(57)【要約】【課題】  被駆動体の高精度な位置決めを可能とする超音波モータの駆動方法を提供する。【解決手段】  超音波モータ１０は、圧電板２３ａ・２３ｂを備えた超音波振動子１１ａと、圧電板２３ａ´・２３ｂ´を備えた超音波振動子１１ｂと、超音波振動子１１ａ・１１ｂを保持する保持部材１２と、ヘッド１３とを有し、ヘッド１３は押圧機構１４によって被駆動体１５に押し当てられている。超音波振動子１１ａ・１１ｂの一方のみを共振駆動することによって被駆動体１５を突くようにして推力を与え、被駆動体１５を動かす。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動方法であって、
前記一方の超音波振動子が具備する圧電素子に印加する電圧を、前記他方の超音波振動子が具備する圧電素子に印加する電圧よりも高くすることを特徴とする超音波モータの駆動方法。
【請求項２】
圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動方法であって、
前記２個の超音波振動子がそれぞれ具備する圧電素子の一方にのみ電圧を印加することを特徴とする超音波モータの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波モータの駆動方法に関し、より詳しくは、超音波モータによって駆動される被駆動体を高精度で位置決め等するための超音波モータの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４に示すように、２個の超音波振動子１０１ａ・１０１ｂと、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂを所定の角度（例えば、９０度）で保持する保持部材１０２と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体であるスライダ１０５と接し、その端部（Ｖ字型の開いている方）で超音波振動子１０１ａ・１０１ｂと接続されたヘッド１０３と、を備えた共振型の超音波モータ１００が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
超音波振動子１０１ａ・１０１ｂはそれぞれ、圧電素子１０４ａ・１０４ｂを備えている。超音波モータ１００では、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂを位相が９０度ずれた共振周波数電圧で駆動すると、つまり圧電素子１０４ａ・１０４ｂに位相が９０度ずれた共振周波数電圧を印加すると、ヘッド１０３の先端部に楕円運動が生ずる。そこで、リニアガイド１０６に取り付けられたスライダ１０５の側面に楕円運動するヘッド１０３を一定の力で押し付けると、ヘッド１０３とスライダ１０５との間に生ずる摩擦力によってスライダ１０５にリニアガイド１０６の延長方向の推力が与えられ、これによってスライダ１０５を移動させることができる。
【０００４】
スライダ１０５の移動速度は、圧電素子１０４ａ・１０４ｂにそれぞれ高い電圧を印加することで速くすることができ、逆に低い電圧を印加することで遅くすることができる。そこで、例えば、スライダ１０５を短時間で所定位置へ移動させたい場合の超音波モータ１００の駆動方法としては、圧電素子１０４ａ・１０４ｂに高い電圧を印加してスライダ１０５を高速移動させ、その後に印加電圧をゼロとする方法が考えられる。しかし、このような駆動方法では、圧電素子１０４ａ・１０４ｂへの電圧印加を停止した後も、スライダ１０５およびヘッド１０３の慣性によってスライダ１０５が微少に動いてしまうために、高精度なスライダ１０５の位置決めは困難である。
【０００５】
そこで、スライダ１０５およびヘッド１０３の慣性を小さくさせた後にスライダ１０５を停止させることにより、スライダ１０５を高精度に位置決めすることが可能と考えられ、その方法として、最初に圧電素子１０４ａ・１０４ｂに高い電圧を印加してスライダ１０５を高速移動させ、続いて徐々に印加する電圧値を下げていくことによってスライダ１０５の速度を下げ、その後に印加電圧をゼロとしてスライダ１０５を停止させる方法が考えられる。
【０００６】
図５は、このような駆動方法を行った場合の印加電圧値と被駆動体の速度との関係の一例を示すグラフである。図５に示されるように、このような駆動方法では、圧電素子１０４ａ・１０４ｂに印加する電圧値を小さくしていく途中で、急にスライダ１０５の進行方向が逆転する（図５では速度がマイナス（−）となって現れる）という現象が現れてしまい、スライダ１０５を所定位置に停止させることができないという新たな問題が生ずる。
【特許文献１】特開２０００−１５２６７１号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、被駆動体を高精度で位置決め等することができる、超音波モータの駆動方法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】
【０００８】
発明者らは、超音波モータ１００の駆動電圧を下げる過程で被駆動体の進行方向が逆転する現象が生ずる原因について検討した。そして本発明者らは、所定の駆動電圧でのヘッド１０３の先端の動きを観察し、図６に示すプロット（軌跡）を得た。
【０００９】
図６においてＸ軸とＹ軸の交点を中心とする楕円を描いている十字点は、所定の高電圧（例えば、図５においてスライダ１０５の速度が正の値となっている電圧）での駆動時のヘッド１０３の先端位置を示しており、ヘッド１０３の先端はスライダ１０５を押圧する方向であるＹ方向に十分な変位を有する反時計回りの楕円軌道を描く運動を行っている、ということが確認された。このとき、図６の十字点の軌跡の上側（＋Ｙ側）に被駆動体が接していると、被駆動体は−Ｘの向きに移動することとなる。
【００１０】
これに対して、Ｘ軸とＹ軸の交点を通る直線を描いている黒丸点は、経験的に被駆動体の進行方向が逆転している電圧（図５においてスライダ１０５の速度が負の値となっている低電圧）におけるヘッド１０３の先端の位置を示しており、ヘッド１０３の先端は実質的に直線的な往復運動を行っているということが確認された。この場合には、図６の黒丸点の軌跡の上側（＋Ｙ側）に被駆動体が接していると、被駆動体はヘッド１０３によって＋Ｘの向きに突かれるために、＋Ｘの向きに移動することとなる。なお、このような低電圧駆動時のヘッド１０３の先端の直線運動の傾きは、超音波モータ１００の個体差により、また被駆動体への組み付けにより変化し、傾きが平ら（つまりＸ軸に平行）となることもある。
【００１１】
これらのことから、超音波モータ１００の駆動電圧を高電圧から低電圧に下げていくと、被駆動体を押圧する方向におけるヘッド１０３の先端の変位量が小さくなることによって、ヘッド１０３の先端の運動が楕円運動から直線的な往復運動へと変化し、これによって被駆動体に作用する推力の向きが逆転して、被駆動体の進行方向が逆転することが明らかとなった。本発明者らは、このような知見に基づいて問題を解決する方法について鋭意検討し、本発明に至った。
【００１２】
すなわち、本発明によれば、圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動方法であって、
前記一方の超音波振動子が具備する圧電素子に印加する電圧を、前記他方の超音波振動子が具備する圧電素子に印加する電圧よりも高くす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。
【００１３】
また、本発明によれば、圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動方法であって、
前記２個の超音波振動子がそれぞれ具備する圧電素子の一方にのみ電圧を印加す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。
【発明の効果】
【００１４】
このような超音波モータの駆動方法によれば、被駆動体を押圧する方向における変位を確保することができるために、駆動電圧を高電圧から低電圧へシフトさせても被駆動体の進行方向の逆転が起こらず、これにより被駆動体を高精度で位置決めすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、超音波モータ１０の概略構造を示す断面図である。この超音波モータ１０は先に図４に示した超音波モータ１００と同じ構造を有するが、ここで改めて詳しく超音波モータ１０の構造について説明する。
【００１６】
超音波モータ１０は、ランジュバン型の構造を有する２個の超音波振動子１１ａ・１１ｂと、超音波振動子１１ａ・１１ｂを９０度の角度で保持する保持部材１２と、被駆動体１５に接する略Ｖ字型の形状を有するヘッド１３とを有している。保持部材１２には押圧機構１４が取り付けられており、押圧機構１４は所定の力でヘッド１３を被駆動体１５に押し当てている。
【００１７】
超音波振動子１１ａは、両端がネジ切りされたボルト２１と、ボルト２１のネジ溝に嵌合するネジ穴を有する袋ナット２２と、ボルト２１を通すことができる２枚のリング状の圧電板２３ａ・２３ｂと、ボルト２１を通すことができるリング状の電極板２４ａ〜２４ｃとを有している。超音波振動子１１ｂは、超音波振動子１１ａと同様に、ボルト２１´と、袋ナット２２´と、２枚のリング状の圧電板２３ａ´・２３ｂ´と、リング状の電極板２４ａ´〜２４ｃ´とを有している。圧電板２３ａ・２３ｂ・２３ａ´・２３ｂ´の表裏面には電極（図示せず）が形成されている。なお、１個の超音波振動子に設けられる圧電板の枚数は任意であり、２枚に限定されるものではない。
【００１８】
保持部材１２にはボルト２１を通すための孔部が設けられている。ヘッド１３は、被駆動体１５に接する当接部１３ａと、超音波振動子１１ａ・１１ｂと連結される連結部１３ｂ・１３ｂ´と、当接部１３ａと連結部１３ｂ・１３ｂ´とを連結するネック部１３ｃ・１３ｃ´から構成されており、連結部１３ｂ・１３ｂ´にはそれぞれボルト２１・２１´のネジ溝に嵌合するネジ穴が形成されている。
【００１９】
なお、圧電板２３ａ・２３ｂは袋ナット２２とヘッド１３の連結部１３ｂによって所定の力で締め付けられ、これによってランジュバン型の超音波振動子１１ａが得られることから、ヘッド１３の連結部１３ｂは超音波振動子１１ａの構成要素でもある。同様に、連結部１３ｂ´は超音波振動子１１ｂの構成要素でもある。
【００２０】
図１に示されるように、圧電板２３ａ・２３ｂが電極板２４ａ〜２４ｃに挟まれるように配置し、これら圧電板２３ａ・２３ｂと電極板２４ａ〜２４ｃおよび保持部材１２の孔部にボルト２１を通し、ボルト２１の端部にそれぞれヘッド１３と袋ナット２２を取り付ける。これによって圧電板２３ａ・２３ｂは所定の力で締め付けられる。このように、超音波モータ１０においては、ヘッド１３は被駆動体１５に推力を与えるだけでなく、圧電板２３ａ・２３ｂを締め付けてランジュバン型振動子を構成する部材としての役割を担っている。勿論、２個のナットで圧電体２３ａ・２３ｂを締め付けて構成されるランジュバン型振動子を準備し、一方のナットをヘッド１３の連結部１３ｂにネジ止めや接着剤による接着や溶接等によって取り付けることによって、超音波モータ１０と同等の超音波モータを構成してもよい。
【００２１】
圧電板２３ａ・２３ｂには、ＰＺＴ系等の圧電セラミックスが好適に用いられる。圧電板２３ａ・２３ｂの分極の向きは、圧電板２３ａ・２３ｂの間に挟まれている電極板２４ｂについて対称となっている。また、電極板２４ａ・２４ｃは互いに電気的に接続されている。したがって、電極板２４ｂと電極板２４ｃとの間に電圧を印加すると、圧電板２３ａ・２３ｂには同じ位相で変位（振動）が生ずる。つまり、圧電板２３ａ・２３ｂがその厚み方向に共に伸び、または、共に縮む。
【００２２】
通常、ボルト２１と袋ナット２２と保持部材１２は金属材料が用いられ、この場合には電極板２４ａ・２４ｃは保持部材１２を介して袋ナット２２と導通する。このため、保持部材１２または超音波振動子１１ａの袋ナット２２を圧電体２３ａ・２３ｂを駆動するための接地電極として用いることができ、このときに超音波振動子１１ｂが具備する圧電板２３ａ´・２３ｂ´を駆動するためのアースを同時にとることができる。
【００２３】
超音波振動子１１ａの圧電板２３ａ・２３ｂを伸縮させ、またこれと同時に超音波振動子１１ｂの圧電板２３ａ´・２３ｂ´を伸縮させた際には、ヘッド１３のネック部１３ｃ・１３ｃ´が適度にしなって、超音波振動子１１ａ・１１ｂの変位が当接部１３ａにおいて合成され、これによって当接部１３ａが変位する。
【００２４】
ヘッド１３には、耐摩耗性に優れる材料、例えば、ステンレスや超硬合金等の金属材料や、アルミナや窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックスが用いられる。ヘッド１３が金属製であれば、ヘッド１３にボルト２１と連結するためのネジ溝を形成することが容易である。ヘッド１３が金属製であっても、ヘッド１３は電極板２４ａと導通するために、保持部材１２または超音波振動子１１ａ・１１ｂの袋ナット２２・２２´のいずれかを接地すれば、ヘッド１３もまた接地される。なお、ヘッド１３を金属材料で作製し、その当接部１３ａの表面に窒化ケイ素等のコーティングを施すことも好ましい。また、ヘッド１３を金属材料で作製し、当接部１３ａにセラミック部材を配設し、このセラミック部材が実質的に被駆動体１５と接するようにしてもよい。
【００２５】
押圧機構１４としては、例えば、エアーシリンダや油圧シリンダ、スプリングコイル等が用いられる。
【００２６】
次に、超音波モータ１０の駆動方法について説明する。本発明に係る第１の駆動方法は、超音波振動子１１ａ・１１ｂのうちいずれか一方を共振駆動し、他方を駆動しない方法である。駆動電圧の波形としては、ｓｉｎ波、ｃｏｓ波、矩形波、三角波等が挙げられる。ここでは、図１に示す状態、つまり、ヘッド１３を−Ｙの向きに被駆動体１５に押圧している状態で、圧電素子２３ａ・２３ｂにのみ所定の共振周波数電圧を印加して、超音波振動子１１ａのみを共振駆動する方法を例として説明する。
【００２７】
図２はこの駆動方法による駆動電圧と被駆動体１５の移動速度との関係（図２中の「片側駆動」）を示すグラフである。この図２には、比較のために、従来の、超音波振動子１１ａ・１１ｂを位相が９０度ずれた同じ電圧値の電圧で駆動した場合の駆動電圧と被駆動体１５の速度との関係（図２中の「両側同電圧同時駆動」）を併記している。
【００２８】
図１に模式的に示すように、超音波振動子１１ａのみを共振駆動させた場合には、超音波振動子１１ａ自体はその長手方向に振動するために、これに対応してヘッド１３の先端はＸ軸に対して所定角度斜めとなって実質的に直線的な往復運動を行う。これにより、ヘッド１３は被駆動体１５を＋Ｘの向きに突くので、被駆動体１５は＋Ｘの向きに移動する。なお、超音波振動子１１ｂのみを共振駆動させれば、同様の原理により、被駆動体１５を−Ｘの向きに移動させることができることは言うまでもない。
【００２９】
図２では、被駆動体１５が＋Ｘの向きに移動するときの被駆動体１５の速度を「＋」側とし、−Ｘの向きに移動するときの被駆動体１５の速度を「−」側として示している。図２は、従来のように超音波振動子１１ａ・１１ｂを同時駆動した場合において、駆動電圧が約４７Ｖ超では被駆動体１５を＋Ｘの向きに移動させることができるが、駆動電圧が約４７Ｖ以下では被駆動体１５を−Ｘの向きに移動させてしまうことを示している。このため、被駆動体１５を常に＋Ｘの向きに移動させながら、その移動速度を下げるためには、非常に狭い電圧範囲で駆動電圧を精密に制御しなければならない。例えば、図２に示される場合において、被駆動体１５の移動速度を０ｍｍ／秒〜＋２００ｍｍ／秒の間で制御するために許容される電圧範囲は約４７Ｖ〜５０Ｖに限られるため、制御性が悪い。
【００３０】
これに対して、図２に示されるように、超音波振動子１１ａのみを共振駆動させた場合には、被駆動体１５の移動速度が「−」側に移動することがない。このため、例えば、被駆動体１５の移動速度を０ｍｍ／秒〜＋２００ｍｍ／秒の間で制御するために許容される電圧範囲は、５０Ｖ以下と広く、制御性がよい。つまり、被駆動体１５の移動速度を落とすための駆動電圧調整が容易であるから、最初に超音波振動子１１ａを高電圧駆動して被駆動体１５を高速移動させ、次に被駆動体１５の停止位置に被駆動体１５が近付いたら、駆動電圧を下げて被駆動体１５の速度を落とし、最後に駆動電圧をゼロとして被駆動体１５を停止させることにより、高速かつ高精度な被駆動体１５の位置決めが可能となる。
【００３１】
図３に図２中の電圧Ａおよび電圧Ｂにおけるヘッド１３の先端の変位軌跡を示す図を示す。電圧Ｂの場合には、ヘッド１３の先端は、十字点群内を矢印Ｑで示されるように実質的に直線的に変位する。また、電圧Ａの場合には、ヘッド１３の先端は、黒丸点群内を矢印Ｐで示されるように実質的に直線的に変位する。電圧Ａ・Ｂのいずれの場合にも、ヘッド１３の先端の動きはＸ方向の変位量が異なるが、Ｙ方向の変位量はほとんど変わっていない。このため、電圧Ａで駆動する場合と、電圧Ｂで駆動する場合とでは、被駆動体１５の進行方向が逆転することはない。なお、超音波振動子１１ａ自体の振動変位は直線的であるが、ヘッド１３の先端の動きが完全な直線軌跡にならないのは、ヘッド１３が具備するネック部１３ｃ・１３ｃ´によるヘッド１３のしなりによるものと考えられる。
【００３２】
なお、図２中の駆動電圧が５０Ｖ超の範囲に示されるように、被駆動体１５を高速移動させるためには、超音波振動子１１ａのみを駆動するよりも、超音波振動子１１ａ・１１ｂを同時駆動した方が好ましい。したがって、被駆動体１５の高速・高精度位置決めの方法として、最初に超音波振動子１１ａ・１１ｂを同時に高電圧駆動して被駆動体１５を高速移動させ、次に被駆動体１５の停止位置に被駆動体１５が近付いたら、超音波振動子１１ａの駆動電圧を下げ、かつ、超音波振動子１１ｂの駆動電圧をゼロとすることにより動被駆動体１５の速度を落とし、次いで超音波振動子１１ａの駆動電圧をゼロとして被駆動体１５を停止させる方法を用いることがより好ましい。
【００３３】
超音波モータ１０の第２の駆動方法は、超音波振動子１１ａ・１１ｂを位相が９０度ずれた電圧で同時駆動するが、このときに、一方の超音波振動子（例えば、１１ｂ）の駆動電圧を他方の超音波振動子（例えば、１１ａ）の駆動電圧よりも低くする方法である。この場合、駆動電圧差が小さいと、超音波振動子１１ａ・１１ｂを同時同電圧駆動した場合と同様に、被駆動体１５の進行方向の逆転が起こるため、駆動電圧の低い方の電圧値は、このような被駆動体１５の進行方向の逆転が起こらない範囲に限られる。例えば、必要とされる駆動電圧差は、実験的に確かめられる。
【００３４】
この第２の駆動方法の場合、駆動電圧と被駆動体１５の移動速度との関係は、概略、前記第１の駆動方法の場合と同様の曲線を描く。また、第２の駆動方法では、２個の超音波振動子１１ａ・１１ｂを同時に駆動しているために、第１の駆動方法よりも被駆動体１５の移動速度を速くすることができる。
【００３５】
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。例えば、上記説明においては、被駆動体１５を直線移動させた形態について説明したが、回転自在なロータの外周端面にヘッド１３の当接部１３ａを押しあてて超音波モータ１０を駆動すれば、ロータの回転角度を高精度に制御することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の超音波モータの駆動方法は、精密位置決めが必要な半導体製造装置等に装着されるＸ−Ｙステージの送り機構の制御に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の駆動方法が適用される超音波モータの概略構成を示す断面図。
【図２】本発明の駆動方法による駆動電圧と被駆動体の移動速度との関係を示す図。
【図３】図２中の電圧Ａおよび電圧Ｂにおけるヘッドの先端の変位軌跡を示す図。
【図４】超音波モータの一例を示す説明図。
【図５】従来の超音波モータの駆動方法による印加電圧と被駆動体の速度との関係の一例を示すグラフ。
【図６】従来の超音波モータの駆動方法によるヘッド１０３の先端の動きを示す説明図。
【符号の説明】
【００３８】
１０；超音波モータ
１１ａ・１１ｂ；超音波振動子
１２；保持部材
１３；ヘッド
１３ａ；当接部
１３ｂ・１３ｂ´；連結部
１３ｃ・１３ｃ´；ネック部
１４；押圧機構
１５；被駆動体
２１・２１´；ボルト
２２・２２´；袋ナット
２３ａ・２３ｂ・２３ａ´・２３ｂ´；圧電板
２４ａ〜２４ｃ；２４ａ´〜２４ｃ´；電極板
１００；超音波モータ
１０１ａ・１０１ｂ；超音波振動子
１０２；保持部材
１０３；ヘッド
１０４ａ・１０４ｂ；圧電素子
１０５；スライダ
１０６；リニアガイド
【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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