JP2001069773A - 超音波モータを可動体の駆動源とする案内装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】超音波モータ15を駆動源とするステージ13が大
型化しても、変速時や位置決め時における振動及びオー
バーシュートを抑制し、此処の所定目標位置まで正確に
かつ短時間で位置決めが完了できるようにする。 【解決手段】超音波モータ15に備える先端チップ15a と
の摩擦駆動により可動するステージ13と、ステージ13の
位置を測定する位置検出手段18と、位置検出手段18から
の位置情報Ｑ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Ｐとの偏差に応じて変化するパラメ
ータを基に演算処理して超音波モータ15へ指令信号Ｒを
出力する制御部20と、ステージ13に摩擦板24を押圧さ
せ、ステージ13に駆動抵抗を与えるブレーキ機構と、位
置検出手段18からの位置情報Ｑに基づいてブレーキ機構
へ指令信号Ｓを出力し、摩擦板24の押圧力を調整するブ
レーキ制御部29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する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直線運動や回転運
動する可動体を超音波モータによって駆動する案内装置
に関するものであり、特に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。

【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。

【０００３】また、近年では超音波モータを直線系の案
内装置へ適用することも試みられている。

【０００４】図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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

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

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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。
2. 【請求項２】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。