JP6219595B2 - 荷重制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象物に荷重を加える荷重制御装置に関する。

スクラバー洗浄機用ディスクのラッピング、フィルムの張力制御、感圧センサ／感圧スイッチの検査、モータのコイル巻線の張力制御などでは、一定荷重を対象物（ディスク、フィルム、感圧センサ／感圧スイッチ、ワイヤ等）に加え続けることが求められる。

このような用途に使用できる装置として、圧縮空気を利用するアクチュエータが考えられる。例えば、特許文献１に記載の流体圧アクチュエータは、ガイド軸とこれに沿って移動可能なスライダとを備え、スライダ内部には隔壁によって区画された２つのシリンダ室が設けられている。そして、２つのシリンダ室内に圧縮空気を出入りさせることで、ガイド軸に沿ってスライダを移動させる。

特開２００２−２３５７０７号公報

特許文献１のような圧縮空気による位置制御を行うアクチュエータでは、例えば半導体検査装置のように微小な（例えば０．５Ｎ以下の）荷重を与える必要のある用途では、空気流量制御の非線形性のために精細な制御が困難であり、荷重制御の精度が大きく低下してしまうという問題がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、荷重制御を高精度で行うことができる荷重制御装置を提供することにある。

本発明のある態様の荷重制御装置は、シリンダと、シリンダ内に遊嵌される、一端で対象物を押圧するロッドと、ロッドの他端に連結されるとともに内部に圧力室を画成する被駆動部材と、被駆動部材をシリンダの軸方向に線形駆動するリニア駆動部と、圧力室内に圧縮流体を供給してロッドに荷重を与えるレギュレータと、を備える。

この態様によると、対象物を押圧するロッドがリニア駆動部によって線形駆動されるため、高精度の荷重制御を実現することができる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、荷重制御を高精度で行うことができる。

本発明の一実施形態に係る荷重制御装置を構成するアクチュエータの斜視図である。 図１のアクチュエータの正面図である。 図１のアクチュエータの右側面図である。 図３中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明の一実施形態に係る荷重制御装置を構成する制御ユニットの構成を示す図である。 制御ユニットの動作を説明するフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態に係る荷重制御装置について説明する。

荷重制御装置は、対象物に対して一定の微小荷重を与え続けるための装置であり、対象物と接触するロッドを有するアクチュエータ１０と、アクチュエータ１０を制御する制御ユニットと、アクチュエータ１０に空気を供給するレギュレータと、で構成される。制御ユニットについては図５を参照して、レギュレータについては図４を参照して、それぞれ後述する。

図１は、本実施形態に係るアクチュエータ１０の斜視図、図２はアクチュエータ１０の正面図である。アクチュエータ１０は、角柱形のロッド１４と、ロッド１４を受け入れるシリンダハウジング１２とを備える。

図１および２に示すように、シリンダハウジング１２は、４枚の略同形の板１２ａ〜１２ｄを複数のボルト１３で締結して構成される。代替的に、シリンダハウジング１２は一体的な筒状部材であってもよい。

図３は、アクチュエータ１０の右側面図である。図３に示すように、アクチュエータ１０のシリンダハウジング１２の内部には、断面が略正方形である角筒形のシリンダ２６が画成されている。シリンダ２６内には、断面が略正方形である角柱形のロッド１４が遊嵌されている。

ロッド１４は、四辺それぞれに微小な隙間を有してシリンダ２６に挿通されており、空気軸受によってシリンダ２６内でロッド１４が非接触に案内される。後述するように、ロッド１４の先端１４ａは、対象物の表面に接触し、対象物に対して一定の荷重を加えるように制御される。

シリンダ２６およびロッド１４は、それぞれ円形ではなく略正方形の断面を有しているので、ロッド１４がシリンダ２６に対して回転することが防止される。なお、シリンダ２６およびロッド１４の断面が非円形の形状、例えば楕円形や、正方形以外の多角形であってもよい。

図４は図３中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図４に示すように、シリンダハウジング１２のロッド先端１４ａと反対の側には、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）４２が内部に配置されたモータハウジング２４が接続されている。シリンダハウジング１２とモータハウジング２４との接触面にはＯリング４４が配置され、モータハウジング２４内の空間を気密にしている。

モータハウジング２４は、円筒形の内面２４ｄと、底部２４ｃから内部空間に突出する円柱形の凸部２４ａとを有している。この円柱凸部２４ａの周りにボイスコイルモータ（リニア駆動部）４２が配置される。ボイスコイルモータ４２は、マグネット３８と、コイルボビン（被駆動部材）３９と、コイルボビン３９に巻回されたコイル４０とを備える。

マグネット３８は、モータハウジング２４の内面２４ｄに沿うような円筒形状を有し、内面２４ｄと円柱凸部２４ａとの間に配置される。モータハウジング２４は例えば鉄などの磁性体で構成されており、マグネットヨークとしても機能する。

コイルボビン３９は、マグネット３８と円柱凸部２４ａとの間の空間に挿入される部分３９ａと、ロッド１４の後端１４ｂにボルト２８で締結される底部３９ｂとを有する有底円筒形をなしている。円筒部３９ａの一部に銅線が巻回されてコイル４０が形成される。コイルボビン３９の円筒部３９ａの直径はシリンダ２６の内径よりも大きくされており、コイルボビン３９に締結されたロッド１４の軸方向移動量を制限している。

ボイスコイルモータ４２は、コイル４０への供給電流量および電流の向きに応じて、コイル４０が巻回されたコイルボビン３９およびロッド１４を軸方向のいずれかの側に移動させる力を発生させる。マグネット３８、コイルボビン３９およびコイル４０の軸方向長さは、ロッド１４の所望の軸方向ストローク（例えば３〜５ｍｍ）を実現するように設定される。なお、図４は、コイルボビン３９およびロッド１４が軸方向右側に最大限移動した状態（非通電状態）を表している。

モータハウジング２４の底部２４ｂには、ケーブルプラグ２２が取り付けられる。ケーブルプラグ２２に接続されたケーブル（図示せず）からコイル４０に電流が供給される。

コイルボビン３９の円筒部３９ａの内面と円柱凸部２４ａの上面２４ｂとの間に、円筒形の空間である圧力室３２が画成される。

モータハウジング２４の上面には、圧力センサ１６と継手２０とが取り付けられている。継手２０には、図示しないチューブを介してレギュレータ２１が接続されている。

継手２０は、モータハウジング２４の壁面に形成された通気孔３４を介して圧力室３２と連通している。レギュレータ２１から送られた一定量の圧縮空気は、通気孔３４と連通孔３６を通り圧力室３２に入るとともに、シリンダ２６とロッド１４との間の隙間を通りアクチュエータ１０の外部へと流れる。すなわち、レギュレータから送られた圧縮空気は、シリンダ２６とロッド１４の間の空気軸受の役割を有している。

圧力センサ１６は、図示しない経路によりモータハウジング２４の内部空間と連通し、内部空間の圧力を測定する。測定された結果は、ケーブル１８を介して外部の制御ユニット１００に伝達される。

レギュレータ２１からモータハウジング２４へと圧縮空気が供給されると、圧力室３２内の圧力とその底面積とを乗じて得られる荷重が、ロッド１４を介して対象物に与えられる。後述する制御ユニットは、ロッド１４が対象物に接触して押圧された状態で、圧力室３２内の圧力変化ΔＰを圧力センサ１６で検出し、ΔＰと底面積からロッド荷重の変化分を演算する。この変化分を相殺するように、ボイスコイルモータ４２を変位させてロッド１４を移動させることで、ロッドから対象物に対して一定の荷重を与え続けることができる。

図５は、本実施形態に係る制御ユニット１００の構成を示す図である。図中の各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や電気回路で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組み合わせによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

荷重計算部１０２は、圧力センサ１６の検出値から、ロッド１４に加わっている荷重を計算する。

モータ制御部１０４は、ロッド１４から対象物に加わる加わる荷重が一定値になるようなコイルボビン３９の移動量を計算して、対応する電流をコイル４０に印加する。

図６は、荷重制御装置を構成する制御ユニット１００の動作を示すフローチャートである。図６を参照して、荷重制御装置の作用を説明する。

ロッド１４の先端１４ａを対象物に接触させた状態で、図示しないレギュレータ２１から一定流量の圧縮空気をアクチュエータ１０に供給する。圧縮空気はシリンダ２６とロッド１４の間の空気軸受として機能するとともに、圧力室３２内に流入してコイルボビン３９およびロッド１４を移動させて、ロッドの先端１４ａに接触している対象物を押圧する。対象物からの反力による圧力室３２の圧力変化ΔＰを圧力センサ１６で検出し、検出値が制御ユニット１００に送られる（Ｓ１２）。

制御ユニット１００の荷重計算部１０２は、円筒形の圧力室３２の底面積と圧力変化ΔＰとを乗じて、ロッド１４が対象物に対して付加している荷重の変化分を計算する（Ｓ１２）。モータ制御部１０４は、この変化分を相殺する方向にコイルボビン３９が移動するようにコイル４０に与える電流を演算するフィードバック制御を実行する（Ｓ１４）。

モータ制御部１０４からコイル４０に与えられる電流およびその向きに応じて、コイルボビン３９が軸方向に変位する。この変位により、圧力室３２の体積が増加すれば、圧力室内の正の圧力変化ΔＰを相殺することができ、圧力室３２の体積が減少すれば、圧力室内の負の圧力変化ΔＰを相殺することができる。このようにして、ロッドから対象物に与えられる荷重の変化分が相殺され、押圧荷重が一定値に制御される。

以上説明したように、本実施形態に係る荷重制御装置では、ロッドから対象物に与えられる押圧荷重を一定値に制御するために、圧力室内に流入する空気量自体を制御するのではなく、圧力室内の圧力変化ΔＰ、ひいてはロッド荷重の変化分を相殺するようにボイスコイルモータを制御する。ボイスコイルモータは微小量の移動を高精度で実施することができるため、ロッドが加えるべき荷重が非常に小さい（例えば０．１Ｎ未満）場合であっても、高精度の荷重制御が可能になる。また、空気量を直接制御する場合に比べて、応答性が高くなる。さらに、コイルへの電流供給が停止された場合でも、コイルボビンおよびロッドが初期位置（図４に示す位置）に戻るだけで済む。

特許文献１のように空気量を直接制御する場合には、圧力室に通じる流路に電磁弁が必要である他、電磁弁の上流と下流の両方に圧力センサが必要になる。このため、制御系が複雑になる上、アクチュエータが大型化し、コストも増大する。本実施形態のようにボイスコイルモータを利用することで、これらの欠点が軽減ないし解消される。また、供給する空気流量は常に一定でよく、圧力センサも一つで済む。

また、本実施形態に係る荷重制御装置は、空気軸受による非接触式のシリンダおよびロッドを使用している。ロッドを非接触で支持することによって、移動時の摩擦やバックラッシ等が発生しないため、さらに高精度かつ高応答性の制御が可能になる。加えて、常にシリンダに空気が供給されているため、アクチュエータの発熱が抑制される上、潤滑油等が不要であるためクリーンである。

以上、本発明の実施の形態について説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態では、シリンダとロッドの間に空気軸受を構成することを述べたが、空気軸受以外の流体軸受を使用してもよい。

実施の形態では、ロッドを駆動するためにボイスコイルモータを使用したが、他の形式のリニアモータやピエゾ素子を使用してロッドを駆動してもよい。

１０ アクチュエータ、 １２ シリンダハウジング、 １４ ロッド、 １６ 圧力センサ、 ２１ レギュレータ、 ２４ モータハウジング、 ２６ シリンダ、 ３２ 圧力室、 ３４ 通気孔、 ３６ 連通孔、 ３８ マグネット、 ３９ コイルボビン、 ４０ コイル、 ４２ ボイスコイルモータ、 １００ 制御ユニット、 １０２ 荷重計算部、 １０４ モータ制御部。

Claims (5)

1. シリンダと、
   前記シリンダ内に遊嵌される、一端で対象物を押圧するロッドと、
   前記ロッドの他端に連結されるとともに内部に圧力室を画成する被駆動部材と、
   前記被駆動部材を前記シリンダの軸方向に線形駆動するリニア駆動部と、
   対象物に一定の荷重を与えるために、その一定の荷重に基づく一定量の圧縮流体を前記圧力室内に供給して前記ロッドに荷重を与えるレギュレータと、
   前記圧力室内の圧力変化を検出する圧力センサと、
   検出された圧力変化と前記圧力室の底面積とから、前記ロッドの付加する荷重の変化分を計算する荷重計算部と、
   前記被駆動部材を変位させて、前記荷重計算部により計算された荷重の変化分を相殺するように前記リニア駆動部を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする荷重制御装置。
2. 前記リニア駆動部がボイスコイルモータであることを特徴とする請求項１に記載の荷重制御装置。
3. 前記シリンダと前記ロッドとの隙間に前記レギュレータから圧縮流体が供給されて空気軸受が構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の荷重制御装置。
4. 前記シリンダおよび前記ロッドが非円形断面を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の荷重制御装置。
5. 前記ボイスコイルモータを収容するハウジングの底部にケーブルプラグが取り付けられ、該ケーブルプラグに接続されたケーブルから前記ボイスコイルモータのコイルに電流が供給されることを特徴とする請求項２に記載の荷重制御装置。

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