(57)【要約】【課題】  予圧変動や摩耗粉噛み込み等があっても、駆動特性が変動しないとともに、超音波モータの摩擦部材の摩耗量を低減させる案内装置及びその駆動制御方法を提供する。【解決手段】  可動体が、ＰＩＤフィードバック制御される超音波モータによって摩擦駆動される案内装置において、前記超音波モータの駆動電圧の駆動開始から駆動終了までの変動幅を５００ｍＶ以下に制御する。【選択図】図３
2006288004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動体が、ＰＩＤフィードバック制御される超音波モータによって摩擦駆動される案内装置において、
前記超音波モータの駆動電圧の駆動開始から駆動終了までの変動幅を５００ｍＶ以下に制御することを特徴とする案内装置の駆動制御方法。
【請求項２】
前記ＰＩＤフィードバック制御において、各サーボループ間の駆動電圧の変動幅を２００ｍＶ以下に制御することを特徴とする、請求項１記載の駆動制御方法。
【請求項３】
前記ＰＩＤフィードバック制御において、各サーボループ間の位置偏差の変動幅を、駆動開始から駆動終了までの位置偏差の８０％以下に制御することを特徴とする、請求項１記載の駆動制御方法。
【請求項４】
駆動終了直前の停止遅延時間を５００ミリ秒以下に制御することを特徴とする、請求項１記載の駆動制御方法。
【請求項５】
可動体と超音波モータとの間に配置された駆動力伝達チップは、アルミナ、アルミナ−ＴｉＣ又はアルミナ−ＴｉＮのいずれかであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかひとつに記載の駆動制御方法。
【請求項６】
ＰＩＤフィードバック制御される超音波モータと、
前記超音波モータとの摩擦力により駆動される可動体と、
前記可動体の現在の位置を検出する位置検出手段と、
前記位置検出手段から得られた現在位置情報と、所定の基準位置情報との位置偏差を基にして、超音波モータを駆動するための駆動電圧をＰＩＤフィードバック制御する駆動電圧制御部と、を備え、
前記駆動電圧制御部は、
駆動電圧の変化量及び位置偏差を時系列的にそれぞれ監視する監視部と、
前記監視部で測定した駆動電圧の変化量および位置偏差が、それぞれ、所定の変動幅以内にあるか否かを判定する判定部と、
前記判定部にて判定した結果に基づいて、駆動電圧の変化量および位置偏差が、所定の変動幅内となるようにＰＩＤフィードバック制御のパラメータを調整するパラメータ調整部と、を有し、
前記超音波モータの駆動電圧の駆動開始から駆動終了までの変動幅を５００ｍＶ以下に制御することを特徴とする案内装置。
【請求項７】
前記ＰＩＤフィードバック制御において、各サーボループ間の駆動電圧の変動幅を２００ｍＶ以下に制御することを特徴とする、請求項６記載の案内装置。
【請求項８】
前記ＰＩＤフィードバック制御において、各サーボループ間の位置偏差の変動幅を、駆動開始から駆動終了までの位置偏差の８０％以下に制御することを特徴とする、請求項６記載の案内装置。
【請求項９】
駆動終了直前の停止遅延時間を５００ミリ秒以下に制御することを特徴とする、請求項６記載の案内装置。
【請求項１０】
可動体と超音波モータとの間に配置された駆動力伝達チップは、アルミナ、アルミナ−ＴｉＣ又はアルミナ−ＴｉＮのいずれかであることを特徴とする、請求項６乃至９のいずれかひとつに記載の案内装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直線運動や回転運動する可動体を超音波モータによって駆動する案内装置に関する。本発明は、特に、精密加工用工作機械や精密測定装置や半導体製造工程等における描画露光装置に好適に用いられる案内装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波モータは、最小振動振幅がナノメートルオーダーと小さいために高分解能の位置決めが可能であるとともに、小型であるにもかかわらず摩擦駆動であるために駆動力が大きいといった特徴を有している。そのために、超音波モータは、カメラのレンズズーム機構や腕時計用バイブレーションアラーム等の回転駆動系案内装置の駆動源への実用化が検討されている。
【０００３】
また、近年、超音波モータを直線駆動系案内装置の駆動源に適用することも検討されている。
【０００４】
図１は、直線駆動系の案内装置１０１の駆動源として超音波モータ１１５を用いた従来技術に係る案内装置１０１の一例を示している。この案内装置１０１は、ベース基板１１１上にクロスローラーガイドのごとき一対のガイド部材１１２を備えており、これらのガイド部材１１２に沿って可動体としてのステージ１１３が直線的に案内されるように構成されている。
【０００５】
また、ステージ１１３の一方の側面には、駆動力伝達部材１１４が、ガイド部材１１２に対して平行に配設されている。また、ステージ１１３の他方の側面には、リニアスケール１１６ａが上記駆動力伝達部材１１４に対して平行に配設されている。該リニアスケール１１６ａと対向する位置には、位置検出手段１１６を構成する測定ヘッド１１６ｂが配設されている。上記駆動力伝達部材１１４に対向する位置には、超音波モータ１１５が配設されており、超音波モータ１１５の摩擦部材１１５ａが上記駆動力伝達部材１１４の当接面に対して直交に当接している。
【０００６】
なお、バネ１１５ｃは、超音波モータ１１５をステージ１１３の駆動力伝達部材１１４に対して弾性的に当接させるためのものであり、弾性体１１５ｂは、ベース基盤１１１上に固定されたケース１１５ｄ内に超音波モータ１１５を弾性的に保持するためのものである。
【０００７】
そして、ステージ１１３の移動に伴って得られる位置検出手段１１６からの現在位置情報と、予め設定してあるステージ１１３の移動プロファイルに基づく基準位置情報との差違である位置偏差が算出される。算出された位置偏差に応じて駆動電圧制御部１１０において、ＰＩＤフィードバック演算処理が実行されて、超音波モータ１１５へ駆動電圧を出力するフィードバック制御が行われている。このようなＰＩＤフィードバック制御によって、ステージ１１３の移動及び位置決めが高精度に行われている。このとき、ＰＩＤフィードバック制御するための制御パラメータすなわちＰ項、Ｉ項、Ｄ項は、ステージ１１３の移動途中の位置精度や位置決め精度が所定のスペックを満足しているか否かを事前に実験的に求める予備実験によって、試行錯誤的に決定されていた。
【０００８】
図１に示した従来技術に係る案内装置１０１は、駆動電圧制御部１１０の制御パラメータ（Ｐ項、Ｉ項、Ｄ項）が事前の予備実験によって固定的に決定されているものであるので、超音波モータ１１５の摩擦部材１１５ａや駆動力伝達部材１１４の摩耗に伴う予圧の変動や、摩耗した粒子の噛み込み等による突発的な駆動特性の変動に的確に対応することができないという問題を有している。
【０００９】
このような理由で、図１に示した従来技術に係る案内装置１０１は、最終的な位置決め精度だけでなく移動途中における位置精度にも高い精度が要求される精密加工用工作機械や精密測定装置あるいは半導体製造工程における描画露光装置の案内装置に適用され難いという問題を有している。
【００１０】
上記問題を解決するために、本願の出願人らは、上述したような突発的な駆動特性の変動に対処する方策をいくつか提案している（例えば、特許文献１）。
【００１１】
しかしながら、一定時間、案内装置を駆動させると、超音波モータの摩擦部材が、予定していた以上に大きく摩耗していることが確認された。
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−３３０５９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、本発明の解決すべき技術的課題は、ＰＩＤ制御パラメータを試行錯誤的に決定されていたＰＩＤ制御パラメータ設定の個人差を無くすことであり、摩耗量が大きくなるようなＰＩＤ制御パラメータの誤設定を防止することであり、予圧変動や摩耗粉噛み込み等があっても、駆動特性が変動しないとともに、超音波モータの摩擦部材の摩耗量を低減させる案内装置及びその駆動制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段および作用・効果】
【００１４】
上記技術的課題を解決するために、本発明によれば、
可動体が、ＰＩＤフィードバック制御される超音波モータによって摩擦駆動される案内装置において、
前記超音波モータの駆動電圧の駆動開始から駆動終了までの変動幅を５００ｍＶ以下に制御することを特徴とする案内装置の駆動制御方法が提供される。
【００１５】
可動体が、ＰＩＤフィードバック制御される超音波モータによって摩擦駆動される案内装置において、駆動開始から駆動終了までの巨視的な駆動電圧の変動幅を５００ｍＶ以下に制御することによって、予圧変動や摩耗粉噛み込み等があっても、駆動特性が変動しないとともに、超音波モータの摩擦部材の摩耗量も低減することを見出した。
【００１６】
好ましくは、ＰＩＤフィードバック制御において、各サーボループ間の微視的な駆動電圧の変動幅を２００ｍＶ以下に制御する。
【００１７】
ＰＩＤフィードバック制御において、各サーボループ間の微視的な位置偏差の変動幅は、可動体の駆動に影響を与えない範囲で任意で設定することができるが、駆動開始から駆動終了までの巨視的な位置偏差の８０％以下に制御することが好ましい。
【００１８】
好ましくは、駆動終了直前の停止遅延時間を５００ミリ秒以下に制御することによって、摩耗量を低減させることができることを見出した。
【００１９】
好ましくは、可動体と超音波モータとの間に配置された駆動力伝達チップは、耐摩耗性に優れている、アルミナ、アルミナ−ＴｉＣ又はアルミナ−ＴｉＮのいずれかである。
【００２０】
上述した記駆動制御方法は、
ＰＩＤフィードバック制御される超音波モータと、
前記超音波モータとの摩擦力により駆動される可動体と、
前記可動体の現在の位置を検出する位置検出手段と、
前記位置検出手段から得られた現在位置情報と、所定の基準位置情報との位置偏差を基にして、超音波モータを駆動するための駆動電圧をＰＩＤフィードバック制御する駆動電圧制御部と、を備え、
前記駆動電圧制御部は、
駆動電圧の変化量及び位置偏差を時系列的にそれぞれ監視する監視部と、
前記監視部で測定した駆動電圧の変化量および位置偏差が、それぞれ、所定の変動幅以内にあるか否かを判定する判定部と、
前記判定部にて判定した結果に基づいて、駆動電圧の変化量および位置偏差が、所定の変動幅内となるようにＰＩＤフィードバック制御のパラメータを調整するパラメータ調整部と、を有し、
前記超音波モータの駆動電圧の駆動開始から駆動終了までの変動幅を５００ｍＶ以下に制御する案内装置によって実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明の一実施形態に係る案内装置１について、図２乃至４を参照しながら詳細に説明する。
【００２２】
図２は、本発明の一実施形態に係る案内装置の構成を模式的に示す図である。図３は、図２の案内装置を駆動制御する駆動パターンを模式的に説明する図である。図４は、図２の案内装置におけるフィードバック制御を説明するフローチャートである。
【００２３】
図２に示した案内装置１では、可動体としてのステージ１３の駆動源として、超音波モータ１５を用いている。案内装置１は、ベース基盤１１上にクロスローラガイドの如き一対のガイド部材１２を備え、この一対のガイド部材１２に沿ってステージ１３を直線的に案内するようになっている。
【００２４】
また、ステージ１３の一方の側面には、駆動力伝達部材１４がガイド部材１２に対して平行に配置されている。他方の側面には、リニアスケール１６ａがガイド部材１２に対して平行に配置されている。測定ヘッド１６ｂがリニアスケール１６ａと対向する位置に設置されている。位置検出手段１６は、リニアスケール１６ａ及び測定ヘッド１６ｂによって構成されている。駆動力伝達部材１４と対向する位置には、超音波モータ１５が配置されている。弾性部材としての複数のバネ１５ｂ，１５ｃは、ベース基盤１１上に固定されたケース１５ｄ内に超音波モータ１５を弾性的に支持するように配置されている。その結果、超音波モータ１５の摩擦部材１５ａは、上記駆動力伝達部材１４の当接面に対して垂直に弾性的に当接するように構成されている。
【００２５】
超音波モータ１５は、PZT（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電セラミックからなる圧電素子１５ｅを備えている。圧電素子１５ｅの一方の主面上に４つの電極が形成されていて、対向する位置にある電極が互いに結線されている。それとともに、圧電素子１５ｅの他方の主面上に一つの共通電極が形成されている。そして、超音波モータ１５は、４つの電極に対して互いに位相を９０度ずらした駆動電圧を印加することによって、摩擦部材１５ａが楕円運動するように構成されている。摩擦部材１５ａが楕円運動することによって、摩擦部材１５ａと摩擦係合するステージ１３がガイド部材１２に沿って移動するように構成されている。
【００２６】
超音波モータ１５は、単一の振動モードやモード変換型や多重モード型やモード回転型や複合振動型等の複数の振動モードといった各種振動モードを利用することができる。
【００２７】
圧電素子の駆動力伝達部材側の端面には、摩擦部材１５ａが設けられている。摩擦部材１５ａは、例えば、アルミナセラミックからできており、駆動力伝達部材１４に当接する当接部分は平滑な半球面状に加工されている。また、アルミナ−ＴｉＣ又はアルミナ−ＴｉＮのセラミックも摩擦部材１５ａとして使用可能である。
【００２８】
上述した位置検出手段１６と超音波モータ１５との間には、駆動電圧制御部１０が設けられている。駆動電圧制御部１０は、超音波モータ１５をフィードバック制御するためのものであり、監視部１７と、判定部１８と、パラメータ調整部１９と、記憶部と、電圧印加部とを備えている。
【００２９】
監視部１７は、フィードバック制御における各サーボループ間の駆動電圧の変化量、及び、現在位置情報と基準位置情報との位置偏差をそれぞれ時系列的に監視するためのものであり、中央演算処理回路（ＣＰＵ）やカウンタから構成される。そして、各サーボループ間の微視的な駆動電圧変化及び位置偏差の変動に加えて、駆動開始から駆動終了までの巨視的な駆動電圧変化及び位置偏差の変動を監視している。なお、現在位置情報とは、位置検出手段１６によって検出された、移動途中のステージ１３の現在の変位、速度及び加速度であり、基準位置情報とは、予め設定してあるステージ１３の変位、速度及び加速度、すなわち移動プロファイルである。したがって、位置偏差が小さいほど、実際の位置情報と、予め設定してある位置情報とが一致しており、ステージ１３の位置精度が高いことを意味している。
【００３０】
判定部１８は、各サーボループ間の微視的な駆動電圧の変化量および位置偏差が、それぞれ、所定の変動幅以内にあるか否かを判定するとともに、駆動開始から駆動終了までの巨視的な駆動電圧変化及び位置偏差が、それぞれ、所定の変動幅以内にあるか否かを判定するためのものであり、中央演算処理回路（ＣＰＵ）から構成される。本願発明者らの研究によれば、各サーボループ間における微視的な駆動電圧の変動幅は、駆動開始から駆動終了までの駆動電圧の変動幅の５０％以下であることが好ましい。それとともに、位置偏差の変動幅は、駆動開始から駆動終了までの位置偏差の変動幅の８０％以内であることが好ましい。さらに、駆動開始から駆動終了までの巨視的な駆動電圧の変動幅を５００ｍＶ以下にすることが、摩耗量の減少及び停止遅延時間の低減に好適であることが判明した。
【００３１】
パラメータ調整部１９は、判定部１８にて判定した結果に基づいて、駆動電圧のサーボループ間の変化量および位置偏差そして／又は駆動開始から駆動終了までの巨視的な駆動電圧変化及び位置偏差が、それぞれ、所定の変動幅以内となるようにＰＩＤフィードバック制御パラメータ（Ｐ項：比例項、Ｉ項：積分項、Ｄ項：微分項）を算出して調整するためのものであり、中央演算処理回路（ＣＰＵ）から構成される。
【００３２】
記憶部は、現在位置情報や基準位置情報やＰＩＤフィードバック制御パラメータやサンプリング周期等の各種データ及び制御プログラムを記憶するためのものであり、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリによって構成される。
【００３３】
電圧印加部は、算出されたＰＩＤフィードバック制御パラメータに基づいて、駆動信号としての駆動電圧を超音波モータ１５に印加するためのものであり、公知の電圧出力回路から構成される。尚、ＰＩＤフィードバック制御される指令値として出力される電圧は最大１０Ｖのコントロールユニットを用いた。この指令値を基にドライバーで増幅された交流電圧で超音波モータに駆動電圧として印加される。
【００３４】
超音波モータ１５に印加される駆動電圧が大きくなると、超音波モータ１５の摩擦部材１５ａの振幅量が大きくなり、印加される駆動電圧が小さくなると、振幅量が小さくなるというように、駆動電圧と振幅量との関係は、大略比例関係にある。したがって、駆動電圧の変化を見ることで超音波モータ１５の摩擦部材１５ａの振幅の度合いを把握することができる。例えば、ステージ１３が一定区間を移動するために大きな駆動電圧を必要とするときには、滑りが発生して、超音波モータ１５の摩擦部材１５ａが余計に動いていると判断でき、伝達効率が低下しているものと考えることができる。
【００３５】
したがって、各サーボループ間での駆動電圧変化を監視することで、位置偏差の監視だけでは把握することのできない超音波モータ１５の摩擦部材１５ａと駆動力伝達部材１４との当接部分における微少な滑りの状態を把握することができる。特に、サンプリング時間に相当するサーボループ間隔での駆動電圧変化を監視することで、駆動状態を更に細かく把握することができる。
【００３６】
本発明に係る案内装置１では、ステージ１３の位置決め精度だけでなく、移動途中におけるステージ１３の位置精度についても容易に把握することができる。また、監視部１７を設けることで、当接部分間の微少な滑りだけでなく、予圧変動や摩耗粉の噛み込み等による突発的変動の発生によって当接部分間に滑りが発生した場合でも、駆動状態を即座に把握できることは言うまでもない。
【００３７】
次に、上記案内装置１での超音波モータ１５を駆動制御する駆動電圧波形について、図３の模式図を参照しながら説明する。
【００３８】
図３において、横軸が時間であり、縦軸が超音波モータ１５に印加される駆動電圧である。駆動開始から駆動終了までの駆動電圧波形は、あるサーボループで印加される個々の駆動電圧をつないだ微視的波形と、微視的な波形が駆動開始から駆動終了までの間に巨視的に変動していることを示す巨視的波形と、から構成されている。
【００３９】
図３の左側の大きな〇で囲った部分は、移動途中のあるときに印加された駆動電圧変化を部分的に拡大したものを模式的に示したものであり、その中にある小さな〇印ドット（・・・・、Ｓn-1、Ｓn、Ｓn＋1、・・・・・）は、それぞれ、移動途中のあるサーボループに印加された駆動電圧値を示している。図中のＢは、例えば、ｎ−１番目のサーボループにおける駆動電圧Ｓn-1と、ｎ番目のサーボループにおける駆動電圧Ｓnとの差、すなわち、あるサーボループの前後における駆動電圧の変動幅を示している。前後のサーボループの駆動電圧の変動幅Ｂは、好ましくは、２００ｍＶ以下に制御される。
【００４０】
図３の右側の大きな〇で囲った部分は、駆動終了直前の停止遅延時間ｔのときに印加された駆動電圧変化を部分的に拡大したものを模式的に示したものである。小さな〇印ドットも、それぞれ、停止遅延時間ｔのときに印加された駆動電圧値を示している。
【００４１】
なお、図中のＡは、駆動開始から駆動終了までの全範囲にわたる最大駆動電圧と最小駆動電圧との差、すなわち駆動開始から駆動終了までの駆動電圧の変動幅を示している。駆動電圧の変動幅Ａは、好ましくは、５００ｍＶ以下に制御される。
【００４２】
次に、上記案内装置１における超音波モータ１５のＰＩＤフィードバック制御を、図４のフローチャートを参照しながら説明する。
【００４３】
ステップ＃１００において、超音波モータ１５のＰＩＤフィードバック制御が開始される。
【００４４】
ステップ＃１０２において、使用者によってＰＩＤフィードバック制御の初期パラメータが設定されたあと、記憶部に保存される。
【００４５】
ステップ＃１０４において、記憶部に保存されている移動プロフィールから目標位置情報を取得するとともに、ステップ＃１０６において、位置検出手段１６から現在位置情報を取得する。
【００４６】
ステップ＃１０８において、目標位置情報と現在位置情報とから位置偏差が算出され、位置偏差が記憶部に保存される。ステップ＃１１０において、位置偏差からＰＩＤパラメータに基づいた駆動電圧が算出される。そして、ステップ＃１１２において、駆動電圧が超音波モータ１５に印加される。
【００４７】
ステップ＃１１４において、現在の駆動電圧と一つ前の駆動電圧との差、すなわち、サーボループ間の駆動電圧の変動幅Ｂが算出され、駆動電圧の変動幅Ｂが記憶部に保存される。
【００４８】
ステップ＃１１６において、現在の位置偏差が規格値（駆動開始から駆動終了までの全位置偏差）の８０％より小さいか否かが判定部１８によって判断される。現在の位置偏差が規格値の８０％より小さい場合、次の判断ステップ＃１１８に進むが、現在の位置偏差が規格値の８０％より大きい場合、ＰＩＤパラメータを変更するステップ＃１２６に進む。
【００４９】
ステップ＃１１８において、現在のサーボループ間の駆動電圧の変動幅Ｂが２００ｍＶより小さいか否かが判定部１８によって判断される。現在のサーボループ間の駆動電圧の変動幅Ｂが２００ｍＶより小さい場合、次の判断ステップ＃１２０に進むが、現在のサーボループ間の駆動電圧の変動幅Ｂが２００ｍＶより大きい場合、ＰＩＤパラメータを変更するステップ＃１２６に進む。
【００５０】
ステップ＃１２０において、ＰＩＤパラメータの調整確認の頻度が、所定の回数より小さいか否かが監視部１７によって判断される。ＰＩＤパラメータの調整確認の頻度が所定の回数より大きい場合、次の判断ステップ＃１２２に進むが、ＰＩＤパラメータの調整確認の頻度が所定の回数より小さい場合、ステップ＃１０４の目標位置情報の取得ステップに戻る。なお、ＰＩＤパラメータの調整確認の頻度は、数回や数日や数ヶ月等の任意頻度とすることができる。
【００５１】
ステップ＃１２２において、駆動開始から現在までの駆動電圧の変動幅Ａが５００ｍＶより小さいか否かが判定部１８によって判断される。駆動開始から現在までの駆動電圧の変動幅Ａが５００ｍＶより小さい場合、次の判断ステップ＃１２４に進むが、駆動開始から現在までの駆動電圧の変動幅Ａが５００ｍＶより大きい場合、ＰＩＤパラメータを変更するステップ＃１２６に進む。
【００５２】
ステップ＃１２４において、停止遅延時間ｔが５００ｍ秒より小さいか否かが判定部１８によって判断される。停止遅延時間ｔが５００ｍ秒より小さい場合、ステップ＃１２８でＰＩＤフィードバック制御が終了されるが、停止遅延時間ｔが２００ｍ秒より大きい場合、ＰＩＤパラメータを変更するステップ＃１２６に進む。
【００５３】
監視部１７で測定した位置偏差が所定の変動幅を超えた場合、ステージ１３の実際の位置と、予め設定してある位置との間にズレが大きくなりはじめていることを意味している。したがって、位置偏差が所定の変動幅以内となるように、ＰＩＤフィードバック制御パラメータ（Ｐ項、Ｉ項，Ｄ項）がパラメータ調整部１９によって変更される。そして、監視部１７で測定したサーボループ間の駆動電圧変動が、所定の変動幅を超えた場合、超音波モータ１５の摩擦部材１５ａと駆動力伝達部材１４との間に滑りが発生していることを意味している。したがって、サーボループ間の駆動電圧の変動量が最小となるように、ＰＩＤフィードバック制御パラメータ（Ｐ項、Ｉ項，Ｄ項）がパラメータ調整部１９によって変更される。
【００５４】
ＰＩＤフィードバック制御パラメータ（Ｐ項、Ｉ項，Ｄ項）を適切に変更することによって、超音波モータ１５の摩擦部材１５ａと駆動力伝達部材１４との当接面間における滑りを抑えることができる。特に、各サーボループ間の位置偏差の変動幅を、駆動開始から駆動終了までの位置偏差の変動幅の８０％以内とするとともに、各サーボループ間の駆動電圧の変動幅を、駆動開始から駆動終了までの駆動電圧の変動幅の５０％以下とすることで、ステージ１３を所定の目標位置に精度良く位置決めすることができる。それとともに、移動中におけるステージ１３の位置ズレも小さいため、安定した移動を実現することができる。さらには、超音波モータ１５の摩擦部材１５ａや駆動力伝達部材１４の異常摩耗を抑え、案内装置の寿命を向上させることができる。
【００５５】
なお、位置偏差や駆動電圧の変動幅が、所定の変動幅を満足できなくなった場合、ＰＩＤフィードバック制御パラメータによる調整だけでは異常摩耗を防ぐことができなくなったと考えて、メンテナンス信号を発するようにして、部品の交換等、案内装置のメンテナンスを行うようにすることができる。
【００５６】
したがって、本発明に係る案内装置１は、移動途中におけるステージ１３の高い位置精度が要求される精密加工用工作機械、精密測定装置、及び半導体製造工程における描画露光装置等にも適用することができる。
【実施例】
【００５７】
本発明のより具体的な実施の形態について、以下に説明する。
【００５８】
図１に示す超音波モータ１５をステージ１３の駆動源とする案内装置１を作成し、駆動制御方法の違いによる摩擦部材１５ａの摩耗量の差異を測定することにより、従来の駆動制御方法と、本発明の駆動制御方法との比較試験を行った。
【００５９】
案内装置１としては、ステージ１３とそれを案内するガイド部材１２には、２００ｍｍのストロークを有するクロスローラガイドを用いた。ステージ１３は、２５０ｍｍ×１２０ｍｍ×３０ｍｍの板状形状をしており、アルミニウム製のものである。ステージ１３上には不図示の重りを載せて、重りとステージ１３との総重量が１００Ｎとなるようにした。
【００６０】
ステージ１３を駆動する超音波モータ１５は、幅８ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚み３ｍｍの圧電素子と、その端面に取り付けられたアルミナセラミック製の摩擦部材１５ａとを備えている。摩擦部材１５ａの当接部分は、曲率半径が３ｍｍの半球面形状に加工されているとともに、表面粗度が中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０５μｍに加工されている。
【００６１】
ステージ１３の位置検出手段１６を構成するリニアスケールとしては、株式会社ミツトヨ製のリニアスケールＳ３３Ｃを用いた。リニアスケールをステージ１３の一方の側面に設置するとともに、検出ヘッドをリニアスケールに対向する位置に設置して、位置検出手段１６を構成した。ステージ１３の他方の側面には、アルミナセラミック製の駆動力伝達部材１４を設置した。
【００６２】
超音波モータ１５のステージ１３への駆動力の伝達効率が最大になるように予圧を負荷した初期設定状態で、ステージ１３が超音波モータ１５によって、移動距離２００ｍｍ、加速度０．１Ｇ、最高速度１００ｍｍ／ｓの台形形状に駆動制御されるように、ステージ１３の移動プロファイルを駆動制御部１０の記憶部に事前に登録した。そのあと、本発明の駆動制御方法では、各サーボループ間での駆動電圧の変化量を監視しながら、その変化量が所定の変動幅内に収まるように、超音波モータ１５のＰＩＤフィードバック制御パラメータ（Ｐ項、Ｉ項、Ｄ項）をパラメータ調整部１９によって決定した。例えば、Ｐ項を３００、Ｉ項を８、Ｄ項を１００に設定した。超音波モータを４０ｋＨｚの周波数で駆動させた。サーボループの時間は、０．３ミリ秒であり、各サーボループ間の変化量は、ストローク内での平均値とした。そして、各サーボループ間での駆動電圧の変化量が２００ｍＶの範囲内であり、駆動開始から駆動終了までの駆動電圧の変動幅を５００ｍＶ以下に収まるようにした。各サーボループ間での駆動電圧の変化量、駆動開始から駆動終了までの駆動電圧の変動幅及び位置偏差は、いずれも監視部１７で監視した。そして、それらが所定の変動幅内にあるか否かを判定部１８で判定した。
【００６３】
各サーボループ間での駆動電圧の変化量や位置偏差、駆動開始から駆動終了までの駆動電圧の変動幅、停止遅延時間等が、所定の値より大きくなった場合には、超音波モータ１５のＰＩＤフィードバック制御パラメータ（Ｐ項、Ｉ項、Ｄ項）をパラメータ調整部１９によって変更した。例えば、Ｐ項を３００、Ｉ項を８、Ｄ項を５００に設定した。
【００６４】
なお、本願発明の効果を確認するために、従来技術に係る駆動制御方法で同様の比較試験を行った。従来技術に係る比較試験では、案内装置１に取り付けられた超音波モータ１５の摩擦部材１５ａのみを新しいものに入れ替えて、各サーボループ間での駆動電圧の変化率を監視しながら変化率が最小になるようにＰＩＤフィードバック制御パラメータ（Ｐ項、Ｉ項、Ｄ項）を変更してＰＩＤフィードバック制御を行った。このとき、各サーボループ間での駆動電圧の変化率は、３０％以下の範囲内に収まるようにした。
【００６５】
本願発明に係る駆動制御方法によってステージ１３を１０００ｋｍ駆動させた後の超音波モータ１５の摩擦部材１５ａの摩耗量を測定した結果を表１に示した。また、比較例として、従来技術に係る駆動制御方法によってステージを１０００ｋｍ駆動させた後の超音波モータの摩擦部材の摩耗量を測定した結果を表１に示した。
【００６６】
【表１】
2006288004.tif 000003
【００６７】
表１から明らかなように、従来技術に係る駆動制御方法で駆動させた場合には、摩擦部材の摩耗量が０．２ｍｍ３であったのに対して、本発明に係る駆動制御方法で駆動させた場合には、摩擦部材１５ａの摩耗量が、０．１ｍｍ３であり、従来技術に係るものより大幅に減少していた。
【００６８】
各サーボループ間での駆動電圧の変化量が小さくても、駆動開始から駆動終了までの駆動電圧の変化量が大きく変動する場合がある。
【００６９】
従来技術に係る駆動制御方法では、各サーボループ間での駆動電圧の変化率しか監視しておらず、駆動開始から駆動終了までの駆動電圧の変化量は監視対象外であったために、摩擦部材の摩耗量が大きかったものと推察される。
【００７０】
これに対して、本発明では、各サーボループ間での駆動電圧の変化量Ｂを監視するとともに、駆動開始から駆動終了までの駆動電圧の変動幅Ａを監視対象として、駆動電圧の変化量を５００ｍＶとすることによって、超音波モータ１５の摩擦部材１５ａの摩耗量を低減している。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】従来技術に係る案内装置を説明する図である。
【図２】本発明に係る案内装置を説明する図である。
【図３】図２の案内装置の超音波モータを駆動制御する駆動パターンを模式的に説明する図である。
【図４】図２の案内装置におけるＰＩＤフィードバック制御を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００７２】
１  案内装置
１１  ベース基盤
１２  ガイド部材
１３  ステージ
１４  駆動力伝達部材
１５  超音波モータ
１５ａ  摩擦部材
１５ｂ  バネ
１５ｃ  バネ
１５ｄ  ケース
１５ｅ  圧電素子
１６  位置検出手段
１６ａ  リニアスケール
１６ｂ  測定ヘッド
１７  監視部
１８  判定部
１９  パラメータ調整部
Ａ  駆動開始から駆動終了までの駆動電圧の変動幅
Ｂ  前後のサーボループの駆動電圧の変動幅
【図１】
2006288004.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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