JP3825737B2 - 精密位置決め装置及びこれを用いた加工機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は位置決め装置に関し、特に、Ｚ軸（垂直軸）方向への精密位置決め及び荷重制御を可能とする精密位置決め装置及びこれを用いた加工機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｚ軸方向に関する位置決め機能を持つ位置決め装置の応用例としては、例えばチップマウンタがある。これを図１４を参照して説明する。
【０００３】
図１４において、チップマウンタは、Ｚ軸送り装置１００と、このＺ軸送り装置１００で昇降駆動されるホルダ支持装置２００とを組み合わせて成る。Ｚ軸送り装置１００は、装置フレーム１０１にサーボモータ１０２を設置し、このサーボモータ１０２で鉛直方向に延びるボールネジ機構１０３を駆動するようにしている。ボールネジ機構１０３はスライダ１０４を有しており、スライダ１０４を装置フレーム１０１に設けたガイドレール１０５で案内するようにしている。
【０００４】
ホルダ支持装置２００は、ボールネジ機構１０３におけるスライダ１０４と反対側に、ホルダブラケット２０１を介して取り付けられている。ホルダ支持装置２００はエアシリンダ２０２を有し、エアシリンダ２０２内には静圧空気軸受２０４を介してツールホルダ２０３が上下動可能に配置されている。つまり、静圧空気軸受２０４はエアシリンダ２０２に設けられている穴２０５から供給される圧縮空気を多孔質体で均一に分散させてツールホルダ２０３の下部を非接触状態にて支持する。
【０００５】
また、エアシリンダ２０２に開口されている加圧ポート２０６及びバランス圧ポート２０８から供給される圧縮空気同士の差圧でツールホルダ２０３の上下動を位置決め制御するように構成されている。ツールホルダ２０３の下端部にはチップ３００を保持するためのツール２０９が取り付けられている。
【０００６】
基板保持ステージ４００には、チップ３００が実装されるべき基板４０１が搭載されている。なお、エアシリンダ２０２には移動高さを検出するための位置検出器２１０が設けられ、高さ位置のフィードバック制御に利用される（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
上記の装置は、精密位置決めを可能とするために、ボールネジ機構１０３によるＺ軸送り装置１００と、エアシリンダ２０３によるホルダ支持装置２００との２つの駆動機構が必要である。
【０００８】
一方、上記のような２つの駆動機構の組み合わせに代えて、リニアモータを駆動源として用いることが考えられる。しかし、チップマウンタのような場合、動きが激しいのでリニアモータにおける電磁石に発熱が生じてチップに悪影響を及ぼすおそれがあるので好ましくない。しかも、チップマウンタのようにＺ軸方向の位置決め制御を行う場合、単に位置決め制御を行うだけでなく可動部の荷重制御（力制御）も必要であるが、リニアモータにおいて電流制御で荷重制御を実現するのは容易ではない。
【０００９】
更に、本出願人は、上記ようなボールネジ機構による駆動機構やリニアモータによる駆動機構に代わる駆動源として、流体圧アクチュエータを提案している。図１５を参照して、この流体圧アクチュエータは、ガイド軸４１４とこれに沿って移動可能なスライダ４１３とを含む。ガイド軸４１４とスライダ４１３との間にはシリンダ室が形成されると共に、このシリンダ室を移動方向に関して２つの圧力室４１６Ａ、４１６Ｂに区画する受圧板４１７がスライダ４１３に設けられる。２つに区画された圧力室４１６Ａ、４１６Ｂにそれぞれ、サーボ弁４２２Ａ、４２２Ｂを介して圧縮空気を出入り可能にすることで２つの圧力室４１６Ａ、４１６Ｂの差圧でスライダ４１３を駆動するようにしている。
【００１０】
流体圧アクチュエータは更に、スライダ４１３の位置を検出するための位置センサ４１５と、２つのサーボ弁４２２Ａ、４２２Ｂをそれぞれ制御するための２つのサーボアンプ４２１Ａ、４２１Ｂと、位置センサ４１５からの位置検出信号を受けて２つのサーボアンプ４２１Ａ、４２１Ｂに位置指令値を出力する制御演算装置４２０とを備えている。４１０は圧縮空気供給源である。
【００１１】
制御演算装置４２０は、位置検出信号で示されるスライダ位置を微分してスライダ４１３の速度を算出すると共に、算出された速度を微分して加速度を算出するステップと、スライダ目標位置と、スライダ位置、スライダ速度、スライダ加速度を用いて２つのサーボアンプ４２１Ａ、４２１Ｂへ出力すべき位置指令値を算出するステップと、算出されたそれぞれの位置指令値に対して、シリンダ室内における受圧板４１７の位置変化に起因する各圧力室４１６Ａ、４１６Ｂの圧力変化分を補償する演算を行って、それぞれ補償された位置指令値を２つのサーボアンプ４２１Ａ、４２１Ｂへ出力するステップとを実行する（例えば特許文献２参照）。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−３５３７２５号公報（第３頁、図１）
【００１３】
【特許文献２】
特願２００１−９８４２７号（第１−２頁、図１）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、流体として空気を用いる空気圧アクチュエータは、高速、高推力が得られ、発熱作用が少ないという利点がある。しかし、上記のような構成のものは水平方向の駆動源には適しているが、鉛直方向、つまりＺ軸方向の駆動源には適していない。また、高価なサーボ弁を２個必要とする。
【００１５】
そこで、本発明の課題は、駆動源の機械的要素としてはエアシリンダ及び１つのサーボ弁でＺ軸方向の高精度の位置決め制御と荷重制御とを実現できる精密位置決め装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、鉛直方向に延びるように固定配置される空圧シリンダと、該空圧シリンダ内に静圧軸受を介して非接触状態にてスライド可能に収容され、軸方向に延びる軸体を持つピストン体と、前記空圧シリンダ内で前記ピストン体のピストンヘッドを間にした一方の圧力室に定圧の空気を供給すると共に、他方の圧力室にはサーボ弁を介して空気の流量を制御して供給するための空圧回路と、前記一方及び他方の圧力室の圧力を検出するための第１、第２の圧力センサと、前記ピストン体の位置を検出するための位置センサと、前記位置センサからの位置検出信号と、位置指令値と、速度指令値と、加速度指令値とに基づいて前記サーボ弁を制御することで前記ピストン体の位置制御を行うと共に、前記第１、第２の圧力センサからの圧力検出信号と荷重指令値とを用いて前記サーボ弁を制御することで前記ピストン体の荷重制御を行う制御系とを備え、前記静圧軸受の空気圧源として前記一方の圧力室の空気が導入され、前記ピストン体には、前記静圧軸受に隣接した位置において該静圧軸受からの漏れ空気を導入し、該導入した漏れ空気を、前記空圧シリンダ外に位置している前記軸体の端部側から排出するための通路が設けられていることを特徴とする精密位置決め装置が提供される。
【００１７】
本精密位置決め装置においては、前記制御系は、前記ピストン体が目標位置に達するまで前記位置制御を行う位置制御系と、前記目標位置に達すると切換えられて前記ピストン体を前記荷重指令値に基づく力で荷重制御する荷重制御系とを備える。
【００１８】
本精密位置決め装置においてはまた、前記ピストン体はその中心軸部に前記軸体の端部側に向けて延びる孔を有すると共に、前記軸体の端部から前記孔内を前記ピストンヘッド側に向けて延びる被検出軸を有し、前記空圧シリンダの上部から前記孔に挿通された固定軸に前記位置センサ用のセンサヘッドが設けられると共に、該センサヘッドを通して前記固定軸内に前記被検出軸が挿通されることにより前記ピストン体内に前記位置センサが構成されている。
【００２０】
本発明によればまた、上記のいずれかの精密位置決め装置を備えた加工機が提供される。
【００２１】
【作用】
本発明によれば、位置決め制御と荷重制御とを行う駆動機構として、静圧軸受による非接触式のピストン体を内蔵した空圧シリンダと、空圧サーボ弁と、これを制御し得る精密制御装置とを用いることにより、簡素な機構で位置決め制御精度・荷重制御精度の向上を実現している。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１、図２を参照して、本発明による精密位置決め装置の実施の形態について説明する。図１において、本精密位置決め装置は、図１５で説明した流体圧アクチュエータを応用し、鉛直方向、つまりＺ軸方向に延びるように固定配置される空圧シリンダ１０と、空圧シリンダ１０内に複数の静圧軸受２１を介して非接触状態にてスライド可能に収容され、下方に延びるロッド２２を持つピストン体２０と、空圧回路４０（図２参照）とを備える。空圧回路４０は、空圧シリンダ１０内でピストン体２０のピストンヘッド２３を間にした一方の圧力室、ここでは下側の圧力室１０Ａに定圧の圧縮空気を供給すると共に、他方の圧力室、ここでは上側の圧力室１０Ｂにはサーボ弁３０を介して流体の流量を制御して供給／排出することで圧力制御を行う。勿論、上側を定圧とし、下側にサーボ弁が接続されても良い。
【００２３】
図２において、空圧回路４０は、コンプレッサに接続した圧縮空気タンク４１からの圧縮空気をレギュレータ４２を通すことで定圧の圧縮空気を得るようにしている。また、サーボ弁３０にはスプール位置を検出するためのスプール位置センサ３１（図２では図示省略、図３参照）が設けられている。
【００２４】
精密位置決め装置はまた、ピストン体２０の位置制御、荷重制御のために必要な要素として、ピストン体２０の位置を検出するための位置センサ５０（図１）、圧力室１０Ａ、１０Ｂの圧力を検出するための第１、第２の圧力センサ６０Ａ、６０Ｂを備える。
【００２５】
精密位置決め装置は更に、位置センサ５０からの位置検出信号と、位置指令値と、速度指令値と、加速度指令値とに基づいてサーボ弁３０を制御することでピストン体２０の位置制御を行うと共に、第１、第２の圧力センサ６０Ａ、６０Ｂからの圧力検出信号と荷重指令値を用いてサーボ弁３０を制御することでピストン体２０の荷重制御を行う制御系とを備える。荷重制御は力制御と呼ばれても良い。本制御系については後に詳しく説明する。
【００２６】
本形態では、空圧シリンダ１０の上部側面にサーボ弁３０が設置され、空圧シリンダ１０のヘッド部に設けられた通路１０−１を経由して制御された圧力の圧縮空気が圧力室１０Ｂ内に導入される。空圧シリンダ１０は円筒形状であり、この場合、静圧軸受２１は断面円形のピストンヘッド２３の周方向に間隔をおいた複数箇所に設けられる。空圧シリンダ１０が例えば断面四角形状である場合、静圧軸受２１は、断面四角形のピストンヘッド２３の４つの周面、つまり４箇所に設けられる。静圧軸受の空気圧源としては圧力室１０Ａの圧縮空気を利用するようにしている。このために、ピストンヘッド２３には空気導入用の通路２３−１と、圧縮空気を空圧シリンダ１０内面に吹き出すための通路２３−２（いずれも１本のみ図示）とが設けられている。
【００２７】
本形態ではまた、ロッド２２は２重円筒状であり、これも空圧シリンダ１０の下部において複数の静圧軸受２４を介して非接触状態にてスライド可能に支持されている。つまり、空圧シリンダ１０の下部には図２で説明した空圧回路４０の定圧側に接続されるポート１０−２が設けられ、このポート１０−２には圧力室１０Ａに圧縮空気を導入するための通路１０−３が連通し、圧力室１０Ａにはまた圧縮空気をロッド２２の外周面に吹き出すための通路１０−４が連通するようにされている。静圧軸受２１と同様、ロッド２２が２重四角筒状であれば、静圧軸受２４は４箇所に設けられる。
【００２８】
ロッド２２を２重筒状にしているのは、次の理由による。静圧軸受２１には圧力室１０Ｂ内の圧力とは異なる圧力室１０Ａ内の圧縮空気を用いているので、この圧縮空気の一部が圧力室１０Ｂ内に漏れると位置及び荷重制御が不安定になる。このため、ピストンヘッド２３の静圧軸受２１に隣接した位置には静圧軸受２１からの漏れ圧縮空気を２重筒内に導入するための通路１０−５を複数本設けている。２重筒内に導入された漏れ圧縮空気はロッド２２の下部に設けられた排気ポート２２−１を通して排気される。
【００２９】
本形態では更に、ピストン体２０はその中心軸部にピストンヘッド２３からロッド２２の下部に至る孔２０Ａを有する。そして、空圧シリンダ１０の上部から孔２０Ａに挿通された固定軸５１を利用してピストン体２０内に位置センサ５０のセンサヘッド５２が設置されている。ここでは、位置センサ５０として磁気センサを用いている。簡単に説明すると、ロッド２２の下部に上方に延びる被検出軸５３が設けられてセンサヘッド５２に挿通されている。被検出軸５３には微小な定ピッチで溝が切られている。固定状態にあるセンサヘッド５２に対し、被検出軸５３はピストン体２０と共に移動する。センサヘッド５２は被検出軸５３の移動に伴う溝数をカウントすることで移動量、つまり基準位置からの位置を検出する。
【００３０】
次に、図３を参照して、本精密位置決め装置の制御系について説明する。本制御系は、パーソナルコンピュータ等で実現される制御演算装置６０を有する。制御演算装置６０と各センサはＩＳＡバス７１、ＩＳＡ拡張ユニット７２を介して接続されている。詳しく説明すると、位置センサ３１はセンサアンプ７３、ＩＳＡバスボード７４を介してＩＳＡ拡張ユニット７２に接続され、位置センサ５０はセンサアンプ７５、ＩＳＡバスボード７６を介してＩＳＡ拡張ユニット７２に接続されている。第１、第２の圧力センサ６０Ａ、６０Ｂは、それぞれＡ／Ｄボード７７、７８を介してＩＳＡ拡張ユニット７２に接続されている。また、サーボ弁３０に対してはＤ／Ａ（ディジタル／アナログ変換）ボード７９、電流アンプ８０を介して制御演算装置６０からの制御信号が出力される。後述するように、制御演算装置６０はスプール位置センサ３１で検出されるサーボ弁３０のスプール位置と位置センサ５０で検出されるピストン体２０の位置とを取り込んでピストン体２０の位置制御を行うと共に、第１、第２の圧力センサ６０Ａ、６０Ｂで検出される圧力を取り込んで荷重制御時の推力制御を行う。
【００３１】
図４に制御演算装置６０で行われる制御演算のブロック線図を示す。図４のプラント（ピストン系）ＰのノミナルモデルＰn を次のように表わす。
【００３２】
Ｐn （ｓ）＝Ｋn ・ωn 2 ／ｓ（ｓ2 ＋ωn 2 ） （１）
Ｋn 、ωn はプラントの特性から決まる定数、ｓは微分器でありその乗数は微分の階数を表わす。図４のＫs はサーボ弁３０の特性から決まる定数である。
【００３３】
以下に、図１、図２をも参照して制御演算装置６０の動作を説明する。以下で、添え字ｋ＝０，１，・・・は、位置センサ５０の検出信号に対して行われるサンプリングの各サンプリング周期のその変数のサンプル値を表わす。
【００３４】
（１）圧縮空気タンク４１からの空気をレギュレータ４２で適当な圧力に調節し静圧軸受２１に供給する。この静圧軸受２１の圧縮空気によりピストン体２０が空圧シリンダ１０と非接触で移動可能な状態にする。
【００３５】
（２）位置センサ５０によりピストン体２０の位置を検出しその位置情報を電気信号により出力する。位置センサ５０により出力された信号は制御演算装置６０に入力される。
【００３６】
（３）制御演算装置６０は位置センサ５０からの検出信号に対してサンプリングを行い、以下で述べるような演算を行う。指令値ｕ（ｋ−１）と（２）で検出したピストン体２０の位置ｘ（ｋ−１）からカルマンフィルタ６１による演算を行い、次式からピストン体２０の推定位置ｘep（ｋ）、推定速度ｘev（ｋ）、推定加速度ｘea（ｋ）を得る。なお、ｋは現在のサンプル値、（ｋ−１）は１サンプリング周期前のサンプル値を表わす。また、添え字にｅを付す場合には、推定値を表すものとする。
【００３７】
但し、ａ＝−ωn 2 、ｂ＝Ｋs Ｋn ωn 2 、ΔＳはサンプリング周期である。
【００３８】
（４）ピストン体２０の目標位置Ｘref （ｋ）と算出されたピストン体２０の位置推定値ｘep（ｋ）、算出された速度推定値ｘev（ｋ）、算出された加速度推定値ｘea（ｋ）の各フィードバック値より指令値ｕ（ｋ）を計算する。
【００３９】
ｕ（ｋ）＝Ｋp ｛ｘref （ｋ）−ｘep（ｋ）｝−Ｋv ｘev（ｋ）
−Ｋa ｘea（ｋ）
但し、Ｋp は比例ゲイン、Ｋv は速度ゲイン、Ｋa は加速度ゲインである。
【００４０】
（５）１サンプリング周期前の指令値ｕ（ｋ−１）、スライダ推定速度ｘev （ｋ−１）、推定加速度ｘea（ｋ−１）と算出された現在の推定加速度ｘea（ｋ）から次式のようにサーボ弁３０の中立点の機差の補正値ｄe （ｋ）を計算する。
【００４１】
ｄe （ｋ）＝ｕe ´（ｋ）−ｕ´（ｋ）
但し、ｕe ´（ｋ）、ｕ´（ｋ）はそれぞれ、以下の数１、数２で与えられる。
【００４２】
【数１】
【数２】
Ｔf は図４中の外乱オブザーバ６２において次式で表わされるフィルタの時定数である。
【００４３】
Ｆ（ｓ）＝１／（Ｔf ｓ＋１）
【００４４】
（６）（４）で計算した指令値ｕ（ｋ）と（５）で計算したｄe （ｋ）により電流アンプ８０（図３）への指令値ｕ（ｋ）−ｄe （ｋ）を計算し、これを電流アンプ８０に電気信号として出力する。
【００４５】
（７）電流アンプ８０は、指令値ｕ（ｋ）−ｄe （ｋ）に従い、サーボ弁３０のスプール位置を制御する。サーボ弁３０はレギュレータ４２により適当な圧力に調節された圧縮空気が供給されており、サーボ弁３０内のスプール位置により通過する流量が変動する。
【００４６】
（８）サーボ弁３０を通過した圧縮空気は圧力室１０Ｂに供給される。圧力室１０Ａ、圧力室１０Ｂの差圧がピストンヘッド２３に作用しピストン体２０を移動させる。
【００４７】
（９）上記の（２）から（８）を繰り返し、ピストン体２０を目標位置Ｘref に制御する。
【００４８】
なお、ｕ（０）、ｘep（０）、ｘev（０）、ｘea（０）、ｄe （０）の初期値はすべて零とする。
【００４９】
上記のように、ピストン体２０の位置、速度、加速度を推定するために、本形態ではカルマンフィルタ６１を適用している。また、サーボ弁３０を使用した空気圧位置制御系では、サーボ弁３０の中立点誤差が外乱となり定常位置偏差が生じる。この外乱を外乱オブザーバ６２で推定し、打ち消すことで、定常位置偏差を補償している。そして、外乱オブザーバ６２を適用することにより、フィルタＦ（ｓ）の帯域での外乱やプラントのパラメータ変動に対するロバスト性を補償できる。
【００５０】
いずれにしても、カルマンフィルタ６１、外乱オブザーバ６２を用いることにより、対象とする空気圧サーボ系の特性を（１）式のノミナルモデルに近付けることができる。
【００５１】
上記のような制御によれば、カルマンフィルタ６１、外乱オブザーバ６２によりピストン体２０の停止位置精度が改善される。このような制御は、ピストン体２０をステップ状に動かし、停止位置精度だけを問題にする場合には十分である。しかし、ピストン体２０の等速移動時のように目標値が連続的に変化する場合には定常速度偏差が生じるため、ピストン体２０の駆動中の精度を問題にする場合には、上記の制御では不十分である。
【００５２】
そこで、定常速度偏差を改善するための手法を以下に説明する。
【００５３】
外乱オブザーバ６２によって外乱（サーボ弁中立点誤差）が補正され、カルマンフィルタ６１によって位置、速度、加速度が正確に推定されると、図４のブロック線図は図５のように書き替えられる。図５では、実際のサーボ弁３０の特性から決まる定数Ｋs （サーボ弁ゲイン）は、制御演算装置６０内で想定しているサーボ弁ゲインＫsnと等しいものとし、プラント（ピストン系）の特性Ｐ（ｓ）もノミナルモデルＰn （ｓ）と等しいものとしている。
【００５４】
この場合、目標値ｘref から制御量ｘまでの閉ループ伝達関数は、
となる。但し、
Ａ1 ＝ＫsnＫn ωn 2 Ｋa
Ａ2 ＝（１＋ＫsnＫn Ｋv ）ωn 2
Ａ3 ＝ＫsnＫn ωn 2 Ｋp
である。
【００５５】
定常速度偏差を低減するためには、図６に示すように、図４のブロック線図における目標値ｘref の入力部に上記の閉ループ伝達関数の逆モデルＧc （ｓ）-1を挿入すれば良い。このような逆モデルを挿入することによって、全体の伝達関数は理想的な１となり、定常速度偏差が改善される。
【００５６】
なお、目標値ｘref に逆モデルＧc （ｓ）-1を乗算したものは次式で計算できる。
【００５７】
但し、ｖref は目標値ｘref を１階微分した目標速度であり、ａref は目標値ｘref を２階微分した目標加速度であり、ｊref は目標値ｘref を３階微分した目標ジャークである。
【００５８】
したがって、離散化した指令値ｕ（ｋ）は、以下の数３で計算される。
【００５９】
【数３】
図７は、上述した制御演算装置６０における位置制御系の機能ブロック図を示す。ここでは、停止位置制度を改善するために、上述した位置制御系の構成要素に更に線形化補償部９０を備えている。これは以下の理由による。つまり、ピストン体２０は上下方向に動作するので、圧力室１０Ａ、１０Ｂのピストンヘッド２３の位置変化に起因する圧力変化分を補償する必要がある。この圧力変化は非線形性の強いモデルとなる。しかし、この非線形性モデルは微小範囲において線形化することが可能である。このことから、線形化補償部９０は、この微小範囲での線形化モデルを使用することにより圧力変化分の補償を行うようにしている。
【００６０】
実際の位置制御は、Ｓ字波形を入力波形の標準として用い、設定項目を開始位置ｘ１（ｍ）、終了位置ｘ２（ｍ）、停止時間ｔｓ（ｓｅｃ）、動作速度ｖ（ｍ／ｓｅｃ）とし、下記の位置算出式を用いて行われる。
【００６１】
つまり、ｖ≧０の時、
ｘ＝ｘ１＋（ｖ／２）｛ｔ−（Ｔt ／２π）ｓｉｎ（２πｔ／Ｔt ）｝
ｖ＜０の時、
ｘ＝ｘ２−（ｖ／２）｛ｔ−（Ｔt ／２π）ｓｉｎ（２πｔ／Ｔt ）｝
但し、Ｔt ＝（２／ｖ）（ｘ２−ｘ１）
【００６２】
この時の位置、速度プロファイルは図８に示すようになる。
【００６３】
本発明による制御演算装置６０では、上述の位置制御系による位置制御に加えて荷重制御系により荷重制御を行うようにしている。つまり、制御演算装置６０は、ピストン体２０が目標位置に達するまで位置制御系による位置制御を行い、前記目標位置に達すると荷重制御系による荷重制御に切換えてピストン体２０を荷重指令値に基づいて制御する。これはＶＰ切換えと呼ばれ、以下に、これを説明する。
【００６４】
図９は、制御演算装置６０における荷重制御系の機能ブロック図を示す。図９に示された位置制御ブロックは図７で説明した位置制御系と考えて良く、この位置制御系と荷重制御系とを切換えるためのＶＰ切換部９５を備えている。
【００６５】
図９において、荷重制御系においては、アクチュエータにおける圧力室１０Ａ側で検出される圧力に受圧面積を乗算して荷重（力）に変換する変換部Ａ１と、圧力室１０Ｂ側で検出される圧力に受圧面積を乗算して荷重（力）に変換する変換部Ａ２との出力差を演算部Ｃ１でピストン荷重として算出する。演算部Ｃ２は、算出されたピストン荷重と荷重指令値との差分を推力指令値として算出する。
【００６６】
Ｋｆは荷重ループゲインであり、流量補償係数によりサーボ弁３０の給気流量から排気流量を算出する。必要な排気流量を確保するために、サーボ弁３０のスプールの移動距離をスプール位置指令変換係数Ｋより算出し、サーボ弁３０のスプール位置指令値とする。
【００６７】
ＶＰ切換部９５は、目標位置への接地時に、位置制御ブロック、つまり位置制御系からのサーボ弁指令値と、上記荷重制御系により算出されたサーボ弁３０のスプール位置指令値とを比較し、その大小により適切に位置制御系と荷重制御系との切換えを行う。
【００６８】
位置制御と荷重制御（力制御）を連続して行うことのできる代表的な方法として以下の２種類の動作方法を示す。
【００６９】
▲１▼Ｓ字＋ランプ２段階切換え
これは、Ｓ字波形で目標位置の直前まで移動して停止、その後ランプ波形に切換えてゆっくり対象物へ接近する。この場合、あらかじめ指定の動作を行わせるため設定項目として、目標推力（Ｎ）、加圧時間（ｓｅｃ）、待機時間（ｓｅｃ）、切換位置（ｍｍ）を設定する。
【００７０】
▲２▼Ｓ字＋ランプ速度連続切換え
Ｓ字波形で目標位置付近まで移動するが、指定した速度になった時点でＳ字波形からランプ波形に切換えてゆっくり対象物へ接近する。この場合も上記▲１▼と同様に、設定項目として、目標推力（Ｎ）、加圧時間（ｓｅｃ）、待機時間（ｓｅｃ）、切換位置（ｍｍ）、切換速度（ｍｍ／ｓｅｃ）を設定する。
【００７１】
上記のような位置制御、荷重制御（力制御）による位置、速度プロファイルを図１０（ａ）、（ｂ）に示す。
【００７２】
以上説明した精密位置決め装置によれば、非接触な静圧軸受式のピストン体を備えた空圧シリンダとサーボ弁とそれを制御する制御演算装置とを用いて位置決め制御機能と荷重（力）制御機能とを同一装置で制御することを実現できるようにしたことにより、簡素な機構で位置決め制御精度・荷重制御精度の向上を図ることができる。
【００７３】
具体的には、Ｚ軸方向の駆動源としての性能が下記項目に関して改善される。
【００７４】
同一装置で移動対象物（ＩＣ部品等のワーク）を高速移動させることができる。
【００７５】
移動対象物を高精度に特定の位置に停止させることができる。
【００７６】
移動対象物を決められた荷重で高精度に接地させることができる。
【００７７】
移動対象物を決められた荷重で高精度に加圧することができる。
【００７８】
図１１に、力制御時の力ステップ応答計測結果と推力平均値及び誤差幅の計測例を示す。力ステップ応答の計測は条件▲１▼と条件▲２▼とで行われ、それぞれの条件において推力指令値と誤差幅が求められている。この計測結果によれば、荷重のばらつきが±数％〜±２％になっていることがわかる。
【００７９】
一方、図１２は、繰り返し位置決め精度の計測結果を示す。この計測結果によれば、繰り返し位置決め精度が±十数（μｍ）〜±５（μｍ）で、繰り返し位置決め精度は３σ値で０．３４〜０．３６（μｍ）となっていることがわかる。
【００８０】
なお、上記の形態では、軸受として静圧軸受を用いているが、他の軸受でもよく、例えば低摩擦のメタルシール軸受等が適している。
【００８１】
次に、本発明による精密位置決め装置を加工機に適用した場合の実施の形態について説明する。本発明による精密位置決め装置が適用される加工機は、Ｚ軸駆動機構（上下駆動軸）を備える加工機全般、例えば半導体後工程における製造装置（ボンディング装置・ダイサ・ハンドラ）及び部品実装装置（チップマウンタ）、工作機械（マシニングセンタ・放電加工機・研削盤）、印刷機等の多岐にわたる。そして、上記各加工機におけるＺ軸駆動機構として使用することにより、加工機の簡素化、制御性能の向上を図ることができる。
【００８２】
具体的には、加工機としての性能が下記項目に関して改善される。
【００８３】
Ｚ軸駆動機構が簡素になり、小型化できる。その結果、Ｚ軸駆動機構の振動、イナーシャが小さくなり、これに組み合わされるＸ−Ｙ駆動機構を制御し易くなる。
【００８４】
構成部品を減らすことができる。
【００８５】
高速高精度な位置決めができる。
【００８６】
高精度な加圧ができ、目標推力を出し易くなる。
【００８７】
摺動部における摺動による劣化・発熱を回避できる。
【００８８】
潤滑剤等の飛散を回避できる。
【００８９】
メンテナンスが容易で、例えばＺ軸駆動機構全体をそっくり交換できる。
【００９０】
図１３は、本発明による精密位置決め装置を図１４で説明したようなチップマウンタに適用した場合の実施の形態を示す。図１３において、固定のベースフレーム１に本精密位置決め装置がＺ軸駆動機構として作用するように縦にして組み付けられる。ロッド２２の下端にはワークとしてのチップ３を把持するための把持機構が備えられている。チップ３が実装されるべき基板４は、Ｘ軸駆動機構及びＹ軸駆動機構を持つ基板保持ステージ５に搭載されている。
【００９１】
【発明の効果】
本発明によれば、非接触な静圧軸受式のピストン体を備えた空圧シリンダとサーボ弁とそれを制御する制御演算装置とを用いて位置決め制御機能と力（荷重）制御機能とを実現できるようにしたことにより、簡素な機構で位置決め制御精度・荷重制御精度の向上を図ることのできる精密位置決め装置及びこれを用いた加工機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による精密位置決め装置の実施の形態の構造を示す縦断面図である。
【図２】本発明による精密位置決め装置における空圧回路を説明するための概略構成図である。
【図３】本発明による精密位置決め装置における制御演算装置と各種センサとの電気的接続関係を示した図である。
【図４】本発明による精密位置決め装置における制御演算装置で行われる定常位置偏差低減のための制御演算を説明するためのブロック線図である。
【図５】図４のブロック線図を簡略化した図である。
【図６】本発明による精密位置決め装置における制御演算装置で行われる定常位置偏差低減のための制御演算を説明するためのブロック線図である。
【図７】本発明による精密位置決め装置における制御演算装置の位置制御のための機能ブロック図である。
【図８】本発明による精密位置決め装置による位置制御時の位置及び速度プロファイルの一例を示した図である。
【図９】本発明による精密位置決め装置における制御演算装置の力制御のための機能ブロック図である。
【図１０】本発明の精密位置決め装置による位置制御及び力制御時の位置及び速度プロファイルの一例を示した図である。
【図１１】本発明の精密位置決め装置において力制御時の力ステップ応答計測結果と推力平均値及び誤差幅の計測例を示す。
【図１２】本発明の精密位置決め装置における繰り返し位置決め精度の計測例を示す。
【図１３】本発明による精密位置決め装置をチップマウンタに適用した場合の側面図である。
【図１４】従来のチップマウンタの一例を示した側面図である。
【図１５】本出願人により提案されている空気圧アクチュエータの構成を示した図である。
【符号の説明】
１０ 空圧シリンダ
１０Ａ、１０Ｂ 圧力室
２０ ピストン体
２１、２４ 静圧軸受
２２ ロッド
２３ ピストンヘッド
３０ サーボ弁
４０ 空圧回路
５０ 位置センサ
６０Ａ、６０Ｂ 第１、第２の圧力センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は位置決め装置に関し、特に、Ｚ軸（垂直軸）方向への精密位置決め及び荷重制御を可能とする精密位置決め装置及びこれを用いた加工機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｚ軸方向に関する位置決め機能を持つ位置決め装置の応用例としては、例えばチップマウンタがある。これを図１４を参照して説明する。
【０００３】
図１４において、チップマウンタは、Ｚ軸送り装置１００と、このＺ軸送り装置１００で昇降駆動されるホルダ支持装置２００とを組み合わせて成る。Ｚ軸送り装置１００は、装置フレーム１０１にサーボモータ１０２を設置し、このサーボモータ１０２で鉛直方向に延びるボールネジ機構１０３を駆動するようにしている。ボールネジ機構１０３はスライダ１０４を有しており、スライダ１０４を装置フレーム１０１に設けたガイドレール１０５で案内するようにしている。
【０００４】
ホルダ支持装置２００は、ボールネジ機構１０３におけるスライダ１０４と反対側に、ホルダブラケット２０１を介して取り付けられている。ホルダ支持装置２００はエアシリンダ２０２を有し、エアシリンダ２０２内には静圧空気軸受２０４を介してツールホルダ２０３が上下動可能に配置されている。つまり、静圧空気軸受２０４はエアシリンダ２０２に設けられている穴２０５から供給される圧縮空気を多孔質体で均一に分散させてツールホルダ２０３の下部を非接触状態にて支持する。
【０００５】
また、エアシリンダ２０２に開口されている加圧ポート２０６及びバランス圧ポート２０８から供給される圧縮空気同士の差圧でツールホルダ２０３の上下動を位置決め制御するように構成されている。ツールホルダ２０３の下端部にはチップ３００を保持するためのツール２０９が取り付けられている。
【０００６】
基板保持ステージ４００には、チップ３００が実装されるべき基板４０１が搭載されている。なお、エアシリンダ２０２には移動高さを検出するための位置検出器２１０が設けられ、高さ位置のフィードバック制御に利用される（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
上記の装置は、精密位置決めを可能とするために、ボールネジ機構１０３によるＺ軸送り装置１００と、エアシリンダ２０３によるホルダ支持装置２００との２つの駆動機構が必要である。
【０００８】
一方、上記のような２つの駆動機構の組み合わせに代えて、リニアモータを駆動源として用いることが考えられる。しかし、チップマウンタのような場合、動きが激しいのでリニアモータにおける電磁石に発熱が生じてチップに悪影響を及ぼすおそれがあるので好ましくない。しかも、チップマウンタのようにＺ軸方向の位置決め制御を行う場合、単に位置決め制御を行うだけでなく可動部の荷重制御（力制御）も必要であるが、リニアモータにおいて電流制御で荷重制御を実現するのは容易ではない。
【０００９】
更に、本出願人は、上記ようなボールネジ機構による駆動機構やリニアモータによる駆動機構に代わる駆動源として、流体圧アクチュエータを提案している。図１５を参照して、この流体圧アクチュエータは、ガイド軸４１４とこれに沿って移動可能なスライダ４１３とを含む。ガイド軸４１４とスライダ４１３との間にはシリンダ室が形成されると共に、このシリンダ室を移動方向に関して２つの圧力室４１６Ａ、４１６Ｂに区画する受圧板４１７がスライダ４１３に設けられる。２つに区画された圧力室４１６Ａ、４１６Ｂにそれぞれ、サーボ弁４２２Ａ、４２２Ｂを介して圧縮空気を出入り可能にすることで２つの圧力室４１６Ａ、４１６Ｂの差圧でスライダ４１３を駆動するようにしている。
【００１０】
流体圧アクチュエータは更に、スライダ４１３の位置を検出するための位置センサ４１５と、２つのサーボ弁４２２Ａ、４２２Ｂをそれぞれ制御するための２つのサーボアンプ４２１Ａ、４２１Ｂと、位置センサ４１５からの位置検出信号を受けて２つのサーボアンプ４２１Ａ、４２１Ｂに位置指令値を出力する制御演算装置４２０とを備えている。４１０は圧縮空気供給源である。
【００１１】
制御演算装置４２０は、位置検出信号で示されるスライダ位置を微分してスライダ４１３の速度を算出すると共に、算出された速度を微分して加速度を算出するステップと、スライダ目標位置と、スライダ位置、スライダ速度、スライダ加速度を用いて２つのサーボアンプ４２１Ａ、４２１Ｂへ出力すべき位置指令値を算出するステップと、算出されたそれぞれの位置指令値に対して、シリンダ室内における受圧板４１７の位置変化に起因する各圧力室４１６Ａ、４１６Ｂの圧力変化分を補償する演算を行って、それぞれ補償された位置指令値を２つのサーボアンプ４２１Ａ、４２１Ｂへ出力するステップとを実行する（例えば特許文献２参照）。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−３５３７２５号公報（第３頁、図１）
【００１３】
【特許文献２】
特願２００１−９８４２７号（第１−２頁、図１）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、流体として空気を用いる空気圧アクチュエータは、高速、高推力が得られ、発熱作用が少ないという利点がある。しかし、上記のような構成のものは水平方向の駆動源には適しているが、鉛直方向、つまりＺ軸方向の駆動源には適していない。また、高価なサーボ弁を２個必要とする。
【００１５】
そこで、本発明の課題は、駆動源の機械的要素としてはエアシリンダ及び１つのサーボ弁でＺ軸方向の高精度の位置決め制御と荷重制御とを実現できる精密位置決め装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、鉛直方向に延びるように固定配置される空圧シリンダと、該空圧シリンダ内に静圧軸受を介して非接触状態にてスライド可能に収容され、軸方向に延びる軸体を持つピストン体と、前記空圧シリンダ内で前記ピストン体のピストンヘッドを間にした一方の圧力室に定圧の空気を供給すると共に、他方の圧力室にはサーボ弁を介して空気の流量を制御して供給するための空圧回路と、前記一方及び他方の圧力室の圧力を検出するための第１、第２の圧力センサと、前記ピストン体の位置を検出するための位置センサと、前記位置センサからの位置検出信号と、位置指令値と、速度指令値と、加速度指令値とに基づいて前記サーボ弁を制御することで前記ピストン体の位置制御を行うと共に、前記第１、第２の圧力センサからの圧力検出信号と荷重指令値とを用いて前記サーボ弁を制御することで前記ピストン体の荷重制御を行う制御系とを備え、前記静圧軸受の空気圧源として前記一方の圧力室の空気が導入され、前記ピストン体には、前記静圧軸受に隣接した位置において該静圧軸受からの漏れ空気を導入し、該導入した漏れ空気を、前記空圧シリンダ外に位置している前記軸体の端部側から排出するための通路が設けられていることを特徴とする精密位置決め装置が提供される。
【００１７】
本精密位置決め装置においては、前記制御系は、前記ピストン体が目標位置に達するまで前記位置制御を行う位置制御系と、前記目標位置に達すると切換えられて前記ピストン体を前記荷重指令値に基づく力で荷重制御する荷重制御系とを備える。
【００１８】
本精密位置決め装置においてはまた、前記ピストン体はその中心軸部に前記軸体の端部側に向けて延びる孔を有すると共に、前記軸体の端部から前記孔内を前記ピストンヘッド側に向けて延びる被検出軸を有し、前記空圧シリンダの上部から前記孔に挿通された固定軸に前記位置センサ用のセンサヘッドが設けられると共に、該センサヘッドを通して前記固定軸内に前記被検出軸が挿通されることにより前記ピストン体内に前記位置センサが構成されている。
【００２０】
本発明によればまた、上記のいずれかの精密位置決め装置を備えた加工機が提供される。
【００２１】
【作用】
本発明によれば、位置決め制御と荷重制御とを行う駆動機構として、静圧軸受による非接触式のピストン体を内蔵した空圧シリンダと、空圧サーボ弁と、これを制御し得る精密制御装置とを用いることにより、簡素な機構で位置決め制御精度・荷重制御精度の向上を実現している。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１、図２を参照して、本発明による精密位置決め装置の実施の形態について説明する。図１において、本精密位置決め装置は、図１５で説明した流体圧アクチュエータを応用し、鉛直方向、つまりＺ軸方向に延びるように固定配置される空圧シリンダ１０と、空圧シリンダ１０内に複数の静圧軸受２１を介して非接触状態にてスライド可能に収容され、下方に延びるロッド２２を持つピストン体２０と、空圧回路４０（図２参照）とを備える。空圧回路４０は、空圧シリンダ１０内でピストン体２０のピストンヘッド２３を間にした一方の圧力室、ここでは下側の圧力室１０Ａに定圧の圧縮空気を供給すると共に、他方の圧力室、ここでは上側の圧力室１０Ｂにはサーボ弁３０を介して流体の流量を制御して供給／排出することで圧力制御を行う。勿論、上側を定圧とし、下側にサーボ弁が接続されても良い。
【００２３】
図２において、空圧回路４０は、コンプレッサに接続した圧縮空気タンク４１からの圧縮空気をレギュレータ４２を通すことで定圧の圧縮空気を得るようにしている。また、サーボ弁３０にはスプール位置を検出するためのスプール位置センサ３１（図２では図示省略、図３参照）が設けられている。
【００２４】
精密位置決め装置はまた、ピストン体２０の位置制御、荷重制御のために必要な要素として、ピストン体２０の位置を検出するための位置センサ５０（図１）、圧力室１０Ａ、１０Ｂの圧力を検出するための第１、第２の圧力センサ６０Ａ、６０Ｂを備える。
【００２５】
精密位置決め装置は更に、位置センサ５０からの位置検出信号と、位置指令値と、速度指令値と、加速度指令値とに基づいてサーボ弁３０を制御することでピストン体２０の位置制御を行うと共に、第１、第２の圧力センサ６０Ａ、６０Ｂからの圧力検出信号と荷重指令値を用いてサーボ弁３０を制御することでピストン体２０の荷重制御を行う制御系とを備える。荷重制御は力制御と呼ばれても良い。本制御系については後に詳しく説明する。
【００２６】
本形態では、空圧シリンダ１０の上部側面にサーボ弁３０が設置され、空圧シリンダ１０のヘッド部に設けられた通路１０−１を経由して制御された圧力の圧縮空気が圧力室１０Ｂ内に導入される。空圧シリンダ１０は円筒形状であり、この場合、静圧軸受２１は断面円形のピストンヘッド２３の周方向に間隔をおいた複数箇所に設けられる。空圧シリンダ１０が例えば断面四角形状である場合、静圧軸受２１は、断面四角形のピストンヘッド２３の４つの周面、つまり４箇所に設けられる。静圧軸受の空気圧源としては圧力室１０Ａの圧縮空気を利用するようにしている。このために、ピストンヘッド２３には空気導入用の通路２３−１と、圧縮空気を空圧シリンダ１０内面に吹き出すための通路２３−２（いずれも１本のみ図示）とが設けられている。
【００２７】
本形態ではまた、ロッド２２は２重円筒状であり、これも空圧シリンダ１０の下部において複数の静圧軸受２４を介して非接触状態にてスライド可能に支持されている。つまり、空圧シリンダ１０の下部には図２で説明した空圧回路４０の定圧側に接続されるポート１０−２が設けられ、このポート１０−２には圧力室１０Ａに圧縮空気を導入するための通路１０−３が連通し、圧力室１０Ａにはまた圧縮空気をロッド２２の外周面に吹き出すための通路１０−４が連通するようにされている。静圧軸受２１と同様、ロッド２２が２重四角筒状であれば、静圧軸受２４は４箇所に設けられる。
【００２８】
ロッド２２を２重筒状にしているのは、次の理由による。静圧軸受２１には圧力室１０Ｂ内の圧力とは異なる圧力室１０Ａ内の圧縮空気を用いているので、この圧縮空気の一部が圧力室１０Ｂ内に漏れると位置及び荷重制御が不安定になる。このため、ピストンヘッド２３の静圧軸受２１に隣接した位置には静圧軸受２１からの漏れ圧縮空気を２重筒内に導入するための通路１０−５を複数本設けている。２重筒内に導入された漏れ圧縮空気はロッド２２の下部に設けられた排気ポート２２−１を通して排気される。
【００２９】
本形態では更に、ピストン体２０はその中心軸部にピストンヘッド２３からロッド２２の下部に至る孔２０Ａを有する。そして、空圧シリンダ１０の上部から孔２０Ａに挿通された固定軸５１を利用してピストン体２０内に位置センサ５０のセンサヘッド５２が設置されている。ここでは、位置センサ５０として磁気センサを用いている。簡単に説明すると、ロッド２２の下部に上方に延びる被検出軸５３が設けられてセンサヘッド５２に挿通されている。被検出軸５３には微小な定ピッチで溝が切られている。固定状態にあるセンサヘッド５２に対し、被検出軸５３はピストン体２０と共に移動する。センサヘッド５２は被検出軸５３の移動に伴う溝数をカウントすることで移動量、つまり基準位置からの位置を検出する。
【００３０】
次に、図３を参照して、本精密位置決め装置の制御系について説明する。本制御系は、パーソナルコンピュータ等で実現される制御演算装置６０を有する。制御演算装置６０と各センサはＩＳＡバス７１、ＩＳＡ拡張ユニット７２を介して接続されている。詳しく説明すると、位置センサ３１はセンサアンプ７３、ＩＳＡバスボード７４を介してＩＳＡ拡張ユニット７２に接続され、位置センサ５０はセンサアンプ７５、ＩＳＡバスボード７６を介してＩＳＡ拡張ユニット７２に接続されている。第１、第２の圧力センサ６０Ａ、６０Ｂは、それぞれＡ／Ｄボード７７、７８を介してＩＳＡ拡張ユニット７２に接続されている。また、サーボ弁３０に対してはＤ／Ａ（ディジタル／アナログ変換）ボード７９、電流アンプ８０を介して制御演算装置６０からの制御信号が出力される。後述するように、制御演算装置６０はスプール位置センサ３１で検出されるサーボ弁３０のスプール位置と位置センサ５０で検出されるピストン体２０の位置とを取り込んでピストン体２０の位置制御を行うと共に、第１、第２の圧力センサ６０Ａ、６０Ｂで検出される圧力を取り込んで荷重制御時の推力制御を行う。
【００３１】
図４に制御演算装置６０で行われる制御演算のブロック線図を示す。図４のプラント（ピストン系）ＰのノミナルモデルＰn を次のように表わす。
【００３２】
Ｐn （ｓ）＝Ｋn ・ωn 2 ／ｓ（ｓ2 ＋ωn 2 ） （１）
Ｋn 、ωn はプラントの特性から決まる定数、ｓは微分器でありその乗数は微分の階数を表わす。図４のＫs はサーボ弁３０の特性から決まる定数である。
【００３３】
以下に、図１、図２をも参照して制御演算装置６０の動作を説明する。以下で、添え字ｋ＝０，１，・・・は、位置センサ５０の検出信号に対して行われるサンプリングの各サンプリング周期のその変数のサンプル値を表わす。
【００３４】
（１）圧縮空気タンク４１からの空気をレギュレータ４２で適当な圧力に調節し静圧軸受２１に供給する。この静圧軸受２１の圧縮空気によりピストン体２０が空圧シリンダ１０と非接触で移動可能な状態にする。
【００３５】
（２）位置センサ５０によりピストン体２０の位置を検出しその位置情報を電気信号により出力する。位置センサ５０により出力された信号は制御演算装置６０に入力される。
【００３６】
（３）制御演算装置６０は位置センサ５０からの検出信号に対してサンプリングを行い、以下で述べるような演算を行う。指令値ｕ（ｋ−１）と（２）で検出したピストン体２０の位置ｘ（ｋ−１）からカルマンフィルタ６１による演算を行い、次式からピストン体２０の推定位置ｘep（ｋ）、推定速度ｘev（ｋ）、推定加速度ｘea（ｋ）を得る。なお、ｋは現在のサンプル値、（ｋ−１）は１サンプリング周期前のサンプル値を表わす。また、添え字にｅを付す場合には、推定値を表すものとする。
【００３７】
【００３８】
（４）ピストン体２０の目標位置Ｘref （ｋ）と算出されたピストン体２０の位置推定値ｘep（ｋ）、算出された速度推定値ｘev（ｋ）、算出された加速度推定値ｘea（ｋ）の各フィードバック値より指令値ｕ（ｋ）を計算する。
【００３９】
ｕ（ｋ）＝Ｋp ｛ｘref （ｋ）−ｘep（ｋ）｝−Ｋv ｘev（ｋ）
−Ｋa ｘea（ｋ）
但し、Ｋp は比例ゲイン、Ｋv は速度ゲイン、Ｋa は加速度ゲインである。
【００４０】
（５）１サンプリング周期前の指令値ｕ（ｋ−１）、スライダ推定速度ｘev （ｋ−１）、推定加速度ｘea（ｋ−１）と算出された現在の推定加速度ｘea（ｋ）から次式のようにサーボ弁３０の中立点の機差の補正値ｄe （ｋ）を計算する。
【００４１】
ｄe （ｋ）＝ｕe ´（ｋ）−ｕ´（ｋ）
但し、ｕe ´（ｋ）、ｕ´（ｋ）はそれぞれ、以下の数１、数２で与えられる。
【００４２】
【数１】
【００４３】
Ｆ（ｓ）＝１／（Ｔf ｓ＋１）
【００４４】
（６）（４）で計算した指令値ｕ（ｋ）と（５）で計算したｄe （ｋ）により電流アンプ８０（図３）への指令値ｕ（ｋ）−ｄe （ｋ）を計算し、これを電流アンプ８０に電気信号として出力する。
【００４５】
（７）電流アンプ８０は、指令値ｕ（ｋ）−ｄe （ｋ）に従い、サーボ弁３０のスプール位置を制御する。サーボ弁３０はレギュレータ４２により適当な圧力に調節された圧縮空気が供給されており、サーボ弁３０内のスプール位置により通過する流量が変動する。
【００４６】
（８）サーボ弁３０を通過した圧縮空気は圧力室１０Ｂに供給される。圧力室１０Ａ、圧力室１０Ｂの差圧がピストンヘッド２３に作用しピストン体２０を移動させる。
【００４７】
（９）上記の（２）から（８）を繰り返し、ピストン体２０を目標位置Ｘref に制御する。
【００４８】
なお、ｕ（０）、ｘep（０）、ｘev（０）、ｘea（０）、ｄe （０）の初期値はすべて零とする。
【００４９】
上記のように、ピストン体２０の位置、速度、加速度を推定するために、本形態ではカルマンフィルタ６１を適用している。また、サーボ弁３０を使用した空気圧位置制御系では、サーボ弁３０の中立点誤差が外乱となり定常位置偏差が生じる。この外乱を外乱オブザーバ６２で推定し、打ち消すことで、定常位置偏差を補償している。そして、外乱オブザーバ６２を適用することにより、フィルタＦ（ｓ）の帯域での外乱やプラントのパラメータ変動に対するロバスト性を補償できる。
【００５０】
いずれにしても、カルマンフィルタ６１、外乱オブザーバ６２を用いることにより、対象とする空気圧サーボ系の特性を（１）式のノミナルモデルに近付けることができる。
【００５１】
上記のような制御によれば、カルマンフィルタ６１、外乱オブザーバ６２によりピストン体２０の停止位置精度が改善される。このような制御は、ピストン体２０をステップ状に動かし、停止位置精度だけを問題にする場合には十分である。しかし、ピストン体２０の等速移動時のように目標値が連続的に変化する場合には定常速度偏差が生じるため、ピストン体２０の駆動中の精度を問題にする場合には、上記の制御では不十分である。
【００５２】
そこで、定常速度偏差を改善するための手法を以下に説明する。
【００５３】
外乱オブザーバ６２によって外乱（サーボ弁中立点誤差）が補正され、カルマンフィルタ６１によって位置、速度、加速度が正確に推定されると、図４のブロック線図は図５のように書き替えられる。図５では、実際のサーボ弁３０の特性から決まる定数Ｋs （サーボ弁ゲイン）は、制御演算装置６０内で想定しているサーボ弁ゲインＫsnと等しいものとし、プラント（ピストン系）の特性Ｐ（ｓ）もノミナルモデルＰn （ｓ）と等しいものとしている。
【００５４】
この場合、目標値ｘref から制御量ｘまでの閉ループ伝達関数は、
Ａ1 ＝ＫsnＫn ωn 2 Ｋa
Ａ2 ＝（１＋ＫsnＫn Ｋv ）ωn 2
Ａ3 ＝ＫsnＫn ωn 2 Ｋp
である。
【００５５】
定常速度偏差を低減するためには、図６に示すように、図４のブロック線図における目標値ｘref の入力部に上記の閉ループ伝達関数の逆モデルＧc （ｓ）-1を挿入すれば良い。このような逆モデルを挿入することによって、全体の伝達関数は理想的な１となり、定常速度偏差が改善される。
【００５６】
なお、目標値ｘref に逆モデルＧc （ｓ）-1を乗算したものは次式で計算できる。
【００５７】
【００５８】
したがって、離散化した指令値ｕ（ｋ）は、以下の数３で計算される。
【００５９】
【数３】
【００６０】
実際の位置制御は、Ｓ字波形を入力波形の標準として用い、設定項目を開始位置ｘ１（ｍ）、終了位置ｘ２（ｍ）、停止時間ｔｓ（ｓｅｃ）、動作速度ｖ（ｍ／ｓｅｃ）とし、下記の位置算出式を用いて行われる。
【００６１】
つまり、ｖ≧０の時、
ｘ＝ｘ１＋（ｖ／２）｛ｔ−（Ｔt ／２π）ｓｉｎ（２πｔ／Ｔt ）｝
ｖ＜０の時、
ｘ＝ｘ２−（ｖ／２）｛ｔ−（Ｔt ／２π）ｓｉｎ（２πｔ／Ｔt ）｝
但し、Ｔt ＝（２／ｖ）（ｘ２−ｘ１）
【００６２】
この時の位置、速度プロファイルは図８に示すようになる。
【００６３】
本発明による制御演算装置６０では、上述の位置制御系による位置制御に加えて荷重制御系により荷重制御を行うようにしている。つまり、制御演算装置６０は、ピストン体２０が目標位置に達するまで位置制御系による位置制御を行い、前記目標位置に達すると荷重制御系による荷重制御に切換えてピストン体２０を荷重指令値に基づいて制御する。これはＶＰ切換えと呼ばれ、以下に、これを説明する。
【００６４】
図９は、制御演算装置６０における荷重制御系の機能ブロック図を示す。図９に示された位置制御ブロックは図７で説明した位置制御系と考えて良く、この位置制御系と荷重制御系とを切換えるためのＶＰ切換部９５を備えている。
【００６５】
図９において、荷重制御系においては、アクチュエータにおける圧力室１０Ａ側で検出される圧力に受圧面積を乗算して荷重（力）に変換する変換部Ａ１と、圧力室１０Ｂ側で検出される圧力に受圧面積を乗算して荷重（力）に変換する変換部Ａ２との出力差を演算部Ｃ１でピストン荷重として算出する。演算部Ｃ２は、算出されたピストン荷重と荷重指令値との差分を推力指令値として算出する。
【００６６】
Ｋｆは荷重ループゲインであり、流量補償係数によりサーボ弁３０の給気流量から排気流量を算出する。必要な排気流量を確保するために、サーボ弁３０のスプールの移動距離をスプール位置指令変換係数Ｋより算出し、サーボ弁３０のスプール位置指令値とする。
【００６７】
ＶＰ切換部９５は、目標位置への接地時に、位置制御ブロック、つまり位置制御系からのサーボ弁指令値と、上記荷重制御系により算出されたサーボ弁３０のスプール位置指令値とを比較し、その大小により適切に位置制御系と荷重制御系との切換えを行う。
【００６８】
位置制御と荷重制御（力制御）を連続して行うことのできる代表的な方法として以下の２種類の動作方法を示す。
【００６９】
▲１▼Ｓ字＋ランプ２段階切換え
これは、Ｓ字波形で目標位置の直前まで移動して停止、その後ランプ波形に切換えてゆっくり対象物へ接近する。この場合、あらかじめ指定の動作を行わせるため設定項目として、目標推力（Ｎ）、加圧時間（ｓｅｃ）、待機時間（ｓｅｃ）、切換位置（ｍｍ）を設定する。
【００７０】
▲２▼Ｓ字＋ランプ速度連続切換え
Ｓ字波形で目標位置付近まで移動するが、指定した速度になった時点でＳ字波形からランプ波形に切換えてゆっくり対象物へ接近する。この場合も上記▲１▼と同様に、設定項目として、目標推力（Ｎ）、加圧時間（ｓｅｃ）、待機時間（ｓｅｃ）、切換位置（ｍｍ）、切換速度（ｍｍ／ｓｅｃ）を設定する。
【００７１】
上記のような位置制御、荷重制御（力制御）による位置、速度プロファイルを図１０（ａ）、（ｂ）に示す。
【００７２】
以上説明した精密位置決め装置によれば、非接触な静圧軸受式のピストン体を備えた空圧シリンダとサーボ弁とそれを制御する制御演算装置とを用いて位置決め制御機能と荷重（力）制御機能とを同一装置で制御することを実現できるようにしたことにより、簡素な機構で位置決め制御精度・荷重制御精度の向上を図ることができる。
【００７３】
具体的には、Ｚ軸方向の駆動源としての性能が下記項目に関して改善される。
【００７４】
同一装置で移動対象物（ＩＣ部品等のワーク）を高速移動させることができる。
【００７５】
移動対象物を高精度に特定の位置に停止させることができる。
【００７６】
移動対象物を決められた荷重で高精度に接地させることができる。
【００７７】
移動対象物を決められた荷重で高精度に加圧することができる。
【００７８】
図１１に、力制御時の力ステップ応答計測結果と推力平均値及び誤差幅の計測例を示す。力ステップ応答の計測は条件▲１▼と条件▲２▼とで行われ、それぞれの条件において推力指令値と誤差幅が求められている。この計測結果によれば、荷重のばらつきが±数％〜±２％になっていることがわかる。
【００７９】
一方、図１２は、繰り返し位置決め精度の計測結果を示す。この計測結果によれば、繰り返し位置決め精度が±十数（μｍ）〜±５（μｍ）で、繰り返し位置決め精度は３σ値で０．３４〜０．３６（μｍ）となっていることがわかる。
【００８０】
なお、上記の形態では、軸受として静圧軸受を用いているが、他の軸受でもよく、例えば低摩擦のメタルシール軸受等が適している。
【００８１】
次に、本発明による精密位置決め装置を加工機に適用した場合の実施の形態について説明する。本発明による精密位置決め装置が適用される加工機は、Ｚ軸駆動機構（上下駆動軸）を備える加工機全般、例えば半導体後工程における製造装置（ボンディング装置・ダイサ・ハンドラ）及び部品実装装置（チップマウンタ）、工作機械（マシニングセンタ・放電加工機・研削盤）、印刷機等の多岐にわたる。そして、上記各加工機におけるＺ軸駆動機構として使用することにより、加工機の簡素化、制御性能の向上を図ることができる。
【００８２】
具体的には、加工機としての性能が下記項目に関して改善される。
【００８３】
Ｚ軸駆動機構が簡素になり、小型化できる。その結果、Ｚ軸駆動機構の振動、イナーシャが小さくなり、これに組み合わされるＸ−Ｙ駆動機構を制御し易くなる。
【００８４】
構成部品を減らすことができる。
【００８５】
高速高精度な位置決めができる。
【００８６】
高精度な加圧ができ、目標推力を出し易くなる。
【００８７】
摺動部における摺動による劣化・発熱を回避できる。
【００８８】
潤滑剤等の飛散を回避できる。
【００８９】
メンテナンスが容易で、例えばＺ軸駆動機構全体をそっくり交換できる。
【００９０】
図１３は、本発明による精密位置決め装置を図１４で説明したようなチップマウンタに適用した場合の実施の形態を示す。図１３において、固定のベースフレーム１に本精密位置決め装置がＺ軸駆動機構として作用するように縦にして組み付けられる。ロッド２２の下端にはワークとしてのチップ３を把持するための把持機構が備えられている。チップ３が実装されるべき基板４は、Ｘ軸駆動機構及びＹ軸駆動機構を持つ基板保持ステージ５に搭載されている。
【００９１】
【発明の効果】
本発明によれば、非接触な静圧軸受式のピストン体を備えた空圧シリンダとサーボ弁とそれを制御する制御演算装置とを用いて位置決め制御機能と力（荷重）制御機能とを実現できるようにしたことにより、簡素な機構で位置決め制御精度・荷重制御精度の向上を図ることのできる精密位置決め装置及びこれを用いた加工機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による精密位置決め装置の実施の形態の構造を示す縦断面図である。
【図２】本発明による精密位置決め装置における空圧回路を説明するための概略構成図である。
【図３】本発明による精密位置決め装置における制御演算装置と各種センサとの電気的接続関係を示した図である。
【図４】本発明による精密位置決め装置における制御演算装置で行われる定常位置偏差低減のための制御演算を説明するためのブロック線図である。
【図５】図４のブロック線図を簡略化した図である。
【図６】本発明による精密位置決め装置における制御演算装置で行われる定常位置偏差低減のための制御演算を説明するためのブロック線図である。
【図７】本発明による精密位置決め装置における制御演算装置の位置制御のための機能ブロック図である。
【図８】本発明による精密位置決め装置による位置制御時の位置及び速度プロファイルの一例を示した図である。
【図９】本発明による精密位置決め装置における制御演算装置の力制御のための機能ブロック図である。
【図１０】本発明の精密位置決め装置による位置制御及び力制御時の位置及び速度プロファイルの一例を示した図である。
【図１１】本発明の精密位置決め装置において力制御時の力ステップ応答計測結果と推力平均値及び誤差幅の計測例を示す。
【図１２】本発明の精密位置決め装置における繰り返し位置決め精度の計測例を示す。
【図１３】本発明による精密位置決め装置をチップマウンタに適用した場合の側面図である。
【図１４】従来のチップマウンタの一例を示した側面図である。
【図１５】本出願人により提案されている空気圧アクチュエータの構成を示した図である。
【符号の説明】
１０ 空圧シリンダ
１０Ａ、１０Ｂ 圧力室
２０ ピストン体
２１、２４ 静圧軸受
２２ ロッド
２３ ピストンヘッド
３０ サーボ弁
４０ 空圧回路
５０ 位置センサ
６０Ａ、６０Ｂ 第１、第２の圧力センサ
Claims (4)
- 鉛直方向に延びるように固定配置される空圧シリンダと、
該空圧シリンダ内に静圧軸受を介して非接触状態にてスライド可能に収容され、軸方向に延びる軸体を持つピストン体と、
前記空圧シリンダ内で前記ピストン体のピストンヘッドを間にした一方の圧力室に定圧の空気を供給すると共に、他方の圧力室にはサーボ弁を介して空気の流量を制御して供給するための空圧回路と、
前記一方及び他方の圧力室の圧力を検出するための第１、第２の圧力センサと、
前記ピストン体の位置を検出するための位置センサと、
前記位置センサからの位置検出信号と、位置指令値と、速度指令値と、加速度指令値とに基づいて前記サーボ弁を制御することで前記ピストン体の位置制御を行うと共に、前記第１、第２の圧力センサからの圧力検出信号と荷重指令値とを用いて前記サーボ弁を制御することで前記ピストン体の荷重制御を行う制御系とを備え、
前記静圧軸受の空気圧源として前記一方の圧力室の空気が導入され、
前記ピストン体には、前記静圧軸受に隣接した位置において該静圧軸受からの漏れ空気を導入し、該導入した漏れ空気を、前記空圧シリンダ外に位置している前記軸体の端部側から排出するための通路が設けられていることを特徴とする精密位置決め装置。 - 請求項１に記載の精密位置決め装置において、前記制御系は、前記ピストン体が目標位置に達するまで前記位置制御を行う位置制御系と、前記目標位置に達すると切換えられて前記ピストン体を前記荷重指令値に基づく力で荷重制御する荷重制御系とを備えることを特徴とする精密位置決め装置。
- 請求項１あるいは２に記載の精密位置決め装置において、前記ピストン体はその中心軸部に前記軸体の端部側に向けて延びる孔を有すると共に、前記軸体の端部から前記孔内を前記ピストンヘッド側に向けて延びる被検出軸を有し、前記空圧シリンダの上部から前記孔に挿通された固定軸に前記位置センサ用のセンサヘッドが設けられると共に、該センサヘッドを通して前記固定軸内に前記被検出軸が挿通されることにより前記ピストン体内に前記位置センサが構成されていることを特徴とする精密位置決め装置。
- 請求項１〜３のいずれかに記載の精密位置決め装置を備えたことを特徴とする加工機。
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