JP3912592B2 - リニアアクチュエータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気軸受けと位置センサを用い摺動摩擦が無く絶対位置決めが可能なリニアアクチュエータに関し、特にコギングに起因するリップルを低減させることが可能なニアアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の空気軸受けと位置センサを用い摺動摩擦が無く絶対位置決めが可能なリニアアクチュエータに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−０５８２７１号公報
【０００４】
図１０はこのような従来のリニアアクチュエータの一例を示す斜視図である。但し、図１０において制御回路等の記載は省略されている。図１０において１は空気軸受けによって空気浮上している可動部であるスライダーをリニアモータで駆動し、磁歪ポテンショセンサ等の絶対位置検出が可能な位置センサが内蔵されているモータ部、２はモータ部１に内蔵されている位置センサからの信号を処理する位置センサ信号処理回路、３は電磁弁である。
【０００５】
ここで、図１０に示す従来例を簡単に説明する。電磁弁３からは図１０中”ＡＲ０１”に示すように加圧された空気がモータ部１に供給され、可動部であるスライダーを空気浮上させる。
【０００６】
一方、図１０中”ＤＳ０１”に示すように図示しない制御回路からのリニアモータの駆動信号がモータ部１に印加され、モータ部１は当該駆動信号に基づきリニアモータでスライダーの位置を直接移動させ、位置センサ信号処理回路２で処理されたスライダーの絶対位置の位置信号が図１０中”ＰＳ０１”に示すように図示しない制御回路に帰還されスライダーの位置制御がなされる。
【０００７】
この結果、磁歪ポテンショセンサ等によりスライダーの絶対位置が検出可能で、可動部であるスライダーが空気軸受けによって空気浮上しているので摺動摩擦が無いので高寿命、コンタミレス及び高制御性が得られることになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１０に示すような従来のリニアアクチュエータでは、これまでの搬送系に専ら用いられてきたボールネジとは異なり、可動部であるスライダーを駆動するリニアモータでは推力リップルの原因となるコギング（電気バネ）が生じてしまうと言った問題点があった。
【０００９】
このようなコギングを低減させるためにリニアモータに用いられている永久磁石の形状を最適化することによって実現できるものの推力の低下を伴うと言った問題点があった。
【００１０】
ここで、図１１、図１２、図１３及び図１４を用いて従来例の問題点を説明する。図１１は従来の制御回路の一例を示す構成ブロック図、図１２はシミュレーションで用いた位置指令値の一例を示す特性曲線図、図１３は速度指令値とシミュレーションにおけるスライダー速度の一例を示す特性曲線図、図１４はシミュレーションにおける推力の変動を示す特性曲線図である。
【００１１】
図１１において４はＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等の制御手段、５，６及び７はＤ／Ａ変換手段、８はＡ／Ｄ変換手段、９は速度指令信号発生手段、１０は速度／電圧変換手段、１１はモータ部、１２は位置センサ、１３及び１４は減算器である。また、４，５，６，７，８，９，１０，１３及び１４は制御回路５０を構成している。
【００１２】
制御手段４からの複数の出力はＤ／Ａ変換手段５，６及び７にそれぞれ接続され、Ｄ／Ａ変換手段５の出力は減算器１４の第１の加算入力端子に接続される。また、Ｄ／Ａ変換手段６及び７の出力はそれぞれ減算器１３の加算入力端子及び減算器１４の減算入力端子に接続される。
【００１３】
減算器１３の出力は速度指令信号発生手段９に接続され、速度指令信号発生手段９の出力は減算器１４の第２の加算入力端子に接続される。また、減算器１４の出力は速度／電圧変換手段１０に接続され、速度／電圧変換手段１０の出力である駆動信号はモータ部１１に印加される。
【００１４】
一方、位置センサ１２の出力はＡ／Ｄ変換手段８に接続されると共に減算器１３の減算入力端子に接続され、Ａ／Ｄ変換手段８の出力は制御手段４に接続される。
【００１５】
ここで、図１１に示す従来例の動作を簡単に説明する。制御手段４は図１１中”ＣＰ１１”に示すような位置指令値を出力し、減算器１３で図１１中”ＰＳ１１”に示す位置センサ１２からの位置信号との差分を演算して速度指令信号発生手段９に印加する。
【００１６】
例えば、位置指令値とは図１２中”ＣＨ２１”に示すような時間に対する位置を示す台形状の特性曲線であり、図１２中”ＣＨ２１”に示す位置指示値では絶対位置”０ｍ”から絶対位置”０．０２ｍ”に”約０．５秒”で移動し、絶対位置”０．０２ｍ”の位置で”約０．５秒”停止し、再び、絶対位置”０．０２ｍ”から絶対位置”０ｍ”に”約０．５秒”で移動することを示している。
【００１７】
速度指令信号発生手段９は印加された差分に基づき図１１中”ＳＳ１１”に示すような速度指令信号を発生させる。
【００１８】
一方、制御手段４は図１１中”ＣＳ１１”に示すような速度指令値を出力し、減算器１４で速度指令値と図１１中”ＳＳ１２”に示す位置センサ１２からの位置信号に基づき演算した速度信号との差分を図１１中”ＳＳ１１”に示す速度指令信号に加算する。
【００１９】
例えば、速度指令値とは図１３中”ＣＨ３１””に示すような時間に対する速度を示す台形状の特性曲線であり、図１３中”ＣＨ３１”に示す速度指示値ではでは”０．２〜０．７秒”の間に”０．０５ｍ／ｓ”の速度で移動し、”０．７〜１．１秒”の間に”０．０ｍ／ｓ”の速度で移動し（停止）、”１．１〜１．６秒”の間に”−０．０５ｍ／ｓ”の速度で移動することを示している。また、加減速度は”０．１Ｇ”である。
【００２０】
最後に、速度／電圧変換手段１０は印加された速度指令信号に基づき図１１中”ＤＳ１１”に示すような駆動信号を発生させてモータ部１１に供給してリニアモータを駆動する。
【００２１】
以上のような条件でシミュレーションを行った結果、可動部であるスライダーは図１３中”ＣＨ３２”に示すような挙動を示し、速度指示値に対して”約２０％”のリップルが発生することが分かる。また、図１４中”ＣＨ４１”に示すように周期的な推力のリップルが見受けられる。
【００２２】
すなわち、図１３中”ＣＨ３２”に示すような速度のリップルが存在する場合には、スライダー上の搬送品が振動し、機械的外力にもろい化合物半導体ウェハやチップ等が破損する恐れがある。
従って本発明が解決しようとする課題は、コギングに起因するリップルを低減させることが可能なリニアアクチュエータを実現することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
空気軸受けと位置センサを用い摺動摩擦が無く絶対位置決めが可能なリニアアクチュエータにおいて、
前記位置センサから位置信号を取り込みスライダーの位置速度制御を行う位置速度制御手段と、推定外乱値をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段と、前記位置速度制御手段の出力から前記Ｄ／Ａ変換手段の出力を減算して駆動信号として前記スライダーを移動させるリニアモータに供給する減算器と、この減算器の出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、外乱オブザーバを用いて外乱値テーブル作成モードで前記Ａ／Ｄ変換手段の出力に基づき実際の外乱と前記推定外乱値との間の位相差を前記位相差をパラメータとしておきこのパラメータを変化させながら前記スライダーの速度波形をモニタし、リップルが最小となる予め設定された位相差補正値を用いて補正した上で推定外乱値テーブルを予め作成し、通常搬送モードで前記推定外乱値テーブルから求めた前記推定外乱値として出力する制御手段とを備えたことにより、コギングに起因するリップルを低減させ、リニアアクチュエータ毎の位相差のバラツキによる外乱補償に対する影響を最小限に抑えることが可能になる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るリニアアクチュエータの制御回路の一例を示す構成ブロック図である。
【００３１】
図１において５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３及び１４は図１１と同一符号を付してあり、４ａはＣＰＵやＭＰＵ等の制御手段、１５はＡ／Ｄ変換手段、１６はＤ／Ａ変換手段、１７は減算器である。
【００３２】
また、４ａ，５，６，７，８，９，１０，１３，１４，１５，１６及び１７は制御回路５１を、５，６，７，８，９，１０，１３及び１４は位置速度制御手段５２をそれぞれ構成している。
【００３３】
制御手段４ａからの複数の出力はＤ／Ａ変換手段５，６，７及び１６にそれぞれ接続され、Ｄ／Ａ変換手段５の出力は減算器１４第１の加算入力端子に接続される。また、Ｄ／Ａ変換手段６及び７の出力はそれぞれ減算器１３の加算入力端子及び減算器１４の減算入力端子に接続される。さらに、Ｄ／Ａ変換手段１６の出力は減算器１７の減算入力端子に接続される。
【００３４】
減算器１３の出力は速度指令信号発生手段９に接続され、速度指令信号発生手段９の出力は減算器１４の第２の加算入力端子に接続される。また、減算器１４の出力は速度／電圧変換手段１０に接続される。
【００３５】
そして、速度／電圧変換手段１０の出力である駆動信号は減算器１７の加算入力端子に接続され、減算器１７の出力である外乱補償が施された駆動信号がモータ部１１に印加される。
【００３６】
また、減算器１７の出力はＡ／Ｄ変換手段１５に接続され、Ａ／Ｄ変換手段１５の出力は制御手段４ａに接続される
【００３７】
一方、位置センサ１２の出力はＡ／Ｄ変換手段８に接続されると共に減算器１３の減算入力端子に接続され、Ａ／Ｄ変換手段８の出力は制御手段４ａに接続される。
【００３８】
ここで、図１に示す従来例の動作を図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８及び図９を用いて説明する。但し、図１１に示す従来例と同様の部分に関する説明は省略する。
【００３９】
図２は外乱値テーブル作成モードにおける制御回路５１の動作を説明するフロー図、図３は外乱値テーブル作成モードにおける位置指令値の一例を示す特性曲線図、図４は外乱値テーブル作成モードにおける速度指令値の一例を示す特性曲線図、図５は外乱値テーブル作成モードにおける外乱と推定外乱値の一例を示す特性曲線図、図６は推定外乱値の一例を示す特性曲線図、図７は通常搬送モードにおける制御回路５１の動作を説明するフロー図、図８は外乱補償を行った場合の速度指令値と可動部であるスライダーの挙動を示す特性曲線図、図９は外乱補償を行った場合の推力の一例を示す特性曲線図である。
【００４０】
外乱値テーブル作成モード時、図２中”Ｓ００１”において制御回路５１は通常搬送モードと同様の負荷が装着されたスライダーを低速で移動させて駆動信号を順次取り込む。
【００４１】
例えば、負荷が装着されたスライダーを図３中”ＣＨ６１”に示す位置指令値及び図４中”ＣＨ７１”に示す速度指令値に基づき低速で等速移動させた時の図１中”ＤＳ５１”に示す駆動信号をＡ／Ｄ変換手段１５で取り込む。
【００４２】
図２中”Ｓ００２”において制御回路５１は図１中”ＯＢ５１”に示す外乱オブザーバを用いて取り込んだ駆動信号に基づき外乱を推定し推定外乱値を求め、図２中”Ｓ００３”において制御回路５１は図１中”ＯＢ５１”に示す外乱オブザーバを用いて当該推定外乱値と位置指令値との関係を記憶する。
【００４３】
例えば、コギングの数周期（４周期）程度低速で等速移動させることにより、図５中”ＣＨ８１”に示す外乱に対して図５中”ＣＨ８２”に示すような推定外乱値を求める。そして、図６中”ＣＨ９１”に示すような当該推定外乱値と位置指令値との関係を記憶する。
【００４４】
また、図５中”ＣＨ８２”に示す推定外乱値は図５中”ＢＯ８１”に示すスライダーが等速度になった時点で図１中”ＯＢ５１”に示す外乱オブザーバを起動させ、図５中”ＳＯ８１”に示すスライダーの速度が変化した時点で図１中”ＯＢ５１”に示す外乱オブザーバを停止させる。
【００４５】
最後に、図２中”Ｓ００４”において制御回路５１は図１中”ＯＢ５１”に示す外乱オブザーバを用いてコギング１周期分の推定外乱値テーブルを作成する。この場合、コギングの位置周期性を利用して１周期分の推定外乱値を求める。
【００４６】
例えば、図６中”ＣＨ９１”に示すようにコギングの数周期（４周期）を平均化処理等することにより、コギング１周期分の推定外乱値テーブルを作成する。
【００４７】
但し、設計上外乱オブザーバの極は制御系の極と比較して十分高く取れないため実際の外乱と推定外乱値との間には図５中”ＰＨ８１”に示すような位相差が生じるので、予め設定された位相差補正値を用いて補正した上で１周期分の推定外乱値テーブルを作成する。
【００４８】
このような、制御回路５１は外乱値テーブル作成モードで推定外乱値テーブルを作成した後、通常搬送モードで制御する。
【００４９】
すなわち、図７中”Ｓ１０１”において制御回路５１は位置指令値が変化したか否かを判断し、もし、位置指令値が変化した場合には、図７中”Ｓ１０２”において制御回路５１は図１中”ＯＢ５１”に示す外乱オブザーバを用いて位置指令値に基づき推定外乱値テーブルから推定外乱値を求める。
【００５０】
そして、図７中”Ｓ１０３”において制御回路５１は図１中”ＯＢ５１”に示す外乱オブザーバを用いて推定外乱値を駆動信号から減算して外乱補償を行う。
【００５１】
例えば、図１中”ＯＢ５１”に示す外乱オブザーバは推定外乱値テーブルから求めた推定外乱値をＤ／Ａ変換手段１６により図１中”ＣＭ５１”に示すようなアナログ信号に変換し、減算器１７において駆動信号から減算させて図１中”ＤＳ５１”に示すような外乱補償された駆動信号をモータ部１１に供給する。
【００５２】
以上のような条件でシミュレーションを行った結果、可動部であるスライダーは図８中”ＣＨ１０２”に示すような挙動を示し、図８中”ＣＨ１０１”に示す速度指示値に対して”約７％”（従来例では”約２０％”のリップル）のリップルに低減することができる。また、図９中”ＣＨ１１１”に示すように従来例のような周期的な推力のリップルは見受られなくなる。
【００５３】
この結果、外乱オブザーバを用いて外乱値テーブル作成モードでコギング１周期分の推定外乱値テーブルを作成し、通常搬送モードで作成されたコギング１周期分の推定外乱値テーブルから求めた推定外乱値を駆動信号から減算させて外乱補償することにより、コギングに起因するリップルを低減させることが可能なリニアアクチュエータを実現する。
【００５４】
なお、図１に示す実施例では制御系である位置速度制御手段５２ではアナログ信号処理を行っているが、勿論、ディジタル信号処理をする構成であっても構わない。すなわち、制御手段４ａ内で外乱補償された駆動信号を生成して、最終的にアナログ信号に変換してモータ部１１に供給しても構わない。
【００５５】
この場合には、Ｄ／Ａ変換手段の一部が削除可能になるため回路規模を小さくすることが可能になる。
【００５６】
また、図１に示す実施例では、予め設定された位相差補正値を用いて補正した上で１周期分の推定外乱値テーブルを作成しているが、製品出荷時の検査において前述の実際の外乱と推定外乱値との間の位相差を制御手段４ａ内のパラメータとしておき、検査時に当該パラメータを変化させながら可動部であるスライダーの速度波形をモニタし、リップルが最小となる最適な値を位相差補正値として決定して制御手段４ａ内のＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュメモリ等の記憶手段に書き込むことにより位相差補正値を設定しても構わない。
【００５７】
この場合には、個々のリニアアクチュエータに対する最適の位相差を設定することができるので、リニアアクチュエータ毎の位相差のバラツキによる外乱補償に対する影響を最小限に抑えることが可能になる。
【００５８】
また、図１に示す実施例では、コギングの位置周期性を利用して１周期分の推定外乱値テーブルを求めているが、勿論、全ての位置指令値に対応する推定外乱値を推定して推定外乱値テーブルを求めても構わない。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１の発明によれば、外乱オブザーバを用いて外乱値テーブル作成モードで推定外乱値テーブルを作成し、通常搬送モードで作成された推定外乱値テーブルから求めた推定外乱値を駆動信号から減算させて外乱補償することにより、コギングに起因するリップルを低減させることが可能なリニアアクチュエータを実現する。また、実際の外乱と推定外乱値との間の位相差をパラメータとしておき、当該パラメータを変化させながらスライダーの速度波形をモニタし、リップルが最小となる位相差補正値を決定して設定することにより、リニアアクチュエータ毎の位相差のバラツキによる外乱補償に対する影響を最小限に抑えることが可能になる。
【００６０】
また、請求項５の発明によれば、実際の外乱と推定外乱値との間の位相差をパラメータとしておき、当該パラメータを変化させながらスライダーの速度波形をモニタし、リップルが最小となるを位相差補正値として決定して設定することにより、リニアアクチュエータ毎の位相差のバラツキによる外乱補償に対する影響を最小限に抑えることが可能になる。
【００６１】
また、請求項７の発明によれば、位置速度制御手段をディジタル信号処理をする構成にする。すなわち、制御手段内で外乱補償された駆動信号を生成して、最終的にアナログ信号に変換してモータ部に供給することにより、Ｄ／Ａ変換手段の一部が削除可能になるため回路規模を小さくすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るリニアアクチュエータの制御回路の一例を示す構成ブロック図である。
【図２】外乱値テーブル作成モードにおける制御回路の動作を説明するフロー図である。
【図３】外乱値テーブル作成モードにおける位置指令値の一例を示す特性曲線図である。
【図４】外乱値テーブル作成モードにおける速度指令値の一例を示す特性曲線図である。
【図５】外乱値テーブル作成モードにおける外乱と推定外乱値の一例を示す特性曲線図である。
【図６】推定外乱値の一例を示す特性曲線図である。
【図７】通常搬送モードにおける制御回路の動作を説明するフロー図である。
【図８】外乱補償を行った場合の速度指令値とスライダーの挙動を示す特性曲線図である。
【図９】外乱補償を行った場合の推力の一例を示す特性曲線図である。
【図１０】従来のリニアアクチュエータの一例を示す斜視図である。
【図１１】従来の制御回路の一例を示す構成ブロック図である。
【図１２】シミュレーションで用いた位置指令値の一例を示す特性曲線図である。
【図１３】速度指令値とシミュレーションにおけるスライダー速度の一例を示す特性曲線図である。
【図１４】シミュレーションにおける推力の変動を示す特性曲線図である。
【符号の説明】
１，１１ モータ部
２ 位置センサ信号処理回路
３ 電磁弁
４，４ａ 制御手段
５，６，７，１６ Ｄ／Ａ変換手段
８，１５ Ａ／Ｄ変換手段
９ 速度指令信号発生手段
１０ 速度／電圧変換手段
１２ 位置センサ
１３，１４，１７ 減算器
５０，５１ 制御回路
５２ 位置速度制御手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気軸受けと位置センサを用い摺動摩擦が無く絶対位置決めが可能なリニアアクチュエータに関し、特にコギングに起因するリップルを低減させることが可能なニアアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の空気軸受けと位置センサを用い摺動摩擦が無く絶対位置決めが可能なリニアアクチュエータに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−０５８２７１号公報
【０００４】
図１０はこのような従来のリニアアクチュエータの一例を示す斜視図である。但し、図１０において制御回路等の記載は省略されている。図１０において１は空気軸受けによって空気浮上している可動部であるスライダーをリニアモータで駆動し、磁歪ポテンショセンサ等の絶対位置検出が可能な位置センサが内蔵されているモータ部、２はモータ部１に内蔵されている位置センサからの信号を処理する位置センサ信号処理回路、３は電磁弁である。
【０００５】
ここで、図１０に示す従来例を簡単に説明する。電磁弁３からは図１０中”ＡＲ０１”に示すように加圧された空気がモータ部１に供給され、可動部であるスライダーを空気浮上させる。
【０００６】
一方、図１０中”ＤＳ０１”に示すように図示しない制御回路からのリニアモータの駆動信号がモータ部１に印加され、モータ部１は当該駆動信号に基づきリニアモータでスライダーの位置を直接移動させ、位置センサ信号処理回路２で処理されたスライダーの絶対位置の位置信号が図１０中”ＰＳ０１”に示すように図示しない制御回路に帰還されスライダーの位置制御がなされる。
【０００７】
この結果、磁歪ポテンショセンサ等によりスライダーの絶対位置が検出可能で、可動部であるスライダーが空気軸受けによって空気浮上しているので摺動摩擦が無いので高寿命、コンタミレス及び高制御性が得られることになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１０に示すような従来のリニアアクチュエータでは、これまでの搬送系に専ら用いられてきたボールネジとは異なり、可動部であるスライダーを駆動するリニアモータでは推力リップルの原因となるコギング（電気バネ）が生じてしまうと言った問題点があった。
【０００９】
このようなコギングを低減させるためにリニアモータに用いられている永久磁石の形状を最適化することによって実現できるものの推力の低下を伴うと言った問題点があった。
【００１０】
ここで、図１１、図１２、図１３及び図１４を用いて従来例の問題点を説明する。図１１は従来の制御回路の一例を示す構成ブロック図、図１２はシミュレーションで用いた位置指令値の一例を示す特性曲線図、図１３は速度指令値とシミュレーションにおけるスライダー速度の一例を示す特性曲線図、図１４はシミュレーションにおける推力の変動を示す特性曲線図である。
【００１１】
図１１において４はＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等の制御手段、５，６及び７はＤ／Ａ変換手段、８はＡ／Ｄ変換手段、９は速度指令信号発生手段、１０は速度／電圧変換手段、１１はモータ部、１２は位置センサ、１３及び１４は減算器である。また、４，５，６，７，８，９，１０，１３及び１４は制御回路５０を構成している。
【００１２】
制御手段４からの複数の出力はＤ／Ａ変換手段５，６及び７にそれぞれ接続され、Ｄ／Ａ変換手段５の出力は減算器１４の第１の加算入力端子に接続される。また、Ｄ／Ａ変換手段６及び７の出力はそれぞれ減算器１３の加算入力端子及び減算器１４の減算入力端子に接続される。
【００１３】
減算器１３の出力は速度指令信号発生手段９に接続され、速度指令信号発生手段９の出力は減算器１４の第２の加算入力端子に接続される。また、減算器１４の出力は速度／電圧変換手段１０に接続され、速度／電圧変換手段１０の出力である駆動信号はモータ部１１に印加される。
【００１４】
一方、位置センサ１２の出力はＡ／Ｄ変換手段８に接続されると共に減算器１３の減算入力端子に接続され、Ａ／Ｄ変換手段８の出力は制御手段４に接続される。
【００１５】
ここで、図１１に示す従来例の動作を簡単に説明する。制御手段４は図１１中”ＣＰ１１”に示すような位置指令値を出力し、減算器１３で図１１中”ＰＳ１１”に示す位置センサ１２からの位置信号との差分を演算して速度指令信号発生手段９に印加する。
【００１６】
例えば、位置指令値とは図１２中”ＣＨ２１”に示すような時間に対する位置を示す台形状の特性曲線であり、図１２中”ＣＨ２１”に示す位置指示値では絶対位置”０ｍ”から絶対位置”０．０２ｍ”に”約０．５秒”で移動し、絶対位置”０．０２ｍ”の位置で”約０．５秒”停止し、再び、絶対位置”０．０２ｍ”から絶対位置”０ｍ”に”約０．５秒”で移動することを示している。
【００１７】
速度指令信号発生手段９は印加された差分に基づき図１１中”ＳＳ１１”に示すような速度指令信号を発生させる。
【００１８】
一方、制御手段４は図１１中”ＣＳ１１”に示すような速度指令値を出力し、減算器１４で速度指令値と図１１中”ＳＳ１２”に示す位置センサ１２からの位置信号に基づき演算した速度信号との差分を図１１中”ＳＳ１１”に示す速度指令信号に加算する。
【００１９】
例えば、速度指令値とは図１３中”ＣＨ３１””に示すような時間に対する速度を示す台形状の特性曲線であり、図１３中”ＣＨ３１”に示す速度指示値ではでは”０．２〜０．７秒”の間に”０．０５ｍ／ｓ”の速度で移動し、”０．７〜１．１秒”の間に”０．０ｍ／ｓ”の速度で移動し（停止）、”１．１〜１．６秒”の間に”−０．０５ｍ／ｓ”の速度で移動することを示している。また、加減速度は”０．１Ｇ”である。
【００２０】
最後に、速度／電圧変換手段１０は印加された速度指令信号に基づき図１１中”ＤＳ１１”に示すような駆動信号を発生させてモータ部１１に供給してリニアモータを駆動する。
【００２１】
以上のような条件でシミュレーションを行った結果、可動部であるスライダーは図１３中”ＣＨ３２”に示すような挙動を示し、速度指示値に対して”約２０％”のリップルが発生することが分かる。また、図１４中”ＣＨ４１”に示すように周期的な推力のリップルが見受けられる。
【００２２】
すなわち、図１３中”ＣＨ３２”に示すような速度のリップルが存在する場合には、スライダー上の搬送品が振動し、機械的外力にもろい化合物半導体ウェハやチップ等が破損する恐れがある。
従って本発明が解決しようとする課題は、コギングに起因するリップルを低減させることが可能なリニアアクチュエータを実現することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
空気軸受けと位置センサを用い摺動摩擦が無く絶対位置決めが可能なリニアアクチュエータにおいて、
前記位置センサから位置信号を取り込みスライダーの位置速度制御を行う位置速度制御手段と、推定外乱値をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段と、前記位置速度制御手段の出力から前記Ｄ／Ａ変換手段の出力を減算して駆動信号として前記スライダーを移動させるリニアモータに供給する減算器と、この減算器の出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、外乱オブザーバを用いて外乱値テーブル作成モードで前記Ａ／Ｄ変換手段の出力に基づき実際の外乱と前記推定外乱値との間の位相差を前記位相差をパラメータとしておきこのパラメータを変化させながら前記スライダーの速度波形をモニタし、リップルが最小となる予め設定された位相差補正値を用いて補正した上で推定外乱値テーブルを予め作成し、通常搬送モードで前記推定外乱値テーブルから求めた前記推定外乱値として出力する制御手段とを備えたことにより、コギングに起因するリップルを低減させ、リニアアクチュエータ毎の位相差のバラツキによる外乱補償に対する影響を最小限に抑えることが可能になる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るリニアアクチュエータの制御回路の一例を示す構成ブロック図である。
【００３１】
図１において５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３及び１４は図１１と同一符号を付してあり、４ａはＣＰＵやＭＰＵ等の制御手段、１５はＡ／Ｄ変換手段、１６はＤ／Ａ変換手段、１７は減算器である。
【００３２】
また、４ａ，５，６，７，８，９，１０，１３，１４，１５，１６及び１７は制御回路５１を、５，６，７，８，９，１０，１３及び１４は位置速度制御手段５２をそれぞれ構成している。
【００３３】
制御手段４ａからの複数の出力はＤ／Ａ変換手段５，６，７及び１６にそれぞれ接続され、Ｄ／Ａ変換手段５の出力は減算器１４第１の加算入力端子に接続される。また、Ｄ／Ａ変換手段６及び７の出力はそれぞれ減算器１３の加算入力端子及び減算器１４の減算入力端子に接続される。さらに、Ｄ／Ａ変換手段１６の出力は減算器１７の減算入力端子に接続される。
【００３４】
減算器１３の出力は速度指令信号発生手段９に接続され、速度指令信号発生手段９の出力は減算器１４の第２の加算入力端子に接続される。また、減算器１４の出力は速度／電圧変換手段１０に接続される。
【００３５】
そして、速度／電圧変換手段１０の出力である駆動信号は減算器１７の加算入力端子に接続され、減算器１７の出力である外乱補償が施された駆動信号がモータ部１１に印加される。
【００３６】
また、減算器１７の出力はＡ／Ｄ変換手段１５に接続され、Ａ／Ｄ変換手段１５の出力は制御手段４ａに接続される
【００３７】
一方、位置センサ１２の出力はＡ／Ｄ変換手段８に接続されると共に減算器１３の減算入力端子に接続され、Ａ／Ｄ変換手段８の出力は制御手段４ａに接続される。
【００３８】
ここで、図１に示す従来例の動作を図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８及び図９を用いて説明する。但し、図１１に示す従来例と同様の部分に関する説明は省略する。
【００３９】
図２は外乱値テーブル作成モードにおける制御回路５１の動作を説明するフロー図、図３は外乱値テーブル作成モードにおける位置指令値の一例を示す特性曲線図、図４は外乱値テーブル作成モードにおける速度指令値の一例を示す特性曲線図、図５は外乱値テーブル作成モードにおける外乱と推定外乱値の一例を示す特性曲線図、図６は推定外乱値の一例を示す特性曲線図、図７は通常搬送モードにおける制御回路５１の動作を説明するフロー図、図８は外乱補償を行った場合の速度指令値と可動部であるスライダーの挙動を示す特性曲線図、図９は外乱補償を行った場合の推力の一例を示す特性曲線図である。
【００４０】
外乱値テーブル作成モード時、図２中”Ｓ００１”において制御回路５１は通常搬送モードと同様の負荷が装着されたスライダーを低速で移動させて駆動信号を順次取り込む。
【００４１】
例えば、負荷が装着されたスライダーを図３中”ＣＨ６１”に示す位置指令値及び図４中”ＣＨ７１”に示す速度指令値に基づき低速で等速移動させた時の図１中”ＤＳ５１”に示す駆動信号をＡ／Ｄ変換手段１５で取り込む。
【００４２】
図２中”Ｓ００２”において制御回路５１は図１中”ＯＢ５１”に示す外乱オブザーバを用いて取り込んだ駆動信号に基づき外乱を推定し推定外乱値を求め、図２中”Ｓ００３”において制御回路５１は図１中”ＯＢ５１”に示す外乱オブザーバを用いて当該推定外乱値と位置指令値との関係を記憶する。
【００４３】
例えば、コギングの数周期（４周期）程度低速で等速移動させることにより、図５中”ＣＨ８１”に示す外乱に対して図５中”ＣＨ８２”に示すような推定外乱値を求める。そして、図６中”ＣＨ９１”に示すような当該推定外乱値と位置指令値との関係を記憶する。
【００４４】
また、図５中”ＣＨ８２”に示す推定外乱値は図５中”ＢＯ８１”に示すスライダーが等速度になった時点で図１中”ＯＢ５１”に示す外乱オブザーバを起動させ、図５中”ＳＯ８１”に示すスライダーの速度が変化した時点で図１中”ＯＢ５１”に示す外乱オブザーバを停止させる。
【００４５】
最後に、図２中”Ｓ００４”において制御回路５１は図１中”ＯＢ５１”に示す外乱オブザーバを用いてコギング１周期分の推定外乱値テーブルを作成する。この場合、コギングの位置周期性を利用して１周期分の推定外乱値を求める。
【００４６】
例えば、図６中”ＣＨ９１”に示すようにコギングの数周期（４周期）を平均化処理等することにより、コギング１周期分の推定外乱値テーブルを作成する。
【００４７】
但し、設計上外乱オブザーバの極は制御系の極と比較して十分高く取れないため実際の外乱と推定外乱値との間には図５中”ＰＨ８１”に示すような位相差が生じるので、予め設定された位相差補正値を用いて補正した上で１周期分の推定外乱値テーブルを作成する。
【００４８】
このような、制御回路５１は外乱値テーブル作成モードで推定外乱値テーブルを作成した後、通常搬送モードで制御する。
【００４９】
すなわち、図７中”Ｓ１０１”において制御回路５１は位置指令値が変化したか否かを判断し、もし、位置指令値が変化した場合には、図７中”Ｓ１０２”において制御回路５１は図１中”ＯＢ５１”に示す外乱オブザーバを用いて位置指令値に基づき推定外乱値テーブルから推定外乱値を求める。
【００５０】
そして、図７中”Ｓ１０３”において制御回路５１は図１中”ＯＢ５１”に示す外乱オブザーバを用いて推定外乱値を駆動信号から減算して外乱補償を行う。
【００５１】
例えば、図１中”ＯＢ５１”に示す外乱オブザーバは推定外乱値テーブルから求めた推定外乱値をＤ／Ａ変換手段１６により図１中”ＣＭ５１”に示すようなアナログ信号に変換し、減算器１７において駆動信号から減算させて図１中”ＤＳ５１”に示すような外乱補償された駆動信号をモータ部１１に供給する。
【００５２】
以上のような条件でシミュレーションを行った結果、可動部であるスライダーは図８中”ＣＨ１０２”に示すような挙動を示し、図８中”ＣＨ１０１”に示す速度指示値に対して”約７％”（従来例では”約２０％”のリップル）のリップルに低減することができる。また、図９中”ＣＨ１１１”に示すように従来例のような周期的な推力のリップルは見受られなくなる。
【００５３】
この結果、外乱オブザーバを用いて外乱値テーブル作成モードでコギング１周期分の推定外乱値テーブルを作成し、通常搬送モードで作成されたコギング１周期分の推定外乱値テーブルから求めた推定外乱値を駆動信号から減算させて外乱補償することにより、コギングに起因するリップルを低減させることが可能なリニアアクチュエータを実現する。
【００５４】
なお、図１に示す実施例では制御系である位置速度制御手段５２ではアナログ信号処理を行っているが、勿論、ディジタル信号処理をする構成であっても構わない。すなわち、制御手段４ａ内で外乱補償された駆動信号を生成して、最終的にアナログ信号に変換してモータ部１１に供給しても構わない。
【００５５】
この場合には、Ｄ／Ａ変換手段の一部が削除可能になるため回路規模を小さくすることが可能になる。
【００５６】
また、図１に示す実施例では、予め設定された位相差補正値を用いて補正した上で１周期分の推定外乱値テーブルを作成しているが、製品出荷時の検査において前述の実際の外乱と推定外乱値との間の位相差を制御手段４ａ内のパラメータとしておき、検査時に当該パラメータを変化させながら可動部であるスライダーの速度波形をモニタし、リップルが最小となる最適な値を位相差補正値として決定して制御手段４ａ内のＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュメモリ等の記憶手段に書き込むことにより位相差補正値を設定しても構わない。
【００５７】
この場合には、個々のリニアアクチュエータに対する最適の位相差を設定することができるので、リニアアクチュエータ毎の位相差のバラツキによる外乱補償に対する影響を最小限に抑えることが可能になる。
【００５８】
また、図１に示す実施例では、コギングの位置周期性を利用して１周期分の推定外乱値テーブルを求めているが、勿論、全ての位置指令値に対応する推定外乱値を推定して推定外乱値テーブルを求めても構わない。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１の発明によれば、外乱オブザーバを用いて外乱値テーブル作成モードで推定外乱値テーブルを作成し、通常搬送モードで作成された推定外乱値テーブルから求めた推定外乱値を駆動信号から減算させて外乱補償することにより、コギングに起因するリップルを低減させることが可能なリニアアクチュエータを実現する。また、実際の外乱と推定外乱値との間の位相差をパラメータとしておき、当該パラメータを変化させながらスライダーの速度波形をモニタし、リップルが最小となる位相差補正値を決定して設定することにより、リニアアクチュエータ毎の位相差のバラツキによる外乱補償に対する影響を最小限に抑えることが可能になる。
【００６０】
また、請求項５の発明によれば、実際の外乱と推定外乱値との間の位相差をパラメータとしておき、当該パラメータを変化させながらスライダーの速度波形をモニタし、リップルが最小となるを位相差補正値として決定して設定することにより、リニアアクチュエータ毎の位相差のバラツキによる外乱補償に対する影響を最小限に抑えることが可能になる。
【００６１】
また、請求項７の発明によれば、位置速度制御手段をディジタル信号処理をする構成にする。すなわち、制御手段内で外乱補償された駆動信号を生成して、最終的にアナログ信号に変換してモータ部に供給することにより、Ｄ／Ａ変換手段の一部が削除可能になるため回路規模を小さくすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るリニアアクチュエータの制御回路の一例を示す構成ブロック図である。
【図２】外乱値テーブル作成モードにおける制御回路の動作を説明するフロー図である。
【図３】外乱値テーブル作成モードにおける位置指令値の一例を示す特性曲線図である。
【図４】外乱値テーブル作成モードにおける速度指令値の一例を示す特性曲線図である。
【図５】外乱値テーブル作成モードにおける外乱と推定外乱値の一例を示す特性曲線図である。
【図６】推定外乱値の一例を示す特性曲線図である。
【図７】通常搬送モードにおける制御回路の動作を説明するフロー図である。
【図８】外乱補償を行った場合の速度指令値とスライダーの挙動を示す特性曲線図である。
【図９】外乱補償を行った場合の推力の一例を示す特性曲線図である。
【図１０】従来のリニアアクチュエータの一例を示す斜視図である。
【図１１】従来の制御回路の一例を示す構成ブロック図である。
【図１２】シミュレーションで用いた位置指令値の一例を示す特性曲線図である。
【図１３】速度指令値とシミュレーションにおけるスライダー速度の一例を示す特性曲線図である。
【図１４】シミュレーションにおける推力の変動を示す特性曲線図である。
【符号の説明】
１，１１ モータ部
２ 位置センサ信号処理回路
３ 電磁弁
４，４ａ 制御手段
５，６，７，１６ Ｄ／Ａ変換手段
８，１５ Ａ／Ｄ変換手段
９ 速度指令信号発生手段
１０ 速度／電圧変換手段
１２ 位置センサ
１３，１４，１７ 減算器
５０，５１ 制御回路
５２ 位置速度制御手段
Claims (1)
- 空気軸受けと位置センサを用い摺動摩擦が無く絶対位置決めが可能なリニアアクチュエータにおいて、
前記位置センサから位置信号を取り込みスライダーの位置速度制御を行う位置速度制御手段と、
推定外乱値をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段と、
前記位置速度制御手段の出力から前記Ｄ／Ａ変換手段の出力を減算して駆動信号として前記スライダーを移動させるリニアモータに供給する減算器と、
この減算器の出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
外乱オブザーバを用いて外乱値テーブル作成モードで前記Ａ／Ｄ変換手段の出力に基づき実際の外乱と前記推定外乱値との間の位相差を前記位相差をパラメータとしておきこのパラメータを変化させながら前記スライダーの速度波形をモニタし、リップルが最小となる予め設定された位相差補正値を用いて補正した上で推定外乱値テーブルを予め作成し、通常搬送モードで前記推定外乱値テーブルから求めた前記推定外乱値として出力する制御手段と
を備えたことを特徴とするリニアアクチュエータ。
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