JP6810337B2

JP6810337B2 - 物品搬送装置

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Publication number: JP6810337B2
Application number: JP2016145356A
Authority: JP
Inventors: 村岸　恭次; 恭次村岸
Original assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Current assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Priority date: 2016-07-25
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2021-01-06
Anticipated expiration: 2036-07-25
Also published as: JP2018016417A

Description

本発明は、物品が所望の移動方向と異なる方向に移動することを防止して搬送精度を向上させた物品搬送装置に関するものである。

従来より、楕円振動を利用して物品を搬送する物品搬送装置が知られている（例えば特許文献１）。

この種の搬送装置は、上下（Ｚ）方向と水平（Ｘ、Ｙ）方向の３方向の振動系を持っている。

Ｘ方向に搬送を行う場合、Ｘ方向とＺ方向の振動を組み合わせてＸ−Ｚ平面内に楕円軌道を発生させ、Ｘ方向への搬送を行う。Ｙ方向も同様にＹ−Ｚ平面内に楕円振動を発生させ、Ｙ方向へ搬送を行う。このＸ方向とＹ方向への搬送を組み合わせれば、物品を平面上の任意方向に搬送することができる。

搬送に必要な振幅を得るため、上下（Ｚ）方向、水平（Ｘ、Ｙ）方向の共振を利用している。また各方向は一定の楕円振動を利用するため、同一周波数で駆動する。

その際、小さな加振力で効率よく振動させるために、各軸の共振周波数を駆動周波数と一致または近接させておくのが通例である。駆動周波数と共振周波数がずれると、大きな加振力が必要になるためである。

特開２０１３−１２１８７０

ところが、Ｘ方向へ搬送しようとした場合、搬送物がＸ軸方向からずれた方向に搬送され、Ｙ方向へ搬送しようとした場合も搬送物がＹ軸方向からずれた方向に搬送されるという不都合がある。さらには、搬送の概念に垂直方向を含めて考えると、ＩＣ等の微小物品をテーブル上に流し込んでばらしたい場合はＺ方向のみの振動を加える（Ｚ方向に移動、搬送する）ことがあるが、物品が水平（Ｘ、Ｙ）方向に移動してテーブルの端の方へ寄ってしまい、適切なばらしができないという不都合がある。

この現象を検証してみると、ある方向の振動が他の方向の振動系に対して加振力として作用する干渉が生じていることが明らかとなった。

すなわち、Ｘ、Ｙ、Ｚ各方向の振動系は、機械構造上連結している。このため、ある方向の振動が、それ以外の振動系に加振力として干渉してしまう。この加振力は小さくとも、その駆動周波数と各振動系の固有周波数が一致または近接しているため、所望方向以外の振動系に比較的大きな振幅の振動が発生してしまう。

例えば、テーブル上の搬送物をＸ軸に沿って搬送させたい場合には、Ｘ方向とＺ方向の振動を組み合わせてＸ−Ｚ平面に沿った楕円振動を発生させる。しかし、Ｘ方向とＺ方向の振動が機械構造上の干渉のためＹ方向の振動系にも加振力として作用するため、Ｙ方向に振動指令を与えていなくともＹ方向に振動が発生してしまう。このようになると、Ｘ−Ｚ平面からＺ軸回りにずれた方向の楕円振動が発生し、搬送物はＸ方向からずれた方向に搬送されてしまう。

これは、テーブル上の搬送物をＹ軸方向に沿って搬送すべく、Ｙ方向とＺ方向の振動を組み合わせてＹ−Ｚ平面に沿った楕円振動を発生させた場合も同様で、Ｘ方向に振動指令を与えていなくともＸ方向に振動が発生し、搬送物はＹ方向からずれた方向に搬送されてしまう。

さらに、テーブル上の搬送物をＺ方向に沿って運動させるべく、Ｚ方向に沿った振動を加えた場合も同様で、Ｚ方向の振動が機械構造上の干渉のために水平（Ｘ、Ｙ）方向の振動系にも加振力として作用するため、水平（Ｘ、Ｙ）方向に振動指令を与えていなくともＸ、Ｙ方向に振動が発生してしまう。このようになると、搬送物がＸの正又は負方向、Ｙの正又は負方向、あるいはこれらを組み合わせた平面上の一定方向に偏って搬送されてしまう。

本発明は、このような課題を主眼としてなされたものであって、物品が予定していない方向に移動することを的確に防止した物品搬送装置を提供することを目的としている。

本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明の物品搬送装置は、可動台が振動することで可動台上に載せられた物品を搬送すべく、前記可動台を垂直方向に弾性支持する垂直方向振動系と、前記可動台を第１の水平方向に弾性支持する第１の水平方向振動系と、前記可動台を前記第１の水平方向と交差する第２の水平方向に弾性支持する第２の水平方向振動系とを備え、それぞれの振動系を加振源によって駆動する加振手段と、前記各振動系に位相差を有しつつ同一の周波数で同時に周期的振動を発生させ前記可動台に所定の振動軌跡を生じさせるように前記加振源に指令をなす振動制御手段とを含み、前記振動制御手段の制御モードとして、可動台上の物品に対し所定方向の移動を与えるために所定の駆動対象振動系の加振源に指令を入力し、移動方向と無関係な方向の非駆動振動系の加振源に指令を入力しないか若しくはゼロ指令を入力する制御モードを有するものを前提とする。

そして、前記非駆動振動系の振動速度を所定ゲインで増幅して当該非駆動振動系の加振源の入力側に負帰還させる閉ループを設け、前記制御モード中、当該非駆動振動系の前記閉ループを通じて、当該非駆動振動系の固有周波数付近の周波数を有する前記駆動対象振動系の振動に起因した外乱に対し、当該非駆動振動系の減衰を大きくして固有周波数近傍での伝達率を小さくするようにしたことを特徴とする。

このようにすれば、物品をある方向に加振している際の干渉力が加振していない方向に及んで物品が意図しない方向に移動することが防止される。

具体的には、Ｚ方向に加振する際に干渉力がＸ、Ｙ方向に及んで物品が同方向に偏って搬送されることを防止するためには、駆動対象振動系が垂直方向振動系であり、非駆動振動系が第１、第２の水平方向振動系であって、前記制御モード中、当該第１、第２の水平方向振動系の前記閉ループを通じて、当該第１、第２の水平方向振動系の固有周波数近傍の周波数を有する前記垂直方向振動系の振動に起因した外乱に対し、当該第１、第２の水平方向振動系の減衰を大きくして固有周波数近傍での伝達率を小さくするようにしていることが好ましい。

或いは、Ｚ方向及びＸ方向に加振する際に干渉力がＹ方向に及んで物品が同方向に斜行することを防止し、或いは、Ｚ方向及びＹ方向に加振する際に干渉力がＸ方向に及んで物品が同方向に斜行することを防止するためには、駆動対象振動系が垂直方向振動系および第１又は第２の水平方向振動系であり、非駆動対象振動系が第２又は第１の水平方向振動系であって、前記制御モード中、当該第２又は第１の水平方向振動系の前記閉ループを通じて、当該第２又は第１の水平方向振動系の固有周波数近傍の周波数を有する前記垂直方向振動系及び第１又は第２の水平方向振動系の振動に起因した外乱に対し、当該第２又は第１の水平方向振動系の減衰を大きくして固有周波数近傍での伝達率を小さくするようにしていることが好ましい。

また、他の構成からなる本発明の物品搬送装置は、可動台が振動することで可動台上に載せられた物品を搬送すべく、前記可動台を垂直方向に弾性支持する垂直方向振動系と、前記可動台を第１の水平方向に弾性支持する第１の水平方向振動系と、前記可動台を前記第１の水平方向と交差する第２の水平方向に弾性支持する第２の水平方向振動系とを備え、それぞれの振動系を加振源によって駆動する加振手段と、前記各振動系に位相差を有しつつ同一の周波数で同時に周期的振動を発生させ前記可動台に所定の振動軌跡を生じさせるように前記加振源に指令をなす振動制御手段とを含むものを前提とする。

そして、前記第１及び第２の水平方向振動系のみに、前記第１及び第２の水平方向振動系の振動速度を所定ゲインで増幅して当該第１及び第２の水平方向振動系の加振源の入力側に負帰還させる閉ループを設け、これらの閉ループを通じて、第１又は第２の水平方向振動系の固有周波数付近の周波数を有する前記垂直方向振動系及び第２又は第１の水平方向振動系の振動に起因した外乱に対し、当該第１又は第２の水平方向振動系の減衰を大きくして固有周波数近傍での伝達率を小さくするようにしていることを特徴とする。

このようにすれば、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に加振する際の干渉力がＸ、Ｙ方向に及んで物品を平面内で搬送する際に搬送方向にズレが生じることが防止される。

以上において、閉ループを設けたことで指令通りの搬送に支障を来たすことを防止するためには、閉ループ帰還位置よりも上流にゲイン補償部を設け、このゲイン補償部において、閉ループを設けたときの指令値に対する伝達率低下を補完するようにしていることが望ましい。

以上説明した本発明によれば、物品が予定していない方向に移動することを的確に防止して搬送精度を高めた物品搬送装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係り、閉ループを設けた場合の指令、応答及び外乱の関係を１軸に着目して示す制御ブロック図。図１の構成を３軸に展開した制御ブロック図。同実施形態の指令及び機械特性を概念的に示すブロック図。同実施形態における閉ループ無しの場合の指令、応答及び外乱の関係を１軸に着目して示す制御ブロック図。図４の構成を３軸に展開した制御ブロック図。指令に対する応答特性を示すボード線図。閉ループ無しの状態でＺ方向に加振した際の振動波形を示す図。閉ループ無しの状態でＸ、Ｚ方向に加振した際の振動波形を示す図。閉ループを設けた状態でＸ、Ｚ方向に加振した際の振動波形を示す図。閉ループ無しの状態で振動系が固有振動数と同じ振動数で加振されたときの時間応答を示す図。閉ループ無しの状態で振動系が固有振動数に近い振動数で加振されたときの時間応答を示す図。閉ループ有りの状態で振動系が固有振動数に近い振動数で加振されたときの時間応答を示す図。閉ループ無しの状態でＸ、Ｚ方向に加振された場合のＸ、Ｚ方向の楕円振動の様子を示す図。閉ループを設けた状態でＸ、Ｚ方向に加振された場合のＸ、Ｚ方向の楕円振動の様子を示す図。閉ループ無しの状態でＸ、Ｚ方向に加振された場合のＹ、Ｚ方向の楕円振動の様子を示す図。閉ループを設けた状態でＸ、Ｚ方向に加振された場合のＹ、Ｚ方向の楕円振動の様子を示す図。物品搬送装置を構成する加振手段の基本構成を一部破砕して示す斜視図。図１７の一部を省略した斜視図。図１８の構成に振動制御手段を加えた物品搬送装置のシステム構成図。同加振手段の加振方向を示す概念図。同振動手段における各方向への周期的加振力間の位相差と物品の搬送速度との関係を示す図。本発明の変形例を示す図２に対応した制御ブロック図。本発明の他の変形例を示す図２に対応した制御ブロック図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

この実施形態の物品搬送装置は、図１７〜図１９に示すように、可動台６２が振動することで可動台６２上に載せられた物品を搬送すべく、第３の板状バネ部材７３を主体として可動台６２を垂直方向に弾性支持する垂直方向振動系Ａ３と、第１の板状バネ部材７１を主体として可動台６２を第１の水平方向であるＸ方向に弾性支持する第１の水平方向振動系（Ｘ方向振動系）Ａ１と、第２の板状バネ部材７２を主体として可動台６２をＸ方向と交差（直交）する第２の水平方向たるＹ方向に弾性支持する第２の水平方向振動系（Ｙ方向振動系）Ａ２とを備え、それぞれの振動系Ａ１〜Ａ３を加振源である圧電素子８１〜８３によって駆動する加振手段２と、各振動系Ａ１〜Ａ３に位相差を有しつつ同一の周波数で同時に周期的振動を発生させ可動台６２に所定の振動軌跡を生じさせるように圧電素子８１〜８３に指令をなす振動制御手段３とを含んだ平面搬送装置である。

そして、搬送時に意図しない方向への物品の斜行や誤った方向への搬送を防止する対策を講じている。

先ず、加振手段２及び振動制御手段３の構成について具体的に説明した後、斜行・誤った方向への搬送に対する防止機能について説明する。

図１８は図１９の加振手段２を拡大したものであり、図１７はその加振手段２に取り付けられる可動台６２およびカバー４２を併記した図である。加振手段２はその内部でＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に対して弾性的に支持された直方体状のブロックとしての可動台座６１を有しており、当該可動台座６１に矩形プレート状の可動台６２が連結されている。

この加振手段２はベース４０に対して、可動台座６１をＸ、Ｙ、Ｚの３方向に弾性支持するように構成されており、剛体部分としてのベース４０、第１中間台５１、５１、第２中間台５２および可動台座６１を順次接続するようにして、第１の板状バネ部材７１、７１、第２の板状バネ部材７２、７２および第３の板状バネ部材７３、７３を設けている。

さらに、可動台座６１をＸ、Ｙ、Ｚの３方向に振動させるための加振源としての第１〜第３圧電素子８１〜８３を備えている。

ベース４０上、四隅付近には取付ブロック４１が設けられ、Ｙ方向に対をなして隣接する取付ブロック４１、４１間に第１の板状バネ部材７１、７１がＸ方向を板厚方向として設けられている。

そして、第１の板状バネ部材７１、７１の長手方向中心付近に取付部７１ｃ〜７１ｃを介して第１中間台５１、５１がＹ方向を延在方向として取り付けられている。

そして、ＸＺ面内において第１中間台５１、５１の間に第２の板状バネ部材７２、７２が板厚方向をＹ方向として取り付けられている。この第２の板状バネ部材７２、７２の長手方向中心付近には取付部７２ｃ〜７２ｃを介して、第２中間台５２が取り付けられている。

第２中間台５２は、矩形の枠体として構成されている。

矩形の枠体をなす第２中間台５２の上面と下面にはそれぞれ、２個ずつ計４個の第３の板状バネ部材７３〜７３が板厚方向をＺ方向として取り付けられている。

また、上下２対の第３の板状バネ部材７３、７３にはバネ間ブロック７３ｅが取り付けられており、このバネ間ブロック７３ｅの上方には、第２中間台５２の上面に接続される第３の板状バネ部材７３、７３を挟んだ状態で、上述した可動台座６１が取り付けられている。

上記のように、本実施形態の加振手段２では、ベース４０に対して第１中間台５１、５１が第１の板状バネ部材７１、７１を用いてＸ方向に弾性的に支持され、第１中間台５１、５１に対して第２中間台５２が第２の板状バネ部材７２を用いてＹ方向に弾性的に支持され、第２中間台５２に対して可動台座６１が第３の板状バネ部材７３を用いてＺ方向に弾性的に支持される構成とされている。これにより、可動台座６１はベース４０に対してＸ、Ｙ、Ｚの各方向に弾性的に支持され、Ｘ方向振動系Ａ１、Ｙ方向振動系Ａ２、Ｚ方向振動系Ａ３が構成されている。

さらに、本実施形態の加振手段では、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に独立した加振源として第１〜第３の圧電素子８１〜８３を有している。

まず、Ｘ方向への加振源は、２個の第１の板状バネ部材７１、７１の表面にそれぞれ２個ずつ貼設された合計４個の第１圧電素子８１〜８１から構成される。この第１圧電素子８１〜８１は、電圧を印加されることによって、Ｙ方向に伸びまたは縮みを生じ、第１の板状バネ部材７１、７１に曲げを生じさせることによってＸ方向の変位を生じさせることが可能なバイモルフ型のものである。

また、Ｙ方向への加振源は、２個の第２の板状バネ部材７２、７２の表面にそれぞれ２個ずつ貼設された合計４個の第２圧電素子８２〜８２から構成される。この第２圧電素子８２〜８２は上記と同様の動作によってＹ方向の変位を生じさせることが可能なバイモルフ型のものである。

さらに、Ｚ方向への加振源は、上下に２個ずつ設けられている板状バネ部材７３〜７３のうち上側の２個の板状バネ部材７３、７３の表面にそれぞれ２個ずつ貼設された合計４個の第３圧電素子８３〜８３から構成される。この第３圧電素子８３〜８３は上記と同様の動作によってＺ方向の変位を生じさせることが可能なバイモルフ型のものである。

上記のように、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向に変位を与えることのできる電圧を各々正弦波状に変化させることによって、可動台座６１に対して各方向に周期的な加振力を付与することができる。

上記のようにして構成した加振手段２に対して、図１９に示す振動制御手段３は、第１圧電素子８１、第２圧電素子８２および第３圧電素子８３に各々正弦波状の制御電圧を付与することによって、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向の振動を発生させるための周期的加振力を生じさせる。

そのために、振動制御手段３は、正弦電圧を生じさせる発振機３１を備えており、この正弦電圧をＺ軸を基準にしてＸ方向、Ｙ方向の位相差調整器３２（図面には各方向を表わす添字が付してある。以下同様。）と、振幅調整器３３とを介して、各圧電素子８１、８２、８３に出力する。なお、発振機３１により生じさせる振動の周波数は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のいずれかの振動系と共振する周波数とすることで、効率良い加振状態を実現する。

上記のように構成した物品搬送装置１は、具体的には次のように動作し、振動台６３に載せた物品９の搬送を行う。

ここで、図２０の模式図に示すように簡略化して、振動台６３がベース４０に対してＸ、Ｙ、Ｚの各方向に弾性体７４、７５、７６により弾性的に支持するとともに、各方向の加振源８４、８５、８６を設けている場合を想定する。このように構成することで、Ｘ、Ｙ、Ｚの三方向に設けた加振源８４、８５、８６によって振動台６３を三方向に動作させることが可能とされている。図２０の模式図における弾性体７４〜７６は、第１〜第３の板状バネ部材７１〜７３（図１８参照）に相当するとともに、加振源８４〜８６はそれぞれ第１〜第３圧電素子８１〜８３（図１８参照）に相当する。

図２０に示すモデルの振動台６３に対して、Ｚ方向にＺ＝Ｚ_０×ｓｉｎωｔで表される周期的な振動変位を与える。ここで、Ｚ_０はＺ方向の振幅を、ωは角周波数を、ｔは時間を示す。さらに、Ｘ、Ｙ方向にもそれぞれＺ方向と同一周波数の振動を、Ｘ＝Ｘ_０×ｓｉｎ（ｗｔ＋φｘ）、Ｙ＝Ｙ_０×ｓｉｎ（ｗｔ＋φｙ）の式のように与えることとする。ここで、Ｘ_０、Ｙ_０はそれぞれＸ方向、Ｙの振幅を、φｘ、φｙはそれぞれＸ方向、Ｚ方向の振動のＺ方向の振動に対する位相差を示す。

このように、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向に正弦波状の周期的な振動変位を加えることにより、振動台６３にはこれらが合成された三次元的な振動を生じさせることができる。例えば、Ｚ方向の振動成分に対してφｘ、φｙの位相差を持たせてＸ、Ｙ方向の振動を生じさせたとき、二次元的にはＸＺ平面上で右側を上にした楕円軌道を有する振動が生じ、ＹＺ平面上で右側を下にした楕円軌道を有する振動が生じる。そして、さらにこの２つを合成することで、図中右下に示すように三次元空間上での楕円軌道が生じる。

そして、各方向の振動変位の振幅および位相を変えることにより、ＸＺ平面、ＹＺ平面内の二次元の楕円軌道の大きさや向きを変更することができ、対応して三次元空間上の楕円軌道の大きさや向きを自由に変更することができる。なお、このように各方向への周期的な振動変位を付与するために、制御上は各方向への周期的加振力を付与することで対応を行っている。

以上のように、振動台６３が楕円軌道を描きつつ振動することによって、振動台６３の上に載せられた物品９は移動を行う。そして、この移動のうちＸ方向への移動速度成分は上記ＸＺ平面内の楕円軌道によって制御でき、Ｙ方向への移動速度成分は上記ＹＺ平面内の楕円軌道によって制御できる。すなわち、Ｚ方向への振動成分を基準としてＸ方向、Ｙ方向のそれぞれの振動の振幅と位相差を変化させることで、Ｘ、Ｙ方向への移動速度成分を変化させ、平面上を任意の方向に搬送させることが可能となる。

具体的には移動速度の変更は次のようにして行う。

図２０を参照しつつ図２１を用いて説明すると、位相差φｘ（φｙ）によって物品９の移動速度Ｖｘ（Ｙｙ）は正弦波に類似したカーブを描くように変化する。そのため、Ｚ方向の振動成分に対するＸ方向の振動成分の位相差を図２０におけるφ１２に設定したときにはＸが正となる方向に物品９は搬送されていく。また、位相差をφ１４に設定したときには、Ｘが負となる方向に物品９は搬送されていく。これらに対して、位相差をφ１１、φ１３と設定したときには、移動速度Ｖｘは０になって、物品９はＸ方向に静止した状態となる。さらに、φ１１〜φ１３の間またはφ１３〜π（-π）〜φ１１の間で位相差を変化させることによって、それぞれ正の方向、負の方向に対する速度を増減させることができる。こうした関係は、Ｘ方向だけでなくＹ方向にも成り立ち、同様にＺ方向の振動成分に対する位相差を設定することで移動方向と移動速度を変化させることができる。

このように、Ｘ、Ｙ各方向の振動成分の振幅Ｘ_０、Ｙ_０と、Ｚ方向振動成分に対する位相差φｘ、φｙとを変化させることによって、Ｘ、Ｙ方向への移動速度Ｖｘ、Ｖｙを変化さることができる。

以上のような、一方向への搬送速度および向きの制御を、二方向に展開することで、ＸＹ平面内で自由に移動させることが可能となる。すなわち、水平方向の振動をＸ、Ｙの２方向にして、Ｚ方向の振動とそれぞれ組み合わせることで、ＸＺ平面内の楕円振動、ＹＺ平面内の楕円振動をそれぞれ作り出し、これらを合成した三次元的な楕円振動を発生させ、この楕円振動の向きや大きさを三次元的に切り替えることで、より詳細に物品９の移動方向や移動速度を制御できる。そして、Ｚ方向の制御電圧によって生じる周期的加振力を基準として、Ｘ方向、Ｙ方向の制御電圧によって生じる周期的加振力の振幅や位相をそれぞれ変更することによって、ＸＺ平面内の楕円振動成分とＹＺ平面内の楕円振動成分をそれぞれ変更すれば、上述の図２０の関係に従ってそれぞれＸ方向、Ｙ方向の移動速度成分を物品９に与えることが可能となる。

図３は、図１７の指令及び機械特性を含めたブロック図である。Ｚ方向に関しては、発振機３１からの信号は、振幅調整器３３ｚを通ってＺ方向指令として圧電素子８３に入力され、Ｚ方向振動系Ａ３が加振される。Ｘ、Ｙ方向に関しては、発振機３１からの信号は、位相調整器３２ｘ、３２ｙおよび振幅調整器３３ｘ、３３ｙを通ってＸ方向指令及びＹ方向指令として圧電素子８１、８２に入力され、Ｘ方向振動系Ａ１およびＹ方向振動系Ａ２が加振される。

ところで、かかる物品搬送装置の不具合として、前述したように、Ｘ、Ｙ、Ｚ各方向の振動系が機械構造上連結しているため、各方向の振動系Ａ１〜Ａ３の振動が、それ以外の振動系Ａ１〜Ａ３に加振力として干渉してしまう。この加振力は小さくとも、その駆動周波数と各振動系Ａ１〜Ａ３の固有周波数が一致または近接しているため、所望方向以外の振動系に比較的大きな振幅の振動が発生してしまう。具体的には、Ｘ方向へ搬送しようとする動作モードを設定しても、搬送物がＸ軸方向からずれた方向に搬送され、Ｙ方向へ搬送しようとする動作モードを設定しても、搬送物がＹ軸方向からずれた方向に搬送されるという斜行が生じる。さらには、ＩＣチップ等の微小物品をテーブル上に流し込んで重なりがない状態（ばらした状態）にしたい場合はＺ方向のみの振動を加えることがあるが、物品が水平（Ｘ、Ｙ）方向に移動してテーブルの端の方へ寄ってしまい、適切なばらしができないという誤った方向への搬送が生じる。

そこで本実施形態は、１軸分に着目して示す図４の従来構成に対し、同じく１軸分に着目して示す図１のように、各振動系Ａ１〜Ａ３の振動速度Ｖを検出して、これを増幅器１０１（フィードバックゲインＫｃ）で増幅して加振源であるアクチュエータゲインＡ０の入力側に負帰還させる閉ループ（速度フィードバックループ）１００を構成するとともに、帰還位置の上流にゲイン補償部１０２（ゲインＫ１）を設けている。アクチュエータゲインＡ０は、図３に示す振幅調整器３３のゲインに相当する。振動速度検出は、図１に示すように、適宜位置に速度検出器７０ｘを設けてもよいし、適宜位置に変位検出器７０ｙを設けて検出値を微分器７０ｚに通してもよい。図中ｓは、ラプラス演算子を表しているが、ここでは便宜上、１／ｓは積分要素、ｓは微分要素を表すものとして説明する。

図１の構成をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれに展開したものを図２に示す。図１の符号に対して、Ｘ、Ｙ、Ｚの添字が付いたものが各振動系Ａ１、Ａ２、Ａ３に対応している。すなわち、振動系Ａ１では、図１及び図４に示したように、その質量ｍ、すなわち可動部の質量ｍが加速度ｄ²Ｘ／ｄｔ²で振動しているとき、１／ｓの積分要素を介すると、速度ｄＸ／ｄｔとなり、これに振動系Ａ１の減衰率ｃをかけたものが質量ｍに作用する。また、速度ｄＸ／ｄｔが積分要素を介すると応答すなわち変位Ｘとなり、これに振動系Ａ１のばね定数ｋ1をかけたものが復元力として作用する。これは、他の振動系Ａ２、Ａ３についても同様である（図２、図５参照）。

このとき、閉ループ１００を構成した図２の場合とこれを構成していない図５の場合とでは、指令信号および外乱に対する応答特性が異なってくる。

先ず、閉ループを構成しない図５の場合の指令信号および外乱（他の振動系からの干渉力）に対する応答（振動変位）特性を示す。

図５において右上の破線で囲った部分は、ある方向の振動系Ａ１〜Ａ３のモデルを示しており、ｍは質量、ｋはばね定数、ｃは減衰係数であり、１／ｓは積分を表していることは既述のとおりである。この振動系に、駆動加振力と外乱（他の振動系からの干渉力）が作用している。左下の破線で囲った部分はコントローラ・アクチュエータであり、図１９の振動制御手段３と圧電素子８１〜８３を含む概念である。駆動加振力としては、指令信号に基づいたアクチュエータゲインＡ０が振動系Ａ１〜Ａ３に入力される。この時の指令に対する応答の伝達特性Ｇｉは、１軸に着目した図４において、

Ｇ_ｉ＝Ａ_０／（ｍｓ^２＋ｃｓ＋ｋ）
また、外乱に対する応答の伝達特性は、

Ｇ_ｄ＝Ａ_０／（ｍｓ^２＋ｃｓ＋ｋ）
となる。

ここで、Ａ_０＝１．０、ｍ＝１．０、ｋ＝１．０、ｃ＝０．０１とする。この時のシミュレーション結果を以下に示す。

指令信号に対する応答の特性をボード線図で表すと、図６の線ａのようになる。共振周波数で駆動すると、４０ｄＢ（１００倍）の振幅ゲインが得られることがわかる。一方、これよりも低い周波数や高い周波数側では、得られる振幅は急激に小さくなる。

次に、外乱に対する応答の特性を図６の線ｂで示す。この場合にも、共振周波数に等しい周波数の外乱力が作用すると、応答も大きくなることがわかる。

可動台６２を駆動する際、振動系Ａ１〜Ａ３の共振周波数またはその近傍で駆動することになる。他の方向の振動が干渉力として、当該振動系Ａ１〜Ａ３に伝達してくると、その外乱力により、当該振動系Ａ１〜Ａ３の応答にも大きく影響してしまうことを示している。

次に、図１に１軸として示した閉ループ１００を有する系について考える。この時の指令に対する応答の伝達特性は、

Ｇ_ｉ１＝Ｋ_１・Ａ_０／｛ｍｓ^２＋（ｃ＋Ａ_０・Ｋ_ｃ）ｓ＋ｋ｝
また、外乱に対する応答の伝達特性は、

Ｇ_ｄ＝１／｛ｍｓ^２＋（ｃ＋Ａ_０・Ｋ_ｃ）ｓ＋ｋ｝
となる。

ここで、速度フィードバックを行わない場合と同様、Ａ_０＝１．０、ｍ＝１．０、ｋ＝１．０、ｃ＝０．０１とする。

また、フィードバックゲインは、トータルの減衰係数を０．５とするためにＫ_ｃ＝０．４９、また、調整ゲインをＫ_１＝（ｃ＋Ｋ_ｃ）／ｃ＝５０とする。こうすることで、振動系の共振周波数での指令信号に対する応答のゲインを閉ループ１００を設けない図４の場合の値に一致させ、減衰を補償することができる。

この時の指令信号に対する応答の特性をボード線図で表すと、図６の線ｃのようになる。共振周波数付近の応答特性は、周波数が変化しても大きな変動がなくなっていることがわかる。次に外乱に対する応答の様子を図６の線ｄに示す。共振周波数においても、外乱に対しての感度が小さくなっていることがわかる。

次に、２次元搬送装置を駆動する場合の駆動波形についてシミュレーションにより示す。Ｚ、Ｘ、Ｙ各方向の振動系の固有振動数をそれぞれ１．０rad/sec、０．９９rad/sec、１．０１rad/secとする。

速度フィードバック制御を行わずに、Ｚ方向の振動系を固有振動数と等しい１．０rad/sec、１Ｖの指令信号にて駆動した場合の、定常状態での振動波形を図７に示す。Ｚ方向の振動系は、振幅１００[ｍ]で振動することがわかる。Ｘ方向、Ｙ方向においても、固有振動数にて振幅１の指令信号を入力すると、振動系の振幅は１００［ｍ］となる。また、共振周波数で駆動しているため、指令信号に対して変位は９０°の位相遅れとなる（図６の線ａ）。

次に、速度フィードバック制御を適用しない図４のモデルを３次元に展開した図５の場合において、この２次元搬送装置モデルにてＸ方向へワーク搬送することを考え、Ｚ方向とＸ方向のみ加振する制御モードを考える。駆動対象振動系が垂直方向振動系であるＺ方向振動系Ａ３および第１の水平方向振動系であるＸ方向振動系Ａ１であり、非駆動対象振動系が第２の水平方向振動系であるＹ方向振動系Ａ２である。２次元搬送装置のＺ、Ｘ、Ｙ各方向の振動系の固有振動数をそれぞれ１．０rad/sec、０．９９rad/sec、１．０１rad/secで、先の例と同様とする。この時の駆動指令は、周波数は０．９９５rad/sec、振幅１の正弦波信号とした。一般に楕円振動搬送では搬送の目的にあわせて、垂直方向（Ｚ方向）と水平方向（ここではＹ方向）に位相差をもたせるが、ここでは速度フィードバックの効果を見る目的で、２方向に同位相で指令信号を入力した。また、Ｚ方向とＸ方向の加振力の０．１％が干渉力としてＹ方向へ作用するようにモデル化している。この時の定常駆動状態での時間波形を図８に示す。

駆動中のＺとＸの振幅が１００とならないのは、駆動周波数が固有振動数と一致していないためである。また、Ｚ方向とＸ方向は固有振動数が異なるため、指令に対する位相特性が異なる。このため、同一の信号で加振しても応答の波形は位相差を持つ。搬送面上のワークは、このＸとＺ方向の駆動により、Ｘ方向への速度が発生し、搬送される。

さらに、直接駆動していないＹ方向の振動系が干渉力により加振され、振動していることがわかる。このようにＹ方向にも振動を発生すると、搬送面上のワークはＸ方向だけでなく、Ｙ方向にも速度を持つため、Ｘ方向からずれた方向に斜行することになる。

次に、２次元搬送装置の振動モデルである図５に先に示した速度フィードバック制御を適用した図２のモデルを考える。同図では、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向にそれぞれ増幅器１０１を有する閉ループ１００を構成し、負帰還位置の上流にゲイン補償器１０２を置いている。各固有振動数、干渉力、駆動周波数などの条件は速度フィードバック制御を行わない場合と同様である。またこのとき、Ｙ方向の指令信号は０指令であるが、閉ループ１００を通じた速度フィードバック制御は作動している制御モードとする。この時の振動波形を図９に示す。Ｘ、Ｚの振幅が１００［ｍ］となり、Ｘ方向とＺ方向の位相差も０に近づいている。さらに、Ｘ、Ｚからの干渉によるＹ方向の振動も抑制されている。この結果、搬送面の振動はＺ-Ｘ平面内振動となる。

このように、駆動対象振動系が垂直方向振動系であるＺ方向振動系Ａ３および第１の水平方向振動系であるＸ方向振動系Ａ１であり、非駆動対象振動系が第２の水平方向振動系であるＹ方向振動系Ａ２であって、前記制御モード中、当該Ｙ方向振動系Ａ２の閉ループ１００を通じて、当該Ｙ方向振動系Ａ２の固有周波数近傍の周波数を有するＺ方向振動系Ａ３及びＸ方向振動系Ａ１の振動に起因した外乱に対し、当該Ｙ方向振動系Ａ２の減衰を大きくして固有周波数近傍での伝達率を小さくするようにしている。このため、Ｚ方向及びＸ方向に加振する際に干渉力がＹ方向に及んで物品が同方向に斜行する現象が防止される。これはＺ方向及びＹ方向に加振する際も同様で、それによる干渉力がＸ方向に及んで物品が同方向に斜行することが防止される。

一方、駆動対象振動系が垂直方向振動系であるＺ方向振動系Ａ３のみであり、非駆動振動系が第１、第２の水平方向振動系であるＸ方向振動系Ａ１及びＹ方向振動系Ａ２である制御モードにおいては、Ｘ方向振動系Ａ１及びＹ方向振動系Ａ２の閉ループ１００において、当該Ｘ方向振動系Ａ１及びＹ方向振動系Ａ２の固有周波数近傍の周波数を有するＺ方向振動系Ａ３の振動に起因した外乱に対し、当該Ｘ方向振動系Ａ１及びＹ方向振動系Ａ２の固有周波数近傍での減衰を大きくして固有周波数近傍での伝達率を小さくすることになる。このため、Ｚ方向に加振する際に干渉力がＸ、Ｙ方向に及んで、物品がＸ、Ｙ方向に誤って搬送される現象が防止される。）

勿論、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向が同時に加振される制御モードにおいても、Ｘ方向の指令に混在する外乱に対する減衰が大きくなり、Ｙ方向の指令に混在する外乱に対する減衰が大きくなるため、Ｘ、Ｚ方向に加振する際の干渉力がＹに及び、またＹ、Ｚ方向に加振する際の干渉力がＸに及んで、物品をＸＹ平面内で搬送する場合に搬送方向にズレが生じるという現象も防止される。また、Ｘ方向とＺ方向、Ｙ方向とＺ方向、Ｘ方向とＹ方向とＺ方向等を同時に駆動する場合、お互いの加振力が干渉しあい、それぞれの振幅や位相が影響を受ける場合もある。このような場合においても、各駆動軸に速度フィードバック制御を追加することで、その影響の程度を低く抑えることができる。

なお、上記のように可動台６２の駆動周波数とＸ、Ｙ、Ｚ各方向の振動系の固有振動数が一致していると、効率よく振幅を得ることができる。しかし、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向の固有周波数をまったく同一周波数に一致させることは困難である。このため、可動台６２の駆動周波数と各方向の固有振動数には差が生じてしまう。この周波数差が原因で、駆動周波数と固有振動数で発生する自由振動の干渉が発生し、装置の駆動開始直後に搬送方向が安定しない場合がある。

例えば、Ｘ方向に可動台６２を駆動する際、Ｘ方向とＺ方向の振動系に所定の加振指令を入力する。加振指令の入力直後にはＸ、Ｙ各方向に入力指令と等しい周波数の振動と、加振指令を入力したことによる衝撃で発生する各固有振動数の自由振動が混在した状態となる。このため、発生する楕円振動の形状や回転方向が安定せず、所望の搬送方向とは逆方向に搬送されてしまう等の影響がある。このような現象は指令信号の入力直後のみ発生し、時間経過とともに解消される。しかし、搬送物の微小な位置調整のために行うインチング動作の場合等には所定方向に搬送できないという課題がある。

これらの課題も、上記のような閉ループ１００を設けることで改善される。以下、時間応答にてその効果を示す。

定常状態にて、Ｘ方向にワークを搬送する制御モードを仮定する。このとき、前述したようにＺ方向とＸ方向のみ振動駆動し、Ｙ方向は振幅が０であることが望ましい。

先ず、速度フィードバックを行わない図５の構成の下での時間応答を示す。

ある方向の振動系が１rad/secの固有振動数をもつとき、これと等しい指令信号が入力された場合の振動の様子を、図１０に示す。なお、この図１０から後述する図１２まではわかり易くするために目盛に対して波形の周期を２倍にして表記してある。図１０において、振動指令の指令信号は時刻０[sec]から入力している。このとき、振動は、９００秒程度かけて振幅が１００となる。

次に、この振動系に０．９９５rad/secの振動が入力された場合の時間応答を図１１に示す。固有振動数成分が励起されるため、加振開始直後に振動にうなりが生じることがある。この影響により、振幅は一度大きくなるが、自由振動の影響が小さくなるに従い、振幅は定常値になる。定常状態での振動振幅は７０程度までにしかならない。

一方、速度フィードバック制御を行った図２の構成の下での結果を示す。

図１１の場合と同様に、固有振動数１．０rad/secの振動系に０．９９５rad/secの加振指令を入力した。この際の応答波形を、図１２に示す。このときのフィードバックゲインはＫ_ｃ＝０．５、振幅調整ゲインＫ_１は５０とした。この時、振動の振幅は、３周期（２０秒程度）で１００まで立ち上がり、うなり現象も発生していない。

次に、楕円振動の立ち上がり特性について示す。

ここではＺ方向の固有振動数を１．０rad/sec、Ｘ方向の固有振動数を０．９９rad/secの場合を考える（またＹ方向の固有振動数は１．０１rad/secを仮定）。このとき、加振指令として周波数０．９９５rad/sec、振幅１の正弦波信号をＸ方向とＹ方向に同相で与える場合について示す。停止状態の時刻０ｓで振動指令の入力を開始し、その後１０００秒間の楕円振動波形を示す。

速度フィードバックを行わない図５の場合の楕円振動の様子を図１３に示す。同図はＸ方向とＺ方向の楕円振動の波形である。徐々に振幅が大きくなるとともに、Ｚ-Ｘ間の位相差が変化することで楕円振動の波形が変化している。楕円振動による搬送は、垂直方向と水平方向の振動振幅の大きさと位相差により、その搬送速度や搬送方向が変化する。振幅は、主に搬送速度の大きさに、位相は搬送方向の正負に主に影響を与える。図１３のように振幅や位相差が変化すると搬送速度や搬送方向の正負が変化し、所望方向への搬送ができない。

次に速度フィードバック制御を適用した図２の場合の楕円振動波形を図１４に示す。図１２と同様、１０００秒間の波形である。この場合には、立ち上がりの２〜３周期程度で定常の楕円振動となっている。開始直後、振幅の変化はあるものの、楕円形状の変化は小さく、搬送方向は安定しているといえる。

参考として、速度フィードバックなしの図５の場合と速度フィードバックありの図２の場合の、Ｚ-Ｙ方向の楕円振動波形をそれぞれ図１５、１６に示す。定常状態の場合で示したのと同様に、速度フィードバックなしの場合には、Ｙ方向への振動指令が０であるにも関わらずＺ、Ｘ方向からの干渉力により、Ｚ方向だけでなくＹ方向にも振動し、立ち上がりにも時間が掛かっていることがわかる。この場合、ワークはＹ方向にも移動してしまう。一方、速度フィードバックを行っている図１６では、Ｙ方向への振動が現れずＹ方向へはワークは移動しないうえに、図１４も読み併せると短時間で振動が立ち上がっている。

以上のように、本実施形態においては、以下の効果が奏される。
（１）閉ループ１００を用いた速度フィードバック制御を行うことで、外乱に対する応答を小さく抑えることができる。この結果、他の振動系から伝わってくる加振力の影響を受けて発生する振動の振幅も小さく抑えられる。例えば、物品をＸ方向に移動させたい場合を考える。このときＺ方向とＸ方向のみに振動を発生させ、Ｚ-Ｘ平面内のみで楕円振動を発生させる必要がある。このためにＺ方向とＸ方向に所定の振動指令を与え、Ｙ方向は振幅が必要ないので、０の指令を与える。

このとき本実施形態の制御を行うことで、Ｚ方向とＸ方向の振動系は、それぞれの影響を受けることなく指令通りの振動を発生することができる。さらにＹ方向の振動系については、Ｚ、Ｘ方向それぞれから伝わってくる加振力に対して応答することがなく、Ｚ-Ｘ面に対する面外振動（Ｙ方向振動）は発生しない。このため、Ｙ軸方向に斜行することなく、ワークをＸ軸方向に搬送することができる。さらに、Ｙ方向にも加振指令を与え、Ｘ軸に対して所定の角度でワークを搬送させたい場合においても、振動系相互の干渉を受けることがないため、正確に所望方向へのワーク搬送を行うことができる。

勿論、Ｚ方向のみの加振を行いたい場合にも、Ｘ、Ｙ方向に誤走が生じることが解消できる。
（２）振動指令を入力した直後に発生する自由振動を、閉ループ１００を通じた速度フィードバックにより抑制することができる。この結果、振動指令を入力した直後から、振動系間の位相差がほぼ一定に保たれることから、搬送方向の正負も一定に定まる。この結果、ワークの細かな位置調整に必要なインチング動作なども安定する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。

例えば、図２２に示すように、ゲイン補償部１０２はゲイン調整機能を有する可変型のものであってもよい。このようにすれば、適切なゲイン補完を行うことができる。

或いは、図２３に示すように、検出する変位と振幅指令とを入力して偏差が０になるようにゲイン補償部１０２をフィードバック制御するゲイン指令生成部１０３を設ければ、減衰による指令の低下を自動的に補う構成が可能となる。位相差調整器１０４は、Ｚ方向の変位信号と、Ｘ方向およびＹ方向それぞれの変位信号から振動の位相差を検出し、この検出した位相差をもとに指令信号の位相を調整する。これにより、Ｚ−Ｘ、Ｘ−Ｙの位相差を所望の値に調整することができる。

その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

例えば、上記実施形態ではＺ方向にも所定ゲインで増幅して負帰還させる閉ループを構成しているが、本発明の趣旨からすれば、Ｘ方向やＹ方向に対してのみ閉ループを構成すれば足り、Ｚ方向については必須なものではない。ただ、Ｚ方向にも閉ループを設けることで、Ｘ方向やＹ方向からＺ方向への干渉力の影響を防ぎ、Ｚ方向の振動が乱れることを防いで、的確な搬送速度や搬送効率、振動の立ち上がりを担保することが可能となる。

２…加振手段
３…振動制御手段
６２…可動台
８１、８２、８３…加振源（圧電素子）
１００…閉ループ
１０１…増幅器
１０２…ゲイン補償部
Ａ１…第１の水平方向振動系（Ｘ方向振動系）
Ａ２…第２の水平方向振動系（Ｙ方向振動系）
Ａ３…垂直方向振動系（Ｚ方向振動系）

Claims

可動台が振動することで可動台上に載せられた物品を搬送すべく、
前記可動台を垂直方向に弾性支持する垂直方向振動系と、前記可動台を第１の水平方向に弾性支持する第１の水平方向振動系と、前記可動台を前記第１の水平方向と交差する第２の水平方向に弾性支持する第２の水平方向振動系とを備え、それぞれの振動系を加振源によって駆動する加振手段と、
前記各振動系に位相差を有しつつ同一の周波数で同時に周期的振動を発生させ前記可動台に所定の振動軌跡を生じさせるように前記加振源に指令をなす振動制御手段とを含み、
前記振動制御手段の制御モードとして、可動台上の物品に対し所定方向の移動を与えるために所定の駆動対象振動系の加振源に指令を入力し、移動方向と無関係な方向の非駆動振動系の加振源に指令を入力しないか若しくはゼロ指令を入力する制御モードを有するものにおいて、
前記非駆動振動系の振動速度を所定ゲインで増幅して当該非駆動振動系の加振源の入力側に負帰還させる閉ループを設け、
前記制御モード中、当該非駆動振動系の前記閉ループを通じて、当該非駆動振動系の固有周波数付近の周波数を有する前記駆動対象振動系の振動に起因した外乱に対し、当該非駆動振動系の減衰を大きくして固有周波数近傍での伝達率を小さくするようにしたことを特徴とする物品搬送装置。
駆動対象振動系が垂直方向振動系であり、非駆動振動系が第１、第２の水平方向振動系であって、前記制御モード中、当該第１、第２の水平方向振動系の前記閉ループを通じて、当該第１、第２の水平方向振動系の固有周波数近傍の周波数を有する前記垂直方向振動系の振動に起因した外乱に対し、当該第１、第２の水平方向振動系の減衰を大きくして固有周波数近傍での伝達率を小さくするようにしている請求項１に記載の物品搬送装置。
駆動対象振動系が垂直方向振動系および第１又は第２の水平方向振動系であり、非駆動対象振動系が第２又は第１の水平方向振動系であって、前記制御モード中、当該第２又は第１の水平方向振動系の前記閉ループを通じて、当該第２又は第１の水平方向振動系の固有周波数近傍の周波数を有する前記垂直方向振動系及び第１又は第２の水平方向振動系の振動に起因した外乱に対し、当該第２又は第１の水平方向振動系の減衰を大きくして固有周波数近傍での伝達率を小さくするようにしている請求項１に記載の物品搬送装置。
可動台が振動することで可動台上に載せられた物品を搬送すべく、
前記可動台を垂直方向に弾性支持する垂直方向振動系と、前記可動台を第１の水平方向に弾性支持する第１の水平方向振動系と、前記可動台を前記第１の水平方向と交差する第２の水平方向に弾性支持する第２の水平方向振動系とを備え、それぞれの振動系を加振源によって駆動する加振手段と、
前記各振動系に位相差を有しつつ同一の周波数で同時に周期的振動を発生させ前記可動台に所定の振動軌跡を生じさせるように前記加振源に指令をなす振動制御手段とを含むものにおいて、
前記第１及び第２の水平方向振動系のみに、前記第１及び第２の水平方向振動系の振動速度を所定ゲインで増幅して当該第１及び第２の水平方向振動系の加振源の入力側に負帰還させる閉ループを設け、
これらの閉ループを通じて、第１又は第２の水平方向振動系の固有周波数付近の周波数を有する前記垂直方向振動系及び第２又は第１の水平方向振動系の振動に起因した外乱に対し、当該第１又は第２の水平方向振動系の減衰を大きくして固有周波数近傍での伝達率を小さくするようにしたことを特徴とする物品搬送装置。
閉ループ帰還位置よりも上流にゲイン補償部を設け、このゲイン補償部において、閉ループを設けたときの指令値に対する伝達率低下を補完するようにしている請求項１〜４の
何れかに記載の物品搬送装置。