JP3101743B2

JP3101743B2 - 小型走行ロボット

Info

Publication number: JP3101743B2
Application number: JP04007013A
Authority: JP
Inventors: 太吉石井; 昭吉佐原; 誠名佐原; 一雄若林; 喜尚川嶋; 直人岡
Original assignee: セイコーインスツルメンツ株式会社
Priority date: 1992-01-18
Filing date: 1992-01-18
Publication date: 2000-10-23
Anticipated expiration: 2015-10-23
Also published as: JPH05193536A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、小型走行ロボットに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、特開平２−１４７１９５号公報な
どに開示されているように、モータの振動を利用して、
斜毛により移動する移動玩具が知られている。また、図
１１に示すようにコイル３１、走行用斜毛３３、上アー
ム３２、下アーム３４及び、板ばね３５を有する小型走
行ロボットが知られている。ここで、図１１（ｂ）の正
面図に示すように、駆動素子の一対は平行に組み合わさ
れている。

【０００３】図示しないリード線により、遠隔的にコイ
ル３１に間欠繰り返し電力を供給すると、電磁力による
吸引力と板ばね３５の反発力とが下アーム３４に交互に
作用して下アーム３４を上下に振動させる。この振動は
下アーム３４の下部に取り付けられた斜毛３３に伝えら
れ、斜毛３３の前後方向の摩擦力の差により小型ロボッ
トは移動する。この例では、斜毛３３が左側に向けて傾
斜して下アーム３４の下部に植立されているので、右方
向へ走行する。そして、両駆動素子の給電電力をそれぞ
れ制御することにより方向変換、速度変換などが自在に
できるものである。

【０００４】図１２は圧電式の例で、図１２（ａ）に示
すように、圧電素子３７、圧電素子を直列に接続する導
体３８、及び摩擦係数の異なる爪足３９、４０を有する
小型走行ロボットが知られている。図示しないリード線
により圧電素子に電力を給電すると、圧電素子３７の動
きは、その直列接続により拡大され、爪足３９および４
０の振幅は増大する。そして、増大した振動は爪足３９
および４０に伝えられ、この振動により摩擦力の少ない
爪足３９の方向にロボットは走行する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の小型走
行ロボットは、上述したように、振動を利用しているの
で歩幅に相当する振幅が充分にとることが困難であっ
た。これは床面の粗さと振幅との関係から床面の粗さに
制約を与えることになる。また、振動を利用するため、
その摩擦係数の低下は避けられず、傾斜面での操縦性能
が著しく悪化し、走行動作の早い、安定した小型走行ロ
ボットを得ることは困難であるという課題を有してい
た。

【０００６】そこで、本発明は従来のロボットのもつこ
のような課題を解消し、傾斜面での操縦性を高め、動作
の早い安定した廉価な小型走行ロボットを提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、少なくとも２つの極性の磁極を持つ永久
磁石と、永久磁石を保持する永久磁石保持手段と、永久
磁石の２つの極性の磁極と相対する位置にある１個以上
のコイルと、コイルを永久磁石の２つの極性の磁極に対
して往復運動可能に保持するコイル保持手段と、コイル
の往復運動の領域が永久磁石に対して、コイルが起動す
る時にコイルの往復運動の駆動力の発生する所定の範囲
となるようコイルの運動を規制するコイル停止手段と、
コイルに組み込まれ、接地面に対する所定方向の推進力
が他方向の推進力に比べて大きい接地部を有する歩行用
脚部とを有する構成とした。

【０００８】

【作用】本発明は、上記の構成としたので、上記磁石の
両面に配置されたコイルに交番電流を供給すると、コイ
ルと場所的に極性を異にして磁化された磁石との間に吸
引力および反発力が発生し、この力が総合的に働いてコ
イルが動かされる。この吸引力および反発力は、交番電
流により交互に変わるので、コイルは往復動を繰り返
し、その動きは各コイルの下端に設けられた歩行用脚部
に伝えられ、歩行動作を行う。

【０００９】このコイルの往復動は、場所的に極性を異
にして磁化された磁石面に沿って移動するために、その
振幅は大きなものが得られ、また、早い動作が可能とな
る。

【００１０】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明の第一実施例を示す斜視図で、図２
は、その動作を説明する図で、図３は本発明の第二実施
例の動作を説明する図で、図４は、本発明の第三実施例
を説明する図で、図５は、本発明の第四実施例の回路基
板を示す斜視図である。図６は、本発明に使用された回
路図で、図７は、本発明の動作タイミングを示すタイム
チャートで、図８は、本発明の第一実施例の動作を説明
する図で、図９は、本発明の第一実施例の動作を説明す
る図で、図１０は、本発明の第一実施例の動作を説明す
る図である。図１３は、本発明の第四実施例を示す斜視
図である。

【００１１】図１において、両面が着磁された磁石素子
１、２、空芯コイル３、４、ガイドフレーム５、ガイド
フレームに摺動自在に取り付けられたガイドブッシュ
６、脚用ホルダ７、斜毛８、そしてストッパ９、１０で
ある。磁石素子１および２はそれぞれの面が着磁されて
おり、その端面が互いに着磁された面の極性を異ならせ
て接合されて一つの磁石Ａを構成している。

【００１２】ガイドフレーム５は磁石Ａにその一部が接
着されており、磁石Ａの着磁された両面に対して、それ
ぞれコイル３および４の端面を一定の間隙を設けて対向
して配置されるように、ガイドブッシュ６を介して支持
している。ガイドブッシュ６は、筒状をなし、ガイドフ
レーム５の水平枠に緩く嵌め込まれてその枠に沿って摺
動自在に往復動できるように構成されており、その側面
は、空芯コイル３および４の磁石Ａから離れた端面にそ
れぞれ接着されている。そのため、これに接着されたコ
イル３および４もガイドフレーム５に対して摺動可能で
あり、それぞれ独立して動くことができる。

【００１３】コイル３及びコイル４に交番電流を供給す
るのは、リード線（図示しない）などにより行う。脚用
ホルダ７は、コイル３及びコイル４の両側面に接着され
ている。脚用ホルダ７の下端に、歩行用脚部を構成する
斜毛８が取り付けられている。斜毛８は、脚部と接地面
（図示しない）との間の摩擦係数が、方向により異な
る。斜毛８の摩擦係数が本発明の小型走行ロボットの移
動の往路と復路について差があることにより、一定方向
についての推進力が発生する。

【００１４】また、ガイドフレーム５が接地面（図示し
ない）に対して傾斜した構造では、斜毛８と接地面（図
示しない）との間の摩擦係数の差を増大させ、小型走行
ロボットの駆動の効率の向上が実現できる。本発明の小
型走行ロボットは、駆動回路（図示しない）からコイル
３及びコイル４に所定の交番電流を供給すれば、直線運
動や回転運動も可能で、方向転換や速度変更などの制御
も自在かつ容易にできる。

【００１５】図２は、図１の動作原理を説明する図で、
磁石素子１及び２は、上下側面が着磁されており、お互
いに極性を異にして接合されている。すなわち、磁石素
子１の上面はＮ極に、下面はＳ極に着磁されており、磁
石素子２の上面はＳ極に、下面はＮ極に着磁されてい
る。この磁石の両側面には、これにコイル面を対向させ
てコイル３及びコイル４が間隙をおいて配置されてい
る。

【００１６】図２（ａ）は、平面図でコイル３及びコイ
ル４に、図示した方向に通電した場合の動作を示してい
る。このとき、コイル３及びコイル４の右半分は磁石素
子２のＮ極及びＳ極との重なり部分では、右方へコイル
３及びコイル４を移動させる力Ｆ₁が、フレミングの左
手の法則によって働き、磁石素子１のＳ極及びＮ極との
異なり部分では、左方へコイル３及びコイル４を移動さ
せる力Ｆ₂が作用する。

【００１７】一方、コイル３及びコイル４の左半分は、
磁石素子１のＳ極及びＮ極に全面対向しているので、右
方へコイル３及びコイル４を移動させる力Ｆ₃が働いて
いる。図２（ａ）の平面図及び図２（ｃ）の正面図にお
いてのコイルの駆動力は、Ｆ₁＋Ｆ₃＞Ｆ₂ Ｆ₁＝Ｆ₂ ∴Ｆ₃＞０となって、各々のコイルは右方へ移動することになる。
ここで重要なことはＦ₃＝Ｆ₂ にならぬように、コイル３及びコイル４を磁石素子２の
Ｎ極及びＳ極との重なり位置ｄ₁に保つことである。

【００１８】本発明の実施例では、円形状コイルでコイ
ル径Ｄの１／５以上に図１のストッパ９及び１０でｄ₁
の位置を保持している。ｄ₁≧Ｄ／５図２（ｂ）及び（ｄ）は、コイル３及びコイル４が右側
から左方へ移動する原理を説明する平面図及び正面図
で、コイル３及びコイル４には、前とは逆の方向に通電
した場合の動作を示している。図示した通電によって、
コイル３およびコイル４の左半分は磁石素子１のＳ極及
びＮ極との重なり部分では、左方へコイル３及びコイル
４を移動させる力Ｆ₁が、磁石素子２のＮ極及びＳ極と
の重なり部分では、右方へコイル３及びコイル４を移動
させる力Ｆ₂が作用する。また、コイル３及びコイル４
の右半分は、磁石素子２のＮ極及びＳ極と全面対向して
いるので、左方へコイル３及びコイル４を移動させる力
Ｆ₃が働いている。ここでも、Ｆ₃＞Ｆ₂ が重要で、コイル３及びコイル４の右端の位置ｄ₂を、
図１のストッパ９及び１０で保持している。

【００１９】図３は、磁石素子を１個にした時の、動作
原理を説明する図で、磁石素子２は、上下側面が着磁さ
れており、磁石素子２の上面がＳ極に、下面はＮ極に着
磁されている。この磁石の両側面には、これにコイル面
を対向させてコイル３及びコイル４が間隙をおいて配置
されている。図３（ａ）及び図３（ｃ）は、平面図及び
正面図で、コイル３及びコイル４に図示した方向に通電
した場合の動作を示している。

【００２０】このとき、コイル３及びコイル４の右半分
は、磁石素子２のＮ極及びＳ極との重なり部分では、右
方へコイル３及びコイル４を移動させる力Ｆ₁が働き、
磁石素子２から離れている部分では、磁石素子２の磁束
（図示せず）の通る割合が減少するために、右方へコイ
ル３及びコイル４を移動させる力Ｆ₂は小さくなる。一
方、コイル３及びコイル４の左半分は、磁石素子２から
遠く離れているので左方へコイル３及びコイル４を移動
させる力Ｆ₃は微弱となる。

【００２１】すなわち、Ｆ₁＋Ｆ₂＞Ｆ₃ となり、Ｆ₁＞Ｆ₂＞Ｆ₃ の関係から、コイル３及びコイル４は、右方へ移動をす
る。

【００２２】図３（ｂ）及び図３（ｄ）は、コイル３及
びコイル４に逆の方向に通電した場合の動作を示してい
る。コイル３及びコイル４の右半分が磁石素子２のＮ極
及びＳ極と全面対向しているので、左方へコイル３及び
コイル４を移動させる力Ｆ₃は大きく働いている。コイ
ル３及びコイル４の左半分は、磁石素子２のＮ極及びＳ
極と対向する部分では、右方へコイル３及びコイル４を
移動させる力Ｆ₂が、Ｆ₃の約半分の力で作用し、磁石
素子２から離れている部分では、右方へコイル３及びコ
イル４を移動させる力Ｆ₁は微弱となる。

【００２３】つまり、Ｆ₁＋Ｆ₂＜Ｆ₃ となり、Ｆ₁＜Ｆ₂＜Ｆ₃ の関係から、コイル３及びコイル４は左方へ移動をす
る。

【００２４】ここでも、コイル３及びコイル４と磁石素
子２との相対位置関係が重要となる。図３（ａ）におい
てはコイルと磁石素子の重なり部分ｄ₁は、安全をみ
て、コイル径Ｄの１／５以上に、また、図３（ｂ）にお
いてはコイルと磁石素子の重ならない部分ｄ₂は、コイ
ル径Ｄの１／５以上に、左右のストッパ（図示せず）で
その位置を保持している。

【００２５】図４はコイル３及びコイル４の往復運動の
方向とコイルの長径が直角となる構造を示し、導体に通
電する電流の有効成分を増加させたものである。つま
り、コイルと磁石素子の駆動力の一般式は、Ｆ＝ＢＩＬ（Ｎ）Ｆ：力（Ｎ）Ｂ：磁束密度（Ｔ）Ｉ：電流（Ａ）Ｌ：導体の有効長（ｍ）で表されるが、フレミングの左手の法則によって、コイ
ルが移動する方向と直角に交叉する方向に流れる電流の
量、つまり電流の有効成分を増加させることが上式の導
体の有効長を増加することになる。

【００２６】ここでは、図４（ｃ）のコイル３のよう
に、コイル３を長径と短径を有する縦長の形状にして、
電流の有効成分を増加させ、磁石素子２を１個で２個分
の駆動力を生み出せることにした。また、図４（ａ）〜
図４（ｄ）において、図３と同様、コイル３及びコイル
４と磁石素子２との重なり位置は、それぞれｄ₁≧Ｄ／
８、ｄ₂≦Ｄ／２となるように安全性をみて、ストッパ
（図示せず）で位置を保持している。

【００２７】図５は、配線パターン１２及び配線パター
ン１３が形成されている回路基板１１に、コイル３を載
置し、コイル３の巻き終わりに相当する外周端１４及び
巻き始めに相当する内周端（図示せず）と、前記回路基
板１１の配線パターン１２及び配線パターン１３の接合
箇所１５及び接合箇所１６とをハンダ等接合材で結合す
る。

【００２８】図１３に示すように回路基板１１上にコイ
ル３を接合したことによって、コイル３からのリード線
が回路基板１１に置き変わる。回路基板１１の端部１１
ａが外部給電のコネクタ５０に接続してある。コネクタ
５０にはリード線５１を接続する。なお、回路基板１１
の端部１１ａはコネクタ５０の接続部でコイル３が往復
動作した時に変形可能な構造となっている。

【００２９】図６は、本発明に使用された回路図、図７
はタイムチャートである。可変素子２０を備えた発振回
路２１で図７のパルス波形（ａ）を発生させる。フリッ
プフロップ回路２２でＱ出力（ｂ）を作り、ゲート回路
２３及びゲート回路２４を経て波形（ｃ）及び波形
（ｄ）を入力させて、駆動回路２６によって駆動波形
（ｅ）及び駆動波形（ｆ）をＯＵＴ１〜ＯＵＴ４から出
力し、コイル３及びコイル４に印加し、駆動力を得てい
る。駆動波形（ｅ）と駆動波形（ｆ）は反転波形でコイ
ル３及びコイル４は、図１〜図４において左右に異なっ
た動作をし、切換スイッチ２５によって、駆動波形
（ｇ）及び駆動波形（ｈ）は同一波形となり、図１〜図
４のコイル３及びコイル４は同じ方向に動作をする。

【００３０】ここで、図７の各波形は、＋記号方向がプ
ラス出力で、−記号方向がマイナス出力である。図８、
図９及び図１０は、本発明による第一実施例の動作説明
図で、図８においては、図８（ａ）ではコイル３及びコ
イル４が左端に位置する。図８（ｂ）でコイル４が右方
へ、コイル３が左方へ移動する。図８（ｃ）では、コイ
ル３が右方へ、そしてコイル４が左方へ移動する。この
動作は、図７の駆動波形（ｅ）及び駆動波形（ｆ）の出
力に相当し、コイル３及びコイル４が常に反対方向に移
動する。

【００３１】図９では、コイル３及びコイル４が同一方
向に移動する。図９（ａ）の位置からコイル３及びコイ
ル４とも、図９（ｂ）の段階では左方に移動し、図９
（ｃ）で右方に同一駆動している。この動作は、図７の
駆動波形（ｇ）及び駆動波形（ｈ）の出力に相当する。
図１０では、コイル３及びコイル４が交互に休止時間を
挟んで移動する。図１０（ａ）で左側に位置し、図１０
（ｂ）でコイル４が右方へ、図１０（ｃ）でコイル３が
右方へ、図１０（ｄ）でコイル４が左方へ、そして図１
０（ｅ）でコイル３が左方へ移動する。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は小型走行
ロボットの動力部に永久磁石とこの磁石面に対向して、
それぞれコイルを配置し、このコイルを励磁することに
より、往復駆動力を得ている。そして、コイルの往復運
動の領域を永久磁石に対して、所定の範囲に規制する手
段を設けたことによって、安定性のある往復運動の駆動
力を得ることが可能となる。また、コイルの形状をコイ
ルの移動方向と交叉する方向に長径としたことにより、
電流の駆動力変換の有効成分を増加させ、永久磁石の磁
極面積を半減させる。

【００３３】一方、コイルの内外周端を回路基板に直接
結合したことによって、繁雑なコイルリード線の端末処
理作業の軽減とコイルリード線の断線事故の防止がはか
られる。また、左右各々のコイルに別々に交番電流を供
給するコイル駆動回路によって種々の動作をする小型ロ
ボットを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例を示す斜視図である。

【図２】本発明の動作原理を示す説明図である。

【図３】本発明の第二実施例の動作原理を示す説明図で
ある。

【図４】本発明の第三実施例を示す説明図である。

【図５】本発明の第四実施例の回路基板を示す斜視図で
ある。

【図６】本発明に使用された回路図である。

【図７】本発明の動作タイミングを示すタイムチャート
である。

【図８】本発明の第一実施例の動作を示す説明図であ
る。

【図９】本発明の第一実施例の動作を示す説明図であ
る。

【図１０】本発明の第一実施例の動作を示す説明図であ
る。

【図１１】従来の技術を説明する図である。

【図１２】他の従来の技術を説明する図である。

【図１３】本発明の第四実施例を示す斜視図である。

【符号の説明】

Ａ永久磁石１磁石素子２磁石素子３コイル４コイル５ガイドフレーム６ガイドブッシュ７脚用ホルダ８斜毛９ストッパ１０ストッパ１１回路基板１２パターン１３パターン１４コイル外周１５結合部１６結合部２０可変素子２１発振器２２フリップフロップ回路２３ゲート２４ゲート２５切換スイッチ２６駆動回路２７回転用スイッチ２８回転用スイッチ２９主スイッチ３０電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者若林一雄東京都江東区亀戸６丁目31番１号セイコー電子工業株式会社内 (72)発明者川嶋喜尚東京都江東区亀戸６丁目31番１号セイコー電子工業株式会社内 (72)発明者岡直人東京都江東区亀戸６丁目31番１号セイコー電子工業株式会社内 (56)参考文献特開平２−147195（ＪＰ，Ａ) 特開平４−306182（ＪＰ，Ａ) 特開平５−77771（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−83454（ＪＰ，Ａ) 特開平５−123982（ＪＰ，Ａ) 実開平１−90281（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B62D 57/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも２つの極性の磁極を持つ永久
磁石と、前記永久磁石を保持する永久磁石保持手段と、
前記永久磁石の２つの極性の磁極と相対する位置にある
１個以上のコイルと、前記コイルを前記永久磁石の２つ
の極性の磁極に対して往復運動可能に保持するコイル保
持手段と、前記コイルの往復運動の領域が、前記永久磁
石に対して、前記コイルが起動する時に前記コイルの往
復運動の駆動力の発生する所定の範囲となるよう前記コ
イルの運動を規制するコイル停止手段と、前記コイルに
組み込まれ、接地面に対する所定方向の推進力が他方向
の推進力に比べて大きい接地部を有する歩行用脚部とを
有することを特徴とする小型走行ロボット。
【請求項２】少なくとも２つの極性の磁極を持つ永久
磁石と、前記永久磁石を保持する永久磁石保持手段と、
前記永久磁石の２つの極性の磁極と相対する位置にあ
り、コイル形状が長径と短径を有する１個以上のコイル
と、前記コイルを前記永久磁石の２つの極性の磁極に対
して往復運動可能で、かつ、前記コイルの長径が前記往
復運動の方向とほぼ直角となるように前記コイルを保持
するコイル保持手段と、前記コイルに組み込まれ、接地
面に対する所定方向の推進力が他方向の推進力に比べて
大きい接地部を有する歩行用脚部とを有することを特徴
とする小型走行ロボット。
【請求項３】前記コイルの内周部端部、及び、外周部
端部を結合した回路基板を有する請求項１または請求項
２記載の小型走行ロボット。