(57)【要約】【課題】高速性能を改善し、微動時においても高精度に位置決め可能な振動アクチュエータを提供することにある。【解決手段】振動体に超音波振動を発生させ、該超音波振動によって摩擦部材を介して移動体を相対移動させる超音波モータを使用した振動アクチュエータであって、前記移動体を介して超音波モータを複数段に亘って配置するとともに、前記超音波モータの駆動を制御する制御装置を備え、該制御装置により、前記超音波モータを個別に制御するようにした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動体に超音波振動を発生させ、該超音波振動によって摩擦部材を介して移動体を相対移動させる超音波モータを使用した振動アクチュエータであって、
前記移動体を介して超音波モータを複数段に亘って配置するとともに、前記超音波モータの駆動を制御する制御装置を備え、該制御装置により、前記超音波モータを個別に制御するようにしたことを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項２】
前記複数段に亘って配置された超音波モータの各段に、１台又は複数の超音波モータが並列に配置されるようにした請求項１記載の振動アクチュエータ。
【請求項３】
前記制御装置は、前記移動体の高速移動時、すべての超音波モータを駆動させるようにした請求項１又は２記載の振動アクチュエータ。
【請求項４】
前記制御装置は、微動時、前記移動体に最も近い位置に配された超音波モータのみを駆動させるようにした請求項１乃至３記載の振動アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
超音波モータを利用して可動体を移動させるようにした振動アクチュエータの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の振動アクチュエータとして、例えば特許文献１などに開示されている。この振動アクチュエータは、図６に示すように、ベース盤５１にリニアスケール５２を載置し、該リニアスケール５２と対向する位置に測定ヘッド５３を設けて位置検出手段５４が構成される。また、駆動力伝達部材５５に、その長手方向に対して垂直に超音波モータ５６の押圧部材５７を当接し、ステージ５８の移動に伴う位置検出手段５４からの位置情報と、予め設定してあるステージ５８の基準位置情報との偏差に基づいて、制御部５９で、例えばＰＩＤ演算処理などを行って、ドライバ６０に超音波モータ５６への指令信号を出力するフィードバック制御を行うことにより、超音波モータ５６の押圧部材５７に楕円運動を行わせ、該押圧部材５７と駆動力伝達部材５５との摩擦駆動によって、ステージ５８をガイド部材６１に沿って移動させるようになっている。
【０００３】
すなわち、上記従来の振動アクチュエータは、１台の超音波モータ５６を用いて、単体で可動体としてのステージ５８を往復動させるようになっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２７７６８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、超音波モータ１は、通常、上記ステージ５８などの被対象物の位置決めに使用されるモータに比べて、移動速度が遅い。そこで、被対象物の微動時には、精度よく位置決めを行うことができるが、被対象物が高速、例えば２８０ｍｍ／ｓｅｃで移動する場合、通常の位置決め用モータに比べて、位置決め精度が悪くなるという問題があった。
【０００６】
そのため、複数の超音波モータ１を並べて配置することによって駆動力を向上させ、高速移動時の位置決め精度を向上させることが提案されている。ところが、この場合でも、磁力を利用した位置決め用モータの移動速度に比べて速度が遅く、振動アクチュエータの高速性能が不十分であった。
【０００７】
本発明の目的は、超音波モータの高速性能を改善するとともに、微動時でも高精度に位置決め可能な振動アクチュエータを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、振動体に超音波振動を発生させ、該超音波振動によって摩擦部材を介して移動体を相対移動させる超音波モータを使用した振動アクチュエータであって、前記移動体を介して超音波モータを複数段に亘って配置するとともに、前記超音波モータの駆動を制御する制御装置を備え、該制御装置により、前記超音波モータを個別に制御するようにしたことにより、達成される。
【０００９】
また、上記目的は、前記複数段に亘って配置された超音波モータの各段に、１台又は複数の超音波モータが並列に配置されるようにしたことにより、効果的に達成される。
【００１０】
また、上記目的は、制御装置を、前記移動体の高速移動時、すべての超音波モータを駆動させるようにしたことにより、効果的に達成される。
【００１１】
また、上記目的は、制御装置を、微動時、前記移動体に最も近い位置に配された超音波モータのみを駆動させるようにしたことにより、より効果的に達成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００１３】
図１は本発明の第１実施例に係る振動アクチュエータを示し、同図において、１は、ベース盤などの固定部材２に設けられた第１超音波モータであり、該第１超音波モータ１の駆動により、振動体３に楕円運動を発生させるようになっている。この振動体３の楕円運動により、摩擦部材４は、図１矢印方向に移動するようになっている。
【００１４】
また、摩擦部材４には、図１矢印方向に延びる第１案内部品５が併設されていて、該第１案内部品５に、可動体としての第１移動体６が往復動自在に装着されている。この第１移動体６は、摩擦部材４と一体に、振動体３の楕円運動に基づいて図１矢印方向に速度Ｖで移動するようになっている。
【００１５】
さらに、第１移動体６には、位置を検出するための第１位置センサ２０が取り付けられていて、該第１位置センサ２０によって第１移動体６の第１案内部品５上の位置を検出するようになっている。これにより、第１超音波モータ１と第１移動体６は、摩擦部材４を介して第１段振動アクチュエータＡを構成する。
【００１６】
また、第１移動体６には、第２超音波モータ７が固定されていて、該第２超音波モータ７は、第１移動体６と一体に移動するようになっている。この第２超音波モータ７の駆動により、振動体８に楕円運動を発生させ、摩擦部材９を図１矢印方向に移動させるようになっている。
【００１７】
また、摩擦部材９には、図１矢印方向に延びる第２案内部品１０が併設されていて、該第２案内部品１０に、第２移動体１１が往復動自在に装着されている。この第２移動体１１は、摩擦部材９と一体に、振動体８の楕円運動に基づいて図１矢印方向に第１移動体６に対して速度Ｖで移動するようになっている。
【００１８】
さらに、第２移動体１１には、位置を検出するための第２位置センサ２１が取り付けられていて、該第２位置センサ２１によって第２移動体１１の第２案内部品１０上の位置を検出するようになっている。これにより、第２超音波モータ７と第２移動体１１は、摩擦部材９を介して第２段振動アクチュエータＢを構成する。
【００１９】
また、第２移動体１１には、第３超音波モータ１２が固定されていて、該第３超音波モータ１２は、第２移動体１１と一体に移動するようになっている。この第３超音波モータ１２の駆動により、振動体１３に楕円運動を発生させ、摩擦部材１４を図１矢印方向に移動させるようになっている。
【００２０】
また、摩擦部材１４には、図１矢印方向に延びる移動体１５が往復動自在に設けられている。この移動体１５は、摩擦部材１４と一体に、振動体１３の楕円運動に基づいて図１矢印方向に第２移動体１１に対して速度Ｖで移動するようになっている。
【００２１】
さらに、移動体１５には、位置を検出するための第３位置センサ２２と絶対位置センサ２３が取り付けられていて、該第３位置センサ２２および絶対位置センサ２３によって移動体１５の第２案内部品１０に対する相対位置および固定部材２に対する絶対位置を検出するようになっている。これにより、第３超音波モータ１２と移動体１５は、摩擦部材１４を介して第３段振動アクチュエータＣを構成する。
【００２２】
そして、移動体１５の移動を制御する制御装置３０は、図２に示すように、第１，第２，第３位置センサ２０，２１，２２および絶対位置センサ２３からの位置検出信号を受けるとともに、第１，第２，および第３切替スイッチ１６，１７，１８に切替信号を出力し、第１，第２，第３超音波モータ１，７，１２の駆動を制御するようになっている。また、制御装置３０には、指令信号発生部３１が接続されていて、該指令信号発生部３１からの移動体１５への指令信号を送るようになっている。
【００２３】
これにより、制御装置３０は、指令信号発生部３１からの指令信号に基づいて、第１，第２，および第３切替スイッチ１６，１７，１８の作動を切り替える。例えば、移動体１５を高速で移動させる場合、第１，第２，第３切替スイッチ１６，１７，１８をすべてＯＮにして、第１，第２，第３位置センサ２０，２１，２２および絶対位置センサ２３からの位置信号に基づいて、第１，第２，および第３超音波モータ１，７，１２を駆動制御し、移動体１５を高速で移動させることができる。例えば、第１、第２、第３超音波モータ１，７，１２の能力を同一として、移動体６，１１，１５は、それぞれ超音波モータ１，７，１２に対して相対速度Ｖで移動し、第１移動体６は、固定部材２に対して速度Ｖで移動し、第２移動体１１は、固定部材２に対して速度２Ｖで移動し、移動体１５は、固定部材２に対して速度３Ｖで移動することになる。すなわち、３段の振動アクチュエータを用いると、１段の振動アクチュエータに比べて３倍の移動速度が得られる。
【００２４】
また、微動時の位置決めを行う場合、図３に示すように、制御装置３０により、第３切替スイッチ１８のみをＯＮにして、他の第１および第２切替スイッチ１６，１７をＯＦＦにすることで、第３段振動アクチュエータＣの第３超音波モータ１２のみを駆動させる。よって、移動体１５を高い精度で移動させることもできる。
【００２５】
なお、第１，第２，および第３超音波モータ１，７，１２の能力は、移動目的および用途に応じて適宜変更してもよい。
【００２６】
従って、上記第１実施例では、制御装置３０の制御により、切替スイッチ１６，１７，１８を制御することで、移動体１５の移動目的や用途に応じて、移動体１５の速度を適宜変更することができる。すなわち、切替スイッチ１６，１７，１８をＯＮ−ＯＦＦ制御することによって、３台の超音波モータを組合せ制御で駆動させ、移動体１５の移動速度を最適に制御することができる。その結果、例えば高速移動が必要な場合、切替スイッチ１６，１７，１８の制御によってすべての超音波モータ１，７，１２を駆動させる一方、微動時の位置決めを行う場合、超音波モータ１，７，１２のうち移動体１５に最も近い第３超音波モータ１２のみを駆動させる。これにより、移動目的や用途に応じて、超音波モータ１，７，１２の個別制御が可能になり、移動体１５の移動速度を適宜変更することができる。よって、振動アクチュエータの高速性能が向上するとともに、微動時においても高精度に位置決めを行うことができる。
【００２７】
ちなみに、上記第１実施例において、微動時、移動体１５から最も遠い第１超音波モータ１のみを駆動すると、移動に必要な装置全体の質量が大きくなってしまい、位置決め時の応答性が悪くなる。そのため、制御装置３０によって、移動体１５に最も近い位置に配される第３超音波モータ１２のみを駆動させる。
【００２８】
また、図４は、本発明に係る振動アクチュエータの第２実施例を示し、上記第１実施例と同一の部材は同一の符号を付し、その説明を省略する。上記第１実施例では、移動体１５を移動させるのに、３段の振動アクチュエータＡ，Ｂ，Ｃを用いたが、第２実施例では、各段にそれぞれ２台の超音波モータ１，７，１２を併設し、移動体１５を矢印方向に移動させるようにした。これにより、各段における移動体６，１１，１５を移動させるのに必要な駆動力が増大する。すなわち、移動体１５の移動に必要な駆動力が増大することで、移動体１５を高速度で移動させることができる。例えば、並列に配された２台の超音波モータ１，７，１２の能力が等しい場合、各段で約２倍の駆動力が得られることになる。
【００２９】
また、図５は、本発明に係る振動アクチュエータの第３実施例を示し、上記第１実施例と同一の部材は同一の符号を付し、その説明を省略する。上記第２実施例では、各段において２台の超音波モータ１，７，１２を設けたが、第３実施例では、各段に設置する超音波モータの数を移動目的や用途に応じて適宜変更することができるようにし、位置決めなどの自由度を向上させるようにした。
【００３０】
すなわち、図５において、第１段振動アクチュエータＡは、６台の超音波モータ１を併設し、該超音波モータ１の駆動によって摩擦部材４を介して２台の第１移動体６を移動させ、また、第２段振動アクチュエータＢは、４台の超音波モータ７を配して、該超音波モータ７の駆動によって摩擦部材４を介して２台の第２移動体１１を移動させる。そして、第３段振動アクチュエータＣは、２台の超音波モータ１２を配して、該超音波モータ１２の駆動によって移動体１５を移動させるようにした。
【００３１】
これにより、移動体１５の移動に必要な駆動力が増大し、振動アクチュエータの高速性能が向上する。また、切替スイッチ１６，１７，１８をＯＮ−ＯＦＦ制御することによって超音波モータ１，７，１２を制御することで、微動時においても高精度な位置決めを行うことができる。
【００３２】
なお、上記各実施例では、１台又は２台の移動体６，１１を配置したが、これに限定されず、３台以上の移動体を配置してもよい。また、超音波モータの数も上記各実施例の数に限定されず、移動目的や用途に応じて適宜変更することができる。
【００３３】
また、本発明において使用する振動アクチュエータは、圧電素子を用いてアクチュエータの共振現象を利用するものであれば、どのようなものでも使用可能である。
【００３４】
また、上記各実施例では、絶対位置センサ２３を第３段アクチュエータＣの移動体１５にのみ設けたが、第１，２段アクチュエータＡ，Ｂの移動体６，１１にそれぞれ絶対位置センサを設け、移動体毎に相対位置や絶対位置を検出するようにしてもよい。
【００３５】
また、上記各実施例では、切替スイッチ１６，１７，１８として、図２や図３に示すようなメカスイッチを用いたが、半導体スイッチ等の電子スイッチを用いてもよく、制御の精密度や切替え安定性の観点から、実際には電子スイッチを使用する場合の方が多い。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る振動アクチュエータによると、超音波モータによって移動する移動体に、別の超音波モータを取り付け、移動体を介して複数の超音波モータを複数段に亘って配置し、各超音波モータを独立して個別に駆動制御するようにしたので、移動体を高速度で移動させることができる。すなわち、同一能力の超音波モータを２段に組み合わせた場合、ほぼ２倍の移動速度が得られ、３段に組み合わせた場合、ほぼ３倍の移動速度が得られる。また、微小な位置決めが必要な微動時には、移動体に最も近い位置に配された超音波モータのみで移動体を動かすようにし、精度のよい位置決めが可能である。よって、超音波モータの高速性能が向上するとともに、微動時でも高精度に位置決めが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る振動アクチュエータの第１実施例を示し、各段に１台の超音波モータを配した状態を示す説明図である。
【図２】粗動時で高速作動時における複数の超音波モータを制御する構成を説明する図である。
【図３】微動時における複数の超音波モータを制御する構成を説明する図である。
【図４】本発明の振動アクチュエータの第２実施例を示し、各段にそれぞれ２台の超音波モータを配した状態を示す説明図である。
【図５】本発明の振動アクチュエータの第３実施例を示し、各段に配する超音波モータの数を可変にした状態を示す説明図である。
【図６】従来の振動アクチュエータの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
Ａ          第１段振動アクチュエータ
Ｂ          第２段振動アクチュエータ
Ｃ          第３段振動アクチュエータ
１          第１超音波モータ
２          固定部材
３          振動体
４          摩擦部材
５          第１案内部品
６          第１移動体
７          第２超音波モータ
８          振動体
９          摩擦部材
１０          第２案内部品
１１          第２移動体
１２          第２超音波モータ
１３          振動体
１４          摩擦部材
１５          移動体
１６          第１切替スイッチ
１７          第２切替スイッチ
１８          第３切替スイッチ
２０          第１位置センサ
２１          第２位置センサ
２２          第３位置センサ
２３          絶対位置センサ
３０          制御装置
３１          指令信号発生部
【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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