JP2010193633A - Jogging mechanism - Google Patents

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Shin Otsuka
慎 大塚
Yoshihiro Kami
喜裕 上
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress occurrence of noise at the time of driving by a burst wave drive signal, and to allow jog feeding in submicron order. <P>SOLUTION: The jogging mechanism includes a fixed stage 1, a moving body 3 which is movable and supported by the fixed stage 1, an ultrasonic motor 6 which moves the moving body 3 and the fixed stage 1 in a relative manner, and a control device 9 for outputting a drive signal of the ultrasonic motor 6. Here, the drive signal of the ultrasonic motor 6 means the drive signals of two kinds, having the same frequency and different phases. The two kinds of drive signals are different in maximum amplitude at jog driving and maximum amplitude at normal driving. At the time of jog driving, the maximum amplitude of one drive signal is different from that of the other drive signal. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、超音波モータを備えた微動機構に関する。   The present invention relates to a fine movement mechanism provided with an ultrasonic motor.

微細構造の観察に顕微鏡を用いる際、観察対象を目標位置に移動させるためにXYステージが利用されている。このXYステージには、観察対象の構造と同等以上の送り分解能を有する微小駆動性能や高速動作、及び静止時の安定性が求められている。   When using a microscope for observation of a fine structure, an XY stage is used to move an observation target to a target position. The XY stage is required to have a fine driving performance, high-speed operation, and stability at rest with a feed resolution equal to or higher than that of the structure to be observed.

超音波モータは、小型で高い応答性を示し、停止時には通電を必要としない、などの利点を有することから、超音波モータをXYステージのアクチュエータとして採用する各種装置が提案されている。例えば特許文献1には、顕微鏡用XYステージのアクチュエータとして超音波モータを採用する装置が提案されている。   Since the ultrasonic motor has advantages such as being small and highly responsive and not requiring energization when stopped, various apparatuses that employ the ultrasonic motor as an actuator for the XY stage have been proposed. For example, Patent Document 1 proposes an apparatus that employs an ultrasonic motor as an actuator for an XY stage for a microscope.

超音波モータの一例として、2種類の電極を有する積層型圧電体で構成された、直方体のリニア駆動型超音波モータがある。この超音波モータは、2種類の電極に位相の異なる交流波信号(屈曲振動信号と縦振動信号)を印加することによって、超音波モータの構成部材である2つの駆動子(いわゆる足)が回転し、それが相手部材を蹴るような作用を生じさせることで、相手部材を超音波モータに対して相対移動させる。   As an example of the ultrasonic motor, there is a rectangular parallelepiped linear drive ultrasonic motor configured by a laminated piezoelectric body having two kinds of electrodes. In this ultrasonic motor, two driver elements (so-called feet), which are components of the ultrasonic motor, rotate by applying alternating wave signals (bending vibration signal and longitudinal vibration signal) having different phases to two types of electrodes. Then, by causing the action of kicking the mating member, the mating member is moved relative to the ultrasonic motor.

図6は、このようなリニア駆動型超音波モータを備えたステージ移動機構の一例を模式的に示す図である。
同図に示した例では、屈曲振動用電極101(101a、101b、101c、101d)と縦振動用電極102とを有する積層型圧電体からなる超音波振動子(以下単に「振動子」という)105と2つの駆動子104(104a,104b)とを有する超音波モータ106において、縦振動用電極102に正弦波信号である縦振動信号が印加され、屈曲振動用電極101に縦振動信号とは位相が90°異なる正弦波信号である屈曲振動信号が印加されると、ガイド107に沿って可動体(ステージ)108が移動する。
FIG. 6 is a diagram schematically showing an example of a stage moving mechanism provided with such a linear drive type ultrasonic motor.
In the example shown in the figure, an ultrasonic vibrator (hereinafter simply referred to as “vibrator”) made of a laminated piezoelectric material having a bending vibration electrode 101 (101a, 101b, 101c, 101d) and a longitudinal vibration electrode 102. In an ultrasonic motor 106 having 105 and two driver elements 104 (104a, 104b), a longitudinal vibration signal which is a sine wave signal is applied to the longitudinal vibration electrode 102, and the longitudinal vibration signal is applied to the bending vibration electrode 101. When a bending vibration signal that is a sine wave signal having a phase difference of 90 ° is applied, the movable body (stage) 108 moves along the guide 107.

同図において、屈曲振動用電極101と縦振動用電極102の「+」又は「−」の符号は、圧電体の分極方向を示している。例えば、電極にプラス電圧を印加した場合、「+」符号の電極部分の圧電体は長手方向に伸長するように変形し、「−」符号の電極部分の圧電体は長手方向に縮小するように変形する。このため、屈曲振動用電極101に正弦波的な信号を印加すると図7(a) に模式的に示すような屈曲変形振動が励起され、縦振動用電極102に正弦波的な信号を印加すると同図(b) に模式的に示すような長手方向に伸縮する縦振動が励起される。なお、同図(a),(b) において、点線矢印は圧電体の変形方向を示し、実線矢印は駆動子104の移動方向を示している。このように、2種類の振動の位相を90°ずらして同時に励起させると、駆動子104が図6の矢印に示すような楕円(同図点線参照)の軌跡を描くような振動となる。このとき、駆動子104が可動体108と接触する際に生じる力の垂直方向成分で摩擦力を減らし、水平方向成分の力で可動体108を移動させる。   In the figure, the sign “+” or “−” of the bending vibration electrode 101 and the longitudinal vibration electrode 102 indicates the polarization direction of the piezoelectric body. For example, when a positive voltage is applied to the electrode, the piezoelectric body of the “+” sign electrode portion is deformed to extend in the longitudinal direction, and the piezoelectric body of the “−” sign electrode portion is shrunk in the longitudinal direction. Deform. Therefore, when a sinusoidal signal is applied to the bending vibration electrode 101, bending deformation vibration as schematically shown in FIG. 7A is excited, and when a sinusoidal signal is applied to the longitudinal vibration electrode 102. Longitudinal vibration extending and contracting in the longitudinal direction as schematically shown in FIG. In FIGS. 4A and 4B, dotted arrows indicate the deformation direction of the piezoelectric body, and solid arrows indicate the movement direction of the driver element 104. In this way, when the phases of the two types of vibrations are simultaneously shifted by 90 ° and excited simultaneously, the driver element 104 becomes a vibration that draws an elliptical locus (see the dotted line in the same figure) as shown by the arrow in FIG. At this time, the frictional force is reduced by the vertical component of the force generated when the driver element 104 contacts the movable member 108, and the movable member 108 is moved by the force of the horizontal component.

ところで、近年では、半導体の線幅観察や生体分子観察など観察対象の極微細化により観察倍率は高倍率化してきており、観察試料を位置決めさせる微動機構にはサブミクロンオーダの駆動分解能が必要となってきた。   By the way, in recent years, the observation magnification has been increased by the miniaturization of observation objects such as semiconductor line width observation and biomolecule observation, and the fine resolution mechanism for positioning the observation sample requires a submicron order drive resolution. It has become.

これに対して、超音波モータの動作は、駆動周波数、駆動電圧、接触面状態によって大きく左右され、特に微小駆動においての再現性が極めて悪い。そこで、超音波モータの制御信号にバースト波を用いてステップ移動量を規定することで、制御性を良くする試みが多数なされている。例えば特許文献2には、超音波モータの駆動分解能を高めて停止位置精度を高める方法として、バースト波形部を間欠的に有する信号による駆動方法が提案されている。しかしながら、そのような駆動信号を超音波モータに印加した場合、図8に模式的に示すように、そのバースト波形部(同図の111、112参照)の始まり(起動時)と終わり(停止時)に金属音に似た音が発生し、操作者に不快感を与える問題があった。そこで、この音の発生を抑えるために、例えば非特許文献1には、バースト波形の信号を印加する際に、図9に模式的に示すように、波形が最大振幅になるまで若しくは振幅が0になるまで、時間をかけて段階的もしくは連続的に振幅を増加又は減少させる方法が提案されている。   On the other hand, the operation of the ultrasonic motor is greatly influenced by the driving frequency, the driving voltage, and the contact surface state, and the reproducibility is particularly poor in micro driving. Therefore, many attempts have been made to improve the controllability by defining the step movement amount using a burst wave as the control signal of the ultrasonic motor. For example, Patent Document 2 proposes a driving method using a signal having a burst waveform portion intermittently as a method of increasing the driving resolution of the ultrasonic motor and increasing the stop position accuracy. However, when such a drive signal is applied to the ultrasonic motor, as schematically shown in FIG. 8, the start (startup) and end (stop) of the burst waveform portion (see 111 and 112 in the figure). ) Produces a sound similar to a metal sound, which makes the operator uncomfortable. Therefore, in order to suppress the generation of this sound, for example, in Non-patent Document 1, when a burst waveform signal is applied, as shown schematically in FIG. Until then, a method of increasing or decreasing the amplitude stepwise or continuously over time has been proposed.

特開2005−265996号公報JP 2005-265996 A 特開2001−161081号公報JP 2001-161081 A

精密制御用アクチュエータ便覧,日本工業技術振興協会固体アクチュエータ研究部会/編, p.596-p.602Actuator Handbook for Precision Control, Japan Industrial Technology Association, Solid Actuator Study Group / Edition, p.596-p.602

このようなバースト波形の信号を用いて微小駆動を行うためには、バースト波形の波形数を少なくする必要があるが、一方で音の発生を防ぐためにはバースト波形の信号をある時間(数ミリ秒オーダ)印加する必要がある。本件特許出願(以下単に「本願」という)の出願人による実験によれば、バースト波形の信号の始まりと終わりにおいて、夫々2ミリ秒以上の時間をかけてバースト波形の信号を徐々に振幅変化させなければ発生音が抑制されなかった。なお、この実験では、バースト波形の信号の周波数を約80kHzとしたが、例えば、この場合に、図10に模式的に示すように、最大振幅時の波形数を1としたとしてもバースト波形の信号の印加時間はトータルで4(2+2)ミリ秒となり、バースト波形の波形数は300以上となってしまう。また、このときの可動体の移動量は約2μmであった。このようなバースト波形の信号では、発生音の抑制はできたとしてもサブミクロンオーダの微動を実現するのは困難であった。   In order to perform micro-drive using such a burst waveform signal, it is necessary to reduce the number of burst waveform waveforms. On the other hand, in order to prevent the generation of sound, the burst waveform signal is reduced to a certain time (several millimeters). Second order) must be applied. According to an experiment by the applicant of the present patent application (hereinafter simply referred to as “the present application”), the amplitude of the burst waveform signal is gradually changed over 2 milliseconds at the beginning and end of the burst waveform signal. Otherwise, the generated sound was not suppressed. In this experiment, the frequency of the signal of the burst waveform is about 80 kHz. For example, in this case, as schematically shown in FIG. 10, even if the number of waveforms at the maximum amplitude is set to 1, The total signal application time is 4 (2 + 2) milliseconds, and the number of burst waveforms is 300 or more. Further, the moving amount of the movable body at this time was about 2 μm. With such a burst waveform signal, it is difficult to achieve submicron order fine movement even if the generated sound can be suppressed.

本発明は、上記実情に鑑み、バースト波状駆動信号による駆動の際に、音の発生を抑えると共にサブミクロンオーダの微動送りが可能な、超音波モータを備えた微動機構を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a fine movement mechanism equipped with an ultrasonic motor capable of suppressing the generation of sound and performing fine movement feed in the order of submicrons when driven by a burst wave drive signal. To do.

上記目的を達成するため、本発明の第1の態様に係る微動機構は、固定台と、前記固定台に対して移動可能に支持された可動体と、前記可動体と前記固定台とを相対移動させる超音波モータと、前記超音波モータの駆動信号を出力する制御装置と、を有し、前記超音波モータの駆動信号は、周波数が等しく且つ位相が異なる2種類の駆動信号であって、前記2種類の駆動信号の夫々は、微動駆動時の最大振幅と通常駆動時の最大振幅が異なり、且つ、微動駆動時においては、一方の駆動信号の最大振幅と他方の駆動信号の最大振幅が異なる、ことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a fine movement mechanism according to a first aspect of the present invention includes a fixed base, a movable body supported to be movable with respect to the fixed base, and the movable body and the fixed base relative to each other. An ultrasonic motor to be moved, and a control device that outputs a drive signal of the ultrasonic motor, wherein the drive signal of the ultrasonic motor is two types of drive signals having the same frequency and different phases, Each of the two types of drive signals has a maximum amplitude at the time of fine movement and a maximum amplitude at the time of normal drive, and at the time of fine movement, the maximum amplitude of one drive signal and the maximum amplitude of the other drive signal are different. It is characterized by being different.

本発明の第2の態様に係る微動機構は、上記第1の態様において、前記超音波モータは、屈曲振動と縦振動を利用して被駆動体との接触位置に楕円振動を生じさせる直方体形状の振動子を有し、前記2種類の駆動信号は、いずれもバースト波状駆動信号であって、且つ、一方の駆動信号が前記屈曲振動を励起させる屈曲振動信号であり、他方の駆動信号が前記縦振動を励起させる縦振動信号である、ことを特徴とする。   The fine movement mechanism according to a second aspect of the present invention is the above-described first aspect, wherein the ultrasonic motor has a rectangular parallelepiped shape that generates elliptical vibration at a contact position with a driven body using bending vibration and longitudinal vibration. The two types of drive signals are both burst-wave drive signals, and one drive signal is a flexural vibration signal that excites the flexural vibration, and the other drive signal is the It is a longitudinal vibration signal that excites longitudinal vibration.

本発明の第3の態様に係る微動機構は、上記第2の態様において、微動駆動時において、前記縦振動信号の最大振幅は、前記屈曲振動信号の最大振幅よりも大きい、ことを特徴とする。   The fine movement mechanism according to a third aspect of the present invention is the fine movement mechanism according to the second aspect, wherein the maximum amplitude of the longitudinal vibration signal is larger than the maximum amplitude of the bending vibration signal during fine movement driving. .

本発明の第4の態様に係る微動機構は、上記第2又は3の態様において、前記縦振動信号と前記屈曲振動信号の夫々は、微動駆動時の最大振幅が通常駆動時の最大振幅よりも小さい、ことを特徴とする。   The fine movement mechanism according to a fourth aspect of the present invention is the fine vibration mechanism according to the second or third aspect, wherein each of the longitudinal vibration signal and the bending vibration signal has a maximum amplitude during fine movement driving higher than a maximum amplitude during normal driving. It is small.

本発明によれば、超音波モータを備えた微動機構において、バースト波状駆動信号による駆動の際に、音の発生を抑えることができると共に、サブミクロンオーダの微動送りが可能になる。   According to the present invention, in the fine movement mechanism provided with the ultrasonic motor, it is possible to suppress the generation of sound and to perform fine movement feeding on the order of submicron when driven by the burst wave drive signal.

第1の実施形態に係る微動機構の全体構成を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the whole structure of the fine movement mechanism which concerns on 1st Embodiment. (a) は第1の実施形態に係る微動機構の一部上面図、(b) は(a) の側面図である。(a) is a partial top view of the fine movement mechanism according to the first embodiment, and (b) is a side view of (a). (a) は超音波モータの上面図、(b) は(a) のAA´断面図である。(a) is a top view of the ultrasonic motor, and (b) is an AA ′ cross-sectional view of (a). (a),(b),(c) は、微動駆動時において制御装置が超音波モータ(振動体)に出力する駆動信号の一例を模式的に示す図である。(a), (b), (c) is a figure which shows typically an example of the drive signal which a control apparatus outputs to an ultrasonic motor (vibrating body) at the time of fine movement drive. 実験データを示す図である。It is a figure which shows experimental data. リニア駆動型超音波モータを備えたステージ移動機構の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of the stage moving mechanism provided with the linear drive type ultrasonic motor. (a) は屈曲変形振動が励起されたときの様子を模式的に示す図、(b) は縦振動が励起されたときの様子を模式的に示す図である。(a) is a diagram schematically showing a state when bending deformation vibration is excited, and (b) is a diagram schematically showing a state when longitudinal vibration is excited. バースト波形部を間欠的に有する信号の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of the signal which has a burst waveform part intermittently. 時間をかけて段階的もしくは連続的に振幅を増加又は減少させる方法を説明する図である。It is a figure explaining the method of increasing or decreasing an amplitude in steps or continuously over time. 最大振幅時の波形数を1としたときのバースト波形の信号の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of the signal of a burst waveform when the number of waveforms at the time of a maximum amplitude is 1.

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る微動機構の全体構成を模式的に示す斜視図である。図2(a) は、その微動機構の一部上面図、同図(b) は、同図(a) の側面図である。なお、同図(a) は、その微動機構の一部透視図でもある。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the overall configuration of the fine movement mechanism according to the first embodiment of the present invention. 2 (a) is a partial top view of the fine movement mechanism, and FIG. 2 (b) is a side view of FIG. 2 (a). FIG. 4A is also a partial perspective view of the fine movement mechanism.

図1及び図2(a),(b) に示した本実施形態に係る微動機構において、固定台1上には、ボール循環式のガイドレール2a及びガイドブロック2bからなるガイド2が取付けられている。ガイド2は、図2(a) に示すように2個のガイドブロック2bと1個のガイドレール2aとからなり、固定台1にはガイドレール2aが固定され、ガイドブロック2bには可動体である移動体3が固定されている。移動体3の下方には、側面部材4がガイドレール2aに平行でガイドブロック2bと接し、且つ、ガイドレール2aを間に挟んで対称な位置に2個固定されている。   In the fine movement mechanism according to the present embodiment shown in FIGS. 1 and 2 (a) and 2 (b), a guide 2 comprising a ball circulation type guide rail 2a and a guide block 2b is mounted on the fixed base 1. Yes. The guide 2 is composed of two guide blocks 2b and one guide rail 2a as shown in FIG. 2 (a). The guide rail 2a is fixed to the fixed base 1, and the guide block 2b is a movable body. A certain moving body 3 is fixed. Below the moving body 3, two side members 4 are fixed in parallel to the guide rail 2a, in contact with the guide block 2b, and symmetrically with the guide rail 2a interposed therebetween.

移動体3は、ガイドブロック2b及び側面部材4と一体となって1軸方向に移動可能に支持されている。
側面部材4の一方には、例えばセラミックなどの硬い材料で作られた摺動部材5が設けられている。
The moving body 3 is supported so as to be movable in one axial direction together with the guide block 2b and the side surface member 4.
One of the side members 4 is provided with a sliding member 5 made of a hard material such as ceramic.

摺動部材5に接触、押圧するようにして超音波モータ6が固定台1に固定されている。なお、超音波モータ6は、移動体3と固定台1とを相対移動させる超音波アクチュエータの一例であって、屈曲振動と縦振動を利用して被駆動体との接触位置に楕円振動を生じさせる直方体形状の振動子である後述の超音波振動体(以下単に「振動体」という)12を有する。   An ultrasonic motor 6 is fixed to the fixed base 1 so as to contact and press the sliding member 5. The ultrasonic motor 6 is an example of an ultrasonic actuator that moves the moving body 3 and the fixed base 1 relative to each other, and generates elliptical vibration at a contact position with the driven body using bending vibration and longitudinal vibration. An ultrasonic vibrator (hereinafter simply referred to as “vibrator”) 12 which is a rectangular parallelepiped vibrator to be described later is included.

また、移動体3の摺動部材5が設けられた側面のもう一方の側面には、スケール7が設けられていて、スケール7のパターンを検出できる位置にエンコーダ8が配置され、固定台1に固定されている。なお、エンコーダ8は、移動体3と固定台1との相対位置関係を検出する変位センサである。   A scale 7 is provided on the other side surface of the movable body 3 where the sliding member 5 is provided, and an encoder 8 is disposed at a position where the pattern of the scale 7 can be detected. It is fixed. The encoder 8 is a displacement sensor that detects the relative positional relationship between the moving body 3 and the fixed base 1.

ここで、ガイドブロック2bの配置間隔は、移動体3の最大移動量と同等以上であることが望ましい。このような配置間隔とすることで、移動体3が移動しても超音波モータ6の押圧位置はガイドブロック2bの配置間隔内におさまる。   Here, it is desirable that the arrangement interval of the guide blocks 2 b be equal to or greater than the maximum movement amount of the moving body 3. By setting such an arrangement interval, even if the moving body 3 moves, the pressing position of the ultrasonic motor 6 is kept within the arrangement interval of the guide block 2b.

また、エンコーダ8から位置情報を取得し、この位置情報を基に超音波モータ6を駆動する制御装置9が、エンコーダ8及び超音波モータ6と接続されている。
図3(a) は、超音波モータ6の上面図、同図(b) は、同図(a) のAA´断面図である。
A control device 9 that acquires position information from the encoder 8 and drives the ultrasonic motor 6 based on the position information is connected to the encoder 8 and the ultrasonic motor 6.
FIG. 3A is a top view of the ultrasonic motor 6, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line AA 'of FIG.

同図(a),(b) に示した超音波モータ6において、保持部材11は、振動体12を固定台1に対して保持する保持機構であって、例えばアルミニウム等の金属材料で構成されている。また、保持部材11は、ワイヤ放電加工等により切り欠き穴部13を設けることによって形成された薄板ばね部14(同図(a) では斜線で示した部分)を有する。薄板ばね部14の中央にはばねとして作用しない厚肉部14aが形成されていて、厚肉部14aと振動体12とが例えばセラミック接着材等の硬度の高い接着剤で接着されている。このとき、薄板ばね部14と振動体12は平行に近接して設けられるように構成されている。また、振動体12の接着位置は、振動体12の接着面中央付近である。   In the ultrasonic motor 6 shown in FIGS. 4A and 4B, the holding member 11 is a holding mechanism that holds the vibrating body 12 with respect to the fixed base 1, and is made of a metal material such as aluminum. ing. Further, the holding member 11 has a thin plate spring portion 14 (portion indicated by hatching in FIG. 1A) formed by providing a notch hole portion 13 by wire electric discharge machining or the like. A thick portion 14a that does not act as a spring is formed in the center of the thin plate spring portion 14, and the thick portion 14a and the vibrating body 12 are bonded to each other with a high hardness adhesive such as a ceramic adhesive. At this time, the thin leaf spring portion 14 and the vibrating body 12 are configured to be provided close to each other in parallel. Further, the bonding position of the vibrating body 12 is near the center of the bonding surface of the vibrating body 12.

振動体12において、保持部材11の厚肉部14aが接着された面と反対の面には駆動子である突起部15(15a、15b)が2個設けられている。突起部15は、例えば強化繊維を含むポリアセタール等の材料、摩擦係数の比較的小さな樹脂を母材とした材料やセラミック等の材料で形成されている。保持部材11は、突起部15が2個とも摺動部材5に接する状態で、固定用ビス穴16(16a,16b)を通してビスにより固定台1に固定される。このとき、薄板ばね部14のたわみは殆ど無い状態で、移動体3側への押圧力はゼロ近傍であることが望ましい。なお、図1においては、保持部材11を固定台1に固定するための固定用ビス穴16及びビスを省略して示している。   In the vibrating body 12, two protrusions 15 (15 a and 15 b) as drive elements are provided on the surface opposite to the surface to which the thick portion 14 a of the holding member 11 is bonded. The protrusion 15 is made of, for example, a material such as polyacetal containing reinforcing fibers, a material made of a resin having a relatively small friction coefficient, or a material such as ceramic. The holding member 11 is fixed to the fixing base 1 with screws through fixing screw holes 16 (16a, 16b) in a state where both of the protrusions 15 are in contact with the sliding member 5. At this time, it is desirable that the pressing force to the movable body 3 side is in the vicinity of zero in a state where there is almost no deflection of the thin leaf spring portion 14. In FIG. 1, the fixing screw holes 16 and screws for fixing the holding member 11 to the fixing base 1 are omitted.

また、保持部材11にはメネジが形成されていて、詳しくは図3(b) に示したように、外周にオネジが形成されたプランジャ17をねじ込むことによって厚肉部14aを押圧できるようになっている。なお、不図示ではあるが、プランジャ17の内部にはコイルばねが内蔵されており、先端部材17aが押し込まれることにより押圧力が発生する。このため、プランジャ17の先端部材17aの移動量に応じた押圧力が厚肉部14aに負荷される。このとき、振動体12も突起部15と共に摺動部材5に押圧される。   In addition, the holding member 11 is formed with a female screw. Specifically, as shown in FIG. 3B, the thick portion 14a can be pressed by screwing a plunger 17 having a male screw formed on the outer periphery. ing. Although not shown, a coil spring is built in the plunger 17, and a pressing force is generated when the tip member 17a is pushed. For this reason, the pressing force according to the movement amount of the tip member 17a of the plunger 17 is loaded on the thick portion 14a. At this time, the vibrating body 12 is also pressed against the sliding member 5 together with the protrusion 15.

図4(a),(b),(c) は、微動駆動(「微小駆動」ともいう)時において制御装置9が超音波モータ6(振動体12)に出力する駆動信号の一例を模式的に示す図である。
なお、本例では、駆動信号における振幅の増減を、電圧を変化させることによって生じさせるものであるとする。
4A, 4B, and 4C schematically show examples of drive signals output from the control device 9 to the ultrasonic motor 6 (vibrating body 12) during fine movement driving (also referred to as “micro driving”). FIG.
In this example, it is assumed that the amplitude of the drive signal is increased or decreased by changing the voltage.

同図(a) に示したように、振動体12は、図6に示した振動子103と同様の構成を有するものであって、屈曲振動用電極21(21a、21b、21c、21d)と縦振動用電極22とを有する積層型圧電体からなる。制御装置9は、その振動体12の2種類の電極21、22に夫々図4(a) に示すような屈曲振動信号及び縦振動信号(詳しくは同図(b),(c) を用いて後述)を印加することによって、移動体3を微動移動させることができる。このとき、突起部15には、図6に示した駆動子104と同様に、図4(a) の矢印に示す楕円(同図点線参照)の軌跡を描くような振動が生じ、突起部15が摺動部材6と接触する際に生じる力の垂直方向成分で摩擦力を減らし、水平方向成分の力で摺動部材6(移動体3)を移動させる。   As shown in FIG. 6A, the vibrating body 12 has the same configuration as that of the vibrator 103 shown in FIG. 6 and includes bending vibration electrodes 21 (21a, 21b, 21c, 21d). It consists of a laminated piezoelectric material having an electrode 22 for longitudinal vibration. The control device 9 uses a bending vibration signal and a longitudinal vibration signal (detailed in FIGS. 4B and 4C) as shown in FIG. The moving body 3 can be finely moved by applying (described later). At this time, as in the case of the driver element 104 shown in FIG. 6, the protrusion 15 is vibrated so as to draw a locus of an ellipse (see the dotted line in FIG. 4A) shown in FIG. The frictional force is reduced by the vertical component of the force generated when contacting the sliding member 6, and the sliding member 6 (moving body 3) is moved by the force of the horizontal component.

ここで、屈曲振動信号は振動体12に屈曲振動を励起させるバースト波状駆動信号(以下単に「バースト信号」という)であり、縦振動信号は振動体12に縦振動を励起させるバースト信号である。この2種類のバースト信号は、周波数が等しく且つ位相が異なる信号であって、夫々の信号の始まりと終わりは振幅が時間的に変化するように制御される。また、それに加えて、この2種類のバースト信号は、夫々の信号の最大振幅が通常駆動時に比べて小さく、且つ、一方の信号が他方の信号よりも最大振幅が小さくなるように制御される。このような制御により、バースト信号の波形数(1周期分の波形を1としたときの数)が多くても超音波モータ6の振動振幅を小さくすることができるので、移動体3をサブミクロンオーダで微動送りが可能になる。   Here, the bending vibration signal is a burst-wave drive signal (hereinafter simply referred to as “burst signal”) that excites the vibrating body 12, and the longitudinal vibration signal is a burst signal that causes the vibrating body 12 to excite longitudinal vibration. These two types of burst signals are signals having the same frequency and different phases, and the beginning and end of each signal are controlled so that the amplitude changes with time. In addition, the two types of burst signals are controlled such that the maximum amplitude of each signal is smaller than that during normal driving, and one signal has a smaller maximum amplitude than the other signal. By such control, the vibration amplitude of the ultrasonic motor 6 can be reduced even if the number of burst signal waveforms (the number of waveforms for one period is 1) is large. Fine feed is possible on the order.

同図(a),(b),(c) に示した例では、屈曲振動信号及び縦振動信号は、いずれも信号の始まり部分において数ミリ秒オーダーの時間をかけて振幅が0から最大振幅に段階的又は連続的に変化し、信号の終わり部分において数ミリ秒オーダーの時間をかけて振幅が最大振幅から0に段階的又は連続的に変化するように制御されている。また、同図(b),(c) に詳細に示したように、屈曲振動信号の最大振幅(Va)及び縦振動信号の最大振幅(Vb)は、いずれも、通常駆動時の最大振幅(Vdef)よりも小さく、且つ、一方の信号である屈曲振動信号の最大振幅(Va)が他方の信号である縦振動信号の最大振幅(Vb)よりも小さくなるように制御されている。すなわち、屈曲振動信号及び縦振動信号の最大振幅は、Vdef>Vb>Vaとなるように、制御されている。なお、通常駆動時の最大振幅(Vdef)は、屈曲振動信号及び縦振動信号共に同じである。   In the example shown in (a), (b), and (c) of the figure, both the flexural vibration signal and the longitudinal vibration signal have an amplitude from 0 to the maximum amplitude over a time of several milliseconds at the beginning of the signal. The amplitude is controlled to change stepwise or continuously from the maximum amplitude to zero over a time of several milliseconds at the end of the signal. Further, as shown in detail in FIGS. 2B and 2C, the maximum amplitude (Va) of the bending vibration signal and the maximum amplitude (Vb) of the longitudinal vibration signal are both the maximum amplitude during normal driving ( Vdef) and the maximum amplitude (Va) of the flexural vibration signal that is one signal is controlled to be smaller than the maximum amplitude (Vb) of the longitudinal vibration signal that is the other signal. That is, the maximum amplitudes of the flexural vibration signal and the longitudinal vibration signal are controlled so that Vdef> Vb> Va. Note that the maximum amplitude (Vdef) during normal driving is the same for both the flexural vibration signal and the longitudinal vibration signal.

また、縦振動信号において、通常駆動時に対する微動駆動時の最大振幅減少量はVdef−Vbであり、屈曲振動信号において、通常駆動時に対する微動駆動時の最大振幅減少量はVdef−Vaであり、同図(a),(b),(c) に示した例では、屈曲振動信号に対する縦振動信号の最大振幅減少量の割合kを50%としている(k=(Vdef−Vb)/(Vdef−Va)*100=50)。この場合、仮に、通常駆動時の最大振幅(Vdef)を100とし、微動駆動時の屈曲振動信号の最大振幅(Va)を50とすると、微動駆動時の縦振動信号の最大振幅(Vb)は75となる。   Further, in the longitudinal vibration signal, the maximum amplitude reduction amount at the time of fine movement driving with respect to the normal driving time is Vdef−Vb, and in the bending vibration signal, the maximum amplitude reduction amount at the time of fine movement driving relative to the normal driving time is Vdef−Va, In the example shown in (a), (b), and (c) of the figure, the ratio k of the maximum amplitude reduction amount of the longitudinal vibration signal to the bending vibration signal is 50% (k = (Vdef−Vb) / (Vdef). -Va) * 100 = 50). In this case, if the maximum amplitude (Vdef) at the time of normal driving is 100 and the maximum amplitude (Va) of the flexural vibration signal at the time of fine movement is 50, the maximum amplitude (Vb) of the longitudinal vibration signal at the time of fine movement is 75.

なお、同図(a),(b),(c) に示した例では、屈曲振動信号に対する縦振動信号の最大振幅減少量の割合kを50%としたが、本願の出願人による実験によれば、後述の図5に示す実験データから明らかなように、その最大振幅減少量の割合kを25%以上とするように制御することが望ましいと考えた。   In the examples shown in (a), (b), and (c) of the figure, the ratio k of the maximum amplitude reduction amount of the longitudinal vibration signal to the bending vibration signal is set to 50%. Therefore, as apparent from the experimental data shown in FIG. 5 described later, it was considered desirable to control the ratio k of the maximum amplitude reduction amount to be 25% or more.

図5は、その実験データを示す図である。
同図において、横軸は最大振幅が変化させられるバースト信号の最大振幅に対応する電圧値を示し、縦軸は屈曲振動信号及び縦振動信号の夫々のバースト信号の1回の出力当たりの移動体3の移動量を示している。同図中の印「◆」、「■」、「▲」、「◇」、「□」は、屈曲振動信号に対する縦振動信号の最大振幅減少量の割合kが、それぞれ0%、25%、50%、75%、100%であるときのデータを示している。
FIG. 5 is a diagram showing the experimental data.
In the figure, the horizontal axis indicates the voltage value corresponding to the maximum amplitude of the burst signal whose maximum amplitude is changed, and the vertical axis indicates the movable body per one output of the respective burst signals of the bending vibration signal and the longitudinal vibration signal. The movement amount of 3 is shown. The marks “◆”, “■”, “▲”, “◇”, and “□” in the figure indicate that the ratio k of the maximum amplitude reduction amount of the longitudinal vibration signal to the flexural vibration signal is 0% and 25%, respectively. Data when 50%, 75%, and 100% are shown.

なお、その割合kが0%である場合とは、微動駆動時における縦振動信号の最大振幅を通常駆動時のままとした場合(Vb=Vdef、但しVdef>Va)を示しており、その割合kが100%の場合とは、微動駆動時における縦振動信号の最大振幅を、微動駆動時における屈曲振動信号の最大振幅と同じとした場合(Vb=Va、但しVdef>Va)を示している。   The case where the ratio k is 0% indicates the case where the maximum amplitude of the longitudinal vibration signal at the time of fine movement driving is kept at the time of normal driving (Vb = Vdef, where Vdef> Va). The case where k is 100% indicates a case where the maximum amplitude of the longitudinal vibration signal at the time of fine movement driving is the same as the maximum amplitude of the bending vibration signal at the time of fine movement driving (Vb = Va, where Vdef> Va). .

同図に示した実験データから明らかなように、屈曲振動信号に対する縦振動信号の最大振幅減少量の割合kが0%である場合、つまり縦振動信号を通常駆動時に比べて変化させない場合には、屈曲振動信号への印加電圧が0であっても約1.5μmの移動量が得られてしまい、サブミクロンオーダの微動は不可能である(同図中の印「◆」参照)、という実験結果が得られた。但し、屈曲振動信号に対する縦振動信号の最大振幅減少量の割合kを大きくするにつれ、この現象は改善され、その割合kが25%以上で、サブミクロンオーダの微動が可能となる(同図中の印「■」、「▲」、「◇」、「□」参照)、という実験結果が得られた。   As is clear from the experimental data shown in the figure, when the ratio k of the maximum amplitude reduction amount of the longitudinal vibration signal to the flexural vibration signal is 0%, that is, when the longitudinal vibration signal is not changed compared with that during normal driving. Even if the voltage applied to the flexural vibration signal is 0, a movement amount of about 1.5 μm is obtained, and submicron order fine movement is impossible (refer to the mark “◆” in the figure). Experimental results were obtained. However, as the ratio k of the maximum amplitude reduction amount of the longitudinal vibration signal with respect to the bending vibration signal is increased, this phenomenon is improved, and when the ratio k is 25% or more, submicron order fine movement is possible (in the figure). (See “■”, “▲”, “◇”, “□”)).

なお、不図示ではあるが、屈曲振動信号に対する縦振動信号の最大振幅減少量の割合kを100%以上とした場合、つまり縦振動信号の最大振幅を屈曲振動信号の最大振幅と同等以上にした場合には、電圧変化に対する移動量変化が大きくなり、電圧分解能を固定と考えると微動分解能が低くなる、という実験結果も得られている。   Although not shown, when the ratio k of the maximum amplitude reduction amount of the longitudinal vibration signal to the bending vibration signal is 100% or more, that is, the maximum amplitude of the longitudinal vibration signal is equal to or greater than the maximum amplitude of the bending vibration signal. In some cases, an experimental result has been obtained that the movement amount change with respect to the voltage change becomes large, and that the fine movement resolution becomes low when the voltage resolution is considered to be fixed.

このようなことから、微動駆動時においては、縦振動信号と屈曲振動信号の最大振幅が共に通常駆動時に比べて小さくなるように制御され、且つ、好ましくは屈曲振動信号に対する縦振動信号の最大振幅減少量の割合kを25%以上100%未満とし、より好ましくは75%とすることが最良の形態である、との実験結果が得られた。   Therefore, at the time of fine movement driving, the maximum amplitude of the longitudinal vibration signal and the bending vibration signal is controlled to be smaller than those at the time of normal driving, and preferably the maximum amplitude of the longitudinal vibration signal with respect to the bending vibration signal. An experimental result was obtained that the best mode is that the reduction ratio k is 25% or more and less than 100%, more preferably 75%.

これにより、最大振幅が通常駆動時に比べて小さく制御される2種類の駆動用バースト信号において、その一方のバースト信号である屈曲振動信号の最大振幅を0から上昇させることで、移動体3の移動量も0から増加し、且つ、その移動量の増加が緩やかであることから、微小移動量の調整が容易になる(微動分解能が向上する)と共に、微動駆動を安定して得ることができる。   Accordingly, in the two types of driving burst signals whose maximum amplitude is controlled to be smaller than that during normal driving, the maximum amplitude of the flexural vibration signal, which is one of the burst signals, is increased from 0, thereby moving the moving body 3. Since the amount also increases from 0 and the increase in the movement amount is gradual, the fine movement amount can be easily adjusted (the fine movement resolution is improved), and the fine movement drive can be stably obtained.

なお、本実施形態では、上述のとおり、屈曲振動信号及び縦振動信号の振幅を、その電圧変化により、変化させるようにしている。従って、その電圧変化によって、信号の始まり部分における振幅の増加、信号の終わり部分における振幅の減少、及び最大振幅の値が決定されている。この場合、信号の始まり部分及び終わり部分における振幅の増大及び減少は、電圧を直線的に変化させる方法や正弦波的に変化させる方法など様々な方法により行うことが考えられるが、1ミリ秒当たりの電圧変化が2.5V付近から音の発生を抑制する効果が現れ始め、1ミリ秒当たりの電圧変化が1V以下であれば音の発生が大幅に抑制されることから、信号の始まり部分及び終わり部分における電圧変化量は、好ましくは2.5V/msec以下とすることが望ましく、さらに好ましくは1V/msec以下とすることがさらに望ましい。   In the present embodiment, as described above, the amplitudes of the bending vibration signal and the longitudinal vibration signal are changed by changing the voltage. Thus, the voltage change determines an increase in amplitude at the beginning of the signal, a decrease in amplitude at the end of the signal, and a maximum amplitude value. In this case, it is possible to increase and decrease the amplitude at the beginning and end of the signal by various methods such as a method of changing the voltage linearly or a method of changing it sinusoidally. The effect of suppressing the generation of sound from the vicinity of 2.5V begins to appear, and if the voltage change per millisecond is 1V or less, the generation of sound is greatly suppressed. The amount of voltage change at the end portion is preferably 2.5 V / msec or less, more preferably 1 V / msec or less.

以上のように、本実施形態に係る微動機構によれば、バースト信号による駆動の際に、音の発生を抑えことができると共に、サブミクロンオーダの微動送りが可能となる。従って、リニア駆動型超音波モータの微小駆動において、騒音を抑制しつつ、モータ接触状況やパラメータによる不安定さを低減し、且つ、安定な微小位置決めを達成することができる。   As described above, according to the fine movement mechanism according to the present embodiment, it is possible to suppress the generation of sound when driven by a burst signal and to perform fine movement feeding on the order of submicrons. Therefore, in the micro drive of the linear drive type ultrasonic motor, it is possible to reduce the instability due to the motor contact state and parameters while suppressing noise and achieve stable micro positioning.

なお、本実施形態に係る微動機構は、例えば顕微鏡用XYステージに適用することも可能である。
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良及び変更を行っても良いのはもちろんである。
The fine movement mechanism according to this embodiment can also be applied to, for example, an XY stage for a microscope.
Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various improvements and changes may be made without departing from the gist of the present invention.

1 固定台
2 ガイド
3 移動体
4 側面部材
5 摺動部材
6 超音波アクチュエータ
7 スケール
8 エンコーダ
9 制御装置
11 保持部材
12 振動体
13 切り欠き穴部
14 薄板ばね部
15 突起部
16 固定用ビス穴
17 プランジャ
101 屈曲振動用電極
102 縦振動用電極
103 積層型圧電体
104 駆動子
105 超音波振動子
106 超音波モータ
107 ガイド
108 可動体
111、112 バースト波形部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fixing base 2 Guide 3 Moving body 4 Side member 5 Sliding member 6 Ultrasonic actuator 7 Scale 8 Encoder 9 Control device 11 Holding member 12 Vibrating body 13 Notch hole portion 14 Thin plate spring portion 15 Protrusion portion 16 Fixing screw hole 17 Plunger 101 Electrode for bending vibration 102 Electrode for longitudinal vibration 103 Laminated piezoelectric body 104 Driver 105 Ultrasonic vibrator 106 Ultrasonic motor 107 Guide 108 Movable body 111, 112 Burst waveform section

Claims (4)

固定台と、
前記固定台に対して移動可能に支持された可動体と、
前記可動体と前記固定台とを相対移動させる超音波モータと、
前記超音波モータの駆動信号を出力する制御装置と、
を有し、
前記超音波モータの駆動信号は、周波数が等しく且つ位相が異なる2種類の駆動信号であって、前記2種類の駆動信号の夫々は、微動駆動時の最大振幅と通常駆動時の最大振幅が異なり、且つ、微動駆動時においては、一方の駆動信号の最大振幅と他方の駆動信号の最大振幅が異なる、
ことを特徴とする微動機構。
A fixed base;
A movable body supported movably with respect to the fixed base;
An ultrasonic motor for relatively moving the movable body and the fixed base;
A control device for outputting a drive signal of the ultrasonic motor;
Have
The drive signals of the ultrasonic motor are two types of drive signals having the same frequency and different phases, and each of the two types of drive signals has a different maximum amplitude during fine movement driving and maximum amplitude during normal driving. And, at the time of fine movement driving, the maximum amplitude of one drive signal is different from the maximum amplitude of the other drive signal.
A fine movement mechanism characterized by that.
前記超音波モータは、屈曲振動と縦振動を利用して被駆動体との接触位置に楕円振動を生じさせる直方体形状の振動子を有し、
前記2種類の駆動信号は、いずれもバースト波状駆動信号であって、且つ、一方の駆動信号が前記屈曲振動を励起させる屈曲振動信号であり、他方の駆動信号が前記縦振動を励起させる縦振動信号である、
ことを特徴とする請求項1記載の微動機構。
The ultrasonic motor has a rectangular parallelepiped vibrator that generates elliptical vibration at a contact position with a driven body using bending vibration and longitudinal vibration,
The two types of drive signals are both burst-wave drive signals, and one drive signal is a flexural vibration signal that excites the flexural vibration, and the other drive signal excites the longitudinal vibration. Signal
2. The fine movement mechanism according to claim 1, wherein:
微動駆動時において、前記縦振動信号の最大振幅は、前記屈曲振動信号の最大振幅よりも大きい、
ことを特徴とする請求項2記載の微動機構。
At the time of fine movement driving, the maximum amplitude of the longitudinal vibration signal is larger than the maximum amplitude of the bending vibration signal,
The fine movement mechanism according to claim 2, wherein:
前記縦振動信号と前記屈曲振動信号の夫々は、微動駆動時の最大振幅が通常駆動時の最大振幅よりも小さい、
ことを特徴とする請求項2又は3記載の微動機構。
Each of the longitudinal vibration signal and the flexural vibration signal has a maximum amplitude at the time of fine movement driving smaller than a maximum amplitude at the time of normal driving,
The fine movement mechanism according to claim 2 or 3, wherein
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015144558A (en) * 2013-12-27 2015-08-06 ニッコー株式会社 Drive control method of ultrasonic motor

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