KR20150032622A - 직동-회전 액츄에이터와 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

직동-회전 액츄에이터는 샤프트와, 끝면이 샤프트의 축과 직각인 면으로부터 경사지고 또한 샤프트를 따라 배열되어 있는 복수의 자석으로 이루어진 직동용의 자석열과, 직동용의 자석열의 외주측에 배치되어 있는 직동용의 구동 코일을 구비하고 있다. 또한 액츄에이터는 샤프트를 회전시키는 회전 모터와, 직동용의 자석열을 따라 배치되고 또한 샤프트의 축 방향을 따라 배열된 복수의 자기 소자로 이루어진 센서를 구비하고, 센서의 신호에 의해 샤프트의 직동 위치 또는 샤프트의 회전각을 구하여 구동 코일 및 회전 모터를 제어한다. 1종류의 센서에 의해 샤프트의 직동 위치와 회전각을 검출할 수 있다.

Description

직동-회전 액츄에이터와 그 제어 방법{LINEAR-ROTARY ACTUATOR AND ITS CONTROL METHOD}

본 발명은 직동과 회전이 가능한 직동-회전 액츄에이터와, 그 제어 방법에 관한 것이다.

특허문헌 1(일본 특허공개 2004-364348)은 직동과 회전이 가능한 액츄에이터를 개시하고 있다. 특허문헌 1에서는 회전 모터의 축 내에 리니어 모터를 설치하고, 회전 모터의 회전으로 리니어 모터 전체를 회전시켜 리니어 모터에 의해 출력축을 진퇴시킨다. 이 액츄에이터는 직동과 회전을 필요로 하는 용도, 예를 들면 로봇 암의 구동 등에 사용할 수 있다.

특허문헌 2(일본 특허 3862033)는 자성체와 코일의 상호 작용을 이용한 센서를 개시하고 있다. 특허문헌 2에서는, 예를 들면 영구자석의 열에 대하여 여자 코일과 검출 코일을 번갈아서 배치한 센서를 대향시킨다. 여자 코일에 주파수(ω)의 교류를 가하면, 검출 코일에도 주파수(ω)의 유도 전압이 발생한다. 여기서 유도 전압의 강약이 자석으로부터의 자계에 의해 변조되므로, 자석의 열을 기준으로 하는 위치를 검출할 수 있다. 또한 이러한 종류의 위치 센서에는 여러 가지의 버전이 알려져, 예를 들면 여자 코일과 검출 코일을 겸용할 수 있다. 또한 변조의 강약을 정확하게 인출하기 위해서, 자석열을 기준으로 하는 위상을 φ로 하여 sinφcosωt의 신호와 cosφsinωt의 신호를 인출하고, 가법정리에 의해 sin(φ+ωt)로 하는 등의 교묘한 회로가 알려져 있다.

일본 특허공개 2004-364348 일본 특허 3862033

특허문헌 1의 직동-회전 액츄에이터에서는 회전 모터와 직동 모터(리니어 모터)에 각각 인코더 또는 직동 위치와 회전각의 센서가 필요하여 컴팩트하게 설계하는 것이 어렵다. 그 때문에, 본 발명의 과제는 직동과 회전의 쌍방을 측정할 수 있는 센서를 탑재하는 직동-회전 액츄에이터를 제공하는 것에 있다.

본 발명은 직동과 회전이 가능한 직동-회전 액츄에이터로서,

샤프트와,

끝면이 상기 샤프트의 축과 직각인 면으로부터 경사지고, 또한 상기 샤프트를 따라 배열되어 있는 복수의 자석으로 이루어진 직동용 자석열과,

상기 직동용의 자석열의 외주측에 배치되어 있는 직동용 구동 코일과,

상기 샤프트를 회전시키는 회전 모터와,

상기 직동용의 자석열을 따라 배치되어 있는 센서와,

상기 센서의 신호에 의해 샤프트의 직동 위치, 또는 샤프트의 회전각을 구하여 상기 구동 코일 및 상기 회전 모터를 제어하는 제어 회로를 구비하고,

상기 센서는 샤프트의 축 방향을 따라 배열된 복수의 자기 소자로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 직동과 회전이 가능한 직동-회전 액츄에이터의 제어 방법으로서,

상기 직동-회전 액츄에이터는

샤프트와,

끝면이 상기 샤프트의 축과 직각인 면으로부터 경사지고, 또한 상기 샤프트를 따라 배열되어 있는 복수의 자석으로 이루어진 직동용의 자석열과,

상기 직동용의 자석열의 외주측에 배치되어 있는 직동용의 구동 코일과,

상기 샤프트의 축을 회전시키는 회전 모터와,

상기 직동용의 자석열을 따라 배치되고, 또한 샤프트의 축 방향을 따라 배열된 복수의 자기 소자로 이루어지며, 직동용의 자석열과 자기 소자의 상호 작용에 의해 신호가 변화하는 센서를 구비하고,

샤프트의 직동 및 회전 중 어느 것에 대해서도 센서가 직동용의 자석열로부터 받는 자계를 변화시켜서 센서로부터 신호를 인출하고,

제어 회로에 의해 상기 신호로부터 샤프트의 직동 위치, 또는 샤프트의 회전각을 구하여 상기 구동 코일 및 상기 회전 모터를 제어한다.

본 발명에서는, 직동용의 자석열을 따라 배치되고 또한 샤프트의 축 방향을 따라 배열된 복수의 자기 소자로 이루어지고, 직동용의 자석열과 자기 소자의 상호 작용에 의해 신호가 변화하는 센서를 사용한다. 그리고 이 센서에 의해, 액츄에이터의 직동 위치와 회전각을 검출할 수 있다. 이 센서의 신호는 직동과 회전의 쌍방에 의해 변화하고, 직동과 회전을 타이밍을 시프트시켜서 별개로 행하거나 또는 센서를 복수 설치하거나 해서 직동과 회전으로 신호를 분리할 수 있다. 그리고 1종류의 센서로 직동과 회전을 검출할 수 있으므로, 컴팩트한 직동-회전 액츄에이터가 얻어진다. 또한 샤프트를 가동측으로 해도 좋고, 구동 코일을 가동측으로 해도 좋다. 이 명세서에 있어서, 직동-회전 액츄에이터에 관한 기재는 그대로 그 제어 방법에도 적용된다.

바람직하게는, 상기 회전 모터는 상기 샤프트를 따라 배치되어 있는 복수의 자석으로 이루어진 회전용의 자석열과, 상기 회전용의 자석열의 외주측에 배치되어 있는 회전용의 구동 코일로 이루어진다. 이렇게 하면, 샤프트를 축으로 하여 직동 모터와 회전 모터를 구성할 수 있고, 샤프트는 이것들의 공통의 축이 된다. 이 때문에 컴팩트한 직동-회전 액츄에이터가 얻어진다.

바람직하게는, 상기 직동용의 구동 코일을 구동하고 있을 때에 상기 센서의 신호를 직동 위치로 변환하고, 상기 회전 모터를 구동하고 있을 때에 상기 센서의 신호를 회전각으로 변환하도록 제어 회로를 구성한다. 이렇게 하면, 직동과 회전을 별개로 행함으로써 직동과 회전이 혼합된 신호를 출력하는 센서로도 액츄에이터의 직동과 회전을 제어할 수 있다.

바람직하게는, 상기 센서가 샤프트의 외주 방향을 따라 복수개 설치되고, 상기 제어 회로는 복수개의 센서 신호의 합에 의거하여 직동 위치를 구하고, 복수개의 센서 신호의 차에 의거하여 회전각을 구하도록 구성되어 있다. 이렇게 하면, 직동-회전 액츄에이터의 직동과 회전을 동시에 행할 수 있다. 가산치에 한하지 않고 평균치 등에 의해 직동을 제어해도 좋고, 차에 한하지 않고 차를 정수배 한 것 등에 의해 회전을 제어해도 좋다.

바람직하게는, 센서는 비자성의 도전체로 이루어진 자기 실드를 통해서 직동용의 구동 코일의 외주측에 배치되어 있다. 자기 실드에 의해 직동용의 구동 코일로부터의 교류 자계를 차단함으로써 센서의 정밀도를 높이고, 센서를 직동용의 구동 코일의 외주측에 배치함으로써 직동용의 자석열을 짧게 할 수 있다.

직동-회전 액츄에이터의 용도는 임의이지만, 칩 마운터의 액츄에이터로 하면, 작은 출력 토크이며 컴팩트한 액츄에이터에 의해 칩의 회전과 직동을 정확하게 제어할 수 있는 특징을 살릴 수 있다.

도 1은 실시예의 직동-회전 액츄에이터의 요부를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 방향 단면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 방향 단면도이다.
도 4는 도 1의 요부를 확대해서 나타낸 도면이다.
도 5는 센서 신호의 처리 회로의 블럭도이다.
도 6은 변형예의 직동-회전 액츄에이터의 요부를 나타낸 도면이다.
도 7은 변형예에서의 센서 신호의 처리 회로의 블럭도이다.

이하에 본 발명을 실시하기 위한 최적의 실시예를 나타낸다. 본 발명의 범위는 특허청구범위의 기재에 의거하여 명세서와 이 분야의 주지 기술을 참작하고, 당 업자의 이해에 따라 정해져야 한다.

도 1~도 7에 실시예와 그 변형을 나타낸다. 각 도면에 있어서 동일 부호는 동일의 것을 나타내며, 각 용어의 의미는 공지 기술을 참작해서 넓게 해석한다. 도 1은 직동-회전 액츄에이터(2)의 실시예를 나타내고, 4는 원기둥 형상 또는 원통 형상 등의 샤프트이며, 그 축 방향을 따라 영구자석(6)이 배열되어 직동용의 자석열(7)을 구성하고 있다.

자석(6)은 예를 들면 자성 금속 분말을 성형한 본드 자석이고, 통 형상이며 중심을 샤프트(4)가 관통해서 샤프트(4)에 고정되고, 양 끝면이 샤프트(4)의 축에 직각인 면으로부터 경사져 있다. 영구자석(6)은 샤프트(4)의 축 방향을 따라 자화되고, 예를 들면 S극끼리가 마주보고 또한 N극끼리가 마주보도록 배열되어 자석열(7)이 된다. 또한 자화의 방향(자석 내에서의 자속의 방향) 및 자석열(7)의 구성 방법은 임의이다.

샤프트(4)의 일단에 복수의 영구자석(8)이 환상으로 고정되어 회전용의 자석열(9)을 구성하고 있다. 자석(8)은 자화의 방향이 샤프트(4)의 둘레 방향이고, 예를 들면 본드 자석으로 이루어지며, 예를 들면 S극끼리가 마주보고 또한 N극끼리가 마주보도록 배열되어 있다. 바람직하게는, 영구자석(8)은 샤프트(4)의 축 방향을 따라 샤프트(4)의 x방향의 스트로크(L1) 이상의 길이(L2)를 가지도록 하여, 샤프트(4)가 직동해도 회전용의 자석열로서 기능시킨다.

10은 직동용의 구동 코일이고, 원통 형상이며 직동용의 자석열(7)을 둘러싸도록 배치되어 있다. 12는 회전용의 구동 코일이고, 원통 형상이며 회전용의 자석열(9)을 둘러싸도록 배치되어 있다. 이들 구동 코일(10,12)은 예를 들면 U상, V상, W상의 3상의 구동 전류에 의해 동작하지만, 구동 전류의 종류, 파형 등은 임의이다. 또한 구동 코일(10,12)에의 전류는 센서(14)에 의해 구한 샤프트의 직동 위치(x) 및 회전각(θ)에 의해 피드백 제어된다. 여기서 직동용의 자석열(7)은 직동용의 구동 코일(10)과의 상호 작용에 의해, 도 1의 ±x방향의 힘을 발생한다. 또한 회전용의 자석열(9)은 회전용의 구동 코일(12)과의 상호 작용에 의해, 도 1의 ±θ방향의 힘을 발생한다. 도 1의 x방향의 위치를 직동 위치라고 하고, θ방향의 위치를 회전각이라고 한다. 실시예에서는 샤프트(4)와 자석열(7,9)이 가동측, 다른 부재가 고정측이지만, 샤프트(4)와 자석열(7,9)을 고정하고, 구동 코일(10,12) 등의 다른 부재를 직동 및 회전시켜도 좋다.

14는 센서이고, 복수의 자기 소자가 샤프트(4)의 축 방향을 따라 배열되고 또한 자석열(7)과 대향하는 위치에 설치되어 있다. 센서(14)는 예를 들면 특허문헌 2(일본 특허 3862033)에 기재되어 있는 여자 코일과 검출 코일이지만, 여자 코일과 검출 코일을 겸용해도 좋고, 또한 홀 소자, 자기 저항 소자 등의 다른 자기 소자를 사용해도 좋다. 또한 자기 소자는 외부로부터의 자계에 의해 특성이 변화되는 소자를 말한다. 16은 자기 실드이고, 비자성의 금속으로 이루어져 구동 코일로부터의 교류 자계를 차단한다. 센서(14)를 구동 코일(10)의 외주측에 배치했기 때문에 자기 실드(16)를 설치했지만, 자기 실드(16)는 설치하지 않아도 좋고, 또한 센서(14)를 도 1의 쇄선 위치에 설치해도 좋다.

18은 제어 회로이고, 센서(14)의 신호에 의해 샤프트의 직동 위치(x)와 회전각(θ)을 형성하여 구동 코일(10,12)을 제어한다. 직동-회전 액츄에이터(2)는 예를 들면 칩 마운터로서 사용하고, 예를 들면 샤프트(4)의 선단에 핸드(20)를 설치하여 도시하지 않은 칩을 흡인하고, 회전 운동에 의해 칩의 방향을 조절하며, x방향의 운동에 의해 칩을 예를 들면 하강시켜서, 도시하지 않은 기판 상에 마운트한다. 직동-회전 액츄에이터(2)는 이것 이외에 로봇의 암, 검사 장치, 도포 장치 등 임의의 용도로 사용할 수 있다.

자석열(7)을 샤프트(4)의 축에 직각인 단면을 따라 도 2에 나타낸다. 자석(6)은 끝면이 축에 직각이 아니기 때문에 2개의 자석(6a,6b)의 경계가 보인다. 구동 코일(10)은 환상이며, 그 외주에 자기 실드(16)에 둘러싸인 센서(14)가 있다.

자석열(9)을 샤프트(4)의 축에 직각인 단면을 따라 도 3에 나타낸다. 자석열(9)의 외주를 예를 들면 U상, V상, W상의 3상의 구동 코일(12)이 환상으로 둘러싸고, 회전 모터로서 샤프트(4)를 회전시킨다.

도 4는 샤프트(4)와 구동용의 코일(10)을 확대해서 나타내고, 영구자석(6)의 중심축을 샤프트(4)가 관통하고, 영구자석(6)의 끝면은 샤프트(4)의 축에 직각인 면에 대하여 경사져 있다. 또한 영구자석(6)은 샤프트(4)에 고정되어 있다.

도 5는 제어 회로(18)를 나타내고, 센서(14)의 신호는 직동 위치(x)와 회전각(θ)의 쌍방에 의존하여 이 신호를 스위치(22)에 입력한다. 액츄에이터(2)가 직동 중은 신호(Px)가 스위치(22)에 입력되고, 센서 신호는 참조표(23)에서 직동 위치로 변환되어 메모리(25)에 직동 위치(x)로서 기억된다. 직동 구동 회로(27)는 이 위치(x)에 의거하여 구동 코일(10)을 제어한다. 또한 액츄에이터가 회전 중은 신호(Pθ)가 스위치(22)에 입력되고, 센서 신호는 참조표(24)에서 회전각으로 변환되어 메모리(26)에 회전각(θ)으로서 기억된다. 회전 구동 회로(28)는 이 회전각(θ)에 의해 구동 코일(12)을 제어한다. 또한, 직동 중은 예를 들면 회전각(θ)은 일정하게 해서 처리하고, 회전 중은 예를 들면 직동 위치(x)는 일정하게 해서 처리하지만, 이것에 한하는 것은 아니다.

도 6, 도 7은 변형예의 직동-회전 액츄에이터(40)를 나타내고, 도 1~도 5의 실시예와 같은 부호는 같은 것을 나타낸다. 자석열(7)을 따라 샤프트(4)의 축 방향으로 복수의 자기 소자를 배열한 센서(42,44)가 복수개, 예를 들면 2개 배치되고, 한쪽의 센서의 신호를 S1, 다른쪽의 센서의 신호를 S2라고 한다. 2개의 센서(42,44)의 신호(S1,S2)를 도 7의 제어 회로(50)에서 직동 위치(x)와 회전각(θ)으로 변환한다. 직동 위치(x)를 구하기 위해서는 센서 신호 S1과 S2를 가산부(51)에서 가산하여 참조표(27)에서 직동 위치(x)로 변환한다. 회전 위치(θ)를 구하기 위해서는 센서 신호 S1과 S2의 차분을 차분부(52)에서 구하여 참조표(28)에서 회전각(θ)으로 변환한다. 센서를 3개 이상 설치할 경우, 이것들의 신호의 평균으로부터 직동 위치(x)가 구해지고, 이것들의 신호의 상대값으로부터 회전각(θ)이 구해진다.

실시예에서는 센서 신호로부터 좌표(위치와 회전각)에의 변환에 참조표를 사용했지만, 승산 그 외의 연산에 의해 좌표를 구해도 좋다. 또한 직동용의 자석열(7) 주위에 회전용의 구동 코일(12)을 배치하여 샤프트(4)를 회전시킬 수도 있다. 이 경우, 회전용의 자석열을 직동용의 자석열로 겸용한 것이 된다. 또한 센서(14)를 리니어 액츄에이터(2)의 다른 부재와는 분리해서 부착하고, 도시하지 않은 회전 모터에 의해 리니어 액츄에이터(2)를 회전시켜서 그 회전각을 센서(14)에 의해 검출해도 좋다. 다만 이러한 설계에서는, 컴팩트한 리니어 액츄에이터로는 되지 않는다. 또한 샤프트(4)의 지지를 도시하지 않은 에어 베어링에 의해 행하면, 비접촉으로 샤프트(4)를 지지할 수 있어 마모, 고장 등의 문제가 적다.

실시예에는 이하의 특징이 있다.

1) 센서(14)에 의해 리니어 액츄에이터(2)의 직동 위치와 회전각을 구할 수 있다. 또한 가령, 리니어 액츄에이터(2)에 회전용 인코더 등을 설치하면 샤프트(4)가 직동하기 때문에 샤프트의 스트로크 만큼의 길이를 갖는 인코더 등이 필요하다.

2) 샤프트(4)와, 자석열(7,9) 및 구동 코일(10,12)에 의해 직동과 회전을 행할 수 있어 컴팩트하다.

2,40 : 직동-회전 액츄에이터 4 : 샤프트
6,8 : 영구자석 7,9 : 자석열
10,12 : 구동 코일 14 : 센서
16 : 자기 실드 18 : 제어 회로
20 : 핸드 22 : 스위치
23,24 : 참조표 25,26 : 메모리
27,28 : 구동 회로 42,44 : 센서
50 : 제어 회로 51 : 가산부
52 : 차분부 53,54 : 참조표

Claims (7)

1. 직동과 회전이 가능한 직동-회전 액츄에이터로서,
   샤프트와,
   끝면이 상기 샤프트의 축과 직각인 면으로부터 경사지고 또한 상기 샤프트를 따라 배열되어 있는 복수의 자석으로 이루어진 직동용의 자석열과,
   상기 직동용의 자석열의 외주측에 배치되어 있는 직동용의 구동 코일과,
   상기 샤프트를 회전시키는 회전 모터와,
   상기 직동용의 자석열을 따라 배치되어 있는 센서와,
   상기 센서의 신호에 의해 샤프트의 직동 위치 또는 샤프트의 회전각을 구하여 상기 구동 코일 및 상기 회전 모터를 제어하는 제어 회로를 구비하고,
   상기 센서는 샤프트의 축 방향을 따라 배열된 복수의 자기 소자로 이루어진 것을 특징으로 하는 직동-회전 액츄에이터.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전 모터는,
   상기 샤프트를 따라 배치되어 있는 복수의 자석으로 이루어진 회전용의 자석열과,
   상기 회전용의 자석열의 외주측에 배치되어 있는 회전용의 구동 코일로 이루어진 것을 특징으로 하는 직동-회전 액츄에이터.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어 회로는,
   상기 직동용의 구동 코일을 구동하고 있을 때에 상기 센서의 신호를 직동 위치로 변환하고,
   상기 회전 모터를 구동하고 있을 때에 상기 센서의 신호를 회전각으로 변환하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 직동-회전 액츄에이터.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 센서가 샤프트의 외주 방향을 따라 복수개 설치되고,
   상기 제어 회로는 복수개의 센서 신호의 합에 의거하여 직동 위치를 구하고, 복수개의 센서 신호의 차에 의거하여 회전각을 구하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 직동-회전 액츄에이터.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 센서는 비자성의 도전체로 이루어진 자기 실드를 통해서 상기 직동용의 구동 코일의 외주측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 직동-회전 액츄에이터.
6. 제 1 항에 있어서,
   칩 마운터의 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 직동-회전 액츄에이터.
7. 직동과 회전이 가능한 직동-회전 액츄에이터의 제어 방법으로서,
   상기 직동-회전 액츄에이터는,
   샤프트와,
   끝면이 상기 샤프트의 축과 직각인 면으로부터 경사지고 또한 상기 샤프트를 따라 배열되어 있는 복수의 자석으로 이루어진 직동용의 자석열과,
   상기 직동용의 자석열의 외주측에 배치되어 있는 직동용의 구동 코일과,
   상기 샤프트의 축을 회전시키는 회전 모터와,
   상기 직동용의 자석열을 따라 배치되고 또한 샤프트의 축 방향을 따라 배열된 복수의 자기 소자로 이루어지고, 직동용의 자석열과 자기 소자의 상호 작용에 의해 신호가 변화되는 센서를 구비하고,
   샤프트의 직동 및 회전 중 어느 것에 대해서나 센서가 직동용의 자석열로부터 받는 자계를 변화시켜서 센서로부터 신호를 인출하고,
   제어 회로에 의해 상기 신호로부터 샤프트의 직동 위치 또는 샤프트의 회전각을 구하여 상기 구동 코일 및 상기 회전 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 직동-회전 액츄에이터의 제어 방법.

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