JP2005261025A - Ultrasonic motor, moving device and its driving method - Google Patents
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Abstract
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
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
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
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。
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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V1=V0sin2πftの共振周波数の電圧を印加し、この電圧V1と位相が90度ずれた電圧V2=V0cos2πft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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
Claims (6)
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.
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.
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:
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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-
2004
- 2004-03-10 JP JP2004066504A patent/JP2005261025A/en active Pending
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