JP6157209B2 - アクチュエータのクランプ機構 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、ロボットなどを用いた部品組み立て装置に用いられるアクチュエータのクランプ機構に関するものである。

近年、電子部品組み立てなどの生産現場において、産業用ロボットの導入により自動化・効率化が積極的に推進されてきた。
産業用ロボットは、そのスピード、パワー、（位置）精度の面において人の能力を大幅に上回っており、シンプルな形状で寸法誤差の少ない部品を高速かつ大量に組み立てるのに適している。
一方、人の手作業では、形状が複雑で比較的寸法誤差の多い部品や、ケーブルなどの柔軟物であっても、目からの情報と手先の感覚を総合的に利用して部品嵌合の位置を探り当てて組み立てることができる。

特開平９−３０９０９０号公報 特開２０１０−１０５１３８号公報

ここで、大きく、重く、剛性の高い産業用ロボットが人と同じように形状が複雑で比較的寸法誤差の多い、または精度の厳しい部品を安全に組み立てるため、従来から以下の方法が用いられている（例えば特許文献１，２参照）。
（１）ロボットが所定の速度で接触しても問題がないような衝撃吸収機構と部品位置誤差吸収機構を組み立て部品の治具毎に設置する。
（２）ロボットとハンドなどのエンドエフェクタの間に力センサを設置し、組み立て時に過大な力が発生しないように位置を制御する。
（３）ロボットとハンドなどのエンドエフェクタの間にＲＣＣ（リモート・コンプライアンス）のようなパッシブ・コンプライアンスを設置する。

上記（１）の方法では、治具を組み立て部品に特化するため比較的高速に組み立てが可能である。しかしながら、部品毎に衝撃吸収機構と位置誤差吸収機構が必要なため装置自体が大型化し高価となり、また組み立て部品の種類が変わった場合に柔軟に対応できない。
一方、上記（２）の方法では、衝撃吸収のための治具が必要なくなり、プログラムで組み立て部品の変更にも対応できる。しかしながら、力センサによる力制御を用いた組み立ての動作は遅く、力センサも高価である。
また、上記（３）の方法では位置誤差吸収が可能である。しかしながら、組み立て部品の種類が変わった場合、都度調整が必要という課題が残る。

上記の課題を解決するためには、ロボットとハンドなどのエンドエフェクタの間に、小型、軽量で組み立て部品の種類や組み立て方法に合わせて接触速度や接触力、コンプライアンスなどの特性を変化可能なデバイスを設置して、衝撃や位置誤差を吸収するようにすればよい。

この衝撃や位置誤差の吸収のための接触速度や接触力、コンプライアンスなどの制御は力センサを設置したロボット単体でも実現可能である。しかしながら、大きく、重く、剛性が高いロボットで安全に破損することなく部品同士を接触させるためには、寸法誤差や把持誤差のワーストケースを考え、部品同士が接触する箇所の手前より十分速度を落とす必要があるという課題がある。
また、部品同士が接触した後には、位置誤差を吸収し倣わせながら、部品の種類や組み立て方法に最適な作業力で組み立てを行う必要がある。しかしながら、摩擦の多い減速機構を有するロボット単体で微妙な力やコンプライアンスの制御を高速に行うことは力センサを設置しても難しいという課題がある。

従って、あまり大きな力を必要としない組み立てにおいては、衝撃や位置誤差の吸収のための接触速度や接触力、コンプライアンスなどの制御は、大きく、重く、剛性が高く、摩擦の多いロボットで行うより、小さく、軽く、剛性が変えられ、摩擦の少ないダイレクトドライブのアクチュエータなどで行う方が有利である。

一方、衝撃や位置誤差を吸収するために上記アクチュエータを設置した場合、下記の課題が残る。
（１）ダイレクトドライブでは減速機構を持たないため、直接作業を行っていない期間においても姿勢保持のため常時駆動電流を流す必要があり、発熱の問題が生じる。
（２）減速機構を持たないためバックドライバリビティが高く、小型軽量であるため制御応答性も良いが、ロボットが最大加速度で移動する際に発生する力に対向して姿勢を維持するため大電流を流す必要がある。
（３）位置精度だけで組み立てが可能な場合、ロボットと同等の剛性を有し一体となって作業を行うことが望ましいが、同等の剛性を維持するのが難しく組み立て時に位置誤差が発生する。

上記の課題に関しては、アクチュエータの可動部を機械的に拘束するクランプ機構を設ければよいが、機構が複雑になるといった課題が残る。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、簡易な構成で、可動部を拘束することができるアクチュエータのクランプ機構を提供することを目的としている。

この発明に係るアクチュエータのクランプ機構は、コイルが巻線された固定部と、永久磁石を有する可動部とを備え、永久磁石による磁力及びコイルに流れる電流により生じる力によって可動部を移送するアクチュエータのクランプ機構であって、固定部に設けられ、可動部を移送可能な範囲の一端又は両端近傍に、永久磁石に対向して配置された磁性体を備え、可動部、及び永久磁石に対向して配置された磁性体のうち、一方には溝が設けられ、他方には当該溝に係合するピンが設けられたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、簡易な構成で、可動部を拘束することができるアクチュエータのクランプ機構を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係るアクチュエータの構成を示す分解斜視図である。 この発明の実施の形態１に係るアクチュエータの磁気回路の磁気ループの流れを示す図であり、（ａ）側面図であり、（ｂ）正面図である。 マグネット側面と対向するヨークとの間に働く吸引力の状態を示す図であり、（ａ）マグネットがヨークから離れている場合を示す図であり、（ｂ）マグネットがヨークの近傍に位置する場合を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るアクチュエータの動作を示す側面図であり、（ａ）可動部の移送状態を示す図であり、（ｂ）可動部のクランプ状態を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るアクチェエータの可動部位置とマグネット吸引力、アクチュエータ推力の関係を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るアクチュエータの構成を示す分解斜視図である。尚図１では、図を見易くするため、可動部１の後述するヨーク１１及び固定部２のヨーク２４を透明にして表している。図２（ａ），図４についても同様である。
アクチュエータは、図１に示すように、可動部１及び固定部２から構成されている。

可動部１は、円筒状の磁性体であるヨーク１１と、ヨーク１１の内側に円筒状に配列されたマグネット（永久磁石）１２１を有するマグネットアレイ１２とから構成されている。ここで、マグネット１２１は、磁極の向きが中心に向かうように着磁（図２（ｂ）参照）されており、また、磁極が変化する面（固定部２の後述するヨーク２３と対向する面）は磁性体で覆われていない。また、可動部１のマグネットアレイ１２の内径は、固定部２の後述するコイル２２が巻線されたヨーク２１とヨーク２４との間で移動可能な径に構成されている。

また、可動部１は、図示されていない軸受け部によりアクチュエータの中心軸方向に移送可能な状態とされている。これは、例えば、固定部２のヨーク２１の中心穴にベアリングを設置し、当該ベアリングでガイドされるシャフトと可動部１とを部材を介して連結することで実現可能である。
また、ベアリングとして、アクチュエータの中心軸方向だけに移送可能なものを使用すれば１自由度の直動アクチュエータとなり、中心軸周りにも回転可能なものを使用すれば２自由度の直動・回動アクチュエータとなる。

固定部２は、上記ベアリングを取り付けるための中心穴を持つ円筒状の磁性体であるヨーク２１と、ヨーク２１の外周面に巻線されたコイル２２と、ヨーク２１の一端面に設けられ、当該ヨーク２１を支持するための円盤状の磁性体であるヨーク２３と、ヨーク２３の外周面に設けられ、磁気回路の磁気ループを構成するための円筒状の磁性体であるヨーク２４とから構成されている。

上記のように構成されたアクチュエータの磁気回路の磁気ループは、図２に示すように、マグネット１２１のＮ極→エアーギャップ３→コイル２２→ヨーク２１→ヨーク２３→ヨーク２４→エアーギャップ４→ヨーク１１→マグネット１２１のＳ極となっている。尚、図２（ｂ）において、符号５は磁気の流れが手前から奥方向であることを示し、符号６は磁気の流れが奥から手前方向であることを示している。そして、コイル２２に電流を流すことで、マグネット１２１による磁力及びコイル２２に流れる電流により生じる力によって可動部１をアクチュエータの中心軸方向に移送する。

尚、磁気回路のループを構成する手段としては、上記に限らず、ヨーク２４を使用せずヨーク１１とヨーク２１の形状を変えて、マグネット１２１のＮ極→エアーギャップ３→コイル２２→ヨーク２１→エアーギャップ→ヨーク１１→マグネット１２１のＳ極とする方法等も考えられる。
上記構成の場合はヨーク２３全体が磁性体である必要はなく、マグネット１２１の磁極が変化する側面に対向する部分だけリンク状の磁性体を配置するようにすれば良い。

更に、図１に示すように、可動部１のヨーク１１には、ヨーク２３との対向面の所定箇所に円錐状の溝１３が設けられている。また、固定部２のヨーク２３には、ヨーク１１の溝１３と対向する箇所に、当該溝１３に係合するピン２５が設けられている。

そして、本発明のアクチュエータのクランプ機構では、図３に示すように、マグネットアレイ１２のマグネット１２１の磁極が変化する側面でのもれ磁束を利用し、当該マグネット１２１に対向配置された磁性体であるヨーク２３との間で発生する吸引力によって可動部１をクランプする。

次に、上記のように構成されたアクチュエータのクランプ動作について、図４，５を参照しながら説明する。尚、図５において、縦軸の推力の極性は、正方向が、可動部１のマグネット１２１を対向配置された磁性体であるヨーク２３から引き離す方向に働く力であり、負方向がヨーク２３に近づける方向に働く力である。

まず、可動部１を固定部２にクランプする方法について説明する。
図５に示すように、マグネット１２１の側面と対向配置されたヨーク２３との間に働く吸引力Ｆｍは、マグネット１２１とヨーク２３との距離がゼロの場合に最大となる。そして、マグネット１２１とヨーク２３との距離が離れると、吸引力Ｆｍは、一般的には距離の二乗に反比例して急激に減衰する。

ここで、図４（ａ）から図４（ｂ）に示すように可動部１が固定部２のヨーク２３側に移送され、マグネットアレイ１２が固定部２のヨーク２３の近傍に位置する場合、マグネットアレイ１２のマグネット１２１とヨーク２３との間に働く吸引力Ｆｍが大きくなるため、マグネットアレイ１２はヨーク２３に強い力で引き寄せられる。またこの際、可動部１のヨーク１１に設けられた円錐状の溝１３と、対向するヨーク２３に設けられたピン２５とが係合する。これにより、可動部１の直動方向と回動方向とが位置決めされる。
よって、この状態では、ロボットと同等の剛性を有することになり、ロボットの位置精度を保った状態で組み立て作業を行うことが可能となる。

ここで、必要な作業力が押し付け方向（吸引力Ｆｍと同方向）である場合には、アクチュエータに電流を流さなくても（ゼロパワーで）可動部１を保持することができる。よって、発熱を抑えることができる。
一方、作業力が引き抜き方向（吸引力Ｆｍとは反対方向）である場合でも、図５に示す吸引力Ｆｍ（ｍａｘ）の範囲内であれば同様にゼロパワーで可動部１を保持することが可能である。また、図５に示すように、アクチュエータに負方向の推力Ｆａ２を発生させることで、引き抜き方向の作業力をＦａ２＋Ｆｍ（ｍａｘ）まで拡大することも可能である。

次に、可動部１を吸引力Ｆｍ（ｍａｘ）で保持されている状態から引き離し、位置や速度、力の制御が可能な状態にする方法について説明する。
この場合には、図５に示すように、アクチュエータに、吸引力Ｆｍを上回る正方向の推力Ｆａ１を発生させる。このとき、可動部１を移送する実推力は、アクチュエータの正方向の推力Ｆａ１からマグネットアレイ１２の保持力（吸引力）Ｆｍを差し引いた値Ｆａ１−Ｆｍとなる。

この推力が加えられて可動部１が動き始めると、吸引力Ｆｍは一般的に移動距離の二乗で減衰するため急激に低下して、可動部１が吸引力の影響を受けるクランプ領域から抜ける。その結果、可動部１を移送する実推力がアクチュエータの発生する推力に概ね等しい制御可能な作業領域に入ることができる。
そして、組み立て部品の種類や組み立て方法に合わせて、接触速度や接触力、コンプライアンス等の特性を変化させて衝撃や位置誤差を吸収させる動作は、上記制御可能な作業領域で行う。そのため、上記動作を行う場合には、ヨーク２３による吸引力Ｆｍの影響をほとんど受けることがなく、問題になることはない。

このように、可動部１を保持状態から移送可能な状態にするためには、マグネットアレイ１２の側面に対向配置されたヨーク２３の吸引力Ｆｍを上回る推力Ｆａ１を一瞬だけ発生させればよい。したがって、特別な機構や回路を必要としない。
また、図３に示すように、マグネットアレイ１２のマグネット１２１の磁極が変化する面のもれ磁束と、対向配置されたヨーク２３との間で発生する吸引力を利用するため、特別な部品を追加することなく、アクチュエータの推力を発生するためのマグネット１２１だけでクランプ機構を実現することができる。よって、装置を小型化することができ、また、コストもかからない。

以上のように、この実施の形態１によれば、コイル２２が巻線された固定部２と、マグネット１２１を有する可動部１とを備え、マグネット１２１による磁力及びコイル２２に流れる電流により生じる力によって可動部１を移送するアクチュエータのクランプ機構であって、固定部２に設けられ、可動部１を移送可能な範囲の一端又は両端近傍に、マグネット１２１に対向して配置された磁性体であるヨーク２３を備えたので、マグネット１２１がヨーク２３の近傍にある場合には、アクチュエータに電流を流さなくても（ゼロパワーで）可動部１を保持でき、発熱を抑えることができる。

また、可動部１を拘束状態から移送可能な状態にするためには、マグネット１２１と対向配置されたヨーク２３の間の吸引力Ｆｍを上回る推力Ｆａ１を一瞬だけ発生させればよく、特別な機構や回路を必要としない。

また、ロボットが最大加速度で移動する期間において、可動部１を保持位置に移送すると同時にアクチュエータにより吸引力Ｆｍと同方向の推力を発生することで、引き抜き方向の作業力をＦａ２＋Ｆｍ（ｍａｘ）まで拡大することが可能となる。

また、マグネット１２１と対向配置されたヨーク２３の吸引力Ｆｍは一般的に距離の二乗で減衰するため、可動部１がヨーク２３の近傍にない制御可能な作業領域にある場合には、ほとんど吸引力Ｆｍの影響を受けることがない。

さらにマグネット１２１の磁極が変化する面のもれ磁束と、対向配置されたヨーク２３との間で発生する吸引力Ｆｍを利用して可動部１を固定部２にクランプするため、特別な部品を追加することなく、アクチュエータの推力を発生するためのマグネット１２１だけでクランプ機構を実現できるので装置を小型化できコストもかからない。

可動部１は、マグネット１２１が対向配置されたヨーク２３に吸引されると同時に、可動部１のヨーク１１及び対向配置されたヨーク２３に設けたれた溝１３及びピン２５により位置決めされるため、ロボットと同等の剛性を有しロボットの一精度を保った状態で組み立て作業を行うことができる。

尚、実施の形態１では、アクチュエータを円筒形状とした場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、１自由度の直動アクチュエータの場合には、アクチュエータを例えば四角柱形状としてもよい。

また実施の形態１では、可動部１のマグネット１２１に対向配置されるヨーク２３を、ヨーク２１の一端面側に設けた場合について示したが、ヨーク２１の両端面に設けるようにしてもよい。

また実施の形態１では、可動部１のヨーク１１に溝１３を設け、固定部２のヨーク２３にピン２５を設けた場合について示したが、逆に、固定部２のヨーク２３に溝を設け、可動部１のヨーク１１に当該溝に係合するピンを設けるようにしてもよい。

また実施の形態１では、部品点数の削減や小型化のため、マグネット１２１のもれ磁束を利用して可動部１をクランプする構成について示した。しかしながら、これに限るものではなく、可動部１に設けられたマグネット１２１と固定部２に対向配置された磁性体とによる吸引力で可動部１をクランプすることが可能な構成であればよい。

尚、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 可動部
２ 固定部
３，４ エアーギャップ
１１ ヨーク
１２ マグネットアレイ
１３ 溝
２１ ヨーク
２２ コイル
２３ ヨーク
２４ ヨーク
２５ ピン
１２１ マグネット

Claims (2)

1. コイルが巻線された固定部と、永久磁石を有する可動部とを備え、前記永久磁石による磁力及び前記コイルに流れる電流により生じる力によって前記可動部を移送するアクチュエータのクランプ機構であって、
   前記固定部に設けられ、前記可動部を移送可能な範囲の一端又は両端近傍に、前記永久磁石に対向して配置された磁性体を備え、
   前記可動部、及び前記永久磁石に対向して配置された前記磁性体のうち、一方には溝が設けられ、他方には当該溝に係合するピンが設けられた
   ことを特徴とするアクチュエータのクランプ機構。
2. 前記コイルは、巻線の中心軸方向が前記可動部の移送方向に略一致し、
   前記永久磁石は、磁極の方向が前記コイルの巻線の中心軸方向に略垂直であり、かつ、前記磁性体と対向する面は他の磁性体で覆われていない
   ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータのクランプ機構。

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