JPH01142904A - 非接触位置決め装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、被駆動体を支持、駆動することができる位
置決め装置に関するもので、高精度の滑らかな多自由度
の位置決めを必要とする機器、宇宙用アンテナ指向方向
υｊｌｌｌｉｉｆｆｌ、光学Ｉａ器、半専体製３１機器
等に属する。

（従来の技術） 従来、被駆動体の複数の自由度を位置決め制御する場合
には、少ない自由度の駆動￥装置を複数組合せて使用す
るのが一般的である。この様な位置決め機構の駆動方法
としては、リニアモータ、ソレノイドなどの駆動源で直
接駆動するか、歯車、減速器などの動力伝達要素を介し
て間接的に駆動する方法がとられており、また、被駆動
体の支持は油軸受、球軸受、バネなどによってｆコなわ
れている。

また、被駆動体の複数の自由度を位置決めする場合に駆
動装置から発生すべき力の大きさを知るだめに用いられ
るセンサも駆動装置と同様に少ない自由度のセンサを複
数個組合わせて使用する。

例えば、回転の自由度を知る必要がある場合には、磁気
式エンコーダ、光学式エンコーダなどの回転角度計や、
タコメータに代表される回転速度計などによって回転自
由度の情報を得る。あるいは、並進自由度の情報を検出
するには、渦電流式、光学式、リニアスケール、作動ト
ランスなどの変位計や、光学式などの速度センサ、ある
いは圧電効果や半導体素子などによる加速度センサなど
により、並進自由度の情報を得る。

ところが、以上のような位置決め装置では、次のような
問題点がある。

第１に複数個の駆動装置およびセンサを組合わせるため
、構造がｌａ雑で、部品点数が多く、製作および小形化
が困難である。

第２に駆動時に各部に摩擦が生じるため、発熱したり、
出力が変化したりするとともに摩擦を生じて不安定とな
り、精度および信頼性の確保が困難となる。

第３に、被駆動体を支持する軸受なとの潤滑が必要なた
めに宇宙の高真空など特殊環境下における寿命に信頼が
おけない。

これに対して、例えば米国特許第４１５６５４８号およ
び米国特許第４０８８０１８号に記載されたようなもの
がある。これは、宇宙船上において、望遠鏡を該宇宙船
の振動から隔離させて支持し、かつ光軸補正を加える目
的で創案されたもので、６組（１２個）のＴＲ１１石で
円板を外周部より支持し、５自由度の駆動を実現してい
る。この従来例では、非接触支持方式の採用により、上
記第２及び第３の問題点は解決される。

しかし、この様な装置では、１自由度の駆動に対して２
個以上の電磁石が必要なため多自由度の位置決めには多
数の電磁石を使用しなければならい。またセンサの個数
も多く、その配置が困難であるという問題があった。

そこで、電磁石の数を減らすために多面体形状の被駆動
体を非接触に位置決めする装置として、特願昭６１−１
２０５９に記載されている非接触位置決め装置が挙げら
れる。

この主たる構成は第１３図に斜視図で示すように正四面
形状に形成された被駆動体１０１と、この被駆動体１０
１を非接触に浮上させ駆動する駆動手段１０３とから構
成されている。

前記駆動手段１０３である８個の電磁石１０５゜１０７
．１０９，１１１，１１３，１１５，１１７．１１９は
、非磁性材からなる連結部材１２１により連結され、前
記被駆動体１０１に対して一定の磁気空間をもって電磁
吸引力の作用をするようになっている。

前記被駆動体１０１の中央には連結部材１２１の孔１２
３を貫通した支柱３０が固定され、その先端側に例えば
図示しないアンテナ等が取り付けられている。従って６
自由度の位置決めを、［１石という一方向性の力を発生
する駆動装置を８個用いて実現しているものである。

（発明が解決しようとする問題点） 以上の様に従来技術では、多自由の位置決めを行なう場
合、少ない自由度の駆動装置やセンサを複数組み合わせ
て使用するため、構造が複雑で、部品点数が多く、製作
および小形化が困難であった。

この発明は、従来よりも少ない個数の電磁石やセンサを
用いて多自由の位置決めができるようにし、小形化の可
能な装置を提供することを目的としている。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決するために本発明では、位置決めの対
象となる駆動体と、この被駆動体を支　　　−持、駆動
する一方向性の力を発生する駆動手段と、前記被駆動体
の位置及び姿勢を検出するセンサとで構成される非接触
位置決め装おにおいて、前記被駆動体を略三角形の主板
と、この主板に平行及び垂直でなく且つ３辺に接する３
枚の側板により構成し、前記駆動手段を前記各銅板の１
枚につき２個づつ計６ｍを配設し、且つ前記主板に対し
て１１［１の駆動手段を配設した構成とした。

（作用） 本発明によれば、位置決め装置の被駆動体を、略三角形
の主板と、この主板に平行及び垂直でなく且つ３辺に接
する３枚の側板により構成することにより、その面に対
して駆動装置が発生する力の方向を互いに非直行にし、
ひとつの駆動装置が複数の自由度に関与するようにして
、駆動装置の個数を削減している。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、この発明の第１実施例に係る非接触位置決め
装置の構成を示す概念的全体斜視図である。この非接触
位置決め装置は、位置決めの対象となる磁性体により形
成された被駆動体１と、この被駆動体１を支持、駆動す
る一方向性の力を発生する駆動手段である７個の同一構
造で構成された電磁石３，５．７．９．１１．１３．１
５と、前記被駆動体１の位置及び姿勢を検出する６個の
同一構造で構成されたセンサである位置検出器Ａ３、Ａ
５．Ａ７．Ａ９．Ａ１１．Ａ１３とから構成されている
。

前記被駆動体１は第２図に示す様に正三角形の主板１７
と、この主板１７に平行でなく且つ３辺に接する３枚の
台形状を成す側板１９．２１．２３により形成されてい
る。

前記上板１７の表面には位置決めシャフト２５が固定さ
れており、位置決めの対象物例えば図示しないアンテナ
や、光学機器などが取り付けられるものである。

前記駆動手段である電磁石３．５．７．９゜１１．１３
は前記各側板１９．２１．２３に形成される前記主板１
７の反対側に成る２つの頂点の近傍に対して１枚につき
２個配設されている。また前記電磁石３，５．７，９．
１１．１３は各側板１９．２１．２３の表面に対し一定
の磁気空間をもって電磁吸引力を作用させるように配設
されており、前記Ｍ磁石１５は主板１７の裏面に対して
一定の磁気空間を有して配設されている。

前記位置検出器Ａ３．Ａ５．Ａ７．Ａ９．Ａ１１、Ａ１
３は前記電磁石３．５．７．９，１１゜１３が対向して
いる各側板１９．２１．２３の表面の同位置の反対であ
る裏側に対して所定隙間を有して配設されている。この
位置検出器Ａ３〜Ａ１３により電磁石３〜１３から被駆
動体１までの空隙距離が検出される。

前記被駆動体１の回りには、図示しない非磁性材からな
る連結部材が設けられており、この連結部材に前記電磁
石３．５，７．９．１１．１３゜１５と位置検出器Ａ３
．Ａ５．Ａ７．Ａ９．Ａ１１、Ａ１３が図示しないボル
ト等により支持されている。

このため被駆動体１は、電磁石３，５．７．９゜１１．
１３．１５及び位置検出器Ａ３．Ａ５．７゜Ａ９．Ａｌ
　１．Ａ１３に対して固定されておらず、設定位置で規
定される駆動範囲内を自由に動くことができる。

ここで前記同一構造である電磁石３．５．７゜９．１１
，１３．１５の構成図を第５図に示す。

この電磁石３．５．７．９．１１，１３．１５は三角形
の強磁性材製のヨーク２７と、コイル２９とで構成され
ている。前記ヨーク２７には三角形の溝が掘られており
、コイル２９はその溝に埋設されている。よってコイル
に電流を流すと、たとえば第６図に第５図のＶｌ−Ｖｌ
断面図を示した様に磁力線が発生し、磁性材製の被駆動
体１に対して吸引力という一方向性の力を発生する。

第７図は、本発明の位置決め装置を駆動するための位置
調整手段３１を示すブロック図である。

この位置調整手段３１は位置検出器Ａ３〜Ａ１３、ベク
トル演算器（指令信号変換器）３３．補償回路を内蔵し
た制御器８３３〜Ｂ１５．ｌｌ流増幅器ＣＩ３〜Ｃ１５
，及び加算回路３５とを備えている。

まず、電磁石３〜１３に出力される場合を説明する。

すなわち直交座標系による通常６１由度で与えられる位
置決めの外部指令信号をベクトル演算器３３により各電
磁石３〜１３の方向のベクトルに分配演算する。このベ
クトル演算器３３からの出力信号と位置検出器Ａ３〜Ａ
１３の検出信号との差分を各制御器８３〜Ｂ１３に入力
する。この各制御器８３〜８１３は差分に応じたｔｉ制
御母を演算すると共に内蔵された補償回路により位相及
びゲイン補償して出力される。この制御量信号は電流増
幅１１Ｃ３〜Ｃ１３により増幅され、これら増幅器０３
〜Ｃ１３から各電磁石３〜１３に電流を出力する。

つぎに主板１７に配設された電磁石１５に出力する場合
を示す。まず、位置検出器Ａ３〜Δ１３の検出信号を加
算回路３５により平均する。この平均値とベクトル演算
器３３からの出力信号との差分を制御器Ｂ１５により演
算し差分に応じた制御量を位相及びゲイン補償を行ない
電流増幅器Ｃ１５により増幅して出力することにより行
なう。

つぎに、上記第１実施例の作用を説明する。

第１図において、３．５の電磁石に流す電流を増大させ
ると、電磁石３．５と被駆動体１の間の磁気吸引力が強
められ、この磁気吸引力によって生ずるＸ軸方向以外の
動きを他の電磁石７．９゜１１．１３．１５と被駆動体
１で調整することによって、被駆動体１はＸ軸＋方向に
移動することができる。また、７．９．１１．１３１７
）ｆｆｉｖｎ石１．：流す電流を増大させると、電磁石
７．９，１１゜１３と被駆動体１の間の磁気吸引力が強
められ、この磁気吸引力によって生ずるＸ軸方向以外の
動きを他の電磁石３．５．１５と被駆動体１で調整する
ことによって、被駆動体１はＸ軸一方向に移動すること
ができる。

同様に、７，９の電磁石に流すｆｉｔ流を増大させると
、電磁石７．９と被駆動体１の間の磁気吸引力が強めら
れ、この磁気吸引力によって生ずるＶ軸方向以外の動き
を他の電磁石３．５．９．１１゜１５と被駆動体１で調
整することによって、被駆動体１はｙ軸＋方向に移動す
ることができる。また、ｙ軸一方向に移動する場合には
、１１．１３の電磁石に流す電流を増大させればよい。

３．５．７．９．１１．１３の電磁石に流す電流を増大
させると、電磁石３．５．７．９．１１゜１３と被駆動
体１の間の磁気吸引力が強められ、この磁気吸引力によ
って生ずる２軸方向以外の動きを他の電磁石１５と被駆
動体１で調整することによって、被駆動体１はＺ軸＋方
向に移動することができる。２軸一方向に移動する場合
には、１５の電磁石にながす′Ｎ流を増大させればよい
。

次に、７．９の電磁石に流す電流を増大させると、電磁
石７．９と被駆動体１の間の磁気吸引力が強められ、こ
の磁気吸引力によって生ずるθχＸ軸方向以外動きを他
の電磁石で調整することによって、被駆動体１はｏＸＸ
軸方方向移動することができる。また、θχ軸軸方方向
移動する場合には、１１．１３の電磁石に流す電流を増
大させればよい。

９．１１の電磁石に流す電流を増大させると、電磁石９
．１１と被駆動体１の間の吸引力が強められ、この磁気
吸引力によって生ずるθＶＶ方向以外の動きを他の電磁
石３．５，７．１３．１５と被駆動体１で調整すること
によって、被駆動体１はθＶ軸軸方方向移動することが
できる。また、θｙ軸軸方方向移動する場合には、３．
５．７゜１３の電磁石に流す電流を増大させればよい。

３．７．１１の電磁石に流す電流を増大させると、電磁
石３，７．１１と駆動体１の間の磁気吸引力が強められ
、この電磁吸引力によって生ずるθ２軸方向以外の動き
を他の電磁石５．９．１３゜１５で調整することによっ
て、被駆動体１は０２軸＋方向に移動することができる
。また、θ２軸一方向に移動する場合には、５，９．１
３の電磁石に流す電流を増大させればよい。

以上の様に、第１図に示した７個の電磁石の配置で、６
自由度の駆動が可能である。実際に６自由度の指令信号
に従って被駆動体１を位置決めする場合には、第７図の
位′ａｌｌ整手段３１を用いて、実現することができる
。６自由度の指令信号はベクトル演算８５ｉ３３でそれ
ぞれの電磁石位置での変位に換算され、現在の位置すな
わも位置検出器出力との差をＯにするような電流を電磁
石に流すという制御を行なう。

この様に、第１図、第７図の構成によれば７個の電磁石
３，５．７．９．１１．１３．１５と６個の位置検出器
Ａ３．Ａ５．Ａ７．Ａ９．Ａ１１゜Ａ１３で被駆動体１
の６自由度の位置決めが可能である。また、側板に配置
した電磁石は主板１７の反対側に位置しているので、上
下方向の寸法を小さくすることが可能である。

第８図は、この発明の第２実施例を示すもので同一構成
要素には同一符号を付して説明する。

即ち第１図の実施例の位置検出器Ａ３．Ａ５゜Ａ７．Ａ
９．Ａ１１．Ａｌ　３の位置を電磁石３゜５．７．９．
１１．１３の真裏ではなく少しずれた場所に配置した場
合である。

従って、第１実施例と同様な効果が得られると共に被駆
動体１内に計器等を配置しなければならない時などスペ
ースを有効に使うことができる。

また、第９図は第３実施例を示すもので、第２実施例の
電磁石３〜１３と位置検出器Ａ３〜Ａ１３の配設位置を
表裏いれ替えたものであり、電磁石３〜１３と位置検出
器Ａ３〜Ａ１３の対向位置は、ずれているものである。

また主板１７には位置決めシャフト２５ａ　、２５ｂ　
、２５ｃが取付けられている。

この様な場合には、位置決め検出器Ａ３〜Ａ１３の出力
を直接Ｔｉ磁石位置の変位として用いることができない
。このため第１０図に示した位置調整手段３７のように
位置変換回路３９を設ける必要がある。他の回路部は第
７図で示した位置調整手段３１と同様なるものである。

前記位置変換回路３９は、位置検出器Ａ３〜Ａ１３と電
磁石３〜１３のずれを補正するためのものである。補正
された検出信号はベクトル演算器３３からの出力信号と
の差分を各１ｔ１１制御器８３〜Ｂ１３に入力する。

一方位置検出器Ａ３〜Ａ１３の検出信号は位置変換回路
３９に内蔵された加算回路を介して平均さると共に補正
される。この平均値とベクトル演算器３３からの出力信
号との差分を制御Ｉｌ器８１５に入力する。

前記各制御器８３〜８１５は差分に応じたｖ制御器を演
算すると共に内蔵された補償回路により位相及びゲイン
補償して出力される。このＩ１１御竜信号は電流増幅器
Ｃ３〜Ｃ１５により増幅され各電磁石３〜１５に°増幅
信号を出力する。従って増幅信号が各電磁石３〜１５に
出力されることによって駆動装置１の制御を行なうこと
ができる。

また、第１図に示した第１実施例の様な機構構成の位置
決め装置においても被駆動体１を構成している側板１９
，２１．２３の板厚を考慮して高精度の位置決めを行な
う場合には、前記第３実施例で示した位置変換回路３９
を備えることが有効となる。

第１１図は、この発明の第４実施例を示すもので同一構
成要素には同一符号を付して説明する。

すなわち被駆動体１は正四面体によりなっている。この
被駆動体１を非接触に浮上させるために非磁性材からな
る図示しない連結部材により電磁石３．５．．７．９，
１１．１３．１５が図示しないボルト等により支持され
ている。前記電磁石３〜１３は各側板１９．２１．２３
に形成される２つの頂点の近傍に対して１枚につき２個
一定の磁気空間をもって配設されている。また前記電磁
石１５は主板１７の表面に対【ノて一定の磁気空間をも
って配設されている。

位置検出器Ａ３〜Ａ１３は前記電磁石３〜１３が対向し
ている各側板１９．２１．２３の表面の近傍に所定隙間
を有して配設されている。また前記主板１７表面には位
置検出器Ａ１５が配設されており、この第４実施例では
被駆動体１に計７個の電磁石と同じく計７個の位置検出
器を配設したものである。また主板１７の表面には位置
検出器Ａ１５及び電磁石１５を妨げることなく図示しな
い位置決めシャフト等が取付けられているもので、ある
。

この様な場合も第３実施例で示したごとく電磁石３〜１
５と位置検出器へ３〜Ａ１５とは、ずれているため位置
検出器Δ３〜Ａ１５の出力を直接電磁石３〜１５の変位
として用いることができない。このため第１２図に示し
た位置調整手段４１のように位置変換回路４３を設ける
必要がある。

他の回路部は第１０図で示した位置調整手段３７と同様
であるが、位置検出器Ａ１５が増加されたことにより加
算回路は位置変換回路４３に内蔵しなくとも実施できる
。

すなわち、直交座標系による通常６自由度で与えられる
位置決めの外部指令信号をベクトル演算１３３により各
電磁石３〜１５の方向のベクトルに分配演算する。この
ベクトル演算器３３からの出力信号と位置変換回路４３
により補正された位置検出器Ａ３〜Ａ１５の検出信号と
の差分を各制御Ｉ器Ｂ３〜８１５に入力する。この各制
御器８３〜８１５は差分に応じた制ｔＩｌ量を演算する
と共に内蔵された補償回路により位相及びゲイン補償し
て出力される。この制ｍｔ量信号は信号増幅器Ｃ３〜Ｃ
１５により増幅され各電磁石３〜１５に増幅信号を出力
する。

次に上記第４実施例の作用を説明する。

第１１図において位置調整手段４１によって電磁石７．
９に流れるＴｉ流を増大させ、他の電磁石３．５．１１
，１３．１５に流れる電流を適当に増減させると、電磁
石７．９と被駆動体１との間の磁気吸引力が強められ、
この磁気吸引力によって生ずるＸ軸方向以外の動きを他
の電磁石３．５゜１１．１３．１５と被駆動体１との間
の磁気力で調整することにより被駆動体１は全体的に図
中矢印Ｆｘの方向に移動する。

位置調整手段４１によって電磁石３．５．７゜９に流れ
るＮｖｔを増大させ、他の電磁石１１．１３．１５に流
れる電流を適当に増減させると電磁石３．５．７．９と
被駆動体１との間に磁気吸引力が強められ、この磁気吸
引力によって生ずるＹ軸方向以外の動きを他の電磁石１
１，１３．１５と被駆動体１との間の磁気吸引力でｗ４
整することにより被駆動体１は全体的に図中矢印ＦＶ力
方向移動するものである。

従って上記構成によっても被駆動体１の６自由度の位置
決めが可能である。また位置検出器Ａ１５は設けずとも
実施できるものである。この時の位置調整手段は第３実
施例で示した位置調整手段３７を用いればよいものであ
る。

なお、この発明は上記実施例に限定されるものではない
。例えば駆動体１を構成する３枚の側板１９．２１．２
３は他の形状であっても主板１７が形成されていれば実
施できるものである。また位置調整手段３１．３７．４
１の制御に他の回路を増大させることもできる。

［発明の効果］ 以上の説明より明らかなように、この発明の構成によれ
ば駆動手段が発生する一方向性の力の方向が互いに非直
交になるため６自由度の位置決めを、最低個数の７個の
駆動手段で実現できる。

また駆動手段側板の回りに効果的に配置しており、スペ
ース効率が良く、装置の小形化が可能であり、重量も軽
減することができる。

また、センサの個数を、必要最低個数の６個とすること
もできる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の第１実施例に係る図、第５図
は非接触位置決め装置に用いられる電磁石の斜視図、第
６図は第５図のＶｌ−ＶＩ矢視断面図、第７図は第１実
施例に係る位置調整手段のブロック図、第８図は第２実
施例に係る斜視図、第９図は第３実施例に係る斜視図、
第１０図は第２及び第３実施例に係る位置調整手段のブ
ロック図、第１１図は第４図実施例に係る図、第１２図
は第４実施例に係る位置調整手段のブロック図、第１３
図は従来例を示す斜線視線図である。 （図面の主要部を表わす符号の説明） １・・・被駆動体 ３．５．７．９，１１．１３．１５・・・電磁石（駆動
手段） Ａ３．、Ａ５．Ａ７．Ａ９．Ａ１１．Ａ１３．Ａ１５・
・・位は検出ｖ！Ａ（センサ） １７・・・主板 １９．２１．２３・・・側板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）位置決めの対象となる被駆動体と、この被駆動体
   を支持、駆動する一方向性の力を発生する駆動手段と、
   前記被駆動体の位置及び姿勢を検出するセンサとで構成
   される非接触位置決め装置において、前記被駆動体を略
   三角形の主板と、この主板に平行及び垂直でなく且つ３
   辺に接する３枚の側板により構成し、前記駆動手段を前
   記各側板の１枚につき２個づつ計６個を配設し、且つ前
   記主板に対して１個の駆動手段を配設したことを特徴と
   する非接触位置決め装置。
2. （２）７個の前記駆動手段のうち少なくとも６個に対し
   て、その吸引力作用点あるいはその近傍あるいは被駆動
   体の面を挾んで裏面に、少なくとも６個の位置検出器を
   設置したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   非接触位置決め装置。