JP2001069773A - Guide unit having ultrasonic motor as drive source for mover - Google Patents
Guide unit having ultrasonic motor as drive source for moverInfo
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Abstract
Description
【０００１】[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装置や露光装置
に用いられる案内装置として好適なものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a guide device for driving a movable body that moves linearly or rotationally by an ultrasonic motor, and more particularly to a machine tool for precision machining, a precision measuring device, and drawing in a semiconductor manufacturing process. It is suitable as a guide device used for an apparatus or an exposure apparatus.
【０００２】[0002]
【従来の技術】超音波モータは、振動振幅がナノオーダ
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
ーム機構や腕時計のバイブレーションアラームなど回転
系の案内装置への実用化が行われていた。2. Description of the Related Art Ultrasonic motors have the characteristics that the vibration amplitude is as small as the nano-order, high-resolution positioning is possible, and the driving force is large due to the small size and friction drive. Practical applications have been made to rotating system guide devices such as camera lens zoom mechanisms and wristwatch vibration alarms.
【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。In recent years, it has been attempted to apply an ultrasonic motor to a linear guide device.
【０００４】図４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３１
上にクロスローラガイドの如き一対のガイド部材３２を
備え、これらのガイド部材３２によって可動体としての
ステージ３３が直線的に案内されるようになっている。FIG. 4 shows an example of a conventional guide device using an ultrasonic motor as a drive source of a movable body.
A pair of guide members 32 such as a cross roller guide is provided on the upper side, and a stage 33 as a movable body is linearly guided by these guide members 32.
【０００５】また、ステージ３３の一方の側面には、ガ
イド部材３２に対して平行にリニアスケール３６が設置
され、リニアスケール３６と対向する位置には測定ヘッ
ド３７を設けて位置検出手段３８を構成するとともに、
ステージ３３の下面には、ガイド部材３２と平行に案内
部材３４が設置され、案内部材３４には、その長手方向
に対して垂直に超音波モータ３５の先端チップ３５ａを
当接させてあり、ステージ３３の移動に伴う位置検出手
段３８からの位置情報と、予めメモリ４１に格納してあ
るステージ３３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制御部４
０にて例えばＰＩＤ演算処理を行い、指令信号を駆動回
路４２に出力して超音波モータ３５を駆動させるフィー
ドバック制御を行うことにより、超音波モータ３５がそ
の指令信号に応じて楕円振動し、その先端チップ３５ａ
との摩擦駆動によりステージ３３をガイド部材３２に沿
って移動させるようになっていた。なお、３９は超音波
モータ３５をステージ３３の案内部材３４に当接させる
ためのスプリングである。A linear scale 36 is provided on one side surface of the stage 33 in parallel with the guide member 32, and a measuring head 37 is provided at a position facing the linear scale 36 to constitute a position detecting means 38. Along with
A guide member 34 is provided on the lower surface of the stage 33 in parallel with the guide member 32, and a tip 35 a of an ultrasonic motor 35 is brought into contact with the guide member 34 perpendicularly to the longitudinal direction thereof. Based on a parameter that changes according to a deviation between the position information from the position detecting unit 38 accompanying the movement of the stage 33 and the reference position information based on the movement profile of the stage 33 stored in the memory 41 in advance, the control unit 4
At 0, for example, PID calculation processing is performed, and a command signal is output to the drive circuit 42 to perform feedback control for driving the ultrasonic motor 35, whereby the ultrasonic motor 35 oscillates in an elliptical manner according to the command signal. Tip 35a
The stage 33 is moved along the guide member 32 by the frictional driving of the stage 33. Reference numeral 39 denotes a spring for bringing the ultrasonic motor 35 into contact with the guide member 34 of the stage 33.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】ところで、図４に示す
案内装置を、精密加工用工作機械や精密測定装置あるい
は半導体製造装置用として用いる場合、サブミクロンオ
ーダーの位置決め精度とステージ３３の移動速度を向上
させることが望まれており、さらにステージ３３の大型
化が進み、重量が増加する傾向にあった。When the guide device shown in FIG. 4 is used for a precision machining machine tool, a precision measuring device or a semiconductor manufacturing device, the positioning accuracy on the order of submicrons and the moving speed of the stage 33 are reduced. It is desired to improve the size, and the size of the stage 33 is further increased, and the weight tends to increase.
【０００７】ところが、ステージ３３が大型化すると慣
性力が大きくなるために、ステージ３３の変速時や位置
決め時には、超音波モータ３５に備える先端チップ３５
ａとステージ３３に備える案内部材３４との摩擦力が慣
性力に耐えきれず、超音波モータ３５の滑り等が発生す
ることがあり、その結果、ステージ３３のオーバーシュ
ート量が大きくなって所定の目標位置に位置決めでき
ず、さらに振動が発生するといった課題があった。However, since the inertia force increases as the size of the stage 33 increases, the tip 33 provided in the ultrasonic motor 35 must be used when shifting or positioning the stage 33.
a and the frictional force between the guide member 34 provided on the stage 33 cannot withstand the inertial force, and the ultrasonic motor 35 may slip, as a result. There has been a problem that it cannot be positioned at the target position, and further vibration occurs.
【０００８】一方、ステージ３３のオーバーシュート量
は、制御部４０にて強制的に改善することは可能である
が、制御プログラムが複雑となり、余計な制定時間が必
要となるなど制御系に負担がかかるため、制御系のトラ
ブルを招く恐れがあり、これらのトラブルにより案内装
置が停止するといった恐れがあった。On the other hand, the amount of overshoot of the stage 33 can be forcibly improved by the control unit 40, but the control program becomes complicated, and a burden is imposed on the control system, such as the necessity of extra setting time. For this reason, there is a possibility that troubles in the control system may be caused, and there is a possibility that the guidance device stops due to these troubles.
【０００９】しかも、超音波モータ３５の先端チップ３
５ａと案内部材３４との間に滑りが発生すると、超音波
モータ３５の先端チップ３５ａやステージ３３の案内被
部材３４が激しく摩耗するため、短期間で交換しなけれ
ばならないといった不都合もあった。Moreover, the tip 3 of the ultrasonic motor 35
If slippage occurs between the guide member 5a and the guide member 34, the tip 35a of the ultrasonic motor 35 and the guide member 34 of the stage 33 are severely worn, so that there is an inconvenience that they must be replaced in a short time.
【００１０】このように、ステージを超音波モータによ
って駆動させる案内装置であって、ステージが大型化し
ても変速時や位置決め時のオーバーシュートを抑え、所
定の目標位置に正確に位置決めできる案内装置が望まれ
ているが、未だ実用に供するものは得られていなかっ
た。As described above, a guide device for driving a stage by an ultrasonic motor, which can suppress an overshoot at the time of shifting and positioning even if the stage is enlarged, and can accurately position the stage at a predetermined target position. Although desired, there has not yet been obtained any practical use.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】そこで、上記課題に鑑
み、本発明に係る超音波モータを可動体の駆動源とする
案内装置は、超音波モータに備える先端チップとの摩擦
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、
予め設定してある前記可動体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
基に演算し、前記超音波モータを駆動させるための指令
信号を出力する制御部と、前記可動体に摩擦板を押圧さ
せ、可動体に駆動抵抗を与えるブレーキ機構と、前記位
置検出手段からの位置情報に基づいて前記ブレーキ機構
へ指令信号を出力し、摩擦板の押圧力を調整するブレー
キ制御部とから構成したものである。SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-mentioned problems, a guide device using an ultrasonic motor according to the present invention as a driving source of a movable body is provided with a movable device movable by friction driving with a tip provided in the ultrasonic motor. Body, position detecting means for measuring the position of the movable body, position information from the position detecting means,
A control unit that calculates based on a parameter that changes according to a deviation from reference position information based on a movement profile of the movable body that is set in advance, and outputs a command signal for driving the ultrasonic motor; A brake mechanism for causing the movable body to press the friction plate to apply a driving resistance to the movable body; and a brake for outputting a command signal to the brake mechanism based on position information from the position detection means and adjusting the pressing force of the friction plate. And a control unit.
【００１２】また、本発明は、前記ブレーキ機構に備え
る摩擦板の可動体との当接面に、可動体の移動方向に対
して垂直な方向の溝を複数設けることにより、可動体の
ブレーキ性能を高めるとともに、摩擦板の偏摩耗を防
ぎ、寿命を高めるようにしたものである。Further, the present invention provides a braking mechanism for a movable body by providing a plurality of grooves in a direction perpendicular to the moving direction of the movable body on a contact surface of the friction plate provided in the brake mechanism with the movable body. And prevent uneven wear of the friction plate to prolong the life.
【００１３】[0013]
【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。Embodiments of the present invention will be described below.
【００１４】図１は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。FIG. 1 is a schematic view showing an example of a guide device using an ultrasonic motor according to the present invention as a driving source of a movable body. The guide device includes a pair of guide members 12 such as a cross roller guide on a base substrate 11. And the pair of guide members 12
The stage 13 as a movable body is guided linearly along the line.
【００１５】また、ステージ１３の一方の側面には、上
記ガイド部材１２に対して平行にリニアスケール１６を
備え、リニアスケール１６と対向する位置には測定ヘッ
ド１７を設置して位置検出手段１８を構成するととも
に、ステージ１３の下面には、上記ガイド部材１２に対
して平行に案内部材１４を備え、案内部材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を当接させてあり、この超音波モータ１５を駆
動させることでステージ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。A linear scale 16 is provided on one side surface of the stage 13 in parallel with the guide member 12, and a measuring head 17 is installed at a position facing the linear scale 16 so that a position detecting means 18 is provided. A guide member 14 is provided on the lower surface of the stage 13 in parallel with the guide member 12, and the distal tip 15 a of the ultrasonic motor 15 is applied to the guide member 14 perpendicularly to the longitudinal direction. The stage 13 is moved along the guide member 12 by driving the ultrasonic motor 15.
【００１６】超音波モータ１５は、圧電素子１５ｂ，１
５ｃを「ハ」の字状に配置し、その先端部にＶ字状の先
端チップ１５ａを接合したもので、例えば圧電素子１５
ｂの位相を圧電素子１５ｃより９０度を遅らせて駆動さ
せると、先端チップ１５ａが時計回りに楕円振動するた
め、ステージ１３を矢印Ｆの方向へ移動させることがで
き、逆に圧電素子１５ｂの位相を圧電素子１５ｃよりを
９０度早めて駆動させると、先端チップ１５ａが反時計
回りに楕円振動するため、ステージ１３を矢印Ｇの方向
へ移動させることができるようになっている。ただし、
超音波モータ１５は図１で示したもの以外のものを用い
ても良く、圧電素子の形式としては、単一の振動モード
のみに限らず、モード変換型、多重モード型、モード回
転型、複合振動型であっても構わない。The ultrasonic motor 15 includes piezoelectric elements 15b, 1
5c are arranged in a “C” shape, and a V-shaped tip chip 15a is joined to the tip portion thereof.
When the phase b is driven 90 degrees later than the piezoelectric element 15c, the tip 13a oscillates clockwise in an elliptical manner, so that the stage 13 can be moved in the direction of arrow F, and conversely, the phase of the piezoelectric element 15b Is driven 90 degrees earlier than the piezoelectric element 15c, the tip 13a elliptically vibrates counterclockwise, so that the stage 13 can be moved in the direction of arrow G. However,
The ultrasonic motor 15 may be of a type other than that shown in FIG. 1, and the type of the piezoelectric element is not limited to a single vibration mode, but may be a mode conversion type, a multi-mode type, a mode rotation type, or a composite type. It may be a vibration type.
【００１７】なお、１９は超音波モータ１５をステージ
１３の案内部材１４に当接させるためのスプリングの如
き弾性体である。Reference numeral 19 denotes an elastic body such as a spring for bringing the ultrasonic motor 15 into contact with the guide member 14 of the stage 13.
【００１８】そして、ステージ１３の移動に伴う位置検
出手段１８からの変位、速度、加速度等の位置情報Ｑは
制御部１に送られ、この制御部１にて予めメモリ２１に
格納してあるステージ１３の移動プロファイルに基づく
基準位置情報Ｐ（変位、速度、加速度）と比較して偏差
を算出し、こ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、その出力信号を指令信号Ｒと
して駆動回路２２へ送って超音波モータ１５を駆動させ
るフィードバック制御を行うようになっている。Then, positional information Q such as displacement, velocity, acceleration, etc. from the position detecting means 18 accompanying the movement of the stage 13 is sent to the control unit 1, and the control unit 1 stores the stage information Q stored in the memory 21 in advance. The deviation is calculated by comparing with reference position information P (displacement, velocity, acceleration) based on the movement profile of No. 13 and, for example, PID calculation processing is performed based on a parameter that changes according to the deviation, and the output signal is transmitted to the command signal R. The feedback control for driving the ultrasonic motor 15 by sending it to the drive circuit 22 is performed.
【００１９】また、ステージ３３に備える位置検出手段
１８と反対側の側面には、摩擦板２４を押圧させ、ステ
ージ３３に駆動抵抗を与えるブレーキ機構を設けてあ
り、該ブレーキ機構は、ベース基盤１１に固定されたネ
ジ２７と、このネジ２７に螺合するナット２８と、ナッ
ト２８の前方に配置された圧電素子２５と、ステージ３
３と当接する摩擦板２４と、該摩擦板２４と前記圧電素
子２５との間に介在させたスプリングの如き弾性体２６
とからなり、駆動中にステージ１３に与える駆動抵抗
は、圧電素子２５の伸縮度合いを変化させることにより
調整できるようになっている。On the side surface of the stage 33 opposite to the position detecting means 18, there is provided a brake mechanism for pressing the friction plate 24 to provide a driving resistance to the stage 33. , A nut 28 screwed to the screw 27, a piezoelectric element 25 disposed in front of the nut 28, and a stage 3.
And an elastic body 26 such as a spring interposed between the friction plate 24 and the piezoelectric element 25.
The driving resistance applied to the stage 13 during driving can be adjusted by changing the degree of expansion and contraction of the piezoelectric element 25.
【００２０】例えば、圧電素子２５を伸長させると、摩
擦板２４がステージ１３の側面に押圧され、ステージ１
３の移動を抑制あるいは停止させることができ、逆に圧
電素子２５を縮長させると、摩擦板２４によるステージ
１３の押圧力を緩めるかあるいはステージ１３から離
れ、ステージ１３の駆動抵抗を軽減あるいは解除するこ
とができる。For example, when the piezoelectric element 25 is extended, the friction plate 24 is pressed against the side of the
3 can be suppressed or stopped. Conversely, when the piezoelectric element 25 is contracted, the pressing force of the friction plate 24 on the stage 13 is reduced or moved away from the stage 13 to reduce or cancel the driving resistance of the stage 13. can do.
【００２１】ただし、駆動中に摩擦板２４によって適切
な押圧力を得るには、駆動前においてステージ１３に対
する摩擦板２４の押圧力を調整しておく必要があり、こ
の場合、ナット２８の締め付け具合を調整するかあるい
は弾性体２６を目的に応じた弾性係数を有する材質に変
更すれば良い。However, in order to obtain an appropriate pressing force by the friction plate 24 during driving, it is necessary to adjust the pressing force of the friction plate 24 against the stage 13 before driving. In this case, the tightening condition of the nut 28 is required. May be adjusted or the elastic body 26 may be changed to a material having an elastic coefficient according to the purpose.
【００２２】摩擦板２４の材質としては、ステージ１３
を傷めにくいものが良く、テトラフルオロエチレン樹
脂、ポリイミド樹脂、ＰＰＳ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ポリ
アミド樹脂等の樹脂材を用いることができる。また、図
２に拡大した平面図を示すように、摩擦板２４のステー
ジ１３との当接面には、ステージ１３の移動方向に対し
て直角に複数の溝２４ａを刻設してあり、この溝２４ａ
によりステージ１３のブレーキ性能を高めることができ
るとともに、ステージ１３との摩擦駆動に伴う寿命を延
ばすことができる。即ち、前記樹脂材からなる摩擦板２
４の当接面を極めて平坦に仕上げることは難しく、摩擦
板２４をステージ１３に押圧させても全面接触させるこ
とができないため、大きな押圧力が得られず、しかも摩
擦板２４が偏摩耗するのであるが、摩擦板２４に複数の
溝２４ａを刻設することで、案内部材１４の片当たりを
防止し、当接面全体をほぼ均一に当接させることができ
るため、摩擦板２４による押圧力を高めることができる
とともに、摩擦板２４にかかる荷重は全体に分散されて
偏摩耗がなくなり、摩耗を減少させることができるた
め、結果として摩擦板２４の寿命を高めることができ
る。特に、溝２４ａと溝２４ａを形成する凸壁２４ｂの
幅はそれぞれ１ｍｍ〜２ｍｍの範囲で１：１とすること
が良く、溝２４ａの深さは溝２４ａの幅の２倍とすれば
最も効率良く押圧力を高めることができ好適である。The material of the friction plate 24 is the stage 13
It is preferable to use a resin material that does not easily damage the resin, such as a resin material such as a tetrafluoroethylene resin, a polyimide resin, a PPS resin, a PEEK resin, or a polyamide resin. As shown in the enlarged plan view of FIG. 2, a plurality of grooves 24a are formed on the contact surface of the friction plate 24 with the stage 13 at right angles to the moving direction of the stage 13. Groove 24a
Accordingly, the braking performance of the stage 13 can be improved, and the life associated with friction driving with the stage 13 can be extended. That is, the friction plate 2 made of the resin material
It is difficult to finish the contact surface 4 extremely flat, and even if the friction plate 24 is pressed against the stage 13, the entire surface cannot be brought into contact. Therefore, a large pressing force cannot be obtained, and the friction plate 24 is unevenly worn. However, by engraving a plurality of grooves 24a in the friction plate 24, it is possible to prevent the guide member 14 from hitting one side and to make the entire contact surface abut substantially uniformly. As a result, the load applied to the friction plate 24 is dispersed throughout, and uneven wear is eliminated and wear can be reduced. As a result, the life of the friction plate 24 can be increased. In particular, the width of the groove 24a and the width of the convex wall 24b forming the groove 24a are preferably set to 1: 1 in the range of 1 mm to 2 mm, respectively. This is preferable because the pressing force can be increased well.
【００２３】そして、ブレーキ機構の圧電素子２５には
ブレーキ制御部２９から指令信号Ｓが送られるようにな
っており、ブレーキ制御部２９では、位置検出手段１８
からの位置情報Ｑを基に例えばＰＩＤ演算処理し、その
出力信号を指令信号Ｓとして圧電素子２５に印加するよ
うにしてある。例えば、図３に制御フローチャートの一
例を示すように、予めステージ１３の移動プロファイル
における変速開始時や位置決め時を目標位置（Ｕｔ）と
して設定し、案内装置を駆動（スタート）させる。そし
て、前記目標位置（Ｕｔ）と、ステージ１３を移動させ
た時に位置検出手段１８から得られる位置情報（Ｑｔ）
との差を見ながら、Ｕｔ−Ｑｔ≧０（Ｎｏの場合）であ
れば、圧電素子２５へ指令信号Ｓを送らないようにし、
Ｕｔ−Ｑｔ＜０（Ｙｅｓの場合）となると、ステージ１
３がオーバーシュートしていることになるため、ブレー
キ制御部２９から圧電素子２５を伸長させる指令信号Ｓ
を出力して摩擦板２４をステージ１３に押圧させ、ステ
ージ１３に駆動抵抗を加える。そして、オーバーシュー
トがＵｔ−Ｑｔ≦ｂ（ただし、ｂは目標位置に対する許
容範囲である。）であれば、位置決め完了とし、ブレー
キ制御部２９から圧電素子２５を縮長させる指令信号Ｓ
を出力して摩擦板２４によるステージ１３への押圧力を
小さくするとともに、プログラムをリセットして次の目
標位置（Ｐｔ）までを同様のプログラムで順次駆動させ
れば良い。ただし、オーバーシュートがＵｔ−Ｑｔ＞ｂ
となると、ステージ１３の位置決め精度にズレが発生し
ていることになるため、この場合、エラーとし、案内装
置を緊急停止させるようにしておけば良い。A command signal S is sent from a brake control unit 29 to the piezoelectric element 25 of the brake mechanism.
For example, a PID calculation process is performed based on the position information Q from the controller and the output signal is applied to the piezoelectric element 25 as a command signal S. For example, as shown in an example of a control flowchart in FIG. 3, the start time of the shift and the positioning time in the movement profile of the stage 13 are set in advance as the target position (Ut), and the guide device is driven (started). Then, the target position (Ut) and position information (Qt) obtained from the position detecting means 18 when the stage 13 is moved.
If Ut−Qt ≧ 0 (in the case of No) while observing the difference, the command signal S is not sent to the piezoelectric element 25,
When Ut−Qt <0 (in the case of Yes), stage 1
3 overshoots, the brake control unit 29 issues a command signal S for extending the piezoelectric element 25.
And the friction plate 24 is pressed against the stage 13 to apply a driving resistance to the stage 13. If the overshoot is Ut−Qt ≦ b (where b is an allowable range with respect to the target position), it is determined that the positioning is completed, and the brake control unit 29 issues a command signal S for reducing the length of the piezoelectric element 25.
Is output to reduce the pressing force of the friction plate 24 against the stage 13, and the program is reset to sequentially drive up to the next target position (Pt) by the same program. However, the overshoot is Ut−Qt> b
In this case, a deviation has occurred in the positioning accuracy of the stage 13. Therefore, in this case, an error may occur, and the guide device may be urgently stopped.
【００２４】かくして、本発明によれば、ステージ１３
の大型化に伴って、変速時や位置決め時に、超音波モー
タ１５の滑り等によるオーバーシュート及び振動が発生
しても、直ちに感知し、ブレーキ機構の摩擦板２４をス
テージ１３に押圧して駆動抵抗を増大させ、オーバーシ
ュート及び振動を抑制し、ステージ１３を此処の所定位
置まで正確にかつ短時間で移動、位置決めすることがで
きる。Thus, according to the present invention, the stage 13
As the size of the motor increases, overshoots and vibrations due to slippage of the ultrasonic motor 15 during shifting and positioning are immediately detected, and the friction plate 24 of the brake mechanism is pressed against the stage 13 to reduce the driving resistance. , The overshoot and the vibration are suppressed, and the stage 13 can be moved and positioned accurately and in a short time to the predetermined position.
【００２５】また、オーバーシュートが抑えられるた
め、結果として超音波モータ１５の滑りを防止すること
ができ、超音波モータ１５の先端チップ１５ａやステー
ジ１３の案内部材１４の異常摩耗を防ぎ、寿命を高める
ことができる。Since the overshoot is suppressed, the ultrasonic motor 15 can be prevented from slipping as a result, the tip 15a of the ultrasonic motor 15 and the guide member 14 of the stage 13 can be prevented from abnormal wear, and the life can be shortened. Can be enhanced.
【００２６】なお、本発明は図１乃至図３に示したもの
だけに限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱し
ない程度に改良したものでも良いことは言うまでもな
い。It should be noted that the present invention is not limited to those shown in FIGS. 1 to 3, but may be modified so as not to deviate from the scope of the present invention.
【００２７】例えば、図１では、ブレーキ機構の加圧手
段として圧電素子２５を用いた例を示したが、この他に
エアシリンダや油圧シリンダーを用いることができ、ま
た、ステージ１３に駆動抵抗を付与する手段として、摩
擦板２４をステージ１３に押圧させる以外に、２枚の摩
擦板でもってステージ１３またはステージ１３に設けら
れた部材を挟み込むようにしても良い。さらに図１では
ブレーキ機構をステージ１３の側面に配置した例を示し
たが、ブレーキ機構の配置位置は特に制限するものでは
なく、例えば、案内部材１４を挟んで超音波モータ１５
と反対側に設置しても良く、ステージ１３の移動を阻害
することなく駆動抵抗を調整できる位置に設置してあれ
ば良い。For example, FIG. 1 shows an example in which the piezoelectric element 25 is used as the pressurizing means of the brake mechanism. Alternatively, an air cylinder or a hydraulic cylinder can be used. As means for applying, other than pressing the friction plate 24 against the stage 13, the stage 13 or a member provided on the stage 13 may be sandwiched between two friction plates. Further, FIG. 1 shows an example in which the brake mechanism is arranged on the side surface of the stage 13. However, the arrangement position of the brake mechanism is not particularly limited.
May be installed at a position where the driving resistance can be adjusted without obstructing the movement of the stage 13.
【００２８】また、ステージ１３のガイド部材１２とし
ては、クロスローラガイドのような転がり軸受以外に静
圧軸受やすべり軸受を用いることができ、位置検出手段
１８として、レーザー測長器やエンコーダ等を用いるこ
とができる。さらに制御手段においてもＰＩＤ制御に限
らず、他の制御手段を用いても構わない。As the guide member 12 of the stage 13, a hydrostatic bearing or a slide bearing can be used in addition to a rolling bearing such as a cross roller guide. As the position detecting means 18, a laser length measuring device, an encoder or the like can be used. Can be used. Further, the control means is not limited to the PID control, and other control means may be used.
【００２９】ただし、図１では可動体をなすステージ１
３が直線運動する案内装置を例にとって説明したが、可
動体が回転運動する案内装置にも適用できることは言う
までもない。However, in FIG. 1, a stage 1 which forms a movable body
Although the guide device 3 is described as taking a linear motion as an example, it is needless to say that the present invention can be applied to a guide device in which a movable body rotates.
【００３０】[0030]
【実施例】（実施例１）以下、本発明の具体例について
説明する。EXAMPLES (Example 1) Hereinafter, specific examples of the present invention will be described.
【００３１】図１に示す超音波モータを可動体の駆動源
とする案内装置を試作した。A guide device using the ultrasonic motor shown in FIG. 1 as a driving source of a movable body was prototyped.
【００３２】ベース基盤１１上には一対のガイド部材１
２として２００ｍｍのストロークを有するクロスローラ
ガイドを用い、２５０ｍｍ×１２０ｍｍ×５０ｍｍの板
状をしたアルミナセラミック製のステージ１３を案内す
るようにした。On the base substrate 11, a pair of guide members 1
A cross roller guide having a stroke of 200 mm was used as No. 2 to guide an alumina ceramic stage 13 having a plate shape of 250 mm × 120 mm × 50 mm.
【００３３】また、ステージ１３を駆動させる超音波モ
ータ１５には、アルミナセラミック製のＶ字状をした先
端チップ１５ａに２つの圧電素子１５ｂ，１５ｃを備え
たものを用いるとともに、この超音波モータ１５の先端
チップ１５ａと摺動する案内部材１４にアルミナセラミ
ックスを用いた。ただし、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。As the ultrasonic motor 15 for driving the stage 13, a V-shaped tip 15a made of alumina ceramic and provided with two piezoelectric elements 15b and 15c is used. Alumina ceramics was used for the guide member 14 that slides with the tip chip 15a. However, the contact surface of the tip 15a was a spherical surface having a radius of curvature of 3 mm, and the surface roughness was 0.05 μm in center line average roughness (Ra).
【００３４】また、ステージ１３の位置検出手段１８と
してミツトヨ製のリニアスケールＳ３３Ｃを用い、リニ
アスケール１６をステージ１３の一方の側面にガイド部
材１２と平行に設置するとともに、このリニアスケール
１６と対向する位置に検出ヘッド１７を設置して位置検
出手段１８を構成するとともに、ステージ１３の下面に
は案内部材１４を設置し、案内部材１４の長手方向に対
して垂直に超音波モータ１５を設け、バネ１９の押圧力
により３ｋｇの予圧をかけて超音波モータ１５の先端チ
ップ１５ａを案内部材１４と当接させるようにした。A linear scale S33C made by Mitutoyo is used as the position detecting means 18 of the stage 13, and the linear scale 16 is installed on one side of the stage 13 in parallel with the guide member 12, and faces the linear scale 16. A detection head 17 is installed at the position to constitute a position detection means 18, a guide member 14 is installed on the lower surface of the stage 13, and an ultrasonic motor 15 is provided perpendicularly to the longitudinal direction of the guide member 14, A tip pressure 15 a of the ultrasonic motor 15 is brought into contact with the guide member 14 by applying a preload of 3 kg with a pressing force of 19.
【００３５】そして、位置検出手段１８からの位置情報
Ｑを制御部１へ送り、制御部１内に予め設定してある基
準位置情報Ｐとの偏差に基づくパラメータを基にＰＩＤ
演算処理を行い、駆動回路２２へ指令信号Ｒを出力して
超音波モータ１５を駆動させ、ステージ１３を移動、位
置決めさせるフィードバック制御を行うようにした。ま
た、ステージ１３の位置検出手段１８と反対側には、ブ
レーキ機構を設けるとともに、位置検出手段１８からの
位置情報Ｑを基にブレーキ制御２９にて図３の制御フロ
ーチャートに基づいてブレーキ機構へ指令信号Ｓを出力
させるようにした。ただし、図３の制御フローチャート
において、目標位置の許容範囲（ｂ）は１μｍ以内に設
定した。また、ブレーキ機構を構成する摩擦板２４に
は、厚み８ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ２０ｍｍの板状をし
たテトラフルオロエチレン樹脂を用い、ステージ１３と
の当接面には１ｍｍ幅の溝２４ａと凸壁２４ｂを交互に
形成した。Then, the position information Q from the position detecting means 18 is sent to the control unit 1, and the PID is set based on a parameter based on a deviation from the reference position information P preset in the control unit 1.
Arithmetic processing is performed, a command signal R is output to the drive circuit 22, the ultrasonic motor 15 is driven, and feedback control for moving and positioning the stage 13 is performed. A brake mechanism is provided on the side of the stage 13 opposite to the position detecting means 18, and a command is sent to the brake mechanism based on the position information Q from the position detecting means 18 based on the control flowchart of FIG. The signal S is output. However, in the control flowchart of FIG. 3, the allowable range (b) of the target position is set within 1 μm. The friction plate 24 constituting the brake mechanism is made of a plate-shaped tetrafluoroethylene resin having a thickness of 8 mm, a width of 10 mm, and a length of 20 mm, and a groove 24 a having a width of 1 mm is formed on a contact surface with the stage 13. The walls 24b were formed alternately.
【００３６】そして、ステージ１３の搭載重量を１０ｋ
ｇとし、最高速度１００ｍｍ／ｓ、加減速度０．２Ｇの
台形パターンとした移動プロファイルに基づいてステー
ジ１３を連続駆動させたところ、２００時間までオーバ
ーシュート量が目標位置の許容範囲である１μｍを越え
ることはなく、安定した制御を実現できることが判っ
た。また、オーバーシュート量が位置決め精度の１μｍ
を越えた理由について確認したところ、摩擦板２４の摩
耗によるものであることが判った。The mounting weight of the stage 13 is 10 k
g, and the stage 13 was continuously driven based on a movement profile having a trapezoidal pattern with a maximum speed of 100 mm / s and an acceleration / deceleration of 0.2 G. The amount of overshoot exceeded the allowable range of the target position of 1 μm until 200 hours. It was found that stable control could be realized. Also, the overshoot amount is 1 μm of positioning accuracy.
When the reason was exceeded, it was found that the reason was that the friction plate 24 was worn.
【００３７】このことからブレーキ機構のナット２８を
増し締めするかあるいは摩擦板２４を新品と交換するこ
とで繰り返し同様の優れた効果が得られることが判る。From this, it can be seen that the same excellent effect can be repeatedly obtained by retightening the nut 28 of the brake mechanism or replacing the friction plate 24 with a new one.
【００３８】（実施例２）次に、実施例１の案内装置に
おいて、ブレーキ機構に備える摩擦板２４の当接面に溝
２４ａを設けたものと溝のないものをそれぞれ用意し、
溝２４ａを設けた場合の効果を確認する実験を行った。(Embodiment 2) Next, in the guide device of Embodiment 1, one provided with a groove 24a on a contact surface of a friction plate 24 provided in a brake mechanism and one without a groove are prepared.
An experiment was conducted to confirm the effect when the groove 24a was provided.
【００３９】実験にあたっては、摩擦板２４として、長
さ２０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ８ｍｍの板状をしたテト
ラフルオロエチレン樹脂を用い、溝２４ａ付きの摩擦板
２４にあっては、幅２ｍｍ、深さ４ｍｍの溝２４ａを複
数形成した。In the experiment, a plate-shaped tetrafluoroethylene resin having a length of 20 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 8 mm was used as the friction plate 24, and the friction plate 24 having the groove 24 a had a width of 2 mm and a depth of 2 mm. A plurality of grooves 24a each having a length of 4 mm were formed.
【００４０】そして、実施例１と同様の条件にて連続駆
動させたところ、摩擦板２４の当接面に溝２４ａを設け
たものは、溝のない摩擦板２４を用いた時よりも３０％
小さい荷重でステージ１３のオーバーシュートを抑える
ことができ、また、５００時間までオーバーシュート量
が目標位置の許容範囲である１μｍを越えることはな
く、安定した制御を実現できた。しかも、溝のない摩擦
板２４と比べて摩耗量を半減させることができた。Then, when continuously driven under the same conditions as in the first embodiment, the friction plate 24 provided with the groove 24a on the abutting surface thereof is 30% more than the case where the grooveless friction plate 24 is used.
The overshoot of the stage 13 could be suppressed with a small load, and the overshoot amount did not exceed the allowable range of the target position of 1 μm until 500 hours, and stable control was realized. Moreover, the amount of wear could be reduced by half as compared with the friction plate 24 having no groove.
【００４１】この結果、摩擦板２４に溝２４ａを設ける
ことで、寿命を高めることができ、その結果、長期間の
間、ステージ１３の振動及びオーバーシュートを抑制で
きることが判る。As a result, it can be seen that the life can be increased by providing the groove 24a in the friction plate 24, and as a result, vibration and overshoot of the stage 13 can be suppressed for a long period of time.
【００４２】[0042]
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、超音波
モータに備える先端チップ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に応じて
変化するパラメータを基に演算し、前記超音波モータを
駆動させるための指令信号を出力する制御部と、前記可
動体に摩擦板を押圧させ、可動体に駆動抵抗を与えるブ
レーキ機構と、前記位置検出手段からの位置情報に基づ
いて前記ブレーキ機構へ指令信号を出力し、摩擦板の押
圧力を調整するブレーキ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ことから、ステ
ージが大型化して慣性力が大きくなっても、変速時や位
置決め時におけるオーバーシュート及び振動を抑制し、
此処の所定目標位置まで短時間で正確に位置決めを完了
させることができるとともに、オーバーシュートが抑え
られることにより超音波モータの滑りを防ぎ、摩擦駆動
する超音波モータや案内部材の寿命を高めることができ
る。As described above, according to the present invention, a movable body movable by frictional drive with a tip provided in an ultrasonic motor, position detecting means for measuring the position of the movable body,
A calculation is performed based on a parameter that changes according to a deviation between the position information from the position detecting means and reference position information based on a preset movement profile, and a command signal for driving the ultrasonic motor is output. And a brake mechanism for causing the movable body to press a friction plate to apply a driving resistance to the movable body, and outputting a command signal to the brake mechanism based on position information from the position detection means, A guide unit that uses an ultrasonic motor as a driving source for the movable body and a brake control unit that adjusts the pressing force make it possible to overshoot during shifting and positioning even if the stage becomes large and the inertia force increases. And vibration,
Positioning can be completed accurately to the predetermined target position in a short time, and the overshoot is suppressed to prevent the ultrasonic motor from slipping and to increase the life of the ultrasonically driven ultrasonic motor and the guide member. it can.
【図１】本発明に係る超音波モータを可動体の駆動源と
する案内装置の一例を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a guide device using an ultrasonic motor according to the present invention as a drive source of a movable body.
【図２】本発明の案内装置に備えるブレーキ機構の摩擦
板を示す拡大した平面図である。FIG. 2 is an enlarged plan view showing a friction plate of a brake mechanism provided in the guide device of the present invention.
【図３】本発明の案内装置に備えるブレーキ制御部にお
ける制御フローチャートの一例である。FIG. 3 is an example of a control flowchart in a brake control unit provided in the guide device of the present invention.
【図４】従来の超音波モータを可動体の駆動源とする案
内装置の一例を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic view showing an example of a guide device using a conventional ultrasonic motor as a driving source of a movable body.
１１，３１：ベース基盤 １２，３２：ガイド部材 １
３，３３：ステージ １４，３４：案内部材 １５，３５：超音波モータ １５ａ，３５ａ：先端チップ １６，３６：リニアスケ
ール １７，３７：検出ヘッド １８，３８：位置検出手段 １９，３９：バネ ２０，４０：制御部 ２１，４１：
メモリ ２２，４２：駆動回路 ２４：摩擦板 ２５：圧電素子
２６：弾性体 ２７：ネジ ２８：ナット ２９：ブレーキ制御部11, 31: base substrate 12, 32: guide member 1
3, 33: Stage 14, 34: Guide member 15, 35: Ultrasonic motor 15a, 35a: Tip tip 16, 36: Linear scale 17, 37: Detection head 18, 38: Position detecting means 19, 39: Spring 20, 40: control unit 21, 41:
Memory 22, 42: Drive circuit 24: Friction plate 25: Piezoelectric element 26: Elastic body 27: Screw 28: Nut 29: Brake control unit
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石峯 裕作 鹿児島県国分市山下町１番１号 京セラ株 式会社鹿児島国分工場内 Ｆターム(参考） 5H303 AA01 AA06 AA20 BB01 BB11 CC01 CC05 DD14 DD22 HH09 5H680 AA09 AA12 AA18 BB13 BC09 CC02 DD01 DD23 DD55 DD74 DD92 EE22 FF04 FF27 FF30 FF33 GG11 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Yusaku Ishimine 1-1-1, Yamashita-cho, Kokubu-shi, Kagoshima F-term in the Kyocera Corporation Kagoshima Kokubu Plant (reference) 5H303 AA01 AA06 AA20 BB01 BB11 CC01 CC05 DD14 DD22 HH09 5H680 AA09 AA12 AA18 BB13 BC09 CC02 DD01 DD23 DD55 DD74 DD92 EE22 FF04 FF27 FF30 FF33 GG11
Claims (2)
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、
予め設定してある前記可動体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
基に演算し、前記超音波モータを駆動させるための指令
信号を出力する制御部と、前記可動体に摩擦板を押圧さ
せ、可動体に駆動抵抗を与えるブレーキ機構と、前記位
置検出手段からの位置情報に基づいて上記ブレーキ機構
へ指令信号を出力し、前記摩擦板の押圧力を調整するブ
レーキ制御部とから成る超音波モータを可動体の駆動源
とする案内装置。A movable body movable by frictional drive with a tip provided in an ultrasonic motor; position detecting means for measuring a position of the movable body; position information from the position detecting means;
A control unit that calculates based on a parameter that changes according to a deviation from reference position information based on a movement profile of the movable body that is set in advance, and outputs a command signal for driving the ultrasonic motor; A command signal is output to the brake mechanism based on position information from the position detecting means, and a brake mechanism for causing the movable body to press the friction plate to apply a driving resistance to the movable body, thereby adjusting the pressing force of the friction plate. A guide device using an ultrasonic motor including a brake control unit as a drive source of a movable body.
との当接面に、可動体の移動方向に対して垂直な方向の
溝を複数設けて成る請求項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。2. The ultrasonic motor according to claim 1, wherein a plurality of grooves in a direction perpendicular to the moving direction of the movable body are provided on a contact surface of the friction plate provided in the brake mechanism with the movable body. A guide device used as a drive source for a movable body.
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|---|---|---|---|
| JP24534399A JP2001069773A (en) | 1999-08-31 | 1999-08-31 | Guide unit having ultrasonic motor as drive source for mover |
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