JP2002330597A - 超音波モータを可動体の駆動源とする案内装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ステージ１３の位置決め精度だけでなく、移動
中におけるステージ１３の位置精度についても容易に把
握することができる超音波モータをステージ１３の駆動
源とする案内装置を提供する。 【解決手段】超音波モータ１５と、超音波モータ１５と
の摩擦駆動により可動するステージ１３と、ステージ１
３の位置検出手段１６と、位置検出手段１６の位置情報
と予め設定した基準位置情報との偏差を基に演算し、超
音波モータ１５へ駆動用指令信号を出力する駆動力制御
部１０を有する案内装置に、上記駆動力制御部１０より
出力される駆動用指令信号のサーボループ間の変化率と
偏差を時系列的にそれぞれ監視する監視部１７を設け
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、直線運動や回転運
動する可動体を超音波モータによって駆動する案内装置
に関するものであり、特に、精密加工用工作機械、精密
測定装置、半導体製造工程等における描画露光装置に用
いられる案内装置として好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】超音波モータは、最小振動振幅がナノメ
ートルオーダーと小さく、高分解能の位置決めが可能で
あり、しかも小型でありながら摩擦駆動であるために駆
動力が大きいといった特徴を有するため、これまでカメ
ラのレンズズーム機構や腕時計用バイブレーションアラ
ームなど回転系の装置へ実用化が行われてきた。

【０００３】また、近年では超音波モータを直線系の案
内装置へ適用することも試みられている。

【０００４】図６に超音波モータを可動体の駆動源とす
る従来の案内装置の一例を示すように、この案内装置
は、ベース基盤５１上にクロスローラガイドの如き一対
のガイド部材５２を備え、これらのガイド部材５２によ
って可動体としてのステージ５３が直線的に案内される
ようになっている。

【０００５】また、ステージ５３の一方の側面には、ガ
イド部材５２に対して平行に駆動力伝達部材５４が、ス
テージ５３の他方の側面には、上記駆動力伝達部材５４
に対して平行にリニアスケール５６ａが設置され、該リ
ニアスケール５６ａと対向する位置には測定ヘッド５６
ｂを設けて位置検出手段５６を構成するとともに、上記
駆動力伝達部材５４と対向する位置には超音波モータ５
５を設置し、超音波モータ５５の摩擦部材５５ａを上記
駆動力伝達部材５４の当接面に対して垂直に当接させて
ある。

【０００６】なお、５５ｃは超音波モータ５５をステー
ジ５３の駆動力伝達部材５４に当接させるためのバネで
あり、５５ｂはベース基盤５１上に固定されたケース５
５ｄ内に超音波モータ５５を保持するための弾性体であ
る。

【０００７】そして、ステージ５３の移動に伴う位置検
出手段５６からの位置情報と、予め設定してあるステー
ジ５３の移動プロファイルに基づく基準位置情報との偏
差に応じて駆動力制御部５０にて例えばＰＩＤ演算処理
し、超音波モータ５５へ指令信号を出力する、フィード
バック制御を行うことにより、ステージ５３の移動、位
置決めを行うようになっていた。なお、ＰＩＤ演算を行
うための制御パラメータであるＰ項、Ｉ項、Ｄ項の決定
は、移動中の位置偏差や位置決め精度が規格を満足する
ように駆動させる前の実験により試行錯誤的に決定する
ようになっていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、精密加工用
工作機械や精密測定装置あるいは半導体製造工程におけ
る描画露光装置等に用いられる案内装置には、移動中に
おける位置偏差や位置決めにサブミクロンオーダーもの
高精度が要求されており、また、案内装置の長寿命化も
望まれている。

【０００９】ところが、図６に示す従来の案内装置のよ
うに、駆動力制御部５０の制御パラメータ（Ｐ項、Ｉ
項、Ｄ項）を実駆動させる前に決定しただけでは、超音
波モータ５５の摩擦部材５５ａや駆動力伝達部材５４の
摩耗に伴う予圧の変動や、摩耗粉の噛み込み等による突
発的な駆動特性の変動を防止することができず、ステー
ジ５３の移動中に発生する突発的な駆動特性の変動には
対処することができなかった。

【００１０】その為、図６に示す従来の案内装置を、位
置決め精度だけでなく、移動途中における位置精度にも
高い精度が要求される、精密加工用工作機械や精密測定
装置あるいは半導体製造工程における描画露光装置の案
内装置として用いることは難しいものであった。

【００１１】そこで、本件出願人は、図７に示すよう
に、超音波モータ５５と駆動力制御部５０との間に、指
令信号の絶対値と偏差を時系列的に監視する監視部５７
を設けるとともに、超音波モータ５５を駆動力伝達部材
５４に押し付ける手段としてエアーシリンダーや圧電ア
クチュエータ等のアクチュエータ５９を設け、超音波モ
ータ５５の摩擦部材５５ａや駆動力伝達部材５４の摩耗
に伴う予圧の変動や、摩耗粉の噛み込み等による突発的
な駆動特性の変動を、上記監視部５７にて測定した指令
信号の絶対値や偏差の変化から検知し、所定の規格値を
超えた場合、予圧制御部５８よりアクチュエータ５９を
駆動させ、予圧や駆動特性を初期の状態に戻すことによ
り、安定したステージ５３の駆動特性が得られるように
した案内装置を先に提案している（特願2000−026762参
照）。

【００１２】しかしながら、図７に示す案内装置では、
予圧変動や摩耗粉噛み込み等により発生する比較的大き
な当接面間の滑りは把握できるものの、超音波モータ５
５の駆動力をステージ５３へ伝える伝達効率を向上させ
ることができなかった。

【００１３】即ち、監視部５７での偏差に大きな変化が
見られなかったとしても、超音波モータ５５の摩擦部材
５５ａと駆動力伝達部材５４との当接面間に滑りが発生
している場合があり、この滑りが発生すると、超音波モ
ータ５５の駆動力が全てステージ５３に伝達されていな
いため、伝達効率が悪く、さらに超音波モータの摩耗が
増大し、案内装置の寿命が極端に短くなるといった課題
があった。特に駆動初期において、偏差に大きな変化が
見られないものの、超音波モータ５５の摩擦部材５５ａ
と駆動力伝達部材５４との当接面間に微少な滑りが発生
していると、摩擦部材５５ａや駆動力伝達部材５４の表
面に大きな摩耗痕を発生させ、それが原因で駆動力伝達
特性が変化したり、これを起点として摩耗が加速度的に
増加するといった課題があった。

【００１４】その為、図７に示す案内装置でも、駆動途
中におけるステージ５３の高い位置精度を満足すること
が難しいものであった。

【００１５】

【発明の目的】本発明の目的は、超音波モータの摩擦部
材と駆動力伝達部材との当接面間での微少な滑りも把握
し、可動体の目標位置への位置決め精度だけでなく、移
動途中においても可動体を高い精度でも移動させること
ができるとともに、摩耗が少なく寿命の長い超音波モー
タを可動体の駆動源とする案内装置を提供することにあ
る。

【００１６】

【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、超音波モータと、該超音波モータとの摩擦駆動
により可動する可動体と、該可動体の位置を検出する位
置検出手段と、該位置検出手段からの位置情報と予め設
定した移動プロファイルに基づく基準位置情報との偏差
を基に演算し、前記超音波モータを駆動させる駆動指令
信号を出力する駆動力制御部と、この駆動力制御部より
出力される駆動用指令信号のサーボループ間の変化率と
上記偏差を時系列的にそれぞれ監視する監視部とから超
音波モータを可動体の駆動源とする案内装置を構成した
ものである。

【００１７】また、上記駆動力制御部での演算をＰＩＤ
演算とし、上記監視部にて測定した駆動用指令信号のサ
ーボループ間の変化率及び／又は偏差が、予め設定した
変化率の規格値内及び／又は予め設定した偏差規格値の
しきい値内にそれぞれあるか否かを判定する判定部を設
けることが好ましく、さらには上記判定部にて判定した
結果に基づき上記監視部にて測定した偏差が予め設定し
た偏差規格値のしきい値内で、かつ上記判定部にて判定
した結果に基づき上記監視部にて測定した駆動用指令信
号のサーボループ間の変化率が予め設定した変化率の規
格値内となるように、ＰＩＤ演算に用いる制御パラメー
タ（Ｐ項、Ｉ項、Ｄ項）を変更するパラメータ調整部を
設けることが好ましい。

【００１８】また、上記駆動用指令信号のサーボループ
間における変化率の規格値は３０％以下とするととも
に、上記偏差規格値のしきい値は、その偏差規格値の８
０％以内とすることが好ましい。

【００１９】

【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。

【００２０】図１は超音波モータを可動体の駆動源とす
る本発明の案内装置の一例を示す模式図で、この案内装
置は、ベース基盤１１上にクロスローラガイドの如き一
対のガイド部材１２を備え、この一対のガイド部材１２
に沿って可動体としてのステージ１３を直線的に案内す
るようになっている。

【００２１】また、ステージ１３の一方の側面には、上
記ガイド部材１２に対して平行に駆動力伝達部材１４
を、他方の側面にはガイド部材１２に対して平行にリニ
アスケール１６ａをそれぞれ設置し、リニアスケール１
６ａと対向する位置には測定ヘッド１６ｂを設けて位置
検出手段１６を構成するとともに、上記駆動力伝達部材
１４と対向する位置には超音波モータ１５を設置し、超
音波モータの摩擦部材１５ａを上記駆動力伝達部材１４
の当接面に対して垂直に当接させてある。

【００２２】そして、ステージ１３の移動に伴う位置検
出手段１６からの変位、速度、加速度等の位置情報は駆
動力制御部１０に送られ、この駆動力制御部１０にて予
め設定してあるステージ１３の移動プロファイルに基づ
く基準位置情報（変位、速度、加速度）との偏差に応じ
て変化する制御パラメータを基に、例えばＰＩＤ演算処
理し、その出力値を駆動用指令信号として超音波モータ
１５へ出力するフィードバック制御を行うことにより、
超音波モータ１５をその駆動用指令信号に応じて楕円運
動させ、超音波モータ１５に備える摩擦部材１５ａとの
摩擦駆動によりステージ１３をガイド部材１２に沿って
移動させるようになっている。

【００２３】なお、１５ｂはベース基盤１１上に固定さ
れたケース１５ｄ内に超音波モータ１５を保持するため
の弾性体である。

【００２４】また、この案内装置の駆動力制御部１０と
超音波モータ１５との間には、駆動力制御部１０で算出
された偏差と、駆動力制御部１０より出力される駆動用
指令信号のサーボループ間での変化率をそれぞれ時系列
的に監視する監視部１７を設けてある。

【００２５】ここで、偏差とは、位置検出手段１６にて
測定されるステージ１３の実際の位置情報（変位、速
度、加速度）と、駆動力制御部１０にて予め設定してあ
るステージ１３の移動プロファイルに基づく基準位置情
報（変位、速度、加速度）との差のことであり、この偏
差が小さい程、移動中におけるステージ１３の実際の位
置情報と、予め設定してある位置情報が一致しており、
ステージ１３の位置精度が高いことを示す。

【００２６】また、駆動力制御部１０より出力される駆
動用指令信号のサーボループ間での変化率とは、駆動力
制御部１０より出力される一つ前のサーボループ時にお
ける駆動用指令信号に対する駆動力制御部１０より出力
される現在のサーボループ時における駆動用指令信号の
増減率のことであり、以下の数１により表されるもので
ある。

【００２７】 数１ 変化率＝((Ｅn／Ｅn-1)-1)＊１００ Ｅｎ：現在のサーボループ時の駆動用指令信号（電圧
値） Ｅｎ：１つ前のサーボループ時の駆動用指令信号（電圧
値） そして、この駆動力制御部１０より出力される駆動用指
令信号のサーボループ間での変化率を見ることで、偏差
の監視だけでは確認することのできない超音波モータ１
５の摩擦部材１５ａと駆動力伝達部材１４との当接面間
における微少な滑りの状態を把握することができる。特
に、サンプリング時間に相当するサーボループ間隔での
駆動用指令信号の変化率を監視することで、駆動状態を
更に細かく把握することができ好ましい。

【００２８】即ち、超音波モータ１５の摩擦部材１５ａ
における振幅量は、駆動用指令信号値(電圧)の増大によ
って増大し、駆動用指令信号値(電圧)の減少によって減
少するというように比例関係にあることから、駆動用指
令信号の変化率を見ることで超音波モータ１５の摩擦部
材１５ａにおける振幅の度合いを確認することができ、
例えば、ステージ１３が一定区間を移動するのに大きな
駆動用指令信号を要するものは、滑りが発生し、超音波
モータ１５の摩擦部材１５ａが余計に動いていると判断
でき、伝達効率が低下しているものと考えることができ
る。

【００２９】かくして、この案内装置を用いれば、可動
体の位置決め精度だけでなく、移動中における可動体の
位置精度についても容易に把握することができる。ま
た、監視部１７を設けることで、当接面間の微少な滑り
だけでなく、予圧変動や摩耗粉噛み込み等による突発的
な駆動によって当接面間に滑りが発生した場合でも即座
に判断できることは言うまでもない。

【００３０】次に、超音波モータを可動体の駆動源とす
る本発明の案内装置の応用例を図２に示す。

【００３１】この案内装置は、図１に示す案内装置にお
ける監視部１７と超音波モータ１５との間に、上記監視
部１７にて測定した駆動用指令信号のサーボループ間の
変化率及び／又は偏差が、予め設定した変化率の規格値
内及び予め設定した偏差規格値のしきい値内にそれぞれ
あるか否かを判定する判定部１８を設けたもので、上記
駆動用指令信号のサーボループ間における変化率の規格
値は３０％以下とするとともに、上記偏差規格値のしき
い値は、その偏差規格値の８０％以内とすることが好ま
しい。

【００３２】このように、判定部１８を設け、偏差と駆
動用指令信号のサーボループ間の変化率を常に監視する
ことで、駆動特性の変化を察知できることは勿論、駆動
用指令信号のサーボループ間の変化率の規格値内に入る
ＰＩＤ領域まで把握しておけば、規格値を満足するＰＩ
Ｄ定数の範囲がどのくらいの余裕度があるのか、またそ
れらが経時的にどのように変化していくかといった判断
ができるため、トラブルを未然に防ぐことができる。そ
して、本件発明者らの研究によれば、偏差規格値のしき
い値を、その偏差規格値の８０％以内とするとともに、
上記駆動用指令信号のサーボループ間における変化率の
規格値を３０％以下とすることで、超音波モータ１５の
摩擦部材１５ａや駆動力伝達部材１４の材質や使用条件
に関係なく、余裕を持ったメンテナンスの度合いを判断
することができる。

【００３３】さらに、超音波モータを可動体の駆動源と
する本発明の案内装置の応用例を図３に示す。

【００３４】この案内装置は、図２の案内装置における
判定部１８と超音波モータ１５との間に、判定部１８に
て判定した結果に基づき監視部１７にて測定した偏差が
予め設定した偏差規格値のしきい値内で、かつ判定部１
８にて判定した結果に基づき監視部１７にて測定した駆
動用指令信号のサーボループ間の変化率が予め設定した
変化率の規格値内となるように、ＰＩＤ演算に用いる制
御パラメータ（Ｐ項、Ｉ項、Ｄ項）を変更するパラメー
タ調整部１９を設けたものである。

【００３５】そして、この案内装置では、図４にその制
御の流れをチャート図に示すように、監視部１７にて測
定した偏差が偏差規格値のしきい値を超えた場合、ステ
ージ１３の実際の位置と、予め設定してある位置とのズ
レが大きくなりはじめているため、偏差が偏差規格値の
しきい値内となるように制御パラメータ（Ｐ項、Ｉ項，
Ｄ項）を変更し、次いで監視部１７にて測定した駆動用
指令信号のサーボループ間の変化率が、予め設定した規
格値を超えた場合、超音波モータ１５の摩擦部材１５ａ
と駆動力伝達部材１４との間に滑りが発生していること
を意味することから、駆動用指令信号のサーボループ間
の変化率が最小となるように制御パラメータ（Ｐ項、Ｉ
項，Ｄ項）を変更させ、フィードバック制御を行うよう
になっている。

【００３６】この案内装置によれば、監視部１７にて測
定した偏差が偏差規格値のしきい値を超えたり、監視部
１７にて測定した駆動用指令信号のサーボループ間の変
化率が規格値を超えた場合、監視部１７にて測定される
偏差が偏差規格値のしきい値内に、駆動用指令信号のサ
ーボループ間の変化率がその規格値内にそれぞれ入るよ
うパラメータ調整部１９で制御パラメータ（Ｐ項、Ｉ
項，Ｄ項）を変更するようにしてあることから、超音波
モータ１５の摩擦部材１５ａと駆動力伝達部材１４との
当接面間における滑りを抑えることができ、特に判定部
１８における偏差規格値のしきい値を、その偏差規格値
の８０％以内とするとともに、上記駆動用指令信号のサ
ーボループ間における変化率の規格値を３０％以下とす
ることで、ステージ１３を所定の目標位置に精度良く位
置決めすることができるとともに、移動中におけるステ
ージ１３の位置ズレも小さいため、安定した移動を実現
することができ、さらには超音波モータ１５の摩擦部材
１５ａや駆動力伝達部材１４の異常摩耗を抑え、案内装
置の寿命を向上させることができる。

【００３７】また、監視部１７における駆動用指令信号
のサーボループ間の変化率が、その規格値を満足できな
くなった場合、制御パラメータでの調整だけでは異常摩
耗を防ぐことができないため、部品の交換等、案内装置
のメンテナンスを行うようにすれば良い。

【００３８】その為、本発明の案内装置を用いれば、移
動中におけるステージ１３の高い位置精度が要求される
精密加工用工作機械、精密測定装置、半導体製造工程に
おける描画露光装置等に用いる案内装置にも好適に用い
ることができる。

【００３９】また、本発明のように、制御パラメータの
調整だけでは対応できない大きな予圧変動や摩耗粉の噛
み込み等で異常摩耗が起こるような場合には、本発明者
が先に提案している特願2000−026762に開示する技術と
組み合わせれば、更に寿命を向上させることもできる。

【００４０】ところで、実施形態では、駆動用指令信号
として指令電圧を用いた例を基に説明したが、駆動用指
令信号が電圧制御時の電流や電力であっても良く、さら
には超音波モータ１５が周波数で制御される場合、駆動
用指令信号として周波数を用いても構わない。

【００４１】また、本発明の案内装置に用いる超音波モ
ータの振動形式は特に限定するものではなく、単一の振
動モードのみならず、モード変換型、多重モード型、モ
ード回転型、複合振動型等の複数の振動モードのものを
適用することもできる。

【００４２】さらに、本発明の案内装置では、ステージ
１３をなす可動体が直線運動する例を説明したが、可動
体が回転運動する案内装置に適用することもでき、本発
明の範囲を逸脱しない範囲で種々改良や変更できること
は言うまでもない。

【００４３】

【実施例】（実施例１）ここで、図１に示す超音波モー
タを可動体の駆動源とする案内装置を製作した。

【００４４】ステージ１３を案内するガイド部材１２に
は、２００ｍｍのストロークを有するクロスローラガイ
ドを用い、ステージ１３は２５０ｍｍ×１２０ｍｍ×３
０ｍｍの板状体とし、アルミニウムにより形成した。そ
して、ステージ１３上には重り（不図示）を載せ、重り
とステージ１３の総重量が１００Ｎとなるようにした。

【００４５】また、ステージ１３を駆動させる超音波モ
ータ１５は、幅８ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚み３ｍｍの圧
電素子の端面にアルミナセラミック製の摩擦部材１５ａ
を備え、圧電素子の一方の主面には４つの電極を形成
し、対角に位置する電極同士を結線するとともに、他方
の主面全体に１つの電極を形成してなり、４つの電極に
互いの位相差を９０度ずらした指令電圧を印加すること
により、摩擦部材１５ａが楕円運動するようにしたもの
を用いた。なお、摩擦部材１５ａの当接面は、曲率半径
が３ｍｍの球面とし、表面粗度を中心線平均粗さ（Ｒ
ａ）で０．０５μｍとした。

【００４６】さらに、ステージ１３の位置検出手段１６
を構成するリニアスケール１６ａには、ミツトヨ製のリ
ニアスケールＳ３３Ｃを用い、ステージ１３の一方の側
面に設置するとともに、このリニアスケール１６ａと対
向する位置に検出ヘッド１６ｂを設置して位置検出手段
１６を構成し、ステージ１３の他方の側面にはアルミナ
セラミック製の駆動力伝達部材１４を設置した。

【００４７】また、初期設定条件として、超音波モータ
１５のステージ１３への伝達効率が最大となるように予
圧を設定した状態で、超音波モータ１５の駆動制御を、
ステージ１３の移動距離２００ｍｍ、加速度０．１Ｇ、
最高速度１００ｍｍ／ｓの台形制御とし、ステージ１３
の移動プロファイルを予め駆動力制御部１０に設定した
後、駆動用指令信号（電圧）のサーボループ間の変化率
を監視しながら偏差が１μｍ以内に収まるように制御パ
ラメータ（Ｐ項、Ｉ項、Ｄ項）を決定し、駆動させるよ
うにした。

【００４８】そして、超音波モータ１５を４０ＫＨｚの
周波数で駆動させ、その時の偏差の絶対値、駆動用指令
信号（電圧）の絶対値及びサーボループ間の変化率を監
視部１７で測定するとともに、超音波モータ１５と駆動
力伝達部材１４との間の伝達効率について測定する実験
を行った。

【００４９】なお、超音波モータ１５と駆動力伝達部材
１４との間の伝達効率は、レーザードップラ振動計（不
図示）を超音波モータ１５の摩擦部材１５ａの軸線に対
して垂直に設置し、予圧を異ならせてステージ１３を駆
動させ、超音波モータ１５の駆動力をステージ１３へ伝
える伝達効率をレーザドップラ振動計からの位置情報
（変位、速度、加速度）と位置検出手段１６からの位置
情報（変位、速度、加速度）を基に数１により算出し
た。 （数１） Ｗ＝Ｂ／Ａ×１００（％） ただし、Ｗ：伝達効率 Ａ：レーザードップラ振動計か
らの位置情報 Ｂ：位置検出手段からの位置情報 また、サーボループは０．３ｍｓ、駆動用指令信号のサ
ーボループ間の変化率はストローク内での平均値とし
た。

【００５０】さらに、制御パラメータのうち、Ｄ項のみ
を高くし、同様の実験を行った。

【００５１】制御パラメータを変更する前の偏差の絶対
値、駆動用指令信号（電圧）の絶対値、サーボループ間
の変化率、超音波モータ１５と駆動力伝達部材１４との
間の伝達効率については図５（ａ）〜（ｄ）に、制御パ
ラメータを変更した後の偏差の絶対値、駆動用指令信号
（電圧）の絶対値、サーボループ間の変化率、超音波モ
ータ１５と駆動力伝達部材１４との間の伝達効率につい
ては図５（ｅ）〜（ｈ）にそれぞれ示す通りである。

【００５２】この結果、図４（ａ）〜（ｈ）より判るよ
うに、制御パラメータのＤ項を変えても偏差は変わらな
いのに対し、Ｄ項を高くしたものは、伝達効率が低く、
そのバラツキも大きいことが判る。この現象は、制御パ
ラメータのＤ項を高くしたことで、本来最適な伝達効率
が得られるように設定された制御パラメータを変更した
ために、ステージ１３の挙動が不安定なものとなり、滑
りが発生したことに起因する。

【００５３】そして、ステージ１３の挙動の不安定さ
は、偏差から判断することはできないものの、駆動用指
令信号（電圧）のサーボループ間の変化率には大きな変
化として現れており、この結果より、監視部１７にて偏
差と駆動用指令信号（電圧）のサーボループ間の変化率
を時系列的に監視することで、案内装置の駆動状態を用
意に把握できることが判る。

【００５４】また、制御パラメータを変化させ、偏差規
格値のしきい値が１μｍ以内となる範囲内で、駆動用指
令信号のサーボループ間の変化率を変化させた時の超音
波モータの摩擦部材における摩耗量を測定した。

【００５５】結果は表１に示す通りである。

【００５６】

【表１】

【００５７】この結果、駆動用指令信号のサーボループ
間における変化率が３０％を超えると、摩耗量が急激に
増加した。これは駆動用指令信号のサーボループ間の変
化率が３０％を超えると、伝達効率としては約６０％し
かなく、当接面間には激しい滑りが発生しているため、
超音波モータ１５の摩擦部材１５ａを形成するアルミナ
セラミックスに脱粒が多く発生していた。

【００５８】この結果、監視部１７にて駆動用指令電圧
のサーボループ間の変化率を測定することで、経時変化
を把握できるとともに、異常摩耗への発展を抑えること
ができる。また、駆動用指令信号のサーボループ間にお
ける変化率の規格値を３０％以下とすることで、超音波
モータ１５の摩擦部材１５ａと駆動力伝達部材１４との
間の滑りを抑え、異常摩耗を抑えることができることが
判る。

【００５９】（実施例２）実施例１の案内装置に判定部
１８とパラメータ調整部１９を設けた図３に示す案内装
置と、判定部１８及びパラメータ調整部１９を持たない
従来の案内装置を用意し、実施例１と同様の条件にてス
テージ１３を１０００ｋｍ駆動させた時の監視部１７に
て測定される駆動用指令信号のサーボループ間の変化率
を調べる実験を行った。なお、偏差規格値のしきい値
は、偏差規格値に対する８０％に相当する０．８μｍと
し、駆動用指令信号のサーボループ間における変化率を
３０％以下とした。

【００６０】結果は表２に示す通りである。

【００６１】

【表２】

【００６２】この結果、従来の案内装置は、ステージ１
３の移動距離が５００ｋｍの時点で、駆動用指令信号の
サーボループ間の変化率が４０％となり、ステージ１３
の移動距離が１０００ｋｍでは、駆動用指令信号のサー
ボループ間の変化率が５０％まで上昇した。

【００６３】これに対し、本発明の案内装置は、ステー
ジ１３を１０００ｋｍ駆動させても駆動用指令信号のサ
ーボループ間の変化率が２０％と安定しており、移動後
の摩耗量を測定したところ、従来の案内装置の摩耗量に
対して１／５以下とすることができた。

【００６４】この結果、監視部１７，判定部１８，パラ
メータ調整部１９を備えた本発明の案内装置を用いれ
ば、寿命を大幅に向上させることができることが判る。

【００６５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、超音波
モータと、該超音波モータとの摩擦駆動により可動する
可動体と、該可動体の位置を検出する位置検出手段と、
該位置検出手段からの位置情報と予め設定した移動プロ
ファイルに基づく基準位置情報との偏差を基に演算し、
前記超音波モータを駆動させる駆動指令信号を出力する
駆動力制御部と、この駆動力制御部より出力される駆動
用指令信号のサーボループ間の変化率と上記偏差を時系
列的にそれぞれ監視する監視部とから超音波モータを可
動体の駆動源とする案内装置を構成したことから、可動
体の位置決め精度だけでなく、移動中における可動体の
位置精度についても容易に把握することができる。

【００６６】また、本発明によれば、上記駆動力制御部
での演算をＰＩＤ演算とし、上記監視部にて測定した駆
動用指令信号のサーボループ間の変化率及び／又は偏差
が、予め設定した変化率の規格値内及び／又は予め設定
した偏差規格値のしきい値内にそれぞれあるか否かを判
定する判定部を設けるようにしたことから、駆動特性の
変化を察知できることは勿論、駆動用指令信号のサーボ
ループ間の変化率の規格値内に入るＰＩＤ領域まで把握
しておけば、規格値を満足するＰＩＤ定数の範囲がどの
くらいの余裕度があるのか、またそれらが経時的にどの
ように変化していくかといった判断ができるため、トラ
ブルを未然に防ぐことができる。

【００６７】さらに、本発明によれば、上記判定部にて
判定した結果に基づき上記監視部にて測定した偏差が予
め設定した偏差規格値のしきい値内で、かつ上記判定部
にて判定した結果に基づき上記監視部にて測定した駆動
用指令信号のサーボループ間の変化率が予め設定した変
化率の規格値内となるように、ＰＩＤ演算に用いる制御
パラメータ（Ｐ項、Ｉ項、Ｄ項）を変更するパラメータ
調整部を設けるようにしたことから、超音波モータの摩
擦部材と可動体との当接面間における滑りを抑えること
ができ、特に判定部における偏差規格値のしきい値を、
その偏差規格値の８０％以内とするとともに、上記駆動
用指令信号のサーボループ間における変化率の規格値を
３０％以下とすることで、可動体を所定の目標位置に精
度良く位置決めすることができるとともに、移動中にお
ける可動体の位置ズレも小さいため、安定した移動を実
現することができ、さらには超音波モータの摩擦部材や
駆動力伝達部材の異常摩耗を抑え、案内装置の寿命を向
上させることができる。

【００６８】その為、本発明の案内装置を用いれば、駆
動途中における可動体の高い位置精度が要求される精密
加工用工作機械、精密測定装置、半導体製造工程におけ
る描画露光装置等の案内装置にも好適に用いることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】超音波モータを可動体の駆動源とする本発明の
案内装置の一例を示す模式図である。

【図２】超音波モータを可動体の駆動源とする本発明の
案内装置の応用例を示す模式図である。

【図３】超音波モータを可動体の駆動源とする本発明の
案内装置の応用例を示す模式図である。

【図４】図３における本発明の案内装置の制御の流れを
示すチャート図である。

【図５】（ａ）〜（ｄ）は制御パラメータを変更する前
の偏差の絶対値、駆動用指令信号（電圧）の絶対値、サ
ーボループ間の変化率、超音波モータ１５と駆動力伝達
部材１４との間の伝達効率をそれぞれ示すグラフであ
り、（ｅ）〜（ｈ）は制御パラメータを変更した後の偏
差の絶対値、駆動用指令信号（電圧）の絶対値、サーボ
ループ間の変化率、超音波モータ１５と駆動力伝達部材
１４との間の伝達効率をそれぞれ示すグラフである。

【図６】超音波モータを可動体の駆動源とする従来の案
内装置の一例を示す模式図である。

【図７】本件出願人らが先に提案した超音波モータを可
動体の駆動源とする案内装置を示す模式図である。

【符号の説明】

１０，５０ ：駆動力制御部 １１，５１ ：ベース基盤 １２，５２ ：ガイド部材 １３，５３ ：ステージ １４，５４ ：駆動力伝達部材 １５，５５ ：超音波モータ １５ａ，５５ａ：摩擦部材 １５ｂ，５５ｂ：弾性体 １５ｄ，５５ｄ：ケース １６，５６ ：位置検出手段 １６ａ，５６ａ：リニアスケール １６ｂ，５６ｂ：検出ヘッド １７，５７ ：監視部 １８ ：判定部 １９ ：パラメータ調整部 ５５ｃ ：ばね ５７ ：監視部 ５８ ：予圧制御部 ５９ ：アクチュエータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石峯 裕作 鹿児島県国分市山下町１番１号 京セラ株 式会社鹿児島国分工場内 Ｆターム(参考） 2F078 CA02 CA08 CB02 CB05 CB09 CB12 CC07 CC11 5H303 AA06 CC01 CC10 DD08 DD14 DD17 FF06 GG06 HH02 HH07 JJ01 JJ09 KK02 KK03 KK04 KK18 KK22 KK24 KK36 LL03 5H680 BB01 BB13 BB20 BC01 BC02 BC10 DD55 DD65 DD73

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波モータと、該超音波モータとの摩擦
   駆動により可動する可動体と、該可動体の位置を検出す
   る位置検出手段と、該位置検出手段からの位置情報と、
   予め設定した移動プロファイルに基づく基準位置情報と
   の偏差を基に演算し、上記超音波モータを駆動させる駆
   動指令信号を出力する駆動力制御部と、該駆動力制御部
   より出力される駆動用指令信号のサーボループ間の変化
   率及び上記偏差を時系列的にそれぞれ監視する監視部と
   を有することを特徴とする超音波モータを可動体の駆動
   源とする案内装置。
2. 【請求項２】上記駆動力制御部での演算がＰＩＤ演算で
   あって、上記監視部にて測定した駆動用指令信号のサー
   ボループ間の変化率及び偏差が、予め設定した変化率の
   規格値内及び予め設定した偏差規格値のしきい値内にそ
   れぞれあるか否かを判定する判定部を有することを特徴
   とする請求項１に記載の超音波モータを可動体の駆動源
   とする案内装置。
3. 【請求項３】上記判定部にて判定した結果に基づき上記
   監視部にて測定した偏差が、予め設定した偏差規格値の
   しきい値内で、かつ上記判定部にて判定した結果に基づ
   き上記監視部にて測定した駆動用指令信号のサーボルー
   プ間の変化率が、予め設定した変化率の規格値内となる
   ように、ＰＩＤ演算に用いる制御パラメータ（Ｐ項、Ｉ
   項、Ｄ項）をそれぞれ変更するパラメータ調整部を有す
   ることを特徴とする請求項２に記載の超音波モータを可
   動体の駆動源とする案内装置。
4. 【請求項４】上記駆動用指令信号のサーボループ間にお
   ける変化率の規格値が３０％以下であるとともに、上記
   偏差規格値のしきい値が偏差規格値の８０％以内である
   ことを特徴とする請求項３に記載の超音波モータを可動
   体の駆動源する案内装置。