アクチュエータ
【課題】簡素な制御により、迅速でスムーズな加減速により高速度化を実現できる、直線案内軸受装置などに用いられると好適なアクチュエータを提供する。
【解決手段】第１駆動モータ１０９を目標速度に追従する速度制御とし，第２駆動モータ１１０は、第１駆動モータ１０９の実際の速度に追従するような速度制御を行うことにより，相互の動作が干渉しない形で２つの駆動モータ１０９，１１０をともにフィードバック制御することが可能となる。さらに第２駆動モータ１１０の速度制御において、第１駆動モータ１０９の指令値をフィードフォワードとして加えることで，制御による位相遅れを少なくしている。これにより制御の応答性，減衰性が向上するという利点がある。
【解決手段】第１駆動モータ１０９を目標速度に追従する速度制御とし，第２駆動モータ１１０は、第１駆動モータ１０９の実際の速度に追従するような速度制御を行うことにより，相互の動作が干渉しない形で２つの駆動モータ１０９，１１０をともにフィードバック制御することが可能となる。さらに第２駆動モータ１１０の速度制御において、第１駆動モータ１０９の指令値をフィードフォワードとして加えることで，制御による位相遅れを少なくしている。これにより制御の応答性，減衰性が向上するという利点がある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば製造装置、検査装置、搬送装置等の直線案内軸受装置等に用いられると好適なアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば製造装置などにおいては、ワークのごとき物体を駆動するために直線案内軸受装置が用いられている。特許文献１には、無端ベルトに対し、主軸受が取り付けられた側とは駆動プーリ、従動プーリを挟んで反対側において接続され、カウンタガイドレールに沿って移動可能なカウンタ軸受を備えてたアクチュエータが開示されている。この従来技術では、主軸受とカウンタ軸受とを逆方向に移動させることにより、加速時又は減速時などに生じる主軸受の反力を抑えることが出来、それにより振動の抑制を図ることが出来る。
【特許文献１】特開２００８−１０１６４２号公報
【特許文献２】特開２００８−１９９７７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１では、駆動モータにより駆動する駆動プーリが１つであり，歯付きベルトにより連結されたもう一方を、回転自由に支持された従動プーリとしている。ここで、歯付きベルトにより駆動される主軸受の質量が増した場合，あるいは高い加速度を必要とする用途で用いられるような場合には，駆動モータの出力を大きくする必要がある。しかし，単一の駆動モータで大出力を発生させる場合、一般的に回転子の慣牲モーメントが大きくなるため，装置全体の等価慣性モーメントが大きくなってしまう。これにより動作時の減衰性が低下し，指令速度への応答性が悪くなるため，駆動制御に限界が生じるという問題がある。
【０００４】
又、質量の大きな主軸受が加減速したとき，歯付きベルトは加減速度に応じた力を受けることとなるが、特許文献１では、駆動プーリと従動プーリとで歯付きベルトを連結しているので、この力の受け方が駆動プーリ側と従動プーリ側でアンバランスである。具体的には、慣性モーメントが小さく連れ回り容易な従動プーリ側よりも、駆動モータに連結され回転子の大きな慣牲モーメントを持つ駆動プーリ側の方が、極端に大きな力を負担することとなる。これにより歯付きベルトのジャンピングが駆動プーリ側で生じやすくなるので、これを防止するためのベルト予張力を，駆動プーリ側が受ける力に応じて高める必要がある。しかしながら、ベルト予張力を高めると、駆動プーリと従動プーリの支持剛性を高める必要が生じ、装置の大型化を招くと共に、フリクションも大きくなるため省エネに反するという問題がある。
【０００５】
一方，２つの駆動モータ（駆動モータＡ，駆動モータＢと呼ぶ）により同期速度制御を行う制御方式としては，駆動モータＡを目標速度に追従する速度制御として指令値を求め，駆動モータＢには駆動モータＡと同じ指令値を与えるマスタースレーブ方式がよく知られている、しかし，マスタースレーブ方式では，スレーブ側（駆動モータＢ）がフィードフォワード制御となるため，駆動モータの動作特性のわずかな差や外乱トルクによって振動が生じるなど，装置の制御性能が低下してしまう。また，２つの駆動モータそれぞれに同じ目標速度に追従する速度制御を行うと，駆動モータのわずかな動作の相違により互いが干渉してしまい，うまく制御することができないという問題もある。
【０００６】
これに対し、特許文献２によれば、可動部材の移動エリア、速度などによりフィードバックゲインまたはフィードバック方式を動的に切り替える制御が開示されているが、制御が複雑になるという問題がある。
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、簡素な制御により、迅速でスムーズな加減速により高速度化を実現できる、直線案内軸受装置などに用いられると好適なアクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するために、本発明のアクチュエータは、
第１駆動モータにより回転駆動される第１駆動プーリと、
第２駆動モータにより回転駆動される第２駆動プーリと、
前記第１駆動プーリと前記第２駆動プーリとの間に掛け渡された無端ベルトと、
ガイドレールと、
前記無端ベルトに接続され、かつ前記ガイドレールに沿って移動可能な主軸受と、
カウンタガイドレールと、
前記無端ベルトに対し、前記主軸受が取り付けられた側とは前記両プーリを挟んで反対側において接続され、かつ前記カウンタガイドレールに沿って移動可能なカウンタ軸受と、
前記第１駆動モータと前記第２駆動モータとを同期して駆動制御する制御装置とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のアクチュエータによれば、駆動モータを２つ用いて２つの駆動プーリで無端ベルトを駆動するものである。したがって，駆動モータ１個あたりが負担する駆動力は小さくなるため、低出力の駆動モータを用いることができ、それにより高出力の駆動モータよりも回転子の慣性モーメントを小さくすることができる。特に、慣性モーメントは回転子半径の二乗に比例して増大するため、低出力の駆動モータを用いて回転子の半径を小さく抑えることで、その慣性モーメントを，高出力駆動モータ１個分に相当する回転子の慣性モーメントより小さくすることができる。これにより，従来技術の方法に比べ装置全体の等価慣性モーメントが小さくなり，減衰性が増し，速度応答性が改善する。従って加速を速くしたり，精度が必要となる範囲に対するマージンを小さくできるので，直線案内部分を短くすることができ，装置を安価に製作できる。
【００１０】
更に本発明のアクチュエータによれば、無端ベルトを張設した両端を駆動プーリとしたので，２つの駆動モータにおける回転子の慣性モーメントを略等しくすることで、無端ベルトの受ける力を、どちらのプーリ側でも均一にすることができる。したがって，無端ベルトのジャンピングが生じにくくなるので、ベルト予張力を小さくすることができるため，駆動プーリの支持剛性を低めることができ、安価に製作することができる。
【００１１】
更に、前記制御装置は、前記第１駆動モータを目標速度に追従する速度制御とし、更に前記第１駆動モータへの指令値をフィードフォワードとして加えながら、前記第２駆動モータを速度制御すると好ましい。
【００１２】
本発明によれば，第１駆動モータを目標速度に追従する速度制御とし，第２駆動モータは、第１駆動モータの実際の速度に追従するような速度制御を行う。これにより，相互の動作が干渉しない形で２つの駆動モータをともにフィードバック制御することが可能となる。さらに第２駆動モータの速度制御において、第１駆動モータの指令値をフィードフォワードとして加えることで，制御による位相遅れを少なくしている。これにより制御の応答性，減衰性が向上するという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかるアクチュエータを含む直線案内軸受装置１００の斜視図であり、図２は上面図であり、図３は側面図であり、図４は、図２の構成をIV-IV線で切断して矢印方向に見た拡大図である。第１駆動モータ１０８と、第１駆動プーリ１０９と、第２駆動モータ１１０と、第２駆動プーリ１１２と、無端ベルトとしての歯付きベルト１１１と、ガイドレール１０４と、主軸受１２０と、カウンタガイドレール１３１，１３１と、カウンタ軸受１３０と、モータ用の制御装置とでアクチュエータを構成する。
【００１４】
フレームの機能を兼ねるガイドレール１０４の両端には、図１〜３に示すように支持板１０２，１０３が固定されている。レール支持板１０２，１０３に掛け渡されるようにして、丸軸状のカウンタガイドレール１３１，１３１が、ガイドレール１０４に平行して配置されている。
【００１５】
図２，３で右側のレール支持板１０３には、これに結合するＬ字板状のホルダ１０８ｃを介して、第１駆動モータ１０８が回転軸１０８ａを水平に且つガイドレール１０４の軸線に直交する方向に突出させた状態で取り付けられている。回転軸１０８ａには、歯付きベルト１１１に噛合する歯付きの駆動プーリ１０９が取り付けられている。尚、回転軸１０８ａの後端には、回転センサ１０８ｂが設けられており、回転軸１０８ａ即ち第１駆動プーリ１０９の回転速度を検出可能となっている。
【００１６】
一方、図２，３で左側のレール支持板１０２には、これに結合するＬ字板状のホルダ１１０ｃを介して、第２駆動モータ１１０が回転軸１１０ａを水平に且つガイドレール１０４の軸線に直交する方向に突出させた状態で取り付けられている。回転軸１１０ａには、歯付きベルト１１１に噛合する歯付きの駆動プーリ１１２が取り付けられている。尚、回転軸１１０ａの後端には、回転センサ１１０ｂが設けられており、回転軸１１０ａ即ち第２駆動プーリ１１２の回転速度を検出可能となっている。
【００１７】
第１駆動プーリ１０９と第２駆動プーリ１１２との間には、ガイドレール１０４に沿った方向に、歯付きベルト１１１が掛け渡されている。そのため、レール支持板１０２、１０３は、歯付きベルト１１１を通すのに必要な開口１０２ａ、１０３ａ（図１）を有する。
【００１８】
図４において、歯付きベルト１１１の一部は、コ字状に折れ曲がった板状の固定具１２１ｂにより主軸受１２０に固定されている。更に固定具１２１ｂの窪んだ上部を覆うようにして、平板状の補強部材１２１ａが主軸受１２０に固定されている。固定具１２１ｂと補強部材１２１ａとはボックス構造となり、歯付きベルト１１１の入力に抗することが出来るよう剛性が向上する。主軸受１２０は、ガイドレール１０４を内包している。かかる構成について、より具体的に説明する。
【００１９】
図４において、ガイドレール１０４は、一対の側壁１０４ａ、１０４ａの下端を底壁１０４ｂで連結した、いわゆる断面が一体的なコ字状である。ガイドレール１０４の底面を１０４ｄとする。主軸受１２０は、底壁１０４ｂに対向する底板１２０ａと、側壁１０４ａ、１０４ａの側面にそれぞれ対向する側板１２０ｂ、１２０ｂと、側壁１０４ａ、１０４ａの上面にそれぞれ対向する頂板１２０ｃ、１２０ｃとを連結して形成されており、ガイドレール１０４の外表面を覆う形を取る。底板１２０ａと、側板１２０ｂ、１２０ｂと、頂板１２０ｃ、１２０ｃのガイドレール１０４に対向する各面には、グラファイト多孔質で形成された静圧パッドＳＰが配置されている。静圧パッドＳＰには、不図示の空気源から圧縮空気が供給され、静圧パッドＳＰよりガイドレール１０４に向かって吐出された気体の圧力によって、ガイドレール１０４に対し主軸受１２０がわずかに離隔するようになり、殆ど摩擦なく移動できるようになっている。
【００２０】
主軸受１２０の頂板１２０ｃ、１２０ｃに、固定具１２１ｂ及び補強部材１２１ａの両端が不図示のボルトにより取り付けられている。固定具１２１ｂは、中央が一段低くなるように折り曲げられており、低くなった中央部に歯付きベルト１１１が固定されている。固定具１２１に取り付けられた歯付きベルト１１１は、ガイドレール１０４の側壁１０４ａ、１０４ａの上端より低い位置に配置されており、即ちガイドレール１０４の内部に配置されている。歯付きベルト１１１と固定具１２１ｂの連結位置を、主軸受１２０の重心位置とすることで、歯付きベルト１１１により駆動されるときに主軸受１２０に無用なモーメントが発生することを抑制できる。
【００２１】
一方、歯付きベルト１１１の一部は、第１駆動プーリ１０９と第２駆動プーリ１１２を挟んで対向する位置において、固定具１２１ｂと同様の固定具１３２ｂによりカウンタ軸受１３０、１３０に固定されている。更に固定具１３２ｂの窪んだ上部を覆うようにして、平板状の補強部材１３２ａがカウンタ軸受１３０、１３０に固定されている。固定具１３２ｂと補強部材１３２ａとはボックス構造となり、歯付きベルト１１１の入力に抗することが出来るよう剛性が向上する。
【００２２】
カウンタ軸受１３０、１３０は、カウンタガイドレール１３１、１３１を挿通する円筒孔を有する直方体状である。かかる円筒孔内には円管状の静圧パッドＳＰ、ＳＰが配置されている。グラファイト多孔質で形成された静圧パッドＳＰ、ＳＰには、不図示の空気源から圧縮空気が供給され、静圧パッドＳＰ、ＳＰよりカウンタガイドレール１３１，１３１に向かって吐出された気体の圧力によって、カウンタガイドレール１３１，１３１に対しカウンタ軸受１３０、１３０がわずかに離隔するようになり、殆ど摩擦なく移動できるようになっている。
【００２３】
カウンタガイドレール１３１、１３１は、主軸受１２０に対して質量バランスをとるためのカウンタ軸受１３０，１３０を案内することを目的とするものであるので、さほど精度は要求されないため、比較的安価に製造できる丸軸としている。但し、カウンタガイドレール１３１が一本だと、カウンタ軸受１３０が回転してしまうので、２本平行して配置し、それぞれに係合するカウンタ軸受１３０，１３０を固定具１３２ｂにより連結することで、軸線方向のみの移動に制限している。歯付きベルト１１１と固定具１３２ｂの連結位置を、カウンタ軸受１３０、１３０の重心位置とすることで、歯付きベルト１１１により駆動されるときにカウンタ軸受１３０、１３０に無用なモーメントが発生することを抑制できる。
【００２４】
質量のバランスをとる手段としては、カウンタ軸受１３０，１３０に別のバランスウェイトを搭載しても良いが、例えば主軸受１２０を比重の小さいアルミ合金で製作し、反対にカウンタ軸受１３０，１３０は比重の大きな鉄系材にするなどして設計すれば、あえてバランスウェイトを付加しなくてもバランスをとることができる。これによりカウンタ軸受１３０，１３０に対して加速時の反力がモーメント負荷として発生しなくなるため、軸受も小形の物でよくなる。
【００２５】
図５は、第１駆動モータ１０８と第２駆動モータ１１０とを駆動制御する制御回路（制御装置）のブロック図である。２つの駆動モータ（第１駆動モータ１０９と第２駆動モータ１１０）は、それぞれ異なるサーボドライバ（第１サーボドライバＳＤ１と第２サーボドライバＳＤ２）により駆動される。第１サーボドライバＳＤ１と第２サーボドライバＳＤ２は、同期制御を行う制御装置に接続されている。制御装置は，速度指令をもとに第１サーボドライバＳＤ１と第２サーボドライバＳＤ２に対し、それぞれトルク指令を与えるべく制御ソフトウエアが実装されている。尚、回転センサ１０８ｂが検出した第１駆動プーリ１０９の実際の回転速度は、第１フィードバックコントローラＦＢＣ１に入力されてフィードバック制御に用いられ、回転センサ１１０ｂが検出した第２駆動プーリ１１２の実際の回転速度は、第２フィードバックコントローラＦＢＣ２に入力されてフィードバック制御に用いられる。
【００２６】
制御ソフトウエアは、第１サーボドライバＳＤ１の指令トルクを与える第１フィードバックコントローラＦＢＣ１と，第２サーボドライバＳＤ２の指令トルクを与える第２フィードバックコントローラＦＢＣ２を制御するように構成される。第１フィードバックコントローラＦＢＣ１は，駆動すべき主軸受２０の目標速度から求められる第１駆動プーリ１０９の角速度を目標値とし，それに応じた操作量を第１サーボドライバＳＤ１への指令トルクＴ１として出力する。第１フィードバックコントローラＦＢＣ１は，更に第１駆動プーリ１０９の角速度を入力してフィードバック制御を行うが、たとえばＰＩＤ制御を用いることができる。また，指令角速度に応じたフィードフォワードトルクを加算してもよい。
【００２７】
一方、第２フィードバックコントローラＦＢＣ２は，たとえばＰＩＤ制御を用いることができ、第２駆動プーリ１１０の角速度ω２（回転速度）を、第１駆動プーリ１０９の角速度ω１（回転速度）に追従させる駆動制御を行う。ただし，第２サーボドライバＳＤ２には、第１フィードバックコントローラＦＢＣ１により求めた第１駆動プーリ１０９の指令トルクＴ１をフィードフォワード量（フィードフォワードゲイン）として与える。具体的には、第２フィードバックコントローラＦＢＣ２で求めたトルクをT2_FBとしたときに、T２＝α・T1 + β・T2_FB（但し、α，βは定数）を求め、これを指令トルクＴ２として第２サーボドライバＳＤ２に与えるのである。指定トルクT1をフィードフォワードとして加え応答性を上げ，フィードバックゲインを下げることで、第２駆動プーリ１１２の追従性を高めることができる。このとき，フィードフォワードゲインを十分大きくし（すなわち１未満の範囲でαを大きくし），フィードバックゲインを十分小さくする（すなわちβを小さくする）ことが望ましい。
【００２８】
本実施の形態の動作について説明する。主軸受１２０の下面には検査用のカメラ（不図示）が取り付けられ、ワークＷ（図２）の上面を走査可能となっている。まず、不図示の空気源から供給された圧縮空気によって、ガイドレール１０４に対し主軸受１２０がわずかに離隔するようになり、カウンタガイドレール１３１、１３１に対しカウンタ軸受１３０、１３０がわずかに離隔した状態に維持される。
【００２９】
ここで、第１駆動モータ１０８が第１駆動プーリ１０９を駆動すると同時に、第２駆動モータ１１０が第２駆動プーリ１１２を駆動すると、歯付きベルト１１１を介して、ガイドレール１０４に沿って主軸受１２０が殆ど摩擦なく、またカウンタガイドレール１３１、１３１に対しカウンタ軸受１３０、１３０が殆ど摩擦なく移動される。
【００３０】
更に、加速又は減速時に生じる駆動反力は、主軸受１２０に対向して設けられたカウンタ軸受１３０、１３０により相殺され、振動を抑制できるようになっている。なお、主軸受１２０（及びそれに搭載される物体）の質量と、カウンタ軸受１３０、１３０の合計質量とをほぼ一致させるようにすると、駆動反力をより効果的に相殺でき、効果的に振動を抑制できる。又、駆動プーリ１０９と従動プーリ１１０ａは、この装置の最大の発塵源でもあるが、その対策として駆動プーリ１０９と従動プーリ１１０ａをそれぞれ遮蔽するカバー（不図示）を設けて、その内部を排気ポンプ（不図示）に接続して集塵排気が成されるようにしてもよい。これにより高速、高加減速で動作させてもワークＷに対する異物の付着が極めて少ない、好適なアクチュエータが実現できる。
【００３１】
本実施の形態によれば，第１駆動モータ１０９を目標速度に追従する速度制御とし，第２駆動モータ１１０は、第１駆動モータ１０９の実際の速度に追従するような速度制御を行っている。これにより，相互の動作が干渉しない形で２つの駆動モータ１０９，１１０をともにフィードバック制御することが可能となる。さらに第２駆動モータ１１０の速度制御において、第１駆動モータ１０９の指令値をフィードフォワードとして加えることで，制御による位相遅れを少なくしている。これにより制御の応答性，減衰性が向上するという利点がある。
【００３２】
又、本実施の形態によれば、ガイドレール１０４の断面はコ字形状であり、従って側壁１０４ａ、１０４ａと底壁１０４ｂの外表面は平面からなるので、加工精度（特に真直精度）を向上させ易いという利点がある。又、断面がコ字状のガイドレール１０４の開いた上側から、その内部に歯付きベルト１１１を配置することで、ガイドレール１０４の閉じた下側をワークＷに向けることができ、ワークＷに歯付きベルト１１１から発生した塵埃が付着することを抑制でき、別個にカバーを設ける必要がなく、コストを低減できる。
【００３３】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、主軸受１２０には、カメラに限らず種々の物体や処理装置等を搭載することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施の形態にかかるアクチュエータを含む直線案内軸受装置１００の斜視図である。
【図２】本実施の形態にかかるアクチュエータを含む直線案内軸受装置１００の上面図である。
【図３】本実施の形態にかかるアクチュエータを含む直線案内軸受装置１００の側面図である。
【図４】図１の構成をIV-IV線で切断して矢印方向に見た拡大図である。
【図５】第１駆動モータ１０８と第２駆動モータ１１０とを駆動制御する制御回路（制御装置）のブロック図である。
【符号の説明】
【００３５】
１００ 直線案内軸受装置
１０２，１０３ レール支持板
１０４ ガイドレール
１０４ａ 側壁
１０４ｂ 底壁
１０８ 第１駆動モータ
１０９ 第１駆動プーリ
１１０ 第２駆動モータ
１１１ ベルト
１１２ 第２駆動プーリ
１２０ 主軸受
１２０ａ 底板
１２０ｂ 側板
１２０ｃ 頂板
１２１ｂ 固定具
１３０ カウンタ軸受
１３１ カウンタガイドレール
１３２ｂ 固定具
Ｃ カバー
ＳＰ 静圧パッド
Ｗ ワーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば製造装置、検査装置、搬送装置等の直線案内軸受装置等に用いられると好適なアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば製造装置などにおいては、ワークのごとき物体を駆動するために直線案内軸受装置が用いられている。特許文献１には、無端ベルトに対し、主軸受が取り付けられた側とは駆動プーリ、従動プーリを挟んで反対側において接続され、カウンタガイドレールに沿って移動可能なカウンタ軸受を備えてたアクチュエータが開示されている。この従来技術では、主軸受とカウンタ軸受とを逆方向に移動させることにより、加速時又は減速時などに生じる主軸受の反力を抑えることが出来、それにより振動の抑制を図ることが出来る。
【特許文献１】特開２００８−１０１６４２号公報
【特許文献２】特開２００８−１９９７７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１では、駆動モータにより駆動する駆動プーリが１つであり，歯付きベルトにより連結されたもう一方を、回転自由に支持された従動プーリとしている。ここで、歯付きベルトにより駆動される主軸受の質量が増した場合，あるいは高い加速度を必要とする用途で用いられるような場合には，駆動モータの出力を大きくする必要がある。しかし，単一の駆動モータで大出力を発生させる場合、一般的に回転子の慣牲モーメントが大きくなるため，装置全体の等価慣性モーメントが大きくなってしまう。これにより動作時の減衰性が低下し，指令速度への応答性が悪くなるため，駆動制御に限界が生じるという問題がある。
【０００４】
又、質量の大きな主軸受が加減速したとき，歯付きベルトは加減速度に応じた力を受けることとなるが、特許文献１では、駆動プーリと従動プーリとで歯付きベルトを連結しているので、この力の受け方が駆動プーリ側と従動プーリ側でアンバランスである。具体的には、慣性モーメントが小さく連れ回り容易な従動プーリ側よりも、駆動モータに連結され回転子の大きな慣牲モーメントを持つ駆動プーリ側の方が、極端に大きな力を負担することとなる。これにより歯付きベルトのジャンピングが駆動プーリ側で生じやすくなるので、これを防止するためのベルト予張力を，駆動プーリ側が受ける力に応じて高める必要がある。しかしながら、ベルト予張力を高めると、駆動プーリと従動プーリの支持剛性を高める必要が生じ、装置の大型化を招くと共に、フリクションも大きくなるため省エネに反するという問題がある。
【０００５】
一方，２つの駆動モータ（駆動モータＡ，駆動モータＢと呼ぶ）により同期速度制御を行う制御方式としては，駆動モータＡを目標速度に追従する速度制御として指令値を求め，駆動モータＢには駆動モータＡと同じ指令値を与えるマスタースレーブ方式がよく知られている、しかし，マスタースレーブ方式では，スレーブ側（駆動モータＢ）がフィードフォワード制御となるため，駆動モータの動作特性のわずかな差や外乱トルクによって振動が生じるなど，装置の制御性能が低下してしまう。また，２つの駆動モータそれぞれに同じ目標速度に追従する速度制御を行うと，駆動モータのわずかな動作の相違により互いが干渉してしまい，うまく制御することができないという問題もある。
【０００６】
これに対し、特許文献２によれば、可動部材の移動エリア、速度などによりフィードバックゲインまたはフィードバック方式を動的に切り替える制御が開示されているが、制御が複雑になるという問題がある。
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、簡素な制御により、迅速でスムーズな加減速により高速度化を実現できる、直線案内軸受装置などに用いられると好適なアクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するために、本発明のアクチュエータは、
第１駆動モータにより回転駆動される第１駆動プーリと、
第２駆動モータにより回転駆動される第２駆動プーリと、
前記第１駆動プーリと前記第２駆動プーリとの間に掛け渡された無端ベルトと、
ガイドレールと、
前記無端ベルトに接続され、かつ前記ガイドレールに沿って移動可能な主軸受と、
カウンタガイドレールと、
前記無端ベルトに対し、前記主軸受が取り付けられた側とは前記両プーリを挟んで反対側において接続され、かつ前記カウンタガイドレールに沿って移動可能なカウンタ軸受と、
前記第１駆動モータと前記第２駆動モータとを同期して駆動制御する制御装置とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のアクチュエータによれば、駆動モータを２つ用いて２つの駆動プーリで無端ベルトを駆動するものである。したがって，駆動モータ１個あたりが負担する駆動力は小さくなるため、低出力の駆動モータを用いることができ、それにより高出力の駆動モータよりも回転子の慣性モーメントを小さくすることができる。特に、慣性モーメントは回転子半径の二乗に比例して増大するため、低出力の駆動モータを用いて回転子の半径を小さく抑えることで、その慣性モーメントを，高出力駆動モータ１個分に相当する回転子の慣性モーメントより小さくすることができる。これにより，従来技術の方法に比べ装置全体の等価慣性モーメントが小さくなり，減衰性が増し，速度応答性が改善する。従って加速を速くしたり，精度が必要となる範囲に対するマージンを小さくできるので，直線案内部分を短くすることができ，装置を安価に製作できる。
【００１０】
更に本発明のアクチュエータによれば、無端ベルトを張設した両端を駆動プーリとしたので，２つの駆動モータにおける回転子の慣性モーメントを略等しくすることで、無端ベルトの受ける力を、どちらのプーリ側でも均一にすることができる。したがって，無端ベルトのジャンピングが生じにくくなるので、ベルト予張力を小さくすることができるため，駆動プーリの支持剛性を低めることができ、安価に製作することができる。
【００１１】
更に、前記制御装置は、前記第１駆動モータを目標速度に追従する速度制御とし、更に前記第１駆動モータへの指令値をフィードフォワードとして加えながら、前記第２駆動モータを速度制御すると好ましい。
【００１２】
本発明によれば，第１駆動モータを目標速度に追従する速度制御とし，第２駆動モータは、第１駆動モータの実際の速度に追従するような速度制御を行う。これにより，相互の動作が干渉しない形で２つの駆動モータをともにフィードバック制御することが可能となる。さらに第２駆動モータの速度制御において、第１駆動モータの指令値をフィードフォワードとして加えることで，制御による位相遅れを少なくしている。これにより制御の応答性，減衰性が向上するという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかるアクチュエータを含む直線案内軸受装置１００の斜視図であり、図２は上面図であり、図３は側面図であり、図４は、図２の構成をIV-IV線で切断して矢印方向に見た拡大図である。第１駆動モータ１０８と、第１駆動プーリ１０９と、第２駆動モータ１１０と、第２駆動プーリ１１２と、無端ベルトとしての歯付きベルト１１１と、ガイドレール１０４と、主軸受１２０と、カウンタガイドレール１３１，１３１と、カウンタ軸受１３０と、モータ用の制御装置とでアクチュエータを構成する。
【００１４】
フレームの機能を兼ねるガイドレール１０４の両端には、図１〜３に示すように支持板１０２，１０３が固定されている。レール支持板１０２，１０３に掛け渡されるようにして、丸軸状のカウンタガイドレール１３１，１３１が、ガイドレール１０４に平行して配置されている。
【００１５】
図２，３で右側のレール支持板１０３には、これに結合するＬ字板状のホルダ１０８ｃを介して、第１駆動モータ１０８が回転軸１０８ａを水平に且つガイドレール１０４の軸線に直交する方向に突出させた状態で取り付けられている。回転軸１０８ａには、歯付きベルト１１１に噛合する歯付きの駆動プーリ１０９が取り付けられている。尚、回転軸１０８ａの後端には、回転センサ１０８ｂが設けられており、回転軸１０８ａ即ち第１駆動プーリ１０９の回転速度を検出可能となっている。
【００１６】
一方、図２，３で左側のレール支持板１０２には、これに結合するＬ字板状のホルダ１１０ｃを介して、第２駆動モータ１１０が回転軸１１０ａを水平に且つガイドレール１０４の軸線に直交する方向に突出させた状態で取り付けられている。回転軸１１０ａには、歯付きベルト１１１に噛合する歯付きの駆動プーリ１１２が取り付けられている。尚、回転軸１１０ａの後端には、回転センサ１１０ｂが設けられており、回転軸１１０ａ即ち第２駆動プーリ１１２の回転速度を検出可能となっている。
【００１７】
第１駆動プーリ１０９と第２駆動プーリ１１２との間には、ガイドレール１０４に沿った方向に、歯付きベルト１１１が掛け渡されている。そのため、レール支持板１０２、１０３は、歯付きベルト１１１を通すのに必要な開口１０２ａ、１０３ａ（図１）を有する。
【００１８】
図４において、歯付きベルト１１１の一部は、コ字状に折れ曲がった板状の固定具１２１ｂにより主軸受１２０に固定されている。更に固定具１２１ｂの窪んだ上部を覆うようにして、平板状の補強部材１２１ａが主軸受１２０に固定されている。固定具１２１ｂと補強部材１２１ａとはボックス構造となり、歯付きベルト１１１の入力に抗することが出来るよう剛性が向上する。主軸受１２０は、ガイドレール１０４を内包している。かかる構成について、より具体的に説明する。
【００１９】
図４において、ガイドレール１０４は、一対の側壁１０４ａ、１０４ａの下端を底壁１０４ｂで連結した、いわゆる断面が一体的なコ字状である。ガイドレール１０４の底面を１０４ｄとする。主軸受１２０は、底壁１０４ｂに対向する底板１２０ａと、側壁１０４ａ、１０４ａの側面にそれぞれ対向する側板１２０ｂ、１２０ｂと、側壁１０４ａ、１０４ａの上面にそれぞれ対向する頂板１２０ｃ、１２０ｃとを連結して形成されており、ガイドレール１０４の外表面を覆う形を取る。底板１２０ａと、側板１２０ｂ、１２０ｂと、頂板１２０ｃ、１２０ｃのガイドレール１０４に対向する各面には、グラファイト多孔質で形成された静圧パッドＳＰが配置されている。静圧パッドＳＰには、不図示の空気源から圧縮空気が供給され、静圧パッドＳＰよりガイドレール１０４に向かって吐出された気体の圧力によって、ガイドレール１０４に対し主軸受１２０がわずかに離隔するようになり、殆ど摩擦なく移動できるようになっている。
【００２０】
主軸受１２０の頂板１２０ｃ、１２０ｃに、固定具１２１ｂ及び補強部材１２１ａの両端が不図示のボルトにより取り付けられている。固定具１２１ｂは、中央が一段低くなるように折り曲げられており、低くなった中央部に歯付きベルト１１１が固定されている。固定具１２１に取り付けられた歯付きベルト１１１は、ガイドレール１０４の側壁１０４ａ、１０４ａの上端より低い位置に配置されており、即ちガイドレール１０４の内部に配置されている。歯付きベルト１１１と固定具１２１ｂの連結位置を、主軸受１２０の重心位置とすることで、歯付きベルト１１１により駆動されるときに主軸受１２０に無用なモーメントが発生することを抑制できる。
【００２１】
一方、歯付きベルト１１１の一部は、第１駆動プーリ１０９と第２駆動プーリ１１２を挟んで対向する位置において、固定具１２１ｂと同様の固定具１３２ｂによりカウンタ軸受１３０、１３０に固定されている。更に固定具１３２ｂの窪んだ上部を覆うようにして、平板状の補強部材１３２ａがカウンタ軸受１３０、１３０に固定されている。固定具１３２ｂと補強部材１３２ａとはボックス構造となり、歯付きベルト１１１の入力に抗することが出来るよう剛性が向上する。
【００２２】
カウンタ軸受１３０、１３０は、カウンタガイドレール１３１、１３１を挿通する円筒孔を有する直方体状である。かかる円筒孔内には円管状の静圧パッドＳＰ、ＳＰが配置されている。グラファイト多孔質で形成された静圧パッドＳＰ、ＳＰには、不図示の空気源から圧縮空気が供給され、静圧パッドＳＰ、ＳＰよりカウンタガイドレール１３１，１３１に向かって吐出された気体の圧力によって、カウンタガイドレール１３１，１３１に対しカウンタ軸受１３０、１３０がわずかに離隔するようになり、殆ど摩擦なく移動できるようになっている。
【００２３】
カウンタガイドレール１３１、１３１は、主軸受１２０に対して質量バランスをとるためのカウンタ軸受１３０，１３０を案内することを目的とするものであるので、さほど精度は要求されないため、比較的安価に製造できる丸軸としている。但し、カウンタガイドレール１３１が一本だと、カウンタ軸受１３０が回転してしまうので、２本平行して配置し、それぞれに係合するカウンタ軸受１３０，１３０を固定具１３２ｂにより連結することで、軸線方向のみの移動に制限している。歯付きベルト１１１と固定具１３２ｂの連結位置を、カウンタ軸受１３０、１３０の重心位置とすることで、歯付きベルト１１１により駆動されるときにカウンタ軸受１３０、１３０に無用なモーメントが発生することを抑制できる。
【００２４】
質量のバランスをとる手段としては、カウンタ軸受１３０，１３０に別のバランスウェイトを搭載しても良いが、例えば主軸受１２０を比重の小さいアルミ合金で製作し、反対にカウンタ軸受１３０，１３０は比重の大きな鉄系材にするなどして設計すれば、あえてバランスウェイトを付加しなくてもバランスをとることができる。これによりカウンタ軸受１３０，１３０に対して加速時の反力がモーメント負荷として発生しなくなるため、軸受も小形の物でよくなる。
【００２５】
図５は、第１駆動モータ１０８と第２駆動モータ１１０とを駆動制御する制御回路（制御装置）のブロック図である。２つの駆動モータ（第１駆動モータ１０９と第２駆動モータ１１０）は、それぞれ異なるサーボドライバ（第１サーボドライバＳＤ１と第２サーボドライバＳＤ２）により駆動される。第１サーボドライバＳＤ１と第２サーボドライバＳＤ２は、同期制御を行う制御装置に接続されている。制御装置は，速度指令をもとに第１サーボドライバＳＤ１と第２サーボドライバＳＤ２に対し、それぞれトルク指令を与えるべく制御ソフトウエアが実装されている。尚、回転センサ１０８ｂが検出した第１駆動プーリ１０９の実際の回転速度は、第１フィードバックコントローラＦＢＣ１に入力されてフィードバック制御に用いられ、回転センサ１１０ｂが検出した第２駆動プーリ１１２の実際の回転速度は、第２フィードバックコントローラＦＢＣ２に入力されてフィードバック制御に用いられる。
【００２６】
制御ソフトウエアは、第１サーボドライバＳＤ１の指令トルクを与える第１フィードバックコントローラＦＢＣ１と，第２サーボドライバＳＤ２の指令トルクを与える第２フィードバックコントローラＦＢＣ２を制御するように構成される。第１フィードバックコントローラＦＢＣ１は，駆動すべき主軸受２０の目標速度から求められる第１駆動プーリ１０９の角速度を目標値とし，それに応じた操作量を第１サーボドライバＳＤ１への指令トルクＴ１として出力する。第１フィードバックコントローラＦＢＣ１は，更に第１駆動プーリ１０９の角速度を入力してフィードバック制御を行うが、たとえばＰＩＤ制御を用いることができる。また，指令角速度に応じたフィードフォワードトルクを加算してもよい。
【００２７】
一方、第２フィードバックコントローラＦＢＣ２は，たとえばＰＩＤ制御を用いることができ、第２駆動プーリ１１０の角速度ω２（回転速度）を、第１駆動プーリ１０９の角速度ω１（回転速度）に追従させる駆動制御を行う。ただし，第２サーボドライバＳＤ２には、第１フィードバックコントローラＦＢＣ１により求めた第１駆動プーリ１０９の指令トルクＴ１をフィードフォワード量（フィードフォワードゲイン）として与える。具体的には、第２フィードバックコントローラＦＢＣ２で求めたトルクをT2_FBとしたときに、T２＝α・T1 + β・T2_FB（但し、α，βは定数）を求め、これを指令トルクＴ２として第２サーボドライバＳＤ２に与えるのである。指定トルクT1をフィードフォワードとして加え応答性を上げ，フィードバックゲインを下げることで、第２駆動プーリ１１２の追従性を高めることができる。このとき，フィードフォワードゲインを十分大きくし（すなわち１未満の範囲でαを大きくし），フィードバックゲインを十分小さくする（すなわちβを小さくする）ことが望ましい。
【００２８】
本実施の形態の動作について説明する。主軸受１２０の下面には検査用のカメラ（不図示）が取り付けられ、ワークＷ（図２）の上面を走査可能となっている。まず、不図示の空気源から供給された圧縮空気によって、ガイドレール１０４に対し主軸受１２０がわずかに離隔するようになり、カウンタガイドレール１３１、１３１に対しカウンタ軸受１３０、１３０がわずかに離隔した状態に維持される。
【００２９】
ここで、第１駆動モータ１０８が第１駆動プーリ１０９を駆動すると同時に、第２駆動モータ１１０が第２駆動プーリ１１２を駆動すると、歯付きベルト１１１を介して、ガイドレール１０４に沿って主軸受１２０が殆ど摩擦なく、またカウンタガイドレール１３１、１３１に対しカウンタ軸受１３０、１３０が殆ど摩擦なく移動される。
【００３０】
更に、加速又は減速時に生じる駆動反力は、主軸受１２０に対向して設けられたカウンタ軸受１３０、１３０により相殺され、振動を抑制できるようになっている。なお、主軸受１２０（及びそれに搭載される物体）の質量と、カウンタ軸受１３０、１３０の合計質量とをほぼ一致させるようにすると、駆動反力をより効果的に相殺でき、効果的に振動を抑制できる。又、駆動プーリ１０９と従動プーリ１１０ａは、この装置の最大の発塵源でもあるが、その対策として駆動プーリ１０９と従動プーリ１１０ａをそれぞれ遮蔽するカバー（不図示）を設けて、その内部を排気ポンプ（不図示）に接続して集塵排気が成されるようにしてもよい。これにより高速、高加減速で動作させてもワークＷに対する異物の付着が極めて少ない、好適なアクチュエータが実現できる。
【００３１】
本実施の形態によれば，第１駆動モータ１０９を目標速度に追従する速度制御とし，第２駆動モータ１１０は、第１駆動モータ１０９の実際の速度に追従するような速度制御を行っている。これにより，相互の動作が干渉しない形で２つの駆動モータ１０９，１１０をともにフィードバック制御することが可能となる。さらに第２駆動モータ１１０の速度制御において、第１駆動モータ１０９の指令値をフィードフォワードとして加えることで，制御による位相遅れを少なくしている。これにより制御の応答性，減衰性が向上するという利点がある。
【００３２】
又、本実施の形態によれば、ガイドレール１０４の断面はコ字形状であり、従って側壁１０４ａ、１０４ａと底壁１０４ｂの外表面は平面からなるので、加工精度（特に真直精度）を向上させ易いという利点がある。又、断面がコ字状のガイドレール１０４の開いた上側から、その内部に歯付きベルト１１１を配置することで、ガイドレール１０４の閉じた下側をワークＷに向けることができ、ワークＷに歯付きベルト１１１から発生した塵埃が付着することを抑制でき、別個にカバーを設ける必要がなく、コストを低減できる。
【００３３】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、主軸受１２０には、カメラに限らず種々の物体や処理装置等を搭載することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施の形態にかかるアクチュエータを含む直線案内軸受装置１００の斜視図である。
【図２】本実施の形態にかかるアクチュエータを含む直線案内軸受装置１００の上面図である。
【図３】本実施の形態にかかるアクチュエータを含む直線案内軸受装置１００の側面図である。
【図４】図１の構成をIV-IV線で切断して矢印方向に見た拡大図である。
【図５】第１駆動モータ１０８と第２駆動モータ１１０とを駆動制御する制御回路（制御装置）のブロック図である。
【符号の説明】
【００３５】
１００ 直線案内軸受装置
１０２，１０３ レール支持板
１０４ ガイドレール
１０４ａ 側壁
１０４ｂ 底壁
１０８ 第１駆動モータ
１０９ 第１駆動プーリ
１１０ 第２駆動モータ
１１１ ベルト
１１２ 第２駆動プーリ
１２０ 主軸受
１２０ａ 底板
１２０ｂ 側板
１２０ｃ 頂板
１２１ｂ 固定具
１３０ カウンタ軸受
１３１ カウンタガイドレール
１３２ｂ 固定具
Ｃ カバー
ＳＰ 静圧パッド
Ｗ ワーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１駆動モータにより回転駆動される第１駆動プーリと、
第２駆動モータにより回転駆動される第２駆動プーリと、
前記第１駆動プーリと前記第２駆動プーリとの間に掛け渡された無端ベルトと、
ガイドレールと、
前記無端ベルトに接続され、かつ前記ガイドレールに沿って移動可能な主軸受と、
カウンタガイドレールと、
前記無端ベルトに対し、前記主軸受が取り付けられた側とは前記両プーリを挟んで反対側において接続され、かつ前記カウンタガイドレールに沿って移動可能なカウンタ軸受と、
前記第１駆動モータと前記第２駆動モータとを同期して駆動制御する制御装置とを有することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記制御装置は、前記第１駆動モータを目標速度に追従する速度制御とし、更に前記第１駆動モータへの指令値をフィードフォワードとして加えながら、前記第２駆動モータを速度制御することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項１】
第１駆動モータにより回転駆動される第１駆動プーリと、
第２駆動モータにより回転駆動される第２駆動プーリと、
前記第１駆動プーリと前記第２駆動プーリとの間に掛け渡された無端ベルトと、
ガイドレールと、
前記無端ベルトに接続され、かつ前記ガイドレールに沿って移動可能な主軸受と、
カウンタガイドレールと、
前記無端ベルトに対し、前記主軸受が取り付けられた側とは前記両プーリを挟んで反対側において接続され、かつ前記カウンタガイドレールに沿って移動可能なカウンタ軸受と、
前記第１駆動モータと前記第２駆動モータとを同期して駆動制御する制御装置とを有することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記制御装置は、前記第１駆動モータを目標速度に追従する速度制御とし、更に前記第１駆動モータへの指令値をフィードフォワードとして加えながら、前記第２駆動モータを速度制御することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１５１１７６（Ｐ２０１０−１５１１７６Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２８０１１（Ｐ２００８−３２８０１１）
【出願日】平成２０年１２月２４日（２００８．１２．２４）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２４日（２００８．１２．２４）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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