(57)【要約】【課題】超音波モータの始動トルクを小さくすることができ、指定位置を何度も往復する不具合を防止できる超音波モータ、その制御装置および制御方法を提供する。【解決手段】被駆動体１０７の位置制御に用いられる超音波モータ１００であって、被駆動体１０７を摩擦駆動する圧電素子１０４と、可変の押圧力で圧電素子１０４を被駆動体１０７側へ押圧する可変与圧機構１５５とを備える。これにより、超音波モータ１００への駆動制御が微動である場合には、与圧を小さくするように制御できる。その結果、超音波モータ１００の始動トルクを小さくすることができ、指定位置を何度も往復する不具合を防止できる。その結果、位置決めの精度を向上させ、短時間の位置決めを可能にする。【選択図】図２
2012120266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被駆動体の位置制御に用いられる超音波モータであって、
被駆動体を摩擦駆動する圧電素子と、
可変の押圧力で前記圧電素子を被駆動体側へ押圧する可変予圧機構と、を備えることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
複数の前記圧電素子を備え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】
被駆動体の位置制御に用いられる超音波モータの制御装置であって、
請求項１または請求項２記載の超音波モータに対して前記圧電素子の駆動制御および前記可変予圧機構の予圧制御を行うコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記超音波モータへの駆動制御が微動か否かを判定し、微動と判定したときには前記可変予圧機構による押圧力を小さくすることを特徴とする超音波モータの制御装置。
【請求項４】
被駆動体の位置制御のための超音波モータの制御方法であって、
請求項１または請求項２記載の超音波モータへの駆動制御が微動か否かを判定し、微動と判定したときには前記可変予圧機構による押圧力を小さくすることを特徴とする超音波モータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被駆動体の位置制御に用いられる超音波モータ、その制御装置および制御方法に関する。
【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および光学分野の検査装置において、超音波モータの振動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た超音波モータ装置が示されている。その超音波モータ装置の一側面には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。圧電素子の片面には、２分割した駆動電極が形成されており、この面と反対側の面は共通電極で形成され、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号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載のように摩擦駆動により被駆動体を目標位置に移動させる超音波モータには、始動時に一定以上の電圧を印加するまで駆動することができない不感帯が存在する。このため、始動時や超音波モータの駆動方向を反転させた直後において、暫く時間を経過した後でなければ超音波モータが駆動しない。その結果、遅れが生じるばかりでなく、始動時のトルクが大きすぎることにより目標位置をオーバーしてしまうなどの追従性能が低下する。
【０００６】
図５は、従来の超音波モータの駆動電圧に対する動作速度を示すグラフである。図５に示すように、印加電圧が最低駆動電圧Ｖ０になるとνｍｉｎの速度で超音波モータが駆動し始め、その後は印加電圧の大きさに比例して超音波モータの速度が速くなる。また、不感帯では超音波モータの速度が０なのに対して、不感帯以外（図５の矢印で示す範囲）ではνｍｉｎ以上の速度で各方向へ駆動する。
【０００７】
なお、図５では、圧電素子への印加電圧が−ＶからＶに変化すると、その速度は−νｍａｘからνｍａｘへ変化している。これは説明を容易にするために示した関係であり、実際には、圧電素子に交流の電圧信号を印加し、駆動方向の切り替えは切替信号で行っている。図５に示す印加電圧は、実際には切替信号による駆動方向の正負と圧電素子に印加する交流信号の振幅とを乗算したものである。
【０００８】
特許文献１記載の超音波モータは１つの圧電素子からなるが、複数の圧電素子からなる超音波モータを駆動すれば被駆動体に加わる推力を大きくすることができる。しかし、超音波モータを構成する圧電素子の数に応じて、トルクおよび速度の特性が異なる。図６は、Ｖ０を印加したときの、圧電素子の数に対するトルクおよび速度を示す図である。Ｖ０は、起動に最低限必要な駆動電圧である。図６に示すように、速度０における（すなわち起動時）のトルクは、概ね圧電素子の数に比例して増大する。
【０００９】
複数の圧電素子からなる超音波モータでは、起動時のトルクが大きくなる。図７は、従来の超音波モータの動作を示す図である。図７に示すように、被駆動体をある指定位置に移動する場合に、起動時のトルクが大きいと、起動時／反転時の移動距離が大きくなる。その結果、被駆動体は指定位置を何度も往復し、位置決めの精度不良や遅れが生じる。特に駆動されるものが軽量である場合には、このような現象が顕著である。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、超音波モータの始動トルクを小さくすることができ、指定位置を何度も往復する不具合を防止できる超音波モータ、その制御装置および制御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】
【００１１】
（１）上記の目的を達成するため、本発明の超音波モータは、被駆動体の位置制御に用いられる超音波モータであって、被駆動体を摩擦駆動する圧電素子と、可変の押圧力で前記圧電素子を被駆動体側へ押圧する可変与圧機構とを備えることを特徴としている。
【００１２】
これにより、超音波モータへの駆動制御が微動である場合には、与圧を小さくするように制御できる。その結果、超音波モータの始動トルクを小さくすることができ、指定位置を何度も往復する不具合を防止できる。その結果、位置決めの精度を向上させ、短時間の位置決めを可能にする。
【００１３】
（２）また、本発明の超音波モータは、複数の前記圧電素子を備えることを特徴としている。特に、複数の圧電素子を備える超音波モータでは、微動制御時のトルクが大きくなるため、与圧を小さくする制御により始動トルクを小さくする効果が大きい。
【００１４】
（３）また、本発明の超音波モータは、被駆動体の位置制御に用いられる超音波モータの制御装置であって、上記の超音波モータに対して前記圧電素子の駆動制御および前記可変与圧機構の与圧制御を行うコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記超音波モータへの駆動制御が微動か否かを判定し、微動と判定したときには前記可変与圧機構による押圧力を小さくすることを特徴としている。
【００１５】
このように、本発明の超音波モータの制御装置は、超音波モータへの駆動制御が微動である場合に、可変与圧機構による押圧力を小さくすることで、超音波モータの始動トルクを小さくすることができる。
【００１６】
（４）また、本発明の超音波モータは、被駆動体の位置制御のための超音波モータの制御方法であって、上記の超音波モータへの駆動制御が微動か否かを判定し、微動と判定したときには前記可変与圧機構による押圧力を小さくすることを特徴としている。このように、超音波モータへの駆動制御が微動である場合に、可変与圧機構による押圧力を小さくすることで、超音波モータの始動トルクを小さくすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、超音波モータの始動トルクを小さくすることができ、指定位置を何度も往復する不具合を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）、（ｂ）第１実施形態に係る超音波モータの一例を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る超音波モータを用いた位置決め装置の一例を示す概略図である。
【図３】第１実施形態に係る超音波モータを用いた位置決め装置の一例を示すブロック図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）第２実施形態に係る超音波モータの一例を示す斜視図である。
【図５】従来の超音波モータの駆動電圧に対する動作速度を示す図である。
【図６】Ｖ０を印加したときの、圧電素子の数に対するトルクおよび速度を示す図である。
【図７】従来の超音波モータの動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２０】
［第１実施形態］
図１（ａ）、（ｂ）は、超音波モータ１００の一例を示す斜視図である。図１（ａ）は、単独の超音波モータ１００を示し、図１（ｂ）は、超音波モータ１００が被駆動体１０７との接触した状態を示している。
【００２１】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、超音波モータ１００は、２個の矩形型の形状をした圧電素子１０４を内部ケース１１０の内部に組み込んでいる。各圧電素子１０４は、一定の空間を空けて配列している。このような構成により、超音波モータ１００は、１個の圧電素子１０４の２倍の推力で被駆動体１０７を移動させることができる。一方、複数の圧電素子１０４を備える超音波モータ１００では、微動制御時のトルクが大きくなるため、始動トルクを小さくする効果は大きくなる。
【００２２】
圧電素子１０４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。主面の他方の面には共通電極が形成されており、共通電極は接地電位に保持されている。駆動電極は図示しない交流電源と結線されている。駆動電極に交流電圧が印加されると、所定モードの振動が励起され、圧電素子１０４の側面１０２は楕円軌道で振動する。
【００２３】
圧電素子１０４の側面１０２には、摺動チップ１０３が接着されている。楕円軌道を描く摺動チップ１０３の先端部が被駆動体１０７に当接することで被駆動体１０７が摩擦駆動される。摺動チップ１０３は、たとえばエポキシ系樹脂接着剤により接着されている。圧電素子１０４と摺動チップ１０３とが強固に接着されるには、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。また、摺動チップ１０３には、被駆動体１０７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。
【００２４】
内部ケース１１０は、外部ケース１２０の内部に組み込まれている。内部ケース１１０は、内部ケース１１０の背面と外部ケース１２０の間にある図示しない与圧機構１５４により押圧されて摺動チップ１０３の先端部は被駆動体１０７に当接する。
【００２５】
圧電素子１０４の駆動電極に正弦波等の電圧信号が印加されると、圧電素子１０４が駆動して摺動チップ１０３の先端部が楕円運動する。これにより、摺動チップ１０３の先端部に当接している被駆動体１０７が圧電素子１０４の駆動方向と同一方向に移動する。
【００２６】
なお、図示しない与圧機構のうち少なくとも１つは、与圧を可変できる可変与圧機構１５５であり、コントローラからの信号によって、与圧をコントロールすることができる。可変与圧機構１５５は、たとえば圧電素子（ポジショナ）で構成できる。なお、与圧機構１５４は、コイルバネで構成できる。
【００２７】
このように、可変与圧機構１５５は、可変の押圧力で圧電素子１０４を被駆動体１０７側へ押圧する。これにより、超音波モータ１００への駆動制御が微動である場合には、与圧を小さくするように制御できる。その結果、超音波モータ１００の始動トルクを小さくすることができ、指定位置を何度も往復する不具合を防止できる。そして、位置決めの精度を向上させ、短時間の位置決めを可能にする。
【００２８】
図２は、超音波モータ１００による位置決め装置１５０の一例を示す概略図である。位置決め装置１５０は、超音波モータ１００の可変与圧機構１５５を用いて精密位置決めを行う。超音波モータ１００を設置した駆動機構１５９は、ガイドレール１０８上で被駆動体１０７を目標位置まで移動させる。
【００２９】
具体的には、圧電素子１０４の駆動電極に正弦波等の電圧信号を印加すると、圧電素子１０４が駆動して摺動チップ１０３の先端部が楕円運動し、摺動チップ１０３の先端部に当接している被駆動体１０７が圧電素子１０４の駆動方向と同一方向に移動する。可変与圧機構１５５は、被駆動体１０７に向かう方向（図中の上向き矢印の方向）に動くことで与圧をかけ、その逆方向に動くことで与圧を解除する。このような動作で個々の圧電素子１０４への与圧をコントロールする。
【００３０】
次に、位置決め装置１５０の機能的構成を説明する。図３は、超音波モータ１００を用いた位置決め装置１５０の一例を示すブロック図である。超音波モータ１００は、被駆動体１０７の位置制御に用いられる。位置決め装置１５０は、超音波モータ１００を備えており、その制御装置１５８として、コントローラ１６０およびドライバ１７０を備えている。
【００３１】
コントローラ１６０は、超音波モータ１００への駆動制御が微動か否かを判定し（微動／粗動の判定）、微動と判定したときには可変与圧機構１５５による押圧力を小さくする。このようにして、超音波モータ１００の始動トルクを小さくすることができる。そして、その後、微動から粗動に変化した時には、可変与圧機構１５５による押圧力を大きくする。
【００３２】
コントローラ１６０は、図示しない位置センサにより、被駆動体１０７を移動させる目的位置と現在位置との差を検出し、目的位置へ到達すべき時間を参照して、印加電圧としての制御量を算出する。微動／粗動の判定においては、算出された印加電圧が低ければ、微動、高ければ粗動と判断する。
【００３３】
ドライバ１７０は、コントローラ１６０より制御信号を受けてモータの駆動電圧Ｖを発生させる。可変与圧機構１５５は、コントローラ１６０より微動であることを伝える信号を受けて圧電素子１０４への与圧を弱める。または、与圧を無くしてもよい。
【００３４】
この構成により、微動すべき場合においては、少なくとも１つ以上ある可変与圧機構１５５の与圧を弱めて圧電素子１０４を駆動することができる。また、圧電素子１０４の被駆動体１０７への接触を離すことで与圧を無くしてもよい。このようにして、超音波モータ１００による起動時のトルクを小さくでき、微動性を向上させて、指定位置を何度も往復するといった不具合を防止できる。また、位置決め精度を向上し、短時間の位置決めを可能にする。
【００３５】
［第２実施形態］
上記の実施形態では超音波モータ１００が２つの圧電素子１０４を備えているが、３つの圧電素子１０４を備えていてもよい。図４（ａ）、（ｂ）は、超音波モータ２００の一例を示す斜視図である。図４（ａ）は、単独の超音波モータ２００を示し、図４（ｂ）は、超音波モータ２００が被駆動体１０７との接触した状態を示している。圧電素子１０９が組み込まれた内部ケース２１０は、さらに外部ケース２２０の内部に組み込まれている。内部ケース２１０は、内部ケース２１０の背面と外部ケース２２０の間にある図示しない与圧機構により押圧されて摺動チップ１０３の先端部は被駆動体１０７に当接する。
【００３６】
基本構造において超音波モータ２００は超音波モータ１００と変わらないが、超音波モータ１００に２個の圧電素子１０４が組み込まれているのに対して、超音波モータ２００に３個の圧電素子１０４が組み込まれている。したがって、１個の圧電素子１０４に対して３倍の推力にて被駆動体１０７を移動させることができる。また図示しない与圧機構のうち少なくとも１つは、与圧を可変することができる可変与圧機構であり、コントローラからの信号によって、与圧をコントロールすることができる。なお、圧電素子の数は２つ、または３つに限られない。
【符号の説明】
【００３７】
１００  超音波モータ
１０２  側面
１０３  摺動チップ
１０４  圧電素子
１０７  被駆動体
１０８  ガイドレール
１１０  内部ケース
１２０  外部ケース
１５０  位置決め装置
１５４  与圧機構
１５５  可変与圧機構
１５８  制御装置
１５９  駆動機構
１６０  コントローラ
１７０  ドライバ
２００  超音波モータ
２１０  内部ケース
２２０  外部ケース
【図１】
2012120266.tif 000003
【図２】
2012120266.tif 000004
【図３】
2012120266.tif 000005
【図４】
2012120266.tif 000006
【図５】
2012120266.tif 000007
【図６】
2012120266.tif 000008
【図７】
2012120266.tif 000009