(57)【要約】【課題】複数個の圧電素子からなる超音波モータにより被駆動体を移動させる場合に、各圧電素子の駆動電極に印加する駆動電圧が同位相なことから駆動電圧に同期した速度むらが発生し、被駆動体を一定の速度で移動させる等速性能が劣化する。【解決手段】複数個の矩形型圧電素子の中で少なくとも１個の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧を、他の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧と異なる位相の電圧とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一側面に摺動チップが１個以上接着され、１つ以上の駆動電極が形成された複数個の矩形型圧電素子と、複数個の矩形型圧電素子を保持するケースからなる超音波モータであり、複数個の矩形型圧電素子の中で少なくとも１個の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧は、他の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧と位相が異なることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
複数個の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧は、全て位相が異なることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
【請求項３】
一側面に摺動チップが１個以上接着され、１つ以上の駆動電極が形成された複数個の矩形型圧電素子と、複数個の矩形型圧電素子を保持するケースからなる超音波モータにおいて、複数個の矩形型圧電素子の中で少なくとも１個の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧は、他の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧と異なる位相の電圧であ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、半導体やバイオ分野、光学分野において、精密な移動精度を要する半導体製造・検査装置や光学装置に使用される高精度位置決めを要する超音波モータ及び超音波モータの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、サブミクロン単位の精密な移動精度を要する磁気ヘッド検査装置や半導体分野及び光学分野の検査装置において、超音波モータにより被駆動体に推力を加え、被駆動体を目標位置に微小位置決めすることが可能な位置決め装置が数多く使用されている。
【０００３】
たとえば、特許文献１には主面が正方形で一定の厚さを有する圧電素子を用い、その一側面に摺動部材が設けられ、この摺動部材にスライダ（被駆動体）が当接している超音波モータ装置が示されている。この圧電素子は片面が２分割した駆動電極で形成され、この面と反対側の面は共通電極で形成されていて、共通電極は接地電位に保持されている。そして、２分割した駆動電極の片方の電極に正弦波等の電圧が印加される（他方の電極は開放状態）ことによって圧電素子が駆動し、圧電素子の側面に取り付けた摺動部材の先端部が楕円運動する。この超音波モータ装置の駆動によりスライダ（被駆動体）が目標位置に移動している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−３３７８８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のように１つの圧電素子からなる超音波モータの駆動により被駆動体が目標位置に移動することも可能であるが、被駆動体に加わる推力を大きくするために複数個の圧電素子からなる１つの超音波モータにて駆動することも行われている。しかし、圧電素子からなる超音波モータにより被駆動体を移動させる場合に、圧電素子の駆動電極に印加する駆動電圧に同期した速度むらが発生し、被駆動体を一定の速度で移動させる等速性能が劣化する問題があった。又、超音波モータにより被駆動体に加わる推力と反対方向から被駆動体を保持するためのバネや重力等の外力が働いている場合、この状態で超音波モータを駆動して被駆動体を微小に移動させようとすると、バネや重力等の外力の影響により反対方向に動いてしまったり、順方向に動いた場合でも目標値以上に動いてしまう問題もあった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、複数個の圧電素子からなる超音波モータにより被駆動体を移動させる場合において、被駆動体と超音波モータの摩擦力の変動に起因する速度むらが生じることを防ぎ、且つバネや重力等の外力の影響により反対方向に動いてしまったり、順方向に動いた場合でも目標値以上に動いてしまうことも防ぐことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明は、一側面に摺動チップが１個以上接着され、１つ以上の駆動電極が形成された複数個の矩形型圧電素子と、複数個の矩形型圧電素子を保持するケースからなる超音波モータであり、複数個の矩形型圧電素子の中で少なくとも１個の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧は、他の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧と位相が異なることを特徴としている。
【０００８】
このように複数個の圧電素子からなる１つの超音波モータの各圧電素子に印加する電圧信号の位相を変えることによって、一度に全ての圧電素子の摺動チップ先端部と被駆動体が接触せずに離間してしまう瞬間を発生させないように、常に何れかの圧電素子の摺動チップ先端部が被駆動体に接触している状態を作り出し、超音波モータと被駆動体との摩擦駆動における摩擦力の変動を小さくすることができる。
【０００９】
又、好適には、複数個の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧は、全て位相が異なることを特徴としている。
【００１０】
このことにより、複数個の圧電素子の内、少なくとも１個の圧電素子の先端部が被駆動体に接触していることになり、超音波モータと被駆動体との摩擦駆動における摩擦力の変動を小さくすることができるだけでなく、被駆動体の端部にバネが接続されていたり、被駆動体が重力等の外部から力が加わっている場合においても、これら外力の影響を大きく軽減できるのでスムーズに駆動することが可能になる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、複数個の圧電素子からなる超音波モータ等のハードウェア構造を変えることなく、簡単に超音波モータの摩擦力の変動を小さくすることができる、そして一定速度で超音波モータが被駆動体を移動させることが可能となり、被駆動体がバネ、重力等の外力の影響が有る場合においてもスムーズに駆動することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１ａ】本発明に係る超音波モータの一例と被駆動体を示す概略図である。
【図１ｂ】本発明に係る超音波モータの一例を示す概略図である。
【図２ａ】本発明に係る超音波モータの別の一例と被駆動体を示す概略図である。
【図２ｂ】本発明に係る超音波モータの別の一例を示す概略図である。
【図３】本発明に係る超音波モータの一例の動作説明図である。
【図４】本発明に係る超音波モータの別の一例の動作説明図である。
【図５】本発明に係る超音波モータの一例の位置−時間、速度−時間を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１ａは本発明に係る超音波モータの一例と被駆動体を示す概略図である。図１ｂは本発明に係る超音波モータの一例を示す概略図である。図１ａと図１ｂにて本発明の特徴を説明する。
【００１４】
本発明の超音波モータ１は２個以上の矩形型の形状をした圧電素子（矩形型圧電素子４）を内部ケース５の内部に一定の空間を空けて配列するように組み込んでいる。矩形型圧電素子４は主面の片方の面に１つ以上の駆動電極が形成されている。矩形型圧電素子４は主面の他方の面は共通電極であり、接地電位に保持されている。矩形型圧電素子４の側面２には摺動チップ３がエポキシ系樹脂接着剤により接着されている。ここで、矩形型圧電素子４と摺動チップ３が強固に接着されるにはできれば接着強度の大きいエポキシ系樹脂接着剤を使用することが好ましい。又、摺動チップ２は被駆動体７との接触によって磨耗粉が発生するのを防ぐためにアルミナ等の硬度の大きいセラミックスを使用することが好ましい。内部ケース５は外部ケース６の内部に組み込まれ、内部ケース５の背面と外部ケース６の間にある図示しないバネにより矩形型圧電素子４を組み込んだ内部ケース５は押圧されて摺動チップ３の先端部が被駆動体７に当接する。
【００１５】
矩形型圧電素子４の駆動電極に正弦波等の電圧信号を印加すると、矩形型圧電素子４が駆動して摺動チップ３の先端部が楕円運動する。このことにより、摺動チップ３の先端部に当接している被駆動体７が矩形型圧電素子４の駆動方向と同一方向に移動することになる。ここで、図面には図示していないが、駆動電極は図示しない交流電源と結線されている。図１ａ及び図１ｂでは超音波モータ１には２個の矩形型圧電素子４が組み込まれており、１個の矩形型圧電素子４に対して２倍の推力にて被駆動体７を移動させることができる。
【００１６】
次に本発明の超音波モータに関して別の一例を下記に示す。図２ａは本発明に係る超音波モータの別の一例と被駆動体を示す概略図である。図２ｂは本発明に係る超音波モータの別の一例を示す概略図である。図２ａと図２ｂの基本構造は図１ａ及び図１ｂと変わらないが、図１ａ及び図１ｂは超音波モータ１に２個の矩形型圧電素子４が組み込まれているのに対して、図２ａと図２ｂには超音波モータ１に３個の矩形型圧電素子４が組み込まれている。従って１個の矩形型圧電素子４に対して３倍の推力にて被駆動体７を移動させることができる。
【００１７】
図１ａ及び図１ｂの超音波モータ１のように２個の矩形型圧電素子４が組み込まれている場合における本発明の駆動方法について、下記に記載する。図３は本発明に係る超音波モータの一例の動作説明図であり、より具体的には２個の矩形型圧電素子における各々の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧信号の一例を示している。図３（ａ）は各々の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧信号の一例を示しており、圧電素子１では実線で示した正弦波の電圧信号を駆動電極に印加しているのに対して、圧電素子２で駆動電極に印加する点線で示している正弦波の電圧信号は、圧電素子１の駆動電極に印加する電圧信号から１８０°位相をずらした電圧信号である。図３（ｂ）は２個の矩形型圧電素子における各々の矩形型圧電素子の駆動電極に駆動信号を印加した際の変位波形を示す。図３（ｂ）で示すように圧電素子１の駆動電極に印加する電圧信号と圧電素子２の駆動電極に印加する電圧信号にて１８０°位相をずらすことにより、一方の圧電素子の先端部が被駆動体から離間していても他方の圧電素子の先端部が被駆動体に当接することになり、超音波モータが被駆動体に推力を常に加えることができるようになる。
【００１８】
次に図２ａ及び図２ｂの超音波モータ１のように３個の矩形型圧電素子４が組み込まれている場合における本発明の駆動方法について、下記に記載する。図４は本発明に係る超音波モータの一例の動作説明図であり、より具体的には３個の矩形型圧電素子における各々の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧信号の一例を示している。図４（ａ）は各々の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧信号の一例を示しており、圧電素子１では実線で示した正弦波の電圧信号を駆動電極に印加しているのに対して、圧電素子２で駆動電極に印加する点線で示している正弦波の電圧信号は、圧電素子１の駆動電極に印加する電圧信号から１２０°位相をずらした電圧信号である。そして、圧電素子３で駆動電極に印加する一点破線で示している正弦波の電圧信号は、圧電素子１の駆動電極に印加する電圧信号から２４０°位相をずらした電圧信号である。図４（ｂ）は３個の矩形型圧電素子における各々の矩形型圧電素子の駆動電極に駆動信号を印加した際の変位波形である。図４（ｂ）で示すように圧電素子１の駆動電極に印加する電圧信号と圧電素子２、圧電素子３の駆動電極に印加する電圧信号にて各々１２０°ずつ位相をずらすことにより、一方の圧電素子の先端部が被駆動体から離間していても他方の圧電素子の先端部が被駆動体に当接することになり、超音波モータが被駆動体に推力を常に加えることができるようになる。更に３個の矩形型圧電素子が組み込まれた超音波モータにおいて各々の圧電素子の駆動電極に印加する電圧信号の位相を１２０°ずつずらした場合は、２個の矩形型圧電素子が組み込まれた超音波モータにおいて各々の圧電素子の駆動電極に印加する電圧信号の位相を１８０°ずつずらした場合と比べて、一つの圧電素子の先端部が被駆動体から離間していても他の圧電素子の先端部が被駆動体に当接する推力がほぼ一定になる。
【００１９】
各々の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧信号に位相差があることによって、超音波モータが被駆動体を駆動する上で駆動効率が向上することを下記にて示す。図５は本発明に係る超音波モータの一例の位置−時間、速度−時間を示す説明図であり、具体的には図２ａ及び図２ｂの超音波モータ１のように３個の矩形型圧電素子４が組み込まれている超音波モータにより被駆動体を目標位置に移動させた実施例である。ここで、図５（ａ）は３個の矩形型圧電素子の駆動電極に全て同位相の正弦波の電圧信号を印加した場合である。そして図５（ｂ）は３個の矩形型圧電素子の内、２個の矩形型圧電素子の駆動電極に同位相の正弦波の電圧信号を印加して、残り１個の矩形型圧電素子の駆動電極に、他の矩形型圧電素子の駆動電極に印加した正弦波の電圧信号とは１８０°位相をずらした正弦波の電圧信号を印加した場合である。図５（ａ）の３個の矩形型圧電素子の駆動電極に全て同位相の正弦波の電圧信号を印加した場合は、超音波モータを目標位置に移動するまでに速度が速くなったり、遅くなったりを繰り返しており、安定した一定の速度で被駆動体を移動させられないので、被駆動体を目標位置に移動させるまでに時間が掛かってしまった。それに対して、２個の矩形型圧電素子の駆動電極に全て同位相の正弦波の電圧信号を印加して、１個の矩形型圧電素子の駆動電極に１８０°位相をずらした正弦波の電圧信号を印加した場合は、超音波モータを目標位置に移動するまでに時々速度が速くなったり、遅くなったりすることがあり、一定速度ではないものの、図５（ａ）の３個の矩形型圧電素子の駆動電極に全て同位相の正弦波の電圧信号を印加した場合よりも安定した速度で被駆動体を移動することができた。このように、図５（ｂ）では図５（ａ）よりも早い時間で被駆動体を目標位置に移動させることができている。
【００２０】
このように３個の矩形型圧電素子が組み込まれた超音波モータで、矩形型圧電素子の各々の駆動電極に印加する電圧信号を同位相とすると、速度が大きく変化して一定速度で被駆動体を移動させる等速性能が良くないことが分かる。一方、矩形型圧電素子の各々の駆動電極に印加する電圧信号の内、１個の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧信号を他の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧信号に対して１８０°位相をずらすと、摩擦力の変動が小さくなるために速度の変化が小さくなり等速性能が向上する。
【００２１】
図５の実施形態では、３個の矩形型圧電素子が組み込まれた超音波モータの内、矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧信号を同位相の場合と、１個の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧信号を他の矩形型圧電素子の駆動電極に印加する電圧信号に対して１８０°位相をずらした場合の例を示したが、更に等速性能を向上させたい場合は、各圧電素子の駆動電極に図４で示すように１２０°ずつ位相をずらした電圧信号を印加すれば良い。
【００２２】
超音波モータによって被駆動体に推力を加える始動段階に、大きな推力を必要とする場合は、始動時のみ各圧電素子の駆動電極に同位相の電圧信号を印加し、動き出した後に各圧電素子の駆動電極に印加する電圧信号の位相を変化させることもできる。又、各圧電素子の駆動電極に印加する電圧信号は、必ずしも全て異なる位相にする必要は無く、例えば４個の圧電素子で構成した超音波モータでは２個の圧電素子は同位相で、他の２個の圧電素子は位相を１８０°ずらした電圧信号を印加しても良い。この場合、等速性能は若干劣るが電圧信号を生成する回路を単純化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
半導体やバイオ分野、光学分野の内、移動制御対象として高精度位置決め、等速性能を実現するもの、例えば半導体や液晶露光装置のレチクルアライメント駆動用装置に使用可能である。
【符号の説明】
【００２４】
１  超音波モータ
２  側面
３  摺動チップ
４  矩形型圧電素子
５  内部ケース
６  外部ケース
７  被駆動体
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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