(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦部材を有する超音波モータと、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、予め上記超音波モータで上記可動体を可動させて測定した固有の駆動用指令信号及び上記摩擦部材の駆動面における振動速度の情報に基づいて、上記超音波モータ駆動中における上記駆動用指令信号を上記摩擦部材の振動速度に置換する置換部と、上記位置検出手段から得られる位置情報を基に算出する上記可動体の速度と、上記置換部で置換した上記振動速度とから伝達効率及び滑り量を算出する算出部とを有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】
上記超音波モータの摩擦駆動により可動体側の駆動面に作用する接線力を算出し、該接線力と上記算出部により得られた滑り量との積により摩擦仕事を算出する摩擦仕事算出部を有す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。
【請求項３】
上記摩擦仕事算出部により得られた摩擦仕事量が予め設定した規格値内にあるか否かを判定する判定部を有することを特徴とする請求項２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。
【請求項４】
上記判定部にて判定した結果に基づき、上記摩擦仕事量が予め設定した規格値内となるように、上記駆動制御部の制御パラメータをそれぞれ変更するパラメータ調整部を有することを特徴とする請求項３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５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、この案内装置は、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に対して平行に駆動力伝達部材５４が、ステージ５３の一方の側面には、上記駆動力伝達部材５４に対して平行にリニアスケール５６ａが設置され、該リニアスケール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、上記駆動力伝達部材５４と対向する位置には超音波モータ５５を設置し、超音波モータ５５の摩擦部材５５ａを上記駆動力伝達部材５４の駆動面に対して垂直に当接させてある。
【０００６】
なお、図中、５５ｄは圧電駆動部５５ｅを収容するケース、５５ｃは圧電駆動部５５ｅをステージ５３の駆動力伝達部材５４に当接させるためのバネや弾性体であり、５５ｂはベース基盤５１上に固定されたケース５５ｄ内に圧電駆動部５５ｅを保持するためのバネや弾性体である。
【０００７】
また、図６に図５の案内装置に用いる圧電駆動部５５ｅの詳細を示すように、圧電駆動部５５ｅは、圧電セラミック板５５ｆの一方の主面に４分割された電極膜５５ｇ，５５ｈ，５５ｉ、５５ｊを有し、対角に位置する電極膜５５ｇと電極膜５５ｉを結線するとともに、対角に位置する電極膜５５ｈと電極膜５ｊを結線し、かつ他方の主面には、ほぼ全面に電極膜（不図示）を形成してあり、上記圧電セラミック板５５ｆの端面に設けたセラミックスやガラスからなる摩擦部材５５ａとからなり、他方の主面に形成された電極膜をアースするとともに、一方の主面に形成された電極膜５５ｇと電極膜５５ｊにそれぞれ位相を異ならせた電圧を印加することにより、圧電セラミック板５５ｆに縦振動と横振動を発生させ、これらの振動の合力によって摩擦部材５５ａを楕円運動させるようになっていた。
【０００８】
そして、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へ駆動用指令信号を出力する、フィードバック制御を行っていた。なお、ＰＩＤ演算を行うための制御パラメータであるＰＩＤ項の決定は、移動中の位置偏差や位置決め精度が規格値を満足するように駆動させる前の実験により試行錯誤的に決定するようになっていた。
【０００９】
【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移動中の位置偏差や位置決めの精度と、装置の長寿命化、高信頼性化が望まれている。
【００１０】
ところが、図５に示す従来の案内装置のように、移動中の位置偏差や位置決め精度を見て制御パラメータであるＰＩＤ項を決定しただけでは、偏差が同じでも、超音波モータ５５の摩擦部材５５ａと駆動力伝達部材５４との駆動面間に滑りがなく駆動している場合と、超音波モータ５５の摩擦部材５５ａと駆動力伝達部材５４との駆動面間に滑りがある状態で駆動している場合があり、後者の場合、超音波モータの摩耗が増大し案内装置の寿命が極端に短くなるといった課題があった。
【００１１】
即ち、超音波モータ５５を用いた駆動は、摩擦駆動であるため、摩擦部材５５ａ及び駆動力伝達部材５４の双方の駆動面が変化し易く、この駆動面の変化によって駆動特性も変化し易いことから、駆動初期に駆動面間の滑りがなかったとしても経時変化により滑りが発生する場合があり、これにより摩耗が進行していた。特に駆動初期に滑りが起こってしまうと、摩擦部材５５ａや駆動力伝達部材５４の表面に大きな摩耗痕を発生させ、それが原因で駆動特性に影響を与えてしまう。また摩耗痕を基点として摩耗が加速度的に増加する場合もあった。
【００１２】
そこで、本件出願人は、図７に示すように超音波モータ５５の駆動中における摩擦部材５５ａの変位、速度、加速度時の位置情報を測定する非接触型測定手段７７を設け、この位置情報と位置検出手段５６の位置情報とから滑り量を算出する算出部５８を備え、滑り量が発生するような場合には超音波モータ５５の後端に設けた予圧調整部７８で予圧を変化させるようにした案内装置を先に提案している（特願平１１−１２０８５７号参照）。
【００１３】
また、本出願人は、図８に示すように超音波モータ５５の駆動中における摩擦部材５５aの変位、速度、加速度等の位置情報を測定する非接触型測定手段７７と、該非接触型測定手段７７からの位置情報と該位置検出手段５６からの位置情報より、摩擦部材５５aの滑り具合を算出する計測部７９を設けるとともに、予め設定した案内装置の重量と前記位置検出手段５６からの位置情報より得られた加速度を基に駆動面にかかる接線力を算出する算出部８９と、該計測部７９で測定した滑り量と、該算出部８９で算出した接線力を監視する監視部８０と摩擦仕事を監視する摩擦仕事算出部８１を設け、駆動面の摩耗状態をモニタリングすると共に、摩擦仕事算出部８１で算出された摩擦仕事が、予め設定した規格値内にあるか否かを判定する判定部９０を設け、判定部９０にて判定した結果に基づき、上記摩擦仕事算出部８１にて算出した摩擦仕事が規格値内となるように、駆動制御部５０の制御パラメータをそれぞれ変更するパラメータ調整部９１を設け、常に摩擦仕事が小さい状態で駆動させるようにし長寿命を得ることができ、さらには寿命を予測する案内装置を提案している（特願平２００２−７３０２４号公報参照）。
【００１４】
しかしながら、図７、８に示す従来の案内装置では、滑り量の特定に非接触型測定手段７７を装置に常時取り付けていなければならず、装置の構造が複雑化、大型化するといった問題があった。またこのために、コスト面での問題もあった。
【００１５】
そのため、省スペースを要求される精密測定装置、半導体製造工程における描画露光装置等において滑るのを判断するには、設計が困難となり図７、８に示す案内装置を用いる場合は設計上の制約があった。
【００１６】
【発明の目的】
本発明の目的は、装置を複雑化、大型化させることなく超音波モータの摩擦部材と駆動力伝達部材との駆動面での滑りを防ぎ長寿命を得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。
【００１７】
【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、摩擦部材を有する超音波モータと、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、予め上記超音波モータで上記可動体を可動させて測定した固有の駆動用指令信号及び上記摩擦部材の駆動面における振動速度の情報に基づいて、上記超音波モータ駆動中における上記駆動用指令信号を上記摩擦部材の振動速度に置換する置換部と、上記位置検出手段から得られる位置情報を基に算出する上記可動体の速度と上記置換部で置換した上記振動速度とから伝達効率及び滑り量を算出する算出部を有する超音波モータを可動体の駆動源とする案内装置としたことを特徴とする。
【００１８】
また上記超音波モータの摩擦駆動により可動体側の駆動面に作用する接線力を算出し、該接線力と上記算出部により得られた滑り量との積を算出する摩擦仕事算出部を有することを特徴とする。
【００１９】
更に上記摩擦仕事算出部により得られた摩擦仕事量が予め設定した規格値内にあるか否かを判定する判定部を有することを特徴とする。
【００２０】
また上記判定部にて判定した結果に基づき、上記摩擦仕事量が予め設定した規格値内となるように、上記駆動制御部の制御パラメータをそれぞれ変更するパラメータ調整部を有することを特徴とする。
【００２１】
【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。
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。
【００２２】
また、ステージ１３の一方の側面には、上記ガイド部材１２に対して平行に駆動力伝達部材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、上記駆動力伝達部材１４と対向する位置には超音波モータ１５を設置し、超音波モータの摩擦部材１５ａを上記駆動力伝達部材１４の駆動面１４ａに対して垂直に当接させてある。
【００２３】
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摩擦部材１５ａを楕円運動させ、摩擦部材１５ａと駆動力伝達部材１４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。以下ではＰＩＤ制御を用いた場合の実施例について説明する。
【００２４】
なお、図１に示す超音波モータ１５の構造及び取り付け構造は、従来技術で説明した図５，６の超音波モータ５５の構造及び取り付け構造と同一であるため、ここでは省略する。
【００２５】
また、この案内装置には、駆動制御部１０より出力される駆動用指令信号を、予め設定されたオープンループ制御での駆動用指令信号と振動速度との値を基に、超音波モータ１５の振動速度に演算する置換部１７を設けてある。
【００２６】
即ち、駆動用指令信号が、摩擦伝達を司る超音波モータ１５の摩擦部材１５ａの振動速度と強い相関を持つことを利用したもので、摩擦部材１５ａの振動速度を駆動用指令信号に置換して、駆動中においては図７に示すような非接触型測定手段７７を使用することなく駆動用指令信号で滑り量を監視できるようにしたものである。摩擦部材１５ａの振動速度と駆動用指令信号の関係は案内装置のガイド部材１２の摩擦抵抗やステージ１３の重量や超音波モータ５５の押圧力によって異なるため超音波モータ１５、ステージ１３固有のものとなる。
【００２７】
従って、図２の測定装置に示すように、案内装置の駆動開始前に、予め非接触測定手段２１を作動させて駆動制御部１０から出力される固有の駆動用指令信号と非接触型測定手段２１から得られる振動速度の関係を測定器２２にて測定し、この測定値を基準値とすればよい。
【００２８】
つまり、案内装置の駆動開始前に駆動面における振動速度と駆動用指令信号の値を取り、この基準値を基にして、駆動中はその相関関係を利用して駆動用指令信号のみで振動速度を得ることができ、この基準値を基にして伝達効率や滑り量の算出を行うものである。
【００２９】
なお、振動速度と駆動用指令信号の基準値は、一定の駆動用指令信号印可で駆動するオープン駆動にて測定すればよく、駆動用指令信号を任意に数点水準に取り、図３に示すように駆動用指令信号と振動速度の関係を得ることが必要となる。また図３に示すように駆動用指令信号と振動速度の基準値は加速時（三角印）、定速時、減速時（黒丸印）の速度形態で異なる為、加速時の速度領域と定速・減速の速度領域毎に区別することが重要である。即ち、加速域は慣性力の影響で定速や減速時よりも高い電圧が必要になる。よって、例えば、加速されているのか、減速か等の運転状態に応じて駆動用指令信号と振動速度の基準値を変えればよい。
【００３０】
この運転状態に応じた基準値の区分は台形制御やＳ字制御様々な速度波形によっても異なるので非接触型測定手段７７を用いた基準値設定時に駆動用指令信号と振動速度との値を見て区分の必要性を判断すればよく加速時と定速時が一致すれば、特に基準値を区分する必要はない。
一方、駆動用指令信号と振動速度の基準値が異なる場合には各速度領域毎に区分を細分化する等の対応をすればよい。そして基準値をとった後は非接触型測定手段２１、測定器２２を取り外せばよい。
【００３１】
駆動用指令信号と振動速度の基準値があれば駆動中は運転状態の基準値を基にして駆動用指令信号から振動速度に置換すればよい。
また、この案内装置には上記置換部１７で得た振動速度を基に、ステージ速度と比較し駆動力伝達部材１４への伝達効率または駆動力伝達部材１４の駆動面１４ａと摩擦部材１５ａの滑り量を算出する算出部１８を設けてあり、必要に応じて該算出部１８で測定した上記伝達効率または上記滑り量を時系列的に監視することができる。従って、この時点で伝達効率または上記滑り量をみて警告するような構成をとることもできる。これにより早期に寿命を把握させることも可能である。
【００３２】
なお、上記伝達効率の算出は以下の数式１で確認することができる。
Ｗ＝Ｂ／Ａ×１００（％）・・・・・数式１
ただしＷ：伝達効率
Ａ：駆動面における振動速度
Ｂ：位置検出手段からの位置情報
また、滑り量の算出は以下の数式２で確認することができる。
Ｌs＝（Ａ-Ｂ）×Ｔc・・・・・・・数式２
但し  Ｌs：滑り量
Ａ  ：駆動面における振動速度
Ｂ  ：位置検出手段からの検出速度
Ｔc  ：摩擦部材の接触時間
なお、上記伝達効率Ｗ及び滑り量Ｌｓはフィードバック制御時のおけるサーボループ間毎に算出すればよい。また、滑り量Ｌｓの算出に使用する接触時間Ｔｃは、駆動開始前に基準値の測定に用いた非接触型測定手段１７から得られる振動速度Ａの波形を基に、摩擦部材１５ａの振動速度が遅くなる部分に相当する時間を接触時間Ｔｃとし、駆動中においては基準値測定時に測定した接触時間Ｔｃをそのまま引用すればよい。
【００３３】
なお、接触時間Ｔｃにおいてもサーボループ間で判断すればよく、サーボループ間に楕円周期が複数回生じる場合はサーボループ間での接触時間Ｔｃを平均化した値を用いればよい。
【００３４】
このように駆動開始前に基準値を測定してしまえば、それ以降は駆動用指令信号のみの測定で振動速度に置換し伝達効率及び滑り量Ｌｓが把握できるため、駆動中は従来のような非接触測定手段２０を設置する必要がなくなり装置を小型化できる。
【００３５】
また、この案内装置には、予め設定したステージ重量ｍと前記位置検出手段１６からの位置情報より得られた加速度を基に、摩擦部材１５ａと駆動力伝達部材１４との駆動面にかかる接線力を算出し、この接線力と上記置換部１７で測定された滑り量との積により摩擦仕事を算出する摩擦仕事算出部２４を備えている。
【００３６】
即ち、摩擦部材１５ａと駆動力伝達部材１４との駆動面の滑り量と、その駆動面にかかっている駆動面の過酷さを接線力として表し、これらで算出する摩擦仕事を滑り量及び伝達効率と同時に監視するようにしても良い。これは滑り量が一定でも駆動面の受ける動的な接線力が異なると摩耗が変わる場合を考慮したものであり、駆動面の摩耗は滑り量だけではない接線力も含めた総合的なパラメータとして把握できるので、伝達効率や滑り量だけの監視よりもより精度良く摩耗のモニタリングが可能となる。さらに、図４の摩擦仕事と摩耗量（摩擦体積）との関係からもわかるように、滑り量と接線力の積（摩擦仕事）は摩耗と比例関係にあることから、摩擦仕事を監視すれば摩耗量を把握することもできる。
【００３７】
なお、摩擦仕事算出部２４で算出する摩擦仕事Ｗｆは以下の数式３で確認することができる。
Ｗf＝Ｌs×Ｆ・・・・・・・数式３
Ｆ＝ｍ×ａ
但し  Ｌs：滑り量
Ｆ  ：接線力
ｍ  ：ステージ重量
ａ  ：位置検出手段の位置情報から得られる結果を基に算出した加速度
また、摩耗量の計算方法としては滑り量Ｌｓ（ｍ）×接線力Ｆ（Ｎ）×摩耗定数（アルミナの場合３．５×１０―5）（ｍｍ3／Ｎｍ）として求めることができる。摩耗定数は予め行った試験により得た物で材料毎に異なるもので、滑り量Ｌｓ×接線力Ｆの摩擦仕事と摩耗量の比例関係から得られる比例定数にあたる。
【００３８】
このように駆動用指令信号のみの測定で得た滑り量Ｌsと、予め設定したステージ重量ｍと前記位置検出手段１６からの位置情報より得られた加速度ａを基に駆動面にかかる接線力Ｆを算出し、上記置換部１７で測定された滑り量Ｌｓとの積の摩擦仕事Ｗfを算出することで非接触測定手段２０を設置することなく摩耗量を把握することができる。
【００３９】
また、この案内装置には置換部１７、算出部１８、摩擦仕事算出部２４を経由して算出された摩擦仕事が規格値内にあるか否かを判定する判定部２０を設けてある。規格値とは摩擦仕事と摩耗体積との関係から判断するものであり、案内装置の要求されている摩耗量（寿命）に相当する摩擦仕事の値を任意に決定すればよい。
【００４０】
即ち、上記摩擦仕事算出部２４で算出された摩擦仕事は装置の寿命に大きく影響を与える因子であるから、摩擦仕事の悪化は装置の異常予告と判断しても良い。この判定部２０の結果を常に監視することで変化を察知できることは勿論、摩擦仕事の規格値を予め設定し、その規格値内に入るＰＩＤ領域まで把握しておけば、し規格値を満足するＰＩＤ定数の範囲がどのくらいの余裕度があるのか、またそれらが経時的にどのように変化していくかといった判断が出来るので、トラブルを未然に防ぐと共に改良への方向性が明確に判断できる。なお、摩擦仕事の規格値は案内装置の寿命の要求特性に応じて任意に決めればよい。図４に示す摩擦仕事と摩耗体積の関係を基により長寿命を要求される案内装置では規格値を低めに設定して駆動中の変化に対して敏感に反応するようにしておけばよい。
【００４１】
なお、判定部２０では摩擦仕事の判定だけでなく伝達効率、滑り量だけの判定も行うことも可能である。即ち、伝達効率、滑り量は摩擦仕事を算出するための重要な要素であるが、案内装置の寿命の要求が比較的緩い場合は、伝達効率、滑り量は案内装置の異常変化を察するには十分な監視項目であるから、これらのみで判定しても構わない。
【００４２】
また、この案内装置には、上記摩擦仕事算出部２４で算出された摩擦仕事が予め設定した規格値を超えたら規格値内となるように駆動制御部１０の制御パラメータをそれぞれ変更するパラメータ調整部２３を設けてある。なお、規格値とは判定部２０で用いたものが用いられる。
【００４３】
このように摩擦仕事が予め設定した規格値を超えたら、摩耗の増加を意味するから、前記判定部２０で得られた結果を基に、摩擦仕事が規格値内に入るＰＩＤ定数に変更すればよい。
【００４４】
なお、パラメータ調整部２３で摩擦仕事によるパラメータの変更例を示したがこれに限定されず、伝達効率、滑り量が予め設定した規定値を超えたら規格値内となるように駆動制御部１０の制御パラメータをそれぞれ変更するように構成しても良い。
【００４５】
また、伝達効率、滑り量、摩擦仕事が予め設定した規格値を満足できなくなったら、ＰＩＤ調整での対応はできなくなっていることを意味するため、結果的に異常摩耗する危険がある。よって案内装置のメンテナンスをするようにしてもよい。
【００４６】
かくして、本発明の案内装置を用いれば、超音波モータ１５の初期設定時に摩擦部材１５ａと駆動力伝達部材１４との駆動面に滑りのないＰＩＤ設定が出来ることは勿論、駆動中においては、従来のような非接触型測定手段７７を使用することなく伝達効率、滑り量から摩擦仕事を把握でき、長期駆動に伴って摩擦部材１５ａが摩耗して駆動面が滑るような場合でも、判定部にて判定した結果に基づき、上記摩擦仕事量が予め設定した規格値内となるように、上記駆動制御部の制御パラメータをそれぞれ変更するため、常に駆動面における滑り量や伝達効率、摩擦仕事が規格値を満足でき、耐摩耗状態で駆動させることができため、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。
【００４７】
また、摩擦仕事は駆動面の摩擦の過酷さを伝達効率や滑りよりも精度良く捉えられることができるのは勿論、使用する摩擦部材１５ａ毎の摩耗定数を使用すれば非接触型測定手段２１を使用することなく摩耗量も把握することが可能となる。
【００４８】
そのため、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特に省スペースを要求される案内装置おいて好適に用いることができる。
【００４９】
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。
【００５０】
また、本発明の案内装置に用いる超音波モータ１５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。
【００５１】
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。
【００５２】
【実施例】
ここで、図１に示す超音波モータ１５を可動体１３の駆動源とする案内装置を製作した。
【００５３】
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。
【００５４】
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摩擦部材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、摩擦部材１５ａが楕円運動するようにしたものを用いた。なお、摩擦部材１５ａの駆動面は、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。
【００５５】
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駆動力伝達部材１４を設置した。
【００５６】
そして駆動制御部１０，置換部１７，算出部１８、摩擦仕事算出部２４をそれぞれ接続し本発明の案内装置を製作した。
【００５７】
また、駆動開始前の基準値を測定するために非接触測定手段としてレーザードップラ振動計を超音波モータ１５の摩擦部材１５ａに対して垂直に設置し、オープンループ駆動にてステージ１３を駆動させ、その時の駆動用指令信号とレーザードップラ振動計から測定された摩擦部材の駆動面における振動速度との結果を基にして、駆動用指令信号を振動速度に置換するようにした。
【００５８】
また置換部１７で得られた位置検出手段から得られる位置情報を基に算出した上記可動体の速度と上記置換部で置換された上記振動速度とから算出部にて伝達効率及び滑り量を算出した。
さらに超音波モータ１５の摩擦駆動により可動体３側の駆動面に作用する接線力を算出し、該接線力と上記算出部１８により得られた滑り量との積を摩擦仕事値として算出するようにした。
（実施例１）
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０．０５Ｇ、最高速度１００ｍｍ／ｓの台形制御とし、ステージ１３の移動プロファイルを予め制御部１０に設定した後、サーボループ間の変化率を監視しながら偏差が１μｍ以内に収まるようにＰＩＤを決定して初期設定した。また、超音波モータ１５は４０ＫＨｚの周波数で駆動させ、その時の算出部１８から算出された伝達効率及び滑り量および摩擦仕事算出部２４の結果を監視できるようにした。また伝達効率及び滑り量は加速時、定速時・減速時のそれぞれの２０サーボループ分の平均値と、その範囲内でのばらつきを表した。
【００５９】
ここでは置換部１７にて置換する場合の駆動用指令信号と振動速度の基準値は、定速時と減速時と同じであったため区分せず統一した。それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００６０】
【表１】
0003964256.tif 000002
【００６１】
この結果、算出部１７で算出した伝達効率、滑り量及び摩擦仕事算出部２４で算出した摩擦仕事はレーザードップラ振動計で実測した値を使って算出した場合と比較してばらつきが若干あるものの絶対値はほぼ一致していることがわかる。駆動制御部１０からの駆動用指令信号を摩擦部材１５ａの駆動面における振動速度に置換したものであっても実測に匹敵する値を示している。
【００６２】
ここで伝達効率および滑り量、摩擦仕事のばらつきが大きいのはサーボループ間の平均値を用いているためであり、精度良く測定するにはサーボループを短くした状態で制御しサーボループ間における摩擦部材の振幅数が少ない条件で駆動させればよい。
【００６３】
この結果、駆動中においてはレーザードップラ振動計等のような非接触測定手段７７を用いることなく、摩擦部材１５ａの駆動面における滑り状態を定量的に把握できる案内装置を提供できる。
（実施例２）
実施例１で用いた案内装置に判定部２０とパラメータ調整部２３を設けた案内装置を製作した。
判定部２０及びパラメータ調整部２３を持たない従来の案内装置を用意し、最高速度１００ｍｍ／ｓとし、その他は実施例１と同様の条件にてステージ１３を１０００ｋｍ駆動させたときの摩擦仕事と摩耗量を調べる実験を行った。
この結果、従来の案内装置は、ステージの駆動距離が５００ｋｍの時点で滑り量が上昇し摩擦仕事は最大値で２５０Ｎｍまで上昇した。
【００６４】
これに対し、本発明の案内装置は、ステージを１０００ｋｍ駆動させても滑り量は一定で、摩擦仕事も１２０Ｎｍで安定し、ステージ１３を駆動した後の摩耗量は、従来の案内装置の摩耗量に対して１／５以下とすることができた。この結果、判定部、パラメータ調整部を備えた本発明の案内装置を用いれば寿命を大幅に向上させることができることが分かる。
【００６５】
更に、摩擦仕事に摩擦部材１５ａに使用したアルミナセラミックの摩耗定数をかけて摩耗量を予測したところ、試験後の摩耗の測定値と予測した摩耗量の値はほぼ一致した。よって非接触測定手段２１を使用することなく摩耗量も把握できさらには予測もできることも確認した。
【００６６】
また、実施例２では比較的厳しい駆動条件で駆動させたため伝達効率が８０％の場合もあったが、伝達効率が９５％程度の駆動の場合でもパラメータ調整部２３を用いたものは用いないものに比べ摩耗量は１／３程度変化しており、滑り量の把握と滑り量の低減の重要性が高いこともわかっている。
【００６７】
この滑り量に対し常に非接触測定手段７７を用いることなく滑り量を把握できることは有用であり省スペースが要求される精密測定装置、半導体製造工程における描画露光装置等においても、装置が大型化することがなくまたコスト面でも大きな低減が可能となる。また滑り量を利用して摩擦仕事を監視項目に入れることで伝達効率、滑り量よりも精度の高い摩耗の把握が可能で、さらには摩耗量も予測できる。
【００６８】
【発明の効果】
以上のように、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、予め上記超音波モータで、上記可動体を可動させて測定した固有の駆動用指令信号及び上記摩擦部材の駆動面における振動速度の情報に基づいて、上記超音波モータ駆動中における上記駆動用指令信号を上記摩擦部材の振動速度に置換する置換部と、上記位置検出手段から得られる位置情報を基に算出される上記可動体の速度と上記置換部で置換された上記振動速度とから伝達効率及び滑り量を算出する算出部を有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を構成したことにより駆動開始前に基準値を測定してしまえば、装置を大型化させることなく伝達効率及び滑り量を把握できさらには上記超音波モータの摩擦駆動により可動体側の駆動面に作用する接線力を算出し、該接線力と上記算出部により得られた滑り量との積を算出する摩擦仕事算出部を有したことにより、摩擦部材の摩耗を精度良くモニタリングでき摩耗量も把握できる装置を提供できるものである。
【００６９】
また、摩擦仕事算出部で算出された摩擦仕事が、予め設定した規格値内にあるか否かを判定する判定部を設け、さらには上記判定部にて判定した結果に基づき、上記摩擦仕事が予め設定した規格値内となるように駆動制御部の制御パラメータをそれぞれ変更するパラメータ調整部を設けたことで、常に滑り量が少なく伝達効率がよいところで駆動させることができため、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。
【００７０】
そのため、本発明の案内装置は装置を複雑化、大型化させることなく超音波モータの摩擦部材と駆動力伝達部材との駆動面での滑りを防ぎ長寿命を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。
【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ブロック図である。
【図２】駆動開始前に基準値をとるための案内装置の一例を示すブロック図である。
【図３】図１の実験において、ステージをオープン駆動させた時の駆動用指令信号と振動速度の関係を示すグラフである。
【図４】摩擦仕事と摩耗量の関係を示すグラフである。
【図５】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ブロック図である。
【図６】図５に示す超音波モータ１５の詳細を示す図である。
【図７】従来の超音波モータを可動体の駆動源とする案内装置を示すブロック図である。
【図８】従来の他の超音波モータを可動体の駆動源とする案内装置を示すブロック図である。
【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    ：駆動力伝達部材
１５，５５    ：超音波モータ
１５ａ，５５ａ：摩擦部材
１５ｂ，５５ｂ：弾性体
１５ｃ、５５ｃ：弾性体
１５ｄ，５５ｄ：ケース
１５ｅ，５５ｅ：圧電駆動部
５５ｆ        ：圧電セラミック板
５５ｇ〜５５ｊ：電極膜
１６，５６    ：位置検出手段
１６ａ，５６ａ：リニアスケール
１６ｂ，５６ｂ：検出ヘッド
５５ｃ        ：ばね
７７、２１    ：非接触型測定手段
７８          ：予圧調整部
１７          ：置換部
１８、５８    ：算出部
２０、９０    ：判定部
２２          ：測定部
２３          ：パラメータ調整部
２４          ：摩擦仕事算出部
【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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