JP2006271110A

JP2006271110A - 超音波モータの制御方法

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Publication number: JP2006271110A
Application number: JP2005085572A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Inada; 豊稲田; Kazumasa Asumi; 一将阿隅
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2025-03-24
Also published as: JP4585346B2

Abstract

【課題】移動体を、位置偏差を小さくして高精度に移動させることができる超音波モータの制御方法を提供する。
【解決手段】フィードフォワード制御およびフィードバック制御を併用して超音波モータ１０を制御する。フィードフォワード制御では、超音波モータ１０を駆動することによって移動する移動体１５の移動範囲における超音波モータ１０の駆動力の変動を予めデータ化し、実際の超音波モータ１０の駆動時には、移動体１５の位置情報にしたがって、例えば、速度フィードフォワードゲインを決定するための係数Ｋｖｆを、このデータに基づいて変化させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、移動体を、位置偏差を小さくして高精度に移動させるための超音波モータの制御方法に関する。

例えば、超音波モータを駆動して移動体を所定位置へ移動させる位置決めシステムが知られている。ここで、超音波モータは移動体との間に生ずる摩擦力を利用して移動体を移動させるので、静止状態にある超音波モータを起動させるために超音波モータに駆動信号（入力電圧）を投入しても、入力電圧が一定の値に上がるまでの間や共振が安定するまでの間は移動体が移動しない、所謂、不感帯が存在する。

そこで、位置決めシステムにおける移動体の始動特性を高める方法として、例えば、超音波モータの起動時に駆動周波数をスイープする方法や、超音波モータの駆動電圧を高める方法、あるいは、超音波モータの不感帯をフィードフォワード制御に取り入れる方法等が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

図６にこのような従来の制御方法の一例に係る制御ブロック図を示す。プロファイルジェネレータ（ＰＧ）５０はホスト等からの移動指示値に基づき移動体を指令位置へ移動させるための軌道生成を行う。プロファイルジェネレータ（ＰＧ）５０で作成した位置指示量ｓｐから、移動体の実位置を測定するエンコーダ（ＥＮＣＯＤＥＲ）５２の検出値が減算され、これにより位置誤差が求められる。この位置誤差に位置フィードバックのための係数Ｋｅｐを掛け合わせることで位置フィードバックゲインが求められる。また、位置指示量ｓｐを微分演算子ｓで微分して速度指示値ｓｖを求め、この速度指示値ｓｖと速度フィードフォワードのための係数Ｋｖｆを掛け合わせることで速度フィードフォワードゲインを求める。さらに、エンコーダ（ＥＮＣＯＤＥＲ）５２の検出値の微分値に速度フィードバックのための係数Ｋｓを掛け合わせて速度フィードバックゲインを求める。

これら位置フィードバックゲインと、速度フィードフォワードゲインと、速度フィードバックゲインとが合算されてＰＩＤ演算部Ｇ（ＰＩＤ）５１に入力される。ＰＩＤ演算部Ｇ（ＰＩＤ）５１で処理されて得られる電圧値と、不感帯を考慮して始動特性を高めるためのオフセット電圧値（ｏｆｆｓｅｔ）とを合わせた電圧が、超音波モータ１０（図６において「ＵＳＭ」で示す）へ印加される。そして、移動体の位置はエンコーダ５２によって検出され、前述の通り、この検出値がフィードバック制御に用いられる。この図６に示されるフィードフォワード制御において、速度フィードフォワードゲインを求めるための各種係数Ｋｖｆ，Ｋｅｐ，Ｋｓは一定値である。

しかしながら、前述の通り、超音波モータは、移動体との間に作用する摩擦力を利用するものであり、移動体において超音波モータと接触する部分の表面状態は全範囲にわたって同じであるとは限らず、また、移動体と超音波モータとの間の摩擦摩耗によって移動体と超音波モータの接触部の表面状態は刻々と変化するので、静止した超音波モータを上記フィードフォワード制御等を用いて一定の条件で始動させても、移動体の停止位置によって移動体の始動特性が変化するという問題を生じる。

また、前述の通りに、移動体において超音波モータと接触する部分の表面状態は全範囲にわたって同じであるとは限らず、また摩耗によって刻々と変化するので、上記フィードフォワード制御と、位置および速度フィードバック制御では、移動体の実速度が予定された速度（指令速度）や位置（指令位置）からずれてしまう、つまり、速度偏差や位置偏差が大きくなって、制御精度が低下するという問題が生じる。
特開平０４−３２２１７９号公報特許第３２４１７１３号

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、移動体を、位置偏差を小さくして高精度に移動させることができる超音波モータの制御方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明によれば、フィードフォワード制御およびフィードバック制御を併用する超音波モータの制御方法において、
前記フィードフォワード制御では、超音波モータを駆動することによって移動する移動体の移動範囲における超音波モータの駆動力の変動を予めデータ化し、実際の超音波モータの駆動時には、移動体の位置情報にしたがって、フィードフォワード値をこのデータに基づいて変化させることを特徴とする超音波モータの制御方法、が提供される。

この超音波モータの制御方法においては、フィードフォワード値として用いられるデータは、テーブルデータとしてまたは位置の関数として、記憶媒体に記憶されていることが好ましい。また、フィードフォワード値として用いられるデータを、移動体の位置情報とその位置における超音波モータの駆動出力とに基づいて、逐次、更新することが好ましい。このように可変フィードフォワード値としては、速度フィードフォワード値が好適に選定される。

本発明によれば、フィードフォワード制御に用いるフィードフォワード値を、移動体の移動範囲における超音波モータと移動体の間の摩擦力の変化等に起因する超音波モータの駆動力の変動を予めデータ化し、実際の超音波モータの駆動時には、移動体の位置情報にしたがって、フィードフォワード値をこのデータに基づいて変化させているので、移動体の位置に対応した適切な制御値が設定することができるので、速度偏差や位置偏差を小さく抑えた高精度な駆動制御を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。ここでは、２つのランジュバン型の超音波振動子を略Ｖ字型に連結させて構成される超音波モータを例に挙げることとする。図１にこのような超音波モータ１０の概略構造を表す断面図を示す。

超音波モータ１０は、ランジュバン型構造を有する２個の超音波振動子１１ａ・１１ｂと、超音波振動子１１ａ・１１ｂを所定角度（図１では９０度としている）で保持する保持部材１２と、移動体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、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の押圧機構１４が取り付けられており、所定の力でヘッド１３を移動体１５に押し当てている。

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。なお、１個の超音波振動子に設けられる圧電板の枚数は任意であり、２枚に限定されるものではない。

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、移動体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′から構成されている。

ヘッド１３の連結部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。このヘッド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。

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、超音波振動子１１ａが構成される。これと同様にして、超音波振動子１１ｂが構成される。

通常、ボルト２１と袋ナット２２と保持部材１２は金属材料が用いられ、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。

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。

圧電板２３ａ・２３ｂに共振周波数の電圧信号を投入して超音波振動子１１ａを振動させることにより、この振動はネック部１３ｃによって拡大されて当接部１３ａに伝えられる。これと同時に、この電圧信号とは位相が９０度ずれた共振周波数の電圧信号を圧電板２３ａ′・２３ｂ′に投入して超音波振動子１１ｂを振動させると、この振動もネック部１３ｃ′によって拡大されて当接部１３ａに伝えられる。

こうして当接部１３ａでは、２つの超音波振動子１１ａ・１１ｂからそれぞれネック部１３ｃ・１３ｃ′を介して伝えられた振動が合成されて、楕円運動が発生する。この楕円運動の回転の向きに応じて、移動体１５を所定方向に移動させることができる。また、２つの超音波振動子１１ａ・１１ｂ′を駆動する電圧信号の位相を逆転させると、当接部１３ａに生じる楕円運動の回転の向きが逆転するので、移動体１５の移動方向も逆転させることができる。

次に、超音波モータ１０の駆動方法について説明する。図２に超音波モータ１０の制御ブロックの概略構成を示す。なお、以下に説明する各種の演算は１または複数のプロセッサ（ＣＰＵ）により行うことができ、プロセッサ（ＣＰＵ）は、制御プログラムや後述する制御データテーブル等を格納した半導体メモリー等の記憶装置との間で情報の送受信を行うものとする。

ホスト等からの移動指示値に基づき、プロファイルジェネレータ（ＰＧ）５０が移動体１５を所定位置へ移動させるための軌道生成を行う。プロファイルジェネレータ（ＰＧ）５０で作成した位置指示量ｓｐから、移動体１５の実位置を測定するエンコーダ（ＥＮＣＯＤＥＲ）５２の検出値が減算され、これにより位置誤差が求められる。

この位置誤差に位置フィードバックのための係数Ｋｅｐを掛け合わせることで位置フィードバックゲインが求められる。また、この位置誤差に基づいて、速度フィードフォワードゲインを決めるための係数Ｋｖｆに対する演算量ｇを求め、この演算量ｇにより移動体１５の位置に応じた係数Ｋｖｆを決定する。これは、移動体１５において超音波モータ１０と接触する部分の表面状態は全範囲にわたって同じであるとは限らないからである。つまり、係数Ｋｖｆを可変パラメータとして取り扱う。

この移動体１５の位置に応じた係数Ｋｖｆを決定するために、例えば、予め、超音波モータ１０を所定の条件で駆動して移動体１５の移動速度データを収集し、これを解析することによって、図３に示すような、移動体１５の位置（Ｐ_１〜Ｐ_ｎ）とその位置における速度フィードフォワードゲインの係数Ｋｖｆ_１〜Ｋｖｆ_ｎとを対応させた制御データテーブルを作成しておく。この制御データテーブルは、例えば、半導体メモリー等の読み書き可能な記憶媒体に記憶されている。

そして、あるタイミングで求められた位置誤差によって移動体１５の位置Ｐ_ｋ（ｋ＝１〜ｎ−１）が認識され、そのときに係数Ｋｖｆ_ｋが決定されていたとする。そのタイミングから所定時間経過後のタイミング、例えば、エンコーダ（ＥＮＣＯＤＥＲ）５２の１サンプリングタイム経過後のタイミングで、移動体１５の位置がＰ_ｋからＰ_ｋ＋１に変化したことが認識された場合には、制御データテーブルが参照され係数Ｋｖｆ_ｋが係数Ｋｖｆ_ｋ＋１に変更される。

なお、エンコーダ（ＥＮＣＯＤＥＲ）５２から認識される移動体１５の位置が、表３に示す隣り合う位置の中間にあると認識される場合には、例えば、係数Ｋｖｆとして係数Ｋｖｆ_ｋを用い、または係数Ｋｖｆ_ｋ＋１を用い、または係数Ｋｖｆ_ｋと係数Ｋｖｆ_ｋ＋１の平均値を用い、または係数Ｋｖｆ_ｋと係数Ｋｖｆ_ｋ＋１の値の差と位置Ｐ_ｋとＰ_ｋ＋１のどちらに寄っているかを示す割合とを考慮した比例配分により新たな係数Ｋｖｆを求める等の各種の近似方法を用いて、係数Ｋｖｆを決めることができる。

このようにして求められた係数Ｋｖｆに速度指示値ｓｖを掛け合わせることで速度フィードフォワードゲインを求める。この速度指示値ｓｖは、プロファイルジェネレータ（ＰＧ）５０で作成した位置指示量ｓｐを微分演算子ｓで微分することによって求められる。さらに、エンコーダ（ＥＮＣＯＤＥＲ）５２の検出値の微分値に速度フィードバックのための係数Ｋｓを掛け合わせて速度フィードバックゲインを求める。さらに、速度指示値ｓｖを微分演算子ｓで微分することによって加速度指示値ｓａを求め、これに加速度フィードフォワードを決定するための係数Ｋａｆを掛け合わせることで加速度フィードフォワードゲインを求めておく。

このようにして求めた位置フィードバックゲインと、速度フィードフォワードゲインと、速度フィードバックゲインとが合算されてＰＩＤ演算部Ｇ（ＰＩＤ）５１に入力される。このＰＩＤ演算部Ｇ（ＰＩＤ）５１で処理されて得られる電圧値と、超音波モータ１０の不感帯（つまり、電圧を印加しても移動体１５を移動させることができない電圧値）を考慮して始動特性を高めるためのオフセット電圧値（ｏｆｆｓｅｔ）と、加速度フィードフォワードゲインとを合算して求められる電圧が、超音波モータ１０（図２において「ＵＳＭ」で示す）へ印加される。そして、移動体１５の位置はエンコーダ（ＥＮＣＯＤＥＲ）５２によって検出され、前述の通り、この検出値がフィードバック制御に用いられる。

このような超音波モータ１０の駆動制御では、移動体１５の位置に応じた最適なフィードフォワード値を用いて、フィードフォワード制御およびフィードバック制御を行うので、移動体１５の速度および位置を高精度に制御することができる。図４に、所定形状の超音波モータ１０を用いてリニアステージを、２つの駆動方法を用いてそれぞれ移動させた場合の指令速度を示すグラフと、実際に得られた速度偏差（つまり、指令速度値と実際に計測された速度との差）を表すグラフを示す。

図４（ａ）の指令速度曲線と図４（ｂ）の指令速度曲線は同じである。図４（ａ）は、先に図２を参照しながら説明した、速度フィードフォワードを決定するための係数を一定値とした駆動方法を用いた場合の結果を示しており、始動時における速度偏差のばらつきが極めて大きく、一定速度での移動時における速度偏差も大きくなっている。つまり、位置制御性と速度制御性が高いとは言えない。

これに対して、図４（ｂ）は図２に示した速度フィードフォワードを決定するための係数を移動体の位置に応じて変化させる駆動方法を用い５往復程度動作させて補正テーブルを学習させた後の結果を示しており、始動時および一定速度での移動時における速度偏差は常に一定であり、図４（ａ）と比較して、速度偏差が小さくなっていること、つまり移動体の高精度な駆動制御が実現されていること、が確認された。

上述の通り、図２に示した駆動方法を用いて移動体１５を駆動した場合、移動体１５と超音波モータ１０との接触部分では、その表面状態が摩擦により刻々と変化すると、図３に示す各位置ごとに定められた係数Ｋｖｆの値も変化する。また、使用される環境の温度や湿度等が変化する等した場合にも、移動体１５と超音波モータ１０との間に生じる摩擦力が変化する。こうして、各係数Ｋｖｆの変化が大きくなると、移動体１５の実速度が指令速度および指令位置からずれてしまい、制御の精度が低下するという問題が生じてくる。

この問題を回避すべく、図３に示す係数Ｋｖｆの各値は、移動体１５の位置誤差（位置情報）とその位置における超音波モータ１０の駆動出力とに基づいて、逐次、更新される（つまり、半導体メモリー等の記憶装置において書き換えられ、記憶される）構成とすることが好ましい。図５に、このような係数Ｋｖｆを更新する制御を行うための概略の制御ブロックを示す。

この図５に示す制御方法では、ＰＩＤ演算部Ｇ（ＰＩＤ）５１で求めた出力に基づいて、係数Ｋｖｆを補正するための演算量ｇを算出し、この演算量ｇに基づいて、制御データテーブルに記憶された各Ｋｖｆ値を、逐次、書き換える。こうして、移動体１５の位置に応じて最新の係数Ｋｖｆが選択されるため、速度フィードフォワードゲインの信頼性が高められ、これにより制御性が向上する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、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、図１に示す超音波振動子１１ａ・１１ｂを所定角度で配置した構造のものを取り上げたが、超音波モータはこれに限定されるものではなく、移動体との接触部が楕円軌道を描くように運動することで、移動体を所定方向へ移動させる超音波モータであれば、その構造は問わない。

本発明の超音波モータの駆動方法は、精密位置決めが必要な露光装置（ステッパ）等の半導体製造装置に装着されるＸ−Ｙステージの送り機構の制御に好適である。

超音波モータの概略構成を示す断面図。超音波モータの制御ブロックの概略構成を示す図。移動体の位置とその位置における速度フィードフォワードゲインの係数を対応させた制御データテーブル。超音波モータによりステージを駆動した場合の指令速度と速度偏差を示すグラフ。超音波モータの制御ブロックの別の概略構成を示す図。超音波モータの従来の制御ブロックの概略構成を表す図。

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・１３ｂ′；連結部
１３ｃ・１３ｃ′；ネック部
１４；押圧機構
１５；移動体
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

Claims

フィードフォワード制御およびフィードバック制御を併用する超音波モータの制御方法において、
前記フィードフォワード制御では、超音波モータを駆動することによって移動する移動体の移動範囲における超音波モータの駆動力の変動を予めデータ化し、実際の超音波モータの駆動時には、移動体の位置情報にしたがって、フィードフォワード値をこのデータに基づいて変化させることを特徴とする超音波モータの制御方法。
前記フィードフォワード値として用いられるデータは、テーブルデータとして記憶されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータの制御方法。
前記フィードフォワード値として用いられるデータは、位置の関数として記憶されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータの制御方法。
前記フィードフォワード値として用いられるデータを、移動体の位置情報とその位置における超音波モータの駆動出力に基づいて、逐次、更新することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波モータの制御方法。
前記フィードフォワード値が速度フィードフォワード値であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波モータの制御方法。