の超音波振動子を用いたＸＹステージの
原理を説明するための斜視図である。

【図１７】従来のＸＹステージの断面図である。

【図１８】従来のＸＹステージの主要部分を示す分解斜
視図である。

【符号の説明】

１超音波振動子２柱状体３ａ，３ｂ圧電板４ａ，４ｂ圧電板５積層圧電体７鋼球１７摺動体１８連結部材２１ローラ装置２２ローラ３０超音波振動子

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成５年７月９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】位置出し装置とＸＹステージ

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００３

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００３】上記超音波振動子１において、図１１の模
式図に示すように、同一の正弦波源８からの正弦波電圧
をアンプ９ｂを介して圧電板４ａ，４ｂに印加し、その
周波数を超音波振動子１全体の屈曲モードの共振周波数
に一致させると、超音波振動子１の全体が屈曲振動を行
い、振動体６の鋼球７が揺動する。いま、図１４に示す
ように、ＸＹＺ座標系を考えると、鋼球７はＸ方向に振
動する。ここで、前記正弦波源８から前記と同一周波数
の正弦波電圧を移相器１０とアンプ９ａを介して積層圧
電体５に印加し、積層圧電体５をＺ方向に振動させる。
この時、正弦波電圧を圧電板４ａ，４ｂに印加している
正弦波電圧と０゜もしくは１８０°ずらせると、鋼球７
は揺動運動と上下振動とが合成されて、ＸＹ平面内に属
する楕円振動を行う。また、圧電板４ａ，４ｂに変え
て、圧電板３ａ，３ｂに正弦波電圧を印加すると、鋼球
７はＹＺ方向に属する楕円振動を行う。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】かかる超音波振動子１において、鋼球７に
ステージを押圧すれば、ステージは鋼球７の楕円振動の
方向に添って直進運動するので、前記２種類の楕円振動
により２次元平面内を自由に移動可能とするＸＹステー
ジに用いることができる。図１６は、ＸＹステージの原
理の説明図で、超音波振動子１の鋼球７にステージ１１
を押圧すると、前記楕円振動によってステージ１１は平
行移動の推力を受ける。ここで、楕円振動がＸＹ平面内
にあれば、Ｘ軸方向に、ＹＺ平面内にあればＹ軸方向に
推力を受ける。そこで、ステージ１１を平行移動可能か
つ鋼球７に押圧可能に支持すると、ステージ１１をＸＹ
ステージとして使用できる。また、前記楕円振動の振幅
は極めて小さく、さらに、前記正弦波を意図する波数だ
け超音波振動子１に送り込むことは従来の技術で十分可
能であるので、極めて微小な位置出しのできるＸＹステ
ージを得ることができる。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１７，図１
８に示すＸＹステージは、ステージ１１がベアリングボ
ール１４によって支持される構造であり、ステージ１１
は、ＸＹ平面内での直進運動のみならず、θ方向（Ｚ軸
回り）の回転運動にも自由度を有している。しかも、ス
テージ１１下段１１ｂの下摺動面は、ベアリングボール
１４と１個の鋼球７によって保持されており、ステージ
１１に運動を与える着力点が１箇所しかなく、またベア
リングボール１４はステージ１１の回転を規制するよう
に働かないので、ステージ１１は、着力点を中心にして
僅かな力で回転することになる。故に、ステージ１１を
直進運動させようとするとき、複数あるベアリングボー
ル１４の転がり抵抗の僅かなバラツキ等によって、ステ
ージ１１が回転しながら動いてしまうことがあった。し
たがって、超音波振動子１を用いて微小な位置出しが出
来る構成になっているにも拘らず、直進運動をさせたい
ときに回転が加わってしまって、正確に位置出しが出来
ないという重大な問題点を有していた。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】本発明は、前記従来技術の問題点に鑑みて
なされたもので、簡単な構成で、微小な位置出しがで
き、かつ意図した直進運動だけが正確に得られるＸＹス
テージを提供することを目的とする。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】超音波振動子１の上方には、ステージ１１
を直進運動させる摺動体１７が鋼球７と接するように配
置されている。摺動体１７は、上部を切断した球状に形
成され、超音波振動子１を囲うように土台１５の上面に
立設した円筒状のローラ装置支持体２０の内周に設けた
ローラ装置２１により回転自在に保持されている。この
摺動体１７の下部は、超音波振動子１の鋼球７と接する
球面状の摺動面１７ａとして形成されるとともに、摺動
面１７ａの上部はローラ装置２１のローラ２２と接する
球面状のローラ圧接面１７ｂとして形成されている。ロ
ーラ圧接面１７ｂには、ゴムのコーティングなどの既存
の方法によってローラ２２との摩擦力を増大させる表面
処理が施されている。また、摺動体１７の上部中央に
は、連結部材１８が固設されており、摺動体１７と一体
となって動くようになっている。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】以上のように、摺動体１７は、図面に平行
な任意の方向を軸として自由に回転でき、図面に垂直な
方向を軸として、すなわちＺ軸回りに回転できない。し
たがって連結部材１８を介して摺動体１７に連結された
ステージ１１は、任意の方向に直進運動できるが、Ｚ軸
回りに回転しない。なお、原理的には、ローラ装置２１
は最低１個設ければ上記の動作が実現するが、実際の設
計上は、３ないし４個を点対称の位置に設けることによ
り、より安定した動作が得られる。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２６】本実施例によれば、摺動体１７は、ローラ
装置２１によりＺ軸回りの回転が規制されるため、摺動
体１７に接続したステージ１１を意図する方向へ正確に
直進運動のみさせることができる。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２７】

【実施例２】図８は、本発明の実施例２を一部断面にし
て示す分解斜視図、図９は、本実施例に用いる超音波振
動子を示す斜視図、図１０は、超音波振動子の配置を示
すためのステージの方向から見た説明図である。図９に
示すように、超音波振動子３０は、柱状体２の対向する
一対の側面にのみ、屈曲振動を行う圧電板３ａ，３ｂが
貼付されており、その他の構成は、図１４と同様であ
る。この超音波振動子３０は、圧電板３ａ，３ｂを貼付
した方向に楕円振動が生じ、図９のように配置した場合
はＹＺ平面内に楕円振動を発生させることができる。

【手続補正１１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３０】本実施例によれば、２個の超音波振動子３
０ａ，３０ｂを設け、それぞれの鋼球７ａ，７ｂを同時
にステージ１１と接触するようにしたので、ステージ１
１の着力点が２箇所となるため、ステージ１１が意図せ
ずに回転してしまうことがなく、ステージ１１を直進運
動させることができる。また、超音波振動子３０ｂのみ
を駆動させることにより、他方の鋼球７ａを中心とした
回転運動を意図的に起こさせることができる。

【手続補正１２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図４】実施例１における摺動体の動作の説明図であ
る。

【図５】実施例１における摺動体の動作の説明図であ
る。

【図６】実施例１における摺動体の動作の説明図であ
る。

【図７】実施例１における摺動体の動作の説明図であ
る。

【図１３】実施例３における超音波振動子の配置状態を
示す説明図である。

【図１４】従来の超音波振動子の斜視図である。

【図１５】従来の超音波振動子の平面図である。

【図１７】従来のＸＹステージの断面図である。

【符号の説明】１超音波振動子２柱状体３ａ，３ｂ圧電板４ａ，４ｂ圧電板５積層圧電体７鋼球１７摺動体１８連結部材２１ローラ装置２２ローラ３０超音波振動子

【手続補正１３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【手続補正１４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１１】

【手続補正１５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１３】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｂ 8525−5Ｈ (72)発明者藤村毅直東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】球面の一部をなす摺動面を有して摺動自
在に支持した摺動部材と、定在波を発生し前記摺動面に
その摺動端を接して摺動部材に駆動力を与える超音波振
動子を備えたことを特徴とする位置出し装置。
【請求項２】単一の２次元平面内で平行移動自在に支
持したステージと、ステージが平行移動する平面と交差
する少なくとも２つ以上の異なる平面内で選択的に楕円
振動を発生できる超音波振動子と、超音波振動子の振動
端に固設され前記楕円振動を行う接触部材と、接触部材
と接触し押圧される面が球面の一部をなし、該球面の曲
率中心に関して任意の方向に回動自在に支持された摺動
部材と、摺動部材の球面に転動自在に押圧され、回転軸
を前記ステージの移動平面に含まれる向きに配置した単
一のローラ装置もしくは複数のローラ装置群と、前記摺
動部材と一体的に固設した連結部材と、前記摺動部材の
回動運動により生じる前記連結部材の自由端の運動を前
記ステージの移動平面内の直進運動に変換してステージ
に伝達し、かつステージと連結部材との相対的な回転を
許容しないようにステージと連結部材を連結する自在継
ぎ手手段とからなる位置出し装置。
【請求項３】前記超音波振動子は、伸縮運動する積層
圧電体と、積層圧電体に固設した弾性材料からなる角柱
体と、剪断モードの振動を行って前記角柱体に揺動運動
を生じさせるために角柱体の側面に貼付した圧電板とか
らなり、前記伸縮運動と揺動運動との重ね合わせにより
振動端に楕円運動を発生し得るようにしたことを特徴と
する請求項１又は請求項２に記載の位置出し装置。
【請求項４】前記圧電板は、前記角柱体の異なる側面
にそれぞれ貼付し、複数の方向へ前記超音波振動子を揺
動運動させ、超音波振動子が２つ以上の異なる平面内で
選択的に楕円運動を発生できるようにしたことを特徴と
する請求項１又は請求項２又は請求項３に記載の位置出
し装置。
【請求項５】単一の２次元平面内に属する任意の方向
に移動可能に支持され、その下側に摺動面を有するステ
ージと、楕円運動を発生し、該楕円運動の軌跡の属する
平面が、前記ステージの移動する２次元平面と交わるよ
うに設定され、その振動端を前記ステージの下側の摺動
面に押圧する超音波振動子と、自重を前記ステージにか
け、該ステージを前記超音波振動子に押圧する重錘と、
前記重錘とステージとの間に介在し、該重錘に対して前
記ステージを前記２次元平面内で自由に移動できるよう
にするとともに前記重錘の自重をステージにかかるよう
にする支持手段と、前記超音波振動子に楕円運動を発生
させる駆動回路手段とからなるＸＹステージにおいて、
前記超音波振動子を複数個設け、前記複数の超音波振動
子の発生する楕円運動の群は、その軌跡の属する平面が
２種以上あり、前記駆動回路手段は、前記楕円振動の群
の内、その軌跡が意図した特定の平面に属する楕円振動
のみを選択的に発生させることができるようにしたこと
を特徴とするＸＹステージ。