JP2010207064A - 電磁アクチュエータ及び関節装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的な回転トルクに起因する可動子の回転動作を規制することができる電磁アクチュエータ及び関節装置を提供する。
【解決手段】本発明の一形態に係る関節装置は、可動子１と、固定子２と、支持機構Ｄ３Ｓとを具備する。出力軸（駆動軸）８は、第１の電磁トルクによって当該出力軸のまわりに回転し、第２の電磁トルクによって当該出力軸と直交する軸のまわりに回転力を受けて傾動する。支持機構Ｄ３Ｓは、出力軸８に作用する上記傾動方向への回転トルクを弾性的に支持するコイルスプリング６１を含む。したがって、コイルスプリング６１の弾性力を適宜の値に設定することによって、出力軸８に作用する機械的な回転トルクに起因する、可動子１の固定子２に対する傾動動作を規制あるいは制限することが可能となる。また、当該回転トルクの大きさに応じて、可動子１の傾動角度を制御することが可能となる。
【選択図】図８

Description

本発明は、多自由度駆動を可能とする電磁アクチュエータ及び関節装置に関する。

近年、多自由度駆動を可能とするアクチュエータとして、三自由度球面電磁アクチュエータが知られている。例えば、非特許文献１には、球面全方位の駆動が可能であり、ロボットの肩関節や眼球の駆動に応用が期待される三自由度球面電磁アクチュエータが開示されている。

上記電磁アクチュエータは、可動子と、この可動子を３軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）方向のまわりに回転トルクを発生させる固定子を備えている。可動子は、ｘｙ平面に平行な周方向に沿って分割された４つの磁性体と、これら磁性体の間に９０°おきに挿入された４つの永久磁石とを含む。固定子は、可動子の外周側に所定のエアギャップを介して配置されており、ｚ軸方向に沿って上下二つに分割されている。個々の固定子はそれぞれ、６個の磁極をもつ同一材質の磁性体で形成されており、各磁極の極性を制御することで、可動子をｚ軸のまわりに３６０°、ｘ軸及びｙ軸のまわりに所定角度範囲にわたって回転させることが可能である。

電気学会研究会資料LD-08-46「３自由度球面電磁アクチュエータの研究」加嶋俊大、山本匡史、平田勝弘

しかしながら、上記構成を有する電磁アクチュエータにおいては、ｘ軸及びｙ軸のまわりへの可動子の回転範囲に制限があるため、この制限を超えて可動子を回転させた場合、可動子が初期位置へ復帰できなくなるという不都合がある。

特に、上記電磁アクチュエータを搬送ロボット等の関節部に適用した場合、被搬送体の自重やアームに加わる外力に起因するモーメントを受けることで、可動子に対してｘ軸、ｙ軸またはこれらの合成軸のまわりに機械的な回転トルクが作用する。この回転トルクによって可動子が所定角度範囲を超えて回転した場合、固定子による電磁トルクでは可動子が復帰位置へ復帰できなくなるおそれがある。この場合、当該電磁アクチュエータによる関節部としての所期の機能が果たせなくなり、搬送ロボットの動作不良を招く。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、機械的な回転トルクに起因する可動子の回転動作を規制することができる電磁アクチュエータ及び関節装置を提供することにある。

以上の目的を達成するため、本発明の一形態に係る電磁アクチュエータは、可動子と、固定子と、支持機構とを具備する。

上記可動子は、出力軸を有する。上記固定子は、上記可動子に対して、上記出力軸を回転中心とする第１の電磁トルクと、上記出力軸と直交する軸を回転中心とする第２の電磁トルクを発生させる。上記支持機構は、上記出力軸に作用する、上記出力軸と直交する軸のまわりへの回転トルクを弾性的に支持する。

出力軸は、第１の電磁トルクによって当該出力軸のまわりに回転し、第２の電磁トルクによって当該出力軸と直交する軸のまわりに回転力を受けて傾動する。支持機構は、出力軸に作用する上記回転トルクを弾性的に支持する。したがって、支持機構の弾性力を適宜の値に設定することによって、出力軸に作用する機械的な回転トルクに起因する、可動子の固定子に対する傾動動作を規制あるいは制限することが可能となる。また、当該回転トルクの大きさに応じて、可動子の傾動角度を制御することが可能となる。なお、出力軸は可動子と一体に形成されていてもよいし、可動子と別部材で構成されていてもよい。

さらに、支持機構は、出力軸に作用する機械的な回転トルクだけでなく、固定子との間の磁気的相互作用にて発生する上記第２の電磁トルクをも支持する。これにより、この第２の電磁トルクと支持機構の弾性力との間の力のつり合いを利用して、可動子を任意の傾動角度位置に位置決めすることが可能となる。また、支持機構の弾性力に基づいて、当該可動子の任意の傾動角度位置への位置決めをオープンループ制御で実現することができる。

上記支持機構は、第１の支持部材と、第２の支持部材と、コイルスプリングとを有していてもよい。上記第１の支持部材は、上記出力軸を軸支する。上記第２の支持部材は、上記固定子に取り付けられる。上記コイルスプリングは、上記第１の支持部材と上記第２の支持部材との間に上記出力軸と同心的に配置される。

出力軸がそれと直交する軸方向のまわりに回転トルクを受けたとき、第１の支持部材は出力軸と一体となって傾動する。この第１の支持部材の傾動によって、コイルスプリングに圧縮力が付加される。そこで、コイルスプリングの弾性力を適宜の値に設定することで、出力軸の傾動量が調整可能となる。また、コイルスプリングを予め圧縮された状態にしておくことで、当該コイルスプリングの圧縮力に相当する回転トルク以下の外力に対して、出力軸の傾動を防止することが可能となる。

上記電磁アクチュエータは、上記可動子を支持する球面ベアリングを含む支持軸をさらに具備してもよい。

これにより、可動子の三次元的な回転動作を安定かつ円滑に支持することが可能となる。

一方、上記支持機構は、軸受け部と、板バネとを有していてもよい。上記軸受け部は、上記出力軸を回転自在に支持する。上記板バネは、上記固定子と前記軸受け部との間に架け渡される。

出力軸がそれと直交する軸方向のまわりに回転トルクを受けることで傾動した際、上記板バネが変形することで、出力軸を初期位置へ復帰させる弾性力が出現する。この板バネの弾性力を適宜の値に設定することで、出力軸の傾動量が調整可能となる。また、当該板バネの変形に必要な機械力に相当する回転トルク以下の外力に対して、出力軸の傾動を防止することが可能となる。

上記構成の支持機構において、可動子は、上記出力軸の延在方向に沿って分割され、上記板バネの両主面と隙間を介して対向する第１及び第２の可動子部で構成することができる。この場合、上記固定子は、上記出力軸の延在方向に沿って分割された第１及び第２の固定子部で構成することができる。板バネは、上記第１及び第２の固定子部の間に固定される第１の端部と、上記軸受け部に固定される第２の端部とを有する構成とすることができる。

これにより、支持機構の構成を複雑化することなく、出力軸と直交する軸まわりへの可動子の回転規制を実現することが可能となる。

上記電磁アクチュエータは、上記出力軸に取り付けられたアーム部材をさらに具備してもよい。

これにより、例えば、被搬送体を目的とする位置へ搬送するための搬送ロボットを構成することが可能となる。また、アーム部材の自重やアーム部材に作用する負荷に起因する、可動子に対する機械的な回転トルクを上記支持機構によって弾性的に支持することが可能となる。

ここで、上記可動子は、周方向に極性を交互に異ならせて磁化された複数の磁性体で構成することができる。また、固定子は、第１の固定子部と、第２の固定子部とで構成することができる。上記第１の固定子部は、上記可動子の外周側に向かって突出する複数の第１のコアと、上記複数の第１のコアにそれぞれ巻回された第１の電磁コイルとを含む。上記第２の固定子部は、上記可動子の外周側に向かって突出する複数の第２のコアと、上記複数の第２のコアにそれぞれ巻回された第２の電磁コイルとを含み、上記第１の固定子部に積層される。

この構成により、可動子に対して出力軸を回転中心とする第１の電磁トルクと、出力軸と直交する軸を回転中心とする第２の電磁トルクを付与することが可能となり、可動子の多自由度駆動が可能となる。

本発明の一形態に係る関節装置は、第１の部材と、可動子と、固定子と、第２の部材と、支持機構とを具備する。

上記可動子は、上記第１の部材に連結される出力軸を有する。上記固定子は、上記第２の部材に固定され、上記可動子に対して、上記出力軸を回転中心とする第１の電磁トルクと、上記出力軸と直交する軸を回転中心とする第２の電磁トルクを発生させる。上記支持機構は、上記出力軸と直交する軸のまわりへの回転トルクを弾性的に支持する。

第１の部材は、第１の電磁トルクによって、出力軸のまわりに回転される。また、第１の部材は、第２の電磁トルクによって、出力軸と直交する軸のまわりに回転力を受けて傾動する。支持機構は、第２の部材に対する第１の部材の傾動トルクを弾性的に支持する。したがって、支持機構の弾性力を適宜の値に設定することによって、出力軸に作用する機械的な回転トルクに起因する、可動子の固定子に対する傾動動作を規制あるいは制限することが可能となる。また、当該回転トルクの大きさに応じて、可動子の傾動角度を制御することが可能となる。

上記第１、第２の部材は、当該関節装置が適用される各種ロボットのアーム部材やリンクレバー等が含まれ、その形状や長さは特に限定されない。

本発明によれば、出力軸に作用する機械的な回転トルクに起因する、可動子の固定子に対する回転動作を規制することができる。

本発明の一実施形態に係る関節装置が適用される搬送ロボットの概略構成図である。 図１の搬送ロボットの一動作例を示す平面図及び側面図である。 本発明の一実施形態に係る関節装置の側断面図である。 上記関節装置を構成するアクチュエータの全体斜視図である。 上記アクチュエータの動作原理を説明する当該アクチュエータの概略斜視図である。 上記アクチュエータの動作原理を説明する図であり、（ａ）及び（ｂ）はアクチュエータの概略側面図、（ｃ）は概略平面図である。 （ａ）は図３の関節装置の平面図であり、（ｂ）は当該関節装置を構成する電磁アクチュエータの平面図である。 上記関節装置の一作用を説明する側断面図である。 上記関節装置の可動子の傾動角と電磁トルクとの関係を説明する図である。 本発明の他の実施形態に係る関節装置の側断面図である。 上記関節装置の支持機構を構成する板バネ部材の平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）

図１は、本発明の第１の実施形態に係る搬送装置を示す斜視図である。図示する搬送装置１００は、支軸部Ｐと、多関節アームＬとを備える。多関節アームＬは、第１のアーム部材Ｌ１と、第２のアーム部材Ｌ２と、第３のアーム部材Ｌ３とを有する。第１及び第２のアーム部材Ｌ２は、リンクレバー型のアームで構成されており、第３のアーム部材Ｌ３は、搬送対象物である基板Ｗを保持するハンド型のアームで構成されている。基板Ｗは、例えば、半導体ウェハ、ディスプレイ用のガラス基板等である。搬送装置１００は、例えば、基板成膜ユニットの一部として、真空処理室内に配置されてもよい。

図２（ａ）は搬送装置１００の平面図、図２（ｂ）は搬送装置１００の側面図である。支軸部Ｐと第１のアーム部材Ｌ１は第１の駆動部Ｄ１により接続され、第１のアーム部材Ｌ１と第２のアーム部材Ｌ３は第２の駆動部Ｄ２により接続され、第２のアーム部材Ｌ３と第３のアーム部材Ｌ３は第３の駆動部Ｄ３により接続されている。それぞれの接続は、それぞれの部材が相対的に移動（旋回）可能な関節部を構成している。

支軸部Ｐは図示しない基台に設置され、各アーム部材Ｌ１〜Ｌ３を略水平な姿勢で支持する。支軸部Ｐは、また、鉛直方向（ｚ軸方向）に昇降する機構を備えていてもよい。

第１の駆動部Ｄ１は、支軸部Ｐの頂部と第１のアーム部材Ｌ１の一端との間を接続し、支軸部Ｐに対して第１のアーム部材Ｌ１をｘｙ平面内で旋回させる駆動軸を備えている。第２の駆動部Ｄ２は、第１のアーム部材Ｌ１の他端と第２のアーム部材Ｌ２の一端との間を接続し、第１のアーム部材Ｌ１に対して第２のアーム部材Ｌ２をｘｙ平面で旋回させる駆動軸を備えている。第３の駆動部Ｄ３は、第２のアーム部材Ｌ２の他端と第３のアーム部材Ｌ３の一端との間を接続する。そして、後述するように、第３の駆動部Ｄ３は、第２のアーム部材Ｌ２に対して第３のアーム部材Ｌ３をｘｙ平面で旋回させる機能と、ｘｙ平面に平行な軸（以下、水平軸ともいう。）のまわりに第３のアーム部材Ｌ３を傾動させる機能とを備えた電磁アクチュエータで構成されている。

なお、第１の駆動部Ｄ１は、第１のアーム部材Ｌ１を旋回させる第１の駆動源と第２のアーム部材Ｌ２を旋回させる第２の駆動源を備えていてもよい。この場合、第２の駆動部Ｄ２は、第２の駆動軸の駆動力をベルト、歯車あるいはリンク機構を介して伝達される軸（プーリ）で構成することができる。

第３のアーム部材Ｌ３は、基板Ｗを摩擦力で保持する保持層を有していてもよい。これ以外にも、第３のアーム部材Ｌ３は、メカニカルチャック機構、静電チャック機構、バキュームチャック機構などの基板保持機構を備えていてもよい。

搬送装置１００は、第１〜第３の駆動部Ｄ１〜Ｄ３をそれぞれ独立あるいは同期して駆動することにより、多関節アームＬをｘｙ平面内で旋回させたり伸縮させたりすることが可能である。これにより、任意の位置において第３のアーム部材Ｌ３で基板Ｗを支持したり、他の任意の位置へ基板Ｗを搬送したりすることが可能とされる。また、後述するように、第３の駆動部Ｄ３は、第３のアーム部材Ｌ３を水平軸のまわりに傾動させることが可能とされる。

次に、第３の駆動部Ｄ３の構成について説明する。第３の駆動部Ｄ３は、第２のアーム部材Ｌ２と第３のアーム部材Ｌ３との間を接続する関節装置として構成される。

図３は駆動部Ｄ３の詳細を示す側断面図である。第３の駆動部Ｄ３は、第３のアーム部材Ｌ３を弾性的に支持する支持機構Ｄ３Ｓと、第３のアーム部材Ｌ３を回転または傾動させるアクチュエータＤ３Ｍを備えている。

図４は、アクチュエータＤ３Ｍの要部の斜視図である。アクチュエータＤ３Ｍは、可動子１と固定子２とを備える。可動子１は、ｘｙ平面内の円周方向に沿って４つの分割された磁性体１１と、隣接する２つの磁性体１１の各間に等ピッチ(９０°間隔)で挿入された４つの永久磁石１２(例えば、残留磁束密度Br=１．４T)とを有している。すなわち、可動子１は、円周方向に２つの磁極対を有する。永久磁石１２は、矢印ｄの向きに着磁されている。

固定子２は、可動子１を駆動するための複数の電磁石３を有する。これら電磁石３は、コア３２及びこのコア３２に巻かれたコイル３１で構成されている。電磁石３は、上段及び下段にそれぞれ６個ずつ設けられている。上段の複数の電磁石３と、下段の複数の電磁石３とは、可動子１の外周側に向けて突出するように、円周形状である固定子２の外枠部２１Ａ、２１Ｂの内周面側にそれぞれ等ピッチ（６０°間隔）で取り付けられている。上段の複数の電磁石３と、下段の複数の電磁石３とは、ｚ軸方向で対称位置となるように、それぞれ対応するように配置されている。外枠部２１Ａ、２１Ｂは、共通の固定子ケース２０に収容されており、互いの相対位置が規定されている。

コア３２の端部である磁極３２１の先端面は、可動子１の外周面と対向している。可動子１と固定子２との対向面は球面にそれぞれカットされ、所定のギャップ(例えば、０．５mm)を有するように支持されている。

各コイル３１に供給される電流は独立して制御することが可能であり、１２個の磁極３２１のそれぞれにおける励磁量も独立に制御することが可能である。本実施形態のアクチュエータＤ３Ｍは、３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電流で駆動されるコイル３１の組が、４組構成されている。何れのコイルが何れの相で駆動されるかは任意に設定可能である。磁極３２１の数も上記の例に限られず、アクチュエータの大きさ、必要とする回転トルク等に応じて適宜設定することが可能である。

アクチュエータＤ３Ｍは、固定子２が第２のアーム部材Ｌ２に、可動子１が第３のアーム部材Ｌ３に、上記ｚ軸が鉛直方向となるように配置され、第３のアーム部材Ｌ３を、支持機構Ｄ３Ｓを介して、第２のアーム部材Ｌ２に対して回転及び傾動可能に接続している。

次に、このアクチュエータＤ３Ｍの動作原理について図５及び図６を参照して説明する。図５は、アクチュエータＤ３Ｍの動作原理を説明するための斜視図で、電磁石３のコイル３１の図示は省略されている。

まず、ｘ軸周りの回転運動について動作原理を説明する。図６（ａ）は、図５で示したｘ軸に垂直な断面、すなわち断面Ａを表している。ここで、断面Ａ内には４つの磁極３２１が存在している。また、これら４つの磁極３２１に対向する磁性体１１は、永久磁石１２の着磁方向により、Ｓ極の磁性を示している。

今、図６（ａ）で示した磁極が現れるようにコイル３１が励磁されると、可動子１は図中の矢印方向に電磁トルクを得て傾動することができる。また、コイル３１の電流を反転させると、可動子１は図６（ａ）とは反対方向に電磁トルクを得ることになる。ｘ軸周りの回転におけるトルク量は、断面Ａ内に存在するコア３２に巻かれたコイル３１への電流量を調整することによって制御可能である。

なお、可動子１の図中矢印方向への傾動量が所定以上に大きくなると、可動子１に作用する電磁トルクが弱まることで、動作が不安定になる。この所定以上の可動子１の回転角範囲を、以下、「動作不安定領域」ともいう。これに対して、可動子１の傾動量が上記所定未満の回転角範囲を、可動子１の「動作安定領域」とする。

次に、ｙ軸周りの回転運動について、図６（ｂ）をもとに説明する。図６（ｂ）は断面Ａをｚ軸周りに６０°回転させた断面、すなわち断面Ｂまたは断面Ｃを示している。ここで、断面Ｂ及び断面Ｃにおいても、その断面内には４つの磁極３２１が存在している。また、これら４つの磁極３２１に対向する磁性体１１は、永久磁石１２の着磁方向により、Ｎ極の磁性を示している。

今、図６（ｂ）で示した磁極が現れるようにコイル３１が励磁されると、可動子１は図中の矢印方向に電磁トルクを得て傾動することができる。また、コイル３１の電流を反転させると、可動子１は図６（ｂ）とは反対方向にトルクを得ることになる。すなわち、断面Ｂ及び断面Ｃの両方において、同様の作用によって同じ大きさのトルクを作用させれば、可動子に働く合力はｙ軸周りの回転トルクとなる。ｙ軸周りの回転におけるトルク量は、断面ＢまたはＣ内に存在するコア３２に巻かれたコイル３１への電流量を調整することによって制御可能である。なお、この場合にも、上述したような可動子１の「動作不安定領域」が存在する。

最後に、ｚ軸周りの回転について、図６（ｃ）をもとに動作原理を説明する。図６（ｃ）はｚ軸に垂直な断面図を示している。今、図６（ｃ）で示した磁極が現れるようコイル３１が励磁されると、可動子１は図中の矢印方向に電磁トルクを得ることができる。ｚ軸に沿って配置された２つの固定子についてそれぞれ同じ磁極を発生させれば、ｚ軸以外の軸には電磁トルクは発生しないことになる。また、コイル３１の電流を反転させると、可動子１は反対方向に電磁トルクを得ることになる。ｚ軸周りの回転におけるトルク量は、コア３２に巻かれたコイル３１への電流量を調整することによって制御可能である。

アクチュエータＤ３Ｍのこれらの駆動は、搬送装置１００の図示しない制御ユニットによって制御される。この制御ユニットは、他の駆動部Ｄ１、Ｄ２等の駆動制御系と同一ユニットで構成することができる。

さらに、本実施形態の搬送装置１００は、アクチュエータＤ３Ｍの可動子１を上述のような回転動作及び傾動動作可能に支持する支持軸４を備えている。この支持軸４は、ｚ軸方向に延在する固定軸であり、第２のアーム部材Ｌ２に連結されている。支持軸４は、その上端に、可動子１の中心部に取り付けられた球面ベアリング４１を有している。これにより、可動子１は、安定かつ円滑に回転され、あるいは傾動される。

続いて、第３の駆動部Ｄ３を構成する支持機構Ｄ３Ｓについて説明する。

図７（ａ）は、図３に示した駆動部Ｄ３の平面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）において支持機構Ｄ３Ｓを取り除いたときの平面図である。支持機構Ｄ３Ｓは、アクチュエータＤ３Ｍと第３のアーム部材Ｌ３との間を弾性的に支持するためのものである。支持機構Ｄ３Ｓは、上部支持ユニット５（第１の支持部材）と、コイルスプリング６１と、下部支持ユニット７（第２の支持部材）とを備える。

上部支持ユニット５は、駆動軸８（出力軸）を回転自在に支持する。駆動軸８は、その軸芯位置が可動子１の中心に配置されている。駆動軸８の下端部は、アクチュエータＤ３Ｍの可動子１と一体的に接合されたフランジ部８１に固定されており、駆動軸８の上端部は、第３のアーム部材Ｌ３を支持する台座部８２に固定されている。上部支持ユニット５は、コイルスプリング６１の上端を支持する環状部材５１と、駆動軸８の外周面に固定された筒状部材５３と、環状部材５１と筒状部材５３との間に配置されたベアリング部材５２とを有する。

下部支持ユニット７は、コイルスプリング６１の下端を支持する円板部材７１と、この円板部材７１をアクチュエータＤ３Ｍの固定子２に連結する一対の連結部材７２とを有する。円板部材７１は、その中心部に駆動軸６が挿通される貫通孔７１１を有する。貫通孔７１１は、駆動軸８の軸径よりも十分に大きな孔径を有しており、所定角度範囲にわたる駆動軸８の傾動を許容する。連結部材７２は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、駆動軸８を挟むように互いに対向して、固定子２の外枠部２１Ａ上にそれぞれ固定されている。円板部材７１と連結部材７２は、ボルト等の適宜の締結具を用いて一体化されている。

コイルスプリング６１は、上部支持ユニット５と下部支持ユニット７との間に駆動軸８と同心的に配置されている。コイルスプリング６１が駆動軸８と同心的に配置されることによって、可動子１の傾動方向に関係無く、等方的な弾性復元力を得ることができる。

コイルスプリング６１は、予め圧縮された状態で配置される。コイルスプリング６１への予付加荷重の大きさは、例えば、アクチュエータＤ３Ｍの電磁トルクによって駆動軸８の傾動動作を確保できる圧縮荷重に設定される。さらに、アーム部材Ｌ３に作用し得る比較的大きな外力に対して、可動子１が上記「動作安定領域」で可動子１の回転量を規制できる荷重に設定される。

なお、コイルスプリング６１は、予負荷状態で配置される例に限られない。また、コイルスプリング６１に代えて、他の弾性部材を採用することも可能である。例えば、筒状のゴム部材や合成樹脂製のコイル成形体などが適用可能である。

以上のように構成される本実施形態の搬送装置１００において、第３のアーム部材Ｌ３は、第３の駆動部Ｄ３よって、駆動軸８のまわりに電磁トルクを受けて回転する。また、第３のアーム部材Ｌ３は、アクチュエータＤ３Ｍによって、駆動軸８と直交する軸（ｘ軸、ｙ軸あるいはそれらの合成軸）のまわりに電磁トルクを受けて傾動する。これにより、搬送装置１００は、第３のアーム部材Ｌ３によって支持した基板Ｗを駆動軸８のまわりへの旋回動作と、ｘｙ平面に対するティルト動作が可能となる。

ここで、上記構成を有するアクチュエータＤ３Ｍにおいては、ｘ軸及びｙ軸のまわりへの可動子１の回転範囲に制限があるため、この制限を超えて上記動作不安定領域にまで可動子１が回転された場合、可動子１が初期位置へ復帰できなくなるおそれがある。

特に本実施形態では、被搬送体である基板Ｗの自重や、アーム部材Ｌ３に作用する過剰な外力に起因するモーメントを受けることで、可動子１は、ｘ軸、ｙ軸またはこれらの合成軸のまわりに機械的な回転トルクが作用する。この回転トルクによって可動子１が動作安定領域を超えて動作不安定領域にまで回転した場合、固定子２による電磁トルクでは可動子１が復帰位置へ復帰できなくなるおそれがある。この場合、当該電磁アクチュエータによる関節部としての所期の機能が果たせなくなり、搬送ロボットの動作不良を招く。

そこで、本実施形態の搬送装置１００は、支持機構Ｄ３Ｓを備えている。支持機構Ｄ３Ｓは、第２のアーム部材Ｌ２に対する第３のアーム部材Ｌ３の傾動トルクを弾性的に支持する。したがって、支持機構Ｄ３Ｓによる弾性支持力を適宜の値に設定することによって、駆動軸８に作用する機械的な回転トルクに起因する、可動子１の固定子２に対する回転動作を規制あるいは制限することが可能となる。また、当該回転トルクの大きさに応じて、可動子の回転角度を制御することが可能となる。

図８は、第３の駆動部Ｄ３が、第３のアーム部材Ｌ３に対して矢印で示す方向に比較的大きな負荷Ｐを受けたときの様子を示す要部側断面図である。アクチュエータＤ３Ｍの可動子１は、駆動軸８を介して負荷Ｐに起因する機械的トルク（モーメント）を受ける。これにより、固定子２が可動子１に対してｘ軸まわりに電磁トルクを付与していない場合でも、コイルスプリング１の弾性力に抗して、可動子１はｙ軸方向に傾動する場合がある。可動子１の傾動量は、負荷Ｐの大きさ、駆動軸８の長さ、可動子１の傾動中心と負荷Ｐの作用点との間の距離などによって定まる。このとき、コイルスプリング６１は、上部支持ユニット５による圧縮荷重を打ち消す方向に復元力を発生させ、可動子１の所定以上の傾動を規制する。その結果、可動子１に作用する機械的トルクとコイルスプリング６１の弾性力とがつり合う位置で、可動子１の傾動が停止される。図８は、駆動軸８を基準として角度θ傾いた位置で可動子１が停止した状態を示している。

上述のように、支持機構Ｄ３Ｓは、駆動軸８及び可動子１の傾動を規制する機能を有する。したがって、本実施形態によれば、アーム部材Ｌ３に比較的大きな負荷Ｐが作用した場合においても、可動子１の大きな傾動動作を規制できる。これにより、可動子１が「動作不安定領域」にまで傾動することを回避可能となり、固定子２からの所要の電磁トルクを発生させることで、可動子１を当初の水平位置まで安定に復帰させることができるようになる。

また、本実施形態によれば、アーム部材Ｌ３に作用する負荷Ｐとコイルスプリング６１の弾性力とのつり合い位置によって可動子１の傾動角が決まるため、可動子１の傾動角がわかれば固定子１（電磁石３）に対する電流制御で元の水平位置へ可動子１を安定に復帰させることが可能となる（図９）。

図９は、上記作用を説明する図である。図９（ａ）に示すように、ばねで支持された駆動軸を上記アクチュエータＤ３Ｍによって駆動制御する場合を考える。図９（ｂ）は、アームに対して鉛直上向き（＋方向）及び下向き（−方向）に荷重Ｐを作用させたときに、アームの傾斜角に対応する上記ばねの弾性力と、当該荷重Ｐを相殺するのに必要な電磁石への通電量との関係を示している。図９（ｂ）から明らかなように、アームを何れの方向に負荷を作用させた場合でも、ばねの復元力が発生する。

したがって、アームの傾斜角や駆動軸の傾斜角、可動子の傾動角、ばねの圧縮力などを電気的、機械的あるいは光学的に検出することで、アームを水平位置へ復帰させるのに必要なアクチュエータによる電磁トルクの大きさ、すなわちコイルへ供給する電流値（ｉ１、ｉ２、ｉ３、・・・［Ａ］）を一義的に定めることができる。上記検出をするためのセンサは、アクチュエータＤ３Ｍに内蔵されていてもよいし、アクチュエータＤ３Ｍの外部に配置されていてもよい。

一方、上記アームを水平位置から任意の傾斜角で傾斜させる場合にも、その傾斜角に応じた大きさの電流を電磁石へ供給することによって、安定に所望の傾斜角でアームを傾斜させることが可能となる。さらに、可動子１の傾動角とコイル電流値との関係を示すマッピングを予め用意することにより、オープンループ制御によるアームの傾斜角度制御が実現可能となる。これにより、アクチュエータの制御システムの簡素化、制御の容易化が図れるようになる。

（第２の実施形態）
図１０は本発明の第２の実施形態に係る搬送装置における第３の駆動部Ｄ３’を示している。図において、上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付している。駆動部Ｄ３’は、アクチュエータＤ３Ｍ’と保持機構Ｄ３Ｓ’とを備えている。

本実施形態のアクチュエータＤ３Ｍ’は、可動子１を構成する個々の永久磁石及び磁性材料が、それぞれ駆動軸８の延在方向（ｚ軸方向）に分割された下段側の第１の可動子部１Ａと上段側の可動子部１Ｂとで構成されている。これら２つの可動子部１Ａ、１Ｂの間には、所定の間隙１ｓが形成されている。

駆動軸８は、可動子１の中心部に固定された固定軸部８３を介して可動子１と一体化されている。固定軸部８３には軸受け部材４２のインナーレース部４２１と接合されている。第２の可動子部１Ｂは、軸受け部材４２のインナーレース部４２１に支持されている。第１の可動子部１Ａは、固定軸部８３の周囲に結合された回転ディスク９２の上に設置されている。

保持機構Ｄ３Ｓ’は、固定子２と駆動軸８の固定軸部８３との間に架け渡された板バネ部材６２を備えている。図１１は、保持機構Ｄ３Ｓ’の要部の平面図である。板バネ部材６２は、固定子２の外枠部２１Ａ、２１Ｂ（第１、第２の固定子部）の間に固定される外周端部６２１（第１の端部）と、軸受け部材４２のアウターレース部４２２に固定される内周端部６２２（第２の端部）とを有する。

板バネ部材６２は、第１の可動子部１Ａと第２の可動子部１Ｂとの間の間隙１ｓに挿通されることで軸受け部材４２のアウターレース部に固定されている。可動子部１Ａ、１Ｂは、板ばね部材６２の両主面にそれぞれ隙間を介して対向している。これにより、板バネ部材６２に対する可動子１の回転動作が確保される。内周端部６２２とアウターレース部４２２は、連結部材９３を介して連結されている。連結部材９３は、回転ディスク９２の回転量を磁気的あるいは光学的に検出するセンサ９１を支持する。これらセンサ９１、回転ディスク９２及び連結部材９３は、可動子１の回転角を検出する角度検出機構９を構成する。

板バネ部材６２は円板形状を有しており、その面内部に複数の円弧状の開口あるいはスリット６２３が形成されている。これらのスリット６２３は円周方向に間欠的に形成されており、その境界部には内周側領域と外周側領域とを連結する連結部６２４ｘ、６２４ｙがそれぞれ設けられている。連結部６２４ｘは、板バネ部材６２の内周側をその外周側に対してｘ軸まわりに弾性変形を可能とし、連結部６２４ｙは、板バネ部材６２の内周側をその外周側に対してｙ軸まわりに弾性変形可能とする。これにより、駆動軸８及び可動子１は、固定子２に対してｘ軸まわり、ｙ軸まわり、及びそれらの合成軸のまわりに傾動可能である。

以上のように構成される本実施形態の駆動部Ｄ３’において、可動子１は、固定子２からの電磁トルクを受けてｚ軸まわりの回転動作と、ｘ、ｙ軸のまわりの傾動動作が可能である。可動子１はｚ軸方向に分割された第１、第２の可動子部１Ａ、１Ｂで構成され、それらの間に板バネ部材６２が隙間を介して配置されているため、板バネ部材６２によって可動子１のｚ軸まわりの回転動作が阻害されることはない。また、可動子１の傾動時、板バネ部材６２は、第１、第２の可動子部１Ａ，１Ｂと接触してもよいが、固定子２（電磁石３）とは接触しないように、上下各固定子の電磁石３と板バネ部材６２との距離が規定される。

本実施形態において、駆動軸８及び可動子１に作用する水平軸まわりの機械的トルクは、板バネ部材６２の弾性力によって支持される。したがって、上述の第１の実施形態と同様に、当該機械的トルクによる可動子１の回転量を板バネ部材６２の弾性復元力によって規制し、動作不安定領域に至る可動子１の傾動動作を回避することができる。これにより、駆動部Ｄ３’の安定した駆動制御を確保することができる。板バネ部材６２の弾性力は、バネ材の厚みスリット６２３の幅、長さ、本数、位置などによって任意に調整することが可能である。

また、本実施形態によれば、上述の第１の実施形態と同様に、保持機構Ｄ３Ｓ’の弾性力を利用した可動子１の傾動角度制御を安定かつ容易に行うことができる。可動子１の傾動角度制御はオープンループ制御で行ってもよいし、フィードバック制御で行ってもよい。後者の場合、角度検出機構９を可動子１の傾動角センサとして兼用させることができる。

本実施形態において、支持機構Ｄ３Ｓ’を構成する板バネ部材６２は、円板状に限られない。例えば、上記板バネ部材を、駆動軸８側から外周の固定子２側に向かって放射状に延びる複数の短冊状の板バネ部材を用いることも可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば、以上の実施形態では、本発明に係る電磁アクチュエータ及び関節装置を搬送装置１００の第３の駆動部Ｄ３に適用した例について説明したが、第１、第２の駆動部Ｄ１、Ｄ２にも同様な構造を適用することも可能である。

また、搬送ロボットの関節部に限られず、例えば溶接ロボット、モニタ用カメラなど、回転及び傾動動作を伴う各種ロボットの関節装置及びその駆動源に、本発明は適用可能である。

１ 可動子
１Ａ、１Ｂ 可動子部
２ 固定子
３ 電磁石
４ 支持軸
５ 上部支持ユニット（第１の支持部材に相当）
７ 下部支持ユニット（第２の支持部材に相当）
８ 駆動軸（出力軸に相当）
１１ 磁性体
１２ 永久磁石
３１ コイル
３２ コア
４１ 球面ベアリング
６１ コイルスプリング
６２ 板バネ部材
１００ 搬送装置
Ｄ１〜Ｄ３ 駆動部
Ｌ１〜Ｌ３ アーム部
Ｄ３Ｍ、Ｄ３Ｍ’ アクチュエータ
Ｄ３Ｓ、Ｄ３Ｓ’ 支持機構

Claims (8)

1. 出力軸を有する可動子と、
   前記可動子に対して、前記出力軸を回転中心とする第１の電磁トルクと、前記出力軸と直交する軸を回転中心とする第２の電磁トルクを発生させる固定子と、
   前記出力軸に作用する、前記出力軸と直交する軸のまわりへの回転トルクを弾性的に支持する支持機構と
   を具備する電磁アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の電磁アクチュエータであって、
   前記支持機構は、
   前記出力軸を軸支する第１の支持部材と、
   前記固定子に取り付けられた第２の支持部材と、
   前記第１の支持部材と前記第２の支持部材との間に前記出力軸と同心的に配置されたコイルスプリングとを有する
   電磁アクチュエータ。
3. 請求項２に記載の電磁アクチュエータであって、
   前記可動子を支持する球面ベアリングを含む支持軸をさらに具備する
   電磁アクチュエータ。
4. 請求項１に記載の電磁アクチュエータであって、
   前記支持機構は、
   前記出力軸を回転自在に支持する軸受け部と、
   前記固定子と前記軸受け部との間に架け渡された板バネとを有する
   電磁アクチュエータ。
5. 請求項４に記載の電磁アクチュエータであって、
   前記可動子は、前記出力軸の延在方向に沿って分割され、前記板バネの両主面と隙間を介して対向する第１及び第２の可動子部を有し、
   前記固定子は、前記出力軸の延在方向に沿って分割された第１及び第２の固定子部を有し、
   前記板バネは、前記第１及び第２の固定子部の間に固定される第１の端部と、前記軸受け部に固定される第２の端部とを有する
   電磁アクチュエータ。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の電磁アクチュエータであって、
   前記出力軸に取り付けられたアーム部材をさらに具備する
   電磁アクチュエータ。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の電磁アクチュエータであって、
   前記可動子は、周方向に極性を交互に異ならせて磁化された複数の磁性体を有し、
   前記固定子は、
   前記可動子の外周側に向かって突出する複数の第１のコアと、前記複数の第１のコアにそれぞれ巻回された第１の電磁コイルとを含む第１の固定子部と、
   前記可動子の外周側に向かって突出する複数の第２のコアと、前記複数の第２のコアにそれぞれ巻回された第２の電磁コイルとを含み、前記第１の固定子部に積層された第２の固定子部とを有する
   電磁アクチュエータ。
8. 第１の部材と、
   第２の部材と、
   前記第１の部材と連結される出力軸を有する可動子と、
   前記第２の部材に固定され、前記可動子に対して、前記出力軸を回転中心とする第１の電磁トルクと、前記出力軸と直交する軸を回転中心とする第２の電磁トルクを発生させる固定子と、
   前記出力軸と直交する軸のまわりへの回転トルクを弾性的に支持する支持機構と
   を具備する関節装置。