JP3523488B2 - Ultrasonic linear motor and driving device using the same - Google Patents

Ultrasonic linear motor and driving device using the same

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JP3523488B2
JP3523488B2 JP08518898A JP8518898A JP3523488B2 JP 3523488 B2 JP3523488 B2 JP 3523488B2 JP 08518898 A JP08518898 A JP 08518898A JP 8518898 A JP8518898 A JP 8518898A JP 3523488 B2 JP3523488 B2 JP 3523488B2
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ultrasonic linear
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electrodes
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば精密加工
用工作機械、半導体製造装置および測定装置などに使用
される位置を超精密に定めるための駆動装置、ならびに
それに使用される超音波リニアモータに関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a driving device for determining a position used in a precision machining machine tool, a semiconductor manufacturing device, a measuring device, and the like with ultra precision, and an ultrasonic linear motor used therein. It is a thing.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、精密加工用工作機械、半導体製造
装置、測定装置などにおいては、被加工物や被測定物を
テーブル上に載置し、そして、位置決め用の駆動装置を
用いて所定の位置に移動させるが、この装置の駆動には
超音波リニアモータが用いられている。
2. Description of the Related Art In recent years, in machine tools for precision machining, semiconductor manufacturing equipment, measuring equipment, etc., an object to be machined or an object to be measured is placed on a table, and a predetermined driving device is used for positioning. An ultrasonic linear motor is used to drive this device, although it is moved to a position.

【0003】図7と図8は従来の超音波リニアモ−タ1
ならびに超音波リニアモ−タ1を使用した駆動装置Kで
あり、図7はその正面図、図8は図7における切断面線
A−Aによる断面図である(特開平7−184382号
参照)。
7 and 8 show a conventional ultrasonic linear motor 1
7 is a front view of the same, and FIG. 8 is a sectional view taken along the line AA in FIG. 7 (see Japanese Patent Laid-Open No. 7-184382).

【0004】これらの図において、2はPZT(ジルコ
ン酸チタン酸鉛)の圧電材料からなる矩形板状の圧電セ
ラミック体であり、この圧電セラミック体2の一方主面
のほぼ全面に同一矩形状の4つの電極3、4、5、6を
点対象になるようにメッキなどで取り付け、各電極が一
方主面の4分の1の比率を占めるような格子状をなす。
対角状に配置された電極4と電極5はリード線7によ
り、電極3と電極6はリード線8により電気的に接続す
る。また、この圧電セラミック体2の他方主面(図7で
は裏面)には、他方の電極(図示せず)をメッキなどで
ほぼ全面にわたって形成し、接地する。そして、電極
4、5に交流電圧を印加すると、電極3、6は浮動状態
となり、他方、電極3、6に交流電圧を印加すると、電
極4、5は浮動状態となる。
In these drawings, reference numeral 2 denotes a rectangular plate-shaped piezoelectric ceramic body made of a piezoelectric material of PZT (lead zirconate titanate). The piezoelectric ceramic body 2 has substantially the same rectangular shape on substantially the entire one main surface thereof. The four electrodes 3, 4, 5 and 6 are attached by point plating so that each electrode occupies a ratio of 1/4 of the one main surface.
The electrodes 4 and 5 arranged diagonally are electrically connected by a lead wire 7, and the electrodes 3 and 6 are electrically connected by a lead wire 8. On the other main surface (back surface in FIG. 7) of this piezoelectric ceramic body 2, the other electrode (not shown) is formed over substantially the entire surface by plating or the like, and is grounded. Then, when an AC voltage is applied to the electrodes 4 and 5, the electrodes 3 and 6 are in a floating state, and when an AC voltage is applied to the electrodes 3 and 6, the electrodes 4 and 5 are in a floating state.

【0005】また、圧電セラミック体2は矩形板状をな
すことで、電極が形成されていない4端面のうち、長手
方向に沿う端面を長辺部14、15とし、他方の短辺に
沿う面を短辺部17、18とした場合、短辺部17の中
央部にはアルミナやジルコニアなどからなる摩擦部9が
接着され、この摩擦部9にガイドgが当接されている。
しかも、短辺部18の中央部にはばね負荷式支持体16
を押し当てた状態に設けて、ばね負荷式支持体16が摩
擦部9とガイドgの間に圧力を付与し、これにより、摩
擦部9の動きがガイドgに伝達されるようになってい
る。
Further, since the piezoelectric ceramic body 2 is formed in a rectangular plate shape, among the four end faces on which no electrodes are formed, the end faces along the longitudinal direction are the long side portions 14 and 15, and the faces along the other short side. When the short side portions 17 and 18 are defined as the short side portions 17, a friction portion 9 made of alumina or zirconia is adhered to the central portion of the short side portion 17, and the guide g is in contact with the friction portion 9.
Moreover, the spring-loaded support body 16 is provided at the center of the short side portion 18.
Is provided in a pressed state, the spring-loaded support body 16 applies pressure between the friction portion 9 and the guide g, whereby the movement of the friction portion 9 is transmitted to the guide g. .

【0006】一方、圧電セラミック体2の長辺部14に
は一対の固定支持体10、11を、長辺部15には一対
のばね負荷式支持体12、13を設けているので、圧電
セラミック体2の動きが制限されるが、これら支持体1
0、11、12、13は圧電セラミック体2の一対の長
辺部14、15に沿ったx方向への零移動点にて圧電セ
ラミック体2に接触し、そのためにx方向の動きが拘束
されるが、これらの支持体10、11、12、13はy
方向に対し摺動可能であることで、圧電セラミック体2
はばね負荷式支持体16による加圧でもってy方向に動
かせることができる。
On the other hand, since the long side portion 14 of the piezoelectric ceramic body 2 is provided with the pair of fixed supports 10 and 11, and the long side portion 15 is provided with the pair of spring-loaded support bodies 12 and 13, the piezoelectric ceramic body is provided. The movement of the body 2 is restricted, but these supports 1
0, 11, 12, 13 contact the piezoelectric ceramic body 2 at the zero movement point in the x direction along the pair of long side portions 14, 15 of the piezoelectric ceramic body 2, and therefore the movement in the x direction is restricted. However, these supports 10, 11, 12, 13 are y
The piezoelectric ceramic body 2 can slide in any direction.
Can be moved in the y-direction by pressing with the spring-loaded support 16.

【0007】そして、上記の超音波リニアモ−タ1によ
れば、摩擦部9の動きがx方向を長軸とする楕円運動と
なり、これにより、ガイドgに直線運動(x方向)とな
るように伝達され、その結果、ガイドgを所望の位置に
移動、停止させることができる。
Further, according to the ultrasonic linear motor 1 described above, the movement of the friction portion 9 becomes an elliptic movement having the major axis in the x direction, whereby the guide g is linearly moved (in the x direction). As a result, the guide g can be moved to a desired position and stopped.

【0008】上記構成の超音波リニアモ−タ1はケース
に収納され、支持体eに固定される。また、ガイドgを
水平方向に押し付け、摩擦部9はガイドgに圧接された
状態となる。そして、超音波リニアモータ1を使用する
に当たって、摩擦部9でもってガイドgを動かすが、さ
らにガイドgを所定のルートで搬送する支持用ガイドn
とリニアベアリングmとによってレールが形成され、そ
のレールにガイドgが滑るようにはめ込まれている。
The ultrasonic linear motor 1 having the above structure is housed in a case and fixed to a support e. Further, the guide g is pressed in the horizontal direction, and the friction portion 9 is brought into a state of being pressed against the guide g. When the ultrasonic linear motor 1 is used, the guide g is moved by the friction part 9, but the guide n is further conveyed by a predetermined route.
And a linear bearing m form a rail, and a guide g is slidably fitted on the rail.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の超音波リニアモ−タ1によれば、電極3〜6に交流
電圧を印加し、圧電セラミック体2を伸縮運動させる
と、圧電セラミック体2に生じた内部応力により発熱す
るという問題点があり、とくに駆動速度を速くすると発
熱量が顕著に上昇していた。
However, according to the ultrasonic linear motor 1 having the above-mentioned structure, when the piezoelectric ceramic body 2 is expanded and contracted by applying an AC voltage to the electrodes 3 to 6, the piezoelectric ceramic body 2 is expanded. There is a problem that heat is generated due to the generated internal stress, and especially when the driving speed is increased, the amount of heat generation is remarkably increased.

【0010】したがって、熱膨張により位置決め測定用
の基準スケールの長さが変化したり、熱膨張によってス
テージを構成する部材が変形するので、半導体露光装置
や座標測定機等の使用においては、発熱の影響を少なく
するために、駆動速度を遅くしなければならず、実用的
ではなかった。
Therefore, the length of the reference scale for positioning measurement changes due to the thermal expansion, and the members constituting the stage are deformed due to the thermal expansion. Therefore, when the semiconductor exposure apparatus, the coordinate measuring machine, or the like is used, heat is generated. In order to reduce the influence, the driving speed must be slowed down, which is not practical.

【0011】圧電セラミック体2の発熱を解消するため
に、水冷等で直接冷却する方法が提案されている。しか
しながら、水冷手段を使用した場合、発熱源である圧電
セラミック体2に水を接触させないと、冷却効果が低減
することから、水冷手段を直に圧電セラミック体2に接
触させて使用しなければならず、そのために圧電セラミ
ック体2が超音波振動しなくなっていた。
In order to eliminate the heat generation of the piezoelectric ceramic body 2, a method of directly cooling it with water or the like has been proposed. However, when the water cooling means is used, the cooling effect is reduced unless water is brought into contact with the piezoelectric ceramic body 2 which is a heat source. Therefore, the water cooling means must be used by directly contacting the piezoelectric ceramic body 2. Therefore, the piezoelectric ceramic body 2 did not vibrate ultrasonically.

【0012】また、電極4、5に交流電圧を印加する
と、電極3、6が浮動状態となり、電極3、6に交流電
圧を印加すると、電極4、5が浮動状態となり、双方を
同時に印加しないので、効率が低下するという問題もあ
る。
When an AC voltage is applied to the electrodes 4 and 5, the electrodes 3 and 6 are in a floating state, and when an AC voltage is applied to the electrodes 3 and 6, the electrodes 4 and 5 are in a floating state, and both are not applied simultaneously. Therefore, there is also a problem that the efficiency is reduced.

【0013】本発明は叙上の事情に鑑みて完成されたも
のであり、その目的は圧電セラミック体の発熱を低減
し、これによって高精度かつ効率的に位置決めがおこな
えるようにした超音波リニアモータを提供することにあ
る。
The present invention has been completed in view of the above circumstances, and an object thereof is to reduce the heat generation of a piezoelectric ceramic body, thereby enabling highly accurate and efficient positioning of an ultrasonic linear motor. To provide.

【0014】また、本発明の他の目的はかかる本発明の
超音波リニアモータを用いて駆動速度を速め、これによ
って、半導体露光装置や座標測定機等に対し効率的に位
置決めができるようにした駆動装置を提供することにあ
る。
Another object of the present invention is to increase the driving speed by using the ultrasonic linear motor of the present invention, thereby enabling efficient positioning with respect to a semiconductor exposure apparatus, a coordinate measuring machine or the like. It is to provide a drive device.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明の超音波リニアモ
ータは、内面および外面に電極を形成し、双方の電極間
に交流電圧を印加して圧電効果が生じるようにした同一
の圧電セラミックス筒状体を、各端面がほぼ一致するよ
うに一方側と他方側に複数個並設する支持体により固定
して振動子を構成し、該振動子の一方端に固定した前記
支持体に弾性体を介してケーシング内に固定し、他方端
固定した前記支持体の中央に摩擦部を配設せしめてな
り、前記圧電セラミックス筒状体に印加する交流電圧に
対し一方側と他方側で差をつけることで前記摩擦部の先
端が楕円運動させてなることを特徴とする
In the ultrasonic linear motor of the present invention, electrodes are formed on the inner surface and the outer surface, and an alternating voltage is applied between both electrodes to generate a piezoelectric effect. The vibrator is configured by fixing a plurality of shaped bodies by a plurality of supports arranged in parallel on one side and the other side so that the respective end faces are substantially coincident with each other , and the vibrator is fixed to one end of the vibrator.
Via an elastic member is fixed to the casing to the support, and allowed disposed friction portion at the center of the support fixed to the other end
The AC voltage applied to the piezoelectric ceramic cylinder.
On the other hand, by making a difference between one side and the other side,
It is characterized in that the ends are made to move in an elliptical fashion .

【0016】また、本発明の駆動装置は、本発明の超音
波リニアモータと、この超音波リニアモータの摩擦部と
当接し摩擦部の運動により移動するガイドと、このガイ
ドを所定のルートで搬送する基体とから構成したことを
特徴とする。
Further, the drive device of the present invention conveys the ultrasonic linear motor of the present invention, a guide that comes into contact with the friction portion of the ultrasonic linear motor and moves by the movement of the friction portion, and this guide by a predetermined route. It is characterized in that it is composed of a substrate.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明の超音波リニアモー
タを図1〜図6により詳細に説明する。図1は本発明の
超音波リニアモータ20を主要構成とする駆動装置K1
の正面図、図2は図1における切断面線B−Bによる断
面図、図3は超音波リニアモータ20に使用する圧電セ
ラミックス筒状体の斜視図である。また、図4は本発明
の他の超音波リニアモータ20aを主要構成とする駆動
装置K2の正面図、図5は図4における切断面線C−C
による断面図、図6は圧電セラミックス筒状体の配置状
態を示す概略図である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The ultrasonic linear motor of the present invention will be described in detail below with reference to FIGS. FIG. 1 shows a drive device K1 having an ultrasonic linear motor 20 of the present invention as a main component.
2 is a sectional view taken along the section line B-B in FIG. 1, and FIG. 3 is a perspective view of a piezoelectric ceramic tubular body used in the ultrasonic linear motor 20. Further, FIG. 4 is a front view of a driving device K2 mainly composed of another ultrasonic linear motor 20a of the present invention, and FIG. 5 is a section line CC in FIG.
FIG. 6 is a sectional view according to FIG. 6, and FIG. 6 is a schematic view showing an arrangement state of the piezoelectric ceramic cylindrical body.

【0018】本発明の超音波リニアモータ20におい
て、前記圧電セラミックス筒状体としてのPZT(ジル
コン酸チタン酸鉛)からなる2個の円筒状もしくはパイ
プ状の同一の圧電セラミック体21、22を平行に並べ
て、それぞれの外周面には電極23、24を、内周面に
は電極25、26がメッキされている。これらの電極2
3、24、25、26にはそれぞれリード線27、2
8、29、30が接続され、圧電セラミック体21の電
極23、25に交流電圧を、圧電セラミック体22の電
極24、26に交流電圧を印加する。
In the ultrasonic linear motor 20 of the present invention, two cylindrical or pipe-shaped identical piezoelectric ceramic bodies 21, 22 made of PZT (lead zirconate titanate) as the piezoelectric ceramic cylindrical body are parallel to each other. Electrodes 23 and 24 are plated on the outer peripheral surface of each and electrodes 25 and 26 are plated on the inner peripheral surface thereof. These electrodes 2
Lead wires 27, 2 are attached to 3, 24, 25, 26, respectively.
8, 29 and 30 are connected to apply an AC voltage to the electrodes 23 and 25 of the piezoelectric ceramic body 21 and an AC voltage to the electrodes 24 and 26 of the piezoelectric ceramic body 22.

【0019】並列配置した圧電セラミック体21、22
の両端をアルミニウム、銅、鉄等の金属や、アルミナ、
ジルコニアなどのセラミックスからなる支持体31、3
2で固定し、これによって前記振動子をなす。そして、
振動子の他方端に、すなわち支持体31の中央にアルミ
ナやジルコニアなどのセラミックスからなる摩擦部33
が接合される。
Piezoelectric ceramic bodies 21, 22 arranged in parallel
Both ends of the metal such as aluminum, copper, iron, alumina,
Supports 31, 3 made of ceramics such as zirconia
It fixes with 2, and forms the said vibrator by this. And
At the other end of the vibrator, that is, at the center of the support 31, a friction portion 33 made of ceramics such as alumina or zirconia
Are joined.

【0020】また、振動子の一方端に関しては、圧電セ
ラミック体21、22を囲んで支持するアルミニウムか
らなる前記ケーシングとしてのケ−ス37に前記弾性体
としてのシリコンゴム等からなる弾性支持体38が配設
され、弾性支持体38でもってアルミナ、ジルコニアな
どのセラミックスからなるガイド34を水平方向に押し
付け、摩擦部33はガイド34に圧接された状態とな
る。さらにアルミナ、ジルコニアなどのセラミックスか
らなる固定支持体39とシリコンゴム等からなる弾性支
持体40によって水平方向に固定され、弾性支持体40
の弾性力によって垂直方向への摺動がなされる。
Regarding one end of the vibrator, a casing 37 made of aluminum for surrounding and supporting the piezoelectric ceramic bodies 21, 22 is attached to an elastic support 38 made of silicon rubber or the like as the elastic body. The guide 34 made of ceramics such as alumina or zirconia is pressed horizontally by the elastic support 38, and the friction portion 33 is pressed against the guide 34. Further, the elastic support 40 is horizontally fixed by a fixed support 39 made of ceramics such as alumina and zirconia and an elastic support 40 made of silicon rubber.
Sliding in the vertical direction is performed by the elastic force of.

【0021】そして、上記構成の超音波リニアモータ2
0を使用して、駆動装置K1を作動させるには、摩擦部
33でもってガイド34を動かすが、さらにガイド34
を所定のルートで搬送する前記基体としての支持用ガイ
ド35とリニアベアリング36とによってレールが形成
され、そのレールにガイド34が滑るようにはめ込まれ
ている。これら支持用ガイド35とリニアベアリング3
6はステンレス、超硬、セラミックスにより構成してい
る。42は超音波リニアモータ20を固定する支持体で
ある。なお、弾性支持体38をケ−ス37に固定した
が、これに代えて支持体42に固定してもよい。
The ultrasonic linear motor 2 having the above structure
In order to operate the drive device K1 using 0, the guide 34 is moved by the friction part 33, but the guide 34
A rail is formed by a supporting guide 35 as the base body and a linear bearing 36, which conveys a sheet along a predetermined route, and the guide 34 is slidably fitted into the rail. These supporting guides 35 and linear bearings 3
6 is made of stainless steel, carbide, or ceramics. Reference numeral 42 is a support body for fixing the ultrasonic linear motor 20. Although the elastic support 38 is fixed to the case 37, it may be fixed to the support 42 instead.

【0022】そこで、圧電セラミック体21、22の双
方に印加する電圧に対し差をつけることで、圧電セラミ
ック体21が伸びると圧電セラミック体22が縮み、か
つ電圧差により斜めのベクトルの力が生じて、摩擦部3
3の先端が楕円運動するようになる。すなわち、超音波
リニアモ−タ20を駆動させるに当たって、電極23に
正の交流電圧を印加し、電極24に負の交流電圧を印可
するとともに、両電極23、24間で逆位相にさせる
と、圧電効果(ピエゾ効果)によりガイド34は上側
(+側)に移動し、一方、電極24に正の交流電圧を印
可し、電極23に逆位相の負の交流電圧を印可すること
によってガイド34は下側(−側)に移動する。
Therefore, by making a difference between the voltages applied to both the piezoelectric ceramic bodies 21 and 22, the piezoelectric ceramic body 22 contracts when the piezoelectric ceramic body 21 expands, and a diagonal vector force is generated due to the voltage difference. Friction part 3
The tip of 3 becomes elliptical. That is, when the ultrasonic linear motor 20 is driven, a positive AC voltage is applied to the electrode 23, a negative AC voltage is applied to the electrode 24, and an opposite phase is applied between the electrodes 23 and 24. By the effect (piezo effect), the guide 34 moves to the upper side (+ side). On the other hand, by applying a positive AC voltage to the electrode 24 and applying a negative AC voltage of opposite phase to the electrode 23, the guide 34 moves downward. Move to the side (-side).

【0023】かくして本発明の超音波リニアモータ20
によれば、2個の円筒状の圧電セラミック体21、22
を用いたことで、対向電極間に配するセラミック容積を
少なくしても、もっとも効率的に駆動させることがで
き、たとえば圧電セラミック体21、22の寸法が厚さ
0.5mm、長さ30mmの円筒状である場合には、静
電容量値を大幅に小さくしながらも、円筒軸方向の変位
を大きくでき、一例として各圧電セラミック体21、2
2の容量は10nF程度にまで小さくできた。
Thus, the ultrasonic linear motor 20 of the present invention
According to the above, two cylindrical piezoelectric ceramic bodies 21 and 22 are provided.
By using, it is possible to drive most efficiently even if the ceramic volume arranged between the opposing electrodes is reduced. For example, the piezoelectric ceramic bodies 21 and 22 have a thickness of 0.5 mm and a length of 30 mm. In the case of a cylindrical shape, the displacement in the axial direction of the cylinder can be increased while significantly reducing the capacitance value.
The capacitance of 2 could be reduced to about 10 nF.

【0024】かかる円筒状の圧電セラミック体21、2
2については、円筒体の径方向と軸方向とを対比した場
合に、径方向の変位は超音波駆動に寄与しないので、そ
の変位を小さくしてエネルギー損失を減らすのがよい
が、円筒体の厚みを薄くしたことで、相対的に径方向の
変位が小さくなり、軸方向の変位量に対し径方向の変位
量が0.1程度にまで小さくなり、その結果、エネルギ
−の損失が大幅に減少する。
Such a cylindrical piezoelectric ceramic body 21, 2
Regarding No. 2, when the radial direction and the axial direction of the cylindrical body are compared, the radial displacement does not contribute to ultrasonic driving, so it is better to reduce the displacement to reduce energy loss. By reducing the thickness, the radial displacement is relatively small, and the radial displacement is as small as about 0.1 relative to the axial displacement, resulting in a significant energy loss. Decrease.

【0025】したがって、静電容量値が小さい圧電セラ
ミック体21、22を使用することで、エネルギ−損失
が小さくなり、その結果、発熱量が小さくなる。しか
も、駆動電圧も大きく設定することができ、たとえば5
00V程度にまで上げることができ、そのため、小さな
超音波リニアモ−タでもって大型のステ−ジを駆動する
ことができた。さらに圧電セラミック体21、22が中
空構造であることから、表面積は従来品と比べ2倍以上
になり、その点でも放熱効果が大きくなり、発熱による
弊害を小さくなった。しかも、放熱効果のない真空中で
も周囲の環境に影響を与えずに駆動することができた。
Therefore, by using the piezoelectric ceramic bodies 21 and 22 having a small capacitance value, the energy loss is reduced, and as a result, the heat generation amount is reduced. Moreover, the drive voltage can be set to a large value, for example, 5
It was possible to raise the voltage to about 00V, and therefore a large stage could be driven by a small ultrasonic linear motor. Further, since the piezoelectric ceramic bodies 21 and 22 have a hollow structure, the surface area is more than twice as large as that of the conventional product, and in that respect also, the heat radiation effect is increased, and the harmful effect due to heat generation is reduced. Moreover, it was possible to drive without affecting the surrounding environment even in a vacuum without heat dissipation effect.

【0026】また、圧電セラミック体21、22のサイ
ズについては、外径tを2〜5mm、好適には2〜4m
mの範囲にすると超音波リニアモータ20が小型化でき
るという点でよい。肉厚を0.5〜2mm、好適には
0.5〜1mmの範囲にすると静電容量を小さくできる
という点でよい。さらに長さpを10〜50mm、好適
には30〜50mmの範囲にすると楕円運動の効率をも
っとも大きくできるという点でよい。
Regarding the size of the piezoelectric ceramic bodies 21 and 22, the outer diameter t is 2 to 5 mm, preferably 2 to 4 m.
The range of m is advantageous in that the ultrasonic linear motor 20 can be downsized. It is preferable that the thickness is in the range of 0.5 to 2 mm, preferably 0.5 to 1 mm, because the electrostatic capacity can be reduced. Furthermore, it is preferable that the length p be in the range of 10 to 50 mm, preferably 30 to 50 mm, because the efficiency of the elliptical movement can be maximized.

【0027】図4〜図6に示す本発明の他の超音波リニ
アモータ20aについては、圧電セラミック体21、2
2のような圧電セラミック体を4個配列した構成であ
る。これら圧電セラミック体に対し図中41を番号付記
し、さらに図6において41a、41b、41c、41
dの各番号でもって配置関係をあらわす。その他の構成
は図1〜図3に示す超音波リニアモータ20と同じであ
り、同一箇所には同一符号を付記する。
Regarding the other ultrasonic linear motor 20a of the present invention shown in FIGS. 4 to 6, piezoelectric ceramic bodies 21 and 2 are used.
This is a configuration in which four piezoelectric ceramic bodies such as 2 are arranged. 41 is numbered in the drawing for these piezoelectric ceramic bodies, and 41a, 41b, 41c, 41 in FIG.
The arrangement relationship is represented by each number of d. Other configurations are the same as those of the ultrasonic linear motor 20 shown in FIGS. 1 to 3, and the same portions are denoted by the same reference numerals.

【0028】この超音波リニアモータ20aにおいて
は、圧電セラミック体41a、41cを一対に、圧電セ
ラミック体41b、41dを一対にして、圧電セラミッ
ク体41a、41cに正の交流電圧を印加し、圧電セラ
ミック体41b、41dに負の交流電圧を印加し、双方
の一対間に電圧差をつけることで、摩擦部33の先端を
楕円運動させる。このような楕円運動は前述した2個の
圧電セラミック体を使用した場合と比べ、運動性能を高
められる。しかも、このように運動性能を高めるに当た
って、一つの圧電セラミック体を大型化するよりも、小
さな圧電セラミック体を二つ駆動させた方が静電容量が
下がり、表面積が大きくなり、駆動電圧を下げることが
でき、その結果、発熱量を下げながら、効率的に運動性
能を高めることができた。
In this ultrasonic linear motor 20a, the piezoelectric ceramic bodies 41a and 41c are paired and the piezoelectric ceramic bodies 41b and 41d are paired, and a positive AC voltage is applied to the piezoelectric ceramic bodies 41a and 41c to apply the piezoelectric ceramics. A negative AC voltage is applied to the bodies 41b and 41d to create a voltage difference between the pair of the bodies 41b and 41d, thereby causing the tip of the friction portion 33 to make an elliptical motion. Such elliptical motion can improve the motion performance as compared with the case where the two piezoelectric ceramic bodies described above are used. Moreover, in order to improve the motion performance in this way, it is better to drive two smaller piezoelectric ceramic bodies than to increase the size of one piezoelectric ceramic body, so that the electrostatic capacity decreases, the surface area increases, and the driving voltage decreases. As a result, it was possible to efficiently enhance the exercise performance while reducing the heat generation amount.

【0029】[0029]

【実験例】次に本発明の超音波リニアモータ20の発熱
状態と、従来の超音波リニアモータ1の発熱状態を比較
する実験をおこなった。
[Experimental example] Next, an experiment was conducted to compare the heat generation state of the ultrasonic linear motor 20 of the present invention with the heat generation state of the conventional ultrasonic linear motor 1.

【0030】本発明に使用する圧電セラミック体21、
22の寸法は、外径φ3mm、内径φ2mm、長さ30
mmである。従来の圧電セラミック体2の寸法は10m
m×3mm×30mmの板状体である。いずれもPhysik
Instrumente (PI) Gmbh&Co.製のPT130.0のPZ
T(ジルコン酸チタン酸鉛)を使用した。
The piezoelectric ceramic body 21 used in the present invention,
22 has an outer diameter of 3 mm, an inner diameter of 2 mm, and a length of 30.
mm. The size of the conventional piezoelectric ceramic body 2 is 10 m
It is a plate-like body of m × 3 mm × 30 mm. Both are Physik
Instrumente (PI) PZ of PT130.0 made by Gmbh & Co.
T (lead zirconate titanate) was used.

【0031】そして、超音波リニアモータを連続駆動し
たときの圧電セラミック体と、ガイドと、ガイド支持体
の温度変化を測定したところ、下記のような結果が得ら
れた。この測定に当たっては、実験開始時の温度が20
℃であり、1時間駆動した直後の温度を熱電対を貼りつ
けておこなった。
Then, when the temperature changes of the piezoelectric ceramic body, the guide and the guide support were measured when the ultrasonic linear motor was continuously driven, the following results were obtained. The temperature at the start of the experiment was 20
The temperature was 0 ° C., and the temperature immediately after driving for 1 hour was performed by attaching a thermocouple.

【0032】その結果、本発明の超音波リニアモータ2
0の圧電セラミック体21、22、ガイド34、ガイド
支持体35は、それぞれ1.0℃、0.5℃、0.1℃
であるのに対し、従来の超音波リニアモータ1におい
て、圧電セラミック体2、ガイドg、ガイド支持体n
は、それぞれ5.0℃、5.0℃、1.2℃であり、こ
のように本発明のものでは、いずれの部材も温度上昇度
合いが低いことがわかる。
As a result, the ultrasonic linear motor 2 of the present invention is
The piezoceramic bodies 21 and 22, the guide 34, and the guide support 35 of 0 are 1.0 ° C., 0.5 ° C., and 0.1 ° C., respectively.
On the other hand, in the conventional ultrasonic linear motor 1, the piezoelectric ceramic body 2, the guide g, the guide support n
Are 5.0 ° C., 5.0 ° C., and 1.2 ° C., respectively, and thus it can be seen that in the present invention, the degree of temperature rise is low for all members.

【0033】圧電セラミック体の発熱量は交流電圧と比
例し、交流電圧を上げると(駆動速度を速くすると)発
熱量が上昇する。また、発熱量は圧電セラミック体の静
電容量値Cにも比例し、静電容量値の大きい材料を用い
ると発熱量が大きくなり、この発熱量Pは、P=K・t
anδ・f・C・U2 でもって表される。ここで、Kは
比例定数、tanδは角度損失(約0.05)、fは駆
動周波数(40kHz)、Cは静電容量、Uは駆動電圧
をあらわす。
The calorific value of the piezoelectric ceramic body is proportional to the AC voltage, and the calorific value rises when the AC voltage is increased (when the driving speed is increased). The amount of heat generation is also proportional to the capacitance value C of the piezoelectric ceramic body, and the amount of heat generation increases when a material having a large capacitance value is used, and this amount of heat generation P is P = Kt
It is represented by an δ · f · C · U 2 . Here, K is a proportional constant, tan δ is an angular loss (about 0.05), f is a driving frequency (40 kHz), C is a capacitance, and U is a driving voltage.

【0034】ちなみに従来の超音波リニアモ−タにおい
ては、圧電セラミック体2がバルク体であり、駆動能力
からPZTの寸法を計算すると、30mm×10mm×
3mmの圧電セラミックが必要となるが、このバルク形
状の圧電セラミックの静電容量値は50nFもあるため
に発熱量が大きくなっていた。
By the way, in the conventional ultrasonic linear motor, the piezoelectric ceramic body 2 is a bulk body, and when the dimension of PZT is calculated from the driving ability, it is 30 mm × 10 mm ×
A piezoelectric ceramic of 3 mm is required, but since the bulk-shaped piezoelectric ceramic has a capacitance value of 50 nF, the amount of heat generated is large.

【0035】また、本発明に係る圧電セラミック体2
1、22を幾とおりにも変えて、圧電セラミック体とガ
イド34とガイド支持体35の温度変化を測定したとこ
ろ、図9に示すような結果が得られた。
Further, the piezoelectric ceramic body 2 according to the present invention
When the changes in temperature of the piezoelectric ceramic body, the guide 34, and the guide support 35 were measured with various changes of Nos. 1 and 22, the results shown in FIG. 9 were obtained.

【0036】同図において、黒の四角は圧電セラミック
体21、22の温度変化を、黒の三角はガイド支持体3
5の温度変化を、白の四角はガイド34の温度変化を示
す。
In the figure, the black squares represent the temperature changes of the piezoelectric ceramic bodies 21 and 22, and the black triangles represent the guide support 3.
5 shows the temperature change, and the white square shows the temperature change of the guide 34.

【0037】ガイド支持体の温度変化が0.1℃以下な
らば、現在の半導体製品装置での温度差の許容値である
ことで、そのために位置決め装置に影響がなくなるの
で、ガイド支持体35を基準にして、圧電セラミック体
21、22を10nF以下にするとよい。
If the temperature change of the guide support is 0.1 ° C. or less, it is the allowable value of the temperature difference in the current semiconductor product device, and therefore the positioning device is not affected. As a reference, the piezoelectric ceramic bodies 21 and 22 may be 10 nF or less.

【0038】なお、本発明は上記実施形態例に限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種
々の変更や改良等は何ら差し支えない。たとえば圧電セ
ラミック体を円筒状もしくはパイプ状にしたが、この形
状を横断面楕円状、横断面矩形状の筒状体にして、内面
および外面に電極を形成してもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements may be made without departing from the scope of the present invention. For example, the piezoelectric ceramic body has a cylindrical shape or a pipe shape, but this shape may be a cylindrical body having an elliptical cross section or a rectangular cross section, and electrodes may be formed on the inner surface and the outer surface.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上のとおり、本発明の超音波リニアモ
ータによれば、圧電セラミックス筒状体からなる振動子
を使用したことで、発熱量が著しく少なくなり、それを
使用した駆動装置において、発熱による測定誤差がなく
なり、これによって高精度かつ効率的に位置決めをおこ
なうことができた。
As described above, according to the ultrasonic linear motor of the present invention, since the vibrator made of the piezoelectric ceramic cylindrical body is used, the heat generation amount is remarkably reduced. There was no measurement error due to heat generation, and this enabled highly accurate and efficient positioning.

【0040】また、本発明の超音波リニアモータを使用
して駆動速度を速め、これによって精密加工用工作機
械、半導体製造装置および測定装置などに使用される位
置を超精密に定めるための駆動装置において、位置決め
が容易に、すばやくおこなうことができ、その結果、生
産コストを低減できる。
Further, the ultrasonic linear motor of the present invention is used to increase the driving speed, and thereby the driving device for ultra-precision determining the positions used in precision machining machine tools, semiconductor manufacturing equipment, measuring equipment and the like. In, the positioning can be performed easily and quickly, and as a result, the production cost can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の駆動装置の正面図である。FIG. 1 is a front view of a drive device of the present invention.

【図2】図1における切断面線B−Bによる断面図であ
る。
2 is a cross-sectional view taken along the section line BB in FIG.

【図3】圧電セラミックス筒状体の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of a piezoelectric ceramic tubular body.

【図4】本発明の他の駆動装置の正面図である。FIG. 4 is a front view of another drive device of the present invention.

【図5】図4における切断面線C−Cによる断面図であ
る。
5 is a cross-sectional view taken along the section line C-C in FIG.

【図6】圧電セラミックス筒状体の配置状態を示す概略
図である。
FIG. 6 is a schematic view showing an arrangement state of a piezoelectric ceramic tubular body.

【図7】従来の駆動装置の正面図である。FIG. 7 is a front view of a conventional drive device.

【図8】図7における切断面線A−Aによる断面図であ
る。
8 is a cross-sectional view taken along the section line AA in FIG.

【図9】圧電セラミック体の静電容量に対する圧電セラ
ミック体とガイドとガイド支持体の温度変化を示す線図
である。
FIG. 9 is a diagram showing changes in temperature of the piezoelectric ceramic body, the guide, and the guide support body with respect to the capacitance of the piezoelectric ceramic body.

【符号の説明】 1、20、20a 超音波リニアモ−タ K、K1、K2 駆動装置 2、21、22、41 圧電セラミック体 23、24、25、26 電極 9、33 摩擦部 g、34 ガイド e 支持体 n、35 支持用ガイド m、36 リニアベアリング 31、32 支持体 37 ケ−ス 38、40 弾性支持体 39 固定支持体[Explanation of symbols] 1, 20, 20a Ultrasonic linear motor K, K1, K2 drive 2, 21, 22, 41 Piezoelectric ceramic body 23, 24, 25, 26 electrodes 9,33 Friction part g, 34 guide e Support n, 35 support guide m, 36 linear bearing 31, 32 support 37 cases 38, 40 elastic support 39 fixed support

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】内面および外面に電極を形成し、双方の電
極間に交流電圧を印加して圧電効果が生じるようにした
同一の圧電セラミックス筒状体を、各端面がほぼ一致す
るように一方側と他方側に複数個並設する支持体により
固定して振動子を構成し、該振動子の一方端に固定した
前記支持体に弾性体を介してケーシング内に固定し、他
方端に固定した前記支持体の中央に摩擦部を配設せしめ
てなり、前記圧電セラミックス筒状体に印加する交流電
圧に対し一方側と他方側で差をつけることで前記摩擦部
の先端が楕円運動させてなることを特徴とする超音波リ
ニアモータ。
1. A electrodes formed on inner and outer surfaces, both of the alternating voltage between the electrodes by applying the same which is adapted piezoelectric effect occurs piezoelectric ceramic tubular body, such that each end face is substantially aligned Meanwhile By a plurality of supports arranged side by side on the other side
Fixed to form a vibrator and fixed to one end of the vibrator
The support is fixed to the inside of the casing through an elastic body, and the friction part is arranged at the center of the support fixed to the other end.
AC voltage applied to the piezoelectric ceramic cylinder.
By making a difference between the pressure on one side and the pressure on the other side,
Ultrasonic linear motor , characterized in that the tip of is moved in an elliptical motion .
【請求項2】請求項1の超音波リニアモータと、この超
音波リニアモータの摩擦部と当接し該摩擦部の運動によ
り移動するガイドと、そのガイドを所定のルートで搬送
させる基体とからなる駆動装置。
2. The ultrasonic linear motor according to claim 1, a guide that abuts on a friction portion of the ultrasonic linear motor and moves by the movement of the friction portion, and a base body that conveys the guide along a predetermined route. Drive.
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