(57)【要約】【課題】スクイーズ空気膜力による軸受の浮上制御装置で、浮上量の制御をおこない、外乱や負荷変動などがあった場合でも定位置制御を可能にする。【解決手段】振動子１０２に所定の周波数設定値１１２と電圧指令値１１６とを有する交流電圧を入力する浮上制御装置において、平面１０４からの振動子１０２及び振動面１０３の浮上量の位置指令を発生する位置指令発生器１０８と、浮上量を計測する浮上量計測器と、位置指令と浮上量との偏差が入力され、差の値に応じて、周波数設定値１１２を補正するための周波数補正値を出力する周波数補正値演算器１１１と、電圧指令値１１６及び周波数設定値１１２と、周波数補正値とが入力され、これらから周波数設定値を変更処理した交流電圧指令を出力する電圧指令発生器と、を備えて閉ループ制御系を構成した。【選択図】図１
2007195306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子に取り付けられた振動面と、該振動面に対向する平面と、を備え、前記振動子に所定の周波数設定値と電圧指令値とを有する交流電圧を入力して振動させ、前記振動面と前記平面との間にスクイーズ空気膜力を発生させることによって、前記振動子及び前記振動面を前記平面から非接触に浮上させる浮上制御装置において、
前記平面からの前記振動子及び振動面の浮上量の位置指令を発生する位置指令発生器と、
前記浮上量を計測する浮上量計測器と、
前記位置指令と前記浮上量との差を入力し、差の値に応じて周波数補正値を出力する周波数補正値演算器と、
前記電圧指令値及び前記周波数設定値と、前記周波数補正値とを入力し、前記周波数設定値を変更処理した交流電圧指令を出力する電圧指令発生器と、を備えたことを特徴とする浮上制御装置。
【請求項２】
振動子に取り付けられた振動面と、該振動面に対向する平面と、を備え、前記振動子に所定の周波数設定値と電圧指令値とを有する交流電圧を入力して振動させ、前記振動面と前記平面との間にスクイーズ空気膜力を発生させることによって、前記振動子及び前記振動面を前記平面から非接触に浮上させる浮上制御装置において、
前記平面からの前記振動子及び振動面の浮上量の位置指令を発生する位置指令発生器と、
前記浮上量を計測する浮上量計測器と、
前記位置指令と前記浮上量との差を入力し、差の値に応じて電圧補正値を出力する電圧補正値演算器と、
前記電圧指令値及び前記周波数設定値と、前記電圧補正値とを入力し、前記電圧指令値を変更処理した交流電圧指令を出力する電圧指令発生器と、を備えたことを特徴とする浮上制御装置。
【請求項３】
振動子に取り付けられた振動面と、該振動面に対向する平面と、を備え、前記振動子に所定の周波数設定値と電圧指令値とを有する交流電圧を入力して振動させ、前記振動面と前記平面との間にスクイーズ空気膜力を発生させることによって、前記振動子及び前記振動面を前記平面から非接触に浮上させる浮上制御装置において、
前記平面からの前記振動子及び振動面の浮上量の位置指令を発生する位置指令発生器と、
前記浮上量を計測する浮上量計測器と、
前記位置指令と前記浮上量との差を入力し、差の値に応じて周波数補正値を出力する周波数補正値演算器と、
前記位置指令と前記浮上量との差を入力し、差の値に応じて電圧補正値を出力する電圧補正値演算器と、
前記位置指令と前記浮上量との差と、前記周波数補正値と、前記電圧補正値とを入力し、前記浮上量の差の値に応じて、前記周波数補正値または前記電圧補正値のいずれか一方を出力する切換器と、
前記電圧指令値及び前記周波数設定値と、前記切換器からの前記周波数補正値または前記電圧補正値を入力し、前記周波数設定値または前記電圧指令値のいずれかを変更処理した交流電圧指令を出力する電圧指令発生器と、を備えたことを特徴とする浮上制御装置。
【請求項４】
振動子に取り付けられた振動面と、該振動面に対向する平面と、を備え、前記振動子に所定の周波数設定値と電圧指令値とを有する交流電圧を入力して振動させ、前記振動面と前記平面との間にスクイーズ空気膜力を発生させることによって、前記振動子及び前記振動面を前記平面から非接触に浮上させる浮上制御装置において、
前記平面からの前記振動子及び振動面の浮上量の位置指令を発生する位置指令発生器と、
前記浮上量を計測する浮上量計測器と、
前記位置指令と前記浮上量との差を入力し、差の値に応じて周波数補正値とともに、電圧補正値と、を出力する周波数・電圧補正値演算器と、
前記電圧指令値及び前記周波数設定値と、前記周波数補正値と、前記電圧補正値とを入力し、前記周波数設定値及び前記電圧指令値の両方を変更処理した交流電圧指令を出力する電圧指令発生器と、を備えたことを特徴とする浮上制御装置。
【請求項５】
前記周波数補正値演算器は、更に前記電圧指令値を入力し、前記差の値に応じて周波数補正値を出力することを特徴とした請求項１記載の浮上制御装置。
【請求項６】
前記電圧補正値演算器は、更に前記周波数設定値を入力し、前記差の値に応じて周波数補正値を出力することを特徴とした請求項２記載の浮上制御装置。
【請求項７】
前記電圧指令値及び前記周波数設定値が、それぞれ複数備え、前記周波数補正値演算器が、前記複数の前記周波数補正値を出力することを特徴とする請求項５記載の浮上制御装置。
【請求項８】
前記電圧指令値及び前記周波数設定値が、それぞれ複数備え、前記電圧補正値演算器は、前記複数の前記電圧補正値を出力することを特徴とする請求項６記載の浮上制御装置。
【請求項９】
前記周波数補正値演算器または前記周波数・電圧補正値演算器は、
予め作成した、前記位置指令と前記浮上量との差と、前記周波数補正値との周波数補正関数テーブルに基づいて前記周波数補正値を出力することを特徴とする請求項１または３または４記載の浮上制御装置。
【請求項１０】
前記電圧補正値演算器または前記周波数・電圧補正値演算器は、
予め作成した、前記位置指令と前記浮上量との差と、前記電圧補正値との電圧補正関数テーブルに基づいて前記電圧補正値を出力することを特徴とする請求項２または３または４記載の浮上制御装置。
【請求項１１】
請求項１乃至４記載の浮上制御装置によって制御される、少なくとも３つの前記振動子に取り付けられた１つの振動面と、該振動面に対向する平面とを備えた浮上装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばリニアモータや平面モータの軸受として振動子（たとえば圧電素子）を使った浮上制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
振動子（例えば圧電素子）に単相交流電圧を入力して振動させ、パッドと軸受面の間にスクイーズ空気膜力を発生させる空気軸受の従来例として非特許文献１がある。この文献の詳細は、図１０を参照して説明する。圧電素子１００１とパッド１００２からなる振動体と圧電素子１００９とパッド１００８からなる振動体の間に挟まれるように浮上体１００４が配置されている。浮上体１００４はパッド１００３とパッド１００５が接着されており、圧電素子１００１を振動することによりパッド１００２とパッド１００３の間にスクイーズ空気膜力が発生し、また圧電素子１００９を振動させることによりパッド１００５とパッド１００８の間にスクイーズ空気膜力が発生する。二つの空気膜力が釣り合った場所で浮上体が位置決めされる。この文献では、浮上体１００４を位置決めさせるために静電容量型変位計１００７から計測される変位量を受けて、オフセット電圧を圧電素子１００１、１００９に印加するフィードバック制御系が構成されている。具体的には静電容量型変位計１００７は浮上体１００４に取り付けた鉄板１００６との相対位置を計測し、静電容量型変位計１００７から浮上体位置電圧１０１０が出力され、浮上体位置電圧１０１０をＡ／Ｄコンバータ１０１１に入力し、ディジタル値に換算された浮上体位置を出力する。浮上体位置と位置指令１０１２を減算器１０１３に入力し、減算器１０１３から位置偏差が出力される。位置偏差をＰＩ制御器１０１４に入力し電圧ディジタル指令を出力する。電圧ディジタル指令をＤ/Ａコンバータ１０１５に入力すると電圧指令１０１６と１０１７が出力される。電圧指令１０１６とファンクションジェネレータ１０１８の出力である交流電圧を加算器１０１９に入力し、加算器１０１９の出力をアンプ１０２１に入力し昇圧させた後、圧電素子１００１に入力する。同様に、電圧指令１０１７とファンクションジェネレータ１０１８の出力である交流電圧を加算器１０２０に入力し、加算器１０２０の出力をアンプ１０２２に入力し昇圧させた後、圧電素子１００９に入力するというフィードバック制御系を構成している。
【０００３】
圧電素子とパッドの一組を用いて、パッドと軸受面の間にスクイーズ空気膜力を発生させる空気軸受の従来例として非特許文献２がある。この文献の詳細は、図１１を参照して説明する。周波数カウンタ１１０１の出力である周波数を正弦波発生器１１０２に入力すると正弦波が出力される。この正弦波をアンプ１１０３で昇圧した交流電圧を圧電素子１１０５と１１０６に入力する。圧電素子１１０５と圧電素子１１０６は錘１１０９とパッド１１０７に挟まれるように接着されている。圧電素子１１０５と１１０６に交流電圧を入力すると圧電素子が振動し、圧電素子１１０５と１１０６に接着されたパッド１１０７が振動する。パッド１１０７が振動することにより、パッド１１０７と軸受面１１０８の間にスクイーズ空気膜力が発生し、この空気膜力により圧電素子１１０５、１１０６及びパッド１１０７と錘１１０９が浮上する。オシロスコープ１１０４は、交流電圧を計測するために用いられており、オシロスコープ１１１３は変位計（例えばレーザー変位計など）１１１０、１１１１、１１１２の出力である浮上量を計測するために用いられている。
【非特許文献１】磯部、久曽神、小島．圧電素子の高周波振動を利用したアクティブスクイーズ空気軸受の開発（第１報）．精密工学会誌．Vol.65．No.3．1999．
【非特許文献２】吉本、阿武．圧電素子を用いた動圧型スクイーズ空気案内面．精密工学会誌．Vol58．No.3．1992．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１に記載の浮上制御装置、特にPI制御器の役割は圧電素子を伸縮させる直流電圧を制御するものであり、図１０のように２つの振動体の間に挟まれた浮上体の位置決め制御には有効であるものの振動体を浮上させるなどの用途では適用できない。
【０００５】
非特許文献２に記載の浮上制御装置は、浮上量を計測せず交流電圧の振幅を調整するオープンループ制御であった。この場合、フィードバック制御されないため、負荷変動に対して定位置を維持することができないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
【０００７】
請求項１記載の発明によると、振動子に取り付けられた振動面と、該振動面に対向する平面と、を備え、前記振動子に所定の周波数設定値と電圧指令値とを有する交流電圧を入力して振動させ、前記振動面と前記平面との間にスクイーズ空気膜力を発生させることによって、前記振動子及び前記振動面を前記平面から非接触に浮上させる浮上制御装置において、前記平面からの前記振動子及び振動面の浮上量の位置指令を発生する位置指令発生器と、前記浮上量を計測する浮上量計測器と、前記位置指令と前記浮上量との差を入力し、差の値に応じて電圧補正値を出力する電圧補正値演算器と、前記電圧指令値及び前記周波数設定値と、前記電圧補正値とを入力し、前記電圧指令値を変更処理した交流電圧指令を出力する電圧指令発生器と、を備えた浮上制御装置とするものである。
【０００８】
請求項２記載の発明によると、振動子に取り付けられた振動面と、該振動面に対向する平面と、を備え、前記振動子に所定の周波数設定値と電圧指令値とを有する交流電圧を入力して振動させ、前記振動面と前記平面との間にスクイーズ空気膜力を発生させることによって、前記振動子及び前記振動面を前記平面から非接触に浮上させる浮上制御装置において、前記平面からの前記振動子及び振動面の浮上量の位置指令を発生する位置指令発生器と、前記浮上量を計測する浮上量計測器と、前記位置指令と前記浮上量との差を入力し、差の値に応じて電圧補正値を出力する電圧補正値演算器と、前記電圧指令値及び前記周波数設定値と、前記電圧補正値とを入力し、前記電圧指令値を変更処理した交流電圧指令を出力する電圧指令発生器と、を備えた浮上制御装置とするものである。
【０００９】
請求項３記載の発明によると、振動子に取り付けられた振動面と、該振動面に対向する平面と、を備え、前記振動子に所定の周波数設定値と電圧指令値とを有する交流電圧を入力して振動させ、前記振動面と前記平面との間にスクイーズ空気膜力を発生させることによって、前記振動子及び前記振動面を前記平面から非接触に浮上させる浮上制御装置において、前記平面からの前記振動子及び振動面の浮上量の位置指令を発生する位置指令発生器と、前記浮上量を計測する浮上量計測器と、前記位置指令と前記浮上量との差を入力し、差の値に応じて周波数補正値を出力する周波数補正値演算器と、前記位置指令と前記浮上量との差を入力し、差の値に応じて電圧補正値を出力する電圧補正値演算器と、前記位置指令と前記浮上量との差と、前記周波数補正値と、前記電圧補正値とを入力し、前記浮上量の差の値に応じて、前記周波数補正値または前記電圧補正値のいずれか一方を出力する切換器と、前記電圧指令値及び前記周波数設定値と、前記切換器からの前記周波数補正値または前記電圧補正値を入力し、前記周波数設定値または前記電圧指令値のいずれかを変更処理した交流電圧指令を出力する電圧指令発生器と、を備えた浮上制御装置とするものである。
【００１０】
請求項４記載の発明によると、振動子に取り付けられた振動面と、該振動面に対向する平面と、を備え、前記振動子に所定の周波数設定値と電圧指令値とを有する交流電圧を入力して振動させ、前記振動面と前記平面との間にスクイーズ空気膜力を発生させることによって、前記振動子及び前記振動面を前記平面から非接触に浮上させる浮上制御装置において、前記平面からの前記振動子及び振動面の浮上量の位置指令を発生する位置指令発生器と、前記浮上量を計測する浮上量計測器と、前記位置指令と前記浮上量との差を入力し、差の値に応じて周波数補正値とともに、電圧補正値と、を出力する周波数・電圧補正値演算器と、前記電圧指令値及び前記周波数設定値と、前記周波数補正値と、前記電圧補正値とを入力し、前記周波数設定値及び前記電圧指令値の両方を変更処理した交流電圧指令を出力する電圧指令発生器と、を備えた浮上制御装置とするものである。
【００１１】
請求項５記載の発明によると、前記周波数補正値演算器は、更に前記電圧指令値を入力し、前記差の値に応じて周波数補正値を出力することを特徴とした請求項１記載の浮上制御装置とするものである。
【００１２】
請求項６記載の発明によると、前記電圧補正値演算器は、更に前記周波数設定値を入力し、前記差の値に応じて周波数補正値を出力することを特徴とした請求項２記載の浮上制御装置とするものである。
【００１３】
請求項７記載の発明によると、前記電圧指令値及び前記周波数設定値が、それぞれ複数備え、前記周波数補正値演算器が、前記複数の前記周波数補正値を出力することを特徴とする請求項５記載の浮上制御装置とするものである。
【００１４】
請求項８記載の発明によると、前記電圧指令値及び前記周波数設定値が、それぞれ複数備え、前記電圧補正値演算器は、前記複数の前記電圧補正値を出力することを特徴とする請求項６記載の浮上制御装置とするものである。
【００１５】
請求項９記載の発明によると、前記周波数補正値演算器または前記周波数・電圧補正値演算器は、予め作成した、前記位置指令と前記浮上量との差と、前記周波数補正値との周波数補正関数テーブルに基づいて前記周波数補正値を出力することを特徴とする請求項１または３または４記載の浮上制御装置とするものである。
【００１６】
請求項１０記載の発明によると、前記電圧補正値演算器または前記周波数・電圧補正値演算器は、  予め作成した、前記位置指令と前記浮上量との差と、前記電圧補正値との電圧補正関数テーブルに基づいて前記電圧補正値を出力することを特徴とする請求項２または３または４記載の浮上制御装置とするものである。
【００１７】
請求項１１記載の発明によると、請求項１乃至４記載の浮上制御装置によって制御される、少なくとも３つの前記振動子に取り付けられた１つの振動面と、該振動面に対向する平面とを備えた浮上装置とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に記載の発明によると、電圧指令値を可変することなく制御する場合に、周波数を制御することにより浮上量の調整ができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によると、周波数設定値を可変することなく制御する場合に、電圧を制御することにより浮上量の調整ができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によると、浮上量に応じて電圧または周波数を制御することができる。
【００２１】
請求項４に記載の発明によると、電圧を制御することにより浮上量を大きく変更でき、周波数を制御することにより浮上量を微調整できる。
【００２２】
請求項５に記載の発明によると、電圧指令値が可変された場合に、そのときの電圧指令値に応じた最適な周波数を補正値演算器が送出できる。
【００２３】
請求項６に記載の発明によると、周波数設定値が可変された場合に、そのときの周波数設定値に応じた最適な電圧を補正値演算器が送出できる。
【００２４】
請求項７または８に記載の発明によると、電圧指令値及び周波数設定値が複数設定されて、これらを切り替えながら制御する場合でも、そのときの周波数設定値または電圧指令値に応じた最適な周波数または電圧を補正値演算器が送出できる。
【００２５】
請求項９または１０に記載の発明によると、各補正値演算器は、予め作成した関数テーブルに基づいて各補正値を制御できる。
【００２６】
請求項１１に記載の発明によると、振動子を用いたリニアモータ可動子テーブルの空気軸受装置や平面モータ可動子テーブルの空気軸受装置に応用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００２８】
図１は、本発明の実施の形態１における浮上制御装置のブロック図である。図において、位置指令発生器１０８の出力である位置指令１０９とＡ/Ｄコンバータ１０７の出力である浮上量を減算器１１０に入力し、位置偏差を出力する。位置偏差を入力し周波数補正値を出力する周波数補正値演算器１１１は、（１）式に表す関係式に基づいて周波数補正値を計算する装置である。
ｆ＝Ｇ（ｘ）・・・（１）
上記（１）式中の変数は、ｆ：周波数、ｘ：位置偏差、Ｇ（）は周波数と位置偏差の関係を表す関数である。これは定数ゲイン、もしくは周波数と位置偏差の周波数補正関数テーブルを表す。例えば周波数補正関数テーブルをプロットしたものが図８となる。図８は浮上量と周波数の関係を表しており、予め開ループ実験を行い、周波数補正関数テーブルを作成する。
周波数補正関数曲線８０１は電圧指令値５ｖ時の浮上量と周波数の関係を表し、周波数補正関数曲線８０２は電圧指令値１０ｖ時の浮上量と周波数の関係を表し、周波数補正関数曲線８０３は電圧指令値１５ｖ時の浮上量と周波数の関係を表している。
図１では、周波数補正値と周波数設定値１１２と電圧指令値１１６を電圧指令発生器１１３に入力して交流電圧を出力する。
電圧指令発生器１１３内部の詳細を説明する。周波数補正値と周波数設定値１１２を加算器１１４に入力する。加算器１１４の出力を正弦波発生器１１５に入力し、正弦波を出力する。正弦波と電圧指令値１１６を乗算器１１７に入力し、乗算器１１７の出力と電圧指令値１１６の出力を加算器１１８に入力する。この加算器１１８に正の一定電圧を入力するとオフセット電圧となり、圧電素子に負電圧が入力されないことになる。これは、圧電素子破壊を防ぐための措置である。加算器１１８の出力をＤ/Ａコンバータ１１９に入力しアナログ信号に変換した後、アンプ１２０で１０倍程度に昇圧した交流電圧を圧電素子１０２に入力する。この交流電圧を入力することにより圧電素子１０２が振動し、圧電素子１０２に接着しているパッド１０３が振動する。パッド１０３の振動により軸受面１０４との間にスクイーズ空気膜力が発生し、錘１０１と圧電素子１０２とパッド１０３と位置センサ１０５が浮上する。この浮上量を位置センサ１０５（例えばレーザー変位計や静電容量センサ）で計測し、変位電圧１０６をＡ/Ｄコンバータ１０７に入力するというフィードバック制御系を構成した浮上制御装置である。
具体的には、位置指令発生器１０８で１０μｍと設定しておき、リニアモータ可動子テーブルに負荷１０ｋｇが搭載され、変位が８μｍとなったとすると、位置指令と変位の差が２μｍとなる。この値を補正値演算器に入力し、例えば電圧指令値が５ｖの時には対応する周波数補正関数曲線８０１上の周波数補正値を出力する。例えば、浮上量一定時周波数電圧曲線８０４の点線上から浮上量一定時周波数電圧曲線８０５に近くなるような周波数つまり、２ｋHzから１.8kHzになれば浮上量が増すので、-0.2kHzの周波数補正値を出力する。しかし、変位が１０μｍになった場合、位置偏差は０となり周波数補正値も０になる。そこで、周波数補正値をメモリしておき、位置偏差が減少するのをトリガーとして、現在の周波数設定値に周波数補正値を足し、新たな周波数設定値とすることにより、負荷変動に対しても浮上量一定を実現できる。錘１０１は、リニアモータ可動子側テーブルや平面モータ可動子側テーブルに置き換えて、本浮上制御装置を適用することができる。例えば、長方形のテーブルであれば、圧電素子１０２とパッド１０３と位置センサ１０５とを４組を用意し、軸受面と対向する様に４隅に設置する。
【実施例２】
【００２９】
図２は、本発明の実施の形態２における浮上制御装置のブロック図である。図において、位置指令発生器１０８の出力である位置指令１０９とＡ/Ｄコンバータ１０７の出力である浮上量を減算器１１０に入力し、位置偏差を出力する。位置偏差を入力し電圧補正値を出力する電圧補正値演算器２０１は、（２）に表す関係式に基づいて電圧補正値を計算する装置である。
ｖ＝Ｇ（ｘ）・・・（２）
上記（２）式中の変数は、ｖ：電圧、ｘ：位置偏差、Ｇ（）は周波数と位置偏差の関係を表す関数である。これは定数ゲイン、もしくは電圧と位置偏差の電圧補正関数テーブルを表す。例えば電圧補正関数テーブルをプロットしたものが図９となる。図９は浮上量と電圧の関係を表しており、予め開ループ実験を行い、電圧補正関数テーブルを作成する。
電圧補正関数曲線９０１は周波数設定値０．８ｋHz時の浮上量と電圧の関係を表し、電圧補正関数曲線９０２は周波数設定値１ｋHz時の浮上量と電圧の関係を表し、電圧補正関数曲線９０３は周波数設定値２ｋHz時の浮上量と電圧の関係を表している。電圧補正値と電圧指令値１１６と周波数設定値１１２を電圧指令発生器２０２に入力し交流電圧を出力する。
電圧指令発生器２０２内部の詳細を説明する。電圧補正値と電圧指令値１１６を加算器２０３に入力する。また、周波数設定値１１２を正弦波発生器１１５に入力することにより正弦波を出力する。加算器２０３の出力と正弦波を乗算器２０４に入力し交流電圧を出力する。交流電圧と加算器２０３の出力を加算器１１８に入力する。加算器１１８に加算器２０３の出力（一定電圧）を入力するとオフセット電圧となり、圧電素子に負電圧が入力されないことになる。これは、圧電素子破壊を防ぐための措置である。加算器１１８の出力をＤ/Ａコンバータ１１９に入力しアナログ信号に変換した後、アンプ１２０で１０倍程度に昇圧した電圧指令を圧電素子１０２に入力する。この電圧指令を入力することにより圧電素子１０２が振動し、圧電素子１０２に接着されているパッド１０３が振動する。パッド１０３の振動により軸受面１０４との間にスクイーズ空気膜力が発生し、錘１０１と圧電素子１０２とパッド１０３と位置センサ１０５が浮上する。この浮上量を位置センサ１０５（例えばレーザー変位計や静電容量センサ）で計測し、変位電圧１０６をＡ/Ｄコンバータ１０７に入力するというフィードバック制御系を構成した浮上制御装置である。
具体的には、位置指令発生器１０８で１０μｍと設定しておき、リニアモータ可動子テーブルに負荷１０ｋｇが搭載され、変位が８μｍとなったとすると、位置指令と変位の差が２μｍとなる。この値を補正値演算器に入力し、例えば周波数設定値が１ｋHzの時には対応する電圧補正関数曲線９０２上の周波数補正値を出力する。例えば、浮上量一定時周波数電圧曲線９０４の点線上から浮上量一定時周波数電圧曲線９０５に近くなるような電圧指令つまり、１５ｖから１８ｖになれば浮上量が増すので、３ｖの電圧補正値を出力する。しかし、変位が１０μｍになった場合、位置偏差は０となり電圧補正値も０になる。そこで、電圧補正値をメモリしておき、位置偏差が減少するのをトリガーとして、現在の電圧設定値に電圧補正値を足し、新たな電圧設定値とすることにより、負荷変動に対しても浮上量一定を実現できる。錘１０１は、リニアモータ可動子側テーブルや平面モータ可動子側テーブルに置き換えて、本浮上制御装置を適用することができる。例えば、長方形のテーブルであれば、圧電素子１０２とパッド１０３と位置センサ１０５とを４組用意し、軸受面と対向する様に４隅に設置する。
【実施例３】
【００３０】
図３は、本発明の実施の形態３における浮上制御装置のブロック図である。図において、位置指令発生器１０８の出力である位置指令１０９とＡ/Ｄコンバータ１０７の出力である浮上量を減算器１１０に入力し、位置偏差を出力する。周波数補正値演算器１１１は位置偏差を入力し図８に示す位置偏差と周波数の周波数補正関数テーブルに従って周波数補正値を出力する。電圧補正値演算器２０１は位置偏差を入力し図９に示す位置偏差と電圧の電圧補正関数テーブルに従って電圧補正値を出力する。切換器３０１は位置偏差を入力し、位置偏差の大きさに従って周波数補正値を有効（出力する）とし電圧補正値を無効（出力しない）とするか、周波数補正値を無効（出力しない）とし電圧補正値を有効（出力する）を決定するものである。周波数補正値と電圧補正値と周波数設定値１１２と電圧指令値１１６を電圧指令発生器３０２に入力し、交流電圧を出力する。
電圧指令発生器３０２内では、周波数補正値と周波数設定値１１２を加算器１１４に入力し、加算器１１４の出力を正弦波発生器１１５に入力し正弦波を出力する。また、電圧補正値と電圧指令値１１６を加算器２０３に入力する。正弦波と加算器２０３の出力を乗算器３０３に入力し、交流電圧を出力する。交流電圧と加算器２０３の出力を加算器１１８に入力する。この加算器１１８に加算器２０３の出力（一定電圧）を入力するとオフセット電圧となり、圧電素子に負電圧が入力されないことになる。これは、圧電素子破壊を防ぐための措置である。加算器１１８の出力をＤ/Ａコンバータ１１９に入力しアナログ信号に変換した後、アンプ１２０で１０倍程度に昇圧した電圧指令を圧電素子１０２に入力する。この電圧指令を入力することにより圧電素子１０２が振動し、圧電素子１０２に接着されているパッド１０３が振動する。パッド１０３の振動により軸受面１０４との間にスクイーズ空気膜力が発生し、錘１０１と圧電素子１０２とパッド１０３と位置センサ１０５が浮上する。この浮上量を位置センサ１０５（例えばレーザー変位計や静電容量センサ）で計測し、変位電圧１０６をＡ/Ｄコンバータ１０７に入力するというフィードバック制御系を構成した浮上制御装置である。
具体的には、位置指令発生器１０８で１０μｍと設定しておき、リニアモータ可動子テーブルに負荷１０ｋｇが搭載され、変位が８μｍとなったとすると、位置指令と変位の差が２μｍとなり、この値を補正値演算器に入力し、対応する周波数補正値を出力する。例えば、浮上量一定時周波数電圧曲線８０４の点線上から浮上量一定時周波数電圧曲線８０５に近くなるような周波数つまり、２ｋHzから１.8kHzになれば浮上量が増すので、-0.2kHzの周波数補正値を出力する。または、浮上量一定時周波数電圧曲線９０４の点線上から浮上量一定時周波数電圧曲線９０５に近くなるような電圧指令つまり、１５ｖから１８ｖになれば浮上量が増すので、３ｖの電圧補正値を出力する。実際には電圧指令の調整の方が浮上量には効果的であるため、電圧補正値を出力し、微調整を周波数補正値を出力することで最適浮上量を実現する。しかし、変位が１０μｍになった場合、位置偏差は０となり周波数補正値も０になる。そこで、周波数補正値をメモリしておき、位置偏差が減少するのをトリガーとして、現在の周波数設定値に周波数補正値を足し、新たな周波数設定値とすることにより、負荷変動に対しても浮上量一定を実現できる。位置偏差が１０μｍよりも大きい場合には電圧補正値を出力する。この切換は切換器３０１にて位置偏差の大きさに従って実施する。錘１０１は、リニアモータ可動子側テーブルや平面モータ可動子側テーブルに置き換えて、本浮上制御装置を適用することができる。例えば、長方形のテーブルであれば、圧電素子１０２とパッド１０３と位置センサ１０５とを４組用意し、軸受面と対向する様に４隅に設置する。
【実施例４】
【００３１】
図４は、本発明の実施の形態４における浮上制御装置のブロック図である。図において、位置指令発生器１０８の出力である位置指令１０９とＡ/Ｄコンバータ１０７の出力である浮上量を減算器１１０に入力し、位置偏差を出力する。位置偏差を入力し周波数補正値と電圧補正値を出力する周波数・電圧補正値演算器４０１は、（３）に表す関係式に基づいて周波数補正値と電圧補正値を計算する装置である。
（ｆ,ｖ）＝Ｇ（ｘ）・・・（３）
上記（３）式中の変数は、ｆ：周波数、ｖ：電圧、ｘ：位置偏差、Ｇ（）は周波数と電圧と位置偏差の関係を表す関数である。これは定数ゲイン、もしくは位置偏差に対して周波数補正値と電圧補正値を出力する周波数電圧補正関数テーブルを用いる。例えば、周波数電圧補正関数テーブルとして図８と図９を組み合わせた３次元テーブルを用意する。周波数・電圧補正値演算器４０１より出力された周波数補正値と電圧補正値と周波数設定値１１２と電圧指令値１１６を電圧指令発生器４０２に入力し交流電圧を出力する。
電圧指令発生器４０２内部の詳細を説明する。周波数補正値と周波数設定値１１２を加算器１１４に入力する。加算器１１４の出力を正弦波発生器１１５に入力することにより正弦波を出力する。また電圧補正値と電圧指令値１１６を加算器２０３に入力する。加算器２０３の出力と正弦波を乗算器３０３に入力し交流電圧を出力する。交流電圧と加算器２０３の出力を加算器１１８に入力する。加算器１１８に加算器２０３の出力であるオフセット電圧を入力すると圧電素子に負電圧が入力されないことになる。これは、圧電素子破壊を防ぐための措置である。加算器１１８の出力をＤ/Ａコンバータ１１９に入力しアナログ信号に変換した後、アンプ１２０で１０倍程度に昇圧した電圧指令を圧電素子１０２に入力する。この電圧指令を入力することにより圧電素子１０２が振動し、圧電素子１０２に接着されているパッド１０３が振動する。パッド１０３の振動により軸受面１０４との間にスクイーズ空気膜力が発生し、錘１０１と圧電素子１０２とパッド１０３と位置センサ１０５が浮上する。この浮上量を位置センサ１０５（例えばレーザー変位計や静電容量センサ）で計測し、変位電圧１０６をＡ/Ｄコンバータ１０７に入力するというフィードバック制御系を構成した浮上制御装置である。錘１０１は、リニアモータ可動子側テーブルや平面モータ可動子側テーブルに置き換えて、本浮上制御装置を適用することができる。例えば、長方形のテーブルであれば、圧電素子１０２とパッド１０３と位置センサ１０５とを４組用意し、軸受面と対向する様に４隅に設置する。
【実施例５】
【００３２】
図５は、本発明の実施の形態５における浮上制御装置のブロック図である。図において、位置指令発生器１０８の出力である位置指令１０９とＡ/Ｄコンバータ１０７の出力である浮上量を減算器１１０に入力し、位置偏差を出力する。位置偏差と電圧指令値１１６を入力し周波数補正値を出力する周波数補正値演算器５０１は、（４）式に表す関係式に基づいて周波数補正値を計算する装置である。
ｆ＝Ｇ（ｖ,ｘ）・・・（４）
上記（４）式中の変数は、ｆ：周波数、ｖ：電圧、ｘ：位置偏差、Ｇ（）は周波数と電圧と位置偏差の関係を表す関数である。これは定数ゲイン、もしくは周波数と電圧と位置偏差の周波数補正関数テーブルを表す。例えば周波数補正関数テーブルをプロットしたものが図８となる。図８は浮上量と電圧と周波数の関係を表しており、予め開ループ実験を行い、周波数補正関数テーブルを作成する。図５では、周波数補正値演算器５０１に電圧指令値が入力されるため、電圧指令値が変更されても、そのときの電圧指令値の周波数補正関数テーブルを適用することにより、最適な周波数補正値が導出される。周波数補正値と周波数設定値１１２と電圧指令値１１６を電圧指令発生器１１３に入力して交流電圧を出力する。
電圧指令発生器１１３内部の詳細を説明する。周波数補正値と周波数設定値１１２を加算器１１４に入力する。加算器１１４の出力を正弦波発生器１１５に入力し、正弦波を出力する。正弦波と電圧指令値１１６を乗算器１１７に入力することにより、交流電圧が出力される。さらに乗算器１１７の出力（交流電圧）と電圧指令値１１６の出力を加算器１１８に入力する。この加算器１１８に正の一定電圧を入力するとオフセット電圧となり、圧電素子に負電圧が入力されないことになる。これは、圧電素子破壊を防ぐための措置である。加算器１１８の出力をＤ/Ａコンバータ１１９に入力しアナログ信号に変換した後、アンプ１２０で１０倍程度に昇圧した交流電圧を圧電素子１０２に入力する。この交流電圧を入力することにより圧電素子１０２が振動し、圧電素子１０２に接着しているパッド１０３が振動する。パッド１０３の振動により軸受面１０４との間にスクイーズ空気膜力が発生し、錘１０１と圧電素子１０２とパッド１０３と位置センサ１０５が浮上する。この浮上量を位置センサ１０５（例えばレーザー変位計や静電容量センサ）で計測し、変位電圧１０６をＡ/Ｄコンバータ１０７に入力するというフィードバック制御系を構成した浮上制御装置である。
具体的には、位置指令発生器１０８で２０μｍと設定し、また電圧指令値を５Vと設定した場合、リニアモータ可動子テーブルに負荷２０ｋｇが搭載され、変位が１０μｍとなったとすると、位置指令と変位の差が１０μｍとなり、この値を補正値演算器に入力し、図８の周波数補正関数曲線８０１に対応する周波数補正値（図８中A）を出力する。しかし、変位が２０μｍになった場合、位置偏差は０となり周波数補正値も０になる。そこで、周波数補正値をメモリしておき、位置偏差が減少するのをトリガーとして、現在の周波数設定値に周波数補正値を足し、新たな周波数設定値とすることにより、負荷変動に対しても浮上量一定を実現できる。錘１０１は、リニアモータ可動子側テーブルや平面モータ可動子側テーブルに置き換えて、本浮上制御装置を適用することができる。例えば、長方形のテーブルであれば、圧電素子１０２とパッド１０３と位置センサ１０５とを４組を用意し、軸受面と対向する様に４隅に設置する。
【実施例６】
【００３３】
図６は、本発明の実施の形態６における浮上制御装置のブロック図である。図において、位置指令発生器１０８の出力である位置指令１０９とＡ/Ｄコンバータ１０７の出力である浮上量を減算器１１０に入力し、位置偏差を出力する。位置偏差と周波数設定値を入力し電圧補正値を出力する電圧補正値演算器６０１は、（５）に表す関係式に基づいて電圧補正値を計算する装置である。
ｖ＝Ｇ（ｆ,ｘ）・・・（５）
上記（５）式中の変数は、ｖ：電圧、ｆ：周波数、ｘ：位置偏差、Ｇ（）は電圧と周波数と位置偏差の関係を表す関数である。これは定数ゲイン、もしくは電圧と周波数と位置偏差の電圧補正関数テーブルを表す。例えば電圧補正関数テーブルをプロットしたものが図９となる。図９は浮上量と電圧と周波数の関係を表しており、予め開ループ実験を行い、電圧補正関数テーブルを作成する。図６では、電圧補正値演算器６０１に周波数設定値が入力されるため、周波数設定値が変更されても、そのときの周波数設定値の電圧補正関数テーブルを適用することにより、最適な電圧補正値が導出される。周波数設定値が２ｋHzの時には、図９の曲線９０２を選択し、位置偏差に従って電圧補正値を出力する。電圧補正値と電圧指令値１１６と周波数設定値１１２を電圧指令発生器２０２に入力し交流電圧を出力する。
電圧指令発生器２０２内部の詳細を説明する。電圧補正値と電圧指令値１１６を加算器２０３に入力する。また、周波数設定値１１２を正弦波発生器１１５に入力することにより正弦波を出力する。加算器２０３の出力と正弦波を乗算器２０４に入力し交流電圧を出力する。交流電圧と加算器２０３の出力を加算器１１８に入力する。加算器１１８に加算器２０３の出力（一定電圧）を入力するとオフセット電圧となり、圧電素子に負電圧が入力されないことになる。これは、圧電素子破壊を防ぐための措置である。加算器１１８の出力をＤ/Ａコンバータ１１９に入力しアナログ信号に変換した後、アンプ１２０で１０倍程度に昇圧した電圧指令を圧電素子１０２に入力する。この電圧指令を入力することにより圧電素子１０２が振動し、圧電素子１０２に接着されているパッド１０３が振動する。パッド１０３の振動により軸受面１０４との間にスクイーズ空気膜力が発生し、錘１０１と圧電素子１０２とパッド１０３と位置センサ１０５が浮上する。この浮上量を位置センサ１０５（例えばレーザー変位計や静電容量センサ）で計測し、変位電圧１０６をＡ/Ｄコンバータ１０７に入力するというフィードバック制御系を構成した浮上制御装置である。
具体的には、位置指令発生器１０８で２０μｍと設定し、周波数設定値を１ｋHzと設定しておき、リニアモータ可動子テーブルに負荷２０ｋｇが搭載され、変位が１０μｍとなったとすると、位置指令と変位の差が１０μｍとなり、この値を電圧補正値演算器６０１に入力し、図９の電圧補正関数曲線９０２に対応する電圧補正値（図９中A）を出力する。しかし、変位が２０μｍになった場合、位置偏差は０となり電圧補正値も０になる。そこで、電圧補正値をメモリしておき、位置偏差が減少するのをトリガーとして、現在の電圧設定値に電圧補正値を足し、新たな電圧設定値とすることにより、負荷変動に対しても浮上量一定を実現できる。錘１０１は、リニアモータ可動子側テーブルや平面モータ可動子側テーブルに置き換えて、本浮上制御装置を適用することができる。例えば、長方形のテーブルであれば、圧電素子１０２とパッド１０３と位置センサ１０５とを４組用意し、軸受面と対向する様に４隅に設置する。
【実施例７】
【００３４】
図７は、本発明の実施の形態７における浮上制御装置のブロック図である。図において、位置指令発生器１０８の出力である位置指令１０９とＡ/Ｄコンバータ１０７の出力である浮上量を減算器１１０に入力し、位置偏差を出力する。周波数補正値演算器７０１は位置偏差と第1電圧指令値７０５と第２電圧指令値７０７を入力し図８に示す位置偏差と周波数の周波数補正関数テーブルに従って第1周波数補正値７０２と第2周波数補正値７０３を出力する。図７では、周波数補正値演算器７０１に用途に応じた複数の電圧指令値が入力されるため、電圧指令値が変更されても、そのときの電圧指令値の周波数補正関数テーブルを適用することにより、最適な周波数補正値が導出される。また、複数の周波数設定値が同様に存在していても、補正値演算器を周波数補正値が出力できるよう構成し、同じく電圧指令発生器を周波数補正値に基づき電圧指令値を変更処理するように構成すればよい。第1周波数補正値７０２と第１周波数設定値７０４と第１電圧指令値７０５と第2周波数補正値７０３と第２周波数設定値７０６と第２電圧指令値７０７を電圧指令発生器７０８に入力し交流電圧を出力する。
電圧指令発生器７０８内部では、第1周波数補正値７０２と第１周波数設定値７０４を加算器７０９に入力し、加算器７０９の出力を正弦波発生器７１０に入力し、第1正弦波を出力する。第1正弦波と第1電圧指令値７０５を乗算器７１１に入力し、第1交流電圧を出力する。また、第２周波数補正値７０３と第２周波数設置値７０６を加算器７１２に入力し、加算器７１２の出力を正弦波発生器７１３に入力し第２正弦波を出力する。第２正弦波と第２電圧指令値７０７を乗算器７１４に入力し、第２交流電圧を出力する。第１交流電圧と第２交流電圧を加算器７１５に入力し、加算器７１５の出力と第１電圧指令値７０５と第２電圧指令値７０７を加算器７１６に入力する。この加算器７１６に第１電圧指令値７０５と第２電圧指令値７０７を入力するとオフセット電圧となり、圧電素子に負電圧が入力されないことになる。これは、圧電素子破壊を防ぐための措置である。加算器７１６の出力をＤ/Ａコンバータ１１９に入力しアナログ信号に変換した後、アンプ１２０で１０倍程度に昇圧した電圧指令を圧電素子１０２に入力する。この電圧指令を入力することにより圧電素子１０２が振動し、圧電素子１０２に接着されているパッド１０３が振動する。パッド１０３の振動により軸受面１０４との間にスクイーズ空気膜力が発生し、錘１０１と圧電素子１０２とパッド１０３と位置センサ１０５が浮上する。この浮上量を位置センサ１０５（例えばレーザー変位計や静電容量センサ）で計測し、変位電圧１０６をＡ/Ｄコンバータ１０７に入力するというフィードバック制御系を構成した浮上制御装置である。錘１０１は、リニアモータ可動子側テーブルや平面モータ可動子側テーブルに置き換えて、本浮上制御装置を適用することができる。例えば、長方形のテーブルであれば、圧電素子１０２とパッド１０３と位置センサ１０５とを４個を用意し、軸受面と対向する様に４隅に設置する。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の浮上制御装置は、非接触軸受を用いる平面アクチュエータ装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施例を表す浮上制御装置
【図２】本発明の第２実施例を表す浮上制御装置
【図３】本発明の第３実施例を表す浮上制御装置
【図４】本発明の第４実施例を表す浮上制御装置
【図５】本発明の第５実施例を表す浮上制御装置
【図６】本発明の第６実施例を表す浮上制御装置
【図７】本発明の第７実施例を表す浮上制御装置
【図８】浮上量と周波数の関係を表す図
【図９】浮上量と電圧の関係を表す図
【図１０】従来技術１による浮上制御装置
【図１１】従来技術２による浮上制御装置
【符号の説明】
【００３７】
１０１、１１０９・・・錘
１０２、１００１、１００９、１１０５、１１０６・・・圧電素子（振動子）
１０３、１００２、１００８、１１０７・・・パッド（振動面）
１０４、１１０８・・・軸受面
１０５、１１１０、１１１１、１１１２・・・レーザー変位計
１０６・・・浮上量
１０７、１０１１・・・Ａ／Ｄコンバータ
１０８・・・位置指令発生器
１０９、１０１２・・・位置指令
１１０、１０１３・・・減算器
１１１、２０１、４０１、５０１、６０１、７０１・・・周波数または電圧補正値演算器
１１２・・・周波数設定値
１１３、２０２、３０２、４０２、７０８・・・電圧指令発生器
１１４、１１８、２０３、７０９、７１２、７１５、７１６、１０１９、１０２０・・・加算器
１１５、７１０、７１３、１１０２・・・正弦波発生器
１１６・・・電圧指令値
１１７、２０４、３０３、７１１、７１４・・・乗算器
１１９、１０１５・・・Ｄ/Ａコンバータ
１２０、１０２１、１０２２、１１０３・・・アンプ
３０１・・・切替器
７０２・・・第１周波数補正値
７０３・・・第２周波数補正値
７０４・・・第１周波数設定値
７０５・・・第１電圧指令値
７０６・・・第２周波数設定値
７０７・・・第２電圧指令値
８０１、８０２、８０３・・・周波数補正関数曲線
８０４、８０５、９０４、９０５・・・浮上量一定時周波数電圧直線
９０１、９０２、９０３・・・電圧補正関数曲線
１００３、１００５・・・浮上体パッド
１００４・・・浮上体
１００６・・・鉄板
１００７・・・静電容量型変位センサ
１０１０・・・浮上体変位
１０１４・・・ＰＩ制御器
１０１６、１０１７・・・電圧指令
１０１８・・・ファンクションジェネレータ
１１０１・・・周波数カウンタ
１１０４、１１１３・・・オシロスコープ
【図１】
2007195306.tif 000003
【図２】
2007195306.tif 000004
【図３】
2007195306.tif 000005
【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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【図１１】
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