Special Section

情報・制御 特 集

1 振動検出2 周波数調整

3 幅調整

Velocity

振動抑制

1
中心周波数
ノッチ幅

0.4

0.5

ζ

Frequency

0.6

0.2
0

1 900

2 000

2 100

2 200
Sample count

2 300

2 400

2 500

0

About 80 times faster

Cantilever

Before applying FIRE
About 5 times faster

After applying FIRE

Simple contact model

About 3 times faster
Reduction gear

精度
1 nm

SDシリーズ
10 nm

アナログ電流制御ドライバ
単軸制御仕様半導体・液晶市場

100 nmMDシリーズ

1μm

デジタルソフトウェア電流制御ドライバ
多軸制御仕様10μm

ロボット市場
10

100

1 000
対象装置の年間生産代数

10 000台/年・装置0

200 000
400 000
Convergence time step

600 000

住友重機械技報 176
No.

2011

情報・制御特集特別寄稿
暁1

小木曽 太郎，塚原 真一郎

７

陽子線治療装置用スキャニング制御システムの開発

井上淳一

13

高安定度電磁石電源のデジタル制御

一色

翼

17

安武知治

21

M７制御プラットフォームの搬送制御システムへの適用

福嶋

弘

23

M７制御プラットフォーム研削盤用 CNC への適用

島田

昇

25

運行管理システム eSNavi

吉田貴志

27

広瀬良太，大西良孝，市嶋大路

29

小惑星探査機「はやぶさ」搭載サンプル採取機構

矢島

情報・制御特集
論文・報告 適応ノッチフィルタの開発および XYステージへの適用

技 術 解 説 デジタルハードウェア電流制御の開発

論文・報告
くりこみ群分子動力学法を用いた高速構造緩和手法

新製品紹介
気体検知式 LPG 残量警報

33

特別寄稿

小惑星探査機「はやぶさ」搭載サンプル採取機構

小惑星探査機「はやぶさ」搭載サンプル採取機構
Sampler Mechanism of Hayabusa Spacecraft for Asteroid Probing●矢島暁＊

Satoru YAJIMA

サンプル採取機構 ホーン部
Hayabusa Sampler (Horn part)

小惑星探査機「はやぶさ｣は，数々の苦難を乗り越え，2010年 6 月13日に無事地球への帰還を果たした。
このニュースは各報道機関にて大きく取り上げられ多くの国民に感動を与えたが，このはやぶさには当社が開発に参画した小惑星サンプル採取機構が搭載されていた。
小惑星サンプル採取機構に課せられたミッションは，（1）
小惑星に弾丸を撃ち込み破砕された表層部（サンプル）
を衛星内部に導き，（2）
衛星内部でサンプルを分離しキャッチャと呼ばれる容器に格納し，（3）
キャッチャを回収カプセルに搬送し真空密封を行う，という非常に複雑かつ高度なものであったが，これらのすべての動作が成功し所定の機能を満足したことが確認されている。また，回収カプセル内には小惑星由来の微量の粒子が入っていたことも確認されており，現在独立行政法人宇宙航空研究開発機構にて詳細な分析が行われている。

１

1

まえがき

ⒸJAXA

“Hayabusa,”which is a Japanese spacecraft for asteroids probing, successfully returned to Earth on June
13, 2010 after overcoming various challenges. This
news was taken up by the mass media and madea deep impression on the Japanese people. The
Hayabusa is equipped with a sampler mechanism thatcollects fragments of surface materials of an asteroid.
This sampler mechanism is a key component created in
the development program in which we participated. The
main missions assigned to this sampler mechanism are:1) to collect fragments (samples) of surface materialsof an asteroid that was broken by a projectile shooted
from the spacecraft, 2) to separate the samples in thecraft and store them in the container called the catcher,and 3) to insert the catcher into the re-entry capsule andseal up the samples under vacuum conditions in thiscapsule. Although these tasks were very complicatedand required sophisticated technologies, it was
confirmed that they were completed successfully andfulfilled the required functions. It was also confirmedthat small particles originating from the asteroid were
found in the capsule. The Japan Aerospace Exploration
Agency (JAXA) is now performing detailed analysis ofthese particles.

観測所より打ち上げられた。図１にはやぶさの外観写真を，
図２にはやぶさの構成および主仕様を示す。はやぶさは打上

はやぶさは，独立行政法人宇宙航空研究開発機構・宇宙科

げ後にリアクションホイール故障，地球との通信断絶，イオ学研究所(JAXA)が開発した工学実験衛星であり，太陽系小ンエンジン故障など種々のトラブルに見舞われたことから，

惑星イトカワに着陸し，表層部(サンプル)を採取し地球に持

地球帰還は当初予定の2007年より延期されたが，これらのち帰ることを目的として，2003年５月９日内之浦宇宙空間

トラブルを克服し2010年６月13日に無事地球帰還を果たし＊量子機器事業部

住友重機械技報 No.176 2011

特別寄稿

表１

小惑星探査機「はやぶさ」搭載サンプル採取機構

はやぶさの打上げから地球帰還までの履歴
History of Hayabusa from launch to return to the Earth

2003年

5月 M−V−5号ロケットにより打上げ

2004年

5月 地球スイングバイ

2005年

9月 小惑星イトカワまで20 kmの地点に到着

2005年

11月 小惑星イトカワに降下 , 世界初の小惑星軟着陸に成功

2005年

12月 地球との交信断絶

2006年

1月 地球との交信復活

2007年

1月 サンプル採取機構の回収カプセルへの搬送成功

2010年

4月 地球帰還に向け軌道修正

2010年

6月 地球帰還2010年

11月 採取した微粒子が小惑星イトカワ由来のものと判明

小惑星イトカワに向かう

2 回タッチダウン後離脱

サンプル回収

図１



ⒸJAXA

はやぶさ外観写真
Photograph of Hayabusa spacecraft



ⒸJAXA

寸法：6 m×4.2 m×3 ｍ（太陽電池パドル、サンプラーホーン展開時）
1 ｍ×1.6 m×1.1 m（衛星本体）
質量：510 kg（打ち上げ時、燃料質量を含む）



図２

Ⓒ池下章裕

はやぶさの構成及び主仕様
Configuration and main specifications of Hayabusa spacecraft（3）惑星間軌道からのカプセル再突入，回収技術の確立た。
また，地球に帰還した回収カプセル内部からは微粒子が発見され，これらはイトカワ由来のものと断定され，現在JAXAにて詳細な分析が行われている。表１に，はやぶさの打上げから地球帰還までの主要イベントの履歴を示す。
はやぶさにおける工学的検証項目は以下の４点であり，当社はJAXAおよび日本電気株式会社と共同で（4）のサンプル採取技術確立のためのサンプル採取機構の開発を行った。

（4）小惑星表面からのサンプル採取技術の確立
本報では,このサンプル採取機構の詳細および軌道上での実績について報告する。

２2.1

サンプル採取機構の詳細
要求機能開発に当たり，小惑星サンプル採取機構に対して提示され（1）惑星間航行用のイオンエンジンの実証

た要求機能を以下に示す。

（2）光学情報に基づく自動・自律的な位置制御システムの（1）小銃(プロジェクタ)より発射されるプロジェクタイル

確立

により小惑星表面を破砕すること
住友重機械技報 No.176 2011

2

特別寄稿

表２

小惑星探査機「はやぶさ」搭載サンプル採取機構

サンプル採取機構の機能及び性能
Function and specification of sampler mechanism
機構

機能

性能（数値はノミナル値）

サンプルの捕集 , 格納 , 回収カプセルまでの搬送 , サンプルの真空シール

寸法：290 mm(W)×410 mm(H)×280 mm(L)
質量：3.1 kg①サンプルキャッチャ機構

捕集したサンプルの格納

最大粒径：10 mm のサンプル格納
3
サンプル収納容積：70 cm②サンプル分離機構

捕集したサンプルのサンプルキャッチャ機構内での分離

サンプル分離室数：2 室
回転方式による採取室の切替え③サンプル捕集チューブ退避機構

サンプル捕集後の , サンプルキャッチャ機構からの回転チューブの退避

退避ストローク：72 mm④サンプル搬送機構

・サンプルキャッチャ機構およびサンプルキャッチャ機構内に格納されたサンプルの , 回収カプセル内真空コンテナまでの搬送
・サンプルキャッチャ機構搬送後の搬送ばね力の解除・ラッチ・シール機構のアクチュエータ駆動用電源ワイヤーの切断

搬送ストローク：161 mm⑤ラッチ・シール機構

・真空コンテナに対しての真空シール
・衛星からの回収カプセル分離後 , 地上での回収とサンプル取出しまでの真空コンテナの気密保持

真空コンテナ内圧力レベルの保持：
1.33 Pa(1×10 − 2 torr) 以下（空気分圧レベル）

採取したサンプルをサンプリングまで導く

寸法：φ350 mm×1 000 mm (L)
質量：4.9 kg

衛星下面から 1000 mm の位置において , 破砕した表層の破片（サンプル）を捕集しキャッチャに導く

ホーン下部開口径：φ150 mm
構体下面からの長さ：1 000 mm

サンプリング部

ホーン部①ホーン機構回収カプセル（３）

サンプル採取機構（キャッチャ）サンプル採取機構
ホーン部（衛星外部）

サンプリング部（衛星内部）
プロジェクタ（１）ホーン接地、プロジェクタより
弾丸発射（２）弾丸衝突の衝撃で砂が舞い上がり、微粒子がホーンを伝わりキャッチャに入る（３）キャッチャを回収カプセルに
押し込む

（１）

サンプルキャッチ機構
ホーン機構

サンプル分離機構

サンプル採取機構（ホーン）

サンプル捕集チューブ退避機構

プロジェクタ（当社範囲外）サンプル搬送機構（２）

ラッチ・シール機構

図3

撃ちこみ式サンプリング方式
Sampling technique by firing a bullet（2）破砕され飛散した小惑星表層の破片(サンプル)を筒状のホーンを介して衛星内部の捕集容器(キャッチャ)に導くこと（3）サンプルを捕集容器(キャッチャ)内に２回に振り分け
格納することサンプル採取機構の構成
Construction of sampler mechanismては当社にて開発を行った。
2.2

構成および機能・性能

図４に，2.1の要求機能を受け開発したサンプル採取機構の構成を，表２に機能および性能を，図５および図６にサンプル採取機構外観図を示す⑵。

（4）サンプルの格納されているキャッチャを回収カプセル

サンプル採取機構は衛星内部に設置されるサンプリング部

内の真空コンテナに搬送し，コンテナ内に収容し固定すと衛星外部に設置されるホーン部により構成される。サンプ

ること

ル採取機構の主な特長を以下に示す。

（5）真空コンテナをシールし，コンテナ内の気密を保つこと⑴の小惑星表面破砕のプロジェクタおよびプロジェクタイ
ル開発はJAXAにて実施された。開発時は小惑星の表面状態は不明であったことから，いかなる表面状態にも対応可能であり，かつ微小重力環境下で成立する撃込み式サンプリング方式が開発された。図３に，撃込み式サンプリング方式を示す。本方法はプロジェクタイルをプロジェクタより撃ち出し，

3

図4

（NEA
（1）高い動作信頼性（Non−Explosive Actuator，非火工品アクチュエータ）およびばねによる駆動機構）（2）アルミ合金/マグネシウム合金採用による軽量構造(全体質量約8.0 kg)（3）サンプル通過部に不純物混入防止のため純アルミコー
ティングを施工（4）ホーン部に高強度繊維および特殊バネを使用し，小惑星接地時の柔軟性を実現

小惑星表面を破砕させ舞い上がってくるサンプルを採取する

サンプリング部はサンプルキャッチャ機構，サンプル分離という方法であり，複数回にわたる無重力実験により十分な機構，サンプル捕集チューブ退避機構，サンプル搬送機構お収集能力があることが確認された⑴。その他⑵から⑸についよびラッチ・シール機構から構成され，またホーン部はホー
住友重機械技報 No.176 2011

特別寄稿

図５

サンプル採取機構（サンプリング部）
外観写真
Photograph of sampler mechanism (Sampling part)

第２室

サンプル採取機構（ホーン部）
外観写真
Photograph of sampler mechanism (Horn part)

図６

第１室

第２室

小惑星探査機「はやぶさ」搭載サンプル採取機構

第１室

第１回サンプリング

サンプル分離機構作動（第１室 OPEN）（第１室 CLOSE、第２室 OPEN）

サンプルキャッチャ機構
Cylinder

第２室

第１室

第２室

第１室

第２回サンプリング

サンプル分離機構作動（第２室 OPEN）（第２室 CLOSE）



図７

ⒸJAXA

サンプルキャッチャ及びサンプル分離動作概念図
Conceptual figure of catcher and sample separation mechanism

ン機構およびプロジェクタ(当社範囲外)から構成される。各

着されたねじりばねにより回転駆動力が与えられ，上部に取機構の詳細を次に示す。

り付けられたキャッチャ回転筒を回転させる。

2.2.1

回転駆動力の保持/解放にはNEAが使用され，計２台搭載

サンプルキャッチャ機構

サンプルキャッチャ機構は，捕集したサンプルを格納する機能を有する。サンプルキャッチャ機構はキャッチャ本体，

される。
2.2.3

サンプル捕集チューブ退避機構

カバー，仕切板，サンプル漏洩防止板，回転筒およびコンタ

サンプル捕集チューブ退避機構は，サンプル捕集後カプセ

ミネーションクーポンなどにより構成される。キャッチャ本ルへの搬送動作が可能となるよう，サンプルキャッチャ機構

体はアルミ合金製であり，カプセル内に設置される真空コン

から回転チューブなどサンプル分離機構一式を退避させる機

テナにできる限り多くのサンプルが格納可能なよう，下部の能を有する。サンプル捕集チューブ退避機構の主要部材はア

一部がフラットな円筒構造となっている。内容積は約70 cm

3

ルミ合金製であり，固定チューブ，回転チューブシャッタ，である。キャッチャ本体内部は２回の捕集のサンプルが混合

NEA，退避用圧縮コイルばね，ガイドロッドなどで構成さしないよう，仕切板により分離された２室に個別にサンプルれる。

を捕集できる構造となっている。図７に，サンプルキャッチ

サンプリング時，サンプル分離機構一式は回転チューブがャおよびサンプル分離動作概念図を示す。

サンプルキャッチャ機構の所定位置にセットされるよう，

2.2.2

NEAを介してサンプラ本体に保持固定される。サンプリン

サンプル分離機構

サンプル分離機構は，捕集したサンプルをサンプルキャッ

グ終了後はNEAを作動させることにより，サンプル分離機

チャ機構内で２室に個別に捕集できる機能を有する。サンプ

構一式はガイドロッド外周に設置された圧縮コイルばねにてル分離機構の主要部材はアルミ合金製であり，回転チューブ，

サンプルキャッチャ機構から離れ，下部に退避しガイドロッ

回転部受台，NEA，回転用ねじりばねなどで構成される。

ド下部のストッパに衝突し停止する。

図７に示す通り，２回のサンプリングにより捕集されるサン

回転チューブ外周には，チューブ出口からのサンプル漏洩

プルを個別に格納できるよう，回転分離動作が２回行える構防止のシャッタ機構が取り付けられる。本機構は上記の退避（120 °×２回)である。
造となっている。回転角度は計240 °動作に伴い，圧縮コイルばねにより回転チューブ出口を閉塞

回転チューブは下部に回転台が取り付けられ，その内部に装する構造となっている。図８に，サンプル捕集チューブ退避
住友重機械技報 No.176 2011

4

特別寄稿

小惑星探査機「はやぶさ」搭載サンプル採取機構

搬送ガイ
ドチューブ

回収カプセル図８

サンプリング

捕集チューブ

完了状態

退避開始

退避完了



サンプル捕集チューブ退避動作概念図
Conceptual figure of pull-out mechanism for sample collection tube

ラッチシール機構
動作用ハ−ネス

捕集チューブ

ⒸJAXA

搬送押し板
ワイヤカッタ

搬送完了

ワイヤ切断＆
搬送ばね力解除完了

図９

サンプル搬送動作概念図
Conceptual figure of capsule insertion mechanism



動作概念図を示す。

カプセルが地上で回収されるまでの期間，真空コンテナ内を

2.2.4

必要真空度に保持する機能を有する。

サンプル搬送機構

サンプル搬送機構は，サンプリング後サンプルをサンプル

ラッチ・シール機構は，ラッチ内蓋，ラッチ外蓋，圧縮コ

キャッチャ機構とともに回収カプセル内に搬送し，かつ搬送

イルばね，サンプルアブレータ，NEA，NEAケーブル切断

後カプセル分離に影響をおよぼさないよう，搬送ばね力を解用ワイヤカッタ，Oリング，真空コンテナなどで構成され，除できる機能を有する。サンプル搬送機構は構体取付フラン

主要部材はアルミ合金およびチタン合金が使用される。

ジ，搬送ガイド，搬送押し板，NEA，圧縮コイルばね，ラッラッチ外蓋および内蓋は，サンプルキャッチャ機構を保持

チ部保持機構，搬送ばね力解除機構などにより構成される。

するとともに，カプセルの地球への再突入時において，真空主要部材はアルミ合金製であるが，構体取付フランジなど一コンテナの耐熱シールドとなる機能を有する。また，ラッチ部の部品については，軽量化の目的によりマグネシウム合金

外蓋背面にはサンプラアブレータが取り付けられ，再突入時が使用される。

のカプセル内部への熱流入が防止される。

サンプリング時，サンプラキャッチャ機構およびラッチ･ラッチ外蓋および内蓋は，NEAにより初期結合されており，シール機構は，搬送ガイドにヒンジ結合されたトリガおよびさらに12個の圧縮コイルばねが外蓋と内蓋の間に設置される。

ワイヤロープによりサンプリング位置に保持される。サンプ

カプセルへのサンプルキャッチャ機構搬送後，NEAに通電リング後，NEAを作動させワイヤロープの拘束を解除する

することにより両者間の拘束は解除され，外蓋および内蓋はことにより，これら機構一式は圧縮コイルばねによりカプセ

圧縮コイルばねにより真空コンテナに押し付けられる。ラッルまで搬送され，カプセル内コンテナシール面で停止する。

チ動作終了後は，カプセルが衛星より分離可能となるよう ，

搬送ばね力解除機構は，カプセルへの搬送後，カプセルにNEAから構体内部へのケーブルは搬送押し板に取り付けら残留する搬送ばねによる押付け力を解除する機能を有し，

5

ⒸJAXA

れたワイヤカッタにより切断される。

NEA，ワイヤロープおよびプッシュロッドにより構成されラッチ機構と真空コンテナのシールは同心円状２重に配置る。カプセルへの搬送終了後NEAを作動させ，ワイヤロー

されたOリングゴムにより行われる。Oリング間は，コンテプの拘束を解除することにより，搬送押し板を搬送ガイドカ

ナへの空気透過量を低減させるようポケット部が設置されてバーとともに構体内部側方向に押し出し，カプセルへの押しおり，地上での回収までの期間において所定の真空レベルが付け力を解除する。図９に，サンプル搬送動作概念図を示す。

確保される。図10に，ラッチ・シール動作概念図を示す。

2.2.5

2.2.6

ラッチ・シール機構

ホーン機構

ラッチ・シール機構は，カプセルへのサンプルキャッチャ

ホーン機構は，プロジェクタにより小惑星表層から破砕さ

機構搬送後，キャッチャ機構を真空コンテナに固定し，かつれたサンプルをキャッチャ部へ導き，かつ小惑星タッチダウ
住友重機械技報 No.176 2011

特別寄稿

表３

小惑星探査機「はやぶさ」搭載サンプル採取機構

サンプル採取機構の動作履歴
A logging sample of sampler mechanism sequence in space
動作

動作年月

結果

①ホーン伸展

2003年５月９日（打上げ直後）正常に動作（リミットスイッチ信号をテレメトリにて確認）②サンプル分離2005年11月26日（小惑星タッチダウン直後）

正常に動作（リミットスイッチ信号をテレメトリにて確認）③サンプル捕集チューブ退避

2007年１月18日

正常に動作（リミットスイッチ信号をテレメトリにて確認）④サンプル搬送2007年１月18日⑤ラッチ・シール2007年１月18日⑥搬送ばね力解除2007年１月18日

正常に動作（リミットスイッチ信号およびカプセル温度変化をテレメトリにて確認）
2010年６月（地球帰還後）正常に動作（カプセル温度変化をテレメトリにて確認 また地球帰還後の状態にて確認）
正常に動作（リミットスイッチ信号をテレメトリにて確認）

カプセル本体
固定ホーン

布ホーン

搬送前

伸展機構
伸展ホーン
収納状態

NEA
図11

伸展途中

伸展状態


ホーン伸展動作概念図
Conceptual figure of horn extension mechanism

ⒸJAXA

搬送後

ンプル採取機構としては100 %の成功を収めた。また，地球帰還後に回収されたサンプルキャッチャから採取された約1 500個の微粒子については，2010年11月16日にイトカワ起源のものと正式に発表され，はやぶさは与えられたミッションを完遂した。これら微粒子の分析により，今後惑星形成と進化の
Oリング

図10

解明が期待されている。

ラッチおよびシール後 (NEA作動)


ラッチ・シール動作概念図
Conceptual figure of latch and seal mechanism

ⒸJAXA

４

むすび

（1）小惑星探査機はやぶさに搭載されたサンプル採取機構の開発を行った。
ン時，縦横方向に柔軟に変形できる機能を有する。

（2）サンプル採取機構は，軌道上で所定の動作を正常に行い，小惑星から微粒子を採取しカプセルに格納したこ

ホーン機構は，打上げ時のロケット内設置領域の制約から，とが確認された。

打上げ時においては衛星下部パネルから全長400 mmに収納され，打上げ後は宇宙空間にて全長 1 000 mmまで伸展する構造（3）本機構の高い動作信頼性が実証されたことにより，今とした。ホーン伸展には伸展ストロークを考慮しDHS(Double-

後同種の小惑星探査ミッションへの適用が期待されて

reverse Helical Spring)が使用され，同時にタッチダウン時のいる。

柔軟変形もDHSの伸縮および曲げにより行われる。
ホーン機構は構体下部パネル外面に設置され，固定ホーン，
伸展ホーン，布ホーン，固定式ダストガード，展開式ダスト
ガード，保持解放機構，ホーン伸展機構(DHS)，プロジェク
タなどで構成される。主要部材はアルミ合金およびマグネシ

参考文献⑴

藤原他. 無重力環境下での試料採取の技術の開発.宇宙環境利用に関する公募地上研究.平成10年度⑵

研究成果報告書．

藤原顕,矢野創.「はやぶさ」に搭載された小惑星試料採取機構.
日本航空宇宙学会誌,53(620),2005,P264－271.

ウム合金が使用される。布ホーン部は耐貫通強度確保のほか，
タッチダウン時に外力の加わった場合の伸縮性も確保するべく高強度繊維が使用される。図11に，ホーン伸展動作概念図を示す。

３

軌道上での作動実績

表３に，打上げ後のサンプル採取装置の作動実績を示す。
いずれの動作もすべて正常に行われたことが確認され，サ
住友重機械技報 No.176 20116

情報・制御特集

論文・報告

適応ノッチフィルタの開発および XYステージへの適用

適応ノッチフィルタの開発およびXYステージへの適用
Development of Adaptive Notch Filters and Its Application for XY Stage●小 木 曽Taro OGISO

太

郎＊

塚

原

真一郎＊

Shinichiro TSUKAHARA

1 振動検出2 周波数調整

3 幅調整

Velocity

振動抑制

1
中心周波数
ノッチ幅

0.4

0.5

ζ

Frequency

0.6

0.2
0

1 900

2 000

2 100

2 200
Sample count

2 300

2 400

2 500

0

適応ノッチフィルタの動作
A reaction of adaptive notch filters

高い運動性能が求められる装置では，高ゲインのフィードバック制御が必要になることが多い。装置の共振特性が高ゲイン化を阻害する場合には，ノッチフィルタを用いて安定化が図られる。ノッチフィルタは制御ループの安定化に高い効果が得られるものの，適切に調整しないと効果が低下するばかりか，不安定化を招く場合もある。たがいに周波数の近い共振が存在するときはノッチ
フィルタと共振の位相干渉が強くなるので，調整には高い専門技能が必要になる。本稿では，ノッチフィルタ調
整の容易化を目指して開発した適応ノッチフィルタに関して報告する。プラントからの観測量にもとづいて中心周波数とノッチ幅を自動調整する手法により，適応ノッ
チフィルタを開発した。XYステージのサーボ調整に適用し，3段のノッチフィルタが適切に自動調整されることを確認した。

１

7

まえがき

Devices that need higher kinematical performance
frequently require high gain feedback control. Whenachievement of high gain feedback control is precludedby the resonance characteristics of the devices, notch
filters are used to stabilize the control system. Althoughnotch filters effectively stabilize the control loop,
improper tuning may lead to decreased stabilization
effect and unstable system behavior. When many
resonant modes appear closely in the frequency
domain, serious phase interference will occur between
notch filter and resonance frequencies. For this reason,
sophisticated expertise is required to tune the notch
filters. We have developed adaptive notch filters aiming
at facilitating tuning. This article reports the newly
developed adaptive notch filters resulting from the new
method by which the center frequency and notch width
are automatically tuned based on the measurements
collected from plants. We used adaptive notch filters totune the servo system of the XY stage and confirmedthat three-stage notch filters were automatically tuned
in a proper manner.

に依存していることが多い。サーボ調整は出荷時のみならず ,機械特性の経年変化への対応や，用途変更などの場合にも実半導体の製造や検査，金型加工などに使われる高性能な位施する。高ゲインのサーボ調整には長い時間がかかり，作業

置決め装置において制御仕様を満たすには，低周波での外乱費用が高くなる。このため，サーボ調整の簡易化は産業上重抑制と高周波での共振安定化を考慮してコントローラを高ゲ

要な技術となっている。

インにチューニングする必要がある。高周波の共振特性は高高性能な位置決め装置は十分な制御性能を得るために，共精度なモデル化が困難なことから，技術者によるサーボ調整

振周波数が所要の周波数以上となるように機構を設計する。

＊技術本部

住友重機械技報 No.176 2011

論文・報告適応ノッチフィルタの開発および XYステージへの適用

ノッチフィルタrN(z)コントローラ

プラント

−

H(z)
w

ハイパスフィルタ

u
R(z)

p

推定器

N(z)

ω＊

R(z)
90

中心周波数推定機構
Phase (deg)

共振フィルタ

Gain

＋

図1

0
−90
−180

適応ノッチフィルタの構成
Block diagram of adaptive notch filtersωFrequency

装置は，この周波数以下の領域において剛体モードで動作する。また，外乱の抑制には静圧案内などが採用されることが多く，共振の減衰性が低い傾向にある。そこで制御ループに

図２

ノッチフィルタを挿入し，ループゲインを局所的に抑制する

ノッチフィルタと共振フィルタの周波数特性
Frequency characteristics of notch filters and resonance filters

ことで低周波領域の高ゲイン化を実現することが多い。ノッチフィルタは開ループの位相を変化させる。調整が不適切な開発した適応ノッチフィルタをフィードバック制御系に適場合にはゲイン抑制の効果がないばかりか，位相の不安定化

用すると図１のようになる。N(z)は推力指令などをフィルタを引き起こすことがある。ループ中で複数使うときには，プリングするノッチフィルタである。N(z)の伝達関数を連続時

ラントの位相特性と複数のノッチフィルタの位相特性を考慮間で示すと式（1）のようになる。

した複雑な調整を行う。このような調整には高い専門技能が必要であることから，調整の自動化が求められている。
本報ではノッチフィルタの中心周波数とノッチ幅の調整を自動化した適応ノッチフィルタの開発と，XYステージのサ＋2 ζ ω ＋ω 2……………………………………………
（1）
2＋2ζ ω ＋ω 2

2

ここでωN は中心周波数，g N はωN におけるゲインである。

ーボ調整への適用について報告する。中心周波数の調整アルN(z)のボード線図を図２に実線で示す。ωN においてゲイン

ゴリズムは信号処理の分野で研究されたオールパス型適応ノが抑制されることと，ωN の前後で位相の遅れ進みのあるこ

ッチフィルタ⑴の原理にもとづいており，多軸コントローラとがわかる。H(z)はプラントの観測量wから調整に不要な指において複数のノッチフィルタを使う多自由度の位置決め装令応答成分などを除去した信号uを出力するハイパスフィル

置の場合，演算時間低減の面から有利である。また，中心周タである。R(z)は共振周波数ωN の共振フィルタで，uをフィ

波数を逐次更新し，閉ループ制御中でもプラントの共振周波ルタリングして信号pを出力する。R(z)のボード線図を図２数を高精度に推定することができる。ノッチ幅の調整アルゴに点線で示す。ωN にゲインピークがあることと，ωN におい

リズムは位相余裕の確保を重視しており，本事例のXYステて位相が90 deg遅れることがわかる。推定器はuの振動周波数ージのように近接する帯域で異なる共振モードを抑制する場

ω*を推定する。

合に有利である。

2
2.1

適応ノッチフィルタ

ここで u が振幅 a，周波数ωの正弦波であると仮定してω*の推定原理を説明する。添え字kをサンプル数，Tsをサンプ
リング時間とすれば定常状態において，機能適応ノッチフィルタは①振動検出，②周波数調整，③幅調整の各機能を備えている。代表図にXYステージにおいて適
応ノッチフィルタが動作したときの速度，中心周波数の推定= sin ω……………………………………………………
（2）= | （ ω）| sin
（ ω ＋arg （ ω））……………………………………………………
（3）

値ω*およびノッチ幅のパラメータζN の時間変化を示す。周波数はナイキスト周波数によって正規化した値，時間はサン
プル数でそれぞれ表示している（６章の実験結果についても

ただし，¦R( jω)¦,argR( jω)は周波数ωにおけるR(z)のゲインと位相である。式
（2）
,（3）
から

同様）。振動検出機能は共振の励起を判定すると，中心周波数の調整を開始する。周波数調整はω*の収束が判定されると終了し，続いてノッチ幅の調整を開始する。一連のシーケ
ンスを自動化したことで，ノッチフィルタの調整を効率よく行うことができる。
2.2= 2| （ ω）|sin ω sin（ ω ＋arg（ ω）
）

……………
（4）
1
|{cos
（arg（ ω））
−cos
（2 ω ＋arg（ ω））}= ━━ 2| （ ω）
2となるから十分長い区間で積upの平均E [up]を計算すれば，周波数調整
住友重機械技報 No.176 20118

論文・報告適応ノッチフィルタの開発および XYステージへの適用

（a）
プラントA

Velocity

40
20

Open loop
Closed loop
102

3 000

1

2 000
ω＊

1 000
0

103

0.5

0.6

0.7

1.1

0.1
1.2

1.3

Velocity

40
20

Open loop
Closed loop
102

103

3 000
2 000

動作確認用プラントの周波数特性
Frequency characteristics of plants for the simulation1……………………………………………
（5）[ ]= ━━ 2| （ ω）
| cos（arg （ ω））
2となる。R(z)の位相特性より，E [up]はω<ω
ω=ω……………………………………………
（6）
ω>ω

1

ω＊

ζN

0.7

0.8

ζ

0
−20
90
0
−90
−180
−270
−360

1 000
0

0.1
0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.9

Time (s)Frequency (Hz)

図４

シミュレーションによる動作確認結果
Simulation results

周波数調整は共振が励起状態にあるような，単一周波数振動が大きく現れているときに行う。ωN =ω*としてN(z)の係数を更新すれば，中心周波数をプラントの共振周波数に一致させることができる。演算量を低減するべく，一定サンプルごとにN(z)およびR(z)の係数を更新することも可能である。
2.3

幅調整

ノッチ幅はζN に比例する。幅調整ではζN をある区間でスとなるから，λを正の実数として，式（7）のような漸化式を利イープしながら一定サンプル毎にN(z)の係数を更新する。こ用してR(z)の共振周波数を更新すれば，ωN をωに収束させのとき，ある基準を上回る振動を検出した場合はスイープをることができる。
ω ＋1=ω −λ ………………………………………………
（7）

実際には式
（8）
（10）
のアルゴリズム⑵を用いてω*をωに収束させる。
Δω＊ =λ

9

1.0

（b）
プラントB

Frequency (Hz)Phase (deg)Gain (dB)

（b）
プラントB

⎧ >0
[ ]=⎨ =0
⎩ <0

0.9

ζN

Time (s)Frequency (Hz)

図３

0.8

ζ

0
−20
90
0
−90
−180
−270
−360

Frequency (Hz)Phase (deg)Gain (dB)

（a）
プラントA

中止し，ζN を低水準なζN Lに設定してノッチ幅を狭くする。
基準を上回る振動を検出することなくスイープが完了したと
きはζを高水準なζN H に設定してノッチ幅を広くする。スイープ区間は周波数調整中およびζN H よりもさらにノッチ幅が広くなるように設定する。このことから，スイープが完了し＊（8）/Φ ω……………………………………………

た場合はスイープ区間とζN H との差に応じた位相余裕を確保することができる。

ω＊ ＋1=ω＊ −Δω＊……………………………………………
（9）

３

（10）
Φ（
= 1−……………………………………………………
）
Φ −1＋ 2

3.1

シミュレーションによる動作確認
動作確認用プラント

図１においてプラントを位相遅れのある３慣性系とした速更新量Δω*の計算において積upをΦで除す理由は，Δω*か度制御のシミュレーションを行い，適応ノッチフィルタの動ら振幅 aの影響を簡便に低減するためである。さらにΔω*の作を確 認した 。３慣 性系は３つの 慣 性 体をねじりばね要 素

分母には¦R( jω)¦が含まれる。¦R( jω)¦はωとωN の差が小さいで結合した回転系のモデルとし，第１慣性の角速度ωをフィほど大きな値をとるので，ω*はωへゆるやかに収束すると考ードバックして第１慣性へのトルク指令を演算した。プラントえられる。

は位相交叉周波数（420 Hz），１次反共振周波数（55 Hz），２次
住友重機械技報 No.176 2011

論文・報告XYステージ
Nanoplane

適応ノッチフィルタの開発および XYステージへの適用

yエンコーダ xRx上軸アクチュエータ
X

yaw
エンコーダ
y1

エンコーダ
y2

下軸アクチュエータ
Y1

下軸アクチュエータ
Y2

ガイ
ドビーム
トッププレート

電流

位置検出
適応ノッチフィルタ

ドライバ
SDPH

モーションコントローラ
MC78

x, y, yaw の各軸の速度ループにノッチフィルタを3 段ずつ実装
＋
−

推力指令

P

図５

NF2

NF3

x axisw

y axisyaw

NF1

y axis

ANF

axis

yaw

axis

XYステージの制御システム
Schematics of control system for XYstage

共振周波数（300 Hz）が等しいA，Bの２種類を設定した。

準を上回る振動が検出されたことでζN =ζN Lを選択した。

制御系が安定限界となるようにループゲインを調整したとき以上の結果から，周波数調整は閉ループ制御中でもプランの開ループと閉ループの周波数特性を図３に示す。プラント

トの共振周波数を高精度に推定することができ，幅調整は位AおよびBは，位相交叉周波数において閉ループの共振が生相余裕の確保を重視するという，設計意図どおりの動作を確じている。しかしながらωN =420 Hzとしてしまうとノッチフ認することができた。

ィルタの位相特性によって２次共振が不安定化される。逆に
ωN =300 Hzとすれば，ノッチフィルタの位相特性によって位

４

XYステージへの適用

相交叉周波数を高周波に遷移させることができる。また，プ

当社の露光・高精度検査装置用XYステージNanoplane ®

ラントAは２次反共振周波数と２次共振周波数の比が大きい（図５）のサーボ調整に適応ノッチフィルタを適用した。XYことから，ノッチ幅を広めにとるほうが安定性を高められる。

ステージはガイドビームを駆動する下軸と，トッププレート

一方，プラントBは２次反共振周波数と２次共振周波数の比を駆動する上軸が，リニアモータによって互いに直交の並進が小さいことから，ノッチ幅を狭めにしないと110〜200 Hz

駆動を行うことでXY平面内の位置決めをする。制御系はx軸で位相不安定になるおそれがある。

（上軸並進），y軸（下軸並進），yaw軸（下軸回転）の３制御自3.2

由度を有する。

動作検証の結果

速度制御中に比例ゲインをランプ状に上げることで共振モ

複数軸を同時に制御するXYステージ制御システムにノッードを励起し，適応ノッチフィルタを動作させた。図4はシチフィルタの調整機能を1個実装した。ノッチフィルタは x，ミュレーションの結果であり，それぞれ上図が速度，下図がy，yawの各軸の速度ループに３段ずつ実装した。速度ループ

ωN とζN の時間変化である。垂直点線は周波数調整の開始時は同図中に示したような構成とした。ここでPは比例制御器 ，期を示す。図４(a)はプラントAに対する結果である。周波数

NFi（i=1,2,3）はノッチフィルタ，ANFは中心周波数推定機

調整においては２次共振周波数を高精度に推定しωN =295 Hz構を表す。Nanoplane®は外乱オブザーバ⑶を備える。外乱オとなった。幅調整においてはスイープ中に基準を上回る振動

ブザーバには定常特性の補償効果もあり，積分制御は使わなが検出されることなくζN =ζN Hを選択した。図４(b)はプラン

かった。サーボ調整時には指定された軸の速度を信号wとし

トBに対する結果である。周波数調整においては2次共振周て待機する。ループゲインを上げるなどして共振モードが励

波数を高精度に推定しωN =287 Hzとなった。幅調整において起されると，ノッチフィルタを1段ずつループ中に挿入してはスイープ中，110〜200 Hzにおいて位相不安定となり，基自動調整を開始する。複数のノッチフィルタを同時に自動調
住友重機械技報 No.176 2011

10

0.4

0.5

2000

2500

3000

3500

4000 4500
Sample count5000 5500

6000

6500

0

Vel. of

Vel. of

y

yaw

100
0

0

−100
ω＊

0.6

ζ

0.4

−200
1
0.5

ζ

−2
0.8

Angular Velocity (rad/s)

200

2

0.2
2 000

2 500

3 000
Sample count

3 500

4 000

0

200

2

Vel. ofyVel. of

yaw

100
0

0

−100

−2
0.8

ω＊

0.6

ζ

0.4

−200
1
0.5

0.2
2 000

2 500

3 000
Sample count

3 500

4 000

0

適応ノッチフィルタの動作例
Experimental results of adaptive notch filters

サーボ調整の手順

外乱オブザーバのカットオフ周波数を同じ値として調整する。
外乱オブザーバを使わず，速度ループで積分制御を行う場

まず，制御系が安定になるよう十分低いサーボゲインを初合は手順（7）の外乱オブザーバのカットオフ周波数を積分時期値として与える。ノッチフィルタを使わない状態から，下定数の逆数と読みかえればよい。この手順のメリットは調整

記手順でサーボ調整を行った。

者が応答波形を見ながら調整するパラメータが位置ループ帯（1）速度ループ帯域を1 %ずつ上げる。

域のみであり，制御技術者以外の人でも実施が容易なことで（2）動作指令を与える。

ある。

（3）手順１，２で振動レベルが高くなった場合は，適応ノッ
チフィルタがループ中にノッチフィルタを挿入し，中心周波数と幅を自動調整する。

６

実験結果

５章の手順
（ただし手順（7）は省略）にもとづいてXYステー（4）ノッチフィルタを３段使い切った状態で振動レベルがジのサーボ調整を行った。x軸とy軸には3段，yaw軸には１段高くなるとき，あるいは適応ノッチフィルタが動作してのノッチフィルタがそれぞれ挿入された。適応ノッチフィル

も振動を抑えられなかったときの速度ループの帯域を限タが動作したときの速度応答とωN およびζN の時間変化を図界値とする。

６に示す。図６(a)はx軸のNF１とNF２の調整のようすであ（5）速度ループ帯域を限界値の70〜80%程度に設定する。

る。最初の共振励起に伴ってNF１を調整した際に，NF１（6）位置ループ帯域を速度ループ帯域の25%程度に設定すの位相遅れによってさらに低域の共振を励起させたものの，る⑷。
（7）停止時の位置偏差を確認しながら，位置ループ帯域と
11

1

0.2

整することはない。

５

ζ

ζ

ω＊

0.6

Angular Velocity (rad/s)

Velocity (mm/s)
Frequency

NF2

−2
0.8

0

図６

NF1

0

0

（c）
yaw軸

適応ノッチフィルタの開発および XYステージへの適用

ζFrequency

（b）
y軸

2

0

Velocity (mm/s)（a）x軸Frequency

Velocity (mm/s)

論文・報告

直後にNF２の調整を行うことで制御系を安定化した。図６(b)はy軸のNF２の調整の様子である。図６(c)はyaw軸のNF
住友重機械技報 No.176 2011

論文・報告適応ノッチフィルタの開発および XYステージへの適用(a) x軸Position error (μm)

指令完了with Adaptive Notch Filter

0.15

w/o Adaptive Notch Filter

−0.15
0

1 000

2 000

3 000

Sample count(b) y軸Position error (μm)

指令完了with Adaptive Notch Filter

0.15

w/o Adaptive Notch Filter

−0.15
0

1 000

2 000

3 000

Sample count

図７

位置決め整定の結果比較
Comparison of position settling behaviors

１の調整結果である。いずれの結果でも励起された共振が適
応ノッチフィルタの動作によって抑制されたことが分かる。

（2）当社XYステージにおいて開発した適応ノッチフィル
タの動作を確認した。

ノッチフィルタを手動で調整した場合と，適応ノッチフィ
ルタを使った場合とで0.15μm以内への位置決め整定性を比較した。図７(a)はx軸を最大速度から最大加速度で減速停止した際の位置偏差を示したものである。適応ノッチフィルタを使った場合の方が130サンプルほど速く整定した。図７(b)はy軸を最大速度から最大加速度で減速停止した際の位置偏差を示したものである。適応ノッチフィルタを使った場合は高周波の残留振動が目立つため，18サンプルほど遅く整定した。これは，ノッチフィルタを手動で調整した場合よりも位（参考文献）(1)James Okello, 仲尾昌樹, 伊藤良生, 副井裕, 小林正樹. オールパス型適
応ノッチフィルタの収束速度に関する一検討. 電子情報通信学会技術研究報告, 2000, p.111〜116.
(2)木坂正志. 周波数追従型ピークフィルタを使った適応ノッチフィルタ.
電気学会研究会資料, 産業計測制御研究会, IIC-06-136, 2006.
(3)牧野健一, 杉峰正信, 冨田良幸. 高精度レーザ加工システム用XYステージの開発. 精密工学会誌, Vol.67, no.1, 2001, p.65-69.
(4)吉浦泰史. ACサーボモータの制振制御技術. 第30回モータ技術シンポ
ジウム, B6最近の制振制御-2, 2010.

置ループの帯域が高くなったためで，５章の手順（7）を省略せずに位置ループの帯域を調整すれば，両者の挙動は一致したと考えられる。
以上の結果から，XYステージにおいて適応ノッチフィル
タが有効に動作することを確認した。

７

むすび（1）プラントからの観測量にもとづいて中心周波数とノッ
チ幅を調整する適応ノッチフィルタを開発した。特長を次にまとめる。
・多軸制御や多段ノッチフィルタのような，複数のノッチフィルタの調整に対応している。
・ループ制御中にプラントの共振周波数を高精度に推定する。
・位相余裕の確保を重視したノッチ幅の調整をする。
住友重機械技報 No.176 201112

情報・制御特集

論文・報告

陽子線治療装置用スキャニング制御システムの開発

陽子線治療装置用スキャニング制御システムの開発
Development of Scanning Control System for Proton Therapy System
●井

上

淳

Junichi INOUE

一＊

陽子線治療装置
Proton Therapy System

陽子線治療装置は，線量集中性の高い放射線がん治療法として普及してきた。さらに陽子線のペンシルビームス
キャン照射法は，先進的な治療法として開発が進められてきた。当社は，この照射法の開発を独立行政法人国立がん研究センターと共同で進めている。
スキャニング制御装置は，治療計画に従い正確にペンシルビームを患部へ照射すること，また照射中のペンシ
ルビームの位置を高精度でモニタすることが求められる。
さらにペンシルビームの走査中はビームの強度を一定に保つ必要があり，ビーム強度安定化システムを組み込む必要がある。当社では本課題に取り組み，ビームの位置を20μs以内の高速かつ位置分解能0.1 mm以下で測定できるモニタシステムを開発した。またビームの安定化制
御システムにより，ビーム強度の安定度を±1 %以内にProton Therapy is a kind of radiation therapy which canconcentrate dose distribution in the tumor, and is widelyused today. Pencil beam scanning method has beendeveloped as an advanced approach to proton therapy.
We have developed this method in collaboration with
National Cancer Center Hospital East (NCCE). The
scanning control system is required to scan beam spotin precise position and detect it with high accuracy.
In addition, it is necessary to design a beam current
stabilize control system which can secure stable dose
distribution. We have developed an advanced scanning
control system which has a monitoring system todetect beam position with resolution of les than 0.1mm
and fast sampling time (less than 20μs), and a beam
current controller to stabilize beam current within +/-1%.
The pencil beam scanning treatment is scheduled tostart within 2011.

収めることを達成した。この治療方法は，2011年後半からの治療開始に向けて準備が進められている。

１
1.1

まえがき
陽子線治療装置の特長

陽子線とは，水素の原子核を加速した放射線の一種であり ，

13

みに効率よく線量を集中させることが可能であることから，治療による副作用を抑えることができ，がん患者のQOL（Quality of Life）
を高める治療法として近年各国で導入が図られている。

陽子線治療装置は，陽子線をがん患部に照射してがん細胞を当社では，1998年に独立行政法人国立がん研究センターに死滅させる装置である。陽子線は体内に入っても表面近くで１号機を導入し，2001年から高度先進医療としてがん治療にはエネルギーを放出せず，停止する直前にエネルギーを放出用いられている。現在，より高い治療効果を求めて，新規技して大きな線量を組織に与える性質を持つ。これは、病巣の術の導入が行われている。ペンシルビームスキャニング照射＊量子機器事業部

住友重機械技報 No.176 2011

論文・報告表１

陽子線治療装置用スキャニング制御システムの開発

ビーム安定化要求仕様
Major specifications of beam current stabilization
電流範囲

0〜30 nA

ビーム強度安定度±1.0 %以内

持続時間

10 s以上散乱体

リッジフィルタ

ボ−ラス

陽子線
患部
ファインデグレーダ

ブロックコリメータ

コリメータ

図３
図1

ブロードビーム法（従来法）
Broad beam irradiation (conventional method)

スキャニングノズル
Scanning nozzle

サイクロトロン
陽子線ビームスキャニングマグネット

線量モニタ

イオン源

陽子線
（水平） （垂直） ブロックコリメータ

図２−

ペンシルビームスキャン照射法
Pencil beam scanning irradiation＋
ハードウェア制御

当社は，独立行政法人国立がん研究センターと共同で，−＋ソフトウェア制御

ビーム電流
設定値

ビーム制御盤法（Pencil Beam Scanning）
を用いた手法は，がん患部への正確な照射が可能な方法として近年開発が行われてきた。

ビーム強度
（電流値）

イオン源
電源

患部

図４

ビーム強度安定化システム概要
System diagram of beam current stabilization

2007年よりペンシルビームスキャニング照射法の開発を行
ってきた。
1.2

ペンシルビームスキャニング照射法導入の背景と特長

陽子線治療ではこれまで，ブロードビーム法と呼ばれる照射方法が一般的であった。これは患部の形状にビームを整形用のノズルを示す。
ペンシルビームスキャニング照射法の導入に当たり，必須となる技術項目を次に示す。
2.1

ビーム強度の安定化制御するべく，まず散乱体を用いてビームを広げ，そのあと患部照射は治療計画に従って行われる。治療計画は照射線量分

形状に合わせたボーラスやコリメータといわれるハードウェ

布を規定する。実際の照射では一定強度のビームを走査する。

アを使って整形し照射する方法である（図１）。しかしこの方

線量分布は走査速度を変調させ照射時間をコントロールする

法ではハードウェア，ボーラスやコリメータを患者ごとに製ことで，任意の照射線量分布を作る。したがってビーム強度

作する手間が必要であった。

の安定化は，治療計画にもとづいた照射線量分布の正確な実

それに対してペンシルビームスキャニング照射法は，ビー
ムをスポット状に絞ったペンシルビームを走査させ患部の輪現に必要である。表１に，ビーム安定化に関する要求仕様を示す。

郭に合わせ照射する方法で，患部の外への不必要な照射がな

ビーム強度の安定化は，イオン源のパラメータの変動およく，さらにがん患部中心に集中的に照射量を多くしたり，患び高周波加速電圧の変動などを低減させると同時に，ビーム部内部の照射線量分布を変化させたりすることが容易にでき強度をフィードバックし，安定に制御する手法を採用して実る特長を持つ（図２）。またペンシルビームスキャニング照射現した。図４に，ビーム強度の安定化制御に関するシステム

法ではボーラスやコリメータは必要としないため，診断から概要を示す。

治療までの期間が短縮でき，病院として受け入れ患者数の増

2.2 ビーム位置の高精度測定

加が期待できる。

２

システム概要ペンシルビームを走査させる際，何らかの原因でペンシルビームが計画位置から逸れる場合が考えられる。ビームが逸れると正常細胞にペンシルビームが当たり，正常組織に悪影

ペンシルビームスキャニング照射法は，サイクロトロン

響を与えたり、線量分布が計画値とは異なり治療効果に悪影

により加速され，治療室に移送された陽子線をノズルと呼ば響を及ぼすリスクがある。リスク低減には，ペンシルビームれる機器により走査させることで実現する。陽子線がノズの位置をリアルタイムでモニタし，ビームが計画位置から逸ルを通過すると，ノズル内にあるスキャニング電磁石でビれた場合，短時間でそれを検知しビームを停止させる必要がーム方向が変化する。走査範囲を患部の形状に合わせるこある。

とにより高精度な照射を実現する。図３に，スキャニング

ビーム位置モニタは照射ノズルの終端部に位置し，患者に
住友重機械技報 No.176 201114

論文・報告表２

ビーム位置モニタ主仕様
Major specifications of beam position monitor
位置精度

1.0 mm以下

測定分解能

0.1 mm以下

サンプリング時間

12.5μs

測定範囲

300 mm ×400 mm

センサ部
電離箱

陽子線治療装置用スキャニング制御システムの開発

アンプユニット

デジタル演算ユニット

A/D コンバータ
64 ch(H)64 ch(V) I/Vアンプ アンプ（ゲイン切替）64 ch

トランシーバ
レシーバ

HV電源

図６

レシーバ

演算器
トランシーバ
＆レシーバ

制御部

メモリ

ビーム位置モニタシステム構成
System diagram of beam position monitor

システム外観フィードバック制御あり(横軸 2 s/div 縦軸 500 mV/div)
With feedback control (horizontal axis: 2 s/div vertical axis: 500 mV/div)

アンプ基板

図５

ビーム位置モニタユニット
Beam position monitor unit

陽子線を当てる直前のビームスポットの位置を検知する。ビ

図７

ビーム強度
（ビーム電流値）の比較
Comparison of beam intensity (beam current)（3）デジタル演算ユニットーム位置モニタのサンプリング時間は，走査ビームが逸れてフロントエンド回路から送信されてきた位置センサ部も影響のない間隔で行う必要がある。また測定精度も十分良におけるビームの強度信号を取り込み，ビーム位置と形いものが求められる。表２に，ビーム位置モニタの要求仕様

状をリアルタイムで計算して求める。

を示す。
図５に，ビーム位置モニタユニットの外観を，図６に，ビーム位置モニタのシステム構成を示す。
ビーム位置モニタは，センサ部，アンプユニットおよびデジ
タル演算ユニットで構成する。
（１）センサ部

３

性能評価

3.1

ビーム強度安定化

独立行政法人国立がん研究センター東病院でビーム強度安定化試験を実施した結果を述べる。
仕様範囲のビーム強度範囲におけるビーム強度は，ビーム

電離箱に内蔵した透過型マルチストリップワイヤによ強度平均値に対して，安定度±１.0 ％以内であることを確認

り，電荷の収集を行う。ワイヤはX軸方向，Y軸方向にした。図７に，ビーム安定化制御のあり/なしによるビーム

おいてグリッド構造になっており，ビーム分布の検出を

強度の変動を示す。縦軸はビーム強度，横軸は時間を示す。

行う。

ビーム安定化を行った場合，ビーム強度安定度の要求値１％（2）アンプユニット
位置センサ部において収集した電荷信号を，アンプ回路により増幅する。その後，A/Dコンバータにより信号をデジタル化したあと，演算処理回路に送信する。
15

フィードバック制御なし(横軸 2 s/div 縦軸 500 mV/div)
Without feedback control (horizontal axis: 2 s/div vertical axis: 500 mV/div)以内に対して，安定度は0.4 ％の変動幅に収まっている。
3.2

ビーム位置モニタ

独立行政法人国立がん研究センター東病院でビーム位置モ
ニタの試験を実施した。ペンシルビームの移動パターンは，
住友重機械技報 No.176 2011

陽子線治療装置用スキャニング制御システムの開発

Vertical

論文・報告

Horizontal

図８

ビーム位置モニタによるビームスポットの移動測定
Measurement of beam spot scanning

正規
50

平均
9.778
標準偏差 0.0432
N
500

40

度数

30

20

10

0

9.66

9.69

9.72

9.75

9.78

9.81

9.84

9.87

Horizontal

図９

ビーム位置モニタによるビーム位置変動評価
Evaluation of beam distribution during scanning

照射面が正方形の形状になるものを作成した。試験ではペンの項目を取り上げ，試験により良好な結果を示すことを

シルビームを走査させ，ビームスポットの移動データを取得確認した。

した。ペンシルビームの移動データを２次元平面で表示した・ビーム強度の安定化制御

データを図８に示す。

・ビーム位置モニタによるビーム位置検知

試験の結果，ペンシルビームスポットの中心
（重心）
が移動

（2）本成果は2011年後半から開始される実際の治療に用いらしていく様子が認められた。また走査の途中で走査速度を変れる予定であり，陽子線治療装置を用いたがん治療の普更した場合，ビーム強度が一定であることから，照射面上で及を加速するものとして期待される。

はペンシルビームの走査速度に応じて照射強度の濃淡が現れるが，その様子についても正しくモニタできることを確認した。
さらに，走査中のペンシルビーム位置の測定精度は50 μｍ以下であることを確認した（図９）。
またビーム位置モニタでは，ペンシルビームの中心（重心）をモニタすると同時に，ペンシルビームの形状の測定も可能
である。

４

むすび

（1）本開発では陽子線治療装置の高精度化の一環として次住友重機械技報 No.176 201116

情報・制御特集

論文・報告

高安定度電磁石電源のデジタル制御

高安定度電磁石電源のデジタル制御
Digital Control of a High Stability Magnet Power Supply
●一

色

翼＊

Tsubasa ISSHIKI

高安定度電磁石電源
High stability magnet power supply

当社の電源は，がん治療用陽子線治療装置をはじめ，さまざまな装置性能発揮の安定した電力供給源として重要な役割を担っている。当社の電源の主回路は，スイッ
チング方式（デジタル方式）を採用しているが，制御の心臓部である電流フィードバック制御は依然アナログ方式を使用している。
当社は，今後グローバル市場で事業を拡大していくた
め商品力を強化させる必要があった。その一環として，
電源のさらなるコストダウンを推進するべく，アナログ方式であった電流フィードバック制御をデジタル化した 。
そして，実機電源にて検証試験を実施した結果，電源の主仕様である安定度を確保できることが確認された。
最も速い追随速度を必要とするがん治療用陽子線治療装置向けビームスキャニング電源に対して，デジタル化に使用するデバイスのサンプリング周期が十分高速であることから，他の電源のデジタル化にも標準的に適用可能であると判断できた。
今後，デジタル方式の電源の適用を広げ，標準化を図る
ことにより，装置全体のコストダウンに大きく貢献できるものと考える。

１

まえがき

当社では，がん治療用陽子線治療装置，医療診断用PET装置，研究用加速器，成膜装置およびリフティングマグネッ
17＊量子機器事業部

Power supplies designed and manufactured by
Quantum Equipment Division have been used as key
components to draw the highest performance from our
products, including cancer treatment proton therapy
systems. Although digital switching devices havebeen used in the main circuit of our power supplies,
the current feedback circuit, which is the heart of thepower control, still features analog design. We judged it
necessary to improve the product appeal of the power
supplies in order to develop our business worldwide.
Hence, we developed a digital current feedback circuit
to achieve cost reduction, downsizing and reduced
test and adjustment period. After the verification test
was implemented by using actual power supplies,
it was proved that the current stability, which isa key performance parameter of power supplies,
conformed to the required specifications and bothcost reduction and downsizing were also achieved.
As the digital current feedback circuit offers asufficiently short sampling period in the beam scanning
power supplies that are designed for the cancer
treatment proton therapy system and need the fastest
current feedback speed, we judge that other power
supplies can be digitalized in the same manner as thepower supplies discussed herein. We believe thatdeveloping the digitalization of power supplies andstandardization of digitalized power supplies willcontribute to substantial cost reduction of our products.

トなど，さまざまな用途に使用される装置を製造している。
直流安定化電源は，いずれの装置に対しても装置性能を発揮
する安定した電力供給源として重要な役割を担っている。
当社では，2000年以降，装置の商品力向上を目的として
住友重機械技報 No.176 2011

論文・報告高安定度電磁石電源のデジタル制御

電磁石電源の主仕様
Specifications of magnet power supply

表１

定格電流
(A)

定格電圧
(V)

追随速度（0A から定格電流まで）
(ms)

安定度
（ppm/℃)

HM メインコイル電源

170

155

250 以下20 以下

ビームスキャニング電源

491

763

1 以下

−

電

源

名

アナログ

電流設定
DA変換器

電流検出

アナログ誤差
増幅回路

差分検出
回路

電流設定
PWM信号
生成回路

主回路

（IGBT）（平滑回路）

電流検出

デジタル
誤差増幅回路

PWM信号
生成回路

アナログ信号
デジタル信号

主回路（IGBT）（平滑回路）

負荷

DC-CT

電流検出

AD変換器

DC-CT

電流検出

AD変換器

負荷

差分検出
回路

シミュレーションプログラム適用範囲

アナログ信号
デジタル信号（１）
現状の電流フィードバック制御回路

図２

シミュレーションプログラムの適用範囲
Application of the simulation program

デジタル
電流設定

差分検出
回路

電流検出

デジタル
誤差増幅回路

AD変換器

PWM信号
生成回路

主回路

（IGBT）（平滑回路）

電流検出部をデジタル化する

負荷

サンプリング
回路

DC-CT
アナログ信号
デジタル信号

誤差増幅回路

差分検出回路出力偏差 e

R２

C１

R１
−
＋

制御電圧
Eerr

（２）
電流フィードバック制御回路のデジタル化

電流フィードバック制御のデジタル化
Digitization of current feedback control

図１

図３

デジタル誤差増幅回路
Digital error amp. circuit

電源の内製化をはじめ ，現在ではほとんどの機種の電源を自源単体としても，最新の技術を取り入れたコスト競争力を持社で設計から製造まで行っている。2011年２月現在，1 400

つ商品としてグローバル市場へ投入していく予定である。デ台を超える内製化電源の納入実績を持ち，その大部分が1〜

ジタル化を標準で適用するには，使用するデバイスが安価な

100 ppm/℃の安定度を備えた直流安定化電源である。一般に汎用品であること，かつさまざまな電源の要求仕様が満たさ

電源は主回路部と制御部で構成される。内製化当初の主回路れる必要がある。

はトランジスタを使ったドロッパ方式であったが，現在は当社は，内製化電源の中でも特に高い仕様が要求される医ＩＧＢＴなどの半導体素子を使ったスイッチング方式を採用

療診断PET装置用小型サイクロトロンの主電磁石用電源（HMし，コストダウン，コンパクト化および高効率化などの品質

メインコイル電源）と，がん治療用陽子線治療装置のビーム改善を行うことができた。しかし，制御の心臓部である電流

スキャニング用電源を取り上げ，その仕様を満足するようデフィードバック制御は，依然複雑で高価なアナログ方式によジタル化設計を行うことにした。表1に，各々の電源の主仕るものであった。当社は今後，がん治療用陽子線治療装置に様を示す。

代表される，これまで国内中心であった市場を海外中心に拡本報では，デジタル化の優れた機能を実現させる第一歩と大するべく，キーコンポーネントである電源に対しさらなるして，デジタル化した電流フィードバック制御をHMメイン

コストダウンや製作工程の短縮を行い，装置の商品力を向上

コイル電源に適用し，要求仕様に対する評価試験を行い，検させる必要があった。そのことから，アナログ方式の電流フ証した結果を記述する。次に，がん治療用陽子線治療装置のィードバック制御を市販のデバイスを使ったデジタル方式に

ビームスキャニング用電源に対し，今回デジタル化を目的に変え，次の利点などによりコストダウンおよび製作工程の短作成したシミュレーションプログラムを使い，評価した結果縮を図った。

を記述する。

・

負荷条件に合わせ制御定数を単にプログラム上の値を変更するだけで調整できる・

ノイズや負荷特性の変動に，フィルタ処理を行うプロ

グラムを追加し，容易に対策できる
さらに，デジタル化を当社の他の電源へも標準で適用し，電２電流フィードバック制御のデジタル化

現状の電流フィードバック制御は，図1（ 1）に示すアナロ
グ方式を採用している。これをデジタル化すると，図1（ 2）で示すブロック構成となる。
住友重機械技報 No.176 201118

出力電圧 E nθ

出力電流（デジタル制御）

出力電流（アナログ制御）

1.4

出力電圧 E n-1

時間
（s）

出力電流
（A）

高安定度電磁石電源のデジタル制御

1.6

θ

出力電流
（A）

出力電圧
（V）

論文・報告

1.2
1
0.8
0.6
0.4

出力電流 I n
θ

0.2

θ

0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

時間
（s）

出力電流 I n-1

時間
（s）
図４

負荷の出力電流Load output current

図６

HMメインコイル電源（左），誤差増幅回路基板（右）Main coil power supply for HM cyclotron (left), and error amp. board (right)

2.1

デジタル電流フィードバック制御の設計

図５

過渡応答のシミュレーション結果
Simulation results of transient response

2.1.3

図1（ 2）で示すデジタル化した電流フィードバック制御回

デジタル誤差増幅回路の出力である出力電圧はステップ信路の設計を行うべく，Microsoft Excelを使用した回路シミ号である。出力電流は，負荷の特性から1次遅れ系のステッュレーションプログラムを作成した。図2で示すとおり，本プ応答となり，式(2)で表される。Rは負荷の抵抗値，Lは負プログラムは差分検出，デジタル誤差増幅，電流検出および荷のインダクタンス値となる。

AD変換機能をシミュレーションするものである。
2.1.1

差分検出

−

1−



=

ＡＤ変換された電流検出値と設定値の差分を偏差として，
デジタル誤差増幅回路に入力する。
2.1.2

デジタル誤差増幅 ………………………………………………⑵

出力電圧はこのステップ信号の連続である。デジタル誤差
増幅回路が１回目のサンプリングを行い出力し，さらに２回

図3に示すとおり、デジタル誤差増幅回路は偏差eを一定

目のサンプリングを行い出力したとすれば，出力電流は図４周期でサンプリング入力し，電圧を出力する。デジタル誤差のようになる。サンプリングn回目の出力電流の計算式は式

増幅回路の出力Eは式(1)で表される。ここでθはサンプリン(3)となる。

グ周期である。このように，デジタル誤差増幅回路の出力は ，=サンプリングごとの偏差とサンプリング開始から現在までサンプリングしたすべての偏差の合計によって計算される。

=

19

電流検出

⎛
⎞
θ
⎜⎜ +
⎟⎟
( + −1+ −2 +…）………………………………………⑴
1 ⎝
1
2
⎠

2

2.1.4

−

−1

− θ 

 + …………………………………⑶⋅ 1−−1

AD変換（アナログからデジタルへの変換）

電流フィードバック制御をテジタル化するに当たり，アナ
ログ値である電流検出をＡＤ変換器によりデジタル化する。
住友重機械技報 No.176 2011

論文・報告表２

安定度測定結果
Results of current stability measurement

方式

電流変化率

高安定度電磁石電源のデジタル制御

応答時間の波形を比較評価した。その結果，両者がほぼ等しい時定数で応答していることが分かった（図7）。

温度変化量（℃）

安定度（ppm/℃）

アナログ

13 × 10−6

1.7

7.65

デジタル

15 × 10−6

1.8

8.33

４

内製化電源への適用

３章の実機電源に使用した誤差増幅回路基板には，アナロ
グ方式で使用している複雑で高価な回路を使用せず，デジタ
ル化した電流フィードバック制御を組み込んだ市販の安価なデバイスが搭載されている。内製化電源の中で最も速い追随速度を必要とするがん治療用陽子線治療装置のビームスキャ

電流電圧変換値（V）

実測波形

ニング用電源に対し，2.1のデジタル電流フィードバック制御
15のシミュレーションプログラムを使用し，必要なサンプリン

10

グ周期を計算した結果50μsとなった。このレベルのサンプリ
ング周期に対応できるデバイスも市販で容易に入手できる。

5

以上の結果，デジタル化した電流フィードバック制御がす0

べての内製化電源にも標準で適用できるものと考える。
0

5

10

15

時間
（ms）

５

むすび

（1）アナログ方式の電流フィードバック制御をデジタル化
電流電圧変換値（V）

シミュレーション波形

した。出力電流の過渡応答をシミュレーションした結果 ，アナログ方式の応答と同等となることが確認できた。

15（2）デジタル化した電流フィードバック制御を実機電源に10組み込み試験評価した。その結果，電源の主仕様である

5（3）電流フィードバック制御をデジタル化することにより，

0

安定度を満たすことが確認できた。

0

5

10

15

制御部のコストダウンが可能となった。

時間
（ms）

図７

出力電流波形の比較
Comparison of the output current waveform

2.2

シミュレーションプログラムの検証

2.1のデジタル化した電流フィードバック制御回路のシミュ
レーションプログラムを検証するに当たり，電流設定値1Aのステップ信号を入力したときの出力電流の過渡応答を，市販のシミュレーションソフトICAPSを使用して比較評価した。
その結果，両者の過渡応答は一致した
（図5）
。

３

実機検証

2.1のデジタル化した電流フィードバック制御が組み込まれた誤差増幅回路基板を搭載したHMメインコイル電源を使用し，評価した
（図6）
。
3.1

安定度

HMメインコイル電源の出力電流の安定度を測定した。安
定度とは，デバイスの環境温度に対する出力電流値の安定性であり，温度変化1℃当たりの出力電流変化量から求められる。測定の結果，安定度は8.33 ppm/℃と表１に示す要求仕様（20 ppm/℃以下）を満たし，アナログ方式を使った測定結果とも同等であることが確認できた
（表2）
。
3.2

シミュレーションプログラムの確認

2.1で作成したシミュレーションプログラムを評価するべく，
模擬負荷を使用し，HMメインコイル電源の出力電流応答時間の実測波形と，シミュレーションプログラムにより求めた
住友重機械技報 No.176 201120

情報・制御特集

技術解説

デジタルハードウェア電流制御の開発

デジタルハードウェア電流制御の開発
Development of The Digital Hardware Current Control
●安

武

知

治＊

Tomoharu YASUTAKE

精度
1 nm

SDシリーズ
10 nm

アナログ電流制御ドライバ
単軸制御仕様半導体・液晶市場

100 nmMDシリーズ

1μm

デジタルソフトウェア電流制御ドライバ
多軸制御仕様10μm

ロボット市場
10

100

1 000

10 000装置

台/年

対象装置の年間生産台数

ハードウェアデジタル電流制御による性能分布
Distribution map of hardware digital current control performance

容量範囲

0.1 kW〜2.0 kW

出力定格電流1.7〜12.5 A

当社の保有するサーボドライバは，SDシリーズに代表さ制御方式

IPMによるPWM方式（三相正弦波駆動）れるアナログ電流制御ドライバと，MDシリーズに代表され

概略寸法

30〜90
（W）
×94
（D）
×185
（H）
mm

１

はじめに

るデジタルソフトウェア電流制御ドライバに大別される。冒

2.2

図１に，MDシリーズのシステム構成例を示す。

どの性能を重視した設計となっており，半導体・液晶といっ（1）単軸制御の汎用製品と比較し，産業機械への組込み用

たハイエンド市場向け製品となっている。一方，デジタルソに特化することで，電流制御ドライバとしての小型化おフトウェア電流制御ドライバは，コストを重視した設計となよび省配線化を実現。

っており，ロボット市場などの量産市場向けの製品となって（2）当社製のCPUモジュール，コントロールモジュールと組み合わせることで，高速・高精度な位置決めが可能 。

いる。
近年，ロボット市場においても，さらなる高タクト化や高また，コントローラモジュールを装置仕様に合わせてカ

精度位置決めなどの性能向上要求が出てきており，MDシリ

スタマイズすることで，トータルコストの低減，小型化
および省配線を実現。

ーズの性能向上が必要となっている。またMDシリーズにア
ナログ電流制御と同等の性能を実装できれば，より高性能を（3）専用の調整支援ソフトを使用することで，全軸の一括要求される半導体および液晶市場にも投入することができる。

モニタおよびパラメータ調整が可能で，効率的なセット

MDシリーズの特長である低価格でコンパクトという利点をアップおよびメンテナンス作業を実現。

活かすことができ，顧客の要求にこたえることが可能となる。

2.3

電流制御ループ

本報は，これらの顧客要求を満たすことのできるデジタル

図２にMDシリーズの電流制御ループの概略を示す。モーハードウェア電流制御機能に関するものである。本機能を開タに流れる三相電流検出値をADコンバータから取り込み，発し，MDシリーズに組み込み，性能向上を実現させた結果

三相二相変換を実行し，直流座標においてPI制御を行う。

に関して報告する。

PI演算の結果として電圧指令が生成され，この指令に二相２

MD ドライバ

MDシリーズは，産業用ロボットや半導体実装機などの産業機械への組込み用に特化した多軸制御サーボドライバであ2.1

三相変換を行い，PWM三角波比較器に出力し，フィードバ
ック制御を行う。

３

デジタルハードウェア電流制御

デジタルハードウェア電流制御は，アナログ電流制御の持る。

つ高応答性とデジタルソフトウェア電流制御の持つ簡易性を

主要仕様

電圧範囲
21

特長

頭の図に示すように，アナログ電流制御ドライバは応答性な＊メカトロニクス事業部

三相AC170〜240 V

兼ね備えた制御方式である。この制御方式を実現させるべく ，
住友重機械技報 No.176 2011

技術解説

共通電源モジュールMDシリーズ ドライバモジュール
コントロールモジュール＋

トルク電流指令
速度ループより
現在速度

イーサネットなど上位コントローラ

界磁
弱め
制御

−
＋

PI
制御
計算器

三相/d-q
交流座標
変換器

エンコーダ

Gain (dB)

10

閾値
検出＋計算
時間 T

0
Phase (deg)

電流制御タイミング
図３
Current control timing

−90

−180
1.0E+0.2

FPGAを用いてデジタル回路で電流制御ループを構成した。

1.0E+0.3
1.0E+0.4
Frequency (Hz)1.0E+0.5

ソフトウェア電流制御

FPGAはロジック回路をブロックごとに構成することが可能であることから信号処理の並列性が高く，高速演算を行うこGain (dB)とが可能である。FPGAを用いることにより，電流制御処理
時間が短縮され，アナログアンプのような高応答性の実現が可能である。
更にデジタル制御で問題となるサンプル無駄時間を削減し ，

10
0
−10
−20
−30
−40
−50
−60

電流周波数特性0電流制御の安定性および応答性を向上させた。従来のデジタ
Phase (deg)ルソフトウェア電流制御処理では，電流のサンプル後，電圧
出力は座標変換や制御演算を行うことで，１サンプル周期の制御遅延が生じてしまう。この制御遅延は単に電流追従の位

−90

−180
1.0E+0.2

相遅れを引き起こすだけではなく，電流フィードバック系に対して安定性の低下を引き起こす原因となる⑴。

1.0E+0.3
1.0E+0.4
Frequency (Hz)1.0E+0.5

ハードウェア電流制御

図３に，この制御遅延を削減する方策を示す。図３のシス来の制御方式では，三角波の頂点で電流をサンプルし，その電流周波数特性

0
−10
−20
−30
−40
−50
−60

検出＋計算

テムにおいて電圧出力の更新は三角波の頂点で行われる。従

A/D
コンバータ

電流制御ループブロック図
Current loop block diagram

システム構成例
System configuration example

キャリア周波数PWM CTVVva
インバータ
V wa

カウンタ

速度ループへ図２

閾値CTU Vua 同期AC
モータ/DCモータ

三相
PWM
発生
回路

電気角
計算器

高速ネットワーク
ケーブル
各種センサ
など
I/Oモジュール
エンコーダ （標準インターフェース）
ケーブル

図１

d-q/三相交流座標変換器−

I/Oモジュール
（オプション）
AC200V モータ
ケーブル

デジタルハードウェア電流制御の開発

図４

電流周波数特性
Current gain and phase vs frequency

後制御演算を行っており，１サンプルの遅延を生じさせる結果となっていた。そこで三角波の頂点の数μs手前で電流をほどの帯域を得ることができており，デジタルハードウェア

サンプルし，FPGAによる高速演算にて三角波頂点に至るま

電流制御方式の有効性が実証された。

でに演算を完了させた。本方式により，１サンプル無駄時間を削減し，電流制御の安定性および応答性を向上させること５ができる。なお，本方式は特許申請中である。

４

デジタルハードウェア電流制御応答性検証

MDシリーズにデジタルハードウェア電流制御機能を実装
し，電流制御ループの応答性を向上させた結果に関して報告

おわりに

デジタルハードウェア電流制御機能を開発し，当社MDシ
リーズに適用した。その結果，従来のデジタルソフトウェア
電流制御方式と比較し，３倍程度の電流応答性を得ることができた。今後，本機能を他のシリーズにも適用拡大を行い，顧客要求にこたえていく所存である。

する。図４に，デジタルソフトウェア電流制御とデジタルハ
ードウェア電流制御のボード線図を示す。デジタルソフトウ（参考文献）

ェア電流制御の電流周波数帯域は，約1.5 kHzとなっている。

(1)

樋口龍雄. 自動制御理論，森北出版．1989，p.112〜116.

一方のデジタルハードウェア電流制御の場合は，約5〜6 kHz
住友重機械技報 No.176 201122

情報・制御特集

技術解説

M7 制御プラットフォームの搬送制御システムへの適用

M７制御プラットフォームの搬送制御システムへの適用
M7PF Application to Transportation Control System
●福

嶋

弘＊

Hiroshi FUKUSHIMA

Ｍ７制御プラットフォーム
M7 control platform

１

はじめに

由度を高めた。このことで，経由点ごとに任意のパス動作が多くの製造装置において，スループットの向上は性能改善設定でき，さらに多軸ロボットにおける関節座標系と直交座の上位項目となっている。なかでも製造工程内での物品の搬標系のような，経由点の前後で移動の座標系が異なる場合に送時間は，生産を行っていない無駄時間となることが多く，もパス動作を適用することができる。また，パス動作中は移これを短縮できれば最終製品の品質に影響を与えずスループ

動速度の低下も抑制できることから，搬送時間短縮への効果

ットを向上させることが可能である。

は非常に高いものとなっている。

搬送時間は，搬送経路，搬送速度および搬送装置間の受渡し時間などの影響を受けるが，これらの要素を最適化するのに求められているのは，装置を制御するコントローラの性能である。

図２に，実際にパス動作をウェハ搬送で適用した例を示す。

３

加速時間の短縮

搬送時間を短縮するうえで，移動速度は速い方がよいのは

このような搬送時間の短縮要求に対応するべく，当社のＭ７

明らかであるが，最高速度域に到達させるまでの加速時間は制御プラットフォームを用いて，搬送用途に特化したモーシ

使用するモータが発揮できるトルクによって左右される。

ョンコントローラ用ソフトウェアを，当社独自の「MuSec

加速では，速度の増加に伴う動摩擦の増大により高速領域(Micro processing Unit SEquenCe programing environment)」

で最もトルクを必要とするため，低中速領域に合わせて加速

開発環境を用いて開発した。

度を大きくすると高速領域でトルクが不足し制御不能に陥っ本報では，この搬送用モーションコントローラの機能および性能面での特徴を中心に紹介する。

２

搬送経路の短縮

搬送用途において，搬送経路は障害物への干渉を避けることができれば途中の経路を厳密に定義する必要はない。よっ23

本機は，従来機と比較してこのパス動作に関する設定の自てしまう。
本機は，従来機と比較して加減速設定の自由度を高めたことで，高速領域の加速度にリミットをかけつつ，低中速領域の加速度を大きく設定することができる（図３）。
図４に，加速度リミットの設定の有無によるモータトルクの大きさの違いを示す。

て，物品を搬送する経路に経由点がある場合，経由点の近傍

加速度リミットなしで加速度を大きくしていった場合，先をショートカットして次の目標位置へ向わせることが可能でに高速領域でモータトルクが最大に達して制御不能に陥り，ある。

それ以上加速度を大きくすることができない。一方，加速度

ショートカット量は経由点から手前の距離で設定し，本機

リミットありの場合は，高速領域の加速度をリミットで制限ではこの動作をパス動作，ショートカット量をパスエリアとしつつ，低中速領域の加速度をさらに大きくすることができ

呼んでいる
（図１）
。

る。

＊メカトロニクス事業部

住友重機械技報 No.176 2011

技術解説

指令速度

目標位置

速度

加速度リミット

パスエリア

経由点

M7 制御プラットフォームの搬送制御システムへの適用

指令減速

切替速度
指令加速

時間
図１

パス動作
Passing operation

パス動作なし図３

加減速設定
Acceleration and deceleration setting

パス動作あり加速度リミットなし
トルク

図２

パス動作の効果
Effect of passing operation

図４

加速度リミットあり
トルク

速度

速度

加速度リミットの効果
Effect of acceleration limit
パス動作なしこのように，加速中の全域でモータトルクを有効に利用し各軸速度た加速ができ，加速時間を短縮して最高速度域を有効に活用

25.704 s
時間（s）

することができる。さらにこれらの設定は動作ごとに行なえるため，常に最良の加速・減速が可能である。

４

15

17

19

適用例

21

23

25

27

パス動作あり
各軸速度

図５に，実際の搬送装置に本機を適用し，パス動作及び加20.079 s

速度リミットの有無によるスループットの差を計測した結果を示す。スループットで21.9％（25.704s→20.07s）の短縮効果が

15

17

19

21

時間（s）
23

25

27

あり，これら機能の有効性が確認できる。

５

受け渡し時間の短縮

本機は，１台で搬送装置を最大３台まで同時に制御できる

図５

スループット向上
Throughput improvement

ことから，装置間で同期をとりながら物品の受渡しを行うことができ，待合わせなどでの無駄時間の削減が可能である。

６

カスタマイズ性の向上

MuSec開発環境の特長として，プログラムが視覚的にとらえやすいこと，プログラムをモジュール化しやすいこと，デバック情報画面を構築しやすいことがあげられる。
本機は，これらの特長を活かして，対象装置ごとに搬送シーケンスが異なっていても，ユーザ自らが機能をカスタマイ
ズし，対応することが可能である。これによって画像処理装に特化したモーションコントローラ用ソフトウェアを開発。
（2）自由度の高いパス動作により搬送経路の短縮が可能。
（3）加速度リミットにより加速時間を短縮し，最高速度域の有効活用が可能。
（4）搬送装置に適用しスループット改善を実証。
（5）搬送装置間の同期による待ち時間の削減が可能。
（6）MuSec開発環境の採用により，ユーザ自ら機能をカス
タマイズすることが容易。

置などと組み合わせた位置の補正動作などの追加も容易に行える。

７（参考文献）(1) 鳴海 隆,白石貴司.ロボットコントローラ98ＭＰの開発.住友重機械技

今後の開発計画

本機では，スループットの向上に有効な機能の開発を優先

報,no.140,Aug.,1999, p.21～24.
(2) 池本雅俊,鳴海 隆.モーションプラットフォームＭＰシリーズ.住友重機械技報,no.152, Aug.,2003,p.17～20．

して行ってきたことで，設定の自由度が高いかわりに使いこなすことが難しくなってきている。現在，これらの機能を簡単に使用できるユーザ支援ソフトウェアを開発中である。

８

おわりに

（1）当社のＭ７制御プラットフォームを用いて，搬送用途
住友重機械技報 No.176 201124

情報・制御特集

技術解説

M7 制御プラットフォーム研削盤用 CNC への適用

M7制御プラットフォーム研削盤用 CNCへの適用
M7PF Application to CNC Grinder
●島

田

昇＊

Noboru SHIMADA

CNC研削盤
CNC grinder

１

はじめに

研削盤の生産性を向上させる必要条件の一つに段取り替え

うデメリットもある。
（1）プログラミング言語

時間の短縮がある。この実現のためには，加工対象物ごとに今回開発した研削盤用CNCには，プログラミング言必要となる加工プログラムの作成や加工条件の設定に要する語として従来のG/Mのコードに加え，固定的なシー時間を短縮する必要がある。

ケンス記述用に当社独自の「MuSec(Micro processing

本報では，研削盤固有の動作や操作を整理し，当社のＭ７
制御プラットフォームを用いて開発した研削盤用CNCの特長であるシーケンスプログラミング機能，タッチパネル機能，および内部ソフトウェアの構造について述べる。

２

研削盤の動作と操作の特長

Unit SEquenCe programing environment)」言語を搭載した。
MuSec言語は，プログラムを図形で記述する言語で ，処理の流れを直感的にとらえやすいという特徴を持っている。
図２に，図１の動作をMuSec言語で記述したプログ

図１に，研削盤の動作例を示す。これは加工対象物の上面

ラム例を示す。研削動作を構成する4つの動作要素は動研削の代表的な動作で，加工プロセスは①下降(切込み)，②

作順に矢印で結ばれており，シーケンスの入れ替えや動時間待ち，③横移動(研削)の3つの動作の繰り返しで構成され作の追加は，線のつなぎ変えや図形の追加で容易に行うている。

ことができる。これはプログラムの作成やデバッグを容

この動作は自由曲線を含まない直線動作の組み合わせであり，他の汎用工作機と比較すると単純であるという特長がある。このことから加工条件の入力方法は，マシニングセンタなど他の工作機のようなCADデータのダウンロードではなく，装置の操作画面を使っての動作パターン選択および各種数値情報の入力を行うことが一般的となっている

３

25

動きを組み込むには，機能的な制約が生じる場合があるといシーケンスプログラミング機能

易にするだけなく，作成済みのプログラムの保守も容易になるというメリットがある。
（2）ソフトウェア構造
図３に，本機能を実現しているソフトウェアの構造を示す。
ソフトウェアは，研削に使用される複数の加工パター
ンを記述したサブシーケンスプログラム群と，それらを呼び出すメインシーケンスプログラム群から構成されて工作機に使用されるCNCは，一般にシーケンスプログラ

いる。それぞれの加工パターンは，G/Mコードからもム記述言語としてG/Mコードが使用されている。G/Mコー

呼び出し可能な構造となっている。なお，加工条件の設ドを使い慣れているユーザも多く，特に装置の立上げや試運定を容易にするための特長的なティーチング・プレイバ

転に必要な単純動作を簡単にプログラミングできるというメック機能もメインシーケンスプログラムの一つとして組

リットがある。一方で，装置の生産性を向上させる特長的なみ込まれている。

＊メカトロニクス事業部

住友重機械技報 No.176 2011

技術解説

１
２
４

シーケンス制御処理
３
３

４
１
２

メインシーケンス

１ 下降
（切込み）

MuSec
プログラム

２ 時間待ち４ 終了判定サブシーケンス
MuSec
プログラム

X

図１

G/Mコード

３ 横移動
（研削）

終了

Z

M7 制御プラットフォーム研削盤用 CNC への適用

研削動作例
Example of grinding operation

図３

MuSec
プログラム

MuSec
プログラム

シーケンス制御ソフトウェア構造
Sequence control software structure

装置制御処理シーケンス
制御処理
表示用レジスタ

モーション
制御処理

タッチパネル
IO処理

タッチパネル

サーボ
制御処理

図４

タッチパネル制御プログラム構造
Touch panel control program structure

類まで容易にカスタマイズすることができる。
図２

MuSec言語による研削動作記述例
Example of describing grinding operation in MuSec language

５

おわりに

本報ではM7制御プラットフォームの適用事例として次の特４

タッチパネル機能

本CNCは表示操作用にタッチパネルを搭載している。
あらかじめ組み込まれている操作画面は，オペレータの操長を持つ研削盤用CNCを紹介した。
（1）シーケンスプログラミング言語として，一般的な
G/Mコードに加え，プログラムの作成や保守が容易な
MuSec言語を搭載した。

作を容易にするべく，入力操作が必要な項目のみ表示される（2）表示操作用にタッチパネルを採用し，さらに対話式の対話式となっている。また，入力操作を削減するために，直操作系を実装することによって，加工条件の設定や変更

近の加工条件が再表示される機能も備えている。

を容易とした。

このように現時点でも高い操作性を実現しているが，操作（3）内部のソフトウェア構造をモジュール化し，制御系と画面は装置の使いやすさに大きく影響を与えることから，今

表示操作系を分離することで，それぞれの機能拡張を容後の機能追加が見込まれている。そこで本CNCでは画面内易とした。

容のバージョンアップが容易に行えるよう，タッチパネル用対象装置に特化したCNCは，汎用CNCでは実現困難だ

I/Fのオープン化を図っている。

った装置の特長を引き出すことができる。本CNCはカ（1）タッチパネルとCNC本体との通信仕様

スタマイズが容易であり，引き続き多様な装置への適用

タッチパネルとCNC本体の通信仕様に，市販の多くを図っていく所存である。

のタッチパネルに搭載されている汎用的な通信プロトコルを採用した。またタッチパネルから見たCNCの内部（参考文献）の表示用レジスタも汎用的な仕様とした。これにより対(1) 古川竜治.テーブル固定立軸円テーブル形平面研削盤SVR70F開発.

象とする研削盤に最適なタッチパネルを選択することが住友重機械技報,no.164,2007,p.23～24.

できる。
（2）ソフトウェア構造
図４に，タッチパネル制御用のソフトウェア構造を示す。
表示用レジスタは制御用と独立に設けた。また，表示用レジスタの操作は，タッチパネルIO処理としても装置制御処理から独立させた。これによって，画面作成者
は画面デザインだけでなく，画面に表示するデータの種
住友重機械技報 No.176 201126

情報・制御特集

技術解説

運行管理システム eSNavi

運行管理システム eSNavieS Navigation System
●吉

田

貴

志＊

Takashi YOSHIDA

図1

１

ナビゲーションによる作業
Work by a navigation

はじめに工場および配送センターにおける物品の搬送にはフォーク

３

フォークリフトによる搬送リードタイムを大幅に短縮できリフトなどの有人運搬機が使用されるケースが多く，物品のる運行管理システム eSNavi について説明する。

搬送はフォークリフト作業者の判断に任されているのが実情

3.1

である。したがって，作業者の熟練度によって，物品の搬送
リードタイムに大きな差が発生している。

システムフロー

eSNaviの運用フローは以下のとおりである。
（１） フォークリフト作業者の作業開始操作をもとにシステ

また，近年では少品種大量搬送から多品種少量搬送へ移行

ムが起動する（図３①）。

する傾向にあり，搬送リードタイムの短縮が工場および配送（2） システムはフォークリフトの現在位置をもとに最適作業センターの大きな課題となっている。このような多品種少量を検索し，フォークリフト作業者に搬送指示をする。

搬送において，フォークリフトを効率よく運行できる運行管（3） 最適作業がない場合は，それを作業者に知らせ，作業理システムへのニーズが高まっている。

者の判断によりeSNavi からいったん離れることができる。

本報では，熟練作業者に依存することなく，搬送リードタ

システムから離れ ，他の 作 業を行うことを可能とし，シイムを短縮できる運行管理システム eS（ｅ-Ｓｙｓｔｅｍ）Naviについて紹介する（図１）。

２

ステムの使用に自由度を持たせる（図３②）。
（4） eSNaviから離れる際にフォークリフトの現在位置を解除し，復帰する場合は現在位置を再度登録する。これに従来の運行管理システム

よりシステムはフォークリフトの現 在位置を正確に把 握

まず，従来の運行管理システムについて説明する。
ＷＭＳ（Warehouse Management System）における無線端する（図３③）。
3.2

最適作業の決定末を活用した作業ガイダンスは，フォークリフトの位置に関

eSNaviは次に示す手順で最適作業を決定する。なお，最適係なく，搬送作業が発生した順に作業者に指示していくのが作業が見つからない場合は，フォークリフト作業者に対して，別

一般的である（図２）。

作業を行う選択権を与える。

この場合，搬送効率は考慮されず，搬送リードタイムを短縮できないだけでなく，作業者の作業量を平準化できない問
題がある。
27

eSNavi の運行管理＊ロジスティクス＆パーキングシステム事業部（１） 最初に，待ち時間の長い搬送作業がないかチェックし，その作業を優先して選択する。
優先順位の高い搬送作業がなければ，（2）以降の通常の住友重機械技報 No.176 2011

技術解説

運行管理システム eSNavi

作業要求発生ポイント

生産機

生産機

生産機

生産機

生産機

生産機

生産機

生産機

現在位置

垂直機

原料倉庫

加工室
時系列

副資材倉庫

図２

サーチリスト１
Δt
Δt

従来の一般的な作業ガイダンス
Conventional work guidance

図4

1

サーチリスト２
サーチリスト３

サーチリストSearch list確定する。
（3） その検索エリア内で指示が可能な搬送作業について，次の搬送作業が終了するまでのフォークリフトの走行距

フォークから次作業要求

離を算出し，その走行距離が最短となる搬送作業を決定する。

現在位置で作業検索（4） その検索エリア内で搬送作業が見つからない場合は，

3
次最適作業指示（作業なし）

2
現在位置解除移動

移動 or 待ち？
待ち

移動

移動せずに
最新表示

別の搬送

ト作業者が検索エリアを選択することも可能とする
（図４）
。
3.3

システム内の定義

最適作業を決定するべく，以下の情報をシステム内のデー
タベースにあらかじめ登録する。
（１） 搬送起点および起点間のフォークリフトの走行距離（2） 搬送作業の優先順位をレベル分けするための待ち時間（3） フォークリフト作業者の情報（生産性など）

搬送指示検索現在位置登録（4） 検索するエリア
3.4

トレーサビリティ

eSNaviでは，搬送する物品をID管理し，いつ・誰が・何を・
指示再開

図3

検 索 するエリアを段 階 的に広げる。なお，フォークリフ

搬送管理システムフロー
Transportation management system flow

検索処理を行う。

どこから・どこへ搬送したかを記録し，管理できるようにした。
また，作業者の生産性（作業時間・搬送回数）
も集計および
管理することも可能とした。

４

おわりに

eSNaviはフォークリフトの現在位置とデータベースに登録

搬送作業は待ち時間ごとに，以下のレベルに分類されされた情報をもとに最適作業を決定し，搬送リードタイムをる。なお，同レベル内の搬送作業については，発生順に大幅に短縮できる運行管理システムである。この運行管理シ指示する。

ステムはフォークリフトだけでなく，配送センターで使用さａ. レベル１

れるピッキングカートなどにも適用できる。

通常搬送キューと呼び，最も優先順位の低い搬送作
業群。
ｂ . レベル２
優先搬送キューと呼び，レベル１より優先順位の高い搬送作業群。
ｃ . レベル３
最優先搬送キューと呼び，無条件に指示される搬送

実際に工場で検証し，以下の追加機能の実現が今後の課題となる。
（１） フォークリフトから降りることなく，物品の確 認が容易に行える機能。
（2） フォークリフト作業者が現在位置を車載端末から入力
しなくても，自動で現在位置を更新できる機能。具体的には，無線ＬＡＮによる３点計測方式が有力となる。

作業群。
（2） フォークリフトの現 在位置をもとに検 索するエリアを
住友重機械技報 No.176 201128

論文・報告くりこみ群分子動力学法を用いた高速構造緩和手法

くりこみ群分子動力学法を用いた高速構造緩和手法
Fast Structural Relaxation Technique Using Renormalized Molecular Dynamics
●広

瀬

良

Ryouta HIROSE

太＊

大

西

良

孝＊

Yoshitaka OHNISHI

市

嶋

大

Daiji ICHISHIMA路＊

About 80 times faster

Cantilever

Before applying FIRE
After applying FIRE

About 5 times faster
Simple contact model

About 3 times faster
Reducer0

200 000
400 000
Convergence time step

600 000

各モデルのFIRE適用前後の収束時間ステップ
Time step to convergence before and after applying FIRE for each model

我々はマルチスケールかつマルチフィジクスの現象に対してシミュレーション可能な，くりこみ群分子動力学（Renormalized Molecular Dynamics RMD）法を開発した。この方法によりマクロスケールの計算を可能とした。
しかし，この方法は有限要素法（Finite Element
Method FEM）に比べると単純な静解析に対しても計算時間がかかってしまう。
そこで，我々は高速構造緩和手法FIRE（Fast Inertial
Relaxation Engine）
を適用して，RMD法による静解析の計算効率を向上させた。本報では片持ち梁の曲げ，簡単な接触モデル，減速機のシミュレーションに適用した 。

We have developed a renormalized molecular
dynamics (RMD) method that simulates the multiscale and multi-physics phenomenon. This method
permits calculation on a macro scale. However, thismethod takes more computing time even for a simple
static analysis compared to the finite element method(FEM). To eliminate this drawback, the fast structural
relaxation technique, FIRE, was applied to the RMD
method to improve the computational efficiency for thestatic analysis. This report discusses the applicationof the RMD method to the simulation of cantilever
beam bending, simple contact model, and reduction
gear system. The method has successfully reduced thecomputing time compared to the results of former trials.

そしてFIRE適用前の結果と比較して計算時間を短縮させることに成功した。

１

29

まえがき

ある巨視的なスケールの計算は実現不可能である。
そこで現在，MD法の計算効率を飛躍的に改善し，メゾス

古典的な物理現象は原子や分子の多体問題として取り扱う

ケールやさらには，マクロスケールまでもシームレスにシミことができる。原子や分子の運動を位相空間内で追跡し，統ュレーション可能な手法の開発が期待されている。計算効率

計平均を取ることで測定に対応した物理量を得ることができを改善したMD法の例として，粗視化されたMD法⑶が開発さる。この手法を分子動力学(Molecular Dynamics MD)法⑴⑵とれている。この手法はシームレスなシミュレーションが可能いう。

であるが，弾性体に限定されることからMD法の利点が失わ

MD法の大きな利点は，バルク完全結晶だけでなく，表面 ,れている。また高分子系では構造単位を単一粒子とみなす粗界面，結晶欠陥，非晶質，液体，クラスタおよび微粒子など

視化MD法⑷が用いられているが，粗視化された粒子間に新の材料について，原子レベルの構造とその時間変化を求める

たな相互作用をモデル化しなければならない。

ことができる点にある。また，熱の伝導といった動的な現象

そこで我々はくりこみ群⑸の考え方をMD法に適用するこや，平衡状態から非常に離れた系の緩和や相転移なども計算とで，MD法の利点を継承したまま計算効率を飛躍的に向上できる。しかしながら，MD法は個々の粒子の運動方程式をさせることができる，くりこみ群分子動力学法⑹⑺を開発した。

数値積分することから，計算時間がかかり，工学的に意味の以前の報告⑺⑻において，固体の弾性変形，破壊および溶＊技術本部

住友重機械技報 No.176 2011

論文・報告融，流れ場と温度場の連成問題や高クヌーセン数非定常流れの巨視的なシミュレーションがRMD法により可能であるこ

3

くりこみ群分子動力学法を用いた高速構造緩和手法

FIRE

粒子法によって静解析を行うには，エネルギー的に安定なとを示した。
しかし固体の弾性変形などの静解析を行う場合，有限要素

平衡位置を見つけ出すことが非常に重要な課題の一つである。

法と比較すると計算時間がかなりかかってしまう。本報でこれまで我々は運動方程式に減衰項を加えエネルギーを下げ，は，RMD法での固体の弾性変形などの静解析に対してさら安定な平衡位置を求めていた。この手法でも平衡状態は得らなる計算効率の向上を目的として，高速構造緩和手法である

れるが，非常に時間がかかる。そこで我々はMD法においてを適用し，その効果を確認した。

FIRE

⑼⑽

2
2.1

提案された高速構造緩和手法であるFIREを適用し計算効率を向上させた。

くりこみ群分子動力学法

FIREは粒子にかかる力 f i および粒子速度 v i のみを入力とくりこみ群変換

して，繰り返し計算によるエネルギー最小化により粒子位置

現実の系が体積V=L 3，原子数Nを持つとする。この系にくりこみ群を適用し，縮小された相似な系（L′，N ′）
を作る。
α
−3
α …………………………………………………（１）−１の緩和を実現する。以下にMD法におけるFIREのアルゴリ
ズムを示す。
F1.

粒子ｉにかかる力 f i および速度v i を計算する（MD法
の計算）
。

α 2

F2.

P=f ・vを計算する。

nはくりこみ回数である。

F3.

v→（1-α）v+αf /¦f ¦×¦v ¦と更新する。

くりこみに際し，物理量は次のようにくりこまれる。

F4.

過去の履歴においてP<0となってからの時間更新回

φ

数がN min以上かつ，P>0のとき，時間刻みをΔt→miń α2…………………………………………………（2）φ́ φ

ここで, mは質量，φは原子間ポテンシャルである。また ,(Δt・finc，Δtmax)と増加させ，さらにα→αfαと更新する。
F5.

変数は次のようにスケールされる。

P≦0であれば，時間刻みをΔt→fdecΔtと減少させ，系全体の粒子の速度をv→0とし，α→αstartと再設定すp ṕ pα……………………………………………………（3）q q́ qα−1

ここで, p は運動量，q は座標である。

る。
F6.

F1 (MD法の計算)に戻る。

各ステップにおいてP≦0となった場合には系全体の運動
エネルギーを0にする。安定に計算を行うためにF5におい

くりこみの結果，時間はくりこみ変換によってスケールさて速度v iおよび時間刻みΔtを修正しながら反復ステップをれない。しかし時間刻みΔtはくりこまれる前の系のα倍に進める。FIREに必要なf iおよびv iはRMD法においても既に取ることが可能である。

求められているため，FIREのRMD法への適用は容易であ2.2る。以下の計算においてFIRE実施のパラメータはN min =5,場の量の算出場の量は局所的な領域Vl∈V に含まれる原子数Nl∈N の統
計平均により算出することができる。空間座標x，および時刻tにおける速度場v(x,t)，密度分布ρ(x,t)，温度場T(x,t)，応力場σxy(x,t)はそれぞれ以下の公式で算出される。また，（2），（3）式を用いて変換した相似則も同時に示す。

Σ ́q́x́ −−−−−=xα………………………………………………
（4）
Σ́
−1

finc=1.1, fdec=0.5, αstart=0.1, fα=0.99と設定した。

4

シミュレーションモデルと結果

RMD法へのFIRE適用後の計算効率向上の検証として3例の巨視的なサイズの弾性解析を実施した。まずは初歩的な片持ち梁の曲げの解析，次に簡単な接触を伴うモデル，最後に複雑な接触を伴うモデルとして減速機の静解析を実施した。
それぞれの検証モデルでの計算効率向上の結果を代表図に示す。

.

Σ ́ q́

4.1v́
（x́, ） −−−−−=v（x, ）α …………………………………
（5）
Σ́
−1

1
2
ρ（x́,
……………………………………
（6）
́
） −−Σ ́ =ρ
（x, ）
α
́

2
1 ⎧.
⎬ （x,
…………………
（7）
（x́,
́
）−−−−
−
− ́⎨q́ v́（x́, ））⎭3 ́ Σ2 ⎩⎫2⎫∂
1 ⎧ ́. .
（ q́ ）
́ ́ − ́ −−− Φ
́
） −−Σ
）
σ（x́,
（8）
⎬=σ（x,…………
∂ ́
́ ⎨
⎩

⎭

特に応力・温度については，くりこみ変換に際して不変である。

片持ち梁への適用

既報⑾で報告した片持ち梁の曲げ解析にFIREを適用した 。
既報では運動方程式に減衰項を導入することでエネルギーを下げ，平衡状態を求めた。結果は理論値⑿と1.9%の誤差であった。解析対象はfcc構造のアルミニウムとし，原子間ポテ
ンシャルには以下に示すMorseポテンシャルを使用した。
φ=ε[ exp………………………
（9）]｛ −2（ − 0 ）｝｛−（ − 0 ）｝−2exp
=23.5×10（
9

−1

−9
…
（10）
）
, =1.92×10 −20（ ）, 0 =0.286×10（）ε

図１に示すようにx方向，y方向，z方向の長さをそれぞれ
0.052(m)，0.052(m)，0.267(m)とし，梁の上端部にx方向に
3 500(N)の力を加えた。23回のくりこみ操作により（スケー
住友重機械技報 No.176 201130

論文・報告くりこみ群分子動力学法を用いた高速構造緩和手法

0.7
Before applying FIRE

Displacement of the top (mm)0.6

0.267mzyAfter applying FIRE

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1

x
0.052m0.0
100

0.052m

10 000

1 000

100 000

1 000 000Time step

図1

片持ち梁の計算モデル
Calculation model of cantilever

図２

Fixing rigid bodyB

片持ち梁の上端の変位
Displacement of top of cantilever

30

Fixing rigid bodyA

After applying FIRE
Object B

25

Rotating rigid bodyB

10cm(a) Initial state

図３

Fixing rigid bodyC
Rotating rigid bodyA(b) Final state

単純な接触を伴う計算モデル
Calculation model with simple contact

Rotation angle (dag.)

5cm

Object A

20
15

Before applying FIRE

105,
ル因子α=223）くりこまれた原子数N を81 920個とし計算を実

0

施した。

0

100 000

200 000

300 000

Time step

図２に梁の上端の変位と時間ステップの関係を示す。平衡状態の結果を得るのに必要な時間ステップは，FIRE適用前
が600 000step 程度であったのに対し，FIRE適用後は7 500step 程

図４

剛体の回転角度
Angle of rotation of rigid body度となり，計算時間を約1/80に短縮することができた。
4.2

単純な接触解析への適用

図３に，単純な接触を伴う計算モデルを示す。材料のヤン

複雑な接触を伴う解析モデルとして減速機の静解析に適用

グ率は208.0(GPa)，密度は7 800(kg/m3)とした。また，原子した。図５に，本解析で用いた減速機の全体図を示す。このと間ポテンシャルは2次のポテンシャルとし，設定したヤング

き材料のヤング率は208.0(GPa)，密度は7 800（ kg/m 3 ）とし率となるようにパラメータを設定 した。

た。原子間ポテンシャルは４.２と同じ方法で設定した。

⒀

図３
（a）
の初期状態から回転剛体A，Bを同じ角速度で回転

減速機の物体Aにトルクを与え，回転運動をさせる。物体

させ，物体Aに回転運動を与える。物体Aは物体Bと接触し ，Bと物体Cは固定する。物体同士が複雑に接触した状態で力

物体Bは固定剛体Aと接触した状態で力が釣り合う｡最終的が釣り合い平衡状態となる。

に，モデルは図３（b）のようになる。

31

図６に，系全体のエネルギーと時間ステップの関係を示す。

図４に，物体Aの回転角度と時間ステップの関係を示す。

FIREを適用した結果，FIRE適用前と比較して系全体のエ平衡状態を得るのに必要な時間ステップはFIRE適用前がネルギーが，早く安定な平衡状態になっていることが確認

250 000stepであったのに対して，FIRE適用後は50 000stepできる。平衡状態を得るのに必要な時間ステップはFIRE

程度と接触を伴うモデルに対しても計算時間を約1/5に短縮

適用前が300 000stepであったのに対して，FIRE適用後はすることができた。

100 000step程度となり，計算時間を約1/3に短縮することが4.3できた。このような複雑な接触を伴うモデルに対しても十分減速機への適用

住友重機械技報 No.176 2011

論文・報告Object B

くりこみ群分子動力学法を用いた高速構造緩和手法(6)

市嶋大路.シミュレーション方法及びプログラム. 特開 2010 -146368.

(7)

D.Ichishima,Y.Ohnishi,R.Hirose. Renormalization Group Theory for

Molecular Dynamics. Sumitomo Heavy Industries Technical Review,
no.168, 2008, p.31.
Object A(8)

D.Ichishima,Y.Ohnishi,R.Hirose.Computer Experiments of Flow

Fields by Renormalized Molecular Dynamics Method. Sumitomo
Heavy Industries Technical Review, no.173, 2010, p.29.
(9)Bitzek,E et al.Structural Relaxation Made Simple. Phys. Rev. Lett,

97,170201, 2006.
(10)戸田紘太郎,椎原良典,吉川暢宏.506樹脂の材料非線形挙動に対する粒子法の適用可能性.日本機械学会第23回計算力学講演会講演論文集, 2010, p.68.
(11)

広瀬良太,市嶋大路,大西良孝.508くりこみ群分子動力学法による弾性解析,日本機械学会第23回計算力学講演会講演論文集,2010, p.72.
Object C(12)

エリ・ランダウ,イェ・リフシッツ著,佐藤常三訳,弾性理論（ランダウ・リフシッツ理論物理学教程）.東京図書,1983, p.144.
(13)
図５減速機の計算モデル
Calculation model of reducer

市嶋大路,大西良孝.シミュレーション方法及びプログラム.特開2009-037334.

1.4E−20

Total energy ( J )1.2E−20
1.0E−20
Before applying FIRE

8.0E−216.0E−214.0E−212.0E−210.0E＋00

図６

After applying FIRE0

100 000 200 000 300 000 400 000 500 000
Time step

全エネルギーの時間ステップ変化
Temporal change of total energy

な効果が得られることを示した。

5

むすび（1）RMD法を用いた静解析において高速構造緩和手法のFIREを適用した。
（2）RMD法にFIREを適用したことにより，静解析において平衡状態の結果を得るのに必要な計算時間を飛躍的に短縮することができた。
（3）簡単な接触を伴うモデルはもちろんのこと，複雑な接触を伴う減速機の静解析においても，FIREの効果が十分得られることを示した。
（参考文献）(1)

J.M.Thijssen. Computational Physics.Cambridge University

Press,1999, p.175.
日本機械学会編.原子・分子を用いる数値シミュレーション.コロナ社,(2)

2001, p.11.
(3)

Robert E.Rudd, Jeremy Q.Broughton.Phys.Rev.B,vol.58,no10,

1998, p.5893.
(4)

Leonid V.Zhigilet,Prasad B.S.Kodali and Barbara J.Garrison,

J.Phys.Chem.B,vol.101,1997,p.2028.
(5)

くりこみ理論の地平. 数理科学, no.406,1997.
住友重機械技報 No.176 201132

新製品紹介気体検知式 LPG 残量警報

気体検知式 LPG残量警報
LPG Fuel Optical Alarm for Forklift Truck

り走行可能距離(時間)が変化する。

LPG残量警報装置は，LPGタンク内の燃料が残り少なくなると警報ブザーを鳴らし，オペレータにLPGタンクの交（2）LPG 燃料成分はお客様によって違いがあるため，警報

換時期を知らせる装置で，オプションとして設定されている。

（時間）が短すぎてブザーが鳴り始めてからの残り走行距離

住友ナコ マテリアル ハンドリング株式会社では今回，従来

しまうことがある。または，LPG 燃料が満タン状態であから設定されている方式とは異なる新しい方式を採用し，現るにもかかわらず警報ブザーが鳴ってしまうことがある。
圧力検知式では，お客様の使用環境に影響を受け易く,状の問題点の改善を行った。
内燃式フォークリフトでは，ガソリンよりも安価なLPG

全ての条件で対応することは困難となっている。そこで，（LPG車）が普及している。LPGを燃料とするフォークリフト

上記の問題を解決するために，気体検知式LPG 残量警報

車の燃料補給は車両後部のカウンタウェイトの上に装備して装置を開発した。

いるLPGタンクの交換により行われる。LPGタンク容量の制約により，通常６～９時間の稼働で交換が必要となり，交長

換頻度は高い。LPGタンクを交換するにはLPGタンク内の（1）LPGタンク内の燃料は液体であるが，使用により液燃料を使い切る前に，車両が交換用のLPGタンク置場まで

体がなくなるとすべて気体となる特性を利用し，光学セ

到達しておくことが望まれる。しかし，車両がLPGタンク

ンサを用いてLPG配管内の燃料が液体から気体へ変化す

置場に到達する前に燃料切れによって停止してしまうと，人るのを検知する方式としている。

力でLPGタンクを運搬しなければならない。また，作業場（2）LPG配管内の燃料が気体へ変化した後の残り燃料の量に車両が立ち往生することは他の作業に影響するとともに，は温度に対しての影響を受けにくく，安定している。

危険が発生する。LPG残量警報装置は，これら不具合回避

警報ブザーが鳴り始めてからの残り走行可能距離が安定に有効な装置として活用されている。

し，季節（外気温）による影響を受けない。

従来のLPG残量警報装置はLPGタンク内に燃料による蒸気（3）LPG配管内の燃料が気体へ変化した後の残り燃料の量圧が発生していることを利用し，圧力スイッチを用いてLPG配はLPG燃料成分の違いにかかわらず，安定している。残管内の圧力を検知する方式を採用している。LPG配管内の圧力り走行可能距離（時間）がお客様の使用するLPG燃料成分

は温度やLPG燃料成分の違いにより変化する特性があることかの違いによる影響を受けることなく，安定し，長くなっら，次の点でお客様から不満が寄せられている。

ている。

（1）季節(外気温)により警報ブザーが鳴り始めてからの残33

特（住友ナコ マテリアル ハンドリング株式会社

末廣飛翔）

住友重機械技報 No.176 2011

住友重機械技報第176号発行に当たり

住友重機械技報第176号をお届け致します。

本誌は，当社が常々ご指導頂いている方々へ，最近の新製品，新技術をご紹介申し上げ，より一層のご理解とご協力を頂くよう編集したものです。
本誌の内容につきましては，さらに充実するよう努めたいと考えますが，なにとぞご批判賜キ

りたく，今後ともよろしくご支援下さるよう，お願い申し上げます。

リ

なお，貴組織名，ご担当部署などについては正確を期していますが，それらの変更がございトましたら裏面の用紙にご記入の上，F A X でお知らせ頂きたくお願い申し上げます。また，読リ

後感や不備な点を簡単に裏面用紙にご記入願えれば幸いに存じます。

線

2011年8 月〒 141-6025 東京都品川区大崎 2丁目1番1号（ThinkPark Tower）
住友重機械工業株式会社
技術本部

技報編集事務局

（宛先）

（発信元）
貴組織名
担当部署
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名
TEL No.
FAX No.

住友重機械工業㈱技術本部 技報編集事務局 行
FAX 横須賀 046 − 869 − 2355

住友重機械技報第176号の送付先の確認と読後感などの件
送付先
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