JPH11316608A

JPH11316608A - リニアボイスコイルアクチュエータのプローブの制御方法およびそのコントローラ

Info

Publication number: JPH11316608A
Application number: JP10346196A
Authority: JP
Inventors: Edward A Neff; エー．ネフエドワード; Michael S Sheaffer; エス．シーファーマイケル; Michael A Ferris; エー．フェリスマイケル; David Huang; ハンデビッド; Steve Haidos; ハイドススティーブ; Kieran Boyle; ボイルキーラン; Dennis Stom; ストンデニス
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1998-12-04
Publication date: 1999-11-16
Also published as: DE69824532T2; US6016039A; EP0921456A2; EP0921456B1; EP0921456A3; DE69824532D1

Abstract

(57)【要約】【解決手段】プローブの直線位置および角位置に加え、
プローブの軸方向力および回転力を監視するためにアク
チュエータプローブと接続されたセンサを含むボイスコ
イルアクチュエータ用コントローラ。プローブは、所定
の命令によって、静的動作または動的動作のどちらかに
ついて、開ループ方式または閉ループフィードバック制
御方式のいずれかで制御できる。静的動作の場合、プロ
ーブの軸方向の力および回転力は、プローブに対しまた
はプローブによって付与される力の設定値を基準とする
ことによって制御できる。動的動作の場合、プローブの
軸方向の力および回転力に加え、プローブの軸方向運動
および角方向運動も制御できる。閉ループ制御方式で
は、直線位置、角位置、線速度、角速度、線加速度およ
び角加速度が制御に使用できる。コントローラは、動作
中、直線および回転の力や運動が要求される広範、且
つ、多様な作業を遂行する上で有効なプローブの直線お
よび回転の運動および力を選択的に確定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サーボ制御システ
ムおよびサーボ作動コントローラプロセスに関し、より
詳細には、並進運動および回転運動の両者におけるプロ
ーブの位置、移動および力の適用を制御するためにボイ
スコイルアクチュエータの作業プローブと選択的に係合
することができるコントローラシステムのプロセスに関
する。本発明は、特に、再プログラムされた時間順序に
従ってプローブルーチンを実行するボイスコイルアクチ
ュエータのためのコンピュータを用いたコントローラと
して有用であるが、これに限定されるものではない。

【０００２】

【従来の技術】ワークに対して所定の位置または場所で
特定の力を付与することが望まれ、または要求される多
数の作業が想定される。作業を適切に遂行するに際し、
力が所定の大きさを有し、特定の方向に対し所定の間用
いられることは、極めて重要である。極めて特殊な力を
用いる際に精密さが要求されるような作業の場合、また
は、異なる方向の可変の力を組み合わせて用いる場合に
おいて、力が適正に制御されることは特に重要である。

【０００３】近年、極めて小さな力が用いられ、かつ、
許容誤差が極めて小さいことが要求される多様な用途に
おける精密な作業にボイスコイルアクチュエータを使用
できることが広く認められるようになっている。例え
ば、そのようなボイスコイルアクチュエータは、ネフ
エトアル（Neff et al. ）に特許され、その権利が本
発明と同一の譲受人に譲渡された、「ワーク搬送装置」
（“Workpiece Transporter"）と題する米国特許第５，
１７５，４５６号に開示され、特許請求されている。さ
らに、並進ｚ、回転θおよび平面並進ｘ−ｙならびにそ
れらの動きを各種組み合わせて作業プローブを移動させ
る際に、ボイスコイルアクチュエータが非常に適してい
ることが知られている。例えば、ネフエトアル（Ne
ff et al.）により１９９６年３月２２日付で出願さ
れ、本発明と同一の譲受人に特許を受ける権利が譲渡さ
れた、「並進および回転動作のためのアクチュエータ」
（“Actuator for Translational and Rotary Movemen
t" ）と題する発明の米国特許出願第０８／６２０，５
０４号に対しては、特許査定通知が発せられている。

【０００４】多くの独立、且つ、異なる作業が作業プロ
ーブ、特に並進および回転において極めて高い精密性を
有して可動するものによって遂行できることを考慮すれ
ば、問題は制御ということになる。何らかの特定の用途
において作業プローブを制御するには、まず、作業プロ
ーブを開始位置に正しく配置させることが有効である。
ボイスコイルアクチュエータの作業プローブの場合、こ
の開始位置は、軸方向位置ｚおよび角度配向θによって
規定されるであろう。この開始位置から、プローブの
力、位置および運動が、実行されるその特定の作業によ
って決定される。プローブが、ワークに対して、測定、
試験、移動、変更、調整、確認またはこれらの機能のい
ずれかの組み合わせの実行に必要であるか否かにかかわ
らず、高度な制御が求められることが認められる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のことから、本発
明の目的は、各種制御軸に関して事前にプログラムされ
た順序に従って並進および回転の組み合わせでアクチュ
エータのプローブを精密に移動させるボイスコイルアク
チュエータのコンピュータ／コントローラによるプロセ
スおよびその使用方法を提供することにある。

【０００６】本発明の他の目的は、並進および回転の際
にアクチュエータのプローブを選択的に移動させ、作業
の要求条件に従って、ワークに線形力または回転力を選
択的に付与するボイスコイルアクチュエータのコンピュ
ータ／コントローラによるプロセスおよびその使用方法
を提供することにある。

【０００７】本発明の別の目的は、オペレータが特定の
作業を遂行するためにプログラムでき、その後、追加の
作業を完遂するために再プログラムできるボイスコイル
アクチュエータのコンピュータ／コントローラによるプ
ロセスおよびその使用方法を提供することにある。

【０００８】本発明のまた他の目的は、比較的容易に製
造でき、使用が簡単であり、かつ、相対的にコスト効率
の優れたボイスコイルアクチュエータのためのコンピュ
ータ／コントローラを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、ボイス
コイルアクチュエータのコンピュータ／コントローラプ
ロセスは、選択的に動作可能な開ループおよび／または
閉ループフィードバック制御を含む。より詳細には、ボ
イスコイルアクチュエータがｘ−ｙ平面で適切に配置さ
れると、ボイスコイルアクチュエータは軸方向の並進
（ｚ）および軸方向の回転（θ）の双方において選択的
に可動なプローブを有する。これらの個々の移動は、各
々付与された独立した静的および／または動的な制御力
（ＦｚおよびＦθ）に応答して行われる。動的条件で
は、コンピュータ／コントローラは、プローブの運動ｚ
およびθに加え、それらの運動を生じさせる力Ｆｚｄお
よびＦθｄを個別に監視し制御する。静的条件では、コ
ンピュータ／コントローラは、ワークへの適正な作用力
を確立するために力ＦｚｓおよびＦθｓを制御する。常
時、所定のデータに関するｚおよびθでのプローブの正
確な位置がわかる。

【００１０】ｚおよびθでのプローブの正確な位置を監
視するために、コンピュータ／コントローラは、各自の
データに合わせてキャリブレーションされるｚエンコー
ダおよびθエンコーダと接続されている。これらのエン
コーダは、動作中にプローブの並進位置（ｚ）および回
転位置（θ）を監視する。さらに、プローブの移動中
は、プローブの線速度ならびに角速度および加速度がコ
ンピュータ／コントローラによって計算され、プローブ
の制御に使用される。これらの計算を行うために、プロ
ーブの並進位置の変化の時間割合をコンピュータ／コン
トローラにより計算し、プローブの実際の線速度（ｄｚ
／ｄｔ＝ｖ）を求める。さらに、プローブの線速度の変
化の時間割合を計算し、プローブの線加速度（ｄｖ／ｄ
ｔ＝ａ）を求めることができる。同様に、プローブの回
転位置の変化の時間割合をコンピュータ／コントローラ
によって計算し、プローブの実際の回転速度（ｄθ／ｄ
ｔ＝ω）を求めることができ、速度の変化の時間割合を
計算してプローブの角加速度（ｄω／ｄｔ＝α）を求め
ることができる。これらの実測値は、ｖ、ａ、ωおよび
αの事前にプログラムされた所定の値と個々に比較さ
れ、プローブの適正な運動に必要な力（ＦｚｄおよびＦ
θｄ）を制御するために有効なフィードバック信号を生
成する。

【００１１】上記のｚ／θエンコーダに加えて、コンピ
ュータ／コントローラは、通常プローブ自体に取り付け
られるロードセルおよびトルク計とも接続することがで
きる。ロードセルおよびトルク計は、プローブへの反力
の大きさを測定するためにキャリブレーションされてい
る。詳細には、ロードセルは、プローブへの軸方向の反
力（Ｆｚｓ）を測定するために使用され、一方、トルク
計はプローブへのねじり反力または回転反力（Ｆθｓ）
を測定するために使用される。これらの反力Ｆｚｓおよ
びＦθｓは、コンピュータ／コントローラによって監視
され、コンピュータに事前にプログラムされた命令に従
って変更することができる。この結果、静的および動的
両方の条件のもとで、力ＦｚおよびＦθは、プローブお
よび／またはワークに所定の力を打ち消す、または加え
るように調整することができる。

【００１２】本発明のコンピュータ／コントローラの動
作において、実行される各々の特定の作業または機能に
対し、プローブの開始点が確定される。すべての場合、
各個別の作業または動作の開始点で、初期位置（ｚおよ
びθ）および初期力（ＦｚおよびＦθ）が確定される。
プローブの動的動作の場合、軸方向の力Ｆｚｄは、事前
にプログラムされた命令に従ってプローブを軸方向に動
かすように付与される。上述の通り、これは、開ループ
動作または閉ループフィードバック制御動作とすること
ができる。閉ループ方式では、プローブの位置（ｚ）、
速度（ｖ）および／または加速度（ａ）の誤差信号がプ
ローブの軸方向の運動に関するＦｚｄを制御するために
使用できる。同様に、動的動作において、回転力Ｆθｄ
は、事前にプログラムされた命令に従ってプローブを回
転させるように付与される。やはりプローブの並進運動
と同様に、プローブの角度方向または回転運動の制御は
開ループまたは閉ループ動作のいずれでも可能である。
閉ループ方式を使用する場合、プローブの位置（θ）、
速度（ω）および／または加速度（α）の誤差信号がプ
ローブの回転運動を制御するために使用できる。

【００１３】本発明が意図するところによれば、複数の
異なる、または反復的な作業もしくは機能を、特定の順
序で実行することができる。さらに、特定のプログラム
またはルーチンにおいて、複数の順序を組み合わせ、協
調させて一緒に使用することもできる。コンピュータ／
コントローラの動作中に制御される変数が、個別にでも
一緒にでも制御できることは重要な点である。換言すれ
ば、どの特定のタスク、ファンクションまたはルーチン
においても、一部の可変制御が使用されず、さらに分離
されることがある。

【００１４】上述の通り、軸方向および／または回転運
動が関与する、または、並進運動の力および／または回
転力が要求される多種多様な作業を、ボイスコイルアク
チュエータのプローブによって行うことができる。実行
するその作業または動作に応じて、それらの運動および
力の多様な組み合わせが使用できる。概略的には、プロ
ーブに作用する力は、プローブを動かすため、または、
プローブによってワークに対して作用を生じさせるため
のいずれであってもよい。さらに、プローブの移動は、
後にプローブがワークに作業できるようにプローブを事
前に位置決めするため、または、プローブのデータに対
してワークの位置を測定または決定するためのいずれか
とすることができる。また、ワークに接触する場合、プ
ローブによりワークに加えられる付加的な力は、ワーク
を把持し移動させるため、または、ワークを何らかの方
法で再構成するためのものとすることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明において新規性を有する特
徴および本発明自体は、添付の図面を与えられた説明と
ともに考察することにより、その構造および動作に関
し、最良に理解されるであろう。図面において、同一の
参照番号は同一の部分を示している。

【００１６】初めに、図１を参照すれば、ボイスコイル
アクチュエータを制御するためのシステムの動作構成要
素が集合的に示されており、全体として１０で指示され
ている。図示の通り、システム１０は、後述する作業お
よび機能を完遂するために十分なデータを扱うことがで
きる当業界で公知のいずれの形式のものとしてよいコン
ピュータ／コントローラ１２を含む。また、システム１
０にはボイスコイルアクチュエータの一部であるロッド
またはプローブ１４も含まれる。さらに、プローブ１４
は、ワーク（図示せず）との係合のためにプローブ１４
の末端部に選択的に取り付けることができるグリッパ１
６を有する。本発明が意図するところによれば、グリッ
パ１６は多様な機器構成をとることができ、その各々は
システム１０により実行される特定のタスクによって異
なる。例えば、グリッパ１６は、ワークを把持してある
場所から別の場所へ移動させるために、ワークを機械的
または磁気的に係合するものとしてもよい。また、グリ
ッパ１６は、同じ目的でワークを係合するために吸引力
を使用したり、接着力を使用するものであってもよい。
さらに、グリッパは、ワークを実際に係合しなくてもよ
く、ワークを正確に位置決めするためにワークに単に接
触させるだけでもよい。一方、グリッパ１６は、ワーク
への加工を行うためにプローブにより移動できるように
取り付けられたカッタやポリッシャ等の工具であっても
よい。要するに、本発明は、各々がいずれか一つ以上の
多様な作業を実行するために個別に設計、且つ、構成さ
れた複数の異なる形式のグリッパ１６の使用を想定して
いる。

【００１７】ボイスコイルアクチュエータの典型的な機
器構成に従えば、本発明のシステム１０は、電気コイル
２０と相互作用する磁石１８を有する。好ましくは、磁
石１８は永久磁石であるが、電磁石または超伝導磁石を
使用してもよい。特に、図１に示した構成では、磁石１
８は、プローブ１４とともに動くようにプローブ１４に
固定されている永久磁石（すなわち、可動磁石）であ
る。この場合、コイル２０は基礎部材（図示せず）に固
定して取り付けられる必要がある。しかし、磁石１８お
よびコイル２０の位置が容易に反転できることは理解さ
れよう。すなわち、コイル２０をプローブ１４とともに
移動するようにプローブ１４に何らかの方法により取り
付け、磁石１８を基礎部材に固定して取り付けることが
できる。さらに、複数の磁石１８または複数のコイル２
０を使用できることも理解されよう。

【００１８】磁石１８およびコイル２０に関するすべて
の可能な機器構成において、磁石１８の磁界はコイル２
０の電界と相互作用するように特定的に配置される。こ
の相互作用によって、プローブ１４を動かすように作用
する力が磁石１８とコイル２０との間に発生し得る。詳
細には、コンピュータ１２は、線２２によってコイル２
０に制御された電流を供給する電圧源と動作可能に接続
されている。コイル２０を流れる電流の量およびその電
流がコイル２０を流れる方向に応じて、磁石１８とコイ
ル２０との間の相互作用の力の方向および大きさを制御
することができることは、当業者が周知の通りである。

【００１９】図１はまた、１組の回転軸受２４および２
６がプローブ１４に付属しており、これらの軸受２４お
よび２６はそれぞれ、ガイド３２に滑動可能に装着され
ているロッド２８および３０に取り付けられていること
を示している。より詳細には、軸受２４および２６はプ
ローブ１４に対して軸方向に動かない形式のものであ
る。しかし、軸受２４および２６は、プローブ１４のそ
の長手方向の軸を中心とする回転を許容する。従って、
軸受２４および２６ならびにロッド２８および３０の相
互作用により、プローブ１４の動きが限定される。詳細
には、プローブ１４は、並進運動では、矢印３４によっ
て示す通り、ガイド３２に平行な前後方向の実質的に直
線運動に制限される。また、プローブ１４の回転運動
は、矢印３６によって示す通りその長手方向の軸を中心
とした時計回りまたは反時計回りでの回転に制限され
る。摩擦がプローブ１４での力のしきい値となるため、
軸受２４および２６は最小限の摩擦力を有することが望
ましい。空気軸受を使用してもよい。

【００２０】上述の通り、プローブ１４の並進運動は、
矢印３４の方向に行われ、磁石１８とコイル２０との間
に発生する相互作用の力による。他方、プローブ１４の
回転運動は、矢印３６の方向でプローブ１４の軸を中心
として行われ、回転モータ３８の動作によるものであ
る。本発明の目的では、回転モータ３８は、従来のブラ
シ付き直流モータまたは、電流に比例するトルクを発生
する、当業界で公知のいずれかの同様の形式のモータと
することができる。好ましくは、回転モータ３８は、プ
ローブ１４に取り付けられ、プローブ１４とともに並進
運動をする、直結駆動式のものである。回転モータ３８
の付勢は、線４０によりコンピュータ／コントローラ１
２から回転モータ３８へ送られる電気信号（電流）によ
って行われる。

【００２１】プローブ１４の並進運動および回転運動の
制御は、システム１０において数個のセンサを使用する
ことによって可能である。詳細に言えば、これらのセン
サは、線４４によってコンピュータ１２と接続されてい
るｚエンコーダ４２および線４８によってコンピュータ
１２と接続されているθエンコーダ４６を含む。本発明
の目的では、ｚエンコーダは、好ましくは、高分解能直
線エンコーダであり、当業界で公知のいずれかの形式の
接触型または非接触型の直線エンコーダとすることがで
きる。同様に、θエンコーダ４６も当業界で公知のいず
れかの形式のものとすることができる。図１に示す通
り、ｚエンコーダ４２は矢印３４の方向でのプローブ１
４の並進運動を検出するように配置されており、θエン
コーダ４６は矢印３６の方向でのプローブ１４の回転運
動を検出するように配置されている。当業者には理解が
可能であるが、ｚエンコーダ４２およびθエンコーダ４
６を両方同時に使用することにより、プローブ１４の正
確な位置を求めるために十分な情報が得られる。また、
各位置を比較することによって、並進および回転におけ
るプローブ１４の移動距離を求めることができる。しか
し、プローブ１４の動的運動制御には、それ以上のこと
が必要とされる。詳細に言えば、プローブ１４の動的制
御を行うには、線速度および回転速度の他、線加速度お
よび回転加速度も必要であろう。

【００２２】動的および静的条件でのプローブ１４の開
ループ制御はいくぶんわかりやすい。初めに、ｘ−ｙ平
面での正しい位置が確定されることが認められる。次
に、動的条件の場合、ｚ方向での変化がプローブ１４に
要求される際には、コンピュータ１２により、適切な時
間だけ適量の電流をコイル２０に単に通電させ付勢すれ
ばよい。同様に、角方向θでの変化が望まれる場合に
は、回転モータ３８を適切に付勢することができる。当
然ながら、ｚおよびθの動きを組み合わせることもでき
る。これらの動きの精度は、ｚエンコーダ４２およびθ
エンコーダ４６を照合して確認できる。必要に応じて、
引き続き、適切な変化をさせることができる。静的条件
のもとでは、すなわち、プローブ１４がｘ−ｙ−ｚ−θ
に関して正しく位置決めされると、適切な軸方向の力Ｆ
ｚｓまたは回転力Ｆθｓをプローブ１４に付与すること
ができる。これらの力の精度は、それぞれロードセル５
０またはトルク計５４を監視することによって確認でき
る。

【００２３】プローブ１４の開ループ制御に加え、本発
明のシステム１０では、各種の閉ループフィードバック
制御も行うことができる。図２より、ａ）プローブ１４
の線軸方向位置（ｚ）、ｂ）プローブ１４の角位置
（θ）、ｃ）ｚ方向でプローブ１４に適用される軸方向
の力（Ｆｚ）、および、ｄ）長手方向の軸を中心として
プローブ１４に適用される回転力（Ｆθ）に関する閉ル
ープフィードバック制御を、本発明は想定していること
が諒解されよう。図２に示す通り、これらの変数の各々
は、動的単位Ｇおよびフィードバック要素Ｈのそれぞれ
を含む。当業者には理解が可能であるが、動的単位Ｇお
よびフィードバック要素Ｈは、特定の各作業における要
求条件を満たすように設計される。さらに、必要に応じ
て、線速度および角速度（ｘ，ω）ならびに線加速度お
よび角加速度（ａ，α）のためのフィードバック制御も
使用できる。各フィードバック制御ループが選択的に使
用可能なことも留意しなければならない。言い換えれ
ば、特定のフィードバック制御ループは使用しなくても
よい。例えば、プローブ１４の直線並進運動のみが必要
であれば、プローブ１４の角運動に関するフィードバッ
ク制御ループ（すなわち、θ、ω、α、ＦθｓおよびＦ
θｄ）は使用しなくてよい。他方、並進運動ではなく、
角運動だけが要求されることもある。その場合、プロー
ブ１４の並進運動に関するフィードバック制御ループ
（すなわち、ｚ、ｖ、ａ、ＦｚｓおよびＦθｄ）は使用
する必要がない。

【００２４】図３において、ブロック５６は、プローブ
１４の並進運動および回転運動に関わる運動変数の時間
順序および事前にプログラムされた基準値を含むルーチ
ンが備わっていることを示す。典型的には、これらの基
準値はコンピュータ／コントローラ１２にプログラムさ
れる。上述した内容に従って、ｚエンコーダ４２、θエ
ンコーダ４６、ロードセル５０およびトルク計５４はす
べて、ブロック５８に示されたｚ、θ、ＦｚおよびＦθ
の実測値をそれぞれ監視および取得するために、プロー
ブ１４と接続されている。これらの測定値により、コン
ピュータ／コントローラ１２はその後、軸方向および半
径方向にプローブ１４に作用する静的力および動的力を
制御することができる。

【００２５】長手軸に沿った方向でのプローブ１４の直
線並進運動の場合、すなわち、プローブ１４の軸方向の
力の行使の場合、図３のブロック６０は、軸方向の力Ｆ
ｚが生成されることを示している。上述の通り、動的条
件では、プローブ１４の位置（ｚ）の変化、その速度
（ｖ）および／またはその加速度（ａ）は、個別にまた
は集合的に監視することができる。決定用ブロック６２
および６４で示したように、プローブ１４に作用する動
的力（Ｆｚｄ）は適切に変更することができる。他方、
プローブ１４の位置（ｚ）の変化がない、従って速度あ
るいは加速度も存在しない、静的条件では、静的力Ｆｚ
ｓを加えることができる。この場合、ブロック６６は力
Ｆｚｓがある大きさでなければならないことを示してい
る。静的または動的な条件のどちらかの場合、ブロック
６８は、位置ｚ（さらに、関係する変数ｖおよびａ）に
加え、軸方向力Ｆｚの大きさ（すなわち、Ｆｚｓまたは
Ｆｚｄ）が、ブロック５６のその事前にプログラムされ
た特定のルーチンに適合しなければならないことを示し
ている。

【００２６】ｚ方向のプローブ１４の直線並進運動を含
む制御プロセスの好適な実施の態様においては、力の変
数の開ループ制御、および力の大きさの維持または位置
の安定性による閉ループ制御のためのルーチンが含まれ
る。開ループの力の変化の例として、力Ｆｚが時間の経
過に伴い増加または減少する用例を検討する。そのため
に、特定の作業を遂行するために事前にプログラムされ
た時間順序に従って静的力Ｆｚｓが変化することを要求
するルーチン（図３のブロック５６）がコンピュータ１
２にプログラムされる。プローブ１４がワーク（図示せ
ず）に対して位置決めされた後、事前にプログラムされ
た大きさ（magnitude)がロードセル５０により示される
まで、静的力Ｆｚｓがプローブ１４に付与される。その
後、Ｆｚは時間の経過に伴い増分的に変化しうる。この
場合、プローブ１４の実際の位置ｚは重要とされない。
他方、同じく例として、作業の実行中にワークに対して
一定の力を付与することが維持されなければならない場
合には、力Ｆｚの付与の際のワークの位置および動きが
重要となるであろう。この場合、ロードセル５０により
検出されるＦｚのいかなる変化、または、ｚエンコーダ
４２によって検出されるワークおよびプローブ１４のい
かなる動きも考慮されなければならず、位置ｚまたはプ
ローブ１４に付与される力Ｆｚのいずれかに適切な変更
を加えなくてはならない。閉ループ方式での位置制御の
場合、プローブ１４の位置のいかなる変化も、ｚエンコ
ーダ４２により誤差信号（ｅｚ）として検出される。位
置を維持するために、フィードバック制御を使用して誤
差信号（ｅｚ）をゼロにすることができる。これは、図
２に示される通り、付与された力Ｆｚの適切な変更を行
うことによって実施できる。上述の状態はすべて、単に
例示にすぎないことを理解すべきである。コンピュータ
１２にプログラムされる実際のルーチン（ブロック５
６）は、オペレータによって決定することができる。

【００２７】長手方向の軸を中心とするプローブ１４の
角回転運動（θ）の場合、すなわち、プローブ１４への
回転力の行使の場合、図３のブロック７０は、角方向力
Ｆθが発生することを示している。動的条件では、上述
の通り、プローブ１４の角位置（θ）の変化、その角速
度（ω）および／またはその角加速度（α）は、個別に
または集合的に監視することができる。決定用ブロック
７２および７４で示した通り、プローブ１４に作用する
動的力（Ｆθｄ）は、適切に変更することができる。他
方、プローブ１４の位置（θ）にまったく変化がなく、
従って速度または加速度が存在しない静的条件の場合、
静的力Ｆθｓを加えることができる。静的または動的な
条件のどちらかの場合、ブロック６８は、ここにおいて
も、角位置θ（さらに、関係する変数ωおよびα）に加
え、回転力Ｆθの大きさ（すなわち、ＦθｓまたはＦθ
ｄ）が、ブロック５６のプログラムルーチンに適合しな
ければならないことを示している。

【００２８】θ方向のプローブ１４の回転運動を含む制
御プロセスの好適な実施の態様においては、上記のｚ方
向の場合の例と同様に、開ループの力の変化および閉ル
ープの力の大きさの維持のためのルーチンを含む。開ル
ープの力の変化の例として、力Ｆθが時間の経過に伴い
増加または減少する用例を検討する。そのために、事前
にプログラムされた時間順序に従って静的力Ｆθが変化
することを要求するルーチン（図３のブロック５６）が
コンピュータ１２にプログラムされ、特定の作業を遂行
する。プローブ１４がワーク（図示せず）に対して位置
決めされた後、事前にプログラムされた大きさがトルク
計５４により示されるまで、静的力Ｆθｓがプローブ１
４に付与される。その後、Ｆθは時間の経過に伴い増分
的に変化しうる。この場合、プローブ１４の実際の角位
置θは重要とされない。他方、同じく例として、作業の
実行中にワークに対して一定の力Ｆθを付与することが
維持されなければならない場合、力Ｆθの付与の際のワ
ークの位置および動きが重要となるであろう。この場
合、トルク計５４により検出されるＦθのいかなる変
化、またはθエンコーダ４６によって検出されるワーク
およびプローブ１４のいかなる動きも考慮されなければ
ならず、位置θ、またはプローブ１４に付与される力Ｆ
θのいずれかに適切な変更を加えなくてはならない。閉
ループ方式での位置制御の場合、プローブ１４の角位置
のいかなる変化も、θエンコーダ４６により誤差信号
（ｅθ）として検出される。位置を維持するために、フ
ィードバック制御は誤差信号（ｅθ）をゼロにするため
に使用することができる。これは、図２によって、ここ
でもまた、示される通り、付与された力Ｆθの適切な変
更を行うことによって実施できる。上述の状況はすべ
て、単に例示にすぎないことを理解すべきである。プロ
ーブ１４の直線制御についても上述した例と同様に、単
に例にすぎないことを理解すべきである。ここでもま
た、コンピュータ１２にプログラムされる実際のルーチ
ン（ブロック５６）は、オペレータによって決定するこ
とができる。

【００２９】図２において提案された閉ループ制御と併
せて、図３を、全体として考慮すれば、並進運動および
回転運動に加え、軸方向力および角方向力が、本発明の
方法によって制御可能であることが理解できよう。本発
明によれば、プローブ１４への力および運動の想定可能
な組み合わせが多数意図されている。

【００３０】ここで詳細に図示および開示したリニアボ
イスコイルアクチュエータの特定の制御プロセスは十分
に前述の目的を達成し、その効果を得ることが可能であ
るが、それは、本発明の現行における好適な実施の形態
を単に例示しているにすぎず、付随する特許請求の範囲
に記載されたもの以外に、ここで示した構成または設計
の詳細がいかなる制限も意図するものではないことを理
解すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】コンピュータ／コントローラとの適切な電気的
接続を有するボイスコイルアクチュエータの動作構成要
素の概略斜視図である。

【図２】ボイスコイルアクチュエータのプローブを制御
するために使用される閉ループフィードバック制御シス
テムのブロック図である。

【図３】ボイスコイルアクチュエータ用のコンピュータ
／コントローラの制御動作の論理ブロック図である。

【符号の説明】

１０システム１２コンピュータ１４プローブ１６グリッパ１８磁石２０コイル２２線２４、２６回転軸受２８、３０ロッド３２ガイド３４、３６矢印３８回転モータ４０線４２ｚエンコーダ４４線４６ θエンコーダ４８線５０ロードセル５２線５４トルク計５６、５８、６０ブロック６２、６４、６６決
定用ブロック６８、７０ブロック７２、７４決定用ブ
ロック

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者エドワードエー．ネフアメリカ合衆国、カリフォルニア州 92067、ランチョサンタフェ、エルカミノリアル 16535 (72)発明者マイケルエス．シーファーアメリカ合衆国、カリフォルニア州 92029、エスコンディード、バジャーグレン 2046 (72)発明者マイケルエー．フェリスアメリカ合衆国、カリフォルニア州 92083、ビスタ、ブラックホークサークル 746 (72)発明者デビッドハンアメリカ合衆国、カリフォルニア州 92009、カールスバッド、スコロレーン 2704 (72)発明者スティーブハイドスアメリカ合衆国、カリフォルニア州 92083、ビスタ、アスコットドライブ 633、アパートメント 140 (72)発明者キーランボイルアメリカ合衆国、カリフォルニア州 92122、サンディエゴ、ショアーラインドライブ 7130、ナンバー 1112 (72)発明者デニスストンアメリカ合衆国、カリフォルニア州 92075、ソラナビーチ、スティーブンスアベニュー 871、ナンバー 1306

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】事前にプログラムされた命令に従ってリニ
アボイスコイルアクチュエータのプローブの直線的およ
び角度的反応を制御する方法であって、前記方法が、前記プローブの実際の直線位置（ｚ）を決定する工程
と、直線誤差信号（ｅｚ）を生成するためにｚと事前にプロ
グラムされた命令とを比較する工程と、位置制御のためにプローブを並進移動させる際にｅｚに
応答して前記プローブに動的力（Ｆｚｄ）を行使する工
程と、ｅｚがゼロである場合は前記プローブに静的力（Ｆｚ
ｓ）を行使する工程と、前記プローブの実際の角位置（θ）を決定する工程と、角度誤差信号（ｅθ）を生成するためにθと事前にプロ
グラムされた命令とを比較する工程と、角度制御のために前記プローブを回転移動させる際にｅ
θに応答して前記プローブに角方向の動的力（Ｆθｄ）
を行使する工程と、ｅθがゼロである場合は前記プローブに角方向の静的力
（Ｆθｓ）を行使する工程と、を選択的に含むことを特徴とするリニアボイスコイルア
クチュエータのプローブの制御方法。
【請求項２】請求項１記載の方法において、前記プローブの線速度（ｖ）を計算する工程と、Ｆｚｄを精密にするためにｖと事前にプログラムされた
命令とを比較する工程と、をさらに含むことを特徴とするリニアボイスコイルアク
チュエータのプローブの制御方法。
【請求項３】請求項２記載の方法において、前記プローブの線加速度（ａ）を計算する工程と、Ｆｚｄを精密にするために前記加速度と事前にプログラ
ムされた命令とを比較する工程と、をさらに含むことを特徴とするリニアボイスコイルアク
チュエータのプローブの制御方法。
【請求項４】請求項１記載の方法において、前記プローブの角速度（ω）を計算する工程と、Ｆθｄを精密にするためにωと事前にプログラムされた
命令とを比較する工程と、をさらに含むことを特徴とするリニアボイスコイルアク
チュエータのプローブの制御方法。
【請求項５】請求項４記載の方法において、前記プローブの角加速度（α）を計算する工程と、Ｆθｄを精密にするためにαと事前にプログラムされた
命令とを比較する工程と、をさらに含むことを特徴とするリニアボイスコイルアク
チュエータのプローブの制御方法。
【請求項６】請求項１記載の方法において、Ｆｚｓがゼ
ロであることを特徴とするリニアボイスコイルアクチュ
エータのプローブの制御方法。
【請求項７】請求項１記載の方法において、Ｆｚｓが変
数であることを特徴とするリニアボイスコイルアクチュ
エータのプローブの制御方法。
【請求項８】請求項１記載の方法において、Ｆθｓがゼ
ロであることを特徴とするリニアボイスコイルアクチュ
エータのプローブの制御方法。
【請求項９】請求項１記載の方法において、Ｆθｓが変
数であることを特徴とするリニアボイスコイルアクチュ
エータのプローブの制御方法。
【請求項１０】請求項１記載の方法において、ｚおよび
θがプローブに取り付けられた各々のエンコーダによっ
て求められることを特徴とするリニアボイスコイルアク
チュエータのプローブの制御方法。
【請求項１１】請求項１記載の方法において、事前にプ
ログラムされた命令が、ｚ、θ、Ｆｚｄ、Ｆｚｓ、Ｆθ
ｄおよびＦθｓに関する一連の時間に従属する値を含む
ルーチンを規定していることを特徴とするリニアボイス
コイルアクチュエータのプローブの制御方法。
【請求項１２】請求項１１記載の方法において、ｚ、
θ、Ｆｚｄ、Ｆｚｓ、ＦθｄおよびＦθｓに関する時間
に従属する値の少なくとも１個がゼロであることを特徴
とするリニアボイスコイルアクチュエータのプローブの
制御方法。
【請求項１３】請求項１２記載の方法において、前記ル
ーチンが反復されることを特徴とするリニアボイスコイ
ルアクチュエータのプローブの制御方法。
【請求項１４】リニアボイスコイルアクチュエータのコ
ントローラであって、前記アクチュエータはプローブに
行使された制御力に応答して並進（ｚ）および回転
（θ）により可動なプローブを備えており、前記コント
ローラが、並進（ｚ）における前記プローブの位置を求めるために
前記プローブと接続された第１のエンコーダ手段と、回転（θ）における前記プローブの位置を求めるために
前記プローブと接続された第２のエンコーダ手段と、前記プローブに前記力（Ｆ）を行使するための電圧装置
手段と、前記プローブの実際のｚ、θおよびＦを監視するための
コンピュータ手段であり、前記コンピュータ手段はプローブルーチンを受信するた
めの入力を有しており、前記プローブルーチンはｚ、θ
およびＦに関する一連の所定の値を含むものである、前
記コンピュータ手段と、前記コンピュータ手段に備えられ、前記プローブの運動
を制御するために前記プローブルーチンのｚ、θおよび
Ｆに関する一連の所定の値と、前記実際のｚ、θおよび
Ｆとを比較するための比較器と、を含むことを特徴とするリニアボイスコイルアクチュエ
ータのコントローラ。
【請求項１５】請求項１４記載のコントローラにおい
て、前記制御力Ｆが、前記プローブを軸方向の並進により移動させるための直
線方向の動的成分（Ｆｚｄ）と、プローブを前記軸を中心とする回転により動作させるた
めの角方向の動的成分（Ｆθｄ）と、前記プローブに対する軸方向の力に反作用する直線方向
の静的成分（Ｆｚｓ）と、前記プローブに対する回転力に反作用する角方向の静的
成分（Ｆθｓ）と、を含むことを特徴とするリニアボイスコイルアクチュエ
ータのコントローラ。
【請求項１６】請求項１５記載のコントローラにおい
て、Ｆｚｓを測定するための前記プローブに取り付けら
れたロードセルをさらに含むことを特徴とするリニアボ
イスコイルアクチュエータのコントローラ。
【請求項１７】請求項１５記載のコントローラにおい
て、Ｆθｓを測定するためのプローブに取り付けられた
トルク計をさらに含むことを特徴とするリニアボイスコ
イルアクチュエータのコントローラ。
【請求項１８】請求項１５記載のコントローラにおい
て、前記コンピュータ手段内に、前記プローブの線速度
（ｖ）、線加速度（ａ）、角速度（ω）および角加速度
（α）を計算するための電子式計算装置をさらに含むこ
とを特徴とするリニアボイスコイルアクチュエータのコ
ントローラ。
【請求項１９】請求項１８記載のコントローラにおい
て、前記比較器がＦｚｄを制御するためにｚ、ｖおよび
ａの値を使用することを特徴とするリニアボイスコイル
アクチュエータのコントローラ。
【請求項２０】請求項１８記載のコントローラにおい
て、前記比較器がＦθｄを制御するためにθ、ωおよび
αの値を使用することを特徴とするリニアボイスコイル
アクチュエータのコントローラ。
【請求項２１】請求項１８記載のコントローラにおい
て、事前にプログラムされた命令が、ｚ、θ、Ｆｚｄ、
Ｆｚｓ、ＦθｄおよびＦθｓに関する一連の時間従属値
を含むルーチンを規定していることを特徴とするリニア
ボイスコイルアクチュエータのコントローラ。
【請求項２２】請求項２１記載のコントローラにおい
て、ｚ、θ、Ｆｚｄ、Ｆｚｓ、ＦθｄおよびＦθｓに関
する時間従属値の少なくとも１個がゼロであることを特
徴とするリニアボイスコイルアクチュエータのコントロ
ーラ。
【請求項２３】請求項２２記載のコントローラにおい
て、前記ルーチンが反復されることを特徴とするリニア
ボイスコイルアクチュエータのコントローラ。