(57)【要約】【課題】超音波モータを間欠的に駆動することにより可動体の速度及び変位を精密に制御する。【解決手段】超音波モータ１１０により駆動される可動体１２０の変位目標値に基づいて駆動波の波数を波数決定部１０２で決定し、速度設定部１０３で設定される速度目標値に応じて決定されるインターバルを超音波モータに印加する駆動波の少なくとも１周期毎に挿入して駆動パターン生成部１０４で駆動パターンを生成し、この駆動パターンに基づいて所定インターバル毎に所定周波数の超音波モータの駆動波を波数決定部で決定された波数だけ駆動波形生成部１１で発生して超音波モータに供給する。【選択図】      図１
2004201405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波モータにより駆動される可動体の変位目標値に基づいて超音波モータに印加する駆動波の波数を決定する波数決定段階と、
超音波モータにより駆動される可動体の速度目標値に応じて決定されるインターバルを超音波モータに印加する駆動波の少なくとも１周期毎に挿入して駆動パターンを生成する駆動パターン生成段階と、
前記駆動パターン生成段階で生成された駆動パターンに基づいて、所定インターバル毎に所定周波数の超音波モータの駆動波を前記波数決定段階で決定された波数だけ発生する駆動波生成段階を含む超音波モータにより駆動される可動体の速度及び変位制御方法。
【請求項２】
前記駆動パターン生成段階が、可動体の速度目標値が低いほどインターバルを長く設定するものである請求項１に記載の超音波モータにより駆動される可動体の速度及び変位制御方法。
【請求項３】
超音波モータにより駆動される可動体の変位目標値と可動体の変位との差である変位偏差を算出する変位偏差算出段階と、
前記変位偏差算出段階で算出された変位偏差に基づいて超音波モータに印加する駆動波の波数を決定する波数決定段階と、
超音波モータにより駆動される可動体の速度目標値に応じて決定されるインターバルを超音波モータに印加する駆動波の少なくとも１周期毎に挿入して駆動パターンを生成する駆動パターン生成段階と、
前記駆動パターン生成段階で生成された駆動パターンに基づいて、所定インターバル毎に所定周波数の超音波モータの駆動波を前記波数決定段階で決定された波数だけ発生する駆動波生成段階を含む超音波モータにより駆動される可動体の速度及び変位制御方法。
【請求項４】
前記駆動パターン生成段階が、可動体の速度目標値が低いほどインターバルを長く設定するものである請求項１に記載の超音波モータにより駆動される可動体の速度及び変位制御方法。
【請求項５】
超音波モータにより駆動される可動体の変位目標値と可動体の変位との差である変位偏差を算出する変位偏差算出段階と、
前記変位偏差算出段階で算出された変位偏差に基づいて超音波モータに印加する駆動波の波数を決定する波数決定段階と、
超音波モータにより駆動される可動体の速度目標値と可動体の速度に応じて決定されるインターバルを駆動波の少なくとも１周期毎に挿入して駆動パターンを生成する駆動パターン生成段階と、
前記駆動パターン生成段階で生成された駆動パターンに基づいて、所定インターバル毎に所定周波数の超音波モータの駆動信号を前記波数決定段階で決定された波数だけ発生する駆動波生成段階を含む超音波モータにより駆動される可動体の速度及び変位制御方法。
【請求項６】
前記駆動パターン生成段階が、可動体の速度目標値と可動体の実際の速度との差である速度偏差が大きいほどインターバルを短く設定するものである請求項５に記載の超音波モータにより駆動される可動体の速度及び変位制御方法。
【請求項７】
変位目標値に基づいて超音波モータに印加する駆動波の波数を決定する波数決定手段と、
超音波モータにより駆動される可動体の速度目標値に応じて決定されるインターバルを超音波モータに印加する駆動波の少なくとも１周期毎に挿入して駆動パターンを生成する駆動パターン生成手段と、
前記駆動パターン生成手段で生成された駆動パターンに基づいて、所定インターバル毎に所定周波数の超音波モータの駆動波を前記波数決定手段で決定された波数だけ発生する駆動信号発生手段を具備する超音波モータにより駆動される可動体の速度及び変位制御装置。
【請求項８】
前記駆動パターン生成手段が、可動体の速度目標値が低いほどインターバルを長く設定するものである請求項７に記載の超音波モータにより駆動される可動体の速度及び変位制御装置。
【請求項９】
超音波モータにより駆動される可動体の変位を検出する変位検出手段と、
前記変位検出手段により検出される変位と変位目標値との差である変位偏差を算出する変位偏差算出手段と、
前記変位偏差算出手段で算出された変位偏差に基づいて超音波モータに印加する駆動波の波数を決定する波数決定手段と、
超音波モータにより駆動される可動体の速度目標値に応じて決定されるインターバルを超音波モータに印加する駆動波の少なくとも１周期毎に挿入して駆動パターンを生成する駆動パターン生成手段と、
前記駆動パターン生成手段で生成された駆動パターンに基づいて、所定インターバル毎に所定周波数の超音波モータの駆動波を前記波数決定手段で決定された波数だけ発生する駆動信号発生手段を具備する超音波モータにより駆動される可動体の速度及び変位制御装置。
【請求項１０】
前記駆動パターン生成手段が、可動体の速度目標値が低いほどインターバルを長く設定するものである請求項５に記載の超音波モータにより駆動される可動体の速度及び変位制御装置。
【請求項１１】
超音波モータにより駆動される可動体の変位を検出する変位検出手段と、
前記変位検出手段により検出される変位と変位目標値との差である変位偏差を算出する変位偏差算出手段と、
前記変位偏差算出手段で算出された変位偏差に基づいて超音波モータに印加する駆動波の波数を決定する波数決定手段と、
超音波モータにより駆動される可動体の速度を検出する速度検出手段と、
前記速度検出手段により検出される速度と速度目標値との差である速度偏差を算出する速度偏差算出手段と、
前記速度偏差算出手段で算出される速度偏差に応じてインターバルを決定するインターバル決定手段と、
前記インターバル決定手段で決定されたインターバルを駆動波の少なくとも１周期毎に挿入して駆動パターンを生成する駆動パターン生成手段と、
前記駆動パターン生成手段で生成された前記駆動パターンに基づいて、所定インターバル毎に所定周波数の超音波モータの駆動信号を前記波数決定手段で決定された波数だけ発生する駆動信号発生手段を具備する超音波モータにより駆動される可動体の速度及び変位制御装置。
【請求項１２】
前記インターバル決定手段が、可動体の速度目標値と可動体の実際の速度との差である速度偏差が大きいほどインターバルを短くするものである請求項１１に記載の超音波モータにより駆動される可動体の速度及び変位制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波モータにより駆動される可動体の速度及び変位量制御方法及び装置に係り、特に超音波モータを間欠的に駆動することにより可動体の速度及び変位量を正確にすることが可能な超音波モータにより駆動される可動体の速度及び変位量制御方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波モータは、電圧を印加すると弾性運動を生起する圧電素子と、圧電素子の弾性運動を被駆動体に伝達する弾性体から構成される。
【０００３】
そして、弾性体を可動体に圧接させた状態で圧電素子に交番電圧を印加して圧電素子を振動させて可動体を直線的に移動させる。
【０００４】
超音波モータにより可動体（例えば顕微鏡のステージ）を駆動する場合には、顕微鏡の検査対象を顕微鏡の視野域に確実に移動させるためにステージの速度及び変位を精密に制御することが必要となる。
【０００５】
従来、可動体の速度は超音波モータに印加する電力の電圧、周波数、位相等により制御し、可動体の変位は超音波モータへ供給する波数により制御することが一般的である（特許文献１参照）。
【０００６】
しかし、超音波モータの個体差、被駆動体への圧接状態等の影響により可動体の速度及び変位量を精密に制御することは困難であった。
【０００７】
そこで、制御精度を向上するために種々の制御方法あるいは制御装置が提案されている。
【０００８】
例えば、駆動波の振幅（電圧）を一定として周波数を変更して可動体の速度を制御する手段と、駆動波の周波数を一定として振幅を変更して可動体の速度を制御する手段を交互に動作させて速度を制御する装置が提案されている（特許文献２参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−１５０９６２号公報（［００１３］、図７）
【特許文献２】
特許第３２２０９３２号公報（［０００８］、図３）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来提案されている方法及び装置では以下の課題を解決することは困難であった。
１．超音波モータは、超音波モータの駆動体と可動体の間に作用する摩擦力により駆動力を伝達しているが、可動体の移動開始時及び移動終了時に摩擦力が大きく変化するので、連続的に駆動波を印加して変位を精密に制御することは困難である。
２．駆動波の周波数の変化と可動体の速度の変化は比例しないので、周波数により速度を制御する際には非線形性を考慮する必要がある。
３．駆動波の電圧を高くすると、可動体の速度は大きくなるものの、一駆動波当りの変位も大きくなるため、分解能が悪化することを回避できない。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、超音波モータを間欠的に駆動することにより可動体の速度及び変位を精密に制御することの可能な超音波モータにより駆動される可動体の速度及び変位制御方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
第一の発明に係る可動体の速度及び変位制御は、超音波モータにより駆動される可動体の変位目標値に基づいて超音波モータに印加する駆動波の波数を決定し、超音波モータにより駆動される可動体の速度目標値に応じて決定されるインターバルを超音波モータに印加する駆動波の少なくとも１周期毎に挿入して駆動パターンを生成し、この駆動パターンに基づいて所定インターバル毎に所定周波数の駆動波を決定された波数だけ発生し、超音波モータに供給される。
【００１３】
第二の発明に係る可動体の速度及び変位制御は、超音波モータにより駆動される可動体の変位目標値と可動体の変位との差である変位偏差を算出し、変位偏差に基づいて超音波モータに印加する駆動波の波数を決定し、超音波モータにより駆動される可動体の速度目標値に応じて決定されるインターバルを超音波モータに印加する駆動波の少なくとも１周期毎に挿入して駆動パターンを生成し、この駆動パターンに基づいて所定インターバル毎に所定周波数の駆動波を決定された波数だけ発生し、超音波モータに供給される。
【００１４】
第三の発明に係る可動体の速度及び変位制御は、超音波モータにより駆動される可動体の変位目標値と可動体の変位との差である変位偏差を算出し、変位偏差に基づいて超音波モータに印加する駆動波の波数を決定し、超音波モータにより駆動される可動体の速度目標値と可動体の速度に応じて決定されるインターバルを駆動波の少なくとも１周期毎に挿入して駆動パターンを生成し、この駆動パターンに基づいて所定インターバル毎に所定周波数の超音波モータの駆動波を決定された波数だけ発生して、超音波モータに供給される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は第一の発明に係る制御装置の構成図であって、超音波モータ１１０によって可動体である顕微鏡のステージ１２０を駆動する場合を示す。なお、ステージ１２０の変位量は変位センサ１３０によって検出される。
【００１６】
制御装置１は、マイクロプロセッサ１０、並びにディスクリート素子で構成される駆動波生成部１１及び電力増幅部１２を具備する。
【００１７】
図２はマイクロプロセッサの構成図であって、マイクロプロセッサ１０はバス１０ａを中心として、ＣＰＵ１０ｂ、メモリ１０ｃ及びインターフェイス（Ｉ／Ｆ）１０ｄを具備し、インターフェイス１０ｄを介して変位目標値及び変位センサ１３０で検出されるステージ１２０の変位を取り込み、設定周波数、設定電圧及び発生パターンを出力する。
【００１８】
ステージ１２０の変位目標値Ｘdは、変位目標値設定器（例えばロータリーエンコーダ）１４０から制御装置１に供給され、マイクロプロセッサ１０内にソフトウエア的に構成される波数設定部１０２において超音波モータ１１０に印加される駆動信号の波数ｎが［数１］により変位目標値の関数として決定される。
【００１９】
【数１】
2004201405.tif 000003
【００２０】
波数設定部１０２から出力される波数はマイクロプロセッサ１０内にソフトウエア的に構成される駆動パターン生成部１０４に取り込まれ、マイクロプロセッサ１０内にソフトウエア的に構成される速度設定部１０３から出力される設定速度ｖdに基づいて決定されるインターバルＤが、所定の駆動信号波数ごとに挿入された発生パターンを出力する。
【００２１】
即ち、設定速度ｖdが低いほどインターバルは長く設定する必要があるので、インターバルＤは設定速度ｖdの減少関数となる。なお、駆動信号の周期をＴとすると、インターバルＤは駆動周期Ｔのα倍（αは正数であり、設定速度ｖdの関数）とすることが有利である。
【００２２】
従って、［数２］が成立する。
【００２３】
【数２】
2004201405.tif 000004
【００２４】
発生パターンはマイクロプロセッサ１０のインターフェイス１０ｄを介してから駆動波生成部１１に取り込まれ、駆動波生成部１１は設定速度に応じたインターバルごとに正弦波及び正弦波と９０°の位相差を有する余弦波を発生する。
【００２５】
なお、正弦波及び余弦波の周波数は、マイクロプロセッサ１０内にソフトウエア的に構成される周波数設定部１０５により変更可能な構成となっている。
【００２６】
駆動波生成部１１で発生された正弦波及び余弦波は、電力増幅部１２で電力増幅され、超音波モータ１１０に供給される。
【００２７】
ここで、駆動波生成手段は駆動波生成部１１及び電力増幅部１２を含む。
【００２８】
即ち、正弦波と余弦波は超音波モータ１１０の圧電素子に相互に直交するように印加される。すると、圧電素子は楕円軌跡を描いて振動し、その振動によりステージ１２０は直線的に移動する。
【００２９】
なお、電力増幅器１２から出力される正弦波及び余弦波状の駆動信号の電圧は、マイクロプロセッサ１０内にソフトウエア的に構成される電圧設定部１０６により変更可能な構成となっている。
【００３０】
図３はマイクロプロセッサ１０で実行される第一の駆動ルーチンのフローチャートであって、ステップ３１で変位目標値を読込む。
【００３１】
ステップ３２で目標変位と現在の変位との差である変位偏差を算出して、この変位偏差に基づいて駆動波数を決定する。
【００３２】
ステップ３３で設定速度を読込み、ステップ３４で設定速度に基づいてインターバルを決定し、駆動パターンを生成する。
【００３３】
ステップ３４で駆動波生成部１１に駆動パターンを、ステップ３６に設定周波数を、さらにステップ３７で設定電圧を出力してこのルーチンを終了する。
【００３４】
図４は駆動波形生成部から出力される正弦波の波形図（その１）であって、１駆動信号波形毎にインターバルが挿入される場合を示す。
【００３５】
図４（イ）は、インターバルが零の場合であって、周期Ｔの正弦波が連続して超音波モータ１１０に供給される。
【００３６】
図４（ロ）はα＝０．２５の場合であって、周期Ｔの正弦波が０．２５×Ｔのインターバル毎に超音波モータ１１０に供給される。
【００３７】
図４（ハ）はα＝０．５の場合であって、周期Ｔの正弦波が０．５×Ｔのインターバル毎に超音波モータ１１０に供給される。
【００３８】
図５は駆動波形生成部から出力される正弦波の波形図（その２）であって、複数周期の正弦波毎にインターバルを挿入した場合を示す。
【００３９】
即ち図５（ニ）は正弦波２周期毎にインターバルを挿入した場合を、図５（ホ）は正弦波４周期毎にインターバルを挿入した場合を示す。
【００４０】
上記実施例においては、変位目標値Ｘdに応じて波数を決定しているが、ステージ１２０の変位Ｘaが変位目標値Ｘdと一致することは保証されない。
【００４１】
図６は第二の発明に係る制御装置の構成図であって、ステージの変位を制御する機能を有する。
【００４２】
なお、図１と同一の構成要素には同一の参照番号を付している。
【００４３】
即ち、ステージ１２０の変位を正確に制御する必要のあるときは、ステージ１２０に変性センサ（例えばリニアエンコーダ）１３０を取り付け、ステージの実際の変位Ｘaを検出する。
【００４４】
変位目標値設定器１４０で設定された変位目標値Ｘdは、マイクロプロセッサ１０内にソフトウエア的に構成される減算部１０１においてステージの変位Ｘaと比較され［数３］により変位偏差εdが算出される。
【００４５】
【数３】
2004201405.tif 000005
【００４６】
減算部１０１で算出される変位偏差εdは、マイクロプロセッサ１０内にソフトウエア内に構成される波数設定部１０２に取り込れ、変位偏差εdに対応して超音波モータ１１０に印加される波数ｎが［数４］により変位偏差εdの関数として決定される。
【００４７】
【数４】
2004201405.tif 000006
【００４８】
波数設定部１０２から出力される波数以降の処理は第一の発明に係る制御装置と同一であるので説明を省略する。
【００４９】
図７はマイクロプロセッサ１０で実行される第二の駆動ルーチンのフローチャートであって、第一の駆動ルーチンに対してステップ７１及びステップ７２が追加される。
【００５０】
即ち、ステップ３１で変位目標値を読込んだ後ステップ７１でステージ１２０の実際の変位Ｘaが読込まれ、ステップ７２で変位目標値Ｘdと変位Ｘaの差である変位偏差εdが算出され、ステップ３２で変位偏差εdの関数として波数ｎを決定する。
【００５１】
上記実施例においては速度設定部１０３で設定速度ｖdを設定しているが、ステージ１２０の速度ｖaが設定速度ｖdと一致することは保証されない。
【００５２】
図８は、第三の発明に係る制御装置の構成図であって、ステージの速度を制御する機能を有する。
【００５３】
なお、図１及び図６と同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付している。
【００５４】
即ち、ステージ１２０の速度を正確に制御する必要のあるときは、ステージ１２０に速度センサ１５０を設置し、ステージの実際の速度ｖaを検出する。
【００５５】
速度設定部１０３で設定された設定速度ｖdとステージの速度ｖaは、マイクロコンピュータ中にソフトウエア的に構成される第二の減算器１０７で比較され、その出力である速度偏差Δｖに応じてインターバル決定部１０８でインターバルＤが決定される。
【００５６】
なお、インターバルＤは基準インターバルＤoを［数５］により補正係数βで補正する。ここで、βは速度偏差Δｖの増加関数として決定される。
【００５７】
【数５】
2004201405.tif 000007
【００５８】
図９は速度偏差と補正係数の関係を示すグラフであって、横軸は速度偏差Δｖを、縦軸は補正係数βを表す。即ち、速度偏差Δｖが大きくなるに従って、補正係数βも大きくなる。
【００５９】
図１０はマイクロプロセッサ１０で実行される第三の駆動ルーチンのフローチャートであって、第二の駆動ルーチンに対してステップ１０１及びステップ１０２が追加される。
【００６０】
即ち、ステップ３３で設定速度Ｖdを読込んだ後、ステップ１０１でステージ１２０の実際の速度Ｖaを読込み、ステップ１０２で設定速度Ｖdと実際の速度Ｖaの差である速度偏差Δｖが算出される。
【００６１】
そしてステップ３４で速度偏差Δｖの関数としてインターバルＤが決定される。
【００６２】
その後の処理は第二の駆動ルーチンと同一であるので説明を省略する。
【００６３】
なお、上記実施例においては、減算部１０１、波数決定部１０２、速度設定部１０３、駆動パターン生成部１０４、周波数設定部１０５、電圧設定部１０６はマイクロコンピュータ内にソフトウエア的に構成されるものとしたが、ディスクリート素子で構成してもよい。
【００６４】
また、駆動波生成部１１をマイクロコンピュータ中にソフトウエア的に構成することも可能である。
【００６５】
【発明の効果】
本発明に係る超音波モータにより駆動される可動体の速度及び変位制御によれば、駆動波が可動体の速度目標値に応じて決定されるインターバル毎に超音波モータに供給され、可動体が駆動されるので、可動体の変位、及び速度を精密に制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の発明に係る制御装置の構成図である。
【図２】マイクロプロセッサの構成図である。
【図３】第一の駆動ルーチンのフローチャートである。
【図４】駆動波生成部から出力される正弦波の波形図（その１）である。
【図５】駆動波生成部から出力される正弦波の波形図（その２）である。
【図６】第二の発明に係る制御装置の構成図である。
【図７】第二の駆動ルーチンのフローチャートである。
【図８】第三の発明に係る制御装置の構成図である。
【図９】速度偏差と補正係数の関係を示すグラフである。
【図１０】第三の駆動ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１…制御装置
１０…マイクロコンピュータ
１０１…減算器
１０２…波数決定部
１０３…速度設定部
１０４…発生パターン決定部
１０５…周波数設定部
１０６…電圧設定部
１０７…第二の減算器
１１…駆動波生成部
１２…電力増幅部
１１０…超音波モータ
１２０…可動体
１３０…変位センサ
１４０…変位目標値設定器
【図１】
2004201405.tif 000008
【図２】
2004201405.tif 000009
【図３】
2004201405.tif 000010
【図４】
2004201405.tif 000011
【図５】
2004201405.tif 000012
【図６】
2004201405.tif 000013
【図７】
2004201405.tif 000014
【図８】
2004201405.tif 000015
【図９】
2004201405.tif 000016
【図１０】
2004201405.tif 000017