JP2005078364A - 駆動・制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 変位ユニットを交換しても、指示値に対する圧電素子の変位量を変化させることなく、各ユニット間の互換性が確保された駆動・制御装置を提供すること。
【解決手段】 圧電素子４と該圧電素子４の変位量を検出するセンサ５とを有する、少なくとも一つの変位ユニット２と、該変位ユニット２に取り外し可能に接続され、前記圧電素子４を制御する制御ユニット３とを備え、前記変位ユニット２が、該変位ユニット２に搭載されている圧電素子４の実際の変位量と前記センサ５の出力値との関係を表わす駆動特性を記憶した記憶手段６を有し、前記制御ユニット３が、前記センサ５からの出力値と、前記記憶手段６に記憶されている駆動特性とに基づいて、前記圧電素子４を制御することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電素子の変位量を制御するのに用いて好適な駆動・制御装置に関するものである。

近年、カメラなどの光学機器の小型化、高精度化が進み、その組立時等において、微小、かつ高精度な位置制御を行う必要性が高まってきている。この種の制御装置においては、圧電素子を用いたものが知られている。圧電素子は、印加電圧にほぼ比例した変位量が得られるのに加え、変位分解能がナノメートルオーダと非常に微小であることや、数十から数百Ｎという大きな力量が得られるといった種々の利点を有していることから、今日では各種機器の組立装置、測定装置または調整設備等の様々な装置に使用されている。圧電素子を使用する際には、その変位量を正確に制御するため、センサなどで変位量を検知し、圧電素子の駆動量にフィードバックすることが一般的に行われる。

従来より、これら圧電素子の駆動と制御とを行う装置として以下のものが提案されている。すなわち、図４に示すように、位相補償器１０３ａと積分要素１０３ｂとを備えた制御装置１０３に、印加電圧に応じて伸縮する電圧変位素子１０１と、その変位量を検出するセンサ１０２とが接続された構成とされている（例えば、特許文献１参照。）。このような構成のもと、電圧変位素子１０１に電圧を印加すると、その電圧変位素子１０１が伸縮させられ、その変位量がセンサ１０２によって検出される。そして、その検出された変位量が制御装置１０３にフィードバックされ、位相補償器１０３ａと積分要素１０３ｂとによって適切な補償動作がなされる。その補償動作の結果が新たな電圧値とされ、それに応じた電圧が電圧変位素子１０１に印加される。これら一連のサイクルによって、電圧変位素子１０１の変位量の制御が行われる。
特開平０５−４６２４９号公報

しかしながら、故障時における修理、交換の便宜等の理由から、変位ユニットと制御ユニットとは取り外し可能に接続する要請があるが、上記のような構成では、測定装置などに取り付けられた変位ユニットを交換すると、印加する電圧の指示値が同じであっても、交換の前後で圧電素子の変位量が変化してしまうおそれがある。なぜなら、個々のセンサの感度バラツキや直線性のバラツキ、圧電素子とセンサの取付位置のバラツキ等が発生することがあるからである。
そのため、特に変位量の絶対値精度が必要な測定装置の場合は、交換後にレーザ測長器などで変位の指示値と実際の変位量とを測定し、これら測定値に基づいて指示値を補正する必要があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、変位ユニットを交換しても、指示値に対する圧電素子の変位量を変化させることなく、各ユニット間の互換性が確保された駆動・制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
請求項１に係る発明は、圧電素子と該圧電素子の変位量を検出するセンサとを有する、少なくとも一つの変位ユニットと、該変位ユニットに取り外し可能に接続され、前記圧電素子を制御する制御ユニットとを備え、前記変位ユニットが、該変位ユニットに搭載されている圧電素子の実際の変位量と前記センサの出力値との関係を表わす駆動特性を記憶した記憶手段を有し、前記制御ユニットが、前記センサからの出力値と、前記記憶手段に記憶されている駆動特性とに基づいて、前記圧電素子を制御することを特徴とする。

この発明に係る駆動・制御装置によれば、圧電素子に電圧を印加することによりその圧電素子が変位し、その変位量が、センサによって検出され、制御ユニットにフィードバックされる。さらに、前記制御ユニットにより、前記圧電素子の変位量と前記センサの出力値との関係を表わす駆動特性値が前記記憶手段から読み出される。そして、これら個々の駆動特性と、前記フィードバックされたセンサからの出力値とに基づいて、前記制御ユニットによって前記圧電素子の変位量が制御される。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の駆動・制御装置において、前記制御ユニットが、前記センサからの出力値と前記駆動特性とに基づいて、前記圧電素子の実際の変位量を算出することを特徴とする。
この発明に係る駆動・制御装置によれば、前記制御ユニットにより、前記センサからの出力値と前記駆動特性とに基づいて、前記圧電素子の実際の変位量が算出される。

本発明によれば、記憶手段に記憶された個々の駆動特性を使って、センサからの出力値を、圧電素子の実際の変位量に補正演算することによって、それぞれの変位ユニットと制御ユニットとの組み合わせに関係なく、指示値と変位量との関係を一定にすることができる。また、これにより、変位ユニットの交換によって指示値に対する変位量を変化させることなく、各ユニット間の互換性を確保することができる。さらに、交換後にレーザ側長器等により、測定、補正する必要がないため、交換に係る作業負担を軽減することができる。

以下、本発明の第１の実施形態に係る駆動・制御装置について、図面を参照して説明する。

最初に、本発明の原理について説明する。
図１は、本発明の原理を示す説明図である。
図１において、符号１は駆動・制御部（駆動・制御装置）を示すものであり、駆動・制御部１は、変位ユニット部２と制御ユニット部３とを備えてなるものである。
変位ユニット部２は、電圧を印加することによって変位動作をする圧電素子４と、圧電素子４の変位量に比例した電気信号を出力するセンサ５と、圧電素子４の変位量とセンサ５の出力値との関係を表わす駆動特性を記憶する記憶手段６とを備えている。
駆動特性としては、あらかじめ温度・湿度・振動が適切に管理された環境のもとで、レーザ測長器などを使ってデータ取りした結果を元に算出された値などが用いられ、これが駆動特性値として記憶される。例えば、センサ５の感度バラツキや、圧電素子４とセンサ５との取付誤差のように、比較的直線性の高いバラツキ要因を補正するだけでなく、センサ５の直線性誤差をも補正できるようにするため、上記データ取りした結果を多項式に近似計算した場合の係数を抽出し、その係数を駆動特性値とする方法がある。または、変位範囲を微小領域に区切り、直線近似したときの区間範囲値と傾き、切片を駆動特性値としてもよい。

また、制御ユニット部３は、変位指示値が入力される変位指示値入力回路７と、記憶手段６に記憶された駆動特性に基づいてセンサ５からの出力値を補正演算する演算回路８と、変位指示値入力回路７からの出力信号と演算回路８からの出力信号との差分演算を行う差動アンプ回路９とを備えている。さらに、制御ユニット部３は、差動アンプ回路９の出力信号を増幅させる増幅回路１０と、センサ５から制御ユニット３へのフィードバック制御が安定条件を満たすように位相補償を行う位相補償回路１１と、圧電素子４に所定の電圧、電流を印加するドライブ回路１２とを備えている。
このような構成のもと、圧電素子４の実際の変位量は、記憶手段６から読み出した前記駆動特性値を利用しセンサ５から出力された値を演算回路８で補正演算することによって算出され、これにより、圧電素子４の変位量が制御される。

すなわち、まず制御ユニット部３により、電源投入時などのタイミングで現在接続されている変位ユニット部２の記憶手段６から、圧電素子４の変位量とセンサ５の出力値との関係を表わす駆動特性値が読み出され、その駆動特性値が演算回路８の演算パラメータにセットされる。さらに、センサ５により、圧電素子４の状態に応じた信号が演算回路８に向けて出力され、演算回路８は、これら駆動特性値とセンサ５からの出力値とによって圧電素子４の実際の変位量を算出する。そして、この変位量についての信号を差動アンプ回路９に出力する。
また、上位コントローラからの指示が電圧、電流などの電気信号、または、通信によるデータ入力の形で、変位指示値入力回路７に与えられる。変位指示値入力回路７は、その指示値についての信号を差動アンプ回路９に向けて出力する。

差動アンプ回路９は、この変位指示値入力回路７からの出力値と、実際の変位量を示す演算回路８からの出力値の差を演算し、増幅回路１０に向けて演算結果についての信号を出力する。その信号は、増幅回路１０により増幅された後、位相補償回路１１によって、フィードバックによる制御ループが安定条件を満たすように位相補償される。そして、位相補償回路１１からの出力値に基づき、ドライブ回路１２は所定の電圧を圧電素子４に印加する。これにより圧電素子４は現在の状態から変位し、その変位量はセンサ５によって検出される。
センサ５からの出力値は、上記と同様に、演算回路８により実際の変位量に補正演算された後、再び差動アンプ回路９に入力される。これら一連の動作が、差動アンプ回路９の出力が０、または、制御ループの設計値で決まる定常誤差分以下になるまで継続されることによって、圧電素子４の変位量が変位指示値になるよう制御される。

以上のように、変位ユニット部２に、圧電素子４の変位量とセンサ５の出力値との関係を表わす駆動特性値を格納する記憶手段６を設け、駆動・制御時に記憶手段６から読み出した駆動特性値を使って圧電素子４の実際の変位量に補正演算することによって、変位ユニット部２と制御ユニット部３との組み合わせによらず、指示値と変位量との関係を一定にすることができるため、変位ユニット部２の交換によって、指示値に対する変位量が変化することなく、互換性が確保される。

次に、本発明の第１の実施形態に係る駆動・制御装置について説明する。
本実施形態では、駆動・制御装置として、干渉計に適用した場合を例に挙げて説明する。
図２は、本実施形態に係る干渉計の概略構成図であり、ここではまず、この干渉計について概説する。
図２において、符号２０は、被検面２６の面形状を測定する干渉計を示している。干渉計２０は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光を出射するレーザ光源２１と、レーザ光源２１からのレーザ光を集光し、数μｍ程度のピンホール（不図示）を備えるスペーシャルフィルタユニット２２と、入射光をその入射方向によって透過または反射させるビームスプリッタ２３と、発散光を平行光にするコリメータレンズ２４とを備えている。

さらに、干渉計２０は、被検面２６に対して十分に高い面精度を有し、干渉計測定の基準となる参照面２５と、参照面２５と被検面２６とのそれぞれの反射光によって生じる干渉縞画像を結像させる結像レンズ２７および撮像ユニット２８と、干渉縞画像を取り込み、形状などの解析計算の実施と表示とを行うパソコン２９とを備えている。これらの装置に、変位ユニット４０と制御ユニット４１とを備える本発明に係る駆動・制御装置３５が組み込まれている。変位ユニット４０には、前記参照面２５が連結され、変位ユニット４０の変位量に応じて、参照面２５が移動されるようになっている。
そして、パソコン２９からの指示に従って、制御ユニット４１により、変位ユニット４０の駆動、制御を行い、参照面２５の移動を制御するようになっている。

このような構成のもと、レーザ光源２１からレーザ光を出射させると、そのレーザ光は、スペーシャルフィルタユニット２２に形成されたピンホールを通過させられ、発散光として、ビームスプリッタ２３に入射させられる。そのレーザ光は、ビームスプリッタ２３を透過し、コリメータレンズ２４により平行光にさせられ、そのまま参照面２５に到達し、その一部は参照面２５によって反射させられる。一方、残りのレーザ光は参照面２５を透過し、被検面２６に到達する。被検面２６に到達したレーザ光は、被検面２６により反射させられ、参照面２５に入射させられる。したがって、パソコン２９から移動量を入力し、参照面２５を適切な位置に移動させると、参照面２５により反射させられたレーザ光と、被検面２６により反射させられたレーザ光とが重ねられることによって、光の干渉が発生し、参照面２５と被検面２６の面形状の相違に相当する分が干渉縞として観察される。この干渉縞は、コリメータレンズ２４、ビームスプリッタ２３、結像レンズ２７を介して、撮像ユニット２８に結像させられる。そして、その干渉縞は、撮像ユニット２８により電気信号に変換された後、パソコン２９に干渉縞画像として取り込まれる。
これにより、例えば、フリンジスキャン法により、被検面２６の形状が定量的に算出される。

続いて、本発明に係る駆動・制御装置３５の構成について説明する。
図３は、本発明に係る駆動・制御装置３５の第１の実施形態を示す概略構成図である。
図３において、駆動・制御装置３５は、上述のように変位ユニット４０と制御ユニット４１とを備えてなるものである。
変位ユニット４０は、印加電圧によって変位する圧電素子４と、圧電素子４の側面に接着固定され、圧電素子の変位に応じて抵抗値が変化するひずみゲージ（センサ）４２と、制御ユニット４１に接続するためのコネクタ４４とを備えている。さらにこの変位ユニット４０は、圧電素子４の変位量とひずみゲージ４２の値の変化量との関係を格納した、電気的に読み書き可能な素子であるＥＥＰＲＯＭ（記憶手段）４３を備えている。なお、圧電素子４には、図２に示す参照面２５が連結されており、圧電素子４の変位に連動して参照面２５が移動させられるようになっている。

また、前記制御ユニット４１は、ＣＰＵユニット４５を備えており、ＣＰＵユニット４５は、ひずみゲージ４２の出力値の補正演算機能、ひずみゲージ４２の出力値と変位指示値との差動演算機能、および差動演算結果の増幅演算機能、位相補償演算機能を内包する。さらに、制御ユニット４１は、ひずみゲージ４２から出力される抵抗値変化を電圧信号に変換するブリッジ回路４６と、ブリッジ回路４６から出力される電圧信号を、ＣＰＵユニット４５に入力するためにデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ４７と、ＣＰＵユニット４５の処理結果をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータ４８と、圧電素子４の駆動に必要な電圧、電流を供給するドライブ回路４９と、変位ユニット４０に接続するためのコネクタ５０とを備えている。
なお、符号５１は、変位量の指示値を出力する上位コントローラを示すものである。
これら変位ユニット４０と制御ユニット４１とは、コネクタ４４，５０を介して、それぞれ取り外し可能に接続されている。

ここで、圧電素子４の実際の変位量は、ひずみゲージ４２の抵抗値変化をブリッジ回路４６により電圧変換することにより得られるため、ブリッジ回路４６のゲイン、オフセットは標準抵抗器を使用してあらかじめ調整しておくことにより、ブリッジ回路４６の持つゲイン、オフセットのバラツキは、圧電素子４の変位量検出値に影響しないようになっている。圧電素子４の変位量に対するひずみゲージ４２の抵抗値変化のバラツキ要因には、ひずみゲージ４２自体のゲージ率（変位量に対する検出感度）のバラツキ、圧電素子４にひずみゲージ４２を接着固定する際の傾き成分によるバラツキ、ひずみゲージ４２の変位量に対する抵抗値変化が直線性誤差を持つことによるバラツキなどが挙げられる。特に直線性誤差に関わる部分を精度よく補正するため、ＥＥＰＲＯＭ４３には、圧電素子４の変位量に対するひずみゲージ４２の出力値との関係を多項式に近似計算した場合の各係数、または、変位範囲を微小領域に区切って直線近似したときの区間範囲値と傾き、切片等の駆動特性値が格納されている。

次に、このように構成された本実施形態に係る駆動・制御装置３５の作用について説明する。
上述のように、干渉計２０において、被検面２６の形状を測定するためには、被検面２６および参照面２５によって反射させられる各反射光が重ねられることによって生じる干渉縞を、撮像ユニット２８に結像させ、それを干渉縞画像として取り込む必要がある。そして、光の干渉を起こさせるために、参照面２５の移動制御が必要となり、そのためには圧電素子４の変位量の高精度な制御が必要となる。また、変位ユニット４０を交換した際に、パソコン２９からの変位指示値と、圧電素子４の変位量とが誤差により一致しない場合があるが、本実施形態に係る駆動・制御部１においては、以下のようにしてその変位量が制御される。

すなわち、操作者が、電源をＯＮにするか、またはパソコン２９に参照面２５の移動量および移動指示を入力すると、電源投入時等のリセットタイミング、または上位コントローラ５１からの指示により、ＣＰＵユニット４５が、ＥＥＰＲＯＭ４３から圧電素子４の変位量に対するひずみゲージ４２の信号出力値の関係を示す駆動特性値を読み出す。そして、ＣＰＵユニット４５は、圧電素子４の実際の変位量を得るため、ひずみゲージ４２からの抵抗値変化の出力値を変換させたブリッジ回路４６からの電圧出力値をＡ／Ｄコンバータ４７を介してデジタル変換し、その変換後のデジタル信号を取り込む。取り込み後、ＥＥＰＲＯＭ４３から読み込んだ駆動特性値を用いて補正演算をすることにより、圧電素子４の実際の変位量が算出される。

また、上位コントローラ５１から、ＲＳ２３２Ｃ等の通信手段を経由して、変位量の指示値がＣＰＵユニット４５に与えられると、ＣＰＵユニット４５は、実際の変位量と上位コントローラ５１から受信した変位量との差分を算出し、所定の増幅を行う。なお、ＣＰＵユニット４５が、上位コントローラ５１からの指示値があらかじめ設定された変位範囲の場合のみ、差分演算および増幅演算を行うようにすることで、変位制御のリミット動作（非線形制御）が可能になる。
そして、所定の増幅演算を行った後、ＣＰＵユニット４５は、フィードバックによる制御ループが安定条件を満たすように、位相補償演算を行う。なお、位相補償演算のパラメータによって、変位動作の過渡特性、周波数応答性や定常誤差量を変化させることができるため、ＣＰＵユニット４５が、使用目的や変位ユニット４０に取り付けられた負荷状況に対応して、または上位コントローラ５１からの指示によって、パラメータを切り換えることにより、位相補償の適応範囲をより広げることが可能になる。

上述のＣＰＵユニット４５による位相補償の演算結果は、Ｄ／Ａコンバータ４８により電圧信号に変換された後、ドライブ回路４９によって、所定の電圧が圧電素子４に印加される。これによって、圧電素子４は現在の状態から変位し、その変位量はひずみゲージ４２の抵抗値変化として検出される。ひずみゲージ４２の抵抗値変化は、前記と同様に、ブリッジ回路４６によって電圧信号に変換された後、Ａ／Ｄコンバータ４７を経由して、ＣＰＵユニット４５に再び入力され、補正演算によって実際の変位量に変換される。
これら一連の動作が、ＣＰＵユニット４５の差分演算結果が０、または所定の範囲以下になるまで継続されることにより、上位コントローラ５１からの指示値が、圧電素子４の実際の変位量と一致するように制御される。

これにより、制御ユニット４１から変位ユニット４０を取り外し、別の変位ユニット４０を接続した場合でも、その別の変位ユニット４０に設けられたＥＥＰＲＯＭ４３に格納された駆動特性値を読み出して、上記のように補正演算をすることにより、変位ユニット４０と制御ユニット４１との組み合わせに関係なく、圧電素子４の実際の変位量が算出される。
また、そのため、図２に示す参照面２５の移動が高精度に制御され、撮像ユニット２８に結像させた干渉縞の適正な画像がパソコン２９に取り込まれるとともに、被検面２６の面形状が正確に測定される。

以上より、本実施形態に係る駆動・制御装置３５によれば、変位ユニット４０の駆動に必要な特性値の記憶手段を設けることにより、変位ユニット４０の交換によって、指示値に対する圧電素子４の変位量を変化させることなく、各ユニット間の互換性を確保することができる。
また、ＣＰＵユニット４５を搭載することにより、変位範囲の制限といった非線形制御や、使用目的、使用状況に合わせた位相補償パラメータの変更が可能になり、各種条件に応じて、より広い範囲で適応させることができる。
さらに、変位ユニット４０を交換することによって生じる誤差を、交換後にレーザ側長器等により測定、補正する必要がないため、交換に係る作業負担を軽減することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
本実施形態においては、上記実施形態と基本的構成が同一であるため、図３を参照して説明する。
本実施形態は、特にＥＥＰＲＯＭ４３に、前記駆動特性値のみならず、例えば、駆動最大電圧や共振周波数等の圧電素子４の電気的、機械的な特性値、および動作回数や動作時間等の変位ユニット４０の動作寿命に関する値をも記憶させ、これらの値を、装置使用時に使用するようにした点で上述した第１の実施形態と相違した構成とするものである。
すなわち、ＣＰＵユニット４５による差分演算、増幅演算、位相補償演算によって算出された圧電素子４への印加電圧が、ＥＥＰＲＯＭ４３から読み出した駆動最大電圧を超えた場合は、異常とみなして、圧電素子４の電圧印加を中止し、上位コントローラ５１へ異常発生状態を送信する。

また、周波数特性をより高くするような位相補償パラメータが指定された結果、変位制御のフィードバックループの周波数応答性が圧電素子４の共振周波数の影響を受けてしまう場合があり、最悪の場合、圧電素子４が機械的に破壊してしまう。そこで、位相補償パラメータ変更の結果、フィードバックループの周波数応答性があらかじめ設定された範囲、または比率を超えた場合、異常とみなして、位相補償パラメータの変更を中止し、上位コントローラへ異常発生状態を送信する。
さらに、ひずみゲージ４２には、伸縮による機械寿命があるため、動作回数の累計をＥＥＰＲＯＭ４３に記憶させておくことにより、制御ユニット４１が、読み出した累計値に、動作のたびに所定の値を加算し、所定の回数を超えた場合、変位ユニット４０の寿命である旨を上位コントローラ５１に送信する。

以上より、本実施形態によれば、ＥＥＰＲＯＭ４３に、駆動特性値のみならず、圧電素子４の電気的、機械的な特性値および変位ユニット４０の動作寿命に関する値を記憶し、装置使用時にこれらの値を使用することにより、変位ユニット４０と制御ユニット４１との組み合わせを変更した際のパラメータ設定間違いによる破損防止や、変位ユニット４０の交換時期を確実に管理できるなど、安全性と使い勝手を向上させることができる。
なお、上記実施形態では、記憶手段６としてＥＥＰＲＯＭ４３としたが、これに限ることはなく、電気的に読み書き可能な素子、例えば、フラッシュＲＯＭ等であってもよい。
また、干渉計２０としたが、これに限ることはなく、様々な装置に適用できることは言うまでもない。

本発明に係る駆動・制御の原理を示す説明図である。 本発明に係る駆動・制御装置を適用した干渉計を示す概略構成図である。 本発明に係る駆動・制御装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。 従来の駆動・制御装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 駆動・制御部（駆動・制御装置）
２ 変位ユニット部（変位ユニット）
３ 制御ユニット部（制御ユニット）
４ 圧電素子
５ センサ
６ 記憶手段
３５ 駆動・制御装置
４０ 変位ユニット
４１ 制御ユニット
４２ ひずみゲージ（センサ）
４３ ＥＥＰＲＯＭ（記憶手段）

Claims (2)

1. 圧電素子と該圧電素子の変位量を検出するセンサとを有する、少なくとも一つの変位ユニットと、該変位ユニットに取り外し可能に接続され、前記圧電素子を制御する制御ユニットとを備え、
   前記変位ユニットが、該変位ユニットに搭載されている圧電素子の実際の変位量と前記センサの出力値との関係を表わす駆動特性を記憶した記憶手段を有し、前記制御ユニットが、前記センサからの出力値と、前記記憶手段に記憶されている駆動特性とに基づいて、前記圧電素子を制御することを特徴とする駆動・制御装置。
2. 前記制御ユニットが、前記センサからの出力値と前記駆動特性とに基づいて、前記圧電素子の実際の変位量を算出することを特徴とする請求項１に記載の駆動・制御装置。
   
   

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