(57)【要約】【課題】不感帯が生じることなく連続した被駆動部材の駆動を行うことができるアクチュエータを提供する。【解決手段】被駆動部材１０４（１０５）を所定方向に平行移動させるアクチュエータであって、信号が印加されることによって振動を励起する圧電素子等の振動励起素子を備え、圧電素子が励起した振動によって被駆動部材１０４に対して１方向に力を印加することが可能な振動体１０２と、この振動体を回転可能に保持する回転手段１０１とを有する。【選択図】　図１
2004088856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被駆動部材を所定方向に平行移動させるアクチュエータであって、
信号が印加されることによって振動を励起する振動励起素子を備え、この振動励起素子が励起した振動によって前記被駆動部材に対して１方向に力を印加することが可能な振動体と、
この振動体を回転可能に保持する回転手段とを有することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記振動体が、前記回転手段に対してこの回転軸とは異なる位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記回転手段は、回転により前記振動体の振動で発生する力の向きを変えることで前記所定方向における前記被駆動部材の駆動力を変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記回転手段は、前記振動体による前記被駆動部材の所定方向への駆動を維持する範囲内で回転可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のアクチュエータと、
このアクチュエータにより駆動され、所定方向に平行移動可能な被駆動部材とを有することを特徴とする駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動子を振動させ、振動子の接触する物体を動作させる振動波アクチュエータを用いたアクチュエータおよびこれを用いた駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、位置決めステージ等のアクチュエータとして、圧電素子に固定された振動子を被駆動部材である移動部材に押し当て、高速で駆動することにより移動部材を運動させる、いわゆる振動波アクチュエータの応用が盛んであり、特開平７−１８４３８２号公報、特許第２９８０５４１号等にその構造が提案されている。
【０００３】
特開平７−１８４３８２号公報や、特許第２９８０５４１号に記載された振動波アクチュエータの構成を説明する。平板の圧電体の両面に電極が形成され、一方の面の電極が複数に分割されている。この両面の電極間に電圧を印加することによって圧電体は微小変形を行う。適当な電極を選択して電圧を印加することで、圧電体を任意の方向に変形させることが可能である。圧電体の端部にはスペーサが設けられており、例えば、圧電体の電極間に交流信号あるいはパルス信号を印加することでスペーサには楕円運動が生じ、スペーサと接触する移動部材を一方向に動かすことができる。
【０００４】
上記のような振動波アクチュエータを使用した位置決めステージの１例を図７に示す。直進駆動回路１０９により駆動される振動波アクチュエータ１０２の振動子１０３は、図中ｘｙ平面内において振動子軌跡１１４に示すように楕円状に高速に振動する。この振動子１０３の振動により、図中ｘ方向に移動可能な移動テーブル１０５に固定された駆動板１０４を介して移動テーブル１０５が移動する。ここで、移動テーブル１０５の移動量は、位置センサ１０７において検出される。
【０００５】
位置検出回路１１１は、位置センサ１０７からの入力信号により移動テーブル１０５の現在位置を検出し、この検出結果を制御量演算回路１１０に出力する。制御量演算回路１１０は、位置検出回路１１１からの入力（移動テーブル１０５の現在位置）と目標入力１１２との比較結果にＰＩＤ等の制御定数をかけ、直進駆動回路１０９に振動波アクチュエータ１０２の駆動制御情報を送る。これにより、いわゆるフィードバック位置決め系を構成する。
【０００６】
上述した機構では、圧電素子の微小変形を利用して移動テーブル１０５の駆動を行っているために分解能が高く、従来用いられてきたサーボモータ等の回転型モータと送りねじを組み合わせた機構に比べてコンパクトであり、リニア磁気モータを使用した機構に比べてモータ静止時に摩擦による保持力がある等の利点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、振動波アクチュエータを用いた駆動では、振動子と移動部材（駆動板）との摩擦力を用いて駆動を行うという動作原理ゆえ、上述したように静止保持力という利点がある反面、静止摩擦係数が大きくなる。
【０００８】
このように静止摩擦係数が大きいと、図８に示すように、駆動制御量にある程度の大きさがないと、振動波アクチュエータに駆動信号を加えても移動部材が直ちに動かずに不感帯が生じてしまう。このため、移動部材を短い距離で移動させる場合の制御性が悪くなる。また、不感帯が無視できるほどの長距離移動時にも、上述した一般的なフィードバックによる位置決め系を構成する場合、位置決め時間の増大を招いてしまう。
【０００９】
一方、大きな静止保持力を持つ静止摩擦状態から動摩擦状態へ遷移するときには、振動子および移動部材間に生じる発生力が急激に変化することとなり、図８に示すような不連続性が移動部材の駆動制御性を低下させる他、低速駆動時の動作不安定性を招くことにもなる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被駆動部材を所定方向に平行移動させるアクチュエータであって、信号が印加されることによって振動を励起する振動励起素子を備え、この振動励起素子が励起した振動によって被駆動部材に対して１方向に力を印加することが可能な振動体と、この振動体を回転可能に保持する回転手段とを有することを特徴とする。
【００１１】
すなわち、回転手段により振動体の振動で発生する力の向きを変えることで、所定方向における被駆動部材の駆動力を変化させるようにしている。これにより、振動体および被駆動部材を動摩擦状態としたままで、回転手段を動作させることにより被駆動部材を駆動することができるため、不感帯が発生することなく、連続した被駆動部材の駆動を行うことができる。
【００１２】
ここで、振動体を、回転手段に対してこの回転軸とは異なる位置に設けることができる。すなわち、被駆動部材に対する振動体の接触位置を変えるようにすることで、所定位置で接触する場合に比べて被駆動部材における摩擦領域を広げて被駆動部材の摩耗を低減するようにしている。これにより、被駆動部材の寿命を延ばすことができる。
【００１３】
なお、本発明のアクチュエータは、このアクチュエータにより駆動され、所定方向に平行移動可能な被駆動部材を有する駆動装置に用いられる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、回転アクチュエータの回転子に、１方向に力を発生する振動波アクチュエータを固定した構成とし、振動波アクチュエータを動摩擦状態で動作させたまま、力の発生する方向と、被駆動部材である移動部材の移動方向とのなす角度を回転アクチュエータで変化させるようにしている（第１実施形態）。
【００１５】
すなわち、移動部材の移動方向に対して力の発生する方向を変えることにより、振動波アクチュエータで発生する力のうち移動部材の移動方向成分における力の大きさ、つまり移動部材の駆動力を変えることができる。
【００１６】
ここで、振動波アクチュエータは動摩擦状態で動作しているため、回転アクチュエータの回転により移動部材の駆動力を制御することで不感帯の発生を防止し、連続した駆動力を得ることができる。
【００１７】
また、振動波アクチュエータの振動子を、回転アクチュエータの回転軸に対してずらして配置するようにしている（第２実施形態）。
【００１８】
これにより、振動子と移動部材の接触部分を変えて、振動子および移動部材間に生じる摩擦力を分散させることができるため、移動部材の摩耗を抑えて寿命を延ばすことができる。以下、具体的に説明する。
【００１９】
（第１実施形態）
以下、図面を用いて、本発明の第１実施形態について以下に詳細な説明を行う。
【００２０】
まず、本実施形態を適用した位置決めステージの駆動装置の構成について説明する。図中ｘｙ平面と同一平面をもつベース１０６には、回転アクチュエータ（回転手段）１０１の固定子が固定され、この回転アクチュエータ１０１の回転子には振動波アクチュエータ（振動体）１０２が固定されている。
【００２１】
この振動波アクチュエータ１０２は上述した特開平７−１８４３８２号公報や、特許第２９８０５４１号に記載された振動波アクチュエータと同じ構成でよい。あるいは、特開２００１−２５８２７７号公報に記載された振動アクチュエータのように、金属等の弾性体に固定された圧電素子に交番信号を印加し、弾性体の表面に楕円運動を発生させ、この表面に接触する移動部材を一方向に動かす構成であってもよい。
【００２２】
このように、振動波アクチュエータは従来から様々な形態のものが提案されており、上記の形態に限定されるものではない。信号を印加することで振動を励起する圧電素子等の振動励起素子を備えた振動体を有し、振動体に接触する移動部材に対して１方向に力を加えることができる振動波アクチュエータであれば、本発明を適用することができる。
【００２３】
振動波アクチュエータ１０２の振動子１０３は、ベース１０６に対して図中ｘ方向に移動可能な移動テーブル１０５に固定された駆動板（被駆動部材）１０４に当接している。ここで、振動子１０３が振動すると、駆動板１０４を介して移動テーブル１０５が矢印１１３に示す方向に移動するようになっている。
【００２４】
位置検出回路１１１は、ベース１０６に固定された位置センサ１０７からの入力信号を受けて移動テーブル１０５の現在位置を検出し、この検出結果を制御量演算回路１１０に出力する。
【００２５】
制御量演算回路１１０は、位置検出回路１１１からの入力（移動テーブル１０５）と目標位置入力１１２との比較結果に基づいて、回転駆動回路１０８および直進駆動回路１０９に制御信号を送ることにより、回転アクチュエータ１０１および振動波アクチュエータ１０２を駆動する。これにより、移動テーブル１０５は、目標位置まで移動して停止する。
【００２６】
このように、本実施形態の駆動装置では、いわゆるフィードバック位置決め系を構成している。
【００２７】
次に、本実施形態におけるアクチュエータ（回転アクチュエータ１０１および振動波アクチュエータ１０２）の構成と動作原理について図を用いて説明する。
【００２８】
図２に本実施形態におけるアクチュエータの構成を示す。回転アクチュエータ１０１の回転子は、図中ｙ軸周りであって矢印３０１に示す回転方向に回転する。この回転子には振動波アクチュエータ１０２が固定されており、この振動子１０３は、回転アクチュエータ１０１の回転中心と同軸線上に配置されている。
【００２９】
振動子１０３は、回転アクチュエータ１０１の回転角度に応じて規定される図中ｘｚ平面に対して垂直な平面内において矢印１１４に示す振動子軌跡のように楕円状に高速に振動する。なお、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は互いに直交する軸である。
【００３０】
図３は、回転アクチュエータ１０１の回転子を図中ｙ軸負の方向から見て時計回りに回転した様子を示しており、図中左から振動子軌跡１１４がｙｚ平面に平行な状態（ａ）、（ａ）に示す状態から回転アクチュエータ１０１の回転子をθｒａｄ回転させた状態（ｂ）、（ａ）に示す状態から回転子をπ／２ｒａｄ回転させて、振動子軌跡１１４がｘｙ平面に平行な状態（ｃ）を示す。
【００３１】
ここで、振動子１０３と駆動板１０４との間に発生する力をＦとし、ｘ方向に移動可能な移動テーブル１０６を移動させる場合を考える。図３（ｂ）において、角度θだけ回転子を回転させた場合の駆動板１０４の駆動力は、力Ｆのｘ方向の成分で、
Ｆｘ＝Ｆｓｉｎθ
となる。
【００３２】
そして、θ＝０のときはＦｘ＝０、θ＝π／２のときはＦｘ＝Ｆとなる。
【００３３】
一方、図８において領域７０１に示す不感帯の外側の領域における制御入力で振動波アクチュエータ１０２を振動させ続ければ、振動子１０３と駆動板１０４の間は常に動摩擦の状態に保たれ、不感帯の発生を抑えることができる。
【００３４】
振動子１０３および駆動板１０４が動摩擦状態にある場合において、回転アクチュエータ１０１の回転子を回転させると、上述したように力Ｆのうち駆動板１０４の駆動方向（ｘ方向）における成分を変化させることができる。
【００３５】
Ｆｘ＝０のときには、駆動板１０４が所定位置に停止しており、回転子を回転させることでＦｘ＝Ｆｓｉｎθで駆動板１０４を駆動することができる。
【００３６】
これにより、振動子１０３および駆動板１０４を動摩擦状態として回転子を回転させるだけで、駆動板１０４（移動テーブル１０５）を不感帯が生じることなく駆動することができる。
【００３７】
次に、本実施形態の位置決めステージにおける位置決め動作を以下に述べる。
【００３８】
静止時に振動子１０３の振動子軌跡１１４はｙｚ平面内にある。制御量演算回路１１０は、目標位置入力１１２が入力されると、まず直進駆動回路１０９に指令を送り、振動波アクチュエータ１０２をあらかじめ定められた一定出力で駆動して、振動子１０３と駆動板１０４との間を動摩擦状態とする。ここで、振動波アクチュエータ１０２の駆動量は、図８における不感帯７０１以外の領域における駆動量で行う。
【００３９】
続いて、位置センサ１０７から得られる移動テーブル１０５の現在位置を位置検出回路１１１から受け、目標入力１１２との誤差に比例した角度を回転駆動回路１０８に送り、回転アクチュエータ１０１を制御する。これにより、基準位置（θ＝０ｒａｄ）にあった回転アクチュエータ１０１は回転を開始する。
【００４０】
このときの角度制御量は−π／２≦θ≦π／２ｒａｄとし、これを下回る又は越える場合は、駆動板１０４の駆動力の増加率が反転するため、それぞれ−π／２ｒａｄ、π／２ｒａｄとする。
【００４１】
回転アクチュエータ１０１の角度制御量を横軸、駆動板１０４（移動テーブル１０５）の駆動力を縦軸に取ったグラフを図６に示す。同図に示すように本実施形態によれば、回転アクチュエータ１０１の回転量を制御することにより、駆動板１０４（移動テーブル１０５）の駆動を行う際における不感帯の発生を防止することができる。
【００４２】
移動テーブル１０５の現在位置が目標位置に収束したとき、誤差量は０であり、回転アクチュエータ１０１の回転角度はθ＝０ｒａｄ（基準位置）となっている。そして、制御量演算回路１１０により振動波アクチュエータ１０２の駆動を停止させることで、位置決め動作が完了する。
【００４３】
なお、本実施形態では、振動波アクチュエータ１０２を出力一定で駆動したが、例えば、加速時間短縮のために駆動板１０４の移動区間のうち始めの区間でより大きな出力を設定するようにして、出力可変としてもかまわない。
【００４４】
また、本実施形態では、回転アクチュエータ１０１の角度制御量に関して、誤差量に比例するいわゆるＰ制御を用いたが、制御性向上のため、ＰＩＤ制御等、他の一般的な制御手法を適用することもできる。
【００４５】
（第２実施形態）
以下、図面を用いて、本発明の第２実施形態について以下に詳細な説明を行う。
【００４６】
本実施形態における位置決めステージの全体構成は、第１実施形態（図１）と同様である。本実施形態では、第１実施形態と比べて回転アクチュエータ１０１と振動波アクチュエータ１０２とから構成されるアクチュエータのみが異なるため、この部分についてのみ説明する。
【００４７】
図４に本実施形態のアクチュエータの構成を示す。回転アクチュエータ１０１の回転子は、図中ｙ軸周りであって矢印３０１に示す回転方向に回転する。この回転子には振動波アクチュエータ１０２が固定されており、この振動子１０３は回転アクチュエータ１０１の回転中心に対して図中ｄで示すオフセット量５０１をもって取り付けられている。
【００４８】
また、振動子１０３は、回転アクチュエータ１０１の回転角度に応じて規定される図中ｘｚ平面に対して垂直な平面内において矢印１１４に示す振動子軌跡のように楕円状に高速に振動する。
【００４９】
図５は、回転アクチュエータ１０１の回転子を図中ｙ軸負の方向から見て時計回りに回転した様子を示しており、図中左から振動子軌跡１１４がｘｙ平面に平行な状態（ａ）、（ａ）に示す状態から回転アクチュエータ１０１の回転子をπ／２ｒａｄ回転させた状態（ｂ）、（ａ）に示す状態から回転子をπｒａｄ回転させた状態（ｃ）を示す。
【００５０】
回転アクチュエータ１０１の回転子の回転角と、駆動板１０４（移動テーブル１０５）の駆動力との関係は、第１実施形態と同様であり、回転子の回転角度に応じて振動子１０３による力Ｆのうちｘ軸方向の成分が変化するようになっている。これにより、第１実施形態で述べたように不感帯が生じることなく連続した駆動板１０４の駆動を行うことができる。
【００５１】
また、本実施形態では、振動子１０３の位置が回転子の回転に応じてＺ軸方向に２ｄの範囲で変化する。
【００５２】
振動子１０３のｙ軸負の方向から見た形状は任意のものが可能であるが、説明のため、これを円形とし、この直径をＤとする。回転アクチュエータ１０１の動作中、振動子１０３が駆動板１０４に接する部分のｚ軸方向の幅は、第１実施形態ではＤであるが、本実施形態ではＤ＋２ｄとなる。
【００５３】
このため、駆動板１０４はｚ軸方向において幅広く形成する必要があるが、振動子１０３と駆動板１０４の接触部分が広い範囲に分散することになる。これにより、アクチュエータの駆動時間が長かったり、小型化のため駆動板１０４を移動テーブル１０５と一体化させたりした場合等のように、駆動板１０４の摩耗が問題となる場合には好適となる。
【００５４】
すなわち、駆動板１０４に対する振動子１０３の接触位置が変わるため、振動子１０３および駆動板１０４が１カ所で接触する場合に比べて、駆動板１０４の摩耗を減らすことができ、駆動板１０４の寿命を延ばし、メンテナンスコストを低下させることができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、回転手段により振動体の振動で発生する力の向きを変えることで、所定方向における被駆動部材の駆動力を変化させるようにしている。これにより、振動体および被駆動部材を動摩擦状態としたままで、回転手段を動作させることにより被駆動部材を駆動することができるため、不感帯が発生することなく、連続した被駆動部材の駆動を行うことができる。
【００５６】
ここで、振動体を、回転手段に対してこの回転軸とは異なる位置に設けて、被駆動部材に対する振動体の接触位置を変えるようにすることで、被駆動部材における摩擦領域を広げて被駆動部材の摩耗を低減することができ、被駆動部材の寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態における駆動装置の構成を説明する図。
【図２】第１実施形態におけるアクチュエータの構成を説明する図。
【図３】第１実施形態におけるアクチュエータの動作原理を説明する図（ａ〜ｃ）。
【図４】第２実施形態におけるアクチュエータの構成を説明する図。
【図５】第２実施形態におけるアクチュエータの動作原理を説明する図（ａ〜ｃ）。
【図６】本実施形態において駆動板の駆動力と回転アクチュエータの角度制御量との関係を示す図。
【図７】従来技術における駆動装置の構成を説明する図。
【図８】従来技術において駆動板の駆動力とアクチュエータの駆動制御量との関係を示す図。
【符号の説明】
１０１　回転アクチュエータ
１０２　振動波アクチュエータ
１０３　振動子
１０４　駆動板
１０５　移動テーブル
１０６　ベース
１０７　位置センサ
１０８　回転駆動回路
１０９　直進駆動回路
１１０　制御量演算回路
１１１　位置検出回路
１１２　目標入力
１１３　移動方向
１１４　振動子軌跡
３０１　回転方向
５０１　オフセット量
７０１　不感帯
【図１】
2004088856.tif 000003
【図２】
2004088856.tif 000004
【図３】
2004088856.tif 000005
【図４】
2004088856.tif 000006
【図５】
2004088856.tif 000007
【図６】
2004088856.tif 000008
【図７】
2004088856.tif 000009
【図８】
2004088856.tif 000010