JP4801433B2 - Ultrasonic drive device and driven member used therefor - Google Patents

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Description

本発明は、超音波モータを使用して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およびそれに用いる被駆動部材に関する。   The present invention relates to an ultrasonic driving apparatus that drives a driven member such as a positioning stage using an ultrasonic motor, and a driven member used therefor.

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部材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部材の磨耗によるパーティクルの発生が避けられない。   Precision positioning systems using ultrasonic motors have begun to be used in fields that hate magnetism such as electron beam exposure (EB). Such a precision positioning system employs a friction drive system in which the ultrasonic motor is in contact with the drive force transmission member of the driven member to transmit the drive force. For this reason, generation of particles due to wear of the contact member on the ultrasonic motor side and the driving force transmission member on the driven member side is inevitable.

パーティクルへの対策として、磨耗を減らし、寿命を確保する目的で、被駆動部材側の摺接部材として複合材料を用いる方法(例えば、特許文献1)や面粗度を規定する方法(例えば、特許文献2)、溶射材料を用いる方法(例えば、特許文献3)などが提案されている。また摺接部材にセラミックスを用いる方法としてアルミナ(例えば、特許文献4)やAl/TiC複合材料(例えば、特許文献5)が提案されている。 As a countermeasure against particles, a method of using a composite material as a sliding contact member on the driven member side (for example, Patent Document 1) or a method of defining surface roughness (for example, a patent) for the purpose of reducing wear and ensuring a life. Document 2), a method using a thermal spray material (for example, Patent Document 3), and the like have been proposed. Further, alumina (for example, Patent Document 4) and Al 2 O 3 / TiC composite material (for example, Patent Document 5) have been proposed as a method of using ceramics for the sliding contact member.

しかしながら、半導体製造装置などパーティクルを極端に嫌う分野においては、パーティクルに対する徹底した対策を講ずることが必要であり、上記特許文献1〜5の提案をもってしても、パーティクル対策として、なお不十分であった。
特開2003−264984号公報 特開2000−278968号公報 特開平10−309085号公報 特開2002−027768号公報 特開2003−018870号公報
However, in the field where particles are extremely hated, such as semiconductor manufacturing equipment, it is necessary to take thorough countermeasures against particles, and even the proposals in Patent Documents 1 to 5 are still insufficient as particle countermeasures. It was.
JP 2003-264984 A JP 2000-278968 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-309085 JP 2002-0277768 A JP 2003-018870 A

本発明は、摩耗が少なくパーティクルの発生が極めて抑制された超音波駆動装置およびそれに用いる被駆動部材を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an ultrasonic drive device with little wear and generation of particles and a driven member used therefor.

上記課題を解決するため、本発明の第1の観点は、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部材を備え、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、
前記駆動力伝達部材は、純度99.5%以上のアルミナセラミックスで構成され、かつその平均粒子径が7.7μm以下であり、前記セラミックス材料は、原料として99.5%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、超音波駆動装置を提供する。
In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention is an ultrasonic motor including an abutting member;
A driving force transmission member that transmits the driving force of the ultrasonic motor by the contact of the contact member, and a driven member that is driven by the ultrasonic motor;
An ultrasonic drive device comprising:
The driving force transmission member is made of alumina ceramic having a purity of 99.5% or more, and an average particle diameter thereof is 7.7 μm or less. The ceramic material has a purity of 99.5% or more as a raw material, and There is provided an ultrasonic driving device characterized in that an aluminum oxide powder having an average particle diameter of 1 μm or less is used and is fired at a firing temperature of 1200 to 1400 ° C.

上記第1の観点において、前記駆動力伝達部材を構成するアルミナセラミックスの平均粒子径が2.1μm以上5.6μm以下であることが好ましい。   In the first aspect, it is preferable that an average particle diameter of alumina ceramics constituting the driving force transmitting member is 2.1 μm or more and 5.6 μm or less.

本発明の第2の観点は、当接部材を備えた超音波モータが当接することによりその駆動力が伝達される駆動力伝達部材を備えた超音波駆動装置用被駆動部材であって、
前記駆動力伝達部材は、純度99.5%以上のアルミナセラミックスで構成され、かつその平均粒子径が7.7μm以下であり、前記セラミックス材料は、原料として99.5%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、超音波駆動装置用被駆動部材を提供する。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a driven member for an ultrasonic driving device provided with a driving force transmitting member to which the driving force is transmitted by contact of an ultrasonic motor provided with an abutting member,
The driving force transmitting member is composed of a purity of 99.5% or higher alumina ceramics, and Ri der an average particle size 7.7μm or less, the ceramic material is 99.5% pure as a raw material and, A driven member for an ultrasonic drive device, characterized in that it is fired using an aluminum oxide powder having an average particle diameter of 1 μm or less and a firing temperature of 1200 to 1400 ° C.

上記第2の観点において、前記駆動力伝達部材を構成するアルミナセラミックスの平均粒子径が2.1μm以上5.6μm以下であることが好ましい。 In the second aspect, it is preferable that an average particle diameter of alumina ceramics constituting the driving force transmitting member is 2.1 μm or more and 5.6 μm or less.

本発明によれば、超音波モータの当接部材が当接することにより被駆動部材に駆動力を伝達する駆動力伝達部材として、純度99.5%以上で、平均粒子径が7.7μm以下のアルミナセラミックスを用いることによって、前記当接部材と前記駆動力伝達部材との摺接により発生するパーティクルを効果的に抑制することができる。よって、本発明の超音波駆動装置は、パーティクルを極力抑制することが必要な分野、例えば半導体製造装置などにおける精密位置決め装置等として好適に使用できるものである。   According to the present invention, the driving force transmitting member that transmits the driving force to the driven member by the contact of the abutting member of the ultrasonic motor has a purity of 99.5% or more and an average particle diameter of 7.7 μm or less. By using alumina ceramics, particles generated by sliding contact between the contact member and the driving force transmission member can be effectively suppressed. Therefore, the ultrasonic drive device of the present invention can be suitably used as a precision positioning device or the like in a field where particles must be suppressed as much as possible, for example, a semiconductor manufacturing device.

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、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。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of a positioning apparatus 100 according to an embodiment of an ultrasonic driving apparatus using an ultrasonic motor as a driving source. The positioning apparatus 100 is used for precise alignment of an object to be processed in a processing chamber such as a semiconductor manufacturing apparatus.

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。   As shown in the figure, the positioning device 100 includes, for example, a pair of guide rails 2 on a base 1, and linearly guides a stage 3 that is a movable body by these guide rails 2. A sliding plate 4 having a driving force transmission surface 4 a parallel to the guide rail 2 is fixed to one side surface of the stage 3. A linear scale 5 is provided on the other side surface of the stage 3 in parallel with the sliding contact plate 4. A detector 6 for reading information recorded on the linear scale 5 is provided at a position facing the linear scale 5. The linear scale 5 and the detector 6 function as position detecting means in cooperation.

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13aを備えており、この当接部13aが前記摺接板4の駆動力伝達面4aに対して当接可能な状態で配置されている。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。   An ultrasonic motor 10 is provided at a position facing the sliding plate 4. The ultrasonic motor 10 includes an abutting portion 13 a, and the abutting portion 13 a is disposed in a state where the abutting portion 13 a can abut against the driving force transmission surface 4 a of the sliding contact plate 4. Note that reference numeral 9 in FIG. 1 denotes a housing that houses the ultrasonic motor 10.

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。   Further, the positioning device 100 outputs a control unit 7 for controlling the driving conditions of the stage 3 according to the position information measured by the linear scale 5 and the detector 6 as position detecting means, and the control unit 7 outputs the position information. A driver 8 that outputs a command signal for driving the ultrasonic motor 10 based on the signal is provided, and these are electrically connected.

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、ランジュバン型構造を有する2個の超音波振動子11a,11bと、超音波振動子11a,11bを所定角度(図2では90度としている)で保持する保持部材12と、摺接板4の駆動力伝達面4aに接する略V字型の形状を有するヘッド13を有している。保持部材12には、例えば、エアーシリンダや油圧シリンダ、スプリングコイル等の押圧機構14が取り付けられており、所定の力でヘッド13を摺接板4の駆動力伝達面4aに押し当てている。   FIG. 2 shows a schematic configuration of the ultrasonic motor 10. The ultrasonic motor 10 includes two ultrasonic vibrators 11a and 11b having a Langevin type structure, a holding member 12 that holds the ultrasonic vibrators 11a and 11b at a predetermined angle (90 degrees in FIG. 2), The head 13 has a substantially V-shaped shape that contacts the driving force transmission surface 4 a of the sliding contact plate 4. For example, a pressing mechanism 14 such as an air cylinder, a hydraulic cylinder, or a spring coil is attached to the holding member 12, and the head 13 is pressed against the driving force transmission surface 4 a of the sliding contact plate 4 with a predetermined force.

超音波振動子11aは、両端がネジ切りされたボルト21と、ボルト21のネジ溝に嵌合するネジ穴を有する袋ナット22と、ボルト21を通すことができる2枚のリング状の圧電板23a,23bと、ボルト21を通すことができるリング状の電極板24a〜24cとを有している。   The ultrasonic transducer 11a includes a bolt 21 having both ends threaded, a cap nut 22 having a screw hole that fits into a screw groove of the bolt 21, and two ring-shaped piezoelectric plates through which the bolt 21 can pass. 23a and 23b, and ring-shaped electrode plates 24a to 24c through which the bolts 21 can pass.

超音波振動子11bは、超音波振動子11aと同様に、ボルト21’と、袋ナット22’と、2枚のリング状の圧電板23a’,23b’と、リング状の電極板24a’〜24c’とを有している。圧電板23a,23b,23a’,23b’の表裏面には電極(図示せず)が形成されている。なお、1個の超音波振動子に設けられる圧電板の枚数は任意であり、2枚に限定されるものではない。   Similar to the ultrasonic transducer 11a, the ultrasonic transducer 11b includes a bolt 21 ', a cap nut 22', two ring-shaped piezoelectric plates 23a 'and 23b', and ring-shaped electrode plates 24a 'to 24a'. 24c '. Electrodes (not shown) are formed on the front and back surfaces of the piezoelectric plates 23a, 23b, 23a ', and 23b'. The number of piezoelectric plates provided in one ultrasonic transducer is arbitrary and is not limited to two.

保持部材12にはボルト21を通すための孔部が設けられている。ヘッド13は、摺接板4の駆動力伝達面4aに接する当接部13aと、超音波振動子11a,11bと連結される連結部13b,13b’と、当接部13aと連結部13b,13b’とを連結するネック部13c,13c’から構成されている。   The holding member 12 is provided with a hole for allowing the bolt 21 to pass therethrough. The head 13 includes a contact portion 13a that is in contact with the driving force transmission surface 4a of the sliding contact plate 4, connection portions 13b and 13b ′ that are connected to the ultrasonic transducers 11a and 11b, contact portions 13a and connection portions 13b, and the like. It is comprised from neck parts 13c and 13c 'which connect 13b'.

ヘッド13の連結部13b,13b’にはそれぞれ、ボルト21,21’のネジ溝に嵌合するネジ穴が形成されている。このヘッド13には、耐摩耗性に優れる材料、例えば、ステンレスや超硬合金等の金属材料や、アルミナや窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックスが用いられる。ヘッド13が金属製であれば、ヘッド13にボルト21,21’と連結するためのネジ溝を形成することが容易である。ヘッド13を金属材料で作製し、その当接部13aの表面に窒化ケイ素等のコーティングを施すこと等も好ましい。   The connecting portions 13b and 13b 'of the head 13 are formed with screw holes that fit into the screw grooves of the bolts 21 and 21', respectively. The head 13 is made of a material having excellent wear resistance, for example, a metal material such as stainless steel or cemented carbide, or a ceramic such as alumina, silicon nitride, or silicon carbide. If the head 13 is made of metal, it is easy to form screw grooves for connecting the bolts 21 and 21 ′ to the head 13. It is also preferable that the head 13 is made of a metal material, and the surface of the contact portion 13a is coated with silicon nitride or the like.

図2に示されるように、圧電板23a,23bが電極板24a〜24cに挟まれるように配置し、これら圧電板23a,23bと電極板24a〜24cおよび保持部材12の孔部にボルト21を通し、ボルト21の端部にそれぞれヘッド13と袋ナット22を取り付ける。これによって圧電板23a,23bは所定の力で締め付けられ、超音波振動子11aが構成される。このように、超音波モータ10において、ヘッド13は、摺接板4の駆動力伝達面4aを介してステージ3に推力を与えるだけでなく、ランジュバン型振動子を構成する部材としての役割を担っている。これと同様にして、超音波振動子11bが構成される。   As shown in FIG. 2, the piezoelectric plates 23 a and 23 b are arranged so as to be sandwiched between the electrode plates 24 a to 24 c, and bolts 21 are inserted into the holes of the piezoelectric plates 23 a and 23 b, the electrode plates 24 a to 24 c and the holding member 12. The head 13 and the cap nut 22 are attached to the end portions of the bolts 21, respectively. As a result, the piezoelectric plates 23a and 23b are fastened with a predetermined force to form the ultrasonic transducer 11a. Thus, in the ultrasonic motor 10, the head 13 not only gives thrust to the stage 3 via the driving force transmission surface 4 a of the sliding contact plate 4, but also plays a role as a member constituting the Langevin type vibrator. ing. In the same manner, the ultrasonic transducer 11b is configured.

通常、ボルト21と袋ナット22と保持部材12は金属材料が用いられ、この場合には、電極板24a,24cは保持部材12を介して袋ナット22と導通する。このため、保持部材12または超音波振動子11aの袋ナット22を圧電体23a,23bを駆動するための接地電極として用いることができ、このときに超音波振動子11bが具備する圧電板23a’,23b’を駆動するためのアース電極を同時にとることができる。   Normally, a metal material is used for the bolt 21, the cap nut 22, and the holding member 12. In this case, the electrode plates 24 a and 24 c are electrically connected to the cap nut 22 through the holding member 12. Therefore, the holding member 12 or the cap nut 22 of the ultrasonic transducer 11a can be used as a ground electrode for driving the piezoelectric bodies 23a and 23b. At this time, the piezoelectric plate 23a ′ included in the ultrasonic transducer 11b. , 23b 'can be grounded simultaneously.

なお、ヘッド13が金属製の場合、ヘッド13はボルト21と袋ナット22を介して電極板24aと導通するために、保持部材12または超音波振動子11a,11bの袋ナット22,22’のいずれかを接地すれば、ヘッド13もまた接地状態に保持することができる。   When the head 13 is made of metal, the head 13 is electrically connected to the electrode plate 24a via the bolt 21 and the cap nut 22, so that the cap nuts 22 and 22 'of the holding member 12 or the ultrasonic transducers 11a and 11b are connected. If either one is grounded, the head 13 can also be held in the grounded state.

圧電板23a,23bには、PZT系等の圧電セラミックスが好適に用いられる。圧電板23a,23bの分極の向きは、圧電板23a,23bの間に挟まれている電極板24bについて対称となっている。また、電極板24a,24cは互いに電気的に接続されている。したがって、電極板24bと電極板24cとの間に電圧を印加すると、圧電板23a,23bには同じ位相で変位(振動)が生ずる。つまり、圧電板23a,23bがその厚み方向に共に伸び、または、共に縮む。   For the piezoelectric plates 23a and 23b, piezoelectric ceramics such as PZT are preferably used. The directions of polarization of the piezoelectric plates 23a and 23b are symmetric with respect to the electrode plate 24b sandwiched between the piezoelectric plates 23a and 23b. The electrode plates 24a and 24c are electrically connected to each other. Therefore, when a voltage is applied between the electrode plate 24b and the electrode plate 24c, the piezoelectric plates 23a and 23b are displaced (vibrated) in the same phase. That is, the piezoelectric plates 23a and 23b extend or shrink together in the thickness direction.

そこで、圧電板23a,23bに共振周波数の電圧信号を投入して超音波振動子11aを振動させることにより、この振動はネック部13cによって拡大されて当接部13aに伝えられる。これと同時に、所定の共振周波数の電圧信号を圧電板23a’,23b’に投入して超音波振動子11bを振動させると、この振動はネック部13c’によって拡大されて当接部13aに伝えられる。こうして当接部13aには、2つの超音波振動子11a,11bからそれぞれネック部13c,13c’を介して伝えられた振動が合成された変位運動が生じる。   Therefore, by applying a voltage signal having a resonance frequency to the piezoelectric plates 23a and 23b to vibrate the ultrasonic transducer 11a, this vibration is magnified by the neck portion 13c and transmitted to the contact portion 13a. At the same time, when a voltage signal having a predetermined resonance frequency is input to the piezoelectric plates 23a ′ and 23b ′ to vibrate the ultrasonic vibrator 11b, the vibration is expanded by the neck portion 13c ′ and transmitted to the contact portion 13a. It is done. In this way, a displacement motion is generated in the contact portion 13a in which the vibrations transmitted from the two ultrasonic transducers 11a and 11b via the neck portions 13c and 13c 'are combined.

再び図1を参照するに、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。   Referring to FIG. 1 again, the slidable contact plate 4 fixed to the stage 3, which is a movable body, functions as a driving force transmission member that transmits the driving force from the ultrasonic motor 10 to the stage 3. Therefore, the stage 3 and the sliding contact plate 4 constitute a driven member in the positioning device 100.

摺接板4を構成するセラミックス材料としては、その純度、すなわちアルミナ含有量が99.5重量%(以下、単に「%」と記す)以上、好ましくは99.9%以上であるアルミナを用いる。アルミナ含有量が99.5%未満では、後記試験例に示すように、パーティクルの発生が増加する。また、アルミナの平均粒子径は、7.7μm以下であり、好ましくは2.1μm〜5.6μm以下であるものを用いる。アルミナの平均粒子径が7.7μmを超える場合には、パーティクルの抑制効果が十分でなくなり、パーティクル数が増加する。その理由は、アルミナの平均粒子径が7.7μmを超えて大きくなると、比較的低強度の粒界部分が集まって大きくなり、脱落しやすくなるためであると考えられる。   As the ceramic material constituting the sliding contact plate 4, alumina whose purity, that is, the alumina content is 99.5% by weight (hereinafter, simply referred to as “%”) or more, preferably 99.9% or more is used. When the alumina content is less than 99.5%, the generation of particles increases as shown in the test examples described later. The average particle diameter of alumina is 7.7 μm or less, preferably 2.1 μm to 5.6 μm or less. When the average particle diameter of alumina exceeds 7.7 μm, the effect of suppressing particles becomes insufficient and the number of particles increases. The reason for this is considered to be that when the average particle diameter of alumina exceeds 7.7 μm, relatively low-strength grain boundary portions are gathered and become larger and easily fall off.

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の製造方法を説明する。   For example, the sliding contact plate 4 is formed into a plate shape or a sheet shape by using various methods such as a press molding method, an extrusion molding method, and an injection molding method, and fired at a predetermined temperature, and then ground as necessary. -It can be produced by cutting or the like. Hereinafter, a method for manufacturing the sliding contact plate 4 will be described.

原料として使用する酸化アルミニウム粉末としては、99.5%以上の高純度のものを用いる。
また、上記酸化アルミニウム粉末の平均粒子径としては、D50が1μm以下のものを用いることが好ましい。
As the aluminum oxide powder used as a raw material, a high purity powder of 99.5% or more is used.
Moreover, as an average particle diameter of the said aluminum oxide powder, it is preferable to use that whose D50 is 1 micrometer or less.

原料の純度が99.5%未満の場合や、平均粒子径が1μmを超える場合(例えば、2μm以上である場合)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。   When the purity of the raw material is less than 99.5% or when the average particle diameter exceeds 1 μm (for example, when it is 2 μm or more), the low-temperature easy-sintering property is lost, and the sintering density is sufficient. Does not go up. On the other hand, if sintering is performed at a high temperature to increase the sintering density, grain growth may occur and the pores may become coarse.

上記平均粒子径を有する摺接板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、粒成長が生じ、ポアが粗大化してしまうおそれがあるので好ましくない。   In order to produce the sliding contact plate 4 having the average particle diameter, a powder obtained by mixing a raw material aluminum oxide powder and a binder is molded, and after CIP treatment, firing is performed while controlling firing conditions. The firing temperature condition can be set to 1200 to 1400 ° C., for example. When the firing temperature is less than 1200 ° C., the sintering itself does not proceed easily, and it becomes difficult to obtain a sintered body. On the other hand, a firing temperature exceeding 1400 ° C. is not preferable because grain growth occurs and the pores may become coarse.

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99.5%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。   The reason for firing at 1200 to 1400 ° C., which is lower than the firing temperature normally used for alumina ceramics (1500 to 1600 ° C.), is that grain growth (crystal growth) at temperatures exceeding 1400 ° C. (in the case of an aluminum oxide substrate). This is because the pores move to the grain boundary phase and the pores become coarse due to grain growth. Further, in order to facilitate the sintering at such a low temperature (that is, to exhibit the low temperature easy sintering property), the above-described high purity of 99.5% or more and an average particle diameter of 1 μm or less. Aluminum oxide powder is used as a raw material. As the firing atmosphere, for example, firing can be performed in air, inert atmosphere (for example, argon atmosphere), or reducing atmosphere (for example, nitrogen atmosphere by using a carbon heater or the like).

また、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/cm程度で行うことが好ましい。 Moreover, it is preferable to further subject the aluminum oxide sintered body obtained under the above firing conditions to HIP treatment (for example, treatment in a HIP furnace having a carbon heater). The HIP treatment is preferably performed at a temperature somewhat lower than the firing temperature, for example, less than 1000 to 1400 ° C. from the viewpoint of not causing pore coarsening due to grain growth, and is preferably performed at a pressure of about 1800 kg / cm 2. .

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に装着した摺接板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〜Hの8種類を用意した。試料A〜H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。
Next, test results for confirming the effects of the present invention will be described.
A continuous driving experiment was performed by changing the material of the sliding contact plate 4 mounted on the stage 3 as a driven member. As the sliding contact plate 4, eight types of samples A to H shown in Table 1 were prepared. Samples A to H are all alumina and have the following physical properties in addition to those shown in Table 1.

<試料の物性値>
ビッカース硬さ=18〜20GPa
破壊靱性値=3〜4MPa√m
ヤング率=390〜400GPa
熱伝導率=30〜35W/m・K
<Physical properties of sample>
Vickers hardness = 18-20GPa
Fracture toughness value = 3-4 MPa√m
Young's modulus = 390 to 400 GPa
Thermal conductivity = 30 to 35 W / m · K

また、各試料A〜H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(1mmあたり)と平均粒子径を測定しておいた。ここで平均粒子径は、SEM写真に線を引き、線の長さを、線を横切る粒子の数で除した値を算出し、これを平均粒子径とした。なお、各試料のポア数は、表1に示すとおりである。 Moreover, about each sample AH, mirror surface grinding | polishing was performed beforehand and the pore number (per 1 mm < 2 >) and average particle diameter of 3 micrometers diameter or more were measured by observation with a scanning electron microscope (SEM). Here, the average particle diameter was calculated by calculating a value obtained by drawing a line on the SEM photograph and dividing the length of the line by the number of particles crossing the line. In addition, the number of pores of each sample is as shown in Table 1.

超音波モータとしては、図2に示すものと同様の構造を備えたランジュバン型振動子を有する超音波モータ10を用い、これを可動部重量10kg、ストローク250mmのステージ3に取り付けた。   As the ultrasonic motor, an ultrasonic motor 10 having a Langevin type vibrator having the same structure as that shown in FIG. 2 was used, and this was attached to the stage 3 having a movable part weight of 10 kg and a stroke of 250 mm.

超音波モータの先端には純度99.99%のアルミナで、3μm以上のポア数(1mmあたり)が1000個以下のものを用いた。これらの試料について鏡面研磨を行い、SEM観察によって3μm以上のポアの数と平均粒子径を測定した。 At the tip of the ultrasonic motor, alumina having a purity of 99.99% and having a pore number of 3 μm or more (per 1 mm 2 ) of 1000 or less was used. These samples were mirror-polished, and the number of pores of 3 μm or more and the average particle diameter were measured by SEM observation.

試験は、ステージ3を、速度100mm/sec、加速度1m/secで連続駆動し、発生する磨耗粉をパーティクルカウンタで測定することにより行なった。パーティクルカウンタは、毎分28.3リットル吸引し、0.1μm以上、0.2μm以上、0.3μm以上、0.5μm以上、0.7μm以上、1μm以上の7水準のパーティクル数を同時にカウントするモードで、駆動開始12時間から1時間連続して測定し、1時間の平均を測定値とした。その結果を表1に示した。また、純度99.5%以上のアルミナの平均粒子径とパーティクル計測量(個数)との関係を図3に示した。 The test was performed by continuously driving the stage 3 at a speed of 100 mm / sec and an acceleration of 1 m / sec 2 and measuring the generated abrasion powder with a particle counter. The particle counter sucks 28.3 liters per minute and simultaneously counts the number of 7-level particles of 0.1 μm or more, 0.2 μm or more, 0.3 μm or more, 0.5 μm or more, 0.7 μm or more, 1 μm or more. In the mode, measurement was performed continuously for 12 hours from the start of driving for 12 hours, and an average of 1 hour was taken as a measured value. The results are shown in Table 1. FIG. 3 shows the relationship between the average particle diameter of alumina having a purity of 99.5% or more and the amount of particles measured (number).

Figure 0004801433
Figure 0004801433

表1より、試料Aはパーティクル計測量が他に比べて極端に多かった。これは、試料Aを除くと平均粒子径とパーティクル発生量に相関があること、ポアの数は試料Aと試料Dとで変らないことから、試料Aの純度が低いことが主な原因と考えられる。摺接板4を構成するアルミナセラミックスの純度が99.5%以上の場合、平均粒子径が1.4〜7.7μm以下であれば、ポアの数に拘わらず、径0.2μmのパーティクル量は200個以下になることがわかった。また平均粒子径2.1〜5.6μmであれば、パーティクル量はさらに少なくなり、径0.3μm以上のパーティクル計測量は、バックグランドと変らないレベルになることもわかった。この試験結果から、アルミナの純度を99.5%以上とし、平均粒子径を7.7μm以下に設定することによって、パーティクルの発生を抑制し、パーティクル数を極力引き下げることができることが示された。   From Table 1, Sample A had an extremely large amount of particle measurement compared to the others. This is mainly due to the fact that there is a correlation between the average particle diameter and the amount of generated particles except for sample A, and the number of pores does not change between sample A and sample D, so the purity of sample A is low. It is done. When the purity of the alumina ceramics constituting the sliding contact plate 4 is 99.5% or more, if the average particle diameter is 1.4 to 7.7 μm or less, the amount of particles having a diameter of 0.2 μm regardless of the number of pores Was found to be 200 or less. It was also found that when the average particle size is 2.1 to 5.6 μm, the amount of particles is further reduced, and the amount of particles measured with a diameter of 0.3 μm or more is at a level that is not different from the background. From this test result, it was shown that the generation of particles can be suppressed and the number of particles can be reduced as much as possible by setting the purity of alumina to 99.5% or more and the average particle diameter to 7.7 μm or less.

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。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not restrict | limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible.

本発明の超音波駆動装置は、例えば半導体製造装置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。   The ultrasonic drive device of the present invention can be suitably used as a precision positioning device deployed in, for example, a semiconductor manufacturing apparatus.

位置決め装置の概略構成を示す斜視図。The perspective view which shows schematic structure of a positioning device. 超音波モータの概略構成を示す断面図。Sectional drawing which shows schematic structure of an ultrasonic motor. パーティクル数の測定結果を示すグラフ図。The graph which shows the measurement result of the number of particles.

符号の説明Explanation of symbols

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,11b;超音波振動子
12;保持部材
13;ヘッド
13a;当接部
13b,13b’;連結部
13c,13c’;ネック部
14;押圧機構
15;被駆動体
21,21’;ボルト
22,22’;袋ナット
23a,23b,23a’,23b’;圧電板
24a〜24c;24a’〜24c’;電極板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1; Base 2; Guide rail 3; Stage 4; Sliding contact plate 4a; Driving force transmission surface 5; Linear scale 6; Detector 7; Control part 8; Ultrasonic vibrator 12; holding member 13; head 13a; abutting portions 13b and 13b '; connecting portions 13c and 13c'; neck portion 14; pressing mechanism 15; driven bodies 21 and 21 '; Cap nuts 23a, 23b, 23a ', 23b'; piezoelectric plates 24a-24c; 24a'-24c '; electrode plates

Claims (4)

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部材を備え、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、
前記駆動力伝達部材は、純度99.5%以上のアルミナセラミックスで構成され、かつその平均粒子径が7.7μm以下であり、
前記セラミックス材料は、原料として99.5%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、超音波駆動装置。
An ultrasonic motor provided with a contact member;
A driving force transmission member that transmits the driving force of the ultrasonic motor by the contact of the contact member, and a driven member that is driven by the ultrasonic motor;
An ultrasonic drive device comprising:
The driving force transmission member is made of alumina ceramic having a purity of 99.5% or more, and an average particle diameter thereof is 7.7 μm or less,
The ceramic material is fired at a firing temperature of 1200 to 1400 ° C. using an aluminum oxide powder having a purity of 99.5% or more as a raw material and an average particle diameter of 1 μm or less, Ultrasonic drive device.
前記駆動力伝達部材を構成するアルミナセラミックスの平均粒子径が2.1μm以上5.6μm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。 2. The ultrasonic driving device according to claim 1, wherein an average particle diameter of alumina ceramics constituting the driving force transmitting member is 2.1 μm or more and 5.6 μm or less. 当接部材を備えた超音波モータが当接することによりその駆動力が伝達される駆動力伝達部材を備えた超音波駆動装置用被駆動部材であって、
前記駆動力伝達部材は、純度99.5%以上のアルミナセラミックスで構成され、かつその平均粒子径が7.7μm以下であり、
前記セラミックス材料は、原料として99.5%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、超音波駆動装置用被駆動部材。
A driven member for an ultrasonic driving device provided with a driving force transmitting member that transmits a driving force by contacting an ultrasonic motor provided with an abutting member,
The driving force transmission member is made of alumina ceramic having a purity of 99.5% or more, and an average particle diameter thereof is 7.7 μm or less,
The ceramic material is fired at a firing temperature of 1200 to 1400 ° C. using an aluminum oxide powder having a purity of 99.5% or more as a raw material and an average particle diameter of 1 μm or less, A driven member for an ultrasonic driving device.
前記駆動力伝達部材を構成するアルミナセラミックスの平均粒子径が2.1μm以上5.6μm以下であることを特徴とする、請求項3に記載の超音波駆動装置用被駆動部材。 The driven member for an ultrasonic driving device according to claim 3, wherein an average particle diameter of alumina ceramics constituting the driving force transmitting member is 2.1 μm or more and 5.6 μm or less.
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