(57)【要約】【課題】資源効率が高いアクチュエータ装置を提供する。【解決手段】作動流体の圧力により発生した駆動力で動作する流体アクチュエータと、流体アクチュエータから排出された作動流体を媒体として発熱体の熱を吸収する熱交換部と、温度調節部から流体アクチュエータへ作動流体を還流させる作動流体流路とを備える。発熱体は、例えば、電磁気力により発生した駆動力で動作する電磁アクチュエータである。作動流体は、空気またはフッ素化合物の液体であり得る。作動流体の温度を所与の設定温度範囲に調節する温度調節器を更に備えてもよい。【選択図】図１
2010011557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体の圧力により発生した駆動力で動作する流体アクチュエータと、
前記流体アクチュエータから排出された前記作動流体を媒体として発熱体の熱を吸収する熱交換部と、
前記熱交換部と前記流体アクチュエータとの間で前記作動流体を循環させる作動流体流路と
を備えるアクチュエータ装置。
【請求項２】
前記発熱体は、電磁気力により発生した駆動力で動作する電磁アクチュエータである請求項１に記載のアクチュエータ装置。
【請求項３】
前記作動流体は、空気である請求項１または請求項２に記載のアクチュエータ装置。
【請求項４】
前記作動流体は、フッ素化合物の液体である請求項１または請求項２に記載のアクチュエータ装置。
【請求項５】
前記作動流体流路上において、前記作動流体の温度を所与の設定温度範囲に調節する温度調節部を更に備える請求項１から請求項４までの何れかに記載のアクチュエータ装置。
【請求項６】
前記流体アクチュエータは、
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出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
を備える求項１から請求項５までの何れかに記載のアクチュエータ装置。
【請求項７】
作動流体の圧力により発生した駆動力で動作する流体アクチュエータから排出された前記作動流体を媒体として発熱体の熱を吸収する熱交換段階と、
前記熱交換段階を経た前記作動流体を、前記流体アクチュエータへ還流させる還流段階と
を備える温度調節方法。
【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温度調節方法に関する。より詳細には、流体アクチュエータを含むアクチュエータ装置と、当該アクチュエータ装置における発熱体の温度調節方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
位置決め装置は、対象物を目標位置に向かって移動させる場合に駆動力を発生するアクチュエータを備える。この種のアクチュエータには、作動流体の圧力により駆動力を発生する流体アクチュエータと、電磁気力により駆動力を発生する電磁アクチュエータとが含まれる。
【０００３】
特許文献１には、作動流体を循環させて再利用する流体アクチュエータが記載されている。特許文献２には、冷却装置を備えた電磁アクチュエータが記載されている。特許文献３には、流体を用いた冷却機能を有するリニアモータが記載されている。特許文献４には、ひとつの位置決め対象に対して電磁アクチュエータおよび流体アクチュエータを組み合わせた構造が記載されている。
【特許文献１】特許第３６７６６６９号公報
【特許文献２】特開２００１−１１９９１８号公報
【特許文献３】特開２００２−１３８９５７号公報
【特許文献４】特開２００３−０２８９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
サーボ制御される流体アクチュエータは、圧力室を急速に減圧する場合に作動流体を圧力系の外部に排出する構造を有するものがある。このため、アクチュエータの稼動に伴って作動流体が消尽される。
【０００５】
また、また、流体アクチュエータをサーボ制御する場合に用いるサーボ制御弁には、作動流体を排気弁側に流し続けて圧力制御室の背圧を安定させる構造を有するものがある。このため、動作頻度の如何にかかわらず、作動流体が消尽され続ける。
【０００６】
更に、流体アクチュエータは、作動流体自体の層流により静圧軸受けを形成して摺動抵抗を低減する構造を採るものがある。このため、アクチュエータの動作に伴って作動流体が消費され続ける。
【０００７】
一方、電磁アクチュエータは、駆動電流が流れることにより不可避に発熱する。そこで、アクチュエータに高い動作精度が求められる場合は、冷却装置を設けてアクチュエータ自体の温度を管理する。このため、冷却装置を含むアクチュエータの装置規模が大きくなることが避けられなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、作動流体の圧力により発生した駆動力で動作する流体アクチュエータと、流体アクチュエータから排出された作動流体を媒体として発熱体の熱を吸収する熱交換部と、熱交換部と流体アクチュエータとの間で作動流体を循環させる作動流体流路とを備えるアクチュエータ装置が提供される。
【０００９】
また、本発明の第２の形態として、作動流体の圧力により発生した駆動力で動作する流体アクチュエータから排出された作動流体を媒体として発熱体の熱を吸収する熱交換段階と、熱交換段階を経た作動流体を、流体アクチュエータへ還流させる還流段階とを備える温度調節方法が提供される。
【００１０】
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。
【００１１】
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】
【００１２】
図１は、アクチュエータ装置１００のレイアウトを示す模式的な斜視図である。アクチュエータ装置１００は、基台２３０、ステージ３６０、液体アクチュエータ３１０、電磁アクチュエータ４０１、４１０および空気アクチュエータ５１１、５１２を備える。
【００１３】
即ち、このアクチュエータ装置１００は、液体アクチュエータ３１０および空気アクチュエータ５１１、５１２の２種の流体アクチュエータを備える。後述するように、液体アクチュエータ３１０は、液体の作動流体により駆動される。また、液体アクチュエータ３１０の作動流体は、液体アクチュエータ３１０と電磁アクチュエータ４０１との間で循環し、電磁アクチュエータ４０１の冷却に寄与する。
【００１４】
また、空気アクチュエータ５１１、５１２は、空気を作動媒体として駆動される。また、作動流体としての空気は、空気アクチュエータ５１１、５１２から排出された後も、電磁アクチュエータ４１０を冷却する目的で、アクチュエータ装置１００内で循環する。
【００１５】
ただし、液体アクチュエータ３１０、電磁アクチュエータ４０１、４１０および空気アクチュエータ５１１、５１２のようなアクチュエータの種類の組み合わせがこれに限定されるわけではなく、用途に応じて適宜される。
【００１６】
基台２３０は、空気アクチュエータ５１１、５１２により略水平に支持される。なお、アクチュエータ装置１００は、この図では見えない、基台２３０を支持するもうひとつの空気アクチュエータ５１３も備える。基台２３０の上面には、電磁アクチュエータ４１０が搭載される。
【００１７】
ステージ３６０は、上面に電磁アクチュエータ４０１を搭載しつつ、液体アクチュエータ３１０に下方から支持される。液体アクチュエータ３１０は、電磁アクチュエータ４１０により下方から支持される。
【００１８】
液体アクチュエータ３１０は、図中に矢印で示すＸ方向にステージ３６０を移動させる。また、電磁アクチュエータ４１０は、図中に矢印で示すＹ方向に液体アクチュエータ３１０を移動させる。これら液体アクチュエータ３１０および電磁アクチュエータ４１０の動作を組み合わせることにより、ＸＹ平面内に展開する平面上で、ステージ３６０を任意の方向に移動させることができる。
【００１９】
電磁アクチュエータ４０１は、ステージ３６０の上に載せられた図示していない搬送物とステージ３６０との間に介在して高さ方向に伸縮する。これにより、図中に矢印で示すＺ方向に搬送物を移動させることができる。また、電磁アクチュエータ４０１は、図示の例では、個別に動作する３つのＺ軸アクチュエータ４０２、４０４、４０６を含む。これにより、ステージ３６０上で搭載物を傾けることもできる。
【００２０】
空気アクチュエータ５１１、５１２は、作動流体流路５０２、レギュレータ２２１およびサーボ弁５３１、５３２を介して圧力源５０１に結合される。サーボ弁５３１、５３２を適宜開放または閉鎖することにより、空気アクチュエータ５１１、５１２は駆動力を発生して、基台２３０を昇降させる。また、サーボ弁５３１、５３２は個別に開閉できるので、空気アクチュエータ５１１、５１２を個別に動作させて基台２３０を傾けることもできる。
【００２１】
空気アクチュエータ５１１、５１２から排出された空気は、作動流体流路５０３を通じて、バッファタンク２２４に一旦収容される。バッファタンク２２４は、空気の脈動を吸収した上で、レギュレータ２２２および作動流体流路５０４を通じて空気を定常的に送り出す。
【００２２】
バッファタンク２２４から送り出された空気は、電磁アクチュエータ４０１の近傍を循環した後、熱交換器２２３を経由して、作動流体流路５０５から再びバッファタンク２２４に戻される。これにより、電磁アクチュエータ４０１が動作した場合に発生する熱が空気に伝えられ、熱交換器２２３により放散される。従って、作動流体流路５０５からバッファタンク２２４に戻された空気は、電磁アクチュエータ４０１の冷却に再び利用できる。
【００２３】
このような構造により、空気アクチュエータ５１１、５１２の作動流体である空気は、圧力源５０１から供給された後は殆ど消耗されることなく、空気アクチュエータ５１１、５１２を作動させる。また、作動流体である空気が電磁アクチュエータ４０１を冷却するので、冷却媒体として他の媒体を導入しなくてもよい。
【００２４】
電磁アクチュエータ４１０は、Ｙ方向に延在して基台２３０に両端を固定された固定子４１２と、基台２３０の中央に固定された、固定子４１２と平行な案内部４１３と、固定子４１２に装着され、固定子４１２の延在方向に沿って移動する移動子４１１とを含む。この実施形態では、２組の固定子４１２および移動子４１１が、Ｘ方向について基台２３０の略両端に配される。一対の移動子４１１は、連結部４１４により結合されて一体的に移動する。また、連結部４１４の中程には、連結部４１４の移動を案内する案内部４１３が挿通されている。
【００２５】
液体アクチュエータ３１０は、連結部４１４に支持されて、Ｘ方向に延在する案内部３８６と、案内部３８６を挿通されたシリンダ３５０とを含む。シリンダ３５０は、ステージ３６０を搭載して、案内部３８６に沿って移動する。ステージ３６０には、前述した電磁アクチュエータ４０１の他に、一対の反射鏡３６２、３６４が搭載される。
【００２６】
また、液体アクチュエータ３１０には、昇圧ポンプ１１３から加圧して送り出された液体が、レギュレータ１１４、作動流体流路３０１およびサーボ弁３３２、３４２を介して供給される。液体アクチュエータ３１０を動作させた液体は、作動流体流路３０４を介して作動流体タンク１１１に回収される。回収された液体は、温度調節器１１２において適切な温度まで冷却された後、再び昇圧ポンプ１１３に供給される。このように、液体は、液体アクチュエータ３１０、温度調節器３０１、電磁アクチュエータ４０１の間を循環する。液体を供給された液体アクチュエータ３１０の動作については後述する。
【００２７】
更に、昇圧ポンプ１１３から加圧して送り出された液体は、レギュレータ１１５および作動流体流路３０３を介して、電磁アクチュエータ４１０の固定子４１２に供給される。固定子４１２の内部を流通した液体は、電磁アクチュエータ４１０において発生した熱を吸収し、作動流体流路３０４を介して還流され、作動流体タンク１１１に回収される。既に説明した通り、回収された液体は、温度調節器１１２において適切な温度まで冷却された後、再び昇圧ポンプ１１３に供給される。
【００２８】
このような構造により、液体アクチュエータ３１０の作動流体である液体は、殆ど消耗されることなく液体アクチュエータ３１０を作動させる。また、作動流体が電磁アクチュエータ４１０を冷却するので、他の冷却媒体あるいは他の冷却設備を導入することなく、電磁アクチュエータ４１０の温度を制御することもできる。
【００２９】
なお、作動流体としては、水、作動油等の他、フッ素化合物の液体を例示できる。フッ素化合物の液体には、化学的に安定で、比熱が比較的大きいものがある。更に、組成によっては沸点の低いものがある。これにより、温度調節器１１２において沸騰冷却させることができるので、温度調節器において広い温度範囲で温度を調節できる。
【００３０】
また、バッファタンク２２４には、空気のオーバフローを防止するリリース弁を設けてもよい。また、作動流体流路３０１、３０２、３０３、３０４が合流する箇所には、作動流体の逆流を防止する逆止弁を設けてもよい。
【００３１】
図２は、アクチュエータ装置１００の制御系２００の構造を示すブロック図である。また、図２においては、制御の対象となる電磁アクチュエータ４０１、４１０、液体アクチュエータ３１０および空気アクチュエータ５１０を併せて模式的に示す。
【００３２】
アクチュエータ装置１００は、アクチュエータ装置１００全体の制御を司る上位コントローラ２１０の制御の下で、電磁アクチュエータ４０１、４１０、液体アクチュエータ３１０および空気アクチュエータ５１０の各々の動作を制御するアクチュエータ制御部２２０を備える。更に、アクチュエータ制御部２２０は、液体アクチュエータ制御部３２０、電磁アクチュエータ制御部４２０および空気アクチュエータ制御部５２０を含む。
【００３３】
液体アクチュエータ制御部３２０は、サーボ弁３３２、３４２を個別に駆動する一対のサーボ弁アンプ３３０、３４０を含む。電磁アクチュエータ制御部４２０は、電磁アクチュエータ４０１を駆動する駆動電流を発生するＺ軸アクチュエータアンプ４３１、４３２、４３３と、電磁アクチュエータ４１０を駆動する駆動電流を発生するＹ軸アクチュエータアンプ４３０とを含む。空気アクチュエータ制御部５２０は、空気アクチュエータ５１１、５１２、５１３のそれぞれに対応したサーボ弁５３１、５３２、５３３を個別に駆動するサーボ弁アンプ５４１、５４２、５４３を含む。
【００３４】
更に、制御系２００は、一対の干渉計４７１、４７３と、干渉計４７１、４７３から個別に計測結果を受けるＸ軸位置検出４７２およびＹ軸位置検出４７４とを備える。干渉計４７１、４７３は、ステージ３６０に搭載された反射鏡３６２、３６４に向かってレーザを照射し、反射鏡３６２、３６４による反射光から、ステージ３６０の位置を精密に検出する。
【００３５】
図３は、アクチュエータ装置１００に装備される液体アクチュエータ３１０の構造を模式的に示す図である。液体アクチュエータ３１０は、連結部４１４に固定された案内部３８６、案内部３８６の中程に支持されたピストン３８２、ピストン３８２に対して装着されたシリンダ３５０を有する。
【００３６】
案内部３８６は、その略中央にピストン３８２を保持する。また、案内部３８６は、連結部４１４からピストン３８２に至る途中の部分においてシリンダ３５０の側端面を貫通して、シリンダ３５０の移動方向を案内する。
【００３７】
シリンダ３５０は、案内部３８６に両端を案内されつつ、ピストン３８２を内包する。シリンダ３５０の内部には、シリンダ３５０の内壁およびピストン３８２により画成された一対の圧力室３５２、３５４が形成される。
【００３８】
圧力室３５２、３５４の内部には、ピストン３８２の側壁に開口した流路３３４、３４４が連通する。流路３３４、３４４は、サーボ弁３３２、３４２を介して、圧力室３５２、３５４に対して個別に作動流体を供給または排出させる。これにより一対の圧力室３５２、３５４相互の間に差圧を生じさせることができる。
【００３９】
圧力室３５２、３５４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３５０を含む負荷を、その質量に反比例した加速度で加速して移動させる。シリンダ３５０の移動により差圧がなくなると、シリンダ３５０は等速運動を行う。ステージ３６０はシリンダ３５０と共に移動し、逆向きの加速度をかければ、減速し停止させることができる。
【００４０】
このように、液体アクチュエータ３１０においては、ピストン３８２が固定され、シリンダ３５０がステージ３６０と共に移動する。このような構造により、簡潔な構造で複動型シリンダを形成できる。ただし、アクチュエータ装置１００に装備される液体アクチュエータ３１０の構造が複動型に限られるわけではない。
【００４１】
更に、シリンダ３５０に搬送されるステージ３６０には、反射鏡３６４が搭載される。干渉計４７１は、反射鏡３６４を利用して、シリンダ３５０のＸ軸方向の移動量に対応したパルス信号を発生する。
【００４２】
なお、シリンダ３５０のＸ軸方向の位置検出をする構造が上記のもの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、エンコーダ等を用いてもよい。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。
【００４３】
液体アクチュエータ制御部３２０は、エンコーダ３７０の検出結果を参照しつつ、サーボ弁アンプ３３０、３４０に指令を発する。液体アクチュエータ制御部３２０は、デジタル式であってもアナログ式であってもよい。
【００４４】
サーボ弁３３２、３４２の各々は、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３３０、３４０から供給される駆動電流により動作する。
【００４５】
サーボ弁３３２、３４２の制御口は、圧力室３５２、３５４の各々に接続される。サーボ弁３３２、３４２の供給口は昇圧ポンプ１１３側に、サーボ弁３３２、３４２の排気口は作動流体タンク１１１側に接続される。これにより、サーボ弁３３２、３４２は、圧力室３５２、３５４に対して作動流体を供給または排出させることができる。
【００４６】
図４は、液体アクチュエータ制御系３００の構造を模式的に示すブロック図である。なお、以下に説明する処理はデジタル信号処理により制御を実行されるが、アナログ信号処理により同様の制御をすることもできる。また、以下の説明においては、圧力室３５２に関する信号を符号「ａ」により、圧力室３５４に関する信号を符号「ｂ」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。
【００４７】
サーボ弁３３２、３４２における作動流体の体積流量をＧａ、Ｇｂとした場合、圧力室３５２、３５４の各々に発生する内圧Pa、Pbは、サーボ弁３３２、３４２における作動流体の流量Ｇａ、Ｇｂを圧力流量係数ｋｐで除したものに、シリンダ速度ｖに依存した帰還分が減算(a)あるいは加算(b)されたものに相当する。ｋｐは一般的に圧力流量係数と呼ばれ、サーボ弁の種類で決定される。なお、作動流体として液体を用いる制御では圧縮による体積の変化を無視できる。
【００４８】
シリンダ３５０における受圧面積Ｓを圧力Ｐａ、Ｐｂに乗ずることにより、圧力室３５２、３５４の各々で発生する推力Ｆａ、Ｆｂが決定される。更に、推力Ｆａ、Ｆｂの差分が、負荷を移動させる推力Ｆを生じ、負荷の質量に反比例した加速度となる。
【００４９】
このようにして得られた加速度特性（ｍ／ｓ２）で、シリンダ３５０を加速する。シリンダ３５０の加速度を時間積分すると、シリンダ３５０の移動速度ｖ（ｍ／ｓ）が得られる。さらに移動速度ｖを積分するとシリンダ３５０の移動量ｘ(m)が得られる。移動量ｘ(m)は干渉計を含むX軸位置検出４７２によって観測することができる。
【００５０】
上記のような特性を有する液体アクチュエータ３１０に対して、液体アクチュエータ制御部３２０は、以下のような処理を実行する。干渉計４７１を含むX軸位置検出４７２からは、シリンダ３５０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、干渉計４７１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。
【００５１】
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Ｓｉｇｘ＿ｐと、位置残差信号Ｓｉｇｘ＿ｐを積分した積分帰還信号Ｓｉｇｘ＿ｉとが生成される。これにより、Ｓｉｇｘ＿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。
【００５２】
これら、位置残差信号Ｓｉｇｘ＿ｐおよび積分帰還信号Ｓｉｇｘ＿ｉに、それぞれの利得倍率（Ｋｐ、Ｋｉ）を乗算することにより、位置目標信号Ｓｉｇｘ＿Ｅが生成される。なお、位置目標信号Ｓｉｇｘ＿Ｅは、下記の式１のように表すことができる。
Ｓｉｇｘ＿Ｅ＝Ｋｐ＊Ｓｉｇｘ＿ｐ
＋Ｋｉ＊Ｓｉｇｘ＿ｉ・・・式１
【００５３】
上記のようにして生成した位置目標信号Ｓｉｇ＿Ｅに基づいて、サーボ弁３３２、３４２の駆動信号が生成される。即ち、サーボ弁アンプ３３０への指令信号のＳｉｇ＿Ａは、例えば、下記の式２に示す演算により生成される。
Ｓｉｇ＿Ａ＝Ｓｉｇ＿Ｅ・・・式２
【００５４】
この場合、サーボ弁アンプ３４０への指令信号Ｓｉｇ＿Ｂは、下記の式３に示す演算により生成される。
Ｓｉｇ＿Ｂ＝−Ｓｉｇ＿Ｅ・・・式３
【００５５】
サーボ弁アンプ３３０、３４０は、それぞれ、サーボゲインＫｓａ、Ｋｓｂを有し、入力された指令信号Ｓｉｇ＿Ａ、Ｓｉｇ＿Ｂに従って、サーボ弁３３２、３４２への指令電流を発生する。サーボ弁３３２、３４２は、各々の流量特性ｇ（Ｓ）に従って、指令電流に応じた流量で、圧力室３５２、３５４の作動流体を供給または排出する。
【００５６】
図５は、電磁アクチュエータ制御系４００の構造を模式的に示すブロック図である。なお、電磁アクチュエータ制御系４００は、液体アクチュエータ３１０をＹ方向に移動させる電磁アクチュエータ４１０に対しても、ステージ３６０の上でＺ方向に変位するＺ軸電磁アクチュエータ４０１に対しても、等しく使用できる。但し、位置検出４７０は電磁アクチュエータ４１０に対しては、干渉計４７３と反射鏡３６２から得られるY軸位置検出４７４を意味する。Z軸電磁アクチュエータ４０１に対しては不図示のリニアスケールとエンコーダを用いたZ軸方向の位置検出を意味する。
【００５７】
電磁アクチュエータ４１０は、Ｙ軸アクチュエータアンプ４３０から供給された駆動電流の増減に応じて増減する推力Ｆを発生する。推力Ｆは、負荷となる液体アクチュエータ３１０、電磁アクチュエータ４０１等の質量の総和に反比例した加速度特性（ｍ／ｓ２）で、これらの負荷を加速する。電磁アクチュエータ４１０の負荷への加速度を時間積分すると、電磁アクチュエータ４１０の負荷の移動速度ｖ（ｍ／ｓ）が得られる。
【００５８】
さらに移動速度ｖを積分すると電磁アクチュエータ４１０の負荷の移動量ｘ（ｍ）が得られる。移動量ｘ(ｍ) は電磁アクチュエータ４０１の場合は、干渉計を含むＹ軸位置検出４７４によって観測することができる。またＺ軸アクチュエータ４０１の場合は例えば、不図示のリニアスケールとエンコーダを用いて観測することができる。
【００５９】
上記のような特性を有する電磁アクチュエータ４１０に対して、電磁アクチュエータ制御部４２０は、以下のような処理を実行する。位置検出からは、負荷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。
【００６０】
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Ｓｉｇｙｚ＿ｐと、位置残差信号Ｓｉｇｙｚ＿ｐを積分した積分帰還信号Ｓｉｇｙｚ＿ｉとが生成される。これにより、定常偏差に対する利得を向上させることができる。
【００６１】
これら、位置残差信号Ｓｉｇｙｚ＿ｐおよび積分帰還信号Ｓｉｇｙｚ＿ｉに、それぞれの利得倍率（Ｋｐ、Ｋｉ）を乗算することにより、位置目標信号が生成されＹ軸アクチュエータアンプ４３０に入力される。
【００６２】
このように、前述した液体アクチュエータ制御系３００および電磁アクチュエータ制御系４００は２次遅れ系なので、位置信号に位相補償をかけることにより、負荷の安定な位置決めができる。また、積分演算をかけることにより、定常偏差を零に近づけることができる。
【００６３】
図６は、空気アクチュエータ５１０を制御する空気アクチュエータ制御系５００の構造を模式的に示すブロック図である。本実施形態に係る空気アクチュエータ５１０は、一対の圧力室を備えた複動型シリンダを備える。図１に示したアクチュエータ装置１００では、空気アクチュエータ５１１、５１２、５１３がこれに該当する。
【００６４】
一方の圧力室ｃは、レギュレータ２２１を介して圧力源５０１に接続され、内部圧力が一定になるように、作動流体を供給され続ける。他方の圧力室ａは、サーボ弁５３０を介して圧力源５０１に接続され、サーボ弁５３０の開度に応じて圧力が変化する作動流体を供給される。
【００６５】
以下の説明においては、内部圧力が変化する圧力室ａに関する信号を符号「ａ」により識別する。また、内部圧力が一定の圧力室ｃに関する信号を符号「ｃ」により示す。
【００６６】
サーボ弁５３０における作動流体の質量流量をＧａとした場合、圧力室ａに供給される作動流体の質量は、サーボ弁５３０における作動流体の流量Ｇａの積分値に相当する。そこで、流量Ｇａの積分値と、圧力室ａに当初より存在した作動流体の既存質量ｍ０ａの総和から、圧力室ａにおける作動流体の質量が判る。
【００６７】
圧力室ａの容積は、空気アクチュエータ５１０のシリンダの位置ｘに応じて変化する。よって、当該容積はシリンダの位置ｘの関数Ｖａ（ｘ）として表される。作動流体は空気なので、圧力室ａ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ａにおける受圧面積Ｓを圧力Ｐａに乗ずることにより、圧力室ａで発生する推力Ｆａが決定される。
【００６８】
一方、圧力室ｃの内圧は、レギュレータ２２１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ｃの受圧面積Ｓに乗じることにより、圧力室ｃからシリンダに作用する力Ｆｃが判る。
【００６９】
こうして発生した推力Ｆａ、Ｆｃの差分が、空気アクチュエータ５１０を駆動する推力Ｆを生じる加速度となる。なお、圧力室ａ、ｃにおける受圧面積Ｓ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。
【００７０】
推力Ｆは、空気アクチュエータ５１０の負荷質量に反比例した加速度特性（ｍ／ｓ２）を有する。空気アクチュエータ５１０の負荷への加速度を時間積分すると、空気アクチュエータ５１０の負荷の移動速度ｖ（ｍ／ｓ）が得られる。さらに移動速度ｖを積分すると空気アクチュエータ５１０の負荷の移動量ｘ（ｍ）が得られる。移動量ｘ(ｍ) は位置検出５７０、例えば、不図示のリニアスケールとエンコーダを用いて観測することができる。
【００７１】
上記のような特性を有する空気アクチュエータ５１０に対して、空気アクチュエータ制御部５２０は、以下のような処理を実行する。位置検出５７０により検出された移動量ｘを示す位置センサ信号は、デジタル変換されて位置信号として演算される。
【００７２】
位置信号から、目標位置を示す値を減産することにより、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。
【００７３】
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、搬送対象物の速度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。
【００７４】
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。
【００７５】
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４のように表すことができる。
Ｓｉｇ＿Ｅ＝Ｋｐ＊Ｓｉｇ＿ｐ
＋Ｋｉ＊Ｓｉｇ＿ｉ
＋Ｋｖ＊Ｓｉｇ＿ｖ・・・式４
【００７６】
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５３０の駆動信号が生成される。即ち、サーボ弁アンプ５４０への指令信号は、Ｓｉｇ＿Ｅに、サーボ弁アンプ５４０のゲインを乗じることにより得られる。こうして、空気アクチュエータ制御系５００においては、空気アクチュエータ５１０に、目標位置に応じた動作をさせることができる。
【００７７】
このように、流体アクチュエータを備えるアクチュエータ装置において、流体アクチュエータの作動流体を媒体として発熱体の熱を吸収させ、更に、作動流体を流体アクチュエータに還流させることにより、アクチュエータ装置１００の装置規模を抑制することができる。また、作動流体の消尽を抑制することもできるので、この点においても資源を節約できる。
【００７８】
従って、特に複数のアクチュエータを備えるアクチュエータ装置のコストを低減できる。また、高い動作精度が求められるアクチュエータ装置において、電磁アクチュエータの使用を容易にする。
【００７９】
これにより、半導体装置の製造設備、液晶パネルの製造設備、マイクロマシンの製造設備等において、好適に使用できる。また、それにより、半導体装置、液晶パネル、マイクロマシン等の製造コストを抑制することもできる。
【００８０】
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】
【００８１】
【図１】アクチュエータ装置１００のレイアウトを示す模式的な斜視図である。
【図２】アクチュエータ装置の制御系２００の構造を示すブロック図である。
【図３】液体アクチュエータ３１０の構造を模式的に示す図である。
【図４】液体アクチュエータ制御系３００の構造を模式的に示すブロック図である。
【図５】電磁アクチュエータ制御系４００の構造を模式的に示すブロック図である。
【図６】空気アクチュエータ制御系５００の構造を模式的に示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８２】
１００  アクチュエータ装置、１１１  作動流体タンク、１１２  温度調節器、１１３  昇圧ポンプ、１１４、１１５、２２１、２２２  レギュレータ、２００  制御系、２１０  上位コントローラ、２２０  アクチュエータ制御部、２２３  熱交換器、２２４  バッファタンク、２３０  基台、３００  液体アクチュエータ制御系、３０１、３０２、３０３、３０４、５０２、５０３、５０４、５０５  作動流体流路、３１０  液体アクチュエータ、３２０  液体アクチュエータ制御部、３３０、３４０、５４０、５４１、５４２、５４３  サーボ弁アンプ、３３２、３４２、５３０、５３１、５３２、５３３  サーボ弁、３３４、３４４  流路、３５０  シリンダ、３５２、３５４  圧力室、３６０  ステージ、３６２、３６４  反射鏡、３８２  ピストン、３８６、４１３  案内部、４００  電磁アクチュエータ制御系、４０１、４１０  電磁アクチュエータ、４０２、４０４、４０６  Ｚ軸アクチュエータ、４１１  移動子、４１２  固定子、４１４  連結部、４２０  電磁アクチュエータ制御部、４３０  Ｙ軸アクチュエータアンプ、４３１、４３２、４３３  Ｚ軸アクチュエータアンプ、４７０  位置検出、４７１、４７３  干渉計、４７２  Ｘ軸位置検出、４７４  Ｙ軸位置検出、５００  空気アクチュエータ制御系、５０１  圧力源、５１１、５１２、５１３、５１０  空気アクチュエータ、５２０  空気アクチュエータ制御部
【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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