(57)【要約】【課題】  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超音波モータを提供する。【解決手段】被駆動体４０を摩擦駆動する超音波モータ１０は、２つの超音波振動子１１ａ・１１ｂと、被駆動体４０に当接し、超音波振動子１１ａ・１１ｂを駆動することによって変位する摩擦摺動部たるヘッド１３と、超音波振動子１１ａ・１１ｂを非共振駆動させる際に、ヘッド１３が被駆動体４０に押圧される方向におけるヘッド１３の位置を制御する伸縮自在な圧電アクチュエータ１５と、を備えている。ヘッド１３を被駆動体４０の移動方向の逆側に引き戻す際に、圧電アクチュエータ１５を縮ませてヘッド１３を被駆動体４０から離すことにより、異音の発生と被駆動体４０の逆戻りを抑制する。【選択図】  図１
2005261025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被駆動体を摩擦駆動する超音波モータであって、
超音波振動子と、
前記被駆動体に当接し、前記超音波振動子を駆動することによって変位する摩擦摺動部と、
前記超音波振動子を非共振駆動させる際に、前記摩擦摺動部が前記被駆動体に押圧される方向における前記摩擦摺動部の位置を制御する、伸縮自在なアクチュエータと、
を具備することを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記超音波振動子として圧電素子を備えたランジュバン型構造を有するものを２個具備し、
前記摩擦摺動部は、その頂点部で前記被駆動体と接し、その端部に前記２個の超音波振動子がそれぞれ接続されるように、略Ｖ字型の形状を有し、
前記超音波モータは、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をさらに具備し、
前記アクチュエータは前記保持部材に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
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させる移動装置であって、
前記超音波モータは、超音波振動子と、前記被駆動体に当接し、前記超音波振動子を駆動することによって変位する摩擦摺動部と、前記摩擦摺動部を一定の力で前記被駆動体に押圧する予圧機構と、前記予圧機構が前記摩擦摺動部を押圧する方向において変位自在なアクチュエータとを有し、
前記超音波モータを非共振駆動する際に、前記摩擦摺動部の位置を制御するために前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ制御装置を具備することを特徴とする移動装置。
【請求項４】
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摩擦摺動部と、
を具備することを特徴とする請求項３に記載の移動装置。
【請求項５】
請求項３に記載の移動装置の駆動方法であって、
前記被駆動体を摩擦移動させる向きに対して前記摩擦摺動部を逆向きに移動させて前記摩擦摺動部を引き戻す際に、前記摩擦摺動部と前記被駆動体とが実質的に離間するように前記アクチュエータを変位させることを特徴とする移動装置の駆動方法。
【請求項６】
前記被駆動体を移動させる向きに対して前記摩擦摺動部が移動する向きが同じとなる際に、前記被駆動体に前記摩擦摺動部から与えられる摩擦力が大きくなるように前記アクチュエータを伸張させ、
前記摩擦摺動部を引き戻すために前記被駆動体を移動させる向きに対して前記摩擦摺動部が移動する向きが逆となる際に、前記被駆動体と前記摩擦摺動部とが実質的に離間するように、前記アクチュエータを縮小させることを特徴とする請求項５に記載の移動装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被駆動体を摩擦駆動して移動させる超音波モータ、この超音波モータを備えた移動装置および移動装置の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９に示すように、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、その頂点部で被駆動体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）。このヘッド１１３をバネ等の予圧機構１１４によって被駆動体１０１に押圧することにより、移動装置が構成される。
【０００３】
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。
【０００４】
ヘッド１１３が楕円軌道の上側（被駆動体１０１側）を通るとき、ヘッド１１３と被駆動体１０１との間の摩擦力により被駆動体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は被駆動体１０１から離れて実質的に摩擦がなくなり、このため被駆動体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が移動する向きに被駆動体１０１を移動させることができる。
【０００５】
被駆動体１０１の移動速度は、超音波モータ１００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】
【０００６】
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１００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。しかし、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を押圧する力の変化がヘッド１１３の運動に追従してしまうために、ヘッド１１３と被駆動体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、被駆動体１０１を移動させることはできない。
【０００７】
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１００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１００の駆動電圧を急激に小さくすることで、ヘッド１１３を被駆動体１０１から滑らせ、それを繰り返すことにより、被駆動体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、被駆動体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被駆動体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。
【０００８】
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、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被駆動体１０１が幾分か戻ってしまう、つまり移動効率の低下が起こるために、移動効率を高めることが望まれる。
【０００９】
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装置およびその駆動方法を提供することを目的とする。また、本発明は、この移動装置に好適に用いられるアクチュエータ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】
【００１０】
本発明は第１発明として、被駆動体を摩擦駆動する超音波モータであって、
超音波振動子と、
前記被駆動体に当接し、前記超音波振動子を駆動することによって変位する摩擦摺動部と、
前記超音波振動子を非共振駆動させる際に、前記摩擦摺動部が前記被駆動体に押圧される方向における前記摩擦摺動部の位置を制御する、伸縮自在なアクチュエータと、
を具備することを特徴とする超音波モータ、を提供する。
【００１１】
このような超音波モータの好ましい形態としては、超音波振動子として圧電素子を備えたランジュバン型構造を有するものを２個備え、これら２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材をさらに備え、摩擦摺動部としてその頂点部で前記被駆動体と接し、その端部に前記２個の超音波振動子がそれぞれ接続されるように、略Ｖ字型の形状を有するものを備えている形態が挙げられ、この場合において、アクチュエータは保持部材に取り付けられる。
【００１２】
本発明は第２発明として、このような超音波モータを備えた移動装置を提供する。すなわち、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させる移動装置であって、
前記超音波モータは、超音波振動子と、前記被駆動体に当接し、前記超音波振動子を駆動することによって変位する摩擦摺動部と、前記摩擦摺動部を一定の力で前記被駆動体に押圧する予圧機構と、前記予圧機構が前記摩擦摺動部を押圧する方向において変位自在なアクチュエータとを有し、
前記超音波モータを非共振駆動する際に、前記摩擦摺動部の位置を制御するために前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ制御装置を具備することを特徴とする移動装置、を提供する。
【００１３】
このような移動装置において用いられる超音波モータの好適な形態は、第１発明と同様である。すなわち、超音波モータとしては、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、これら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摩擦摺動部と、を具備するものが好適に用いられる。
【００１４】
本発明は第３発明として、前記第２発明に係る移動装置の駆動方法であって、
前記被駆動体を摩擦移動させる向きに対して前記摩擦摺動部を逆向きに移動させて前記摩擦摺動部を引き戻す際に、前記摩擦摺動部と前記被駆動体とが実質的に離間するように前記アクチュエータを変位させることを特徴とする移動装置の駆動方法、が提供される。
【００１５】
このような移動装置の駆動方法においては、被駆動体を移動させる向きに対して前記摩擦摺動部が移動する向きが同じとなる際に、被駆動体に前記摩擦摺動部から与えられる摩擦力が大きくなるように前記アクチュエータを伸張させ、一方、前記摩擦摺動部を引き戻すために被駆動体を移動させる向きに対して前記摩擦摺動部が移動する向きが逆となる際に、被駆動体と前記摩擦摺動部とが離間するように、前記アクチュエータを縮小させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
このような移動装置およびその駆動方法によれば、超音波モータを非共振駆動または直流駆動する際に、超音波モータの摩擦摺動面を被駆動体に当てた状態で滑らせないので、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、被駆動体を静粛に高速で移動させることができる。また、高精度な位置決めも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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が先に図９に示した超音波モータ１００と異なる点は、超音波モータ１０が圧電アクチュエータ１５を備えている点のみであるが、ここで超音波モータ１０の構造について詳細に説明することとする。
【００１８】
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４０に接する略Ｖ字型の形状を有するヘッド１３と、保持部材１２に取り付けられた圧電アクチュエータ１５と、を有している。圧電アクチュエータ１５には、圧電アクチュエータ１５および保持部材１２を介してヘッド１３を所定の力で被駆動体４０に押し付ける予圧機構１４が取り付けられている。なお、被駆動体４０はＸ方向に延在する図示しないガイドに取り付けられており、Ｘ方向に移動自在である。
【００１９】
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。保持部材１２にはボルト２１・２１′を通すための孔部が設けられている。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。
【００２０】
ヘッド１３は、被駆動体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′のネジ溝に嵌合するネジ穴が形成されている。
【００２１】
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。
【００２２】
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４０を摩擦駆動する摺動部であるばかりでなく、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。
【００２３】
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。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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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４０と接するようにしてもよい。
【００２７】
圧電アクチュエータ１５には、一体焼成型圧電アクチュエータが好適に用いられる。このような圧電アクチュエータ１５は、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂接着剤を用いて保持部材１２に取り付けることができる。なお、円筒状の積層型圧電アクチュエータを用いる場合には、圧電板２３ａ等と同様に、ボルト締めにより保持部材１２に固定することもできる。
【００２８】
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、バネ等が用いられる。図１では、予圧機構１４としてバネ（スプリングコイル）１４ａを備えたものを示している。この場合、図１に示すように、バネ１４ａの全長よりも短い金属棒１４ｂを圧電アクチュエータ１５に取り付け、この金属棒１４ｂがバネ１４ａ内を挿通するようにバネ１４ａを配置し、バネ１４ａを縮ませて金属棒１４ｂの他端を超音波モータ１０を配置するためのフレーム１４ｃ等に固定する。これによりバネ１４ａの縮み量に応じた予圧で、ヘッド１３を被駆動体４０に押し当てることができる。
【００２９】
次に、超音波モータ１０を備えた移動装置の構成とその駆動方法について説明する。図２に超音波モータ１０を備えた移動装置５０の構成を示す説明図を示す。移動装置５０は、被駆動体４０と、被駆動体４０を摩擦駆動して所定位置へ移動させる超音波モータ１０と、被駆動体４０の位置を検出する位置センサ４５と、被駆動体４０の移動制御および位置制御のために超音波モータ１０の駆動制御を行うモータ駆動制御装置５５と、を有している。
【００３０】
モータ駆動制御装置５５は、超音波モータ１０が具備する超音波振動子１１ａ・１１ｂの駆動を制御するための信号を発信する振動子制御手段５１と、振動子制御手段５１から発信された制御信号を超音波振動子１１ａ・１１ｂの駆動信号に変換する信号調整手段５２と、振動子制御手段５１から発信された制御信号に基づいて圧電アクチュエータ１５の駆動を制御するアクチュエータ制御手段５３と、を備えている。
【００３１】
振動子制御手段５１では、被駆動体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、被駆動体４０の位置は、リニアゲージ等の位置センサ４５によって検出され、そのデータが振動子制御手段５１の振動子駆動制御部５１ｂに送られる。振動子駆動制御部５１ｂでは、指示値発生部５１ａから送られた指示値と位置センサ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、ヘッド１３を駆動するために超音波振動子１１ａ・１１ｂを駆動するための制御信号を発生させ、それを出力する。
【００３２】
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、被駆動体４０の位置が目的位置から離れているために高速で被駆動体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い。一方、被駆動体４０の位置が目的位置に近付いたために速度を落として被駆動体４０を移動させたい場合には、後述するように、より低周波な非共振周波数とすることができる。
【００３３】
振動子駆動制御部５１ｂから出力された制御信号は、信号調整手段５２に入力される。信号調整手段５２は具体的には制御信号の振幅増幅（電圧増幅）を行うアンプであり、信号調整手段５２に入力された制御信号は、そこで超音波振動子１１ａ・１１ｂを駆動するために必要な電圧に増幅された後、超音波振動子１１ａ・１１ｂに出力される。
【００３４】
また、振動子駆動制御部５１ｂから出力された制御信号の情報はアクチュエータ制御手段５３にも伝えられる。アクチュエータ制御手段５３は、その構成は図示しないが、大略的に、振動子駆動制御部５１ｂから出力された制御信号の情報を基に圧電アクチュエータ１５へ駆動信号を送るか否かを判断する演算回路と、この演算回路が圧電アクチュエータ１５を駆動すると判断した場合に圧電アクチュエータ１５を駆動するための信号を発生させる信号発生部と、信号発生部で発生させた信号を所定の駆動電圧へ昇圧するアンプ部と、を備えている。
【００３５】
演算回路は、超音波振動子１１ａ・１１ｂが共振周波数で駆動されていると判断した場合には、圧電アクチュエータ１５の駆動信号を発生させることはない。一方、超音波振動子１１ａ・１１ｂが非共振周波数で駆動されていると判断した場合には、超音波振動子１１ａ・１１ｂの駆動周波数と駆動電圧の波形に適応させて、圧電アクチュエータ１５のヘッド１３の摩擦摺動面の位置を調整するために、圧電アクチュエータ１５を伸縮させるための駆動信号を発生させるという指示を、アクチュエータ制御手段５３が具備する信号発生部に送る。
【００３６】
このように構成された移動装置５０では、例えば、被駆動体４０を所定位置へ移動させるという指示に基づいて、最初は超音波振動子１１ａ・１１ｂを共振周波数で駆動する。つまり、圧電板２３ａ・２３ｂにＶ１＝Ｖ０ｓｉｎ２πｆｔの共振周波数の電圧を印加し、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。これにより、ヘッド１３の摩擦摺動面が楕円運動し、被駆動体４０に推力が与えられて、被駆動体４０を高速移動させることができる。前述したように、超音波振動子１１ａ・１１ｂを共振周波数で駆動する場合には、圧電アクチュエータ１５は駆動しない。
【００３７】
被駆動体４０が目的位置に近付いたら、超音波振動子１１ａ・１１ｂの駆動周波数を下げて、超音波モータ１０を非共振駆動する。図３に超音波振動子１１ａ・１１ｂにそれぞれ印加する電圧の波形および圧電アクチュエータ１５に印加する電圧の波形を示す。ここでは、超音波振動子１１ａ・１１ｂの非共振駆動に鋸波を用い、圧電アクチュエータ１５の駆動に矩形波を用いることとする。また、超音波振動子１１ａの駆動に駆動電圧Ａを、超音波振動子１１ｂの駆動に駆動電圧Ｂを用いることとする。
【００３８】
図４に図３に示した駆動信号で超音波モータ１０を非共振駆動させた際のヘッド１３の摩擦摺動面の位置の変化を模式的に示す説明図を示す。ここで、図４においては、超音波振動子１１ａが−Ｘ側、超音波振動子１１ｂが＋Ｘ側にそれぞれあるものとする。
【００３９】
超音波振動子１１ａ・１１ｂを図３に示す駆動電圧Ａ・Ｂでそれぞれで動かした場合、ヘッド１３の摩擦摺動面は、図４各図に示した略楕円軌道を描く。超音波振動子１１ａを駆動する電圧が上昇し、超音波振動子１１ｂを駆動する電圧が降下している間は、図４（ａ）→（ｂ）→（ｃ）の順に、圧電アクチュエータ１５には正の電圧（圧電アクチュエータ１５が伸張する場合の電圧）が印加されていて、その長さが伸びているために、ヘッド１３の摩擦摺動面はこの楕円軌道の上半分を移動している。このとき、ヘッド１３の摩擦摺動面は被駆動体４０と接しているため、ヘッド１３の移動にしたがって、＋Ｘ側に移動する。
【００４０】
次に、圧電アクチュエータ１５に印加する電圧を急激に負の電圧に変え、かつ、超音波振動子１１ａに印加する電圧も急降下させて負の電圧とするとともに、超音波振動子１１ｂに印加する電圧を急上昇させて正の電圧とする。このとき、図４（ｄ）に示されるように、圧電アクチュエータ１５の急峻な縮小に予圧機構１４が追従できないために、圧電アクチュエータ１５の縮小によってヘッド１３は被駆動体４０から離れ、かつ、超音波振動子１１ａ・１１ｂに印加される電圧の変化によって、ヘッド１３は−Ｘ側へ移動しようとする。その結果として、ヘッド１３は図３の楕円軌道の下側の軌道を通って瞬時に−Ｘ側へと移動する。つまり、ヘッド１３は、再び被駆動体４０を移動させることができる位置へと引き戻され、図３（ａ）に示す状態に戻る。
【００４１】
このとき、ヘッド１３と被駆動体４０との間には実質的に摩擦力が働いていないために、異音の発生を抑制することができ、しかも、被駆動体４０の−Ｘ方向への移動も抑制することができる。なお、ヘッド１３を被駆動体４０を移動させることができる位置へ引き戻す時間は、５０マイクロ秒（μｓｅｃ）以内である。これ以上に長い時間であると、予圧機構１４が追従してヘッド１３を被駆動体４０に押し当ててしまうからである。換言すれば、ヘッド１３を引き戻す時間を５０μｓｅｃ以内として、この間にヘッド１３が被駆動体４０から離間するように、圧電アクチュエータ１５を駆動すればよい。
【００４２】
次に、ヘッドＸが−Ｘ側へ移動し終わると同時に圧電アクチュエータ１５に正の電圧を印加して伸張させる。その後、超音波振動子１１ａの駆動電圧を上昇させ、一方、超音波振動子１１ｂの駆動電圧を降下させる。以降、このような操作を繰り返すことにより、被駆動体４０を＋Ｘ側へ移動させることができる。
【００４３】
図５は、このような図３に示す駆動信号により超音波モータ１０を非共振駆動させた場合と、図３に示す駆動信号により超音波振動子１１ａ・１１ｂを駆動するが圧電アクチュエータ１５を駆動しない場合における、被駆動体４０の移動距離を示したグラフである。図５に示されるように、圧電アクチュエータ１５を駆動した場合に、被駆動体４０をより速く移動させることができることが確認された。
【００４４】
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、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１０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共振駆動によって楕円運動を生じさせる超音波モータであればよい。
【００４５】
その一例として、図６の側面図に示す超音波モータ７０が挙げられる。この超音波モータ７０は、伸縮変位を生ずる圧電素子７１ａ・７１ｂと、圧電素子７１ａ・７１ｂを互いに直交配置する保持部材７３と、圧電素子７１ａ・７１ｂを連結するとともに被駆動体４０に当接するヘッド７２と、保持部材７３に取り付けられ、ヘッド７２を被駆動体４０に押圧する方向において伸縮する圧電アクチュエータ１５と、ヘッド７２を被駆動体４０に押し当てるように圧電アクチュエータ１５に取り付けられた予圧機構１４と、を備えている。
【００４６】
この超音波モータ７０の共振駆動は、例えば、圧電素子７１ａ・７１ｂの一方を共振周波数で駆動することにより行われ、これによりヘッド８３に楕円運動を生じさせることができる。また、超音波モータ７０の非共振駆動は、例えば、圧電素子７１ａを図３に示した駆動電圧Ａで駆動し、同時に圧電アクチュエータ１５を図３に示した矩形波電圧で行う。これにより、ヘッド７２に図４に示したヘッド１３と実質的に同じ動きを生じさせることができる。
【００４７】
また、別の例として、図７の側面図に示す超音波モータ８０が挙げられる。この超音波モータ８０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、ヘッド８３を被駆動体４０に押圧する方向において伸縮する圧電アクチュエータ１５と、ヘッド８３を被駆動体４０に押し当てるように圧電アクチュエータ１５に取り付けられた予圧機構１４と、を備えている。
【００４８】
この超音波モータ８０では、４つの駆動電極８２ａ〜８２ｄを、たすき掛け接続して２組の電極とする。超音波モータ８０の共振駆動は、各組に位相が９０度ずれた駆動電圧を印加することにより行われ、これによりヘッド８３に楕円運動を生じさせることができる。超音波モータ８０の非共振駆動は、例えば、先に図３に示した駆動電圧Ａ・Ｂで行うことができ、これにより、ヘッド８３に図４に示したヘッド１３と実質的に同じ動きを生じさせることができる。
【００４９】
また別の例として、図８の断面図に示す、異形縮退縦Ｌ１−横Ｂ４モードの平板型超音波モータ（以下「Ｌ１Ｂ４型モータ」という）９０が挙げられる。このＬ１Ｂ４型モータ９０は、矩形の弾性体９３と、弾性体９３の表裏面にそれぞれ２個ずつ取り付けられた圧電素子９４ａ〜９４ｄと、弾性体９３に生ずる振動を被駆動体４０に伝える突起体９５と、を有している。また、弾性体９３の長手方向中央は振動の節となって変位しないために、この部分に圧電アクチュエータ１５が取り付けられ、さらに圧電アクチュエータ１５に予圧機構１４を取り付けることにより、突起体９５を被駆動体４０に押し当てている。
【００５０】
圧電素子９４ａ〜９４ｄは、一般的には圧電体の表裏面に電極（図示せず）が形成された単板型の圧電素子である。圧電素子９４ａ・９４ｄを１組とし、圧電素子９４ｂ・９４ｃを１組として、２組の駆動電極とする。超音波モータ９０の共振駆動は、各組の駆動電極に位相が９０度ずれた駆動電圧を印加することにより行われ、これにより弾性体９３には長手方向の一次の伸縮共振と４次の曲げ共振が同時に発生し、その動きが組み合わさって突起体９５に伝えられ、突起体９５の先端に楕円運動が生ずる。超音波モータ９０の非共振駆動は、例えば、先に図３に示した駆動電圧Ａ・Ｂで行うことができ、このとき、突起体９５に図４に示したヘッド１３と実質的に同じ動きを生じさせることができる。
【００５１】
本発明において、予圧機構によるヘッドの押圧方向におけるヘッドの位置を調整するために超音波モータに設けられるアクチュエータは、圧電効果を利用したものに限定されるものではなく、予圧機構の追従速度に応じて、例えば、電磁型アクチュエータを用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の超音波モータ、移動装置およびその駆動方法は、半導体製造装置等に装着されるＸ−Ｙステージ装置とその駆動方法に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る超音波モータの概略構造を示す断面図。
【図２】図１に示す超音波モータを備えた移動装置の構成を示す説明図。
【図３】図１に示す超音波モータが具備する超音波振動子の駆動電圧波形および圧電アクチュエータの駆動電圧波形を示す説明図。
【図４】図３に示した駆動電圧で超音波モータを非共振駆動させた際の、ヘッドの摩擦摺動面の位置の変化を模式的に示す説明図。
【図５】超音波モータの非共振駆動時における圧電アクチュエータの駆動の有無と被駆動体の移動距離との関係を示す説明図。
【図６】別の超音波モータの概略構造を示す側面図。
【図７】さらに別の超音波モータの概略構造を示す側面図。
【図８】さらに別の超音波モータの概略構造を示す断面図。
【図９】公知の超音波モータの概略構成を示す説明図。
【符号の説明】
【００５４】
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；予圧機構
１４ａ；バネ
１４ｂ；金属棒
１４ｃ；フレーム
１５；圧電アクチュエータ
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
４０；被駆動体
４５；位置センサ
５０；移動装置
５１；振動子制御手段
５１ａ；指示値発生部
５１ｂ；振動子駆動制御部
５２；信号調整手段
５３；アクチュエータ制御手段
５５；モータ駆動制御装置
７０・８０・９０；超音波モータ
７１ａ・７１ｂ・；圧電素子
７２・８３；ヘッド
７３；保持部材
８１；圧電板
８２ａ〜８２ｄ；駆動電極
９３；弾性体
９４ａ〜９４ｄ；圧電素子
９５；突起体
１００；超音波モータ
１０１；被駆動体
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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