非共振型超音波モータ駆動ステージの制御パラメータモニタリング熊本大学：○古川博之，小磯公房，遠藤泰史，橋口弘幸，原田崇，永本恵市，中田明良，久保田弘有限会社熊本テクノロジー：小坂光二，岩渕哲也，馬場哲郎，江頭義也太平洋セメント株式会社：山川孝宏，渡邊雅幸エンコーダクロスローラーガイドリニアスケール制御ユニットリミット信号リミットセンサ制御信号 NRUSM 圧電アクチュエータ図 2．NRUSM ステージシステム構成目標速度 K(Vff) 比例項P 目標位置 + - モータ出力値積分項I 微分項D 実際位置（スケール読み値）図 3．NRUSM サーボモデル情報は，リニアスケール／エンコーダ(ミツトヨ：ST32A，最高分解能 10nm)を用いて検出した．ＲＳ２３２Ｃステージガイドプレート制御ＰＣ 2．NRUSM 駆動ステージシステム図 1 は，本実験に用いた 100mm ストロークステージ(シグマテック(株)：全重量 2.1kg，可動部重量 1.2kg，トップテーブル 180× 120mm)である．図 2 は，本実験に用いたステージシステムの構成である．ステージ側面に取り付けられたアルミナセラミックス製のガイドプレートに直接モータの先端を接触させている．制御 PC より入力された指令は，RS232C ケーブルにより制御ユニットへ取りこまれる．制御ユニットは， PID 制御を採用しており，図 3 に示すように目標位置と実際位置の差分を取り、比例項，積分項，微分項となる係数 P，I， D を掛けることでモータ出力値を計算し制御信号を電圧振幅として出力する．また、位置図 1．100mm ストロークステージ位置情報１．はじめに驚異的な進歩を遂げている半導体集積回路 (LSI)においては，超精密位置決めと高速度かつ高精度移動が可能なステージの必要性が増してきている．研究を進めている非共振型超音波モータは NRUSM （ Nonresonant Ultrasonic Motor）[1]は，ナノメートルオーダ以下の分解能を持つ圧電素子を電圧によって制御することにより，超精密位置決めを可能としている．しかし，摩擦力を介して圧電素子の変位をステージに伝えるため，駆動中には必ずモータとステージの接触面において摩耗による発塵が起こる．そのため駆動中における時間位置誤差が変化するものと考えられる．本実験においては，駆動中に変化するパラメータとして，目標位置と実際の位置との差である時間位置誤差に注目した．最終的な目標は，変化する接触面などに対して制御側で最適な駆動状態を極力維持すると共に最適な制御パラメータの変化からモータとステージの接触部の状態を把握し予兆予測をすることである． 3．2 連続往復移動による影響図 5 は，10mm の区間を 1mm/s で 300 回往復移動させた後の時間位置誤差の変化の様子である．この時の PID 定数は、図 4 で最適とした値で固定して実験を行った．図に示すとおり，最大約 3μm の時間位置誤差が発生している．また図 6 は，等速領域における時間位置誤差の総量を往復回数別に示したものである．連続往復移動の量が多くなるに従って，総量が増加していることが明らかである。駆動により発塵の量が増して，その結果時間位置誤差が大きくなったと考えられる．発塵を低減する接触部の材料改良と共に，時間位置誤差の往復回数に伴う増大に対応した制御パラメータのリアルタイム最適化技術の確立が求められている。４．まとめ本実験により，制御パラメータの最適化により時間位置誤差の抑制が可能であること、またモータの駆動量に応じて時間位置誤差が大きくなることが確認できた．これらより，駆動状態に応じて最適な制御パラメータが変化することが考えられる．逆に、最適な制御パラメータをモニタリングすることにより，接触部の状態を把握することが可能となることが予想される．謝辞本研究は，科学技術振興事業団熊本地域結集型共同研究事業の助成により行われたものである． position error[nm] 0 1 2 3 4 3 4 time[sec] (a)任意の PID position error[nm] 500 400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 -500 0 1 2 time[sec] (b)最適な PID 図 4．等速領域における時間位置誤差 4000 3000 position error[nm] 3．1 制御パラメータの最適化図 4 は，任意に PID の値を設定した際の時間位置誤差(a)と最適な PID の値に設定した際の時間位置誤差(b)を比較したものである． (a)においては、最大 450nm の時間位置誤差が生じているのに対して、(b)においては時間位置誤差が±100nm 以内に収まっている。このように適切な制御パラメータに設定することが，ステージの性能を最大限まで引き出すことを可能にする．時間位置誤差を小さくして高精度な駆動を実現するためには適切な PID の定数設定が必要になってくる． 500 400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 -500 2000 1000 0 -1000 -2000 -3000 -4000 0 2 4 6 8 10 12 time[sec] 図 5．連続往復移動後(往復移動 300 回後) における時間位置誤差合計時間位置誤差[μm] ３．実験結果本実験では， 10mm の区間を最高速度 1mm/s，加速度 1mm/s2，印加電圧の周波数は 20kHz という条件で駆動させた際の時間位置誤差のデータを駆動条件別に取った． 600 500 400 300 200 100 0 0 50 100 150 200 250 300 往復回数図 6．往復回数別の時間位置誤差の総量参考文献 [1] Y．Egashira， et al．”Sub-Nanometer Resolution Ultrasonic Motor for Wafer Lithography Precision Stage”，Jpn．J．Appl．Phys．，Vol． 41,pp.5858-5863,2002 問い合わせ熊本大学久保田弘 TEL:096-342-3294 e-mail:[email protected]