JP2015061412A - 直動−回転アクチュエータとその駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【構成】 直動−回転アクチュエータは、外周が円形のシャフトと、シャフトの軸方向に沿って配列されている複数の磁石から成る直動用の磁石列と、直動用の磁石列の外周側に配置されている直動用の駆動コイルと、シャフトの周方向に沿って配列されている複数の磁石から成る回転用の磁石列と、回転用の磁石列の外周側に配置されている回転用の駆動コイルとを備える。直動用の駆動コイルに電流を流すことによりシャフトを直動させ、回転用の駆動コイルに電流を流すことによりシャフトを回転させる。【効果】 シャフトを共通軸として直動と回転とができる。【選択図】 図1
Description
この発明は、直動と回転とが自在な直動−回転アクチュエータと、その駆動方法とに関する。
特許文献1(特開2004-364348)は、直動と回転とが自在なアクチュエータを開示している。特許文献1では、回転モータのシャフト内にリニアモータを設けて、回転モータの回転でリニアモータ全体を回転させ、リニアモータにより出力シャフトを進退させる。このアクチュエータは、直動と回転とを必要とする用途、例えばロボットのアームの駆動等に用いることができる。
特許文献2(特許3862033)は、磁性体とコイルとの相互作用を用いたセンサを開示している。特許文献2では、例えば永久磁石の列に対して、励磁コイルと検出コイルとを互い違いに配置したセンサを対向させる。励磁コイルに周波数ωの交流を加えると、検出コイルにも周波数ωの誘導電圧が生じる。ここで誘導電圧の強弱が磁石からの磁界により変調されるので、磁石の列を基準とする位置を検出できる。なおこの種の位置センサには種々のバージョンが知られ、例えば励磁コイルと検出コイルとを兼用できる。また変調の強弱を正確に取り出すために、磁石列を基準とする位相をφとして、sinφcosωtの信号と
cosφsinωtの信号とを取り出し、加法定理によりsin(φ+ωt)とする、等の巧妙な回路が知られている。
cosφsinωtの信号とを取り出し、加法定理によりsin(φ+ωt)とする、等の巧妙な回路が知られている。
特許文献1の直動−回転アクチュエータでは、回転モータのシャフトが直動モータ自体を兼ねる複雑な構成になっている。これに対してこの発明の課題は、シャフトを直動モータと回転モータの共通軸とする、コンパクトな直動−回転アクチュエータを提供することにある。
この発明は、直動と回転とが自在な直動−回転アクチュエータであって、
外周が円形のシャフトと、
前記シャフトの軸方向に沿って配列されている複数の磁石から成る、直動用の磁石列と、 前記直動用の磁石列の外周側に配置されている直動用の駆動コイルと、
前記シャフトの周方向に沿って配列されている複数の磁石から成る、回転用の磁石列と、 前記回転用の磁石列の外周側又は内側に配置されている回転用の駆動コイルと、
前記直動用の駆動コイル及び前記回転用の駆動コイルを制御する制御回路、とを備えることを特徴とする。
外周が円形のシャフトと、
前記シャフトの軸方向に沿って配列されている複数の磁石から成る、直動用の磁石列と、 前記直動用の磁石列の外周側に配置されている直動用の駆動コイルと、
前記シャフトの周方向に沿って配列されている複数の磁石から成る、回転用の磁石列と、 前記回転用の磁石列の外周側又は内側に配置されている回転用の駆動コイルと、
前記直動用の駆動コイル及び前記回転用の駆動コイルを制御する制御回路、とを備えることを特徴とする。
またこの発明は、直動と回転とが自在な直動−回転アクチュエータの駆動方法であって、 前記直動−回転アクチュエータは、
外周が円形のシャフトと、
前記シャフトの軸方向に沿って配列されている複数の磁石から成る、直動用の磁石列と、
前記直動用の磁石列の外周側に配置されている直動用の駆動コイルと、
前記シャフトの周方向に沿って配列されている複数の磁石から成る、回転用の磁石列と、
前記回転用の磁石列の外周側又は内側に配置されている回転用の駆動コイルと、
前記直動用の駆動コイル及び前記回転用の駆動コイルを制御する制御回路、とを備え、
前記直動用の駆動コイルに電流を流すことにより、前記シャフトを直動させると共に、
前記回転用の駆動コイルに電流を流すことにより、前記シャフトを回転させる。
外周が円形のシャフトと、
前記シャフトの軸方向に沿って配列されている複数の磁石から成る、直動用の磁石列と、
前記直動用の磁石列の外周側に配置されている直動用の駆動コイルと、
前記シャフトの周方向に沿って配列されている複数の磁石から成る、回転用の磁石列と、
前記回転用の磁石列の外周側又は内側に配置されている回転用の駆動コイルと、
前記直動用の駆動コイル及び前記回転用の駆動コイルを制御する制御回路、とを備え、
前記直動用の駆動コイルに電流を流すことにより、前記シャフトを直動させると共に、
前記回転用の駆動コイルに電流を流すことにより、前記シャフトを回転させる。
この発明では、シャフトに直動用の磁石列と回転用の磁石列とを固定し、直動用の磁石列の外周側に直動用の駆動コイルを配置し、回転用の磁石列の外周側又は内側に回転用の駆動コイルを配置する。そして直動用の磁石列と直動用の駆動コイルとにより直動方向の力を発生させ、回転用の磁石列と回転用の駆動コイルとにより回転方向の力を発生させることができる。このためシャフトを直動モータと回転モータの共通の軸とするコンパクトな直動−回転アクチュエータが得られる。なおこの明細書において、直動−回転アクチュエータに関する記載は、そのままその駆動方法にも当てはまる。
好ましくは、前記回転用の磁石は、シャフトの軸方向に沿って、シャフトが直動するストローク以上の長さを有する。このようにすると、任意の直動位置においてシャフトを回転させることができる。
また好ましくは、前記直動用の駆動コイルも前記回転用の駆動コイルも、コイルを取り巻く磁気ヨークを有しない。このようにすると、永久磁石に磁気ヨークが吸着することがないので、滑らかに始動できる。
また好ましくは、前記シャフトが可動側、前記駆動コイルが固定側であり、チップマウンタのアクチュエータである。コンパクトな直動−回転アクチュエータなので、シャフトの先端にチップを保持するハンドを取り付けると、シャフトの回転によりチップの向きを整え、シャフトの直動によりチップを基板上にマウントすることができる。
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。この発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づき、明細書とこの分野の周知技術を参酌し、当業者の理解に従って定められるべきである。
図1〜図7に、第1の実施例とその変形とを示す。各図において同一の符号は同一のものを表し、各用語の意味は公知技術を参酌して広く解釈する。図1は、直動−回転アクチュエータ2の実施例を示し、4は円柱状あるいは円筒状等のシャフトで、その軸方向に沿って、永久磁石6が配列されて、直動用の磁石列7を構成している。
磁石6は例えば磁性金属粉を成型したボンド磁石で、筒状で、中心をシャフト4が貫通してシャフト4に固定され、両端面がシャフト4の軸に直角な面から傾斜している。永久磁石6はシャフト4の軸方向に沿って磁化され、例えばS極同士が向き合い、またN極同士が向き合うように配列されて、磁石列7となる。なお磁化の方向(磁石内での磁束の方向)及び磁石列7の構成方法は任意である。
シャフト4の一端に複数の永久磁石8が環状に固定されて、回転用の磁石列9を構成している。磁石8は、磁化の方向がシャフト4の周方向で、例えばボンド磁石から成り、例えばS極同士が向き合い、またN極同士が向き合うように配列されている。好ましくは、永久磁石8は、シャフト4の軸方向に沿って、シャフト4のx方向のストロークL1以上の長さL2を持つようにし、シャフト4が直動しても、回転用の磁石列として機能させる。なおシャフト4の支持を図示しないエアベアリングにより行うと、非接触でシャフト4を支持でき、摩耗、故障等の問題が少ない。
10は直動用の駆動コイルで、円筒状で、直動用の磁石列7を取り巻くように配置されている。12は回転用の駆動コイルで、円筒状で、回転用の磁石列9を取り巻くように配置されている。これらの駆動コイル10,12は、例えばU相、V相、W相の3相の駆動電流で動作するが、駆動電流の種類、波形等は任意である。また駆動コイル10,12への電流は、センサ14により求めたシャフトの直動位置x及び回転角θにより、フィードバック制御される。ここで直動用の磁石列7は直動用の駆動コイル10との相互作用により、図1の±x方向の力を発生する。また回転用の磁石列9は回転用の駆動コイル12との相互作用により、図1の±θ方向の力を発生する。図1のx方向の位置を直動位置とし、θ方向の位置を回転角とする。実施例では、シャフト4と磁石列7,9とが可動側、他の部材が固定側であるが、シャフト4と磁石列7,9とを固定し、駆動コイル10,12等の他の部材を直動及び回転させても良い。実施例では、駆動コイル10,12を取り巻く磁気ヨークを設けないので、磁石列7,9からの磁束に磁気ヨークが吸着することがない。従って滑らかに始動できる。
14はセンサで、複数の磁気素子がシャフト4の軸方向に沿って配列され、かつ磁石列7と対向する位置に設けられている。磁気素子の配列ピッチは、永久磁石6の配列ピッチの整数分の1で、例えば磁気素子を4個配列する場合、そのピッチを例えば永久磁石6の配列ピッチの1/4とする。センサ14は、例えば特許文献2(特許3862033)に記載されている励磁コイルと検出コイルとであるが、励磁コイルと検出コイルとを兼用しても良く、またホール素子、磁気抵抗素子等の他の磁気素子を用いても良い。なお磁気素子は、外部からの磁界により特性が変化する素子をいう。16は磁気シールドで、非磁性の金属から成り、駆動コイルからの交流磁界を遮断する。センサ14を駆動コイル10の外周側に配置したため、磁気シールド16を設けたが、磁気シールド16は設けなくても良く、またセンサ14を図1の鎖線の位置に設けても良い。
18は制御回路で、センサ14の信号によりシャフトの直動位置xと回転角θとを設けて、駆動コイル10,12を制御する。直動−回転アクチュエータ2は例えばチップマウンタとして用い、例えばシャフト4の先端にハンド20を設けて、図示しないチップを吸引し、回転運動によりチップの向きを整え、x方向の運動によりチップを例えば下降させて、図示しない基板上にマウントする。直動−回転アクチュエータ2は、これ以外に、ロボットのアーム、検査装置、塗布装置等、任意の用途に用いることができる。
磁石列7を、シャフト4の軸に直角な断面に沿って図2に示す。磁石6は端面が軸に直角ではないため、2個の磁石6a,6bの境界が見える。駆動コイル10は環状で、その外周に磁気シールド16に囲まれたセンサ14がある。
磁石列9を、シャフト4の軸に直角な断面に沿って図3に示す。磁石列9の外周を例えばU相、V相、W相の3相の駆動コイル12が環状に取り巻き、回転モータとしてシャフト4を回転させる。なお、駆動コイル12は、磁石列9の内側に配置しても良い。
図4はシャフト4と駆動用のコイル10とを拡大して示し、永久磁石6の中心軸をシャフト4が貫通し、永久磁石6の端面はシャフト4の軸に直角な面に対し傾斜している。また永久磁石6はシャフト4に固定されている。
図5は制御回路18を示し、センサ14の信号は直動位置xと回転角θの双方に依存し、この信号をスイッチ22へ入力する。アクチュエータ2が直動中は、信号Pxがスイッチ22へ入力され、センサ信号は参照表23で直動位置に変換され、メモリ25に直動位置xとして記憶される。直動駆動回路27は、この位置xに基づいて駆動コイル10を制御する。またアクチュエータが回転中は信号Pθがスイッチ22へ入力され、センサ信号は参照表24で回転角に変換され、メモリ26に回転角θとして記憶される。回転駆動回路28は、この回転角θにより駆動コイル12を制御する。なお直動中は例えば回転角θは一定として処理し、回転中は例えば直動位置xは一定として処理するが、これに限るものではない。
図6,図7は変形例の直動−回転アクチュエータ40を示し、図1〜図5の実施例と同じ符号は同じものを表す。磁石列7に沿って、シャフト4の軸方向に複数の磁気素子を配列したセンサ42,44が複数個、例えば2個、配置され、一方のセンサの信号をS1、他方のセンサの信号をS2とする。2個のセンサ42,44の信号S1,S2を、図7の制御回路50で直動位置xと回転角θとに変換する。直動位置xを求めるには、センサ信号S1とS2を加算部51で加算し、参照表53で直動位置xに変換する。回転位置θを求めるには、センサ信号S1とS2との差分を差分部52で求め、参照表54で回転角θに変換する。センサを3個以上設ける場合、これらの信号の平均から直動位置xが求まり、これらの信号の相対値から回転角θが求まる。
図8〜図10に第2の実施例を示し、以下に指摘する点以外は図1〜図7の実施例及び変形例と同様である。61は直動用の磁石列で、永久磁石62をシャフト4の軸方向に沿って配列したもので、永久磁石62の端面はシャフト4の軸に直角である。このためセンサ14はシャフト4の直動位置のみを表す信号を出力する。64は磁気マークで、その周囲に、複数個で例えば4個の検出コイルS1,S2,C1,C2が配置されている。66は制御回路で、シャフト4の直動位置と回転角とを求めて、駆動コイル10,12を制御する。
図9は磁気マーク64と検出コイルS1,S2,C1,C2の配置を示す。磁気マーク64は例えば磁性体で構成され、シャフト4の中心から磁気マーク64の外周面までの距離が回転角により変化して、120°毎等の所定の角度で同じパターンを繰り返す。磁気マークの周囲に、例えば90°毎に検出コイルS1,S2,C1,C2が配置され、励磁電流の周波数をω、シャフト4の回転角をθとすると、検出コイルS1はsinθsinωtの信号を、検出コイルS2は
-sinθsinωtの信号を、検出コイルC1はcosθsinωtの信号を、検出コイルC2は-cosθsinωtの信号を出力する。そこで特許文献2の信号処理回路と同様にして、4個の検出コイルS1,S2,C1,C2の電流から、回転角を求めることができる。なお検出コイルの数、励磁コイルの有無等は任意で、磁性体から成る磁気マーク64に代えて、永久磁石からなる磁気マークを用いても良い。さらに光学式のエンコーダを用いても良い。
-sinθsinωtの信号を、検出コイルC1はcosθsinωtの信号を、検出コイルC2は-cosθsinωtの信号を出力する。そこで特許文献2の信号処理回路と同様にして、4個の検出コイルS1,S2,C1,C2の電流から、回転角を求めることができる。なお検出コイルの数、励磁コイルの有無等は任意で、磁性体から成る磁気マーク64に代えて、永久磁石からなる磁気マークを用いても良い。さらに光学式のエンコーダを用いても良い。
図8に戻り、シャフト4の直動ストロークL1の任意の位置で回転角を検出できるように、シャフト4の軸方向に沿った磁気マーク64の長さL3を、ストロークL1以上とすることが好ましい。この点は、永久磁石を磁気マークとする場合も、光学式のエンコーダを用いる場合も同様である。
図10は制御回路66の構成を示し、演算回路68はセンサ14の信号から直動位置xを求めて、メモリ25に記憶させ、駆動回路27は求めた直動位置に基づいて駆動コイル10を駆動する。演算回路69は検出コイルS1,S2,C1,C2を流れる電流から回転角θを求めて、メモリ26に記憶させ、駆動回路28は求めた回転角に基づいて駆動コイル12を駆動する。
実施例には以下の特徴がある。
1) シャフト4と、磁石列7,9等及び駆動コイル10,12により、直動と回転とを行うことができコンパクトな、直動−回転アクチュエータが得られる。
2) 回転用の磁石8がシャフト4の直動ストロークL1以上の長さを持つことにより、ストロークの任意の位置で回転できる。
3) 駆動コイル10,12を取り巻く磁気ヨークがないので、永久磁石に磁気ヨークが吸着することがなく、滑らかに始動できる。
4) コンパクトな直動−回転アクチュエータなので、チップマウンタ等に適している。
1) シャフト4と、磁石列7,9等及び駆動コイル10,12により、直動と回転とを行うことができコンパクトな、直動−回転アクチュエータが得られる。
2) 回転用の磁石8がシャフト4の直動ストロークL1以上の長さを持つことにより、ストロークの任意の位置で回転できる。
3) 駆動コイル10,12を取り巻く磁気ヨークがないので、永久磁石に磁気ヨークが吸着することがなく、滑らかに始動できる。
4) コンパクトな直動−回転アクチュエータなので、チップマウンタ等に適している。
2,40 直動−回転アクチュエータ
4 シャフト
6,8 永久磁石
7,9 磁石列
10,12 駆動コイル
14 センサ
16 磁気シールド
18 制御回路
20 ハンド
22 スイッチ
23,24 参照表
25,26 メモリ
27,28 駆動回路
42,44 センサ
50 制御回路
51 加算部
52 差分部
53,54 参照表
60 直動−回転アクチュエータ
61 磁石列
62 永久磁石
64 磁気マーク
66 制御回路
68,69 演算回路
S1,S2,C1,C2 検出コイル
4 シャフト
6,8 永久磁石
7,9 磁石列
10,12 駆動コイル
14 センサ
16 磁気シールド
18 制御回路
20 ハンド
22 スイッチ
23,24 参照表
25,26 メモリ
27,28 駆動回路
42,44 センサ
50 制御回路
51 加算部
52 差分部
53,54 参照表
60 直動−回転アクチュエータ
61 磁石列
62 永久磁石
64 磁気マーク
66 制御回路
68,69 演算回路
S1,S2,C1,C2 検出コイル
Claims (5)
- 直動と回転とが自在な直動−回転アクチュエータであって、
外周が円形のシャフトと、
前記シャフトの軸方向に沿って配列されている複数の磁石から成る、直動用の磁石列と、
前記直動用の磁石列の外周側に配置されている直動用の駆動コイルと、
前記シャフトの周方向に沿って配列されている複数の磁石から成る、回転用の磁石列と、
前記回転用の磁石列の外周側又は内側に配置されている回転用の駆動コイルと、
前記直動用の駆動コイル及び前記回転用の駆動コイルを制御する制御回路、とを備えることを特徴とする、直動−回転アクチュエータ。 - 前記回転用の磁石は、シャフトの軸方向に沿って、シャフトが直動するストローク以上の長さを有することを特徴とする、請求項1の直動−回転アクチュエータ。
- 前記直動用の駆動コイルも前記回転用の駆動コイルも、コイルを取り巻く磁気ヨークを有しないことを特徴とする、請求項1または2の直動−回転アクチュエータ。
- 前記シャフトが可動側、前記駆動コイルが固定側であり、チップマウンタのアクチュエータである、ことを特徴とする、請求項1〜3のいずれかの直動−回転アクチュエータ。
- 直動と回転とが自在な直動−回転アクチュエータの駆動方法であって、
前記直動−回転アクチュエータは、
外周が円形のシャフトと、
前記シャフトの軸方向に沿って配列されている複数の磁石から成る、直動用の磁石列と、
前記直動用の磁石列の外周側に配置されている直動用の駆動コイルと、
前記シャフトの周方向に沿って配列されている複数の磁石から成る、回転用の磁石列と、
前記回転用の磁石列の外周側又は内側に配置されている回転用の駆動コイルと、
前記直動用の駆動コイル及び前記回転用の駆動コイルを制御する制御回路、とを備え、
前記直動用の駆動コイルに電流を流すことにより、前記シャフトを直動させると共に、
前記回転用の駆動コイルに電流を流すことにより、前記シャフトを回転させる、ことを特徴とする、直動−回転アクチュエータの駆動方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013193778A JP2015061412A (ja) | 2013-09-19 | 2013-09-19 | 直動−回転アクチュエータとその駆動方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013193778A JP2015061412A (ja) | 2013-09-19 | 2013-09-19 | 直動−回転アクチュエータとその駆動方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015061412A true JP2015061412A (ja) | 2015-03-30 |
Family
ID=52818553
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013193778A Pending JP2015061412A (ja) | 2013-09-19 | 2013-09-19 | 直動−回転アクチュエータとその駆動方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2015061412A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114888783A (zh) * | 2022-05-17 | 2022-08-12 | 煤炭科学研究总院有限公司 | 一种应急救援用穿戴式外骨骼机械手臂 |
-
2013
- 2013-09-19 JP JP2013193778A patent/JP2015061412A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114888783A (zh) * | 2022-05-17 | 2022-08-12 | 煤炭科学研究总院有限公司 | 一种应急救援用穿戴式外骨骼机械手臂 |
CN114888783B (zh) * | 2022-05-17 | 2023-06-27 | 煤炭科学研究总院有限公司 | 一种应急救援用穿戴式外骨骼机械手臂 |
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