JPS60134918A - 精密位置決め装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はロボットの端末エフェクタ（手）等に精密な位
置決め能力を与える電磁精密位置決め装置に関し、さら
に具体的には静止摩擦がなく精密な位置制御及び位置決
めフィードバックによって動作する電磁動力ＸーＹ位置
決め装置に関する。

〔従来技術〕

精密な位置決めが必要な事は多くの機械及び電子技術分
野でよく知られている。例えば公差のせよい機械工作を
行うためには工具が正確に位置決めされる必要がある。

この様な位置決めを達成するための種々の機構及びこの
様な機構の中から最適なものを選ぶ種々の技法が知られ
ている。

平面内で精密な位置決めを達成するのに良く知られた機
構はリニア・モータを使用して、装置を特定の位置迄駆
動して保持するものである。

ロボット端末効果エフェクタの走査面内で高精歳度運動
を与えるのに必要とされる事を解決する一つの方法は、
タンデムに機械的に接続された一対のリニア・アクチュ
エータを与え、Ｙアクチュエータを物理的にＸアクチュ
エータの端に運ぶ様にする事である。この方法の欠点は
Ｙ段とＸ段が機械的に直列になっていて、Ｙ段は実効荷
重を移動させる必要がある点にある。対象性が破られ、
きわどい応用ではＸ段及びＹ段の制御戦略は力学的特性
が異なると変更しなければならない。シータ運動（Ｘ及
びＹに直交する軸のまわりの回転）にはさらに他のタン
デム段を必要とする。

米国特許第３４５７４８２号の磁気位置決め装置では２
つの直交する軸の各々に沿う２つの平行な磁石の組を含
み、磁気コイルを選択的に付勢する組立体回路を有する
ヘッドを開示している。

米国特許第３７３５２３１号はヘッドをプラテンのまわ
りに移動させ、サーボ・ループによって位置の正確な制
御を与える直交リニア・モータ機構を開示している。

米国特許第３８６７６７６号は直列に相助関係に結合さ
れた特定の巻線の組を有する可変リラクタンス・リニア
・ステップ・モータを開示している。

米国特許第４２８６１９７号直交するリニア・モータを
有する２座標軸工具位置決め装置を開示している。

米国特許再発行特許第２７２８９号は２つのＵ字状鉄極
片を有する精密位決め装置を開示している。各極片は銅
線が巻かれていて、永久磁石によってバイアス磁場が与
えられている。コイル電流かはない場合には、磁束が２
つの極片を結合し、各極片の左及び右脚の間を対象に分
割し、二フ・ギャップと軟鉄アーマチュアを通して閉ル
ープ路が形成されている。極片中の誘導磁場がバイアス
磁場に加えられるが、減じられてアーマチュアへ位置決
めの原動力を与えている。この特許のモータは永久磁石
の磁束のステアリングに基づき非対象的に配列された一
対の磁石を使用して、単一ステップ内で限られた変位の
間で制限される２次元の線形運動を行う２次元線形位置
決め装置を開示している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来技術において、精密位置決め装置は端末エフエスタ
を望み通りに位置付けるのに必要とされる多次元運動を
行うのに平面滑行運動機構もしくは車付きキャリッジを
必要とする系統のものであった。この様な精密な位置決
め装置は多くのジイル及び関連磁石アーマチュアを必要
とするので重くなる傾向がある。この重さによって精密
位置決め装置は応答が緩慢になり、摩耗の問題を生じ、
しばしば注油調節、修理を要する。

リニア・モータ型の従来の精密位置決め装置ではアーマ
チュアの位置は電流の関数として推定されるが、アーマ
チュアの実際の位置は負荷が変動し、動力学的性質が変
化する時は正確に決定する事はできない。

特に機械工作の工具位置決めの場合には、摩擦滑行に関
連する摩耗及びすき間の問題を生ぜず、実際の位置フィ
ードバックを与える強固で耐用性の精密位置決め装置が
たえずめられている。

本発明の目的は平面滑行機構及び車伺きキャリッジに固
有の静止摩擦の問題粋にわずられされる事のないロボッ
トの端末エフェクタのための精密位置決め装置を与える
事にある。

本発明に従えば、製造及び保守が容易なロボットの精密
位置決め装置が与えられる。

本発明に従えば、精密位置決め装置に可変コンプライア
ンス機能を与える事ができる。コンプライアンス（運動
に対する抵抗）の変更は制御計算機及び印加される電気
信号を介して、オペレータの制御にゆだねられる。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明に従うＸ−Ｙ位置決め装置は２次元電磁アクチュ
エータを使用して２次元の精密運動を与える。Ｘ段（ス
テージ）及びＹ段は並゛列に動作し、対称性を保持し、
Ｘ段及びＹ段に対して同一の戦略が与えられるという利
点を有する。２次元アクチュエータは２つのＵ字状永久
磁石及び軟鉄アーマチュアを使用し、永久磁石の磁束の
方向転換に基づく線形ステップ・モータである。各磁石
は２つの軟鉄コイルが巻かれたＵ字状極片を有する。

アーマチュアはそれ自身の平面内でＸ及びＹ方向に自由
に運動できる様に搭載されている。ステータはアーマチ
ュアの平面に平行な基準面を有する。

アーマチュアは摩擦なくｘ−ｙ運動ができる様に懸垂さ
れていて、グリッパ、チャック、切削工具もしくは他の
端末エフェクタを支持する様になっている。可撓性ばる
及びばね支持体のバスケットもしくは箱によって懸垂さ
れているアーマチュアは所望のＸ−Ｙの座標に向ってそ
れ自身の平面内を自由に移動可能である。各磁石上の極
片は互に直交して搭載され、磁石の軸に４５°になって
いる。極片上のコイルに印加される制御電流が駆動力を
与えてアーマチュアを再位置付けする。一つの磁石でＸ
及びＹ方向のヵを与えるに十分であるが、２つの磁石の
使用によって回転運動を生じがちな力の不平衡が避けら
れる。サーボ・ループによってアーマチュアに印加され
る電磁力の差が所望のＸ−Ｙ座標からアーマチュアを移
動させようとする任意の力に対抗する。

本発明の特徴は、磁石上に直交して置かれる極片を使用
して、モータ・アーマチュアのための摩擦のない懸垂力
を使用して２次元位置決る装置を与え、静止摩擦を全く
なくする事にある。

本発明の他の特徴は、重要な可動部品に不当な荷重を加
える事のない非接触形２次元位置感知器を使用する事で
ある。

本発明の他の特徴は、ばねを物理的に取変えたり、もし
くは機械的調節を必要とする事なく、コンプライアンス
、即ち再位置付は力に対する抵抗が変化できる事にある
。

本発明の長所はサブミクロン（１ミクロン以下）の範囲
の精密さで工具の位置決めが可能な点にある。

本発明の他の利点は計算機の制御の下にコンプライアン
スを遠隔設定し、開ループもしくは閉ループ位置決めを
遠隔設定し１機械的な調節を行う事なく複雑な、位置に
関連するジンプライアンス及び減衰アルゴリズムを補償
する点にある。

寺Φ柑Φ 本発明の精密位置決め装置の可動部分であるアーマチュ
アは、可撓性ばねによって支持されているので、本発明
の装置は従来の技術にみられる如き静止摩擦の問題がな
く、製造、保守が簡単になる。

〔実施例〕

第１図は説明を簡単にするために簡単化された精密位置
決め装置を示している。支柱１はブラケット２上に固定
されている。ブラケット２はさらにロボットの腕もしく
は工作機械の如き可撓性位置決め装置上もしくは台上に
搭載されている。支柱１の最上部にはステータ３が固定
されている。

ステータ３は基準平面を決定し、この基準平面から運動
が決定される。ステータ３は２つの平行な可撓性ばね４
に搭載されている。ばねステータ３から下にばね支持体
５迄延びている。ばね支持体５は中心に逃し開孔を有し
、支柱１のまわりにばね４の面に垂直な面に平行な平面
中にある可撓性ばも６の第２の組がばね支持体５からア
ーマチュア７迄延びている。これによってアーマチュア
はＺ方向運動（基準平面に垂直な運動）及び回転運動を
しない様に固定されるが、基準平面に平行なそれ自身の
平面内でＺ及びＹ方向運動を自由に行行う事ができる。

アーマチュア７には工具保持チャック８もしくは他の固
定工具が搭載されている。

永久磁石９は、ステータ３に固定されている。永久磁石
９は２つの直交するＵ字状極片（１０Ｓが図示され、Ｉ
ＯＮはかくれている）を有し、夫々Ｓ極及びＮ極に搭載
されている。極片にはエポキシ樹脂によって保護された
絶縁銅線のコイルがはめ込まれている。永久磁石、極片
及びコイルがＸ−Ｙ位置決めモータのステータとしての
働きをする。横方向効果セル１１はステータ３に関連し
てアーマチュア７の連続的なＸ−Ｙ位置決め表示を与え
る。

第２図及び第３図はＸ−Ｙモータを示している。

極片１０Ｓ及びＩＯＮ並びに関連する巻線３０Ｓ及び３
ＯＮと共に永久磁石９で形成されたステータ３はアーマ
チュア７の歯（７−１，７−２，７−３，７−４及び７
−５が示されている）に磁束の差分を与え、同時にＸ及
びＹ方向に駆動力を与える事ができる。極片１０Ｓ及び
ＩＯＮは互に直交して設置されていて、永久磁石９の軸
に４５゜の角度をなしている。アーマチュア７は極片１
゜Ｓ及びＩＯＮの位置に関して適切に位置付けられ、固
定台ベース及び磁石９に関して、ベクトルのＸ−Ｕ運動
がアーマチュアに加えられる様になっている。

平衡した電磁力を与えられるために２つの電磁石が使用
される。

第４図はアーマチュア、極片及び関連するコイル、計算
機及び位置感知器間の関係を示しいる。

横方向効果セル１１がアーマチュアのための位置感知器
としての働きをし、アーマチュア上に存在する発光ダイ
オード（ＬＥＤ）１６の瞬間位置に関連する非平衡電流
を与え、基準平面上の標識点を定めている。計算機（Ｃ
）１．８は位置感知器がらこれ等の位置信号を受取り、
瞬間的位置から所望の位置に移動するのに必要とされる
運動を計算して運動制御信号をモータ・コイル３Ｏ８及
び３ＯＮに送り戻し、アーマチュアを所望の位置に移動
させる。回路１７によって電流が与えられる灯１６はア
ーマチュアの標識点とステータ３の標識点の相対位置に
関する位置決め情報を与える。位置感知器のＬＥＤ１６
及び横方向効果セル１１は理論上アーマチュア７及びス
テータ３上で位置が交換できる。実際にはより軽くて配
線が短かくてよいＬＥＤの方がアーマチュア上に置かれ
る。横方向効果セル１１は正方形に配列された４つの電
極Ｘ１、Ｘ２、Ｙｌ、Ｙ２を有する。ＬＥＤ１６からの
光点が電極の間の中心に照射される時は、横方向効果セ
ル１１は平衡した位置電流を与える。

ＬＥＤ１６からの光（赤外線である事が好ましい）が電
極の間を移動する時は、電極が非平衡位置電流信号を計
算機１８に与える。この新しい瞬間的位置信号は増幅器
２２、マルチプレクサ（ＭＵＸ）２３及びアナログ−デ
ィジタル（Ａ／Ｄ）変換器　・２４を含む回路を介、し
て運ばれる。計算機１８は所望の新しい位置から必要と
される制御運動を計算して、ディジタル−アナログ（Ｄ
／Ａ）変換器、１９．２０及び増幅器２１を含む相互接
続回路を介して必要とされる運動制御信号を与える。こ
れによってアーマチュアの運動が与えられ、再び位置感
知器１１によって新しい瞬間位置が与えられる。

第５図は本発明の好ましい実施例の詳細を示している。

支柱１及びブラケット２がステータ３、可撓性ばね４、
ばね支持体５、可撓ばね６及びアーマチュア７を含むバ
スケット支持装置を支持している。歯７−１．７−２．
７−３及び７発明がステータ３の極片Ｎの上に（数１０
ミクロンのすき間を置いて）並置されている。アーマチ
ュア７上の標識灯り、　Ｅ　Ｄ　］、　６が横方向効果
セル１１を介して位置信号を与える。

コイル３ＯＮ及び３Ｏ８が計算機１８（第４図）からの
位置制御信号の関数として位置決め電力を与える。

調節機構２５が磁石組立体に対して垂直方向の調節を与
え、調節機構２５によって駆動される時に磁石組立体支
持棒２８上を滑行するプラットホーム２６及び２７を再
位置付けする事によってアーマチュア７及びステータ３
間に正しいすき間を与える様になっている。磁石組立体
の止めクランプねじ２９が調節機構を保持している。

・位　′め゛　の゛す′ 本発明の精密位置決め装置の閉ループ制御はアナログ回
路、もしくはディジタル回路、計算機もしくはこれ等の
方向の組合せを使用して達成される。好ましい実施例に
おいては、制御規則はマイクロコンピュータで実行され
るプログラムされたアルゴリズムで指定される。これに
よって制御規則は容易に個々の応用に適用され、精密位
置決め装置の連作中動的に変更可能になる。この分野で
良く知られたように種々の制御規１すが使用される。

例えば、ＰＩＤ　（比例＋積分十微分）規則は次の形を
有する。

」二人に代ってその離散的時間の等個人も使用できる。

ここでＵはモータに印加される制御力であり、ｅは位置
誤差（所望の位置−実際の位置）並びにに、Ｋｉ及びＫ
ｄは夫々位置誤差、誤差の時間積分及び誤差の時間に掛
けられる利得係数である。これ等の利得は安定性の基準
を満足して所与の応用でパホーマンスを最大化する様に
選択される。

上述の制御規則は例示的なものである。サンプリング理
論に基づく、この分野で良く知られた他の制御規則も有
利に使用できる。

元二夕の動作 本発明のモータは、一つの極片が他の極片に垂直に位置
付けられている簡単な磁石がＸ運動及びＹ運動の流力を
与える点でＳａｗｕｅｒの位置決め装置の如き周知の線
形位置決め装置とは異なっている（本発明の実施例では
シータ運動は望まれていない）。

第３図を参照するに、永久磁石９（これはＡｌｎ１ｃｏ
もしくは希土類もしくは他の磁性材料より成る）がバイ
アス磁場を与える。磁束は軟磁性の極片１０８及びＩＯ
Ｎを通り、各極片の２つの脚によって等分されている。

極片及びアーマチュアに与えられた幾本かの歯は利用可
能な力を増大するのに利用される。コイル３ＯＮ及び３
０Ｓ中に電流が存在しない場合には、アーマチュアは可
撓性ばねによって支持されて、中立の位置を占める。

コイル３ＯＮは極片１ＯＮの２つの脚上では反対向きに
巻かれている。コイル３Ｏ３及び極片１０Ｓの場合にも
同様になっている。コイル３０を流れる電流は極片ＩＯ
Ｎの２つの胸中の永久磁石による磁束に加えられるか、
差引かれる磁束を誘導し、電流の符号によってアーマチ
ュアを右もしくは左に吸引する。アーマチュアは可撓性
ばねによって与えられる復元力の下に自由に運動が可能
であり、従ってコイル中を流れる電流の代数値に比例す
る値の運動が発生される。同じ関係は極片１Ｏ８及びコ
イル３０Ｓに対しても成立つが、アーマチュア弾つ優粉
は第２図の紙面で入出する方向である。Ｎ及びＳ極片上
の歯は互に直交しているので、コイル３’Ｏ３及び３Ｏ
Ｎによる運動は独立している。

〔横方向効果セル〕

横方向効果セル（位置感知光ダイオード）はこの分野で
良く知られたものであり、市販されている。横方向効果
セルはプレーナ光ダイオードであって、標識光と反応し
て標識光の光点の位置の関数として電気信号を与えるも
のである。好ましい実施例においては、標識光はアーマ
チュア上に搭載された灯１６である。横方向効果セル１
１は正方形をなしており、横方向効果セルの表面上の小
さな光点の位置は、セルの正方形の活性表面の周辺」−
に配列された４つの電極中に発生される光電流を測定す
る事によって決定される。２つの主な測定方向はＸ及び
Ｙで表わされている。その主軸がＸ測定方向に垂直な電
極Ｘ１及びＸ２が光点のＸ位置を測定するのに使用され
る。Ｙの場合も同様である。Ｘ位置はｘｌ及びｘ２電流
の差をそれ等の和によって割算する事によって与えられ
る。

これ等の計算はこの分野で良く知られている様に、アナ
ログ回路、ディジタル回路、ソフトウェア、もしくはこ
れ等の手段の組合せで行われる。

精密位置決め装置の４つの　作モード （１）走査装置として。本発明の精密位置決め装置はＸ
−Ｙ運動を実行する事ができる。その運動は全運動の範
囲を２ｍｍとして精度がサブ７ミクロンである。ラスク
走査の如き運動パターンが正確に遂行できる。運動は高
速で組込まれた横方向効果セル感知器、もしくは作業環
境を直接感知する別個の外部感知器を含むフィードバッ
ク・ループによって制御される。微細な運動が実行でき
るので、科学及び工業の分野で多くの応用を有する。

（２）可変コンプライアンス装置として。本発明の位置
決め装置は正規のモードで動作している時には、その指
令位置を保持しようとする。装置を変位させる傾向の任
意の外力はサーボ制御装置によって発生される復元力と
平衡する。閉ループの利得パラメータを変化させる事（
好ましい実施例においては、これ等は単に計算機の制御
プログラムの係数を変化させる事によって行われる）に
よって、装置のコンプライアンス即ちこわさが変化され
る。閉ループの場合の装置の自然コンプライアンスは可
撓性ばねのばね定数によって決定される。

閉ループ・モードでは、コンプライアンスはプログラム
する事ができ、自然コンプライアンスよりもはるかに大
きい値からはるかに小さな値迄を占める事ができる。こ
の性質はロボットによる組立動作の場合の様に、２つも
しくはそれ以上の配偶部品を磁にはめ合いにする仕事の
場合に極めて有用である。

計算機１８のプログラミングを比較的簡単に変更できる
事によってアーマチュア７に対して所望の運動を与える
事ができるだけでなく、コンプライアンス（アーマチュ
ア７の再位置付けに対する抵抗）を制御する事ができる
。可撓性ばねは基本的コンプライアンスを与えるが、こ
れは再位置付けに対する抵抗が０である。

アナログ−ディジタル変換器に与えられるディジタル値
に対する比率変化をプログラムする事によって、コンプ
ライアンスは再位置付けに対する０抵抗値から、再位置
付けに対する最大抵抗値迄の間を変更できる。再位置付
けに対する抵抗がプログラムされ、位置の関数（例えば
、移動の限界に近くなる程高くなる）、もしくは複雑な
変数もしくは対数関数として変化される。

第６図は位置を独立変数として示した、プログラミング
の効果を示すグラフである。線３５は可撓性ばねによっ
て与えられる通常のコンプライアンスを示す。線３６に
よって示された如く、コンプライアンス値が低い程、力
対位置の比（勾配）は小さくなる。コンプライアンス値
が高い程線３７によって示された如く力対位置の比は高
くなる。

線３８によって示された如く、閾値の位置に近づくにつ
れ、力対移動距離の比が急激に変化する如く、複雑なア
ルゴリズムに従って、移動の限界に近づくにつれて機構
を保護するのに時々必要とされる複雑コンプライアンス
・アルゴリズムがプログラムできる。

（３）可変加力装置として。成る応用では、電気的コネ
クタ・ピンの引張テストの場合の如く、加工物に対して
既知のヵを加える事が望まれる。多くの場合、無視可能
な運動がヵの作用中の生ずる。

本発明の装置はプログラムされたヵを加える事ができる
。なんとなれば、極片によってアーマチュアに加えられ
る力はコイルを流れる電流に比例し、ばねのたわみヵは
平衡点からの変位に線形に比例するからである。

（４）　ＦＡ！Ｊ定装置として。組込まれている位置感
知器によって、本発明の装置はコイル駆動電流が脱勢さ
れているモードで受動的測定装置として使用できる。部
品のならい制御の様な応用は可動アーマチュアに取付け
られた機械的プローブもしくはスタイラスと装置の固定
部分間の相対関係を感知する事によって感知されている
。このモードにおいては外部の粗位置付は装置に取付け
られた部品の寸法及び形状が決定される。

さらに本発明の装置はディジタル＃御装置を組込んでい
るので必要に応じて上述の種々のモード間をスイッチし
て、所与のタスクを遂行する事ができる。この応用には
、回路ボード及びチップの探針動作、リニアステップ・
モータの補間器、走査顕微鏡及び一般の研究室の研究が
含まれる。

他の実施例 精密が異なると、横方向効果セルに代ってカッド（ｑｕ
ａｄ）セルが使用される。カッド・セルは電極に代って
検査ボード板を有し、４つの板の交点に中心付けられた
標識光はホーム位置として零位を与える。カッド・セル
は単一の位置の場合には極めて正確な位置決めを与える
が、横方向効果セルはより大きな位置の範囲にわたって
正確である。

適切な場合には電気機械的もしくは電磁気装置もしくは
他の位置感知器が使用される。

第７図は第１図のバスケットに代る箱の正面図である。

これによって２運動が除去されるが、片持ちばりの台に
よる分だけわずかにコストが高くなる。柱４１及びベー
ス４２がステータ４３を可撓性ばね４４の下に懸垂した
状態に保持する。片持ばり台４５は矢印によって示され
た如くその短い軸に沿って自由な運動ができる様に懸垂
されている。片持ばり台４５は次に可撓性ばね４６を支
持しており、ばね４６は又片持ばリモートでアーマチュ
ア４７を支持していて、アーマチュア４７にＸ及びＹ方
向に自由な運動を与えている。この様にしてアーマチュ
ア４７は再位置付けに関連して静止摩擦及び２方向の変
化を生ずる事なくステータ４３上に懸垂されている。ア
ーマチュア及びステータが動作に際して並置関係に保持
され、位置感知装置が適切な位置関係にあり、計算機の
サーボ・ループが働く限りにおいて、平坦な空気晴受の
如き他の摩擦のない懸垂体が可撓性ばねの軸受に代って
使用される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来の機械的平面滑行機構及び車付き
キャリッジに固有の静止摩擦の問題がなく、製造及び保
守が容易な精密位置決め装置が与えられる。

【図面の簡単な説明】

図は第１図の精密Ｘ−Ｙ位置付は装置の電子回路ンプラ
イアンス及び一連のプログラムによって変更可能なコン
プライアンスを示したグラフである。 第７図は精密位置決め装置の別の実施例の平面図である
。 １・・・・支柱、２・・・・ブラケット、３・・・・ス
テータ、４・・・・ばね、５・・・・ばね支持体、６・
・・・ばね、７・・・・アーマチュア、８・・・・チャ
ック、９・・・・永久磁石、■Ｏ８・・・・Ｓ極片、１
１・・・・横方向効果セル。 ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、２

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基準平面を画定するステータ装置と、アーマチュ
   ア平面を画定し、上記ステータ装置と共にモータ装置を
   形成するアーマチュア装置と、上記ステータ装置に並置
   関係のまま動作可能に上記アーマチュア装置を搭載し、
   上記アーマチュア平面が実質上上記基準平面に平行に保
   持されるという制約内で複数の自由度を与える可撓性ば
   ね装置と、 上記ステータ装置及び上記アーマチュア装置上に搭載さ
   れ、上記アーマチュア装置の位置を感知してアーマチュ
   アの位置信号を供給するための位置感知器と、 上記アーマチュア位置信号に応答して上記モータ装置に
   位置制御電流を供給する制御装置とより成る精度位置決
   め装置。
2. （２）上記精密法め装置の上記ステータ装置は少なく共
   −個の永久磁石を含み、各永久磁石は上記基準平面に垂
   面な相互に直交する平面中に第１及び第２のコイルが装
   備された極片を含む事を特徴とする特許 決め装置。