AC 서보 모터의 사례

Problem

1895년에 발견된 X선은 신체 내부의 관찰을 가능하게 함으로써 근대의학의 경이적인 발전에 기여해, 그 후 100년 이상에 걸쳐 「확정 진단」의 수단으로서 이용되어 왔습니다. 최근, 필름을 이용하지 않는 X선 촬영 기술이 확립한 것으로, 3D 진단이나 X선 투시하에서 행하는 치료 등, X선 진단 시스템에 요구되는 기능은 다양화하고 있습니다.

그러나 의료기기에는 성능 이외에도 클리어해야 하는 과제가 많이 있어 개발자를 괴롭히고 있습니다.

요구되는 부드럽고 고정밀 기기 동작. 현행 서보 시스템에서는 진동을 억제할 수 없고…

의료 기기의 기획·제조·판매를 다루는 U사는, 고도화하는 의료 요구에 대응하기 위해, 새로운 X선 진단 시스템의 연구·개발을 진행하고 있었습니다.

이 차세대형의 X선 진단 시스템은, X선 투시하에 있어서의 수술적 처치나, 머리부로부터 하지까지의 전신 촬영 등을 가능하게 하는 것으로, 처치 기술자의 의사대로의 포지셔닝과 안정된 선명한 이미지를 얻기 위해 암이나 진료대에는 부드럽고 고정밀한 동작이 요구됩니다.

그러나 이러한 실현은 일근줄이 아니었고, U사의 개발 부문을 괴롭히고 있었습니다. 동사에서는 각 제품에 동일한 모델의 서보 시스템을 범용적으로 사용하고 있었습니다만, 신모델의 프로토타입기에 실장해 검증한 결과, 3차원 측정 데이터를 작성할 때에, 암 선단부의 진동을 충분히 억제할 수 없었던 것입니다. 회사 기술 개발부의 J 씨는 이렇게 말합니다.

“서보 시스템은 10년래 계속 사용해 온 타입이기 때문에, 아직 암 선단부의 진동을 억제하는 기능을 가지고 있지 않았습니다.실은, 약사법의 관계로, 탑재하는 부품에 변경이 더해지면 그 때마다 신청·승인 플로우를 통과시켜야 합니다. 라는 사용자의 요구를 충족시키기 위해서는 과감하게 새로운 서보 시스템을 선택할 수밖에 없었습니다.

한정된 공간에 설치하는 의료 기기… 장치 소형화의 장벽은?

게다가 J씨를 괴롭히고 있던 것이, 장치의 소형화의 문제였습니다.
처치실내의 한정된 스페이스에 있어서, 복수의 의료 기기를 사용해 고도의 의료 처치를 행할 필요가 있습니다. 따라서 각 의료 기기의 공간 절약화는 필수적이었습니다.

또, 종래의 X선 진단 시스템에서는, 장치 전체에 6축의 서보 모터가 탑재되고 있었습니다만, 그 사양마다 2 메이커의 제품이 혼재하고 있었습니다. 지금까지는 그래도 문제는 없었습니다만, 차기 모델에서는, 컨트롤러와 서보 시스템을 시리얼 통신으로 연결하는 것을 생각하고 있었으므로, 메이커에 의해 통신 사양이 다르면, 시스템이 복잡해져 버립니다.

"시리얼 통신으로 배선을 줄이면 비용 절감뿐만 아니라 트러블 저감과 유지 보수면에서도 큰 이점이 있습니다."(J 씨)

도전

처치 기술자의 의사에 맞는 부드러운 동작과 화상의 고정밀화를 실현하기 위해서는 현행의 서보 시스템에서는 필요한 성능을 얻을 수 없다.
처치실내의 한정된 스페이스에 있어서, 복수의 의료 기기를 사용해 고도의 의료 처치를 행하기 위해서는, 장치의 공간절약화는 필수.
차기 모델에서는 시리얼 통신을 채용하여 배선 절약을 하고 싶다.

Solution

카메라의 진동은 1/10 이하, 화상 정밀도 향상! 진동을 억제해 처치 효율 업에

상세한 설명을 받은 후, J씨는 평가용의 프로토타입 서보 시스템을 준비해 평가를 행했습니다. 암부분의 부드러운 동작과 고정밀도의 화상의 요점이 되는 「새로운 제진제어」의 성능을 검증한 것입니다.

"제진 제어 기능을 처음 사용했지만 예상 이상이었습니다. 이전 시스템에서는 아무래도 이동시 암 선단부의 진동이 커져 버리는 경우가 있었지만 진폭을 1/10 이하 에까지 억제할 수 있었습니다.어떤 움직임을 시켜도, 암 선단의 진동은 육안으로는 알 수 없을 정도였습니다. 공헌한다고 확신했습니다.」(J씨)

초고속 오픈 시리얼 규격 「EtherCAT」에 대응, 소형화・배선화 이외에 다양한 시너지 효과를 기대

또, 앰프의 검증에서는, 오픈 시리얼 통신 규격 「EtherCAT」에 대응하고 있는 것으로, 타사제 컨트롤러에서도 문제 없게 동작하는 것을 확인했습니다.

"컨트롤러 측의 개발에는 시간이 걸릴 것 같습니다만, 전송 레이트 100Mbps의 초고속 필드 버스 시스템이라고 하는 것만으로, 지금까지와는 자릿수의 고속 전송·고속 처리로, 정확한 동기성의 확보가 기대 또, 타사제 서보 시스템을 포함한 복수의 기기도 같은 EtherCAT 통신으로 접속할 수 있습니다. 짧아졌기 때문에, 장치 전체에서 대폭적인 공간 절약화를 도모할 수 있을 것으로 기대가 있었습니다.」(J씨)

새로운 서보 시스템의 채용은, 소형화는 물론, 배선 공수의 삭감이나 개발 비용의 삭감, 결함·미스의 저감 등, 다양한 가능성을 갖고 있습니다. 이들은 회사의 개발 과제를 해결하는 데 큰 단계가 되었습니다.

게인 조정 및 문제 해결 등 지원 계속

이렇게 충분한 검증을 거친 끝에 새로운 X선 진단 시스템의 개발에 유효하다고 판단한 U사는 산요전기의 신형 AC 서보시스템의 채용을 결정.

그 후, 동사는 컨트롤러의 개발과 병행해, 프로토 타입 컨트롤러를 조립해 동작 검증을 실시. 그 때 산요전기는 서비스 스태프를 파견하여 최적의 게인 조정을 팔로우하고, 그 후에도 U사에 대한 지원을 계속해 갔습니다.

“항상 현장에 직접 향해 주셨으므로, 최적의 특성을 내기 위한 게인 조정을 행할 수 있었습니다. 진행할 수 있었습니다. 서보 시스템 자체의 고성능에 더해, 이러한 서비스력이 있었기 때문에, 차기 모델 개발에 성공할 수 있었다고 느끼고 있습니다」(J씨)

아직 프로토 타입 단계이지만 차기 X 선 진단 시스템은 예상대로 성능을 발휘. 산요전기 제 서보시스템은 동사의 새로운 X선 진단기에 있어서 장치 사이즈를 15% 삭감, 화상 정밀도를 약 20% 향상하는 효과를 가져왔습니다.

J씨는 이렇게 말합니다.
“산요전기의 제안에 의해, 새로운 X선 진단 시스템 개발에 활로를 발견할 수 있었습니다.의료 기술의 진보나 요구의 다양화로부터, 보다 고도의 기술을 탑재한 장치 개발이 지상 명제가 되는 가운데, 뛰어난 기능과 성능을 가진 이 서보 시스템은 앞으로도 큰 힘이 될 것이라고 생각합니다.

효과