(57)【要約】【課題】非線型特性によるサーボ弁の制御性低下を防止する。【解決手段】中空のシリンダと、シリンダに収容されて、シリンダと共に一対の圧力室を形成しつつ、シリンダに対して相対移動するピストンと、一対の圧力室の各々を、作動流体の圧力源または排気部に対して連通または遮断させる一対の制御弁と、シリンダに対するピストンの位置を検出する位置検出器と、一対の圧力室の少なくとも一方から作動流体を排気させる排気弁と、位置検出器が検出する位置が所与の目標位置に近づくように、制御弁を制御する制御部とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空のシリンダと、
前記シリンダに収容されて、前記シリンダと共に一対の圧力室を形成しつつ、前記シリンダに対して相対移動するピストンと、
前記一対の圧力室の各々を、作動流体の圧力源または排気部に対して連通または遮断させる一対の制御弁と、
前記シリンダに対する前記ピストンの位置を検出する位置検出器と、
前記位置検出器が検出する前記位置が所与の目標位置に近づくように、前記制御弁を制御する制御部と、
前記一対の圧力室の少なくとも一方から、前記制御弁の流量特性が線型になる領域で当該制御弁が動作する流量の前記作動流体を排気する排気弁と、
を備えるアクチュエータ。
【請求項２】
前記排気弁は、流量可変である請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記排気弁は、前記ピストンから前記作動流体を排出する請求項１または２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記排気弁は、前記シリンダから前記作動流体を排出する請求項１または２に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記排気弁は、前記シリンダおよび前記ピストンの相対移動に直交する方向に前記作動流体を排出する請求項１から請求項４までのいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記排気弁は、前記シリンダおよび前記ピストンが相対移動する場合の推力に対して、当該推力に直交する方向に対称な位置に複数配された請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記制御弁は、流量制御弁である請求項１から６のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項８】
中空のシリンダと、
前記シリンダに収容されて、前記シリンダと共に一対の圧力室を形成しつつ、前記シリンダに対して相対移動するピストンと、
前記一対の圧力室の各々を、作動流体の圧力源または排気部に対して連通または遮断させる一対の制御弁と、
前記シリンダに対する前記ピストンの位置を検出する位置検出器と、
前記位置検出器が検出する前記位置が所与の目標位置に近づくように、前記制御弁を制御する制御部と
を備えたアクチュエータを制御する制御方法であって、
前記圧力室から前記作動流体を排出させて、前記制御弁の流量特性が線型になる領域で当該制御弁を動作させる制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータおよび制御方法に関する。より詳細には、作動流体により発生した駆動力で対象物を目標位置まで移動させるアクチュエータと、当該アクチュエータを制御するアクチュエータ制御方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気等の作動流体を用いて対象物を目標位置に向かって移動させるアクチュエータがある。アクチュエータは、シリンダとその内部に配置されたピストンにより画成された圧力室と、圧力室に作動流体を供給しあるいは圧力室から作動流体を排出させる制御弁とを有する。更に、制御弁をサーボ制御するものがある。
【０００３】
下記の特許文献１には、片持ちのピストンの表裏に供給する作動流体を按分して、ピストン受圧面積の相違を補償することが記載されている。また、下記特許文献２には、位置指令および加速度指令によりピストンの位置制御をすることが記載されている。作動流体により駆動力を発生するアクチュエータは、制御弁を用いて作動流体の供給または排出を切り換える。また、制御弁は、作動流体の流量または圧力を制御する。
【特許文献１】特開平０８−２７０６０５号公報
【特許文献２】特開２００４−１４４１９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
制御弁には、作動流体を圧力室に供給させる動作状態と、作動流体を圧力室から排気する動作状態とがある。動作状態が供給から排気に切り替わる場合、あるいは排気から供給に切り替わる場合には制御弁の特性が非線型になるので、流量あるいは圧力の制御精度が低下する。そのために位置決めの制御精度も低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、上記課題を解決すべく、本発明の第１の形態として、中空のシリンダと、シリンダに収容されて、シリンダと共に一対の圧力室を形成しつつ、シリンダに対して相対移動するピストンと、一対の圧力室の各々を、作動流体の圧力源または排気部に対して連通または遮断させる一対の制御弁と、シリンダに対するピストンの位置を検出する位置検出器と、位置検出器が検出する位置が所与の目標位置に近づくように、制御弁を制御する制御部と、一対の圧力室の少なくとも一方から、制御弁の流量特性が線型になる領域で当該制御弁が動作する流量の作動流体を排気する排気弁と、を備えるアクチュエータが提供される。
【０００６】
また、本発明の第２の形態として、中空のシリンダと、シリンダに収容されて、シリンダと共に一対の圧力室を形成しつつ、シリンダに対して相対移動するピストンと、一対の圧力室の各々を、作動流体の圧力源または排気部に対して連通または遮断させる一対の制御弁と、シリンダに対するピストンの位置を検出する位置検出器と、位置検出器が検出する位置が所与の目標位置に近づくように、制御弁を制御する制御部とを備えたアクチュエータを制御する方法であって、圧力室から作動流体を排出させて、制御弁の流量特性が線型になる領域で当該制御弁を動作させる制御方法が提供される。
【０００７】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となり得る。
【０００８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決に必須であるとは限らない。
【実施例１】
【０００９】
図１は、アクチュエータ１００の構造を模式的に示す図である。アクチュエータ１００は、対象物を移動させる動作をする作動部１０１と、作動部１０１の動作を制御する制御部１０２とを備える。
【００１０】
作動部１０１は、アクチュエータ１００が設置される床等に固定された固定部１１１と、固定部１１１に対して移動する可動部１１２とを有する。更に、固定部１１１は、基盤１１０、支柱１２０、案内部１３０およびピストン１４０を含む。可動部１１２は、シリンダ１５０およびステージ１６０を含む。
【００１１】
固定部１１１において、基盤１１０は、床等に水平に固定されて、アクチュエータ１００全体の動作の基準となる。支柱１２０は、基盤１１０上の異なる位置に離間して起立し、案内部１３０の両端を支持する。
【００１２】
案内部１３０は、略水平に延在して、その略中央にピストン１４０を保持する。また、案内部１３０は、支柱１２０からピストン１４０に至る途中の部分においてシリンダ１５０の側端面を貫通して、シリンダ１５０の移動方向を案内する。
【００１３】
可動部１１２において、シリンダ１５０は、ピストン１４０を内包しつつ、案内部１３０に両端を案内される。シリンダ１５０の内部には、シリンダ１５０の内壁およびピストン１４０により画成された一対の圧力室１５２、１５４が形成される。
【００１４】
圧力室１５２の内部には、ピストン１４０の側壁に開口した流路１５１が連通する。流路１５１は、レギュレータ２１２に連通し、圧力室１５２に一定の圧力の作動流体を供給する。また、圧力室１５４の内部には、ピストン１４０の側壁に開口した流路１５３が連通する。流路１５３は、サーボ弁２３２に連通し、圧力室１５４に対して作動流体を供給し、あるいは排出する。さらに、圧力室１５４の内部には、ピストン１４０の側壁に開口した流路１５５が連通する。流路１５５には排気弁２４２が設けられ、当該流路１５５から圧力室１５４から作動流体を排気する。
【００１５】
圧力室１５２、１５４相互の間に差圧が生じた場合、差圧の大きさに応じて発生した推力が、シリンダ１５０を含む可動部１１２を、その質量に反比例した加速度で加速して移動させる。ステージ１６０は、シリンダ１５０に搭載されてシリンダ１５０と共に移動する。このように、アクチュエータ１００においては、ピストン１４０が固定され、シリンダ１５０がステージ１６０と共に移動する。
【００１６】
可動部１１２側のシリンダ１５０は、案内部１３０に対して平行に装着されたリニアスケール１７２を更に備える。一方、固定部１１１側の基盤１１０には、エンコーダ１７０が配される。エンコーダ１７０は、シリンダ１５０と共に移動するリニアスケール１７２の目盛りを検出して、シリンダ１５０の移動量に対応したパルス信号を発生する。
【００１７】
なお、シリンダ１５０に対する位置センサの構造は上記の構造に限られるわけではなく、光学的、磁気的に位置を検出するセンサを用いてもよい。また、用途に応じて、干渉計のように精度の高いセンサを用いてもよい。更に、エンコーダは、初期値からの移動量を積算するインクリメント型と、絶対的な位置を検出するアブソリュート型とをいずれも使用できる。
【００１８】
また、図示は省いたが、シリンダ１５０およびピストン１４０の間の摺動面、並びに、シリンダ１５０および案内部１３０の間の摺動面には、作動流体の層流を利用した静圧軸受けが形成される。このため、シリンダ１５０および案内部１３０の間隙を通じて、圧力室１５２、１５４から外部へ作動流体の漏洩が生じる場合があり。また逆に静圧軸受けから圧力室へ作動流体が流入する場合もある。
【００１９】
制御部１０２は、弁制御部２２０、流量計２２２、サーボ弁アンプ２３０、排気弁アンプ２４０、サーボ弁２３２およびレギュレータ２１２を含む。更に、制御部１０２は、サーボ弁２３２に連通する圧力源２１０および排気部２５０を含む。
【００２０】
圧力源２１０は、レギュレータ２１２、流路１５１を介して圧力室１５２に加圧された作動流体を供給する。レギュレータ２１２は、供給される作動流体の圧力を一定に保つので、圧力室１５２の内部における作動流体の圧力は一定になる。
【００２１】
また、圧力源２１０は、流量計２２２、サーボ弁２３２および流路１５３を介して、圧力室１５４に、加圧された作動流体を供給する。流量計２２２は、サーボ弁２３２の直近に配置され、圧力室１５４に供給された作動流体の流量を計測する。
【００２２】
サーボ弁２３２は、サーボ弁アンプ２３０から供給される駆動電流により、作動流体を圧力室１５４に供給し、排気部２５０に排気させる。既に説明した通り、圧力室１５２における作動流体は一定の圧力を維持するので、圧力室１５４内の圧力を変化させることにより、圧力室１５２、１５４相互の間に差圧を発生させることができる。サーボ弁２３２例えば、電磁モータにより駆動されるスプール軸を備えた流量制御弁であり、スプール位置に応じた流量で作動流体を流通させる。スプール位置は、外部から受けた指令により決定される。本実施形態では、サーボ弁アンプ２３０から供給される駆動電流により動作する。なお、サーボ弁２３２がスプール位置を検出するセンサを備えてもよい。
【００２３】
排気弁２４２は、排気弁アンプ２４０から供給される駆動電流により、圧力室１５４から排気部２５０へ作動流体を排気させる。これにより、サーボ弁２３２の動作状態の如何にかかわらず、圧力室１５４における作動流体の圧力を低下させることができる。排気弁２４２は、例えば、電磁モータにより絞り部分の断面積が可変の流量制御弁である。
【００２４】
図２は、アクチュエータ１００の制御系２００の構造を模式的に示すブロック図である。なお、制御系２００において、信号処理はデジタル方式で実行される。また、以下の説明においては、圧力室１５２に関する信号を符号「ｃ」により、圧力室１５４に関する信号を符号「ａ」により識別するが、図１に示した参照番号も随時参照する。
【００２５】
サーボ弁２３２における作動流体の質量流量をＧａとした場合、圧力室１５４に供給される作動流体の質量は、サーボ弁２３２における作動流体の流量Ｇａの積分値に相当する。ここで、作動流体の流量には、前述したように、シリンダ１５０における何らかの隙間による漏出、静圧軸受けからの流入の総和である外乱流量Ｄａ等も含まれる。また、排気弁２４２からの積極的な排気による制御流出も含まれる。そこで、流量Ｇａの積分値、圧力室１５４に当初より存在した作動流体の既存質量ｍ０ａ、外乱流量Ｄａ、および、排気弁２４２の制御流出量の総和が圧力室１５４における作動流体の質量となる。
【００２６】
圧力室１５４の容積は、シリンダ１５０の位置ｘに応じて変化する。よって、当該容積はシリンダ１５０の位置ｘの関数Ｖａ（ｘ）として表される。作動流体が空気等の気体である場合は、圧力室１５４における作動流体の圧力Ｐａは、状態方程式ＲＴ／Ｖａ（ｘ）に従って決まる。更に、圧力室１５４における受圧面積Ｓａを圧力Ｐａに乗ずることにより、圧力室１５４で発生する推力Ｆａが決定される。
【００２７】
一方、圧力室１５２の内圧は、レギュレータ２１２により一定に維持されている。従って、当該一定の圧力Ｐｃを圧力室１５２の受圧面積Ｓｃに乗じることにより、圧力室１５２からシリンダ１５０に作用する力Ｆｃが判る。
【００２８】
こうして発生した推力Ｆａ、Ｆｃの差分が、可動部１１２を移動させる推力Ｆを生じる加速度となる。なお、圧力室１５２、１５４における受圧面積Ｓａ、Ｓｃが相互に等しい場合、推力Ｆは圧力Ｐａ、Ｐｃの差圧Ｐに等価となる。
【００２９】
推力Ｆは、可動部１１２の質量に反比例した加速度特性（ｍ／ｓ２）で可動部１１２を加速する。可動部１１２の加速度を時間積分すると、移動する可動部１１２の速度ｖ（ｍ／ｓ）となる。また、速度ｖを積分すると可動部１１２の移動量ｘ（ｍ）が得られる。移動量ｘ（ｍ）はリニアスケール１７２、エンコーダ１７０で構成されるリニアエンコーダによって観測することができる。
【００３０】
上記のような特性を有する作動部１０１に対して、制御部１０２は、以下のような処理を実行する。エンコーダ１７０からは、可動部１１２の位置を示す移動量ｘを示す位置センサ信号が入力される。位置センサ信号は、デジタル変換されて位置信号として演算される。なお、エンコーダ１７０が位置センサ信号をパルス信号として発生する場合は、パルスカウント値をそのまま位置信号として処理することもできる。
【００３１】
位置信号から、目標位置を示す値を減算することにより、目標位置に対する現在位置の差分を示す位置残差信号Ｓｉｇ＿ｐと、位置残差信号Ｓｉｇ＿ｐを積分した積分帰還信号Ｓｉｇ＿ｉとが生成される。これにより、Ｓｉｇ＿ｐの積分値を帰還して、定常偏差に対する利得を向上させることができる。
【００３２】
また、位置信号を微分し、更にデジタルフィルタにより位相補償演算することにより、可動部１１２の速度ｖを示す速度信号Ｓｉｇ＿ｖが生成される。なお、デジタル処理における微分演算は、制御系２００のサンプリング周期毎に、位置センサが取り込んだ位置信号を、サンプリング周期の時間で除する。
【００３３】
即ち、作動流体として圧縮流体を用いる制御では積分項が３次となり、安定な帰還系を構築するには位置信号の２階微分値が帰還される。上記の例では、微分演算と位相補償演算により２階微分値の帰還と等価な系を形成している。これにより、安定な位置決め特性が得られる。
【００３４】
これら、位置残差信号Ｓｉｇ＿ｐ、積分帰還信号Ｓｉｇ＿ｉおよび速度信号Ｓｉｇ＿ｖに、それぞれの利得倍率（Ｋｖ、Ｋｐ、Ｋｉ）を乗算することにより、位置目標信号Ｓｉｇ＿Ｅが生成される。なお、位置目標信号Ｓｉｇ＿Ｅは、下記の式１のように表すことができる。
Ｓｉｇ＿Ｅ＝Ｋｐ＊Ｓｉｇ＿ｐ
＋Ｋｉ＊Ｓｉｇ＿ｉ
＋Ｋｖ＊Ｓｉｇ＿ｖ・・・式１
【００３５】
上記のようにして生成した目標位置信号Ｓｉｇ＿Ｅに基づいて、サーボ弁２３２の駆動信号が生成される。即ち、サーボ弁アンプ２３０への指令信号は、Ｓｉｇ＿Ｅに、サーボ弁アンプ２３０のゲインを乗じることにより得られる。
【００３６】
図３は、サーボ弁２３２の動作特性を示すグラフである。図示のように、サーボ弁２３２への入力が−１００％から−数％までの範囲では、当該入力の大きさに応じて作動流体を排気する場合の流量が線型で徐々に低くなる。一方、サーボ弁２３２への入力が数％から１００％の範囲では、当該入力の大きさに応じて作動流体の流量が線型形で増加する。
【００３７】
上記のように、作動流体を排気する場合も供給する場合も、サーボ弁２３２に対する入力の増減に応じて作動流体の流量は増減する。サーボ弁２３２では、入力および流量の相関が高いので、作動流体を精度よく制御することができる。
【００３８】
しかしながら、サーボ弁入力が０％になる範囲の近傍では、作動流体の流れる方向が切り替わるので、サーボ弁の流量特性は非線型になる。また、排気の流量特性と吸気の流量特性が重畳され不感帯のような振る舞いをして、静止時の位置決め制御精度が低下する。
シリンダ１５０の静止時は、圧力室１５２、１５４のつり合いが取れている状態なので、外乱流量Ｄａが０の場合はサーボ弁入力が０％となり、位置決め制御精度が低下するといった現象が発生する。
【００３９】
ここで、本実施形態のアクチュエータ１００は、圧力室１５４から作動流体を排気させる排気弁２４２を備える。即ち、弁制御部２２０は、サーボ弁２３２への入力が０％に接近した場合には、排気弁アンプ２４０に指令を発信して排気弁２４２を開かせる。これにより低下した圧力室１５４の圧力を補償する目的でサーボ弁入力が変動するので、サーボ弁２３２の動作範囲が変わり、線型特性を有する範囲で動作する。
【００４０】
但し、排気弁２４２の開口動作を急激に行うこと位置精度を損なうことがあるので、開閉動作速度は位置制御の帯域よりも十分遅い速度で行うことは当然である。また、事前に作動部１０１の外乱流量Ｄａの特性を流量計２２２を用いて調べることが可能であり、サーボ弁２３２の適切な線型部分に排気弁２４２の制御流出量を予め設定することも可能である。これにより、位置決め制御精度の低下を回避できる。
【００４１】
図４は、本発明のサーボ弁２３２の適切な線型部分に排気弁２４２の制御流出量を予め設定した場合の上記アクチュエータ１００のステップ応答を示す図である。また、図５は、アクチュエータ１００におけるシリンダ１５０の圧力変化を示す図である。
【００４２】
図４に示す通り、位置目標値として２００００μｍを設定した場合に、可動部１１２のリニアスケール１７２の変位は１．３秒程度で収束していることが判る。また、３．３秒後には、残差も略零に収束していることが判る。更に、図５に示すように、シリンダ１５０の内部圧力が、終始略一定に維持されていることが判る。
【００４３】
図６は、排気弁２４２を備える作動部１０１の一部の外観を示す斜視図である。図７は、図６に示したシリンダ１５０の構造を示す断面図である。図示のように、作動部１０１は、案内部１３０と、案内部１３０に支持されたシリンダ１５０と、シリンダ１５０に搭載されたステージ１６０とを有する。
【００４４】
このシリンダ１５０において、排気弁２４２は、案内部１３０の延在方向に対して、排気される作動流体の流れが直交する方向に、二つ装着される。既に説明した通り、圧力室１５４へ供給される作動流体は、案内部１３０の延在方向に平行に流れる。従って、排気弁２４２から排気される作動流体の流れが、作動流体の供給に与える影響が抑制される。
【００４５】
図示のように、二つの排気弁２４２は、案内部１３０の側方に、案内部１３０に対して対称に配置されている。これにより、排気弁２４２から排出される作動流体の反作用で、シリンダ１５０の位置決め精度等が影響を受けることが防止される。
【００４６】
また、二つの排気弁２４２はそれぞれ、排気弁アンプ２４０により駆動される開閉バルブ２４１を備える。開閉バルブ２４１は、排気弁２４２における作動流体の流路に対して進退して絞り部分の断面積を変化させることにより、排気弁２４２における作動流体の流量を変化させる。
【００４７】
このような構造により、サーボ弁２３２における流量が低下して、動作特性が非線型特性の領域に入りそうになった場合は、開閉バルブ２４１を操作して動作領域を図３に示す線型特性の領域に移行させることができる。これにより、アクチュエータ１００は、高い位置決めの制御精度を維持できる。
【００４８】
即ち、本実施形態のアクチュエータ１００は、圧力室１５４から作動流体を排気させる排気弁２４２を備えるので、サーボ弁２３２への入力が０％に接近した場合に、弁制御部２２０が排気弁アンプ２４０に指令を発信して排気弁２４２を開かせる。これにより低下した圧力室１５４の圧力を補償する目的でサーボ弁入力が変動するので、サーボ弁２３２の動作範囲が変わり、サーボ弁２３２は線型特性を有する範囲で動作する。
【００４９】
なお、図１から図７に示す実施形態において、一方の圧力室１５４をサーボ弁２３２および排気弁２４２で制御し、他方の圧力室１５２をレギュレータ２１２で制御した。これに限られず、圧力室１５２、１５４のそれぞれに対応するサーボ弁２３２および排気弁２４２を設けて、圧力室１５２、１５４の両方をそれらにより制御してもよい。また、排気弁２４２の開閉バルブ２４１を排気弁アンプ２４０により駆動することに代えて、手動で操作してもよい。
【００５０】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。また、上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。更に、その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】アクチュエータ１００の構造を模式的に示す図である。
【図２】アクチュエータ１００の動作を説明するブロック図である。
【図３】サーボ弁２３２の特性を示すグラフである。
【図４】アクチュエータ１００のステップ応答を示す図である。
【図５】アクチュエータ１００におけるシリンダ１５０の圧力変化を示す図である。
【図６】排気弁２４２を備えた作動部１０１の外観を示す斜視図である。
【図７】排気弁２４２を備えたシリンダ１５０の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１００  アクチュエータ、１０１  作動部、１０２  制御部、１１０  基盤、１１１  固定部、１１２  可動部、１２０  支柱、１３０  案内部、１４０  ピストン、１５０  シリンダ、１５１、１５３、１５５  流路、１５２、１５４  圧力室、１５３  流路、１６０  ステージ、１７０  エンコーダ、１７２  リニアスケール、２００  制御系、２１０  圧力源、２１２  レギュレータ、２２０  弁制御部、２２２  流量計、２３０  サーボ弁アンプ、２３２  サーボ弁、２４０  排気弁アンプ、２４１  開閉バルブ、２４２  排気弁、２５０  排気部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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