JP2010015368A

JP2010015368A - 二次元型テーブル微小角度駆動機構の制御ループ

Info

Publication number: JP2010015368A
Application number: JP2008174519A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Shiozawa; 龍雄塩沢
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2010-01-21

Abstract

【課題】従来の二次元型テーブル微小角度駆動機構の制御ループは、第１〜第４ヒンジの共振が考慮されていないので、第１〜第４ヒンジの共振によって駆動誤差が生じる。
【解決手段】本発明による二次元型テーブル微小角度駆動機構の制御ループは、第２減算部３００と第２乗算部４００との間に介在され、第１補償乗算部８１０、第１積分部８２０、第２補償乗算部８３０、第２積分部８４０、及び加算部８５０から構成される補償演算手段８００によって、機構部７００の共振周波数ω_０とダンピング比ζとを用いた補正角速度偏差８５０ａが生成される構成である。
【選択図】図４

Description

本発明は、断面十字型をなす第１〜第４ヒンジをねじることで二軸テーブルを二軸方向に傾動させる二次元型テーブル微小角度駆動機構の制御ループに関し、特に、機構部の共振周波数ω_０とダンピング比ζとを用いて補正角速度偏差を生成するように構成することで、第１〜第４ヒンジの共振による駆動誤差を補償でき、駆動精度を向上できるようにするための新規な改良に関するものである。

社内技術で特に特許出願を行っていないため文献名は挙げていないが、従来用いられていたこの種の二次元型テーブル微小角度駆動機構の制御ループは、図５に示すように構成されている。
図５は、従来の二次元型テーブル微小角度駆動機構の制御ループを示すブロック図である。図において、第１減算部１００は、角度信号１１０と角度指令１２０との差を求めることで角度偏差１００ａを生成する。なお、角度信号１１０は、テーブル角検出器（図示せず）によって検出された二軸テーブル（図示せず）の傾斜角度を示し、角度指令１２０は、前記二軸テーブルの目標制御角度を示す外部からの指令信号である。

前記第１減算部１００には第１乗算部２００が接続されており、この第１乗算部２００は、前記角度偏差１００ａに角度ループゲインＧ_１を乗算することで速度指令２００ａを生成する。前記第１乗算部２００には第２減算部３００が接続されており、この第２減算部３００は、前記速度指令２００ａと角速度信号３１０との差を求めることで角速度偏差３００ａを生成する。なお、角速度信号３１０は、速度検出器によって検出された二軸テーブルの傾動の傾動速度を示している。

前記第２減算部３００には第２乗算部４００が接続されており、この第２乗算部４００は、前記角速度偏差３００ａに角速度ループゲインＧ_２を乗算することでトルク指令４００ａを生成する。前記第２乗算部４００には第３減算部５００が接続されており、この第３減算部５００は、前記トルク指令４００ａとトルカ電流５１０との差を求めることでトルク偏差５００ａを生成する。なお、トルカ電流５１０は、前記二軸テーブルを駆動するトルカ（図示せず）の駆動電流の値を示している。

前記第３減算部５００には第３乗算部６００が接続されており、この第３乗算部６００は、前記トルク偏差５００ａにトルクループゲインＧ_３を乗算することで駆動信号６００ａを生成する。前記第３乗算部６００には機構部７００が接続されており、この機構部７００は、前記駆動信号６００ａに基づいて前記二軸テーブルを二軸方向に傾動させる。

ここで、機構部７００の構成として、断面十字型をなす第１〜第４ヒンジをねじることで二軸テーブルを二軸方向に傾動させる構成が考えられる。この構成の場合、第１〜第４ヒンジには共振周波数が存在し、いずれかのヒンジの振動に共振周波数の振動が含まれていると、他のヒンジも振動されてしまう。
上記のような従来の二次元型テーブル微小角度駆動機構の制御ループでは、前記第１〜第４ヒンジの共振が考慮されていないので、前記第１〜第４ヒンジの共振によって駆動誤差が生じることがある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、第１〜第４ヒンジの共振による駆動誤差を補償でき、駆動精度を向上できる二次元型テーブル微小角度駆動機構の制御ループを提供することである。

本発明に係る二次元型テーブル微小角度駆動機構の制御ループは、断面十字型をなす第１〜第４ヒンジをねじることで二軸テーブルを二軸方向に傾動させる二次元型テーブル微小角度駆動機構の制御ループであって、前記第１〜第４ヒンジを含む機構部の共振周波数をω_０とするとともに、前記機構部のダンピング比をζとし、前記二軸テーブルの傾動の角速度を示す角速度信号と速度指令との差である角速度偏差に、２ζω_０で表せられる第１補償係数Ａを乗算する第１補償乗算部と、前記第１補償乗算部に接続され、前記第１補償乗算部の出力を積分する第１積分部と、前記角速度偏差にω_０ ^２で表せられる第２補償係数Ｂを乗算する第２補償乗算部と、前記第２補償乗算部に接続され、前記第２補償乗算部の出力を二重積分する第２積分部と、前記第１及び第２積分部に接続され、前記角速度偏差に前記第１及び第２積分部の出力を加算して補正角速度偏差を生成する加算部とを備える。

本発明の二次元型テーブル微小角度駆動機構の制御ループによれば、機構部の共振周波数ω_０とダンピング比ζとを用いて補正角速度偏差を生成するので、第１〜第４ヒンジの共振による駆動誤差を補償でき、駆動精度を向上できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による二次元型テーブル微小角度駆動機構を示す断面図であり、図２は図１の異なる角度からの半断面図を一体とした断面図であり、図３は図２の側面図である。

図１において符号１で示されるものは固定側のベースであり、このベース１上の中央位置には、ボルト２を介して棒状のシャフト３が植設されている。
尚、この図１は、中心線Ｆを境として第１半断面図と第２半断面図で互いに異なる角度位置からの断面状態を示している。すなわち、後に説明する第１接続体４０と第２接続体４１とは、互いに対向して配置されているわけでなく、筒体６の周方向に互いに９０度ずれて配置されている（図２参照）。

前記シャフト３上には、フレクチャヒンジ体４が配設され、このフレクチャヒンジ体４には全体形状がほぼカップ型をなす二軸テーブル５が設けられている。
前記二軸テーブル５の下部から垂下して設けられた筒体６の外周面には９０度間隔で４個の第１〜第４磁石７、８、９、１０（第２、第４磁石８、１０は図示せず）が設けられている。

前記ベース１上には、前記二軸テーブル５の傾動時の傾斜角度を検出するための周知のピックアップコイル等からなる少なくとも第１、第２テーブル角検出器１１、１２が設けられていると共に、この二軸テーブル５の傾動時の傾動速度を検出するための周知の第１〜第４速度検出器１３〜１６（第２、第４速度検出器１４、１６は図示せず）が設けられている。

前記ベース１上の周縁位置には、前記各磁石７〜１０に対応しその外側に位置すると共に励磁コイルからなる第１〜第４トルカ２０〜２３が９０度間隔で配設されている。
従って、前記各トルカ２０〜２３が選択的に励磁されることにより、対応する各磁石７〜１０との磁気作用により各磁石７〜１０が二軸テーブル５と共に上下方向に直動することができるように構成されている。

前記フレクチャヒンジ体４は、図２及び図３に示されるように構成されている。すなわち、図２及び図３において、全体形状がほぼ四角形をなす本体部３０の外周に９０度間隔で断面十字型をなす第１〜第４ヒンジ３１〜３４が設けられている。
前記各ヒンジ３１〜３４においては、第１、第３ヒンジ３１、３３が互いに対向配置され、第２、第４ヒンジ３２、３４が互いに対向配置されている。

前記第１、第２ヒンジ３１、３２の外端には、弧状をなす第１、第２接続体４０、４１が接続され、前記第３、第４ヒンジ３３、３４の外端には、弧状をなす第３、第４接続体４２、４３が接続されている。
前記第１、第３接続体４０、４２（又は前記第２、第４接続体４１、４３）には、前記二軸テーブル５が前記筒体６を介して接続されて可動側Ａとなり、前記第２、第４接続体４１、４３（又は前記第１、第３接続体４０、４２）が前記シャフト３に接続されて固定側Ｂが形成されている。

従って、図１の中心線Ｆから右側は、第１接続体４０に二軸テーブル５が接続されて可動する可動側Ａを示す第１半断面図であり、図１の中心線Ｆから左側は、第２接続体４１がシャフト３に接続されて固定される固定側Ｂを示す第２半断面図である。
尚、前述の各ヒンジ３１〜３４は、何れも図２の矢印Ｃの方向に回転するようにねじることができる材質で構成されている。

次に、前述の構成において、実際に二軸テーブル５を二軸方向に微小角度駆動する場合について述べる。
まず、図１及び図２の状態において、前記第１、第３トルカ２０、２２の何れかを駆動させることにより第１、第３磁石７、９を介して前記二軸テーブル５は、図２のＸ軸方向に沿って傾動する。尚、この場合は、前記第２、第４ヒンジ３２、３４が矢印Ｃ方向にねじれる。

また、前述と逆に、前記第２、第４トルカ２１、２３の何れかを駆動させることにより第２、第４磁石８、１０を介して前記二軸テーブル５は、図２のＹ軸方向に沿って傾動する。尚、この場合は、前記第１、第３ヒンジ３１、３３が矢印Ｃ方向にねじれる。
従って、各駆動トルカ２０〜２３の駆動を選択的に行うことにより、前記フレクチャヒンジ体４を介して前記二軸テーブル５をＸ軸方向又はＹ軸方向に沿う微小角度の傾動を自在に行うことができる。

ここで、前記第１〜第４ヒンジ３１〜３４をねじることで前記二軸テーブル５を二軸方向に傾動させる構成の場合、いずれか１つのヒンジ３１〜３４がねじられた場合に、他のヒンジ３１〜３４が振動する場合がある。すなわち、いずれか１つのヒンジ３１〜３４がねじられた際にその振動に共振周波数ω_０［ｒａｄ／ｓ］成分の振動が含まれていると、他のヒンジ３１〜３４が共振周波数ω_０で振動してしまう。このため、駆動精度を向上させるためには、前記第１〜第４４トルカ２１〜２４と第１〜第４ヒンジ３１〜３４とからなる機構部７００の動作を制御する制御ループにおいて、この第１〜第４ヒンジ３１〜３４の共振による駆動誤差を補償する必要がある。

次に、図４は、図１の二次元型テーブル微小角度駆動機構の駆動制御を行う制御ループを示すブロック図である。なお、従来の制御ループと同一又は同等部分については同一の符号を用いて説明する。図において、第１減算部１００は、角度信号１１０と角度指令１２０との差を求めることで角度偏差１００ａを生成する。なお、角度信号１１０は、前記第１及び第２テーブル角検出器１１，１２によって検出された二軸テーブル５の傾斜角度を示し、角度指令１２０は、前記二軸テーブル５の目標制御角度を示す外部からの指令信号である。

前記第１減算部１００には第１乗算部２００が接続されており、この第１乗算部２００は、前記角度偏差１００ａに角度ループゲインＧ_１を乗算することで速度指令２００ａを生成する。なお、速度指令２００ａは、前記二軸テーブル５の目標制御角速度を示す。前記第１乗算部２００には第２減算部３００が接続されており、この第２減算部３００は、前記速度指令２００ａと角速度信号３１０との差を求めることで角速度偏差３００ａを生成する。なお、角速度信号３１０は、第１〜第４速度検出器１３〜１６によって検出された二軸テーブル５の傾動の傾動速度を示している。

この第２減算部３００と後述する第２乗算部４００との間には、前述の第１〜第４ヒンジ３１〜３４の共振による駆動誤差を補償するための補償演算手段８００が介在されている。この補償演算手段８００は、第１補償乗算部８１０、第１積分部８２０、第２補償乗算部８３０、第２積分部８４０、及び加算部８５０から構成されている。

前記第１補償乗算部８１０は、前記第２減算部３００に接続されており、２ζω_０で表せられる第１補償係数Ａを前記角速度偏差３００ａに乗算する。ここで、ω_０は、機構部７００の共振周波数であり、ζは、機構部７００のダンピング比である。ダンピング比は、主に空気抵抗からなり、振動の減衰を表す係数である。前記第１積分部８２０は、前記第１補償乗算部８１０の出力８１０ａを積分する。

前記第２補償乗算部８３０は、前記第１補償乗算部８１０と並列に前記第２減算部３００に接続されており、ω_０ ^２で表せられる第２補償係数Ｂを前記角速度偏差３００ａに乗算する。前記第２積分部８４０は、前記第２補償乗算部８３０に接続され、前記第２補償乗算部８３０の出力８３０ａを二重積分する。

前記加算部８５０は、前記第２減算部３００と前記第１及び第２積分部８２０，８４０とに接続されており、前記第１及び第２積分部８２０，８４０の出力８２０ａ，８４０ａを前記角速度偏差３００ａに加算して補正角速度偏差８５０ａを生成する。

前記加算部８５０には前記第２乗算部４００が接続されており、この第２乗算部４００は、前記補正角速度偏差８５０ａに角速度ループゲインＧ_２を乗算することでトルク指令４００ａを生成する。前記第２乗算部４００には第３減算部５００が接続されており、この第３減算部５００は、前記トルク指令４００ａとトルカ電流５１０との差を求めることでトルク偏差５００ａを生成する。なお、トルカ電流５１０は、前記二軸テーブルを駆動する第１〜第４トルカ２０〜２３の駆動電流の値を示している。

前記第３減算部５００には第３乗算部６００が接続されており、この第３乗算部６００は、前記トルク偏差５００ａにトルクループゲインＧ_３を乗算することで駆動信号６００ａを生成する。前記第３乗算部６００には前記機構部７００が接続されており、この機構部７００は、前記駆動信号６００ａに基づいて前記二軸テーブル５を二軸方向に傾動させる。すなわち、前記駆動信号６００ａに基づいて各駆動トルカ２０〜２３が選択的に駆動されて、前述したように前記第１〜第４ヒンジ３１〜３４が適宜ねじられて、前記二軸テーブル５が二軸方向に傾動される。

本発明の実施の形態１による二次元型テーブル微小角度駆動機構を示す断面図である。図１の異なる角度からの半断面図を一体とした断面図である。図２の側面図である。図１の二次元型テーブル微小角度駆動機構の駆動制御を行う制御ループを示すブロック図である。従来の二次元型テーブル微小角度駆動機構の制御ループを示すブロック図である。

符号の説明

５二軸テーブル
３１〜３４第１〜第４ヒンジ
２００ａ速度指令
３００ａ角速度偏差
３１０角速度信号
７００機構部
８１０第１補償乗算部
８２０第１積分部
８３０第２補償乗算部
８４０第２積分部
８５０加算部
８５０ａ補正角速度偏差

Claims

断面十字型をなす第１〜第４ヒンジ（３１〜３４）をねじることで二軸テーブル（５）を二軸方向に傾動させる二次元型テーブル微小角度駆動機構の制御ループであって、前記第１〜第４ヒンジ（３１〜３４）を含む機構部（７００）の共振周波数をω_０とするとともに、前記機構部（７００）のダンピング比をζとし、
前記二軸テーブル（５）の傾動の角速度を示す角速度信号（３１０）と速度指令（２００ａ）との差である角速度偏差（３００ａ）に、２ζω_０で表せられる第１補償係数Ａを乗算する第１補償乗算部（８１０）と、
前記第１補償乗算部（８１０）に接続され、前記第１補償乗算部（８１０）の出力（８１０ａ）を積分する第１積分部（８２０）と、
前記角速度偏差（３００ａ）にω_０ ^２で表せられる第２補償係数Ｂを乗算する第２補償乗算部（８３０）と、
前記第２補償乗算部（８３０）に接続され、前記第２補償乗算部（８３０）の出力（８３０ａ）を二重積分する第２積分部（８４０）と、
前記第１及び第２積分部（８２０，８４０）に接続され、前記角速度偏差（３００ａ）に前記第１及び第２積分部（８２０，８４０）の出力（８２０ａ，８４０ａ）を加算して補正角速度偏差（８５０ａ）を生成する加算部（８５０）と
を備えていることを特徴とする二次元型テーブル微小角度駆動機構の制御ループ。