JP2001265442A

JP2001265442A - 振動モータ、位置決め装置及び振動モータの制御方法

Info

Publication number: JP2001265442A
Application number: JP2000080748A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Miwa; 聡三輪
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-03-22
Filing date: 2000-03-22
Publication date: 2001-09-28

Abstract

(57)【要約】【課題】粗動駆動が完了して一旦停止した移動子に発
生する微小な振動に起因して、その後に微小駆動を行っ
ても、停止位置ずれが発生する。【解決手段】振動子３１、移動子３２、エンコーダ５
９、及び、移動子３２の目標停止位置までの移動距離が
予め定めた所定値よりも大きい場合には振動子３１に第
１の駆動信号を入力し、移動距離が所定値以下である場
合に振動子３２に第２の駆動信号を入力するとともに第
１の駆動信号の入力が停止された時から所定の時間が経
過した時におけるエンコーダ５９の検出値に基づいて第
２の駆動信号を入力する駆動制御装置６１を有する振動
モータ３３と、振動モータ３３により駆動される可動ス
テージ３４とを備える位置決め装置３０である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動モータ、位置
決め装置及び振動モータの制御方法に関する。具体的に
は、本発明は、バースト波形部を間欠的に有する駆動信
号を入力されることによって微動する振動モータと、こ
の振動モータを用いた位置決め装置と、この振動モータ
の駆動方法とに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、振動モータは、２種の圧電素
子に、互いの位相が（π／２）異なるとともに所定の周
波数を有する連続波からなる２相の駆動信号（交流電
圧）をそれぞれ入力することによって、これらの圧電素
子が装着された弾性体に位相が異なる二つの定在波を励
振し、これらの定在波が合成されて弾性体の駆動力取出
部に発生した楕円運動を利用して、この駆動力取出部に
加圧接触する相対運動部材を摩擦駆動する。この種の振
動モータとして、超音波の振動域を利用した超音波モー
タが知られているため、以降の説明ではこの超音波モー
タを例にとる。

【０００３】この超音波モータは、所望の停止位置に停
止した後は電気入力を停止するだけでドリフトもなく、
さらに外力にも乱されずにその位置で静止し続けること
ができるという、いわゆる自己保持性を有する。これに
対し、例えばステッピングモータも、電気入力を継続す
ればある程度の自己保持性を奏することはできる。しか
し、電気入力を必要とするために効率の点で超音波モー
タには及ばない。

【０００４】ところで、このステッピングモータでは１
ステップの歩幅、つまり送り量が、電極パターンの幅と
いうかなり大きな量によって支配され、いわばデジタル
化されている。このため、ｎステップ分の動作パルスに
よる送り量は、１ステップ分のｎ倍として極めて正確に
求めることができ、その再現性も高い。しかし、現実に
は、ステッピングモータの発生トルクは一般的に低いた
めに減速ギヤ列を用いる必要があり、バックラッシュが
生じるといった問題がある。これに対し、超音波モータ
は、発生トルクが高いために減速ギヤ列を用いる必要性
は低いが、１ステップの送り量は基本的にデジタル化さ
れておらず、アナログ的である。

【０００５】なお、超音波モータでは、駆動周波数１周
期分によって駆動力取出部が１回転分だけ楕円運動を描
くことから、これを１ステップの送り量とみなすことも
できる。しかし、この１ステップの送り量は、駆動電
圧、駆動周波数さらには駆動時の摩擦状態等により変動
するため、高い再現性を期待することができない。

【０００６】このように、ステッピングモータの動作は
デジタル的であるのに対し、超音波モータの動作は極め
てアナログ的である。このため、超音波モータは、ステ
ッピングモータに比較すると、自己保持性や高い発生ト
ルクを有するといった長所を有する反面、１ステップ分
の動作パルスによる送り量が変動し易く、その再現性が
低いとも言える。

【０００７】そこで、バースト波形部を間欠的に有する
駆動信号を入力することによって超音波モータの１ステ
ップの歩幅をデジタル的に扱えるようにし、これによ
り、特に超低速での微動時における１ステップ分の動作
パルスによる送り量を安定させる発明が、これまでにも
多数提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本出願人も、先に、特
願平１１−３４１７０３号により、連続波を有する第１
の駆動信号を入力することによって超音波モータを粗動
させて目標停止位置に接近させた後に、目標停止位置の
極近傍でバースト波形部を間欠的に有する第２の駆動信
号を入力することによって超音波モータを微動させる際
に、駆動信号のバースト波形部の周波数の制御を行うこ
とを提案した。この提案によれば、一つのバースト波形
部による送り量を無段階で自在に調節でき、停止位置精
度を向上させることができる。

【０００９】しかし、本発明者は、超音波モータの位置
決め精度をより向上させるためにさらに検討を重ねた結
果、以下の課題があることがわかった。すなわち、超音
波モータを微動させるための第２の駆動信号による駆動
条件は、第１の駆動信号の入力が遮断された後に相対運
動部材の位置を検出し、この検出値から目標停止位置ま
での距離を演算した結果に基づいて、設定される。しか
し、第１の駆動信号の入力が遮断されて一旦停止した筈
の相対運動部材には、意外にも、その停止位置を振幅の
略中心とする微小な振動が発生することが判明した。こ
のため、相対運動部材にこの微小な振動が発生している
段階で相対運動部材の位置を検出し、この検出値から目
標停止位置までの距離を演算した結果に基づいて第２の
駆動信号による駆動条件を設定すると、目標停止位置ま
での距離の演算値に誤差が含まれてしまう。

【００１０】このため、相対運動部材を例えば±１μｍ
程度の高い停止位置精度で目標停止位置に停止させよう
とすると、この誤差に起因して停止位置ずれが発生して
しまい、所望の停止位置精度で停止させることができな
い。

【００１１】本発明の目的は、第１の駆動信号の入力が
遮断されて一旦停止した振動子又は相対運動部材に発生
する微小な振動に起因した停止位置ずれを解消し、高い
停止位置精度で目標停止位置に確実に、かつ短時間で停
止することができる振動モータと、この振動モータを用
いた位置決め装置と、この振動モータの駆動方法とをい
ずれも提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１の駆動信
号の入力が遮断されて一旦停止したと考えられてきた振
動子又は相対運動部材に発生する微小な振動が、所望の
停止位置精度を与えることに影響を与えない程度に減衰
するまで、振動子又は相対運動部材の検出と、この検出
値に基づいた第２の駆動信号の設定及び入力とをともに
遅らせることにより、上述した課題を解決することがで
きるという、新規かつ重要な知見に基づくものである。

【００１３】請求項１の発明では、振動子と、この振動
子に加圧接触して相対運動を発生する相対運動部材と、
振動子又は相対運動部材の位置検出手段と、振動子又は
相対運動部材の目標停止位置までの移動距離が予め定め
た所定値よりも大きい場合には振動子に第１の駆動信号
を入力し、移動距離が所定値以下である場合には振動子
に第２の駆動信号を入力するとともに、第１の駆動信号
の入力が停止された時から所定の時間が経過した時にお
ける位置検出手段の検出値に基づいて第２の駆動信号を
設定する駆動制御装置とを備えることを特徴とする振動
モータを提供する。

【００１４】請求項２の発明は、請求項１に記載された
振動モータにおいて、第１の駆動信号が、連続波を有す
る駆動信号であるとともに、第２の駆動信号が、バース
ト波形部を間欠的に有する駆動信号であることを特徴と
する。

【００１５】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
に記載された振動モータにおいて、第２の駆動信号の間
欠周波数が、第２の駆動信号を入力することにより得ら
れる相対運動の量の最小値が、目標停止位置から所定距
離離れた範囲に設定される位置決め許容範囲の長さ以下
となるように、設定されることを特徴とする。

【００１６】請求項４の発明は、請求項１から請求項３
までのいずれか１項に記載された振動モータと、この振
動モータにより駆動される可動ステージとを備えること
を特徴とする位置決め装置を提供する。

【００１７】さらに、請求項５の発明は、振動子又は振
動子に加圧接触して相対運動を発生する相対運動部材の
目標停止位置までの移動距離が予め定めた所定値よりも
大きい場合には振動子に第１の駆動信号を入力し、移動
距離が所定値以下である場合には振動子に第２の駆動信
号を入力するとともに、第１の駆動信号の入力が停止さ
れた時から所定の時間が経過した時に、振動子又は相対
運動部材の位置を検出し、この検出値に基づいて第２の
駆動信号を設定することを特徴とする振動モータの制御
方法を提供する。

【００１８】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、本発明に
かかる振動モータを用いた位置決め装置の実施の形態
を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以
降の実施の形態の説明では、振動モータとして超音波の
振動域を利用した超音波モータを用いるとともに、本発
明にかかる位置決め装置を、光ファイバの切換装置に適
用した場合を例にとる。

【００１９】図１は、本実施形態の位置決め装置３０
を、一部が透視されるとともに簡略化された状態で示す
斜視図である。また、図２は図１におけるＡ矢視図であ
り、図３は図１におけるＢ矢視図である。

【００２０】図１〜図３にそれぞれ示すように、本実施
形態の位置決め装置３０は、超音波モータ３３と可動ス
テージ３４とを有する。以下、本実施形態の位置決め装
置３０のこれらの構成要素について、順次説明する。

【００２１】〔超音波モータ３３〕超音波モータ３３
は、振動子３１、移動子３２及び振動子固定部材４２を
有する。以下、これらについて順次説明する。

【００２２】（ｉ）振動子３１図４は、本実施形態における振動子３１及び移動子３２
それぞれの構成を示す斜視図である。また、図５は、振
動子３１の説明図であり、図５（Ａ）は上面図、図５
（Ｂ）は側面図、図５（Ｃ）は振動子３１に発生する二
つの異なる振動Ｌ１及びＢ４それぞれの波形例を示す説
明図である。

【００２３】図１〜図５にそれぞれ示すように、本実施
形態で用いる振動子３１は、弾性体３５と、弾性体３５
の一方の平面に装着された圧電体３６とを備える。弾性
体３５は、例えば鉄鋼、ステンレス鋼、リン青銅又はエ
リンバー材等といった共振先鋭度が大きな金属材料によ
り構成されることが望ましく、矩形平板状に形成され
る。また、弾性体３５の各部の寸法は、発生する１次の
縦振動Ｌ１及び４次の屈曲振動Ｂ４それぞれの固有振動
数ｆ_L1、f _B4が略一致するように、設定される。

【００２４】弾性体３５の一方の平面には、圧電体３６
が例えば接着により装着される。また、弾性体３５の他
方の平面には、弾性体３５の幅方向に２本の溝部が相対
運動方向（図２、図４及び図５それぞれにおける左右方
向）に関して所定距離だけ離れて設けられる。これらの
溝部に、横断面形状が矩形である各棒型の、高分子材等
を主成分とした摺動部材が嵌め込まれて装着され、突起
状に突出して装着される。高分子材としては、ＰＴＦ
Ｅ、ポリイミド樹脂、ポリアセタール、ＰＰＳさらには
ＰＥＥＫ等の高分子材料が例示される。

【００２５】そして、この摺動部材が駆動力取出部３７
ａ、３７ｂとして機能する。したがって、弾性体３５は
これら摺動部材からなる駆動力取出部３７ａ、３７ｂを
介して移動子３２に加圧接触する。

【００２６】また、図３に示すように、各駆動力取出部
３７ａ、３７ｂは、いずれも、振動子３１の幅方向に二
つに分割され、分割されたそれぞれの駆動力取出部３７
ａ、３７ａ’、３７ｂ、３７ｂ’が振動子３１の幅方向
の端部側に配置される。このように、本実施形態では、
各駆動力取出部３７ａ、３７ｂは、それぞれが２個の摺
動材により構成される。

【００２７】これらの駆動力取出部３７ａ、３７ｂは、
図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）に示すように、弾性体３５に
発生する４次の屈曲振動Ｂ４の４つの腹位置ｌ₁〜ｌ₄
のうちの外側に位置する二つの腹位置ｌ₁、ｌ₄に一致
する位置にそれぞれ設けられる。なお、駆動力取出部３
７ａ、３７ｂは、屈曲振動Ｂ４の二つの腹位置ｌ₁、ｌ
₄に正確に一致する位置に設けられる必要はなく、これ
らの腹位置ｌ₁、ｌ₄の近傍に設けられていてもよい。

【００２８】圧電体３６は、本実施形態ではＰＺＴ（チ
タンジルコン酸鉛）からなる一枚の薄板状の圧電素子に
より構成される。この圧電体３６には、図４及び図５に
示すように、Ａ相の駆動信号Ｖ_Aが入力される入力領域
３６ａ、３６ｃと、Ａ相の駆動信号とは位相が約（π／
２）ずれたＢ相の駆動信号Ｖ_Bが入力される入力領域３
６ｂ、３６ｄとが形成される。各入力領域３６ａ〜３６
ｄは、いずれも、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示すよう
に、弾性体３５に発生する屈曲振動Ｂ４の５つの節位置
ｎ₁〜ｎ₅により区画された４つの領域に連続して形成
される。すなわち、駆動信号の入力により変形する各入
力領域３６ａ〜３６ｄが、いずれも、不動点である節位
置ｎ₁〜ｎ₅を跨がない。そのため、入力領域３６ａ〜
３６ｄの変形が節位置ｎ₁〜ｎ₅によって抑制されるこ
とがない。これにより、各入力領域３６ａ〜３６ｄに入
力された電気エネルギを最大の効率で弾性体３５の変
形、すなわち機械エネルギへ変換することができる。

【００２９】また、屈曲振動Ｂ４の節位置ｎ₂、ｎ₄に
は、振動子３１が発生する縦振動Ｌ１により電気エネル
ギを出力する検出領域３６ｐ、３６ｐ’が設けられる。
これにより、振動子３１が発生する縦振動Ｌ１の振動状
態がモニタされる。

【００３０】そして、図４、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）
に示すように、各入力領域３６ａ〜３６ｄと各検出領域
３６ｐ、３６ｐ’とは、それぞれの表面を、銀電極３８
ａ〜３８ｄ、３８ｐ、３８ｐ’により覆われる。これに
より、各入力領域３６ａ〜３６ｄへ独立して駆動信号を
入力したり、各検出領域３６ｐ、３６ｐ’から独立して
検出信号を出力することができる。なお、図面を簡略化
して理解を容易にするため、図１〜図３では、いずれ
も、銀電極３８ａ〜３８ｄ、３８ｐ、３８ｐ’は省略し
てある。

【００３１】各銀電極３８ａ〜３８ｄには、電気エネル
ギの授受を行うためのリード線３９ａ〜３９ｄが半田付
けされて接続され、また、銀電極３８ｐ、３８ｐ’に
は、同じくリード線（図示しない。）が半田付けされて
接続されている。

【００３２】なお、本実施形態では、図５（Ａ）に示す
ように、振動子３１はその平面の中央部を中心として点
対称となるように、形成される。これにより、各駆動力
取出部３７ａ、３７ａ’、３７ｂ、３７ｂ’に発生する
楕円運動を略同じ形状とすることができ、相対運動方向
の反転に伴う駆動差が殆ど解消される。

【００３３】図７を参照しながら後述するように、位置
決め装置３０の駆動制御装置６１から、圧電体３６の入
力領域３６ａ、３６ｃには、縦振動Ｌ１及び屈曲振動Ｂ
４それぞれの固有振動数に略一致した周波数を有するＡ
相の駆動信号Ｖ_Aが入力される。また、入力領域３６
ｂ、３６ｄには、Ａ相の駆動信号とは（π／２）の位相
差を有するＢ相の駆動信号Ｖ_Bが入力される。すると、
図５（Ｃ）に示すように、弾性体３５には、相対運動方
向（図５における左右方向）へ振動する第１の振動であ
る１次の縦振動Ｌ１と、この相対運動方向に直交する上
下方向、すなわち振動子３１と移動子３２との加圧方向
に平行な方向へ振動する第２の振動である４次の屈曲振
動Ｂ４とが同時に発生する。

【００３４】発生した縦振動Ｌ１と屈曲振動Ｂ４とは合
成されて、駆動力取出部３７ａ、３７ａ’と駆動力取出
部３７ｂ、３７ｂ’とには、図５（Ｂ）に例示するよう
に、互いの位相がπずれた楕円運動がそれぞれ発生す
る。これにより、振動子３１は加圧接触する移動子３２
との間で、縦振動Ｌ１の振動方向への相対的な直線運動
を発生する。なお、相対運動方向を逆向きにするには、
Ｂ相の駆動信号が、Ａ相の駆動信号に対して（−π／
２）の位相差を有するように設定すればよい。

【００３５】このように、本実施形態の振動子３１は、
相対運動の方向へ振動する第１の振動である縦振動Ｌ１
と、この第１の振動の振動方向と直交する方向へ振動す
る第２の振動である屈曲振動Ｂ４とを励振することによ
り、移動子３２との間で直線的な相対運動を発生する、
いわゆる異形モード縮退型の振動子である。

【００３６】（ｉｉ）移動子３２図１〜図５にそれぞれ示すように、本実施形態では、振
動子３１との間で相対運動を行う相対運動部材として、
移動子３２を用いる。図６は、移動子３２及び可動ステ
ージ３４を抽出して示す斜視図である。

【００３７】移動子３２は、ステンレス鋼、銅合金又は
アルミニウム合金等からなっており、可動ステージ３４
の移動子取付面３４ａに３本の平小ねじ４０により固定
される。

【００３８】本実施形態では、図６に示すように、移動
子３２の振動子３１との当接面のうちで、駆動力取出部
３７ａ、３７ａ’及び駆動力取出部３７ｂ、３７ｂ’の
いずれにも接触しない十字型の非接触部４１ｃは、駆動
力取出部３７ａ、３７ａ’及び駆動力取出部３７ｂ、３
７ｂ’のいずれかに接触する接触部４１ａ、４１ａ’、
４１ｂ、４１ｂ’よりも、肉薄に形成されている。これ
により、移動子３２の振動子３１との当接面は、図１〜
図４及び図６に示すように、十字型の溝状に形成され
る。すなわち、移動子３２の振動子３１との当接面の四
隅部には、突起部４１ａ〜４１ｂ’がそれぞれ形成され
る。なお、本実施形態では、後述するように、移動子３
２の振動子３１との当接面に十字型の溝を形成している
が、この溝の部分を節に振動し難いようになっている。
なぜなら、移動子３２は、断面２次モーメントが大きい
Ｌ型の断面形状を有する可動ステージ３４の移動子取付
面３４ａに装着されているため、移動子３２には曲げ変
形に伴った屈曲振動は発生しない。

【００３９】移動子３２は、図１〜図３を参照しながら
後述するように、振動子固定部材４２により加圧支持さ
れた振動子３１の駆動力取出部３７ａ、３７ａ’と駆動
力取出部３７ｂ、３７ｂ’とに、突起部４１ａ〜４１
ｂ’を介して適当な加圧力で加圧接触して配置される。

【００４０】これにより、振動子３１を起動すると、移
動子３２は、駆動力取出部３７ａ、３７ａ’と駆動力取
出部３７ｂ、３７ｂ’とに互いの位相がπだけずれてそ
れぞれ発生した楕円運動によって、突起部４１ａ〜４１
ｂ’を介して駆動される。このため、移動子３２は、後
述するベース基板６０上に固定されたリニアガイド５５
によって直線的に案内される可動ステージ３４ととも
に、直線的に駆動される。このように、本実施形態で
は、固定配置された振動子３１によって移動子３２が直
線的に駆動される。

【００４１】本実施形態では、移動子３２の振動子３１
との当接面に十字型の溝が形成されることにより、位置
決め装置３０の移動系の一部をなす移動子３２の軽量化
が図られている。これにより、移動子３２とともに移動
する可動ステージ３４の整定時間が短縮化される。

【００４２】また、移動子３２の振動子３１との接触面
に、振動子３１との接触状態を良好にするためにラップ
加工による鏡面仕上を施す場合、本実施形態では、突起
部４１ａ〜４１ｂ’の底面だけにこのラップ加工を施せ
ばよい。このため、ラップ加工の面積が低減され、ラッ
プ加工による鏡面仕上の加工時間を短縮化することがで
きる。

【００４３】さらに、突起部４１ａ〜４１ｂ’それぞれ
は、いずれも振動子３１よりも相当質量が小さいため、
これら突起部４１ａ〜４１ｂ’それぞれの固有振動数
は、振動子３１の超音波の振動数（例えば５０ｋＨＺ程
度）よりも高くなる。このため、振動子３１が発生する
振動が駆動力取出部３７ａ、３７ａ’及び駆動力取出部
３７ｂ、３７ｂ’を介して突起部４１ａ〜４１ｂ’に伝
播されても、突起部４１ａ〜４１ｂ’はいずれも、駆動
を害するような振動（低周波の振動）が発生し難くな
る。このため、振動子３１が発生した振動により可動ス
テージ３４が振動することも、抑制される。このため、
可動ステージ３４の振動が抑制され、可動ステージ３４
を高精度で位置決めすることができる。

【００４４】（ｉｉｉ）振動子固定部材４２図１〜図３に示すように、本実施形態の振動モータ３０
は、振動子固定部材４２を有する。振動子固定部材４２
は、Ｌ型の水平断面形状を有するブロック体であり、ア
ルミニウム合金やステンレス鋼等の金属材料からなる。
この振動子固定部材４２は、振動子支持部材４３と振動
子加圧部材４４とを備える。

【００４５】図１〜図３に示すように、振動子支持部材
４３は、アルミニウム合金やステンレス鋼等の金属材料
からなる薄板状部材であり、板厚の小さな屈曲部４３ａ
と、板厚が大きな支持部４３ｂとを有する。屈曲部４３
ａの一方の端部には二つの貫通孔が設けられており、振
動子支持部材４３は、これらの貫通孔をそれぞれ貫通す
る固定ねじ４３ｃによって、振動子固定部材４２の端面
に固定される。

【００４６】また、支持部４３ｂの振動子１１側の平面
には、ステンレス鋼製の二つの支持ピン４５ａ、４５ｂ
が、例えば接着や溶接等の適宜手段により固定される。
そして、支持ピン４５ａ、４５ｂは、振動子１１の両側
面の長手方向の略中央部に形成された半円上の二つの切
欠き部３１ａ、３１ｂ（図５（Ａ）参照。）に嵌め込ま
れて、例えば接着や溶接等の適宜手段により固定され
る。

【００４７】なお、振動子３１の一方の平面に装着され
た圧電体３６と支持部４３ｂとの間には、例えばプラス
チック等からなる絶縁部材４６が挟まれた状態で配置さ
れており、入力領域３６ｂ及び３６ｃの短絡が防止され
る。

【００４８】振動子３１は、振動子支持部材４３によっ
て、相対運動の方向（図２における左右方向）について
拘束されるとともに、屈曲部４３ａが円弧状に屈曲変位
することにより加圧方向（図２における上下方向）へ略
直線的に微小に変位できるように、支持される。

【００４９】一方、図１〜図３に示すように、振動子加
圧部材４４は、四隅部に加圧用突起４７ａ〜４７ｄを有
する板材である。加圧用突起４７ａ〜４７ｄを振動子加
圧部材４４の四隅部に配置したのは、電極３８ａ〜３８
ｄ、３８ｐ、３８ｐ’とリード線３９ａ〜３９ｄとの半
田付けの盛り上がり部との干渉を防止するためである。
加圧用突起４７ａ及び４７ｃは、振動子３１に発生する
屈曲振動Ｂ４の節位置ｎ₂の位置と一致する位置に、ま
た、加圧用突起４７ｂ及び４７ｄは、振動子３１に発生
する屈曲振動Ｂ４の節位置ｎ₄の位置と一致する位置
に、それぞれ設けられて、振動子３１に当接する。つま
り、加圧用突起４７ａ〜４７ｄは、いずれも、屈曲振動
Ｂ４の節位置ｎ₂、ｎ₄を跨ぐ位置に形成されている。

【００５０】また、振動子支持部材４３の屈曲部４３ａ
には貫通孔４３ｄが設けられており、振動子加圧部材４
４の加圧用突起４７ｂ及び４７ｄは、いずれも、この貫
通孔４３ｄを貫通して振動子３１に装着された圧電体３
６に当接する。これにより、振動子支持部材４３と、振
動子加圧部材４４との接触が防止される。

【００５１】図２に示すように、振動子固定部材４２の
振動子加圧部材４４側の平面の略中央部に設けられた収
容孔４２ａには、加圧力発生部材４８が装着される。本
実施形態では、加圧力発生部材４８としてコイルばねを
用いた。なお、振動子固定部材４２の加圧力発生部材４
８との当接部には、ねじ部材４９がねじ止めされてお
り、ねじ部材４９のねじ込み深さを調節することによ
り、加圧力発生部材４８が発生する加圧力を適宜調節で
きるように構成されている。

【００５２】加圧力発生部材４８が発生した加圧力によ
り、振動子加圧部材４４は振動子３１の方向へ付勢され
る。これにより、加圧用突起４７ａ〜４７ｄにより振動
子３１は、駆動力取出部３７ａ〜３７ｂ’を介して、移
動子３２の突起部４１ａ〜４１ｂ’と適宜加圧力で加圧
接触する。

【００５３】振動子固定部材４２は、２本の取付けねじ
４２ｂによってベース基板６０に固定される。これによ
り、振動子３１及び移動子３２は、ベース基板６０の表
面から一定距離だけ離れて支持される。

【００５４】このように、本実施形態では、振動子支持
部材４３及び振動子加圧部材４４を備える振動子固定部
材４２により、振動子３１が支持される。すなわち、本
実施形態の超音波モータ３３は、駆動力取出部を有する
振動子３１と、駆動力取出部を介して振動子３１に加圧
接触することによりこの振動子３１との間で直線的な相
対運動を行う移動子３２と、振動子３１を移動子３２に
加圧接触させる振動子固定部材４２とを有する。

【００５５】なお、本実施形態では、振動子固定部材４
２に中継基板５０が固定されている。中継基板５０は、
リード線３９と、位置決め装置３０の駆動制御装置６１
に接続されるリード線５１とを接続し、駆動制御装置６
１からの駆動信号を圧電体３６に入力する。また、この
中継基板５０を、例えばガラス、アルミナ、セラミック
又はシリコーン等の熱伝導度が小さい絶縁材料により構
成した場合には、この中継基板５０に温度センサ（図示
しない。）を設けて駆動時の振動子３１の近辺の環境温
度を検出し、この検出値を駆動制御装置６１からの駆動
信号のフィードバック制御因子とすることにより、より
正確な制御を行うことができる。

【００５６】〔可動ステージ３４〕図１〜図３及び図６
に示すように、本実施形態の位置決め装置３０は、可動
ステージ３４を有する。

【００５７】可動ステージ３４は、例えばアルミニウム
合金のような軽金属材料により軽量に構成される。本実
施形態では、この可動ステージ３４は、移動子３２が固
定される第１の平面である移動子取付面３４ａと、移動
子取付面３４ａと略直交する第２の平面である搭載面３
４ｂとを有し、図３に示すように、Ｌ字状に屈曲して形
成される。このため、図３に示すように、相対運動の方
向に対しての垂直な面を断面として見たときの断面二次
モーメントが大きく、摺動面における曲げに対する剛性
が高い。したがって、移動子取付面３４ａは、振動子３
１が発生する第２の振動である屈曲振動Ｂ４による加圧
力を垂直に受けても、変形し難い。

【００５８】移動子取付面３４ａは、図６に示すよう
に、移動子３２を装着するための３本の平小ねじ４０を
ネジ止めするためのネジ穴以外は何も設けられず、一様
な面とされている。

【００５９】一方、搭載面３４ｂは、振動子３１及び移
動子３２の加圧方向、すなわち屈曲振動Ｂ４の振動方向
と平行な方向へ向けて延設されている。この搭載面３４
ｂの下面の略中央部には、４本のねじ５２によってガイ
ド５３が固定される。ガイド５３は、ベース基板６０に
相対運動の方向と平行な方向へ向けて敷設されたレール
５４に嵌合し、レール５４とともにリニアガイド５５を
構成する。このため、可動ステージ３４は、リニアガイ
ド５５により相対運動の方向と平行な方向へ移動自在に
支持される。

【００６０】搭載面３４ｂには、光ファイバ５６ａの切
換端子５６が搭載される。この切換端子５６は、例えば
樹脂材料により直方体状に形成され、入力側の光ファイ
バ５６ａの端部を貫通させた状態で固定されて、装着さ
れる。

【００６１】本実施形態では、光ファイバ５６ａとし
て、中心部に設けられた屈折率がｎ₁であるコアと、コ
アの外周に設けられた屈折率がｎ₂（ｎ₂＜ｎ₁）のク
ラッディングと、クラッディングの外周に設けられたコ
アやクラッディングに比較して格段に光吸収の多い材料
からなるジャケットとを有するステップ形光ファイバを
用いた。

【００６２】また、ベース基板６０に固定された支持台
５７に、４本の光ファイバ５８ａそれぞれの４つの切換
端子５８が、光ファイバ５６ａの切換端子５６と同じ設
置高さになるようにして搭載される。各切換端子５８
は、いずれも、例えば樹脂材料により直方体状に形成さ
れ、４本の光ファイバ５８ａの端部をそれぞれ貫通させ
た状態で固定されて、装着される。切換端子５８それぞ
れの一つの端面には、各光ファイバ５８ａの端面が同一
平面をなして、配置される。この光ファイバ５８ａは、
光ファイバ５６ａと同様に、ステップ形光ファイバであ
る。

【００６３】なお、図１〜図３では、図面を簡略化して
理解を容易にするために、切換端子５８が４つ並設され
た場合を示すが、本発明はこれに限られるものではな
く、２つ、３つ又は５つ以上の切換端子が並設された場
合にも、同様に適用される。

【００６４】なお、ベース基板６０には、透過型のエン
コーダ５９の検出部を構成する発光部５９ａ及び受光部
５９ｂが、可動ステージ３４の縦フランジ３４ｃに固定
されたスケール部５９ｃを挟んで、対向して配置され
る。このエンコーダ５９により、可動ステージ３４の現
位置が検出される。検出値は、位置決め装置３０の駆動
制御装置６１へ出力され、超音波モータ３３の駆動が制
御される。

【００６５】本実施形態では、可動ステージ３４を、移
動子取付面３４ａ及び搭載面３４ｂによりＬ字状に屈曲
して形成することにより、剛性を高めてある。また、搭
載面３４ｂが移動子取付面３４ａに対して垂直に張り出
している構造である。このため、搭載面３４ｂに、軽量
化のための切欠き部や中空部を設けても、移動子取付面
３４ａの曲げ剛性を充分に保つことができ、振動モータ
３３のクラッチ機能による衝撃を受けても、移動子取付
面３４ａが変形することに起因した振動が、搭載面３４
ｂに生じ難い（特に曲げ）構造である。したがって、本
実施形態では、搭載面３４ｂのうちで、切換端子５６の
搭載部及びガイド５３装着部以外の部分、すなわち、受
光部５９ｂの上方に位置する部分と、発光部５９ａと支
持台５７との間とに、それぞれ中空部３４ｄ、切欠き部
３４ｅをそれぞれ設けてある。このため、本実施形態に
よれば、振動モータ３３のクラッチ機能に起因した振動
を可動ステージ３４に生じることなく、可動ステージ３
４を軽量化することができる。

【００６６】なお、本実施形態では、図１〜図３及び図
６に示すように、中空部３４ｄ及び切欠き部３４ｅを、
いずれも、リニアガイド５５の装着部に関して振動子取
付面３４ａと反対側に位置する可動ステージ３４の平面
に設けてあるため、可動ステージ３４の重心位置を、リ
ニアガイド５５のレール５４の直上に近づけることがで
きる。これにより、停止の直前における可動ステージ３
４に作用するヨー慣性モーメントを低減できる。このた
め、本実施形態によれば、可動ステージ３４をその重心
回りに回転する変位を生じることなく停止でき、可動ス
テージ３４の位置決め精度を向上できる。

【００６７】このように、可動ステージ３４は、移動子
３２に固定されて振動子３１と移動子３２との加圧方向
に略平行な方向へ向けて延設されるとともに、リニアガ
イド５５により振動子３１と移動子３２との相対運動の
方向と略平行な方向へ直線的に移動自在に支持される。

【００６８】図７は、本実施形態の位置決め装置３０の
駆動制御装置６１の一例を示すブロック図である。ま
た、図８は、この駆動制御装置６１のＣＰＵ６２のフロ
ーチャートである。

【００６９】駆動制御装置６１のＣＰＵ６２は、図８に
おけるステップ（以下、「Ｓ」と略記する。）１におい
て上位指令装置６３から目標位置、動作条件（加減速度
や最高速度等）の指令を入力される。また、ＣＰＵ６２
は、目標位置とエンコーダ５９のカウンタ６８からのカ
ウント値との偏差に基づいてディジタル信号を出力す
る。そして、Ｓ２に移行する。

【００７０】Ｓ２において、ＣＰＵ６２は、エンコーダ
５９の検出値に基づいて、目標位置と現在位置との差で
ある移動量を算出する。そして、Ｓ３に移行する。Ｓ３
において、ＣＰＵ６２は、Ｓ２において算出した移動量
が、予め定めた所定値（本明細書では「駆動方法切替距
離」という。）よりも大きいか否かを判定する。大きい
場合にはＳ４に移行し、大きくない場合にはＳ７に移行
する。

【００７１】図９は、この駆動方法切替距離の設定を説
明するためのグラフであり、移動子３２に固定された可
動ステージ３４を図面左から右へ向けて駆動する場合に
ついて示してある。図９（Ａ）は目標停止位置Ｐ₀を通
過して粗動を完了した場合を示し、図９（Ｂ）は目標停
止位置Ｐ₀の手前で粗動を完了した場合を示す。

【００７２】図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、
位置決め許容範囲Ｐ₁は、目標停止位置Ｐ₀を中心とし
て可動ステージ３４の移動方向の両側に等距離設定され
る。また、駆動方法切替距離Ｌは、目標停止位置Ｐ₀を
通過して粗動を完了した場合及び目標停止位置Ｐ₀の手
前で粗動を完了した場合のいずれの場合にも、粗動駆動
終了位置の統計的分布に基づいて、適宜設定すればよ
い。

【００７３】Ｓ４において、ＣＰＵ６２は、振動モータ
３３に粗動駆動を行う信号を出力する。これにより、Ｃ
ＰＵ６２は、駆動周波数を初期値ｆ₀（共振周波数より
も高周波側）に設定し、図７におけるＤ／Ａ変換器６４
にディジタル信号を出力する。Ｄ／Ａ変換器６４は、デ
ィジタル信号をアナログ電圧信号に変換して、ＶＣＯ６
５に出力する。ＶＣＯ６５は、Ｄ／Ａ変換器６４から入
力されるアナログ電圧信号の電圧値に対応した二つの周
波信号を発生し、増幅器６６Ａ及び移相器６７に出力す
る。移相器６７は、入力された周波信号の位相を（±π
／２）ずらす。そして、増幅器６６ＡからＡ相の連続波
を有する第１の駆動信号が入力領域３６ａ、３６ｃの銀
電極３８ａ、３８ｃへ印加され、また、増幅器６６Ｂか
らＢ相の連続波を有する第１の駆動信号が入力領域３６
ｂ、３６ｄの銀電極３８ｂ、３８ｄへ印加される。これ
により、振動子３１は励振し、駆動力取出部３７ａ〜３
７ｂ’を介して加圧接触する移動子３２と、この移動子
３２に固定された可動ステージ３４とを、ともに直線的
に駆動する。そして、Ｓ５に移行する。

【００７４】Ｓ５において、ＣＰＵ６２は、粗動駆動終
了後に所定の時間だけ待機する信号を出力する。そし
て、Ｓ６に移行する。この時間を、本明細書では「位置
検出待ち時間」という。この位置検出待ち時間は、粗動
駆動終了時に移動子３２及び可動ステージ３４に発生し
た微小な振動が減衰するのに要する時間であり、例えば
１〜５ｍｓｅｃ程度に設定される。

【００７５】Ｓ６において、ＣＰＵ６２は、エンコーダ
５９の出力値を読み取り、移動子３２及び可動ステージ
３４の現在位置を検出する。そして、Ｓ２に移行する。
一方、Ｓ７において、ＣＰＵ６２は、Ｓ２において算出
した移動量が予め設定した位置決め許容範囲より大きい
か否かを判定する。大きい場合にはＳ８へ移行し、大き
くない場合にはそのままで位置決め制御を終了する。

【００７６】Ｓ８において、振動モータ３３に微動駆動
を行う信号を出力する。これにより、ＣＰＵ６２は、駆
動周波数を高周波側に設定し、図７におけるＤ／Ａ変換
器６４にディジタル信号を出力する。Ｄ／Ａ変換器６４
は、ディジタル信号をアナログ電圧信号に変換して、Ｖ
ＣＯ６５に出力する。ＶＣＯ６５は、Ｄ／Ａ変換器６４
から入力されるアナログ電圧信号の電圧値に対応した二
種のバースト信号を発生し、増幅器６６Ａ及び移相器６
７に出力する。移相器６７は、入力された周波信号の位
相を（±π／２）ずらす。そして、増幅器６６Ａからバ
ースト波形部を間欠的に有するＡ相の第２の駆動信号が
入力領域３６ａ、３６ｃの銀電極３８ａ、３８ｃへ印加
され、増幅器６６Ｂからバースト波形部を間欠的に有す
るＢ相の第２の駆動信号が入力領域３６ｂ、３６ｄの銀
電極３８ｂ、３８ｄへ印加される。これにより、振動子
３１は励振し、駆動力取出部３７ａ〜３７ｂ’を介して
加圧接触する移動子３２と、この移動子３２に固定され
た可動ステージ３４とを、ともに微小駆動する。この微
小駆動における移動量は、駆動信号のオン−オフ時間長
さか、あるいはバースト波形部の駆動周波数を制御する
ことにより制御される。そして、Ｓ９に移行する。

【００７７】Ｓ９において、ＣＰＵ６２は、微動駆動終
了後に所定の時間だけ待機する信号を出力する。そし
て、Ｓ１０に移行する。この時間を、本明細書では「位
置検出待ち時間」という。この位置検出待ち時間は、微
動駆動終了時に移動子３２及び可動ステージ３４に発生
した微小な振動が減衰するのに要する時間であり、例え
ば１〜５ｍｓｅｃ程度に設定される。

【００７８】Ｓ１０において、ＣＰＵ６２は、エンコー
ダ５９の出力値を読み取り、可動ステージ３４の現在位
置を検出する。そして、Ｓ２に移行する。このようにし
て、ＣＰＵ６２は、Ｓ３の条件及びＳ７の条件がいずれ
も満足されなくなった時に、位置決め制御を終了する。

【００７９】この本実施形態の位置決め装置３０によれ
ば、以下に列記する効果が奏せられる。（１）可動ステージ３４を、振動子３１と移動子３２と
の加圧方向に略平行な方向へ向けて延設された状態で移
動子３２に固定したため、振動子固定部材４２、振動子
３１、移動子３２及び可動ステージ３４をいずれもこの
方向について並設して配置できる。このため、ベース基
板６０に直交する方向に関する位置決め装置３０の寸法
をできるだけ抑制できる。このため、小型であることか
ら小さな設置スペースにも設置することができる位置決
め装置３０を提供できる。

【００８０】（２）移動子３２のうちの駆動力取出部３
７ａ〜３７ｂ’との非接触部４１ｃの厚さを、駆動力取
出部３７ａ〜３７ｂ’との接触部４１ａ〜４１ｂ’の厚
さよりも小さくしたため、移動子３２を軽量化できる。
また、可動ステージ３４に、中空部３４ｄ及び切欠き部
３４ｅを形成したため、可動ステージ３４を軽量化でき
る。したがって、これらの相乗的効果により、移動子３
２及び可動ステージ３４をともに軽量化でき、可動ステ
ージ３４の整定時間を短縮化することができる。

【００８１】（３）移動子３２のうちの駆動力取出部３
７ａ〜３７ｂ’との非接触部４１ｃの厚さを、駆動力取
出部３７ａ〜３７ｂ’との接触部４１ａ〜４１ｂ’の厚
さよりも小さくしたため、突起部４１ａ〜４１ｂ’への
ラップ加工の加工時間を低減できる。

【００８２】（４）移動子３２のうちの駆動力取出部３
７ａ〜３７ｂ’との非接触部４１ｃの厚さを、駆動力取
出部３７ａ〜３７ｂ’との接触部４１ａ〜４１ｂ’の厚
さよりも小さくしたため、振動子３１が発生した振動に
起因して可動ステージ３４が振動することを抑制でき
る。また、可動ステージ３４に、移動子３２に固定され
る振動子取付け面３４ａと搭載面３４ｂとを設けたた
め、搭載面３４ｂに中空部３４ｄ及び切欠き部３４ｅを
形成しても、振動子３１が発生した振動に起因して可動
ステージ３４が振動することを抑制できる。さらに、中
空部３４ｄ及び切欠き部３４ｅを、いずれも、リニアガ
イド５５の装着部に関して振動子取付面３４ａと反対側
に位置する可動ステージ３４の平面に設けることによ
り、可動ステージ３４をその重心回りに回転する変位を
生じることなく停止できる。したがって、これらの相乗
的効果により、可動ステージ３４の位置決め精度を向上
できる。

【００８３】（５）第１の駆動信号による粗動駆動の終
了後に所定の位置検出待ち時間を設けて待機するため、
粗動駆動終了時に移動子３２に発生した微小な振動が充
分に減衰した後に、移動子３２の位置を正確に検出して
第２の駆動信号の駆動条件を設定することができる。

【００８４】このため、目標停止位置までの距離の演算
値に、移動子３２に発生した微小な振動に起因した誤差
が含まれなくなり、この誤差に起因した停止位置ずれが
発生しない。これにより、移動子３２を±１μｍ程度の
高い停止位置精度で目標停止位置に確実に停止させるこ
とができる。

【００８５】（６）第１の駆動信号を入力することによ
り得られる粗動駆動も用いて超音波モータ３３を停止さ
せるため、停止時間の増加をできるだけ抑制することが
できる。このため、本実施形態の位置決め装置３０の整
定時間を短縮できる。

【００８６】（変形形態）実施形態の説明では、振動モ
ータが超音波モータである場合を例にとった。しかし、
本発明は超音波モータには限定されず、超音波以外の他
の振動域を利用した振動モータについても、等しく適用
される。

【００８７】また、実施形態の説明では、本発明にかか
る位置決め装置を光ファイバの切換装置に適用した場合
を例にとった。しかし、本発明は光ファイバの切換装置
には限定されず、各種の位置決め装置についても等しく
適用される。

【００８８】また、実施形態の説明では、振動子と移動
子との間で発生する相対運動の方向と略平行な方向へ振
動する第１の振動である１次の縦振動と、振動子と移動
子との加圧方向と略平行な方向へ振動する第２の振動で
ある４次の屈曲振動とを励振する異形モード縮退型の振
動子を用いた場合を例にとった。しかし、本発明で用い
る振動子は縦振動及び屈曲振動それぞれの振動の次数に
は限定されない。例えば、１次の縦振動と２次の屈曲振
動とを励振する振動子や、１次の縦振動と６次の屈曲振
動とを励振する振動子、さらには３次の縦振動と８次の
屈曲振動とを励振する振動子等も、同様に用いることが
できる。

【００８９】また、本発明で用いる振動子は、縦振動及
び屈曲振動の組合せにも限定されず、この組合せ以外の
異形モード縮退型の振動子や、同形モード縮退型の振動
子であっても、同様に適用することができる。

【００９０】また、実施形態の説明では、振動子が圧電
体を備える場合を例にとった。しかし、本発明は圧電体
には限定されず、例えば電歪素子等の電気エネルギ及び
機械エネルギの相互変換素子であれば、等しく適用する
ことができる。

【００９１】また、実施形態の説明では、振動子が４つ
の駆動力取出部を有する場合を例にとった。しかし、本
発明はこの形態には限定されず、例えば、弾性体の幅方
向に２つの駆動力取出部が相対運動方向に関して所定距
離だけ離れて設けられた場合であっても、等しく適用さ
れる。この場合、移動子の駆動力取出部との接触部は矩
形の平面形状を呈することから、移動子の振動子との当
接面には、各実施形態のような十字型の溝は形成され
ず、矩形平面形状の溝部が相対運動の方向の略中心部に
形成される。

【００９２】また、実施形態の説明では、移動ステージ
に切欠き部及び中空部がともに形成された場合を例にと
った。しかし、本発明はこの形態には限定されず、切欠
き部及び中空部の一方が形成されていてもよい。

【００９３】また、実施形態の説明では、振動子を固定
配置し、相対運動部材を可動ステージに設けた場合を例
にとったが、本発明はこの形態には限定されず、例え
ば、相対運動部材を固定配置し、振動子を可動ステージ
に設けてもよい。

【００９４】さらに、各実施形態は、本発明を具現化し
た一例を示したものであり、本発明の作用効果を奏する
範囲で様々な変形が可能である。

【００９５】

【発明の効果】本発明により、第１の駆動信号の入力が
遮断されて一旦停止した振動子又は相対運動部材に発生
する微小な振動に起因した停止位置ずれを解消し、高い
停止位置精度で目標停止位置に停止することができる振
動モータと、この振動モータを用いた位置決め装置と、
この振動モータの駆動方法とをいずれも提供できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の位置決め装置を、一部が透視される
とともに簡略化された状態で示す斜視図である。

【図２】図１におけるＡ矢視図である。

【図３】図１におけるＢ矢視図である。

【図４】実施形態における振動子及び移動子それぞれの
構成を示す斜視図である。

【図５】実施形態における振動子の説明図であり、図５
（Ａ）は上面図、図５（Ｂ）は側面図、図５（Ｃ）は振
動子に発生する二つの異なる振動Ｌ１及びＢ４それぞれ
の波形例を示す説明図である。

【図６】実施形態における移動子及び可動ステージを抽
出して示す斜視図である。

【図７】実施形態の位置決め装置の駆動制御装置の一例
を示すブロック図である。

【図８】実施形態の駆動制御装置のＣＰＵのフローチャ
ートである。

【図９】駆動方法切替距離の設定を説明するためのグラ
フであり、図９（Ａ）は目標停止位置を通過して粗動を
完了した場合を示し、図９（Ｂ）は目標停止位置の手前
で粗動を完了した場合を示す。

【符号の説明】

３０位置決め装置３１振動子３２移動子３３振動モータ３４可動ステージ５９エンコーダ６１駆動制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5H303 AA05 BB01 BB06 BB11 CC01 DD14 EE03 EE07 FF09 HH01 KK35 5H680 AA07 BB13 BC10 CC02 DD01 DD15 DD23 DD53 DD55 DD65 DD72 DD82 DD83 DD92 EE10 EE22 FF02 FF08 FF27 FF33 FF36 GG02 GG23 GG27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動子と、該振動子に加圧接触して相対運動を発生する相対運動部
材と、前記振動子又は前記相対運動部材の位置検出手段と、前記振動子又は前記相対運動部材の目標停止位置までの
移動距離が予め定めた所定値よりも大きい場合には前記
振動子に第１の駆動信号を入力し、前記移動距離が前記
所定値以下である場合には前記振動子に第２の駆動信号
を入力するとともに、前記第１の駆動信号の入力が停止
された時から所定の時間が経過した時における前記位置
検出手段の検出値に基づいて前記第２の駆動信号を設定
する駆動制御装置とを備えることを特徴とする振動モー
タ。
【請求項２】前記第１の駆動信号は、連続波を有する
駆動信号であるとともに、前記第２の駆動信号は、バー
スト波形部を間欠的に有する駆動信号であることを特徴
とする請求項１に記載された振動モータ。
【請求項３】前記第２の駆動信号の間欠周波数は、該
第２の駆動信号を入力することにより得られる前記相対
運動の量の最小値が、前記目標停止位置から所定距離離
れた範囲に設定される位置決め許容範囲の長さ以下とな
るように、設定されることを特徴とする請求項１又は請
求項２に記載された振動モータ。
【請求項４】請求項１から請求項３までのいずれか１
項に記載された振動モータと、該振動モータにより駆動される可動ステージとを備える
ことを特徴とする位置決め装置。
【請求項５】振動子又は該振動子に加圧接触して相対
運動を発生する相対運動部材の目標停止位置までの移動
距離が予め定めた所定値よりも大きい場合には前記振動
子に第１の駆動信号を入力し、前記移動距離が前記所定
値以下である場合には前記振動子に第２の駆動信号を入
力するとともに、前記第１の駆動信号の入力が停止され
た時から所定の時間が経過した時に、前記振動子又は前
記相対運動部材の位置を検出し、この検出値に基づいて
前記第２の駆動信号を設定することを特徴とする振動モ
ータの制御方法。