JPH0553650A - 位置決め制御装置 - Google Patents
位置決め制御装置Info
- Publication number
- JPH0553650A JPH0553650A JP24241891A JP24241891A JPH0553650A JP H0553650 A JPH0553650 A JP H0553650A JP 24241891 A JP24241891 A JP 24241891A JP 24241891 A JP24241891 A JP 24241891A JP H0553650 A JPH0553650 A JP H0553650A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- positioning
- deviation
- displacement
- control device
- numerical value
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 位置決め対象物体の変位速度を低下させるこ
とにより位置決め精度を高くする。 【構成】 コントローラ１８は関数発生部１８ｂで実際
の変位量ｘと目標値ｘ0との偏差Δｘに応じたサイクル
数ｎを求め、時間設定部１８ｃでサイクル数ｎに対応す
る時間、数値「１」を出力し、乗算部１８ｄで高周波発
振器８の高周波電圧と時間設定部１８ｃからの数値とを
乗算する。位置決め対象物体が目標位置に接近し偏差Δ
ｘが小さくなると、制御の１サンプリング期間に圧電モ
ータに印加する乗算部１８ｄの出力電圧のサイクル数が
少なくなり変位速度は低下する。
とにより位置決め精度を高くする。 【構成】 コントローラ１８は関数発生部１８ｂで実際
の変位量ｘと目標値ｘ0との偏差Δｘに応じたサイクル
数ｎを求め、時間設定部１８ｃでサイクル数ｎに対応す
る時間、数値「１」を出力し、乗算部１８ｄで高周波発
振器８の高周波電圧と時間設定部１８ｃからの数値とを
乗算する。位置決め対象物体が目標位置に接近し偏差Δ
ｘが小さくなると、制御の１サンプリング期間に圧電モ
ータに印加する乗算部１８ｄの出力電圧のサイクル数が
少なくなり変位速度は低下する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、位置決め駆動ユニット
を制御して微細な位置決めを行う位置決め制御装置に関
する。
を制御して微細な位置決めを行う位置決め制御装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体製造装置、光学装置、バイ
オテクノロジーを利用する装置、精密加工装置、計測装
置等の分野において、サブミクロンオーダーの極く微細
な位置決めの可能な装置が要望されるようになった。こ
のような位置決め装置において、位置決め対象物体を変
位させる駆動体には、通常、圧電モータが使用される。
圧電モータは、圧電素子又は電歪素子に交番電圧を印加
し、発生する振動を利用して接触する被駆動体を摩擦振
動するものであり、圧電素子の高いエネルギ密度を利用
するものである。上記圧電モータは、日経メカニカル
（１９８５．９．２３発行）に記載されているように、
原理的には振動片型および進行波型に分けることができ
る。前者の振動片型の中でも特に正逆方向の駆動が可能
で、しかも高出力の圧電モータが特開昭６０−２００７
７６号により提案されている。このような圧電モータを
用いた位置決め制御装置を図８により説明する。
オテクノロジーを利用する装置、精密加工装置、計測装
置等の分野において、サブミクロンオーダーの極く微細
な位置決めの可能な装置が要望されるようになった。こ
のような位置決め装置において、位置決め対象物体を変
位させる駆動体には、通常、圧電モータが使用される。
圧電モータは、圧電素子又は電歪素子に交番電圧を印加
し、発生する振動を利用して接触する被駆動体を摩擦振
動するものであり、圧電素子の高いエネルギ密度を利用
するものである。上記圧電モータは、日経メカニカル
（１９８５．９．２３発行）に記載されているように、
原理的には振動片型および進行波型に分けることができ
る。前者の振動片型の中でも特に正逆方向の駆動が可能
で、しかも高出力の圧電モータが特開昭６０−２００７
７６号により提案されている。このような圧電モータを
用いた位置決め制御装置を図８により説明する。
【０００３】図８は従来の位置決め制御装置の系統図で
ある。図で、１は圧電駆動ユニット（圧電モータ）であ
り、互いに傾斜対向して設けられた２つの積層圧電素子
１ａ、および、これら各積層圧電素子１ａに平行リンク
１ｃを介して連結された変位合成部１ｂで構成されてい
る。２は圧電モータ１を固定するマウントである。３は
圧電モータ１により駆動変位せしめられる被駆動体であ
り、その一方端に位置決め対象物体を載置する台が連結
されている。４は押付け力調整装置を示し、ローラ４ａ
およびこのローラ４ａを被駆動体３に力Ｆで押付けるば
ね４ｂを有する。５は被駆動体３の変位量を検出する変
位計であり、レーザ変位計等が用いられる。７は目標変
位量ｘ0 と変位計５で検出された実際の変位ｘとの差に
よるフィードバック制御を行うコントローラ、８は交番
電圧を発生する高周波発振器、９は発生した交番電圧を
異なる位相の電圧に分ける位相変位器、１０ａは各交番
電圧を増幅する電力増幅器である。これら電力増幅器１
０ａから出力される交番電圧が符号ｖ1 、ｖ2 で示され
ている。電圧ｖ1 、ｖ2 はそれぞれ各積層圧電素子１ａ
に印加される。図９は上記交番電圧ｖ1 、ｖ2 の波形図
である。各電圧ｖ1 、ｖ2 はそれぞれ振幅Ｖの正弦波で
あり、電圧ｖ2 の位相は電圧ｖ1 に対して９０度遅れ位
相となっている。振幅Ｖ、遅れ位相φ、および周波数は
圧電モータ１の構成によりそれぞれ適正な値に選定され
る。なお、周波数は圧電モータ１の機械的共振周波数と
一致せしめられるのが通常である。
ある。図で、１は圧電駆動ユニット（圧電モータ）であ
り、互いに傾斜対向して設けられた２つの積層圧電素子
１ａ、および、これら各積層圧電素子１ａに平行リンク
１ｃを介して連結された変位合成部１ｂで構成されてい
る。２は圧電モータ１を固定するマウントである。３は
圧電モータ１により駆動変位せしめられる被駆動体であ
り、その一方端に位置決め対象物体を載置する台が連結
されている。４は押付け力調整装置を示し、ローラ４ａ
およびこのローラ４ａを被駆動体３に力Ｆで押付けるば
ね４ｂを有する。５は被駆動体３の変位量を検出する変
位計であり、レーザ変位計等が用いられる。７は目標変
位量ｘ0 と変位計５で検出された実際の変位ｘとの差に
よるフィードバック制御を行うコントローラ、８は交番
電圧を発生する高周波発振器、９は発生した交番電圧を
異なる位相の電圧に分ける位相変位器、１０ａは各交番
電圧を増幅する電力増幅器である。これら電力増幅器１
０ａから出力される交番電圧が符号ｖ1 、ｖ2 で示され
ている。電圧ｖ1 、ｖ2 はそれぞれ各積層圧電素子１ａ
に印加される。図９は上記交番電圧ｖ1 、ｖ2 の波形図
である。各電圧ｖ1 、ｖ2 はそれぞれ振幅Ｖの正弦波で
あり、電圧ｖ2 の位相は電圧ｖ1 に対して９０度遅れ位
相となっている。振幅Ｖ、遅れ位相φ、および周波数は
圧電モータ１の構成によりそれぞれ適正な値に選定され
る。なお、周波数は圧電モータ１の機械的共振周波数と
一致せしめられるのが通常である。
【０００４】各積層圧電素子１ａに電圧ｖ1 、ｖ2 が印
加されると、変位合成部１ｂが図８の矢印Ａに示すよう
に楕円軌道を描いて振動し、この振動により被駆動体３
は一方向に摩擦駆動せしめられ、これにより距離ｘの変
位がなされる。なお、位相を逆にすると変位の方向は逆
方向となる。図１０は電圧ｖ1 、ｖ2 の振幅Ｖと変位速
度との関係を示す特性図である。図で、横軸に振幅Ｖ
が、縦軸に速度がとってある。図から明らかなように、
被駆動体３は電圧ｖ1 、ｖ2 の振幅Ｖが値Ｖf 未満では
作動しない。これは、押付け力Ｆによる摩擦力の大小が
原因と考えられるが、こればかりではなく、被駆動体３
の表面粗さ等も関連しており、実際には一定値とはなら
ず相当のばらつきをもっている。振幅Ｖが電圧Ｖf以上
の場合、速度は振幅Ｖの増加に比例してほぼ直線的に増
加する。この特性を利用し、目標値ｘ0 と実際の変位量
ｘとの偏差が大きいときは振幅値Ｖを大きくして高速で
偏差を縮め、偏差が小さくなると（変位量ｘが目標値ｘ
0 に近づくと）振幅Ｖを小さくする制御を行なうことに
より、目標位置への位置決めが達成される。
加されると、変位合成部１ｂが図８の矢印Ａに示すよう
に楕円軌道を描いて振動し、この振動により被駆動体３
は一方向に摩擦駆動せしめられ、これにより距離ｘの変
位がなされる。なお、位相を逆にすると変位の方向は逆
方向となる。図１０は電圧ｖ1 、ｖ2 の振幅Ｖと変位速
度との関係を示す特性図である。図で、横軸に振幅Ｖ
が、縦軸に速度がとってある。図から明らかなように、
被駆動体３は電圧ｖ1 、ｖ2 の振幅Ｖが値Ｖf 未満では
作動しない。これは、押付け力Ｆによる摩擦力の大小が
原因と考えられるが、こればかりではなく、被駆動体３
の表面粗さ等も関連しており、実際には一定値とはなら
ず相当のばらつきをもっている。振幅Ｖが電圧Ｖf以上
の場合、速度は振幅Ｖの増加に比例してほぼ直線的に増
加する。この特性を利用し、目標値ｘ0 と実際の変位量
ｘとの偏差が大きいときは振幅値Ｖを大きくして高速で
偏差を縮め、偏差が小さくなると（変位量ｘが目標値ｘ
0 に近づくと）振幅Ｖを小さくする制御を行なうことに
より、目標位置への位置決めが達成される。
【０００５】図１１は図８に示す制御装置の制御機能
（振幅Ｖによる速度制御の機能）を示すブロック図であ
る。図で、１は図８に示す圧電モータ、１２は目標値Ｘ
0 と実際の変位量ｘとの偏差Δｘを演算する機能を表す
加算器、１３は偏差Δｘに所定のゲイン（位置ゲイン）
を与える機能を表す係数器、１４は係数器１３と実際の
速度との偏差を演算する機能を表す加算器、１５は加算
器１４の出力に所定のゲイン（速度ゲイン）を与える機
能を表す係数器、１６は実際の変位量ｘを速度（ｄｘ／
ｄｔ）に変換する機能を表す微分器である。１７ａ、１
７ｂは図７に示すコントローラ７のディジタル制御にお
けるサンプリング機能を表すスイッチである。圧電モー
タ１の駆動中、コントローラ７は変位計５から実際の変
位量ｘを取込み目標値ｘ0 との偏差Δｘを演算する。変
位量ｘの取込みから偏差Δｘの算出およびｖ1 、ｖ2 の
出力までの期間がサンプリング期間となる。算出された
偏差Δｘに応じて振幅Ｖの値が決定され、このサンプリ
ング期間中、この決定された振幅Ｖの電圧ｖ1、ｖ2 が
各積層圧電素子１ａに出力される。上記制御装置によ
り、例えば、１５ｍｍの位置決めを、±０．０５μｍ程
度の高精度で実現することができる。上記制御装置を用
いたこのような効果は、例えば、精密工学会、昭和６３
年度関西地方講演会論文集、第９７頁に記載されてい
る。
（振幅Ｖによる速度制御の機能）を示すブロック図であ
る。図で、１は図８に示す圧電モータ、１２は目標値Ｘ
0 と実際の変位量ｘとの偏差Δｘを演算する機能を表す
加算器、１３は偏差Δｘに所定のゲイン（位置ゲイン）
を与える機能を表す係数器、１４は係数器１３と実際の
速度との偏差を演算する機能を表す加算器、１５は加算
器１４の出力に所定のゲイン（速度ゲイン）を与える機
能を表す係数器、１６は実際の変位量ｘを速度（ｄｘ／
ｄｔ）に変換する機能を表す微分器である。１７ａ、１
７ｂは図７に示すコントローラ７のディジタル制御にお
けるサンプリング機能を表すスイッチである。圧電モー
タ１の駆動中、コントローラ７は変位計５から実際の変
位量ｘを取込み目標値ｘ0 との偏差Δｘを演算する。変
位量ｘの取込みから偏差Δｘの算出およびｖ1 、ｖ2 の
出力までの期間がサンプリング期間となる。算出された
偏差Δｘに応じて振幅Ｖの値が決定され、このサンプリ
ング期間中、この決定された振幅Ｖの電圧ｖ1、ｖ2 が
各積層圧電素子１ａに出力される。上記制御装置によ
り、例えば、１５ｍｍの位置決めを、±０．０５μｍ程
度の高精度で実現することができる。上記制御装置を用
いたこのような効果は、例えば、精密工学会、昭和６３
年度関西地方講演会論文集、第９７頁に記載されてい
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、上記
精度よりもさらに高い精度の位置決めが要求される場合
がしばしば生じるようになった。しかしながら、上記制
御装置ではこのような高精度の位置決めを行うことは次
の理由により極めて困難である。１．上記制御装置で
は、振幅Ｖを小さくして速度を遅くすることにより位置
決め精度を高くする手段が採られるが、前述のように、
圧電モータ１には最小駆動電圧Ｖf が存在し、速度の低
減にも限度がある。しかも被駆動体３の表面の面粗さは
全体にわたって一様ではないため、当該電圧Ｖf は被駆
動体３がローラ４ａと接触する位置によりばらつくこと
となり、これに対処するためには電圧Ｖf の値を大きく
せざるを得ず、この点からも速度の低減には限度があ
る。２．上記制御装置におけるサンプリング時間Ｔs を
充分に短くすることは困難である。即ち、サンプリング
した値はサンプリング時間中保持されているため、その
間は前回サンプリングにより得られた偏差Δｘによる制
御となり、微小な位置決めにおいてはリミットサイクル
（目標値前後のふらつき）が生じて正確な位置決めがで
きなくなる。これをさらに詳細に説明する。
精度よりもさらに高い精度の位置決めが要求される場合
がしばしば生じるようになった。しかしながら、上記制
御装置ではこのような高精度の位置決めを行うことは次
の理由により極めて困難である。１．上記制御装置で
は、振幅Ｖを小さくして速度を遅くすることにより位置
決め精度を高くする手段が採られるが、前述のように、
圧電モータ１には最小駆動電圧Ｖf が存在し、速度の低
減にも限度がある。しかも被駆動体３の表面の面粗さは
全体にわたって一様ではないため、当該電圧Ｖf は被駆
動体３がローラ４ａと接触する位置によりばらつくこと
となり、これに対処するためには電圧Ｖf の値を大きく
せざるを得ず、この点からも速度の低減には限度があ
る。２．上記制御装置におけるサンプリング時間Ｔs を
充分に短くすることは困難である。即ち、サンプリング
した値はサンプリング時間中保持されているため、その
間は前回サンプリングにより得られた偏差Δｘによる制
御となり、微小な位置決めにおいてはリミットサイクル
（目標値前後のふらつき）が生じて正確な位置決めがで
きなくなる。これをさらに詳細に説明する。
【０００７】電圧ｖ1 、ｖ2 の周波数（圧電モータの振
動数）は、振動が人間の可聴領域外の超音波領域である
場合に、音のない静かな装置になることから、３０〜５
０ＫＨｚ付近に選定されることが多く、例えば周波数３
０ＫＨｚの場合、電圧ｖ1 、ｖ2 の１サイクルの周期Ｔ
v は３３μｓｅｃとなる。そして、サンプリング時間Ｔ
s が当該周期Ｔv より充分に短ければ位置決め精度を充
分に高くすることが可能であるが、高速なサンプリング
を行うためには高価なマイクロプロセッサが必要とな
り、仮にそのようなマイクロプロセッサを使用したとし
ても、他の補償演算等を行う必要からも、μｓオーダー
のサンプリング時間を実現するのは極めて困難である。
図１２は上記周期Ｔv 、サンプリング時間Ｔs および変
位量ｘの関連を示す図である。この図から、サンプリン
グ時間Ｔs 内に電圧ｖ1 、ｖ2 の１サイクルの波形が複
数存在することが判る。そして、変位量ｘの変化に応じ
て振幅Ｖを変更するには、次のサンプリングまで待つ必
要があり、サンプリング時間Ｔs 内の変位の変化には対
応できず、それ故、前述のとおりリミットサイクルを生
じることとなる。なお、図で、変位量ｘは最初の数サイ
クル０であるが、これは圧電モータ１の共振が充分に成
長していない場合の状態を示すものであり、この期間、
圧電モータ１は動かない。以上の理由１、２により、上
記従来の制御装置では低速による変位が困難であり、
０．０１μｍ以下の超精密位置決めを行うことはできな
い。
動数）は、振動が人間の可聴領域外の超音波領域である
場合に、音のない静かな装置になることから、３０〜５
０ＫＨｚ付近に選定されることが多く、例えば周波数３
０ＫＨｚの場合、電圧ｖ1 、ｖ2 の１サイクルの周期Ｔ
v は３３μｓｅｃとなる。そして、サンプリング時間Ｔ
s が当該周期Ｔv より充分に短ければ位置決め精度を充
分に高くすることが可能であるが、高速なサンプリング
を行うためには高価なマイクロプロセッサが必要とな
り、仮にそのようなマイクロプロセッサを使用したとし
ても、他の補償演算等を行う必要からも、μｓオーダー
のサンプリング時間を実現するのは極めて困難である。
図１２は上記周期Ｔv 、サンプリング時間Ｔs および変
位量ｘの関連を示す図である。この図から、サンプリン
グ時間Ｔs 内に電圧ｖ1 、ｖ2 の１サイクルの波形が複
数存在することが判る。そして、変位量ｘの変化に応じ
て振幅Ｖを変更するには、次のサンプリングまで待つ必
要があり、サンプリング時間Ｔs 内の変位の変化には対
応できず、それ故、前述のとおりリミットサイクルを生
じることとなる。なお、図で、変位量ｘは最初の数サイ
クル０であるが、これは圧電モータ１の共振が充分に成
長していない場合の状態を示すものであり、この期間、
圧電モータ１は動かない。以上の理由１、２により、上
記従来の制御装置では低速による変位が困難であり、
０．０１μｍ以下の超精密位置決めを行うことはできな
い。
【０００８】本発明の目的は、上記従来の技術における
課題を解決し、位置決め精度を向上させることができる
位置決め制御装置を提供するにある。
課題を解決し、位置決め精度を向上させることができる
位置決め制御装置を提供するにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、位相の異なる交番電圧を印加することに
より振動を発生して被駆動体を所定方向に変位せしめる
位置決め駆動ユニットと、前記被駆動体の変位量を検出
する変位計とを備え、この変位計の検出値をサンプリン
グしてそのサンプリング値と前記被駆動体の目標変位量
との偏差に応じて前記位置決め駆動ユニットを制御する
位置決め制御装置において、前記偏差に応じて前記サン
プリング期間内の前記位置決め駆動ユニットの振動数を
制御する振動数制御手段を設けたことを特徴とする。
め、本発明は、位相の異なる交番電圧を印加することに
より振動を発生して被駆動体を所定方向に変位せしめる
位置決め駆動ユニットと、前記被駆動体の変位量を検出
する変位計とを備え、この変位計の検出値をサンプリン
グしてそのサンプリング値と前記被駆動体の目標変位量
との偏差に応じて前記位置決め駆動ユニットを制御する
位置決め制御装置において、前記偏差に応じて前記サン
プリング期間内の前記位置決め駆動ユニットの振動数を
制御する振動数制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１０】
【作用】変位計で検出された被駆動体の実際の変位量と
目標値との偏差が演算され、この演算された偏差に応じ
て、１サンプリング期間内における電圧の波形の数、即
ちサイクル数（圧電モータの振動数）を制御する。偏差
が大きい場合は当該サイクル数も多く、偏差が小さい場
合は当該サイクル数は少ない。したがって、実際の変位
量が目標値に近づくと１サンプリング中のサイクル数が
少なくなり、極微小な変位を行わせることができ、分解
能が良くなり、位置決め精度を向上することが可能とな
る。
目標値との偏差が演算され、この演算された偏差に応じ
て、１サンプリング期間内における電圧の波形の数、即
ちサイクル数（圧電モータの振動数）を制御する。偏差
が大きい場合は当該サイクル数も多く、偏差が小さい場
合は当該サイクル数は少ない。したがって、実際の変位
量が目標値に近づくと１サンプリング中のサイクル数が
少なくなり、極微小な変位を行わせることができ、分解
能が良くなり、位置決め精度を向上することが可能とな
る。
【００１１】
【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明
する。図１は本発明の実施例に係る位置決め制御装置の
ブロック図である。図で、８、９はそれぞれ図８に示す
ものと同等の高周波発振器および位相変位器、１８は図
８に示すコントローラ７に相当するコントローラであ
る。このコントローラ１８は、目標値ｘ0 と変位計５で
検出された変位量ｘとの偏差Δｘを演算する加算部１８
ａ、偏差Δｘに応じた電圧ｖ1 、ｖ2 のサイクル数ｎを
発生する関数発生部１８ｂ、サイクル数ｎに応じた時間
だけ高レベル「１」を出力する時間設定部１８ｃ、およ
び高周波発振器８からの電圧と時間設定部１８ｃからの
信号を乗算する乗算部１８ｄで構成されている。なお、
８ａは高周波発振器８の周波数を設定する周波数設定
部、８ｂは振幅Ｖを設定する振幅設定部である。
する。図１は本発明の実施例に係る位置決め制御装置の
ブロック図である。図で、８、９はそれぞれ図８に示す
ものと同等の高周波発振器および位相変位器、１８は図
８に示すコントローラ７に相当するコントローラであ
る。このコントローラ１８は、目標値ｘ0 と変位計５で
検出された変位量ｘとの偏差Δｘを演算する加算部１８
ａ、偏差Δｘに応じた電圧ｖ1 、ｖ2 のサイクル数ｎを
発生する関数発生部１８ｂ、サイクル数ｎに応じた時間
だけ高レベル「１」を出力する時間設定部１８ｃ、およ
び高周波発振器８からの電圧と時間設定部１８ｃからの
信号を乗算する乗算部１８ｄで構成されている。なお、
８ａは高周波発振器８の周波数を設定する周波数設定
部、８ｂは振幅Ｖを設定する振幅設定部である。
【００１２】図２は図１に示すコントローラ１８の制御
機能を示すブロック図である。図で、図１１に示す部分
と同一又は等価な部分には同一符号が付してある。２０
は上記関数発生部の機能を表す制御部、２１は出力され
た電圧に所定のゲインを与える機能を表す係数器であ
る。
機能を示すブロック図である。図で、図１１に示す部分
と同一又は等価な部分には同一符号が付してある。２０
は上記関数発生部の機能を表す制御部、２１は出力され
た電圧に所定のゲインを与える機能を表す係数器であ
る。
【００１３】本実施例の動作の概略を図３、４を用いて
説明する。図１、２において、圧電モータ１には、その
位置決め駆動中、１サンプリング期間に偏差Δｘに応じ
たサイクル数ｎだけ電圧ｖ1 、ｖ2 が印加される。これ
ら各電圧ｖ1 、ｖ2 の波形を図３に示す。電圧ｖ2 は電
圧ｖ1 に対して９０度の位相遅れを有する。これら各電
圧ｖ1 、ｖ2 の最初の１サイクルがｎ＝１に相当し、引
続き１サイクルが出力されるとｎ＝２となる。以下同じ
く周期が１つずつ増加する毎にサイクル数ｎの数も１つ
ずつ増加する。
説明する。図１、２において、圧電モータ１には、その
位置決め駆動中、１サンプリング期間に偏差Δｘに応じ
たサイクル数ｎだけ電圧ｖ1 、ｖ2 が印加される。これ
ら各電圧ｖ1 、ｖ2 の波形を図３に示す。電圧ｖ2 は電
圧ｖ1 に対して９０度の位相遅れを有する。これら各電
圧ｖ1 、ｖ2 の最初の１サイクルがｎ＝１に相当し、引
続き１サイクルが出力されるとｎ＝２となる。以下同じ
く周期が１つずつ増加する毎にサイクル数ｎの数も１つ
ずつ増加する。
【００１４】図４は各電圧ｖ1 、ｖ2 のサイクル数ｎと
変位量ｘとの関係を示す特性図である。図で、横軸にサ
イクル数ｎ、縦軸に変位量ｘがとってある。前述のよう
に、押付け力Ｆがある値以上のときには共振が成長する
まであるサイクル数が必要となる。このサイクル数（最
小駆動サイクル数）がｎf で表されている。本発明者の
実験によると、当該サイクル数ｎf 以上のサイクル数に
おいては、サイクル数の増加にほぼ比例して変位量ｘも
増加することが確かめられた。本発明はこのようなサイ
クル数と変位量の特性を利用し、１サンプリング期間に
与えるサイクル数を制御して位置決めを行うものであ
る。
変位量ｘとの関係を示す特性図である。図で、横軸にサ
イクル数ｎ、縦軸に変位量ｘがとってある。前述のよう
に、押付け力Ｆがある値以上のときには共振が成長する
まであるサイクル数が必要となる。このサイクル数（最
小駆動サイクル数）がｎf で表されている。本発明者の
実験によると、当該サイクル数ｎf 以上のサイクル数に
おいては、サイクル数の増加にほぼ比例して変位量ｘも
増加することが確かめられた。本発明はこのようなサイ
クル数と変位量の特性を利用し、１サンプリング期間に
与えるサイクル数を制御して位置決めを行うものであ
る。
【００１５】以下、本実施例の動作を図５、６、７に示
す電圧ｖ1 、ｖ2 の波形図を参照しながら説明する。最
初に、高周波発振器８の周波数設定部８ａに適切な周波
数が、又振幅設定部８ｂに適切な振幅がそれぞれ設定さ
れる。少なくとも１回の位置決め動作中、これら周波数
および振幅は一定に保持される。コントローラ１８に目
標値ｘ0 が入力されることにより、位置決め動作が開始
される。加算部１８ａで演算された偏差Δｘは関数発生
部１８ｂに入力され、偏差Δｘに対応するサイクル数ｎ
が求められる。図１に示す例では、偏差Δｘとサイクル
数ｎの関係は比例関係にある。ここで、制御の１サンプ
リング期間Ｔs は、変位計５の検出変位量が取込まれて
からサイクル数ｎが取出されるまでの期間である。この
１サンプリング期間Ｔs で得られたサイクル数ｎは時間
設定部１８ｃに入力され、時間設定部１８ｃはサイクル
数ｎを出力する時間だけ高レベル信号「１」（数値
「１」）を出力する。この時間は周波数設定部８ａに設
定された周波数をｆとすると、（ｎ／ｆ）を演算するこ
とにより直ちに設定可能である。乗算部１８ｄは高周波
発振器８から出力された高周波電圧に、時間設定部１８
ｃに設定された時間だけ数値「１」を乗算する。即ち、
乗算部１８ｄからは当該時間だけ高周波電圧が出力さ
れ、結局、出力されたサイクル数は関数発生部１８ｂで
求められた数ｎとなる。乗算部１８ｄから出力された高
周波電圧は位相変位器９で位相の異なる２つの電圧ｖ
1 、ｖ2 とされ、図８に示すようにそれぞれ各電力増幅
器１０ａを経て圧電モータ１ａに印加される。
す電圧ｖ1 、ｖ2 の波形図を参照しながら説明する。最
初に、高周波発振器８の周波数設定部８ａに適切な周波
数が、又振幅設定部８ｂに適切な振幅がそれぞれ設定さ
れる。少なくとも１回の位置決め動作中、これら周波数
および振幅は一定に保持される。コントローラ１８に目
標値ｘ0 が入力されることにより、位置決め動作が開始
される。加算部１８ａで演算された偏差Δｘは関数発生
部１８ｂに入力され、偏差Δｘに対応するサイクル数ｎ
が求められる。図１に示す例では、偏差Δｘとサイクル
数ｎの関係は比例関係にある。ここで、制御の１サンプ
リング期間Ｔs は、変位計５の検出変位量が取込まれて
からサイクル数ｎが取出されるまでの期間である。この
１サンプリング期間Ｔs で得られたサイクル数ｎは時間
設定部１８ｃに入力され、時間設定部１８ｃはサイクル
数ｎを出力する時間だけ高レベル信号「１」（数値
「１」）を出力する。この時間は周波数設定部８ａに設
定された周波数をｆとすると、（ｎ／ｆ）を演算するこ
とにより直ちに設定可能である。乗算部１８ｄは高周波
発振器８から出力された高周波電圧に、時間設定部１８
ｃに設定された時間だけ数値「１」を乗算する。即ち、
乗算部１８ｄからは当該時間だけ高周波電圧が出力さ
れ、結局、出力されたサイクル数は関数発生部１８ｂで
求められた数ｎとなる。乗算部１８ｄから出力された高
周波電圧は位相変位器９で位相の異なる２つの電圧ｖ
1 、ｖ2 とされ、図８に示すようにそれぞれ各電力増幅
器１０ａを経て圧電モータ１ａに印加される。
【００１６】今、実際の変位量ｘが目標値ｘ0 より遥か
に小さく偏差Δｘが大きい（例えば６０μｍ以上の）場
合には、関数発生部１８ｂで求められるサイクル数ｎも
大きい。この場合の電圧ｖ1 、ｖ2 の波形を図５に示
す。サイクル数ｎが大きいので、時間設定部１８ｃから
信号「１」が出力される時間は長く、このサンプリング
期間Ｔs においては、当該期間中電圧ｖ1 、ｖ2 が出力
されることになる（モード０）。これにより、圧電モー
タ１は連続加振され、位置決め対象物は急速に目標位置
に近づき、偏差Δｘは急速に減少せしめられる。
に小さく偏差Δｘが大きい（例えば６０μｍ以上の）場
合には、関数発生部１８ｂで求められるサイクル数ｎも
大きい。この場合の電圧ｖ1 、ｖ2 の波形を図５に示
す。サイクル数ｎが大きいので、時間設定部１８ｃから
信号「１」が出力される時間は長く、このサンプリング
期間Ｔs においては、当該期間中電圧ｖ1 、ｖ2 が出力
されることになる（モード０）。これにより、圧電モー
タ１は連続加振され、位置決め対象物は急速に目標位置
に近づき、偏差Δｘは急速に減少せしめられる。
【００１７】このように、偏差Δｘが減少すると、これ
に伴って関数発生部１８ｂで求められるサイクル数ｎも
減少し、偏差Δｘが６０μ未満（例えば偏差Δｘが０．
６〜６０μｍをモード１とする）になると、時間設定部
１８ｃの出力時間もサンプリング期間Ｔs より小さくな
る。このモード１の場合の状態が図６に示されており、
この場合には、電圧ｖ1 、ｖ2 のサイクル数ｎは９個で
ある。このサイクル数の出力期間以外の時間には時間設
定部１８ｃからは数値「０」が出力されるので、電圧ｖ
1 、ｖ2は出力されない。したがって、１サンプリング
期間における圧電モータ１の加振時間も短くなり、変位
速度は低下する。
に伴って関数発生部１８ｂで求められるサイクル数ｎも
減少し、偏差Δｘが６０μ未満（例えば偏差Δｘが０．
６〜６０μｍをモード１とする）になると、時間設定部
１８ｃの出力時間もサンプリング期間Ｔs より小さくな
る。このモード１の場合の状態が図６に示されており、
この場合には、電圧ｖ1 、ｖ2 のサイクル数ｎは９個で
ある。このサイクル数の出力期間以外の時間には時間設
定部１８ｃからは数値「０」が出力されるので、電圧ｖ
1 、ｖ2は出力されない。したがって、１サンプリング
期間における圧電モータ１の加振時間も短くなり、変位
速度は低下する。
【００１８】位置決め対象物がさらに目標位置に近づ
き、偏差Δｘがさらに減少する（例えば偏差Δｘが０．
６μｍ未満をモード２とする）と、サイクル数ｎもさら
に減少する。このモード２の状態が図７に示されてい
る。この場合、サイクル数は４個であり、図４に示す最
小駆動サイクル数ｎf に最も近い数となり、変位速度は
ほぼ最低となる。即ち、１サンプリング期間Ｔs におけ
る圧電モータ１の振動は実質的に２回だけとなり、変位
速度は著しく低下する。
き、偏差Δｘがさらに減少する（例えば偏差Δｘが０．
６μｍ未満をモード２とする）と、サイクル数ｎもさら
に減少する。このモード２の状態が図７に示されてい
る。この場合、サイクル数は４個であり、図４に示す最
小駆動サイクル数ｎf に最も近い数となり、変位速度は
ほぼ最低となる。即ち、１サンプリング期間Ｔs におけ
る圧電モータ１の振動は実質的に２回だけとなり、変位
速度は著しく低下する。
【００１９】このように、本実施例では、１サンプリン
グ期間における電圧ｖ1 、ｖ2 のサイクル数を制御する
ようにしたので、高価なマイクロプロセッサを使用して
サンプリング期間を短縮しなくても、変位速度を大幅に
低下させることができ、したがって、０．０１μｍオー
ダの高精度の位置決めを行うことができる。
グ期間における電圧ｖ1 、ｖ2 のサイクル数を制御する
ようにしたので、高価なマイクロプロセッサを使用して
サンプリング期間を短縮しなくても、変位速度を大幅に
低下させることができ、したがって、０．０１μｍオー
ダの高精度の位置決めを行うことができる。
【００２０】なお、上記実施例の説明では、偏差Δｘと
サイクル数ｎとが比例関係にあるとして説明したが、種
々の条件に応じて比例関係以外の適切な関係とすること
もできる。又、電圧ｖ1 、ｖ2 の所定サイクル数の出力
手段として時間設定部および乗算部を用いる例について
説明したが、これに限ることはなく、例えば市販の関数
発生器に付加されているバースト機能を用いる等、種々
の手段を用いることができる。又、上記制御手段は圧電
モータに限らず、他の機構のモータ、例えば超音波モー
タ等に対しても適用可能である。
サイクル数ｎとが比例関係にあるとして説明したが、種
々の条件に応じて比例関係以外の適切な関係とすること
もできる。又、電圧ｖ1 、ｖ2 の所定サイクル数の出力
手段として時間設定部および乗算部を用いる例について
説明したが、これに限ることはなく、例えば市販の関数
発生器に付加されているバースト機能を用いる等、種々
の手段を用いることができる。又、上記制御手段は圧電
モータに限らず、他の機構のモータ、例えば超音波モー
タ等に対しても適用可能である。
【００２１】
【発明の効果】以上述べたように、本発明では、１サン
プリング期間における印加電圧のサイクル数を制御する
ようにしたので、変位速度を大幅に低下させることがで
き、したがって、０．０１μｍオーダの高精度の位置決
めを行うことができる。
プリング期間における印加電圧のサイクル数を制御する
ようにしたので、変位速度を大幅に低下させることがで
き、したがって、０．０１μｍオーダの高精度の位置決
めを行うことができる。
【図１】本発明の実施例に係る位置決め制御装置のブロ
ック図である。
ック図である。
【図２】図１に示す装置の制御機能を示すブロック図で
ある。
ある。
【図３】図１に示す位相変位器の出力電圧の波形図であ
る。
る。
【図４】サイクル数に対する変位量の特性図である。
【図５】１サンプリング期間のサイクル数を示す波形図
である。
である。
【図６】１サンプリング期間のサイクル数を示す波形図
である。
である。
【図７】１サンプリング期間のサイクル数を示す波形図
である。
である。
【図８】従来の位置決め制御装置の系統図である。
【図９】図８に示す位相変位器の出力電圧の波形図であ
る。
る。
【図１０】図９に示す電圧の振幅に対する位置決め速度
の特性図である。
の特性図である。
【図１１】図８に示す装置の制御機能を示すブロック図
である。
である。
【図１２】図８に示す位相変位器の出力電圧および変位
量の波形図である。
量の波形図である。
８ 高周波発振器 ９ 位相変位器 １８ コントローラ １８ａ 加算器 １８ｂ 関数発生器 １８ｃ 時間設定部 １８ｄ 乗算部
Claims (4)
- 【請求項１】 位相の異なる交番電圧を印加することに
より振動を発生して被駆動体を所定方向に変位せしめる
位置決め駆動ユニットと、前記被駆動体の変位量を検出
する変位計とを備え、この変位計の検出値をサンプリン
グしてそのサンプリング値と前記被駆動体の目標変位量
との偏差に応じて前記位置決め駆動ユニットを制御する
位置決め制御装置において、前記偏差に応じて前記サン
プリング期間内の前記位置決め駆動ユニットの振動数を
制御する振動数制御手段を設けたことを特徴とする位置
決め制御装置。 - 【請求項２】 請求項１において、前記振動数制御手段
は、前記偏差に応じた数値を出力する数値発生手段と、
この数値発生手段から出力される数値に応じたサイクル
数だけ前記交番電圧を出力するサイクル数制御手段とで
構成されていることを特徴とする位置決め制御装置。 - 【請求項３】 請求項２において、前記数値発生手段
は、前記偏差を入力しこの偏差に対応する数値を出力す
る関数発生器であることを特徴とする位置決め制御装
置。 - 【請求項４】 請求項１において、前記位置決め駆動ユ
ニットは、２つの積層圧電素子と、これら２つの積層圧
電素子にそれぞれ変形部材を介して共通に連結された変
位合成部で構成されていることを特徴とする位置決め制
御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24241891A JPH0553650A (ja) | 1991-08-29 | 1991-08-29 | 位置決め制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24241891A JPH0553650A (ja) | 1991-08-29 | 1991-08-29 | 位置決め制御装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0553650A true JPH0553650A (ja) | 1993-03-05 |
Family
ID=17088826
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24241891A Pending JPH0553650A (ja) | 1991-08-29 | 1991-08-29 | 位置決め制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0553650A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000028652A1 (en) * | 1998-11-05 | 2000-05-18 | Japan Science And Technology Corporation | Ultrasonic motor |
-
1991
- 1991-08-29 JP JP24241891A patent/JPH0553650A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000028652A1 (en) * | 1998-11-05 | 2000-05-18 | Japan Science And Technology Corporation | Ultrasonic motor |
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