JP5825833B2 - 駆動制御方法、雲台装置およびステージ - Google Patents

Description

本発明は、複数のモータによる駆動力を合成して被駆動部材を駆動するモータの駆動装置およびモータの駆動方法に関し、特に振動波モータの駆動に適したモータの駆動装置およびモータの駆動制御方法に関する。

従来、複数の振動波モータの回転軸に設けられたギアを１つの出力ギアに連結し、複数の振動波モータによる駆動力を合成して、被駆動部材を駆動する駆動装置が提案されている（特許文献１）。
さらに、振動波モータに設けられたギアとこれらと噛み合う出力ギアとの間に生ずるバックラッシ（Ｂａｃｋｌａｓｈ：バックラッシュともいう）のために生ずる角度精度の低下を回避する駆動装置および制御方法が提案されている（特許文献２）。

特開２００１−２０５１９０号公報 特開２００６−２１１８１３号公報

しかしながら、上記従来例の特許文献２のものにおいては、つぎのような課題を有している。
すなわち、上記従来例においては、３つ以上の振動波モータを用いた場合についても、２つで構成される場合と同様の構成が採られる。
要するに、先に停止されるグループと後に停止されるグループに分け、それぞれの停止タイミングのずれによりモータの動力を伝達するギア等の間のバックラッシによって生じる角度精度の低下を抑制できる構成が採られる。
ここで、バックラッシとは、機械に用いられるギアなどの互いに嵌合して運動する機械要素において、運動方向に意図して設けられた隙間（歯面間の遊び）のことを意味する。そしてバックラッシがあると、ある方向に回転していたものを逆の方向に回転させたとき、寸法のずれや衝撃が生じる場合がある。本発明では、このようなバックラッシに起因する問題についても便宜的にバックラッシとして説明する。
これにより、確かに一旦はバックラッシは回避されるが、各モータは製造上の誤差に起因する入力ギアと出力ギア間のガタによる速度差が生じることが避けられない。そのため、モータ停止の際にグループを構成するすべてのモータのギア歯面が同時に所定の出力ギア歯面に接触するとは限らない。すなわち、停止時に各ギアが互いに突き当たった状態で停止するとは限らない。
このとき、出力ギアは一部のモータのみにより支えられている状態である。
従って、出力ギアに外部負荷が作用した場合、外部負荷が本来期待されるモータ保持トルクの合算値より小さな値だったとしても、外部負荷の作用する方向にモータが上記ガタによるすべり回転を生ずることになる。
そして、さらにすべりが進み、やがてグループのすべてのモータギア歯面が出力ギア歯面に接するに至る。
この段階において、はじめて期待する合算トルクが機能することになるが、この時点ではすべりを生じた分だけバックラッシが発生し角度精度が低下することになる。

本発明は、上記課題に鑑み、複数のモータによる駆動力を合成して駆動するモータの停止に際し、バックラッシによる出力軸の角度割り出し精度の低下を抑制することが可能となるモータの駆動装置およびモータの駆動制御方法の提供を目的とする。

本発明の駆動制御方法は、電気−機械エネルギ変換素子への周波信号の印加によって振動を発生する振動体と、該振動体に接触する接触体と、を備えた複数のモータによりそれぞれ回転する複数の歯車によって回転する被駆動部材の回転を制御する駆動制御方法であって、前記複数のモータのうちの少なくとも一つのモータの少なくとも一つに印加する前記周波信号の周波数を高周波側へ変化させ所定の角度回転させた後、前記少なくとも一つのモータの駆動を停止させるとともに、前記複数のモータのうちの他のモータに印加する前記周波信号の周波数を高周波側へ変化させることを特徴とする。
また、本発明の雲台装置は、上記記載の駆動制御方法を用いることを特徴とする。
また、本発明のステージは、上記記載の駆動制御方法を用いることを特徴とする。

本発明によれば、複数のモータによる駆動力を合成して駆動するモータの停止に際し、バックラッシによる出力軸の角度割り出し精度の低下を抑制することが可能となるモータの駆動装置およびモータの駆動制御方法を実現することができる。

本発明の本実施例におけるモータの駆動装置の構成例を説明する図。 本発明の実施例の加速動作中におけるギアの係合状態を示す図である。 本発明の実施例におけるギアバックラッシ除去動作の初期段階におけるギア係合状態を示す図である。 本発明の実施例におけるギアバックラッシ除去動作の終了後におけるギア係合状態を示す図である。 本発明の実施例における振動波モータに入力する駆動信号と振動波モータの回転速度および発生トルクの関係を示す図である。 本発明の実施例における振動波モータの駆動停止方法を行う際のギア隙間の除去動作シーケンスを示す図である。 本発明の実施例における振動波モータ駆動停止方法を行う際のフローチャートである。 従来における駆動停止直後のギア係合状態を示す図である。 従来例において出力軸に対して外部よりトルクが働いた場合のギア係合状態を示す図である。

本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。
なお、以下の実施例の説明では、振動波モータの駆動装置とその駆動制御方法の構成例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
例えば、本発明は電磁モータの駆動装置とその駆動制御方法、等にも適用可能である。

本発明の実施例における振動波モータの駆動装置とその駆動制御方法の構成例について説明する。
本実施例の振動波モータの駆動装置は、電気−機械エネルギ変換素子への周波信号の印加によって振動を発生する振動体と、該振動体に接触する接触体と、を備えた複数の振動波モータを備えている。
具体的には、本発明の実施例における振動波モータの駆動装置は、図１に示すように４つの振動波モータを有しており、これらの振動波モータの駆動力を合成して被駆動部材を駆動するものである。
第１の振動波モータ１−１１の回転軸にはギア２−１１および回転検出手段であるロータリエンコーダ５が取り付けられている。
ロータリエンコーダ５は、振動波モータ１−１１の回転軸の回転に応じたパルス信号を出力する。
第２の振動波モータ１−１２回転軸には、ギア２−１２が、第３の振動波モータ１−２１の回転軸にはギア２−２１が、第４の振動波モータ１−２２の回転軸にはギア２−２２が、それぞれ取り付けられている。

上記第１から第４の各振動波モータ１−１１、１−１２、１−２１、１−２２は、圧電素子および弾性体からなる振動体と加圧機構からの加圧力を受けて振動体に圧接される接触体を有している。
ここで、圧電素子に対して位相の異なる周波信号を印加すると、振動体には進行性の振動波が発生し、振動体と接触体間の摩擦力によって接触体とともに回転軸が回転する。
なお、振動波モータとしては、いわゆる円環タイプや棒状タイプといった、いかなるタイプのものであってもよい。
ギア２−１１、２−１２、２−２１、２−２２はギア３と噛み合っており、ギア３には出力軸４が設けられている。各振動波モータの回転力はそれぞれの回転軸に取り付けられたギアを介して、ギア３に伝達され、ギア３において回転力が合成される。
このように、振動波モータ１−１１、１−１２、１−２１、１−２２に取りつけられたギア２−１１、２−１２、２−２１、２−２２と、ギア３とによって構成される動力伝達手段を介して合成された回転力は出力軸４から出力される。
このため、被駆動部材９は上記第１から第４の各振動波モータ１−１１、１−１２、１−２１、１−２２からの合成された駆動力を受けることによって動作する。

被駆動部材９としては、搭載されたＴＶカメラ等を旋回させる電動雲台装置、半導体製造装置において直線動作を行なわせる電動ステージがある。
パルス計数判別回路７は、ロータリエンコーダ５の出力に基づいてパルス数をカウントし、この情報を駆動コントロール回路（制御手段）８に出力する。
駆動コントロール回路８は、パルス計数判別回路７からの出力に基づいて、第１の振動波モータ１−１１の回転速度を検知する。
そして、駆動コントロール回路８は、検出された回転速度と目標速度を比較し、検出速度が目標速度に到達するように、第１の振動波モータ１−１１の駆動を制御する。
すなわち、駆動コントロール回路８は、第１駆動電圧発生回路６−１を介して、印加する周波信号の周波数もしくは印加電圧の大きさを変更することにより第１の振動波モータ１−１１の駆動を制御する。
また、同時に駆動コントロール回路８は第１駆動電圧発生回路６−１を介して、第２の振動波モータ１−１２の回転速度を制御する。
また、駆動コントロール回路８は、パルス計数判別回路７からの出力に基づき、第２駆動電圧発生回路６−２を介して、印加する周波信号の周波数もしくは印加電圧の大きさを変更する。これにより第３の振動波モータ１−２１、第４の振動波モータ１−２２の回転速度を制御する。

ここで、上記第１から第４の各振動波モータ１−１１、１−１２、１−２１、１−２２は、印加する周波信号の周波数および電圧値に対して、図５に示す回転速度特性とトルク特性を有する。
周波信号の周波数が、各振動体の共振周波数（図中Ｆｒ）のときに最大の回転速度とトルクが得られ、共振周波数よりも高周波側へ遠ざけるほど回転速度とトルクが低下する特性を有する。
そして、上記第１から第４の各振動波モータ１−１１、１−１２、１−２１、１−２２の駆動制御を行なう場合には、共振周波数よりも高周波側の範囲内で周波数を変化させている。
第１駆動電圧発生回路６−１および第２駆動電圧発生回路６−２は駆動コントロール回路８からの制御信号を受けることにより、上記第１から第４の各振動波モータ１−１１、１−１２、１−２１、１−２２に印加する周波数もしくは電圧値を変化させている。
また、駆動コントロール回路８は、ロータリエンコーダ５の出力信号に基づくロータリエンコーダ５のパルスカウント値により第１の振動波モータ１−１１の回転角度をモニタしている。
そして、本実施例の振動波モータの駆動装置では、所定の角度回転されたときに、周波数もしくは電圧値を変更することにより、回転速度またはトルクのうちの少なくとも一つを変更させモータを停止させるように構成されている。

これに対して、従来の装置では、ギアのバックラッシによる精度低下を回避する方法として、前述したようにロータリエンコーダのパルス計数値が所定の値に達した時点で回転軸にロータリエンコーダが取り付けられた振動波モータのみを停止させる。そして、他方の振動波モータは、その回転角度がギアバックラッシ量に相当する時間だけ、さらに回転を継続する手法が採られている。
この方法によれば、２台のモータによる構成の場合においては、動作完了後にはバックラッシが回避されて精度の低下はないと思われる。
しかしながら、本実施例で示したように、モータの合成トルクを増加させるため振動波モータ４台で構成する場合には、従来例の方法では以下に説明するようにバックラッシによる精度低下を回避できない状況が生じることがある。

まず、振動波モータ４台の構成で従来の方法による駆動動作を以下に示す。
図８は、従来の方法による制御動作を完了した時点での、ギア２−１１、２−１２、２−２１、２−２２とギア３の係合を表したものである。
第１の振動波モータ１−１１、第２の振動波モータ１−１２が停止した後に、第３の振動波モータ１−２１、第４の振動波モータ１−２２が所定の時間だけ継続回転を行なった結果、ギア２−１１、２−１２とギア３の間の隙間は生じておらず、目的を満たしている。
ギアを２−２２とギア３の間にも隙間は生じておらず、目的を満たしている。
但し、ギアを２−２１とギア３の間に隙間が生じている。
これは、第３の振動波モータ１−２１と第４の振動波モータ１−２２のとの間に所定の周波数で回転させた際に生じる回転速度の個体特性差があるために、規定の時間に回転する角度に差が生じたことに起因する。
この状態では、上述の通り、ギア２−１１、２−１２とギア２−２２はギア３を挟んで互いに逆回転方向にギア３に当接しているので、この時点ではバックラッシによる精度低下が回避されたということができる。
しかしながら、図９に示すように出力軸に対して、矢印図示方向に外部負荷が加わったとき、その外部負荷の大きさが振動波モータ１台分の保持トルクを超過した場合は、振動波モータ１−２２は１台分の保持トルクでは支えきれず、すべりが生じる。そのため、ギア２−２１に当接し、２台分の保持トルクが発生するに至って初めて外部負荷を支えることができるようになる。
この時点では、すべりにより生じた回転角度変位のために、ギア２−１１、２−１２とギア３の間に隙間を生じることとなり、結局バックラッシによる精度低下が発生することになる。

これらに対処するため、本実施例では、動作完了時にバックラッシによる精度低下がない状態を実現し、さらに、動作完了後の外部負荷印加に対しても、期待されるモータの最大の合成力で精度の維持が可能となるように構成される。
以下に、このようなバックラッシによる精度低下の発生の抑制が可能となる本実施例の構成について説明する。
図２は、本実施例で動作開始後の加速時のギア係合を示している。４つのギアのすべてが同一の回転方向に当接しており、４台の振動波モータのすべてのトルクが加速トルクとして寄与していることがわかる。
図６は、本実施例におけるギア隙間の除去動作シーケンスを示す図である。
また、図７に、本実施例における上記動力伝達手段を構成するギア間のガタによるギア隙間の除去動作の流れをフローチャートの形で示した。
以下に、制御手段（駆動コントロール回路８）によって、複数のモータに対して、互いに異なるタイミングで複数のモータの回転速度またはトルクのうちの少なくとも一つを変更させ、互いに異なるタイミングでモータの駆動を停止させる例について説明する。
時刻ｔ１において、ロータリエンコーダ５のパルスカウント値が目標値に対し規定の量だけ少ない角度に達したことを検知（角度検出）すると、
駆動コントロール回路８は、第１の振動波モータ１−１１および第２の振動波モータ１−１２に印加する周波信号の周波数をＦ１０からＦ２０へ変化させる。

周波数を高周波側へ変化させると、図５に示すように第１の振動波モータ１−１１および第２の振動波モータ１−１２の回転速度は減少するように変化する。ギア３も、また同時にトルクも減少するように変化する。
この結果、第１の振動波モータ１−１１および第２の振動波モータ１−２２は、ギアを介して速度の大きい第３の振動波モータ１−２１および第４の振動波モータ１−２２に引きずられる形で反進行方向のギアに当接した状態を維持しながら、滑りを伴いつつ回転することになる。
その後、エンコーダパルスカウント値が目標値に到達した時点で、第１の振動波モータ１−１１および第２の振動波モータ１−１２を停止させる。そのときのギア係合を示したのが図３である。
それと同時に、今度は第３の振動波モータ１−２１および第４の振動波モータ１−２２の周波信号の周波数を高周波側へ変化させる。
第１の振動波モータ１−１１および第２の振動波モータ１−１２の給電信号を遮断した停止時の静止トルクは、回転速度とトルクを減少させた第３の振動波モータ１−２１および第４の振動波モータ１−２２の回転トルクを上回る。
これにより、第３の振動波モータ１−２１および第４の振動波モータ１−２２を上記静止トルクにせき止められる形で、ギア間のガタ量（最大の機械的不感帯量）に相当する駆動量だけ駆動され、回転方向のギアの隙間がなくなる状態にすることができる。
その際、エンコーダのパルスカウント値が目標値に到達した時点で、第３の振動波モータ１−２１および第４の振動波モータ１−２２を停止させる。
そのときのギア係合を示したのが図４である。
ギア２−１１および２−１２とギア２−２１及び２−２２がギア３を介して、ギア隙間ゼロの状態で突っ張り合っている様子がわかる。
このようにして、各ギアが互いに突き当たった状態で停止させることができる。両方向にそれぞれ２台の振動波モータの静止トルクで当接していることから、２台の振動波モータの静止トルクの合算値を超えない外部トルクに対しては、すべりを生じることはなく、従来例の課題であったバックラッシによる精度低下を抑制することが可能となる。

本実施例では、周波信号の周波数を変化させる構成例について説明したが、振動波モータに印加する２相の周波信号の位相差や駆動電圧値を減少させることによっても、回転速度とトルクを減少させることができ同様の効果を得ることが可能である。
また、本実施例においては、４台の振動波モータを２台ずつ同数を２つのグループに分け、両方向の静止トルクが略同一となるようにした構成例について説明したが、これらの個数は必ずしも同数である必要はない。
例えば、外力の加わり方が非対称である場合は、意図的に配分を変更することにより、負荷状況に対応した柔軟な機能を実現することが可能となる。
これらは、例えば、上記互いに異なるタイミングで前記複数のモータの回転速度またはトルクのうちの少なくとも一つを変更させるに当たり、駆動コントローラの指令方法を変えるのみで変更可能に構成することができる。
具体的には、第１のタイミングで駆動を停止させるモータの個数と、第２のタイミングで駆動を停止させるモータの個数を、駆動コントローラの指令方法を変えるのみで変更可能に構成することができ、これにより動的に変化する状況にも対応することができる。
そして、以上のような本実施例の構成によれば、駆動動作終了後に出力軸に対して外部からトルクが加わった際に、その外部トルクが本来期待されるモータの保持力の合算値以下であれば、動作完了時に達成していたバックラッシの回避状態を維持することができる。これにより、出力軸の角度割り出し精度の低下の抑制が可能となる。

１−１１：第１の振動波モータ
１−１２：第２の振動波モータ
１−２１：第３の振動波モータ
１−２２：第４の振動波モータ
２−１１、２−１２、２−２１、２−２２：ギア
３：ギア
４：出力軸
５：ロータリエンコーダ
６−１：第１駆動電圧発生回路
６−２：第２駆動電圧発生回路
７：パルス計数判別回路
８：駆動コントロール回路
９：被駆動部材

Claims (4)

1. 電気−機械エネルギ変換素子への周波信号の印加によって振動を発生する振動体と、該振動体に接触する接触体と、を備えた複数のモータによりそれぞれ回転する複数の歯車によって回転する被駆動部材の回転を制御する駆動制御方法であって、
   前記複数のモータのうちの少なくとも一つのモータの少なくとも一つに印加する前記周波信号の周波数を高周波側へ変化させ所定の角度回転させた後、前記少なくとも一つのモータの駆動を停止させるとともに、前記複数のモータのうちの他のモータに印加する前記周波信号の周波数を高周波側へ変化させることを特徴とする駆動制御方法。
2. 前記複数のモータは、４つのモータであり、前記複数のモータのうちの少なくとも一つのモータは、２つのモータであり、前記複数のモータのうちのうちの他のモータは、２つのモータであることを特徴とする請求項１記載の駆動制御方法。
3. 請求項１または２記載の駆動制御方法を用いた雲台装置。
4. 請求項１または２記載の駆動制御方法を用いたステージ。

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