(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波モータと、該超音波モータとの摩擦駆動により可動する可動体と、該可動体の位置を測定する位置検出手段と、該位置検出手段からの位置情報と予め設定した移動プロファイルに基づく基準位置情報との偏差を基に演算し、前記超音波モータを駆動させる駆動用指令信号を出力する駆動制御部と、該駆動制御部より出力される駆動用指令信号と上記偏差とをそれぞれ時系列的に監視する監視部と、前記超音波モータを前記可動体に押し付ける予圧を調整する予圧調整部と、上記監視部にて測定した偏差が予め設定した偏差規格値のしきい値内となるように前記予圧調整部に調整用指令信号を出力する予圧制御部とを有し、
前記予圧制御部は、前記監視部にて測定した偏差が予め設定した偏差規格値のしきい値内にあるか否かを比較し、上記偏差がしきい値外である時には、前記監視部にて測定した駆動用指令信号が予め設定した最適駆動用指令信号範囲内にあるか否かを比較し、上記駆動用指令信号が最適駆動用指令信号範囲外である時には、上記偏差がしきい値内となるように前記予圧調整部に調整用指令信号を出力し、上記駆動用指令信号が最適駆動用指令信号範囲内にある時には、上記偏差と１サイクル前の偏差とを比較し、上記偏差が１サイクル前の偏差より大きい時には、上記駆動用指令信号と１サイクル前の駆動用指令信号とを比較し、上記駆動用指令信号が１サイクル前の駆動用指令信号より大きい時には、上記偏差がしきい値内となるように前記予圧調整部に調整用指令信号を出力することを特徴とする超音波モータを可動体の駆動源とする案内装置。
【請求項２】
前記偏差規格値のしきい値が、偏差規格値の８０％以内であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータを可動体の駆動源とする案内装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直線運動や回転運動する可動体を超音波モータによって駆動する案内装置に関するものであり、特に、精密加工用工作機械、精密測定装置、半導体製造工程等における描画露光装置に用いられる案内装置として好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波モータは、最小振動振幅がナノメートルオーダーと小さく、高分解能の位置決めが可能であり、しかも小型でありながら摩擦駆動であるために駆動力が大きいといった特徴を有するため、これまでカメラのレンズズーム機構や腕時計用バイブレーションアラームなど回転系の装置へ実用化が行われてきた。
【０００３】
また、近年では超音波モータを直線系の案内装置へ適用することも試みられている。
【０００４】
図６に超音波モータを可動体の駆動源とする従来の案内装置の一例を示すように、ベース基盤５１上にクロスローラガイドの如き一対のガイド部材５２を備え、これらのガイド部材５２によって可動体としてのステージ５３が直線的に案内されるようになっている。
【０００５】
また、ステージ５３の一方の側面にはガイド部材５２に対して平行に受圧部材５４が、他方の側面にはガイド部材５２に対して平行にリニアスケール５６ａが設置され、リニアスケール５６ａと対向する位置には測定ヘッド５６ｂを設けて位置検出手段５６を構成するとともに、受圧部材５４には、その長手方向に対して垂直に超音波モータ５５の先端チップ５５ａを当接させてあり、ステージ５３の移動に伴う位置検出手段５６からの位置情報と、予め設定してあるステージ５３の移動プロファイルに基づく基準位置情報との偏差に応じて変化するパラメータを基に駆動用制御部５０にて例えばＰＩＤ演算処理し、超音波モータ５５へ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５５をその指令信号に応じて楕円運動させ、その先端チップ５５ａとの摩擦駆動によりステージ５３をガイド部材５２に沿って移動させるようになっていた。
【０００６】
なお、５５ｃは超音波モータ５５をステージ５３の受圧部材５４に当接させるためのバネであり、５５ｂはベース基盤５１上に固定されたケース５５ｄ内に超音波モータ５５を保持するための弾性体である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、精密加工用工作機械や精密測定装置あるいは半導体製造工程における描画露光装置に用いられる案内装置には、サブミクロンオーダーの高精度な位置決め精度と、装置の長寿命化、高信頼性化が望まれているのであるが、図６に示す従来の案内装置では、超音波モータ５５をステージ５３に押し付ける駆動初期の予圧が不十分であったり、超音波モータ５５に備える先端チップ５５ａの摩耗によって予圧が変動したりすると、受圧部材５４に対する先端チップ５５ａの接触状態が変化し、この変化がひどくなると、受圧部材５４に対する先端チップ５５ａの滑りが発生し、ステージ５３の駆動特性に悪影響を与えるといった課題があった。
【０００８】
また、受圧部材５４に対する先端チップ５５ａの滑りが発生すると、先端チップ５５ａの摩耗が激しくなるため、超音波モータ５５の寿命が低下し、案内装置の稼働効率が悪かった。
【０００９】
そこで、本件出願人は、超音波モータ５５の予圧の変動がステージ５３の駆動特性や案内装置の寿命に影響を与えることに鑑み、図７に示すように、超音波モータ５５の後端にロードセル等の予圧測定部６１と、圧電アクチュエータ等の予圧調整部６２を設け、上記予圧測定部６１にて予圧の変動を測定し、予圧の変動がある時には予圧調整部６２を駆動させて超音波モータ５５の予圧が一定となるように調整するようにした案内装置を先に提案している（特開平１１−１３６９７２号公報参照）。
【００１０】
しかしながら、図７に示す案内装置では、ステージ５３の駆動中、超音波モータ５５に備える先端チップ５５ａの摩耗により発生した摩耗粉やゴミ等が受圧部材５４と先端チップ５５ａとの間に噛み込んだり、あるいは超音波モータ５５の滑りが発生し、超音波モータ５５の駆動力をステージ５３へ伝える伝達効率が低下することにより、突発的にステージ５３の駆動特性が大きく変動することを防止することができなかった。
【００１１】
そのため、駆動途中におけるステージ５３の高い位置精度が要求される精密加工用工作機械、精密測定装置、半導体製造工程における描画露光装置等には、図７に示す案内装置を用いることができなかった。
【００１２】
【発明の目的】
本発明の目的は、超音波モータの先端チップが摩耗することによる予圧の変動を防ぐことは勿論のこと、駆動途中における突発的な伝達効率の低下を防いでステージの駆動を安定させ、駆動途中においても高い位置精度をもってステージを移動させることができる超音波モータを可動体の駆動源とする案内装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、超音波モータと、該超音波モータとの摩擦駆動により可動する可動体と、該可動体の位置を測定する位置検出手段と、該位置検出手段からの位置情報と予め設定した移動プロファイルに基づく基準位置情報との偏差を基に演算し、前記超音波モータを駆動させる駆動用指令信号を出力する駆動制御部と、該駆動制御部より出力される駆動用指令信号と上記偏差とをそれぞれ時系列的に監視する監視部と、前記超音波モータを前記可動体に押し付ける予圧を調整する予圧調整部と、上記監視部にて測定した偏差が予め設定した偏差規格値のしきい値内となるように前記予圧調整部に調整用指令信号を出力する予圧制御部とから超音波モータを可動体の駆動源とする案内装置を構成したものである。
【００１４】
特に、本発明は前記予圧制御部において、監視部にて測定した偏差が予め設定した偏差規格値のしきい値内にあるか否かを比較し、上記偏差がしきい値外である時には、前記監視部にて測定した駆動用指令信号が予め設定した最適駆動用指令信号範囲内にあるか否かを比較し、上記駆動用指令信号が最適駆動用指令信号範囲外である時には、上記偏差がしきい値内となるように前記予圧調整部に調整用指令信号を出力し、上記駆動用指令信号が最適駆動用指令信号範囲内にある時には、上記偏差と１サイクル前の偏差とを比較し、上記偏差が１サイクル前の偏差より大きい時には、上記駆動用指令信号と１サイクル前の駆動用指令信号とを比較し、上記駆動用指令信号が１サイクル前の駆動用指令信号より大きい時には、上記偏差がしきい値内となるように前記予圧調整部に調整用指令信号を出力するようにしたことを特徴とする。
【００１５】
なお、本発明において、偏差規格値のしきい値及び最適駆動用指令信号範囲は、予め可動体を駆動させ、加速状態又は減速状態における予圧と偏差及び予圧と駆動用指令信号との関係を基に、予め設定した偏差規格値内で設定した値をしきい値とするとともに、偏差のしきい値に相当する駆動用指令信号範囲を最適駆動用指令信号範囲とし、特に偏差のしきい値は偏差規格値の８０％以内とすることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１７】
図１は超音波モータを可動体の駆動源とする本発明の案内装置の一例を示す模式図で、この案内装置は、ベース基盤１１上にクロスローラガイドの如き一対のガイド部材１２を備え、この一対のガイド部材１２に沿って可動体としてのステージ１３を直線的に案内するようになっている。
【００１８】
また、ステージ１３の一方の側面には、上記ガイド部材１２に対して平行に受圧部材１４を、他方の側面にはガイド部材１２に対して平行にリニアスケール１６ａをそれぞれ設置し、リニアスケール１６ａと対向する位置には測定ヘッド１６ｂを設けて位置検出手段１６を構成するとともに、受圧部材１４には、その長手方向に対して垂直に超音波モータ１５の先端チップ１５ａを当接させてある。
【００１９】
そして、ステージ１３の移動に伴う位置検出手段１６からの変位、速度、加速度等の位置情報は駆動制御部１０に送られ、この駆動制御部１０にて予め設定してあるステージ１３の移動プロファイルに基づく基準位置情報（変位、速度、加速度）との偏差に応じて変化するパラメータを基に、例えばＰＩＤ演算処理し、その出力値を駆動用指令信号として超音波モータ１５へ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１５をその駆動用指令信号に応じて楕円運動させ、超音波モータ１５に備える先端チップ１５ａとの摩擦駆動によりステージ１３をガイド部材１２に沿って移動させるようになっている。
【００２０】
なお、１５ｂはベース基盤１１上に固定されたケース１５ｄ内に超音波モータ１５を保持するための弾性体である。
【００２１】
また、超音波モータ１５の後端には、受圧部材１４に対する超音波モータ１５の予圧を測定するロードセル等の予圧測定部１７と、圧電アクチュエータ、エアシリンダ、油圧シリンダー等の予圧調整部１８を配置してあり、予圧調整部１８を駆動させ、ステージ１３の移動方向に対して垂直に伸縮させることにより、超音波モータ１５の予圧を自由に調整できるようになっている。
【００２２】
さらに、この案内装置には、駆動制御部１０で算出された偏差と、駆動制御部１０より出力される駆動用指令信号とを時系列的に監視する監視部１９と、この監視部１９にて測定した偏差と駆動用指令信号を基に、前記予圧調整部１８を駆動させる調整用指令信号を出力する予圧制御部２０を設けてある。
【００２３】
即ち、駆動制御部１０から出力される駆動用指令信号は、ステージ１３の実際の位置情報と、予め設定してある移動プロファイルに基づく基準位置情報との偏差を基に演算した信号値であるから、超音波モータ１５と受圧部材１４の当接状態が変化すると、偏差と駆動用指令信号が変化し、ステージ１３が基準位置情報通りの動きをしていないことになるため、監視部１９で偏差と駆動用指令信号を監視しておくことにより、ステージ１３の駆動状態を把握することができる。
【００２４】
そして、監視部１９にて測定した偏差と駆動用指令信号を基に、予圧制御部２０にて予圧調整部１８を駆動させる調整用指令信号を出力するのであるが、この予圧制御部２０では、監視部１９にて測定した偏差が予め設定した偏差規格値のしきい値内にあるか否かを比較し、偏差がしきい値外である時には、監視部１９にて測定した駆動用指令信号が、予め設定した最適駆動用指令信号範囲内にあるか否かを比較し、駆動用指令信号が最適駆動用指令信号範囲外である時には、偏差がしきい値内となるような調整用指令信号を出力して予圧調整部１８を駆動させ、また、駆動用指令信号が最適駆動用指令信号範囲内にある時には、その時の偏差と１サイクル前の偏差とを比較し、その時の偏差が１サイクル前の偏差より大きい時には、その時の駆動用指令信号と１サイクル前の駆動用指令信号とを比較し、その時の駆動用指令信号が１サイクル前の駆動用指令信号より大きい時には、その時の偏差がしきい値内となるような調整用指令信号を出力して予圧調整部１８を駆動させるようになっている。
【００２５】
ここで、偏差規格値のしきい値及び最適駆動用指令信号範囲とは、図１の案内装置において、ステージ１３を予め駆動させて設定するもので、以下の手順にしたがって決定する。
【００２６】
図２はステージ１３の加速状態において、予圧を変化させたときの偏差の絶対値と駆動用指令信号の一種である駆動用指令電圧との関係を示したグラフで、横軸を予圧、縦軸を偏差の絶対値と駆動用指令電圧としてある。
【００２７】
この図２において、予圧がＰ１では偏差が大きいことが判る。これは、受圧部材１４の間で滑りが発生しているからで、この滑りを補正するために駆動用指令電圧は高くなっている。ただし、Ｐ１では予圧が小さいため、超音波モータ１５の駆動力を十分に受圧部材１４へ伝達することができず、偏差を補正することができていない。また、予圧がＰ２では偏差及び駆動用指令電圧がともに小さくなり、駆動用指令電圧は最小となるが、偏差は最小となっていない。この原因は、超音波モータ１５に備える先端チップ１５ａの楕円運動１サイクル中での接触初期の速度が接触中期の速度と比較して大きいため、ステージ１３の送り速度が大きく変動し不安定となるからである。
【００２８】
そして、予圧を更に上げると、先端チップ１５ａの楕円運動１サイクル中の接触時の伝達状態と非接触時の慣性状態との速度変動が小さくなり、予圧をＰ３とすることにより、ステージ１３の送り速度が安定し、偏差を最小とすることができる。この時、駆動用指令電圧は最小値より高く、見かけ上、超音波モータ５５の駆動力をステージ５３へ伝える伝達効率が低下しているように思われるが、先端チップ１５ａの接触時の伝達状態と非接触時の慣性状態との速度変動が小さくなっていることを考慮すると、偏差が最小となるとき、超音波モータ１５の伝達効率は最大値を示すと言える。
【００２９】
さらに、予圧を上げてＰ４とすると、先端チップ１５ａの楕円運動１サイクル中における接触初期や接触後期の速度が低下し、受圧部材１４は超音波モータ１５からの伝達が得られなくなり、偏差は大きくなる。
【００３０】
その為、偏差を最小値とすることにより、ステージ１３の駆動を最も安定化させることができることが判る。ただし、予圧を常にＰ３とすることは極めて難しいため、予め偏差規格値Ｅを設定し、さらに安全性を考慮して偏差規格値Ｅより狭いしきい値ＥＲを決定し、このしきい値ＥＲを満足する駆動用指令電圧の範囲（Ｖ１≦Ｖ≦Ｖ２）を最適駆動用指令信号範囲とする。
【００３１】
なお、偏差規格値のしきい値ＥＲ及び最適駆動用指令信号範囲の設定にあたっては、ステージ１３の定速状態において、予圧を変化させたときの偏差の絶対値と駆動用指令信号との関係から求めても良いが、条件が厳しいステージ１３の加速状態又は減速状態における予圧と偏差及び予圧と駆動用指令信号との関係から設定することが望ましい。
【００３２】
また、偏差規格値Ｅはステージ１３の駆動に影響を与えない範囲で任意に設定すれば良く、また、偏差規格値Ｅのしきい値ＥＲは、偏差規格値Ｅより安全性を考慮して任意に設定すれば良いが経験的に偏差規格値Ｅの９０％以内、好ましくは８０％以内とすることが望ましい。
【００３３】
そして、このように予め設定した偏差規格値Ｅのしきい値ＥＲ及び最適駆動用指令信号範囲と、監視部１９にて測定した偏差と駆動用指令信号を基に、予圧調整部１８を駆動させるには、図３に示すフローチャートのように制御する。
【００３４】
具体的には、駆動制御部１０からの駆動用指令信号に応じて超音波モータ１５を駆動させてステージ１３を移動させ、ステージ１３の駆動中、監視部１９にて測定した偏差Ｅ（ｎ）が、偏差規格値Ｅのしきい値ＥＲ以内にあるか否かを判断する。偏差Ｅ（ｎ）が偏差規格値Ｅのしきい値ＥＲ内にある時はステージ１３は基準位置情報に応じた移動をしていることになるため、予圧調整部１８に調整用指令信号を出力する必要がなく、逆に偏差Ｅ（ｎ）が偏差規格値Ｅのしきい値ＥＲ外にある場合、偏差Ｅ（ｎ）が偏差規格値Ｅに近づきつつあるので、駆動制御部１０から出力される駆動用指令信号Ｖ（ｎ）が最適駆動用指令信号範囲（Ｖ１≦Ｖ≦Ｖ２）内にあるか否かを判断する。
【００３５】
この時、駆動制御部１０から出力される駆動用指令信号Ｖ（ｎ）が最適駆動用指令信号範囲外である場合、予圧に対する変動以上に駆動用指令電圧Ｖ（ｎ）が変動し、偏差がしきい値ＥＲを超えてステージ１３の駆動特性が不安定となるため、予圧制御部２０から調整用指令信号を出力し、偏差がしきい値ＥＲ内となるように予圧調整部１８を駆動させる。また、駆動制御部１０から出力される駆動用指令信号Ｖ（ｎ）が、最適駆動用指令信号範囲外、例えば下限値ＶAより小さい場合、図２を用いて説明したように予圧が足りない状態にあるため、受圧部材１４に対する超音波モータ１５の予圧を上げるように予圧調整部１８を駆動させ、駆動制御部１０から出力される駆動用指令信号Ｖ（ｎ）が、下限値ＶBを超える場合、図２を用いて説明したように予圧が高すぎるため、受圧部材１４に対する超音波モータ１５の予圧を下げるように予圧調整部１８を駆動させるようになっている。
【００３６】
一方、駆動制御部１０から出力される駆動用指令信号Ｖ（ｎ）が最適駆動用指令信号範囲内である場合、予圧調整が反映されていると判断し、偏差Ｅ（ｎ）とその１サイクル前の偏差Ｅ（ｎ−１）を比較する。偏差Ｅ（ｎ）が１サイクル前の偏差Ｅ（ｎ−１）以下である場合、偏差は小さいと判断できるため、予圧調整部１８に調整用指令信号を出力する必要がなく、逆に偏差Ｅ（ｎ）が１サイクル前の偏差Ｅ（ｎ−１）より大きい場合、偏差Ｅ（ｎ）がしきい値ＥＲを超えるため、予圧制御部２０から調整用指令信号を出力し、偏差Ｅ（ｎ）がしきい値ＥＲ内となるように予圧調整部１８を駆動させるのであるが、この時、その時の駆動用指令電圧Ｖ（ｎ）と１サイクル前の駆動用指令電圧Ｖ（ｎ−１）と比較し、駆動用指令電圧Ｖ（ｎ）が１サイクル前の駆動用指令電圧Ｖ（ｎ−１）より大きい場合、予圧が高くなったと判断されるため、受圧部材１４に対する超音波モータ１５の予圧を下げるように予圧調整部１８を駆動させ、逆に、駆動用指令電圧Ｖ（ｎ）が１サイクル前の駆動用指令電圧Ｖ（ｎ−１）より小さい場合、予圧が低くなったと判断されるため、受圧部材１４に対する超音波モータ１５の予圧を上げるように予圧調整部１８を駆動させる。
【００３７】
かくして、本発明の案内装置を用いれば、超音波モータ１５の長期駆動に伴って先端チップ５５が摩耗して予圧が変動しそうになっても監視部１９にて測定した偏差と駆動用指令信号を基に予圧制御部２０を駆動させ、受圧部材１４に対する超音波モータ１５の予圧が変動することを防止することができるため、長期間にわたって安定したステ―ジ１３の駆動と位置決めを実現できるとともに、超音波モータ１５の先端チップ１５ａにおける異常摩耗を抑えることができるため、超音波モータ１５の寿命を高め、案内装置の稼働効率を向上させることができることは勿論のこと、ステージ１３の駆動中に摩耗粉やゴミ等がステージ１３の受圧部材１４と超音波モータ１５の先端チップ１５ａとの間に噛み込んだり、超音波モータ１５の滑りが発生し、超音波モータ１５の駆動力をステージ１３へ伝える伝達効率が低下するのを監視部１９にて測定した偏差と駆動用指令信号を基に予圧制御部２０を駆動させて防止することもできるため、ステージ１３の駆動途中においても高い位置精度を維持することができる。
【００３８】
その為、本発明の案内装置は、駆動途中におけるステージ１３の高い位置精度が要求される精密加工用工作機械、精密測定装置、半導体製造工程における描画露光装置等に用いる案内装置として好適に用いることができる。
【００３９】
ところで、本実施形態では、駆動用指令信号として指令電圧を用いた例を説明したが、駆動用指令信号が電圧制御時の電流や電力であっても良く、さらには超音波モータ１５が周波数で制御される場合、駆動用指令信号として周波数を用いても構わない。
【００４０】
また、本発明の案内装置に用いる超音波モータの振動形式は特に限定するものではなく、単一の振動モードのみならず、モード変換型、多重モード型、モード回転型、複合振動型等の複数の振動モードのものを適用することもできる。
【００４１】
さらに、本発明の案内装置では、ステージ１３をなす可動体が直線運動する例を説明したが、可動体が回転運動する案内装置に適用することもでき、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々改良や変更できることは言うまでもない。
【００４２】
【実施例】
ここで、図１に示す超音波モータを可動体の駆動源とする案内装置を製作した。
【００４３】
ステージ１３を案内するガイド部材１２には、２００ｍｍのストロークを有するクロスローラガイドを用い、ステージ１３は２５０ｍｍ×１２０ｍｍ×３０ｍｍの板状体とし、アルミニウムにより形成した。そして、ステージ１３上には重り（不図示）を載せ、ステージ１３との総重量が１００Ｎとなるようにした。
【００４４】
また、ステージ１３を駆動させる超音波モータ１５は、幅８ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚み３ｍｍの圧電素子の端面にアルミナセラミック製の先端チップ１５ａを備え、圧電素子の一方の主面には４つの電極を形成し、対角に位置する電極同士を結線するとともに、他方の主面全体に１つの電極を形成してなり、４つの電極に互いの位相差を９０度ずらした指令電圧を印加することにより、先端チップ１５ａが楕円運動するようにしたものを用いた。なお、先端チップ１５ａの当接面は、曲率半径が３ｍｍの球面とし、表面粗度を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０５μｍとした。
【００４５】
さらに、ステージ１３の位置検出手段１６を構成するリニアスケール１６ａには、ミツトヨ製のリニアスケールＳ３３Ｃを用い、ステージ１３の一方の側面に設置するとともに、このリニアスケール１６ａと対向する位置に検出ヘッド１６ｂを設置して位置検出手段１６を構成し、ステージ１３の他方の側面にはアルミナセラミック製の受圧部材１４を設置した。
【００４６】
また、超音波モータ１５の後端に設置する予圧測定部１７にはロードセルを、予圧測定部器１７の後端に設置する予圧調整部１８には積層型圧電アクチュエータをそれぞれ用いた。
【００４７】
そして、駆動制御部１０、監視部１９、予圧制御部２０をそれぞれ接続して本発明の案内装置を製作した。
【００４８】
ここで、レーザードップラ振動計（不図示）を超音波モータ１５の先端チップ１５ａに対して垂直に設置し、予圧を異ならせてステージ１３を駆動させ、超音波モータ１５の駆動力をステージ１３へ伝える伝達効率をレーザドップラ振動計からの位置情報（変位、速度、加速度）と位置検出手段１６からの位置情報（変位、速度、加速度）を基に数１により算出した。
（数１）  Ｗ＝Ｂ／Ａ×１００（％）
ただし、Ｗ：伝達効率  Ａ：レーザードップラ振動計からの位置情報
Ｂ：位置検出手段からの位置情報
そして、初期設定条件として、伝達効率が最大となるように予圧を設定した状態で、超音波モータ１５の駆動制御を、ステージ１３の移動距離２００ｍｍ、加速度０．１Ｇ、最高速度１００ｍｍ／ｓに設定した台形制御とし、駆動制御部１０に予めステージ１３の移動プロファイルを設定した後、ガイド部材１２の任意の部分に潤滑剤を塗布し、超音波モータ１５を４０ＫＨｚの周波数で駆動させ、その時の偏差の絶対値、駆動用指令電圧、伝達効率、予圧を測定した。
【００４９】
それぞれの結果は図４（ａ）〜（ｄ）に示す通りである。
【００５０】
この結果、図４（ａ）〜（ｄ）より判るように、潤滑剤を塗布した部分で、予圧は変動していないのに対し、伝達効率は突発的に低下した。この伝達効率の低下の原因は、潤滑剤を塗布した部分では、潤滑剤の塗布により摩擦係数が下がり、伝達に必要な駆動力が低下したために接触面が滑ったからである。この伝達効率の低下に対応して、駆動用指令電圧は増加している。これは、接触面の滑りによって発生した偏差を一定に保とうとして駆動用指令電圧が増加したものであり、この結果、駆動用指令電圧を偏差と比較させて時系列的に監視することで、従来の予圧のみの監視では把握することのできなかったステージ１３と超音波モータ１５の伝達状態を容易に把握することができることが判る。
【００５１】
また、伝達効率を測定しなくても容易に伝達状態を把握することができるので、レーザードップラ振動計等、伝達効率を測定する装置が不要となり、案内装置を簡素化できる。
【００５２】
なお、図４（ａ）において偏差は約２μｍであり、潤滑剤を塗布した部分と潤滑剤を塗布していない部分では、偏差の差はほとんどないので、駆動用指令電圧を高くすることで接触面の滑りを補正することができた。
【００５３】
そこで、予圧を異ならせた条件で超音波モータ１５を駆動させてステージ１３を加速させた時の予圧と偏差及び予圧と駆動用指令信号である駆動用指令電圧との関係について測定したところ図５のようなグラフとなった。
【００５４】
このグラフから、偏差の規格値Ｅを２μｍに設定し、偏差規格値Ｅの８０％、即ち１.６μｍをしきい値ＥＲとするとともに、最適駆動用指令信号範囲である最適指令電圧範囲を３．２６Ｖ〜４．１４Ｖとした。
【００５５】
そして、超音波モータ１５の駆動制御を、ステージ１３の移動距離２００ｍｍ、加速度０．１Ｇ、最高速度１００ｍｍ／ｓに設定した台形制御とし、かつ偏差規格値Ｅを２μｍ、偏差規格値Ｅのしきい値ＥＲを１.６μｍ、最適駆動用指令信号範囲である最適指令電圧範囲を３．２６Ｖ〜４．１４Ｖとしてステージ１３を駆動させたところ、駆動時間が１０００時間を超えても偏差は、駆動途中で偏差規格値Ｅを超えることはなく、ステージ１３は安定した駆動状態を維持することができた。
【００５６】
また、本発明のように、監視部１９及び予圧制御部２０を備えていない従来の案内装置を用い、本発明と同様の移動プロファイルにてステージ１３を駆動させた場合と比較したところ、５００時間経過後における先端チップ１５ａの摩耗量を従来の案内装置の１／５に低減することができた。
【００５７】
以上のように、本発明の超音波モータを可動体の駆動源とする案内装置によれば、超音波モータと、該超音波モータとの摩擦駆動により可動する可動体と、該可動体の位置を測定する位置検出手段と、該位置検出手段からの位置情報と予め設定した移動プロファイルに基づく基準位置情報との偏差を基に演算し、前記超音波モータを駆動させる駆動用指令信号を出力する駆動制御部と、該駆動制御部より出力される駆動用指令信号と上記偏差とをそれぞれ時系列的に監視する監視部と、前記超音波モータを前記可動体に押し付ける予圧を調整する予圧調整部と、上記監視部にて測定した偏差が、予め設定した偏差規格値のしきい値内となるように前記予圧調整部に調整用指令信号を出力する予圧制御部とを有し、前記予圧制御部は、前記監視部にて測定した偏差が予め設定した偏差規格値のしきい値内にあるか否かを比較し、上記偏差がしきい値外である時には、前記監視部にて測定した駆動用指令信号が予め設定した最適駆動用指令信号範囲内にあるか否かを比較し、上記駆動用指令信号が最適駆動用指令信号範囲外である時には、上記偏差がしきい値内となるように前記予圧調整部に調整用指令信号を出力し、上記駆動用指令信号が最適駆動用指令信号範囲内にある時には、上記偏差と１サイクル前の偏差とを比較し、上記偏差が１サイクル前の偏差より大きい時には、上記駆動用指令信号と１サイクル前の駆動用指令信号とを比較し、上記駆動用指令信号が１サイクル前の駆動用指令信号より大きい時には、上記偏差がしきい値内となるように前記予圧調整部に調整用指令信号を出力することから、超音波モータの長期駆動に伴う摩耗によって予圧が変動しそうになっても監視部にて測定した偏差と駆動用指令信号を基に予圧制御部を駆動させ、超音波モータの予圧が変動することを防止できることは勿論のこと、ステージの駆動中に超音波モータとステージとの間に摩耗粉やゴミ等が噛み込んだり、超音波モータの滑りが発生し、超音波モータの駆動力を可動体へ伝える伝達効率が低下しようとするのを監視部にて測定した偏差と駆動用指令信号を基に予圧制御部を駆動させて防止することができるため、長期間にわたってステージの正確な位置決め及び駆動途中における高い位置精度を維持することができる。
【００５８】
その為、本発明の案内装置は、駆動途中におけるステージの高い位置精度が要求される精密加工用工作機械、精密測定装置、半導体製造工程における描画露光装置等に好適に用いることができる。
【００５９】
また、超音波モータの異常摩耗を抑えることができるため、超音波モータの寿命を高め、案内装置の寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波モータを可動体の駆動源とする本発明の案内装置の一例を示す模式図である。
【図２】図１の案内装置において、予圧を変化させたときの偏差の絶対値と駆動用指令電圧との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の案内装置に備える予圧調整部おける予圧制御を説明するフローチャートである。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は実験において、ステージを駆動させた時の偏差の絶対値、駆動用指令電圧、伝達効率、偏差をそれぞれ示すグラフである。
【図５】実験におけるステージの加速状態において、予圧を変化させたときの偏差の絶対値と駆動用指令電圧との関係を示すグラフである。
【図６】超音波モータを可動体の駆動源とする従来の案内装置の一例を示す模式図である。
【図７】本件出願人が先に提案した超音波モータを可動体の駆動源とする案内装置を示す模式図である。
【符号の説明】
１０，５０    ：駆動制御部
１１，５１    ：ベース基盤
１２，５２    ：ガイド部材
１３，５３    ：ステージ
１４，５４    ：受圧部材
１５，５５    ：超音波モータ
１５ａ，５５ａ：先端チップ
１５ｂ，５５ｂ：弾性体
１５ｄ，５５ｄ：ケース
１６，５６    ：位置検出手段
１６ａ，５６ａ：リニアスケール
１６ｂ，５６ｂ：検出ヘッド
１７          ：予圧測定部
１８          ：予圧調整部
１９          ：監視部
２０          ：予圧制御部
５５ｃ        ：ばね
【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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