(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
当接部材を備えた超音波モータと、
前記当接部材が当接することにより前記超音波モータの駆動力が伝達される駆動力伝達部材を備え、前記超音波モータにより駆動される被駆動部材と、
を有する超音波駆動装置であって、
前記駆動力伝達部材は、純度９９．５％以上のアルミナセラミックスで構成され、かつその平均粒子径が７．７μｍ以下であり、
前記セラミックス材料は、原料として９９．５％以上の純度、かつ、平均粒子径が１μｍ以下の酸化アルミニウム粉末を用い、焼成温度を１２００〜１４００℃として焼成されたものであることを特徴とする、超音波駆動装置。
【請求項２】
前記駆動力伝達部材を構成するアルミナセラミックスの平均粒子径が２．１μｍ以上５．６μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の超音波駆動装置。
【請求項３】
当接部材を備えた超音波モータが当接することによりその駆動力が伝達される駆動力伝達部材を備えた超音波駆動装置用被駆動部材であって、
前記駆動力伝達部材は、純度９９．５％以上のアルミナセラミックスで構成され、かつその平均粒子径が７．７μｍ以下であり、
前記セラミックス材料は、原料として９９．５％以上の純度、かつ、平均粒子径が１μｍ以下の酸化アルミニウム粉末を用い、焼成温度を１２００〜１４００℃として焼成されたものであることを特徴とする、超音波駆動装置用被駆動部材。
【請求項４】
前記駆動力伝達部材を構成するアルミナセラミックスの平均粒子径が２．１μｍ以上５．６μｍ以下であることを特徴とする、請求項３に記載の超音波駆動装置用被駆動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータを使用して位置決めステージ等の被駆動部材を駆動させる超音波駆動装置およびそれに用いる被駆動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波モータを使った精密位置決めシステムは、電子線露光（ＥＢ）など磁性を嫌う分野で使用され始めている。このような精密位置決めシステムでは、超音波モータが被駆動部材の駆動力伝達部材に当接することにより駆動力を伝達する摩擦駆動方式を採用している。このため、超音波モータ側の当接部材および被駆動部材側の駆動力伝達部材の磨耗によるパーティクルの発生が避けられない。
【０００３】
パーティクルへの対策として、磨耗を減らし、寿命を確保する目的で、被駆動部材側の摺接部材として複合材料を用いる方法（例えば、特許文献１）や面粗度を規定する方法（例えば、特許文献２）、溶射材料を用いる方法（例えば、特許文献３）などが提案されている。また摺接部材にセラミックスを用いる方法としてアルミナ（例えば、特許文献４）やＡｌ２Ｏ３／ＴｉＣ複合材料（例えば、特許文献５）が提案されている。
【０００４】
しかしながら、半導体製造装置などパーティクルを極端に嫌う分野においては、パーティクルに対する徹底した対策を講ずることが必要であり、上記特許文献１〜５の提案をもってしても、パーティクル対策として、なお不十分であった。
【特許文献１】特開２００３−２６４９８４号公報
【特許文献２】特開２０００−２７８９６８号公報
【特許文献３】特開平１０−３０９０８５号公報
【特許文献４】特開２００２−０２７７６８号公報
【特許文献５】特開２００３−０１８８７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、摩耗が少なくパーティクルの発生が極めて抑制された超音波駆動装置およびそれに用いる被駆動部材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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、当接部材を備えた超音波モータと、
前記当接部材が当接することにより前記超音波モータの駆動力が伝達される駆動力伝達部材を備え、前記超音波モータにより駆動される被駆動部材と、
を有する超音波駆動装置であって、
前記駆動力伝達部材は、純度９９．５％以上のアルミナセラミックスで構成され、かつその平均粒子径が７．７μｍ以下であり、前記セラミックス材料は、原料として９９．５％以上の純度、かつ、平均粒子径が１μｍ以下の酸化アルミニウム粉末を用い、焼成温度を１２００〜１４００℃として焼成されたものであることを特徴とする、超音波駆動装置を提供する。
【０００７】
上記第１の観点において、前記駆動力伝達部材を構成するアルミナセラミックスの平均粒子径が２．１μｍ以上５．６μｍ以下であることが好ましい。
【０００８】
本発明の第２の観点は、当接部材を備えた超音波モータが当接することによりその駆動力が伝達される駆動力伝達部材を備えた超音波駆動装置用被駆動部材であって、
前記駆動力伝達部材は、純度９９．５％以上のアルミナセラミックスで構成され、かつその平均粒子径が７．７μｍ以下であり、前記セラミックス材料は、原料として９９．５％以上の純度、かつ、平均粒子径が１μｍ以下の酸化アルミニウム粉末を用い、焼成温度を１２００〜１４００℃として焼成されたものであることを特徴とする、超音波駆動装置用被駆動部材を提供する。
【０００９】
上記第２の観点において、前記駆動力伝達部材を構成するアルミナセラミックスの平均粒子径が２．１μｍ以上５．６μｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、超音波モータの当接部材が当接することにより被駆動部材に駆動力を伝達する駆動力伝達部材として、純度９９．５％以上で、平均粒子径が７．７μｍ以下のアルミナセラミックスを用いることによって、前記当接部材と前記駆動力伝達部材との摺接により発生するパーティクルを効果的に抑制することができる。よって、本発明の超音波駆動装置は、パーティクルを極力抑制することが必要な分野、例えば半導体製造装置などにおける精密位置決め装置等として好適に使用できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、超音波モータを駆動源とする超音波駆動装置の一実施形態に係る位置決め装置１００の概略構成を示している。この位置決め装置１００は、例えば半導体製造装置などの処理室内で被処理体の精密位置合わせなどに使用されるものである。
【００１２】
位置決め装置１００は、図示のように基台１上に例えば一対のガイドレール２を備え、これらのガイドレール２によって可動体であるステージ３を直線的に案内するようになっている。ステージ３の一方の側面には、ガイドレール２に対して平行な駆動力伝達面４ａを備えた摺接板４が固定されている。また、ステージ３の他方の側面には、摺接板４と平行にリニアスケール５が配備されている。リニアスケール５と対向する位置にはリニアスケール５に記録された情報を読み取る検出器６が配備されている。これらリニアスケール５と検出器６とは、協働して位置検出手段として機能する。
【００１３】
摺接板４と対向する位置には、超音波モータ１０が配備されている。この超音波モータ１０は、当接部１３ａを備えており、この当接部１３ａが前記摺接板４の駆動力伝達面４ａに対して当接可能な状態で配置されている。なお、図１中の符号９は、超音波モータ１０を収容する筐体である。
【００１４】
また、位置決め装置１００には、位置検出手段としてのリニアスケール５および検出器６によって計測された位置情報に応じてステージ３の駆動条件を制御する制御部７、および該制御部７から出力された信号を基に超音波モータ１０を駆動させるための指令信号を出力するドライバ８が配備されており、これらは電気的に接続されている。
【００１５】
図２に、超音波モータ１０の概略構成を示す。超音波モータ１０は、ランジュバン型構造を有する２個の超音波振動子１１ａ，１１ｂと、超音波振動子１１ａ，１１ｂを所定角度（図２では９０度としている）で保持する保持部材１２と、摺接板４の駆動力伝達面４ａに接する略Ｖ字型の形状を有するヘッド１３を有している。保持部材１２には、例えば、エアーシリンダや油圧シリンダ、スプリングコイル等の押圧機構１４が取り付けられており、所定の力でヘッド１３を摺接板４の駆動力伝達面４ａに押し当てている。
【００１６】
超音波振動子１１ａは、両端がネジ切りされたボルト２１と、ボルト２１のネジ溝に嵌合するネジ穴を有する袋ナット２２と、ボルト２１を通すことができる２枚のリング状の圧電板２３ａ，２３ｂと、ボルト２１を通すことができるリング状の電極板２４ａ〜２４ｃとを有している。
【００１７】
超音波振動子１１ｂは、超音波振動子１１ａと同様に、ボルト２１’と、袋ナット２２’と、２枚のリング状の圧電板２３ａ’，２３ｂ’と、リング状の電極板２４ａ’〜２４ｃ’とを有している。圧電板２３ａ，２３ｂ，２３ａ’，２３ｂ’の表裏面には電極（図示せず）が形成されている。なお、１個の超音波振動子に設けられる圧電板の枚数は任意であり、２枚に限定されるものではない。
【００１８】
保持部材１２にはボルト２１を通すための孔部が設けられている。ヘッド１３は、摺接板４の駆動力伝達面４ａに接する当接部１３ａと、超音波振動子１１ａ，１１ｂと連結される連結部１３ｂ，１３ｂ’と、当接部１３ａと連結部１３ｂ，１３ｂ’とを連結するネック部１３ｃ，１３ｃ’から構成されている。
【００１９】
ヘッド１３の連結部１３ｂ，１３ｂ’にはそれぞれ、ボルト２１，２１’のネジ溝に嵌合するネジ穴が形成されている。このヘッド１３には、耐摩耗性に優れる材料、例えば、ステンレスや超硬合金等の金属材料や、アルミナや窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックスが用いられる。ヘッド１３が金属製であれば、ヘッド１３にボルト２１，２１’と連結するためのネジ溝を形成することが容易である。ヘッド１３を金属材料で作製し、その当接部１３ａの表面に窒化ケイ素等のコーティングを施すこと等も好ましい。
【００２０】
図２に示されるように、圧電板２３ａ，２３ｂが電極板２４ａ〜２４ｃに挟まれるように配置し、これら圧電板２３ａ，２３ｂと電極板２４ａ〜２４ｃおよび保持部材１２の孔部にボルト２１を通し、ボルト２１の端部にそれぞれヘッド１３と袋ナット２２を取り付ける。これによって圧電板２３ａ，２３ｂは所定の力で締め付けられ、超音波振動子１１ａが構成される。このように、超音波モータ１０において、ヘッド１３は、摺接板４の駆動力伝達面４ａを介してステージ３に推力を与えるだけでなく、ランジュバン型振動子を構成する部材としての役割を担っている。これと同様にして、超音波振動子１１ｂが構成される。
【００２１】
通常、ボルト２１と袋ナット２２と保持部材１２は金属材料が用いられ、この場合には、電極板２４ａ，２４ｃは保持部材１２を介して袋ナット２２と導通する。このため、保持部材１２または超音波振動子１１ａの袋ナット２２を圧電体２３ａ，２３ｂを駆動するための接地電極として用いることができ、このときに超音波振動子１１ｂが具備する圧電板２３ａ’，２３ｂ’を駆動するためのアース電極を同時にとることができる。
【００２２】
なお、ヘッド１３が金属製の場合、ヘッド１３はボルト２１と袋ナット２２を介して電極板２４ａと導通するために、保持部材１２または超音波振動子１１ａ，１１ｂの袋ナット２２，２２’のいずれかを接地すれば、ヘッド１３もまた接地状態に保持することができる。
【００２３】
圧電板２３ａ，２３ｂには、ＰＺＴ系等の圧電セラミックスが好適に用いられる。圧電板２３ａ，２３ｂの分極の向きは、圧電板２３ａ，２３ｂの間に挟まれている電極板２４ｂについて対称となっている。また、電極板２４ａ，２４ｃは互いに電気的に接続されている。したがって、電極板２４ｂと電極板２４ｃとの間に電圧を印加すると、圧電板２３ａ，２３ｂには同じ位相で変位（振動）が生ずる。つまり、圧電板２３ａ，２３ｂがその厚み方向に共に伸び、または、共に縮む。
【００２４】
そこで、圧電板２３ａ，２３ｂに共振周波数の電圧信号を投入して超音波振動子１１ａを振動させることにより、この振動はネック部１３ｃによって拡大されて当接部１３ａに伝えられる。これと同時に、所定の共振周波数の電圧信号を圧電板２３ａ’，２３ｂ’に投入して超音波振動子１１ｂを振動させると、この振動はネック部１３ｃ’によって拡大されて当接部１３ａに伝えられる。こうして当接部１３ａには、２つの超音波振動子１１ａ，１１ｂからそれぞれネック部１３ｃ，１３ｃ’を介して伝えられた振動が合成された変位運動が生じる。
【００２５】
再び図１を参照するに、可動体であるステージ３に固着された摺接板４は、超音波モータ１０による駆動力をステージ３に伝達する駆動力伝達部材として機能するものである。従って、ステージ３および摺接板４は、位置決め装置１００における被駆動部材を構成している。
【００２６】
摺接板４を構成するセラミックス材料としては、その純度、すなわちアルミナ含有量が９９．５重量％（以下、単に「％」と記す）以上、好ましくは９９．９％以上であるアルミナを用いる。アルミナ含有量が９９．５％未満では、後記試験例に示すように、パーティクルの発生が増加する。また、アルミナの平均粒子径は、７．７μｍ以下であり、好ましくは２．１μｍ〜５．６μｍ以下であるものを用いる。アルミナの平均粒子径が７．７μｍを超える場合には、パーティクルの抑制効果が十分でなくなり、パーティクル数が増加する。その理由は、アルミナの平均粒子径が７．７μｍを超えて大きくなると、比較的低強度の粒界部分が集まって大きくなり、脱落しやすくなるためであると考えられる。
【００２７】
摺接板４は、例えば原料粉末をプレス成形法や押出成形法、射出成形法等の種々の方法を用いて板状またはシート状に成形し、所定温度で焼成した後に、必要に応じて研削・切削加工等を施すことにより作製することができる。以下、摺接板４の製造方法を説明する。
【００２８】
原料として使用する酸化アルミニウム粉末としては、９９．５％以上の高純度のものを用いる。
また、上記酸化アルミニウム粉末の平均粒子径としては、Ｄ５０が１μｍ以下のものを用いることが好ましい。
【００２９】
原料の純度が９９．５％未満の場合や、平均粒子径が１μｍを超える場合（例えば、２μｍ以上である場合）においては、低温易焼結の性質が失われてしまい、充分に焼結密度が上がらない。一方、焼結密度を上げるために高温で焼結すると、粒成長が生じ、ポアが粗大化してしまうおそれがある。
【００３０】
上記平均粒子径を有する摺接板４を作製するには、原料の酸化アルミニウム粉末とバインダーを混合した粉末を成型、ＣＩＰ処理後、焼成条件を制御しながら焼成する。この焼成温度条件は、例えば１２００〜１４００℃とすることができる。焼成温度が１２００℃未満では、焼結自体進行しにくく、焼結体が得られ難くなる。一方、１４００℃を超える焼成温度では、粒成長が生じ、ポアが粗大化してしまうおそれがあるので好ましくない。
【００３１】
アルミナセラミックスで通常採用されている焼成温度（１５００〜１６００℃）よりも低温である１２００〜１４００℃で焼成する理由は、１４００℃（酸化アルミニウム基板の場合）を越える温度では、粒成長（結晶成長）が著しく、ポアの粒界相への移動と粒成長に伴うポアの粗大化が生じるためである。また、このような低温での焼結を容易に行わせるために（つまり、低温易焼結性を発揮させるために）、前記した９９．５％以上の高純度で１μｍ以下の平均粒子径の酸化アルミニウム粉末を原料として使用するのである。焼成雰囲気としては、例えば大気、不活性雰囲気（例えばアルゴン雰囲気）又は還元雰囲気（例えばカーボンヒータ等の使用による窒素雰囲気）中で焼成することができる。
【００３２】
また、上記焼成条件で得られた酸化アルミニウム焼結体に対しさらにＨＩＰ処理（例えば、カーボンヒータを有するＨＩＰ炉での処理）を施すことが好ましい。このＨＩＰ処理としては、粒成長によるポアの粗大化を生じさせない観点から、焼成温度よりもいくぶん低温例えば１０００〜１４００℃未満で行うことが好ましく、圧力としては１８００ｋｇ／ｃｍ２程度で行うことが好ましい。
【００３３】
次に、本発明の効果を確認した試験結果について説明する。
被駆動部材としてのステージ３に装着した摺接板４の材質を変えて、連続駆動実験を実施した。摺接板４としては、表１に示す試料Ａ〜Ｈの８種類を用意した。試料Ａ〜Ｈは、いずれもアルミナであり、表１に示す以外に下記の物性を有するものである。
【００３４】
＜試料の物性値＞
ビッカース硬さ＝１８〜２０ＧＰａ
破壊靱性値＝３〜４ＭＰａ√ｍ
ヤング率＝３９０〜４００ＧＰａ
熱伝導率＝３０〜３５Ｗ／ｍ・Ｋ
【００３５】
また、各試料Ａ〜Ｈについては、予め鏡面研磨を行い、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察によって３μｍ径以上のポア数（１ｍｍ２あたり）と平均粒子径を測定しておいた。ここで平均粒子径は、ＳＥＭ写真に線を引き、線の長さを、線を横切る粒子の数で除した値を算出し、これを平均粒子径とした。なお、各試料のポア数は、表１に示すとおりである。
【００３６】
超音波モータとしては、図２に示すものと同様の構造を備えたランジュバン型振動子を有する超音波モータ１０を用い、これを可動部重量１０ｋｇ、ストローク２５０ｍｍのステージ３に取り付けた。
【００３７】
超音波モータの先端には純度９９．９９％のアルミナで、３μｍ以上のポア数（１ｍｍ２あたり）が１０００個以下のものを用いた。これらの試料について鏡面研磨を行い、ＳＥＭ観察によって３μｍ以上のポアの数と平均粒子径を測定した。
【００３８】
試験は、ステージ３を、速度１００ｍｍ／ｓｅｃ、加速度１ｍ／ｓｅｃ２で連続駆動し、発生する磨耗粉をパーティクルカウンタで測定することにより行なった。パーティクルカウンタは、毎分２８．３リットル吸引し、０．１μｍ以上、０．２μｍ以上、０．３μｍ以上、０．５μｍ以上、０．７μｍ以上、１μｍ以上の７水準のパーティクル数を同時にカウントするモードで、駆動開始１２時間から１時間連続して測定し、１時間の平均を測定値とした。その結果を表１に示した。また、純度９９．５％以上のアルミナの平均粒子径とパーティクル計測量（個数）との関係を図３に示した。
【００３９】
【表１】
0004801433.tif 000002
【００４０】
表１より、試料Ａはパーティクル計測量が他に比べて極端に多かった。これは、試料Ａを除くと平均粒子径とパーティクル発生量に相関があること、ポアの数は試料Ａと試料Ｄとで変らないことから、試料Ａの純度が低いことが主な原因と考えられる。摺接板４を構成するアルミナセラミックスの純度が９９．５％以上の場合、平均粒子径が１．４〜７．７μｍ以下であれば、ポアの数に拘わらず、径０．２μｍのパーティクル量は２００個以下になることがわかった。また平均粒子径２．１〜５．６μｍであれば、パーティクル量はさらに少なくなり、径０．３μｍ以上のパーティクル計測量は、バックグランドと変らないレベルになることもわかった。この試験結果から、アルミナの純度を９９．５％以上とし、平均粒子径を７．７μｍ以下に設定することによって、パーティクルの発生を抑制し、パーティクル数を極力引き下げることができることが示された。
【００４１】
以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の超音波駆動装置は、例えば半導体製造装置等に配備される精密位置決め装置として好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】位置決め装置の概略構成を示す斜視図。
【図２】超音波モータの概略構成を示す断面図。
【図３】パーティクル数の測定結果を示すグラフ図。
【符号の説明】
【００４４】
１；基台
２；ガイドレール
３；ステージ
４；摺接板
４ａ；駆動力伝達面
５；リニアスケール
６；検出器
７；制御部
８；ドライバ
９；筐体
１０；超音波モータ
１１ａ，１１ｂ；超音波振動子
１２；保持部材
１３；ヘッド
１３ａ；当接部
１３ｂ，１３ｂ’；連結部
１３ｃ，１３ｃ’；ネック部
１４；押圧機構
１５；被駆動体
２１，２１’；ボルト
２２，２２’；袋ナット
２３ａ，２３ｂ，２３ａ’，２３ｂ’；圧電板
２４ａ〜２４ｃ；２４ａ’〜２４ｃ’；電極板
【図１】
0004801433.tif 000003
【図２】
0004801433.tif 000004
【図３】
0004801433.tif 000005