JP3610241B2 - Ultrasonic motor for stage equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータに関するものであり、測定装置や加工装置におけるテーブルなどのステージの駆動源として好適なステージ用超音波モータに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より超音波モータには、さまざまな構造をしたものが提案されているが、基本的な構造としては図10に示すようなものがあった。この超音波モータ21は交流電圧を印加することで振動する圧電素子24からなる振動体22と、該振動体22の端面に接着剤等により固着され、上記振動体22の振動に伴って楕円軌道を描く直方体の摩擦部材23とからなり、その平坦な先端面を被駆動体(不図示)との当接面23aとしたものがあった。なお、25は上記圧電素子24を振動させるために通電するための電極である。
【0003】
そして、この超音波モータ21により被駆動体を駆動させるには、図11に示すように、超音波モータ21の当接面23aを被駆動体28の側面に押圧した状態で位置決めしたあと、超音波モータ21に交流電圧を印加すると、振動体22の振動に伴って摩擦部材23が楕円軌道を描き、この時に被駆動体28との間で発生する摩擦力によって被駆動体28を矢印の方向に移動させるようになっていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図10に示す超音波モータ21を用いて被駆動体28の移動を制御しようとしても、超音波モータ21の当接面23aが被駆動体28と偏当たりし、楕円軌道の短軸を中心として左右対称に当接させることができないため、被駆動体28との摩擦力が駆動中に変動し、その結果、ストローク内で被駆動体28の速度がばらついたり、移動方向で速度が異なるなど、安定した制御ができないといった課題があった。
【0005】
即ち、当接面23aの全面が被駆動体28と均等に当接するように平坦精度を高めようとしても限界があり、また、摩擦部材23の振動体22への固着具合や超音波モータ21の装置への取り付け具合などによっても被駆動体28との圧接状態が変化し易いため、当接面23aの全面が平坦面からなる超音波モータ21では、当接面23aが被駆動体28と偏当たりしないように調整することは極めて難しいものであった。
【0006】
また、偏当たりがあると、図11に示すように超音波モータ21の当接面23aが偏摩耗するため、被駆動体28との摩擦力がさらに大きく変化するとともに、摩耗粉が超音波モータ21の当接面23aと被駆動体28との間に入り込むと滑りを生じて超音波モータ21の制御状態がさらに不安定なものとなり、酷い時には超音波モータ21の駆動を停止させてしまうといった恐れもあった。
【0007】
その上、偏摩耗が発生すると、超音波モータ21本来の寿命を維持することがでず、短期間の使用で交換しなければならないといった不都合もあった。
【0008】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、圧電素子からなる振動体と、該振動体の端面に設けられ、上記振動体の振動に伴って楕円軌道を描く摩擦部材とからなり、該摩擦部材の先端面が楕円駆動を描きながらステージに圧接することで被駆動体を圧接部位に対して左右に移動させることができるステージ装置用超音波モータにおいて、上記摩擦部材としてアルミナを主成分とするセラミックスが用いられるとともに、上記摩擦部材は幅が3mmで、その当接面を中心線平均粗さ(Ra)で0.4μm以下、曲率半径100mm以上の球面からなる凸状に形成し、かつ、上記摩擦部材の楕円駆動の短軸を中心としてほぼ左右対称にステージに圧接するように構成したことを特徴とする。
【0010】
さらに、本発明は、上記当接面が曲面からなる凸状であって、その曲率半径が100mm以上であることを特徴とする。
【0011】
また、本発明は、上記摩擦部材の当接面を中心線平均粗さ(Ra)で0.4μm以下としたことを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【0013】
図1は本発明の超音波モータの一例を示す斜視図であり、図2はその主要部である摩擦部材を拡大した斜視図である。
【0014】
図1に示す超音波モータ1は、圧電素子4からなる振動体2と、該振動体2の端面に接着等により固着され、上記振動体2の振動に伴って楕円軌道を描く直方体をした摩擦部材3とからなり、その先端面を被駆動体(不図示)との当接面3aとしてある。そして、上記摩擦部材3の当接面3aは、図2に示すように曲面からなる凸状に形成してある。なお、5は上記圧電素子4を振動させるために通電するための電極である。
【0015】
この超音波モータ1により被駆動体を駆動させるには、図3に示すように、超音波モータ1の当接面3aを被駆動体8の側面に押圧した状態で位置決めし、この状態で上記超音波モータ1に交流電圧を印加すると、振動体2の振動に伴って摩擦部材3が楕円軌道を描き、この時に被駆動体8との間で発生する摩擦力によって被駆動体8が矢印の方向(圧接部位に対して左右の方向)に移動するようになっている。
【0016】
そして、本発明の超音波モータ1によれば、摩擦部材3の当接面3aを凸状に形成し、摩擦部材3が当接面3aの中央にて被駆動体8と当接するように構成してあることから、偏当たりがあったとしても楕円軌道の短軸を中心としてほぼ左右対称に当接させることができる。その結果、被駆動体8との摩擦力の変動を小さくすることができ、安定した被駆動体の制御が可能となる。しかも、当接面3aが曲面からなるため、被駆動体8との摺動における摩耗を低減することができ、耐久性を高めることもできる。
【0017】
なお、当接面3aの形状としては、図2,3に示すような曲面からなる凸状をしたものだけに限らず、例えば、図4(a)(b)に示すような中央に平坦面を有し、両端にC面やR面などの面取りを施した凸状や図4(c)に示す球面からなる凸状など、摩擦部材3の当接面3aにおいて少なくとも両端エッジに面取りが施された凸状であれば構わない。
【0018】
また、上記摩擦部材3は、被駆動体8と常に摺動することから耐摩耗性に優れた材質により形成することが重要であり、このような材質としてはアルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素等を主成分とするセラミックスや、TiC系、TiN系、TiC−TiN系のサーメット、さらには超硬合金を用いることができる。
【0019】
さらに、当接面3aの面粗さが粗すぎると、被駆動体8との摺動によって大きく摩耗することになる。その為、当接面3aの面粗さはできるだけ滑らかに仕上げることが必要であり、好ましくは中心線平均粗さ(Ra)で0.4μm以下とすることが良い。
【0020】
なお、上記材質によって当接面3aが凸状をした摩擦部材3を形成する方法としては、焼結された各材質にマシニング加工を施すか、凸状に対応した凹部を備える型に押し当てる平面研削にて所望の凸状に形成する。あるいはプレス成型の段階にて凸状を一体的に成形したものを焼結させて得ることもできる。しかるのち、上記凸状面を遊離砥粒や固定砥粒を用いての研磨あるいはバフ研磨にて当接面3aを形成することにより得ることができる。
【0021】
【実施例】
(実施例1)
本発明の超音波モータと従来の超音波モータをステージ装置に組み込み、各超音波モータにおける駆動特性について調べる実験を行った。
【0022】
本実験ではステージ装置として図5に示すものを用いた。1,21は超音波モータ、9は移動ステージ、10はベース基盤、11は移動ステージ9に超音波モータ1,21の駆動力を伝達するアルミナ製の案内ガイド、12は移動ステージ9を案内するためのクロスローラガイド、13は超音波モータ1,21を案内ガイド13に圧接するための押圧手段であり、上記移動ステージ9のストロークは220mmとした。
【0023】
また、超音波モータ1,21を構成する振動体2,22には、イスラエル・ナノモーション社製の圧電素子(形式SP−1)を用い、この振動体2,22の端面にアルミナセラミック製の摩擦部材3をエポキシ系接着剤にて固着したものを使用した。なお、摩擦部材3,23の形状は1辺が3mmの立方体とし、本発明は当接面3aを曲率半径200mmの曲面からなる凸状とし、従来例は当接面23aを平坦面としたものを使用した。
【0024】
そして、各超音波モータ1,21を駆動させ、開ループ制御(振動体2,22への負荷電圧が一定)にて移動ステージ9を往復移動させた時の移動ステージ9の速度をそれぞれ測定した。
【0025】
本発明の超音波モータ1を用いた時の移動ステージ9の速度を図6に、従来の超音波モータ21を用いた時の移動ステージ9の速度を図7にそれぞれ示す。
【0026】
なお、速度の算出は、リニアエンコーダ(不図示)にて移動ステージ9が移動した距離を測定し、その値を移動時間で除して求めた。
【0027】
この結果、図7に見られるように、従来の超音波モータ21を用いたものでは、行きと帰りで移動ステージ9の速度に差があり、またストローク内での速度も大きく変動していることが判る。
【0028】
これに対し、図6に見られるように、本発明の超音波モータ1を用いれば、移動ステージ9の速度が行きと帰りでほぼ一致しており、また、ストローク内での速度バラツキも殆どなかった。
【0029】
この結果、本発明の超音波モータ1を用いれば、開ループ制御におけるストローク内での速度バラツキや移動方向における速度差を低減することができるため、移動ステージ9の安定した閉ループ制御が可能となることが判る。
【0030】
(実施例2)
次に、本発明の超音波モータ1を用い、当接面3aの曲率半径を異ならせた時の摩耗の度合いについて調べる実験を実施例1と同様の条件にて行った。
【0031】
この結果は図8に示すように、いずれも移動ステージ9の総駆動距離が3km程度までは摩耗が進み、それ以降は摩耗の進行が収まることが判る。これは、摩擦部材3の先端面を凸状に形成してあることから、楕円軌道の短軸を中心にほぼ左右対称に圧接させることができるため、曲率半径の違いによる初期摩耗量には差があるものの、その後の摩耗量は低減できるものと思われる。
【0032】
この結果、当接面3aはできるだけ滑らかな曲面状に形成することで初期摩耗を低減することができ、特に、曲率半径Rを100mm以上とすれば、初期摩耗量を低減できるとともに、初期摩耗が終了するまでの時間も短くでき、優れていた。
【0033】
(実施例3)
さらに、本発明の超音波モータ1を用い、当接面3aの面粗さを異ならせた時の初期摩耗量について調べる実験を実施例1と同様の条件にて行った。なお、本実験では当接面3aを曲面からなる凸状とし、その曲率半径Rを100mmとした。
【0034】
この結果を図9に示すように、当接面3aの面粗さが滑らかなほど、初期摩耗量を低減できることが判る。そして、当接面3aの面粗さが中心線平均粗さ(Ra)で0.4μmと0.2μmの時では初期摩耗量に大きな差が見られなかったのに対し、中心線平均粗さ(Ra)が0.8μmとなると初期摩耗量が多くなり、また、初期摩耗が終了するまでの距離も大きくなることが判る。
【0035】
この結果、当接面3aの面粗さを中心線平均粗さ(Ra)で0.4μm以下とすることにより初期摩耗量を抑えられることが判る。
【0036】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、圧電素子からなる振動体と、該振動体の端面に設けられ、上記振動体の振動に伴って楕円軌道を描く摩擦部材とからなり、該摩擦部材の先端面が楕円駆動を描きながら被駆動体に圧接することでステージを圧接部位に対して左右に移動させることができるステージ装置用超音波モータにおいて、上記摩擦部材としてアルミナを主成分とするセラミックスが用いられるとともに、上記摩擦部材は幅が3mmで、その当接面を中心線平均粗さ(Ra)で0.4μm以下、曲率半径100mm以上の球面からなる凸状に形成し、かつ、上記摩擦部材の楕円駆動の短軸を中心としてほぼ左右対称にステージに圧接するように構成したことから、被駆動体との偏当たりによる摩擦力の変動を大幅に低減することができる。その為、本発明の超音波モータをテーブル等の被駆動体の駆動源として用いれば、被駆動体のストローク内における速度変化や移動方向における速度差をなくすことができるため、条件設定を短時間で行うことができ、しかも、安定した制御が可能となる。
【0037】
また、本発明は、上記摩擦部材の当接面を中心線平均粗さ(Ra)で0.4μm以下としたことから、被駆動体との摺動に伴う当接面の摩耗を低減し、超音波モータの寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の超音波モータの一例を示す斜視図である。
【図2】図1の主要部である摩擦部材を拡大した斜視図である。
【図3】図1の超音波モータを被駆動体に当接面させた状態を示す平面図である。
【図4】(a)〜(c)はさまざまな当接面の形状を示す図である。
【図5】実験で使用したステージ装置を示す一部を破断した斜視図である。
【図6】本発明の超音波モータを用いた時の移動ステージの移動距離と速度との関係を示すグラフである。
【図7】従来の超音波モータを用いた時の移動ステージの移動距離と速度との関係を示すグラフである。
【図8】凸状に形成した当接面の曲率半径と摩耗量との関係を示すグラフである。
【図9】凸状に形成した当接面の面粗さと初期摩耗量との関係を示すグラフである。
【図10】従来の超音波モータの一例を示す斜視図である。
【図11】図10の超音波モータを被駆動体に当接面させた状態を示す平面図である。
【符号の説明】
1,21・・・超音波モータ
2,22・・・振動体
3,23・・・摩擦部材
3a,23a・・・当接面
9・・・移動ステージ
10・・・ベース基盤
11・・・案内ガイド
12・・・クロスローラガイド
13・・・押圧手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic motor, and more particularly to an ultrasonic motor for a stage suitable as a drive source for a stage such as a table in a measuring apparatus or a processing apparatus .
[0002]
[Prior art]
Conventionally, ultrasonic motors having various structures have been proposed, but the basic structure is as shown in FIG. The
[0003]
In order to drive the driven body by the
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, even if the
[0005]
In other words, there is a limit in trying to increase the flatness accuracy so that the
[0006]
In addition, if there is uneven contact, the
[0007]
In addition, if uneven wear occurs, the original life of the
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the above problems, a vibrating body made of piezoelectric element, provided on the end face of the vibrating body consists of a friction member for drawing an elliptical orbit in accordance with the vibration of the vibrating body, of the friction member tip In the ultrasonic motor for a stage device that can move the driven body to the left and right with respect to the pressed part by pressing the surface while drawing the ellipse drive, ceramics mainly composed of alumina is used as the friction member. together is, in the friction members have a width of 3 mm, forms an abutment surface of that center line average roughness (Ra) 0.4 .mu.m hereinafter, the convex shape consisting of a curvature radius 100mm or more spherical, and the characterized by being configured to abut pressure stage substantially symmetrical about the minor axis of the ellipse driving friction member.
[0010]
Furthermore, the present invention is characterized in that the contact surface is a convex shape having a curved surface, and the radius of curvature is 100 mm or more.
[0011]
Further, the present invention is characterized in that the contact surface of the friction member has a center line average roughness (Ra) of 0.4 μm or less.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0013]
FIG. 1 is a perspective view showing an example of the ultrasonic motor of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged perspective view of a friction member which is a main part thereof.
[0014]
An
[0015]
In order to drive the driven body by the
[0016]
According to the
[0017]
The shape of the abutting surface 3a is not limited to a convex shape having a curved surface as shown in FIGS. 2 and 3. For example, a flat surface at the center as shown in FIGS. Chamfering is applied to at least both edges of the contact surface 3a of the
[0018]
In addition, since the
[0019]
Furthermore, if the surface roughness of the contact surface 3a is too rough, the contact surface 3a is greatly worn by sliding with the driven body 8. Therefore, it is necessary to finish the surface roughness of the contact surface 3a as smoothly as possible, and the center line average roughness (Ra) is preferably 0.4 μm or less.
[0020]
In addition, as a method of forming the
[0021]
【Example】
Example 1
The ultrasonic motor of the present invention and a conventional ultrasonic motor were incorporated in a stage apparatus, and an experiment was conducted to examine the drive characteristics of each ultrasonic motor.
[0022]
In this experiment, the stage apparatus shown in FIG. 5 was used. 1 and 21 are ultrasonic motors, 9 is a moving stage, 10 is a base board, 11 is a guide guide made of alumina for transmitting the driving force of the
[0023]
In addition, for the
[0024]
Then, each
[0025]
FIG. 6 shows the speed of the moving stage 9 when the
[0026]
The speed was calculated by measuring the distance traveled by the moving stage 9 with a linear encoder (not shown) and dividing the value by the moving time.
[0027]
As a result, as shown in FIG. 7, in the case where the conventional
[0028]
On the other hand, as shown in FIG. 6, when the
[0029]
As a result, if the
[0030]
(Example 2)
Next, using the
[0031]
As shown in FIG. 8, the results show that the wear progresses until the total driving distance of the moving stage 9 is about 3 km, and the progress of the wear stops thereafter. This is because the tip surface of the
[0032]
As a result, the abutment surface 3a can be reduced initial wear by forming as much as possible a smooth curved surface, in particular, if the radius of curvature R and the 100mm or more, it is possible to reduce the initial wear amount, initial wear It was excellent because the time to finish was shortened.
[0033]
(Example 3)
Furthermore, an experiment for examining the initial wear amount when the surface roughness of the contact surface 3a was varied using the
[0034]
As shown in FIG. 9, it can be seen that the smoother the surface roughness of the contact surface 3a, the lower the initial wear amount. And when the surface roughness of the contact surface 3a is 0.4 μm and 0.2 μm in the centerline average roughness (Ra), no significant difference was found in the initial wear amount, whereas the centerline average roughness It can be seen that when (Ra) is 0.8 μm, the amount of initial wear increases and the distance until the initial wear ends is also increased.
[0035]
As a result, it is understood that the initial wear amount can be suppressed by setting the surface roughness of the contact surface 3a to 0.4 μm or less in terms of the center line average roughness (Ra).
[0036]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the vibration member including the piezoelectric element and the friction member that is provided on the end surface of the vibration member and draws an elliptical orbit along with the vibration of the vibration member, In the ultrasonic motor for a stage apparatus in which the stage can be moved to the left and right with respect to the pressed part by pressing the driven surface while drawing the elliptical drive, the ceramic mainly composed of alumina is used as the friction member. together used in the friction member have a width of 3 mm, forms an abutment surface of that center line average roughness (Ra) 0.4 .mu.m hereinafter, the convex shape consisting of a curvature radius 100mm or more spherical, and, from what has been configured to abut pressure stage substantially symmetrical about the minor axis of the ellipse driving of the friction member, it is possible to greatly reduce the variation of frictional force due to contact polarization of the driven body For this reason, if the ultrasonic motor of the present invention is used as a drive source for a driven body such as a table, the speed change in the stroke of the driven body and the speed difference in the moving direction can be eliminated. In addition, stable control is possible.
[0037]
In addition, since the contact surface of the friction member has a center line average roughness (Ra) of 0.4 μm or less, the present invention reduces wear of the contact surface due to sliding with the driven body, The life of the ultrasonic motor can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an example of an ultrasonic motor of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged perspective view of a friction member that is a main part of FIG.
3 is a plan view showing a state in which the ultrasonic motor of FIG. 1 is brought into contact with a driven body. FIG.
FIGS. 4A to 4C are diagrams showing various shapes of contact surfaces. FIG.
FIG. 5 is a partially cutaway perspective view showing a stage apparatus used in an experiment.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the moving distance and speed of the moving stage when using the ultrasonic motor of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the moving distance and speed of a moving stage when a conventional ultrasonic motor is used.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the radius of curvature of a contact surface formed in a convex shape and the amount of wear.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the roughness of the contact surface formed in a convex shape and the initial wear amount.
FIG. 10 is a perspective view showing an example of a conventional ultrasonic motor.
11 is a plan view showing a state in which the ultrasonic motor of FIG. 10 is brought into contact with a driven body. FIG.
[Explanation of symbols]
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