(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面を備え、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、
前記駆動力伝達面は、中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ以下であり、かつ、３μｍ径以上のポアが１ｍｍ２あたり１００００個以下であるセラミックス材料により構成され、
前記駆動力伝達面の付着物を拭き取るワイピング部材を備えていることを特徴とする、超音波駆動装置。
【請求項２】
前記セラミックス材料における３μｍ径以上のポアが１ｍｍ２あたり１０００個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】
前記セラミックス材料は、原料として９９％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請求項１又は請求項２に記載の超音波駆動装置。
【請求項４】
前記超音波駆動装置は、真空環境下の処理室内で被処理体の位置合わせに使用されるものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の超音波駆動装置。
【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いる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面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面の磨耗によるパーティクルの発生が避けられない。また、駆動を繰り返す間に、発生したパーティクルが当接部材と駆動力伝達面との間に噛み込まれることによって、磨耗が加速されるという問題がある。さらに、当接部材と駆動力伝達面との間に磨耗粉が噛み込まれることによって、駆動力が変動し、精密位置決めの制御が不安定になり、位置決め精度を低下させるという問題もある。
【０００３】
これらの問題への対策として、刷毛によって駆動力伝達面の摩耗粉を掃う方法（例えば、特許文献１および特許文献２）や、駆動力伝達面に付着した粉塵をスクレーバで掻き取る方法（例えば、特許文献３）などが提案されている。
【特許文献１】特開２００２−１４２４７１号公報
【特許文献２】特開２００４−２３６３８９号公報
【特許文献３】特開２００５−０５１８３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
精密位置決めシステムを真空環境下、例えば半導体製造装置の真空チャンバ内などで使用する場合、常圧での使用環境に比べ、駆動力伝達面への粉塵の付着が強固になる。また、真空環境では、雰囲気中に存在する僅かな有機物が駆動力伝達面に固着していく。そして、これらの粉塵や有機物は、少しずつ駆動力伝達面に蓄積していき、堆積物を形成することがある。このような堆積物は、上記特許文献１〜３の方法ではその形成を抑制したり、取り去ることができず、精密位置決めの制御が不安定になったり、被駆動部材を長距離駆動させると超音波モータが停止したりしてしまうといった問題があった。
【０００５】
従って本発明は、真空環境下で使用される場合でも、堆積物の形成が少なく、位置決め精度や長距離駆動における耐久性が低下しない超音波駆動装置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面を備え、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、
前記駆動力伝達面は、中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ以下であり、かつ、３μｍ径以上のポアが１ｍｍ２あたり１００００個以下であるセラミックス材料により構成され、
前記駆動力伝達面の付着物を拭き取るワイピング部材を備えてい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、前記セラミックス材料における３μｍ径以上のポアが１ｍｍ２あたり１０００個以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、超音波駆動装置の超音波モータにより駆動される被駆動部材の駆動力伝達面を、中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ以下であり、かつ、３μｍ径以上のポアが１ｍｍ２あたり１００００個以下であるセラミックス材料により構成したので、真空環境下でも駆動力伝達面での堆積物の形成が抑制され、被駆動部材を少ない位置誤差で安定して長距離駆動させることができる。
【００１２】
特に、超音波駆動装置に駆動力伝達面の付着物を除去するワイピング部材を配備することにより、真空環境下での駆動距離を飛躍的に向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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、真空環境下、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。
【００１４】
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。
【００１５】
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１０ａを備えており、この当接部１０ａが前記摺接板４の駆動力伝達面４ａに対して当接した状態で配置されている。また、超音波モータ１０の両側には、当接部１０ａを間に挟むように、摺接板４の駆動力伝達面４ａをクリーニングするためのワイピング部材１３，１４が配備されており、これらのワイピング部材１３，１４の先端も前記摺接板４の駆動力伝達面４ａに対して当接した状態で配備されている。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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、圧電素子１１ａまたは圧電素子１１ｂと金属板１２とが交互に積層された構造を有し、かかる積層体の最先端部には、摺接板４の駆動力伝達面４ａに当接しこれを押圧するための当接部１０ａが形成されたセラミックス板１５が配備されている。当接部１０ａはセラミックス板１５に形成された凸部である。
【００１８】
圧電素子１１ａは、薄板状の圧電体の両表面に図示しない駆動用電極が形成されており、この駆動用電極間に所定の電圧を印加したときに圧電体が厚み方向に変位する３３モード素子である。一方、圧電素子１１ｂは、薄板状の圧電体の両表面に図示しない駆動用電極が形成され、この駆動用電極間に所定の電圧を印加したときに圧電体が剪断方向に変位する１５モード素子である。
【００１９】
３３モード素子１１ａは、例えば、所定の厚みを有する圧電体を準備し、その両表面に銀ペースト等を用いてスクリーン印刷法等により電極を印刷し、焼成した後に、形成された電極間に所定の電圧を印加して分極処理して作製することができる。また、１５モード素子１１ｂは、所定の厚みを有する圧電体を準備して、対向する一対の側面に銀ペースト等を用いて形成した電極間に所定の高電圧を印加して分極処理を施した後、この電極を除去して、分極が解けないように、圧電体の両表面に新たに導電性樹脂等を用いて駆動用電極を形成することで作製することができる。
【００２０】
３３モード素子１１ａと金属板１２との間、および１５モード素子１１ｂと金属板１２との間は、それぞれ樹脂接着剤により接着されている。この樹脂接着剤によって形成されている接着層は薄く、３３モード素子１１ａと１５モード素子１１ｂに形成されている駆動用電極は部分的に金属板１２と接している。こうして、金属板１２を１層おきに接続して正極と負極を構成し、これに駆動電圧をかけることにより、３３モード素子１１ａと１５モード素子１１ｂに形成されている駆動用電極に駆動電圧を印加することと同じ結果になる。
【００２１】
図２に示すように、電圧を印加したときに３３モード素子１１ａを伸長させるように用いる場合には、３３モード素子１１ａの圧電体の分極の向き（矢印Ｓ１）と同じ向きに駆動電圧による電界（矢印Ｓ２）がかかるように配置する。一方、電圧を印加したときに３３モード素子１１ａを縮ませるように用いる場合には、駆動電圧による電界（矢印Ｓ２）と圧電体の分極の向き（矢印Ｓ１）が逆向きとなるようにする。
【００２２】
また、１５モード素子１１ｂは、剪断変形の向きが同じであって変位量が合計されるように配置する。例えば、１枚の金属板１２の上下に位置する２個の１５モード素子１１ｂでは、電界のかかる向き（矢印Ｓ２）が逆向きとなるので、分極の向き（矢印Ｓ３）も厚み方向に垂直な方向で逆向きとなるように配置する。図２には、４層の１５モード素子１１ｂを剪断変形させた状態を破線で示している。
【００２３】
超音波モータ１０では、下部の４層が３３モード素子１１ａで構成され、上部の４層が１５モード素子１１ｂで構成されている。なお、３３モード素子１１ａと１５モード素子１１ｂの積層数は、所望の変位量を得るために任意に設定することができる。３３モード素子１１ａと１５モード素子１１ｂとの境界に位置する金属板１２は、３３モード素子１１ａまたは１５モード素子１１ｂに駆動電圧を印加した際に、常にグランド（ＧＲＤ）となるように設定される。また、３３モード素子１１ａに印加する電圧（３３モード素子駆動信号）と、１５モード素子１１ｂに印加する電圧（１５モード素子駆動信号）は、所定の変位量を得るためにそれぞれ好適な値に設定される。
【００２４】
超音波モータ１０を駆動させる際は、例えば、まず筐体９内に固定された超音波モータ１０の３３モード素子１１ａを縮ませ、次に、１５モード素子１１ｂを剪断変形させた後に、３３モード素子１１ａを伸長させ、次いで１５モード素子１１ｂの剪断変形を解除する。このように３３モード素子１１ａと１５モード素子１１ｂを駆動させると、当接部１０ａが摺接板４の駆動力伝達面４ａと直交する方向に円運動をすることになり、１サイクルの駆動で１５モード素子１１ｂの剪断変形の変位量だけステージ３を移動させることができる。また、１５モード素子１１ｂの変位量を印加する電圧値を制御して所定値とすることにより、ステージ３の微小位置決めを行うことが可能となる。
【００２５】
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、例えば、アルミナ、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣ、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４等を挙げることができる。本実施形態では、摺接板４の駆動力伝達面４ａは、中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ以下、好ましくは０．０５〜０．２μｍ（０．１μｍ以下は加工費が急激に高くなり現実的ではない）であり、かつ３μｍ径以上のポアが１ｍｍ２あたり１００００個以下、好ましくは１０００個以下であるアルミナにより形成されている。
【００２７】
超音波モータ１０の先端（当接部１０ａ）と摺動部材（摺接板４）との磨耗には、初期に「なじみ」と称する磨耗速度が速い初期の磨耗と、「なじみ」後の磨耗速度が低い状態が存在する。摺接板４の駆動力伝達面４ａの中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍを超える場合には、初期磨耗と「なじみ」後の磨耗速度があまり変らず、磨耗粉が多く発生することからポアの数やワイピング部材１３，１４の有無にかかわらず、早い段階で駆動力伝達面４ａに堆積物が形成され、ステージ３に位置誤差を生じるために好ましくない。
【００２８】
また、摺接板４の表面（駆動力伝達面４ａ）に３μｍ径以上のポアが１ｍｍ２あたり１００００個を超えて存在すると、ワイピング部材１３，１４を配備しない場合に早い段階でステージ３に位置誤差が生じる。駆動力伝達面４ａに、３μｍ径以上のポアが多数存在する場合には、堆積物と摺接板４との相互作用が強く、超音波モータ１０の先端（当接部１０ａ）が当たることによる脱落やワイピング部材１３，１４による拭き取りによっては、付着物を除去し切れないことにより堆積物の形成が進行しやすくなる。これに対し、摺接板４の駆動力伝達面４ａを、３μｍ径以上のポアが１ｍｍ２あたり１００００個以下、好ましくは１０００個以下である場合には、堆積物の形成が抑制され、ステージ３の位置誤差が許容範囲を超えるまでの走行距離を飛躍的に向上させることが可能になる。
【００２９】
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のセラミックス材料としてアルミナを用いる場合を例に挙げてその製造方法を説明する。
【００３０】
原料として使用する酸化アルミニウム粉末としては、９９％以上の高純度のものを用いるのが好ましい。純度が９９％未満では、３μｍ径以上のポア数が１００００個／ｍｍ２以下の駆動力伝達面４ａが得られ難い。また、上記酸化アルミニウム粉末の平均粒子径としては、１μｍ以下のものを用いることが好ましい。原料の酸化アルミニウム粉末の平均粒径が１μｍを超えると、同じく３μｍ径以上のポア数が１００００個／ｍｍ２以下の駆動力伝達面４ａが得られ難い。
【００３１】
原料の純度が９９％未満の場合や、平均粒子径が１μｍより粗い場合においては、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。従って、原料として使用する酸化アルミニウム粉末としては、９９％以上の高純度で１μｍ以下の平均粒子径のものを用いることが好ましく、９９．８％以上の高純度で０．５μｍ以下の平均粒子径のものを用いることがより好ましい。
【００３２】
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、３μｍ径以上のポア数が１００００個／ｍｍ２以下の駆動力伝達面４ａが得られ難いので好ましくない。
【００３３】
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％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。
【００３４】
また、摺接板４表面（駆動力伝達面４ａ）のポアをより少なくするため、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。
【００３５】
位置決め装置１００には、前記のとおり、駆動力伝達面４ａの付着物を除去する目的でワイピング部材１３および１４が配備されている。図１に示すように、ワイピング部材１３，１４は、超音波モータ１０の当接部１０ａの両側に配備することが好ましい。ワイピング部材１３，１４によって、真空環境中で摺接板４の駆動力伝達面４ａに付着した粉塵等を物理的に掻き落としてクリーニングすることが可能となる。また、真空環境下では、雰囲気中に存在する僅かな有機物が少しずつ駆動力伝達面４ａに固着し、堆積物を形成しやすくなるが、ワイピング部材１３，１４を配備することによって、後記実施例に示す如く、堆積物の形成を抑制し、ステージ３の走行距離を格段に向上させることが可能になる。
【００３６】
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の摺接板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〜Ｄの４種類を用意した。試料Ａ〜Ｄ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。
【００３７】
＜試料の物性値＞  
純度：＞９９．９％
ビッカース硬さ＝２０ＧＰａ
破壊靱性値＝３ＭＰａ√ｍ
ヤング率＝４００ＧＰａ
熱伝導率＝３５Ｗ／ｍ・Ｋ
【００３８】
また、各試料Ａ〜Ｄ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）を測定しておいた。なお、各試料のポア数は、表１に示すとおりである。
【００３９】
超音波モータ１０は、図２に示すものと同様の構造を備えた有限会社テック・コンシェルジェ熊本製“Ｓｐｉｄｅｒ”（商品名）を用い、これを可動部重量１．２ｋｇ、ストローク１００ｍｍのステージ３に取り付けて１×１０−４Ｐａの真空チャンバ内に設置した。また、超音波モータ１０の当接部１０ａの材質には、純度９９．９９％のアルミナを用いた。ステージ３の駆動条件は、速度５０ｍｍ／ｓｅｃ、加速度８０ｍｍ／ｓｅｃ２で連続駆動した。
【００４０】
また、超音波モータ１０の当接部１０ａの両側にワイパー１３，１４を設置した場合と設置しない場合について同条件で連続駆動を実施して比較した。
【００４１】
試験は、フィードバック制御駆動中の定速域でのステージ３の位置誤差が０．１μｍ以上となったところで停止し、摺接板４の表面（駆動力伝達面４ａ）の形状測定を表面形状計測器により行った。
【００４２】
【表１】
0004804826.tif 000002
【００４３】
実験結果から、付着物による駆動力伝達面４ａの盛り上がり高さが高くなると位置誤差が大きくなり、その高さが２００ｎｍ程度になると定速走行中の位置誤差が０．１μｍを超えることがわかった。また、試料Ａと試料Ｂとの比較から駆動力伝達面４ａに存在する３μｍ径以上のポア数（１ｍｍ２あたり）によって堆積物の形成速度に大きな差異が存在することが確認され、同ポア数は１００００個以下が好ましいことが判明した。
【００４４】
また、駆動力伝達面４ａの１ｍｍ２あたりに存在する３μｍ径以上のポア数が１００００個以下の場合（試料Ｂ）、ワイピング部材１３，１４を取り付けることによって、定速走行中のステージ３の位置誤差が０．１μｍになるまでの走行距離が飛躍的に伸びることがわかった。さらに、駆動力伝達面４ａの１ｍｍ２あたりに存在する３μｍ径以上のポア数が１０００個以下の場合（試料Ｃ）、ワイピング部材１３，１４を用いると２００ｋｍ以上走行してもステージ３の位置誤差が０．１μｍを下回る良好な結果となった。
【００４５】
一方、駆動力伝達面４ａの中心線表面粗さ（Ｒａ）が１．０μｍ以上の場合（試料Ｄ）には、３μｍ径以上のポア数（１ｍｍ２あたり）が１０００個以下でも、ワイピング部材１３，１４の配備の有無による効果の相違はほとんど観られず、ステージ３の位置誤差が０．１μｍになるまでの走行距離が１００〜３００ｍと極めて短かった。
また、ワイピング部材１３，１４を配備した試験では、試験後にワイピング部材１３，１４を観察したところ、磨耗粉がワイピング部材１３，１４に充満しており、ワイパーとしての機能を果たさなくなっていた。
【００４６】
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。
例えば、上記実施形態では、摺接板４を構成するセラミックス材料としてアルミナを使用したが、中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ以下であり、かつ３μｍ径以上のポアが１ｍｍ２あたり１００００個以下であるセラミックス材料であれば、アルミナ以外の材質についても同様に使用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の超音波駆動装置は、例えば半導体製造装置に真空チャンバ内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】
【００４８】
【図１】位置決め装置の概略構成を示す斜視図。
【図２】超音波モータの一実施形態を示す断面図。
【符号の説明】
【００４９】
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：３３モード素子
１１ｂ；１５モード素子
１２；金属板
１３，１４；ワイピング部材
【図１】
0004804826.tif 000003
【図２】
0004804826.tif 000004