(57)【要約】【課題】精密駆動装置において、超音波モータの摩擦部材と相手材との当接面がエージング状態となっているか否かその判別手段を提供する。【解決手段】位置検出手段１７の位置情報を基にクローズループ駆動制御を停止した状態でオープンループ駆動制御により速度を演算する速度演算部１と、速度演算部１にて算出する速度を監視する速度監視部２と、速度監視部２に接続され、所定のサンプリングタイム毎に算出した速度ｖと、該速度ｖよりも前のサンプリングタイムの速度ｖ’の演算結果と比較した速度変動差ｖ−ｖ’を速度値として算出する速度変動演算部４と、速度値が予め定められた値になるまで前記駆動制御部に駆動用指令信号を出力するエージング動作部５とからなることを特徴とする精密駆動装置。【選択図】      図１
2005065477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦部材を有する超音波モータと、該超音波モータの摩擦部材との摩擦駆動により可動する可動体とを有し、該可動体の位置を測定する位置検出手段と、該位置検出手段からの位置情報と予め設定した移動プロファイルに基づく基準位置情報との偏差を基に前記超音波モータの駆動用指令信号を出力する駆動制御部とによりクローズループ駆動制御を行う精密駆動装置において、
前記位置検出手段の位置情報を基に前記クローズループ駆動制御を停止した状態でオープンループ駆動制御により速度を演算する速度演算部と、
該速度演算部にて算出する速度を監視する速度監視部と、
前記速度監視部に接続され、所定のサンプリングタイム毎に算出した速度ｖと、該速度ｖよりも前のサンプリングタイムの速度ｖ’の演算結果と比較した速度変動差ｖ−ｖ’を速度値として算出する速度変動演算部と、
該速度値が予め定められた値になるまで前記駆動制御部に駆動用指令信号を出力するエージング動作部とからなることを特徴とする精密駆動装置。
【請求項２】
前記クローズループ駆動制御で、前記可動体が予め設定した任意の往復回数に達するまで駆動させ、該往復回数に達したら、前記クローズループ駆動制御を停止し、前記速度監視部で前記オープンループ駆動制御にて速度を監視することを特徴とする請求項１に記載の精密駆動装置。
【請求項３】
前記エージング動作部において、前記速度変動演算部で所定のサンプリングタイム毎に演算した速度変動差ｖ（ｎ）−ｖ（ｎ−１）が、予め設けた基準速度変動差のしきい値と、該しきい値内に連続的に所定回数入るか否かを判定する安定判断部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の精密駆動装置。
【請求項４】
前記エージング動作部において、前記クローズループ駆動制御を停止しても所定の時間は前記オープンループ制御を開始させずに待機する待機時間設定部を有することを特徴とする請求項１乃至３のそれぞれに記載の精密駆動装置。
【請求項５】
摩擦部材を有する超音波モータと、該超音波モータの摩擦部材との摩擦駆動により可動する可動体とを有し、該可動体の位置を測定する位置検出手段と、該位置検出手段からの位置情報と予め設定した移動プロファイルに基づく基準位置情報との偏差を基に前記超音波モータの駆動用指令信号を出力する駆動制御部とによりクローズループ駆動制御を行う精密駆動装置において、
前記位置検出手段の位置情報を基に、前記クローズループ駆動制御を停止した状態でオープンループ駆動制御により時定数Ｔと比例感度Ｋを演算して伝達関数Ｇを算出する伝達関数演算部と、
該伝達関数演算部にて算出する伝達関数を監視する伝達関数監視部と、
該伝達関数監視部に接続され、所定のサンプリングタイム毎に算出した伝達関数Ｇと、該伝達関数Ｇよりも前のサンプリングタイムの伝達関数Ｇ’の演算結果と比較した伝達関数変動差Ｇ−Ｇ’を演算値として算出する演算部と、
該演算値が予め定められた値になるまで前記駆動制御部に駆動用指令信号を出力するエージング動作部とからなることを特徴とする精密駆動装置。
【請求項６】
前記クローズループ駆動制御で、前記可動体が予め設定した任意の往復回数に達するまで駆動させ、該往復回数に達したら、前記クローズループ駆動制御を停止し、前記オープンループ駆動制御で駆動を行うことを特徴とする請求項５に記載の精密駆動装置。
【請求項７】
前記エージング動作部において、伝達関数演算部で所定のサンプリングタイム毎に演算した伝達関数変動差Ｇ（ｎ）−Ｇ（ｎ−１）が、予め設けた基準伝達関数変動差のしきい値と、該しきい値内に連続的に所定回数入るか否かを判定する安定判断部を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の精密駆動装置。
【請求項８】
前記エージング動作部において、前記クローズループ駆動制御を停止しても所定の時間は前記オープンループ制御を開始させずに待機する待機時間設定部を有することを特徴とする請求項５乃至７のそれぞれに記載の精密駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は精密駆動装置に関するものであり、特に精密加工機械、精密測定装置、半導体製造装置に用いられる装置として好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波モータは、最小振幅がナノメートルオーダーと小さく、高分解能の位置決めが可能であり、しかも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するため、これまでカメラのレンズズーム機構や腕時計のバイブレーションアラームなど回転運動系への実用化が行われており、最近では精密加工機械、精密測定装置、半導体製造装置等、直線運動系の精密駆動装置への適用が試みられている。
【０００３】
図３に直線運動系の精密駆動装置への適用例の１つである従来の精密駆動装置１０を示す。この装置は、ベース盤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、これらのガイド部材１２によって可動体としてのステージ１３を直線的に案内するようになっている。
【０００４】
また、ステージ１３の一方の側面には、ガイド部材１２に対して平行に駆動力伝達部材１４が、ステージ１３の他方の側面には、前記駆動力伝達部材１４と平行にリニアスケール１５がそれぞれ設置されており、該リニアスケール１５と対向する位置には測定ヘッド１６を設けて位置検出手段１７を構成するとともに、前記駆動力伝達部材１４と対向する位置には２つの超音波モータ２０を設置し、各超音波モータ２０の摩擦部材２５を前記駆動力伝達部材１４の当接面に対して垂直に当接させてある。
【０００５】
なお、図中、２６は超音波モータ２０を収容するケース、２７は超音波モータ２０の駆動を阻害することなくケース２６内に保持するためのスプリング、２８は超音波モータ２０をステージ１３の駆動力伝達部材１４に押圧するためのスプリングである。また、１８は位置検出手段１７より得られた位置情報を基にステージ１３の駆動速度を制御するための駆動制御部であり、駆動制御部１８から出力された駆動用指令信号をもとに超音波モータ２０を駆動させる。
【０００６】
また、前記摩擦部材２５および駆動力伝達部材１４には、アルミナ等の一般的なセラミックス、ガラス等が用いられており、これらセラミックス、ガラス等からなる摩擦部材２５と駆動力伝達部材１４を当接させその摩擦駆動により、前記ステージ１３を駆動させる。
【０００７】
また、図４（ａ）、（ｂ）に図３の精密駆動装置１０に用いる超音波モータ２０の構造を示すように、この超音波モータ２０は、圧電セラミック板２１の一方の主面に４分割された電極膜２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを有し、対角に位置する電極膜２２ａと電極膜２２ｄを結線するとともに、対角に位置する電極膜２２ｂと電極膜２２ｃを結線し、かつ他方の主面には、ほぼ全面に電極膜２３を形成した振動体２４と、上記圧電セラミック板２１の端面に設けたセラミックスやガラスからなる摩擦部材２５とからなり、上記一方の主面に形成された電極膜２３をアースするとともに、他方の主面に形成された電極膜２２ａと電極膜２２ｂにそれぞれ位相を異ならせた電圧を印加することにより、圧電セラミック板２１に縦振動と横振動を発生させ、これらの振動の合力によって摩擦部材２５を楕円運動させるようになっていた。
【０００８】
そして、ステージ１３の移動に伴う位置検出手段１６からの位置情報と、予め設定してあるステージ１３の移動プロファイルに基づく基準位置情報との偏差に応じて駆動制御部１８にて例えばＰＩＤ演算処理し、超音波モータ２０へ指令信号を出力するフィードバック制御を行うようになっていた。なお、ＰＩＤ演算を行うための制御パラメータであるＰ項、Ｉ項、Ｄ項の決定は、実駆動させる前にステージ１３の移動中における位置偏差や位置決め精度が規格を満足するように実験により試行錯誤的に決定するようになっていた。
【０００９】
ところが、精密駆動装置１０の駆動に際し、その駆動開始初期段階では、超音波モータ２０の摩擦部材２５と駆動力伝達部材１４の当接面の面状態は粗く、それらを当接させ、超音波モータ２０を駆動させたとしても、面状態が摩耗して滑らかな状態となり、いわゆるエージング（なじみ）状態となるまでは、摩擦力が不十分なため駆動力が伝達されにくく、エージング不十分な状態で駆動を行った場合には、駆動状態が変わってしまうため、それまでに決定した制御パラメータでは規格を満足できなくなる場合があった。こういった場合は製品出荷後に制御パラメータを変更して規格を満足するといった作業が必要になっていた。
【００１０】
また、駆動力が駆動と共に変化していくために、制御により過大な電力を与える結果となり、摩擦部材２５と駆動力伝達部材１４の当接面同士で滑りが生じ、これにより、互いが異常摩耗を引き起こし、摩擦部材２５の寿命が低下してしまうという問題も発生していた。このような状態で駆動すると寿命低下ばかりでなくステージ１３はオーバーシュートして目的位置に静止させることができず駆動性能を満足できなくなっていた。
【００１１】
なお、上述のエージングに関する先行技術として、ならし運転の時間を短縮するためにロータに形成されたライニング材の一部が線接触するようにならし運転を行う技術がある（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１―６９８５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来から行われていたエージングについては、精密駆動装置１０を大量に製造する場合には、それぞれの精密駆動装置１０に搭載される超音波モータ２０の摩擦部材２５のエージング処理時間を一定にして製造されていた。従って、超音波モータ２０に形成する摩擦部材２５には、用いられる材質によるバラツキや表面仕上げ状態の差、取り付け状態の差が必ず生じるために、前述のような時間を判断基準にしてエージング処理を行うと、摩擦部材２５と駆動力伝達部材１４の当接面におけるなじみが不十分となったり、過剰にエージング処理を行ってしまったりする場合がある。
【００１３】
即ち、摩擦部材２５と駆動力伝達部材１４に耐摩耗性に優れるセラミックス等の材料を用いた場合、両者の摩擦による摩耗進行速度が遅く、これに材料の細かな特性バラツキや取り付け時の位置、角度等の細かなバラツキが加わると、摩擦部材２５と駆動力伝達部材１４との当接面がエージング状態となるのに、おなじ精密駆動装置１０の間でも時間的には大きな差を生じ、例えば、なじみが不十分である場合には、精密駆動装置の駆動に際し、摩擦部材２５と駆動力伝達部材１４の当接面が異常摩耗を起こす危険性があるという問題点を有していた。
【００１４】
従って、摩擦部材２５と駆動力伝達部材１４の当接面の摩耗状態がどのような状態にあるか明確に判断しないまま、一定時間の駆動で異常がないとして製品出荷すると、精密駆動装置の作動中に摩擦駆動の状態が変化し、精密駆動装置１０のステージ１３の駆動特性に影響を及ぼし、性能を満足できなくなる。
【００１５】
この問題に対し、本発明者らは、精密駆動装置１０の駆動特性に異常が発生した際には、ステージが安定した速度で駆動するよう超音波モータの駆動条件を調整し、摩擦部材２５および駆動力伝達部材１４が異常に摩耗していた場合には、部材を交換する等のメンテナンスを実施していたが、多大な時間と経費を費やさなければならなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の精密駆動装置は上記課題に鑑み、摩擦部材を有する超音波モータと、該超音波モータの摩擦部材との摩擦駆動により可動する可動体とを有し、該可動体の位置を測定する位置検出手段と、該位置検出手段からの位置情報と予め設定した移動プロファイルに基づく基準位置情報との偏差を基に前記超音波モータの駆動用指令信号を出力する駆動制御部とによりクローズループ駆動制御を行う精密駆動装置において、前記位置検出手段の位置情報を基に前記クローズループ駆動制御を停止した状態でオープンループ駆動制御により速度を演算する速度演算部と、該速度演算部にて算出する速度を監視する速度監視部と、前記速度監視部に接続され、所定のサンプリングタイム毎に算出した速度ｖと、該速度ｖよりも前のサンプリングタイムの速度ｖ’の演算結果と比較した速度変動差ｖ−ｖ’を速度値として算出する速度変動演算部と、該速度値が予め定められた値になるまで前記駆動制御部に駆動用指令信号を出力するエージング動作部とからなることを特徴とする。
【００１７】
また、前記クローズループ駆動制御で、前記可動体が予め設定した任意の往復回数に達するまで駆動させ、該往復回数に達したら、前記クローズループ駆動制御を停止し、前記速度監視部で前記オープンループ駆動制御にて速度を監視することを特徴とする。
【００１８】
さらに、前記エージング動作部において、前記速度変動演算部で所定のサンプリングタイム毎に演算した速度変動差ｖ（ｎ）−ｖ（ｎ−１）が、予め設けた基準速度変動差のしきい値と、該しきい値内に連続的に所定回数入るか否かを判定する安定判断部を有することを特徴とする。
【００１９】
また、前記エージング動作部において、前記クローズループ駆動制御を停止しても所定の時間は前記オープンループ制御を開始させずに待機する待機時間設定部を有することを特徴とする。
【００２０】
摩擦部材を有する超音波モータと、該超音波モータの摩擦部材との摩擦駆動により可動する可動体とを有し、該可動体の位置を測定する位置検出手段と、該位置検出手段からの位置情報と予め設定した移動プロファイルに基づく基準位置情報との偏差を基に前記超音波モータの駆動用指令信号を出力する駆動制御部とによりクローズループ駆動制御を行う精密駆動装置において、前記位置検出手段の位置情報を基に、前記クローズループ駆動制御を停止した状態でオープンループ駆動制御により時定数Ｔと比例感度Ｋを演算して伝達関数Ｇを算出する伝達関数演算部と、該伝達関数演算部にて算出する伝達関数を監視する伝達関数監視部と、該伝達関数監視部に接続され、所定のサンプリングタイム毎に算出した伝達関数Ｇと、該伝達関数Ｇよりも前のサンプリングタイムの伝達関数Ｇ’の演算結果と比較した伝達関数変動差Ｇ−Ｇ’を演算値として算出する演算部と、該演算値が予め定められた値になるまで前記駆動制御部に駆動用指令信号を出力するエージング動作部とからなることを特徴とする。
【００２１】
また、前記クローズループ駆動制御で、前記可動体が予め設定した任意の往復回数に達するまで駆動させ、該往復回数に達したら、前記クローズループ駆動制御を停止し、前記オープンループ駆動制御で駆動を行うことを特徴とする。
【００２２】
また、前記エージング動作部において、伝達関数演算部で所定のサンプリングタイム毎に演算した伝達関数変動差Ｇ（ｎ）−Ｇ（ｎ−１）が、予め設けた基準伝達関数変動差のしきい値と、該しきい値内に連続的に所定回数入るか否かを判定する安定判断部を有することを特徴とする。
【００２３】
また、前記エージング動作部において、前記クローズループ駆動制御を停止しても所定の時間は前記オープンループ制御を開始させずに待機する待機時間設定部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の構成によれば、エージング動作部が速度値又は演算値が予め定められた値になるまで前記駆動制御部に駆動用指令信号を出力して作動するので、新しい摩擦部材を摩擦駆動させた際に、摩擦部材と駆動力伝達部材の当接面をそれぞれの超音波モータの摩擦部材について確実にエージング状態とすることができ、製品出荷後の制御パラメータの修正も必要がなくなり、またエージングが完了していない摩擦部材で駆動して異常摩耗が生じることがない。これにより、大量生産の際にもメンテナンスが不要で、高精度にエージング終了時期の判断が可能である。その結果、製品出荷前にエージング処理を行うことにより、エージング状態となった摩擦部材で精密駆動装置を作動させることができることから、出荷後も長時間安定して駆動する精密駆動装置を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について詳細を説明する。
【００２６】
図１は本発明の精密駆動装置の一例を示す模式図である。なお、従来例と同一部分については同一符号で示す。
【００２７】
この精密駆動装置１０は、ベース盤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、これらのガイド部材１２によって可動体としてのステージ１３を直線的に案内するようになっている。
【００２８】
また、ステージ１３の一方の側面には、ガイド部材１２に対して平行に駆動力伝達部材１４が、ステージ１３の他方の側面には、駆動力伝達部材１４と平行にリニアスケール１５がそれぞれ設置されており、リニアスケール１５と対向する位置には測定ヘッド１６を設けて位置検出手段１７を構成するとともに、駆動力伝達部材１４と対向する位置には２つの超音波モータ２０を設置し、各超音波モータ２０の摩擦部材２５を駆動力伝達部材１４の当接面に対して垂直に当接させてある。
【００２９】
なお、図１に示す超音波モータ２０の構造及び取り付け構造は、図３に示した超音波モータ２０の構造および取り付け構造と同一であるため、ここでは説明を省略する。また、位置検出手段１６として、ステージ１３上に反射ミラーを設け、レーザー測長計で位置を検出するような構造としてもよい。
【００３０】
そして、ステージ１３の移動に伴う位置検出手段１６からの時間、変位、速度、加速度等の位置情報を駆動制御部３に送り、この駆動制御部３にて予め設定してあるステージ１３の移動プロファイルに基づく基準位置情報（変位、速度、加速度）との偏差を基に、例えばＰＩＤ演算処理し、その出力値を駆動用指令信号として超音波モータ２０へ出力するフィードバック制御を行うクローズループ駆動制御を行うことで、超音波モータ２０に備える摩擦部材２５との摩擦駆動によりステージ１３をガイド部材１２に沿って移動し、位置決めさせるようになっている。
【００３１】
ここで、ステージ１３の移動プロファイルとは、ステージ１３の目標移動位置までの時間、変位、速度、加速度等から求まる一括した情報を示す。
【００３２】
また、図１に示す本発明の精密駆動装置１０には、位置検出手段１７と駆動制御部３間に、順次、速度演算部１、速度監視部２、速度変動演算部４、エージング動作部５が接続されている。また、エージング動作部５には、安定判断部６及び待機時間設定部７を有している。
【００３３】
次に、本発明の精密駆動装置１０に用いる摩擦部材２５と駆動力伝達部材１４の当接面がエージング状態となっているか否かを判断するための、オープンループ駆動制御について具体的に説明する。
【００３４】
まず、速度演算部１は位置検出手段１７から得られた位置情報のうち、時間、変位からステージ１３の移動速度を演算する機能を有している。
【００３５】
また、速度監視部２はクローズループ駆動制御を停止した状態でオープンループ駆動制御により速度演算部１で演算された速度を時系列的に監視する機能を有している。さらに、この速度監視部２にはステージ１３の往復回数が記録されており、この予め設定した任意の往復回数に達するまでクローズループ駆動制御で駆動させ、往復回数に達したら、初めてクローズループ駆動制御を停止し、クローズループ駆動制御を停止し、速度監視部２でオープンループ駆動制御にて速度を監視する。そして、この監視して得られたステージ１３の移動速度を予め設定された回数毎に記録していく。
【００３６】
このように速度演算部１並びに速度監視部２を設けることにより、超音波モータ２０からステージ１３への駆動力伝達状態の時間的変化を速度という形で把握することができるため、駆動力伝達状態の安定性を、実際に摩擦部材２５と駆動力伝達部材の当接面の状態を確認することなく間接的で、かつ、確実に確認することができる。
【００３７】
また、速度変動演算部４は、速度監視部２に接続され、所定のサンプリングタイム毎に算出した速度ｖと、その速度ｖよりも前のサンプリングタイムの速度ｖ’の演算結果と比較した速度変動差ｖ−ｖ’を速度値として算出する。これにより、精密駆動装置１０のステージ１３の駆動速度の経時変化をステージ１３を駆動させながら確認できるようになっている。
【００３８】
なお、速度変動演算部４にて演算された速度変動差は、超音波モータ２０からステージ１３への駆動力伝達状態を間接的に判断できるパラメータであり、確実に当接面がエージング完了状態となっているか否かを確認できるため、このようなパラメータを用いる方法は駆動初期段階でのエージング状態の確認だけでなく、メンテナンス時に異常状態を未然に察知することにも使用可能であり、メンテナンスコストの削減にもつながる。
【００３９】
エージング動作部５は、駆動初期段階の摩擦部材２５と駆動力伝達部材１４の当接面のエージング処理を実施し、その状態が良好に駆動できるものであるか否かを判断する為に設置されており、速度変動演算部４にて演算された速度値が予め定められた値になるまで駆動制御部３に駆動用指令信号を出力するようになっている。従って、速度値が予め定められた値であるならば、駆動制御部３の駆動用指令信号は超音波モータ２０に出力されず、エージング動作は終了することとなる。
【００４０】
また、エージング動作部５にある安定判断部６は、速度変動演算部４で所定のサンプリングタイム毎に演算した速度変動差ｖ（ｎ）−ｖ（ｎ−１）が、予め設けた基準速度変動差のしきい値と、そのしきい値内に連続的に所定回数入るか否かを判定する機能を有しているが、この安定判断部６を用いても良い。従って、安定判断部６を用いる場合にも、エージング状態にあると判断された場合には、エージング駆動を終了するが、そうでなければ再びクローズループ駆動制御によりエージング駆動を行う。この安定判断部６により、より高精度にエージング終了時期を判断させることが可能となる。
【００４１】
ここで、速度変動差ｖ（ｎ）−ｖ（ｎ−１）のしきい値とは、予めエージング状態にある精密駆動装置１０の速度から経験的に求められた速度変動差のことである。より具体的には、駆動制御部に入力される駆動用指令信号（電圧）にもよるが、エージング状態にあるときの精密駆動装置１０においては、その速度変動差は２ｍｍ／秒以下であることが好ましく、さらに、駆動精度を長期間にわたってより高精度に保つためには、１．５ｍｍ／秒以下とするのがよい。そして、上述してきたオープンループ駆動制御による速度演算により、速度変動差がこのしきい値内に連続して入ればエージング状態にあると考えて良いが、より確実にエージング状態にあると判断するためには、２０００回の往復駆動回数毎のオープンループ駆動制御において、３回以上しきい値内に入っている場合にエージング状態にあると判断することがより好適である。
【００４２】
また、エージング動作部５にある待機時間設定部７には、クローズループ駆動制御を停止しても所定の時間はオープンループ制御を開始させずに待機する機能を有しており、この待機時間設定部７を用いても良い。これは、クローズループ駆動制御停止した後、すぐにオープンループ駆動制御にて駆動させると、超音波モータ２０の発熱や超音波モータ２０の摩擦部材２５と、ステージ１３の駆動力伝達部材１４の摩擦熱により、超音波モータ２０に搭載されている圧電素子の振動状態が変化し、モータの駆動に影響を及ぼす場合があり、正確な速度演算が妨げられる恐れがあるからである。より具体的な待機時間としては１０００ｓｅｃ以下とするのが良いが、待機時間は短時間とすることが装置調整上要求されるので、６００ｓｅｃ以下とすることがより好適である。
【００４３】
次に本発明の精密駆動装置１０のエージング処理までの流れを図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００４４】
図に示すように、まず、エージング駆動をスタートし、ステージ１３の駆動をクローズループ駆動制御にて行う。具体的には、ステージ１３の位置を位置検出手段１７によって測定し、その位置情報と予め設定した移動プロファイルに基づく基準位置情報との偏差を基に駆動制御部３から超音波モータ２０に駆動用指令信号を出力して駆動を行う。そうすることにより、摩擦部材２５と駆動力伝達部材１４の当接面は摩擦駆動により摩耗し、初期は粗い表面状態であったものが、摩耗により比較的滑らかな表面状態となっていく。
【００４５】
その後、ステージ１３が予め設定した所定の往復駆動回数に達したら、速度監視部２によりクローズループ駆動制御を停止し、このときエージング動作部５内の待機時間設定部７により、設定された時間が経過していれば、オープンループ駆動制御に切り替わり一定の指令信号を出力して速度を監視する。そして、１回目の速度監視が終了すると、オープンループ駆動制御を停止し、再びクローズループ駆動制御に切り替わり駆動が行われる。
【００４６】
次に、２回目の速度監視が行われる。このとき上述と同様に、エージング動作部５内の待機時間設定部７により設定した時間が経過してから、オープンループ駆動制御による速度監視が行われる。そして、速度監視部２により記録された１回目と２回目の速度の結果を用いて、速度変動演算部４により速度変動差を速度値として演算する。そして演算された速度値が、予め定められた基準速度変動差以下であるかをエージング動作部５内の安定判断部６により判断する。この速度値が、基準速度変動差以下でない場合には、オープンループ駆動制御による駆動を停止して、再びクローズループ駆動制御によりステージ１３の駆動を行い、再度、摩擦部材２５と駆動力伝達部材１４を摩擦駆動させその当接面をなじませる。また、基準速度変動差以下である場合には、次に、それが所定回数連続するかどうかが安定判断部６により判断される。速度変動差の値が基準速度変動差以下であり、所定回数連続して基準速度変動差以下となった場合には、エージング状態にあると判断され、エージング駆動を終了する。また、そうでない場合には、オープンループ駆動制御による駆動を停止して、再びクローズループ駆動制御によりステージ１３の駆動を行い、摩擦部材２５と駆動力伝達部材１４を摩擦駆動させその当接面をなじませる。
【００４７】
次に、本発明の精密駆動装置１０の他の実施の形態について説明する。
【００４８】
本発明の精密駆動装置１０の駆動は、既に上述したような一定の速度を継続して行う場合には好適であるが、駆動の形態が異なるような、例えば短時間駆動させて停止する加減速が主な駆動サイクルを繰り返す駆動方式においては（図３参照）、摩擦部材２５と駆動力伝達部材１４の当接面におけるエージング状態は、上述した速度変動差ｖ−ｖ’を利用してエージング状態を認識させることは好ましくなく、駆動開始から駆動停止までの短いサイクルの間の加速領域Ｌの変動におけるエージング状態を把握できる手段が必要となる。
【００４９】
このような手段としては、図４に示すように位置検出手段１７と駆動制御部３間に、順次、伝達関数演算部３０、伝達関数監視部３１、演算部３２、エージング動作部５が接続された精密駆動装置とする。また、エージング動作部５には、上述の実施の形態と同様に安定判断部６及び待機時間設定部７を有している。（図３は省略することとする）
伝達関数監視部３１においては、クローズループ駆動制御を停止した状態でオープンループ駆動制御により加速領域の加速度から時定数Ｔと比例感度Ｋを求め、これを基に伝達関数Ｇを演算して、さらに各サイクル毎の伝達関数Ｇを比較し、その差が一定であるか否かにより判断する手段がある。
【００５０】
ここで、加速領域Lの加速度から求めた伝達関数Ｇは、本発明のような１次系の駆動システムにおいては、以下の式で表される。
【００５１】
Ｇ＝Ｋ／（Ｔ＋１）・・・・・・・・・（１）
（１）式において、Ｔは時定数であり、本発明の精密駆動装置１０においては位置情報を基に速度から得られる最大値の６３．２％に達するまでの時間で表される。
【００５２】
また、（１）式のＫは比例感度であり、本発明の精密駆動装置の最終的な定常値として表す。
【００５３】
本発明の精密駆動装置１０において、その最終的な出力は前記ドライバへ交流電圧として入力された正弦波で表される駆動用指令信号と、（１）式に示す伝達関数Ｇとの積によって表されることとなる。
【００５４】
（１）式は時定数ＴがＴ＝１／ａ［ｓ］と表せることから、伝達関数Ｇは以下の（２）式として表せる。
【００５５】
Ｇ＝ａ／（ｓ＋ａ）・・・・・・・・・（２）
ここで、ａの値は時定数がＴ＝１／ａ［ｓ］と表せるから、ａ＝１／Ｔとして求めることが可能である。また比例感度Ｋは本発明の駆動装置を駆動させた場合、ｖの最大値で表される。そして比例感度Ｋについては入力に対する、振幅比（ゲイン）を調整することが可能であり、例えば、ｖの最大値が２００ｍｍ／ｓｅｃとすると、これを５倍の感度で出力させるために、１ｍ／ｓｅｃを基準として考え、Ｋ＝（ｖの最大値）／１０００という式にて算出することができる。
【００５６】
次に、演算部３２において、加速領域のデータから、伝達関数演算部３０にて時定数Ｔと比例感度Ｋ等のパラメータを演算して伝達関数Ｇを求める。
【００５７】
その後、伝達関数演算部３０にて演算された伝達関数Ｇをもとに、伝達関数監視部３１、演算部３２、エージング動作部５を用いて、図４に示す精密駆動装置１０のエージング駆動を行う。エージング駆動については、既に上述した速度値を用いたエージング駆動の例と同様であり、ここでは説明を省略する。
【００５８】
なお、このような伝達関数Ｇを用いたエージング状態を把握する手段は、時定数Ｔと比例感度Ｋ、伝達関数Ｇの演算結果を、一般的なゲイン線図と位相線図からなるボード線図として表せることも可能である。
【００５９】
そして、ボード線図が求まると、その線図から伝達状態の変化を定量的に判断することができる。これらのボード線図の伝達関数変動差Ｇ（ｎ）−Ｇ（ｎ−１）が、予め設けた基準伝達関数変動差のしきい値と、そのしきい値内に連続的に所定回数入るか否かを判定する安定判断部６を用いてエージング終了時期を判断させることができる。
【００６０】
このボード線図は市販のパーソナルコンピューター用ソフト等を用いることにより容易に作成可能である。
【００６１】
さらに、前記伝達関数Ｇやボード線図を用いたエージングの状態を把握する方法は、製品出荷前の最終検査としてばかりでなく、定期的なメンテナンスやＰＩＤオートチューニング機能に使用することも可能である。
【００６２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は直線駆動系への適用にとどまらず、回転駆動系へも好適に利用することが可能であり、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の改良や変更したものにも適用できることは言うまでもない。
【実施例１】
【００６３】
以下に本発明の実施例を示す。
【００６４】
図１に示す精密駆動装置１０の製品出荷前のエージング（なじみ）駆動の具体例について説明する。
【００６５】
図１において、ステージ１３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、ステージ１３は２５０ｍｍ×１２０ｍｍ×３０ｍｍの板状体とし、アルミニウムにより形成した。そしてステージ１３上には重り（不図示）を載せた。
【００６６】
また、ステージ１３を駆動させる超音波モータ２０は、幅８ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ３ｍｍの圧電駆動部２４の端面にアルミナセラミックス製の摩擦部材２５を備え、圧電駆動部２４の一方の主面には４つの電極膜２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを形成し、対角に位置する２２ａと２２ｄ、２２ｂと２２ｃ同士を結線するとともに、他方の主面全体に１つの共通電極膜を形成してなり、前記４つの電極膜に互いの位相差を９０度ずらした指令電圧を印可することにより、摩擦部材２５が楕円運動するようにしたものを用いた。なお、摩擦部材２５の摩擦駆動面は、曲率半径が３ｍｍの球面とし、その表面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．２μｍとした。
【００６７】
さらに、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には、ミツトヨ製のリニアスケールＳ３３Ｃを用い、ステージ５３の一方の側面に設置するとともに、このリニアスケールと対向する位置に検出ヘッド１６を設置して位置検出手段１７を構成し、ステージ１３の他方の側面にはアルミナセラミックス製の駆動力伝達部材１４を設置した。なお、前記駆動力伝達部材の駆動面は表面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）０．２μｍとしている。
【００６８】
また、位置検出手段１７と駆動制御部３を接続し、ステージ１３の位置情報が駆動制御部３へ送られるようになっており、駆動制御部３と超音波モータ２０を接続することによって、駆動制御部３から駆動用指令信号が超音波モータ２０へ送られる。
【００６９】
また、位置検出手段１７と速度演算部１、速度監視部２、速度変動演算部４、エージング動作部５を直列に接続し、位置検出手段１７からのステージ１３の位置情報が速度演算部１へ、速度演算部１での速度演算結果が速度監視部２へ、速度監視部２で時系列的に監視され、記録された速度が速度変動演算部４へ、速度変動演算部４の演算結果がエージング動作部５（安定判断部６）へ送られるようになっている。エージング動作部５は駆動制御部３とも接続されており、エージング動作部５の安定判断部６で判断された結果が、駆動制御部３へ送られるようになっている。
【００７０】
そして、精密駆動装置１０において、超音波モータ２０のアルミナセラミックス製摩擦部材２５とステージ１３のアルミナセラミックス製駆動力伝達部材１４の当接面をエージング状態とし、超音波モータ２０の駆動力がステージ１３へ安定して伝達され、良好な駆動が長時間にわたって得られるように、エージング駆動を実施した。
【００７１】
まず、ステージ１３の往復駆動が任意の往復回数として定めた１０００回となるまでをクローズループ駆動制御にて駆動させ、往復駆動回数１０００回となった時点で、クローズループ駆動制御を停止し、その後、エージング動作部５の待機時間設定部７により６００ｓｅｃ待機時間を置き、超音波モータを常温としてから、オープンループ駆動制御で速度演算部１により速度を演算し、速度監視部２にて１回目の速度を監視する。
【００７２】
その後、オープンループ駆動制御による駆動を停止させ、再びクローズループ駆動制御による駆動を往復回数２０００回まで実施し、往復回数が２０００回となった時点でクローズループ駆動制御を停止し、前述の１回目の速度演算と同様に速度監視を行う。そして、２回目の速度監視以降は、速度変動演算部４により速度値を演算しエージング動作部５（安定判断部６）により、演算された速度値が、予め設定した２ｍｍ／ｓ以下の速度範囲に５回以上連続して入るか否か判断し、入っていればエージング駆動終了、入っていなければオープンループ駆動制御による駆動を停止して、再びクローズループ駆動制御により往復駆動回数１０００回まで駆動させるというサイクルを繰り返す自動制御により実施している。
【００７３】
なお、前記エージング駆動は駆動制御部３を用いることにより、超音波モータ２０に一定電圧を印可して２００ｍｍのストローク間で実施し、前記速度はストロークの加速部分を除く、定速部分の値を抽出した。
【００７４】
前記エージング駆動の結果、図７に示すように駆動初期段階の１０００往復の駆動回数では、摩擦部材２５と駆動力伝達部材１４の当接面がエージング状態ではなく、表面が粗いために摩擦力が安定せず、超音波モータの駆動力がステージ１３へうまく伝達されておらず、ステージ１３の駆動速度は遅かったものの、１０００回から１００００回までの間で摩擦部材２５と駆動力伝達部材はその当接面でエージング状態へ近づき、２００００回の往復駆動で、速度変動差の値が５回連続して２ｍｍ／ｓ以下となり、エージング状態となったと判断して、エージング駆動を終了した。
【００７５】
なお、図５に示すように２００００回以降、５００００回まで本発明の駆動装置を往復駆動させ、５０００回毎に駆動速度測定を行ったが、ステージ１３の駆動速度は安定することが確認された。
【００７６】
そしてエージング駆動終了後に、超音波モータ２０の摩擦部材２５とステージの駆動力伝達部材１４の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ以下と、駆動前の表面粗さである中心線平均粗さ（Ｒａ）０．２μｍと比較して滑らかな面状態となっていた。
【００７７】
このようにして、エージング完了したものは出荷しても制御パラメータを変更することなく、また異常摩耗を引き起こすことなく正常に駆動することが可能であった。
【実施例２】
【００７８】
次に、実施例１に示した本発明の精密駆動装置１０と同様の装置をもう一台準備し、これを用いて伝達関数Ｇを算出することによってエージング状態であるか否かの判断を行うエージング駆動を実施した。
【００７９】
エージング駆動は、往復１０００回クローズループ駆動制御にて駆動させ、クローズループ駆動制御による駆動停止後、６００ｓｅｃ待機時間を置き、超音波モータを常温としてから、オープンループ駆動制御により一定電圧をかけて駆動させ、伝達関数演算部３０、伝達関数監視部３１、演算部３２により時定数Ｔ、比例感度Ｋ、伝達関数Ｇ、演算値Ｇ−Ｇ‘を演算し、エージング動作部５（安定判断部６）により、演算結果が、前のサンプリングタイムの伝達関数Ｇ’をの演算値とを比較し、予め設けた基準伝達関数変動差のしきい値と、該しきい値内に連続的に所定回数入るか否かを判断し、そうであれば、エージング駆動終了、そうでなければオープンループ駆動制御による駆動を停止して、再びクローズループ駆動制御により１０００回駆動させるというサイクルを繰り返す自動制御により実施した。
【００８０】
なお、前記エージングの状態を実際に判断するにあたって、時定数Ｔ、比例感度Ｋ、伝達関数Ｇから求められるゲイン線図、位相線図からなるボード線図を描き、そのボード線図によってエージング完了判断が可能であるかの検討も実施した。前記ボード線図の作成は、市販のサイバネットシステム（株）製のＭＡＴＬＡＢを用いて作成した。
【００８１】
図８に良好な駆動状態におけるボード線図の一例を示す。
【００８２】
前記試験の結果、実施例１とほぼ同様に２００００回で演算部３２にて演算された演算値が５回以上連続して予め定められた値となり、エージング状態となることが確認された。さらには、ボード線図の比較による結果も、伝達関数とほぼ一致することが確認され、本発明の精密駆動装置１０において伝達関数を用いたエージング状態の確認が実施可能であることが確認された。
【００８３】
さらには、同様の駆動装置において、図３に示すような短時間駆動して停止するようなサイクル、いわゆるステップ駆動におけるエージング駆動の状態把握が実施できるかどうか確認する試験を実施した。試験は、クローズループ駆動制御にて所定回数駆動させた後、クローズループ駆動制御を停止し、オープンループ駆動制御にて、ステージ１３をステップ駆動させ、そのエージング駆動の状態を前記と同様の方法を用いた。
【００８４】
その結果、２００００回駆動させたところでステップ駆動においても良好な駆動状態を示すことが確認された。
【００８５】
このようにしてエージング完了したものは出荷しても制御パラメータを変更することなく、また異常摩耗を引き起こすことなく正常に駆動することが可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】超音波モータを可動体の駆動源とする本発明の精密駆動装置の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の精密駆動装置のエージング駆動制御のフローチャートである。
【図３】本発明の精密駆動装置において、短時間駆動して停止する駆動状態を表した図である。
【図４】本発明の精密駆動装置の他の実施形態の一例を示す模式図である。
【図５】超音波モータを可動体の駆動源とする従来の精密駆動装置の一例を示す模式図である
【図６】従来及び本発明に用いられる超音波モータの一例を示す図で、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその裏面図である。
【図７】実施例１で述べた本発明の精密駆動装置の一例の駆動回数と駆動速度の関係を示すグラフである。
【図８】実施例２で述べた本発明の精密駆動装置の良好なエージング駆動状態を示すボード線図の一例を示す。
【符号の説明】
【００８７】
１：速度演算部
２：速度監視部
３，１８：駆動制御部
４：速度変動演算部
５：エージング動作部
６：安定判断部
７：待機時間設定部
１０：精密駆動装置
１１：ベース盤
１２：ガイド部材
１３：ステージ
１４：駆動力伝達部材
１５：リニアスケール
１６：測定ヘッド
１７：位置検出手段
２０：超音波モータ
２１：圧電セラミック板
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２３：電極膜
２４：振動体
２５：摩擦部材
３０：伝達関数演算部
３１：監視部
３２：演算部
【図１】
2005065477.tif 000003
【図２】
2005065477.tif 000004
【図３】
2005065477.tif 000005
【図４】
2005065477.tif 000006
【図５】
2005065477.tif 000007
【図６】
2005065477.tif 000008
【図７】
2005065477.tif 000009
【図８】
2005065477.tif 000010