(57)【要約】【課題】ガイドに移動可能係合したステージの位置決め装置に関し、ステージの可動範囲の全域にわたってｎｍオーダの位置決めが可能なステージ移動装置を提供することを課題とする。【解決手段】Ｘステージ１３に設けられた送りナット（ナット部材）８と、送りナット８に螺合するボールねじ７と、ボールねじ７を回転駆動する超音波リニアモータ３７とで構成する。更に、ナット８と、ボールねじ７のねじ軸７ａとの間に予圧が発生するように、予圧発生手段を設ける。【選択図】図１
2010157395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガイドに移動可能係合したステージの位置決め装置において、
前記ステージに設けられたナット部材と、
該ナット部材に螺合するボールねじと、
該ボールねじを回転駆動する超音波モータとでなることを特徴とするステージの位置決め装置。
【請求項２】
前記ナット部材と、前記ボールねじのねじ軸との間に予圧が発生するように、予圧発生手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のステージの位置決め装置。
【請求項３】
前記予圧発生手段は、
前記ボールねじのねじ軸と前記ナット部材との間に配置されたオーバサイズボールであることを特徴とする請求項２記載のステージの位置決め装置。
【請求項４】
前記ボールねじのねじ軸の支持は、
前記ガイドが設けられた側に配置され、前記ねじ軸の一方の端部側を回転可能に支持する第１アンギュラベアリングと、
前記ガイドが設けられた側に配置され、前記第１アンギュラベアリングと同じ大きさで、前記第１アンギュラベアリングが負荷するスラスト荷重の方向と異なる方向のスラスト荷重を負荷し、前記ねじ軸の一方の端部側を回転可能に支持する第２アンギュラベアリングとでなされ、
更に、前記第１アンギュラベアリングの玉と内輪・外輪との接触点を結ぶ直線と、前記第２アンギュラベアリングの玉と内輪・外輪との接触点を結ぶ直線とが、前記ボールねじのねじ軸の回転軸上の点Ｏで交わるように前記第１アンギュラベアリングと前記第２アンギュラベアリングとが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のステージの位置決め装置。
【請求項５】
前記超音波モータの回転駆動力は、前記ボールねじのねじ軸に対して、前記ねじ軸の回転軸と直交し、前記点Ｏを含む平面上で作用することを特徴とする請求項４記載のステージの位置決め装置。
【請求項６】
前記ガイドは、
前記ステージの移動平面と平行な平面上に設けられた第１ガイドと、
前記ステージの移動平面と平行な平面上に設けられ、前記第１ガイドと平行に設けられた第２ガイドとからなり、
前記ボールねじのねじ軸は、第１ガイドと第２ガイドとの中間位置に配置されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のステージの位置決め装置。
【請求項７】
前記ステージの位置を検出する位置検出手段と、
前記ステージの位置制御をＰＩＤ制御で行なうＰＩＤ制御制御手段と、
該ＰＩＤ制御手段の位置制御信号に応じて前記超音波モータを駆動するドライバと、
前記ＰＩＤ制御手段と前記ドライバとの間に設けられたハイパスフィルタと、
前記ステージの設定目標位置と前記検出手段で検出された前記ステージの位置との偏差量が許容偏差量内になった場合には、前記ＰＩＤ制御手段の制御量を前記ハイパスフィルタを介して前記ドライバに供給し、前記ステージの設定目標位置と前記検出手段で検出された前記ステージの位置との偏差量が許容偏差量以上の場合には、前記ハイパスフィルタを通さずに前記ＰＩＤ制御手段の制御量を前記ドライバに供給するスイッチ手段と、
を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のステージの位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガイドに移動可能係合したステージの位置決め装置に関し、更に詳しくは、走査型電子顕微鏡等の観察装置、荷電粒子ビームを利用した精密加工装置等に用いられるステージの位置決め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１６は走査型電子顕微鏡の試料ステージを含む断面を示したものである。走査型電子顕微鏡１には、観察試料２を位置決めする試料ステージ３が設けられている。
試料ステージ３は、Ｚ軸方向に直線移動するＺステージ１１と、Ｚステージ１１に設けられ、Ｚステージ１１に対してＸ軸を中心に回転するＴステージ１２と、Ｔステージ１２に設けられ、Ｔステージ１２に対してＸ軸方向に直線移動するＸステージ１３と、Ｘステージ１３に設けられ、Ｘステージ１３に対してＹ軸方向に直線移動するＹステージ１４と、Ｙステージ１４に設けられ、Ｙステージ１４に対してＺ軸を中心に回転し、観察試料２が載置されるＲステージ１５とからなっている。
【０００３】
試料ステージ３は観察に用いられる電子ビームの減衰を防ぐために、真空に保たれた真空チャンバ９内に設けられる。
ここで、各ステージの位置決め装置の一例として、Ｘステージ１３の位置決め装置を説明する。
【０００４】
Ｘステージ１３は、Ｔステージ１２上に設けられた図示しないガイドに係合し、Ｘ方向に移動可能となっている。更に、Ｔステージ１２には、前記図示しないガイドに沿ってボールねじ７が配置されている。このボールねじ７のねじ軸７ａの一端側は、一対のアンギュラベアリング１０を用いて回転可能に支持されている。
【０００５】
Ｘステージ１３には、ボールねじ７のねじ軸７ａに螺合する送りナット（ナット部材）８が設けられている。
真空チャンバ９の外部（大気側）には、ステッピングモータ４が設けられている。このステッピングモータ４の出力軸４ａは、図示しない磁性流体シールを用いて真空チャンバ９内に導入されている。
【０００６】
そして、ステッピングモータ４の回転は、出力軸４ａとボールねじ７のねじ軸７ａの一方の端部側との間に設けられたユニバーサルジョイント５及び回転力のみを伝達し軸方向に伸縮可能なスライダ６を介してボールねじ７へ伝達される。
【０００７】
ステッピングモータ４を大気側に配置している理由は、ステッピングモータ４からの磁場，電磁波が、電子ビーム軌道に及ぼす影響を避けるためであり、また、ステッピングモータ４から発生する熱が両ステージ３に伝達され、熱膨張による位置ドリフトを防ぐためである。
【０００８】
上記構成の作動を説明する。ステッピングモータ４が回転駆動されると、スライダ６，ユニバーサルジョイント５を介してボールねじ７のねじ軸７ａが回転する。送りナット８は回転が禁止されているので、Ｘステージ１３は図示しないガイドに沿って直線移動する。
【０００９】
しかし、ステッピングモータ４を回転させ、Ｘステージ１３の位置決めを行なおうとしたとき、各部のガタによるバックラッシや、各部のたわみによるヒステリシスが発生する。特に、数１０万倍程度以上の高倍率観察時には、これらの影響が大きく現れ、観察試料２の位置決めが困難となっている。
【００１０】
そこで、これらの駆動要素を排除し、図１７に示すように、磁場，電磁波の発生が無い超音波リニアモータで、ステージを直接駆動することが提案されている。
図１７は、Ｘ方向に直線移動する１軸の超音波リニアモータステージを上方から俯瞰した図である。
【００１１】
Ｘステージ２１は直動ガイド２２に係合し、Ｘ軸方向に移動可能となっている。Ｘステージ２１上には、Ｘ軸方向に沿ってプレート２３が設けられている。Ｘステージ２１以外の箇所に、超音波モータ２４が設けられ、この超音波モータ２４の可動子２４ａがプレート２３に押接している。尚、この超音波モータ２４は、送り量が大きな共振型の超音波モータであり、送り量が小さな非共振モードでも可動可能である。
【００１２】
超音波モータ２４が駆動されると、可動子２４ａの動きによりＸステージ２１が直動ガイド２２に沿ってＸ軸方向に移動し、非共振モードを用いることにより、ｎｍオーダの位置決め精度が得られる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−３１５３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、図１７に示す構成のステージの位置決め装置において、超音波モータ２４の共振モードでの送り量は１００ｎｍ程度あり、電子顕微鏡の試料ステージとしては、位置決めが粗すぎる。そこで、非共振モード（圧電ひずみによる微少位置決めモード）に切り替えてｎｍオーダの位置決めを行なうが、非共振モードで連続してステージを移動できる範囲は狭いという問題点がある。
【００１４】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、その課題は、ステージの可動範囲の全域にわたってｎｍオーダの位置決めが可能なステージ移動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決する請求項１に係る発明は、ガイドに移動可能係合したステージの位置決め装置において、前記ステージに設けられたナット部材と、該ナット部材に螺合するボールねじと、該ボールねじを回転駆動する超音波モータとでなることを特徴とするステージの位置決め装置である。
【００１６】
請求項２に係る発明は、前記ナット部材と、前記ボールねじのねじ軸との間に予圧が発生するように、予圧発生手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のステージの位置決め装置である。
【００１７】
請求項３に係る発明は、前記予圧発生手段は、前記ボールねじのねじ軸と前記ナット部材との間に配置されたオーバサイズボールであることを特徴とする請求項２記載のステージの位置決め装置である。
【００１８】
請求項４に係る発明は、前記ボールねじのねじ軸の支持は、前記ガイドが設けられた側に配置され、前記ねじ軸の一方の端部側を回転可能に支持する第１アンギュラベアリングと、前記ガイドが設けられた側に配置され、前記第１アンギュラベアリングと同じ大きさで、前記第１アンギュラベアリングが負荷するスラスト荷重の方向と異なる方向のスラスト荷重を負荷し、前記ねじ軸の一方の端部側を回転可能に支持する第２アンギュラベアリングとでなされ、更に、前記第１アンギュラベアリングの玉と内輪・外輪との接触点を結ぶ直線と、前記第２アンギュラベアリングの玉と内輪・外輪との接触点を結ぶ直線とが、前記ボールねじのねじ軸の回転軸上の点Ｏで交わるように前記第１アンギュラベアリングと前記第２アンギュラベアリングとが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のステージの位置決め装置である。
【００１９】
請求項５に係る発明は、前記超音波モータの回転駆動力は、前記ボールねじのねじ軸に対して、前記ねじ軸の回転軸と直交し、前記点Ｏを含む平面上で作用することを特徴とする請求項４記載のステージの位置決め装置である。
【００２０】
請求項６に係る発明は、前記ガイドは、前記ステージの移動平面と平行な平面上に設けられた第１ガイドと、前記ステージの移動平面と平行な平面上に設けられ、前記第１ガイドと平行に設けられた第２ガイドとからなり、前記ボールねじのねじ軸は、第１ガイドと第２ガイドとの中間位置に配置されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のステージの位置決め装置である。
【００２１】
請求項７に係る発明は、前記ステージの位置を検出する位置検出手段と、前記ステージの位置制御をＰＩＤ制御で行なうＰＩＤ制御制御手段と、該ＰＩＤ制御手段の位置制御信号に応じて前記超音波モータを駆動するドライバと、前記ＰＩＤ制御手段と前記ドライバとの間に設けられたハイパスフィルタと、前記ステージの設定目標位置と前記検出手段で検出された前記ステージの位置との偏差量が許容偏差量内になった場合には、前記ＰＩＤ制御手段の制御量を前記ハイパスフィルタを介して前記ドライバに供給し、前記ステージの設定目標位置と前記検出手段で検出された前記ステージの位置との偏差量が許容偏差量以上の場合には、前記ハイパスフィルタを通さずに前記ＰＩＤ制御手段の制御量を前記ドライバに供給するスイッチ手段と、を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のステージの位置決め装置である。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１−５に係る発明によれば、前記ステージに設けられたナット部材と、該ナット部材に螺合するボールねじと、該ボールねじを回転駆動する超音波モータとでなることにより、ボールねじ，ナット部材のねじピッチを適宜設定することにより、超音波モータの共振モードでも、ステージの可動範囲の全域にわたってｎｍオーダの位置決めが可能となる。
【００２３】
また、せん断剛性が低い超音波モータの可動子がダイレクトにステージに当接しないので、ステージ剛性が高くなり、環境外乱（例えば、床の振動）があっても、観察像に支障が無い。
【００２４】
請求項２，３に係る発明によれば、前記ナット部材と、前記ボールねじのねじ軸との間に予圧が発生するように、予圧発生手段を設けたことにより、バックラッシがなくなり、高精度な位置決めができる。
【００２５】
請求項４に係る発明によれば、前記ボールねじのねじ軸の支持は、前記ガイドが設けられた側に配置され、前記ねじ軸の一方の端部側を回転可能に支持する第１アンギュラベアリングと、前記ガイドが設けられた側に配置され、前記第１アンギュラベアリングが負荷するスラスト荷重の方向と異なる方向のスラスト荷重を負荷し、前記ねじ軸の一方の端部側を回転可能に支持する第２アンギュラベアリングとでなされ、更に、前記第１アンギュラベアリングの玉と内輪・外輪との接触点を結ぶ直線と、前記第２アンギュラベアリングの玉と内輪・外輪との接触点を結ぶ直線とが、前記ボールねじのねじ軸の回転軸上の点Ｏで交わるように前記第１アンギュラベアリングと前記第２アンギュラベアリングとが設けられていることにより、点Ｏ周りに対しては、第１アンギュラベアリング，第２アンギュラベアリングのモーメント剛性は最も低くなるため、ボールねじのねじ軸はその送り方向に対し微小な角度内では、前記ねじ軸の中心軸と直交する平面内に対して軽い力で動くことができる。すなわち、第１アンギュラベアリング、第２アンギュラベアリングは、微小範囲において、点Ｏを中心とする仮想的な球面軸受けとなっている。よって、ボールねじのねじ軸が加工精度や組み立て精度などにより、多少の振れ周りを生じた場合や、ボールねじのねじ軸とガイドとの平行度とがあまり良くない場合でも、ナット部材やステージに及ぼすねじ軸の中心軸と直交する軸方向の力を小さく抑えることができ、ステージには移動方向以外の力がほとんど作用しない。
【００２６】
請求項５に係る発明によれば、前記超音波モータの回転駆動力は、前記ボールねじのねじ軸に対して、前記ねじ軸の回転軸と直交し、前記点Ｏを含む平面上で作用することにより、すなわち、ねじ軸に作用する駆動力が、球面軸受けの回転中心を通る平面上に位置することにより、ねじ軸に曲げモーメントが発生せず、スムーズなステージの移動が得られる。
【００２７】
請求項６に係る発明によれば、前記ガイドは、前記ステージの移動平面と平行な平面上に設けられた第１ガイドと、前記ステージの移動平面と平行な平面上に設けられ、前記第１ガイドと平行に設けられた第２ガイドとからなり、前記ボールねじのねじ軸は、第１ガイドと第２ガイドとの中間位置に配置されることにより、ステージが移動している時に、第１ガイド、第２ガイドで発生する摩擦によるモーメントがバランスする。このため、ステージ駆動方向を逆転したときでも、モーメントのアンバランスによりステージがステージ移動平面内で回転することを防止できる。
【００２８】
請求項７に係る発明によれば、前記ステージの位置を検出する位置検出手段と、前記ステージの位置制御をＰＩＤ制御で行なうＰＩＤ制御制御手段と、該ＰＩＤ制御手段の位置制御信号に応じて前記超音波モータを駆動するドライバと、前記ＰＩＤ制御手段と前記ドライバとの間に設けられたハイパスフィルタと、前記ステージの設定目標位置と前記検出手段で検出された前記ステージの位置との偏差量が許容偏差量内になった場合には、前記ＰＩＤ制御手段の制御量を前記ハイパスフィルタを介して前記ドライバに供給し、前記ステージの設定目標位置と前記検出手段で検出された前記ステージの位置との偏差量が許容偏差量以上の場合には、前記ハイパスフィルタを通さずに前記ＰＩＤ制御手段の制御量を前記ドライバに供給するスイッチ手段とを有する。残留偏差を少なくするために積分動作(Ｉ動作)を組み合わせると、摩擦によって発生するスティックスリップによるリミットサイクル(ハンチング)が避けられない。リミットサイクルは比較的周期が長いので、前記ステージの設定目標位置と前記検出手段で検出された前記ステージの位置との偏差量が許容偏差量内になった場合には、前記ＰＩＤ制御手段の制御量を前記ハイパスフィルタを介して前記ドライバに供給することで、リミットサイクルを防止できる。
【００２９】
又、位置決め後の超音波モータの制御量は、指数関数的に減衰して０となり、超音波モータは停止する。従って、超音波モータの稼働に起因するステージの振動が無くなり、超音波モータの発熱も抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
＜第１形態例＞
図１−図３を用いて、ステージ位置決め装置の第１形態例を説明する。図１は第１形態例を適用した走査型電子顕微鏡の試料ステージの断面図、図２は図１の上面図、図３は図１のアンギュラベアリング対部分の拡大図である。本形態例は、図１６に示す走査型電子顕微鏡の試料ステージに適用したものであり、図１−図３において、図１６と同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。又、本形態例のステージ位置決め装置は、Ｚステージ１１、ＸステージＸ１３、Ｙステージ１４に適用され、その構成は同じである。よって、Ｘステージ１３のステージ位置決め装置で説明を行ない、他のステージの説明は省略する。
【００３１】
図１に示すように、Ｘステージ１３は、Ｔステージ１２上に設けられた図示しないガイドに係合し、Ｘ方向に移動可能となっている。更に、Ｔステージ１２には、前記図示しないガイドに沿ってボールねじ７が配置されている。このボールねじ７のねじ軸７ａの一端側は、Ｔステージ１２上に設けられ、第１アンギュラベアリング３１、第２アンギュラベアリング３３とからなる一対のアンギュラベアリングを用いて回転可能に支持されている。
【００３２】
図３に示すように、第２アンギュラベアリング３３は、第１アンギュラベアリングと同じ大きさのベアリングであり、第１アンギュラベアリング３１が負荷するスラスト荷重の方向（図３において左方向）と異なる方向（図において右方向）のスラスト荷重を負荷するように設けられている。
【００３３】
更に、第１アンギュラベアリング３１の玉３１ａと内輪３１ｂ・外輪３１ｃとの接触点を結ぶ直線Ｌ１と、第２アンギュラベアリング３３の玉３３ａと内輪３３ｂ・外輪３３ｃとの接触点を結ぶ直線Ｌ２とが、ボールねじ７のねじ軸７ａの回転軸上の点Ｏで交わるように第１アンギュラベアリング３１と第２アンギュラベアリング３３とが設けられている。
【００３４】
又、ボールねじ７のねじ軸７ａ上で、第１アンギュラベアリング３１と第２アンギュラベアリング３３との中間位置には、プーリ３５が固着されている。
Ｔステージ１２には、プーリ３５の周面に当接する可動子３９を有し、プーリ３５を回転駆動する超音波モータ、本形態例では共振型の超音波リニアモータ３７が設けられている。従って、超音波リニアモータ３７の回転駆動力は、ボールねじ７のねじ軸７ａに対して、ねじ軸７ａの回転軸と直交し、点Ｏを含む平面上で作用するようにしている。
【００３５】
Ｘステージ１３には、ボールねじ７のねじ軸７ａに螺合する送りナット（ナット部材）８が設けられている。
そして、送りナット８と、ボールねじ７のねじ棒７ａとの間に予圧が発生するように、予圧発生手段を設けている。本形態例の予圧発生手段は、ボールねじ７のねじ軸７ａと送りナット８との間に配置されたボールを若干大きめの径のボール（オーバサイズボール）として予圧が発生するようにした。尚、その他の予圧発生手段としては、送りナットを二体化してその間で予圧を構成、Ｘステージ１３をボールねじ７のねじ軸７ａの軸方向に付勢する構成がある。
【００３６】
又、図２において、Ｔステージ１２のＸステージ１３の移動平面と平行な面には、Ｘステージ１３をＸ軸方向に案内する第１ガイド４１と、第１ガイド４１と平行に設けられた第２ガイド４２とが設けられている。
【００３７】
そして、ボールねじ７のねじ軸７ａは、第１ガイド４１と第２ガイド４２との中間位置に配置されている。
又、図２おいて、４３は、Ｘステージ１３上に設けられ、Ｙステージ１４をＹ軸方向に案内するガイドである。
【００３８】
次に、Ｘステージ１３の位置制御を行なう電気的構成を図４を用いて説明する。図４はＸステージの位置制御を行なう電気的構成を示すブロック図である。
図４において、超音波リニアモータ３７で駆動されるＸステージ１３の位置はロータリエンコーダ（位置検出手段）５１で検出される。尚、位置検出手段としてはリニアエンコーダでもよい。
【００３９】
ロータリエンコーダ５１で検出されたＸステージ１３の位置と設定目標値とは差分器５２に入力される。差分器５２から出力される偏差はＰＩＤ制御手段５３に入力される。
ＰＩＤ制御手段５３は、偏差から比例演算を行なう比例演算手段５５と、偏差から積分演算を行なう積分演算手段５７と、偏差から微分演算を行なう微分演算手段５９とからなっている。
【００４０】
比例演算手段５５は、偏差から比例ゲインＫｐを乗じた信号を出力するアンプ５５ｂを有している。
積分演算手段５７は、偏差から積分演算を行なう積分器５７ａと、積分器５７ａの演算値に積分ゲインＫｉを乗じた信号を出力するアンプ５７ｂとを有している。
【００４１】
微分演算手段５９は、偏差から微分演算を行なう微分器５９ａと、微分器５９ａの演算値に微分ゲインＫｄを乗じた信号を出力するアンプ５９ｂとを有している。
比例演算手段５５からの信号と、積分演算手段５７からの信号と、微分演算手段５９からの信号は、加算器６１で加算され、超音波リニアモータ３７の位置制御信号となる。
【００４２】
６３は、ＰＩＤ制御手段５３の位置制御信号に応じて超音波リニアモータ３７を駆動するドライバである。
ＰＩＤ制御手段５３とドライバ６３との間は、ハイパスフィルタ６５が設けられている。
【００４３】
６７は、Ｘステージ１３の設定目標位置とロータリエンコーダ５１で検出されたＸステージ１３の位置との偏差量が許容偏差量になった場合には、ＰＩＤ制御手段の５３制御量をハイパスフィルタ６５を介してドライバ６３に供給し、Ｘステージ１３の設定目標位置とロータリエンコーダ５１で検出されたＸステージ１３の位置との偏差量が許容偏差量以上の場合には、ハイパスフィルタ６５を通さずにＰＩＤ制御手段５３の制御量をドライバ６３に供給するスイッチ手段である。
【００４４】
スイッチ手段６７は、差分器５３からの差分を取り込んで、Ｘステージ１３の設定目標位置とロータリエンコーダ５１で検出されたＸステージ１３の位置との偏差量が許容偏差量になったかどうかを判断する許容偏差量判断器６９と、許容偏差量判断器６９の判断に応じて作動するスイッチ７１とからなっている。
【００４５】
上記構成の作動を説明する。超音波リニアモータ３７が駆動されると、プーリ３５を介してボールねじ７のねじ軸７ａが回転する。送りナット８は回転が禁止されているので、Ｘステージ１３は第１ガイド４１、第２ガイド４２に沿って直線移動する。
【００４６】
上記構成によれば、下記のような効果が得られる。
(1) Ｘステージ１３に設けられた送りナット（ナット部材）８と、送りナット８に螺合するボールねじ７と、該ボールねじ８を回転駆動する超音波リニアモータ３７とでなることにより、ボールねじ７のねじ棒７ａ，送りナット８のねじピッチを適宜設定することにより、超音波リニアモータ３７の共振モードでも、Ｘステージ１３の可動範囲の全域にわたってｎｍオーダの位置決めが可能となる。
【００４７】
また、せん断剛性が低い超音波リニアモータ３７の可動子３９がダイレクトにＸステージ１３に当接しないので、Ｘステージ１３の剛性が高くなり、環境外乱（例えば、床の振動）があっても、観察像に支障が無い。
【００４８】
本形態例の場合、ボールねじ７のねじ棒７ａのリードが１ｍｍ、プーリ３５の外径を１４ｍｍとした時、これらの減速比、即ち、リード１ｍｍをプーリ３５の外周π×１４ｍｍで除した値：約１／４４の逆数、つまり約４４倍だけ、Ｘ軸方向のばね定数は高くなる。
【００４９】
(2) 送りナット８と、ボールねじ７のねじ軸７ａとの間に予圧が発生するように、予圧発生手段（本形態例では、ボールねじ７のねじ軸７ａと送りナット８との間に配置されたボールを若干大きめの径のボール（オーバサイズボール）として予圧が発生するようにした手段）を設けたことにより、バックラッシがなくなり、高精度な位置決めができる。
【００５０】
(3) 第２アンギュラベアリング３３は、第１アンギュラベアリング３１と同じ大きさのベアリングであり、第１アンギュラベアリング３１が負荷するスラスト荷重の方向（図３において左方向）と異なる方向（図において右方向）のスラスト荷重を負荷するように設けられている。
【００５１】
更に、第１アンギュラベアリング３１の玉３１ａと内輪３１ｂ・外輪３１ｃとの接触点を結ぶ直線Ｌ１と、第２アンギュラベアリング３３の玉３３ａと内輪３３ｂ・外輪３３ｃとの接触点を結ぶ直線Ｌ２とが、ボールねじ７のねじ軸７ａの回転軸上の点Ｏで交わるように第１アンギュラベアリング３１と第２アンギュラベアリング３３とが設けられている。
【００５２】
このため、点Ｏ周りに対しては、第１アンギュラベアリング３１，第２アンギュラベアリング３３のモーメント剛性は最も低くなるため、ボールねじ７のねじ軸７ａはその送り方向に対し微小な角度内では、ねじ軸７ａの中心軸と直交する平面内に対して軽い力で動くことができる。すなわち、第１アンギュラベアリング３１、第２アンギュラベアリング３３は、微小範囲において、点Ｏを中心とする仮想的な球面軸受けとなっている。よって、ボールねじ７のねじ軸７ａが加工精度や組み立て精度などにより、多少の振れ周りを生じた場合や、ボールねじ７のねじ軸７ａと第１ガイド４１、第２ガイド４２との平行度とがあまり良くない場合でも、送りナット８やＸステージ１３に及ぼすねじ軸７ａの中心軸と直交する軸方向の力を小さく抑えることができ、Ｘステージ１３には移動方向以外の力がほとんど作用しない。
【００５３】
(4) 超音波リニアモータ３７の回転駆動力は、ボールねじ７のねじ軸７ａに対して、ねじ軸７ａの回転軸と直交し、点Ｏを含む平面上で作用するようにしている。
すなわち、ねじ軸７ａに作用する駆動力が、第１アンギュラベアリング３１，第２アンギュラベアリング３３で構成される球面軸受けの回転中心を通る平面上に位置することにより、ねじ軸７ａに曲げモーメントが発生せず、スムーズなステージの移動が得られる。
【００５４】
(5) ボールねじ７のねじ軸７ａは、第１ガイド４１と第２ガイド４２との中間位置に配置されている。よって、Ｘステージ１３が移動している時に、第１ガイド４１、第２ガイド４２で発生する摩擦によるモーメントがバランスする。このため、ステージ駆動方向を逆転したときでも、モーメントのアンバランスによりＸステージ１３がステージ移動平面内で回転することを防止できる。
【００５５】
(6) Ｘステージ１３の位置を検出するロータリエンコーダ５１と、Ｘステージ１３の位置制御をＰＩＤ制御で行なうＰＩＤ制御制御手段と、ＰＩＤ制御手段５３の位置制御信号に応じて超音波リニアモータ３７を駆動するドライバ６３と、ＰＩＤ制御手段５３とドライバ６３との間に設けられたハイパスフィルタ６５と、Ｘステージ１３の設定目標位置とロータリエンコーダ５１で検出されたＸステージ１３の位置との偏差量が許容偏差量内になった場合には、ＰＩＤ制御手段５３の制御量をハイパスフィルタ６５を介してドライバ６３に供給し、Ｘステージ１３の設定目標位置とロータリエンコーダ５１で検出されたＸステージ１３の位置との偏差量が許容偏差量以上の場合には、ハイパスフィルタ６５を通さずにＰＩＤ制御手段５３の制御量をドライバ６３に供給するスイッチ手段６７とを有する。
【００５６】
残留偏差を少なくするために積分動作(Ｉ動作)を組み合わせると、摩擦によって発生するスティックスリップによるリミットサイクル(ハンチング)が避けられない。リミットサイクルは比較的周期が長いので、Ｘステージ１３の設定目標位置とロータリエンコーダ５１で検出されたＸステージ１３の位置との偏差量が許容偏差量内になった場合には、ＰＩＤ制御手段５３の制御量をハイパスフィルタ６５を介してドライバ６３に供給することで、リミットサイクルを防止できる。
【００５７】
又、位置決め後の超音波リニアモータ３７の制御量は、指数関数的に減衰して０となり、超音波リニアモータ３７は停止する。従って、超音波リニアモータ３７の稼働に起因するＸステージ１３の振動が無くなり、超音波リニアモータ３７の発熱も抑えることができる。
＜第２形態例＞
図５を用いて説明する。図５は第２形態例を適用した走査型電子顕微鏡の試料ステージの断面図である。尚、本形態例と第１形態例との相違点は超音波モータであり、他の部分は同一であるので、図１と同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５８】
本形態例の超音波モータは、回転型超音波モータ１０１を用い、回転型超音波モータ１０１の出力軸１０１ａとボールねじ７のねじ棒７ａとをバックラッシュレスのカップリング１０３を用いて接続している。
【００５９】
本形態例においては、送り方向（Ｘ軸方向）の送り剛性は第１形態例と同様に高いものとなり、又、電磁モータを用いた場合と異なり、磁場や電磁波の影響を避けられる。
第１形態例の超音波リニアモータ３７の場合は、その可動子３９はプーリ３５に対して比較的強いばね力で押接している。よって、第１アンギュラベアリング３１、第２アンギュラベアリング３３の転がり抵抗が大きくなる。
【００６０】
一方、本形態例の回転型超音波モータ１０１とねじ軸７ａとの接続構造では、第１アンギュラベアリング３１、第２アンギュラベアリング３３の転がり抵抗は大きくならず、より軽いトルクでＸステージ１３は移動する。
＜第３形態例＞
図６、図７を用いて説明する。図６は第３形態例を適用した走査型電子顕微鏡の試料ステージの部分断面図、図７は図６の切断線Ａ−Ａでの断面図である。尚、本形態例と第１形態例との相違点は超音波モータであり、他の部分は同一であるので、図１と同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６１】
これらの図において、プーリ３５とＴステージ１２との間には、超音波モータとして、駆動周波数が数１０ｋＨｚの超音波リニアモータや回転型超音波モータでなく、駆動周波数が数１０ＭＨｚで、圧電素子の表面に振幅数１０ｎｍの進行波を作り出し、これにより駆動を行なう弾性表面波モータ２０１が配設される。
【００６２】
弾性表面波モータ２０１は基端部がＴステージ１２に取り付けられる支持部材２０３に設けられる。支持部材２０３の基部には、厚みが薄くなったヒンジ部２０３ａが形成されている。このため、ヒンジ部２０３ａが弾性変形することにより、支持部材２０３の先端側は、ヒンジ部２０３ａを中心に図７において矢印Ｂ方向に回転可能となっている。
【００６３】
又、Ｔステージ１２には、支持部材２０３側に開口を有する有底穴２０５が形成されている。この穴２０５内には、開口側から、鋼球２０７、スプリング２０９が配設され、鋼球２０７はスプリング２０９の付勢力により、支持部材２０３を介して弾性表面波モータ２０１をプーリ３５の上側周面に押しつけている。
【００６４】
このような構成によれば、弾性表面波モータ２０１は、振幅は小さいが周波数が高いので、数ｍ／ｓｅｃという高速での駆動と、より微少な最小ステップ送りを得ることができる。従ってより高速で、精密な位置決めが可能である。
【００６５】
ステップ駆動には、図８に示すように、正弦波２１１に矩形状のゲート２１３をかけた正弦波のバースト信号２１５を用いる。
弾性表面波モータ２０１の振幅はきわめて小さいため、プーリ３５との接触面へのごみの進入を避ける必要がある。本形態例では、図９、図１０に示すように、プーリ３５の周面に、円周方向に沿ってＶ字溝３５ａを設けた。図９はプーリの上面図、図１０は図９の正面図である。これにより、微少なごみはＶ字溝３５ａに逃げ、弾性表面波モータ２０１とプーリ３５との接触面へのごみの進入が無くなる。尚、図９において、ハッチングを施した部分Ｃは、弾性表面波モータ２０１との接触面である。
【００６６】
弾性表面波モータでは、弾性表面波モータとプーリの周面との接触面積が広いほど駆動力が大きくなる。そこで、駆動力が足りない場合は、もう一つ弾性表面波モータを設けてれば良い。即ち、図１１、図１２に示すように、プーリ３５の下部に押しつけられる弾性表面波モータ２０１’を設ける。尚、弾性表面波モータ２０１’をプーリ３５の下側周面に押しつける機構は、弾性表面波モータ２０１をプーリ３５の上側周面に押しつける機構と同じであるので、同一箇所には同一番号に（’）を付し、重複する説明は省略する。
【００６７】
尚、図１２において、２１７、２１９は２つの弾性表面波モータ２０１、弾性表面波モータ２０１’間を接続する電力還流用配線である。この電力還流用配線２１９，２１７を用いることで、一つの駆動回路で２つの弾性表面波モータ２０１，２０１’を駆動させることができる。
【００６８】
又、弾性表面波モータとプーリの周面との接触面積を広げる構成としては、図１３に示すように、弾性表面波モータ２０１のプーリ３５との接触部分にＶ字溝２０１ａとしたり、図１４に示すように、弾性表面波モータ２０１のプーリ３５との接触部分にプーリ３５の周面と同じ曲率に湾曲した底部を有する溝２０１ｂとしたりしてもよい。図１３、図１４の構成を作用する場合、弾性表面波モータ２０１とプーリ３５との接触面へのごみの進入を避けるために、図１５に示すように、プーリ３５の周面に、母線方向に沿ってＶ字溝３５ｂを設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】第１形態例を適用した走査型電子顕微鏡の試料ステージの断面図である、
【図２】図１の上面図である。
【図３】図１のアンギュラベアリング対部分の拡大図である。
【図４】図１のＸステージの位置制御を行なう電気的構成を説明するブロック図である。
【図５】第２形態例を適用した走査型電子顕微鏡の試料ステージの断面図である。
【図６】第３形態例を適用した走査型電子顕微鏡の試料ステージの部分断面図である。
【図７】図６の切断線Ａ−Ａでの断面図である。
【図８】ステップ駆動を説明する図である。
【図９】図６におけるプーリの上面図である。
【図１０】図９の正面図である。
【図１１】図６において壇瀬表面波モータの数を増やした構成を説明する図である。
【図１２】図１１の切断線Ｄ−Ｄでの断面図である。
【図１３】他の形態例を説明する図である。
【図１４】他の形態例を説明する図である。
【図１５】他の形態例を説明する図である。
【図１６】走査型電子顕微鏡の試料ステージの断面図である。
【図１７】Ｘ方向に直線移動する１軸の超音波リニアモータステージを上方から俯瞰した図である。
【符号の説明】
【００７０】
７  ボールねじ
８  送りナット（ナット部材）
１３  Ｘステージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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