JP2005513979A - 反作用を釣合わせた回転駆動機構 - Google Patents

Abstract

ハウジング（１０）と、ハウジングに接続された第１ステータ（３２）および第１ロータ（３８）を有する第１モータ（１２）と、ハウジングに接続された第２ステータ（５４）および第２ロータ（５２）を有する第２モータ（５４）とを具え、第２モータを第１モータから機械的に独立させることで、第１モータの加速トルクの少なくとも一部が第２モータにより慣性的に釣り合わされることに特徴がある回転駆動機構を開示する。第２モータの回転を逆向きの等価のものとすることで、釣り合わせが有効となる。第２モータに対し、第１モータに供給される電流と比例する電流を提供する制御手段を備えることができる。また、回転駆動機構を有するプローブおよび位置決めデバイスについても開示する。

Description

本発明は、回転駆動機構における反作用の釣合わせに関するものである。

特に本発明は、プローブを用いる測定を通じてプローブヘッドの部分の回転加速度が釣合わされるようにすることで、プローブヘッドのハウジング、ひいてはヘッドが取り付けられる機械に作用する反力が実質的に低減されるようにしたアーティキュレーティング・プローブヘッドに関する。

モータ内に自由回転ステータを具えることによって、モータが発生する加速度による力を慣性的に釣り合わせることが、本出願人の特許文献１から知られている。モータのロータが加速されるとき、自由回転ステータが等しく加速され、逆方向のモーメントを生じる。主駆動モータに電力が加えられるときに自由回転ステータが速くなり過ぎないようにすることで、プローブに作用する外力、例えばプロービング時の摩擦や重力に打ち勝つようにするために、付加的なモータが設けられる。付加的モータは巻線アセンブリおよび磁石アセンブリを有し、それらの一方は自由回転ステータに設けられ、他方はハウジングに設けられる。

この付加的なモータは「バック・トゥ・アース（back to earth；ＢＴＥ）」モータとして参照され、自由回転ステータに無段階調整可能な制動力を作用する。制動力は、このステータの回転速度の誤差が増大するにつれて増大し、電力の提供して付加的モータに電流を供給することにより、外力に打ち勝つことができるようにするものである。

国際公開０１／５７４７３Ａ１号公報

この設計に伴う問題は、自由回転ステータおよび主駆動モータを支持するベアリングの公差を厳密にしなけらばならないことである。

ＢＴＥモータの一部は主駆動モータの一部に取り付けられており、自由回転ステータや主駆動ロータのいかなる傾き（sideways）すなわちチルト変位が生じても、これら２モータの磁石およびコイル間の距離を変化させてしまうからである。これは３自由度の位置および、主駆動ロータの回転軸の２自由度の向きに悪影響を与え、さらには、ヘッドにより移送される測定プローブのスタイラス位置に悪影響を与えて、測定誤差を生じさせるものとなる。

しかしながら、例えばエアベアリングなどのベアリングを、公差が厳密になるよう製造するには費用がかかり、かつ完全に上記問題を解決することはできない。横方向の剛性は有限であり、従ってまた、ベアリングに作用する磁力その他の力によって生じるベアリングの歪みが、常にある程度存在し得るからである。

他の解決策としては、付加的モータにエンコーダを設け、磁石および巻線が互いに相対回転するときのそれらの相対位置をマッピングすることが挙げられる（そのようなエンコーダは、測定目的で出力軸の位置を決定するために、出力軸およびハウジングには既に備えられている）。しかし２つの回転システムの位置を独立にマッピングするには不十分である。主駆動ロータの各位置についてＢＴＥモータの巻線および磁石の相対位置を知ることが必要となるからである。これは３自由度の位置および主駆動ロータの回転軸の２自由度の向きを推定（deduce）するために行われるものであり、簡単なタスクではない。

これらの問題は、本発明に従って（少なくとも好適実施形態において）解決される。ここでは、従来システムの回転ステータアセンブリに代えて第２モータが設けられる。第２モータは主駆動モータとは機械的に独立し、逆方向に駆動される。これにより、第１モータの加速トルクが、第２モータにより、少なくとも一部慣性釣り合わせされる。すなわち、第１モータの加速トルクが第２モータの逆方向の加速度によって部分的に相殺される。好適実施形態においては、第１モータが第２モータによってほぼ慣性釣り合わせされる。好ましくは、第１モータに対し第２モータを逆方向に等しく回転させることによって、慣性釣り合わせが効果的なものとなる。そして、３自由度における主駆動モータのロータの位置および、２自由度におけるその向きは、慣性釣り合わせモータのロータの向きとは独立にマッピングすることができる。

好ましくは、各モータへの電力供給を制御する制御手段が設けられる。

よって、測定操作の間、主駆動モータに急激に増大する過渡電流（transient currents）が加えられ、ヘッドが比較的急速に加速されるとき、比例する電流が第２モータに加えられる。そのロータには同じ加速度が逆向きに生じることが望ましいものとなり得る。この比例電流値は、各モータが駆動する相対質量の関数となり得る。すなわち、第１モータに加えられる電流より小さいもの、大きいもの、またはそれと等しいものとなり得る。プローブヘッドのハウジングの反力は等しく、かつ逆向きであって、合計でゼロとなるので、機械にはこれらの加速に起因した反力が実質的に生じない。すなわち本発明は、主駆動モータの回転加速度に起因した反力が釣り合わされるようにした回転駆動機構を提供するものである。

本発明の回転駆動機構の主たる利点は、ベアリングにおける公差に起因した、ないしはロータの弾性に起因した、いずれのモータの巻線／磁石アセンブリの回転軸の相対的なずれ（sideways movement）、すなわち方向の変化が、いずれのモータに対しても影響しないことである。これはさらに、機構の誤差をより容易にマッピングすることができるようにする。

本発明の機構のさらなる特徴は、例えばプローブなどのハウジングを介して機構に加えられる外力に関連して生じる。かかる力は主駆動ロータを減速させるが、これに応じその制御システムはより多くの電流を機構に供給して、かかる力に打ち勝とうとする。この追加的電流は、第２モータに加えられる場合、当該モータには外力が加えられていないので、その速度を超過させる。しかし電力供給が独立に制御されているので、追加的電流は第２モータには加えられない。これにより、ハウジングに加わる力と並行して、第２モータの速さを制御することができる。

添付図面を参照し、例を挙げて本発明を詳細に説明する。

図面を参照するに、図１にはアーティキュレーティング・プローブヘッドが示されており、これは位置決定装置（不図示）に取り付けるのに適した第１ハウジング部分１０を具えている。ハウジング部分１０は本発明の回転駆動機構を収納し、この機構は第１軸ｚのまわりに出力シャフト１４を回転させるモータ１２を含んでいる。シャフト１４には第２ハウジング部分１６が取り付けられ、これは第２回転駆動機構を収納し、この機構は第１軸ｚに直交する第２軸ｘのまわりに第２シャフト２０を回転させるモータ１８を含んでいる。

それとともに回転する第２シャフトには、表面検出デバイス（すなわちスタイラス）１２が取り付けられている。標準的なスキャン動作においてデバイスがワークピースの表面上で駆動されることで、ワークピース表面上のポイントの測定を行うことができるようになる。

電力はコントローラ２６から電気接続部２４を介して回転駆動機構に供給される。コントローラは表面検出デバイスを制御すべくプログラムされ、これによりデバイスはワークピースの表面上で所要の一連の移動を行う。ヘッド内のトランスジューサは、各軸のまわりの各駆動機構の角位置を示す信号をコントローラ内のサーボ制御ループに返送する。これらの信号は、ヘッドが取り付けられた機械の測定デバイスからの信号とともに、表面検出デバイスおよびワークピース表面の相対位置が正確に制御され得るようにするものである。

上述のように、スタイラス２２のおよびその回転駆動機構の振動（oscillating motions）によってヘッドのハウジングに生じる反作用は、回転駆動機構の少なくとも一方内の付加的（慣性釣り合わせ）モータを用いることによって低減される。

図２を参照するに、本発明の慣性釣り合わせモータを組み込んだ回転駆動機構の詳細が示されている。しかし以下の説明は、位置決めデバイスとともに用いられるアーティキュレーティング・ヘッドの回転駆動機構のいずれか、またはその双方に適用可能であることを理解すべきである。

機構はハウジング１０内に収納され、フランジ３０を含むことで、ハウジングを測定機械のクイル（quill）、または他の回転駆動機構のハウジングに接続することが可能となる。

図示の機構は主駆動モータ１２から成り、これは主駆動磁石アセンブリ３２および主駆動巻線３４を有している。ブラシアセンブリ３６を通して主駆動巻線アセンブリに電力が供給されることで、主駆動ロータ３８が駆動される。この例では、主駆動ロータは主駆動巻線に接続されている。主駆動ロータ３８は、ベアリング４０に回転可能に取り付けられた出力シャフト１４に接続される。

本実施形態においては、回転駆動機構は図１のアーティキュレーティング・ヘッドのハウジング部分１０内に取り付けられることで、フランジ３０が機械のクイルに接続され、出力シャフト１４が第２部分１６に接続されるようになっている。出力シャフト１４の位置はエンコーダ６８によって連続的にモニタリングされる。エンコーダは、本例では、ハウジングに取り付けられたロータリスケール７０およびこれに組み合わされる読み取りヘッド７２として設けられている。しかしロータリエンコーダとしては他の形態のものが用いられてもよい。

ハウジング部分１０は、主駆動機構の回転要素を支持するために、ベアリング４０の部分的球状軸受支持表面４２および４４を提供する。本例では、主駆動モータの主駆動巻線アセンブリ３４は、巻線アセンブリ上において対向する部分的球状軸受表面４６および４８の対によって、ハウジングに取り付けられた軸受表面４２および４４に回転可能に支持される。表面４６および４８は軸受表面４２および４８と協働するよう形状が定められ、主エア配管４９からノズルを通して加圧エアが供給されるエアベアリングを形成する。

主駆動モータの主駆動磁石アセンブリ３２はハウジング１０に接続されている。

ハウジング１０内には、慣性釣り合わせモータ５０が独立して付加されている。慣性釣り合わせモータは、ハウジング１０に接続された静止磁石アセンブリ５４および回転可能な巻線アセンブリ５２から成る。巻線アセンブリ５２はハウジング上の部分的球状軸受表面６０，６２によって支持され、これら表面は巻線アセンブリ上の部分的球状表面６４，６６と協働する。

電力はブラシ５８を通して巻線アセンブリ５２に供給される。コマンドは同じ電力源から主駆動モータのために供給される電力として供給されるが、これがインバータを介して供給されることで、慣性釣り合わせモータに対する駆動要求は、主駆動モータ駆動要求と位相は等しいものの逆方向となる。これにより、慣性釣り合わせモータの加速力は主駆動モータのそれを相殺する。

本発明の慣性釣り合わせ回転駆動機構のための制御方法（strategy）を実行するコントローラ２６は、図３に示す構成を有する。コントローラは３つの主タスクを実行する。すなわち、ａ）入力された指令に対し主駆動ロータの位置を制御すること、ｂ）主駆動モータの速度に対して慣性釣り合わせモータの速度を制御し、駆動システム全体で反作用のない自然な状態を維持すること、および、ｃ）２つのモータの速度制御フィードバックループを互いに絶縁することで、プローブヘッドに接続されたプローブに作用する外力がハウジング内に作用できるようにすること、である。

図３を参照するに、主駆動モータ１２の制御は、外側の速度フィードバックループおよび内側の速度フィードバックループにより行われる。位置要求信号７０は比較器７２を通り、比較器は第２入力として位置フィードバック信号７４を受容する。これはエンコーダ６８の処理用電子回路（processing electronics）７６が発生する出力信号である。比較器７２は位置ループ補償器８０を通る誤差信号７８を発生する。

位置ループ補償器は速度要求信号８２を出力し、これは比較器８４を通る。比較器８４はまたエンコーダの処理用電子回路７６からの速度フィードバック信号８６を受容し、速度誤差信号８８を得て、これを速度フィードバックループに渡す。速度フィードバックループは、位置要求信号により要求される主駆動ロータの位置を得るために、主駆動ロータ４３の速度を制御するべく作動する。速度フィードバックループは、速度ループ補償器９０および電力増幅器９２からなる。速度ループ補償器の出力は加速要求信号９１であり、これが電力増幅器９２を介して主駆動モータ１２に供給されることで、主駆動モータを所要位置に駆動する。

慣性釣り合わせモータの速度の制御は、位置ループ補償器８０からの速度要求信号８２に基づいて行われる。速度要求信号８２はさらにインバータ１００に渡され、反転されて慣性比乗算器１０２に供給される。このデバイスは、逆方向に回転する２つのロータ３８および５２の慣性の比を反転した速度要求信号に乗じることで、慣性釣り合わせモータ５０に対する速度要求信号を生成する。

この方法（strategy）は２つのロータ３８および５２の間で「電子的歯車装置（electronic gearing）」を提供するものである。慣性釣り合わせモータのロータ５２を主駆動モータのロータに従わせる（slave）ことで、主駆動モータのロータとは反対方向に、２つのロータの慣性の比に従ったスピードにて回転させる効果があるからである。

反転した慣性補償速度要求信号１０４は、次に比較器１０６を介し、慣性釣り合わせモータ５０に供給されるに先立って、慣性釣り合わせモータ用の速度フィードバックループに渡される。速度フィードバックループは速度ループ補償器１０８および電力増幅器１１０からなる。慣性釣り合わせモータの実際のスピードは適切な速度判定デバイス１１２により判定される。その例としては、タコジェネレータであってもよく、あるいは単に、慣性釣り合わせモータに供給される電圧および電流を測定し、これらの量からスピードを計算するデバイスであってもよい。測定された速度は速度フィードバック信号１１４として比較器１０６にフィードバックされる。

例えばスタイラス２２および測定対象のワークピース表面間の摩擦力に起因して、ヘッドのスタイラス２２に付加的な外部トルクが加わると、主駆動モータのロータは減速する傾向を呈する。エンコーダの処理用電子回路７６からの速度フィードバック信号８６が減少する結果、比較器８４からの速度誤差信号８８が増大する。これにより、主駆動モータの減速傾向に対して主駆動ロータの加速がもたらされ、従ってスタイラスはワークピース上を一定の測定速度で移動することになる。

しかしながら、慣性釣り合わせモータの速度は、それ自身独立した速度フィードバックループによって制御されているので、このモータの速度は主駆動モータの速度の変化によって影響を受けることはない。この結果、外力によって生じる主駆動モータの磁石アセンブリに作用する付加的反力は慣性釣り合わせモータによって釣り合わされることはなく、直接ハウジング１０に取り入れられる。

従って、先に述べた従来技術のデバイスとは異なり、慣性釣り合わせモータのスピードは、主駆動モータひいては回転ステータによりＢＴＥモータに供給される電力によってではなく、慣性釣り合わせモータに供給されたコマンドによって指示されるものとなる。

これにより、主駆動モータの加速度に起因した反作用を除去するべく、慣性釣り合わせモータの加速度を制御するのに必要な制御系は複雑化するものの、しかし上述したベアリングの問題が著しく低減されるので、ヘッドによる測定はより好ましいものとなる。

上述した制御方法に対する一変形例としては、主駆動ロータとハウジングとの相対位置を認識し（エンコーダ６８により測定される）、２つの位置情報を時間に関して異ならせ、各瞬間の主駆動ロータの加速度を判定するようにすることもできる。この認識から、この加速度に釣り合わせるべく慣性釣り合わせロータに供給するのに必要となる電圧および電流を計算することができる。

本発明を具体化したアーティキュレーティング・プローブヘッドの説明図である。 図１のプローブヘッドの一モータの立断面図である。 ヘッドのモータに対する制御系の要素を示すブロック線図である。

Claims (10)

1. ハウジング、
   該ハウジングに接続された第１ステータおよび第１ロータを有する第１モータ、および
   前記ハウジングに接続された第２ステータおよび第２ロータを有する第２モータ、
   を具え、前記第２モータが前記第１モータとは機械的に独立して逆方向に駆動されることにより、前記第１モータの加速トルクの少なくとも一部が前記第２モータにより慣性釣り合わせされるようにしたことを特徴とする回転駆動機構。
2. 前記第１モータが前記第２モータにより実質的に慣性釣り合わせされる請求項１に係る機構。
3. 前記第２モータを逆方向に等しく回転させることで前記慣性釣り合わせが有効となる請求項２に係る機構。
4. 電力供給部がモータのそれぞれに電力を供給する請求項１ないし請求項３のいずれかに係る機構。
5. モータのそれぞれに対する前記電力の供給を制御する制御が行われる請求項３に係る機構。
6. 前記制御を行う手段は、前記第１モータに供給される電流に比例する電流を前記第２モータに提供する請求項５に係る機構。
7. 前記第１ロータが前記ハウジングに対して回転可能な出力シャフトに接続されている請求項１ないし請求項６のいずれかに係る機構。
8. 請求項１ないし請求項６のいずれかに係る機構を含む位置決めデバイス。
9. 前記第１モータがアーティキュレーティング・プローブの駆動モータである請求項１ないし請求項６のいずれかに係る機構。
10. 前記ハウジングがアーティキュレーティング・プローブのハウジングである請求項１ないし請求項６のいずれかに係る機構。

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