(57)【要約】  【課題】超音波モータを可動体の駆動源とする駆動装置において、より高い位置決め精度の要求があった。  【解決手段】駆動体と、該駆動体を狭持するように一直線上に配置され、それぞれ一方端が前記駆動体に固定され、他方端が本体に形成された保持部に固定する第１の圧電素子部及び第２の圧電素子部と、前記第１の圧電素子部及び第２の圧電素子部と直角に配置され、一方端が前記可動体に当接する摩擦部材に固定され、他方端が前記駆動体に固定された第３の圧電素子部とからなり、前記第１乃至第３の圧電素子部に所定の周期で交流電圧を印加することにより、前記摩擦部材を楕円駆動させて可動体を移動可能に構成した駆動装置において、前記駆動体に、該駆動体が前記可動体の移動方向に対して平行に移動できるガイド部を形成したことを特徴とする駆動装置とする。【選択図】図１
2005124377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動体と、該駆動体を狭持するように一直線上に配置され、それぞれ一方端が前記駆動体に固定され、他方端が本体に形成された保持部に固定する第１の圧電素子部及び第２の圧電素子部と、前記第１の圧電素子部及び第２の圧電素子部と直角に配置され、一方端が前記可動体に当接する摩擦部材に固定され、他方端が前記駆動体に固定された第３の圧電素子部とからなり、前記第１乃至第３の圧電素子部に所定の周期で交流電圧を印加することにより、前記摩擦部材を楕円駆動させて可動体を移動可能に構成した駆動装置において、
前記駆動体に、該駆動体が前記可動体の移動方向に対して平行に移動できるガイド部を形成したことを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記駆動体の第３の圧電素子部が形成された側面とは反対側に、前記ガイド部が形成されたことを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
【請求項３】
前記ガイド部は、前記駆動体と本体とを接合する平行ヒンジバネであることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
【請求項４】
本体内に、可動体と、主に異なる２方向の振動を発生する２つの振動部と、該振動部の異なる２方向の合成により所定の振動軌跡を発生すると共に前記可動体に摺接する摩擦部材を有する駆動体とを配置し、前記駆動体により可動体を駆動させる駆動装置において、
少なくとも、いずれかの前記振動部に、その振動方向と異なる方向の変位を抑制するガイド部を有することを特徴とする駆動装置。
【請求項５】
前記各振動部の一方端は前記本体に対して固定され、他方端は前記駆動体に対して固定されたことを特徴とする請求項４記載の駆動装置。
【請求項６】
前記２つの振動部のうち、一方の振動部は、前記本体に対して少なくとも一方端が固定された第１の振動部で構成され、他方の振動部は、前記第１の振動部の最大変位位置に一方端が固定された第２の振動部で構成されたことを特徴とする請求項４記載の駆動装置。
【請求項７】
前記ガイド部は、直動ころがりガイド、平行ヒンジバネのうちの少なくともいずれかで構成されていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の駆動装置。
【請求項８】
前記平行ヒンジバネが、各駆動体と同一部材に固定されていることを特徴とする請求項７に記載の駆動装置。
【請求項９】
前記摩擦部材が、アルミナと炭化チタンを主として含有する複合材料の焼結体よりなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の駆動装置。
【請求項１０】
前記複合材料中の炭化チタンの含有量が１０〜５０質量％であることを特徴とする請求項９に記載の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波モータを用いた駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波モータは、最小振幅がナノメートルオーダーと小さく、高分解能の位置決めが可能であり、しかも摩擦駆動であるために駆動力が大きいといった特徴を有するため、これまでカメラのレンズズーム機構や腕時計のバイブレーションアラームなど回転運動系への実用化が行われており、最近では精密加工機械、精密測定装置、半導体製造装置等、直線運動系の駆動装置への適用が試みられている。
【０００３】
図５に直線運動系の駆動装置への適用例の１つである従来の駆動装置１０を示す。この装置は、ベース盤１１上にクロスローラーガイドの如き一対のガイド部材１２を備え、これらのガイド部材１２によって可動体としてのステージ１３を直線的に案内するようになっている。
【０００４】
また、ステージ１３の一方の側面には、ガイド部材１２に対して平行に駆動力伝達部材１４が、ステージ１３の他方の側面には、前記駆動力伝達部材１４と平行にリニアスケール１５がそれぞれ設置されており、該リニアスケール１５と対向する位置には測定ヘッド１６を設けて位置検出手段１７を構成するとともに、前記駆動力伝達部材１４と対向する位置には超音波モータ２０を設置し、前記超音波モータ２０の摩擦部材２５を前記駆動力伝達部材１４の当接面に対して垂直に当接させてある。
【０００５】
なお、図中、２６は超音波モータ２０を収容するケース、２７は超音波モータ２０の駆動を阻害することなくケース２６内に保持するためのスプリング、２８は超音波モータ２０をステージ１３の駆動力伝達部材１４に押圧するためのスプリングである。また、１８は位置検出手段１７より得られた位置情報を基にステージ１３の駆動速度を制御するための駆動制御部であり、駆動制御部１８から出力された駆動用指令信号をドライバ１９に入力し、ドライバ１９より出力された駆動電圧により超音波モータ２０を駆動させる。
【０００６】
また、前記摩擦部材２５および駆動力伝達部材１４には、アルミナ等の一般的なセラミックス、ガラス等が用いられており、これらセラミックス、ガラス等からなる摩擦部材２５と駆動力伝達部材１４を当接させその摩擦駆動により、前記ステージ１３を駆動させる。
【０００７】
また、図６（ａ）、（ｂ）に図５の駆動装置１０に用いる超音波モータ２０の構造を示すように、この超音波モータ２０は、圧電セラミック板２１の一方の主面に４分割された電極膜２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを有し、対角に位置する電極膜２２ａと電極膜２２ｄを結線するとともに、対角に位置する電極膜２２ｂと電極膜２２ｃを結線し、かつ他方の主面には、ほぼ全面に電極２３を形成した振動体２４と、前記圧電セラミック板２１の端面に設けたセラミックスやガラスからなる摩擦部材２５とからなり、前記一方の主面に形成された電極膜２３をアースするとともに、他方の主面に形成された電極膜２２ａと電極膜２２ｂにそれぞれ位相を異ならせた電圧を印加することにより、圧電セラミック板２１に縦振動と横振動を発生させ、これらの振動の合力によって摩擦部材２５を楕円運動させるようになっていた。
【０００８】
そして、ステージ１３の移動に伴う位置検出手段１７からの位置情報と、予め設定してあるステージ１３の移動プロファイルに基づく基準位置情報との偏差に応じて駆動制御部１８にて例えばＰＩＤ演算処理した結果を指令信号としてドライバ１９に出力し、ドライバ１９は超音波モータ２０へ駆動電圧を出力して超音波モータ２０を駆動させるフィードバック制御を行うようになっていた。なお、ＰＩＤ演算を行うための制御パラメータであるＰ項、Ｉ項、Ｄ項の決定は、実駆動させる前にステージ１３の移動中における位置偏差や位置決め精度が規格を満足するように実験により試行錯誤的に決定するようになっていた。
【０００９】
ところが、前記超音波モータ２０の構造では、超音波モータによりステージを駆動させ、位置決めのために停止させた際に、振動体２４を保持するために設置されたスプリング２７や、摩擦部材２５を駆動力伝達部材へ押し付けるために設置されたスプリング２８等の弾性体の弾性力の影響で、振動体がすぐには停止しないために、高精度の位置決めを実施することが非常に困難であった。
【００１０】
この問題に対し、振動体に圧電素子を固定し、この振動体に移動体を加圧接触させてなる超音波モータにおいて、一端面をベースに、その反対面を振動体にそれぞれ固定した第１の圧電素子と、前記振動体に前記第１の圧電素子を固定した面と直角に、かつ一直線上に対向して一端面を固定し、反対面を前記ベースに固定した第２及び第３の圧電素子が互いに逆の動きを行うことを特徴とした図７に示すような構造とした超音波モータが提案されていた（特許文献１参照）。
【００１１】
また、一端面をベースに、他端面を連結体に固着した第１の圧電素子と、この第１の圧電素子を固着した連結体の反対面に一端面を固着し、他端面をベースに固着した第２の圧電素子と、この第１及び第２の圧電素子と直角の関係になるように連結体に固着した第３の圧電素子と、この第３の圧電素子の他端面に直接、又は駆動部材を介して加圧接触させた移動体とを具備した超音波モータが提案されていた（特許文献２参照）。
【００１２】
さらに、一端を基台に他端を第１の連結体に固定した第１の圧電振動子と、前記第１の連結体に第１の圧電振動子と水平又は垂直に直角を成す角度をもって固定した第２の圧電振動子と、この第２の圧電振動子の他端に固定した第２の連結体と、この第２の連結体に前記第２の圧電振動子と水平又は垂直に直角を成す角度をもって固定した第３の圧電振動子と、この第３の圧電振動子の他端に固定した駆動体と、この駆動体に加圧接触させた移動体を具備した超音波モータが提案されていた（特許文献３参照）。
【００１３】
また、基台に一端を固定した第１の圧電振動子と、この第１の圧電振動子の他端に取り付けた第１の連結体と、この第１の連結体に一端を固着し、かつ第１の圧電振動子の振動方向と角度を成して振動する第２の圧電振動子と、この第２の圧電振動子の他端に固着した駆動ユニットの駆動体とからなり、該駆動ユニットが前記第１の圧電振動子と共通な固定部を有するとともに、この固定部に対し対称に配置され、前記駆動体に移動体を加圧接触させた状態で一端が基台に固定された圧電振動子同志を逆位相、逆極性の信号で駆動するとともに、駆動体を固着した圧電振動子同志を同位相で同極性の信号で駆動することを特徴とする超音波モータが提案されていた（特許文献４参照）。
【００１４】
また、一端が固定支持された第１の積層圧電素子と、前記第１の積層圧電素子の他端に固着された共振器と、前記第１の積層圧電素子の振動方向以外の方向で前記共振器に一端が固着された第２の積層圧電素子と、前記第２の積層圧電素子の他端に固着された付加質量体とからなる超音波モータが提案されていた（特許文献５参照）。
【特許文献１】特開平２−６０４７４号公報
【特許文献２】特開平２−８７９８１号公報
【特許文献３】特開平２−１４３４７５号公報
【特許文献４】特開平２−２３１９６７号公報
【特許文献５】特開平６−７０５６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
前記特許文献１〜５に示す複数の圧電素子を用いた超音波モータの提案においては、図４に示した従来の超音波モータのような弾性体を用いていないために、超音波モータの駆動、停止の際に、より高精度の位置決めが可能であると考えられていた。
【００１６】
しかしながら、特許文献１〜５のような構造の超音波モータにおいては、図７（ａ）に模式図を示したように、圧電素子３１、３３が変位すると駆動体３０が可動体３５に対して常に平行移動する駆動状態であれば、良好であるものの、図７（ｂ）および（ｃ）のように、圧電素子の変位量の全てが駆動体３０の動きに反映されていない駆動状態となる場合があり問題であった。即ち、図７（ｂ）、（ｃ）に示すような駆動体３０の動きが、１つの超音波モータ内で発生すると超音波モータの駆動性能が安定しないために、可動させる可動体３３の移動距離にバラツキを生じる。そして、このような超音波モータを搭載した駆動装置においては、高精度の位置決めを行うことはできなかった。
【００１７】
さらに、図７では、圧電素子３１、３３の変位に対する駆動体の動きについて示したが、これに可動体表面と直角方向に変位する圧電素子３２の動きが干渉すると、問題となる図７（ｂ）、（ｃ）に示す駆動体３０の動きがさらに一定しなくなる。そうなると、ひどい場合には超音波モータにより可動体３５を動かせなくなる場合もあった。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明では前記課題に鑑み、駆動体と、該駆動体を狭持するように一直線上に配置され、それぞれ一方端が前記駆動体に固定され、他方端が本体に形成された保持部に固定する第１の圧電素子部及び第２の圧電素子部と、前記第１の圧電素子部及び第２の圧電素子部と直角に配置され、一方端に摩擦部材が固定され、他方端が前記駆動体に固定された第３の圧電素子部とからなり、前記第１乃至第３の圧電素子部に所定の周期で交流電圧を印可することにより、前記摩擦部材を楕円駆動させて可動体を移動可能に構成した駆動装置において、前記駆動体に、該駆動体が前記可動体の移動方向に対して平行に移動できるガイド部を形成したことを特徴とする。
【００１９】
また、前記駆動体の第３の圧電素子部が形成された側面とは反対側に前記ガイド部が形成されたことを特徴とする。
【００２０】
さらに、前記ガイド部は、前記駆動体と本体とを接合する平行ヒンジバネであることを特徴とする。
【００２１】
また、本体内に、可動体と、主に異なる２方向の振動を発生する２つの振動部と、該振動部の異なる２方向の合成により所定の振動軌跡を発生すると共に前記可動体に摺接する摩擦部材を有する駆動体とを配置し、前記駆動体により可動体を駆動させる駆動装置において、少なくとも、いずれかの前記振動部に、その振動方向と異なる方向の変位を抑制するガイド部を有することを特徴とする。
【００２２】
また、前記各振動部の一方端は前記本体に対して固定され、他方端は前記駆動体に対して固定されたことを特徴とする。
【００２３】
また、前記２つの振動部のうち、一方の振動部は、前記本体に対して少なくとも一方端が固定された第１の振動部で構成され、他方の振動部は、前記第１の振動部の最大変位置に一方端が固定された第２の振動部で構成されたことを特徴とする。
【００２４】
また、前記ガイド部は、直動ころがりガイド、平行ヒンジバネのうちの少なくともいずれかで構成されていることを特徴とする。
【００２５】
また、前記平行ヒンジバネが、前記各駆動体と同一部材に固定されていることを特徴とする。
【００２６】
また、前記摩擦部材が、アルミナと炭化チタンを主として含有する複合材料の焼結体よりなることを特徴とする。
【００２７】
また、前記複合材料中の炭化チタンの含有量が１０〜５０質量％であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の構成によれば、駆動体が前記可動体の移動方向に対して平行に移動できるガイド部を形成したことにより、前記圧電素子部の圧電素子の変位を損失なく駆動体へ伝達でき、これにより駆動体の運動エネルギーを損失なく可動体へ伝達することができるために、駆動装置を良好な駆動状態とすることが可能であり、しかも高精度な位置決めを安定して実施することが可能となる。
【００２９】
また、前記駆動体の第３の圧電素子部が形成された側面とは反対側に前記ガイド部が形成されることにより、前記第３の圧電素子部の振動は、第１、第２の圧電素子部の変位の影響を受けにくく、互いの圧電素子部は干渉することがないために、前記圧電素子部の圧電素子の変位をより損失なく駆動体へ伝達でき、これにより駆動体の運動エネルギーをより損失なく可動体へ伝達することができるために、駆動装置をさらに良好な駆動状態とすることが可能であり、より高精度な位置決めを安定して実施することが可能となる。
【００３０】
さらに、前記ガイド部は前記駆動体と本体とを接合する平行ヒンジバネであることにより、クロスローラーガイド等の他の部品がガイド部材に用いられた場合と比較して、より小型化でき、駆動装置のコンパクト化が可能となる。さらには摺動部がないために、潤滑油の供給や部材の摩耗による部品交換等のメンテナンスが不要であり、維持費のかからない駆動装置とできる。
【００３１】
また、本発明では可動体と、主に異なる２方向の振動を発生する２つの振動部と、該振動部の異なる２方向への振動の合成により所定の振動軌跡を発生すると共に、前記可動体に摺接する摩擦部材を有する駆動体とを配置し、前記駆動体により可動体を駆動させる駆動装置において、少なくとも、いずれかの前記振動部にその振動方向と異なる方向の変位を抑制するガイド部を有する構造としたことにより、前記振動部の異なる２方向への振動をより少ない損失で合成し、駆動体と該駆動体の摩擦部材へ伝達することが可能であるとともに、摩擦部材によって安定した振動軌跡を描くことが可能であり、本発明の駆動装置において更により高精度な位置決めを行うことができる。
【００３２】
また、前記各振動部の一方端は前記本体に対して固定され、他方端は前記駆動体に対して固定されているために、振動部の振動を少ない損失で駆動体へ伝達することが可能となるばかりでなく、駆動体を振動部のみで支持し、確実に固定することが可能である。
【００３３】
また、前記２つの振動部のうち、一方の振動部は、前記本体に対して少なくとも一方端が固定された第１の振動部で構成され、他方の振動部は前記第１の振動部の最大変位位置に一方端が固定された第２の振動部で構成されていることにより、前記第１と第２の振動部が互いに干渉しあうことがなく、該振動部の振動をより少ない損失で合成することが可能となる。
【００３４】
また、前記平行ヒンジバネが、前記各振動部と同一部材に固定されていることにより、振動部の振動方向を平行ヒンジバネのバネの収縮方向と同方向とできるため、振動部の振動方向以外へのずれを少なくすることが可能で、振動部の振動をさらにより少ない損失で駆動体へ伝達させることが可能となる。
【００３５】
また、前記摩擦部材をアルミナと炭化チタンを主として含有する複合材料の焼結体としたことにより、摩擦駆動による摩擦部材の摩耗や脱粒を低減でき、可動体への摩擦部材の接触状態を安定させることができるとともに、摩擦駆動中に摩擦部材の当接面にアルミナや炭化チタンより摩擦係数の大きな酸化チタンを生成することが可能であり、本発明の駆動装置を高速で駆動させた場合でも、摩擦部材と可動体間の滑りが発生しにくく、ステージを高速移動させることが可能である。
【００３６】
また、前記複合材料の焼結体中の炭化チタン含有量を１０〜５０質量％とすることにより、摩擦部材の耐摩耗性を大幅に向上させることが可能であり、摩擦部材と可動体の摩擦駆動が長時間に及んでも摩擦部材の耐摩耗性を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００３８】
図１に、超音波モータを可動体の駆動源とする本発明の駆動装置の一例を概略図として示す。
【００３９】
図に示す本発明の一例である駆動装置１０は、ベース盤１１上にクロスローラーガイドの如き一対のガイド部材１２を備え、これらガイド部材１２によって可動体としてのステージ１３を直線的に往復運動可能に案内するようになっている。
【００４０】
また、ステージ１３はその一方の側面にガイド部材１２に対して平行に取り付けた駆動力伝達部材１４を、ステ―ジ１３の他方の側面には、前記駆動力伝達部材１４と平行にリニアスケール１５をそれぞれ有しており、そのリニアスケール１５と対向する位置には測定ヘッド１６を設けて位置検出手段１７を構成するとともに、前記駆動力伝達部材１４と対向する位置には超音波モータ９を配置し、該超音波モータ９の摩擦部材５を前記駆動力伝達部材１４の当接面に対して垂直に当接させてある。
【００４１】
なお、図中、１８は位置検出手段１７より得られた位置情報を基にステージ１３の駆動条件を制御する制御部、１９は上記制御部１８から出力された信号を基に超音波モータ９を駆動させるための駆動電圧を出力するドライバである。
【００４２】
次に図２に、図１の本発明の駆動装置に設置される超音波モータ９の一例を示す。図２（ａ）は平面模式図であり、（ｂ）は（ａ）をＡ方向から見たときの模式図である。
【００４３】
図２に示すように、本発明の駆動装置１０に用いられる超音波モータ９は、本体１に固定部２を介して一端を固定された第１の圧電素子部３ａと、第２の圧電素子部３ｂとにより挟持される駆動体８と、該駆動体８に一端を接続され他端に摩擦補助部材６を介して摩擦部材５を有した第３の圧電素子部４、それに該駆動体８と固定部２の間に設けられたガイド部７から構成されている。そして、図２（ｂ）に示すように前記駆動体８は本体１より隙間をあけて設置されており、前記圧電素子部を駆動させることにより、駆動体８が振動するようになっている。
【００４４】
ここで、前記摩擦部材５は、図１に示したステージ１３の駆動力伝達部材１４との摺動に対する耐摩耗性が必要であることから、アルミナやジルコニア、或いは単結晶アルミナ、アルミナと炭化チタンの複合材料であるアルティック等により形成してある。
【００４５】
特に、摩擦部材５の材質としては、前記アルミナと炭化チタンの複合材料とすることが好ましい。この複合材料は、高硬度、高融点を有するアルミナ（ビッカース硬度（ＨＶ）：１８ＧＰａ、融点：２１００℃）と、アルミナよりさらに高硬度、高融点で、かつ高靭性を有する炭化チタン（ビッカース硬度（ＨＶ）：２８ＧＰａ、融点：３２００℃、破壊靭性値：６ＭＰａｍ１／２）を含有する複合材料により形成したことから、前記可動体であるステージ１３の駆動力伝達部材１４との摩擦駆動において、摩擦部材５の当接面が摩耗し難く、また脱粒や割れを生じ難いため、駆動力伝達部材１４の摩耗も低減することができ、自他共に摩耗を抑え、長期間にわたって接触状態を常に安定させることができる。
【００４６】
しかも、前記摩擦部材５を形成するアルミナと炭化チタンの複合材料は、駆動力伝達部材１４と高速で摺動させると、摩擦熱によって炭化チタンが大気中の酸素と反応するケモメカニカル反応が起こり、アルミナや炭化チタンより摩擦係数の大きい酸化チタンを摩擦部材５の当接面に生成することができるため、超音波モータ９を高速で駆動させたとしても、摩擦部材５と駆動力伝達部材１４との間で滑りをほとんど生じることなく、ステージ１３を高速移動させることができる。
【００４７】
ところで、前記摩擦部材５を形成するアルミナと炭化チタンの複合材料中における炭化チタンの含有量は１０〜５０質量％とすることが好ましい。なぜなら、炭化チタンの含有量が１０質量％未満であると、アルミナ焼結体の硬度、強度、靭性等の機械的特性を向上させる効果が小さく、また超音波モータ９を高速駆動させた時の滑りを防止する効果が小さいからであり、逆に炭化チタンの含有量が５０質量％を越えると、高温に曝された場合に硬度が低下する傾向を示す炭化チタンの含有量が多くなりすぎるため、駆動力伝達部材１４との摩擦駆動が長時間に及んだ場合、摩擦部材５の摩耗が進行してしまうからである。
【００４８】
また、上記アルミナと炭化チタンの複合材料中にはアルミナと炭化チタン以外に焼結助剤等の助剤成分として、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｙ等の酸化物を含有させてあるが、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｙ等は常磁性金属であるため、この酸化物の含有量が多くなりすぎると、前記複合材料が磁性を示すようになり、常磁性金属酸化物の含有量が７質量％を超えると、複合材料の最大磁束密度が０．０５μＴを超え、磁性体を嫌う用途、例えば電子ビーム露光装置等の駆動装置には用いることができなくなる。そのため、助剤成分として含有させる常磁性金属酸化物の含有量が０．１質量％未満となると、焼結体を得ることが難しくなる。
【００４９】
よって、助剤成分として含有させる常磁性金属酸化物の含有量は０．１〜７質量％とすればよく、この範囲で含有すれば、最大磁束密度を０．０５μＴ以下とし、かつ硬度を高めることができる。
【００５０】
そして残部は主としてアルミナと炭化チタンからなるのであるが、アルミナ、炭化チタン、焼結助剤へは、常磁性金属酸化物等に含まれるような不可避不純物であれば微量混入していても構わない。
【００５１】
また、前記複合材料の焼結体中のアルミナ結晶及び炭化チタン結晶の各最大粒径はそれぞれ４μｍ以下とするとともに、複合材料の焼結体の最大気孔径を２μｍ以下とすることが好ましい。
【００５２】
ここで、アルミナ結晶及び炭化チタン結晶の各最大粒径をそれぞれ４μｍ以下としたのは、各結晶粒子の最大粒径が４μｍを超えると、脱粒や割れが発生した場合、摩擦部材５の当接面には大きな凹部が形成されることとなり、駆動力伝達部材１４を傷つけ易くなるとともに、摩擦部材５の摩耗が激しくなるからであり、また複合材料の焼結体の最大気孔径を２μｍとしたのは、最大気孔径が２μｍを超えると、脱粒や割れが生じ易くなるためである。
【００５３】
また、摩擦部材５の駆動力伝達部材１４との当接面における表面粗さが粗いと、初期のなじみ課程において、相手部材である駆動力伝達部材１４にスクラッチ傷等を発生させ、摩耗が急激に進むとともに、摩擦部材５の当接面が激しく摩耗することになる。このため、摩擦部材５の当接面は算術平均粗さ（Ｒａ）で０．２μｍ以下としておくことが好ましい。
【００５４】
ところで、上述したようなアルミナと炭化チタンを主として含有する複合材料の焼結体を得るには、粒径０．３〜１．５μｍであるアルミナ粉末を３２〜９１質量％、粒径０．３〜１．５μｍである炭化チタン粉末を９〜６８質量％、焼結助剤であるＭｇ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｙ等の常磁性金属からなる酸化物を合計で０．１〜７質量％の範囲で添加した混合粉体のスラリーを作製し、一軸加圧成型法、等圧成形法、射出成形法等の周知のセラミック成形法により所定形状に成形した後、真空雰囲気中１６００〜１７５０℃の温度で焼成することにより得ることができる。また、焼成時に２０〜４０ＭＰａ程の圧力で加圧することにより、アルミナ結晶や炭化チタン結晶の最大粒径をそれぞれ４μｍ以下、複合材料の焼結体の最大気孔径を２μｍ以下とすることができる。
【００５５】
そしてこのような条件にて得られたアルミナと炭化チタンを主として含有する複合材料の焼結体を本発明の超音波モータ９の摩擦部材５として用いれば、ステージ１３の駆動力伝達部材１４との摩擦駆動において、摩擦部材の摩耗が少ないだけでなく、相手部材である駆動力伝達部材１４の摩耗も抑え、かつスクラッチ傷等の発生を低減できるため、駆動装置を長期間にわたり駆動させることができるとともに、摩擦部材５と駆動力伝達部材１４との間に脱粒粉が介在することを低減できるため、摩擦部材５と駆動力伝達部材１４の接触状態を安定させることができる。
【００５６】
また、前記第１、第２の圧電素子部３ａ、３ｂは、一端を駆動体８の左右に対称に接続し、他端を固定部２に接続した圧電素子からなり、前記駆動体８に振動を加えることが可能である。この場合、２つの圧電素子部に電圧を印加したときに伸びと縮みは逆となるように設置する。こうすることにより、駆動体８を振動させることができる。
【００５７】
なお、前記圧電素子は、例えば図３に示すような構造とできる。図３（ａ）は圧電素子の構造を示し、（ｂ）は圧電素子４０の超音波モータ９への取り付け構造を示している。図３（ａ）のように、圧電素子４０はドーナツ型をしており、厚さ０．５〜３ｍｍ程度で、厚み方向に分極された圧電セラミックス体４１の表面に電極膜４２が形成されている。そして、この圧電素子数枚を図３（ｂ）に示すように、前記固定部２と駆動体８間に金属製のスペ−サー４３を介して、固定ネジ４４により取り付けることにより、第１、第２の圧電素子部が形成される。
【００５８】
また、前記第３の圧電素子部４は、第１、第２の圧電素子部３と同様の圧電素子より構成されており、一端に摩擦補助部材６を介して摩擦部材５が取り付けられ、他端を駆動体８に固定されている。前記摩擦部材５の固定方法としては、接着剤を用いて接着する方法等がある。
【００５９】
そして、前記第１と第２および第３の圧電素子部３ａ、３ｂ、４により駆動体８を振動させ、この駆動体８の運動エネルギーを、摩擦部材５を通して可動体であるステージ１３に設置された駆動力伝達部材１４へ楕円運動という形で伝達してステージ１３を駆動させるが、このとき、第１、第２および第３の圧電素子部の圧電素子の変位に対し、駆動体８が既に従来技術の課題にて説明したように、図７に示した駆動を行う場合があり問題となる。
【００６０】
そこで本発明では、その一端を駆動体８に接続され、他端を固定部２に接続された、前記第１、第２、第３の圧電素子部の振動方向以外への変位を抑制することが可能なガイド部７を、各圧電素子部の振動方向への変位を妨げることがない形で設置する。図２（ａ）では、その一例にガイド部７として平行ヒンジを取り付けた構造を示している。この平行ヒンジを駆動体８の第３の圧電素子部が形成された側面とは反対側に設けることにより、図２（ｃ）に平行ヒンジの動きを拡大した形で矢印で示すように、圧電素子部の振動方向にあわせて駆動体８を良好に振動させることができ、圧電素子部の振動方向以外へ駆動体８が振動することを抑制できる。従って、摩擦部材５を通して可動体であるステージ１３の駆動力伝達部材１４へ、各圧電素子部の振動を合成し楕円駆動という形で安定して伝達することが可能である。
【００６１】
ここで、前記ガイド部７として平行ヒンジを設置することを一例に示したが、その他にクロスローラーガイドやＬＭガイド（ＴＨＫ（株）の商標として知られている）等の直動ころがりガイドもガイド部７として適用可能である。しかしながら、クロスローラーガイドやＬＭガイド等の直動ころがりガイドには平行ヒンジと違って摺動する部分が存在し、その摩耗による部材の劣化により、定期的にガイド部を交換する等のメンテナンスが必要であり、コスト面を考慮した場合、平行ヒンジを用いるのが好適である。
【００６２】
なお、前記図２の（ｃ）に示した平行ヒンジの振動による振幅角度は、実際には極めて小さく、平行ヒンジの長さが５〜１０ｍｍで、振幅が１０μｍ前後である場合には、０．００５ｄｅｇ程度である。
【００６３】
また、前記第３の圧電素子部４は、その一端面が第１、第２の圧電素子部３ａ、３ｂの最大変位位置に固定され、他端面を駆動体８に接続・保持するのがより好適であり、そうでない場合には、両圧電素子部の変位量を最大限に生かして駆動体８を振動させることができないために、振動により生み出される運動エネルギーが小さく、超音波モータとしての駆動特性が低下する。
【００６４】
さらに、前記第１、第２の圧電素子部３ａ、３ｂは、振動方向については同方向に振動するといえる。このため、上述のように必ずしも２つの圧電素子を有する必要はなく、例えば図４（ａ）、（ｂ）に示すような構造としても良い。
【００６５】
即ち、図４に示すように、本体１内に、可動体と主に異なる２方向の振動を発生する振動部３、４と、該振動部の異なる２方向の振動の合成により所定の振動軌跡を発生するとともに、前記可動体に摺接する摩擦部材５を有する駆動体８とを配置し、前記駆動体８により可動体を駆動させる構造とし、これに、少なくともいずれかの振動部にその振動方向と異なる方向の変位を抑制するガイド部７を有することを特徴とする構造である。このような、２方向の振動があれば、これを合成することにより楕円等の振動軌跡を摩擦部材５に描かせることができ、該摩擦部材５と摺接する可動体を駆動させることが可能である。更にこの２方向以外に振動しようとする変位を抑制するためにガイド部を設置することにより、該２方向の振動を損失なく合成でき、安定した振動軌跡を発生させることが可能で、このような構造を有する超音波モータ９を搭載した駆動装置においては、より高い位置決め精度が得られる。
【００６６】
図４（ａ）は、１つの圧電素子からなり一端を駆動体８に他端を本体１に固定された固定部２に接続した第１振動部３と、前記第１振動部３の振動方向に対し直角方向に設置され、駆動体８と固定部２に両端を接続された第２振動部４と、第２振動部４と平行に駆動体８と固定部２間に配置されたＬＭガイドまたはクロスローラーガイド等の直動ころがりガイドからなるガイド部７により構成される。前記ＬＭガイドまたはクロスローラーガイド等の直動ころがりガイドの一方の可動部は本体１に固定され、他方の可動部は固定部２と駆動体８に接続されており、これにより振動部の振動方向以外への変位を抑制し、さらには駆動体８を所定位置に安定して支持・固定できるようになっている。
【００６７】
ここで、前記第１振動部３、第２振動部４は、その一端を本体に、他端を駆動体８に接続してあり、各振動部は既に上述したドーナツ型の厚さ方向に分極された圧電素子を金属製のスペーサーを介して固定部２にネジ止めする構造としている。
【００６８】
また、前記振動部３、４はそのどちらか一方の振動部は、本体１に対して少なくとも一方端が固定され、他方の振動部は前記振動部の最大変位位置に一方端が固定された構造とすることが好ましい。このような構造であれば、振動部の変位を最大限に活用することが可能となり、振動部の一端が接続された駆動体８へより大きな振動を与えることができる。
【００６９】
また、図４（ｂ）は、第１、第２振動部３、４を配置し、それぞれの振動部と平行な位置にクロスローラーガイドまたはＬＭガイド等の直動ころがりガイドからなるガイド部７を設けた構造となっている。この例からも分かるように、振動部は必ずしもステージ１３の移動方向と平行または垂直方向に設置する必要はなく、図４（ｂ）のように駆動体８に振動を伝達し、その振動により摩擦部材５に所定の振動軌跡を描かせることができれば、どのような設置方向としても良い。
【００７０】
また更には、既に上述した図２における構造においても、圧電素子部１または２のどちらか一つを有した構造とすれば、摩擦部材５へ所定の振動軌跡を描かせることは可能である。このとき、圧電素子部１または２と圧電素子部３は、そのどちらかの最大変位位置に一方端が固定されているかを考慮する必要がある。
【００７１】
いずれにせよ、本発明の駆動装置に用いられる超音波モータの構造は、図２および図４に示した構造に限定されることはなく、また圧電素子部に設置する圧電素子の数に制約されず、これらに類似するような、ガイド部７を有する構造であれば、駆動装置に用いる超音波モータとしてどのような構造とすることも可能である。
【００７２】
次に本発明の駆動装置の駆動状態について、図１にて説明する。
【００７３】
まず、ドライバ１９より指令信号を出力して超音波モータ９の摩擦部材５を楕円運動させると、駆動力伝達部材１４との摩擦駆動によってステージ１３をガイド部材１２に沿って移動させることができ、ステージ１３の移動に伴う位置検出手段１７からの位置情報と、予め設定してあるステージ１３の基準位置情報との偏差に応じて変化するパラメータを基に制御部１８にて例えばＰＩＤ演算処理を行ってドライバ１９に超音波モータ９への指令信号を出力するフィードバック制御を行うことにより、ステージ１３を所定の条件で移動させる。
【００７４】
このとき、本発明の駆動装置によれば、従来の超音波モータのように、弾性体を用いた構造としていないために、ステージ１３を位置決めのために停止しようとした際に弾性力による反動により、高精度に位置決めができないといった不具合がなく、更には超音波モータ内の運動エネルギーをステージ１３の駆動力伝達部材１４へ伝達する駆動体の動きが安定しており、さらには損失もないため、可動中における精度が１μｍ以下、位置決め精度が０．１μｍ以下といった高精度が要求されるような場合でも、より安定して高精度に移動、位置決め可能な駆動装置とすることが可能となる。
【００７５】
そして、前述のような本発明の駆動装置は、半導体、液晶製造装置用として、その製造工程へ導入された場合、長期間にわたって高精度な駆動を維持することが可能であり、半導体、液晶製造装置用の駆動装置としては最適といえる。
【００７６】
また、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、種々改良や変更したものにも適用できることはいう迄もない。
【実施例１】
【００７７】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００７８】
本発明の図２に示す超音波モータを搭載した駆動装置と、従来の弾性体を用いた超音波モータを搭載した駆動装置、それに図７に示す構造の超音波モータを搭載した駆動装置を準備して、その駆動時の位置決め精度について比較する試験を実施した。
【００７９】
試験に用いた駆動装置については、駆動装置を構成するガイド部材１２には、ストロークが１００ｍｍのクロスローラーガイドを用い、前記ガイド部材１２によって、５ｋｇの重さを有するステージ２を移動させるようにした。また、ステージ２の一方の側面にはアルミナセラミック製の駆動力伝達部材を配置し、超音波モータ４０との当接面の表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で０．０５μmとした。
【００８０】
一方、ステージ２の駆動源である超音波モータについては、用いる圧電素子を、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミック体とし、摩擦部材に長さ４．２ｍｍ、直径３ｍｍの円柱状をしたアルミナセラミック製のものを、各駆動装置の超音波モータに共通に用いた。なお、摩擦部材の駆動力伝達部材との当接面は、曲率半径が７ｍｍの球面とした。
【００８１】
実験にあたっては、制御部９に予め設定しておくステージ２の移動プロファイルとして、移動距離１００ｍｍ、加減速度０．０３Ｇ、最高速度１００ｍｍ／ｓｅｃに設定した台形制御とし、超音波モータを４０ｋＨｚの駆動周波数で３０時間の駆動をさせるようにした。
【００８２】
試験の結果、従来の弾性体を用いた超音波モータを搭載した駆動装置については、駆動時の位置決め精度が０．１μｍであった。
【００８３】
また、図６に示した従来構造の超音波モータを搭載した駆動装置においては、同じく０．１μｍの位置決め精度であったが、精度バラツキが多く、更には超音波モータの駆動状態が悪いために、２０時間後に停止してしまった。
【００８４】
これと比較して、本発明の駆動装置においては、位置決め精度が０．０５μｍと極めて高精度の位置決めが可能であり、更にはそのバラツキも少なく、他と比較して極めて良好な駆動を行うことができた。
【実施例２】
【００８５】
次に実施例１で用いた本発明の図２に示す駆動装置１０において、その超音波モータ２０の摩擦部材５としてアルミナ製のものとアルミナと炭化チタンを主として含有する複合材料製のものを準備し、その駆動状態を比較する実験を行った。
【００８６】
なお、駆動装置の各部構成については実施例１と同様である。
【００８７】
また、駆動装置の運転条件については、制御部１８に予め設定しておくステージ１３の移動プロファイルとして、移動距離１００ｍｍ、加減速度０．０３Ｇ、最高速度１００ｍｍ／ｓｅｃに設定した台形制御とし、超音波モータ２０を４０ｋＨｚの駆動周波数で駆動させるようにした。
【００８８】
そしてこの条件でステージ１３を５００ｋｍの距離駆動させた後の摩擦部材５の摩耗量と駆動力伝達部材１４の摩耗量を測定した。
【００８９】
さらに、実験を始める前に、摩擦部材５の駆動力伝達部材１４との当接面を走査型電子顕微鏡により倍率２０００倍で観察し、その当接面上の結晶粒子及び最大気孔径を測定するとともに、摩擦部材５を形成する材料と同一の材料から、長さ３ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの直方体を作製し、磁力計（東京インスツルメンツ製  ２９００−０４Ｃ型）を用い、最大磁束密度を測定した。
【００９０】
結果を表１に示す。
【表１】
2005124377.tif 000003
【００９１】
表１から明らかなように、超音波モータ２０の摩擦部材５をアルミナと炭化チタンを主として含有する複合材料の焼結体により形成した試料Ｎｏ．２〜２９は、超音波モータ２０の摩擦部材をアルミナで形成した試料Ｎｏ．１に比べ、摩擦部材５および駆動力伝達部材１４の摩耗を抑えることができることがわかる。
【００９２】
この結果、超音波モータ２０の寿命を高めるともに、相手部材の摩耗を抑えるには、超音波モータ２０の摩擦部材５をアルミナと炭化チタンを主として含有する複合材料の焼結体により形成したものを用いればよいことがわかる。なお、試料Ｎｏ．２〜２９の摩擦部材５の当接面には酸化チタン膜が形成されており、この酸化チタン膜により摩擦力が高くなっていることも確認された。
【００９３】
また、超音波モータ２０の摩擦部材５をアルミナと炭化チタンを主として含有する複合材料の焼結体により形成したものに着目して見ると、前記複合材料の焼結体中の炭化チタン含有量を１０〜５０質量％とした試料Ｎｏ．５〜７及び試料Ｎｏ．２１〜２３は、炭化チタンの含有量が前記範囲を超える試料Ｎｏ．２〜４及び試料Ｎｏ．１８〜２０に比べ、摩擦部材５及び駆動力伝達部材１４の摩耗量を抑えることができることがわかる。
【００９４】
また、前記複合材料の焼結体中のアルミナ結晶および炭化チタン結晶の各最大粒径が４μｍ以上で、且つ複合材料の焼結体の最大気孔径が２μｍ以下である試料Ｎｏ．８〜１０及び試料Ｎｏ．２４〜２６はそれ以外の範囲を有する試料Ｎｏ．５〜７及び試料Ｎｏ．２１〜２３に比べ、摩擦部材５及び駆動力伝達部材１４の摩耗量を小さくできることがわかる。
【００９５】
この結果、摩擦部材５及び駆動量伝達部材１４の摩耗量をより一層抑えるためには、前記複合材料の焼結体中の炭化チタン含有量を１０〜５０質量％とし、また複合材料の焼結体中のアルミナ結晶及び炭化チタン結晶の各最大粒径を４μｍ以下、最大気孔径を２μｍ以下とすれば良いことがわかる。
【００９６】
さらに、常磁性金属酸化物からなる助剤成分の含有量が７質量％以上である試料Ｎｏ．３〜１０、１５、１７、１９〜２６は、摩擦部材５の最大磁束密度が０．０５μＴを超えてしまった。
【００９７】
この結果、常磁性金属酸化物からなる助剤成分の含有量は７質量％以下とすることがよいことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の駆動装置の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の駆動装置に用いられる超音波モータの構造の一例であり、（ａ）が平面模式図、（ｂ）が（ａ）のＡ方向から見た模式図、（ｃ）が本発明の超音波モータの駆動状態、主に案内部の動きを示す平面模式図を示す。
【図３】本発明の駆動装置に用いられる圧電素子の一例を示す模式図であり、（ａ）が圧電素子、（ｂ）がその取り付け構造を示す模式図である。
【図４】本発明の駆動装置に用いられる超音波モータの一例であり、（ａ）、（ｂ）ともに他の構造例を示す平面模式図である。
【図５】従来の駆動装置の一例を示す模式図である。
【図６】従来の駆動装置に用いられる超音波モータの構造を示しており、（ａ）が平面模式図、（ｂ）が（ａ）を裏側から見た平面模式図である。
【図７】従来の駆動装置に用いられる超音波モータの駆動状態を示しており、（ａ）が良好な駆動状態、（ｂ）、（ｃ）が問題となる駆動状態を示した平面模式図である。
【符号の説明】
【００９９】
１：本体
２：固定部
３ａ：第１の圧電素子部
３ｂ：第２の圧電素子部
４：第３の圧電素子部
５、２５、３４：摩擦部材
６：摩擦補助部材
７：ガイド部
８、２４、３０：駆動体
９、２０：超音波モータ
１０：駆動装置
１１：ベース盤
１２：ガイド部材
１３：ステージ
１４：駆動力伝達部材
１５：リニアスケール
１６：測定ヘッド
１７：位置検出手段
１８：制御部
１９：ドライバ
２１：圧電セラミック板
２２：電極膜
２３：電極
２６：ケース
２７、２８：スプリング
３１、３２、３３：圧電素子
３５：可動体
４０：圧電素子
４１：圧電セラミック
４２：電極膜
４３：スペーサー
４４：固定ネジ
【図１】
2005124377.tif 000004
【図２】
2005124377.tif 000005
【図３】
2005124377.tif 000006
【図４】
2005124377.tif 000007
【図５】
2005124377.tif 000008
【図６】
2005124377.tif 000009
【図７】
2005124377.tif 000010