JP2007034742A - 故障低減装置、故障低減方法、及び故障低減プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 アクチュエータを有する動作系の故障の低減を高精度に行う。
【解決手段】 アクチュエータの故障を低減させるための故障低減装置において、前記アクチュエータの駆動を制御する制御手段と、予め設定される駆動内容に基づいて前記アクチュエータを移動させる際に得られる情報を測定する測定手段とを有する第１の制御装置と、前記第１の制御装置を少なくとも１つを管理する第２の制御装置とを有し、前記第２の制御装置は、前記測定手段に測定をさせるための指示信号を生成する指示生成手段と、前記測定手段により得られる測定結果に基づいて、前記アクチュエータにおける故障を低減させるための判定を行う判定手段と、前記判定手段により得られる判定結果を通知する通知手段とを有することにより上記課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、故障低減装置、故障低減方法、及び故障低減プログラムに係り、特にアクチュエータを有する動作系の故障の低減を高精度に行うための故障低減装置、故障低減方法、及び故障低減プログラムに関する。

従来、アクチュエータは、モータやエア（油圧）シリンダ、ピエゾ（圧電素子）等、動力を発生する装置や物質等を指すが、その一例としては、超音波モータがある。超音波モータは、真空で動作し磁性もないことから、このような環境で制御対象物（被対象物）を動作させるためのアクチュエータとして広く使用されている。

また、超音波モータは、真空中で長時間駆動させたり、高速度を得るために大きな負荷電圧をかけると超音波モータの内部素子である圧電素子が熱の影響により正常に動作しなくなることがある。この場合、従来では真空中で使用される超音波モータの故障を判断するために、人手によって原因を調査し故障を判定していた。

ここで、原因調査の内容としては、例えばアンプからモータへの配線を１本ずつ確認する作業等を行う。より具体的には、配線の調査として以下の項目を行う。まず、モータへの出力線に断線が起きていないかどうかをチェックする。次に、モータ自身に異常が起きていないかどうかをモータの静電容量値、モータの抵抗値等の測定により調べる。この測定により、モータ内部素子が熱等の影響で溶けてしまい、グランド線と印加電圧線の配線間にショートが発生していることを確認できる。最後に、調べた値が異常値であれば故障と判断する。

なお、従来では、動作系が完全に停止する前に動作系の故障を判断する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。なお、特許文献１に示されている技術は、動作時間又は駆動動力値を故障の判断基準にしたものである。
特開２０００-２５０６２５号公報

しかしながら、上述したように配線等のチェックを人手によって行う場合には、効率が悪く、装置のダウンタイムを抑えるという点では不十分であった。したがって、例えばアクチュエータが多数ある装置等では、どのアクチュエータに問題が発生しているのかをいち早く発見することは困難となる。更に、アクチュエータが真空中に設けられている場合には、装置のダウンタイムは更に増加してしまう。

また、従来技術である特許文献１に示されている技術は、アクチュエータやセンサ（位置検出部）が動作する環境、更には故障を低減するためのアクチュエータの運用方法等については示されていない。例えば、上述したように真空中で動作する超音波モータにおける故障を判定する場合には、更に詳細な設定が必要となり、従来技術のみではカバーできていない。

本発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであり、アクチュエータを有する動作系の故障の低減を高精度に行うための故障低減装置、故障低減方法、及び故障低減プログラムを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明は、アクチュエータの故障を低減させるための故障低減装置において、前記アクチュエータの駆動を制御する制御手段と、予め設定される駆動内容に基づいて前記アクチュエータを移動させる際に得られる情報を測定する測定手段とを有する第１の制御装置と、前記第１の制御装置を少なくとも１つを管理する第２の制御装置とを有し、前記第２の制御装置は、前記測定手段に測定をさせるための指示信号を生成する指示生成手段と、前記測定手段により得られる測定結果に基づいて、前記アクチュエータにおける故障を低減させるための判定を行う判定手段と、前記判定手段により得られる判定結果を通知する通知手段とを有することを特徴とする。これにより、アクチュエータを有する動作系の故障の低減を高精度に行うことができる。

更に、前記判定手段は、前記アクチュエータに対するサーボ開始時から計測される時間情報と所定時間とに基づいて前記判定を行うことが好ましい。これにより、時間の計測によりアクチュエータのオーバーワークを防止することができる。

更に、前記判定手段は、前記測定手段により得られる前記アクチュエータの速度情報からＤｕｔｙを計算し、計算されたＤｕｔｙ値と所定値とに基づいて前記判定を行うことが好ましい。これにより、効率的にアクチュエータを駆動させることができる。

更に、前記判定手段は、前記第２の制御装置が前記アクチュエータを駆動させるときの駆動電圧の最大値、最小値、及び整定時間と、所定の最大値、最小値、及び整定時間とに基づいて前記判定を行い、少なくとも１つが所定値の範囲を超える場合に前記通知手段により判定結果を通知させることが好ましい。これにより、高精度にアクチュエータの故障判定を行うことができる。

また、本発明は、アクチュエータの駆動を制御して前記アクチュエータの故障を低減させるための故障低減方法において、予め設定される駆動内容に基づいて前記アクチュエータを移動させる際に得られる情報が測定される測定ステップと、前記測定ステップにより得られる測定結果に基づいて、前記アクチュエータにおける故障を低減させるための判定が行われる判定ステップと、前記判定ステップにより得られる判定結果が通知される通知ステップとを有することを特徴とする。これにより、アクチュエータを有する動作系の故障の低減を高精度に行うことができる。

更に、前記判定ステップは、前記アクチュエータに対するサーボ開始時から計測される時間情報と所定時間とに基づいて前記判定が行われることが好ましい。これにより、時間の計測によりアクチュエータのオーバーワークを防止することができる。

更に、前記判定ステップは、前記測定ステップにより得られる前記アクチュエータの速度情報からＤｕｔｙが計算され、計算されたＤｕｔｙ値と所定値とに基づいて前記判定が行われることが好ましい。これにより、効率的にアクチュエータを駆動させることができる。

更に、前記判定ステップは、前記アクチュエータを駆動させるときの駆動電圧の最大値、最小値、及び整定時間と、所定の最大値、最小値、及び整定時間とに基づいて前記判定が行われ、少なくとも１つが所定値の範囲を超える場合に前記通知ステップにより判定結果が通知されることが好ましい。これにより、高精度にアクチュエータの故障判定を行うことができる。

また、本発明は、アクチュエータの駆動を制御して前記アクチュエータの故障を低減させるための故障低減処理をコンピュータに実行させるための故障低減プログラムにおいて、予め設定される駆動内容に基づいて前記アクチュエータを移動させる際に得られる情報を測定する測定処理と、前記測定処理により得られる測定結果に基づいて、前記アクチュエータにおける故障を低減させるための判定を行う判定処理と、前記判定処理により得られる判定結果を通知する通知処理とをコンピュータに実行させる。これにより、アクチュエータを有する動作系の故障の低減を高精度に行うことができる。また、実行プログラムをコンピュータにインストールすることにより、容易に故障判定処理を実現することができる。

更に、前記判定処理は、前記アクチュエータに対するサーボ開始時から計測される時間情報と所定時間とに基づいて前記判定を行うことが好ましい。これにより、時間の計測によりアクチュエータのオーバーワークを防止することができる。

更に、前記判定処理は、前記測定処理により得られる前記アクチュエータの速度情報からＤｕｔｙを計算し、計算されたＤｕｔｙ値と所定値とに基づいて前記判定を行うことが好ましい。これにより、効率的にアクチュエータを駆動させることができる。

更に、前記判定処理は、前記アクチュエータを駆動させるときの駆動電圧の最大値、最小値、及び整定時間と、所定の最大値、最小値、及び整定時間とに基づいて前記判定を行い、少なくとも１つが所定値の範囲を超える場合に前記通知ステップにより判定結果が通知されることが好ましい。これにより、高精度にアクチュエータの故障判定を行うことができる。

本発明によれば、アクチュエータを有する動作系の故障の低減を高精度に行うことができる。

以下に、本発明における故障低減装置、故障低減方法、及び故障低減プログラムを好適に実施した形態について、図面を用いて説明する。図１は、故障を低減させる駆動系システムとしての故障低減装置の概略構成の一例を示す図である。図１に示す故障低減装置１０は、上位の制御装置（第２の制御装置）としての上位コントローラ１１と、下位の制御装置（第１の制御装置）としての少なくとも１つの下位コントローラ１２−１〜１２−ｎと、Ｄ／Ａ変換部１３−１〜１３−ｎと、アンプ１４−１〜１４−ｎと、アクチュエータとしての超音波モータ（Ｍ）１５−１〜１５−ｎと、位置検出部としてのエンコーダ（Ｅ）１６−１〜１６−ｎと、Ａ／Ｄ変換部１７−１〜１７−ｎとを有するよう構成されている。

上位コントローラ１１は、下位コントローラ１２−１〜１２−ｎの全体的な制御、管理を行う。また、上位コントローラ１１は、下位コントローラ１２−１〜１２−ｎのそれぞれに対して所定の処理を実行させる。また、上位コントローラ１１は、下位コントローラ１２−１〜１２−ｎにより測定される超音波モータ１５−１〜１５−ｎの駆動に基づいて移動する制御対象物（被対象物）を移動させることで得られる情報を取得し、後述する本発明における故障低減等を行う。

また、下位コントローラ１２−１〜１２−ｎは、上位コントローラ１１から得られる指示信号にしたがって、それぞれの超音波モータ１５−１〜１５−ｎやエンコーダ１６−１〜１から１５−ｎの駆動制御を行う。また、下位コントローラ１２は、移動した被対象物や動作中のエラー情報等を上位コントローラ１１に出力する。なお、下位コントローラ１２は、アクチュエータの駆動電圧の最大値、最小値、整定時間を計測することができる。

Ｄ／Ａ変換部１３−１〜１３−ｎは、下位コントローラ１２からの制御信号をデジタル信号からアナログ信号に変換する。また、超音波モータ１５−１〜１５−ｎは、例えば真空中等において接続されている被対象物を駆動させる。また、エンコーダ１６−１〜１６−ｎは、超音波モータ１５−１〜１５−ｎにより駆動された被対象物の位置を予め設定された周期等により検出する。また、エンコーダ１６−１〜１６−ｎは、検出した位置情報をＡ／Ｄ変換部１７−１〜１７−ｎに出力する。また、Ａ／Ｄ変換部１７−１〜１７−ｎは、エンコーダ１６−１〜１６−ｎから得られる位置検出信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して、下位コントローラ１２−１〜１２−ｎに出力する。

上述した処理に基づいて、下位コントローラ１２−１〜１２−ｎは、被対象物の制御を行い、また被対象物の移動を測定した結果等を上位コントローラ１１に出力することで、上位コントローラ１１による一元管理を実現することができる。

なお、上述では、アクチュエータとして超音波モータを用いているが、本発明においてはこの限りではなく、例えばシリンダ等でもよい。また、位置検出部もエンコーダ１６に限定されない。また、上述したＤ／Ａ変換部１３−１〜１３−ｎ及びＡ／Ｄ変換部１７−１〜１７−ｎは、下位コントローラ１２−１〜１２−ｎにそれぞれ具備されていてもよい。

次に、上位コントローラ１１及び下位コントローラ１２のそれぞれの機能構成例について図を用いて説明する。

＜上位コントローラ１１＞
図２は、上位コントローラの機能構成の一例を示す図である。図２に示す上位コントローラ１１は、入力手段２１と、出力手段２２と、指示生成手段２３と、判定手段２４と、更新手段２５と、通知手段２６と、管理手段２７と、記憶手段２８と、通信手段２９と、制御手段３０とを有するよう構成されている。

入力手段２１は、キーボード等を有し上位コントローラ１１のオペレータ等からの指示を入力する。指示が入力されると、その入力情報に基づいて制御手段３０による制御等が行われる。また、出力手段２２は、ディスプレイ装置等による表示機能や、プリンタ等による用紙出力機能を有している。また、出力手段２２は、後述する故障低減の判定結果により得られる通知情報や警報情報を表示や音声等として出力する。

指示生成手段２３は、上位コントローラ１１が管理している下位コントローラ１２−１〜１２−ｎが制御する被対象物に所定の動作を実行させるための指示信号等を生成する。また、指示生成手段２３は、故障を低減させるための判定を行う指示信号を生成する。

また、判定手段２４は、後述する下位コントローラ１２における測定手段３３により得られる測定結果に基づいて故障の判定を行う。なお、本発明における判定手法の詳細については後述する。また、更新手段２５は、測定手段３３により得られる測定結果の更新等を行う。具体的には、正常動作を行っている際の超音波モータの駆動電圧の最大値、最小値、及び整定時間等のデータを更新する。また、通知手段２６は、判定手段２４により得られる判定結果を上位コントローラ１１のオペレータに通知するための通知情報を生成して出力装置２２を用いて出力する。

また、管理手段２７は、各下位コントローラ１２−１〜１２−ｎの実行内容を管理する。また、記憶手段２８は、実行結果やエラー情報、制御情報等の制御を行う。また、通信手段２９は、下位コントローラ１２−１〜１２−ｎ等と通信回線（有線でも無線でも可）によりデータの送受信が可能な状態で接続する。また、制御手段３０は、各種演算や上位コントローラ１１における各構成部とのデータの入出力や実行指示等の処理を行い、故障低減装置１０全体の制御を行う。具体的には、制御手段３０は、入力手段２１により入力された指示情報に基づいて、指示生成手段２３により下位コントローラ１２に対する各制御信号を生成させたり、通信手段２９により得られる下位コントローラ１２からの信号に基づいて、出力手段２２によりその結果を表示させる等の制御を行う。

＜下位コントローラ１２＞
次に、下位コントローラ１２の機能構成例について、図を用いて説明する。図３は、下位コントローラの機能構成の一例を示す図である。図３に示す下位コントローラ１２は、入力手段３１と、出力手段３２と、測定手段３３と、管理手段３４と、記憶手段３５と、通信手段３６と、制御手段３７とを有するよう構成されている。

入力手段３１は、キーボード等を有し下位コントローラ１２のオペレータ等からの指示を入力する。また、出力手段２２は、ディスプレイ装置等による表示機能や、プリンタ等による用紙出力機能を有している。

測定手段３３は、上位コントローラ１１から得られる指示信号等に基づいて超音波モータ１５の故障を事前に判定するために、予め設定された駆動内容に基づいて超音波モータ１５を駆動させ、被対象物の移動内容等を測定する。また、管理手段３４は、下位コントローラ１２により管理されている超音波モータ１５やエンコーダ１６等の管理を行う。また、管理手段３４は、下位コントローラ１２で得られた測定手段３３の値等の管理を行う。また、記憶手段３５は、測定手段３３の値等の値の蓄積を行う。また、通信手段３６は、上位コントローラ１１や、Ｄ／Ａ変換部１３、Ａ／Ｄ変換部１７等とのデータの送受信を行う。また、制御手段３７は、各種演算や下位コントローラ１２における各構成部とのデータの入出力や実行指示等の処理を行う。

ここで、故障低減装置１０における上位コントローラ１１、下位コントローラ１２は、上述した各機能構成における処理をコンピュータに実行させることができる実行プログラムを生成し、例えば、汎用のパーソナルコンピュータ、ワークステーション等にそのプログラムをインストールすることにより、本発明における故障低減処理を実現することができる。

＜ハードウェア構成＞
ここで、本発明における故障低減処理が実現可能なコンピュータのハードウェア構成例について図を用いて説明する。図４は、本発明における故障低減処理が実現可能なハードウェア構成の一例を示す図である。

図４におけるコンピュータ本体には、入力装置４１と、出力装置４２と、ドライブ装置４３と、補助記憶装置４４と、メモリ装置４５と、各種制御を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）４６と、ネットワーク接続装置４７とを有するよう構成されており、これらはシステムバスＢで相互に接続されている。

入力装置４１は、コンピュータを使用するユーザが操作するキーボード及びマウス等のポインティングデバイスを有しており、ユーザからのプログラムの実行等、各種操作信号を入力する。出力装置４２は、本発明における故障低減処理を行うためのコンピュータ本体を操作するのに必要な各種ウィンドウやデータ等を表示するディスプレイ（モニタ）を有し、ＣＰＵ４６が有する制御プログラムにより故障低減プログラムの実行経過や結果等を表示することができる。

ここで、本発明において、コンピュータ本体にインストールされる実行プログラムは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体４８等により提供される。プログラムを記録した記録媒体４８は、ドライブ装置４３にセット可能であり、記録媒体４８に含まれる実行プログラムが、記録媒体４８からドライブ装置４３を介して補助記憶装置４４にインストールされる。

補助記憶装置４４は、ハードディスク等のストレージ手段であり、本発明における実行プログラムや、コンピュータに設けられた制御プログラム等を蓄積し必要に応じて入出力を行うことができる。

ＣＰＵ４６は、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等の制御プログラム、及び補助記憶装置４４から読み出されメモリ装置４５に格納されている実行プログラムに基づいて、各種演算や各ハードウェア構成部とのデータの入出力等、コンピュータ全体の処理を制御して、故障低減プログラムにおける各処理を実現することができる。また、プログラムの実行中に必要な各種情報等は、補助記憶装置４４から取得することができ、また格納することもできる。

ネットワーク接続装置４７は、通信ネットワーク等と接続することにより、実行プログラムを通信ネットワークに接続されている他の端末等から取得したり、プログラムの実行により得られた実行結果又は本発明における実行プログラム自体を他の端末等に提供することができる。また、ネットワーク接続装置４７により各プロセッサとの制御信号やデータの送受信を行うことができる。

上述したようなハードウェア構成により、特別な装置構成を必要とせず、低コストで故障低減処理を実現することができる。また、プログラムをインストールすることにより、容易に故障低減処理を実現することができる。

また、上述したようにＰＣ（パーソナルコンピュータ）等の汎用のコンピュータを使用することで、汎用のＩ／Ｏボード等が使用でき、上位コントローラ１１と下位コントローラ１２との間でインターフェースの汎用性を有することができる。なお、上位コントローラ１１と下位コントローラ１２との間の通信は、ＴＣＰ／ＩＰ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ／Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）のソケット通信により行う。シリアル通信等ではなくＴＣＰ／ＩＰ通信にしているのは、上位コントローラ１１と下位コントローラ１２間は、実際には他の動作等も行わせる必要があるため、ある程度の速度／容量の通信を可能とする必要があるからである。

次に、上述した故障低減装置１０を用いたアクチュエータを有する動作系の故障低減手法について以下に説明する。

＜１．サーボ状態監視による故障低減手法＞
まず、本発明における故障低減手法について説明する。図５は、本発明における第１の故障低減処理を説明するための一例のフローチャートである。図５に示す第１の故障低減処理は、アクチュエータに対する位置・方位・姿勢等の駆動を制御するサーボのＯＮ／ＯＦＦ（開始／終了）状態を監視することにより故障の低減を行う。

まず、超音波モータ１５に対してサーボＯＮ（開始）の指令を出力する（Ｓ０１）。次に、サーボＯＮから時間の計測を開始し（Ｓ０２）、サーボＯＮから所定の時間が経過したか否かを判断する（Ｓ０３）。

ここで、所定時間が経過していない場合（Ｓ０３において、ＮＯ）、サーボＯＦＦ（終了）であるかを判断し（Ｓ０４）、サーボＯＦＦでない場合には（Ｓ０４において、ＮＯ）、Ｓ０３に戻り、処理を継続して繰り返す。また、サーボＯＦＦの場合（Ｓ０４において、ＹＥＳ）、処理を終了する。

また、Ｓ０３において、所定時間が経過した場合（Ｓ０３において、ＹＥＳ）、オペレータ等に結果を通知するための通知情報を生成し（Ｓ０５）、生成した通知情報を出力してオペレータ等に通知する（Ｓ０６）。

なお、オペレータに対して通知（警告）する方法としては、例えばＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）等を用いて、「超音波モータの○○番で所定時間を過ぎております。」等の通知をディスプレイ上に表示させたり、対応する音声を出力する。また、経過した時間により軽度の警告、重度の警告等を分けて通知するように通知内容を変更してもよい。また、上述の通知（警告）する方法は、後述する通知情報を出力してオペレータ等に通知する処理についても同様とする。

なお、上述した予め設定した時間としては、例えば３分が好ましい。３分という時間は、実際の運用で得られた値であり３分以上真空中で超音波モータを動作させると故障の危険性が高まる。この機能を搭載していることにより、オペレータがサーボを切り忘れた場合等から、超音波モータの故障を低減できる。また、この機能は、警告のみになっているが、３分以上サーボＯＮになっていた場合は自動的にサーボＯＦＦにする機能を有していてもよい。また、上述したＳ０４の処理において、サーボがＯＦＦの場合（Ｓ０４において、ＹＥＳ）にも「正常終了しました」というようなメッセージをディスプレイ上に表示させる機能を有していてもよい。

更に、サーボ状態の監視に付随した機能として、超音波モータに対する指令電圧を抑制する機能を有する。超音波モータ１５に対して高い電圧を長時間印加することで発生するオーバーヒートを抑制する制御を行う。この機能は、超音波モータに対して通常の運用よりも高い指令電圧が印加されていた場合、自動的にエラー処理を行い超音波モータの駆動を停止させる。具体的には、予めパラメータとして駆動電圧の最大値を決定しておき、運用において駆動電圧の最大値を超えた状態で一定時間経過すると超音波モータ１５の駆動を停止するよう処理を行う。このように、サーボのＯＮ／ＯＦＦを基準にして時間の計測を行うことで、アクチュエータのオーバーワークを防止することができる。これにより、アクチュエータを有する動作系の故障の低減を高精度に行うことができる。

なお、上述の処理においては、上位コントローラ１１による指示信号により下位コントローラ１２が上述したＳ０２までの処理を行い、上位コントローラ１１がＳ０２までの情報を取得してＳ０３以降の処理を行う。

＜２．Ｄｕｔｙ制限による故障低減手法＞
次に、本発明における第２の故障低減処理について説明する。本発明における第２の故障低減処理は、Ｄｕｔｙ制限による故障低減である。具体的には、超音波モータのＤｕｔｙを予め設定された割合（％）以下に抑えるように制御することで故障の低減を行う。

ここで、Ｄｕｔｙについて、図を用いて説明する。図６は、Ｄｕｔｙを説明するための一例の図である。なお、図６（ａ）は、時間と速度の関係を示し、図６（ｂ）は図６（ａ）に対応した時間と加速の関係を示している。図６に示すように、アクチュエータである超音波モータに対し図６（ａ）に示すような速度制御を行う際、加速している時間（超音波モータに電流を印加している時間）は、図６（ｂ）に示すようになる。ここで、Ｄｕｔｙは全体の駆動時間の中で加速している時間の割合となり、具体的には“Ｄｕｔｙ（％）＝（Ｔ１＋Ｔ２）／Ｔ×１００”となる。

次に、本発明における第２の故障低減処理手順について、フローチャートを用いて説明する。図７は、本発明における第２の故障低減処理手順の一例を示すフローチャートである。図７に示すフローチャートにおいて、まずＤｕｔｙを算出するために予め設定された駆動内容に基づいてアクチュエータの駆動を行う（Ｓ１１）。また、駆動の内容からＤｕｔｙの計算を行う（Ｓ１２）。ここで、駆動の内容とは、例えば速度情報等を示すものであり、上述した図６に示す内容に基づいて速度情報等からＤｕｔｙの計算を行う。

次に、Ｄｕｔｙが所定の数値以上であるか否かを判断し（Ｓ１３）、所定の数値以上である場合には、所定の数値以下となるように加減速パターンを調整する（Ｓ１４）、また、オペレータ等に所定数値以上となったことを通知するための通知情報を生成し（Ｓ１５）、生成した通知情報を出力してオペレータ等に通知する（Ｓ１６）。なお、オペレータに対して通知（警告）する方法としては、上述したように例えばＧＵＩ等を用いることができる。

また、Ｓ１４で生成した加減速パターンに基づいて、更にＳ１１に戻って上述した処理を行い、Ｄｕｔｙが所定の数値以上となることがないように制御を行う。また、Ｄｕｔｙが所定の数値以上でない場合（Ｓ１３において、ＮＯ）、処理を終了する。上述した処理により、故障を事前に防止することができ、全体的な故障の低減を図ることができる。したがって、効率的にアクチュエータを駆動させることができる。

なお、上述の処理においては、上位コントローラ１１による指示信号により下位コントローラ１２が上述したＳ１１までの処理を行い、上位コントローラ１１がＳ１１における情報を取得してＳ１２以降の処理を行う。

ここで、Ｄｕｔｙの数値の制限について、図を用いて具体的に説明する。図８は、超音波モータの力と速度の関係の一例を示す図である。なお、図８（ａ）において、横軸は速度（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ〔ｍｍ／ｓ〕）を示し、縦軸は力（Ｆｏｒｃｅ〔Ｎ〕）を示している。また、図９は、図８の条件下における曲線とＤｕｔｙの関係を示す図である。図８に示す曲線Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの特性は、それぞれ超音波モータ１５に接続された負荷によって変化するものである。一般に、モータの特性は、販売メーカ等により公開されており、マニュアル等に記載されている。これらの情報から得られる特性に基づいて速度と力の関係を取得する。ここで、力については、モータ印加電圧とそれぞれの曲線の間には比例関係があるため、モータに印加する電圧から理論値として算出することができる。

例えば、１０ｍｍ／ｓの速度で負荷を動作させた場合、得られた力が１０Ｎであれば、図８に示す力と速度の関係からモータの特性はＣの領域にあることがわかる。そこで、図９を参照して曲線Ｃの関係をみると、最大動作継続時間は６５ｓまででＤｕｔｙは１６％となる。つまり、速度１００ｍｍ／ｓで超音波モータを動作させる場合、最大動作時間は、６５ｓまでの間で運用するようにする。

なお、Ｄｕｔｙの一例としては、例えば３０％以下に抑えるように制御を行うことが好ましい。なぜなら、超音波モータを真空中で動作させる場合、Ｄｕｔｙを３０％以上にすると破損の危険性が高まるからである。

次に、Ｄｕｔｙを３０％以下に抑える手順について説明する。Ｄｕｔｙを３０％以下に抑えるため超音波モータの加減速パターンを設定する。加減速パターンは、パラメータにより設定することができ、オペレータが被対象物に所定の動作をさせるために加減速パターンのパラメータを設定する。このパラメータの設定は、超音波モータに実際の動作をさせ、その動作データを取得し、動作データからＤｕｔｙを計算してパラメータを決定する。動作データからのＤｕｔｙの設定方法は、超音波モータに電圧を印加している時間と全体の動作時間から計算することができる。この計算により得られたＤｕｔｙから、加減速に必要なパラメータを設定する。Ｄｕｔｙを計算するための超音波モータの動作は、基本動作（装置の運用で最も頻繁に行われる動作）となる。

上述した故障低減処理により、アクチュエータを有する動作系の故障の低減を高精度に行うことができる。

＜故障判定手法＞
なお、本発明によれば、上述した処理により故障を低減することができるが、更に故障の可能性があるか否かの判定も同時に行うことで、故障の低減を更に高精度に行うことができる。

ここで、本発明における故障判定について説明する。故障判定では、まず正常動作を行っている際の超音波モータの駆動電圧の最大値、最小値、整定時間の基準値となるデータを取得し、取得したデータを記録する。なお、基準値の記録は、図１に示す下位コントローラ１２から駆動電圧の最大値、最小値、整定時間を上位コントローラ１１に取り込むことにより行う。

ここで、超音波モータの正常時の電圧波形と、異常時の電圧波形とについて図を用いて説明する。図１０は、超音波モータの正常時及び異常時の電圧波形について説明するための一例の図である。なお、図１０は、超音波モータによる駆動対象の位置と、超音波モータの駆動電圧の時系列波形である。また、図１０（ａ）は超音波モータの正常時の電圧波形を示し、図１０（ｂ）は超音波モータの異常時の電圧波形を示す図である。また、図１０において、横軸は時間〔ｍｓ〕を示し、縦軸は位置〔ｎｍ〕とデータ電圧〔Ｖ〕を示している。

図１０（ａ）に示す正常時の超音波モータ電圧波形は、駆動対象の現在位置が指令位置に対して常に追従しているため、正常動作を行っているといえる。一方、図１０（ｂ）に示すように、異常時には、超音波モータに電圧を印加して動作させているにも関わらず、駆動対象の現在位置が指令位置に対して追従していない。ここで、図１０（ａ）の正常時の電圧と比較すると、超音波モータに対して高い指令電圧が出力されている。更に、図１０（ｂ）では、電圧が頭打ちになっており、この場合は異常波形となる。

次に、図１１は、整定時間について説明するための一例の図である。図１１では、超音波モータ１５により駆動される駆動対象の位置、超音波モータ駆動電圧の時系列変化を示している。つまり、横軸は時間を示し、縦軸は駆動対象位置、超音波モータ駆動電圧を示している。

超音波モータに対して下位コントローラ１２から指令信号（駆動信号）を出力すると、駆動対象が現在値波形のように指令値に対して追従していく。同時に超音波モータに対して印加される電圧は、図１１に示すようになる。印加電圧は、超音波モータが動き始めると徐々に上昇して一定電圧になり、偏差が移動完了の範囲内に収まれば移動が完了する。移動完了後は、超音波モータの動作は停止するため駆動電圧は０（ゼロ）になる。つまり、整定時間は、図１１に示すように駆動対象の移動が開始されてから完了するまでの時間となる。

ここで、本発明における故障判定処理手順について、フローチャートを用いて説明する。図１２は、本発明における故障判定処理手順の一例を示すフローチャートである。図１２に示す故障判定処理において、まずアクチュエータを駆動させ（Ｓ２１）、次に駆動電圧の最大値、最小値、及び整定時間の測定を行う（Ｓ２２）。

次に、Ｓ２２の処理により得られる測定値と予め設定された最大値、最小値、及び整定時間の基準値（所定値）との比較を行い（Ｓ２３）、測定値が基準値の範囲外であるか否かを判断する（Ｓ２４）。

測定値が基準値の範囲外である場合（Ｓ２４において、ＹＥＳ）、既に記録されている値を更新し（Ｓ２５）、また測定値が基準値の範囲外となったことをオペレータ等に通知するための通知情報を生成し（Ｓ２６）、生成した通知情報を出力してオペレータ等に通知する（Ｓ２７）。なお、オペレータに対して通知（警告）する方法としては、上述したように例えばＧＵＩ等を用いることができる。また、測定値が基準値の範囲外でない場合（Ｓ２４において、ＮＯ）、処理を終了する。

なお、上述の処理においては、上位コントローラ１１による指示信号により下位コントローラ１２が上述したＳ２２までの処理を行い、上位コントローラ１１がＳ２２までの情報を取得してＳ２３以降の処理を行う。

また、測定した駆動電圧の最大値、最小値、及び整定時間は下位コントローラ１２で記録してもよい。なお、下位コントローラ１２は、駆動電圧の最大値及び最小値の測定は、超音波モータを駆動させたときに行う。このときの超音波モータの駆動は、故障を判定するための特有の動作を行うものとする。具体的には、フルストローク駆動や初期化（原点移動）の動作等からなる。ここで、故障判定時に特定の動作を行わせるのは、超音波モータの動作パターンは一様では無いため、決められた動作にしておかなければ基準値の取得が困難になるためである。

また、下位コントローラ１２は、駆動電圧の最大値及び最小値を、例えば下位コントローラ１２の制御周期等に基づいて継続して測定してもよい。また、下位コントローラ１２は、継続して測定している間、測定した起動電圧の最大値及び最小値と、それまで記録されている起動電圧の最大値及び最小値とを比較し、その駆動電圧の最大値又は最小値が更新された場合、過去の駆動電圧の最大値又は最小値を更新する処理を行ってもよい。また、下位コントローラ１２は、整定時間の測定を駆動電圧の最大値及び最小値の測定と同時に行うことができる。

なお、上述したように、整定時間の測定は、図１１中にあるように駆動電圧が印加されてから０になるまでの間で計測している。また、図１２では、超音波モータに印加している電圧で整定時間を計測しているが、本発明においてはこの限りではなく、例えば超音波モータ１５に対する指令値と現在値の差（偏差）が、ある一定の値（インポジション）に入ったときに整定時間とするようにしてもよい。

また、上位コントローラ１１は、駆動電圧の最大値，最小値を時系列でモニタリングし、超音波モータの駆動中の駆動電圧の最大値や最小値、整定時間を記録する。また、駆動電圧の最大値、最小値、整定時間を測定する際、通常では超音波モータが正常動作しているときの基準値の範囲として平均値±３σの値を使用する。また、測定手法は、予め設定されるＮ回の基準値の取得を行い、平均値±３σの統計を取得する。つまり、Ｎ回の基準値を取得する際には、「超音波モータ駆動」→「駆動電圧最大／最小値、整定時間計測」→「超音波モータ駆動」を繰り返し行う。

なお、自動的に基準値の取得を行うようなソフトウエアを組んでもよく、またオペレータの操作により実行させてもよい。また、上位コントローラ１１や下位コントローラ１２は、基準値をパラメータファイルとして記憶手段３５に記録する。このパラメータファイルは、下位コントローラ１２で測定された基準値をＴＣＰ／ＩＰ通信によって上位コントローラ１１に送信される。

また、パラメータは書き換えることができる。パラメータが書き換え可能になっているのは、超音波モータの動作条件等が変化することによる故障判定条件の変化に対応できるようにするためである。なお、パラメータを固定化することもできる。

上述したように本発明によれば、アクチュエータを有する動作系の故障の低減を高精度に行うことができる。具体的には、故障の判定としてサーボ状態を監視したり、Ｄｕｔｙ制限を行うことにより、高精度に故障を低減することができる。また、駆動電圧の最大値、最小値、整定時間に基づいて、高精度に故障判定を行うことができる。

これにより、アクチュエータが動作しなくなるほどの故障が発生し、従来のように配線を１本ずつ確認する作業等を行うことになる前に故障判定を行うため、装置のダウンタイムを減少させることができる。なお、上述した故障低減装置は、例えば半導体露光装置等のように真空環境下で超音波モータ等のアクチュエータを使用する装置に適用することで、本発明における故障低減手法が更に効果的なものとなる。

以上本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

故障判定駆動系システムとしての故障低減装置の概略構成の一例を示す図である。 上位コントローラの機能構成の一例を示す図である。 下位コントローラの機能構成の一例を示す図である。 本発明における故障低減処理が実現可能なハードウェア構成の一例を示す図である。 本発明における第１の故障低減処理を説明するための一例のフローチャートである。 Ｄｕｔｙを説明するための一例の図である。 本発明における第２の故障低減処理手順の一例を示すフローチャートである。 超音波モータの力と速度の関係の一例を示す図である。 図８の条件下における曲線とＤｕｔｙの関係を示す図である。 超音波モータの正常時及び異常時の電圧波形について説明するための一例の図である。 整定時間について説明するための一例の図である。 本発明における故障判定処理手順の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 故障低減装置
１１ 上位コントローラ（第２の制御装置）
１２ 下位コントローラ（第１の制御装置）
１３ Ｄ／Ａ変換部
１４ アンプ
１５ 超音波モータ
１６ 位置検出部
１７ Ａ／Ｄ変換部
２１，３１ 入力手段
２２，３２ 出力手段
２３ 指示生成手段
２４ 判定手段
２５ 更新手段
２６ 通知手段
２７，３４ 管理手段
２８，３５ 記憶手段
２９，３６ 通信手段
３０，３７ 制御手段
３３ 測定手段
４１ 入力装置
４２ 出力装置
４３ ドライブ装置
４４ 補助記憶装置
４５ メモリ装置
４６ ＣＰＵ
４７ ネットワーク接続装置
４８ 記録媒体

Claims (12)

1. アクチュエータの故障を低減させるための故障低減装置において、
   前記アクチュエータの駆動を制御する制御手段と、予め設定される駆動内容に基づいて前記アクチュエータを移動させる際に得られる情報を測定する測定手段とを有する第１の制御装置と、
   前記第１の制御装置を少なくとも１つを管理する第２の制御装置とを有し、
   前記第２の制御装置は、前記測定手段に測定をさせるための指示信号を生成する指示生成手段と、前記測定手段により得られる測定結果に基づいて、前記アクチュエータにおける故障を低減させるための判定を行う判定手段と、前記判定手段により得られる判定結果を通知する通知手段とを有することを特徴とする故障低減装置。
2. 前記判定手段は、
   前記アクチュエータに対するサーボ開始時から計測される時間情報と所定時間とに基づいて前記判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の故障低減装置。
3. 前記判定手段は、
   前記測定手段により得られる前記アクチュエータの速度情報からＤｕｔｙを計算し、計算されたＤｕｔｙ値と所定値とに基づいて前記判定を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の故障低減装置。
4. 前記判定手段は、
   前記第２の制御装置が前記アクチュエータを駆動させるときの駆動電圧の最大値、最小値、及び整定時間と、所定の最大値、最小値、及び整定時間とに基づいて前記判定を行い、少なくとも１つが所定値の範囲を超える場合に前記通知手段により判定結果を通知させることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の故障低減装置。
5. アクチュエータの駆動を制御して前記アクチュエータの故障を低減させるための故障低減方法において、
   予め設定される駆動内容に基づいて前記アクチュエータを移動させる際に得られる情報が測定される測定ステップと、
   前記測定ステップにより得られる測定結果に基づいて、前記アクチュエータにおける故障を低減させるための判定が行われる判定ステップと、
   前記判定ステップにより得られる判定結果が通知される通知ステップとを有することを特徴とする故障低減方法。
6. 前記判定ステップは、
   前記アクチュエータに対するサーボ開始時から計測される時間情報と所定時間とに基づいて前記判定が行われることを特徴とする請求項５に記載の故障低減方法。
7. 前記判定ステップは、
   前記測定ステップにより得られる前記アクチュエータの速度情報からＤｕｔｙが計算され、計算されたＤｕｔｙ値と所定値とに基づいて前記判定が行われることを特徴とする請求項５又は６に記載の故障低減方法。
8. 前記判定ステップは、
   前記アクチュエータを駆動させるときの駆動電圧の最大値、最小値、及び整定時間と、所定の最大値、最小値、及び整定時間とに基づいて前記判定が行われ、少なくとも１つが所定値の範囲を超える場合に前記通知ステップにより判定結果が通知されることを特徴とする請求項５乃至７の何れか１項に記載の故障低減方法。
9. アクチュエータの駆動を制御して前記アクチュエータの故障を低減させるための故障低減処理をコンピュータに実行させるための故障低減プログラムにおいて、
   予め設定される駆動内容に基づいて前記アクチュエータを移動させる際に得られる情報を測定する測定処理と、
   前記測定処理により得られる測定結果に基づいて、前記アクチュエータにおける故障を低減させるための判定を行う判定処理と、
   前記判定処理により得られる判定結果を通知する通知処理とをコンピュータに実行させるための故障低減プログラム。
10. 前記判定処理は、
    前記アクチュエータに対するサーボ開始時から計測される時間情報と所定時間とに基づいて前記判定を行うことを特徴とする請求項９に記載の故障低減プログラム。
11. 前記判定処理は、
    前記測定処理により得られる前記アクチュエータの速度情報からＤｕｔｙを計算し、計算されたＤｕｔｙ値と所定値とに基づいて前記判定を行うことを特徴とする請求項９又は１０に記載の故障低減プログラム。
12. 前記判定処理は、
    前記アクチュエータを駆動させるときの駆動電圧の最大値、最小値、及び整定時間と、所定の最大値、最小値、及び整定時間とに基づいて前記判定を行い、少なくとも１つが所定値の範囲を超える場合に前記通知ステップにより判定結果が通知されることを特徴とする請求項９乃至１１の何れか１項に記載の故障低減プログラム。

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