アクチュエータおよび制御方法
【課題】複動型シリンダを有するアクチュエータの動作を安定させる。
【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出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、一対の圧力室の各々における作動流体の圧力を個別に検出する一対の圧力検出器と、位置検出器が検出する位置が所与の目標位置に近づき、且つ、圧力検出器が検出する圧力の平均が所与の目標圧力に近づくように、制御弁を制御する制御部とを備える。
【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出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、一対の圧力室の各々における作動流体の圧力を個別に検出する一対の圧力検出器と、位置検出器が検出する位置が所与の目標位置に近づき、且つ、圧力検出器が検出する圧力の平均が所与の目標圧力に近づくように、制御弁を制御する制御部とを備える。
【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、圧力室を供給源に結合させて作動流体を供給し、あるいは、圧力室を外部に結合させて空気を排出する制御弁とを有する。更に、アクチュエータは、対象物の位置を検出して制御弁の動作をサーボ制御する制御部を有する場合がある。
【０００３】
下記の特許文献１には、ピストンを挟んで形成された一対の圧力室を有する複動型シリンダにおいて、一対の圧力室相互の間に、ピストンおよびシリンダの摺動抵抗に見合う圧力差を予め与えて、アクチュエータの応答速度を向上させることが記載される。また、下記の特許文献２には、ピストンのシリンダに対する位置に応じてサーボ利得を調整することにより、位置制御の精度を向上させることが記載される。
【０００４】
更に、下記の特許文献３には、スライダに対する指令値とスライダの位置に関するサンプリング値とに基づいて補正した指令値を発生することが記載される。また更に、下記の特許文献４には、位置検出信号に基づいて圧力室の圧力を制御することにより、スライダの位置による動特性変化の非線形性を補償して、有効ストロークを拡張して安定に動作させることが記載される。
【特許文献１】特開平０６−２２１３０７号公報
【特許文献２】特開平１１−２４９７４６号公報
【特許文献３】特開２００１−３３６５０４号公報
【特許文献４】特開２００２−２９５４０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複動型シリンダを有するアクチュエータは、サーボ弁を用いて一対の圧力室の圧力に差圧を発生させることにより制御されていた。しかしながら、圧力室からは、外部に対してある程度の作動流体の漏れが生じている。このため、双方の圧力室の圧力が共に低下した場合、目標位置に到達した対象物をその位置に止める力が弱くなり、外乱により残差が拡大して位置決め精度が低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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出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、一対の圧力室の各々における作動流体の圧力を個別に検出する一対の圧力検出器と、位置検出器が検出する位置が所与の目標位置に近づき、且つ、圧力検出器が検出する圧力の平均が所与の目標圧力に近づくように、制御弁を制御する制御部とを備えるアクチュエータが提供される。
【０００７】
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出部に対して連通または遮断させる一対の制御弁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、シリンダに対するピストンの位置を検出する段階と、一対の圧力室の各々における作動流体の圧力を個別に検出する段階と、ピストンの位置が所与の目標位置に近づき、且つ、作動流体の平均圧力が所与の目標圧力に近づくように、制御弁を制御する段階とを備える制御方法が提供される。
【０００８】
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。
【０００９】
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】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
案内部１３０は、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。
【００１４】
可動部１１２において、シリンダ１５０は、案内部１３０に両端を案内されつつ、ピストン１４０を内包する。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。
【００１５】
圧力室１５２、１５４の内部には、ピストン１４０の側壁に開口した流路１５１、１５３、１５５、１５７が連通する。流路１５１、１５３は、後述するサーボ弁２３２、２４２を介して、圧力室１５２、１５４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１５２、１５４相互の間に差圧を生じさせることができる。
【００１６】
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。
【００１７】
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。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。
【００１８】
圧力室１５２、１５４に連通する他の流路１５５、１５７は、基盤１１０に配された圧力センサ２３４、２４４に結合される。これにより、圧力センサ２３４、２４４は、圧力室１５２、１５４の内部圧力を個別に検出する。
【００１９】
なお、流路１５５、１５７および圧力センサ２３４、２４４の容量は小さいので、流路１５５、１５７における作動流体の流量も小さい。従って、流路１５５、１５７および圧力センサ２３４、２４４の存在により、圧力室１５２、１５４の内部圧力が受ける影響は無視できる。ただし、作動流体の移動が頻繁な場合は、動分圧の影響を受けないように、圧力センサ２３４、２４４をシリンダ１５０の近傍に配置して流路１５５、１５７を短縮することが好ましい。
【００２０】
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。
【００２１】
なお、シリンダ１５０に対する位置センサの構造が上記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。
【００２２】
なお、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の間隙から外部へ作動流体の漏洩が生じる。
【００２３】
制御部１０２は、サーボ弁制御部２２０、一対のサーボ弁アンプ２３０、２４０および一対のサーボ弁２３２、２４２を含む。更に、制御部１０２は、サーボ弁２３２、２４２に連通する圧力源２１０および排出部２５０を含む。
【００２４】
圧力源２１０は、サーボ弁２３２、２４２を介して圧力室１５２、１５４に加圧された作動流体を供給する。圧力源２１０の直近には、圧力計２１２が配され、圧力源２１０における作動流体の圧力が監視される。圧力室１５２、１５４に供給される作動流体の圧力は、圧力源２１０の圧力に等しいか、それよりも低い。
【００２５】
なお、圧力源２１０の圧力を安定させるレギュレータを更に設けてもよい。作動流体としては、例えば乾燥空気を用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００２６】
排出部２５０は、サーボ弁２３２、２４２を介して、圧力室１５２、１５４の内部から作動流体を排出する。排出部２５０は、大気開放により形成してもよいし、積極的に減圧した真空源を用いてもよい。また、排出部２５０の直近には圧力計２５２が配され、排出部２５０における排気圧力が監視される。
【００２７】
サーボ弁制御部２２０は、エンコーダ１７０および圧力センサ２３４、２４４の検出結果を参照しつつ、サーボ弁アンプ２３０、２４０に指令を発する。サーボ弁制御部２２０の構造は、デジタル式であってもアナログ式であってもよい。また、サーボ弁制御部２２０は、圧力計２１２、２５２の計測結果も併せて参照してもよい。
【００２８】
サーボ弁２３２、２４２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２３０、２４０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、２４２がスプール位置を検出するセンサを備えてもよい。
【００２９】
また、サーボ弁２３２、２４２の制御口は、流路１５１、１５３を介して圧力室１５２、１５４の各々に接続される。サーボ弁２３２、２４２の供給口は圧力源２１０に、サーボ弁２３２、２４２の排気口は排出部２５０に、それぞれ接続される。これにより、サーボ弁２３２、２４２は、圧力室１５２、１５４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。
【００３０】
図２は、上記のような構造を有するアクチュエータ１００の制御部１０２において実行される制御手順を示す流れ図である。アクチュエータ１００の動作が開始されると、まず、サーボ弁制御部２２０に、目標位置Ｅおよび目標圧力Ｍが設定される（ステップＳ１０１）。ここで、目標位置Ｅは、例えば、ステージ１６０が到達すべき位置を意味する。また、目標圧力Ｍは、例えば、一対の圧力室１５２、１５４の平均圧力がとるべき圧力値を意味する。
【００３１】
次に、上記目標位置Ｅに対する現在のステージ１６０の位置の差分が距離残差として算出される（ステップＳ１０２）。距離残差は、例えば、リニアスケール１７２の目盛りの数により表すことができる。更に、距離残差を解消させる場合に、圧力室１５２、１５４に供給すべき、または、圧力室１５２、１５４から排出すべき作動流体の量を示す、距離制御量が算出される（ステップＳ１０３）。
【００３２】
上記のステップＳ１０２、Ｓ１０３と略同時に、圧力室１５２、１５４の現在の平均圧力と目標圧力Ｍとの差分が、圧力残差として算出される（ステップＳ１０４）。更に、圧力残差を解消させる場合に、圧力室１５２、１５４に供給すべき、または、圧力室１５２、１５４から排出すべき作動流体の量を示す、圧力制御量が算出される（ステップＳ１０５）。
【００３３】
こうして算出された距離制御量および圧力制御量は合算され、単一の動作指令としてサーボ弁アンプ２３０、２４０に発信される（ステップＳ１０６）。ただし、一対の圧力室１５２、１５４に対応して、サーボ弁アンプ２３０、２４０も一対設けられている。このため、サーボ弁アンプ２３０、２４０には、相補的な動作を指示する指令が発信される。
【００３４】
これにより、サーボ弁２３２、２４２が駆動され、圧力室１５２、１５４に対して、作動流体が供給または排出される（ステップＳ１０７）。これらの一連の動作により圧力室１５２、１５４に対する作動流体の供給または排出が完了すると、エンコーダ１７０の検出値に基づいて、距離残差が解消されたか否かが検査される（ステップＳ１０８）。また、距離残差が解消されていた場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）は、圧力センサ２３４、２４４の出力に基づいて、圧力残差が解消されたか否かを検査する（ステップＳ１０９）。ステップＳ１０９により圧力残差も解消されたことが検出された場合（ステップＳ１０９：ＹＥＳ）は、アクチュエータ１００の動作が完了する。
【００３５】
一方、距離残差が残っていた場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）は、ステップＳ１０２からステップＳ１０７までの一連の処理が再び実行される。また、圧力残差が残っていた場合（ステップＳ１０９：ＮＯ）は、ステップＳ１０４からステップＳ１０７までの処理が再び実行される。なお、ステップＳ１０８およびステップＳ１０９を実行する順序は、逆であっても、同時であっても差し支えない。
【００３６】
こうした一連の処理により、アクチュエータ１００は、ステージ１６０を目標位置に移動させる。また、移動後の圧力室１５２、１５４の平均圧力も目標圧力に一致している。
【００３７】
ここで、目標圧力としては、一対の圧力室１５２、１５４に対する作動流体の圧力源２１０における供給圧力および排出部２５０における排出圧力の中央値に略等しい圧力を選択することができる。これにより、可動部１１２を位置決めする場合に、差圧変動を動作圧力の幅内で制御できる。従って、圧力源２１０の供給圧力を効率よく利用して、目標位置の選択範囲を常に広く保つことができる。また、目標位置に向かって可動部１１２を移動させる場合の動作が安定する。
【００３８】
また、目標圧力として、作動流体の供給圧力および大気圧のうち、供給圧力により近い圧力値を選ぶこともできる。これにより、圧力室１５２、１５４の圧力が共に高く維持されるので、可動部１１２が静止した場合に、静止位置を維持する性能が高くなる。
【００３９】
更に、目標圧力として、作動流体の供給圧力および大気圧のうち、大気圧により近い圧力値を選ぶこともできる。これにより、圧力室１５２、１５４の圧力が低く維持されるので、作動流体の外部への漏出が減少する。
【００４０】
また更に、目標圧力を、位置信号が示す可動部１１２の位置、圧力源２１０における作動流体の供給圧力等の変化に応じて目標圧力を変化させてもよい。例えば、稼動部１１２の位置によって作動流体の漏出量が変化するような場合に、目標値を変化させてそれを補償できる。従って、可動部１１２の状態の如何にかかわらずアクチュエータ１００の動作を安定させて、アクチュエータ１００の制御性を向上させることができる。
【００４１】
図３は、上記のような処理を実行する制御部１０２の構造を模式的に示すブロック図である。なお、以下に説明する制御部１０２は、デジタル信号処理により制御を実行する。但し、アナログ信号処理によって制御しても構わない。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「ａ」により、圧力室１５４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。
【００４２】
サーボ弁２３２、２４２における作動流体の質量流量をＧａ、Ｇｂとした場合、圧力室１５２、１５４の各々に供給される作動流体の質量は、サーボ弁２３２、２４２における作動流体の流量Ｇａ、Ｇｂの積分値に相当する。
【００４３】
ただし、シリンダ１５０においては作動流体の漏出がある。そこで、圧力室１５２からの漏出量Ｄａ、および、圧力室１５４からの漏出量Ｄｂと、圧力室１５２、１５４に既存の作動流体の質量ｍ０ａ、ｍ０ｂと、流量Ｇａ、Ｇｂの積分値との総和により、圧力室１５２、１５４の各々における作動流体の質量が判る。
【００４４】
圧力室１５２、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、シリンダ１５０の位置ｘの関数Ｖａ（ｘ）、Ｖｂ（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１５２、１５４の各々における作動流体の圧力Ｐａ、Ｐｂは、状態方程式ＲＴ／Ｖａ（ｘ）、ＲＴ／Ｖｂ（ｘ）に従って決まる。
【００４５】
圧力室１５２、１５４における受圧面積Ｓａ、Ｓｂを圧力Ｐａ、Ｐｂに乗ずることにより、圧力室１５２、１５４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、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、Ｓｂが相互に等しい場合、推力Ｆは圧力Ｐａ、Ｐｂの差圧Ｐに等価となる。
【００４６】
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で形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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、制御計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。
【００５０】
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。
【００５１】
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
【００５２】
一方、圧力センサ２３４、２４４から受けた圧力センサ信号も、デジタル変換されて演算される。圧力センサ２３４、２４４から受けた圧力センサ信号Ｓｉｇ＿Ｐａ、Ｓｉｇ＿Ｐｂから、平均圧力Ｐｍが生成される。平均圧力Ｐｍは、ゲイン倍率Ｋａｂを用いて下記の式２ように表すことができる。
Ｐｍ＝Ｋａｂ＊（Ｓｉｇ＿Ｐａ＋Ｓｉｇ＿Ｐｂ）・・・式２
【００５３】
上記平均圧力Ｐｍを、サーボ弁制御部２２０に設定された目標圧力Ｐｔｇｔから減算することにより、平均圧力誤差信号Ｓｉｇ＿Ｐｍが得られる。更に、平均圧力誤差信号Ｓｉｇ＿Ｐｍに倍率Ｋｍを乗ずることにより、目標圧力信号Ｓｉｇ＿Ｍが生成される。倍率Ｋａｂを０．５とした場合、目標圧力信号Ｓｉｇ＿Ｍは、シリンダ１５０における平均圧力となる。目標圧力信号Ｓｉｇ＿Ｍは、下記の式３のように表すことができる。
Ｓｉｇ＿Ｍ＝Ｋｍ＊Ｓｉｇ＿Ｐｍ
＝Ｋｍ＊（Ｐｔｇｔ−Ｐｍ）・・・式３
【００５４】
なお、目標圧力値の設定は、圧力源２１０側の圧力と、排出部２５０側の圧力との略中央に設定することが好ましい。これにより、可動部１１２を位置決めする場合の差圧変動を、動作圧力の範囲内で制御できる。
【００５５】
また、圧力目標値の設定は、可動部１１２の位置に応じて変更してもよい。即ち、可動子位置に応じて作動流体の漏れが増減する場合には、可動部１１２の位置に応じて圧力目標値を増減させてもよい。
【００５６】
上記のようにして生成した位置目標信号Ｓｉｇ＿Ｅおよび圧力目標信号Ｓｉｇ＿Ｍに基づいて、サーボ弁２３２、２４２の駆動信号を生成される。即ち、サーボ弁アンプ２３０への指令信号のＳｉｇ＿Ａは、例えば、下記の式４に示す演算により生成される。
Ｓｉｇ＿Ａ＝Ｓｉｇ＿Ｍ＋Ｓｉｇ＿Ｅ・・・式４
【００５７】
この場合、サーボ弁アンプ２４０への指令信号Ｓｉｇ＿Ｂは、下記の式５に示す演算により生成される。
Ｓｉｇ＿Ｂ＝Ｓｉｇ＿Ｍ−Ｓｉｇ＿Ｅ・・・式５
【００５８】
サーボ弁アンプ２３０、２４０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２３２、２４２への指令電流を発生する。サーボ弁２３２、２４２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１５２、１５４の作動流体を供給または排出する。
【００５９】
上記のような制御部１０２の処理によれば、圧力室１５２、１５４の平均圧力を制御するので、シリンダ１５０から作動流体が漏出している場合でも安定した位置決め精度を維持できる。従って、作動流体の漏出量が変化した場合も残差の収束が変化することがなく、更に、圧力室１５２、１５４の内圧も安定する。
【００６０】
なお、サーボ弁２３２、２４２が圧力制御弁である場合、圧力室１５２、１５４の内圧は圧力制御弁の背圧と平衡するので、作動流体の漏出は無視できる。しかしながら、圧力制御弁は、作動流体を排気側に常時流すことにより安定な背圧を得ている。従って、作動流体の消尽が大きい。これに対して、上記のアクチュエータ１００は、流量制御弁を用いているので、シリンダ１５０からの漏出に対して精度を安定させつつ、作動流体の消費も抑制している。
【００６１】
図４は、ここまでに説明した作動部１０１および制御部１０２を備えたアクチュエータ１００のステップ応答を示す図である。なお、ここでは、ピストン１４０およびシリンダ１５０の間における作動流体の漏洩が全く無い場合を示す。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。
【００６２】
図４に示す通り、位置目標値として２００００μｍを設定した場合に、１．２秒程度で残差が略零に収束していることが判る。また、図５に示すように、シリンダ１５０の内部圧力が略一定に維持されていることが判る。
【００６３】
図６は、ここまでに説明したアクチュエータ１００と同じ構造を有するが、シリンダ１５０からの作動流体の漏出があるアクチュエータ１００のステップ応答を示す図である。また、図５は、当該アクチュエータ１００におけるシリンダ１５０の圧力変化を示す図である。
【００６４】
図６に示す通り、位置目標値として２００００μｍを設定した場合に、１・１秒程度で残差が略零に収束していることが判る。また、図７に示すように、シリンダ１５０の内部圧力が略一定に維持されていることが判る。
【００６５】
図８は、ここまでに説明したアクチュエータ１００と同じ構造を有するが、シリンダ１５０からの作動流体の漏出が更に大きなアクチュエータ１００のステップ応答を示す図である。また、図９は、当該アクチュエータ１００におけるシリンダ１５０の圧力変化を示す図である。
【００６６】
図８に示す通り、位置目標値として２００００μｍを設定した場合に、１．０５秒程度で残差が略零に収束していることが判る。また、図９に示すように、シリンダ１５０の内部圧力が略一定に維持されていることが判る。
【００６７】
このように、位置目標値と共に、圧力目標値を設定してアクチュエータ１００を制御することにより、シリンダ１５０からの作動流体の漏洩量にかかわらずステップ応答が変化せず、アクチュエータ１００の動作が安定していることが判る。また、シリンダ１５０には、圧力源２１０による供給圧力に近い圧力で作動流体が供給されるので、ステップ応答特性が向上している。更に、シリンダ１５０内の圧力も安定するので、上記安定性は、アクチュエータ１００の稼動期間を通じて継続的に維持されることが判る。
【００６８】
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】
【００６９】
【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】制御部１０２において実行される制御手順を示す流れ図である。
【図３】アクチュエータ１００の動作を示すブロック図である。
【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】アクチュエータ１００のステップ応答を示す図である。
【図７】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８】アクチュエータ１００のステップ応答を示す図である。
【図９】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。
【符号の説明】
【００７０】
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、１５７ 流路、１５２、１５４ 圧力室、１６０ ステージ、１７０ エンコーダ、１７２ リニアスケール、２１０ 圧力源、２１２、２５２ 圧力計、２２０ サーボ弁制御部、２３０、２４０ サーボ弁アンプ、２３２、２４２ サーボ弁、２３４、２４４ 圧力センサ、２５０ 排出部
【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、圧力室を供給源に結合させて作動流体を供給し、あるいは、圧力室を外部に結合させて空気を排出する制御弁とを有する。更に、アクチュエータは、対象物の位置を検出して制御弁の動作をサーボ制御する制御部を有する場合がある。
【０００３】
下記の特許文献１には、ピストンを挟んで形成された一対の圧力室を有する複動型シリンダにおいて、一対の圧力室相互の間に、ピストンおよびシリンダの摺動抵抗に見合う圧力差を予め与えて、アクチュエータの応答速度を向上させることが記載される。また、下記の特許文献２には、ピストンのシリンダに対する位置に応じてサーボ利得を調整することにより、位置制御の精度を向上させることが記載される。
【０００４】
更に、下記の特許文献３には、スライダに対する指令値とスライダの位置に関するサンプリング値とに基づいて補正した指令値を発生することが記載される。また更に、下記の特許文献４には、位置検出信号に基づいて圧力室の圧力を制御することにより、スライダの位置による動特性変化の非線形性を補償して、有効ストロークを拡張して安定に動作させることが記載される。
【特許文献１】特開平０６−２２１３０７号公報
【特許文献２】特開平１１−２４９７４６号公報
【特許文献３】特開２００１−３３６５０４号公報
【特許文献４】特開２００２−２９５４０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複動型シリンダを有するアクチュエータは、サーボ弁を用いて一対の圧力室の圧力に差圧を発生させることにより制御されていた。しかしながら、圧力室からは、外部に対してある程度の作動流体の漏れが生じている。このため、双方の圧力室の圧力が共に低下した場合、目標位置に到達した対象物をその位置に止める力が弱くなり、外乱により残差が拡大して位置決め精度が低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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出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、一対の圧力室の各々における作動流体の圧力を個別に検出する一対の圧力検出器と、位置検出器が検出する位置が所与の目標位置に近づき、且つ、圧力検出器が検出する圧力の平均が所与の目標圧力に近づくように、制御弁を制御する制御部とを備えるアクチュエータが提供される。
【０００７】
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出部に対して連通または遮断させる一対の制御弁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、シリンダに対するピストンの位置を検出する段階と、一対の圧力室の各々における作動流体の圧力を個別に検出する段階と、ピストンの位置が所与の目標位置に近づき、且つ、作動流体の平均圧力が所与の目標圧力に近づくように、制御弁を制御する段階とを備える制御方法が提供される。
【０００８】
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。
【０００９】
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】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
案内部１３０は、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。
【００１４】
可動部１１２において、シリンダ１５０は、案内部１３０に両端を案内されつつ、ピストン１４０を内包する。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。
【００１５】
圧力室１５２、１５４の内部には、ピストン１４０の側壁に開口した流路１５１、１５３、１５５、１５７が連通する。流路１５１、１５３は、後述するサーボ弁２３２、２４２を介して、圧力室１５２、１５４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１５２、１５４相互の間に差圧を生じさせることができる。
【００１６】
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。
【００１７】
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。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。
【００１８】
圧力室１５２、１５４に連通する他の流路１５５、１５７は、基盤１１０に配された圧力センサ２３４、２４４に結合される。これにより、圧力センサ２３４、２４４は、圧力室１５２、１５４の内部圧力を個別に検出する。
【００１９】
なお、流路１５５、１５７および圧力センサ２３４、２４４の容量は小さいので、流路１５５、１５７における作動流体の流量も小さい。従って、流路１５５、１５７および圧力センサ２３４、２４４の存在により、圧力室１５２、１５４の内部圧力が受ける影響は無視できる。ただし、作動流体の移動が頻繁な場合は、動分圧の影響を受けないように、圧力センサ２３４、２４４をシリンダ１５０の近傍に配置して流路１５５、１５７を短縮することが好ましい。
【００２０】
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。
【００２１】
なお、シリンダ１５０に対する位置センサの構造が上記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。
【００２２】
なお、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の間隙から外部へ作動流体の漏洩が生じる。
【００２３】
制御部１０２は、サーボ弁制御部２２０、一対のサーボ弁アンプ２３０、２４０および一対のサーボ弁２３２、２４２を含む。更に、制御部１０２は、サーボ弁２３２、２４２に連通する圧力源２１０および排出部２５０を含む。
【００２４】
圧力源２１０は、サーボ弁２３２、２４２を介して圧力室１５２、１５４に加圧された作動流体を供給する。圧力源２１０の直近には、圧力計２１２が配され、圧力源２１０における作動流体の圧力が監視される。圧力室１５２、１５４に供給される作動流体の圧力は、圧力源２１０の圧力に等しいか、それよりも低い。
【００２５】
なお、圧力源２１０の圧力を安定させるレギュレータを更に設けてもよい。作動流体としては、例えば乾燥空気を用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００２６】
排出部２５０は、サーボ弁２３２、２４２を介して、圧力室１５２、１５４の内部から作動流体を排出する。排出部２５０は、大気開放により形成してもよいし、積極的に減圧した真空源を用いてもよい。また、排出部２５０の直近には圧力計２５２が配され、排出部２５０における排気圧力が監視される。
【００２７】
サーボ弁制御部２２０は、エンコーダ１７０および圧力センサ２３４、２４４の検出結果を参照しつつ、サーボ弁アンプ２３０、２４０に指令を発する。サーボ弁制御部２２０の構造は、デジタル式であってもアナログ式であってもよい。また、サーボ弁制御部２２０は、圧力計２１２、２５２の計測結果も併せて参照してもよい。
【００２８】
サーボ弁２３２、２４２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２３０、２４０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、２４２がスプール位置を検出するセンサを備えてもよい。
【００２９】
また、サーボ弁２３２、２４２の制御口は、流路１５１、１５３を介して圧力室１５２、１５４の各々に接続される。サーボ弁２３２、２４２の供給口は圧力源２１０に、サーボ弁２３２、２４２の排気口は排出部２５０に、それぞれ接続される。これにより、サーボ弁２３２、２４２は、圧力室１５２、１５４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。
【００３０】
図２は、上記のような構造を有するアクチュエータ１００の制御部１０２において実行される制御手順を示す流れ図である。アクチュエータ１００の動作が開始されると、まず、サーボ弁制御部２２０に、目標位置Ｅおよび目標圧力Ｍが設定される（ステップＳ１０１）。ここで、目標位置Ｅは、例えば、ステージ１６０が到達すべき位置を意味する。また、目標圧力Ｍは、例えば、一対の圧力室１５２、１５４の平均圧力がとるべき圧力値を意味する。
【００３１】
次に、上記目標位置Ｅに対する現在のステージ１６０の位置の差分が距離残差として算出される（ステップＳ１０２）。距離残差は、例えば、リニアスケール１７２の目盛りの数により表すことができる。更に、距離残差を解消させる場合に、圧力室１５２、１５４に供給すべき、または、圧力室１５２、１５４から排出すべき作動流体の量を示す、距離制御量が算出される（ステップＳ１０３）。
【００３２】
上記のステップＳ１０２、Ｓ１０３と略同時に、圧力室１５２、１５４の現在の平均圧力と目標圧力Ｍとの差分が、圧力残差として算出される（ステップＳ１０４）。更に、圧力残差を解消させる場合に、圧力室１５２、１５４に供給すべき、または、圧力室１５２、１５４から排出すべき作動流体の量を示す、圧力制御量が算出される（ステップＳ１０５）。
【００３３】
こうして算出された距離制御量および圧力制御量は合算され、単一の動作指令としてサーボ弁アンプ２３０、２４０に発信される（ステップＳ１０６）。ただし、一対の圧力室１５２、１５４に対応して、サーボ弁アンプ２３０、２４０も一対設けられている。このため、サーボ弁アンプ２３０、２４０には、相補的な動作を指示する指令が発信される。
【００３４】
これにより、サーボ弁２３２、２４２が駆動され、圧力室１５２、１５４に対して、作動流体が供給または排出される（ステップＳ１０７）。これらの一連の動作により圧力室１５２、１５４に対する作動流体の供給または排出が完了すると、エンコーダ１７０の検出値に基づいて、距離残差が解消されたか否かが検査される（ステップＳ１０８）。また、距離残差が解消されていた場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）は、圧力センサ２３４、２４４の出力に基づいて、圧力残差が解消されたか否かを検査する（ステップＳ１０９）。ステップＳ１０９により圧力残差も解消されたことが検出された場合（ステップＳ１０９：ＹＥＳ）は、アクチュエータ１００の動作が完了する。
【００３５】
一方、距離残差が残っていた場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）は、ステップＳ１０２からステップＳ１０７までの一連の処理が再び実行される。また、圧力残差が残っていた場合（ステップＳ１０９：ＮＯ）は、ステップＳ１０４からステップＳ１０７までの処理が再び実行される。なお、ステップＳ１０８およびステップＳ１０９を実行する順序は、逆であっても、同時であっても差し支えない。
【００３６】
こうした一連の処理により、アクチュエータ１００は、ステージ１６０を目標位置に移動させる。また、移動後の圧力室１５２、１５４の平均圧力も目標圧力に一致している。
【００３７】
ここで、目標圧力としては、一対の圧力室１５２、１５４に対する作動流体の圧力源２１０における供給圧力および排出部２５０における排出圧力の中央値に略等しい圧力を選択することができる。これにより、可動部１１２を位置決めする場合に、差圧変動を動作圧力の幅内で制御できる。従って、圧力源２１０の供給圧力を効率よく利用して、目標位置の選択範囲を常に広く保つことができる。また、目標位置に向かって可動部１１２を移動させる場合の動作が安定する。
【００３８】
また、目標圧力として、作動流体の供給圧力および大気圧のうち、供給圧力により近い圧力値を選ぶこともできる。これにより、圧力室１５２、１５４の圧力が共に高く維持されるので、可動部１１２が静止した場合に、静止位置を維持する性能が高くなる。
【００３９】
更に、目標圧力として、作動流体の供給圧力および大気圧のうち、大気圧により近い圧力値を選ぶこともできる。これにより、圧力室１５２、１５４の圧力が低く維持されるので、作動流体の外部への漏出が減少する。
【００４０】
また更に、目標圧力を、位置信号が示す可動部１１２の位置、圧力源２１０における作動流体の供給圧力等の変化に応じて目標圧力を変化させてもよい。例えば、稼動部１１２の位置によって作動流体の漏出量が変化するような場合に、目標値を変化させてそれを補償できる。従って、可動部１１２の状態の如何にかかわらずアクチュエータ１００の動作を安定させて、アクチュエータ１００の制御性を向上させることができる。
【００４１】
図３は、上記のような処理を実行する制御部１０２の構造を模式的に示すブロック図である。なお、以下に説明する制御部１０２は、デジタル信号処理により制御を実行する。但し、アナログ信号処理によって制御しても構わない。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「ａ」により、圧力室１５４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。
【００４２】
サーボ弁２３２、２４２における作動流体の質量流量をＧａ、Ｇｂとした場合、圧力室１５２、１５４の各々に供給される作動流体の質量は、サーボ弁２３２、２４２における作動流体の流量Ｇａ、Ｇｂの積分値に相当する。
【００４３】
ただし、シリンダ１５０においては作動流体の漏出がある。そこで、圧力室１５２からの漏出量Ｄａ、および、圧力室１５４からの漏出量Ｄｂと、圧力室１５２、１５４に既存の作動流体の質量ｍ０ａ、ｍ０ｂと、流量Ｇａ、Ｇｂの積分値との総和により、圧力室１５２、１５４の各々における作動流体の質量が判る。
【００４４】
圧力室１５２、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、シリンダ１５０の位置ｘの関数Ｖａ（ｘ）、Ｖｂ（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１５２、１５４の各々における作動流体の圧力Ｐａ、Ｐｂは、状態方程式ＲＴ／Ｖａ（ｘ）、ＲＴ／Ｖｂ（ｘ）に従って決まる。
【００４５】
圧力室１５２、１５４における受圧面積Ｓａ、Ｓｂを圧力Ｐａ、Ｐｂに乗ずることにより、圧力室１５２、１５４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、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、Ｓｂが相互に等しい場合、推力Ｆは圧力Ｐａ、Ｐｂの差圧Ｐに等価となる。
【００４６】
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で形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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、制御計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。
【００５０】
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。
【００５１】
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
【００５２】
一方、圧力センサ２３４、２４４から受けた圧力センサ信号も、デジタル変換されて演算される。圧力センサ２３４、２４４から受けた圧力センサ信号Ｓｉｇ＿Ｐａ、Ｓｉｇ＿Ｐｂから、平均圧力Ｐｍが生成される。平均圧力Ｐｍは、ゲイン倍率Ｋａｂを用いて下記の式２ように表すことができる。
Ｐｍ＝Ｋａｂ＊（Ｓｉｇ＿Ｐａ＋Ｓｉｇ＿Ｐｂ）・・・式２
【００５３】
上記平均圧力Ｐｍを、サーボ弁制御部２２０に設定された目標圧力Ｐｔｇｔから減算することにより、平均圧力誤差信号Ｓｉｇ＿Ｐｍが得られる。更に、平均圧力誤差信号Ｓｉｇ＿Ｐｍに倍率Ｋｍを乗ずることにより、目標圧力信号Ｓｉｇ＿Ｍが生成される。倍率Ｋａｂを０．５とした場合、目標圧力信号Ｓｉｇ＿Ｍは、シリンダ１５０における平均圧力となる。目標圧力信号Ｓｉｇ＿Ｍは、下記の式３のように表すことができる。
Ｓｉｇ＿Ｍ＝Ｋｍ＊Ｓｉｇ＿Ｐｍ
＝Ｋｍ＊（Ｐｔｇｔ−Ｐｍ）・・・式３
【００５４】
なお、目標圧力値の設定は、圧力源２１０側の圧力と、排出部２５０側の圧力との略中央に設定することが好ましい。これにより、可動部１１２を位置決めする場合の差圧変動を、動作圧力の範囲内で制御できる。
【００５５】
また、圧力目標値の設定は、可動部１１２の位置に応じて変更してもよい。即ち、可動子位置に応じて作動流体の漏れが増減する場合には、可動部１１２の位置に応じて圧力目標値を増減させてもよい。
【００５６】
上記のようにして生成した位置目標信号Ｓｉｇ＿Ｅおよび圧力目標信号Ｓｉｇ＿Ｍに基づいて、サーボ弁２３２、２４２の駆動信号を生成される。即ち、サーボ弁アンプ２３０への指令信号のＳｉｇ＿Ａは、例えば、下記の式４に示す演算により生成される。
Ｓｉｇ＿Ａ＝Ｓｉｇ＿Ｍ＋Ｓｉｇ＿Ｅ・・・式４
【００５７】
この場合、サーボ弁アンプ２４０への指令信号Ｓｉｇ＿Ｂは、下記の式５に示す演算により生成される。
Ｓｉｇ＿Ｂ＝Ｓｉｇ＿Ｍ−Ｓｉｇ＿Ｅ・・・式５
【００５８】
サーボ弁アンプ２３０、２４０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２３２、２４２への指令電流を発生する。サーボ弁２３２、２４２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１５２、１５４の作動流体を供給または排出する。
【００５９】
上記のような制御部１０２の処理によれば、圧力室１５２、１５４の平均圧力を制御するので、シリンダ１５０から作動流体が漏出している場合でも安定した位置決め精度を維持できる。従って、作動流体の漏出量が変化した場合も残差の収束が変化することがなく、更に、圧力室１５２、１５４の内圧も安定する。
【００６０】
なお、サーボ弁２３２、２４２が圧力制御弁である場合、圧力室１５２、１５４の内圧は圧力制御弁の背圧と平衡するので、作動流体の漏出は無視できる。しかしながら、圧力制御弁は、作動流体を排気側に常時流すことにより安定な背圧を得ている。従って、作動流体の消尽が大きい。これに対して、上記のアクチュエータ１００は、流量制御弁を用いているので、シリンダ１５０からの漏出に対して精度を安定させつつ、作動流体の消費も抑制している。
【００６１】
図４は、ここまでに説明した作動部１０１および制御部１０２を備えたアクチュエータ１００のステップ応答を示す図である。なお、ここでは、ピストン１４０およびシリンダ１５０の間における作動流体の漏洩が全く無い場合を示す。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。
【００６２】
図４に示す通り、位置目標値として２００００μｍを設定した場合に、１．２秒程度で残差が略零に収束していることが判る。また、図５に示すように、シリンダ１５０の内部圧力が略一定に維持されていることが判る。
【００６３】
図６は、ここまでに説明したアクチュエータ１００と同じ構造を有するが、シリンダ１５０からの作動流体の漏出があるアクチュエータ１００のステップ応答を示す図である。また、図５は、当該アクチュエータ１００におけるシリンダ１５０の圧力変化を示す図である。
【００６４】
図６に示す通り、位置目標値として２００００μｍを設定した場合に、１・１秒程度で残差が略零に収束していることが判る。また、図７に示すように、シリンダ１５０の内部圧力が略一定に維持されていることが判る。
【００６５】
図８は、ここまでに説明したアクチュエータ１００と同じ構造を有するが、シリンダ１５０からの作動流体の漏出が更に大きなアクチュエータ１００のステップ応答を示す図である。また、図９は、当該アクチュエータ１００におけるシリンダ１５０の圧力変化を示す図である。
【００６６】
図８に示す通り、位置目標値として２００００μｍを設定した場合に、１．０５秒程度で残差が略零に収束していることが判る。また、図９に示すように、シリンダ１５０の内部圧力が略一定に維持されていることが判る。
【００６７】
このように、位置目標値と共に、圧力目標値を設定してアクチュエータ１００を制御することにより、シリンダ１５０からの作動流体の漏洩量にかかわらずステップ応答が変化せず、アクチュエータ１００の動作が安定していることが判る。また、シリンダ１５０には、圧力源２１０による供給圧力に近い圧力で作動流体が供給されるので、ステップ応答特性が向上している。更に、シリンダ１５０内の圧力も安定するので、上記安定性は、アクチュエータ１００の稼動期間を通じて継続的に維持されることが判る。
【００６８】
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】
【００６９】
【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】制御部１０２において実行される制御手順を示す流れ図である。
【図３】アクチュエータ１００の動作を示すブロック図である。
【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】アクチュエータ１００のステップ応答を示す図である。
【図７】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８】アクチュエータ１００のステップ応答を示す図である。
【図９】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。
【符号の説明】
【００７０】
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、１５７ 流路、１５２、１５４ 圧力室、１６０ ステージ、１７０ エンコーダ、１７２ リニアスケール、２１０ 圧力源、２１２、２５２ 圧力計、２２０ サーボ弁制御部、２３０、２４０ サーボ弁アンプ、２３２、２４２ サーボ弁、２３４、２４４ 圧力センサ、２５０ 排出部
【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、
前記一対の圧力室の各々における前記作動流体の圧力を個別に検出する一対の圧力検出器と、
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き、且つ、前記圧力検出器が検出する圧力の平均が所与の目標圧力に近づくように、前記制御弁を制御する制御部と
を備えるアクチュエータ。
【請求項２】
前記制御弁は、流量制御弁を含む請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記制御部は、前記位置検出器により検出される位置の変化または前記圧力源における作動流体の圧力の増減に応じて、前記目標圧力を増減させる請求項１または請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記制御部は、前記圧力源における前記作動流体の圧力と、前記排出部における前記作動流体の圧力との中央値に略等しい前記目標圧力を与えられる、請求項１から請求項３までの何れか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記制御部は、前記圧力源における前記作動流体の圧力と、前記圧力室の外部雰囲気の圧力とのうち、前記作動流体の圧力により近い前記目標圧力を設定される請求項１から請求項４までの何れか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記制御部は、前記圧力源における前記作動流体の圧力と、前記圧力室の外部雰囲気の圧力とのうち、前記外部雰囲気の圧力により近い前記目標圧力を設定される請求項１から請求項４までの何れか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記ピストンは固定され、前記シリンダが移動する請求項１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出部に対して連通または遮断させる一対の制御弁と
を備えたアクチュエータを制御する制御方法であって、
前記シリンダに対する前記ピストンの位置を検出する段階と、
前記一対の圧力室の各々における前記作動流体の圧力を個別に検出する段階と、
前記ピストンの前記位置が所与の目標位置に近づき、且つ、前記作動流体の平均圧力が所与の目標圧力に近づくように、前記制御弁を制御する段階と
を備える制御方法。
【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、
前記一対の圧力室の各々における前記作動流体の圧力を個別に検出する一対の圧力検出器と、
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き、且つ、前記圧力検出器が検出する圧力の平均が所与の目標圧力に近づくように、前記制御弁を制御する制御部と
を備えるアクチュエータ。
【請求項２】
前記制御弁は、流量制御弁を含む請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記制御部は、前記位置検出器により検出される位置の変化または前記圧力源における作動流体の圧力の増減に応じて、前記目標圧力を増減させる請求項１または請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記制御部は、前記圧力源における前記作動流体の圧力と、前記排出部における前記作動流体の圧力との中央値に略等しい前記目標圧力を与えられる、請求項１から請求項３までの何れか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記制御部は、前記圧力源における前記作動流体の圧力と、前記圧力室の外部雰囲気の圧力とのうち、前記作動流体の圧力により近い前記目標圧力を設定される請求項１から請求項４までの何れか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記制御部は、前記圧力源における前記作動流体の圧力と、前記圧力室の外部雰囲気の圧力とのうち、前記外部雰囲気の圧力により近い前記目標圧力を設定される請求項１から請求項４までの何れか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記ピストンは固定され、前記シリンダが移動する請求項１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出部に対して連通または遮断させる一対の制御弁と
を備えたアクチュエータを制御する制御方法であって、
前記シリンダに対する前記ピストンの位置を検出する段階と、
前記一対の圧力室の各々における前記作動流体の圧力を個別に検出する段階と、
前記ピストンの前記位置が所与の目標位置に近づき、且つ、前記作動流体の平均圧力が所与の目標圧力に近づくように、前記制御弁を制御する段階と
を備える制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−７７０３（Ｐ２０１０−７７０３Ａ）
【公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１６４９８０（Ｐ２００８−１６４９８０）
【出願日】平成２０年６月２４日（２００８．６．２４）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月２４日（２００８．６．２４）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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