JPH09258828A - 超精密位置決め装置 - Google Patents

超精密位置決め装置

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JPH09258828A
JPH09258828A JP9297196A JP9297196A JPH09258828A JP H09258828 A JPH09258828 A JP H09258828A JP 9297196 A JP9297196 A JP 9297196A JP 9297196 A JP9297196 A JP 9297196A JP H09258828 A JPH09258828 A JP H09258828A
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phase
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Koutetsu Shin
興哲 申
Katsura Tomotaki
桂 友瀧
Shinichi Nomura
慎一 野村
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/021Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06Drive circuits; Control arrangements or methods

Landscapes

  • Control Of Position Or Direction (AREA)
  • Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長ストロークの駆動が可能であると共に、高
剛性かつ超精密な位置決めの可能な超精密位置決め装置
を提供する。 【解決手段】 クランプ要素14a乃至14cのいずれ
かで移動体1を挟持しては、送り要素13a乃至13c
を伸ばして移動体1を送り、その後挟持を解き送り要素
13a乃至13cを縮めるという一連の動作を送りユニ
ット1乃至3毎に繰り返し行う。そして、移動体1が移
動目標位置に到達したとき、移動体1を静止したままク
ランプ要素14a乃至14cを交互に伸縮させる。そし
て、同時に送り要素13a乃至13cの送り位置を伸縮
スパンの中間位置に設定する。その後クランプ要素14
a乃至14cを挟持状態にする。挟持完了後、位置セン
サ25により検出した位置信号に基づき、送り要素13
a乃至13cに対する位置のフィードバック制御を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は超精密位置決め装置
に係わり、特に長ストロークの移動及び高剛性を実現し
た超精密位置決め装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、超精密工作機械や半導体関連装置
及び測定機器等の高精度化に伴い、それらの機械の重要
な構成要素である超精密位置決め装置及び超精密送り装
置の性能向上が強く望まれている。これらの装置の中
で、高剛性や高分解能等を必要とする装置には圧電素子
がアクチュエータとして用いられていることが多い。そ
れは圧電素子が多くの長所を持っているためであるが、
圧電素子は変位量が極めて小さいことが最大の欠点であ
ると言える。その欠点を補うために尺取り虫方式やWa
lking Drive、粗動アクチュエータとの組み
合わせ方式、圧電素子の急速な変形を利用する方法等が
提案されている。これらの方式は長ストロークにわたっ
て駆動させることが可能であるが、位置決め装置に用い
る場合剛性の面から見ると圧電素子の剛性を十分利用し
ていると言えない。この間の事情を尺取り虫方式に例を
取り説明する。図17に従来行われてきた尺取り虫方式
の駆動原理を、また図18にこの尺取り虫方式を構成す
る各圧電素子に加える駆動電圧パターンを示す。図17
において、移動体1を挟んで対峙する空間位置に設けた
一対の支持部2に、一対の送り要素3がその中心を支持
部2で支持されるように固着されている。一対の送り要
素3の両端には一対のクランプ要素4a及び4bが、各
々他端を伸縮自在に開放した状態でその一端が固着され
ている。
【0003】次に図18に基づき尺取り虫方式の動作を
説明する。図18の上部に記した数字はタイミングを示
し、1〜6の各タイミングは図17の1)〜6)に対応
している。また横軸には位相(尺取り虫方式の動作が一
周期完了するまでを2πラジアンとして表した。)を、
縦軸には各圧電素子に印加する電圧値を示す。図18は
上から順にクランプ要素4a、送り要素3、クランプ要
素4bの各電圧パターンを示している。まずタイミング
1において、クランプ要素4aは挟持を解いておりクラ
ンプ要素4bが移動体1の挟持を行っている。次にタイ
ミング1〜タイミング2間において、クランプ要素4b
が移動体1を挟持した状態で送り要素3が伸びる。従っ
て、移動体1は右方向へ駆動される。タイミング2で送
り要素3のストロークが限界に達し、タイミング3でク
ランプ要素4aが移動体1の挟持を行う。そして、タイ
ミング4でクランプ要素4bは挟持を解く。タイミング
4〜タイミング5間ではストロークを回復するため送り
要素3が元の状態に縮む。この間移動体1は更に右方向
へ駆動される。タイミング5で送り要素3の収縮が限界
に達しクランプ要素4bが移動体1の挟持を行う。その
後タイミング6でクランプ要素4aは挟持を解きタイミ
ング1に戻る。以上の様な動作を繰り返すことによって
連続的な動作ではないが、移動体1は長ストロークに渡
って右方向へ駆動される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、かかる一周
期の動作においてクランプ要素は移動体1を支持するた
め少なくとも一方が必ず移動体1の挟持を行っている
が、クランプ要素4a及び4bが同時に挟持を行うのは
タイミング3〜タイミング4間及びタイミング5〜タイ
ミング6間の僅かの期間しかない。従って、位置決めを
行った後のクランプ要素の位相をみても、1つ若しくは
2つのクランプ要素が移動体1を挟持することになり高
剛性の圧電素子を用いながら十分な剛性を実現していな
いおそれがあった。移動体1を挟持するクランプ要素の
数が多くなるとそれとほぼ比例的に剛性は上昇するが、
上述した尺取り虫方式の場合殆どの時間は1つのクラン
プ要素が移動体1の挟持を行うことになるので、2つの
クランプ要素が挟持を行った場合に比較して約半分の剛
性になっている。本発明はこのような従来の課題に鑑み
てなされたもので、長ストロークの駆動が可能であると
共に、高剛性かつ超精密な位置決めの可能な超精密位置
決め装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】このため本発明(請求項
1)は、移動体の挟持・挟持解除又は移動方向への送り
・戻しを行う第1の移動要素と第2の移動要素を前記移
動体の挟持方向及び移動方向の属する面内に組み合わせ
た送りユニットを前記移動体の移動方向に複数備えた送
り機構と、前記送りユニットのいずれかで移動体を挟持
しては移動方向に伸ばして移動体を送りその後挟持を解
き移動方向に縮めるという一連の動作を前記送りユニッ
ト毎に位相を変えて繰り返し行うための前記第1の移動
要素と前記第2の移動要素の位相及び振幅値を予め記憶
しておく記憶手段と、該記憶手段に記憶された位相及び
振幅値から前記第1の移動要素と前記第2の移動要素に
与える位相及び振幅の指令値を算出する位相等算出手段
と、該位相等算出手段の算出結果に基づき前記第1の移
動要素と前記第2の移動要素に駆動指令値を出力する駆
動指令値出力手段と、前記移動体が移動完了後前記送り
ユニットの少なくとも2つ以上で移動体を挟持するクラ
ンピング手段を備えて構成した。
【0006】また、本発明(請求項2)は、前記位相等
算出手段による前記第1の移動要素と前記第2の移動要
素に与える位相及び振幅の指令値の算出は、前記移動体
の移動目標位置及び移動速度の少なくともどちらか一方
と前記記憶手段に予め記憶された位相及び振幅値とから
算出するよう構成した。
【0007】更に、本発明(請求項3)は、移動体の挟
持・挟持解除又は移動方向への送り・戻しを行う第1の
移動要素と第2の移動要素を前記移動体の挟持方向及び
移動方向の属する面内に組み合わせた送りユニットを前
記移動体の移動方向に複数備えた送り機構と、前記移動
体の送り方向の現在位置を検出する位置センサと、前記
送りユニットのいずれかで移動体を挟持しては移動方向
に伸ばして移動体を送りその後挟持を解き移動方向に縮
めるという一連の動作を前記送りユニット毎に位相を変
えて繰り返し行うための前記第1の移動要素と前記第2
の移動要素の位相及び振幅値を予め記憶しておく記憶手
段と、前記移動体の移動目標位置と前記記憶手段に記憶
された位相及び振幅値から前記第1の移動要素と前記第
2の移動要素に与える位相及び振幅の指令値を算出する
位相等算出手段と、該位相等算出手段の算出結果に基づ
き前記第1の移動要素と前記第2の移動要素に駆動指令
値を出力する駆動指令値出力手段と、前記移動体が移動
目標位置に到達したとき、移動体を静止したまま前記送
りユニットを交互に挟持若しくは挟持解除させ挟持解除
のとき前記送りユニットの送り位置を伸縮スパンの中間
位置に設定し、その後前記送りユニットの少なくとも2
つ以上で移動体の挟持を行うつかみかえクランピング手
段と、該つかみかえクランピング手段による移動体の挟
持完了後、前記移動体の移動目標位置と前記位置センサ
から検出した前記移動体の現在位置間の位置誤差に基づ
き前記送りユニットに対し移動方向への位置のフィード
バック制御を行うフィードバック制御手段を備えて構成
した。
【0008】更に、本発明(請求項4)は、前記位相等
算出手段による前記第1の移動要素と前記第2の移動要
素に与える位相及び振幅の指令値の算出は、前記移動体
の移動目標位置及び移動速度と前記記憶手段に予め記憶
された位相及び振幅値とから算出するよう構成した。
【0009】更に、本発明(請求項5)は、移動体の挟
持・挟持解除又は移動方向への送り・戻しを行う第1の
移動要素と第2の移動要素を前記移動体の挟持方向及び
移動方向の属する面内に組み合わせた送りユニットを前
記移動体の移動方向に複数備えた送り機構と、前記移動
体の送り方向の現在位置を検出する位置センサと、前記
送りユニットのいずれかで移動体を挟持しては移動方向
に伸ばして移動体を送りその後挟持を解き移動方向に縮
めるという一連の動作を前記送りユニット毎に位相を変
えて繰り返し行うための前記第1の移動要素と前記第2
の移動要素の位相及び振幅値を予め記憶しておく記憶手
段と、前記移動体の移動目標位置と前記位置センサから
検出した前記移動体の現在位置間の位置誤差と前記記憶
手段に記憶された位相及び振幅値から前記第1の移動要
素と前記第2の移動要素に与える位相及び振幅の指令値
を算出する位相等算出手段と、該位相等算出手段の算出
結果に基づき前記第1の移動要素と前記第2の移動要素
に駆動指令値を出力する駆動指令値出力手段と、前記位
置誤差が予め設定した誤差範囲内に入りかつ前記送りユ
ニットの送り位置が伸縮スパンの中間位置を含む予め設
定した領域に入っているか否かを判定する位置判定手段
と、該位置判定手段で前記位置誤差が誤差範囲内であり
かつ前記送りユニットの送り位置が設定領域内のときは
前記送りユニットの少なくとも2つ以上で移動体を挟持
するクランピング手段と、前記位置判定手段で前記位置
誤差は誤差範囲内であるが前記送りユニットの送り位置
が設定領域外のときは移動体を静止したまま前記送りユ
ニットを交互に挟持若しくは挟持解除させ挟持解除のと
き前記送りユニットの送り位置を伸縮スパンの中間位置
に設定し、その後前記送りユニットの少なくとも2つ以
上で移動体の挟持を行うつかみかえクランピング手段
と、前記クランピング手段若しくは前記つかみかえクラ
ンピング手段による移動体の挟持完了後に前記送りユニ
ットの送り位置が伸縮スパンの中間位置を含む予め設定
した領域内か否かを判定する制御可否判定手段と、該制
御可否判定手段による判定が設定領域内であるときは前
記移動体の移動目標位置と前記位置センサから検出した
前記移動体の現在位置間の位置誤差に基づき前記送りユ
ニットに対し移動方向への積分制御を行う位置制御手段
を備えて構成した。
【0010】更に、本発明(請求項6)は、前記位相等
算出手段による前記第1の移動要素と前記第2の移動要
素に与える位相及び振幅の指令値の算出は、前記移動体
の移動目標位置と現在位置間の位置誤差及び移動速度と
前記記憶手段に予め記憶された位相及び振幅値とから算
出するよう構成した。
【0011】更に、本発明(請求項7)は、前記位置制
御手段で行う制御はPID制御として構成した。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。本発明の第1実施形態を図1乃至図
9に示す。図1において、一対の送り要素13aは移動
体1の移動方向と垂直な方向の移動体1を挟んで対峙す
る空間位置に各々一端を固定されている。そして、送り
要素13aの他端は移動体1の移動方向に伸縮自在に開
放されている。また、一対のクランプ要素14aは一対
の送り要素13aの他端にその一端を固定されており、
クランプ要素14aの他端は移動体の移動方向と垂直な
方向に伸縮自在に開放され移動体1を挟持若しくは挟持
を解除出来る様になっている。送りユニット1はかかる
一対の送り要素13a及び一対のクランプ要素14aで
構成されている。送り機構10は移動体1の移動方向に
同様の構成の送りユニット1乃至3を備えている。送り
要素13a及びクランプ要素14aは印加電圧を変位に
変換可能な様に、例えば圧電素子(PZT)で構成され
ている。なお、送りユニットは例えば図2若しくは図3
の様に構成してもよい。図2において、送り要素13の
一端は所定の空間位置に固定され、他端には移動体1を
挟持するためのクランプブロック12の一端面が固定さ
れている。クランプブロック12の別端面には、移動体
1の移動方向と垂直な方向にクランプ要素14の一端が
固定されている。そして、クランプ要素14の他端は所
定の空間位置に固定されている。また、図3において移
動要素43は、その一端が所定の空間位置に固定され、
移動体1の挟持方向及び移動方向の属する面内にその挟
持方向と所定の角度を有して配設されている。そして、
移動要素43の他端には移動体1を挟持するためのクラ
ンプブロック42の一端面が固定されている。クランプ
ブロック42の別端面には、移動要素44の一端が固定
され、移動要素44は移動体1の挟持方向及び移動方向
の属する面内にその挟持方向と所定の角度を有して配設
されている。移動要素44の他端は所定の空間位置に固
定されている。ここで、送り要素13及び移動要素43
(若しくは移動要素44)は第1の移動要素に、またク
ランプ要素14及び移動要素44(若しくは移動要素4
3)は第2の移動要素に相当する。
【0013】図4には、送り機構10を制御するための
全体のシステム構成図を示す。コンピュータ21はメモ
リ22(記憶手段に相当する。図示省略)を備え、送り
要素13a乃至13c及びクランプ要素14a乃至14
cの位相及び振幅の指令値を算出する様になっている。
D/A変換器23、及び駆動用増幅器24は、その指令
値を電圧に変換する様に構成されている。そして、後述
する位置のフィードバック制御が行われる場合には、位
置センサ25が設けられA/D変換器26で信号変換さ
れた後コンピュータ21に入力される様になっている。
【0014】次に、図5乃至図9に基づき送り機構10
の制御について説明する。図5及び図7は移動体1の移
動を行うための一周期分の制御パターンを示す。図5は
図1及び図2に示す送りユニットを使用した場合の制御
パターンであり、図7は図3に示す送りユニットを使用
した場合の制御パターンである。まず図5において、タ
イミング1〜タイミング2間では、クランプ要素14a
及び14cは挟持状態にある。クランプ要素14bは挟
持を解除されている。この状態を維持しつつ送り要素1
3a及び13cに徐々に電圧を印加していく。その結果
移動体1を移動することが出来る。送り要素13bはこ
の間にその変位を次第に小さくする。タイミング3(位
相π)ではクランプ要素14bを挟持状態にし、クラン
プ要素14a及び14cの挟持を解除する。タイミング
4〜タイミング5間では、クランプ要素14bは挟持状
態にあり、クランプ要素14a及び14cは挟持を解除
の状態にある。この状態を維持しつつ送り要素13bに
次第に電圧を印加していく。その結果移動体1を更に移
動することが出来る。送り要素13a及び13cはこの
間にその変位を次第に小さくする。そして、タイミング
5〜タイミング6(位相2π)間では再びクランプ要素
14a及び14cを挟持状態にすることで位相0の状態
に戻る。かかる一周期の動作を繰り返し続けることで、
送り機構10は移動体1を長ストロークに渡って駆動出
来る。
【0015】なお、移動体1の戻り動作はクランプ要素
14a及び14cを挟持状態とし、クランプ要素14b
の挟持を解除する。この状態を維持しつつ送り要素13
bにプラス電圧を印加しその変位を増加させる(伸ば
す)。この状態を維持しクランプ要素14bを挟持状態
とする。そして、クランプ要素14a及び14cの挟持
を解除する。次に、挟持状態にある送り要素13bの電
圧をプラス電圧の範囲で低下させると送り要素13bの
変位は減少し、移動体1は後退する。次に挟持解除状態
にあるクランプ要素14a及び14cに対して同様な指
令を行うことにより連続的に戻り動作を行うことが出来
る。
【0016】次に、図6に図3に示す送りユニットを使
用して送り機構を構成した場合を示す。図7はこの送り
機構の制御パターンである。図中乃至はタイミング
を示す。移動要素43aと移動要素43b、移動要素4
3cとは移動体1を移動方向に送るため各々120度ず
つ位相を異ならせ正弦電圧を付与している。また、移動
要素43a、移動要素43b、移動要素43cと移動要
素44a、移動要素44b、移動要素44cとは挟持又
は挟持解除を連続的に繰り返すため各々90度ずつ位相
を異ならせている。理解を容易にするため、図6には各
送りユニットの各タイミングにおける送り概念図を移動
体1の周辺に楕円として示した。例えば、送りユニット
1について説明すればタイミングはクランプブロック
42aが一番移動体1から離れた状態であり、タイミン
グはクランプブロック42aが一番移動体1を強く挟
持した状態を示している。各送りユニットに対しかかる
送り概念図を同様に楕円として示してみると、各タイミ
ングにより移動体1が移動方向に移動される様子が確認
出来る。なお、実際に各移動要素に印加する電圧は、図
8に示す様に所定の剛性を確保するために挟持電圧を重
畳させる。
【0017】図9は本発明の第1実施形態の動作を説明
するフローチャートである。まず、ステップ1(図中S
1と示す。以下同様)では、図5若しくは図7で説明し
た一周期分の位相及び電圧波形(振幅値)を周期関数と
してメモリ22に記憶保持する。ステップ2では移動体
1の移動目標位置と移動速度等の変数を入力する。ステ
ップ3では入力された変数に基づき位相の増分を計算
し、ステップ4ではメモリ22に記憶された周期関数か
ら電圧を読み込み電圧指令値を算出する。例えば、移動
体1の移動速度を遅くする様変数を入力した場合には、
位相の増分を小さくし、また移動速度を早くする様変数
を入力した場合には、位相の増分を大きくする。但し、
移動体1の移動速度を遅くする様変数を入力した場合に
は、振幅の指令値を小さくし、また移動速度を早くする
様変数を入力した場合には、振幅の指令値を大きくする
様処理を行ってもよい。ステップ3及びステップ4の処
理は、位相等算出手段に相当する。その後、ステップ5
で移動目標位置の誤差範囲内か否か判断される。ステッ
プ6の処理は移動目標位置の誤差範囲内でない場合に、
ステップ4で求めた電圧指令値に基づきコンピュータ2
1からD/A変換器23、及び駆動用増幅器24を介し
電圧を各送り要素と各クランプ要素に送るもので、駆動
指令値出力手段に相当する。ステップ7の処理は、移動
目標位置の誤差範囲内ならば全クランプ要素を挟持状態
(若しくは全移動要素に等しく挟持電圧以上の電圧を印
加する)とし移動体1を挟持させる(以下クランピング
動作と呼ぶ)もので、クランピング手段に相当する。こ
の結果、長ストロークの移動を行い移動目標位置到達後
クランピング動作を行うことで、その後に続く移動体1
等による負荷制御(例えば切削加工等)時の剛性を少な
くとも2倍以上(本実施形態では約3倍)高くすること
が可能となる。本実施形態では送りユニットの数を3つ
としたが、送りユニット数を増やせばその分剛性を高め
ることが出来る。また、必ずしも送りユニットの全てに
ついてクランピング動作を行わなくても、少なくとも2
つ以上の送りユニットについて行うことで剛性を高くす
ることが可能である。移動体1の移動目標位置を変数と
して入力することで上述した様に移動目標位置まで自動
で移動体1を移動しても良いが、移動目標位置を入力せ
ず例えば作業員がプッシュボタンを押している間だけ移
動体1を移動する様にしても良い。この場合であって
も、移動速度を変数入力することでステップ3で位相等
の算出を行い移動体1の移動速度を変えることが可能で
ある。即ち、移動速度を変えるには送り要素とクランプ
要素に与える位相若しくは振幅の少なくとも一方を変え
ることで可能である。また、移動速度も変数入力されな
ければ、予めステップ1でメモリ22に記憶保持された
周期関数に基づき移動体1が移動制御される。以上の制
御はフィードバック制御を行わずオープンループで行う
ため位置センサ25がなくても良い。
【0018】なお、図10には送り機構の別構成図(送
り機構30)として送りユニットを2つ配設した場合を
示すが、予めメモリ22に記憶保持された周期関数に基
づき移動体1を移動制御し、移動目標位置到達後クラン
ピング動作を行うことで剛性を約2倍に出来る点は上記
と同様である。また、送りユニットを4つ以上配設した
場合の制御も基本的に同様である。送りユニット数を増
加しても制御部分は同じ構成で処理が可能である。更
に、このとき送りユニット数を増加させればさせる程、
同一工程を処理する送りユニットの数が増えるため結果
として移動体1を移動中の剛性を高めることが出来る。
【0019】次に本発明の第2実施形態について図11
のフローチャートに基づき説明する。なお、送り機構1
0及び全体のシステム構成図は第1実施形態と同じなの
で説明は省略する(以下各実施形態についても同様)。
また、フローチャートについても第1実施形態と同一要
素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
第2実施形態では、移動目標位置まではオープンループ
で駆動し、最後の位置決めは位置についてのフィードバ
ック制御を行う。
【0020】図11において、ステップ2で移動体1の
移動目標位置と移動速度の変数が入力されると、ステッ
プ3では入力された変数に基づき移動目標位置に行く迄
の周期、振幅を算出する。移動目標位置と移動速度の変
数入力は必ずしも両者について行う必要は無く、全く変
数入力が無い場合であっても予めメモリ22に周期関数
と共にこれらの変数をも記憶保持しておくことで、移動
体1を移動制御可能である。かかる移動後移動体1が移
動目標位置に到達すると、次に述べるつかみかえクラン
ピング動作を行う。ステップ6までの制御は、オープン
ループで行う。ステップ11ではクランプ要素14b
(若しくは移動要素43b及び移動要素44bに挟持電
圧V1以上の所定の電圧を印加する)を挟持状態にす
る。ステップ12ではクランプ要素14a(若しくは移
動要素43a及び移動要素44aに印加する電圧を0と
する。ここで、挟持電圧V1以下の0ボルトとするの
は、挟持解除時に移動要素43及び移動要素44が移動
体1と接触することを避けるためである。以下、同旨)
及び14c(若しくは移動要素43c及び移動要素44
cに印加する電圧を0とする)の挟持を解除する。そし
て、送り要素13a及び13cの送り位置として圧電素
子の有する伸縮スパンの中間位置(この中間位置を中心
に予め設定した所定の領域を以下コントロールバンドと
いう)に停止する様電圧を印加する(若しくは移動要素
43a、移動要素44a及び移動要素43c、移動要素
44cに印加する電圧を0とすれば、丁度圧電素子の有
する伸縮スパンは中間位置になる)。中間位置に停止
後、ステップ13でクランプ要素14a及び14cの挟
持を行う(若しくは移動要素43a、移動要素44a及
び移動要素43c、移動要素44cに挟持電圧V1以上
の所定の電圧を印加する)。ステップ14でクランプ要
素14bの挟持を解除し、送り要素13bの送り位置と
して圧電素子の有する伸縮スパンの中間位置に停止する
様電圧を印加する(若しくは移動要素43b及び移動要
素44bに印加する電圧を0とする)。中間位置に停止
後、ステップ15でクランプ要素14b(若しくは移動
要素43b及び移動要素44bに挟持電圧V1以上の所
定の電圧を印加する)を挟持状態にする。ステップ11
乃至ステップ15の処理はつかみかえクランピング手段
に相当する。なお、つかみかえクランピング動作の手順
は本実施形態の他に、まずステップ13乃至ステップ1
5を行った後にステップ11乃至ステップ12を行う様
にしてもよい。かかる場合もつかみかえクランピング手
段に含めて考える。そして、最終の位置決めはステップ
16で位置センサ25により検出した現在位置と移動目
標位置間の位置誤差に基づき送り要素13a乃至13c
(若しくは移動要素43及び移動要素44)に対する位
置のフィードバック制御を行うことにより行われる。
【0021】フィードバック制御のブロック線図を図1
2に示す。ここでのC(S)には現代制御を用いても実
現可能であるし、古典制御、例えばPIDを用いても可
能である。第2実施形態によれば、移動体1が移動目標
位置に到達後どの位置にあったとしても移動体1を移動
することなく、すべての送り要素(若しくは移動要素)
の送り位置を圧電素子の有する伸縮スパンの中間位置に
いつでも停止出来る。即ち、中間位置に送り要素(若し
くは移動要素)の送り位置を定めておくことで、その後
に行う負荷に対する制御範囲(伸縮スパンの中間位置を
中心にすればこの中心を起点に制御時に必要な伸び量及
び縮み量共に片寄る事無く十分に確保出来る)を広くと
ることが出来る。また、つかみかえクランピング動作に
より本実施形態の場合、1つのクランプ要素で挟持した
位置決め制御に比べ約3倍の剛性を得ることが出来る。
しかしながらつかみかえクランピング動作で、常に全て
のクランプ要素(若しくは移動要素)を移動体1の挟持
状態にする必要はない。たとえば2つのクランプ要素
(若しくは移動要素)で十分な剛性を得ることが出来る
のであれば、2つのクランプ要素(若しくは移動要素)
のみを挟持状態にする様負荷対象に応じて変えてもよ
い。更に、剛性を要求される場合には、挟持するクラン
プ要素(若しくは移動要素)の個数を増加しさえすれば
良い。この点は送りユニットの個数を増加することで容
易に対処可能である。
【0022】次に本発明の第3実施形態について図13
のフローチャートに基づき説明する。なお、第1実施形
態及び第2実施形態と同一要素のものについては同一符
号を付して説明は省略する。第3実施形態では、移動体
1の移動をも含め全領域に渡りフィードバック制御を行
う。まず、ステップ21で移動体1の移動目標位置と移
動速度の変数が入力される。ステップ22では位置セン
サ25で検出した移動体1の現在位置をコンピュータ2
1に読み込みステップ23で移動目標位置との位置誤差
を計算する。ステップ24でこの位置誤差が十分小さく
なったか否かが判断され、小さくなるまではステップ2
5で、メモリ22に記憶された周期関数から位相及び振
幅を読み込み送り要素及びクランプ要素(若しくは移動
要素43及び移動要素44)に与える位相及び振幅の指
令値を算出し(位相等算出手段に相当する)、この算出
結果に基づき送り要素等に駆動指令値を出力する(駆動
指令値出力手段に相当する)。従って移動体1は移動す
る。そして、予め決めた位置誤差範囲に入るとステップ
26に進み、現在の周期関数の位相がコントロールバン
ド内か否かが判断される。判断の結果コントロールバン
ド内のときは、負荷に対する制御範囲が既に十分確保さ
れているためそのままステップ7でクランピング動作を
行う。一方、コントロールバンド外のときは、ステップ
11乃至ステップ15によりまずつかみかえクランピン
グ動作を行い、移動体1の位置を維持しながら負荷に対
する制御範囲を十分確保した上でクランプ要素(若しく
は移動要素)を挟持する作業を行う。ステップ24及び
ステップ26の処理は位置判定手段に相当する。クラン
ピング動作若しくはつかみかえクランピング動作を行っ
た後、ステップ27で再び移動目標位置と移動体1の現
在位置との位置誤差を計算する。そして、ステップ28
で現在の周期関数の位相がコントロールバンド内か否か
が判断される。かかる判断を行うのは、クランピング動
作若しくはつかみかえクランピング動作を行った場合、
原理的には移動体1の位置は動作前と変わらない筈であ
るが挟持若しくは挟持解除の際の物理的要因により微妙
に位置がずれることも考えられるためである。従って、
かかる位置のずれが実験等により常に少ないことが確認
されたり、物理的要因が常に小さい状態にあることが確
認されればステップ28の処理は省略してもよい。ここ
で、ステップ28の処理は制御可否判定手段に相当す
る。判断の結果コントロールバンド外のときは、最初
(ステップ22)からやり直してコントロールバンド内
に入る様に制御を繰り返す。一方、コントロールバンド
内のときは、ステップ29で送り要素13a乃至13c
(若しくは移動要素43及び移動要素44)に対する積
分制御を行う。ステップ29の処理は位置制御手段に相
当する。図14に積分制御のブロック線図を示す。かか
る積分制御を行うことにより超精密な位置決め(位置決
め分解能は約3nmを確認している。しかし、この数値
はより高分解能な測定システムを用いて測定すれば更に
小さくなると考える。)及び高剛性、特に高い静剛性
(測定データでは1700N/μm以上を達成した。)
を実現することが可能である。
【0023】なお、変数の入力に際し、移動目標位置の
みを入力し移動速度は予めメモリ22に記憶された周期
関数に基づいてもよいことは前述した通りである。ま
た、ステップ23で求めた位置誤差の大きさに基づき、
移動体1の移動速度(即ち送り要素若しくはクランプ要
素(若しくは移動要素)に与える位相若しくは振幅の指
令値)を可変(段階的可変も含む)出来る様にしてもよ
い。この場合の位相若しくは振幅の指令値の算出も位相
等算出手段に含めて考える。
【0024】次に本発明の第4実施形態について図15
のフローチャートに基づき説明する。なお、第1乃至第
3実施形態と同一要素のものについては同一符号を付し
て説明は省略する。第4実施形態は、第3実施形態とス
テップ28迄の工程は同一であり、最後の位置決め制御
をステップ30でPID制御を行う。かかるPID制御
を行うことで動剛性も高めることが可能になる。図16
にこのPID制御を用いたブロック線図の一例を示す。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように本発明(請求項1)
によれば、尺取り虫方式に基づき移動制御する送り機構
と、移動完了後移動体を挟持するクランピング手段を備
えて構成したので、移動体を長ストロークに渡って移動
可能であり、かつ移動完了後の制御は高剛性を確保する
ことが出来る。
【0026】また、本発明(請求項2)によれば、請求
項1の発明に加え移動体の移動速度の変更、移動目標位
置の変更若しくは移動速度及び移動目標位置双方の変更
を可能とすることで、移動体の移動制御に対し柔軟に対
応出来る。
【0027】更に、本発明(請求項3)によれば、移動
目標位置に到達後つかみかえクランピング手段を行い、
その後位置のフィードバック制御を行う構成したので、
負荷に対する制御範囲を広く取った超精密な位置決め制
御が可能となり、かつ高剛性を確保することが出来る。
【0028】更に、本発明(請求項4)によれば、請求
項3の移動目標位置に加え移動速度の変更を可能とする
ことで、移動体の移動制御に対し柔軟に対応出来る。
【0029】更に、本発明(請求項5)によれば、全領
域に渡りフィードバック制御を行い、移動目標位置に到
達後クランピング手段若しくはつかみかえクランピング
手段を行い、その後積分制御を行う構成としたので、超
精密な位置決め及び負荷に対する制御範囲を広く取るこ
とが出来、高剛性、特に高い静剛性を実現することが可
能である。
【0030】更に、本発明(請求項6)によれば、請求
項5の移動目標位置に加え移動速度の変更を可能とした
ことで、請求項4と同様の効果を得ることが出来る。
【0031】更に、本発明(請求項7)によれば、位置
制御手段の制御をPID制御としたことで動剛性も高め
ることが可能になる。
【0032】
【図面の簡単な説明】
【図1】 送り機構の構成図
【図2】 送りユニットの別構成図
【図3】 送りユニットの別構成図
【図4】 全体のシステム構成図
【図5】 移動体の移動を行うための一周期分の制御パ
ターン
【図6】 図3に示す送りユニットを使用した送り機構
の移動概念図
【図7】 図3に示す送りユニットを使用した送り機構
の制御パターン
【図8】 各移動要素に印加する電圧パターン
【図9】 本発明の第1実施形態のフローチャート
【図10】 送り機構の別構成図
【図11】 本発明の第2実施形態のフローチャート
【図12】 フィードバック制御のブロック線図
【図13】 本発明の第3実施形態のフローチャート
【図14】 積分制御のブロック線図
【図15】 本発明の第4実施形態のフローチャート
【図16】 PID制御を用いたブロック線図の一例
【図17】 従来の尺取り虫方式による移動制御の駆動
原理
【図18】 各圧電素子に加える駆動電圧パターン
【符号の説明】
1 移動体 12,42,42a,42b,42c クランプブロッ
ク 13a,13b,13c,33a,33b 送り要素 14a,14b,14c,34a,34b クランプ要
素 10,30 送り機構 22 メモリ 25 位置センサ 43,44,43a,43b,43c,44a,44
b,44c 移動要素

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 移動体の挟持・挟持解除又は移動方向へ
    の送り・戻しを行う第1の移動要素と第2の移動要素を
    前記移動体の挟持方向及び移動方向の属する面内に組み
    合わせた送りユニットを前記移動体の移動方向に複数備
    えた送り機構と、前記送りユニットのいずれかで移動体
    を挟持しては移動方向に伸ばして移動体を送りその後挟
    持を解き移動方向に縮めるという一連の動作を前記送り
    ユニット毎に位相を変えて繰り返し行うための前記第1
    の移動要素と前記第2の移動要素の位相及び振幅値を予
    め記憶しておく記憶手段と、該記憶手段に記憶された位
    相及び振幅値から前記第1の移動要素と前記第2の移動
    要素に与える位相及び振幅の指令値を算出する位相等算
    出手段と、該位相等算出手段の算出結果に基づき前記第
    1の移動要素と前記第2の移動要素に駆動指令値を出力
    する駆動指令値出力手段と、前記移動体が移動完了後前
    記送りユニットの少なくとも2つ以上で移動体を挟持す
    るクランピング手段を備えて構成したことを特徴とする
    超精密位置決め装置。
  2. 【請求項2】 前記位相等算出手段による前記第1の移
    動要素と前記第2の移動要素に与える位相及び振幅の指
    令値の算出は、前記移動体の移動目標位置及び移動速度
    の少なくともどちらか一方と前記記憶手段に予め記憶さ
    れた位相及び振幅値とから算出することを特徴とする請
    求項1記載の超精密位置決め装置。
  3. 【請求項3】 移動体の挟持・挟持解除又は移動方向へ
    の送り・戻しを行う第1の移動要素と第2の移動要素を
    前記移動体の挟持方向及び移動方向の属する面内に組み
    合わせた送りユニットを前記移動体の移動方向に複数備
    えた送り機構と、前記移動体の送り方向の現在位置を検
    出する位置センサと、前記送りユニットのいずれかで移
    動体を挟持しては移動方向に伸ばして移動体を送りその
    後挟持を解き移動方向に縮めるという一連の動作を前記
    送りユニット毎に位相を変えて繰り返し行うための前記
    第1の移動要素と前記第2の移動要素の位相及び振幅値
    を予め記憶しておく記憶手段と、前記移動体の移動目標
    位置と前記記憶手段に記憶された位相及び振幅値から前
    記第1の移動要素と前記第2の移動要素に与える位相及
    び振幅の指令値を算出する位相等算出手段と、該位相等
    算出手段の算出結果に基づき前記第1の移動要素と前記
    第2の移動要素に駆動指令値を出力する駆動指令値出力
    手段と、前記移動体が移動目標位置に到達したとき、移
    動体を静止したまま前記送りユニットを交互に挟持若し
    くは挟持解除させ挟持解除のとき前記送りユニットの送
    り位置を伸縮スパンの中間位置に設定し、その後前記送
    りユニットの少なくとも2つ以上で移動体の挟持を行う
    つかみかえクランピング手段と、該つかみかえクランピ
    ング手段による移動体の挟持完了後、前記移動体の移動
    目標位置と前記位置センサから検出した前記移動体の現
    在位置間の位置誤差に基づき前記送りユニットに対し移
    動方向への位置のフィードバック制御を行うフィードバ
    ック制御手段を備えて構成したことを特徴とする超精密
    位置決め装置。
  4. 【請求項4】 前記位相等算出手段による前記第1の移
    動要素と前記第2の移動要素に与える位相及び振幅の指
    令値の算出は、前記移動体の移動目標位置及び移動速度
    と前記記憶手段に予め記憶された位相及び振幅値とから
    算出することを特徴とする請求項3記載の超精密位置決
    め装置。
  5. 【請求項5】 移動体の挟持・挟持解除又は移動方向へ
    の送り・戻しを行う第1の移動要素と第2の移動要素を
    前記移動体の挟持方向及び移動方向の属する面内に組み
    合わせた送りユニットを前記移動体の移動方向に複数備
    えた送り機構と、前記移動体の送り方向の現在位置を検
    出する位置センサと、前記送りユニットのいずれかで移
    動体を挟持しては移動方向に伸ばして移動体を送りその
    後挟持を解き移動方向に縮めるという一連の動作を前記
    送りユニット毎に位相を変えて繰り返し行うための前記
    第1の移動要素と前記第2の移動要素の位相及び振幅値
    を予め記憶しておく記憶手段と、前記移動体の移動目標
    位置と前記位置センサから検出した前記移動体の現在位
    置間の位置誤差と前記記憶手段に記憶された位相及び振
    幅値から前記第1の移動要素と前記第2の移動要素に与
    える位相及び振幅の指令値を算出する位相等算出手段
    と、該位相等算出手段の算出結果に基づき前記第1の移
    動要素と前記第2の移動要素に駆動指令値を出力する駆
    動指令値出力手段と、前記位置誤差が予め設定した誤差
    範囲内に入りかつ前記送りユニットの送り位置が伸縮ス
    パンの中間位置を含む予め設定した領域に入っているか
    否かを判定する位置判定手段と、該位置判定手段で前記
    位置誤差が誤差範囲内でありかつ前記送りユニットの送
    り位置が設定領域内のときは前記送りユニットの少なく
    とも2つ以上で移動体を挟持するクランピング手段と、
    前記位置判定手段で前記位置誤差は誤差範囲内であるが
    前記送りユニットの送り位置が設定領域外のときは移動
    体を静止したまま前記送りユニットを交互に挟持若しく
    は挟持解除させ挟持解除のとき前記送りユニットの送り
    位置を伸縮スパンの中間位置に設定し、その後前記送り
    ユニットの少なくとも2つ以上で移動体の挟持を行うつ
    かみかえクランピング手段と、前記クランピング手段若
    しくは前記つかみかえクランピング手段による移動体の
    挟持完了後に前記送りユニットの送り位置が伸縮スパン
    の中間位置を含む予め設定した領域内か否かを判定する
    制御可否判定手段と、該制御可否判定手段による判定が
    設定領域内であるときは前記移動体の移動目標位置と前
    記位置センサから検出した前記移動体の現在位置間の位
    置誤差に基づき前記送りユニットに対し移動方向への積
    分制御を行う位置制御手段を備えて構成したことを特徴
    とする超精密位置決め装置。
  6. 【請求項6】 前記位相等算出手段による前記第1の移
    動要素と前記第2の移動要素に与える位相及び振幅の指
    令値の算出は、前記移動体の移動目標位置と現在位置間
    の位置誤差及び移動速度と前記記憶手段に予め記憶され
    た位相及び振幅値とから算出することを特徴とする請求
    項5記載の超精密位置決め装置。
  7. 【請求項7】 前記位置制御手段で行う制御はPID制
    御であることを特徴とする請求項5又は請求項6記載の
    超精密位置決め装置。
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