JP2015061412A - 直動−回転アクチュエータとその駆動方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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 センサ信号の制御回路のブロック図 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制御回路のブロック図 第２の実施例の直動−回転アクチュエータの要部を示す図 第２の実施例での磁気マークと検出コイルとの配置を示す図 第２の実施例での制御回路のブロック図

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、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。

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。

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

Claims (5)

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、
   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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

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