JP4585343B2

JP4585343B2 - 超音波モータの駆動方法

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Publication number: JP4585343B2
Application number: JP2005081130A
Authority: JP
Inventors: 一将阿隅
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2025-03-22
Also published as: JP2006271022A

Description

本発明は、超音波モータによって駆動される被駆動体を高精度で位置決め等するための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１０１ａ・１０１ｂと、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂを所定の角度（例えば、９０度）で保持する保持部材１０２と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体であるスライダ１０５と接し、その端部（Ｖ字型の開いている方）で超音波振動子１０１ａ・１０１ｂと接続されたヘッド１０３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）。

超音波振動子１０１ａ・１０１ｂはそれぞれ、圧電素子１０４ａ・１０４ｂを備えている。超音波モータ１００では、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂを位相が９０度ずれた共振周波数電圧で駆動すると、ヘッド１０３の先端部に楕円運動が生ずる。そこで、リニアガイド１０６に取り付けられたスライダ１０５の側面に楕円運動するヘッド１０３を一定の力で押し付けると、ヘッド１０３とスライダ１０５との間に生ずる摩擦力によってスライダ１０５にリニアガイド１０６の延長方向の推力が与えられ、これによってスライダ１０５を移動させることができる。

また、この超音波モータ１００では、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂのいずれか一方のみを駆動することによっても、スライダ１０５を動かすことができる。例えば、超音波振動子１０１ａのみを駆動すると、図６において、スライダ１０５を左側へ移動させることができる。

しかしながら、超音波モータ１００には、圧電素子１０４ａ・１０４ｂに印加する電圧信号（入力電圧）に対して超音波モータ１００が駆動しない、所謂、不感帯が存在する。この不感帯について説明するために、図７に超音波モータ１００を実際に駆動した場合の入力電圧と被駆動体（スライダ１０５）の速度との関係を示す。圧電素子１０４ａ・１０４ｂへの入力電圧を０からＶｅ_０に上げても、超音波モータ１００は駆動しない。そのため、そこから徐々に入力電圧を上げてその値が始動電圧Ｖｓ_０に達したときに、超音波モータ１００が駆動して被駆動体は速度ｖｓ_０で動き出す。被駆動体が動き出した後には、入力電圧を始動電圧Ｖｓ_０から下げることによって、速度ｖｅ_０以上ｖｓ_０未満の速度を得ることができ、入力電圧がＶｅ_０より小さくなると、その時点で超音波モータ１００の駆動は停止する。つまり、速度ｖｅ_０が最小移動速度となり、そのときの電圧Ｖｅ_０の大きさが不感帯の大きさを表す指標となる。

このため、超音波モータ１００の駆動制御においては、このような不感帯をフィードフォワードに取り込んだ入力電圧の制御が行われる。具体的には、図８に示すように、図７に示した入力電圧／速度の相関関係をＹ軸まで外挿した直線を用いる必要があり、この図８におけるＹ軸切片Ｖ_０がフィードフォワード制御に係るオフセット電圧となる。

ところが、この図８に示す制御を用いて超音波モータ１００の駆動制御を行う場合には、先に図７を参照しながら説明した通り、入力電圧がＶｓ_０に上がるまで超音波モータ１００は駆動しないので、速度が上がるまでにタイムラグを生じ、また、ｖｅ_０未満の速度を得ることができないので、被駆動体の精密な位置制御や速度制御を必要とする用途では支障を生じるおそれがある。これに対して、図９に示すように、オフセット電圧をＶｓ_０に設定すると、超音波モータ１００をすぐに始動させることができるので、このような制御も実際に用いられているが、この場合には速度をｖｓ_０より小さくすることができなくなり、図８に示した制御を用いる場合よりもさらに、被駆動体を低速移動させることができなくなる。
特開２０００−１５２６７１号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、被駆動体の最小移動速度を従来よりも小さくすることができる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、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、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部でそれぞれ前記超音波振動子を保持するヘッド部材と、を備えた超音波モータの駆動方法であって、
前記２個の超音波振動子が具備する圧電素子にそれぞれ同位相の電圧を印加し、その際に、一方の圧電素子には所定値以上の電圧を常に印加し、他方の圧電素子に印加する電圧値を変化させることで、前記被駆動体の速度を制御す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。

この超音波モータの駆動方法においては、一方の超音波振動子を構成する圧電素子に常に印加する電圧の値を、２個の超音波振動子が具備する圧電素子にそれぞれ位相が９０度ずれた同じ値の電圧を印加した場合の超音波モータの始動電圧の値以上とするか、または、２個の超音波振動子がそれぞれ具備する圧電素子のいずれか一方に電圧を印加した場合の超音波モータの始動電圧の値以上とする。また、２個の超音波振動子がそれぞれ具備する圧電素子の一方に印加する電圧の値を一定に保持して、他方に印加する電圧の値を降下させることにより被駆動体の速度を下げる制御方法や、一方に印加する電圧の値を上昇させながら、他方に印加する電圧の値を降下させることにより被駆動体の速度を下げる制御方法が好適に用いられる。また、超音波モータを静止させるためには、２個の超音波振動子が具備する圧電素子に同じ大きさの電圧を印加する方法が好適に用いられる。

本発明によれば、被駆動体を従来よりも低速で移動させることができるようになる。これにより、例えば、被駆動体の位置決め精度を高めることができる。

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は先に図６に示した超音波モータ１００と同じ構造を有するが、ここで改めて詳しく超音波モータ１０の構造について説明することとする。

超音波モータ１０は、ランジュバン型構造を有する２個の超音波振動子１１ａ・１１ｂと、超音波振動子１１ａ・１１ｂを所定角度（図１では９０度としている）で保持する保持部材１２と、被駆動体１５に接する略Ｖ字型の形状を有するヘッド１３を有している。保持部材１２には、例えば、エアーシリンダや油圧シリンダ、スプリングコイル等の押圧機構１４が取り付けられており、所定の力でヘッド１３を被駆動体１５に押し当てている。

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。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。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。

保持部材１２にはボルト２１を通すための孔部が設けられている。ヘッド１３は、被駆動体１５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′から構成されている。

ヘッド１３の連結部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。このヘッド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・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等も好ましい。

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、超音波振動子１１ａが構成される。このように、超音波モータ１０において、ヘッド１３は、被駆動体１５に推力を与えるだけでなく、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。これと同様にして、超音波振動子１１ｂが構成される。

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電極を同時にとることができる。

なお、ヘッド１３が金属製の場合、ヘッド１３はボルト２１と袋ナット２２を介して電極板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もまた接地状態に保持することができる。

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。

そこで、圧電板２３ａ・２３ｂに共振周波数の電圧信号を投入して超音波振動子１１ａを振動させることにより、この振動はネック部１３ｃによって拡大されて当接部１３ａに伝えられる。これと同時に、所定の共振周波数の電圧信号を圧電板２３ａ′・２３ｂ′に投入して超音波振動子１１ｂを振動させると、この振動はネック部１３ｃ′によって拡大されて当接部１３ａに伝えられる。こうして当接部１３ａには、２つの超音波振動子１１ａ・１１ｂからそれぞれネック部１３ｃ・１３ｃ′を介して伝えられた振動が合成された変位運動が生じる。

次に、超音波モータ１０の駆動方法について説明する。図２に超音波モータ１０の制御系の概略構成を表す図を示す。プロファイルジェネレータ（ＰＧ）５０は被駆動体１５を所定位置へ移動させるための軌道生成を行う。プロファイルジェネレータ（ＰＧ）５０で作成した位置指示量ｓｐと、被駆動体１５の実位置を測定するエンコーダ（ＥＮＣＯＤＥＲ）５２の検出値とが合算され、これにより位置誤差が求められる。この位置誤差に位置フィードバック係数Ｋｐを掛け合わせることで位置フィードバックゲインが求められる。また、位置指示量ｓｐを微分演算子ｓで微分して速度指示値ｓｖを求め、この速度指示値ｓｖと速度フィードフォワード係数Ｋｆを掛け合わせることで速度フィードフォワードゲインを求める。さらに、エンコーダ（ＥＮＣＯＤＥＲ）５２の検出値の微分値に速度フィードバックのための係数Ｋｓを掛け合わせて速度フィードバックゲインを求める。これら位置フィードバックゲインと、速度フィードフォワードゲインと、速度フィードバックゲインとが合算されてＰＩＤ演算部Ｇ（ＰＩＤ）５１に入力され、そこで処理されて得られる電圧値とオフセット電圧値（ｏｆｆｓｅｔ）とを合わせた電圧が、超音波モータ１０（図２において「ＵＳＭ」で示す）へ印加される。そして、被駆動体１５の位置はエンコーダ５２によって検出され、前述の通り、この検出値がフィードバック制御に用いられる。

図３に超音波モータ１０の第１の駆動方法を表すグラフを示す。図３では、超音波振動子１１ａを駆動制御するための電圧をチャンネルＣＨ_０（点線）で表し、超音波振動子１１ｂを駆動制御するための電圧をチャンネルＣＨ_１（点線）で表し、実測される被駆動体１５の速度を実線で示している。なお、このような表示は後述する図４および図５についても同様とする。チャンネルＣＨ_０における高電圧側（勾配を有する部分）は、実際には、被駆動体１５の速度線と重なるが、図３では両者の関係がわかりやすくなるように、意図的に近接させて描いている。

図３に示されるように、チャンネルＣＨ_０とチャンネルＣＨ_１のオフセット電圧Ｖｓを同じ値とする。また、チャンネルＣＨ_０とチャンネルＣＨ_１の電圧信号は同位相（同位相のｓｉｎ波、ｃｏｓ波、のこぎり波等）である。チャンネルＣＨ_０の電圧値は、常に一定値以上（つまり、オフセット電圧Ｖｓ以上）に設定されている。

オフセット電圧Ｖｓの値は、チャンネルＣＨ_０・ＣＨ_１のいずれか一方の電圧をオフセット電圧Ｖｓに保持して、他方の電圧値をオフセット電圧Ｖｓから下げていったときに、その他方の電圧値が０Ｖに到達するまでに被駆動体１５が動き出すように、設定されている。このオフセット電圧Ｖｓは、超音波振動子１１ａ・１１ｂを位相が９０度ずれたｓｉｎ波等の電圧信号で駆動した場合の始動電圧（図７に示すＶｓ_０）以上の電圧値、または、超音波振動子１１ａ・１１ｂのいずれか一方のみを駆動した場合の始動電圧以上の電圧値、とすることができる。

以下の説明においては、オフセット電圧Ｖｓの値を、チャンネルＣＨ_１の電圧値を０Ｖとしたときに、チャンネルＣＨ_０の電圧によって超音波振動子１１ａが被駆動体１５を移動させることができる値に設定したとする。これは、超音波振動子１１ａが被駆動体１５に与える力は、図１に示す−Ｙの向きと＋Ｘの向きの成分を有しているので、超音波振動子１１ａを駆動する電圧値が、先に図７を参照しながら説明した始動電圧Ｖｓ_０に相当する値よりも大きければ、被駆動体１５を＋Ｘの向きに突き出し、被駆動体１５を＋Ｘの向きに移動させることができるからである。

超音波モータ１０の第１の駆動方法では、オフセット電圧Ｖｓの値が、上述の通りに、超音波振動子１１ａ・１１ｂの一方にのみに印加されていれば被駆動体１５を動かすことができる大きさであっても、チャンネルＣＨ_０とチャンネルＣＨ_１の電圧値が同じであり、かつ、位相も同じであれば、超音波振動子１１ａが被駆動体１５に与える力のＸ成分と、超音波振動子１１ｂが被駆動体１５に与える力のＸ成分とが相殺するために、被駆動体１５は動かない。つまり、チャンネルＣＨ_０とチャンネルＣＨ_１の電圧値がともにオフセット電圧Ｖｓの場合、被駆動体１５の速度は０となる。一方、チャンネルＣＨ_０とチャンネルＣＨ_１の電圧値が異なると、被駆動体１５に加えられるＸ成分のバランスが崩れて、被駆動体にＸ方向の推力が加えられ、これによって被駆動体１５を移動させることができるようになる。

チャンネルＣＨ_０とチャンネルＣＨ_１がともにオフセット電圧Ｖｓにある状態から、チャンネルＣＨ_０の電圧をオフセット電圧Ｖｓに維持しながら、チャンネルＣＨ_１の電圧をオフセット電圧Ｖｓから図示された直線に従って下げていくと、超音波振動子１１ａがヘッド１３を介して被駆動体１５に与えるＸ方向の推力が徐々に大きくなって、チャンネルＣＨ_１の電圧がＶｓ_１となったときに、速度ｖｓ_１で動き出す。この状態からチャンネルＣＨ_１の電圧をさらに下げると、被駆動体１５の速度は大きくなり、チャンネルＣＨ_１の電圧が０となった後には、チャンネルＣＨ_０の電圧を上げることにより、さらに被駆動体１５の速度を大きくすることができる。

一方、被駆動体１５を速度ｖｓ_１よりも大きい速度で駆動している状態から図３に示すチャンネルＣＨ_０・ＣＨ_１の関係を維持しながら、被駆動体１５を速度が小さくなるようにチャンネルＣＨ_０・ＣＨ_１の電圧を変化させた場合、および、チャンネルＣＨ_１の電圧がＶｓ_１となって被駆動体１５が動き出した後にチャンネルＣＨ_１の電圧をＶｓ_１から上げた場合には、被駆動体１５の速度は小さくなり、被駆動体１５の速度がｖｅ_１未満となったときに、被駆動体１５が停止する。したがって、超音波モータ１０の第１の駆動方法においては、被駆動体１５の最小駆動速度がｖｅ_１であり、このときの電圧Ｖｅ_１が不感帯の大きさを表す値となる。

後述する実施例に示すように、この超音波モータ１０の第１の駆動方法によれば、最小駆動速度がｖｅ_１を、先に図７，図８を参照しながら説明した最小駆動速度ｖｅ_０よりも小さくすることができる。なお、超音波振動子１１ａ・１１ｂに印加するチャンネルＣＨ_０・ＣＨ_１の電圧を反転させれば、被駆動体１５の移動方向を逆転させることができる。

次に、図４に超音波モータ１０の第２の駆動方法を表すグラフを示す。この第２の駆動方法において、チャンネルＣＨ_０とチャンネルＣＨ_１のオフセット電圧Ｖｓおよび電圧信号の位相の設定は、上述した第１の駆動方法に準ずる。

図４に示されるように、チャンネルＣＨ_０の電圧をオフセット電圧Ｖｓから大きくしながら、チャンネルＣＨ_１の電圧をオフセット電圧Ｖｓから小さくすると、超音波振動子１１ａがヘッド１３を介して被駆動体１５に与えるＸ方向の推力が徐々に大きくなり、チャンネルＣＨ_１の電圧がＶｓ_２となったときに、被駆動体１５は速度ｖｓ_２で動き出す。

この状態からチャンネルＣＨ_０の電圧をさらに上げ、かつ、チャンネルＣＨ_１の電圧をさらに下ると、被駆動体１５の速度は大きくなり、チャンネルＣＨ_１の電圧が０となった後には、チャンネルＣＨ_０の電圧を上げることにより、さらに被駆動体１５の速度をさらに大きくすることができる。

一方、被駆動体１５を速度ｖｓ_２よりも大きい速度で駆動している状態から図４に示すチャンネルＣＨ_０・ＣＨ_１の関係を維持しながら、被駆動体１５を速度が小さくなるようにチャンネルＣＨ_０・ＣＨ_１の電圧を変化させた場合、および、チャンネルＣＨ_１の電圧がＶｓ_２となって被駆動体１５が動き出した後にチャンネルＣＨ_１の電圧をＶｓ_２から上げた場合には、被駆動体１５の速度は小さくなり、被駆動体１５の速度がｖｅ_２未満となったときに、被駆動体１５が停止する。したがって、超音波モータ１０の第２の駆動方法においては、被駆動体１５の最小駆動速度がｖｅ_２であり、このときの電圧Ｖｅ_２が不感帯の大きさを表す値となる。

次に、図５に超音波モータ１０の第３の駆動方法を表すグラフを示す。この第３の駆動方法においても、チャンネルＣＨ_０とチャンネルＣＨ_１のオフセット電圧Ｖｓおよび電圧信号の位相の設定は、上述した第１，第２の駆動方法に準ずる。

図５に示されるように、チャンネルＣＨ_０の電圧をオフセット電圧Ｖｓから大きくしながら、チャンネルＣＨ_１の電圧をオフセット電圧Ｖｓで維持すると、超音波振動子１１ａがヘッド１３を介して被駆動体１５に与えるＸ方向の推力が徐々に大きくなり、チャンネルＣＨ_０の電圧がＶｓ_３となったときに、速度ｖｓ_３で動き出す。

この状態から図５に示されるように、チャンネルＣＨ_０の電圧を上げると同時にチャンネルＣＨ_１の電圧をオフセット電圧Ｖｓで維持することにより、また、その後にチャンネルＣＨ_０の電圧を維持する同時にチャンネルＣＨ_１の電圧を下げることによって、被駆動体１５の速度を大きくすることができる。チャンネルＣＨ_１の電圧が０となった後には、チャンネルＣＨ_０の電圧を上げることにより、さらに被駆動体１５の速度を大きくすることができる。

一方、被駆動体１５を速度ｖｓ_２よりも大きい速度で駆動している状態から図５に示すチャンネルＣＨ_０・ＣＨ_１の関係を維持しながら、被駆動体１５を速度が小さくなるようにチャンネルＣＨ_０・ＣＨ_１の電圧を変化させた場合、および、チャンネルＣＨ_１の電圧がＶｓ_３となって被駆動体１５が動き出した後にチャンネルＣＨ_１の電圧をＶｓ_３から下げた場合には、被駆動体１５の速度は小さくなり、被駆動体１５の速度がｖｅ_３未満となったときに、被駆動体１５が停止する。したがって、超音波モータ１０の第３の駆動方法においては、被駆動体１５の最小駆動速度がｖｅ_３であり、このときの電圧Ｖｅ_３が不感帯の大きさを表す値となる。

（比較例）
比較例として、先に図７および図８を参照して説明した駆動方法を用いて、超音波モータ１０を超音波振動子１１ａのみを所定周波数のｓｉｎ波で駆動することにより、１ｋｇのステージを移動させた。この比較例では、超音波振動子１１ａを駆動するためのチャンネルＣＨ_０の電圧値を０Ｖから４０Ｖに直線的にスイープさせ後に０Ｖに戻し、超音波振動子１１ｂには電圧を印加しなかった（チャンネルＣＨ_１＝０Ｖ）。表１にチャンネルＣＨ_０の電圧スイープ時の所定ポイントにおける電圧値とステージの移動速度との関係を示す。

この表１に示されるように、チャンネルＣＨ_０の電圧が３０Ｖに達すると、ステージが１０ｍｍ／秒の速度で移動し始めた（つまり、始動速度ｖｓ_０＝１０ｍｍ／秒）。その後さらにチャンネルＣＨ_０の電圧を上げていくと、４０Ｖで３０ｍｍ／秒の移動速度が得られた。続いてチャンネルＣＨ_０の電圧を４０Ｖから徐々に下げていくと、２５Ｖで３ｍｍ／秒の移動速度が得られたが、それよりも電圧をさげると、ステージは動かなくなった（つまり、最小移動速度ｖｅ_０＝３ｍｍ／秒）。

（実施例１）
先に説明した第１の駆動方法を用いて、上記比較例と同じ１ｋｇのステージを移動させた。この実施例１では、チャンネルＣＨ_０の電圧値を３０Ｖに保持した状態でチャンネルＣＨ_１の電圧値を３０Ｖから０Ｖに直線的にスイープさせ、その後、チャンネルＣＨ_１の電圧値を０Ｖで保持した状態でチャンネルＣＨ_０の電圧値を３０Ｖから４０Ｖに直線的にスイープさせた。次いで、この電圧制御を逆向きに行うことで初期状態に戻した。表２にチャンネルＣＨ_０・ＣＨ_１の電圧スイープ時の所定ポイントにおける各電圧値とステージの移動速度との関係を示す。

表２に示されるように、チャンネルＣＨ_１の電圧値が４Ｖまで降下したときに、ステージが３ｍｍ／秒の速度で移動し始めた（つまり、始動速度ｖｓ_１＝３ｍｍ／秒）。その後さらにチャンネルＣＨ_１の電圧を下げると、チャンネルＣＨ_１の電圧値が０Ｖのときに、ステージの移動速度は１０ｍｍ／秒となった。この状態は比較例と同じである。よって、チャンネルＣＨ_１の電圧値が０ＶのままチャンネルＣＨ_０の電圧値を３０Ｖから上げると、チャンネルＣＨ_０の電圧値が４０Ｖのときに３０ｍｍ／秒の移動速度が得られた。続いて、チャンネルＣＨ_０の電圧を４０Ｖから徐々に下げて３０Ｖで保持した後、チャンネルＣＨ_１の電圧を０Ｖから徐々に上げていくと、チャンネルＣＨ_１の電圧値が７Ｖに達した時点で０．２ｍｍ／秒の移動速度が得られた。しかし、それよりもチャンネルＣＨ_１の電圧を上げると、ステージは動かなくなった（つまり、最小移動速度ｖｅ_１＝０．２ｍｍ／秒）。

（実施例２）
先に説明した第２の駆動方法を用いて、上記比較例と同じ１ｋｇのステージを移動させた。この実施例２では、チャンネルＣＨ_０の電圧値を３０Ｖから５０Ｖに直線的にスイープさせると同時に、チャンネルＣＨ_１の電圧値を３０Ｖから１０Ｖに直線的にスイープさせた。次いで、この電圧制御を逆向きに行うことで初期状態に戻した。表３にチャンネルＣＨ_０・ＣＨ_１の電圧スイープ時の所定ポイントにおける各電圧値とステージの移動速度との関係を示す。

この表３に示されるように、チャンネルＣＨ_０の電圧値が４２Ｖに達し、かつ、チャンネルＣＨ_１の電圧値が１８Ｖに達したときに、ステージが１ｍｍ／秒の速度で移動し始めた（つまり、始動速度ｖｓ_２＝１ｍｍ／秒）。その後さらにチャンネルＣＨ_０の電圧を上げ、チャンネルＣＨ_１の電圧を下げることで、チャンネルＣＨ_０の電圧値が５０Ｖ、かつ、チャンネルＣＨ_１の電圧値が１０Ｖのときに、３０ｍｍ／秒の移動速度が得られた。次に、チャンネルＣＨ_０の電圧を５０Ｖから徐々に下げると同時にチャンネルＣＨ_１の電圧値を１０Ｖから徐々に上げていくと、チャンネルＣＨ_０の電圧値が４１Ｖ、チャンネルＣＨ_１の電圧値が１９Ｖとなった時点で０．１ｍｍ／秒の移動速度が得られたが、それよりもチャンネルＣＨ_０の電圧を下げ、またチャンネルＣＨ_１の電圧を上げると、ステージは動かなくなった（つまり、最小移動速度ｖｅ_２＝０．１ｍｍ／秒）。

（実施例３）
先に説明した第３の駆動方法を用いて、上記比較例と同じ１ｋｇのステージを移動させた。この実施例３では、チャンネルＣＨ_０の電圧値を３０Ｖから７０Ｖに直線的にスイープさせ、チャンネルＣＨ_１の電圧値は３０Ｖで不変とした。次いで、この電圧制御を逆向きに行うことで初期状態に戻した。表４にチャンネルＣＨ_０の電圧スイープ時の所定ポイントにおける各電圧値とステージの移動速度との関係を示す。

この表４に示されるように、チャンネルＣＨ_０の電圧値が５６Ｖに達したときに、ステージが３ｍｍ／秒の速度で移動し始めた（つまり、始動速度ｖｓ_３＝３ｍｍ／秒）。その後さらにチャンネルＣＨ_０の電圧を上げると、その電圧値が７０Ｖ（チャンネルＣＨ_１の電圧値は３０Ｖ）のときに、３０ｍｍ／秒の移動速度が得られた。次いで、チャンネルＣＨ_０の電圧を７０Ｖから徐々に下げていくと、その電圧値が５３Ｖになった時点で、０．２ｍｍ／秒の移動速度が得られたが、それよりもチャンネルＣＨ_０の電圧を下げると、ステージは動かなくなった（つまり、最小移動速度ｖｅ_３＝０．２ｍｍ／秒）。

上記比較例および実施例１〜３のステージの始動速度および最初移動速度をまとめたものを表５に示す。上述した通り、実施例１〜３の各始動速度ｖｓ_１，ｖｓ_２，ｖｓ_３はそれぞれ、３ｍｍ／秒，１ｍｍ／秒，３ｍｍ／秒であり、比較例の１０ｍｍ／秒よりも低速でステージの移動を開始することができることが確認された。また、比較例ではステージの最小移動速度ｖｅ_０は３ｍｍ／秒であったが、実施例１〜３では、ステージの最小移動速度ｖｅ_１，ｖｅ_２，ｖｅ_３をそれぞれ、０．２ｍｍ／秒，０．１ｍｍ／秒，０．２ｍｍ／秒と小さくすることができ、従来は困難であったステージの低速移動を可能にできることが確認された。なお、この結果から、ステージがより軽量の場合や超音波モータ１０がステージを駆動させる力が大きい場合には、始動速度および最小移動速度をさらに小さくすることが可能と考えられる。

以上、本発明の実施の形態および実施例について説明してきたが、本発明はこのような形態等に限定されるものではない。例えば、上記説明においては、被駆動体１５を直線移動させた形態について説明したが、回転自在なロータの外周端面にヘッド１３の当接部１３ａを押しあてて超音波モータ１０を駆動すれば、ロータの回転角度を高精度に制御することができる。また、超音波モータは、図１、図６に示した構造のものに限定されず、２個の超音波振動子の振動を合成した力が被駆動体に与えられる構造を有するものであれば、上記第１〜第３の駆動方法による駆動が可能である。さらに、上記第１〜第３の駆動方法で示したチャンネルＣＨ０，ＣＨ１の電圧パターンは例示であり、種々に、電圧の維持、降下、上昇を組み合わせて、用途に応じたプロファイルを作成することができる。

本発明の超音波モータの駆動方法は、精密位置決めが必要な半導体製造装置等に装着されるＸ−Ｙステージの送り機構の制御に好適である。

超音波モータの概略構成を示す断面図。超音波モータの制御系の概略構成を表す図。超音波モータの第１の駆動方法を示すグラフ。超音波モータの第２の駆動方法を示すグラフ。超音波モータの第３の駆動方法を示すグラフ。公知の超音波モータの構成を示す図。超音波モータの従来の駆動方法による入力電圧と被駆動体の速度との関係を示す図。超音波モータの制御に従来から用いられている被駆動体の速度との関係を示す図。超音波モータの制御に従来から用いられている被駆動体の速度との別の関係を示す図。

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；押圧機構
１５；被駆動体
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
１００；超音波モータ
１０１ａ・１０１ｂ；超音波振動子
１０２；保持部材
１０３；ヘッド
１０４ａ・１０４ｂ；圧電素子
１０５；スライダ
１０６；リニアガイド

Claims

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、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部でそれぞれ前記超音波振動子を保持するヘッド部材と、を備えた超音波モータの駆動方法であって、
前記２個の超音波振動子が具備する圧電素子にそれぞれ同位相の電圧を印加し、その際に、一方の圧電素子には前記２個の超音波振動子がそれぞれ具備する圧電素子に位相が９０度ずれた同じ値の電圧を印加した場合の超音波モータの始動電圧の値以上の電圧を常に印加し、他方の圧電素子に印加する電圧値を変化させることで、前記被駆動体の速度を制御することを特徴とする超音波モータの駆動方法。
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、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部でそれぞれ前記超音波振動子を保持するヘッド部材と、を備えた超音波モータの駆動方法であって、
前記２個の超音波振動子が具備する圧電素子にそれぞれ同位相の電圧を印加し、その際に、一方の圧電素子には前記２個の超音波振動子がそれぞれ具備する圧電素子に位相が９０度ずれた同じ値の電圧を印加した場合の超音波モータの始動電圧の値以上の電圧を常に印加し、前記２個の超音波振動子がそれぞれ具備する圧電素子の一方に印加する電圧の値を一定に保持して、他方に印加する電圧の値を降下させることにより、前記被駆動体の速度を下げることを特徴とする超音波モータの駆動方法。
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、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部でそれぞれ前記超音波振動子を保持するヘッド部材と、を備えた超音波モータの駆動方法であって、
前記２個の超音波振動子が具備する圧電素子にそれぞれ同位相の電圧を印加し、その際に、一方の圧電素子には前記２個の超音波振動子がそれぞれ具備する圧電素子に位相が９０度ずれた同じ値の電圧を印加した場合の超音波モータの始動電圧の値以上の電圧を常に印加し、前記２個の超音波振動子がそれぞれ具備する圧電素子の一方に印加する電圧の値を上昇させながら、他方に印加する電圧の値を降下させることにより、前記被駆動体の速度を下げることを特徴とする超音波モータの駆動方法。
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、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部でそれぞれ前記超音波振動子を保持するヘッド部材と、を備えた超音波モータの駆動方法であって、
前記２個の超音波振動子が具備する圧電素子にそれぞれ同位相の電圧を印加し、その際に、一方の圧電素子には前記２個の超音波振動子がそれぞれ具備する圧電素子のいずれか一方に電圧を印加した場合の超音波モータの始動電圧の値以上の電圧を常に印加し、他方の圧電素子に印加する電圧値を変化させることで、前記被駆動体の速度を制御することを特徴とする超音波モータの駆動方法。
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、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部でそれぞれ前記超音波振動子を保持するヘッド部材と、を備えた超音波モータの駆動方法であって、
前記２個の超音波振動子が具備する圧電素子にそれぞれ同位相の電圧を印加し、その際に、一方の圧電素子には前記２個の超音波振動子がそれぞれ具備する圧電素子のいずれか一方に電圧を印加した場合の超音波モータの始動電圧の値以上の電圧を常に印加し、前記２個の超音波振動子がそれぞれ具備する圧電素子の一方に印加する電圧の値を一定に保持して、他方に印加する電圧の値を降下させることにより、前記被駆動体の速度を下げることを特徴とする超音波モータの駆動方法。
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、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部でそれぞれ前記超音波振動子を保持するヘッド部材と、を備えた超音波モータの駆動方法であって、
前記２個の超音波振動子が具備する圧電素子にそれぞれ同位相の電圧を印加し、その際に、一方の圧電素子には前記２個の超音波振動子がそれぞれ具備する圧電素子のいずれか一方に電圧を印加した場合の超音波モータの始動電圧の値以上の電圧を常に印加し、前記２個の超音波振動子がそれぞれ具備する圧電素子の一方に印加する電圧の値を上昇させながら、他方に印加する電圧の値を降下させることにより、前記被駆動体の速度を下げることを特徴とする超音波モータの駆動方法。
前記２個の超音波振動子がそれぞれ具備する圧電素子に同じ大きさの電圧を印加することにより、超音波モータを静止状態に維持することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超音波モータの駆動方法。