(57)【要約】【課題】定在波型超音波モーターは、駆動原理が摩擦であり、従って摺動面の摩擦係数が高くなければならないので、接触面の磨耗は不可避な問題である。磨耗によって発生する具体的な問題は、摩擦部材磨滅による異常動作や駆動力低下、摩擦部材の磨耗滓詰まりによる駆動不良、振動エネルギー伝搬不良によるモーター異常加熱、摩擦面にエネルギー集中して発生する駆動面の異常加熱などが挙げられる。【解決手段】そこで本発明では、定在波型超音波モーターにおいて、超音波モーターの駆動面と被駆動体間に特定の潤滑油層を設けることにより、駆動面の磨耗を低減し、かつ異常駆動を抑止することを可能とする。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも圧電素子と弾性体とからなる固定子と、前記弾性体に加圧接触され、該固定子に生じる振動により相対運動する運動部材とを備える超音波モーターにおいて、前記固定子と前記運動部材との接触面が、潤滑油で湿潤されていることを特徴とする超音波モーター。
【請求項２】
固定子と運動部材との接触面を湿潤する潤滑油の粘度が５ｃＰ〜１００Ｐの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モーター
【請求項３】
固定子と前記運動部材との接触圧力が単位面積当たり２ｋｇｆ／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波モーター。
【請求項４】
固定子と前記運動部材との接触面が双方ともに平均面粗度（Ｒａ）０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波モーター。
【請求項５】
運動部材は案内装置であり、かつ該案内装置と前記固定子との接触面付近に防塵カバーが設置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波モーターおよび案内装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性体とこれを励振させる圧電体とを有する固定子と、固定子の振動によって移動される運動部材から成る超音波モーターおよび該超音波モーターを用いた案内装置に関する発明であり、より詳しくは前記固定子が前記運動部材と接触する部分の長寿命化によって超音波モーターの信頼性を高める技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
定在波駆動型の超音波モーターにおいては、固定子表面の一部に圧接された運動部材が、固定子弾性体の励振によって発生する固定子表面の楕円運動により順次摩擦駆動されて移動する。従来の超音波モーターとそれを用いた案内装置を図５および図６を用いて説明する。図５は超音波モーターとそれを用いた案内装置の俯瞰模式図であり、図６は図５中の超音波モーター駆動部付近の断面模式図である。基台５１の表面には案内溝５１ｂが設けられている。基台５１上には運動部材５２を設置する。運動部材５２の基台５１と対向する面には案内溝５２ｂが設けられており、運動部材５２の案内溝５２ｂと基台５１の案内溝５１ｂとは回転摺動体５１ｃを介して対向している。運動部材５２の面のうち、案内溝５２ｂと反対の表面上に超音波モーター５３を設置する。超音波モーター５３の駆動面には摩擦部材５３ｂを設けてあり、摩擦部材５３ｂと運動部材５２とが接触する構造である。超音波モーター５３は固定部材５４を介して図示しない圧締機構によって運動部材５２面に圧着されており、さらに固定部材５４によって超音波モーター５３自体は移動しないよう固定されている。
【０００３】
このようにして形成された超音波モーター及び案内装置で、超音波モーター５３の圧電駆動体（図示せず）に所定の交番電圧を印加すると超音波モーター５３の摺道面に楕円運動の変位が発生し、この変位が摩擦部材５３ｂを介して運動部材５２に駆動力が伝搬する。運動部材５２は、案内溝５１ｂ、５２ｂおよび回転摺動体５１ｃによって１軸方向の運動自由度が与えられているので、超音波モーター５１から伝搬した駆動力（摩擦力）により案内された運動を起こす。以上が、定在波駆動型超音波モーターとそれを用いた案内装置の構成及び動作である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した超音波モーターには、超音波モーターと運動部材との接触面の磨耗という問題があった。定在波型超音波モーターの駆動原理が摩擦である以上、摺動面の摩擦係数は高くなければならない。摺動面摩擦係数値がモーターとしてのエネルギー効率を決定する、と言っても過言ではない。その反面、摩擦面（接触面）の磨耗は不可避な問題である。磨耗によって発生する具体的な問題は、摩擦部材磨滅による異常動作や駆動力低下、摩擦部材の磨耗滓詰まりによる駆動不良、振動エネルギー伝搬不良によるモーター異常加熱、摩擦面にエネルギー集中して発生する駆動面の異常加熱などが挙げられる。
【０００５】
これらの問題に対して、超音波モーター及び運動部材の摺動面自体を堅く耐熱性のある材料で構成する（特公平１１−１１３２３７）などの対策が考えられている。この出願は主として真空中で超音波モーターを使用することを目的としており、摺動面に堅く耐熱性のある材料を用いることによって摺動面の磨耗や発熱による異常は解決している。
【０００６】
しかし、前記従来技術による対策では摺動面の摩擦係数が低くなる。大気中で使用する超音波モーターでは、運動部材と接触する超音波モーターの摺動面に摩擦係数の高い摩擦部材を設けることが一般的である。超音波モーターに生ずる駆動力をできるだけ効率良く運動部材へと伝達するためである。然るに、前記出願（特公平１１−１１３２３７）の改良では前記摺動面材料の摩擦係数が低く、大気中で使用する超音波モーターとしてはエネルギー効率の低下という新たな問題を発生している。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
これら従来技術の課題を解決するために、本発明においては超音波モーターと運動部材との接触面に潤滑油層を設けている。超音波モーター摺動面と運動部材表面との間に潤滑油層が存在することにより、超音波モーター摺動面ならびに運動部材表面の磨耗を抑止し、かつ潤滑油層が存在しない場合と同程度の摩擦駆動力を維持できるのである。このように、超音波モーターが運動部材を駆動する時の摩擦力だけは維持し、それ以外の磨耗を抑止することができる理由は、次のように考えられる。
【０００８】
本発明では、超音波モーターと運動部材との接触面に潤滑油層を設けているから、超音波モーターの摺動面と運動部材表面との摩擦は全般的に少なく、磨耗も少ないことは容易に推察できる。肝要なのは、超音波モーターと運動部材との間に潤滑油が存在するにもかかわらず、滑りが生じずに駆動力が伝達される点である。この理由を図３を用いて説明する。
【０００９】
図３は、本発明の実施例における超音波モーターと運動部材の摺動面付近の断面模式図および潤滑油膜厚と摩擦係数の関係を示す定性的グラフである。図３において、超音波モーター３１の摺動面（図示しない摩擦部材が設けてある）と運動部材３３表面との間に潤滑油３２が設けてある。超音波モーター３１の圧電駆動体（図示せず）に所定の交番電圧を印加すると、超音波モーター３１の摺動面には楕円運動の変位が発生する。この変位は楕円運動の軌跡を描くので、図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように超音波モーター３１の摺動面が正側に変位したり負側に変位したりする。これに伴って、潤滑油３２の層の厚さも変動する。
【００１０】
図３の（ａ）の場合のように超音波モーター３１の摺動面が正側に変位しているときは、潤滑油３２の層厚みは非常に薄くなり、超音波モーター３１の摺動面と運動部材３３表面とがほぼ接触している状態になる。このような状態は境界潤滑状態と呼ばれ、超音波モーター３１の摺動面と運動部材３３表面との摩擦係数は潤滑油が存在しない場合とほとんど同じである。このため、潤滑油によって潤滑されているにもかかわらず、潤滑油がない場合と同程度の駆動が可能になるのである。
【００１１】
これに対して、図３の（ｂ）、（ｃ）のように超音波モーター３１の摺動面が変位していないかあるいは負側に変位しているときは、潤滑油３２の層の厚さが厚くなり超音波モーター３１の摺動面と運動部材３３表面とが潤滑油３２層を介して隔離された状態になる。このような状態は、各々混合潤滑状態、流体潤滑状態と呼ばれ、超音波モーター３１に摺動面と運動部材３３表面との摩擦係数は潤滑油がない場合に比べて大きく低下する。したがって、潤滑油による潤滑効果のみが発揮され、駆動には影響を与えない。
【００１２】
以上述べたようにして、駆動時には十分な摩擦力が発揮され、かつ全体的に磨耗の少ない超音波モーターおよび案内装置が実現される。
【００１３】
【本発明の最適な実施例】
本発明の最適な実施例を、図１および図２を用いて説明する。図１は本発明による超音波モーターとそれを用いた案内装置の俯瞰模式図であり、図６は図５中の超音波モーター駆動部付近の断面模式図である。鋼鉄製基台１１の表面には案内溝１１ｂが設けられている。基台１１上には焼き入れ済み鋼鉄製の運動部材１２を設置する。運動部材１２の基台１１と対向する面には案内溝１２ｂが設けられており、運動部材１２の案内溝１２ｂと基台１１の案内溝１１ｂとは回転摺動体１１ｃを介して対向している。運動部材１２の面のうち、案内溝１２ｂと反対の表面上に潤滑油１３を設け、潤滑油１３上に超音波モーター１４を設置する。潤滑油には、粘度２０ｃＰの不揮発性機械加工潤滑油を用いた。超音波モーター１４は、アルミニウム製の弾性体（胴部５ｍｍ□×２６ｍｍＬ、脚部５ｍｍ□×１０ｍｍＬ×２本、全体はコ字形状）にＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）積層型の圧電アクチュエータを接着してあり、脚部は摺動面に垂直方向に伸縮振動する。超音波モーター１４の摺動面には摩擦部材１４ｂを設けてあり、摩擦部材１４ｂと運動部材１２とが潤滑油１３を挟んで対向接触する構造である。超音波モーター１４は固定部材１５を介して図示しない圧締機構によって運動部材１２面に圧着されており、さらに固定部材１５によって超音波モーター１４自体は移動しないよう固定されている。本実施例では、運動部材１２と超音波モーター１４とを圧着する圧締力は１０ｋｇ／ｃｍ２とした。また、運動部材１２と超音波モーター１４の摩擦部材１４ｂとの接触面は、両者ともにメッシュ２０００番で研磨し、平均表面粗さ（Ｒａ）＜０．０５μｍに仕上げている。
【００１４】
このようにして形成された超音波モーター及び案内装置で、超音波モーター１４の圧電アクチュエータ（図示せず）に所定の交番電圧を印加すると超音波モーター１４の摺動面に楕円運動の変位が発生し、この変位が摩擦部材１４ｂを介して運動部材１２に駆動力が伝搬する。本実施例の場合には、圧電アクチュエータに電圧５．０Ｖ、周波数１０５ｋＨｚの正弦波信号を印加した。運動部材１２は、案内溝１１ｂ、１２ｂおよび回転摺動体１１ｃによって１軸方向の運動自由度が与えられているので、超音波モーター１４から伝搬した駆動力（摩擦力）により案内された運動を起こす。
【００１５】
このようにして構成した、本発明による超音波モーターおよび案内装置を従来技術による超音波モーターおよび案内装置と比較した。本発明による超音波モーターおよび案内装置は図１および図２の構成によるもので、従来技術による超音波モーターおよび案内装置は図５および図６によるものである。比較は、初期駆動力、連続往復駆動状態での駆動力の時間的変化の２項目を確認した。初期駆動力の比較結果を表１に、連続往復駆動状態での駆動力の時間的変化を図４に示す。各駆動力は、運動部材の端にフォースゲージを取り付けて測定した。なお、本比較実験は、比較対照機をクリーンルーム内に設置して行った。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
表１から明らかなように、超音波モーターの駆動面と運動部材表面との接触部が潤滑油によって湿潤されている場合、すなわち本発明による超音波モーターおよび案内装置と、前記接触部が潤滑されていない場合、すなわち従来技術による超音波モーターおよび案内装置との間で、初期駆動力はほとんど同じである。僅かな差はあるが、３％程度の差であり測定誤差といえる。
【００１８】
一方、図４に示すように、連続往復駆動状態での駆動力の時間的変化は、潤滑の有無で大きな差が現れた。超音波モーターの駆動面と運動部材表面との接触部が潤滑油によって湿潤されている場合、すなわち本発明の実施例による超音波モーターおよび案内装置と、前記接触部が潤滑されていない場合、すなわち従来技術による超音波モーターおよび案内装置との間で、３０００時間連続駆動時に３０％以上駆動力に差異が出る。摺動面潤滑のある本発明の実施例では、３０００時間連続駆動後の駆動力は初期時点と比べて５％低下程度である。これに対して摺動面潤滑のない従来技術品では、明らかに３０％以上の駆動力低下があった。
【００１９】
試験終了後、従来の技術による超音波モーターおよび案内装置を観察すると、超音波モーターの駆動面に形成してあった摩擦部材が摩滅しており、これが駆動力低下に直結したものと推察される。一方、本発明による超音波モーターおよび案内装置では、前記摩擦部材の磨耗は見られたものの摩滅までには程遠い状態であり、この差が連続駆動後の駆動力差になったものと思われる。
【００２０】
なお、本実施例では超音波モーターの摺動面と運動部材表面の両者が、平均表面粗さ（Ｒａ）＜０．０５μｍであるものを示したが、実験的に抽出したこれらの表面の表面粗度の許容範囲は、平均表面粗さ（Ｒａ）値で０．１μｍまでである。これ以上の粗面では、超音波モーターの摺動面の楕円運動が運動部材に的確に伝達せず、十分な駆動力が発揮できない。
【００２１】
また、本実施例では潤滑油として粘度２０ｃＰの不揮発性機械加工潤滑油を用いたが、他の潤滑油を使用しても同様な効果が得られるのは言うまでもない。粘度５ｃＰの潤滑油でも全く同様の効果が得られた。しかし、高粘度の潤滑油では滑りが発生する場合もある。これは、超音波モーターの摺動面の変位周波数に潤滑油層の形状変化が追従できなくなるためと考えている。実験では１００Ｐの潤滑油まで、前記実施例と同様の性能を示した。
【００２２】
さらに、本実施例では、超音波モーターと運動部材との圧着が１０ｋｇｆ／ｃｍ２である場合を示したが、この圧締力は２ｋｇｆ／ｃｍ２以上であれば良い。圧締力が低すぎると超音波モーター摺動面の変位を運動部材に伝達できない。これは、駆動面の摩擦力が圧締力に依存していることを示している。実験的には、一般に２ｋｇｆ／ｃｍ２以上の圧締力であれば駆動に必要な摩擦力は得られる。ただし、超音波モーター駆動面の形状が非常に特殊である場合にはより強い圧締力を必要とする場合もある。
【００２３】
本実施例のように、超音波モーターの摺動面と運動部材表面との間を潤滑することにより、駆動力を低下させないで長期信頼性を高めることができるのである。
【００２４】
これまで述べてきたように、本発明によれば超音波モーターおよび案内装置の駆動力を低下させないで長期信頼性を高めることが可能となる。しかし、このことは本発明の超音波モーターおよび案内装置を清浄な環境下で使用した場合に確実に実現できることである。粉塵が舞うような汚れた環境下では、本発明の超音波モーターおよび案内装置の潤滑油部分にダストが付着し、このダストが摺動面に食い込んで動作不良を起こしやすい。この点を改善して清浄環境下以外での使用に耐えうるようにしたのが、次に述べる本発明の他の実施例である。
【００２５】
【他の実施例】
本発明の他の実施例を、図７を用いて説明する。図７は本発明による超音波モーターとそれを用いた案内装置の俯瞰模式図であり、粉塵カバー７６が設けられている以外は、図１に示した本発明の最適な実施例と同様である。鋼鉄製基台７１の表面には案内溝７１ｂが設けられている。基台７１上には焼き入れ済み鋼鉄製の運動部材７２を設置する。運動部材７２の基台７１と対向する面には案内溝７２ｂが設けられており、運動部材７２の案内溝７２ｂと基台７１の案内溝７１ｂとは回転摺動体７１ｃを介して対向している。運動部材７２の面のうち、案内溝７２ｂと反対の表面上に潤滑油７３を設け、潤滑油７３上に超音波モーター７４を設置する。潤滑油には、粘度２０ｃＰの不揮発性機械加工潤滑油を用いた。超音波モーター７４は、アルミニウム製の弾性体（胴部５ｍｍ□×２６ｍｍＬ、脚部５ｍｍ□×１０ｍｍＬ×２本、全体はコ字形状）にＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）積層型の圧電アクチュエータを接着してあり、脚部は摺動面に垂直方向に伸縮振動する。超音波モーター７４の摺動面には摩擦部材７４ｂを設けてあり、摩擦部材７４ｂと運動部材７２とが潤滑油７３を挟んで対向接触する構造である。超音波モーター７４は固定部材７５を介して図示しない圧締機構によって運動部材７２面に圧着されており、さらに固定部材７５によって超音波モーター７４自体は移動しないよう固定されている。運動部材７２と超音波モーター７４とを圧着する圧締力は１０ｋｇ／ｃｍ２とした。また、運動部材７２と超音波モーター７４の摩擦部材７４ｂとの接触面は、両者ともにメッシュ２０００番で研磨し、平均表面粗さ（Ｒａ）＜０．０５μｍに仕上げている。この構造の超音波モーターおよび案内装置のうち、潤滑油７３を覆い隠す位置に粉塵カバー７６を設ける。粉塵カバー７６には固定部材７５を通す穴があいており、固定部材７５はこの穴を通じて図示しない圧締機構によって超音波モーター７４を運動部材７２面上に圧着している。
【００２６】
図７に示した本発明の他の実施例によれば、粉塵やダストが潤滑油７３上に付着することがなくなる。したがって、超音波モーター７４の摺動面７４ｂと運動部材７２表面との間に粉塵が食い込んで動作異常を起こすこともなくなるのである。
【００２７】
尚、以上の構成において、潤滑油は、適宜の滴下機構等を用いて自動的に適量を供給する構成とすることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば超音波モーターおよび案内装置の安定動作時間を従来よりも大幅に長くできるので、特に案内装置を多用する半導体産業や光産業への装置面での寄与が可能となる。また、従来寿命が短いと言われてきた超音波モーターの適用分野を拡大することが可能ともなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う超音波モーターの実施例の俯瞰図である。
【図２】本発明に従う超音波モーターの実施例のうち、超音波モーターと運動部材との摺動面付近の断面模式図である。
【図３】本発明における超音波モーター駆動状態模式図である。
【図４】本発明と従来技術とによる超音波モーターの連続駆動試験での駆動力を示すグラフである。
【図５】従来の技術に従う超音波モーターの実施例の俯瞰図である。
【図６】従来の技術に従う超音波モーターの実施例のうち、超音波モーターと運動部材との摺動面付近の断面模式図である。
【図７】本発明に従う超音波モーターの他の実施例の俯瞰図である。
【符号の説明】
１１　　基台
１１ｂ　基台の案内溝
１１ｃ　回転摺動体
１２　　運動部材
１２ｂ　運動部材の案内溝
１３　　潤滑油
１４　　超音波モーター
１４ｂ　摩擦部材
１５　　固定部材
【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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