JPH05503414A - 位置制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 位置制御装置 本発明は、直流モータと、減速装置と、電流パルス用の給電装置とを備えた位置 制御装置に関するものである。

この種の位置制御装置は知られている。電流パルスで作動することにより、直流 モータの最小平均回転数を達成できる。

ドイツ特許公開第３３３０４７６号公報からは、特に顕微鏡に設けられている試 料テーブルまたはフォーカシング駆動装置の運動を制御するための装置が知られ ている。この装置には、比例付与器を備えた／１ンドルと、比例付与器の信号に 応じてモータを制御する回路とが設けられている。

システム内における粗調整と微調整とを統合するため、フタを乗積させ、従って 出発速度を操作速度に過大に依存させている。モータとしてステッピングモータ が設けられている。

このような回路は非常に複雑である。ステッピングモータの活動範囲は複雑でな いパルス供給による最小回転ステップと最大回転速度とにより制限されるので、 直流モータの活動範囲に比べて限定されている。

Ｒｅ１ｅｒ、Ｅ“プリンタ及びプロッタにおけるキャリッジ”ＤＥ−Ｚ、Ｆｅ１ ｎｖｅｒｋｔｅｃｈｎｉｋ＋ＭｅＢｌｅｃｈｎｉｋ　９７（１９８９）、Ｎｒ、 １０．第４４３頁から第４４６頁までからは、モータ（角度付与器）から制御電 子回路の入力に至るまでの調整ループを備え、精密位置決めに何度も使用される “ｏｐｅｎ　Ｌｏｏｐ”システムに、機械的部品の公差を考慮させないことが知 られている。

本発明の課題は、簡潔で安価な構成要素を用いて、特に簡潔な電子回路を用いて 構成することができ、その際最小ステップから高い走行速度に至るまでの広い活 動範囲を持った位置決め運動を達成するような位置決め制御装置を提供すること である。また、前進及び後退の線形運動が可能であるようにすること、及び種々 の自動化された機能及び調整システムへの組み込みが可能であるように構成する ことも課題とするものである。

さらに、フォーカシング作動または顕微鏡の試料テーブルの駆動に特に適してい るように構成することをも課題とするものである。

上記の課題は、請求項１または５の特徴部分によって解決される。従属項２ない し４及び６ないし１４は本発明の有利な構成を提示するものである。

次に、本発明を図面を用いて説明する。

第１図は　本発明による位置制御装置を顕微鏡に適用した場合の概観図、 第２図ａ）は電流パルスと位置決め速度の変化を小さなパルス周波数にたいして 定性的に示したグラフ、 ｂ）は電流パルスと位置決め速度の変化を閾値以上のパルス周波数にたいして示 したグＣ）は電流パルスと位置決め速度の変化を大きなパルス周波数にたいして 定性的に示したグラフ、 第３図ａ）は速度とパルス周波数との関係を定性的に示すグラフ、 ｂ）は本発明による位置制御装置の１実施例にたいして速度とパルス周波数との 関係を定性的に示したグラフ、 である。

第１図において１は直流モータである。この直流モータ１は、この実施例では空 心の（ｅｉｓｅｎｌｏｓ）ベル形固定モータ（Ｇｌｏｃｋｅｎａｎｋｅｒｍｏｌ ｏｒ）である。例えばＦａｕｌｂａｂｅｒＴＹＰ　３５５７　Ｃ０１２である。

直流モータ１のほかに減速装置２と、昇降運動を生じさせるためのピニオン・ラ ック装置２１とが設けられており、これらは、高さ調整可能な直　試料テーブル ３１を備えた顕微鏡３に組み付けられてい給電装置４は、直流モータ１に供給さ れる電流パルスを発生させ、角度ステンプジェネレータ（Ｗｉｎｋｅｌｓｃｂｒ 　ｉ口ｇｅｂｅｒ）　５によって制御される。この角度ステンブジエネＴ　レー タ５は、回転可能な操作要素５１、例えばハンドルまたはクランクに連結されて いる。構成要素６と７については後述するが、オプションである。以上の構成は 主に純粋制御によって決定されており、即ちフィードバングが存在しないことに よって決定されている。調整ループはまず操作者が目と手で行なう。もちろんオ ートフォーカスシステムを用いて制御信号を発生させ、この制御信号により給電 装置４を制御して顕微鏡のフォーカシングを行なってもよい。しかし位置制御装 置（構成要素１゜２．２１，３，３１．４＞自体は調整ループを含んでい特に重 要なことは、給電装置４による電流パルスの形成に連動して、電気力学的な摩擦 効果により直流モータｌと減速装置２の制動作用を利用することである。

第２ａ図から第２ｃ図までは、電流パルスの時間的変化と、個々のパルス繰返し 周波数ｆ、にたいする試料テーブル３１の昇降速度；の時間的変化とを定性的に 関係付けたグラフである。

電流パルスの形状はパルス繰返し周波数ｆ、に依存している。電流パルスの高さ は、付着摩擦を克服するために必要な電流を複数倍上回るように選定するのが有 利である。

電流パルスのフランクのふくらみは例えばコンデンサーによるものであるが、こ のふくらみは特に位置駆動装置の騒音を減少させるために有益である。

第２ａ図は、パルス繰返し周波数ｆ、が小さい場合の状況を示している。

直流モータエと伝動装置２．２１と試料テーブル３１とは個々の電流パルスの間 に加速され、電流パルスが終了した後に、且つ新たな電流パルスが生じる前に再 び完全に停止せしめられる。従って速度パルスに関する積分は、各電流パルスに たいして一定の大きさの、場合によっては変動する大きさの運動ステップを与え る。よって非常に正確な位置決めが可能である。

直流モータ１が停止する（残留速度２．、＞０）前に、次の電流パルスが再び発 生するような閾値をパルス繰返し周波数ｆ、が越えると、曲線は第２ｂ図に図示 したように変化する。

複数の電流パルスを介して始動過程が経過する。この始動過程によれば、新たな 電流パルスを投入したときの残留速度ｉ２、は、最初の電流パルスによる残留速 度よすも明らかに大きい。従ってこの範囲での平均速度ｉは、パルス繰返し周波 数ｆ、とともに、第２ａ図の場合よりも強く上昇する。

なんらかの切り換え手段を用いることなく、単に入力手段、例えばハンドル５１ を用いるだけで、位置決め用のクイックモーション（Ｓｃｈｎｅ　ｌ　ｌ　ｇａ ｎｇ）特性が比較的大きな調整距離にわたって効果的に得られる。

パルス繰返し周波数ｆ、かさらに高くなると、パルス中断がなくなり、直流電流 が生じ、第２ｃ図に示すように短い始動段階があった後に位置決めユニットが高 速で作動する。

第３ａ図も速度／パルス繰返し周波数特性曲線ｚ（ｆ、）を定性的に示したもの であり、この特性曲線も同様に、第２ａ図から第２ｃ図までを用いて説明した、 本発明にしたがって利用される作動態様にたいするものである。

領域ａ　（第２ａ図に対応しており、パルス繰返し周波数ｆ、は低い）では、平 均速度ンは小さなファクタｍでパルス繰返し周波数ｆ、に比例している。

従ってこの領域ａでは、ハンドル５１または給電装置４の他の制御手段を介して 非常に微細に位置決めを行なうことができる。

ハンドル５１の回転速度があまり高くなく、従ってパルス繰返し周波数ｆ、があ まり高くなければ、特性曲線が急激に上昇している領域ｂ　（第２ｂ図に対応） に入り、よって位置制御の“クイックモーション７に入る。

ハンドル５１が完全に速く回転し、従ってパルス繰返し周波数ｆ２が高ければ、 領域Ｃに示すように、第２ｃ図のような直流作動での最大速度が達成される。

一つの実施例では、ベル形固定直流モータ、Ｆａｕｌｂａｂｅｒ　Ｔｙｐ　３５ ５７　Ｃ０１２は、振幅が１．５Ａの電流パルスで１ｍｓ期間以下だけ付勢され 、２５０：１の市販の歯車減速装置２と、通常のビニオン・ランク装置２１を介 して顕微鏡３の試料テーブル３１の高さ調整に作用する。従って領域ａにおいて ０．１μｍの最小ストロークが得られ、領域すの上部部分において走行速度８　 ｍ　ｍ　／　ｓが得られる。

第３ｂ図は、簡単に測定可能なモータ回転数を決定する速度／パルス繰返し周波 数ｆ、の測定曲線を示すものである。パルス繰返し周波数ｆ、が８０　Ｈｚより も低い領域ａでは、比例ファクタｍ、は１００　Ｈｚあたり１分間２４回転に等 しい。各パルスにより０．４回転が生じる。

領域すにおいてパルス繰返し周波数ｆＰがより高くなると、モータ回転数はより 強く上昇し、ｆ　ｐ　＝１００Ｈｚ以上では、再び比例ファクタｍ、に比例して １００Ｈｚあたり１分間２００回転に等しくなり、即ち８倍に上昇する。

特性曲線における屈曲部の位置は構造的に影響を与えることができ、モータ／伝 動装置ユニット１，２を介して影響を与えることができ、作動中も、給電装置４ の電流パルスの振幅及び継続時間を調整することによりｖＲｌＩすることができ る。これにより、特性曲線の傾斜度をすべての領域において同時に変化させるこ とができる。

このことは、例えば顕微鏡においては、制御特性を種々の対物レンズの焦点深度 に適合させるために利用することができる。

同様の適合は、例えば周波数分割器を用いて比例ファクタを給電装置４のパルス 繰返し周波数ｆ、と操作要素５１の角速度の間に設定可能であるようにすれば達 成される。

線形的な位置決め用の駆動に必要な前進及び後退運動は、直流モータ１の特性を 利用して転極により達成される。このため給電装置２には、通常の転極装置が組 み込まれている。この転極装置は、角度ステップジェネレータ５に公知の態様で 組み込まれている回転方向検知センサによって制御することができる。

本発明による装置において、走行経路に沿ってポテンショメータ６を配置して、 このポテンショメータ６の電圧特性を走行経路に比例するように下げる（ａｂｇ ｒｅ：ｆｅｎ）ことができるようにすれば、任意に選定可能な位置に再生可能に 位置決めするための簡潔で安価な装置が得られる。

比較回路７はメモリを有している。このメモリには、上記電圧特性の値が記憶さ れる。例えば顕微鏡３の試料テーブル３１は、試料にたいして種々の処理を行な うため、対物レンズから離れるように降下させることができる。本来の位置に戻 す場合には、比較回路７が、実際の電圧特性と記憶された値との差に比例するよ うな周波数を持ったパルス信号を形成させる。このパルス信号は、給電装置４を 制御する。

本発明による位置制御装置により、試料テーブルを選定した位置の近くまで迅速 に走行させることができ、その後正確な位置へゆっくりと且つ確実に接近させる ことができる。

この場合ポテンショメータ６の線形性、電圧の安定性、伝動装置２，２１及び直 流モータ１のスリップ及びヒステリシスに関して特別な条件は課せられない。ポ テンショメータ６と比較回路７とは、試料テーブル３１の走行経路を制限するた めのエンドスイッチの機能をも持つことができる。

フォーカスディテクタを備えた顕微鏡の場合には、フォーカスディテクタがら焦 点ずれに対応する周波数信号を導出させることができ、その結果本発明による位 置制御装置を用いてオートフォーカスシステムを生じさせることができる。

Ｒｇ、３ａ 要約書 直流モータ（１）と、対象物（３１）の回転運動を線形運動へ変換するための伝 動装置（２，２１＞と、パルス周波数及びＳ幅及びパルス継続時間の電流パルス 用の給電装置（４）と、転極装置と、角度ステンブジェネレータ（５）及び回転 方向検知センサに接続されている回転可能な操作要素（５１）とを有する。角度 ステンブジエネレータ（５）により給電装置（４）のパルス周波数を決定し、且 つ回転方向検知センサにより転極装置の極性を決定する。パルス周波数に依存す る対象物（３１）の運動速度を表す屈曲した特性曲線は、小さなパルス周波数に たいしては、前記運動速度がゆっくりと比例的に増大するように変化し、パルス 周波数の閾値の領域からは、前記運動速度がより強く増大するように変化する。

顕微鏡のフォーカシング駆動に適用される（第１図）。

国際調査報告

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．直流モータ（１）と、減速装置（２）と、電流パルス用の給電装置（４）と を備えた位置制御装置において、 パルス繰返し周波数（ｆｐ）が調整可能であり、直流モータ（１）と減速装置（ ２）とが制動作用を有し、小さなパルス繰返し周波数（ｆｐ）にたいしては、次 の電流パルスが来る前に位置決め駆動を各電流パルスに応じて制動して停止させ ることにより、減速装置出力側における平均速度（■）が小さな比例ファクタで パルス繰返し周波数（ｆｐ）に比例するようにすること、 間値を越えるパルス繰返し周波数（ｆｐ）にたいしては、位置決め駆動を二つの 電流パルスの間で完全に制動させないようにすることにより、減速装置出力側で の平均速度（を）がパルス繰返し周波数（ｆｐ）とともに強く増大するようにし たこと、を特徴とする位置制御装置。
2. ２．給電装置（４）のパルス繰返し周波数（ｆｐ）が、回転可能な操作要素（５ １）に連結されている角度ステップジェネレータ（５）によって制御されること 、パルス繰返し周波数（ｆｐ）が操作要素（５１）の角速度に比例していること を特徴とする、請求項１に記載の位置制御装置。
3. ３．直流モータ（１）の回転方向を、給電装置（４）の電流パルスを転極させる ことにより可変であることを特徴とする、請求項１または２に記載の位置制御装 置。
4. ４．給電装置（４）の極性が操作要素（５１）の回転方向によって決定されるこ とを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１つに記載の位置制御装置。
5. ５．直流モータ（１）と、対象物（３１）の回転運動を線形運動へ変換するため の伝動装置（２，２１）と、パルス周波数及び振幅及びパルス継続時間の電流パ ルス用の給電装置（４）と、転極装置と、角度ステップジェネレータ（５）及び 回転方向検知センサに接続されている回転可能な操作要素（５１）とを有し、角 度ステップジェネレータ（５）により給電装置（４）のパルス周波数が決定され 、且つ回転方向検知センサにより転極装置の極性が決定され、パルス周波数に依 存する対象物（３１）の運動速度を表す屈曲した特性曲線が、小さなパルス周波 数にたいしては、前記運動速度がゆっくりと比例的に増大するように変化し、パ ルス周波数の閾値の領域からは、前記運動速度がより強く増大するように変化す ることを特徴とする、対象物を線形移動させるための位置制御装置。
6. ６．大きなパルス周波数にたいしては、電流パルスを一定の直流電流に重畳させ ることにより、パルス繰返し周波数（ｆｐ）を増大させ且つ対象物（３１）の平 均速度（■）を一定に維持させるようにしたことを特徴とする、請求項１から５ までのいずれか１つに記載の位置制御装置。
7. ７．給電装置（４）が矩形電流パルスを生じさせ、該矩形電流パルスを丸くさせ るためのコンデンサが設けられていることを特徴とする、請求項１から６までの いずれか１つに記載の位置制御装置。
8. ８．給電装置（４）が、直流モータ（１）と伝動装置（２）との付着摩擦を克服 するために必要な電流を十分に越えるような振幅を持った電流パルスを生じさせ ることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１つに記載の位置制御装置 。
9. ９．給電装置（４）の電流パルスの振幅及び／または時間を調整可能であること を特徴とする、請求項１から８までのいずれか１つに記載の位置制御装置。
10. １０．給電装置（４）のパルス周波数（ｆｐ）と操作要素（５１）の角速度の間 の比例ファクタを調整可能であることを特徴とする、請求項２から９までのいず れか１つに記載の位置制御装置。
11. １１．伝動装置（２，２１）が線形運動を生じさせること、個々の電流パルスが １μｍよりも小さな運動ステップを生じさせ、大きなパルス繰返し周波数にたい しては、速度が１ｍｍ／ｓの値を越えることを特徴とする、請求項１から１０ま でのいずれか１つに記載の位置制御装置。
12. １２．一定の位置で再生可能な位置決めを行なうため、位置検出器と閾値スイッ チとを組み合わせたことを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１つに 記載の位置制御装置。
13. １３．顕微鏡（３）の試料テーブル（３１）のフォーカシング駆動装置として、 または試料テーブル（３１）の駆動装置として構成されていることを特徴とする 、請求項１から１２までのいずれか１つに記載の位置制御装置。
14. １４．オートフォーカス調整回路内にアクチュエータとして使用することを特徴 とする、請求項１３に記載の位置制御装置。