JP5607309B2

JP5607309B2 - 位置決め装置、位置決め方法および位置決めプログラム

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Publication number: JP5607309B2
Application number: JP2009046680A
Authority: JP
Inventors: 一将阿隅; 景依斗高橋
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: JP2010206867A

Description

本発明は、圧電素子を用いた位置決め装置、位置決め方法および位置決めプログラムに関する。

従来、圧電素子を用いた駆動機構で位置決めする位置決め装置が知られている。そのような位置決め装置を用いて、目的位置に近づいたときには、微小駆動する駆動方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１記載の超音波モータの駆動方法は、超音波振動子を共振駆動することによってヘッドの当接部に楕円運動を発生させ、被駆動体を動かす。そして、被駆動体を目的位置の近傍まで移動させた後に、超音波振動子の圧電板を直流駆動する。これにより、当接部が微小に変位し、同時に被駆動体を微小に動かし、被駆動体が目的位置に高精度に位置決めしている。

一方で、近年、スムーズインパクト駆動機構を用いた駆動装置が開発されている。スムーズインパクト駆動機構は、移動体の慣性と摩擦力とを利用し、圧電素子の伸縮の一方を緩やかな駆動とし、他方を急峻な駆動とすることにより移動体を繰り出す駆動機構である。このような駆動機構を利用した位置決め装置が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。特許文献２記載の駆動装置は、容量性負荷に直列に接続され、容量性負荷とともに直列共振回路を構成する誘導性素子および抵抗素子と、直列共振回路に矩形波形の電圧を印加する電圧印加手段とを備える。その結果、簡単な構成で容量性負荷に鋸波形の電圧を印加可能にしている。

このようなスムーズインパクト駆動機構では、１回の伸縮を１ステップとするステップ送りが一般的であるが、最近ではＤＣ制御による微小位置決めにスムーズインパクト駆動機構を適用した位置決め装置が開発されている。これにより、ストロークエンドにおいてスムーズインパクト駆動機構による駆動を行い、ＤＣ制御のストロークの限界を超えた位置決めを可能にしている。

特開２００４−２８２８１６号公報特許第３５９５８０８号公報

しかしながら、上記のようなスムーズインパクト駆動機構をＤＣ制御に適用した駆動装置では、整定範囲に入ったときに制御量が上下限値に近いと、外乱などによる制御量の変化で駆動が発生し、その場合には一時的に整定が乱れる。図７は、従来の駆動における位置決め動作の一例を示す図である。図７に示す例では、まず、時刻ｔ００から圧電素子に徐々に電圧を印加することで、移動体を目的位置方向へ移動させる（進み制御）。印加電圧が限度値ｂまで上がったときには（時刻ｔ０１）、印加電圧の正負を反転して−ｂとし、急速に駆動軸だけを目的位置とは反対方向へ移動させる（戻り）。その際にはわずかに移動体も目的位置とは反対方向へ移動する。

そして、再び電圧を徐々に印加し、限度値ｂに至ったとき（時刻ｔ０２）には、印加電圧の正負を反転することを繰り返す。このようにして、移動体を目的位置に近づけることができる。しかし、移動体が整定範囲Ｐに入り（時刻ｔ０３）、そのときに印加電圧が限度値に近いと、外乱などにより印加電圧が容易に限度値まで至る（時刻ｔ０４）。その場合には、印加電圧の正負が反転し、かえって移動体が目的位置から遠ざかる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、整定範囲に入ったときに外乱などによる印加電圧の変化で整定が大きく乱れるのを防止する位置決め装置、位置決め方法および位置決めプログラムを提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の位置決め装置は、圧電素子を用いた位置決め装置であって、前記圧電素子への印加電圧が限度値に到達したか否かを判定し、到達したときには前記印加電圧をもとの方向に戻す印加電圧判定部と、前記限度値を設定する限度値設定部と、前記圧電素子により駆動される被駆動体が、所定範囲内に入ったか否かを判定する位置判定部と、を備え、前記限度値設定部は、前記被駆動体が、所定の小制御量範囲内に入ったと判定されたときには、前記限度値を現在値より小さく設定し、前記被駆動体が前記小制御量範囲内に含まれる整定範囲内に入ったと判定されたときには、前記限度値を現在値より大きく設定するか、または設定を解除することを特徴としている。

このように、本発明の位置決め装置は、被駆動体が、小制御量範囲内に入ったときには、限度値を現在値より小さく設定する。これにより、小制御量範囲内では印加電圧の絶対値が小さいときに印加電圧が限度値に到達し、戻りが発生するため、整定範囲に入ったときに、印加電圧の絶対値が限度値の絶対値より十分に低い状態になる。その結果、整定範囲に入った後に戻りが発生せず、外乱などによる印加電圧の変化で整定が大きく乱れることがなくなる。

（２）また、本発明の位置決め方法は、圧電素子を用いた位置決め方法であって、前記圧電素子により駆動される被駆動体が、所定の小制御量範囲内に入ったか否かを判定し、前記被駆動体が前記小制御量範囲内に入ったと判定されたときには、限度値を現在値より小さく設定するステップと、前記被駆動体が前記小制御量範囲内に含まれる整定範囲内に入ったか否かを判定し、前記被駆動体が前記整定範囲内に入ったと判定されたときには、前記限度値を現在値より大きく設定するか、または設定を解除するステップと、を含み、前記圧電素子への印加電圧が限度値に到達したか否かを判定し、到達したときには前記印加電圧をもとの方向に戻すことを特徴としている。これにより、整定範囲に入ったときに外乱などによる印加電圧の変化で整定が大きく乱れることがなくなる。

（３）また、本発明の位置決めプログラムは、圧電素子を用いた位置決めプログラムであって、前記圧電素子により駆動される被駆動体が、所定の小制御量範囲内に入ったか否かを判定し、前記被駆動体が前記小制御量範囲内に入ったと判定されたときには、前記限度値を現在値より小さく設定する処理と、前記被駆動体が前記小制御量範囲内に含まれる整定範囲内に入ったか否かを判定し、前記被駆動体が前記整定範囲内に入ったと判定されたときには、前記限度値を現在値より大きく設定するか、または設定を解除する処理と、をコンピュータに実行させ、前記圧電素子への印加電圧が限度値に到達したか否かを判定し、到達したときには前記印加電圧をもとの方向に戻すことを特徴としている。これにより、整定範囲に入ったときに外乱などによる印加電圧の変化で整定が大きく乱れることがなくなる。

本発明によれば、整定範囲に入ったときに、印加電圧の絶対値が限度値の絶対値より十分に低い状態になる。その結果、整定範囲に入った後に戻りが発生せず、外乱などによる印加電圧の変化で整定が大きく乱れることがなくなる。

本発明に係る位置決め装置の構成を示す機能ブロック図である。駆動部を示す側面図である。駆動部を示す側面図である。駆動部を示す側面図である。本発明に係る位置決め装置の基本的動作を示すフローチャートである。制御サイクルにおける動作を示すフローチャートである。位置上の各範囲を示す図である。位置決め動作の一例を示す図である。従来の駆動における位置決め動作の一例を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［実施形態１］
（位置決め装置の機能的構成）
図１は、位置決め装置１００の構成を示す機能ブロック図である。位置決め装置１００は、圧電素子１１２への印加電圧が限度値に到達したか否かを判定し、到達したときには印加電圧をもとの方向に戻す。図１に示すように、位置決め装置１００は、位置検出部１０１、位置判定部１０２、限度値設定部１０５、印加電圧算出部１０６、印加電圧判定部１０７、出力部１０８および駆動部１０９を備えている。

位置検出部１０１は、圧電素子１１２により駆動される被駆動体１１４の位置を検出する。位置検出部１０１は、被駆動体１１４の基準点１１４ａについての位置を検出し、その位置を被駆動体１１４の位置として特定する（図２Ａ参照）。位置判定部１０２は、被駆動体１１４が、所定範囲内に入ったか否かを判定する。所定範囲には、小制御量範囲Ｑと整定範囲Ｐがある。なお、小制御量範囲Ｑの方が、整定範囲Ｐより大きい。

限度値設定部１０５は、限度値を設定する。たとえば、被駆動体１１４が小制御量範囲Ｑ外にあるときには、限度値を位置決め装置１００特有の値に設定する。その後、位置決め装置１００は、上記の設定で進み制御および戻りを繰り返す。進み制御は、ＰＩＤ制御などに代表されるフィードバック制御で行われる。装置特有の値は、位置決め装置１００が許容する最大の印加電圧である。通常は、限度値を装置特有の値に設定しておくことで、最大の幅で被駆動体１１４を進ませることができ、高速の移動が可能となる。

被駆動体１１４が小制御量範囲Ｑ内に入ったと判定されたときには、限度値を装置特有の値から小制御量用の設定値に変更する。小制御量用の設定値は、装置特有の値より小さい。このように、小制御量範囲Ｑ内では印加電圧の絶対値が小さいときに印加電圧が限度値に到達し、戻りが発生するため、整定範囲Ｐに入ったときに、印加電圧の絶対値が限度値の絶対値より十分に低い状態になる。また、被駆動体１１４が整定範囲Ｐに入ったときには、限度値を小制御量用の設定値から装置特有の値に変更する。なお、通常は行わないが、被駆動体１１４が整定範囲Ｐに入ったときに、限度値の設定を解除してもよい。

印加電圧算出部１０６は、目標位置と現在位置との差に基づいて印加電圧を算出する。その際にはＰＩＤ制御を適用する。印加電圧判定部１０７は、印加電圧を上昇させている場合には、印加電圧が限度値以上か否かを判定し、印加電圧が限度値以上である場合には、印加電圧を限度値より低い所定電圧まで戻す。また、印加電圧を低下させている場合には、印加電圧が限度値以下か否かを判定し、印加電圧が限度値以下である場合には、印加電圧を限度値より高い所定電圧まで戻す。なお、上記の所定電圧は、限度値の正負を反転させた電圧であることが好ましい。大きい幅で被駆動体１１４を進ませることができ、高速の移動が可能となるためである。

出力部１０８は、算出された印加電圧を駆動部１０９に出力する。駆動部１０９は、出力された電圧により被駆動体１１４を駆動する。駆動部１０９については以下で詳細に説明する。

（駆動部の構成）
図２Ａ〜図２Ｃは、駆動部１０９を示す側面図である。各図が示すように、駆動部１０９は、固定部１１１、圧電素子１１２、駆動軸１１３を備えている。基準点１１４ａは、被駆動体１１４上で位置決めのための基準となる点を示している。固定部１１１は、圧電素子１１２の一端を動かないように固定している。圧電素子１１２は、電圧を印加されることで固定部１１１と駆動軸１１３とを結ぶ方向へ伸縮する。駆動部１０９は、スムーズインパクト駆動が可能となっている。駆動軸１１３は、伸縮の変位を摩擦力により被駆動体１１４へ伝える。摩擦力はあらかじめ調整されており、駆動軸１１３が一定速度以上で動くと被駆動体１１４との接触面で滑りが生じる。駆動部１０９は、微小なＤＣ駆動で位置を調整することもできる。

図２Ｂ、図２Ｃに示す例は、スムーズインパクト駆動している駆動部１０９を示している。図２Ｂに示すように、緩やかに圧電素子１１２への印加電圧が増加することで、圧電素子１１２の伸張とともに駆動軸１１３も伸張方向に移動する。そして、それとともに被駆動体１１４も移動する。限度値に到達した後、圧電素子１１２が急速に収縮している。駆動軸１１３も圧電素子１１２の収縮とともに収縮方向に移動し、被駆動体１１４はほとんど元の位置に止まっている。このように、進み制御と戻りを繰り返すことで、被駆動体１１４を一定方向に移動させることができる。

図２Ｃに示すように、被駆動体１１４が小制御量範囲Ｑ外にあるときには限度値が大きく設定されているため（たとえば装置特有の値）、駆動をスムーズインパクト駆動として捉えると進み幅が大きい。被駆動体１１４が小制御量範囲Ｑ内で整定範囲Ｐ外にあるときには限度値が小さく設定されているため（たとえば小制御量用の設定値）、駆動をスムーズインパクト駆動として捉えると進み幅が小さい。したがって、この場合には被駆動体１１４は、小刻みに戻りが発生する。

（位置決め装置の基本動作）
次に、位置決め装置１００の動作を説明する。図３は、位置決め装置１００の基本的動作を示すフローチャートである。まず、限度値を装置特有の値に設定する（ステップＳ１）。そして、制御サイクルを実行する（ステップＳ２）。制御サイクルについては別途後述する。

次に、被駆動体１１４が小制御量範囲Ｑに入ったか否かを判定する（ステップＳ３）。被駆動体１１４が小制御量範囲Ｑに入っていないと判定された場合には、ステップＳ２に戻り、制御サイクルを実行する。一方、被駆動体１１４が小制御量範囲Ｑに入ったと判定された場合には、限度値を小制御量用の設定値に設定する（ステップＳ４）。そして、制御サイクルを実行する（ステップＳ５）。これにより、小制御量範囲Ｑ内では、戻りが小さい限度値で動作するため、整定範囲Ｐに入ったときに、印加電圧の絶対値が限度値の絶対値より十分に小さい状態になる。

次に、被駆動体１１４が整定範囲Ｐに入ったか否かを判定する（ステップＳ６）。被駆動体１１４が整定範囲Ｐに入っていないと判定された場合には、ステップＳ５に戻り、制御サイクルを実行する。一方、被駆動体１１４が整定範囲Ｐに入ったと判定された場合には、限度値を再度、装置特有の値に設定する（ステップＳ７）。そして、微小制御量で被駆動体１１４の位置を維持する（ステップＳ８）。これにより、整定範囲Ｐに入ったときに、印加電圧が限度値まで余裕のある状態となる。その結果、整定範囲Ｐに入った後に駆動が発生する可能性がほぼ無くなり大きく整定が乱れることがなくなる。次に、終了イベントが発生したか否かを判定する（ステップＳ９）。終了イベントが発生していないと判定された場合には、ステップＳ８に戻り、制御サイクルを実行する。終了イベントが発生したと判定された場合には終了する。終了イベントとは、たとえば装置の停止や、次の指示を指す。

（制御サイクル）
次に、制御サイクルについて説明する。図４は、制御サイクルにおける動作を示すフローチャートである。図４に示すように、まず印加電圧を算出する（ステップＰ１）。そして、印加電圧が限度値に到達したか否かと判定する（ステップＰ２）。印加電圧が限度値に到達したと判定された場合には、印加電圧の正負を反転する（ステップＰ３）。なお、印加電圧を反転することなく、所定電圧を印加することとしてもよい。所定電圧は、限度値に対してもとの印加電圧の方向に戻した電圧である。印加電圧が限度値に到達していないと判定された場合には、そのまま算出された印加電圧を出力し、圧電素子１１２に印加する（ステップＰ４）。そして、駆動後の被駆動体１１４の位置を検出して（ステップＰ５）、終了する。なお、上記の基本動作や制御サイクルの一連の動作は、回路により行うことができるが、プログラムによる処理によっても実行可能である。

（位置範囲と印加電圧）
次に、位置上の範囲の設定と動作上の印加電圧の設定について説明する。図５は、位置上の各範囲を示す図である。図６は、位置決め動作の一例を示す図である。

図５に示すように、位置決め装置１００は、被駆動体１１４の変位に対して２つの範囲を設定している。図５では模式的に被駆動体１１４を基準点１１４ａで代表させている。小制御量範囲Ｑは、限度値を小さくしている範囲を示している。ただし、小制御量範囲Ｑ内でも整定範囲Ｐ内では限度値を小制御量用の設定値より大きくする。これにより、整定範囲Ｐ内では印加電圧が限度値に到達しにくくなる。

図６は、位置決め動作の一例を、時間に対する被駆動体１１４の位置および印加電圧の関係により示している。時刻ｔ０において、限度値は装置特有の値ｂに設定されている。そして、ＰＩＤ制御により印加電圧を徐々に増加し、時刻ｔ１において限度値ｂに到達すると、印加電圧の正負を反転し、印加電圧を−ｂとしている。その際には、被駆動体の位置もわずかに戻り方向に移動する。そして、再び印加電圧を徐々に増加し、時刻ｔ２において限度値ｂに到達すると、印加電圧の正負を反転している。

時刻ｔ２以降は、被駆動体１１４が目的位置Ｇの近傍まで到達しているため、ＰＩＤ制御により印加電圧は緩やかなカーブを描きながら上昇している。そして、時刻ｔ３において被駆動体１１４が小制御量範囲Ｑに入り、限度値が小制御量用の設定値ａに設定されている。そして、時刻ｔ４において印加電圧が小制御量用の設定値ａに到達し、印加電圧の正負が反転される。そして、印加電圧はさらに緩やかなカーブを描き上昇し、時刻ｔ５で整定範囲Ｐに到達する。被駆動体１１４が整定範囲Ｐに入ったときには、限度値をａからｂに上げる。したがって、印加電圧が限度値より十分に低い状態となる。その結果、被駆動体１１４が整定範囲Ｐに入った後には印加電圧の戻りが発生する可能性が極めて低くなり一時的に整定が乱れることがなくなる。なお、逆方向に進む場合でもａを−ａ、ｂを−ｂに置き換えれば同様である。

１００位置決め装置
１０１位置検出部
１０２位置判定部
１０５限度値設定部
１０６印加電圧算出部
１０７印加電圧判定部
１０８出力部
１０９駆動部
１１１固定部
１１２圧電素子
１１３駆動軸
１１４被駆動体
１１４ａ基準点
ａ小制御量用の設定値
ｂ装置特有の値
Ｇ目的位置
Ｐ整定範囲
Ｑ小制御量範囲

Claims

ＤＣ駆動およびスムーズインパクト駆動を用いて目標位置に向けて被駆動体を駆動する位置決め装置であって、
電圧の印加により変位することで被駆動体を駆動する圧電素子と、
前記圧電素子への印加電圧の限度値を設定する限度値設定部と、
前記被駆動体が整定範囲内に入るように、目標位置と現在位置との差に基づいて前記印加電圧を算出する印加電圧算出部と、
前記算出された印加電圧を前記圧電素子に印加しＤＣ駆動させる駆動部と、
前記印加電圧が前記限度値に到達したか否かを判定し、到達したときには前記印加電圧とは正負が逆の電圧を印加する印加電圧判定部と、
前記被駆動体が、所定範囲内に入ったか否かを判定する位置判定部と、を備え、
前記圧電素子は、前記被駆動体に対し、前記印加電圧が前記限度値に到達するまでは、
前記算出された印加電圧によりＤＣ駆動を行い、前記印加電圧が前記限度値に到達した際には、急峻に前記印加電圧とは正負が逆の電圧を印加することでスムーズインパクト駆動を行い、
前記限度値設定部は、所定の小制御量範囲内に前記被駆動体が入ったと判定されたときには、前記限度値を現在値より小さく設定し、
前記小制御量範囲内に含まれる整定範囲内に前記被駆動体が入ったと判定されたときには、前記限度値を現在値より大きく設定するか、または前記限度値の設定を解除することを特徴とする位置決め装置。
ＤＣ駆動およびスムーズインパクト駆動を用いて目標位置に向けて被駆動体を駆動する位置決め方法であって、
電圧の印加により変位することで被駆動体を駆動する圧電素子への印加電圧の限度値を設定するステップと、
前記被駆動体が整定範囲内に入るように、目標位置と現在位置との差に基づいて前記印加電圧を算出するステップと、
前記被駆動体に対し、前記印加電圧が前記限度値に到達するまでは、前記算出された印加電圧を前記圧電素子に印加することによりＤＣ駆動を行うステップと、
前記印加電圧が前記限度値に到達した際には、前記被駆動体に対し、急峻に前記印加電圧とは正負が逆の電圧を印加することでスムーズインパクト駆動を行うステップと、
所定の小制御量範囲内に前記被駆動体が入ったか否かを判定するステップと、
前記被駆動体が前記小制御量範囲内に入ったと判定されたときには、限度値を現在値より小さく設定するステップと、
前記小制御量範囲内に含まれる整定範囲内に前記被駆動体が入ったか否かを判定するステップと、
前記被駆動体が前記整定範囲内に入ったと判定されたときには、前記限度値を現在値より大きく設定するか、または前記限度値の設定を解除するステップと、を含むことを特徴とする位置決め方法。
ＤＣ駆動およびスムーズインパクト駆動を用いて目標位置に向けて被駆動体を駆動する
位置決めプログラムであって、
電圧の印加により変位することで被駆動体を駆動する圧電素子への印加電圧の限度値を
設定する処理と、
前記被駆動体が整定範囲内に入るように、目標位置と現在位置との差に基づいて前記印
加電圧を算出する処理と、
前記被駆動体に対し、前記印加電圧が前記限度値に到達するまでは、前記算出された印
加電圧を前記圧電素子に印加することによりＤＣ駆動を行う処理と、
前記印加電圧が前記限度値に到達した際には、前記被駆動体に対し、急峻に前記印加電
圧とは正負が逆の電圧を印加することでスムーズインパクト駆動を行う処理と、
所定の小制御量範囲内に前記被駆動体が入ったか否かを判定する処理と、
前記被駆動体が前記小制御量範囲内に入ったと判定されたときには、前記限度値を現在
値より小さく設定する処理と、
前記小制御量範囲内に含まれる整定範囲内に前記被駆動体が入ったか否かを判定する処
理と、
前記被駆動体が前記整定範囲内に入ったと判定されたときには、前記限度値を現在値よ
り大きく設定するか、または前記限度値の設定を解除する処理と、をコンピュータに実行
させることを特徴とする位置決めプログラム。