JP4891562B2 - 駆動装置と駆動・案内装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、精密位置決めシステムに用いる駆動装置、駆動・案内装置に係り、特に、構成の簡略化と耐摩耗性の向上を図ることができるように工夫したものに関する。

超音波駆動を用いた位置決め装置としては、例えば、特許文献１、特許文献２に記載されたもの等がある。

特開２００４−２９８９７３号公報 特開２００３−３３９１７５号公報

上記従来の構成によると次のような問題があった。
まず、特許文献１に記載された装置及び特許文献２に記載された装置の何れの場合もその構成が複雑であるという問題があった。すなわち、ステージの駆動・案内のために超音波振動発生装置と２本の案内レールとを使用する構成であり、その為部品点数が多くて構成が複雑化してしまうという問題があった。又、併せて広い設置スペースを必要としていて装置のコンパクト化が阻害されてしまうと共に、部品点数の関係から組立に多くの工数を要してしまい、組立精度も低下してしまうという問題があった。
又、それとは別に耐摩耗性の問題があった。すなわち、超音波振動する固定側の速度と可動部の速度との間に速度差があるために両者間に「滑り」が生じてしまい、該「滑り」によって磨耗してしまうものである。そのため特許文献１に記載された装置の場合には、耐摩耗性を改善するために駆動力伝達部材を特殊なものにしたり、特殊な潤滑膜で被覆したりしている。又、特許文献２に記載された装置の場合には、摩耗の度合いを精度よく測定するために特殊な計測・監視部を設けたりしている。

本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、構成が単純で組立容易であるとともに、耐摩耗性に優れた駆動装置と駆動・案内装置を提供することにある。

上記目的を達成するべく本願発明の請求項１による駆動装置は、固定部と、上記固定部に対して接触しながら移動可能に設置された可動部と、上記固定部又は可動部に設けられ超音波振動を発生することにより上記固定部又は上記可動部の表面において楕円運動を発生させる複数の超音波振動発生装置と、上記複数の超音波振動発生装置の位相差を制御する位相差制御器を備えているとともに、上記位相差制御器によって上記位相差を制御することにより上記楕円運動における押圧力（Ｆｙ）を小さくすることなく上記楕円運動における接線速度（Ｆｘ）を制御し、且つ、上記接線速度（Ｆｘ）と上記可動部の速度との間の速度差を抑制する適正な上記位相差を指示する位置決めコントローラを備え、更に、上記位置決めコントローラの演算・指令により上記超音波振動発生装置の振幅を制御する振幅制御器を備えた制御装置と、を具備し、上記制御装置は、滑りを抑制するために、上記位置決めコントローラによって、上記接線速度（Ｆｘ）と上記可動部の速度とが大きく乖離しないように、駆動開始時直後は小さな位相差及び接線速度（Ｆｘ）とし、徐々に位相差及び接線速度（Ｆｘ）を大きくし速度アップを図り、又、停止時は徐々に小さな位相差及び接線速度（Ｆｘ）まで下げて減速するように制御するものであることを特徴とするものである。
又、請求項２による駆動・案内装置は、請求項１記載の駆動装置と、請求項１記載の駆動装置と、上記固定部又は可動部に設けられ上記超音波振動発生装置によって超音波振動すると共に上記可動部の移動を案内する案内面と、を具備したことを特徴とするものである。
又、請求項３による駆動・案内装置は、請求項２記載の駆動・案内装置において、上記案内面が斜面であることを特徴とするものである。
又、請求項４による駆動・案内装置は、請求項３記載の駆動・案内装置において、上記案内面が一対のハの字又は逆ハの字形状の斜面であることを特徴とするものである。
又、請求項５による駆動装置は、請求項１記載の駆動装置において、磁気吸引によって上記可動部を上記固定部に押圧するようにしたことを特徴とするものである。
又、請求項６による駆動・案内装置は、請求項２記載の駆動・案内装置において、磁気吸引によって上記可動部を上記固定部に押圧するようにしたことを特徴とするものである。

以上述べたように本願発明による駆動装置によると、固定部と、上記固定部に対して接触しながら移動可能に設置された可動部と、上記固定部又は可動部に設けられ超音波振動を発生する複数の超音波振動発生装置と、上記複数の超音波振動発生装置の位相差を制御する制御装置と、を具備した構成になっているので、可動部の固定部に対する押圧状態を損なうことなく可動部の滑りをなくすことが可能になり、耐摩耗性を大幅に向上させることができるものである。
又、上記制御装置を、駆動開始時直後は小さな位相差とし、徐々に位相差を大きくし速度アップを図り、又、停止時は徐々に小さな位相差まで下げて減速するように制御するものとして構成した場合には、起動から停止に至るまで滑りを効果的になくして耐磨耗性を大幅に向上させることが可能になる。
又、請求項３による案内装置によると、固定部と、上記固定部に対して接触しながら移動可能に設置された可動部と、上記固定部又は可動部に設けられ超音波振動を発生する複数の超音波振動発生装置と、上記固定部又は可動部に設けられ上記超音波振動発生装置によって超音波振動すると共に上記可動部の移動を案内する案内面と、を具備した構成になっているので、別途案内レールを設置する必要もなく、構成の簡略化、組立工数の低減を図ることができる。
又、上記案内面を傾斜面とした場合には、比較的簡単な構成で所望の効果を得ることができる。
又、上記案内面を１対のハの字又は逆ハの字形状の斜面とした場合には、比較的簡単な構成で所望の効果を得ることができる。
又、請求項６による駆動・案内装置によると、固定部と、上記固定部に対して接触しながら移動可能に設置された可動部と、上記固定部又は可動部に設けられ超音波振動を発生する複数の超音波振動発生装置と、上記複数の超音波振動発生装置の位相差を制御する制御装置と、上記固定部又は可動部に設けられ上記超音波振動発生装置によって超音波振動すると共に上記可動部の移動を案内する案内面と、を具備した構成になっていているので、可動部の固定部に対する押圧状態を損なうことなく可動部の滑りをなくすことが可能になり、耐摩耗性を大幅に向上させることができると共に、別途案内レールを設置する必要もなく、構成の簡略化、組立工数の低減を図ることができる。
又、磁気吸引によって上記可動部を上記固定部に押圧するようにした場合には、可動部の重量を増大させることなく可動部の固定部に対する密着がより確実なものとなる。

以下、図１乃至図４を参照して本発明の一実施の形態を説明する。図１は本実施の形態による駆動・案内装置の構成を示す図で、図１（ａ）は駆動・案内装置の平面図、図１（ｂ）は駆動・案内装置の側面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のｃ−ｃ断面図である。まず、固定部１があり、この固定部１はロ字形状の固定側ガイド部３を備えている。この固定側ガイド部３は、一対の短辺５、７と、一対の長辺９、１１とから構成されている。

上記固定側ガイド部３の左右両端部の短辺５、７の位置には、超音波振動発生装置１３、１５が夫々設置されている。上記超音波振動発生装置１３は、平板状であってＬ字型に折り曲げられた支持部材１７、１９と、ランジュバン型超音波振動子２１とから構成されている。上記超音波振動発生装置１３は上記支持部材１７、１９を介してベース２３上に設置されている。上記ランジュバン型超音波振動子２１は、上記短辺５を挟んでその両側に圧電材料２１ａ、２１ａを配置し、それら圧電材料２１ａ、２１ａの外側に共振振動用錘２１ｂ、２１ｂを配置して、上記支持部材１７、１９を介して上記短辺５に図示しないねじ部材によってねじ止めした構成になっている。つまり、上記短辺５をランジュバン型超音波振動子２１の構成部品として使用しているものである。このように構成することにより、短辺５の内側に占めるスペースの割合が半減されることになる。

又、支持部材１７、１９はＬ字型に折り曲げられた板材であり、ガイド重量を支える垂直方向（Ｚ方向）には剛性は大きいものの、ランジュバン型超音波振動子１３の振動方向には剛性は低く撓み易い構成になっている。したがって、振動の節以外の支持による振動抑制は振動方向（Ｙ方向）の剛性は低くて撓み易い本構造により振動減衰は抑制できる。

上記超音波振動発生装置１５も同様の構成になっている。すなわち、上記超音波振動発生装置１５は、平板状であってＬ字型に折り曲げられた支持部材２５、２７と、ランジュバン型超音波振動子２９とから構成されている。上記超音波振動発生装置１５は上記支持部材２５、２７を介してベース２３上に設置されている。上記ランジュバン型超音波振動子２９は、上記短辺７を挟んでその両側に夫々圧電材料２９ａ、２９ａを配置し、これら圧電材料２９ａ、２９ａの外側に共振振動用錘２９ｂ、２９ｂを配置して、上記支持部材２５、２７を介して上記短辺７に図示しないねじ部材によってねじ止めした構成になっている。つまり、上記短辺７をランジュバン型超音波振動子２９の構成部品として使用しているものである。このように構成することにより、短辺７の内側に占めるスペースの割合が半減されることになる。

又、支持部材２５、２７はＬ字型に折り曲げられた板材であり、ガイド重量を支える垂直方向（Ｚ方向）には剛性は大きいものの、ランジュバン型超音波振動子１３の振動方向には剛性は低く撓み易い構成になっている。したがって、振動の節以外の支持による振動抑制は振動方向（Ｙ方向）の剛性は低くて撓み易い本構造により振動減衰は抑制できる。

上記固定部１上には可動部３１が設置されている。この可動部３１は上記固定部１に沿って接触した状態で移動可能に構成されている。すなわち、上記固定部１の一対の長辺９、１１には傾斜面９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂが形成されていて、図１（ｃ）に示すように、垂直方向において夫々対称になるような形状となっている。又、これに対向するように、上記可動部３１側には、傾斜面３１ａ、３１ｂが形成されている。上記傾斜面９ａ、１１ａ、３１ａ、３１ｂが相互に案内面として機能し、相互に接触した状態で可動部３１がＹ方向に移動することになる。

又、上記ベース２３上には磁気吸引ヨーク４１が設置されていて、この磁気吸引ヨーク４１の上部の可動部３１にはマグネット４３とバックヨーク４５が設置されている。本実施の形態による駆動装置の原理は摩擦駆動であり、可動部３１は固定側ガイド部３に押し付けられていなければ十分な摩擦力が得られず滑って駆動できないことになってしまう。その際、可動部３１の自重増加による重力による押付けも有効であるが、可動部３１の重量が増加して加速度アップには不利である。そこで、本実施の形態の場合には上記マグネット４３と固定側ベース部２３に固定されている上記鉄製の磁気吸引ヨーク４１との間の磁気吸引力により押付け力を得ようとするものである。この場合、構成部品が少なくてスペースもあまり取らずに構成できる。

次に、図２を参照して制御装置の構成を説明する。図２に示すように、まず超音波振動発生装置１３、１５の間の位相差を与える位相差制御器５１が設けられている。又、リニアエンコーダ５３が設置されていて、このリニアエンコーダ５３からの位置情報が位置決めコントローラ５５に出力される。位置決めコントローラ５５は入力した位置情報に基づいて適度な接線速度を演算し、上記位相差制御器５１に適正な位相差を指示する。そして、各超音波振動発生装置１３、１５のドライバ５７、５９を経由して各超音波振動発生装置１３、１５間に適正な位相差が付与される。
尚、図２中符号６１は振幅制御器を示す。この振幅制御器６１は位置決めコントローラ５５の演算・指令により振幅を制御するものであり、位相差制御 だけではなく必要に応じて振幅の制御もできるものである。

以上の構成を基にその作用を説明する。まず、図３（ａ）を参照しながら超音波振動による駆動原理を示す。既に説明した超音波振動発生装置１３、１５による超音波振動によって固定部１側に進行波が生じる。そして、固定部１の固定側ガイド部３の表面において図示するような楕円運動が発生する。一方、可動部３１は自重及び磁気吸引によって固定側ガイド部３上に押し付けられている。その結果可動部３１に対して推力が付与されるものである。
因みに、図３（ａ）に示す場合には反時計方向の楕円運動が発生しているので、可動部３１を図３（ａ）中左方向に移動させる推力が発生することになる。

さて、摩耗を軽減するためには固定側ガイド部３と可動部３１との間の「滑り」をできるだけなくす必要がある。すなわち、楕円運動によって付与される固定側ガイド部３の接点（傾斜面９ａ、１１ａ上の接点）への接線方向速度と可動部３１の速度との間に速度差が存在すればそれが原因となって上記「滑り」が生じる。したがって、その速度差をできるだけ抑制しなければならない。特に、「起動時」と「停止時」には速度差が発生し易いのでそれを効果的に低減させる必要がある。

まず、起動時の場合には、稼動部３１は停止しているので速度は「０」である。したがって、滑りを抑制するためには、固定側ガイド部３の楕円運動による接線速度も「０」近傍に抑制する必要がある。

固定側ガイド部３の楕円運動による接線速度も「０」近傍に抑制する方法としては、超音波振動発生装置１３、１５に対する供給電圧を下げることが考えられる。すなわち、図３（ｂ）に示すように、楕円運動における押圧下での接線速度は楕円の横半径に比例する。よって、超音波振動装置１３、１５に対する供給電圧を下げることによって上記接線速度（Ｆｘ）を下げれば固定側ガイド部３の楕円運動による接線速度も「０」近傍に抑制することが可能になる。

ところが、この方法では、図３（ｂ）に示されているように、押圧力（Ｆｙ）も低下してしまう。押圧力（Ｆｙ）の低下により摩擦力も低下することになり、その結果、滑り易くなってしまうという問題が生じてしまう。又、供給電圧を下げ過ぎると正常な超音波共振が損なわれてしまうという問題もある。

そこで、本実施の形態の場合には、超音波振動発生装置１３、１５の位相差を制御することによって、押圧力（Ｆｙ）を小さくすることなく接線速度（Ｆｘ）を制御しようとするものである。すなわち、例えば２つの超音波振動発生装置１３、１５の位相差を（φ）とすると、その時の楕円運動形状は次の式（Ｉ）、（ＩＩ）によって表される。
ｙ＝ａｓｉｎθ ―――（Ｉ）
ｘ＝ｂｓｉｎ（θ−φ）―――（ＩＩ）
但し、
ａ：超音波振動発生装置１３の最大振幅
ｂ：超音波振動発生装置１５の最大振幅
θ：位相

すなわち、図３（ｃ）に示すように、位相差(φ)を小さくしていくと接線速度（Ｆｘ）は減じるものの、押圧力（Ｆｙ）は逆に増加する。又、位相差（φ）を
「０」にしても、接線速度(Ｆｘ)は「０」となるものの、押圧力（Ｆｙ）は十分大きく振動している（この場合は楕円運動でなく、直線状の単振動になり、進行波が止まって定常波になる）。このように、位相差（φ）を制御することにより、押圧力（Ｆｙ）を低下させることなく接線速度（Ｆｘ）と推力を「０」から容易に制御することが可能になる。尚、これは「停止時」も同様である。
又、可動部３１が高速移動時は位相差（φ）を「９０゜」近くにすれば、接線速度（Ｆｘ）を十分大きくして高速駆動も可能となる。

「起動時」から「停止時」にいたる一連の位相差（φ）の制御を図４に示す。「滑り」 による摩耗不具合を抑えるため、「起動時」には位相差（φ）を「０」近傍に制御して、その後徐々に位相差（φ）を大きくしていく。それによって、可動部３１が滑らずに駆動し徐々に速度を上げていって目標速度まで達することになる。逆に「停止時」は位相差（φ）を徐々に「０」に近づけていって「滑り」を抑制するものである。

又、従来例の説明でも述べた通り、従来例における超音波駆動装置には案内として２本の案内レールが設けられている。そのため、部品点数が多いばかりでなく組立が必要となり、特に高精度要求品に対しては高価な組立コストが掛かってしまう問題があった。これに対して、本実施の形態の場合には、超音波振動面を案内面として使用するようにしているので、案内レールを不要とすることが可能になる。

具体的に説明すると、本実施の形態の場合には、図１（ｃ）に示すように、固定側ガイド部３には「ハの字型」の傾斜案内面９ａ、１１ａが設けられており、一方、可動部３１側にも「ハの字型」の案内面３１ａ、３１ｂが設けられている。これら傾斜案内面９ａ、１１ａと傾斜案内面３１ａ、３１ｂとによって、可動部３１は左右方向に規制された直線案内となっているものである。つまり、従来のような案内レールを要することなく所望の案内を提供できるものである。

以上本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、耐摩耗性を向上させることができる。これは、超音波振動発生装置１３、１５の位相差（φ）を制御することにより、押圧力（Ｆｙ）を低下させることなく接線速度（Ｆｘ）と推力を「０」から容易に制御することが可能になったからであり、それによって、磨耗の原因である「滑り」をなくすことができたからである。
又、構成の簡略化と部品点数の削減を図ることができる。これは、固定側ガイド部３に「ハの字型」の傾斜案内面９ａ、１１ａを設け、一方、可動部３１側にも「ハの字型」の案内面３１ａ、３１ｂを設け、これら傾斜案内面９ａ、１１ａと傾斜案内面３１ａ、３１ｂとによって、可動部３１を左右方向に規制した状態で直線案内するように構成したからであり、従来のような案内レールを要することなく所望の案内を提供できるからである。
又、それによって、組立工数も削減されると共に組立精度も高くなるものである。

尚、本発明は前記一実施の形態に限定されるものではない。
まず、前記一実施の形態では２個の超音波振動発生装置を備えた構成を例に挙げて説明したが、３個以上の場合も考えられ、その個数を限定するものではない。
その他、各部の構成はあくまで一例である。

本発明は、例えば、精密位置決めシステムに用いる駆動装置、駆動・案内装置に係り、特に、構成の簡略化と耐摩耗性の向上を図ることができるように工夫したものに関し、例えば、一軸アクチュエータに好適である。

本発明の一実施の形態を示す図で、図１（ａ）は駆動・案内装置の構成を示す平面図、図１（ｂ）は駆動・案内装置の側面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のｃ−ｃ断面図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、位相差制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、図３（ａ）は駆動原理を説明するための図、図３（ｂ）は比較例による楕円運動を示す図、図３（ｃ）は実施の形態による楕円運動を示す図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、位相差の時間変化を示す特性図である。

符号の説明

１ 固定部
３ 固定部ガイド
５ 固定部ガイドの短辺
７ 固定部ガイドの短辺
９ 固定部ガイドの長辺
９ａ 傾斜面
９ｂ 傾斜面
１１ａ 傾斜面
１１ｂ 傾斜面
１１ 固定部ガイドの長辺
１３ 振動発生装置
１５ 振動発生装置
１７ 支持部材
１９ 支持部材
２１ ランジュバン型振動子
２３ ベース
２５ 支持部材
２７ 支持部材
２９ ランジュバン型振動子
３１ 可動部
３１ａ 傾斜面
３１ｂ 傾斜面
４１ 磁気吸引ヨーク
４３ マグネット
４５ バックヨーク
５１ 位相差制御器
５３ リニアエンコーダ
５５ 位置決めコントローラ
５７ ドライバ
５９ ドライバ
６１ 振幅制御器

Claims (6)

1. 固定部と、
   上記固定部に対して接触しながら移動可能に設置された可動部と、
   上記固定部又は可動部に設けられ超音波振動を発生することにより上記固定部又は上記可動部の表面において楕円運動を発生させる複数の超音波振動発生装置と、
   上記複数の超音波振動発生装置の位相差を制御する位相差制御器を備えているとともに、上記位相差制御器によって上記位相差を制御することにより上記楕円運動における押圧力（Ｆｙ）を小さくすることなく上記楕円運動における接線速度（Ｆｘ）を制御し、且つ、上記接線速度（Ｆｘ）と上記可動部の速度との間の速度差を抑制する適正な上記位相差を指示する位置決めコントローラを備え、更に、上記位置決めコントローラの演算・指令により上記超音波振動発生装置の振幅を制御する振幅制御器を備えた制御装置と、を具備し、
   上記制御装置は、滑りを抑制するために、上記位置決めコントローラによって、上記接線速度（Ｆｘ）と上記可動部の速度とが大きく乖離しないように、駆動開始時直後は小さな位相差及び接線速度（Ｆｘ）とし、徐々に位相差及び接線速度（Ｆｘ）を大きくし速度アップを図り、又、停止時は徐々に小さな位相差及び接線速度（Ｆｘ）まで下げて減速するように制御するものであることを特徴とする駆動装置。
2. 請求項１記載の駆動装置と、
   上記固定部又は可動部に設けられ上記超音波振動発生装置によって超音波振動すると共に上記可動部の移動を案内する案内面と、を具備したことを特徴とする駆動・案内装置。
3. 請求項２記載の駆動・案内装置において、
   上記案内面が斜面であることを特徴とする駆動・案内装置。
4. 請求項３記載の駆動・案内装置において、
   上記案内面が一対のハの字又は逆ハの字形状の斜面であることを特徴とする駆動・案内装置。
5. 請求項１記載の駆動装置において、
   磁気吸引によって上記可動部を上記固定部に押圧するようにしたことを特徴とする駆動装置。
6. 請求項２記載の駆動・案内装置において、
   磁気吸引によって上記可動部を上記固定部に押圧するようにしたことを特徴とする駆動・案内装置。

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