(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、該超音波モータの摩擦部材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、上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、上記超音波モータの摩擦部材の滑り量を算出する滑り量計測部及び上記超音波モータと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する接線力計測部を具備し、上記滑り量計測部で算出された滑り量及び上記接線力計測部で算出された接線力の双方をモニタリングするための監視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】
摩擦部材を有する超音波モータと、該超音波モータの摩擦部材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、上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、上記超音波モータの摩擦部材の滑り量を算出する滑り量計測部、上記超音波モータと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する接線力計測部、及び、上記滑り量計測部で算出された滑り量と、上記接線力計測部で算出された接線力との積を算出する摩擦仕事量計測部を具備し、上記積の値をモニタリングするための監視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３】
上記摩擦仕事量計測部で算出された上記積の値である摩擦仕事量が、予め設定した摩擦仕事量のしきい値内にあるか否かを判定する判定部を有し、上記判定部にて判定した結果に基づき、上記摩擦仕事量計測部より得られる摩擦仕事量がそのしきい値内となるように、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】
上記超音波モータの駆動中における摩擦部材の変位、速度、加速度等の位置情報は非接触型測定手段によって測定することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか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５】
上記滑り量計測部は、上記超音波モータの駆動中における摩擦部材の変位、速度、加速度等の位置情報と、上記位置検出手段からの位置情報を基に以下の数式１により算出することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか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。
(数式１)
Ｌｓ＝（Ａ−Ｂ）×Ｔｃ
但し、Ｌｓ：超音波モータの摩擦部材の滑り量
Ａ：非接触型測定手段から得られる超音波モータの摩擦部材の振動速度
Ｂ：位置検出手段から得られるステージの移動速度
Ｔｃ：超音波モータの摩擦部材の接触時間
【請求項６】
上記パラメータ調整部で変更された制御パラメータを用いて駆動制御部が駆動した場合、摩擦仕事量が前記予め設定したしきい値を超えた場合に装置内に異常が発生したことを告知する警告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、位置決め精度だけでなく、可動体の駆動中においても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の他方の側面には、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、このリニアスケール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の当接面に対して垂直に当接させてある。
【０００６】
なお、図中、５５ｄは超音波モータ５５を収容するケース、５５ｃは超音波モータ５５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、５５ｂはケース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】
この超音波モータ５５は、楕円振動を発生させる圧電駆動部５５ｅと、この圧電駆動部５５ｅに備えるセラミックスやガラスからなる摩擦部材５５ａとからなり、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５５ｊを結線し、かつ他方の主面には、ほぼ全面に共通電極膜（不図示）を形成してあり、共通電極膜をアースするとともに、電極膜５５ｉ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ようになっていた。なお、ＰＩＤ演算を行うための制御パラメータであるＰ項、Ｉ項、Ｄ項の決定は、実駆動させる前にステージ５３の移動中における位置偏差や位置決め精度が規格を満足するように実験により試行錯誤的に決定するようになっていた。
【０００９】
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精度と、案内装置の長寿命化、高信頼性化が望まれている。
【００１０】
しかしながら、超音波モータ５５を用いた駆動は摩擦駆動であるため、超音波モータ５５の摩擦部材５５ａとステージ５３の駆動力伝達部材５４との間に滑りが発生し易く、この滑りによってステージ５３の高精度な位置決めが困難になるとともに、両者の接触状態が変化するために異常摩耗が発生するといった課題があった。
【００１１】
そこで、超音波モータ５５とステージ５３との間の滑りを監視して制御に反映させた案内装置が提案されている。
【００１２】
例えば、特開２０００−３０８９３９公報に開示された案内装置は、図６に示すように、超音波モータ５５に予圧を与えるバネ（図５の５５ｃ）に代えて電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータ等の予圧調整部６１を用いるとともに、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レーザー変位測定機等の非接触型測定手段６２を設け、非接触型測定手段６２からの位置情報と位置検出手段５６からの位置情報を基に滑り量計測部６３にて超音波モータ５５とステージ５３との間の滑り量を算出し、この滑り量に応じて予圧調整部６１を駆動させることにより、超音波モータ５５のステージ５３への押圧力を調整するようになっていた。
【００１３】
また、本件出願人は、図７に示すような案内装置も先に提案している（特願２００１−１３６７３９）。この案内装置は、駆動制御部５０より出力される駆動用指令信号のサーボループ間の変化率と位置偏差をそれぞれ時系列的に監視する監視部７１を備え、駆動面５４ａでの伝達効率、すなわち超音波モータ５５の摩擦部材５５ａの滑り具合を監視し、監視部７１より得られる伝達効率が予め設定した規格値内にあるか否か判定する判定部７２と、位置偏差及び／又は滑り量が各々しきい値外となった時、駆動制御部５０のＰＩＤ演算に用いる制御パラメータ（Ｐ項、Ｉ項、Ｄ項）をそれぞれ変更するパラメータ調整部７３を備えたもので、これによりステージ５３の安定した駆動と超音波モータ５５の異常摩耗を抑えるようになっていた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６や図７に示す案内装置では、超音波モータ５５とステージ５３との間の滑り具合を把握し、摩耗増大の危険性を予知することはできるが、超音波モータ５５の駆動速度や予圧及びステージ５３の重量等が異なると、同じ滑り量であっても摩耗度合いが大きく異なる場合があり、滑り量のみの監視では駆動条件によってどの程度摩耗が進むのかまでは予測することができなかった。
【００１５】
特に、ステージ５３を高速度や高加速度で駆動させるような厳しい駆動条件を頻繁に続けると、超音波モータ５５の摩擦部材５５ａやステージ５３の駆動力伝達部材５４の異常摩耗が発生し易く、予期せぬトラブルを招いて案内装置を故障させてしまったり、案内装置の寿命が予想以上に速まる恐れがあり、案内装置の寿命を判定することは難しいものであった。
【００１６】
その為、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用いる場合、図６や図７に示す案内装置においても信頼性の点で問題があった。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、１）摩擦部材を有する超音波モータと、超音波モータの摩擦部材との摩擦駆動により可動する可動体と、可動体の位置を測定する位置検出手段と、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、上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、上記超音波モータの摩擦部材の滑り量を算出する滑り量計測部及び上記超音波モータと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する接線力計測部を具備し、上記滑り量計測部で算出された滑り量及び上記接線力計測部で算出された接線力の双方をモニタリングするための監視部と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。
【００１８】
また本発明は、２）摩擦部材を有する超音波モータと、該超音波モータの摩擦部材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、上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、上記超音波モータの摩擦部材の滑り量を算出する滑り量計測部、上記超音波モータと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する接線力計測部、及び、上記滑り量計測部で算出された滑り量と、上記接線力計測部で算出された接線力との積を算出する摩擦仕事量計測部を具備し、上記積の値をモニタリングするための監視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とした。
【００１９】
また本発明は、３）上記２）において、上記摩擦仕事量計測部で算出された上記積の値である摩擦仕事量が、予め設定した摩擦仕事量のしきい値内にあるか否かを判定する判定部を有し、上記判定部にて判定した結果に基づき、上記摩擦仕事量計測部より得られる摩擦仕事量がそのしきい値内となるように、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有することを特徴とする。
【００２１】
また本発明は、４）上記１）〜３）のいずれかにおいて、上記超音波モータの駆動中における摩擦部材の変位、速度、加速度等の位置情報は非接触型測定手段によって測定することを特徴とする。
【００２２】
また本発明は、５）上記１）〜４）のいずれかにおいて、上記滑り量計測部は、上記超音波モータの駆動中における摩擦部材の変位、速度、加速度等の位置情報と、上記位置検出手段からの位置情報を基に以下の数式１により算出することを特徴とする。
(数式１)
Ｌｓ＝（Ａ−Ｂ）×Ｔｃ
但し、Ｌｓ：超音波モータの摩擦部材の滑り量
Ａ：非接触型測定手段から得られる超音波モータの摩擦部材の振動速度
Ｂ：位置検出手段から得られるステージの移動速度
Ｔｃ：超音波モータの摩擦部材の接触時間
また本発明は、６）上記３）において、上記パラメータ調整部で変更された制御パラメータを用いて駆動制御部が駆動した場合、摩擦仕事量が前記予め設定したしきい値を超えた場合に装置内に異常が発生したことを告知する警告部を有することを特徴とする。
【００２３】
【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。
【００２４】
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ある。なお、従来例と同一部分については同一符号で示す。
【００２５】
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、この一対のガイド部材５２に沿って可動体としてのステージ５３を直線的に案内するようになっている。
【００２６】
また、ステージ５３の一方の側面には、上記ガイド部材５２に対して平行に駆動力伝達部材５４を、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をそれぞれ設置し、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５４ａに対して垂直に当接させてある。
【００２７】
なお、図１に示す超音波モータ５５の構造及び取付け構造は図５に示した超音波モータ５５の構造及び取付け構造と同一であるため、ここでは説明を省略する。  また、位置検出手段５６として、ステージ５３上に反射ミラーを設け、レーザー測長計で位置を検出するようにしても構わない。
【００２８】
そして、ステージ５３の移動に伴う位置検出手段５６からの変位、速度、加速度等の位置情報を駆動制御部５０に送り、この駆動制御部５０にて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（変位、速度、加速度）との偏差を基に、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５５へ出力するフィードバック制御を行うことで超音波モータ５５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５５に備える摩擦部材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、位置決めさせるようになっている。
【００２９】
ここで、上記ステージ５３の移動プロファイルとは、ステージ５３の目標移動位置までの時間、変位、速度、加速度等から求まる一括した情報を示す。
【００３０】
また、図１に示す本発明の案内装置には、超音波モータ５５の摩擦部材５５ａの滑り量と、超音波モータ５５との摩擦駆動により駆動力伝達部材５４の駆動面５４ａに作用する接線力、さらに滑り量と接線力の積により求められる摩擦仕事量をそれぞれモニタリングする監視部１と、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レーザードップラー振動計、フォトセンサー等の非接触型測定手段５を設けてあり、監視部１内には、非接触型測定手段５からの位置情報と位置検出手段５６からの位置情報より超音波モータ５５の摩擦部材５５ａの滑り量を算出する滑り量計測部２と、超音波モータ５５により駆動させる搬送物の重量（ステージ５３上に搭載物がある場合、搭載物を含めた合計重量）と位置検出手段５６より得られる位置情報から算出した加速度を基に超音波モータ５５との摩擦駆動により駆動力伝達部材５４の駆動面５４ａに作用する接線力を算出する接線力計測部３、及び上記滑り量計測部２で算出された滑り量と、上記接線力計測部３で算出された接線力との積を算出する摩擦仕事量計測部４をそれぞれ配置してある。
【００３１】
ここで、滑り量は超音波モータ５５の駆動時における摩擦部材５５ａの振動速度とステージ５３の移動速度とを比較することにより求めることができ、数式１により算出することができる。
（数式１）
Ｌｓ＝（Ａ−Ｂ）×Ｔｃ
但し、Ｌｓ：超音波モータの摩擦部材の滑り量
Ａ：非接触型測定手段から得られる超音波モータの摩擦部材の振動速度
Ｂ：位置検出手段から得られるステージの移動速度
Ｔｃ：超音波モータの摩擦部材の接触時間
なお、上記滑り量（Ｌｓ）はフィードバック制御時におけるサーボループ間毎に算出すれば良く、例えば、サーボループ時間が超音波モータ５５の駆動周波数より長く、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振動速度（Ａ）を平均化して算出すれば良い。また、超音波モータ５５の摩擦部材５５ａの接触時間（Ｔｃ）は、非接触型測定手段５から得られる摩擦部材５５ａの振動速度（Ａ）の波形を基に振動速度（Ａ）が遅くなる領域に相当する時間を接触時間とし、接触時間（Ｔｃ）においてもサーボループ間で判断すれば良く、さらに、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）を平均化すれば良い。
【００３２】
また、接触力は位置検出手段５６から得られるステージ５３の位置情報より算出したサーボループ間での加速度と、超音波モータ５５により駆動させる搬送物の重量とから求めることができ、数式２により算出することができる。
（数式２）
Ｆ＝Ｇ×Ｗ
但し、Ｆ：超音波モータとの摩擦駆動により駆動力伝達部材の駆動面に作用す
る接線力
Ｇ：位置検出手段より得られる位置情報から算出した加速度
Ｗ：超音波モータにより駆動させる搬送物の重量
ここで、超音波モータ５５との摩擦駆動により駆動力伝達部材５４の駆動面５４ａに作用する接線力を監視するのは、滑り量（Ｌｓ）が一定でも接線力は超音波モータ５５の駆動速度、加速度、押圧力や搬送物の重量によって常に変化し、この接線力の増加によっても摩耗量が増加するからである。
【００３３】
即ち、本件発明者らは、駆動源に超音波モータ５５を用いた場合、最も把握しておかなければならない超音波モータ５５の摩擦部材５５ａとステージ５３の駆動力伝達部材５４の摩耗状態の判断について種々研究を重ねた結果、超音波モータ５５の摩擦部材５５ａの滑り量（Ｌｓ）とともに、搬送物の重量や超音波モータ５５の振動速度、加速度、押圧力等によっても変化する超音波モータ５５との摩擦駆動により駆動力伝達部材５４の駆動面５４ａに作用する接線力（Ｆ）を監視すれば良いことを見出し、本発明に至った。
【００３４】
このように、本発明の案内装置によれば、監視部１にて摩耗と関連性のある滑り量（Ｌｓ）と接線力（Ｆ）の双方をモニタリングするようにしたことから、滑り量（Ｌｓ）の増加や接線力（Ｆ）の低下が発生した場合、超音波モータ５５のステージ５３との接触状態に変化が見られたことを意味するため、駆動中におけるステージ５３の位置精度の劣化や、超音波モータ５５の摩擦部材５５ａとステージ５３の駆動力伝達部材５４の異常摩耗を未然に防止することができ、滑り量（Ｌｓ）だけを監視していたものと比較して摩耗の度合いをより精度良く把握することができる。
【００３５】
なお、本実施形態では、監視部１の滑り量計測部２にて滑り量（Ｌｓ）を監視するようにしたが、滑り量（Ｌｓ）に代えて本件出願人が先に提案している特開２０００−３０８９３９公報に開示するように、数式３に示す伝達効率として把握しても構わない。
（数式３）
Ｈ＝Ｂ／Ａ×１００（％）
但し、Ｈ：伝達効率
Ａ：非接触型測定手段から得られる振動速度
Ｂ：位置検出手段からの位置情報
また、図１に示す案内装置の監視部１には、滑り量計測部２で算出した滑り量（Ｌｓ）と接線力計測部３で算出した接線力（Ｆ）の積を算出する摩擦仕事量計測部４を設けてある。
【００３６】
駆動部における摩耗は、滑り量（Ｌｓ）と接触の過酷度を表す接線力（Ｆ）の両方で観察することが重要であることは先に示したが、両者の積の値で監視すれば総合的に定量値として摩耗状態を監視することができる。
【００３７】
即ち、本件発明者らは駆動源として超音波モータ５５を用いた場合に最も大きな問題となる摩耗量についてさらに鋭意研究を重ねたところ、滑り量（Ｌｓ）と接線力（Ｆ）の積と摩耗量との間に数式４に示す関係式が得られることを見出した。
（数式４）
Ｖ＝Ｋ×Ｌｓ×Ｆ
但し、Ｖ：超音波モータの摩擦部材とステージの駆動力伝達部材の合計摩耗量
Ｋ：定数
Ｌｓ：超音波モータの摩擦部材の滑り量
Ｆ：超音波モータとの摩擦駆動により駆動力伝達部材の駆動面に作用する接線力
ここで、Ｋは定数で，駆動条件を予め設定しておけば、超音波モータ５５の摩擦部材５５ａ及びステージ５３の駆動力伝達部材５４を形成する材質とその組み合わせによって決定されるものである。例えば、超音波モータ５５の摩擦部材５５ａ及びステージ５３の駆動力伝達部材５４を形成する材質が共にアルミナセラミックスである場合、定数（Ｋ）は約３．５×１０-5であり、この摩耗量は、滑り量（Ｌｓ）×接線力（Ｆ）×定数（Ｋ）として算出することができる。
【００３８】
その為、本発明の案内装置によれば、監視部１の摩擦仕事量計測部４にて摩擦仕事量を算出して単位距離あたりの摩耗量を求め、これに駆動距離をかけて摩耗量を算出することにより摩耗の度合いを定量的に予測し、案内装置の寿命を把握することができる。
【００３９】
また、摩擦仕事量計測部４にて摩擦仕事量を常に監視して摩耗量を算出し、予め計算しておいた摩耗量となった時、案内装置を自動的に停止させるようにしておけば、駆動中におけるステージ５３の位置精度の劣化や、超音波モータ５５の摩擦部材５５ａ及びステージ５３の駆動力伝達部材５４の異常摩耗を未然に防止することができ、不必要なメンテナンスをなくすことができるため、案内装置の稼動効率を向上させることができる。
【００４０】
次に、監視部を有する本発明の案内装置の応用例について図２を基に説明する。
【００４１】
この案内装置は、監視部１の摩擦仕事量計測部４にて算出した摩擦仕事量が予め設定した摩擦仕事量のしきい値内にあるか否かを判定する判定部６と、この判定部６の結果が常に予め設定した摩擦仕事量のしきい値内となるように駆動制御部５０の制御パラメータを変更するパラメータ調整部７と摩擦部材の摩耗が進み調整できるパラメータの範囲が狭くなり、予め設定した摩擦仕事量のしきい値を超えてしまいメンテナンスが必要である場合に装置の異常を警告する警告部８を図１に示す案内装置に設けたものである。
【００４２】
ここで、上記摩擦仕事量のしきい値は摩擦部材の寿命を考慮して設定される値であり、摩擦部材の材質やかかる荷重等によってその範囲を決定する。摩擦部材の寿命が短ければその範囲は狭く長ければ範囲は広い。
【００４３】
そして、ステージ５３を駆動させるにあたり、偏差が同じ状態で駆動するならば摩擦仕事量計測部４により得られる摩擦仕事量の値が小さい程、超音波モータ５５の滑りがなく効率良く駆動力をステージ５３に伝達することができ、さらに摩耗量を最小限に抑えることになる。
【００４４】
その為、摩擦仕事量のしきい値を設けて判定部６にて確認することにより、摩擦仕事量計測部４にて算出した摩擦仕事量が予め設定した摩擦仕事量のしきい値を超える場合、超音波モータ５５の摩擦部材５５ａ及びステージ５３の駆動力伝達部材５４の異常摩耗を招く恐れがあることを容易に確認することができる。
【００４５】
なお、判定部６における摩擦仕事量のしきい値は数式４より得られる摩耗仕事量と摩耗量との関係から摩擦仕事量の最小値を把握し、この最小値を基に摩擦仕事量のしきい値を適宜決定すれば良い。
【００４６】
また、図２に示す案内装置によれば、超音波モータ５５の摩擦部材５５ａ及びステージ５３の駆動力伝達部材５４の摩耗状態を監視する判定部６とともに、摩擦仕事量計測部４にて算出した摩擦仕事量が予め設定した摩擦仕事量のしきい値を超えないように駆動制御部５０の制御パラメータ（ＰＩＤ制御ではＰ項、Ｉ項，Ｄ項）を変更するパラメータ調整部７を設けたことから、超音波モータ５５の異常摩耗を未然に防ぎ、摩耗の発生を抑えることができるとともに、長期間にわたってステージ５３の安定した駆動を実現することができる。
【００４７】
また、パラメータ調整部７での制御パラメータの調整を行っても判定部６での摩擦仕事量がしきい値を満足できなくなったときは装置の稼働が突然停止するため、製品の製造ラインに本発明の案内装置を導入した場合、製造中の製品が不良となるばかりか、製造ラインが完全にストップしてしまうために多大な損失を被る恐れがある。よって装置の異常を種々の手段によって事前にメンテナンス可能な人員に知らせるために警告部８が必要となる。なお、装置の異常を警告する手段としては、例えば判定部６に警告音や警告ランプ等の直接的に異常を知らせる装置を接続する手段や、判定部６と製造ラインの電源装置を接続する手段、或いは判定部６と本発明の案内装置のユーザを間接的にオンラインで接続する手段等を設置し、摩擦仕事量がしきい値を超えた場合にはこれらの警告部が作動し、装置の異常を早急に把握しメンテナンスを実施できるようにする。
【００４８】
このように、摩擦仕事量がしきい値内にあるか否かを判定する判定部６と、この判定部６の結果が予め設定した摩擦仕事量のしきい値内となるように駆動制御部５０の制御パラメータを調整するパラメータ調整部７と摩擦部材の摩耗が進み調整できるパラメータの範囲が狭くなり、予め設定した摩擦仕事量のしきい値を超えてしまいメンテナンスが必要である場合に装置の異常を警告する警告部８を設けることにより、超音波モータ５５の異常摩耗を未然に防ぐとともに、摩耗を抑え、ステージ５３の安定した駆動を長期間にわたって実現することが可能な案内装置を提供することができる。
【００４９】
その為、本発明の案内装置は、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用いる案内装置として好適に用いることができる。
【００５０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の案内装置に用いる超音波モータ５５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５３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したものにも適用できることは言うまでもない。
【００５２】
【実施例】
ここで、図１に示す本発明の案内装置の具体例について説明する。
【００５３】
ステージ５３を案内するガイド部材５２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５３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５３上には重り（不図示）を載せ、搬送物（ステージ５３と重り）の重量が１００Ｎとなるようにした。
【００５４】
また、ステージ５３を駆動させる超音波モータ５５は、幅８ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚み３ｍｍの圧電駆動部５５ｅの端面にアルミナセラミック製の摩擦部材５５ａを備え、圧電駆動部５５ｅの一方の主面には４つの電極膜５５ｇ，５５ｈ，５５ｉ、５５ｊを形成し、対角に位置する電極膜５５ｇ，５５ｈ，５５ｉ、５５ｊ同士を結線するとともに、他方の主面全体に１つの共通電極膜を形成してなり、４つの電極膜５５ｉ，５５ｊ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５５ａが楕円運動するようにしたものを用いた。なお、摩擦部材５５ａ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。
【００５５】
さらに、ステージ５３の位置検出手段５６を構成するリニアスケール５６ａには、ミツトヨ製のリニアスケールＳ３３Ｃを用い、ステージ５３の一方の側面に設置するとともに、このリニアスケール５６ａと対向する位置に検出ヘッド５６ｂを設置して位置検出手段５６を構成し、ステージ５３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５４を設置した。
【００５６】
また、駆動制御部５０と監視部１をそれぞれ接続するとともに、非接触型測定手段５にレーザードップラ振動計を用い、このレーザードップラ振動計を超音波モータ５５の摩擦部材５５ａに対して垂直に設置し、超音波モータ５５を駆動させた時の位置情報（変位、速度、加速度）と、位置検出手段５６からの位置情報（変位、速度、加速度）を基に監視部１の滑り量計測部２にて数式１により滑り量（Ｌｓ）を算出するようにした。
（数式１）
Ｌｓ＝（Ａ−Ｂ）×Ｔｃ
但し、Ｌｓ：超音波モータの摩擦部材の滑り量
Ａ：非接触型測定手段から得られる超音波モータの摩擦部材の振動速度
Ｂ：位置検出手段から得られるステージの移動速度
Ｔｃ：超音波モータの摩擦部材の接触時間
但し、滑り量（Ｌｓ）の算出に用いる振動速度（Ａ）は、サーボループ間での平均値を用いた。また、接触時間（Ｔｃ）は振動速度（Ａ）の波形を基に、摩擦部材５５ａの振動速度が遅くなる部分を接触時間とし、サーボループ間での平均値を用いた。
【００５７】
また、合わせて監視部１の接線力計測部３にて、サーボループ間での駆動時の位置情報を基に加速度を算出し、数式２にて接線力（Ｆ）を算出するようにした。
（数式２）
Ｆ＝Ｇ×Ｗ
但し、Ｆ：超音波モータとの摩擦駆動により駆動力伝達部材の駆動面に作用す
る接線力
Ｇ：位置検出手段より得られる位置情報から算出した加速度
Ｗ：超音波モータにより駆動させる搬送物の重量
そして、超音波モータ５５の駆動制御にＰＩＤ制御を用い、ステージ５３の移動プロファイルとして、ステージ５３の移動距離２００ｍｍ、加速度０．１Ｇ、最高速度５０ｍｍ／ｓの台形制御と、ステージ５３の移動距離２００ｍｍ、加速度０．１Ｇ、最高速度１００ｍｍ／ｓの台形制御の２種類を用意して予め駆動制御部５０に設定した後、上記移動プロファイルに基づいて位置偏差が１μｍ以内に入るようにＰＩＤ制御した。
【００５８】
そして、超音波モータ５５を４０ＫＨｚの周波数で駆動させ、その時の予圧と速度を水準に取り、ステージ５３を１００ｋｍ駆動させた後の超音波モータ５５の摩擦部材５５ａの滑り量（Ｌｓ）と摩耗率を測定する実験を行った。
【００５９】
ただし、サーボループは０．３ｍｓとし、滑り量（Ｌｓ）は駆動用指令信号のサーボループ間内での平均値とした。また、摩耗率は、駆動後の超音波モータ５５の摩擦部材５５ａ及びステージ５３の駆動力伝達部材５４の摩耗体積を駆動距離で割った値とした。なお、制御パラメータ（Ｐ項、Ｉ項、Ｄ項）のうちＤ項を高くした場合についても同様に実験を行った。
【００６０】
結果は図３に示す通りである。ただし、等速度駆動内での滑り量（Ｌｓ）のばらつきはＤ項の設定値のばらつきによるものである。
【００６１】
この結果、図３より判るように、速度を上げると滑り量（Ｌｓ）が大きくなり、さらに滑り量（Ｌｓ）の増加に比例して摩耗量も増加することが判る。
【００６２】
つまり、同じ位置偏差１μｍ以内に入る条件下でも駆動速度やＰＩＤ設定により滑り量（Ｌｓ）は大きく異なり、特にＰＩＤ設定の高い状態では摩耗が大きくなる。即ち、Ｄ項を上げたことで本来低いＰＩＤで十分な値であるのに過剰なＰＩＤを与えたため、ステージ５３が不安定挙動となり、超音波モータ５５の滑りが発生したものと考えられる。
【００６３】
また、予圧を変更すると滑り量（Ｌｓ）が同じでも摩耗量が異なることが判る。予圧変更に相当する接線力の違いを見ると、予圧増加に伴い接線力も増加しており、駆動力は十分あるにも関わらず余計な予圧を掛けて駆動してしまったため、接触面圧が高くなり、摩耗が進行したものである。
【００６４】
この結果、滑り量（Ｌｓ）と接線力（Ｆ）を小さく駆動させることが摩耗低減につながることが判る。
【００６５】
そして、監視部１にて滑り量（Ｌｓ）と、超音波モータ５５との摩擦駆動により駆動力伝達部材５４の駆動面５４ａに作用する接線力（Ｆ）の双方を監視することにより、摩耗度合いを精度良く判断することができる。
【００６６】
このように超音波モータ５５の駆動中における摩擦部材５５aの位置情報を測定する非接触型測定手段５を設けると共に、この非接触型測定手段５からの位置情報と位置検出手段５６からの位置情報とを相対的に比較、演算する滑り量計測部２を設けたことにより、超音波モータ５５の滑り量（Ｌｓ）を把握することができ、さらに搬送物の重量と位置検出手段５６からの位置情報より得られる加速度を基に駆動力伝達部材５４の駆動面５４ａに作用する接線力を算出する接線力計測部３を監視部１に設けることにより、ステージ５３の駆動中における超音波モータ５５の摩擦部材５５ａ及び駆動力伝達部材５４の駆動面５４ａの摩耗状態を把握することができる。
【００６７】
また、図４に、図３の滑り量（Ｌｓ）と接線力（Ｆ）との積により得られる摩擦仕事量と摩耗量との関係を示すように、摩擦仕事量と摩耗量との間には比例関係があることが判る。
【００６８】
従って、監視部１に摩擦仕事量計測部４にて摩擦仕事量をモニタリングすることにより摩耗量を予測することが可能となり、案内装置の寿命を判断できることが判る。
（実施例２）
次に、実施例１の案内装置に判定部６とパラメータ調整部７を設けた図２に示す案内装置と、判定部６及びパラメータ調整部７を持たない案内装置を用意し、ステージ５３の最高速度を１００ｍｍ／ｓとする以外は実施例１と同様の移動プロファイルとしてステージ５３を１０００ｋｍ駆動させたときの監視部１で監視される滑り量（Ｌｓ）と摩擦仕事量、及び摩耗量を調べる実験を行った。
【００６９】
結果は表１に示す通りである。
【００７０】
【表１】
0004127633.tif 000002
【００７１】
この結果、判定部６とパラメータ調整部７を持たない図１の案内装置は、ステージ５３の駆動距離が５００ｋｍに達した時、超音波モータ５５の摩擦部材５５ａの滑り量（Ｌｓ）が１２０nｍに増加し、さらに摩擦仕事量も３．３×１０-4Ｎｍに上昇した。
【００７２】
これに対し、判定部６とパラメータ調整部７を有する図２の案内装置は、ステージ５３を１０００ｋｍ駆動させても超音波モータ５５の摩擦部材５５ａの滑り量（Ｌｓ）は５０ｎｍ、摩擦仕事量は１．４×１０-4Ｎｍで安定しており、駆動後の摩耗量を測定したところ、図１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。
【００７３】
この結果、監視部１、判定部６、パラメータ調整部７を設けて図２に示す案内装置を構成すれば、超音波モータ５５の摩擦部材５５ａ及びステージ５３の駆動力伝達部材５４の摩耗を抑え、案内装置の寿命を大幅に向上させることができる。ことが判る。
【００７４】
また、滑り量（Ｌｓ）と接線力（Ｆ）の積である摩擦仕事量を常に測定し、１０ｋｍ毎に摩擦仕事量を測定し摩耗定数を掛けて摩耗量を測定し、それを１０００ｋｍ駆動する間の摩耗量の総和を摩耗量の予測値として計算させて実際の摩耗量と比較したところ、予測値と実測値のばらつきが５％未満とはほぼ一致していた。
【００７５】
更に、上述した案内装置に判定部６にて摩擦仕事量のしきい値を超えた場合に警告音を発し、製造ラインを自動的に停止させ、案内装置のユーザにもオンラインでメンテナンスの必要性を知らせる警告部８を設け、各種製造装置と平行して稼働する製造ラインに導入したところ、案内装置に異常が発生しても自動的に製造ラインを停止させ、装置のメンテナンス時期を知ることができるために、製品不良や製造ラインの停止等の問題が発生することはなかった。
【００７６】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に係る発明によれば、超音波モータの摩擦部材及び可動体側の駆動面の摩耗状態を的確に把握することができ、案内装置の信頼性を向上させることができるとともに、不必要なメンテナンスによって案内装置を止める必要がなく、稼働効率を向上させることができる。
【００７７】
また、請求項２に係る発明によれば、上記監視部に、上記滑り量計測部で算出された滑り量と、上記接線力計測部で算出された接線力との積を算出する摩擦仕事量計測部を設けたことから、超音波モータの摩擦部材及び可動体側の駆動面の摩耗を定量的に把握することができる。
【００７９】
さらに、請求項３に係る発明によれば、摩擦仕事量計測部より得られる摩擦仕事量が、予め設定した摩擦仕事量のしきい値内にあるか否かを判定する判定部を設けたことから、摩擦仕事量計測部より得られる摩擦仕事量がそのしきい値を超えた場合、超音波モータの摩擦部材や可動体側の駆動面に異常摩耗が発生する恐れがあることを把握することができる。判定部にて判定した結果に基づき、上記摩擦仕事量計測部より得られる摩擦仕事量がそのしきい値内となるように、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から、超音波モータの摩擦部材や可動体側の駆動面の異常摩耗を未然に防ぐことができ、摩耗を抑えて可動体の安定した駆動を長期間にわたって実現することができる。
【００８０】
また、請求項４に係る発明によれば、超音波モータの駆動中における摩擦部材の変位、速度、加速度等の位置情報を非接触型測定手段によって測定するようにしたことから、摩擦部材の位置情報を正確に把握することができる。
【００８１】
請求項５に係る発明によれば、滑り量計測部において、超音波モータの駆動中における摩擦部材の変位、速度、加速度等の位置情報と、位置検出手段からの位置情報を基に数式１により滑り量を算出するようにしたことから、超音波モータの摩擦部材の滑り量を正確に算出することができる。
（数式１）
Ｌｓ＝（Ａ−Ｂ）×Ｔｃ
但し、Ｌｓ：超音波モータの摩擦部材の滑り量
Ａ：非接触型測定手段から得られる超音波モータの摩擦部材の振動速度
Ｂ：位置検出手段から得られるステージの移動速度
Ｔｃ：超音波モータの摩擦部材の接触時間
請求項６に係る発明によれば、上記パラメータ調整部で変更された制御パラメータを用いて駆動制御部が駆動した場合、摩擦仕事量が前記予め設定したしきい値を超えた場合に装置内に異常が発生したことを告知する警告部を有するため、装置の異常を早急に察知することができ、メンテナンスを実施できる。
【００８２】
その為、本発明の案内装置は、駆動途中における可動体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。
【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】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応用例を示す模式図である。
【図３】図１に示す本発明の案内装置を用いてステージを駆動させた時の滑り量と摩耗率との関係を示す線図である。
【図４】図１に示す本発明の案内装置を用いてステージを駆動させた時の摩擦仕事量と摩耗率との関係を示す線図である。
【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模式図である。
【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他の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】
１：監視部
２：滑り量計測部
３：接線力計測部
４：摩擦仕事量計測部
５，６２：非接触型測定手段
６：判定部
７：パラメータ調整部
８：警告部
５０：駆動制御部
５１：ベース基盤
５２：ガイド部材
５３：ステージ
５４：駆動力伝達部材
５４ａ：駆動面
５５：超音波モータ
５５ａ：摩擦部材
５５ｂ：弾性体
５５ｃ：バネ
５５ｄ：ケース
５５ｅ：圧電駆動部
５５ｆ：圧電セラミック板
５５ｇ〜５５ｊ：電極膜
５６：位置検出手段
５６ａ：リニアスケール
５６ｂ：検出ヘッド
６１：予圧調整部
６３：滑り量計測部
７１：監視部
７２：判定部
７３：パラメータ調整部
【図１】
0004127633.tif 000003
【図２】
0004127633.tif 000004
【図３】
0004127633.tif 000005
【図４】
0004127633.tif 000006
【図５】
0004127633.tif 000007
【図６】
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【図７】
0004127633.tif 000009