JP4275553B2

JP4275553B2 - 超音波モータの駆動方法

Info

Publication number: JP4275553B2
Application number: JP2004068544A
Authority: JP
Inventors: 健藤村; 正明外山; 一将阿隅
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: JP2005261067A

Description

本発明は、被駆動体を所定方向に摩擦駆動して移動させる超音波モータの駆動方法に関する。

図６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。

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。

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。

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）

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が保持されてしまい、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。

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。

しかしながら、特願２００３−１４４８０３号で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。

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超音波モータの駆動方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明によれば、被駆動体に当接する摺動部と前記摺動部に所定の変位運動を生じさせる２個の超音波振動部とを有する超音波モータの駆動方法であって、
前記摺動部が前記被駆動体に当接している状態で一方の超音波振動部を伸張させると同時に他方の超音波振動部を収縮させることにより、前記摺動部における前記被駆動体との接触面を所定方向に動かして前記被駆動体を所定方向に摩擦駆動する工程と、
前記収縮している超音波振動部の状態を保持した状態で先に前記伸張している超音波振動部を急激に収縮させ、その後所定時間内に前記収縮している超音波振動部を急激に伸張させることにより、前記摺動部を前記被駆動体から瞬間的に離間させて前記摺動部を前記被駆動体の移動方向と逆の方向に引き戻す工程と、
を有し、
前記被駆動体を所定方向に摩擦駆動する工程と、前記摺動部を前記被駆動体の移動方向と逆の方向に引き戻す工程と、を繰り返すことによって、前記被駆動体を一方向に断続的に移動させ、
前記摺動部を前記被駆動体の移動方向と逆の方向に引き戻す工程の際、前記一方の超音波振動部に印加する電圧を急降下させてから、前記摺動部を予圧する予圧機構が追従不可能な時間範囲内に時間δを設定し、前記時間δが経過した後に前記他方の超音波振動部に印加する電圧を急上昇させることを特徴とする超音波モータの駆動方法、が提供される。

このような駆動方法を実施するために好適に用いられる超音波モータとしては、２個の超音波振動部を所定の角度で保持する保持部材を有し、摺動部は略Ｖ字型で、この保持部材を介して被駆動体に押圧されることによって、その頂点部で被駆動体と接し、かつ、その端部で２個の超音波振動部と接続されている構造を有するものが挙げられる。

本発明によれば、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、被駆動体を静粛に移動させることができる。また、高精度な位置決めが可能となる。

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６に示した超音波モータ１００と実質的に同じ構造を有するが、ここで超音波モータ１０の構造について改めて詳細に説明することとする。

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、を有している。保持部材１２には、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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を保持部材１２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。

次に、超音波モータ１０の駆動方法について説明する。例えば、被駆動体４０を＋Ｘの方向に高速移動させるためには超音波モータ１０を共振駆動することが好ましい。つまり、例えば、超音波振動子１１ａをＶ_１＝Ｖ_０ｓｉｎ２πｆｔの共振周波数で駆動し、この電圧Ｖ_１と位相が９０度ずれた電圧Ｖ_２＝Ｖ_０ｃｏｓ２πｆｔで超音波振動子１１ｂを駆動する。これにより図１に示した状態では、ヘッド１３の摩擦摺動面が時計回りに楕円運動し、これによって被駆動体４０に推力が与えられ、被駆動体４０を＋Ｘ方向に移動させることができる。

被駆動体４０を＋Ｘの方向に高い精度で移動させるためには、超音波モータ１０を非共振駆動することが好ましい。図２は超音波振動子１１ａ・１１ｂを非共振駆動するための電圧波形の一例を示す説明図である。ここでは、超音波振動子１１ａの駆動に鋸波駆動電圧Ａを、超音波振動子１１ｂの駆動に鋸波駆動電圧Ｂを用いることとする。

図３に図２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３は図１に示した状態を部分的に示したものであり、図示していないが、超音波振動子１１ａは−Ｘ側に、超音波振動子１１ｂは＋Ｘ側にそれぞれあるものとする。

図２中の超音波振動子１１ａに印加する駆動電圧をＰ点からＱ点に向かうように徐々に上昇させている間、超音波振動子１１ｂに印加する駆動電圧をＰ′点からＳ点に向かうように徐々に下げる。このとき、超音波振動子１１ａは収縮した状態から徐々に伸び、一方、超音波振動子１１ｂは伸張した状態から徐々に収縮するために、ヘッド１３は図３（ａ）に示すように、左側から右側へと移動する。このとき予圧機構１４はこのヘッド１３の動きに追従可能であるから、ヘッド１３と被駆動体４０との間に働く摩擦力によって、被駆動体４０はヘッド１３と共に＋Ｘ方向に移動する。

次に、超音波振動子１１ａに印加する電圧値がＱ点に到達したら、超音波振動子１１ｂの電圧はまだ継続して降下させて、つまり超音波振動子１１ｂをまだ収縮している状態で保持した状態で、超音波振動子１１ａに印加する電圧値をＱ点からＲ点へ向かうように急激に降下させて、超音波振動子１１ａを一気に収縮させ、再びＲ点からＰ点を通ってＱ点へ向かうように徐々に電圧を上昇させる。一方、超音波振動子１１ａを駆動する電圧を急降下させてから時間δが経過した後に、超音波振動子１１ｂを駆動する電圧を点Ｓから点Ｔへ向かうように、急激に上昇させて、超音波振動子１１ｂを一気に伸張させ、再びＴ点からＰ′点を通ってＳ点に向かうように徐々に電圧を降下させる。

時間δを予圧機構１４が追従不可能な時間範囲内に設定して、超音波振動子１１ａ・１１ｂをそれぞれ急激に収縮、伸張させることにより、図３（ｂ）に示すように、ヘッド１３は、超音波振動子１１ａの収縮によって被駆動体４０から離間し、そのまま超音波振動子１１ｂの伸張によって−Ｘ側に移動する。したがって、ヘッド１３が−Ｘ側に引き戻される際には被駆動体４０と離間しているために、ヘッド１３と被駆動体４０との間で摩擦音（異音）が発生することが防止され、また、被駆動体４０が−Ｘ側に引き戻されることが防止される。

ヘッド１３が−Ｘ側に戻った後、超音波振動子１１ｂが徐々に収縮し始めると、予圧機構１４が追従するために、先に図３（ａ）を参照しながら説明したように、ヘッド１３は予圧機構１４によって被駆動体４０に押し当てられた状態で再び−Ｘ側から＋Ｘ側へと変位し、被駆動体４０を＋Ｘ方向に移動させることができる。なお、被駆動体４０を−Ｘ方向に移動させるためには、超音波振動子１１ａ・１１ｂの駆動電圧を上記説明と逆にすればよいことは言うまでもない。

図４は、図２に示す駆動電圧（時間δ＝２０μｓｅｃ）によって超音波モータ１０を駆動させたときの駆動時間と被駆動体４０の移動距離を示すグラフである。また、図４には時間δをゼロとした場合の被駆動体４０の駆動時間と移動距離との関係を示すグラフを並記している。時間δがゼロの場合には、ヘッド１３と被駆動体４０との間の摩擦による異音が発生し、グラフからも明からなように、被駆動体４０の移動距離の減少（つまり、−Ｘ側への戻り）が１波形毎に明確に現れていることがわかる。これに対して、時間δがゼロでない場合には、ヘッド１３と被駆動体４０との間の摩擦による異音は発生せず、また移動距離の減少も殆ど現れていないことが確認された。

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、超音波振動子１１ａ・１１ｂの伸縮のタイミングをずらす時間δは、予圧機構の種類や追従時間に応じて、適宜、定められる。また、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。

その一例として、図５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に押し当てるように圧電板８１に取り付けられた予圧機構１４と、を備えている。

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。これにより圧電板８１は、それ自体が２つの超音波振動部を有する状態となる。超音波モータ８０の共振駆動は、各組の電極に位相が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２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３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。

本発明は、半導体製造装置等に装着されるＸ−Ｙステージ装置の駆動に用いられる超音波モータの駆動に好適である。

本発明に係る超音波モータの概略構造を示す断面図。超音波振動子を非共振駆動するための電圧波形の一例を示す説明図。図２に示した駆動信号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。図２に示した駆動電圧によって超音波モータ１０を駆動させたときの駆動時間と被駆動体の移動距離を示す説明図。別の超音波モータの概略構造を示す側面図。公知の超音波モータの概略構成を示す説明図。

符号の説明

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
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
８０；超音波モータ
８１；圧電板
８２ａ〜８２ｄ；駆動電極
８３；ヘッド
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

Claims

被駆動体に当接する摺動部と前記摺動部に所定の変位運動を生じさせる２個の超音波振動部とを有する超音波モータの駆動方法であって、
前記摺動部が前記被駆動体に当接している状態で一方の超音波振動部を伸張させると同時に他方の超音波振動部を収縮させることにより、前記摺動部における前記被駆動体との接触面を所定方向に動かして前記被駆動体を所定方向に摩擦駆動する工程と、
前記収縮している超音波振動部の状態を保持した状態で先に前記伸張している超音波振動部を急激に収縮させ、その後所定時間内に前記収縮している超音波振動部を急激に伸張させることにより、前記摺動部を前記被駆動体から瞬間的に離間させて前記摺動部を前記被駆動体の移動方向と逆の方向に引き戻す工程と、
を有し、
前記被駆動体を所定方向に摩擦駆動する工程と、前記摺動部を前記被駆動体の移動方向と逆の方向に引き戻す工程と、を繰り返すことによって、前記被駆動体を一方向に断続的に移動させ、
前記摺動部を前記被駆動体の移動方向と逆の方向に引き戻す工程の際、前記一方の超音波振動部に印加する電圧を急降下させてから、前記摺動部を予圧する予圧機構が追従不可能な時間範囲内に時間δを設定し、前記時間δが経過した後に前記他方の超音波振動部に印加する電圧を急上昇させることを特徴とする超音波モータの駆動方法。
前記超音波モータは前記２個の超音波振動部を所定の角度で保持する保持部材を有し、
前記摺動部は略Ｖ字型で、前記保持部材を介して前記被駆動体に押圧されることによって、その頂点部で前記被駆動体と接し、かつ、その端部で前記２個の超音波振動部と接続さ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の駆動方法。