JP2004297961A

JP2004297961A - 超音波モータを可動体の駆動源とした案内装置

Info

Publication number: JP2004297961A
Application number: JP2003089421A
Authority: JP
Inventors: Hidenobu Sato; 秀信佐藤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】超音波モータを用いて可動体を微小移動する案内装置において、駆動時間を短縮することが可能な案内装置を提供する。
【解決手段】制御電圧により摩擦部材を駆動させる超音波モータと、上記摩擦部材が当接、離間を繰り返することで揺動しながら目標位置に到達させる可動体と、該可動体の現在位置の位置情報Ｌ_ｎを計測する位置検出部と、上記位置情報Ｌ_ｎと測定時刻Ｔ_ｎを連続して記録する記録部と、上記可動体が可動を開始した後の揺動の最大振幅値Ｌ_ｍａｘ及び最小振幅値Ｌ_ｍｉｎを計測し、上記最大振幅値Ｌ_ｍａｘと最小振幅値Ｌ_ｍｉｎから揺動の中心値Ｌ_ａｖｅを算出するとともに、上記位置情報Ｌ_ｎと測定時刻Ｔ_ｎに基づいて上記中心値Ｌ_ａｖｅからの振幅が小さくなるように上記制御電圧の値を制御する揺動制御部とから成ることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動源として超音波モータを用いて可動体を目標とする位置へ位置決めする案内装置に関するもので、駆動信号を間欠的に入力することによって微動する超音波モータと、この超音波モータの制御方法により正確に位置決めするようにした案内装置に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に超音波モータは、２種の圧電素子に互いの位相がπ／２異なる２相の駆動信号を所定の周波数にて入力することにより、この圧電素子の先端部に取り付けた摩擦部材が楕円運動するが、この摩擦部材を加圧接触することで可動体を摩擦駆動することができる。
【０００３】
上記超音波モータは、移動目標位置への位置決め完了後は駆動信号の入力を停止した場合であっても、圧電素子の先端部に取り付けた摩擦部材と可動体の駆動伝達部材との静摩擦力により、その位置で静止し続ける自己保持性を有するものである。
【０００４】
上記超音波モータでは、所定の周波数にて与えた１回の楕円運動を、１ステップ送りとみなし、上記楕円運動を連続的に動作させている。
この超音波モータによって微小移動させようとした場合、摩擦状態等の変化により駆動力が変化するため、高い再現性を得ることは困難である。
【０００５】
そこで、特許文献１に示すようにバースト波（高い周波数の交流電圧）を間欠的に有する駆動信号を入力することによって超音波モータの１ステップの歩幅を安定して再現し、当接、離間を繰り返して可動体を駆動することが提案されている。
【０００６】
例えば、バースト波を間欠的に有する駆動信号を入力することによって、圧電素子を振動することで上記圧電素子先端部に取り付けた摩擦部材を微動させるとともに、バースト波の駆動信号による可動体の駆動伝達部材の駆動結果に基づいて、駆動信号のバースト波の周波数制御を行う駆動装置を備える手法等が提案されている。
【特許文献１】特開２００１−１６１０８１号参照
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、超音波モータで微小移動を試みた場合、摩擦力等の変化により、所定の周波数にて連続駆動を行った場合では、位置決めするまでに時間がかかることや正確な位置決めが困難であるという課題があった。
【０００７】
また、特許文献１のように、バースト波を間欠的に有する駆動信号を入力し、圧電素子を振動することで摩擦部材を微動させるとともに、バースト波による摩擦部材の駆動結果に基づいて、次のステップで駆動信号のバースト波を超音波モータに出力する手法では、各ステップ移動後に発生する揺動が収まらずに次のステップを実行した場合、正確な移動量を確保することができないという課題があった。
【０００８】
その為、ステップ移動後に発生する可動体の揺動が収束するのを待つ必要があるので駆動時間が長くなるといった課題があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、制御電圧により摩擦部材を駆動させる超音波モータと、上記摩擦部材が当接、離間を繰り返することで揺動しながら目標位置に到達させる可動体と、該可動体の現在位置の位置情報Ｌ_ｎを計測する位置検出部と、上記位置情報Ｌ_ｎと測定時刻Ｔ_ｎを連続して記録する記録部と、上記可動体が可動を開始した後の揺動の最大振幅値Ｌ_ｍａｘ及び最小振幅値Ｌ_ｍｉｎを計測し、上記最大振幅値Ｌ_ｍａｘと最小振幅値Ｌ_ｍｉｎから揺動の中心値Ｌ_ａｖｅを算出するとともに、上記位置情報Ｌ_ｎと測定時刻Ｔ_ｎに基づいて上記中心値Ｌ_ａｖｅからの振幅が小さくなるように上記制御電圧の値を制御する揺動制御部とから成ることを特徴とする。
【００１０】
【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。
図１は本発明に係わ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図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。また、図２は本発明の超音波モータを駆動源とする案内装置の動作を説明するブロック図である。
【００１１】
この案内装置は、ベース盤１上にクロスローラガイド２を配設し一対のガイド部材２を備え、これらのガイド部材２によってステージ３を直線的に移動するようになっている。
【００１２】
また、ステージ３の一方の側面には駆動力伝達部材４を、ステージ３の他方の側面にはリニアスケール５をそれぞれ備え、このリニアスケール５と対向する位置には測定ヘッド６をもうけて位置検出器７を構成するとともに、駆動力伝達部材４には、その可動体の進行方向に対して垂直に超音波モータ８の摩擦部材８ａを当接させており、位置検出器７からのステージ３の位置情報を基に制御装置１０にて演算し、超音波モータ８への制御電圧を出力するフィードバック制御が行われる。これにより、超音波モータ８の摩擦部材８ａをその制御電圧に応じて運動させ、摩擦部材８ａとステージ３の駆動力伝達部材４との摩擦駆動によりステージ３をガイド部材２に沿って移動させるようになっている。
【００１３】
また、制御装置１０は、図２に示すように各測定時刻における位置検出器７の検出結果である位置情報Ｌ_ｎと測定時刻Ｔ_ｎとを連続して記録する記録部１１と、記録部１１にて記録した位置情報Ｌ_ｎから目標位置を決定する目標移動量決定部１２と、目標移動量決定部１２にて決定した目標位置に移動する制御電圧を与えるステップ移動制御部１３と、記録部１１にて記録した位置情報Ｌ_ｎから可動体が可動を開始した後の揺動の最大振幅値Ｌ_ｍａｘ及び最小振幅値Ｌ_ｍｉｎを計測し、上記最大振幅値Ｌ_ｍａｘと最小振幅値Ｌ_ｍｉｎから揺動の中心値Ｌ_ａｖｅを算出するとともに、位置情報Ｌ_ｎと測定時刻Ｔ_ｎに基づいて上記中心値Ｌ_ａｖｅからの振幅が小さくなるように上記制御電圧の値を制御する揺動制御部１４と、ステップ移動制御部１３を揺動制御部１４に切り換える切り換えスイッチ１５とから成るものである。
【００１４】
上記揺動制御部１４は、図４に示すように時刻Ｔ_ｂ通過後、記録部１１にて記録した位置情報Ｌ_ｎと測定時刻Ｔ_ｎに基づいて、時刻Ｔ_ｂ以前の位置情報から仮想振幅曲線Ａを与え、各時刻における仮想振幅値を基に制御電圧を決定するようになっており、時刻Ｔ_ｂ以降は、制御電圧を超音波モータ８に与え制御することで実際の振幅曲線は実振幅曲線Ｂをなり振幅を小さくする。詳細は後述する。
【００１５】
次に、図１及び図２に示す案内装置を駆動させた時の制御手段について図３のフローチャート図及び図４のタイムチャート図を用いて説明する。
【００１６】
まず、記録部１１にて記録している位置情報Ｌ_ｎを基に、目標移動量決定部１２にて、最終目標位置までの移動距離を計算後、各ステップ移動量を決定する。
【００１７】
そして、切り換えスイッチ１５をステップ移動制御部１３側に接続する。
【００１８】
まず、＃１ではステップ移動制御部１３にて制御電圧をモータ８に与えステップ移動を実行し、「Ｓｗｉｔｃｈ」を１に設定する。
ここで、ステージ３の位置を検出する位置検出器７でステージ３の動作位置を検出し揺動監視部１１に入力し、測定時刻Ｔ_ｎと位置情報Ｌ_ｎを記録する。
次に、Ｓｗｉｔｃｈを１と設定してあることから、処理ルーチンは＃２に進み、ステップ移動直後の最大振幅値Ｌ_ｍａｘと時刻Ｔ_ｍａｘとを記録部１１にて記録し、Ｓｗｉｔｃｈを２に設定する。
【００１９】
次に、Ｓｗｉｔｃｈを２と設定してあることから、処理ルーチンは＃３に進み、ダンピング後の最小振幅値Ｌ_ｍｉｎとＴ_ｍｉｎと記録部１１にて記録し、前記最大振幅値Ｌ_ｍａｘと最小振幅値Ｌ_ｍｉｎとから算出した揺動の中心位置Ｌ_ａｖｅを目標位置とし、Ｓｗｉｔｃｈを３に設定する。
【００２０】
そして、制御ループはＳｗｉｔｃｈを３に設定してあることから、切り換えスイッチ１５を揺動制御部１４に接続し、揺動制御部１４では、揺動監視部１１で記録した測定時刻Ｔ_ｎにおける位置情報Ｌ_ｎが揺動の中心位置Ｌ_ａｖｅを通過した場合、＃５に進み、その時の時刻Ｔｂを記録し、揺動制御部１４にて仮想振幅値Ａ_ｎ＝Ｌ_２ｂ−ｎ、計算式Ｅ_ｎ＝（Ａ_ｎ−Ｌ_ａｖｅ）×（−１）に基づいて演算し、各時刻における位置偏差値Ｅ_ｎを決定する。
また、時刻Ｔ_ｂ経過後にて位置偏差値Ｅ_ｎが最大となる値Ｅ_ｍａｘを記録する。
【００２１】
次に、時刻がＴ_ｂを経過後、再び中心位置Ｌ_ａｖｅを通過した場合、＃６に進み、その時の時刻Ｔ_ｃを記録し、揺動制御部１４にて仮想振幅値Ａ_ｎ＝Ｌ_２ｃ−ｎ、計算式Ｅ_ｎ＝（Ａ_ｎ−Ｌ_ａｖｅ）×（−１）、に基づいて演算し、各時刻における位置偏差値Ｅ_ｎを決定する。
また、時刻Ｔ_ｃ経過後にて位置偏差値Ｅ_ｎが最小となる値Ｅ_ｍｉｎを記録する。
【００２２】
次に、時刻がＴ_ｃを経過後、再び中心位置Ｌ_ａｖｅを通過した場合、＃７に進み、その時の時刻Ｔ_ｄを記録し、揺動制御部１４にて仮想振幅値Ａ_ｎ＝Ｌ_２ｄ−ｎ、計算式Ｅ_ｎ＝（Ａ_ｎ−Ｌ_ａｖｅ）×（−１）、に基づいて演算し、各時刻における位置偏差値Ｅ_ｎを決定する。
また、時刻Ｔ_ｄ経過後にて位置偏差値Ｅ_ｎの最大値Ｅ_ｍａｘを記録する。
【００２３】
さらに、時刻がＴ_ｄを経過後、再び中心位置Ｌ_ａｖｅを通過した場合、＃８に進み、その時の時刻Ｔ_ｅをＴ_ｃと記録し、揺動制御部１４にて仮想振幅値Ａ_ｎ＝Ｌ_２ｃ−ｎ、計算式Ｅ_ｎ＝（Ａ_ｎ−Ｌ_ａｖｅ）×（−１）、に基づいて演算し、各時刻における位置偏差値Ｅ_ｎを決定する。
また、時刻Ｔ_ｃ経過後にて位置偏差値Ｅ_ｎが最小となる値Ｅ_ｍｉｎを決定する。
【００２４】
＃８では、通過時刻をＴ_ｃとすることにより、制御ループは＃７に戻ることから、＃７と＃８とを繰り返す。
【００２５】
揺動制御部１５にて、＃５から＃８にて決定した位置偏差値Ｅ_ｎから計算式Ｖ_ｎ＝Ｐ×Ｅ_ｎに基づいて演算し、決定した指令信号から所定の周波数にて連続駆動を行う制御電圧を超音波モータ８に与える。
【００２６】
なお、Ａ_ｎは各時刻における仮想振幅値、Ｅ_ｎは各時刻における位置偏差、Ｖ_ｎは各時刻における制御電圧、Ｐは制御パラメータ、Ｅ_ｍａｘは位置偏差の最大値、Ｅ_ｍｉｎは位置偏差の最小値である。
そして、＃９では、位置が最終目標位置に到達した場合、制御ループを抜け終了し、また、次のステップが必要な場合、揺動のピーク値である最大値Ｅ_ｍａｘ及び最小値Ｅ_ｍｉｎが次回ステップ移動量の１／４まで収束すると次のステップ移動を実行する。
【００２７】
このように、ステップ移動したあと発生する揺動を基に位置偏差を決定し、前記位置偏差により揺動の振幅を素早く収束するように制御することから、駆動時間を短縮することができる。
【００２８】
その為、本発明の案内装置を用いれば、ステージ３を微小送りする際、駆動時間を短縮できるとともに、微小移動が可能なことから正確に位置決めできるため、精密加工機、精密測定機、半導体製造装置等のように可動体に高い位置決め精度や高いスループットが要求される案内装置にも好適に用いることができる。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明の具体例について説明する。
【００３０】
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、この案内装置に本発明の制御装置１０と従来の制御装置を組み込んでステージ３を５０ｎｍ〜５００ｎｍの距離を移動した場合に費やす時間を確認する実験を行った。
【００３１】
本実験にあたり、案内装置を構成するガイド部材２にはストロークが１００ｍｍのクロスローラガイドを用い、上記ガイド部材２によって５ｋｇの重さを有する可動体としてのステージ３を移動させることとした。また、ステージ３の一方の側面にはアルミナセラミック製の駆動伝達部材４を配置した。また、駆動力伝達部材４と摩擦駆動する超音波モータ８の摩擦部材８ａには、アルミナセラミックを使用した。
【００３２】
また、本発明の制御装置１０を用いた案内装置では、超音波モータ８を制御してステージ３の位置を位置検出器７から検出された実際の動作位置を記録部１１に入力し、目標移動量決定部１２にて、最終目標位置との距離から各ステップ移動量を演算し、ステップ移動制御部１３にて、制御電圧を超音波モータ８に与え、ステップ移動を実行した。
【００３３】
そして、ステップ移動直後の最大振幅値Ｌ_ｍａｘと時刻Ｔ_ｍａｘとを記録し、ダンピング後の最小振幅値Ｌ_ｍｉｎと時刻Ｔ_ｍｉｎとを記録し、Ｌ_ｍａｘとＬ_ｍｉｎとから揺動の中心位置Ｌ_ａｖｅを算出した。
【００３４】
次に、切り換えスイッチ１５を揺動制御部１４に接続し、揺動制御部１４にて、記録部１１で記録した位置情報から各時刻Ｔ_ｎにおける位置Ｌ_ｎが揺動の中心位置Ｌ_ａｖｅを通過した時刻Ｔ_ｂから制御電圧を超音波モータ８に与えた。
【００３５】
揺動制御部１４にて、図４に示すように時刻Ｔ_ｂ通過後から開始される揺動の制御は、記録部１１にて記録した位置情報Ｌ_ｎと測定時刻Ｔ_ｎに基づいて、時刻Ｔ_ｂ以前の位置情報から仮想振幅曲線Ａを与え、各時刻における仮想振幅値Ａ_ｎを基に制御電圧を決定するようになっており、時刻Ｔ_ｂ以降は、仮想振幅値Ａ_ｎ＝Ｌ_{２ｂ−ｎ、}計算式Ｅ_ｎ＝（Ａ_ｎ−Ｌ_ａｖｅ）×（−１）に基づいて位置偏差値Ｅ_ｎを演算し、また各時刻における位置偏差値Ｅ_ｎの最大値Ｅ_ｍａｘを決定し、計算式Ｖ_ｎ＝Ｐ×Ｅ_ｎに基づいて演算し、決定した制御電圧から所定の周波数にて連続駆動を行う駆動信号を超音波モータ８に与えた。
【００３６】
同様に、時刻がＴ_ｂを経過後、揺動の中心位置Ｌ_ａｖｅを通過した時刻をＴ_ｃ、各時刻における仮想振幅値Ａ_ｎ＝Ｌ_２ｃ−ｎとし、時刻Ｔ_ｃ経過後、中心位置Ｌ_ａｖｅを通過した時刻をＴ_ｄ、各時刻における仮想振幅値Ａ_ｎ＝Ｌ_２ｄ−ｎとし、偏差制御部１４にて計算式Ｅ_ｎ＝（Ａ_ｎ−Ｌ_ａｖｅ）×（−１）に基づき偏差量を演算し、各時刻における偏差値Ｅ_ｎの最大値Ｅ_ｍａｘ、最小値Ｅ_ｍｉｎを決定し、偏差制御部１４にて、計算式Ｖ_ｎ＝Ｐ×Ｅ_ｎに基づいて演算を行い、決定した制御電圧から所定の周波数にて連続駆動を行う駆動信号を超音波モータ８に与え駆動した。
【００３７】
なお、Ａ_ｎは各時刻における仮想振幅値、Ｅ_ｎは各時刻における位置偏差、Ｖ_ｎは各時刻における制御電圧、Ｐは制御パラメータである。
【００３８】
また、最終目標位置まで到達しておらず再度ステップ移動が必要な場合、揺動の最大値Ｅ_ｍａｘ及び揺動の最小値Ｅ_ｍｉｎが次回ステップ移動量の１／４まで収束後、ステップ移動を実行し、最終目標位置到達後制御を終了した。
【００３９】
また、従来の制御装置として、超音波モータ８に対して所定の周波数にて駆動信号を連続的に与える手法と、バースト波を間欠的に有する駆動信号を入力する手法とを用いた制御装置を用いた。
【００４０】
この結果、本発明の制御装置１０を用いた案内装置の動作位置を図５に、従来の制御装置として、超音波モータ８に対して所定の周波数にて駆動信号を連続的に与える手法を用いた案内装置の動作位置を図６に、バースト波を間欠的に有する駆動信号を入力する手法を用いた案内装置の動作位置を図７にそれぞれ示す。
【００４１】
図６に見られるように、所定の周波数にて駆動信号を連続的に与える手法を用いた従来の案内装置は、最終目標位置を大きくオーバーし、そこから再度位置決めしており駆動時間が長くなっている。
【００４２】
また、図７に見られるように、バースト波を間欠的に有する駆動信号を入力する手法を用いた案内装置は、揺動の制御を行っていない為、駆動時間が長くなっている。
【００４３】
これに対し、本発明の案内装置は、図５に示すように、各ステップ間の揺動を素早く収束することで、駆動時間を短縮していることが判る。
【００４４】
また、微小移動に係わらず、所定の周波数にて駆動信号を連続的に与える手法を用いた従来の案内装置おいても、位置決め完了後の揺動を素早く収束させ、駆動時間を短縮することも可能である。
【００４５】
かくして、本発明の制御装置１０を備える案内装置を用いれば、ステージ３の駆動時間を短縮することができることが判る。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、制御電圧により摩擦部材を駆動させる超音波モータと、上記摩擦部材が当接、離間を繰り返することで揺動しながら目標位置に到達させる可動体と、該可動体の現在位置の位置情報Ｌ_ｎを計測する位置検出部と、上記位置情報Ｌ_ｎと測定時刻Ｔ_ｎを連続して記録する記録部と、上記可動体が可動を開始した後の揺動の最大振幅値Ｌ_ｍａｘ及び最小振幅値Ｌ_ｍｉｎを計測し、上記最大振幅値Ｌ_ｍａｘと最小振幅値Ｌ_ｍｉｎから振幅の中心値Ｌ_ａｖｅを算出するとともに、位置情報Ｌ_ｎと測定時刻Ｔ_ｎに基づいて上記中心値Ｌ_ａｖｅからの振幅が小さくなるように上記制御電圧の値を制御する揺動制御部とから成ることを特徴とする超音波モータを可動体の駆動源とした案内装置を構成したことから、各ステップ間の揺動を素早く収束させることができるとことから駆動時間を短縮することができる。
【００４７】
また、微小移動に係わらず、所定の周波数にて駆動信号を連続的に与える手法を用いた従来の案内装置おいても、位置決め完了後の揺動を素早く収束させ、駆動時間を短縮することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わ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図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】本発明の超音波モータを駆動源とする案内装置の動作を説明するブロック図である。
【図３】本発明の案内装置の動作を示すフローチャート図である。
【図４】本発明の案内装置の動作を示すタイムチャート図である。
【図５】実験における本発明の案内装置の時間と位置との関係を示す線図である。
【図６】実験における所定の周波数にて駆動信号を連続的に与える手法を用いた従来の案内装置の時間と位置との関係を示す線図である。
【図７】実験におけるバースト波を間欠的に有する駆動信号を入力する手法を用いた従来の案内装置の時間と位置との関係を示す線図である。
【符号の説明】
１：ベース盤
２：ガイド部材
３：ステージ
４：駆動力伝達部材
５：リニアスケール
６：測長ヘッド
７：位置検出手器
８：超音波モータ
８ａ：摩擦部材
１０：制御装置
１１：揺動監視部
１２：目標移動量決定部
１３：ステップ移動制御部
１４：揺動制御部
１５：切り換えスイッチ

Claims

制御電圧により摩擦部材を駆動させる超音波モータと、上記摩擦部材が当接、離間を繰り返することで揺動しながら目標位置に到達させる可動体と、該可動体の現在位置の位置情報Ｌ_ｎを計測する位置検出部と、上記位置情報Ｌ_ｎと測定時刻Ｔ_ｎを連続して記録する記録部と、上記可動体が可動を開始した後の揺動の最大振幅値Ｌ_ｍａｘ及び最小振幅値Ｌ_ｍｉｎを計測し、上記最大振幅値Ｌ_ｍａｘと最小振幅値Ｌ_ｍｉｎから揺動の中心値Ｌ_ａｖｅを算出するとともに、上記位置情報Ｌ_ｎと測定時刻Ｔ_ｎに基づいて上記中心値Ｌ_ａｖｅからの振幅が小さくなるように上記制御電圧の値を制御する揺動制御部とから成ることを特徴とする超音波モータを可動体の駆動源とした案内装置。