JP7478105B2 - 流体アクチュエータ、流体アクチュエータの制御方法、流体アクチュエータの制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は流体アクチュエータの制御技術に関する。

空気を作動流体として、その圧力（駆動圧ともいう）で駆動対象を駆動するエアアクチュエータにおいて、異常発生時に駆動を緊急停止する技術が知られている。

特開２００４－２０５０２２号公報

エアアクチュエータの緊急停止時に、駆動圧を下げたり緊急停止前の駆動方向と逆向きに駆動圧をかけたとしても、駆動中の駆動対象の慣性によって駆動対象を瞬時に停止させることは難しい。駆動対象が高速で駆動されている場合、停止するまでにエアアクチュエータの他の部位に衝突する可能性もある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、駆動対象を安全に駆動できる流体アクチュエータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の流体アクチュエータは、駆動対象を第１の駆動方向に駆動する作動流体の圧力を測定する第１の圧力センサと、駆動対象を第１の駆動方向と異なる第２の駆動方向に駆動する作動流体の圧力を測定する第２の圧力センサと、第１の圧力センサが測定した圧力と第２の圧力センサが測定した圧力に基づき、駆動対象に生じる加速度を検知する加速度検知部とを備える。

この態様によれば、異なる駆動方向に対応する二つの圧力センサが測定した圧力に基づいて、駆動対象に生じる加速度を検知できる。したがって、加速度が過大にならないようにモニタしながら、駆動対象を安全に駆動できる。

本発明の別の態様は、流体アクチュエータの制御方法である。この方法は、駆動対象を第１の駆動方向に駆動する作動流体の圧力を第１の圧力センサによって測定するステップと、駆動対象を第１の駆動方向と異なる第２の駆動方向に駆動する作動流体の圧力を第２の圧力センサによって測定するステップと、第１の圧力センサが測定した圧力と第２の圧力センサが測定した圧力に基づき、駆動対象に生じる加速度を検知するステップとを備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明の流体アクチュエータによれば、駆動対象を安全に駆動できる。

本実施形態の流体アクチュエータの概念を示す図である。 本実施形態の流体アクチュエータが適用されるエアステージの斜視図である。 エアアクチュエータの概略断面図である。 サーボバルブの断面図である。 エアステージの通常運転時の動作を示す図である。 いずれかの駆動軸に沿った並進加速度が過大になった場合の駆動制限の例を示す図である。 駆動対象の回転加速度が過大になった場合の駆動制限の例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、本実施形態の流体アクチュエータの概念を示す。図１（Ａ）は一般化された概念を示し、図１（Ｂ）は後述する具体例に則した概念を示す。図１（Ａ）において、Ｗは流体アクチュエータによって駆動される駆動対象であり、Ｇはその重心を表す。流体アクチュエータは少なくとも１つの駆動軸を有し、図示の例では２つの異なる駆動軸Ａ１、Ａ２を有する。２つの駆動軸Ａ１、Ａ２の関係は任意であり、それらが同一平面内に設けられる場合になす角度θは任意に設定される（Ａ１とＡ２が平行の場合はθ＝０°とする）。典型的には、図１（Ｂ）に示されるように、各駆動軸Ｘ、Ｙ１、Ｙ２は互いに平行（θ＝０°）または垂直（θ＝９０°）である。以下では流体アクチュエータの全ての駆動軸が同一平面内にある場合について説明するが、発明の概念としては各駆動軸は同一平面内になくてもよく例えば互いにねじれの位置にあってもよい。

駆動軸Ａ１に沿った一方向を第１の駆動方向といい、同一駆動軸Ａ１上で第１の駆動方向と逆向きの方向を第３の駆動方向といい、駆動軸Ａ２に沿った一方向を第２の駆動方向といい、同一駆動軸Ａ２上で第２の駆動方向と逆向きの方向を第４の駆動方向という。このように「駆動方向」とは、駆動軸と、その駆動軸上の向きによって定義される。駆動軸Ａ１上では、第１の駆動方向に沿った圧力Ｐ１と第３の駆動方向に沿った圧力Ｐ３が駆動対象Ｗに加えられる。駆動軸Ａ２上では、第２の駆動方向に沿った圧力Ｐ２と第４の駆動方向に沿った圧力Ｐ４が駆動対象Ｗに加えられる。これらの圧力Ｐ１～Ｐ４の組合せにより、駆動対象Ｗを同一平面内で任意に駆動できる。換言すれば、これらの圧力Ｐ１～Ｐ４の組合せが駆動対象Ｗに任意の加速度を生じさせる。例えば、駆動軸Ａ１に沿った圧力Ｐ１、Ｐ３の組合せは、駆動軸Ａ１に沿った並進加速度を生じさせ、駆動軸Ａ２に沿った圧力Ｐ２、Ｐ４の組合せは、駆動軸Ａ２に沿った並進加速度を生じさせる。また、異なる駆動軸Ａ１、Ａ２間の圧力の組合せ（例えばＰ１とＰ２）は、並進加速度に加えて回転加速度（角加速度）も生じさせる。本実施形態の流体アクチュエータは、これらの圧力Ｐ１～Ｐ４によって駆動対象Ｗに生じる様々な加速度をモニタすることで、駆動時の安全性を向上させる。

図１（Ｂ）では、３つの駆動軸Ｘ、Ｙ１、Ｙ２が設けられる。駆動軸Ｘは、駆動対象Ｗの重心Ｇを通る。駆動軸Ｙ１、Ｙ２は、駆動対象Ｗを間に挟んで設けられ、互いに平行かつ駆動軸Ｘと垂直である。以下、駆動軸Ｘ、Ｙ１、Ｙ２をそれぞれＸ軸、Ｙ１軸、Ｙ２軸ともいい、それぞれの方向をＸ方向、Ｙ１方向、Ｙ２方向ともいう。また、駆動軸Ｙ１、Ｙ２を総称してＹ軸ともいい、その方向をＹ方向ともいう。駆動軸Ｘ上では、Ｘ方向の正側から負側に向かう駆動方向に沿った圧力ＰＸ－と、Ｘ方向の負側から正側に向かう駆動方向に沿った圧力ＰＸ＋が駆動対象Ｗに加えられる。駆動軸Ｙ１上では、Ｙ１方向の正側から負側に向かう駆動方向に沿った圧力ＰＹ１－と、Ｙ１方向の負側から正側に向かう駆動方向に沿った圧力ＰＹ１＋が駆動対象Ｗに加えられる。駆動軸Ｙ２上では、Ｙ２方向の正側から負側に向かう駆動方向に沿った圧力ＰＹ２－と、Ｙ２方向の負側から正側に向かう駆動方向に沿った圧力ＰＹ２＋が駆動対象Ｗに加えられる。

各駆動軸Ｘ、Ｙ１、Ｙ２に沿った圧力の組合せ（ＰＸ－、ＰＸ＋）、（ＰＹ１－、ＰＹ１＋）、（ＰＹ２－、ＰＹ２＋）は、各駆動軸Ｘ、Ｙ１、Ｙ２に沿った並進加速度を生じさせる。また、異なる駆動軸Ｘ、Ｙ１、Ｙ２間の圧力の組合せは、並進加速度に加えて回転加速度も生じさせる。回転加速度は、特に、Ｙ１軸とＹ２軸の圧力の組合せにより生じる。例えば、ＰＹ１－とＰＹ２＋の組合せは図１において反時計回り方向の回転加速度を生じさせ、ＰＹ１＋とＰＹ２－の組合せは図１において時計回り方向の回転加速度を生じさせる。また、ＰＹ１－とＰＹ２－の組合せは、その大小関係に応じた回転加速度を生じさせる。すなわち、ＰＹ１－がＰＹ２－より大きい場合は反時計回り方向の回転加速度が生じ、ＰＹ１－がＰＹ２－より小さい場合は時計回り方向の回転加速度が生じる。同様に、ＰＹ１＋とＰＹ２＋の組合せも、その大小関係に応じた回転加速度を生じさせる。すなわち、ＰＹ１＋がＰＹ２＋より大きい場合は時計回り方向の回転加速度が生じ、ＰＹ１＋がＰＹ２＋より小さい場合は反時計回り方向の回転加速度が生じる。本実施形態の流体アクチュエータは、各駆動軸Ｘ、Ｙ１、Ｙ２上の逆向きの圧力の比較に基づいて各駆動軸Ｘ、Ｙ１、Ｙ２に沿った並進加速度をモニタすると共に、Ｙ１軸とＹ２軸の圧力の比較に基づいて回転加速度をモニタすることで、駆動時の安全性を向上させる。なお、駆動対象Ｗに生じる加速度は、圧力ＰＸ－、ＰＸ＋、ＰＹ１－、ＰＹ１＋、ＰＹ２－、ＰＹ２＋の測定値と、駆動対象Ｗの各駆動軸Ｘ、Ｙ１、Ｙ２に対する相対位置（後述する位置センサ１４０、１４２で測定可能）に基づく力学的演算によって一意的に求めることができる。したがって、上記のように２つの圧力の測定値を各個に比較する代わりに、各測定値を変数とする関数を用いて加速度を一挙に求めてもよい。以上の説明から明らかなように、本発明は、複数の駆動軸を持つ多軸流体アクチュエータに好適である。

図２は、本実施形態の流体アクチュエータが適用されるエアステージの斜視図である。エアステージ１００は、主として、定盤１０２、除振台１０４、除振装置１０６、ワークテーブル１１０、Ｘ軸に沿って延びる１本のＸ軸エアアクチュエータ１２０、Ｙ軸に沿って延びる２本のＹ軸エアアクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂ（以下、Ｙ軸エアアクチュエータ１３０と総称する）を備える。定盤１０２は除振台１０４によって支持される。Ｘ軸エアアクチュエータ１２０およびＹ軸エアアクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂは上面視でＨ型をなす。除振装置１０６は、Ｘ軸エアアクチュエータ１２０やＹ軸エアアクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂの運動に起因する力や床からの振動を吸収し、定盤１０２の振動を抑制する。

Ｘ軸エアアクチュエータ１２０、Ｙ軸エアアクチュエータ１３０は、それぞれ、気体である空気を作動流体として駆動対象であるワークテーブル１１０をＸ軸、Ｙ軸に沿って駆動する流体アクチュエータである。Ｘ軸エアアクチュエータ１２０は、ガイド（スクエアシャフト）１２２、スライダ１２４、サーボバルブ１２６（不図示）を有する。同様にＹ軸エアアクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂは、それぞれ、ガイド１３２、スライダ１３４、サーボバルブ１３６を有する。Ｘ軸のガイド１２２の両端は、それぞれ、Ｙ軸エアアクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂのスライダ１３４によって支持される。スライダ１２４は、ガイド１２２に沿ってＸ方向に移動する。Ｘ軸エアアクチュエータ１２０は、スライダ１３４の移動に伴ってガイド１３２に沿ってＹ方向に移動する。このように、エアステージ１００は、ワークテーブル１１０をスライダ１２４と共にＸＹ平面内で移動させる。ワークテーブル１１０、Ｘ軸エアアクチュエータ１２０、Ｙ軸エアアクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂは、ケーシング１０８により覆われた真空環境下に置かれる。

Ｘ軸エアアクチュエータ１２０において、スライダ１２４は、駆動対象としてのワークテーブル１１０を第１の駆動軸であるＸ軸を構成するガイド１２２に沿って駆動する第１の駆動部を構成する。Ｙ軸エアアクチュエータ１３０Ｂにおいて、スライダ１３４は、駆動対象としてのワークテーブル１１０を第２の駆動軸であるＹ１軸を構成するガイド１３２に沿って駆動する第２の駆動部を構成する。同様に、Ｙ軸エアアクチュエータ１３０Ａにおいて、スライダ１３４は、駆動対象としてのワークテーブル１１０をＹ１軸と平行な第３の駆動軸であるＹ２軸を構成するガイド１３２に沿って駆動する第３の駆動部を構成する。Ｙ軸エアアクチュエータ１３０Ａおよび１３０Ｂは、ワークテーブル１１０を間に挟んで設けられる。また、サーボバルブ１２６、１３６は、コントローラ２００（図３）によって指令された圧力の空気をスライダ１２４、１３４に供給する駆動圧生成部を構成する。

位置センサ１４０は、ワークテーブル１１０のＸ方向の位置を測定する。また位置センサ１４２は、ワークテーブル１１０のＹ方向の位置を測定する。測定されたＸ方向、Ｙ方向の位置を時間で微分すれば、Ｘ方向、Ｙ方向の速度が得られる。また、Ｘ方向、Ｙ方向の速度を時間で微分すれば、Ｘ方向、Ｙ方向の加速度が得られる。

図３は、エアアクチュエータの概略断面図である。具体的には、Ｘ軸のガイド１２２のＹ方向中央における縦断面を概略的に示す。

ガイド１２２とスライダ１２４の間には静圧軸受が形成され、ガイド１２２の外周面とスライダ１２４の内周面の間に常時供給される空気圧によって、スライダ１２４はガイド１２２から浮上して完全非接触でＸ方向に移動可能である。なお、図示は省略したが、ワークテーブル１１０は、スライダ１２４の＋Ｚ側の面に固定され、スライダ１２４と一体的にＸ軸に沿って移動する。

スライダ１２４には、内部空間であるサーボチャンバ１５０が設けられる。サーボチャンバ１５０は、ガイド１２２に固定された受圧プレート１２３によって、正側チャンバ１５２と負側チャンバ１５４に区画される。

Ｘ軸エアアクチュエータ１２０は、Ｘ軸の正側と負側にそれぞれ配置された正側サーボバルブ１２６Ｐと負側サーボバルブ１２６Ｎを備える。スライダ１２４は、正側サーボバルブ１２６Ｐおよび負側サーボバルブ１２６Ｎによって駆動される。正側サーボバルブ１２６Ｐおよび負側サーボバルブ１２６Ｎは、後述するスプールの位置によって正側チャンバ１５２および負側チャンバ１５４の吸排気量を制御する。正側サーボバルブ１２６Ｐは、正側配管１２８Ｐを介して正側チャンバ１５２と連通する。負側サーボバルブ１２６Ｎは、負側配管１２８Ｎを介して負側チャンバ１５４と連通する。

Ｘ軸エアアクチュエータ１２０は、正側サーボバルブ１２６Ｐおよび負側サーボバルブ１２６Ｎを制御し、正側チャンバ１５２および負側チャンバ１５４に差圧を発生させる。この差圧によってガイド１２２に対するスライダ１２４の速度および加速度が制御される。

正側サーボバルブ１２６Ｐおよび負側サーボバルブ１２６Ｎは、それぞれ、正側エア供給管１４４Ｐおよび負側エア供給管１４４Ｎを介して、エア供給源としてのポンプ１４６に接続される。また、正側サーボバルブ１２６Ｐおよび負側サーボバルブ１２６Ｎは、それぞれ、正側エア排出管１４８Ｐおよび負側エア排出管１４８Ｎを介して、ケーシング１０８外にエアを排出する。ポンプ１４６からのエアは、正側エア供給管１４４Ｐ、正側サーボバルブ１２６Ｐ、正側配管１２８Ｐを経て正側チャンバ１５２に供給される。すなわち、正側エア供給管１４４Ｐ、正側サーボバルブ１２６Ｐ、正側配管１２８Ｐが正側のエアの供給流路を構成する。同様に、ポンプ１４６からのエアは、負側エア供給管１４４Ｎ、負側サーボバルブ１２６Ｎ、負側配管１２８Ｎを経て負側チャンバ１５４に供給される。すなわち、負側エア供給管１４４Ｎ、負側サーボバルブ１２６Ｎ、負側配管１２８Ｎが負側のエアの供給流路を構成する。正側チャンバ１５２内のエアは、正側配管１２８Ｐ、正側サーボバルブ１２６Ｐ、正側エア排出管１４８Ｐを経て外部に排出される。すなわち、正側配管１２８Ｐ、正側サーボバルブ１２６Ｐ、正側エア排出管１４８Ｐが正側のエアの排出流路を構成する。同様に、負側チャンバ１５４内のエアは、負側配管１２８Ｎ、負側サーボバルブ１２６Ｎ、負側エア排出管１４８Ｎを経て外部に排出される。すなわち、負側配管１２８Ｎ、負側サーボバルブ１２６Ｎ、負側エア排出管１４８Ｎが負側のエアの排出流路を構成する。

エアステージ１００は、正側サーボバルブ１２６Ｐおよび負側サーボバルブ１２６Ｎを制御するコントローラ２００を備える。以上、Ｘ軸エアアクチュエータ１２０を例に説明したが、Ｙ軸エアアクチュエータ１３０も同様に構成できる。コントローラ２００は、全てのエアアクチュエータ１２０、１３０Ａ、１３０Ｂの正側サーボバルブおよび負側サーボバルブを制御する。

図４は、サーボバルブの断面図である。ここで、正側サーボバルブ１２６Ｐおよび負側サーボバルブ１２６Ｎの構成は同一であるため、サーボバルブ１２６と総称して説明する。また、サーボバルブ１２６の各部の構成に関しても「正側」および「負側」の用語、「Ｎ」および「Ｐ」の符号を省略する。

サーボバルブ１２６は、本体１６０と、本体１６０内に配置されたスプール１６２と、モータ１６４と、位置センサ１６６を備える。サーボバルブ１２６は、３つのポート１６８Ａ、１６８Ｂ、１６８Ｃを備える三方弁である。サーボバルブ１２６は、スプール１６２の位置に応じて、ポート１６８Ｃの接続先を、ポート１６８Ａまたはポート１６８Ｂの間で切り替える。スプール１６２は、本体１６０内部のＺ軸に沿って延びる流路に配置され、Ｚ軸に沿って移動可能である。スプール１６２の位置は、モータ１６４の駆動量に応じて変化する。位置センサ１６６は、スプール１６２の位置を測定する。本体１６０の一方の側面には、Ｚ軸に沿って並ぶ２つのポート１６８Ａ、１６８Ｂが設けられる。＋Ｚ側にあるポート１６８Ａはエア排出管１４８に接続され、－Ｚ側にあるポート１６８Ｂはエア供給管１４４に接続される。ポート１６８Ａをエア供給管１４４に接続し、ポート１６８Ｂをエア排出管１４８に接続してもよい。本体１６０の他方の側面に設けられたポート１６８Ｃは配管１２８に接続される。位置センサ１６６の測定結果は、コントローラ２００のアンプユニットＡＵに供給される。コントローラ２００は、アンプユニットＡＵで取得した測定結果に基づいてスプール１６２の位置を検知し、それに基づいてモータ１６４を制御する。コントローラ２００がモータ１６４を駆動してスプール１６２の位置を制御することで、ポンプ１４６から供給されたエアがサーボバルブ１２６を通してサーボチャンバ１５０に供給され、または、サーボチャンバ１５０内のエアがサーボバルブ１２６を通して外部に排出される。図４ではスプール１６２がＺ軸に沿って移動するようにサーボバルブ１２６を配置したが、サーボバルブ１２６の配置方向はこれに限定されない。

続いて、エアステージ１００の通常運転時の動作を説明する。図５は、通常運転時のスライダ１２４の速度ｖ、スライダ１２４の加速度α、サーボチャンバ１５０内の圧力Ｐのそれぞれの経時変化を示す。

図３から図５を参照して、スライダ１２４を正側に移動させる場合、コントローラ２００は、正側サーボバルブ１２６Ｐのスプール１６２を移動させて正側エア排出管１４８Ｐと接続されたポート１６８Ａを閉じ、正側エア供給管１４４Ｐと接続されたポート１６８Ｂを開く。これと同時に、コントローラ２００は、負側サーボバルブ１２６Ｎのスプール１６２を移動させて負側エア排出管１４８Ｎと接続されたポート１６８Ａを開き、負側エア供給管１４４Ｎと接続されたポート１６８Ｂを閉じる。これによって、正側チャンバ１５２内にエアが供給されて圧力Ｐ＋が上昇し、負側チャンバ１５４からエアが排出されて圧力Ｐ－が低下する（時刻ｔ０）。圧力Ｐ＋と圧力Ｐ－との間に差圧が発生すると、加速度αが増加してスライダ１２４が加速する（時刻ｔ０～ｔ１）。コントローラ２００は、スライダ１２４の速度ｖが所定速度ｖ１に達したときに圧力Ｐ＋および圧力Ｐ－の差圧がゼロになるように、正側サーボバルブ１２６Ｐおよび負側サーボバルブ１２６Ｎを制御する（時刻ｔ１～ｔ２）。差圧がゼロになるとスライダ１２４は一定速度で移動する。

続いて、コントローラ２００は、スライダ１２４が目標位置に到達したときに速度ｖがゼロになるように、スライダ１２４を減速させる。このとき、コントローラ２００は、正側サーボバルブ１２６Ｐのスプール１６２を移動させて正側エア排出管１４８Ｐと接続されたポート１６８Ａを開き、正側エア供給管１４４Ｐと接続されたポート１６８Ｂを閉じる。これと同時に、コントローラ２００は、負側サーボバルブ１２６Ｎのスプール１６２を移動させて負側エア排出管１４８Ｎと接続されたポート１６８Ａを閉じ、負側エア供給管１４４Ｎと接続されたポート１６８Ｂを開く。これによって、正側チャンバ１５２からエアが排出されて圧力Ｐ＋が低下し、負側チャンバ１５４にエアが供給されて圧力Ｐ－が上昇する。圧力Ｐ＋と圧力Ｐ－との間に差圧が発生すると、加速度αが減少してスライダ１２４が減速する（時刻ｔ２～ｔ３）。コントローラ２００は、スライダ１２４が目標位置に到達したときに差圧をゼロにすることでスライダ１２４を停止させる（時刻ｔ３）。

続いて、エアステージ１００の特徴について説明する。

図３に戻り、Ｘ軸エアアクチュエータ１２０は、正側配管１２８Ｐに設けられる正側圧力センサ１２９Ｐと、負側配管１２８Ｎに設けられる負側圧力センサ１２９Ｎを備える。正側圧力センサ１２９Ｐは、スライダ１２４を＋Ｘ方向に駆動するエアの圧力ＰＸ＋を測定する。負側圧力センサ１２９Ｎは、スライダ１２４を－Ｘ方向に駆動するエアの圧力ＰＸ－を測定する。

圧力ＰＸ＋は図５における正側チャンバ１５２内の圧力Ｐ＋に相当し、圧力ＰＸ－は図５における負側チャンバ１５４内の圧力Ｐ－に相当する。図５に関して説明したように、正側チャンバ１５２内の圧力Ｐ＋（ＰＸ＋）が上昇すると（時刻ｔ０～ｔ１）スライダ１２４が＋Ｘ方向に加速し、負側チャンバ１５４内の圧力Ｐ－（ＰＸ－）が上昇すると（時刻ｔ２～ｔ３）スライダ１２４が－Ｘ方向に加速する。このように、圧力ＰＸ＋がスライダ１２４を＋Ｘ方向に駆動する駆動圧であることを模式的に示すため、図３において圧力ＰＸ＋は＋Ｘ方向のベクトルで表される。同様に、圧力ＰＸ－がスライダ１２４を－Ｘ方向に駆動する駆動圧であることを模式的に示すため、図３において圧力ＰＸ－は－Ｘ方向のベクトルで表される。

これらのＸ方向の圧力ＰＸ＋、ＰＸ－は、図１（Ｂ）でも同様の趣旨で表されている。図１（Ｂ）に示されるＹ方向の圧力ＰＹ１＋、ＰＹ１－、ＰＹ２＋、ＰＹ２－についても同様である。すなわち、Ｙ１軸を構成するＹ軸エアアクチュエータ１３０Ｂにおいて、圧力ＰＹ１＋はスライダ１３４を＋Ｙ方向に駆動する駆動圧であり、圧力ＰＹ１－はスライダ１３４を－Ｙ方向に駆動する駆動圧である。同様に、Ｙ２軸を構成するＹ軸エアアクチュエータ１３０Ａにおいて、圧力ＰＹ２＋はスライダ１３４を＋Ｙ方向に駆動する駆動圧であり、圧力ＰＹ２－はスライダ１３４を－Ｙ方向に駆動する駆動圧である。これらのＹ方向の駆動圧ＰＹ１＋、ＰＹ１－、ＰＹ２＋、ＰＹ２－は、図３に示される圧力センサ１２９Ｐ、１２９Ｎと同様の圧力センサによって個別に測定される。

図３において、Ｘ軸エアアクチュエータ１２０、Ｙ軸エアアクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂに共通のコントローラ２００は、加速度検知部２１０と、駆動制限部２２０を備える。加速度検知部２１０は、各圧力センサが測定した各駆動方向の駆動圧ＰＸ＋、ＰＸ－、ＰＹ１＋、ＰＹ１－、ＰＹ２＋、ＰＹ２－に基づき、スライダ１２４およびワークテーブル１１０に生じる加速度を検知する。駆動制限部２２０は、加速度検知部２１０が検知した加速度が所定の閾値を超えた場合にスライダ１２４およびワークテーブル１１０の駆動を制限する。

図１（Ｂ）を参照して、加速度検知部２１０が検知する、駆動対象Ｗに生じる各方向の加速度について説明する。運動方程式に基づき、並進加速度は「力／質量」、回転加速度は「トルク／慣性モーメント」で表される。各駆動方向の力は、エアによる圧力に断面積を乗算することで求められる。以下では、各方向のエアの断面積がＳで等しいものとする。このとき、Ｘ方向の合力ＦＸは（（ＰＸ＋）－（ＰＸ－））Ｓであり、Ｙ方向の合力ＦＹは（（ＰＹ１＋）＋（ＰＹ２＋）－（ＰＹ１－）－（ＰＹ２－））Ｓである。回転運動を検討する際の原点は任意に設定できるが、例えば図示のようにＹ１軸上の点Ｏを原点とする。原点ＯのまわりのトルクＮは、各駆動圧による力に、原点Ｏからの各垂直距離（腕の長さ）を乗算したものの総和である。

Ｘ方向の並進運動における駆動対象Ｗは、スライダ１２４、ワークテーブル１１０、ワークテーブル１１０に載置された載置物であり、これらの質量の合計をｍとする。また、Ｙ方向の並進運動においては、上記を含むＸ軸エアアクチュエータ１２０全体が駆動されるため、残余の質量Ｍを加えたｍ＋Ｍが駆動対象Ｗの質量となる。回転運動においても、Ｘ軸エアアクチュエータ１２０全体の回転が問題となるため、ｍ＋Ｍが駆動対象Ｗの質量となる。原点Ｏまわりの慣性モーメントＩは、質量ｍ＋Ｍの駆動対象Ｗを適当な数の質点で近似し、各質点の質量に、原点Ｏからの各垂直距離（腕の長さ）の二乗を乗算したものの総和である。

以上の各要素に基づき、各方向の加速度は以下のように求められる。
・Ｘ方向の並進加速度αＸ：ＦＸ／ｍ
・Ｙ方向の並進加速度αＹ：ＦＹ／（ｍ＋Ｍ）
・原点Ｏまわりの回転加速度αθ：Ｎ／Ｉ

図３の駆動制限部２２０は、上記の各方向の加速度が所定の閾値を超えて過大になった場合に駆動対象Ｗの駆動を制限する。例えば、いずれかの方向の加速度が過大になった場合、エアステージ１００の全てのサーボバルブ１２６、１３６をエア排出管１４８に接続して緊急排気を行う。これにより、エアステージ１００内のエアの圧力が急激に低下し、エアステージ１００は安全に停止できる。なお、全てのサーボバルブをエア排出管に接続する代わりに、過大な加速度が検知された駆動方向に寄与するサーボバルブのみをエア排出管に接続して緊急排気を行ってもよい。また、緊急排気時に開放される排気弁を配管１２８に設けることで、配管１２８から緊急排気を行う構成としてもよい。さらに、駆動制限部２２０は、緊急排気を行う代わりに、過大な加速度を相殺する方向の駆動圧を発生させるための緊急制御指令をサーボバルブ１２６、１３６に送ってもよい。

図６および図７に、駆動制限部２２０による駆動制限の例を示す。図６は、Ｘ軸、Ｙ１軸、Ｙ２軸のいずれかの駆動軸に沿った並進加速度が過大になった場合の駆動制限の例であり、図５と同様に、スライダ１２４、１３４の速度ｖ、スライダ１２４、１３４の並進加速度α、サーボチャンバ１５０内の圧力Ｐのそれぞれの経時変化を示す。速度ｖに関しては閾値ｖＴが設定されており、これを超えるとエアステージ１００が緊急停止される。速度ｖが閾値ｖＴに達してサーボバルブ１２６、１３６の緊急排気が始まる時刻をｔｖ０、緊急排気が完了する時刻をｔｖ１とする。並進加速度αに関しては閾値αＴが設定されており、これを超えるとエアステージ１００が緊急停止される。並進加速度αが閾値αＴに達してサーボバルブ１２６、１３６の緊急排気が始まる時刻をｔα０、緊急排気が完了する時刻をｔα１とする。

図から明らかなように、並進加速度αに基づく閾値制御によって、速度ｖに基づく閾値制御よりも早くエアステージ１００を緊急停止できる（ｔα１＜ｔｖ１）。また、速度ｖに基づく閾値制御では、緊急排気が始まる時刻ｔｖ０において、駆動対象Ｗの速度ｖがｖＴと高くなっている。このため、時刻ｔｖ０から緊急排気を行い、時刻ｔｖ１に並進加速度αがゼロなったとしても、高速移動中の駆動対象Ｗの慣性によって駆動対象Ｗが最終停止するまでにさらに時間を要する。これに対して、並進加速度αに基づく閾値制御では、緊急排気が始まる時刻ｔα０において、駆動対象Ｗの速度ｖはほとんどゼロである。このため、時刻ｔα０から緊急排気を行い、時刻ｔα１に並進加速度αがゼロになれば、低速移動中の駆動対象Ｗは間もなく最終停止する。このように並進加速度αに基づく閾値制御によれば、駆動対象Ｗの速度ｖが高くなる前に緊急排気を始められるので、迅速かつ安全にエアステージ１００を緊急停止できる。特に、駆動対象Ｗがエアの圧力によって浮上した状態で駆動されるエアステージ１００においては、駆動対象Ｗが一旦高速になってしまうと簡単に停止させることが難しいため、この点は極めて重要である。

なお、並進加速度αは、位置センサ１４０、１４２で測定された位置を時間で二回微分して求めることもできる。しかし、微分演算のために一定時間に亘って測定データを蓄積する必要があるため、緊急性の高い上記のような状況にとって適さないこともある。一方、図１（Ｂ）に関して説明したように、圧力センサによって測定された駆動圧ＰＸ＋、ＰＸ－、ＰＹ１＋、ＰＹ１－、ＰＹ２＋、ＰＹ２－によれば、直接的に並進加速度αＸ、αＹを演算できるので、緊急性の高い状況でも迅速にエアステージ１００の停止処理を開始できる。また、位置センサ１４０、１４２が故障した場合も、圧力センサが正常に動作していれば緊急停止処理を行えるので、システムのロバスト性が向上する。

図７は、駆動対象Ｗの回転加速度が過大になった場合の駆動制限の例であり、Ｙ１軸を構成するＹ軸エアアクチュエータ１３０Ｂの駆動圧ＰＹ１、Ｙ２軸を構成するＹ軸エアアクチュエータ１３０Ａの駆動圧ＰＹ２のそれぞれの経時変化を示す。図１（Ｂ）に関して説明したように、回転加速度は、圧力センサによって測定された駆動圧ＰＸ＋、ＰＸ－、ＰＹ１＋、ＰＹ１－、ＰＹ２＋、ＰＹ２－と、駆動対象Ｗの各駆動軸Ｘ、Ｙ１、Ｙ２に対する相対位置に基づく力学的演算によって精緻に演算できるが、本図の例では、簡易的に、各軸の正の向きの圧力ＰＹ１＋、ＰＹ２＋の比較と、各軸の負の向きの圧力ＰＹ１－、ＰＹ２－の比較に基づいて、望ましくない回転加速度の発生を検知する。

回転加速度が発生していない正常動作時は、Ｙ１軸で発生する並進加速度とＹ２軸で発生する並進加速度が等しくなることで、Ｙ方向の駆動対象としてのＸ軸エアアクチュエータ１２０がＸ方向に平行かつＹ方向に垂直な状態を保ったままＹ方向に駆動される。このとき、図７のＰＹ１とＰＹ２のグラフは同一となる。具体的には、ＰＹ２のグラフに示されるように、初期圧力Ｐ０に対して、差圧（Ｙ方向の並進加速度）発生時のＰＹ２＋とＰＹ２－は互いに逆向きに同一量ΔＰだけ変化する。しかしながら、図示の例では、ＰＹ１の正の向きの駆動圧ＰＹ１＋に異常が生じ、所期の変化量ΔＰよりも大きい量ΔＰ′の変化が観測される。このとき、加速度検知部２１０は、ＰＹ１＋、ＰＹ２＋の比較と、ＰＹ１－、ＰＹ２－の比較を、それぞれ行う。前者の比較では、ＰＹ１＋とＰＹ２＋の間でΔＰ′－ΔＰの差圧が検知される。後者の比較では、ＰＹ１－とＰＹ２－は同一であるため、差圧が検知されない。これらの比較に基づき、加速度検知部２１０は、ＰＹ１＋＞ＰＹ２＋であることから、図１（Ｂ）における時計回り方向の回転加速度が生じていることを検知する。本実施形態のエアステージ１００では回転加速度を生じさせる駆動は想定されていないため、駆動制限部２２０は回転加速度については実質的にゼロの閾値を有する。したがって、図７のように、Ｙ１軸とＹ２軸の圧力にアンバランスがある場合、駆動制限部２２０は異常であると判断して、エアステージ１００を緊急停止する。図６と同様に、サーボバルブ１３６の緊急排気が始まる時刻をｔα０、緊急排気が完了する時刻をｔα１とする。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明した。実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施形態では、空気を作動流体とするエアアクチュエータについて説明したが、本発明の流体アクチュエータは、これ以外の流体を作動流体とするものでもよい。例えば、油を作動流体とする油圧アクチュエータ、水を作動流体とする水圧アクチュエータ、空気以外の任意のガスを作動流体とするガスアクチュエータでもよい。

なお、実施形態で説明した各装置の機能構成はハードウェア資源またはソフトウェア資源により、あるいはハードウェア資源とソフトウェア資源の協働により実現できる。ハードウェア資源としてプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他のＬＳＩを利用できる。ソフトウェア資源としてオペレーティングシステム、アプリケーション等のプログラムを利用できる。

１００ エアステージ、１１０ ワークテーブル、１２０ Ｘ軸エアアクチュエータ、１２４ スライダ、１２６ サーボバルブ、１２９ 圧力センサ、１３０ Ｙ軸エアアクチュエータ、１３４ スライダ、１３６ サーボバルブ、１５０ サーボチャンバ、２００ コントローラ、２１０ 加速度検知部、２２０ 駆動制限部。

Claims (7)

1. 駆動対象を第１の駆動方向に駆動する作動流体の圧力を測定する第１の圧力センサと、
   前記駆動対象を前記第１の駆動方向と異なる第２の駆動方向に駆動する作動流体の圧力を測定する第２の圧力センサと、
   前記第１の圧力センサが測定した圧力と前記第２の圧力センサが測定した圧力に基づく演算によって、前記駆動対象に生じる加速度を検知する加速度検知部と、
   前記加速度検知部が検知した加速度が所定の閾値を超えた場合に前記駆動対象の駆動を制限する駆動制限部と
   を備え、
   作動流体により前記駆動対象を第１の駆動軸に沿って駆動する第１の駆動部が設けられ、
   作動流体により前記駆動対象を前記第１の駆動軸と非平行な第２の駆動軸に沿って駆動する第２の駆動部、および、作動流体により前記駆動対象を前記第２の駆動軸と平行な第３の駆動軸に沿って駆動する第３の駆動部が、前記駆動対象を間に挟んで設けられ、
   前記加速度検知部は、前記第１の駆動方向を前記第２の駆動軸に沿った方向とし、前記第２の駆動方向を前記第３の駆動軸に沿った方向とした場合、前記第２の駆動部および前記第３の駆動部によって前記駆動対象に生じる回転方向の加速度を検知する流体アクチュエータ。
2. 前記加速度検知部は、前記第１の駆動方向と前記第２の駆動方向を、前記第１の駆動軸上で互いに逆向きの方向とした場合、前記第１の駆動軸に沿って前記駆動対象に生じる加速度を検知する
   請求項１に記載の流体アクチュエータ。
3. 前記第２の駆動軸に沿った前記第１の駆動方向と前記第３の駆動軸に沿った前記第２の駆動方向は同じ向きであり、
   前記駆動対象を前記第２の駆動軸に沿って前記第１の駆動方向と逆向きの第３の駆動方向に駆動する作動流体の圧力を測定する第３の圧力センサ、および、前記駆動対象を前記第３の駆動軸に沿って前記第２の駆動方向と逆向きの第４の駆動方向に駆動する作動流体の圧力を測定する第４の圧力センサが設けられ、
   前記加速度検知部は、前記第１の圧力センサが測定した圧力と前記第２の圧力センサが測定した圧力の比較、および、前記第３の圧力センサが測定した圧力と前記第４の圧力センサが測定した圧力の比較に基づき、前記駆動対象に生じる回転方向の加速度を検知する
   請求項１に記載の流体アクチュエータ。
4. 前記作動流体は気体であり、
   前記駆動対象は前記気体の圧力によって浮上した状態で駆動される
   請求項１から３のいずれかに記載の流体アクチュエータ。
5. 前記駆動制限部は、前記加速度検知部が検知した加速度が前記閾値を超えた場合に前記気体の緊急排気を行う
   請求項４に記載の流体アクチュエータ。
6. 駆動対象を第１の駆動方向に駆動する作動流体の圧力を第１の圧力センサによって測定するステップと、
   前記駆動対象を前記第１の駆動方向と異なる第２の駆動方向に駆動する作動流体の圧力を第２の圧力センサによって測定するステップと、
   前記第１の圧力センサが測定した圧力と前記第２の圧力センサが測定した圧力に基づく演算によって、前記駆動対象に生じる加速度を検知するステップと
   前記検知された加速度が所定の閾値を超えた場合に前記駆動対象の駆動を制限するステップと
   を備え、
   作動流体により前記駆動対象を第１の駆動軸に沿って駆動する第１の駆動部が設けられ、
   作動流体により前記駆動対象を前記第１の駆動軸と非平行な第２の駆動軸に沿って駆動する第２の駆動部、および、作動流体により前記駆動対象を前記第２の駆動軸と平行な第３の駆動軸に沿って駆動する第３の駆動部が、前記駆動対象を間に挟んで設けられ、
   前記加速度を検知するステップは、前記第１の駆動方向を前記第２の駆動軸に沿った方向とし、前記第２の駆動方向を前記第３の駆動軸に沿った方向とした場合、前記第２の駆動部および前記第３の駆動部によって前記駆動対象に生じる回転方向の加速度を検知する流体アクチュエータの制御方法。
7. 駆動対象を第１の駆動方向に駆動する作動流体の圧力を第１の圧力センサによって測定するステップと、
   前記駆動対象を前記第１の駆動方向と異なる第２の駆動方向に駆動する作動流体の圧力を第２の圧力センサによって測定するステップと、
   前記第１の圧力センサが測定した圧力と前記第２の圧力センサが測定した圧力に基づく演算によって、前記駆動対象に生じる加速度を検知するステップと
   前記検知された加速度が所定の閾値を超えた場合に前記駆動対象の駆動を制限するステップと
   をコンピュータに実行させ、
   作動流体により前記駆動対象を第１の駆動軸に沿って駆動する第１の駆動部が設けられ、
   作動流体により前記駆動対象を前記第１の駆動軸と非平行な第２の駆動軸に沿って駆動する第２の駆動部、および、作動流体により前記駆動対象を前記第２の駆動軸と平行な第３の駆動軸に沿って駆動する第３の駆動部が、前記駆動対象を間に挟んで設けられ、
   前記加速度を検知するステップは、前記第１の駆動方向を前記第２の駆動軸に沿った方向とし、前記第２の駆動方向を前記第３の駆動軸に沿った方向とした場合、前記第２の駆動部および前記第３の駆動部によって前記駆動対象に生じる回転方向の加速度を検知する流体アクチュエータの制御プログラム。

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