(57)【要約】【課題】被駆動体に搭載物を追加しても超音波振動子にかかる押圧力を一定に保つことを可能とし、これにより動作が安定した超音波モータ駆動装置を提供する。【解決手段】縦振動と屈曲振動を同時に励振して楕円振動を発生させ、楕円振動を駆動力とする、ベース部材上に設けられた超音波振動子を有する超音波モータ駆動装置であって、被駆動体と、被駆動体と対向するように超音波振動子に設けられ、被駆動体と接触し被駆動体を変位平面内の任意の方向に駆動させる駆動子と、超音波振動子と被駆動体との間に作用する押圧力を検出する押圧力検出部と、押圧力検出部による検出結果に基づき押圧力を所定の押圧力に調節する押圧力調整部と、を備え、ベース部材と被駆動体がシャフトにより機械的に連結されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦振動と屈曲振動を同時に励振して楕円振動を発生させ、前記楕円振動を駆動力とする、ベース部材上に設けられた超音波振動子を有する超音波モータ駆動装置であって、
被駆動体と、
前記被駆動体と対向するように前記超音波振動子に設けられ、前記被駆動体と接触し前記被駆動体を変位平面内の任意の方向に駆動させる駆動子と、
前記超音波振動子と前記被駆動体との間に作用する押圧力を検出する押圧力検出部と、
前記押圧力検出部による検出結果に基づき前記押圧力を前記所定の押圧力に調節する押圧力調整部と、
を備え、
前記ベース部材と前記被駆動体がシャフトにより機械的に連結されていることを特徴とする超音波モータ駆動装置。
【請求項２】
前記被駆動体は、天板と、前記天板と対向する摺動部材と、前記天板と前記摺動部材を結合する支柱と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ駆動装置。
【請求項３】
前記超音波振動子と前記被駆動体との間に作用する押圧力が前記所定の押圧力よりも大きくなったことを前記押圧力検出部が検出した場合に、前記押圧力調整部は、増加分の押圧力を軽減するように作用することを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ駆動装置。
【請求項４】
前記超音波振動子と前記被駆動体との間に作用する押圧力が前記所定の押圧力よりも小さくなったことを前記押圧力検出部が検出した場合に、前記押圧力調整部は、減少分の押圧力を増加するように作用することを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ駆動装置。
【請求項５】
前記押圧力検出部は、前記ベース部材と前記被駆動体との間に配置されることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の超音波モータ駆動装置。
【請求項６】
前記押圧力調整部は、前記押圧力を増加させる作用を行う第１押圧力調整部と、前記押圧力を軽減させる作用を行う第２押圧力調整部と、を有し、前記押圧力検出部の結果に基づいて第１押圧力調整部および第２押圧力調整部を作用させることにより、前記被駆動体と前記超音波振動子との間に作用する押圧力の調整を行うことを特徴とする請求項５に記載の超音波モータ駆動装置。
【請求項７】
前記第１押圧力調整部及び前記第２押圧力調整部は、前記摺動部材に対して対向配置されていることを特徴とする請求項６に記載の超音波モータ駆動装置。
【請求項８】
前記被駆動体の前記変位平面内の２軸に対し少なくとも一対の前記超音波振動子を有し、前記被駆動体は、前記超音波振動子の前記駆動子により支持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駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータ駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波振動子を有する振動体に電圧を印加して振動させ、その振動によりこれに接触している移動体（以後、被駆動体と称する）を摩擦駆動する超音波モータが精密位置決め装置やデジタルカメラなどの駆動源として最近注目され、さらなる応用が期待される。
【０００３】
例えば特許文献１記載の圧電アクチュエータでは、図５に示すように２つの圧電駆動体９０１ａ、９０１ｂ（超音波振動子）を平行に立てた状態で配置して、その上の突起９０２の中間位置に、被駆動体９０４との接触部がくるような構成になっている。ここで、図５は、従来の圧電アクチュエータの構成を示す側面図である。
【０００４】
この圧電アクチュエータは、図６のように、駆動体９１１ａ、９１１ｂ、９１１ｃ、９１１ｄとして複数配置されて、１つの被駆動体９０４を駆動することができる。駆動体９１１ａ、９１１ｂ、９１１ｃ、９１１ｄから被駆動体９０４への押圧力は、駆動体９１１ａ、９１１ｂ、９１１ｃ、９１１ｄ上の被駆動体９０４の自重を利用している。ここで、図６（ａ）は、従来の圧電アクチュエータの構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。
【０００５】
図６に示す構成によれば、４個の超音波モータとしての駆動体９１１ａ、９１１ｂ、９１１ｃ、９１１ｄの上に被駆動体９０４を載せ、かつ、常に接触させることにより、ＸＹ平面内を被駆動体９０４が移動するＸＹステージとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２４２４９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、超音波振動子に加わる押圧力は被駆動体の自重で与えているため、仮に、被駆動体上に搭載物を追加すると、超音波振動子に加わる押圧力は必然的に高くなる。その状態で被駆動体を駆動させると、搭載物と超音波振動子との位置関係の変化によって超音波振動子に加わる押圧力が変動してしまう。さらに、搭載物が加わることにより、押圧力が所定の押圧力よりも高くなっている。これらにより、超音波振動子の発生力が被駆動体と搭載物の自重に打ち負けて移動量にばらつきが生じる可能性がある。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、被駆動体に搭載物を追加しても超音波振動子にかかる押圧力を一定に保つことを可能とし、これにより動作が安定した超音波モータ駆動装置（ＸＹステージ）を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る超音波モータ駆動装置は、縦振動と屈曲振動を同時に励振して楕円振動を発生させ、楕円振動を駆動力とする、ベース部材上に設けられた超音波振動子を有する超音波モータ駆動装置であって、被駆動体と、被駆動体と対向するように超音波振動子に設けられ、被駆動体と接触し被駆動体を変位平面内の任意の方向に駆動させる駆動子と、超音波振動子と被駆動体との間に作用する押圧力を検出する押圧力検出部と、押圧力検出部による検出結果に基づき押圧力を所定の押圧力に調節する押圧力調整部と、を備え、ベース部材と被駆動体がシャフトにより機械的に連結されていることを特徴としている。
【００１０】
本発明に係る超音波モータ駆動装置において、被駆動体は、天板と、天板と対向する摺動部材と、天板と摺動部材を結合する支柱と、を備えることが好ましい。
【００１１】
本発明に係る超音波モータ駆動装置において、超音波振動子と被駆動体との間に作用する押圧力が所定の押圧力よりも大きくなったことを押圧力検出部が検出した場合に、押圧力調整部は、増加分の押圧力を軽減するように作用することが好ましい。
【００１２】
本発明に係る超音波モータ駆動装置において、超音波振動子と被駆動体との間に作用する押圧力が所定の押圧力よりも小さくなったことを押圧力検出部が検出した場合に、押圧力調整部は、減少分の押圧力を増加するように作用することが好ましい。
【００１３】
本発明に係る超音波モータ駆動装置において、押圧力検出部は、ベース部材と被駆動体との間に配置されることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る超音波モータ駆動装置において、押圧力調整部は、押圧力を増加させる作用を行う第１押圧力調整部と、押圧力を軽減させる作用を行う第２押圧力調整部と、を有し、押圧力検出部の結果に基づいて第１押圧力調整部および第２押圧力調整部を作用させることにより、被駆動体と超音波振動子との間に作用する押圧力の調整を行うことが好ましい。
【００１５】
本発明に係る超音波モータ駆動装置において、第１押圧力調整部及び第２押圧力調整部は、摺動部材に対して対向配置されていることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る超音波モータ駆動装置において、被駆動体の変位平面内の２軸に対し少なくとも一対の超音波振動子を有し、被駆動体は、超音波振動子の駆動子により支持されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る超音波モータ駆動装置は、被駆動体に搭載物を追加しても、超音波振動子にかかる押圧力を一定に保つことを可能とし、これにより動作が安定した超音波モータ駆動装置（ＸＹステージ）を提供することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波モータ駆動装置の構成を示す平面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る超音波振動子の構成を示す斜視図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る超音波モータ駆動装置の制御ブロック図である。
【図５】従来の圧電アクチュエータの構成を示す側面図である。
【図６】（ａ）は従来の圧電アクチュエータの構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明に係る超音波モータ駆動装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２０】
図１から図４を参照して、本発明の実施形態に係る超音波モータ駆動装置について説明する。図１は、本実施形態に係る超音波モータ駆動装置１００の構成を示す平面図である。図２は、本実施形態に係る超音波振動子１２０の構成を示す斜視図である。図３は、１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。図４は、本実施形態に係る超音波モータ駆動装置１００の制御ブロック図である。
【００２１】
超音波モータ駆動装置１００は、図１、図３に示すように、超音波振動子１２０と、駆動子１２２、１２３と、押圧力検出部１３０と、押圧力調整部１４０と、被駆動体１９０と、を備える。さらに、超音波モータ駆動装置１００は、ベース部材１５０、位置検出器１７０（図４）、及び制御部１８０（図４）を備える。
【００２２】
超音波振動子１２０は、板状のベース部材１５０上に、互いに対向する２対が配置されている。この４つの超音波振動子１２０は、それぞれが、縦振動と屈曲振動を同時に励起して楕円振動を発生させ、楕円振動を駆動力として被駆動体１９０を駆動する。楕円振動は、超音波振動子１２０に縦１次共振モードと屈曲２次共振モードを励振するような２相の交番信号を印加することによって、駆動子１２２、１２３上に発生させる。
なお、超音波振動子１２０は、被駆動体１９０の変位平面内の２軸に対し少なくとも一対設けることが好ましい。
【００２３】
被駆動体１９０は、図３に示すように、ベース部材１５０に対向する天板１９１と、天板１９１と対向する摺動部材１９２と、天板１９１と摺動部材１９２を結合する支柱１９３と、を備える。摺動部材１９２は、天板１９１とベース部材１５０との間に配置される。支柱１９３は、平面視略矩形の板状の摺動部材１９２の４つの角部近傍にそれぞれ設けられている。
【００２４】
被駆動体１９０は、４つの超音波振動子１２０が発生する楕円振動により２次元平面内で自由に駆動する。
【００２５】
超音波振動子１２０は、制御部１８０（図４）によって動作が制御される。制御部１８０は、押圧力検出部１３０の検出値を所定の間隔でモニタリングし、その検出値と所定の押圧力との演算結果に基づいて押圧力調整部１４０を制御する。
【００２６】
図２又は図３に示すように、超音波振動子１２０は、圧電素子１２１、駆動子１２２、１２３、圧電素子ホルダ１２４、振動子ホルダ１２５、収容部１２６、及び押圧部材１２７を備える。
【００２７】
駆動子１２２、１２３は、被駆動体１９０と対向接触するように、圧電素子１２１の上面に形成され、圧電素子１２１の駆動によって被駆動体１９０を２次元平面内の任意の方向に駆動させる。駆動子１２２、１２３は、振動の腹あるいは腹近傍に対応して配置されている。なお、駆動子は、３つ以上設けてもよい。
【００２８】
圧電素子１２１の対向する２側面の下部には、圧電素子ホルダ１２４がそれぞれ形成されている。圧電素子ホルダ１２４には、圧電素子１２１の縦振動及び屈曲振動の共通の節または節近傍に対応した位置に、外方へ突出する一対の突起部１２４ａがそれぞれ設けられている。
【００２９】
一方、ベース部材１５０には、長板状の振動子ホルダ１２５が固定されており、振動子ホルダ１２５の上面には、対向する長辺から上方向（押圧軸方向）に延びる一対の収容部１２６が対向配置されている。振動子ホルダ１２５上には、収容部１２６で挟むように圧電素子ホルダ１２４が載置される。また、収容部１２６は、互いに平行に上方に延びる２枚の板状部材からなり、この板状部材の間に、圧電素子ホルダ１２４の突起部１２４ａが挿入される。突起部１２４ａを収容部１２６内に挿入することにより、突起部１２４ａは押圧軸方向にのみ移動可能となり、圧電素子１２１は幅方向の移動が制約される。
【００３０】
押圧力検出部１３０は、４つの超音波振動子１２０のそれぞれにおいて、振動子ホルダ１２５の上面のうち２つの収容部１２６の中間位置に対応する位置に配置されており、被駆動体１９０から超音波振動子１２０にかかる押圧力を検出する。押圧力検出部１３０の下部には、押圧部材１２７が配置されている。この押圧部材１２７は、圧縮バネで構成され、一端が押圧力検出部１３０の下面に接触し、他端がベース部材１５０の上面に接触しており、これにより、押圧力検出部１３０を上方に付勢する。
【００３１】
被駆動体１９０から超音波振動子１２０にかかる押圧力は、圧電素子ホルダ１２４から収容部１２６に伝達された力によって振動子ホルダ１２５に発生する歪みの大きさとして検出できる。この検出結果は、制御部１８０へ出力される。押圧力検出部１３０は、例えば、ストレインゲージ、ロードセル、圧電方式の圧力センサで構成する。
【００３２】
なお、押圧力検出部１３０は、ベース部材１５０と被駆動体１９０との間であって、超音波振動子１２０にかかる押圧力をモニタリングできれば、任意の位置に配置できる。
【００３３】
押圧力調整部１４０は、第１押圧力調整部１４１、第２押圧力調整部１４２、シャフト１４３、第１ワッシャ１４４、第２ワッシャ１４５、第１ナット１４６、及び、第２ナット１４７を備える。
【００３４】
第１押圧力調整部１４１及び第２押圧力調整部１４２は、それぞれ圧縮バネで構成され、内部にシャフト１４３が挿通されている。シャフト１４３の外周にはねじ溝が形成されており、一端は被駆動体１９０の天板１９１に固定され、他端はベース部材１５０に固定されている。シャフト１４３は、摺動部材１９２を貫通して天板１９１とベース部材１５０を機械的に連結している。したがって、押圧力調整部１４０のうち、少なくとも、第１押圧力調整部１４１、第２押圧力調整部１４２、第１ワッシャ１４４、第２ワッシャ１４５、第１ナット１４６、及び、第２ナット１４７は、摺動部材１９２に対向配置されている。
【００３５】
さらに、シャフト１４３は、ベース部材１５０との連結箇所において、被駆動体１９０が変位平面（ＸＹ平面）上を任意方向に駆動可能にするため球面軸受け形状になっている。また、摺動部材１９２においてシャフト１４３が貫通する穴は、シャフト１４３の外径より大きめの内径となっている。これにより、シャフト１４３は、ある程度の範囲で傾きを持ちながら稼動することが可能になっている。
【００３６】
第１押圧力調整部１４１は、天板１９１と摺動部材１９２との間に配置されている。第２押圧力調整部１４２は、摺動部材１９２とベース部材１５０との間に配置されている。
【００３７】
摺動部材１９２の上面には、シャフト１４３が挿通される貫通口より外径の大きな第１ワッシャ１４４が配置され、その上にバネ定数が分かっている第１押圧力調整部１４１が配置されている。さらに、第１押圧力調整部１４１の上には第１ナット１４６が配置されている。第１ワッシャ１４４、第１押圧力調整部１４１、及び、第１ナット１４６にはシャフト１４３が挿通されている。
【００３８】
この構成においては、シャフト１４３のねじ溝に沿って第１ナット１４６を締めて第１ナット１４６を第１ワッシャ１４４側へ移動させることにより、摺動部材１９２をベース部材１５０側へ押す方向に力が発生する。これにより、駆動子１２２、１２３側（超音波振動子１２０側）に圧力をかけることができる。すなわち、超音波振動子１２０にかかる押圧力を増加させることができる。
【００３９】
一方、摺動部材１９２の下面には、シャフト１４３が挿通される貫通口より外径の大きな第２ワッシャ１４５が配置され、その下にバネ定数が分かっている第２押圧力調整部１４２が配置されている。さらに、第２押圧力調整部１４２の下には第２ナット１４７が配置されている。第２ワッシャ１４５、第２押圧力調整部１４２、及び、第２ナット１４７にはシャフト１４３が挿通されている。
【００４０】
この構成においては、シャフト１４３のねじ溝に沿って第２ナット１４７を締めて第２ナット１４７を第２ワッシャ１４５側へ移動させることにより、摺動部材１９２を天板１９１側へ押す方向に力が発生する。これにより、摺動部材１９２側に圧力をかけることができる。すなわち、超音波振動子１２０にかかる押圧力を軽減することができる。
【００４１】
制御部１８０は、押圧力検出部１３０の結果に基づいて第１押圧力調整部１４１および第２押圧力調整部１４２を作用させることにより、被駆動体１９０と超音波振動子１２０との間に作用する押圧力の調整を行う。
【００４２】
位置検出器１７０は、ベース部材１５０に対する被駆動体１９０の相対移動量を検出する。この検出結果は、制御部１８０（図４）へ出力される。位置検出器１７０は、例えば、光学式エンコーダ、レーザー測長器、ホール素子で構成する。
【００４３】
次に、超音波モータ駆動装置１００の動作について詳細に述べる。
まず、天板１９１上に何も搭載していない状態では、被駆動体１９０の自重により、超音波振動子に最適な押圧力がかけられる。しかしながら、例えば、被駆動体１９０上に搭載物が置かれた状態では、初期の押圧状態から押圧力が変動する。
【００４４】
これに対して、超音波モータ駆動装置１００においては、押圧力検出部１３０により、超音波振動子１２０にかかる押圧力を直接モニタリングして、制御部１８０が、押圧力検出部１３０による検出結果を最適な押圧力（所定の押圧力）と比較する処理を行う。所定の押圧力の値は、制御部１８０の記憶部内にあらかじめ記憶してある。比較処理としては、例えば、１個ずつの検出値と初期値を個別に比較する方法や検出値の平均値と初期値を比較する方法がある。
【００４５】
比較処理の結果に応じて、押圧力調整部１３０の第１ナット１４６又は第２ナット１４７を締めることにより、超音波振動子１２０にかかる押圧力を調整する。これによって所定の押圧力を維持できるようになる。
【００４６】
具体的には、押圧力検出部１３０による検出値（又は平均値）が初期値（所定の圧力）より大きい場合、初期値に対する増加分に対応した量だけ第２ナット１４７を締め、被駆動体１９０を上昇させて押圧力を軽減させて、検出値が初期値（所定の押圧力）とほぼ一致する状態にする。
【００４７】
一方、検出値が初期値より小さい場合、初期値に対する減少分に対応した量だけ第１ナット１４６を締め、被駆動体１９０を下降させて押圧力を増加させて検出値と初期値（所定の押圧力）がほぼ一致する状態にする。
【００４８】
以上の動作により、超音波振動子１２０にかかる押圧力が初期値になるように調整することが可能になる。
【００４９】
以上の構成によれば、押圧力検出部１３０と押圧力調整部１４０により超音波振動子１２０にかかる押圧力を常に一定に保つことができる。
【００５０】
また、被駆動体１９０の状態によらず常に一定の押圧力を超音波振動子１２０にかけることができるので安定した駆動が可能になる。
【００５１】
さらに、シャフト１４３によって被駆動体１９０とベース部材１５０を機械的に結合したことにより被駆動体１９０の可動範囲が規制されるため、リミットセンサを搭載しなくても良くなる。また、どのような姿勢でもベース部材１５０と被駆動体１９０との関係を保つことが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上のように、本発明に係る超音波モータ駆動装置は、小型機器の精度の高い駆動に適している。
【符号の説明】
【００５３】
１００    超音波モータ駆動装置
１２０    超音波振動子
１２１    圧電素子
１２２、１２３  駆動子
１２４    圧電素子ホルダ
１２４ａ  突起部
１２５    振動子ホルダ
１２６    収容部
１２７    押圧部材
１３０    押圧力検出部
１４０    押圧力調整部
１４１    第１押圧力調整部
１４２    第２押圧力調整部
１４３    シャフト
１４４    第１ワッシャ
１４５    第２ワッシャ
１４６    第１ナット
１４７    第２ナット
１５０    ベース部材
１７０    位置検出器
１８０    制御部
１９０    被駆動体
１９１    天板
１９２    摺動部材
１９３    支柱
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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