(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被駆動物へ圧接する方向に振動する第１の圧電振動子と、前記被駆動物の送り方向に振動する第２の圧電振動子と、を有する超音波モータにおいて、
前記被駆動物が目標位置に近づくにつれて、前記第２の圧電振動子への印加電圧を制御して送り方向の振動成分を徐々に小さくした後、前記第１の圧電振動子への印加電圧を制御して圧接方向の振動成分を徐々に小さくする駆動制御手段を備えることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
被駆動物へ圧接する方向に振動する第１の圧電振動子と、前記被駆動物の送り方向に振動する第２の圧電振動子と、を有する超音波モータにおいて、
前記被駆動物へ圧接する方向の振動のみ、あるいはこの振動に被駆動物の送り方向の振動を合わせて超音波モータを起動した後、前記第２の圧電振動子への印加電圧を制御して、送り方向の振動成分のみを徐々に大きくする駆動制御手段を備えることを特徴とする超音波モータ。
【請求項３】
被駆動物へ圧接する方向に振動する第１の圧電振動子と、前記被駆動物の送り方向に振動する第２の圧電振動子と、を有する超音波モータにおいて、
前記第１の圧電振動子への印加電圧（圧接方向の振動成分）と、前記第２の圧電振動子への印加電圧（送り方向の振動成分）の位相差を徐々に大きくしながら超音波モータを起動する駆動制御手段を備えることを特徴とする超音波モータ。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一つに記載の超音波モータにおいて、
前記駆動制御手段は、パラメータが所定の値となった時に、それぞれの超音波モータでの駆動制御を開始または終了することを特徴とする超音波モータ。
【請求項５】
請求項４記載の超音波モータにおいて、
前記パラメータは、前記被駆動物の現在位置から目標位置までの距離であることを特徴とする超音波モータ。
【請求項６】
請求項４記載の超音波モータにおいて、
前記パラメータは、超音波モータの速度であることを特徴とする超音波モータ。
【請求項７】
請求項１から６の何れか一つに記載の超音波モータにおいて、
前記駆動制御手段は、前記被駆動物が目標位置に達すると、各圧電振動子への  電圧印加を中止して被駆動物を完全に停止させた後、逆方向に超音波モータを起  動して被駆動物の位置を補正することを特徴とする超音波モータ。
【請求項８】
請求項１から７の何れか一つに記載の超音波モータを有することを特徴とする超音波モータ付電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータ、及び超音波モータ付電子機器に係り、詳細には、超音波モータの駆動制御による被駆動物の精密な位置決めに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、被駆動物を圧接する縦方向に振動する圧電振動子と、被駆動物の送り方向に振動する圧電振動子と、を有し、これら二つの圧電振動子の合成振動により振動体を介して被駆動物を駆動する超音波モータが考案されている。
このタイプの超音波モータは、各圧電振動子に位相を制御した駆動電圧を印加して駆動される。
【０００３】
従来の駆動制御方式による超音波モータの速度変化を図８（Ａ）に、振動の変位を図８（Ｂ）に示す。図８に示すように、従来の超音波モータの駆動制御は、駆動開始から停止まで同じ大きさの電圧を入力することで、被駆動物の送り方向（Ｘ方向）および被駆動物への圧接方向（Ｙ方向）の振動を常に同じ大きさで励振して超音波モータを駆動し、また、超音波モータの回転方向を反転させる場合にのみ、各圧電振動子に入力する駆動電圧の位相を変更する方式であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、超音波モータの駆動開始時や停止時に定常駆動と同じ大きさの駆動電圧を入力する従来の制御駆動方式では、以下の問題が生じる。
すなわち、起動時には超音波モータの振動変位が急激に大きくなり、例えば、動摩擦と静摩擦の差によってスティックスリップが発生していた。
また、移動体や振動体が互いに接触する部分は、当然場所によって多少の凹凸を有する。このため、低速回転時には移動体と振動体とが互いに引っ掛かり、滑らかに回転しない場合もあった。
従って、実際には図８（Ａ）に示すように、超音波モータが低速からスムーズに起動せず、急に高速動作となる場合もあり、またスムーズに停止しない場合もあった。
この結果、被駆動物の微少な送りができず、目標位置に対してのオーバーシュート量が大きくなるため、被駆動物の高精度な位置決めができなかった。このため、正確に被駆動物を位置決めしようとすると目標位置への制定時間が長くなっていた。
【０００５】
また、以上のような理由により、起動時及び停止時には移動体と振動体の間で滑りを生じ、移動体と振動体の摩耗が大きく、超音波モータの寿命は短くなっていた。
【０００６】
本発明の課題は、スムーズに起動及び停止し、被駆動物の精密な位置決めが可能な超音波モータ、及びこれを用いた超音波モータ付電子機器を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明は、被駆動物へ圧接する方向に振動する第１の圧電振動子と、前記被駆動物の送り方向に振動する第２の圧電振動子とを有する超音波モータにおいて、前記第１の圧電振動子への印加電圧と前記第２の圧電振動子への印加電圧とを別個に制御して、被駆動物への圧接力および送り力の大きさ及び比並びに位相差を前記被駆動物の駆動状況に合わせることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【０００９】
まず、超音波モータの構成を説明する。
【００１０】
図１の各図および図２に示すように、超音波モータ１は、圧電素子１０から成る振動体1３、あるいは圧電素子１０に接合されている振動体１３と、振動体１３に当接されている移動体１４（被駆動物）と、移動体１４を振動体１３に押しつける加圧機構１５とで構成され、駆動回路３０を介して制御回路２２によって制御される。
すなわち、この超音波モータ１は、圧電素子１０を動力源としたモータであり、圧電素子１０の端面と平行な方向に移動体１４を動かす超音波モータである。
ここで、超音波モータ１の移動体１４には、移動体１４の位置または回転速度を検出するエンコーダ等の位置センサ２１が付けられている。制御回路２２は、詳細を後述するように、位置センサ２１から入力される信号に従って、駆動回路３０を介して第１の圧電振動子１１及び第２の圧電振動子１２を制御する。また、駆動回路３０は、第１の圧電振動子１１の駆動用の第１の信号発生器３１と、第２の圧電振動子１２の駆動用の第２の信号発生器３２を備える。
【００１１】
圧電素子１０は、送り方向の振動源としての圧電振動子１２（第２の圧電振動子）を複数枚積層し、その上に、圧接方向の振動源としての圧電振動子１１（第１の圧電振動子）を複数枚積層した構造とする。図1においては便宜上圧電振動子11及び12を夫々１枚づつ設けて示してある。また、圧電素子１０は詳細を後述する電極を有する。
ここで、端面のほぼ中央に、移動体１４に接して駆動させる突起を設けてもよい。
また、これら2つの圧電振動子１１及び１２は、例えば絶縁体18を挟むことにより、隣接する圧電振動子あるいは電極との絶縁を確保する。
【００１２】
圧電振動子１２は、図１および図3（Ｂ）に示すように、縦方向に２分割するとともに横方向にも２分割することで生成する４つの分極領域１２ａ，分極領域１２ｂ，分極領域１２ｃ，分極領域１２ｄを、積層方向に、互い違いに逆に分極した構造とする。すなわち、分極領域１２ａと分極領域１２ｄは例えば上面が＋となるように分極し、分極領域１２ｂと分極領域１２ｃは例えば上面が−になるように分極した状態となる。
また、圧電振動子１１は、図3（Ｄ）および同図（Ｅ）に示すように、ほぼ全面をひとつの分極領域として、積層方向に、例えば上面が＋となるように分極する。
【００１３】
また、図１に示すように、圧電素子１０は、電極１６ａ，電極１６ｂ，電極１６ｃ，電極１６ｄ，電極１６ｅ，電極１６ｆ，電極１６ｇを有する。
このうち、電極１６ａ〜１６ｅは圧電振動子１１に信号を入力するための電極であり、電極１６ｆ，１６ｇは圧電振動子１２に信号を入力するための電極である。
【００１４】
電極１６ａは、圧電振動子１２の分極領域１２ａの上面をほぼ覆っており、その一部は側面１０ａに引き出されている。すなわち、各圧電振動子１２の分極領域１２ａの上面は、側面１０ａに引き出された部分を介して連続している電極１６ａによって、すべて同一の電位となる。
【００１５】
同様に、電極１６ｂは、圧電振動子１２の分極領域１２ｂの上面をほぼ覆っており、その一部は側面１０ａに引き出されている。すなわち、各圧電振動子１２の分極領域１２ｂの上面は、側面１０ａに引き出された部分を介して連続している電極１６ｂによって、すべて同一の電位となる。
【００１６】
また、電極１６ｃは、圧電振動子１２の分極領域１２ｃの上面をほぼ覆っており、その一部は側面１０ｂに引き出されている。すなわち、各圧電振動子１２の分極領域１２ｃの上面は、側面１０ｂに引き出された部分を介して連続している電極１６ｃによって、すべて同一の電位となる。
【００１７】
同様に、電極１６ｄは、圧電振動子１２の分極領域１２ｄの上面をほぼ覆っており、その一部は側面１０ｂに引き出されている。すなわち、各圧電振動子１２の分極領域１２ｄの上面は、側面１０ｂに引き出された部分を介して連続している電極１６ｄによって、すべて同一の電位となる。
【００１８】
また、電極１６ｅは、圧電振動子１２の各分極領域１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの下面すべてを覆っており、その一部は側面１０ａに引き出されている。すなわち、各圧電振動子１２の４つの分極領域の下面は、側面１０ａに引き出された部分を介して連続している電極１６ｄによって、すべて同一の電位となる。
【００１９】
さらに、圧電振動子１２において、電極１６ｅを基準電極として、電極１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄに同一の駆動信号を入力すると、分極領域１２ａ，１２ｄが伸長する時には分極領域１２ｂ，１２ｃは収縮し、また、逆に分極領域１２ａ，１２ｄが収縮する時には分極領域１２ｂ，１２ｃは伸長する。従って、圧電振動子１２は横方向に屈曲振動をする。
【００２０】
すなわち、同じ分極領域に入力される駆動信号は同一であるため、各圧電振動子１２はすべて同じ方向に屈曲振動をする。従って、圧電素子１０には大きな屈曲振動、すなわち移動体１４を送る方向の振動が生じる。
【００２１】
また、電極１６ｆは、圧電振動子１１の分極領域１１ａの上面をほぼ覆っており、その一部は側面１０ｂに引き出されている。すなわち、各圧電振動子１１の分極領域１１ａの上面は、側面１０ｂに引き出された部分を介して連続している電極１６ｅによって、すべて同一の電位となる。
【００２２】
同様に、電極１６ｇは、圧電振動子１１の分極領域１１ａの下面をほぼ覆っており、その一部は側面１０ａに引き出されている。すなわち、積層された圧電振動子１１の分極領域１１ａの下面は、側面１０ａに引き出された部分を介して連続している電極１６ｇによって、同一電位となる。
【００２３】
さらに、圧電振動子１１において、電極１６ｇを基準として、電極１６ｆに駆動信号を入力すると、分極領域１１ａは伸長あるいは収縮するため、圧電振動子１１には長手方向の伸縮運動、すなわち振動体１３を移動体１４に圧接する方向の振動が生じる。
【００２４】
また、図１に示すように、圧電振動子１２の電極１６ｅはスイッチ１７ｂを介して、また、電極１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄはスイッチ１７ａを介して、それぞれ交流電源６に接続される。また、圧電振動子１１の電極１６ｆは交流電源６の出力側に、電極１６ｇは基準電位側に、それぞれ直接接続される。このため、電極１６ａ〜１６ｅの接続方向、つまり、これらの電極が交流電源６の出力側に接続されるか接地電位側に接続されるかは、スイッチ１７ａおよびスイッチ１７ｂによって切り替わる。従って、スイッチ１７ａ，１７ｂを二つ共に切り替えるのみで、超音波モータ１は移動体１４を逆の方向に回転させる。
【００２５】
次に、超音波モータ１の制御回路２２の動作について説明する。
以下の図中、Ｘ方向の振動変位とは、第２の圧電振動子１２の振動による移動体１４の送り方向への振動成分であり、その大きさは第２の信号発生器３２から第２の圧電振動子１２に印加される電圧に比例する。
また、Ｙ方向の振動変位とは、第１の圧電振動子１１の振動による移動体１４を圧接する方向の振動成分であり、その大きさは第１の信号発生器３１から第１の圧電振動子１１に印加される電圧に比例する。
【００２６】
本発明の駆動制御方式による超音波モータの被駆動物が目標位置に制定されるまでの挙動を図４（Ａ）に、振動の変位を図４（Ｂ）及び（Ｃ）に示す。図４（Ｂ）において、先ず、図中▲１▼のように、Ｙ方向の振動変位のみで超音波モータ１を起動する。ここで、図▲１▼の状態なしに図中▲２▼のように、Ｙ方向の振動変位に対して極小さいＸ方向の振動変位、例えば、移動体１４を動作しうる最小のＸ方向振動変位を加えて起動する場合もある。
この時、超音波モータ１のＹ方向の振動変位が大きいため、振動体１３や移動体１４の接触面の荒さやうねりの影響をうけず、振動体１３は十分に移動体１４に圧接する。この際、移動体１４が動作していなくとも移動体１４と振動体１３の間は完全な静止摩擦の状態ではなく、移動体14が動作している時の状態、すなわち静止摩擦と動摩擦混在した状態となるため、スティックスリップを抑えることができ、Ｘ方向の振動変位が小さく極低速で駆動できる為、超音波モータ１をスムーズに起動でき移動体14と振動体１３の間でスティクスリップが生じにくく超音波モータ1の耐久性は向上する。
【００２７】
次に、図中▲２▼〜▲３▼のように、第２の圧電振動子１２への印加電圧の制御によってＸ方向の振動変位を徐々に大きくして、超音波モータ１の回転速度を上げて、図中▲４▼に示す定常駆動状態にする。
【００２８】
そして、移動体１４の現在位置と、目標位置の距離が所定の値より小さくなったら（図中▲５▼）、第２の圧電振動子１２への印加電圧の制御によってＸ方向の振動変位を徐々に小さくし、移動体14が目標位置からオーバーシュートするのを防止する。そして、移動体１４が目標位置に達すると、第１の圧電振動子１１及び第２の圧電振動子１２への電圧の印加を中止して、超音波モータ１を完全に停止させる。
【００２９】
この際、電圧印加停止後、移動体１４は、慣性により目標位置を過ぎてから停止する。
そこで、移動体１４の位置補正を行うために、図中▲６▼のように、先ずＹ方向の変位のみで超音波モータ1を起動した後▲７▼の様に小さい振動変位によって超音波モータ１を逆回転方向に起動した後、超音波モータ１を完全に停止させる。
更に、図中▲８▼、▲９▼のように、図中▲７▼の時よりも小さい振動変位によって超音波モータ１を起動した後、超音波モータ１を完全に停止させる。
【００３０】
従って、特に位置の補正時にＹ方向の振動変位のみ、あるいはこれに極小さいＸ方向変位を合わせ、超音波モータ１を起動することによりスティックスリップを防止し、極低速で動作できる為移動体１４の高精度な位置決めが可能である。また、短時間で目標位置へ整定できる。
【００３１】
なお、図４（Ｃ）に示すように、Ｘ方向の振動変位と、Ｙ方向の振動変位の両方を共に変化させても、上述した例と同様の作用を得る。
従って、図４（Ａ）に示すように、超音波モータ１をスムーズに起動でき、移動体１４を高精度に位置決めできる。また、目標位置で停止させた際に、オーバーシュート量を小さくできるため、目標位置までの制定時間を短縮できる。
また、このような制御では、起動時および駆動終了時にはＹ方向の振動は小さくなるため、圧電素子１１は振動体１３に必要以上に圧接しない。従って、オーバーシュート量が小さいことから来るスリップ量が少ない点を合わせ、これらの間の摩耗は低減して、超音波モータ１の寿命は延びる。
この場合、第２の信号発生器３２を省略して、第１の信号発生器３１からの出力電圧を位相器（図示省略）を介して第２の圧電振動子１２にも印加できる。従って、回路の小型化が可能である。
【００３２】
また、図５（Ａ）に示すように、超音波モータ１を起動する際に、第１の圧電振動子１１への印加電圧と、第２の圧電振動子１２への印加電圧の位相差を徐々に大きく（図では０°から９０°に近づけている）してもよい。更にこの場合も、Ｘ方向の振動変位とＹ方向の振動変位のそれぞれ別個に制御できるため、Ｙ方向の振幅を固定したままＸ方向の振幅のみを増加できる。従って、上述した例と同様に、超音波モータ１をスムーズに起動できる。
【００３３】
また、第１の圧電振動子１１への印加電圧と第２の圧電振動子１２への印加電圧との位相を同期させ、、その同期状態を維持したまま各印加電圧の振幅の比を変更しても、図５（Ｂ）に示すように、Ｘ方向の振動変位とＹ方向の振動変位のそれぞれ別個に制御できるため、Ｙ方向の振幅を固定したままＸ方向の振幅のみを増加できる。従って、上述した例と同様に、超音波モータ１をスムーズに起動できる。
【００３４】
また、図６（Ａ）に示すように、移動体１４が目標位置に近づくにつれて、第２の圧電振動子１２への印加電圧を制御してＹ方向の振動変位のみを徐々に小さくしても、伝達される送り力が小さくなるため、超音波モータ１を停止させた際の移動体１４の慣性は小さくなり、目標位置に対してのオーバーシュート量を小さくできる。従って、制定時間を短縮できる。
【００３５】
また、図６（Ｂ）に示すように、第２の圧電振動子１２への印加電圧を制御して、Ｙ方向の振動変位を徐々に小さくした（図中▲１▼〜▲３▼）後、第１の圧電振動子１１への印加電圧を制御して、Ｙ方向の振動変位を徐々に小さくする（図中▲３▼〜▲５▼）ことによって、目的位置で突然超音波モータ１を停止させる場合に比べオーバーシュート量は極めて少なく精密な位置決めが可能となる。
【００３６】
また、上述した図５（Ａ），（Ｂ）の例において、超音波モータ１の起動時における制御は、手順を逆にすることによって位置決め時の制御となる。例えば、図５（Ａ）において、位置補正時にＹ方向の振動変位が小さい状態で起動するで起動トルクを低下させたことで移動体１４の立ち上がり時間は遅くなるが静止トルクは変わらないため、移動体１４の立ち上がりでの移動量に比べオーバーシュート量はり小さくなり、移動体１４を従来より精度よく位置決めできる。また図５（Ｂ）において、位相差を徐々に大きくすることによって超音波モータ１を起動しているが、反対に駆動終了時に位相差を徐々に小さくして、超音波モータ１の回転速度を徐々に遅くしてもよい。この場合も移動体１４を従来より精度良く位置決めできる。
【００３７】
また、上述した図６（Ａ），（Ｂ）の例において、超音波モータ１の位置決め時における制御は、手順を逆にすることによって起動時の制御となる。例えば、図６（Ａ）において、Ｙ方向の振動変位を徐々に小さくすることによって位置決め制御しているが、反対にＹ方向の振動変位を徐々に大きくしながら超音波モータ１を起動してもよい。この制御によって、超音波モータ１をスムーズに起動できる。
【００３８】
また、本発明に掛かる駆動制御方法は、本実施例に示した超音波モータ１に限るものではなく、被駆動体へ圧接する方向への振動成分と被駆動体の送り方向への振動成分を独立に制御できる超音波モータであればその原理,構造に限定を与える物ではなく、例えば図７に示す超音波モータ２にも適用可能である。この場合は、捻り方向の振動を生じる圧電振動子２４が、超音波モータ１においては圧電振動子１１に相当し、縦方向に伸縮する圧電振動子２３が圧電振動子１１に相当する。
【００３９】
さらに、移動体１４を、例えば半導体製造装置のステージや、計測器、カメラ、プリンタ、印刷機、工作機械、ロボット、移動装置、記憶装置に含まれる駆動物とすると、これら超音波モータ付電子機器の性能および耐久性は向上する。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、被駆動物の駆動状況に応じて、被駆動物への圧接力の大きさ及び比を制御することによって、超音波モータをスムーズに起動でき、また被駆動物を高精度に位置決めできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、超音波モータ１を上方、側方、下方から見た概略図であり、（Ｄ）は、超音波モータ１の振動変位を説明する図である。
【図２】超音波モータの構成を示すブロック図である。
【図３】図１の圧電素子１０、及び圧電振動子１１，１２を示す図である。
【図４】本発明の超音波モータの駆動制御方法による被駆動物が目標位置に制定されるまでの挙動、及び超音波モータの振動変位を示す図である。
【図５】本発明の超音波モータの駆動制御方法による超音波モータの振動変位を示す図である。
【図６】本発明の超音波モータの駆動制御方法による超音波モータの振動変位を示す図である。
【図７】超音波モータ２を示す外観図である。
【図８】従来の超音波モータの駆動制御方法による超音波モータの振動変位、及び超音波モータの速度変化を示す図である。
【符号の説明】
１                超音波モータ
６                交流電源
１０              圧電素子
１１              第１の圧電振動子
１２              第２の圧電振動子
１３              振動体
１４              移動体
１５              加圧機構
１６ａ〜１６ｇ    電極
１７ａ，１７ｂ    スイッチ
２１              位置センサ
２２              制御回路
２３              圧電振動子
２４              圧電振動子
３０              駆動回路
３１              第１の信号発生器
３２              第２の信号発生器
【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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