JP4535709B2 - Drive device - Google Patents
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Description
本発明は超音波モータを用いた駆動装置に関するものである。 The present invention relates to a drive device using an ultrasonic motor.
超音波モータは、最小振幅がナノメートルオーダーと小さく、高分解能の位置決めが可能であり、しかも摩擦駆動であるために駆動力が大きいといった特徴を有するため、これまでカメラのレンズズーム機構や腕時計のバイブレーションアラームなど回転運動系への実用化が行われており、最近では精密加工機械、精密測定装置、半導体製造装置等、直線運動系の駆動装置への適用が試みられている。 Ultrasonic motors have the features that the minimum amplitude is as small as nanometer order, positioning with high resolution is possible, and the driving force is large because of frictional drive. Practical application to a rotational motion system such as a vibration alarm has been carried out, and recently, application to a linear motion system drive device such as a precision processing machine, a precision measurement device, and a semiconductor manufacturing device has been attempted.
図5に直線運動系の駆動装置への適用例の1つである従来の駆動装置10を示す。この装置は、ベース盤11上にクロスローラーガイドの如き一対のガイド部材12を備え、これらのガイド部材12によって可動体としてのステージ13を直線的に案内するようになっている。 FIG. 5 shows a conventional drive device 10 which is one example of application to a linear motion system drive device. This apparatus is provided with a pair of guide members 12 such as cross roller guides on a base board 11 and linearly guides a stage 13 as a movable body by these guide members 12.
また、ステージ13の一方の側面には、ガイド部材12に対して平行に駆動力伝達部材14が、ステージ13の他方の側面には、前記駆動力伝達部材14と平行にリニアスケール15がそれぞれ設置されており、該リニアスケール15と対向する位置には測定ヘッド16を設けて位置検出手段17を構成するとともに、前記駆動力伝達部材14と対向する位置には超音波モータ20を設置し、前記超音波モータ20の摩擦部材25を前記駆動力伝達部材14の当接面に対して垂直に当接させてある。 A driving force transmission member 14 is installed on one side surface of the stage 13 in parallel with the guide member 12, and a linear scale 15 is installed on the other side surface of the stage 13 in parallel with the driving force transmission member 14. A measuring head 16 is provided at a position facing the linear scale 15 to form a position detecting means 17, and an ultrasonic motor 20 is installed at a position facing the driving force transmitting member 14, The friction member 25 of the ultrasonic motor 20 is in contact with the contact surface of the driving force transmission member 14 perpendicularly.
なお、図中、26は超音波モータ20を収容するケース、27は超音波モータ20の駆動を阻害することなくケース26内に保持するためのスプリング、28は超音波モータ20をステージ13の駆動力伝達部材14に押圧するためのスプリングである。
また、18は位置検出手段17より得られた位置情報を基にステージ13の駆動速度を制御するための駆動制御部であり、駆動制御部18から出力された駆動用指令信号をドライバ19に入力し、ドライバ19より出力された駆動電圧により超音波モータ20を駆動させる。
In the figure, reference numeral 26 denotes a case for housing the ultrasonic motor 20, reference numeral 27 denotes a spring for holding the ultrasonic motor 20 in the case 26 without obstructing the driving of the ultrasonic motor 20, and reference numeral 28 denotes a drive for the stage 13. A spring for pressing the force transmission member 14.
Reference numeral 18 denotes a drive control unit for controlling the drive speed of the stage 13 based on the position information obtained from the position detection means 17. The drive command signal output from the drive control unit 18 is input to the driver 19. Then, the ultrasonic motor 20 is driven by the drive voltage output from the driver 19.
また、前記摩擦部材25および駆動力伝達部材14には、アルミナ等の一般的なセラミックス、ガラス等が用いられており、これらセラミックス、ガラス等からなる摩擦部材25と駆動力伝達部材14を当接させその摩擦駆動により、前記ステージ13を駆動させる。 The friction member 25 and the driving force transmission member 14 are made of general ceramics such as alumina, glass or the like, and the friction member 25 made of ceramics or glass and the driving force transmission member 14 are brought into contact with each other. The stage 13 is driven by the friction drive.
また、図6(a)、(b)に図5の駆動装置10に用いる超音波モータ20の構造を示すように、この超音波モータ20は、圧電セラミック板21の一方の主面に4分割された電極膜22a、22b、22c、22dを有し、対角に位置する電極膜22aと電極膜22dを結線するとともに、対角に位置する電極膜22bと電極膜22cを結線し、かつ他方の主面には、ほぼ全面に電極23を形成した振動体24と、前記圧電セラミック板21の端面に設けたセラミックスやガラスからなる摩擦部材25とからなり、前記一方の主面に形成された電極膜23をアースするとともに、他方の主面に形成された電極膜22aと電極膜22bにそれぞれ位相を異ならせた電圧を印加することにより、圧電セラミック板21に縦振動と横振動を発生させ、これらの振動の合力によって摩擦部材25を楕円運動させるようになっていた。 Further, as shown in FIGS. 6A and 6B, the structure of the ultrasonic motor 20 used in the driving device 10 of FIG. 5 is divided into four on one main surface of the piezoelectric ceramic plate 21. The electrode films 22a, 22b, 22c, and 22d are connected to connect the electrode film 22a and the electrode film 22d located diagonally, and connect the electrode film 22b and the electrode film 22c located diagonally to each other, and The main surface is composed of a vibrating body 24 having an electrode 23 formed on almost the entire surface, and a friction member 25 made of ceramics or glass provided on an end surface of the piezoelectric ceramic plate 21, and formed on the one main surface. By grounding the electrode film 23 and applying voltages having different phases to the electrode film 22a and the electrode film 22b formed on the other main surface, longitudinal vibration and lateral vibration are generated in the piezoelectric ceramic plate 21. The friction member 25 has been adapted to elliptical motion by the resultant force of these vibrations.
そして、ステージ13の移動に伴う位置検出手段17からの位置情報と、予め設定してあるステージ13の移動プロファイルに基づく基準位置情報との偏差に応じて駆動制御部18にて例えばPID演算処理した結果を指令信号としてドライバ19に出力し、ドライバ19は超音波モータ20へ駆動電圧を出力して超音波モータ20を駆動させるフィード
バック制御を行うようになっていた。なお、PID演算を行うための制御パラメータであるP項、I項、D項の決定は、実駆動させる前にステージ13の移動中における位置偏差や位置決め精度が規格を満足するように実験により試行錯誤的に決定するようになっていた。
Then, for example, PID calculation processing is performed by the drive control unit 18 in accordance with the deviation between the position information from the position detection means 17 accompanying the movement of the stage 13 and the reference position information based on the preset movement profile of the stage 13. The result is output to the driver 19 as a command signal, and the driver 19 outputs a driving voltage to the ultrasonic motor 20 to perform feedback control for driving the ultrasonic motor 20. It should be noted that the determination of the P term, I term, and D term, which are control parameters for performing the PID calculation, is carried out by experiments so that the position deviation and positioning accuracy during the movement of the stage 13 satisfy the standard before actual driving. It came to be decided by mistake.
ところが、前記超音波モータ20の構造では、超音波モータによりステージを駆動させ、位置決めのために停止させた際に、振動体24を保持するために設置されたスプリング27や、摩擦部材25を駆動力伝達部材へ押し付けるために設置されたスプリング28等の弾性体の弾性力の影響で、振動体がすぐには停止しないために、高精度の位置決めを実施することが非常に困難であった。 However, in the structure of the ultrasonic motor 20, when the stage is driven by the ultrasonic motor and stopped for positioning, the spring 27 and the friction member 25 installed to hold the vibrating body 24 are driven. Since the vibrating body does not stop immediately due to the influence of the elastic force of the elastic body such as the spring 28 installed for pressing against the force transmission member, it is very difficult to perform highly accurate positioning.
この問題に対し、振動体に圧電素子を固定し、この振動体に移動体を加圧接触させてなる超音波モータにおいて、一端面をベースに、その反対面を振動体にそれぞれ固定した第1の圧電素子と、前記振動体に前記第1の圧電素子を固定した面と直角に、かつ一直線上に対向して一端面を固定し、反対面を前記ベースに固定した第2及び第3の圧電素子が互いに逆の動きを行うことを特徴とした図7に示すような構造とした超音波モータが提案されていた(特許文献1参照)。 In order to solve this problem, in an ultrasonic motor in which a piezoelectric element is fixed to a vibrating body, and a moving body is brought into pressure contact with the vibrating body, a first end is fixed to the vibrating body with one end surface as a base. The first and second piezoelectric elements are fixed perpendicularly to the surface on which the first piezoelectric element is fixed to the vibrating body and opposed in a straight line, and one end surface is fixed, and the opposite surfaces are fixed to the base. There has been proposed an ultrasonic motor having a structure as shown in FIG. 7 characterized in that the piezoelectric elements move in opposite directions (see Patent Document 1).
また、一端面をベースに、他端面を連結体に固着した第1の圧電素子と、この第1の圧電素子を固着した連結体の反対面に一端面を固着し、他端面をベースに固着した第2の圧電素子と、この第1及び第2の圧電素子と直角の関係になるように連結体に固着した第3の圧電素子と、この第3の圧電素子の他端面に直接、又は駆動部材を介して加圧接触させた移動体とを具備した超音波モータが提案されていた(特許文献2参照)。 Also, the first piezoelectric element having one end face as a base and the other end face fixed to a connecting body, and one end face fixed to the opposite surface of the connecting body to which the first piezoelectric element is fixed, and the other end face fixed to the base. The second piezoelectric element, the third piezoelectric element fixed to the coupling body so as to have a right-angle relationship with the first and second piezoelectric elements, and directly on the other end surface of the third piezoelectric element, or There has been proposed an ultrasonic motor including a moving body that is brought into pressure contact with a driving member (see Patent Document 2).
さらに、一端を基台に他端を第1の連結体に固定した第1の圧電振動子と、前記第1の連結体に第1の圧電振動子と水平又は垂直に直角を成す角度をもって固定した第2の圧電振動子と、この第2の圧電振動子の他端に固定した第2の連結体と、この第2の連結体に前記第2の圧電振動子と水平又は垂直に直角を成す角度をもって固定した第3の圧電振動子と、この第3の圧電振動子の他端に固定した駆動体と、この駆動体に加圧接触させた移動体を具備した超音波モータが提案されていた(特許文献3参照)。 Further, a first piezoelectric vibrator having one end as a base and the other end fixed to a first connecting body, and an angle forming a right angle with the first piezoelectric vibrator horizontally or vertically to the first connecting body. The second piezoelectric vibrator, the second connecting body fixed to the other end of the second piezoelectric vibrator, and the second connecting body perpendicularly or horizontally to the second piezoelectric vibrator. An ultrasonic motor including a third piezoelectric vibrator fixed at an angle formed, a driving body fixed to the other end of the third piezoelectric vibrator, and a moving body in pressure contact with the driving body has been proposed. (See Patent Document 3).
また、基台に一端を固定した第1の圧電振動子と、この第1の圧電振動子の他端に取り付けた第1の連結体と、この第1の連結体に一端を固着し、かつ第1の圧電振動子の振動方向と角度を成して振動する第2の圧電振動子と、この第2の圧電振動子の他端に固着した駆動ユニットの駆動体とからなり、該駆動ユニットが前記第1の圧電振動子と共通な固定部を有するとともに、この固定部に対し対称に配置され、前記駆動体に移動体を加圧接触させた状態で一端が基台に固定された圧電振動子同志を逆位相、逆極性の信号で駆動するとともに、駆動体を固着した圧電振動子同志を同位相で同極性の信号で駆動することを特徴とする超音波モータが提案されていた(特許文献4参照)。 A first piezoelectric vibrator having one end fixed to the base; a first connecting body attached to the other end of the first piezoelectric vibrator; and one end fixed to the first connecting body; and A drive unit of a drive unit fixed to the other end of the second piezoelectric vibrator and a second piezoelectric vibrator that vibrates at an angle with the vibration direction of the first piezoelectric vibrator, and the drive unit Has a fixed portion in common with the first piezoelectric vibrator, is disposed symmetrically with respect to the fixed portion, and has one end fixed to the base in a state where the movable body is in pressure contact with the driving body. There has been proposed an ultrasonic motor characterized in that the vibrators are driven by signals having opposite phases and opposite polarities, and the piezoelectric vibrators to which the driving bodies are fixed are driven by signals having the same phase and the same polarity ( (See Patent Document 4).
また、一端が固定支持された第1の積層圧電素子と、前記第1の積層圧電素子の他端に固着された共振器と、前記第1の積層圧電素子の振動方向以外の方向で前記共振器に一端が固着された第2の積層圧電素子と、前記第2の積層圧電素子の他端に固着された付加質量体とからなる超音波モータが提案されていた(特許文献5参照)。
前記特許文献1〜5に示す複数の圧電素子を用いた超音波モータの提案においては、図4に示した従来の超音波モータのような弾性体を用いていないために、超音波モータの駆動、停止の際に、より高精度の位置決めが可能であると考えられていた。 In the proposal of the ultrasonic motor using a plurality of piezoelectric elements shown in Patent Documents 1 to 5, since the elastic body like the conventional ultrasonic motor shown in FIG. 4 is not used, the driving of the ultrasonic motor is not performed. When stopping, it was considered that positioning with higher accuracy was possible.
しかしながら、特許文献1〜5のような構造の超音波モータにおいては、図7(a)に模式図を示したように、圧電素子31、33が変位すると駆動体30が可動体35に対して常に平行移動する駆動状態であれば、良好であるものの、図7(b)および(c)のように、圧電素子の変位量の全てが駆動体30の動きに反映されていない駆動状態となる場合があり問題であった。即ち、図7(b)、(c)に示すような駆動体30の動きが、1つの超音波モータ内で発生すると超音波モータの駆動性能が安定しないために、可動させる可動体33の移動距離にバラツキを生じる。
そして、このような超音波モータを搭載した駆動装置においては、高精度の位置決めを行うことはできなかった。
However, in the ultrasonic motor having the structure as described in Patent Documents 1 to 5, when the piezoelectric elements 31 and 33 are displaced as shown in the schematic diagram of FIG. Although it is good if the driving state is always translated, as shown in FIGS. 7B and 7C, the entire displacement amount of the piezoelectric element is not reflected in the movement of the driving body 30. There was a problem. That is, if the movement of the driving body 30 as shown in FIGS. 7B and 7C occurs in one ultrasonic motor, the driving performance of the ultrasonic motor is not stable. Variations in distance occur.
And in a drive device equipped with such an ultrasonic motor, high-accuracy positioning could not be performed.
さらに、図7では、圧電素子31、33の変位に対する駆動体の動きについて示したが、これに可動体表面と直角方向に変位する圧電素子32の動きが干渉すると、問題となる図7(b)、(c)に示す駆動体30の動きがさらに一定しなくなる。そうなると、ひどい場合には超音波モータにより可動体35を動かせなくなる場合もあった。 Further, FIG. 7 shows the movement of the driving body with respect to the displacement of the piezoelectric elements 31 and 33. However, if the movement of the piezoelectric element 32 displaced in the direction perpendicular to the surface of the movable body interferes with this, FIG. ), The movement of the driving body 30 shown in (c) is not more constant. In that case, in some cases, the movable body 35 could not be moved by the ultrasonic motor.
本発明では前記課題に鑑み、可動体を摩擦駆動するための駆動装置であって、駆動体と、該駆動体を狭持するように前記可動体の移動方向に沿って配置され、それぞれ一方端が前記駆動体に固定され、他方端が保持部に固定された第1の圧電素子部及び第2の圧電素子部と、一方端が前記可動体に当接する摩擦部材に固定され、他方端が前記駆動体に固定された第3の圧電素子部と、前記駆動体が前記可動体の移動方向に平行に移動可能となるように、前記可動体の移動方向における前記第3圧電素子部の両側で該駆動体を支持するガイド部とを有し、前記第1乃至第3の圧電素子部に所定の周期で交流電圧を印加することにより、前記摩擦部材を楕円駆動させて、前記可動体を移動可能に構成したことを特徴とする。 In view of the above problems, the present invention is a drive device for frictionally driving a movable body, and is arranged along the moving direction of the movable body so as to sandwich the drive body, and each one end thereof There is fixed to the drive member, a first piezoelectric element unit and the second piezoelectric element portion which the other end is fixed to the holding portion is fixed to the friction members hand end abuts against the movable member, the other end Of the third piezoelectric element portion fixed to the drive body and the third piezoelectric element portion in the movement direction of the movable body so that the drive body can move parallel to the movement direction of the movable body. and a guide portion for supporting the該駆body on both sides, said by applying an alternating voltage at a predetermined period to the first to third piezoelectric element portion, said friction member by an ellipse driven, the movable body Is configured to be movable.
また、好ましくは、前記駆動体の前記第3の圧電素子部が形成された側面とは反対側に、前記ガイド部が設けられたことを特徴とする。 Also preferably, said said third side piezoelectric element portion is formed in the drive member on the opposite side, wherein the guide portion is provided.
さらに、好ましくは、前記ガイド部は、一端が固定され、他端が前記駆動体に接続された複数のヒンジが平行に配置された平行ヒンジバネであることを特徴とする。 Further preferably, the guide portion is a parallel hinge spring in which a plurality of hinges having one end fixed and the other end connected to the driving body are arranged in parallel.
また、好ましくは、前記ガイド部は、直動ころがりガイドであることを特徴とする。 Preferably, the guide portion is a linear motion rolling guide.
また、好ましくは、前記摩擦部材が、アルミナと炭化チタンを主として含有する複合材料の焼結体よりなることを特徴とする。 Further, preferably, before Symbol friction member, characterized by comprising the sintering of a composite material mainly containing alumina and titanium carbide.
また、好ましくは、前記複合材料中の炭化チタンの含有量が10〜50質量%であることを特徴とする。 Preferably, the titanium carbide content in the composite material is 10 to 50% by mass.
本発明の構成によれば、駆動体が前記可動体の移動方向に対して平行に移動できるガイド部を形成したことにより、前記圧電素子部の圧電素子の変位を損失なく駆動体へ伝達でき、これにより駆動体の運動エネルギーを損失なく可動体へ伝達することができるために
、駆動装置を良好な駆動状態とすることが可能であり、しかも高精度な位置決めを安定して実施することが可能となる。
According to the configuration of the present invention, by forming the guide portion that can move the driving body in parallel with the moving direction of the movable body, the displacement of the piezoelectric element of the piezoelectric element portion can be transmitted to the driving body without loss, As a result, the kinetic energy of the driving body can be transmitted to the movable body without loss, so that the driving device can be in a good driving state, and high-precision positioning can be stably performed. It becomes.
また、前記駆動体の第3の圧電素子部が形成された側面とは反対側に前記ガイド部が形成されることにより、前記第3の圧電素子部の振動は、第1、第2の圧電素子部の変位の影響を受けにくく、互いの圧電素子部は干渉することがないために、前記圧電素子部の圧電素子の変位をより損失なく駆動体へ伝達でき、これにより駆動体の運動エネルギーをより損失なく可動体へ伝達することができるために、駆動装置をさらに良好な駆動状態とすることが可能であり、より高精度な位置決めを安定して実施することが可能となる。 In addition, since the guide portion is formed on the side opposite to the side surface on which the third piezoelectric element portion of the driving body is formed, the vibration of the third piezoelectric element portion is caused by the first and second piezoelectric elements. Since it is not easily affected by the displacement of the element part and the piezoelectric element parts do not interfere with each other, the displacement of the piezoelectric element of the piezoelectric element part can be transmitted to the driving body without loss, and thereby the kinetic energy of the driving body Can be transmitted to the movable body without any loss, so that the drive device can be brought into a better driving state, and more accurate positioning can be stably performed.
さらに、前記ガイド部は前記駆動体と本体とを接合する平行ヒンジバネであることにより、クロスローラーガイド等の他の部品がガイド部材に用いられた場合と比較して、より小型化でき、駆動装置のコンパクト化が可能となる。さらには摺動部がないために、潤滑油の供給や部材の摩耗による部品交換等のメンテナンスが不要であり、維持費のかからない駆動装置とできる。 Furthermore, since the guide portion is a parallel hinge spring that joins the drive body and the main body, the drive portion can be further reduced in size compared to the case where other parts such as a cross roller guide are used as a guide member. Can be made compact. Further, since there is no sliding portion, maintenance such as supply of lubricating oil or replacement of parts due to wear of members is unnecessary, and a drive device that does not require maintenance costs can be obtained.
また、前記摩擦部材をアルミナと炭化チタンを主として含有する複合材料の焼結体としたことにより、摩擦駆動による摩擦部材の摩耗や脱粒を低減でき、可動体への摩擦部材の接触状態を安定させることができるとともに、摩擦駆動中に摩擦部材の当接面にアルミナや炭化チタンより摩擦係数の大きな酸化チタンを生成することが可能であり、本発明の駆動装置を高速で駆動させた場合でも、摩擦部材と可動体間の滑りが発生しにくく、ステージを高速移動させることが可能である。 In addition, since the friction member is made of a sintered body of a composite material mainly containing alumina and titanium carbide, it is possible to reduce wear and degranulation of the friction member due to friction driving, and to stabilize the contact state of the friction member to the movable body. In addition, it is possible to generate titanium oxide having a friction coefficient larger than that of alumina or titanium carbide on the contact surface of the friction member during friction driving, even when the driving device of the present invention is driven at high speed, Sliding between the friction member and the movable body hardly occurs, and the stage can be moved at a high speed.
また、前記複合材料の焼結体中の炭化チタン含有量を10〜50質量%とすることにより、摩擦部材の耐摩耗性を大幅に向上させることが可能であり、摩擦部材と可動体の摩擦駆動が長時間に及んでも摩擦部材の耐摩耗性を維持することができる。 Further, by setting the titanium carbide content in the sintered body of the composite material to 10 to 50% by mass, it is possible to greatly improve the wear resistance of the friction member, and the friction between the friction member and the movable body. The wear resistance of the friction member can be maintained even when the drive is performed for a long time.
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
図1に、超音波モータを可動体の駆動源とする本発明の駆動装置の一例を概略図として示す。 FIG. 1 shows a schematic diagram of an example of a drive device of the present invention using an ultrasonic motor as a drive source for a movable body.
図に示す本発明の一例である駆動装置10は、ベース盤11上にクロスローラーガイドの如き一対のガイド部材12を備え、これらガイド部材12によって可動体としてのステージ13を直線的に往復運動可能に案内するようになっている。 A driving device 10 as an example of the present invention shown in the figure includes a pair of guide members 12 such as cross roller guides on a base board 11, and a stage 13 as a movable body can be linearly reciprocated by these guide members 12. To guide you.
また、ステージ13はその一方の側面にガイド部材12に対して平行に取り付けた駆動力伝達部材14を、ステ―ジ13の他方の側面には、前記駆動力伝達部材14と平行にリニアスケール15をそれぞれ有しており、そのリニアスケール15と対向する位置には測定ヘッド16を設けて位置検出手段17を構成するとともに、前記駆動力伝達部材14と対向する位置には超音波モータ9を配置し、該超音波モータ9の摩擦部材5を前記駆動力伝達部材14の当接面に対して垂直に当接させてある。 Further, the stage 13 has a driving force transmission member 14 attached to one side of the stage 13 in parallel with the guide member 12, and a linear scale 15 parallel to the driving force transmission member 14 on the other side of the stage 13. The measuring head 16 is provided at a position facing the linear scale 15 to form the position detecting means 17, and the ultrasonic motor 9 is disposed at a position facing the driving force transmitting member 14. The friction member 5 of the ultrasonic motor 9 is brought into contact with the contact surface of the driving force transmission member 14 perpendicularly.
なお、図中、18は位置検出手段17より得られた位置情報を基にステージ13の駆動条件を制御する制御部、19は上記制御部18から出力された信号を基に超音波モータ9を駆動させるための駆動電圧を出力するドライバである。 In the figure, 18 is a control unit for controlling the driving conditions of the stage 13 based on the position information obtained from the position detection means 17, and 19 is the ultrasonic motor 9 based on the signal output from the control unit 18. It is a driver that outputs a driving voltage for driving.
次に図2に、図1の本発明の駆動装置に設置される超音波モータ9の一例を示す。図2(a)は平面模式図であり、(b)は(a)をA方向から見たときの模式図である。 Next, FIG. 2 shows an example of the ultrasonic motor 9 installed in the driving apparatus of the present invention shown in FIG. 2A is a schematic plan view, and FIG. 2B is a schematic view when (a) is viewed from the A direction.
図2に示すように、本発明の駆動装置10に用いられる超音波モータ9は、本体1に固定部2を介して一端を固定された第1の圧電素子部3aと、第2の圧電素子部3bとにより挟持される駆動体8と、該駆動体8に一端を接続され他端に摩擦補助部材6を介して摩擦部材5を有した第3の圧電素子部4、それに該駆動体8と固定部2の間に設けられたガイド部7から構成されている。そして、図2(b)に示すように前記駆動体8は本体1より隙間をあけて設置されており、前記圧電素子部を駆動させることにより、駆動体8が振動するようになっている。 As shown in FIG. 2, the ultrasonic motor 9 used in the driving apparatus 10 of the present invention includes a first piezoelectric element portion 3a having one end fixed to the main body 1 via a fixing portion 2, and a second piezoelectric element. A drive body 8 sandwiched between the portions 3b, a third piezoelectric element portion 4 having one end connected to the drive body 8 and the other end having a friction member 5 via a friction auxiliary member 6, and the drive body 8 And the guide part 7 provided between the fixed part 2. As shown in FIG. 2B, the driving body 8 is installed with a gap from the main body 1, and the driving body 8 vibrates by driving the piezoelectric element portion.
ここで、前記摩擦部材5は、図1に示したステージ13の駆動力伝達部材14との摺動に対する耐摩耗性が必要であることから、アルミナやジルコニア、或いは単結晶アルミナ、アルミナと炭化チタンの複合材料であるアルティック等により形成してある。 Here, since the friction member 5 needs to have wear resistance against sliding with the driving force transmission member 14 of the stage 13 shown in FIG. 1, alumina, zirconia, or single crystal alumina, alumina and titanium carbide. The composite material is made of Altic or the like.
特に、摩擦部材5の材質としては、前記アルミナと炭化チタンの複合材料とすることが好ましい。この複合材料は、高硬度、高融点を有するアルミナ(ビッカース硬度(HV):18GPa、融点:2100℃)と、アルミナよりさらに高硬度、高融点で、かつ高靭性を有する炭化チタン(ビッカース硬度(HV):28GPa、融点:3200℃、破壊靭性値:6MPam1/2)を含有する複合材料により形成したことから、前記可動体であるステージ13の駆動力伝達部材14との摩擦駆動において、摩擦部材5の当接面が摩耗し難く、また脱粒や割れを生じ難いため、駆動力伝達部材14の摩耗も低減することができ、自他共に摩耗を抑え、長期間にわたって接触状態を常に安定させることができる。 In particular, the friction member 5 is preferably made of a composite material of alumina and titanium carbide. This composite material is composed of alumina having high hardness and high melting point (Vickers hardness (H V ): 18 GPa, melting point: 2100 ° C.), and titanium carbide having higher hardness, higher melting point and higher toughness than alumina (Vickers hardness). (H V ): 28 GPa, melting point: 3200 ° C., fracture toughness value: 6 MPam 1/2 ), the friction drive with the driving force transmission member 14 of the stage 13 that is the movable body. Since the contact surface of the friction member 5 is not easily worn, and it is difficult for the grains to be shattered or cracked, the wear of the driving force transmission member 14 can be reduced. It can be stabilized.
しかも、前記摩擦部材5を形成するアルミナと炭化チタンの複合材料は、駆動力伝達部材14と高速で摺動させると、摩擦熱によって炭化チタンが大気中の酸素と反応するケモメカニカル反応が起こり、アルミナや炭化チタンより摩擦係数の大きい酸化チタンを摩擦部材5の当接面に生成することができるため、超音波モータ9を高速で駆動させたとしても、摩擦部材5と駆動力伝達部材14との間で滑りをほとんど生じることなく、ステージ13を高速移動させることができる。 Moreover, when the alumina and titanium carbide composite material forming the friction member 5 is slid at a high speed with the driving force transmission member 14, a chemomechanical reaction occurs in which titanium carbide reacts with oxygen in the atmosphere by frictional heat, Since titanium oxide having a friction coefficient larger than that of alumina or titanium carbide can be generated on the contact surface of the friction member 5, even if the ultrasonic motor 9 is driven at high speed, the friction member 5 and the driving force transmission member 14 The stage 13 can be moved at high speed with almost no slippage between the two.
ところで、前記摩擦部材5を形成するアルミナと炭化チタンの複合材料中における炭化チタンの含有量は10〜50質量%とすることが好ましい。なぜなら、炭化チタンの含有量が10質量%未満であると、アルミナ焼結体の硬度、強度、靭性等の機械的特性を向上させる効果が小さく、また超音波モータ9を高速駆動させた時の滑りを防止する効果が小さいからであり、逆に炭化チタンの含有量が50質量%を越えると、高温に曝された場合に硬度が低下する傾向を示す炭化チタンの含有量が多くなりすぎるため、駆動力伝達部材14との摩擦駆動が長時間に及んだ場合、摩擦部材5の摩耗が進行してしまうからである。 By the way, the content of titanium carbide in the composite material of alumina and titanium carbide forming the friction member 5 is preferably 10 to 50% by mass. This is because when the content of titanium carbide is less than 10% by mass, the effect of improving the mechanical properties such as hardness, strength and toughness of the alumina sintered body is small, and when the ultrasonic motor 9 is driven at high speed. This is because the effect of preventing slipping is small. Conversely, when the content of titanium carbide exceeds 50% by mass, the content of titanium carbide that tends to decrease the hardness when exposed to high temperatures becomes excessive. This is because, when the friction drive with the driving force transmission member 14 takes a long time, the friction member 5 wears.
また、上記アルミナと炭化チタンの複合材料中にはアルミナと炭化チタン以外に焼結助剤等の助剤成分として、Mg、Zr、Si、Y等の酸化物を含有させてあるが、Mg、Zr、Si、Y等は常磁性金属であるため、この酸化物の含有量が多くなりすぎると、前記複合材料が磁性を示すようになり、常磁性金属酸化物の含有量が7質量%を超えると、複合材料の最大磁束密度が0.05μTを超え、磁性体を嫌う用途、例えば電子ビーム露光装置等の駆動装置には用いることができなくなる。そのため、助剤成分として含有させる常磁性金属酸化物の含有量が0.1質量%未満となると、焼結体を得ることが難しくなる。 Moreover, in the composite material of alumina and titanium carbide, oxides such as Mg, Zr, Si, and Y are added as auxiliary components such as sintering aids in addition to alumina and titanium carbide. Since Zr, Si, Y, etc. are paramagnetic metals, if the content of this oxide is excessive, the composite material becomes magnetic, and the content of paramagnetic metal oxide is 7% by mass. If it exceeds, the maximum magnetic flux density of the composite material exceeds 0.05 μT, and it cannot be used for an application that dislikes a magnetic material, for example, a driving device such as an electron beam exposure apparatus. Therefore, when the content of the paramagnetic metal oxide to be contained as an auxiliary component is less than 0.1% by mass, it becomes difficult to obtain a sintered body.
よって、助剤成分として含有させる常磁性金属酸化物の含有量は0.1〜7質量%とすればよく、この範囲で含有すれば、最大磁束密度を0.05μT以下とし、かつ硬度を高めることができる。 Therefore, the content of the paramagnetic metal oxide contained as an auxiliary component may be 0.1 to 7% by mass, and if contained within this range, the maximum magnetic flux density is 0.05 μT or less and the hardness is increased. be able to.
そして残部は主としてアルミナと炭化チタンからなるのであるが、アルミナ、炭化チタン、焼結助剤へは、常磁性金属酸化物等に含まれるような不可避不純物であれば微量混入していても構わない。 The balance is mainly composed of alumina and titanium carbide, but the alumina, titanium carbide, and sintering aid may be mixed in trace amounts as long as they are inevitable impurities such as those contained in paramagnetic metal oxides. .
また、前記複合材料の焼結体中のアルミナ結晶及び炭化チタン結晶の各最大粒径はそれぞれ4μm以下とするとともに、複合材料の焼結体の最大気孔径を2μm以下とすることが好ましい。 The maximum particle diameters of the alumina crystal and the titanium carbide crystal in the sintered body of the composite material are preferably 4 μm or less, and the maximum pore diameter of the sintered body of the composite material is preferably 2 μm or less.
ここで、アルミナ結晶及び炭化チタン結晶の各最大粒径をそれぞれ4μm以下としたのは、各結晶粒子の最大粒径が4μmを超えると、脱粒や割れが発生した場合、摩擦部材5の当接面には大きな凹部が形成されることとなり、駆動力伝達部材14を傷つけ易くなるとともに、摩擦部材5の摩耗が激しくなるからであり、また複合材料の焼結体の最大気孔径を2μmとしたのは、最大気孔径が2μmを超えると、脱粒や割れが生じ易くなるためである。 Here, the maximum particle diameter of each of the alumina crystal and the titanium carbide crystal is set to 4 μm or less. If the maximum particle diameter of each crystal particle exceeds 4 μm, the contact of the friction member 5 occurs when degranulation or cracking occurs. This is because a large concave portion is formed on the surface, the driving force transmission member 14 is easily damaged, and the friction member 5 is abraded, and the maximum pore size of the composite material sintered body is set to 2 μm. This is because if the maximum pore diameter exceeds 2 μm, degranulation and cracking are likely to occur.
また、摩擦部材5の駆動力伝達部材14との当接面における表面粗さが粗いと、初期のなじみ課程において、相手部材である駆動力伝達部材14にスクラッチ傷等を発生させ、摩耗が急激に進むとともに、摩擦部材5の当接面が激しく摩耗することになる。このため、摩擦部材5の当接面は算術平均粗さ(Ra)で0.2μm以下としておくことが好ましい。 In addition, if the surface roughness of the contact surface of the friction member 5 with the driving force transmission member 14 is rough, the driving force transmission member 14 that is the mating member may be scratched in the initial familiarization process, and the wear may be abrupt. As a result, the contact surface of the friction member 5 will be severely worn. For this reason, it is preferable that the contact surface of the friction member 5 be 0.2 μm or less in terms of arithmetic average roughness (Ra).
ところで、上述したようなアルミナと炭化チタンを主として含有する複合材料の焼結体を得るには、粒径0.3〜1.5μmであるアルミナ粉末を32〜91質量%、粒径0.3〜1.5μmである炭化チタン粉末を9〜68質量%、焼結助剤であるMg、Zr、Si、Y等の常磁性金属からなる酸化物を合計で0.1〜7質量%の範囲で添加した混合粉体のスラリーを作製し、一軸加圧成型法、等圧成形法、射出成形法等の周知のセラミック成形法により所定形状に成形した後、真空雰囲気中1600〜1750℃の温度で焼成することにより得ることができる。また、焼成時に20〜40MPa程の圧力で加圧することにより、アルミナ結晶や炭化チタン結晶の最大粒径をそれぞれ4μm以下、複合材料の焼結体の最大気孔径を2μm以下とすることができる。 By the way, in order to obtain a sintered body of a composite material mainly containing alumina and titanium carbide as described above, 32 to 91% by mass of alumina powder having a particle size of 0.3 to 1.5 μm and a particle size of 0.3 9 to 68% by mass of titanium carbide powder having a thickness of 1.5 μm and 0.1 to 7% by mass in total of oxides made of paramagnetic metals such as Mg, Zr, Si and Y as sintering aids After preparing a slurry of the mixed powder added in step 1 and forming it into a predetermined shape by a known ceramic forming method such as a uniaxial pressure forming method, an isostatic forming method, an injection forming method, etc., a temperature of 1600 to 1750 ° C. in a vacuum atmosphere It can obtain by baking with. Moreover, by pressurizing at a pressure of about 20 to 40 MPa during firing, the maximum particle diameter of the alumina crystal and the titanium carbide crystal can be 4 μm or less, and the maximum pore diameter of the composite sintered body can be 2 μm or less.
そしてこのような条件にて得られたアルミナと炭化チタンを主として含有する複合材料の焼結体を本発明の超音波モータ9の摩擦部材5として用いれば、ステージ13の駆動力伝達部材14との摩擦駆動において、摩擦部材の摩耗が少ないだけでなく、相手部材である駆動力伝達部材14の摩耗も抑え、かつスクラッチ傷等の発生を低減できるため、駆動装置を長期間にわたり駆動させることができるとともに、摩擦部材5と駆動力伝達部材14との間に脱粒粉が介在することを低減できるため、摩擦部材5と駆動力伝達部材14の接触状態を安定させることができる。 If the sintered body of the composite material mainly containing alumina and titanium carbide obtained under such conditions is used as the friction member 5 of the ultrasonic motor 9 of the present invention, the drive force transmission member 14 of the stage 13 In the friction drive, not only the wear of the friction member is small, but also the wear of the driving force transmission member 14 which is the counterpart member can be suppressed and the occurrence of scratches can be reduced, so that the drive device can be driven for a long period of time. At the same time, since it is possible to reduce the presence of the pulverized powder between the friction member 5 and the driving force transmission member 14, the contact state between the friction member 5 and the driving force transmission member 14 can be stabilized.
また、前記第1、第2の圧電素子部3a、3bは、一端を駆動体8の左右に対称に接続し、他端を固定部2に接続した圧電素子からなり、前記駆動体8に振動を加えることが可能である。この場合、2つの圧電素子部に電圧を印加したときに伸びと縮みは逆となるように設置する。こうすることにより、駆動体8を振動させることができる。 The first and second piezoelectric element portions 3a and 3b are composed of piezoelectric elements having one end symmetrically connected to the left and right of the drive body 8 and the other end connected to the fixed portion 2, and vibrate to the drive body 8. Can be added. In this case, it is installed so that the expansion and contraction are reversed when a voltage is applied to the two piezoelectric element portions. By doing so, the driving body 8 can be vibrated.
なお、前記圧電素子は、例えば図3に示すような構造とできる。図3(a)は圧電素子の構造を示し、(b)は圧電素子40の超音波モータ9への取り付け構造を示している。図3(a)のように、圧電素子40はドーナツ型をしており、厚さ0.5〜3mm程度で、厚み方向に分極された圧電セラミックス体41の表面に電極膜42が形成されている。そして、この圧電素子数枚を図3(b)に示すように、前記固定部2と駆動体8間に金属
製のスペ−サー43を介して、固定ネジ44により取り付けることにより、第1、第2の圧電素子部が形成される。
The piezoelectric element can have a structure as shown in FIG. 3, for example. FIG. 3A shows the structure of the piezoelectric element, and FIG. 3B shows the structure for attaching the piezoelectric element 40 to the ultrasonic motor 9. As shown in FIG. 3A, the piezoelectric element 40 has a donut shape, and an electrode film 42 is formed on the surface of a piezoelectric ceramic body 41 having a thickness of about 0.5 to 3 mm and polarized in the thickness direction. Yes. Then, as shown in FIG. 3B, a plurality of piezoelectric elements are attached by a fixing screw 44 via a metal spacer 43 between the fixing portion 2 and the driving body 8, thereby the first, A second piezoelectric element portion is formed.
また、前記第3の圧電素子部4は、第1、第2の圧電素子部3と同様の圧電素子より構成されており、一端に摩擦補助部材6を介して摩擦部材5が取り付けられ、他端を駆動体8に固定されている。前記摩擦部材5の固定方法としては、接着剤を用いて接着する方法等がある。 The third piezoelectric element portion 4 is composed of a piezoelectric element similar to the first and second piezoelectric element portions 3, and a friction member 5 is attached to one end via a friction auxiliary member 6. The end is fixed to the driving body 8. As a method of fixing the friction member 5, there is a method of bonding using an adhesive.
そして、前記第1と第2および第3の圧電素子部3a、3b、4により駆動体8を振動させ、この駆動体8の運動エネルギーを、摩擦部材5を通して可動体であるステージ13に設置された駆動力伝達部材14へ楕円運動という形で伝達してステージ13を駆動させるが、このとき、第1、第2および第3の圧電素子部の圧電素子の変位に対し、駆動体8が既に従来技術の課題にて説明したように、図7に示した駆動を行う場合があり問題となる。 Then, the driving body 8 is vibrated by the first, second and third piezoelectric element portions 3 a, 3 b, 4, and the kinetic energy of the driving body 8 is installed on the stage 13 which is a movable body through the friction member 5. The stage 13 is driven by transmitting it to the driving force transmitting member 14 in the form of elliptical motion. At this time, the driving body 8 has already been moved against the displacement of the piezoelectric elements of the first, second and third piezoelectric element portions. As described in the problem of the prior art, the drive shown in FIG.
そこで本発明では、その一端を駆動体8に接続され、他端を固定部2に接続された、前記第1、第2、第3の圧電素子部の振動方向以外への変位を抑制することが可能なガイド部7を、各圧電素子部の振動方向への変位を妨げることがない形で設置する。図2(a)では、その一例にガイド部7として平行ヒンジを取り付けた構造を示している。この平行ヒンジを駆動体8の第3の圧電素子部が形成された側面とは反対側に設けることにより、図2(c)に平行ヒンジの動きを拡大した形で矢印で示すように、圧電素子部の振動方向にあわせて駆動体8を良好に振動させることができ、圧電素子部の振動方向以外へ駆動体8が振動することを抑制できる。従って、摩擦部材5を通して可動体であるステージ13の駆動力伝達部材14へ、各圧電素子部の振動を合成し楕円駆動という形で安定して伝達することが可能である。 Therefore, in the present invention, the displacement of the first, second, and third piezoelectric element portions whose one end is connected to the driving body 8 and the other end is connected to the fixed portion 2 is suppressed in directions other than the vibration direction. The guide portion 7 that can perform the above-mentioned is installed in a form that does not hinder the displacement of each piezoelectric element portion in the vibration direction. FIG. 2A shows a structure in which a parallel hinge is attached as the guide portion 7 as an example. By providing this parallel hinge on the side opposite to the side surface on which the third piezoelectric element portion of the driving body 8 is formed, as shown by an arrow in FIG. The drive body 8 can be vibrated satisfactorily according to the vibration direction of the element portion, and the drive body 8 can be prevented from vibrating in directions other than the vibration direction of the piezoelectric element portion. Therefore, it is possible to stably transmit the vibrations of the piezoelectric element portions through the friction member 5 to the driving force transmission member 14 of the stage 13 which is a movable body in the form of elliptical driving.
ここで、前記ガイド部7として平行ヒンジを設置することを一例に示したが、その他にクロスローラーガイドやLMガイド(THK(株)の商標として知られている)等の直動ころがりガイドもガイド部7として適用可能である。しかしながら、クロスローラーガイドやLMガイド等の直動ころがりガイドには平行ヒンジと違って摺動する部分が存在し、その摩耗による部材の劣化により、定期的にガイド部を交換する等のメンテナンスが必要であり、コスト面を考慮した場合、平行ヒンジを用いるのが好適である。 Here, it is shown as an example that a parallel hinge is installed as the guide portion 7, but linear motion rolling guides such as a cross roller guide and an LM guide (known as a trademark of THK Co., Ltd.) are also guided. Applicable as part 7. However, linear motion rolling guides such as cross roller guides and LM guides have sliding parts unlike parallel hinges, and maintenance such as periodic replacement of guide parts is required due to deterioration of members due to wear. In view of cost, it is preferable to use a parallel hinge.
なお、前記図2の(c)に示した平行ヒンジの振動による振幅角度は、実際には極めて小さく、平行ヒンジの長さが5〜10mmで、振幅が10μm前後である場合には、0.005deg程度である。 The amplitude angle due to the vibration of the parallel hinge shown in FIG. 2 (c) is actually very small. When the length of the parallel hinge is 5 to 10 mm and the amplitude is around 10 μm, the amplitude angle is 0. It is about 005 deg.
また、前記第3の圧電素子部4は、その一端面が第1、第2の圧電素子部3a、3bの最大変位位置に固定され、他端面を駆動体8に接続・保持するのがより好適であり、そうでない場合には、両圧電素子部の変位量を最大限に生かして駆動体8を振動させることができないために、振動により生み出される運動エネルギーが小さく、超音波モータとしての駆動特性が低下する。 The third piezoelectric element portion 4 has one end surface fixed at the maximum displacement position of the first and second piezoelectric element portions 3a and 3b, and the other end surface connected and held to the driving body 8 more. Otherwise, the drive body 8 cannot be vibrated by making the most of the amount of displacement of both piezoelectric element portions. Therefore, the kinetic energy produced by the vibration is small, and driving as an ultrasonic motor is possible. Characteristics are degraded.
さらに、前記第1、第2の圧電素子部3a、3bは、振動方向については同方向に振動するといえる。このため、上述のように必ずしも2つの圧電素子を有する必要はなく、例えば図4(a)、(b)に示すような構造としても良い。 Furthermore, it can be said that the first and second piezoelectric element portions 3a and 3b vibrate in the same direction with respect to the vibration direction. For this reason, it is not always necessary to have two piezoelectric elements as described above. For example, a structure as shown in FIGS. 4A and 4B may be used.
即ち、図4に示すように、本体1内に、可動体と主に異なる2方向の振動を発生する振動部3、4と、該振動部の異なる2方向の振動の合成により所定の振動軌跡を発生するとともに、前記可動体に摺接する摩擦部材5を有する駆動体8とを配置し、前記駆動体8に
より可動体を駆動させる構造とし、これに、少なくともいずれかの振動部にその振動方向と異なる方向の変位を抑制するガイド部7を有することを特徴とする構造である。このような、2方向の振動があれば、これを合成することにより楕円等の振動軌跡を摩擦部材5に描かせることができ、該摩擦部材5と摺接する可動体を駆動させることが可能である。更にこの2方向以外に振動しようとする変位を抑制するためにガイド部を設置することにより、該2方向の振動を損失なく合成でき、安定した振動軌跡を発生させることが可能で、このような構造を有する超音波モータ9を搭載した駆動装置においては、より高い位置決め精度が得られる。
That is, as shown in FIG. 4, a predetermined vibration trajectory is obtained by synthesizing vibration parts 3 and 4 that generate vibrations in two directions mainly different from the movable body and vibrations in two directions different from each other in the main body 1. And a driving body 8 having a friction member 5 that is in sliding contact with the movable body, and the movable body is driven by the driving body 8, and at least one of the vibrating portions has a vibration direction thereof. And a guide portion 7 that suppresses displacement in a different direction. If there is such vibration in two directions, a vibration trajectory such as an ellipse can be drawn on the friction member 5 by synthesizing the vibrations, and the movable body that is in sliding contact with the friction member 5 can be driven. is there. Furthermore, by installing a guide portion to suppress the displacement that tries to vibrate in directions other than the two directions, the vibrations in the two directions can be synthesized without loss, and a stable vibration trajectory can be generated. In the driving device equipped with the ultrasonic motor 9 having the structure, higher positioning accuracy can be obtained.
図4(a)は、1つの圧電素子からなり一端を駆動体8に他端を本体1に固定された固定部2に接続した第1振動部3と、前記第1振動部3の振動方向に対し直角方向に設置され、駆動体8と固定部2に両端を接続された第2振動部4と、第2振動部4と平行に駆動体8と固定部2間に配置されたLMガイドまたはクロスローラーガイド等の直動ころがりガイドからなるガイド部7により構成される。前記LMガイドまたはクロスローラーガイド等の直動ころがりガイドの一方の可動部は本体1に固定され、他方の可動部は固定部2と駆動体8に接続されており、これにより振動部の振動方向以外への変位を抑制し、さらには駆動体8を所定位置に安定して支持・固定できるようになっている。 FIG. 4A shows a first vibrating part 3 which is composed of one piezoelectric element, one end connected to the driving body 8 and the other end fixed to the fixing part 2 fixed to the main body 1, and the vibration direction of the first vibrating part 3. A second vibrating part 4 installed at a right angle to the driving body 8 and the fixed part 2 at both ends, and an LM guide disposed between the driving body 8 and the fixing part 2 in parallel with the second vibrating part 4 Or it is comprised by the guide part 7 which consists of linear motion rolling guides, such as a cross roller guide. One movable part of the linear motion rolling guide such as the LM guide or the cross roller guide is fixed to the main body 1, and the other movable part is connected to the fixed part 2 and the driving body 8, thereby the vibration direction of the vibration part. It is possible to suppress displacement to other than the above, and to stably support and fix the driving body 8 at a predetermined position.
ここで、前記第1振動部3、第2振動部4は、その一端を本体に、他端を駆動体8に接続してあり、各振動部は既に上述したドーナツ型の厚さ方向に分極された圧電素子を金属製のスペーサーを介して固定部2にネジ止めする構造としている。 Here, the first vibrating part 3 and the second vibrating part 4 have one end connected to the main body and the other end connected to the driving body 8, and each vibrating part is polarized in the thickness direction of the donut shape already described above. The piezoelectric element thus formed is screwed to the fixing portion 2 via a metal spacer.
また、前記振動部3、4はそのどちらか一方の振動部は、本体1に対して少なくとも一方端が固定され、他方の振動部は前記振動部の最大変位位置に一方端が固定された構造とすることが好ましい。このような構造であれば、振動部の変位を最大限に活用することが可能となり、振動部の一端が接続された駆動体8へより大きな振動を与えることができる。 The vibrating parts 3 and 4 have a structure in which one of the vibrating parts is fixed at least at one end with respect to the main body 1 and the other vibrating part is fixed at one end at the maximum displacement position of the vibrating part. It is preferable that With such a structure, it is possible to make maximum use of the displacement of the vibration part, and it is possible to apply a greater vibration to the driving body 8 to which one end of the vibration part is connected.
また、図4(b)は、第1、第2振動部3、4を配置し、それぞれの振動部と平行な位置にクロスローラーガイドまたはLMガイド等の直動ころがりガイドからなるガイド部7を設けた構造となっている。この例からも分かるように、振動部は必ずしもステージ13の移動方向と平行または垂直方向に設置する必要はなく、図4(b)のように駆動体8に振動を伝達し、その振動により摩擦部材5に所定の振動軌跡を描かせることができれば、どのような設置方向としても良い。 In FIG. 4B, the first and second vibrating portions 3 and 4 are arranged, and a guide portion 7 composed of a linear motion rolling guide such as a cross roller guide or an LM guide is provided at a position parallel to each vibrating portion. It has a provided structure. As can be seen from this example, the vibration part does not necessarily need to be installed in a direction parallel to or perpendicular to the moving direction of the stage 13, and transmits vibration to the driving body 8 as shown in FIG. As long as a predetermined vibration trajectory can be drawn on the member 5, any installation direction may be used.
また、本発明では可動体と、主に異なる2方向の振動を発生する2つの振動部と、該振動部の異なる2方向への振動の合成により所定の振動軌跡を発生すると共に、前記可動体に摺接する摩擦部材を有する駆動体とを配置し、前記駆動体により可動体を駆動させる駆動装置において、少なくとも、いずれかの前記振動部にその振動方向と異なる方向の変位を抑制するガイド部を有する構造としたことにより、前記振動部の異なる2方向への振動をより少ない損失で合成し、駆動体と該駆動体の摩擦部材へ伝達することが可能であるとともに、摩擦部材によって安定した振動軌跡を描くことが可能であり、本発明の駆動装置において更により高精度な位置決めを行うことができる。In the present invention, the movable body, two vibration portions that mainly generate vibrations in two different directions, and a predetermined vibration locus are generated by combining the vibration portions in two different directions, and the movable body A driving body having a friction member that is in sliding contact with the driving body, and driving the movable body by the driving body, wherein at least one of the vibrating portions includes a guide portion that suppresses displacement in a direction different from the vibration direction. By having the structure, it is possible to synthesize vibrations in two different directions of the vibration part with less loss and transmit them to the drive body and the friction member of the drive body, and also stable vibration by the friction member It is possible to draw a trajectory, and it is possible to perform positioning with higher accuracy in the driving device of the present invention.
また、前記各振動部の一方端は前記本体に対して固定され、他方端は前記駆動体に対して固定されているために、振動部の振動を少ない損失で駆動体へ伝達することが可能となるばかりでなく、駆動体を振動部のみで支持し、確実に固定することが可能である。 In addition, since one end of each vibration part is fixed to the main body and the other end is fixed to the drive body, vibration of the vibration part can be transmitted to the drive body with little loss. In addition, the driving body can be supported only by the vibrating portion and securely fixed.
また、前記2つの振動部のうち、一方の振動部は、前記本体に対して少なくとも一方端が固定された第1の振動部で構成され、他方の振動部は前記第1の振動部の最大変位位置 Further, of the two vibrating parts, one vibrating part is constituted by a first vibrating part fixed at least one end to the main body, and the other vibrating part is the maximum of the first vibrating part. Displacement position
に一方端が固定された第2の振動部で構成されていることにより、前記第1と第2の振動部が互いに干渉しあうことがなく、該振動部の振動をより少ない損失で合成することが可能となる。The first and second vibrating parts do not interfere with each other, and the vibrations of the vibrating parts are synthesized with less loss. It becomes possible.
また、前記平行ヒンジバネが、前記各振動部と同一部材に固定されていることにより、振動部の振動方向を平行ヒンジバネのバネの収縮方向と同方向とできるため、振動部の振動方向以外へのずれを少なくすることが可能で、振動部の振動をさらにより少ない損失で駆動体へ伝達させることが可能となる。 In addition, since the parallel hinge spring is fixed to the same member as each vibration part, the vibration direction of the vibration part can be the same direction as the contraction direction of the spring of the parallel hinge spring. The deviation can be reduced, and the vibration of the vibration part can be transmitted to the drive body with even less loss.
また更には、既に上述した図2における構造においても、圧電素子部1または2のどちらか一つを有した構造とすれば、摩擦部材5へ所定の振動軌跡を描かせることは可能である。このとき、圧電素子部1または2と圧電素子部3は、そのどちらかの最大変位位置に一方端が固定されているかを考慮する必要がある。 Furthermore, even in the structure shown in FIG. 2 described above, it is possible to cause the friction member 5 to draw a predetermined vibration locus if the structure has either one of the piezoelectric element portions 1 or 2. At this time, it is necessary to consider whether one end of the piezoelectric element portion 1 or 2 and the piezoelectric element portion 3 is fixed at one of the maximum displacement positions.
いずれにせよ、本発明の駆動装置に用いられる超音波モータの構造は、図2および図4に示した構造に限定されることはなく、また圧電素子部に設置する圧電素子の数に制約されず、これらに類似するような、ガイド部7を有する構造であれば、駆動装置に用いる超音波モータとしてどのような構造とすることも可能である。 In any case, the structure of the ultrasonic motor used in the drive device of the present invention is not limited to the structure shown in FIGS. 2 and 4, and is limited by the number of piezoelectric elements installed in the piezoelectric element section. As long as it has a structure having the guide portion 7 similar to these, any structure can be used as the ultrasonic motor used in the driving device.
次に本発明の駆動装置の駆動状態について、図1にて説明する。 Next, the driving state of the driving device of the present invention will be described with reference to FIG.
まず、ドライバ19より指令信号を出力して超音波モータ9の摩擦部材5を楕円運動させると、駆動力伝達部材14との摩擦駆動によってステージ13をガイド部材12に沿って移動させることができ、ステージ13の移動に伴う位置検出手段17からの位置情報と、予め設定してあるステージ13の基準位置情報との偏差に応じて変化するパラメータを基に制御部18にて例えばPID演算処理を行ってドライバ19に超音波モータ9への指令信号を出力するフィードバック制御を行うことにより、ステージ13を所定の条件で移動させる。 First, when a command signal is output from the driver 19 and the friction member 5 of the ultrasonic motor 9 is elliptically moved, the stage 13 can be moved along the guide member 12 by friction drive with the driving force transmission member 14. The controller 18 performs, for example, a PID calculation process based on a parameter that changes in accordance with the deviation between the position information from the position detection means 17 accompanying the movement of the stage 13 and the preset reference position information of the stage 13. Thus, the stage 13 is moved under a predetermined condition by performing feedback control for outputting a command signal to the ultrasonic motor 9 to the driver 19.
このとき、本発明の駆動装置によれば、従来の超音波モータのように、弾性体を用いた構造としていないために、ステージ13を位置決めのために停止しようとした際に弾性力による反動により、高精度に位置決めができないといった不具合がなく、更には超音波モータ内の運動エネルギーをステージ13の駆動力伝達部材14へ伝達する駆動体の動きが安定しており、さらには損失もないため、可動中における精度が1μm以下、位置決め精度が0.1μm以下といった高精度が要求されるような場合でも、より安定して高精度に移動、位置決め可能な駆動装置とすることが可能となる。 At this time, according to the drive device of the present invention, unlike the conventional ultrasonic motor, since the structure using the elastic body is not used, when the stage 13 is stopped for positioning, it is caused by the reaction caused by the elastic force. Since there is no inconvenience that the positioning cannot be performed with high accuracy, and the movement of the driving body that transmits the kinetic energy in the ultrasonic motor to the driving force transmission member 14 of the stage 13 is stable, and there is no loss. Even when high accuracy is required such that the accuracy during movement is 1 μm or less and the positioning accuracy is 0.1 μm or less, it is possible to provide a drive device that can move and position more stably and with high accuracy.
そして、前述のような本発明の駆動装置は、半導体、液晶製造装置用として、その製造工程へ導入された場合、長期間にわたって高精度な駆動を維持することが可能であり、半導体、液晶製造装置用の駆動装置としては最適といえる。 The driving device of the present invention as described above can maintain high-precision driving for a long period of time when introduced into a manufacturing process for a semiconductor or liquid crystal manufacturing apparatus. It can be said that it is optimal as a driving device for the apparatus.
また、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、種々改良や変更したものにも適用できることはいう迄もない。 Needless to say, the present invention can be applied to various improvements and modifications as long as they do not depart from the gist of the present invention.
以下、本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.
本発明の図2に示す超音波モータを搭載した駆動装置と、従来の弾性体を用いた超音波モータを搭載した駆動装置、それに図7に示す構造の超音波モータを搭載した駆動装置を準備して、その駆動時の位置決め精度について比較する試験を実施した。 A drive device equipped with the ultrasonic motor shown in FIG. 2 of the present invention, a drive device equipped with a conventional ultrasonic motor using an elastic body, and a drive device equipped with an ultrasonic motor having the structure shown in FIG. 7 are prepared. Then, a test for comparing the positioning accuracy during the driving was performed.
試験に用いた駆動装置については、駆動装置を構成するガイド部材12には、ストロークが100mmのクロスローラーガイドを用い、前記ガイド部材12によって、5kgの重さを有するステージ2を移動させるようにした。また、ステージ2の一方の側面にはアルミナセラミック製の駆動力伝達部材を配置し、超音波モータ40との当接面の表面粗さを算術平均粗さ(Ra)で0.05μmとした。 As for the driving device used in the test, a cross roller guide having a stroke of 100 mm was used for the guide member 12 constituting the driving device, and the stage 2 having a weight of 5 kg was moved by the guide member 12. . A driving force transmission member made of alumina ceramic was disposed on one side surface of the stage 2, and the surface roughness of the contact surface with the ultrasonic motor 40 was set to 0.05 μm in arithmetic mean roughness (Ra).
一方、ステージ2の駆動源である超音波モータについては、用いる圧電素子を、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミック体とし、摩擦部材に長さ4.2mm、直径3mmの円柱状をしたアルミナセラミック製のものを、各駆動装置の超音波モータに共通に用いた。なお、摩擦部材の駆動力伝達部材との当接面は、曲率半径が7mmの球面とした。 On the other hand, for the ultrasonic motor that is the drive source of the stage 2, the piezoelectric element used is a lead zirconate titanate-based piezoelectric ceramic body, and the friction member is a 4.2 mm long and 3 mm diameter alumina ceramic ceramic. The product made in common was used for the ultrasonic motor of each drive device. The contact surface of the friction member with the driving force transmission member was a spherical surface with a radius of curvature of 7 mm.
実験にあたっては、制御部9に予め設定しておくステージ2の移動プロファイルとして、移動距離100mm、加減速度0.03G、最高速度100mm/secに設定した台形制御とし、超音波モータを40kHzの駆動周波数で30時間の駆動をさせるようにした。 In the experiment, as the movement profile of the stage 2 set in advance in the control unit 9, the trapezoidal control is set such that the movement distance is 100 mm, the acceleration / deceleration is 0.03 G, and the maximum speed is 100 mm / sec, and the ultrasonic motor is driven at a driving frequency of 40 kHz. It was made to drive for 30 hours.
試験の結果、従来の弾性体を用いた超音波モータを搭載した駆動装置については、駆動時の位置決め精度が0.1μmであった。 As a result of the test, the positioning accuracy at the time of driving was 0.1 μm for the driving device equipped with the conventional ultrasonic motor using the elastic body.
また、図6に示した従来構造の超音波モータを搭載した駆動装置においては、同じく0.1μmの位置決め精度であったが、精度バラツキが多く、更には超音波モータの駆動状態が悪いために、20時間後に停止してしまった。 Further, in the driving apparatus equipped with the ultrasonic motor having the conventional structure shown in FIG. 6, the positioning accuracy is also 0.1 μm, but there are many variations in accuracy and the driving state of the ultrasonic motor is poor. , Stopped after 20 hours.
これと比較して、本発明の駆動装置においては、位置決め精度が0.05μmと極めて高精度の位置決めが可能であり、更にはそのバラツキも少なく、他と比較して極めて良好な駆動を行うことができた。 Compared with this, the drive device of the present invention can perform positioning with an extremely high accuracy of 0.05 μm, and further, there is little variation, and an extremely good drive is performed compared to other devices. I was able to.
次に実施例1で用いた本発明の図2に示す駆動装置10において、その超音波モータ20の摩擦部材5としてアルミナ製のものとアルミナと炭化チタンを主として含有する複合材料製のものを準備し、その駆動状態を比較する実験を行った。 Next, in the driving apparatus 10 shown in FIG. 2 of the present invention used in Example 1, the friction member 5 of the ultrasonic motor 20 is made of alumina and made of a composite material mainly containing alumina and titanium carbide. Then, an experiment was conducted to compare the driving states.
なお、駆動装置の各部構成については実施例1と同様である。 The configuration of each part of the drive device is the same as that of the first embodiment.
また、駆動装置の運転条件については、制御部18に予め設定しておくステージ13の移動プロファイルとして、移動距離100mm、加減速度0.03G、最高速度100mm/secに設定した台形制御とし、超音波モータ20を40kHzの駆動周波数で駆動させるようにした。 As for the operating conditions of the driving device, as the movement profile of the stage 13 set in advance in the control unit 18, the trapezoidal control is set such that the movement distance is 100 mm, the acceleration / deceleration speed is 0.03 G, and the maximum speed is 100 mm / sec. The motor 20 was driven at a driving frequency of 40 kHz.
そしてこの条件でステージ13を500kmの距離駆動させた後の摩擦部材5の摩耗量と駆動力伝達部材14の摩耗量を測定した。 Under these conditions, the wear amount of the friction member 5 and the wear amount of the driving force transmission member 14 after the stage 13 was driven by a distance of 500 km were measured.
さらに、実験を始める前に、摩擦部材5の駆動力伝達部材14との当接面を走査型電子顕微鏡により倍率2000倍で観察し、その当接面上の結晶粒子及び最大気孔径を測定するとともに、摩擦部材5を形成する材料と同一の材料から、長さ3mm、幅3mm、厚さ1.2mmの直方体を作製し、磁力計(東京インスツルメンツ製 2900−04C型)を用い、最大磁束密度を測定した。 Further, before starting the experiment, the contact surface of the friction member 5 with the driving force transmission member 14 is observed with a scanning electron microscope at a magnification of 2000 times, and the crystal particles and the maximum pore diameter on the contact surface are measured. In addition, a rectangular parallelepiped having a length of 3 mm, a width of 3 mm, and a thickness of 1.2 mm is manufactured from the same material as that for forming the friction member 5, and a maximum magnetic flux density is obtained using a magnetometer (Tokyo Instruments 2900-04C type). Was measured.
結果を表1に示す。 The results are shown in Table 1.
表1から明らかなように、超音波モータ20の摩擦部材5をアルミナと炭化チタンを主として含有する複合材料の焼結体により形成した試料No.2〜29は、超音波モータ20の摩擦部材をアルミナで形成した試料No.1に比べ、摩擦部材5および駆動力伝達部材14の摩耗を抑えることができることがわかる。 As is apparent from Table 1, the friction member 5 of the ultrasonic motor 20 is formed of a composite material sintered body mainly containing alumina and titanium carbide, and the sample No. Sample Nos. 2 to 29 are samples Nos. 2 to 29 in which the friction member of the ultrasonic motor 20 is formed of alumina. It can be seen that the wear of the friction member 5 and the driving force transmission member 14 can be suppressed compared to 1.
この結果、超音波モータ20の寿命を高めるともに、相手部材の摩耗を抑えるには、超音波モータ20の摩擦部材5をアルミナと炭化チタンを主として含有する複合材料の焼結体により形成したものを用いればよいことがわかる。なお、試料No.2〜29の摩擦部材5の当接面には酸化チタン膜が形成されており、この酸化チタン膜により摩擦力が高く
なっていることも確認された。
As a result, in order to increase the life of the ultrasonic motor 20 and suppress wear of the counterpart member, the friction member 5 of the ultrasonic motor 20 is formed of a composite material sintered body mainly containing alumina and titanium carbide. It can be seen that it should be used. Sample No. It was also confirmed that a titanium oxide film was formed on the contact surfaces of the friction members 5 of 2 to 29, and the frictional force was increased by the titanium oxide film.
また、超音波モータ20の摩擦部材5をアルミナと炭化チタンを主として含有する複合材料の焼結体により形成したものに着目して見ると、前記複合材料の焼結体中の炭化チタン含有量を10〜50質量%とした試料No.5〜7及び試料No.21〜23は、炭化チタンの含有量が前記範囲を超える試料No.2〜4及び試料No.18〜20に比べ、摩擦部材5及び駆動力伝達部材14の摩耗量を抑えることができることがわかる。 Further, when attention is paid to the friction member 5 of the ultrasonic motor 20 formed by a composite material sintered body mainly containing alumina and titanium carbide, the titanium carbide content in the composite material sintered body is determined as follows. Sample No. 10 to 50 mass%. 5-7 and sample no. Nos. 21 to 23 are sample Nos. With titanium carbide content exceeding the above range. 2-4 and Sample No. It can be seen that the wear amount of the friction member 5 and the driving force transmission member 14 can be suppressed as compared with 18-20.
また、前記複合材料の焼結体中のアルミナ結晶および炭化チタン結晶の各最大粒径が4μm以上で、且つ複合材料の焼結体の最大気孔径が2μm以下である試料No.8〜10及び試料No.24〜26はそれ以外の範囲を有する試料No.5〜7及び試料No.21〜23に比べ、摩擦部材5及び駆動力伝達部材14の摩耗量を小さくできることがわかる。 Sample Nos. 1 and 2 in which the maximum particle size of the alumina crystal and the titanium carbide crystal in the composite material sintered body is 4 μm or more and the maximum pore diameter of the composite material sintered body is 2 μm or less. 8-10 and Sample No. 24-26 are sample Nos. Having other ranges. 5-7 and sample no. It can be seen that the wear amount of the friction member 5 and the driving force transmission member 14 can be reduced as compared with 21 to 23.
この結果、摩擦部材5及び駆動量伝達部材14の摩耗量をより一層抑えるためには、前記複合材料の焼結体中の炭化チタン含有量を10〜50質量%とし、また複合材料の焼結体中のアルミナ結晶及び炭化チタン結晶の各最大粒径を4μm以下、最大気孔径を2μm以下とすれば良いことがわかる。 As a result, in order to further suppress the wear amount of the friction member 5 and the drive amount transmission member 14, the titanium carbide content in the sintered body of the composite material is set to 10 to 50% by mass, and the composite material is sintered. It can be seen that the maximum particle size of the alumina crystal and titanium carbide crystal in the body may be 4 μm or less and the maximum pore size is 2 μm or less.
さらに、常磁性金属酸化物からなる助剤成分の含有量が7質量%以上である試料No.3〜10、15、17、19〜26は、摩擦部材5の最大磁束密度が0.05μTを超えてしまった。 Furthermore, the sample No. 2 in which the content of the auxiliary component composed of a paramagnetic metal oxide is 7% by mass or more. In 3 to 10, 15, 17, and 19 to 26, the maximum magnetic flux density of the friction member 5 exceeded 0.05 μT.
この結果、常磁性金属酸化物からなる助剤成分の含有量は7質量%以下とすることがよいことがわかる。 As a result, it is understood that the content of the auxiliary component composed of paramagnetic metal oxide is preferably 7% by mass or less.
1:本体
2:固定部
3a:第1の圧電素子部
3b:第2の圧電素子部
4:第3の圧電素子部
5、25、34:摩擦部材
6:摩擦補助部材
7:ガイド部
8、24、30:駆動体
9、20:超音波モータ
10:駆動装置
11:ベース盤
12:ガイド部材
13:ステージ
14:駆動力伝達部材
15:リニアスケール
16:測定ヘッド
17:位置検出手段
18:制御部
19:ドライバ
21:圧電セラミック板
22:電極膜
23:電極
26:ケース
27、28:スプリング
31、32、33:圧電素子
35:可動体
40:圧電素子
41:圧電セラミック
42:電極膜
43:スペーサー
44:固定ネジ
1: Body 2: Fixed portion 3a: First piezoelectric element portion 3b: Second piezoelectric element portion 4: Third piezoelectric element portions 5, 25, 34: Friction member 6: Friction assisting member 7: Guide portion 8, 24, 30: driving body 9, 20: ultrasonic motor 10: driving device 11: base board 12: guide member 13: stage 14: driving force transmitting member 15: linear scale 16: measuring head 17: position detecting means 18: control Unit 19: driver 21: piezoelectric ceramic plate 22: electrode film 23: electrode 26: case 27, 28: spring 31, 32, 33: piezoelectric element 35: movable body 40: piezoelectric element 41: piezoelectric ceramic 42: electrode film 43: Spacer 44: Fixing screw
Claims (6)
駆動体と、該駆動体を狭持するように前記可動体の移動方向に沿って配置され、それぞれ一方端が前記駆動体に固定され、他方端が保持部に固定された第1の圧電素子部及び第2の圧電素子部と、一方端が前記可動体に当接する摩擦部材に固定され、他方端が前記駆動体に固定された第3の圧電素子部と、前記駆動体が前記可動体の移動方向に平行に移動可能となるように、前記可動体の移動方向における前記第3圧電素子部の両側で該駆動体を支持するガイド部とを有し、
前記第1乃至第3の圧電素子部に所定の周期で交流電圧を印加することにより、前記摩擦部材を楕円駆動させて、前記可動体を移動可能に構成したことを特徴とする駆動装置。 A driving device for frictionally driving a movable body,
A first piezoelectric element that is arranged along the moving direction of the movable body so as to sandwich the driving body, and has one end fixed to the driving body and the other end fixed to the holding portion. And a second piezoelectric element portion, a third piezoelectric element portion having one end fixed to a friction member abutting on the movable body and the other end fixed to the drive body, and the drive body being the movable body A guide portion that supports the driving body on both sides of the third piezoelectric element portion in the moving direction of the movable body so as to be movable in parallel with the moving direction of
A driving apparatus configured to move the movable body by elliptically driving the friction member by applying an alternating voltage to the first to third piezoelectric element portions at a predetermined cycle.
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