(57)【要約】【課題】駆動速度の制御範囲を低速側へ拡大させる超音波モータの駆動方法および超音波モータ装置を提供する。【解決手段】超音波モータ（Ｌ１Ｂ４型モータ）装置１０は、振動子１１と移動子１２とを有するＬ１Ｂ４型モータ１０Ａと、電源１６ａ・１６ｂと、電源１６ａから出力される駆動電圧と電源１６ｂから出力される駆動電圧の位相をずらす位相制御装置１７と、振動子１１を保持して移動子１２に所定の力で押し付ける与圧機構１８と、を有している。電源１６ａ・１６ｂから出力される２種類の駆動電圧の位相を変化させることによって移動子１２の移動速度を変化させる。【選択図】　図１
2004088815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定周波数で位相の異なる２種類の駆動電圧が印加される複数の圧電素子を有し、前記圧電素子の振動によって所定の振動モードで振動する振動子と、
前記振動子の振動に応じて相対運動を行う移動子と、
を有する超音波モータの駆動方法であって、
前記２種類の駆動電圧の位相を変化させることによって前記移動子の移動速度を変化させることを特徴とする超音波モータの駆動方法。
【請求項２】
所定周波数で位相の異なる２種類の駆動電圧を出力可能な電源装置と、
前記２種類の駆動電圧が印加される複数の圧電素子を有し、前記圧電素子の振動によって所定の振動モードで振動する振動子と、
前記振動子の振動に応じて相対運動を行う移動子と、
前記移動子の移動速度が変化するように前記電源装置から出力される前記２種類の駆動電圧の位相を変化させる位相制御装置と、
を具備することを特徴とする超音波モータ装置。
【請求項３】
圧電素子の振動によって所定の振動モードで振動する振動子と、
前記振動子と所定の与圧で接し、前記振動子の振動に応じて相対運動を行う移動子と、
を有する超音波モータの駆動方法であって、
前記与圧を変化させることにより前記移動子の移動速度を変化させることを特徴とする超音波モータの駆動方法。
【請求項４】
圧電素子の振動によって所定の振動モードで振動する振動子と、
前記振動子の振動に応じて相対運動を行う移動子と、
前記振動子を前記移動子に所定の力で押圧する与圧手段と、
前記移動子の移動速度に応じて前記与圧手段による与圧を調整する与圧制御機構と、
を具備することを特徴とする超音波モータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波振動を利用した超音波モータの駆動方法と、超音波モータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波振動を利用した超音波モータは、電磁ノイズを発生させないことや、低速でも高いトルクを発生させることから、精密位置決め用ステージ等の駆動装置として注目されている。超音波モータには種々の振動モードを利用するものが知られているが、一例として、図８に異形縮退縦Ｌ１−横Ｂ４モードの平板モータ（以下「Ｌ１Ｂ４型モータ」という）９０を有するモータ装置９０´の概略構成を示す。なお、図８においてはＬ１Ｂ４型モータ９０は断面図で示されている。
【０００３】
モータ装置９０´は、振動子９１と移動子９２とを有するＬ１Ｂ４型モータ９０と、振動子９１を駆動する駆動電源９６ａ・９６ｂと、振動子９１と移動子９２との間に所定の摩擦力が生ずるように振動子９１を移動子９２側へ押圧する与圧機構９７とを有している。振動子９１は、矩形の弾性体９３と、弾性体９３の表裏面にそれぞれ２個ずつ取り付けられた圧電素子９４ａ〜９４ｄと、弾性体９３に生ずる振動を移動子９２に伝える突起体９５と、を有している。
【０００４】
圧電素子９４ａ〜９４ｄは、一般的には圧電体の表裏面に電極（図示せず）が形成された単板型の圧電素子である。圧電素子９４ａ・９４ｄを１組とし、圧電素子９４ｂ・９４ｃを１組として、駆動電源９６ａ・９６ｂから各組の圧電素子に位相が９０度ずれた正弦波電圧等の交流電圧を印加すると、弾性体９３には長手方向（Ｘ方向とする）の一次の伸縮共振と４次の曲げ共振が同時に発生し、突起体９５の付け根部分に楕円運動が生じ、その楕円運動が突起体９５の先端に伝えられて、突起体９５の先端に楕円運動が生ずる。
【０００５】
与圧機構９７は、振動の節となる弾性体９３の長手方向中央を保持し、振動子９１を移動子９２側に所定の力で押し付けている。これによって突起体９５の先端の楕円運動の動きが移動子９２に伝えられ、移動子９２はＸ方向に延在するガイド（図示せず）に沿って直線的に移動する。なお、このＬ１Ｂ４型モータ９０の詳細な駆動原理は、例えば、「新版超音波モータ（（株）トリッケップス、上羽・富川著）」に解説されている。
【０００６】
このようなＬ１Ｂ４型モータ９０の駆動速度の調整方法、つまり移動子９２の移動速度の調整方法としては、圧電素子９４ａ〜９４ｄに印加する電圧値（振幅の大きさ）を変える方法が知られている。また、従来、与圧機構９７によって振動子９１を移動子９２に押し付ける与圧は、使用用途に応じて一定に保持されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｌ１Ｂ４型モータ９０では、突起体９５の先端の振動振幅がある程度大きくならないと移動子の移動が始まらない、いわゆる不感帯が存在する。つまり、Ｌ１Ｂ４型モータ９０は、印加する駆動電圧を徐々に上げていくと、駆動電圧がある値に達した時点で急に駆動を開始する。
【０００８】
このときの駆動速度の値（駆動最低速度）は、与圧機構９７による与圧の大きさを変えることによって、ある程度は変えることができる。ところが、先に述べたように、与圧機構９７による与圧の大きさは一定に保持されているために、現実問題として、与圧の大きさを変えることによって、駆動最低速度を低速側へシフトさせることは行われていない。精密位置決め装置においては、最終的な微調整を低速度で行う方が位置決め精度を高めることができることから、駆動最低速度が定まっているＬ１Ｂ４型モータ９０を精密位置決め装置に適用した場合には、位置決め精度を高めることが困難である。
【０００９】
また、Ｌ１Ｂ４型モータ９０の駆動速度は、与圧機構９７によって振動子９１を移動子９２に押し付ける与圧の大きさに依存し、最高速度を与える与圧では推力は比較的小さく、さらに与圧を上げると推力は大きくなるが駆動速度は低下する。従来は与圧機構９７による与圧の大きさは使用される用途に応じて一定に設定されていたために、Ｌ１Ｂ４型モータ９０の能力が最大限に引き出されていなかった。これらの問題は他の構造の超音波モータにおいても同様に発生する。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、駆動速度の制御範囲を低速側へ拡大させる超音波モータの駆動方法および超音波モータ装置を提供することを目的とする。また、本発明は、推力と速度とをバランスよく得ることができる超音波モータの駆動方法および超音波モータ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明によれば、所定周波数で位相の異なる２種類の駆動電圧が印加される複数の圧電素子を有し、前記圧電素子の振動によって所定の振動モードで振動する振動子と、
前記振動子の振動に応じて相対運動を行う移動子と、
を有する超音波モータの駆動方法であって、
前記駆動電圧の位相を変化させることによって前記移動子の移動速度を変化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。
【００１２】
また本発明によれば、上記超音波モータの駆動方法を実施する超音波モータ装置、すなわち、
所定周波数で位相の異なる２種類の駆動電圧を出力可能な電源装置と、
前記２種類の駆動電圧が印加される複数の圧電素子を有し、前記圧電素子の振動によって所定の振動モードで振動する振動子と、
前記振動子の振動に応じて相対運動を行う移動子と、
前記移動子の移動速度が変化するように前記電源装置から出力される前記２種類の駆動電圧の位相を変化させる位相制御装置と、
を具備することを特徴とする超音波モータ装置、が提供される。
【００１３】
このような超音波モータの駆動方法および超音波モータ装置によれば、振動子から移動子に伝わる駆動力の成分のうち、振動子を移動子に押し付ける方向の成分の大きさを一定値以上に確保しながら、移動子の移動方向の成分の大きさを変化させることができるため、振動子の駆動速度の範囲を低速側へと拡げることができる。これによりステージ等の位置決め用途に適用した場合には、高い精度での位置決めを行うことが可能となる。また、駆動電圧を上げなくとも超音波モータの駆動速度をより高速で駆動することも可能となる。
【００１４】
さらに本発明によれば、圧電素子の振動によって所定の振動モードで振動する振動子と、
前記振動子と所定の与圧で接し、前記振動子の振動に応じて相対運動を行う移動子と、
を有する超音波モータの駆動方法であって、
前記与圧を変化させることにより前記移動子の移動速度を変化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。
【００１５】
また、本発明によれば、このような超音波モータの駆動方法を実施する超音波モータ装置、すなわち、
圧電素子の振動によって所定の振動モードで振動する振動子と、
前記振動子の振動に応じて相対運動を行う移動子と、
前記振動子を前記移動子に所定の力で押圧する与圧手段と、
前記移動子の移動速度に応じて前記与圧手段による与圧を調整する与圧制御機構と、
を具備することを特徴とする超音波モータ装置、が提供される。
【００１６】
このような超音波モータの駆動方法および超音波モータ装置によれば、大きな推力を得たい場合や駆動速度を速くしたい場合に応じて与圧を変化させることにより、駆動速度と推力とのバランスを制御することができる。これにより超音波モータの特性を最大限に引き出すことができ、例えば、移動子の目的位置への到達時間を短縮することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１はＬ１Ｂ４型モータ装置１０の概略構成を示す説明図であり、図１中にＬ１Ｂ４型モータ１０Ａが断面図で示されている。Ｌ１Ｂ４型モータ装置１０は、振動子１１と移動子１２とを有するＬ１Ｂ４型モータ１０Ａと、電源１６ａ・１６ｂと、電源１６ａから出力される駆動電圧と電源１６ｂから出力される駆動電圧の位相をずらす位相制御装置１７と、振動子１１を保持して移動子１２に所定の力で押し付ける与圧機構１８と、を有している。
【００１８】
Ｌ１Ｂ４型モータ１０Ａの振動子１１は、矩形の弾性体１３と、弾性体１３の表裏面にそれぞれ２個ずつ取り付けられた圧電素子１４ａ〜１４ｄと、弾性体１３に生ずる振動変位を拡大して移動子１２に伝える２本の脚部１５と、を有している。与圧機構１８は弾性体１３の長手方向中央を保持して、所定の力で振動子１１を移動に押しあてて、振動子１１と移動子１２を摩擦保持する。
【００１９】
弾性体１３としては、金属材料やセラミックス材料が好適に用いられる。圧電素子１４ａ〜１４ｄは樹脂接着剤を用いて弾性体１３の表裏面に取り付けられている。圧電素子１４ａ〜１４ｄはそれぞれ、単板の圧電体２１の表面（弾性体１３との非接着面）に電極２２ａが形成され、圧電体２１の裏面（弾性体１３との接着面）に電極２２ｂが形成された構成を有する。圧電体としては、機械的品質係数Ｑｍの大きいチタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミックスが好適に用いられる。
【００２０】
弾性体１３が金属の場合には、弾性体１３は圧電素子１４ａ〜１４ｄが具備する電極２２ｂと導通する。これにより弾性体１３を圧電素子１４ａ〜１４ｄに駆動電圧を印加する際のターミナルとして利用することができる。弾性体１３がセラミックス（絶縁体）からなる場合には、表裏面に金属膜を形成し、この金属膜と圧電素子１４ａ〜１４ｄが具備する電極２２ｂとを導通させる。これにより圧電素子１４ａ〜１４ｄの電極２２ｂが外部へと取り出され、電源との接続が容易となる。
【００２１】
圧電素子１４ａ〜１４ｄを駆動するための配線は図１に示す通りである。２個の圧電素子１４ａ・１４ｄを１組とし、２個の圧電素子１４ｂ・１４ｃを１組として、電源１６ａ・１６ｂから、所定の位相差を有する所定の周波数（振動子１１の異形縮退縦Ｌ１−横Ｂ４モードの共振周波数近傍）の駆動電圧を各組の圧電素子に対して供給する。
【００２２】
電源１６ａ・１６ｂは、例えば、所定波形の信号を発生させるパルスジェネレータと、発生された信号を所定の振幅まで増大させるアンプと、を有する。また、位相制御装置１７は、電源１６ａ・１６ｂから同位相で発信された駆動電圧の信号を比較して、両信号間に所定の位相差を生じさせる。位相制御装置１７としては、例えば、ディレイ（遅延装置）が挙げられる。
【００２３】
ここで、Ｌ１Ｂ４モータ１０Ａの圧電素子１４ａ〜１４ｄへ印加する駆動電圧について詳細に説明する。圧電素子１４ａ〜１４ｄには、縦Ｌ１モードの共振を起こす電圧と横Ｂ４モードを起こす電圧を同時に掛ける必要がある。そこで、縦Ｌ１モードの共振を起こす電圧ＶＬ１は圧電素子１４ａ〜１４ｄに共通であり、下式（１）で示される。また、横Ｂ４モードの共振をＬ１モードの共振と位相を９０度（π／２）ずらして起こす電圧ＶＢ４−ａｄとＶＢ４−ｂｃは、圧電素子１４ａ・１４ｄについては下式（２）で表され、圧電素子１４ｂ・１４ｃについては下式（３）で表される。なお、Ｖ１、Ｖ２はゼロ−ピーク電圧、２πｆは駆動周波数、ｔは時間である。
【００２４】
【数１】
2004088815.tif 000003
【００２５】
圧電素子１４ａに印加する電圧Ｖは（１）式と（２）式を加えることで求められ、圧電素子１４ｂ〜１４ｄについても同様である。したがって、これら（１）式〜（３）式から、圧電素子１４ａ・１４ｄに印加する電圧Ｖａｄは下式（４）および下式（６）で表され、圧電素子１４ｂ・１４ｃに印加する電圧Ｖｂｃは下式（５）および下式（６）で表される。
【００２６】
【数２】
2004088815.tif 000004
【００２７】
（４）式〜（６）式において、例えば、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ／２１／２とすると、ｔａｎθ＝１、つまりθ＝π／４となるから、（４）式は下式（７）のように変形され、（５）式は下式（８）のように変形される。これら（７）式と（８）式から、Ｖ１＝Ｖ２の場合には、圧電素子１４ａ・１４ｄに印加する駆動電圧Ｖａｄと圧電素子１４ｂ・１４ｃに印加する駆動電圧Ｖｂｃの位相差２θをπ／２とすればよいことがわかる。
【００２８】
【数３】
2004088815.tif 000005
【００２９】
例えば、電源１６ａからＶａｄ＝Ｖｓｉｎ（２πｆｔ−θ）（Ｖ；ゼロ−ピーク電圧、ｆ；周波数、ｔ；時間、２θ；位相差（０＜２θ＜π））の電圧を供給し、電源１６ｂからＶｂｃ＝Ｖｓｉｎ（２πｆｔ＋θ）の電圧を供給する。これにより弾性体１３には長手方向（Ｘ方向）の一次の伸縮共振と４次の曲げ共振が同時に発生し、これらの振動が組み合わさることによって弾性体１３における脚部１５の取り付け部分に楕円軌跡を描く振動が発生する。
【００３０】
こうして発生した楕円運動は脚部１５の先端に伝えられるが、このとき、Ｌ１Ｂ４モータ１０Ａにおいては、振動子１１を所定の駆動周波数で駆動した際に、弾性体１３に異形縮退縦Ｌ１−横Ｂ４モードの共振振動が発生し、かつ、脚部１５に曲げモードの共振振動が発生するように、弾性体１３と脚部１５の形状を予め調整しておく。これにより振動子１１においては、弾性体１３の異形縮退縦Ｌ１−横Ｂ４モードの共振振動に基づいて脚部１５の先端に生じている楕円運動のＸ方向の変位が、脚部１５の曲げモードの振動によって拡大されて、脚部１５の先端がＸ方向に大きく振れるようになる。
【００３１】
なお、脚部１５は弾性体１３の変位部に取り付けられるために、図１に示すように、脚部１５は弾性体１３と一体的に構成されていることが好ましい。これにより脚部１５の脱離等を防止することができるため、信頼性が高められる。また、脚部１５を溶接等によって弾性体１３と一体化できる場合には、弾性体１３と脚部１５とが最初から一体的に構成されていた場合と同等の信頼性を得ることができる。
【００３２】
図２（ａ）〜（ｃ）に、電源１６ａ・１６ｂから出力される駆動電圧の位相差と脚部１５の先端に生ずる楕円運動の軌跡との関係を示す説明図を示す。ここで、図２（ａ）は位相差２θがπ／２の場合であり、図２（ｂ）は位相差２θが０＜２θ＜π／２の場合であり、図２（ｃ）は位相差２θがπ／２＜２θ＜πの場合である。また、図３は、図２（ａ）〜（ｃ）に示される各楕円運動に対応するＬ１Ｂ４モータ１０Ａの駆動速度（移動子１２の移動速度）と駆動電圧の関係を示す説明図である。
【００３３】
図３中の速度特性線ａは、位相差２θがπ／２のときのＬ１Ｂ４モータ１０Ａの駆動速度と駆動電圧（ゼロ−ピーク電圧値の大きさ）との関係を示している。この速度特性線ａに示されるように、駆動電圧を０Ｖから徐々に大きくしていくと、駆動電圧ＶＡでＬ１Ｂ４モータ１０Ａの駆動が始まる。この駆動電圧ＶＡにおけるＬ１Ｂ４モータ１０Ａの駆動速度をｕ１とする。この駆動速度ｕ１を与える脚部１５の先端の楕円軌跡（以下単に「楕円軌跡」という）は図２に楕円軌跡ａ´で示されている。
【００３４】
駆動電圧がＶＡ未満のためにＬ１Ｂ４モータ１０Ａが駆動しない不感帯の発生は、脚部１５の上げ下げの変位量が振動子１１と移動子１２の接触面の面粗度以下となっていることに起因すると考えられている。このために、楕円軌跡ａ´のＺ方向成分の大きさをｚ１とすると、Ｌ１Ｂ４モータ１０Ａを駆動させるためには、ある駆動電圧における楕円軌跡のＺ方向成分の大きさがｚ１以上あることが必要となる。駆動電圧を駆動電圧ＶＡから上げていくと、楕円軌跡は、楕円軌跡ａで示されるように、楕円軌跡ａ´の略相似形を維持しながら大きくなる。
【００３５】
図３中の速度特性線ｂは、位相差２θが０＜２θ＜π／２の場合のＬ１Ｂ４モータ１０Ａの駆動速度と駆動電圧との関係を示している。また、速度特性線ｂは図２（ｂ）と対応しており、駆動電圧ＶＢにおける楕円軌跡が図２（ｂ）中の楕円軌跡ｂ´であり、駆動電圧ＶＡにおける楕円軌跡が楕円軌跡ｂ″であり、駆動電圧がＶＢよりも大きい所定値の場合の楕円軌跡が楕円軌跡ｂである。
【００３６】
位相差２θが０＜２θ＜π／２の場合には、（４）式と（５）式においてθが０＜θ＜π／４となるために、０＜ｔａｎθ＝Ｖ２／Ｖ１＜１（但し、ゼロ−ピーク電圧Ｖ＝（Ｖ１２＋Ｖ２２）１／２）となる。この場合には、電源１６ａから圧電素子１４ａ・１４ｄにＶａｄ＝Ｖｓｉｎ（２πｆｔ−θ）の駆動電圧を供給し、電源１６ｂから圧電素子１４ｂ・１４ｃにＶｂｃ＝Ｖｓｉｎ（２πｆｔ＋θ）の駆動電圧を供給した際に、Ｌ１モードの共振に割り当てられる電圧Ｖ１がＢ４モードの共振に割り当てられる電圧Ｖ２よりも大きくなる。
【００３７】
これにより振動子１１の異形縮退縦Ｌ１−横Ｂ４モードの共振において、振動子１１の長手方向（Ｘ方向）の変位量が大きくなり、厚み方向（Ｚ方向）の変位量が小さくなるため、楕円軌跡は、図２（ｂ）に示される楕円軌跡ｂ・ｂ´・ｂ″のように、楕円軌跡ａと比較すると、Ｘ方向の径が延びてＺ方向の径が短くなった形となる。
【００３８】
位相差２θが０＜２θ＜π／２の場合には、駆動電圧の値がＶＡに達しても、そのときの楕円軌跡ｂ″のＺ方向成分の大きさがｚ１に達しないためにＬ１Ｂ４モータ１０Ａは駆動せず、より大きい駆動電圧ＶＢになった際に楕円軌跡ｂ´のＺ方向成分の大きさがｚ１に達して駆動し始める。この駆動電圧ＶＢにおける楕円軌跡ｂ´の水平方向成分の大きさｘ２は、位相差２θがπ／２でＺ方向成分の大きさがｚ１である楕円軌跡ａ´の水平方向成分の大きさｘ１よりも大きいために、位相差２θが０＜２θ＜π／２の場合の駆動電圧ＶＢにおける駆動速度ｕ２は、位相差２θがπ／２で駆動電圧の値がＶＢの場合の駆動速度ｕ１´よりも速くなる。さらに駆動電圧の値を大きくすると、楕円軌跡ｂの水平方向成分に割り当てられる電圧の割合が、位相差２θ＝π／２の場合よりも多いために、駆動速度の駆動電圧に対する勾配は、通常、大きくなる。
【００３９】
図３中の速度特性線ｃは、位相差２θがπ／２＜２θ＜πの場合のＬ１Ｂ４モータ１０Ａの駆動速度と駆動電圧との関係を示している。また、速度特性線ｃは図２（ｃ）と対応しており、駆動電圧ＶＣにおける楕円軌跡が図２（ｃ）中の楕円軌跡ｃ´であり、駆動電圧がＶＣよりも大きい所定値の場合の楕円軌跡が楕円軌跡ｃである。
【００４０】
位相差２θがπ／２＜２θ＜πの場合には、（４）式と（５）式においてθがπ／４＜θ＜π／２となるために、ｔａｎθ＝Ｖ２／Ｖ１＞１（但し、ゼロ−ピーク電圧Ｖ＝（Ｖ１２＋Ｖ２２）１／２）となる。この場合には、電源１６ａから圧電素子１４ａ・１４ｄにＶａｄ＝Ｖｓｉｎ（２πｆｔ−θ）の駆動電圧を供給し、電源１６ｂから圧電素子１４ｂ・１４ｃにＶｂｃ＝Ｖｓｉｎ（２πｆｔ＋θ）の駆動電圧を供給した際に、Ｌ１モードの共振に割り当てられる電圧Ｖ１がＢ４モードの共振に割り当てられる電圧Ｖ２よりも小さくなる。
【００４１】
これにより振動子１１の異形縮退縦Ｌ１−横Ｂ４モードの共振において、振動子１１の長手方向（Ｘ方向）の変位量が小さくなり、厚み方向（Ｚ方向）の変位量が大きくなるため、楕円軌跡は、図２（ｃ）中の楕円ｃ・ｃ´で示されるように、楕円ａと比較すると、Ｘ方向の径が短くなって、Ｚ方向の径が長くなった形となる。
【００４２】
位相差２θがπ／２＜２θ＜πの場合には、駆動電圧の値がＶＡに達する前のＶＣにおいて、楕円軌跡ｃ´のＺ方向成分の大きさがｚ１に達するために、Ｌ１Ｂ４モータ１０Ａが駆動し始める。電圧値ＶＣにおける楕円軌跡ｃ´の水平方向成分の大きさｘ３は、位相差２θがπ／２で電圧値がＶＡの場合よりも小さいために、電圧値ＶＣにおける駆動速度ｕ３は、位相差２θがπ／２で駆動電圧がＶＢの場合よりも遅くなる。さらに駆動電圧の値を大きくすると、楕円軌跡ｃの水平方向成分に割り当てられる電圧の割合は、位相差２θ＝π／２の場合よりも少ないために、駆動速度の駆動電圧に対する勾配は、通常、小さくなる。
【００４３】
このように、位相差２θがπ／２＜２θ＜πの場合には、駆動開始電圧を下げて不感帯の範囲を狭くし、駆動速度を低速度化することができる。これにより、Ｌ１Ｂ４モータ１０Ａを位置決め機構に適用した場合に、精密な位置決めを行うことが可能となる。
【００４４】
また、例えば、最初に位相差２θをπ／３（０＜２θ＜π／２の一例）として圧電素子１４ａ〜１４ｄに所定の駆動電圧を印加し、Ｌ１Ｂ４モータ１０Ａを駆動させる。これによりＬ１Ｂ４モータ１０Ａを高速駆動することができる。次に、駆動電圧を下げて駆動速度を下げて、Ｌ１Ｂ４モータ１０Ａが停止する前に位相差２θを徐々にπ／２に近付けるように位相制御装置１７を操作する。これにより駆動電圧を一定に保持しながら駆動速度を下げることができる。位相差２θがπ／２になったら、徐々に駆動電圧を下げてさらに駆動速度を下げて、Ｌ１Ｂ４モータ１０Ａが停止する前に位相差２θを徐々に４π／５（π／２＜２θ＜πの範囲）に近付けるように位相制御装置１７を操作する。これにより駆動電圧を一定に保持しながら駆動速度を下げることができる。位相差２θが４π／５になったら、徐々に駆動電圧を下げてＬ１Ｂ４モータ１０Ａを低速度で駆動する。これにより移動体１２を最初に高速で移動させて、最後に精密に位置決めすることができる。
【００４５】
次に、与圧機構１８について詳細に説明する。図４は与圧機構１８の概略構造を示す説明図である。与圧機構１８は、Ｌ１Ｂ４モータ１０Ａの振動子１１を保持する保持部材３１と、保持部材３１に取り付けられたバネ３２と、回転によってＺ方向に移動し、バネ３２の縮み代を調節するボルト３３と、ボルト３３を保持するガイド部材３４と、ボルト３３を所定角度回転させてボルト３３をＺ方向で移動させるステッピングモータ３５と、ステッピングモータ３５の回転を制御する回転制御装置３６と、を有している。なお、ガイド部材３４は図示しないフレームや壁部材に固定されている。
【００４６】
与圧機構１８では、回転制御装置３６がステッピングモータ３５を所定角度回転させることによって、ボルト３３を上下に移動させ、このときにバネ３２の縮み代が変化して、バネ３２の付勢力、つまりバネ３２が保持部材３１を介して振動子１１を移動子１２側へ押し付ける与圧（押圧力）の大きさを変化させる。例えば、移動子１２の移動速度を測定するセンサ（図示せず）を設け、このセンサの計測結果に基づいて、振動子１１に適切な与圧が加わるように、回転制御装置３６がステッピングモータ３５を制御するように構成することができる。
【００４７】
図５は与圧機構１８が振動子１１に加える与圧が一定の場合におけるＬ１Ｂ４モータ１０Ａの駆動速度と推力との関係を示すグラフである。図５より、推力が小さいときには、与圧の大きさが小さい場合で駆動速度が速い。一方、推力が大きいときには、与圧の大きさが大きい場合の方が駆動速度が速くなっている。このような関係は、Ｌ１Ｂ４モータ１０Ａに限らず、超音波モータ（他のリニアモータや回転型モータ等）に一般に見られる傾向である。
【００４８】
静止している移動子１２を加速する場合は、推力が大きい方が加速は速い。したがって、図５の２本の線の上側になっている部分の与圧を使う方が加速が速くなる。換言すれば、低速度側で高い与圧を使い、高速度側で低い与圧を用いることで、加速を速くすることができる。図５に示される２本の折れ線をそれぞれ直線近似すると、これらの交点は推力０．５Ｎ、駆動速度１８０ｍｍ／秒の点である。そこで、初期与圧を７．８８Ｎとし、駆動速度が１８０ｍｍ／秒に達した時点で与圧の大きさを４．３８Ｎに切り替えるように与圧機構１８を動作させた場合の駆動速度と時間との関係を図６に、移動子１２の移動距離と時間との関係を図７に示す。なお、図６および図７には、与圧の大きさを７．８８Ｎで固定した場合と、４．３８Ｎで固定した場合の結果を並記している。
【００４９】
図６に示されるように、駆動速度に応じて与圧を切り替えた場合（曲線ａ）に加速が一番速く、これにより図７に示されるように、移動子１２を０．１ｍよりも遠くへ移動させる場合には、短時間で目的位置まで移動させることができることが確認された。このように、静止しているものを動かす場合や、動いているものの速度をさらに上げる場合といった状況に応じて与圧を制御することによって、必要な速度と推力とをバランスよく得ることが可能となる。
【００５０】
なお、図６および図７に示した例では、移動子１２を０．１ｍ以下の範囲内で移動させる場合には与圧を変える必要はない。しかし、これは与圧の大きさを７．８８Ｎと４．３８Ｎとの間で切り替えた場合に限られることであり、与圧を移動子１２の速度に対応して切り替えるという趣旨によれば、例えば、移動子１２を０．１ｍ以下の範囲で移動させる場合には、初期与圧をより７．８８Ｎよりも大きい値に設定し、その後により小さい与圧へ変えることによって、目的場所に到達させる時間を短縮することができる。
【００５１】
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。本発明に係る位相差２θを制御する駆動方法と与圧を制御する駆動方法は、Ｌ１Ｂ４モータ１０Ａに限らず、他の振動モードを用いるリニア型超音波モータと円盤型超音波モータにも適用することができる。
【００５２】
また、超音波モータは基本的に振動子の共振現象を利用するものであるが、一般的に振動子の共振周波数は明確な１つの値を示さず、共振を起こしていると考えられる一定の周波数範囲では、同等の性能で超音波モータを駆動することができる。本発明においては、超音波モータの駆動に用いられる共振周波数には一定の範囲があり、そのような範囲内の周波数で駆動されるときの振動子の振動もまた共振と擬制されることが理解されるべきである。
【００５３】
また、例えば、圧電素子１４ａ〜１４ｄに位相差を有する駆動信号を印加する場合において、上記説明においては、２台の電源１６ａ・１６ｂを用いた場合について説明したが、例えば、電源として位相差を制御する機能を有するマルチチャンネルのパルスジェネレータを有する電源を用い、このパルスジェネレータで最初から位相差を設けた２種類の駆動信号を発生させてアンプで増幅し、圧電素子１４ａ〜１４ｄに印加してもよい。
【００５４】
さらに、図３に示す線ａ〜ｃは相対的な上下位置を示しているものであって、絶対的な位置を示しているものではない。例えば、位相差２θがπ／２に近い一定値に定められている場合には、線ｂと線ｃは線ａに近接する。また、上記説明においては、位相差２θの調整と与圧の調整を別々に行った場合について説明したが、位相差２θを変化させながら同時に与圧を変化させて、Ｌ１Ｂ４モータ１０Ａの駆動を制御することも可能である。
【００５５】
与圧機構１８はバネの付勢力を用いるものに限定されず、例えば、重錘の重力を利用し、その重錘の数を変えることによって与圧を調整するものや、重さの異なる重錘を用いて与圧を調整するもの、エアーシリンダや油圧シリンダ等を用いることも可能である。
【００５６】
Ｌ１Ｂ４型モータ１０Ａは、振動子１１が固定され、移動子１２を移動させるが、振動子１１を平面ステージや直線状のレールの表面に載置し、振動子１１の自重を利用してこれらの面上を自走させることも可能である。この場合には、与圧機構１８は振動子１１と共に移動させる必要がある。また、平行に配置された２本のガイドレールの一方に与圧機構１８を移動自在に嵌め込み、振動子１１の脚部１５を別のガイドレールに押し当てることにより、振動子１１をガイドレールに沿って移動させることも可能である。
【００５７】
【発明の効果】
上述の通り、本発明によれば、振動子から移動子に伝わる駆動力の成分のうち、振動子を移動子に押し付ける方向の成分の大きさを一定値以上に確保しながら、移動子の移動方向の成分の大きさを変化させることができるため、振動子の駆動速度の範囲を低速側へと拡げることができる。これによりステージ等の位置決め用途に適用した場合には、高い精度での位置決めを行うことが可能となる。また、駆動電圧を上げなくとも超音波モータの駆動速度をより高速で駆動することも可能となる。また、大きな推力を得たい場合や駆動速度を速くしたい場合等の状況に応じて、駆動速度と推力とのバランスを制御することができる。これにより、超音波モータの有する特性を最大限に引き出すことができ、例えば、移動子の目的位置への到達時間を短縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるＬ１Ｂ４型モータ装置の概略構成を示す説明図。
【図２】駆動電圧の位相差と、脚部先端の楕円軌跡との関係を示す説明図。
【図３】図３は、図２に示される各楕円軌跡に対応するＬ１Ｂ４モータの駆動速度と駆動電圧の関係を示す説明図。
【図４】与圧機構の概略構造を示す説明図。
【図５】与圧が一定の場合のＬ１Ｂ４モータの駆動速度と推力との関係を示すグラフ。
【図６】与圧機構による与圧を一定とした場合または変化させた場合のＬ１Ｂ４モータの駆動速度と時間との関係を示すグラフ。
【図７】与圧機構による与圧を一定とした場合または変化させた場合のＬ１Ｂ４モータの移動子の移動距離と時間との関係を示すグラフ。
【図８】従来のＬ１Ｂ４型モータの一般的な構造を示す平面図（上図）および断面図（下図）。
【符号の説明】
１０；Ｌ１Ｂ４型モータ装置
１０Ａ；Ｌ１Ｂ４型モータ
１１；振動子
１２；移動子
１３；弾性体
１４ａ〜１４ｄ；圧電素子
１５；脚部
１６ａ・１６ｂ；電源
１７；位相制御装置
１８；与圧機構
２１；圧電体
２２ａ・２２ｂ；電極
９０；Ｌ１Ｂ４型モータ
９０´；モータ装置
９１；振動子
９２；移動子
９３；弾性体
９４ａ〜９４ｄ；圧電素子
９５；突起体
９６；駆動電源
９７；与圧機構
【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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【図７】
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【図８】
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