(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子からなる振動体と、該振動体の端面に設けられ、上記振動体の振動に伴って楕円軌道を描く摩擦部材とからなり、該摩擦部材の先端面が楕円駆動を描きながらステージに圧接することで被駆動体を圧接部位に対して左右に移動させることができるステージ装置用超音波モータにおいて、上記摩擦部材としてアルミナを主成分とするセラミックスが用いられるとともに、上記摩擦部材は幅が３ｍｍで、その当接面を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．４μｍ以下、曲率半径１００ｍｍ以上の球面からなる凸状に形成し、かつ、上記摩擦部材の楕円駆動の短軸を中心としてほぼ左右対称にステージに圧接するように構成したことを特徴とするステージ装置用超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータに関するものであり、測定装置や加工装置におけるテーブルなどのステージの駆動源として好適なステージ用超音波モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より超音波モータには、さまざまな構造をしたものが提案されているが、基本的な構造としては図１０に示すようなものがあった。この超音波モータ２１は交流電圧を印加することで振動する圧電素子２４からなる振動体２２と、該振動体２２の端面に接着剤等により固着され、上記振動体２２の振動に伴って楕円軌道を描く直方体の摩擦部材２３とからなり、その平坦な先端面を被駆動体（不図示）との当接面２３ａとしたものがあった。なお、２５は上記圧電素子２４を振動させるために通電するための電極である。
【０００３】
そして、この超音波モータ２１により被駆動体を駆動させるには、図１１に示すように、超音波モータ２１の当接面２３ａを被駆動体２８の側面に押圧した状態で位置決めしたあと、超音波モータ２１に交流電圧を印加すると、振動体２２の振動に伴って摩擦部材２３が楕円軌道を描き、この時に被駆動体２８との間で発生する摩擦力によって被駆動体２８を矢印の方向に移動させるようになっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図１０に示す超音波モータ２１を用いて被駆動体２８の移動を制御しようとしても、超音波モータ２１の当接面２３ａが被駆動体２８と偏当たりし、楕円軌道の短軸を中心として左右対称に当接させることができないため、被駆動体２８との摩擦力が駆動中に変動し、その結果、ストローク内で被駆動体２８の速度がばらついたり、移動方向で速度が異なるなど、安定した制御ができないといった課題があった。
【０００５】
即ち、当接面２３ａの全面が被駆動体２８と均等に当接するように平坦精度を高めようとしても限界があり、また、摩擦部材２３の振動体２２への固着具合や超音波モータ２１の装置への取り付け具合などによっても被駆動体２８との圧接状態が変化し易いため、当接面２３ａの全面が平坦面からなる超音波モータ２１では、当接面２３ａが被駆動体２８と偏当たりしないように調整することは極めて難しいものであった。
【０００６】
また、偏当たりがあると、図１１に示すように超音波モータ２１の当接面２３ａが偏摩耗するため、被駆動体２８との摩擦力がさらに大きく変化するとともに、摩耗粉が超音波モータ２１の当接面２３ａと被駆動体２８との間に入り込むと滑りを生じて超音波モータ２１の制御状態がさらに不安定なものとなり、酷い時には超音波モータ２１の駆動を停止させてしまうといった恐れもあった。
【０００７】
その上、偏摩耗が発生すると、超音波モータ２１本来の寿命を維持することがでず、短期間の使用で交換しなければならないといった不都合もあった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、圧電素子からなる振動体と、該振動体の端面に設けられ、上記振動体の振動に伴って楕円軌道を描く摩擦部材とからなり、該摩擦部材の先端面が楕円駆動を描きながらステージに圧接することで被駆動体を圧接部位に対して左右に移動させることができるステージ装置用超音波モータにおいて、上記摩擦部材としてアルミナを主成分とするセラミックスが用いられるとともに、上記摩擦部材は幅が３ｍｍで、その当接面を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．４μｍ以下、曲率半径１００ｍｍ以上の球面からなる凸状に形成し、かつ、上記摩擦部材の楕円駆動の短軸を中心としてほぼ左右対称にステージに圧接するように構成したことを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明は、上記当接面が曲面からなる凸状であって、その曲率半径が１００ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、上記摩擦部材の当接面を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．４μｍ以下としたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１３】
図１は本発明の超音波モータの一例を示す斜視図であり、図２はその主要部である摩擦部材を拡大した斜視図である。
【００１４】
図１に示す超音波モータ１は、圧電素子４からなる振動体２と、該振動体２の端面に接着等により固着され、上記振動体２の振動に伴って楕円軌道を描く直方体をした摩擦部材３とからなり、その先端面を被駆動体（不図示）との当接面３ａとしてある。そして、上記摩擦部材３の当接面３ａは、図２に示すように曲面からなる凸状に形成してある。なお、５は上記圧電素子４を振動させるために通電するための電極である。
【００１５】
この超音波モータ１により被駆動体を駆動させるには、図３に示すように、超音波モータ１の当接面３ａを被駆動体８の側面に押圧した状態で位置決めし、この状態で上記超音波モータ１に交流電圧を印加すると、振動体２の振動に伴って摩擦部材３が楕円軌道を描き、この時に被駆動体８との間で発生する摩擦力によって被駆動体８が矢印の方向（圧接部位に対して左右の方向）に移動するようになっている。
【００１６】
そして、本発明の超音波モータ１によれば、摩擦部材３の当接面３ａを凸状に形成し、摩擦部材３が当接面３ａの中央にて被駆動体８と当接するように構成してあることから、偏当たりがあったとしても楕円軌道の短軸を中心としてほぼ左右対称に当接させることができる。その結果、被駆動体８との摩擦力の変動を小さくすることができ、安定した被駆動体の制御が可能となる。しかも、当接面３ａが曲面からなるため、被駆動体８との摺動における摩耗を低減することができ、耐久性を高めることもできる。
【００１７】
なお、当接面３ａの形状としては、図２，３に示すような曲面からなる凸状をしたものだけに限らず、例えば、図４（ａ）（ｂ）に示すような中央に平坦面を有し、両端にＣ面やＲ面などの面取りを施した凸状や図４（ｃ）に示す球面からなる凸状など、摩擦部材３の当接面３ａにおいて少なくとも両端エッジに面取りが施された凸状であれば構わない。
【００１８】
また、上記摩擦部材３は、被駆動体８と常に摺動することから耐摩耗性に優れた材質により形成することが重要であり、このような材質としてはアルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素等を主成分とするセラミックスや、ＴｉＣ系、ＴｉＮ系、ＴｉＣ−ＴｉＮ系のサーメット、さらには超硬合金を用いることができる。
【００１９】
さらに、当接面３ａの面粗さが粗すぎると、被駆動体８との摺動によって大きく摩耗することになる。その為、当接面３ａの面粗さはできるだけ滑らかに仕上げることが必要であり、好ましくは中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．４μｍ以下とすることが良い。
【００２０】
なお、上記材質によって当接面３ａが凸状をした摩擦部材３を形成する方法としては、焼結された各材質にマシニング加工を施すか、凸状に対応した凹部を備える型に押し当てる平面研削にて所望の凸状に形成する。あるいはプレス成型の段階にて凸状を一体的に成形したものを焼結させて得ることもできる。しかるのち、上記凸状面を遊離砥粒や固定砥粒を用いての研磨あるいはバフ研磨にて当接面３ａを形成することにより得ることができる。
【００２１】
【実施例】
（実施例１）
本発明の超音波モータと従来の超音波モータをステージ装置に組み込み、各超音波モータにおける駆動特性について調べる実験を行った。
【００２２】
本実験ではステージ装置として図５に示すものを用いた。１，２１は超音波モータ、９は移動ステージ、１０はベース基盤、１１は移動ステージ９に超音波モータ１，２１の駆動力を伝達するアルミナ製の案内ガイド、１２は移動ステージ９を案内するためのクロスローラガイド、１３は超音波モータ１，２１を案内ガイド１３に圧接するための押圧手段であり、上記移動ステージ９のストロークは２２０ｍｍとした。
【００２３】
また、超音波モータ１，２１を構成する振動体２，２２には、イスラエル・ナノモーション社製の圧電素子（形式ＳＰ−１）を用い、この振動体２，２２の端面にアルミナセラミック製の摩擦部材３をエポキシ系接着剤にて固着したものを使用した。なお、摩擦部材３，２３の形状は１辺が３ｍｍの立方体とし、本発明は当接面３ａを曲率半径２００ｍｍの曲面からなる凸状とし、従来例は当接面２３ａを平坦面としたものを使用した。
【００２４】
そして、各超音波モータ１，２１を駆動させ、開ループ制御（振動体２，２２への負荷電圧が一定）にて移動ステージ９を往復移動させた時の移動ステージ９の速度をそれぞれ測定した。
【００２５】
本発明の超音波モータ１を用いた時の移動ステージ９の速度を図６に、従来の超音波モータ２１を用いた時の移動ステージ９の速度を図７にそれぞれ示す。
【００２６】
なお、速度の算出は、リニアエンコーダ（不図示）にて移動ステージ９が移動した距離を測定し、その値を移動時間で除して求めた。
【００２７】
この結果、図７に見られるように、従来の超音波モータ２１を用いたものでは、行きと帰りで移動ステージ９の速度に差があり、またストローク内での速度も大きく変動していることが判る。
【００２８】
これに対し、図６に見られるように、本発明の超音波モータ１を用いれば、移動ステージ９の速度が行きと帰りでほぼ一致しており、また、ストローク内での速度バラツキも殆どなかった。
【００２９】
この結果、本発明の超音波モータ１を用いれば、開ループ制御におけるストローク内での速度バラツキや移動方向における速度差を低減することができるため、移動ステージ９の安定した閉ループ制御が可能となることが判る。
【００３０】
（実施例２）
次に、本発明の超音波モータ１を用い、当接面３ａの曲率半径を異ならせた時の摩耗の度合いについて調べる実験を実施例１と同様の条件にて行った。
【００３１】
この結果は図８に示すように、いずれも移動ステージ９の総駆動距離が３ｋｍ程度までは摩耗が進み、それ以降は摩耗の進行が収まることが判る。これは、摩擦部材３の先端面を凸状に形成してあることから、楕円軌道の短軸を中心にほぼ左右対称に圧接させることができるため、曲率半径の違いによる初期摩耗量には差があるものの、その後の摩耗量は低減できるものと思われる。
【００３２】
この結果、当接面３ａはできるだけ滑らかな曲面状に形成することで初期摩耗を低減することができ、特に、曲率半径Ｒを１００ｍｍ以上とすれば、初期摩耗量を低減できるとともに、初期摩耗が終了するまでの時間も短くでき、優れていた。
【００３３】
（実施例３）
さらに、本発明の超音波モータ１を用い、当接面３ａの面粗さを異ならせた時の初期摩耗量について調べる実験を実施例１と同様の条件にて行った。なお、本実験では当接面３ａを曲面からなる凸状とし、その曲率半径Ｒを１００ｍｍとした。
【００３４】
この結果を図９に示すように、当接面３ａの面粗さが滑らかなほど、初期摩耗量を低減できることが判る。そして、当接面３ａの面粗さが中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．４μｍと０．２μｍの時では初期摩耗量に大きな差が見られなかったのに対し、中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．８μｍとなると初期摩耗量が多くなり、また、初期摩耗が終了するまでの距離も大きくなることが判る。
【００３５】
この結果、当接面３ａの面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．４μｍ以下とすることにより初期摩耗量を抑えられることが判る。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、圧電素子からなる振動体と、該振動体の端面に設けられ、上記振動体の振動に伴って楕円軌道を描く摩擦部材とからなり、該摩擦部材の先端面が楕円駆動を描きながら被駆動体に圧接することでステージを圧接部位に対して左右に移動させることができるステージ装置用超音波モータにおいて、上記摩擦部材としてアルミナを主成分とするセラミックスが用いられるとともに、上記摩擦部材は幅が３ｍｍで、その当接面を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．４μｍ以下、曲率半径１００ｍｍ以上の球面からなる凸状に形成し、かつ、上記摩擦部材の楕円駆動の短軸を中心としてほぼ左右対称にステージに圧接するように構成したことから、被駆動体との偏当たりによる摩擦力の変動を大幅に低減することができる。その為、本発明の超音波モータをテーブル等の被駆動体の駆動源として用いれば、被駆動体のストローク内における速度変化や移動方向における速度差をなくすことができるため、条件設定を短時間で行うことができ、しかも、安定した制御が可能となる。
【００３７】
また、本発明は、上記摩擦部材の当接面を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．４μｍ以下としたことから、被駆動体との摺動に伴う当接面の摩耗を低減し、超音波モータの寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波モータの一例を示す斜視図である。
【図２】図１の主要部である摩擦部材を拡大した斜視図である。
【図３】図１の超音波モータを被駆動体に当接面させた状態を示す平面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）はさまざまな当接面の形状を示す図である。
【図５】実験で使用したステージ装置を示す一部を破断した斜視図である。
【図６】本発明の超音波モータを用いた時の移動ステージの移動距離と速度との関係を示すグラフである。
【図７】従来の超音波モータを用いた時の移動ステージの移動距離と速度との関係を示すグラフである。
【図８】凸状に形成した当接面の曲率半径と摩耗量との関係を示すグラフである。
【図９】凸状に形成した当接面の面粗さと初期摩耗量との関係を示すグラフである。
【図１０】従来の超音波モータの一例を示す斜視図である。
【図１１】図１０の超音波モータを被駆動体に当接面させた状態を示す平面図である。
【符号の説明】
１，２１・・・超音波モータ
２，２２・・・振動体
３，２３・・・摩擦部材
３ａ，２３ａ・・・当接面
９・・・移動ステージ
１０・・・ベース基盤
１１・・・案内ガイド
１２・・・クロスローラガイド
１３・・・押圧手段
【図１】
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【図２】
0003610241.tif 000003
【図３】
0003610241.tif 000004
【図４】
0003610241.tif 000005
【図５】
0003610241.tif 000006
【図６】
0003610241.tif 000007
【図７】
0003610241.tif 000008
【図８】
0003610241.tif 000009
【図９】
0003610241.tif 000010
【図１０】
0003610241.tif 000011
【図１１】
0003610241.tif 000012