(57)【要約】【課題】圧電素子に常時電圧を印加しなくても位置決め対象を高精度に位置決めすること。【解決手段】モータと圧電素子を用いた位置決め装置において、粗動時に、圧電素子１６に電圧を印加することなく、モータ２４にのみ電圧を印加し、モータ２４の回転による駆動力をボールねじ軸１２に伝達して目標位置近傍までテーブル１４を移動させ、その後、モータ２４の制御を停止し、圧電素子１６にのみ電圧を印加し、圧電素子１６の変位をテーブル１４に付与してテーブル１４を目標位置に位置決めする。【選択図】図１
2006280192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置決め対象を目的位置に移動させる、位置決め装置において、
モータを駆動させることによって、前記位置決め対象を前記目的位置近傍まで粗動させる、粗動位置決め機構と、
前記目的位置近傍に前記位置決め対象を移動させた後、圧電素子を駆動させることによって、前記位置決め対象を微動させて、当該位置決め対象を前記目的位置に精密に位置決めする、微動位置決め機構と、
前記粗動位置決め手段によって、前記位置決め対象を粗動させる際、前記圧電素子へ電圧を印加せず、当該位置決め対象を粗動させた後これを微動させる際に、前記圧電素子へ電圧を印加する制御装置と、
を備える、位置決め装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記位置決め対象を前記目的位置近傍まで移動させた後、前記モータへ電圧を印加しない、請求項１記載の位置決め装置。
【請求項３】
位置決め対象を目的位置に移動させる際に、前記位置決め対象を前記目的位置近傍まで粗動させ、その後当該位置決め対象を前記目的位置微動させる位置決め装置において、
回転自在に配置された軸状部材と、
前記軸状部材を回転駆動するモータと、
前記軸状部材にその軸方向に沿って連結されて印加電圧に応じて直線運動する圧電素子と、
前記モータ或いは圧電素子が駆動することにより移動する前記位置決め対象と、
前記モータと前記圧電素子の駆動を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記粗動時に、前記モータに対して指令値を入力して前記モータを回転駆動し、前記圧電素子に対しては電圧の印加を停止し、前記微動時には、前記モータに対する制御を停止し、前記圧電素子に対しては電圧を印加してなる、位置決め装置。
【請求項４】
位置決め対象を目的位置に移動させる際に、前記位置決め対象を前記目的位置近傍まで粗動させ、その後当該位置決め対象を前記目的位置微動させる位置決め装置において、
回転自在に配置された軸状部材と、
印加電圧に応じた回転駆動力を前記軸状部材に作用させる圧電素子と、
前記軸状部材を回転駆動するモータと、
前記軸状部材にその軸方向に沿って移動自在に連結されて前記軸状部材の回転に伴う駆動力を受けて直線運動する連結部材と、
前記連結部材に支持されて前記連結部材とともに移動する、前記位置決め対象と、
前記モータと前記圧電素子の駆動を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、粗動時に、前記モータに対して電圧を印加して前記モータを回転駆動し、前記圧電素子に対しては電圧の印加を停止し、微動時には、前記モータに対する電圧の印加を停止し、前記圧電素子に対しては電圧を印加してなる、位置決め装置。
【請求項５】
前記位置決め対象の位置を検出する位置検出手段を備え、前記制御手段は、前記微動開始時に、開ループで前記圧電素子に電圧を印加し、その後、前記位置検出手段の検出出力を基に閉ループで前記圧電素子に電圧を印加してなることを特徴とする、請求項３又は４記載の位置決め装置。
【請求項６】
前記開ループで前記圧電素子に印加される電圧は、前記位置決め対象の粗動終了時における位置と前記目標位置との位置決め誤差分に相当する電圧値であり、前記閉ループで前記圧電素子に印加される電圧は、前記開ループにおける電圧に前記位置検出手段の検出出力を基に得られた電圧を加算した値である、請求項３記載の位置決め装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記粗動時に、前記位置検出手段の検出出力を基に閉ループで前記モータに電圧を印加してなる、請求項５又は６記載の位置決め装置。
【請求項８】
前記圧電素子に一定値の電圧を印加して、当該圧電素子を前記開ループで駆動する際、前記位置決め対象を駆動させる方向が、前記粗動の際の前記位置決め対象を移動させる方向と同じ場合、前記制御手段は、前記位置決め対象を前記圧電素子に電圧を印加して移動する量の分、前記位置決め対象を前記粗動させる量を小さくなるようにし、前記方向が逆な場合、前記位置決め対象を前記圧電素子に電圧を印加して移動する量の分、前記位置決め対象を前記粗動させる量の分を大きくなるよう設定する、請求項５記載の位置決め装置。
【請求項９】
前記圧電素子に流れる電流を、予め設定したしきい値を基準として監視する監視手段をさらに備える、請求項１記載の位置決め装置。
【請求項１０】
前記監視手段が、前記圧電素子に流れる電流がしきい値を超えたことを検出した場合に、これを報知する報知手段をさらに備える、請求項９記載の粗微動位置決め装置。
【請求項１１】
前記監視手段が、前記圧電素子に流れる電流がしきい値を超えたことを検出した場合に、前記微動位置決め機構が前記位置決め対象を位置決めする動作を中止するように構成された請求項９又は１０記載の位置決め装置。
【請求項１２】
前記監視手段が、前記粗動が終了され前記微動を開始した後、一定の電圧を印加して前記圧電素子を変位させる過程で、電流値を監視する、請求項９記載の位置決め装置。
【請求項１３】
前記目的位置近傍は、前記粗動位置決め機構は、前記目的位置に対して、前記圧電素子へ定格電圧を印加して前記位置決め対象が移動させる際の移動誤差を残して、前記位置決め対象を前記目的位置近傍まで粗動をさせるようにした、請求項１記載の位置決め装置。
【請求項１４】
位置決め対象を目的位置に移動させる、位置決め方法において、
モータを駆動させることによって、前記位置決め対象を前記目的位置近傍まで粗動させる、粗動位置決め工程と、
前記目的位置近傍に前記位置決め対象を移動させた後、圧電素子を駆動させることによって、前記位置決め対象を微動させて、当該位置決め対象を前記目的位置に精密に位置決めする、微動位置決め工程と、
前記粗動位置決め手段によって、前記位置決め対象を粗動させる際、前記圧電素子へ電圧を印加せず、当該位置決め対象を粗動させた後これを微動させる際に、前記圧電素子へ電圧を印加する制御工程と、
を備える、位置決め方法。
【請求項１５】
請求項１記載の位置決め装置の前記制御装置に適用されるプログラムであって、前記粗動時に、前記モータに対して電圧を印加して前記モータを回転駆動するとともに前記圧電素子に対しては電圧を印加しない工程と、前記微動時に、前記モータに対する電圧の印加を停止するとともに前記圧電素子に対しては電圧を印加する工程と、をコンピュータに実行させるための、コンピュータが読み取り可能なプログラム。
【請求項１６】
請求項１５記載のプログラムが記録された、コンピュータが読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置決め装置に係り、特に、圧電素子をサーボ変換素子として用いて、テーブルなどの位置決め対象を目的位置に正確に位置決めできるようにした位置決め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、テーブル上に被移動体である部材を載置し、このテーブルを移動することで当該部材を目的位置に位置決めするための位置決め装置がある。この位置決め装置は、目的位置まで位置決め対象の現在位置からの距離が比較的長い場合、粗めにテーブルを移動させ（粗動）、ある程度目的位置まで近づいた時点で、微細にテーブルを移動させて（微動）、迅速かつ高精度な位置決めを行っていた。
【０００３】
一般に、粗動には、ボールねじ機構が用いられる。ボールねじ機構は、ボールねじのシャフトをモータ等の駆動力で回転させ、シャフトに形成された雄ねじに螺合したテーブルユニットを移動させる構造を備えている。前記微動には、圧電素子（圧電アクチュエータ）が用いられる。圧電素子に所定の電圧を印加すると圧電素子が伸縮するため、この伸縮を前記ボールねじ機構に伝えて
テーブルユニットの位置を微調整する。
【０００４】
この種の位置決め装置において、圧電素子をサーボ変換素子として用い、見かけ上、圧電素子を伸縮させるような動作をさせるとき、図４に示すように、圧電素子に電圧を印加するためのピエゾドライバに正負の指令信号とオフセット電圧とを入力し、オフセット電圧に指令信号が加算された信号をピエゾドライバで増幅し、増幅された信号を圧電素子に印加する構成が採用されていた(非特許文献1参照)。すなわち、外部からピエゾドライバの出力をオンオフ制御しない限り、指令信号をピエゾドライバに入力しなくても、図５に示すように、ピエゾドライバからはオフセット電圧が出力され、圧電素子には常にオフセット電圧が印加される状態になっている。
【０００５】
圧電素子は、印加電圧とその変化量がほぼ比例するようになっており、しかも、圧電素子を常に伸びた状態で使用する必要があるため、オフセット電圧を常に圧電素子に印加させ、ある程度圧電素子を伸張させた状態を基準として、圧電素子を見かけ上伸縮させていた。
【０００６】
一方、従来の位置決め装置では、圧電素子の変位量を測定するための歪ゲージが圧電素子を備えたサーボ機構に貼り付けてられていた（非特許文献２参照）。また、圧電素子を伸縮させるために、圧電素子を予圧する必要があり、そこで圧電体を何らかの筐体に封入し使用するのが一般的である（非特許文献３参照）。
【０００７】
圧電素子に長時間電圧が印加すると、圧電素子が劣化してその絶縁抵抗が低下し、圧電素子を駆動するための電圧を圧電素子に印加した際に圧電素子に流れる電流値が増大する傾向がある（非特許文献４参照）。すなわち、圧電素子に継続して電圧を印加し続けると、電極マイグレーションが生じ、圧電素子の性能が低下し、破損にいたるという問題があった。このため、圧電素子に流れる異常（過電流）の有無を監視することが考えられていた。
【非特許文献１】注目の誘電体セラミック材料  (株）ティ・アイ・シー発行  ３７９頁〜３８１頁
【非特許文献２】「PI MicroPostioning, NanoPositioning, Nanooutomation カタログ  2001」、２００１年、Ｐ．１−２４  参照
【非特許文献３】「Piezomechanik Gmbh 圧電素子カタログ」、Ｐ．６  参照
【非特許文献４】永田邦裕「積層セラミックアクチュエータの破壊メカニズムと寿命時間の影響」、精密工学会精密位置決め専門委員会講演会資料、２００５年１月２１日、Ｐ．３７−４２  参照
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来技術においては、圧電素子を常に伸びた状態で使用するために、圧電素子に常にオフセット電圧を印加するようになっている。ところが、圧電素子に常に電圧を印加すると、圧電素子は常に歪んだ状態にあり、寿命低下の原因となる。さらに圧電素子に長時間電圧を印加すると、時間の経過とともにその変位量が変化するクリープ現象が生じる。
【０００９】
なお、ピエゾドライバの出力をオンオフ制御すれば、圧電素子に電圧が印加されないようにすることはできるが、ピエゾドライバの出力を単にオンオフ制御しても、オフからオンになると、圧電素子で位置決めしようとする制御信号以外にオフセット電圧分の信号が圧電素子に印加されるため余分に圧電素子が変位し、実際に圧電素子を用いてテーブルなどの位置決めを行うことは困難になる。
【００１０】
また、歪ゲージ等のセンサを利用した監視の場合、圧電素子がその機能を失う程度に電流が流れると、センサもその機能を同時に失う場合があった。また、多くの場合、圧電アクチュエータは何らかの筐体に封入し使用している。そのため、圧電アクチュエータの劣化度合いを外観から確認することは難しい。
【００１１】
そこで、本発明は、圧電素子に常時電圧を印加しなくても位置決め対象を高精度に位置決め可能な位置決め技術を提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、粗動位置決め機構と微動位置決め機構を併用して、迅速、かつ精密に位置決め対象を目的位置に対して位置決めを行う際に、微動位置決め機構の劣化度合いを外部から監視することができ、特に微動位置決め機構が機能を失う前にその異常を確実に検出することができるようにした、位置決め技術を提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、位置決め対象を目的位置に対して粗動移動させる際に前記圧電素子に電圧を印加せず、微動移動させる際に圧電素子に電圧を印加しても、位置決め対象の移動制御を正確に実行できる、位置決め技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するために、本発明は、位置決め対象を目的位置に移動させる、位置決め装置において、モータを駆動させることによって、前記位置決め対象を前記目的位置近傍まで粗動させる、粗動位置決め機構と、前記目的位置近傍に前記位置決め対象を移動させた後、圧電素子を駆動させることによって、前記位置決め対象を微動させて、当該位置決め対象を前記目的位置に精密に位置決めする、微動位置決め機構と、前記粗動位置決め手段によって、前記位置決め対象を粗動させる際、前記圧電素子へ電圧を印加せず、当該位置決め対象を粗動させた後これを微動させる際に、前記圧電素子へ電圧を印加する制御装置と、を備える、ことを特徴とするものである。
【００１３】
前記本発明によれば、粗動を行ったあと微動を行って位置決め対象を目標位置まで移動させるに際して、粗動時には、圧電素子に対しては電圧の印加を停止した状態で、モータに指令信号を入力してモータを回転駆動して位置決め対象を目標位置近傍まで移動させ、微動時には、モータに対する制御を停止し、圧電素子に対しては電圧を印加して位置決め対象の位置決めを行うようにしたため、圧電素子に常時電圧を印加することなく、位置決め対象を目標位置に位置決めすることができ、圧電素子の長寿命化を達成する。
【００１４】
さらに、本発明の他の形態は、前記位置決め対象の位置を検出する位置検出手段を備え、前記制御手段は、前記微動開始時に、開ループで前記圧電素子に電圧を印加し、その後、前記位置検出手段の検出出力を基に閉ループで前記圧電素子に電圧を印加してなることを特徴とする。本発明によれば、圧電素子で位置決めしようとする制御信号以外にオフセット電圧分の信号が圧電素子に印加されるため余分に圧電素子が変位しても、位置決め対象の移動制御を正確に実行できる、位置決め技術を提供することができる。
【００１５】
さらに本発明の他の形態によれば、監視手段は圧電素子に流れる電流を、予め設定したしきい値を基準として監視する。これにより、圧電素子の劣化を事前に防止することができる。しかも、本発明の他の形態は、前記監視手段が、前記圧電素子に流れる電流がしきい値を超えたことを検出した場合に、報知する報知手段をさらに有するため、圧電素子の劣化を外部からユーザが知ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、圧電素子に常時電圧を印加しなくても位置決め対象を高精度に位置決め可能な位置決め技術を提供することにある。また、本発明は、粗動位置決め機構と微動位置決め機構を併用して、迅速、かつ精密に位置決め対象を目的位置に対して位置決めを行う際に、微動位置決め機構の劣化度合いを外部から監視することができ、特に微動位置決め機構が機能を失う前にその異常を確実に検出することができるようにした、位置決め技術を提供することができる。
【００１７】
また、本発明は、位置決め対象を目的位置に対して粗動移動させる際に前記圧電素子に電圧を印加せず、微動移動させる際に圧電素子に電圧を印加しても、位置決め対象の移動制御を正確に実行できる、位置決め技術を提供することができる。さたにまた、本発明によれば、微動時のみ圧電素子に電圧を印加して位置決め対象の位置決めを行うようにしたため、アクチュエータの長寿命化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す位置決め装置のブロック構成図である。図１において、位置決め装置１０は、ボールねじ軸１２、テーブル１４、圧電素子(ピエゾ)１６、ボールナット１８、リニアスケール２０、スケールヘッド２２、モータ(電動モータ)２４、ピエゾドライバ２６、モータドライバ２８、コントローラ３０などを備えて構成されている。
【００１９】
ボールねじ軸１２は、軸状部材として回転自在に位置決め装置１０に配置されている。ボールねじ軸１２の軸方向一端側は、支持軸受３２に回転自在に軸支され、ボールねじ軸の他端側は一対の固定軸受３４に回転自在に軸支されている。さらに、ボールねじ軸は、カップリング３６を介してモータ２４の回転軸３８に連結されている。
【００２０】
支持軸受３２と一対の固定軸受３４はベース４０上に相対向して固定されている。モータ２４は、その本体がベース４０のフランジ（凸部）４２に固定され、モータドライバ２８を介してコントローラ３０に接続されている。モータ２４には、位置決め対象を目的位置に向けて粗動させる時に、コントローラ３０からの制御信号によりモータドライバ２８を介してモータ２４が正方向または逆方向に回転されると、モータ２４の回転に伴う駆動力がカップリング３６を介してボールねじ軸１２に伝達され、モータ２４の回転に伴ってボールねじ軸１２が回転するようになっている。
【００２１】
テーブル１４は、位置決め対象となる可動体として平板部１４ａと支持部１４ｂを備えて構成されている。平板部１４ａにはリニアスケール２０が固定され、支持部１４ｂにはボールねじ軸１２が挿通されているとともに、圧電素子１６が連結されている。
【００２２】
この圧電素子１６は、ボールねじ軸１２の外周側に、ボールねじ軸１２の軸方向に沿って装着されている。圧電素子１６はその軸方向端部が支持板４４を介して、ボールねじ軸１２の途中に挿入されたボールねじナット１８に連結されている。さらに、圧電素子１６はピエゾドライバ２６を介してコントローラ３０に接続されており、コントローラ３０からの信号にしたがってピエゾドライバ２６から圧電素子１６に電圧が印加されたときに変位し、テーブル１４をボールねじ軸１２の軸方向に沿って移動させる圧電アクチュエータとして構成されている。圧電素子１６は、ピエゾドライバ２６から電圧が印加されたときには、印加電圧に応じてボールねじ軸１２の軸方向に沿って直線運動して、テーブル１４をボールねじ軸１２の軸方向に沿って移動させる。
【００２３】
一方、テーブル１４とベース４０との相対位置を検出するために、リニアスケール２０と相対向してスケールヘッド２２が配置されており、このスケールヘッド２２はベース４０に固定されている。リニアスケール２０上には複数のスリット目盛あるいは反射目盛が一定の間隔を保って形成されており、スケールヘッド２２は、リニアスケール２０上のスリット目盛を透過した光あるいは反射目盛で反射した光を受光する受光素子を有し、受光素子の出力信号を位置情報としてコントローラ３０に出力するようになっている。なお、リニアスケールをベース側に固定し、スケールヘッドをテーブル側に固定しても良い。
【００２４】
コントローラ３０は、例えば、演算手段としてのＣＰＵや記憶手段としてのＲＡＭ、ＲＯＭなどのハードウエア資源を備えたマイクロコンピュータで構成されており、所定のプログラムおよびスケールヘッド２２からの位置情報を基に各種の演算を行い、演算結果に従ってモータドライバ２８にモータ指令を出力するとともに、ピエゾドライバ２６にＴＴＬ信号を出力して、モータ２４と圧電素子１６の駆動を制御する制御手段として構成されている。
【００２５】
具体的には、コントローラ３０は、テーブル１４を粗動させ、そして、その後これを微動させることによってテーブル１４を目標位置に位置決めするに際して、粗動時に、圧電素子１６に電圧を印加することなく、モータ２４を回転駆動し、モータ２４の回転に伴う駆動力をボールねじ軸１２に伝達してテーブル１４を目標位置近傍まで移動させ、その後の微動時に、モータ２４に対する制御を停止し、圧電素子１６にのみ電圧を印加し、圧電素子１６の直線運動によってテーブル１４を目標位置に位置決めするようになっている。テーブル１４は、圧電素子１６を介してボールねじ１８に接続されている。圧電体１６及びテーブル１４の中心を回転軸１２が、圧電体素子１６及びテーブル１４と非接触に貫通している。したがって、モータ２４が回転して回転軸１２が回転すると、ナット１８が軸方向に沿って移動し、これに伴いテーブル１４も移動する。次いで、モータ２４が停止状態で圧電素子に電圧を印加して圧電素子を駆動させると、圧電素子の伸長に伴い、テーブルが１４が回転軸１２の軸方向に沿って移動する。なお、ピエゾドライバ２６とモータドライバ２８をコントローラ３０に組込み、コントローラ３０とピエゾドライバ２６およびモータドライバ２８を一体化することもできる。
【００２６】
次に、位置決め装置の具体的な動作を図２の波形図および図３のフローチャートにしたがって説明する。まず、コントローラ３０は、粗動による制御を行うに際して、粗動開始か否かを判定し（ステップＳ１）、粗動開始でないときには処理を終了し、粗動を開始するときには、ピエゾドライバ２６に対してＴＴＬ信号として、ローレベルの信号を出力し、モータドライバ２８に対してはモータ(駆動)指令としてパルス信号を出力する。
【００２７】
ピエゾドライバ２６は、ＴＴＬ信号としてローレベルの信号を受信したときには圧電素子１６に対する電圧の印加を停止した状態にある。モータドライバ２８は、モータ指令としてのパルス信号が入力されたときには、入力されたパルス信号にしたがった電圧をモータ２４に印加する。
【００２８】
このときコントローラ３０は、スケールヘッド２２の位置情報を基にモータ指令を生成し、スケールヘッド２２の検出による位置情報をフィードバック情報として閉ループでモータ２４の回転駆動を制御し、モータ２４の回転駆動によってテーブル１４を目標位置近傍に位置決めする(ステップＳ２)。すなわち、粗動時には、テーブル１４は、モータ２４の回転駆動によって、目標位置近傍まで徐々に移動し、目標位置近傍に位置決めされる。この後、コントローラ３０は、粗動が終了したか否かを判定し（ステップＳ３）、これが肯定された場合は、後述のように、モータ指令信号をローレベル(一定)にしてパルス出力を停止する。この際、ピエゾドライバ２６から圧電素子に電圧を印加できるようにするために、コントローラ３０は、ＴＴＬ信号をローレベルからハイレベルに反転する(ステップＳ４)。
【００２９】
次に、コントローラ３０は、微動開始か否かを判定し（ステップＳ５）、微動開始でないときにはステップＳ４の処理に戻り、微動開始のときには、モータ２４に対する電圧の印加を停止するために、モータ指令の出力を停止する。このときピエゾドライバ２６からは、ＴＴＬ信号がハイレベルになったことに伴って、微動開始時の電圧が出力され、この電圧が圧電素子１６に印加される。
【００３０】
この微動開始時における、圧電素子１６に印加される電圧は、粗動終了時における位置決め対象の位置と目標位置との位置決め誤差分に相当する、圧電素子の伸長量を発揮する電圧値(オフセット電圧)である。微動開始時の電圧が圧電素子１６に印加されると、圧電素子１６は印加電圧に応じて伸長する。すなわち、コントローラ３０は、スケールヘッド２２の位置情報によらず、粗動終了後、先ずはピエゾドライバ(圧電素子)を開ループで駆動制御し、テーブル１４がボールねじ軸１２の軸方向に沿って移動するようにした（ステップＳ６）。なお、開ループ制御の下で圧電素子１６に電圧が印加される場合、圧電素子１６にパルス状の電圧を単に印加すると、リンギング現象が生じることがある。そのため、この実施形態においては、非パルス状の、矩形波あるいは所定の時間勾配を有する電圧が圧電素子１６に印加されるようにして、リンギング現象が生じるのを防止している。
【００３１】
ステップ６で開ループによる制御が行われたあとは、コントローラ３０は、スケールヘッド２２の位置情報を基に閉ループによる、ピエゾドライバ２６（圧電素子１６）の制御を実行する。このとき、閉ループによる制御を行うための指令がピエゾドライバ２６に与えられ、ピエゾドライバ２６からは、閉ループ制御を行うための電圧が圧電素子１６に印加され、テーブル１４は目標位置に位置決めされる(ステップＳ７)。このあと、コントローラ３０は、微動終了か否かを判定し（ステップＳ８）、微動が終了していないときにはステップＳ７の処理に戻り、微動が終了したときには、ＴＴＬ信号をハイレベルからローレベルに反転して、圧電素子１６に対する電圧印加を停止し（ステップＳ９）、次に、再度粗動を行うか否かを判定するためにステップＳ１の処理に戻り、再度、粗動を行いときには、ステップＳ２からステップＳ９までの処理を繰り返し、粗動を行わないときには処理を終了する。
【００３２】
このように、本実施形態においては、テーブル１４を目標位置まで移動させるに際して、粗動と微動を行い、粗動時には圧電素子１６に電圧を印加することなく、モータ２４にのみ電圧を印加し、微動時には、モータ２４に電圧を印加することなく、圧電素子１６にのみ電圧を印加してテーブル１４の位置決めを行うようにしたため、圧電素子１６に常に電圧が印加されることはなく、圧電素子１６の長寿命化を図ることができる。
【００３３】
圧電素子１６に一定値の電圧を印加して、圧電素子を開ループで駆動する際、位置決め対象を駆動させる方向が、粗動の際の位置決め対象を移動させる方向と同じ場合、制御手段３０は、位置決め対象を圧電素子に電圧を印加して移動する量の分、位置決め対象を粗動させる量を小さくなるようにし、方向が逆な場合、位置決め対象を圧電素子に電圧を印加して移動する量の分、位置決め対象粗動させる量の分を大きくなるよう設定する、
また、従来のように、圧電素子１６にオフセット電圧を常時印加し、これに圧電素子の駆動信号を加え、その駆動信号の分で圧電素子を伸長させたことに比較して、圧電素子を開ループ制御する場合に所定の電圧を印加して圧電素子を案内対象を凡そ目的位置まで移動させ、次いで圧電素子を閉ループ制御して目標位置まで正確に移動させるようにしたため、圧電素子を利用して位置決め対象の位置決めに要する圧電素子の変位量を従来に比較して少なくできる。
【００３４】
次に本発明に係る第２の実施形態について説明する。図7には、本実施の形態の位置決め装置１０の概略が示されている。なお、この実施形態に係る位置決め装置は凡そ図１の装置と同じであるために、説明を一部省略することがある。位置決め装置１０は、ベース４０の両端（図１の左右方向）には、ブラケット６４、４２が立設されており、それぞれ支持軸受６８（図１の左端のブラケット６４の内部のみ図示）が収容されている。
【００３５】
このブラケット６４、４２間には、ボールねじ機構部のシャフト１２を主体とする回転部材７２（後述）が掛け渡されて、回転可能に支持されている。シャフト１２には、雄ねじが形成されている。シャフト２０には、当該シャフト２０の雄ねじに螺合した転がり案内部材(ボールねじナット)１８が取り付けられている。この転がり案内部材１８には、被移動体であるテーブル１４が取り付けられている。
【００３６】
図１の右側のブラケット４２の右側面には、回転モータ（ステッピングモータ）２４が取り付けられている。回転モータ２４の回転軸８０は、前記右側のブラケット４２を貫通し、カップリング３６を介して、前記シャフト１２に同軸的に連結される圧電アクチュエータ８４の軸棒８６に同軸的に取り付けられている。この回転軸８０と軸棒８６と前記シャフト１２によって前記回転部材７２が構成されている。また、前記回転モータ２４と前記ボールねじ機構部とによって、粗動用の位置決め機構を構成している。
【００３７】
テーブル１４の下面と、前記ベース１２の上面とには、互いに対向するように測長センサユニット２０が取り付けられている。この測長センサユニット２０は、テーブル１４がシャフト１２の軸線方向に沿って移動した量を検出する機能を有しており、その検出信号は、コントローラ３０へ送出されるようになっている。
【００３８】
この測長センサユニット２０からの検出信号を受けたコントローラ３０は、回転モータ２４を駆動するモータドライバ２８を制御して、予め定められた、テーブル１４に対する目標位置に基づいて、前記モータドライバを閉ループ制御（フィードバック制御）する。
【００３９】
測長センサユニット２０とカップリング３６との間には、圧電アクチュエータ８４が配設されている。圧電アクチュエータ８４は、中空の筐体９４内に、２連の固定軸受９６、９８が収容された構造を備え、前記軸棒８６が回転可能に支持されている。筐体９４内には、圧電素子１６が配設され、この圧電素子１６に所定の電圧を印加することで、軸棒８６を軸線方向（図１の水平方向）へ変位させることができる。
【００４０】
圧電素子１６への電圧は、コントローラ３０からの信号（テーブル１４の目標位置に基づく信号）で動作するＰＺＴアンプ（ピエゾドライバ）２６から印加されるようになっている。この圧電素子１６による軸棒８６の変位が、シャフト１２を介してテーブル１４へ伝わり、この結果、テーブル２６が微調整される（微動位置決め制御）。なお、この微動位置決め制御においても、測長センサユニット２０からの検出信号に基づいてフィードバック制御される。
【００４１】
位置決め装置１０において、コントローラ３０では、位置決め開始に際して、粗動位置決め機構を動作させる。すなわち、回転モータ２４の駆動のみとし、圧電素子１６への電圧印加が行われない。この状態で、テーブル１４を目標位置の近傍まで移動する。ここで、目標位置の近傍とは、圧電素子１６へ定格電圧に近い電圧（所定電圧）を印加したときの変位量（最大変位量）に相当する。粗動位置決め機構による粗動位置決めが終了した時点で、微動位置決め機構を動作させる。コントローラ３０は、圧電素子１６に対して所定電圧を印加するようにＰＺＴアンプ２６を制御する。この結果、圧電素子１６には定格に近い電圧がしばらく印加され続ける。
【００４２】
ここで、ＰＺＴアンプ２６には、ＰＺＴ監視部１０４が接続されている。このＰＺＴ監視部１０４では、ＰＺＴアンプ１０２による圧電素子１６への印加電圧に基づく電流が検出されるとともに、検出した電流値と予め設定したしきい値の電流値との比較を行っている。このしきい値との比較の結果は、コントローラ３０へ送出される。コントローラ３０では、比較の結果に基づいて、圧電素子１６の異常の有無を判別し、異常が判定された場合には、報知装置１０６に信号を出力すると共に、ＰＺＴアンプ２６への信号の出力を禁止する。報知装置１０６は、例えば、表示装置やブザー等で構成され、操作者の視覚や聴覚を通じて、異常を迅速に報知する役目を有している。
【００４３】
以下に本実施の形態の動作を図7のフローチャート、並びに図8のタイミングチャートに基づいて説明する。図７に示される如く、ステップ１００では、初期指令値が入力されたか否かが判断され、肯定判定されるとステップ１０２へ移行して圧電素子１６への電圧印加をオフ状態とし、次いでステップ１０４へ移行して粗動制御が閉ループ制御（フィードバック制御）で実行される。
【００４４】
次のステップ１０６では、粗動位置決め制御によりテーブル１４が目標位置（ここでは、目標位置の近傍）まで到達したか否かが判断され、否定判定の場合には、ステップ１０４の閉ループ制御が繰り返される。また、ステップ１０６で肯定判定がされると、ステップ１０８へ移行して圧電素子１６へ所定電圧（オフセット電圧）が印加される。このオフセット電圧の印加によって、テーブル１４が微動制御されて目的位置へ接近する。
【００４５】
次のステップ１１０では、圧電素子１６への電圧印加に基づく電流値を測定し、次いでステップ１１２へ移行して、この測定した電流値がしきい値よりも大きいか否かが判断される。ここで、否定判定、測定した電流値がしきい値以下であると判定された場合には、ステップ１１４へ移行して微動制御が閉ループ制御（フィードバック制御）で実行される。
【００４６】
次のステップ１１６では、微動位置決め制御によりテーブル２６が目標位置（ここでは、本来の目標位置）まで到達したか否かが判断され、否定判定の場合には、ステップ１１４の微動制御が繰り返される。また、ステップ１１６で肯定判定されると、位置決め対象を目的位置への置決めできたと判断し、ステップ１１８へ移行して、次のテーブル２６の移動、すなわち次の指令値が入力されているか否かが判断され、肯定判定されると、ステップ１０２へ戻り、上記工程を繰り返す。また、ステップ１１８で否定判定された場合は、位置決め制御が終了する。
【００４７】
ステップ１１２において、測定した電流値がしきい値よりも大きいと判定された場合には、圧電素子１６に異常がある（劣化、寿命等）と判断され、ステップ１２０へ移行して、微動制御を中止し（ＰＺＴアンプ２６への信号出力禁止）、次いでステップ１２２へ移行してＰＺＴ異常を報知し（報知装置１０６への信号出力）、このルーチンは終了する。
【００４８】
図８のタイミングチャートは、上記制御による目標値（目標値１と目標値２）へ位置決め対象を位置決めするタイミングを示している。圧電素子１６を見かけ上伸縮動作させる場合、予め圧電素子１６にオフセット電圧を印加する。微動制御の際、オフセット電圧を圧電素子に印加して、粗く、すなわち、圧電素子１６により位置決め対象の位置の補正が可能な領域まで位置決め対象を目的位置に向けて移動させる。このとき、圧電素子１６にオフセット電圧を印加することにより、テーブル１４が変位する分を考慮し、初期位置決めを行う。初期位置決めが終了した後、続いて圧電素子に微動制御を加える際、微動制御のための駆動電圧をさらに圧電素子２２に印加する。
【００４９】
オフセット電圧を圧電素子５０に印加することで、圧電素子１６が変位し、圧電素子に電流が流れる。この電圧値を常にコントローラ３０側で確認する。電流の測定は、例えば、図９に示すように圧電素子１６に直列に取り付けられた抵抗１０８の電圧を電圧測定部１１０によって測定することにより行う。なお、図１0に示すように、ＰＺＴアンプ２６にゲイン１１２、出力部１１４、電流測定部１１６で構成されるロジックを組み込み、制御信号入力部１１８を介してコントローラ３０から駆動信号を出力することで電流値を測定するようにしてもよい。
【００５０】
オフセット電圧分圧電素子１６を変位させるために必要であり、かつ圧電素子の寿命が尽きる電流値は予め分かっているので、これを予めコントローラ３０の記憶資源に記憶させておく。位置決め対象の微動制御を開始した後、圧電素子１６を変位させたときに流れる電流値と、記憶された電流値とをコントローラが比較して、圧電素子１６の状態を監視し、予め設定したしきい値より多く電流が圧電素子を流れていないか否かを監視する。
【００５１】
設定すべき電流値の閾値は、圧電素子１６に対する限界の電流値未満でこれに近い電流値であることが好ましい。コントローラ３０が電流値を監視し、圧電素子１６に異常がなければ、このまま位置決め対象の微動位置決め制御を開始或いは続行し、異常があれば、これを操作者にコントローラ３０上で報知し、微動位置決め制御を終了或いは中断する。これにより、常時、圧電素子１６に電圧が印加されていないため、静的歪による圧電素子１６の劣化を防ぐことができる。さらに、圧電素子１６にセンサを取り付けなくても劣化状況を把握することができ、かつ破損する直前に圧電素子を交換することが可能となる。
【００５２】
なお、図６では、テーブル１４とボールねじナット１８とを連結し、一対の固定軸受９６を収納する軸受本体内に圧電素子１６を挿入している。圧電素子１６の一端を固定軸受９６の外輪に間座を介して接触させ、他端を筐体９４に接触させる。ボールねじ軸１２の外周にばね材２００を設け、このばね材を軸受９６とねじ軸のフランジ部２０２との間に圧縮状態で配置して、軸受９６を押圧する。モータ２４の回転駆動による粗動制御時には、各固定軸受９６に付与される力は組立時の予圧のみであるため、粗動制御中、圧電素子１６の変位によって各固定軸受９６がトルク変動するのを防止することができる。さらに、圧電素子１６が予圧されているために、従来より部品点数を少なくすることができる。なお図１乃至図３で説明した実施形態を図１の構造に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施例を示す軸受装置のブロック構成図である。
【図２】図１に示す位置決め装置の作用を説明するための波形図である。
【図３】図１に示す位置決め装置の作用を説明するためのフローチャートである。
【図４】従来技術で用いられたピエゾドライバの回路構成とその波形図である。
【図５】従来技術で用いられたピエゾドライバの回路構成とその波形図である。
【図６】本実施の形態に係る粗微動位置決め装置の概略構成図である。
【図７】本実施の形態に係る粗微動位置決め制御の流れを示す制御フローチャートである。
【図８】本実施の形態に係る粗微動位置決め制御による変位状態を示すタイミングチャートである。
【図９】圧電素子の電流を検出するための回路構成の一例を示す概略図である。
【図１０】圧電素子の電流を検出するためのロジックを機能的に示したブロック図である。
【００５４】
１０  位置決め装置
１２  ボールねじ
１４  テーブル
１６  圧電素子
１８  ボールねじナット
２０  リニアスケール
２２  スケールヘッド
２４  モータ
２６  ピエゾドライバ
２８  モータドライバ
３０  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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