JP2005261025A - Ultrasonic motor, moving device and its driving method - Google Patents

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Takeshi Fujimura
健 藤村
Masaaki Toyama
正明 外山
Kazumasa Asumi
一将 阿隅
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic motor in which generation of strange sound is suppressed at the time of driving and moving efficiency of a driven body is enhanced. <P>SOLUTION: The ultrasonic motor 10 for friction driving a driven body 40 comprises two ultrasonic vibrators 11a and 11b, a friction sliding part head 13 displacing by butting against the driven body 40 and driving the ultrasonic vibrators 11a and 11b, and a telescopic piezoelectric actuator 15 for controlling the position of the head 13 in the direction being pressed by the driven body 40 at the time of nonresonant driving of the ultrasonic vibrators 11a and 11b. When the head 13 is pulled back reversely to the moving direction of the driven body 40, the head 13 is separated from the driven body 40 by contracting the piezoelectric actuator 15 thus suppressing generation of strange sound and reversion of the driven body 40. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、被駆動体を摩擦駆動して移動させる超音波モータ、この超音波モータを備えた移動装置および移動装置の駆動方法に関する。   The present invention relates to an ultrasonic motor that moves a driven body by friction driving, a moving device including the ultrasonic motor, and a driving method of the moving device.

図9に示すように、2個の超音波振動子111a・111bと、超音波振動子111a・111bを所定の角度(例えば、90度)で保持する保持部材112と、略V字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体101と接し、その端部(V字型の開いている方)で超音波振動子111a・111bと接続されたヘッド113と、を備えた共振型の超音波モータ100が知られている(例えば、特許文献1参照)。このヘッド113をバネ等の予圧機構114によって被駆動体101に押圧することにより、移動装置が構成される。   As shown in FIG. 9, two ultrasonic transducers 111a and 111b, a holding member 112 that holds the ultrasonic transducers 111a and 111b at a predetermined angle (for example, 90 degrees), and a substantially V-shaped shape. And a head 113 that is in contact with the driven body 101 at the apex portion and connected to the ultrasonic transducers 111a and 111b at the end portion (the V-shaped open side). An ultrasonic motor 100 is known (see, for example, Patent Document 1). The moving device is configured by pressing the head 113 against the driven body 101 by a preload mechanism 114 such as a spring.

超音波振動子111a・111bはそれぞれ圧電素子115a・115bを備えており、例えば、超音波振動子111a・111bを位相が90度ずれた共振周波数電圧で駆動すると(つまり圧電素子115a・115bに位相が90度ずれた共振周波数電圧を印加すると)、ヘッド113が楕円運動する。   The ultrasonic vibrators 111a and 111b are respectively provided with piezoelectric elements 115a and 115b. For example, when the ultrasonic vibrators 111a and 111b are driven at a resonance frequency voltage whose phase is shifted by 90 degrees (that is, the piezoelectric elements 115a and 115b are phase-shifted). Is applied 90 degrees), the head 113 moves elliptically.

ヘッド113が楕円軌道の上側(被駆動体101側)を通るとき、ヘッド113と被駆動体101との間の摩擦力により被駆動体101が移動する。一方、ヘッド113が楕円軌道の下側を通るときには、予圧機構114の動きはヘッド113の動きに追従できないために、ヘッド113は被駆動体101から離れて実質的に摩擦がなくなり、このため被駆動体101はヘッド113の動きに影響しない。これにより、楕円軌道の上側においてヘッド113が移動する向きに被駆動体101を移動させることができる。   When the head 113 passes the upper side of the elliptical orbit (the driven body 101 side), the driven body 101 moves due to the frictional force between the head 113 and the driven body 101. On the other hand, when the head 113 passes below the elliptical orbit, the movement of the preload mechanism 114 cannot follow the movement of the head 113, so that the head 113 moves away from the driven body 101 and is substantially free of friction. The driver 101 does not affect the movement of the head 113. Thereby, the driven body 101 can be moved in the direction in which the head 113 moves on the upper side of the elliptical orbit.

被駆動体101の移動速度は、超音波モータ100の駆動周波数の振動振幅を変える(つまり、駆動電圧値を変える)こと等により、調整することができるが、共振駆動ではヘッド113の慣性によって駆動電圧を切った後にもヘッド113が微少に動くことによって、高い精度(例えば、数十nm)での位置決めは困難である。
特開2000−152671号公報(図1)
The moving speed of the driven body 101 can be adjusted by changing the vibration amplitude of the driving frequency of the ultrasonic motor 100 (that is, changing the driving voltage value). However, in the resonance driving, the moving speed is driven by the inertia of the head 113. Positioning with high accuracy (for example, several tens of nm) is difficult because the head 113 slightly moves even after the voltage is turned off.
JP 2000-152671 A (FIG. 1)

このような不都合を解決するために、発明者らは、ヘッド113の慣性を低下させる方法として、超音波モータ100を共振周波数よりも低い周波数で駆動する非共振駆動について検討した。しかし、一般的に、このような非共振駆動の場合には、予圧機構114がヘッド113を押圧する力の変化がヘッド113の運動に追従してしまうために、ヘッド113と被駆動体101とが摩擦により接した状態のままとなるため、微小範囲で動くだけで、被駆動体101を移動させることはできない。   In order to solve such an inconvenience, the inventors examined non-resonant driving in which the ultrasonic motor 100 is driven at a frequency lower than the resonant frequency as a method of reducing the inertia of the head 113. However, in general, in such non-resonant driving, a change in the force with which the preload mechanism 114 presses the head 113 follows the movement of the head 113, so the head 113 and the driven body 101 Remains in contact with each other due to friction, and the driven body 101 cannot be moved only by moving within a minute range.

そこで、本発明者らは、先に特願2003−144803号において、超音波モータ100を共振周波数よりも低い周波数で非共振駆動し、その際に、超音波モータ100の駆動電圧を急激に小さくすることで、ヘッド113を被駆動体101から滑らせ、それを繰り返すことにより、被駆動体101を移動させる方法を提案した。このような駆動方法によれば、被駆動体101を1回(1波形)あたり数十nm〜数百nmで移動させることができるために、それを繰り返すことにより被駆動体101を所定距離移動させることができ、しかも位置決め精度を高めることができる。   Therefore, the inventors of the present invention previously non-resonantly driven the ultrasonic motor 100 at a frequency lower than the resonance frequency in Japanese Patent Application No. 2003-144803, and at that time, the drive voltage of the ultrasonic motor 100 was rapidly reduced. Thus, a method of moving the driven body 101 by sliding the head 113 from the driven body 101 and repeating it was proposed. According to such a driving method, the driven body 101 can be moved by several tens of nm to several hundreds of nm per one time (one waveform). In addition, positioning accuracy can be improved.

しかしながら、特願2003−144803号に開示した駆動方法では、ヘッド113を滑らせる際に、音が発生してしまうという新たな問題が生じている。このような異音は、例えば、装置が配設される場所の作業環境として好ましいものではない。また、ヘッド113が完全には滑らずに被駆動体101が幾分か戻ってしまう、つまり移動効率の低下が起こるために、移動効率を高めることが望まれる。   However, the driving method disclosed in Japanese Patent Application No. 2003-144803 has a new problem that sound is generated when the head 113 is slid. Such abnormal noise is not preferable, for example, as a work environment where the apparatus is installed. Further, since the driven body 101 returns somewhat without the head 113 completely slipping, that is, the movement efficiency is lowered, it is desired to increase the movement efficiency.

本発明はこのような新たな問題を解決するためになされたものであり、異音の発生を抑制し、かつ、被駆動体の移動効率を高めた移動装置およびその駆動方法を提供することを目的とする。また、本発明は、この移動装置に好適に用いられるアクチュエータを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve such a new problem, and provides a moving device that suppresses the generation of abnormal noise and increases the moving efficiency of a driven body, and a driving method thereof. Objective. Moreover, an object of this invention is to provide the actuator used suitably for this moving apparatus.

本発明は第1発明として、被駆動体を摩擦駆動する超音波モータであって、
超音波振動子と、
前記被駆動体に当接し、前記超音波振動子を駆動することによって変位する摩擦摺動部と、
前記超音波振動子を非共振駆動させる際に、前記摩擦摺動部が前記被駆動体に押圧される方向における前記摩擦摺動部の位置を制御する、伸縮自在なアクチュエータと、
を具備することを特徴とする超音波モータ、を提供する。
As a first invention, the present invention is an ultrasonic motor that frictionally drives a driven body,
An ultrasonic transducer,
A friction sliding portion that contacts the driven body and is displaced by driving the ultrasonic vibrator;
A retractable actuator that controls the position of the friction sliding portion in a direction in which the friction sliding portion is pressed against the driven body when the ultrasonic vibrator is driven in a non-resonant manner;
An ultrasonic motor is provided.

このような超音波モータの好ましい形態としては、超音波振動子として圧電素子を備えたランジュバン型構造を有するものを2個備え、これら2個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材をさらに備え、摩擦摺動部としてその頂点部で前記被駆動体と接し、その端部に前記2個の超音波振動子がそれぞれ接続されるように、略V字型の形状を有するものを備えている形態が挙げられ、この場合において、アクチュエータは保持部材に取り付けられる。   As a preferable form of such an ultrasonic motor, two holding members having a Langevin type structure including a piezoelectric element as an ultrasonic vibrator are provided, and a holding member that holds these two ultrasonic vibrators at a predetermined angle. And having a substantially V-shaped shape as a frictional sliding portion so as to be in contact with the driven body at the apex portion thereof and to be connected to the two ultrasonic transducers at the end portions thereof, respectively. In this case, the actuator is attached to the holding member.

本発明は第2発明として、このような超音波モータを備えた移動装置を提供する。すなわち、被駆動体を超音波モータによって摩擦駆動することにより前記被駆動体を移動させる移動装置であって、
前記超音波モータは、超音波振動子と、前記被駆動体に当接し、前記超音波振動子を駆動することによって変位する摩擦摺動部と、前記摩擦摺動部を一定の力で前記被駆動体に押圧する予圧機構と、前記予圧機構が前記摩擦摺動部を押圧する方向において変位自在なアクチュエータとを有し、
前記超音波モータを非共振駆動する際に、前記摩擦摺動部の位置を制御するために前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ制御装置を具備することを特徴とする移動装置、を提供する。
As a second invention, the present invention provides a moving apparatus provided with such an ultrasonic motor. That is, a moving device that moves the driven body by friction driving the driven body with an ultrasonic motor,
The ultrasonic motor includes an ultrasonic vibrator, a friction sliding portion that is in contact with the driven body and is displaced by driving the ultrasonic vibrator, and the friction sliding portion is moved with a constant force. A preload mechanism that presses against the drive body, and an actuator that is displaceable in a direction in which the preload mechanism presses the friction sliding portion,
Provided is a moving device comprising an actuator control device for driving the actuator to control the position of the frictional sliding portion when the ultrasonic motor is driven non-resonantly.

このような移動装置において用いられる超音波モータの好適な形態は、第1発明と同様である。すなわち、超音波モータとしては、圧電素子を備えたランジュバン型の2個の超音波振動子と、これら2個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略V字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記2個の超音波振動子と接続された摩擦摺動部と、を具備するものが好適に用いられる。   The preferred form of the ultrasonic motor used in such a moving apparatus is the same as that of the first invention. That is, as an ultrasonic motor, two Langevin type ultrasonic transducers provided with a piezoelectric element, a holding member for holding these two ultrasonic transducers at a predetermined angle, and a substantially V-shaped shape. And a frictional sliding portion that is in contact with the driven body at the apex portion and is connected to the two ultrasonic vibrators at the end portion.

本発明は第3発明として、前記第2発明に係る移動装置の駆動方法であって、
前記被駆動体を摩擦移動させる向きに対して前記摩擦摺動部を逆向きに移動させて前記摩擦摺動部を引き戻す際に、前記摩擦摺動部と前記被駆動体とが実質的に離間するように前記アクチュエータを変位させることを特徴とする移動装置の駆動方法、が提供される。
The present invention provides, as a third invention, a driving method for a moving device according to the second invention,
When the friction sliding portion is moved in the opposite direction with respect to the direction in which the driven body is frictionally moved to pull back the friction sliding portion, the friction sliding portion and the driven body are substantially separated from each other. Thus, there is provided a driving method of a moving device, characterized in that the actuator is displaced.

このような移動装置の駆動方法においては、被駆動体を移動させる向きに対して前記摩擦摺動部が移動する向きが同じとなる際に、被駆動体に前記摩擦摺動部から与えられる摩擦力が大きくなるように前記アクチュエータを伸張させ、一方、前記摩擦摺動部を引き戻すために被駆動体を移動させる向きに対して前記摩擦摺動部が移動する向きが逆となる際に、被駆動体と前記摩擦摺動部とが離間するように、前記アクチュエータを縮小させることが好ましい。   In such a driving method of the moving device, the friction applied to the driven body from the friction sliding portion when the moving direction of the friction sliding portion is the same as the moving direction of the driven body. The actuator is extended so that the force is increased, while the direction in which the friction sliding portion moves is opposite to the direction in which the driven body is moved to pull back the friction sliding portion. It is preferable to reduce the actuator so that the driving body and the friction sliding portion are separated from each other.

このような移動装置およびその駆動方法によれば、超音波モータを非共振駆動または直流駆動する際に、超音波モータの摩擦摺動面を被駆動体に当てた状態で滑らせないので、異音の発生を防止することができ、かつ、被駆動体の戻りを防止することもできる。これによって、被駆動体を静粛に高速で移動させることができる。また、高精度な位置決めも可能となる。   According to such a moving device and its driving method, when the ultrasonic motor is driven non-resonant or DC, the frictional sliding surface of the ultrasonic motor is not slid in a state where it is in contact with the driven body. Generation of sound can be prevented, and return of the driven body can also be prevented. As a result, the driven body can be moved silently at high speed. In addition, highly accurate positioning is possible.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、超音波モータ10の概略構造を示す断面図である。この超音波モータ10が先に図9に示した超音波モータ100と異なる点は、超音波モータ10が圧電アクチュエータ15を備えている点のみであるが、ここで超音波モータ10の構造について詳細に説明することとする。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of the ultrasonic motor 10. The ultrasonic motor 10 is different from the ultrasonic motor 100 previously shown in FIG. 9 only in that the ultrasonic motor 10 includes a piezoelectric actuator 15. Here, the structure of the ultrasonic motor 10 is described in detail. It will be explained in the following.

超音波モータ10は、ランジュバン型の構造を有する2個の超音波振動子11a・11bと、超音波振動子11a・11bを90度の角度で保持する保持部材12と、被駆動体40に接する略V字型の形状を有するヘッド13と、保持部材12に取り付けられた圧電アクチュエータ15と、を有している。圧電アクチュエータ15には、圧電アクチュエータ15および保持部材12を介してヘッド13を所定の力で被駆動体40に押し付ける予圧機構14が取り付けられている。なお、被駆動体40はX方向に延在する図示しないガイドに取り付けられており、X方向に移動自在である。   The ultrasonic motor 10 is in contact with two driven vibrators 40, two ultrasonic vibrators 11 a and 11 b having a Langevin type structure, a holding member 12 that holds the ultrasonic vibrators 11 a and 11 b at an angle of 90 degrees. The head 13 has a substantially V-shape and the piezoelectric actuator 15 attached to the holding member 12. A preload mechanism 14 is attached to the piezoelectric actuator 15 to press the head 13 against the driven body 40 with a predetermined force via the piezoelectric actuator 15 and the holding member 12. The driven body 40 is attached to a guide (not shown) extending in the X direction and is movable in the X direction.

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。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。保持部材12にはボルト21・21′を通すための孔部が設けられている。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。   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. 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 '. The holding member 12 is provided with holes for allowing the bolts 21 and 21 'to pass therethrough. The number of piezoelectric plates provided in one ultrasonic transducer is arbitrary and is not limited to two.

ヘッド13は、被駆動体40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′から構成されており、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。   The head 13 connects the contact portion 13a in contact with the driven body 40, the connection portions 13b and 13b 'connected to the ultrasonic transducers 11a and 11b, and the contact portion 13a and the connection portions 13b and 13b'. Neck portions 13c and 13c 'are formed, and screw holes for fitting into the screw grooves of the bolts 21 and 21' are formed in the connecting portions 13b and 13b ', respectively.

なお、圧電板23a・23bは袋ナット22とヘッド13の連結部13bによって所定の力で締め付けられ、これによってランジュバン型の超音波振動子11aが得られることから、ヘッド13の連結部13bは超音波振動子11aの構成要素でもある。同様に、連結部13b′は超音波振動子11bの構成要素でもある。   The piezoelectric plates 23a and 23b are fastened with a predetermined force by the connecting portion 13b of the cap nut 22 and the head 13, thereby obtaining the Langevin type ultrasonic transducer 11a. It is also a component of the acoustic wave oscillator 11a. Similarly, the connecting portion 13b ′ is also a constituent element of the ultrasonic transducer 11b.

図1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る。このように、超音波モータ10においては、ヘッド13は被駆動体40を摩擦駆動する摺動部であるばかりでなく、圧電板23a・23bを締め付けて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。勿論、2個のナットで圧電体23a・23bを締め付けて構成されるランジュバン型振動子を準備し、一方のナットをヘッド13の連結部13bにネジ止めや接着剤による接着や溶接等によって取り付けることによって、超音波モータ10と同等の超音波モータを構成してもよい。   As shown in FIG. 1, 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. Accordingly, the piezoelectric plates 23a and 23b are fastened with a predetermined force. Thus, in the ultrasonic motor 10, the head 13 is not only a sliding portion that frictionally drives the driven body 40, but also serves as a member that constitutes a Langevin type vibrator by tightening the piezoelectric plates 23a and 23b. Is responsible. Of course, a Langevin type vibrator constituted by fastening the piezoelectric bodies 23a and 23b with two nuts is prepared, and one nut is attached to the connecting portion 13b of the head 13 by screwing, bonding with an adhesive, welding or the like. Thus, an ultrasonic motor equivalent to the ultrasonic motor 10 may be configured.

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。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。   Electrodes (not shown) are formed on the front and back surfaces of the piezoelectric plates 23a, 23b, 23a ', and 23b'. 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 in the thickness direction or contract together.

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. -The ground for driving 23b 'can be taken simultaneously.

超音波振動子11aの圧電板23a・23bを伸縮させ、またこれと同時に超音波振動子11bの圧電板23a′・23b′を伸縮させた際には、ヘッド13のネック部13c・13c′が適度にしなって、超音波振動子11a・11bの変位が当接部13aにおいて合成され、これによって当接部13aが変位する。   When the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic transducer 11a are expanded and contracted, and at the same time, the piezoelectric plates 23a 'and 23b' of the ultrasonic transducer 11b are expanded and contracted, the neck portions 13c and 13c 'of the head 13 are moved. As a result, the displacements of the ultrasonic transducers 11a and 11b are synthesized at the contact portion 13a, and thereby the contact portion 13a is displaced.

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が金属製であっても、ヘッド13は電極板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もまた接地される。なお、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も好ましい。また、ヘッド13を金属材料で作製し、当接部13aにセラミック部材を配設し、このセラミック部材が実質的に被駆動体40と接するようにしてもよい。   For the head 13, 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 is used. If the head 13 is made of metal, it is easy to form a screw groove for connecting the bolt 13 to the head 13. Even if the head 13 is made of metal, since the head 13 is electrically connected to the electrode plate 24a, if either the holding member 12 or the cap nuts 22 and 22 'of the ultrasonic transducers 11a and 11b is grounded, the head 13 Are also grounded. 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. Alternatively, the head 13 may be made of a metal material, and a ceramic member may be disposed on the contact portion 13 a so that the ceramic member substantially contacts the driven body 40.

圧電アクチュエータ15には、一体焼成型圧電アクチュエータが好適に用いられる。このような圧電アクチュエータ15は、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂接着剤を用いて保持部材12に取り付けることができる。なお、円筒状の積層型圧電アクチュエータを用いる場合には、圧電板23a等と同様に、ボルト締めにより保持部材12に固定することもできる。   As the piezoelectric actuator 15, an integrally fired piezoelectric actuator is preferably used. Such a piezoelectric actuator 15 can be attached to the holding member 12 using a resin adhesive such as an epoxy resin, for example. When a cylindrical laminated piezoelectric actuator is used, it can be fixed to the holding member 12 by bolting, similarly to the piezoelectric plate 23a and the like.

予圧機構14としては、例えば、エアーシリンダや油圧シリンダ、バネ等が用いられる。図1では、予圧機構14としてバネ(スプリングコイル)14aを備えたものを示している。この場合、図1に示すように、バネ14aの全長よりも短い金属棒14bを圧電アクチュエータ15に取り付け、この金属棒14bがバネ14a内を挿通するようにバネ14aを配置し、バネ14aを縮ませて金属棒14bの他端を超音波モータ10を配置するためのフレーム14c等に固定する。これによりバネ14aの縮み量に応じた予圧で、ヘッド13を被駆動体40に押し当てることができる。   For example, an air cylinder, a hydraulic cylinder, a spring, or the like is used as the preload mechanism 14. In FIG. 1, the preload mechanism 14 including a spring (spring coil) 14a is shown. In this case, as shown in FIG. 1, a metal rod 14b shorter than the entire length of the spring 14a is attached to the piezoelectric actuator 15, the spring 14a is arranged so that the metal rod 14b passes through the spring 14a, and the spring 14a is contracted. The other end of the metal rod 14b is fixed to a frame 14c or the like for arranging the ultrasonic motor 10. Accordingly, the head 13 can be pressed against the driven body 40 with a preload corresponding to the amount of contraction of the spring 14a.

次に、超音波モータ10を備えた移動装置の構成とその駆動方法について説明する。図2に超音波モータ10を備えた移動装置50の構成を示す説明図を示す。移動装置50は、被駆動体40と、被駆動体40を摩擦駆動して所定位置へ移動させる超音波モータ10と、被駆動体40の位置を検出する位置センサ45と、被駆動体40の移動制御および位置制御のために超音波モータ10の駆動制御を行うモータ駆動制御装置55と、を有している。   Next, a configuration of a moving device including the ultrasonic motor 10 and a driving method thereof will be described. FIG. 2 is an explanatory diagram showing the configuration of the moving device 50 including the ultrasonic motor 10. The moving device 50 includes a driven body 40, an ultrasonic motor 10 that frictionally drives the driven body 40 and moves the driven body 40 to a predetermined position, a position sensor 45 that detects the position of the driven body 40, and the driven body 40. And a motor drive control device 55 that controls the drive of the ultrasonic motor 10 for movement control and position control.

モータ駆動制御装置55は、超音波モータ10が具備する超音波振動子11a・11bの駆動を制御するための信号を発信する振動子制御手段51と、振動子制御手段51から発信された制御信号を超音波振動子11a・11bの駆動信号に変換する信号調整手段52と、振動子制御手段51から発信された制御信号に基づいて圧電アクチュエータ15の駆動を制御するアクチュエータ制御手段53と、を備えている。   The motor drive control device 55 includes a vibrator control means 51 for sending a signal for controlling the drive of the ultrasonic vibrators 11 a and 11 b included in the ultrasonic motor 10, and a control signal sent from the vibrator control means 51. Is provided with a signal adjusting means 52 for converting the drive signal into a drive signal for the ultrasonic vibrators 11a and 11b, and an actuator control means 53 for controlling the drive of the piezoelectric actuator 15 based on a control signal transmitted from the vibrator control means 51. ing.

振動子制御手段51では、被駆動体40を所定位置に移動させるという指示たる指示値を指示値発生部51aで発生させる。一方、被駆動体40の位置は、リニアゲージ等の位置センサ45によって検出され、そのデータが振動子制御手段51の振動子駆動制御部51bに送られる。振動子駆動制御部51bでは、指示値発生部51aから送られた指示値と位置センサ45から送られた位置データとの偏差を計算し、その結果に基づいて例えばPID演算処理を行い、ヘッド13を駆動するために超音波振動子11a・11bを駆動するための制御信号を発生させ、それを出力する。   In the vibrator control means 51, an instruction value generating unit 51a generates an instruction value for instructing to move the driven body 40 to a predetermined position. On the other hand, the position of the driven body 40 is detected by a position sensor 45 such as a linear gauge, and the data is sent to the vibrator drive controller 51 b of the vibrator controller 51. The transducer drive control unit 51b calculates a deviation between the instruction value sent from the instruction value generation unit 51a and the position data sent from the position sensor 45, and performs, for example, PID calculation processing based on the result, and the head 13 Control signals for driving the ultrasonic transducers 11a and 11b are generated and output.

この制御信号としては、sin波、cos波、矩形波、三角波、鋸波等が挙げられる。この制御信号は超音波振動子11aを駆動するための信号と、超音波振動子11bを駆動するための信号とを有している。また、この制御信号の周波数は、被駆動体40の位置が目的位置から離れているために高速で被駆動体40を移動させたい場合には共振周波数とすることが好ましい。一方、被駆動体40の位置が目的位置に近付いたために速度を落として被駆動体40を移動させたい場合には、後述するように、より低周波な非共振周波数とすることができる。   Examples of the control signal include a sin wave, a cosine wave, a rectangular wave, a triangular wave, and a sawtooth wave. This control signal has a signal for driving the ultrasonic transducer 11a and a signal for driving the ultrasonic transducer 11b. The frequency of the control signal is preferably the resonance frequency when the driven body 40 is moved at a high speed because the position of the driven body 40 is away from the target position. On the other hand, when the driven body 40 is moved at a reduced speed because the position of the driven body 40 approaches the target position, the non-resonant frequency can be set to a lower frequency as will be described later.

振動子駆動制御部51bから出力された制御信号は、信号調整手段52に入力される。信号調整手段52は具体的には制御信号の振幅増幅(電圧増幅)を行うアンプであり、信号調整手段52に入力された制御信号は、そこで超音波振動子11a・11bを駆動するために必要な電圧に増幅された後、超音波振動子11a・11bに出力される。   The control signal output from the vibrator drive control unit 51 b is input to the signal adjustment unit 52. Specifically, the signal adjustment means 52 is an amplifier that performs amplitude amplification (voltage amplification) of the control signal, and the control signal input to the signal adjustment means 52 is necessary for driving the ultrasonic transducers 11a and 11b there. After being amplified to an appropriate voltage, it is output to the ultrasonic transducers 11a and 11b.

また、振動子駆動制御部51bから出力された制御信号の情報はアクチュエータ制御手段53にも伝えられる。アクチュエータ制御手段53は、その構成は図示しないが、大略的に、振動子駆動制御部51bから出力された制御信号の情報を基に圧電アクチュエータ15へ駆動信号を送るか否かを判断する演算回路と、この演算回路が圧電アクチュエータ15を駆動すると判断した場合に圧電アクチュエータ15を駆動するための信号を発生させる信号発生部と、信号発生部で発生させた信号を所定の駆動電圧へ昇圧するアンプ部と、を備えている。   Further, information on the control signal output from the vibrator drive control unit 51 b is also transmitted to the actuator control unit 53. The actuator control means 53 is not shown in its configuration, but is generally an arithmetic circuit that determines whether or not to send a drive signal to the piezoelectric actuator 15 based on the information of the control signal output from the vibrator drive control unit 51b. A signal generation unit that generates a signal for driving the piezoelectric actuator 15 when the arithmetic circuit determines to drive the piezoelectric actuator 15, and an amplifier that boosts the signal generated by the signal generation unit to a predetermined drive voltage And a section.

演算回路は、超音波振動子11a・11bが共振周波数で駆動されていると判断した場合には、圧電アクチュエータ15の駆動信号を発生させることはない。一方、超音波振動子11a・11bが非共振周波数で駆動されていると判断した場合には、超音波振動子11a・11bの駆動周波数と駆動電圧の波形に適応させて、圧電アクチュエータ15のヘッド13の摩擦摺動面の位置を調整するために、圧電アクチュエータ15を伸縮させるための駆動信号を発生させるという指示を、アクチュエータ制御手段53が具備する信号発生部に送る。   When the arithmetic circuit determines that the ultrasonic transducers 11a and 11b are driven at the resonance frequency, the arithmetic circuit does not generate a drive signal for the piezoelectric actuator 15. On the other hand, if it is determined that the ultrasonic transducers 11a and 11b are driven at a non-resonant frequency, the head of the piezoelectric actuator 15 is adapted to the drive frequency and drive voltage waveforms of the ultrasonic transducers 11a and 11b. In order to adjust the position of the 13 friction sliding surfaces, an instruction to generate a drive signal for expanding and contracting the piezoelectric actuator 15 is sent to the signal generating unit provided in the actuator control means 53.

このように構成された移動装置50では、例えば、被駆動体40を所定位置へ移動させるという指示に基づいて、最初は超音波振動子11a・11bを共振周波数で駆動する。つまり、圧電板23a・23bにV=Vsin2πftの共振周波数の電圧を印加し、この電圧Vと位相が90度ずれた電圧V=Vcos2πftを超音波振動子11bの圧電板23a′・23b′に印加する。これにより、ヘッド13の摩擦摺動面が楕円運動し、被駆動体40に推力が与えられて、被駆動体40を高速移動させることができる。前述したように、超音波振動子11a・11bを共振周波数で駆動する場合には、圧電アクチュエータ15は駆動しない。 In the moving device 50 configured in this manner, for example, based on an instruction to move the driven body 40 to a predetermined position, the ultrasonic transducers 11a and 11b are first driven at the resonance frequency. That is, a voltage having a resonance frequency of V 1 = V 0 sin 2πft is applied to the piezoelectric plates 23a and 23b, and the voltage V 2 = V 0 cos 2πft having a phase shifted by 90 degrees from this voltage V 1 is applied to the piezoelectric plate of the ultrasonic transducer 11b. Applied to 23a 'and 23b'. As a result, the frictional sliding surface of the head 13 moves elliptically, thrust is applied to the driven body 40, and the driven body 40 can be moved at high speed. As described above, when the ultrasonic transducers 11a and 11b are driven at the resonance frequency, the piezoelectric actuator 15 is not driven.

被駆動体40が目的位置に近付いたら、超音波振動子11a・11bの駆動周波数を下げて、超音波モータ10を非共振駆動する。図3に超音波振動子11a・11bにそれぞれ印加する電圧の波形および圧電アクチュエータ15に印加する電圧の波形を示す。ここでは、超音波振動子11a・11bの非共振駆動に鋸波を用い、圧電アクチュエータ15の駆動に矩形波を用いることとする。また、超音波振動子11aの駆動に駆動電圧Aを、超音波振動子11bの駆動に駆動電圧Bを用いることとする。   When the driven body 40 approaches the target position, the drive frequency of the ultrasonic transducers 11a and 11b is lowered to drive the ultrasonic motor 10 in a non-resonant manner. FIG. 3 shows the waveform of the voltage applied to the ultrasonic transducers 11a and 11b and the waveform of the voltage applied to the piezoelectric actuator 15, respectively. Here, a sawtooth wave is used for non-resonant driving of the ultrasonic transducers 11a and 11b, and a rectangular wave is used for driving the piezoelectric actuator 15. The driving voltage A is used for driving the ultrasonic transducer 11a, and the driving voltage B is used for driving the ultrasonic transducer 11b.

図4に図3に示した駆動信号で超音波モータ10を非共振駆動させた際のヘッド13の摩擦摺動面の位置の変化を模式的に示す説明図を示す。ここで、図4においては、超音波振動子11aが−X側、超音波振動子11bが+X側にそれぞれあるものとする。   FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing a change in the position of the frictional sliding surface of the head 13 when the ultrasonic motor 10 is driven in a non-resonant manner by the drive signal shown in FIG. In FIG. 4, it is assumed that the ultrasonic transducer 11a is on the -X side and the ultrasonic transducer 11b is on the + X side.

超音波振動子11a・11bを図3に示す駆動電圧A・Bでそれぞれで動かした場合、ヘッド13の摩擦摺動面は、図4各図に示した略楕円軌道を描く。超音波振動子11aを駆動する電圧が上昇し、超音波振動子11bを駆動する電圧が降下している間は、図4(a)→(b)→(c)の順に、圧電アクチュエータ15には正の電圧(圧電アクチュエータ15が伸張する場合の電圧)が印加されていて、その長さが伸びているために、ヘッド13の摩擦摺動面はこの楕円軌道の上半分を移動している。このとき、ヘッド13の摩擦摺動面は被駆動体40と接しているため、ヘッド13の移動にしたがって、+X側に移動する。   When the ultrasonic transducers 11a and 11b are respectively moved by the drive voltages A and B shown in FIG. 3, the frictional sliding surface of the head 13 draws a substantially elliptical orbit shown in FIGS. While the voltage for driving the ultrasonic transducer 11a is increasing and the voltage for driving the ultrasonic transducer 11b is decreasing, the piezoelectric actuator 15 is applied in the order of FIG. 4 (a) → (b) → (c). Is applied with a positive voltage (voltage when the piezoelectric actuator 15 is extended), and its length is extended, so that the frictional sliding surface of the head 13 moves on the upper half of this elliptical orbit. . At this time, since the frictional sliding surface of the head 13 is in contact with the driven body 40, it moves to the + X side as the head 13 moves.

次に、圧電アクチュエータ15に印加する電圧を急激に負の電圧に変え、かつ、超音波振動子11aに印加する電圧も急降下させて負の電圧とするとともに、超音波振動子11bに印加する電圧を急上昇させて正の電圧とする。このとき、図4(d)に示されるように、圧電アクチュエータ15の急峻な縮小に予圧機構14が追従できないために、圧電アクチュエータ15の縮小によってヘッド13は被駆動体40から離れ、かつ、超音波振動子11a・11bに印加される電圧の変化によって、ヘッド13は−X側へ移動しようとする。その結果として、ヘッド13は図3の楕円軌道の下側の軌道を通って瞬時に−X側へと移動する。つまり、ヘッド13は、再び被駆動体40を移動させることができる位置へと引き戻され、図3(a)に示す状態に戻る。   Next, the voltage applied to the piezoelectric actuator 15 is suddenly changed to a negative voltage, and the voltage applied to the ultrasonic transducer 11a is also suddenly dropped to a negative voltage, and the voltage applied to the ultrasonic transducer 11b. Is rapidly increased to a positive voltage. At this time, as shown in FIG. 4D, since the preload mechanism 14 cannot follow the rapid reduction of the piezoelectric actuator 15, the head 13 is separated from the driven body 40 by the reduction of the piezoelectric actuator 15, and The head 13 tends to move to the −X side due to a change in the voltage applied to the acoustic transducers 11a and 11b. As a result, the head 13 instantaneously moves to the −X side through the lower track of the elliptical track of FIG. That is, the head 13 is pulled back to a position where the driven body 40 can be moved again, and returns to the state shown in FIG.

このとき、ヘッド13と被駆動体40との間には実質的に摩擦力が働いていないために、異音の発生を抑制することができ、しかも、被駆動体40の−X方向への移動も抑制することができる。なお、ヘッド13を被駆動体40を移動させることができる位置へ引き戻す時間は、50マイクロ秒(μsec)以内である。これ以上に長い時間であると、予圧機構14が追従してヘッド13を被駆動体40に押し当ててしまうからである。換言すれば、ヘッド13を引き戻す時間を50μsec以内として、この間にヘッド13が被駆動体40から離間するように、圧電アクチュエータ15を駆動すればよい。   At this time, since substantially no frictional force acts between the head 13 and the driven body 40, the generation of abnormal noise can be suppressed, and the driven body 40 in the -X direction can be suppressed. Movement can also be suppressed. The time for returning the head 13 to the position where the driven body 40 can be moved is within 50 microseconds (μsec). This is because if the time is longer than this, the preload mechanism 14 follows and presses the head 13 against the driven body 40. In other words, the piezoelectric actuator 15 may be driven so that the head 13 is pulled back within 50 μsec and the head 13 is separated from the driven body 40 during this time.

次に、ヘッドXが−X側へ移動し終わると同時に圧電アクチュエータ15に正の電圧を印加して伸張させる。その後、超音波振動子11aの駆動電圧を上昇させ、一方、超音波振動子11bの駆動電圧を降下させる。以降、このような操作を繰り返すことにより、被駆動体40を+X側へ移動させることができる。   Next, as soon as the head X finishes moving to the −X side, a positive voltage is applied to the piezoelectric actuator 15 to expand it. Thereafter, the drive voltage of the ultrasonic transducer 11a is increased, while the drive voltage of the ultrasonic transducer 11b is decreased. Thereafter, by repeating such an operation, the driven body 40 can be moved to the + X side.

図5は、このような図3に示す駆動信号により超音波モータ10を非共振駆動させた場合と、図3に示す駆動信号により超音波振動子11a・11bを駆動するが圧電アクチュエータ15を駆動しない場合における、被駆動体40の移動距離を示したグラフである。図5に示されるように、圧電アクチュエータ15を駆動した場合に、被駆動体40をより速く移動させることができることが確認された。   FIG. 5 shows a case where the ultrasonic motor 10 is driven non-resonant by the drive signal shown in FIG. 3 and a case where the ultrasonic transducers 11a and 11b are driven by the drive signal shown in FIG. 6 is a graph showing the moving distance of the driven body 40 when not. As shown in FIG. 5, it was confirmed that when the piezoelectric actuator 15 is driven, the driven body 40 can be moved faster.

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、上記説明においては、2つの超音波振動子11a・11bを略V字型に配置した構造を有する超音波モータ10を取り上げたが、これに限定されるものではなく、被駆動体に接するヘッドに共振駆動によって楕円運動を生じさせる超音波モータであればよい。   As mentioned above, although embodiment of this invention has been described, this invention is not limited to such a form. For example, in the above description, the ultrasonic motor 10 having a structure in which the two ultrasonic transducers 11a and 11b are arranged in a substantially V shape is taken up, but the present invention is not limited to this and is in contact with the driven body. Any ultrasonic motor that causes the head to generate an elliptical motion by resonance driving may be used.

その一例として、図6の側面図に示す超音波モータ70が挙げられる。この超音波モータ70は、伸縮変位を生ずる圧電素子71a・71bと、圧電素子71a・71bを互いに直交配置する保持部材73と、圧電素子71a・71bを連結するとともに被駆動体40に当接するヘッド72と、保持部材73に取り付けられ、ヘッド72を被駆動体40に押圧する方向において伸縮する圧電アクチュエータ15と、ヘッド72を被駆動体40に押し当てるように圧電アクチュエータ15に取り付けられた予圧機構14と、を備えている。   As an example, there is an ultrasonic motor 70 shown in a side view of FIG. The ultrasonic motor 70 includes piezoelectric elements 71a and 71b that generate expansion / contraction displacement, a holding member 73 that orthogonally arranges the piezoelectric elements 71a and 71b, and a head that connects the piezoelectric elements 71a and 71b and contacts the driven body 40. 72, the piezoelectric actuator 15 which is attached to the holding member 73 and expands and contracts in the direction in which the head 72 is pressed against the driven body 40, and the preload mechanism which is attached to the piezoelectric actuator 15 so as to press the head 72 against the driven body 40. 14.

この超音波モータ70の共振駆動は、例えば、圧電素子71a・71bの一方を共振周波数で駆動することにより行われ、これによりヘッド83に楕円運動を生じさせることができる。また、超音波モータ70の非共振駆動は、例えば、圧電素子71aを図3に示した駆動電圧Aで駆動し、同時に圧電アクチュエータ15を図3に示した矩形波電圧で行う。これにより、ヘッド72に図4に示したヘッド13と実質的に同じ動きを生じさせることができる。   The resonance driving of the ultrasonic motor 70 is performed, for example, by driving one of the piezoelectric elements 71a and 71b at the resonance frequency, and thereby an elliptical motion can be generated in the head 83. Further, the non-resonant driving of the ultrasonic motor 70 is performed, for example, by driving the piezoelectric element 71a with the driving voltage A shown in FIG. 3, and simultaneously performing the piezoelectric actuator 15 with the rectangular wave voltage shown in FIG. Thereby, it is possible to cause the head 72 to move substantially the same as the head 13 shown in FIG.

また、別の例として、図7の側面図に示す超音波モータ80が挙げられる。この超音波モータ80は、1枚の矩形の圧電板81と、縦横に分割されるようにして圧電板81の表面に形成された4個の駆動電極82a〜82dと、圧電板81の裏面に設けられた共通電極(図示せず)と、圧電板81の短辺の中心部に設けられ、被駆動体(図示せず)に当接するヘッド83と、ヘッド83を被駆動体40に押圧する方向において伸縮する圧電アクチュエータ15と、ヘッド83を被駆動体40に押し当てるように圧電アクチュエータ15に取り付けられた予圧機構14と、を備えている。   Another example is an ultrasonic motor 80 shown in the side view of FIG. The ultrasonic motor 80 includes one rectangular piezoelectric plate 81, four drive electrodes 82 a to 82 d formed on the surface of the piezoelectric plate 81 so as to be divided vertically and horizontally, and a back surface of the piezoelectric plate 81. A common electrode (not shown) provided, a head 83 provided at the center of the short side of the piezoelectric plate 81 and abutting against a driven body (not shown), and pressing the head 83 against the driven body 40 The piezoelectric actuator 15 that expands and contracts in the direction and the preload mechanism 14 attached to the piezoelectric actuator 15 so as to press the head 83 against the driven body 40 are provided.

この超音波モータ80では、4つの駆動電極82a〜82dを、たすき掛け接続して2組の電極とする。超音波モータ80の共振駆動は、各組に位相が90度ずれた駆動電圧を印加することにより行われ、これによりヘッド83に楕円運動を生じさせることができる。超音波モータ80の非共振駆動は、例えば、先に図3に示した駆動電圧A・Bで行うことができ、これにより、ヘッド83に図4に示したヘッド13と実質的に同じ動きを生じさせることができる。   In this ultrasonic motor 80, the four drive electrodes 82a to 82d are connected to form two sets of electrodes. Resonant driving of the ultrasonic motor 80 is performed by applying a driving voltage whose phase is shifted by 90 degrees to each group, and thereby the elliptical motion can be generated in the head 83. The non-resonant driving of the ultrasonic motor 80 can be performed, for example, with the driving voltages A and B previously shown in FIG. 3, and this causes the head 83 to move substantially the same as the head 13 shown in FIG. Can be generated.

また別の例として、図8の断面図に示す、異形縮退縦L1−横B4モードの平板型超音波モータ(以下「L1B4型モータ」という)90が挙げられる。このL1B4型モータ90は、矩形の弾性体93と、弾性体93の表裏面にそれぞれ2個ずつ取り付けられた圧電素子94a〜94dと、弾性体93に生ずる振動を被駆動体40に伝える突起体95と、を有している。また、弾性体93の長手方向中央は振動の節となって変位しないために、この部分に圧電アクチュエータ15が取り付けられ、さらに圧電アクチュエータ15に予圧機構14を取り付けることにより、突起体95を被駆動体40に押し当てている。   As another example, there is a flat-type ultrasonic motor (hereinafter referred to as “L1B4 type motor”) 90 having a deformed degenerated vertical L1-horizontal B4 mode shown in the sectional view of FIG. The L1B4 type motor 90 includes a rectangular elastic body 93, two piezoelectric elements 94a to 94d attached to the front and back surfaces of the elastic body 93, and a protrusion that transmits vibration generated in the elastic body 93 to the driven body 40. 95. Further, since the center of the elastic body 93 in the longitudinal direction is a node of vibration and is not displaced, the piezoelectric actuator 15 is attached to this portion, and the preload mechanism 14 is further attached to the piezoelectric actuator 15 to drive the protrusion 95. It is pressed against the body 40.

圧電素子94a〜94dは、一般的には圧電体の表裏面に電極(図示せず)が形成された単板型の圧電素子である。圧電素子94a・94dを1組とし、圧電素子94b・94cを1組として、2組の駆動電極とする。超音波モータ90の共振駆動は、各組の駆動電極に位相が90度ずれた駆動電圧を印加することにより行われ、これにより弾性体93には長手方向の一次の伸縮共振と4次の曲げ共振が同時に発生し、その動きが組み合わさって突起体95に伝えられ、突起体95の先端に楕円運動が生ずる。超音波モータ90の非共振駆動は、例えば、先に図3に示した駆動電圧A・Bで行うことができ、このとき、突起体95に図4に示したヘッド13と実質的に同じ動きを生じさせることができる。   The piezoelectric elements 94a to 94d are generally single plate type piezoelectric elements in which electrodes (not shown) are formed on the front and back surfaces of a piezoelectric body. One set of piezoelectric elements 94a and 94d and one set of piezoelectric elements 94b and 94c are used as two sets of drive electrodes. Resonant driving of the ultrasonic motor 90 is performed by applying a driving voltage whose phase is shifted by 90 degrees to each pair of driving electrodes, thereby causing the elastic body 93 to have a first-order stretching resonance and a fourth-order bending in the longitudinal direction. Resonance occurs at the same time, and the movements are combined and transmitted to the protrusion 95, and an elliptical motion is generated at the tip of the protrusion 95. The non-resonant driving of the ultrasonic motor 90 can be performed, for example, with the driving voltages A and B previously shown in FIG. 3, and at this time, the protrusion 95 moves substantially the same as the head 13 shown in FIG. Can be generated.

本発明において、予圧機構によるヘッドの押圧方向におけるヘッドの位置を調整するために超音波モータに設けられるアクチュエータは、圧電効果を利用したものに限定されるものではなく、予圧機構の追従速度に応じて、例えば、電磁型アクチュエータを用いることもできる。   In the present invention, the actuator provided in the ultrasonic motor for adjusting the position of the head in the pressing direction of the head by the preload mechanism is not limited to that using the piezoelectric effect, and depends on the follow-up speed of the preload mechanism. For example, an electromagnetic actuator can also be used.

本発明の超音波モータ、移動装置およびその駆動方法は、半導体製造装置等に装着されるX−Yステージ装置とその駆動方法に好適である。   The ultrasonic motor, the moving device, and the driving method thereof according to the present invention are suitable for an XY stage device mounted on a semiconductor manufacturing apparatus or the like and a driving method thereof.

本発明に係る超音波モータの概略構造を示す断面図。Sectional drawing which shows schematic structure of the ultrasonic motor which concerns on this invention. 図1に示す超音波モータを備えた移動装置の構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the structure of the moving apparatus provided with the ultrasonic motor shown in FIG. 図1に示す超音波モータが具備する超音波振動子の駆動電圧波形および圧電アクチュエータの駆動電圧波形を示す説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a driving voltage waveform of an ultrasonic transducer and a driving voltage waveform of a piezoelectric actuator included in the ultrasonic motor shown in FIG. 1. 図3に示した駆動電圧で超音波モータを非共振駆動させた際の、ヘッドの摩擦摺動面の位置の変化を模式的に示す説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing a change in the position of the frictional sliding surface of the head when the ultrasonic motor is non-resonantly driven with the driving voltage shown in FIG. 3. 超音波モータの非共振駆動時における圧電アクチュエータの駆動の有無と被駆動体の移動距離との関係を示す説明図。Explanatory drawing which shows the relationship between the presence or absence of the drive of a piezoelectric actuator at the time of the nonresonant drive of an ultrasonic motor, and the moving distance of a to-be-driven body. 別の超音波モータの概略構造を示す側面図。The side view which shows schematic structure of another ultrasonic motor. さらに別の超音波モータの概略構造を示す側面図。Furthermore, the side view which shows schematic structure of another ultrasonic motor. さらに別の超音波モータの概略構造を示す断面図。Furthermore, sectional drawing which shows schematic structure of another ultrasonic motor. 公知の超音波モータの概略構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows schematic structure of a well-known ultrasonic motor.

符号の説明Explanation of symbols

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;予圧機構
14a;バネ
14b;金属棒
14c;フレーム
15;圧電アクチュエータ
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
40;被駆動体
45;位置センサ
50;移動装置
51;振動子制御手段
51a;指示値発生部
51b;振動子駆動制御部
52;信号調整手段
53;アクチュエータ制御手段
55;モータ駆動制御装置
70・80・90;超音波モータ
71a・71b・;圧電素子
72・83;ヘッド
73;保持部材
81;圧電板
82a〜82d;駆動電極
93;弾性体
94a〜94d;圧電素子
95;突起体
100;超音波モータ
101;被駆動体
111a・111b;超音波振動子
112;保持部材
113;ヘッド
114;予圧機構
115a・115b;圧電素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10; Ultrasonic motor 11a * 11b; Ultrasonic vibrator 12; Holding member 13; Head 13a; Contact part 13b * 13b '; Connecting part 13c * 13c'; Neck part 14; Preload mechanism 14a; 14c; Frame 15; Piezoelectric actuators 21 and 21 '; Bolts 22 and 22'; Cap nuts 23a, 23b, 23a 'and 23b'; Piezoelectric plates 24a to 24c; 24a 'to 24c'; Electrode plate 40; Position sensor 50; Moving device 51; Vibrator control means 51a; Instruction value generation unit 51b; Vibrator drive control unit 52; Signal adjustment means 53; Actuator control means 55; Motor drive control device 70/80/90; Motors 71a and 71b; Piezoelectric elements 72 and 83; Head 73; Holding member 81; Piezoelectric plates 82a to 82d; Drive electrode 9 3; elastic body 94a to 94d; piezoelectric element 95; projection body 100; ultrasonic motor 101; driven body 111a and 111b; ultrasonic vibrator 112; holding member 113; head 114; preload mechanism 115a and 115b;

Claims (6)

被駆動体を摩擦駆動する超音波モータであって、
超音波振動子と、
前記被駆動体に当接し、前記超音波振動子を駆動することによって変位する摩擦摺動部と、
前記超音波振動子を非共振駆動させる際に、前記摩擦摺動部が前記被駆動体に押圧される方向における前記摩擦摺動部の位置を制御する、伸縮自在なアクチュエータと、
を具備することを特徴とする超音波モータ。
An ultrasonic motor that frictionally drives a driven body,
An ultrasonic transducer,
A friction sliding portion that contacts the driven body and is displaced by driving the ultrasonic vibrator;
A retractable actuator that controls the position of the friction sliding portion in a direction in which the friction sliding portion is pressed against the driven body when the ultrasonic vibrator is driven in a non-resonant manner;
An ultrasonic motor comprising:
前記超音波振動子として圧電素子を備えたランジュバン型構造を有するものを2個具備し、
前記摩擦摺動部は、その頂点部で前記被駆動体と接し、その端部に前記2個の超音波振動子がそれぞれ接続されるように、略V字型の形状を有し、
前記超音波モータは、前記2個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材をさらに具備し、
前記アクチュエータは前記保持部材に取り付けられていることを特徴とする請求項1に記載の超音波モータ。
Two ultrasonic transducers having a Langevin type structure including a piezoelectric element are provided,
The frictional sliding portion has a substantially V-shaped shape so that the vertex is in contact with the driven body and the two ultrasonic transducers are connected to the end portions thereof,
The ultrasonic motor further includes a holding member that holds the two ultrasonic transducers at a predetermined angle,
The ultrasonic motor according to claim 1, wherein the actuator is attached to the holding member.
被駆動体を超音波モータによって摩擦駆動することにより前記被駆動体を移動させる移動装置であって、
前記超音波モータは、超音波振動子と、前記被駆動体に当接し、前記超音波振動子を駆動することによって変位する摩擦摺動部と、前記摩擦摺動部を一定の力で前記被駆動体に押圧する予圧機構と、前記予圧機構が前記摩擦摺動部を押圧する方向において変位自在なアクチュエータとを有し、
前記超音波モータを非共振駆動する際に、前記摩擦摺動部の位置を制御するために前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ制御装置を具備することを特徴とする移動装置。
A moving device that moves the driven body by frictionally driving the driven body with an ultrasonic motor,
The ultrasonic motor includes an ultrasonic vibrator, a friction sliding portion that is in contact with the driven body and is displaced by driving the ultrasonic vibrator, and the friction sliding portion is moved with a constant force. A preload mechanism that presses against the drive body, and an actuator that is displaceable in a direction in which the preload mechanism presses the friction sliding portion,
A moving device comprising: an actuator control device that drives the actuator to control the position of the frictional sliding portion when the ultrasonic motor is driven in a non-resonant manner.
前記超音波モータは、
圧電素子を備えたランジュバン型の2個の超音波振動子と、
前記2個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、
略V字型の形状を有し、その頂点部で前記被駆動体と接し、その端部で前記2個の超音波振動子と接続された摩擦摺動部と、
を具備することを特徴とする請求項3に記載の移動装置。
The ultrasonic motor is
Two Langevin type ultrasonic transducers with piezoelectric elements;
A holding member for holding the two ultrasonic transducers at a predetermined angle;
A frictional sliding portion having a substantially V-shaped shape, in contact with the driven body at an apex portion thereof, and connected to the two ultrasonic vibrators at an end portion thereof;
The moving apparatus according to claim 3, further comprising:
請求項3に記載の移動装置の駆動方法であって、
前記被駆動体を摩擦移動させる向きに対して前記摩擦摺動部を逆向きに移動させて前記摩擦摺動部を引き戻す際に、前記摩擦摺動部と前記被駆動体とが実質的に離間するように前記アクチュエータを変位させることを特徴とする移動装置の駆動方法。
A method for driving a moving device according to claim 3,
When the friction sliding portion is moved in the opposite direction with respect to the direction in which the driven body is frictionally moved to pull back the friction sliding portion, the friction sliding portion and the driven body are substantially separated from each other. A method for driving a moving device, wherein the actuator is displaced as described above.
前記被駆動体を移動させる向きに対して前記摩擦摺動部が移動する向きが同じとなる際に、前記被駆動体に前記摩擦摺動部から与えられる摩擦力が大きくなるように前記アクチュエータを伸張させ、
前記摩擦摺動部を引き戻すために前記被駆動体を移動させる向きに対して前記摩擦摺動部が移動する向きが逆となる際に、前記被駆動体と前記摩擦摺動部とが実質的に離間するように、前記アクチュエータを縮小させることを特徴とする請求項5に記載の移動装置の駆動方法。
When the direction in which the friction sliding portion moves is the same as the direction in which the driven body is moved, the actuator is adjusted so that the frictional force applied to the driven body from the friction sliding portion is increased. Stretch and
When the direction of movement of the friction sliding portion is opposite to the direction of movement of the driven body to pull back the friction sliding portion, the driven body and the friction sliding portion are substantially The method of driving a moving device according to claim 5, wherein the actuator is contracted so as to be separated from each other.
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