JP2015061411A - 直動−回転アクチュエータとその制御方法 - Google Patents

Abstract

【構成】 直動−回転アクチュエータは、シャフトと、端面がシャフトの軸と直角な面から傾斜し、かつシャフト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を備えている。またアクチュエータは、シャフトを回転させる回転モータと、直動用の磁石列に沿って配置され、かつシャフトの軸方向に沿って配列された複数の磁気素子から成るセンサとを備え、センサの信号により、シャフトの直動位置、もしくはシャフトの回転角を求めて、駆動コイル及び回転モータを制御する。【効果】 １種類のセンサにより、シャフトの直動位置と回転角とを検出できる。【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、その制御方法とに関する。

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、回転モータの軸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軸を進退させる。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。

特開2004-364348 特許3862033

特許文献１の直動−回転アクチュエータでは、回転モータと直動モータ（リニアモータ）とに、それぞれエンコーダあるいは直動位置と回転角のセンサが必要で、コンパクトに設計することが難しい。それ故、この発明の課題は、直動と回転の双方を測定できるセンサを搭載する、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、
シャフトと、
端面が前記シャフトの軸と直角な面から傾斜し、かつ前記シャフト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、
前記シャフトを回転させる回転モータと、
前記直動用の磁石列に沿って配置されているセンサと、
前記センサの信号により、シャフトの直動位置、もしくはシャフトの回転角を求めて、前記駆動コイル及び前記回転モータを制御する制御回路、とを備え、
前記センサは、シャフトの軸方向に沿って配列された複数の磁気素子から成る、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制御方法であって、
前記直動−回転アクチュエータは、
シャフトと、
端面が前記シャフトの軸と直角な面から傾斜し、かつ前記シャフト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、
前記シャフトの軸を回転させる回転モータと、
前記直動用の磁石列に沿って配置され、かつシャフトの軸方向に沿って配列された複数の磁気素子から成り、直動用の磁石列と磁気素子との相互作用により、信号が変化するセンサ、とを備え、
シャフトの直動及び回転のいずれに対しても、センサが直動用の磁石列から受ける磁界を変化させて、センサから信号を取り出し、
制御回路により、前記信号から、シャフトの直動位置、もしくはシャフトの回転角を求めて、前記駆動コイル及び前記回転モータを制御する。

この発明では、直動用の磁石列に沿って配置され、かつシャフトの軸方向に沿って配列された複数の磁気素子から成り、直動用の磁石列と磁気素子との相互作用により、信号が変化するセンサを用いる。そしてこのセンサにより、アクチュエータの直動位置と回転角とを検出できる。このセンサの信号は直動と回転との双方により変化し、直動と回転とをタイミングをシフトさせて別個に行う、あるいはセンサを複数設ける等により、直動と回転とに信号を分離できる。そして１種類のセンサで直動と回転とを検出できるので、コンパクトな直動−回転アクチュエータが得られる。なおシャフトを可動側としても、駆動コイルを可動側としても良い。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、そのままその制御方法にも当てはまる。

好ましくは、前記回転モータは、前記シャフトに沿って配置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に配置されている回転用の駆動コイル、とから成る。このようにすると、シャフトを軸として直動モータと回転モータとを構成でき、シャフトはこれらの共通の軸となる。このためコンパクトな直動−回転アクチュエータが得られる。

好ましくは、前記直動用の駆動コイルを駆動している際に、前記センサの信号を直動位置に変換し、前記回転モータを駆動している際に、前記センサの信号を回転角に変換するように、制御回路を構成する。このようにすると、直動と回転とを別個に行うことにより、直動と回転とが混合した信号を出力するセンサでも、アクチュエータの直動と回転とを制御できる。

好ましくは、前記センサがシャフトの外周方向に沿って複数個設けられ、前記制御回路は、複数個のセンサ信号の和に基づいて直動位置を求め、複数個のセンサ信号の差に基づいて回転角を求めるように構成されている。このようにすると、直動−回転アクチュエータの直動と回転とを同時に行うことができる。加算値に限らず、平均値等により直動を制御しても良く、差に限らず、差を定数倍したもの等により回転を制御しても良い。

好ましくは、センサは、非磁性の導電体から成る磁気シールドを介して、直動用の駆動コイルの外周側に配置されている。磁気シールドにより直動用の駆動コイルからの交流磁界を遮断することにより、センサの精度の高め、センサを直動用の駆動コイルの外周側に配置することにより、直動用の磁石列を短くできる。

直動−回転アクチュエータの用途は任意であるが、チップマウンタのアクチュエータとすると、小さな出力トルクでコンパクトなアクチュエータにより、チップの回転と直動とを正確に制御できる、との特徴を生かすことができる。

実施例の直動−回転アクチュエータの要部を示す図 図１のII−II方向断面図 図１のIII−III方向断面図 図１の要部を拡大して示す図 センサ信号の処理回路のブロック図 変形例の直動−回転アクチュエータの要部を示す図 変形例でのセンサ信号の処理回路のブロック図

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、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。

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。

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。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。

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２７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２８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。

実施例ではセンサ信号から座標（位置と回転角）への変換に参照表を用いたが、乗算その他の演算により座標を求めても良い。さらに直動用の磁石列７の周囲に回転用の駆動コイル１２を配置して、シャフト４を回転させることもできる。この場合、回転用の磁石列を直動用の磁石列で兼用したことになる。なおセンサ１４をリニアアクチュエータ２の他の部材とは分離して取り付け、図示しない回転モータによりリニアアクチュエータ２を回転させて、その回転角をセンサ１４により検出しても良い。ただしこのような設計では、コンパクトなリニアアクチュエータとはならない。またシャフト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。

実施例には以下の特徴がある。
1) センサ１４により、リニアアクチュエータ２の直動位置と回転角とを求めることができる。なお仮に、リニアアクチュエータ２に回転用のエンコーダ等を設けると、シャフト４が直動するため、シャフトのストローク分の長さを持つエンコーダ等が必要となる。
2) シャフト４と、磁石列７，９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、コンパクトである。

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

Claims (7)

1. 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、
   シャフトと、
   端面が前記シャフトの軸と直角な面から傾斜し、かつ前記シャフト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、
   前記シャフトを回転させる回転モータと、
   前記直動用の磁石列に沿って配置されているセンサと、
   前記センサの信号により、シャフトの直動位置、もしくはシャフトの回転角を求めて、前記駆動コイル及び前記回転モータを制御する制御回路、とを備え、
   前記センサは、シャフトの軸方向に沿って配列された複数の磁気素子から成る、ことを特徴とする、直動−回転アクチュエータ。
2. 前記回転モータは、
   前記シャフトに沿って配置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に配置されている回転用の駆動コイル、とから成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。
3. 前記制御回路は、
   前記直動用の駆動コイルを駆動している際に、前記センサの信号を直動位置に変換し、 前記回転モータを駆動している際に、前記センサの信号を回転角に変換するように構成されている、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。
4. 前記センサがシャフトの外周方向に沿って複数個設けられ、
   前記制御回路は、複数個のセンサ信号の和に基づいて直動位置を求め、複数個のセンサ信号の差に基づいて回転角を求めるように構成されている、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。
5. 前記センサは、非磁性の導電体から成る磁気シールドを介して、前記直動用の駆動コイルの外周側に配置されている、ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかの直動−回転アクチュエータ。
6. 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１〜５のいずれかの直動−回転アクチュエータ。
7. 直動と回転とが自在な直動−回転アクチュエータの制御方法であって、
   前記直動−回転アクチュエータは、
   シャフトと、
   端面が前記シャフトの軸と直角な面から傾斜し、かつ前記シャフト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、
   前記シャフトの軸を回転させる回転モータと、
   前記直動用の磁石列に沿って配置され、かつシャフトの軸方向に沿って配列された複数の磁気素子から成り、直動用の磁石列と磁気素子との相互作用により、信号が変化するセンサ、とを備え、
   シャフトの直動及び回転のいずれに対しても、センサが直動用の磁石列から受ける磁界を変化させて、センサから信号を取り出し、
   制御回路により、前記信号から、シャフトの直動位置、もしくはシャフトの回転角を求めて、前記駆動コイル及び前記回転モータを制御する、直動−回転アクチュエータの制御方法。

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