TW201524089A - 線性－旋轉致動器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明之線性-旋轉致動器係具備有：軸桿；線性運動用磁鐵列，其包含複數個磁鐵，該複數個磁鐵係由端面自與軸桿之軸成直角之面呈傾斜且沿著軸桿所排列；及線性運動用驅動線圈，其係配置在線性運動用磁鐵列之外周側。又，致動器係具備有：旋轉馬達，其使軸桿旋轉；及感測器，其係沿著線性運動用磁鐵列所配置，且包含沿著軸桿之軸向排列之複數個磁性元件；且根據感測器之信號，求出軸桿之線性運動位置或者軸桿之旋轉角，而控制驅動線圈及旋轉馬達。藉由一種感測器可檢測出軸桿之線性運動位置與旋轉角。

Description

線性-旋轉致動器及其控制方法

本發明係關於一種可自如地線性運動與旋轉之線性-旋轉致動器及其控制方法。

專利文獻1(日本專利特開2004-364348)揭示有可自如地線性運動與旋轉之致動器。於專利文獻1中，於旋轉馬達之軸內設置線性馬達，利用旋轉馬達之旋轉而使線性馬達整體旋轉，並藉由線性馬達而使輸出軸進退。該致動器可用於必須線性運動及旋轉之用途、例如機器手臂之驅動等。

專利文獻2(日本專利3862033)揭示有使用磁性體與線圈之相互作用之感測器。於專利文獻2中，例如，使將激磁線圈與檢測線圈相互交錯配置之感測器相對於永久磁鐵列對向。若對激磁線圈施加頻率ω之交流電，則於檢測線圈中亦會產生頻率ω之感應電壓。此處，由於感應電壓之強弱係根據來自磁鐵之磁場而調變，因此可檢測出以磁鐵列為基準之位置。再者，關於此種位置感測器，已知有各種樣式，例如，可兼用激磁線圈與檢測線圈。又，已知有為了準確地提取調變之強弱，而將以磁鐵列為基準之相位設為，提取sin cosωt之信號及cos sinωt之信號，並藉由加法定理設為sin(+ωt)等巧妙之電路。

[專利文獻1]日本專利特開2004-364348

[專利文獻2]日本專利3862033

於專利文獻1之線性-旋轉致動器中，旋轉馬達及線性運動馬達(linear motor)中分別必須有編碼器或線性運動位置及旋轉角之感測器，而難以小型化地設計。因此，本發明之課題在於提供一種搭載可測定線性運動及旋轉雙方之感測器的線性-旋轉致動器。

本發明係一種可自如地線性運動與旋轉之線性-旋轉致動器，其特徵在於，具備有：軸桿；線性運動用磁鐵列，其包含複數個磁鐵，該複數個磁鐵係由端面自與上述軸桿之軸成直角之面呈傾斜且沿著上述軸桿所排列；線性運動用驅動線圈，其係配置在上述線性運動用磁鐵列之外周側；旋轉馬達，其使上述軸桿旋轉；感測器，其係沿著上述線性運動用磁鐵列所配置；及控制電路，其根據上述感測器之信號而求出軸桿之線性運動位置或軸桿之旋轉角，而控制上述驅動線圈及上述旋轉馬達；且上述感測器係包含沿著軸桿之軸向排列之複數個磁性元件。

又，本發明係一種可自如地線性運動與旋轉之線性-旋轉致動器之控制方法，上述線性-旋轉致動器係具備有：軸桿；線性運動用磁鐵列，其包含複數個磁鐵，該複數個磁鐵係由端 面自與上述軸桿之軸成直角之面呈傾斜且沿著上述軸桿所排列；線性運動用驅動線圈，其係配置在上述線性運動用磁鐵列之外周側；旋轉馬達，其使上述軸桿之軸旋轉；及感測器，其係沿著上述線性運動用磁鐵列所配置，且包含沿著軸桿之軸向排列之複數個磁性元件，並藉由線性運動用磁鐵列與磁性元件之相互作用，而使信號產生變化；且無論對軸桿之線性運動及旋轉之任一者，均使感測器自線性運動用磁鐵列所接受之磁場產生變化，並自感測器將信號加以取出，藉由控制電路，從上述信號求出軸桿之線性運動位置或軸桿之旋轉角，而加以控制上述驅動線圈及上述旋轉馬達。

於本發明中，使用如下之感測器：沿著線性運動用磁鐵列所配置，且包含沿著軸桿之軸向排列之複數個磁性元件，並藉由線性運動用磁鐵列與磁性元件之相互作用，而使信號產生變化。而且，藉由該感測器，可檢測致動器之線性運動位置及旋轉角。該感測器之信號係根據線性運動及旋轉雙方而變化，可錯開時間而個別地進行線性運動及旋轉，或者可設置複數個感測器等，藉此將信號分離為線性運動及旋轉。而且，由於可藉由一種感測器檢測線性運動及旋轉，因此可獲得小型化之線性-旋轉致動器。再者，可將軸桿設為可動側，亦可將驅動線圈設為可動側。於本說明書中，與線性-旋轉致動器相關之記載，亦可直接適用於其控制方法。

較佳為，上述旋轉馬達係包含有：旋轉用磁鐵列，其包含沿著上述軸桿配置之複數個磁鐵；及旋轉用驅動線圈，其係配置在上述旋轉用磁鐵列之外周側。如此一來，能夠以軸桿為軸而構 成線性運動馬達及旋轉馬達，軸桿係成為該等共用之軸。因此，可獲得小型化之線性-旋轉致動器。

較佳為以如下方式構成控制電路：當驅動上述線性運動用驅動線圈時，將上述感測器之信號加以轉換為線性運動位置，當驅動上述旋轉馬達時，將上述感測器之信號加以轉換為旋轉角。如此一來，藉由個別地進行線性運動及旋轉，則即便為輸出混合有線性運動與旋轉之信號之感測器，亦可控制致動器之線性運動及旋轉。

較佳為，上述感測器係沿著軸桿之外周方向設置有複數個，且上述控制電路係包含如下：根據複數個感測器信號之和而求出線性運動位置，並根據複數個感測器信號之差而求出旋轉角。如此一來，可同時進行線性-旋轉致動器之線性運動及旋轉。不限定於相加值，亦可利用平均值等控制線性運動，且並不限定於差，亦可利用差之常數倍等控制旋轉。

較佳為，感測器係經由包含非磁性導電體之磁屏(magnetic shield)，而配置在線性運動用驅動線圈之外周側。藉由利用磁屏遮斷來自線性運動用驅動線圈之交流磁場，可提高感測器之精準度，而藉由將感測器配置於線性運動用驅動線圈之外周側，可縮短線性運動用磁鐵列。

線性-旋轉致動器之用途為任意，若作為晶片安裝機之致動器，則可發揮如下之特徵：可藉由輸出轉矩較小且小型化之致動器，正確地控制晶片之旋轉及線性運動。

2、40‧‧‧線性-旋轉致動器

4‧‧‧軸桿

6、8‧‧‧永久磁鐵

6a、6b‧‧‧磁鐵

7、9‧‧‧磁鐵列

10、12‧‧‧驅動線圈

14、42、44‧‧‧感測器

16‧‧‧磁屏

18‧‧‧控制電路

20‧‧‧手

22‧‧‧開關

23、24‧‧‧查詢表(LUT)

25、26‧‧‧記憶體

27、28‧‧‧驅動電路

50‧‧‧控制電路

51‧‧‧相加部

52‧‧‧差分部

53、54‧‧‧查詢表(LUT)

L1‧‧‧軸桿之x方向之行程

L2‧‧‧長度

x‧‧‧線性運動位置

θ‧‧‧旋轉角

Px、Pθ、S1、S2‧‧‧信號

圖1係表示實施例之線性-旋轉致動器之主要部分之 圖。

圖2係圖1之II-II方向剖面圖。

圖3係圖1之III-III方向剖面圖。

圖4係將圖1之主要部分放大表示之圖。

圖5係感測器信號之處理電路之方塊圖。

圖6係表示變形例之線性-旋轉致動器之主要部分之圖。

圖7係變形例之感測器信號之處理電路之方塊圖。

以下表示用以實施本發明之最佳實施例。本發明之範圍應根據申請專利範圍之記載，參考說明書及該領域眾所周知之技術，並根據該發明所屬技術領域中具有通常知識者之理解而決定。

圖1至圖7係表示實施例及其變形。於各圖中，相同元件符號係表示相同元件，各用語之意思係參照公知技術而廣泛地解釋。圖1係表示線性-旋轉致動器2之實施例，元件符號4係圓柱狀或圓筒狀等之軸桿，沿著其軸向排列永久磁鐵6，而構成線性運動用磁鐵列7。

磁鐵6係例如將磁性金屬粉成型所得之黏合磁鐵，呈筒狀，於中心貫通有軸桿4而固定於軸桿4，且兩端面係自與軸桿4之軸成直角之面傾斜。永久磁鐵6係沿著軸桿4之軸向被磁化，例如，以S極彼此相向或N極彼此相向之方式排列，而成為磁鐵列7。再者，磁化之方向(磁鐵內之磁通之方向)及磁鐵列7之構成方法為任意。

於軸桿4之一端呈環狀地固定有複數個永久磁鐵8， 而構成旋轉用磁鐵列9。磁鐵8其磁化之方向係軸桿4之周向，例如包含黏合磁鐵所成，例如以S極彼此相向或N極彼此相向之方式排列。較佳為，永久磁鐵8係沿著軸桿4之軸向，具有軸桿4之x方向之行程L1以上之長度L2，即便軸桿4進行線性運動，亦可作為旋轉用磁鐵列而發揮功能。

元件符號10係線性運動用驅動線圈，呈圓筒狀，且以圍繞線性運動用磁鐵列7之方式配置。元件符號12係旋轉用驅動線圈，呈圓筒狀，且以圍繞旋轉用磁鐵列9之方式配置。該等驅動線圈10、12雖然例如以U相、V相、W相3相之驅動電流動作，但驅動電流之種類、波形等為任意。又，流向驅動線圈10、12之電流係根據利用感測器14所求得之軸桿之線性運動位置x及旋轉角θ，進行反饋控制。此處，線性運動用磁鐵列7係藉由與線性運動用驅動線圈10之相互作用，而產生圖1之±x方向之力。又，旋轉用磁鐵列9係藉由與旋轉用驅動線圈12之相互作用，而產生圖1之±θ方向之力。將圖1之x方向之位置設為線性運動位置，將θ方向之位置設為旋轉角。於實施例中，雖然軸桿4及磁鐵列7、9為可動側，其他構件為固定側，但亦可將軸桿4及磁鐵列7、9固定，而使驅動線圈10、12等其他構件進行線性運動及旋轉。

元件符號14係感測器，複數個磁性元件沿著軸桿4之軸向排列，且設置於與磁鐵列7對向之位置。感測器14雖然例如為專利文獻2(日本專利3862033)中所記載之激磁線圈及檢測線圈，但亦可兼用激磁線圈與檢測線圈，又，亦可使用霍耳元件、磁阻元件等其他磁性元件。再者，磁性元件係指特性會根據來自外部之磁場而變化之元件。元件符號16係磁屏，包含非磁性之金屬所 成，遮斷來自驅動線圈之交流磁場。雖然由於將感測器14配置於驅動線圈10之外周側，因此設置磁屏16，但亦可不設置磁屏16，又，亦可將感測器14設置於圖1之鏈線之位置。

元件符號18係控制電路，根據感測器14之信號設置軸桿之線性運動位置x及旋轉角θ，而控制驅動線圈10、12。線性-旋轉致動器2例如作為晶片安裝機使用，例如於軸桿4之前端設置手20，吸取未圖示之晶片，並藉由旋轉運動而調整晶片之朝向，藉由x方向之運動使晶片例如下降，而安裝於未圖示之基板上。除此以外，線性-旋轉致動器2亦可用於機器手臂、檢查裝置、塗佈裝置等任意之用途。

將磁鐵列7沿著與軸桿4之軸成直角之剖面表示於圖2。由於磁鐵6之端面與軸不成直角，因此可看得到2個磁鐵6a、6b之邊界。驅動線圈10係呈環狀，於其外周存在有由磁屏16所包圍之感測器14。

將磁鐵列9沿著與軸桿4之軸成直角之剖面表示於圖3。例如，U相、V相、W相3相之驅動線圈12係呈環狀地圍繞磁鐵列9之外周，作為旋轉馬達而使軸桿4旋轉。

圖4係將軸桿4與驅動用線圈10放大表示，軸桿4貫通永久磁鐵6之中心軸，永久磁鐵6之端面係相對於與軸桿4之軸成直角之面傾斜。又，永久磁鐵6係固定於軸桿4。

圖5係表示控制電路18，感測器14之信號係依存於線性運動位置x與旋轉角θ雙方，而將該信號輸入至開關22。於致動器2進行線性運動中，信號Px被輸入至開關22，感測器信號係利用查詢表(LUT；Look up table)23轉換為線性運動位置，並作為 線性運動位置x而儲存於記憶體25。線性運動驅動電路27係根據該位置x控制驅動線圈10。又，於致動器旋轉中，信號Pθ被輸入至開關22，感測器信號係利用查詢表24轉換為旋轉角，並作為旋轉角θ而儲存於記憶體26。旋轉驅動電路28係根據該旋轉角θ控制驅動線圈12。再者，雖然於線性運動中例如使旋轉角θ固定而進行處理，於旋轉中例如使線性運動位置x固定而進行處理，但並不限定於此。

圖6、圖7係表示變形例之線性-旋轉致動器40，與圖1至圖5之實施例相同之元件符號表示相同元件。沿著磁鐵列7配置複數個例如2個感測器42、44，感測器42、44係於軸桿4之軸向排列有複數個磁性元件，將一感測器之信號設為S1，將另一感測器之信號設為S2。利用圖7之控制電路50將2個感測器42、44之信號S1、S2轉換為線性運動位置x及旋轉角θ。為了求出線性運動位置x，利用相加部51將感測器信號S1與S2相加，並利用查詢表27轉換為線性運動位置x。為了求出旋轉位置θ，利用差分部52求出感測器信號S1與S2之差分，並利用查詢表28轉換為旋轉角θ。於設置3個以上感測器之情形時，根據該等信號之平均求出線性運動位置x，並根據該等信號之相對值求出旋轉角θ。

於實施例中，雖然使用查詢表進行自感測器信號向座標(位置及旋轉角)之轉換，但亦可藉由乘法或其他運算求出座標。此外，亦可於線性運動用磁鐵列7之周圍配置旋轉用驅動線圈12，而使軸桿4旋轉。於該情形時，將由線性運動用磁鐵列兼作為旋轉用磁鐵列使用。再者，亦可與線性致動器2之其他構件分離地安裝感測器14，藉由未圖示之旋轉馬達使線性致動器2旋轉，而藉由感 測器14檢測其旋轉角。然而，若為此種設計，則不會成為小型化之線性致動器。又，若藉由未圖示之空氣軸承進行軸桿4之支持，則能夠以非接觸之形式支持軸桿4，而減少磨耗、故障等問題。

實施例具有以下特徵。

1)可藉由感測器14求出線性致動器2之線性運動位置及旋轉角。再者，若假設於線性致動器2設置旋轉用編碼器等，則由於軸桿4會線性運動，因此必須有具備軸桿之行程之長度之編碼器等。

2)可藉由軸桿4、磁鐵列7、9及驅動線圈10、12，而進行線性運動及旋轉，較為小型化。

2‧‧‧線性-旋轉致動器

4‧‧‧軸桿

6‧‧‧永久磁鐵

7‧‧‧磁鐵列

8‧‧‧永久磁鐵

9‧‧‧磁鐵列

10‧‧‧驅動線圈

12‧‧‧驅動線圈

14‧‧‧感測器

16‧‧‧磁屏

18‧‧‧控制電路

20‧‧‧手

L1‧‧‧軸桿之x方向之行程

L2‧‧‧長度

x‧‧‧線性運動位置

θ‧‧‧旋轉角

Claims (7)

1. 一種線性-旋轉致動器，其係可自如地線性運動與旋轉者，其特徵在於，具備有：軸桿；線性運動用磁鐵列，其包含複數個磁鐵，該複數個磁鐵係由端面自與上述軸桿之軸成直角之面呈傾斜且沿著上述軸桿所排列；線性運動用驅動線圈，其係配置在上述線性運動用磁鐵列之外周側；旋轉馬達，其使上述軸桿旋轉；感測器，其係沿著上述線性運動用磁鐵列所配置；及控制電路，其根據上述感測器之信號而求出軸桿之線性運動位置或軸桿之旋轉角，而控制上述驅動線圈及上述旋轉馬達；且上述感測器係包含沿著軸桿之軸向排列之複數個磁性元件。
2. 如申請專利範圍第1項之線性-旋轉致動器，其中，上述旋轉馬達係包含有：旋轉用磁鐵列，其包含沿著上述軸桿配置之複數個磁鐵；及旋轉用驅動線圈，其係配置在上述旋轉用磁鐵列之外周側。
3. 如申請專利範圍第1項之線性-旋轉致動器，其中，上述控制電路係構成為：當驅動上述線性運動用驅動線圈時，將上述感測器之信號加以轉換為線性運動位置，當驅動上述旋轉馬達時，將上述感測器之信號加以轉換為旋轉角。
4. 如申請專利範圍第1項之線性-旋轉致動器，其中，上述感測器係沿著軸桿之外周方向設置有複數個， 上述控制電路係以根據複數個感測器信號之和而求出線性運動位置，並根據複數個感測器信號之差而求出旋轉角之方式所構成。
5. 如申請專利範圍第1項之線性-旋轉致動器，其中，上述感測器係經由包含非磁性導電體之磁屏，而配置在上述線性運動用驅動線圈之外周側。
6. 如申請專利範圍第1項之線性-旋轉致動器，其係為晶片安裝機之致動器。
7. 一種線性-旋轉致動器之控制方法，其係可自如地線性運動與旋轉之線性-旋轉致動器之控制方法，上述線性-旋轉致動器係具備有：軸桿；線性運動用磁鐵列，其包含複數個磁鐵，該複數個磁鐵係由端面自與上述軸桿之軸成直角之面呈傾斜且沿著上述軸桿所排列；線性運動用驅動線圈，其係配置在上述線性運動用磁鐵列之外周側；旋轉馬達，其使上述軸桿之軸旋轉；及感測器，其係沿著上述線性運動用磁鐵列所配置，且包含沿著軸桿之軸向排列之複數個磁性元件，並藉由線性運動用磁鐵列與磁性元件之相互作用，而使信號產生變化；且無論對軸桿之線性運動及旋轉之任一者，均使感測器自線性運動用磁鐵列所接受之磁場產生變化，並自感測器將信號加以取出，藉由控制電路，從上述信號求出軸桿之線性運動位置或軸桿之旋轉角，而加以控制上述驅動線圈及上述旋轉馬達。