JP4655324B2

JP4655324B2 - 振動モータ、位置決め装置および振動モータの制御方法

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Publication number: JP4655324B2
Application number: JP2000080749A
Authority: JP
Inventors: 聡三輪
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-03-22
Filing date: 2000-03-22
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2020-03-22
Also published as: JP2001268955A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動モータ、位置決め装置および振動モータの制御方法に関する。具体的には、本発明は、駆動信号が入力されて振動を発生する振動子を備える振動モータと、例えば光ファイバ等の情報伝送路の切換装置に適用するのに好適な、例えば超音波モータ等の振動モータを用いた位置決め装置と、振動モータの制御方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、例えば直流サーボモータ等のサーボモータを位置決め装置の駆動源として用いて位置決め対象物を目標位置に位置決めするには、目標位置との位置偏差を基にサーボループを構成することにより、位置偏差を０とするようにモータの駆動制御を行う。そして、位置偏差が０となった時点で、サーボ制御を行ったまま、モータの駆動を停止する。この際に、サーボモータの停止位置が外乱により変動すると、発生した位置偏差を直ちに零とするべくモータが動作する。このため、サーボモータを用いた位置決め装置では、位置決め対象物が目標位置の極近傍に存在しているにもかかわらず、常に電力を消費することになる。
【０００３】
一方、振動モータは、一般的に、２種の圧電素子に、互いの位相が（π／２）異なるとともに所定の周波数を有する連続波からなる２相の駆動信号（交流電圧）をそれぞれ入力することによって、これらの圧電素子が装着された弾性体に位相が異なる２つの定在波を励振し、これらの定在波が合成されて弾性体の駆動力取出部に発生した楕円運動を利用して、駆動力取出部に加圧接触する相対運動部材を摩擦駆動する。この種の振動モータとして、超音波の振動域を利用した超音波モータが知られているため、以降の説明ではこの超音波モータを例にとる。
【０００４】
この超音波モータは、目標位置に停止した後は、圧電素子への電気入力を停止するだけでドリフトもなく、さらに外力にも乱されずにその位置で停止し続けるという、いわゆる自己保持性を有する。このため、この超音波モータを位置決め装置の駆動源として用いることが有望視されている。
【０００５】
超音波モータを位置決め装置の駆動源として用いて位置決め対象物を目標位置に位置決めするには、従来のサーボモータの制御がそのまま流用されていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のサーボモータの制御をそのまま超音波モータに流用すると、位置偏差が零に収束するようにフィードバック制御が行われるため、目標位置の近傍では位置偏差が振動的に増減し、目標位置から所定の距離の範囲に設定された位置決め許容範囲に入るための時間が長時間化してしまう。
【０００７】
図１１は、従来のサーボモータの制御をそのまま超音波モータに流用した場合の、指令位置、位置決め対象物の検出速度および位置偏差（指令位置と現位置との偏差）と、時間との関係の一例を示すグラフである。
【０００８】
図１１にグラフで示すように、超音波モータが時刻ｔ₀に起動され、指令位置に追従しながら位置決め対象物は目標位置へ向けて移動し、時刻ｔ₁で位置決め許容範囲Ｐ内に存在するにもかかわらず、サーボ制御のため、超音波モータは時刻ｔ₂、ｔ₃およびｔ₄において目標位置を通過し、この振動が減衰した時刻ｔ₅において、ようやく位置決め許容範囲Ｐに停止する。このため、位置決め許容範囲に達した時から（ｔ₅−ｔ₁）時間が経過するまでの停止時間が長時間化してしまう。停止時間の長時間化は、位置決め装置、例えば光ファイバ切換端子駆動装置の重要な技術課題である。
【０００９】
本発明の目的は、目標位置に短時間で停止することができる例えば超音波モータ等の振動モータと、その制御方法と、この振動モータを用いて位置決め対象物を目標位置に短時間で停止させることができる位置決め装置とを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、振動モータの振動子又は相対運動部材が、目標位置から所定の距離の範囲に設定された位置決め許容範囲に達した時以降にもサーボ制御を継続するのではなくて、振動子への駆動信号の入力を禁止することにより、上述した課題を解決できるという新規かつ重要な知見に基づくものである。
【００１１】
請求項１の発明は、駆動信号を入力されて振動を発生する振動子と、この振動子に加圧接触して相対運動を発生する相対運動部材と、相対運動部材又は振動子に固定され、相対運動に伴って駆動される可動部が、目標停止位置から所定の距離の範囲に設定された位置決め許容範囲に達した時以降であり、かつ、可動部の速度が、振動子への駆動信号の入力を停止した際に発生する機械的振動によって変位する振動子又は相対運動部材の振幅が位置決め許容範囲以下となる速度に低下した時以降に、振動子への駆動信号の入力を禁止する駆動制御装置とを備えることを特徴とする振動モータを提供する。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１に記載された振動モータにおいて、駆動制御装置が、振動子への前記駆動信号の入力を停止した際に発生する機械的振動によって変位する振動子又は相対運動部材の振幅が位置決め許容範囲の１／２となる速度に低下した時以降に、振動子への前記駆動信号の入力を禁止することを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明では、請求項１又は請求項２に記載された振動モータと、この振動モータにより駆動される可動ステージとを備えることを特徴とする位置決め装置である。
【００１５】
請求項４の発明では、駆動信号を入力されて振動を発生する振動子又はこの振動子に加圧接触して相対運動を発生する相対運動部材に固定され、前記の相対運動に伴って駆動される可動部が、目標停止位置から所定の距離の範囲に設定された位置決め許容範囲に達した時以降であり、かつ、可動部の速度が、振動子への駆動信号の入力を停止した際に発生する機械的振動によって変位する振動子又は相対運動部材の振幅が位置決め許容範囲以下となる速度に低下した時以降に、振動子への駆動信号の入力を禁止することを特徴とする振動モータの制御方法を提供する。
さらに、請求項５の発明は、請求項４に記載された振動モータの制御方法において、振動子への駆動信号の入力を停止した際に発生する機械的振動によって変位する振動子又は相対運動部材の振幅が位置決め許容範囲の１／２となる速度に低下した時以降に、振動子への駆動信号の入力を禁止することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明にかかる振動モータを用いた位置決め装置の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以降の実施の形態の説明では、振動モータとして超音波の振動域を利用した超音波モータを用いるとともに、本発明にかかる位置決め装置を、光ファイバの切換装置に適用した場合を例にとる。
【００１７】
図１は、本実施形態の位置決め装置３０を、一部が透視されるとともに簡略化された状態で示す斜視図である。また、図２は図１におけるＡ矢視図であり、図３は図１におけるＢ矢視図である。
【００１８】
図１〜図３にそれぞれ示すように、本実施形態の位置決め装置３０は、超音波モータ３３と可動ステージ３４とを有する。以下、本実施形態の位置決め装置３０のこれらの構成要素について、順次説明する。
【００１９】
〔超音波モータ３３〕
超音波モータ３３は、振動子３１、移動子３２及び振動子固定部材４２を有する。以下、これらについて順次説明する。
【００２０】
（ｉ）振動子３１
図４は、本実施形態における振動子３１及び移動子３２それぞれの構成を示す斜視図である。また、図５は、振動子３１の説明図であり、図５（Ａ）は上面図、図５（Ｂ）は側面図、図５（Ｃ）は振動子３１に発生する二つの異なる振動Ｌ１及びＢ４それぞれの波形例を示す説明図である。
【００２１】
図１〜図５にそれぞれ示すように、本実施形態で用いる振動子３１は、弾性体３５と、弾性体３５の一方の平面に装着された圧電体３６とを備える。
弾性体３５は、例えば鉄鋼、ステンレス鋼、リン青銅又はエリンバー材等といった共振先鋭度が大きな金属材料により構成されることが望ましく、矩形平板状に形成される。また、弾性体３５の各部の寸法は、発生する１次の縦振動Ｌ１及び４次の屈曲振動Ｂ４それぞれの固有振動数ｆ_L1、f _B4が略一致するように、設定される。
【００２２】
弾性体３５の一方の平面には、圧電体３６が例えば接着により装着される。また、弾性体３５の他方の平面には、弾性体３５の幅方向に２本の溝部が相対運動方向（図２、図４及び図５それぞれにおける左右方向）に関して所定距離だけ離れて設けられる。これらの溝部に、横断面形状が矩形である各棒型の、高分子材等を主成分とした摺動部材が嵌め込まれて装着され、突起状に突出して装着される。高分子材としては、ＰＴＦＥ、ポリイミド樹脂、ポリアセタール、ＰＰＳさらにはＰＥＥＫ等の高分子材料が例示される。
【００２３】
そして、この摺動部材が駆動力取出部３７ａ、３７ｂとして機能する。したがって、弾性体３５はこれら摺動部材からなる駆動力取出部３７ａ、３７ｂを介して移動子３２に加圧接触する。
【００２４】
また、図３に示すように、各駆動力取出部３７ａ、３７ｂは、いずれも、振動子３１の幅方向に二つに分割され、分割されたそれぞれの駆動力取出部３７ａ、３７ａ’、３７ｂ、３７ｂ’が振動子３１の幅方向の端部側に配置される。このように、本実施形態では、各駆動力取出部３７ａ、３７ｂは、それぞれが２個の摺動材により構成される。
【００２５】
これらの駆動力取出部３７ａ、３７ｂは、図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）に示すように、弾性体３５に発生する４次の屈曲振動Ｂ４の４つの腹位置ｌ₁〜ｌ₄のうちの外側に位置する二つの腹位置ｌ₁、ｌ₄に一致する位置にそれぞれ設けられる。なお、駆動力取出部３７ａ、３７ｂは、屈曲振動Ｂ４の二つの腹位置ｌ₁、ｌ₄に正確に一致する位置に設けられる必要はなく、これらの腹位置ｌ₁、ｌ₄の近傍に設けられていてもよい。
【００２６】
圧電体３６は、本実施形態ではＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）からなる一枚の薄板状の圧電素子により構成される。この圧電体３６には、図４及び図５に示すように、Ａ相の駆動信号Ｖ_Aが入力される入力領域３６ａ、３６ｃと、Ａ相の駆動信号とは位相が約（π／２）ずれたＢ相の駆動信号Ｖ_Bが入力される入力領域３６ｂ、３６ｄとが形成される。各入力領域３６ａ〜３６ｄは、いずれも、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示すように、弾性体３５に発生する屈曲振動Ｂ４の５つの節位置ｎ₁〜ｎ₅により区画された４つの領域に連続して形成される。すなわち、駆動信号の入力により変形する各入力領域３６ａ〜３６ｄが、いずれも、不動点である節位置ｎ₁〜ｎ₅を跨がない。そのため、入力領域３６ａ〜３６ｄの変形が節位置ｎ₁〜ｎ₅によって抑制されることがない。これにより、各入力領域３６ａ〜３６ｄに入力された電気エネルギを最大の効率で弾性体３５の変形、すなわち機械エネルギへ変換することができる。
【００２７】
また、屈曲振動Ｂ４の節位置ｎ₂、ｎ₄には、振動子３１が発生する縦振動Ｌ１により電気エネルギを出力する検出領域３６ｐ、３６ｐ’が設けられる。これにより、振動子３１が発生する縦振動Ｌ１の振動状態がモニタされる。
【００２８】
そして、図４、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、各入力領域３６ａ〜３６ｄと各検出領域３６ｐ、３６ｐ’とは、それぞれの表面を、銀電極３８ａ〜３８ｄ、３８ｐ、３８ｐ’により覆われる。これにより、各入力領域３６ａ〜３６ｄへ独立して駆動信号を入力したり、各検出領域３６ｐ、３６ｐ’から独立して検出信号を出力することができる。なお、図面を簡略化して理解を容易にするため、図１〜図３では、いずれも、銀電極３８ａ〜３８ｄ、３８ｐ、３８ｐ’は省略してある。
【００２９】
各銀電極３８ａ〜３８ｄには、電気エネルギの授受を行うためのリード線３９ａ〜３９ｄが半田付けされて接続され、また、銀電極３８ｐ、３８ｐ’には、同じくリード線（図示しない。）が半田付けされて接続されている。
【００３０】
なお、本実施形態では、図５（Ａ）に示すように、振動子３１はその平面の中央部を中心として点対称となるように、形成される。これにより、各駆動力取出部３７ａ、３７ａ’、３７ｂ、３７ｂ’に発生する楕円運動を略同じ形状とすることができ、相対運動方向の反転に伴う駆動差が殆ど解消される。
【００３１】
図７を参照しながら後述するように、位置決め装置３０の駆動制御装置６１から、圧電体３６の入力領域３６ａ、３６ｃには、縦振動Ｌ１及び屈曲振動Ｂ４それぞれの固有振動数に略一致した周波数を有するＡ相の駆動信号Ｖ_Aが入力される。また、入力領域３６ｂ、３６ｄには、Ａ相の駆動信号とは（π／２）の位相差を有するＢ相の駆動信号Ｖ_Bが入力される。すると、図５（Ｃ）に示すように、弾性体３５には、相対運動方向（図５における左右方向）へ振動する第１の振動である１次の縦振動Ｌ１と、この相対運動方向に直交する上下方向、すなわち振動子３１と移動子３２との加圧方向に平行な方向へ振動する第２の振動である４次の屈曲振動Ｂ４とが同時に発生する。
【００３２】
発生した縦振動Ｌ１と屈曲振動Ｂ４とは合成されて、駆動力取出部３７ａ、３７ａ’と駆動力取出部３７ｂ、３７ｂ’とには、図５（Ｂ）に例示するように、互いの位相がπずれた楕円運動がそれぞれ発生する。これにより、振動子３１は加圧接触する移動子３２との間で、縦振動Ｌ１の振動方向への相対的な直線運動を発生する。なお、相対運動方向を逆向きにするには、Ｂ相の駆動信号が、Ａ相の駆動信号に対して（−π／２）の位相差を有するように設定すればよい。
【００３３】
このように、本実施形態の振動子３１は、相対運動の方向へ振動する第１の振動である縦振動Ｌ１と、この第１の振動の振動方向と直交する方向へ振動する第２の振動である屈曲振動Ｂ４とを励振することにより、移動子３２との間で直線的な相対運動を発生する、いわゆる異形モード縮退型の振動子である。
【００３４】
（ｉｉ）移動子３２
図１〜図５にそれぞれ示すように、本実施形態では、振動子３１との間で相対運動を行う相対運動部材として、移動子３２を用いる。図６は、移動子３２及び可動ステージ３４を抽出して示す斜視図である。
【００３５】
移動子３２は、ステンレス鋼、銅合金又はアルミニウム合金等からなっており、可動ステージ３４の移動子取付面３４ａに３本の平小ねじ４０により固定される。
【００３６】
本実施形態では、図６に示すように、移動子３２の振動子３１との当接面のうちで、駆動力取出部３７ａ、３７ａ’及び駆動力取出部３７ｂ、３７ｂ’のいずれにも接触しない十字型の非接触部４１ｃは、駆動力取出部３７ａ、３７ａ’及び駆動力取出部３７ｂ、３７ｂ’のいずれかに接触する接触部４１ａ、４１ａ’、４１ｂ、４１ｂ’よりも、肉薄に形成されている。これにより、移動子３２の振動子３１との当接面は、図１〜図４及び図６に示すように、十字型の溝状に形成される。すなわち、移動子３２の振動子３１との当接面の四隅部には、突起部４１ａ〜４１ｂ’がそれぞれ形成される。なお、本実施形態では、後述するように、移動子３２の振動子３１との当接面に十字型の溝を形成しているが、この溝の部分を節に振動し難いようになっている。なぜなら、移動子３２は、断面２次モーメントが大きいＬ型の断面形状を有する可動ステージ３４の移動子取付面３４ａに装着されているため、移動子３２には曲げ変形に伴った屈曲振動は発生しない。
【００３７】
移動子３２は、図１〜図３を参照しながら後述するように、振動子固定部材４２により加圧支持された振動子３１の駆動力取出部３７ａ、３７ａ’と駆動力取出部３７ｂ、３７ｂ’とに、突起部４１ａ〜４１ｂ’を介して適当な加圧力で加圧接触して配置される。
【００３８】
これにより、振動子３１を起動すると、移動子３２は、駆動力取出部３７ａ、３７ａ’と駆動力取出部３７ｂ、３７ｂ’とに互いの位相がπだけずれてそれぞれ発生した楕円運動によって、突起部４１ａ〜４１ｂ’を介して駆動される。このため、移動子３２は、後述するベース基板６０上に固定されたリニアガイド５５によって直線的に案内される可動ステージ３４とともに、直線的に駆動される。このように、本実施形態では、固定配置された振動子３１によって移動子３２が直線的に駆動される。
【００３９】
本実施形態では、移動子３２の振動子３１との当接面に十字型の溝が形成されることにより、位置決め装置３０の移動系の一部をなす移動子３２の軽量化が図られている。これにより、移動子３２とともに移動する可動ステージ３４の整定時間が短縮化される。
【００４０】
また、移動子３２の振動子３１との接触面に、振動子３１との接触状態を良好にするためにラップ加工による鏡面仕上を施す場合、本実施形態では、突起部４１ａ〜４１ｂ’の底面だけにこのラップ加工を施せばよい。このため、ラップ加工の面積が低減され、ラップ加工による鏡面仕上の加工時間を短縮化することができる。
【００４１】
さらに、突起部４１ａ〜４１ｂ’それぞれは、いずれも振動子３１よりも相当質量が小さいため、これら突起部４１ａ〜４１ｂ’それぞれの固有振動数は、振動子３１の超音波の振動数（例えば５０ｋＨＺ程度）よりも高くなる。このため、振動子３１が発生する振動が駆動力取出部３７ａ、３７ａ’及び駆動力取出部３７ｂ、３７ｂ’を介して突起部４１ａ〜４１ｂ’に伝播されても、突起部４１ａ〜４１ｂ’はいずれも、駆動を害するような振動（低周波の振動）が発生し難くなる。このため、振動子３１が発生した振動により可動ステージ３４が振動することも、抑制される。このため、可動ステージ３４の振動が抑制され、可動ステージ３４を高精度で位置決めすることができる。
【００４２】
（ｉｉｉ）振動子固定部材４２
図１〜図３に示すように、本実施形態の振動モータ３０は、振動子固定部材４２を有する。振動子固定部材４２は、Ｌ型の水平断面形状を有するブロック体であり、アルミニウム合金やステンレス鋼等の金属材料からなる。この振動子固定部材４２は、振動子支持部材４３と振動子加圧部材４４とを備える。
【００４３】
図１〜図３に示すように、振動子支持部材４３は、アルミニウム合金やステンレス鋼等の金属材料からなる薄板状部材であり、板厚の小さな屈曲部４３ａと、板厚が大きな支持部４３ｂとを有する。屈曲部４３ａの一方の端部には二つの貫通孔が設けられており、振動子支持部材４３は、これらの貫通孔をそれぞれ貫通する固定ねじ４３ｃによって、振動子固定部材４２の端面に固定される。
【００４４】
また、支持部４３ｂの振動子１１側の平面には、ステンレス鋼製の二つの支持ピン４５ａ、４５ｂが、例えば接着や溶接等の適宜手段により固定される。そして、支持ピン４５ａ、４５ｂは、振動子１１の両側面の長手方向の略中央部に形成された半円上の二つの切欠き部３１ａ、３１ｂ（図５（Ａ）参照。）に嵌め込まれて、例えば接着や溶接等の適宜手段により固定される。
【００４５】
なお、振動子３１の一方の平面に装着された圧電体３６と支持部４３ｂとの間には、例えばプラスチック等からなる絶縁部材４６が挟まれた状態で配置されており、入力領域３６ｂ及び３６ｃの短絡が防止される。
【００４６】
振動子３１は、振動子支持部材４３によって、相対運動の方向（図２における左右方向）について拘束されるとともに、屈曲部４３ａが円弧状に屈曲変位することにより加圧方向（図２における上下方向）へ略直線的に微小に変位できるように、支持される。
【００４７】
一方、図１〜図３に示すように、振動子加圧部材４４は、四隅部に加圧用突起４７ａ〜４７ｄを有する板材である。加圧用突起４７ａ〜４７ｄを振動子加圧部材４４の四隅部に配置したのは、電極３８ａ〜３８ｄ、３８ｐ、３８ｐ’とリード線３９ａ〜３９ｄとの半田付けの盛り上がり部との干渉を防止するためである。加圧用突起４７ａ及び４７ｃは、振動子３１に発生する屈曲振動Ｂ４の節位置ｎ₂の位置と一致する位置に、また、加圧用突起４７ｂ及び４７ｄは、振動子３１に発生する屈曲振動Ｂ４の節位置ｎ₄の位置と一致する位置に、それぞれ設けられて、振動子３１に当接する。つまり、加圧用突起４７ａ〜４７ｄは、いずれも、屈曲振動Ｂ４の節位置ｎ₂、ｎ₄を跨ぐ位置に形成されている。
【００４８】
また、振動子支持部材４３の屈曲部４３ａには貫通孔４３ｄが設けられており、振動子加圧部材４４の加圧用突起４７ｂ及び４７ｄは、いずれも、この貫通孔４３ｄを貫通して振動子３１に装着された圧電体３６に当接する。これにより、振動子支持部材４３と、振動子加圧部材４４との接触が防止される。
【００４９】
図２に示すように、振動子固定部材４２の振動子加圧部材４４側の平面の略中央部に設けられた収容孔４２ａには、加圧力発生部材４８が装着される。本実施形態では、加圧力発生部材４８としてコイルばねを用いた。なお、振動子固定部材４２の加圧力発生部材４８との当接部には、ねじ部材４９がねじ止めされており、ねじ部材４９のねじ込み深さを調節することにより、加圧力発生部材４８が発生する加圧力を適宜調節できるように構成されている。
【００５０】
加圧力発生部材４８が発生した加圧力により、振動子加圧部材４４は振動子３１の方向へ付勢される。これにより、加圧用突起４７ａ〜４７ｄにより振動子３１は、駆動力取出部３７ａ〜３７ｂ’を介して、移動子３２の突起部４１ａ〜４１ｂ’と適宜加圧力で加圧接触する。
【００５１】
振動子固定部材４２は、２本の取付けねじ４２ｂによってベース基板６０に固定される。これにより、振動子３１及び移動子３２は、ベース基板６０の表面から一定距離だけ離れて支持される。
【００５２】
このように、本実施形態では、振動子支持部材４３及び振動子加圧部材４４を備える振動子固定部材４２により、振動子３１が支持される。
すなわち、本実施形態の超音波モータ３３は、駆動力取出部を有する振動子３１と、駆動力取出部を介して振動子３１に加圧接触することによりこの振動子３１との間で直線的な相対運動を行う移動子３２と、振動子３１を移動子３２に加圧接触させる振動子固定部材４２とを有する。
【００５３】
なお、本実施形態では、振動子固定部材４２に中継基板５０が固定されている。中継基板５０は、リード線３９と、位置決め装置３０の駆動制御装置６１に接続されるリード線５１とを接続し、駆動制御装置６１からの駆動信号を圧電体３６に入力する。また、この中継基板５０を、例えばガラス、アルミナ、セラミック又はシリコーン等の熱伝導度が小さい絶縁材料により構成した場合には、この中継基板５０に温度センサ（図示しない。）を設けて駆動時の振動子３１の近辺の環境温度を検出し、この検出値を駆動制御装置６１からの駆動信号のフィードバック制御因子とすることにより、より正確な制御を行うことができる。
【００５４】
〔可動ステージ３４〕
図１〜図３及び図６に示すように、本実施形態の位置決め装置３０は、可動ステージ３４を有する。
【００５５】
可動ステージ３４は、例えばアルミニウム合金のような軽金属材料により軽量に構成される。本実施形態では、この可動ステージ３４は、移動子３２が固定される第１の平面である移動子取付面３４ａと、移動子取付面３４ａと略直交する第２の平面である搭載面３４ｂとを有し、図３に示すように、Ｌ字状に屈曲して形成される。このため、図３に示すように、相対運動の方向に対しての垂直な面を断面として見たときの断面二次モーメントが大きく、摺動面における曲げに対する剛性が高い。したがって、移動子取付面３４ａは、振動子３１が発生する第２の振動である屈曲振動Ｂ４による加圧力を垂直に受けても、変形し難い。
【００５６】
移動子取付面３４ａは、図６に示すように、移動子３２を装着するための３本の平小ねじ４０をネジ止めするためのネジ穴以外は何も設けられず、一様な面とされている。
【００５７】
一方、搭載面３４ｂは、振動子３１及び移動子３２の加圧方向、すなわち屈曲振動Ｂ４の振動方向と平行な方向へ向けて延設されている。
この搭載面３４ｂの下面の略中央部には、４本のねじ５２によってガイド５３が固定される。ガイド５３は、ベース基板６０に相対運動の方向と平行な方向へ向けて敷設されたレール５４に嵌合し、レール５４とともにリニアガイド５５を構成する。このため、可動ステージ３４は、リニアガイド５５により相対運動の方向と平行な方向へ移動自在に支持される。
【００５８】
搭載面３４ｂには、光ファイバ５６ａの切換端子５６が搭載される。この切換端子５６は、例えば樹脂材料により直方体状に形成され、入力側の光ファイバ５６ａの端部を貫通させた状態で固定されて、装着される。
【００５９】
本実施形態では、光ファイバ５６ａとして、中心部に設けられた屈折率がｎ₁であるコアと、コアの外周に設けられた屈折率がｎ₂（ｎ₂＜ｎ₁）のクラッディングと、クラッディングの外周に設けられたコアやクラッディングに比較して格段に光吸収の多い材料からなるジャケットとを有するステップ形光ファイバを用いた。
【００６０】
また、ベース基板６０に固定された支持台５７に、４本の光ファイバ５８ａそれぞれの４つの切換端子５８が、光ファイバ５６ａの切換端子５６と同じ設置高さになるようにして搭載される。各切換端子５８は、いずれも、例えば樹脂材料により直方体状に形成され、４本の光ファイバ５８ａの端部をそれぞれ貫通させた状態で固定されて、装着される。切換端子５８それぞれの一つの端面には、各光ファイバ５８ａの端面が同一平面をなして、配置される。この光ファイバ５８ａは、光ファイバ５６ａと同様に、ステップ形光ファイバである。
【００６１】
なお、図１〜図３では、図面を簡略化して理解を容易にするために、切換端子５８が４つ並設された場合を示すが、本発明はこれに限られるものではなく、２つ、３つ又は５つ以上の切換端子が並設された場合にも、同様に適用される。
【００６２】
なお、ベース基板６０には、透過型のエンコーダ５９の検出部を構成する発光部５９ａ及び受光部５９ｂが、可動ステージ３４の縦フランジ３４ｃに固定されたスケール部５９ｃを挟んで、対向して配置される。このエンコーダ５９により、可動ステージ３４の現位置が検出される。検出値は、位置決め装置３０の駆動制御装置６１へ出力され、超音波モータ３３の駆動が制御される。
【００６３】
本実施形態では、可動ステージ３４を、移動子取付面３４ａ及び搭載面３４ｂによりＬ字状に屈曲して形成することにより、剛性を高めてある。また、搭載面３４ｂが移動子取付面３４ａに対して垂直に張り出している構造である。このため、搭載面３４ｂに、軽量化のための切欠き部や中空部を設けても、移動子取付面３４ａの曲げ剛性を充分に保つことができ、振動モータ３３のクラッチ機能による衝撃を受けても、移動子取付面３４ａが変形することに起因した振動が、搭載面３４ｂに生じ難い（特に曲げ）構造である。したがって、本実施形態では、搭載面３４ｂのうちで、切換端子５６の搭載部及びガイド５３装着部以外の部分、すなわち、受光部５９ｂの上方に位置する部分と、発光部５９ａと支持台５７との間とに、それぞれ中空部３４ｄ、切欠き部３４ｅをそれぞれ設けてある。このため、本実施形態によれば、振動モータ３３のクラッチ機能に起因した振動を可動ステージ３４に生じることなく、可動ステージ３４を軽量化することができる。
【００６４】
なお、本実施形態では、図１〜図３及び図６に示すように、中空部３４ｄ及び切欠き部３４ｅを、いずれも、リニアガイド５５の装着部に関して振動子取付面３４ａと反対側に位置する可動ステージ３４の平面に設けてあるため、可動ステージ３４の重心位置を、リニアガイド５５のレール５４の直上に近づけることができる。これにより、停止の直前における可動ステージ３４に作用するヨー慣性モーメントを低減できる。このため、本実施形態によれば、可動ステージ３４をその重心回りに回転する変位を生じることなく停止でき、可動ステージ３４の位置決め精度を向上できる。
【００６５】
このように、可動ステージ３４は、移動子３２に固定されて振動子３１と移動子３２との加圧方向に略平行な方向へ向けて延設されるとともに、リニアガイド５５により振動子３１と移動子３２との相対運動の方向と略平行な方向へ直線的に移動自在に支持される。
【００６６】
図７は、本実施形態の位置決め装置３０の駆動制御装置６１の一例を示すブロック図である。また、図８は、この駆動制御装置６１のＣＰＵ６２のフローチャートである。
【００６７】
駆動制御装置６１のＣＰＵ６２は、図８におけるステップ（以下、「Ｓ」と略記する。）１において上位指令装置６３から目標位置、動作条件（加減速度や最高速度等）の指令を入力される。また、ＣＰＵ６２は、目標位置とエンコーダ５９のカウンタ６８からのカウント値との偏差に基づいてディジタル信号を出力する。そして、Ｓ２に移行する。
【００６８】
Ｓ２において、ＣＰＵ６２は、エンコーダ５９の検出値に基づいて、目標位置と現在位置との差である移動量を算出する。そして、Ｓ３に移行する。
Ｓ３において、ＣＰＵ６２は、Ｓ２において算出した移動量を、Ｓ１において入力された動作条件（加減速度や最高速度等）で移動した場合の動作速度プロファイルを設定する。
【００６９】
図９は、設定された動作速度プロファイルおよび指令位置の一例を示すグラフである。図９にグラフにより示すように、Ｓ３において、時間に対する指令位置が決定される。そして、Ｓ４に移行する。
【００７０】
Ｓ４において、ＣＰＵ６２は、駆動周波数を初期値ｆ₀（共振周波数よりも高周波側）に設定し、図７におけるＤ／Ａ変換器６４にディジタル信号を出力する。Ｄ／Ａ変換器６４は、ディジタル信号をアナログ電圧信号に変換して、ＶＣＯ６５に出力する。ＶＣＯ６５は、Ｄ／Ａ変換器６４から入力されるアナログ電圧信号の電圧値に対応した二つの周波信号を発生し、増幅器６６Ａおよび移相器６７に出力する。移相器６７は、入力された周波信号の位相を（±π／２）ずらす。そして．増幅器６６ＡからＡ相の駆動信号が入力領域３６ａ、３６ｃの銀電極３８ａ、３８ｃへ印加され、また、増幅器６６ＢからＢ相の駆動信号が入力領域３６ｂ、３６ｄの銀電極３８ｂ、３８ｄへ印加される。これにより、振動子３１は励振し、駆動力取出部３７ａ〜３７ｂ’を介して加圧接触する移動子３２と、この移動子３２に固定された可動ステージ３４とを、ともに直線的に駆動する。
【００７１】
Ｓ５において、ＣＰＵ６２は、カウンタ６８を介してエンコーダ５９により可動ステージ３４の駆動開始が確認されるまで、駆動周波数を低周波側へΔｆずつ掃引する。そして、駆動開始が確認された後、Ｓ６に移行する。
【００７２】
Ｓ６において、ＣＰＵ６２は、エンコーダ５９の検出値に基づいて、各時点における指令位置と検出位置との偏差である偏差ｅを算出する。そして、Ｓ７に移行する。
【００７３】
Ｓ７において、ＣＰＵ６２は、制御ゲインαを任意に設定し、Ｓ６において算出した偏差ｅに基づいて、駆動周波数ｆを設定する。そして、駆動周波数ｆを変更しながら偏差ｅが零となるように速度を変更する。そして、Ｓ８に移行する。なお、駆動周波数ｆを決定する方法は、これに限られず、偏差ｅを基にして、任意の式が設定可能である。
【００７４】
Ｓ８において、ＣＰＵ６２は、検出位置が予め設定した位置決め許容範囲に到達したことを確認する。そして、到達していない場合にはＳ６に移行し、到達した場合にはＳ９に移行する。すなわち、Ｓ８においては、可動ステージ３４が目標位置から所定の距離の範囲に設定された位置決め許容範囲に達したことが確認される。
【００７５】
Ｓ９において、ＣＰＵ６２は、検出速度が予め設定した停止速度に到達したことを確認する。
ここで、超音波モータ３３により駆動される可動ステージ３４の停止時の運動を、粘性減衰力が作用するばね−質量系の１自由度系の振動に置き換えて考えると、質量をｍとし、ばね定数をｋとし、粘性減衰係数をｃとすると、運動方程式は、(c/m) ＝２μ、p ＝√(k/m) とすると、下記（１）式となる。
【００７６】
ｘ''＋２μｘ' ＋p²ｘ＝０・・・・・・・（１）
この（１）式を解くと、その解は、μ＜０の場合、下記（２）式として与えられる。
【００７７】
【数１】

したがって、Ｓ９における停止速度は、振動子３１への駆動信号の入力を停止した際に発生する機械的振動によって変位する振動子が、予め設定された上記の位置決め許容範囲に存在する速度である。具体的には、例えば、偏差が位置決め許容範囲に入り、かつ速度が（２）式における振幅ａが位置決め許容範囲の１／２となる速度ｖ₀に低下した時にＳ１０に移行し、速度ｖ₀に低下していない時にはＳ６に移行する。すなわち、Ｓ８においては、可動ステージ３４がこのような所定の停止速度に低下したことが確認される。
【００７８】
そして、Ｓ１０において、ＣＰＵ６２は、振動子３１への駆動信号の入力、すなわち駆動電圧の印加を禁止する信号を出力する。本実施形態では、駆動電源を遮断することにより、振動子３１への駆動信号の入力を停止した。これにより、可動ステージ３４は初期振幅ａの減衰振動を行いながら停止する。しかし、可動ステージ３４は位置決め許容範囲を逸脱しない。
【００７９】
この本実施形態の位置決め装置３０によれば、以下に列記する効果が奏せられる。
（１）可動ステージ３４を、振動子３１と移動子３２との加圧方向に略平行な方向へ向けて延設された状態で移動子３２に固定したため、振動子固定部材４２、振動子３１、移動子３２及び可動ステージ３４をいずれもこの方向について並設して配置できる。このため、ベース基板６０に直交する方向に関する位置決め装置３０の寸法をできるだけ抑制できる。このため、小型であることから小さな設置スペースにも設置することができる位置決め装置３０を提供できる。
【００８０】
（２）移動子３２のうちの駆動力取出部３７ａ〜３７ｂ’との非接触部４１ｃの厚さを、駆動力取出部３７ａ〜３７ｂ’との接触部４１ａ〜４１ｂ’の厚さよりも小さくしたため、移動子３２を軽量化できる。また、可動ステージ３４に、中空部３４ｄ及び切欠き部３４ｅを形成したため、可動ステージ３４を軽量化できる。したがって、これらの相乗的効果により、移動子３２及び可動ステージ３４をともに軽量化でき、可動ステージ３４の整定時間を短縮化することができる。
【００８１】
（３）移動子３２のうちの駆動力取出部３７ａ〜３７ｂ’との非接触部４１ｃの厚さを、駆動力取出部３７ａ〜３７ｂ’との接触部４１ａ〜４１ｂ’の厚さよりも小さくしたため、突起部４１ａ〜４１ｂ’へのラップ加工の加工時間を低減できる。
【００８２】
（４）移動子３２のうちの駆動力取出部３７ａ〜３７ｂ’との非接触部４１ｃの厚さを、駆動力取出部３７ａ〜３７ｂ’との接触部４１ａ〜４１ｂ’の厚さよりも小さくしたため、振動子３１が発生した振動に起因して可動ステージ３４が振動することを抑制できる。また、可動ステージ３４に、移動子３２に固定される振動子取付け面３４ａと搭載面３４ｂとを設けたため、搭載面３４ｂに中空部３４ｄ及び切欠き部３４ｅを形成しても、振動子３１が発生した振動に起因して可動ステージ３４が振動することを抑制できる。さらに、中空部３４ｄ及び切欠き部３４ｅを、いずれも、リニアガイド５５の装着部に関して振動子取付面３４ａと反対側に位置する可動ステージ３４の平面に設けることにより、可動ステージ３４をその重心回りに回転する変位を生じることなく停止できる。したがって、これらの相乗的効果により、可動ステージ３４の位置決め精度を向上できる。
【００８３】
（５）図１０は、本実施形態により、可動ステージ３４が目標位置の近傍に到達した時点で超音波モータ３３の振動子３１に対する駆動信号の入力を停止した場合に、可動ステージ３４の検出速度および位置偏差（指令位置と現位置との偏差）と、時間との関係の一例を示すグラフである。
【００８４】
図１０にグラフで示すように、本超音波モータ３３が時刻ｔ₀に起動され、指令位置に追従しながら目標位置へ向けて移動し、駆動制御装置６１から、位置決め許容範囲Ｐに到達するとともに所定の停止速度に低下した時刻ｔ₁に、超音波モータ３３の振動子３１への駆動信号の入力を禁止する信号が出力される。この際、可動ステージ３４に発生する振動は、位置決め許容範囲を逸脱しない振幅ａの振動であるため、可動ステージ３４は時刻ｔ₂を経て、時刻ｔ₃において、目標位置に停止する。
【００８５】
このように、本実施形態では、可動ステージ３４が、目標位置から所定の距離の範囲に設定された位置決め許容範囲に達した時以降にも、サーボ制御を継続するのではなくて、振動子３１への駆動信号の入力を禁止するため、位置決め対象物である可動ステージ３４および切換端子５６を目標位置に短時間で停止させることができる。
【００８６】
このため、本実施形態によれば、所望の目標位置に短時間で停止することができる例えば超音波モータ３３と、その制御方法と、この超音波モータ３３を用いて位置決め対象物である可動ステージ３４および切換端子５６を目標位置に短時間で停止させることができる位置決め装置３０とを、いずれも提供することができる。
【００８７】
また、さらに駆動信号の入力停止時までに、可動ステージ３４の移動速度を十分に小さくしているため、停止時における可動ステージ３４の振動振幅が十分小さくなっており、可動ステージ３４の振動により信号停止時以降の可動ステージ３４の移動は許容位置決め範囲から逸脱することはない。また、完全に可動ステージ３４の振動が停止した時以降も超音波モータ３３の自己保持力により可動ステージ３４は動かないため駆動信号を入力する必要はない。
【００８８】
（変形形態）
実施形態の説明では、振動モータが超音波モータである場合を例にとった。しかし、本発明は超音波モータには限定されず、超音波以外の他の振動域を利用した振動モータについても、等しく適用される。
【００８９】
また、実施形態の説明では、本発明にかかる位置決め装置を光ファイバの切換装置に適用した場合を例にとった。しかし、本発明は光ファイバの切換装置には限定されず、各種の位置決め装置についても等しく適用される。
【００９０】
また、実施形態の説明では、振動子と移動子との間で発生する相対運動の方向と略平行な方向へ振動する第１の振動である１次の縦振動と、振動子と移動子との加圧方向と略平行な方向へ振動する第２の振動である４次の屈曲振動とを励振する異形モード縮退型の振動子を用いた場合を例にとった。しかし、本発明で用いる振動子は縦振動及び屈曲振動それぞれの振動の次数には限定されない。例えば、１次の縦振動と２次の屈曲振動とを励振する振動子や、１次の縦振動と６次の屈曲振動とを励振する振動子、さらには３次の縦振動と８次の屈曲振動とを励振する振動子等も、同様に用いることができる。
【００９１】
また、本発明で用いる振動子は、縦振動及び屈曲振動の組合せにも限定されず、この組合せ以外の異形モード縮退型の振動子や、同形モード縮退型の振動子であっても、同様に適用することができる。
【００９２】
また、実施形態の説明では、振動子が圧電体を備える場合を例にとった。しかし、本発明は圧電体には限定されず、例えば電歪素子等の電気エネルギ及び機械エネルギの相互変換素子であれば、等しく適用することができる。
【００９３】
また、実施形態の説明では、振動子が４つの駆動力取出部を有する場合を例にとった。しかし、本発明はこの形態には限定されず、例えば、弾性体の幅方向に２つの駆動力取出部が相対運動方向に関して所定距離だけ離れて設けられた場合であっても、等しく適用される。この場合、移動子の駆動力取出部との接触部は矩形の平面形状を呈することから、移動子の振動子との当接面には、各実施形態のような十字型の溝は形成されず、矩形平面形状の溝部が相対運動の方向の略中心部に形成される。
【００９４】
また、実施形態の説明では、移動ステージに切欠き部及び中空部がともに形成された場合を例にとった。しかし、本発明はこの形態には限定されず、切欠き部及び中空部の一方が形成されていてもよい。
【００９５】
また、実施形態の説明では、偏差が位置決め許容範囲に入り、かつ所定の速度に低下したタイミングで振動子への駆動信号の入力が禁止される場合を例にとった。しかし、本発明はこのタイミングには限定されず、このタイミング以降に振動子への駆動信号の入力を禁止するようにしてもよい。
【００９６】
また、実施形態の説明では、偏差が位置決め許容範囲に入り、かつ所定の速度に低下したタイミングで振動子への駆動信号の入力が禁止される場合を例にとった。しかし、本発明はこの形態には限定されず、位置決め許容範囲へ到達した時点における速度が充分に小さく抑制されている場合には、所定の速度に低下していなくとも、位置決め許容範囲に入ったタイミングで、振動子への駆動信号の入力を禁止するようにしてもよい。
【００９７】
また、実施形態の説明では、駆動電源を遮断することにより、駆動電圧の印加を禁止することとしたが、本発明はこの形態には限定されず、駆動電圧の印加を禁止できる手段であれば、いかなる手段であってもよい。
【００９８】
また、実施形態の説明では、振動子を固定配置し、相対運動部材を可動ステージに設けた場合を例にとったが、本発明はこの形態には限定されず、例えば、相対運動部材を固定配置し、振動子を可動ステージに設けてもよい。
【００９９】
さらに、各実施形態は、本発明を具現化した一例を示したものであり、本発明の作用効果を奏する範囲で様々な変形が可能である。
【０１００】
【発明の効果】
本発明により、所望の停止位置に短時間で停止することができる例えば超音波モータ等の振動モータと、その制御方法と、この振動モータを用いて位置決め対象物を目標位置に短時間で停止させることができる位置決め装置とを提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の位置決め装置を、一部が透視されるとともに簡略化された状態で示す斜視図である。
【図２】図１におけるＡ矢視図である。
【図３】図１におけるＢ矢視図である。
【図４】実施形態における振動子及び移動子それぞれの構成を示す斜視図である。
【図５】実施形態における振動子の説明図であり、図５（Ａ）は上面図、図５（Ｂ）は側面図、図５（Ｃ）は振動子に発生する二つの異なる振動Ｌ１及びＢ４それぞれの波形例を示す説明図である。
【図６】実施形態における移動子及び可動ステージを抽出して示す斜視図である。
【図７】実施形態の位置決め装置の駆動制御装置の一例を示すブロック図である。
【図８】実施形態の位置決め装置の駆動制御装置のＣＰＵのフローチャートである。
【図９】実施形態において設定された動作速度プロファイルおよび指令位置の一例を示すグラフである。
【図１０】実施形態により、可動ステージが目標位置の近傍に到達した時点で超音波モータの振動子に対する駆動信号の入力を停止した場合に、可動ステージの検出速度および位置偏差（指令位置と現位置との偏差）と、時間との関係の一例を示すグラフである。
【図１１】従来のサーボモータの制御をそのまま超音波モータに流用した場合の、指令位置、位置決め対象物の検出速度および位置偏差（指令位置と現位置との偏差）と、時間との関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
３０位置決め装置
３１振動子
３２移動子
３３超音波モータ
３４可動ステージ
６１駆動制御装置

Claims

駆動信号を入力されて振動を発生する振動子と、
該振動子に加圧接触して相対運動を発生する相対運動部材と、
前記相対運動部材又は前記振動子に固定され、前記相対運動に伴って駆動される可動部が、目標停止位置から所定の距離の範囲に設定された位置決め許容範囲に達した時以降であり、かつ、前記可動部の速度が、前記振動子への前記駆動信号の入力を停止した際に発生する機械的振動によって変位する前記振動子又は前記相対運動部材の振幅が前記位置決め許容範囲以下となる速度に低下した時以降に、前記振動子への前記駆動信号の入力を禁止する駆動制御装置とを備えることを特徴とする振動モータ。
前記駆動制御装置は、前記振動子への前記駆動信号の入力を停止した際に発生する機械的振動によって変位する前記振動子又は前記相対運動部材の振幅が前記位置決め許容範囲の１／２となる速度に低下した時以降に、前記振動子への前記駆動信号の入力を禁止すること
を特徴とする請求項１に記載された振動モータ。
請求項１又は請求項２に記載された振動モータと、
該振動モータにより駆動される可動ステージとを備えること
を特徴とする位置決め装置。
駆動信号を入力されて振動を発生する振動子又は該振動子に加圧接触して相対運動を発生する相対運動部材に固定され、前記相対運動に伴って駆動される可動部が、目標停止位置から所定の距離の範囲に設定された位置決め許容範囲に達した時以降であり、かつ、前記可動部の速度が、前記振動子への前記駆動信号の入力を停止した際に発生する機械的振動によって変位する前記振動子又は前記相対運動部材の振幅が前記位置決め許容範囲以下となる速度に低下した時以降に、前記振動子への前記駆動信号の入力を禁止すること
を特徴とする振動モータの制御方法。
前記振動子への前記駆動信号の入力を停止した際に発生する機械的振動によって変位する前記振動子又は前記相対運動部材の振幅が前記位置決め許容範囲の１／２となる速度に低下した時以降に、前記振動子への前記駆動信号の入力を禁止すること
を特徴とする請求項４に記載された振動モータの制御方法。