外乱抑制荷重制御装置
【課題】リニアモータ併用シリンダから出力される実測荷重値を目標荷重値に良好に追従させて外乱に対する応答性を高めるとともに、リニアモータの発熱を抑えることができる外乱抑制荷重制御装置を提供すること。
【解決手段】リニアモータ併用シリンダ荷重制御部は、リニアモータ併用シリンダの目標荷重値信号と実測荷重値信号の差分信号からエアシリンダ装置の目標荷重値信号に対する追従特性が優れた低周波数帯域を取り出して、この低周波差分信号に基づいてエアシリンダ装置にエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号を送るエアシリンダ装置荷重制御部；及び上記差分信号からリニアモータの目標荷重値信号に対する追従特性が優れた高周波数帯域を取り出して、この高周波差分信号に基づいてリニアモータにリニアモータ用最適荷重付加指示信号を送るリニアモータ荷重制御部；を有する。
【解決手段】リニアモータ併用シリンダ荷重制御部は、リニアモータ併用シリンダの目標荷重値信号と実測荷重値信号の差分信号からエアシリンダ装置の目標荷重値信号に対する追従特性が優れた低周波数帯域を取り出して、この低周波差分信号に基づいてエアシリンダ装置にエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号を送るエアシリンダ装置荷重制御部；及び上記差分信号からリニアモータの目標荷重値信号に対する追従特性が優れた高周波数帯域を取り出して、この高周波差分信号に基づいてリニアモータにリニアモータ用最適荷重付加指示信号を送るリニアモータ荷重制御部；を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象物に対して荷重をかけながら加工を行う加工装置（例えば、研磨装置、超音波溶着装置、ボンダー）に装着される外乱抑制荷重制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
外乱抑制荷重制御装置は、加工対象物に対して荷重をかけながら加工を行う加工装置（例えば、研磨装置、超音波溶着装置、ボンダー）に装着され、加工装置側の外乱要素（例えばモータの振動）の影響をキャンセルして加工対象物に対して目標荷重値をかけ続けることにより加工精度の向上を図るものである。例えば、特許文献１には、加工具（研削ホイール）を上下動させる押圧移動手段としてのリニアモータと、加工具（研削ホイール）を弾性的に支持するクッションとしてのエアシリンダ装置とを有し、リニアモータに供給される電流の検出結果に基づいてリニアモータを制御する装置が開示されている。
【０００３】
これに対し、本出願人は、エアシリンダ装置とリニアモータで同一の可動部を移動させることにより加工対象物に荷重をかける、いわゆるリニアモータ併用シリンダを搭載した外乱抑制荷重制御装置を開発中である。この外乱抑制荷重制御装置は、エアシリンダ装置が加工対象物に対して目標荷重値近傍の比較的大きい荷重をかけ、リニアモータが加工装置側の外乱要素の影響をキャンセルするための比較的小さい荷重をかけ、リニアモータ併用シリンダの目標荷重値信号と実測荷重値信号の差分信号に基づいて生成した同一の荷重付加指示信号をエアシリンダ装置とリニアモータに送ることによりエアシリンダ装置とリニアモータの出力荷重を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−６６７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、本発明者のその後の研究によって、エアシリンダ装置とリニアモータに同一の荷重付加指示信号を送ると、次のような問題が生じることが明らかになってきた。すなわち、エアシリンダ装置とリニアモータは同一の荷重付加指示信号に対してそれぞれ全力で反応しようとするが、両者の反応速度が全く異なる（エアシリンダ装置は反応が遅く、リニアモータは速い）ため、リニアモータ併用シリンダから出力される実測荷重値が目標荷重値に良好に追従していくことができず、外乱に対する応答性が低い。また、リニアモータに低周波帯域の直流成分の信号電圧がかかるためリニアモータが発熱しやすく、この発熱はエアシリンダ装置が荷重付加指示信号に反応するまで続くので、雰囲気温度に悪影響を与えて精密な加工ができなくなるおそれがある。
【０００６】
本発明は、以上の問題意識に基づき、リニアモータ併用シリンダから出力される実測荷重値を目標荷重値に良好に追従させて外乱に対する応答性を高めるとともに、リニアモータの発熱を抑えることができる外乱抑制荷重制御装置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】
【０００７】
本発明者は、エアシリンダ装置が低周波数帯域の荷重付加指示信号に対して反応しやすく（高周波数帯域の荷重付加指示信号に対して反応しにくく）、リニアモータが高周波数帯域の荷重付加指示信号に対して反応しやすい（低周波数帯域の荷重付加指示信号に対して反応しにくい）という点に着目し、別個の制御系から、エアシリンダ装置に対して低周波数帯域の荷重付加指示信号を送り、リニアモータに対して高周波数帯域の荷重付加指示信号を送るようにすれば、エアシリンダ装置とリニアモータがそれぞれの荷重付加指示信号に素早く反応するので、リニアモータ併用シリンダから出力される実測荷重値を目標荷重値に良好に追従させて外乱に対する応答性を高めるとともに、リニアモータの発熱を抑えることができるとの結論に達して本発明をするに至った。
【０００８】
すなわち、本発明の外乱抑制荷重制御装置は、同一の荷重付加対象物に対して比較的大きい荷重を付加するエアシリンダ装置と、比較的小さい荷重を付加するリニアモータとを有するリニアモータ併用シリンダ；及び前記リニアモータ併用シリンダの目標荷重値信号と実測荷重値信号の差分信号に基づいて、前記エアシリンダ装置とリニアモータの出力荷重値を制御するリニアモータ併用シリンダ荷重制御部；を有し、前記リニアモータ併用シリンダ荷重制御部は、前記差分信号から前記エアシリンダ装置の目標荷重値信号に対する追従特性が優れた低周波数帯域を取り出して、この低周波差分信号に基づいて前記エアシリンダ装置にエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号を送るエアシリンダ装置荷重制御部；及び前記差分信号から前記リニアモータの目標荷重値信号に対する追従特性が優れた高周波数帯域を取り出して、この高周波差分信号に基づいて前記リニアモータにリニアモータ用最適荷重付加指示信号を送るリニアモータ荷重制御部；を有することを特徴としている。
【０００９】
本発明の外乱抑制荷重制御装置は、その一態様では、前記エアシリンダ装置荷重制御部が、式（１）で規定される制御則に基づいて、前記エアシリンダ装置にエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号を送り、前記リニアモータ荷重制御部が、式（２）で規定される制御則に基づいて、前記リニアモータにリニアモータ用最適荷重付加指示信号を送る。
【数１】
【数２】
この態様は、式（１）、（２）の制御則の中で荷重付加指示信号の周波数帯域を分ける（フィルタリングする）ものであり、エアシリンダ装置荷重制御部とリニアモータ荷重制御部に分岐した差分信号に基づいてそれぞれの制御部で制御演算を行い、その制御指令値にフィルタリングを行う。
【００１０】
本発明の外乱抑制荷重制御装置は、別の態様では、同一の荷重付加対象物に対して比較的大きい荷重を付加するエアシリンダ装置と、比較的小さい荷重を付加するリニアモータとを有するリニアモータ併用シリンダ；及び前記リニアモータ併用シリンダの目標荷重値信号と実測荷重値信号の差分信号に基づいて、前記エアシリンダ装置とリニアモータの出力荷重値を制御するリニアモータ併用シリンダ荷重制御部；を有し、前記リニアモータ併用シリンダ荷重制御部は、前記差分信号から前記エアシリンダ装置の目標荷重値信号に対する追従特性が優れた低周波数帯域を取り出すローパスフィルタと、このローパスフィルタで取り出された低周波差分信号に基づいて前記エアシリンダ装置にエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号を送るエアシリンダ装置荷重制御部；及び前記差分信号から前記リニアモータの目標荷重値信号に対する追従特性が優れた高周波数帯域を取り出すバンドパスフィルタと、このバンドパスフィルタで取り出された高周波差分信号に基づいて前記リニアモータにリニアモータ用最適荷重付加指示信号を送るリニアモータ荷重制御部；を有することを特徴としている。
この態様は、物理的なフィルタ回路（ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ）で荷重付加指示信号の周波数帯域を分けるものである。
【００１１】
前記リニアモータは、加工装置に固定される固定部から該固定部に荷重負荷方向に移動可能に支持された可動部に非接触で荷重を付加するボイスコイルモータとすることができる。
【００１２】
前記ボイスコイルモータを、前記固定部に設けられたコイルと、前記可動部に設けられた磁気回路とから構成し、前記磁気回路により形成された磁界中で前記コイルに電流を流すことにより前記固定部に対して前記可動部を荷重負荷方向に振動させることができる。
【００１３】
前記磁気回路は、前記可動部の一部をなす有底筒状のアウターヨークと、該アウターヨークの底部に支持されたマグネットと、該マグネットに支持されたインナーヨークとから構成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の外乱抑制荷重制御装置によれば、リニアモータ併用シリンダから出力される実測荷重値を目標荷重値に良好に追従させて外乱に対する応答性を高めるとともに、リニアモータの発熱を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る外乱抑制荷重制御装置を研磨装置に装着した状態を示す概念図である。
【図２】外乱抑制荷重制御装置の平面図である。
【図３】図２のIII−III線に沿う断面図である。
【図４】外乱抑制荷重制御装置の側面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。
【図６】ボイスコイルモータ併用シリンダ荷重制御部による制御動作を説明するためのブロック図である。
【図７】ボイスコイルモータ併用シリンダの目標荷重値信号の信号波形を示す図である。
【図８】ボイスコイルモータ併用シリンダの理想的な荷重値信号の信号波形を示す図である。
【図９】ボイスコイルモータ併用シリンダの実測荷重値信号の信号波形を示す図である。
【図１０】エアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号の信号波形を示す図である。
【図１１】ボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号の信号波形を示す図である。
【図１２】目標荷重値追従特性を計測するための図６に対応するブロック図である。
【図１３】目標荷重値追従特性の測定結果を示す第１の図である。
【図１４】目標荷重値追従特性の測定結果を示す第２の図である。
【図１５】目標荷重値追従特性の測定結果を示す第３の図である。
【図１６】本発明の別の実施形態に係るボイスコイルモータ併用シリンダ荷重制御部による制御動作を説明するためのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１ないし図１１を用いて、本発明の外乱抑制荷重制御装置１００を研磨装置（加工装置）２００に装着した実施形態を説明する。図１に示すように、外乱抑制荷重制御装置１００は、研磨装置２００に固定される固定部１１０と、この固定部１１０に上下方向（荷重負荷方向）に移動可能に支持された可動部１２０とを有する。可動部１２０は、上可動部１２１と下可動部１２２をガイドロッド１２３で結合してなり、このガイドロッド１２３が固定部１１０の内部を案内されることにより可動部１２０が固定部１１０に対して上下方向に移動する。図２ないし図５に示す可動部１２０の下可動部１２２の下面１２２ａには、図１に示すロードセル（荷重センサ）３００を介して、研磨ヘッド４１０とこの研磨ヘッド４１０を回転させる研磨モータ４２０からなる研磨ヘッドユニット４００が接続される。図２ないし図５では、ロードセル３００及び研磨ヘッドユニット４００の図示を省略している。
【００１７】
図１、図３、図５に示すように、固定部１１０と上可動部１２１の間には固定圧力室１２４が形成され、固定部１１０と下可動部１２２の間には可変圧力室１２５が形成されている。固定圧力室１２４には、可動部１２０を上方向に向けて持ち上げるような固定圧が常時かけ続けられる。可変圧力室１２５には、可動部１２０を下方向に向けて押し付ける際の押し付け荷重を調整するための変動圧がかけられる。固定部１１０及び可動部１２０並びに固定圧力室１２４及び可変圧力室１２５により、荷重付加対象物である研磨対象物Ｗに対して目標荷重値近傍の比較的大きい荷重をかけるローリングダイヤフラム式のエアシリンダ装置１３０が構成される。
【００１８】
図３、図５に示すように、固定部１１０の下端部１１０ａからは筒状（円筒状）のフィルム部材１１１が下方に延出しており、このフィルム部材１１１の外周面にコイル（ボイスコイル）１１２が上下方向に巻回されている。可動部１２０の下可動部１２２は有底筒状のアウターヨーク１２６を有し、このアウターヨーク１２６の底部１２６ａの中央部にマグネット１２７が支持されており、さらにこのマグネット１２７の上部にインナーヨーク１２８が支持されている。インナーヨーク１２８は、固定部１１０側のフィルム部材１１１に囲まれて支持されている。アウターヨーク１２６とインナーヨーク１２８の間に形成される空間（ギャップ）には、マグネット１２７による磁界が形成される（アウターヨーク１２６とマグネット１２７とインナーヨーク１２８が磁気回路を構成する）。
【００１９】
固定部１１０側のコイル１１２には図示しない電気配線が接続されており（可動部１２０側に電気配線は不要）、この電気配線を通じて磁界中でコイル１１２に電流を流すと、アウターヨーク１２６とマグネット１２７とインナーヨーク１２８が一体となって振動し、その結果、可動部１２０が固定部１１０に対して上下方向（荷重負荷方向）に振動する。固定部１１０側のコイル１１２、及び可動部１２０側のアウターヨーク１２６とマグネット１２７とインナーヨーク１２８（磁気回路）によって、固定部１１０から可動部１２０に非接触で荷重を付加するボイスコイルモータ（ＶＣＭ）（リニアモータ）１４０が構成される。ボイスコイルモータ１４０は、荷重付加対象物である研磨対象物Ｗに対して、研磨装置２００又は研磨ヘッドユニット４００側の外乱要素（例えば研磨モータ４２０の回転）の影響をキャンセルするための比較的小さい荷重をかける。
【００２０】
ボイスコイルモータ１４０の電磁力が有効に作用するためには、以下の条件式（３）の関係を満足することが必要である。
（３）α≦β−γ
但し、
α：固定部１１０、上可動部１２１及び固定圧力室１２４により構成されるシリンダ部を上シリンダ部と規定し、固定部１１０、下可動部１２２及び可変圧力室１２５により構成されるシリンダ部を下シリンダ部と規定したとき、上シリンダ部のシリンダストロークα１と下シリンダ部のシリンダストロークα２の総和、
β：インナーヨーク１２８の上下方向の高さ、
γ：コイル１１２の上下方向の巻回の高さ、
である。
【００２１】
図１では、概念図である関係上、下可動部１２２とロードセル３００の間にボイスコイルモータ１４０が介在しているように描いているが、実際には図３、図５を用いて説明したように、固定部１１０側のコイル１１２、及び可動部１２０側のアウターヨーク１２６とマグネット１２７とインナーヨーク１２８（磁気回路）によってボイスコイルモータ１４０が構成される。
【００２２】
ボイスコイルモータ併用シリンダ（リニアモータ併用シリンダ）１５０は、エアシリンダ装置１３０とボイスコイルモータ１４０を並列に接続してなり、エアシリンダ装置１３０の出力荷重とボイスコイルモータ１４０の出力荷重の総和がボイスコイルモータ併用シリンダ１５０の出力荷重となる。ロードセル３００は、ボイスコイルモータ併用シリンダ１５０の出力荷重（実測荷重値）を測定する。
【００２３】
図１に示すように、外乱抑制荷重制御装置１００は、ボイスコイルモータ併用シリンダ荷重制御部（リニアモータ併用シリンダ荷重制御部）１６０を有している。ボイスコイルモータ併用シリンダ荷重制御部１６０は、研磨装置２００から入力したボイスコイルモータ併用シリンダ１５０の目標荷重値信号ａと、ロードセル３００から入力したボイスコイルモータ併用シリンダ１５０の実測荷重値信号ｂとの差分信号に基づいて、エアシリンダ装置１３０とボイスコイルモータ１４０の出力荷重値を制御する。エアシリンダ装置１３０への制御指令は、図示しないサーボバルブ（ＳＶ）を介して行う。
【００２４】
より具体的には、図６に示すように、ボイスコイルモータ併用シリンダ荷重制御部１６０は、ボイスコイルモータ併用シリンダ１５０の目標荷重値信号ａと実測荷重値信号ｂの差分信号ｃがそれぞれ入力するエアシリンダ装置荷重制御部１７０及びボイスコイルモータ荷重制御部（リニアモータ荷重制御部）１８０を有している。また、ボイスコイルモータ併用シリンダ荷重制御部１６０は、式（１）の制御則を記憶したエアシリンダ装置制御則記憶部１７１と、式（２）の制御則を記憶したボイスコイルモータ制御則記憶部（リニアモータ制御則記憶部）１８１とを有している。
【数１】
【数２】
【００２５】
エアシリンダ装置荷重制御部１７０は、数式（１）の制御則を記憶したエアシリンダ装置制御則記憶部１７１を参照して、入力した差分信号ｃからエアシリンダ装置１３０の目標荷重値信号ａに対する追従特性が優れた低周波数帯域を取り出してエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号ｄを生成し、このエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号ｄをエアシリンダ装置１３０に送る。
ボイスコイルモータ荷重制御部１８０は、数式（２）の制御則を記憶したボイスコイルモータ制御則記憶部１８１を参照して、入力した差分信号ｃからボイスコイルモータ１４０の目標荷重値ａに対する追従特性が優れた高周波数帯域を取り出してボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号（リニアモータ用最適荷重付加指示信号）ｅを生成し、このボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号ｅをボイスコイルモータ１４０に送る。
【００２６】
以上の構成の外乱抑制荷重制御装置１００は、次のように動作する。まず、研磨装置２００からボイスコイルモータ併用シリンダ荷重制御部１６０に、ボイスコイルモータ併用シリンダ１５０に一定値の荷重（ここでは１０Ｎ）を出力させるべき旨の目標荷重値信号ａ（図７）を入力する。この目標荷重値信号ａを受けたエアシリンダ装置荷重制御部１７０とボイスコイルモータ荷重制御部１８０は、エアシリンダ装置１３０とボイスコイルモータ１４０を駆動させて、荷重付加対象物である研磨対象物Ｗに対して目標荷重値である１０Ｎに達するまで徐々に荷重をかけていく。この荷重値信号の信号波形は、理想的には、図８に示すような直線波形であることが望ましい。しかし実際には、研磨装置２００又は研磨ヘッドユニット４００側の外乱要素（例えば研磨モータ４２０の回転）の影響により、図９に示すような外乱成分が混在した実測荷重値信号ｂがロードセル３００で測定される。研磨装置２００からのボイスコイルモータ併用シリンダ１５０の目標荷重値信号ａとロードセル３００からのボイスコイルモータ併用シリンダ１５０の実測荷重値信号ｂとの差分信号ｃは、実測荷重値が１０Ｎに達した後も継続して、エアシリンダ装置荷重制御部１７０とボイスコイルモータ荷重制御部１８０に分岐して入力される。
【００２７】
エアシリンダ装置荷重制御部１７０は、エアシリンダ装置制御則記憶部１７１を参照して、入力した差分信号ｃからエアシリンダ装置１３０の目標荷重値信号ａに対する追従特性が優れた低周波数帯域を取り出してエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号ｄ（図１０）を生成し、このエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号ｄをエアシリンダ装置１３０に送る。
同時に、ボイスコイルモータ荷重制御部１８０は、ボイスコイルモータ制御則記憶部１８１を参照して、入力した差分信号ｃからボイスコイルモータ１４０の目標荷重値ａに対する追従特性が優れた高周波数帯域を取り出してボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号ｅ（図１１）を生成し、このボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号ｅをボイスコイルモータ１４０に送る。ボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号ｅからは、例えば５０Ｈｚ−６０Ｈｚといった超高周波帯域の成分も除去されている。
【００２８】
エアシリンダ装置１３０はエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号ｄに素早く反応して、研磨対象物Ｗに対して目標荷重値である１０Ｎの荷重を出力する。同時に、ボイスコイルモータ１４０はボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号ｅに素早く反応して、研磨対象物Ｗに対して実測荷重値信号ｂの外乱成分をキャンセルする微小な荷重を出力する。その結果、実測荷重値を目標荷重値に常に良好に追従させることができ（実測荷重値信号ｂの信号波形を図８に示す理想波形に近づけることができ）、飛躍的な外乱抑制効果を得ることができる。また、エアシリンダ装置１３０がエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号ｄに反応するタイミングとボイスコイルモータ１４０がボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号ｅに反応するタイミングに差がなく、ボイスコイルモータ１４０に低周波帯域の直流成分の信号電圧がかかることがないので、ボイスコイルモータ１４０の発熱を最小限に抑えることができ、精密な研磨加工を行うことができる。
【００２９】
本発明者は、図１２に示すように、図６のブロック図における信号の入出力端にＦＦＴアナライザ５００を接続し、目標荷重値信号として、開始周波数０．１Ｈｚ、終了周波数６０Ｈｚ、スイープ時間３００ｓ、加振振幅０．６ＮP-P（±０．３Ｎ）のサインスイープ信号を入力して、目標荷重値に対する実測荷重値（制御荷重値）の周波数伝達関数をＦＦＴアナライザ５００で計測した。図１３ないし図１５はその測定結果を示している。
【００３０】
図１３（Ａ）に示すように、目標荷重値信号の信号波形と実測荷重値信号の信号波形の振幅の比（ゲイン）で比較すると、５０Ｈｚ程度の高い周波数帯域まで、実測荷重値が目標荷重値に良好に追従していることが判る。図１３（Ｂ）に示すように、目標荷重値信号の信号波形と実測荷重値信号の信号波形の位相差で比較すると、５０Ｈｚ程度の高い周波数帯域まで、実測荷重値信号の信号波形が目標荷重値信号の信号波形に対して位相差４５°の範囲内で追従していることが判る。
【００３１】
図１４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ、目標荷重値信号の周波数を１Ｈｚ、１０Ｈｚ、５０Ｈｚと変化させた際の実測荷重値（制御荷重値）を示している。その結果、いずれの周波数であっても、実測荷重値が目標荷重値に良好に追従しており、実測荷重値信号の信号波形が目標荷重値信号の信号波形に対して位相差４５°の範囲内で追従していることが判る。
【００３２】
図１５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ、目標荷重値信号をＤＣ信号で１Ｎ、５Ｎ、１０Ｎと変化させた際の実測荷重値（制御荷重値）を示している。その結果、いずれの目標荷重値であっても、目標荷重値±０．００５Ｎの範囲内で実測荷重値が目標荷重値に追従していることが判る。
【００３３】
図１６は、ボイスコイルモータ併用シリンダ荷重制御部１６０の別の実施形態を示している。この実施形態では、図６のエアシリンダ装置制御則記憶部１７１に記憶された制御則を物理的なフィルタ回路であるローパスフィルタ１７２で実現して、エアシリンダ装置荷重制御部１７０からエアシリンダ装置１３０にエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号ｄを送り、同時に、図６のボイスコイルモータ制御則記憶部１８１に記憶された制御則を物理的なフィルタ回路であるバンドパスフィルタ１８２で実現して、ボイスコイルモータ荷重制御部１８０からボイスコイルモータ１４０にボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号ｅを送る。バンドパスフィルタ１８２は、ボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号ｅから例えば５０Ｈｚ−６０Ｈｚといった超高周波帯域の成分を除去するように設計されている。
【００３４】
以上の実施形態では、外乱抑制荷重制御装置１００を研磨装置２００に適用した場合を例示して説明したが、加工対象物に対して荷重をかけながら加工を行う加工装置であれば、超音波溶着装置、ボンダーなどにも同様に適用可能である。
【００３５】
以上の実施形態では、ローリングダイヤフラム式のエアシリンダ装置１３０を例示して説明したが、エアシリンダ装置は、パッキン式、メタルガイド式、エアベアリング式などを用いてもよい。
【００３６】
以上の実施形態では、リニアモータとしてボイスコイルモータ１４０を用いた場合を例示して説明したが、ボイスコイルモータ１４０に代えて、リニア誘導モータ、リニア同期モータ、リニア直流モータ、リニアステッピングモータなどを用いることも可能である。
【００３７】
以上の実施形態では、ロードセル３００を下可動部１２２の下面１２２ａに配置した場合を例示して説明したが、ロードセルの位置はこれに限定されない。ロードセルは、ボイスコイルモータ併用シリンダ１５０から研磨対象物Ｗにかかる実測荷重値を測定できる位置にあればよく、例えば、研磨対象物Ｗの研磨面と反対側の面にロードセルを配置してもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１００ 外乱抑制荷重制御装置
１１０ 固定部
１１１ フィルム部材
１１２ コイル（ボイスコイル）
１２０ 可動部
１２１ 上可動部
１２２ 下可動部
１２３ ガイドロッド
１２４ 固定圧力室
１２５ 可変圧力室
１２６ アウターヨーク（磁気回路）
１２７ マグネット（磁気回路）
１２８ インナーヨーク（磁気回路）
１３０ エアシリンダ装置
１４０ ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）（リニアモータ）
１５０ ボイスコイルモータ併用シリンダ（リニアモータ併用シリンダ）
１６０ ボイスコイルモータ併用シリンダ荷重制御部（リニアモータ併用シリンダ荷重制御部）
１７０ エアシリンダ装置荷重制御部
１７１ エアシリンダ装置制御則記憶部
１７２ ローパスフィルタ
１８０ ボイスコイルモータ荷重制御部（リニアモータ荷重制御部）
１８１ ボイスコイルモータ制御則記憶部（リニアモータ制御則記憶部）
１８２ バンドパスフィルタ
２００ 研磨装置（加工装置）
３００ ロードセル（荷重センサ）
４００ 研磨ヘッドユニット
４１０ 研磨ヘッド
４２０ 研磨モータ
５００ ＦＦＴアナライザ
ａ ボイスコイルモータ併用シリンダの目標荷重値信号
ｂ ボイスコイルモータ併用シリンダの実測荷重値信号
ｃ 差分信号
ｄ エアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号
ｅ ボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号（リニアモータ用最適荷重付加指示信号）
Ｗ 研磨対象物（荷重付加対象物）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象物に対して荷重をかけながら加工を行う加工装置（例えば、研磨装置、超音波溶着装置、ボンダー）に装着される外乱抑制荷重制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
外乱抑制荷重制御装置は、加工対象物に対して荷重をかけながら加工を行う加工装置（例えば、研磨装置、超音波溶着装置、ボンダー）に装着され、加工装置側の外乱要素（例えばモータの振動）の影響をキャンセルして加工対象物に対して目標荷重値をかけ続けることにより加工精度の向上を図るものである。例えば、特許文献１には、加工具（研削ホイール）を上下動させる押圧移動手段としてのリニアモータと、加工具（研削ホイール）を弾性的に支持するクッションとしてのエアシリンダ装置とを有し、リニアモータに供給される電流の検出結果に基づいてリニアモータを制御する装置が開示されている。
【０００３】
これに対し、本出願人は、エアシリンダ装置とリニアモータで同一の可動部を移動させることにより加工対象物に荷重をかける、いわゆるリニアモータ併用シリンダを搭載した外乱抑制荷重制御装置を開発中である。この外乱抑制荷重制御装置は、エアシリンダ装置が加工対象物に対して目標荷重値近傍の比較的大きい荷重をかけ、リニアモータが加工装置側の外乱要素の影響をキャンセルするための比較的小さい荷重をかけ、リニアモータ併用シリンダの目標荷重値信号と実測荷重値信号の差分信号に基づいて生成した同一の荷重付加指示信号をエアシリンダ装置とリニアモータに送ることによりエアシリンダ装置とリニアモータの出力荷重を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−６６７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、本発明者のその後の研究によって、エアシリンダ装置とリニアモータに同一の荷重付加指示信号を送ると、次のような問題が生じることが明らかになってきた。すなわち、エアシリンダ装置とリニアモータは同一の荷重付加指示信号に対してそれぞれ全力で反応しようとするが、両者の反応速度が全く異なる（エアシリンダ装置は反応が遅く、リニアモータは速い）ため、リニアモータ併用シリンダから出力される実測荷重値が目標荷重値に良好に追従していくことができず、外乱に対する応答性が低い。また、リニアモータに低周波帯域の直流成分の信号電圧がかかるためリニアモータが発熱しやすく、この発熱はエアシリンダ装置が荷重付加指示信号に反応するまで続くので、雰囲気温度に悪影響を与えて精密な加工ができなくなるおそれがある。
【０００６】
本発明は、以上の問題意識に基づき、リニアモータ併用シリンダから出力される実測荷重値を目標荷重値に良好に追従させて外乱に対する応答性を高めるとともに、リニアモータの発熱を抑えることができる外乱抑制荷重制御装置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】
【０００７】
本発明者は、エアシリンダ装置が低周波数帯域の荷重付加指示信号に対して反応しやすく（高周波数帯域の荷重付加指示信号に対して反応しにくく）、リニアモータが高周波数帯域の荷重付加指示信号に対して反応しやすい（低周波数帯域の荷重付加指示信号に対して反応しにくい）という点に着目し、別個の制御系から、エアシリンダ装置に対して低周波数帯域の荷重付加指示信号を送り、リニアモータに対して高周波数帯域の荷重付加指示信号を送るようにすれば、エアシリンダ装置とリニアモータがそれぞれの荷重付加指示信号に素早く反応するので、リニアモータ併用シリンダから出力される実測荷重値を目標荷重値に良好に追従させて外乱に対する応答性を高めるとともに、リニアモータの発熱を抑えることができるとの結論に達して本発明をするに至った。
【０００８】
すなわち、本発明の外乱抑制荷重制御装置は、同一の荷重付加対象物に対して比較的大きい荷重を付加するエアシリンダ装置と、比較的小さい荷重を付加するリニアモータとを有するリニアモータ併用シリンダ；及び前記リニアモータ併用シリンダの目標荷重値信号と実測荷重値信号の差分信号に基づいて、前記エアシリンダ装置とリニアモータの出力荷重値を制御するリニアモータ併用シリンダ荷重制御部；を有し、前記リニアモータ併用シリンダ荷重制御部は、前記差分信号から前記エアシリンダ装置の目標荷重値信号に対する追従特性が優れた低周波数帯域を取り出して、この低周波差分信号に基づいて前記エアシリンダ装置にエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号を送るエアシリンダ装置荷重制御部；及び前記差分信号から前記リニアモータの目標荷重値信号に対する追従特性が優れた高周波数帯域を取り出して、この高周波差分信号に基づいて前記リニアモータにリニアモータ用最適荷重付加指示信号を送るリニアモータ荷重制御部；を有することを特徴としている。
【０００９】
本発明の外乱抑制荷重制御装置は、その一態様では、前記エアシリンダ装置荷重制御部が、式（１）で規定される制御則に基づいて、前記エアシリンダ装置にエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号を送り、前記リニアモータ荷重制御部が、式（２）で規定される制御則に基づいて、前記リニアモータにリニアモータ用最適荷重付加指示信号を送る。
【数１】
【数２】
この態様は、式（１）、（２）の制御則の中で荷重付加指示信号の周波数帯域を分ける（フィルタリングする）ものであり、エアシリンダ装置荷重制御部とリニアモータ荷重制御部に分岐した差分信号に基づいてそれぞれの制御部で制御演算を行い、その制御指令値にフィルタリングを行う。
【００１０】
本発明の外乱抑制荷重制御装置は、別の態様では、同一の荷重付加対象物に対して比較的大きい荷重を付加するエアシリンダ装置と、比較的小さい荷重を付加するリニアモータとを有するリニアモータ併用シリンダ；及び前記リニアモータ併用シリンダの目標荷重値信号と実測荷重値信号の差分信号に基づいて、前記エアシリンダ装置とリニアモータの出力荷重値を制御するリニアモータ併用シリンダ荷重制御部；を有し、前記リニアモータ併用シリンダ荷重制御部は、前記差分信号から前記エアシリンダ装置の目標荷重値信号に対する追従特性が優れた低周波数帯域を取り出すローパスフィルタと、このローパスフィルタで取り出された低周波差分信号に基づいて前記エアシリンダ装置にエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号を送るエアシリンダ装置荷重制御部；及び前記差分信号から前記リニアモータの目標荷重値信号に対する追従特性が優れた高周波数帯域を取り出すバンドパスフィルタと、このバンドパスフィルタで取り出された高周波差分信号に基づいて前記リニアモータにリニアモータ用最適荷重付加指示信号を送るリニアモータ荷重制御部；を有することを特徴としている。
この態様は、物理的なフィルタ回路（ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ）で荷重付加指示信号の周波数帯域を分けるものである。
【００１１】
前記リニアモータは、加工装置に固定される固定部から該固定部に荷重負荷方向に移動可能に支持された可動部に非接触で荷重を付加するボイスコイルモータとすることができる。
【００１２】
前記ボイスコイルモータを、前記固定部に設けられたコイルと、前記可動部に設けられた磁気回路とから構成し、前記磁気回路により形成された磁界中で前記コイルに電流を流すことにより前記固定部に対して前記可動部を荷重負荷方向に振動させることができる。
【００１３】
前記磁気回路は、前記可動部の一部をなす有底筒状のアウターヨークと、該アウターヨークの底部に支持されたマグネットと、該マグネットに支持されたインナーヨークとから構成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の外乱抑制荷重制御装置によれば、リニアモータ併用シリンダから出力される実測荷重値を目標荷重値に良好に追従させて外乱に対する応答性を高めるとともに、リニアモータの発熱を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る外乱抑制荷重制御装置を研磨装置に装着した状態を示す概念図である。
【図２】外乱抑制荷重制御装置の平面図である。
【図３】図２のIII−III線に沿う断面図である。
【図４】外乱抑制荷重制御装置の側面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。
【図６】ボイスコイルモータ併用シリンダ荷重制御部による制御動作を説明するためのブロック図である。
【図７】ボイスコイルモータ併用シリンダの目標荷重値信号の信号波形を示す図である。
【図８】ボイスコイルモータ併用シリンダの理想的な荷重値信号の信号波形を示す図である。
【図９】ボイスコイルモータ併用シリンダの実測荷重値信号の信号波形を示す図である。
【図１０】エアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号の信号波形を示す図である。
【図１１】ボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号の信号波形を示す図である。
【図１２】目標荷重値追従特性を計測するための図６に対応するブロック図である。
【図１３】目標荷重値追従特性の測定結果を示す第１の図である。
【図１４】目標荷重値追従特性の測定結果を示す第２の図である。
【図１５】目標荷重値追従特性の測定結果を示す第３の図である。
【図１６】本発明の別の実施形態に係るボイスコイルモータ併用シリンダ荷重制御部による制御動作を説明するためのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１ないし図１１を用いて、本発明の外乱抑制荷重制御装置１００を研磨装置（加工装置）２００に装着した実施形態を説明する。図１に示すように、外乱抑制荷重制御装置１００は、研磨装置２００に固定される固定部１１０と、この固定部１１０に上下方向（荷重負荷方向）に移動可能に支持された可動部１２０とを有する。可動部１２０は、上可動部１２１と下可動部１２２をガイドロッド１２３で結合してなり、このガイドロッド１２３が固定部１１０の内部を案内されることにより可動部１２０が固定部１１０に対して上下方向に移動する。図２ないし図５に示す可動部１２０の下可動部１２２の下面１２２ａには、図１に示すロードセル（荷重センサ）３００を介して、研磨ヘッド４１０とこの研磨ヘッド４１０を回転させる研磨モータ４２０からなる研磨ヘッドユニット４００が接続される。図２ないし図５では、ロードセル３００及び研磨ヘッドユニット４００の図示を省略している。
【００１７】
図１、図３、図５に示すように、固定部１１０と上可動部１２１の間には固定圧力室１２４が形成され、固定部１１０と下可動部１２２の間には可変圧力室１２５が形成されている。固定圧力室１２４には、可動部１２０を上方向に向けて持ち上げるような固定圧が常時かけ続けられる。可変圧力室１２５には、可動部１２０を下方向に向けて押し付ける際の押し付け荷重を調整するための変動圧がかけられる。固定部１１０及び可動部１２０並びに固定圧力室１２４及び可変圧力室１２５により、荷重付加対象物である研磨対象物Ｗに対して目標荷重値近傍の比較的大きい荷重をかけるローリングダイヤフラム式のエアシリンダ装置１３０が構成される。
【００１８】
図３、図５に示すように、固定部１１０の下端部１１０ａからは筒状（円筒状）のフィルム部材１１１が下方に延出しており、このフィルム部材１１１の外周面にコイル（ボイスコイル）１１２が上下方向に巻回されている。可動部１２０の下可動部１２２は有底筒状のアウターヨーク１２６を有し、このアウターヨーク１２６の底部１２６ａの中央部にマグネット１２７が支持されており、さらにこのマグネット１２７の上部にインナーヨーク１２８が支持されている。インナーヨーク１２８は、固定部１１０側のフィルム部材１１１に囲まれて支持されている。アウターヨーク１２６とインナーヨーク１２８の間に形成される空間（ギャップ）には、マグネット１２７による磁界が形成される（アウターヨーク１２６とマグネット１２７とインナーヨーク１２８が磁気回路を構成する）。
【００１９】
固定部１１０側のコイル１１２には図示しない電気配線が接続されており（可動部１２０側に電気配線は不要）、この電気配線を通じて磁界中でコイル１１２に電流を流すと、アウターヨーク１２６とマグネット１２７とインナーヨーク１２８が一体となって振動し、その結果、可動部１２０が固定部１１０に対して上下方向（荷重負荷方向）に振動する。固定部１１０側のコイル１１２、及び可動部１２０側のアウターヨーク１２６とマグネット１２７とインナーヨーク１２８（磁気回路）によって、固定部１１０から可動部１２０に非接触で荷重を付加するボイスコイルモータ（ＶＣＭ）（リニアモータ）１４０が構成される。ボイスコイルモータ１４０は、荷重付加対象物である研磨対象物Ｗに対して、研磨装置２００又は研磨ヘッドユニット４００側の外乱要素（例えば研磨モータ４２０の回転）の影響をキャンセルするための比較的小さい荷重をかける。
【００２０】
ボイスコイルモータ１４０の電磁力が有効に作用するためには、以下の条件式（３）の関係を満足することが必要である。
（３）α≦β−γ
但し、
α：固定部１１０、上可動部１２１及び固定圧力室１２４により構成されるシリンダ部を上シリンダ部と規定し、固定部１１０、下可動部１２２及び可変圧力室１２５により構成されるシリンダ部を下シリンダ部と規定したとき、上シリンダ部のシリンダストロークα１と下シリンダ部のシリンダストロークα２の総和、
β：インナーヨーク１２８の上下方向の高さ、
γ：コイル１１２の上下方向の巻回の高さ、
である。
【００２１】
図１では、概念図である関係上、下可動部１２２とロードセル３００の間にボイスコイルモータ１４０が介在しているように描いているが、実際には図３、図５を用いて説明したように、固定部１１０側のコイル１１２、及び可動部１２０側のアウターヨーク１２６とマグネット１２７とインナーヨーク１２８（磁気回路）によってボイスコイルモータ１４０が構成される。
【００２２】
ボイスコイルモータ併用シリンダ（リニアモータ併用シリンダ）１５０は、エアシリンダ装置１３０とボイスコイルモータ１４０を並列に接続してなり、エアシリンダ装置１３０の出力荷重とボイスコイルモータ１４０の出力荷重の総和がボイスコイルモータ併用シリンダ１５０の出力荷重となる。ロードセル３００は、ボイスコイルモータ併用シリンダ１５０の出力荷重（実測荷重値）を測定する。
【００２３】
図１に示すように、外乱抑制荷重制御装置１００は、ボイスコイルモータ併用シリンダ荷重制御部（リニアモータ併用シリンダ荷重制御部）１６０を有している。ボイスコイルモータ併用シリンダ荷重制御部１６０は、研磨装置２００から入力したボイスコイルモータ併用シリンダ１５０の目標荷重値信号ａと、ロードセル３００から入力したボイスコイルモータ併用シリンダ１５０の実測荷重値信号ｂとの差分信号に基づいて、エアシリンダ装置１３０とボイスコイルモータ１４０の出力荷重値を制御する。エアシリンダ装置１３０への制御指令は、図示しないサーボバルブ（ＳＶ）を介して行う。
【００２４】
より具体的には、図６に示すように、ボイスコイルモータ併用シリンダ荷重制御部１６０は、ボイスコイルモータ併用シリンダ１５０の目標荷重値信号ａと実測荷重値信号ｂの差分信号ｃがそれぞれ入力するエアシリンダ装置荷重制御部１７０及びボイスコイルモータ荷重制御部（リニアモータ荷重制御部）１８０を有している。また、ボイスコイルモータ併用シリンダ荷重制御部１６０は、式（１）の制御則を記憶したエアシリンダ装置制御則記憶部１７１と、式（２）の制御則を記憶したボイスコイルモータ制御則記憶部（リニアモータ制御則記憶部）１８１とを有している。
【数１】
【数２】
【００２５】
エアシリンダ装置荷重制御部１７０は、数式（１）の制御則を記憶したエアシリンダ装置制御則記憶部１７１を参照して、入力した差分信号ｃからエアシリンダ装置１３０の目標荷重値信号ａに対する追従特性が優れた低周波数帯域を取り出してエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号ｄを生成し、このエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号ｄをエアシリンダ装置１３０に送る。
ボイスコイルモータ荷重制御部１８０は、数式（２）の制御則を記憶したボイスコイルモータ制御則記憶部１８１を参照して、入力した差分信号ｃからボイスコイルモータ１４０の目標荷重値ａに対する追従特性が優れた高周波数帯域を取り出してボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号（リニアモータ用最適荷重付加指示信号）ｅを生成し、このボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号ｅをボイスコイルモータ１４０に送る。
【００２６】
以上の構成の外乱抑制荷重制御装置１００は、次のように動作する。まず、研磨装置２００からボイスコイルモータ併用シリンダ荷重制御部１６０に、ボイスコイルモータ併用シリンダ１５０に一定値の荷重（ここでは１０Ｎ）を出力させるべき旨の目標荷重値信号ａ（図７）を入力する。この目標荷重値信号ａを受けたエアシリンダ装置荷重制御部１７０とボイスコイルモータ荷重制御部１８０は、エアシリンダ装置１３０とボイスコイルモータ１４０を駆動させて、荷重付加対象物である研磨対象物Ｗに対して目標荷重値である１０Ｎに達するまで徐々に荷重をかけていく。この荷重値信号の信号波形は、理想的には、図８に示すような直線波形であることが望ましい。しかし実際には、研磨装置２００又は研磨ヘッドユニット４００側の外乱要素（例えば研磨モータ４２０の回転）の影響により、図９に示すような外乱成分が混在した実測荷重値信号ｂがロードセル３００で測定される。研磨装置２００からのボイスコイルモータ併用シリンダ１５０の目標荷重値信号ａとロードセル３００からのボイスコイルモータ併用シリンダ１５０の実測荷重値信号ｂとの差分信号ｃは、実測荷重値が１０Ｎに達した後も継続して、エアシリンダ装置荷重制御部１７０とボイスコイルモータ荷重制御部１８０に分岐して入力される。
【００２７】
エアシリンダ装置荷重制御部１７０は、エアシリンダ装置制御則記憶部１７１を参照して、入力した差分信号ｃからエアシリンダ装置１３０の目標荷重値信号ａに対する追従特性が優れた低周波数帯域を取り出してエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号ｄ（図１０）を生成し、このエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号ｄをエアシリンダ装置１３０に送る。
同時に、ボイスコイルモータ荷重制御部１８０は、ボイスコイルモータ制御則記憶部１８１を参照して、入力した差分信号ｃからボイスコイルモータ１４０の目標荷重値ａに対する追従特性が優れた高周波数帯域を取り出してボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号ｅ（図１１）を生成し、このボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号ｅをボイスコイルモータ１４０に送る。ボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号ｅからは、例えば５０Ｈｚ−６０Ｈｚといった超高周波帯域の成分も除去されている。
【００２８】
エアシリンダ装置１３０はエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号ｄに素早く反応して、研磨対象物Ｗに対して目標荷重値である１０Ｎの荷重を出力する。同時に、ボイスコイルモータ１４０はボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号ｅに素早く反応して、研磨対象物Ｗに対して実測荷重値信号ｂの外乱成分をキャンセルする微小な荷重を出力する。その結果、実測荷重値を目標荷重値に常に良好に追従させることができ（実測荷重値信号ｂの信号波形を図８に示す理想波形に近づけることができ）、飛躍的な外乱抑制効果を得ることができる。また、エアシリンダ装置１３０がエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号ｄに反応するタイミングとボイスコイルモータ１４０がボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号ｅに反応するタイミングに差がなく、ボイスコイルモータ１４０に低周波帯域の直流成分の信号電圧がかかることがないので、ボイスコイルモータ１４０の発熱を最小限に抑えることができ、精密な研磨加工を行うことができる。
【００２９】
本発明者は、図１２に示すように、図６のブロック図における信号の入出力端にＦＦＴアナライザ５００を接続し、目標荷重値信号として、開始周波数０．１Ｈｚ、終了周波数６０Ｈｚ、スイープ時間３００ｓ、加振振幅０．６ＮP-P（±０．３Ｎ）のサインスイープ信号を入力して、目標荷重値に対する実測荷重値（制御荷重値）の周波数伝達関数をＦＦＴアナライザ５００で計測した。図１３ないし図１５はその測定結果を示している。
【００３０】
図１３（Ａ）に示すように、目標荷重値信号の信号波形と実測荷重値信号の信号波形の振幅の比（ゲイン）で比較すると、５０Ｈｚ程度の高い周波数帯域まで、実測荷重値が目標荷重値に良好に追従していることが判る。図１３（Ｂ）に示すように、目標荷重値信号の信号波形と実測荷重値信号の信号波形の位相差で比較すると、５０Ｈｚ程度の高い周波数帯域まで、実測荷重値信号の信号波形が目標荷重値信号の信号波形に対して位相差４５°の範囲内で追従していることが判る。
【００３１】
図１４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ、目標荷重値信号の周波数を１Ｈｚ、１０Ｈｚ、５０Ｈｚと変化させた際の実測荷重値（制御荷重値）を示している。その結果、いずれの周波数であっても、実測荷重値が目標荷重値に良好に追従しており、実測荷重値信号の信号波形が目標荷重値信号の信号波形に対して位相差４５°の範囲内で追従していることが判る。
【００３２】
図１５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ、目標荷重値信号をＤＣ信号で１Ｎ、５Ｎ、１０Ｎと変化させた際の実測荷重値（制御荷重値）を示している。その結果、いずれの目標荷重値であっても、目標荷重値±０．００５Ｎの範囲内で実測荷重値が目標荷重値に追従していることが判る。
【００３３】
図１６は、ボイスコイルモータ併用シリンダ荷重制御部１６０の別の実施形態を示している。この実施形態では、図６のエアシリンダ装置制御則記憶部１７１に記憶された制御則を物理的なフィルタ回路であるローパスフィルタ１７２で実現して、エアシリンダ装置荷重制御部１７０からエアシリンダ装置１３０にエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号ｄを送り、同時に、図６のボイスコイルモータ制御則記憶部１８１に記憶された制御則を物理的なフィルタ回路であるバンドパスフィルタ１８２で実現して、ボイスコイルモータ荷重制御部１８０からボイスコイルモータ１４０にボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号ｅを送る。バンドパスフィルタ１８２は、ボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号ｅから例えば５０Ｈｚ−６０Ｈｚといった超高周波帯域の成分を除去するように設計されている。
【００３４】
以上の実施形態では、外乱抑制荷重制御装置１００を研磨装置２００に適用した場合を例示して説明したが、加工対象物に対して荷重をかけながら加工を行う加工装置であれば、超音波溶着装置、ボンダーなどにも同様に適用可能である。
【００３５】
以上の実施形態では、ローリングダイヤフラム式のエアシリンダ装置１３０を例示して説明したが、エアシリンダ装置は、パッキン式、メタルガイド式、エアベアリング式などを用いてもよい。
【００３６】
以上の実施形態では、リニアモータとしてボイスコイルモータ１４０を用いた場合を例示して説明したが、ボイスコイルモータ１４０に代えて、リニア誘導モータ、リニア同期モータ、リニア直流モータ、リニアステッピングモータなどを用いることも可能である。
【００３７】
以上の実施形態では、ロードセル３００を下可動部１２２の下面１２２ａに配置した場合を例示して説明したが、ロードセルの位置はこれに限定されない。ロードセルは、ボイスコイルモータ併用シリンダ１５０から研磨対象物Ｗにかかる実測荷重値を測定できる位置にあればよく、例えば、研磨対象物Ｗの研磨面と反対側の面にロードセルを配置してもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１００ 外乱抑制荷重制御装置
１１０ 固定部
１１１ フィルム部材
１１２ コイル（ボイスコイル）
１２０ 可動部
１２１ 上可動部
１２２ 下可動部
１２３ ガイドロッド
１２４ 固定圧力室
１２５ 可変圧力室
１２６ アウターヨーク（磁気回路）
１２７ マグネット（磁気回路）
１２８ インナーヨーク（磁気回路）
１３０ エアシリンダ装置
１４０ ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）（リニアモータ）
１５０ ボイスコイルモータ併用シリンダ（リニアモータ併用シリンダ）
１６０ ボイスコイルモータ併用シリンダ荷重制御部（リニアモータ併用シリンダ荷重制御部）
１７０ エアシリンダ装置荷重制御部
１７１ エアシリンダ装置制御則記憶部
１７２ ローパスフィルタ
１８０ ボイスコイルモータ荷重制御部（リニアモータ荷重制御部）
１８１ ボイスコイルモータ制御則記憶部（リニアモータ制御則記憶部）
１８２ バンドパスフィルタ
２００ 研磨装置（加工装置）
３００ ロードセル（荷重センサ）
４００ 研磨ヘッドユニット
４１０ 研磨ヘッド
４２０ 研磨モータ
５００ ＦＦＴアナライザ
ａ ボイスコイルモータ併用シリンダの目標荷重値信号
ｂ ボイスコイルモータ併用シリンダの実測荷重値信号
ｃ 差分信号
ｄ エアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号
ｅ ボイスコイルモータ用最適荷重付加指示信号（リニアモータ用最適荷重付加指示信号）
Ｗ 研磨対象物（荷重付加対象物）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の荷重付加対象物に対して比較的大きい荷重を付加するエアシリンダ装置と、比較的小さい荷重を付加するリニアモータとを有するリニアモータ併用シリンダ；及び
前記リニアモータ併用シリンダの目標荷重値信号と実測荷重値信号の差分信号に基づいて、前記エアシリンダ装置とリニアモータの出力荷重値を制御するリニアモータ併用シリンダ荷重制御部；を有し、
前記リニアモータ併用シリンダ荷重制御部は、
前記差分信号から前記エアシリンダ装置の目標荷重値信号に対する追従特性が優れた低周波数帯域を取り出して、この低周波差分信号に基づいて前記エアシリンダ装置にエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号を送るエアシリンダ装置荷重制御部；及び
前記差分信号から前記リニアモータの目標荷重値信号に対する追従特性が優れた高周波数帯域を取り出して、この高周波差分信号に基づいて前記リニアモータにリニアモータ用最適荷重付加指示信号を送るリニアモータ荷重制御部；を有することを特徴とする外乱抑制荷重制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の外乱抑制荷重制御装置において、前記エアシリンダ装置荷重制御部は、式（１）で規定される制御則に基づいて、前記エアシリンダ装置にエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号を送り、前記リニアモータ荷重制御部は、式（２）で規定される制御則に基づいて、前記リニアモータにリニアモータ用最適荷重付加指示信号を送る外乱抑制荷重制御装置。
【数１】
【数２】
【請求項３】
同一の荷重付加対象物に対して比較的大きい荷重を付加するエアシリンダ装置と、比較的小さい荷重を付加するリニアモータとを有するリニアモータ併用シリンダ；及び
前記リニアモータ併用シリンダの目標荷重値信号と実測荷重値信号の差分信号に基づいて、前記エアシリンダ装置とリニアモータの出力荷重値を制御するリニアモータ併用シリンダ荷重制御部；を有し、
前記リニアモータ併用シリンダ荷重制御部は、
前記差分信号から前記エアシリンダ装置の目標荷重値信号に対する追従特性が優れた低周波数帯域を取り出すローパスフィルタと、このローパスフィルタで取り出された低周波差分信号に基づいて前記エアシリンダ装置にエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号を送るエアシリンダ装置荷重制御部；及び
前記差分信号から前記リニアモータの目標荷重値信号に対する追従特性が優れた高周波数帯域を取り出すバンドパスフィルタと、このバンドパスフィルタで取り出された高周波差分信号に基づいて前記リニアモータにリニアモータ用最適荷重付加指示信号を送るリニアモータ荷重制御部；を有することを特徴とする外乱抑制荷重制御装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項記載の外乱抑制荷重制御装置において、前記リニアモータは、加工装置に固定される固定部から該固定部に荷重負荷方向に移動可能に支持された可動部に非接触で荷重を付加するボイスコイルモータである外乱抑制荷重制御装置。
【請求項５】
請求項４記載の外乱抑制荷重制御装置において、前記ボイスコイルモータは、前記固定部に設けられたコイルと、前記可動部に設けられた磁気回路とからなり、前記磁気回路により形成された磁界中で前記コイルに電流を流すことにより前記固定部に対して前記可動部を荷重負荷方向に振動させる外乱抑制荷重制御装置。
【請求項６】
請求項５記載の外乱抑制荷重制御装置において、前記磁気回路は、前記可動部の一部をなす有底筒状のアウターヨークと、該アウターヨークの底部に支持されたマグネットと、該マグネットに支持されたインナーヨークからなる外乱抑制荷重制御装置。
【請求項１】
同一の荷重付加対象物に対して比較的大きい荷重を付加するエアシリンダ装置と、比較的小さい荷重を付加するリニアモータとを有するリニアモータ併用シリンダ；及び
前記リニアモータ併用シリンダの目標荷重値信号と実測荷重値信号の差分信号に基づいて、前記エアシリンダ装置とリニアモータの出力荷重値を制御するリニアモータ併用シリンダ荷重制御部；を有し、
前記リニアモータ併用シリンダ荷重制御部は、
前記差分信号から前記エアシリンダ装置の目標荷重値信号に対する追従特性が優れた低周波数帯域を取り出して、この低周波差分信号に基づいて前記エアシリンダ装置にエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号を送るエアシリンダ装置荷重制御部；及び
前記差分信号から前記リニアモータの目標荷重値信号に対する追従特性が優れた高周波数帯域を取り出して、この高周波差分信号に基づいて前記リニアモータにリニアモータ用最適荷重付加指示信号を送るリニアモータ荷重制御部；を有することを特徴とする外乱抑制荷重制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の外乱抑制荷重制御装置において、前記エアシリンダ装置荷重制御部は、式（１）で規定される制御則に基づいて、前記エアシリンダ装置にエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号を送り、前記リニアモータ荷重制御部は、式（２）で規定される制御則に基づいて、前記リニアモータにリニアモータ用最適荷重付加指示信号を送る外乱抑制荷重制御装置。
【数１】
【数２】
【請求項３】
同一の荷重付加対象物に対して比較的大きい荷重を付加するエアシリンダ装置と、比較的小さい荷重を付加するリニアモータとを有するリニアモータ併用シリンダ；及び
前記リニアモータ併用シリンダの目標荷重値信号と実測荷重値信号の差分信号に基づいて、前記エアシリンダ装置とリニアモータの出力荷重値を制御するリニアモータ併用シリンダ荷重制御部；を有し、
前記リニアモータ併用シリンダ荷重制御部は、
前記差分信号から前記エアシリンダ装置の目標荷重値信号に対する追従特性が優れた低周波数帯域を取り出すローパスフィルタと、このローパスフィルタで取り出された低周波差分信号に基づいて前記エアシリンダ装置にエアシリンダ装置用最適荷重付加指示信号を送るエアシリンダ装置荷重制御部；及び
前記差分信号から前記リニアモータの目標荷重値信号に対する追従特性が優れた高周波数帯域を取り出すバンドパスフィルタと、このバンドパスフィルタで取り出された高周波差分信号に基づいて前記リニアモータにリニアモータ用最適荷重付加指示信号を送るリニアモータ荷重制御部；を有することを特徴とする外乱抑制荷重制御装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項記載の外乱抑制荷重制御装置において、前記リニアモータは、加工装置に固定される固定部から該固定部に荷重負荷方向に移動可能に支持された可動部に非接触で荷重を付加するボイスコイルモータである外乱抑制荷重制御装置。
【請求項５】
請求項４記載の外乱抑制荷重制御装置において、前記ボイスコイルモータは、前記固定部に設けられたコイルと、前記可動部に設けられた磁気回路とからなり、前記磁気回路により形成された磁界中で前記コイルに電流を流すことにより前記固定部に対して前記可動部を荷重負荷方向に振動させる外乱抑制荷重制御装置。
【請求項６】
請求項５記載の外乱抑制荷重制御装置において、前記磁気回路は、前記可動部の一部をなす有底筒状のアウターヨークと、該アウターヨークの底部に支持されたマグネットと、該マグネットに支持されたインナーヨークからなる外乱抑制荷重制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−２１００１１（Ｐ２０１１−２１００１１Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７７０９３（Ｐ２０１０−７７０９３）
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（０００００５１７５）藤倉ゴム工業株式会社 (120)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（０００００５１７５）藤倉ゴム工業株式会社 (120)
【Ｆターム（参考）】
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