JP2004282816A - Drive method of ultrasonic motor and drive gear thereof - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a drive method of an ultrasonic motor for precise positioning. <P>SOLUTION: An ultrasonic motor 10 comprises, for example, an ultrasonic vibrator 11a provided with piezoelectric plates 23a and 23b, an ultrasonic vibrator 11b provided with piezoelectric plates 23a' and 23b', a holding member 12 that holds the ultrasonic vibrators 11a and 11b, and a head 13. The head 13 is pressed against a driven body 15 by a pushing mechanism 14. The ultrasonic vibrators 11a and 11b are resonant driven to cause elliptic movement at an abut part 13a of the head 13, for moving the driven body 15. After the driven body 15 is moved near a target position S2, the piezoelectric plates 23a, 23b, 23a', and 23b' of the ultrasonic vibrators 11a and 11b are DC driven. Thus the abut part 13a is displaced slightly while the driven body 15 is moved slightly at the same time. So the driven body 15 is precisely positioned to the target position S2. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波モータの駆動方法と駆動装置に関し、より具体的には共振型超音波モータの微動制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７に示すように、２個の超音波振動子１０１ａ・１０１ｂと、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂを所定の角度（例えば、９０度）で保持する保持部材１０２と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体であるロータ１０５と接し、その端部（Ｖ字型の開いている方）で超音波振動子１０１ａ・１０１ｂと接続されたヘッド１０３と、を備えた共振型の超音波モータ１００が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この超音波モータ１００では、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂを位相が９０度ずれた共振周波数でそれぞれ駆動することにより、ヘッド１０３の先端部には楕円運動が生ずる。楕円運動するヘッド１０３を一定の力でロータ１０５の端面に押し付けると、ヘッド１０３とロータ１０５との間に生ずる摩擦力によってロータ１０５の外周の接線方向への推力が加わるために、ロータ１０５を回転させることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１５２６７１号公報（第２４〜２９段落、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂに共振周波数帯域の所定周波数の交流電圧を印加して超音波振動子１０１ａ・１０１ｂを駆動し、その後に超音波振動子１０１ａ・１０１ｂの駆動を停止しても、ヘッド１０３が慣性によって微小に動く。このとき、ヘッド１０３がロータ１０５に推力を加えてしまうために、ロータ１０５を高精度で位置決めする（例えば、ナノメートルオーダーで位置決めする）ことは困難である。
【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、高精度な位置決めを可能とする超音波モータの駆動方法を提供することを目的とする。また本発明は、高速かつ高精度な位置決めを可能とする超音波モータの駆動方法を提供する。さらに本発明はこのような超音波モータの駆動に用いる駆動装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動方法であって、
前記圧電素子を直流電圧で変位させて前記接触部材を微小に動かすことにより、前記接触部材に接している被駆動体を微小に動かすことを特徴とする超音波モータの駆動方法、が提供される。
【０００８】
このような超音波モータの駆動方法によれば、接触部材に慣性を生じさせることなく、被駆動体に力を加えて被駆動体を微小に動かすことができるので、被駆動体を高精度に位置決めすることができる。例えば、被駆動体の位置の検出は光学式センサによって行うことができるが、本発明によれば、被駆動体の位置決め精度をそのセンサの検出限界まで高めることができる。
【０００９】
また、本発明によれば、圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動方法であって、
前記２個の超音波振動子を共振周波数およびその近傍の所定の周波数で駆動することによって前記接触部材の頂点部に楕円運動を生じさせて、被駆動体を目的位置の近傍まで移動させる工程と、
前記圧電素子を直流電圧で変位させて前記接触部材を微小に動かすことにより、前記接触部材に接している被駆動体を微小に動かして前記被駆動体を前記目的位置に高精度に位置決めする工程と、
を有することを特徴とする超音波モータの駆動方法、が提供される。
【００１０】
この超音波モータの駆動方法によれば、最初は超音波振動子を共振駆動することによって短時間で被駆動体を目的位置の近傍まで移動させることができ、被駆動体が目的位置の近傍に到達した後に超音波振動子を直流駆動する、より正確に言えば、圧電素子に直流電圧を印加して超音波振動子に静的変位が生じるように超音波振動子を駆動する、ことによって、被駆動体を目的位置に高精度に位置決めすることができる。例えば、半導体デバイスの設計・製造においては、配線パターンの微細化、高集積化が進められており、近年では、ステッパのＸ−Ｙステージにナノメートルオーダーでの位置制御が要求されている。本発明の超音波モータはこのような位置決め装置に好適に用いられる。
【００１１】
なお、被駆動体が回転体であり、この回転体を所定角度回転させる場合には、最初に超音波振動子を共振駆動することにより回転体を目的角度に達する少し手前まで高速で回転させ、その後に圧電素子を直流駆動して回転角度を高精度に位置決めすることができる。
【００１２】
このような超音波モータの駆動方法においては、超音波振動子を直流駆動して被駆動体を微小に動かした後には、圧電素子に直流電圧を印加した状態で保持することにより、被駆動体を一定の位置で保持する。超音波振動子の直流駆動の方法としては、２個の超音波振動子のうちの一方の圧電素子だけを直流駆動する方法と、２個の超音波振動子の一方の圧電素子を順電圧で変位させ、他方の圧電素子を逆電圧で変位させる方法とがある。いずれの場合でも、圧電素子を直流電圧で変位させた場合の接触部材の変位量が、２個の超音波振動子を共振駆動した際の接触部材の位置決め精度長さ以上となるように、超音波モータの構造と超音波振動子の共振駆動特性と直流駆動特性を設計する。
【００１３】
本発明によれば、このようにして超音波モータを駆動するための駆動装置が提供される。すなわち、圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータ、の駆動装置であって、
前記被駆動体の位置を検出する位置センサと、
前記２個の超音波振動子を位相のずれた交流電圧で共振駆動することによって前記接触部材の頂点部に楕円運動を生じさせて前記被駆動体を動かす共振駆動装置と、
前記２個の超音波振動子の一方または両方の圧電素子を直流電圧で駆動して前記接触部材を微小に動かすことにより、前記接触部材に接している前記被駆動体を微小に動かす直流駆動装置と、
前記位置センサの検出信号にしたがって前記共振駆動装置または前記直流駆動装置を駆動させる駆動信号を送る駆動制御装置と、
を具備することを特徴とする超音波モータ駆動装置、が提供される。
本発明によれば、位置決め精度を位置検出センサの検出限界（分解能の限界）まで高めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、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１は超音波モータ１０の概略構成を示す説明図である。この超音波モータ１０は、先に図７に示した超音波モータ１００と同じ構造を有するが、改めてより詳しく超音波モータ１０の構造について説明する。
【００１５】
超音波モータ１０は、ランジュバン型の構造を有する２個の超音波振動子１１ａ・１１ｂと、超音波振動子１１ａ・１１ｂを９０度の角度で保持する保持部材１２と、被駆動体１５に接する略Ｖ字型の形状を有するヘッド１３とを有している。保持部材１２には押圧機構１４が取り付けられており、押圧機構１４は所定の力でヘッド１３を被駆動体１５に押しあてている。
【００１６】
超音波振動子１１ａ・１１ｂは同じ構造を有する。超音波振動子１１ａは、両端がネジ切りされたボルト２１と、ボルト２１のネジ溝に嵌合するネジ穴を有する袋ナット２２と、ボルト２１を通すことができる２枚のリング状の圧電板２３ａ・２３ｂと、ボルト２１を通すことができるリング状の電極板２４ａ〜２４ｃとを有している。超音波振動子１１ｂは、超音波振動子１１ａと同様に、ボルト２１´と、袋ナット２２´と、２枚のリング状の圧電板２３ａ´・２３ｂ´と、リング状の電極板２４ａ´〜２４ｃ´とを有している。圧電板２３ａ・２３ｂ・２３ａ´・２３ｂ´の表裏面には電極（図示せず）が形成されている。
【００１７】
保持部材１２にはボルト２１を通すための孔部が設けられている。ヘッド１３は、被駆動体１５に接する当接部１３ａと、超音波振動子１１ａ・１１ｂと連結される連結部１３ｂ・１３ｂ´と、当接部１３ａと連結部１３ｂ・１３ｂ´とを連結するネック部１３ｃ・１３ｃ´から構成されており、連結部１３ｂ・１３ｂ´にはそれぞれボルト２１・２１´のネジ溝に嵌合するネジ穴が形成されている。なお、圧電板２３ａ・２３ｂは袋ナット２２とヘッド１３の連結部１３ｂによって所定の力で締め付けられ、これによってランジュバン型の超音波振動子１１ａが得られることから、ヘッド１３の連結部１３ｂは超音波振動子１１ａの構成要素でもある。同様に、連結部１３ｂ´は超音波振動子１１ｂの構成要素でもある。
【００１８】
図１に示されるように、圧電板２３ａ・２３ｂが電極板２４ａ〜２４ｃに挟まれるように配置し、これら圧電板２３ａ・２３ｂと電極板２４ａ〜２４ｃおよび保持部材１２の孔部にボルト２１を通し、ボルト２１の端部にそれぞれヘッド１３と袋ナット２２を取り付ける。これによって圧電板２３ａ・２３ｂは所定の力で締め付けられる。このように、超音波モータ１０においては、ヘッド１３は被駆動体１５に推力を与えるだけでなく、圧電板２３ａ・２３ｂを締め付けてランジュバン型振動子を構成する部材としての役割を担っている。勿論、２個のナットで圧電体２３ａ・２３ｂを締め付けて構成されるランジュバン型振動子を準備し、一方のナットをヘッド１３の連結部１３ｂにネジ止めや接着剤による接着や溶接等によって取り付けることによって、超音波モータ１０と同等の超音波モータを構成してもよい。
【００１９】
圧電板２３ａ・２３ｂには、ＰＺＴ系等の圧電セラミックスが好適に用いられる。圧電板２３ａ・２３ｂの分極の向きは、圧電板２３ａ・２３ｂの間に挟まれている電極板２４ｂについて対称となっている。また、電極板２４ａ・２４ｃは互いに電気的に接続されている。したがって、電極板２４ｂと電極板２４ｃとの間に電圧を印加すると、圧電板２３ａ・２３ｂには同じ位相で変位（振動）が生ずる。つまり、圧電板２３ａ・２３ｂがその厚み方向に共に伸び、または、共に縮む。
【００２０】
通常、ボルト２１と袋ナット２２と保持部材１２は金属製であり、この場合には電極板２４ａ・２４ｃは保持部材１２を介して袋ナット２２と導通する。このため、保持部材１２または超音波振動子１１ａの袋ナット２２を圧電体２３ａ・２３ｂを駆動するための接地電極として用いることができ、このときに超音波振動子１１ｂが具備する圧電板２３ａ´・２３ｂ´を駆動するためのアースを同時にとることができる。
【００２１】
超音波振動子１１ａの圧電板２３ａ・２３ｂを伸縮させ、またこれと同時に超音波振動子１１ｂの圧電板２３ａ´・２３ｂ´を伸縮させた際には、ヘッド１３のネック部１３ｃ・１３ｃ´が適度にしなって、超音波振動子１１ａ・１１ｂの変位が当接部１３ａにおいて合成され、これによって当接部１３ａが変位する。
【００２２】
ヘッド１３には、耐摩耗性に優れる材料、例えば、ステンレスや超硬合金等の金属材料や、アルミナや窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックスが用いられる。ヘッド１３が金属製であれば、ヘッド１３にボルト２１と連結するためのネジ溝を形成することが容易である。ヘッド１３が金属製であっても、ヘッド１３は電極板２４ａと導通するために、保持部材１２または超音波振動子１１ａ・１１ｂの袋ナット２２・２２´のいずれかを接地すれば、ヘッド１３もまた接地される。なお、ヘッド１３を金属材料で作製し、その当接部１３ａの表面に窒化ケイ素等のコーティングを施すことも好ましい。また、ヘッド１３を金属材料で作製し、当接部１３ａにセラミック部材を配設し、このセラミック部材が実質的に被駆動体１５と接するようにしてもよい。
【００２３】
押圧機構１４としては、例えば、エアーシリンダや油圧シリンダ、スプリングコイル等が用いられる。
【００２４】
このような構造を有する超音波モータ１０を共振駆動する場合には、超音波振動子１１ａと超音波振動子１１ｂとを、位相が９０度ずれた交流電圧で駆動する。例えば、図１に示されるように、超音波振動子１１ａの電極板２４ｂにＶ＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）（Ｖ_０；ゼロ−ピーク電圧、ｆ；周波数、ｔ；時間）の交流電圧を印加し、これと同時に超音波振動子１１ｂの電極板２４ｂ´にＶ＝Ｖ_０ｃｏｓ（２πｆｔ）の交流電圧を印加する。これによって超音波振動子１１ａ・１１ｂが伸縮し、当接部１３ａには図１に示すような反時計回りの楕円運動が生じ、被駆動体１５は＋Ｘの向きに移動する。
【００２５】
逆に超音波振動子１１ａにＶ＝Ｖ_０ｃｏｓ（２πｆｔ）を印加し、超音波振動子１１ｂにＶ＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）の交流電圧を印加すれば、時計回りの楕円運動が生じるために、被駆動体１５を−Ｘの向きに移動させることができる。また、超音波振動子１１ａにＶ＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加し、超音波振動子１１ｂにＶ＝−Ｖ_０ｃｏｓ（２πｆｔ）の交流電圧を印加すれば、時計回りの楕円運動が生じるために、被駆動体１５を−Ｘの向きに移動させることができる。
【００２６】
このように超音波モータ１０を共振駆動させた場合の被駆動体１５の位置決め精度は、超音波振動子１１ａ・１１ｂを駆動する電圧を切っても当接部１３ａが慣性によって微小に動くために、数十〜数百ナノメートルオーダーが限界である。そこで被駆動体１５をより高精度に位置決めするために、超音波モータ１０を直流電圧により駆動する。
【００２７】
図２は超音波モータ１０を直流電圧で駆動（以下、単に「直流駆動」という）する形態の一例を示す説明図である。図２に示されるように、超音波振動子１１ａの圧電板２３ａ・２３ｂに順電圧（分極の向きと電界の向きが同じ場合）を印加すると、圧電縦効果によって圧電板２３ａ・２３ｂが厚み方向に伸びて当接部１３ａは矢印Ａの方向に変位しようとする。このときに、当接部１３ａが被駆動体１５を＋Ｘの向きに推力を加え、被駆動体１５は当接部１３ａと接した状態で＋Ｘの向きに移動する。
【００２８】
また、図２に示すように、超音波振動子１１ａの圧電板２３ａ・２３ｂに順電圧を印加すると同時に、超音波振動子１１ｂの圧電板２３ａ´・２３ｂ´に逆電圧（分極の向きと電界の向きが逆の場合）を印加すると、圧電板２３ａ´・２３ｂ´が縮むために、当接部１３ａの変位量が大きくなる。つまり、被駆動体１５の移動範囲を広くすることができる。このような超音波振動子１１ａ・１１ｂの直流駆動による当接部１３ａの駆動制御範囲、つまり当接部１３ａの変位量は、超音波振動子１１ａ・１１ｂを共振駆動した際の当接部１３ａの位置決め精度長さよりも長いことが好ましい。
【００２９】
このように超音波モータ１０を直流電圧で駆動する場合には、当接部１３ａが準静的に変位するように駆動電圧の昇圧を行うことが好ましい。これにより当接部１３ａが慣性によって動くことがないために、被駆動体１５の移動量は当接部１３ａの変位量と実質的に同じとなる。これにより、被駆動体１５の位置決め精度を数ナノメートルオーダーまで高めることができる。
【００３０】
図３は、超音波振動子１１ａの圧電板２３ａ・２３ｂに順電圧を印加すると同時に、超音波振動子１１ｂの圧電板２３ａ´・２３ｂ´に逆電圧を印加することによって、超音波モータ１０を直流駆動した場合の応答性を示すグラフである。図３から、約１５ｎｍの範囲を２ｎｍの分解能で位置決めできることが確認された。
【００３１】
被駆動体１５が位置決めされたら、圧電板２３ａ・２３ｂ（および圧電板２３ａ´・２３ｂ´）に直流電圧を継続して掛け続けることにより、被駆動体１５を一定の位置に保持する。後述するように、超音波振動子１１ａ・１１ｂの駆動には、被駆動体１５の位置を検出しながら、適宜、圧電板２３ａ・２３ｂ（および圧電板２３ａ´・２３ｂ´）への印加電圧の大きさを変化させるフィードバック制御が用いられる。
【００３２】
次に、超音波モータ１０を共振駆動と直流駆動とを組み合わせて駆動する方法について説明する。図４は超音波モータ１０の駆動装置５０を示す説明図である。駆動装置５０は、被駆動体１５の位置を検出する位置センサ３１と、超音波モータ１０を共振駆動する共振駆動装置３２と、超音波モータ１０を直流駆動する直流駆動装置３３と、位置センサ３１の検出信号にしたがって共振駆動装置３２または直流駆動装置３３に駆動指令信号を送る駆動制御装置（ＣＰＵ）３４と、を具備している。共振駆動装置３２と直流駆動装置３３は増幅器３５ａ・３５ｂを共有しており、さらに共振駆動装置３２は第１フィードバック制御装置３６と位相制御装置３７とを有し、直流駆動装置３３は第２フィードバック制御装置３８と信号反転器３９とを有している。
【００３３】
位置センサ３１としては、レーザを利用した非接触光学式センサシステムが好適に用いられる。例えば、被駆動体１５には被駆動体１５の位置を示すためのマーキング（図示せず）が施されており、位置センサ３１は反射光パターンから被駆動体１５の位置を検出する。
【００３４】
第１フィードバック制御装置３６は、駆動制御装置（ＣＰＵ）３４から超音波モータ１０を共振駆動させる指令信号を受信すると、超音波モータ１０を共振駆動させるための共振駆動信号を発生させ、それを増幅器３５ａ・３５ｂに送る。また第１フィードバック制御装置３６は、位置センサ３１の検出信号を受信して、被駆動体１５の移動速度を調節する。このため第１フィードバック制御装置３６は、共振駆動信号の波形を適宜変形させる（例えば、ゼロ−ピーク電圧値を変化させる）ことができるようになっている。
【００３５】
第１フィードバック制御装置３６から増幅器３５ａ・３５ｂへは同一波形の共振駆動信号が出力される。このため一方の増幅器、つまり増幅器３５ａに送られる共振駆動信号は増幅器３５ａに入力される前に位相制御装置３７によって位相を９０度ずらされる。例えば、第１フィードバック制御装置３６から出力される共振駆動信号がＶ＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）である場合には、増幅器３５ｂにはこのＶ＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）の共振駆動信号が入力されるが、増幅器３５ａには位相制御装置３７によって位相制御されたＶ＝Ｖ_０ｃｏｓ（２πｆｔ）またはＶ＝−Ｖ_０ｃｏｓ（２πｆｔ）の共振駆動信号が入力される。
【００３６】
なお、第１フィードバック制御装置３６から出力される共振駆動信号はＶ＝Ｖ_０ｃｏｓ（２πｆｔ）であってもよい。この場合には、位相制御装置３７からは、Ｖ＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）またはＶ＝−Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）の共振駆動信号が出力される。
【００３７】
第２フィードバック制御装置３８は、駆動制御装置（ＣＰＵ）３４から超音波モータ１０を直流駆動させる指令信号を受け取ると、超音波モータ１０を直流駆動させるための直流電圧信号を発生させ、それを増幅器３５ａ・３５ｂに送る。また第２フィードバック制御装置３８は、位置センサ３１からの信号を受信して、直流電圧信号の電圧値を適宜調整して増幅器３５ａ・３５ｂに送ることができるようになっている。
【００３８】
第２フィードバック制御装置３８から増幅器３５ａ・３５ｂへは同じ直流電圧信号が出力される。このため増幅器３５ａに送られる直流電圧信号は増幅器３５ａに入力される前に信号反転器３９によって正負を逆転される。これにより、例えば、超音波振動子１１ａの圧電板２３ａ・２３ｂに順電圧を印加した際に、超音波振動子１１ｂの圧電板２３ａ´・２３ｂ´に逆電圧を印加することができる。
【００３９】
図５は駆動装置５０を用いて、被駆動体１５を、被駆動体１５のＫ点が位置Ｓ１にある状態から目的位置Ｓ２に位置する状態となるように、移動させる場合の制御範囲を示す説明図であり、図５（ａ）はその全体図を、図５（ｂ）は図５（ａ）中の点線枠を中心とした拡大図である。また、図６は、Ｋ点が位置Ｓ１から目的位置Ｓ２へ移動するように被駆動体１５を移動させる場合の超音波モータ１０の駆動手順を示す概略のフローチャートである。
【００４０】
初期状態では、位置センサ３１はＫ点が位置Ｓ１にある（被駆動体１５は２点鎖線で示す位置にある）ことを示す検出信号を駆動制御装置（ＣＰＵ）３４に送っている。なお、被駆動体１５は、被駆動体１５が移動した際にＫ点が目的位置Ｓ２等にあることを位置センサ３１が検出できるように、マーキングされている。この状態から、例えばオペレータによって、Ｋ点を目的位置Ｓ２へ移動させることを指示する信号が駆動制御装置（ＣＰＵ）３４に入力される。駆動制御装置（ＣＰＵ）３４は、位置センサ３１から受信した位置検出信号から、共振駆動装置３２または直流駆動装置３３のどちらを駆動させるかを判断する。
【００４１】
超音波モータ１０の直流駆動による被駆動体１５の移動可能距離をＬとすると、直流駆動装置３３による位置決めが可能な範囲は、図５（ｂ）に示されるように、目的位置Ｓ２から距離Ｌだけ離れた位置Ｓ５と位置Ｓ６の間となる。ここで、位置Ｓ１はこの位置Ｓ５〜位置Ｓ６の間から外れているものとする。そのため、駆動制御装置（ＣＰＵ）３４は共振駆動装置３２に動作指令信号を送り、共振駆動装置３２が被駆動体１５の駆動を開始する。
【００４２】
超音波モータ１０は、共振駆動によってＫ点が位置Ｓ５〜位置Ｓ６の間、好ましくは位置Ｓ３〜位置Ｓ４の間、に入るように被駆動体１５を移動させる駆動精度を有している。換言すれば、超音波モータ１０の共振駆動時の位置決め制御長さは距離Ｌ以下である。しかし、超音波モータ１０は、常にＫ点を目的位置Ｓ２に位置するように被駆動体１５を位置決めする駆動精度は有していない。そこでＫ点が位置Ｓ５〜位置Ｓ６の間（好ましくは位置Ｓ３〜位置Ｓ４の間）に入るように、被駆動体１５を移動させる。なお、「Ｋ点が目的位置Ｓ２に位置する」とは、位置センサ３１による被駆動体１５の位置検出の結果、Ｋ点が目的位置Ｓ２にあると判断される状態をいい、例えば、その精度は図３に示した制御精度のように、目的位置Ｓ２を中心として±２ｎｍ以下の範囲である。
【００４３】
具体的には、共振駆動装置３２が具備する第１フィードバック制御装置３６は、共振駆動信号（例えば、Ｖ＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ））を発生させて増幅器３５ａ・３５ｂに送る。前述したように、増幅器３５ａには位相制御装置３７によって位相が９０度ずれた共振駆動信号（Ｖ＝Ｖ_０ｃｏｓ（２πｆｔ））が入力される。増幅器３５ａ・３５ｂは入力された共振駆動信号の電圧増幅を行い、この電圧増幅された信号が超音波振動子１１ａ・１１ｂにそれぞれ入力される。これにより超音波モータ１０が共振駆動され、被駆動体１５が移動を開始する。
【００４４】
被駆動体１５を目的位置Ｓ２から所定距離離れた位置Ｓ７まで高速で移動させるために、第１フィードバック制御装置３６から出力される共振駆動信号のゼロ−ピーク電圧値と周波数が定められる。なお、増幅器３５ａ・３５ｂにおける共振駆動信号の増幅率は一定とする。
【００４５】
被駆動体１５の位置は位置センサ３１によって検出され、その検出信号は駆動制御装置（ＣＰＵ）３４と第１フィードバック制御装置３６に送られる。駆動制御装置（ＣＰＵ）３４は、Ｋ点が位置Ｓ５と位置Ｓ６の間（より好ましくは位置Ｓ３と位置Ｓ４の間）に入ったという検出信号を位置センサ３１から受信するまで共振駆動装置３２に動作指令信号を送る。これに対し、第１フィードバック制御装置３６は、Ｋ点が位置Ｓ７を超えて目的位置Ｓ２側に入ったという検出信号を位置センサ３１から受信した場合には、被駆動体１５の移動速度を減速させて、Ｋ点が位置Ｓ５と位置Ｓ６の間（より好ましくは位置Ｓ３と位置Ｓ４の間）に入りやすくする。
【００４６】
なお、Ｋ点を位置Ｓ３と位置Ｓ４の間に入れることが好ましい理由としては、後にＫ点を目的位置Ｓ２で保持する際に、超音波振動子１１ａの圧電板２３ａ・２３ｂまたは超音波振動子１１ｂの圧電板２３ａ´・２３ｂ´のどちらかに逆電圧を印加した際に、印加電圧値を小さくすることによって、圧電板２３ａ・２３ｂまたは圧電板２３ａ´・２３ｂ´の分極の消滅を防止することが挙げられる。
【００４７】
被駆動体１５の移動速度を下げる方法としては、共振駆動信号のゼロ−ピーク電圧値を下げ、または、周波数を共振周波数およびその近傍において変える方法が挙げられる。ここで、「共振周波数およびその近傍」とは超音波モータ１０が実質的に共振駆動する周波数を指し、より具体的には、共振周波数±１０％の範囲の周波数をいう。第１フィードバック制御装置３６は、被駆動体１５の移動速度を減速させた後に、位置センサ３１からＫ点が位置Ｓ５と位置Ｓ６の間（より好ましくは位置Ｓ３と位置Ｓ４の間）に入ったという検出信号を受信するまで、共振駆動信号を増幅器３５ａ・３５ｂに出力する。
【００４８】
Ｋ点が位置Ｓ５と位置Ｓ６の間（より好ましくは位置Ｓ３と位置Ｓ４の間）に入ったら、駆動制御装置（ＣＰＵ）３４は、第１フィードバック制御装置３６の動作を停止させ、次に第２フィードバック制御装置３８の動作開始を指令する。直流駆動装置３３による被駆動体１５の駆動では、第２フィードバック制御装置３８が、位置センサ３１から検出信号を受けながら、直流電圧信号を増幅器３５ａ・３５ｂに送る。前述したように、増幅器３５ａに向けて送られる直流電圧信号は、増幅器３５ａに入力される前に信号反転器３９によって正負の反転処理が行われる。増幅器３５ａ・３５ｂでは直流電圧信号が一定の電圧値まで増幅され、超音波振動子１１ａの圧電板２３ａ・２３ｂと超音波振動子１１ｂの圧電板２３ａ´・２３ｂ´に印加される。これにより、当接部１３ａを微小に動かして、位置センサ３１の検出精度限界まで、Ｋ点を目的位置Ｓ２に位置決めする。
【００４９】
被駆動体１５の位置決めが終了しても、超音波振動子１１ａの圧電板２３ａ・２３ｂと超音波振動子１１ｂの圧電板２３ａ´・２３ｂ´には、Ｋ点が常に目的位置Ｓ２にあるように、第２フィードバック制御装置３８は位置センサ３１からの検出信号を受信しながら、超音波振動子１１ａの圧電板２３ａ・２３ｂと超音波振動子１１ｂの圧電板２３ａ´・２３ｂ´に印加される直流電圧信号の電圧値を適宜変化させる。被駆動体１５が目的位置Ｓ２にある状態で、例えば被駆動体１５に取り付けられた図示しない被加工体に所定の加工が施されたら、Ｋ点をさらに別の位置に、上述したようにＫ点を位置Ｓ１から目的位置Ｓ２へ移動させた方法と同じ方法で、移動させる。
【００５０】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、上記説明においては、被駆動体１５を直線移動させた形態について説明したが、回転自在なロータの外周端面にヘッド１３の当接部１３ａを押しあてて超音波モータ１０を駆動すれば、ロータの回転角度を高精度に制御することができる。超音波振動子１１ａ・１１ｂが具備する圧電板の数は、１個でもよく３個以上であってもよい。
【００５１】
【発明の効果】
上述の通り、本発明によれば、圧電素子を共振駆動して接触部材（ヘッド）に楕円運動を生じさせることにより短時間で被駆動体を目的位置の近傍まで移動させることができ、その後に、接触部材に慣性を生じさせることなく、被駆動体に力を加えて被駆動体を微小に動かすことができるので、被駆動体を従来よりも高精度に位置決めすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の駆動方法が適用される超音波モータの概略構成を示す平面図（上側）および断面図（下側）。
【図２】超音波モータを直流駆動する形態の一例を示す説明図。
【図３】超音波モータの直流駆動時の応答性を示すグラフ。
【図４】超音波モータの駆動装置の概略構成を示す説明図。
【図５】被駆動体を所定位置に移動させる場合の制御範囲を示す説明図。
【図６】被駆動体を所定位置に移動させる場合の駆動手順を示すフローチャート。
【図７】従来の超音波モータの一例を示す説明図。
【符号の説明】
１０；超音波モータ
１１ａ・１１ｂ；超音波振動子
１２；保持部材
１３；ヘッド
１３ａ；当接部
１３ｂ；連結部
１３ｃ；ネック部
１４；押圧機構
１５；被駆動体
２１・２１´；ボルト
２２・２２´；袋ナット
２３ａ・２３ｂ・２３ａ´・２３ｂ´；圧電板
２４ａ〜２４ｃ；２４ａ´〜２４ｃ´；電極板
３１；位置センサ
３２；共振駆動装置
３３；直流駆動装置
３４；駆動制御装置（ＣＰＵ）
３５ａ・３５ｂ；増幅器
３６；第１フィードバック制御装置
３７；位相制御装置
３８；第２フィードバック制御装置
３９；信号反転器
１００；超音波モータ
１０１ａ・１０１ｂ；超音波振動子
１０２；保持部材
１０３；ヘッド
１０５；ロータ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a driving method and a driving device for an ultrasonic motor, and more particularly, to fine movement control of a resonance type ultrasonic motor.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIG. 7, two ultrasonic transducers 101a and 101b, a holding member 102 for holding the ultrasonic transducers 101a and 101b at a predetermined angle (for example, 90 degrees), and a substantially V-shaped shape And a head 103 connected at its apex to the rotor 105 as a driven body and connected at its end (the V-shaped open side) to the ultrasonic transducers 101a and 101b. A resonance type ultrasonic motor 100 is known (for example, see Patent Document 1).
[0003]
In the ultrasonic motor 100, the ultrasonic transducers 101a and 101b are driven at resonance frequencies with phases shifted by 90 degrees, so that an elliptical motion occurs at the tip of the head 103. When the head 103 that performs the elliptical motion is pressed against the end face of the rotor 105 with a constant force, the thrust in the tangential direction of the outer periphery of the rotor 105 is applied by the frictional force generated between the head 103 and the rotor 105, so that the rotor 105 rotates. Can be done.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-152671 (paragraphs 24-29, FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, even if the ultrasonic transducers 101a and 101b are driven by applying an AC voltage having a predetermined frequency in a resonance frequency band to the ultrasonic transducers 101a and 101b, and then the driving of the ultrasonic transducers 101a and 101b is stopped. The head 103 moves minutely due to inertia. At this time, since the head 103 applies a thrust to the rotor 105, it is difficult to position the rotor 105 with high accuracy (for example, in the order of nanometers).
[0006]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a driving method of an ultrasonic motor that enables highly accurate positioning. The present invention also provides a driving method of an ultrasonic motor that enables high-speed and high-accuracy positioning. Another object of the present invention is to provide a driving device used for driving such an ultrasonic motor.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, there are provided two Langevin type ultrasonic transducers each having a piezoelectric element, a holding member for holding the two ultrasonic transducers at a predetermined angle, and a substantially V-shaped shape. And a contact member that is in contact with the driven body at the apex thereof, and is connected at its end to the two ultrasonic transducers,
A driving method of an ultrasonic motor, wherein a driven body in contact with the contact member is minutely moved by displacing the piezoelectric element with a DC voltage to minutely move the contact member. .
[0008]
According to such a driving method of the ultrasonic motor, the driven body can be minutely moved by applying a force to the driven body without causing inertia to the contact member. Can be positioned. For example, the position of the driven body can be detected by an optical sensor, but according to the present invention, the positioning accuracy of the driven body can be increased to the detection limit of the sensor.
[0009]
Further, according to the present invention, two Langevin type ultrasonic vibrators each having a piezoelectric element, a holding member for holding the two ultrasonic vibrators at a predetermined angle, and a substantially V-shaped shape are provided. And a contact member that is in contact with the driven body at its apex and at the end thereof is connected to the two ultrasonic vibrators, and a driving method of an ultrasonic motor comprising:
A step of driving the two ultrasonic transducers at a resonance frequency and a predetermined frequency near the resonance frequency to generate an elliptical motion at a vertex of the contact member, and moving the driven body to a position near a target position; and ,
A step of displacing the piezoelectric element with a DC voltage to minutely move the contact member, thereby minutely moving the driven body in contact with the contact member and positioning the driven body at the target position with high precision; When,
And a method for driving an ultrasonic motor.
[0010]
According to the driving method of the ultrasonic motor, the driven body can be moved to the vicinity of the target position in a short time by initially driving the ultrasonic vibrator in resonance, and the driven body is moved to the vicinity of the target position in a short time. Directly driving the ultrasonic vibrator after reaching, more precisely, applying a DC voltage to the piezoelectric element to drive the ultrasonic vibrator so that static displacement occurs in the ultrasonic vibrator, The driven body can be positioned at a target position with high accuracy. For example, in the design and manufacture of semiconductor devices, finer wiring patterns and higher integration are being promoted. In recent years, position control on the XY stage of a stepper on the order of nanometers has been required. The ultrasonic motor of the present invention is suitably used for such a positioning device.
[0011]
When the driven body is a rotating body and the rotating body is to be rotated by a predetermined angle, the rotating body is first rotated at a high speed to reach a target angle by resonance driving the ultrasonic vibrator, Thereafter, the piezoelectric element is DC-driven to position the rotation angle with high accuracy.
[0012]
In such an ultrasonic motor driving method, after the ultrasonic transducer is DC-driven and the driven body is minutely moved, the driven element is maintained by applying a DC voltage to the piezoelectric element. Is held in a fixed position. As a method of DC driving of the ultrasonic vibrator, there is a method of DC driving only one of the two ultrasonic vibrators, and a method of driving one of the two ultrasonic vibrators with a forward voltage. And the other piezoelectric element is displaced by a reverse voltage. In any case, the displacement amount of the contact member when the piezoelectric element is displaced by the DC voltage is longer than the positioning accuracy length of the contact member when the two ultrasonic transducers are driven to resonance. The structure of the ultrasonic motor and the resonance and DC drive characteristics of the ultrasonic transducer are designed.
[0013]
According to the present invention, there is provided a driving device for driving an ultrasonic motor in this way. That is, two Langevin type ultrasonic vibrators having piezoelectric elements, a holding member for holding the two ultrasonic vibrators at a predetermined angle, and a substantially V-shaped shape, And a contact member connected to the driven body at an end thereof and connected to the two ultrasonic vibrators at its ends, and a driving device for an ultrasonic motor,
A position sensor for detecting a position of the driven body,
A resonance driving device that causes the driven member to generate an elliptical motion at the apex of the contact member by resonantly driving the two ultrasonic transducers with AC voltages having different phases,
A DC drive device for driving one or both piezoelectric elements of the two ultrasonic transducers with a DC voltage to move the contact member minutely, thereby minutely moving the driven body in contact with the contact member. When,
A drive control device that sends a drive signal to drive the resonance drive device or the DC drive device according to the detection signal of the position sensor,
An ultrasonic motor drive device comprising:
According to the present invention, the positioning accuracy can be increased to the detection limit (resolution limit) of the position detection sensor.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the ultrasonic motor 10. The ultrasonic motor 10 has the same structure as that of the ultrasonic motor 100 shown in FIG. 7, but the structure of the ultrasonic motor 10 will be described in more detail.
[0015]
The ultrasonic motor 10 is in contact with two ultrasonic vibrators 11a and 11b having a Langevin type structure, a holding member 12 for holding the ultrasonic vibrators 11a and 11b at an angle of 90 degrees, and a driven body 15. And a head 13 having a substantially V-shape. A pressing mechanism 14 is attached to the holding member 12, and the pressing mechanism 14 presses the head 13 against the driven body 15 with a predetermined force.
[0016]
The ultrasonic transducers 11a and 11b have the same structure. The ultrasonic vibrator 11a includes a bolt 21 having both ends threaded, a cap nut 22 having a screw hole fitted into a screw groove of the bolt 21, and two ring-shaped piezoelectric plates through which the bolt 21 can pass. 23a and 23b, and ring-shaped electrode plates 24a to 24c through which the bolt 21 can pass. Similarly to the ultrasonic transducer 11a, the ultrasonic transducer 11b includes a bolt 21 ', a cap nut 22', two ring-shaped piezoelectric plates 23a 'and 23b', and ring-shaped electrode plates 24a 'to 24'. 24c '. Electrodes (not shown) are formed on the front and back surfaces of the piezoelectric plates 23a, 23b, 23a ', and 23b'.
[0017]
The holding member 12 is provided with a hole through which the bolt 21 passes. The head 13 connects the contact portion 13a in contact with the driven body 15, the connection portions 13b and 13b 'connected to the ultrasonic transducers 11a and 11b, and connects the contact portion 13a and the connection portions 13b and 13b'. The connecting portions 13b and 13b 'are formed with screw holes to be fitted in the screw grooves of the bolts 21 and 21', respectively. Since the piezoelectric plates 23a and 23b are tightened by a predetermined force by the connecting portion 13b of the cap nut 22 and the head 13, a Langevin type ultrasonic vibrator 11a is obtained. It is also a component of the acoustic transducer 11a. Similarly, the connecting portion 13b 'is also a component of the ultrasonic transducer 11b.
[0018]
As shown in FIG. 1, the piezoelectric plates 23a and 23b are arranged so as to be sandwiched between the electrode plates 24a to 24c, and bolts 21 are inserted into the holes of the piezoelectric plates 23a and 23b, the electrode plates 24a to 24c, and the holding member 12. The head 13 and the cap nut 22 are attached to the ends of the bolts 21 respectively. Thus, the piezoelectric plates 23a and 23b are tightened with a predetermined force. As described above, in the ultrasonic motor 10, the head 13 not only gives a thrust to the driven body 15, but also plays a role as a member constituting the Langevin type vibrator by tightening the piezoelectric plates 23a and 23b. Of course, a Langevin type vibrator constituted by tightening the piezoelectric bodies 23a and 23b with two nuts is prepared, and one of the nuts is attached to the connecting portion 13b of the head 13 by screwing, bonding with an adhesive, welding, or the like. Thus, an ultrasonic motor equivalent to the ultrasonic motor 10 may be configured.
[0019]
PZT-based piezoelectric ceramics or the like is preferably used for the piezoelectric plates 23a and 23b. The polarization directions of the piezoelectric plates 23a and 23b are symmetric with respect to the electrode plate 24b interposed between the piezoelectric plates 23a and 23b. The electrode plates 24a and 24c are electrically connected to each other. Therefore, when a voltage is applied between the electrode plate 24b and the electrode plate 24c, displacement (vibration) occurs in the piezoelectric plates 23a and 23b in the same phase. That is, the piezoelectric plates 23a and 23b both expand or contract in the thickness direction.
[0020]
Usually, the bolt 21, the cap nut 22, and the holding member 12 are made of metal. In this case, the electrode plates 24a and 24c are electrically connected to the cap nut 22 via the holding member 12. Therefore, the holding member 12 or the cap nut 22 of the ultrasonic vibrator 11a can be used as a ground electrode for driving the piezoelectric bodies 23a and 23b, and at this time, the piezoelectric plate 23a 'of the ultrasonic vibrator 11b is provided. The ground for driving 23b 'can be taken at the same time.
[0021]
When the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic vibrator 11a are expanded and contracted, and simultaneously with the expansion and contraction of the piezoelectric plates 23a 'and 23b' of the ultrasonic vibrator 11b, the neck portions 13c and 13c 'of the head 13 are As a result, the displacement of the ultrasonic transducers 11a and 11b is combined at the contact portion 13a, and the contact portion 13a is displaced.
[0022]
For the head 13, a material having excellent wear resistance, for example, a metal material such as stainless steel or cemented carbide, or a ceramic such as alumina, silicon nitride, or silicon carbide is used. If the head 13 is made of metal, it is easy to form a screw groove for connecting the head 13 to the bolt 21. Even if the head 13 is made of metal, the head 13 is electrically connected to the electrode plate 24a, so that either the holding member 12 or the cap nuts 22/22 'of the ultrasonic vibrators 11a / 11b is grounded. Are also grounded. It is also preferable that the head 13 is made of a metal material and the surface of the contact portion 13a is coated with silicon nitride or the like. Alternatively, the head 13 may be made of a metal material, and a ceramic member may be provided in the contact portion 13a so that the ceramic member substantially contacts the driven body 15.
[0023]
As the pressing mechanism 14, for example, an air cylinder, a hydraulic cylinder, a spring coil, or the like is used.
[0024]
When the ultrasonic motor 10 having such a structure is driven by resonance, the ultrasonic oscillator 11a and the ultrasonic oscillator 11b are driven by an AC voltage having a phase shift of 90 degrees. For example, as shown in FIG. 1, V = V is applied to the electrode plate 24b of the ultrasonic transducer 11a. ₀ sin (2πft) (V ₀ Zero-peak voltage, f; frequency, t; time), and at the same time, V = V to the electrode plate 24b 'of the ultrasonic transducer 11b. ₀ An AC voltage of cos (2πft) is applied. As a result, the ultrasonic transducers 11a and 11b expand and contract, and a counterclockwise elliptical motion occurs in the contact portion 13a as shown in FIG. 1, and the driven body 15 moves in the + X direction.
[0025]
Conversely, V = V is applied to the ultrasonic vibrator 11a. ₀ cos (2πft) is applied, and V = V is applied to the ultrasonic vibrator 11b. ₀ If an AC voltage of sin (2πft) is applied, a clockwise elliptical motion occurs, so that the driven body 15 can be moved in the −X direction. Also, V = V is applied to the ultrasonic transducer 11a. ₀ sin (2πft) is applied, and V = −V is applied to the ultrasonic vibrator 11b. ₀ If an AC voltage of cos (2πft) is applied, a clockwise elliptical motion occurs, so that the driven body 15 can be moved in the −X direction.
[0026]
As described above, the positioning accuracy of the driven body 15 when the ultrasonic motor 10 is driven in resonance is because the contact portion 13a moves minutely due to inertia even when the voltage for driving the ultrasonic vibrators 11a and 11b is cut off. The limit is on the order of tens to hundreds of nanometers. Then, in order to position the driven body 15 with higher accuracy, the ultrasonic motor 10 is driven by a DC voltage.
[0027]
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of a mode in which the ultrasonic motor 10 is driven by a DC voltage (hereinafter, simply referred to as “DC drive”). As shown in FIG. 2, when a forward voltage is applied to the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic transducer 11a (when the direction of polarization and the direction of the electric field are the same), the piezoelectric plates 23a and 23b are moved in the thickness direction by the piezoelectric longitudinal effect. And the contact portion 13a is about to be displaced in the direction of arrow A. At this time, the contact portion 13a applies a thrust to the driven body 15 in the + X direction, and the driven body 15 moves in the + X direction in contact with the contact portion 13a.
[0028]
As shown in FIG. 2, a forward voltage is applied to the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic vibrator 11a, and at the same time, a reverse voltage (the direction of polarization and the electric field) is applied to the piezoelectric plates 23a 'and 23b' of the ultrasonic vibrator 11b. Is applied), the piezoelectric plates 23a 'and 23b' shrink, so that the displacement of the contact portion 13a increases. That is, the moving range of the driven body 15 can be widened. The drive control range of the contact portion 13a by the DC drive of the ultrasonic transducers 11a and 11b, that is, the displacement amount of the contact portion 13a is determined by the contact portion 13a when the ultrasonic transducers 11a and 11b are driven by resonance. Is preferably longer than the positioning accuracy length.
[0029]
When the ultrasonic motor 10 is driven by a DC voltage as described above, it is preferable to increase the drive voltage so that the contact portion 13a is displaced quasi-statically. As a result, the contact portion 13a does not move due to inertia, so that the movement amount of the driven body 15 is substantially the same as the displacement amount of the contact portion 13a. Thereby, the positioning accuracy of the driven body 15 can be increased to the order of several nanometers.
[0030]
FIG. 3 shows that the ultrasonic motor 10 is operated by applying a forward voltage to the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic vibrator 11a and simultaneously applying a reverse voltage to the piezoelectric plates 23a 'and 23b' of the ultrasonic vibrator 11b. 5 is a graph showing responsiveness when a DC drive is performed. From FIG. 3, it was confirmed that the range of about 15 nm can be positioned with a resolution of 2 nm.
[0031]
When the driven body 15 is positioned, the driven body 15 is held at a fixed position by continuously applying a DC voltage to the piezoelectric plates 23a and 23b (and the piezoelectric plates 23a 'and 23b'). As will be described later, the driving of the ultrasonic vibrators 11a and 11b is performed while detecting the position of the driven body 15 while appropriately applying the voltage applied to the piezoelectric plates 23a and 23b (and the piezoelectric plates 23a 'and 23b'). Feedback control that changes the magnitude is used.
[0032]
Next, a method of driving the ultrasonic motor 10 by combining resonance driving and DC driving will be described. FIG. 4 is an explanatory diagram showing a driving device 50 of the ultrasonic motor 10. The driving device 50 includes a position sensor 31 for detecting the position of the driven body 15, a resonance driving device 32 for driving the ultrasonic motor 10 in resonance, a DC driving device 33 for driving the ultrasonic motor 10 in DC, and a position sensor 31. And a drive control device (CPU) 34 for sending a drive command signal to the resonance drive device 32 or the DC drive device 33 in accordance with the detection signal. The resonance driving device 32 and the DC driving device 33 share amplifiers 35a and 35b, the resonance driving device 32 further has a first feedback control device 36 and a phase control device 37, and the DC driving device 33 has a second feedback control device. It has a control device 38 and a signal inverter 39.
[0033]
As the position sensor 31, a non-contact optical sensor system using a laser is preferably used. For example, the driven body 15 is provided with a marking (not shown) for indicating the position of the driven body 15, and the position sensor 31 detects the position of the driven body 15 from the reflected light pattern.
[0034]
When the first feedback control device 36 receives a command signal for driving the ultrasonic motor 10 to resonate from the drive control device (CPU) 34, the first feedback control device 36 generates a resonance drive signal for driving the ultrasonic motor 10 to resonate, and converts the signal into an amplifier. Send to 35a and 35b. Further, the first feedback control device 36 receives the detection signal of the position sensor 31 and adjusts the moving speed of the driven body 15. Therefore, the first feedback control device 36 can appropriately modify the waveform of the resonance drive signal (for example, change the zero-peak voltage value).
[0035]
A resonance drive signal having the same waveform is output from the first feedback control device 36 to the amplifiers 35a and 35b. Therefore, the phase of the resonance drive signal sent to one amplifier, that is, the amplifier 35a, is shifted by 90 degrees by the phase controller 37 before being input to the amplifier 35a. For example, when the resonance drive signal output from the first feedback control device 36 is V = V ₀ If sin (2πft), then V = V ₀ Although a resonance drive signal of sin (2πft) is input, V = V phase-controlled by the phase control device 37 is supplied to the amplifier 35a. ₀ cos (2πft) or V = −V ₀ A resonance drive signal of cos (2πft) is input.
[0036]
Note that the resonance drive signal output from the first feedback control device 36 is V = V ₀ cos (2πft). In this case, from the phase control device 37, V = V ₀ sin (2πft) or V = −V ₀ A resonance drive signal of sin (2πft) is output.
[0037]
When receiving a command signal for driving the ultrasonic motor 10 in DC from the drive control device (CPU) 34, the second feedback control device 38 generates a DC voltage signal for driving the ultrasonic motor 10 in DC, and converts it into an amplifier. Send to 35a and 35b. Further, the second feedback control device 38 can receive the signal from the position sensor 31, adjust the voltage value of the DC voltage signal as appropriate, and send it to the amplifiers 35a and 35b.
[0038]
The same DC voltage signal is output from the second feedback control device 38 to the amplifiers 35a and 35b. Therefore, the DC voltage signal sent to the amplifier 35a is inverted by the signal inverter 39 before and after being input to the amplifier 35a. Thus, for example, when a forward voltage is applied to the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic vibrator 11a, a reverse voltage can be applied to the piezoelectric plates 23a 'and 23b' of the ultrasonic vibrator 11b.
[0039]
FIG. 5 shows a control range in the case where the driven body 15 is moved by using the driving device 50 so that the driven point 15 moves from the state where the K point of the driven body 15 is at the position S1 to the state where it is located at the target position S2. FIG. 5A is an overall view thereof, and FIG. 5B is an enlarged view centered on a dotted frame in FIG. 5A. FIG. 6 is a schematic flowchart showing a driving procedure of the ultrasonic motor 10 when the driven body 15 is moved so that the point K moves from the position S1 to the target position S2.
[0040]
In the initial state, the position sensor 31 sends a detection signal to the drive control device (CPU) 34 indicating that the point K is at the position S1 (the driven body 15 is at the position indicated by the two-dot chain line). Note that the driven body 15 is marked so that the position sensor 31 can detect that the point K is at the target position S2 or the like when the driven body 15 moves. From this state, for example, a signal for instructing the operator to move the point K to the target position S2 is input to the drive control device (CPU) 34 by the operator. The drive control device (CPU) 34 determines whether to drive the resonance drive device 32 or the DC drive device 33 based on the position detection signal received from the position sensor 31.
[0041]
Assuming that the movable distance of the driven body 15 by the direct current driving of the ultrasonic motor 10 is L, the range in which the direct current driving device 33 can perform positioning is a distance L from the target position S2 as shown in FIG. Between the position S5 and the position S6 apart from each other. Here, it is assumed that the position S1 deviates from between the positions S5 and S6. Therefore, the drive control device (CPU) 34 sends an operation command signal to the resonance drive device 32, and the resonance drive device 32 starts driving the driven body 15.
[0042]
The ultrasonic motor 10 has a driving accuracy of moving the driven body 15 so that the point K is moved between the positions S5 and S6, preferably between the positions S3 and S4 by resonance driving. In other words, the positioning control length during the resonance driving of the ultrasonic motor 10 is equal to or less than the distance L. However, the ultrasonic motor 10 does not have the driving accuracy for positioning the driven body 15 so that the point K is always located at the target position S2. Then, the driven body 15 is moved so that the point K falls between the positions S5 and S6 (preferably between the positions S3 and S4). Note that “the point K is located at the target position S2” refers to a state in which it is determined that the point K is at the target position S2 as a result of the position detection of the driven body 15 by the position sensor 31. Is a range of ± 2 nm or less around the target position S2 as in the control accuracy shown in FIG.
[0043]
Specifically, the first feedback control device 36 included in the resonance driving device 32 outputs a resonance driving signal (for example, V = V ₀ sin (2πft)) is generated and sent to the amplifiers 35a and 35b. As described above, the resonance drive signal (V = V) whose phase is shifted by 90 degrees by the phase control device 37 is supplied to the amplifier 35a. ₀ cos (2πft)) is input. The amplifiers 35a and 35b perform voltage amplification of the input resonance drive signal, and the voltage-amplified signals are input to the ultrasonic transducers 11a and 11b, respectively. As a result, the ultrasonic motor 10 is driven in resonance, and the driven body 15 starts moving.
[0044]
In order to move the driven body 15 at a high speed from the target position S2 to a position S7 separated by a predetermined distance, the zero-peak voltage value and the frequency of the resonance drive signal output from the first feedback control device 36 are determined. The amplification factor of the resonance drive signal in the amplifiers 35a and 35b is constant.
[0045]
The position of the driven body 15 is detected by the position sensor 31, and the detection signal is sent to a drive control device (CPU) 34 and a first feedback control device 36. The drive control device (CPU) 34 controls the resonance drive device 32 until a detection signal indicating that the point K has entered between the position S5 and the position S6 (more preferably, between the position S3 and the position S4) is received from the position sensor 31. Send operation command signal. On the other hand, when the first feedback control device 36 receives from the position sensor 31 a detection signal that the point K has entered the target position S2 side beyond the position S7, the first feedback control device 36 reduces the moving speed of the driven body 15. As a result, the point K easily enters between the position S5 and the position S6 (more preferably, between the position S3 and the position S4).
[0046]
The reason why the point K is preferably inserted between the position S3 and the position S4 is that when the point K is later held at the target position S2, the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic vibrator 11a or the ultrasonic vibrator When a reverse voltage is applied to one of the piezoelectric plates 23a 'and 23b' of 11b, the applied voltage value is reduced to prevent the disappearance of the polarization of the piezoelectric plates 23a and 23b or the piezoelectric plates 23a 'and 23b'. It is mentioned.
[0047]
As a method of lowering the moving speed of the driven body 15, there is a method of lowering the zero-peak voltage value of the resonance drive signal or changing the frequency at and near the resonance frequency. Here, “resonance frequency and its vicinity” refers to a frequency at which the ultrasonic motor 10 substantially drives in resonance, more specifically, a frequency in a range of the resonance frequency ± 10%. After reducing the moving speed of the driven body 15, the first feedback control device 36 moves the point K from the position sensor 31 between the positions S5 and S6 (more preferably between the positions S3 and S4). Until the detection signal is received, the resonance drive signal is output to the amplifiers 35a and 35b.
[0048]
When the point K enters between the position S5 and the position S6 (more preferably, between the position S3 and the position S4), the drive control device (CPU) 34 stops the operation of the first feedback control device 36, and then stops the operation. (2) An instruction to start the operation of the feedback control device 38 is issued. In driving the driven body 15 by the DC driving device 33, the second feedback control device 38 sends a DC voltage signal to the amplifiers 35a and 35b while receiving a detection signal from the position sensor 31. As described above, the DC voltage signal sent to the amplifier 35a is subjected to positive / negative inversion processing by the signal inverter 39 before being input to the amplifier 35a. In the amplifiers 35a and 35b, the DC voltage signal is amplified to a certain voltage value and applied to the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic transducer 11a and the piezoelectric plates 23a 'and 23b' of the ultrasonic transducer 11b. As a result, the contact portion 13a is minutely moved to position the point K at the target position S2 up to the detection accuracy limit of the position sensor 31.
[0049]
Even when the positioning of the driven body 15 is completed, the K point is always at the target position S2 on the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic vibrator 11a and the piezoelectric plates 23a 'and 23b' of the ultrasonic vibrator 11b. Meanwhile, the second feedback control device 38 is applied to the piezoelectric plates 23a and 23b of the ultrasonic vibrator 11a and the piezoelectric plates 23a 'and 23b' of the ultrasonic vibrator 11b while receiving the detection signal from the position sensor 31. The voltage value of the DC voltage signal is appropriately changed. In a state where the driven body 15 is at the target position S2, for example, when a predetermined processing is performed on a workpiece (not shown) attached to the driven body 15, the point K is moved to another position as described above. The point is moved by the same method as the method of moving the point from the position S1 to the target position S2.
[0050]
The embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to such embodiments. For example, in the above description, the form in which the driven body 15 is linearly moved has been described. However, if the contact portion 13a of the head 13 is pressed against the outer peripheral end surface of the rotatable rotor to drive the ultrasonic motor 10, The rotation angle of the rotor can be controlled with high accuracy. The number of the piezoelectric plates included in the ultrasonic transducers 11a and 11b may be one or three or more.
[0051]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the driven element can be moved to the vicinity of the target position in a short time by causing the contact element (head) to perform an elliptical motion by resonantly driving the piezoelectric element. Since the driven body can be minutely moved by applying a force to the driven body without causing inertia to the contact member, the driven body can be positioned with higher precision than before.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view (upper side) and a cross-sectional view (lower side) showing a schematic configuration of an ultrasonic motor to which a driving method of the present invention is applied.
FIG. 2 is an explanatory view showing an example of a mode in which an ultrasonic motor is driven by direct current.
FIG. 3 is a graph showing the responsiveness of the ultrasonic motor during DC driving.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a driving device for an ultrasonic motor.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a control range when a driven body is moved to a predetermined position.
FIG. 6 is a flowchart showing a driving procedure when the driven body is moved to a predetermined position.
FIG. 7 is an explanatory view showing an example of a conventional ultrasonic motor.
[Explanation of symbols]
10; ultrasonic motor
11a and 11b; ultrasonic vibrator
12; holding member
13; head
13a; contact part
13b; connecting part
13c; neck part
14; pressing mechanism
15; driven body
21 ・ 21 ′ ： Bolt
22 ・ 22 ′ ； Cap nut
23a, 23b, 23a ', 23b'; piezoelectric plate
24a to 24c; 24a 'to 24c'; Electrode plate
31; Position sensor
32; resonance drive
33; DC drive device
34; drive control device (CPU)
35a ・ 35b ； Amplifier
36; first feedback control device
37; phase control device
38; second feedback control device
39; signal inverter
100; ultrasonic motor
101a and 101b; ultrasonic vibrator
102; holding member
103; head
105; rotor

Claims (6)

圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動方法であって、
前記圧電素子を直流電圧で変位させて前記接触部材を微小に動かすことにより、前記接触部材に接している被駆動体を微小に動かすことを特徴とする超音波モータの駆動方法。Two Langevin type ultrasonic transducers having piezoelectric elements, a holding member for holding the two ultrasonic transducers at a predetermined angle, and a substantially V-shaped shape, A contact member that is in contact with the driven body and has an end connected to the two ultrasonic transducers,
A driving method for an ultrasonic motor, wherein the driven element in contact with the contact member is minutely moved by displacing the piezoelectric element with a DC voltage to minutely move the contact member. 圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータの駆動方法であって、
前記２個の超音波振動子を共振周波数およびその近傍の所定の周波数で駆動することによって前記接触部材の頂点部に楕円運動を生じさせて、被駆動体を目的位置の近傍まで移動させる工程と、
前記圧電素子を直流電圧で変位させて前記接触部材を微小に動かすことにより、前記接触部材に接している被駆動体を微小に動かして前記被駆動体を前記目的位置に高精度に位置決めする工程と、
を有することを特徴とする超音波モータの駆動方法。Two Langevin type ultrasonic transducers having piezoelectric elements, a holding member for holding the two ultrasonic transducers at a predetermined angle, and a substantially V-shaped shape, A contact member that is in contact with the driven body and has an end connected to the two ultrasonic transducers,
A step of driving the two ultrasonic transducers at a resonance frequency and a predetermined frequency near the resonance frequency to generate an elliptical motion at a vertex of the contact member, and moving the driven body to a position near a target position; and ,
A step of displacing the piezoelectric element with a DC voltage to minutely move the contact member, thereby minutely moving the driven body in contact with the contact member and positioning the driven body at the target position with high precision; When,
A method for driving an ultrasonic motor, comprising: 前記２個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子を所定の直流電圧によって変位させることにより、前記接触部材を動かして前記接触部材に接した被駆動体を動かすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータの駆動方法。The piezoelectric element of one of the two ultrasonic transducers is displaced by a predetermined DC voltage to move the contact member to move a driven body that is in contact with the contact member. A method for driving an ultrasonic motor according to claim 1 or 2. 前記２個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子を順電圧で変位させ、他方が具備する圧電素子を逆電圧で変位させることにより、前記接触部材を動かして前記接触部材に接した被駆動体を動かすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータの駆動方法。By displacing the piezoelectric element of one of the two ultrasonic transducers with a forward voltage and displacing the piezoelectric element of the other with a reverse voltage, the contact member is moved to contact the contact member. 3. The driving method for an ultrasonic motor according to claim 1, wherein the driving body is moved. 前記圧電素子を直流電圧で駆動した場合の前記接触部材の変位量は、前記２個の超音波振動子を共振駆動した際の前記接触部材の位置決め精度長さ以上であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波モータの駆動方法。The displacement amount of the contact member when the piezoelectric element is driven by a DC voltage is equal to or longer than the positioning accuracy length of the contact member when the two ultrasonic transducers are driven to resonance. The method for driving an ultrasonic motor according to any one of claims 1 to 4. 圧電素子を備えたランジュバン型の２個の超音波振動子と、前記２個の超音波振動子を所定の角度で保持する保持部材と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体と接し、その端部で前記２個の超音波振動子と接続された接触部材と、を備えた超音波モータ、の駆動装置であって、
前記被駆動体の位置を検出する位置センサと、
前記２個の超音波振動子を位相のずれた交流電圧で共振駆動することによって前記接触部材の頂点部に楕円運動を生じさせて前記被駆動体を動かす共振駆動装置と、
前記２個の超音波振動子の一方または両方の圧電素子を直流電圧で駆動して前記接触部材を微小に動かすことにより、前記接触部材に接している前記被駆動体を微小に動かす直流駆動装置と、
前記位置センサの検出信号にしたがって前記共振駆動装置または前記直流駆動装置を駆動させる駆動信号を送る駆動制御装置と、
を具備することを特徴とする超音波モータ駆動装置。Two Langevin type ultrasonic transducers having piezoelectric elements, a holding member for holding the two ultrasonic transducers at a predetermined angle, and a substantially V-shaped shape, A driving member for an ultrasonic motor, comprising: a contact member that is in contact with a driven body and connected to the two ultrasonic transducers at its ends.
A position sensor for detecting a position of the driven body,
A resonance driving device that causes the driven member to generate an elliptical motion at the apex of the contact member by resonantly driving the two ultrasonic transducers with AC voltages having different phases,
A DC drive device for driving one or both piezoelectric elements of the two ultrasonic transducers with a DC voltage to move the contact member minutely, thereby minutely moving the driven body in contact with the contact member. When,
A drive control device that sends a drive signal to drive the resonance drive device or the DC drive device according to the detection signal of the position sensor,
An ultrasonic motor driving device comprising:

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