(57)【要約】【課題】被駆動部の変形を抑えながら共振振動をも抑制し、安定した駆動を可能にする。【解決手段】超音波モータを備えた微動機構は、固定台１と、固定台１に対して移動軸方向に移動可能に支持された移動体３と、移動体３の一面に設けられた摺動部材６と、立体的形状を有し、高周波電圧信号の印加により複数の振動モードを励起する振動体８と、振動体８を固定台１に対して保持すると共に移動体３に押圧せしめる保持機構７と、振動体８に設けられ、摺動部材６と摩擦接触する駆動子９と、を備え、移動体３は一部分（押圧部材４）が別体として構成され、当該一部分の一面に摺動部材６が設けられる。【選択図】図１
2010122403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波モータを備えた微動機構であって、
固定台と、
前記固定台に対して移動軸方向に移動可能に支持された移動体と、
前記移動体の一面に設けられた摺動部材と、
立体的形状を有し、高周波電圧信号の印加により複数の振動モードを励起する振動体と、
前記振動体を前記固定台に対して保持すると共に前記移動体に押圧せしめる保持機構と、
前記振動体に設けられ、前記摺動部材と摩擦接触する駆動子と、
を備え、
前記移動体は一部分が別体として構成され、当該一部分の一面に前記摺動部材が設けられる、
ことを特徴とする微動機構。
【請求項２】
前記移動体は、前記一部分が２面以上の平面で密着するように固定されることにより、構成される、
ことを特徴とする請求項１記載の微動機構。
【請求項３】
前記移動体の一部分は、振動減衰材料を含む、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の微動機構。
【請求項４】
前記移動体の一部分は、前記保持機構による押圧方向に対して垂直な方向に複数の金属材料が積層されて構成される、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の微動機構。
【請求項５】
前記移動体の一部分は、前記保持機構による押圧方向に対して垂直な方向に、金属材料と振動減衰材料とが交互に積層されて構成される、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の微動機構。
【請求項６】
前記移動体の一部分は、２種類以上の金属材料を含む、
ことを特徴とする請求項４又は５記載の微動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータを備えた微動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体や生体試料など微細構造の観察に顕微鏡がよく利用されている。このような観察に利用される顕微鏡では、観察対象の任意位置を顕微鏡観察下に位置づけるためにＸＹステージが利用されており、観察対象となる微細構造と同等以上の送り分解能や静止時の安定性が求められている。また、観察位置については高いスループットで複数か所を観察する必要がある場合も多く、高速動作も求められている。
【０００３】
このようなニーズに対応するアクチュエータの一つとして超音波モータが注目されている。例えば特許文献１には、顕微鏡用ＸＹステージのアクチュエータとして超音波モータを採用する装置が提案されている。
【０００４】
このようなステージに使用される超音波モータの一例として、直方体形状を利用したリニア駆動型超音波アクチュエータがある。このような超音波モータの多くは積層型圧電体で構成されており、内部に屈曲振動用電極と縦振動用電極を有し、夫々の電極に位相が９０°ずれた正弦波信号が印加されることで駆動する。
【０００５】
図８は、このようなリニア駆動型超音波アクチュエータを備えたステージ移動機構の一例を模式的に示す図である。
同図に示した例では、屈曲振動用電極１０１（１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ）と縦振動用電極１０２とを有する積層型圧電体からなる超音波振動子（以下単に「振動子」という）１０３と２つの駆動子１０４（１０４ａ,１０４ｂ）とを有する超音波モータ１０５において、縦振動用電極１０２に正弦波信号である縦振動信号が印加され、屈曲振動用電極１０１に縦振動信号とは位相が９０°異なる正弦波信号である屈曲振動信号が印加されると、ガイド１０６に沿って可動体（ステージ）１０７が移動する。
【０００６】
同図において、屈曲振動用電極１０１と縦振動用電極１０２の「＋」又は「−」の符号は、圧電体の分極方向を示している。例えば、電極にプラス電圧を印加した場合、「＋」符号の電極部分の圧電体は長手方向に伸長するように変形し、「−」符号の電極部分の圧電体は長手方向に縮小するように変形する。このため、屈曲振動用電極１０１に正弦波的な信号を印加すると図９(a) に模式的に示すような屈曲変形振動が励起され、縦振動用電極１０２に正弦波的な信号を印加すると同図(b) に模式的に示すような長手方向に伸縮する縦振動が励起される。なお、同図(a),(b) において、点線矢印は圧電体の変形方向を示し、実線矢印は駆動子１０４の移動方向を示している。このように、２種類の振動の位相を９０°ずらして同時に励起させると、駆動子１０４が図８の矢印に示すような楕円（同図点線参照）の軌跡を描くような振動となる。このとき、駆動子１０４が可動体１０７と接触する際に生じる力の垂直方向成分で摩擦力を減らし、水平方向成分の力で可動体１０７を移動させる。
【０００７】
ところで、このようにして超音波モータが駆動、振動すると、可動体は励振される。ここで、可動体の固有振動数が超音波モータの駆動周波数近傍に存在すると、可動体が共振を起こして大きな振動を発生させてしまうため、駆動効率を著しく低下させてしまう。この場合、可動体が一体部品で構成されヤング率が高いものほど共振の振幅は大きくなり、駆動効率の低下が著しくなる。
【０００８】
そこで、特許文献２には、このような振動発生を低減させるための方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００８−１８７７６８号公報
【特許文献２】特開２０００−３２４８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２に記載の方法において、不要な振動を除去するために用いられる振動吸収部材は、一般的に剛性が低いため、超音波モータの押圧力で被駆動体が変形して接触状態に変化が生じやすい。このような接触状態の変化は、駆動効率の低下を引き起こす。特に、顕微鏡用ステージなど大きな駆動力を必要とする超音波モータの場合には大きな押圧力が必要となるため、超音波モータの押圧力を受ける被駆動体には高い剛性が求められる。
【００１０】
本発明は、上記実情に鑑み、被駆動体の変形を抑えながら共振振動をも抑制し、安定した駆動を可能にする、超音波モータを備えた微動機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係る装置は、超音波モータを備えた微動機構であって、固定台と、前記固定台に対して移動軸方向に移動可能に支持された移動体と、前記移動体の一面に設けられた摺動部材と、立体的形状を有し、高周波電圧信号の印加により複数の振動モードを励起する振動体と、前記振動体を前記固定台に対して保持すると共に前記移動体に押圧せしめる保持機構と、前記振動体に設けられ、前記摺動部材と摩擦接触する駆動子と、を備え、前記移動体は一部分が別体として構成され、当該一部分の一面に前記摺動部材が設けられる、ことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第２の態様に係る装置は、上記第１の態様において、前記移動体は、前記一部分が２面以上の平面で密着するように固定されることにより、構成される、ことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第３の態様に係る装置は、上記第１又は２の態様において、前記移動体の一部分は、振動減衰材料を含む、ことを特徴とする。
また、本発明の第４の態様に係る装置は、上記第１又は２の態様において、前記移動体の一部分は、前記保持機構による押圧方向に対して垂直な方向に複数の金属材料が積層されて構成される、ことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の第５の態様に係る装置は、上記第１又は２の態様において、前記移動体の一部分は、前記保持機構による押圧方向に対して垂直な方向に、金属材料と振動減衰材料とが交互に積層されて構成される、ことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の第６の態様に係る装置は、上記第４又は５の態様において、前記移動体の一部分は、２種類以上の金属材料を含む、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、被駆動体の変形を抑えながら共振振動をも抑制して、安定した駆動を可能にし、駆動効率を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る、超音波モータを備えた微動機構を模式的に示す斜視図である。図２(a) は本実施形態に係る微動機構の一部上面図であり、同図(b) は同図(a) に示したＡ−Ａ´断面図である。図３は、プランジャの断面図である。図４は、図１に示した本実施形態に係る微動機構のＸＺ平面における断面図である。
【００１８】
図１に示したように、固定台１上には、ガイド２（２ａ，２ｂ）によって固定台１に対して移動軸方向となる１軸方向に移動可能に支持された移動体３が保持されている。なお、ガイド２は、例えばリニアボールガイド等のガイドである。
【００１９】
移動体３は、その一部分が別体として構成されている。以下の説明においては、その一部分を押圧部材４と称し、残りの部分を移動体３と称して説明することにする。
移動体３には、当該移動体３に対して２面で接するように押圧部材４が５つの固定ねじ５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ）によって固定されている。なお、本実施形態において、押圧部材４は例えばアルミニウム等の剛性の高い金属材料で構成されている。押圧部材４の、移動体２と接していない面の一つには、例えば摩擦摺動に強いセラミック等の硬い材料で作られた摺動部材６が設けられている。なお、この摺動部材６は、表面処理等によって形成された摩擦摺動に強いコーティング材であっても構わない。
【００２０】
保持機構７には、立体的形状を有する振動体８が接着固定されており、その振動体８には駆動子９（９ａ，９ｂ）が接着固定されている。また、保持機構７は、駆動子９が摺動部材６に接するように、２つの固定ねじ１０（１０ａ，１０ｂ）によって固定台１に固定されている。
【００２１】
ここで、保持機構７に関し、図２(a),(b) 及び図３を用いて更に詳細に説明する。
保持機構７は、例えばアルミニウム等の金属材料で構成され、詳しくは図２(a) に示したように、ワイヤ放電加工等により切り欠き穴部１１を設けることによって形成された薄板ばね部１２（同図(a) では斜線で示した部分）を有する。薄板ばね部１２の中央にはばねとして作用しない厚肉部１２ａが形成されていて、厚肉部１２ａと振動体８とが例えばエポキシやセラミック系接着材等の強度の高い接着剤で接着されている。このとき、薄板ばね部１２と振動体８は平行に近接して設けられるように構成されている。また、振動体８の接着位置は、振動体８の接着面中央付近である。
【００２２】
振動体８において、保持機構７の厚肉部１２ａが接着された面と反対の面には駆動子９（９ａ，９ｂ）が２個設けられている。駆動子９は、例えば強化繊維を含むポリアセタールやセラミック等の、摩擦係数の比較的小さな樹脂を母材とした材料で形成されている。保持機構７は、駆動子９が２個とも摺動部材６に接する状態で、２つの固定用ビス穴１３（１３ａ，１３ｂ）を通して２つの固定ねじ１０（１０ａ，１０ｂ）により固定台１に固定される。このとき、薄板ばね部７のたわみは殆ど無い状態で、移動体３側への押圧力はゼロ近傍であることが望ましい。
【００２３】
また、保持機構７にはメネジが形成されていて、詳しくは図２(b) に示したように、外周にオネジが形成されたプランジャ１４をねじ込むことによって厚肉部１２ａを押圧できるようになっている。プランジャ１４の内部には、詳しくは図３に示したように、コイルばね１５が内蔵されており、先端部材１６が押し込まれることにより押圧力が発生する。このため、プランジャ１４の先端部材１６の移動量（同図のΔＷ）に応じた押圧力が厚肉部１２ａに負荷される。このとき、振動体８も駆動子９と共に摺動部材６に押圧される。なお、プランジャ１４のコイルばね１５のばね定数は、薄板ばね部１２の押圧方向ばね定数よりも小さく構成されている。このため、プランジャ１４によって、より細かい押圧力の調整が可能になっている。
【００２４】
なお、本実施形態に係る微動機構において、振動体８は、例えば図８に示した振動子１０３と同様の構成を有し、不図示の駆動回路により駆動信号として所定の高周波電圧信号（例えば上述の図８及び図９(a),(b) を用いて説明したような信号）が印加されることにより、複数の振動モードを励起することが可能になっている。そして、振動体８に複数の振動モードを励起させることによって、振動体８に設けられている駆動子９に接触している摺動部材４と共に押圧部材４に固定されている移動体３を移動させることが可能になっている。
【００２５】
また、本実施形態に係る微動機構において、超音波モータは、少なくとも振動体８及び駆動子９を含んで構成されている。
以上のような構成の、本実施形態に係る微動機構において、プランジャ１４による押圧力は、図４に示したように、厚肉部１２ａ、振動体８、駆動子９、摺動部材４を介して、押圧部材４によって受け止められる。この場合、押圧部材４は上述のとおり剛性の高い金属材料であり、押圧方向は移動体３と面で密着するように接しているため、その押圧力を高い剛性で受け止めることができる。
【００２６】
また、振動体８に駆動信号が印加されたときに押圧部材４に共振振動が発生した場合、当該押圧部材４と移動体３との接触面の摩擦によって振動エネルギーが消費され、共振振動の振幅を減衰させることができる。この場合、接触面積が大きいほど振動の減衰は大きくなることから、本実施形態のように、移動体３と押圧部材４との接触面である２面、すなわち、固定ねじ５の締結面と押圧方向の接触面の２面で振動エネルギーの消費がなされることにより、振動減衰効果を高めることができる。このように振動振幅が減衰により小さくなることで、駆動子９と摺動部材６との接触状態が安定し、駆動効率を向上させることができる。
【００２７】
以上のように、本実施形態に係る微動機構では、押圧部材４への押圧力に対する剛性が高いため不要な変形を生じず、また、押圧部材４に励起される振動は、移動体３との密着面にて摩擦減衰されるので、駆動効率を改善することができる。
【００２８】
なお、本実施形態に係る微動機構において、移動体３と押圧部材４を、アルミニウム等の同一の金属材料を用いて構成することは勿論のこと、異なる金属材料を用いて構成することもできる。また、固定台１、移動体３、押圧部材４、保持機構７を、アルミニウム等の同一の金属材料を用いて構成することにより、温度変化による悪影響（バイメタル効果による変形等）を無くし、熱的な安定性を得るのに有利な構成とすることもできる。
＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態に係る、超音波モータを備えた微動機構の断面図である。なお、同図は、図１に示した第１の実施形態に係る微動機構のＸＺ平面における断面図（図４）に対応する図である。
【００２９】
本実施形態に係る微動機構は、押圧部材４の構成のみが第１の実施形態に係る微動機構と異なっている。すなわち、本実施形態に係る微動機構では、図５に示したように、押圧部材４の内部に、当該押圧部材４への押圧方向であって移動体３と密着している面の中央部に振動吸収部材（振動減衰材料ともいう）４ａが設けられている。なお、振動吸収部材４ａは、押圧部材４に発生した共振振動の振幅を減衰させるための、例えばゴムやゲル等の粘性体である。
【００３０】
このような構成により、移動体４と、振動吸収部材４ａが設けられている側の押圧部材４の金属面とが密着して接しているため、押圧部材４への押圧力を高い剛性で受け止めることができる。
【００３１】
また、振動体８に駆動信号が印加されたときに押圧部材４に共振振動が発生した場合、第１の実施形態の説明で述べた移動体３と押圧部材４との密着面における摩擦によるものに加え、更に振動吸収部材４ａにより、共振振動の振幅を減衰させることができる。このように共振振動の振幅が減衰されることで、駆動子９と摺動部材６との接触状態が安定し、駆動効率を向上させることができる。
【００３２】
以上のように、本実施形態に係る微動機構でも、押圧部材４への押圧力に対する剛性が高いため不要な変形を生じず、また、押圧部材４に励起される振動は、移動体３との密着面にて摩擦減衰されると共に振動吸収部材４ａにより減衰されるので、駆動効率を改善することができる。
＜第３の実施形態＞
図６は、本発明の第３の実施形態に係る、超音波モータを備えた微動機構の断面図である。なお、同図も、図１に示した第１の実施形態に係る微動機構のＸＺ平面における断面図（図４）に対応する図である。
【００３３】
本実施形態に係る微動機構も、押圧部材４の構成のみが第１の実施形態に係る微動機構と異なっている。すなわち、本実施形態に係る微動機構では、図６に示したように、押圧部材４が当該押圧部材４への押圧方向に対して垂直な方向（同図では上下方向）にヤング率が異なる２種類の金属が交互に積層されて構成されている。ここでは、その押圧部材４として、第１の金属材料（例えば第１の実施形態に係る押圧部材４と同一の金属材料）からなる層４ｂを、第２の金属材料からなる層４ｃにより挟み込んだ、３層構造の押圧部材を示している。また、各層の厚みは同一である。
【００３４】
このような構成により、押圧部材４を構成する各層の金属は、断面２次モーメントが大きくなる方向と当該押圧部材４への押圧方向とが一致するため、押圧部材４への押圧力を高い剛性で受け止めることができる。また、押圧部材４の不要な変形を生じ難くすることもできる。
【００３５】
また、振動体８に駆動信号が印加されたときに押圧部材４に共振振動が発生した場合、第１の実施形態の説明で述べた移動体３と押圧部材４との密着面における摩擦によるものに加え、更にヤング率が異なる２種類の金属を積層したことによる押圧部材４の各層の積層面における摩擦により、共振振動の振幅を減衰させることができる。このように共振振動の振幅が減衰されることで、駆動子９と摺動部材６との接触状態が安定し、駆動効率を向上させることができる。
【００３６】
以上のように、本実施形態に係る微動機構でも、押圧部材４への押圧力に対する剛性が高いため不要な変形を生じず、また、押圧部材４に励起される振動は、移動体３との密着面及び押圧部材４の積層面にて摩擦減衰されるので、駆動効率を改善することができる。
【００３７】
なお、本実施形態に係る押圧部材４において、積層数は３層に限らず、その他の複数の積層数でもよい。また、ヤング率が異なる金属の種類の数は２つに限らず、３つ以上でもよい。さらに、積層順は上述の積層順に限らず、その他の積層順でもよい。また、各層の厚みは同一に限らず異なってもよいし、一部の複数の層のみの厚みが同一又は異なるものであってもよい。
＜第４の実施形態＞
図７は、本発明の第４の実施形態に係る、超音波モータを備えた微動機構の断面図である。なお、同図も、図１に示した第１の実施形態に係る微動機構のＸＺ平面における断面図（図４）に対応する図である。
【００３８】
本実施形態に係る微動機構も、押圧部材４の構成のみが第１の実施形態に係る微動機構
と異なっている。すなわち、本実施形態に係る微動機構では、図７に示したように、ヤング率が異なる２種類の金属と振動吸収部材とを用いて、押圧部材４が当該押圧部材４への押圧方向に対して垂直な方向（同図では上下方向）に金属と振動吸収部材とが交互に積層されて構成されている。ここでは、その押圧部材４として、第１の金属材料（例えば第１の実施形態に係る押圧部材４と同一の金属材料）からなる層４ｂを振動吸収部材（例えば第２の実施形態に係る押圧部材４における振動吸収部材４ａと同一材料の部材）の層４ｄにより挟み込み、それらを更に第２の金属材料からなる層４ｃにより挟み込んだ、５層構造の押圧部材を示している。また、各層の厚みは同一である。
【００３９】
このような構成により、押圧部材４を構成する各層の金属は、断面２次モーメントが大きくなる方向と当該押圧部材４への押圧方向とが一致し、且つ、押圧部材４が当該押圧部材４への押圧力を振動吸収部材のみで受け止めるような部分も含まないことから、押圧部材４への押圧力を高い剛性で受け止めることができる。また、押圧部材４の不要な変形を生じ難くすることもできる。
【００４０】
また、振動体８に駆動信号が印加されたときに押圧部材４に共振振動が発生した場合、第１の実施形態の説明で述べた移動体３と押圧部材４との密着面における摩擦によるものに加え、更に、ヤング率が異なる２種類の金属と振動吸収部材とを積層したことによる押圧部材４の各層の積層面における摩擦と振動吸収部材により、共振振動の振幅を減衰させることができる。このように共振振動の振幅が減衰されることで、駆動子９と摺動部材６との接触状態が安定し、駆動効率を向上させることができる。
【００４１】
以上のように、本実施形態に係る微動機構でも、押圧部材４への押圧力に対する剛性が高いため不要な変形を生じず、また、押圧部材４に励起される振動は、移動体３との密着面及び押圧部材４の積層面にて摩擦減衰されると共に振動吸収部材により減衰されるので、駆動効率を改善することができる。
【００４２】
なお、本実施形態に係る押圧部材４において、積層数は５層に限らず、その他の複数の積層数でもよい。但し、少なくとも最上層（固定ねじ５の締結面を形成する層）は、金属材料の層とするのが望ましい。また、ヤング率が異なる金属の種類の数は２つに限らず、３つ以上でもよい。さらに、積層順は上述の積層順に限らず、その他の積層順でもよい。また、各層の厚みは同一に限らず異なってもよいし、一部の複数の層のみの厚みが同一又は異なるものであってもよい。
【００４３】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良及び変更を行っても良いのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１の実施形態に係る、超音波モータを備えた微動機構を模式的に示す斜視図である。
【図２】(a) は第１の実施形態に係る微動機構の一部上面図であり、(b) は同図(a) に示したＡ−Ａ´断面図である。
【図３】プランジャの断面図である。
【図４】図１に示した微動機構のＸＺ平面における断面図である。
【図５】第２の実施形態に係る、超音波モータを備えた微動機構の断面図である。
【図６】第３の実施形態に係る、超音波モータを備えた微動機構の断面図である。
【図７】第４の実施形態に係る、超音波モータを備えた微動機構の断面図である。
【図８】リニア駆動型超音波アクチュエータを備えたステージ移動機構の一例を模式的に示す図である。
【図９】(a) は屈曲変形振動が励起されたときの様子を模式的に示す図、(b) は縦振動が励起されたときの様子を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１      固定台
２      ガイド
３      移動体
４      押圧部材
５      固定ねじ
６      摺動部材
７      保持機構
８      振動体
９      駆動子
１０    固定ねじ
１１    切り欠き穴部
１２    薄板ばね部
１３    固定用ビス穴
１４    プランジャ
１５    コイルばね
１６    先端部材
１０１  屈曲振動用電極
１０２  縦振動用電極
１０３  超音波振動子
１０４  駆動子
１０５  超音波モータ
１０６  ガイド
１０７  可動体
【図２】
2010122403.tif 000003
【図３】
2010122403.tif 000004
【図１】
2010122403.tif 000005
【図４】
2010122403.tif 000006
【図５】
2010122403.tif 000007
【図６】
2010122403.tif 000008
【図７】
2010122403.tif 000009
【図８】
2010122403.tif 000010
【図９】
2010122403.tif 000011