【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子を使用したアクチュエータの改良に関し、特に、真空中で使用する半導体製造装置などの駆動装置として利用される圧電アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の圧電アクチュエータとして、例えば特許文献１に示される。この文献１の図５において、圧電アクチュエータは、圧電セラミック１０の励起により、セラミックスペーサ２６を介して、物体３０を移動させるようになっている。すなわち、電極１４，１８は、正の直流電圧によって励起される一方、電極１６，２０は、負の直流電圧によって励起される。この励起状態のとき、圧電セラミック１０は、図６に示すように、左側が右側よりも長くなり、セラミックスペーサ２６は、同図右方向に動き、物体３０も同図右方向に移動する。その結果、圧電セラミック１０の励起を制御することで、物体３０を移動させるようになっている。
【０００３】
その際、圧電セラミック１０は、モーガン・マトロック・インコーポレーテッド（Ｍｏｒｇａｎ Ｍａｔｒｏｃ Ｉｎｃ．）により製造されるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）圧電材料で構成されるとともに、セラミックスペーサ２６には、アルミナが利用されていた。
【０００４】
なお、図５において、２２，２４は、上記電極１４，１６，１８，２０間を電気的に接続する配線である。また、２８，４３および４０，４２は、それぞれ、圧電セラミックの短縁部と長縁部であり、３２，３４，３６，３８，４４は、ばね負荷式支持体である。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１８４３８２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、上記のような圧電アクチュエータの場合、真空中で圧電アクチュエータを使用すると、圧電アクチュエータの駆動に伴って圧電セラミック１０とセラミックスペース２６との間の摩擦部分で発熱が生じてしまう。
【０００７】
その場合、セラミックスペーサ２６は、一般に、アルミナで構成されるが、アルミナは、熱伝導率が悪いため、摩擦部分で発生した熱がセラミックスペーサ２６を介して外部に伝わりにくく、摩擦部分で温度が上昇してしまう。
【０００８】
そのため、アルミナなどからなるセラミックスペーサ２６の温度が上昇すると、耐磨耗特性が著しく低下するため、摩擦部材や駆動部材の磨耗が促進されるなどの問題を発生することがあった。また、圧電アクチュエータからの熱の発散が不十分であるため、圧電アクチュエータに取り付けられるケーブルのハンダが剥がれて、ケーブルの断線などの問題を生じる恐れがあった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、圧電アクチュエータを半導体製造過程のように真空中で使用する場合にも、摩擦部分における発熱の少ない圧電アクチュエータを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、圧電素子への通電を制御することにより、アクチュエータの駆動部材を楕円運動させる圧電アクチュエータであり、該楕円運動を移動体に伝達する摩擦部材を備え、前記駆動部材および前記摩擦部材の少なくともいずれか一方に、灰色系セラミックを使用したことにより、達成される。
【００１１】
また、上記目的は、前記灰色系セラミックを、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は炭化シリコン（ＳｉＣ）にすることにより、効果的に達成される。
【００１２】
また、上記目的は、前記駆動部材を共振状態による駆動だけでなく、電圧印加のみによる圧電素子の変位を利用した駆動の場合にも、効果的に達成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る圧電アクチュエータＡの実施例を示し、同図において、移動体１を所定方向に案内するガイド部材の側面に、圧電アクチュエータＡが取り付けられている。この移動体１には、平板状の摩擦部材２が併設されるとともに、該摩擦部材２に、圧電アクチュエータの駆動部材としての振動体３が接触するように配されている。この振動体３の運動によって、移動体１を同図実線矢印方向に移動させるようになっている。
【００１５】
また、振動体３の両端には、ベース部材４に配された一対の圧電素子５ａ，５ｂが接合され、各圧電素子５ａ，５ｂには、それぞれ異なる電圧が印加されるようになっている。すなわち、圧電素子５ａ，５ｂには、任意の位相差、例えば９０度の位相差を有する正弦波の電圧が入力されるようになっている。これにより、一方の圧電素子を収縮させ、他方の圧電素子を伸張させることを繰り返すと、振動体３には、上記位相差に起因する楕円運動が生じて、摩擦部材２を介して移動体１を所定方向に移動させることができる。
【００１６】
その際、圧電アクチュエータＡを共振駆動モードで作動させる場合、入力波としての正弦波の周波数は、振動体３と圧電素子５ａ，５ｂによって決定される共振周波数の近傍の値に設定する。その結果、振動体３と圧電素子５ａ，５ｂとの振動振幅を大きくすることができ、駆動速度を増すことができる。
【００１７】
ちなみに、圧電アクチュエータＡを微動モードで作動させる場合、図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、２つの圧電素子５ａ，５ｂに異なる電圧を印加することにより、圧電素子５ａ，５ｂを個別に伸縮させることができる。これにより、圧電素子５ａ，５ｂが伸縮によって変位すると、振動体３と摩擦部材２との接触部分で、摩擦部材２に、圧電素子５ａ，５ｂの変位に起因した所定方向の移動力が発生する。そのため、圧電素子５ａ，５ｂへの通電を制御することにより、摩擦部材２を介して移動体１を所定方向（図２（ｂ）および（ｃ）の矢印方向）に移動させることができる。
【００１８】
そして、摩擦部材２や振動体３は、熱伝導率の高い灰色系セラミックで形成され、摩擦部材２や振動体３内の熱伝導を向上させるようになっている。また、セラミック材料は、摩擦部材２と振動体３の両方に用いる方がよいが、いずれか一方のみに使用しても同様の効果を得ることができる。その結果、摩擦部材２と振動体３との間の摩擦部分で発熱すると、その熱を同図一点鎖線矢印方向に効率よく逃がすことができ、摩擦部分の温度上昇を低く抑えることができる。
【００１９】
ちなみに、灰色系セラミックの材質は、主成分が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）或いは炭化シリコン（ＳｉＣ）のいずれかが好ましい。また、図３に示すように、窒化アルミニウムの熱伝導率は、８０〜１７０Ｗ／ｍＫで、アルミナの約２．３〜５倍の熱伝導率であり、炭化シリコンの熱伝導率は、７０〜１６０Ｗ／ｍＫで、アルミナの約２〜５倍の熱伝導率である。
【００２０】
したがって、上記実施例では、移動体１の移動に伴い、摩擦部材２と振動体３の間の摩擦部分で発熱が生じて温度が上昇した場合でも、摩擦部分を、窒化アルミニウムや炭化シリコンなどの灰色系セラミックで形成されるので、摩擦部分の温度上昇を低く抑え、磨耗を減少させることができる。よって、圧電アクチュエータを真空中で使用しても、磨耗の少ない圧電アクチュエータを提供することができ、装置の耐久性が向上する。
【００２１】
なお、圧電アクチュエータＡのベース部材４、圧電素子５ａ，５ｂ、および駆動部分のハウジングも、表面処理などによって黒体にすると、熱の放散性がさらに良好になって好ましい。
【００２２】
また、図４は、圧電アクチュエータＡの変形例を示し、上記実施例とは異なる形状の圧電アクチュエータを示す。
【００２３】
同図において、超音波モータ１１は、電極１２を貼付した圧電素子１３と、該圧電素子１３上に設けられた摩擦部材１４とからなり、電極１２に高周波電圧を与えて、圧電素子１３を伸縮させることで、圧電素子１３を振動させる。これにより、摩擦部材１４に楕円運動を発生させ、圧電素子１３への通電により、圧電素子１３に超音波振動を発生させる。この超音波振動によって、摩擦部材１４に楕円運動を発生させると、摩擦部材１４を介して移動体１は移動することになる。
【００２４】
そして、摩擦部材１４を、上記実施例と同様の灰色系セラミック材料で形成すると、摩擦部分の熱伝導が促進して温度上昇を低く抑えられ、磨耗を減少させることができる。よって、圧電アクチュエータの形状は、上記実施例に記載した形状に限定されず、同様の作用および効果を奏することができる。
【００２５】
なお、１５は、モータ取付枠、１６は、圧電素子１３の駆動特性が損なわれないように支持する弾性支持体１６であり、１７は、モータ取付枠１５の底面に取り付けられた予圧調整ねじ１７である。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る圧電アクチュエータによると、圧電素子への通電を適宜制御することにより、アクチュエータの駆動部材に楕円運動を発生させるとともに、該楕円運動を移動体に伝達する摩擦部材を備え、駆動部材および摩擦部材の少なくともいずれか一方に、灰色系セラミックを使用した。これにより、圧電アクチュエータの駆動に起因して生じる熱で、圧電アクチュエータの摩擦部分における急激な温度上昇を防止することができる。その結果、摩擦部分の温度上昇を低く抑えることができ、磨耗を少なくすることができる。よって、圧電アクチュエータを真空中で使用した場合でも、摩擦部分の磨耗が少なく、耐久性の良好な圧電アクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電アクチュエータの概略構成図である。
【図２】圧電アクチュエータの微動時の作動状態を説明する図である。
【図３】セラミック物質の特性を表形式で示す図である。
【図４】圧電アクチュエータの変形を示す概略構成図である。
【図５】従来の圧電セラミックの概略図である。
【図６】上記圧電セラミックの変形状態を示す図である。
【符号の説明】
Ａ 圧電アクチュエータ
１ 移動体
２ 摩擦部材
３ 振動体
４ ベース部材
５ａ，５ｂ 圧電素子
１３ 圧電素子
１４ 摩擦部材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement of an actuator using a piezoelectric element, and more particularly, to a piezoelectric actuator used as a driving device of a semiconductor manufacturing apparatus used in a vacuum.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, this type of piezoelectric actuator is disclosed in, for example, Patent Document 1. In FIG. 5 of Document 1, the piezoelectric actuator moves the object 30 via the ceramic spacer 26 by excitation of the piezoelectric ceramic 10. That is, the electrodes 14, 18 are excited by a positive DC voltage, while the electrodes 16, 20 are excited by a negative DC voltage. In this excited state, as shown in FIG. 6, the left side of the piezoelectric ceramic 10 is longer than the right side, the ceramic spacer 26 moves rightward in FIG. 6, and the object 30 also moves rightward in FIG. As a result, the object 30 is moved by controlling the excitation of the piezoelectric ceramic 10.
[0003]
At this time, the piezoelectric ceramic 10 is made of PZT (lead zirconate titanate) piezoelectric material manufactured by Morgan Matroc Inc., and alumina is used for the ceramic spacer 26. I was
[0004]
In FIG. 5, reference numerals 22 and 24 denote wirings for electrically connecting the electrodes 14, 16, 18, and 20. 28, 43 and 40, 42 are the short and long edges of the piezoelectric ceramic, respectively, and 32, 34, 36, 38, 44 are spring-loaded supports.
[0005]
[Patent Document 1] JP-A-7-184382
[Problems to be solved by the invention]
In general, in the case of the above-described piezoelectric actuator, when the piezoelectric actuator is used in a vacuum, heat is generated in a frictional portion between the piezoelectric ceramic 10 and the ceramic space 26 as the piezoelectric actuator is driven.
[0007]
In this case, the ceramic spacer 26 is generally made of alumina. However, since the thermal conductivity of alumina is poor, the heat generated in the friction portion is not easily transmitted to the outside through the ceramic spacer 26, and the temperature in the friction portion is low. Will rise.
[0008]
For this reason, when the temperature of the ceramic spacer 26 made of alumina or the like rises, the wear resistance characteristic is remarkably reduced, and a problem such as accelerated wear of the friction member and the drive member may occur. In addition, since heat from the piezoelectric actuator is insufficiently dissipated, the solder of the cable attached to the piezoelectric actuator may be peeled off, which may cause a problem such as disconnection of the cable.
[0009]
Therefore, an object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator that generates less heat in a friction portion even when the piezoelectric actuator is used in a vacuum as in a semiconductor manufacturing process.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is a piezoelectric actuator that controls energization of a piezoelectric element to perform elliptical motion of a driving member of an actuator, and includes a friction member that transmits the elliptical motion to a moving body, This is achieved by using a gray ceramic for at least one of the driving member and the friction member.
[0011]
Further, the above object is effectively achieved by using aluminum nitride (AlN) or silicon carbide (SiC) as the gray ceramic.
[0012]
Further, the above object is effectively achieved not only when the driving member is driven in a resonance state but also when the driving is performed by using the displacement of the piezoelectric element only by applying a voltage.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 1 shows an embodiment of a piezoelectric actuator A according to the present invention. In FIG. 1, a piezoelectric actuator A is attached to a side surface of a guide member for guiding a moving body 1 in a predetermined direction. The moving body 1 is provided with a flat friction member 2, and a vibrating body 3 as a driving member of the piezoelectric actuator is arranged in contact with the friction member 2. By the movement of the vibrating body 3, the moving body 1 is moved in the direction of the solid line arrow in FIG.
[0015]
Further, a pair of piezoelectric elements 5a, 5b arranged on the base member 4 are joined to both ends of the vibrating body 3, and different voltages are applied to the respective piezoelectric elements 5a, 5b. That is, a sine wave voltage having an arbitrary phase difference, for example, a phase difference of 90 degrees is input to the piezoelectric elements 5a and 5b. As a result, when one piezoelectric element is contracted and the other piezoelectric element is repeatedly expanded, an elliptical motion is generated in the vibrating body 3 due to the phase difference, and the moving body 1 is moved through the friction member 2. Can be moved in a predetermined direction.
[0016]
At that time, when the piezoelectric actuator A is operated in the resonance drive mode, the frequency of the sine wave as the input wave is set to a value near the resonance frequency determined by the vibrator 3 and the piezoelectric elements 5a and 5b. As a result, the vibration amplitude between the vibrating body 3 and the piezoelectric elements 5a and 5b can be increased, and the driving speed can be increased.
[0017]
By the way, when the piezoelectric actuator A is operated in the fine movement mode, different voltages are applied to the two piezoelectric elements 5a and 5b, as shown in FIGS. Can be expanded and contracted. Thus, when the piezoelectric elements 5a and 5b are displaced by expansion and contraction, a moving force in a predetermined direction due to the displacement of the piezoelectric elements 5a and 5b is generated in the friction member 2 at a contact portion between the vibrating body 3 and the friction member 2. . Therefore, by controlling the energization of the piezoelectric elements 5a and 5b, the moving body 1 can be moved in the predetermined direction (the direction of the arrows in FIGS. 2B and 2C) via the friction member 2.
[0018]
The friction member 2 and the vibrating body 3 are formed of a gray ceramic having a high thermal conductivity to improve the heat conduction in the friction member 2 and the vibrating body 3. The ceramic material is preferably used for both the friction member 2 and the vibrating body 3, but the same effect can be obtained by using only one of them. As a result, when heat is generated in the friction portion between the friction member 2 and the vibrating body 3, the heat can be efficiently released in the direction of the dashed line arrow in the figure, and the temperature rise in the friction portion can be suppressed low.
[0019]
Incidentally, it is preferable that the material of the gray ceramic is mainly aluminum nitride (AlN) or silicon carbide (SiC). As shown in FIG. 3, the thermal conductivity of aluminum nitride is 80 to 170 W / mK, which is about 2.3 to 5 times that of alumina, and the thermal conductivity of silicon carbide is 70 to 170 W / mK. It has a thermal conductivity of about 2 to 5 times that of alumina at 160 W / mK.
[0020]
Therefore, in the above embodiment, even when the temperature rises due to the generation of heat in the frictional portion between the friction member 2 and the vibrating body 3 as the moving body 1 moves, the frictional portion is made of aluminum nitride, silicon carbide, or the like. Since it is made of a gray ceramic, it is possible to suppress a rise in the temperature of the friction portion and reduce wear. Therefore, even when the piezoelectric actuator is used in a vacuum, a piezoelectric actuator with less wear can be provided, and the durability of the device is improved.
[0021]
It is preferable that the base member 4, the piezoelectric elements 5a and 5b of the piezoelectric actuator A, and the housing of the driving portion are also made into a black body by surface treatment or the like, because heat dissipation is further improved.
[0022]
FIG. 4 shows a modification of the piezoelectric actuator A, and shows a piezoelectric actuator having a shape different from that of the above embodiment.
[0023]
In FIG. 1, an ultrasonic motor 11 includes a piezoelectric element 13 having an electrode 12 attached thereto, and a friction member 14 provided on the piezoelectric element 13, and applies a high-frequency voltage to the electrode 12 to expand and contract the piezoelectric element 13. This causes the piezoelectric element 13 to vibrate. Thus, an elliptical motion is generated in the friction member 14, and an ultrasonic vibration is generated in the piezoelectric element 13 by energizing the piezoelectric element 13. When the elliptical motion is generated in the friction member 14 by the ultrasonic vibration, the moving body 1 moves via the friction member 14.
[0024]
When the friction member 14 is formed of the same gray ceramic material as in the above embodiment, heat conduction of the friction portion is promoted, temperature rise is suppressed, and wear can be reduced. Therefore, the shape of the piezoelectric actuator is not limited to the shape described in the above embodiment, and the same action and effect can be obtained.
[0025]
Reference numeral 15 denotes a motor mounting frame, 16 denotes an elastic support 16 for supporting the driving characteristics of the piezoelectric element 13 so as not to be impaired, and 17 denotes a preload adjusting screw 17 mounted on the bottom surface of the motor mounting frame 15. It is.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the piezoelectric actuator of the present invention, by appropriately controlling the energization of the piezoelectric element, the elliptical motion is generated in the driving member of the actuator, and the friction member that transmits the elliptical motion to the moving body is formed. A gray ceramic was used for at least one of the driving member and the friction member. Thus, it is possible to prevent a rapid rise in temperature in a friction portion of the piezoelectric actuator due to heat generated by driving the piezoelectric actuator. As a result, the temperature rise of the friction portion can be suppressed low, and wear can be reduced. Therefore, even when the piezoelectric actuator is used in a vacuum, it is possible to provide a piezoelectric actuator with less wear of the frictional portion and excellent durability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a piezoelectric actuator according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an operation state of the piezoelectric actuator at the time of fine movement.
FIG. 3 is a diagram showing characteristics of a ceramic material in a table format.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram illustrating deformation of a piezoelectric actuator.
FIG. 5 is a schematic view of a conventional piezoelectric ceramic.
FIG. 6 is a diagram showing a deformed state of the piezoelectric ceramic.
[Explanation of symbols]
A Piezoelectric actuator 1 Moving body 2 Friction member 3 Vibration body 4 Base members 5a, 5b Piezoelectric element 13 Piezoelectric element 14 Friction member
