(57)【要約】【課題】  超音波モータ駆動時の異音の発生を抑制し、かつ、被駆動体の移動効率を高めた移動／位置決め装置を提供する。【解決手段】  移動ステージ装置５０は、ステージ４０と、２つの超音波モータ１０ａ・１０ｂと、ステージ４０の位置を検出するリニアゲージ４５と、ステージ４０を所定位置に移動させる指示信号とリニアゲージ４５から送られるステージ４０の位置情報とに基づいて超音波モータ１０ａ・１０ｂを駆動するための信号を発生させ、その信号を超音波モータ１０ａ・１０ｂへ出力する駆動制御装置５５と、を有している。２つの超音波モータ１０ａ・１０ｂを、ステージ４０に当接する各摩擦摺動面の動きの位相をずらして非共振駆動することにより、ステージ４０を摩擦駆動し、ステージ４０を移動、位置決めする。【選択図】  図１
2005253205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被駆動体を超音波モータによって摩擦駆動することにより前記被駆動体を移動、位置決めする移動／位置決め装置であって、
複数の超音波モータと、
前記被駆動体の位置を検出する位置検出手段と、
前記被駆動体を所定位置に移動させる指示信号と前記位置検出手段から送られる前記被駆動体の位置情報とに基づいて前記超音波モータを駆動するための信号を発生させ、その信号を前記超音波モータへ出力する駆動制御装置と、
を有し、
前記複数の超音波モータは、前記被駆動体に当接する摩擦摺動面の動きの位相を相互にずらして、非共振駆動されることを特徴とする移動／位置決め装置。
【請求項２】
上記超音波モータは共振駆動が可能であることを特徴とする請求項１に記載の移動／位置決め装置。
【請求項３】
前記複数の超音波モータは２つであり、
前記被駆動体に対する前記２つの超音波モータの各摩擦摺動面の動きの位相差を１８０度としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の移動／位置決め装置。
【請求項４】
前記複数の超音波モータは２つであり、前記２つの超音波モータの少なくとも一方はその摩擦摺動面の位置を調節するためのアクチュエータを具備し、
前記２つの超音波モータを駆動していない状態においてこれら２つの超音波モータの各摩擦摺動面が同一面に位置するように、また、前記アクチュエータを具備する超音波モータの摩擦摺動面が前記被駆動体の摩擦面の凹凸に応じて一定の力でその摩擦面に当接するように、前記アクチュエータの駆動を制御するアクチュエータ制御部をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の移動／位置決め装置。
【請求項５】
前記超音波モータは、
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、その頂点部で前記被駆動体と接し、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、
を具備することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の移動／位置決め装置。
【請求項６】
被駆動体に推力を与えて前記被駆動体を移動させる複数の超音波モータを１組として用いる超音波モータ装置であって、
前記複数の超音波モータは前記被駆動体に当接する摩擦摺動面の動きの位相を互いにずらして非共振駆動されることを特徴とする超音波モータ装置。
【請求項７】
前記複数の超音波モータは２つであり、前記被駆動体に対する前記２つの超音波モータの各摩擦摺動面の動きの位相差が１８０度であることを特徴とする請求項６に記載の超音波モータ装置。
【請求項８】
前記複数の超音波モータは２つであり、前記２つの超音波モータの少なくとも一方はその摩擦摺動面の位置を調節するためのアクチュエータを具備し、
前記２つの超音波モータを駆動していない状態においてこれら２つの超音波モータの各摩擦摺動面が同一面に位置するように、また、前記アクチュエータを具備する超音波モータの摩擦摺動面が前記被駆動体の摩擦面の凹凸に応じて一定の力でその摩擦面に当接するように、前記アクチュエータが駆動されることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の超音波モータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波モータ装置およびこれに用いられる超音波モータ装置に関し、より詳しくは、超音波モータを駆動することによってＸ−Ｙステージ等の被駆動体を高速で移動させ、高精度に位置決めさせる移動／位置決め装置および超音波モータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は、超音波モータを駆動源として用いた従来の移動ステージ装置１００の構成を示す説明図である。移動ステージ装置１００は、ステージ１０１と、ステージ１０１を駆動する超音波モータ１０２と、ステージ１０１の位置を検出する位置センサ１０３と、超音波モータ１０２の制御信号を発生させる信号発生手段１０４と、信号発生手段１０４から発信された制御信号を超音波モータ１０２の駆動信号に変換する信号調整手段１０５と、を備えている。
【０００３】
信号発生手段１０４では、ステージ１０１を所定位置に移動させるという指示たる指示値を指示値発生部１０４ａで発生させる。一方、ステージ１０１の位置は、ステージ１０１に取り付けられたリニアスケール等の位置センサ１０３によって検出され、そのデータは信号発生手段１０４が具備する駆動制御部１０４ｂに送られる。この駆動制御部１０４ｂは、指示値発生部１０４ａから送られてきた指示値と位置センサ１０３から送られてきた位置データの偏差を基にして、例えば、ＰＩＤ演算処理を行い、得られた制御信号を信号調整手段１０５へ出力する。
【０００４】
信号調整手段１０５は具体的にはアンプであり、駆動制御部１０４ｂから出力された制御信号は信号調整手段１０５において超音波モータ１０２の駆動に必要な電圧値へ増幅され、そこから超音波モータ１０２へ出力される。これにより、超音波モータ１０２が駆動される。後に図９に示すように、超音波モータ１０２はステージ１０１に所定の力で押圧されており、ステージ１０１は超音波モータ１０２によって摩擦駆動されて所定位置へ移動する。
【０００５】
移動ステージ装置１００に用いられる超音波モータ１０２として、例えば、図９に示す共振型の超音波モータが挙げられる。この超音波モータ１０２は、２個の超音波振動子１１１ａ・１１１ｂと、超音波振動子１１１ａ・１１１ｂを所定の角度（例えば、９０度）で保持する保持部材１１２と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部でステージ１０１と接し、その端部（Ｖ字型の開いている方）で超音波振動子１１１ａ・１１１ｂと接続されたヘッド１１３と、を有しており、このヘッド１１３は、バネ等の予圧機構１１４によってステージ１０１に押圧されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
超音波振動子１１１ａ・１１１ｂはそれぞれ圧電素子１１５ａ・１１５ｂを備えており、例えば、超音波振動子１１１ａ・１１１ｂ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１１５ａ・１１５ｂ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１１３が楕円運動する。
【０００７】
ヘッド１１３が楕円軌道の上側（ステージ１０１側）を通るとき、ヘッド１１３とステージ１０１との間の摩擦力によりステージ１０１が移動する。一方、ヘッド１１３が楕円軌道の下側を通るときには、予圧機構１１４の動きはヘッド１１３の動きに追従できないために、ヘッド１１３とステージ１０１との間に摩擦がなくなり、このためステージ１０１はヘッド１１３の動きに影響しない。これにより、楕円軌道の上側においてヘッド１１３が移動する方向にステージ１０１を移動させることができる。
【０００８】
ステージ１０１の移動速度は、超音波モータ１０２の駆動周波数の振動振幅を変える（つまり、駆動電圧値を変える）こと等により、調整することができるが、共振駆動ではヘッド１１３の慣性によって駆動電圧を切った後にもヘッド１１３が微少に動くことによって、高い精度（例えば、数十ｎｍ）での位置決めは困難である。
【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】
【０００９】
このような不都合を解決するために、発明者らは、ヘッド１１３の慣性を低下させる方法として、超音波モータ１０２を共振周波数よりも低い周波数で駆動する非共振駆動について検討した。一般的に、このような非共振駆動の場合には、予圧機構１１４がヘッド１１３の楕円運動に追従してしまうために、ヘッド１１３とステージ１０１とが摩擦により接した状態のままとなるため、微小範囲で動くだけで、ステージを移動させることはできない。
【００１０】
そこで、本発明者らは、先に特願２００３−１４４８０３号において、超音波モータ１０２を共振周波数よりも低い周波数で非共振駆動し、その際に、超音波モータ１０２の駆動電圧を急激に小さくすることで、ヘッド１１３をステージ１０１から滑らせ、それを繰り返すことにより、ステージ１０１を移動させる方法を提案した。このような駆動方法によれば、ステージ１０１を１回（１波形）あたり数十ｎｍ〜数百ｎｍで移動させることができるために、それを繰り返すことにより、ステージ１０１を所定距離移動させることができ、しかも位置決め精度を高めることができる。
【００１１】
しかしながら、特願２００３−１４４８０３号に開示した駆動方法では、ヘッド１１３を滑らせる際に、音が発生してしまうという新たな問題が生じている。このような異音は、例えば、ステージ装置が配設される場所の作業環境として好ましいものではない。また、ヘッド１１３が完全には滑らずにステージ１０１が幾分か戻ってしまうために、移動効率を高めることが望まれる。
【００１２】
本発明はこのような新たな問題を解決するためになされたものであり、異音の発生を抑制し、かつ、被駆動体の移動効率を高めた移動位置決め装置を提供すること目的とする。また、本発明はこのような移動位置決め装置に用いられる超音波モータ装置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】
【００１３】
すなわち、本発明によれば、被駆動体を超音波モータによって摩擦駆動することにより前記被駆動体を移動、位置決めする移動／位置決め装置であって、
複数の超音波モータと、
前記被駆動体の位置を検出する位置検出手段と、
前記被駆動体を所定位置に移動させる指示信号と前記位置検出手段から送られる前記被駆動体の位置情報とに基づいて前記超音波モータを駆動するための信号を発生させ、その信号を前記超音波モータへ出力する駆動制御装置と、
を有し、
前記複数の超音波モータは、前記被駆動体に当接する摩擦摺動面の動きの位相を相互にずらして、非共振駆動されることを特徴とする移動／位置決め装置、が提供される。
【００１４】
この移動／位置決め装置においては、超音波モータとして共振駆動が可能なものが好適に用いられる。また、超音波モータ装置が２つの超音波モータを備えている場合、これら２つの超音波モータの各摩擦摺動面の動きの位相差は１８０度とすることが好ましい。さらに、超音波モータ装置が２つの超音波モータを備えている場合、少なくとも一方にその摩擦摺動面の位置を調節するためのアクチュエータを設け、２つの超音波モータを駆動していない状態においてこれら２つの超音波モータの各摩擦摺動面が同一面に位置するように、また、前記アクチュエータを具備する超音波モータの摩擦摺動面が被駆動体の摩擦面の凹凸に応じて一定の力でその摩擦面に当接するように、このアクチュエータの駆動を制御するアクチュエータ制御部をさらに設けることが好ましい。
【００１５】
超音波モータの好適な例としては、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、その頂点部で前記被駆動体と接し、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、を具備するものが挙げられる。
【００１６】
また、本発明によれば、上記移動／位置決め装置に用いられる超音波モータ装置が提供される。すなわち、被駆動体に推力を与えて前記被駆動体を移動させる複数の超音波モータを１組として用いる超音波モータ装置であって、
前記複数の超音波モータは前記被駆動体に当接する摩擦摺動面の動きの位相を互いにずらして非共振駆動されることを特徴とする超音波モータ装置、が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の移動／位置決め装置および超音波モータ装置によれば、例えば、２つの超音波モータを非共振駆動する際に、超音波モータの摩擦駆動面を滑らせなくともよいために、異音の発生を防止することができ、かつ、被駆動体の戻りを防止することもできる。これによって、被駆動体を高速で移動させることができ、しかも高精度に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】
【００１８】
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。ここでは、移動／位置決め装置の一例として、精密加工装置等に用いられるＸ−Ｙステージ等の移動ステージ装置を取り上げることとする。
図１は、移動ステージ装置５０の構成を示す説明図であり、図２は移動ステージ装置５０が具備するステージ４０と２つの超音波モータ１０ａ・１０ｂからなる超音波モータ装置の配置を示す説明図であり、図３は超音波モータ１０ａの構造をより詳細に示す断面図である。
【００１９】
最初に、図３を参照しながら、超音波モータ１０ａについて、その構造と駆動機構について詳細に説明することとする。なお、超音波モータ１０ａと超音波モータ１０ｂは実質的に同じ構造を有し、これらは先に図９に示した超音波モータ１０２と同様の構造を有する。
【００２０】
超音波モータ１０ａ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、ステージ４０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には予圧機構１４が取り付けられており、予圧機構１４は所定の力でヘッド１３をステージ４０に押し当てている。
【００２１】
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のネジ溝に螺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。
【００２２】
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、ステージ４０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´のネジ溝に螺合するネジ穴が形成されている。
【００２３】
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。
【００２４】
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はステージ４０を摩擦駆動するだけでなく、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。
【００２５】
なお、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。
【００２６】
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がその厚み方向にともに伸び、または、ともに縮む。
【００２７】
通常、ボルト２１と袋ナット２２と保持部材１２に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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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ステージ４０と接するようにしてもよい。
【００３１】
予圧機構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。
【００３２】
図２に示すように、上述した構造を有する２つの超音波モータ１０ａ・１０ｂは、互いに接触しないように、かつ、超音波モータ１０ａ・１０ｂの各ヘッド１３がステージ４０の裏面に接するように、Ｙ方向に並べて配置されている。ステージ４０には、その位置を測定するリニアゲージ４５が取り付けられている。また、ステージ４０はＸ方向に延在する図示しないＸ軸ガイドに取り付けられており、Ｘ方向に移動可能となっている。
【００３３】
超音波モータ１０ａの駆動方法の一例は、超音波振動子１１ａの圧電板２３ａ・２３ｂにＶ１＝Ｖ０ｓｉｎ２πｆｔの電圧を印加し、この電圧Ｖ１と位相が９０度ずれた電圧Ｖ２＝Ｖ０ｃｏｓ２πｆｔを超音波振動子１１ｂの圧電板２３ａ´・２３ｂ´に印加する方法である。これにより、ヘッド１３の摩擦摺動面が楕円運動し、ステージ４０に推力が与えられる。
【００３４】
次に、移動ステージ装置５０の構成と駆動方法について説明する。図１に示すように、移動ステージ装置５０は、ステージ４０と、ステージ４０を移動させる超音波モータ１０ａ・１０ｂ（超音波モータ装置）と、ステージ４０の位置を検出する位置センサの一例であるリニアゲージ４５と、ステージ４０の移動制御および位置制御のために超音波モータ１０ａ・１０ｂの駆動制御を行う駆動制御装置５５と、を有している。
【００３５】
この駆動制御装置５５は、超音波モータ１０ａ・１０ｂの駆動を制御するための信号を発生させる信号発生手段５１と、信号発生手段５１から発信された制御信号の位相を変換する位相変換手段５２と、信号発生手段５１から発信された制御信号を超音波モータ１０ａの駆動信号に変換する第１信号調整手段５３ａと、位相変換手段５２によって位相変換された制御信号を超音波モータ１０ｂの駆動信号に変換する第２信号調整手段５３ｂと、を有している。
【００３６】
信号発生手段５１では、ステージ４０を所定位置に移動させるという指示たる指示値を指示値発生部５１ａで発生させる。一方、ステージ４０の位置は、リニアゲージ４５によって検出され、そのデータが信号発生手段５１の駆動制御部５１ｂに送られる。駆動制御部５１ｂでは、指示値発生部５１ａから送られた指示値とリニアゲージ４５から送られた位置データとの偏差を計算し、その結果に基づいて例えばＰＩＤ演算処理を行い、超音波モータ１０ａ・１０ｂを駆動するための制御信号を発生させ、それを出力する。
【００３７】
この制御信号としては、ｓｉｎ波、ｃｏｓ波、矩形波、三角波、鋸波等が挙げられる。この制御信号は２系統の信号、つまり、超音波モータ１０ａの超音波振動子１１ａを駆動するための信号と、超音波振動子１１ｂを駆動するための信号とを有している。また、この制御信号の周波数は、ステージ４０の位置が目的位置から離れているために高速でステージ４０を移動させたい場合には共振周波数とすることが好ましく、ステージ４０の位置が目的位置に近付いたために速度を落としてステージ４０を移動させたい場合にはより低周波な非共振周波数とすることが好ましい。
【００３８】
駆動制御部５１ｂから出力された制御信号は、分岐されて、一方は直接に第１信号調整手段５３ａに送られ、他方は位相変換手段５２に送られる。第１信号調整手段５３ａは、入力された制御信号を超音波モータ１０ａを駆動するために必要な電圧に増幅して、超音波モータ１０ａに出力する。
【００３９】
位相変換手段５２は、入力された制御信号の位相をずらす処理、例えば、好ましくは位相を１８０度ずらす信号処理を行って、第２信号調整手段５３ｂに出力する。前述したように、制御信号は超音波振動子１１ａを駆動するための信号と、超音波振動子１１ｂを駆動するための２系統の信号を有しているために、位相変換手段５２は、これら２系統の信号それぞれについて位相変換を行う。このようにして位相変換された制御信号を、第２信号調整手段５３ｂが超音波モータ１０ｂを駆動するために必要な電圧に増幅して、超音波モータ１０ｂに出力する。
【００４０】
図４は、このような制御信号によって駆動される超音波モータ１０ａ・１０ｂの各ヘッド１３の摩擦摺動面の動きを示す説明図である。図４の各図においては、超音波モータ１０ａのヘッドを符号１３で示し、超音波モータ１０ｂのヘッドを符号１３´で示すこととする。
【００４１】
超音波モータ１０ａ・１０ｂはＹ方向に並べて配置されているために、静止状態でこれらをＹ方向から見ると、ヘッド１３・１３´は重なって見える（図４（ａ））。また、超音波モータ１０ａ・１０ｂをそれぞれ駆動する駆動信号には、位相差があるものの、電圧や周波数は同じであるから、超音波モータ１０ａを駆動することによってヘッド１３の摩擦摺動面が描く楕円軌跡と、超音波モータ１０ｂを駆動することによってヘッド１３´の摩擦摺動面が描く楕円軌跡とは、Ｙ方向から見ると実質的に重なって見える。
【００４２】
しかし、超音波モータ１０ａ・１０ｂにそれぞれ入力される駆動信号は位相が１８０度ずれているために、図４（ｂ）〜（ｄ）に示すように、超音波モータ１０ａ・１０ｂの駆動中は、ヘッド１３とヘッド１３´のそれぞれの摩擦摺動面は、各楕円軌跡の中心について点対称な位置にあることとなる。
【００４３】
すなわち、この楕円軌跡上におけるヘッド１３・１３´の摩擦摺動面の運動方向を反時計回りとすると、図４（ｂ）に示すように、ヘッド１３の摩擦摺動面がステージ４０側の半楕円軌道上を−Ｘ側に運動している際には、ヘッド１３´の摩擦摺動面はその反対側の半楕円軌道上を＋Ｘ側に移動する。このときステージ４０はヘッド１３によって押されているために、ヘッド１３´はステージ４０から離間した状態となり、ヘッド１３´の運動はステージ４０の駆動に影響を与えない。したがって、ステージ４０はヘッド１３によって摩擦駆動されて、−Ｘの向きに移動する。
【００４４】
図４（ｃ）は、図４（ｂ）からさらにπ／２位相が進んだ状態を示しており、ヘッド１３・１３´の摩擦摺動面はともに楕円軌跡のＸ方向端に位置し、ヘッド１３・１３´はともにステージ４０に接した状態となる。ここから図４（ｄ）に示すように、さらにπ／２位相が進むと、ヘッド１３・１３´は図４（ｂ）とは逆に、ヘッド１３´の摩擦摺動面がステージ４０側の半楕円軌道上を−Ｘの向きに移動し、その間にヘッド１３の摩擦摺動面はその反対側の半楕円軌道上を＋Ｘ側に移動する。このときステージ４０はヘッド１３´によって押されているために、ヘッド１３がステージ４０から離間した状態となり、ヘッド１３の運動はステージ４０の駆動に影響を与えない。したがって、ステージ４０はヘッド１３´によって摩擦駆動されて、−Ｘの向きに移動する。
【００４５】
このようなヘッド１３・１３´の摩擦摺動面の動きは、超音波モータ１０ａ・１０ｂを駆動するための信号が共振周波数であっても、非共振周波数であっても、同じである。したがって、例えば、駆動制御部５１ｂは、ステージ４０が目的位置から離れていると判断した場合に、ステージ４０を高速移動させるために共振周波数の制御信号を発生し、ステージ４０が目的位置に近付いたためにステージ４０を低速移動させて精密位置決めを行うために、非共振周波数の制御信号を発生するようにすると、高速かつ精密なステージ駆動を行うことができる。
【００４６】
このように、移動ステージ装置５０では、２つの超音波モータ１０ａ・１０ｂが交互にステージ４０を摩擦駆動するために、高速でステージ４０を移動させることができる。また、例えば、一方の超音波モータ１０ａのヘッド１３がステージ４０を摩擦駆動している間には、他方の超音波モータ１０ｂのヘッド１３´はステージ４０を駆動する向きと反対の向きに戻る運動を行うが、このときにヘッド１３´がステージ４０に接触していないために、ステージ４０を逆戻りさせることがなく、これによって搬送効率の低下が防止される。しかも、このときステージ４０とヘッド１３´の間には実質的に摩擦がない状態となるために、異音の発生が防止される。
【００４７】
上述した移動ステージ装置５０においては、超音波モータ１０ａ・１０ｂの駆動信号の調整形態および超音波モータ１０ａ・１０ｂの駆動形態から明らかなように、ステージ４０に対する２つの超音波モータ１０ａ・１０ｂの駆動特性を実質的に同じとすることが、位置決め精度を高める上で重要となる。
【００４８】
そのため、超音波モータ１０ａ・１０ｂそのものの駆動特性のばらつきを抑えることが好ましいことはもちろんのこと、これらの超音波モータ１０ａ・１０ｂの設置状態を実質的に同じとすることが、つまり、超音波モータ１０ａ・１０ｂを駆動していない状態においてこれら２つの超音波モータ１０ａ・１０ｂの各摩擦摺動面が同一面に位置するようにし、しかも同じ大きさの予圧が与えられた状態とすることが好ましい。
【００４９】
そこで、２つの超音波モータ１０ａ・１０ｂのうち少なくとも一方において、その予圧機構１４がアクチュエータ（好ましくは圧電アクチュエータ）を介してヘッド１３をステージ４０に押し当てる構造とすることが好ましい。図５は超音波モータ１０ｂにヘッド１３の位置調整用の積層型の圧電アクチュエータ３５を取り付けた構成を示す断面図である。圧電アクチュエータ３５は、公知の通り、圧電板と電極とを交互に積み重ねて一体化したものであり、所定の直流電圧を印加することにより微少変位で伸縮させてその長さを保持することができるために、ヘッド１３の位置の微調整が可能となる。
【００５０】
このように超音波モータ１０ｂに圧電アクチュエータ３５を設けた場合には、移動ステージ装置５０を、図６に示す移動ステージ装置５０´の構成に変更することが可能である。すなわち、超音波モータ１０ｂがステージ４０を駆動する際にそのヘッド１３がステージ４０と接する領域におけるステージ４０の凹凸を、予め光学式センサ等で測定して、その凹凸値とリニアゲージ４５の値とをリンクさせたデータベースを作製し、これをメモリー等の記憶装置６１に記憶させておく。
【００５１】
超音波モータ１０ａ・１０ｂの駆動方法は先に図１〜図４を参照しながら説明した通りであるが、このとき圧電アクチュエータ３５を駆動するアクチュエータ制御装置６２は、ステージ４０が移動する際にリニアゲージ４５から送られてくる信号値を記憶装置６１に照会して、超音波モータ１０ｂのヘッド１３が接する部分のステージ４０の凹凸値を割り出し、その値に応じて圧電アクチュエータ３５を伸縮駆動させることによって、ヘッド１３´の位置（Ｚ方向の位置）を微調整する。これにより超音波モータ１０ｂについては、ステージ４０の駆動面の凹凸歪みに合わせた高精度の駆動制御が可能となる。
【００５２】
もちろん、超音波モータ１０ａにも積層型圧電アクチュエータ３５を取り付けて、超音波モータ１０ｂと同様の駆動を同時に行う構成としてもよく、これによってさらに高精度なステージ４０の駆動が可能となる。
【００５３】
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、移動ステージ装置５０はステージ４０をＸ方向で移動自在であるが、このような移動ステージ装置を２つ組み合わせることにより、Ｘ−Ｙステージを構成することができることは、いうまでもない。また、超音波モータ１０ａ・１０ｂをステージ４０の裏面に当接させた形態を示したが、超音波モータ１０ａ・１０ｂをステージ４０の側面に当接させてもよい。さらに、超音波モータ１０ａ・１０ｂの駆動信号の位相差は１８０度に限定されるものではない。この位相差が１８０度の場合には、位相変換手段５２の構成が簡単で安価であることや、異音の発生防止効果が最も大きい点で好ましい。
【００５４】
また、例えば、上記説明においては、超音波モータとして、２つの超音波振動子１１ａ・１１ｂを略Ｖ字型に配置した構造を有する超音波モータ１０ａ・１０ｂを取り上げたが、これに限定されるものではなく、被駆動体に接するヘッドに楕円運動を生じさせる構造のものであればよい。
【００５５】
その一例として、図７に示す超音波モータ９０が挙げられる。この超音波モータ９０は、１枚の矩形の圧電板８１と、縦横に分割されるようにして圧電板８１の表面に形成された４個の駆動電極８２ａ〜８２ｄと、圧電板８１の裏面に設けられた共通電極（図示せず）と、圧電板８１の短辺の中心部に設けられ、被駆動体（図示せず）に当接するヘッド８３と、を有している。
【００５６】
この超音波モータ９０では、４つの駆動電極８２ａ〜８２ｄを、たすき掛け接続して２組の電極とし、各組に位相が９０度ずれた所定の周波数の駆動電圧を印加することにより、ヘッド８３に楕円運動を生じさせることができるため、この超音波モータ９０を２つ用いることにより、本発明に係る超音波モータ装置を構成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の移動／位置決め装置および超音波モータ装置は、半導体製造装置等に装着されるＸ−Ｙステージ装置等に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に係る移動ステージ装置の構成を示す説明図。
【図２】図１に示す移動ステージ装置が具備するステージと２つの超音波モータの配置を示す説明図。
【図３】超音波モータの構造をより詳細に示す断面図。
【図４】２つの超音波モータのヘッドの摩擦摺動面の動きを示す説明図。
【図５】別の超音波モータの構成を示す断面図。
【図６】別の移動ステージ装置の構成を示す説明図。
【図７】本発明に係る移動ステージ装置に用いることができるさらに別の超音波モータの構造を示す説明図。
【図８】超音波モータを用いた従来の移動ステージ装置の構成を示す説明図。
【図９】共振型超音波モータの一例を示す説明図。
【符号の説明】
【００５９】
１０ａ・１０ｂ；超音波モータ
１１ａ・１１ｂ；超音波振動子
１２；保持部材
１３・１３´；ヘッド
１３ａ；当接部
１３ｂ・１３ｂ´；連結部
１３ｃ・１３ｃ´；ネック部
１４；予圧機構
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
３５；圧電アクチュエータ
４０；ステージ
４５；リニアゲージ
５０；移動ステージ装置
５１；信号発生手段
５１ａ；指示値発生部
５１ｂ；駆動制御部
５２；位相変換手段
５３ａ・５３ｂ；信号調整手段
５５；駆動制御装置
６１；記憶装置
６２；アクチュエータ制御装置
８１；圧電板
８２ａ〜８２ｄ；駆動電極
８３；ヘッド
９０；超音波モータ
１００；移動ステージ装置
１０１；ステージ
１０２；超音波モータ
１０３；位置センサ
１０４；信号発生手段
１０４ａ；指示値発生部
１０４ｂ；駆動制御部
１０５；信号調整手段
１１１ａ・１１１ｂ；超音波振動子
１１２；保持部材
１１３；ヘッド
１１４；予圧機構
１１５ａ・１１５ｂ；圧電素子
【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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【図９】
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