JP4802332B2

JP4802332B2 - 磁気吸引型非接触搬送装置

Info

Publication number: JP4802332B2
Application number: JP2006547756A
Authority: JP
Inventors: 望充小森
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2025-11-18
Also published as: JPWO2006059505A1; WO2006059505A1

Description

本発明は、電磁石を用いて物体を吸引し、浮上させて搬送又は回転させる磁気吸引型非接触搬送装置に関する。

近年、磁気浮上技術を応用したものとして、モータの磁気軸受、磁気浮上式鉄道、非接触型搬送装置等が注目され、実用化されている。中でも、例えば、日本国特開平６−４６５９２号公報や特開平７−１２３５２８号公報にそれぞれ記載されているような停止保持装置や磁気浮上搬送装置は、搬送物を非接触状態で保持するため、機械的なマニピュレータと異なり摩擦による摩耗や、潤滑の問題がなくなるという利点がある。これは真空中やクリーンルーム内で対象物を、メンテナンスフリーで処理するのに適している。

しかしながら、前記特許公報記載の技術あるいはその他の文献に記載されている技術においては、対象物の位置を直接検知するセンサーが、対象物の下方又は側方に設けられている。この理由は、上部に磁石を備えこの磁石によって対象物を吸引する方式の磁気浮上装置においては、上部に対象物の位置を検知するセンサーがあると磁石の邪魔になり、センサーによっては磁気の影響を受けることがあるからと考えられるが、磁石とセンサーを別々に配置すると、配線等が複雑化して装置が大型化するという問題がある。また、対象物の移動範囲が広いと、多数のセンサーを必要とする。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、センサー（変位計）と磁石を一体化して装置をコンパクト化し、例えば、対象物を遠方まで移送する場合であっても、多数のセンサーを必要としない磁気吸引型非接触搬送装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る磁気吸引型非接触搬送装置は、コイルが巻かれて先部に磁極を形成する磁性体と、前記磁性体に組み込まれ前記磁極によって吸引される対象物の変位を測定する変位計と、該変位計の出力を入力とし前記コイルに流れる電流を制御して、前記対象物の位置を制御する制御装置とを備えた磁気吸着素子を有し、
前記磁性体はそれぞれ下端に中央磁極と環状磁極を備え上部で連結された中央の磁極鉄心部とその外側の筒状鉄心部を有し、前記磁極鉄心部を中心に断面円形に形成され、
前記変位計は、中央の棒状部と、該棒状部の周囲に配置された筒状部と、前記棒状部と前記筒状部との上端を連結するヨーク部を有するセンサー用コアと、前記棒状部に巻回されたコイルとを備えた渦電流センサーからなって、前記磁極鉄心部の中央に形成された円柱状空洞部に、該磁極鉄心部とは隙間を有して埋設され、前記磁極の直下にある前記対象物の変位を直接検知する。
この吸引状態の対象物の位置を変位計で測定し、コイルを流れる電流を制御し、磁極（磁石）による吸引力と対象物の重量をバランスさせて対象物の位置を制御する。なお、磁極による吸引力は磁極からの距離の二乗に反比例し、重力は対象物の変位によっては変化しないので、磁極から対象物までの距離は容易に制御できる。
このように、本発明に係る磁気吸引型非接触搬送装置は、変位計が磁性体に組み込まれているので、全体をコンパクトにすることができる。そして、このような磁気吸着素子を複数組み合わせることによって、複雑な形状の対象物であっても、その搬送や位置制御、場合によって回転制御も行なうことができる。

本発明に係る磁気吸引型非接触搬送装置において、前記変位計は前記磁性体の内部（中央部）に形成され、少なくともその下部が開放した円柱状空洞部に一体的に組み込まれ、前記磁極の直下にある前記対象物の変位を直接検知する。

そして、前記変位計は前記磁性体とは隙間を有して配置されている。更には、前記変位計は、該変位計を囲み、該変位計と隙間を有して又は密着して高透磁率のケースに収納されて、前記円柱状空洞部に配置することもできる。これらによって、変位計がコイルに電流を流すことによる磁場の影響を受け難くなり、より正確な変位の測定ができる。

本発明に係る磁気吸引型非接触搬送装置において、前記磁性体の内側又は外側に永久磁石を組み込むこともできる。この場合、コイルによって磁性体に発生する磁極の方向と永久磁石の磁極の方向を合わせておくと、コイルに流す電流を減らすことができ、省電力化を図ることができる。なお、この場合、永久磁石は、対象物を吸着保持できる磁力より小さくしておくのがよい。これによって、コイルを通電することによって発生する磁力と永久磁石の磁力とが合算して対象物に加わることになる。

本発明に係る磁気吸引型非接触搬送装置において、前記磁性体の内又は外には、前記対象物に回転トルクを与える補助コイルを設けることもできる。これによって対象物に回転トルクを与えることができ、対象物の位置及び速度等の回転制御を行うことができる。ここで、この対象物を磁性物からなる球体又はその他の軸対象物体とした場合には、対象物を磁気で宙づりした状態で回転させることができる。更に、この対象物を球体とした場合には、その表面に模様を記載して、例えば地球儀等の飾り物とすることができる。

そして、本発明に係る磁気吸引型非接触搬送装置において、前記磁気吸着素子をロボットハンドのアームの先部に設けることもできる。これによって、ロボットハンドのアームを用いて対象物を任意の場所に移動させることができる他、複数のロボットハンドを用いることによって対象物の角度や姿勢も自由に制御できる。

また、本発明の磁気吸引型非接触搬送装置において、複数の前記磁気吸着素子が共通の架台に設けられ、前記磁気吸着素子の中間には、前記対象物の上側に設けられた磁石とは同極の磁極を有ししかもその磁極が下方に向いた吸着防止用磁石を設けることも可能である。これによって、対象物が下からの荷重や衝撃を受けた場合に、吸着防止用磁石が対象物に設けられている磁極と反発し、対象物が磁気吸着素子に吸着されて衝突するのを防止できる。

本発明の第１の実施例に係る磁気吸引型非接触搬送装置に用いる磁気吸着素子の構造を示す説明図である。同磁気吸引型非接触搬送装置の電気回路の説明図である。電流と磁気吸引力との関係を示すグラフである。対象物と磁極との間のギャップと磁極の吸引力との関係を示すグラフである。変位目標値を変えた場合の時間とギャップとの関係を示すグラフである。（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の第２の実施例に係る磁気吸引型非接触搬送装置の磁気吸着素子の部分断面図である。（Ａ）は本発明の第３の実施例に係る磁気吸引型非接触搬送装置の説明図であり、（Ｂ）は図７（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の第１の実施例に係る磁気吸引型非接触搬送装置は、磁気吸着素子１０を備えている。磁気吸着素子１０は、内側に環状の空洞部１１が形成された磁性体の一例である鉄心１２と、鉄心１２中央の磁極鉄心部１３を取り囲む空洞部１１に設けられたコイル１４と、磁極鉄心部１３の中央部に埋め込まれた変位計の一例である渦電流センサー１５とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。なお、渦電流センサー１５は、磁極鉄心部１３の軸心に対して偏心して配置することもできる。

鉄心１２は、飽和磁束密度の高い鉄材料で形成され、この実施例では中央の磁極鉄心部１３を中心として断面円形に形成されている。コイル１４には直流を流すので、鉄心１２内には渦電流は流れることは殆どなく、必ずしも積層鉄心でなくてもよい。また、この実施例においては、鉄心１２は断面円形としているが、Ｅ字形鉄心片を積み重ねて構成してもよい。
コイル１４は、対象物１６の変位の変動性に対する応答性を高めるために、太い導体を用い、低インピーダンスとするのがよく、例えば、その時定数を１／２０００〜１／１００秒とするのが好ましい。このコイル１４と鉄心１２によって電磁石１７が形成されている。コイル１４に通電すると、磁極鉄心部１３の下端及びその外側の筒状鉄心部１３ａの下端に磁極（中央磁極と環状磁極）が形成される。

渦電流センサー１５は、図１の部分拡大図に示すように、中央に棒状部１９を、その周囲に筒状部２０を、上部に棒状部１９と筒状部２０の上端を連結するヨーク部２１を有するセンサー用コア２２と、棒状部１９に巻回されたコイル２３とを有し、このコイル２３に図２に示すコントローラ２４から高周波電流を流し、対象物１６の変位によって変化するコイル２３のインピーダンスを測定し、これを距離に換算する構造となっている。このセンサー用コア２２はこの実施例では、高周波特性の良いフェライトコア等の焼結コアを使用しているが、コイル２３に流す高周波（例えば、１０〜２００ｋＨｚ）に対して損失や発熱を起こしにくい材料であれば、他の磁性材料を使用することもできる。

センサー用コア２２は、磁極鉄心部１３の先側の下部が開放した円柱状空洞部２５に埋設されているが、周囲の磁極鉄心部１３とは隙間を有して配置され、この隙間部分には樹脂２６が充填されている。中央の棒状部１９の下端及び周囲の筒状部２０の下端の位置は、磁極鉄心部１３の下端と一致し、センサー用コア２２が磁極鉄心部１３の下端、即ち、磁極から露出している。この実施例ではセンサー用コア２２の下端は磁極から物理的に露出しているが、表面に樹脂等を塗布する場合も、センサー用コア２２が、磁極鉄心部１３の磁極の下端から磁気的に露出していることになり、本発明の権利範囲に含まれる。

また、この実施例においては、円柱状空洞部２５は磁極鉄心部１３の下部にのみ形成しているが、図１に破線ｅで示すように、磁極鉄心部１３を上下に貫通することもでき、これによって、鉄心加工が容易となると共に、渦電流センサー１５が磁場の影響を受けにくくなるという利点がある。また、渦電流センサー１５の周囲に透磁率の高い材料で形成されたケースを設けることもでき、この場合、このケースを渦電流センサー１５に密着させて、又は隙間を有して配置することができ、周囲からの磁束がこのケースを通過し、渦電流センサー１５への磁場の影響が更に小さくなる。なお、このケースは円柱状空洞部２５に配置されている。

図２には、この磁気吸引型非接触搬送装置に用いる磁気吸着素子１０の制御装置２８を示すが、電磁石１７に設けられた渦電流センサー１５のコイル２３に接続される前記コントーローラ２４を有し、コントローラ２４からのアナログ信号（即ち、対象物１６の変位信号）をＡ／Ｄコンバータ２９で変換してコンピュータ（計算機）３０にその信号を送っている。一方、コンピュータ３０では、対象物１６の設定変位（基準高さｈ）と対象物１６の変位信号とから、ＰＤ制御又はＰＩＤ制御を行って、デジタル出力を発生し、これをＤ／Ａコンバータ３１でアナログ信号に変換してパワーアンプ３２で増幅し、電磁石１７のコイル１４に通電している。

なお、図３に、この電磁石１７の中央磁極（磁極鉄心部１３）の先端から例えば直下１ｍｍの位置での吸引力（Ｎ）と励磁電流（Ａ）との関係を示すが、励磁電流に吸引力は比例する。また、図４には、同一電磁石１７を用いて励磁電流を０．０６Ａとした場合の、電磁石１７の中央磁極の先端と対象物１６とのギャップ（ｍｍ：隙間）と吸引力（Ｎ）との

関係を示したもので、吸引力は、（ギャップ長＋定数）の自乗に反比例して小さくなる。

従って、前記したギャップは渦電流センサー１５で測定されるので、磁性物体からなる対象物１６（又は磁気吸着素子１０）の高さ位置に外乱が発生し急に対象物１６が相対的に上昇又は下降した（変位ｘ）場合、これに比例させて電磁石１７の電流を増加させても吸引力が追いつかないので、比例要素Ｐに、変位ｘの微分要素Ｄを加えて制御するのがよい。更に、微分要素Ｄを加えるだけでは外乱に対して敏感に応答するので、変位ｘの積分要素Ｉも考慮して制御するＰＩＤ制御を行うのがよく、これによって、対象物１６の変位ｘを一定の範囲に落ち着かせることができる。なお、この制御系の係数を決定するには、周知の最適レギュレータ理論を適用するのがよい。

対象物１６の変位を変える場合には、コンピュータ３０の予め決められている変位ｘ（ギャップ）の基準値を変更することになる。この基準値を変えると、その差分に応じて対象物１６が上昇又は下降し、再設定された所定の変位で保持される（図５参照）。この状態で、磁気吸着素子１０が取付けられた磁気吸引型非接触搬送装置を例えば水平移動させると、対象物１６と電磁石１７の中央磁極の距離が一瞬長くなろうとするので、電磁石１７の力で制御され対象物１６の重力とバランスしながら水平移動することになる。なお、磁気吸引型非接触搬送装置を制御系が応答できる速度範囲で、磁気吸引型非接触搬送装置が上昇、下降、又は斜め移動する場合も、対象物１６は電磁石１７に吸引されながら移動する。また、対象物１６と電磁石１７の中央磁極の距離は、電磁石１７の磁力及び対象物１６の重量に対応して必然的に最小値と最大値を有する制御可能変位領域が存在する。
例えば、対象物１６をテーブルの上に載置する場合には、テーブルの上に載る対象物１６が前記した制御可能変位領域にあることを確認した後、徐々に対象物１６の変位を下げることによって行う。また、テーブルの上にある対象物１６をつり上げる場合には、逆の操作をすることになる。

続いて、図６（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら、本発明の第２の実施例に係る磁気吸引型非接触搬送装置の磁気吸着素子３５について説明するが、第１の実施例に使用した磁気吸着素子１０と同一の構成要素は同一の符号を用いてその詳しい説明を省略する。
図６に示すように、磁気吸着素子３５は、鉄心１２の周囲に環状の永久磁石３６が設けられている。この永久磁石３６の下端の磁極は、鉄心１２の外側筒３７の下端の磁極と同一となって、丁度、電磁石１７の磁気を増加する方向に永久磁石３６が配置されている。なお、電磁石１７の励磁電流を０とした場合、この永久磁石３６の強さだけでは、対象物１６を引き上げることができない強さの永久磁石３６を使用している。これによって、対象物１６をつり上げる場合には、この永久磁石３６からの磁束が電磁石１７の磁束に加わり、励磁電流を減らすことができる。
なお、この永久磁石の配置位置は、永久磁石の磁束が電磁石１７の磁束に重畳できるような位置であれば、鉄心１２の内部や途中位置であってもよい。

また、電磁石１７の外側（内側でもよい）に、回転磁界を発生させる補助コイル３８を設けることもできる。この補助コイル３８の構造は誘導モータのステータの構造と同一であって、例えば、インバータ等によって周波数を制御された交流を流すと、これに応じて対象物に回転トルクが加わる。対象物が例えば、球体である場合には、これに回転を与えることができる。この場合、回転体（球体）の回転軸心が決まらない場合には、回転体の上部のみを磁性体とするか、又は回転体の上部に電磁石１７の中央磁極に吸着される永久磁石を配置しておいてもよい。
なお、この磁気吸着素子３５には支持ケース１２ａを介して雄ねじ３９が設けられて、磁気吸引型非接触搬送装置の取付けフレーム（例えば、磁気吸引型非接触搬送装置の一例であるロボットハンドのアームの先端）に固定できる構造となっている。

続いて、図７を参照しながら、本発明の第３の実施例に係る磁気吸引型非接触搬送装置４０について説明する。
図７に示すように、この実施例に係る磁気吸引型非接触搬送装置４０は、搬送架台４１と、その下部の４隅に設けられている磁気吸着素子４２とを有している。この磁気吸着素子４２の構造は、先に説明した磁気吸着素子１０、３５と実質同一である。従って、それぞれの磁気吸着素子４２について独立に制御装置を有している。
なお、搬送対象物４３には、磁気吸着素子４２に対応する位置に磁着物の一例である鉄柱４４〜４７が設けられている。この鉄柱４４〜４７の表面は同一高さにあって、それぞれ滑らかな平面を形成している。

また、この磁気吸引型非接触搬送装置４０においては、隣り合う磁気吸着素子４２の中間部には磁極が下方に向いた吸着防止磁石５０〜５３が設けられている。一方、搬送対象物４３の上側には、この吸着防止磁石５０〜５３に対応する位置に、永久磁石５４〜５７が設けられている。永久磁石５４〜５７と、対応する吸着防止磁石５０〜５３の極性は同極となってお互いが反発するようになっている。吸着防止磁石５０〜５３は永久磁石であるのが好ましいが、電磁石であってもよい。なお、吸着防止磁石５０〜５３と永久磁石５４〜５７のそれぞれの露出する磁極は全部同一の磁極（例えば、Ｎ極）とするのがよい。
吸着防止磁石５０〜５３の先端は、磁気吸着素子４２の先端より距離Ｌだけ突出しているのが好ましい。これによって、搬送対象物４３が急上昇した場合であっても、吸着防止磁石５０〜５３が永久磁石５４〜５７と反発するので、鉄柱４４〜４７が磁気吸着素子４２に衝突吸着することはない。なお、吸着防止磁石５０〜５３と永久磁石５４〜５７との反発力が大きすぎると、磁気吸着素子４２によって鉄柱４４〜４７（即ち、搬送対象物４３）が吸着されないので、吸着防止磁石５０〜５３が永久磁石５４〜５７に当接する又は近接する位置（例えば０〜４ｍｍ）では反発力が強く、それを超える位置では、磁気吸着素子４２と鉄柱４４〜４７との吸着力の方が強くなるように、距離Ｌ及びその磁石の強さを調整するのがよい。なお、吸着防止磁石５０〜５３を電磁石として、それぞれ渦電流センサー１５で鉄柱４４〜４７までの距離を測定し、吸着防止磁石５０〜５３の電流を制御してもよい。

この実施例に係る磁気吸引型非接触搬送装置４０において、吸着防止磁石５０〜５３及び永久磁石５４〜５７を省略し、各磁気吸着素子４２に鉄柱４４〜４７を吸引させ、渦電流センサー１５によって各鉄柱４４〜４７の変位を適正に保って、搬送対象物４３をつり上げることもできる。この場合、磁気吸引型非接触搬送装置４０の移動に沿って、搬送対象物４３も移動することになる。この場合、鉄柱４４〜４７の一部又は全部に永久磁石を使用することもでき、これによって、磁気吸着素子４２を流れる電流を減らすことができる。
なお、搬送対象物４３は、この実施例においては、特別に作られたキャリッジからなって、内部に、例えば、放射性物質、半導体又はその装置、その他の化学物質等が配置されている。
また、前記実施例においては、磁気吸着素子が１つ又は４つの場合で説明したが、その他の個数の磁気吸着素子を用いる場合も本発明は適用される。
そして、本発明においては、発明の理解を容易にするため、具体的数字を用いて説明したが、本発明はこれらの数字には限定されるものではない。

本発明に係る磁気吸引型非接触搬送装置は、対象物の変位を測定する変位計が磁性体内に組み込まれているので、装置全体をコンパクトに構成できる。従って、本発明に係る磁気吸引型非接触搬送装置を用いて、宙づり状態の対象物（例えば、地球や月模型）を有する装飾物を提供できるだけでなく、タンクやチャンバー等内に収納された対象物を外部から位置制御や移動制御をすることができ、半導体の製造装置、化学や生物に関する実験装置、宇宙開発の分野で利用可能である。

Claims

コイルが巻かれて先部に磁極を形成する磁性体と、前記磁性体に組み込まれ前記磁極によって吸引される対象物の変位を測定する変位計と、該変位計の出力を入力とし前記コイルに流れる電流を制御して、前記対象物の位置を制御する制御装置とを備えた磁気吸着素子を有し、
前記磁性体はそれぞれ下端に中央磁極と環状磁極を備え上部で連結された中央の磁極鉄心部とその外側の筒状鉄心部を有し、前記磁極鉄心部を中心に断面円形に形成され、
前記変位計は、中央の棒状部と、該棒状部の周囲に配置された筒状部と、前記棒状部と前記筒状部との上端を連結するヨーク部を有するセンサー用コアと、前記棒状部に巻回されたコイルとを備えた渦電流センサーからなって、前記磁極鉄心部の中央に形成された円柱状空洞部に、該磁極鉄心部とは隙間を有して埋設され、前記磁極の直下にある前記対象物の変位を直接検知することを特徴とする磁気吸引型非接触搬送装置。
請求項１記載の磁気吸引型非接触搬送装置において、前記変位計は高透磁率のケースに収納されて、前記円柱状空洞部に配置されていることを特徴とする磁気吸引型非接触搬送装置。
請求項１又は２記載の磁気吸引型非接触搬送装置において、前記磁性体には外側に永久磁石が組み込まれていることを特徴とする磁気吸引型非接触搬送装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気吸引型非接触搬送装置において、前記磁性体の内又は外には、前記対象物に回転トルクを与える補助コイルが設けられていることを特徴とする磁気吸引型非接触搬送装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁気吸引型非接触搬送装置において、前記磁気吸着素子は、ロボットハンドのアームの先部に設けられていることを特徴とする磁気吸引型非接触搬送装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気吸引型非接触搬送装置において、複数の前記磁気吸着素子が共通の架台に設けられ、前記磁気吸着素子の中間には、前記対象物の上側に設けられた磁石とは同極の磁極を有ししかもその磁極が下方に向いた吸着防止用磁石が設けられていることを特徴とする磁気吸引型非接触搬送装置。