JP2003169485A

JP2003169485A - 超音波モ−タ駆動装置

Info

Publication number: JP2003169485A
Application number: JP2001364534A
Authority: JP
Inventors: Sadayuki Ueha; 貞行上羽; Kentaro Nakamura; 中村　　健太郎; Koji Akashi; 幸治明石; Masaharu Sawada; 正治澤田
Original assignee: Kyocera Corp; Rikogaku Shinkokai
Current assignee: Kyocera Corp; Rikogaku Shinkokai
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2003-06-13

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波モータを高速で駆動させても位置ズレに
よる異常発熱や異常振動を起こすことなく大きな駆動力
を発生させることができるとともに、超音波モータの押
圧チップの異常摩耗や破損のない超音波モータ駆動装置
を提供する。【解決手段】超音波モータ駆動装置を、軸２の中央に備
えるフランジ部３を挟んで軸２の両端よりそれぞれ第一
の超音波振動部５、スペーサ６、第二の超音波振動部７
を順次嵌入し、固定部材８にて上記フランジ部３へ押し
付けるように固定するとともに、上記各固定部材８には
それぞれ押圧チップ９を設けてなり、上記第一の超音波
振動部５は軸方向に伸縮運動するとともに、上記第二の
超音波振動部７はたわみ振動する超音波モータ１と、こ
の超音波モータ１の両端を挟持する一対の共振部材１２
とから構成し、上記共振部材１２の共振周波数を上記超
音波モータ１の共振周波数と実質的に一致させるように
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、超音波モータ駆動
装置に関するものであり、例えば、精密加工用装置や測
定装置、あるいは半導体の製造工程に用いられる描画装
置、露光装置、検査装置、分析装置などの位置決めや搬
送等に用いるステージ案内装置の駆動源として好適であ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、カメラのズーム機構等のように小
さなものを駆動させる手段として超音波モータが使用さ
れているが、近年、精密加工用装置や測定装置、あるい
は半導体の製造工程に用いられる描画装置、露光装置、
検査装置、分析装置などの位置決めや搬送等に用いるス
テージ案内装置の駆動源として用いることが可能な超音
波モータの開発が進められており、本件出願人らも大き
な駆動力を有する超音波モータを先に提案している（特
開２００１−０２４７８２号参照）。

【０００３】図８（ａ）（ｂ）に本件出願人らが先に提
案した超音波モータを備える超音波モータ駆動装置を示
すように、超音波モータ１は、軸２の中央に備えるフラ
ンジ部３を挟んで軸両端よりそれぞれ第一の超音波振動
部５、スペーサ６、第二の超音波振動部７を順次嵌入
し、固定部材８にて固定するとともに、上記各固定部材
８にそれぞれ押圧チップ９を設けたもので、上記第一の
超音波振動部５は軸方向に伸縮運動するとともに、上記
第二の超音波振動部７はたわみ振動するようになってい
た。

【０００４】また、この超音波モータ１には、フランジ
部３を挟むようにホルダー３０を設置し、バネ３１によ
りホルダー３０を介して超音波モータ１を押圧すること
により予圧を与えるようになっていた。

【０００５】そして、従来の超音波モータ駆動装置を用
いて可動体を駆動させるには、超音波モータ１の各押圧
チップ９を可動体（不図示）に押圧した状態でフランジ
部３を固定し、超音波モータ１の第一の超音波振動部５
に通電して縦振動を発生させるとともに、第二の超音波
振動部７にも通電して撓み振動を発生させることによ
り、縦１次―たわみ２次振動モードを発生させ、押圧チ
ップ９を楕円振動させることで可動体との間の摩擦駆動
によって可動体を駆動させるようになっていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図８（ａ）
（ｂ）に示す超音波モータ駆動装置では、超音波モータ
１をその中央のフランジ部３の１点でのみ支える構造で
あることから、超音波モータ１の駆動、停止を極めて短
い時間で繰り返すと、駆動時や停止時に作用する力がホ
ルダー３０に集中し、フランジ部３の固定位置がずれ
て、動作が不安定になったり、押圧チップ９が異常摩耗
し、最悪の場合には押圧チップ９が破損して可動体を駆
動させることができなくなるといった課題があった。

【０００７】即ち、ホルダー３０には、押圧チップ９の
楕円運動と可動体からの反力によって剪断力が作用して
おり、高速駆動に伴って剪断力が大きくなり過ぎるとホ
ルダー３０が位置ズレを起こすことによりフランジ部３
の固定位置にずれが発生していた。

【０００８】その為、この超音波モータ１では高速移動
が要求されるステージ案内装置の駆動源としては安定性
に欠けるといった課題があった。

【０００９】しかも、フランジ部３の固定位置がずれる
と超音波モータ１の共振周波数が変化し、同じ電流を流
しても速度が上がらす、結果的に電流が発熱源となって
しまうため、高速で長期間駆動させると異常発熱すると
いった課題もあった。その上、発熱が大きくなると、第
一の超音波振動部５及び第二の超音波振動部７を形成す
る圧電部の圧電特性が変化し、軸方向に振動する第一の
超音波振動部５とたわみ振動する第二の超音波振動部７
の振動特性が崩れるために異常振動を起こすといった恐
れもあった。

【００１０】その為、この超音波モータ１の熱がステー
ジ等に伝わったり、超音波モータ１の異常振動が発生す
ると、可動体の真直精度や位置決め精度が劣化するとと
もに、異常振動により超音波モータ１の押圧チップ９が
激しく摩耗するため、短期間で寿命となってしまうとい
った不都合もあった。

【００１１】また、可動体を駆動させるためには超音波
モータ１を可動体に押し付ける必要があり、バネ３１等
を用いて予圧をかけるのであるが、可動体を高速移動さ
せるために超音波モータ１の振動数を高めても剛性が低
いために超音波モータ１を可動体に押し付けようとする
力がバネ３１によって吸収されるため、駆動効率があが
らず、また、停止時には、超音波モータ１の駆動を止め
ても超音波モータ１が軸方向に振動することから可動体
が揺動し、可動体を直ちに停止させることができないと
いった課題もあった。

【００１２】

【発明の目的】本発明は、前述した事情に鑑みて完成さ
れものであり、その目的は、高速で駆動させても破損す
ることがなく、また異常発熱や異常振動を起こすことな
くステージ等のような大型の可動体を所定の位置まで短
時間にかつ正確に移動させることが可能な超音波モータ
駆動装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明の超音波モ
ータ駆動装置は、軸中央に備えるフランジ部を挟んで軸
両端よりそれぞれ第一の超音波振動部、スペーサ、第二
の超音波振動部を順次嵌入し、固定部材にて上記フラン
ジ部へ押し付けるように固定するとともに、上記各固定
部材にはそれぞれ押圧チップを設けてなり、上記第一の
超音波振動部は軸方向に伸縮運動するとともに、上記第
二の超音波振動部はたわみ振動する超音波モータと、こ
の超音波モータの両端を挟持する一対の共振部材とから
なり、上記共振部材の共振周波数を上記超音波モータの
共振周波数と実質的に一致させるようにしたことを特徴
とする。

【００１４】好ましくは、上記各共振部材の超音波モー
タとの当接部の平面形状をホーン形状とすることが良
く、また、各共振部材と超音波モータとの当接部にあっ
ては、超音波モータを形成する軸の両端面にV溝を形成
するとともに、各共振部材に三角柱の突出部を設け、上
記共振部材の突出部を超音波モータのV溝に嵌合させる
ようにするか、あるいは超音波モータを形成する軸の両
端面と各共振部材とを弾性ヒンジを介して連結するよう
にすることが好ましい。

【００１５】

【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。

【００１６】図１は本発明の超音波モータ駆動装置の一
例を示す平面図、図２は図１の断面図である。

【００１７】この超音波モータ駆動装置は、軸２の中央
に備えるフランジ部３を挟んで軸両端よりそれぞれ第一
の超音波振動部５、スペーサ６、第二の超音波振動部７
を順次嵌入し、固定部材８にて固定するとともに、上記
各固定部材８にはそれぞれ押圧チップ９を設けた超音波
モータ１と、この超音波モータ１の両端を挟持するとと
もに、一部にフランジ部１２を備えた一対の共振部材１
２とからなり、上記共振部材１２の共振周波数を上記超
音波モータ１の共振周波数と実質的に一致させてあるこ
とを特徴とする。

【００１８】超音波モータ１を形成する軸２は、中央に
円形のフランジ部３を有する円柱状体をしたもので、例
えばリン青銅やステンレス等の金属により形成してあ
り、軸２の両端側には雄ねじ部４を有し、この雄ねじ部
４に固定部材８の雌ねじ部１０を螺合することにより、
上記第一の超音波振動部５、スペーサ６、第二の超音波
振動部７を順次フランジ部側に押しつけた状態で固定す
るようになっている。

【００１９】上記フランジ部３の両側近傍に配置される
第一の超音波振動部５は、図３に示すように、円環状を
した圧電板５２の両面にそれぞれ電極膜５３を備え、一
方の板厚方向に分極処理した２つの超音波振動体５１
と、これら２つの超音波振動体５１の間に配置された円
環状の電極板５４とからなり、２つの超音波振動体５１
は互いの分極方向が対向するように配置してある。

【００２０】上記第一の超音波振動部５の次に嵌入する
スペーサ６は、軸２の外径より若干大きな径を有する筒
状体をしたもので、例えばアルミニウム等の金属により
形成してある。

【００２１】上記スペーサ６の次に嵌入する第二の超音
波振動部７は、図４に示すように、円環状をした圧電板
７２の両面にそれぞれ半円状の電極膜７３，７４を備
え、板厚方向にかける分極方向を反転させて分極処理し
た２つの超音波振動体７１と、これら２つの超音波振動
体７１の間に配置された円環状の電極板７５とからな
り、２つの超音波振動体７１は互いの分極方向が対向す
るように配置してある。

【００２２】ここで、板厚方向にかける分極方向を反転
させて分極処理するとは、圧電板７２両側の電極膜７３
間と圧電板７２両側の電極膜７４間に施す分極処理の分
極方向を異ならせてあることを言う。また、第二の超音
波振動部７は、軸２に嵌入して固定する際、軸２の軸芯
と押圧チップ９とを通る平面に垂直な線に対して左右対
象に半円状の電極膜７３，７４が位置するようにしてあ
る。さらに、第二の超音波振動部７は、その構成部材で
ある圧電板７２、電極７３、７４、電極板７５の配置位
置及び圧電板７２の分極方向がフランジ部３を挟んで左
右対象となるようにしてある。

【００２３】なお、３０は超音波モータ１のフランジ部
３を挟むホルダーであり、３１はホルダー３０を介して
超音波モータ１を押圧することにより予圧を与えるため
のバネである。

【００２４】一方、超音波モータ１を挟持する一対の共
振部材１２は、ホーン形状をしたホーン部１５と、この
ホーン部１５の共振周波数を調整する共振部１６と、上
記ホーン部１５と共振部１６との間に配置されたフラン
ジ部１７とからなり、これらホーン部１５、共振部１
６、及びフランジ部１７は一体的に形成されており、例
えばリン青銅やステンレス等の金属により形成してあ
る。そして、この共振部材１２は超音波モータ１と実質
的に同じ共振周波数で共振するように設計してある。

【００２５】なお、一対の共振部材１２により超音波モ
ータ１を挟持する手段としては、超音波モータ１を形成
する軸２の両端面にV溝２ａを形成するとともに、各共
振部材１２のホーン部１５の先端に三角柱の突出部１５
ａを設け、この共振部材１２の突出部１５ａを超音波モ
ータ１のＶ溝２ａに嵌合させるか、あるいは図５に示す
ように、超音波モータ１を形成する軸２の両端面と各共
振部材１２との間に弾性ヒンジを設けて共振部材１２と
超音波モータ１とを連結させるようにしても良い。

【００２６】このような構造とすることで、共振部材１
２のフランジ部１７を振動の節として固定してもホーン
部１５及び共振部１６の振動を阻害することがない。

【００２７】そして、この超音波モータ駆動装置を駆動
させるには、超音波モータ１のスペーサ６とフランジ部
３とを電極的に接続してアースするとともに、固定部材
８もアースした状態で第一の超音波振動部５を形成する
電極板５４にのみ交流電圧を印加すると、超音波モータ
１を軸方向に伸縮振動させることができ、また、第二の
超音波振動部７を形成する電極板７５にのみ交流電圧を
印加すると、超音波モータ１に対してたわみ振動させる
ことができるようになっており、第一の超音波振動部５
を形成する電極板５４と、第二の超音波振動部７を形成
する電極板７５にそれぞれ通電する交流電圧を、周波数
が同じで位相を異ならせた交流電圧を印加することによ
り、超音波モータ１を図６（ａ）〜（ｄ）に示すように
振動させ、固定部材８に備える押圧チップ９をある方向
に楕円運動させることができ、また、第一の超音波振動
部５を形成する電極板５４と、第二の超音波振動部７を
形成する電極板７５に位相を反転させた交流電圧を印加
することにより、固定部材８に備える押圧チップ９を逆
方向に楕円運動させることができるようになっている。

【００２８】そして、本発明の超音波モータ駆動装置に
よれば、超音波モータ１を挟持する一対の共振部材１２
の共振周波数を超音波モータ１の共振周波数と実質的に
一致させてあることから、超音波モータ１及び共振部材
１２を図７に示すように、振動させることができるた
め、超音波モータ１のフランジ部３及び各共振部材１２
のフランジ部１７を振動の節とすることができ、各フラ
ンジ部３，１７を固定しても超音波モータ１の振動を阻
害することなく、一対の共振部材１２によって超音波モ
ータ１の剛性を高めることができる。

【００２９】その為、本発明の超音波モータ駆動装置に
よれば、超音波モータ１を高速駆動させたとしても超音
波モータ１の位置ズレを生じることがないため、速度や
駆動力の低下が殆どなく、超音波モータ１の駆動特性を
限界まで発揮させることができるとともに、押圧チップ
９の破損の心配がなく、さらには異常発熱や異常振動の
恐れもないため、従来の超音波モータ駆動装置よりも高
振幅、高推力に耐え得るものとすることができる。

【００３０】その為、本発明の超音波モータ駆動装置を
ステージ装置の駆動源として用いれば、超音波モータ１
の揺動や発熱が小さいため、ステージ装置の真直精度や
位置決め精度を変化させることがなく、常に安定した精
度で駆動させることができるとともに、超音波モータ１
の押圧チップ９の摩耗量が非常に少なくなるため、長期
間にわたって安定した駆動特性を発揮することが可能と
なる。

【００３１】なお、本発明の超音波モータ駆動装置は、
本実施形態で説明したものだけに限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、改良や変
更したものでも良いことは言うまでもない。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明の超音波モータ駆
動装置によれば、軸中央に備えるフランジ部を挟んで軸
両端よりそれぞれ第1の超音波振動部、スペーサ、第2の
超音波振動部を順次嵌入し、固定部材にて上記フランジ
部へ押し付けるように固定するとともに、上記各固定部
材にはそれぞれ押圧チップを設けてなり、上記第一の超
音波振動部は軸方向に伸縮運動するとともに、上記第二
の超音波振動部はたわみ振動する超音波モータと、この
超音波モータの両端を挟持する一対の共振部材とからな
り、上記共振部材の共振周波数を上記超音波モータの共
振周波数と実質的に一致させるようにしたことから、超
音波モータを高速駆動させたとしても超音波モータの位
置ズレを生じることがないため、超音波モータの駆動特
性を限界まで発揮させることができるとともに、異常発
熱や異常振動の恐れがなく、さらには押圧チップの破損
の心配もないというように、従来の超音波モータ駆動装
置よりも高振幅、高推力に耐え得るものとすることがで
きる。

【００３３】その為、本発明の超音波モータ駆動装置を
ステージ装置の駆動源として用いれば、超音波モータの
揺動や発熱が小さいため、ステージ装置の真直精度や位
置決め精度を変化させることがなく、常に安定した精度
で駆動させることができるとともに、超音波モータの押
圧チップの摩耗量が非常に少ないため、長期間にわたっ
て安定してステージ装置を駆動させることができる。

【００３４】また、各共振部材の超音波モータとの当接
部の平面形状をホーン形状とすることにより共振による
機械的振動損失を減少できるといった効果を奏すること
ができる。

【００３５】さらに、超音波モータを形成する軸の両端
面にV溝を形成するとともに、各共振部材に三角柱の突
出部を設け、共振部材の突出部を超音波モータのV溝に
嵌合させるようにするか、あるいは超音波モータを形成
する軸の両端面と各共振部材とを弾性ヒンジを介して連
結するようにすることで、超音波モータの振動を阻害す
ることなく、超音波モータの保持剛性をより効果的に高
めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波モータ駆動装置の一例を示す平
面図である。

【図２】図１の断面図である。

【図３】図１に示す超音波モータ駆動装置に備える第一
の超音波振動部を示す斜視図である。

【図４】図１，２に示す超音波モータ駆動装置に備える
第二の超音波振動部を示す斜視図である。

【図５】本発明の超音波モータ駆動装置の他の例を示す
断面図である。

【図６】（ａ）〜（ｄ）は超音波モータの駆動状態を示
す模式図である。

【図７】本発明の超音波モータ駆動装置の振動状態を示
す模式図である。

【図８】本件発明者らが先に提案した超音波モータを用
いた従来の超音波モータ駆動装置を示す図で、（ａ）は
平面図、（ｂ）は側面図である。

【符号の説明】

１：超音波モータ２：軸２ａ：Ｖ溝３：フランジ
部４：雄ねじ部５：第一の超音波振動部６：スペーサ７：第二の超
音波振動部８：固定部材９：押圧チップ１０：雌ねじ部１
２：共振部材１５：ホーン部１５ａ：突出部１６：共振部１
７：フランジ部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者明石幸治滋賀県八日市市蛇溝町長谷野1166番地の６京セラ株式会社滋賀八日市工場内 (72)発明者澤田正治滋賀県八日市市蛇溝町長谷野1166番地の６京セラ株式会社滋賀八日市工場内Ｆターム(参考） 5D107 AA02 AA11 AA16 BB01 BB09 CC01 CC10 CC12 FF03 FF06 5F046 CC03 CC18 5H680 AA11 AA12 AA18 BB01 BB17 BB20 BC10 DD15 DD23 DD27 DD36 DD44 DD65 DD66 DD73 DD88

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸中央に備えるフランジ部を挟んで軸両端
よりそれぞれ第一の超音波振動部、スペーサ、第二の超
音波振動部を順次嵌入し、固定部材にて上記フランジ部
へ押し付けるように固定するとともに、上記各固定部材
にはそれぞれ押圧チップを設け、上記第一の超音波振動
部を軸方向に伸縮運動させるとともに、上記第二の超音
波振動部をたわみ振動させるようにした超音波モータ
と、上記超音波モータの両端を挟持する一対の共振部材
とからなり、上記各共振部材の共振周波数を上記超音波
モータの共振周波数と実質的に一致させたことを特徴と
する超音波モータ駆動装置。
【請求項２】上記各共振部材の超音波モータとの当接部
の平面形状がホーン形状であることを特徴とする請求項
1に記載の超音波モータ駆動装置。
【請求項３】上記超音波モータを形成する軸の両端面に
V溝を形成するとともに、上記共振部材に三角柱の突出
部を設け、上記共振部材の突出部を超音波モータのV溝
に嵌合させることにより上記一対の共振部材にて超音波
モータを挟持するようにしたことを特徴とする請求項1
に記載の超音波モータ駆動装置。
【請求項４】上記超音波モータを形成する軸の両端面と
共振部材との間に弾性ヒンジを設けて連結することによ
り上記一対の共振部材にて超音波モータを挟持するよう
にしたことを特徴とする請求項1に記載の超音波モータ
駆動装置。