JPH11136968A - Ultrasonic drive device - Google Patents

Ultrasonic drive device

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JPH11136968A
JPH11136968A JP9297571A JP29757197A JPH11136968A JP H11136968 A JPH11136968 A JP H11136968A JP 9297571 A JP9297571 A JP 9297571A JP 29757197 A JP29757197 A JP 29757197A JP H11136968 A JPH11136968 A JP H11136968A
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JP
Japan
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moving body
ultrasonic
ultrasonic motor
wear
vibrating
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JP9297571A
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Japanese (ja)
Inventor
Yuusaku Ishimine
裕作 石峯
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the friction of the vibration piece and the movement body of an ultrasonic motor, and to obtain accurate positioning by the ultrasonic motor for a long period of time. SOLUTION: In an ultrasonic driven device which is provided with an ultrasonic vibration body 2, an ultrasonic motor 1 with a vibration piece 3 elliptically vibrating with the vibrations of the ultrasonic vibration body 2, and a movement body 5 driven by the ultrasonic motor 1, each of the contacting surfaces of the vibration piece 3 of the ultrasonic motor 1 and the movement body 5 is formed by fine ceramics or cermet, and at the same time a wear resistance layer 4 consisting of hard carbon is provided on at least one of the both contacting surfaces.

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、直線運動や回転運
動する移動体を超音波モーターにより駆動させる超音波
駆動装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic drive device for driving a moving body that moves linearly or rotationally by an ultrasonic motor.

【0002】[0002]

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来よ
り超音波モーターは、小型で摩擦駆動であることから大
きな駆動力が得られ、かつ振動振幅が小さいことから高
分解能な位置決めが可能であるといった特性を有するこ
とから、直線運動や回転運動する移動体の駆動手段とし
て開発が進められている。
2. Description of the Related Art Conventionally, an ultrasonic motor has a small size and is driven by friction, so that a large driving force can be obtained, and a small vibration amplitude enables high-resolution positioning. Because of these characteristics, development as a driving means for a moving body that moves linearly or rotationally is being promoted.

【0003】一般的な超音波モーターの構造としては、
圧電材料を駆動材料とする超音波振動体と、該超音波振
動体の振動エネルギーを移動体に伝達するための振動片
から構成されており、近年ではより高性能な超音波モー
ターを得るために形状や構造あるいは振動体の材質につ
いてさまざまな工夫がなされている。
The structure of a general ultrasonic motor is as follows.
It is composed of an ultrasonic vibrator using a piezoelectric material as a driving material, and a vibrating piece for transmitting vibration energy of the ultrasonic vibrator to a moving body. Various ideas have been devised for the shape, structure or material of the vibrating body.

【0004】とことで、このような超音波モーターにお
いて、移動体と摩擦駆動する振動片に要求される特性と
しては、次のようなものがある。
[0004] In such an ultrasonic motor, the following characteristics are required of the vibrating piece driven by friction with the moving body.

【0005】移動体との摩擦駆動に対して耐摩耗性に優
れること移動体との凝着がないこと相手部材である移動
体を傷付けないことその為、超音波モーターの振動片と
しては、ポリイミド樹脂やガラス、あるいはアルミナや
炭化珪素などのセラミックスにより形成したものがあっ
た(特開昭4−105575号公報、実開平2−944
86号公報参照)。
The vibrating reed of the ultrasonic motor is made of polyimide because it is excellent in abrasion resistance against friction drive with the moving body, does not adhere to the moving body, and does not damage the moving body which is a mating member. Some were formed of resin or glass, or ceramics such as alumina or silicon carbide (Japanese Patent Laid-Open No. 4-105575, Japanese Utility Model Application Laid-Open No. 2-944).
No. 86).

【0006】しかしながら、超音波モーターにより移動
体を駆動させると、高速度で振動する振動片と移動体と
の間に大きな衝撃力が加わることから、振動片をポリイ
ミド樹脂で形成したものでは摩耗し易く、また、摩擦熱
により軟化して移動体との凝着が発生するといった問題
点があった。
However, when the moving body is driven by the ultrasonic motor, a large impact force is applied between the vibrating piece vibrating at a high speed and the moving body. There is a problem in that it is easily softened by frictional heat and adheres to a moving body.

【0007】また、ポリイミド樹脂よりも耐摩耗性に優
れるガラスやセラミックスで振動片を形成したもので
は、振動片自体の摩耗は抑えることができるものの、相
手部材である移動体の摩耗量が大きくなり、いずれの振
動片を用いたものにおいても駆動手段として十分に満足
できるものではなかった。
In the case where the vibrating reed is formed of glass or ceramics having better wear resistance than the polyimide resin, the abrasion of the vibrating reed itself can be suppressed, but the amount of wear of the moving body as the mating member increases. However, any of those using the vibrating reed was not sufficiently satisfactory as a driving means.

【0008】しかも、このような問題点は移動体を構成
する材質との組み合わせが悪いと寿命をさらに短くして
しまうといった問題点があった。例えば、超音波モータ
ーの振動片と移動体の双方をガラスやセラミックスで形
成すると、振動片又は移動体のいずれか一方をポリイミ
ド樹脂により形成した場合よりも双方の摩耗が激しかっ
た。
Further, such a problem is that if the combination with the material constituting the moving body is bad, the life is further shortened. For example, when both the vibrating reed and the moving body of the ultrasonic motor are formed of glass or ceramics, the abrasion of both of the vibrating reed and the moving body is more intense than when either the vibrating reed or the moving body is formed of a polyimide resin.

【0009】その為、この超音波駆動装置を、例えば、
測定用の位置決め装置に用いると、超音波モーターの振
動片及び移動体の当接面が短期間で摩耗して接触圧が変
化することから、高精度な位置決めができなくなるとと
もに、半導体装置の製造工程に用いた場合においては、
摩耗粉がパーティクルとしてウエハに悪影響を与えると
いった不都合があった。
For this reason, this ultrasonic drive device is, for example,
When used as a positioning device for measurement, the contact surface between the vibrating reed of the ultrasonic motor and the moving body is worn out in a short period of time, and the contact pressure changes. When used in the process,
There is a disadvantage that the abrasion powder adversely affects the wafer as particles.

【0010】[0010]

【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、超音波振動体の振動に伴って楕円振動する振
動片を備えた超音波モーターと、該超音波モーターの楕
円振動によって駆動される移動体とを備えた超音波駆動
装置において、前記超音波モーターの振動片及び移動体
の当接面をそれぞれ緻密質のセラミックス又はサーメッ
トにより形成するとともに、双方の当接面のうち少なく
ともいずれか一方に硬質炭素からなる耐摩耗層を設けた
ことを特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-mentioned problems, the present invention provides an ultrasonic motor having a vibrating piece that performs elliptical vibration in accordance with the vibration of an ultrasonic vibrator, and an ultrasonic motor driven by the elliptical vibration. And a contact surface of the vibrating piece of the ultrasonic motor and the moving member are each formed of dense ceramics or cermet, and at least one of both contact surfaces. A wear-resistant layer made of hard carbon is provided on one of the sides.

【0011】また、本発明は、上記超音波モーターの振
動片及び移動体の当接面をそれぞれ構成する緻密質のセ
ラミックス又はサーメットのビッカース硬度を13GP
a以上としたものである。
Further, the present invention provides a ceramic or cermet having a Vickers hardness of 13GP, which constitutes the contact surface of the vibrating reed and the moving body of the ultrasonic motor.
a or more.

【0012】[0012]

【作用】本発明によれば、超音波モーターの振動片と移
動体の少なくとも当接面を、高強度、高硬度を有する緻
密質のセラミックス又はサーメットによりそれぞれ形成
してあることから、摩擦駆動時における振動片と移動体
の変形がなく、一定の接触圧でもって振動エネルギーを
伝達することができるため、大きな駆動力と高分解能な
位置決め精度を実現することができる。
According to the present invention, at least the contact surface between the vibrating piece of the ultrasonic motor and the moving body is formed of dense ceramic or cermet having high strength and high hardness. The vibration energy can be transmitted with a constant contact pressure without deformation of the vibrating reed and the moving body in the above, so that a large driving force and high-resolution positioning accuracy can be realized.

【0013】また、本発明は、上記超音波モーターの振
動片及び移動体の少なくともいずれか一方の当接面に上
記緻密質のセラミックスやサーメットよりもさらに高い
耐摩耗性を有する硬質炭素からなる耐摩耗層を設けてあ
ることから、高速度で振動する振動片との激しい摩擦駆
動においても、各材質の持つ優れた耐摩耗性と、硬質炭
素の持つ自己潤滑作用によって、振動片が移動体と接触
する際の攻撃を抑え、超音波モーター及び移動体の双方
の摩耗を大幅に低減することができる。
Further, the present invention provides an ultrasonic motor, comprising: a vibrating reed and / or a moving body which is made of a hard carbon material having a higher abrasion resistance than that of the dense ceramic or cermet on at least one of the contact surfaces. Due to the wear layer, the vibrating reed can be connected to the moving body by virtue of the excellent wear resistance of each material and the self-lubricating action of hard carbon even in severe friction drive with the vibrating reed vibrating at high speed. Attack at the time of contact can be suppressed, and wear of both the ultrasonic motor and the moving body can be significantly reduced.

【0014】[0014]

【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。
Embodiments of the present invention will be described below.

【0015】図1(a)は本発明の超音波駆動装置の一
実施形態を示す平面図であり、(b)は(a)のX−X
線断面図である。
FIG. 1A is a plan view showing an embodiment of the ultrasonic driving apparatus according to the present invention, and FIG.
It is a line sectional view.

【0016】図1において、1は超音波モーターで、直
方体をした圧電材料からなる超音波振動体2と、該超音
波振動体2の端面に取着された円柱体の振動片3とから
なり、その先端面を当接面としてある。また、上記振動
片3は緻密質のセラミックス又はサーメットにより形成
するとともに、その当接面には硬質炭素からなる耐摩耗
層4を設けてある。
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an ultrasonic motor, which comprises an ultrasonic vibrator 2 made of a rectangular parallelepiped piezoelectric material, and a cylindrical vibrating piece 3 attached to an end face of the ultrasonic vibrator 2. , The tip surface of which is a contact surface. The vibrating reed 3 is formed of dense ceramics or cermet, and has an abrasion-resistant layer 4 made of hard carbon on its contact surface.

【0017】一方、5は緻密質のセラミックス又はサー
メットからなる移動体で、断面形状が長方形をした板状
体からなるガイド軸6の側面に軸方向に沿って取り付け
られたリニアベアリング7を介して移動自在となってい
る。また、ガイド軸6の下部側面には、断面形状がL字
状をした衝止部材8を設置してあり、衝止部材8の壁部
9と上記移動体5との間に前記超音波モーター1を配置
してある。
On the other hand, reference numeral 5 denotes a moving body made of dense ceramic or cermet via a linear bearing 7 attached along the axial direction to a side surface of a guide shaft 6 made of a plate-like body having a rectangular cross section. It is movable. An impact member 8 having an L-shaped cross section is installed on a lower side surface of the guide shaft 6, and the ultrasonic motor is disposed between a wall 9 of the impact member 8 and the moving body 5. 1 is arranged.

【0018】また、上記衝止部材8の壁部9に穿設した
貫通孔9aには、先端を円錐状に形成したピン10を挿
通し、さらに超音波振動体2の振動片3と反対側の端面
に形成された円錐状の凹部2aに上記ピン10の先端を
当接させるとともに、上記ピン10の先端周縁部に設け
られたフランジ部10aと前記衝止部材8の壁部9との
間にコイル11を配置することにより、超音波モーター
1を移動体5に押圧させるように構成してある。
A pin 10 having a conical tip is inserted into a through-hole 9a formed in the wall 9 of the impact member 8, and the ultrasonic vibration body 2 is located on the side opposite to the vibrating piece 3. The tip of the pin 10 is brought into contact with the conical concave portion 2a formed on the end surface of the pin 10 and between the flange 10a provided on the peripheral edge of the tip of the pin 10 and the wall 9 of the stopper member 8. The ultrasonic motor 1 is pressed against the moving body 5 by arranging the coil 11 on the moving body 5.

【0019】そして、超音波モーター1の超音波振動体
2に電圧を印加してある一定方向の楕円振動をさせる
と、この振動エネルギーが振動片3を介して移動体5に
伝達されるため、移動体5を滑らかに摩擦駆動させるこ
とができる。また、超音波振動体2に印加する電圧の位
相を90°ずらせば、移動体5を逆方向に移動させるこ
とができるとともに、超音波振動体2への電圧の印加を
止めれば、超音波モーター1の振動片3が移動体5と当
接するため、移動体5を所定位置に位置決めすることが
できる。
When a voltage is applied to the ultrasonic vibrator 2 of the ultrasonic motor 1 to cause elliptical vibration in a certain direction, this vibration energy is transmitted to the moving body 5 through the vibrating piece 3. The moving body 5 can be smoothly driven by friction. Also, if the phase of the voltage applied to the ultrasonic vibrator 2 is shifted by 90 °, the moving body 5 can be moved in the opposite direction, and if the application of the voltage to the ultrasonic vibrator 2 is stopped, the ultrasonic motor Since one vibrating piece 3 contacts the moving body 5, the moving body 5 can be positioned at a predetermined position.

【0020】しかも、本発明によれば、超音波モーター
1の振動片3と移動体5を、高硬度、高剛性を有する緻
密質のセラミックス又はサーメットにより形成してある
ことから、摩擦駆動時における振動片と移動体の変形が
ほとんどなく、一定の接触圧でもって振動エネルギーを
伝達することができるため、十分な駆動力を得ることが
できるとともに、正確でかつ高分解能な位置決めが可能
である。
Further, according to the present invention, since the vibrating reed 3 and the moving body 5 of the ultrasonic motor 1 are formed of dense ceramics or cermet having high hardness and high rigidity, the frictional driving during the friction drive is performed. Since the vibrating reed and the moving body are hardly deformed and the vibration energy can be transmitted with a constant contact pressure, a sufficient driving force can be obtained, and accurate and high-resolution positioning can be performed.

【0021】なお、超音波モーター1の振動片3と移動
体5の双方をセラミックス同士やサーメット同士、ある
いはセラミックスとサーメットとを組み合わせたもので
は、高強度で高硬度を有するセラミックスやサーメット
と言えども双方が大きく摩耗するが、本発明によれば、
超音波モーター1の振動片3の当接面に、前記緻密質の
セラミックスやサーメットよりも硬度が高くかつ自己潤
滑作用を有する硬質炭素からなる耐摩耗層4を設けてあ
ることから、振動片3との激しい摩擦駆動においても、
各材質の持つ優れた耐摩耗性と、硬質炭素の持つ自己潤
滑作用によって、振動片3が移動体5と接触する際の攻
撃を抑え、超音波モーター1及び移動体5の双方の摩耗
を大幅に低減することができる。
When both the vibrating reed 3 and the moving body 5 of the ultrasonic motor 1 are made of ceramics or cermets or a combination of ceramics and cermets, the ceramics and cermets have high strength and high hardness. Both wear significantly, but according to the invention,
Since the wear-resistant layer 4 made of hard carbon having higher hardness and a self-lubricating action than the dense ceramics or cermet is provided on the contact surface of the vibrating reed 3 of the ultrasonic motor 1, Intense friction drive with
Due to the excellent wear resistance of each material and the self-lubricating action of hard carbon, the attack when the vibrating reed 3 comes into contact with the moving body 5 is suppressed, and the wear of both the ultrasonic motor 1 and the moving body 5 is greatly reduced. Can be reduced.

【0022】その為、この超音波駆動装置を、例えば半
導体装置の製造工程で使用される測定用の位置決め装置
として用いれば、半導体ウエハの載置台を備えた移動体
5の高分解能な位置決めが可能で、かつ高速度で所定の
位置まで確実に移動させることができるため、より精度
の高い測定が可能となり、測定時間も短縮することがで
きる。しかも、超音波モーター1の振動片3と移動体5
との摩擦駆動に伴う摩耗が殆どないことから、長期使用
においても高精度な位置決めを実現することができると
ともに、摩耗粉がパーティクルとして半導体ウエハに悪
影響を与えることもない。
Therefore, if this ultrasonic drive device is used as a positioning device for measurement used in, for example, a manufacturing process of a semiconductor device, high-resolution positioning of the moving body 5 having a mounting table for a semiconductor wafer can be performed. In addition, since it can be reliably moved to a predetermined position at a high speed, more accurate measurement can be performed, and the measurement time can be shortened. Moreover, the vibrating reed 3 of the ultrasonic motor 1 and the moving body 5
Since there is almost no abrasion due to the frictional drive, high-precision positioning can be realized even in long-term use, and the abrasion powder does not adversely affect the semiconductor wafer as particles.

【0023】ところで、上記超音波モーター1の振動片
3及び移動体5を構成する材質としては、前述したよう
に、摩擦駆動時における各部材の変形を防ぎ、接触圧が
変化するのを抑えるとともに、摩耗を低減する観点か
ら、高硬度を持ったものが良く、ビッカース硬度で13
GPa以上を有するものが好ましい。
By the way, as a material constituting the vibrating reed 3 and the moving body 5 of the ultrasonic motor 1, as described above, deformation of each member at the time of friction driving is prevented, and a change in contact pressure is suppressed. From the viewpoint of reducing abrasion, those having high hardness are good, and the Vickers hardness is 13
Those having GPa or more are preferred.

【0024】具体的な材質としてはセラミックスの場
合、アルミナ、部分安定化ジルコニア、窒化珪素、炭化
珪素、ジルコニア含有アルミナ、アルミナ含有ジルコニ
ア、アルミナ−炭化チタン系等のセラミックスを用いる
ことができ、また、サーメットの場合、TiC系サーメ
ット、TiN系サーメット、TiCN系サーメットを用
いることができる。
As a specific material, in the case of ceramics, ceramics such as alumina, partially stabilized zirconia, silicon nitride, silicon carbide, zirconia-containing alumina, alumina-containing zirconia, and alumina-titanium carbide can be used. In the case of cermet, TiC-based cermet, TiN-based cermet, and TiCN-based cermet can be used.

【0025】これらのセラミックス及びサーメットは表
1にその特性を示すように、一部を除いてほぼビッカー
ス硬度13GPa以上の高硬度をするとともに、曲げ強
度も30kg/mm2 以上であることから振動片3や移
動体5として好適に使用することができる。
As shown in Table 1, these ceramics and cermets have a high hardness of almost Vickers hardness of 13 GPa or more except for a part thereof and a bending strength of 30 kg / mm 2 or more. 3 and the moving body 5 can be suitably used.

【0026】[0026]

【表1】 [Table 1]

【0027】[0027]

【表2】 [Table 2]

【0028】一方、耐摩耗層4を構成する硬質炭素と
は、ラマン分光スペクトルにおいて、1160±40c
-1、1340±40cm-1及び1500±60cm-1
のいずれかにピークが存在するものであり、例えば、1
340±40cm-1と1500±60cm-1にピークを
有し、1500±60cm-1をメインピークに持つ非晶
質構造の炭素で、ダイヤモンド状硬質炭素、i−カーボ
ン、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)、疑似ダイ
ヤモンドなどと呼ばれるものや、1160±40c
-1、1340±40cm-1、1500±60cm-1
それぞれピークを有し、かつ1340±40cm-1をメ
インピークに持つ結晶質構造の炭素、あるいは1340
±40cm-1にのみピークを持つダイヤモンドのことで
ある。
On the other hand, the hard carbon constituting the wear-resistant layer 4 is 1160 ± 40 c
m -1 , 1340 ± 40 cm -1 and 1500 ± 60 cm -1
Are peaks at any of
340 has a peak at ± 40 cm -1 and 1500 ± 60cm -1, and 1500 ± 60cm -1 at the carbon of amorphous structure having the main peak, diamond-like hard carbon, i- carbon, diamond-like carbon (DLC) , Pseudo diamonds, 1160 ± 40c
crystalline structure carbon having peaks at m -1 , 1340 ± 40 cm -1 and 1500 ± 60 cm -1 and having a main peak at 1340 ± 40 cm -1 or 1340
A diamond having a peak only at ± 40 cm -1 .

【0029】これらの硬質炭素は表2にその特性を示す
ように、3000kg/cm2 以上のビッカース硬度を
有し、結晶質構造の炭素やダイヤモンドにあってはビッ
カース硬度が8000kg/cm2 以上と高硬度を有す
ることから、移動体5との摩擦駆動時における耐摩耗層
4の摩耗を激減させることができるとともに、硬質炭素
は自己潤滑作用を有することから、相手部材への攻撃を
抑え、移動体5の摩耗も低減することができる。
As shown in Table 2, these hard carbons have a Vickers hardness of 3000 kg / cm 2 or more, and the carbon or diamond having a crystalline structure has a Vickers hardness of 8000 kg / cm 2 or more. Because of its high hardness, the wear of the wear-resistant layer 4 during friction drive with the moving body 5 can be drastically reduced, and since the hard carbon has a self-lubricating effect, it can suppress the attack on the partner member and move. Wear of the body 5 can also be reduced.

【0030】このような硬質炭素からなる耐摩耗層4を
形成する手段としては、上記振動片3の当接面に、イオ
ンプレーティング法やスパッタリング法、あるいはプラ
ズマCVD法やプラズマ発生領域に磁界をかけて形成す
るECRプラズマCVD法などの薄膜成形手段により成
膜するか、あるいはカーボンなどを母材として上記薄膜
成形手段により硬質炭素を厚膜に形成したあと、上記母
材を取り除いて硬質炭素のチップを取り出したあと接着
剤などで振動片3の当接面に貼り付ければ良い。
As means for forming the wear-resistant layer 4 made of such hard carbon, an ion plating method, a sputtering method, a plasma CVD method, or a magnetic field is applied to a plasma generation region on the contact surface of the vibrating piece 3. The film is formed by a thin film forming means such as an ECR plasma CVD method, or hard carbon is formed into a thick film by the thin film forming means using carbon or the like as a base material, and then the base material is removed to remove hard carbon. After taking out the chip, it may be attached to the contact surface of the vibrating piece 3 with an adhesive or the like.

【0031】なお、硬質炭素を薄膜成形手段により形成
する場合、膜内部には残留応力が生じており、膜厚みを
厚くしすぎると剥離することから、膜厚みは2〜10μ
mとすることが良い。また、耐摩耗層4がダイヤモンド
である場合、ダイヤモンドの成膜は一般に高温で行われ
ることから、振動片3との熱膨張差が大きすぎると剥離
する恐れがある。その為、振動片3を構成する材質とし
ては炭化珪素や窒化珪素など低熱膨張係数を有するセラ
ミックスにより形成することが望ましい。
When hard carbon is formed by thin film forming means, residual stress is generated inside the film, and if the film is too thick, it is peeled off.
m. In addition, when the wear-resistant layer 4 is diamond, the film is generally formed at a high temperature. Therefore, it is desirable that the vibrating reed 3 be formed of a ceramic having a low coefficient of thermal expansion such as silicon carbide or silicon nitride.

【0032】以上のように、本実施形態では超音波モー
ター1の振動片3に硬質炭素からなる耐摩耗層4を設け
た例を示したが、移動体5の当接面に耐摩耗層4を形成
したものでも良く、さらには超音波モーター1の振動片
3及び移動体5の双方に耐摩耗層4を形成したものでも
構わない。
As described above, in the present embodiment, the example in which the wear-resistant layer 4 made of hard carbon is provided on the vibrating piece 3 of the ultrasonic motor 1 has been described, but the wear-resistant layer 4 is provided on the contact surface of the moving body 5. May be formed, and furthermore, the wear-resistant layer 4 may be formed on both the vibrating reed 3 and the moving body 5 of the ultrasonic motor 1.

【0033】また、本実施形態では、直線運動する駆動
装置を例にとって説明したが回転運動する超音波駆動装
置にも適用できることは言うまでもない。
In this embodiment, a drive device that moves linearly has been described as an example, but it is needless to say that the present invention can be applied to an ultrasonic drive device that rotates.

【0034】さらに、本発明の超音波駆動装置は、超音
波モーター1の振動形式に関係なく、楕円振動により移
動体5を駆動させることができる全ての超音波モーター
1に適用できるものである。
Further, the ultrasonic driving device of the present invention can be applied to all ultrasonic motors 1 that can drive the moving body 5 by elliptical vibration regardless of the type of vibration of the ultrasonic motor 1.

【0035】(実施例)図2に示す試験機を用意し、超
音波モーター21の振動片23と移動体25を構成する
材質の組み合わせをそれぞれ変えた時の双方の摩耗量を
測定した。
(Embodiment) A test machine shown in FIG. 2 was prepared, and the amount of wear of each of the materials constituting the vibrating reed 23 and the moving body 25 of the ultrasonic motor 21 was measured.

【0036】図2に示す試験機は、支持基体26に、縦
振動する圧電材料22aと横振動する圧電材料22bと
からなる複合振動型の超音波振動体22と、この超音波
振動体22の端面に先端が半球状をした円柱状の振動片
23を有する超音波モーター21を取着するとともに、
上記支持基体26と移動体25とを、バネ定数が3kg
/cm2 のスプリング27を介して取り付けることによ
り、上記超音波モーター21の振動片23を移動体25
に対して垂直に当接させたものである。そして、超音波
振動体22に電圧を印加し、駆動周波数を40KHzと
して1時間振動させたあとの超音波モーター21の振動
片23と移動体25の摩耗量をそれぞれ測定した。
In the tester shown in FIG. 2, a composite vibration type ultrasonic vibrator 22 composed of a vertically vibrating piezoelectric material 22a and a laterally vibrating piezoelectric material 22b, Attach an ultrasonic motor 21 having a cylindrical vibrating piece 23 having a hemispherical tip on the end face,
The supporting base 26 and the moving body 25 are set to have a spring constant of 3 kg.
/ Cm 2 , the vibration piece 23 of the ultrasonic motor 21 is attached to the moving body 25.
Are abutted perpendicularly to. Then, a voltage was applied to the ultrasonic vibrating body 22, and the driving frequency was set to 40 KHz, and the vibration was performed for one hour.

【0037】また、本実験では移動体25を、ステンレ
ス(SUS304)、純度99.5%のアルミナセラミック
ス、硬質炭素A、硬質炭素B、硬質炭素Cによりそれぞ
れ形成するとともに、超音波モーター21の振動片23
を、ポリイミド樹脂、純度99.5%のアルミナセラミ
ックスによりそれぞれ形成したものを、組み合わせを変
えて実験を行った。
In this experiment, the moving body 25 was made of stainless steel (SUS304), alumina ceramics having a purity of 99.5%, hard carbon A, hard carbon B, and hard carbon C. Piece 23
Were formed using polyimide resin and alumina ceramics having a purity of 99.5%.

【0038】なお、硬質炭素Aとは、移動体25の母材
を窒化珪素質セラミックスにより形成するとともに、振
動片23との当接部に、ラマン分光スペクトルにおい
て、1160±40cm-1、1340±40cm-1、1
500±60cm-1にピークを有し、かつ1340±4
0cm-1をメインピークに持つ結晶質の炭素膜を耐摩耗
層24として被覆したものであり、硬質炭素Bとは、移
動体25の母材をアルミナセラミックスにより形成する
とともに、振動片23との当接部に、ラマン分光スペク
トルにおいて、1340±40cm-1と1500±60
cm-1にピークを有し、1500±60cm-1をメイン
ピークに持つ非晶質の炭素膜を耐摩耗層24として被覆
したものである。
The hard carbon A means that the base material of the moving body 25 is formed of silicon nitride ceramics, and that the abutment with the vibrating piece 23 is provided at 1160 ± 40 cm −1 , 1340 ± 1 40 cm -1 , 1
Having a peak at 500 ± 60 cm −1 and 1340 ± 4
A hard carbon layer is formed by coating a crystalline carbon film having a main peak of 0 cm -1 as an abrasion resistant layer 24. At the contact part, 1340 ± 40 cm −1 and 1500 ± 60 in Raman spectrum
has a peak at cm -1, it is an amorphous carbon film having a 1500 ± 60cm -1 to the main peak obtained by coating the wear-resistant layer 24.

【0039】また、硬質炭素Cとは、移動体25の母材
をアルミナセラミックスにより形成するとともに、振動
片23との当接部に、耐摩耗層24としてダイヤモンド
の結晶体を接着により張り付けたものである。
The hard carbon C is obtained by forming the base material of the moving body 25 from alumina ceramics and bonding a diamond crystal as a wear-resistant layer 24 to a contact portion with the vibrating piece 23 by bonding. It is.

【0040】それぞれの結果は表3に示す通りである。The results are as shown in Table 3.

【0041】[0041]

【表3】 [Table 3]

【0042】この結果、振動片23にポリイミド樹脂を
用い、移動体25にステンレス及びアルミナセラミック
スを用いた試料No.1,2では、移動体25及び振動
片23の双方が大きく摩耗した。
As a result, the sample No. using the vibrating piece 23 using a polyimide resin and the moving body 25 using stainless steel and alumina ceramics was used. In 1 and 2, both the moving body 25 and the vibrating piece 23 were significantly worn.

【0043】また、振動片23にアルミナセラミックス
を用い、移動体25にステンレス及びアルミナセラミッ
クスを用いた試料No.5,6では、高硬度材同士の摩
擦駆動であることから試料No.1,2よりさらに大き
く摩耗した。特に、試料No.6のように振動片23と
移動体25を同材質により形成すると摩耗が激しいこと
が判る。
A sample No. using alumina ceramics for the vibrating piece 23 and stainless steel and alumina ceramics for the moving body 25 was used. In Samples Nos. 5 and 6, sample Nos. 5 and 6 were driven by friction between high hardness materials. Worn even more than 1 and 2. In particular, the sample No. It can be seen that when the vibrating reed 23 and the moving body 25 are formed of the same material as shown in 6, the wear is severe.

【0044】一方、振動片23にポリイミド樹脂を用
い、移動体25に硬質炭素A、硬質炭素Bを用いた試料
No.3,4では、移動体25及び振動片23の双方の
摩耗を低減できたものの、ポリイミド樹脂の硬度が小さ
すぎるため、振動片23の摩耗を充分に抑えることがで
きなかった。
On the other hand, a sample No. using a polyimide resin for the vibrating piece 23 and hard carbon A and hard carbon B for the moving body 25 was used. In Nos. 3 and 4, although the wear of both the moving body 25 and the vibrating piece 23 could be reduced, the wear of the vibrating piece 23 could not be sufficiently suppressed because the hardness of the polyimide resin was too small.

【0045】これに対し、振動片23にアルミナセラミ
ックスを用い、移動体25に硬質炭素A、硬質炭素B、
硬質炭素Cを用いた試料No.7〜9は、双方が高硬度
材からなるものの、硬質炭素A〜Cの持つ自己潤滑作用
により、移動体25の摩耗量を3mg以下、振動片23
の摩耗量を11mg以下にまでそれぞれ低減することが
でき、安定した接触圧が長期間にわたって得られること
が判った。
On the other hand, the vibrating reed 23 is made of alumina ceramics, and the moving body 25 is made of hard carbon A, hard carbon B,
Sample No. using hard carbon C Nos. 7 to 9 have a wear amount of the moving body 25 of 3 mg or less and a vibrating piece 23 due to the self-lubricating action of the hard carbons A to C.
It was found that the abrasion amount of each of them could be reduced to 11 mg or less, and a stable contact pressure was obtained over a long period of time.

【0046】次に、表2における試料No.7の組み合
わせにおいて、移動体25を構成する母材(窒化珪素質
セラミックス)の硬度を異ならせた時の摩耗量を実施例
1と同様の条件にて測定した。
Next, the sample No. in Table 2 was used. In the 7 combinations, the wear amount when the hardness of the base material (silicon nitride ceramics) constituting the moving body 25 was changed was measured under the same conditions as in Example 1.

【0047】結果は表4に示す通りである。The results are as shown in Table 4.

【0048】[0048]

【表4】 [Table 4]

【0049】この結果、耐摩耗層24を形成する母材
(窒化珪素質セラミックス)の硬度が大きいほど、移動
体25と振動片23の摩耗量を小さくできることが判
る。そして、母材の硬度をビッカース硬度で13GPa
以上とすることで移動体25と振動片23の摩耗量をそ
れぞれ一桁台にまで低減することができた。
As a result, it can be seen that the greater the hardness of the base material (silicon nitride ceramics) forming the wear-resistant layer 24, the smaller the amount of wear of the moving body 25 and the vibrating piece 23 can be. Then, the hardness of the base material is 13 GPa in Vickers hardness.
By doing so, the wear amount of the moving body 25 and the vibrating piece 23 could be reduced to single digits.

【0050】なお、本実施例では、一例しか示していな
いが超音波モーター21の振動片23及び移動体25を
他のセラミックスやサーメットを用いた場合においても
同様の傾向が見られた。
Although only one example is shown in the present embodiment, the same tendency is observed when the vibrating piece 23 and the moving body 25 of the ultrasonic motor 21 are made of another ceramic or cermet.

【0051】[0051]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、超音波
振動体の振動に伴って楕円振動する振動片を備えた超音
波モーターと、該超音波モーターの楕円振動によって駆
動させる移動体とを備えた超音波駆動装置において、前
記超音波モーターの振動片及び移動体の当接面をそれぞ
れ緻密質のセラミックス又はサーメットにより形成する
とともに、双方の当接面のうち少なくともいずれか一方
に硬質炭素からなる耐摩耗層を設けたことから、超音波
モーターからの振動エネルギーをロスなく伝達すること
ができ、大きな駆動力と高分解能な位置決め精度を実現
することができるとともに、超音波モーターの振動片及
び移動体の双方の摩耗を大幅に低減することができる。
As described above, according to the present invention, an ultrasonic motor provided with a vibrating piece that performs elliptical vibration with the vibration of an ultrasonic vibrator, and a moving body driven by the elliptical vibration of the ultrasonic motor. In the ultrasonic drive device provided with, the contact surface of the vibrating piece of the ultrasonic motor and the moving body is formed of dense ceramics or cermet, respectively, and at least one of both contact surfaces is hard. The provision of a wear-resistant layer made of carbon enables the transmission of vibration energy from the ultrasonic motor without loss, realizing a large driving force and high-resolution positioning accuracy. Wear of both the piece and the moving body can be significantly reduced.

【0052】その為、本発明の超音波駆動装置を、X−
Yテーブルや静圧直線案内装置、あるいは回転系の位置
決め装置などに用いれば長期間にわって、高精度の位置
決めが可能である。
For this reason, the ultrasonic driving apparatus of the present invention is provided with an X-
If used for a Y table, a static pressure linear guide device, or a rotary positioning device, high-precision positioning can be performed over a long period of time.

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

【図1】図1(a)は本発明の超音波駆動装置の一実施
形態を示す平面図であり、(b)は(a)のX−X線断
面図である。
FIG. 1A is a plan view showing an embodiment of an ultrasonic driving device according to the present invention, and FIG. 1B is a sectional view taken along line XX of FIG. 1A.

【図2】試験機を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a test machine.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・超音波モーター、2・・・超音波振動体、3・
・・振動片、4・・・耐摩耗層、5・・・移動体、6・
・・ガイド軸、7・・・リニアベアリング、8・・・衝
止部材、9・・・衝止部材の壁部、10・・・ピン、1
1・・・コイル
1. Ultrasonic motor, 2. Ultrasonic vibrator, 3.
..Vibration bars, 4 ... abrasion resistant layers, 5 ... moving bodies, 6 ...
..Guide shaft, 7: linear bearing, 8: stopper member, 9: wall portion of stopper member, 10: pin, 1
1 ... coil

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】超音波振動体の振動に伴って楕円振動する
振動片を備えた超音波モーターと、該超音波モーターの
楕円振動によって駆動される移動体とを備えた超音波駆
動装置において、前記超音波モーターの振動片及び移動
体の当接面をそれぞれ緻密質のセラミックス又はサーメ
ットにより形成するとともに、双方の当接面のうち少な
くともいずれか一方に硬質炭素からなる耐摩耗層を設け
たことを特徴とする超音波駆動装置。
1. An ultrasonic drive device comprising: an ultrasonic motor having a vibrating piece that performs elliptical vibration in accordance with the vibration of an ultrasonic vibrator; and a moving body driven by the elliptical vibration of the ultrasonic motor. The contact surfaces of the vibrating reed and the moving body of the ultrasonic motor are each formed of dense ceramics or cermet, and at least one of both contact surfaces is provided with a wear-resistant layer made of hard carbon. An ultrasonic driving device characterized by the above-mentioned.
【請求項2】上記超音波モーターの振動片及び移動体の
当接面をそれぞれ構成する緻密質のセラミックス又はサ
ーメットのビッカース硬度が13GPa以上であること
を特徴とする請求項1に記載の超音波駆動装置。
2. The ultrasonic wave according to claim 1, wherein the Vickers hardness of the dense ceramic or cermet constituting the contact surface of the vibrating reed and the moving body of the ultrasonic motor is 13 GPa or more. Drive.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005278379A (en) * 2004-03-26 2005-10-06 Taiheiyo Cement Corp Feeder
JP2012023936A (en) * 2010-07-16 2012-02-02 Nikko Co Ultrasonic wave drive mechanism
JP2012055152A (en) * 2010-08-04 2012-03-15 Panasonic Corp Drive unit
US9331263B2 (en) 2011-12-06 2016-05-03 Seiko Epson Corporation Piezoelectric motor, drive unit, electronic part transfer apparatus, electronic part inspection apparatus, robot, and printer
CN112260578A (en) * 2020-09-02 2021-01-22 广州大学 Low-voltage driving V-shaped linear ultrasonic motor

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