JP4522055B2 - 超音波モータの駆動方法および駆動装置 - Google Patents
超音波モータの駆動方法および駆動装置 Download PDFInfo
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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】
従来、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（以下これを「共振駆動」という）。
【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】
これを解決するために、直流電圧による微少変位コントロールが考えられる（以下これを「直流駆動」という）。直流駆動では、ストロークに制限があり、無限に送ることはできない。このため、このような制御を行う場合、直流電圧による変位が共振による高速駆動の位置決め精度より大きいことが必要である。
共振駆動による高速移動後の停止位置から目的位置までの距離が直流による変位より長い場合、直流駆動によって目的位置には到達できず、高精度の位置決めが完結しない。
【０００７】
しかしながら、モータを小さくしたい場合など、圧電セラミックス部分の大きさが小さくなった場合、直流駆動による変位が共振駆動による高速駆動の位置決め精度より小さくなくなってしまうため、高精度の位置決めを行うことができないという問題が生じた。
【０００８】
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。
【０００９】
【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において、
位置センサによって前記被駆動体が目標位置に対して所定の距離に近づいたことを検出すると、駆動制御装置は共振駆動信号を発生させる第１フィードバック制御装置の動作を停止させ、次に直流電圧信号を発生させる第２フィードバック制御装置の動作開始を指令し、
前記直流電圧信号は信号反転器によって正負の反転処理が行われた後に２つの増幅器の一方に入力される逆電圧と、直接に２つの増幅器の他方に入力される順電圧とに分かれていて、一定の電圧値まで増幅された後に前記２個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子に順電圧を印加し、且つ前記２個の超音波振動子の他方が具備する圧電素子に逆電圧を印加することで前記超音波モータを駆動して前記被駆動体を目標位置に位置決めするものであり、
前記２個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子にかける直流電圧を変化させることにより、前記接触部材を微小に動かして前記接触部材に接した被駆動体を一方向に動かすことと、
前記被駆動体が目標位置に依然として到達しない場合は、前記２個の超音波振動子が具備する圧電素子に印加する前記直流電圧信号の正負を急激に逆転させることで
前記接触部材の速度を急激に変化させて、前記接触部と、接している被駆動体との間を滑らせる（以下これを「すべり駆動」という）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】
このような超音波モータの駆動方法によれば、被駆動体を無限に高精度で動かすことができるので、共振駆動による高速駆動の位置決め精度が直流駆動による駆動範囲内より悪い場合でも、高精度に位置決めすることができる。
【００１１】
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。このとき、高速移動後の停止位置が直流駆動による駆動範囲を超えていた場合、もしくは外乱などによって直流駆動の範囲外に位置がずれた場合に、本発明による直流駆動とすべり駆動を組み合わせた駆動方法によって直流駆動の範囲内まで目的位置に近づくことができ、直流駆動による高精度の位置決めが可能となる。
【００１２】
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付近にまで高速で回転させ、その後、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。このとき、高速移動後の停止位置が直流駆動による駆動範囲を超えていた場合、もしくは外乱などによって直流駆動の範囲外に位置がずれた場合に、本発明による直流駆動とすべり駆動を組み合わせた駆動方法によって直流駆動の範囲内まで目的位置に近づくことができ、直流駆動による高精度の位置決めが可能となる。
【００１３】
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一方向に動かした後には、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。この状態で外乱などにより直流電圧による変位の範囲を超えた場合に、本方式を用いて前記範囲内に移動させて、直流電圧による変位の範囲内に戻すことができる。超音波振動子のすべり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駆動電圧を急激に変化させる方法と、２個の超音波振動子の一方の圧電素子を順電圧で急激に変位させ、他方の圧電素子を逆電圧で急激に変位させる方法とがある。
【００１４】
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において、前記被駆動体の位置を検出する位置センサと、前記超音波振動子を交流電圧で共振駆動することによって前記被駆動体を動かす共振駆動装置と、
前記２個の超音波振動子が具備する圧電素子を直流電圧で駆動して前記接触部材を動かすことにより、前記接触部材に接している前記被駆動体を一方向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、
前記共振駆動装置に具備され、前記駆動制御装置からの前記駆動信号により前記超音波モータを共振駆動させるための交流電圧を発生させ、増幅器に送る第１フィードバック制御装置と、
前記直流駆動装置に具備され、前記前記駆動制御装置からの前記駆動信号により前記超音波モータを直流駆動させるための直流電圧を発生させ、増幅器に送る第２フィードバック制御装置と、
前記直流駆動装置に具備され、直流電圧の正負を逆転する信号反転器と、
２つの増幅器と、
を具備し、
前記位置センサによって前記被駆動体が目標位置に対して所定の距離に近づいたことを検出すると、前記駆動制御装置は前記第１フィードバック制御装置の動作を停止させ、次に前記第２フィードバック制御装置の動作開始を指令し、
直流電圧は前記信号反転器によって正負の反転処理が行われた後に前記２つの増幅器の一方に入力される逆電圧と、直接に前記２つの増幅器の他方に入力される順電圧とに分かれていて、一定の電圧値まで増幅された後に前記２個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子に順電圧を印加し、且つ前記２個の超音波振動子の他方が具備する圧電素子に逆電圧を印加することで前記超音波モータを駆動して前記被駆動体を目標位置に位置決めするものであり、
被駆動体の位置が目標位置から、あらかじめ定められた範囲外にある場合、または前記圧電素子に印加される直流電圧が前記圧電素子の許容限界まで達したにもかかわらず目標位置に来ない場合、
前記圧電素子を直流電圧で変位させて前記接触部材を動かすことにより、前記接触部材に接している被駆動体を動かすことと、
前記２個の超音波振動子が具備する圧電素子に印加する直流電圧の正負を急激に逆転させることで
前記接触部材の速度を急激に変化させて、前記接触部と接している被駆動体との間を滑らせることを繰り返すことによって、前記接触部材に接している被駆動体を指示された位置からあらかじめ定められた範囲内に動かす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。
【００１５】
【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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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＝Ｖ0ｓｉｎ（２πｆｔ）（Ｖ0；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＝Ｖ0ｃｏｓ（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。
【００２６】
逆に超音波振動子１１ａにＶ＝Ｖ0ｃｏｓ（２πｆｔ）を印加し、超音波振動子１１ｂにＶ＝Ｖ0ｓｉｎ（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＝Ｖ0ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加し、超音波振動子１１ｂにＶ＝−Ｖ0ｃｏｓ（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。
【００２７】
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。
【００２８】
図２は超音波モータ１０を直流駆動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。
【００２９】
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が、モータの大きさなどにより駆動制御範囲が位置決め精度長さよりみじかいことも考えられる。
また、外乱などによって位置決め位置が駆動制御範囲を超えてしまうことも考えられる。
【００３０】
このようなときに圧電板２３ａ・２３ｂ、２３ａ´・２３ｂ´にかける電圧を急激に変化させて、１３ａの動く速度を急激に変化させると被駆動体１５は追随できず、１３ａのみ移動し、再度目的位置に向かって直流駆動が可能となる。
【００３１】
このように、直流の駆動範囲を超えた場合でも共振駆動を用いることなく直流駆動による位置決めを継続できるため、直流駆動範囲が共振駆動時の位置決め精度以下のモータを使用した場合でも、直流駆動による位置決め精度が確保される。
【００３２】
図６は、超音波振動子１１ａの圧電板２３ａ・２３ｂに順電圧、超音波振動子１１ｂの圧電板２３ａ´・２３ｂ´に逆電圧を鋸波状に印加することによって、超音波モータ１０を駆動した場合の応答性を示すグラフ、図５はそのときの印加電圧を示すグラフである。図６から、直流駆動とすべり駆動の連続によって約1μｍ/ｓｅｃで１方向に移動していることが確認された。
【００３３】
次に、超音波モータ１０を共振駆動と直流駆動とすべり駆動を組み合わせて駆動する方法について説明する。図３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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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＝Ｖ0ｓｉｎ（２πｆｔ）である場合には、増幅器３５ｂにはこのＶ＝Ｖ0ｓｉｎ（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＝Ｖ0ｃｏｓ（２πｆｔ）またはＶ＝−Ｖ0ｃｏｓ（２πｆｔ）の共振駆動信号が入力される。
【００３７】
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＝Ｖ0ｃｏｓ（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＝Ｖ0ｓｉｎ（２πｆｔ）またはＶ＝−Ｖ0ｓｉｎ（２πｆｔ）の共振駆動信号が出力される。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
図４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４（ａ）はその全体図を、図４（ｂ）は図４（ａ）中の点線枠を中心とした拡大図である。
【００４１】
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。
【００４２】
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４（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。
【００４３】
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、その精度はセンサによって異なるが例えばレーザー測長器を使用した場合±０．７ｎｍ以下の範囲である。
【００４４】
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＝Ｖ0ｓｉｎ（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＝Ｖ0ｃｏｓ（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。
【００４５】
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速度一定となるようにコントロールされる。
【００４６】
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の間入りやすくする。
【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す。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】
ここで、Ｋ点がＳ５とＳ６の範囲を超えた場合、または、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´に印加される電圧が素子の許容限界まで達したにもかかわらずＳ２の位置に来ない場合、直流信号の電圧の正負を逆転する。こうしてすべり駆動を起こさせてＫ点をずらし、直流駆動を再開する。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
【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】超音波モータの駆動装置の概略構成を示す説明図。
【図４】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５】本発明の駆動方法適用時の印加電圧の一例を示す説明図。
【図６】本発明のすべり駆動の一例を示す説明図。
【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
【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】
従来、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（以下これを「共振駆動」という）。
【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】
これを解決するために、直流電圧による微少変位コントロールが考えられる（以下これを「直流駆動」という）。直流駆動では、ストロークに制限があり、無限に送ることはできない。このため、このような制御を行う場合、直流電圧による変位が共振による高速駆動の位置決め精度より大きいことが必要である。
共振駆動による高速移動後の停止位置から目的位置までの距離が直流による変位より長い場合、直流駆動によって目的位置には到達できず、高精度の位置決めが完結しない。
【０００７】
しかしながら、モータを小さくしたい場合など、圧電セラミックス部分の大きさが小さくなった場合、直流駆動による変位が共振駆動による高速駆動の位置決め精度より小さくなくなってしまうため、高精度の位置決めを行うことができないという問題が生じた。
【０００８】
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。
【０００９】
【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において、
位置センサによって前記被駆動体が目標位置に対して所定の距離に近づいたことを検出すると、駆動制御装置は共振駆動信号を発生させる第１フィードバック制御装置の動作を停止させ、次に直流電圧信号を発生させる第２フィードバック制御装置の動作開始を指令し、
前記直流電圧信号は信号反転器によって正負の反転処理が行われた後に２つの増幅器の一方に入力される逆電圧と、直接に２つの増幅器の他方に入力される順電圧とに分かれていて、一定の電圧値まで増幅された後に前記２個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子に順電圧を印加し、且つ前記２個の超音波振動子の他方が具備する圧電素子に逆電圧を印加することで前記超音波モータを駆動して前記被駆動体を目標位置に位置決めするものであり、
前記２個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子にかける直流電圧を変化させることにより、前記接触部材を微小に動かして前記接触部材に接した被駆動体を一方向に動かすことと、
前記被駆動体が目標位置に依然として到達しない場合は、前記２個の超音波振動子が具備する圧電素子に印加する前記直流電圧信号の正負を急激に逆転させることで
前記接触部材の速度を急激に変化させて、前記接触部と、接している被駆動体との間を滑らせる（以下これを「すべり駆動」という）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】
このような超音波モータの駆動方法によれば、被駆動体を無限に高精度で動かすことができるので、共振駆動による高速駆動の位置決め精度が直流駆動による駆動範囲内より悪い場合でも、高精度に位置決めすることができる。
【００１１】
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。このとき、高速移動後の停止位置が直流駆動による駆動範囲を超えていた場合、もしくは外乱などによって直流駆動の範囲外に位置がずれた場合に、本発明による直流駆動とすべり駆動を組み合わせた駆動方法によって直流駆動の範囲内まで目的位置に近づくことができ、直流駆動による高精度の位置決めが可能となる。
【００１２】
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付近にまで高速で回転させ、その後、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。このとき、高速移動後の停止位置が直流駆動による駆動範囲を超えていた場合、もしくは外乱などによって直流駆動の範囲外に位置がずれた場合に、本発明による直流駆動とすべり駆動を組み合わせた駆動方法によって直流駆動の範囲内まで目的位置に近づくことができ、直流駆動による高精度の位置決めが可能となる。
【００１３】
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一方向に動かした後には、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。この状態で外乱などにより直流電圧による変位の範囲を超えた場合に、本方式を用いて前記範囲内に移動させて、直流電圧による変位の範囲内に戻すことができる。超音波振動子のすべり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駆動電圧を急激に変化させる方法と、２個の超音波振動子の一方の圧電素子を順電圧で急激に変位させ、他方の圧電素子を逆電圧で急激に変位させる方法とがある。
【００１４】
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において、前記被駆動体の位置を検出する位置センサと、前記超音波振動子を交流電圧で共振駆動することによって前記被駆動体を動かす共振駆動装置と、
前記２個の超音波振動子が具備する圧電素子を直流電圧で駆動して前記接触部材を動かすことにより、前記接触部材に接している前記被駆動体を一方向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、
前記共振駆動装置に具備され、前記駆動制御装置からの前記駆動信号により前記超音波モータを共振駆動させるための交流電圧を発生させ、増幅器に送る第１フィードバック制御装置と、
前記直流駆動装置に具備され、前記前記駆動制御装置からの前記駆動信号により前記超音波モータを直流駆動させるための直流電圧を発生させ、増幅器に送る第２フィードバック制御装置と、
前記直流駆動装置に具備され、直流電圧の正負を逆転する信号反転器と、
２つの増幅器と、
を具備し、
前記位置センサによって前記被駆動体が目標位置に対して所定の距離に近づいたことを検出すると、前記駆動制御装置は前記第１フィードバック制御装置の動作を停止させ、次に前記第２フィードバック制御装置の動作開始を指令し、
直流電圧は前記信号反転器によって正負の反転処理が行われた後に前記２つの増幅器の一方に入力される逆電圧と、直接に前記２つの増幅器の他方に入力される順電圧とに分かれていて、一定の電圧値まで増幅された後に前記２個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子に順電圧を印加し、且つ前記２個の超音波振動子の他方が具備する圧電素子に逆電圧を印加することで前記超音波モータを駆動して前記被駆動体を目標位置に位置決めするものであり、
被駆動体の位置が目標位置から、あらかじめ定められた範囲外にある場合、または前記圧電素子に印加される直流電圧が前記圧電素子の許容限界まで達したにもかかわらず目標位置に来ない場合、
前記圧電素子を直流電圧で変位させて前記接触部材を動かすことにより、前記接触部材に接している被駆動体を動かすことと、
前記２個の超音波振動子が具備する圧電素子に印加する直流電圧の正負を急激に逆転させることで
前記接触部材の速度を急激に変化させて、前記接触部と接している被駆動体との間を滑らせることを繰り返すことによって、前記接触部材に接している被駆動体を指示された位置からあらかじめ定められた範囲内に動かす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。
【００１５】
【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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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＝Ｖ0ｓｉｎ（２πｆｔ）（Ｖ0；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＝Ｖ0ｃｏｓ（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。
【００２６】
逆に超音波振動子１１ａにＶ＝Ｖ0ｃｏｓ（２πｆｔ）を印加し、超音波振動子１１ｂにＶ＝Ｖ0ｓｉｎ（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＝Ｖ0ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加し、超音波振動子１１ｂにＶ＝−Ｖ0ｃｏｓ（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。
【００２７】
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。
【００２８】
図２は超音波モータ１０を直流駆動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。
【００２９】
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が、モータの大きさなどにより駆動制御範囲が位置決め精度長さよりみじかいことも考えられる。
また、外乱などによって位置決め位置が駆動制御範囲を超えてしまうことも考えられる。
【００３０】
このようなときに圧電板２３ａ・２３ｂ、２３ａ´・２３ｂ´にかける電圧を急激に変化させて、１３ａの動く速度を急激に変化させると被駆動体１５は追随できず、１３ａのみ移動し、再度目的位置に向かって直流駆動が可能となる。
【００３１】
このように、直流の駆動範囲を超えた場合でも共振駆動を用いることなく直流駆動による位置決めを継続できるため、直流駆動範囲が共振駆動時の位置決め精度以下のモータを使用した場合でも、直流駆動による位置決め精度が確保される。
【００３２】
図６は、超音波振動子１１ａの圧電板２３ａ・２３ｂに順電圧、超音波振動子１１ｂの圧電板２３ａ´・２３ｂ´に逆電圧を鋸波状に印加することによって、超音波モータ１０を駆動した場合の応答性を示すグラフ、図５はそのときの印加電圧を示すグラフである。図６から、直流駆動とすべり駆動の連続によって約1μｍ/ｓｅｃで１方向に移動していることが確認された。
【００３３】
次に、超音波モータ１０を共振駆動と直流駆動とすべり駆動を組み合わせて駆動する方法について説明する。図３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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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＝Ｖ0ｓｉｎ（２πｆｔ）である場合には、増幅器３５ｂにはこのＶ＝Ｖ0ｓｉｎ（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＝Ｖ0ｃｏｓ（２πｆｔ）またはＶ＝−Ｖ0ｃｏｓ（２πｆｔ）の共振駆動信号が入力される。
【００３７】
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＝Ｖ0ｃｏｓ（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＝Ｖ0ｓｉｎ（２πｆｔ）またはＶ＝−Ｖ0ｓｉｎ（２πｆｔ）の共振駆動信号が出力される。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
図４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４（ａ）はその全体図を、図４（ｂ）は図４（ａ）中の点線枠を中心とした拡大図である。
【００４１】
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。
【００４２】
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４（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。
【００４３】
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、その精度はセンサによって異なるが例えばレーザー測長器を使用した場合±０．７ｎｍ以下の範囲である。
【００４４】
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＝Ｖ0ｓｉｎ（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＝Ｖ0ｃｏｓ（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。
【００４５】
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速度一定となるようにコントロールされる。
【００４６】
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の間入りやすくする。
【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す。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】
ここで、Ｋ点がＳ５とＳ６の範囲を超えた場合、または、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´に印加される電圧が素子の許容限界まで達したにもかかわらずＳ２の位置に来ない場合、直流信号の電圧の正負を逆転する。こうしてすべり駆動を起こさせてＫ点をずらし、直流駆動を再開する。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
【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】超音波モータの駆動装置の概略構成を示す説明図。
【図４】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５】本発明の駆動方法適用時の印加電圧の一例を示す説明図。
【図６】本発明のすべり駆動の一例を示す説明図。
【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
Claims (3)
- 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において、
位置センサによって前記被駆動体が目標位置に対して所定の距離に近づいたことを検出すると、駆動制御装置は共振駆動信号を発生させる第１フィードバック制御装置の動作を停止させ、次に直流電圧信号を発生させる第２フィードバック制御装置の動作開始を指令し、
前記直流電圧信号は信号反転器によって正負の反転処理が行われた後に２つの増幅器の一方に入力される逆電圧と、直接に２つの増幅器の他方に入力される順電圧とに分かれていて、一定の電圧値まで増幅された後に前記２個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子に順電圧を印加し、且つ前記２個の超音波振動子の他方が具備する圧電素子に逆電圧を印加することで前記超音波モータを駆動して前記被駆動体を目標位置に位置決めするものであり、
前記２個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子にかける直流電圧を変化させることにより、前記接触部材を微小に動かして前記接触部材に接した被駆動体を一方向に動かすことと、
前記被駆動体が目標位置に依然として到達しない場合は、前記２個の超音波振動子が具備する圧電素子に印加する前記直流電圧信号の正負を急激に逆転させることで
前記接触部材の速度を急激に変化させて、前記接触部と、接している被駆動体との間を滑らせることを特徴とする超音波モータの駆動方法。 - 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、
前記被駆動体が目標位置に対して所定の距離に近づいたことを検出し、
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一方向に動かすことを行い、
前記被駆動体が目標位置に依然として到達しない場合は、
前記２個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子に印加する直流の順電圧、且つ他方の超音波振動子が具備する圧電素子に印加する直流の逆電圧の正負を急激に逆転させることで
前記接触部材の速度を急激に変化させて、前記接触部と、接している被駆動体との間を滑らせることを特徴とする超音波モータの駆動方法。 - 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において、前記被駆動体の位置を検出する位置センサと、前記超音波振動子を交流電圧で共振駆動することによって前記被駆動体を動かす共振駆動装置と、
前記２個の超音波振動子が具備する圧電素子を直流電圧で駆動して前記接触部材を動かすことにより、前記接触部材に接している前記被駆動体を一方向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、
前記共振駆動装置に具備され、前記駆動制御装置からの前記駆動信号により前記超音波モータを共振駆動させるための交流電圧を発生させ、増幅器に送る第１フィードバック制御装置と、
前記直流駆動装置に具備され、前記前記駆動制御装置からの前記駆動信号により前記超音波モータを直流駆動させるための直流電圧を発生させ、増幅器に送る第２フィードバック制御装置と、
前記直流駆動装置に具備され、直流電圧の正負を逆転する信号反転器と、
２つの増幅器と、
を具備し、
前記位置センサによって前記被駆動体が目標位置に対して所定の距離に近づいたことを検出すると、前記駆動制御装置は前記第１フィードバック制御装置の動作を停止させ、次に前記第２フィードバック制御装置の動作開始を指令し、
直流電圧は前記信号反転器によって正負の反転処理が行われた後に前記２つの増幅器の一方に入力される逆電圧と、直接に前記２つの増幅器の他方に入力される順電圧とに分かれていて、一定の電圧値まで増幅された後に前記２個の超音波振動子の一方が具備する圧電素子に順電圧を印加し、且つ前記２個の超音波振動子の他方が具備する圧電素子に逆電圧を印加することで前記超音波モータを駆動して前記被駆動体を目標位置に位置決めするものであり、
被駆動体の位置が目標位置から、あらかじめ定められた範囲外にある場合、または前記圧電素子に印加される直流電圧が前記圧電素子の許容限界まで達したにもかかわらず目標位置に来ない場合、
前記圧電素子を直流電圧で変位させて前記接触部材を動かすことにより、前記接触部材に接している被駆動体を動かすことと、
前記２個の超音波振動子が具備する圧電素子に印加する直流電圧の正負を急激に逆転させることで
前記接触部材の速度を急激に変化させて、前記接触部と接している被駆動体との間を滑らせることを繰り返すことによって、前記接触部材に接している被駆動体を指示された位置からあらかじめ定められた範囲内に動かすことを特徴とする超音波モータ駆動装置。
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